JP4667932B2 - 光変調器 - Google Patents
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光変調周波数の広帯域化を実現するためには、変調信号であるマイクロ波と光波との速度整合を図ることが重要であり、これまでに、様々な方法が考案されている。具体例を挙げれば、バッファ層の厚膜化、電極の高アスペクト化やリッジ構造などがこれにあたる。
また、以下の特許文献1又は2においては、30μm以下の厚みを有する極めて薄い基板(以下、「第1基板」という。)に、光導波路並びに変調電極を組み込み、第1基板より誘電率の低い他の基板(以下、「第2基板」という。)を接合し、マイクロ波に対する実効屈折率を下げ、マイクロ波と光波との速度整合を図ることが行われている。
山根他、「サンドブラスト法によるLN基板加工」、住友大阪セメント・テクニカルレポート2003年版、pp49-54(2003)
(1)該薄板材料がLN、LT、あるいは両者の固溶体からなり、該補強板は、ブラックLN基板、ブラックLT基板を用いること
(2)該補強板は、分極反転処理により焦電効果を抑制する機構を持つこと
(3)該薄板材料がLN、LT、あるいは両者の固溶体からなり、該補強板は、LN基板あるいはLT基板をキュリー温度以上で熱処理し、マルチドメイン構造を発現させたこと
本発明における「線膨張係数が同等」とは、単に薄板の線膨張係数と一致するものだけを意味するのではなく、薄板と補強板とを組合せた際に、両者の線膨張係数差により、温度ドリフトやDCドリフトが発生しても、これらのドリフト量が光変調器を使用する上で問題とならない範囲であるならば、両者の線膨張係数は同等とみなされる。
ニオブ酸リチウムの場合、X軸方向、Y軸方向の線膨張係数が16×10−6/℃であり、Z軸方向5×10−6/℃であることから、例えば、線膨張係数が1〜35×10−6/℃の範囲を同等とみなす場合もあるし、光変調器の種類にも依存するが、DCドリフトなどで変調動作点が初期印加電圧に対して変化する場合に、該変化量が50%以内の時は、両者の線膨張係数はほぼ同等といえる場合もある。
なお、本発明における「ブラックLN」「ブラックLT」とは、LN基板又はLT基板から酸素の一部を除き、酸素欠陥を多くしたものであり、LN基板やLT基板と比較し、導電性を高くしたものを意味する。
また、本発明における「マルチドメイン構造」とは、自発分極の向きが異なるドメインを多数導入した構造を意味する。
本発明における「薄板材料と同等の材料」とは、薄板材料とほぼ同じ温度変化に対する焦電効果を有し、かつ線膨張係数がほぼ同じ特性を有する材料であり、該材料を使用することにより薄板に生じる焦電効果を低減することが可能な材料を意味する。また、「基板の厚みが略等しい」とは、厚みが同一のものに限らず、仮に基板の厚みが異なっても、焦電効果を低減することが可能な厚みであれば、本発明の技術的範囲に属するものである。
本発明は、電気光学効果を有する材料で形成され、厚みが150μm以下の薄板と、該薄板の表面又は裏面に形成された光導波路と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極と、該薄板の裏面に接着された補強板とを含む光変調器において、該補強板には、焦電効果が該薄板より低く、線膨張係数が該薄板と同等である材料を用いたことを特徴とする。
信号電極や接地電極などの変調電極は、Ti・Auの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体SiO2等のバッファ層(不図示)を設け、バッファ層の上に変調電極を形成することも可能である。
基板の厚みとしては、150μm以下が好ましく、その理由は、マイクロ波の伝搬損失を抑制する効果が得られるためである。さらに好ましくは、基板厚さは30μm以下であり、この場合には光波とマイクロ波の速度整合条件が飛躍的に緩和され、広帯域かつ低駆動電圧の光変調器が実現できる。また、基板厚さは10μm以下でもよく、この場合には、(薄板下部に低屈折率層を設けることにより、)より強閉じ込めの導波路を形成可能である。
(1)基板の酸素欠陥を多くし、導電性を高める処理
具体的には、市販されているLN又はLTを還元雰囲気中で熱処理又はプラズマ処理を行うことにより、基板内の酸素を一部除去することにより製造することが可能である。このような処理により製造された基板は、酸素欠陥を多く含んでおり、導電性も処理前より向上する。通常、このような処理が施された基板は、「ブラック」あるいは「Reduced」と呼ばれている。幾つかのLN,LT供給メーカーからもブラックLN,ブラックLTの名称で主にSAWデバイス用途で市販されており、簡易にはこれらのウエハを使用することも可能である。
基板に、高電圧(LNの場合、18kv/mm以上)を局所的に印加し、図2のように、基板5内の分極方向を部分的に反転する領域6を形成する。これにより、分極反転された領域では、分極反転されていない領域とは逆向きに焦電効果が発生し、補強板全体としては焦電効果が抑制されたものとなる。分極反転領域のパターンは、ランダムなパターン又は規則的パターンのいずれでも良いが、分極反転領域又は非分極反転領域のサイズを、光導波路や変調電極と比較し、十分小さな微細パターンとすることが、補強板に発生する焦電効果の影響を薄板に及ぼさないために、特に好ましい。また、薄板に発生する焦電効果を見越して、補強板全体に発生する焦電効果が、該薄板の焦電効果を打ち消すように働くよう、分極反転領域の総面積を調整することも可能である。
基板をキュリー温度以上で熱処理し、分極方向をランダムな状態とすることで、焦電効果の原因となる自発分極がランダムな状態となり、補強板全体としては焦電効果が抑制される。具体的には、一致溶融組成ニオブ酸リチウム(Congruent LN)の場合には、キュリー温度(約1130℃)以上に基板を加熱する。また、一致溶融組成タンタル酸リチウム(CLT)の場合には、キュリー温度(約690℃)以上に基板を加熱することにより、マルチドメイン化することが可能である。また、熱処理に際し、予めTiなどの金属薄膜を形成し、冷却速度を大きくとると、より効果的にマルチドメイン構造を得られる。
また、補強板自身が焦電効果をほとんど持たない場合には、接着層は導電性、絶縁性のいずれの材料種でも使用可能である。
具体的には、薄板と補強板との間に、該薄板材料と同等の材料で、基板の厚みが等しく、かつ自発分極の方向が該薄板と互いに相反するように配置された焦電効果低減部を設ける。この構成により、薄板と同一の電荷量を持ち、かつ、その極性を異にする焦電効果低減部を配することとなるため、温度変化によって生じる薄板の電界をキャンセルすることができ、しかも焦電効果低減部は線膨張係数が薄板と同じであるため、温度変化による応力の誘起が生じず、極めて変調特性の安定した光変調器を提供することができる。また、自発分極の大きさが異なる材料間においても、基板厚さとの自発分極の積が同等であれば薄板に生じる焦電効果をキャンセルできる。
さらに、上述したように、補強板を分極反転する際に、予め、薄板に発生する焦電効果をキャンセルできるように、分極反転領域を調整することも可能である。
薄板の光変調素子は、基板に、厚み500μmのZカット型CLNを使用し、Ti拡散プロセスにより、基板表面に光導波路を形成する。次に、バッファ層として厚み0.6μmのSiO2膜を基板表面に形成し、その後、メッキプロセスで高さ30μmの変調電極を形成する。
(実施例1)
実施例1の補強板としては、薄板と同じ基板を使用し、石英チューブ炉内に、該基板を導入し、H2ガス中で600℃、10時間に渡り還元処理を行いブラックLNを作製した。ブラックLNの体積抵抗値は1×109〜5×1012Ω・cm程度であり、還元処理前の体積抵抗値1×1014〜5×1015Ω・cm程度より導電性が高くなっている。また、室温から95℃まで温度を上昇させた際の表面電位を測定したところ、未処理LNは3kVであるのに対し、還元処理品は0.05kV以下(測定下限値)であった。さらに、この電荷が中和されるのに要する時間は、クリーンルーム内(室温23℃湿度40%)の自然放置条件下において、還元処理品がおよそ1secであるのに対し、未処理品は1日以上放置しても中和がなされなかった。なお、還元処理は、上述装置を用いて、減圧雰囲気下、350℃、5時間の還元処理、あるいはプラズマ表面改質装置内において、Arイオンプラズマ主体のイオンエッチング処理を0.5時間行うことでも可能であった。
実施例2の補強板としては、薄板と同じ基板を使用し、補強基板の+Z表面に最小サイズ5×5μm正方形のモザイクパターンのフォトレジスト絶縁膜をフォトリソグラフィ法を用いて形成後、基板の表面及び裏面から液体電極を介して、22kV/mmの電界を印加し、分極反転を行った。室温から95℃まで温度を上昇させた際の表面電位を測定したところ、分極反転処理前のLNは3kVであるのに対し、還元処理品は0.05kV以下(測定下限値)であった。さらに、この電荷が中和されるのに要する時間は、クリーンルーム内(室温23℃湿度40%)の自然放置条件下において、還元処理品がおよそ1secであるのに対し、未処理品は1日以上放置しても中和がなされなかった。
実施例3の補強板としては、薄板と同じ基板を使用し、+Z面にTi膜を100nm形成後、基板を1200℃で2時間、dry雰囲気下で加熱処理を行った。このときの、昇温速度は5℃/min、降温速度は20℃/minである。熱処理の前後で、クロスニコル配置した偏光板の間に該基板挿入し、透過光下で観察したところ、降温速度を昇温速度よりも多くとることで、より多くのマルチドメイン構造が得られることを確認した。
比較例の補強板としては、薄板と同じ基板を使用した。
実施例1〜3及び比較例の各補強板について、互いを直接接合法により接着した。
直接接合は、それぞれの基板を界面活性剤、有機溶剤を用い、超音波を付与して洗浄した後、電子工業用グレートのアンモニア水と過酸化水素水の混合薬液中にて5min浸漬し、表面を活性化処理した。超純水を用いてリンスを行った後、乾燥窒素にて表面をブローし、互いの結晶方位をそろえ、光導波路と光変調用の電極とが作りこまれた薄板と、補強基板とを張り合わせた。
各光変調器の焦電効果を評価するため、温度を0〜70℃まで変化させ、光変調器のバイアス点の変動を計測した。25℃における初期バイアスを基準として、各温度でのバイアス点変動量(Δバイアス。単位V)計測結果を、表1に示す。
実施例4として光導波路が形成された、厚みが10μmのLN薄板と、同じく厚さが10μmのLN基板を焦電効果低減部として用い、互いに自発分極の向きが相対するようにして、上記直接接合法にて接着した。その後、実施例1の補強板を直接接合法にて接合したのち、電極を配し光変調器を得た。
光変調器の焦電効果を評価するため、温度を0〜70℃まで変化させ、光変調器のバイアス点の変動を計測した。25℃における初期バイアスを基準として、各温度でのバイアス点変動量(Δバイアス。単位V)計測結果を、表2に示す。
次に、実施例5として、接着剤(商品名:アロンセラミックスC、東亜合成社製)を用い、実施例1の補強板を使用して、光変調器を作成した。接着層の厚さは50μmに設定した。伝搬する光波のニアフィールドパターンを比較例と比較したところ、実施例5の場合の方が光波の閉じ込めが強くなっていることを確認した。
また、実施例6としては、上記の光変調素子を組み込んだ薄板の裏面に、バッファ層として厚み0.5μmのSiO2膜を形成した。そして、実施例5の薄板に実施例1で使用した補強板を、エポキシ系UV硬化型接着剤(商品名:3505−HM、EMI社製)で接着し、図3に示す光変調器を作成した。接着層の厚さは10μmとした。伝搬する光波のニアフィールドパターンを比較例と比較したところ、実施例6の場合の方が光波の閉じ込めが強くなっていることを確認した。
また、熱サイクル試験(−20℃から70℃の温度範囲、20サイクル、最高及び最低温度での保持時間30min、昇降温速度3℃/min)、熱衝撃試験(−40℃から85℃の温度範囲、20サイクル、昇降温速度42℃/min)を実施したが、直接接合面の剥離は生じず、また、界面に応力が集中することに起因するバイアス点の変化も見られなかった。
2 接着剤
3,5 補強板
4 光導波路
6 分極反転領域
10 バッファ層
Claims (6)
- 電気光学効果を有する材料で形成され、厚みが150μm以下の薄板と、該薄板に形成された光導波路と、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極と、該薄板より厚みの大きい補強板とを含む光変調器において、
該補強板には、焦電効果が該薄板より低く、線膨張係数が該薄板と同等である以下の(1)乃至(3)のいずれか一つの条件を満足する材料を用いたことを特徴とする光変調器。
(1)該薄板材料がLN、LT、あるいは両者の固溶体からなり、該補強板は、ブラックLN基板、ブラックLT基板を用いること
(2)該補強板は、分極反転処理により焦電効果を抑制する機構を持つこと
(3)該薄板材料がLN、LT、あるいは両者の固溶体からなり、該補強板は、LN基板あるいはLT基板をキュリー温度以上で熱処理し、マルチドメイン構造を発現させたこと - 請求項1に記載の光変調器において、該薄板と該補強板との間に、該薄板材料と同等の材料で、基板の厚みが略等しく、かつ自発分極の方向が該薄板と互いに相反するように配置された焦電効果低減部を設けたことを特徴とする光変調器。
- 請求項1に記載の光変調器において、該薄板と該補強板とは、直接接合法により接合されていることを特徴とする光変調器。
- 請求項1に記載の光変調器において、該薄板と該補強板とは、該薄板より屈折率の低い接着層で接合されていることを特徴とする光変調器。
- 請求項1乃至4のいずれかに記載の光変調器において、該薄板の裏面にはバッファ層が形成されていることを特徴とする光変調器。
- 請求項1乃至5のいずれかに記載の光変調器において、該薄板の自発分極軸が主面の法線方向であることを特徴とする光変調器。
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