JP4968995B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光変調器に関し、特に高速かつ大容量の光通信システムなどに用いられる導波路型光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光変調器は、光通信システムにおいて重要な要素となっている。特に近年では、広帯域、低電力かつ超高速で動作する光変調器が要求されることから、動作速度の速い電気光学を利用した光変調器が実用化されている。その代表的なものとして、導波路型光変調器がある。
【０００３】
導波路型光変調器の例としては、電気光学効果を有するＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム。以下、ＬＮと略する。）を用いたものがあり、基本的な構成としては、ＬＮ基板上にＴｉを拡散させた光導波路を形成し、その上にＳｉＯ_２のバッファ層を設け、このバッファ層を介して光導波路に電界を印加する信号電極（進行波型電極とも称する）を形成することで構成される。
【０００４】
光変調器の高速化を図るためには、光導波路を伝搬する光の伝搬速度と信号電極上の電気信号の伝搬速度とをほぼ同じにすること（速度整合条件）が必要であり、そのためには、信号電極の厚さ（高さ）を１０μｍ以上と通常の回路配線より厚くすることが求められる。このため、信号電極は、レジスト膜で形成された溝部分に、金メッキ法を用いて形成されるのが一般となっている。
【０００５】
また、導波路型光変調器の特性の一つである帯域幅は、光通信システムにおいては重要な要素であり、特に高速かつ大容量の通信を確保するには、より広い帯域幅を持つ光変調器が求められている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
光変調器の帯域幅は、信号電極に印加されるマイクロ波の伝搬損失や速度整合条件によって制限される。特に、近年の光変調器の性能を支配する要素としては、マイクロ波伝搬損失が、帯域幅を制限している大きな要因となっている。マイクロ波伝搬損失を抑えるためには、信号電極の電気抵抗を下げることが有効であり、現在、信号電極には、金メッキが利用されているが、数１０ＧＨｚ以上にも及ぶ広帯域幅の特性を安定的に確保するには、１０μｍ以上の厚みのある電極を形成すると共に、マイクロ波伝搬損失を一層抑制することが必要となる。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、低いマイクロ波伝搬損失により広い帯域幅を有する光変調器を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、ニオブ酸リチウム基板と、基板内の一部を通過する光を変調し、かつ、基板上に形成された電極層とを有する光変調器において、前記電極層のうち信号電極は少なくとも２つ以上からなる層で形成され、上記基板側に接触する信号電極層（接触層）の電気抵抗率が、他の信号電極層の電気抵抗率より低く、前記接触する信号電極層（接触層）は真空成膜法により形成され、メッキ析出法より緻密な構造を有すると共に、前記接触する信号電極層（接触層）の厚さは、０．３〜０．７μｍであり、かつ、次式で与えられる厚さδ程度以上であることを特徴とする。
（式）δ＝（２／ωμσ）^１／２×１０^３（ｍｍ）
(但し、式中、ω＝２πｆ（ｆは周波数（Ｈｚ））、透磁率μ＝μ_ｒ・μ_０（μ_ｒ；金属の比透磁率、μ_０；真空の透磁率４π×１０^−７（Ｈ／ｍ））、金属の導電率σ（Ｓ／ｍ）を表す)
【０００９】
請求項１の発明によれば、マイクロ波の伝搬している信号電極表面の電気抵抗を下げ、特に、電気光学効果を有する基板側に接触する電極部分において電気抵抗を下げるため、マイクロ波が形成する電界が効果的に基板に作用する位置関係においてマイクロ波の伝搬損失を抑制することが可能となる。
しかも、信号電極を複数の異なる層で形成することにより、接触層では主として高周波数のマイクロ波伝搬損失を低減する機能を、接触層以外の他の層では主として１０μｍ以上に及ぶ電極構造を形成・維持する機能を持たせることにより、各々の機能に適した材料や方法を採用することができる。このため、製品設計の自由度が拡大し、生産コストの低減や歩留まりの高い生産が可能となる。
さらに、高周波数のマイクロ波が伝搬する電極表面の表皮深さ（ｓｋｉｎ ｄｅｐｔｈ）δ程度の厚みだけ、信号電極の接触層の厚さを確保し、該接触層において電気抵抗を低くするように構成しているため、マイクロ波の伝搬損失を、最も効果的に低減することが可能となる。
【００１０】
また、請求項２に係る発明は、ニオブ酸リチウム基板と、基板内の一部を通過する光を変調し、かつ、基板上に形成された電極層を有する光変調器において、該電極層のうち信号電極は少なくとも２つ以上からなる層で形成され、上記基板側に接触する信号電極層（接触層）は緻密に形成された層であり、他の信号電極層は粗粒子状に形成された層であり、さらに、前記接触する信号電極層（接触層）は真空成膜法により形成され、メッキ析出法より緻密な構造を有すると共に、前記接触する信号電極層（接触層）の厚さは、０．３〜０．７μｍであり、かつ、次式で与えられる厚さδ程度以上であることを特徴とする。
（式）δ＝（２／ωμσ）^１／２×１０^３（ｍｍ）
【００１１】
請求項２の発明によれば、基板側に接触する接触層は、金などの素材が緻密に集合した層で形成されるため、電気抵抗が低く抑えられ、特に、高周波数のマイクロ波が伝搬する場合には、その伝搬損失をより低くすることが可能となる。
また、信号電極の他の部分は、素材を粗粒子状として形成しているため、従来のメッキ法などが採用でき、しかも、１０μｍ以上の厚みの電極を形成した場合においても、素材を緻密なもので形成する場合と比較して、信号電極の製造・使用時の温度変化による素材の膨張・収縮変化などにより、基板から信号電極が剥離したり、信号電極に亀裂を生じるなどの、不具合を抑えることが可能となる。
さらに、高周波数のマイクロ波が伝搬する電極表面の表皮深さδ程度の厚みだけ、信号電極の接触層の厚さを確保し、該接触層において電気抵抗を低くするように構成しているため、マイクロ波の伝搬損失を、最も効果的に低減することが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る光変調器を、好適例としてのマッハツェンダ型光強度変調器のような導波路型光変調器を中心として説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１は、光変調器の概略を示す平面図であり、図２は、図１の光変調器を線Ｙ−Ｙ’で切断したときの断面図である。
本実施例では、光変調器の構成として、ＬｉＮｂＯ_３基板１上に、Ｔｉを拡散することにより形成された光導波路２が形成され、図1が示すように光導波路の一部と、信号電極５又は接地電極６とは、空間的に平行になるよう配置される。
信号電極を構成する素材は、基本的に電気抵抗率が低い上、加工性が高く、経時変化の少ない材料ならいずれでも良いが、本実施例ではＡｕが用いられる。
【００１３】
光導波路と信号電極等との関係は、光変調器を形成する基板の光学軸の方向に依存し、光学軸が信号電極等が形成された基板表面に対して垂直である場合（Ｚカット）には、図２の示すように光導波路は、信号電極等のほぼ真下に配置される。これに対して、光学軸が基板表面に対して平行である場合（Ｘカット、Ｙカット）には、光導波路は信号電極と接地電極との間の基板電極表面近傍に配置される。
また、金属を用いた信号電極等の真下に光導波路が配置される場合には、光導波路内を伝搬する光が信号電極等により損失を受けないようにするため、光導波路を形成した基板上に、例えば、ＳｉＯ_２などの誘電体によるバッファ層を形成し、該バッファ層上に信号電極等が形成される。
【００１４】
次に、本発明の特徴である信号電極等の構造について説明する。
信号電極や接地電極は、１０μｍ以上の高さに形成することが必要であり、通常、Ａｕなどのメッキ析出が利用されてきた。しかしながら、メッキで形成された表面は理想的な平滑面ではなく、メッキ析出に合わせて粒界状になっており、表面が粗い状態となっている。しかも、メッキ析出後、析出に利用した下地金属を配線パターンを残して除去する際に、エッチングにより除去するため、メッキ表面に空壁が形成される状態となり、より表面の平滑性が損なわれることとなる。
【００１５】
他方、マイクロ波が電極を伝搬する場合、マイクロ波の大半が電極表面を伝搬し、マイクロ波の周波数が高くなるに従って、より表面に集中して伝搬することとなる。この現象は表皮効果と呼ばれ、高周波の伝搬している表面からの深さ方向の距離を表皮深さ（ｓｋｉｎ ｄｅｐｔｈ）と呼ぶ。
上述したメッキ表面のような粗い表面では、マイクロ波が伝搬する場合、伝搬経路が長くなりマイクロ波損失が増加することとなる。とりわけ、高周波であるほど表皮深さが浅くなることから、マイクロ波損失が大きくなる傾向となる。
【００１６】
したがって、本発明の信号電極等の構造は、図２のように２層構造を有しており、ＬＮ基板側に形成される電極層（接触層４）は、表面が緻密であり電気抵抗率が低い特徴を有しており、この接触層の上に、従来のメッキ析出法によるメッキ電極層（信号電極５、接地電極６の上部層）が形成されている。
しかも、接触層４の厚みは、次式で与えられるマイクロ波の表皮深さδ程度以上とすることにより、マイクロ波損失をより効果的に低減することが可能となる。
（式）δ＝（２／ωμσ）^１／２×１０^３（ｍｍ）
(但し、式中、ω＝２πｆ（ｆは周波数（Ｈｚ））、透磁率μ＝μ_ｒ・μ_０（μ_ｒ；金属の比透磁率、μ_０；真空の透磁率４π×１０^−７（Ｈ／ｍ））、金属の導電率σ（Ｓ／ｍ）を表す)
【００１７】
本発明の構造を有する信号電極等の形成方法としては、バッファ層３を有するＬＮ基板１上に、蒸着やスパッタリングなど真空成膜法により、メッキ析出法より緻密な構造を有する接触層４を形成する。接触層４の材料としては、Ａｕの他に、Ｔｉ、Ｎｉなどやこれらの組み合わせ（Ａｕ／Ｔｉなど）が利用される。
接触層４はメッキ析出時の下地電極の機能を持たせることが可能である。この場合は、メッキ電極層を形成する前に、予め接触層４を配線パターン形状に成形しておくことにより、メッキ析出後、メッキ電極層が形成している配線パターンを利用して、該接触層４をエッチングにより除去する工程が不要となる。しかも、接触層４は、従来の下地電極より厚い構造（上述したように接触層４の厚さはマイクロ波の周波数に依存するが、通常は０．１μｍ以上であり、好ましくは０．３〜０．７μｍのものが主に用いられる。）を有しているため、メッキ析出後の下地電極の配線パターン形状への除去工程と同様に接触層４をエッチングで除去すると、メッキ電極層表面や接触層表面がエッチングにより空壁が形成され、電極表面の平滑性が大きく損なわれる結果となる。
【００１８】
接触層４を配線パターン形状に成形する方法としては、ＬＮ基板上には真空成膜法により一様な薄膜を形成し、該薄膜上に配線パターンの反転したレジストパターンを形成し、ドライ又はウエットエッチングにより該薄膜を配線パターン形状に成形する方法や、ＬＮ基板上にリフトオフ用のレジストパターン（配線パターンを反転したパターン）を形成した後、真空成膜法により全面に薄膜を形成し、該レジストパターンを除去すること薄膜の配線パターンを形成する方法など、既知の配線パターン電極の形成方法が利用できる。
【００１９】
また、メッキ電極層を形成する前の接触層４の配線パターンは、信号電極と接地電極が一部で導通している形状とし、メッキ電極層の形成後で、ＬＮ基板を個々の光変調素子に切り分ける際に、該導通している一部を切除することにより、信号電極と接地電極の導通状態を解除するように構成しても良い。これにより、メッキ析出時の接触層４への電流を流すための配線を、個々の電極（信号電極や接地電極）毎に行う必要が無く、製造工程を簡略化することが可能となる。
【００２０】
次に、配線パターン形状に成形された接触層４の上部に、メッキ電極層を形成する。メッキ電極層の形成方法は、接触層４の上に厚膜のレジストパターン（配線パターンを反転したパターン）を形成し、該レジストパターンを形成したＬＮ基板を電界メッキ浴に浸して接触層４に通電し、レジストパターンのパターンガイドに沿って必要な厚さ（１０μｍ以上）までメッキ電極層を形成し、その後レジストを除去する。
上記厚膜レジストパターンの形状は、基本的には、接触層４の配線パターンを反転したものとなるが、上述したように接触層４の配線パターンが、メッキ析出時の通電のため信号電極と接地電極が一部で導通している形状の場合は、該導通部を覆うよう厚膜レジストパターンを形成し、信号電極と接地電極を接続しない厚膜レジストパターンとする。これにより、不要な部分へのメッキ析出を防止し、メッキ材料の不要な消費を抑えることができる。
【００２１】
図３は、本発明の実施例として、信号電極等を２層構造にした場合と従来例との比較実験を行ったグラフ（マイクロ波の周波数と電極透過特性の相関を示したグラフ）である。
本発明の実施例は、接触層をＡｕ／Ｔｉにより厚さ０．４μｍで形成したものであり、メッキ電極層（Ａｕで厚さ約２０μｍ）やＬＮ基板、導波路の構成などは従来例の構成と同一にしている。
図３を見ると、マイクロ波の周波数が高くなるほど、接触層を設ける効果が顕著となり、特に約２０ＧＨｚ以上においては、改善が著しいことがわかる。
【００２２】
以上の本発明の実施例では、マッハツェンダ型光強度変調器を中心に説明したが、本発明は、光変調器を構成する信号電極等に、高周波数のマイクロ波を印加するものであるなら、どのような光変調器でも適用が可能である。
また、本発明の実施例では、電極を２層構造としたが、これに限らず必要に応じて２つ以上の多層構造とすることも可能であり、さらに、電気抵抗率の高い電極層をより電気抵抗率の低い電極層で包み込むように形成することも可能である。
さらに、本発明は一つの基板上に一つの光変調素子が形成された光変調器に限らず、同一基板上に複数の機能を有する光変調素子を集積させた光変調器であっても良い。
【００２３】
【発明の効果】
以上の説明したように、請求項１の発明によれば、マイクロ波の伝搬している信号電極表面の電気抵抗を下げ、特に、電気光学効果を有する基板側に接触する電極部分において電気抵抗を下げるため、マイクロ波が形成する電界が効果的に基板に作用する位置関係においてマイクロ波の伝搬損失を抑制することが可能となる。
しかも、信号電極を複数の異なる層で形成することにより、接触層では主として高周波数のマイクロ波伝搬損失を低減する機能を、接触層以外の他の層では主として１０μｍ以上に及ぶ電極構造を形成・維持する機能を持たせることにより、各々の機能に適した材料や方法を採用することができる。このため、製品設計の自由度が拡大し、生産コストの低減や歩留まりの高い生産が可能となる。
さらに、高周波数のマイクロ波が伝搬する電極表面の表皮深さδ程度の厚みだけ、信号電極の接触層の厚さを確保し、該接触層において電気抵抗を低くするように構成しているため、マイクロ波の伝搬損失を、最も効果的に低減することが可能となる。
【００２４】
また、請求項２の発明によれば、基板側に接触する接触層は、金などの素材が緻密に集合した層で形成されるため、電気抵抗が低く抑えられ、特に、高周波数のマイクロ波が伝搬する場合には、その伝搬損失をより低くすることが可能となる。
また、信号電極の他の部分は、素材を粗粒子状として形成しているため、従来のメッキ法などが採用でき、しかも、１０μｍ以上の厚みの電極を形成した場合においても、素材を緻密なもので形成する場合と比較して、信号電極の製造・使用時の温度変化による素材の膨張・収縮変化などにより、基板から信号電極が剥離したり、信号電極に亀裂を生じるなどの、不具合を抑えることが可能となる。
さらに、高周波数のマイクロ波が伝搬する電極表面の表皮深さδ程度の厚みだけ、信号電極の接触層の厚さを確保し、該接触層において電気抵抗を低くするように構成しているため、マイクロ波の伝搬損失を、最も効果的に低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の光変調器の平面図
【図２】 本発明の光変調器の断面図
【図３】 マイクロ波の周波数と電極透過特性の相関を示したグラフ
【符号の説明】
１ ＬｉＮｂＯ_３基板
２ Ｔｉ拡散導波路
３ ＳｉＯ_２バッファ層
４ 接触層
５ 信号電極
６ 接地電極
７ マイクロ波発生器

Claims (2)

1. ニオブ酸リチウム基板と、基板内の一部を通過する光を変調し、かつ、基板上に形成された電極層とを有する光変調器において、
   前記電極層のうち信号電極は少なくとも２つ以上からなる層で形成され、上記基板側に接触する信号電極層（接触層）の電気抵抗率が、他の信号電極層の電気抵抗率より低く、
   前記接触する信号電極層（接触層）は真空成膜法により形成され、メッキ析出法より緻密な構造を有すると共に、
   前記接触する信号電極層（接触層）の厚さは、０．３〜０．７μｍであり、かつ、次式で与えられる厚さδ程度以上であることを特徴とする光変調器。
   （式）δ＝（２／ωμσ）^１／２×１０^３（ｍｍ）
   (但し、式中、ω＝２πｆ（ｆは周波数（Ｈｚ））、透磁率μ＝μ_ｒ・μ_０（μ_ｒ；金属の比透磁率、μ_０；真空の透磁率４π×１０^−７（Ｈ／ｍ））、金属の導電率σ（Ｓ／ｍ）を表す)
2. ニオブ酸リチウム基板と、基板内の一部を通過する光を変調し、かつ、基板上に形成された電極層とを有する光変調器において、
   前記電極層のうち信号電極は少なくとも２つ以上からなる層で形成され、上記基板側に接触する信号電極層（接触層）は緻密に形成された層であり、他の信号電極層は粗粒子状に形成された層であり、さらに、
   前記接触する信号電極層（接触層）は真空成膜法により形成され、メッキ析出法より緻密な構造を有すると共に、
   前記接触する信号電極層（接触層）の厚さは、０．３〜０．７μｍであり、かつ、次式で与えられる厚さδ程度以上であることを特徴とする光変調器。
   （式）δ＝（２／ωμσ）^１／２×１０^３（ｍｍ）
   (但し、式中、ω＝２πｆ（ｆは周波数（Ｈｚ））、透磁率μ＝μ_ｒ・μ_０（μ_ｒ；金属の比透磁率、μ_０；真空の透磁率４π×１０^−７（Ｈ／ｍ））、金属の導電率σ（Ｓ／ｍ）を表す)

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