JP5063001B2 - 進行波形光変調器 - Google Patents
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Description
(光導波路形成時に生ずる凸部の高さH(オングストローム)と凸部の幅W(μm)との積(H・W)≦6000オングストローム・μm)
光導波路基板が、電気光学材料からなり、相対向する一方の主面と他方の主面とを備えている厚さ30μm以下の平板状の基板本体、基板本体に設けられている光導波路、および基板本体に設けられた電極を備えており、接着層によって保持基体と基板本体の他方の主面とが接着されており、保持基体における熱膨張係数の最小値が基板本体における熱膨張係数の最小値の1/5倍以上であり、かつ保持基体における熱膨張係数の最大値が基板本体における熱膨張係数の5倍以下であることを特徴とする。
Ti厚み 450〜1000 オングストローム、拡散温度 950〜1100℃
拡散時間 4〜11 時間、導波路マスクパターンの幅 3〜7 μm
の電極配置を採用しているが、電極の配置形態は特に限定されない。例えばACPS(Asynmetric coplanar strip-line)タイプであってよい。本例では、隣接する電極の間に一対の光導波路15b、15cが形成されており,各光導波路15b、15cに対して略水平方向に信号電圧を印加するようになっている。この光導波路は、平面的に見るといわゆるマッハツェンダー型の光導波路を構成しているが、この平面的パターンそれ自体は周知である(後述)。基板本体14の他方の主面14dと保持基体12の接着面12aとの間に、厚さが略一定の接着層13が介在し、基板本体14と保持基体12とを接着している。
電極は、低抵抗でインピーダンス特性に優れる材料であれば特に限定されるものではなく、金、銀、銅などの材料から構成することができる。
接着剤の具体例は、前記の条件を満足する限り特に限定されないが、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料と比較的近い熱膨張係数を有するアロンセラミックスC(商品名、東亜合成社製)(熱膨張係数13×10−6/K)を例示できる。
X−カットのニオブ酸リチウム基板上にTi拡散導波路およびCPW電極を形成した(図1、図2参照)。中心電極1Bと接地電極1A、1Cとのギャップを25μmとし、中心電極1Bの幅を30μmとし、各電極の厚みを28μmとし、電極長を32mmとした。光導波路間のアーム間距離Lは55μmとした。次に薄型研磨を行い、低誘電率層と支持基板(Xカットのニオブ酸リチウム基板)からなる薄型変調器を作製した。変調器基板5の厚みは8.5μmであり、低誘電率層6は誘電率3.8、厚み50μmとした。その後、光ファイバの接続部を端面研磨し、ダイシングにてチップ切断した。上記変調器チップは、光ファイバと光軸調整し、UV硬化樹脂にて接着固定した。デバイス作製後に測定した光導波路2の凸部6の高さHおよび幅Wは、表1に示すように変更した。また、表1には積H×Wの値も示す。得られた各デバイスについて、モード観察を行った。この結果を表1に示す。
実施例1において、光導波路間のアーム間距離Lを55μmとし、光導波路2の凸部6の高さHを860オングストロームとし、幅Wを6μmとし、両者の積を5160オングストローム・μmとした。
実施例1において、中心電極1Bと接地電極1A、1Cとのギャップを40μmとし、中心電極1Bの幅を30μmとし、各電極の厚みを28μmとし、電極長を40mmとした。光導波路間のアーム間距離Lを70μmとし、光導波路2の凸部6の高さHを860オングストロームとし、幅Wを6μmとし、両者の積を5160オングストローム・μmとした。
実施例2と同様にして薄型変調器を作製した。ただし、光導波路間のアーム間距離は55μmとした。光導波路2の凸部6の幅Wを6μmとし、高さHを1150オングストロームとし、両者の積を6900オングストローム・μmとした。デバイスについて、S21を測定したところ、50GHz以下の波長範囲においてリップルがなく、スムーズなカーブを示し、30GHzを超えてから初めて−6dB低下した。また、S11は、測定周波数である50GHzまで、−10dB以下であった。さらに、光学特性として、モード観察を行った結果、シングルモードであり、消光比は1530nmから1610nmで20dB以上であった。しかし、消光カーブの電圧依存性は大きく、±5%以上になった。
実施例2と同様にして薄型変調器を作製した。ただし、中心電極を20μmとし光導波路間のアーム間距離は45μmと小さくした。光導波路2の凸部6の高さHを860オングストロームとし、幅Wを6μmとし、両者の積を6900オングストローム・μmとした。デバイスについて、S21を測定したところ、50GHz以下の波長範囲においてリップルがなく、スムーズなカーブを示し、30GHzを超えてから初めて−6dB低下した。また、S11は測定周波数である50GHzまで、−10dB以下であった。さらに、光学特性として、モード観察を行った結果、シングルモードであった。消光比は1530nmから1610nmの間で20dB未満にまで低下することがあり、消光カーブの電圧依存性は±5%以上になった。
実施例2と同様にして薄型変調器を作製した。実施例5と同様に、中心電極を20μmとし光導波路間のアーム間距離は45μmと小さくした。光導波路2の凸部6の高さHを860オングストロームとし、幅Wを6μmとし、両者の積を6900オングストローム・μmとした。次に図3に示すように、中心電極1Bの直下の部分全長にわたって変調器基板5の裏面5bから幅20μm、深さ3μmの溝5cを形成した。溝加工にはエキシマレーザを使用した。デバイスについて、S21を測定したところ、50GHz以下の波長範囲においてリップルがなく、スムーズなカーブを示し、30GHzを超えてから初めて−6dB低下した。また、S11は測定周波数である50GHzまで、−10dB以下であった。さらに、光学特性として、モード観察を行った結果、シングルモードであった。消光比は1530nmから1610nmの間で20dB以上になり、消光カーブの電圧依存性も±5%以下になった。
実施例2と同様にして薄型変調器を作製した。ただし、光導波路間のアーム間距離は55μmとした。光導波路2の凸部6の幅Wを6.5μmとし、高さHを1150オングストロームとし、両者の積を7475オングストローム・μmとした。デバイスについて、S21を測定したところ、50GHz以下の波長範囲においてリップルがなく、スムーズなカーブを示し、30GHzを超えてから初めて−6dB低下した。また、S11は測定周波数である50GHzまで、−10dB以下であった。
また、消光比凹凸の波長依存性を図13に示す。この結果、ON光強度の波長依存性は大きく、±15%にのぼる。
実施例2と同様にしてデバイスを作製した。ただし、凸部の高さを860オングストロームとし、幅を5μmとし、両者の積を4300オングストローム・μmとした。そして、導波路アーム間距離(分岐部2bと2cとの間隔L)を、図16、図17に示すように変更した。そして、消光比のLに対する依存性を図16に示し、ΔPのLに対する依存性を図17に示した。この結果から分かるように、アーム間距離Lを46μm以上とすることによって、広い波長範囲にわたって消光比は20dB以上となり、またΔPを±5%以下に制御できた。この観点からは、Lは50μm以上であることが一層好ましい。
実施例2と同様にしてデバイスを作製した。ただし、凸部の高さを1150オングストロームとし、幅を5μmとし、両者の積を5750オングストローム・μmとした。そして、導波路アーム間距離(分岐部2bと2cとの間隔L)を、図18、図19に示すように変更した。そして、消光比のLに対する依存性を図18に示し、ΔPのLに対する依存性を図19に示した。この結果から分かるように、アーム間距離Lを46μm以上とすることによって、広い波長範囲にわたって消光比は20dB以上となる。また本例では、ΔPを±5%以下に低減することはできなかった。
図6の光変調器11を製造する。具体的には、Xカットした3インチウエハー(LiNbO3単結晶)からなる基板を使用し、チタン拡散プロセスとフォトリソグラフィー法とによって、ウエハーの表面にマッハツェンダー型の光導波路15b、15cを形成する。光導波路のサイズは、例えば1/e2で10μmとできる。次いで、メッキプロセスにより、CPW電極を形成する。中心電極17Bと接地電極17A、17Cとのギャップを40μmとし、電極厚みを28μmとし、電極長を40mmとした。次に薄型研磨のために研磨定盤に研磨ダミー基板を貼り付け、その上に変調器基板を電極面を下にして熱可塑性樹脂で貼り付ける。さらに、横型研磨およびポリッシング(CMP)にて10μm厚みまで基板本体14を薄型加工する。その後、平板状の保持基体12を基板本体14に接着固定し、光ファイバの接続部を端面研磨し、ダイシングにてチップ切断する。接着固定用の樹脂は、樹脂厚50μmのエポキシ樹脂フィルムを使用した。チップの幅および補強基板を含めたトータルの厚みは、それぞれ4.4mmと1mmとした。入力側には1.55μm帯パンダファイバを保持した単芯ファイバーアレイを、出力側にはシングルモードファイバを保持した単芯ファイバアレイを進行波形光変調器チップ11に結合し、光ファイバーと光導波路とを調芯し、紫外線硬化型樹脂によって接着する。
図9のデバイス11Cを製造した。具体的には、実施例9と同様にして光導波路基板29を製造した。基板本体14の厚さtは12μmとした。ただし、図9に示すように空気層31を設けた。本例においては、XカットしたLiNbO3単結晶からなる基板本体を使用した。保持基体12の材質は、Xカットしたニオブ酸リチウム単結晶とした。
図7のデバイス11Aを製造した。具体的には、実施例9と同様にして光導波路基板29を製造した。その後、幅0.3mmおよび深さ0.2mmの溝32bが形成されている保持基体32に光導波路基板29を接着固定し、光ファイバの接続部を端面研磨し、ダイシングにてチップ化切断した。この際、保持基体32の溝32b内には接着樹脂36を充填した。従って、T1は50μmであり、T2は250μmである。本例においては、XカットしたLiNbO3単結晶からなる基板本体を使用した。保持基体12の材質は、Xカットしたニオブ酸リチウム単結晶とした。
図10のデバイス11Dを製造した。具体的には、実施例1と同様にして光導波路基板29を製造した。基板本体14の厚さは12μmとした。その後、幅0.3mmおよび深さ0.2mmの溝32bが形成されている保持基体32に光導波路基板29を接着固定し、光ファイバの接続部を端面研磨し、ダイシングにてチップ化切断した。この際、保持基体32の溝32b内は空気層35とした。T1は50μmであり、T2は250μmである。本例においては、XカットしたLiNbO3単結晶からなる基板本体を使用した。保持基体12の材質は、Xカットしたニオブ酸リチウム単結晶とした。
図6と同様な構造において、保持基板12の材質をタンタル酸リチウム単結晶とした。本例においては、Xカットした3インチウエハー(LiNbO3単結晶)からなる基板を使用した。このX軸方向、Y軸方向の熱膨張係数が16×10-6/℃であり、Z軸方向の熱膨張係数が5×10-6/℃である。保持基体2を構成するタンタル酸リチウム単結晶のX軸方向、Y軸方向の熱膨張係数は、15×10-6/℃であり、Z軸方向の熱膨張係数が1.2×10-6/℃である。
本例においては、Xカットした3インチウエハー(LiNbO3単結晶)からなる基板を使用した。このX軸方向、Y軸方向の熱膨張係数が16×10-6/℃であり、Z軸方向の熱膨張係数が5×10-6/℃である。保持基体2の材質は石英ガラスとした。石英ガラスの熱膨張係数は、50×10-6/℃である。
Claims (3)
- 1.55μm帯用の進行波形光変調器であって、ニオブ酸リチウム単結晶からなる電気光学結晶基板、光導波路、前記電気光学結晶基板の一方の主面側に設けられた変調電極、前記電気光学結晶基板を保持する保持基体、および前記電気光学結晶基板の他方の主面と前記保持基体とを接着する接着層を備えており、少なくとも前記変調電極による電界印加領域における前記電気光学結晶基板の厚みが30μm以下であり、前記光導波路が前記電気光学結晶基板の前記一方の主面側にチタン拡散法によって形成されており、前記光導波路形成時に生ずる凸部の高さH(オングストローム)と凸部の幅W(μm)との積(H・W)が、3400オングストローム・μm以上、6000オングストローム・μm以下であり、前記凸部の高さHが1100オングストローム以下であり、前記凸部の幅Wが6.5μm以下(5.5μm〜6.5μmを除く)であり、少なくとも前記光導波路の出口部の少なくとも水平方向が単一モード化しており、前記保持基体がニオブ酸リチウム単結晶からなり、前記電界印加領域において前記光導波路が分岐部を有しており、前記分岐部における前記光導波路の間隔が46μm以上であることを特徴とする、進行波形光変調器。
- 前記分岐部間で前記電気光学結晶基板に溝が形成されていることを特徴とする、請求項1記載の進行波形光変調器。
- 前記溝が前記電気光学結晶基板の裏面に開口していることを特徴とする、請求項2記載の進行波形光変調器。
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