JP5720716B2 - 光導波路素子 - Google Patents
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Description
本発明は、光導波路素子に関し、基板に光導波路と制御電極とが形成された光導波路素子に関する。
光通信や光計測の技術分野では、光変調に際して、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの電気光学効果を有する基板に、光導波路と該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを備えた光導波路素子が広く用いられている。
制御電極を構成する信号電極の形状は、マイクロ波信号と光波との速度整合条件を満足させるために、２０μｍ程度以上の厚さを有する他、電気回路とのインピーダンスを整合させるために、接続部分の形状が制約される。一方、直流成分を印加するためのバイアス制御電極部分においては、そのような制約が無いため、接続部分の大きさは、素子の設計の観点からも、一般的に用いられる電極材料である、高コストな金（Ａｕ）を節約するという観点からも、その厚みは小さい方が望ましい。
また、光導波路素子において、高周波信号を伝搬させる部分の信号電極、接地電極は、電極の厚さを２０μｍ程度以上とするが、それとは逆に温度安定性を保つためにバイアス制御を行う直流電極部分の信号電極、接地電極部分は、１〜５μｍ程度に薄くする構造が取られている。
また、光導波路素子を格納する筺体に設けられた電気接続部と電気的に接続するために金線などの配線材料を、ツールを用いたボンディングにより接続するが、電気接続部の電極厚みが１μｍ以下と薄い場合には、ボンディングの強度が十分確保出来ない他、電気接続部の厚みが１０μｍ程度であっても、２０μｍ程度に薄膜化された主基板を有する構造の場合は、更にこのボンディングにより、主基板が破損するという問題が生じている。
そのため、ボンディング工程のパラメータである温度や超音波強度、圧力を緩和して実施する場合もあるが、その場合はボンディングの強度が不足し、所望の信頼性が確保出来なかった。
また、特許文献１では、接続部分に接続される配線材料の圧着面積を、３８００μｍ２以下とすることで、所望の信頼性を確保するという技術が提案されているが、主基板の破損に対する影響については、何ら記載されておらず、接続部分に要求される形状などの条件は、一切不明であった。
本発明が解決しようとする課題は、上記の問題を解決し、制御電極に電気的接続配線を接続する作業において当該基板の破損を抑制することが可能な光導波路素子を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明の光導波路素子は以下のような技術的特徴を有する。
（１） 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを有する光導波路素子において、該基板の厚さは２０μｍ以下であり、該制御電極が直流電圧を印加する電極と高周波数の変調信号を印加する電極から構成され、前記変調信号を印加する電極の厚みは２０μｍ以上であり、前記直流電圧を印加する電極は、厚みが１０μｍ以下であり、かつ、前記直流電圧を印加する電極と外部の電気回路とを電気的に接続するため、該電極の一部に形成された接続用パッドを有し、該接続用パッドの平面上の面積が２２０００μｍ２以上であり、該接続用パッドの全体の厚さが１０μｍより厚いことを特徴とする。
（１） 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを有する光導波路素子において、該基板の厚さは２０μｍ以下であり、該制御電極が直流電圧を印加する電極と高周波数の変調信号を印加する電極から構成され、前記変調信号を印加する電極の厚みは２０μｍ以上であり、前記直流電圧を印加する電極は、厚みが１０μｍ以下であり、かつ、前記直流電圧を印加する電極と外部の電気回路とを電気的に接続するため、該電極の一部に形成された接続用パッドを有し、該接続用パッドの平面上の面積が２２０００μｍ２以上であり、該接続用パッドの全体の厚さが１０μｍより厚いことを特徴とする。
（２） 上記（１）に記載の光導波路素子において、該接続用パッドにワイヤボンディングによる接続が行われていることを特徴とする。
（３） 上記（１）又は（２）に記載の光導波路素子において、該基板は、補強基板に貼り付けられていることを特徴とする。
本発明のように、基板の厚さは２０μｍ以下であり、制御電極が直流電圧を印加する電極と高周波数の変調信号を印加する電極から構成され、前記変調信号を印加する電極の厚みは２０μｍ以上であり、前記直流電圧を印加する電極は、厚みが１０μｍ以下であり、かつ、前記直流電圧を印加する電極と外部の電気回路とを電気的に接続するため、該電極の一部に形成された接続用パッドを有し、該接続用パッドの平面上の面積が２２０００μｍ２以上であり、該接続用パッドの全体の厚さが１０μｍより厚いため、電気的接続配線を接続する際に、該接続用パットで、接続に際する物理的衝撃等の影響を吸収又は制限するため、基板の破損を抑制することが可能となる。
以下、本発明について好適例を用いて詳細に説明する。
図１又は２に示すように、本発明の光導波路素子は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極（例えば、信号電極）とを有する光導波路素子において、該制御電極が直流電圧を印加する電極であり、該電極の厚みが１０μｍ以下であって、該制御電極と外部の電気回路とを電気的に接続するため、該制御電極の一部に形成された接続用パッドを有し、該接続用パッドの平面上の面積（図１参照）が２２０００μｍ２以上であり、該接続用パッドの全体の厚さ（図２参照）が１０μｍより厚いことを特徴とする。
図１又は２に示すように、本発明の光導波路素子は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極（例えば、信号電極）とを有する光導波路素子において、該制御電極が直流電圧を印加する電極であり、該電極の厚みが１０μｍ以下であって、該制御電極と外部の電気回路とを電気的に接続するため、該制御電極の一部に形成された接続用パッドを有し、該接続用パッドの平面上の面積（図１参照）が２２０００μｍ２以上であり、該接続用パッドの全体の厚さ（図２参照）が１０μｍより厚いことを特徴とする。
本発明の光導波路素子に使用される基板としては、電気光学効果を有する基板を使用する必要があり、例えばニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）等の単結晶材料やこれらの固溶体結晶材料を用いることができる。また、半導体やポリマーも電気光学効果を有する基板として使用することが可能である。
光導波路は、例えば、チタンなどの高屈折率材料を基板に注入又は熱拡散することで形成することが可能である。また、基板に凹凸を形成し、リッジ型又はリブ型の光導波路を形成することも可能である。光導波路に近接して制御電極が形成されるが、例えばＺカットの基板を用いて、光導波路の直上に電極を形成する場合などは、光導波路を伝播する光波の電極層への吸収を抑制するため、酸化シリコン（ＳｉＯ２）などからなるバッファ層を、光導波路上又は基板上に形成することが可能である。
制御電極は、信号電極と接地電極から構成される。制御電極を形成する際には、導電性金属で下地電極パターンを基板上に形成し、金メッキ処理などにより、必要な厚みの制御電極を形成する。例えば、信号電極にマイクロ波などの高周波数の変調信号を印加する場合には、インピーダンス調整の観点から２０μｍ以上の厚みで電極形成することが好ましい。また、ＤＣバイアス制御などの直流電圧を印加する際には、インピーダンスの調整が不要であることから、金（Ａｕ）などの貴重な材料の消費を抑えるため、１０μｍ以下の厚みとすることも可能である。図２は、信号電極として比較的薄い厚みの電極を使用し、その上に電気的接続を行いながら接続用パッドを形成する実施例を開示している。
マイクロ波などの高周波数の変調信号を印加する信号電極においては、信号電極と接続用パッドを一度に形成し、同じ厚みで構成することも可能である。
本発明の光導波路素子の特徴は、図１に示すように、外部の電気回路と電気的な接続を行う接続用パッドに関して、平面上の面積が２２０００μｍ２以上であり、図２に示すように、接続用パッドの厚さは１０μｍより厚いことである。制御電極が直流電圧を印加する電極である場合には、その厚みが１０μｍ以下となるため、本発明を適用することが好ましい。しかも、使用する基板が２０μ以下の薄板である場合には、さらに適用が好ましい。なお、基板が薄板でない場合には、電極パッドの厚さは３μｍ以下でもよい。
光導波路素子を収容する筐体に設けられた電気接続部（外部の電気回路に繋がる端子）と光導波路素子に設けられた制御電極とを電気的に接続する金線などの接続手段を、当該制御電極に接続する際に、この接続用パッドが存在するため、金ワイヤや金リボンなどのボンディング作業時に発生する熱、超音波、圧力などによる物理理的な衝撃を、基板に直接与えることを抑制できるため、基板の破損を防ぐことが可能となる。
本発明の効果を確認するため、基板の厚みが１０μｍの光導波路素子に対して、表１に示すような３つの形状を含む異なる接続用パッドを用意し、ワイヤボンディングの試験を行った。
表１の結果からも、明らかなように、平面上の面積が２２０００μｍ２以上であり、厚さが１０μｍ以上の場合には、確実に基板の破損を防止できることを確認した。
本発明の光導波路素子は、基板の厚みが２０μｍ以下の極めて薄い基板であるため、基板の機械的強度が極めて弱い。このため、図２に示すように、基板には補強基板を貼り付けることが好ましい。この場合には、接着層の厚みを数十μｍ以上確保すると共に、補強基板と主基板（薄板）との熱膨張率を揃えるなどの工夫を行うことがより好ましい。
本発明の実施の形態においては、本願発明の効果が顕著に確認できる構成である薄い基板を用いた光導波路素子を例に挙げたが、本発明はバルク基板を用いた光導波路素子においても利用可能であり、その場合には更に薄い制御電極での構成が可能であるためボンディングの強度が十分確保出来るという点で効果が高い。
本発明の光導波路素子は光変調器であってもよく、多値変調器（ＤＰ−ＱＰＳＫ、ＱＡＭ変調器など）のように電極構成が複雑な場合においては、本発明の課題が顕著に現れるため効果は高い。
本発明によれば、制御電極に電気的接続配線を接続する作業において当該基板の破損を抑制することが可能な光導波路素子を提供することが可能となる。
Claims (3)
- 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを有する光導波路素子において、
該基板の厚さは２０μｍ以下であり、
該制御電極が直流電圧を印加する電極と高周波数の変調信号を印加する電極から構成され、
前記変調信号を印加する電極の厚みは２０μｍ以上であり、
前記直流電圧を印加する電極は、厚みが１０μｍ以下であり、かつ、前記直流電圧を印加する電極と外部の電気回路とを電気的に接続するため、該電極の一部に形成された接続用パッドを有し、
該接続用パッドの平面上の面積が２２０００μｍ２以上であり、該接続用パッドの全体の厚さが１０μｍより厚いことを特徴とする光導波路素子。 - 請求項１に記載の光導波路素子において、該接続用パッドにワイヤボンディングによる接続が行われていることを特徴とする光導波路素子。
- 請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該基板は、補強基板に貼り付けられていることを特徴とする光導波路素子。
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