JP7135384B2

JP7135384B2 - 光導波路素子

Info

Publication number: JP7135384B2
Application number: JP2018067802A
Authority: JP
Inventors: 悠中田; 哲也藤野; 哲及川
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: CN111936919B; US11327347B2; WO2019187558A1; EP3779576B1; US20210096402A1; EP3779576A1; JP2019179122A; CN111936919A; EP3779576A4

Description

本発明は、光導波路素子に関し、特に、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、該基板に設けられ、該光導波路を伝播する光波を制御する制御電極とを備えた光導波路素子に関する。

光通信分野や光計測分野において、光変調器などの光導波路素子が多用されている。光導波路素子は、ニオブ酸リチウムなどの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、該基板に設けられ、該光導波路を伝播する光波を制御する制御電極とを備えている。

従来は、制御電極の素材として、素材の化学的安定性、ワイヤボンディング等の製造容易性の観点から、金（Ａｕ）が広く用いられてきた。一方、光変調動作の観点からは、より高い導電性を有し導体損失が少ないことが望ましい。金以外の素材として、例えば、特許文献１のように銀（Ａｇ）を用いたり、特許文献２のように銅（Ｃｕ）又は銅合金を用いることが提案されている。これらの素材は、金より高い導電性を有しているため、良好な高周波特性を得ることができる。

しかしながら、金以外の素材を使用する場合には、酸化による腐食を考慮しなければならない。特許文献３に示すように、高周波信号の伝送回路においては、絶縁体が金属膜表面を覆う場合であっても、信号電流が低抵抗となる部分（酸化していない部分）を利用して、表皮効果が発現するため、高周波特性の劣化が抑制されることが知られている。

しかし、一般的に金で構成される周辺部品から、信号電極のパッドや接地電極へ、ワイヤボンディング等で電気的接続を行う場合は、電極が酸化している場合には接続が困難となり、生産容易性が悪化する。特許文献１では、電極の全表面に酸化防止膜として金を形成しているが、これは本来不必要な部分にまで成膜をしているため、高周波特性の劣化やコストアップの原因となる。

また、制御電極を構成する信号電極や、該信号電極に対向して配置される接地電極に、部分的に金の膜を配置すると、次のような不具合を生じる。例えば、信号電極等の表面に、金膜が存在する部分と、金膜が存在せず酸化により絶縁体となった部分とが形成され、電極の表面の電気抵抗にムラが発生する。しかも、電極表面から深さ方向に向かう電気抵抗の分布も、電極の場所によって異なることとなる。このような電極表面又はその近傍における電気抵抗の乱れは、高周波信号の伝搬損失をより一層増大させることとなる。

特許第３１７９４０８号公報特願２０１７－０６９８２０号（２０１７年３月３１日出願）特許第６１１０５８１号公報

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、ワイヤボンディング等の接続が可能であり、金の使用量を抑制し、導体損失の劣化を抑制した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、本発明の光導波路素子は、以下の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、該基板に設けられ、該光導波路を伝播する光波を制御するため高周波信号を印加する制御電極とを備えた光導波路素子において、該制御電極は、金以外の素材で構成され、該制御電極の少なくともワイヤボンディングする部分には、金が配置され、該制御電極が信号電極と接地電極とを備え、少なくとも該制御電極の電界が光導波路に作用する作用部では、該信号電極の表面及び該接地電極の該信号電極に対向する側の表面並びに該接地電極の上面で該上面の中央より該信号電極に近い側には、該金が配置されていな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、該ワイヤボンディングは、該信号電極を挟む該接地電極を互いに接続するよう構成さ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、該金が配置されている部分は、ワイヤボンディングする部分のみであることを特徴とする。

（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光導波路素子において、前記金以外の素材は、電気抵抗率が２．４４×１０^－８Ωｍ以下であることを特徴とする。

（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の光導波路素子において、該制御電極は、メッキ電極であり、該メッキ電極の高さは１０μｍ以上であることを特徴とする。

（６）上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の光導波路素子において、該制御電極の高さに対する該金部分の高さの比率は、１０％未満であることを特徴とする。

本発明は、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、該基板に設けられ、該光導波路を伝播する光波を制御する制御電極とを備えた光導波路素子において、該制御電極は、金以外の素材で構成され、該制御電極の少なくともワイヤボンディングする部分には、金が配置されているため、ワイヤボンディング等の接続が可能あり生産容易性が向上する。また、金の使用量を抑制でき、コストの増加を抑えることも可能となる。さらに、制御電極の表面の多くに金が配置されていないため、導体損失の劣化も抑制することができる。

本発明の光導波路素子に係る第１の実施例を示す平面図である。図１の一点鎖線Ａ－Ａ’における断面図である。本発明の光導波路素子に係る第２の実施例を示す平面図である。本発明の光導波路素子をＺカット型基板に適用した場合の断面図である。

以下、本発明の光導波路素子について、好適例を用いて詳細に説明する。
本発明の光導波路素子は、図１及び２に示すように、電気光学効果を有する基板１と、該基板に形成された光導波路２と、該基板に設けられ、該光導波路を伝播する光波を制御する制御電極（３０，３１）とを備えた光導波路素子において、該制御電極は、金以外の素材で構成され、該制御電極の少なくともワイヤボンディングする部分４には、金が配置されていることを特徴とする。なお、図２は、図１の一点鎖線Ａ－Ａ’における断面図である。図１の矢印ａ及びｂは、光導波路素子に入射する光波（ａ）と出射する光波（ｂ）を表す。

本発明に使用する電気光学効果を有する基板には、ニオブ酸リチウムなどの従来より公知の種々の基板を使用することが可能である。

光導波路２は、Ｔｉの熱拡散などで局所的に屈折率を高くすることで、容易に形成することが可能である。また、必要に応じて、基板１にリッジを形成し、光の閉じ込め効果を高くすることも可能である。

本発明に使用する制御電極は、金（Ａｕ）以外の素材で形成されており、素材の電気抵抗率は２．４４×１０^－８Ωｍ以下であることが好ましい。具体的には、特許文献１に開示の銀（Ａｇ）や、特許文献２に開示の銅（Ｃｕ）や銅合金（Ａｌ－Ｃｕ合金、Ｎｉ－Ｃｕ合金、Ｂｅ－Ｃｕ合金、Ｓｎ－Ｃｕ合金など）を用いることが可能である。特に、製造コストの観点から、銅又は銅合金が好ましい。

制御電極の高さＨは、高周波信号を伝播するためのインピーダンスを考慮して１０μｍ以上が好ましい。また、電極の表面からどの位の深さまで酸化するかにも依存するが、酸化による絶縁体化を考慮して、高さや幅は少なくとも５μｍ以上の厚みを有することが好ましい。

本発明の特徴は、金ワイヤーや金リボンなどの金属線等を用いて電気的接続を行うワイヤボンディングを、制御電極の表面に容易かつ確実に実施するため、ワイヤボンディングを行う箇所の制御電極表面には金（Ａｕ）又は白金（Ｐｔ）を配置している。金ワイヤーとの接合安定性を考慮すると金（Ａｕ）がより好ましい。

また、制御電極の作用部に位置する信号電極や接地電極には、高周波信号の伝搬損失を抑制するため、電極表面の抵抗値の状態（電気抵抗の分布状況）を均一にする必要がある。このため、作用部の信号電極３０の表面には、少なくとも金（Ａｕ）は配置されていない。また、接地電極３１の信号電極に対向する側の表面には金（Ａｕ）が配置されていない。なお、図２に示すように、接地電極３１の上面で信号電極に近い側にも金（Ａｕ）を配置しない方が、高周波信号の伝搬損失を抑制するためには、好適と言える。

また、図２に示すように、制御電極の高さＨに対する金部分の高さｈの比率は、１０％未満であることが好ましい。これにより、高周波信号の伝搬に寄与する金膜４部分の影響を抑制することが可能となる。つまり、金による導体損失の影響を小さくすることが可能となる。また、金膜の厚さについては、高周波信号が発現する表皮効果の深さよりも、薄くすることが効果的であり、例えば、２μｍ以下、より好ましくは１μｍ以下とすることが好ましい。

図３に示すように、金（４０，４１）が配置されている部分は、ワイヤボンディングする部分のみとすることも可能である。符号７は、ワイヤボンディングされた金属線である。このような構成を採用することで、金（４０，４１）がワイヤボンディング時の目印の役割も担い、仕損による歩留まりも改善される。当然、金（Ａｕ）の使用量も最小限に抑えられ、かつ、金の存在による導体損失も抑制される。制御電極上の金４０の配置は、電子回路基板のバンプのようなドーム状に金を形成することができる。なお、金４１は、信号電極のパッド部に対応した金膜である。

図２では、Ｘカット型の基板１について説明したが、これに限らず、図４のように、Ｚカット型基板１にも同様に適用が可能である。なお、符号３３が信号電極、符号３２が接地電極を示している。また、符号８は、制御電極による光導波路を伝播する光波の吸収を抑制するためのバッファ層（ＳｉＯ_２など）である。

また、図２又は４の制御電極の下にある下地層５は、制御電極を基板１やバッファ層８上に確実に固定するための下地電極であり、例えばチタン（Ｔｉ）などを使用することが可能である。また、特許文献２で開示したように、下地層５を保護層とし、銅電極から銅イオンが移動して発生するエレクトロマイググレーションの発生を抑制することも可能である。この保護層は、金属窒化物（ＳｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＮ又はＣｕＮ）又はＳｉあるいはこれらの混合物で構成することができる。

以上説明したように、本発明によれば、ワイヤボンディング等の接続が可能であり、金の使用量を抑制し、導体損失の劣化を抑制した光導波路素子を提供することができる。

Claims

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、該基板に設けられ、該光導波路を伝播する光波を制御するため高周波信号が印加される制御電極とを備えた光導波路素子において、
該制御電極は、金以外の素材で構成され、
該制御電極の少なくともワイヤボンディングする部分には、金が配置され、
該制御電極が信号電極と接地電極とを備え、少なくとも該制御電極の電界が光導波路に作用する作用部では、該信号電極の表面及び該接地電極の該信号電極に対向する側の表面並びに該接地電極の上面で該上面の中央より該信号電極に近い側には、該金が配置されていな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、該ワイヤボンディングは、該信号電極を挟む該接地電極を互いに接続するよう構成さ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、該金が配置されている部分は、ワイヤボンディングする部分のみであることを特徴とする光導波路素子。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子において、
前記金以外の素材は、電気抵抗率が２．４４×１０^－８Ωｍ以下であることを特徴とする光導波路素子。
請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路素子において、
該制御電極は、メッキ電極であり、該メッキ電極の高さは１０μｍ以上であることを特徴とする光導波路素子。
請求項１乃至５のいずれかに記載の光導波路素子において、
該制御電極の高さに対する該金部分の高さの比率は、１０％未満であることを特徴とする光導波路素子。