JPH10274758A - 導波路型光変調器 - Google Patents

導波路型光変調器

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JPH10274758A
JPH10274758A JP9080450A JP8045097A JPH10274758A JP H10274758 A JPH10274758 A JP H10274758A JP 9080450 A JP9080450 A JP 9080450A JP 8045097 A JP8045097 A JP 8045097A JP H10274758 A JPH10274758 A JP H10274758A
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Yasuyuki Miyama
靖之 深山
Toru Sugamata
徹 菅又
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    • G02F1/035—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure
    • G02F1/0356—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure controlled by a high-frequency electromagnetic wave component in an electric waveguide structure

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、高速・大容量光ファイバー通信シ
ステムやケーブルテレビ放送などに用いられる導波路型
光変調器に係り、電極インピーダンス整合のとれた低駆
動電圧の高速光変調器を提供する。 【解決課題】 電気光学効果を具えた基板と、前記基板
に形成された光導波路と、前記光導波路近傍に配設され
た導波光を制御するための信号電極と、接地電極とを具
えた導波路型光変調器において、信号電極の下部に切欠
部を設けたものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】導波路型の光変調器は、低駆
動電圧で広帯域のものが望まれるが、動作周波数がマイ
クロ波帯の高周波で使用されるため、変調器の電極と駆
動ドライバとのインピーダンス整合が、重要となる。本
発明は、導波路型光変調器の変調用信号電極と基板の間
に信号電極と基板とによって囲まれて形成される切欠部
を設ける。或いはその切欠部内に基板の誘電率より低い
誘電率を有する材料を充填する。この構成によって、変
調器の電極と駆動ドライバとのインピーダンスの整合を
図り、かつ低駆動電圧であり、変調帯域の広い導波路型
変調器を提供する。
【０００２】
【従来の技術】図１は、従来例の変調器の断面図を示
す。ここでは、Ｘ板のLiNbO3基板（以下、ＬＮと言
う。）１に構成したマッハツェンダ型光強度変調器につ
いて説明する。
【０００３】この様な導波路型光変調器は、ＬＮ等の大
きな電気光学効果をもった基板１に、金属Tiなどを熱拡
散して導波路２ａ、２ｂを形成する。基板１に導波路２
ａ、２ｂを形成した後、基板１上に導波光を制御するた
めの電極を形成するが、ＬＮは、Ｚ方向に電界が印加さ
れる時、最も大きな電気光学定数ｒ33を使うことができ
るため、Ｘ板やＹ板のＬＮの場合、信号電極３と接地電
極４の間に導波路がくるように電極を設計、配設する。
（Ｚ板ＬＮの場合は、電極の下に導波路が設置され
る。）
【０００４】さらに、導波光の金属電極による吸収損失
を防ぐため、SiO2などのバッファ層５をＬＮ基板と電極
の間に設ける。このバッファ層は、Ｘ板やＹ板のＬＮの
場合には、電極が、導波路に直接重ならないため、設け
ない場合もある。
【０００５】この様な構成の導波路型光変調器の場合、
変調器の主要特性である変調帯域や駆動電圧、電極イン
ピーダンスなどは信号電極の幅ｗと接地電極との間隔ｇ
によって大きく左右される。
【０００６】変調器を広帯域化するためには、導波路を
伝搬する光の速度と信号電極を伝搬するマイクロ波の速
度整合をとることが必要であるが、ＬＮ等の材料は、誘
電率が非常に大きいため、導波路を伝搬する光の速度に
比べてマイクロ波の速度が遅く、速度整合をとるために
はマイクロ波の実効屈折率ｎｍを光の実効屈折率ｎｏに
なるべく近づけるような設計を行う必要がある。
【０００７】図２は、信号電極の幅ｗとマイクロ波実効
屈折率ｎｍとの関係を計算した例であるが、これから信
号電極幅ｗ＝５μm とすると、マイクロ波実効屈折率ｎ
ｍを導波光の実効屈折率ｎｏと同程度の2.2 とすること
が可能であることが分かる。しかしながら、図３に示し
た信号電極幅ｗと駆動電圧Ｖπ・Ｌの関係から、ｗ＝５
μm の構成ではＶπ・Ｌ＝20V*cmと駆動電圧がかなり高
くなってしまうことがわかる。逆にＶπ・Ｌが最も低く
なる信号電極幅ｗ＝15μm では、図２よりマイクロ波実
効屈折率ｎｍが2.7 近くまで上昇してしまい、速度整合
条件を満たせなくなる。
【０００８】また、図４は、信号電極幅ｗと電極インピ
ーダンスＺの関係を計算した例であるが、これから信号
電極幅ｗを増して低駆動電圧化する構成をとると、電極
インピーダンスＺが40Ω以下にまで下がることがわか
る。一方、変調器を駆動するドライバのインピーダンス
は、50Ωであるため、この様な構成では駆動ドライバと
のインピーダンスのミスマッチにより、印加した電気信
号の反射が増大してしまうという問題が発生する。この
例から明らかなように、変調帯域と駆動電圧はトレード
オフの関係にあり、従来型の構成では、広帯域で、かつ
駆動電圧が低くインピーダンス整合の取れた変調器の提
供は困難であった。
【０００９】
【発明の目的】本発明の目的は、上記問題点を解決し、
電極インピーダンス整合のとれた低駆動電圧の高速光変
調器を提供することにある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、高速・大容
量光ファイバー通信システムやケーブルテレビ放送（Ｃ
ＡＴＶ）などに用いられる導波路型光変調器に関するも
のである。
【００１１】本発明の構成における最大の特徴は、信号
電極に切欠部を設けること、あるいはこの切欠部に基板
の誘電率より低い誘電率を有する材料を充填したことで
ある。
【００１２】電極のインピーダンスＺは、概ねＺ∝√Ｌ
／√Ｃ （Ｌ：インダクタンス、Ｃ：キャパシタンス）
という関係にあり、インダクタンス変化は、通常無視し
うるため、電極のキャパシタンスＣと反比例関係にある
と考えられる。
【００１３】従って、例えば、信号電極と接地電極の間
隔ｇを広げることによってキャパシタンスを小さくし、
電極インピーダンスを上昇させることも出来るが、この
様な構成では、導波路にかかる電界効率が低下し、変調
器の駆動電圧が上昇してしまう。電極のキャパシタンス
Ｃは、平行平板電極的に近似すると、Ｃ＝ε・ｓ／ｄ
（ε：誘電率、ｓ：面積、ｄ：距離）という関係があ
り、電極が接している部分の誘電率を小さくすることに
よって、電極のキャパシタンスＣを小さくすることが出
来る。
【００１４】そこで、本発明者等は信号電極と基板とに
よって囲まれて形成される切欠部を設けることによっ
て、電極間隔ｇを変えることなく、電極のキャパシタン
スを小さくする方法を考案した。
【００１５】この様な構成を採用すると、信号電極に設
けた切欠部は、アーチ型となるが、それによって電極が
誘電率の高いＬＮから誘電率の低い空気に接している面
積が増大することとなり、電極のキャパシタンスがより
小さくなる。この結果、従来の50Ωより低い値、例え
ば、40Ωであった電極インピーダンスを高くし、50Ωに
整合させることが可能になる。
【００１６】またこの切欠部を形成することにより、信
号電極を伝搬するマイクロ波が感じる誘電率も小さくな
るため、マイクロ波実効屈折率ｎｍが下がって、光波と
マイクロ波の速度整合が、より取りやすくなり、変調器
の変調帯域が広くなる効果もある。
【００１７】更に、実質的に信号電極が接している基板
面積は小さいまま、信号電極幅を広げることが出来るた
め、駆動ドライバと電極とのインピーダンス整合をとり
つつ、導波路と信号電極の距離をより近づけることが可
能となり、導波光と信号電界の相互作用が一層強まるこ
とによって、変調器の駆動電圧を低くすることが出来
る。以上説明したように本発明の構成によって、信号電
極幅ｗを広くして駆動電圧を低減するような電極構成に
おいても、電極のインピーダンスＺを50Ωに整合させ、
マイクロ波実効屈折率ｎｍを速度整合条件に保つことが
でき、従って、低駆動電圧で、かつ広帯域の変調器を提
供することが可能である。
【００１８】
【課題を解決するための手段】本発明は、電気光学効果
を具えた基板と、前記基板に形成された光導波路と、前
記光導波路近傍に配設された導波光を制御するための信
号電極と、接地電極とを具えた導波路型光変調器におい
て、前記信号電極の下部に切欠部を設けたことを特徴と
する。本発明は、前記信号電極に設けた切欠部をアーチ
型に形成したことを特徴とする。本発明は、前記信号電
極の下部に設けた切欠部を空洞としたこと特徴とする。
本発明は、前記信号電極の下部の切欠部に前記基板の誘
電率より低い誘電率を有する材料を充填したことを特徴
とする。本発明は、前記信号電極の下部の切欠部に充填
する材料がMgF2、或いはSiO2であることを特徴とする。
本発明は、前記基板がニオブ酸リチウム（LiNbO3）であ
ることを特徴とする。本発明は、前記基板と前記電極の
間にバッファ層を設けたことを特徴とする。
【００１９】本発明は、電気光学効果を具えた基板と、
前記基板に形成された光導波路と、前記光導波路近傍に
配設された導波光を制御するための信号電極と、接地電
極とを具えた導波路型光変調器において、前記信号電極
の下部に切欠部を設けるとともに、前記信号電極近傍の
前記基板の表面に凹型溝部を設け、該凹型溝部に前記信
号電極を配設したことを特徴とする。本発明は、前記信
号電極近傍の前記基板の表面に凹型溝部を設け、前記信
号電極に設けた切欠部をアーチ型に形成したことを特徴
とする。本発明は、前記信号電極近傍の前記基板の表面
に凹型溝部を設け、前記信号電極の下部に設けた切欠部
を空洞としたこと特徴とする。本発明は、前記信号電極
近傍の前記基板の表面に凹型溝部を設け、前記信号電極
の下部の切欠部に前記基板の誘電率より低い誘電率を有
する材料を充填したことを特徴とする。本発明は、前記
信号電極近傍の前記基板の表面に凹型溝部を設け、前記
信号電極の下部の切欠部に充填する材料がMgF2、あるい
はSiO2であることを特徴とする。本発明は、前記信号電
極近傍の前記基板の表面に凹型溝部を設け、前記基板が
ニオブ酸リチウム（LiNbO3）であることを特徴とする。
本発明は、前記信号電極近傍の前記基板の表面に凹型溝
部を設け、前記基板と前記電極の間にバッファ層を設け
たことを特徴とする。
【００２０】
【実施例】以下、図を参照しつつ、本発明の実施例を説
明する。図５は、本発明の一実施例である。これは、マ
ッハツェンダ型光強度変調器の断面を示し、導波路を形
成している基板１にはＬＮのＸ板を用いている。導波路
２ａ、２ｂは、ＬＮ基板上にパターニングした後、Tiを
700 Å蒸着し、1000℃で、10時間熱拡散して形成する。
基板上には、電極による光波の吸収損失を抑えるととも
にマイクロ波実効屈折率を下げるため、SiO2バッファ層
５をスパッタリング法により厚さ1.1 μm に形成する。
その後、ウエハ全面にフォトレジストをスピンコート
し、信号電極３下の切欠部６がパターニングされたフォ
トマスクを用いて、信号電極３下に切欠部６を形成する
部分を露光・現像する。
【００２１】実施例では、切欠部６の幅を20μm に設定
した。ここにMgO を2.0 μm 蒸着し、リフトオフして、
信号電極３下の切欠部６を形成するための被エッチング
層を形成する。更に再びフォトレジストをウエハ全面に
スピンコートした後、信号電極３及び接地電極４をパタ
ーニングする。実施例では、信号電極幅３を30μm 、両
電極間隔を20μm とした。それぞれの電極は、Auメッキ
により10μm の厚さに形成した。最後に信号電極３下の
MgO を酢酸によりエッチングして除去し、切欠部６を形
成する。
【００２２】実施例では、バッファ層を介しているた
め、電極が基板とは直接接しない構成ではあるが、信号
電極を伝搬するマイクロ波の電界分布はバッファ層下の
基板に達しており、またバッファ層厚は、変更可能なプ
ロセスパラメータで、同一のバッファ層厚であれば、電
極が直接基板に接している場合と等価的に考えることが
出来るため、以下の説明においては、電極と基板が直接
接するものとして、実施例における作用を説明する。
【００２３】この様な構成をとると信号電極の幅が30μ
m と広いものの、アーチ型の断面形状を持つ信号電極が
実質的に基板に接している幅は５μm となり、残りの20
μmはより誘電率の低い空気と接しているため、信号電
極が全て基板に接している場合と比べて電極のキャパシ
タンスは下がり、電極インピーダンスは50Ωに近づくこ
とになる。
【００２４】また、信号電極を伝搬するマイクロ波の感
ずる誘電率も小さくなるため、マイクロ波実効屈折率ｎ
ｍが導波光との速度整合条件をより満足する様になる。
また基板に接する信号電極の幅はアーチ型形状をとるこ
とによって実質的に狭くなる。このため、信号電極が、
広く基板に接している場合に比べて、導波路付近での電
界強度が高まり、導波光との相互作用においても有利で
ある。
【００２５】切欠部の幅については、実施例では、20μ
m(信号電極幅に対して67％) としたが、信号電極幅の幅
に対して10％より狭くすると、基板に接する部分が増す
ことによるマイクロ波の実効屈折率ｎｍの上昇が著しく
なり、逆に90％より広げると電極の基板に対する付着力
が低下し過ぎる事により電極が基板から、剥離するとい
った問題が生じるかめ、切欠部の幅は、信号電極幅に対
して、１０〜９０％程度とするのが望ましい。また、切
欠部の厚さについては、実施例では、2.0 μm(信号電極
幅に対して20％) としたが、これを信号電極厚に対して
80％より厚くするとマイクロ波の導体損失が、著しく増
大する。逆に1 ％より薄くすると微細加工上の問題を生
ずるため、信号電極厚さに対して1 〜80％程度とするこ
とが望ましい。
【００２６】なお、上記実施例の信号電極は、その切欠
部の断面方向の形状を矩形に形成したが、その形状は、
半円形や三角形などでも良いことは明らかである。
【００２７】図６は、本発明の他の一実施例を示す。本
実施例は、ＬＮ基板１をＥＣＲ(Electron Cyclotron Re
sonance)装置により深さ3 μm 、幅30μm ドライエッチ
ングして、溝部８を設けた後、上記実施例と同様な方法
で電極を形成した。
【００２８】信号電極３を基板１表面より溝部８に落と
し込むことにより、導波光にかかる電界効率をより高め
ることが出来るが、信号電極に切欠部を設けずに信号電
極を落とし込むと、信号電極を伝搬するマイクロ波が感
じる誘電率は、平板型電極の場合に比べてむしろ上昇し
てしまうため、マイクロ波実効屈折率の点では不利であ
る。しかし本実施例のように信号電極下に切欠部を設け
ることによってマイクロ波の感ずる誘電率を下げ、マイ
クロ波の実効屈折率ｎｍを低減することにより、速度整
合条件を満足することができる。従って、本実施例は、
平板型電極に切欠部を設けた上記実施例より、駆動電圧
を更に低減し、かつ速度整合条件を満足することができ
るため、この実施例はより好ましい構成である。
【００２９】以上信号電極と基板とによって囲まれた切
欠部を形成し、信号電極の断面形状をアーチ型とするこ
とで、電極のインピーダンスを50Ωに整合させるととも
にマイクロ波実効屈折率ｎｍ及び駆動電圧の低減に効果
があることを述べてきたが、切欠部は、必ずしも中空空
洞である必要はない。切欠部に空気と同程度に誘電率の
低い物質を充填することによっても、同様の効果を得る
ことが出来る。
【００３０】前記したように、切欠部を中空空洞とする
ためには、あらかじめ切欠部に被エッチング層を形成
し、電極形成を行った後にエッチングによって 被エッ
チング層を除去する必要があるが、被エッチング層を低
誘電率物質とすることによって、中空空洞を形成するた
めのエッチング工程を省くことができる。
【００３１】充填物質７としては、基板１の誘電率より
低い誘電率を有する物質であれば、おおよそ同様の効果
が得られるが、誘電率が低く安定であること、薄膜とし
て形成しやすいことからMgF2、SiO2等が好適である。
【００３２】図７は、充填物質７として、MgF2を用いた
場合について示す。形成方法としては上記実施例におけ
るものと殆ど同様な方法を用いることが出来る。即ち、
切欠部を形成するための被エッチング層として形成した
MgO の代わりに、MgF2を蒸着した後、同様に信号電極、
接地電極を形成し、MgF2をエッチングせずにそのまま残
せば良い。
【００３３】以上、本発明の実施例について、Ｘ板のＬ
Ｎ光強度変調器を中心に説明したが、Ｚ板、Ｙ板でも良
く、また位相変調器、偏波スクランブラなどその他の導
波路型光変調器に適用出来ることは言うまでもない。ま
た、基板としては、ＬＮの他にも電気光学効果を持つ材
料であれば誘電体材料、半導体材料の区別無く使うこと
が出来ることは勿論である。また本発明は、以上述べた
実施例に限定されるものではない。
【００３４】
【発明の効果】以上述べたとおり、本発明によりインピ
ーダンス整合がとれ低駆動電圧でかつ変調帯域の広い導
波路型光変調器を提供することができ、高速・大容量光
ファイバー通信システムやＣＡＴＶシステムなどに寄与
するところ大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光変調器の断面を示したものである。
【図２】信号電極幅ｗとマイクロ波実効屈折率ｎｍの関
係について計算した例である。
【図３】信号電極幅ｗと駆動電圧Ｖπ・Ｌの関係につい
て計算した例である。
【図４】信号電極幅ｗと電極のインピーダンスＺの関係
について計算した例である。
【図５】本発明の一実施例である。
【図６】本発明の他の実施例である。
【図７】本発明の他の実施例である。
【符号の説明】
１ 基板 ２ 光導波路（２ａ、２ｂ） ３ 信号電極 ４ 接地電極 ５ バッファ層 ６ 切欠部 ７ 充填物質 ８ 溝部

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電気光学効果を具えた基板と、 前記基板に形成された光導波路と、 前記光導波路近傍に配設された導波光を制御するための
    信号電極と、 接地電極とを具えた導波路型光変調器において、 前記信号電極の下部に切欠部を設けたことを特徴とする
    導波路型光変調器。
  2. 【請求項２】 前記信号電極に設けた切欠部をアーチ型
    に形成したことを特徴とする請求項１記載の導波路型光
    変調器。
  3. 【請求項３】 前記信号電極の下部に設けた切欠部を空
    洞としたことを特徴とする請求項１又は請求項２のいず
    れか１項記載の導波路型光変調器。
  4. 【請求項４】 前記信号電極の下部の切欠部に前記基板
    の誘電率より低い誘電率を有する材料を充填したことを
    特徴とする請求項１又は請求項２いずれか１項に記載の
    導波路型光変調器。
  5. 【請求項５】 前記信号電極の下部の切欠部に充填する
    材料がMgF2、或いはSiO2であることを特徴とする請求項
    １、請求項２又は請求項４いずれか１項に記載の導波路
    型光変調器。
  6. 【請求項６】 前記基板がニオブ酸リチウム（LiNbO3）
    であることを特徴とする請求項１及至請求項５のいずれ
    か１項に記載の導波路型光変調器。
  7. 【請求項７】 前記基板と前記電極の間にバッファ層を
    設けたことを特徴とする請求項１及至請求項６のいずれ
    か１項に記載の導波路型光変調器。
  8. 【請求項８】 電気光学効果を具えた基板と、 前記基板に形成された光導波路と、 前記光導波路近傍に配設された導波光を制御するための
    信号電極と、 接地電極とを具えた導波路型光変調器において、 前記信号電極の下部に切欠部を設けるとともに、前記信
    号電極近傍の前記基板の表面に凹型溝部を設け、該凹型
    溝部に前記信号電極を配設したことを特徴とする導波路
    型光変調器。
  9. 【請求項９】 前記信号電極に設けた切欠部をアーチ型
    に形成したことを特徴とする請求項８記載の導波路型光
    変調器。
  10. 【請求項１０】 前記信号電極の下部に設けた切欠部を
    空洞としたことを特徴とする請求項８又は請求項９のい
    ずれか１項に記載の導波路型光変調器。
  11. 【請求項１１】 前記信号電極の下部の切欠部に前記基
    板の誘電率より低い誘電率を有する材料を充填したこと
    を特徴とする請求項８又は請求項９いずれか１項に記載
    の導波路型光変調器。
  12. 【請求項１２】 前記信号電極の下部の切欠部に充填す
    る材料がMgF2、あるいはSiO2であることを特徴とする請
    求項８、９又は１１いずれか１項に記載の導波路型光変
    調器。
  13. 【請求項１３】 前記基板がニオブ酸リチウム（LiNb
    O3）であることを特徴とする請求項８及至請求項１２の
    いずれか１項に記載の導波路型光変調器。
  14. 【請求項１４】 前記基板と前記電極の間にバッファ層
    を設けたことを特徴とする請求項８及至請求項１３のい
    ずれか１項に記載の導波路型光変調器。
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