WO2003079102A1

WO2003079102A1 - Procede de fabrication de modulateur optique

Info

Publication number: WO2003079102A1
Application number: PCT/JP2003/003372
Authority: WO
Inventors: Jungo Kondo; Yukio Mizuno; Minoru Imaeda; Atsuo Kondo
Original assignee: Ngk Insulators, Ltd.
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2003-09-25
Also published as: JP2003270601A

Description

明細書光変調器の製造方法技術分野

本発明は、高速で大容量の光ファイバ通信システムなどに好適に用いることができる光変調器の製造方法に関する。背景技術

近年、高速で大容量の光ファイバ通信システムの進歩に伴い、外部変調器（外部変調方式による光変調器）に代表されるように、光導波路素子を用いた高速光変調器が実用化され、広く用いられるようになってきている。

図 1は、従来の光変調器の一例を示す断面図である。図 1に示す光変調器 1 0 は、光導波路内を導波する光を変調するためのコプレナ一型（C P W) の変調用電極を具えている。即ち、この光変調器 1 0は、ニオブ酸リチウムの Xカット板からなる基板 1と、この基板 1の主面 I Aの直下にチタン拡散法などによつて形成されたマッハツェンダー型の光導波路 2と、主面 I A上に形成された酸化珪素などからなるバッファ層 3と、このバッファ層 3上に形成された中心電極 4及び接地電極 5— 1、 5— 2とを有する。

一方、図 2は、従来の光変調器の他の例を示す断面図である。図 2に示す光変調器 2 0は、光導波路内を導波する光を変調するための C P W変調用電極を具えている。即ち、この光変調器 2 0は、ニオブ酸リチウムの Zカット板からなる基板 1 1と、この基板 1 1の主面 1 1 Aの直下に同じくチタン拡散法などによって形成されたマッハツェンダー型の光導波路 1 2と、主面 1 1 A上に形成された酸化珪素などからなるバッファ層 1 3と、このバッファ層 1 3上に形成された中心電極 1 4及び接地電極 1 5— 1、 1 5— 2とを有する。

図 1及び図 2に示す光変調器 1 0及び 2 0において、バッファ層 3及び 1 3は光導波路 2及び 1 2内を導波する光と、変調用電極に印加されるマイクロ波との速度整合を向上させる目的などによって設けられる。

しかしながら、図 1及び図 2に示す上述した従来の光変調器 1 0及び 2 0において、基板 1及び 1 1上に含まれるバッファ層 3及び 1 3は、 D Cドリフト発生の原因となっていた。さらに、光導波路 2及び 1 2内を導波する光に対しては、変調用電極からバッファ層 3及び 1 3を介して変調信号が印加されるために、前記光に対して印加される実質的な変調信号電圧が減少してしまっていた。このため、光変調器 1 0及び 2 0を実効的に駆動させるために、変調用電極に対しては比較的高い電圧を印加する必要が生じ、駆動電圧の低減化という要請に反していた。

また、図 2に示す光変調器 2 0においては、中心電極 1 4に対して光導波路 1 2が非対称に配置されるために、チヤープが大きくなつてノイズの原因になるとともに、駆動回路が複雑になって変調器全体のコストが増大してしまうという問題があった。

本発明は、バッファ層を有することなく速度整合を図ることができ、上述した諸問題を生じることのない新規な構成の光変調器の製造方法を提供する。発明の開示

本発明に係る光変調器の製造方法は、電気光学効果を有する材料からなる基板の主面直下に光導波路を形成する工程と、前記基板の前記主面上に、前記光導波路内を導波する光を変調するための変調用電極を形成する工程と、前記基板の主面とベース基板とを、前記変調用電極を介して貼り合せる工程と、前記ベース基板を固定した状態において、前記基板の裏面に対して第 1の機械加工を施すことにより、前記基板の全体を薄板化する工程と、薄板化された前記基板の前記裏面に対して第 2の機械加工を施して、前記基板のうち、前記光導波路と隣接する領域に薄肉部分を形成する工程と、所定の溝部を有する支持基板を用意し、前記基板の前記裏面と前記支持基板とを、前記光導波路、前記変調用電極及び前記薄肉部分が前記溝部内に位置するように貼り合わせた後、前記基板から前記ベース基板を剥離する工程とを含むことを特徴とする（第 1の製造方法）。また、本発明に係る光変調器の製造方法は、電気光学効果を有する材料からなる基板の主面直下に光導波路を形成する工程と、前記基板の前記主面上に、前記光導波路内を導波する光を変調するための変調用電極を形成する工程と、前記基板の主面とベース基板とを、前記変調用電極を介して貼り合せる工程と、前記べ —ス基板を固定した状態において、前記基板の裏面に対して機械加工を施すことにより、前記基板の全体を薄板化する工程と、薄板化された前記基板の前記裏面に対してレーザ加工処理を施し、前記基板のうち、前記光導波路と隣接する領域に薄肉部分を形成する工程と、所定の溝部を有する支持基板を用意し、前記基板の前記裏面と前記支持基板とを、前記光導波路、前記変調用電極及び前記薄肉部分が前記溝部内に位置するように貼り合わせた後、前記基板から前記べ一ス基板を剥離する工程とを含むことを特徴とする（第 2の製造方法）。

本発明者らは、バッファ層を有することなく速度整合を図ることができ、さらに光ファイバ一を結合した際の結合損失を低減することのできる新規な構成の光変調器の開発に成功した。

図 3は、本発明の製造方法に係わる新規な光変調器の一例を示す平面図であり、図 4は、図 3に示す光変調器を A— A線に沿って切った場合の断面図である。図 3及び図 4に示す光変調器 3 0は、電気光学効果を有する材料、例えばニオブ酸リチウムなどから構成される基板 2 1と、この基板 2 1の主面 2 1 Aの直下に形成されたマッハツェンダー型の光導波路 2 2と、基板 2 1上に形成された中心電極 2 4及び接地電極 2 5— 1、 2 5— 2とを有する。中心電極 2 4及び接地電極 2 5 - 1 , 2 5— 2は、光導波路 2 2中を導波する光を変調するための C P W変調用電極を構成する。

さらに、図 4に示すように、基板 2 1の裏面には所定の加工が施されることによって、光導波路 2 2に隣接する領域に薄肉部分 2 6が形成されている。なお、基板 2 1の裏面 2 1 Bには、エポキシ系フィルムなどの熱硬化性樹脂 2 9によつて支持基板 2 7が貼り付けられでいる。支持基板 2 7には溝部 2 8が形成され、基板 2 1と支持基板 2 7との貼り付けは、基板 2 1の裏面 2 1 Bに支持基板 2 7 の主面 2 7 Aを貼り合わせるようにして行われ、特に、溝部 2 8内に光導波路 2 2及び薄肉部分 2 6が位置するようにして行われる。なお、溝部 2 8の深さ dは 1 m以上であり、好ましくは 1 0 ！〜 2 0 0 mである。

図 3及び図 4に示す光変調器 3 0は、バッファ層を有しないことと、薄肉部分 2 6の厚さ t 2は基板 2 1の厚さ t 1との差が大きいほど好ましく、具体的には 1 z m以上であることが好ましい。マイクロ波の実効屈折率 n mを顕著に低減するという観点からは、前記厚さ t 2は 1 2 . 5 m以下であることが好ましく、さらには 1 0 m以下であることが好ましい。

薄肉部分 2 6の下方には溝部 2 8が位置されて空洞となっていることから、変調用電極からの変調信号が薄肉部分 2 6の下方に存在する低誘電率部（空気）にしみ出し、バッファ層を形成することなく速度整合条件を満足させることができる。さらに、変調信号が光導波路 2 2に効率良く印加されることから、光変調器 3 0の駆動電圧を低減することができる。

また、基板 2 1のうち、光導波路 2 2が位置する部分は、ある程度の厚さを有することから、光導波路 2 2の断面形状が偏平化されるのを抑制することができる。したがって、光を入力した場合において、薄肉部分が形成されていない部分との結合損失の低減を抑制することができる。

なお、薄肉部分 2 6は、図 3に示す領域 Pに対応させて形成することが好ましい。この領域 Pは、光導波路 2 2内を導波する光と変調用電極から変調信号とが実質的に相互作用する領域であって、例えば、光導波路 2 2と中心電極 2 4及び接地電極 2 5— 1、 2 5— 2とが略平行である破線で示す領域である。もちろん、薄肉部分 2 6は、領域 Pを含み、かつ、基板 2 1の光導波路 2 2に沿った長手方向の全体に亘つて形成しても良い。

図 3及び図 4に示す光変調器 3 0においては、基板 2 1の厚さ t 1を約 5 m 〜5 0 mとする必要があり、このため、通常の材料を加工して前記厚さまで薄板化する必要があった。また、薄肉部分 2 6の厚さ t 2も約 1 2 . 以下と極めて薄く、薄板化された基板 2 1に対してさらに加工を施し、前記厚さまで薄肉化する必要があった。しかしながら、薄板化及び薄肉化に対する加工技術は十分に確立されておらず、このような光変調器の製造歩留まりは極めて低い状態にあった。

そこで、本発明者らは、上記加工技術を確立し、図 3及び図 4に示すような光変調器を安定に得る方法を見出すべく鋭意検討を行なった。その結果、上述した第 1の製造方法又は第 2の製造方法、即ち、基板材料をベース基板に貼り付けた後、このベース基板を固定して基板の薄板化を所定の機械加工で行ない、さらに薄肉化を機械加工又はレーザ加工処理で行うことにより、光変調器の製造歩留まりを向上できることを見出したものである。図面の簡単な説明

図 1は、従来の光変調器の一例を示す断面図である。

図 2は、従来の光変調器の他の例を示す断面図である。

図 3は、本発明の製造方法により得た光変調器の一例を示す平面図である。図 4は、図 3に示す光変調器の A— A線に沿って切った場合を示す断面図である。

図 5は、第 1の実施の形態に係る製造方法において、基板に光導波路を形成した状態を示す工程図である。

図 6は、第 1の実施の形態に係る製造方法において、基板上に C P W変調用電極を形成した状態を示す工程図である。

図 7は、第 1の実施の形態に係る製造方法において、基板をに薄肉部分を形成した状態を示す工程図である。

図 8は、第 1の実施の形態に係る製造方法において、基板とベ一ス基板とを貼り合わせた後、基板の裏面から研磨処理を施して、基板を薄板化した状態を示す工程図である。

図 9は、光変調器の変形例を示す断面図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明に光変調器の製造方法の実施の形態例を図 5〜図 8を参照しながら説明する。図 5〜図 8は、本実施の形態に係る製造方法の製造工程を示す断面図である。なお、実際の製造工程においては、所定の大きさを有するゥェーハ（基板）上において複数の光変調器を同時に作製するが、以下の説明においては、ゥェ一ハ上に作製される 1つの変調器に着目して説明する。

最初に、第 1の実施の形態に係る製造方法について説明する。図 5に示すように、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料からなる基板 2 1の主面 2 1 A上に所定のマスクパターンを形成した後、主面 2 1 Aの直下にチタン拡散法などでマッハツェンダー型の光導波路 2 2を作製する。

次いで、図 6に示すように、基板 2 1の主面 2 1 A上に所定のマスクパターンを形成し、メツキ法又は蒸着法とメツキ法とを併用することによって、中心電極 2 4及び接地電極 2 5 - 1 , 2 5— 2から構成される C P W変調用電極を作製する。

なお、中心電極 2 4及び接地電極 2 5— 1、 2 5— 2の厚さ Tは、好ましくは 1 5 m〜 5 0 mに設定し、中心電極 2 4の幅" は、好ましくは 5 z m〜5 0 / mに設定する。これによつて、変調信号の電極損失を低減することができる。また、中心電極 2 5と接地電極 2 5— 1及び 2 5— 2とのギャップ Gは、 2 5 m〜5 5 mであることが好ましい。これによつて、駆動電圧の増大を抑制しながら、光導波路 2 2内を導波する光に対する変調を効果的に行なうことができる。次いで、図 7に示すように、基板 2 1の主面 2 1 Aとベース基板 3 1とを熱可塑性樹脂 3 9を介して貼り合わせ、ベース基板 3 1を所定の研磨処理機の定盤などに熱可塑性樹脂などで固定する。次いで、基板 2 1の裏面 2 1 Bに対して研磨処理を施し基板 2 1を厚さ t 1まで薄板化する。なお、上述したように、基板 2 1の厚さ t 1は 5 m〜 5 0 mに設定する。

次いで、図 8に示すように、ベ一ス基板 3 1を、例えば研削加工機の定盤などに熱可塑性樹脂などで固定した状態において、前記薄板化された基板 2 1の裏面 2 1 Bに対して研削処理を施し、光導波路 2 2を含む部分に隣接する領域に厚み t 2の薄肉部分 2 6を形成する。なお、上述したように、薄肉部分 2 6の厚さ t 2は 1 2 . 5 m以下である。また、前記研磨処理の定盤と前記研削加工機の定盤とは同一のものとすることができる。

次いで、基板 2 1の裏面 2 1 Bに支持基板 2 7 (図 4参照）の主面 2 7 Aを、エポキシ系フィルムなどの熱硬化性樹脂によって貼り合わせる。このとき、支持基板 2 7の溝部 2 8に光導波路 2 2及び薄肉部分 2 6が含まれるようにして貼り合わせる。その後、ベース基板 3 1を剥離し、図 3及び図 4に示すような光変調器 3 0を得る。

なお、研削の際に使用するブレードの粗さ及び幅については適宜に選択して用いる。例えば、図 9に示すように、機械加工において楔型のブレードを用いることによって、薄肉部分 2 6を楔型に形成することもできる。この場合は、楔型に加工された先端部分の厚さ、すなわち最も薄い部分の厚さが上述した t 2となるようにする。この場合は、薄肉部分 2 6を形成する際において、基板 2 1へのクラックの発生を効果的に抑制することができるとともに、基板 2 1の機械的強度、並びに光変調器 3 0の機械的強度を増大させることができる。

また、機械加工は、横型研磨、高速ラップゃポリツシング（C M P ) などによつて行うことができる。

第 1の実施の形態に係る製造方法における前記第 2の機械加工は、上述したように、マイクログラインダ一などを用いた研削加工を含む。このとき、前記マイクログラインダーの外周刃（ブレード）が変形し、研削加工面が凸凹になって基板厚みにバラツキが生じてしまう。したがって、上述した研削処理中において加工面に対して随時ツル一イング処理を行ない、前記外周刃の形状を整形することが好ましい。この場合、外周刃の整形には、ツル一イング基板の面精度が外周刃に反映されるために、例えば表面粗さ、あるいは平面度が規定の条件を満たし、かつ、外周刃よりも硬い材料であることが好ましい。

次に、第 2の実施の形態に係る製造方法について説明する。この第 2の実施の形態においても、基本的には図 5〜図 8に示す工程に従って光変調器 3 0のァセンブリを作製するが、以下の点で異なる。

即ち、図 8に示す薄肉部分 2 6を機械加工の代わりに、レーザ加工処理で形成する。このレーザ加工処理は、例えばパルス幅が 1 0 n s e c以下のエキシマレ一ザなどを用い、その照射強度を lm J〜2m Jに設定して行なう。これによつて、比較的短時間で、薄肉部分 26を高精度に形成することができる。

(実施例 1 )

本実施例においては、図 3及び図 4に示すような光変調器を、第 1の実施の形態に係る製造方法に基づいて作製した。基板 21として厚さ 0. 5mmのニオブ酸リチウムの Xカット板を用い、チタン拡散法によって、図 5に示すように、基板 21の主面 21の直下にマッハツェンダー型の光導波路 22を作製した。次いで、図 6に示すように、主面 21A上に、メツキ法を用いて CPWの変調用電極を作製した。該変調用電極は、中心電極幅 Wが 30 ^m、中心電極 24と接地電極 25— 1及び 25— 2とのギャップ Gが 40 m、電極厚みが 30 ΠΙ、長さが 40mmである。

次いで、図 7に示すようにして、基板 21の主面 21Aに、ニオブ酸リチウムからなるベース基板 31を熱可塑性樹脂によって貼り合わせた。その後、基板 2 1の裏面 21 Bに横型研磨、高速ラップ、及びポリッシング（CMP) を施して研磨処理を行ない、基板 21を厚さ t 1 = 1 5 まで薄板化した。なお、厚さ t 1は形状測定器を用いて計測した。

次いで、基板 21の裏面 21 Bに対して、 # 6000番、幅 100 mの樹脂ポンドブレードを使用することによって研削処理を施し、図 8に示すように、薄肉部分 28を厚さ t 2 = 10 に形成した。なお、厚さ t 2は形状測定器を用いて計測した。また、薄肉部分 26間の距離 L 1は 90 mとした。

さらに、ブレードの回転数は 12000 r pmとし、厚さ方向及び面方向（基板 21の裏面に略平行な方向）においては、基板厚み方向に 0. 1 mmZm i n の速度で基板表面から 1 研削加工し、その位置から水平方向（電極長方向）に 2 OmmZmi nの速度で溝加工を行なうという操作を繰り返すことによって加工を実施した。

その後、基板 21に、深さ d = 0. 1mm及び幅 L 2 = 0. 3mmの溝部 28 を有する支持基板 27を、溝部 28内に光導波路 22及び薄肉部分 26が位置するようにして、エポキシ系の接着フィルム 29によって貼り合わせた後、ベース基板 3 1を剥離した。

次いで、このようにして得たアセンブリをチップ状に切り出すことによって、図 3及び図 4に示す光変調器 3 0を得た。このようにして得た光変調器 3 0に対して光ファイバ一を U V硬化樹脂によって接着固定し、パッケージ実装後の S 2 1特性（伝送特性）を評価した。その結果、一 6 d B帯域が 4 0 GH z以上であり、マイクロ波実効屈折率 n mは 2 . 1 5であった。また、光応答特性を評価した結果、一 3 d B特性は 4 0 GH z以上であった。さらに、結合損失は 5 d Bであった。

(実施例 2 )

機械加工を楔型のブレードを用いて行ない、図 9に示すような楔型の薄肉部分

2 6を形成した以外は、実施例 1と同様にして光変調器 3 0を作製した。なお、薄肉部分 2 6の厚さ t 2は、実施例 1と同様に 1 0 mとした。また、光変調器

3 0の S 2 1特性、光応答特性、及び結合損失は実施例 1の場合と同じであった。 (実施例 3 )

薄肉部分 2 6を機械加工に代えてレ一ザ加工処理で形成した以外は、第 2の製造方法に基づいて実施例 1と同様にして同寸法の光変調器 3 0を作製した。なお、レーザ加工処理は、周波数 1 2 0 H zの K r Fエキシマレーザを用い、照射強度 2 m J、スキャン速度 3 0 0 mZ s e cで実施した。また、光変調器 3 0の S 2 1特性、光応答特性、及び結合損失は実施例 1の場合と同じであった。

上述の実施例から明らかなように、第 1及び第 2の実施の形態に係る製造方法によれば、基板 2 1の薄板化を高精度に行なうことができるとともに、薄板化された基板 2 1の裏面側において薄肉部分 2 6を高精度に形成することができる。その結果、速度整合及び結合損失に優れた光変調器を安定的に作製することができる。

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明したが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲において、あらゆる変更や変形が可能である。

例えば、基板 2 1は、ニオブ酸リチウムの Xカット板から構成したが、 Yカツ卜板、 Zカツ卜板、及びオフカット板などを用いることもできる。また、ニオブ酸リチウムに代えて、タンタル酸リチウムなど公知の電気化学効果を有する材料から構成することができる。さらには、基板 2 1には、耐光損傷性を向上させるベく、 M g、 Z n、 S c、及び 1 nなどの元素を添加することができる。

また、上述した研削加工及びレーザ加工処理に加えて、研磨加工などを必要に応じて逐次含ませることができる。さらに、光導波路 2 2はチタン拡散法の他に、プロトン交換法などを用いることもできる。産業上の利用可能性

以上説明したように、本発明によれば、基板の薄板化を高精度に行なうことができるとともに、薄板化された基板の裏面に対して薄肉部分を安定して高精度に形成することができる。これによつて、バッファ層を有することなく速度整合を図ることができ、結合損失などにも優れた光変調器を作製することができる。

Claims

請求の範囲

1. 電気光学効果を有する材料からなる基板（21) の主面（21A) 直下に光導波路（22) を形成する工程と、

前記基板（21) の前記主面（21 A) 上に、前記光導波路（22) 内を導波する光を変調するための変調用電極を形成する工程と、

前記基板（21) の主面（21 A) とべ一ス基板（31) とを、前記変調用電極を介して貼り合せる工程と、

前記ベース基板（3 1) を固定した状態において、前記基板（21) の裏面 (21 B) に対して第 1の機械加工を施すことにより、前記基板（21) の全体を薄板化する工程と、

薄板化された前記基板（21) の前記裏面（21 B) に対して第 2の機械加工を施して、前記基板（21) のうち、前記光導波路（22) と瞵接する領域に薄肉部分（26) を形成する工程と、

所定の溝部（28) を有する支持基板（27) を用意し、前記基板（21) の前記裏面（21 B) と支持基板（27) とを、前記光導波路（22) 、前記変調用電極及び前記薄肉部分（26) が前記溝部（28) 内に位置するように貼り合わせた後、前記基板（21) から前記ベース基板（31) を剥離する工程と、を含むことを特徴とする光変調器の製造方法。

2. 請求項 1記載の光変調器の製造方法において、

前記第 2の機械加工は、外周刃を用いた研削加工を含むことを特徴とする光変調器の製造方法。

3. 請求項 2記載の光変調器の製造方法において、

前記外周刃を整形するためのツル一イング処理工程を含むことを特徴とする光変調器の製造方法。

4. 電気光学効果を有する材料からなる基板（21) の主面（21A) 直下に光導波路（22) を形成する工程と、

前記基板（2 1) の前記主面（21 A) 上に、前記光導波路（22) 内を導波する光を変調するための変調用電極を形成する工程と、

前記基板（2 1) の主面（21A) とべ一ス基板（31) とを、前記変調用電極を介して貼り合せる工程と、

前記ベース基板（3 1) を固定した状態において、前記基板（2 1) の裏面 (21B) に対して機械加工を施すことにより、前記基板（21) の全体を薄板化する工程と、

薄板化された前記基板（21) の前記裏面（21 B) に対してレーザ加工処理を施し、前記基板（21) のうち、前記光導波路（22) と隣接する領域に薄肉部分（26) を形成する工程と、

5. 請求項 1〜 4のいずれか 1項に記載の光変調器の製造方法において、 '前記機械加工によって、前記基板（21) を厚さ 5 xm〜50 まで薄板化することを特徴とする光変調器の製造方法。

6. 請求項 1〜 5のいずれか 1項に記載の光変調器の製造方法において、前記基板（2 1) と前記薄肉部分（26) との厚さの差が 1 以上であることを特徴とする光変調器の製造方法。