WO2011125692A1 - 光変調器 - Google Patents

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市岡　雅之
孝 神力
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Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—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
    • G02F1/01—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 
    • G02F1/21—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  by interference
    • G02F1/225—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  by interference in an optical waveguide structure
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    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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    • G02F1/03—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
    • G02F1/0305—Constructional arrangements
    • G02F1/0316—Electrodes

Definitions

  • the present invention relates to an optical modulator, and more particularly to an optical modulator in which an optical waveguide and a modulation electrode are formed on a substrate having an electro-optic effect.
  • an optical modulator in which an optical waveguide and a modulation electrode are formed on a substrate having an electro-optic effect such as lithium niobate is frequently used.
  • Such an optical modulator can perform high-speed modulation of several tens of GHz or more, and further improvement in high-speed modulation and frequency response characteristics is required.
  • a signal electrode S and a ground electrode G are formed on the substrate 1 as shown in a part of a cross section of the optical modulator in FIG.
  • Reference numeral 2 denotes an optical waveguide formed on the substrate 1.
  • the width of the signal electrode is gradually increased from the width (W1) of the portion closest to the substrate to the width (W2) of the portion farthest from the substrate.
  • the interval between the signal electrode S and the ground electrode G is configured to gradually narrow from the interval (G1) closest to the substrate to the interval (G2) farthest from the substrate. .
  • the modulation electrode having the shape as shown in FIG. 1 when the modulation electrode having the shape as shown in FIG. 1 is used, it is necessary to widen the gap G1 between the signal electrode and the ground electrode in order to widen the frequency response band. If it is increased, the drive voltage increases.
  • Patent Document 1 also proposes a modulation electrode having a shape as shown in FIG.
  • An electrode lower part (pedestal) 3 is formed on the substrate 1 and an electrode upper part is formed thereon, and the cross-sectional shape of the electrode is not continuous.
  • the width (W2) of the upper part of the electrode is an electrode narrower than the width (W1) of the lower part of the electrode, and the distance (G1) between the signal electrode S and the ground electrode G in the lower part of the electrode is the distance (G2) of the upper part of the electrode. ) Is narrower than.
  • a signal electrode and a ground electrode are formed.
  • forming the electrode of FIG. 2 requires at least two electrode forming processes, which increases the time and cost required for electrode formation.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide an optical modulator capable of solving the above-described problems and capable of widening the frequency response characteristic while suppressing an increase in drive voltage, and further, manufacturing. It is an object to provide an optical modulator that suppresses an increase in time and cost.
  • the invention according to claim 1 includes a substrate having an electro-optic effect, an optical waveguide formed on the substrate, and a modulation electrode for modulating a light wave propagating through the optical waveguide.
  • the modulation electrode is a coplanar electrode composed of a signal electrode and a ground electrode arranged so as to sandwich the signal electrode, and a distance between the signal electrode and the ground electrode is determined from a portion closest to the substrate. It is configured to gradually widen in a direction away from the substrate, and at least the entire signal electrode is formed of a single material.
  • the invention according to claim 2 is characterized in that, in the optical modulator according to claim 1, the distance between the signal electrode and the ground electrode is continuously changed.
  • the invention according to claim 3 is the optical modulator according to claim 1 or 2, wherein the substrate is an X-cut substrate, and the thickness of the substrate is 20 ⁇ m or less.
  • an optical modulator comprising a substrate having an electro-optic effect, an optical waveguide formed on the substrate, and a modulation electrode for modulating an optical wave propagating through the optical waveguide
  • the modulation The electrode is a coplanar electrode composed of a signal electrode and a ground electrode arranged so as to sandwich the signal electrode, and the distance between the signal electrode and the ground electrode is in a direction away from the substrate from the portion closest to the substrate. Therefore, at least the entire signal electrode is made of a single material, so that an optical modulator capable of realizing a wide frequency response characteristic while suppressing an increase in driving voltage is provided. It becomes possible.
  • the signal electrode can be formed by a single manufacturing process.
  • the electrode manufacturing process becomes complicated as in the conventional optical modulator shown in FIG. And the increase in manufacturing time and manufacturing cost can be suppressed.
  • the substrate is an X-cut substrate and the thickness of the substrate is 20 ⁇ m or less, the electric field formed by the modulation electrode can be efficiently applied to the optical waveguide, and the frequency response It becomes possible to further improve the characteristics.
  • the present invention is an optical modulation having a substrate 1 having an electro-optic effect, an optical waveguide 2 formed on the substrate, and a modulation electrode for modulating an optical wave propagating through the optical waveguide.
  • the modulation electrode is a coplanar electrode composed of a signal electrode S and a ground electrode G disposed so as to sandwich the signal electrode S, and a distance (G1, G2) between the signal electrode and the ground electrode is determined by a substrate.
  • the signal electrode (S) is configured to gradually widen from the portion closest to the substrate in a direction away from the substrate, and at least the entire signal electrode (S) is formed of a single material.
  • any single crystal of LiNbO 3 , LiTaO 3 or PLZT (lead lanthanum zirconate titanate) can be suitably used.
  • the optical waveguide formed on the substrate is formed, for example, by thermally diffusing a high refractive index material such as titanium (Ti) on a LiNbO 3 substrate (LN substrate).
  • a rib-type optical waveguide in which grooves are formed on both sides of a portion that becomes an optical waveguide and a ridge-type waveguide in which the optical waveguide portion is convex can be used.
  • the modulation electrode includes a signal electrode S and a ground electrode G, and can be formed by forming a Ti / Au electrode pattern on the surface of the substrate and using a gold plating method or the like. Furthermore, if necessary, a buffer layer such as dielectric SiO 2 can be provided on the substrate surface after the optical waveguide is formed. In the sense that “the entire signal electrode is composed of a single material” according to the present invention, as described above, in order to increase the bonding strength between the substrate and the material constituting the electrode, Providing a base such as an electrode pattern is not excluded.
  • the distance between the signal electrode S and the ground electrode G constituting the modulation electrode is gradually increased from the portion closest to the substrate 1 toward the direction away from the substrate. Is to configure. Therefore, it is possible to form inclined side surfaces on both the signal electrode and the ground electrode as shown in FIG. 3, but as shown in FIG. Alternatively, as shown in FIG. 4B, it is also possible to provide an inclined side surface only on the ground electrode G.
  • the modulation electrode can be formed by a single manufacturing process.
  • reflection of the electric signal by the discontinuous portion and emission into the air are reduced, it is possible to suppress problems such as an increase in propagation loss and impedance mismatch due to reflection of the electric signal due to a sudden change in impedance.
  • the “continuously changing” interval between the signal electrode and the ground electrode means that the interval changes smoothly in the height direction of the electrode.
  • the impedance mismatch can be suppressed by smoothly changing the shape of the signal electrode along the propagation direction of the electric signal.
  • the shape of the modulation electrode as in the present invention is basically such as a signal input pad portion along the signal electrode, and an action portion (a portion where the electric field formed by the modulation electrode acts on the optical waveguide) from the pad portion.
  • an action portion a portion where the electric field formed by the modulation electrode acts on the optical waveguide
  • FIG. 5 shows a configuration in which the thin substrate 1 is bonded to the reinforcing substrate 5 using an adhesive 4 or the like.
  • the substrate used in the optical modulator of the present invention is an X-cut substrate, and the thickness of the substrate is more preferably 20 ⁇ m or less.
  • the optical waveguide 2 is disposed between the signal electrode S and the ground electrode G, and therefore the distance between the signal electrode S and the ground electrode G closest to the substrate (G1) By narrowing, the electric field can be efficiently applied to the optical waveguide, and the drive voltage can be reduced.
  • the confinement of the microwave that is the modulation signal is strengthened, an electric field can be efficiently applied to the optical waveguide, and speed matching between the microwave and the light wave can be achieved. It becomes possible.
  • FIG. 6 shows a state in which pattern exposure is performed using the photomask 20 on the photoresist film 10 applied on the substrate 1.
  • the light transmitted through the transmission part 21 of the photomask 20 exposes a predetermined pattern on the photoresist film 10.
  • Reference numeral 22 denotes a non-transparent portion of the photomask
  • reference numeral 11 denotes an exposed portion of the photoresist film
  • reference numeral 12 denotes an unexposed portion of the photoresist film.
  • a trapezoidal exposure pattern (11) can be formed by adjusting the temperature and time before and after the exposure, when the photoresist film is baked (cured). After this exposure, development is performed, the resist in the exposed portion 11 is removed, and a gold electrode can be formed on the portion 11 by plating.
  • the exposure angle (trapezoidal exposure portion) as shown in FIG. 7 is obtained by changing the light irradiation angle as indicated by arrows a to c. 11) can be formed.
  • resist patterns (30 to 32) having different shapes are stacked on the substrate 1 to form a space whose width gradually decreases from the substrate side to the top as indicated by reference numeral 40.
  • the electrode material By filling this space with the electrode material, it is possible to form a signal electrode having a width (W2) narrower than the width (W1) on the substrate side.
  • an optical modulator capable of widening the frequency response characteristic while suppressing an increase in driving voltage, and further, an increase in manufacturing time and cost. It is possible to provide an optical modulator that suppresses the above.

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Abstract

　駆動電圧の増加を抑制しながら周波数応答特性の広帯域化が可能な光変調器を提供することであり、さらには、製造に掛る時間やコストの増加を抑制した光変調器を提供することを目的とする。　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、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器において、該変調電極は、信号電極Ｓとそれを挟むように配置される接地電極Ｇとからなるコプレーナ型電極であり、該信号電極と該接地電極との間隔（Ｇ１，Ｇ２）は、基板に最も近い部分から基板からはなれる方向に向かって徐々に広くなるよう構成され、少なくとも該信号電極全体は、単一の材料から構成されることを特徴とする。

Description

光変調器
　本発明は、光変調器に関するものであり、特に、電気光学効果を有する基板に光導波路及び変調電極を形成した光変調器に関する。
　光通信分野や光計測分野において、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する基板に光導波路及び変調電極を形成した光変調器が多用されている。このような光変調器は、数十ＧＨｚ以上の高速変調が可能であり、より一層の高速変調や周波数応答特性の改善が求められている。
　光変調器の変調電極については、図１に光変調器の断面の一部を示すように、基板１上に信号電極Ｓ及び接地電極Ｇが形成されている。符号２は、基板１に形成された光導波路を示している。
　図１のような形状の変調電極では、信号電極の幅が、基板に最も近い部分の幅（Ｗ１）から基板から最も離れた部分の幅（Ｗ２）へと徐々に幅が大きくなるように形成され、信号電極Ｓと接地電極Ｇとの間隔は、逆に、基板に最も近い部分の間隔（Ｇ１）から基板から最も離れた部分の間隔（Ｇ２）へと徐々に狭くなるよう構成されている。
　しかしながら、図１のような形状の変調電極を利用する場合には、周波数応答帯域の広帯域化を図るためには、信号電極と接地電極との間隔Ｇ１を広くする必要があるが、間隔Ｇ１を大きくすると駆動電圧が上昇するという問題を生じる。
　他方、特許文献１には、図２に示すような形状の変調電極も提案されている。基板１の上に電極下部（台座）３を形成し、その上に電極上部を形成し、電極の断面形状が連続的な形状とはなっていない。電極上部の幅（Ｗ２）は、電極下部の幅（Ｗ１)より幅の狭い電極であり、また、電極下部の信号電極Ｓと接地電極Ｇとの間隔（Ｇ１）は、電極上部の間隔（Ｇ２）よりも狭くなっている。信号電極や接地電極を形成している。
　しかしながら、図２の電極を形成するには、少なくとも２回以上の電極形成プロセスが必要であり、電極形成に掛る時間やコストが増大する原因となる。
特開平９－１８５０２５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、駆動電圧の増加を抑制しながら周波数応答特性の広帯域化が可能な光変調器を提供することであり、さらには、製造に掛る時間やコストの増加を抑制した光変調器を提供することである。
　上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、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、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器において、該変調電極は、信号電極とそれを挟むように配置される接地電極とからなるコプレーナ型電極であり、該信号電極と該接地電極との間隔は、基板に最も近い部分から基板からはなれる方向に向かって徐々に広くなるよう構成され、少なくとも該信号電極全体は、単一の材料から構成されることを特徴とする。
　請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光変調器において、該信号電極と該接地電極との間隔は連続的に変化するよう構成されていることを特徴とする。
　請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光変調器において、該基板はＸカット型の基板であり、該基板の厚みは、２０μｍ以下であることを特徴とする。
　請求項１に係る発明により、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変調するための変調電極とを有する光変調器において、該変調電極は、信号電極とそれを挟むように配置される接地電極とからなるコプレーナ型電極であり、該信号電極と該接地電極との間隔は、基板に最も近い部分から基板からはなれる方向に向かって徐々に広くなるよう構成され、少なくとも該信号電極全体は、単一の材料から構成されるため、駆動電圧の増加を抑制しながら周波数応答特性の広帯域化を実現可能な光変調器を提供することが可能となる。しかも、少なくとも信号電極全体が単一の材料で構成されるため、１度の製造プロセスで信号電極を形成することも可能となる。
　請求項２に係る発明により、信号電極と接地電極との間隔は連続的に変化するよう構成されているため、図２に示した従来の光変調器のように、電極の製造工程が複雑化することが抑制され、製造時間や製造コストの増加も抑えられる。
　請求項３に係る発明により、基板はＸカット型の基板であり、基板の厚みは、２０μｍ以下であるため、変調電極が形成する電界を効率良く光導波路に印加することが可能となり、周波数応答特性をより改善することも可能となる。
従来の光変調器の変調電極の断面を示す図である。 従来の他の光変調器の変調電極の断面を示す図である。 本発明の光変調器に係る変調電極の断面を示す図である。 本発明の光変調器に係る信号電極と接地電極について、他の実施例を示す図である。 本発明の光変調器について、基板が薄板である場合の断面を示す図である。 本発明の光変調器の製造プロセス（その１）の一部を示す図である。 本発明の光変調器の製造プロセス（その２）の一部を示す図である。 本発明の光変調器の製造プロセス（その３）の一部を示す図である。 本発明の光変調器と従来例との周波数応答特性の比較結果を示すグラフである。
　以下、本発明の光変調器について、好適例を用いて詳細に説明する。
　図３に示すように、本発明は、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、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器において、該変調電極は、信号電極Ｓとそれを挟むように配置される接地電極Ｇとからなるコプレーナ型電極であり、該信号電極と該接地電極との間隔（Ｇ１，Ｇ２）は、基板に最も近い部分から基板からはなれる方向に向かって徐々に広くなるよう構成され、少なくとも該信号電極（Ｓ）全体は、単一の材料から構成されることを特徴とする。
　電気光学効果を有する基板１としては、特に、ＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ３又はＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）のいずれかの単結晶が好適に利用可能である。また、基板に形成する光導波路は、例えば、ＬｉＮｂＯ３基板（ＬＮ基板）上にチタン（Ｔｉ）などの高屈折率物質を熱拡散することにより形成される。また、光導波路となる部分の両側に溝を形成したリブ型光導波路や光導波路部分を凸状としたリッジ型導波路も利用可能である。
　変調電極は、信号電極Ｓや接地電極Ｇから構成され、基板表面に、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンを形成し、金メッキ方法などにより形成することが可能である。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ２等のバッファ層を設けることも可能である。なお、本発明に係る「信号電極全体は、単一の材料で構成される」との意味において、上述のように、基板と電極を構成する材料との接合強度を高めるため、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンのような下地を設けることは、排除していない。
　本発明の光変調器の特徴の一つは、変調電極を構成する信号電極Ｓと接地電極Ｇとの間隔を、基板１に最も近い部分から基板からはなれる方向に向かって徐々に広くなるよう構成することである。このため、図３に示すように信号電極と接地電極の両方に傾斜した側面を形成することも可能であるが、図４（ａ）に示すように、信号電極Ｓのみに傾斜した側面を設けたり、図４（ｂ）に示すように、接地電極Ｇのみに傾斜した側面を設けることも可能である。
　少なくとも信号電極全体を単一の材料で構成することで、電極の製造工程が複雑化することが抑制される。しかも、信号電極の部分毎に異なる材料を使用する場合には、電気信号の伝搬にムラが発生し易くなり、信号の伝搬損失が増加したり、光導波路へ印加される電界にムラ、更にはインピーダンスの急激な変化による電気信号の反射によるインピーダンス不整合が生じるなどの不具合も発生する。
　また、信号電極と接地電極との間隔は連続的に変化するよう構成することで、１度の製造プロセスで変調電極を形成することも可能となる。また、不連続部分よる電気信号の反射や空気中への放出が減少するため、伝搬損失の増大、インピーダンスの急激な変化による電気信号の反射によるインピーダンス不整合などの不具合が抑制できる。
　ここで、信号電極と接地電極との間隔が「連続的に変化する」とは、電極の高さ方向に向かって該間隔が滑らかに変化することを意味している。なお、信号電極の電気信号の伝播方向に沿って形状が滑らかに変化することで、インピーダンス不整合を抑制できる。
　また、本発明のような変調電極の形状は、信号電極に沿って、信号入力用パッド部、該パッド部から作用部（変調電極が形成する電界が光導波路に作用する部分）など、基本的には、信号電極の全てに渡って適用することが好ましいが、少なくとも作用部に適用するだけでも十分に周波数応答特性を改善することが可能となる。
　図５は、薄板の基板１を、接着剤４などを用いて補強基板５に接合した構成を示している。図５に示すように、本発明の光変調器に使用される基板は、Ｘカット型の基板であり、基板の厚みは、２０μｍ以下であることがより好ましい。Ｘカット型基板を用いた場合には、信号電極Ｓと接地電極Ｇとの間に光導波路２が配置されるため、信号電極Ｓと接地電極Ｇとの基板に最も近い部分の間隔（Ｇ１）を狭くすることで、電界を効率良く光導波路に印加でき、駆動電圧の低減を図ることが可能である。
　また、２０μｍ以下の厚みを有する薄板を利用することで、変調信号であるマイクロ波の閉じ込めが強くなり、光導波路に効率良く電界を印加できると共に、マイクロ波と光波との速度整合も図ることが可能となる。
　図６乃至８は、電極の製造プロセスの一部を示す図である。
　図６では、基板１上に塗布したフォトレジスト膜１０にフォトマスク２０を用いて、パターン露光を行う様子を示している。フォトマスク２０の透過部２１を透過した光は、フォトレジスト膜１０に所定のパターンを露光する。符号２２はフォトマスクの不透過部であり、符号１１はフォトレジスト膜の露光部分、符号１２は、フォトレジスト膜の非露光部分を各々示している。
　図６では、露光の前後において、フォトレジスト膜のベーク時（硬化時）に、温度や時間を調整することで、台形の露光パターン（１１）を形成することが可能である。この露光終了後、現像を行い、露光部１１のレジストを除去し、メッキにより金の電極を符号１１の部分に形成することが可能である。
　図７では、フォトマスク２０を用いてフォトレジスト膜１０を露光する際に、矢印ａ～ｃのように、光の照射角度を変化させることで、図７のような露光パターン（台形の露光部１１）を形成することが可能となる。
　図８では、基板１の上に、形状の異なるレジストパターン（３０～３２）を積み上げることで、符号４０で示すような基板側から上に向かって徐々に幅が狭くなる空間を形成する。この空間に電極材料を充填することで、基板側の幅（Ｗ１）より上側の幅（Ｗ２）が狭い信号電極を形成することが可能となる。
　本発明に係る光変調器として、図３の形状において、Ｗ１＝３０μｍ、Ｗ２＝２６μｍ、Ｇ１＝２０μｍ、Ｇ２＝２４μｍとした場合の周波数応答特性をシュミレーションした結果を図９に示す。また、従来例として、図１の形状において、Ｗ１＝３０μｍ、Ｗ２＝３４μｍ、Ｇ１＝２０μｍ、Ｇ２＝１６μｍとした場合についても同様に、図９に示す。
　図９の結果から、本発明の光変調器の方が、周波数応答特性が格段に改善していることが容易に理解される。
　以上説明したように、本発明によれば、駆動電圧の増加を抑制しながら周波数応答特性の広帯域化が可能な光変調器を提供することであり、さらには、製造に掛る時間やコストの増加を抑制した光変調器を提供することが可能となる。
１　基板
２　光導波路
３　電極下部
４　接着剤
５　補強基板
１０　フォトレジスト膜
２０　フォトマスク

Claims (3)

  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変調するための変調電極とを有する光変調器において、
    　該変調電極は、信号電極とそれを挟むように配置される接地電極とからなるコプレーナ型電極であり、
    　該信号電極と該接地電極との間隔は、基板に最も近い部分から基板からはなれる方向に向かって徐々に広くなるよう構成され、
    　少なくとも該信号電極全体は、単一の材料から構成されることを特徴とする光変調器。
  2. 　請求項１に記載の光変調器において、該信号電極と該接地電極との間隔は連続的に変化するよう構成されていることを特徴とする光変調器。
  3. 　請求項１又は２に記載の光変調器において、該基板はＸカット型の基板であり、該基板の厚みは、２０μｍ以下であることを特徴とする光変調器。
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