WO2022071309A1 - 光導波路素子、および光変調器 - Google Patents

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electrode
light
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健太 大石
優 片岡
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    • G02F1/212—Mach-Zehnder type

Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide element which is a functional element using an optical waveguide and an optical modulator using an optical modulation element which is an optical waveguide element.
  • the light modulation element using LiNbO 3 (hereinafter, also referred to as LN) having an electro-optical effect as a substrate uses a semiconductor material such as indium phosphorus (InP), silicon (Si), or gallium arsenide (GaAs). It is widely used in high-speed / large-capacity optical fiber communication systems because it has less light loss and can realize wide-band optical modulation characteristics as compared with the light modulation elements.
  • the modulation method in the optical fiber communication system is QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), DP-QPSK (Dual Phaseization-Quadrature Phase Shift Keying), etc. in response to the trend of increasing transmission capacity in recent years. Transmission formats that incorporate phase shift keying into multi-value modulation are the mainstream.
  • the film is made thinner in order to strengthen the interaction between the signal electric field and the waveguide light in the substrate (that is, to increase the electric field efficiency).
  • a convex optical waveguide configured by forming a band-shaped convex portion on the surface of an LN substrate (for example, a thickness of 20 ⁇ m or less).
  • Modulators are also being put into practical use (for example, Patent Documents 1 and 2).
  • Au gold
  • Ti titanium
  • an optical waveguide element using a convex optical waveguide such as a rib type optical waveguide or a ridge type optical waveguide, it is possible to suppress the occurrence of loss in the propagating light due to an electrode provided in the vicinity of the convex optical waveguide. Is required.
  • One aspect of the present invention is an optical waveguide element having a substrate on which an optical waveguide is formed and an electrode formed on the substrate for controlling a light wave propagating through the optical waveguide, wherein the optical waveguide element is provided.
  • the waveguide is composed of a convex portion extending on the substrate
  • the electrode is composed of a base layer composed of Nb between the waveguide and the substrate layer and an upper layer formed on the base layer.
  • the base layer has a thickness of 30 nm or less.
  • the underlayer is either formed on the substrate containing oxygen atoms or formed on a film of oxide formed on the substrate.
  • the base layer contains oxygen atoms and has an element ratio Nb / O of Nb to oxygen of 1.0 or more.
  • the electrode is composed of a plurality of electrodes arranged along the optical waveguide at positions sandwiching the optical waveguide on the substrate.
  • Another aspect of the present invention includes any of the above optical waveguide elements, which are optical waveguide elements that modulate light, a housing that houses the optical waveguide elements, an optical fiber that inputs light to the optical waveguide elements, and the above.
  • An optical modulator comprising an optical fiber that guides the light output by the optical waveguide element to the outside of the housing.
  • this specification shall include all the contents of the Japanese patent application / Japanese Patent Application No. 2020-164627 filed on September 30, 2020.
  • an optical waveguide element using a convex optical waveguide such as a rib type optical waveguide or a ridge type optical waveguide
  • a loss occurs in propagating light due to an electrode provided in the vicinity of the convex optical waveguide. It can be effectively suppressed.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical modulator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a light modulation element used in the light modulator shown in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III of the light modulation element shown in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing simulation results of light absorption loss when various metals are used for the base layer of the electrode.
  • FIG. 5 is a diagram showing the evaluation results of the adhesion strength of the electrode to the substrate when various metals are used for the base layer of the electrode.
  • FIG. 6 is a diagram showing the results of composition analysis in the cross section of the electrode constituent portion when the electrode including the base layer of Nb is configured on the substrate.
  • FIG. 7 is a diagram showing another example of the light modulation element according to the present invention.
  • the optical waveguide element according to the embodiment shown below is a light modulation element configured by using an LN substrate, but the optical waveguide element according to the present invention is not limited to this.
  • the present invention can be similarly applied to an optical waveguide element using a substrate other than the LN substrate and an optical waveguide element having a function other than optical modulation.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical modulation element, which is an optical waveguide element according to an embodiment of the present invention, and an optical modulator.
  • the optical waveguide element is an optical modulation element 102 that performs optical modulation using the Machzenda optical waveguide.
  • the light modulator 100 accommodates the light modulation element 102 inside the housing 104.
  • a cover (not shown), which is a plate body, is fixed to the opening of the housing 104, and the inside thereof is hermetically sealed.
  • the light modulator 100 has an input optical fiber 106 for inputting light into the housing 104, and an output optical fiber 108 for guiding the light modulated by the light modulation element 102 to the outside of the housing 104.
  • the light modulator 100 also has a connector 110 for receiving a high frequency electric signal for causing the light modulation element 102 to perform an optical modulation operation from the outside, and a high frequency electric signal received by the connector 110 of the light modulation element 102.
  • a relay board 112 for relaying to one end of an electrode (for example, a signal electrode) is provided.
  • the light modulator 100 includes a terminator 114 having a predetermined impedance, which is connected to the other end of the electrode of the light modulation element 102.
  • the electrodes of the light modulation element 102 and the relay board 112 and the terminator 114 are electrically connected by bonding, for example, a metal wire.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the light modulation element 102, which is an optical waveguide element housed in the housing 104 of the light modulator 100 shown in FIG.
  • the light modulation element 102 is composed of an optical waveguide 224 formed on the substrate 220.
  • the substrate 220 is, for example, an X-cut LN substrate having an electro-optic effect, which is processed to a thickness of 20 ⁇ m or less (for example, 2 ⁇ m) and thinned.
  • the optical waveguide is a convex optical waveguide (for example, a rib-type optical waveguide or a ridge-type optical waveguide) formed on the surface of a thin-film substrate 220 and composed of convex portions extending in a band shape.
  • a convex optical waveguide for example, a rib-type optical waveguide or a ridge-type optical waveguide
  • glass is generally provided via an adhesive layer 350 (described later) in order to reinforce the mechanical strength of the entire substrate. Etc. are adhered to the support plate 222.
  • the optical waveguide 224 is, for example, a Machzenda optical waveguide, which includes two branch portions and two parallel waveguides 226a and 226b extending in parallel with each other. Electrodes 230a, 230b, 230c are also provided on the substrate 220 to control the light waves propagating in the parallel waveguides 226a and 226b by changing the refractive index of the parallel waveguides 226a and 226b.
  • the electrodes 230a, 230b, and 230c are collectively referred to as an electrode 230.
  • the electrode 230 constitutes, for example, a coplanar transmission line having a predetermined impedance according to the prior art.
  • the electrode 230a is a center electrode, and is formed at a position sandwiched between the parallel waveguides along the parallel waveguides 226a and 226b in the plane of the substrate 220.
  • the electrodes 230b and 230c are ground electrodes, and are formed along the parallel waveguides at positions facing the electrodes 230a with the parallel waveguides 226a and 226b, respectively.
  • the electrode 230 Since the lower right end of the substrate 220 is terminated by the terminator 114, the electrode 230 transmits a high frequency signal input from the lower left end of the board 220 via the connector 110 from the left to the right in the figure. Propagate as a traveling wave. As a result, the electrode 230 constitutes a signal line that controls the light wave propagating from the left side to the right side of the parallel waveguides 226a and 226b.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III of the light modulation element 102 shown in FIG.
  • the substrate 220 is adhered to a support plate 222, which is glass, for example, via an adhesive layer 350.
  • the parallel waveguide 226a which is a convex optical waveguide, is composed of a convex portion 300 formed on the substrate 220.
  • the height t1 of the convex portion 300 measured from the surface of the substrate 220 is 10 ⁇ m or less (for example, 1 ⁇ m).
  • Electrodes 230a and 230b are arranged on the substrate 220 with the parallel waveguide 226a interposed therebetween. Both the electrode 230a and the electrode 230b are formed on the substrate 220 at a height t2. The height t2 is set so that the electrode 230 has a predetermined impedance and the traveling wave of the high-frequency electric signal propagating through the electrode 230 propagates at a predetermined speed with a loss within a predetermined range.
  • the distance w2 between the electrode 230a and the electrode 230b, whichever is closer to the parallel waveguide 226a (the electrode 230a in this embodiment), and the parallel waveguide 226a is, for example, 0.5 times or more and twice or less the w1. (That is, 0.5w1 ⁇ w2 ⁇ 2w1).
  • the electrode 230a and the electrode 230b are configured around the parallel waveguide 226a, the distance between the electrodes 230a and 230b and the parallel waveguide 226a is set to be different.
  • the intervals w2 are the same as each other.
  • the electrodes 230a and 230b have similar configurations to each other, and are composed of upper layers 302a and 302b and base layers 304a and 304b, respectively.
  • the electrode 230c is not shown in FIG. 3, it should be understood that the electrode 230c is also composed of an upper layer and a base layer similar to the electrodes 230a and 230b.
  • the upper layers 302a and 302b and the upper layer of the electrode 230c are collectively referred to as an upper layer 302
  • the base layers 304a and 304b and the base layer of the electrode 230c are collectively referred to as a base layer 304.
  • the electrode 230 is composed of an upper layer 302 and a base layer 304.
  • the upper layer 302 is made of, for example, Au (gold), as in the prior art.
  • Au constituting the upper layer 302 does not have sufficient adhesive strength to the substrate 220 when it is directly formed on the substrate 220, and therefore is formed on the substrate 220 via the base layer 304.
  • the base layer provided to secure the adhesion strength to the substrate is generally composed of Ti (titanium).
  • Ti titanium
  • the inventor of the present invention absorbs the light propagating through the convex optical waveguide by the metal constituting the base layer of the electrode, thereby absorbing the convex optical waveguide. It was found that a loss (light absorption loss) occurs in the propagating light of.
  • the inventor of the present invention causes such a light absorption loss as the operating light wavelength of the optical modulation element (for example, the light wavelength of 1.55 ⁇ m used for optical communication and / or) in the light absorption spectrum of the metal of the underlying layer. It was found that 1.3 ⁇ m) exists in the light absorption region, and that a part of the mode field of the propagating light propagating in the convex optical waveguide extends to the substrate part near the convex waveguide. rice field.
  • the operating light wavelength of the optical modulation element for example, the light wavelength of 1.55 ⁇ m used for optical communication and / or
  • the underlying layer needs to be made of a metal having good adhesion strength and not including the operating light wavelength in the light absorption region, and to be formed with a thickness capable of suppressing the light absorption loss to a certain level or less. be.
  • the inventor of the present invention has repeatedly studied the material and thickness of the base layer, and as a solution for suppressing the light absorption loss as described above while maintaining the adhesion strength to the substrate at a practical level, a metal for the base layer. It was found that it is effective to use Nb (niobium) instead of Ti which has been conventionally used.
  • the base layer 304 is composed of Nb having a film thickness of t3.
  • the formation of the base layer and the upper layer on the substrate 220 can be performed by, for example, electron beam vapor deposition (EB vapor deposition).
  • EB vapor deposition electron beam vapor deposition
  • FIG. 4 is a part of the simulation result of the amount of increase in light absorption loss with respect to the thickness of the base layer 304 when various metals are used as the base layer 304.
  • FIG. 4 shows the calculation results when Ti, Al (aluminum), and Nb are used as the base layer 304 in addition to the case where the base layer 304 is not used (in the case of Au (upper layer 302) single film). Has been done.
  • the horizontal axis is the thickness t3 of the base layer 304
  • the vertical axis is the amount of light absorption loss when propagating the unit length (1 cm) of the parallel waveguide 226a.
  • the model used for the simulation is the same as the configuration shown in FIG.
  • the light absorption loss ⁇ 0 in the case of the Au single film shown in line 400 is the light absorption loss as a background in the above configuration, and the increase in the light absorption loss from this reference line is used.
  • the light absorption loss in the base layer 304 can be evaluated.
  • Lines 402, 404, and 406 show the light absorption loss when the metal constituting the base layer 304 is composed of Ti, Al, and Nb, respectively.
  • Ti shown by line 402 has the largest light absorption loss, and the light absorption loss increases greatly with the film thickness.
  • the light absorption loss can be significantly reduced as compared with the case of Ti (line 402). I understand.
  • the base layer 304 is Al (line 404)
  • the light absorption loss is the smallest, and the light absorption loss is substantially constant with respect to the thickness of the base layer.
  • Al has a low adhesion strength to the substrate.
  • FIG. 5 is a table showing the results of evaluating the adhesion strength of the electrode to the LN substrate when various metals are used as the base layer.
  • the upper layer was Au with a thickness of 100 nm.
  • the evaluation of the adhesive strength was in accordance with Japanese Industrial Standards JIS K 5600-5-6: 1999. That is, after forming a layer of electrodes on the entire substrate surface of the LN substrate, a cutter is used to make a cut in the electrodes to form 10 ⁇ 10 (100 in total) rectangular samples of the same size on the plane of the LN substrate. do.
  • an adhesive tape having the adhesiveness specified in the above standard is attached onto the above 100 samples, and when the tape is peeled off from the LN substrate, it is fixed by the number of samples remaining on the LN substrate. The strength was evaluated.
  • the base layer and the upper layer were formed on the LN substrate by using EB vapor deposition.
  • the sample 01 shown in FIG. 5 is a sample of an Au single film (no base layer, only the upper layer), and the adhesion rate is 0%.
  • Samples 02 to 04 are samples using conventional Ti as the base layer, and have an adhesion rate of 100% when the thickness of the base layer is 1 ⁇ m or more.
  • the adhesion rate is less than 100% at any thickness, and the fixing strength at a level that can withstand practical use cannot be obtained.
  • the adhesion rate is 100% at a thickness of 1 ⁇ m or more, and it can be seen that a practically sufficient fixing strength can be obtained.
  • FIG. 6 is a result of cross-sectional composition analysis of the portion where these electrodes are formed in the sample in which the base layer of Nb and the upper layer of Au are formed on the LN substrate. Similar to the evaluation in FIG. 5, the base layer and the upper layer are formed by using EB vapor deposition. The horizontal axis of FIG. 6 is the position, and the vertical axis is the composition ratio (atomic percent). Further, in FIG. 6, lines 610, 612, and 614 show position changes in the composition ratios of oxygen, Nb, and Au, respectively.
  • the elemental ratio Nb / O of Nb to oxygen in the base layer of Nb is 1.2.
  • the Nb oxide can take various forms such as NbO and NbO 2
  • the element ratio Nb / O in the base layer of Nb may be substantially 1.0 or more. .2 or more is considered preferable.
  • the oxygen present in the vicinity of the interface 602 in the underlayer of Nb is due to the permeation of oxygen from the LN substrate or the permeation of oxygen existing in the environmental atmosphere into the underlayer. ..
  • the base layer 304 is composed of Nb, and the elemental ratio of Nb to oxygen in the base layer 304 is 1.2.
  • the thickness of the base layer composed of Nb is 30 nm or less. If the thickness of the underlayer of Nb is within this range, the light absorption loss is 2 ⁇ 0 or less, which is twice the value of ⁇ 0 for Au single film, or the value for the underlayer using conventional Ti. It can be suppressed to a value of 1/3 or less with respect to about 6 ⁇ 0 .
  • w2 2.0 ⁇ m
  • the thickness t3 of the base layer 304 composed of Nb is, for example, 10 nm. At this time, the light absorption loss in the parallel waveguide 226a is 6.0 dB / cm.
  • the adhesion strength of the electrode 230 to the substrate 220 is practically used. It is possible to effectively suppress the light absorption loss in the parallel waveguide 226a to 1/3 or less as compared with the conventional optical waveguide element using Ti as the base layer while maintaining the level that can withstand the above.
  • the present invention is not limited to the configuration of the above embodiment and its modifications, and can be implemented in various embodiments without departing from the gist thereof.
  • the substrate 220 is an LN substrate, but the material of the substrate 220 is not limited to the LN.
  • the substrate 220 on which the base layer 304 composed of Nb is formed may be composed of a material containing oxygen in its composition, for example, lithium tantalate (LiTaO 3 ).
  • the substrate 220 may be a semiconductor such as InP or so-called silicon photonics.
  • -It may be a Si substrate used for the device.
  • the base layer 304 and the upper layer 302 of the electrode 230 are formed by EB vapor deposition, but the means for forming the electrode 230 is not limited to EB vapor deposition.
  • the base layer 304 and the upper layer 302 of the electrode 230 may be formed by a vapor deposition method other than EB vapor deposition, a sputtering method, or the like.
  • the light modulation element 102 an optical modulation element in which the optical modulation operation is performed by the optical waveguide 224 constituting a single Machzenda optical waveguide including a pair of parallel waveguides 226a and 226b is shown.
  • the configuration of the electrode shown as an example in the electrode 230 is not limited to the light modulation element composed of a single Machzenda optical waveguide.
  • the electrode having the same base layer 304 as the above-mentioned electrode 230 shown in FIG. 3 is a light for DP-QPSK modulation, which is configured by using two so-called nested Machzenda optical waveguides as shown in FIG. 7, for example. It can be similarly used for the modulation element 702.
  • the electrodes 730a extending along the parallel waveguides 726a, 726b, 726c, 726d (dashed line in the figure), which are convex optical waveguides formed on the substrate 720 similar to the substrate 220, respectively.
  • the 730b, 730c, and 730d can be composed of an upper layer 302 and a base layer 304 similar to the electrode 230 shown in FIG. As a result, even in the light modulation element that performs such DP-QPSK modulation, the light absorption loss in the parallel waveguide 726a or the like can be reduced, and good modulation characteristics can be obtained.
  • the light modulation element 102 which is the optical waveguide element shown in the present embodiment, is a light wave propagating through the substrate 220 on which the optical waveguide 224 is formed and the optical waveguide 224 formed on the substrate 220. It has an electrode 230 for controlling the above.
  • the optical waveguide 224 is composed of a convex portion (for example, a convex portion 300) extending on the substrate 220.
  • the electrode 230 is composed of a base layer 304 formed of Nb between the electrode 230 and the substrate 220, and an upper layer 302 formed on the base layer 304.
  • the light absorption loss due to the presence of the electrode 230 is effectively reduced in the optical waveguide 224 (for example, the parallel waveguide 226a) which is a convex optical waveguide. Can be reduced.
  • the base layer 304 has a thickness of 30 nm or less. According to this configuration, the light absorption loss generated in the optical waveguide 224 due to the presence of the electrode 230 can be reduced to 1/3 as compared with the conventional configuration using the Ti base layer.
  • the base layer 304 is formed on the substrate 220 containing oxygen atoms, or is formed on the oxide film formed on the substrate 220. According to this configuration, it is possible to secure a level of fixing force that can withstand practical use between the base layer 304 made of Nb and the substrate made of LN or the like.
  • the base layer 304 contains oxygen atoms, and the element ratio Nb / O of Nb to oxygen is 1.0 or more. According to this configuration, it is possible to more reliably secure a level of fixing force that can withstand practical use between the base layer 304 made of Nb and the substrate made of LN or the like.
  • the electrodes 230 are a plurality of (for example, two) electrodes 230a and 230b arranged along the parallel waveguide 226a on the substrate 220 at positions sandwiching the parallel waveguide 226a constituting the optical waveguide 224, for example. It is composed. According to this configuration, it is possible to effectively suppress the occurrence of light absorption loss in the propagating light of the parallel waveguide 226a due to the electrodes arranged close to each other with the parallel waveguide 226a interposed therebetween.
  • the light modulation element 102 which is an optical waveguide element
  • the housing 104 accommodating the light modulation element 102
  • the input optical fiber 106 which inputs light to the light modulation element 102
  • the housing 104 which outputs the light output by the light modulation element 102.
  • the light modulator 100 can be configured by the output optical fiber 108 that leads to the outside of the above.
  • the light modulator 100 configured in this way uses the light modulation element 102 in which the light absorption loss in the convex optical waveguide (for example, the parallel waveguide 226a) that may occur due to the presence of the electrode 230 is suppressed. Therefore, good optical modulation characteristics and optical transmission characteristics can be realized.

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Abstract

本発明は、凸状光導波路を用いる光導波路素子において、伝搬光を制御する電極の存在により伝搬光に損失が発生するのを効果的に抑制することを目的とする。　本発明の光導波路素子は、光導波路（２２６ａ）が形成された基板（２２０）と、基板の上に形成された、光導波路を伝搬する光波を制御する電極（２３０ａ、２３０ｂ）と、を有する光導波路素子であって、上記光導波路（２２６ａ）は基板上に延在する凸部（３００）により構成され、電極（２３０ａ、２３０ｂ）は、上記基板との間にＮｂで構成される下地層（３０４ａ、３０４ｂ）と、下地層の上に形成された上部層（３０２ａ、３０２ｂ）と、で構成されている。

Description

光導波路素子、および光変調器
　本発明は、光導波路を用いた機能素子である光導波路素子、及び光導波路素子である光変調素子を用いた光変調器に関する。
　高速／大容量光ファイバ通信システムにおいては、導波路型の光変調器を組み込んだ光送信装置が多く用いられている。中でも、電気光学効果を有するＬｉＮｂＯ３（以下、ＬＮともいう）を基板に用いた光変調素子は、インジウムリン（ＩｎＰ）、シリコン（Ｓｉ）、あるいはガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体系材料を用いた光変調素子に比べて、光の損失が少なく且つ広帯域な光変調特性を実現し得ることから、高速／大容量光ファイバ通信システムに広く用いられている。
　一方、光ファイバ通信システムにおける変調方式は、近年の伝送容量の増大化の流れを受け、ＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ　Ｐｈａｓｅ　Ｓｈｉｆｔ　Ｋｅｙｉｎｇ）やＤＰ－ＱＰＳＫ（Ｄｕａｌ　Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　－　Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ　Ｐｈａｓｅ　Ｓｈｉｆｔ　Ｋｅｙｉｎｇ）等、多値変調や、多値変調に偏波多重を取り入れた伝送フォーマットが主流となっている。
　近年のインターネットサービスの普及加速は通信トラフィックのより一層の増大を招き、光変調素子の更なる小型化、広帯域化、省電力化の検討が今も進められている。
　そのような光変調素子の小型化、広帯域化、省電力化の一つの策として、基板中における信号電界と導波光との相互作用をより強めるべく（すなわち、電界効率を高めるべく）薄膜化したＬＮ基板（例えば、厚さ２０μｍ以下）の表面に帯状の凸部を形成することで構成されるリブ型光導波路またはリッジ型光導波路（以下、総称して凸状光導波路という）を用いた光変調器も実用化されつつある（例えば、特許文献１、２）。
　現在では、さらなる高速化のため、電界効率を更に高めるべく、凸状光導波路の位置により近接して電極を設ける検討も進められている。電極の構造としてはＡｕ（金）が主に用いられるが、Ａｕは、ＬＮ基板に対する密着性が低く、実用上十分な固着強度を得られないことから、一般的には、電極の下地層としてＴｉ（チタン）の膜を形成することで、基板に対する電極の固着強度が確保される。
　しかしながら、本発明の発明者の知見では、上記の構成を有する従来の電極をリブ型光導波路の位置により近接して設けた場合には、凸状光導波路を伝搬する光波に顕著な光損失が発生し得る。
特開２００７－２６４５４８号公報 国際公開第２０１８／０３１９１６号明細書
　上記背景より、リブ型光導波路やリッジ型光導波路等の凸状光導波路を用いる光導波路素子において、凸状光導波路に近接して設けられた電極により伝搬光に損失が発生するのを抑制することが求められている。
　本発明の一の態様は、光導波路が形成された基板と、前記基板の上に形成された、前記光導波路を伝搬する光波を制御する電極と、を有する光導波路素子であって、前記光導波路は、前記基板上に延在する凸部により構成され、前記電極は、前記基板との間にＮｂで構成される下地層と、下地層の上に形成された上部層と、で構成されている。
　本発明の他の態様によると、前記下地層は、３０ｎｍ以下の厚さである。
　本発明の他の態様によると、前記下地層は、酸素原子を含む前記基板上に形成されるか、または前記基板上に形成された酸化物の膜の上に形成される。
　本発明の他の態様によると、前記下地層は、酸素原子を含み、酸素に対するＮｂの元素比率Ｎｂ／Ｏが１．０以上である。
　本発明の他の態様によると、前記電極は、前記基板上において、前記光導波路を挟む位置に当該光導波路に沿って配された複数の電極で構成される。
　本発明の他の態様は、光の変調を行う光変調素子である上記いずれかの光導波路素子と、光導波路素子を収容する筺体と、前記光導波路素子に光を入力する光ファイバと、前記光導波路素子が出力する光を前記筺体の外部へ導く光ファイバと、を備える光変調器である。
　なお、この明細書には、２０２０年９月３０日に出願された日本国特許出願・特願２０２０－１６４６２７号の全ての内容が含まれるものとする。
　本発明によれば、リブ型光導波路やリッジ型光導波路等の凸状光導波路を用いる光導波路素子において、凸状光導波路に近接して設けられた電極により伝搬光に損失が発生するのを効果的に抑制することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る光変調器の構成を示す図である。 図２は、図１に示す光変調器に用いられる光変調素子の構成を示す図である。 図３は、図２に示す光変調素子のＩＩＩ－ＩＩＩ断面矢視図である。 図４は、電極の下地層に種々の金属を用いた場合の、光吸収損失のシミュレーション結果を示す図である。 図５は、電極の下地層に種々の金属を用いた場合の、基板に対する電極の固着強度の評価結果を示す図である。 図６は、基板上にＮｂの下地層を含む電極を構成した場合の、電極構成部分の断面における組成分析の結果を示す図である。 図７は、本発明に係る光変調素子の他の例を示す図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施形態に係る光導波路素子は、ＬＮ基板を用いて構成される光変調素子であるが、本発明に係る光導波路素子は、これには限られない。本発明は、ＬＮ基板以外の基板を用いる光導波路素子や、光変調以外の機能を有する光導波路素子にも、同様に適用することができる。
　図１は、本発明の一実施形態に係る光導波路素子である光変調素子、および光変調器の構成を示す図である。本実施形態では、光導波路素子はマッハツェンダ光導波路を用いて光変調を行う光変調素子１０２である。
　光変調器１００は、筺体１０４の内部に光変調素子１０２を収容する。なお、筺体１０４は、最終的にはその開口部に板体であるカバー（不図示）が固定されて、その内部が気密封止される。
　光変調器１００は、筺体１０４内に光を入力するための入力光ファイバ１０６と、光変調素子１０２により変調された光を筺体１０４の外部へ導く出力光ファイバ１０８と、を有する。
　光変調器１００は、また、光変調素子１０２に光変調動作を行わせるための高周波電気信号を外部から受信するためのコネクタ１１０と、当該コネクタ１１０が受信した高周波電気信号を光変調素子１０２の電極（例えば、信号用電極）の一端へと中継するための中継基板１１２を備える。また、光変調器１００は、光変調素子１０２の電極の他端に接続される、所定のインピーダンスを有する終端器１１４を備える。ここで、光変調素子１０２の電極と、中継基板１１２及び終端器１１４と、の間は、例えば金属ワイヤ等のボンディングにより電気的に接続される。
　図２は、図１に示す光変調器１００の筺体１０４に収容される光導波路素子である光変調素子１０２の構成を示す図である。光変調素子１０２は、基板２２０上に形成された光導波路２２４で構成されている。基板２２０は、例えば、２０μｍ以下（例えば２μｍ）の厚さに加工され薄膜化された、電気光学効果を有するＸカットのＬＮ基板である。
　光導波路は、薄膜化された基板２２０の表面に形成された、帯状に延在する凸部で構成された凸状光導波路（例えば、リブ型光導波路又はリッジ型光導波路）である。ここで、ＬＮ基板は、応力が加わると光弾性効果により屈折率が局所的に変化し得るため、基板全体の機械強度を補強すべく、一般的には接着層３５０（後述）を介してガラス等の支持板２２２に接着されている。
　光導波路２２４は、例えばマッハツェンダ光導波路であり、２つの分岐部と、互いに並行に延在する２本の並行導波路２２６ａ、２２６ｂとを含む。基板２２０上には、また、並行導波路２２６ａ、２２６ｂの屈折率を変化させて当該並行導波路２２６ａ、２２６ｂを伝搬する光波を制御する電極２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃが設けられている。以下、電極２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃを総称して電極２３０ともいう。
　電極２３０は、従来技術に従い、例えば、所定のインピーダンスを有するコプレーナ伝送線路を構成している。具体的には、電極２３０ａは、中心電極であり、基板２２０の面内において並行導波路２２６ａ、２２６ｂに沿うように、これら並行導波路の間に挟まれる位置に形成されている。また、電極２３０ｂおよび２３０ｃは、接地電極であり、それぞれ、並行導波路２２６ａ及び２２６ｂを挟んで電極２３０ａと対向する位置に、これら並行導波路に沿って形成されている。
　電極２３０は、基板２２０の図示右下の末端が終端器１１４で終端されていることにより、コネクタ１１０を介して基板２２０の図示左下の末端から入力される高周波信号を、図示左方から右方へ進行波として伝搬させる。これにより、電極２３０は、並行導波路２２６ａ、２２６ｂを図示左方から右方へ伝搬する光波を制御する信号線路を構成する。
　図３は、図２に示す光変調素子１０２のＩＩＩ－ＩＩＩ断面矢視図である。基板２２０は、接着層３５０を介して、例えばガラスである支持板２２２に接着されている。凸状光導波路である並行導波路２２６ａは、基板２２０に形成された凸部３００により構成されている。基板２２０の面から測った凸部３００の高さｔ１は、１０μｍ以下（例えば１μｍ）である。
　基板２２０上には、並行導波路２２６ａを挟んで電極２３０ａ及び２３０ｂが配されている。電極２３０ａおよび電極２３０ｂは、共に、基板２２０上に高さｔ２で形成されている。この高さｔ２は、電極２３０が所定のインピーダンスを持つように、及び電極２３０を伝搬する高周波電気信号の進行波が所定範囲内の損失で且つ所定の速度で伝搬するように、設定される。
　電極２３０ａ及び電極２３０ｂのうち、いずれか並行導波路２２６ａに近い方の電極（本実施形態では電極２３０ａ）と、並行導波路２２６ａとの間隔ｗ２は、例えばｗ１の０．５倍以上２倍以下（すなわち、０．５ｗ１≦ｗ２≦２ｗ１）である。なお、当然ながら、電極２３０ａと電極２３０ｂとが並行導波路２２６ａを中心として対象に構成されている場合には、電極２３０ａ及び電極２３０ｂと、並行導波路２２６ａと、の間のそれぞれの間隔は、互いに同じ間隔ｗ２となる。
　電極２３０ａ及び電極２３０ｂは、互いに同様の構成を有しており、それぞれ、上部層３０２ａ及び３０２ｂと、下地層３０４ａ及び３０４ｂと、により構成されている。ここで、図３には、電極２３０ｃは示されていないが、電極２３０ｃも、電極２３０ａ及び電極２３０ｂと同様の上部層及び下地層で構成されているものと理解されたい。
　以下、上部層３０２ａ、３０２ｂ及び図示しない電極２３０ｃの上部層を総称して上部層３０２ともいい、下地層３０４ａ、３０４ｂ及び図示しない電極２３０ｃの下地層を総称して下地層３０４ともいうものとする。すなわち、電極２３０は、上部層３０２と、下地層３０４と、で構成されている。
　上部層３０２は、従来技術と同様に、例えばＡｕ（金）で構成される。上部層３０２を構成するＡｕは、基板２２０上に直接形成した場合には基板２２０に対して実用上十分な固着強度を持たないことから、下地層３０４を介して基板２２０上に形成される。
　従来、基板との固着強度を確保するために設けられる下地層は、一般的にはＴｉ（チタン）で構成される。本発明の発明者は、凸状光導波路の近傍に電極が設けられる場合、その電極の下地層を構成する金属により、凸状光導波路を伝搬する光が吸収されることにより、凸状光導波路の伝搬光に損失（光吸収損失）が発生することを見出した。
　そして、本発明の発明者は、このような光吸収損失の原因として、下地層の金属の光吸収スペクトルにおいて光変調素子の動作光波長（例えば、光通信に用いられる光波長１．５５μｍ及び又は１．３μｍ）が光吸収域に存在すること、及び凸状光導波路を伝搬する伝搬光のモードフィールドの一部が凸状導波路近傍の基板部分へ広がっていることによるものとの知見を得た。
　下地層の厚さは、また、厚いほど大きな光吸収損失を生じ得る。従い、下地層は、固着強度が良好であって動作光波長を光吸収域に含まない金属で構成され、且つ光吸収損失を一定レベル以下に抑制し得る厚さで形成されることが必要である。
　本発明の発明者は、下地層の素材および厚さについての検討を重ね、基板に対する固着強度を実用水準に維持しつつ上記のような光吸収損失を抑制する解決策として、下地層用の金属として従来用いられていたＴｉに代えてＮｂ（ニオブ）を用いることが有効であるとの知見を得た。
　上記知見に従い、本実施形態では、特に、下地層３０４が、膜厚ｔ３のＮｂで構成されている。基板２２０上における下地層および上部層の形成は、例えば電子ビーム蒸着（ＥＢ蒸着）により行われ得る。
　図４は、種々の金属を下地層３０４とした場合の、下地層３０４の厚さに対する光吸収損失増加量のシミュレーション結果の一部である。図４には、下地層３０４を用いない場合（Ａｕ（上部層３０２）単膜の場合）に加えて、下地層３０４としてＴｉ、Ａｌ（アルミニウム）、及びＮｂを用いた場合の計算結果が示されている。図４において、横軸は下地層３０４の厚さｔ３、縦軸は並行導波路２２６ａの単位長さ（１ｃｍ）を伝搬する際の光吸収損失量である。シミュレーションに用いたモデルは、図３に示す構成と同様であり、ｗ１＝０．９μｍ、ｗ２＝０．５５μｍ、ｔ１＝０．４μｍ、ｔ２＝１．０μｍ、ｔ４＝０．６μｍ、θ＝６５°であって、上部層３０２としてＡｕ、動作光波長として１．５５μｍを仮定した。ここで、ｔ４は、基板２２０の裏面から測った凸部３００の高さであり、θは、基板２２０の面に対する凸部３００の側面の立ち上がり角度である。また、光吸収損失の算出に際し、Ｔｉ、Ａｌ、及びＮｂの光吸収スペクトルから得られる各金属の動作波長１．５５μｍでの光吸収量を用いた。
　ライン４００で示すＡｕ単膜の（下地層が存在しない）場合の光吸収損失α０は、上記構成におけるバックグラウンドとしての光吸収損失であり、この基準ラインからの光吸収損失の増加分として、下地層３０４における光吸収損失を評価し得る。
　ライン４０２、４０４、及び４０６は、それぞれ、下地層３０４を構成する金属をＴｉ、Ａｌ、及びＮｂで構成した場合の光吸収損失を示している。これらの金属においては、ライン４０２で示すＴｉが最も光吸収損失が大きく、その膜厚と共に光吸収損失が大きく増加していく。
　一方、動作波長を光吸収域に含まないＡｌ及びＮｂを下地層３０４とした場合を示すライン４０４、４０６は、Ｔｉの場合（ライン４０２）に比べて光吸収損失が大幅に軽減されることが判る。図４に示す評価結果の範囲では、下地層３０４がＡｌの場合（ライン４０４）において最も光吸収損失が小さく、且つ下地層の厚さに対して光吸収損失はほぼ一定である。しかしながら、Ａｌは、一般的には基板への固着強度は低いことが知られている。
　図５は、種々の金属を下地層とした場合の、ＬＮ基板に対する電極の固着強度を評価した結果を示す表である。この評価において、上部層は、厚さ１００ｎｍのＡｕとした。固着強度の評価は、日本工業規格ＪＩＳ　Ｋ　５６００－５－６：１９９９に従った。すなわち、ＬＮ基板の基板面全体に電極の層を形成した後、カッターを用いて当該電極に切れ目を入れ、ＬＮ基板平面において１０個×１０個（合計１００個）の同じサイズの矩形試料を構成する。次に、上記規格で指定されている粘着性を持った粘着テープを上記１００個の試料上に張り付け、当該テープをＬＮ基板から剥がしたときに、ＬＮ基板上に残った試料の数により、固着強度を評価した。なお、下地層及び上部層は、ＥＢ蒸着を用いてＬＮ基板上に形成した。
　図５に示す試料０１は、Ａｕ単膜（下地層なし、上部層のみ）の試料であり、付着率は０％である。試料０２ないし０４は、下地層として従来のＴｉを用いた試料であり、下地層の厚さ１μｍ以上において付着率１００％である。これに対し、下地層としてＡｌを用いた試料０５ないし０７では、いずれの厚さでも付着率は１００％を下回り、実用に耐え得るレベルの固着強度は得られない。
　一方、下地層としてＮｂを用いた試料０８－１１では、厚さ１μｍ以上で付着率は１００％であり、実用上十分な固着強度を得られることが判る。
　図６は、ＬＮ基板上にＮｂの下地層とＡｕの上部層とを形成した試料における、これら電極を形成した部分の断面組成分析の結果である。図５における評価と同様に、下地層及び上部層は、ＥＢ蒸着を用いて形成されている。図６の横軸は位置、縦軸は組成比（原子パーセント）である。また、図６において、ライン６１０、６１２、及び６１４は、それぞれ、酸素、Ｎｂ、及びＡｕの組成比の位置変化を示している。
　図６において、ＬＮ基板と下地層との界面６００の近傍では、ＬＮ基板の酸素は減少し、下地層ではＮｂに加えて酸素が存在する。一方で、下地層と上部層との界面６０２では、下地層にはＡｕが存在し、上部層にはＮｂが存在する。このことから、ＬＮ基板とＮｂの下地層との間の固着力は、酸素を介したＬＮとＮｂとの結合によるものであり、Ｎｂの下地層とＡｕの上部層との間の固着力は、ＮｂとＡｕの合金化による結合によるものと考えられる。
　図６において、Ｎｂの下地層における、酸素に対するＮｂの元素比率Ｎｂ／Ｏは、１．２である。Ｎｂ酸化物は、ＮｂＯ、ＮｂＯ２等の種々の形態をとり得ることを考慮すると、実質的には、Ｎｂの下地層中における元素比率Ｎｂ／Ｏは、１．０以上であればよく、１．２以上であれば好ましいものと考えられる。
　なお、Ｎｂの下地層において界面６０２の近傍にまで酸素が存在するのは、ＬＮ基板からの酸素が浸透したものか、あるいは、環境雰囲気中に存在する酸素が下地層に浸透したものと考えられる。
　図３を参照し、本実施形態では、従い、下地層３０４はＮｂで構成されており、下地層３０４における、酸素に対するＮｂの元素比率は１．２である。
　また、図４のライン４０６及び４００より、Ｎｂで構成される下地層の厚さは、３０ｎｍ以下であることが望ましい。Ｎｂの下地層の厚さがこの範囲であれば、光吸収損失を、Ａｕ単膜での値α０に対し２倍の２α０以下、または従来のＴｉを用いた下地層の場合の値、約６α０に対し、１／３以下の値に抑制することができる。本実施形態では、ｗ２＝２．０μｍであり、Ｎｂで構成される下地層３０４の厚さｔ３は、例えば１０ｎｍである。このときの、並行導波路２２６ａにおける光吸収損失は、６．０ｄＢ／ｃｍである。
　上記の構成を有する光変調素子１０２は、凸状光導波路である並行導波路２２６ａの光波を制御する電極２３０の下地層がＮｂで構成されているため、基板２２０に対する電極２３０の固着強度を実用に耐え得る水準に維持しつつ、従来のＴｉを下地層として用いる光導波路素子に比べて、並行導波路２２６ａにおける光吸収損失を１／３以下まで効果的に抑制することができる。
　なお、本発明は上記実施形態およびその変形例の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
　例えば、上述の実施形態では、基板２２０はＬＮ基板であるものとしたが、基板２２０の材料はＬＮには限られない。Ｎｂで構成される下地層３０４が形成される基板２２０は、その組成に酸素を含む材料、例えばタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）で構成されていてもよい。あるいは、下地層３０４が、基板２２０上に形成された酸化物の被膜、例えばＳｉＯ２から成るバッファ層の上に形成される場合には、基板２２０は、ＩｎＰ等の半導体や、いわゆるシリコン・フォトニクス・デバイスに用いられるＳｉ基板であってもよい。
　また、上述の実施形態では、電極２３０の下地層３０４及び上部層３０２はＥＢ蒸着で形成されるものとしたが、電極２３０の形成手段はＥＢ蒸着には限られない。例えば、電極２３０の下地層３０４及び上部層３０２は、ＥＢ蒸着以外の蒸着法またはスパッタリング法等で形成されてもよい。
　また、本実施形態では、光変調素子１０２として、一対の並行導波路２２６ａ、２２６ｂを含む単一のマッハツェンダ光導波路を構成する光導波路２２４により光変調動作が行われる光変調素子を示したが、電極２３０に一例として示す電極の構成は、単一のマッハツェンダ光導波路で構成される光変調素子には限られない。図３に示す上述した電極２３０と同様の下地層３０４を有する電極は、例えば、図７に示すような、いわゆるネスト型マッハツェンダ光導波路を２つ用いて構成される、ＤＰ－ＱＰＳＫ変調を行う光変調素子７０２にも同様に用いることができる。このようなＤＰ－ＱＰＳＫ変調を行う光変調素子においては、更なる小型化、広帯域化、省電力化が求められる一方で、基板７２０上の並行導波路や電極の設置面積に制限により、導波路と電極との間隔が更に狭くなることから光吸収損失の課題がより顕在化する。
　光変調素子７０２では、例えば、基板２２０と同様の基板７２０上に形成された凸状光導波路である並行導波路７２６ａ、７２６ｂ、７２６ｃ、７２６ｄ（図示破線）に沿ってそれぞれ延在する電極７３０ａ、７３０ｂ、７３０ｃ、７３０ｄを、図３に示す電極２３０と同様の上部層３０２及び下地層３０４により構成するものとすることができる。これにより、このようなＤＰ－ＱＰＳＫ変調を行う光変調素子においても、並行導波路７２６ａ等における光吸収損失を低減して、良好な変調特性を得ることができる。
　以上、説明したように、本実施形態に示す光導波路素子である光変調素子１０２は、光導波路２２４が形成された基板２２０と、基板２２０の上に形成された、光導波路２２４を伝搬する光波を制御する電極２３０と、を有する。ここで、光導波路２２４は、基板２２０上に延在する凸部（例えば、凸部３００）により構成される。そして、電極２３０は、基板２２０との間にＮｂで構成される下地層３０４と、下地層３０４の上に形成された上部層３０２と、で構成されている。
　この構成によれば、電極２３０の下地層としてＮｂを用いることにより、凸状光導波路である光導波路２２４（例えば並行導波路２２６ａ）において、電極２３０の存在に起因する光吸収損失を効果的に低減することができる。
　また、下地層３０４は、３０ｎｍ以下の厚さである。この構成によれば、電極２３０の存在に起因して光導波路２２４に発生する光吸収損失を、従来のＴｉの下地層を用いる構成に比べて１／３に低減することができる。
　また、下地層３０４は、酸素原子を含む基板２２０上に形成されるか、または基板２２０上に形成された酸化物の膜の上に形成される。この構成によれば、Ｎｂで構成される下地層３０４とＬＮ等により構成される基板との間において、実用に耐え得る水準の固着力を確保することができる。
　また、下地層３０４は、酸素原子を含み、酸素に対するＮｂの元素比率Ｎｂ／Ｏが１．０以上である。この構成によれば、Ｎｂで構成される下地層３０４とＬＮ等により構成される基板との間において、実用に耐え得る水準の固着力をより確実に確保することができる。
　また、電極２３０は、基板２２０上において、例えば光導波路２２４を構成する並行導波路２２６ａを挟む位置に当該並行導波路２２６ａに沿って配された複数の（例えば２つ）の電極２３０ａ、２３０ｂで構成される。この構成によれば、並行導波路２２６ａを挟んで近接して配置される電極によって当該並行導波路２２６ａの伝搬光に光吸収損失が発生するのを効果的に抑制することができる。
　また、光導波路素子である光変調素子１０２と、光変調素子１０２を収容する筺体１０４と、光変調素子１０２に光を入力する入力光ファイバ１０６と、光変調素子１０２が出力する光を筺体１０４の外部へ導く出力光ファイバ１０８と、により光変調器１００を構成し得る。このように構成される光変調器１００は、電極２３０の存在に起因して発生し得る凸状光導波路（例えば並行導波路２２６ａ）における光吸収損失が抑制された光変調素子１０２を用いているので、良好な光変調特性及び光伝送特性を実現し得る。
　１００…光変調器、１０２、７０２…光変調素子、１０４…筺体、１０６…入力光ファイバ、１０８…出力光ファイバ、１１０…コネクタ、１１２…中継基板、１１４…終端器、２２０、７２０…基板、２２２…支持板、２２４、７２４…光導波路、２２６ａ、２２６ｂ、７２６ａ、７２６ｂ、７２６ｃ、７２６ｄ…並行導波路、２３０、２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、７３０ａ、７３０ｂ、７３０ｃ、７３０ｄ…電極、３００…凸部、３０２、３０２ａ、３０２ｂ…上部層、３０４、３０４ａ、３０４ｂ…下地層、３５０…接着層、６００、６０２…界面。　

Claims (6)

  1. 　光導波路が形成された基板と、
    　前記基板の上に形成された、前記光導波路を伝搬する光波を制御する電極と、
    　を有する光導波路素子であって、
    　前記光導波路は、前記基板上に延在する凸部により構成され、
    　前記電極は、前記基板との間にＮｂで構成される下地層と、下地層の上に形成された上部層と、で構成されている、
    　光導波路素子。
  2. 　前記下地層は、３０ｎｍ以下の厚さである、
    　請求項１に記載の光導波路素子。
  3. 　前記下地層は、酸素原子を含む前記基板上に形成されるか、または前記基板上に形成された酸化物の膜の上に形成される、
    　請求項１または２に記載の光導波路素子。
  4. 　前記下地層は、酸素原子を含み、酸素に対するＮｂの元素比率Ｎｂ／Ｏが１．０以上である、
    　請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光導波路素子。
  5. 　前記電極は、前記基板上において、前記光導波路を挟む位置に当該光導波路に沿って配された複数の電極で構成される、
    　請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光導波路素子。
  6. 　光の変調を行う光変調素子である請求項１ないし５のいずれか一項に記載の光導波路素子と、
    　前記光導波路素子を収容する筺体と、
    　前記光導波路素子に光を入力する光ファイバと、
    　前記光導波路素子が出力する光を前記筺体の外部へ導く光ファイバと、
    　を備える光変調器。　
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