WO2023053332A1 - 光導波路素子及びそれを用いた光変調デバイス並びに光送信装置 - Google Patents

光導波路素子及びそれを用いた光変調デバイス並びに光送信装置 Download PDF

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electrode
optical
electrode layer
modulation
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優 片岡
宏佑 岡橋
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住友大阪セメント株式会社
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    • G—PHYSICS
    • 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
    • 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 
    • G02F1/03—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
    • G02F1/035—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

Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide element, an optical modulation device and an optical transmitter using the same, and more particularly to an optical waveguide element in which a control electrode for applying an electric field to an optical waveguide formed on a substrate is formed of a plurality of electrode layers. .
  • optical waveguide devices such as optical modulators using substrates with an electro-optic effect are widely used.
  • optical modulators using substrates with an electro-optic effect
  • electrodes are formed in two stages (E1, E2) to satisfy all characteristics of electrode characteristic impedance matching, microwave and carrier light velocity matching, drive voltage characteristics, and electrode loss. It is disclosed to implement a design that Moreover, since the electrodes, which must be formed thick for velocity matching, are formed in multiple stages, the thickness of the resist film can be thin when forming each electrode layer, so that the patterning accuracy is also improved.
  • HB-CDM high-bandwidth coherent driver modulators
  • the graph in FIG. 2 shows the relationship between the electrode spacing and the electrode thickness when the effective refractive index of microwaves is constant. As the electrode spacing increases, the ratio of the electrode thickness to the electrode spacing increases. In other words, it becomes necessary to form the photoresist vertically, so the resist film tends to collapse and deform, resulting in poor patterning accuracy and yield.
  • the square line indicates the thickness (left vertical axis) of the electrode layer (E2) required when the spacing between the electrodes (E2) changes
  • the circular line indicates the thickness of the electrode layer (E2). It shows the value (ratio, right vertical axis) obtained by dividing the thickness of the electrode layer (E2) by the electrode spacing.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the positional deviation amount (pattern offset amount) of the pattern of the electrode layer (E2) and the optical loss. As the deviation amount increases, the optical loss also increases.
  • JP 2009-145816 A Japanese Patent Application No. 2021-050409 (filing date: March 24, 2021)
  • the problem to be solved by the present invention is to solve the above-described problems, and even when the control electrode is formed of a plurality of electrode layers, the velocity matching, characteristic impedance matching,
  • An object of the present invention is to provide an optical waveguide element that suppresses deterioration of characteristics such as optical loss.
  • a further object of the present invention is to provide an optical modulation device and an optical transmitter using the optical waveguide element.
  • an optical waveguide element, an optical modulation device using the same, and an optical transmitter according to the present invention have the following technical features.
  • control electrode is composed of at least two or more electrode layers arranged in the order of a first electrode layer and a second electrode layer on the substrate, sandwiching the optical waveguide
  • An insulating layer is disposed covering between the first electrode layers and extending to at least a portion of the upper surface of the first electrode layer, and at least a portion of the second electrode layer is formed on the upper surface of the insulating layer. It is characterized by
  • the optical waveguide is a rib type optical waveguide.
  • the distance between the first electrode layers sandwiching the optical waveguide is less than 10 ⁇ m.
  • a gap is formed in at least part of the overlapping portion of the insulating layer and the second electrode layer.
  • the insulating layer is not formed on at least a part of the upper surface of the optical waveguide, and is formed on the upper side of the optical waveguide. It is characterized by having another control electrode arranged thereon.
  • control electrode is a modulation electrode for applying a modulation signal.
  • optical waveguide element according to any one of the above (1) to (8) is characterized in that the optical waveguide element is housed in a housing and comprises an optical fiber for inputting or outputting light waves to or from the optical waveguide. It is an optical modulation device that
  • the optical waveguide element has a modulation electrode for modulating the light wave propagating through the optical waveguide, and the modulation signal input to the modulation electrode of the optical waveguide element is It is characterized by having an electronic circuit for amplification inside the housing.
  • An optical transmitter comprising the optical modulation device according to (9) or (10) above, and an electronic circuit for outputting a modulation signal for causing the optical modulation device to perform a modulation operation.
  • the present invention provides a substrate made of a material having an electro-optic effect, an optical waveguide formed on the substrate, and control electrodes arranged on the substrate with the optical waveguide interposed therebetween in order to apply an electric field to the optical waveguide.
  • the control electrode is composed of at least two electrode layers arranged in the order of a first electrode layer and a second electrode layer on the substrate, sandwiching the optical waveguide
  • An insulating layer is disposed covering between the first electrode layers and extending to at least a portion of the top surface of the first electrode layer, and at least a portion of the second electrode layer is formed on the top surface of the insulating layer.
  • the distance between the control electrodes at the height of the first electrode layer and the distance between the control electrodes at the height of the second electrode layer does not change, the states of velocity matching and characteristic impedance matching do not change, and since the second electrode layer is not close to the optical waveguide, it is possible to provide an optical waveguide element that suppresses optical loss. Furthermore, it is also possible to provide an optical modulation device and an optical transmitter using an optical waveguide element that suppresses deterioration of such characteristics.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a conventional optical waveguide device described in Patent Document 1;
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between electrode spacing and electrode thickness.
  • 2 is a cross-sectional view showing a problem when a control electrode is composed of a plurality of electrode layers as in FIG. 1;
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the amount of positional deviation (pattern offset amount) of an electrode layer and the optical loss;
  • 1 is a cross-sectional view showing an example of an optical waveguide device according to the present invention;
  • FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in which positional displacement of an electrode layer occurs in the optical waveguide device of FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing a state in which the formation area of the first electrode is reduced in the optical waveguide device according to the present invention
  • FIG. 4 is a diagram showing a state in which the number of electrode layers constituting a control electrode is set to three in the optical waveguide device according to the present invention
  • FIG. 6 is an enlarged view of the dotted line area A in FIG. 5, showing how curved surfaces are arranged at the corners of the insulating layer.
  • FIG. 6 is an enlarged view of the dotted line area A in FIG. 5, showing how a gap is formed between the insulating layer and the second electrode layer.
  • FIG. 4 is a diagram showing a state in which a control electrode is arranged on an optical waveguide in the optical waveguide device according to the present invention
  • 1 is a plan view for explaining an optical modulation device and an optical transmitter according to the present invention
  • the optical waveguide element of the present invention comprises a substrate 1 made of a material having an electro-optic effect, an optical waveguide 2 formed on the substrate 1 (protruding portion 10 of the substrate 1), and the optical waveguide element.
  • the control electrodes are formed in a first electrode layer on the substrate.
  • An insulating layer IL extending to at least a portion is arranged, and at least a portion of the second electrode layer E2 is formed on the upper surface of the insulating layer IL.
  • the substrate 1 having an electro-optical effect used in the optical waveguide device of the present invention includes substrates such as lithium niobate (LN), lithium tantalate (LT), PLZT (lead lanthanum zirconate titanate), and materials thereof.
  • substrates such as lithium niobate (LN), lithium tantalate (LT), PLZT (lead lanthanum zirconate titanate), and materials thereof.
  • a vapor-phase growth film by the method can be used.
  • Various materials such as semiconductor materials and organic materials can also be used as optical waveguides.
  • the substrate 1 other than the optical waveguide is etched, or grooves are formed on both sides of the optical waveguide.
  • the thickness of the substrate (thin plate) 1 on which the optical waveguide 2 is formed is set to 10 ⁇ m or less, more preferably 5 ⁇ m or less, still more preferably 1 ⁇ m or less, in order to achieve velocity matching between the microwave and the light wave of the modulated signal.
  • the height of the rib type optical waveguide is set to 4 ⁇ m or less, more preferably 3 ⁇ m or less, further preferably 1 ⁇ m or less or 0.4 ⁇ m or less. It is also possible to form a vapor deposition film on the reinforcing substrate and process the film into the shape of the optical waveguide.
  • the substrate on which the optical waveguide is formed is bonded and fixed to the reinforcing substrate 3 through direct bonding or an adhesive layer such as resin.
  • a material having a refractive index lower than that of the optical waveguide or the substrate on which the optical waveguide is formed and a material having a coefficient of thermal expansion close to that of the optical waveguide, such as a substrate containing an oxide layer such as crystal or glass is suitable.
  • Composite substrates in which a silicon oxide layer is formed on a silicon substrate, or a silicon oxide layer is formed on an LN substrate, which are abbreviated as SOI and LNOI, can also be used.
  • an insulating layer is arranged between the control electrodes. This means that as the width and height of the optical waveguide become smaller, the roughness of the surface of the optical waveguide greatly affects the optical loss of the light wave propagating through the optical waveguide.
  • a convex optical waveguide referred to as a rib-type optical waveguide
  • the side surface of the convex portion may be roughened by minute irregularities depending on the etching speed and etching temperature.
  • Patent Document 2 has proposed in Patent Document 2 to provide a dielectric layer (insulating layer) covering the optical waveguide in order to solve such a problem.
  • the upper surface and side surfaces of the optical waveguide 2 are covered with an insulating layer IL.
  • the optical waveguide forms a high refractive index region in the substrate 1 by thermal diffusion or the like, the upper surface of the optical waveguide is covered with the insulating layer IL.
  • the insulating layer IL is preferably a dielectric with a refractive index greater than 1, and is set to 0.5 times or more and 0.75 times or less the refractive index of the optical waveguide 2 .
  • the thickness of the insulating layer IL is not particularly limited, it can be formed up to a thickness of about 10 ⁇ m. Note that the thickness of the insulating layer and the like will be described later in detail.
  • the optical waveguide portion including the modulating portion that modulates the light wave by applying a modulating signal to the optical waveguide 2 the optical waveguide 2 functions as a core portion and the insulating layer functions as a clad portion.
  • the insulating layer IL can be formed of an inorganic material such as SiO 2 by a sputtering method or a CVD method, but an organic material such as resin may also be used.
  • a photoresist containing a coupling agent can be used, and a so-called photosensitive permanent film (permanent resist), which is cured by a heat-induced crosslinking reaction, can be used.
  • the resin it is also possible to use other materials such as polyamide resin, melamine resin, phenol resin, amino resin, and epoxy resin.
  • control electrode As the control electrode, a base electrode (Au, Ni, Ti) is provided on the substrate 1, and a metal film such as Au is laminated by metal plating or vapor deposition to form the control electrode.
  • a resist film having openings corresponding to the electrode patterns may be used.
  • the control electrode includes a modulation electrode that applies a microwave (RF wave), which is a modulation signal, and a bias electrode that applies a DC bias voltage.
  • the control electrode according to the invention is primarily useful as a modulation electrode.
  • the structure of the present invention contributes to improving velocity matching between the modulated signal and carrier light, characteristic impedance matching related to the modulated signal, electrode loss of the modulated signal, and the like.
  • optical waveguide element of the present invention extends to at least part of the upper surface of the first electrode layer E1.
  • the optical waveguide 2 (10) is covered with the insulating layer IL.
  • At least a portion of the second electrode layer E2 disposed on the first electrode layer while maintaining electrical connection is formed on the upper surface of the insulating layer IL.
  • the "first electrode layer” in the present invention is an electrode that mainly functions when an electric field is applied to the optical waveguide, and the “second electrode layer” is mainly used when a modulated signal propagates through the control electrode. It means a functioning electrode.
  • the "first electrode layer” can be formed not only by one layer, but also by stacking a plurality of thin layers.
  • the second electrode layer is formed on the upper surface of the insulating layer not only means that the second electrode layer and the insulating layer are always partially overlapped, This means that even if the second electrode layer does not overlap when the second electrode layer can be formed accurately, but overlaps when the second electrode layer is misaligned, it is included in the present invention.
  • the electrode spacing W1 of the first electrode layer and the electrode spacing W2 of the second electrode layer can be kept constant, the state of the electric field applied to the optical waveguide can be kept constant, and the characteristic impedance (capacitance) is also stabilized.
  • the electrode spacing W1 of the first electrode layer and the electrode spacing W2 of the second electrode layer are the same, or as shown in FIG. A narrower design is also possible.
  • Such an electrode configuration is effective when it is desired to reduce the effective refractive index of microwaves while suppressing the loss of carrier light.
  • the film thickness h (see FIG. 3) of the insulating layer IL of the optical waveguide element of the present invention is the distance from the center of the optical waveguide 2 (10) to the electrodes of the first electrode layer E1, that is, the electrode spacing of the first electrode layer E1. It is preferably thicker than half of W1. As a result, the distance between the optical waveguide 2 and the second electrode layer E2 is maintained at a certain value or more regardless of the degree of displacement of the second electrode layer. An increase in optical loss can be prevented. It is also possible to adjust the volume (width/thickness) of the insulating layer IL to achieve velocity matching and characteristic impedance matching between the microwave and carrier light. However, if the volume of the insulating layer is too large, the loss of high-frequency signals increases, so it is preferable that the insulating layer is thinner than the electrode spacing.
  • the first electrode layer can be formed with high accuracy by using a thin resist film as disclosed in Patent Document 1. Since the first electrode layer requires high positional accuracy and a narrow line width with respect to the optical waveguide, maskless exposure such as electron beam drawing is more suitable. In maskless exposure, the exposure time increases in proportion to the drawing area, so reducing the area contributes to manufacturing efficiency. On the other hand, the electrode layers above the second electrode layer do not require strict positional accuracy as compared to the first electrode layer. can be done.
  • the first electrode layer E1 should be formed only around the portion of the electrode acting portion (modulating portion) where the electrode spacing is narrow, and the rest of the electrode wiring and the like should be formed of the second electrode layer E2. can greatly improve manufacturing efficiency.
  • the width of the electrodes of the first electrode layer (the width of the first electrode layer E1 in the left-right direction in FIG. 8) should have a margin sufficient to overlap even with the accuracy of forming the electrodes of the second electrode layer. , 20 .mu.m or less, the drawing area can be reduced by about 80% compared to the case where the electrodes of the second electrode layer E2 are arranged on the entire bottom surface.
  • the electrode spacing W1 of the first electrode layer is less than 10 ⁇ m, more preferably less than 7 ⁇ m.
  • the structure of the present invention is particularly effective when there is a risk that the boundaries of the electrodes of the second electrode layer are inside the boundaries of the electrodes of the first electrode layer. Therefore, when the difference between the electrode spacing of the first electrode layer and the electrode spacing of the second electrode layer is small, specifically less than 10 ⁇ m, more preferably less than 7 ⁇ m, it is desirable to apply this method.
  • the upper layers (E2, E3) from the second electrode layer may be formed in multiple steps. This makes it possible to form the entire control electrode thicker and reduce the electrode loss.
  • FIGS. 10 and 11 provide a means of relieving strain due to internal stress. 10 and 11 are enlarged views of the dotted line area A in FIG.
  • the base metal E (the base metal is also arranged in the gap GA) is arranged before forming the second electrode layer, and the base metal is etched after the formation of the second electrode layer E2.
  • the optical waveguide element of the present invention is provided with a modulation electrode that modulates the light wave propagating through the optical waveguide 2, and is accommodated in the housing CA as shown in FIG. Furthermore, by providing an optical fiber (F) for inputting and outputting light waves in the optical waveguide, the optical modulation device MD can be configured.
  • the optical fiber F is optically coupled to the optical waveguide within the optical waveguide element using the optical lens OL.
  • the optical fiber may be introduced into the housing via a through-hole penetrating the side wall of the housing and directly joined to the optical waveguide element.
  • An optical transmitter OTA can be configured by connecting an electronic circuit (digital signal processor DSP) that outputs a modulation signal that causes the optical modulation device MD to perform a modulation operation, to the optical modulation device MD.
  • DSP digital signal processor
  • a driver circuit DRV is used because the modulated signal applied to the optical waveguide device must be amplified.
  • the driver circuit DRV and the digital signal processor DSP can be arranged outside the housing CA, but can also be arranged inside the housing CA. In particular, by arranging the driver circuit DRV inside the housing, it is possible to further reduce the propagation loss of the modulated signal from the driver circuit.
  • control electrode is formed of a plurality of electrode layers, deterioration of characteristics such as velocity matching, characteristic impedance matching, and optical loss due to misalignment of each electrode layer can be achieved. It is possible to provide an optical waveguide device that suppresses the Furthermore, it is possible to provide an optical modulation device and an optical transmitter using the optical waveguide element.

Abstract

制御電極を複数の電極層で形成する場合であっても、各電極層の位置ずれによる、速度整合、特性インピーダンス整合、光損失などの特性の劣化を抑制した光導波路素子を提供すること。　電気光学効果を有する材料からなる基板１と、該基板１に形成された光導波路２と、該光導波路２に電界を印加するため、該光導波路を挟んで該基板上に配置された制御電極（Ｅ１，Ｅ２）とを有する光導波路素子において、該制御電極は、該基板上に第１電極層Ｅ１と第２電極層Ｅ２との順番で配置された、少なくとも２つ以上の電極層で構成され、該光導波路を挟む該第１電極層の間を覆うと共に、該第１電極層の上面の少なくとも一部まで延在する絶縁層ＩＬが配置され、該第２電極層Ｅ２の少なくとも一部は該絶縁層ＩＬの上面に形成されていることを特徴とする。

Description

光導波路素子及びそれを用いた光変調デバイス並びに光送信装置
　本発明は、光導波路素子及びそれを用いた光変調デバイス並びに光送信装置に関し、特に、基板に形成される光導波路に電界を印加する制御電極は複数の電極層で形成される光導波路素子に関する。
　光計測技術分野や光通信技術分野において、電気光学効果を有する基板を用いた光変調器などの光導波路素子が多用されている。特に、近年の情報通信量の増大に伴い、長距離の都市間やデータセンター間に用いられる光通信の高速化や大容量化が望まれている。しかも、基地局のスペースの制限もあり、光変調器の高速化と小型化が必要となっている。
　特許文献１では、図１に示すように、電極を２段（Ｅ１，Ｅ２）で形成して電極の特性インピーダンスの整合、マイクロ波と搬送光の速度整合、駆動電圧特性、電極損失をすべて満足するような設計を実現することが開示されている。しかも、速度整合のために厚く形成する必要のある電極を多段で構成することで、各電極層を形成する際のレジスト膜の厚さを薄く形成できるため、パターニングの精度も向上する。
　近年では、高帯域幅コヒーレントドライバ変調器（ＨＢ－ＣＤＭ）のように、変調器チップの小型化がさらに求められている。小型化した光変調器では、光導波路に変調信号による電界が印加される作用部分の長さ（作用長Ｌ）が短くなるため、作用長Ｌと駆動電圧Ｖπとの積であるＶπＬが下がることとなる。このため、信号電極と接地電極の間隔を極端に狭くし、駆動電圧を高くする必要が生じ、従来に比べてさらに高い精度で電極を形成することが要求されている。ＨＢ－ＣＤＭなどでは、リブ型導波路やＳｉのような高屈折率材料を併用したハイブリッド導波路などのように、光導波路の幅も狭く、光閉じ込めが強い光導波路が用いられている。
　図１の光導波路素子において、より精度の高いプロセスを行うには、１段目の電極層Ｅ１をさらに薄くする必要があり、それにより２段目以降の電極層Ｅ２は、電極層（Ｅ２）間の間隔をより狭める、あるいは厚くする必要が生じる。
　図２のグラフは、マイクロ波の実効屈折率を一定にした場合の電極間隔と電極の厚さとの関係を示している。電極間隔を広げるほど、電極間隔に対する電極厚の比が大きくなる、すなわちフォトレジストを縦長に形成する必要が生じるため、レジスト膜が倒れるなどして変形しやすくなり、パターニング精度、歩留は悪化する。なお、図２では、四角印の線が、各電極（Ｅ２）の間隔が変化した際に必要となる電極層（Ｅ２）の厚さ（左縦軸）であり、丸印の線は、当該電極層（Ｅ２）の厚さを電極間隔で割った値（比率,右縦軸）を示している。
　このため、可能な範囲で２段目以降の電極（Ｅ２）間隔は小さく設定することが好ましいが、電極の製造誤差が大きいと、図３に示すように、電極層（Ｅ２）の境界が１段目電極層（Ｅ１）の電極間までずれる可能性が高くなる。その場合には、電極間隔Ｇが狭くなり、速度整合、特性インピーダンス整合以外にも、搬送光の損失など、様々な特性に大きな影響を与える。図４は、電極層（Ｅ２）のパターンの位置ずれ量（パターンオフセット量）に対する光損失との関係を示すグラフであり、ずれ量が増大するに従い、光損失も大きくなる。
特開２００９－１４５８１６号公報 特願２０２１－０５０４０９号（出願日：令和３年３月２４日）
　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、制御電極を複数の電極層で形成する場合であっても、各電極層の位置ずれによる、速度整合、特性インピーダンス整合、光損失などの特性の劣化を抑制した光導波路素子を提供することである。さらには、その光導波路素子を用いた光変調デバイスと光送信装置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及びそれを用いた光変調デバイス並びに光送信装置は、以下の技術的特徴を有する。
（１）　電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路に電界を印加するため、該光導波路を挟んで該基板上に配置された制御電極とを有する光導波路素子において、該制御電極は、該基板上に第１電極層と第２電極層との順番で配置された、少なくとも２つ以上の電極層で構成され、該光導波路を挟む該第１電極層の間を覆うと共に、該第１電極層の上面の少なくとも一部まで延在する絶縁層が配置され、該第２電極層の少なくとも一部は該絶縁層の上面に形成されていることを特徴とする。
（２）　上記（１）に記載の光導波路素子において、該光導波路は、リブ型光導波路であ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、該光導波路を挟む該第１電極層の間隔は、１０μｍ未満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、該光導波路を挟む該第１電極層の間隔と、該光導波路を挟む該第２電極層の間隔とは、両者の差が１０μｍ未満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、該第２電気層の下面に接する該絶縁層の角部の形状は、曲面となってい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、該絶縁層と該第２電極層とが重なり合っている部分の少なくとも一部には間隙が形成されていることを特徴とする。
（７）　上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の光導波路素子において、該絶縁層は、該光導波路の上面の少なくとも一部には形成されておらず、該光導波路の上側に配置された他の制御電極を有することを特徴とする。
（８）　上記（１）乃至（７）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、変調信号を印加するための変調電極であることを特徴とする。
（９）　上記（１）乃至（８）いずれかに記載の光導波路素子は、該光導波路素子は筐体内に収容され、該光導波路に光波を入力又は出力する光ファイバを備えることを特徴とする光変調デバイスである。
（１０）　上記（９）に記載の光変調デバイスにおいて、該光導波路素子は該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極を備え、該光導波路素子の変調電極に入力する変調信号を増幅する電子回路を該筐体の内部に有することを特徴とする。
（１１）　上記（９）又は（１０）に記載の光変調デバイスと、該光変調デバイスに変調動作を行わせる変調信号を出力する電子回路とを有することを特徴とする光送信装置である。
　本発明は、電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路に電界を印加するため、該光導波路を挟んで該基板上に配置された制御電極とを有する光導波路素子において、該制御電極は、該基板上に第１電極層と第２電極層との順番で配置された、少なくとも２つ以上の電極層で構成され、該光導波路を挟む該第１電極層の間を覆うと共に、該第１電極層の上面の少なくとも一部まで延在する絶縁層が配置され、該第２電極層の少なくとも一部は該絶縁層の上面に形成されているため、第１電極層と第２電極層との間で位置ずれが発生しても、第１電極層の高さにおける制御電極の間隔や第２電極層の高さにおける制御電極の間隔は変化しないため、速度整合や特性インピーダンス整合の状態が変化せず、しかも、光導波路に第２電極層が近接しないため、光損失も抑制した光導波路素子を提供することが可能となる。さらには、このような特性の劣化を抑制した光導波路素子を用いた光変調デバイスと光送信装置を提供することも可能となる。
特許文献１に記載の従来の光導波路素子の例を示す断面図である。 電極の間隔と電極の厚さとの関係を示すグラフである。 図１のような複数の電極層で制御電極を構成した場合の不具合を示す断面図である。 電極層の位置ずれ量（パターンオフセット量）と光損失との関係を示すグラブである。 本発明に係る光導波路素子の一例を示す断面図である。 図５の光導波路素子において電極層の位置ずれが発生した場合の様子を示す断面図である。 図５の光導波路素子で、第２電極層の間隔をより狭くした場合の様子を示す断面図である。 本発明に係る光導波路素子で、第１電極の形成面積を小さくした様子を示す図である。 本発明に係る光導波路素子で、制御電極を構成する電極層の数を３つに設定した様子を示す図である。 図５の点線領域Ａの拡大図であり、絶縁層の角に曲面を配置した様子を示す図である。 図５の点線領域Ａの拡大図であり、絶縁層と第２電極層との間に隙間を形成した様子を示す図である。 本発明に係る光導波路素子で、光導波路の上に制御電極を配置した様子を示す図である。 本発明の光変調デバイス及び光送信装置を説明する平面図である。
　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３に示すように、電気光学効果を有する材料からなる基板１と、該基板１に形成された光導波路２（基板１の凸状部１０）と、該光導波路２に電界を印加するため、該光導波路を挟んで該基板上に配置された制御電極（Ｅ１，Ｅ２）とを有する光導波路素子において、該制御電極は、該基板上に第１電極層Ｅ１と第２電極層Ｅ２との順番で配置された、少なくとも２つ以上の電極層で構成され、該光導波路を挟む該第１電極層の間を覆うと共に、該第１電極層の上面の少なくとも一部まで延在する絶縁層ＩＬが配置され、該第２電極層Ｅ２の少なくとも一部は該絶縁層ＩＬの上面に形成されていることを特徴とする。
　本発明の光導波路素子に使用される電気光学効果を有する基板１は、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）などの基板や、これらの材料による気相成長膜などが利用可能である。
　また、半導体材料や有機材料など種々の材料も光導波路として利用可能である。
　光導波路２の形成方法としては、光導波路以外の基板１をエッチングしたり、光導波路の両側に溝を形成するなど、基板に光導波路に対応する部分を凸状としたリブ型の光導波路１０を利用することが可能である。さらに、リブ型の光導波路に合わせて、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより、屈折率をより高くすることも可能である。また、基板１にＴｉなどを熱拡散した高屈折率領域を形成して光導波路を形成することも可能であるが、１μｍ程度の幅や高さの微細な光導波路で光閉じ込めを高める上では、リブ型光導波路１０がより好ましい。
　光導波路２を形成した基板（薄板）１の厚さは、変調信号のマイクロ波と光波との速度整合を図るため、１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以下に設定される。また、リブ型光導波路の高さは、４μｍ以下、より好ましくは３μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以下や０．４μｍ以下に設定される。また、補強基板の上に気相成長膜を形成し、当該膜を光導波路の形状に加工することも可能である。
　光導波路を形成した基板は、機械的強度を高めるため、図４等に示すように、直接接合又は樹脂等の接着層を介して、補強基板３に接着固定される。直接接合する補強基板３としては、光導波路や光導波路を形成した基板よりも屈折率が低く、光導波路などと熱膨張率が近い材料、例えば水晶やガラス等の酸化物層を含む基板が好適に利用される。ＳＯＩ、ＬＮＯＩと略されるシリコン基板上に酸化ケイ素層やＬＮ基板上に酸化ケイ素層を形成した複合基板も利用可能である。
　本発明の光導波路素子では、制御電極間に絶縁層を配置している。これは、光導波路の幅や高さが小さくなるに従い、光導波路の表面の粗さが、光導波路を伝搬する光波の光損失に大きな影響を及ぼすこととなる。例えば、光導波路に凸状の光導波路（リブ型光導波路という。）を形成する場合には、エッチング速度やエッチング温度により、凸部の側面に微小な凹凸による表面荒れが発生し得る。本出願人は、特許文献２で、このような不具合を解消するため、光導波路を覆う誘電体層（絶縁層）を設けることを提案している。
　図３に示すリブ型光導波路２（１０）の場合は、光導波路２の上面及び側面が絶縁層ＩＬで覆われている。後述するように、光導波路の上に他の制御電極を形成する場合は、光導波路の側面のみ又は側面と上面の一部が絶縁層で覆われている。また、光導波路が基板１に熱拡散等で高屈折率領域を形成する場合は、該光導波路の上面が絶縁層ＩＬで覆われている。
　絶縁層ＩＬとしては、屈折率が１より大きい誘電体であることが好ましく、光導波路２の屈折率の０．５倍以上、０．７５倍以下に設定される。絶縁層ＩＬの厚さは特に限定されないが、１０μｍ程度の厚さまで形成することが可能である。なお、絶縁層の厚さ等については、後段でも詳述する。光導波路２に変調信号を印加して光波を変調する変調部を含む光導波路部分では、光導波路２はコア部として、絶縁層はクラッド部として機能する。
　絶縁層ＩＬは、ＳｉＯ２等の無機材料をスパッタ法やＣＶＤ法で形成できるが、樹脂等の有機材料を使用してもよい。樹脂では、カップリング剤（架橋剤）を含むフォトレジストが利用でき、熱によって架橋反応が進行して硬化する、所謂、感光性永久膜（永久レジスト）が利用できる。なお、樹脂として、ポリアミド系樹脂、メラミン系樹脂、フェノール系樹脂、アミノ系樹脂、エポキシ系樹脂など他の材料を使用することも可能である。
　制御電極としては、基板１の上に下地電極（Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ）を設け、金属メッキ法や蒸着法などでＡｕなどの金属膜を積層して制御電極を形成する。金属メッキ法を行う際には、電極パターンに対応した開口を有するレジスト膜を用いても良い。
　制御電極には、変調信号であるマイクロ波（ＲＦ波）を印加する変調電極と、ＤＣバイアス電圧を印加するバイアス電極がある。本発明に係る制御電極は、主に、変調電極に有効である。本発明の構造は、変調信号と搬送光との速度整合や、変調信号に係る特性インピーダンス整合、さらには変調信号の電極損失などを改善することに寄与する。
　本発明の光導波路素子の特徴は、図３に示すように、制御電極を複数の電極層から構成することと、絶縁層ＩＬは、光導波路を挟む第１電極層Ｅ１の間を覆うと共に、該第１電極層Ｅ１の上面の少なくとも一部まで延在していることである。当然、第１電極層Ｅ１の間を覆うことにより、光導波路２（１０）を絶縁層ＩＬが覆うこととなる。そして、第１電極層の上に電気的接続を保持して配置される第２電極層Ｅ２は、少なくとも一部が絶縁層ＩＬの上面に形成されている。
　本発明における「第１電極層」とは、光導波路に電界を印加する際に主に機能する電極であり、「第２電極層」とは、制御電極を変調信号が伝搬する際に主に機能する電極を意味している。当然、「第１電極層」は１層のみで形成するだけでなく、複数の薄い層を重ね合わせて形成することも可能である。
　本発明における「第２電極層の少なくとも一部は絶縁層の上面に形成されている」とは、第２電極層と絶縁層とが一部で常に重なっている状態を意味するだけでなく、精確に第２電極層を形成できた場合は重ならないが、第２電極層が位置ずれを起こした場合には重なるものであっても、本発明に含むという意味である。
　本発明の光導波路素子では、図６に示すように、仮に、第２電極層が製造誤差（位置ずれ）を起こしても、第１電極層の電極間隔Ｗ１や第２電極層の電極間隔Ｗ２を一定に保てるため、光導波路に印加する電界の状態を一定に保持でき、特性インピーダンス（容量）も安定する。
　また、本発明の光導波路素子の構造を用いることで、第１電極層の電極間隔Ｗ１と第２電極層の電極間隔Ｗ２が同じ、又は図７のように、電極間隔Ｗ２の方がＷ１よりも狭いデザインも可能になる。このような電極構成は、搬送光の損失は抑えたいがマイクロ波の実効屈折率を下げたい場合に有効である。
　本発明の光導波路素子の絶縁層ＩＬの膜厚ｈ（図３参照）は、光導波路２（１０）の中心から第１電極層Ｅ１の電極までの距離、すなわち第１電極層Ｅ１の電極間隔Ｗ１の半分よりも厚いことが好ましい。これにより第２電極層の位置ずれの程度に依らず、光導波路２と第２電極層Ｅ２との距離が一定以上に保たれることになり、第２電極層の電極作製精度が低い場合でも光損失の増加を防ぐことができる。
　また、絶縁層ＩＬのボリューム（幅／厚さ）を調整し、マイクロ波と搬送光の速度整合や特性インピーダンス整合を図ることも可能である。ただし、絶縁層のボリュームが大きすぎると高周波信号の損失が大きくなるため、電極間隔よりは薄いことが好ましい。
　第１電極層は、特許文献１にも開示するように薄いレジスト膜を使用することで精度良く形成することが可能である。第１電極層は、光導波路に対する高い位置精度と狭い線幅が求められるため、電子線描画等によるマスクレス露光がより適している。マスクレス露光は描画面積に比例して露光時間が増大するため、より面積を減らすことが製造効率に寄与する。一方で第２電極層より上の電極層では、第１電極層と比較して厳しい位置精度が要求されないため、フォトマスクを用いた露光で面積の制約を受けずに十分安定して作製することができる。
　このため、図８に示すように、第１電極層Ｅ１は電極作用部（変調部）の電極間隔の狭い部分周辺のみに形成し、残りの電極配線等は第２電極層Ｅ２で形成することによって製造効率を大幅に改善することができる。例えば、第１電極層の電極の幅（図８の第１電極層Ｅ１の左右方向の幅）は第２電極層の電極形成の精度でも十分重なりあうだけの裕度を有していれば良く、２０μｍ以下に設定可能することで、第２電極層Ｅ２の電極の下部全面に配した場合に比べて約８０％もの描画面積を削減することができる。
　図５乃至８に示すような光導波路素子では、第１電極層Ｅ１の電極間隔が小さいほど電極を薄くする必要があり、第２電極層の電極間隔も狭くする必要が生じる。このため、第１電極層の電極間隔Ｗ１は１０μｍ未満、より好適には７μｍ未満に対して適用されることが望ましい。
　また、第２電極層の電極の境界が第１電極層の電極の境界の内側に入るリスクがある場合には、本発明の構造が特に有効である。このため、第１電極層の電極間隔と第２電極層の電極間隔との差が小さいとき、具体的には１０μｍ未満、より好適には７μｍ未満に対して適用されることが望ましい。
　図９に示すように、第２電極層から上段（Ｅ２，Ｅ３）を複数回に分けて形成してもよい。これによりより制御電極全体を厚く形成することが可能になり、電極損失を低減することができる。
　絶縁層ＩＬと第２電極層Ｅ２とは、線膨張係数が異なるため、重なって配置した場合には、熱膨張などによる内部応力が発生する。このため、図１０及び１１では、内部応力による歪を緩和する手段を提供している。図１０及び１１は、図３の点線領域Ａの部分の拡大図である。
　図１０では、第２電極層Ｅ２と絶縁層ＩＬとの接合面の少なくとも一部（特に絶縁層ＩＬの角部）を曲面Ｒにすることで、エッジへの応力集中を緩和し、形状の安定性を確保することができる。
　図１１では、第２電極層Ｅ２と絶縁層ＩＬとの間に隙間ＧＡを設けることで、材料毎の膨張率の差の影響を吸収し、チップ（基板１）にかかる応力を緩和することができる。隙間ＧＡの形成方法としては、第２電極層を形成する前に下地金属Ｅ（隙間ＧＡにも下地金属が配置される）を配置し、第２電極層Ｅ２の形成後に下地金属をエッチングする等して形成可能である。
　上述した光導波路素子では、光導波路２を挟む制御電極の例のみ説明したが、応用例として、図１２に示すように、光導波路２の上に他の制御電極（Ｅ１’、Ｅ２’）を配置することも可能である。この場合は、第１電極層Ｅ１を形成する際に電極層Ｅ１’を一緒に形成し、さらに、第２電極層Ｅ２を形成する際に電極層Ｅ２’を一緒に形成することも可能である。
　本発明の光導波路素子は、光導波路２を伝搬する光波を変調する変調電極を設け、図１３のように、筐体ＣＡ内に収容される。さらに、光導波路に光波を入出力する光ファイバ（Ｆ）を設けることで、光変調デバイスＭＤを構成することができる。図１３では、光ファイバＦは光学レンズＯＬを用いて光導波路素子内の光導波路と光学的に結合されている。これに限らず、光ファイバを筐体の側壁を貫通する貫通孔を介して筐体内に導入し、光導波路素子に直接接合しても良い。
　光変調デバイスＭＤに変調動作を行わせる変調信号を出力する電子回路（デジタル信号プロセッサーＤＳＰ）を、光変調デバイスＭＤに接続することにより、光送信装置ＯＴＡを構成することが可能である。光導波路素子に印加する変調信号は増幅する必要があるため、ドライバ回路ＤＲＶが使用される。ドライバ回路ＤＲＶやデジタル信号プロセッサーＤＳＰは、筐体ＣＡの外部に配置することも可能であるが、筐体ＣＡ内に配置することも可能である。特に、ドライバ回路ＤＲＶを筐体内に配置することで、ドライバ回路からの変調信号の伝搬損失をより低減することが可能となる。
　以上説明したように、本発明によれば、制御電極を複数の電極層で形成する場合であっても、各電極層の位置ずれによる、速度整合、特性インピーダンス整合、光損失などの特性の劣化を抑制した光導波路素子を提供することが可能となる。さらには、その光導波路素子を用いた光変調デバイスと光送信装置を提供することが可能となる。
　１　電気光学効果を有する基板（薄板，膜体）
　２　光導波路
　１０　リブ型光導波路
　ＩＬ　絶縁層
　Ｅ１　第１電極層
　Ｅ２　第２電極層

 

Claims (11)

  1. 　電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路に電界を印加するため、該光導波路を挟んで該基板上に配置された制御電極とを有する光導波路素子において、
    　該制御電極は、該基板上に第１電極層と第２電極層との順番で配置された、少なくとも２つ以上の電極層で構成され、
    　該光導波路を挟む該第１電極層の間を覆うと共に、該第１電極層の上面の少なくとも一部まで延在する絶縁層が配置され、
    　該第２電極層の少なくとも一部は該絶縁層の上面に形成されていることを特徴とする光導波路素子。
  2. 　請求項１に記載の光導波路素子において、
    　該光導波路は、リブ型光導波路であることを特徴とする光導波路素子。
  3. 　請求項１又は２に記載の光導波路素子において、
    　該光導波路を挟む該第１電極層の間隔は、１０μｍ未満であることを特徴とする光導波路素子。
  4. 　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、
    　該光導波路を挟む該第１電極層の間隔と、該光導波路を挟む該第２電極層の間隔とは、両者の差が１０μｍ未満であることを特徴とする光導波路素子。
  5. 　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、
    　該第２電気層の下面に接する該絶縁層の角部の形状は、曲面となっていることを特徴とする光導波路素子。
  6. 　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、
    　該絶縁層と該第２電極層とが重なり合っている部分の少なくとも一部には間隙が形成されていることを特徴とする光導波路素子。
  7. 　請求項１乃至６のいずれかに記載の光導波路素子において、
    　該絶縁層は、該光導波路の上面の少なくとも一部には形成されておらず、
    　該光導波路の上側に配置された他の制御電極を有することを特徴とする光導波路素子。
  8. 　請求項１乃至７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、変調信号を印加するための変調電極であることを特徴とする光導波路素子。
  9. 　請求項１乃至８いずれかに記載の光導波路素子は、
    　該光導波路素子は筐体内に収容され、
    　該光導波路に光波を入力又は出力する光ファイバを備えることを特徴とする光変調デバイス。
  10. 　請求項９に記載の光変調デバイスにおいて、
    　該光導波路素子は該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極を備え、
    　該光導波路素子の変調電極に入力する変調信号を増幅する電子回路を該筐体の内部に有することを特徴とする光変調デバイス。
  11. 　請求項９又は１０に記載の光変調デバイスと、
    　該光変調デバイスに変調動作を行わせる変調信号を出力する電子回路とを有することを特徴とする光送信装置。
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