WO2024069952A1 - 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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optical
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electrode
modulation device
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宏佑 岡橋
優 片岡
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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

Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide element and an optical modulation device and optical transmission device using the same, and in particular to an optical waveguide element having a substrate on which an optical waveguide is formed and a control electrode arranged on the substrate in close proximity to the optical waveguide, and an optical modulation device and optical transmission device using the same.
  • optical waveguide elements such as optical modulators that use substrates on which optical waveguides are formed are widely used.
  • an optical waveguide is formed on a substrate that has an electro-optic effect, such as lithium niobate (LN), and a control electrode that applies an electric field to the optical waveguide is formed on the substrate.
  • LN lithium niobate
  • control electrode 3 is configured in a two-stage structure, and by forming the first stage electrode 30 thin, it is possible to create the electrode with high precision even if the electrode spacing is narrow, and it is possible to reduce the driving voltage. Furthermore, by forming the second stage electrode 31 in an inverted trapezoidal shape and making it thick, it is possible to prevent degradation of high frequency characteristics.
  • reference numeral 1 denotes the substrate
  • reference numeral 2 denotes the optical waveguide
  • reference numeral 4 denotes the buffer layer.
  • Patent Document 2 discloses that the side of the control electrode 3 is inclined and the cross section is formed into a trapezoid shape. This configuration makes it possible to suppress the increase in drive voltage, improve high-frequency characteristics, and also suppress manufacturing costs.
  • the optical waveguides formed on the substrate have widths and heights of about 1 ⁇ m, and are convex optical waveguides (e.g., rib-type waveguides, ridge-type waveguides, and slot-type waveguides) that are composed of convex parts extending in a strip shape.
  • convex optical waveguides e.g., rib-type waveguides, ridge-type waveguides, and slot-type waveguides
  • Such fine convex waveguides have strong light confinement and can bend the optical waveguide with a small curvature, allowing the optical waveguide element to be formed compactly.
  • control electrodes for example, the spacing between signal electrodes and ground electrodes and the spacing between DC bias electrodes
  • the spacing between control electrodes has been reduced from the conventional several tens of ⁇ m to a few ⁇ m, making the electrode spacing extremely narrow. This makes it easier for the electrodes to absorb the light waves propagating through the optical waveguide, resulting in a problem of increased propagation loss of the light waves (light absorption loss).
  • the problem that the present invention aims to solve is to provide an optical waveguide element that solves the problems described above and suppresses optical absorption even when the electrode spacing is narrow. Furthermore, the present invention aims to provide an optical modulation device and an optical transmission device that use the optical waveguide element.
  • An optical waveguide element having a substrate on which an optical waveguide is formed and a control electrode disposed on the substrate adjacent to the optical waveguide, characterized in that the optical waveguide is a convex optical waveguide, and the shape of a side surface of the control electrode facing the optical waveguide is composed of an inclined surface having a predetermined angle with the substrate, and a curved surface continuing from the inclined surface and forming a curved depression.
  • the position where the inclined surface changes to the curved surface is located at a position lower than the height of the optical waveguide.
  • the thickness of the electrodes is 1 ⁇ m or less.
  • optical waveguide element described in any one of (1) to (3) above is housed in a housing and is an optical modulation device characterized by having an optical fiber that inputs or outputs light waves to the optical waveguide.
  • control electrode is a modulation electrode for modulating the light wave propagating through the optical waveguide
  • the housing includes an electronic circuit for amplifying the modulation signal input to the modulation electrode.
  • An optical transmission device comprising the optical modulation device described in (5) above, a light source that inputs an optical wave to the optical modulation device, and an electronic circuit that outputs a modulated signal to the optical modulation device.
  • the present invention provides an optical waveguide element having a substrate on which an optical waveguide is formed, and a control electrode arranged on the substrate adjacent to the optical waveguide, wherein the optical waveguide is a convex optical waveguide, and the shape of the side of the control electrode facing the optical waveguide is composed of an inclined surface having a predetermined angle with the substrate, and a curved surface continuing from the inclined surface and forming a curved recess. Therefore, the distance between the convex optical waveguide and the control electrode, in particular the distance between the two at the upper part of the control electrode, can be increased, making it possible to suppress light absorption by the control electrode. Furthermore, by using an optical waveguide element having such excellent characteristics, it is possible to provide an optical modulation device or an optical transmission device that achieves similar effects.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a conventional optical waveguide element.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing another example of a conventional optical waveguide element.
  • 1 is a cross-sectional view showing an example of an optical waveguide element of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example in which the entire side surface of the control electrode is formed with a curved line forming a curved recess.
  • 4A and 4B are diagrams illustrating the shape of a control electrode used in the optical waveguide element of the present invention.
  • 4A to 4C are diagrams illustrating a method for manufacturing the optical waveguide element shown in FIG. 3.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a state before lift-off is performed in the manufacturing method shown in FIG. 6 .
  • FIG. 11A and 11B are diagrams illustrating changes in optical absorption loss due to the shape of the side surface of a control electrode.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of an optical waveguide element used in HB-CDM.
  • 10A is a cross-sectional view of the modulation electrode RF in FIG. 9, and
  • FIG. 10B is a cross-sectional view of the DC bias electrode.
  • 1 is a diagram illustrating an example of an optical transmitting device according to the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of the optical waveguide element of the present invention.
  • the optical waveguide element of the present invention has a substrate 1 on which an optical waveguide 10 is formed, and a control electrode 3 arranged on the substrate in the vicinity of the optical waveguide, wherein the optical waveguide 10 is a convex optical waveguide, and the shape of the side surface of the control electrode 3 facing the optical waveguide comprises an inclined surface 32 at a predetermined angle from the substrate, and a curved surface 33 continuing from the inclined surface and forming a curved recess.
  • the substrate 1 used in the optical waveguide element of the present invention can be a substrate having an electro-optic effect, specifically, a substrate such as lithium niobate (LN), lithium tantalate (LT), or PLZT (lead lanthanum zirconate titanate), or a base material in which these substrate materials are doped with MgO or the like can be used. It is also possible to form a film from these materials using a vapor phase growth method such as sputtering, deposition, or CVD. Furthermore, a semiconductor substrate can also be used.
  • a substrate such as lithium niobate (LN), lithium tantalate (LT), or PLZT (lead lanthanum zirconate titanate), or a base material in which these substrate materials are doped with MgO or the like can be used. It is also possible to form a film from these materials using a vapor phase growth method such as sputtering, deposition, or CVD. Furthermore, a semiconductor substrate can also
  • the optical waveguide 10 can be formed by etching the substrate 1 other than the optical waveguide, or by forming grooves on both sides of the optical waveguide, thereby using a convex optical waveguide in which the portion of the substrate corresponding to the optical waveguide is made convex. It is also possible to use a slot-type waveguide in which all portions other than the optical waveguide are removed by etching or other methods. Furthermore, in accordance with the convex optical waveguide, it is possible to increase the refractive index by diffusing Ti or the like onto the substrate surface by thermal diffusion or proton exchange.
  • the size of the convex optical waveguide is a minute convex optical waveguide with a width and height of about 1 ⁇ m in order to increase the confinement of light.
  • the thickness of the substrate (thin plate) 1 on which the optical waveguide 10 is formed is set to 10 ⁇ m or less, more preferably 5 ⁇ m or less, and even more preferably 1 ⁇ m or less, in order to achieve speed matching between the microwave and light waves of the modulated signal.
  • the height of the convex optical waveguide is set to 4 ⁇ m or less, more preferably 3 ⁇ m or less, and even more preferably 1 ⁇ m or less or 0.4 ⁇ m or less.
  • a reinforcing substrate (not shown) is bonded to the underside of the substrate 1.
  • the substrate 1 and the reinforcing substrate are bonded and fixed by direct bonding or via an adhesive layer such as resin.
  • an intermediate layer such as a metal oxide or metal may be included.
  • the reinforcing substrate to be directly bonded preferably has a lower refractive index than the optical waveguide or the substrate on which the optical waveguide is formed, but is not limited to this.
  • the reinforcing substrate is preferably a substrate containing an oxide layer such as quartz or glass, whose thermal expansion coefficient is close to that of the substrate 1.
  • the same LN substrate as the substrate 1 a composite substrate in which a silicon oxide layer is formed on a silicon substrate, abbreviated as SOI or LNOI, or a composite substrate in which a silicon oxide layer is formed on an LN substrate.
  • a control electrode 3 is formed on the substrate 1 in the vicinity of the optical waveguide 10.
  • the control electrodes include a modulation electrode that applies a modulation signal to the optical waveguide and a DC bias electrode that applies a DC bias voltage.
  • the control electrode is formed by forming a base electrode by a sputtering method, a vapor deposition method, or the like, and then forming a thick electrode by a plating method.
  • the shape of the side surface of the control electrode 3 facing the optical waveguide 10 is composed of an inclined surface 32 having a predetermined angle with the substrate, and a curved surface 33 continuing from the inclined surface 32 and forming a curved recess.
  • the entire side of the control electrode As a method for retracting the side of the control electrode from the optical waveguide, it is possible to form the entire side of the control electrode with a curved surface 34 that forms a curved depression, as shown in Figure 4.
  • the electrode closest to the optical waveguide (the electrode below the curved surface 34) is thin, making it difficult to effectively apply an electric field to the optical waveguide.
  • the thickness of the electrode below the curved surface 34 is extremely thin, which causes the problem of it easily peeling off from the substrate 1.
  • the lower part of the control electrode 3 is an inclined surface 32 having a predetermined angle ⁇ with the substrate 1.
  • the height Ay of the inclined surface 32 in FIG. 5 is 10 nm or more, and more preferably 100 nm or more.
  • the angle ⁇ is set to 30 degrees ⁇ 90 degrees.
  • the angle ⁇ is preferably 30 degrees or more.
  • the electrode is formed with an angle ⁇ exceeding 90 degrees, the electrode will approach the optical waveguide and light absorption will occur by the electrode, so the angle ⁇ is preferably 90 degrees or less.
  • the height h of the transition from the inclined surface 32 to the curved surface 33 is set lower than the height H of the optical waveguide 10.
  • the curved surface 33 of the present invention functions effectively when the inclined surface 32 extends higher than the height H of the optical waveguide and absorbs the light waves propagating from the optical waveguide 10, particularly the light waves on the upper side of the optical mode diameter.
  • the curved surface 33 of the present invention increases the distance between the optical waveguide 10 and the control electrode, suppressing the absorption of light waves.
  • the sum of Ay (height of the inclined surface) and By (height of the curved surface) in FIG. 5 be 200 nm or more.
  • the top of the curved surface 33 will be higher than the height H of the optical waveguide.
  • the thickness (Ay+By) of the control electrode 3 is preferably 1000 nm or less in order to ensure stable formation, taking into account manufacturing processes such as lift-off, which will be described later.
  • the length (Ax+Bx) of the control electrode 3 from the position close to the optical waveguide 10 to the top of the curved surface 33 is preferably set to 100 nm or more, more preferably 200 nm or more, in order to reduce loss due to electrode absorption.
  • Ax is the horizontal length of the inclined surface (left-right direction in the drawing), and Bx is the horizontal length of the curved surface.
  • curved surface forming a curved recess used in this invention means that the surface of curved surface 33 is recessed toward the electrode side from the two-dot chain line D connecting both ends of the curved surface, as shown in FIG. 5.
  • the position of curved surface 33 is retreated toward the electrode side from the one-dot chain line C, which is an extension of inclined surface 32.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the process of forming the control electrode.
  • Fig. 6(a) shows a state in which a resist film 5 is applied onto a substrate 1 on which an optical waveguide 10 is formed.
  • the resist film is exposed to UV, a laser, an electron beam, or the like, and is removed by development, and processed into a shape as shown in Fig. 6(b).
  • the resist film 5 is undercut in the vicinity of the contact portion between the resist film 5 and the substrate 1 (see dotted line frame E).
  • FIG. 6(c) a material that will become the electrode 3 is laminated on the surface of the substrate 1, including the resist film 5, by deposition, plating, sputtering, CVD, or the like.
  • the resist film 5 is lifted off to form the electrode structure shown in FIG. 6(d).
  • FIG. 6 shows an enlarged view of the vicinity of the convex optical waveguide 10.
  • Figure 7 is an enlarged view of the lower portion of the resist film 5 before lift-off.
  • an inclined surface 32 is formed at the undercut surface 51 of the resist film, and a recess (curved surface 33) is formed along the dotted line between the resist film 5 and the corner of the electrode 3.
  • the electrode gap GAP when the electrode gap GAP is 5 ⁇ m or more, there is almost no effect due to changes in the shape of the electrode side surface. However, as the electrode gap GAP becomes narrower, particularly when it is 4 ⁇ m or less, the effect of the shape of the electrode side surface becomes significant, and it can be seen that the electrode shape of the present invention effectively suppresses light absorption loss.
  • FIG. 9 is a plan view of a substrate 1 showing an example of an optical waveguide element used in HB-CDM and the like.
  • the optical waveguide 10 has two nested optical waveguides in which a plurality of Mach-Zehnder type optical waveguides are nested and arranged in parallel.
  • the width and height of the optical waveguide are extremely thin.
  • the thickness of the electrodes is also thin. For this reason, in the region where the modulation electrode is formed (symbol RF) and the region where the DC bias electrode is formed (symbol DC), it is possible to adopt a configuration using a resin material also called a "permanent resist" (PR) or an inorganic dielectric material as shown in FIG. 10.
  • PR permanent resist
  • the resin material it is possible to use materials such as polyamide resin, melamine resin, phenol resin, amino resin, and epoxy resin.
  • the inorganic dielectric material for example, SiO 2 , Al 2 O 3 , MgF, La 2 O 3 , ZnO, MgO, CaF 2 , and Y 2 O 3 can be used.
  • Figure 10(a) is an example of a cross-sectional view showing a modulation electrode in region RF.
  • the shape of the control electrode of the present invention described above is adopted below the signal electrode 3S and ground electrode 3G, and permanent resist PR is arranged to cover parts of these control electrodes and the optical waveguide 10.
  • the permanent resist suppresses scattering due to the roughness of the surface of the optical waveguide and prevents the electrodes from peeling off from the substrate.
  • the electrodes (3S, 3G) to cover parts of the permanent resist PR, it is possible not only to improve the high-frequency characteristics of the modulation electrode, but also to suppress peeling of the permanent resist.
  • the electrode since there is no need to place the top of the DC bias electrode (3D) in close proximity, the electrode is not positioned to cover the permanent resist PR.
  • the effect of the permanent resist on the optical waveguide 10 and the lower part of the electrode is as described above.
  • optical waveguide element of the present invention uses an example of HB-CDM, but the present invention is not limited to this and can also be applied to optical phase modulators, optical modulators with polarization synthesis function, optical waveguide elements integrating more or fewer Mach-Zehnder type optical waveguides, junction devices with optical waveguide elements made of other materials such as silicon, devices for sensor use, etc.
  • the optical waveguide element has an optical waveguide 10 formed on an optical waveguide substrate 1 and a control electrode (not shown) such as a modulation electrode that modulates the light wave propagating through the optical waveguide 10, and is housed in a housing CA.
  • an optical modulation device MD can be configured by providing an optical fiber (F) that inputs and outputs light waves to the optical waveguide.
  • the optical fiber F is optically coupled to the optical waveguide 10 in the optical waveguide element using an optical block with an optical lens, a lens barrel, a polarization multiplexer 6, or the like.
  • the optical fiber may be introduced into the housing through a through hole penetrating the side wall of the housing, and the optical fiber may be directly bonded to an optical component or substrate, or an optical fiber having a lens function at the end of the optical fiber may be optically coupled to the optical waveguide in the optical waveguide element.
  • a reinforcing member (not shown) may be overlapped and arranged along the end face of the optical waveguide substrate 1.
  • the optical transmitter OTA can be configured by connecting an electronic circuit (digital signal processor DSP) that outputs a modulation signal So 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 to amplify the modulation signal.
  • the driver circuit DRV and digital signal processor DSP can be placed outside the housing CA, but they can also be placed inside the housing CA. In particular, by placing the driver circuit DRV inside the housing, it is possible to further reduce the propagation loss of the modulation signal from the driver circuit.
  • the input light L1 to the optical modulation device MD may be supplied from outside the optical transmission device OTA, but as shown in FIG. 11, a semiconductor laser (LD) can also be used as the light source.
  • LD semiconductor laser
  • the output light L2 modulated by the optical modulation device MD is output to the outside via an optical fiber F.
  • an optical waveguide element that suppresses light absorption even when the electrode spacing is narrow. Furthermore, it is possible to provide an optical modulation device and an optical transmission device that use this optical waveguide element.
  • Substrate (thin plate, film) on which the optical waveguide is formed 3 control electrode 10 optical waveguide 32 inclined surface 33 curved surface F optical fiber LD light source CA housing MD optical modulation device DRV driver circuit DSP digital signal processor OTA optical transmission device

Abstract

本発明の目的は、電極間隔が狭くなった場合でも光吸収を抑制した光導波路素子を提供することである。　本発明の光導波路素子は、光導波路（１０）が形成された基板（１）と、該基板上に該光導波路に近接して配置される制御電極（３）を有する光導波路素子において、該光導波路（１０）が凸状光導波路であり、該制御電極（３）の該光導波路に対向する側面の形状は、該基板から所定の角度の傾斜面（３２）と、該傾斜面に続き、湾曲した窪みを形成する曲面（３３）から構成され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、光導波路が形成された基板と、該基板上に該光導波路に近接して配置される制御電極とを有する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する。
　光計測技術分野や光通信技術分野において、光導波路を形成した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。一般的な光導波路素子では、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの電気光学効果を有する基板に光導波路を形成し、該光導波路に電界を印加する制御電極を基板上に形成している。
　図１に示すように、特許文献１では、制御電極３を２段構造で構成し、１段目の電極３０を薄く形成することで、電極間隔を狭くても精度よく作成でき、駆動電圧を小さくすることが可能となる。しかも、２段目の電極３１を逆台形で厚く形成することで、高周波特性の劣化を防ぐことが可能である。なお、符号１は基板、符号２は光導波路、符号４はバッファ層を示す。
　図２に示すように、特許文献２では、制御電極３の側面に傾斜を持たせ、断面を台形状に形成することが開示さている。この構成により、駆動電圧の増加を抑制し、高周波特性を改善し、さらには製造コストも抑制できる。
　近年では、広帯域幅コヒーレントドライバ変調器（ＨＢ－ＣＤＭ：High Bandwidth-Coherent Driver Modulator）が注目されている。基板に形成する光導波路は、１μｍ程度の幅や高さを備え、帯状に延在する凸状部で構成された凸状光導波路（例えば、リブ型導波路、リッジ型導波路、スロット型導波路）が利用されている。このような微細な凸状導波路は、光の閉じ込めが強く、光導波路を小さな曲率で曲げることが可能であり、光導波路素子をコンパクトに形成することができる。
　しかしながら、制御電極の間隔、例えば、信号電極と接地電極との間隔やＤＣバイアス電極間の間隔は、従来の数十μｍから、数μｍまで減少し、電極間隔が極めて狭くなっている。このため、光導波路を伝搬する光波を電極が吸収し易くなるため、光波の伝搬損失（光吸収損失）が大きくなるという問題を生じる。
　しかも、特許文献１のような電極構造を採用した場合には、隣接する電極同士が上部（２段目）において近接し過ぎるため、このような構造は採用することが困難となる。また、特許文献２のような傾斜面を備えた場合には、凸状光導波路と電極の傾斜面が近接した状態となるため、電極による光吸収を効果的に抑制することが難しい。
特開平９ー１８５０２５号公報（ＪＰ１９９７－１８５０２５Ａ） 特開２０１１－２１５２９４号公報（ＪＰ２０１１ー２１５２９４Ａ）
　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、電極間隔が狭くなった場合でも光吸収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）　光導波路が形成された基板と、該基板上に該光導波路に近接して配置される制御電極を有する光導波路素子において、該光導波路が凸状光導波路であり、該制御電極の該光導波路に対向する側面の形状は、該基板と所定の角度を有する傾斜面と、該傾斜面に続き、湾曲した窪みを形成する曲面から構成され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、該傾斜面から該曲面に変化する位置は、該光導波路の高さより低い位置に設けられていることを特徴とする。
（３）　上記（１）に記載の光導波路素子において、該電極の厚さは１μｍ以下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。
（５）　上記（４）に記載の光変調デバイスにおいて、該制御電極は、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極であり、該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。
（６）　上記（５）に記載の光変調デバイスと、該光変調デバイスに光波を入力する光源と、該光変調デバイスに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、光導波路が形成された基板と、該基板上に該光導波路に近接して配置される制御電極を有する光導波路素子において、該光導波路が凸状光導波路であり、該制御電極の該光導波路に対向する側面の形状は、該基板と所定の角度を有する傾斜面と、該傾斜面に続き、湾曲した窪みを形成する曲面から構成されるため、凸状光導波路と制御電極との距離、特に、制御電極の上部での両者の距離を離すことができるため、制御電極による光吸収を抑制することが可能となる。
　さらに、このような優れた特性を備えた光導波路素子を用いることで、同様の効果を奏する光変調デバイスや光送信装置も提供が可能となる。
従来の光導波路素子の一例を示す断面図である。 従来の光導波路素子の他の例を示す断面図である。 本発明の光導波路素子の一例を示す断面図である。 制御電極の側面全体を湾曲した窪みを形成する曲線で形成した場合の例を示す図である。 本発明の光導波路素子に使用される制御電極の形状を説明する図である。 図３に示す光導波路素子の製造方法を説明する図である。 図６の製造方法の中でリフトオフを行う前の状態を説明する図である。 制御電極の側面の形状による光吸収損失の変化を説明する図である。 ＨＢ－ＣＤＭで使用される光導波路素子の一例を示す図である。 図９の変調電極ＲＦにおける断面図（ａ）とＤＣバイアス電極における断面図（ｂ）を示す。 本発明の光送信装置の一例を示す図である。
　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の一例を示す断面図を図３に示す。
　本発明の光導波路素子は、光導波路１０が形成された基板１と、該基板上に該光導波路に近接して配置される制御電極３を有する光導波路素子において、該光導波路１０が凸状光導波路であり、該制御電極３の該光導波路に対向する側面の形状は、該基板から所定の角度の傾斜面３２と、該傾斜面に続き、湾曲した窪みを形成する曲面３３から構成され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基板１としては、電気光学効果を有する基板が利用でき、具体的には、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、これらの基板材料にＭｇＯなどをドープした基材が使用可能である。また、これらの材料をスパッタ法、蒸着法、又はＣＶＤ法などの気相成長法を利用して膜形成することも可能である。さらに、半導体基板なども利用可能である。
　光導波路１０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部とした凸状光導波路を利用することが可能である。また、光導波路以外の部分をエッチング等の方法で全部除去したスロット型導波路も利用することが可能である。さらに、凸状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。凸状光導波路のサイズとしては、光の閉じ込めを高めるため、１μｍ程度の幅や高さの微細な凸状光導波路となっている。
　光導波路１０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、凸状光導波路の高さは、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。
　光導波路を形成した基板１は、機械的強度を高めるため、基板１の下側に、補強基板（不図示）が接合されている。基板１と補強基板とは、直接接合又は樹脂等の接着層を介して接着固定される。なお、直接接合の場合は、金属酸化物や金属等の中間層を含んでも良い。直接接合する補強基板としては、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いことが好ましいが、これに限定されるものではない。また、補強基板は、基板１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。さらに、基板１と同じＬＮ基板や、ＳＯＩ、ＬＮＯＩと略されるシリコン基板上に酸化ケイ素層を形成した複合基板やＬＮ基板上に酸化ケイ素層を形成した複合基板を利用することも可能である。
　光導波路１０に近接して制御電極３が基板１上に形成される。制御電極には、光導波路に変調信号を印加する変調電極やＤＣバイアス電圧を印加するＤＣバイアス電極がある。制御電極は、下地電極をスパッタ法、蒸着法等で形成し、その後メッキ法で厚みのある電極に形成される。
　本発明では、制御電極３の光導波路１０に対向する側面の形状を、基板と所定の角度を有する傾斜面３２と、該傾斜面３２に続き、湾曲した窪みを形成する曲面３３から構成されている。
　光導波路から制御電極の側面を退避させる方法としては、図４に示すように、制御電極の側面全体を湾曲した窪みを形成する曲面３４で形成することが考えらえる。しかしながら、このような電極形状は、光導波路に近接する電極（曲面３４の下部の電極）が薄く、光導波路に電界を効果的に印加することが難しい。しかも、曲面３４の下部の電極の厚みが極めて薄く、基板１から容易に剥離する不具合を生じる。
　このため、図５に示すように、制御電極３の下部は、基板１と所定の角度θを有する傾斜面３２としている。電界（Ｖπ）の印加効率や、電極の密着性（電極の剥離防止）を考慮すると、図５の傾斜面３２の高さＡｙは、１０ｎｍ以上、より好ましくは１００ｎｍ以上である。また、角度θは３０度≦θ≦９０度に設定される。電極と基板との密着性を考慮すると、角度θは３０度以上が好ましい。さらに、角度θが９０度を越えて電極が形成されると、電極が光導波路に近づき、電極による光吸収が発生するため、角度θは９０度以下が好ましい。
　図３に示すように、傾斜面３２から曲面３３に変化する位置の高さｈは、光導波路１０の高さＨより低い位置に設けられている。本発明の曲面３３が効果的に機能するには、仮に傾斜面３２が光導波路の高さＨよりも高く伸びている場合に、光導波路１０から広がる光波、特に光モード径の上部側の光波が当該傾斜面により吸収される場合である。本発明の曲面３３により光導波路１０と制御電極との距離が離れ、光波の吸収が抑制される。
　光帯域（高周波特性）を考慮すると、図５のＡｙ（傾斜面の高さ）とＢｙ（曲面の高さ）との総和は、２００ｎｍ以上であることが好ましい。当然、図３にも示すように、曲面３３の頂部は、光導波路の高さＨよりも高くなる。
　制御電極３の厚さ（Ａｙ＋Ｂｙ）は、後述するリフトオフなどの製造プロセスを考慮すると１０００ｎｍ以下であることが、安定的に形成できる範囲として好ましい。
　制御電極３の光導波路１０に近接した位置から曲面３３の頂部までの長さ（Ａｘ＋Ｂｘ）は、１００ｎｍ以上、より好ましくは２００ｎｍ以上に設定することが、電極吸収による損失を低減するためには好ましい。このＡｘは傾斜面の横方向（図面の左右方向）の長さ、Ｂｘは曲面の横方向の長さである。
　本発明で使用される「湾曲した窪みを形成する曲面」とは、図５に示すように、曲面３３の表面が曲面の両端を結ぶ二点鎖線Ｄよりも電極側に窪んでいることを意味している。また、曲面３３の配置位置は、傾斜面３２の延長線である一点鎖線Ｃよりも電極側に退避して配置されている。
　図６は制御電極の形成プロセスを説明する図である。
　図６（ａ）は、光導波路１０を形成した基板１上にレジスト膜５を塗布した状態である。レジスト膜はＵＶやレーザー、電子線等を用いて感光し、現像にて取り除かれ、図６（ｂ）に示すような形状に加工される。特に、レジスト膜５と基板１との接触部分の近傍にレジスト膜５がアンダーカットされている状態（点線枠Ｅ参照）とすることが好ましい。
　図６（ｃ）では、レジスト膜５を含む基板１の表面に電極３となる材料を蒸着法やメッキ法、スパッタ法、ＣＶＤ法等で積層する。次に、レジスト膜５をリフトオフすることにより、図６（ｄ）に示す電極構造が形成される。図６は凸状光導波路１０付近を拡大して示している。
　図７はリフトオフを行う前のレジスト膜５の下部付近の拡大図である。レジスト膜５をリフトオフを行うと、レジスト膜のアンダーカット面５１では傾斜面３２が形成され、レジスト膜５と電極３の角部との間では、点線に沿った窪み（曲面３３）が形成される。
　本発明の制御電極の側面の形状の影響を評価するため、側面の形状を、矩形のみ、図２のような台形（傾斜のみ）、更に、本発明のように傾斜面と曲面との組み合わせで、光吸収損失（Ｌｏｓｓ，ｄＢ）のシミュレーションを行った。図８のグラフは、図３に示す制御電極間の間隔ＧＡＰを３．５μｍ～５．０μｍの範囲で変化させて、光吸収損失を評価した結果である。使用した光波の波長は１５７０ｎｍであった。図８の最上部に位置するグラフは矩形状の電極のもの、中間部に位置するグラフは台形状の電極のもの、最下部に位置するグラフは本発明の形状のものを意味する。
　電極間隔ＧＡＰが５μｍ以上では、電極の側面の形状の変化による影響は殆どないことが理解できる、しかしながら、電極間隔ＧＡＰが狭くなるに従い、特に４μｍ以下の場合には、電極側面の形状の影響が顕著となり、本発明の電極形状が光吸収損失を効果的に抑制することが理解される。
　図９は、ＨＢ－ＣＤＭなどに使用される光導波路素子の一例を示す、基板１の平面図である。光導波路１０は、複数のマッハツェンダー型光導波路を入子型に組み込んだネスト型光導波路を２つ並列に配置している。このような複雑な光導波路においては、光導波路の幅や高さは極めて細くなっている。また、電極の厚みも同様に薄くなる。このため、変調電極が形成される領域（符号ＲＦ）や、ＤＣバイアス電極が形成される領域（符号ＤＣ）では、図１０に示すような、「永久レジスト」（ＰＲ）とも呼ばれる樹脂材料や無機誘電体材料を用いた構成を採用することが可能である。樹脂材料の一例として、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の材料を使用することが可能である。無機誘電体材料の一例として、例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ、Ｌａ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＭｇＯ，ＣａＦ２，Ｙ２Ｏ３などが利用可能である。
　図１０（ａ）は、領域ＲＦの変調電極を示す断面図の一例である。信号電極３Ｓや接地電極３Ｇの下部では、上述した本発明の制御電極の形状が採用され、これらの制御電極の一部と光導波路１０を覆うように永久レジストＰＲが配置されている。永久レジストは、光導波路の表面の粗さによる散乱を抑制し、電極の基板からの剥離を防止する。また、永久レジストＰＲの一部を覆うように電極（３Ｓ，３Ｇ）を配置することで、変調電極の高周波特性を改善するだけでなく、永久レジストの剥離も抑制することが可能となる。
　図１０（ｂ）では、ＤＣバイアス電極（３Ｄ）の上部を近接させる必要が無いため、永久レジストＰＲを覆うように電極は配置されていない。光導波路１０や電極下部に関する永久レジストの効果は上述したとおりである。
　次に、本発明の光導波路素子を、光変調デバイスや光送信装置に適用した例について説明する。以下では、ＨＢ－ＣＤＭの一例を用いて説明するが、本発明はこれに限らず、光位相変調器、偏波合成機能を備えた光変調器やより多い又はより少ないマッハツェンダー型光導波路を集積した光導波路素子、シリコンなど他材料で構成した光導波路素子との接合デバイス、センサ用途のデバイスなどにも適用可能である。
　図１１に示すように、光導波路素子は、光導波路基板１に形成された光導波路１０と、該光導波路１０を伝搬する光波を変調する変調電極などの制御電極（不図示）とを有しており、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１１では、光ファイバＦは、光学レンズを備えた光学ブロックやレンズ鏡筒、偏波合波部６などを用いて光導波路素子内の光導波路１０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、光学部品又は基板と、光ファイバとを直接接合したり、または光ファイバ端部にレンズ機能を有した光ファイバを光導波路素子内の光導波路と光学的に結合しても良い。また、光ファイバや光学ブロックとの接合を安定的に行うため、光導波路基板１の端面に沿って補強部材（不図示）を重ねて配置することも可能である。
　光変調デバイスＭＤに変調動作を行わせる変調信号Ｓｏ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Ｓを得るためには、デジタル信号プロセッサーＤＳＰから出力される変調信号Ｓｏを増幅する必要がある。このため、図１１では、ドライバ回路ＤＲＶを使用し、変調信号を増幅している。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。
　光変調デバイスＭＤへの入力光Ｌ１は、光送信装置ＯＴＡの外部から供給されても良いが、図１１に示すように半導体レーザー（ＬＤ）を光源とすることも可能である。光変調デバイスＭＤで変調された出力光Ｌ２は、光ファイバＦにより外部に出力される。
　以上説明したように、本発明によれば、電極間隔が狭くなった場合でも光吸収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できる。
　１　光導波路を形成する基板（薄板，膜体）
　３　制御電極
　１０　光導波路
　３２　傾斜面
　３３　曲面
　Ｆ　光ファイバ
　ＬＤ　光源
　ＣＡ　筐体
　ＭＤ　光変調デバイス
　ＤＲＶ　ドライバ回路
　ＤＳＰ　デジタル信号プロセッサー
　ＯＴＡ　光送信装置

Claims (6)

  1. 　光導波路が形成された基板と、該基板上に該光導波路に近接して配置される制御電極を有する光導波路素子において、
    　該光導波路が凸状光導波路であり、
    　該制御電極の該光導波路に対向する側面の形状は、該基板と所定の角度を有する傾斜面と、該傾斜面に続き、湾曲した窪みを形成する曲面から構成され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、該傾斜面から該曲面に変化する位置は、該光導波路の高さより低い位置に設けられていることを特徴とする光導波路素子。
  3. 　請求項１に記載の光導波路素子において、該電極の厚さは１μｍ以下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。
  5. 　請求項４に記載の光変調デバイスにおいて、
    　該制御電極は、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極であり、
    　該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。
  6. 　請求項５に記載の光変調デバイスと、
    　該光変調デバイスに光波を入力する光源と、
    　該光変調デバイスに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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