JP2010085789A

JP2010085789A - 光導波路素子

Info

Publication number: JP2010085789A
Application number: JP2008255770A
Authority: JP
Inventors: Satoru Oikawa; 哲及川; Yuuki Kanehara; 勇貴金原; Yasuhiro Ishikawa; 泰弘石川; Toru Sugamata; 徹菅又
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-04-15

Abstract

【課題】
電気光学効果を有する基板の厚みが１０μｍ以下の場合でも、光波とマイクロ波との速度整合を実現しながら、インピーダンス整合を行い、さらに、駆動電圧Ｖπを低減を図ることが可能な光導波路素子を提供すること。
【解決手段】
電気光学効果を有する材料で構成され、厚みが１０μｍ以下の基板１と、該基板上に形成された光導波路２と、該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための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、信号電極３と接地電極４とから構成され、該信号電極と該接地電極との間のギャップが１５μｍ以上２５μｍ未満であり、該制御電極の厚みは、１０μｍ以上４０μｍ以下であることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、光導波路素子に関し、特に、基板の厚みが１０μｍ以下である光導波路素子に関する。

従来、光通信分野や光計測分野において、光波を制御する手段として、光スイッチや光変調器など、電気光学効果を有する基板に光導波路を形成した光導波路素子が多用されている。
光導波路素子の処理速度を高速化するには、光導波路を伝搬する光波と光波を制御する電気信号との速度整合を行なうこと、また、高速駆動が可能な電源を確保するため、光導波路素子の駆動電圧を低電圧化することなどが求められる。

特許文献１には、電極が形成された基板の裏面を局所的に薄く形成し、駆動速度を向上させることが開示されている。具体的には、電極部分の基板の厚みを５〜５０μｍとし、それ以外の基板部分は１５０〜１０００μｍとすることで、３ｄＢ帯域幅を１５ＧＨｚ・ｃｍ以上とすることを可能としている。
特開平１０−１３３１５９号公報

しかしながら、特許文献１には、基板の加工方法についての開示はあるが、電極の構成についてほとんど説明されていない。また、特許文献１のようなエキシマレーザによるＬＮ基板の加工方法では、任意の場所を加工することが可能であるが、チップ毎に加工を施すため、加工形状（幅や深さ）などにばらつきが生じやすく、また、加工歪みにより、基板に割れなどが発生し易い。

他方、特許文献２では、図１に示すような断面形状を有する光導波路素子に対し、基板の厚みが１０μｍ以上において、速度整合条件を達成しつつ、同時に駆動電圧Ｖπを低減可能とすることが開示されている。
特開２００１−６６５６１号公報

特許文献２によると、電気光学効果を有する基板１に光導波路２を形成し、該光導波路２を伝搬する光波を制御する信号電極３と接地電極４を、図１に示すように配置した場合には、基板の厚みｄを１０μｍ以上とし、電極膜の厚みＴが２０μｍ以上、信号電極３と接地電極４とのギャップＧを２５μｍ以上とすることを開示している。なお、信号電極３の幅Ｗは、特に制限されていないが、１０μｍを前提としている。
特許文献２では、基板の厚みｄを１０μｍ未満とする場合における、基板へのクラックの発生や、光導波路モードが偏平となる不具合を、回避することも意図している。

図１に示すような形態の基板を使用した場合には、凹部５（空気層）中の電界の一部を浸出させることによって、マイクロ波の実効屈折率ｎｍｗを低下させている。そして、各電極膜３，４の電界の生成に作用する部分は、基板の厚みの小さい薄肉部分の上、即ち凹部５上に存在する。しかし、特許文献２記載の構成のように電極膜３，４の厚みＴを大きくすると電界は上方に移動し、空気層（凹部５）には電界が浸出しにくくなるため、マイクロ波の実効屈折率がほとんど変化せず、しかも駆動電圧Ｖπも電極膜３，６の厚みＴには依存しないことがわかった。

また、特許文献２においては、信号電極３と接地電極４との間のギャップＧを２５μｍ以上とすることにより、マイクロ波の実効屈折率ｎｍｗが著しく低下させ、さらに、図１のように基板１と電極層３，４との間にバッファ層を設けないことにより、駆動電圧の低減も行なっている。

しかしながら、特許文献２のように、信号電極３と接地電極４との間のギャップＧを２５μｍ以上とすることは、駆動電圧Ｖπが著しく増加する原因となり、数十ＧＨｚを超える超高速駆動を実現する上で、大きな障害となる。

他方、特許文献３に示すように、基板の厚さｄを３０μｍ以下とする場合でも、接着層６と補強板７を設けることで、光導波路素子の機械的強度を高めることが提案されている。
接着層に低誘電率層を使用することで、基板の厚みが薄い特性を生かして、光波とマイクロ波との速度整合を実現している。
特開２００３−２１５５１９号公報

速度整合を行なうためには、接着層の厚みｅを１０μｍ以上、より好ましくは３０μｍ以上となる。しかしながら、接着層を厚くすると、接着層６と基板１との熱膨張率差による応力が発生し、基板１を破損する危険性がある。このため、接着層６の厚みｅは１００μｍ以下とする必要がある。

このように、高速駆動が可能な光導波路素子に不可欠である光波とマイクロ波との速度整合及びインピーダンス整合、さらには駆動電圧の低減を両立することは、容易ではない。

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、電気光学効果を有する基板の厚みが１０μｍ以下の場合でも、光波とマイクロ波との速度整合を実現しながら、インピーダンス整合を行い、さらに、駆動電圧Ｖπの低減を図ることが可能な光導波路素子を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電気光学効果を有する材料で構成され、厚みが１０μｍ以下の基板と、該基板上に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための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、信号電極と接地電極とから構成され、該信号電極と該接地電極との間のギャップが１５μｍ以上２５μｍ未満であり、該制御電極の厚みは、１０μｍ以上４０μｍ以下であることを特徴とする。特に、信号電極と接地電極とのギャップが２５μｍ未満の場合でも、制御電極の厚みを１０μｍ以上４０μｍ以下とすることで、光導波路素子内のインピーダンスを５０Ω前後、少なくとも３０Ω〜７０Ωの範囲内に設定することが可能であることを、本発明者らは見出し、本発明を完成したものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光導波路素子において、該基板の裏面に接着層を介して補強板が接合されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の光導波路素子において、該接着層の誘電率は１０以下であり、接着層の厚みは２０μｍ以上であることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、電気光学効果を有する材料で構成され、厚みが１０μｍ以下の基板と、該基板上に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための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、信号電極と接地電極とから構成され、該信号電極と該接地電極との間のギャップが１５μｍ以上２５μｍ未満であり、該制御電極の厚みは、１０μｍ以上４０μｍ以下であるため、光波とマイクロ波との速度整合を実現でき、駆動電圧Ｖπの低減も可能となる。特に、信号電極と接地電極とのギャップが２５μｍ未満とすることで、信号電極と接地電極との間隔が狭くなることによる駆動電圧の低減降下だけでなく、マイクロ波のインピーダンス整合によるマイクロ波の電極への印加効率の増加による駆動電圧の低減も同時に実現でき、より効果的な駆動電圧の低減を実現することが可能となる。

また、基板の厚さを薄くするとインピーダンスは上昇するが、信号電極と接地電極との間のギャップは、１５μｍ以上２５μｍ未満であるため、基板の厚みが１０μｍ以下の場合でも、光導波路素子内のインピーダンスを３０Ω〜７０Ωの範囲に適正に維持することが可能となる。さらに、制御電極の厚みを、４０μｍ以下とすることで、制御電極の厚みの増加によるインピーダンスの低下を抑制している。なお、電極膜の表面積を増加は、マイクロ波の電極損失の低減にも寄与するため、制御電極の厚みを、１０μｍ以上のように、薄くし過ぎないように配慮することも必要である。

請求項２に係る発明により、基板の裏面に接着層を介して補強板が接合されているため、基板の厚みが１０μｍ以下であっても、機械的強度の高い光導波路素子を提供することが可能となる。

請求項３に係る発明により、接着層の誘電率は１０以下であり、接着層の厚みは２０μｍ以上であるため、補強板の誘電率を感じるようになり、インピーダンスが低くなる。接着層の厚さを２０μｍ以上とすることで厚さに対するインピーダンス変化が小さくなり、製造上のバラツキが小さくなる。

以下、本発明を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構成は、基本的に図２に示した構成と同様である。
本発明の光導波路素子は、電気光学効果を有する材料で構成され、厚みが１０μｍ以下の基板１と、該基板上に形成された光導波路２と、該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための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、信号電極３と接地電極４とから構成され、該信号電極と該接地電極との間のギャップが１５μｍ以上２５μｍ未満であり、該制御電極の厚みは、１０μｍ以上４０μｍ以下であることを特徴とする。

電気光学効果を有する基板１としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、及びこれらの組み合わせが利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）結晶が好適に利用される。

光導波路の形成方法としては、Ｔｉなどの高屈折率材料を熱拡散法やプロトン交換法などで、基板表面から基板内にドープすることにより形成することができる。
なお、本発明における高屈折率材料とは、基板を構成する材料より高屈折率な材料を意味するだけでなく、基板内に特定材料をドープすることで、該ドープした領域の屈折率が他の領域よりも高屈折率となるものである場合には、当該特定材料も高屈折率材料に含むものである。

図２のように、光導波路２を伝搬する光波を変調制御するため、光導波路２を挟むように制御電極が配置される。
制御電極は、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより、基板１の表面又は裏面などに形成することが可能である。また、制御電極は、変調信号（マイクロ波）を伝搬する信号電極と該信号電極の周囲に配置される接地電極から構成される。

本発明の光導波路素子においては、基板１と制御電極との間にＳｉＯ_２などのバッファ層を形成していない。バッファ層が存在することで、光導波路を伝搬する光波が制御電極により吸収又は散乱されることを効果的に防止したり、また、制御電極から印加されるマイクロ波と光導波路内を導波する光波との速度整合にも寄与する。しかしながら、本発明では、バッファ層が存在することによる駆動電圧の増加を懸念し、電極による吸収又は散乱を光導波路と電極との配置関係で回避し、速度整合については、基板を薄板化することで補っている。

本発明では、電気光学効果を有する材料で形成された基板１は、厚みが１０μｍ以下の薄板であるため、機械的強度が不足する。これを補うため、基板１に接着層６を介して補強板７を接合している。

補強板７に使用される材料としては、種々のものが利用可能であり、例えば、薄板と同様の材料を使用する他に、石英、ガラス、アルミナなどのように薄板より低誘電率の材料を使用したり、薄板と異なる結晶方位を有する材料を使用することも可能である。ただし、線膨張係数が薄板と同等である材料を選定することが、温度変化に対する光変調器の変調特性を安定させる上で好ましい。仮に、同等の材料の選定が困難である場合には、特許文献２のように薄板と補強板とを接合する接着剤に、薄板と同等な線膨張係数を有する材料を選定することが好ましい。

基板（薄板）１と補強板７との接合には、接着層６として、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、半田ガラス、熱硬化性、光硬化性あるいは光増粘性の樹脂接着剤シートなど、種々の接着材料を使用することが可能である。特に、接着層６には基板１より低誘電率な材料を選択することが必要である。

光波とマイクロ波との速度整合を実現するためには、接着層の誘電率は１０以下であり、接着層の厚みは２０μｍ以上であることが好ましい。

光変調器を構成する薄板の製造方法は、数百μｍの厚みを有する基板に上述した光導波路や変調電極を作り込み、基板の裏面を研磨し、例えば、１０μｍ以下の厚みに仕上げる方法がある。なお、光導波路や変調電極などの作り込みは、薄板を作成した後に行うことも可能であるが、光導波路形成時の熱的衝撃や各種処理時の薄膜の取り扱いによる機械的衝撃が加わり、薄板が破損する危険性もあるため、光導波路や変調電極を作り込んだ後に基板の裏面を研磨することが好ましい。

本発明の光導波路素子のように、基板の厚みが１０μｍ以下の場合でも、駆動電圧を低減するため、インピーダンス整合に必要な条件を、図３に示す光導波路素子を利用して、シミュレーションした。インピーダンスは、５０Ωの外部回路との接続を考慮し、反射減衰係数Ｓ_１１が−１０ｄＢ以下になる３０〜７０Ωを使用可能範囲とする。

基板は、Ｘカットのニオブ酸リチウム基板とし、基板の厚みｄを、４〜２０μｍの範囲で変化させた。
また、信号電極３及び接地電極４により構成される制御電極に係る数値として、以下のような条件を設定した。
（１）信号電極の幅Ｗ；５〜３０μｍ
（２）信号電極と接地電極との間のギャップＧ；５〜５０μｍ
（３）制御電極（信号電極及び接地電極）の厚みＴ；１０〜５０μｍ

インピーダンスに与える各パラメータの影響を評価するため、主なパラメータとインピーダンス変化との関係を図４〜６に示す。
図４は、基板の厚みｄの変化がインピーダンス変化に与える影響を示している。図５は、ギャップ（電極間隔）Ｇの変化がインピーダンス変化に与える影響を示している。さらに、図６〜８は、制御電極の厚みＴの変化がインピーダンス変化に与える影響を示している。

図４を見ると、基板の厚みｄが１０μｍ以下の場合には、信号電極と接地電極とのギャップＧを２５μｍ以下の場合でも、インピーダンスを５０Ωを含む数値範囲（３０〜７０Ω）に調整可能となることが容易に理解される。

また、図５を見ると、ギャップＧの数値が小さくなるに従い、インピーダンスは全体的に低下傾向を示すため、信号電極と接地電極との間のギャップは、１５μｍ以上２５μｍ未満の範囲とすることが好ましい。ただし、インピーダンスを高めるため、信号電極の幅Ｗを５μｍのように小さくし、かつ、電極の厚みＴを１０μｍのように低くすることも可能であるが（図６〜８参照）、このように信号電極の表面積を小さくすることはマイクロ波の電極損失が増加する原因となるため、好ましくない。

さらに、図６〜８を見ると、電極の厚さＴは４０μｍ以下が好ましく、厚さＴが小さくなる程、インピーダンスは増加傾向を示している。

以上のように、本発明に係る光導波路素子では、厚みが１０μｍ以下の基板を利用した場合において、制御電極を構成する信号電極と該接地電極との間のギャップが１５μｍ以上２５μｍ未満であり、制御電極の厚みを１０μｍ以上４０μｍ以下とすることにより、インピーダンスを３０〜７０Ωの範囲に調整可能であることが容易に理解される。より好ましくは、基板の厚みｄを３〜８μｍ、信号電極の幅Ｗを５〜３０μｍ、電極のギャップＧを１５〜２５μｍ、及び制御電極の厚みＴを１０〜４０μｍとすることにより、インピーダンスをより５０Ωに近づけることが可能となる。

本発明によれば、電気光学効果を有する基板の厚みが１０μｍ以下の場合でも、光波とマイクロ波との速度整合を実現しながら、インピーダンス整合を行い、さらに、駆動電圧Ｖπを低減を図ることが可能な光導波路素子を提供することが可能となる。

特許文献１に開示された光導波路素子の各パラメータを示す説明図である。補強板を用いた光導波路素子の各パラメータを示す説明図である。光導波路素子の各パラメータを評価するためのシミュレーション・モデルを示す説明図である。基板の厚みｄの変化がインピーダンス変化に与える影響を示すグラフである。ギャップ（電極間隔）Ｇの変化がインピーダンス変化に与える影響を示すグラフである。基板の厚みｄが１０μｍとした場合に、制御電極の厚みＴの変化がインピーダンス変化に与える影響を示すグラフである。基板の厚みｄが７μｍとした場合に、制御電極の厚みＴの変化がインピーダンス変化に与える影響を示すグラフである。基板の厚みｄが５μｍとした場合に、制御電極の厚みＴの変化がインピーダンス変化に与える影響を示すグラフである。

符号の説明

１基板
２光導波路
３信号電極
４接地電極
５凹部（空気層）
６接着層
７補強板

Claims

電気光学効果を有する材料で構成され、厚みが１０μｍ以下の基板と、
該基板上に形成された光導波路と、
該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための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、信号電極と接地電極とから構成され、
該信号電極と該接地電極との間のギャップが１５μｍ以上２５μｍ未満であり、
該制御電極の厚みは、１０μｍ以上４０μｍ以下であることを特徴とする光導波路素子。
請求項１に記載の光導波路素子において、該基板の裏面に接着層を介して補強板が接合されていることを特徴とする光導波路素子。
請求項２に記載の光導波路素子において、該接着層の誘電率は１０以下であり、接着層の厚みは２０μｍ以上であることを特徴とする光導波路素子。