JP2012073328A

JP2012073328A - 光変調器

Info

Publication number: JP2012073328A
Application number: JP2010216748A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Ichioka; 雅之市岡; Tetsuya Fujino; 哲也藤野
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2012-04-12

Abstract

【課題】
電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板を利用した場合でも、薄板の反りや割れを抑制し、製品の歩留まりを改善した光変調器を提供すること。また、高周波特性の劣化を抑制した光変調器を提供すること。
【解決手段】
電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板と、該薄板に形成された光導波路と、該光導波路内を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器において、該薄板は接着層を介して、薄板とほぼ同一の線膨張率を有し、かつ、誘電率が薄板より低い補強基板に接着されており、該補強基板の接着層側の面には、該光導波路が延在する方向と平行な方向に溝が形成されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、光変調器に関し、特に、電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板を用いた光変調器に関する。

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が多用されている。また、周波数応答特性を広帯域化するため、基板の厚みを薄く構成し、変調信号であるマイクロ波の実効屈折率を下げ、マイクロ波と光波との速度整合を図ることが行われている。

このような薄板は、機械的強度が弱いため、他の補強板に接着して使用される。薄板と補強板との間の熱膨張率に差があると、温度変化に伴い薄板に応力が発生し、光変調器に温度ドリフト現象などが発生する。

このような温度ドリフトを抑制するため、特許文献１に示すように、薄板と補強板との熱膨張係数を同じにすることが行われている。また、特許文献１では、補強板に発生する焦電効果により、光変調器に発生するＤＣドリフト現象も抑制する構成が開示されている。

しかしながら、電気光学効果を有する基板の厚みは、技術の進歩に従い、最近では１０μｍ以下のものも実用化されるようになっている。しかも、この薄板の表面には、数μｍ〜数十μｍの高さを有する変調電極が形成されるため、基板と電極との間の熱膨張係数の差により、温度変化に伴い、基板に反りや割れが発生している。

また、薄板に補強板を接着した後に、電極形成プロセスを行うため、薄板ウェハに生じた反りが、光変調器毎のチップに切断するチップ化を行っても、チップの長手方向又は幅方向に反りが残るという問題があった。このため、光変調器の特性が劣化するなど不良品が発生する割合が高くなっていた。

また、補強板の材料に、ニオブ酸リチウムなどの薄板と同じ材料を使用した場合には、補強板の誘電率が薄板と同じであるため、薄板の利点が発揮できず、高周波特性が劣化することとなる。

特開２００６−２８４９６３号公報

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板を利用した場合でも、薄板の反りや割れを抑制し、製品の歩留まりを改善した光変調器を提供することである。また、高周波特性の劣化を抑制した光変調器を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板と、該薄板に形成された光導波路と、該光導波路内を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器において、該薄板は接着層を介して、誘電率が薄板より低い補強基板に接着されており、該補強基板の接着層側の面であって、該変調電極の一部を構成する接地電極の下側に、該光導波路が延在する方向と平行な方向に溝が形成されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項1に記載の光変調器において、該溝には接着層を構成する接着剤が埋設されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光変調器において、該補強基板は、薄板とほぼ同一の線膨張率を有していることを特徴とする。

本発明における「ほぼ同一の線膨張率」とは、同一の線膨張率でなくても、本発明の課題を解決することが可能な範囲で、同一の線膨張率から幾分外れた場合も許容可能であることを意味する。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器において、該薄板は、ＬｉＮｂＯ_３又はＬｉＴａＯ_５のいずれかであることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板と、該薄板に形成された光導波路と、該光導波路内を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器において、該薄板は接着層を介して、誘電率が薄板より低い補強基板に接着されており、該補強基板の接着層側の面であって、該変調電極の一部を構成する接地電極の下側に、該光導波路が延在する方向と平行な方向に溝が形成されているため、溝部分で、また、溝に沿って、補強基板が薄板をより強固に保持するため、薄板の反りや割れを抑制することが可能となる。このため、製品の歩留まりも大幅に改善することが可能となる。しかも、補強基板の誘電率が薄板のものより低いため、光変調器の高周波特性を劣化させることもない。

さらに、補強基板の溝は、薄板に形成された変調電極のうち、接地電極の下側に配置されているため、接地電極による薄板の反りなどを効果的に抑制することが可能となる。変調電極は信号電極と接地電極から構成され、薄板表面の大部分を占めるのが接地電極であるため、特に、接地電極による薄板の反りが大きい。

請求項２に係る発明により、補強基板の溝には接着層を構成する接着剤が埋設されているため、薄板と補強基板との接着強度を高めることが可能となり、薄板が溝に沿って変形するのを抑制することが可能となる。

請求項３に係る発明により、補強基板は、薄板とほぼ同一の線膨張率を有しているため、補強基板に形成された溝により、補強基板に発生する熱応力が変化しても、薄板も同様の線膨張率で変化するため、補強基板の熱応力の変化の影響を薄板が受けにくくなる。これにより、補強基板の溝で、薄板に余分な熱応力が付加されることを抑制できる。

請求項４に係る発明により、薄板は、ＬｉＮｂＯ_３又はＬｉＴａＯ_５のいずれかであるため、現在利用されている多くの光変調器に対して、本発明を適用することが可能となる。

薄板ウェハに対するチップの配置位置と補強板に形成する溝との位置関係を示す図である。光変調器のチップに切断された状態の断面図を示す図である。

以下、本発明の光変調器について、好適例を用いて詳細に説明する。
本発明の光変調器は、電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板と、該薄板に形成された光導波路と、該光導波路内を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器において、該薄板は接着層を介して、誘電率が薄板より低い補強基板に接着されており、該補強基板の接着層側の面であって、該変調電極の一部を構成する接地電極の下側に、該光導波路が延在する方向と平行な方向に溝が形成されていることを特徴とする。

図１は、電気光学効果を有する基板で構成されるウェハに形成された光変調器（図中では、個々の長方形部分で表示）と、補強板に形成される溝との位置関係を示した図である。溝は、補強基板の表面に形成されている。例えば、図１は各チップの光導波路（マッハツェンダー型光導波路）が延在する方向（図１の横方向）と平行な方向に溝が形成されている。当然、溝の方向は、薄板の反りを効果的に抑制する方向に形成することが好ましく、例えば、チップの長手方向の反りは、チップの幅方向より大きいため、図１では、長手方向に沿って溝を形成している。また、光導波路に沿って変調電極（信号電極と接地電極）が形成されるため、光導波路が延在する方向に電極の内部応力が発生し易くなるため、光導波路に沿った溝を形成することが好ましい。なお、溝は、チップの長手方向や光導波路の延在している方向と平行であることがより効果的であるが、これらの方向と交差する方向であっても、例えば、垂直でない限り、薄板の反りを防止するために、一定程度の効果が期待できる。

電気光学効果を有する基板としては、特に、ＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_５又はＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）のいずれかの単結晶が好適に利用可能である。特に、光変調器で多用されているＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_５が、好ましい。また、基板に形成する光導波路は、例えば、ＬｉＮｂＯ_３基板（ＬＮ基板）上にチタン（Ｔｉ）などの高屈折率物質を熱拡散することにより形成される。

図２は、図１のウェハを個々のチップ（光変調器）に切断したものの断面を示した図である。薄板に光導波路（マッハツェンダー型光導波路）が形成され、薄板表面には変調電極（信号電極と接地電極）が配置されている。また、薄板の裏面には接着層を介して補強基板が接合されている。補強基板の一部には溝が形成されている。図２は、マッハツェンダー型光導波路の２つの分岐導波路に分岐した部分で、チップの幅方向に切断した場合の断面図を示している。

変調電極は、信号電極や接地電極から構成され、基板表面に、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンを形成し、金メッキ方法などにより形成することが可能である。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ_２等のバッファ層を設けることも可能である。

薄板と補強基板とを接合する接着剤は、紫外線硬化性接着剤などが利用可能である。ただし、接着層の厚みは、２０μｍ〜１００μｍが好ましい。２０μｍより薄いと、変調信号であるマイクロ波と光導波路を伝搬する光波との速度整合が達成し難くなる。また、接着層の厚みが１００μｍより大きくなると、補強基板に形成した溝による補強効果が余り発揮できず、薄板の反りや割れを効果的に抑制することが難しくなる。さらに、接着剤は、補強基板の溝に埋設されているため、薄板と補強基板との接着強度を高めることが可能となり、薄板が溝に沿って変形するのを抑制することが可能となる。

また、接着層の厚みが薄い場合には、マイクロ波と光波との速度整合が十分に得られない場合がある。このような不具合を解消するためにも、補強基板の誘電率を薄板のものより低くし、光変調器の高周波特性の劣化を抑制することが可能となる。

補強基板に形成する溝の大きさ（深さや幅）としては、接着層の厚みにも依存するが、接着層の厚みが５０μｍ程度の場合には、角溝の幅２５０μｍ，深さ１００μｍ、あるいは、Ｖ溝の幅２７０μｍ，Ｖ溝の傾斜角４５度程度となる。

補強基板に溝を形成する位置は、薄板の接地電極の下側に配置されているため、接地電極による薄板の反りなどを効果的に抑制することが可能となる。変調電極は信号電極と接地電極から構成され、薄板表面の大部分を占めるのが接地電極であるため、特に、接地電極による薄板の反りが大きいことから、本発明のように構成することが好ましい。

また、図２に示すように、接地電極の下側であって、光導波路に変調電極が形成する電界が作用する(光導波路の）作用部の下側の位置から、補強基板の側面までの間に、溝を形成することで、作用部に対する薄板の反りの影響を効果的に抑制することが可能となる。しかも、光導波路の近傍を避けるように溝を形成することで、補強基板の溝による光波の散乱や迷光の発生の影響も避けることが可能となる。さらに、図２に示すように、複数の光導波路が平行して配置される領域では、光導波路の作用部の外側で、かつ接地電極の下側に、特に、作用部の中心軸に対して対称となるように溝を配置することで、各作用部に加わる応力（溝が薄板の反りを抑制することに伴う応力）の分布を、ほぼ同じにすることが可能となり、温度変化によるＤＣドリフトの影響も緩和することができる。

補強基板の材料としては、補強基板自体に溝が形成されるため、薄板と線膨張率がほぼ同じ材料を選択することが好ましい。これは、補強基板に形成された溝により、補強基板で発生する熱応力にムラが発生するためである。このような熱応力の変化に対して、当該応力の変化を薄板に伝達しないようにするためにも、薄板と補強基板との線膨張率をほぼ同じに構成する必要がある。

例えば、薄板にニオブ酸リチウムやニオブ酸タンタルを使用する場合には、補強基板にフッ化カルシウムやフッ化マグネシウムなどが好適に利用可能である。これらの材料は、補強基板の線膨張率が、ニオブ酸リチウムなどとほぼ同じであり、かつ補強基板の誘電率は、ニオブ酸リチウムなどの約５分の１程度と、薄板の材料よりかなり低くなっている。

補強基板への溝の形成方法として、ブレードを用いた機械加工により形成することができる。必要に応じてエッチングなどを利用することも可能である。なお、図１及び２では、各チップの長手方向に複数本の溝を形成しているが、本発明はこれに限らず、チップの幅方向や斜め方向に形成したり、あるは、溝の長さも、チップサイズよりも短いものなど、種々の変形を行うことが可能である。

図２に示すような溝を形成した光変調器と、従来の溝を形成しない光変調器との特性を比較するため、温度に対するＤＣドリフト量を測定した。温度に対するＤＣドリフト量は、チップをケースに収容した光変調器モジュールを、−５℃〜７５℃の範囲でバイアス点の変動幅を評価したものである。従来の光変調器では、温度に対するＤＣドリフト量が０．２６Ｖであったのに対し、本発明を適用した２つのサンプルは、０．１５Ｖと０．１７Ｖであった。このことからも、温度変化に伴う応力は、本発明の方が従来のものより緩和されており、その結果、バイアス点の変動も抑制されたことが容易に理解される。

以上説明したように、本発明によれば、電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板を利用した場合でも、薄板の反りや割れを抑制し、製品の歩留まりを改善した光変調器を提供することが可能となる。また、高周波特性の劣化を抑制した光変調器を提供することもできる。

Claims

電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板と、該薄板に形成された光導波路と、該光導波路内を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器において、
該薄板は接着層を介して、誘電率が薄板より低い補強基板に接着されており、
該補強基板の接着層側の面であって、該変調電極の一部を構成する接地電極の下側に、該光導波路が延在する方向と平行な方向に溝が形成されていることを特徴とする光変調器。
請求項1に記載の光変調器において、該溝には接着層を構成する接着剤が埋設されていることを特徴とする光変調器。
請求項１又は２に記載の光変調器において、該補強基板は、薄板とほぼ同一の線膨張率を有していることを特徴とする光変調器。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器において、該薄板は、ＬｉＮｂＯ_３又はＬｉＴａＯ_５のいずれかであることを特徴とする光変調器。