JP4110182B2 - 光制御素子 - Google Patents
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Description
現在利用されている光制御素子の多くの形態は、図1(a)に示すような、厚さ0.5〜1mm程度の電気光学結晶基板1に、光導波路2や信号電極4及び接地電極5を形成したものである。なお、図1(a)はZカット型基板を用いた光変調器の例であり、符号3はSiO2膜などのバッファ層を示している。
このため、図1(a)に示すように、ストリップライン状の信号電極4を接地電極5で挟み込む形状、いわゆるコプレーナ型の制御電極が利用されている。
また、図2(b)は、図2(a)の一点鎖線Aにおける断面図であり、各分岐導波路101,102は、Zカット型基板の異なる分極領域(110,111)に、各々配置されている。
このため、このようなインピーダンス調整を行いながら、駆動電圧の低減やマイクロ波と光波との速度整合を図ることは、極めて困難な問題となっている。
また、駆動電圧の低減により、光制御素子の温度上昇を抑制でき安定動作が可能な光制御素子を提供することであり、さらには、コストのより安い低駆動電圧型駆動装置を利用できる光制御素子を提供することである。
本発明における「コプレーナ型の電極」とは、ストリップライン状の信号電極を接地電極で挟んだものを意味し、例えば、信号電極を複数のストリップラインで形成し、これら複数のストリップラインを接地電極で挟むものや、さらに、複数のストリップラインの間に接地電極を追加配置するものなども含むものである。
また、請求項12に係る発明では、請求項1乃至11のいずれかに記載の光制御素子において、該薄板は、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムの結晶であることを特徴とする。
さらに、請求項13に係る発明は、請求項1乃至12のいずれかに記載の光制御素子において、該薄板は、Zカット型であることを特徴とする。
さらに、請求項12に係る発明により、薄板をニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムの結晶で構成しているため、また、請求項13に係る発明により、薄板はZカット型であるため、より好適な光制御素子を提供することができる。
本発明に係る光制御素子の基本的な構成は、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、該光導波路を通過する光を制御するための制御電極とを有する光制御素子において、該制御電極は、該薄板を挟むように配置された第1電極と第2電極とからなり、該第1電極は、少なくとも信号電極と接地電極とからなるコプレーナ型の電極構造を有し、該第2電極は、少なくとも接地電極を有すると共に、第1電極の信号電極と協働して該光導波路に電界を印加するように構成され、かつ該第1電極の信号電極は、少なくとも1つの信号線路が途中で2つ以上に分岐される分岐信号線路を有していることを特徴とする。
本発明の光制御素子においては、薄板の厚みは10μm以下が好ましい。
図3では、薄板1に光導波路2が形成され、該薄板1を挟むように制御電極が配置されている。制御電極としては、薄板1の上側に配置された第1電極と、薄板、下側に配置された第2電極とがある。第1電極には、信号電極4と接地電極5(51)が設けられ、また、第2電極には接地電極54が設けられている。第1電極及び第2電極には、図示した電極以外にDC電極など、必要な電極を適宜付加できることは言うまでもない。
しかも、制御電極におけるマイクロ波の屈折率及びインピーダンスは、信号電極4と接地電極5(51)及び54により決定されるため、例えば、最適値であるマイクロ波屈折率2.14を実現しながら、インピーダンス値を70Ω以上に設定することも可能となる。
なお、接地電極5(51)又は54と薄板1との間に存在するバッファ層は、省略することも可能であるが、薄板1の光導波路と接地電極54との間にあるバッファ層については、薄板の厚みが薄くなるに従い、光導波路を伝搬する光波のモード径は薄板の厚みとほぼ等しくなることから、接地電極54による光波の吸収又は散乱も発生するため、この部分のバッファ層は残しておくことが好ましい。
また、図3では、第2電極(第1電極と第2電極との配置を逆にした場合には、第1電極)は、薄板1側に接して配置されているが、支持基板7上に第2電極(又は第1電極)を形成し、接着層を介して薄板1に接合することも可能である。
拡散させることにより形成することができる。また、特許文献6のように薄板1の表面に
光導波路の形状に合わせてリッジを形成し、光導波路を構成することも可能である。
信号電極や接地電極などの制御電極は、Ti・Auの電極パターンの形成及び金メッキ
方法などにより形成することが可能である。また、後述する透明電極については、ITOや赤外透明導電膜であるInとTiの複合酸化物膜などが利用可能であり、フォトリソグラフィー法により電極パターンを形成しリフトオフ法によって形成する方法や、所定の電極パターンが残るようにマスク材を形成し、ドライエッチング、あるいはウエットエッチングにて形成する方法などが使用可能である。
(リッジ型導波路を有する光制御素子)
図4は、本発明の光制御素子に係る応用例であり、光導波路をリッジ型導波路で形成した例を示す。光導波路をリッジ型光導波路で形成することにより、光波の閉じ込め効率が高くなり、また、制御電極が形成する電界を光導波路に集中させることが可能となるため、より低駆動電圧の光制御素子を実現することができる。
図4(b)は、2つの光導波路2をリッジ型導波路20とすると共に、2つの光導波路間に、接地電極51に対応したリッジ部を形成したものである。リッジ型導波路20に対応して信号電極4及び41が配置され、信号電極には同一の信号が印加されている。ただし、各光導波路においては互いに基板(10,11)の分極方向が異なるため、光導波路を伝搬する光波の位相変化が逆の状態となり、結果として、差動駆動と同様の効果を得ることができる。
また、左側のリッジ部20についてみると、信号電極4と接地電極5とが形成する電界と、信号電極4と接地電極54とが形成する電界と、さらには信号電極4と接地電極51とが形成する電界とが集中的に印加される。
図5は、本発明の光制御素子に係る応用例であり、リッジ型導波路を形成する溝や、第1電極を構成する信号電極4と接地電極5(51)との間に低誘電率膜を配置した例を示す。このような低誘電率膜の配置により、制御電極におけるマイクロ波屈折率やインピーダンスの調整が可能となり、また、制御電極の配線の自由度を増加させることが可能となる。
低誘電率膜の材料としては、ベンゾシクロブテン(BCB)などが使用でき、低誘電率膜の製造方法として、塗付法などが利用できる。
また、図5(b)に示すように、接地電極5を跨ぐように信号電極4の給電部43を配置し、接地電極4と給電部43との間には低誘電率膜8が配置される。これにより、制御電極の立体的な配線が可能となり、制御電極に係る配線設計の自由度が増加する。さらに、接地電極を信号電極の上方(薄板から離れる位置)を通過させることも可能である。
図6は、本発明の光制御素子に係る応用例であり、光導波路2(リッジ型導波路20)を薄板1の裏面(図の下側)に形成した例を示す。
厚みが10μm以下の薄板を使用する場合には、図6のように、光導波路2を薄板1の裏面に形成し、第1電極である信号電極4及び接地電極5(51)を薄板の表面に、また、第2電極である接地電極54を薄板1の裏面に形成しても、特に信号電極4と接地電極54とが形成する電界により、リッジ部20に電界を印加させることが可能となる。
なお、リッジ部20を形成する溝には、必要に応じて低誘電率膜81が形成されている。
図7は、本発明の光制御素子に係る応用例であり、透明電極(9及び91至94)を電極に使用した例を示す。信号電極又は接地電極に、透明電極又は薄板側に透明電極を配置した電極のいずれかを用いることにより、バッファ層が無い場合でも、光導波路を伝搬する光波の伝搬損失を抑制しながら、制御電極を光導波路のより近傍に配置することが可能となり、駆動電圧を低減させることができる。
なお、図7(b)の第1電極を構成する接地電極(透明電極91)は、電極の近傍に光導波路が無いため、通常の金属電極で形成しても良い。
また、透明電極は、93に示したようにリッジ型導波路の近傍又はリッジ型光導波路の側面に配置することも可能であり、極めて効果的に電界を導波路に作用させることが可能となる。
図8は、本発明の光制御素子に係る応用例であり、第2電極を形成する接地電極をパターン状電極で構成した例を示す。第2電極を、光導波路の形状に対応した形状を有するパターン状電極とすることにより、光導波路に印加される電界を、より適切な形状に調整でき、駆動電圧をより一層低減させることが可能なる。
図9は、本発明の光制御素子に係る応用例であり、第1電極の接地電極と第2電極の接地電極との電気的接続に、スルーホールを利用した例である。第1電極の接地電極と第2電極の接地電極とを、薄板に設けられたスルーホールを介して電気的に接続することにより、光制御素子に係る電気配線を簡略化できると共に、第1電極の接地電極と第2電極の接地電極とに発生する浮遊電荷のズレを抑制でき、より適切な電界を光導波路に印加させることが可能となる。
図3乃至図8に例示した第1電極の接地電極と第2電極の接地電極とは、薄板の周囲又は外部で電気的に導通されているが、制御電極に印加される変調信号が高周波になるに従い、接地電極に誘起される浮遊電荷にタイミングのズレが生じ易くなる。このため、図9のように、光導波路に近い場所で両者を導通することで、このタイミングのズレを抑制することが可能となる。
(1)信号線路における半波長電圧Vpaiが12V・cm以下
(2)インピーダンスZが70Ω以上130Ω以下
(3)光とマイクロ波との屈折率差Δnと信号線路の電界が光導波路に作用する作用部分の長さ(作用長)Lとの積が1.3cm以下
なお、Δn×L≦1.3cmの場合には、光制御素子の光帯域を10GHz以上とすることが可能となる。
(信号電極の幅W)
信号電極の幅Wは、基板の厚さtで規格化した値を用い、W/tが0.2,0.5,0.8,1.1,1.4,1.7,2.0となるように設定した。
リッジの深さDは、基板の厚さtで規格化した値を用い、D/tが0.2,0.4,0.6,0.8となるように設定した。
(電極の高さTEL)
電極の高さTELは、0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0(μm)となるように設定した。
電極の間隔Gは、基板の厚さtで規格化した値を用い、G/t(以下の図では「Gap/t」と表記)が1.0,2.25,3.5,4.75,6.0となるように設定した。
(評価条件)
(1)Vpai≦12(V・cm)
(2)70Ω≦Z≦130Ω
(3)1.5≦NM≦2.8
ただし、マイクロ波屈折率NMの範囲については、作用長Lが2cm≦L≦6cmである場合には、Δn×Lは1.3以下となる。
t=2μmの場合の結果は、図11(D/tが0.2),図12(同0.4),図13(同0.6),及び図14(同0.8)に示す。
t=4μmの場合の結果は、図15(D/tが0.2),図16(同0.4),図17(同0.6),及び図18(同0.8)に示す。
t=10μmの場合の結果は、図19(D/tが0.2),図20(同0.4),図21(同0.6),及び図22(同0.8)に示す。
図11乃至22から、本発明の光制御素子において、上述したハイ・インピーダンス線路の条件を満足する光制御素子を、信号電極の幅W、信号電極と接地電極との間隔G、信号電極や接地電極の高さをTEL、リッジ型光導波路のリッジの深さD、そして基板の厚さtを調整することで、容易に実現であることが理解される。
(信号電極幅Wの範囲)
基板の厚みtが2,4,10μmのいずれにおいても、上記評価条件を満足する部分は、W/t≦2の範囲に存在する。
Wの上限値は、Zが上記評価条件を外れることにより規定されている。
また、Wの下限値は、Vpaiが上記評価条件を外れることにより規定される可能性がある。ただし、Wは小さいほど良い結果となる可能性もあり、その場合には、電極の製造限界によって規定されることとなる。
t=2や4μmのデータを見ると、Dの上限値は、Wの上限付近又は下限付近で、制限される条件が異なっている。
具体的には、Wの下限の境界付近では、Vpaiが上記評価条件を外れることにより、Dの上限値が規定され、Wの上限の境界付近では、Zが上記評価条件を外れることにより規定されている。
また、Dの下限値は、データを見る限りでは、一般的に小さいほど良いということになるが、製造上D/t=0はありえないため、基板が壊れない範囲でリッジを深く形成することが好ましいといえる。
t=2や4μmのデータを見ると、Gの下限値は、Z又はNMが上記評価条件を外れることにより規定される。
また、Gの上限値については、データの設定範囲からは判断できないが、電極間隔が大きくなると電界が弱くなるため、Vpaiの増加により制限される可能性が高い。
t=2や4μmのデータを見ると、TELの上限値は、Wの下限の境界付近では、NMが上記評価条件を外れることにより規定され、Wの上限の境界付近では、Zが上記評価条件を外れることにより規定される。
TELの下限値については、データの設定範囲から判断できないが、電極が薄くなり過ぎると電気抵抗が増大するため、Vpaiの増加により制限される可能性が高い。
また、駆動電圧の低減により、光制御素子の温度上昇を抑制でき安定動作が可能な光制御素子を提供でき、さらには、コストのより安い低駆動電圧型駆動装置を利用できる光制御素子を提供することが可能となる。
2 光導波路
3,31 バッファ層
4,41,42 信号電極
5,51,52,53,54 接地電極
6 接着層
7 支持基板
8,81 低誘電率膜
9,91,92,93,94 透明電極
11 Xカット型結晶基板
20 リッジ型導波路(リッジ部)
200 スルーホールに形成された接続線路
Claims (13)
- 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、該光導波路を通過する光を制御するための制御電極とを有する光制御素子において、
該光導波路はリッジ型光導波路であり、
該制御電極は、該薄板を挟むように配置された第1電極と第2電極とからなり、
該第1電極は、少なくとも信号電極と接地電極とからなるコプレーナ型の電極構造を有し、
該第2電極は、少なくとも接地電極を有すると共に、第1電極の信号電極と協働して該光導波路に電界を印加するように構成され、
かつ該第1電極の信号電極は、少なくとも1つの信号線路が途中で2つ以上に分岐される分岐信号線路を有し、該分岐信号線路のインピーダンスは70Ω以上であり、
さらには、該分岐信号線路による電界が該薄板に作用する作用領域の少なくとも一部は、該薄板が分極反転されていることを特徴とする光制御素子。 - 請求項1のいずれかに記載の光制御素子において、該薄板と、該第1電極又は該第2電極との間にはバッファ層が形成されていることを特徴とする光制御素子。
- 請求項1又は2のいずれかに記載の光制御素子において、該信号電極又は該接地電極は、透明電極又は薄板側に透明電極を配置した電極のいずれかで構成されていることを特徴とする光制御素子。
- 請求項1乃至3のいずれかに記載の光制御素子において、少なくとも該リッジ型導波路の両側に配置された溝には、低誘電率膜が充填されていることを特徴とする光制御素子。
- 請求項4に記載の光制御素子において、該信号電極に給電する信号線は、該第1電極の接地電極を跨ぐあるいは潜るように配置され、該信号線と該接地電極との間には該低誘電率膜が配置されていることを特徴とする光制御素子。
- 請求項1乃至5のいずれかに記載の光制御素子において、該第2電極は、該光導波路の形状に対応した形状を有するパターン状電極であることを特徴とする光制御素子。
- 請求項1乃至6のいずれかに記載の光制御素子において、該第1電極の接地電極と該第2電極の接地電極とは電気的に接続されていることを特徴とする光制御素子。
- 請求項7に記載の光制御素子において、該第1電極の接地電極と該第2電極の接地電極との電気的接続は、該薄板に設けられたスルーホールを介して行われていることを特徴とする光制御素子。
- 請求項1乃至8のいずれかに記載の光制御素子において、該薄板は該第1電極又は該第2電極を挟むように接着層を介して支持基板に接着されていることを特徴とする光制御素子。
- 請求項1乃至8のいずれかに記載の光制御素子において、該薄板を補強する支持基板を有し、該第1電極又は該第2電極は該支持基板上に配置されていることを特徴とする光制御素子。
- 請求項1乃至10のいずれかに記載の光制御素子において、少なくとも該分岐信号線路の信号電極の幅W、高さTEL、該信号電極と接地電極との間隔G、及び光導波路がリッジ型光導波路である場合にはリッジの深さDは、該分岐信号線路における半波長電圧Vpaiが12V・cm以下、インピーダンスZが70Ω以上130Ω以下、及び光とマイクロ波との屈折率差Δnと該分岐信号線路の電界が光導波路に作用する作用部分の長さLとの積が1.3cm以下となるように設定されていることを特徴とする光制御素子。
- 請求項1乃至11のいずれかに記載の光制御素子において、該薄板は、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムの結晶であることを特徴とする光制御素子。
- 請求項1乃至12のいずれかに記載の光制御素子において、該薄板は、Zカット型であることを特徴とする光制御素子。
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