JP5853880B2 - Light modulator - Google Patents
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Description
本発明は、光通信、光計測分野において用いられる光変調器に関する。 The present invention relates to an optical modulator used in the fields of optical communication and optical measurement.
インターネットの普及に伴い通信量は飛躍的に増大しており、光ファイバ通信の重要性が非常に高まっている。光ファイバ通信は、電気信号を光信号に変換し、光信号を光ファイバにより伝送するものであり、広帯域、低損失、ノイズに強いという特徴を有する。 With the spread of the Internet, the amount of communication has increased dramatically, and the importance of optical fiber communication has greatly increased. Optical fiber communication is a technique for converting an electrical signal into an optical signal and transmitting the optical signal through an optical fiber, and is characterized by a wide band, low loss, and resistance to noise.
電気信号を光信号に変換する方式としては、半導体レーザによる直接変調方式と光変調器を用いた外部変調方式が知られている。直接変調は光変調器が不要で低コストであるが、高速変調には限界があり、高速で長距離の用途では外部光変調方式が使われている。 As a method for converting an electric signal into an optical signal, a direct modulation method using a semiconductor laser and an external modulation method using an optical modulator are known. Direct modulation does not require an optical modulator and is low-cost, but there is a limit to high-speed modulation, and external light modulation is used for high-speed and long-distance applications.
光変調器としては、Ｔｉ拡散によりＬｉＮｂＯ３（以下、ＬＮと略す）単結晶基板の表面付近に光導波路を形成した光変調器が実用化されている。４０Ｇｂ／ｓ以上の高速の光変調器が商用化されているが、全長が１０ｃｍ前後と長いことが大きな欠点になっている。Ｔｉ拡散による光導波路は閉じ込めが弱いこと、ＬＮの誘電率が高いことが欠点であり、十分な小型化は実現されていない。 As an optical modulator, an optical modulator in which an optical waveguide is formed near the surface of a LiNbO 3 (hereinafter abbreviated as LN) single crystal substrate by Ti diffusion has been put into practical use. Although a high-speed optical modulator of 40 Gb / s or more has been commercialized, the long total length of around 10 cm is a major drawback. The optical waveguide by Ti diffusion is disadvantageous in that confinement is weak and that the dielectric constant of LN is high, and sufficient miniaturization has not been realized.
これに対して、特許文献１では、例えばサファイアからなる単結晶基板上に、ｃ軸配向のＬＮ薄膜が形成され、その上には、ＳｉＯ２からなるバッファ層が形成されている構成のマッハツェンダー型光変調器の製造方法が開示されている。
On the other hand, in
しかしながら、特許文献１による、ＬＮ薄膜による光変調器にも、小型化が困難という課題が残されている。図６に特許文献１の従来の光変調器１００の断面構成を示す。ＬＮ薄膜による光導波路２２ａ、２２ｂの上部にはＳｉＯ２バッファ層２３が、下部にはサファイア基板２１が配置されている。バッファ層としてＳｉＯ２膜を用いているので、後述するように、小型、低駆動電圧、低光吸収損失を同時に満足するのが困難は構成となっている。
However, the optical modulator using the LN thin film according to
本発明は、上記の点を考慮してなされたもので、広帯域下において、低光吸収損失である光変調器において、小型化かつ、低駆動電圧化が可能な光変調器を実現することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above points, and is intended to realize an optical modulator capable of reducing the size and driving voltage in an optical modulator having a low optical absorption loss under a wide band. Objective.
本発明は、比誘電率が１７以下である単結晶基板と、前記単結晶基板上に形成された光学屈折率がｎｃであり、膜厚が２μｍ以下であり、主成分組成がＬｉＮｂＯ ３ である電気光学膜と、前記電気光学膜に電圧を印加するための、信号電極と接地電極からなる進行波電極と、前記電気光学膜と前記進行波電極の間に、比誘電率がεｂであり、光学屈折率がｎｂであるバッファ層を備え、（ｎｃ−ｎｂ）εｂ＞３．５を満足することを特徴とする光変調器である。 In the present invention, a single crystal substrate having a relative dielectric constant of 17 or less, an optical refractive index formed on the single crystal substrate is nc, a film thickness is 2 μm or less , and a main component composition is LiNbO 3 . The dielectric constant is εb between the electro-optic film, a traveling wave electrode composed of a signal electrode and a ground electrode for applying a voltage to the electro-optic film, and the electro-optic film and the traveling wave electrode, An optical modulator comprising a buffer layer having an optical refractive index of nb and satisfying (nc−nb) εb> 3.5.
このような膜構成にすることにより、光導波路を伝搬する光の速度と進行波電極を伝搬する高周波の速度を一致させる、すなわち、両者の実効屈折率を一致させることにより、広帯域の光変調器を実現し、膜厚が厚めであって光学屈折率が小さめのバッファ層を設けて、光吸収損失を抑え、（ｎｃ−ｎｂ）εｂ＞３．５を満足させるような材料を選定することで、小型で低い駆動電圧の光変調器を実現可能となる。 By adopting such a film configuration, the speed of light propagating through the optical waveguide and the speed of the high frequency propagating through the traveling wave electrode are matched, that is, by matching the effective refractive index of both, a broadband optical modulator By providing a buffer layer having a larger film thickness and a smaller optical refractive index, suppressing light absorption loss and selecting a material that satisfies (nc−nb) εb> 3.5. Thus, a small and low driving voltage optical modulator can be realized.
本発明により、広帯域下において、低光吸収損失である光変調器において、小型化かつ、低駆動電圧化が可能な光変調器を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize an optical modulator capable of downsizing and driving voltage reduction in an optical modulator having a low optical absorption loss under a wide band.
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明の対象は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれると共に、その構成要素は、適宜組み合わせることが可能である。また説明図は模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係は、本実施形態の効果が得られる範囲内で実際の構造とは異なっていても良いこととする。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. The subject of the present invention is not limited to the following embodiment. In addition, the constituent elements described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art and substantially the same elements, and the constituent elements can be appropriately combined. Further, the explanatory diagram is schematic, and for convenience of explanation, the relationship between the thickness and the planar dimension may be different from the actual structure within a range in which the effect of the present embodiment can be obtained.
（実施形態１）
以下、実施形態について図面を参照して説明する。図１は、実施形態１の、マッハツェンダ型の光変調器の平面図である。以後、光変調器と呼ぶ。光変調器１０は、電気光学効果を有する光導波路１で形成されたマッハツェンダ干渉計に、電圧を印加して光導波路１内を伝搬する光を変調するデバイスである。光導波路１は、２本の光導波路１ａ、１ｂに分岐され、光導波路１ａ、１ｂ上には、それぞれ１本ずつ、すなわち、２本の信号電極２ａ、２ｂが設けられていて、デュアル電極構造となっている。
(Embodiment 1)
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view of a Mach-Zehnder optical modulator according to the first embodiment. Hereinafter, it is called an optical modulator. The
図２は、実施形態１の、光変調器１０のＡ−Ａ線の断面図である。単結晶基板４上に電気光学膜５が形成されている。電気光学膜５は、例えばＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）薄膜で形成される。電気光学膜５のｃ軸は単結晶基板４の上面に垂直方向に配向しており、膜厚は２μｍ以下である。電気光学膜５をリッジ形状７に加工することで、光導波路１ａ、１ｂを形成している。電気光学膜５上にはバッファ層６を介して、信号電極２ａ、２ｂが設けられている。
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of the
光変調装置１０の動作原理について説明する。図１において、２本の信号電極２ａ、２ｂと、接地電極３ａ、３ｂ、３ｃを終端抵抗９で接続して進行波電極８とし、２本の信号電極２ａ、２ｂに対して、絶対値が同じで正負の異なる位相がずれていない、いわゆる、相補信号を光変調器１０の信号電極２ａ、２ｂの入力側１３ａ、１３ｂから入力する。このとき、光導波路１に与えられる電界によって光導波路１ａ、１ｂの屈折率がそれぞれ＋Δｎ、−Δｎのように変化し、光導波路１ａ、１ｂ間の位相差が変化するため、光変調器１０の出力側１２の出射導波路１ｃから強度変調された信号光が出力される。光導波路１ａ、１ｂの位相差が０°なら光は強め合い、位相差がπならば光は弱め合う。
The operation principle of the
従来のＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）単結晶基板を用いた光変調器では、バッファ層としてＳｉＯ２に代表される低誘電率膜を用いることが常識と考えられており、特許文献１でも同様にＳｉＯ２バッファ層を使用した例が開示されている。本発明者が鋭意検討した結果、ＬＮ薄膜を用いる場合は、このＳｉＯ２バッファ層は必須ではなく、むしろ適切でないことを見出した。以下詳細にこの点を説明する。 In an optical modulator using a conventional LN (LiNbO 3 ) single crystal substrate, it is considered common sense to use a low dielectric constant film typified by SiO 2 as a buffer layer. An example using layers is disclosed. As a result of intensive studies by the present inventor, it was found that this SiO 2 buffer layer is not essential when the LN thin film is used, but rather is not appropriate. This point will be described in detail below.
従来の技術である、ＬＮ単結晶基板を光導波路に用いた場合、ＳｉＯ２バッファ層が必須となっている理由を説明する。ＬＮの比誘電率はｃ軸と平行に電界を印加した場合は２８、ｃ軸と垂直に印加する場合は４３である。なお、広帯域の光変調器を実現するには、光導波路を伝搬する光の速度と進行波電極を伝搬する高周波の速度を一致させる必要がある。すなわち、光導波路と進行波電極の実効屈折率を一致させる必要がある。なお、ここでいう進行波電極とは、電極の総称である。ＬＮ単結晶基板からなる光導波路の実効屈折率は約２．１である。一方、進行波電極の実効的な比誘電率は、電極の膜厚が薄く、バッファ層がない場合は、ＬＮと空気の比誘電率の平均値となり、上記のＬＮの比誘電率２８と４３という数字を用いて計算すると、約１８である。進行波電極の実効屈折率はこの平方根であり、４．２となり、ＬＮ単結晶基板からなる光導波路の実効屈折率２．１の２倍と大きな差異がある。 The reason why the SiO 2 buffer layer is essential when a conventional LN single crystal substrate is used for an optical waveguide will be described. The relative dielectric constant of LN is 28 when an electric field is applied parallel to the c-axis and 43 when it is applied perpendicular to the c-axis. In order to realize a broadband optical modulator, it is necessary to match the speed of light propagating through the optical waveguide with the speed of high frequency propagating through the traveling wave electrode. That is, it is necessary to match the effective refractive indexes of the optical waveguide and the traveling wave electrode. The traveling wave electrode here is a general term for electrodes. The effective refractive index of the optical waveguide made of the LN single crystal substrate is about 2.1. On the other hand, the effective relative permittivity of the traveling wave electrode is the average value of the relative permittivity of LN and air when the electrode thickness is thin and there is no buffer layer. It is about 18 if it calculates using the number. The effective refractive index of the traveling wave electrode is the square root, which is 4.2, which is a large difference of twice the effective refractive index 2.1 of the optical waveguide made of the LN single crystal substrate.
従来の技術では、光導波路の実効屈折率を大きく変化させるのは困難であり、速度整合のためには、進行波電極の実効屈折率を大幅に低減させる必要がある。このため、比誘電率が４であるＳｉＯ２バッファ層をＬＮ単結晶基板上に形成することが必須となっており、さらに、厚みが１０μｍ以上の電極も用いている。なお、上記のＬＮの比誘電率２８と４３という値に比べれば、ＳｉＯ２バッファ層の比誘電率は４であり、低めである。ＬＮ単結晶基板をリッジ形状や薄板状に加工するなどの工夫も提案されている。以上のように、ＬＮ単結晶基板を使用する場合は、速度整合のために、低誘電率のバッファ層を配置する必要があり、比誘電率が４であるＳｉＯ２膜が広く使われている。 In the prior art, it is difficult to greatly change the effective refractive index of the optical waveguide. For speed matching, it is necessary to significantly reduce the effective refractive index of the traveling wave electrode. For this reason, it is essential to form an SiO 2 buffer layer having a relative dielectric constant of 4 on the LN single crystal substrate, and an electrode having a thickness of 10 μm or more is also used. Note that the relative dielectric constant of the SiO 2 buffer layer is 4, which is lower than the values of the relative dielectric constants 28 and 43 of LN described above. Some ideas have been proposed such as processing the LN single crystal substrate into a ridge shape or a thin plate shape. As described above, when an LN single crystal substrate is used, it is necessary to dispose a low dielectric constant buffer layer for speed matching, and an SiO 2 film having a relative dielectric constant of 4 is widely used. .
次に、図１と図２を用いて、実施形態１のように、電気光学膜５にＬＮ薄膜を用いた場合について説明する。電気光学膜５に電気光学膜５をリッジ形状７に加工することで、光導波路１、１ａ、１ｂを形成している。実施形態１は、図２において、下から、単結晶基板４／電気光学膜５／バッファ層６／進行波電極８という構成になっている。光導波路１は、電気光学膜５の一部であり、ＬＮ薄膜を用いた光導波路１の実効屈折率は上記と同じで約２．１である。
Next, a case where an LN thin film is used for the electro-
一方、進行波電極８の実効的な比誘電率は、ＬＮ薄膜５の膜厚が十分薄いとして、ＬＮ薄膜５の寄与を無視すると、単結晶基板４と空気の比誘電率の平均値と近似できる。例えば、単結晶基板４にサファイア単結晶基板を用いた場合、比誘電率はｃ軸と平行に電界を印加した場合は１１．５、ｃ軸と垂直に印加する場合は９．３である。この、１１．５と９．３という数字を用いて計算すると、進行波電極８の実効的な比誘電率は約５．７、実効屈折率は２．４となり、ＬＮ薄膜を用いた光導波路の実効屈折率２．１と良く一致している。ＬＮ単結晶基板の場合と異なり、膜厚が十分薄いＬＮ薄膜５の場合は、従来のような工夫なしで、速度整合がほぼ実現されており、広帯域の光変調器を容易に実現できる。
On the other hand, the effective relative dielectric constant of the traveling
実施形態１のように、電気光学膜５にＬＮ薄膜を用いた場合、速度整合の目的ではバッファ層６は必要ないが、進行波電極８による光吸収を抑えるため、バッファ層６が必要となる。図３に、バッファ層６の膜厚を変化させた場合の、進行波電極８による光吸収損失の計算結果を示す。バッファ層６の膜厚を厚めに調整することで、指数関数的に光吸収損失を低減できることが分かる。また、バッファ層６の光学屈折率ｎｂが低いほど、薄い膜厚で光吸収損失を低減できることが分かる。
When an LN thin film is used for the electro-
ちなみに、光吸収損失が大きくなると、光変調器の挿入損失が増えてしまう。挿入損失とは、図１の１１の方向から入射される入射光強度に対する、１２の方向から出射される出射光強度の割合であるが、挿入損失は光変調器の重要特性の一つで、大きさが低いほど望ましい。挿入損失が大きくなると、通信エラーが発生するという問題を生じてしまうため、挿入損失を抑制する必要がある。すなわち、光吸収損失を抑制する必要がある。
Incidentally, when the light absorption loss increases, the insertion loss of the optical modulator increases. The insertion loss is the ratio of the outgoing light intensity emitted from the
図４では、横軸は、１／（ｎｃ−ｎｂ）を、縦軸は光吸収損失が１ｄＢ／ｃｍとなる膜厚をプロットしており、ほぼ比例関係を示している。なお、バッファ層６の光学屈折率をｎｂ、電気光学膜５の光学屈折率をｎｃとした。一般的に、バッファ層６の膜厚をｄｂとすると、光吸収損失を所定の仕様値以下にする条件は、
ｄｂ≧ｋ／（ｎｃ−ｎｂ） ＜式１＞
となることが分かった。ここで、ｋは、損失の仕様値、波長、導波路形状により算出され、ｎｂ、ｎｃとは独立な係数である。
In FIG. 4, the
db ≧ k / (nc−nb) <
I found out that Here, k is calculated from the specification value of the loss, the wavelength, and the waveguide shape, and is a coefficient independent of nb and nc.
次に、一般的な例として、光導波路部分のＬＮ薄膜に印加される電圧について考える。まず、簡単なモデルとして、平行平板の電極の間に、厚さｄ１、ｄ２、比誘電率ε１、ε２の材料１、材料２を有するコンデンサを考える。材料１に印加される電圧Ｖ１は、電極間の電圧をＶとして、
Ｖ１＝（ｄ１／ε１）Ｖ／（ｄ１／ε１＋ｄ２／ε２） ＜式２＞
である。ｄ２／ε２が小さい程、Ｖ１は大きくなる。
Next, as a general example, consider the voltage applied to the LN thin film in the optical waveguide portion. First, as a simple model, consider a
V1 = (d1 / ε1) V / (d1 / ε1 + d2 / ε2) <
It is. The smaller d2 / ε2 is, the larger V1 is.
同様に考えて、実施形態１では、電気光学膜５／バッファ層６という構成において、進行波電極８により、電気光学膜５であって光導波路部分のＬＮ薄膜５に印加される電圧は、バッファ層６の膜厚をｄｂ、比誘電率をεｂとすると、ｄｂ／εｂが小さい程、大きくなり、効率良く電圧を印加できる。なお、ここでいうバッファ層６は、＜式２＞のｄ２／ε２に相当している。
Similarly, in the first embodiment, in the configuration of the electro-
このＬＮ薄膜への印加電圧の観点では、バッファ層６の膜厚ｄｂが小さい程、望ましく、＜式１＞の損失の仕様を満足するために、ｄｂ＝ｋ／（ｎｃ−ｎｂ） となる。この両辺をεｂで割ると、
ｄｂ／εｂ ＝ ｋ／{εｂ（ｎｃ−ｎｂ）} ＜式３＞
と変形できるので、εｂ（ｎｃ−ｎｂ）が大きいほど、ｄｂ／εｂが小さくなり、望ましいことが分かる。
From the viewpoint of the voltage applied to the LN thin film, the smaller the film thickness db of the
db / εb = k / {εb (nc−nb)} <
Therefore, it can be understood that the larger εb (nc−nb), the smaller db / εb.
以上説明したように、電気光学膜５にＬＮ薄膜を用いた光変調器１０では、バッファ層６として、εｂ（ｎｃ−ｎｂ）が大きい材料を選定することが、重要である。従来、バッファ層として広く使われているＳｉＯ２膜は、ｎｂ＝１．４５、εｂ＝４であり、ＬＮの光学屈折率ｎｃ＝２．１４の場合、（ｎｃ−ｎｂ）εｂ＝２．８ となる。実施形態１では、上記の２．８の値より２０％以上大きくした、（ｎｃ−ｎｂ）εｂ＞３．５を満足するようなバッファ層６が用いられており、ＳｉＯ２膜と比較して、顕著な改善効果を有し、大幅に小型化、低駆動電圧化を実現した光変調器を提供できる。
As described above, in the
図１と図２を用いて、実施形態１の構成要素について説明する。実施形態１は、図２において、下から、単結晶基板４／電気光学膜５／バッファ層６／進行波電極８という構成になっている。単結晶基板４としては、比誘電率が１７以下の材料を用いている。比誘電率が１７以下の場合、電気光学膜５が十分薄く、無視できると考えると、進行波電極８の実効比誘電率は、単結晶基板４と比誘電率が１の空気との平均値である９以下となる。実効屈折率は、実効比誘電率の平均値の平方根であるため、進行波電極８の実効屈折率は３．０以下となる。
Components of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. In FIG. 2, the first embodiment has a structure of a
強誘電体材料からなる光導波路の実効屈折率は、通常、２．０〜２．８の範囲であり、ほぼ一致するため、、進行波電極８の実効屈折率３．０以下に対して、速度整合が取れると考えられる。例えば、進行波電極８の実効屈折率が３．０以下であれば、電気光学膜５の一部であり、ＬＮ薄膜を用いた光導波路１の実効屈折率は約２．１であり、信号電極２ａ、２ｂの電極長Ｌが１０ｍｍで帯域を２０ＧＨｚ以上にできる。
The effective refractive index of the optical waveguide made of a ferroelectric material is usually in the range of 2.0 to 2.8, and is almost the same, so that the effective refractive index of the traveling
実施形態１において、比誘電率が１０前後の単結晶基板４が好適であり、具体的には、サファイア、Ｓｉ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＣａＦ２などの単結晶基板４が挙げられる。例えば、比誘電率が１０の場合、同様に計算して、進行波電極８の実効屈折率は、２．３となるので、電気光学膜５の一部であり、ＬＮ薄膜を用いた光導波路１の実効屈折率約２．１とよく一致する。なお、電気光学膜５を用いて光導波路１を形成し、光を伝播させるためには、電気光学膜５の光学屈折率ｎｃが周囲の光学屈折率より高いことが必要である。そのため、光学屈折率が約３．５のＳｉ単結晶基板を用いる場合は、Ｓｉ単結晶基板４と電気光学膜５の間に電気光学膜の光学屈折率ｎｃより低い光学屈折率を有する図示しないクラッド層を挟む必要がある。
In the first embodiment, a
電気光学膜５としては、膜厚が２μｍ以下であることが必要である。これ以上、膜厚が厚くなると、高品質な膜を形成するのが困難になるとともに、進行波電極８の実効比誘電率が高くなってしまい、速度整合を満足するのが難しくなるからである。
The electro-
図５は、電気光学膜の膜厚に対する実効屈折率の変化を示したグラフである。単結晶基板４としてサファイア単結晶、電気光学膜５としてＬＮ薄膜、信号電極の幅を５μｍ、信号電極２ａ、２ｂと接地電極３ａ、３ｂ、３ｃの間隔を５μｍ、進行波電極８の膜厚を５μｍとして、１０ＧＨｚにおける実効屈折率を計算したものである。信号電極の電極長Ｌが１０ｍｍで帯域を２０ＧＨｚ以上にするためには、速度整合と帯域との関係式から計算して、進行波電極８の実効屈折率を３．０以下にすることが望ましい、ＬＮ薄膜の膜厚が２μｍ以下であれば、これを満足している。
FIG. 5 is a graph showing a change in effective refractive index with respect to the film thickness of the electro-optic film.
なお、電気光学膜５の膜厚が薄すぎる場合は、電気光学膜５における光の閉じ込めが弱くなり、単結晶基板４やバッファ層６に光が漏れて導波することになる。電気光学膜５に電界を印加しても、光導波路の実効屈折率の変化が小さくなるおそれがある。そのため、電気光学膜５は、波長の１／３程度以上の膜厚が望ましい。
When the electro-
なお、電気光学膜５の形成方法としては、従来知られているバルク材料を薄板にして単結晶基板４に貼り付ける方法では、２μｍ以下の膜厚を実現するのは非常に困難であり、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などの薄膜形成方法を利用するのが望ましい。電気光学膜５の膜組成としては、ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）の他に、ＬｉＴａＯ３（ＬＴ）、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＢａＴｉＯ３などの電気光学効果を有する材料を用いることができる。ｃ軸が単結晶基板４面に垂直に配向されており、ｃ軸に平行に電界を印加することで、電界に比例して光学屈折率が変化する。なお、ｃ軸配向を実現する方法としては公知となっている各種の方法を利用できる。例えば、ＬＮ薄膜の場合は、ｃ面のサファイア基板の上に、ＬＮ薄膜を成膜することで、ｃ軸配向のＬＮエピタキシャル膜を実現できる。
As a method for forming the electro-
電気光学膜５の一部である、光導波路１の形成方法としては各種の方法を利用できる。図２のようにリッジ形状７に加工したリッジ型光導波路、図６のように、電気光学膜を四角断面に加工して埋め込んだ埋込型光導波路などを利用できる。リッジ型光導波路は加工が容易で、低電圧化の点でも有利であり、望ましい。バッファ層６については、前述した通りで、（ｎｃ−ｎｂ）εｂ＞３．５を満足する材料であればよい。例えば、電気光学膜がＬＮ薄膜の場合は、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＣａＦ２などを用いることができる。
Various methods can be used as a method of forming the
進行波電極８の材料は、電気伝導度が高い材料であればよいが、高周波における信号の伝搬損失を低減するために、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔなどの高電気伝導度の金属材料を使用することが望ましい。進行波電極８の形状については、特に、信号電極２ａ、２ｂの幅、信号電極２ａ、２ｂと接地電極３ａ、３ｂ、３ｃの間隔、進行波電極８の膜厚が特性に影響する重要なパラメータであり、進行波電極８のインピーダンス、実効比誘電率、高周波信号の伝搬損失を目標値に合わせるよう、適切に設定する必要がある。
The traveling
（実施例１）
実施例１として、実施形態１における光変調器１０を以下の手順で作製した。図２において、単結晶基板４として、サファイア基板を用意し、その単結晶基板４の表面に電気光学膜５としてｃ軸配向のＬＮ薄膜をスパッタ法により成膜した。ＬＮ薄膜の膜厚は１．０μｍとした。次に、フォト工程とミリング工程によりリッジ形状７に加工し、光導波路１を形成した。リッジ幅は２．０μｍ、リッジの高さは０．２μｍとした。
Example 1
As Example 1, the
次に、図２において、バッファ層６としてＡｌ２Ｏ３膜を成膜した後、信号電極２ａ、２ｂ、接地電極３ａ、３ｂ、３ｃをフォト工程と金めっき工程により形成した。バッファ層６の膜厚は、電極付の光導波路１の光吸収損失が１ｄＢ／ｃｍ以下を満足するように１．０μｍとした。進行波電極８の膜厚は４μｍ、信号電極２ａ、２ｂの幅は４μｍ、信号電極と接地電極との間隔Ｇは４μｍとした。間隔Ｇは、進行波電極のインピーダンスがほぼ５０Ωとなるように設定した。表１は、実施例や比較例についての各データを示した表であるが、表１に示すように、Ａｌ２Ｏ３からなるバッファ層６の光学屈折率、比誘電率は、ｎｂ＝１．７、εｂ＝１０であった。（ｎｃ−ｎｂ）εｂ＝４．４であり、（ｎｃ−ｎｂ）εｂ＞３．５の条件を満足している。光導波路１上の信号電極の長さ、すなわち、電極長Ｌは１ｃｍである。
Next, in FIG. 2, after forming an Al 2 O 3 film as the
実施例１において、波長１５５０ｎｍの光を用いて、光変調器１０の特性を評価したところ、表１に示すように、帯域は２０ＧＨｚ以上、ＶπＬ＝３．７Ｖｃｍであった。ここで、Ｖπとは半波長電圧であり、光出力が最大となる電圧Ｖ１と最小となる電圧Ｖ２との差で定義され、駆動電圧を意味している。ＶπＬとは、信号電極に印加する電圧である駆動電圧と電極長Ｌの積をとったものであり、光変調器の性能を表す一つの指標である。ＶπＬが小さい程、小型で低駆動電圧であることを示している。従来のＬＮ単結晶基板を用いた光変調器のＶπＬは、通常７Ｖｃｍ以上であるので、実施例１の光変調器は、大幅な小型化、低電圧化を実現していることが分かる。
In Example 1, the characteristics of the
（比較例１）
実施例１において、バッファ層６として、Ａｌ２Ｏ３膜の代わりに、ＳｉＯ２膜を用い、バッファ層の膜厚を、電極付の光導波路１の光吸収損失が１ｄＢ／ｃｍ以下を満足するように０．８μｍとした。表１に示すように、間隔Ｇを３μｍとし、他は同条件である。ＳｉＯ２膜の光学屈折率、比誘電率は、ｎｂ＝１．４５、εｂ＝４であった。また、（ｎｃ−ｎｂ）εｂ＝２．８であり、３．５以上の条件を満足していない。
(Comparative Example 1)
In Example 1, an SiO 2 film is used as the
実施例１と同様に光変調器の特性を評価した所、表１に示すように、帯域は２０ＧＨｚ以上、ＶπＬ＝４．６Ｖｃｍであり、実施例１と比較すると、ＶπＬが約２４％の増加となった。すなわち、ＶπＬ＝４．６Ｖｃｍは大きめであり、好ましくないという結果になった。 When the characteristics of the optical modulator were evaluated in the same manner as in Example 1, as shown in Table 1, the band was 20 GHz or more and VπL = 4.6 Vcm. Compared with Example 1, VπL increased by about 24%. It became. That is, VπL = 4.6 Vcm is large, which is not preferable.
（実施例２）
実施例２として、バッファ層６を、実施例１のＡｌ２Ｏ３膜から、ＭｇＦ２膜に変更した。バッファ層６の膜厚は、電極付の光導波路１の光吸収損失が１ｄＢ／ｃｍ以下を満足するように０．７μｍに設定した。また、信号電極と接地電極との間隔Ｇは進行波電極８のインピーダンスがほぼ５０Ωとなるように３μｍに設定した。（ｎｃ−ｎｂ）εｂ＝３．８であり、（ｎｃ−ｎｂ）εｂ＞３．５の条件を満足している。波長１５５０ｎｍの光を用いて、光変調器の特性を評価した所、帯域は２０ＧＨｚ以上、ＶπＬ＝３．９Ｖｃｍ であった。
(Example 2)
As Example 2, the
（実施例３）
実施例３として、バッファ層６を、実施例１のＡｌ２Ｏ３膜から、Ｌａ２Ｏ３膜に変更した。バッファ層６の膜厚は、電極付の光導波路１の光吸収損失が１ｄＢ／ｃｍ以下を満足するように１．０μｍに設定した。また、信号電極と接地電極との間隔Ｇは進行波電極８のインピーダンスがほぼ５０Ωとなるように８μｍに設定した。（ｎｃ−ｎｂ）εｂ＝１１．９であり、（ｎｃ−ｎｂ）εｂ＞３．５の条件を満足している。波長１５５０ｎｍの光を用いて、光変調器の特性を評価した所、帯域は２０ＧＨｚ以上、ＶπＬ＝３．９Ｖｃｍ であった。
(Example 3)
As Example 3, the
（比較例２）
比較例２として、バッファ層６を、実施例１のＡｌ２Ｏ３膜から、ＺｎＯ膜に変更した。バッファ層６の膜厚は、電極付の光導波路１の光吸収損失が１ｄＢ／ｃｍ以下を満足するように１．６μｍに設定した。また、信号電極と接地電極との間隔Ｇは進行波電極８のインピーダンスがほぼ５０Ωとなるように４μｍに設定した。波長１５５０ｎｍの光を用いて、光変調器の特性を評価した所、帯域は２０ＧＨｚ以上、ＶπＬ＝４．８Ｖｃｍ であった。なお、（ｎｃ−ｎｂ）εｂ＝２．２であり、（ｎｃ−ｎｂ）εｂ＞３．５の条件を満足していない。
(Comparative Example 2)
As Comparative Example 2, the
表１は、実施例や比較例についての各データを示した表である。いずれも帯域は２０ＧＨｚ以上を満足しており、広帯域という点では同じ土俵で比較したデータとなっている。なお、単結晶基板上に形成された光学屈折率がｎｃであり、膜厚が２μｍ以下である電気光学膜５と、電気光学膜５と進行波電極８の間に、比誘電率がεｂであり、光学屈折率がｎｂであるバッファ層６を備え、（ｎｃ−ｎｂ）εｂ＞３．５を満足するという条件について、電気光学膜５にＬＮ薄膜を用いた光変調器について、従来から知られているバッファ層６がＳｉＯ２の（ｎｃ−ｎｂ）εｂの値２．８と比較して、有意に効果がある値として２０％以上大きい値３．５を下限値とした。表１の実施例では、（ｎｃ−ｎｂ）εｂの値が２．８のＳｉＯ２と、３．８以上のＡｌ２Ｏ３、ＮｇＦ３、Ｌａ２Ｏ３と明確な差があり、光変調器の性能を表す一つの指標であるＶπＬの値にも明確な差が見られたため、３．５は境界として適切な値であると判断した。
Table 1 is a table showing each data for the examples and comparative examples. In both cases, the band satisfies 20 GHz or more, and the data is compared on the same earth in terms of wide band. Incidentally, the optical refractive index formed on the single crystal substrate is nc, and the relative dielectric constant is εb between the electro-
また、表１より、実施例１〜３では、ＶπＬが４Ｖｃｍ以下と低く、従来のＬＮ単結晶基板を用いた光変調器のＶπＬは、通常７Ｖｃｍ以上であるので、良好な結果が確認された。一方、比較例１〜２では、実施例１〜３と比較して、約２０％以上、ＶπＬが高い結果となった。実施例１〜３では、低光吸収損失、広帯域で、かつ、小型、低駆動電圧な光変調器を実現できることが確認できた。なお、実施例３のＬａ２Ｏ３膜は、（ｎｃ−ｎｂ）εｂ＝１１．９が一番高いものの、インピーダンスを５０Ωに調整するために、間隔Ｇが８μｍであって他の例より広くなっており、ＶπＬについては実施例１、実施例２の値と大差がない結果となっている。 Also, from Table 1, in Examples 1 to 3, VπL was as low as 4 Vcm or less, and VπL of the optical modulator using the conventional LN single crystal substrate was usually 7 Vcm or more, and thus good results were confirmed. . On the other hand, in Comparative Examples 1-2, VπL was higher by about 20% or more than Examples 1-3. In Examples 1 to 3, it was confirmed that an optical modulator having a low light absorption loss, a wide band, a small size, and a low driving voltage can be realized. Although the La 2 O 3 film of Example 3 has the highest (nc−nb) εb = 11.9, the gap G is 8 μm and wider than the other examples in order to adjust the impedance to 50Ω. As a result, VπL is not significantly different from the values in the first and second embodiments.
本発明に係わる光変調器は、光ファイバ通信、光計測における様々な用途に利用できる。 The optical modulator according to the present invention can be used for various applications in optical fiber communication and optical measurement.
１０、１００ 光変調器
１、１ａ、１ｂ 光導波路
２ａ、２ｂ 信号電極
３ａ、３ｂ、３ｃ 接地電極
４ 単結晶基板
５ 電気光学膜
６ バッファ層
７ リッジ形状
８ 進行波電極
９ 終端抵抗
１１ 入力側
１２ 出力側
１３ａ、１３ｂ 入力側
２１ サファイア基板
２２ａ、２２ｂ 光導波路
２３ ＳｉＯ２バッファ層
２４ａ 信号電極
２４ｂ 接地電極
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記単結晶基板上に形成された光学屈折率がｎｃであり、膜厚が２μｍ以下であり、主成分組成がＬｉＮｂＯ ３ である電気光学膜と、
前記電気光学膜に電圧を印加するための、信号電極と接地電極からなる進行波電極と、
前記電気光学膜と前記進行波電極の間に、比誘電率がεｂであり、光学屈折率がｎｂであるバッファ層を備え、
（ｎｃ−ｎｂ）εｂ＞３．５を満足することを特徴とする光変調器。 A single crystal substrate having a relative dielectric constant of 17 or less;
An electro-optic film having an optical refractive index of nc, a film thickness of 2 μm or less , and a main component composition of LiNbO 3 formed on the single crystal substrate;
A traveling wave electrode composed of a signal electrode and a ground electrode for applying a voltage to the electro-optic film;
A buffer layer having a relative dielectric constant of εb and an optical refractive index of nb between the electro-optic film and the traveling wave electrode;
(Nc−nb) An optical modulator satisfying εb> 3.5.
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