JPH1090638A - Optical control element - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、光波の変調、光路
切り替え等を行う光制御素子に関し、特に動作速度が極
めて速い光制御素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light control element for modulating a light wave, switching an optical path, and the like, and more particularly to a light control element having an extremely high operation speed.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来から光通信システムや光応用計測技
術において、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）
結晶のような電気光学効果を有する強誘電体を利用して
電気信号による光の変調、スイッチング、偏波制御等を
行う光制御素子（光変調器、光スイッチ、偏波制御器
等）が数多く用いられている。2. Description of the Related Art Conventionally, in optical communication systems and optical applied measurement techniques, for example, lithium niobate (LiNbO 3 )
There are many optical control elements (optical modulators, optical switches, polarization controllers, etc.) that perform modulation, switching, polarization control, etc. of light with an electric signal using a ferroelectric substance having an electro-optic effect such as a crystal. Used.
【０００３】このような従来の光制御素子の一例とし
て、ＬｉＮｂＯ3 結晶を用いた進行波形高速光強度変調
器の一構成例を図４（ａ）および（ｂ）に示す。[0003] As an example of such a conventional light control element, a configuration example of a traveling waveform high-speed light intensity modulator using a LiNbO 3 crystal is shown in FIGS.
【０００４】図４（ａ）はコプレーナ線路形変調電極を
用いた光変調器の上面図、図４（ｂ）は（ａ）のＡ−
Ａ′線に沿った断面図である。この例では、光変調器
は、Ｔｉ熱核酸によって形成されたマッハツェンダ形光
導波路４０２を表面近傍に備え、かつ該光導波路の近傍
の表面を数ミクロン掘り込んでリッジ形状とした電気光
学効果を持つｚカットＬｉＮｂＯ3 基板４０１と、該基
板の表面上に積層され、かつ変調電極による光の伝搬損
失を制御するために、例えばＳｉＯ2 のような誘電体よ
りなるバッファ層（光導波路のクラッド層）４０５と、
該バッファ層４０５上の光導波路近傍に形成され、かつ
Ａｕ，Ａｌ等の信号電極４０４および接地電極４０５か
ら構成されるコプレーナ線路変調電極とを備える。FIG. 4A is a top view of an optical modulator using a coplanar line type modulation electrode, and FIG.
It is sectional drawing which followed the A 'line. In this example, the optical modulator has a Mach-Zehnder optical waveguide 402 formed by Ti thermal nucleic acid near the surface, and has an electro-optic effect in which the surface near the optical waveguide is dug by several microns to form a ridge shape. a z-cut LiNbO 3 substrate 401 and a buffer layer (cladding layer of an optical waveguide) made of a dielectric material such as SiO 2 for controlling light propagation loss caused by the modulation electrode and laminated on the surface of the substrate. 405,
A coplanar line modulation electrode is formed near the optical waveguide on the buffer layer 405 and includes a signal electrode 404 of Au, Al or the like and a ground electrode 405.
【０００５】従来このような変調器においては、通常、
電極の寸法は信号電極４０４の幅が５〜１０μｍ、信号
電極４０４と接地電極４０５との間隔が１０〜５０μｍ
程度に設定される。この場合、高効率な変調動作を実現
するために、信号電極４０４の幅は光導波路４０２の幅
とほぼ同程度の大きさに、また広域特性を確保するため
にリッジ幅よりはやや狭い程度に設定される。ここで、
電極の特性インピーダンスＺは、変調信号源等の入出力
インピーダンス（通常５０Ω）に整合させる必要がある
ので、Ｚの値を５０Ωまたはそれに近い値に設定する。Conventionally, in such a modulator, usually,
The width of the signal electrode 404 is 5 to 10 μm, and the distance between the signal electrode 404 and the ground electrode 405 is 10 to 50 μm.
Set to about. In this case, the width of the signal electrode 404 is almost the same as the width of the optical waveguide 402 in order to realize a high-efficiency modulation operation, and is slightly smaller than the ridge width in order to secure a wide area characteristic. Is set. here,
Since the characteristic impedance Z of the electrode needs to be matched with the input / output impedance (normally 50Ω) of the modulation signal source or the like, the value of Z is set to 50Ω or a value close to 50Ω.
【０００６】このような従来の変調器において、変調信
号の伝搬速度と光導波路を伝わる光波速度とが一致して
いない場合、変調器の動作帯域は主にこの速度不整合に
よって制限される。変調信号に対する電極の実効屈折率
をｎｍ、光導波路の実効屈折率をｎｏ（波長λ＝１．５
μｍ帯ではｎｏ＝２．１５（電気３ｄＢ）は、以下の式
（１）に示す関係で与えられることが知られている。In such a conventional modulator, when the propagation speed of the modulated signal does not match the speed of the light wave transmitted through the optical waveguide, the operating band of the modulator is mainly limited by the speed mismatch. The effective refractive index of the electrode for the modulation signal is nm, and the effective refractive index of the optical waveguide is no (wavelength λ = 1.5
It is known that in the μm band, no = 2.15 (electricity 3 dB) is given by the relationship shown in the following equation (1).
【０００７】[0007]
【数１】 Δｆ＝１．４ｃ／（π｜ｎｍ−ｎｏ｜Ｌ）・・・・ （１） 中、ｃは真空中の高速、Ｌは変調電極の相互作用長であ
る。変調器の駆動電圧Ｖπの大きさは変調電極長Ｌに反
比例する関係がある。したがって、式（１）の関係か
ら、駆動電圧を大きくすることなく広帯域化を図るため
には、Ｚ＝５０Ωとし、さらにｎｍの大きさをｎｏの大
きさに近付けるように、変調電極の構造および大きさ、
バッファ層の厚さ、リッジの幅・高さ等を設定してい
る。Δf = 1.4c / (π | nm−no | L) (1) where c is the high speed in vacuum, and L is the interaction length of the modulation electrode. The magnitude of the driving voltage Vπ of the modulator is inversely proportional to the length L of the modulation electrode. Therefore, from the relation of the equation (1), in order to widen the bandwidth without increasing the driving voltage, the structure of the modulation electrode and the modulation electrode are set so that Z = 50Ω and the size of nm approaches the size of no. size,
The thickness of the buffer layer and the width and height of the ridge are set.
【０００８】ところで、このようなリッジ構造を形成す
る技術としては、基板上にＴａやＡｌ，Ｔｉなどの金属
あるいはフォトレジストを使ってマスクパターンを形成
する工程を行った後、ＲＩＥ法、ＲＩＢＥ法、あるいは
ＩＢＥ法等によりドライエッチングを行うことによりリ
ッジ構造を得る方法が知られている。As a technique for forming such a ridge structure, a step of forming a mask pattern on a substrate using a metal such as Ta, Al, or Ti or a photoresist is performed, followed by an RIE method or a RIBE method. Alternatively, a method of obtaining a ridge structure by performing dry etching by an IBE method or the like is known.
【０００９】[0009]
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の方法で
は、酸化物結晶であるＬｉＮｂＯ3 基板はエッチング速
度が極端に小さく、上記マスクパターンとのエッチング
速度差が確保できないという解決すべき課題を有する。
そのため、エッチング速度の分布が不均一になると共に
ＬｉＮｂＯ3 基板のエッチング中にリッジ部分のサイド
エッチングが進行する。その結果、Ｔｉ拡散光導波路の
側壁が削られてしまい、光導波路の伝搬損失が増大して
しまう。However, in the conventional method, there is a problem to be solved that the etching rate of the LiNbO 3 substrate, which is an oxide crystal, is extremely small, and a difference in the etching rate from the mask pattern cannot be secured. .
Therefore, the distribution of the etching rate becomes non-uniform, and the side etching of the ridge portion progresses during the etching of the LiNbO 3 substrate. As a result, the side wall of the Ti-diffused optical waveguide is shaved, and the propagation loss of the optical waveguide increases.
【００１０】したがって、本発明は、上記従来の問題点
を解決し、製作性が良く、かつ導波路の伝搬損失が小さ
く、低駆動電圧で高速動作が可能な光制御素子を提供す
ることを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical control element which solves the above-mentioned conventional problems, has good manufacturability, has small propagation loss in a waveguide, and can operate at high speed with a low driving voltage. And
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明にもとづく光導波路は、少なくとも１本の光
導波路を表面近傍に備え、かつ該光導波路の近傍の表面
を掘り込んでリッジ形状とした電気光学効果を有する基
板と、該基板の表面上に積層されたバッファ層と、該バ
ッファ層上の光導波路近傍に形成された信号電極および
接地電極とからなる電極とが、少なくとも設けられた光
制御素子において、光導波路の近傍の表面を掘り込む幅
は、信号電極と接地電極との間隔と等しいか、もしくは
該間隔よりも狭いことを特徴とする。すなわち、図１ま
たは図３において、幅Ｇｒ（およびＧｒ′）と間隔Ｇと
の関係が、Ｇｒ≦Ｇ（およびＧｒ≦Ｇ′）となる。した
がって、本発明によれば、リッジ構造を形成するのに必
要な基板のエッチング面積を必要最小限とすることによ
り、エッチング速度が増すので、リッジ形成プロセスに
要する時間を短くできる。さらに、光導波路のサイドエ
ッチングが少なくなるので伝搬損失の増大が極めて小さ
い。In order to solve the above-mentioned problems, an optical waveguide according to the present invention comprises at least one optical waveguide near a surface thereof, and digs a surface near the optical waveguide into a ridge. A substrate having an electro-optical effect in a shape, a buffer layer stacked on a surface of the substrate, and an electrode including a signal electrode and a ground electrode formed near an optical waveguide on the buffer layer are provided at least. In the light control element, the width of the surface dug near the optical waveguide is equal to or smaller than the distance between the signal electrode and the ground electrode. That is, in FIG. 1 or FIG. 3, the relationship between the width Gr (and Gr ′) and the interval G is Gr ≦ G (and Gr ≦ G ′). Therefore, according to the present invention, the etching rate is increased by minimizing the etching area of the substrate necessary for forming the ridge structure, so that the time required for the ridge forming process can be shortened. Further, since the side etching of the optical waveguide is reduced, the increase in the propagation loss is extremely small.
【００１２】[0012]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態例を説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【００１３】＜第１の実施形態例＞本発明の第１の実施
形態例であるマッハツェンダ形光変調素子の一構成例を
図１に示す。<First Embodiment> FIG. 1 shows an example of a configuration of a Mach-Zehnder type optical modulation device according to a first embodiment of the present invention.
【００１４】図１（ａ）はコプレーナ線路形変調電極を
用いた光変調器の上面図、図１（ｂ）は変調器中央部Ａ
−Ａ′に沿った断面図である。この実施形態例におい
て、図４に示した従来例と同様に、エッチングしてリッ
ジ形状としたＬｉＮｂＯ3 基板１０１上にＴｉ拡散光導
波路１０２、およびバッファ層１０３を介して信号電極
１０４および接地電極１０５から構成される進行波電極
が設けられている。しかし、この実施形態例では従来例
の構造と異なって、エッチング領域１０６の幅Ｇｒおよ
びＧｒ′を信号電極１０４と接地電極１０５との間隔Ｇ
にほぼ等しく設定し、その他の基板領域はエッチングし
ていない。FIG. 1A is a top view of an optical modulator using a coplanar line type modulation electrode, and FIG.
It is sectional drawing in alignment with -A '. In this embodiment, similarly to the conventional example shown in FIG. 4, a signal electrode 104 and a ground electrode 105 are formed on a LiNbO 3 substrate 101 etched into a ridge shape through a Ti diffusion optical waveguide 102 and a buffer layer 103. Is provided. However, in this embodiment, unlike the structure of the conventional example, the widths Gr and Gr ′ of the etching region 106 are set to the distance G between the signal electrode 104 and the ground electrode 105.
And the other substrate areas are not etched.
【００１５】このような構成からなる光変調器と従来の
ものとについて、リッジ構造作製時のエッチング深さの
割合ｄ、およびサイドエッチングによるリッジ幅の減少
分ΔＷの、ＬｉＮｂＯ3 基板（３インチ幅）上における
分布を測定した。その結果を図２に示す。図２のデータ
を得るにあたり、同一基板の上半分に従来例のマスクパ
ターンを、下半分に本発明の実施形態例のマスクパター
ンを作製し、１度のプロセスで同時にエッチングした。With respect to the optical modulator having such a configuration and the conventional optical modulator, the LiNbO 3 substrate (3 inch width) having the ratio d of the etching depth at the time of manufacturing the ridge structure and the reduction ΔW of the ridge width due to the side etching was used. ) Was measured. The result is shown in FIG. In obtaining the data of FIG. 2, a mask pattern of the conventional example was formed on the upper half of the same substrate, and a mask pattern of the embodiment of the present invention was formed on the lower half, and were simultaneously etched in one process.
【００１６】本発明者らは、基板上でエッチング面積の
割合が大きいと、エッチング速度が低下すると共に、リ
ッジ部分のサイドエッチエッチングが進行してＴｉ拡散
光導波路の側壁が削られてしまい、導波路の伝搬損失が
増大することを新たに見出した。図２からわかるよう
に、本発明の実施形態例では従来例に比べて１０％以上
エッチング速度が大きい。しかも、サイドエッチングが
１μｍ小さく、ウェハ面内の均一性もよい。これは、リ
ッジの幅が５〜１０μｍ程度であるのに対し、変調器の
幅１００μｍ以上であり、図４に示した従来構造の変調
器の場合、エッチングする領域はエッチングしないリッ
ジ部分に比べて５〜１０倍以上になるからである。The inventors of the present invention have found that when the ratio of the etching area on the substrate is large, the etching rate is reduced, and the side-etch etching of the ridge portion progresses, whereby the side wall of the Ti-diffused optical waveguide is cut off, and It has been newly found that the propagation loss of the wave path increases. As can be seen from FIG. 2, the etching rate of the embodiment of the present invention is higher than that of the conventional example by 10% or more. Moreover, the side etching is smaller by 1 μm, and the uniformity in the wafer surface is good. This is because the width of the ridge is about 5 to 10 μm, whereas the width of the modulator is 100 μm or more. In the case of the modulator having the conventional structure shown in FIG. This is because it becomes 5 to 10 times or more.
【００１７】なお、変調帯域、駆動電圧等の変調特性
は、従来例と本発明の実施形態例とでは差が認められな
かった。Note that no difference was observed in the modulation characteristics such as the modulation band and the drive voltage between the conventional example and the embodiment of the present invention.
【００１８】＜第２の実施形態例＞図３は本発明の第２
の実施形態例を説明するためのもので、（ａ）は２つの
コプレーナ線路形変調電極を備えた光変調器の上面図、
（ｂ）は変調器中央部Ａ−Ａ′に沿った断面図である。
この実施形態例では、ｚカットＬｉＮｂＯ3 基板３０１
上にＴｉ拡散光導波路３０２が形成され、その光導波路
３０２の両側３０６の領域がエッチングされてリッジ形
状をなしている。さらにバッファ層３０３を介して第１
の信号電極３０４ａおよび第２の信号電極３０４ｂ、お
よび接地電極３０５から構成される２つの進行波電極を
有する。<Second Embodiment> FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention.
(A) is a top view of an optical modulator provided with two coplanar line type modulation electrodes,
(B) is a cross-sectional view along the modulator central portion AA '.
In this embodiment, the z-cut LiNbO 3 substrate 301
A Ti diffused optical waveguide 302 is formed thereon, and regions on both sides 306 of the optical waveguide 302 are etched to form a ridge shape. Further, the first through the buffer layer 303
And a second signal electrode 304b, and a ground electrode 305.
【００１９】このような２つ以上の信号電極を備えた光
変調器では、信号電極間のクロストークを抑圧するため
に、２つの信号電極３０４ａおよび３０５ｂの間に接地
電極３０５を設けるとともに、信号電極の間隔を数百ミ
クロン以上の離す必要がある。実施形態例では、信号電
極３０４ａあるいは３０５ｂと接地電極３０５との間隔
（１０〜５０μｍ程度）だけエッチングしており、数百
ミクロンにおよび接地電極の下部をエッチングする必要
がないので、第１の実施形態例同様、ＬｉＮｂＯ3 基板
のエッチング速度を高めてエッチング時間を短くすると
共に、導波路側壁のサイドエッチングを抑制することが
可能になる。In such an optical modulator having two or more signal electrodes, a ground electrode 305 is provided between the two signal electrodes 304a and 305b in order to suppress crosstalk between the signal electrodes. The electrodes must be separated by several hundred microns or more. In the embodiment, the etching is performed only for the interval (about 10 to 50 μm) between the signal electrode 304a or 305b and the ground electrode 305, and it is not necessary to etch the lower part of the ground electrode to several hundred microns. As in the embodiment, it is possible to shorten the etching time by increasing the etching rate of the LiNbO 3 substrate and to suppress the side etching of the waveguide side wall.
【００２０】なお、図１の実施形態例では、マッハツェ
ンダ導波路の対称性を保つため、接地電極１０５の下の
部分を幅Ｇｒ′掘り込み、Ｇｒと等しくしているが、対
称性を問題にしない場合や、位相変調器で導波路が１本
の場合はＧｒ′＝０、すなわち接地電極の下を掘り込む
必要はない。In the embodiment of FIG. 1, in order to maintain the symmetry of the Mach-Zehnder waveguide, the portion below the ground electrode 105 is dug in width Gr 'to make it equal to Gr. If not, or if there is only one waveguide in the phase modulator, Gr '= 0, that is, there is no need to dig below the ground electrode.
【００２１】以上の実施形態例ではｚカットＬｉＮｂＯ
3 基板を用いたがｘカットやｙカット等、他の面方位の
ＬｉＮｂＯ3 基板を用いてもよいし、ＬｉＴａＯ3 等、
電気光学効果を有するその他の基板を用いてもよい。In the above embodiment, z-cut LiNbO
Although three substrates were used, a LiNbO 3 substrate having another plane orientation such as x-cut or y-cut may be used, or LiTaO 3 or the like.
Other substrates having an electro-optic effect may be used.
【００２２】[0022]
【発明の効果】以上説明したように、本発明にもとづく
光制御素子は上記のような構成をなすことによって、速
度整合・インピーダンス整合をとると共に、電極の導体
損失を大幅に低減することによって、低駆動電圧で高速
動作が可能で、かつ製作性が良く、導波路の伝搬損失が
小さい光制御素子を実現することができる。As described above, the light control element according to the present invention has a structure as described above, which achieves speed matching and impedance matching and greatly reduces conductor loss of the electrode. An optical control element that can operate at high speed with a low driving voltage, has good manufacturability, and has a small waveguide propagation loss can be realized.
【図１】本発明にもとづく光制御素子の一例を説明する
ためのもので、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−
Ａ′線に沿う断面図である。FIGS. 1A and 1B are views for explaining an example of a light control element according to the present invention, wherein FIG. 1A is a top view, and FIG.
It is sectional drawing which follows the A 'line.
【図２】本発明の効果を説明するためのもので、エッチ
ング深さとリッジ幅との基板上分布を示す図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the effect of the present invention and is a diagram showing distributions of an etching depth and a ridge width on a substrate.
【図３】本発明にもとづく光制御素子の他の例を説明す
るためのもので、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ
−Ａ′線に沿う断面図である。FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining another example of the light control element according to the present invention, wherein FIG. 3A is a top view and FIG.
It is sectional drawing which follows the -A 'line.
【図４】従来の光制御素子の一例（マッハツェンダ形光
強度変調器）を説明するためのもので、（ａ）は上面
図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ′線に沿う断面図である。4A and 4B are views for explaining an example of a conventional light control element (Mach-Zehnder type light intensity modulator), where FIG. 4A is a top view and FIG. 4B is a cross section taken along line AA ′ of FIG. FIG.
１０１，３０１，４０１ ｚカットＬｉＮｂＯ3 基板 １０２，３０２，４０２ Ｔｉ拡散光導波路 １０３，３０３，４０３ ＳｉＯ2 バッファ層 １０４，３０４ａ，３０４ｂ，４０４ 信号電極 １０５，３０５，４０５ 接地電極 １０６，３０６，４０６ エッチング領域101, 301, 401 z-cut LiNbO 3 substrate 102, 302, 402 Ti diffused optical waveguide 103, 303, 403 SiO 2 buffer layer 104, 304a, 304b, 404 signal electrode 105, 305, 405 ground electrode 106, 306, 406 etching region
Claims (1)
備え、かつ該光導波路の近傍の表面を掘り込んでリッジ
形状とした電気光学効果を有する基板と、該基板の表面
上に積層されたバッファ層と、該バッファ層上の光導波
路近傍に形成された信号電極および接地電極とからなる
電極とが、少なくとも設けられた光制御素子において、 前記光導波路の近傍の表面を掘り込む幅Ｇｒは、前記信
号電極と前記接地電極との間隔Ｇに対して、 Ｇｒ ≦ Ｇ の関係を満たすように設けられたことを特徴とする光制
御素子。1. A substrate having at least one optical waveguide in the vicinity of a surface thereof and having a ridge-shaped electro-optic effect by dug the surface in the vicinity of the optical waveguide, and laminated on the surface of the substrate. In a light control element in which at least a buffer layer and a signal electrode and a ground electrode formed near the optical waveguide on the buffer layer are provided, a width Gr in which a surface near the optical waveguide is dug is A light control element provided so as to satisfy a relationship of Gr ≦ G with respect to a gap G between the signal electrode and the ground electrode.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24301396A JPH1090638A (en) | 1996-09-13 | 1996-09-13 | Optical control element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24301396A JPH1090638A (en) | 1996-09-13 | 1996-09-13 | Optical control element |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1090638A true JPH1090638A (en) | 1998-04-10 |
Family
ID=17097594
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24301396A Pending JPH1090638A (en) | 1996-09-13 | 1996-09-13 | Optical control element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1090638A (en) |
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