(57)【要約】【課題】光変調器の光変調用電極において、薄い電極膜厚で速度整合条件と低電極伝搬損失を達成しつつ、同時に駆動電圧Ｖπ・Ｌを低減可能とする。【解決手段】基板本体２は、電気光学材料からなり、相対向する一方の主面２ａーと他方の主面２ｂとを備えている。光導波路６Ａ、６Ｂを伝搬する光を変調するための電圧を印加する光変調用電極２０Ａが基板本体２に設けられている。光変調用電極２０Ａは、接地電極３Ａ、３Ｂおよび信号電極４を含んでいる。接地電極３Ａ、３Ｂと信号電極４とのギャップＧに対する信号電極４の幅Ｗの比率Ｗ／Ｇが０．８以上である。好ましくは、光導波路６Ａ、６Ｂの形成領域において、基板本体４の厚さＴが２０μｍ以下である。【選択図】                            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学材料からなり、相対向する一方の主面と他方の主面とを備えている基板本体に設けられ、光導波路を伝搬する光を変調するための電圧を印加する光変調用電極であって、
接地電極および信号電極を備えており、前記接地電極と前記信号電極とのギャップＧに対する前記信号電極の幅Ｗの比率Ｗ／Ｇが０．８以上であることを特徴とする、光変調用電極。
【請求項２】
前記光導波路の形成領域において、前記基板本体の厚さＴが２０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１記載の光変調用電極。
【請求項３】
前記基板本体上にバッファ層を有しており、前記光導波路の形成領域において、前記基板本体の厚さＴが４０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１記載の光変調用電極。
【請求項４】
前記信号電極の端部と前記光導波路の光軸中心との間隔ＤがＧ／３以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の光変調用電極。
【請求項５】
前記変調用電極がコプレーナ型電極配置に従って設けられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の光変調用電極。
【請求項６】
前記ギャップＧが３８μｍ以下であることを特徴とする、請求項５記載の光変調用電極。
【請求項７】
前記変調用電極が非対称コプレーナストリップライン型電極配置に従って設けられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の光変調用電極。
【請求項８】
前記ギャップＧが１９μｍ以下であることを特徴とする、請求項７記載の光変調用電極。
【請求項９】
前記基板本体が、第一の肉薄部分と、前記第一の肉薄部分よりも厚さの小さい第二の肉薄部分とを備えており、前記光導波路が前記第一の肉薄部分内に設けられていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つの請求項に記載の光変調用電極。
【請求項１０】
前記基板本体がＸ板であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つの請求項に記載の光変調用電極。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一つの請求項に記載の光変調用電極を備えていることを特徴とする、光変調器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光変調用電極および光変調器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）を光導波路に適用した進行波形光変調器は、優れた特性を備えており、高能率で高帯域化を達成できる可能性がある。ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムは、強誘電体として非常に優れた材料であり、電気光学定数が大きく、短い光路で光の制御が可能であるという利点を有している。進行波形光変調器の変調速度を制限する要因としては、速度不整合、分散および電極損失、誘電損失などが挙げられる。
【０００３】こうした光変調器は、基板、光導波路、信号電極および接地電極、バッファ層を有しており、比較的に複雑な形態をしている。これら各要素の寸法については、必ずしも十分な検討が行われていない。
【０００４】通常のＬＮ進行波型光変調器では、例えば図５に示すような設計寸法が採用されている。ここで基板本体１２上にバッファ層９を介して一対の接地電極３Ａ、３Ｂおよび信号電極１４が設けられている。接地電極３Ａ、３Ｂと信号電極１４との間には光導波路６Ａ、６Ｂが設けられている。ここで、例えば基板本体１２をニオブ酸リチウム単結晶から構成し、基板本体の厚さＴを十分に大きくした場合、信号電極の幅Ｗ＝８μｍ、ギャップＧ＝２０μｍ、電極膜厚Ｅ＝１８μｍ、ＳｉＯ２バッファ層９の厚さＢ＝１．３μｍとすることによって、速度整合を実現可能である。しかし、駆動電圧Ｖπと電極の長さＬとの積（Ｖπ・Ｌ）は２０Ｖｃｍとなり、駆動電圧が高い変調器しか実現できなかった。また、導体損失に伴う電極伝搬損失も０．３２ｄＢ／ｃｍ  ａｔ  １ＧＨｚ  と高かった。
【０００５】本出願人は、特許文献１、特許文献２において、進行波形光変調器の基板の光導波路の下に肉薄部分を設け、この肉薄部分の厚さを例えば１０μｍ以下に薄くすることを開示した。これによって、酸化珪素からなるバッファ層を形成することなしに高速光変調が可能であるし、駆動電圧Ｖπと電極の長さＬとの積（Ｖπ・Ｌ）を小さくできるので、有利である。
【特許文献１】
特開平１０−１３３１５９号公報
【特許文献２】
特開２００２−１６９１３３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】特許文献１記載の裏溝付き光変調器によれば、速度整合条件下でＶπ・Ｌの低減が可能であった。例えば、ニオブ酸リチウム単結晶からなる基板を使用した場合に、信号電極幅Ｗ＝３０μｍ、電極ギャップＧ＝４０μｍ、基板本体の厚さＴ＝１３  μｍ、電極厚さＥ＝３１μｍとし、バッファ層を形成しない場合に、Ｖπ・Ｌは１２Ｖｃｍとなる。
【０００７】しかし、この光変調器において速度整合を達成するためには、電極厚膜化（例えば電極厚さＥ＝３１μｍ）が必須である。実際の作製プロセスにて精度よく所望の形状に電極厚膜化を図るのは容易ではなく、結果として歩留まりの低下を引き起こしていた。
【０００８】本発明の課題は、光変調器の光変調用電極において、電極伝搬損失及び速度整合に必要な電極膜厚Ｅを低減可能な構造を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、電気光学材料からなり、相対向する一方の主面と他方の主面とを備えている基板本体に設けられ、光導波路を伝搬する光を変調するための電圧を印加する光変調用電極であって、
接地電極および信号電極を備えており、接地電極と信号電極とのギャップＧに対する信号電極の幅Ｗの比率Ｗ／Ｇが０．８以上であることを特徴とする。
【００１０】また、本発明は、前記光変調用電極を備えていることを特徴とする光変調器に係るものである。
【００１１】本発明者は、前述したような構造の光変調用電極において、接地電極と信号電極とのギャップＧに対する信号電極の幅Ｗの比率Ｗ／Ｇが重要であることを発見した。具体的には、Ｗ／Ｇを０．８以上とすること、つまりギャップＧに比べて信号電極の幅Ｗを大きくすることによって、電極伝搬損失を低減できることがわかった。さらに、速度整合条件を達成しつつ、電極厚さＥを低減可能であり、同時に駆動電圧ＶπＬを低減できることを見いだした。この結果、電極形成プロセスの歩留まりを向上させることも可能となる。さらに、本発明を用いれば光導波路を中心電極端へ寄せることが可能となり、さらに駆動電圧ＶπＬを低減できる。
【００１２】
【実施例】以下、図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る光変調用電極２０Ａおよび光変調器１Ａを示す模式図である。
【００１３】基板本体２は平板形状をしている。基板本体２の一方の主面２ａの上には接地電極３Ａ、３Ｂおよび信号電極４が形成されている。本例では、いわゆるコプレーナ型（Ｃｏｐｌａｎａｒ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ：ＣＰＷ電極）  の電極配置を採用している。隣接する電極の間に一対の光導波路６Ａ、６Ｂが形成されており，各光導波路に対して略水平方向に信号電圧を印加するようになっている。各光導波路６Ａ、６Ｂは、平面的に見るといわゆるマッハツェンダー型の光導波路を構成しているが、この平面的パターンそれ自体は周知であるので図示省略する。
【００１４】本発明に従い、電極ギャップＧに対する信号電極幅Ｗの比率（Ｗ／Ｇ）を０．８以上とする。これは、Ｇに対して信号電極の幅Ｗを大きくすることを意味している。このような設計が従来検討されてこなかった理由は明らかではないが、信号電極４の幅を大きくしても機能的にはほとんど変わらないという予断があったものと思われる。
【００１５】本発明の観点からは、Ｗ／Ｇを１以上とすることが好ましく、１．１５以上とすることが一層好ましい。また、Ｗ／Ｇの上限は特にないが、例えば５以下であってもよい。
【００１６】好適な実施形態においては、基板本体と電極との間にバッファ層が形成されている。図２は、この実施形態に係る光変調用電極２０Ｂおよび光変調器１Ｂを示す。基板本体２の主面２ａ上にバッファ層９が形成されており、接地電極３Ａ、３Ｂおよび信号電極４がバッファ層９上に形成されている。
【００１７】本発明は、電極配置が非対称コプレーナストリップライン型である場合にも適用可能である。図３は、この実施形態に係る光変調用電極２０Ｃおよび光変調器１Ｃを示す。本例では、基板本体２の主面２ａ上に接地電極３および信号電極４が形成されており、いわゆる非対称コプレーナストリップライン（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  ｃｏｐｌａｎａｒ  ｓｔｒｉｐ  ｌｉｎｅ：Ａ−ＣＰＳ電極）  型の電極配置を構成している。隣接する電極の間に光導波路６が形成されており，光導波路６に対して略水平方向に信号電圧を印加するようになっている。
【００１８】また、他の好適な実施形態においては、基板本体が、第一の肉薄部分と、第一の肉薄部分よりも厚さの小さい第二の肉薄部分とを備えており、光導波路が第一の肉薄部分内に設けられている。図４は、この実施形態に係る光変調用電極２０Ｄおよび光変調器１Ｄを示す模式図である。
【００１９】基板本体２Ａの底面２ｂ側には凹部８が形成されており、凹部８に対して、２つの第二の肉薄部分１０Ａ、１０Ｂと１つの第一の肉薄部分１５とが面している。肉薄部分１５は、一対の肉薄部分１０Ａ、１０Ｂによって挟まれている。各肉薄部分１０Ａ、１０Ｂの外側には基部１６が設けられている。
【００２０】本発明は、いわゆる独立変調型の進行波形光変調器に対しても適用可能である。
【００２１】本発明の観点からは、電極ギャップＧは相対的に小さくする。しかし、その下限は特にない。しかし、接地電極と信号電極との短絡を防止するという観点からは、１μｍ以上が好ましい。また、ギャップ内に光導波路を設けるためには、Ｇを２μｍ以上とすることが好ましい。
【００２２】Ｇの上限値も特にないが、前述したＷ／Ｇ比率を保持できる範囲である必要がある。好適例では、変調用電極がコプレーナ型電極配置に従って設けられており、ギャップＧが３８μｍ以下であり、更に好ましくは３５μｍ以下である。
【００２３】他の好適例では、変調用電極が非対称コプレーナストリップライン型電極配置に従って設けられており、ギャップＧが１９μｍ以下であり、更に好ましくは１７．５μｍ以下である。
【００２４】好適な実施形態においては、光導波路の形成領域において、基板本体の厚さＴが２０μｍ以下である。本発明に従ってＷ／Ｇを大きくすると、基板本体の厚さＴが２０μｍ以下と小さい場合にも、電極膜厚が薄い状態で低電極伝搬損失と速度整合の両立が可能であり、同時に駆動電圧の低減が可能となる。仮に、図５に示すように厚さＴの大きい基板本体を使用する場合には、Ｗ／Ｇを大きくすると、特性インピーダンスが低くなり、５０Ωを大きく下回り、また厚い電極膜厚が必要となる傾向がある。従って、本発明は、基板本体の厚さＴが２０μｍ以下の場合に最も有用である。
【００２５】また、他の好適な実施形態においては、例えば図２に示すように、基板本体２上にバッファ層９を有しており、光導波路の形成領域において、基板本体の厚さＴが４０μｍ以下である。この場合にも、本発明に従ってＷ／Ｇを大きくすると、電極膜厚が薄い状態で低電極伝搬損失と速度整合の両立が可能であり、同時に駆動電圧の低減が可能となる。本実施形態では、基板本体上にバッファ層を設けたので、基板本体の厚さＴの好適範囲が４０μｍ以下と広くなる。
【００２６】好適な実施形態においては、信号電極の厚さＥが３０μｍ以下であり、更に好ましくは２０μｍ以下である。ただし、電極における導電性を確保するために、信号電極の厚さは１μｍ以上であることが好ましい。
【００２７】好適な実施形態においては、信号電極の端部と光導波路の光軸中心Ｃとの間隔ＤがＧ／３以下である。この利点について述べる。動作電圧を低くする目的から、光導波路の位置を中心電極４端へ寄せることは提案されている（特許文献２）。しかし、信号電極幅Ｗが狭い構造において光導波路６Ａ、６Ｂを信号電極４側に近づけると、２本の光導波路６Ａと６Ｂとの間隔が著しく接近する。２本の光導波路６Ａと６Ｂとはマッハツェンダー変調器を構成しているために、両者の距離が近づくと、方向性結合器として機能してしまうという難点があった。しかし、本発明においては、信号電極幅Ｗを広げているので、光導波路間の距離を保つことができ、光導波路間の結合を回避することが可能となる。この結果、駆動電圧が非常に低い光変調器を実現できる。この場合、基板と電極の間にバッファ層を設けて光導波路を電極金属に近づけた事による光導波路内での伝搬損失増大を防ぐことが望ましい。
【００２８】基板本体は、強誘電性の電気光学材料、好ましくは単結晶からなる。こうした結晶は、光の変調が可能であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、ＫＴＰ、ＧａＡｓ及び水晶などを例示することができる。ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶が、特に好ましい。
【００２９】接地電極、信号電極は、低抵抗でインピーダンス特性に優れる材料であれば特に限定されるものではなく、金、銀、銅などの材料から構成することができる。
【００３０】バッファ層は、酸化シリコン、弗化マグネシウム、窒化珪素、及びアルミナなどの公知の材料を使用することができる。
【００３１】光導波路は、基板本体に形成されており、好ましくは基板本体の一方の主面側に形成されている。光導波路は、基板本体の一方の主面に直接形成されたリッジ型の光導波路であってよく、基板本体の一方の主面の上に他の層を介して形成されたリッジ型の光導波路であってよく、また基板本体の内部に内拡散法やイオン交換法によって形成された光導波路、例えばチタン拡散光導波路、プロトン交換光導波路であってよい。電極は、基板本体の一方の主面側に設けられているが、基板本体の一方の主面に直接形成されていてよく、バッファ層の上に形成されていてよい。
【００３２】基板本体においては、特に好ましくは結晶の分極軸が基板の一方の主面（表面）と略水平である。この場合には、ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶からなるＸ板あるいはＹ板が好ましい。図１〜図４には、本発明をＸ板あるいはＹ板に適用した例について示した。
【００３３】また、他の好適な実施形態においては、結晶の分極軸が基板の一方の主面（表面）と略垂直である。この場合には、ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶からなるＺ板が好ましい。Ｚ板を使用した場合には、光導波路は電極の直下に設ける必要があり、光の伝搬損失を低減するために、基板の表面と電極との間にはバッファ層を設けることが好ましい。
【００３４】本発明においては、基板本体を別体の保持基体に対して接合することができる。保持基体によるマイクロ波の伝搬速度への影響を最小限とするという観点からは、保持基体の材質は、電気光学単結晶の誘電率よりも低い誘電率を有する材質であることが好ましい。こうした材質としては、石英ガラス等のガラスがある。
【００３５】光導波路基板と保持基体との接合方法は特に限定されない。好適な実施形態においては、両者を接着する。この場合には、接着剤の屈折率は、基板本体を構成する電気光学材料の屈折率よりも低いことが好ましい。これに加えて、接着剤の誘電率は、基板本体を構成する電気光学材料の誘電率よりも低いことが望ましい。
【００３６】接着剤の具体例は、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料と比較的近い熱膨張係数を有するアロンセラミックスＣ（商品名、東亜合成社製）（熱膨張係数１３×１０−６／Ｋ）を例示できる。
【００３７】
【実施例】（製造例）
図１、図５、図６に示す各光変調器１Ａ、１１Ａ、１１Ｂを製造した。例えばＸカットした３インチウエハー（ＬｉＮｂＯ３単結晶）からなる基板を使用し、チタン拡散プロセスとフォトリソグラフィー法とによって、ウエハーの表面にマッハツェンダー型の光導波路６Ａ、６Ｂを形成する。光導波路６Ａ、６Ｂのサイズは、例えば１／ｅ２で１０μｍとできる。次いで、メッキプロセスにより、ＣＰＷ電極を形成した。
【００３８】このウエハー形状の基板本体の素材の一方の主面（表面）にレジスト膜をコーティングし、ニオブ酸リチウムからなるベース基板と熱可塑性樹脂によって貼り合わせた後、基板本体の底面２ｂ側に横型研磨、高速ラップ、及びポリッシング（ＣＭＰ）を施して研磨処理を行なった。基板厚さは形状測定器を用いて計測し所望の基板厚に制御した。
【００３９】次いで、基板本体２と保持基体との間に、厚さ５０μｍのエポキシ系熱硬化型樹脂からなるシートを挟み、８０℃で加熱することによってシートを熱硬化させ、接合層を生成させ、基板本体２と保持基体とを接着した。次に、ウエハーを定盤から取り外し、有機溶剤を用いた洗浄によってステッキワックスを除去した。ウエハーをダイシングソー加工機で切断し、各光変調器チップに分割した。各チップの光導波路の端面を光学研磨した。
【００４０】（シミュレーション結果）
図１、図５、図６の各例の光変調器について、ＦＥＭを利用してシミュレーションを詳細に行い、マイクロ波実効屈折率が２．１５となり、特性インピーダンスが約４５Ωとなるような各寸法条件を探索した。このような各寸法を表１に示す。計算は「ＩＥＥ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  Ｏｐｔｏｅｌｒｃｔｒｏｎｉｃｓ，  Ｖｏｌ．  １４６，  Ｎｏ２，  ｐｐ．９９−１０４，  Ａｐｒｉｌ  」１９９９掲載のＯ．Ｍｉｔｏｍｉほかの「Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ  ＬｉＮｂＯ３  ｏｐｔｉｃａｌ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ  」に基づいて行った。
【００４１】
【表１】
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【００４２】比較例１においては、図５に示すように、十分に大きい厚さＴを有する光変調器を対象とした。信号電極１４の幅Ｗを８μｍとし、電極ギャップＧを２０μｍとした。Ｗ／Ｇは０．４である。この条件では、電極膜厚Ｅ＝１８μｍで上記の速度整合および特性インピーダンスが得られた。この条件下では、電極伝搬損失が高くなり、Ｖπ・Ｌも２０Ｖｃｍと高くなった。
【００４３】比較例２においては、図６に示すような形態の光変調器１１Ｂを対象とした。基板本体の厚さは１３μｍとし、信号電極１４の幅Ｗは３０μｍとし、電極ギャップＧを４０μｍとし、Ｗ／Ｇを０．７５とした。この条件では、電極膜厚Ｅ＝３１μｍで上記の速度整合および特性インピーダンスが得られた。この条件下では、Ｖπ・Ｌが１２Ｖｃｍとなり、電極伝搬損失も低減された。しかし、上記の速度整合条件および特性インピーダンス条件を満足させるためには、３１μｍの電極膜厚が必要である。このような厚さの電極膜を高精度、高歩留りで量産することは困難である。
【００４４】実施例１においては、図１に示すような形態の光変調器１Ａを対象とした。基板本体の厚さは１３μｍとし、信号電極１４の幅Ｗは１００μｍとし、電極ギャップＧを４０μｍとし、Ｗ／Ｇを２．５とした。この条件では、電極膜厚Ｅ＝１３μｍで上記の速度整合および特性インピーダンスが得られた。この条件下では、Ｖπ・Ｌが１２Ｖｃｍとなり、電極伝搬損失も低減された。
【００４５】次に、図１に示すような形態の光変調器を前提とし、電極ギャップＧを２５μｍまたは４０μｍとし、Ｗ／Ｇを種々変更し、速度整合に必要な電極膜厚Ｅおよび電極損失を算出した。基板本体の厚さは１３μｍとし、マイクロ波実効屈折率が２．１５となり、特性インピーダンスが約４５Ωとなるような各寸法条件を探索した。この結果を図７、図８に示す。
【００４６】図７、図８からわかるように、Ｗ／Ｇを０．８以上とすることによって、電極伝搬損失及び速度整合に必要な電極膜厚Ｅを著しく低減できる。
【００４７】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、光変調器の光変調用電極において、電極伝搬損失及び速度整合に必要な電極膜厚Ｅを著しく低減可能な構造を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る光変調器１Ａを示す模式図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る光変調器１Ｂを示す模式図であり、バッファ層９を有している。
【図３】本発明の更に他の実施形態に係る光変調器１Ｃを示す模式図である。
【図４】本発明の更に他の実施形態に係る光変調器１Ｄを示す模式図であり、基板本体２に第一および第二の肉薄部が設けられている。
【図５】比較例に係る光変調器１１Ａを示す模式図である。
【図６】比較例に係る光変調器１１Ｂを示す模式図である。
【図７】電極ギャップＧ＝２５μｍの場合において、Ｗ／Ｇ、速度整合に必要な電極膜厚および電極損失の関係を示すグラフである。
【図８】電極ギャップＧ＝４０μｍの場合において、Ｗ／Ｇ、速度整合に必要な電極膜厚および電極損失の関係を示すグラフである。
【符号の説明】１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ  光変調器        ２  基板本体      ２ａ  一方の主面        ２ｂ  他方の主面        ３、３Ａ、３Ｂ  接地電極        ４  信号電極        ５Ａ、５Ｂ  電極ギャップ        ６Ａ、６Ｂ光導波路        ８  凹部        １０Ａ、１０Ｂ  第二の肉薄部        １５  第一の肉薄部        ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ  光変調用電極    Ｃ  光導波路の光軸中心        Ｄ  光導波路の光軸中心Ｃと信号電極４の端部との間隔        Ｅ  電極膜厚        Ｇ  電極ギャップ      Ｔ  基板本体の厚さ          Ｗ  信号電極４の幅
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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