(57)【要約】【課題】光変調器の強度及び安定性を十分確保した上で、速度整合及びインピーダンス整合を簡易に図り、さらには前記光変調器の製造工程を簡易化する。【解決手段】電気光学効果を有する材料からなる基板１１の主面１１Ａ側において、マッハツエンダー型の光導波路１２を形成し、主面１１Ａ上においてコプレナー（ＣＰＷ）型の変調電極１３及び１４を形成する。基板１１の裏面１１Ｂ側には、主面が接触するようにして低誘電率層１６を形成し、この低誘電率層１６と接触するようにして支持基板１７を形成する。支持基板１７の、変調領域Ｐが位置する領域に凹部１８が設ける。なお、支持基板本体の誘電率をεｒ及び凹部１８の内部空間の誘電率をεＳとした場合において、εｒ＞εＳなる関係を満足する。【選択図】図２
2004233976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する材料からなる基板と、この基板の主面側に設けられた光導波路と、前記基板の前記主面上に設けられた、前記光導波路中を導波する光波に対して変調信号を印加するための変調電極とを有する光変調素子と、
前記光変調素子の、前記基板の裏面側に主面が接触するようにして設けられた誘電体層と、
前記誘電体層の裏面側に設けられた、前記光変調素子の、少なくとも変調領域に相当する位置に凹部を有する支持基板とを具え、
前記支持基板の誘電率をεｒ、及び前記凹部内の誘電率をεＳとした場合において、
εｒ＞εＳ
なる関係を満足することを特徴とする、光変調器。
【請求項２】
前記誘電体層はシート状を呈することを特徴とする、請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記凹部内は空洞であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光変調器。
【請求項４】
前記誘電体層は、前記電気光学基板を構成する材料よりも誘電率の小さい材料から構成したことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の光変調器。
【請求項５】
前記電気光学基板の誘電率をεＬＮ、及び前記誘電体層の誘電率をε１とした場合において、誘電率ε２を有し、
εＬＮ＞ε１＞ε２
なる関係を満足する低誘電率物質を前記凹部内に埋設したことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の光変調器。
【請求項６】
前記電気光学基板はニオブ酸リチウムから構成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の光変調器。
【請求項７】
前記電気光学基板の変調部又はその変調部の少なくとも一部の厚さが３０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の光変調器。
【請求項８】
電気光学効果を有し、誘電率がεＬＮである材料からなる基板と、この基板の主面側に設けられた光導波路と、前記基板の前記主面上に設けられた、前記光導波路中を導波する光波に対して変調信号を印加するための変調電極とを有する光変調素子を準備する工程と、
前記光変調素子の、前記基板の裏面側に主面が接触するようにして誘電体層を設ける工程と、
前記誘電体層の裏面側において、前記光変調素子の、少なくとも変調領域に相当する位置に、内部空間の誘電率がεＳである凹部を有し、誘電率がεｒであって、εｒ＞εＳなる関係を満足する支持基板を設ける工程と、
を具えることを特徴とする、光変調器の速度及びインピーダンス整合方法。
【請求項９】
前記凹部内は空洞であることを特徴とする、請求項９に記載の光変調器の速度及びインピーダンス整合方法。
【請求項１０】
前記誘電体層の誘電率をε１とした場合において、誘電率ε２を有し、
εＬＮ＞ε１＞ε２
なる関係を満足する低誘電率物質を前記凹部内に埋設することを特徴とする、請求項９に記載の光変調器の速度及びインピーダンス整合方法。
【請求項１１】
電気光学効果を有し、誘電率がεＬＮである材料からなる基板と、この基板の主面側に設けられた光導波路と、前記基板の前記主面上に設けられた、前記光導波路中を導波する光波に対して変調信号を印加するための変調電極とを有する光変調素子を準備する工程と、
前記光変調素子の、前記基板の裏面側に主面が接触するようにして誘電体層を設ける工程と、
前記誘電体層の裏面側において、前記光変調素子の、少なくとも変調領域に相当する位置に、内部空間の誘電率がεＳである凹部を有し、誘電率がεｒであって、εｒ＞εＳなる関係を満足する支持基板を設ける工程と、
を具えることを特徴とする、光変調器の製造方法。
【請求項１２】
前記凹部内は空洞であることを特徴とする、請求項１２に記載の光変調器の製造方法。
【請求項１３】
前記誘電体層の誘電率をε１とした場合において、誘電率ε２を有し、
εＬＮ＞ε１＞ε２
なる関係を満足する低誘電率物質を前記凹部内に埋設することを特徴とする、請求項１２に記載の光変調器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速・大容量光ファイバ通信システムなどに好適に用いることのできる光変調器、光変調器の速度及びインピーダンス整合方法、並びに光変調器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高速・大容量光ファイバ通信システムの進歩に伴い、外部変調器に代表されるように、光導波路素子を用いた高速光変調器が実用化され、広く用いられるようになってきている。このような光変調器においては、光導波路中を導波する光波を、例えばマイクロ波領域の変調信号を用いて変調するため、前記光波と前記変調信号との速度整合及びインピーダンス整合を図ることが重要となる。
【０００３】
かかる観点に鑑み、特開平９−２１１４０２号公報などには、光変調素子を構成する基板の裏面側に支持基板を設けるとともに、前記支持基板の、前記光変調素子の変調領域に相当する位置に空洞部を設け、前記変調信号に対する実効屈折率を低下させて、前記変調信号の位相速度低減を抑制し、前記光変調素子の光導波路中を導波する光波と、前記光変調素子の変調電極から印加される変調信号との速度整合を図ること、並びにインピーダンス整合を図ることが試みられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の方法においては、十分な速度整合及びインピーダンス整合を実現するためには、光変調素子を構成する基板の厚さを例えば数μｍにまで薄くする必要がある。このような薄板化工程には十分な加工精度が要求されるために、前述のような前記光変調素子を含む光変調器の製造は困難を極めていた。また、空洞部などを設けた場合においては、かかる部分に応力が集中し、ＤＣドリフトや温度ドリフトが生じてしまい光変調器の安定動作が困難となる場合がある。さらには、前述した応力集中によって光変調素子、すなわち光変調器が破壊してしまう場合がある。
【０００５】
本発明は、光変調器の強度及び安定性を十分確保した上で、速度整合及びインピーダンス整合を簡易に図り、さらには前記光変調器の製造工程を簡易化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成すべく、本発明は、
電気光学効果を有する材料からなる基板と、この基板の主面側に設けられた光導波路と、前記基板の前記主面上に設けられた、前記光導波路中を導波する光波に対して変調信号を印加するための変調電極とを有する光変調素子と、
前記光変調素子の、前記基板の裏面側に主面が接触するようにして設けられた誘電体層と、
前記誘電体層の裏面側に設けられた、前記光変調素子の、少なくとも変調領域に相当する位置に凹部を有する支持基板とを具え、
前記支持基板の誘電率をεｒ、及び前記凹部内の誘電率をεＳとした場合において、
εｒ＞εＳ
なる関係を満足することを特徴とする、光変調器に関する。
【０００７】
また、本発明は、
電気光学効果を有し、誘電率がεＬＮである材料からなる基板と、この基板の主面側に設けられた光導波路と、前記基板の前記主面上に設けられた、前記光導波路中を導波する光波に対して変調信号を印加するための変調電極とを有する光変調素子を準備する工程と、
前記光変調素子の、前記基板の裏面側に主面が接触するようにして誘電体層を設ける工程と、
前記誘電体層の裏面側において、前記光変調素子の、少なくとも変調領域に相当する位置に、内部空間の誘電率がεＳである凹部を有し、誘電率がεｒであって、εｒ＞εＳなる関係を満足する支持基板を設ける工程と、
を具えることを特徴とする、光変調器の速度及びインピーダンス整合方法に関する。
【０００８】
さらに、本発明は、
電気光学効果を有し、誘電率がεＬＮである材料からなる基板と、この基板の主面側に設けられた光導波路と、前記基板の前記主面上に設けられた、前記光導波路中を導波する光波に対して変調信号を印加するための変調電極とを有する光変調素子を準備する工程と、
前記光変調素子の、前記基板の裏面側に主面が接触するようにして誘電体層を設ける工程と、
前記誘電体層の裏面側において、前記光変調素子の、少なくとも変調領域に相当する位置に、内部空間の誘電率がεＳである凹部を有し、誘電率がεｒであって、εｒ＞εＳなる関係を満足する支持基板を設ける工程と、
を具えることを特徴とする、光変調器の製造方法に関する。
【０００９】
本発明によれば、光変調素子の裏面側において、誘電体層と、支持基板とを設け、この支持基板において、その誘電率よりも小さい誘電率を有する凹部を設けて、目的とする光変調器を作製している。光変調器の速度整合を図るためには、前記光変調素子の前記基板の厚さをある程度薄くして、変調信号に対する実効屈折率を低減させなければならないが、前記支持基板に設けた凹部内の低誘電率に起因して、その厚さを比較的厚く設定しても前記実効屈折率を十分に低減できるようになる。
【００１０】
さらには、前記誘電体層を低誘電率材料から構成することにより、基板をさらに厚く設定しても、前記実効屈折率を十分に小さくすることができるとともに、前記低誘電率層によって薄板化された前記基板の強度補強をすることができるようになる。
【００１１】
したがって、光変調器の強度を十分に確保し、さらにはＤＣドリフトや温度ドリフトなどをも十分に抑制して安定性を十分確保した上で、速度整合及びインピーダンス整合を簡易に図ることができ、さらには前記光変調器の製造工程を簡易化することができるようになる。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、光変調器の強度及び安定性を十分確保した上で、速度整合及びインピーダンス整合を簡易に図り、さらには前記光変調器の製造工程を簡易化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を発明の実施の形態に即して詳細に説明する。
図１は、本発明の光変調器の一例を示す平面図であり、図２は、図１に示す光変調器をＡ−Ａ線に沿って切った場合の断面図である。なお、これらの図においては本発明の特徴を明確にすべく、各構成要素の大きさなどについては実際のものと異なるようにして描いている。
【００１４】
図１及び図２に示す光変調器１０においては、電気光学効果を有する材料からなる基板１１の主面１１Ａ側においてマッハツエンダー型の光導波路１２を有するとともに、主面１１Ａ上において信号電極１３及びこの信号電極１３の両側において接地電極１４を有している。信号電極１３及び接地電極１４は、いわゆるコプレナー（ＣＰＷ）型の変調電極を構成する。また、基板１１、光導波路１２、並びに信号電極１３及び接地電極１４からなる変調電極は、光変調素子１５を構成する。なお、破線で囲った領域Ｐは、光導波路１２中を導波する光波と、前記変調電極からの変調信号が互いに作用して前記光波の変調を行う変調領域である。
【００１５】
基板１１の裏面１１Ｂ側には、主面が接触するようにして設けられた誘電体層１６と、この誘電体層１６と接触するようにして設けられた支持基板１７とが設けられている。支持基板１７の、変調領域Ｐが位置する領域には凹部１８が設けられている。
【００１６】
図１及び図２に示す光変調器１０においては、支持基板１７の誘電率をεｒ、及び凹部１８の内部空間の誘電率をεＳとした場合において、εｒ＞εＳなる関係を満足する。
【００１７】
図１及び図２に示す光変調器１０においては、上述した基板１１、誘電体層１６及び凹部内空間の誘電率や、信号電極１３の高さｈ及び幅ｄ、並びに信号電極１３と接地電極１４とのギャップｇなどを考慮した上で、基板１１の厚さｔ、誘電体層１６の厚さＴ、並びに凹部１８の幅Ｗ及び深さＤなどを変化させることによって、速度整合及びインピーダンス整合を図るようにする。
【００１８】
速度整合やインピーダンス整合を図るためには、基板１１の厚さを薄くして、変調電極から印加される変調信号に対する実効屈折率を低下させる必要がある。図１及び図２に示す光変調器１０においては、光変調素子１５の下方に設けた支持基板１７内に、上記誘電率の関係式を満足する空間を有する凹部１８が設けられている。前記変調信号は基板１１から外部へ漏洩して凹部１８へも至るようになるため、凹部１８の内部空間の誘電率もその伝搬状態に影響を与えるようになり、前記内部空間の低誘電率に基づいて前記変調信号に対する実効屈折率を低減できるようになる。
【００１９】
したがって、基板１１の厚さを比較的厚くした場合においても、凹部１８内部の低誘電率に起因して、前記変調信号に対する実効屈折率を低減できるようになる。
【００２０】
また、基板１１の裏面１１Ｂ側には、誘電体層１６が直接的に設けられており、薄板化された基板１１を補強することができる。さらには、前記変調信号は基板１１内から外部へ漏洩するため、誘電体層１６の低誘電率に起因して前記変調信号に対する実効屈折率を低減することができる。したがって、基板１１の厚さを比較的大きくした場合においても、前記変調信号に対する実効屈折率を十分に小さく保持することができるようになる。
【００２１】
具体的には、図１及び図２に示すような構成を採用することにより、基板１１の厚さを３０μｍ程度まで厚くした場合においても、速度整合及びインピーダンス整合を十分に達成することができるようになる。
【００２２】
このように、図１及び図２に示す光変調器１０においては、光変調器の強度を十分に確保し、その結果ＤＣドリフトや温度ドリフトなどをも十分に抑制して安定性を十分確保した上で、速度整合及びインピーダンス整合を簡易に図ることができる。さらには前記光変調器の製造工程を簡易化することができるようになる。
【００２３】
上述したように、基板１１は電気光学効果を有する材料から構成することが要求され、例えばニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウムリチウム、タンタル酸リチウム、ＫＴＰ、ガラス、シリコン、ＧａＡｓ及び水晶などから構成することができ、特にはニオブ酸リチウムから構成することが好ましい。
【００２４】
また、誘電体層１６は、低誘電率であるガラス、エポキシ樹脂、及びポリイミドなどの材料から構成することができる。これらの材料は上述した基板１１の材料と比較して十分低い誘電率を有するため、上述したような誘電率に関する関係式を満足するとともに、上述した作用効果を実現できるようになる。
【００２５】
さらに、誘電体層１６の厚さＴについては特に限定されるものではないが、本発明においては０．１μｍ〜２００μｍの範囲に設定することにより、光変調器の強度及び安定性を確保した上で、速度整合及びインピーダンス整合の向上を図ることができる。
【００２６】
誘電体層１６は、基板１１の裏面１１Ｂ側に形成することが必要であるが、その形成方法については特に限定されるものではなく、それを構成する材料の種類などに応じて適宜選択する。例えば、誘電体層１６の厚さを比較的大きくするような場合においては、上述したような材料からなるシート状部材を別途準備し、これを基板１１の裏面１１Ａ側に貼り付けることなどによって形成することができる。この場合は、誘電体層１６を複雑な成膜装置などを用いることなく、簡易に形成することができる。
【００２７】
支持基板１７内に形成された凹部１８の内部空間は、空洞の状態に設定することもできるし、何らかの低誘電率物質を充填して埋設することもできる。この場合、前記低誘電率物質の誘電率をε２、基板１１の誘電率をεＬＮ、及び誘電体層１６の誘電率をε１とした場合において、εＬＮ＞ε１＞ε２なる関係を満足することが必要である。
【００２８】
凹部１８内を空洞の状態に保持する場合は、凹部１８内には空気が充填されていることになる。したがって、凹部１８の内部空間における誘電率は約１となり、十分に低誘電率化を達成することができる。
【００２９】
一方、凹部１８内に低誘電率物質を埋設する場合は、前記低誘電率物質の誘電率は空気の誘電率（１）よりも一般的には大きいため、凹部１８内を空洞に保持する場合に比較して低誘電率化の効果は低減する。しなしながら、光変調器１０自体の強度を増大させることができ、光変調器１０の強度及び安定性をより十分に確保できるようになる。
【００３０】
前記低誘電率物質としては、ガラス、エポキシ樹脂及びポリイミドを例示することができる。
【００３１】
なお、光導波路１２はチタン拡散法やプロトン交換法などの公知の方法を用いて形成することができる。また、信号電極１３及び接地電極１４は、金、銀、銅などの材料からメッキ法及び蒸着法などを併用することによって形成することができる。また、支持基板１７は、好ましくは基板１１及び低誘電率層１６の線膨張係数と近接した線膨張係数を有する材料から形成する。
【実施例】
【００３２】
（実施例）
本実施例においては、図１及び図２に示すような光変調器を作製した。基板１１としてＸカットのニオブ酸リチウム単結晶（図２、Ｘ方向ＬＮ誘電率εＬＮx=２８、Ｙ方向ＬＮ誘電率εＬＮy=４３）を用い、チタン拡散法により光導波路１２を形成するとともに、メッキ法及び蒸着法を併用することにより、信号電極１３及び接地電極１４を形成し、光変調素子１５を作製した。なお、これら電極の高さｈは２０μｍとし、信号電極１３の幅ｄは３０μｍとし、信号電極１３及び接地電極１４のギャップｇは３０μｍとした。
【００３３】
次いで、基板１１の裏面１１Ｂ側に、エポキシ樹脂からなるシート状部材（誘電率ε１＝３．８）を貼り付けて誘電体層１６を形成し、光変調素子１５の変調領域に位置する領域に凹部１８を有するニオブ酸リチウムからなる支持基板１７を形成し、光変調器１０を作製した。なお、凹部１８内は空洞の状態（誘電率εＳ＝１）で保持した。
【００３４】
上述のようにして得た光変調器１０においては、基板１１の厚さを１０μｍ、誘電体層１６の厚さを５μｍ、凹部１８の幅Wを５００μｍ、及び凹部１８の深さＤを５００μｍとすることによって、速度整合及びインピーダンス整合を実現できた。
【００３５】
（比較例）
支持基板内に凹部を設けない以外は、実施例と同様にして光変調器を作製した。この場合においては、基板１１の厚さを０．３μｍ、並びに低誘電率層１６の厚さを５μｍとした場合において、速度整合及びインピーダンス整合を実現することができた。
【００３６】
以上、実施例及び比較例から明らかなように、本発明の光変調器においては、基板１１の厚さを十分に大きくした場合においても、速度整合及びインピーダンス整合が実現できることが分かる。すなわち、本発明によれば、光変調器の強度及び安定性をより十分に確保した上で、速度整合及びインピーダンス整合を実現できることが分かる。また、基板１１の厚さが比較的大きいために加工が容易となり、目的とする光変調器を簡易に作製することができるようになる。
【００３７】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲において、あらゆる変更や変形が可能である。例えば、上記実施例においては、ＣＰＷ型の変調電極を配置しているが、ＡＣＰＳ型の変調電極を配置することもできる。また、基板１１には、耐光損傷性を向上させるべく、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、及びＩｎなどの元素を添加することができる。さらに、基板１１と信号電極１３及び接地電極１４との間にバッファ層を設けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の光変調器の一例を示す平面図である。
【図２】図１に示す光変調器のＡ−Ａ線に沿って切った断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  光変調器、１１  基板、１２  光導波路、１３  信号電極、１４  接地電極、１５  光変調素子、１６  誘電体層、１７  支持基板、１８  凹部
【図１】
2004233976.tif 000003
【図２】
2004233976.tif 000004