(57)【要約】【課題】光導波路デバイスの電極のフィードスルー部において、外部コネクタピンとの特性インピーダンス整合を図りつつ、電極部での構造分散を小さくし、浮遊インダクタンスおよび浮遊容量を低減できるような構造を提供する。【解決手段】光導波路デバイス１Ａは、光導波路基板２２と保持基体１０とを備えている。光導波路基板２２は、電気光学材料からなり、一方の主面と他方の主面とを備えている基板本体２、本体２に形成されている光導波路３ａ、３ｂ、および本体２の一方の主面２ａ側に設けられた電極４Ｂ、４Ｃを備えている。保持基体１０が本体２の他方の主面２ｂ側に接合されている。電極がフィードスルー部を備えている。少なくともこのフィードスルー部において本体２の他方の主面２ｂ下に低誘電率部分７が設けられている。【選択図】　　　　　　　　　　　　　　図３
2004070136.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学材料からなり、一方の主面と他方の主面とを備えている基板本体、この基板本体に形成されている光導波路、および前記基板本体の前記一方の主面側に設けられた電極を備えている光導波路基板と、この光導波路基板を保持する保持基体とを備える光導波路デバイスであって、
前記保持基体が前記基板本体の前記他方の主面側に接合されており、前記電極がフィードスルー部を備えており、少なくともこのフィードスルー部において前記基板本体の前記他方の主面下に低誘電率部分が設けられていることを特徴とする、光導波路デバイス。
【請求項２】
前記低誘電率部分の少なくとも一部が、前記電気光学材料の比誘電率よりも低い比誘電率を有する材料からなることを特徴とする、請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
前記他方の主面の前記光導波路に対応する領域が、空隙または固形の低誘電率材料に面していることを特徴とする、請求項１または２記載のデバイス。
【請求項４】
前記低誘電率部分が、前記保持基体と前記基板本体の前記他方の主面とを接合する接合層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デバイス。
【請求項５】
前記接合層の厚さが５μｍ以上であることを特徴とする、請求項４記載のデバイス。
【請求項６】
前記低誘電率部分が、前記保持基体と前記基板本体の前記他方の主面との間に介在する樹脂シートであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記樹脂シートの厚さが５μｍ以上であることを特徴とする、請求項６記載のデバイス。
【請求項８】
前記基板本体の厚さが、前記光導波路の領域において１００μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つの請求項に記載のデバイス。
【請求項９】
前記光導波路基板の前記他方の主面側に凹部が形成さ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デバイス。
【請求項１０】
前記基板本体が、前記凹部に面する第一の肉薄部分と、前記凹部に面し、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９記載のデバイス。
【請求項１１】
少なくとも前記フィードスルー部において前記保持基体の表面に導電層が設けられていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一つの請求項に記載のデバイス。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一つの請求項に記載のデバイスを備えている進行波形光変調器であって、前記光導波路中を伝搬する光を変調するための電圧を前記電極によって印加することを特徴とする、進行波形光変調器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路デバイスおよび進行波形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】速度不整合について、更に説明する。進行波形電極においては、光導波路中を進行する光と、電極中を伝搬する電気信号（マイクロ波）との速度は、大きく異なっている。結晶中を伝搬する光の速度をＶ０とし、マイクロ波の速度をＶｍとする。例えば、プレーナ型電極を有するＬｉＮｂＯ３光変調器の場合には、次のようになる。まず、ＬｉＮｂＯ３単結晶の光の実効屈折率は２．１５であり、光導波路中を進行する光の速度は、これに反比例する。一方、マイクロ波の実効屈折率は、導体近傍の誘電率の平方根によって与えられる。ＬｉＮｂＯ３単結晶の誘電率は、一軸性であり、Ｚ軸方向が２８、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向が４３である。従って、誘電率が１である空気の影響を考慮しても、従来の構造のＬｉＮｂＯ３　光変調器におけるマイクロ波の実効屈折率は約４となり、２．１５の約１．９倍になる。従って、光波の速度はマイクロ波の速度よりも約１．９倍大きい。
【０００４】光変調帯域幅ｆｍないし変調速度の上限は、光波とマイクロ波との速度差の逆数に比例する。即ち、ｆｍ＝１／（Ｖ０−Ｖｍ）が成立する。従って、電極損失を０と仮定すると、帯域幅ｆｍ×電極長ｌ＝９．２ＧＨｚ・ｃｍが限界となる。実際に、電極長ｌ＝２．５ｍｍの光変調器において、ｆｍ＝４０ＧＨｚという値が報告されている。この動作速度の限界による影響は、電極が長いほど、顕著になる。従って、広帯域であって、高能率特性を有する光変調器の実現が強く望まれている。
【０００５】信号マイクロ波と光波の速度整合を取る方法としては、光導波路基板の厚さを例えば１０μｍと薄くすることが考えられる。
【０００６】本出願人は、特開平１０−１３３１５９号公報において、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。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】高速光変調器の電極の高周波取り出し部（フィードスルー部）は、コネクタピンとの接続を図るために、一般に変調部より中心電極幅を広げた構造となっている。このため、５０Ω系に特性インピーダンス整合を図るためには、接地電極と中心電極とのギャップを広くする必要がある。しかし、電極間ギャップを広くすると、電極部での構造分散が大きくなる。また、光変調器側の電極間ギャップが、接続するべきコネクタピンの電極間ギャップと大きく異なるために、浮遊インダクタンスおよび浮遊容量が大きくなる。この結果、電極の高周波特性劣化を引き起こす。
【０００８】本発明の課題は、光導波路デバイスの電極のフィードスルー部において、外部コネクタピンとの特性インピーダンス整合を図りつつ、電極部での構造分散を小さくし、浮遊インダクタンスおよび浮遊容量を低減できるよう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、一方の主面と他方の主面とを備えている基板本体、この基板本体に形成されている光導波路、および基板本体の一方の主面側に設けられた電極を備えている光導波路基板と、この光導波路基板を保持する保持基体とを備える光導波路デバイスであって、保持基体が基板本体の他方の主面側に接合されており、電極がフィードスルー部を備えており、少なくともこのフィードスルー部において基板本体の他方の主面下に低誘電率部分が設けられていることを特徴とする。
【００１０】少なくともフィードスルー部において基板本体の他方の主面下に低誘電率部分を設けることによって、電極間ギャップをあまり広くすることなく、インピーダンスマッチングを行うことができる。この結果、電極の構造分散を抑えることができる。また、光変調器側の電極間ギャップと、接続するべきコネクタピンの電極間ギャップとの差を小さくできることから、浮遊インダクタンスおよび浮遊容量を低減可能である。
【００１１】以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る光変調器１Ａを概略的に示す平面図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図であり、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【００１２】光変調器１Ａは、光導波路基板２２と保持基体１０とを備えている。基板本体２、保持基体１０は共に平板形状をしている。基板本体２の一方の主面２ａ上には所定の電極４Ａ、４Ｂ、４Ｃが形成されている。本例では、４Ａ、４Ｃが接地電極であり、４Ｂが中心電極である。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が、電極の配置形態は特に限定されない。本発明は、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）　型の電極配置にも適用できる。また、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できる。
【００１３】また、本例では、接地電極４Ａと中心電極４Ｂとの間、および中心電極４Ｂと接地電極４Ｃとの間に、それぞれ光導波路３の分岐部分３ａ、３ｂが形成されており、各分岐部分３ａ、３ｂ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。光導波路３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。
【００１４】基板本体２の他方の主面２ｂと保持基体１０の表面１０ａとは、互いに接合層７によって接合されている。本例においては、接合層７が、ある程度の厚みを有しており、これによって接合層７の内側に空隙部６が形成されている。
【００１５】光導波路基板２２の電極には一対のフィードスルー部Ａ、Ｂが設けられている。各フィードスルー部Ａ、Ｂにおいて、各接地電極および中心電極が、外部のコネクタピンに対して接続される。ここで、コネクタピンにおける特性インピーダンスが所定値、例えば５０Ωに規定されていることから、各フィードスルー部における電極の特性インピーダンスも所定値に規格化する必要がある。このためには、中心電極４Ｂの接続部８Ａ、８Ｂの幅を大きくし、また接地電極と中心電極とのギャップ９Ａ、９Ｂを大きくすることが必要である。この結果、電極の構造分散が大きくなり、またコネクタピンにおける電極間ギャップとの差も大きくなる。
【００１６】ここで、少なくともフィードスルー部Ａ、Ｂの領域において、基板本体２の他方の主面２ｂと保持基体１０との間に低誘電率部分を設ける必要がある。本例においては、接合層７の全体を低誘電率材料によって形成する。これによって、フィードスルー部Ａ、Ｂの領域において、基板本体２の他方の主面２ｂと保持基体１０との間に低誘電率部分を設けている。
【００１７】こうした構造によれば、電極間ギャップが同じであっても、各フィードスルー部Ａ、Ｂにおいて、高周波電極の特性インピーダンスを上昇させることができ、特性インピーダンスの整合が容易になる。従って、電極間ギャップをあまり広くすることなく、インピーダンス整合をとることができる。この結果、電極の構造分散を抑えることができる。また、光変調器側の電極間ギャップと、接続するべきコネクタピンの電極間ギャップとの差を小さくできることから、浮遊インダクタンスおよび浮遊容量を低減可能である。
【００１８】光導波路基板を構成する基板本体は、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。
【００１９】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。
【００２０】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、電気光学単結晶の比誘電率よりも低い比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。
【００２１】基板本体の線熱膨張係数と保持基体の線熱膨張係数との差を±５０％以下とすることによって、環境温度が変化したときの光変調の度合いの変化を抑制することができる。この場合には、基板本体の材質と保持基体の材質とは、同種であってもよく、異種であってもよい。
【００２２】また、保持基体を、光導波路基板の電気光学単結晶の比誘電率と異なる比誘電率を有する材質によって形成することができる。この場合には、保持基体を、基板本体を構成する単結晶と同種の単結晶によって形成することが特に好ましい。
【００２３】保持基体を構成する材質、特に単結晶と、基板本体を構成する材質、特に単結晶とが同種のものであるとは、基本組成（例えば全体の８０ｍｏｌ％以上を占める基本組成）が同一であれば足り、他の添加成分には異同があってもよい。
【００２４】基板本体の表面（一方の主面）と電極との間にはバッファ層を設けることができる。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。
【００２５】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。
【００２６】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３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。
【００２７】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。
【００２８】本発明において、少なくともフィードスルー部下に設ける低誘電率部分とは、基板本体を構成する電気光学材料の比誘電率よりも低い比誘電率を有する部分を意味する。（低誘電率部分の比誘電率）／（基板本体を構成する電気光学材料の比誘電率）は、１／３以下であることが好ましく、１／１０以下であることが更に好ましい。
【００２９】低誘電率部分は空隙であってよい。また、低誘電率部分は、基板本体を構成する電気光学材料の比誘電率よりも低い比誘電率を有する固形材料からなっていてよい。
【００３０】好適な実施形態においては、基板本体の他方の主面の光導波路に対応する領域が、空隙または低誘電率材料に面している。これによって、高速光変調時の速度整合を実現することができる。例えば、図１〜図３の例では、基板本体２の他方の主面２ｂの光導波路３ａ、３ｂに対応する領域が、空隙６に面している。この空隙６の一部または全部に低誘電率材料を充填することができる。ここで言う低誘電率材料とは、基板本体２を構成する電気光学材料の比誘電率よりも低い比誘電率を有する材料のことである。（低誘電率材料の比誘電率）／（基板本体を構成する材質の比誘電率）は、１／３以下であることが好ましく、１／１０以下であることが更に好ましい。
【００３１】本発明においては、少なくともフィードスルー部Ａ、Ｂ下において、基板本体２と保持基体１０との間に低誘電率部分を設ける。
【００３２】基板本体２下において、フィードスルー部Ａ、Ｂ以外の領域には、低誘電率部分を設けることもできるが、必ずしもその必要はない。フィードスルー部Ａ、Ｂ以外の領域、例えば二つのフィードスルー部ＡとＢとの間の領域Ｃ（図１）においても、基板本体２下に低誘電率部分を設けることができる。また、領域Ａ、Ｂ以外の領域、更にＣ以外の領域にも低誘電率部分を設けることができる。しかし、領域Ａ、Ｂ以外においては、基板本体と保持基体との間に、基板本体を構成する低誘電率材料の比誘電率以上の比誘電率を有する材料を設けることもできる。このような材料としては、アルミナ、窒化アルミ、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ガリウムヒ素、酸化シリコンを例示できる。
【００３３】更に、保持基体の全体を低誘電率材料によって形成することができる。この場合にも、保持基体が、フィードスルー部において低誘電率部分として働く。
【００３４】好適な実施形態においては、保持基体と基板本体の他方の主面とを接合する接合層を設け、接合層の内側に空隙を設ける。あるいは空隙の一部または全部に低誘電率材料を充填することができる。例えば図１の例では、接合層７の内側に空隙６を設けている。これによる作用効果を以下に述べる。
【００３５】本発明者は、進行波形光変調器の製造プロセスを研究する過程において、特開平１０−１３３１５９号公報記載のように光導波路基板の他方の主面側に凹部を加工によって形成し、例えば厚さ１０μｍ以下の肉薄部分を設けることを試みていたが、次の問題点があることを発見した。図１３にこうした基板１６を概略的に示す。この基板１６の他方の主面１６ｂ側から、例えばレーザー加工や研削加工によって深い凹部１７を形成する。加工前の基板の厚さは例えば０．３ｍｍであり、肉薄部分１６ｃの厚さは例えば１０μｍである。基板１６に肉厚部分１６ａを残すことによって、基板の強度を保持する。１６ｄは加工面である。
【００３６】現実の加工プロセスにおいては、図１３に示すような理想的な形状に加工することは難しい。例えばレーザー加工によって凹部１７を形成しようとすると、レンズの焦点がずれてしまうために、凹部１７が深くなるのにつれて、加工面１６ｄが湾曲し、丸みを帯びてくる。このため、肉薄部分１６ｃの厚さを一定に保つことができず、肉薄部分１６ｃの中央部分は肉薄部分の端に比べてかなり薄くなる。この結果、充分に広い面積にわたって肉薄部分１６ｃの厚さを規定値、例えば１０μｍにしようと試みると、実質的にこの厚さと等価とするには、肉薄部分１６ｃの中央が著しく薄くなり、１６ｅのように破壊する。砥石を用いて研削加工を試みても、これと同様の問題点が生ずる。
【００３７】これに対して、前記実施形態においては、デバイス全体の強度付与を別体の保持基体によって担うことができ、光導波路基板を保持基体に対して接合することで光導波路基板の取り扱いに充分な強度を付与することができる。この結果、光導波路基板の方は、強度付与のための肉厚部分を設ける必要がないので、基板本体を全体に薄くできる。これと共に、接合層の内側に空隙ないし低誘電率材料を設けることによって、電極を伝搬するマイクロ波の伝搬速度を向上させることができる。従って、デバイス全体に取り扱いに耐える強度を付与することができ、かつ光導波路基板の反りを防止できる。また、光導波路基板の肉薄部分の加工に伴うクラック、破壊による不良品を抑制できる。そして、光導波路基板を薄くし、かつ電極に印加される信号波の伝搬速度を速くできる。
【００３８】例えば、図１〜図３に示すデバイス１Ａによれば、デバイス全体の強度は、比較的に肉厚な保持基体１０によって主として保持できるので、デバイス全体に取り扱い可能な強度を付与でき、かつ基板本体２の反りも生じない。これと共に、基板本体２は比較的に薄くできるのと共に、接合層７を厚くすることによって、電極を伝搬するマイクロ波の伝搬速度を大きくすることができる。基板本体２の厚さｔｗが小さく（薄く）なるほど、マイクロ波の伝搬速度は大きくなる。また、空隙６の深さ（Ｔｙ）が大きくなるほど、マイクロ波の伝搬速度は大きくなる。
【００３９】更に、ここで重要なことは、保持基体１０の空隙６への露出面１０ｃの形状がどのようになっていようと、光導波路を伝搬する光波や、電極を伝搬するマイクロ波信号に対しては、ほとんど影響を与えないことである。なぜなら、露出面１０ａは、光導波路３ａ、３ｂや電極４Ａ−４Ｃとは離れているからである。従って、露出面１０ａの形状が湾曲形状になったり、あるいは保持基体１０の厚さが一定になっていなくとも、光の変調に対しては影響はほとんどない。
【００４０】一方、図１３に示したように、光導波路基板の裏面側に凹部を形成した場合には、凹部の内壁面の形状が湾曲したり、肉薄部分の厚さが不均一になったりすると、光導波路を伝搬する光波や電極を伝搬するマイクロ波信号に対して影響を及ぼす。
【００４１】好適な実施形態においては、フィードスルー部下の前記低誘電率部分が、保持基体と基板本体の他方の主面とを接合する接合層として機能する。
【００４２】また、好適な実施形態においては、フィードスルー部下の低誘電率部分が、保持基体と基板本体の他方の主面との間に介在する樹脂シートである。
【００４３】接合層の材質は特に限定されないが、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接着剤、例えば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。
【００４４】樹脂シートは特に限定されないが、厚さ３００μｍ以下のフィルム樹脂が適当であり、具体的に日立化成製のＴ−２０００、日清紡製カルボジライトフィルム、ナガセケムテック製Ａ−１４００，Ａ−１５００、Ａ−１６００を例示できる。
【００４５】接合層の厚さ、樹脂シートの厚さは、光導波路下の空隙または低誘電率材料の厚さを大きくして変調速度を向上させるという観点からは、５μｍ以上であることが好ましい。
また、低誘電率層として用いる好適な低誘電体材料としては、高周波変調信号の伝搬損失を低減する観点から低誘電体損（低ｔａｎδ）を有する材料を用いることが望ましい。このような低誘電率、低誘電体損の材質としてはテフロン、アクリル系接着剤が例示できる。
【００４６】また、他の低誘電率材料としては、ガラス系接着剤。エポキシ系接着剤。半導体製造用層間絶縁体。ポリイミド樹脂を例示できる。
【００４７】好適な実施形態においては、少なくともフィードスルー部において保持基体表面に導電層を設ける。図４、図５は、この実施形態に係るデバイス１Ｂを示す。図４は、図１のＩＶ線−ＩＶ線断面に対応しており、図５は、図１のＶ−Ｖ線断面に対応している。本例においては、保持基体１０の表面１０ａを被覆するように導電層２３が形成されている。
【００４８】このように保持基体１０の表面を被覆するように導電層２３を設けることによって、空洞共振モードを光変調器の変調周波数から外すことが可能である。しかし、特にフィードスルー部においては、導電層２３により、特性インピーダンスが非常に小さくなってしまうことがある。しかし、本発明を用いて低誘電率層７を挿入し、低誘電率層７と保持基体１０との間に導電層２３を設ければ、フィードスルー部においても特性インピーダンスを高く保持できる。これと共に、空洞共振モードを抑圧することが可能である。
【００４９】導電層２３の材質としては、金、銅、銀、白金、アモルファスシリコン、アルミ、チタンを例示できる。
【００５０】導電層２３の厚さは、空洞共振を抑制するという観点からは、１ｎｍ以上であることが好ましい。
【００５１】以下、基板本体と保持基体とを接合層によって接合し、接合層の内側に空隙および／または低誘電率材料を設ける例について図示する。図６、図７、図８、図９は、それぞれ、光導波路デバイス１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆを概略的に示す断面図である。図６〜図９において、図１〜３に示した構成部分には同じ符号を付け、その説明を省略する。
【００５２】図６のデバイス１Ｃの光導波路基板２２においては、基板本体２Ａの他方の主面２ｂ側には凹部２ｅが形成されており、凹部２ｅに対して、２つの第二の肉薄部分２ｄと１つの第一の肉薄部分２ｆとが面している。２ｆは一対の肉薄部分２ｄによって挟まれている。各肉薄部分２ｄの外側には、２ｆよりも厚さの大きい基部２ｃが設けられている。
【００５３】本例では、保持基体１０は略平板形状をしており、保持基体１０中には空隙部分ないし低誘電率部分は設けられていない。保持基体１０の平坦な表面１０ａが、厚さｔｙの接合層７によって、基板本体２Ａの接合面２ｂに対して接合されている。７ａ、７ｂは接合層７の接合面である。この結果、基板本体２Ａの他方の主面２ｂと、保持基体１０の平坦面１０ａとの間には、接合層７によって挟まれた空隙部分６が形成され、接合層７の内側面７ｃが空隙部分６に面する。
【００５４】このように、接合層７の内側に空隙部分６を設け、あるいは空隙６の一部または全部に低誘電率材料を充填することによって、前述したような高速変調が可能となる。
【００５５】図７の変調器１Ｄにおいては、凹部２ｅに対して、２つの第二の肉薄部分２ｄと１つの第一の肉薄部分２ｆとが面している。２ｆは一対の肉薄部分２ｄによって挟まれている。各肉薄部分２ｄの外側には、２ｆとほぼ同じ厚さの基部２ｇが設けられている。
【００５６】好適な実施形態においては、保持基体に低誘電率部分を設けるのと同時に、接合層の内側にも低誘電率部分を設けることができる。図８は、こうした実施形態に係るものである。
【００５７】図８のデバイス１Ｅの光導波路基板は、図７に示した光導波路基板と同様のものである。本例では、保持基体１１に凹部１１ｃが形成されている。保持基体１１は、平板状部１１ａと、平板状部１１ａから突出する側壁部１１ｂとを備えており、側壁部１１ｂの内側が凹部１１ｃになっている。保持基体１１の一方の主面１１ｄが接合層７の接合面７ｂに接合されており、接合層７の接合面７ａが基板本体２Ｂの裏面２ｂに接合されている。
【００５８】本例では、保持基板１１に形成された空隙部分１２、接合層７の内側に形成された空隙部分６、および基板本体２Ｂの他方の主面２ｂ側に形成された凹部２ｅが連続し、一体の空隙部分を形成している。
【００５９】図９のデバイス１Ｆにおいては、保持基体１０の表面１０ａに凹面１０ｃが設けられている。この凹面は、好ましくは滑らかな湾曲面である。
【００６０】光波とマイクロ波との速度整合を容易とするという観点からは、光導波路の領域において、低誘電率部分の厚さの合計値Ｔａを５μｍ以上とすることが好ましく、３０μｍ以上とすることが一層好ましい。
【００６１】また、保持基体内における低誘電率部分の厚さｄ、接合層の厚さｔｙは、Ｔａの目標値に合わせて決定する。ただし、接合層の内側の低誘電率部分の高速変調への寄与を得るためには、ｔｙが５μｍ以上であることが好ましい。
【００６２】光波とマイクロ波との速度整合を容易とするという観点からは、低誘電率部分の幅Ｗａを５μｍ以上とすることが好ましく、１００μｍ以上とすることが一層好ましい。
【００６３】好適な実施形態においては、基板本体が、凹部に面する相対的に厚さの大きい第一の肉薄部分と、凹部に面する相対的に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６、７、８、９参照）。
【００６４】例えば１０ＧＨｚ以上の電気信号で動作する進行波形光変調器において速度整合を達成するためには、基板本体の肉薄部分の厚さを１０μｍ程度まで薄くすることが一般的に必要である。しかし、肉薄部分の上と下とには通常は大気が接触しており、大気の屈折率は電気光学結晶の屈折率よりもはるかに低い。この結果、薄肉部分の厚さが１０μｍ近辺になると、光導波路を伝搬する光ビームの断面形態が偏平化する傾向があった。一方、進行波形光変調器と結合される外部の光ファイバー内を伝搬する光ビームの形態は、ほぼ真円形状である。このため、光ファイバー内を伝搬する光ビームの強度分布と進行波形光変調器内の光導波路を伝搬する光ビームの強度分布との不一致が大きくなるので、光エネルギーが有効に伝搬されず、結合損失となるおそれがある。
【００６５】これに対して、基板本体２に、凹部２ｅに面する相対的に厚さの大きい第一の肉薄部分２ｆと、凹部２ｅに面する相対的に厚さの小さい第二の肉薄部分２ｄとを設け、光導波路を第一の肉薄部分２ｆに設けることによって、このような結合損失を一層低減できる。
【００６６】第一の肉薄部分２ｆの厚さｔｗは、マイクロ波の実効屈折率ｎｍを顕著に低減するという観点からは１００μｍ以下であることが好ましく、２０μｍ以下が更に好ましい。第一の肉薄部分２ｆの厚さｔｗは、光導波路を伝搬する光ビームの偏平化を防止し、更に機械強度を保持するという観点からは、１μｍ以上が好ましい。
【００６７】第二の肉薄部分２ｄの厚さｔｎは、マイクロ波の実効屈折率ｎｍを顕著に低減するという観点からは、第一の肉薄部分２ｆの厚さｔｗ未満であることが好ましく、１２．５μｍ以下であることが更に好ましく、１０μｍ以下であることが一層好ましい。
【００６８】本発明においては、保持基体の全体が低誘電率材料からなっていてもよい。この場合には、当然、フィードスルー部の直下にも低誘電率部分が存在することになる。
【００６９】図１０は、この実施形態に係るデバイス１Ｇを概略的に示す断面図である。本例の保持基体１５の全体が低誘電率材料からなる。保持基体１５の主面１５ａに対して、図示しない接着剤によって基板本体２の他方の主面２ｂが接着されている。
【００７０】図１１に示すデバイス１Ｈにおいては、保持基体２０の表面２０ａ上に、低誘電率層２１を介して基板本体２が接合されている。低誘電率層２１は、基板本体２の他方の主面２ｂのほぼ全面にわたって接合されており、前述のような空隙は形成されていない。
【００７１】図１２に示すデバイス１Ｊにおいては、保持基体１８が、平板状部１８ａと、平板状部１８ａから突出する突起１８ｂとを備えている。突起１８ｂの表面１８ｃに対して基板本体２の他方の主面２ｂが接合されている。また、平板状部１８ａの表面１８ｄと基板本体２の他方の主面２ｂとの間には、低誘電率層１９Ａ、１９Ｂが設けられている。低誘電率層１９Ａ、１９Ｂは、前述のような低誘電率材料からなる。そして、特に低誘電率層１９Ａは、フィードスルー部Ａ、Ｂの直下において、基板本体２の他方の主面２ｂ側に存在しており、フィードスルー部における電極の特性インピーダンスの向上に寄与する。
【００７２】好適な実施形態においては、基板本体の厚さｔｗが、光導波路の領域において５０μｍ以下である。これによって、光波とマイクロ波との速度整合をとることが一層容易となる。この観点からは、ｔｗを２０μｍ以下とすることが更に好ましい。
【００７３】また、光導波路の領域における基板本体の厚さｔｗは、基板本体の割れやクラックを防止するという観点からは、５μｍ以上であることが好ましい。
【００７４】また、好適な実施形態においては、基板本体の最大厚さｔｍａｘが５００μｍ以下であり、特に好ましくは１００μｍ以下である。即ち、本発明においては、前述のように、保持基体に主としてデバイスの強度保持機能を担わせることができる。従って、ｔｍａｘを小さくしてもデバイスの強度の観点からは問題ない。その上で、光導波路基板の最大厚さｔｍａｘを小さくすることによって、ｔｗも小さくすることが容易になる。なぜなら、基板本体の厚さが全体として一定であれば、ｔｍａｘはｔｗと等しくなるからである。また、基板本体に凹部を形成することによってｔｗを小さくしている場合には、ｔｍａｘが大きいと前述のような加工上の問題が生ずる。しかし、ｔｍａｘを小さくすれば、つまり最初から比較的に薄い基板本体を使用すれば、前述のような加工による問題が生じにくい。
【００７５】基板本体の最大厚さｔｍａｘは、基板本体を取り扱う際における基板本体の割れやクラックを防止するという観点からは、１０μｍ以上とすることが好ましい。
【００７６】
【実施例】図９に示す形態の光変調器１Ｆを製造した。ただし、その平面形状は図１のとおりであり、フィードスルー部の形態は図３に示すとおりである。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３を形成した。光導波路３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。
【００７７】ニオブ酸リチウム単結晶からなる保持基体１０を準備した。基板本体２と保持基体１０との間に、厚さ６０μｍ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７を生成させ、基板本体２と保持基体１０とを接着した。この際、接合層７の内側には樹脂が流入しないようにした。空隙６の幅Ｗａは約３００μｍである。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１Ｆに分割した。各チップの光導波路の端面を光学研磨した。
【００７８】１．５μｍシングルモード光ファイバーを保持した単芯ファイバーアレイを作製し、これを進行波形光変調器チップ１Ｆに結合し、光ファイバーと光導波路とを調芯し、紫外線硬化型樹脂によって接着した。ベクトルネットワークアナライザによりマイクロ波特性を測定した結果、マイクロ波屈折率は２．１５と良好な性能が得られた。
【００７９】次に、有限要素法（ＦＥＭ）　を用いた数値計算による実施例を示す。図２の素子形状において、フィードスルー部に低誘電率層７がない場合および低誘電率層の厚さを変更した場合について、計算結果を図１４に示す。基板本体はニオブ酸リチウム単結晶によって形成することとする。
【００８０】図１４から分かるように、フィードスルー部において低誘電率層がない場合には、基板本体２Ａの厚さを１５μｍとし、中心電極幅を１００　μｍ　とすると、５０Ωにインピーダンスマッチングさせるためには、フィードスルー部における電極間ギャップは５００　μｍ　程度も必要となる。この結果、電極のマイクロ波特性が劣化することが容易に予測される。
【００８１】一方、フィードスルー部において低誘電率層を設けた場合には、比誘電率４．０の低誘電率層の厚さを５０μｍとすると，電極間ギャップ１２０　μｍ　で特性インピーダンス５０Ωとなる。つまり、比較例に比べて著しく電極間ギャップを小さくしても、フィードスルー部における特性インピーダンス整合が可能になった。
【００８２】また、図２の素子形状において、フィードスルー部に低誘電率層７がない場合および低誘電率層７の比誘電率を変更した場合について、計算結果を図１４に示す。基板本体２Ａの厚さを１５μｍとし、中心電極幅を１００　μｍ　とすると、５０Ωにインピーダンスマッチングさせるためには、フィードスルー部における電極間ギャップは５００　μｍ　程度も必要となる。
【００８３】一方、フィードスルー部において厚さ１００μｍの低誘電率層を設け、その比誘電率を変更した場合には、図１５に示す結果が得られた。低誘電率層の比誘電率を低くすることで、特性インピーダンスが５０Ωとなる電極間ギャップを著しく低減できることが分かる。
【００８４】このように、低誘電率層の厚さ、比誘電率を変えれば、フィードスルー部における特性インピーダンスも変化する。以上から、低誘電率層の厚さおよび比誘電率とを調整することで、外部接続コネクタの電極間ギャップにあわせることが可能であり、良好な高周波特性をもったフィードスルー部を実現可能である。
【００８５】次に、図２のデバイスについて、保持基体１０の表面１０ａに導電層２３を設けた場合について、計算を行った。基板本体の材質はニオブ酸リチウムとする。低誘電率層を設けず、基板本体下に基板下に導電層を直接設けた場合、中心電極幅１００　μｍ　、電極間ギャップ１２０　μｍ　、変調器を構成する基板本体の厚さを１５μｍ　とすると、特性インピーダンスは１７Ωと非常に低くなってしまう。この場合、電極間ギャップを広げたとしても、導電層がＧＮＤ　の様に振る舞うために、インピーダンスを５０Ωまで上げることは不可能である。
【００８６】一方、図９に示すように、導電層と基板本体２Ａとの間に、比誘電率４．０の低誘電率層７（厚さ３０μｍ）を挿入すると、フィードスルー部における特性インピーダンスはほぼ５０Ωとなる。従って、導電層によって基板の空洞共振を抑圧した状態で、特性インピーダンスを整合させることが可能となる。
【００８７】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、光導波路デバイスの電極のフィードスルー部において、外部コネクタピンとの特性インピーダンス整合を図りつつ、電極部での構造分散を小さくし、浮遊インダクタンスおよび浮遊容量を低減できるような構造を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る光導波路デバイス１Ａを概略的に示す平面図である。
【図２】図１のデバイス１ＡのＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図１のデバイス１ＡのＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】他の実施形態に係るデバイス１Ｂを示す断面図であり、図１のＩＶ−ＩＶ線断面に対応する。保持基体１０の表面１０ａに導電層２３が形成されている。
【図５】他の実施形態に係るデバイス１Ｂを示す断面図であり、図１のＶ−Ｖ線断面に対応する。
【図６】更に他の実施形態に係るデバイス１Ｃを概略的に示す断面図であり、接合層７の内側に空隙６が形成されている。
【図７】更に他の実施形態に係るデバイス１Ｄを概略的に示す断面図であり、接合層７の内側に空隙６が形成されている。
【図８】更に他の実施形態に係るデバイス１Ｅを概略的に示す断面図であり、接合層７の内側に空隙６が形成されており、かつ保持基体１１に凹部１１ｃが形成されている。
【図９】更に他の実施形態に係るデバイス１Ｆを概略的に示す断面図であり、接合層７の内側に空隙６が形成されており、保持基体１０の表面に凹面１０ｃが形成されている。
【図１０】更に他の実施形態に係るデバイス１Ｇを概略的に示す断面図であり、保持基体１５の全体が低誘電率材料からなる。
【図１１】更に他の実施形態に係るデバイス１Ｈを概略的に示す断面図であり、保持基体２０と基板本体２とが低誘電率層２１によって接合されている。
【図１２】更に他の実施形態に係るデバイス１Ｊを概略的に示す断面図であり、保持基体１８と基板本体２とが光導波路領域において接合されており、フィードスルー部下には低誘電率層１９Ａが設けられている。
【図１３】従来の光導波路デバイス１６の形態を示す模式的断面図である。
【図１４】低誘電率層の厚さを変化させたときの、フィードスルー部における電極の特性インピーダンスの変化を示すグラフである。
【図１５】低誘電率層の比誘電率を変化させたときの、フィードスルー部における電極の特性インピーダンスの変化を示すグラフである。
【符号の説明】１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ、１Ｊ　光導波路デバイス　　　　２　基板本体　　　　２ａ　一方の主面　　　　２ｂ　他方の主面　　　　２ｃ、２ｇ　基部　　　　２ｄ　第二の肉薄部分　　　　２ｆ第一の肉薄部分　　　　３ａ、３ｂ　分岐型光導波路　　　　４Ａ、４Ｃ　接地電極　　　　４Ｂ　中心電極　　　　５Ａ、５Ｂ　電極間ギャップ
６　光導波路領域下の空隙　　　　７　接合層（低誘電率部分）　　　　８Ａ、８Ｂ　中心電極のコネクタピンとの接続部分　　　　９Ａ、９Ｂ　フィードスルー部における電極間ギャップ　　　　１０、１１、１８、２０　保持基体
１５　低誘電率材料からなる保持基体　　　　１９Ａ、１９Ｂ　２１　低誘電率層　　　　２２　光導波路基板　　　　２３　導電層　　　　Ａ、Ｂ　フィードスルー部
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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