(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対向する一対の主面を有し、電気光学効果を具える材料からなる基板と、
この基板の一方の主面側に形成された光導波路と、
前記基板の前記一方の主面上に形成され、前記光導波路を導波する光波を制御するための進行波型電極とを具えた光導波路素子であって、
前記進行波型電極の厚さは１０〜１００μｍであり、
前記進行波型電極の少なくとも一部は、金属層と誘電体層とが交互に積層されると共に、前記金属層と前記誘電体層との周期は１μｍ〜１０μｍの厚さであり、１周期に占める金属層の割合は５０〜９０％となる周期的多層構造であることを特徴とする、光導波路素子。
【請求項２】
前記進行波型電極は信号電極と接地電極とからなり、前記信号電極及び前記接地電極の少なくとも一方が、金属層及び誘電体層が交互に積層されてなる周期的多層構造から構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の光導波路素子。
【請求項３】
前記信号電極を、金属層及び誘電体層が交互に積層されてなる周期的多層構造から構成したことを特徴とする、請求項２に記載の光導波路素子。
【請求項４】
前記電気光学効果を具える材料は、ニオブ酸リチウムであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の光導波路素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光導波路素子に関し、さらに詳しくは、高速・大容量の光ファイバ通信システムの導波路型光変調器、位相変調器、及び偏波スクランブラなどに好適に用いることのできる光導波路素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の高速・大容量光ファイバ通信システムにおける進歩に伴い、広帯域特性及び低チャープ特性、並びに伝搬損失が小さいなどの理由から、従来のレーザダイオードの直接変調に代わって、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３  ：以下、ＬＮと略す場合がある）を用いた導波路型の外部変調器の実用化が進められている。そして、このような導波路型の光変調器においても、さらなる高速変調が求められており、このため、導波路型光変調器の広帯域化が要求されるようになってきている。
【０００３】
このような要求に答えるべく、特開平１−９１１１１号公報においては、基板の主面上に形成された光導波路中を導波する光波を変調するための変調用電極において、これらを構成する電極の厚さをこれら電極の間隔よりも大きくすることが記載されている。しかしながら、電極の厚さをある一定以上にすると、電極内部に発生した内部応力によって電極が基板から剥離してしまうという問題があった。
かかる問題に対処すべく、特開平９−２９７２８８号公報においては、変調用電極の所定の部分において基板面に平行な凸部を形成し、変調用電極の基板との密着性を向上させるとともに、変調用電極内部に発生した応力を緩和し、これによって、変調用電極の厚さが大きくなった場合においても基板から剥離しないようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平９−２９７２８８号公報に記載された方法では、変調用電極間にインピーダンス不整合が生じてしまう場合があった。このため、導波路型光変調器の広帯域化を目的として変調用電極を厚く形成しても、上記インピーダンス不整合によって、目的とする広帯域化を実現することができないでいた。
【０００５】
本発明は、変調用電極を厚く形成した場合においても基板から剥離することなく、変調周波数の広帯域化を達成して高速変調することが可能な光導波路素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明の光導波路素子は、相対向する一対の主面を有し、電気光学効果を具える材料からなる基板と、この基板の一方の主面側に形成された光導波路と、前記基板の前記一方の主面上に形成され、前記光導波路を導波する光波を制御するための進行波型電極とを具えた光導波路素子において、前記進行波型電極の厚さは１０〜１００μｍであり、前記進行波型電極の少なくとも一部を、金属層と誘電体層とが交互に積層されると共に、前記金属層と前記誘電体層との周期は１μｍ〜１０μｍの厚さであり、１周期に占める金属層の割合は５０〜９０％となる周期的多層構造から構成する。
【０００７】
従来のように単一層から進行波型電極を構成すると、電極作製時における応力又は光導波路素子の駆動時における熱などに起因して発生した応力は、ほとんど緩和されることなく前記電極内部に蓄積されていく。
これに対し、進行波型電極の少なくとも一部を上記のような周期的多層構造から構成すると、各層間の界面における伸縮作用によって電極内部に発生した応力が緩和されるようになる。したがって、電極作製時又は光導波路素子の駆動時における熱などに起因して発生した応力は、多層構造内の複数の界面においてほとんど完全に緩和されてしまう。
【０００８】
その結果、進行波型電極内部に応力はほとんど蓄積されず、進行波型電極を厚く形成した場合においても、この電極の少なくとも一部が多層構造から構成されている限り、その内部応力によって基板から剥離することはなくなる。このため、進行波型電極を厚く形成して光導波路素子の広帯域化を達成することができ、高速変調が可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面と関連させながら、発明の実施の形態に即して詳細に説明する。
図１は、本発明の光導波路素子の好ましい態様を示す断面図である。
図１に示す光導波路素子１０は、相対向する一対の主面１Ａ及び１Ｂを有し、電気光学効果を具える材料からなる基板１と、基板１の主面１Ａ側においてマッハツエンダー型光導波路の２本の分岐光導波路に相当する光導波路２−１及び２−２とを具えている。そして、基板１の主面１Ａ上にはバッファ層３が形成されるとともに、バッファ層３上には進行波型電極を構成する信号電極４及び接地電極５−１、５−２が形成されている。
信号電極４及び接地電極５−１、５−２は、それぞれ金属層６と誘電体層７とが、基板１の主面１Ａと垂直な方向に交互に積層された周期的積層構造をなしている。
【００１０】
一般に、進行波型電極は金属材料から構成されるので、この進行波型電極に印加される外部変調信号であるマイクロ波の周波数が増大してくると、電極を伝搬するマイクロ波の表皮効果が増大して実質的な抵抗が増す。したがって、マイクロ波伝搬損失が増大して変調帯域が狭くなってしまう。
これに対して進行波型電極を本発明にしたがって金属層と誘電体層との周期的多層構造にすると、金属層の表面積が増大する。したがって、マイクロ波の表皮効果が緩和されるため、マイクロ波伝搬損失は減少する。このため、高周波数のマイクロ波による変調が可能となるため、光導波路素子の変調帯域を拡大することができるものである。すなわち、上記目的に対して光導波路素子の広帯域化という追加の効果をも得ることができる。
【００１１】
図２は、図１に示す光導波路素子の変形例を示す断面図である。
図２に示す光導波路素子２０は、接地電極１５−１及び１５−２が単一層からなることを除き、図１に示す光導波路素子１０と同様の構成を呈している。
進行波型電極を構成する信号電極及び接地電極においては、それらを厚く形成した場合において、基板側（図１及び２においてはバッファ層３）と接触する面積が小さい信号電極の剥離する割合が増大する。また、周期的多層構造を作製するに当たっては、高精度な装置を用いたとしても高い再現性の元に製造することは困難である。
【００１２】
したがって、図２に示すように、進行波型電極を金属層と誘電体層とが交互に積層されてなる周期的多層構造から構成する場合においては、信号電極のみをこのような周期的多層構造から構成することによっても、本発明の目的を十分に達成することができる。
さらに、信号電極のみを周期的多層構造から構成することにより、電極作製の精度を向上させることができるだけでなく、マイクロ波の伝搬損失を低減させることができる。
【００１３】
図１及び２に示すような周期的多層構造から進行波型電極を構成する場合、金属層と誘電体層との周期Ｔ１は１μｍ〜１０μｍの厚さであることが好ましく、さらには３μｍ〜６μｍの厚さであることが好ましい。これによって、進行波型電極の内部応力を緩和して、この進行波型電極を厚く形成することができるとともに、金属層の表面積を増大させてマイクロ波誘電損失を低減することができる。したがって、より高い周波数のマイクロ波での変調が可能となり、光導波路素子の広帯域化をさらに増大させることができる。
【００１４】
また、上記１周期に占める金属層の割合は、５０〜９０％であることが好ましい。これによって、マイクロ波の伝搬損失を増大させることなく、上述した広帯域化を達成することができる。
なお、本発明における厚い進行波型電極とは１０μｍ〜１００μｍ程度の厚さのものをいう。したがって、進行波型電極を周期的多層構造から構成する場合、金属層と誘電体層とを２〜１０周期分積層して形成する。
【００１５】
図３は、図１に示す光導波路素子の他の変形例を示す断面図である。
図３に示す光導波路素子３０は、進行波型電極を構成する信号電極２４及び接地電極２５−１、２５−２が、基板１の主面１Ａと平行な方向に金属層２６及び誘電体層２７が積層された周期的多層構造を呈する点で、図１に示す光導波路素子１０と相違している。
【００１６】
図３に示すように、進行波型電極の積層方向を基板の主面と平行となるように形成することにより応力緩和の効果が増長され、電極厚さの自由度が増大する。すなわち、基板の主面に垂直な方向に積層された周期的多層構造からなる進行波型電極と比較して応力緩和の効果が大きいので、電極厚みを大きくして光導波路素子のさらなる広帯域化を達成することができる。
このように大きな応力緩和は、進行波型電極が基板の主面に垂直な方向に分断された構造を呈するため、各層自体が基板側に接触して生じる各層自体の応力緩和効果と垂直界面によって増長された応力緩和効果との相乗効果によるものと推定される。
【００１７】
また、周期的多層構造を構成する複数の金属層が基板側と直に接するようになるため、光導波路中を導波する光波に対する変調効率が増大する。
さらにはマイクロ波の実効屈折率を下げる効果が期待され、変調帯域をより拡大することが可能となる。
【００１８】
図４に示す光導波路素子は、図２及び３に示す光導波路素子の変形例である。図４に示す光導波路素子４０は、進行波型電極を構成する信号電極２４が、基板１の主面１Ａと平行な方向に金属層と誘電体層とが積層されてなる周期的多層構造からなる点で、図２に示す光導波路素子２０と異なる。また、信号電極２４のみが周期的積層構造を呈する点で、図３に示す光導波路素子３０と異なる。
【００１９】
図２に示す光導波路素子２０に対して図４に示す光導波路素子４０は、図１に示す光導波路素子１０に対して図３に示す光導波路素子３０が得られる効果と同様の効果を得ることができる。すなわち、電極厚みをさらに大きくすることによる光導波路素子の広帯域化と、光導波路中を導波する光波の変調効率を向上させることができる。さらには、マイクロ波の実効屈折率の低減により光導波路素子の変調帯域をより拡大することができる。
【００２０】
図３に示す光導波路素子３０に対する図４に示す光導波路素子４０は、図１に示す光導波路素子１０に対して図２に示す光導波路素子２０が得られる効果と同様の効果を得ることができる。すなわち、周期的多層構造からなる進行波型電極を再現性よく作製することができるとともに、電極作製の精度の向上及びマイクロ波の伝搬損失低減という追加の効果をも得ることができる。
なお、図３及び４に示す周期的多層構造の周期Ｔ２は、図１及び２に示す周期的多層構造と同じであることが好ましい。
【００２１】
図１及び２に示すような、金属層と誘電体層とが基板の主面に垂直な方向に積層されてなる周期的多層構造は、２元スパッタリング法や２元蒸着法など公知の成膜方法とドライエッチングやケミカルエッチングなどの公知のエッチング方法を併用することによって形成することができる。
すなわち、基板上（図１及び２においてはバッファ層３上）に、上記成膜方法によって金属層と誘電体層とからなる周期的多層構造を全体に亘って一様に形成した後、この周期的多層構造上に所定の形状を有するマスクを形成する。その後、このマスクを介して上記エッチングにより所定部分を除去し、周期的多層構造からなる進行波型電極を形成するものである。
【００２２】
また、図３及び４に示すような、金属層と誘電体層とが基板の主面に平行な方向に積層されてなる周期的多層構造は、次のようにして形成することができる。
最初に、基板１の主面１Ａ上にレジストを一様に厚く（約３０μｍ）塗布する。次いで、このレジストに対してストライプ状の電極パターンを露光し、現像する。その後、電界メッキにて前記電極パターンの凹部に金属層を形成する。次いで、残ったレジストを除去することにより前記金属層間に形成された凹部内に、例えばゾル状のＳｉＯ２を充填し、加熱固化することにより誘電体層を形成する。
【００２３】
金属層を構成する材料は特に限定されるものではないが、抵抗の小さいＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、及びＣｕなどを用いることができる。
誘電体層を構成する材料についても特に限定されるものではないが、誘電率がなるべく小さいことが好ましく、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、及びＭｇＦ２を例示することができる。
【００２４】
なお、基板を構成する電気光学効果を有する材料には、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、及びジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）などを用いることができる。しかしながら、良質の光導波路を得易いなどの理由からニオブ酸リチウムを用いることが好ましい。
【００２５】
なお、図１〜４に示す光導波路素子では、進行波型電極を構成する信号電極及び接地電極の全体を周期的多層構造から構成しているが、信号電極などのすくなくとも一部を周期的多層構造にすることによっても本発明の目的を十分に達成することができる。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
（実施例）
本実施例では、図１に示すような光導波路素子１０を作製した。
基板１としてニオブ酸リチウムのＺカット板を用い、この基板１の主面１Ａ上に、スピンコータを用いてフォトレジストを０．５μｍの厚さに形成した後、露光及び現像処理を行って、現像幅７μｍの光導波路パターンを形成した。
次いで、この光導波路パターン上に、蒸着法によってチタンからなる層を厚さ８００Åに形成し、電気炉中で１０００℃、１０時間の熱処理を行って前記チタンを基板１中に拡散させ、幅９μｍの光導波路２―１及び２−２を形成した。次いで、基板１の主面１Ａ上に真空蒸着法によってＳｉＯ２からなるバッファ層３を厚さ１μｍに形成した。
【００２７】
その後、バッファ層３上に、蒸着法によってチタン層を厚さ０．０５μｍに形成した。次いで、２元スパッタリング法を用いて、Ａｕ金属層とＳｉＯ２誘電体層とをそれぞれの厚さが４μｍ、１μｍ（したがって、周期Ｔ１は５μｍ）となるように各４層ずつ（４周期分）積層させ、全体の厚さが２０μｍの周期的多層構造をバッファ層３の全体に亘って一様に形成した。
次いで、この周期的多層構造上にポリイミドからなるマスクを形成し、ドライエッチングとケミカルエッチングとを併用して、前記周期的多層構造の所定部分をバッファ層３が露出するまで除去し、信号電極４及び接地電極５−１、５−２を形成して、光導波路素子１０を得た。
【００２８】
本実施例における光導波路素子においては、粘着テープを用いたテープ剥離試験を実施しても信号電極及び接地電極は剥離しなかった。
【００２９】
（比較例）
本比較例においては、図１に示す光導波路素子１０における信号電極４及び接地電極５−１、５−２を単一のＡｕ金属層から形成した以外は、実施例と同様にして光導波路素子を作製した。また、信号電極などの寸法についても実施例と同様にした。
得られた光導波路素子の信号電極及び接地電極にテープ剥離試験を実施したところ、これらはバッファ層３から容易に剥離した。
【００３０】
すなわち、本発明によれば、光導波路素子の帯域幅を向上させる目的で進行波型電極の厚みを大きくした場合においても、かかる電極の剥離を生じる事なく、目的とする広帯域化を達成することができる。
【００３１】
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、本発明の範疇逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光導波路素子は、進行波型電極の少なくとも一部を複数の層が積層してなる多層構造としているので、進行波型電極を厚く形成した場合においても基板から剥離することがない。したがって、進行波型電極の厚みを十分に厚くして光導波路素子の変調帯域幅を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の光導波路素子の好ましい態様を示す断面図である。
【図２】  図１に示す光導波路素子の変形例である。
【図３】  図１に示す光導波路素子の他の変形例である。
【図４】  図２及び３に示す光導波路素子の変形例である。
【符号の説明】
１  基板
１Ａ、１Ｂ  基板の主面
２―１、２−２  光導波路
３  バッファ層
４、２４  信号電極
５−１、５−２、１５−１、１５−２、２５−１、２５−２  接地電極
６、２６  金属層
７、２７  誘電体層
１０、２０、３０、４０  光導波路素子
Ｔ１、Ｔ２  周期的多層構造の積層周期
【図１】
0004754670.tif 000002
【図２】
0004754670.tif 000003
【図３】
0004754670.tif 000004
【図４】
0004754670.tif 000005