(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する基板と、光波を導波する２個の光導波路と、導波光を制御するための２個の信号電極と、接地電極とを具え、互いに隣接する前記２個の信号電極間に、外部変調信号が接続されており、前記２個の信号電極に符号が反対で大きさの等しい変調信号を印加するようにした光導波路素子であって、前記基板に２個のリッジ構造部分が形成されるとともに、前記２個のリッジ構造部分のそれぞれの中に前記光導波路が形成され、前記基板上において前記２個のリッジ構造部分のそれぞれの側面側に前記接地電極が形成されるとともに、前記２個のリッジ構造部分のそれぞれの上面に、前記リッジ構造部分のそれぞれの側面に対する張出部分を有し、かつ前記光導波路を覆うようにして前記信号電極がそれぞれ形成されており、更に前記リッジ構造部分の特性インピーダンスが同等となるような構造に形成されていると共に、前記２個のリッジ構造部分はそれぞれが前記光導波路及び前記信号電極を備える光導波路素子単位として構成されており、当該リッジ構造部分が直列に接続してある、ことを特徴とする、光導波路素子。
【請求項２】
前記基板は、ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウムータンタル酸リチウム固溶体単結晶、ニオブ酸カリウムリチウム単結晶、ニオブ酸カリウムリチウムータンタル酸カリウムリチウム固溶体単結晶、チタニルリン酸カリウム単結晶、及びガリウムーヒ素単結晶からなる群より選ばれる少なくとも１種からな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】
請求項１又は２に記載の光導波路素子の互いに隣接する前記複数の信号電極間に、符号が反対で大きさの等しい変調信号を印加して高速変調を行うことを特徴とする、光導波路素子の変調方法。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の光導波路素子において、前記複数の信号電極のそれぞれの長さＬと、前記複数の光導波路のそれぞれの幅Ｗと、前記複数の信号電極のそれぞれの張出部分と前記接地電極との垂直間距離ｄとを、前記光導波路素子の特性インピーダンスが所望の値となるように設定することを特徴とする、光導波路素子のインピーダンス制御方法。
【請求項５】
前記複数の信号電極それぞれの長さＬと前記複数の光導波路のそれぞれの幅Ｗとの比Ｌ／Ｗが、１．５〜５０であることを特徴とする、請求項４に記載のインピーダンス制御方法。
【請求項６】
前記複数の信号電極のそれぞれの張出部分と前記接地電極との垂直間距離ｄと前記複数の光導波路のそれぞれの幅Ｗとの比ｄ／Ｗが、０．１〜１．０であることを特徴とする、請求項４又は５に記載の光導波路素子のインピーダンス制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路素子の製造方法に関し、さらに詳しくは、高速変調が可能な光導波路デバイスとして好適に使用することのできる、光導波路素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高速・大容量の光ファイバ通信システムの進歩に伴う外部変調器やスイッチとして、光導波路デバイスが用いられている。特に、１０ＧＨｚ以上での高速変調を可能とすべく、電気光学効果が大きく、短行路で光の制御が可能であるという特質を有する、ニオブ酸リチウム単結晶及びタンタル酸リチウム単結晶などの強誘電体単結晶を基板に用いた、光導波路デバイスの開発が盛んになされている。
【０００３】
現在では、光導波路デバイスを構成する光導波路素子の電極形状を特殊な形状としたり、光導波路素子と基板との間に二酸化珪素などからなるバッファ層を形成したりなどすることにより、数１０ＧＨｚまでの高速変調が可能となっている。
また、本出願人は、さらなる高速変調を可能とすべく、特願平９−８５５７９号において、光導波路素子を構成する基板の少なくとも電極が形成されている部分の厚さを相対的に小さくすることによって、高速変調が可能な光導波路素子が発明されたことに基づき出願を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電極形状を特殊な形状に形成するにあたっては、作製工程の複雑さに伴うコスト高が生じるという問題がある。
また、バッファ層を形成する場合においては、バッファ層を形成した後の電極の位置合わせが複雑になり、位置合わせ精度が劣化するという問題があった。
さらに、インピーダンスを５０Ωに整合させるには、電極間隔、電極厚み、バッファ層厚みを制御する必要がある。その結果、インピーダンス整合と速度整合とを同時に満足することができず、変調帯域が狭くなるという問題があった。したがって、さらなる高速変調を達成するに当たっては困難を極めていた。
【０００５】
本発明は、インピーダンス整合に優れ、高速変調が可能な新た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】
本発明は、電気光学効果を有する基板と、光波を導波する２個の光導波路と、導波光を制御するための２個の信号電極と、接地電極とを具え、互いに隣接する前記２個の信号電極間に、外部変調信号が接続されており、前記２個の信号電極に符号が反対で大きさの等しい変調信号を印加するようにした光導波路素子であって、前記基板に２個のリッジ構造部分が形成されるとともに、前記２個のリッジ構造部分のそれぞれの中に前記光導波路が形成され、前記基板上において前記２個のリッジ構造部分のそれぞれの側面側に前記接地電極が形成されるとともに、前記２個のリッジ構造部分のそれぞれの上面に、前記リッジ構造部分のそれぞれの側面に対する張出部分を有し、かつ前記光導波路を覆うようにして前記信号電極がそれぞれ形成されており、更に前記リッジ構造部分の特性インピーダンスが同等となるような構造に形成されていると共に、前記２個のリッジ構造部分はそれぞれが前記光導波路及び前記信号電極を備える光導波路素子単位として構成されており、当該リッジ構造部分が直列に接続してある、ことを特徴とする、光導波路素子である。
【０００７】
図１は、本発明の光導波路素子の断面図であり、図２は、同じく本発明の光導波路素子の斜視図である。
図１及び２に示す光導波路素子では、基板１上に２つのリッジ構造部分２−１及び２―２が形成され、この２つのリッジ構造部分２−１及び２−２のそれぞれの中に２つの光導波路３−１及び３−２がそれぞれ形成されている。
さらに、リッジ構造部分２−１及び２−２のそれぞれの上に、前記光導波路３−１及び３−２を覆うようにして、リッジ構造部分の側面２Ａに対する張出部分４―１Ａ及び４−２Ａを有する信号電極４−１及び４−２が形成されている。
また、リッジ構造部分２−１及び２−２の側面２Ａ側の、基板１の主面１Ａ上には、接地電極５−１、５−２、及び５−３が形成されている。
すなわち、図１及び２に示す光導波路素子は、リッジ構造型の光導波路素子単位７−１及び７−２が直列に接続された形態を呈している。
【０００８】
本発明者らは、図１及び２に示すように、張出部分を有する信号電極４−１及び４−２などを具えたリッジ構造型の光導波路素子単位７−１及び７−２が直列に接続してなる光導波路素子において、前記２つの信号電極４−１及び４−２のそれぞれの長さＬ、前記２つの光導波路３−１及び３−２のそれぞれの幅Ｗ、前記信号電極幅４−１及び４−２の張出部分４―１Ａ及び４−２Ａと接地電極５―１〜５−３との垂直間距離ｄを、適宜に変化させると、前記光導波路素子の特性インピーダンスが極めて高い値にまで変化すること、したがって、これらの値を適宜に設定することにより、所望の特性インピーダンスを得ることができることを見いだし、本発明をするに至ったものである。
【０００９】
例えば、図３に示すように、信号電極の長さＬと光導波路の幅Ｗ比をパラメータとして、信号電極の張出部分と接地電極との垂直間距離ｄと光導波路の幅Ｗとの比を変化させると、光導波路素子単位７−１及び７−２の特性インピーダンスは１０〜５０Ωの範囲で増減する。
したがって、光導波路素子単位７−１及び７−２が直列に接続された形態を呈する図１及び２に示すような光導波路素子は、光導波路素子単位７−１及び７−２のそれぞれの特性インピーダンスが約２５Ωとなるように、上記信号電極の長さＬなどを設定することによって、光導波路素子全体としての特性インピーダンスを約５０Ωに設定することができ、従来困難とされたきたインピーダンスが５０Ωの外部変調器とのインピーダンス整合を、簡易に取ることができる。
【００１０】
さらに、本発明の光導波路素子は、図３に示すように、光導波路素子単位７−１及び７−２の特性インピーダンスを約５０Ωまで増大させることができること、及び光導波路素子単位７−１及び７−２に示すような光導波路素子を２つ以上直列に接続することによって、特性インピーダンスを５０Ωを超えて無限大にまで増大することができるため、任意のインピーダンス値を有する外部変調器とのインピーダンス整合をも簡易に取ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１及び２は、本発明の光導波路素子を示す断面図及び斜視図である。
本発明の光導波路素子は、基板１上にリッジ構造部分２−１及び２−２を有することが必要である。
リッジ構造部分は、基板１に所定のマスクを施した後に、基板１を安息香酸などの酸に浸漬させてプロトン交換処理し、基板１中にプロトン交換層を形成した後、このプロトン交換層をフッ酸などでエッチング除去することなどによって形成する。
【００１２】
また、レーザアブレーション法によってもリッジ構造部分を形成することができる。
具体的には、好ましくは３５０ｎｍ以下のピーク波長、さらに好ましくは３００ｎｍ以下のピーク波長を有するエキシマレーザ、ＹＡＧなどを用い、これらのレーザから発射される高エネルギーのレーザ光を、基板に照射する。すると、レーザ光が照射された部分は瞬時に分解、気化するので、レーザ光が照射されない部分がそのまま残留してリッジ構造部分を構成する。
このようなレーザアブレーション法は、レーザ光が照射されない部分においては、熱に起因した応力などの発生がないため、被処理材に対して加工変質層などを発生させることなく、被処理材を安定に加工することができる。
レーザアブレーション法に用いることできる光照射装置には、いわゆる一括露光方式、多重反射方式のいずれをも使用することができる。
【００１３】
その他、切削加工法などの高精度の機械加工によってもリッジ構造部分を形成することができる。
機械加工によってリッジ構造部分を形成する場合は、光導波路を構成する強誘電体単結晶材料を、液相エピタキシャル法などによって基板上に一様に形成した後に、前記強誘電体単結晶材料を含めて、この強誘電体単結晶材料の上から前記基板に切削加工を施して形成することもできる。
【００１４】
リッジ構造部分２−１及び２−２の高さｈ、幅Ｄ、及びリッジ角θは、形成すべき光導波路３−１及び３−２の幅Ｗや、信号電極４−１及び４−２の張出部分４−１Ａ及び４−２Ａと接地電極５−１〜５−３との垂直間距離ｄなどに依存して変化するが、一般には、高さｈは２μｍ〜２０μｍであり、幅Ｄは５μｍ〜３０μｍであり、リッジ角θは、６０°〜１２０°度である。
【００１５】
また、本発明の光導波路素子においては、リッジ構造部分２−１及び２−２のそれぞれの中に光導波路３−１及び３−２を有することが必要である。
光導波路３−１及び３−２は、プロトン交換法、チタン熱拡散法などの公知の方法を用いて形成することができる。
光導波路３−１及び３−２の幅Ｗは、本発明の方法によって得られる光導波路素子の所望する特性インピーダンスの値に応じて決定される。
【００１６】
図１及び２に示すような光導波路素子では、光導波路素子単位７−１及び７−２における信号電極４−１及び４−２の間、すなわち隣接する信号電極間に、それぞれ符号が反対であって大きさがＶａｐの外部変調信号６を印加する。このように、隣接する電極間に反対符号の変調信号を印加して変調させることにより、素子全体の特性インピーダンスが、各素子単位の直列回路として扱うことができる。
この効果は、本発明によって得ることのできる外部変調信号信号とのインピーダンス整合と相伴って、光導波路素子の変調速度の向上に寄与するものである。
【００１７】
一般に、外部変調器のインピーダンスが５０Ωであるため、光導波路素子の特性インピーダンスを約５０Ωに設定して外部変調信号とのインピーダンス整合を図るためには、各単位光導波路素子７−１及び７−２の各特性インピーダンスを各々２５Ωに設定する必要がある。したがって、上記幅Ｗは、好ましくは、５μｍ〜３０μｍであり、さらに好ましくは８μｍ〜１５μｍである。
【００１８】
さらに、本発明の光導波路素子においては、基板１上において前記リッジ構造部分２−１及び２−２の側面２Ａ側の、基板１の主面１Ａ上に光導波路に変調信号を印加する信号電極に対する接地電極５−１〜５−３を有することが必要である。
接地電極５−１〜５−３は、リッジ構造部分２−１及び２−２に所定のマスクを施した後、メッキ法及び蒸着法を併用して形成するなどの公知の方法を用いることができる。
【００１９】
次いで、前記リッジ構造部分２−１及２−２の上面２Ｂに、光導波路３−１及び３−２を覆うようにして、張出部分４−１Ａ及び４−２Ａを有する信号電極４−１及び４−２を有することが必要である。
張出部分４−１Ａ及び４−２Ａを有する信号電極４−１及び４−２は、ガラス基板に形成した後、このガラス基板をリッジ構造部分に接着して形成する。
【００２０】
図１及び２においては、信号電極４−１及び４―２をリッジ構造部分２−１及び２−２の側面２Ａに対して左右対称の張出部分を有している。しかしながら、これら張出部分は必ずしも側面２Ａに対して左右対称である必要はない。
また、図１及び２において、信号電極４−１及び４−２は、リッジ構造部分２−１及び２−２の側面２Ａの左右に張り出した、張出部分４−１Ａ及び４−２Ａを有するが、これらの張出部分は、必ずしも側面２Ａの左右に張り出している必要はなく、側面２Ａの左右どちらか一方の側に張り出していれば、本発明の目的を達成することができる。
【００２１】
しかしながら、図１及び２に示すように、信号電極４−１及び４−２が、リッジ構造部分２−１及び２−２の側面２Ａに対して左右対称に張り出した、張出部分４−１Ａ及び４−２Ａを有することにより、光導波路素子の特性インピーダンスのシュミレーションが容易となるという利点がある。さらに同様の理由から、信号電極の形状は平板状であることが好ましい。
【００２２】
この信号電極４−１及び４−２の張出部分４−１Ａ及び４−２Ａの長さｒは、これらの張出部分と接地電極５−１〜５−３との垂直間距離ｄを、明確に定義できる程度の大きさを有すれば、特に限定されるのものではないが、好ましくは２μｍ〜２００μｍの範囲であり、さらに好ましくは、４μｍ〜５０μｍの範囲である。
【００２３】
また、信号電極４−１及び４−２の長さＬは、本発明の光導波路素子の所望する特性インピーダンスの値によって決定されるが、上述したように、一般に使用されるインピーダンス５０Ωの外部変調信号６とのインピーダンス整合を取るためには、２μｍ〜２００μｍであることが好ましく、さらには４μｍ〜５０μｍであることが好ましい。
【００２４】
また、信号電極４−１及び４−２の張出部分４−１Ａ及び４−２Ａと接地電極５―１〜５−３との垂直間距離ｄについても、上記同様に、所望する特性インピーダンスによって決定されるが、インピーダンス５０Ωの外部変調信号６とのインピーダンス整合を取るためには、１μｍ〜１００μｍの範囲に設定することが好ましく、さらには２μｍ〜２５μｍの範囲に設定することが好ましい。
【００２５】
以上説明したように、図１及び２に示す本発明の光導波路素子は、製造の段階において、信号電極４−１及び４−２のそれぞれの長さＬ、光導波路３−１及び３−２の幅Ｗ、及び信号電極４−１及び４−２の張出部分４−１Ａ及び４−２Ａと接地電極５―１〜５−３との垂直間距離ｄを適宜に設定することによって、所望する特性インピーダンスの光導波路素子を得ることができ、これによって外部変調信号とのインピーダンス整合を図ることができる。
【００２６】
図１及び２に示す光導波路素子の隣接する信号電極４−１及び４−２に、符号が反対であり大きさの等しい外部変調信号６を、一般に用いられているインピーダンスが５０Ωの外部変調器を用いて印加する場合においては、各光導波路素子単位７−１及び７−２の特性インピーダンスを各々２５Ω近傍に設定する必要がある。したがって、前記信号電極４−１及び４−２の長さＬと光導波路３−１及び３−２の幅Ｗとの比Ｌ／Ｗは、１．５〜５０であることが好ましく、さらには２〜２０であることが好ましい。
【００２７】
同様の理由から、信号電極４−１及び４−２のの張出部分４−１及び４−２Ａと接地電極５−１〜５−３との垂直距離ｄと光導波路３−１及び３−２の幅Ｗとの比ｄ／Ｗは、０．１〜１．０であることが好ましく、さらには０．２〜０．７であることが好ましい。
【００２８】
基板１としては、電気光学効果を有すればいかなる材料をも使用することができるが、ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウムータンタル酸リチウム固溶体単結晶、ニオブ酸カリウムリチウム単結晶、ニオブ酸カリウムリチウムータンタル酸カリウムリチウム固溶体単結晶、チタニルリン酸カリウム単結晶、及びガリウムーヒ素単結晶からなる群より選ばれる少なくとも１種を用いることが好ましい。
【００２９】
また、信号電極及び接地電極としては、電気伝導性に優れるものであれば特に限定されるものではなく、金、銀、銅、ニッケル、クロムなどの金属を用いることができる。
【００３０】
図１及び２には示していないが、下部電極の平坦性を求める目的で、接地電極５−１〜５−３の下に低誘電率の材料からなる下地層を形成することもできる。
【００３１】
以上では、図１及び２に示すように、２つの光導波路と２つの信号電極とを有し、見かけ上２つの光導波路素子が直列に接続してなる光導波路素子について説明してきたが、本発明の光導波路素子は、このような２つの光導波路素子からなる光導波路素子に限定されるものではなく、３つ以上の光導波路と３つ以上の信号電極とを有し、見かけ上３つ以上の光導波路素子が直列に接続してなる光導波路素子をも含有するものである。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて詳細に具体的に説明する。
実施例１
本実施例では図１及び２に示すような、２つの光導波路素子単位が直列に接続してなる光導波路素子を作製した。
ニオブ酸リチウム単結晶からなる厚さ１ｍｍのＺカット板を基板１として用い、この基板上に液相エピタキシャル法によって厚さ１０μｍのニオブ酸リチウムータンタル酸リチウム固溶体単結晶膜を形成し、その上に、厚さ１０μｍのニオブ酸リチウムを形成した。
【００３３】
次いで、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）を光源として使用し、アブレーション加工を行なった。照射エネルギー密度が６Ｊ／ｃｍ2 となるように光学系を調節し、パルス幅を１５ｎｓｅｃとし、パルス周波数を６００Ｈｚとし、走査速度を１．２ｍｍ／ｓｅｃとした。これにより、リッジ構造部分２−１及び２−２を作製した。リッジ構造部分２−１及び２−２の横断面形状は台形をしており、リッジ角θは９０度であった。
次いで、基板１上における、リッジ構造部分２−１及び２−２の側面２Ａ側の、基板１の主面１Ａ上に、所定のマスクを施すことにより、厚さ１μｍの金からなる接地電極５−１〜５−３を蒸着法によって形成した。
【００３４】
次いで、フォトリソグラフィ法によって厚さ１μｍの金が形成されたガラス基板をリッジ構造部分の上面２Ｂ上に接着し、信号電極４−１及び４−２を形成し、図１及び２に示すような光導波路素子単位７−１及び７−２が直列に接続してなる光導波路素子を製造した。
【００３５】
本実施例における光導波路素子の信号電極４−１及び４−２の長さＬは３０μｍであり、光導波路３−１及び３−２の幅Ｗ１０μｍであり、信号電極４−１及び４−２の張出部分４−１Ａ及び４−２Ａと接地電極５−１〜５−３との垂直間距離ｄは５μｍであった。また、ｄ／Ｗ、及びＬ／Ｗの値は、それぞれ、０．５、及び３．０であった。
【００３６】
次いで、Ｙ字形状の光導波路を形成した部品を、上記光導波路素子に接続してマッハツエンダ型の光変調器を作製した。
信号電極４−１及び４−２の間に３Ｖの高周波電圧を、その符号が互いに反対になるように印加して、本光導波路素子の特性インピーダンスをネットワ−クアナライザによるＳパラメータ測定によって求めたところ、４８．５Ωであった。
【００３７】
実施例２実施例１の光導波路素子において、信号電極４−１及び４−２の張出部分４−１Ａ及び４−２Ａと接地電極５−１〜５−３との垂直間距離ｄを５μｍで固定し、信号電極４−１及び４−２の長さＬと、光導波路３−１及び３−２の幅Ｗとを変化させて、この光導波路素子を構成する光導波路素子単位７−１及び７−２の特性インピーダンスをシュミレーションしたところ、図３に示すような結果が得られた。
【００３８】
図３から明らかなように、ｄ／Ｗの値が大きくなるにつれて、すなわち、光導波路３−１及び３−２の幅Ｗが小さくなるにつれて、特性インピーダンスが上昇した。また、Ｌ／Ｗの値が上昇するにつれて、すなわち、信号電極４−１及び４−２の長さＬが大きくなる、あるいは、光導波路３−１及び３−２の幅Ｗが小さくなるにつれて、特性インピーダンスが上昇した。本実施例では、ｄ／Ｗ及びＬ／Ｗの値をそれぞれ０．２〜１．０及び１．０〜４．０の範囲で変化させることにより、光導波路素子の特性インピーダンスが約１０〜５０Ωの範囲内で変化することが分かる。
【００３９】
このシュミレーションから、光導波路素子単位の特性インピーダンスが２４Ωとなる、すなわち、本実施例における光導波路素子の特性インピーダンスが４８Ωとなるｄ／Ｗ、及びＬ／Ｗの値を求めたところ、それぞれ、０．５，及び３．０であり、上記のようにして実際に製作した光導波路素子のｄ／Ｗ、及びＬ／Ｗの値とよく一致した。
【００４０】
すなわち、信号電極４−１及び４−２の長さＬと、光導波路３−１及び３―２の幅Ｗと、信号電極４−１及び４−２の張出部分４−１Ａ及び４−２Ａと接地電極５−１〜５−３との垂直間距離ｄとを適宜に変化させることにより、光導波路素子の特性インピーダンスを変化させることができる。したがって、シュミレーションなどによってこれらの値を予め所定の値に設定することにより、所望の特性インピーダンスを有する光導波路素子を簡易に形成することができる。
【００４１】
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。
【００４２】
【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、その特性インピーダンスを高い値にまで自由に変化させることができるので、例えば、従来困難とされていたインピーダンス値が５０Ωの汎用の外部変調器とのインピーダンス整合をも、十分に取ることができる。したがって、本発明の光導波路素子を変調器として使用した場合に、極めて高い速度で前記変調器を変調することができる。
【００４３】
また、本発明の光導波路素子は、信号電極の長さ、光導波路の幅、及び信号電極と張出部分と接地電極との垂直間距離を変化させることにより、その特性インピーダンスを大きな値にまで変化させることができる。
したがって、予めシュミレーションなどを行うことにより、所定の特性インピーダンスを有する光導波路素子を簡易に得ることができ、外部変調信号とのインピーダンス整合の取れた光導波路素子を簡易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光導波路素子の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の光導波路素子の一例を示す斜視図である。
【図３】本発明の光導波路素子における、特性インピーダンスのシュミレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
１  基板、２−１，２−２  リッジ構造部分、３−１，３−２光導波路、４−１，４−２  信号電極、５−１，５−２，５−３  接地電極、６  外部変調信号、７−１，７−２  光導波路素子単位
【図１】
0004416859.tif 000002
【図２】
0004416859.tif 000003
【図３】
0004416859.tif 000004