(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電性の電気光学単結晶からなり、相対向する一対の主面を備えている光導波路基板、この光導波路基板の一方の主面側に形成されている光導波路、前記光導波路中を伝搬する光を変調する電圧を印加するための少なくとも一対の電極であって、前記光導波路基板の他方の主面上に設けられている電極、前記光導波路基板の前記一方の主面に対して接着されている固定用基板および前記光導波路基板の前記一方の主面と前記固定用基板とを接着し、前記光導波路を被覆し、かつ前記電気光学単結晶よりも低い屈折率を有する接着剤からなる接着層を備えていることを特徴とする、進行波形光変調器。
【請求項２】
前記光導波路にＴＥモードの光を伝搬させることを特徴とする、請求項１記載の進行波形光変調器。
【請求項３】
前記光導波路基板の厚さが２０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２記載の進行波形光変調器。
【請求項４】
前記固定用基板が、前記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からな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進行波形光変調器。
【請求項５】
前記接着層の厚さが２０μｍ以上であり、前記固定用基板が、前記電気光学単結晶の誘電率以上の誘電率を有する材質からな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進行波形光変調器。
【請求項６】
前記電気光学単結晶が、ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶およびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶からなる群より選ばれた一種以上の単結晶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進行波形光変調器。
【請求項７】
強誘電性の電気光学単結晶からなり、相対向する一対の主面を備えている基板材料の一方の主面側に光導波路を形成する工程、
前記基板材料の前記一方の主面に対して、前記電気光学単結晶よりも低い屈折率を有する接着剤からなる接着層を介して固定用基板を接着し、この際前記接着層によって前記光導波路を被覆する工程、
前記基板材料の他方の主面を加工することによってこの基板材料の厚さを小さくし、光導波路基板を形成する工程、および
この光導波路基板の他方の主面上に、前記光導波路中を伝搬する光を変調する電圧を印加するための少なくとも一対の電極を形成する工程
を備えていることを特徴とする、進行波形光変調器の製造方法。
【請求項８】
前記光導波路基板の厚さが２０μｍ以下となるまで前記加工を継続することを特徴とする、請求項７記載の進行波形光変調器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、進行波形光変調器およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特開平９−２１１４０２号公報においては、光導波路基板を下地の固定用基板に対して接着し、固定用基板に対して光導波路を対向させる。この際、固定用基板に溝を設け、溝の中の空気に対して光導波路を露出させる。そして、光導波路基板の厚さを研磨加工によって小さくすることによって、マイクロ波の実効屈折率を低減することを試みている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平９−２１１４０２号公報記載の技術においては、変調器を実際に製造する場合、基板の厚さを小さくすることが、加工上、困難であった。特に、基板の厚さが２０μｍ以下、特に１０μｍ以下になると、光導波路の周辺において、基板内にクラックが発生し、あるいは加工歪みが基板内に残留するおそれがあった。また、基板の厚さを２０μｍ以下にしていくと、光導波路の垂直方向の光の閉じ込め効果が強くなり、光導波路モードのパターンが偏平に変形する。このため、外部の光導波路や外部の光ファイバーにおける光導波モードとの間で、モードミスマッチが大きくなり、このために結合損失が増大する。このように、従来方法では、基板の厚さを小さくすることによる問題点があった。
【０００４】
本発明の課題は、強誘電性の電気光学単結晶からなる光導波路基板中の光導波路中を伝搬する光を変調する進行波形光変調器において、高速変調を可能とし、基板内におけるクラックの発生や歪みの残留を防止し、光導波路モードのパターンの変形を防止できるようにすることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る進行波形光変調器は、強誘電性の電気光学単結晶からなり、相対向する一対の主面を備えている光導波路基板、この光導波路基板の一方の主面側に形成されている光導波路、光導波路中を伝搬する光を変調する電圧を印加するための少なくとも一対の電極であって、光導波路基板の他方の主面上に設けられている電極、光導波路基板の一方の主面に対して接着されている固定用基板および光導波路基板の一方の主面と固定用基板とを接着し、光導波路を被覆し、かつ電気光学単結晶よりも低い屈折率を有する接着剤からなる接着層を備えていることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明に係る進行波形光変調器の製造方法は、
強誘電性の電気光学単結晶からなり、相対向する一対の主面を備えている基板材料の一方の主面側に光導波路を形成する工程、
基板材料の一方の主面に対して、電気光学単結晶よりも低い屈折率を有する接着剤からなる接着層を介して固定用基板を接着し、この際接着層によって光導波路を被覆する工程、
基板材料の他方の主面を加工することによってこの基板材料の厚さを小さくし、光導波路基板を形成する工程、および
光導波路基板の他方の主面上に、光導波路中を伝搬する光を変調する電圧を印加するための少なくとも一対の電極を形成する工程
を備えていることを特徴とする。
【０００７】
以下、図面を参照しつつ、本発明について更に説明する。
【０００８】
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る進行波形光変調器１を概略的に示す平面図であり、図１（ｂ）は、変調器１を概略的に示すＩｂ−Ｉｂ線断面図である。
【０００９】
基板２は、強誘電性の電気光学単結晶からなる。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、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およびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶からなる群より選ばれた一種以上の単結晶が、特に好ましい。
【００１０】
基板２は、一方の主面２ａおよび他方の主面２ｂを備えている。一方の主面２ａには、所定形状、例えばマッハツェンダー型の光導波路４が形成されている。本例の光導波路４は、入り口部分４ａ、分岐部分４ｂ、４ｃ、および結合部分４ｄを備えている。
【００１１】
基板２の他方の主面２ｂ上には、所定形状の電極３Ａ、３Ｂ、３Ｃが形成されている。本例においては、基板２として、例えばニオブ酸リチウムのＸ板、Ｙ板を使用しており、このため光導波路内にＴＥモードの光を伝搬させる。そして、光導波路の分岐部分４ｂ、４ｃを、電極３Ａ−３Ｃの間のギャップ領域に設ける。
【００１２】
基板２の他方の主面２ｂは空気層に面している。基板２の一方の主面２ａは、接着層５を介して、固定用基板６の主面６ａに対して接着されている。６ｂは固定用基板６の底面である。接着層５は、光導波路４ｂ、４ｃを被覆している。
【００１３】
接着剤の屈折率は、基板２の電気光学単結晶よりも低いことが必要である。これに加えて、接着剤の誘電率は、基板２の電気光学単結晶の誘電率よりも低いことが望ましい。
【００１４】
接着剤の具体例は、前記の条件を満足する限り特に限定されないが、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。
【００１５】
こうした基板の製造プロセスの概要について、図２（ａ）−（ｃ）を参照しつつ、説明する。
【００１６】
強誘電性の電気光学単結晶からなり、相対向する一対の主面２ａ、２ｃを備えている基板材料２Ａを準備し、これを洗浄する。そして、基板材料２Ａの一方の主面２ａ側に光導波路４を形成する（図２（ａ））。この際は、チタン拡散法、プロトン交換法などの公知の方法を採用できる。次いで、基板材料２Ａの一方の主面２ａに対して、基板材料を構成する電気光学単結晶よりも低い屈折率を有する接着剤からなる接着層５を介して、固定用基板６を接着する。この際、接着層５によって光導波路を被覆する（図２（ｂ））。
【００１７】
次いで、基板材料２Ａの他方の主面２ｃを加工することによって、基板材料６の厚さを小さくし、光導波路基板２を形成する（図２（ｃ））。次いで、光導波路基板２の他方の主面２ｂ上に、光導波路４中を伝搬する光を変調する電圧を印加するための少なくとも一対の電極３Ａ−３Ｃを、蒸着法やメッキ法によって形成する（図１（ａ）、図１（ｂ））。
【００１８】
こうした進行波形光変調器１は、基板２の厚さを非常に小さくできることから、高速変調を可能とできる。また、光導波路４ｂ、４ｃの部分（電極３Ａ−３Ｃのギャップ領域）において、基板の研磨面２ｂと反対側が接着層５によって被覆され、保持されているので、研磨時の衝撃を吸収し、基板２内において、歪みの残留を防止できる。しかも、光導波路４ｂ、４ｃを接着層によって被覆することで、光導波路モードのパターンが、垂直方向に向かって過度に偏平となるのを防止し、外部の光導波路や光ファイバーとの結合損失が増大するのを防止できる。
【００１９】
本発明においては、光導波路基板の厚さが２０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることが一層好ましい。これによって、マイクロ波の実効屈折率ｎｍｗを顕著に低減できる。また、光導波路基板の厚さは、加工上、３００μｍ以上であることが好ましい。
【００２０】
接着層の厚さは、基板材料の研磨時の機械的応力や振動を吸収するためには、５μｍ以上であることが好ましい。また、製造上の観点からは、１００μｍ以下であることが好ましい。
【００２１】
固定用基板の材質は、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。このような材質によって固定用基板を製造した場合には、接着層の厚さが２０μｍ以下、更には１０μｍ以下である場合にも、固定用基板によるマイクロ波の伝搬速度への悪影響を防止できる。
【００２２】
また、固定用基板を、光導波路基板２の電気光学単結晶の誘電率以上の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、固定用基板を、光導波路基板２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。ただし、この場合には、マイクロ波の伝搬への悪影響を防止するために、接着層の厚さを２０μｍ以上とすることが特に好ましい。
【００２３】
図３の進行波形光変調器１Ａは、図１の変調器１と類似しているので、図１において既に図示した構成部分については説明を省略する。
【００２４】
変調器１Ａにおいては、基板２の一方の主面２ａ上に、リッジ型の光導波路１４ｂ、１４ｃが突出するように形成されている。そして、各光導波路１４ｂ、１４ｃは、接着層５の中に突出し、埋設されている。
【００２５】
【実施例】
以下、更に具体的な実験結果を説明する。
（本発明例の進行波形光変調器の製造）
ＸカットしたＬｉＮｂＯ3 単結晶からなる基板材料の主面を削り、基板材料の厚さを３００μｍとした。次いで、図２（ａ）−（ｃ）を参照しつつ説明した手順に従って、図１（ａ）、（ｂ）の進行波形光変調器１を作製した。具体的には、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、基板材料の一方の主面２ａに、マッハツェンダー型の光導波路４を形成した。この基板材料を低誘電率の接着剤によって、石英ガラスからなる固定用基板６に対して接着した。次いで、汎用的な研磨装置によってウエハーの主面２ｂ側を研磨加工し、光導波路基板の厚さを１０μｍとした。次いで光導波路の端面を光学研磨した。次いで、ホトリソグラフィー法によって、金からなる電極３Ａ−３Ｃを主面２ｂ上に形成した。
【００２６】
固定用基板６の厚さは５００μｍであり、電極のギャップの大きさは２６μｍであり、中央電極３Ｂの幅は１０μｍである。接着層の厚さは２０μｍである。
【００２７】
ただし、チタン拡散プロセスにおいて、基板材料上に形成したチタンパターンの幅は、５．５、６．０または６．５μｍに変更した。
【００２８】
（比較例の進行波形光変調器の製造）
比較例として、図９に示す形態の進行波形光変調器１１を作製した。基板材料の固定用基板への接着は行わず、また光導波路基板１２の厚さは５００μｍであった。光導波路基板１２の一方の主面１２ａ側には光導波路４、電極３Ａ−３Ｃが形成されている。１２ｂは他方の主面である。光導波路基板の材質、光導波路の材質、電極の材質、電極の寸法等は、前述した本発明例と同じである。
【００２９】
（測定）
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、これを変調器に結合し、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。本発明例と比較例との各変調器について、挿入損失を測定し、その結果を図４に示す。本発明例においては、光導波路基板の厚さが１０μｍになるまで研磨を続けた後も、比較例の非研磨品に比べて挿入損失は遜色ない。特にチタンパターンの幅が５．５μｍの場合には、本発明品の方が、はるかに挿入損失が小さく、安定している。これは、チタンパターンの幅が５．５μｍである場合には、比較例の変調器は、カットオフ領域に近くなるためと考えられる。
【００３０】
図５は、本発明例および比較例の変調器からの出射光について、水平方向のモード幅とチタンパターンの幅との関係を示すグラフであり、図６は、同じく垂直方向のモードの幅とチタンパターンの幅との関係を示すグラフである。チタンパターンの幅が５．５−６．５μｍの範囲内において、本発明例の変調器は、比較例の変調器と比べても、水平モードの幅と垂直モードの幅との相対比率が安定していることが分かる。また、水平方向モードの幅は、本発明例の変調器の方が、比較例の変調器よりも若干大きくなる傾向があるが、その偏差はさほど大きなものではない。
【００３１】
図７は、チタンパターンの幅５．５μｍの場合について、本発明例の変調器からの出射光のパターンを示す写真である。この写真から明らかなように、カットオフ領域に近い場合（チタンパターン幅５．５μｍの場合）にも、良好な導波モードが確認できた。
【００３２】
また、本発明例の変調器と、比較例の変調器とについて、ＴＤＲ測定を行い、その結果を図８に示す。この結果から分かるように、本発明例の変調器は、反射に必要な時間が短くなっており、電極を伝搬するマイクロ波の速度が早くなっていることが分かる。
【００３３】
【発明の効果】
このように、本発明例の変調器は、出射光の導波モードが良好であり、安定しており、特に歪みに起因する挿入損失の増大もない上、極めて高いマイクロ波伝搬速度を達成できるものであった。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る進行波形光変調器１を概略的に示す平面図であり、（ｂ）は変調器１を概略的に示す断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１の変調器１の作製プロセスを模式的に示すための断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る進行波形光変調器１Ａを概略的に示す断面図である。
【図４】本発明例および比較例（図９）の各変調器について、挿入損失の比較を示すグラフである。
【図５】本発明例および比較例の各変調器について、水平方向モードの幅とチタンパターンの幅との関係を示すグラフである。
【図６】本発明例および比較例の各変調器について、垂直方向モードの幅とチタンパターンの幅との関係を示すグラフである。
【図７】本発明例の変調器について、出射光のパターンを示す写真である。
【図８】本発明例および比較例の進行波形光変調器について、特性インピーダンスと反射時間との関係を示すグラフである。
【図９】比較例の進行波形光変調器を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
１、１Ａ  進行波形光変調器        ２、１２  光導波路基板  ２ａ  一方の主面        ２ｂ、２ｃ  他方の主面        ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ  電極        ４  光導波路        ４ｂ、４ｃ、１４ｂ、１４ｃ  光導波路の分岐部分        ５  接着層        ６  固定用基板        １１  比較例の進行波形光変調器
【図１】
0004408558.tif 000002
【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】
0004408558.tif 000008
【図８】
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【図９】
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