(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基板、この基板の一方の主面側に形成されている光導波路、および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膜を備えており、一対の前記電極膜の間に前記光導波路が設けられている進行波形光変調器であって、前記電極膜の厚さが２０μｍ以上、３５μｍ以下であり、前記一対の電極膜の間のギャップの大きさが２５μｍ以上、５６μｍ以下であり、前記光導波路が設けられている領域において、前記基板の厚さが１０μｍ以上、２０μｍ以下であることを特徴とする、進行波形光変調器。
【請求項２】
前記基板が、相対的に厚さが大きい厚肉部分と、この厚肉部分よりも厚さが小さい薄肉部分とを備えており、前記光導波路が前記薄肉部分上に設けられてい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】
前記基板および前記光導波路が、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によって形成されてい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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、進行波形光変調器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
進行波形光変調器の速度不整合について説明する。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Ｖｃ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。
【０００３】
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／（Ｖｏ−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。
【０００４】
本発明者は、この問題を解決するために、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薄肉部分を設け、この薄肉部分の厚さを例えば１０μｍ以下に薄くすることによって、変調器を１０ＧＨｚ以上で動作させることに成功した。以下に、薄肉部分の厚さと変調帯域との関係を示す。
【０００５】
【表１】
0003954251.tif 000002
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この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１０μｍ未満になると、クラックの発生による歩留り低下が生ずる。更に、基板の厚さを１０μｍ未満にしていくと、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、薄肉部分が設けられていない基板上の光導波路や光ファイバーにおける光導波路モードとの間で、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。これらの問題を解決するためには、基板の厚さを１０μｍ以上に保持しつつ、かつ１０ＧＨｚ・ｃｍ以上の変調帯域において速度接合条件を見出す必要がある。
【０００７】
本発明の課題は、進行波形光変調器において、１０ＧＨｚ・ｃｍ以上の変調帯域において、基板の厚さを例えば１０μｍ未満にまで小さくすることなく、マイクロ波と光波との間での速度整合を可能とすることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、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、この基板の一方の主面側に形成されている光導波路、および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膜を備えており、一対の前記電極膜の間に前記光導波路が設けられている進行波形光変調器であって、前記電極膜の厚さが２０μｍ以上、３５μｍ以下であり、前記一対の電極膜の間のギャップの大きさが２５μｍ以上、５６以下であり、前記光導波路が設けられている領域において、前記基板の厚さが１０μｍ以上、２０μｍ以下であることを特徴とする。
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明について更に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る進行波形光変調器１を模式的に示す断面図である。
【００１０】
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。
【００１１】
基板２は、一対の主面２ａ、２ｂを備えている。主面２ｂ側には、凹部３が形成されており、凹部３の形成領域は薄肉部分２ｆとなっている。薄肉部分２ｆの主面２ａ側に光導波路５Ａ、５Ｂが形成されている。２ｇは厚肉部分であり、２ｄは薄肉部分の底壁面であり、２ｅは厚肉部分２ｇの内壁面である。
【００１２】
基板２の一方の主面２ａ上には、電極膜６が形成されている。この基板２は、ｘカット基板であるので、光導波路５Ａ、５Ｂは、それぞれ、電極膜６間のギャップ４Ａ、４Ｂ内に存在している。
【００１３】
本発明によって、電極膜の厚さＴを２０μｍ以上とし、一対の電極膜の間のギャップ４Ａ、４Ｂの大きさＳを２５μｍ以上とする。
【００１４】
図１に示すような形態の基板を使用した場合には、凹部３（空気層）中に電界の一部を浸出させることによって、マイクロ波の実効屈折率ｎｍｗを低下させている。そして、各電極膜６の電界の生成に作用する部分は、厚さの小さい薄肉部分の上、即ち凹部３上に存在する。従って、電極膜６の厚さを大きくすると、電界の中心が上方に移動し、空気層３には電界が浸出しにくくなるために、マイクロ波の実効屈折率ｎｍｗはほとんど変化せず、その変わりに駆動電圧Ｖπが増大することが懸念されていた。ところが、図１に示すような形態の進行波形光変調器を実際に作製してみると、予想とは逆に、電極膜６の厚さを増大させることによって、ｎｍｗが低減できることを見出した。しかも、駆動電圧は、電極膜６の厚さＴには依存しないことも確認した。
【００１５】
また、電極膜６のギャップ４Ａ、４Ｂの大きさを種々変化させ、マイクロ波の実効屈折率ｎｍｗとギャップの大きさＳとの関係について調べたところ、Ｓを２５μｍ以上としたときに、特にｎｍｗが減少することが分かった。
【００１６】
従って、電極膜６の厚さＴを２０μｍ以上とし、ギャップの大きさＳを２５μｍ以上とすることによって、マイクロ波の実効屈折率ｎｍｗが著しく減少することを見出した。そして、この結果、光導波路が形成されている領域において、基板の厚さｄを例えば１０μｍとした場合にも、完全位相整合条件を満足でき、同時に特性インピーダンスも５０Ωに調整可能であることが分かった。
【００１７】
更に、電極膜の厚さＴを２０μｍ以上とすることによって、電極膜の表面積が増大することから、電極損失αを低減できる。従って、マイクロ波の実効屈折率ｎｍｗ、特性インピーダンスおよび電極損失から決まる変調帯域を、一層拡大できる。
【００１８】
一方、本発明においては、電極膜のギャップ４Ａ、４Ｂを広くしているので、駆動電圧Ｖπの増大が懸念される。しかし、薄肉部分２ｆと厚肉部分２ｇとを備える基板を使用した変調器においては、バッファ層を必要としないので、バッファ層を必要とする従来の変調器に比べて、駆動電圧を低減できる。例えば、ギャップ４Ａ、４Ｂの大きさＳを３５μｍとしたときに、Ｖπ・Ｌを９．５Ｖ・ｃｍとすることができる。
【００１９】
本発明においては、光導波路の形成領域における基板２の厚さｄを１０μｍ以上とすることが好ましく、これによって他の光導波路デバイスや光ファイバーとの結合損失を低減することができる。一方、マイクロ波の実効屈折率ｎｍｗを低減するためには、ｄを２０μｍ以下とすることが好ましい。
【００２０】
また、特にｄを２０μｍ以下とした場合には、電極膜のギャップ４Ａ、４Ｂの大きさＳを２５μｍ以上とすることによって、マイクロ波の実効屈折率ｎｍｗが一層減少する傾向があることが分かった。
【００２１】
【実施例】
以下、更に具体的な実験結果を説明する。
（実験１）
電極膜の厚さＴと、マイクロ波の実効屈折率ｎｍｗ、特性インピーダンスおよびＶπ・Ｌとの関係を測定した。
【００２２】
具体的には、Ｘカットした３インチウエハー（ＬｉＮｂＯ3 単結晶）の他方の主面（裏面）側を削り、ウエハーの厚さを３００μｍとした。次いで、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、ウエハーの一方の主面２ａに、図１に示すような形態のマッハツェンダー型の光導波路５Ａ、５Ｂを形成した。また、メッキプロセスによって、Ａｕからなる電極膜６を形成した。
【００２３】
この主面にレジスト膜をコーティングし、エキシマレーザー加工機にセットし、基板のオリフラ面を基準にして、加工位置の位置合わせを行った。ＫｒＦエキシマレーザーを光源として使用し、スポットスキャン方式によって露光し、他方の主面２ｂ側を加工した。照射したスポットのサイズが、走査方向１．０ｍｍ、幅０．２ｍｍとなり、照射エネルギー密度が６．０Ｊ／ｃｍ2 となるように光学系を調整した。パルス幅１５ｎｓｅｃ、パルス周波数６００Ｈｚ、走査速度０．１ｍｍ／ｓｅｃで電極膜の裏側を加工し、凹部３を形成した。こうして作製したウエハーをダイシングソー加工機で切断し、各進行波形光変調器に分割し、光導波路の端面を光学研磨した。
【００２４】
基板２の厚さは３００μｍとし、凹部３の幅ｕは１５０μｍとし、薄肉部分２ｆの厚さｄは１０μｍとし、電極膜のギャップ４Ａ、４Ｂの大きさＳは１４μｍまたは５６μｍとし、Ｗは１０μｍとした。なお、εｘは４３であり、εｚは２８である。
【００２５】
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。次いで、ＴＤＲ測定から、マイクロ波の実効屈折率ｎｍｗと特性インピーダンスを測定した。電極膜の厚さＴを５−３５μｍの間で種々変更した。
【００２６】
図２は、電極膜の厚さＴとマイクロ波の実効屈折率ｎｍｗとの関係を示すグラフである。予想に反して、Ｔが大きくなるのに従って、ｎｍｗが減少することを発見した。図３は、Ｔと特性インピーダンスとの関係を示すグラフである。Ｔが大きくなるのに従って、特性インピーダンスが低下した。図４は、Ｔと駆動電圧Ｖπ・Ｌとの関係を示すグラフである。予想に反して、駆動電圧は電極膜の厚さＴによっては影響を受けないことを発見した。
【００２７】
（実験２）
電極間のギャップ４Ａ、４Ｂの大きさＳと、マイクロ波の実効屈折率ｎｍｗおよび特性インピーダンスとの関係を、実験１と同様にして測定した。ただし、中央電極の幅Ｗを１０μｍとし、電極膜の厚さＴは１６μｍまたは２８μｍとし、薄肉部分２ｆの厚さｄを１０、１５、２０または３０μｍとした。これらの測定結果を図５、図６に示す。
【００２８】
図５から分かるように、薄肉部分の厚さｄが３０μｍであると、ギャップの大きさＳが増加すると、マイクロ波の実効屈折率ｎｍｗも増加する傾向がある。特に電極膜の厚さＴが増加するのにつれて、この傾向が強まる。一方、薄肉部分の厚さｄが２５μｍ以下、特には２０μｍ以下であると、ギャップの大きさＳが増加すると、マイクロ波の実効屈折率ｎｍｗが著しく減少することが判明した。
【００２９】
図６から分かるように、ギャップの大きさＳが増加すると、特性インピーダンスも増加する。
【００３０】
（実験３）
電極間のギャップ４Ａ、４Ｂの大きさＳと、駆動電圧Ｖπ・Ｌとの関係を、実験１と同様にして測定した。ただし、中央電極の幅Ｗを１０μｍとし、電極膜の厚さＴは３０μｍとし、薄肉部分２ｆの厚さｄを１０μｍとした。この測定結果を図７に示す。
【００３１】
図７から分かるように、ギャップの大きさＳが増加すると、Ｖπ・Ｌも増加する。
【００３２】
（実験４）
基板の厚さｄとマイクロ波の実効屈折率ｎｍｗとの関係を、実験１と同様にして測定した。また、ネットワークアナライザによってＳ21特性を測定し、電極損失αを算出した。ただし、ｄは５−５００μｍの範囲内で種々変更した。電極膜の厚さＴ、ギャップの大きさＳおよび中心電極の幅Ｗについては、（３０μｍ、４２μｍ、１０μｍ）（１０μｍ、４２μｍ、１０μｍ）（３０μｍ、２０μｍ、１０μｍ）の３種類の組み合わせを選択した。図８には、ｄとｎｍｗとの関係を示し、表２には、ｄと電極損失αとの関係を示す。
【００３３】
【表２】
0003954251.tif 000003
【００３４】
図８から見て、ｄを３０μｍ以下、更には２５μｍ以下とすることによって、ｎｍｗが著しく低下することが分かる。また、ｄが１０μｍ以上である場合に、電極膜の厚さＴを２０μｍ以上とし、かつギャップの大きさＳを２５μｍ以上とすることによって、速度整合条件（ｎｍｗ＝２．１５）を満足することができた。
【００３５】
（実験５）
基板の厚さｄと、マイクロ波の実効屈折率ｎｍｗ、特性インピーダンスＺｃおよび駆動電圧Ｖπ．Ｌとの関係を、実験１と同様にして測定し、その結果を図９、図１０、図１１に示す。ただし、ｄは５−５００μｍの範囲内で種々変更した。電極膜の厚さＴを３０μｍとし、ギャップの大きさＳを４２μｍとし、中心電極の幅Ｗを１０μｍとした。これらの結果から分かるように、たとえばｄ＝１０μｍにおいて、速度整合条件（ｎｍｗ＝２．１５）を満足できる上（図９）、特性インピーダンスも５０Ωに整合し、Ｖπ・Ｌも１１Ｖ・ｃｍに整合させることができる。このように種々の条件を整合可能な進行波形光変調器は、これまで提供されてこなかった。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、進行波形光変調器において、１０ＧＨｚ・ｃｍ以上の変調帯域において、基板の厚さを例えば１０μｍ未満にまで小さくすることなく、マイクロ波と光波との間での速度整合を可能とできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る進行波形光変調器１を模式的に示す断面図である。
【図２】電極膜の厚さＴとマイクロ波の実効屈折率ｎｍｗとの関係を示すグラフである。
【図３】電極膜の厚さＴと特性インピーダンスとの関係を示すグラフである。
【図４】電極膜の厚さＴと駆動電圧Ｖπ・Ｌとの関係を示すグラフである。
【図５】電極間のギャップの大きさＳとマイクロ波の実効屈折率ｎｍｗとの関係を示すグラフである。
【図６】電極間のギャップの大きさＳと特性インピーダンスとの関係を示すグラフである。
【図７】電極間のギャップの大きさＳと駆動電圧Ｖπ・Ｌとの関係を示すグラフである。
【図８】基板の厚さｄとマイクロ波の実効屈折率ｎｍｗとの関係を示すグラフである。
【図９】基板の厚さｄとマイクロ波の実効屈折率ｎｍｗとの関係を示すグラフである。
【図１０】基板の厚さｄと特性インピーダンスＺｃとの関係を示すグラフである。
【図１１】基板の厚さｄと駆動電圧Ｖπ・Ｌとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  進行波形光変調器            ２  基板      ２ａ  基板２の一方の主面      ２ｂ  基板２の他方の主面    ２ｄ  薄肉部分２ｆの底面
２ｅ  厚肉部分２ｇの凹部３に面する内壁面        ２ｆ  薄肉部分
２ｇ        厚肉部分        ３  凹部        ４Ａ、４Ｂ  ギャップ
５Ａ  、５Ｂ  光導波路      ６  電極膜      Ｓ  ギャップの大きさ
Ｔ  電極膜６の厚さ          Ｕ  薄肉部分２ｄの底面の幅
Ｗ    中心電極の幅          ｄ  薄肉部分の厚さ
【図１】
0003954251.tif 000004
【図２】
0003954251.tif 000005
【図３】
0003954251.tif 000006
【図４】
0003954251.tif 000007
【図５】
0003954251.tif 000008
【図６】
0003954251.tif 000009
【図７】
0003954251.tif 000010
【図８】
0003954251.tif 000011
【図９】
0003954251.tif 000012
【図１０】
0003954251.tif 000013
【図１１】
0003954251.tif 000014