(57)【要約】【課題】  電気光学効果を有するＸカット基板を用いた光導波路型デバイスにおいて、制御電極が形成する電界による変調効率を向上させた光導波路型デバイスを提供すること。【解決方法】  電気光学効果を有し、Ｘカット基板１と、該基板上に形成された光導波路２と、該光導波路内を導波する光波を制御する、信号電極３と接地電極４からなる制御電極とを有する光導波路型デバイスにおいて、該光導波路を挟むように配置された該信号電極と該接地電極の少なくとも一方の底面は、該光導波路が形成された上面に対して低い位置（高低差ｄ）にあることを特徴とする。【選択図】図４
2009086336.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有するＸカット基板と、
該基板上に形成された光導波路と、
該光導波路内を導波する光波を制御する、信号電極と接地電極からなる制御電極とを有する光導波路型デバイスにおいて、
該光導波路を挟むように配置された該信号電極と該接地電極の少なくとも一方の底面は、該光導波路が形成された上面に対して低い位置にあることを特徴とする光導波路型デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の光導波路型デバイスにおいて、該基板の厚さが１５μｍ以下の場合、前記信号電極及び接地電極の底面と、前記光導波路が形成された基板上面と、の高低差のうち大きい方が、基板厚さの略１／３以内であることを特徴とする光導波型デバイス。
【請求項３】
請求項１に記載の光導波路型デバイスにおいて、該基板の厚さが１５μｍより厚い場合、前記信号電極及び接地電極の底面と、前記光導波路が形成された基板上面と、の高低差のうち大きい方が、略５μｍ以内であることを特徴とする光導波型デバイス。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路型デバイスにおいて、該基板の裏面には低誘電率層が配置されていることを特徴とする光導波路型デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路型デバイスに関し、Ｘカット基板上に光導波路と該光導波路を挟む制御電極を有する光導波路型デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信分野や光計測分野において、電気光学効果を有するＸカット基板に光導波路や制御電極を形成した光導波路型デバイスが利用されている。
Ｘカット基板は、基板に印加する電界に対し最も効率的に電気光学効果が発現する方向が基板表面に平行な方向（光導波路を形成した基板面に並行な方向）であるため、制御電極を構成する信号電極と接地電極とは、光導波路を挟んで配置されている。
【０００３】
一方、光導波路型デバイスの広帯域化を図るため、特許文献１又は２に示すように基板の厚みを２０μｍ以下にし、電気信号であるマイクロ波と光導波路を伝搬する光波との速度整合を図ることが行われている。
【特許文献１】特開昭６４−１８１２１号公報
【特許文献２】特開２００３−２１５５１９号公報
【０００４】
基板の厚みを２０μｍ更に１５μｍ以下と薄板とした場合には基板自体の機械的強度が弱いため、通常、図１に示すように、基板１の裏面に低誘電率層となる接着層５を介在させて補強基板６が接合されている。なお、各符号は、２が光導波路、３が信号電極、４が接地電極を各々示す。
【０００５】
薄板の基板１では、基板の厚さ方向の材質の変化（例えば、空気層と基板、基板と接着層）による屈折率変化の影響が顕著に出易い。このため、従来の通常の厚みの基板１では、図２（ａ）に示すように、基板１の表面側に光導波路を伝搬する光波が集中的に分布するのに対し、薄板では図２（ｂ）に示すように、基板の中心部付近に閉じこもる傾向となる。
また、ニオブ酸リチウム基板などを用いてＴｉ拡散で光導波路を形成する場合には、特に、この現象は顕著なものとなる。
【０００６】
しかも、Ｘカット基板の薄板を用いた場合には、図３に示すように、光導波路２を伝搬する光波の光ピーク位置２２は、基板１の中心部付近にあるのに対し、信号電極３と接地電極４とが形成する電界は、基板表面に近い側の電界３０が光ビーク位置２２の中心付近を通過する電界３１より強く、結果として、光ピーク位置に電界の強い場所が重ならないため、効率的な光制御が行われていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、上述した問題を解決し、Ｘカット基板を用いた光導波路型デバイスを有するにおいて、制御電極が形成する電界による変調効率を向上させ低駆動電圧を実現した光導波路型デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係る発明は、電気光学効果を有するＸカット基板と、該基板上に形成された光導波路と、該光導波路内を導波する光波を制御する、信号電極と接地電極からなる制御電極とを有する光導波路型デバイスにおいて、該光導波路を挟むように配置された該信号電極と該接地電極のうち少なくとも一方の底面は、該光導波路が形成された上面に対して低い位置にあることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光導波路型デバイスにおいて、該基板の厚さが１５μｍ以下の場合、前記信号電極及び接地電極の底面と前記光導波路が形成された基板上面との高低差のうち大きい方(以下高低差ｄという)が、基板厚さの略１／３以内であることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の光導波路型デバイスにおいて、該基板の厚さが１５μｍより厚い場合、前記信号電極及び接地電極の底面と前記光導波路が形成された基板上面との高低差ｄが、略５μｍ以内であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路型デバイスにおいて、該基板の裏面には低誘電率層が配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に係る発明により、電気光学効果を有するＸカット基板と、該基板上に形成された光導波路と、該光導波路内を導波する光波を制御する、信号電極と接地電極からなる制御電極とを有する光導波路型デバイスにおいて、該光導波路を挟むように配置された該信号電極と該接地電極の少なくとも一方の底面は、該光導波路が形成された基板上面に対して低い位置にあるため、信号電極と接地電極とが形成する電界の強い場所が、基板の中心部付近に近づき、光導波路を伝搬する光波の光ピーク位置と電界の強い場所の重なりが増し、より変調効率を改善することが可能となる。
尚、ここで言う変調効率とは、［（高低差ｄ＞０の場合の駆動電圧）／（高低差ｄ＝０の場合の駆動電圧）］を意味する。
【００１３】
請求項２に係る発明により、該基板の厚さが１５μｍ以下の場合、高低差ｄが基板厚さの略１／３以内であるため、光波の光ピーク位置と電界の強い場所との重なりが、高低差を設けない従来のものより増し、変調効率を改善することができる。
【００１４】
請求項３に係る発明により、該基板の厚さが１５μｍより厚い場合、高低差ｄが略５μｍ以内であるため、光波の光ピーク位置と電界の強い場所との重なりが、高低差を設けない従来のものより増し、変調効率を改善することができる。
【００１５】
請求項４に係る発明により、基板の裏面には低誘電率層が配置されているため、請求項３に係る発明と同様に、光導波路を伝搬する光波の光ピーク位置がより基板の中心部付近に位置することになり、請求項１又は２のような本発明をより好適に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る光導波路型デバイスについて、詳細に説明する。
図４及び図５、図８は、本発明の光導波路型デバイスの主な特徴を示す図である。
本発明の光導波路型デバイス図４及び図５は、電気光学効果を有し、厚みが１５μｍ以下のＸカット基板１と、該基板上に形成された光導波路２と、該光導波路内を導波する光波を制御する、信号電極３と接地電極４からなる制御電極とを有する光導波路型デバイスにおいて、該光導波路を挟むように配置された該信号電極と該接地電極の底面と前記光導波路が形成された基板上面との高低差ｄが、基板厚さの略１／３以内となるように形成されている。
【００１７】
図４は光導波路２を挟む制御電極の一方の電極（図４では接地電極４であるが、信号電極３であっても良い）の底面を、光導波路が形成された基板上面に対して低い位置に設けている。
これにより、信号電極と接地電極とが形成する電界３０の強い場所が、基板の中心部付近に近づき、光導波路を伝搬する光波の光ピーク位置２２と電界の強い場所との重なりが増し、より変調効率を改善することが可能となる。
【００１８】
図５は、光導波路２を挟む両方の制御電極（信号電極３及び接地電極４）の底面を、光導波路が形成された上面に対して低い位置に設けている。
これにより、信号電極と接地電極とが形成する電界３０の強い場所が、図４のものより一層、基板の中心部付近に近づき、光導波路を伝搬する光波の光ピーク位置２２と電界の強い場所との重なりがより一層増加し、変調効率をさらに改善することが可能となる。
【００１９】
本発明の光導波路型デバイス図８は電気光学効果を有し、厚みが１５μｍより厚いＸカット基板１と、該基板上に形成された光導波路２と、該光導波路内を導波する光波を制御する、信号電極３と接地電極４からなる制御電極とを有する光導波路型デバイスにおいて、光導波路２を挟む制御電極の一方の電極（図８では接地電極４であるが、信号電極３であっても良い）の底面を、光導波路が形成された基板上面に対して低い位置に設けている。
これにより、信号電極と接地電極とが形成する電界３０の強い場所が、基板の内部側に移動し、光導波路を伝搬する光波の光ピーク位置２２と電界の強い場所との重なりが増し、より変調効率を改善することが可能となる。
【００２０】
図６は、マッハツェンダー型光導波路のように、２つの分岐導波路２３，２４を有する光導波路型デバイスに、図４又は図５に示す本発明の特徴である光導波路２と制御電極３，４との配置関係を適用した例を示したものである。
【００２１】
基板１は、電気光学効果を有する基板であり、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料及びこれらの組み合わせが利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）結晶が好適に利用される。
また、基板の結晶方向は、基板に印加する電界に対し最も効率的に電気光学効果が発現する方向が基板表面に平行な方向（光導波路を形成した基板面に並行な方向）となるＸカット基板を用いる。
【００２２】
信号電極又は接地電極を形成する基板に、図６に示す各種の凹凸を形成するには、ドライエッチング、ケミカルエッチング又はレーザ加工が利用され、凹凸を形成するタイミングは、基板１を薄板化する前でも後でも良い。
【００２３】
基板１を薄板化するには、基板の一方の面を研磨する。なお、基板表面に予め凹凸部を形成している場合には、基板裏面を研磨する。
基板の研磨方法としては、基板表面に熱可塑性樹脂を塗布し、研磨冶具を貼り付け、ラップ盤研磨機で、基板の裏面を研磨する。
【００２４】
薄板化した基板１に対し、補強基板６を接着層５を介して接合する。
補強基板６に使用される材料としては、種々のものが利用可能であり、例えば、薄板と同様の材料を使用する他に、石英、ガラス、アルミナなどのように薄板より低誘電率の材料を使用したり、薄板と異なる結晶方位を有する材料を使用することも可能である。ただし、線膨張係数が薄板と同等である材料を選定することが、温度変化に対する光導波路型デバイスの動作特性を安定させる上で好ましい。
【００２５】
接着層５としては、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、半田ガラス、熱硬化性、光硬化性あるいは光増粘性の樹脂接着剤シートなど、種々の接着材料を使用することが可能である。特に、接着層に低誘電率材料を使用すると、光導波路型デバイスを広帯域化することが可能となる上、光ビーム位置が基板の中心部付近にシフトしやすくなるため本発明の構成を適用する上でより好ましい。
【００２６】
基板を薄板化する前又は薄板化した基板に補強基板６を接合する前後に、光導波路を形成する。
光導波路２３，２４の形成方法としては、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより形成することができる。
また、信号電極３や接地電極４０，４１などの制御電極は、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。
【００２７】
図６（ａ）は、基板１の信号電極３を形成する位置に凹部を形成し、信号電極３の底面が、光導波路２３，２４が形成された上面に対して低い位置となるように構成されている。また、図６（ｂ）では、信号電極３及び接地電極４０，４１を形成する位置に凹部を形成し、信号電極３及び接地電極４０，４１の両者の底部が、光導波路２３，２４が形成された上面に対して低い位置となるように構成されている。さらに、図６（ｃ）では、接地電極４０，４１を形成する位置に凹部を形成し、接地電極４０，４１の底部が、光導波路２３，２４が形成された上面に対して低い位置となるように構成されている。
【００２８】
図６に示した光導波路型デバイスは、形状が異なると、電界の強い位置も変化するが、図６（ｂ）に示す形状が、基板内の最も深い位置に強い電界を発生させることが可能である。
【００２９】
次に、図６（ａ）の形状の光導波路型デバイスを用いて、信号電極の底面と光導波路が形成された上面との高低差ｄを変化させた場合の変調効率の変化をシュミレーションした。
前提条件として、以下のように設定した。
・基板材料：ニオブ酸リチウム
・接地電極４０，４１の高さ：２２μｍ
・接地電極４０，４１の幅：２００μｍ
・信号電極の高さ：（接地電極の高さ＋高低差ｄ）μｍ
・信号電極の幅：１０μｍ
・信号電極と接地電極との距離：２０μｍ
・光導波路（２３、２４）の幅：７μｍ
・基板の厚さ：１５μｍ
・接着層５：ニオブ酸リチウムよりも低屈折率の接着剤
・補強基板６：ニオブ酸リチウム
【００３０】
さらに、基板の厚みを１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍとした場合の高低差ｄ−変調効率特性に関するシュミレーションの結果を図７に示す。
【００３１】
図７のグラフより、基板の厚みが１５μｍ以下であって、高低差ｄが基板の厚さの略１／３以内の場合は、変調効率が改善していることが理解される。
また、該シュミレーションの結果から、基板自身の厚みが１５μｍより厚い場合においては、基板の厚さに係わらず高低差ｄを５μｍ以下とすることにより変調効率が改善していることが判明した。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
以上のように本発明によれば、Ｘカット基板を用いた光導波路型デバイスにおいて、制御電極が形成する電界による変調効率を向上させた光導波路型デバイスを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】薄板化した基板を用いた光導波路型デバイスの断面図である。
【図２】通常の基板（ａ）と薄板化した基板（ｂ）とにおける光波の分布状況を模式的に示した図である。
【図３】薄板化した基板を用いた光導波路型デバイスにおいて、光ビーム位置を電界の強い位置との関係を示す模式図である。
【図４】本発明の光導波路型デバイスの第１の実施例を示す断面図である。
【図５】本発明の光導波路型デバイスの第２の実施例を示す断面図である。
【図６】マッハツェンダー型光導波路を有する光導波路型デバイスに本発明を適用した場合の分岐導波路における各種形状を示した断面図である。
【図７】信号電極の底面と光導波路が形成された上面との高低差ｄに対する変調効率の変化特性を示すグラフである。
【図８】発明の光導波路型デバイスの第３の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  基板
２，２３，２４  光導波路
３  信号電極
４，４０，４１  接地電極
５  接着層
６  補強基板
２０，２１  光波の分布
２２  光ビーム位置
【図１】
2009086336.tif 000003
【図２】
2009086336.tif 000004
【図３】
2009086336.tif 000005
【図４】
2009086336.tif 000006
【図５】
2009086336.tif 000007
【図６】
2009086336.tif 000008
【図７】
2009086336.tif 000009
【図８】
2009086336.tif 000010