(57)【要約】【課題】光変調器において、速度整合周波数を高帯域とし、かつ変調用電極における電極損失を減少させることである。【解決手段】光変調器は、電気光学材料からなる基板、基板上に設けられた信号電極３Ａ、３Ｂおよび接地電極２Ａ、２Ｂ、および基板に設けられた光導波路を備える。信号電極および接地電極が、それぞれ、相互作用部２ａ、２ｃ、３ａ、３ｃおよびフィードスルー部２ｂ、２ｄ、３ｂ、３ｄを備えている。相互作用部に変調電圧を印加することによって、光導波路を伝搬する光を変調する。フィードスルー部の厚さが相互作用部の厚さよりも大きい。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学材料からなる基板、
前記基板上に設けられた信号電極および接地電極、および
前記基板に設けられた光導波路
を備えており、前記信号電極および前記接地電極が、それぞれ、相互作用部およびフィードスルー部を備えており、前記相互作用部に変調電圧を印加することによって、前記光導波路を伝搬する光を変調する光変調器であって、
前記フィードスルー部の厚さが前記相互作用部の厚さよりも大きいことを特徴とする、光変調器。
【請求項２】
前記フィードスルー部が、前記基板上に設けられている基部と、この基部よりも幅の狭い突出部とを備えていることを特徴とする、請求項１記載の光変調器。
【請求項３】
前記信号電極の前記相互作用部と前記接地電極の前記相互作用部との間にギャップが形成されており、前記光導波路が前記ギャップ内に配置されていることを特徴とする、請求項１または２記載の光変調器。
【請求項４】
前記突出部が前記基部よりも厚いことを特徴とする、請求項２記載の光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変調器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マルチメディアの発展に伴い、通信のブロードバンド化の需要が高まり、１0Gｂ/sを超える光伝送システムが実用化され、さらに高速化が期待されている。１0Gｂ/s以上の電気信号（マイクロ波信号）を光に変調するデバイスとしてＬＮ光変調器が使用されている。
【０００３】
光導波路基板を薄くする構造において速度整合条件を満足するためには、光導波路部周辺の基板厚みを例えば１０μｍ程度にする必要がある。この際、光モードフィールドパターンの偏平化を防止し、基板薄型および溝加工による表面ラフネス、ダメージの影響で発生する光の伝搬損失を抑制するために２段裏溝構造を特許文献１で出願した。
【特許文献１】特開２００２−１６９１３３号公報
【０００４】
また、特許文献２においては、平板状の保持基体と光導波路基板とを接着した光導波路デバイスを開示した。
【特許文献２】WO 03/ 042749
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、電極の特性インピーダンスの整合、速度整合、駆動電圧特性、電極損失をすべて満足するような設計を行うことは、一般に困難であった。例えば、信号電極、接地電極における電極損失を低減するためには、一般に電極厚さを大きくする必要がある。しかし、電極厚さが大きいと、速度整合が難しくなり、使用可能な帯域が低周波化する。このため、速度整合周波数を高くし、かつ電極損失を低減することは困難であった。特に、DQPSK、SSB、DPSKなどの光位相変調器においては、電極の全長が長く、このために電極損失が大きくなる傾向があった。
【０００６】
本発明の課題は、光変調器において、速度整合周波数を広帯域とし、かつ変調用電極における電極損失を減少させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、電気光学材料からなる基板、
基板上に設けられた信号電極および接地電極、および
基板に設けられた光導波路
を備えており、信号電極および接地電極が、それぞれ、相互作用部およびフィードスルー部を備えており、相互作用部に変調電圧を印加することによって、光導波路を伝搬する光を変調する光変調器であって、
フィードスルー部の厚さが相互作用部の厚さよりも大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、変調用電極の相互作用部を相対的に薄くすることによって、相互作用部における速度整合条件を高周波数帯域とすることができる。これと同時に、フィードスルー部を相対的に厚くすることによって、電極全体の電極損失を著しく低減することに成功した。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の光変調器は、光の特性に変調を加えるものであれば限定されず、光強度変調器、光位相変調器であってよい。光強度変調器は、マッハツェンダー型光導波路を利用した光振幅変調器であってよい。光位相変調器とは、入射光に対して位相変調を加え、出射光から位相変調信号を取り出すものを意味する。その種類は特に限定されず、DQPSK、SSB等の各種位相変調方式を利用できる。
【００１０】
好適な実施形態においては、光位相変調器が、複数の光位相変調部を備えている。この実施形態においては、好ましくは、一つの光位相変調部の第一の接地電極または第二の接地電極が、隣接する光位相変調部の第一の接地電極または第二の接地電極と共通接地電極を構成している。このような共通接地電極を形成することによって、光変調部に必要な寸法を小さくし、チップの小型化に資することができる。
【００１１】
複数の位相変調部を用いた場合の位相変調方式は特に限定されず、DQPSK (Differential Quadrature
Phase Shift Keying)、SSB(Single Side Band amplitude modulation)、DPSK「Differential
Phase Shift Keying：差動位相偏移変調」など、種々の位相変調方式を採用できる。各変調方式それ自体は公知である。
【００１２】
光導波路基板を構成する電気光学材料は特に限定されないが、強誘電性の電気光学材料、好ましくは単結晶からなる。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、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、ＫＴＰ、ＧａＡｓ及び水晶などを例示することができる。
【００１３】
信号電極、接地電極の相互作用部とは、光導波路を伝搬する光に対して変調作用を直接及ぼす部分である。また、信号電極、接地電極のフィードスルー部とは、相互作用部と、信号線路とを結ぶ領域である。
【００１４】
電極の材質は、低抵抗でインピーダンス特性に優れる材料であれば特に限定されるものではなく、金、銀、銅などの材料から構成することができる。
【００１５】
光導波路は、基板に形成されており、好ましくは基板の表面側に形成されている。光導波路は、基板の表面に直接形成されたリッジ型の光導波路であってよく、基板の表面上に他の層を介して形成されたリッジ型の光導波路であってよく、また基板の内部に内拡散法やイオン交換法によって形成された光導波路、例えばチタン拡散光導波路、プロトン交換光導波路であってよい。電極は、基板表面側に設けられているが、基板表面に直接形成されていてよく、バッファ層の上に形成されていてよい。
【００１６】
光導波路基板と支持基体とを接着する接着剤の種類は特に限定されないが、厚さ３００μｍ以下が適当である。また、低誘電率層として用いる好適な低誘電体材料としては、高周波変調信号の伝搬損失を低減する観点から低誘電体損(低tanδ)を有する材料を用いることが望ましい。このような低誘電率、低誘電体損の材質としてはテフロン（登録商標）、アクリル系接着剤が例示できる。また、他の低誘電率材料としては、ガラス系接着剤、エポキシ系接着剤、半導体製造用層間絶縁体、ポリイミド樹脂を例示できる。
【００１７】
図１は、本発明に係る光変調器３０を概略的に示す平面図であり、図２は、図１の光変調器の部分拡大図である。図３、図４は、それぞれ、図１、図２の光変調器のIII, IVの各断面図である。
【００１８】
本例の光変調器３０は、ＤＱＰＳＫ型のものである。例えば平板形状の光導波路基板５の表面５ａ上に、二系統のマッハツェンダー型光導波路１Ａ、１Ｂが形成されている。各光導波路は、それぞれ、独立した光変調部を形成する。各光導波路は、入射部１ａ、分岐部１ｂ、１ｄ、相互作用部１ｃ、出射部１ｅを備えている。１ｆ、１ｇは湾曲点である。この結果、４列の相互作用部１ｃが基板５上に形成されている。
【００１９】
各相互作用部１ｃに対応して、それぞれ、一対の信号電極３Ａあるいは３Ｂと、接地電極２Ａあるいは２Ｂとが形成されている。隣接する信号電極と接地電極との間にそれぞれギャップ９が形成されており（図３）、平面的に見て各ギャップ内に相互作用部１ｃが配置されている。Ａは相互作用部の範囲であり、Ｂはフィードスルー部である。特に図２に示すように、接地電極２Ａは相互作用部２ａとフィードスルー部２ｂとを有しており、接地電極２Ｂは相互作用部２ｃとフィードスルー部２ｄとを有している。信号電極３Ａは、相互作用部３ａとフィードスルー部３ｂとを有しており、信号電極３Ｂは、相互作用部３ｃとフィードスルー部３ｄとを有している。
【００２０】
ここで、本発明に従い、フィードスルー部２ｂ、２ｄの厚さは、相互作用部２ａ、２ｃの厚さよりも大きく、フィードスルー部３ｂ、３ｄの厚さは、相互作用部３ａ、３ｃの厚さよりも大きい。
【００２１】
例えば図３、図４に示す例では、各相互作用部２ａ、３ａ、２ｃ、３ｃは、それぞれ、厚さｔ１の導電膜２０からなる（図３）。一方、図４に示すように、各フィードスルー部２ｂ、３ｂ、２ｄ、３ｄは、それぞれ、相対的に幅広の基部２０と、基部２０上に形成された相対的に幅の狭い突出部２１とを備えている。幅広の基部２０と、幅の狭い突出部２１とは、別個のマスクを用いて別々にパターニングする必要がある。
【００２２】
基部２０は、厚さｔ１が相対的に小さいことからパターニングレジストの厚さも小さくできる。レジストが薄いと、パターニングの際の寸法精度は高くすることが可能であり、寸法の仕様からのズレを著しく小さくすることができる。
【００２３】
一方、フィードスルー部においては、突出部２１を設けることによって、電極損失を著しく低減することが可能である。また、本例のように、フィードスルー部において、基部上に幅の相対的に狭い突出部を設けた場合には、速度整合、特性インピーダンスなどの特性がほとんど劣化しない。
【００２４】
支持基板８の表面には導電性膜（シールド膜）７が形成されている。光導波路基板５の底面は、接着層（低誘電率層）６を介して、支持基板８上の導電層７に対して接着されている。
【００２５】
また、図５に示すように、フィードスルー部２ｂ、３ｂ、２ｄ、３ｄは、その全厚さにわたって一定幅Ｗ１またはＷ３を有していても良い。この態様は、フィードスルー部における電極損失の低減という観点からは、一層有利である。ただし、フィードスルー部のパターニング精度は低下するため、特性インピーダンスにズレがでる可能性があり、この点からはフィードスルー部が基部と突出部とを有することが有利である。
【００２６】
フィードスルー部において、基部２０の幅Ｗ１と対応する突出部２１の幅Ｗ２との差、及びＷ３とＷ４との差は、前記の観点からは、２μｍ以上が好ましく、５μｍ以上が更に好ましい。また、基部２０の幅Ｗ１と対応する突出部２１の幅Ｗ２との差、及びＷ３とＷ４との差が大きくなり過ぎると、本発明による電極損失低減の作用効果が減少してくるので、この観点からは、３０μｍ以下が好ましく、２０μｍ以下が更に好ましい。
【００２７】
相互作用部における電極厚さＴ１は、速度整合、パターニング精度向上という観点からは、15μｍ以下が好ましく、10μｍ以下が更に好ましい。また、相互作用部における電極厚さＴｌは、導電性の確保という観点からは、1μｍ以上が好ましい。
【００２８】
フィードスルー部における電極厚さ（ｔ１＋ｔ２）は、電極損失の低減という観点からは、１０μｍ以上が好ましく、１５μｍ以上が更に好ましい。また、（ｔ１＋ｔ２）の上限も特に限定されず、必要とされる速度整合、特性インピーダンスによって決定されるが，例えば１００μｍ以下が好ましい場合がある。
【００２９】
光導波路が配置されているギャップ９の幅Ｇ１は限定されないが、５〜１００μｍが好ましく、１０〜６０μｍが更に好ましい。
【００３０】
光導波路基板５の厚さＴｓｕｂは特に限定されないが、速度整合の観点からは、２０μｍ以下が好ましく、１０μｍ以下が更に好ましい。また、基板強度の観点からは、１μｍ以上が好ましい。
【００３１】
以下、本発明の光変調器の好適な製造プロセスについて述べる。
（製法例１）
図６（ａ）に示すように、導波路が形成された電気光学材料からなる基板材料１１を準備する。図６（ｂ）に示すように、基板１１の表面１１ａに金属下地膜１２を設ける。こうした金属下地膜の種類は、特に限定されないが、Ａｕ膜、下地をＣｒとし、その上にＡｕを積層した多層膜、下地をＴｉとしその上にＡｕを積層した多層膜を例示できる。成膜方法は特に限定されず、スパッタリング、蒸着を例示できる。
【００３２】
次いで、図６（ｃ）に示すように、金属下地膜１２上に、フォトリソグラフィ法によってレジスト２３を形成する。
【００３３】
次いで、図７（ａ）に示すように、レジスト２３の間に電極基部２０を形成する。この形成方法は限定はされないが、めっき法が好ましい。次いで、レジスト２３を剥離させ、図７（ｂ）の状態とする。次いで、図７（ｃ）に示すように、基部２０および金属膜１２上にレジスト１３を形成する。ここで、図７（ｃ）において左側（フィードスルー部）では、レジスト１３に開口を形成し、右側（相互作用部）では、レジスト１３に開口を設けない。そして、フィードスルー部側では、基部２０上にも突出１３ａを形成することによって、レジスト１３の開口幅がレジスト２３の開口幅よりも狭くなるようにする。
【００３４】
次いで、レジストパターン１３の開口部に突出部２１を形成する（図８（ａ））。この形成方法は限定されないが、めっき法が好ましい。次いで、レジストパターン１３を除去し、図８（ｂ）に示すように、フィードスルー部（左側）では、基部２０上に突出部２１を形成する。右側（相互作用部側）では、突出部は形成されない。次いで、不要な金属下地膜１２を除いて電極２Ａ，２Ｂ、３Ａ，３Ｂを形成する。
【００３５】
（製法例２）
まず、前述した図７（ｂ）の状態とする。次いで、図９（ａ）に示すように、金属下地膜１２および基部２０上にレジスト４０を形成する。ただし、フィードスルー部側（左側）では、レジスト４０には開口を形成し、相互作用部側（右側）では、レジスト４０によって基部２０を被覆する。
【００３６】
次いで、めっきなどの膜形成を行うと、図９（ｂ）に示すように、フィードスルー部側（左側）では、基部２０上にさらに金属膜が形成され、相対的に厚さの大きい膜２２が形成される。一方、相互作用部側（右側）では、基部２０がレジスト４０で被覆されているので、基部２０上には金属膜は形成されない。次いで、レジスト４０を剥離させることによって、図９（ｃ）に示すように、フィードスルー部３ｂ（あるいは３ｄ、２ｂ、２ｄ）の厚さを、相互作用部３ａ（あるいは３ｃ、２ａ、２ｃ）よりも大きくすることができる。
【００３７】
（製法例３）
まず、前述した図６（ｂ）の状態とする。次いで、図１０（ａ）に示すように、金属下地膜１２上にレジスト４１を形成する。次いで、めっきなどによって金属膜２２を形成する。この際、フィードスルー部側（左側）、相互作用部側（右側）において、金属膜２２の厚さはほぼ同じであり、（ｔ１＋ｔ２）である（図４）。
【００３８】
次いで、図１０（ｂ）に示すように、レジスト４１を剥離させることによって、金属膜２２を露出させる。次いで、図１０（ｃ）に示すように、レジスト４２を形成し、フィードスルー部側（左側）の基部２２を被覆し、相互作用部（右側）では金属膜２２を開口から露出させる。
【００３９】
この状態で、金属膜２２をハーフエッチングする。この際、フィードスルー部側（左側）では、マスク４２によって金属膜２２が被覆されているので、金属膜２２はエッチングされない。一方、相互作用部（右側）では、金属膜２２がハーフエッチングされ、厚さの小さい金属膜２０が形成される。次いで、レジスト４２を剥離させ、フィードスルー部２２および相互作用部２０を残留させる。次いで不要となった下地膜１２を除去して電極を形成する。
【００４０】
レジストのパターニングは、通常の露光方法によって実施できる。露光時にはコンタクトアライナーを使用することができる。
【００４１】
レジストの材質は、特に限定されず、ノボラック樹脂系ポジ型レジスト、主鎖切断（崩壊）型ポジ型レジスト、環化ポリイソプレン−アジド化合物系ネガ型レジスト、フェノール樹脂−アジド化合物系ネガ型レジスト、溶解抑制型電子線ポジ型レジスト、架橋型電子線ネガレジストを例示できる。
【００４２】
（製法例４）
図６（ａ）に示すように、導波路が形成された電気光学材料からなる基板材料１１を準備する。図６（ｂ）に示すように、基板１１の表面１１ａに金属下地膜１２を設ける。次いで、図６（ｃ）に示すように、金属下地膜１２上に、フォトリソグラフィ法によってレジスト２３を形成する。
【００４３】
次いで、図７（ａ）に示すように、レジスト２３の間に電極基部２０を形成する。この形成方法は限定はされないが、めっき法が好ましい。所定のめっき厚を得たら、一旦ウェハを取り出し、マスキングテープで相互作用部全面を覆う。再度電解めっき浴にて、フィードスルー部に必要なめっき厚になるよう、２回目のめっきを行う。
【００４４】
２回目のめっき終了後、マスキングテープを剥離し、不要となったレジストを有機溶剤または剥離液で除去する。この方法により、製法例１、２と同様に、フィードスルー部の電極厚さを相互作用部の電極厚さよりも厚くできる。
【実施例】
【００４５】
（実施例１）
図６〜図８を参照しつつ説明した製造方法に従い、図１、２、３、４に示す光変調器３０を作製した。ただし、光導波路基板５および支持基板８の材質としては、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）単結晶を用いた。電極２、３は金によって形成した。低誘電率層兼接着層６は有機系接着剤によって形成した。
【００４６】
Ｔｉ拡散で導波路を形成したＬＮウェハ１１にＡｕ膜１２を蒸着した後、一般的なフォトリソグラフィで所望のレジスト２３を形成し、そこに電極基部２０を金めっきした。一旦レジスト２３を剥離してから、再度レジストを塗布し、２段目の電極のためレジスト１３をフォトリソグラフィで形成し、突出部２１を金めっきによって形成した。この基板１１を有機系接着剤でベース基板８と接着した。さらに、この接着体をダイシングソーにて所望のサイズの素子形状に切り出し、各種の素子特性を測定した。
【００４７】
作製した光変調器の寸法を述べる。図３において、光導波路基板５の厚さＴｓｕｂは５μｍであり、ギャップ幅Ｇ１は１５μｍであり、ギャップ幅Ｇ２は９０μｍであり、相互作用部における接地電極幅Ｗ１は１５０μｍであり、相互作用部における信号電極幅Ｗ３は４０μｍである。相互作用部における電極厚さｔ１は６μｍである。
【００４８】
また、図４において、フィードスルー部における接地電極幅Ｗ１は１５０μｍであり、突出部の幅Ｗ２は１４０μｍであり、ギャップ幅は５０μｍであり、基部２０の厚さｔ１は６μｍであり、接地電極の全厚さ（ｔ１＋ｔ２）は２６μｍである。また、フィードスルー部における信号電極の基部幅Ｗ３は６０μｍであり、突出部２１の幅Ｗ４は５０μｍであり、信号電極の基部厚さｔ１は６μｍであり、信号電極の全厚さ（ｔ１＋ｔ２）は２６μｍである。
【００４９】
一方、上記と同様の構成で、フィードスルー部において突出部２１を設けない形態の光変調器を作製した（比較例）。この場合には、フィードスルー部、相互作用部における各電極の厚さはすべて６μｍである。
【００５０】
比較例では、３ｄＢ帯域は２０ＧＨｚであり、１ＧＨｚでの電極損失は１．４ｄＢであった。これに対して、実施例では、３ｄＢ帯域は３０ＧＨｚであり、信号電極の電極損失は１．１ｄＢであった。
【００５１】
以上の実施例では、電極として非対称コプレーナストリップ線路(A-CPS：Asymmetric Coplanar StripもしくはA-CPW：Asymmetric Coplanar Waveguide）を用いた場合について述べた。同様に、例えばコプレーナ線路CPW（Coplanar Waveguide）を用いた変調電極に対しても、特性インピーダンスを適切な値になるようにして、例えば相互作用部で速度整合条件を満たすような基板厚や電極寸法を採用すれば、本発明の効果を同様に実現できる。
【００５２】
以上の実施例では、光導波路基板５にＸカット−ニオブ酸リチウムを使用した場合を例示した。これ以外に例えば光導波路基板５にＺカット−ニオブ酸リチウムを使用した場合、通常、基板厚Ｔsubは０．１−１ｍｍで、相互作用部の信号電極幅W３は５−２０μｍ程度、信号電極と接地導体とのギャップ幅G１＝Ｇ２＝１０−１００μm程度の寸法が採られる。この時、基部の電極厚T1は相互作用部の速度整合条件を満たすように１−１００μｍ程度に設定し、W１，Ｗ３と、対応する突出部の幅Ｗ２，Ｗ４との差を２−３０μｍ程度に設定し、かつ特性インピーダンスが適切な値になるように突出部電極厚Ｔ２を設定することにより、電極損失を小さくできる。ここで、突出部の厚さＴｍｕｐ上限には制限がないが、１００μm程度が好ましい場合がある。同様に、本発明を以上の進行波形電極やあるいは集中定数形電極を用いた光変調器に利用できることは自明である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に係る光変調器３０の平面的パターンを示す概略平面図である。
【図２】図２のパターンの部分拡大図である。
【図３】図１の光変調器３０の相互作用部のＩＩＩ線（図２参照）概略断面図である。
【図４】図１の光変調器３０のフィードスルー部のＩＶ線（図２参照）概略断面図である。
【図５】他の実施形態に係る光変調器のフィードスルー部を示す概略断面図である。
【図６】（ａ）は、基板材料１１を示す図であり、（ｂ）は、基板材料１１上に金属下地膜１２を設けた状態を示す図であり、（ｃ）は、金属下地膜１２上にレジスト２３を形成した状態を示す図である。
【図７】（ａ）は、基部２０を形成した状態を示す図であり、（ｂ）は、レジスト２３を除去した状態を示す図であり、（ｃ）は、新しいレジスト１３を形成した状態を示す図である。
【図８】（ａ）は、レジスト１３内に突出部２１を形成した状態を示す図であり（フィードスルー部）、（ｂ）は、（ａ）からレジスト１３を除去した状態を示す図である。
【図９】（ａ）は、基板材料にレジスト４０を形成した状態を示す図であり、（ｂ）は、レジスト４０内に電極膜２２を形成した状態を示す図であり、（ｃ）は、レジスト４０を剥離させた状態を示す図である。
【図１０】（ａ）は、レジスト４１の開口に電極膜２２を形成した状態を示す図であり、（ｂ）は、レジスト４１を剥離させた状態を示す図であり、（ｃ）は、基板材料１１上にレジスト４２を形成した状態を示す図である。
【図１１】（ａ）は、電極膜をハーフエッチングした状態を示す図であり（相互作用部）、（ｂ）は、レジスト４２を剥離させた状態を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１Ａ、１Ｂ  光導波路            ２Ａ、２Ｂ  接地電極            ２ａ、２ｃ、３ａ、３ｃ  電極の相互作用部    ２ｂ、２ｄ、３ｂ、３ｄ  電極のフィードスルー部          ３Ａ、３Ｂ  信号電極            ５  光導波路基板            ６  接着剤層    ７導電性膜            ８  支持基板            ９  ギャップ              １１  基板材料              １３、２３、４０、４１、４２  レジスト            ２０  基部            ２１  突出部            ２２  電極膜            ３０  光変調器            Ａ  相互作用部            Ｂ  フィードスルー部              
【図１】
2009145813.tif 000003
【図２】
2009145813.tif 000004
【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】
2009145813.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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