光変調器
【課題】
ＬＮ基板の下方に所定厚さの低誘電率接着層を備え、電気信号の等価屈折率を下げるとともにＬＮ基板の破損を抑える機械的強度を有する光変調器を提供する。
【解決手段】
基板と、光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記基板の他方の面側で前記基板に接着して形成され、前記基板の比誘電率より低い材料から成る低誘電率接着層とを具備し、前記光導波路が入力光導波路と、相互作用光導波路と、出力光導波路からなる光変調器において、前記相互作用光導波路の近傍を伝搬する電気信号の電気力線のうち、空気中以外に存在する電気力線が前記基板と前記低誘電率接着層を通過することにより該電気信号の等価屈折率が下がり、前記光導波路を伝搬する前記光の前記等価屈折率に近づくように前記低誘電率接着層の厚みを設定するとともに、前記低誘電率接着層が前記基板の破損を抑える。
ＬＮ基板の下方に所定厚さの低誘電率接着層を備え、電気信号の等価屈折率を下げるとともにＬＮ基板の破損を抑える機械的強度を有する光変調器を提供する。
【解決手段】
基板と、光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記基板の他方の面側で前記基板に接着して形成され、前記基板の比誘電率より低い材料から成る低誘電率接着層とを具備し、前記光導波路が入力光導波路と、相互作用光導波路と、出力光導波路からなる光変調器において、前記相互作用光導波路の近傍を伝搬する電気信号の電気力線のうち、空気中以外に存在する電気力線が前記基板と前記低誘電率接着層を通過することにより該電気信号の等価屈折率が下がり、前記光導波路を伝搬する前記光の前記等価屈折率に近づくように前記低誘電率接着層の厚みを設定するとともに、前記低誘電率接着層が前記基板の破損を抑える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高速で駆動電圧が低く、かつ製作の歩留まりの良い光変調器の分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ3）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、リチウムナイオベート基板をＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ/ｓ、１０Ｇｂｉｔ/ｓの大容量光伝送システムに適用されている。最近はさらに４０Ｇｂｉｔ/ｓの超大容量光伝送システムにも適用が検討されており、キーデバイスとして期待されている。
【０００３】
このＬＮ光変調器では進行波電極を伝搬する電気信号の等価屈折率ｎmと光導波路を伝搬する光の等価屈折率ｎoおよび、電気信号の伝搬損失が光変調の応答帯域に決定的な役割を果たすが、その中でも、電気信号の等価屈折率ｎmと光の等価屈折率ｎoとはその値が大きく異なっており、光変調の応答帯域を制限する決定的な要因となっている。そこで、これらを一致させる（電気信号と光の速度整合、あるいは簡単に速度整合と言う）ために、研究・開発が進められている。
【０００４】
ｚ−ｃｕｔＬＮ基板についてはリッジ構造が考案されるとともにその有効性を実証されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、ｘ−ｃｕｔＬＮ基板についてはまだ決定的に優れた構造がないのが実情である。
【０００５】
このｘ−ｃｕｔＬＮ基板において電気信号と光の速度整合を達成するための技術が、特許文献２に開示されている。その１実施形態の斜視図を図５に、図５中のＡ−Ａ’線における断面図を図６及び図７に示す。図６及び図７は電気信号と光が相互作用する、いわゆる相互作用部の断面図に対応する。なお、図７は図６に電気力線等を追記したものである。
【０００６】
図中、１はｘ-ｃｕｔＬＮ基板、２は接着材からなる低誘電率接着層、３は保持基体である。４はｘ-ｃｕｔＬＮ基板１にＴｉを蒸着後、１０５０℃で約１０時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系（あるいは、マッハツェンダ光導波路）を構成している。また、４ａ、４ｂは電気信号と光が相互作用する部位（相互作用部と言う）における光導波路、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームである。進行波電極５は中心導体５ａ、接地導体５ｂ、５ｃからなっている。６ａと６ｂは電気信号の電気力線であり、これらの電気力線６ａ、６ｂと光導波路４ａ、４ｂを伝搬する光のパワーの重なり積分が半波長電圧Ｖπと相互作用長Ｌとの積Ｖπ・Ｌを決定する。
【０００７】
図６から分かるように、ｘ-ｃｕｔＬＮ基板１はその一方の面１ａに光導波路４と進行波電極５の中心導体５ａと接地導体５ｂ、５ｃが形成されており、主基板としての機能を果たしている。低誘電率接着層２はｘ-ｃｕｔＬＮ基板１の他方の面１ｂに、十分な機械的強度を有する保持基体３の一方の面３ａを固定する役割をする。
【０００８】
さて、図７に示すようにｘ−ｃｕｔＬＮ基板１の一方の面１ａに平行な方向をｘ方向、垂直な方向をｙ方向とすると、ｘ方向の比誘電率εrxとｙ方向の比誘電率εryは各々２８、４３と大変大きい。そのため、通常、電気信号の等価屈折率ｎmは３．０〜４．２程度と、光の等価屈折率ｎo（約２．１５）よりも大きな値となる。
【０００９】
そこで、この従来の実施形態においては、低誘電率接着層２の比誘電率は３〜５と低いことを利用し、電気力線６ａ、６ｂにこの低誘電率接着層２の領域を通過させることにより電気信号の等価屈折率ｎmを下げ、光の等価屈折率ｎoに近づけるようにしている。なお、説明を簡単にするために図７においては空気中に存在する電気力線の図示を省略している。
【００１０】
電気力線６ａ、６ｂにこの低誘電率接着層２の領域を通過させるためには、ｘ-ｃｕｔＬＮ基板１の厚みＴ1を１０μｍ程度まで薄くする必要がある。しかしながら、その程度の厚みのｘ-ｃｕｔＬＮ基板１のみでは機械的な強度が極めて弱くなってしまい、不図示のパッケージ筺体にｘ-ｃｕｔＬＮ基板１をそのまま固定し、光変調器として使用することは事実上不可能となる。
【００１１】
この問題を回避するには機械的強度を高める必要がある。そのため、前述のようにｘ-ｃｕｔＬＮ基板１の光導波路４や進行波電極５を形成していない他方の面１ｂに、低誘電率接着層２を用いて十分な機械的強度を有する保持基体３の面３ａを固定することにより、ＬＮ光変調器全体としての機械的強度を高めている。さらに保持基体３の他方の面３ｂを不図示のパッケージ筺体に固定することにより、通信に使用できる形態とする。なお、特許文献２によれば保持基体３としてｘ-ｃｕｔＬＮ基板そのものを用いている。
【００１２】
【特許文献１】特開平４−２８８５１８号公報
【特許文献２】特開２００３−２１５５１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、この特許文献２に示される従来技術は、次に示す解決すべき課題を有している。前述のように、低誘電率接着層２の比誘電率は３〜５と低く、電気力線６ａ、６ｂにこの低誘電率接着層２の領域を通過させることにより電気信号の等価屈折率ｎmを下げ、光の等価屈折率ｎoに近づけるようにしている。しかし、この電気力線６ａ、６ｂは厚みＴ2が通常３０μｍ程度の低誘電率接着層２を突き抜け、保持基体３に達してしまう。
【００１４】
前述のように、この保持基体３の材料としてはｘ−ｃｕｔＬＮ基板を用いている。つまり保持基体３の比誘電率は光導波路４と進行波電極５が形成されているｘ−ｃｕｔＬＮ基板１と同様に大きいので、電気信号の等価屈折率ｎmは光の等価屈折率ｎoよりも大きくなりやすい。特に進行波電極５の中心導体５ａの幅Ｓや、中心導体５ａと接地導体５ｂ、５ｃの間のギャップＷが数十μｍと大きい場合には、電気力線６ａ、６ｂの広がり方がさらに大きくなり、低誘電率接着層２を突き抜け、保持基体３に達してしまう。このように進行波電極のサイズが大きい場合には、電気信号の等価屈折率ｎmがより一層大きくなり、光の等価屈折率ｎoから大きく外れてしまうという問題点があった。
【００１５】
なお、保持基体３として比誘電率の大きなｘ−ｃｕｔＬＮ基板の代わりに、アルミナ基板や石英基板を用いることも考えられる。しかしながら、これらは比誘電率が３〜５である低誘電率接着層２に比べて比誘電率が高く（約１０前後）、やはり電気信号の等価屈折率ｎmが大きくなる傾向は免れ得ない。
【００１６】
さらに、アルミナ基板や石英基板基板はｘ−ｃｕｔＬＮ基板１と比較して熱膨張係数が数桁大きい。従って、これらを保持基体３として用いた場合には温度の変化とともにＬＮ基板にストレスが発生し、電気信号に重畳するバイアス電圧がドリフトする、あるいは最悪の場合にはｘ−ｃｕｔＬＮ基板１その物が破壊される場合もある。
【００１７】
また、図５から図７に示した従来の実施形態では、光導波路４と進行波電極５が形成されているｘ−ｃｕｔＬＮ基板１の他に、別途、保持基体３を使用するので、当然のことながら保持基体３の部材費とその形状に加工するための加工費が必要となる。さらに、保持基体３の一方の面３ａと、光導波路と進行波電極が形成されているＬＮ基板１の他方の面１ｂとの接着固定するための工程が必要となり、結果的にコスト上昇につながってしまっていた。
【００１８】
さらに重要な問題として、この接着固定の際に、低誘電率接着層２と保持基体３の一方の面３ａとの間に空気が入りやすいという問題点があった。低誘電率接着層２と保持基体３の一方の面３ａとの間に空気が入った場合には、その後の高温試験の際に、保持基体３の一方の面３ａとの間に入った空気が熱膨張し、厚みが１０μｍ程度と薄くて機械的な強度が低いｘ−ｃｕｔＬＮ基板１を破裂・破壊し、歩留まりが低下する原因となっていた。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光変調器では、
電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記基板の他方の面側で前記基板に接着して形成され、前記基板の比誘電率より低い材料から成る低誘電率接着層とを具備し、前記光導波路が、前記光を入射するための入力光導波路と、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路と、前記相互作用光導波路において変調された結果生成された信号光を出射する出力光導波路からなる光変調器において、
前記相互作用光導波路の近傍を伝搬する電気信号の電気力線のうち、空気中以外に存在する電気力線が前記基板と前記低誘電率接着層を通過することにより該電気信号の等価屈折率が下がり、前記光導波路を伝搬する前記光の等価屈折率に近づくように前記低誘電率接着層の厚みを設定するとともに、前記低誘電率接着層が前記基板の破損を抑えることを特徴としている。
【００２０】
本発明の請求項２の光変調器では、
電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記基板の他方の面側で前記基板に接着して形成され、前記基板の比誘電率より低い材料から成る低誘電率接着層とを具備し、前記光導波路が、前記光を入射するための入力光導波路と、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路と、前記相互作用光導波路において変調された結果生成された信号光を出射する出力光導波路からなる光変調器において、
前記相互作用光導波路の近傍を伝搬する電気信号の電気力線のうち、空気中以外に存在する電気力線が前記基板と前記低誘電率接着層のみを通過することにより該電気信号の等価屈折率が下がり、前記光導波路を伝搬する前記光の等価屈折率に近づくように前記低誘電率接着層の厚みを設定するとともに、前記低誘電率接着層が前記基板の破損を抑えることを特徴としている。
【００２１】
本発明の請求項３の光変調器では、
請求項１および２に記載の光変調器において、前記基板の厚みが５０μｍ以下であることを特徴としている。
【００２２】
本発明の請求項４の光変調器では、
請求項１から３に記載の光変調器において、前記基板の前記他方の面が略平坦であることを特徴としている。
【００２３】
本発明の請求項５の光変調器では、
請求項１から４に記載の光変調器において、前記基板がｘ−ｃｕｔリチウムナイオベート基板であることを特徴としている。
【００２４】
本発明の請求項６の光変調器では、
請求項１から４に記載の光変調器において、前記基板がｚ−ｃｕｔリチウムナイオベート基板であることを特徴としている。
【００２５】
本発明の請求項７の光変調器では、
請求項１から５に記載の光変調器において、前記基板の厚み、前記低誘電率接着層の比誘電率、前記中心導体の幅と厚み、前記接地導体の厚み、及び前記中心導体と前記接地導体との間のギャップを、前記進行波電極を伝搬する電気信号の等価屈折率と前記光導波路を伝搬する前記光の等価屈折率が近くなるように、それぞれの値を設定したことを特徴としている。
【００２６】
本発明の請求項８の光変調器では、
請求項６に記載の光変調器において、前記基板の厚み、前記低誘電率接着層の比誘電率、前記中心導体の幅と厚み、前記接地導体の厚み、前記中心導体と前記接地導体との間のギャップ、及びバッファ層の厚みを、前記進行波電極を伝搬する電気信号の等価屈折率と前記光導波路を伝搬する前記光の等価屈折率とが近くなるように、それぞれの値を設定したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２７】
本発明においては従来接着層と考えられていた低誘電率接着層を厚く、また強度の強い材料を使用して保持基台とすることにより、従来技術の保持基体の機能を持つようにしたので、光導波路や進行波電極を形成した基板の下に保持基体の役割をする比誘電率が３〜５程度と低い低誘電率接着層が厚く存在する。その結果、電気信号の等価屈折率ｎmを下げ、光の等価屈折率ｎoに近づけることが容易になるばかりでなく、電気信号の等価屈折率ｎmの設定にばらつきがなくなり、光変調帯域についての歩留まりが著しく向上する。
また、従来はｘ−ｃｕｔＬＮ基板により製作していた保持基体その物が不要となるため、部品点数が減ることによる光変調器のコスト低減を実現できるばかりでなく、ＬＮ基板の他方の面１ｂとを低誘電率接着層２を介して保持基体を接着固定する工程が不要となり、一層のコスト低減を図ることができる。さらに、特にこの接着工程その物がないので、接着固定する際に問題となっていた低誘電率接着層２と保持基体３の一方の面３ａとの間に空気が入ることによる歩留まりの低下を完全に解決できるという利点がある。本発明はｘ−ｃｕｔＬＮ基板のみでなく、ｚ−ｃｕｔＬＮ基板にも適用可能であるという利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態について説明するが、図５から図７に示した従来の実施形態と同一番号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一番号を持つ機能部の説明を省略する。
［第１実施形態］
【００２９】
図１に本発明の第１実施形態における光変調器の斜視図を、図２に図１のＢ−Ｂ’における断面図を示す。図１と図２から分かるように、本実施形態では従来の実施形態である図５から図７に示した高い比誘電率を有するｘ−ｃｕｔＬＮ基板からなる保持基体３が存在しない。その代わりに、保持基台７がｘ−ｃｕｔＬＮ基板１の下方に設けられている。ｘ−ｃｕｔＬＮ基板１の他方の面１ｂに保持基台７の一方の面７ａが接着して形成されている。この保持基台７は、図５から図７に示した従来技術の低誘電率接着層２と同様、誘電率が低い接着材から形成されている。しかし、従来技術とは異なり、強度の高い材料で形成されるとともに、その厚みが厚く形成されている。これにより、接着の機能に加え、従来技術の保持基体３が有していた十分な機械的強度の機能も有している。
【００３０】
ここで、ｘ−ｃｕｔＬＮ基板１の厚みＴ1と低誘電率接着材からなる保持基台７の厚みＴ7は各々約１０μｍ、約５００μｍとし、進行波電極の厚みＴ5は２０μｍとした。なお、保持基台７は紫外線硬化接着材をスピナーでスピンコートしたのち、紫外線を照射し固化した。スピナーでスピンコートすることにより重ね塗りが可能であり、容易に３００μｍ程度の保持基台７を製作することができた。
【００３１】
本発明では、保持基台７としてエポキシ系やアクリル系等の接着材を使用している。接着材の固化の方法としては、紫外線硬化、加熱あるいはそれらを併用しても良い。注意すべきことは、低誘電率接着層を保持基台７として用いているので、熱膨張係数や特に機械的強度等、つまり従来技術の保持基体３において要求される条件を満たすことができる接着材を使用することが重要である。なお、接着材は、固化時の収縮率が２％以下と小さいことが望ましく、かつ熱膨張係数としては０．５×１０-5／Ｋ〜３×１０-5／Ｋでの範囲で選ぶと良い。
【００３２】
なお、ｘ−ｃｕｔＬＮ基板１の他方の面１ｂは、研磨により略平坦とした。これは主基板としてｚ−ｃｕｔあるいはｙ−ｃｕｔなどその他の方位の基板でも同じである。ここで、この略平坦とは研磨など加工の範囲内における凹凸や湾曲などを含んで平坦という意味である。また、保持基台７の他方の面７ｂを不図示のパッケージ筺体に固定することにより、通信に使用できる形態とする。
【００３３】
図７と同様に、図２には電気力線６ａ、６ｂを示している。なお、説明を簡単にするために、図２においては空気中に存在する電気力線の図示を省略している。
図２から分かるように電気力線６ａ、６ｂは比誘電率の高いｘ−ｃｕｔＬＮ基板１を突き抜けた後、低い比誘電率を持つ保持基台７の内部に全て分布している。従って、電気力線６ａ、６ｂがｘ−ｃｕｔＬＮ基板１を突き抜けた後、比誘電率が大きなｘ−ｃｕｔＬＮ基板からなる保持基体３に入射する図５から図７に示した従来の実施形態とは異なり、電気信号の等価屈折率ｎmを下げ、光の等価屈折率ｎoに近づけることが容易になるばかりでなく、電気信号の等価屈折率ｎmの設定にばらつきがなくなり、光変調帯域についての歩留まりを著しく向上できる。
【００３４】
さらに、前述のように進行波電極５の中心導体５ａの幅Ｓや、中心導体５ａと接地導体５ｂ、５ｃの間のギャップＷが大きい場合には、電気力線６ａ、６ｂの広がり方が大きくなるが、電気力線６ａ、６ｂはｘ−ｃｕｔＬＮ基板１を突き抜けた後、低い比誘電率を持つ保持基台７に全てが入っているので、電気信号の等価屈折率ｎmを低く抑え、光の等価屈折率ｎoに近くすることが可能である。つまり、進行波電極５の寸法が大きい場合に、電気信号の等価屈折率ｎmが大きくなりやすいという従来の実施形態が有していた問題を顕著に解決することができる。
【００３５】
前述のように、本実施形態では図５から図７に示した高い比誘電率を有するｘ−ｃｕｔＬＮ基板からなる保持基体３が存在しないので、これを準備するための部材費や加工費、さらには従来必要であったｘ−ｃｕｔＬＮ基板１とｘ−ｃｕｔＬＮ基板からなる保持基体３との接着の工程が不要となり、人件費に起因するコストを低減できる。
【００３６】
また、一般に誘電体基板の熱膨張係数はｘ−ｃｕｔＬＮ基板１の値より数桁大きいが、接着材は各種の材料を混ぜて製作されているため、ｘ−ｃｕｔＬＮ基板１と同程度の製品もある。そうした接着材を保持基台７として用いることにより、ｘ−ｃｕｔＬＮ基板１と保持基台７との熱膨張係数差を小さくすることができるので、使用環境温度が大きく変化しても熱膨張係数差のためにＤＣドリフトが生じる、あるいは素子が破壊されるという心配もない。
【００３７】
さらに重要なことに、従来の実施形態図５から図７において、ｘ−ｃｕｔＬＮ基板１と保持基体３との接着固定の際に問題となっていた低誘電率接着層２と保持基体３の一方の面３ａとの間に空気が入りやすいという問題も、本発明では保持基体３が存在しないので、当然のことながら解決できる。
【００３８】
また、ｘ−ｃｕｔＬＮ基板１の厚みが１０μｍ程度と薄いので電気力線６ａ、６ｂはｘ−ｃｕｔＬＮ基板１に閉じこもる傾向がある。その結果、光導波路４ａ、４ｂを伝搬する光との相互作用の効率が上昇するので、半波長電圧Ｖπと相互作用長Ｌとの積Ｖπ・Ｌを小さくすることができ、結果的に駆動電圧を低減することが可能となる。
［第２実施形態］
【００３９】
図３に本発明の第２実施形態における光変調器の断面図を示す。図中、８は保持基台７と異なる比誘電率を持つ媒質であり、例えば保持基台７より低い比誘電率を有する接着材でも良いし、逆に高い比誘電率を有する接着材でも良い。さらには空気でも良い。
［第３実施形態］
【００４０】
図４には本発明をｚ−ｃｕｔ基板に適用した第３実施形態における光変調器の断面図を示す。本実施形態では、光導波路４ａ、４ｂを形成したｚ−ｃｕｔＬＮ基板１０の一方の面１０ａと進行波電極５の間に比誘電率が３〜５と低いＳｉＯ2などの低誘電率材料からなるバッファ層９を挿入している。ｚ−ｃｕｔＬＮ基板１０の他方の面１０ｂは本発明のその他の実施形態と同様に、低誘電率接着材からなる保持基台７に接着固定されている。
【００４１】
このバッファ層９は光導波路４ａ、４ｂを伝搬する光が進行波電極５に吸収されるのを防ぐ効果と、電気信号の等価屈折率ｎmを低減する効果を併せ持つ。従って、このバッファ層９の厚みを最適化することにより、ｚ−ｃｕｔＬＮ基板１０の厚みＴ10を１０μｍ以上、例えば３０μｍ程度、あるいは５０μｍ程度にでも設定することが可能となり、ＬＮ光変調器の製作性が向上することになる。
【００４２】
さらに、電気力線がｚ−ｃｕｔＬＮ基板１０の中に閉じこもるので、駆動電圧を低減できることにもなる。また、バッファ層が厚いとＶπ・Ｌが大きくなるが、本実施形態には電気信号の等価屈折率ｎmを低減する効果があるので、バッファ層９の厚みを薄くでき、この観点からも駆動電圧を低減できることになる。
【００４３】
なお、ｚ−ｃｕｔＬＮ基板１０の他方の面１０ｂは略平坦である。この略平坦とは研磨など加工の範囲内における凹凸や湾曲などを含んで平坦という意味である。
［各実施形態について］
【００４４】
なお、本発明の実施形態としてｘ−ｃｕｔＬＮ基板１やｚ−ｃｕｔＬＮ基板１０など主基板の厚みとして１０μｍ程度を好適な例として上げたが、進行波電極５の中心導体５ａの幅や中心導体５ａと接地導体５ｂ、５ｃとのギャップ、さらにはこれらの厚みやバッファ層９の材料や厚みなどによっては、ＬＮ基板の厚みとしてその他の厚みでも良いことは言うまでもない。つまり、２０μｍ、３０μｍあるいは５０μｍなど厚くても良い。さらに、低誘電率接着層からなる保持基台７の厚みＴ7として、５００μｍを例にとり説明をしたが、進行波電極の寸法に応じてさらに薄くても良いし、厚くても良いことは言うまでもない。
【００４５】
以上の実施形態に示したｘ−ｃｕｔＬＮ変調器ではＳｉＯ2などのバッファ層が無いとして説明したが、もちろんバッファ層はあっても良い。バッファ層は電気信号の等価屈折率ｎmを低減する効果を有するので、ない場合と比較してｘ−ｃｕｔ基板１の厚みは厚くても高速光変調を実現できることになる。
【００４６】
また、上方の空気の部分以外における電気信号の電気力線は、ｘ−ｃｕｔＬＮ基板１と保持基台７、もしくはｚ−ｃｕｔＬＮ基板１０、バッファ層９、及び保持基台７の中に全て入っていても良いし、一部がそれらの下に突き抜けていても良い。
【００４７】
なお、進行波電極５を構成する金などの金属は光を吸収し、光の挿入損失を増加させてしまう。そのため、中心導体５ａのエッジ付近にのみバッファ層を形成し、その上中心導体４ａのエッジを形成しておけば光導波路４ａ、４ｂを中心導体５ａのエッジ付近に近づけることが可能となる。また、図１からわかるように、本発明においては接地導体５ｂの下に光導波路４が配置されるとともに、進行波電極５の中心導体５ａが電気信号と光の相互作用部付近において光導波路を横切るので、これらの部分にバッファ層を形成しておけば光の挿入損失を低減できることになる。
【００４８】
さらに、電極としてコプレーナウェーブガイド（CPW）型の進行波電極を想定したが、非対称コプレーナストリップ（ACPS）など、他の構造の進行波電極でも良いし、請求項においては、進行波電極と述べているが、本発明はもちろんキャパシタンスを低減するために集中定数型電極にも適用できる。また、基板としてＬＮ基板を想定したがリチウムタンタレートなどその他の誘電体基板、さらには半導体基板でも良い。また、本発明では低誘電接着層からなる充分に厚い保持基台７を形成しているので、製作したＬＮ光変調器のチップを固定するパッケージの表面は平坦であっても良いが、平坦でなくても良い。
【００４９】
また、通常、ＬＮ光変調器に光を入射させる際には穴のあいたガラスビーズを用い、そ
の穴の中に単一モード光ファイバを通してＬＮ基板に形成した光導波路４の端面に固定する。ガラスビーズとＬＮ基板に形成した光導波路端面との接着面積が不足する場合には、ＬＮ基板の上面によく使われる補強板の他に、ＬＮ基板の下側の一部もしくは下部全体に、光導波路４の端面においてガラスビーズとの接着面積を増加させるための補強板を設置し、光導波路の端面付近を紫外線硬化接着材などで固定しておけば良い。なおこの場合において、電気信号と光とが相互作用する相互作用部近辺にて、この補強板と保持基台７とは互いに接着固定されている必要はない。
【００５０】
さらに、この場合、ＬＮ基板の下側に置く補強板の表面は略平坦でなくても良い。この場合にも、本発明では薄いＬＮ基板と低誘電率接着材からなる厚い保持基台７の効果により電気信号の等価屈折率ｎmを低減できることは言うまでもない。光導波路４の端面付近が固定された補強板がＬＮ基板の下側にあっても、そのまま光変調器をパッケージに固定できる。なお、その際、この光変調器を固定するパッケージの表面は略平坦でも良いし、平坦でなくても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の光変調器の第１実施形態の斜視図
【図２】図１のＢ−Ｂ’線における断面図
【図３】本発明の第２実施形態の断面図
【図４】本発明の第３実施形態の断面図
【図５】従来の光変調器の斜視図
【図６】図５のＡ−Ａ’線における断面図
【図７】図５のＡ−Ａ’線における断面図で動作原理を説明する図
【符号の説明】
【００５２】
１：ｘ−ｃｕｔＬＮ基板、２：低誘電率接着層、３：保持基体、４：Ｔｉ熱拡散光導波路、４ａ、４ｂ：マッハツェンダ光導波路４の２本のアーム、５：進行波電極、５ａ：進行波電極５の中心導体、５ｂ、５ｃ：進行波電極５の接地導体、６ａ、６ｂ：電気信号の電気力線、７：低誘電率接着層からなる保持基台、８：低誘電率接着層からなる保持基台７と異なる比誘電率の媒質、９：バッファ層、１０：ｚ−ｃｕｔＬＮ基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は高速で駆動電圧が低く、かつ製作の歩留まりの良い光変調器の分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ3）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、リチウムナイオベート基板をＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ/ｓ、１０Ｇｂｉｔ/ｓの大容量光伝送システムに適用されている。最近はさらに４０Ｇｂｉｔ/ｓの超大容量光伝送システムにも適用が検討されており、キーデバイスとして期待されている。
【０００３】
このＬＮ光変調器では進行波電極を伝搬する電気信号の等価屈折率ｎmと光導波路を伝搬する光の等価屈折率ｎoおよび、電気信号の伝搬損失が光変調の応答帯域に決定的な役割を果たすが、その中でも、電気信号の等価屈折率ｎmと光の等価屈折率ｎoとはその値が大きく異なっており、光変調の応答帯域を制限する決定的な要因となっている。そこで、これらを一致させる（電気信号と光の速度整合、あるいは簡単に速度整合と言う）ために、研究・開発が進められている。
【０００４】
ｚ−ｃｕｔＬＮ基板についてはリッジ構造が考案されるとともにその有効性を実証されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、ｘ−ｃｕｔＬＮ基板についてはまだ決定的に優れた構造がないのが実情である。
【０００５】
このｘ−ｃｕｔＬＮ基板において電気信号と光の速度整合を達成するための技術が、特許文献２に開示されている。その１実施形態の斜視図を図５に、図５中のＡ−Ａ’線における断面図を図６及び図７に示す。図６及び図７は電気信号と光が相互作用する、いわゆる相互作用部の断面図に対応する。なお、図７は図６に電気力線等を追記したものである。
【０００６】
図中、１はｘ-ｃｕｔＬＮ基板、２は接着材からなる低誘電率接着層、３は保持基体である。４はｘ-ｃｕｔＬＮ基板１にＴｉを蒸着後、１０５０℃で約１０時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系（あるいは、マッハツェンダ光導波路）を構成している。また、４ａ、４ｂは電気信号と光が相互作用する部位（相互作用部と言う）における光導波路、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームである。進行波電極５は中心導体５ａ、接地導体５ｂ、５ｃからなっている。６ａと６ｂは電気信号の電気力線であり、これらの電気力線６ａ、６ｂと光導波路４ａ、４ｂを伝搬する光のパワーの重なり積分が半波長電圧Ｖπと相互作用長Ｌとの積Ｖπ・Ｌを決定する。
【０００７】
図６から分かるように、ｘ-ｃｕｔＬＮ基板１はその一方の面１ａに光導波路４と進行波電極５の中心導体５ａと接地導体５ｂ、５ｃが形成されており、主基板としての機能を果たしている。低誘電率接着層２はｘ-ｃｕｔＬＮ基板１の他方の面１ｂに、十分な機械的強度を有する保持基体３の一方の面３ａを固定する役割をする。
【０００８】
さて、図７に示すようにｘ−ｃｕｔＬＮ基板１の一方の面１ａに平行な方向をｘ方向、垂直な方向をｙ方向とすると、ｘ方向の比誘電率εrxとｙ方向の比誘電率εryは各々２８、４３と大変大きい。そのため、通常、電気信号の等価屈折率ｎmは３．０〜４．２程度と、光の等価屈折率ｎo（約２．１５）よりも大きな値となる。
【０００９】
そこで、この従来の実施形態においては、低誘電率接着層２の比誘電率は３〜５と低いことを利用し、電気力線６ａ、６ｂにこの低誘電率接着層２の領域を通過させることにより電気信号の等価屈折率ｎmを下げ、光の等価屈折率ｎoに近づけるようにしている。なお、説明を簡単にするために図７においては空気中に存在する電気力線の図示を省略している。
【００１０】
電気力線６ａ、６ｂにこの低誘電率接着層２の領域を通過させるためには、ｘ-ｃｕｔＬＮ基板１の厚みＴ1を１０μｍ程度まで薄くする必要がある。しかしながら、その程度の厚みのｘ-ｃｕｔＬＮ基板１のみでは機械的な強度が極めて弱くなってしまい、不図示のパッケージ筺体にｘ-ｃｕｔＬＮ基板１をそのまま固定し、光変調器として使用することは事実上不可能となる。
【００１１】
この問題を回避するには機械的強度を高める必要がある。そのため、前述のようにｘ-ｃｕｔＬＮ基板１の光導波路４や進行波電極５を形成していない他方の面１ｂに、低誘電率接着層２を用いて十分な機械的強度を有する保持基体３の面３ａを固定することにより、ＬＮ光変調器全体としての機械的強度を高めている。さらに保持基体３の他方の面３ｂを不図示のパッケージ筺体に固定することにより、通信に使用できる形態とする。なお、特許文献２によれば保持基体３としてｘ-ｃｕｔＬＮ基板そのものを用いている。
【００１２】
【特許文献１】特開平４−２８８５１８号公報
【特許文献２】特開２００３−２１５５１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、この特許文献２に示される従来技術は、次に示す解決すべき課題を有している。前述のように、低誘電率接着層２の比誘電率は３〜５と低く、電気力線６ａ、６ｂにこの低誘電率接着層２の領域を通過させることにより電気信号の等価屈折率ｎmを下げ、光の等価屈折率ｎoに近づけるようにしている。しかし、この電気力線６ａ、６ｂは厚みＴ2が通常３０μｍ程度の低誘電率接着層２を突き抜け、保持基体３に達してしまう。
【００１４】
前述のように、この保持基体３の材料としてはｘ−ｃｕｔＬＮ基板を用いている。つまり保持基体３の比誘電率は光導波路４と進行波電極５が形成されているｘ−ｃｕｔＬＮ基板１と同様に大きいので、電気信号の等価屈折率ｎmは光の等価屈折率ｎoよりも大きくなりやすい。特に進行波電極５の中心導体５ａの幅Ｓや、中心導体５ａと接地導体５ｂ、５ｃの間のギャップＷが数十μｍと大きい場合には、電気力線６ａ、６ｂの広がり方がさらに大きくなり、低誘電率接着層２を突き抜け、保持基体３に達してしまう。このように進行波電極のサイズが大きい場合には、電気信号の等価屈折率ｎmがより一層大きくなり、光の等価屈折率ｎoから大きく外れてしまうという問題点があった。
【００１５】
なお、保持基体３として比誘電率の大きなｘ−ｃｕｔＬＮ基板の代わりに、アルミナ基板や石英基板を用いることも考えられる。しかしながら、これらは比誘電率が３〜５である低誘電率接着層２に比べて比誘電率が高く（約１０前後）、やはり電気信号の等価屈折率ｎmが大きくなる傾向は免れ得ない。
【００１６】
さらに、アルミナ基板や石英基板基板はｘ−ｃｕｔＬＮ基板１と比較して熱膨張係数が数桁大きい。従って、これらを保持基体３として用いた場合には温度の変化とともにＬＮ基板にストレスが発生し、電気信号に重畳するバイアス電圧がドリフトする、あるいは最悪の場合にはｘ−ｃｕｔＬＮ基板１その物が破壊される場合もある。
【００１７】
また、図５から図７に示した従来の実施形態では、光導波路４と進行波電極５が形成されているｘ−ｃｕｔＬＮ基板１の他に、別途、保持基体３を使用するので、当然のことながら保持基体３の部材費とその形状に加工するための加工費が必要となる。さらに、保持基体３の一方の面３ａと、光導波路と進行波電極が形成されているＬＮ基板１の他方の面１ｂとの接着固定するための工程が必要となり、結果的にコスト上昇につながってしまっていた。
【００１８】
さらに重要な問題として、この接着固定の際に、低誘電率接着層２と保持基体３の一方の面３ａとの間に空気が入りやすいという問題点があった。低誘電率接着層２と保持基体３の一方の面３ａとの間に空気が入った場合には、その後の高温試験の際に、保持基体３の一方の面３ａとの間に入った空気が熱膨張し、厚みが１０μｍ程度と薄くて機械的な強度が低いｘ−ｃｕｔＬＮ基板１を破裂・破壊し、歩留まりが低下する原因となっていた。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光変調器では、
電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記基板の他方の面側で前記基板に接着して形成され、前記基板の比誘電率より低い材料から成る低誘電率接着層とを具備し、前記光導波路が、前記光を入射するための入力光導波路と、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路と、前記相互作用光導波路において変調された結果生成された信号光を出射する出力光導波路からなる光変調器において、
前記相互作用光導波路の近傍を伝搬する電気信号の電気力線のうち、空気中以外に存在する電気力線が前記基板と前記低誘電率接着層を通過することにより該電気信号の等価屈折率が下がり、前記光導波路を伝搬する前記光の等価屈折率に近づくように前記低誘電率接着層の厚みを設定するとともに、前記低誘電率接着層が前記基板の破損を抑えることを特徴としている。
【００２０】
本発明の請求項２の光変調器では、
電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記基板の他方の面側で前記基板に接着して形成され、前記基板の比誘電率より低い材料から成る低誘電率接着層とを具備し、前記光導波路が、前記光を入射するための入力光導波路と、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路と、前記相互作用光導波路において変調された結果生成された信号光を出射する出力光導波路からなる光変調器において、
前記相互作用光導波路の近傍を伝搬する電気信号の電気力線のうち、空気中以外に存在する電気力線が前記基板と前記低誘電率接着層のみを通過することにより該電気信号の等価屈折率が下がり、前記光導波路を伝搬する前記光の等価屈折率に近づくように前記低誘電率接着層の厚みを設定するとともに、前記低誘電率接着層が前記基板の破損を抑えることを特徴としている。
【００２１】
本発明の請求項３の光変調器では、
請求項１および２に記載の光変調器において、前記基板の厚みが５０μｍ以下であることを特徴としている。
【００２２】
本発明の請求項４の光変調器では、
請求項１から３に記載の光変調器において、前記基板の前記他方の面が略平坦であることを特徴としている。
【００２３】
本発明の請求項５の光変調器では、
請求項１から４に記載の光変調器において、前記基板がｘ−ｃｕｔリチウムナイオベート基板であることを特徴としている。
【００２４】
本発明の請求項６の光変調器では、
請求項１から４に記載の光変調器において、前記基板がｚ−ｃｕｔリチウムナイオベート基板であることを特徴としている。
【００２５】
本発明の請求項７の光変調器では、
請求項１から５に記載の光変調器において、前記基板の厚み、前記低誘電率接着層の比誘電率、前記中心導体の幅と厚み、前記接地導体の厚み、及び前記中心導体と前記接地導体との間のギャップを、前記進行波電極を伝搬する電気信号の等価屈折率と前記光導波路を伝搬する前記光の等価屈折率が近くなるように、それぞれの値を設定したことを特徴としている。
【００２６】
本発明の請求項８の光変調器では、
請求項６に記載の光変調器において、前記基板の厚み、前記低誘電率接着層の比誘電率、前記中心導体の幅と厚み、前記接地導体の厚み、前記中心導体と前記接地導体との間のギャップ、及びバッファ層の厚みを、前記進行波電極を伝搬する電気信号の等価屈折率と前記光導波路を伝搬する前記光の等価屈折率とが近くなるように、それぞれの値を設定したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２７】
本発明においては従来接着層と考えられていた低誘電率接着層を厚く、また強度の強い材料を使用して保持基台とすることにより、従来技術の保持基体の機能を持つようにしたので、光導波路や進行波電極を形成した基板の下に保持基体の役割をする比誘電率が３〜５程度と低い低誘電率接着層が厚く存在する。その結果、電気信号の等価屈折率ｎmを下げ、光の等価屈折率ｎoに近づけることが容易になるばかりでなく、電気信号の等価屈折率ｎmの設定にばらつきがなくなり、光変調帯域についての歩留まりが著しく向上する。
また、従来はｘ−ｃｕｔＬＮ基板により製作していた保持基体その物が不要となるため、部品点数が減ることによる光変調器のコスト低減を実現できるばかりでなく、ＬＮ基板の他方の面１ｂとを低誘電率接着層２を介して保持基体を接着固定する工程が不要となり、一層のコスト低減を図ることができる。さらに、特にこの接着工程その物がないので、接着固定する際に問題となっていた低誘電率接着層２と保持基体３の一方の面３ａとの間に空気が入ることによる歩留まりの低下を完全に解決できるという利点がある。本発明はｘ−ｃｕｔＬＮ基板のみでなく、ｚ−ｃｕｔＬＮ基板にも適用可能であるという利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態について説明するが、図５から図７に示した従来の実施形態と同一番号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一番号を持つ機能部の説明を省略する。
［第１実施形態］
【００２９】
図１に本発明の第１実施形態における光変調器の斜視図を、図２に図１のＢ−Ｂ’における断面図を示す。図１と図２から分かるように、本実施形態では従来の実施形態である図５から図７に示した高い比誘電率を有するｘ−ｃｕｔＬＮ基板からなる保持基体３が存在しない。その代わりに、保持基台７がｘ−ｃｕｔＬＮ基板１の下方に設けられている。ｘ−ｃｕｔＬＮ基板１の他方の面１ｂに保持基台７の一方の面７ａが接着して形成されている。この保持基台７は、図５から図７に示した従来技術の低誘電率接着層２と同様、誘電率が低い接着材から形成されている。しかし、従来技術とは異なり、強度の高い材料で形成されるとともに、その厚みが厚く形成されている。これにより、接着の機能に加え、従来技術の保持基体３が有していた十分な機械的強度の機能も有している。
【００３０】
ここで、ｘ−ｃｕｔＬＮ基板１の厚みＴ1と低誘電率接着材からなる保持基台７の厚みＴ7は各々約１０μｍ、約５００μｍとし、進行波電極の厚みＴ5は２０μｍとした。なお、保持基台７は紫外線硬化接着材をスピナーでスピンコートしたのち、紫外線を照射し固化した。スピナーでスピンコートすることにより重ね塗りが可能であり、容易に３００μｍ程度の保持基台７を製作することができた。
【００３１】
本発明では、保持基台７としてエポキシ系やアクリル系等の接着材を使用している。接着材の固化の方法としては、紫外線硬化、加熱あるいはそれらを併用しても良い。注意すべきことは、低誘電率接着層を保持基台７として用いているので、熱膨張係数や特に機械的強度等、つまり従来技術の保持基体３において要求される条件を満たすことができる接着材を使用することが重要である。なお、接着材は、固化時の収縮率が２％以下と小さいことが望ましく、かつ熱膨張係数としては０．５×１０-5／Ｋ〜３×１０-5／Ｋでの範囲で選ぶと良い。
【００３２】
なお、ｘ−ｃｕｔＬＮ基板１の他方の面１ｂは、研磨により略平坦とした。これは主基板としてｚ−ｃｕｔあるいはｙ−ｃｕｔなどその他の方位の基板でも同じである。ここで、この略平坦とは研磨など加工の範囲内における凹凸や湾曲などを含んで平坦という意味である。また、保持基台７の他方の面７ｂを不図示のパッケージ筺体に固定することにより、通信に使用できる形態とする。
【００３３】
図７と同様に、図２には電気力線６ａ、６ｂを示している。なお、説明を簡単にするために、図２においては空気中に存在する電気力線の図示を省略している。
図２から分かるように電気力線６ａ、６ｂは比誘電率の高いｘ−ｃｕｔＬＮ基板１を突き抜けた後、低い比誘電率を持つ保持基台７の内部に全て分布している。従って、電気力線６ａ、６ｂがｘ−ｃｕｔＬＮ基板１を突き抜けた後、比誘電率が大きなｘ−ｃｕｔＬＮ基板からなる保持基体３に入射する図５から図７に示した従来の実施形態とは異なり、電気信号の等価屈折率ｎmを下げ、光の等価屈折率ｎoに近づけることが容易になるばかりでなく、電気信号の等価屈折率ｎmの設定にばらつきがなくなり、光変調帯域についての歩留まりを著しく向上できる。
【００３４】
さらに、前述のように進行波電極５の中心導体５ａの幅Ｓや、中心導体５ａと接地導体５ｂ、５ｃの間のギャップＷが大きい場合には、電気力線６ａ、６ｂの広がり方が大きくなるが、電気力線６ａ、６ｂはｘ−ｃｕｔＬＮ基板１を突き抜けた後、低い比誘電率を持つ保持基台７に全てが入っているので、電気信号の等価屈折率ｎmを低く抑え、光の等価屈折率ｎoに近くすることが可能である。つまり、進行波電極５の寸法が大きい場合に、電気信号の等価屈折率ｎmが大きくなりやすいという従来の実施形態が有していた問題を顕著に解決することができる。
【００３５】
前述のように、本実施形態では図５から図７に示した高い比誘電率を有するｘ−ｃｕｔＬＮ基板からなる保持基体３が存在しないので、これを準備するための部材費や加工費、さらには従来必要であったｘ−ｃｕｔＬＮ基板１とｘ−ｃｕｔＬＮ基板からなる保持基体３との接着の工程が不要となり、人件費に起因するコストを低減できる。
【００３６】
また、一般に誘電体基板の熱膨張係数はｘ−ｃｕｔＬＮ基板１の値より数桁大きいが、接着材は各種の材料を混ぜて製作されているため、ｘ−ｃｕｔＬＮ基板１と同程度の製品もある。そうした接着材を保持基台７として用いることにより、ｘ−ｃｕｔＬＮ基板１と保持基台７との熱膨張係数差を小さくすることができるので、使用環境温度が大きく変化しても熱膨張係数差のためにＤＣドリフトが生じる、あるいは素子が破壊されるという心配もない。
【００３７】
さらに重要なことに、従来の実施形態図５から図７において、ｘ−ｃｕｔＬＮ基板１と保持基体３との接着固定の際に問題となっていた低誘電率接着層２と保持基体３の一方の面３ａとの間に空気が入りやすいという問題も、本発明では保持基体３が存在しないので、当然のことながら解決できる。
【００３８】
また、ｘ−ｃｕｔＬＮ基板１の厚みが１０μｍ程度と薄いので電気力線６ａ、６ｂはｘ−ｃｕｔＬＮ基板１に閉じこもる傾向がある。その結果、光導波路４ａ、４ｂを伝搬する光との相互作用の効率が上昇するので、半波長電圧Ｖπと相互作用長Ｌとの積Ｖπ・Ｌを小さくすることができ、結果的に駆動電圧を低減することが可能となる。
［第２実施形態］
【００３９】
図３に本発明の第２実施形態における光変調器の断面図を示す。図中、８は保持基台７と異なる比誘電率を持つ媒質であり、例えば保持基台７より低い比誘電率を有する接着材でも良いし、逆に高い比誘電率を有する接着材でも良い。さらには空気でも良い。
［第３実施形態］
【００４０】
図４には本発明をｚ−ｃｕｔ基板に適用した第３実施形態における光変調器の断面図を示す。本実施形態では、光導波路４ａ、４ｂを形成したｚ−ｃｕｔＬＮ基板１０の一方の面１０ａと進行波電極５の間に比誘電率が３〜５と低いＳｉＯ2などの低誘電率材料からなるバッファ層９を挿入している。ｚ−ｃｕｔＬＮ基板１０の他方の面１０ｂは本発明のその他の実施形態と同様に、低誘電率接着材からなる保持基台７に接着固定されている。
【００４１】
このバッファ層９は光導波路４ａ、４ｂを伝搬する光が進行波電極５に吸収されるのを防ぐ効果と、電気信号の等価屈折率ｎmを低減する効果を併せ持つ。従って、このバッファ層９の厚みを最適化することにより、ｚ−ｃｕｔＬＮ基板１０の厚みＴ10を１０μｍ以上、例えば３０μｍ程度、あるいは５０μｍ程度にでも設定することが可能となり、ＬＮ光変調器の製作性が向上することになる。
【００４２】
さらに、電気力線がｚ−ｃｕｔＬＮ基板１０の中に閉じこもるので、駆動電圧を低減できることにもなる。また、バッファ層が厚いとＶπ・Ｌが大きくなるが、本実施形態には電気信号の等価屈折率ｎmを低減する効果があるので、バッファ層９の厚みを薄くでき、この観点からも駆動電圧を低減できることになる。
【００４３】
なお、ｚ−ｃｕｔＬＮ基板１０の他方の面１０ｂは略平坦である。この略平坦とは研磨など加工の範囲内における凹凸や湾曲などを含んで平坦という意味である。
［各実施形態について］
【００４４】
なお、本発明の実施形態としてｘ−ｃｕｔＬＮ基板１やｚ−ｃｕｔＬＮ基板１０など主基板の厚みとして１０μｍ程度を好適な例として上げたが、進行波電極５の中心導体５ａの幅や中心導体５ａと接地導体５ｂ、５ｃとのギャップ、さらにはこれらの厚みやバッファ層９の材料や厚みなどによっては、ＬＮ基板の厚みとしてその他の厚みでも良いことは言うまでもない。つまり、２０μｍ、３０μｍあるいは５０μｍなど厚くても良い。さらに、低誘電率接着層からなる保持基台７の厚みＴ7として、５００μｍを例にとり説明をしたが、進行波電極の寸法に応じてさらに薄くても良いし、厚くても良いことは言うまでもない。
【００４５】
以上の実施形態に示したｘ−ｃｕｔＬＮ変調器ではＳｉＯ2などのバッファ層が無いとして説明したが、もちろんバッファ層はあっても良い。バッファ層は電気信号の等価屈折率ｎmを低減する効果を有するので、ない場合と比較してｘ−ｃｕｔ基板１の厚みは厚くても高速光変調を実現できることになる。
【００４６】
また、上方の空気の部分以外における電気信号の電気力線は、ｘ−ｃｕｔＬＮ基板１と保持基台７、もしくはｚ−ｃｕｔＬＮ基板１０、バッファ層９、及び保持基台７の中に全て入っていても良いし、一部がそれらの下に突き抜けていても良い。
【００４７】
なお、進行波電極５を構成する金などの金属は光を吸収し、光の挿入損失を増加させてしまう。そのため、中心導体５ａのエッジ付近にのみバッファ層を形成し、その上中心導体４ａのエッジを形成しておけば光導波路４ａ、４ｂを中心導体５ａのエッジ付近に近づけることが可能となる。また、図１からわかるように、本発明においては接地導体５ｂの下に光導波路４が配置されるとともに、進行波電極５の中心導体５ａが電気信号と光の相互作用部付近において光導波路を横切るので、これらの部分にバッファ層を形成しておけば光の挿入損失を低減できることになる。
【００４８】
さらに、電極としてコプレーナウェーブガイド（CPW）型の進行波電極を想定したが、非対称コプレーナストリップ（ACPS）など、他の構造の進行波電極でも良いし、請求項においては、進行波電極と述べているが、本発明はもちろんキャパシタンスを低減するために集中定数型電極にも適用できる。また、基板としてＬＮ基板を想定したがリチウムタンタレートなどその他の誘電体基板、さらには半導体基板でも良い。また、本発明では低誘電接着層からなる充分に厚い保持基台７を形成しているので、製作したＬＮ光変調器のチップを固定するパッケージの表面は平坦であっても良いが、平坦でなくても良い。
【００４９】
また、通常、ＬＮ光変調器に光を入射させる際には穴のあいたガラスビーズを用い、そ
の穴の中に単一モード光ファイバを通してＬＮ基板に形成した光導波路４の端面に固定する。ガラスビーズとＬＮ基板に形成した光導波路端面との接着面積が不足する場合には、ＬＮ基板の上面によく使われる補強板の他に、ＬＮ基板の下側の一部もしくは下部全体に、光導波路４の端面においてガラスビーズとの接着面積を増加させるための補強板を設置し、光導波路の端面付近を紫外線硬化接着材などで固定しておけば良い。なおこの場合において、電気信号と光とが相互作用する相互作用部近辺にて、この補強板と保持基台７とは互いに接着固定されている必要はない。
【００５０】
さらに、この場合、ＬＮ基板の下側に置く補強板の表面は略平坦でなくても良い。この場合にも、本発明では薄いＬＮ基板と低誘電率接着材からなる厚い保持基台７の効果により電気信号の等価屈折率ｎmを低減できることは言うまでもない。光導波路４の端面付近が固定された補強板がＬＮ基板の下側にあっても、そのまま光変調器をパッケージに固定できる。なお、その際、この光変調器を固定するパッケージの表面は略平坦でも良いし、平坦でなくても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の光変調器の第１実施形態の斜視図
【図２】図１のＢ−Ｂ’線における断面図
【図３】本発明の第２実施形態の断面図
【図４】本発明の第３実施形態の断面図
【図５】従来の光変調器の斜視図
【図６】図５のＡ−Ａ’線における断面図
【図７】図５のＡ−Ａ’線における断面図で動作原理を説明する図
【符号の説明】
【００５２】
１：ｘ−ｃｕｔＬＮ基板、２：低誘電率接着層、３：保持基体、４：Ｔｉ熱拡散光導波路、４ａ、４ｂ：マッハツェンダ光導波路４の２本のアーム、５：進行波電極、５ａ：進行波電極５の中心導体、５ｂ、５ｃ：進行波電極５の接地導体、６ａ、６ｂ：電気信号の電気力線、７：低誘電率接着層からなる保持基台、８：低誘電率接着層からなる保持基台７と異なる比誘電率の媒質、９：バッファ層、１０：ｚ−ｃｕｔＬＮ基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記基板の他方の面側で前記基板に接着して形成され、前記基板の比誘電率より低い材料から成る低誘電率接着層とを具備し、前記光導波路が、前記光を入射するための入力光導波路と、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路と、前記相互作用光導波路において変調された結果生成された信号光を出射する出力光導波路からなる光変調器において、
前記相互作用光導波路の近傍を伝搬する電気信号の電気力線のうち、空気中以外に存在する電気力線が前記基板と前記低誘電率接着層を通過することにより該電気信号の等価屈折率が下がり、前記光導波路を伝搬する前記光の等価屈折率に近づくように前記低誘電率接着層の厚みを設定するとともに、前記低誘電率接着層が前記基板の破損を抑えることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記基板の他方の面側で前記基板に接着して形成され、前記基板の比誘電率より低い材料から成る低誘電率接着層とを具備し、前記光導波路が、前記光を入射するための入力光導波路と、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路と、前記相互作用光導波路において変調された結果生成された信号光を出射する出力光導波路からなる光変調器において、
前記相互作用光導波路の近傍を伝搬する電気信号の電気力線のうち、空気中以外に存在する電気力線が前記基板と前記低誘電率接着層のみを通過することにより該電気信号の等価屈折率が下がり、前記光導波路を伝搬する前記光の等価屈折率に近づくように前記低誘電率接着層の厚みを設定するとともに、前記低誘電率接着層が前記基板の破損を抑えることを特徴とする光変調器。
【請求項３】
前記基板の厚みが５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１および２に記載の光変調器。
【請求項４】
前記基板の前記他方の面が略平坦であることを特徴とする請求項１から３に記載の光変調器。
【請求項５】
前記基板がｘ−ｃｕｔリチウムナイオベート基板であることを特徴とする請求項１から４に記載の光変調器。
【請求項６】
前記基板がｚ−ｃｕｔリチウムナイオベート基板であることを特徴とする請求項１から４に記載の光変調器。
【請求項７】
前記基板の厚み、前記低誘電率接着層の比誘電率、前記中心導体の幅と厚み、前記接地導体の厚み、及び前記中心導体と前記接地導体との間のギャップを、前記進行波電極を伝搬する電気信号の等価屈折率と前記光導波路を伝搬する前記光の等価屈折率が近くなるように、それぞれの値を設定したことを特徴とする請求項１から５に記載の光変調器。
【請求項８】
前記基板の厚み、前記低誘電率接着層の比誘電率、前記中心導体の幅と厚み、前記接地導体の厚み、前記中心導体と前記接地導体との間のギャップ、及びバッファ層の厚みを、前記進行波電極を伝搬する電気信号の等価屈折率と前記光導波路を伝搬する前記光の等価屈折率とが近くなるように、それぞれの値を設定したことを特徴とする請求項６に記載の光変調器。
【請求項１】
電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記基板の他方の面側で前記基板に接着して形成され、前記基板の比誘電率より低い材料から成る低誘電率接着層とを具備し、前記光導波路が、前記光を入射するための入力光導波路と、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路と、前記相互作用光導波路において変調された結果生成された信号光を出射する出力光導波路からなる光変調器において、
前記相互作用光導波路の近傍を伝搬する電気信号の電気力線のうち、空気中以外に存在する電気力線が前記基板と前記低誘電率接着層を通過することにより該電気信号の等価屈折率が下がり、前記光導波路を伝搬する前記光の等価屈折率に近づくように前記低誘電率接着層の厚みを設定するとともに、前記低誘電率接着層が前記基板の破損を抑えることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記基板の他方の面側で前記基板に接着して形成され、前記基板の比誘電率より低い材料から成る低誘電率接着層とを具備し、前記光導波路が、前記光を入射するための入力光導波路と、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路と、前記相互作用光導波路において変調された結果生成された信号光を出射する出力光導波路からなる光変調器において、
前記相互作用光導波路の近傍を伝搬する電気信号の電気力線のうち、空気中以外に存在する電気力線が前記基板と前記低誘電率接着層のみを通過することにより該電気信号の等価屈折率が下がり、前記光導波路を伝搬する前記光の等価屈折率に近づくように前記低誘電率接着層の厚みを設定するとともに、前記低誘電率接着層が前記基板の破損を抑えることを特徴とする光変調器。
【請求項３】
前記基板の厚みが５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１および２に記載の光変調器。
【請求項４】
前記基板の前記他方の面が略平坦であることを特徴とする請求項１から３に記載の光変調器。
【請求項５】
前記基板がｘ−ｃｕｔリチウムナイオベート基板であることを特徴とする請求項１から４に記載の光変調器。
【請求項６】
前記基板がｚ−ｃｕｔリチウムナイオベート基板であることを特徴とする請求項１から４に記載の光変調器。
【請求項７】
前記基板の厚み、前記低誘電率接着層の比誘電率、前記中心導体の幅と厚み、前記接地導体の厚み、及び前記中心導体と前記接地導体との間のギャップを、前記進行波電極を伝搬する電気信号の等価屈折率と前記光導波路を伝搬する前記光の等価屈折率が近くなるように、それぞれの値を設定したことを特徴とする請求項１から５に記載の光変調器。
【請求項８】
前記基板の厚み、前記低誘電率接着層の比誘電率、前記中心導体の幅と厚み、前記接地導体の厚み、前記中心導体と前記接地導体との間のギャップ、及びバッファ層の厚みを、前記進行波電極を伝搬する電気信号の等価屈折率と前記光導波路を伝搬する前記光の等価屈折率とが近くなるように、それぞれの値を設定したことを特徴とする請求項６に記載の光変調器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−６５０４４（Ｐ２００６−６５０４４Ａ）
【公開日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２４８３０６（Ｐ２００４−２４８３０６）
【出願日】平成１６年８月２７日（２００４．８．２７）
【出願人】（００００００５７２）アンリツ株式会社 (838)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月２７日（２００４．８．２７）
【出願人】（００００００５７２）アンリツ株式会社 (838)
【Ｆターム（参考）】
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