JP2713087B2 - 導波形光デバイス - Google Patents
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- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
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- G02F1/035—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure
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- G02F1/225—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour by interference in an optical waveguide structure
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高速光通信，光交換
網，光情報処理，光イメージ処理などを含む種々のシス
テムにおける、導波形光変調器およびスイッチに関する
ものである。
網，光情報処理，光イメージ処理などを含む種々のシス
テムにおける、導波形光変調器およびスイッチに関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】導波形光変調器は、高速光通信，光交換
網，光情報処理，光イメージ処理などを含む種々のシス
テムを実現するための最も重要なキー要素である。導波
形光変調器は、種々の製造方法により、およびいくつか
の興味ある基板で作られてきた。しかし、これら導波形
光デバイスの多くは、ＬｉＮｂＯ3 基板およびＧａＡｓ
基板を有している。ＬｉＮｂＯ3 へのチタンの内部拡散
は、基板内に低損失ストリップ導波路を作る、便利かつ
比較的簡単な方法を提供している。導波形光変調器の重
要なパラメータは、駆動電力，変調帯域幅，挿入損失で
ある。帯域幅と駆動電力とは、トレード・オフ関係にあ
る。導波形光変調器に対する研究は、このトレード・オ
フ関係を最適化することに集中している。
網，光情報処理，光イメージ処理などを含む種々のシス
テムを実現するための最も重要なキー要素である。導波
形光変調器は、種々の製造方法により、およびいくつか
の興味ある基板で作られてきた。しかし、これら導波形
光デバイスの多くは、ＬｉＮｂＯ3 基板およびＧａＡｓ
基板を有している。ＬｉＮｂＯ3 へのチタンの内部拡散
は、基板内に低損失ストリップ導波路を作る、便利かつ
比較的簡単な方法を提供している。導波形光変調器の重
要なパラメータは、駆動電力，変調帯域幅，挿入損失で
ある。帯域幅と駆動電力とは、トレード・オフ関係にあ
る。導波形光変調器に対する研究は、このトレード・オ
フ関係を最適化することに集中している。
【０００３】導波形光変調器の帯域幅は、電極の種類，
材料，形状、および基板の誘電率に主に依存している。
広帯域応用に対しては、進行波電極が広く用いられてい
る。進行波電極を用いる考えは、進行波電極を駆動伝送
ラインの延長とするものである。したがって、進行波電
極は、ソースおよびケーブルの特性インピーダンスを持
たなければならない。この場合の変調速度は、光および
マイクロ波に対する走行時間（すなわち、位相速度また
は実効屈折率）の差によって制限される。使用できる２
種類の進行波電極構造は、 １）非対称ストリップ・ライン（ＡＳＬ：Ａ ｓｙｍｍ
ｅｔｒｉｃ Ｓｔｒｉｐ Ｌｉｎｅ）または非対称コプ
レーナ・ストリップ（ＡＣＰＳ：Ａ ｓｙｍｍｅｔｒｉ
ｃ Ｃｏｐｌａｎａｒ Ｓｔｒｉｐ）電極構造 ２）コプレーナ導波形（ＣＰＷ：Ｃｏｐｌａｎａｒ Ｗ
ａｖｅｇｕｉｄｅ）電極構造 である。帯域幅を増大させるためには、マイクロ波実効
屈折率ｎm を（４．２の値から）減少させて、光実効屈
折率ｎo （代表的には、ＬｉＮｂＯ3 基板の場合２．２
の値）に近づける必要がある。
材料，形状、および基板の誘電率に主に依存している。
広帯域応用に対しては、進行波電極が広く用いられてい
る。進行波電極を用いる考えは、進行波電極を駆動伝送
ラインの延長とするものである。したがって、進行波電
極は、ソースおよびケーブルの特性インピーダンスを持
たなければならない。この場合の変調速度は、光および
マイクロ波に対する走行時間（すなわち、位相速度また
は実効屈折率）の差によって制限される。使用できる２
種類の進行波電極構造は、 １）非対称ストリップ・ライン（ＡＳＬ：Ａ ｓｙｍｍ
ｅｔｒｉｃ Ｓｔｒｉｐ Ｌｉｎｅ）または非対称コプ
レーナ・ストリップ（ＡＣＰＳ：Ａ ｓｙｍｍｅｔｒｉ
ｃ Ｃｏｐｌａｎａｒ Ｓｔｒｉｐ）電極構造 ２）コプレーナ導波形（ＣＰＷ：Ｃｏｐｌａｎａｒ Ｗ
ａｖｅｇｕｉｄｅ）電極構造 である。帯域幅を増大させるためには、マイクロ波実効
屈折率ｎm を（４．２の値から）減少させて、光実効屈
折率ｎo （代表的には、ＬｉＮｂＯ3 基板の場合２．２
の値）に近づける必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】進行波変調器の帯域幅
は、マイクロ波と光波との間の位相速度不整合によって
制限される。したがって、マイクロ波実効屈折率を減少
させて、マイクロ波実効屈折率と光実効屈折率との差を
減少させる必要がある。帯域幅を増大させるためにマイ
クロ波実効屈折率を減少させる方法の１つは、厚い電極
およびバッファ層を用いることである。非対称ストリッ
プ・ライン（ＡＳＬ）または非対称コプレーナ・ストリ
ップ（ＡＣＰＳ）電極構造を用いる変調器は、すでに提
案されている。これは、刊行物“３３ＧＨｚ・ｃｍ広帯
域Ｔｉ：ＬｉＮｂＯ3 マッハ・ツェンダ変調器”ＥＣＯ
Ｃ′８９，研究論文ＴｈＢ２２−５，ページ４４３−４
４６（１９８９）に記載されている。この刊行物によれ
ば、高い電極層（ＡＳＬまたはＡＣＰＳ電極構造）およ
びバッファ層を用いることによって、マイクロ波実効屈
折率を減少させている。ＡＳＬまたはＡＣＰＳ電極構造
に対する問題は、チップ断面によるマイクロ波共振によ
って、帯域幅が約１２ＧＨｚに制限されることである。
帯域幅を１２ＧＨｚ以上に増大させるためには、チップ
寸法（幅および厚さの両方）を約０．６ｍｍに減少させ
なければならない。チップの厚さが約０．６ｍｍでなけ
ればならないことについては大きな問題はないが、チッ
プ幅が約０．６ｍｍでなければならないという要件は、
チップを把持し、マウントし、パッケージングする際
に、問題を生じる。
は、マイクロ波と光波との間の位相速度不整合によって
制限される。したがって、マイクロ波実効屈折率を減少
させて、マイクロ波実効屈折率と光実効屈折率との差を
減少させる必要がある。帯域幅を増大させるためにマイ
クロ波実効屈折率を減少させる方法の１つは、厚い電極
およびバッファ層を用いることである。非対称ストリッ
プ・ライン（ＡＳＬ）または非対称コプレーナ・ストリ
ップ（ＡＣＰＳ）電極構造を用いる変調器は、すでに提
案されている。これは、刊行物“３３ＧＨｚ・ｃｍ広帯
域Ｔｉ：ＬｉＮｂＯ3 マッハ・ツェンダ変調器”ＥＣＯ
Ｃ′８９，研究論文ＴｈＢ２２−５，ページ４４３−４
４６（１９８９）に記載されている。この刊行物によれ
ば、高い電極層（ＡＳＬまたはＡＣＰＳ電極構造）およ
びバッファ層を用いることによって、マイクロ波実効屈
折率を減少させている。ＡＳＬまたはＡＣＰＳ電極構造
に対する問題は、チップ断面によるマイクロ波共振によ
って、帯域幅が約１２ＧＨｚに制限されることである。
帯域幅を１２ＧＨｚ以上に増大させるためには、チップ
寸法（幅および厚さの両方）を約０．６ｍｍに減少させ
なければならない。チップの厚さが約０．６ｍｍでなけ
ればならないことについては大きな問題はないが、チッ
プ幅が約０．６ｍｍでなければならないという要件は、
チップを把持し、マウントし、パッケージングする際
に、問題を生じる。
【０００５】他の方法は、従来の進行波電極構造上の金
属シールドを用いることによって作られた空気層を使用
することである。これは、研究論文“２０ＧＨｚの帯域
幅および１．５２μ波長での４．７Ｖ駆動電圧を有する
新規な進行波電極マッハ・ツェンダ光変調器”Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２５，Ｎ
ｏ．２０，ｐｐ．１３８２−１３８３（１９８９）に発
表されている。この構造に対する問題は、溝を有する特
殊な金属被覆シールドを正確な寸法で製造する必要があ
ることである。このことは、特殊かつ難しい技術を必要
とし、製造工程を増大させ、許容製造公差を小さくす
る。
属シールドを用いることによって作られた空気層を使用
することである。これは、研究論文“２０ＧＨｚの帯域
幅および１．５２μ波長での４．７Ｖ駆動電圧を有する
新規な進行波電極マッハ・ツェンダ光変調器”Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２５，Ｎ
ｏ．２０，ｐｐ．１３８２−１３８３（１９８９）に発
表されている。この構造に対する問題は、溝を有する特
殊な金属被覆シールドを正確な寸法で製造する必要があ
ることである。このことは、特殊かつ難しい技術を必要
とし、製造工程を増大させ、許容製造公差を小さくす
る。
【０００６】マイクロ波と光波との間の位相速度不整合
が、上述した方法のうちいずれか１つによって軽減され
ても、変調器／スイッチの帯域幅は、電極構造のマイク
ロ波減衰によってさらに制限される。たとえ、マイクロ
波と光波との間に完全な位相速度整合があったとして
も、デバイスの最終的な帯域幅は、マイクロ波減衰が減
少しない限り、小さい。一般に、デバイスのマイクロ波
減衰は、 ａ）導体損失（これは、電極材料とそのパラメータの関
数である） ｂ）誘電体損失（これは、基板の特性の関数である） ｃ）５０Ωソースおよびロードに対するインピーダンス
不整合による損失 ｄ）高次モード伝搬による損失（ＣＰＷ電極を有する場
合にはさらに大きくなる） ｅ）コネクタ損失 によって引き起こされる。
が、上述した方法のうちいずれか１つによって軽減され
ても、変調器／スイッチの帯域幅は、電極構造のマイク
ロ波減衰によってさらに制限される。たとえ、マイクロ
波と光波との間に完全な位相速度整合があったとして
も、デバイスの最終的な帯域幅は、マイクロ波減衰が減
少しない限り、小さい。一般に、デバイスのマイクロ波
減衰は、 ａ）導体損失（これは、電極材料とそのパラメータの関
数である） ｂ）誘電体損失（これは、基板の特性の関数である） ｃ）５０Ωソースおよびロードに対するインピーダンス
不整合による損失 ｄ）高次モード伝搬による損失（ＣＰＷ電極を有する場
合にはさらに大きくなる） ｅ）コネクタ損失 によって引き起こされる。
【０００７】約５０Ωの特性インピーダンスを有し、マ
イクロ波と光波との間のほぼ完全な位相速度整合を有
し、小さいマイクロ波減衰を有する高速光変調器に対す
る新しい構造であって、一般的な電極製造プロセスの延
長であり、余分な特殊シールドを必要としないシンプル
な製造プロセスを容易にする構造が必要とされる。
イクロ波と光波との間のほぼ完全な位相速度整合を有
し、小さいマイクロ波減衰を有する高速光変調器に対す
る新しい構造であって、一般的な電極製造プロセスの延
長であり、余分な特殊シールドを必要としないシンプル
な製造プロセスを容易にする構造が必要とされる。
【０００８】これまでは、厚いが普通のＣＰＷ電極を用
いた広帯域幅の低電圧Ｔｉ：ＬｉＮｂＯ3 光変調器は存
在しなかった。本発明者は、上述した問題のいくつかを
解決し、厚いが普通のＣＰＷ電極構造を用いた広帯域幅
光変調器を実現した。これは、研究論文“通常のコプレ
ーナ導波形電極を有する広帯域Ｔｉ：ＬｉＮｂＯ3 光変
調器”ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ．Ｔｅｃｈ．Ｌｅ
ｔｔ．ｖｏｌ．４，ｎｏ．９，ｐｐ．１０２０−１０２
２，１９９２（以下、従来例という）に発表されてい
る。この研究論文では、バッファ層の材料，厚さおよび
電極の材料，厚さを適切に構成することによって、マイ
クロ波実効屈折率ｎm を（４．２の値から）減少させ
て、光実効屈折率ｎo （ＬｉＮｂＯ3 基板の場合、代表
的には２．２の値）に近づけている。本発明者は、ま
た、高次モードのマイクロ波伝搬による損失を軽減させ
ることによって、構造のマイクロ波減衰を減少させた。
これは、チップの厚さを０．８ｍｍから約０．１ｍｍに
減らすことによって達成できた。その結果、広帯域の光
変調器を実現することができた。
いた広帯域幅の低電圧Ｔｉ：ＬｉＮｂＯ3 光変調器は存
在しなかった。本発明者は、上述した問題のいくつかを
解決し、厚いが普通のＣＰＷ電極構造を用いた広帯域幅
光変調器を実現した。これは、研究論文“通常のコプレ
ーナ導波形電極を有する広帯域Ｔｉ：ＬｉＮｂＯ3 光変
調器”ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ．Ｔｅｃｈ．Ｌｅ
ｔｔ．ｖｏｌ．４，ｎｏ．９，ｐｐ．１０２０−１０２
２，１９９２（以下、従来例という）に発表されてい
る。この研究論文では、バッファ層の材料，厚さおよび
電極の材料，厚さを適切に構成することによって、マイ
クロ波実効屈折率ｎm を（４．２の値から）減少させ
て、光実効屈折率ｎo （ＬｉＮｂＯ3 基板の場合、代表
的には２．２の値）に近づけている。本発明者は、ま
た、高次モードのマイクロ波伝搬による損失を軽減させ
ることによって、構造のマイクロ波減衰を減少させた。
これは、チップの厚さを０．８ｍｍから約０．１ｍｍに
減らすことによって達成できた。その結果、広帯域の光
変調器を実現することができた。
【０００９】以上の従来例において依然として未解決の
いくつかの問題は、次のようなものである。
いくつかの問題は、次のようなものである。
【００１０】１）チップ厚さが０．１ｍｍのオーダとい
うように非常に小さいので、把持，パッケージング，端
部でのファイバ／ファイバ・コネクタの接続が困難であ
る。したがって、デバイスの他の部分での厚さを増大さ
せずに、端部でのデバイスの全厚さを増大させる必要が
ある。
うように非常に小さいので、把持，パッケージング，端
部でのファイバ／ファイバ・コネクタの接続が困難であ
る。したがって、デバイスの他の部分での厚さを増大さ
せずに、端部でのデバイスの全厚さを増大させる必要が
ある。
【００１１】２）特性インピーダンスは４３．５Ωであ
り、これは低損失整合に対する５０Ωの最適要求値より
も小さい。その結果、デバイスのマイクロ波反射が増大
し、デバイスの全マイクロ波損失が増加して、達成でき
る帯域幅を減少させる。したがって、５０Ωの特性イン
ピーダンスを有する構造を得ることが必要となる。
り、これは低損失整合に対する５０Ωの最適要求値より
も小さい。その結果、デバイスのマイクロ波反射が増大
し、デバイスの全マイクロ波損失が増加して、達成でき
る帯域幅を減少させる。したがって、５０Ωの特性イン
ピーダンスを有する構造を得ることが必要となる。
【００１２】３）ＣＰＷ電極の導体損失をさらに減少さ
せて、これによりデバイスのマイクロ波減衰を軽減し
て、高速（広帯域）光変調器／スイッチを得ることが要
求される。
せて、これによりデバイスのマイクロ波減衰を軽減し
て、高速（広帯域）光変調器／スイッチを得ることが要
求される。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の導波形光
デバイスは、電気光学効果を有する結晶基板と、この結
晶基板内に作製された導波路と、前記結晶基板上に設け
られた誘電率が１．１〜４０の誘電体よりなるバッファ
層と、このバッファ層上に設けられた信号電極及び接地
電極からなる進行波電極と、入力導波路及び出力導波路
の端部を除いてエアギャップを有する低誘電率の誘電体
基板を前記結晶基板の裏面に備えたことを特徴とする。
デバイスは、電気光学効果を有する結晶基板と、この結
晶基板内に作製された導波路と、前記結晶基板上に設け
られた誘電率が１．１〜４０の誘電体よりなるバッファ
層と、このバッファ層上に設けられた信号電極及び接地
電極からなる進行波電極と、入力導波路及び出力導波路
の端部を除いてエアギャップを有する低誘電率の誘電体
基板を前記結晶基板の裏面に備えたことを特徴とする。
【００１４】次に本発明の第２の導波形光デバイスを説
明する。
明する。
【００１５】電気光学効果を有する結晶基板と、この結
晶基板内に作製された導波路と、前記結晶基板上に設け
られた誘電率が１．１〜４０の誘電体よりなるバッファ
層と、このバッファ層上に設けられた信号電極及び接地
電極からなる第１の進行波電極と、この電極上に設けら
れた信号電極及び接地電極からなる第２の進行波電極と
を備え、前記第２の進行波電極の信号電極の幅が下の第
１の進行波電極の信号電極の幅より大きく、かつ、前記
第２の進行波電極の接地電極の幅が下の第１の進行波電
極の接地電極の幅より小さいことを特徴とする。
晶基板内に作製された導波路と、前記結晶基板上に設け
られた誘電率が１．１〜４０の誘電体よりなるバッファ
層と、このバッファ層上に設けられた信号電極及び接地
電極からなる第１の進行波電極と、この電極上に設けら
れた信号電極及び接地電極からなる第２の進行波電極と
を備え、前記第２の進行波電極の信号電極の幅が下の第
１の進行波電極の信号電極の幅より大きく、かつ、前記
第２の進行波電極の接地電極の幅が下の第１の進行波電
極の接地電極の幅より小さいことを特徴とする。
【００１６】請求項１記載の発明では、前記結晶基板の
裏面に入力導波路及び出力導波路の端部を除いてエアギ
ャップを有する低誘電率の誘電体基板を用いることによ
って、デバイスの全マイクロ波減衰の一部は減少した。
裏面に入力導波路及び出力導波路の端部を除いてエアギ
ャップを有する低誘電率の誘電体基板を用いることによ
って、デバイスの全マイクロ波減衰の一部は減少した。
【００１７】したがって、減少されたマイクロ波減衰を
有する、厚いＣＰＷ進行導波電極（すなわち、非対称進
行導波電極）構造を用いる高速変調器が、実現できる。
有する、厚いＣＰＷ進行導波電極（すなわち、非対称進
行導波電極）構造を用いる高速変調器が、実現できる。
【００１８】また、厚い電極構造および厚いバッファ層
を作成することによって、マイクロ波実効屈折率を減少
させることができる。バッファ材料を適切に選ぶことに
よって、５０Ωの特性インピーダンスを達成できる。
を作成することによって、マイクロ波実効屈折率を減少
させることができる。バッファ材料を適切に選ぶことに
よって、５０Ωの特性インピーダンスを達成できる。
【００１９】シンプルで比較的容易な製造プロセスで作
ることのできる、５０Ωの特性インピーダンスを有す
る、厚いが通常のＣＰＷ電極構造を用いた高速光変調器
を実現できる。
ることのできる、５０Ωの特性インピーダンスを有す
る、厚いが通常のＣＰＷ電極構造を用いた高速光変調器
を実現できる。
【００２０】請求項２記載の発明では、特別の電極構造
を形成することによって、信号電極の全体積が増大し、
これが抵抗を減少させかつ全マイクロ波減衰を減少させ
て、帯域幅を増大させる。さらに特別の電極構造の厚
さ，幅，ギャップを制御することによって、マイクロ波
実効屈折率を制御することができる。このマイクロ波実
効屈折率は、光実効屈折率の値に達し、したがって帯域
幅を増大させる。故に、高速低駆動電圧の光変調器を実
現できる。また、特別の電極を得るための製造方法を与
えられる。
を形成することによって、信号電極の全体積が増大し、
これが抵抗を減少させかつ全マイクロ波減衰を減少させ
て、帯域幅を増大させる。さらに特別の電極構造の厚
さ，幅，ギャップを制御することによって、マイクロ波
実効屈折率を制御することができる。このマイクロ波実
効屈折率は、光実効屈折率の値に達し、したがって帯域
幅を増大させる。故に、高速低駆動電圧の光変調器を実
現できる。また、特別の電極を得るための製造方法を与
えられる。
【００２１】
【実施例】請求項１記載の発明の実施例を説明する。
【００２２】図１に、一実施例である基本デバイス（光
変調器／スイッチ）の構造を示す。（ａ）は平面図、
（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ′断面図、（ｃ）は（ａ）にお
いてＡ−Ａ′方向から見た側面図である。
変調器／スイッチ）の構造を示す。（ａ）は平面図、
（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ′断面図、（ｃ）は（ａ）にお
いてＡ−Ａ′方向から見た側面図である。
【００２３】電気光学効果を有する結晶基板１（例え
ば、ＬｉＮｂＯ3 結晶ウェハ）上に、５〜１２μｍ幅の
チタン金属膜を堆積し、９００〜１１００℃で５〜１２
時間結晶基板中に内部拡散させることによって、幅５〜
１２μｍ，深さ３〜１０μｍの導波路２，３，４を作成
する。導波路は、２つのＹ分岐導波路（入力部２で分配
器として、出力部３で合成器として働く）と、移相部４
とから成る。バッファ層５（１．２より大きい誘電率を
有する誘電体層）が、導波路上に被覆され、ＴＭモード
損失を減少させる。特性インピーダンスを制御する電極
が、導波路上に形成される。バッファ層５の厚さは、
０．３〜１０μｍである。バッファ層上に、幅５〜３０
μｍ，長さ１０〜７０ｍｍの信号電極６と、幅１００〜
８０００μｍ，長さ１０〜７０ｍｍの２つの接地電極
７，８とより成るコプレーナ導波路電極構造を形成す
る。次に、チップを、低誘電率のガラス基板９上にマウ
ントする。このとき、図１（ｃ）に示すように、端部を
除いて、チップとガラス基板との間にエアギャップ１０
を得るために、スリット（または凹構造）をガラス基板
９に切り込む。
ば、ＬｉＮｂＯ3 結晶ウェハ）上に、５〜１２μｍ幅の
チタン金属膜を堆積し、９００〜１１００℃で５〜１２
時間結晶基板中に内部拡散させることによって、幅５〜
１２μｍ，深さ３〜１０μｍの導波路２，３，４を作成
する。導波路は、２つのＹ分岐導波路（入力部２で分配
器として、出力部３で合成器として働く）と、移相部４
とから成る。バッファ層５（１．２より大きい誘電率を
有する誘電体層）が、導波路上に被覆され、ＴＭモード
損失を減少させる。特性インピーダンスを制御する電極
が、導波路上に形成される。バッファ層５の厚さは、
０．３〜１０μｍである。バッファ層上に、幅５〜３０
μｍ，長さ１０〜７０ｍｍの信号電極６と、幅１００〜
８０００μｍ，長さ１０〜７０ｍｍの２つの接地電極
７，８とより成るコプレーナ導波路電極構造を形成す
る。次に、チップを、低誘電率のガラス基板９上にマウ
ントする。このとき、図１（ｃ）に示すように、端部を
除いて、チップとガラス基板との間にエアギャップ１０
を得るために、スリット（または凹構造）をガラス基板
９に切り込む。
【００２４】バッファ層５の材料，厚さ、および電極
６，７，８の材料，厚さを適切に構成することによっ
て、マイクロ波実効屈折率ｎm を（４．２の値から）減
少させて、光実効屈折率ｎo （ＬｉＮｂＯ3 基板の場
合、代表的には２．２の値）に近づける。マイクロ波の
高次モード伝搬による損失を減少させることによって、
基板１のマイクロ波減衰を軽減させる。これは、チップ
の厚さを、０．８ｍｍから約０．１ｍｍに減らすことに
よって達成される。
６，７，８の材料，厚さを適切に構成することによっ
て、マイクロ波実効屈折率ｎm を（４．２の値から）減
少させて、光実効屈折率ｎo （ＬｉＮｂＯ3 基板の場
合、代表的には２．２の値）に近づける。マイクロ波の
高次モード伝搬による損失を減少させることによって、
基板１のマイクロ波減衰を軽減させる。これは、チップ
の厚さを、０．８ｍｍから約０．１ｍｍに減らすことに
よって達成される。
【００２５】請求項１記載の発明によって、ＣＰＷ電極
構造付近のチップ厚さは、約０．１ｍｍとなるように保
たれるが、チップの端部では、基板１の厚さを含む、全
デバイスの厚さは、０．５〜５．０ｍｍに増大する。こ
のことは、把持，マウント，パッケージングを容易に
し、ファイバ／ファイバ・コネクタを接続することを比
較的容易にする。
構造付近のチップ厚さは、約０．１ｍｍとなるように保
たれるが、チップの端部では、基板１の厚さを含む、全
デバイスの厚さは、０．５〜５．０ｍｍに増大する。こ
のことは、把持，マウント，パッケージングを容易に
し、ファイバ／ファイバ・コネクタを接続することを比
較的容易にする。
【００２６】次に請求項２記載の発明の実施例を説明す
る。
る。
【００２７】図２に、本発明で用いている一般的な基本
デバイス（光変調器／スイッチ）の構造を示す。（ａ）
は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ′断面図である。
デバイス（光変調器／スイッチ）の構造を示す。（ａ）
は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ′断面図である。
【００２８】電気光学効果を有する結晶基板１（例え
ば、ＬｉＮｂＯ3 結晶ウェハ）上に、５〜１２μｍ幅の
チタン金属膜を堆積し、９００〜１１００℃で５〜１２
時間結晶基板中に内部拡散させることによって、幅５〜
１２μｍ，深さ３〜１０μｍの導波路２，３，４を作成
する。導波路は、２つのＹ分岐導波路（入力部２で分配
器として、出力部３で合成器として働く）と、移相部４
とから成る。バッファ層５（１．２より大きい誘電率を
有する誘電体層）が、導波路上に被覆され、ＴＭモード
損失を減少させる。特性インピーダンスを制御する電極
が、導波路上に形成される。バッファ層５の厚さは、
０．３〜１０μｍである。バッファ層上に、幅５〜３０
μｍ，長さ１０〜７０ｍｍの信号電極６と、幅１００〜
８０００μｍ，長さ１０〜７０ｍｍの２つの接地電極
７，８とより成るコプレーナ導波路電極構造を形成す
る。
ば、ＬｉＮｂＯ3 結晶ウェハ）上に、５〜１２μｍ幅の
チタン金属膜を堆積し、９００〜１１００℃で５〜１２
時間結晶基板中に内部拡散させることによって、幅５〜
１２μｍ，深さ３〜１０μｍの導波路２，３，４を作成
する。導波路は、２つのＹ分岐導波路（入力部２で分配
器として、出力部３で合成器として働く）と、移相部４
とから成る。バッファ層５（１．２より大きい誘電率を
有する誘電体層）が、導波路上に被覆され、ＴＭモード
損失を減少させる。特性インピーダンスを制御する電極
が、導波路上に形成される。バッファ層５の厚さは、
０．３〜１０μｍである。バッファ層上に、幅５〜３０
μｍ，長さ１０〜７０ｍｍの信号電極６と、幅１００〜
８０００μｍ，長さ１０〜７０ｍｍの２つの接地電極
７，８とより成るコプレーナ導波路電極構造を形成す
る。
【００２９】この構造は、オーバリラクゼーション法
（ｏｖｅｒ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ）を用
いて解析され、キャパシタンス，実効マイクロ波屈折
率，特性インピーダンス，帯域幅などが、計算された。
図３（ａ）〜（ｃ）は、誘電率とバッファ層の厚さとの
関数として、実効マイクロ波屈折率ｎm の計算値を示し
ている。横軸は、誘電体層の厚さをμｍの単位で示し、
縦軸は、マイクロ波屈折率ｎm を示している。（ａ），
（ｂ），（ｃ）は、誘電率が３．９，２．９，１．９の
場合をそれぞれ示している。
（ｏｖｅｒ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ）を用
いて解析され、キャパシタンス，実効マイクロ波屈折
率，特性インピーダンス，帯域幅などが、計算された。
図３（ａ）〜（ｃ）は、誘電率とバッファ層の厚さとの
関数として、実効マイクロ波屈折率ｎm の計算値を示し
ている。横軸は、誘電体層の厚さをμｍの単位で示し、
縦軸は、マイクロ波屈折率ｎm を示している。（ａ），
（ｂ），（ｃ）は、誘電率が３．９，２．９，１．９の
場合をそれぞれ示している。
【００３０】図４（ａ）〜（ｃ）は、誘電率とバッファ
層の厚さとの関数として、特性インピーダンスの計算値
を示している。横軸は、バッファ層の厚さをμｍの単位
で示し、縦軸は、特性インピーダンスをΩの単位で示し
ている。（ａ），（ｂ），（ｃ）は、誘電率が３．９，
２．９，１．９の場合をそれぞれ示している。
層の厚さとの関数として、特性インピーダンスの計算値
を示している。横軸は、バッファ層の厚さをμｍの単位
で示し、縦軸は、特性インピーダンスをΩの単位で示し
ている。（ａ），（ｂ），（ｃ）は、誘電率が３．９，
２．９，１．９の場合をそれぞれ示している。
【００３１】図５（ａ）〜（ｃ）は、誘電率とバッファ
層の厚さとの関数として、光帯域幅と長さとの積の計算
値を示している。横軸は、誘電体層の厚さをμｍの単位
で示し、縦軸は、帯域幅と長さとの積をＧＨｚ・ｃｍで
示している。（ａ），（ｂ），（ｃ）は、誘電率が３．
９，２．９，１．９の場合をそれぞれ示している。
層の厚さとの関数として、光帯域幅と長さとの積の計算
値を示している。横軸は、誘電体層の厚さをμｍの単位
で示し、縦軸は、帯域幅と長さとの積をＧＨｚ・ｃｍで
示している。（ａ），（ｂ），（ｃ）は、誘電率が３．
９，２．９，１．９の場合をそれぞれ示している。
【００３２】また従来知られているように低誘電率の誘
電体層を用いるとことによりさらに特性インピーダンス
を上げることも可能である。
電体層を用いるとことによりさらに特性インピーダンス
を上げることも可能である。
【００３３】本発明の第２の導波形光デバイスを説明す
る。
る。
【００３４】請求項２記載の発明の実施例を図面を用い
て説明する。
て説明する。
【００３５】図６に一実施例である基本デバイス（光変
調器／スイッチ）の構造を示す。（ａ）は平面図、
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ′断面図である。（ｃ），
（ｄ）は（ｂ）の変形例で本発明のもとになった構造で
ある。
調器／スイッチ）の構造を示す。（ａ）は平面図、
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ′断面図である。（ｃ），
（ｄ）は（ｂ）の変形例で本発明のもとになった構造で
ある。
【００３６】電気光学効果を有する結晶基板１（例え
ば、ＬｉＮｂＯ3 結晶ウェハ）上に、５〜１２μｍ幅の
チタン金属膜を堆積し、９００〜１１００℃で５〜１２
時間結晶基板中に内部拡散させることによって、幅５〜
１２μｍ，深さ３〜１０μｍの導波路２，３，４を作成
する。導波路は、２つのＹ分岐導波路（入力部２で分配
器として、出力部３で合成器として働く）と、移相部４
とから成る。バッファ層５（１．２より大きい誘電率を
有する誘電体層）が、導波路上に被覆され、ＴＭモード
損失を減少させる。特性インピーダンスを制御する電極
が、導波路上に形成される。バッファ層５の厚さは、
０．３〜１０μｍである。バッファ層上に、幅５〜３０
μｍ，長さ１０〜７０ｍｍの信号電極６と、幅１００〜
８０００μｍ，長さ１０〜７０ｍｍの２つの接地電極
７，８とより成るコプレーナ導波形電極構造を形成す
る。次に、信号電極６および接地電極７，８の追加の組
１１を、形成する（幅５〜３０μｍ，長さ１０〜７０ｍ
ｍの信号電極と、幅１００〜８０００μｍ，長さ１０〜
７０ｍｍの２個の接地電極）。
ば、ＬｉＮｂＯ3 結晶ウェハ）上に、５〜１２μｍ幅の
チタン金属膜を堆積し、９００〜１１００℃で５〜１２
時間結晶基板中に内部拡散させることによって、幅５〜
１２μｍ，深さ３〜１０μｍの導波路２，３，４を作成
する。導波路は、２つのＹ分岐導波路（入力部２で分配
器として、出力部３で合成器として働く）と、移相部４
とから成る。バッファ層５（１．２より大きい誘電率を
有する誘電体層）が、導波路上に被覆され、ＴＭモード
損失を減少させる。特性インピーダンスを制御する電極
が、導波路上に形成される。バッファ層５の厚さは、
０．３〜１０μｍである。バッファ層上に、幅５〜３０
μｍ，長さ１０〜７０ｍｍの信号電極６と、幅１００〜
８０００μｍ，長さ１０〜７０ｍｍの２つの接地電極
７，８とより成るコプレーナ導波形電極構造を形成す
る。次に、信号電極６および接地電極７，８の追加の組
１１を、形成する（幅５〜３０μｍ，長さ１０〜７０ｍ
ｍの信号電極と、幅１００〜８０００μｍ，長さ１０〜
７０ｍｍの２個の接地電極）。
【００３７】追加電極構造を形成することによって、信
号電極の全体積が増大し、これにより抵抗を減少させ、
全マイクロ波減衰を減少させて、帯域幅を増大させる。
追加電極構造の厚さ，幅，ギャップを制御することによ
って、実効マイクロ波屈折率を制御して、実効マイクロ
波屈折率を、光実効屈折率の値に近づけることもでき
る。このことがまた、帯域幅を増大させる。したがっ
て、高速の低駆動電圧光変調器を実現できる。
号電極の全体積が増大し、これにより抵抗を減少させ、
全マイクロ波減衰を減少させて、帯域幅を増大させる。
追加電極構造の厚さ，幅，ギャップを制御することによ
って、実効マイクロ波屈折率を制御して、実効マイクロ
波屈折率を、光実効屈折率の値に近づけることもでき
る。このことがまた、帯域幅を増大させる。したがっ
て、高速の低駆動電圧光変調器を実現できる。
【００３８】次に本実施例の製造方法を説明する。
【００３９】結晶ウェハ１上にチタン金属膜を堆積し、
結晶内に内部拡散させることによって、導波路２，３，
４を作る。次に、バッファ層５を形成する。このバッフ
ァ層上に、コプレーナ（または非対称）進行導波形電極
構造を形成する。これは、バッファ層５をホトレジスト
で被覆し、パターニングして、Ａｕ（金）を電気メッキ
することにより行う。
結晶内に内部拡散させることによって、導波路２，３，
４を作る。次に、バッファ層５を形成する。このバッフ
ァ層上に、コプレーナ（または非対称）進行導波形電極
構造を形成する。これは、バッファ層５をホトレジスト
で被覆し、パターニングして、Ａｕ（金）を電気メッキ
することにより行う。
【００４０】追加の電極を形成するには、２つの方法が
ある。
ある。
【００４１】第１の方法は、前のレジスト−Ａｕ構造上
に、他の種類のレジスト（前のレジストとは反応しな
い）を被覆し、パターニングし、電極メッキを施して、
追加電極構造を得る。
に、他の種類のレジスト（前のレジストとは反応しな
い）を被覆し、パターニングし、電極メッキを施して、
追加電極構造を得る。
【００４２】第２の方法は、前のレジストをリフォーム
して（例えば、加熱処理，化学反応など）、前のレジス
トと同じ種類のホトレジストを、前のレジストと反応し
ないようにして被覆し、パターニングし、電気メッキを
施す。
して（例えば、加熱処理，化学反応など）、前のレジス
トと同じ種類のホトレジストを、前のレジストと反応し
ないようにして被覆し、パターニングし、電気メッキを
施す。
【００４３】図６（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、追加電極
形状がそれぞれ異なる例を示している。図６（ｂ）は、
追加電極構造の接地電極の長さが、下側の接地電極７，
８の長さよりも短い場合を、図６（ｃ）は、追加電極構
造の接地電極の長さが、下側の接地電極７，８の長さと
同じ場合を、図６（ｄ）は、追加電極構造の接地電極の
長さが、下側の接地電極７，８の長さよりも長い場合
を、それぞれ示している。
形状がそれぞれ異なる例を示している。図６（ｂ）は、
追加電極構造の接地電極の長さが、下側の接地電極７，
８の長さよりも短い場合を、図６（ｃ）は、追加電極構
造の接地電極の長さが、下側の接地電極７，８の長さと
同じ場合を、図６（ｄ）は、追加電極構造の接地電極の
長さが、下側の接地電極７，８の長さよりも長い場合
を、それぞれ示している。
【００４４】図６（ａ）の例の製造手順を、図７に示
す。
す。
【００４５】まず図７（ａ）に示すように、結晶１上
に、チタン金属膜２１を堆積する。
に、チタン金属膜２１を堆積する。
【００４６】次に図７（ｂ）に示すように、チタン金属
膜２１上に、レジスト２２を被覆する。
膜２１上に、レジスト２２を被覆する。
【００４７】次に図７（ｃ）に示すように、ＵＶ光を露
光してレジストをパターニングし、現像して、レジスト
を除去する。
光してレジストをパターニングし、現像して、レジスト
を除去する。
【００４８】次に図７（ｄ）に示すように、加熱により
チタン金属膜２１を結晶１中に内部拡散させて、導波路
２，３，４を形成する。
チタン金属膜２１を結晶１中に内部拡散させて、導波路
２，３，４を形成する。
【００４９】次に図７（ｅ）に示すように、バッファ層
５を被覆する。
５を被覆する。
【００５０】次に図７（ｆ）に示すように、バッファ層
５上に下側電極層２３（電気メッキ前）を形成する。
５上に下側電極層２３（電気メッキ前）を形成する。
【００５１】次に図７（ｇ）に示すように、ホトレジス
トを被覆し、ＵＶ光で露光した後、現像して、下側電極
層２３のない部分に、ホトレジスト２４を残す。
トを被覆し、ＵＶ光で露光した後、現像して、下側電極
層２３のない部分に、ホトレジスト２４を残す。
【００５２】次に図７（ｈ）に示すように、下側電極層
２３に電気メッキすることによって、信号電極６及び接
地電極７，８を形成する。
２３に電気メッキすることによって、信号電極６及び接
地電極７，８を形成する。
【００５３】次に図７（ｉ）に示すように、ホトレジス
ト２５を被覆し、ＵＶ光で露光した後、現像して、図示
のようなパターンを形成する。
ト２５を被覆し、ＵＶ光で露光した後、現像して、図示
のようなパターンを形成する。
【００５４】最後に図７（ｊ）に示すように、電気メッ
キによって追加の電極構造を形成した後、ホトレジスト
２４，２５を除去する。
キによって追加の電極構造を形成した後、ホトレジスト
２４，２５を除去する。
【００５５】図６（ｃ），（ｄ）の構造についても、上
記製造方法と同様の方法によって製造できることは明ら
かであろう。
記製造方法と同様の方法によって製造できることは明ら
かであろう。
【００５６】
【発明の効果】本発明によれば、把持，パッケージン
グ，端部でのファイバ／ファイバ・コネクタの接続が容
易で、特性インピーダンスが５０Ωであり、マイクロ波
減衰を軽減させた高速光変調器／スイッチを得ることが
できる。
グ，端部でのファイバ／ファイバ・コネクタの接続が容
易で、特性インピーダンスが５０Ωであり、マイクロ波
減衰を軽減させた高速光変調器／スイッチを得ることが
できる。
【図１】請求項１記載の導波形光デバイスの構造を示す
図である。
図である。
【図２】 一般的な導波形光デバイスの構造を示す図で
ある。
ある。
【図３】マイクロ波実効屈折率の計算値を示す図であ
る。
る。
【図４】特性インピーダンスの計算値を示す図である。
【図５】 帯域幅×長さの計算値を示す図である。
【図６】 請求項２記載の導波光デバイスの構造と比較
例の構造を示す図である。
例の構造を示す図である。
【図７】図６のデバイスの製造工程を示す図である。
１ 結晶基板 ２ 入力導波路 ３ 出力導波路 ４ 移相部 ５ バッファ層 ６ 信号電極 ７，８ 接地電極 ９ ガラス基板 １０ エアギャップ １１ 追加電極構造
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−234219（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−18121（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−257430（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−272505（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−91111（ＪＰ，Ａ) ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｒｉｃｓ Ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖ ｏｌ．４ Ｎｏ．９ Ｐ．1020〜Ｐ. 1022 （1992) 電子情報通信学会論文誌 Ｃ−▲Ｉ ▼，Ｖｏｌ．Ｊ75−Ｃ−▲Ｉ▼ Ｎｏ. １ Ｐ．17〜Ｐ．26 （1992)
Claims (2)
- 【請求項１】 電気光学効果を有する結晶基板と、この
結晶基板内に作製された導波路と、前記結晶基板上に設
けられた誘電率が１．１〜４０の誘電体よりなるバッフ
ァ層と、このバッファ層上に設けられた信号電極及び接
地電極からなる進行波電極と、入力導波路及び出力導波
路の端部を除いてエアギャップを有する低誘電率の誘電
体基板を前記結晶基板の裏面に備えたことを特徴とする
導波形光デバイス。 - 【請求項２】電気光学効果を有する結晶基板と、この結
晶基板内に作製された導波路と、前記結晶基板上に設け
られた誘電率が１．１〜４０の誘電体よりなるバッファ
層と、このバッファ層上に設けられた信号電極及び接地
電極からなる第１の進行波電極と、この電極上に設けら
れた信号電極及び接地電極からなる第２の進行波電極と
を備え、前記第２の進行波電極の信号電極の幅が下の第
１の進行波電極の信号電極の幅より大きく、かつ、前記
第２の進行波電極の接地電極の幅が下の第１の進行波電
極の接地電極の幅より小さいことを特徴とする導波形光
デバイス。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5085819A JP2713087B2 (ja) | 1993-04-13 | 1993-04-13 | 導波形光デバイス |
| US08/401,307 US5502780A (en) | 1993-04-13 | 1995-03-09 | Waveguide type optical device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5085819A JP2713087B2 (ja) | 1993-04-13 | 1993-04-13 | 導波形光デバイス |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06300994A JPH06300994A (ja) | 1994-10-28 |
| JP2713087B2 true JP2713087B2 (ja) | 1998-02-16 |
Family
ID=13869472
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5085819A Expired - Lifetime JP2713087B2 (ja) | 1993-04-13 | 1993-04-13 | 導波形光デバイス |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5502780A (ja) |
| JP (1) | JP2713087B2 (ja) |
Families Citing this family (26)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2928129B2 (ja) * | 1995-03-29 | 1999-08-03 | 日本電気株式会社 | 光変調器及びその製造方法 |
| JP2850950B2 (ja) * | 1996-01-19 | 1999-01-27 | 日本電気株式会社 | 導波型光デバイス |
| US5991491A (en) * | 1996-11-08 | 1999-11-23 | Nec Corporation | Optical waveguide type device for reducing microwave attenuation |
| JP3362105B2 (ja) * | 1997-03-31 | 2003-01-07 | 住友大阪セメント株式会社 | 導波路型光変調器 |
| CA2301155A1 (en) | 1997-08-18 | 1999-02-25 | Sergio Bosso | Narrow-band optical modulator with reduced power requirement |
| US6372284B1 (en) | 1998-06-11 | 2002-04-16 | Optelecom, Inc. | Fluoropolymer coating of lithium niobate integrated optical devices |
| JP4754670B2 (ja) * | 1999-11-05 | 2011-08-24 | 住友大阪セメント株式会社 | 光導波路素子 |
| US6304685B1 (en) * | 2000-05-05 | 2001-10-16 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Low drive voltage LiNbO3 intensity modulator with reduced electrode loss |
| US6356673B1 (en) * | 2000-05-05 | 2002-03-12 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Low loss coplanar waveguide horn for low drive LiNbO3 modulators |
| KR100358181B1 (ko) * | 2000-12-22 | 2002-10-25 | 한국전자통신연구원 | 열광학 가변 광감쇄기 |
| US6646781B2 (en) * | 2001-02-13 | 2003-11-11 | Codeon Corporation | Loss prevention structures for optical modulation applications |
| US7095543B1 (en) * | 2001-02-23 | 2006-08-22 | Finisar Corporation | Dual-electrode traveling wave optical phase shifters and methods |
| JP2003057616A (ja) * | 2001-07-25 | 2003-02-26 | Corlux Corp | 光導波路素子、光変調器及び光通信システム |
| JP4875807B2 (ja) * | 2001-08-01 | 2012-02-15 | 住友大阪セメント株式会社 | 光変調器 |
| JP3963313B2 (ja) * | 2001-09-05 | 2007-08-22 | 日本碍子株式会社 | 光導波路デバイス、光変調器および光変調器の実装構造 |
| JP4375597B2 (ja) | 2001-11-16 | 2009-12-02 | 日本碍子株式会社 | 光導波路デバイスおよび進行波形光変調器 |
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