JP4454301B2 - Optical modulator and method for manufacturing optical modulator - Google Patents
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Description
本発明は、高速・大容量光ファイバ通信システムなどに好適に用いることのできる光変調器、光変調器の速度及びインピーダンス整合方法、並びに光変調器の製造方法に関する。 The present invention relates to an optical modulator that can be suitably used in a high-speed, large-capacity optical fiber communication system, an optical modulator speed and impedance matching method, and an optical modulator manufacturing method.
近年、高速・大容量光ファイバ通信システムの進歩に伴い、外部変調器に代表されるように、光導波路素子を用いた高速光変調器が実用化され、広く用いられるようになってきている。このような光変調器においては、光導波路中を導波する光波を、例えばマイクロ波領域の変調信号を用いて変調するため、前記光波と前記変調信号との速度整合及びインピーダンス整合を図ることが重要となる。 In recent years, with the progress of high-speed and large-capacity optical fiber communication systems, high-speed optical modulators using optical waveguide elements have been put into practical use and widely used, as represented by external modulators. In such an optical modulator, the light wave guided through the optical waveguide is modulated using, for example, a modulation signal in the microwave region, so that speed matching and impedance matching between the light wave and the modulation signal can be achieved. It becomes important.
かかる観点に鑑み、特開平9−211402号公報などには、光変調素子を構成する基板の裏面側に支持基板を設けるとともに、前記支持基板の、前記光変調素子の変調領域に相当する位置に空洞部を設け、前記変調信号に対する実効屈折率を低下させて、前記変調信号の位相速度低減を抑制し、前記光変調素子の光導波路中を導波する光波と、前記光変調素子の変調電極から印加される変調信号との速度整合を図ること、並びにインピーダンス整合を図ることが試みられている。 In view of such a viewpoint, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-211402 and the like provide a support substrate on the back side of the substrate constituting the light modulation element, and at a position corresponding to the modulation region of the light modulation element of the support substrate. A light wave guided through the optical waveguide of the light modulation element, and a modulation electrode of the light modulation element by providing a cavity, reducing an effective refractive index with respect to the modulation signal, suppressing a reduction in phase velocity of the modulation signal; Attempts have been made to achieve speed matching with the modulation signal applied from the above and impedance matching.
しかしながら、上記の方法においては、十分な速度整合及びインピーダンス整合を実現するためには、光変調素子を構成する基板の厚さを例えば数μmにまで薄くする必要がある。このような薄板化工程には十分な加工精度が要求されるために、前述のような前記光変調素子を含む光変調器の製造は困難を極めていた。また、空洞部などを設けた場合においては、かかる部分に応力が集中し、DCドリフトや温度ドリフトが生じてしまい光変調器の安定動作が困難となる場合がある。さらには、前述した応力集中によって光変調素子、すなわち光変調器が破壊してしまう場合がある。 However, in the above method, in order to realize sufficient speed matching and impedance matching, it is necessary to reduce the thickness of the substrate constituting the light modulation element to, for example, several μm. Since such a thinning process requires a sufficient processing accuracy, it is extremely difficult to manufacture an optical modulator including the optical modulation element as described above. In addition, when a hollow portion or the like is provided, stress concentrates on such a portion, and DC drift or temperature drift occurs, which may make it difficult to perform stable operation of the optical modulator. Furthermore, the light modulation element, that is, the light modulator may be destroyed due to the stress concentration described above.
本発明は、光変調器の強度及び安定性を十分確保した上で、速度整合及びインピーダンス整合を簡易に図り、さらには前記光変調器の製造工程を簡易化することを目的とする。 An object of the present invention is to facilitate speed matching and impedance matching while ensuring sufficient strength and stability of an optical modulator, and to simplify the manufacturing process of the optical modulator.
上記目的を達成すべく、本発明は、
電気光学効果を有する材料からなる基板と、この基板の主面側に設けられた光導波路と、前記基板の前記主面上に設けられた、前記光導波路中を導波する光波に対して変調信号を印加するための変調電極とを有する光変調素子と、
前記光変調素子の、前記基板の裏面側に主面が接触するようにして設けられた誘電体層と、
前記誘電体層の裏面側に設けられた、前記光変調素子の、少なくとも変調領域に相当する位置に凹部を有する支持基板とを具え、
前記支持基板の誘電率をεr、及び前記凹部内の誘電率をεsとした場合において、
εr>εs
なる関係を満足すると共に、
前記誘電体層は、前記電気光学基板を構成する材料よりも誘電率の小さい材料から構成したことを特徴とする、光変調器に関する。
In order to achieve the above object, the present invention provides:
A substrate made of a material having an electro-optic effect, an optical waveguide provided on the main surface side of the substrate, and a light wave guided on the optical waveguide provided on the main surface of the substrate is modulated. A light modulation element having a modulation electrode for applying a signal;
A dielectric layer provided so that a main surface is in contact with the back surface side of the substrate of the light modulation element;
A support substrate provided on the back side of the dielectric layer and having a recess at a position corresponding to at least the modulation region of the light modulation element;
When the dielectric constant of the support substrate is εr and the dielectric constant in the recess is εs,
εr> εs
While satisfying the relationship
The dielectric layer relates to an optical modulator, wherein the dielectric layer is made of a material having a dielectric constant smaller than a material constituting the electro-optic substrate .
さらに、本発明は、
電気光学効果を有し、誘電率がεLNである材料からなる基板と、この基板の主面側に設けられた光導波路と、前記基板の前記主面上に設けられた、前記光導波路中を導波する光波に対して変調信号を印加するための変調電極とを有する光変調素子を準備する工程と、
前記光変調素子の、前記基板の裏面側に主面が接触するようにして該基板を構成する材料よりも誘電率の小さい材料から構成した誘電体層を設ける工程と、
前記誘電体層の裏面側において、前記光変調素子の、少なくとも変調領域に相当する位置に、内部空間の誘電率がεsである凹部を有し、誘電率がεrであって、εr>εsなる関係を満足する支持基板を設ける工程と、
を具えることを特徴とする、光変調器の製造方法に関する。
Furthermore, the present invention provides
A substrate made of a material having an electro-optic effect and a dielectric constant of εLN, an optical waveguide provided on the main surface side of the substrate, and the optical waveguide provided on the main surface of the substrate Preparing a light modulation element having a modulation electrode for applying a modulation signal to the guided light wave;
Providing a dielectric layer composed of a material having a smaller dielectric constant than the material constituting the substrate so that the main surface of the light modulation element is in contact with the back surface side of the substrate ;
On the back side of the dielectric layer, there is a recess having a dielectric constant of εs in the internal space at a position corresponding to at least the modulation region of the light modulation element, the dielectric constant is εr, and εr> εs. Providing a support substrate that satisfies the relationship;
It is related with the manufacturing method of the optical modulator characterized by comprising.
本発明によれば、光変調素子の裏面側において、誘電体層と、支持基板とを設け、この支持基板において、その誘電率よりも小さい誘電率を有する凹部を設けて、目的とする光変調器を作製している。光変調器の速度整合を図るためには、前記光変調素子の前記基板の厚さをある程度薄くして、変調信号に対する実効屈折率を低減させなければならないが、前記支持基板に設けた凹部内の低誘電率に起因して、その厚さを比較的厚く設定しても前記実効屈折率を十分に低減できるようになる。 According to the present invention, a dielectric layer and a support substrate are provided on the back surface side of the light modulation element, and a concave portion having a dielectric constant smaller than the dielectric constant is provided on the support substrate, so that the desired light modulation is achieved. A vessel is being made. In order to achieve speed matching of the optical modulator, it is necessary to reduce the effective refractive index with respect to the modulation signal by reducing the thickness of the substrate of the optical modulation element to some extent. Due to the low dielectric constant, the effective refractive index can be sufficiently reduced even if the thickness is set relatively large.
さらには、前記誘電体層を低誘電率材料から構成することにより、基板をさらに厚く設定しても、前記実効屈折率を十分に小さくすることができるとともに、前記低誘電率層によって薄板化された前記基板の強度補強をすることができるようになる。 Further, by configuring the dielectric layer from a low dielectric constant material, the effective refractive index can be made sufficiently small even when the substrate is set to be thicker, and the dielectric layer is made thinner by the low dielectric constant layer. Further, the strength of the substrate can be reinforced.
したがって、光変調器の強度を十分に確保し、さらにはDCドリフトや温度ドリフトなどをも十分に抑制して安定性を十分確保した上で、速度整合及びインピーダンス整合を簡易に図ることができ、さらには前記光変調器の製造工程を簡易化することができるようになる。 Therefore, it is possible to easily achieve speed matching and impedance matching after sufficiently ensuring the strength of the optical modulator and further sufficiently suppressing stability such as DC drift and temperature drift. Furthermore, the manufacturing process of the optical modulator can be simplified.
以上説明したように、本発明によれば、光変調器の強度及び安定性を十分確保した上で、速度整合及びインピーダンス整合を簡易に図り、さらには前記光変調器の製造工程を簡易化することができる。 As described above, according to the present invention, speed matching and impedance matching can be easily achieved with sufficient strength and stability of the optical modulator, and further, the manufacturing process of the optical modulator can be simplified. be able to.
以下、本発明を発明の実施の形態に即して詳細に説明する。
図1は、本発明の光変調器の一例を示す平面図であり、図2は、図1に示す光変調器をA−A線に沿って切った場合の断面図である。なお、これらの図においては本発明の特徴を明確にすべく、各構成要素の大きさなどについては実際のものと異なるようにして描いている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail according to embodiments of the invention.
FIG. 1 is a plan view showing an example of the optical modulator of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the optical modulator shown in FIG. 1 taken along the line AA. In these drawings, in order to clarify the features of the present invention, the size of each component is drawn differently from the actual one.
図1及び図2に示す光変調器10においては、電気光学効果を有する材料からなる基板11の主面11A側においてマッハツエンダー型の光導波路12を有するとともに、主面11A上において信号電極13及びこの信号電極13の両側において接地電極14を有している。信号電極13及び接地電極14は、いわゆるコプレナー(CPW)型の変調電極を構成する。また、基板11、光導波路12、並びに信号電極13及び接地電極14からなる変調電極は、光変調素子15を構成する。なお、破線で囲った領域Pは、光導波路12中を導波する光波と、前記変調電極からの変調信号が互いに作用して前記光波の変調を行う変調領域である。
The
基板11の裏面11B側には、主面が接触するようにして設けられた誘電体層16と、この誘電体層16と接触するようにして設けられた支持基板17とが設けられている。支持基板17の、変調領域Pが位置する領域には凹部18が設けられている。
On the
図1及び図2に示す光変調器10においては、支持基板17の誘電率をεr、及び凹部18の内部空間の誘電率をεSとした場合において、εr>εSなる関係を満足する。
In the
図1及び図2に示す光変調器10においては、上述した基板11、誘電体層16及び凹部内空間の誘電率や、信号電極13の高さh及び幅d、並びに信号電極13と接地電極14とのギャップgなどを考慮した上で、基板11の厚さt、誘電体層16の厚さT、並びに凹部18の幅W及び深さDなどを変化させることによって、速度整合及びインピーダンス整合を図るようにする。
In the
速度整合やインピーダンス整合を図るためには、基板11の厚さを薄くして、変調電極から印加される変調信号に対する実効屈折率を低下させる必要がある。図1及び図2に示す光変調器10においては、光変調素子15の下方に設けた支持基板17内に、上記誘電率の関係式を満足する空間を有する凹部18が設けられている。前記変調信号は基板11から外部へ漏洩して凹部18へも至るようになるため、凹部18の内部空間の誘電率もその伝搬状態に影響を与えるようになり、前記内部空間の低誘電率に基づいて前記変調信号に対する実効屈折率を低減できるようになる。
In order to achieve speed matching and impedance matching, it is necessary to reduce the effective refractive index for the modulation signal applied from the modulation electrode by reducing the thickness of the
したがって、基板11の厚さを比較的厚くした場合においても、凹部18内部の低誘電率に起因して、前記変調信号に対する実効屈折率を低減できるようになる。
Therefore, even when the thickness of the
また、基板11の裏面11B側には、誘電体層16が直接的に設けられており、薄板化された基板11を補強することができる。さらには、前記変調信号は基板11内から外部へ漏洩するため、誘電体層16の低誘電率に起因して前記変調信号に対する実効屈折率を低減することができる。したがって、基板11の厚さを比較的大きくした場合においても、前記変調信号に対する実効屈折率を十分に小さく保持することができるようになる。
In addition, the
具体的には、図1及び図2に示すような構成を採用することにより、基板11の厚さを30μm程度まで厚くした場合においても、速度整合及びインピーダンス整合を十分に達成することができるようになる。
Specifically, by adopting the configuration as shown in FIGS. 1 and 2, even when the thickness of the
このように、図1及び図2に示す光変調器10においては、光変調器の強度を十分に確保し、その結果DCドリフトや温度ドリフトなどをも十分に抑制して安定性を十分確保した上で、速度整合及びインピーダンス整合を簡易に図ることができる。さらには前記光変調器の製造工程を簡易化することができるようになる。
As described above, in the
上述したように、基板11は電気光学効果を有する材料から構成することが要求され、例えばニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウムリチウム、タンタル酸リチウム、KTP、ガラス、シリコン、GaAs及び水晶などから構成することができ、特にはニオブ酸リチウムから構成することが好ましい。
As described above, the
また、誘電体層16は、低誘電率であるガラス、エポキシ樹脂、及びポリイミドなどの材料から構成することができる。これらの材料は上述した基板11の材料と比較して十分低い誘電率を有するため、上述したような誘電率に関する関係式を満足するとともに、上述した作用効果を実現できるようになる。
The
さらに、誘電体層16の厚さTについては特に限定されるものではないが、本発明においては0.1μm〜200μmの範囲に設定することにより、光変調器の強度及び安定性を確保した上で、速度整合及びインピーダンス整合の向上を図ることができる。
Further, the thickness T of the
誘電体層16は、基板11の裏面11B側に形成することが必要であるが、その形成方法については特に限定されるものではなく、それを構成する材料の種類などに応じて適宜選択する。例えば、誘電体層16の厚さを比較的大きくするような場合においては、上述したような材料からなるシート状部材を別途準備し、これを基板11の裏面11A側に貼り付けることなどによって形成することができる。この場合は、誘電体層16を複雑な成膜装置などを用いることなく、簡易に形成することができる。
The
支持基板17内に形成された凹部18の内部空間は、空洞の状態に設定することもできるし、何らかの低誘電率物質を充填して埋設することもできる。この場合、前記低誘電率物質の誘電率をε2、基板11の誘電率をεLN、及び誘電体層16の誘電率をε1とした場合において、εLN>ε1>ε2なる関係を満足することが必要である。
The internal space of the
凹部18内を空洞の状態に保持する場合は、凹部18内には空気が充填されていることになる。したがって、凹部18の内部空間における誘電率は約1となり、十分に低誘電率化を達成することができる。
When the inside of the
一方、凹部18内に低誘電率物質を埋設する場合は、前記低誘電率物質の誘電率は空気の誘電率(1)よりも一般的には大きいため、凹部18内を空洞に保持する場合に比較して低誘電率化の効果は低減する。しなしながら、光変調器10自体の強度を増大させることができ、光変調器10の強度及び安定性をより十分に確保できるようになる。
On the other hand, in the case where a low dielectric constant material is embedded in the
前記低誘電率物質としては、ガラス、エポキシ樹脂及びポリイミドを例示することができる。 Examples of the low dielectric constant material include glass, epoxy resin, and polyimide.
なお、光導波路12はチタン拡散法やプロトン交換法などの公知の方法を用いて形成することができる。また、信号電極13及び接地電極14は、金、銀、銅などの材料からメッキ法及び蒸着法などを併用することによって形成することができる。また、支持基板17は、好ましくは基板11及び低誘電率層16の線膨張係数と近接した線膨張係数を有する材料から形成する。
The
(実施例)
本実施例においては、図1及び図2に示すような光変調器を作製した。基板11としてXカットのニオブ酸リチウム単結晶(図2、X方向LN誘電率εLNx=28、Y方向LN誘電率εLNy=43)を用い、チタン拡散法により光導波路12を形成するとともに、メッキ法及び蒸着法を併用することにより、信号電極13及び接地電極14を形成し、光変調素子15を作製した。なお、これら電極の高さhは20μmとし、信号電極13の幅dは30μmとし、信号電極13及び接地電極14のギャップgは30μmとした。
(Example)
In this example, an optical modulator as shown in FIGS. 1 and 2 was produced. An X-cut lithium niobate single crystal (FIG. 2, X direction LN dielectric constant ε LNx = 28, Y direction LN dielectric constant ε LNy = 43) is used as the
次いで、基板11の裏面11B側に、エポキシ樹脂からなるシート状部材(誘電率ε1=3.8)を貼り付けて誘電体層16を形成し、光変調素子15の変調領域に位置する領域に凹部18を有するニオブ酸リチウムからなる支持基板17を形成し、光変調器10を作製した。なお、凹部18内は空洞の状態(誘電率εS=1)で保持した。
Next, a sheet-like member (dielectric constant ε 1 = 3.8) made of an epoxy resin is attached to the
上述のようにして得た光変調器10においては、基板11の厚さを10μm、誘電体層16の厚さを5μm、凹部18の幅Wを500μm、及び凹部18の深さDを500μmとすることによって、速度整合及びインピーダンス整合を実現できた。
In the
(比較例)
支持基板内に凹部を設けない以外は、実施例と同様にして光変調器を作製した。この場合においては、基板11の厚さを0.3μm、並びに低誘電率層16の厚さを5μmとした場合において、速度整合及びインピーダンス整合を実現することができた。
(Comparative example)
An optical modulator was fabricated in the same manner as in the example except that no recess was provided in the support substrate. In this case, speed matching and impedance matching can be realized when the thickness of the
以上、実施例及び比較例から明らかなように、本発明の光変調器においては、基板11の厚さを十分に大きくした場合においても、速度整合及びインピーダンス整合が実現できることが分かる。すなわち、本発明によれば、光変調器の強度及び安定性をより十分に確保した上で、速度整合及びインピーダンス整合を実現できることが分かる。また、基板11の厚さが比較的大きいために加工が容易となり、目的とする光変調器を簡易に作製することができるようになる。
As can be seen from the examples and comparative examples, in the optical modulator of the present invention, it is understood that speed matching and impedance matching can be realized even when the thickness of the
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲において、あらゆる変更や変形が可能である。例えば、上記実施例においては、CPW型の変調電極を配置しているが、ACPS型の変調電極を配置することもできる。また、基板11には、耐光損傷性を向上させるべく、Mg、Zn、Sc、及びInなどの元素を添加することができる。さらに、基板11と信号電極13及び接地電極14との間にバッファ層を設けることもできる。
As described above, the present invention has been described in detail based on the embodiments of the present invention with specific examples. However, the present invention is not limited to the above-described contents, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. Changes and modifications are possible. For example, in the above embodiment, the CPW type modulation electrode is arranged, but an ACPS type modulation electrode may be arranged. Further, elements such as Mg, Zn, Sc, and In can be added to the
10 光変調器、11 基板、12 光導波路、13 信号電極、14 接地電極、15 光変調素子、16 誘電体層、17 支持基板、18 凹部
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記光変調素子の、前記基板の裏面側に主面が接触するようにして設けられた誘電体層と、
前記誘電体層の裏面側に設けられた、前記光変調素子の、少なくとも変調領域に相当する位置に凹部を有する支持基板とを具え、
前記支持基板の誘電率をεr、及び前記凹部内の誘電率をεsとした場合において、
εr>εs
なる関係を満足すると共に、
前記誘電体層は、前記電気光学基板を構成する材料よりも誘電率の小さい材料から構成したことを特徴とする、光変調器。 A substrate made of a material having an electro-optic effect, an optical waveguide provided on the main surface side of the substrate, and a light wave guided in the optical waveguide provided on the main surface of the substrate is modulated. A light modulation element having a modulation electrode for applying a signal;
A dielectric layer provided so that a main surface is in contact with the back surface side of the substrate of the light modulation element;
A support substrate provided on the back side of the dielectric layer and having a recess at a position corresponding to at least the modulation region of the light modulation element;
When the dielectric constant of the support substrate is εr and the dielectric constant in the recess is εs,
εr> εs
While satisfying the relationship
The optical modulator, wherein the dielectric layer is made of a material having a dielectric constant smaller than that of the material constituting the electro-optic substrate .
εLN>ε1>ε2
なる関係を満足する低誘電率物質を前記凹部内に埋設したことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一に記載の光変調器。 When the dielectric constant of the electro-optic substrate is εLN and the dielectric constant of the dielectric layer is ε1, the dielectric constant ε2
εLN>ε1> ε2
The optical modulator according to claim 1, wherein a low dielectric constant material satisfying the following relationship is embedded in the recess .
前記光変調素子の、前記基板の裏面側に主面が接触するようにして該基板を構成する材料よりも誘電率の小さい材料から構成した誘電体層を設ける工程と、
前記誘電体層の裏面側において、前記光変調素子の、少なくとも変調領域に相当する位置に、内部空間の誘電率がεsである凹部を有し、誘電率がεrであって、εr>εsなる関係を満足する支持基板を設ける工程と、
を具えることを特徴とする、光変調器の製造方法。 A substrate made of a material having an electro-optic effect and a dielectric constant of εLN, an optical waveguide provided on the main surface side of the substrate, and the optical waveguide provided on the main surface of the substrate Preparing a light modulation element having a modulation electrode for applying a modulation signal to the guided light wave;
Providing a dielectric layer composed of a material having a smaller dielectric constant than the material constituting the substrate so that the main surface of the light modulation element is in contact with the back surface side of the substrate;
On the back side of the dielectric layer, there is a recess having a dielectric constant of εs in the internal space at a position corresponding to at least the modulation region of the light modulation element, the dielectric constant is εr, and εr> εs. Providing a support substrate that satisfies the relationship;
A method of manufacturing an optical modulator, comprising:
εLN>ε1>ε2
なる関係を満足する低誘電率物質を前記凹部内に埋設することを特徴とする、請求項8に記載の光変調器の製造方法。 When the dielectric constant of the dielectric layer is ε1, it has a dielectric constant ε2.
εLN>ε1> ε2
The method of manufacturing an optical modulator according to claim 8, wherein a low dielectric constant material satisfying the following relationship is embedded in the recess .
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