特許 7087555 光変調器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-13

(45)【発行日】2022-06-21

(54)【発明の名称】光変調器

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/035 20060101AFI20220614BHJP

【ＦＩ】

G02F1/035

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2018064252

(22)【出願日】2018-03-29

(65)【公開番号】P2019174698

(43)【公開日】2019-10-10

【審査請求日】2020-08-05

(73)【特許権者】

【識別番号】000183266

【氏名又は名称】住友大阪セメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100116687

【弁理士】

【氏名又は名称】田村 爾

(74)【代理人】

【識別番号】100098383

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 純子

(74)【代理人】

【識別番号】100155860

【弁理士】

【氏名又は名称】藤松 正雄

(72)【発明者】

【氏名】大石 健太

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 徳一

【審査官】山本 元彦

(56)【参考文献】

【文献】特開平１１－００２８４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１９７４５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１２１７４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０１７６８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０４０３８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００６／１０７０００（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許第０６５２２７９３（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ １／００－１／１２５

Ｇ０２Ｆ １／２１－７／００

Ｇ０２Ｂ ６／１２－６／１４

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【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導波路と、該基板上に該光導波路を挟み込むように形成された信号電極および接地電極とを有する光変調器において、
該信号電極および該接地電極は、３段以上の複数段の電極層をそれぞれ有し、
前記複数段の電極層は、
該基板に最も近い１段目に形成された、該信号電極と該接地電極の間の電極間隔が該光導波路のモードフィールド径Ｄｍより大きい第１の間隔Ｇ１である第１の電極層と、
該第１の電極層より上段に形成された、前記電極間隔が該第１の間隔Ｇ１より狭い第２の間隔Ｇ２である第２の電極層と、
該第２の電極層より上段に形成された、前記電極間隔が該第２の間隔Ｇ２より広い第３の間隔である第３の電極層とを含み、
Ｇ１／Ｄｍが、１．２～１．８であり、
Ｇ２／Ｄｍが、１．０～１．６であることを特徴とする光変調器。

【請求項2】

請求項１に記載の光変調器において、
該信号電極および該接地電極は、該第１の電極層を第１の金属で形成してあり、該第２の電極層を該第１の金属とは異なる第２の金属で形成してあることを特徴とする光変調器。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の光変調器において、
該信号電極および該接地電極は、該第１の電極層を０．５μｍ以下の厚さに形成してあることを特徴とする光変調器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該基板上に該光導波路を挟み込むように形成された信号電極および接地電極とを有する光変調器に関する。

【背景技術】

【0002】

光通信等の分野において、入力された光波に変調を施して出力する光変調器が利用されている。光変調器の概略的な仕組みについて、図１を参照して説明する。
図１Ａは、光変調器の概略構造を示す平面図であり、図１Ｂは、図１ＡのＡ－Ａ線の断面図である。これらの図に示すように、光変調器は、電気光学効果を有する基板１と、基板１に形成された光導波路２と、光導波路２を伝搬する光波を制御するための制御用電極とを有する。なお、図１Ｃには、図１Ａで基板の厚さが薄い（１０μｍ以下）の場合のＡ－Ａ線の断面図を示してある。

【0003】

光導波路２は、マッハツェンダー干渉計構造を持つマッハツェンダー型導波路を含む構成となっている。制御用電極は、マッハツェンダー型導波路の各アーム部の間に配置された信号電極３と、各アーム部の外側のそれぞれに配置された接地電極４とで構成されている。光変調器は、信号電極３への制御信号（例えば、高周波信号）の印加によって発生する電界を利用して、光導波路２を伝搬する光波を制御する。基板１の厚さが薄い場合は、図１Ｃに示すように、基板１は接着層５を介して補強基板６に張り付けられる。補強基板としては、例えば、ＬＮ基板が用いられる。

【0004】

従来、光変調器の特性の改善や高速な伝送速度などを実現するために、種々の発明が提案されている。例えば、特許文献１には、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路に対応させて該基板上に形成された制御用電極とを有する光変調器に関し、制御用電極を厚み方向に多段に形成した構造が開示されている。

【0005】

基板断面の横方向に強い電気光学効果を有する材料、例えばＸ板のＬＮ基板を使用する場合、光制御を効率よく行うには、光導波路の近くに信号電極と接地電極を配置して、信号電極と接地電極の間隔を狭めることが望ましい。しかしながら、電極が光導波路にあまりに近いと（あるいは重なると）、光導波路を伝搬する光波が電極に吸収されることによる光損失が生じる。そのため、バッファ層（例えば、０．５～１．５μｍのＳｉＯ₂ 膜）を形成することで、光損失の発生を回避していた。しかしながら、バッファ層を形成すると、電界効率が低下するため、電極長（作用長）を長くする必要がある等、光変調器の小型化、広帯域化の設計において支障をきたしていた。このため、光変調器の基板に形成する電極の構造について更なる改善が求められていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開平８－２７１８４４号公報

【発明の概要】

【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、上述したような問題を解決し、光導波路を伝搬する光波が電極に吸収されることを抑制しつつ、効率的に光制御を行うことが可能な光変調器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明の光変調器は、以下のような技術的特徴を有する。
（１） 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該基板上に該光導波路を挟み込むように形成された信号電極および接地電極とを有する光変調器において、該信号電極および該接地電極は、３段以上の複数段の電極層をそれぞれ有し、前記複数段の電極層は、該基板に最も近い１段目に形成された、該信号電極と該接地電極の間の電極間隔が該光導波路のモードフィールド径Ｄｍより大きい第１の間隔Ｇ１である第１の電極層と、該第１の電極層より上段に形成された、前記電極間隔が該第１の間隔Ｇ１より狭い第２の間隔Ｇ２である第２の電極層と、該第２の電極層より上段に形成された、前記電極間隔が該第２の間隔Ｇ２より広い第３の間隔である第３の電極層とを含み、Ｇ１／Ｄｍが、１．２～１．８であり、Ｇ２／Ｄｍが、１．０～１．６であることを特徴とする。

【0009】

（２） 上記（１）に記載の光変調器において、該信号電極および該接地電極は、該第１の電極層を第１の金属で形成してあり、該第２の電極層を該第１の金属とは異なる第２の金属で形成してあることを特徴とする。

【0010】

（３） 上記（１）又は（２）に記載の光変調器において、該信号電極および該接地電極は、該第１の電極層を０．５μｍ以下の厚さに形成してあることを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、信号電極および接地電極は、３段以上の複数段の電極層をそれぞれ有し、複数段の電極層は、基板に最も近い１段目に形成された、信号電極と接地電極の間の電極間隔が光導波路のモードフィールド径より大きい第１の間隔である第１の電極層と、第１の電極層より上段に形成された、電極間隔が第１の間隔より狭い第２の間隔である第２の電極層と、第２の電極層より上段に形成された、電極間隔が第２の間隔より広い第３の間隔である第３の電極層とを含むので、光導波路を伝搬する光波が電極に吸収されることを抑制しつつ、効率的に光制御を行うことができ、更には電極の動体損失を低減し、変調帯域を広帯域とすることが可能な光変調器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1A】光変調器の概略構造を示す平面図である。

【図1B】図１ＡのＡ－Ａ線の断面図である。

【図1C】図１Ａで基板の厚さが薄い場合のＡ－Ａ線の断面図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る光変調器の例を示す断面図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る光変調器の変形例を示す断面図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る光変調器に使用される電極の形成工程を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明に係る光変調器について、好適例を用いて詳細に説明する。なお、以下で示す例によって本発明が限定されるものではない。以下では、光導波路を形成する基板として、図１Ｂのように厚い基板を用いる構成について説明するが、本発明は、図１Ｃのように薄い基板を用いる構成に適用することも可能である。
本発明の光変調器は、図２に示すように、電気光学効果を有する基板１と、該基板に形成された光導波路２と、該基板上に該光導波路を挟み込むように形成された信号電極３０および接地電極４０とを有する光変調器において、該信号電極および該接地電極は、複数段の電極層をそれぞれ有し、該信号電極と該接地電極の間隔は、該基板に最も近い１段目の電極層では該光導波路のモードフィールド径より大きく、２段目以降の少なくともいずれかの電極層では前記１段目の電極層での間隔よりも狭いことを特徴とする。図２のＤｍは、断面横方向のモードフィールド径を表しており、光強度が最大となる点から１／ｅ＾２となる幅を表している。

【0014】

電気光学効果を有する基板１としては、例えば、ニオブ酸リチウムで形成されたＬＮ基板を用いることができる。また、タンタル酸リチウムで形成された基板は、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛で形成された基板などを用いてもよい。

【0015】

基板１には、光波を伝搬する光導波路２が形成される。光導波路２は、例えば、ＬＮ基板上にＴｉ（チタン）などの高屈折率物質を熱拡散することにより形成される。光導波路２は、マッハツェンダー干渉計構造を持つマッハツェンダー型導波路を含む構成とすることができる。また、光導波路２は、マッハツェンダー型導波路を入れ子型（ネスト型）に多重に含む構成としてもよい。

【0016】

基板１には更に、光導波路２を伝搬する光波を制御するための制御用電極が配置される。制御用電極は、光導波路２を挟み込むように配置される信号電極３０および接地電極４０で構成される。マッハツェンダー型導波路を用いる本例では、マッハツェンダー型導波路の各アーム部の間に信号電極３０が配置され、各アーム部の外側のそれぞれに接地電極４０が配置される。光変調器は、信号電極３への制御信号（例えば、高周波信号）の印加によって発生する電界を利用して、光導波路２を伝搬する光波を制御する。

【0017】

これらの制御用電極は、複数段の電極層をそれぞれ有する。図２では、信号電極３０は３段の電極層３１～３３で構成されており、接地電極４０も同様に３段の電極層４１～４３で構成されている。なお、電極層の段数は任意であり、２段でもよいし、４段以上でもよい。以下では、各電極層を、基板面に近い順に、１段目、２段目、３段目といったように区別して説明する。

【0018】

基板面に最も近い１段目の電極層３１，４１は、光導波路２からなるべく離れるように形成されている。より具体的には、１段目の電極層３１，４１は、電極間の間隔Ｇ１が、光導波路２のモードフィールド径Ｄｍよりも大きくなるように形成されている（すなわち、Ｄｍ＜Ｇ１）。
２段目の電極層３２，４２は、光導波路２になるべく近づくように形成されている。より具体的には、２段目の電極層３２，４２は、電極間の間隔Ｇ２が、１段目の電極層での信号電極と接地電極の間隔Ｇ１よりも狭くなるように形成されている（すなわち、Ｇ２＜Ｇ１）。
３段目の電極層３３，４３は、電極間の間隔を或る程度広め（例えば、２段目の電極間の間隔Ｇ２の２倍程度）に形成されている。

【0019】

このような構造によれば、１段目の電極層は光導波路から離して形成されるので、光導波路を伝搬する光波が制御用電極に吸収されることを抑制することができる。また、２段目の電極層は光導波路に近づけて形成されるので、光導波路を伝搬する光波に対して、制御用電極から発生する電界を効率よく作用させることができる。したがって、効率的に光制御を行うことが可能となる。また、３段目の電極間隔を２段目より広くすることにより、電極の導体損失を低減し、変調帯域を広帯域とすることができる。また、各電極層の間隔を変更することにより、電極のインピーダンスや電気信号の伝搬速度の調整が可能なため、高周波特性を劣化させることなく、厚電極化により電気損失を低減した構造を実現できる。

【0020】

光制御の効率を高めるには、１段目の電極層をなるべく薄くして、光制御に対する寄与度が高い２段目の電極層を光導波路に近づけるとよい。本例では、１段目の電極層を約０．１μｍ、２段目の電極層を約５μｍ、３段目の電極層を約４０μｍとしているが、１段目の電極層は０．５μｍ以下であるほうが好ましい。３段目の電極層は、厚くすることにより電気損失を低減することができるので、３０μｍ～８０μｍ程度まで厚くすることが好ましい。

【0021】

また、本例では、１段目の電極層をＴｉ（チタン）で形成し、２段目以降の電極層をＡｕ（金）で形成している。１段目の電極層をＴｉ（チタン）で形成することにより、基板と２段目の電極層のＡｕ（金）との密着性を確保することできる。また、選択的にエッチング可能なウェットエッチングを行うことで、１段目の電極幅を制御することできる。

【0022】

１段目の電極層の材料は、基板と２段目の電極層のＡｕ（金）との密着性を確保することできれば特に限定されないが、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｌ（アルミニウム）が好適に使用される。２段目以降の電極材料は、電気損失が抑えられる導電率が低い材料であれば特に限定されないが、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（銅）が好適に使用される。

【0023】

１段目の電極層の厚さは、光導波路を伝搬する光波が電極に吸収されることを抑制するために、５０ｎｍ～２００ｎｍが好ましい。
また、１段目の電極層における電極間の間隔Ｇ１と、１段目の電極層における電極間の間隔Ｇ２は、下記（条件１）～（条件３）を満たすことが好ましい。
（条件１）Ｇ１＞Ｇ２
（条件２）Ｇ１／Ｄｍが、１．２～１．８
（条件３）Ｇ２／Ｄｍが、１．０～１．６

【0024】

ここで、上記の説明では、２段目以降の電極層のうち、基板面に最も近い２段目の電極層で、１段目の電極層での電極間隔よりも狭い電極間隔にしてあるが、３段目以降で電極層で、１段目の電極層での電極間隔よりも狭い電極間隔にしてもよい。図３に示す変形例では、３段目の電極層で、１段目の電極層での電極間隔よりも狭い電極間隔にしてある。

【0025】

図４は、本発明の一実施形態に係る光変調器に使用される電極の形成工程を説明する図である。
（１）光導波路２が形成された基板１上に１段目の金属膜５１を蒸着する。１段目の電極膜５１は、例えば、厚さ約１００ｎｍのＴｉ（チタン）膜である。
（２）１段目の金属膜５１の上に、２段目のフォトレジスト膜５２をスピンコートにより形成する。
（３）フォトリソグラフィーにより、２段目のフォトレジスト膜５２にレジストパターンを形成する。
（４）電界メッキ法で２段目の電極層３２，４２を形成する。
（５）２段目のフォトレジスト膜５２を剥離液により除去する。

【0026】

（６）２段目の電極層３２，４２（及びフォトレジスト膜５２）の上に、３段目のフォトレジスト膜５３をスピンコートにより形成する。
（７）フォトリソグラフィーにより、３段目のフォトレジスト膜５３にレジストパターンを形成する。
（８）電界メッキ法で３段目の電極層３３，４３を形成する。
（９）３段目のフォトレジスト膜５３を剥離液により除去する。

【0027】

（１０）所望の段数になるまで上記（６）～（９）の工程を繰り返し、複数段の電極層を持つ制御電極３０，４０を基板１上に形成した後に、ウェットエッチングにより１段目の金属膜５１から電極形成領域以外を除去し、１段目の電極層３１，４１を形成する。このとき、１段目の電極層での電極間隔Ｇ１を光導波路のモードフィールド径Ｄｍよりも小さくする。

【0028】

以上の工程により、１段目をＴｉ、２段目以降をＡｕで形成した複数段の電極層よりなる制御電極を生成することができる。さらに、１段目の電極層での電極間隔Ｇ１を光導波路のモードフィールド径Ｄｍよりも大きく、また、２段目の電極層での電極間隔Ｇ２を１段目の電極層での電極間隔Ｇ１よりも狭く形成することできる。

【0029】

以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した内容に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更することが可能である。

【産業上の利用可能性】

【0030】

本発明によれば、光導波路を伝搬する光波が電極に吸収されることを抑制しつつ、効率的に光制御を行うことが可能な光変調器を提供することができる。

【符号の説明】

【0031】

１ 基板
２ 光導波路
３，３０ 信号電極
４，４０ 接地電極
５ 接着層
６ 補強基板
３１，４１ １段目の電極層
３２，４２ ２段目の電極層
３３，４３ ３段目の電極層
５１ １段目の金属膜
５２ ２段目のフォトレジスト膜
５３ ３段目のフォトレジスト膜

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2】

【図3】

【図4】