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JP2009015118A - Optical modulator - Google Patents

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JP2009015118A
JP2009015118A JP2007178188A JP2007178188A JP2009015118A JP 2009015118 A JP2009015118 A JP 2009015118A JP 2007178188 A JP2007178188 A JP 2007178188A JP 2007178188 A JP2007178188 A JP 2007178188A JP 2009015118 A JP2009015118 A JP 2009015118A
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JP
Japan
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ground conductor
substrate
optical modulator
conductor
ground
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Application number
JP2007178188A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenji Kono
健治 河野
Yuji Sato
勇治 佐藤
Masaya Nanami
雅也 名波
Yasuji Uchida
靖二 内田
Nobuhiro Igarashi
信弘 五十嵐
Toru Nakahira
中平  徹
Eiji Kawamo
英司 川面
Satoshi Matsumoto
松本  聡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anritsu Corp
Original Assignee
Anritsu Corp
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Publication date
Application filed by Anritsu Corp filed Critical Anritsu Corp
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical modulator having high performance in optical modulation characteristics and improved stability. <P>SOLUTION: The optical modulator includes a substrate 1, having an electro-optical effect, a buffer layer 2 formed on the substrate, a traveling wave electrode comprising a center conductor 4a and ground conductors 4c, 11 disposed above the buffer layer, and a ridge part, formed of a concave part provided by engraving at least a part of the substrate, in a region where an electric field intensity of high-frequency electrical signals propagating in the traveling wave electrode is strong. The ridge part comprises a ridge part 8a for the center conductor above which the center conductor is formed, and a ridge part 8b' for the ground conductor above which the ground conductor is formed, and the optical modulator has an optical waveguide 3b, in at least the ridge part for the center conductor, wherein the ground conductor formed above the ridge part for the ground conductor is mechanically independent so as not to receive stress from other grounding conductors, where the stress is in a direction perpendicular to the longitudinal direction of an interactive part and parallel to the surface of the substrate, during thermal expansion or thermal contraction. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、電気光学効果を利用して、光導波路に入射した光を高周波電気信号で変調して光信号パルスとして出射する光変調器に関する。   The present invention relates to an optical modulator that uses an electro-optic effect to modulate light incident on an optical waveguide with a high-frequency electrical signal and emit it as an optical signal pulse.

近年、高速、大容量の光通信システムが実用化されている。このような高速、大容量の光通信システムに組込むための高速、小型、低価格、かつ高安定な光変調器の開発が求められている。   In recent years, high-speed and large-capacity optical communication systems have been put into practical use. There is a demand for the development of a high-speed, small, low-cost, and highly stable optical modulator for incorporation into such a high-speed, large-capacity optical communication system.

このような要望に応える光変調器として、リチウムナイオベート(LiNbO)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、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)がある。このLN光変調器は、その優れたチャーピング特性から2.5Gbit/s、10Gbit/sの大容量光通信システムに適用されている。最近はさらに40Gbit/sの超大容量光通信システムにも適用が検討されている。 As an optical modulator that meets such demands, a light modulator such as lithium niobate (LiNbO 3 ) is used for a substrate having a so-called electro-optical effect (hereinafter abbreviated as an LN substrate) whose refractive index changes by applying an electric field. There is a traveling wave electrode type lithium niobate optical modulator (hereinafter abbreviated as an LN optical modulator) in which a waveguide and a traveling wave electrode are formed. This LN optical modulator is applied to a large capacity optical communication system of 2.5 Gbit / s and 10 Gbit / s because of its excellent chirping characteristics. Recently, application to a 40 Gbit / s ultra-high capacity optical communication system is also being studied.

以下、従来、実用化され、又は提唱されてきたリチウムナイオベートの電気光学効果を利用したLN光変調器について説明する。   Hereinafter, an LN optical modulator using the electro-optic effect of lithium niobate that has been put to practical use or has been proposed will be described.

(第1の従来技術)
特許文献1に開示された、z−カットLN基板を用いて構成した、いわゆるリッジ型LN光変調器を第1の従来技術の光変調器として図12にその斜視図を示す。なお、図13は図12のA−A´線における断面図である。
(First prior art)
FIG. 12 shows a perspective view of a so-called ridge type LN optical modulator disclosed in Patent Document 1, which is configured using a z-cut LN substrate, as a first conventional optical modulator. FIG. 13 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.

z−カットLN基板1上に光導波路3が形成されている。この光導波路3は、金属Tiを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。したがって、光導波路3の電気信号と光が相互作用する部(相互作用部と言う)には2本の相互作用光導波路3a、3b、つまりマッハツェンダ光導波路の2本のアームが形成されている。   An optical waveguide 3 is formed on the z-cut LN substrate 1. The optical waveguide 3 is an optical waveguide formed by thermally diffusing metal Ti at 1050 ° C. for about 10 hours, and constitutes a Mach-Zehnder interference system (or Mach-Zehnder optical waveguide). Therefore, two interacting optical waveguides 3a and 3b, that is, two arms of a Mach-Zehnder optical waveguide are formed in a portion (referred to as an interacting portion) where the electrical signal and light of the optical waveguide 3 interact.

この光導波路3の上面にSiOバッファ層2が形成され、このSiOバッファ層2の上面に進行波電極4が形成されている。進行波電極4としては、1つの中心導体4aと2つの接地導体4b、4cを有するコプレーナウェーブガイド(CPW)を用いている。なお、通常、進行波電極4はAuにより形成されている。5はz−カットLN基板1を用いて製作したLN光変調器に特有の焦電効果に起因する温度ドリフトを抑圧するための導電層であり、通常はSi導電層を用いる。中心導体4aの幅Sは7μm程度で、中心導体4aと接地導体4b、4cの間のギャップWは15μm程度である。なお、説明を簡単にするために、図12では図示した温度ドリフト抑圧のためのSi導電層5を図13においては省略している。また、以下においてもSi導電層5は省略して議論する。 An SiO 2 buffer layer 2 is formed on the upper surface of the optical waveguide 3, and a traveling wave electrode 4 is formed on the upper surface of the SiO 2 buffer layer 2. As the traveling wave electrode 4, a coplanar waveguide (CPW) having one central conductor 4a and two ground conductors 4b and 4c is used. Normally, the traveling wave electrode 4 is made of Au. Reference numeral 5 denotes a conductive layer for suppressing temperature drift caused by a pyroelectric effect peculiar to the LN optical modulator manufactured using the z-cut LN substrate 1, and usually a Si conductive layer is used. The width S of the center conductor 4a is about 7 μm, and the gap W between the center conductor 4a and the ground conductors 4b and 4c is about 15 μm. For simplification of explanation, the Si conductive layer 5 for suppressing temperature drift shown in FIG. 12 is omitted in FIG. In the following, the Si conductive layer 5 is omitted and discussed.

この第1の従来技術では、z−カットLN基板1をエッチングなどで掘り込むことにより、凹部9a、9b、及び9c(あるいは、リッジ部8a、8bとも言える)を形成している。ここで、10a、10bは外周部である。なお、リッジ部8a、8bを各々中心導体用リッジ部、接地導体用リッジ部とも呼ぶ。   In the first prior art, the recesses 9a, 9b and 9c (or ridges 8a and 8b) are formed by digging the z-cut LN substrate 1 by etching or the like. Here, 10a and 10b are outer peripheral parts. The ridge portions 8a and 8b are also referred to as a central conductor ridge portion and a ground conductor ridge portion, respectively.

このリッジ構造をとることにより、高周波電気信号の実効屈折率(あるいは、マイクロ波実効屈折率)、特性インピーダンス、変調帯域、駆動電圧などにおいて優れた特性を実現することができる。なお、図13では凹部9a、9b、及び9cの深さ(あるいはリッジ部8a、8bの高さ)を強調して描いているが、実際には2〜5μm程度であり、中心導体4aや接地導体4b、4cの厚み約20μmに比較するとその値は小さい。   By adopting this ridge structure, it is possible to realize excellent characteristics in the effective refractive index (or microwave effective refractive index), characteristic impedance, modulation band, driving voltage, and the like of a high-frequency electric signal. In FIG. 13, the depth of the recesses 9a, 9b and 9c (or the height of the ridges 8a and 8b) is emphasized, but it is actually about 2 to 5 μm, and the center conductor 4a and the ground The value is small compared to the thickness of the conductors 4b and 4c of about 20 μm.

さて、この第1の従来技術はLN光変調器としての変調特性は高いものの、安定性について問題があることがわかった。即ち、Si導電層5を使用しているにもかかわらず、温度ドリフト特性が悪いことが判明した。その原因は高い変調性能を生み出すリッジ構造に起因していると考えられる。   Now, it has been found that although the first prior art has high modulation characteristics as an LN optical modulator, there is a problem with stability. That is, it has been found that the temperature drift characteristic is poor despite the use of the Si conductive layer 5. The cause is thought to be due to the ridge structure that produces high modulation performance.

以下にその原因について詳しく説明する。図13からわかるように、中心導体4aの直下のリッジ部8aについては、接地導体4b、4cとは独立しているので、z−カットLN基板1の表面に平行な方向にリッジ部8aを引っ張る力は存在しない。   The cause will be described in detail below. As can be seen from FIG. 13, the ridge portion 8a immediately below the central conductor 4a is independent of the ground conductors 4b and 4c, and therefore the ridge portion 8a is pulled in a direction parallel to the surface of the z-cut LN substrate 1. There is no power.

ところが、リッジ部8bについては、前述のように20μmの厚い接地導体4bが凹部9c、外周部10bとともに形成されている。そして、接地導体4bのAuとz−カットLN基板1の熱膨張係数は互いに大きく異なる。さらに、図13では接地導体4bは実際には数ミリメートルと広いので環境変化に起因する熱膨張や熱収縮などの応力が積み重なり、リッジ部8bへかなり大きな応力がかかる。   However, as described above, the ridge portion 8b is formed with the 20 μm thick ground conductor 4b together with the concave portion 9c and the outer peripheral portion 10b. The Au of the ground conductor 4b and the thermal expansion coefficient of the z-cut LN substrate 1 are greatly different from each other. Further, in FIG. 13, since the ground conductor 4b is actually as wide as several millimeters, stresses such as thermal expansion and thermal contraction due to environmental changes accumulate, and a considerably large stress is applied to the ridge portion 8b.

ところが、z−カットLN基板1に応力がかかるとその屈折率が変化する(応力複屈折)ので、結果的に相互作用光導波路3aの屈折率が変化することになり、LN光変調器を動作させる際のDCバイアス点が変わってしまう。これがリッジ構造特有の温度ドリフト現象であり、LN光変調器としての安定性を損なう結果となる。ちなみに、LN光変調器の環境温度を室温から70℃まで変化させた際に、この第1の従来技術でのDCバイアス点の変化は6Vと大きかった。   However, when a stress is applied to the z-cut LN substrate 1, its refractive index changes (stress birefringence). As a result, the refractive index of the interactive optical waveguide 3a changes, and the LN optical modulator operates. The DC bias point when changing is changed. This is a temperature drift phenomenon peculiar to the ridge structure, and results in impairing the stability as the LN optical modulator. Incidentally, when the environmental temperature of the LN optical modulator was changed from room temperature to 70 ° C., the change of the DC bias point in the first prior art was as large as 6V.

(第2の従来技術)
この第1の従来技術の問題点を解決するために、特許文献2に開示された第2の従来技術の相互作用部における断面図を図14に示す。図14からわかるように、リッジ部8bの上に形成された接地導体4b´と外周部10bの上に形成された接地導体4b´´の厚みは厚いが、凹部9cに形成された接地導体4b´´´の厚みを50nm〜3μm以下と薄くしている。このように凹部9cにおける接地導体4b´´´の厚みを薄くすることにより、広い面積を有する接地導体4b´´がリッジ部8bへ与える応力を小さくすることができるので、温度安定性を改善できるという考え方である。
(Second prior art)
In order to solve the problem of the first prior art, a cross-sectional view of the interaction portion of the second prior art disclosed in Patent Document 2 is shown in FIG. As can be seen from FIG. 14, the ground conductor 4b ′ formed on the ridge portion 8b and the ground conductor 4b ″ formed on the outer peripheral portion 10b are thick, but the ground conductor 4b formed in the recess 9c. The thickness of ″ ″ is reduced to 50 nm to 3 μm or less. Thus, by reducing the thickness of the ground conductor 4b ″ in the concave portion 9c, the stress applied to the ridge portion 8b by the ground conductor 4b ″ having a large area can be reduced, so that the temperature stability can be improved. This is the idea.

しかしながら、以下のようにこの第2の従来技術には解決すべき重大な問題点がある。この第2の従来技術では接地導体としては4b´、4b´´及び4b´´´があるものの、中心導体4aに対応して実際にほとんどの電流が流れている箇所は中心導体4aに相対向し、中心導体4aと同程度の幅の狭い接地導体4b´である。つまり、接地導体においてほとんどの電流は接地導体用リッジ部8bの上に形成された接地導体4b´のみに流れている。ここで、接地導体4b´の幅が中心導体4aの幅と同程度に狭いことは、本明細書の図14や特許文献2の図3〜図12から明らかである。   However, the second prior art has a serious problem to be solved as follows. In this second prior art, although there are 4b ′, 4b ″ and 4b ″ as the ground conductors, the portion where the most current actually flows corresponding to the center conductor 4a is opposite to the center conductor 4a. The ground conductor 4b 'is as narrow as the center conductor 4a. That is, most of the current in the ground conductor flows only in the ground conductor 4b 'formed on the ground conductor ridge 8b. Here, it is clear from FIG. 14 of this specification and FIGS. 3 to 12 of Patent Document 2 that the width of the ground conductor 4b ′ is as narrow as the width of the center conductor 4a.

従って高周波電気信号はジュール熱となり消失し易く、変調帯域が図12に示した第1の従来技術と比較して著しく劣化した。実際に筆者らが実験で確かめたところ、光通信における伝送速度として2.5Gbit/sの変調がやっとであり、現在、主流となっている10Gbit/sの変調は困難であった。また、近い将来有望とされる40Gbit/sの変調は全く不可能であった。   Therefore, the high frequency electric signal is easily lost due to Joule heat, and the modulation band is significantly deteriorated as compared with the first prior art shown in FIG. When the authors actually confirmed through experiments, modulation of 2.5 Gbit / s was finally achieved as a transmission rate in optical communication, and modulation of 10 Gbit / s, which is currently mainstream, was difficult. In addition, 40 Gbit / s modulation, which is promising in the near future, was completely impossible.

また、一般にフォトレジストが溜まり易い凹部にパターンを形成することはプロセス的に難しく、この第2の従来技術は製作が難しい。換言すると、第2の従来技術は製作の歩留まりが悪い構造と言える。また、凹部に薄い接地導体を形成する工数やパターンを形成する工数の観点から、人件費的にもコストが高くなる構造とも言える。
特開平4−288518号公報 特開2004−157500号公報
In general, it is difficult in terms of process to form a pattern in a concave portion where a photoresist tends to accumulate, and this second prior art is difficult to manufacture. In other words, it can be said that the second prior art has a structure with a low production yield. Moreover, it can be said that it is a structure in which the cost increases in terms of labor cost from the viewpoint of the man-hour for forming the thin ground conductor in the recess and the man-hour for forming the pattern.
JP-A-4-288518 JP 2004-157500 A

以上のように、リッジ型LN光変調器として提案された従来の第1技術では電極を構成するAuとz−カットLN基板との熱膨張係数の差に起因する接地導体からの応力が温度とともに最適DCバイアス点を変化させる温度ドリフトを生じた。この温度特性を改善するために提案された第2の従来技術では、接地導体においてほとんどの電流が流れているのは、幅の狭い接地導体用リッジ部の上に形成された箇所であり、従って高周波電気信号はジュール熱となり消失し易く、変調帯域が第1の従来技術と比較して著しく劣化した。そして、伝送速度としては2.5Gbit/sの変調がやっとであり、現在、主流となっている10Gbit/sの変調は難しく、また今後有望とされる40Gbit/sの変調は全く不可能である。そして、光変調器としての高速性・低駆動電圧性を犠牲にしないで温度安定化を実現できる光変調器の開発が急務となっている。   As described above, in the conventional first technique proposed as the ridge-type LN optical modulator, the stress from the ground conductor due to the difference in thermal expansion coefficient between Au and the z-cut LN substrate constituting the electrode increases with temperature. A temperature drift occurred that changed the optimum DC bias point. In the second prior art proposed to improve this temperature characteristic, most of the current flows in the ground conductor at the portion formed on the narrow ridge portion for the ground conductor. The high-frequency electric signal is easily lost due to Joule heat, and the modulation band is significantly deteriorated as compared with the first prior art. The transmission speed is finally 2.5 Gbit / s modulation, and 10 Gbit / s modulation, which is currently mainstream, is difficult, and 40 Gbit / s modulation, which is expected in the future, is completely impossible. . There is an urgent need to develop an optical modulator that can achieve temperature stabilization without sacrificing high speed and low drive voltage as an optical modulator.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、光変調特性が高性能であるとともに、安定性について改善された光変調器を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an optical modulator having high performance in light modulation characteristics and improved stability.

上記課題を解決するために、本発明の請求項1の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、前記基板の上に形成されたバッファ層と、該バッファ層の上方に配置された中心導体と接地導体からなる進行波電極と、前記進行波電極を伝搬する高周波電気信号の電界強度が強い領域における前記基板の少なくとも一部を掘り下げることにより設けた凹部により形成されるリッジ部を具備し、該リッジ部は前記中心導体が上方に形成された中心導体用リッジ部と、前記接地導体が上方に形成された接地導体用リッジ部からなり、少なくとも前記中心導体用リッジ部に光導波路を有する光変調器において、前記接地導体用のリッジ部の上に形成された前記接地導体が、前記熱膨張や熱収縮の際に、前記相互作用部の長手方向に垂直で、かつ前記基板の表面に平行な方向に、他の前記接地導体から応力を受けないように機械的に独立していることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, an optical modulator according to claim 1 of the present invention includes a substrate having an electro-optic effect, a buffer layer formed on the substrate, and a center disposed above the buffer layer. A traveling wave electrode composed of a conductor and a ground conductor, and a ridge formed by a recess provided by digging up at least a part of the substrate in a region where the electric field strength of a high-frequency electric signal propagating through the traveling wave electrode is strong. The ridge portion comprises a central conductor ridge portion with the central conductor formed upward and a ground conductor ridge portion with the ground conductor formed upward, and has an optical waveguide at least in the central conductor ridge portion. In the optical modulator, the ground conductor formed on the ridge portion for the ground conductor is perpendicular to the longitudinal direction of the interaction portion during the thermal expansion and contraction, and the substrate. In a direction parallel to the surface, characterized in that independent on mechanically so unstressed other of the ground conductor.

本発明の請求項2の光変調器は、前記基板の表面に平行な方向に機械的に独立な前記接地導体が複数個あることを特徴とする。   The optical modulator according to claim 2 of the present invention is characterized in that there are a plurality of the ground conductors mechanically independent in a direction parallel to the surface of the substrate.

本発明の請求項3の光変調器は、前記基板が半導体からなることを特徴とする。   The optical modulator according to claim 3 of the present invention is characterized in that the substrate is made of a semiconductor.

本発明に係る光変調器では、高周波電気信号の伝搬損失を大きくすることなく、LN光変調器の環境温度が変化した際に電極とLN基板との熱膨張係数の差に起因する応力が光導波路を形成したリッジに印加されるのを防ぐ。接地導体用リッジ部の上方に形成された接地導体はLN基板の表面に水平な方向において機械的にフリーであるため、リッジ型光変調器の高い性能を損なうことなく、熱ドリフトが小さなLN光変調器を提供することが可能となるという優れた効果がある。   In the optical modulator according to the present invention, when the environmental temperature of the LN optical modulator changes without increasing the propagation loss of the high-frequency electrical signal, the stress caused by the difference in the thermal expansion coefficient between the electrode and the LN substrate is light. It is prevented from being applied to the ridge formed with the waveguide. Since the ground conductor formed above the ridge portion for the ground conductor is mechanically free in the direction horizontal to the surface of the LN substrate, LN light with a small thermal drift without impairing the high performance of the ridge-type optical modulator. There is an excellent effect that a modulator can be provided.

以下、本発明の実施形態について説明するが、図12から図14に示した従来技術と同一の符号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一の符号を持つ機能部の説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. However, since the same reference numerals as those in the prior art shown in FIGS. 12 to 14 correspond to the same functional units, description of functional units having the same reference numerals is omitted here. To do.

(第1の実施形態)
図1に本発明の第1の実施形態についての模式的な斜視図を示す。また、図1に示した第1の実施形態における相互作用部のB−B´での断面図を図2に示す。図1と図13を比べるとわかるように、図13に示した第1の従来技術における接地導体4bの代わりに、本実施形態では広くなったリッジ部8b´の上に幅がWbの接地導体が形成されている。ここで、中心導体4aの幅Sは7μm、中心導体4aと接地導体4c、もしくは接地導体11とのギャップWは15μm、中心導体4aなどの厚みは20μmとした。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a schematic perspective view of the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of the interaction unit in the first embodiment shown in FIG. As can be seen by comparing FIG. 1 and FIG. 13, instead of the ground conductor 4b in the first prior art shown in FIG. 13, in this embodiment, a ground conductor having a width Wb on the wide ridge portion 8b ′. Is formed. Here, the width S of the center conductor 4a is 7 μm, the gap W between the center conductor 4a and the ground conductor 4c or the ground conductor 11 is 15 μm, and the thickness of the center conductor 4a and the like is 20 μm.

図2からわかるように、この第1の実施形態では、第1の従来技術における接地導体4bが(さらには、第2の従来技術における接地導体4b´´4b´´´さえも)ないので、接地導体11はz−カットLN基板1の表面に水平な方向において機械的に(換言すると、応力的に)独立している。従って、環境温度が変わった際に、電極を構成するAuとz−カットLN基板1との熱膨張係数の差に起因して接地導体11に加わる応力を著しく低減できるので、温度ドリフトを大幅に抑圧できた。   As can be seen from FIG. 2, in this first embodiment, there is no ground conductor 4b in the first prior art (and even the ground conductor 4b ″ 4b ″ ″ in the second prior art) The ground conductor 11 is mechanically independent (in other words, stressed) in a direction horizontal to the surface of the z-cut LN substrate 1. Therefore, when the environmental temperature changes, the stress applied to the ground conductor 11 due to the difference in thermal expansion coefficient between Au constituting the electrode and the z-cut LN substrate 1 can be remarkably reduced. I was able to suppress it.

さて、この第1の実施形態においては接地導体11の幅Wbが重要な意味を持つ。図3には、1GHzでの接地導体11の幅Wbに対する高周波電気信号の伝搬損失αを示す。なお、高周波電気信号の伝搬損失αは周波数fについては√fに比例して増加する。図2からわかるように、高周波電気信号の伝搬損失αを充分小さくするには接地導体11の幅Wbとして30μm以上あることが望ましい。   Now, in the first embodiment, the width Wb of the ground conductor 11 is important. FIG. 3 shows the propagation loss α of the high-frequency electric signal with respect to the width Wb of the ground conductor 11 at 1 GHz. Note that the propagation loss α of the high-frequency electrical signal increases in proportion to √f for the frequency f. As can be seen from FIG. 2, the width Wb of the ground conductor 11 is preferably 30 μm or more in order to sufficiently reduce the propagation loss α of the high-frequency electrical signal.

我々は各種のリッジ型のLN光変調器を設計・製作した結果、接地導体11側の電流の集中を避けるためには、その幅Wbとして中心導体4aと接地導体11とのギャップWの少なくとも1.5倍、できれば2倍程度あることが望ましく、3倍あれば極めて良好な特性を実現できることを見出した。   As a result of designing and manufacturing various ridge-type LN optical modulators, in order to avoid current concentration on the ground conductor 11 side, at least one of the gaps W between the center conductor 4a and the ground conductor 11 is used as the width Wb. It has been found that it is preferably about 5 times, preferably about 2 times, and if it is 3 times, extremely good characteristics can be realized.

なお、リッジ部8bの上の接地導体4b´に電流が集中する第2の従来技術の考え方では高周波電気信号の伝搬損失αが大きく、40Gbit/sはおろか10Gbit/sの高速伝送も困難であることを図3から再確認できた。   In the second prior art concept in which current concentrates on the ground conductor 4b 'on the ridge portion 8b, the propagation loss α of the high-frequency electric signal is large, and high-speed transmission of 10 Gbit / s as well as 40 Gbit / s is difficult. This was reconfirmed from FIG.

この第1の実施形態では接地導体11の幅を30μmとすることにより、10Gbit/sのみならず、40Gbit/sでの伝送に成功し、かつLN光変調器の環境温度を室温から70℃まで変化させても、DCバイアス点の変化を0.5V以下と極めて小さく抑えることができた。   In the first embodiment, by setting the width of the ground conductor 11 to 30 μm, not only 10 Gbit / s but also 40 Gbit / s has been successfully transmitted, and the environmental temperature of the LN optical modulator is from room temperature to 70 ° C. Even if it was changed, the change of the DC bias point could be suppressed to a very small value of 0.5 V or less.

このように、本実施形態では、図14に示した第2の従来技術と異なり、凹部9aや9cに電極はない。従って、凹部9cに応力を緩和するための工夫としての厚みが薄い接地導体4b´´´を形成する必要も、薄い接地導体4b´´´にパターンを形成する必要もない。従って、プロセス的にも容易であるので歩留まりも高く、さらに人件費の観点からコストを削減できるという特徴がある。   Thus, in the present embodiment, unlike the second prior art shown in FIG. 14, there are no electrodes in the recesses 9a and 9c. Therefore, it is not necessary to form a thin ground conductor 4b "" as a device for relieving stress in the recess 9c, and it is not necessary to form a pattern on the thin ground conductor 4b "". Therefore, since it is easy in terms of process, the yield is high, and the cost can be reduced from the viewpoint of labor cost.

なお、構造パラメータについての以上の数値は一例であり、各パラメータとしては各種の数値をとることが可能であり、接地導体11の幅Wbの最適な値も若干変動する。   The above numerical values for the structural parameters are examples, and various numerical values can be taken as the parameters, and the optimum value of the width Wb of the ground conductor 11 varies slightly.

我々は、接地導体11における電流の過度の集中を避けるために必要な要件について、リッジ型LN光変調器の中心導体4aの幅Sを各種変えて検討した結果、接地導体11の幅Wbとしては中心導体4aの幅Sの最低2倍は必要で、約3倍以上あることが望ましいとわかった。   As a result of studying various requirements for the width S of the center conductor 4a of the ridge type LN optical modulator, the requirements necessary for avoiding excessive concentration of current in the ground conductor 11 are as follows. It has been found that a minimum of twice the width S of the central conductor 4a is necessary, and it is desirable that it be about 3 times or more.

なお、図2において接地導体11に機械的な影響を及ぼさなければ、外周部10bの上に新たな接地導体を設けても良い。この場合にも本発明では高周波電気信号の伝搬損失αが小さくなるように接地導体11の幅を設定しているので、第2の従来技術では実現できない高性能なLN光変調器を実現できるという利点がある。また、外周部10bや10aは凹部9cや9aと同じ高さとなる程度までエッチングしても良いことは言うまでもない。   In FIG. 2, a new ground conductor may be provided on the outer peripheral portion 10 b as long as the ground conductor 11 is not mechanically affected. Also in this case, since the width of the ground conductor 11 is set so that the propagation loss α of the high-frequency electrical signal is reduced in the present invention, a high-performance LN optical modulator that cannot be realized by the second prior art can be realized. There are advantages. Needless to say, the outer peripheral portions 10b and 10a may be etched to the same height as the concave portions 9c and 9a.

(第2の実施形態)
図4は本発明の第2の実施形態である。本実施形態では、接地導体4c´の幅を接地導体11とほぼ同じとすることにより図2に示した第1の実施形態よりも構造の対称性を良くしている。
(Second Embodiment)
FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the width of the ground conductor 4c ′ is substantially the same as that of the ground conductor 11, thereby improving the symmetry of the structure as compared with the first embodiment shown in FIG.

(第3の実施形態)
図5は本発明の第3の実施形態である。本実施形態では凹部9dを設けることによりリッジ部8cを形成している。なお、10dは外周部である。接地導体12は充分に広い構造としている。本実施形態では8a、8b´、8cの各リッジ部について対称性が良くなっている。
(Third embodiment)
FIG. 5 shows a third embodiment of the present invention. In the present embodiment, the ridge portion 8c is formed by providing the concave portion 9d. In addition, 10d is an outer peripheral part. The ground conductor 12 has a sufficiently wide structure. In the present embodiment, symmetry is improved with respect to the ridge portions 8a, 8b ', and 8c.

(第4の実施形態)
図6は本発明の第4の実施形態である。本実施形態では、接地導体12´の幅を接地導体11とほぼ同じとすることにより図5に示した第3の実施形態よりも構造の対称性を良くしている。この接地導体12´もz−カットLN基板1の表面に平行な方向において機械的に独立であるので熱膨張や熱収縮による応力の影響は極めて小さい。
(Fourth embodiment)
FIG. 6 shows a fourth embodiment of the present invention. In the present embodiment, the width of the ground conductor 12 'is substantially the same as that of the ground conductor 11, thereby improving the symmetry of the structure as compared with the third embodiment shown in FIG. Since this ground conductor 12 ′ is also mechanically independent in the direction parallel to the surface of the z-cut LN substrate 1, the influence of stress due to thermal expansion and contraction is extremely small.

ここで、この第4の実施形態では、中心導体や接地導体からなる電極がリッジ部8aの中心線に対して対称な形となっている。なお、本発明では全ての実施形態において、電極や光導波路3a、3bがいかなる場所に引いたz−カットLN基板1の表面に垂直な直線に対して対称な構造であっても良いし、そもそもある線に対して対称な構造でなくても良いことは言うまでもない。   Here, in the fourth embodiment, the electrodes made of the center conductor and the ground conductor are symmetrical with respect to the center line of the ridge portion 8a. In all of the embodiments of the present invention, the electrodes and the optical waveguides 3a and 3b may have a symmetric structure with respect to a straight line perpendicular to the surface of the z-cut LN substrate 1 drawn in any place. Needless to say, the structure need not be symmetric with respect to a certain line.

なお、図6において接地導体11や12´に機械的な影響を及ぼさなければ、外周部10bや10dの上に新たな接地導体を設けても良い。この場合にも本発明では高周波電気信号の伝搬損失αが小さくなるように接地導体11や12´の幅を設定しているので、第2の従来技術では実現できない高性能なLN光変調器を実現できるという利点がある。また、外周部10bや10dは凹部9cや9dと同じ高さとなる程度までエッチングしても良いことは言うまでもない。なお、これらのことは本発明の全ての実施形態に当てはまる。   In FIG. 6, a new ground conductor may be provided on the outer peripheral portion 10 b or 10 d as long as the ground conductor 11 or 12 ′ is not mechanically affected. Also in this case, in the present invention, since the width of the ground conductors 11 and 12 'is set so that the propagation loss α of the high-frequency electrical signal is reduced, a high-performance LN optical modulator that cannot be realized by the second prior art is provided. There is an advantage that it can be realized. Needless to say, the outer peripheral portions 10b and 10d may be etched to the same height as the concave portions 9c and 9d. These apply to all embodiments of the present invention.

(第5の実施形態)
図7は本発明の第5の実施形態である。本実施形態では、接地導体13が凹部9cを越えて外周部10bにまで形成されている。但し、接地導体13は外周部10bにまでかからなくても良い。接地導体14は充分に広いとしている。なお、リッジ部8aと8bの幅をほぼ等しくすることにより構造の対称性を改善している。
(Fifth embodiment)
FIG. 7 shows a fifth embodiment of the present invention. In the present embodiment, the ground conductor 13 is formed to extend to the outer peripheral portion 10b beyond the concave portion 9c. However, the ground conductor 13 may not extend to the outer peripheral portion 10b. The ground conductor 14 is assumed to be sufficiently wide. The symmetry of the structure is improved by making the widths of the ridges 8a and 8b substantially equal.

(第6の実施形態)
図8は本発明の第6の実施形態である。本実施形態では接地導体14´の幅を接地導体13とほぼ同じとすることにより図7に示した第5の実施形態よりも構造の対称性を良くしている。
(Sixth embodiment)
FIG. 8 shows a sixth embodiment of the present invention. In the present embodiment, the width of the ground conductor 14 'is substantially the same as that of the ground conductor 13, thereby improving the symmetry of the structure as compared with the fifth embodiment shown in FIG.

(第7の実施形態)
図9は本発明の第7の実施形態である。本実施形態では、図8に示した第6の実施形態にさらに凹部9eを設けることによりリッジ部8dを形成している。なお、10eは外周部である。接地導体15は充分に広い構造としている。本実施形態では8a、8b、8dの各リッジ部について構造の対称性が良くなっている。
(Seventh embodiment)
FIG. 9 shows a seventh embodiment of the present invention. In the present embodiment, the ridge portion 8d is formed by further providing a recess 9e in the sixth embodiment shown in FIG. In addition, 10e is an outer peripheral part. The ground conductor 15 has a sufficiently wide structure. In this embodiment, the symmetry of the structure is improved for each of the ridge portions 8a, 8b, and 8d.

(第8の実施形態)
図10は本発明の第8の実施形態である。本実施形態では、接地導体15´の幅を接地導体13とほぼ同じとすることにより図9に示した第7の実施形態よりも構造の対称性を良くしている。
(Eighth embodiment)
FIG. 10 shows an eighth embodiment of the present invention. In the present embodiment, the width of the ground conductor 15 ′ is substantially the same as that of the ground conductor 13, thereby improving the symmetry of the structure as compared with the seventh embodiment shown in FIG. 9.

(第9の実施形態)
図11は本発明の第9の実施形態である。本実施形態では、接地導体17、21を溝部19により分離している。また、接地導体16、20を溝部18により分離している。これらの溝部18、19はダイサーにより形成した。
(Ninth embodiment)
FIG. 11 shows a ninth embodiment of the present invention. In the present embodiment, the ground conductors 17 and 21 are separated by the groove 19. Further, the ground conductors 16 and 20 are separated by the groove 18. These groove portions 18 and 19 were formed by a dicer.

(各実施形態)
分岐光導波路の例としてマッハツェンダ光導波路を用いたが、方向性結合器などその他の分岐合波型の光導波路にも本発明を適用可能であることは言うまでもなく、考え方は3本以上の光導波路にも適用可能であるし、光導波路が1本の位相変調器にも適用できる。また光導波路の形成法としてはTi熱拡散法の他に、プロトン交換法など光導波路の各種形成法を適用できるし、バッファ層としてAl等のSiO以外の各種材料も適用できる。
(Each embodiment)
Although the Mach-Zehnder optical waveguide is used as an example of the branched optical waveguide, it goes without saying that the present invention can be applied to other branched / multiplexed optical waveguides such as directional couplers. The present invention is also applicable to a phase modulator having a single optical waveguide. As a method for forming the optical waveguide, various methods for forming the optical waveguide such as a proton exchange method can be applied in addition to the Ti thermal diffusion method, and various materials other than SiO 2 such as Al 2 O 3 can be applied as the buffer layer.

また、z−カットLN基板について説明したが、x−カットやy−カットなどその他の面方位のLN基板でも良いし、リチウムタンタレート基板、さらには半導体基板など異なる材料の基板でも良い。   Further, although the z-cut LN substrate has been described, an LN substrate having other plane orientation such as x-cut and y-cut may be used, or a lithium tantalate substrate or a substrate made of a different material such as a semiconductor substrate may be used.

以上の実施形態としては、リッジが2つ、もしくは3つある場合について説明したがリッジの数は1つでも良いし、あるいはこれら以外の数でも良い。また複数のリッジの高さが異なっていても良いことは言うまでもない。また、本発明において述べているリッジは広い意味を表しており、例えば図1や4においてz−カットLN基板を掘り下げた箇所を9aや9bのみとし、その他の場所は接地導体4b、4cの下方も含め掘り下げない構造をも含んでいる。また逆に、より多くのリッジを形成しても良い。また、通常、各凹部は同じ程度の幅で形成するが、外周部に近い凹部については極めて広くなるようにエッチングしても良い。   In the above embodiment, the case where there are two or three ridges has been described, but the number of ridges may be one or other numbers. Needless to say, the heights of the plurality of ridges may be different. In addition, the ridge described in the present invention has a broad meaning. For example, in FIGS. 1 and 4, the portion where the z-cut LN substrate is dug down is only 9a and 9b, and the other portions are below the ground conductors 4b and 4c. Including structures that are not dug down. Conversely, more ridges may be formed. Moreover, although each recessed part is normally formed with the same width | variety, you may etch so that the recessed part near an outer peripheral part may become very wide.

以上のように、本発明に係る光変調器は、以上のように、本発明に係る光変調器は、高性能なリッジ型の光変調器において、接地導体を機械的にフリーとすることにより温度変化に起因する応力が印加されるのを防ぐので、温度ドリフト特性が優れた光変調器を実現する手段として有用である。   As described above, the optical modulator according to the present invention is as described above. The optical modulator according to the present invention is a high-performance ridge-type optical modulator by mechanically freeing the ground conductor. Since it prevents the application of stress due to temperature change, it is useful as a means for realizing an optical modulator with excellent temperature drift characteristics.

本発明の第1の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す斜視図1 is a perspective view showing a schematic configuration of an optical modulator according to a first embodiment of the present invention. 図1のB−B´における断面図Sectional view along BB 'in FIG. 高周波電気信号の伝搬損失を説明する図Diagram explaining the propagation loss of high-frequency electrical signals 本発明の第2の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す断面図Sectional drawing which shows schematic structure of the optical modulator concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す断面図Sectional drawing which shows schematic structure of the optical modulator concerning the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す断面図Sectional drawing which shows schematic structure of the optical modulator concerning the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す断面図Sectional drawing which shows schematic structure of the optical modulator concerning the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す断面図Sectional drawing which shows schematic structure of the optical modulator concerning the 6th Embodiment of this invention. 本発明の第7の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す断面図Sectional drawing which shows schematic structure of the optical modulator concerning the 7th Embodiment of this invention 本発明の第8の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す断面図Sectional drawing which shows schematic structure of the optical modulator concerning the 8th Embodiment of this invention. 本発明の第9の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す断面図Sectional drawing which shows schematic structure of the optical modulator concerning the 9th Embodiment of this invention 第1の従来技術の光変調器についての概略構成を示す斜視図The perspective view which shows schematic structure about the optical modulator of 1st prior art 図12のA−A´における断面図Sectional drawing in AA 'of FIG. 第2の従来技術の光変調器についての概略構成を示す断面図Sectional drawing which shows schematic structure about the optical modulator of 2nd prior art

符号の説明Explanation of symbols

1:z−カットLN基板
2、14、15:SiOバッファ層
3:マッハツェンダ光導波路
3a、3b:マッハツェンダ光導波路を構成する相互作用光導波路
4:進行波電極
4a:中心導体
4b、4c、11、12、12´、13、14、14´、15、15´、16、17、20、21:接地導体
5:Si導電層
6:高周波(RF)電気信号給電線
7:高周波(RF)電気信号出力線
8a:リッジ部(中心導体用リッジ部)
8b、8b´、8c、8d:リッジ部(接地導体用リッジ部)
9a、9b、9c、9d、9e:凹部
10a、10b、10c、10d、10e:外周部
18、19:溝部
1: z-cut LN substrate 2, 14, 15: SiO 2 buffer layer 3: Mach-Zehnder optical waveguide 3a, 3b: interaction optical waveguide constituting the Mach-Zehnder optical waveguide 4: traveling wave electrode 4a: central conductor 4b, 4c, 11 , 12, 12 ', 13, 14, 14', 15, 15 ', 16, 17, 20, 21: Ground conductor 5: Si conductive layer 6: High frequency (RF) electric signal feeder 7: High frequency (RF) electric Signal output line 8a: Ridge part (ridge part for central conductor)
8b, 8b ', 8c, 8d: Ridge portion (ground conductor ridge portion)
9a, 9b, 9c, 9d, 9e: concave portions 10a, 10b, 10c, 10d, 10e: outer peripheral portions 18, 19: groove portions

Claims (3)

電気光学効果を有する基板と、前記基板の上に形成されたバッファ層と、該バッファ層の上方に配置された中心導体と接地導体からなる進行波電極と、前記進行波電極を伝搬する高周波電気信号の電界強度が強い領域における前記基板の少なくとも一部を掘り下げることにより設けた凹部により形成されるリッジ部を具備し、該リッジ部は前記中心導体が上方に形成された中心導体用リッジ部と、前記接地導体が上方に形成された接地導体用リッジ部からなり、少なくとも前記中心導体用リッジ部に光導波路を有する光変調器において、
前記接地導体用のリッジ部の上に形成された前記接地導体が、前記熱膨張や熱収縮の際に、前記相互作用部の長手方向に垂直で、かつ前記基板の表面に平行な方向に、他の前記接地導体から応力を受けないように機械的に独立していることを特徴とする光変調器。
A substrate having an electro-optic effect; a buffer layer formed on the substrate; a traveling wave electrode comprising a central conductor and a ground conductor disposed above the buffer layer; and a high-frequency electric wave propagating through the traveling wave electrode A ridge portion formed by a recess provided by digging at least part of the substrate in a region where the electric field strength of the signal is strong, and the ridge portion includes a ridge portion for a central conductor in which the central conductor is formed above In the optical modulator comprising the ground conductor ridge portion formed above the ground conductor, and having an optical waveguide at least in the central conductor ridge portion,
The ground conductor formed on the ridge portion for the ground conductor is in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the interaction portion and parallel to the surface of the substrate during the thermal expansion and contraction, An optical modulator characterized in that it is mechanically independent so as not to receive stress from other ground conductors.
前記基板の表面に平行な方向に機械的に独立な前記接地導体が複数個あることを特徴とする請求項1に記載の光変調器。   2. The optical modulator according to claim 1, wherein there are a plurality of the ground conductors mechanically independent in a direction parallel to the surface of the substrate. 前記基板が半導体からなることを特徴とする請求項1と請求項2のいずれか一つに記載の光変調器。   The optical modulator according to claim 1, wherein the substrate is made of a semiconductor.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107121794A (en) * 2016-02-24 2017-09-01 三菱电机株式会社 Optical modulator element and its manufacture method and the optical modulator module for possessing it

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