JP2010085789A - Optical waveguide element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光導波路素子に関し、特に、基板の厚みが10μm以下である光導波路素子に関する。 The present invention relates to an optical waveguide device, and more particularly to an optical waveguide device having a substrate thickness of 10 μm or less.
従来、光通信分野や光計測分野において、光波を制御する手段として、光スイッチや光変調器など、電気光学効果を有する基板に光導波路を形成した光導波路素子が多用されている。
光導波路素子の処理速度を高速化するには、光導波路を伝搬する光波と光波を制御する電気信号との速度整合を行なうこと、また、高速駆動が可能な電源を確保するため、光導波路素子の駆動電圧を低電圧化することなどが求められる。
Conventionally, in the optical communication field and the optical measurement field, an optical waveguide element in which an optical waveguide is formed on a substrate having an electro-optic effect, such as an optical switch or an optical modulator, is often used as a means for controlling an optical wave.
In order to increase the processing speed of the optical waveguide device, the optical waveguide device is used to perform speed matching between the light wave propagating through the optical waveguide and the electric signal for controlling the light wave, and to secure a power source capable of high-speed driving. Therefore, it is required to reduce the driving voltage of the above.
特許文献1には、電極が形成された基板の裏面を局所的に薄く形成し、駆動速度を向上させることが開示されている。具体的には、電極部分の基板の厚みを5〜50μmとし、それ以外の基板部分は150〜1000μmとすることで、3dB帯域幅を15GHz・cm以上とすることを可能としている。
しかしながら、特許文献1には、基板の加工方法についての開示はあるが、電極の構成についてほとんど説明されていない。また、特許文献1のようなエキシマレーザによるLN基板の加工方法では、任意の場所を加工することが可能であるが、チップ毎に加工を施すため、加工形状(幅や深さ)などにばらつきが生じやすく、また、加工歪みにより、基板に割れなどが発生し易い。
However,
他方、特許文献2では、図1に示すような断面形状を有する光導波路素子に対し、基板の厚みが10μm以上において、速度整合条件を達成しつつ、同時に駆動電圧Vπを低減可能とすることが開示されている。
特許文献2によると、電気光学効果を有する基板1に光導波路2を形成し、該光導波路2を伝搬する光波を制御する信号電極3と接地電極4を、図1に示すように配置した場合には、基板の厚みdを10μm以上とし、電極膜の厚みTが20μm以上、信号電極3と接地電極4とのギャップGを25μm以上とすることを開示している。なお、信号電極3の幅Wは、特に制限されていないが、10μmを前提としている。
特許文献2では、基板の厚みdを10μm未満とする場合における、基板へのクラックの発生や、光導波路モードが偏平となる不具合を、回避することも意図している。
According to
図1に示すような形態の基板を使用した場合には、凹部5(空気層)中の電界の一部を浸出させることによって、マイクロ波の実効屈折率nmwを低下させている。そして、各電極膜3,4の電界の生成に作用する部分は、基板の厚みの小さい薄肉部分の上、即ち凹部5上に存在する。しかし、特許文献2記載の構成のように電極膜3,4の厚みTを大きくすると電界は上方に移動し、空気層(凹部5)には電界が浸出しにくくなるため、マイクロ波の実効屈折率がほとんど変化せず、しかも駆動電圧Vπも電極膜3,6の厚みTには依存しないことがわかった。
When a substrate having a form as shown in FIG. 1 is used, the effective refractive index nmw of the microwave is lowered by leaching a part of the electric field in the recess 5 (air layer). And the part which acts on the production | generation of the electric field of each
また、特許文献2においては、信号電極3と接地電極4との間のギャップGを25μm以上とすることにより、マイクロ波の実効屈折率nmwが著しく低下させ、さらに、図1のように基板1と電極層3,4との間にバッファ層を設けないことにより、駆動電圧の低減も行なっている。
Further, in
しかしながら、特許文献2のように、信号電極3と接地電極4との間のギャップGを25μm以上とすることは、駆動電圧Vπが著しく増加する原因となり、数十GHzを超える超高速駆動を実現する上で、大きな障害となる。
However, as in
他方、特許文献3に示すように、基板の厚さdを30μm以下とする場合でも、接着層6と補強板7を設けることで、光導波路素子の機械的強度を高めることが提案されている。
接着層に低誘電率層を使用することで、基板の厚みが薄い特性を生かして、光波とマイクロ波との速度整合を実現している。
By using a low dielectric constant layer as the adhesive layer, the speed matching between the light wave and the microwave is realized by taking advantage of the thin thickness of the substrate.
速度整合を行なうためには、接着層の厚みeを10μm以上、より好ましくは30μm以上となる。しかしながら、接着層を厚くすると、接着層6と基板1との熱膨張率差による応力が発生し、基板1を破損する危険性がある。このため、接着層6の厚みeは100μm以下とする必要がある。
In order to perform speed matching, the thickness e of the adhesive layer is 10 μm or more, more preferably 30 μm or more. However, if the adhesive layer is thickened, a stress due to a difference in thermal expansion coefficient between the adhesive layer 6 and the
このように、高速駆動が可能な光導波路素子に不可欠である光波とマイクロ波との速度整合及びインピーダンス整合、さらには駆動電圧の低減を両立することは、容易ではない。 As described above, it is not easy to achieve both speed matching and impedance matching between the light wave and the microwave, which are indispensable for an optical waveguide device capable of high-speed driving, and further reduction in driving voltage.
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、電気光学効果を有する基板の厚みが10μm以下の場合でも、光波とマイクロ波との速度整合を実現しながら、インピーダンス整合を行い、さらに、駆動電圧Vπの低減を図ることが可能な光導波路素子を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to solve the above-mentioned problems, and achieve impedance matching while realizing speed matching between light waves and microwaves even when the thickness of the substrate having the electro-optic effect is 10 μm or less. And providing an optical waveguide device capable of further reducing the drive voltage Vπ.
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、電気光学効果を有する材料で構成され、厚みが10μm以下の基板と、該基板上に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための制御電極とを有する光導波路素子において、該制御電極は、信号電極と接地電極とから構成され、該信号電極と該接地電極との間のギャップが15μm以上25μm未満であり、該制御電極の厚みは、10μm以上40μm以下であることを特徴とする。特に、信号電極と接地電極とのギャップが25μm未満の場合でも、制御電極の厚みを10μm以上40μm以下とすることで、光導波路素子内のインピーダンスを50Ω前後、少なくとも30Ω〜70Ωの範囲内に設定することが可能であることを、本発明者らは見出し、本発明を完成したものである。
In order to solve the above problems, the invention according to
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の光導波路素子において、該基板の裏面に接着層を介して補強板が接合されていることを特徴とする。
The invention according to
請求項3に係る発明は、請求項2に記載の光導波路素子において、該接着層の誘電率は10以下であり、接着層の厚みは20μm以上であることを特徴とする。
The invention according to
請求項1に係る発明により、電気光学効果を有する材料で構成され、厚みが10μm以下の基板と、該基板上に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための制御電極とを有する光導波路素子において、該制御電極は、信号電極と接地電極とから構成され、該信号電極と該接地電極との間のギャップが15μm以上25μm未満であり、該制御電極の厚みは、10μm以上40μm以下であるため、光波とマイクロ波との速度整合を実現でき、駆動電圧Vπの低減も可能となる。特に、信号電極と接地電極とのギャップが25μm未満とすることで、信号電極と接地電極との間隔が狭くなることによる駆動電圧の低減降下だけでなく、マイクロ波のインピーダンス整合によるマイクロ波の電極への印加効率の増加による駆動電圧の低減も同時に実現でき、より効果的な駆動電圧の低減を実現することが可能となる。 According to the first aspect of the present invention, a substrate made of a material having an electro-optic effect and having a thickness of 10 μm or less, an optical waveguide formed on the substrate, and a light wave propagating through the optical waveguide are modulated and controlled. In an optical waveguide device having a control electrode, the control electrode is composed of a signal electrode and a ground electrode, and a gap between the signal electrode and the ground electrode is 15 μm or more and less than 25 μm, and the thickness of the control electrode Since it is 10 μm or more and 40 μm or less, speed matching between the light wave and the microwave can be realized, and the drive voltage Vπ can be reduced. In particular, by setting the gap between the signal electrode and the ground electrode to be less than 25 μm, not only a reduction in driving voltage due to a decrease in the distance between the signal electrode and the ground electrode, but also a microwave electrode due to microwave impedance matching. The drive voltage can be reduced by increasing the application efficiency to the same time, and more effective drive voltage reduction can be realized.
また、基板の厚さを薄くするとインピーダンスは上昇するが、信号電極と接地電極との間のギャップは、15μm以上25μm未満であるため、基板の厚みが10μm以下の場合でも、光導波路素子内のインピーダンスを30Ω〜70Ωの範囲に適正に維持することが可能となる。さらに、制御電極の厚みを、40μm以下とすることで、制御電極の厚みの増加によるインピーダンスの低下を抑制している。なお、電極膜の表面積を増加は、マイクロ波の電極損失の低減にも寄与するため、制御電極の厚みを、10μm以上のように、薄くし過ぎないように配慮することも必要である。 Further, although the impedance increases when the thickness of the substrate is reduced, the gap between the signal electrode and the ground electrode is not less than 15 μm and less than 25 μm. Therefore, even when the thickness of the substrate is 10 μm or less, The impedance can be appropriately maintained in the range of 30Ω to 70Ω. Furthermore, the reduction in impedance due to the increase in the thickness of the control electrode is suppressed by setting the thickness of the control electrode to 40 μm or less. Note that increasing the surface area of the electrode film also contributes to reducing the electrode loss of the microwave, so it is necessary to consider that the thickness of the control electrode is not too thin, such as 10 μm or more.
請求項2に係る発明により、基板の裏面に接着層を介して補強板が接合されているため、基板の厚みが10μm以下であっても、機械的強度の高い光導波路素子を提供することが可能となる。
According to the invention of
請求項3に係る発明により、接着層の誘電率は10以下であり、接着層の厚みは20μm以上であるため、補強板の誘電率を感じるようになり、インピーダンスが低くなる。接着層の厚さを20μm以上とすることで厚さに対するインピーダンス変化が小さくなり、製造上のバラツキが小さくなる。
According to the invention of
以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明の光導波路素子の構成は、基本的に図2に示した構成と同様である。
本発明の光導波路素子は、電気光学効果を有する材料で構成され、厚みが10μm以下の基板1と、該基板上に形成された光導波路2と、該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための制御電極とを有する光導波路素子において、該制御電極は、信号電極3と接地電極4とから構成され、該信号電極と該接地電極との間のギャップが15μm以上25μm未満であり、該制御電極の厚みは、10μm以上40μm以下であることを特徴とする。
Hereinafter, the present invention will be described in detail using preferred examples.
The configuration of the optical waveguide device of the present invention is basically the same as the configuration shown in FIG.
The optical waveguide element of the present invention is made of a material having an electro-optic effect, and modulates and controls a
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、タンタル酸リチウム、及びこれらの組み合わせが利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム(LN)やタンタル酸リチウム(LT)結晶が好適に利用される。
As the
光導波路の形成方法としては、Tiなどの高屈折率材料を熱拡散法やプロトン交換法などで、基板表面から基板内にドープすることにより形成することができる。
なお、本発明における高屈折率材料とは、基板を構成する材料より高屈折率な材料を意味するだけでなく、基板内に特定材料をドープすることで、該ドープした領域の屈折率が他の領域よりも高屈折率となるものである場合には、当該特定材料も高屈折率材料に含むものである。
The optical waveguide can be formed by doping a high refractive index material such as Ti into the substrate from the substrate surface by a thermal diffusion method or a proton exchange method.
Note that the high refractive index material in the present invention means not only a material having a higher refractive index than the material constituting the substrate, but also by doping a specific material into the substrate so that the refractive index of the doped region is other than that. In the case where the refractive index is higher than that of the region, the specific material is also included in the high refractive index material.
図2のように、光導波路2を伝搬する光波を変調制御するため、光導波路2を挟むように制御電極が配置される。
制御電極は、Ti・Auの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより、基板1の表面又は裏面などに形成することが可能である。また、制御電極は、変調信号(マイクロ波)を伝搬する信号電極と該信号電極の周囲に配置される接地電極から構成される。
As shown in FIG. 2, the control electrode is disposed so as to sandwich the
The control electrode can be formed on the front surface or the back surface of the
本発明の光導波路素子においては、基板1と制御電極との間にSiO2などのバッファ層を形成していない。バッファ層が存在することで、光導波路を伝搬する光波が制御電極により吸収又は散乱されることを効果的に防止したり、また、制御電極から印加されるマイクロ波と光導波路内を導波する光波との速度整合にも寄与する。しかしながら、本発明では、バッファ層が存在することによる駆動電圧の増加を懸念し、電極による吸収又は散乱を光導波路と電極との配置関係で回避し、速度整合については、基板を薄板化することで補っている。
In the optical waveguide device of the present invention, a buffer layer such as SiO 2 is not formed between the
本発明では、電気光学効果を有する材料で形成された基板1は、厚みが10μm以下の薄板であるため、機械的強度が不足する。これを補うため、基板1に接着層6を介して補強板7を接合している。
In the present invention, since the
補強板7に使用される材料としては、種々のものが利用可能であり、例えば、薄板と同様の材料を使用する他に、石英、ガラス、アルミナなどのように薄板より低誘電率の材料を使用したり、薄板と異なる結晶方位を有する材料を使用することも可能である。ただし、線膨張係数が薄板と同等である材料を選定することが、温度変化に対する光変調器の変調特性を安定させる上で好ましい。仮に、同等の材料の選定が困難である場合には、特許文献2のように薄板と補強板とを接合する接着剤に、薄板と同等な線膨張係数を有する材料を選定することが好ましい。
As the material used for the reinforcing
基板(薄板)1と補強板7との接合には、接着層6として、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、半田ガラス、熱硬化性、光硬化性あるいは光増粘性の樹脂接着剤シートなど、種々の接着材料を使用することが可能である。特に、接着層6には基板1より低誘電率な材料を選択することが必要である。
For bonding the substrate (thin plate) 1 and the reinforcing
光波とマイクロ波との速度整合を実現するためには、接着層の誘電率は10以下であり、接着層の厚みは20μm以上であることが好ましい。 In order to realize speed matching between the light wave and the microwave, the dielectric constant of the adhesive layer is preferably 10 or less, and the thickness of the adhesive layer is preferably 20 μm or more.
光変調器を構成する薄板の製造方法は、数百μmの厚みを有する基板に上述した光導波路や変調電極を作り込み、基板の裏面を研磨し、例えば、10μm以下の厚みに仕上げる方法がある。なお、光導波路や変調電極などの作り込みは、薄板を作成した後に行うことも可能であるが、光導波路形成時の熱的衝撃や各種処理時の薄膜の取り扱いによる機械的衝撃が加わり、薄板が破損する危険性もあるため、光導波路や変調電極を作り込んだ後に基板の裏面を研磨することが好ましい。 As a method for manufacturing a thin plate constituting an optical modulator, there is a method in which the above-described optical waveguide or modulation electrode is formed on a substrate having a thickness of several hundreds μm, the back surface of the substrate is polished, and finished to a thickness of 10 μm or less, for example. . The optical waveguide and the modulation electrode can be made after the thin plate is made, but the thermal impact during the formation of the optical waveguide and the mechanical impact due to the handling of the thin film during various treatments are added. Therefore, it is preferable to polish the back surface of the substrate after forming the optical waveguide and the modulation electrode.
本発明の光導波路素子のように、基板の厚みが10μm以下の場合でも、駆動電圧を低減するため、インピーダンス整合に必要な条件を、図3に示す光導波路素子を利用して、シミュレーションした。インピーダンスは、50Ωの外部回路との接続を考慮し、反射減衰係数S11が−10dB以下になる30〜70Ωを使用可能範囲とする。
In order to reduce the driving voltage even when the substrate thickness is 10 μm or less as in the optical waveguide device of the present invention, the conditions necessary for impedance matching were simulated using the optical waveguide device shown in FIG. Impedance, considering the connection with 50Ω of external circuits, the reflection attenuation coefficient S 11 is to
基板は、Xカットのニオブ酸リチウム基板とし、基板の厚みdを、4〜20μmの範囲で変化させた。
また、信号電極3及び接地電極4により構成される制御電極に係る数値として、以下のような条件を設定した。
(1)信号電極の幅W;5〜30μm
(2)信号電極と接地電極との間のギャップG;5〜50μm
(3)制御電極(信号電極及び接地電極)の厚みT;10〜50μm
The substrate was an X-cut lithium niobate substrate, and the thickness d of the substrate was changed in the range of 4 to 20 μm.
In addition, the following conditions were set as numerical values related to the control electrode constituted by the
(1) Width W of signal electrode: 5 to 30 μm
(2) Gap G between signal electrode and ground electrode; 5 to 50 μm
(3) Thickness T of control electrode (signal electrode and ground electrode): 10 to 50 μm
インピーダンスに与える各パラメータの影響を評価するため、主なパラメータとインピーダンス変化との関係を図4〜6に示す。
図4は、基板の厚みdの変化がインピーダンス変化に与える影響を示している。図5は、ギャップ(電極間隔)Gの変化がインピーダンス変化に与える影響を示している。さらに、図6〜8は、制御電極の厚みTの変化がインピーダンス変化に与える影響を示している。
In order to evaluate the influence of each parameter on the impedance, the relationship between the main parameter and the impedance change is shown in FIGS.
FIG. 4 shows the effect of changes in the substrate thickness d on impedance changes. FIG. 5 shows the influence of a change in the gap (electrode spacing) G on the impedance change. Further, FIGS. 6 to 8 show the influence of the change in the thickness T of the control electrode on the impedance change.
図4を見ると、基板の厚みdが10μm以下の場合には、信号電極と接地電極とのギャップGを25μm以下の場合でも、インピーダンスを50Ωを含む数値範囲(30〜70Ω)に調整可能となることが容易に理解される。 Referring to FIG. 4, when the thickness d of the substrate is 10 μm or less, the impedance can be adjusted to a numerical value range (30 to 70Ω) including 50Ω even when the gap G between the signal electrode and the ground electrode is 25 μm or less. Is easily understood.
また、図5を見ると、ギャップGの数値が小さくなるに従い、インピーダンスは全体的に低下傾向を示すため、信号電極と接地電極との間のギャップは、15μm以上25μm未満の範囲とすることが好ましい。ただし、インピーダンスを高めるため、信号電極の幅Wを5μmのように小さくし、かつ、電極の厚みTを10μmのように低くすることも可能であるが(図6〜8参照)、このように信号電極の表面積を小さくすることはマイクロ波の電極損失が増加する原因となるため、好ましくない。 Further, as shown in FIG. 5, as the numerical value of the gap G becomes smaller, the impedance tends to decrease as a whole. Therefore, the gap between the signal electrode and the ground electrode may be in the range of 15 μm or more and less than 25 μm. preferable. However, in order to increase the impedance, it is possible to make the width W of the signal electrode as small as 5 μm and the thickness T of the electrode as low as 10 μm (see FIGS. 6 to 8). It is not preferable to reduce the surface area of the signal electrode because it causes an increase in microwave electrode loss.
さらに、図6〜8を見ると、電極の厚さTは40μm以下が好ましく、厚さTが小さくなる程、インピーダンスは増加傾向を示している。 6 to 8, the electrode thickness T is preferably 40 μm or less, and the impedance T tends to increase as the thickness T decreases.
以上のように、本発明に係る光導波路素子では、厚みが10μm以下の基板を利用した場合において、制御電極を構成する信号電極と該接地電極との間のギャップが15μm以上25μm未満であり、制御電極の厚みを10μm以上40μm以下とすることにより、インピーダンスを30〜70Ωの範囲に調整可能であることが容易に理解される。より好ましくは、基板の厚みdを3〜8μm、信号電極の幅Wを5〜30μm、電極のギャップGを15〜25μm、及び制御電極の厚みTを10〜40μmとすることにより、インピーダンスをより50Ωに近づけることが可能となる。 As described above, in the optical waveguide device according to the present invention, when a substrate having a thickness of 10 μm or less is used, the gap between the signal electrode constituting the control electrode and the ground electrode is 15 μm or more and less than 25 μm, It is easily understood that the impedance can be adjusted in the range of 30 to 70Ω by setting the thickness of the control electrode to 10 μm or more and 40 μm or less. More preferably, the substrate thickness d is 3 to 8 μm, the width W of the signal electrode is 5 to 30 μm, the gap G of the electrode is 15 to 25 μm, and the thickness T of the control electrode is 10 to 40 μm. It becomes possible to approach 50Ω.
本発明によれば、電気光学効果を有する基板の厚みが10μm以下の場合でも、光波とマイクロ波との速度整合を実現しながら、インピーダンス整合を行い、さらに、駆動電圧Vπを低減を図ることが可能な光導波路素子を提供することが可能となる。 According to the present invention, even when the thickness of a substrate having an electro-optic effect is 10 μm or less, impedance matching is performed while speed matching between the light wave and the microwave is realized, and further, the drive voltage Vπ can be reduced. It is possible to provide a possible optical waveguide element.
1 基板
2 光導波路
3 信号電極
4 接地電極
5 凹部(空気層)
6 接着層
7 補強板
DESCRIPTION OF
6
Claims (3)
該基板上に形成された光導波路と、
該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための制御電極とを有する光導波路素子において、
該制御電極は、信号電極と接地電極とから構成され、
該信号電極と該接地電極との間のギャップが15μm以上25μm未満であり、
該制御電極の厚みは、10μm以上40μm以下であることを特徴とする光導波路素子。 A substrate made of a material having an electro-optic effect and having a thickness of 10 μm or less;
An optical waveguide formed on the substrate;
In an optical waveguide device having a control electrode for modulating and controlling a light wave propagating through the optical waveguide,
The control electrode is composed of a signal electrode and a ground electrode,
The gap between the signal electrode and the ground electrode is not less than 15 μm and less than 25 μm,
An optical waveguide element having a thickness of the control electrode of 10 μm or more and 40 μm or less.
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