专利名称：光波导器件以及行波型光学调制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光波导器件以及利用了它的行波型光学调制器。
背景技术：
把铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、砷化镓(GaAs)应用于光波导的光学调制器、特别是行波型光学调制器具备优良的特性，具有能够以高能效实现高带宽化的可能性。铌酸锂、钽酸锂作为铁电体是非常优良的材料，它具有电光学常数大，可以短的光路进行光的控制的优点。作为限制行波型光学调制器的调制速度的主要原因，比如有速度不匹配、分散以及电极损耗、介电损耗、阻抗不匹配等。
这种通常类型的光学调制器具有基板、光波导、由信号电极以及接地电极做成的调制电极、缓冲层，是比较复杂的形态。对于这些各要素的尺寸，提出了各种方案并进行了各种讨论。
本申请人在特开平10-133159号公报、特开2002-169133号公报中公布了在行波型光学调制器的基板在光波导之下设置薄壁部，使该薄壁部分的厚度薄至例如10μm以下。这样，不形成由氧化硅做成的缓冲层也可以进行高速光学调制，由于能够减小驱动电压Vπ与电极长度L之积(Vπ·L)，从而有利。
此外，伴随着多媒体的发展，对通信宽带化的需求增高，期待超过10Gb/s的光传播系统的实用化和进一步高速化。作为把10Gb/s以上的电信号(微波信号)调制成光的器件使用的是LN光学调制器。
为了增加光学调制器的调制带宽，发明了通过使光波导基板变薄来得到微波和光波的速度匹配的结构。此外，在使光波导变薄的结构中，为了满足速度匹配条件，需要使光波导周边的基板厚度为10μm左右，为了防止光学模式滤波器图案的扁平化，抑制因基板减薄以及槽加工带来的表面粗糙、损伤的影响而产生的光的传播损耗，在特开2002-169133号公报中申请了2段背面槽结构，并且，在2段背面槽结构的制作中，还可以在使基板均一地减薄后形成槽结构，在特愿2001-101729号公报中申请了为了在该场合保持器件的机械强度而设置辅助加强基板的结构。
在特开平9-211402号公报中记载的器件中，通过在辅助加强基板上设置空气层，而成为满足速度匹配条件的结构。此外，在特开2001-235714号公报中记载的器件中，光波导在与保持基体的粘接面上。
但是，在特开2002--169133号公报、特愿2001-101729号记载的器件中，在调制器基板的背面侧设置槽，通过以低介电材料形成的粘接层粘接该调制器基板和辅助加强基板。这种结构在热冲击试验或温度循环试验等可靠性试验中施加过大的负荷时，温度漂移和DC漂移会变大。
在特开平10-133159号公报、特开2002-169133号公报记载的那种薄型调制器中，测定消光比曲线时，通过详细的研究发现，与通常类型的调制器比较消光比变差。例如，如图11所示，消光比、或消光比曲线的顶点(ON时的输出功率)随施压电压而显示不同的值。这使得在检测偏压的动作点(通常是V(π/2)的施加电压)时，检测消光曲线的峰值和谷值，如上述那样各峰值的光量因电压而产生不同，而不能检测出。此外，如图13所示，波长变化的话，由于ON/OFF的电平、或消光比特性不同，从而作为D-WDM(例如，C带、或L带)不能在大的波长带宽区域工作。通常，这对窄波带动作的EA调制器的LN调制器有利，但有该优点被抵消的问题。
发明内容
本发明的课题是在具备电光学单晶基板、光波导以及调制电极、使至少调制电极施加电场的区域的基板的厚度在30μm或其以下的光波导器件中，改善消光比特性和ON时功率输出特性。
此外，为了解决上述问题，本申请人在特愿2002-330325号公报中想到了在厚度30μm或其以下的薄的光波导基板的背面侧设置厚度大致不变的粘接层来粘接保持基板。
但是，因光波导基板与保持基板的热膨胀差产生的应力而产生DC漂移，在消光比曲线上出现回滞。图21表示使用LN基板作为光波导基板，以热膨胀差大的石英玻璃作为保持基板时的消光比曲线。在施加1kHz、峰值电压10V的正弦波信号时的光功率表现出图21所示的回滞。图20表示完全没有回滞的状态。
在驱动光学调制器的场合，一般来说，用自偏压控制器回路把偏压点移动到光功率的最大值和最小值的中间点(V(π/2))来驱动。但是，有图21那种回滞现象的话，就不能把偏压移动到该中间点，从而不能使光学调制器动作。
并且，发生长期DC漂移，上述偏压点漂移，有时以自偏压控制回路不能跟上。
本发明的课题是在光波导器件中，防止施加信号电压时的光功率中的回滞现象，并且抑制长期DC漂移。
第一方式的发明的光波导器件，其具有以下特征具备电光学单晶基板、光波导以及调制电极，至少调制电极施加电场的区域的电光学晶体基板的厚度在30μm或其以下，在形成光波导时产生的凸部的高度H(埃)和凸部的宽度(μm)之积(H·W)在7150埃·μm或其以下。
此外，第一方式的发明的光波导器件，其具有以下特征具备电光学单晶基板、光波导以及调制电极，至少调制电极施加电场的区域的电光学晶体基板的厚度在30μm或其以下，至少上述光波导的出口部的至少水平方向单模化。
本发明者对上述波长导致的消光比变动的原因进行了详细研究，得到以下发现。即，在基板的厚度例如薄至30μm或其以下时，或进一步薄至15μm或其以下时，光波导多模化，尤其是高阶模式导波光在水平方向(与LN基板表面平行的方向)的光斑尺寸表现出变小的倾向，它们成为施加电压的动作点的变动或波长导致的消光比的变动的原因。
基于本发明者的认识，发现在电光学晶体基板的厚度在30μm或其以下时，通过使至少光波导的出口部的至少水平方向单模化，能够抑制施加电压的动作点的变动和波长导致的消光比的变动。在此，出口部是指从Y分支光波导合波后的直线部分的光波导。
原来，在光波导的厚度在30μm或其以下时，产生施加电压的动作点的变动和波长导致的消光比的变动，不知道其原因是光波导的多模化、尤其光波导在水平方向的光斑尺寸的缩小。
本发明基于这种问题点和其原因的发现最先使其成为可能，在产业上的利用价值大。
并且，本发明者为了使光波导至少在水平方向单模化，研究光波导的制作条件，结果发现在形成光波导时扩散部分成凸状向上拱起，凸部的形状与光波导的模式条件有相关性。具体地，光波导以及凸部的形状利用激光显微镜来进行检查。结果发现使光波导的至少水平方向单模化的条件如下。
(在形成光波导时产生的凸部的高度H(埃)和凸部的宽度(μm)之积(H·W)≤7150埃·μm)这样，成功地改善了消光比特性。
根据此观点，H×W更好是在6900埃·μm或其以下，最好是在6000埃·μm或其以下。
H×W过小的话，模式直径变大，与外部的光纤的耦合损耗变大。根据减小该耦合损耗的观点，H×W更好是在3000埃·μm或其以上，最好是在3400埃·μm或其以上。
在优选的实施方式中，满足H≤1100埃、以及W≤6.5μm的条件。这样，能够减小消光比曲线的峰值以及谷值的位置对电压的依赖性。
本发明还进一步得到以下发现。即，在使光波导至少在水平方向单模化时，模式尺寸变大，在马赫-曾德干涉波导部(与电极的相互作用部)中，与光波导间的模式耦合变大。结果，在合波时分支比发生偏离，消光比变差。这样，消光比的波长依赖性变大。
对此，通过使分支光波导间的间隔大至46μm或其以上，能够使消光比在20dB或其以上，还能够减小消光比对波长的依赖性。
第二方式的发明是具备光波导基板、保持该光波导基板的保持基体、以及粘接光波导基板和保持基体的粘接层的光波导器件中，其具有以下特征，光波导基板由电光学材料做成，具备具有相互面对的一个主面和另一个主面的厚度在30μm或其以下的平板状基板主体、在基板主体上设置的光波导、以及在基板主体上设置的电极，利用粘接层粘接保持基体与基板主体的另一个主面，保持基体的热膨胀系数的最小值是基板主体的热膨胀系数的最小值的1/5倍以上，并且，保持基体的热膨胀系数的最大值是基板主体的热膨胀系数的5倍或其以下。
在本发明中，使用厚度30μm或其以下的平板状的基板主体，利用粘接层粘接保持基体和基板主体。这样，由于在光波导基板上没有应力集中的地方，所以，应力分散，能够减小施加在光波导基板上的最大应力。并且，由于能够对基板减薄加工使用研磨，从而可以用适当的方法快速地除去加工损伤，同时防止破坏强度的降低。
与此同时，通过使保持基体的热膨胀系数的最小值是光波导基板的热膨胀系数的最小值的1/5倍或其以上，并且，保持基体的热膨胀系数的最大值是光波导基板的热膨胀系数的5倍或其以下，能够防止施加信号电压时光功率中的回滞现象，并且抑制长期DC漂移。
得到这种作用效果的理由并不明确。但是，在NTT宫泽、三富等[1994年电子信息通信学会SA-9-3]中，指出了畸变和DC漂移的相关性。因此，对于本结构，我们认为因基板主体与光波导基板间的热膨胀差导致的内部畸变产生DC漂移。
图1是表示本发明的一个实施方式的器件4的俯视图。
图2是示意器件4的横截面图。
图3是表示在分支部间在基板上设有槽5c的器件的横截面图。
图4是表示光波导2b、2c的状态的放大图。
图5是表示各种形态的凸部和高度H以及宽度W的关系的示意图。
图6是示意本发明的一个实施方式的器件11的截面图。
图7是示意本发明的别的实施方式的器件11A的截面图。
图8是示意本发明的另一个实施方式的器件11B的截面图。
图9是示意本发明的另一个实施方式的器件11C的截面图。
图10是示意本发明的另一个实施方式的器件11D的截面图。
图11是表示比较例的器件中消光比对施加电压的依赖性的曲线图。
图12是表示比较例的器件中消光比对施加电压的依赖性的曲线图。
图13是表示比较例的器件中消光比对波长的依赖性的曲线图。
图14是表示比较例的器件中消光比对波长的依赖性的曲线图。
图15是用于说明P值的计算方法的曲线图。
图16是表示波导臂部间距离(L)与消光比的关系的曲线图。
图17是表示波导臂部间距离(L)与ΔP的关系的曲线图。
图18是表示波导臂部间距离(L)与消光比的关系的曲线图。
图19是表示波导臂部间距离(L)与ΔP的关系的曲线图。
图20是表示本发明的实施例的器件中光功率与电压的关系的曲线图。
图21是比较例的器件中的光功率与电压的关系的曲线图。
具体实施例方式
以下，参照附图对本发明进行更详细的说明。图1以及图2是表示第一方式的发明的一个实施方式的器件4的示意图。
基板主体5为平板状。在基板5的一个主面5a上形成有接地电极1A、1C以及信号电极1B。在本例中，采用所谓的共平面型(Coplanar waveguideCPW电极)的电极配置。光波导2具备入口部2a、出口部2d以及一对分支部2b、2c。在电场施加区域10，在相邻的电极间配置一对光波导分支部2b、2c，对各光波导2b、2c在大致水平方向施加信号电场。光波导2从平面上看构成所谓的马赫-曾德型光波导。分支部2b和2c的间隔L较好是在46μm或其以上。
本发明者进一步得到了以下发现。在马赫-曾德干涉波导部(与电极的相互作用部)，对于与光波导间的模式耦合变大的问题，通过图3所示那样在分支光波导间形成槽5c，能够抑制光波导间的模式耦合。结果，在使光波导至少在水平方向单模化的场合，能够使消光比在20dB以上，能够减小消光比对波长的依赖性。
图4是表示光波导2b、2c的放大截面图。在形成光波导2b、2c时，在主面5a上放置钛等适当的扩散剂，进行加热处理。此时，在主面5a上，扩散时形成有凸部6。凸部的形状图案有图5所示的各种，凸部的高度H定义为隆起的峰值，宽度W定义为连接高度H的5％的值的点的最长距离。基于此，凸部6的宽度W与高度H之积根据本发明使之在7150埃·μm或其以下。
可以在基板主体和电极之间设置缓冲层。此外，本发明还可应用于电极配置为非对称的共平面传输线型的场合。
基板主体由铁电性电光学材料、较好是单晶做成。这种单晶只要可以进行光的调制并没有特别限定，能够以铌酸锂、钽酸锂、铌酸锂-钽酸锂固溶体、铌酸钾锂、KTP、以及水晶等为例。
接地电极、信号电极只要是低电阻、阻抗特性优良的材料的话，没有特别限定，能够由金、银、铜等材料构成。
缓冲层能够使用氧化硅、氟化镁、氮化硅、以及氧化铝等众所周知的材料。
光波导是在基板主体上利用内扩散法或离子交换法形成的光波导，较好是钛扩散光波导、质子交换光波导，特别好是钛扩散光波导。电极设在基板主体的一个主面侧，可以在基板主体的一个主面上直接形成，也可以在缓冲层上形成。
光波导的特别好的形成条件在以下范围。
Ti厚度450～1000埃扩散温度950～1100°扩散时间4～11小时波导掩膜图形的宽度3～7μm在基板主体上，最好是晶体的极化轴大致与基板的一个主面5a平行。在该场合，较好是由铌酸锂单晶、钽酸锂单晶、铌酸锂-钽酸锂固溶体单晶做成的X板或Y板。在图1～图5中给出了把本发明应用于X板或Y板的例子。
此外，在其它优选的实施方式中，晶体的极化轴大致与基板的一个主面5a垂直。在该场合，较好是由铌酸锂单晶、钽酸锂单晶、铌酸锂-钽酸锂固溶体单晶做成的Z板。在使用Z板的场合，光波导需要设置在电极的正下方，为了减小光的传播损耗，较好是在基板的表面和电极之间设置缓冲层。
在本发明中，如图2所示，能够使基板主体5与别体的保持基体7接合起来。根据使保持基体7对微波的传播速度的影响为最小限的观点，保持基体7的材质可以是具有比电光学单晶的介电常数更低的介电常数的材质，作为这种材质，有石英玻璃等玻璃。
光波导基板5与保持基体7的接合方法并无限定。在优选的实施方式中，粘接两者。在该场合，粘接剂的折射率较好是比构成基板主体5的电光学材料的折射率更低。
粘接剂的具体例子是环氧树脂系粘接剂、热硬化型粘接剂、紫外线硬化型粘接剂等，较好是有与铌酸锂等具有电光学效应的材料比较接近的热膨胀系数的粘接剂。
以下，参照适当的附图对第二方式的发明的优选实施方式进行更详细的说明。
图6主要是示意第一发明的实施方式的光调制器11的截面图。在图6中，给出了行波型光学调制器中大致垂直于光的前进方向的横截面。
光学调制器11具备光波导基板29和保持基体12。基板主体14和基体12都为平板状。基板主体14的厚度在30μm或其以下。在基板主体14的一个主面14a上形成有所定电极17A、17B、17C。在本例中，采用所谓的共平面型(Coplanar waveguideCPW电极)电极配置，但电极的配置方式并不特别限定。也可以是例如ACPS(非对称共平面传输线)型。在本例中，在相邻的电极间形成有一对光波导15b、15c，对各光波导15b、15c在大致水平方向施加信号电场。该光波导从平面上看构成所谓的马赫-曾德型光波导。该平面图形本身是众所周知的(后述)。厚度大致不变的粘接层13介于基板主体14的另一个主面14d和保持基体12的粘接面12a之间。粘接基板主体14和保持基体12。
在本光波导器件11中，使用厚度30μm或其以下的平板状的基板主体，利用粘接层粘接保持基体和基板主体，并且使保持基体的粘接面12a大致为平坦面。这样，由于粘接层13的厚度大致一定，在光波导基板29上没有应力集中的地方，所以，应力分散，能够减小施加在光波导基板29上的最大应力。并且，由于能够对基板4减薄到30μm或其以下的加工时使用平面研磨，从而可以用适当的方法快速地除去加工损伤，同时可以防止破坏强度的降低。
在本发明中，基板主体14由厚度30μm或其以下的平板做成。在此所谓的平板是指在主面14d上没有形成凹部或槽的平板，也就是另一个主面14d(粘接面)大致平坦。但是，所谓主面14d大致平坦是指伴随着加工残留在表面的表面粗糙在容许的范围的意思，或者伴随着加工的弯曲和翘起也在容许的范围。
在本发明中，在基板主体14的一个主面14a侧设置光波导15b、15c。光波导可以是在基板主体的一个主面上直接形成的脊型光波导，或通过其它层在基板主体的一个主面上形成的脊型光波导，或者也可以是利用内扩散法或离子交换法在基板主体内部形成的光波导，例如钛扩散光波导、质子交换光波导。具体地，光导波是从主面14a突出的脊型光波导即可。脊型光波导可利用激光加工、机械加工形成。或者，在基板主体14上形成高折射率膜，通过对该高折射率膜进行机械加工或激光蒸发加工，能够形成脊型的三维光波导。高折射率膜可由例如化学气相沉积法、物理气相沉积法、有机金属化学气相沉积法、溅射法、液相外延法形成。
构成光波导基板的基板主体由铁电性电光学材料、较好是单晶做成。这种单晶只要可以进行光的调制并没有特别限定，能够以铌酸锂、钽酸锂、铌酸锂-钽酸锂固溶体、铌酸钾锂、KTP、GaAs以及水晶等为例。特别好的是铌酸锂单晶、钽酸锂单晶、铌酸锂-钽酸锂固溶体单晶。
对于基板主体来说，特别好是晶体的极化轴大致与基板的一个主面(表面)平行。在该场合，较好是由铌酸锂单晶、钽酸锂单晶、铌酸锂-钽酸锂固溶体单晶做成的X板或Y板。在图6～图10中给出了把本发明应用于X板或Y板的例子。
此外，在其它优选的实施方式中，晶体的极化轴大致与基板的一个主面(表面)垂直。在该场合，较好是由铌酸锂单晶、钽酸锂单晶、铌酸锂-钽酸锂固溶体单晶做成的Z板。在使用Z板的场合，光波导需要设置在电极的正下方，为了减小光的传播损耗，较好是在基板的表面和电极之间设置缓冲层。
在本发明中，保持基体的热膨胀系数的最小值是光波导基板的热膨胀系数的最小值的1/5倍或其以上，并且，保持基体的热膨胀系数的最大值是光波导基板的热膨胀系数的5倍或其以下。
在此，在分别构成基板主体和保持基体的各电光学材料没有热膨胀系数的各向异性时，使基板主体和保持基体中最小的热膨胀系数与最大的热膨胀系数一致。构成基板主体和保持基体的各电光材料有热膨胀系数的各向异性时，有时各轴的热膨胀系数改变。例如，在构成基板主体的各电光学材料是铌酸锂时，X轴方向、Y轴方向的热膨胀系数为16×10-6/℃，这是最大值。Z轴方向的热膨胀系数为5×10-6/℃，这是最小值。因此，使保持基体的热膨胀系数的最小值为1×10-6/℃或其以上，使保持基体的热膨胀系数的最大值为80×10-6/℃或其以下。还有，例如石英玻璃的热膨胀系数为0.5×10-6/℃，例如不到1×10-6/℃。
根据本发明的作用效果的观点，更好是使保持基体的热膨胀系数的最小值为基板主体的热膨胀系数的最小值的1/2倍或其以上。此外，使保持基体的热膨胀系数的最大值为光波导基板的基板主体的热膨胀系数的最大值的2倍或其以下。
保持基体的具体材质只要满足上述条件，没有特别限定。在对基板主体使用铌酸锂单晶的场合，保持基体可以以铌酸锂、钽酸锂、铌酸锂-钽酸锂固溶体、铌酸钾锂等为例。该场合，根据热膨胀差的观点，特别好的是与基板主体的热膨胀系数相同的铌酸锂单晶。
电极设在基板主体的一个主面侧，可以在基板主体的一个主面上直接形成，也可以在低介电常数层或缓冲层上形成。低介电常数层能够使用氧化硅、氟化镁、氮化硅、以及氧化铝等众所周知的材料。在此，所谓低介电常数层是指由具有比构成基板主体的材质的介电常数更小的介电常数的材料做成的层，根据满足光与微波的速度匹配条件的观点，介电常数低的材料较好。在没有该低介电常数层时，更好是基板主体的厚度在20μm或其以下。
在优选的实施方式中，保持基体12的粘接面12a大致为平坦的。但是，所谓粘接面12a大致平坦是指伴随着加工残留在表面的表面粗糙在容许的范围的意思，此外，伴随着加工的弯曲和翘起也在容许的范围。
根据本发明的观点，粘接层13的厚度T1较好是在1000μm或其以下，更好是在300μm或其以下，最好是在100μm或其以下。此外，粘接层13的厚度T1的没有下限，但根据降低微波有效折射率的观点，较好是在10μm或其以上。
再有，根据速度匹配的观点，粘接层需要比作为基板主体的电光学材料的介电常数更低，介电常数在5或其以下比较好。
图7是示意本发明的其它实施方式的光波导器件11A的截面图。在图7中，给出了行波型光学调制器中大致垂直于光的前进方向的横截面。
光学调制器11A具备光波导基板29和保持基体32。基板主体14和基体12都为平板状。基板主体14的厚度在30μm或其以下。光波导基板29的结构与图6所示的光波导基板29的结构相同。在基板主体32的粘接面32a侧至少在与电极相互作用部形成有凹部或槽32b。槽32b向光的前进方向(垂直于纸面的方向)延伸。
在本例中，粘接层33介于基板主体14的另一个主面14d和保持基体32的粘接面32a之间。粘接基板主体14和保持基体32。与此同时，在光波导15b、15c的形成区域，在主面14d下形成有槽32b，在槽32b内填充由粘接剂做成的低介电常数部分36。
在本光波导器件11A中，使用厚度30μm或其以下的平板状的基板主体14，利用粘接层33粘接保持基体32和基板主体14，并且使粘接层33的厚度T1在200μm或其以下。这样，能够促进在光波导基板29中应力的分散，降低施加在光波导基板29上的最大应力。
但是，在本实施方式中，与粘接层33的厚度T1相比，由粘接剂做成的低介电常数部分36的厚度T2变大，因此，对粘接剂的厚度产生(T2-T1)的台阶差。因此，粘接层的厚度与整体大致不变的场合不同，在台阶差的周围应力向基板主体14易于应力集中。为了减少这种应力集中导致的DC漂移和温度漂移，较好是使粘接层33的厚度T1在200μm或其以下。根据此观点，粘接层33的厚度T1需要在200μm或其以下，但更好是在150μm或其以下，最好是在110μm或其以下。此外，粘接层33的厚度T1没有下限，但根据减小施加在基板主体14上的应力的观点，在0.1μm或其以上即可。
在本发明中，粘接层可以在光波导的形成区域粘接另一个主面和保持基体。例如，图6、图7的光波导器件11、11A即属于此实施方式。在此场合，如图6所示，最好是粘接层的厚度大致不变。这里，所谓粘接层的厚度大致不变是指制造上的误差在容许的范围内。
此外，在本发明中，较好是在光波导的形成区域，在另一个主面和保持基体之间设置具有介电常数比构成在基板主体的电光学材料的介电常数更低的低介电常数部分。这样，容易实现上述那种速度匹配。
低介电常数部分的种类没有特别限定。在优选实施方式中，低介电常数部分为空气层，此外，在其它实施方式中，低介电常数部分由粘接剂做成(图6、图7的例)。在该场合，需要使用介电常数比上述电光学材料的介电常数更低的粘接剂。
此外，在其它实施方式中，低介电常数部分由介电常数比上述电光学材料的介电常数更低的低介电常数材料做成，该低介电常数材料不属于粘接剂。
图8是示意光波导器件11B的截面图。光学调制器11B具备光波导基板29和保持基体32。基板主体14为平板状。基板主体14的厚度在30μm或其以下。在基板主体32的粘接面32a侧，与图7同样形成凹部或槽32b。槽32b向光的前进方向(垂直于纸面的方向)延伸。
在本例中，粘接层43A、43B介于基板主体14的另一个主面14d和保持基体32的粘接面32a之间，粘接基板主体14和保持基体32。与此同时，在光波导15b、15c的形成区域，在主面14d下形成有槽32b，设有低介电常数部分30。本例的低介电常数部分30由与粘接剂43A、43B不同的低介电常数材料做成。
图9是示意光波导器件11C的截面图。光学调制器11C具备光波导基板29和保持基体12。基板主体14为平板状，基板主体14的厚度在30μm或其以下。保持基体12的粘接面12a为大致平坦的。
在本例中，粘接层43A、43B介于基板主体14的另一个主面14d和保持基体12的粘接面12a之间，粘接基板主体14和保持基体12。与此同时，在光波导15b、15c的形成区域，在主面14d下形成有空气层31。空气层31起低介电常数部分的作用。
图10是示意光波导器件11D的截面图。光学调制器11D具备光波导基板29和保持基体32。基板主体14为平板状，基板主体14的厚度在30μm或其以下。在基板主体32的粘接面32a侧形成凹部或槽32b。
在本例中，粘接层43A、43B介于基板主体14的另一个主面14d和保持基体32的粘接面32a之间，粘接基板主体14和保持基体32。粘接层43A、43B的厚度T1在200μm或其以下。与此同时，在光波导15b、15c的形成区域，在主面14d下形成有空气层35。空气层35起低介电常数部分的作用。
根据速度匹配的观点，低介电常数部分30、35、36的厚度T2较好是在10μm或其以上，更好是在30μm或其以上。根据控制应力向光波导基板集中的观点，低介电常数部分30、35、36的厚度T2较好是在0.5μm或其以下，更好是在1000μm或其以下。
本发明还能够应用于所谓的独立调制型行波型光学调制器。
电极只要是低电阻、阻抗特性优良的材料的话，没有特别限定，能够由金、银、铜等材料构成。
粘接剂的具体例子是环氧树脂系粘接剂、热硬化型粘接剂、紫外线硬化型粘接剂等，较好是具有与铌酸锂等具有电光学效应的材料比较接近的热膨胀系数的アロン陶瓷C(商品名称，东亚合成公司制)(热膨胀系数13×10-6/K)。
此外，作为粘接用玻璃较好是介电常数小、粘接温度(作业温度)大约在600℃以下的玻璃。此外，较好是在加工时能够得到足够的粘接强度的玻璃。具体地，较好是组合了氧化硅、氧化铅、氧化铝、氧化镁、氧化钾、氧化硼等之中的几种的所谓的玻璃焊药。
此外，能够使粘接剂片介于基板主体14的背面和保持基板之间来粘接。较好的是，使由热硬化性、光硬化性或光增粘性树脂粘接剂做成的薄片介于基板主体4的背面和保持基板之间，使薄片硬化。
实施例(实施例1)在X切割的铌酸锂基板上形成Ti扩散波导以及CPW电极(参照图1、图2)。使中心电极1B与接地电极1A、1C的间隙为25μm，中心电极1B的宽度为30μm，各电极的厚度为28μm，电极长度为32μm。其次，进行减薄研磨，制作了由低介电常数层和支撑基板(X切割的铌酸锂基板)做成的薄型调制器。使调制器基板5的厚度为8.5μm，低介电常数层6的介电常数为3.8，厚度为50μm。然后，对光纤的连接部进行端面研磨，用铸模切断成芯片。上述调制器芯片与光纤进行光轴调整，用UV硬化树脂粘接固定。在制作器件后，测定的光波导2的凸部6的高度H以及宽W如表1所示那样改变，此外，在表1中还给出积H×W的值。对于得到的各器件，进行模式观察。表1给出其结果。
表1
上段使1.55μm带光纤的水平方向(slow轴方向)模式尺寸为1时在光波导的水平方向的模式尺寸下段W×Hμm·此外，对使电光学单晶基板的厚度为1mm的场合，与上述同样，如表2所示那样改变光波导隆起的高度H以及宽W，进行了模式观察，表2给出其结果。
表2
※1表示使1.55μm带光纤的水平方向(slow轴方向)模式尺寸为1时在光波导的水平方向的模式尺寸从比较表1、表2可知，在电光学晶体基板的厚度大的场合(表2)，在单模的尺寸条件下，在表1中在大范围多模化。
此外，在基板厚度为1mm的场合，在光波导的隆起的高度在1000或其以下时，光波导宽度在6μm或其以下的话，光波导被截止，光不能被导波。但是，还可知道，通过使基板厚度为30μm或其以下，光波导宽度在6μm或其以下，例如3μm，光也以单式(单一模式)导波。并且，通过这样满足光以单模传播的条件，能够抑制施加电压的动作点的变动和因波长导致的消光比的变动。
并且，对于电光学晶体基板的厚度在30μm或其以下的薄型调制器，使H×W在7150埃·μm或其以下对于得到单模式是必要的。
(实施例2)在实施例1中，使光波导的臂部之间的距离L为55μm，光波导2的凸部6的高度H为860埃，宽度W为6μm，两者之积为5160埃·μm。
对于器件，在测定S21时，在50GHz以下的波长范围没有波动，表现为平滑的曲线，超过30GHz后降低到-6dB。此外，S11一直到测量频率50GHz都为-10dB或其以下。再有，作为光学特性，进行模式观察的结果，是单模，消光比从1530nm到1610nm为20dB或其以上，消光比曲线的电压依赖性小至±5％或其以下。
图12给出本例中的消光比与施加电压的关系。各峰值的高度几乎不变，此外消光比曲线的峰值以及谷值的位置不变。
此外，图14表示消光比凹凸的波长依赖性。在此，所说的[ON光强度](ΔP)如以下所述测定。即，在图15中，测量3个相邻的峰值P1、P2、P3的高度，在施加电压接近0V，相邻的P1与P3对于P2之比，例如作为(P1-P2)×100/P2(％)计算出。结果，如图14所示，ON光强度的波长依赖性小至±5％或其以下。
(实施例3)在实施例1中，使中心电极1B与接地电极1A、1C的间隙为40μm，中心电极1B的宽度为30μm，各电极的厚度为28μm，电极长度为40mm。使光波导的臂部之间的距离L为70μm，光波导2的凸部6的高度H为860埃，宽度W为6μm，两者之积为5160埃·μm。
对于器件，在测定S21时，在50GHz以下的波长范围没有波动，表现为平滑的曲线，超过30GHz后降低到-6dB。此外，S11一直到测量频率50GHz都为-10dB或其以下。再有，作为光学特性，进行模式观察的结果，是单模，消光比从1530nm到1610nm为20dB或其以上，消光比曲线的电压依赖性小至±5％或其以下。
(实施例4)与实施例2同样制作了薄型调制器。但是，使光波导间的臂部之间的距离为55μm。使光波导2的凸部6的宽度W为6μm，高度H为1150埃，两者之积为6900埃·μm。
对于器件，在测定S21时，在50GHz以下的波长范围没有波动，表现为平滑的曲线，超过30GHz后降低到-6dB。此外，S11一直到测量频率50GHz都为-10dB或其以下。再有，作为光学特性，进行模式观察的结果，是单模，消光比从1530nm到1610nm为20dB或其以上。但是，消光比曲线的电压依赖性大，在±5％或其以上。
(实施例5)与实施例2同样制作了薄型调制器。但是，使中心电极为20μm，光波导间的臂部之间的距离小至45μm。使光波导2的凸部6的高度H为860埃，宽度W为6μm，两者之积为6900埃·μm。对于器件，在测定S21时，在50GHz以下的波长范围没有波动，表现为平滑的曲线，超过30GHz后降低到-6dB。此外，S11一直到测量频率50GHz都为-10dB或其以下。再有，作为光学特性，进行模式观察的结果，是单模，消光比从1530nm到1610nm降低到不到20dB，消光比曲线的电压依赖性在±5％或其以上。
(实施例6)与实施例2同样制作了薄型调制器。与实施例5同样，使中心电极为20μm，光波导间的臂部之间的距离小至45μm。使光波导2的凸部6的高度H为860埃，宽度W为6μm，两者之积为6900埃·μm。其次，如图3所示，横跨中心电极1B正下方全长从调制器基板5的背面5b形成宽20μm、深3μm的槽5c。对槽加工使用准分子激光器。对于器件，在测定S21时，在50GHz以下的波长范围没有波动，表现为平滑的曲线，超过30GHz后降低到-6dB。此外，S11一直到测量频率50GHz都为-10dB或其以下。再有，作为光学特性，进行模式观察的结果，是单模，消光比从1530nm到1610nm之间在20dB或其以上，消光比曲线的电压依赖性也在±5％或其以下。
(比较例1)与实施例2同样制作了薄型调制器。但是，使光波导间的臂部之间的距离为55μm。使光波导2的凸部6的宽度W为6.5μm，高度H为1150埃，两者之积为7475埃·μm。对于器件，在测定S21时，在50GHz以下的波长范围没有波动，表现为平滑的曲线，超过30GHz后降低到-6dB。此外，S11一直到测量频率50GHz都为-10dB或其以下。
再有，作为光学特性，进行模式观察的结果，是多模，消光比从1530nm到1610nm之间不到20dB，消光比曲线的电压依赖性大，在±5％以上。
图11表示本例中的消光比与施加电压的关系。各峰值的高度不等，此外消光比曲线的峰值以及谷值的位置不一定。
此外，图13表示消光比凹凸的波长依赖性。结果，ON光强度的波长依赖性大，上升至±15％。
(实施例7)与实施例2同样制作了薄型调制器。但是，使凸部6的高度为860埃，宽度为5μm，两者之积为4300埃·μm。如图16、图17所示那样改变波导臂部之间的距离(分支部2b与2c之间的距离L)。图16给出消光比对L的依赖性，图17给出ΔP对L的依赖性。从该结果可知，通过使臂部之间距离L在46μm或其以上，在很宽的波长范围消光比在20dB或其以上，此外还可把ΔP控制在±5％或其以下。根据此观点，L在50μm或其以上更好。
(实施例8)与实施例2同样制作了薄型调制器。但是，使凸部的高度为1150埃，宽度为5μm，两者之积为5750埃·μm。并且，如图18、图19所示那样改变波导臂部之间的距离(分支部2b与2c之间的距离L)。图18给出消光比对L的依赖性，图19给出ΔP对L的依赖性。从该结果可知，通过使臂部之间距离L在46μm或其以上，在很宽的波长范围消光比在20dB或其以上。但在本例中，不能把ΔP控制在±5％或其以下。
(实施例9图6的器件11)制造图6的光学调制器。具体地说，使用X切割的3英寸晶圆(LiNbO3单晶)做成的基板，利用钛扩散工艺和光刻蚀法，在晶圆的表面形成马赫-曾德型光波导15b、15c。光波导的尺寸例如在1/e2可为10μm。其次，利用电镀工艺形成CPW电极。使中心电极17B与接地电极17A、17C的间隙为40μm，电极厚度为28μm，电极长度为40μm。其次，为了进行减薄研磨，在研磨盘上粘贴研磨虚拟基板，使电极面朝下以热可塑性树脂把调制器基板粘贴在其上。再有，用横向研磨以及抛光(CMP)把基板主体14减薄加工到10μm厚。然后，把平板状保持基板12粘接固定在基板主体14上，对光纤的连接部进行端面研磨，用铸模切断成芯片。粘接固定用的树脂使用的是树脂厚50μm的环氧树脂膜。芯片的宽度以及包括加强基板的总厚度分别为4.4mm和1mm。在输入侧，使保持了1.55μm带宽光纤的单芯光纤阵列与行波型光学调制器11耦合；在输出侧，使保持了单模光纤的单芯光纤阵列与行波型光学调制器11耦合，对光线和光波导进行调芯，利用紫外硬化型树脂粘接。
在本例中，使用了X切割的3英寸晶圆(LiNbO3单晶)做成的基板。其X轴方向、Y轴方向的热膨胀系数为16×10-6/℃，Z轴方向的热膨胀系数为5×10-6/℃。保持基体2的材质为X切割的铌酸锂单晶。
图20给出对1kHz的信号的消光比曲线。从该结果可知，光功率没有出现回滞。此外，在100℃考察DC漂移特性的结果，DC偏压的漂移量对初始施加电压有50％以内的变动。
(实施例10图9的器件11C)制造图9的器件11C。具体地说，与实施例9同样制造光波导基板29。使基板主体14的厚度为12μm。但是，如图9所示那样设置空气层31。在本例中，使用X切割的LiNbO3单晶做成的基板主体，保持基体12的材质为X切割的铌酸锂单晶。
对1kHz的信号消光比曲线没有出现回滞。此外，在100℃考察DC漂移特性的结果，DC偏压的漂移量相对初始施加电压有50％以内的变动。
(实施例11图7的器件11A)制造图7的器件11A。具体地说，与实施例9同样制造光波导基板29。然后，把光波导基板29粘接固定在形成有宽0.3mm以及深0.2mm的槽32b的保持基体32上，对光纤的连接部进行端面研磨，以方形切断成芯片。此时，在保持基体32的槽32b内填充粘接树脂36。因此，T1为50μm，T2为250μm。在本例中，使用X切割的LiNbO3单晶做成的基板主体。保持基体12的材质为X切割的铌酸锂单晶。
对1kHz的信号消光比曲线没有出现回滞。此外，在100℃考察DC漂移特性的结果，DC偏压的漂移量相对初始施加电压有50％以内的变动。
(实施例12图10的器件11D)制造图10的器件11D。具体地说，与实施例1同样制造光波导基板29。基板主体14的厚度为12μm。然后，把光波导基板29粘接固定在形成有宽0.3mm以及深0.2mm的槽32b的保持基体32上，对光纤的连接部进行端面研磨，以方形切断成芯片。此时，保持基体32的槽32b内是空气层35。T1为50μm，T2为250μm。在本例中，使用X切割的LiNbO3单晶做成的基板主体。保持基体12的材质为X切割的铌酸锂单晶。
对1kHz的信号消光比曲线没有出现回滞。此外，在100℃考察DC漂移特性的结果，DC偏压的漂移量相对初始施加电压有50％以内的变动。
(实施例13图6的器件11)在与图6同样的结构中，使保持基板12的材质为钽酸锂单晶。在本例中，使用了X切割的3英寸晶圆(LiNbO3单晶)做成的基板。其X轴方向、Y轴方向的热膨胀系数为16×10-6/℃，Z轴方向的热膨胀系数为5×10-6/℃。构成保持基体2的钽酸锂单晶在X轴方向、Y轴方向的热膨胀系数为15×10-6/℃，Z轴方向的热膨胀系数为1.2×10-6/℃。
对1kHz的信号消光比曲线没有出现回滞。此外，在100℃考察DC漂移特性的结果，DC偏压的漂移量相对初始施加电压有50％以内的变动。
(比较例2图6的器件11)在本例中，使用了X切割的3英寸晶圆(LiNbO3单晶)做成的基板。其X轴方向、Y轴方向的热膨胀系数为16×10-6/℃，Z轴方向的热膨胀系数为5×10-6/℃。保持基体2的材质为石英玻璃。石英玻璃的热膨胀系数为50×10-6/℃。
结果，对1kHz的信号消光比曲线出现了回滞(参照图21)。此外，在100℃考察DC漂移特性的结果，DC偏压的漂移量相对初始施加电压有50％以上的变动。
根据第二方式的发明，在光波导器件中，能够防止施加信号电压时的光功率中的回滞，并且抑制长期DC漂移。
权利要求
1.一种光波导器件，其特征在于具备，电光学晶体基板、光波导以及调制电极，至少由上述调制电极施加电场的区域的上述光学晶体基板的厚度在30μm或其以下，形成上述光波导时产生的凸部的高度H(埃)与凸部的宽度W(μm)之积(H·W)在7150埃·μm或其以下。
2.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于上述凸部的高度H在1100埃或其以下，上述凸部的宽度W在6.5μm或其以下。
3.一种光波导器件，其特征在于具备，电光学晶体基板、光波导以及调制电极，至少由上述调制电极施加电场的区域的上述光学晶体基板的厚度在30μm或其以下，至少上述光波导出口部的至少水平方向单模化。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的光波导器件，其特征在于在上述电场施加区域，上述光波导具有分支部，在上述分支部的上述光波导的间隔在46μm或其以上。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的光波导器件，其特征在于在上述电场施加区域，上述光波导具有分支部，在上述分支部间，在上述电光学晶体基板上形成有槽。
6.一种光波导器件，其特征在于具备，电光学晶体基板、光波导以及调制电极，在上述调制电极施加电场的区域，上述光波导具有分支部，在上述分支部间，在上述电光学晶体基板上形成有槽。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的光波导器件，其特征在于具备保持上述电光学单晶基板的保持基体以及粘接上述电光学晶体基板和上述保持基体的粘接层，上述保持基体中的热膨胀系数的最小值是上述电光学晶体基板中的热膨胀系数的最小值的1/5倍或其以上，并且，上述保持基体中的热膨胀系数的最大值是上述电光学晶体基板中的热膨胀系数的最大值的5倍或其以下。
8.根据权利要求7所述的光波导器件，其特征在于上述保持基体是从由铌酸锂、钽酸锂、铌酸锂-钽酸锂固溶体以及铌酸钾锂组成的组中选取的一种或一种以上的材质做成。
9.根据权利要求8所述的光波导器件，其特征在于上述保持基体由铌酸锂单晶做成。
10.一种光波导器件，具备光波导基板、保持该光波导基板的保持基体以及粘接上述光波导基板和上述保持基体的粘接层，其特征在于上述光波导基板由电光学材料做成，具备具有相互面对的一个主面和另一个主面的厚度在30μm或其以下的平板状基板主体、在该基板主体上设置的光波导以及在上述基板主体上设置的电极，利用上述粘接层粘接上述保持基体与上述基板主体的上述另一个主面，上述保持基体中的热膨胀系数的最小值是上述基板主体中的热膨胀系数的最小值的1/5倍或其以上，并且，上述保持基体中的热膨胀系数的最大值是上述基板主体中的热膨胀系数的5倍或其以下。
11.根据权利要求10所述的光波导器件，其特征在于上述保持基体的粘接面为大致平坦的面，上述粘接层具有比上述电光学材料的介电常数更低的介电常数。
12.根据权利要求10或11所述的光波导器件，其特征在于上述粘接层的厚度在200μm或其以下。
13.根据权利要求10～12任意一项所述的光波导器件，其特征在于上述粘接层在上述光波导的形成区域粘接上述另一个主面和上述保持基体。
14.根据权利要求10～13任意一项所述的光波导器件，其特征在于上述粘接层的厚度大致不变。
15.根据权利要求10～14任意一项所述的光波导器件，其特征在于在上述光波导的形成区域，在上述另一个主面和上述保持基体之间设有低介电常数部分，该低介电常数部分具有比上述电光学材料的介电常数更低的介电常数。
16.根据权利要求10～15任意一项所述的光波导器件，其特征在于上述保持基体由电光学材料做成。
17.根据权利要求16所述的光波导器件，其特征在于上述保持基体是从由铌酸锂、钽酸锂、铌酸锂-钽酸锂固溶体以及铌酸钾锂组成的组中选取的一种或一种以上的材质做成。
18.一种行波型光学调制器，其特征在于具备权利要求10～17任意一项所述的光波导器件，利用上述电极施加用于调制在上述光波导中传播的光的电压。
全文摘要
本发明涉及光波导器件以及利用了它的行波型光学调制器。器件(4)具有电光学单晶基板(5)、光波导(2)以及调制电极(1A、1B、1C)，电光学单晶基板(5)在由至少调制电极施加电场的区域(10)的厚度在30μm或其以下。通过使在形成光波导时产生的凸部的高度H(埃)和凸部的宽度W(μm)之积(H·W)在7150埃·μm或其以下，在光波导中传播的光能够形成单模。并且，在上述电场施加区域，上述光波导具有分支部，通过使上述分支部的上述光波导的间隔在46μm或其以上，能够使消光比曲线的峰和谷的起伏小至±5％以内。
文档编号G02F1/035GK1839336SQ20048002389
公开日2006年9月27日 申请日期2004年8月19日 优先权日2003年8月21日
发明者近藤顺悟, 近藤厚男, 青木谦治, 三富修 申请人:日本碍子株式会社