光調製器的製作方法

2023-06-17 04:41:06

專利名稱：光調製器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光的調製、光路切換等光控制元件中所使用的光調製器，特別是涉及一種在構成光調製器的基板上有凹部，該凹部上形成有對光的相位進行控制的控制電極的光調製器。
背景技術：
近年來對於高速、大容量信息通信的需要不斷增長，與此相對應，光通信越來越引人注目，其中，使用具有電光學效應的基板材料，並在該基板內形成有光導波路的光調製器，作為適用於寬帶頻率中的光通信的光控制器件廣為人知。
另外，作為光調製器，特別是作為適用於高密度波長多重化(DWDM)或高速通信化的光調製器，使用採用了鈮酸鋰(LN)等具有電光學效應的材料的Mach-Zehnder(MZ)型外部光調製器(以下稱作LN光調製器)，對來自CW(Continuous Wave)雷射的光進行調製的光調製器已經實用化了。
作為MZ型外部光調製器的構成，如圖1所示，從輸入用光導波路2所輸入的光，被Y字型分支光導波路3兩等分，導波到2個光導波路4(通過作為控制電極的調製電極與接地電極所形成的電場的作用，在內部傳播的光受到相位控制的光導波路。以下稱作光導波路作用部)中的光，被另一個Y字型分支光導波路5所合波，經輸出用光導波路6，向外出射調製光。這些光導波路，是在具有電光學效應的基板1的表面上，將Ti等高折射率材料通過熱擴散所形成的。圖1中，為了使光導波路的形狀更加清楚，而省略了形成在基板1上的調製電極、接地電極等控制電極的圖示。
近年來，關於這樣的具有光導波路的光調製器，例如特開平10-90638號公報中公布了一種具有脊部構造的光導波路。該光導波路如圖2所示，為了通過控制電極(調製電極21、接地電極20、22)有效地對光導波路4進行電場作用，通過在光導波路4的兩側形成凹部(溝)10、11、12來設置突條(脊部)，使得控制電極所形成的電場，集中作用於光導波路。
另外，圖2中顯示了在圖1中所示的單點劃線A處，將MZ型光調製器，在垂直於光導波路作用部4的方向上切斷時5的剖面圖。圖2中所示的7表示通過SiO2等所形成的緩衝層。
但是，圖2中所示的光調製器中，形成有橫跨凹部10的接地電極22。因此，由於光調製器的長時間驅動以及輸入給光調製器的驅動功率的增大等原因，以接地電極等控制電極部為中心而溫度上升，由於形成有凹部12的基板與凹部12上所形成的接地電極之間的熱膨脹率的差，接地電極所產生的應力集中在以凹部的側面為中心處，該應力導致基板內產生應力變形。由於該應力變形使包含有光導波路的基板的折射率發生變化，因此，在穩定地對通過光調製器內的光導波路的光的相位進行控制時，成為一個很大的障礙。
另外，這樣的應力集中所產生的應力變形，並不僅限於上述MZ型光調製器，在形成光調製器的基板表面形成凹部，並形成有橫跨該凹部的接地電極等電極的情況下，這種現象是共通的。尤其是在光導波路形成在凹部附近的情況下，應力變形對光調製控制的影響更加顯著。

發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠解決上述問題，緩和形成在光調製器內的基板表面上的凹部中所產生的應力，抑制包含有光導波路的基板內的應力變形所引起的光調製控制的惡化，實現了長期穩定的驅動的光調製器。
為了解決上述問題，本發明之一的光調製器具有由具有電光學效應的材料所製成的基板，以及設置在該基板上的光導波路，以及對在該光導波路內所導波的光的相位進行控制的控制電極，在上述基板的形成控制電極的面上設有凹部，其特徵在於，在形成於該凹部上的上述控制電極上設有應力緩和機構。
根據本發明之一，即使在由於控制電極與基板的熱膨脹率的差，而在控制電極與基板之間產生應力的情況下，由於形成在凹部上的控制電極上設有緩和應力的機構，因此，尤其能夠抑制集中在凹部側面上的應力，防止應力變形所引起的光調製器的不穩定化。
另外，本發明之二的特徵在於，在本發明之一的光調製器中，該應力緩和機構，將該凹部上的控制電極的厚度，形成為比凹部上以外的控制電極的厚度薄。
另外，作為優選方式，本發明之三的特徵在於，該應力緩和機構，比該凹部的窪部深度薄。
根據本發明之二，由於凹部上的控制電極的厚度比凹部上以外的控制電極的厚度薄，因此，能夠將凹部上的控制電極自身所產生的熱膨脹的應力，控制為比該凹部上以外的控制電極所產生的低。並且，由於凹部上控制電極的機械強度比該凹部上以外的控制電極弱，因此，控制電極整體所產生的應力變形能夠被該凹部上的控制電極的機械變形所吸收，緩和從控制電極向基板表面的應力傳遞，尤其是能夠防止應力集中在凹部的側面上。
另外，作為優選方式，本發明之三將凹部上的控制電極的厚度，形成為比該凹部的窪部深度薄，通過這樣，能夠使得凹部上的控制電極加載給凹部側面的應力僅限於局部並能夠使其較小。並且，由於該凹部上的控制電極，與形成凹部的側面的基板相比，機械強度較低，因此，能夠進一步抑制加載給凹部側面的應力。
本發明之四的特徵在於，在本發明之二或本發明之三的光調製器中，該凹部上的控制電極的厚度為30000～500。
根據本發明之四，將凹部上的控制電極的厚度控制在30000以下，最好將其控制為20000以下，通過這樣，由於即使一般的光調製器中所使用的控制電極的厚度約為20μm或脊部的溝的深度約為4～10μm，與此相比，其厚度也足夠薄，因此能夠充分抑制該凹部上的控制電極加載給凹部的側面的應力。
另外，使凹部上的控制電極的厚度為100以上，最好是500以上，通過這樣，即使在光調製器的製造工序所利用的成膜技術中，也能夠確保厚度為能夠穩定地製造的導通線的膜厚以上。
本發明之五的特徵在於，在本發明之一的光調製器中，該應力緩和機構，在設有該凹部的基板面與該凹部上的控制電極之間形成空間。
根據本發明之五，設有凹部的基板面與該凹部上的控制電極之間形成空間，基板面與控制電極不接觸，因此，能夠避免給該凹部的基板面、特別是凹部的側面加載控制電極的應力。
另外，作為優選方式，可以使設有該凹部的基板面上的控制電極的厚度，比凹部上以外的該基板面上的控制電極薄，其厚度為1～10μm則尤為理想。
本發明之六的特徵在於，在本發明之一至本發明之五中任一個所述的光調製器中，該應力緩和機構，將該凹部上的控制電極形成為條紋形狀或格子形狀。
根據本發明之六，由於凹部上的控制電極形狀為條紋形狀或格子形狀，因此，即使在凹部上的控制電極熱膨脹的情況下，由於控制電極能夠向該條紋形狀或該格子形狀所形成的空間部分內膨脹，因此可以抑制集中在凹部側面的應力。並且，由於條紋形狀或格子形狀的部分，與其他控制電極相比機械強度較低，因此，控制電極整體所產生的應力變形能夠被該凹部上的控制電極的機械變形所吸收，緩和從控制電極向基板表面的應力傳遞。另外，通過與本發明之二至本發明之五中任一個所述的構成相組合，能夠更加有效地抑制應力向凹部的側面集中。
另外，本發明之七的特徵在於，在本發明之一的光調製器中，該應力緩和機構的構成為，該凹部上的控制電極是連接與該凹部相鄰的非凹部上所形成的控制電極的細線。
根據本發明之七，由於通過細線連接與凹部相鄰的非凹部上所形成的控制電極，因此，作為凹部上的控制電極的細線自身幾乎不產生給光調製帶來影響的應力，並且由於切斷了非凹部上所形成的控制電極所產生的應力，向凹部上的傳播，因此能夠抑制給凹部的側面加載控制電極的應力。
另外，本發明之八的特徵在於，在本發明之一至本發明之七中任一個所述的光調製器中，該基板是具有在垂直於基板表面的方向上，能夠通過電光學效應來最高效地變更折射率的結晶軸的方向的基板。
在使用具有在垂直於基板表面的方向上，通過電光學效應能夠最高效地變更折射率的結晶軸的方向的基板(以下稱作Z向切割基板)，作為光調製器的基板的情況下，由於必須在垂直於基板表面的方向上加載電場，因此為了有效地進行對光導波路的電場作用，有時候夾住光導波路而在其兩側形成溝。根據本發明之八，通過將本發明之一至本發明之七中任一個所述的在凹部上所形成的控制電極中設置應力緩和機構的技術，適用於具有這樣的Z向切割基板的光調製器中，能夠提供一種具有更加優越的性能的光調製器。
另外，本發明之九的特徵在於，在本發明之一至本發明之八中任一個所述的光調製器中，該控制電極為接地電極。
如本發明之一至本發明之八中任一個所述的在凹部上所形成的控制電極中設置應力緩和機構的構成，由於在應力緩和機構的前後，控制電極的電阻值或形狀是不連續變化的，因此在傳播高頻微波的情況下，很容易引起反射或向控制電極外的放射，所以，在將控制電極用作調製電極時，光調製器的特性有可能惡化。因此，通過如本發明之九所述，將設有應力緩和機構的控制電極作為接地電極，從而能夠提供一種具有更加優越的性能的光調製器。


圖1為說明Mach-Zehnder型光調製器的圖。
圖2為以前的光調製器的剖面圖。
圖3為說明本發明的實施方式1的光調製器的剖面圖。
圖4為說明本發明的實施方式2的光調製器的剖面圖。
圖5為說明本發明的實施方式3的光調製器的剖面圖。
圖6為說明本發明的實施方式4的光調製器的剖面圖。
具體實施例方式
下面通過優選實施方式對本發明進行詳細說明。
作為構成光調製器的基板，由具有電光學效應的材料，例如由鈮酸鋰(LiNbO3；以下稱作LN)、鉭酸鋰(LiTaO3)、PLZT(鋯鈦酸鉛鑭)以及石英類材料所構成，特別是從容易構成光導波路器件，且各向異性較大的理由出發，最好使用LiNbO3結晶、LiTaO3結晶或由LiNbO3以及LiTaO3所構成的固溶體結晶。本實施方式中，以使用鈮酸鋰(LN)的例子為中心進行說明。
另外，對使用作為光調製器基板的結晶軸的方向，具有在垂直於基板表面的方向上，通過電光學效應能夠最高效地變更折射率的結晶軸的方向的基板，也即所謂的Z向切割(Z-cut)基板的例子進行說明，但本發明並不僅限於Z向切割基板。
作為製造光調製器的方法，有如下幾種讓Ti在LN基板上熱擴散從而形成光導波路，接下來，不設置覆蓋基板的一部分或全體的緩衝層，而在LN基板上直接形成電極的方法；以及為了降低光導波路中的光的傳播損耗，在LN基板上設置電介質SiO2等緩衝層，進一步還在它上面形成Ti·Au的電極圖形以及鍍金等，通過這樣來構成數十μm高的調製電極以及接地電極，間接形成相應電極的方法。
一般來說，將1片LN晶片製作成多個光調製器，最後通過將各個光調製器的晶片(chip)切離，製造出光調製器。
下面以圖1中所示的MZ型光調製器為例，作為本發明的實施方式進行說明。
1為LN基板，如上所述，通過Ti內部擴散等，在該基板表面形成光導波路。2為輸入光導波路，對來自圖中所未顯示的CW雷射光源的光進行導光，且與具有偏光保持功能的光纖(未圖示)相連接。
輸入光導波路2中所傳播的光，被作為第1分支光導波路的3dB分支光導波路3等分，分別進入構成Mach-Zehnder(MZ)型光導波路的臂部(arm)的光導波路作用部4。
該光導波路作用部4的附近，配置有圖中未顯示的調製電極以及接地電極所構成的控制電極，根據加載在調製電極上的信號，對光導波路作用部4中所傳播的光進行相位調製。相位調製之後，各個導波光在第2分支光導波路5中合波，生成互相之間幹涉而使強度受到了調製的信號光。
信號光在輸出光導波路6中傳播，並被圖中所未顯示的輸出光纖取出到光調製器模塊的外部。
另外，光導波路作用部4的附近，形成有夾著該光導波路作用部4的溝(圖中未顯示)，使得配置在光導波路作用部4之上的調製電極以及接地電極所產生的電場，集中作用於該光導波路作用部4。作為溝的形成方法，可以在形成SiO2等的緩衝層之前，對基板進行蝕刻或通過噴砂等，進行侵蝕、切削來形成。
接下來，對作為本發明的特徵的、凹部上的控制電極中所設置的應力緩和機構進行說明。
圖3至圖5是說明在圖1的單點劃線A處，切斷本發明的光調製器的情況下的剖面形狀的示意圖，圖4、圖5中只顯示了基板表面附近的形狀。
另外，圖6(a)是說明在圖1的單點劃線A處，切斷本發明的光調製器的情況下的剖面形狀的立體圖，圖6(b)(c)(d)是說明從LN基板的上方看形成在凹部中的控制電極的情況下的控制電極的形狀的示意圖。
圖3中所示的本發明的實施方式1的特徵在於，關於構成1個接地電極的23、24、25各電極部分的厚度，使得凹部12上的接地電極部分24的厚度，比凹部以外部分上的接地電極部分23、25的厚度薄。最好使其比該凹部12的窪部深度還要薄，通過這樣，能夠進一步提高應力緩和效果。關於凹部12上的接地電極部分24的具體厚度是30000以下，最好將其控制為20000以下，通過這樣，由於即使與凹部上以外的接地電極部分23、25的厚度(一般的光調製器中所使用的控制電極的厚度約為20μm)或脊部的溝的深度的約10μm相比，其厚度也足夠薄，因此能夠充分抑制該凹部上的接地電極部分24以及接地電極部分23、25所產生的應力集中在凹部12的側面。
另外，使凹部上的接地電極部分24的厚度為100以上，最好是500以上，通過這樣，即使在光調製器的製造工序所利用的成膜技術中，也不會產生接地電極部分斷線等問題，從而能夠穩定地製造光調製器。
圖3中所示的接地電極部分23、24、25的製造方法有在形成Ti·Au的電極圖形之後，通過光敏抗蝕劑膜來掩蓋接地電極部分24，通過鍍金等來形成數十μm高的接地電極部分23、25的方法，以及，在形成電極圖形之後的鍍金處理中，對接地電極24不進行鍍金處理，之後，將接地電極部分23、25形成到所需要的高度的方法，以及，在鍍金處理之後，通過光敏抗蝕劑膜等將接地電極部分23、25保護起來，將接地電極部分24蝕刻到給定的深度的方法等。
圖4中所示的本發明的實施方式2的特徵在於，凹部12與接地電極部分26之間設有空間30。通過這樣，由於接地電極不與凹部12直接接觸，因此接地電極部分23、25、26所產生的應力不會影響到凹部12的側面。
圖4中所示的上述接地電極部分的製造方法是，在形成電極圖形之前，在凹部12上形成升高(lift off)層，之後進行電極圖形的形成以及鍍金處理等，再將該升高層去除，通過這樣來形成。
圖5中所示的本發明的實施方式3的特徵在於，接地電極部分23與25之間，通過帶狀或線等細線形狀的導線27相連接。通過這樣，由於沒有與凹部12直接接觸的接地電極，因此，凹部12的側面不會受到接地電極所產生的應力的影響。並且，由於細線具有一定的柔軟性，不會將接地電極部分23、25所產生的應力互相傳遞，而且即使產生反作用力，也不會由於金屬疲勞等原因而導致細線27斷線等，效果十分優越。
圖5中所示的接地電極部分23、25、27的製造方法是，通過電極圖形的形成以及鍍金處理來形成接地電極部分23、25，之後，通過引線接合法等將細線7分別連接到接地電極部分23、25上。
圖6中所示的本發明的實施方式4的特徵在於，凹部上的控制電極為條紋狀或格子形狀。圖6(a)中，條紋形成在垂直於凹部的長邊方向的方向上，圖6(b)中，使條紋相對該長邊方向傾斜。另外，圖6(c)中凹部上的控制電極形成為格子形狀，圖6(d)中，使格子相對上述長邊方向傾斜。
通過構成這樣的條紋形狀或格子形狀，能夠通過條紋形狀或格子形狀所具有的空間部分來吸收控制電極的熱膨脹，降低加載給凹部的側面的應力。另外，由於條紋形狀或格子形狀的部分，與其他控制電極部分相比機械強度較低，因此，控制電極整體所產生的應力變形能夠被該凹部上的控制電極的機械變形所吸收，緩和傳遞給基板表面的來自控制電極的應力。
尤其是，如圖6(b)所示，通過使條紋形狀傾斜，能夠緩和對凹部側面的垂直應力。
另外，圖6中所顯示的是直線形狀的控制電極，但也可以通過波紋線等曲線來形成。另外，條紋形狀或格子形狀的間隔，並不局限於固定間隔的情況，例如，還可以使要求控制電極電阻率低的部分較密，使要求電阻率較高的部分較疏，這樣來變化間隔。
表IX列表表示出當該元件用於第二離散狀態下時，對於λ2和λ3輻射束mh水405的臺階高度引起的相位改變，其中m為臺階高度整數。
表IX

表IX表示對於偶數值的m，對於λ1和λ2輻射束引入的相位改變近似相同。從而存在可用於將類似的波前修正引入λ1和λ2輻射束中的六個不同的臺階高度。
表X給出了從NPS的徑向中點開始，具有五個徑向區域的NPS的臺階的高度和寬度。在第二離散狀態下，NPS對於λ2輻射束產生大致平坦的波前修正，並且對於λ3輻射束近似為包括散焦和球面像差的波前修正。
表X

另外，上述實施方式中對使用Z向切割基板的MZ型LN光調製器的例子進行了說明，但本發明也能夠適用於使用具有電光學效應的其他基板材料的光調製器、具有其他形狀的光導波路的光調製器。
並且，作為本發明的一種應用，可以在上述本發明的構成的基礎上，為了改善光調製器的各種特性，而根據需要來添加公知的技術，例如，為了防止電場在光導波路上集中或微波向基板外洩露，而去除基板的內面的一部分等，這一點是不言而喻的。
如上所述，通過本發明的光調製器，能夠緩和因光調製器內的溫度變化所引起的、基板與控制電極之間所產生的應力，特別是集中作用於基板表面上所形成的凹部的應力，防止包含有光導波路的基板中的應力變形所引起的光調製器的惡化。
從而能夠提供一種實現了長期穩定驅動的光調製器。
權利要求
1.一種光調製器，其具有由具有電光學效應的材料所製成的基板，以及設置在該基板上的光導波路，以及對在該光導波路內所導波的光的相位進行控制的控制電極，在上述基板的形成控制電極的面上設有凹部，其特徵在於，在形成於該凹部上的上述控制電極上設有應力緩和機構。
2.如權利要求1所述的光調製器，其特徵在於，該應力緩和機構，將該凹部上的控制電極的厚度，形成為比凹部上以外的控制電極的厚度薄。
3.如權利要求1或2所述的光調製器，其特徵在於，該應力緩和機構，將該凹部上的控制電極的厚度，形成為比該凹部的窪部深度薄。
4.如權利要求2或3所述的光調製器，其特徵在於，該凹部上的控制電極的厚度為30000～500。
5.如權利要求1所述的光調製器，其特徵在於，該應力緩和機構，在設有該凹部的基板面與該凹部上的控制電極之間形成空間。
6.如權利要求1至5中任一項所述的光調製器，其特徵在於，該應力緩和機構，將該凹部上的控制電極形成為條紋形狀或格子形狀。
7.如權利要求1所述的光調製器，其特徵在於，該應力緩和機構的構成為，該凹部上的控制電極是連接與該凹部相鄰的非凹部上所形成的控制電極的細線。
8.如權利要求1至7中任一項所述的光調製器，其特徵在於，該基板是具有在垂直於基板表面的方向上，能夠通過電光學效應來最高效地變更折射率的結晶軸的方向的基板。
9.如權利要求1至8中任一項所述的光調製器，其特徵在於，該控制電極由調製電極與接地電極構成，上述應力緩和機構形成在接地電極上。
全文摘要
本發明的目的在於提供一種能夠緩和形成在光調製器內的基板表面上的凹部中所產生的應力，抑制包含有光導波路的基板內的應力變形所引起的光調製控制的惡化，實現了長期穩定的驅動的光調製器。本發明的光調製器具有由具有電光學效應的材料所製成的基板，以及設置在該基板上的光導波路(4)，以及對在該光導波路內所導波的光的相位進行控制的控制電極(20～25)，在上述基板的形成控制電極的面上設有凹部(12)，其特徵在於，該凹部上所形成的上述控制電極(24)上設有應力緩和機構。
文檔編號G02F1/035GK1682144SQ0382173
公開日2005年10月12日 申請日期2003年9月10日 優先權日2002年9月12日
發明者神力孝, 坂本敏弘, 慄原雅尚, 菅又徹, 宮崎德一 申請人:住友大阪水泥股份有限公司