CN1682144A

CN1682144A - 光调制器

Info

Publication number: CN1682144A
Application number: CN03821733.3A
Authority: CN
Inventors: 神力孝; 坂本敏弘; 栗原雅尚; 菅又彻; 宫崎德一
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2023-09-10
Also published as: US7292739B2; EP1542063B1; WO2004025358A1; CN100410732C; JP2004157500A; EP1542063A4; US20060147145A1; EP1542063A1; JP3640390B2

Abstract

本发明的目的在于提供一种能够缓和形成在光调制器内的基板表面上的凹部中所产生的应力，抑制包含有光导波路的基板内的应力变形所引起的光调制控制的恶化，实现了长期稳定的驱动的光调制器。本发明的光调制器具有：由具有电光学效应的材料所制成的基板，以及设置在该基板上的光导波路(4)，以及对在该光导波路内所导波的光的相位进行控制的控制电极(20～25)，在上述基板的形成控制电极的面上设有凹部(12)，其特征在于，该凹部上所形成的上述控制电极(24)上设有应力缓和机构。

Description

光调制器

技术领域

本发明涉及一种光的调制、光路切换等光控制元件中所使用的光调制器，特别是涉及一种在构成光调制器的基板上有凹部，该凹部上形成有对光的相位进行控制的控制电极的光调制器。

背景技术

近年来对于高速、大容量信息通信的需要不断增长，与此相对应，光通信越来越引人注目，其中，使用具有电光学效应的基板材料，并在该基板内形成有光导波路的光调制器，作为适用于宽带频率中的光通信的光控制器件广为人知。

另外，作为光调制器，特别是作为适用于高密度波长多重化(DWDM)或高速通信化的光调制器，使用采用了铌酸锂(LN)等具有电光学效应的材料的Mach-Zehnder(MZ)型外部光调制器(以下称作LN光调制器)，对来自CW(Continuous Wave)激光的光进行调制的光调制器已经实用化了。

作为MZ型外部光调制器的构成，如图1所示，从输入用光导波路2所输入的光，被Y字型分支光导波路3两等分，导波到2个光导波路4(通过作为控制电极的调制电极与接地电极所形成的电场的作用，在内部传播的光受到相位控制的光导波路。以下称作光导波路作用部)中的光，被另一个Y字型分支光导波路5所合波，经输出用光导波路6，向外出射调制光。这些光导波路，是在具有电光学效应的基板1的表面上，将Ti等高折射率材料通过热扩散所形成的。图1中，为了使光导波路的形状更加清楚，而省略了形成在基板1上的调制电极、接地电极等控制电极的图示。

近年来，关于这样的具有光导波路的光调制器，例如特开平10-90638号公报中公布了一种具有脊部构造的光导波路。该光导波路如图2所示，为了通过控制电极(调制电极21、接地电极20、22)有效地对光导波路4进行电场作用，通过在光导波路4的两侧形成凹部(沟)10、11、12来设置突条(脊部)，使得控制电极所形成的电场，集中作用于光导波路。

另外，图2中显示了在图1中所示的单点划线A处，将MZ型光调制器，在垂直于光导波路作用部4的方向上切断时5的剖面图。图2中所示的7表示通过SiO₂等所形成的缓冲层。

但是，图2中所示的光调制器中，形成有横跨凹部10的接地电极22。因此，由于光调制器的长时间驱动以及输入给光调制器的驱动功率的增大等原因，以接地电极等控制电极部为中心而温度上升，由于形成有凹部12的基板与凹部12上所形成的接地电极之间的热膨胀率的差，接地电极所产生的应力集中在以凹部的侧面为中心处，该应力导致基板内产生应力变形。由于该应力变形使包含有光导波路的基板的折射率发生变化，因此，在稳定地对通过光调制器内的光导波路的光的相位进行控制时，成为一个很大的障碍。

另外，这样的应力集中所产生的应力变形，并不仅限于上述MZ型光调制器，在形成光调制器的基板表面形成凹部，并形成有横跨该凹部的接地电极等电极的情况下，这种现象是共通的。尤其是在光导波路形成在凹部附近的情况下，应力变形对光调制控制的影响更加显著。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够解决上述问题，缓和形成在光调制器内的基板表面上的凹部中所产生的应力，抑制包含有光导波路的基板内的应力变形所引起的光调制控制的恶化，实现了长期稳定的驱动的光调制器。

为了解决上述问题，本发明之一的光调制器具有：由具有电光学效应的材料所制成的基板，以及设置在该基板上的光导波路，以及对在该光导波路内所导波的光的相位进行控制的控制电极，在上述基板的形成控制电极的面上设有凹部，其特征在于，在形成于该凹部上的上述控制电极上设有应力缓和机构。

根据本发明之一，即使在由于控制电极与基板的热膨胀率的差，而在控制电极与基板之间产生应力的情况下，由于形成在凹部上的控制电极上设有缓和应力的机构，因此，尤其能够抑制集中在凹部侧面上的应力，防止应力变形所引起的光调制器的不稳定化。

另外，本发明之二的特征在于，在本发明之一的光调制器中，该应力缓和机构，将该凹部上的控制电极的厚度，形成为比凹部上以外的控制电极的厚度薄。

另外，作为优选方式，本发明之三的特征在于，该应力缓和机构，比该凹部的洼部深度薄。

根据本发明之二，由于凹部上的控制电极的厚度比凹部上以外的控制电极的厚度薄，因此，能够将凹部上的控制电极自身所产生的热膨胀的应力，控制为比该凹部上以外的控制电极所产生的低。并且，由于凹部上控制电极的机械强度比该凹部上以外的控制电极弱，因此，控制电极整体所产生的应力变形能够被该凹部上的控制电极的机械变形所吸收，缓和从控制电极向基板表面的应力传递，尤其是能够防止应力集中在凹部的侧面上。

另外，作为优选方式，本发明之三将凹部上的控制电极的厚度，形成为比该凹部的洼部深度薄，通过这样，能够使得凹部上的控制电极加载给凹部侧面的应力仅限于局部并能够使其较小。并且，由于该凹部上的控制电极，与形成凹部的侧面的基板相比，机械强度较低，因此，能够进一步抑制加载给凹部侧面的应力。

本发明之四的特征在于，在本发明之二或本发明之三的光调制器中，该凹部上的控制电极的厚度为30000～500。

根据本发明之四，将凹部上的控制电极的厚度控制在30000以下，最好将其控制为20000以下，通过这样，由于即使一般的光调制器中所使用的控制电极的厚度约为20μm或脊部的沟的深度约为4～10μm，与此相比，其厚度也足够薄，因此能够充分抑制该凹部上的控制电极加载给凹部的侧面的应力。

另外，使凹部上的控制电极的厚度为100以上，最好是500以上，通过这样，即使在光调制器的制造工序所利用的成膜技术中，也能够确保厚度为能够稳定地制造的导通线的膜厚以上。

本发明之五的特征在于，在本发明之一的光调制器中，该应力缓和机构，在设有该凹部的基板面与该凹部上的控制电极之间形成空间。

根据本发明之五，设有凹部的基板面与该凹部上的控制电极之间形成空间，基板面与控制电极不接触，因此，能够避免给该凹部的基板面、特别是凹部的侧面加载控制电极的应力。

另外，作为优选方式，可以使设有该凹部的基板面上的控制电极的厚度，比凹部上以外的该基板面上的控制电极薄，其厚度为1～10μm则尤为理想。

本发明之六的特征在于，在本发明之一至本发明之五中任一个所述的光调制器中，该应力缓和机构，将该凹部上的控制电极形成为条纹形状或格子形状。

根据本发明之六，由于凹部上的控制电极形状为条纹形状或格子形状，因此，即使在凹部上的控制电极热膨胀的情况下，由于控制电极能够向该条纹形状或该格子形状所形成的空间部分内膨胀，因此可以抑制集中在凹部侧面的应力。并且，由于条纹形状或格子形状的部分，与其他控制电极相比机械强度较低，因此，控制电极整体所产生的应力变形能够被该凹部上的控制电极的机械变形所吸收，缓和从控制电极向基板表面的应力传递。另外，通过与本发明之二至本发明之五中任一个所述的构成相组合，能够更加有效地抑制应力向凹部的侧面集中。

另外，本发明之七的特征在于，在本发明之一的光调制器中，该应力缓和机构的构成为，该凹部上的控制电极是连接与该凹部相邻的非凹部上所形成的控制电极的细线。

根据本发明之七，由于通过细线连接与凹部相邻的非凹部上所形成的控制电极，因此，作为凹部上的控制电极的细线自身几乎不产生给光调制带来影响的应力，并且由于切断了非凹部上所形成的控制电极所产生的应力，向凹部上的传播，因此能够抑制给凹部的侧面加载控制电极的应力。

另外，本发明之八的特征在于，在本发明之一至本发明之七中任一个所述的光调制器中，该基板是具有在垂直于基板表面的方向上，能够通过电光学效应来最高效地变更折射率的结晶轴的方向的基板。

在使用具有在垂直于基板表面的方向上，通过电光学效应能够最高效地变更折射率的结晶轴的方向的基板(以下称作Z向切割基板)，作为光调制器的基板的情况下，由于必须在垂直于基板表面的方向上加载电场，因此为了有效地进行对光导波路的电场作用，有时候夹住光导波路而在其两侧形成沟。根据本发明之八，通过将本发明之一至本发明之七中任一个所述的在凹部上所形成的控制电极中设置应力缓和机构的技术，适用于具有这样的Z向切割基板的光调制器中，能够提供一种具有更加优越的性能的光调制器。

另外，本发明之九的特征在于，在本发明之一至本发明之八中任一个所述的光调制器中，该控制电极为接地电极。

如本发明之一至本发明之八中任一个所述的在凹部上所形成的控制电极中设置应力缓和机构的构成，由于在应力缓和机构的前后，控制电极的电阻值或形状是不连续变化的，因此在传播高频微波的情况下，很容易引起反射或向控制电极外的放射，所以，在将控制电极用作调制电极时，光调制器的特性有可能恶化。因此，通过如本发明之九所述，将设有应力缓和机构的控制电极作为接地电极，从而能够提供一种具有更加优越的性能的光调制器。

附图说明

图1为说明Mach-Zehnder型光调制器的图。

图2为以前的光调制器的剖面图。

图3为说明本发明的实施方式1的光调制器的剖面图。

图4为说明本发明的实施方式2的光调制器的剖面图。

图5为说明本发明的实施方式3的光调制器的剖面图。

图6为说明本发明的实施方式4的光调制器的剖面图。

具体实施方式

下面通过优选实施方式对本发明进行详细说明。

作为构成光调制器的基板，由具有电光学效应的材料，例如由铌酸锂(LiNbO₃；以下称作LN)、钽酸锂(LiTaO₃)、PLZT(锆钛酸铅镧)以及石英类材料所构成，特别是从容易构成光导波路器件，且各向异性较大的理由出发，最好使用LiNbO₃结晶、LiTaO₃结晶或由LiNbO₃以及LiTaO₃所构成的固溶体结晶。本实施方式中，以使用铌酸锂(LN)的例子为中心进行说明。

另外，对使用作为光调制器基板的结晶轴的方向，具有在垂直于基板表面的方向上，通过电光学效应能够最高效地变更折射率的结晶轴的方向的基板，也即所谓的Z向切割(Z-cut)基板的例子进行说明，但本发明并不仅限于Z向切割基板。

作为制造光调制器的方法，有如下几种：让Ti在LN基板上热扩散从而形成光导波路，接下来，不设置覆盖基板的一部分或全体的缓冲层，而在LN基板上直接形成电极的方法；以及为了降低光导波路中的光的传播损耗，在LN基板上设置电介质SiO₂等缓冲层，进一步还在它上面形成Ti·Au的电极图形以及镀金等，通过这样来构成数十μm高的调制电极以及接地电极，间接形成相应电极的方法。

一般来说，将1片LN晶片制作成多个光调制器，最后通过将各个光调制器的芯片(chip)切离，制造出光调制器。

下面以图1中所示的MZ型光调制器为例，作为本发明的实施方式进行说明。

1为LN基板，如上所述，通过Ti内部扩散等，在该基板表面形成光导波路。2为输入光导波路，对来自图中所未显示的CW激光光源的光进行导光，且与具有偏光保持功能的光纤(未图示)相连接。

输入光导波路2中所传播的光，被作为第1分支光导波路的3dB分支光导波路3等分，分别进入构成Mach-Zehnder(MZ)型光导波路的臂部(arm)的光导波路作用部4。

该光导波路作用部4的附近，配置有图中未显示的调制电极以及接地电极所构成的控制电极，根据加载在调制电极上的信号，对光导波路作用部4中所传播的光进行相位调制。相位调制之后，各个导波光在第2分支光导波路5中合波，生成互相之间干涉而使强度受到了调制的信号光。

信号光在输出光导波路6中传播，并被图中所未显示的输出光纤取出到光调制器模块的外部。

另外，光导波路作用部4的附近，形成有夹着该光导波路作用部4的沟(图中未显示)，使得配置在光导波路作用部4之上的调制电极以及接地电极所产生的电场，集中作用于该光导波路作用部4。作为沟的形成方法，可以在形成SiO₂等的缓冲层之前，对基板进行蚀刻或通过喷砂等，进行侵蚀、切削来形成。

接下来，对作为本发明的特征的、凹部上的控制电极中所设置的应力缓和机构进行说明。

图3至图5是说明在图1的单点划线A处，切断本发明的光调制器的情况下的剖面形状的示意图，图4、图5中只显示了基板表面附近的形状。

另外，图6(a)是说明在图1的单点划线A处，切断本发明的光调制器的情况下的剖面形状的立体图，图6(b)(c)(d)是说明从LN基板的上方看形成在凹部中的控制电极的情况下的控制电极的形状的示意图。

图3中所示的本发明的实施方式1的特征在于，关于构成1个接地电极的23、24、25各电极部分的厚度，使得凹部12上的接地电极部分24的厚度，比凹部以外部分上的接地电极部分23、25的厚度薄。最好使其比该凹部12的洼部深度还要薄，通过这样，能够进一步提高应力缓和效果。关于凹部12上的接地电极部分24的具体厚度是30000以下，最好将其控制为20000以下，通过这样，由于即使与凹部上以外的接地电极部分23、25的厚度(一般的光调制器中所使用的控制电极的厚度约为20μm)或脊部的沟的深度的约10μm相比，其厚度也足够薄，因此能够充分抑制该凹部上的接地电极部分24以及接地电极部分23、25所产生的应力集中在凹部12的侧面。

另外，使凹部上的接地电极部分24的厚度为100以上，最好是500以上，通过这样，即使在光调制器的制造工序所利用的成膜技术中，也不会产生接地电极部分断线等问题，从而能够稳定地制造光调制器。

图3中所示的接地电极部分23、24、25的制造方法有：在形成Ti·Au的电极图形之后，通过光敏抗蚀剂膜来掩盖接地电极部分24，通过镀金等来形成数十μm高的接地电极部分23、25的方法，以及，在形成电极图形之后的镀金处理中，对接地电极24不进行镀金处理，之后，将接地电极部分23、25形成到所需要的高度的方法，以及，在镀金处理之后，通过光敏抗蚀剂膜等将接地电极部分23、25保护起来，将接地电极部分24蚀刻到给定的深度的方法等。

图4中所示的本发明的实施方式2的特征在于，凹部12与接地电极部分26之间设有空间30。通过这样，由于接地电极不与凹部12直接接触，因此接地电极部分23、25、26所产生的应力不会影响到凹部12的侧面。

图4中所示的上述接地电极部分的制造方法是，在形成电极图形之前，在凹部12上形成升高(lift off)层，之后进行电极图形的形成以及镀金处理等，再将该升高层去除，通过这样来形成。

图5中所示的本发明的实施方式3的特征在于，接地电极部分23与25之间，通过带状或线等细线形状的导线27相连接。通过这样，由于没有与凹部12直接接触的接地电极，因此，凹部12的侧面不会受到接地电极所产生的应力的影响。并且，由于细线具有一定的柔软性，不会将接地电极部分23、25所产生的应力互相传递，而且即使产生反作用力，也不会由于金属疲劳等原因而导致细线27断线等，效果十分优越。

图5中所示的接地电极部分23、25、27的制造方法是，通过电极图形的形成以及镀金处理来形成接地电极部分23、25，之后，通过引线接合法等将细线7分别连接到接地电极部分23、25上。

图6中所示的本发明的实施方式4的特征在于，凹部上的控制电极为条纹状或格子形状。图6(a)中，条纹形成在垂直于凹部的长边方向的方向上，图6(b)中，使条纹相对该长边方向倾斜。另外，图6(c)中凹部上的控制电极形成为格子形状，图6(d)中，使格子相对上述长边方向倾斜。

通过构成这样的条纹形状或格子形状，能够通过条纹形状或格子形状所具有的空间部分来吸收控制电极的热膨胀，降低加载给凹部的侧面的应力。另外，由于条纹形状或格子形状的部分，与其他控制电极部分相比机械强度较低，因此，控制电极整体所产生的应力变形能够被该凹部上的控制电极的机械变形所吸收，缓和传递给基板表面的来自控制电极的应力。

尤其是，如图6(b)所示，通过使条纹形状倾斜，能够缓和对凹部侧面的垂直应力。

另外，图6中所显示的是直线形状的控制电极，但也可以通过波纹线等曲线来形成。另外，条纹形状或格子形状的间隔，并不局限于固定间隔的情况，例如，还可以使要求控制电极电阻率低的部分较密，使要求电阻率较高的部分较疏，这样来变化间隔。

对形成在凹部中的控制电极的空隙率与光调制器的频率特性之间的关系进行调查，得到如表1所示的结果。

在Z向切割LN基板上，通过Ti热扩散形成光导波路，之后，在该基板表面上形成0.5μm的SiO₂缓冲层。

接下来，通过干蚀刻来形成深5μm、宽20μm的凹部。之后，通过蒸镀方法形成作为基层的Ti层以及Au层后，作为电极层通过镀金法在Au层上形成厚20μm的电极，来作为控制电极。这样所形成的光调制器的剖面图具有图2中所示的形状。

为了对控制电极的空隙率的变化进行调查，而变更图6(a)中所示的条纹形状的间隔或长度，使得空隙率如表1所示，在0～100％之间变化。

作为光调制器的频率特性，测量了偏压(bias)点的温度特性与频率通过特性。偏压点的温度特性试验中，在从0℃到70℃之间变化的温度环境中，对光调制器的DC偏压变化(漂移)量进行测量。作为评价方法，设漂移量为2V以下的为○，2V至5V以下的为△，大于5V的为×。

另外，在频率通过特性试验中，用光输出检测器来测定光调制器的光输出，检查脉动(ripple)的产生状况，作为评价方法，设几乎没有产生脉动的为○，产生了小脉动的为△，产生了大脉动的为×。

【表1】

凹部上的控制电极的空隙率与频率特性之间的关系

空隙率％	0	10	25	50	75	90	100
空隙率％	0	10	25	50	75	90	100	温度特性	×	△	○	○	○	○	○
通过特性	○	○	○	○	○	△	×	温度特性	×	△	○	○	○	○	○

根据表1的结果，空隙率为10～90％的范围内偏压点的温度特性以及频率的通过特性良好，特别是当空隙率为25～75％时，能够实现相当好的特性。

另外，上述图6中所示的实施方式4，还能够与实施方式1或实施方式2相组合，通过这样能够有效地抑制对凹部侧面的应力。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限于上述实施例的范围，为了防止光调制器的控制电极所产生的应力给基板带来影响，特别是为了消除集中在基板的凹部侧面的应力，代替上述的技术构成，采用该技术领域中所公知的应力缓和机构的情况，也属于本发明的范围内。

另外，上述实施方式中对使用Z向切割基板的MZ型LN光调制器的例子进行了说明，但本发明也能够适用于使用具有电光学效应的其他基板材料的光调制器、具有其他形状的光导波路的光调制器。

并且，作为本发明的一种应用，可以在上述本发明的构成的基础上，为了改善光调制器的各种特性，而根据需要来添加公知的技术，例如，为了防止电场在光导波路上集中或微波向基板外泄露，而去除基板的内面的一部分等，这一点是不言而喻的。

如上所述，通过本发明的光调制器，能够缓和因光调制器内的温度变化所引起的、基板与控制电极之间所产生的应力，特别是集中作用于基板表面上所形成的凹部的应力，防止包含有光导波路的基板中的应力变形所引起的光调制器的恶化。

从而能够提供一种实现了长期稳定驱动的光调制器。

Claims

1.一种光调制器，其具有：由具有电光学效应的材料所制成的基板，以及设置在该基板上的光导波路，以及对在该光导波路内所导波的光的相位进行控制的控制电极，在上述基板的形成控制电极的面上设有凹部，其特征在于，在形成于该凹部上的上述控制电极上设有应力缓和机构。

2.如权利要求1所述的光调制器，其特征在于，该应力缓和机构，将该凹部上的控制电极的厚度，形成为比凹部上以外的控制电极的厚度薄。

3.如权利要求1或2所述的光调制器，其特征在于，该应力缓和机构，将该凹部上的控制电极的厚度，形成为比该凹部的洼部深度薄。

4.如权利要求2或3所述的光调制器，其特征在于，该凹部上的控制电极的厚度为30000～500。

5.如权利要求1所述的光调制器，其特征在于，该应力缓和机构，在设有该凹部的基板面与该凹部上的控制电极之间形成空间。

6.如权利要求1至5中任一项所述的光调制器，其特征在于，该应力缓和机构，将该凹部上的控制电极形成为条纹形状或格子形状。

7.如权利要求1所述的光调制器，其特征在于，该应力缓和机构的构成为，该凹部上的控制电极是连接与该凹部相邻的非凹部上所形成的控制电极的细线。

8.如权利要求1至7中任一项所述的光调制器，其特征在于，该基板是具有在垂直于基板表面的方向上，能够通过电光学效应来最高效地变更折射率的结晶轴的方向的基板。

9.如权利要求1至8中任一项所述的光调制器，其特征在于，该控制电极由调制电极与接地电极构成，上述应力缓和机构形成在接地电极上。