專利名稱：光控制元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光控制元件，特別涉及在厚度為10 μ m以下的具有電光效應(yīng)的薄板上形成光波導(dǎo)以及控制電極，并且在同一薄板上設(shè)置有多個(gè)光控制部的光控制元件。
背景技術(shù)：
在長距離光纖通信或特殊光測量、光控制等技術(shù)領(lǐng)域，使用光開關(guān)(光路切換、切斷型)，特別是使用利用了鈮酸鋰(LN)等電光效應(yīng)的光開關(guān)。作為光開關(guān)等光控制元件， 與機(jī)械式開關(guān)相比，多使用電子式的波導(dǎo)型光開關(guān)，這是因?yàn)椴▽?dǎo)型光開關(guān)沒有可動(dòng)部，所以適合于高速切換(切換速度ns以下)以及集成化。此外，目前，提出了多種利用了鈮酸鋰(LN)等電光(EO)效應(yīng)的光波導(dǎo)型光開關(guān)。關(guān)于使用鈮酸鋰的光開關(guān)的歷史，在非專利文獻(xiàn)1和2中進(jìn)行了詳細(xì)的記載。在使用EO晶體材料中的介電常數(shù)最低，適合于高速工作的LN的超高速光開關(guān)的開發(fā)中，是可以進(jìn)行數(shù)字開關(guān)，有利于小型化的類型。已經(jīng)提出了內(nèi)部反射(Total Internal Refection :TIR)型、Y 分支(Y-Branch)型、非對(duì)稱 X 公差(Asymmetric X-branch)型的光開關(guān)。此外，在非專利文獻(xiàn)3中公開了原理上尺寸變大的平衡橋 (balanced bridge) Μ。例如，圖1 (a)是內(nèi)部反射型開關(guān)，通過在交叉點(diǎn)25配置的控制電極3對(duì)在基板1 上形成的交叉的光波導(dǎo)21 M進(jìn)行開關(guān)。圖1 (b)是平衡橋型開關(guān)，設(shè)置接近2條光波導(dǎo) 41,42的部分43和44，通過對(duì)控制電極31、32施加的電壓，調(diào)整在光波導(dǎo)中傳播的光波的相位，控制由于接近部分44的光波引起的光波導(dǎo)的改換。在圖1中，省略了構(gòu)成控制電極的接地電極的記載。并且，圖2是Y分支型開關(guān)，(a)是平面圖，(b)是(a)的X-X的剖面圖。在基板1 上形成了脊型光波導(dǎo)51 53，構(gòu)成Y分支型的光波導(dǎo)。在分支的光波導(dǎo)52以及53中，經(jīng)由緩沖層71以及72形成了信號(hào)電極33以及34。此外，以包圍光波導(dǎo)的方式形成了接地電極61以及62。通過調(diào)整對(duì)信號(hào)電極33以及34施加的電壓，從光波導(dǎo)51入射的光波中，向光波導(dǎo)52以及53分支的光波的強(qiáng)度變化，實(shí)現(xiàn)了光開關(guān)的功能。作為全體的開發(fā)趨勢，光開關(guān)的技術(shù)開發(fā)趨于停滯，其原因在于，在使用現(xiàn)有的以 LN作為材料的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或電極結(jié)構(gòu)時(shí)，為了得到足夠的消光比使驅(qū)動(dòng)電壓過高，無法通過實(shí)用級(jí)別的高速驅(qū)動(dòng)電路的輸出電壓得到足夠的消光比。在此所說的“消光比高”與“串?dāng)_低”為相同含義。此外，作為EO效應(yīng)大于LN的材料，具有KTN(鉭鈮酸鉀)、PLZT(鋯鈦酸鉛鑭)、 BT(鈦酸鋇)等，這些材料由于在GHz頻帶中的介電常數(shù)非常大，所以無論具有怎樣的電極結(jié)構(gòu)，都會(huì)由于電極容量導(dǎo)致的工作帶寬限制，難以進(jìn)行GHz頻帶或其以上速度下的工作。另一方面，本申請(qǐng)人在專利文獻(xiàn)1中，公開了用于劃時(shí)代地降低LN光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電壓的結(jié)構(gòu)。該發(fā)明在用于LN基板上的光調(diào)制器中，能夠?qū)崿F(xiàn)微波與光波的速度匹配以及微波的阻抗匹配，并且，能夠大幅降低驅(qū)動(dòng)電壓。驅(qū)動(dòng)電壓的降低有利于光波導(dǎo)元件自身的小型化，具有能夠使用成本更低的低電壓型驅(qū)動(dòng)裝置等優(yōu)點(diǎn)。專利文獻(xiàn)1國際公開W02007/114367號(hào)專利文獻(xiàn)2美國專利公開2009-263068號(hào)專利文獻(xiàn)3日本特開平6489341號(hào)公報(bào)非專禾Ij文獻(xiàn) l0ptical Switching, Springer US, 2006, ISBN978-0-387-26141-6Chapter2禾Iji· 2Electro—optic Switch for Photonic Network, H. Nakajima, Technical Report of IEICE, PS2002-15,200非專利文獻(xiàn)3信學(xué)技報(bào)，vol. 109、No. 159、0PE2009-63，pp. 181-184,2009 年 7
月

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的課題在于解決上述問題，提供一種能夠進(jìn)行高速驅(qū)動(dòng)且能夠進(jìn)一步降低驅(qū)動(dòng)電壓的光控制元件。為了解決上述課題，權(quán)利要求1涉及的發(fā)明的特征為在包括具有電光效應(yīng)且厚度為10 μ m以下的薄板、在該薄板上形成的光波導(dǎo)、以及用于控制在該光波導(dǎo)中傳播的光的多個(gè)光控制部的光控制元件中，在該光控制部的至少一部分上，用于對(duì)該光波導(dǎo)施加電場的控制電極由夾著該薄板配置的第1電極和第2電極構(gòu)成，該第1電極具有信號(hào)電極和接地電極，并且該第2電極至少具有接地電極，構(gòu)成為與第1電極的信號(hào)電極協(xié)作來對(duì)該光波導(dǎo)施加電場，多個(gè)光控制部之間通過僅在薄板的表面上配置的共面型線路、在薄板的表面上配置的共面型線路和在背面配置的接地電極、或者微帶線中的任意一種構(gòu)成的控制信號(hào)配線來連接，光和電信號(hào)的到達(dá)時(shí)間被設(shè)定為大致相同。本發(fā)明中的共面型線路(CPW)不僅包含在平面上兩個(gè)接地電極夾著信號(hào)線而構(gòu)成的線路，還包含在平面上信號(hào)線與接地電極成對(duì)的線路(共面帶線CPS)。此外，本發(fā)明中的“到達(dá)時(shí)間大致相同，，是指在驅(qū)動(dòng)光控制元件時(shí)，在能夠充分達(dá)成作為光控制元件的功能的范圍內(nèi)，允許達(dá)到各光控制部的光與電信號(hào)的達(dá)到時(shí)間的偏差。例如，在控制信號(hào)(信號(hào)頻率為數(shù)GHz 300GHz左右)的相位不產(chǎn)生偏差的范圍內(nèi)允許。權(quán)利要求2的發(fā)明在權(quán)利要求1的光控制元件中，其特征為該光控制部是光路切換型的光開關(guān)、光衰減器、馬赫-曾德爾光調(diào)制器中的任意一種。權(quán)利要求3的發(fā)明在權(quán)利要求1或權(quán)利要求2記載的光控制元件中，其特征為該光控制部是以hs以下的切換速度或者以IGHz以上的頻率進(jìn)行工作的電光元件。權(quán)利要求4的發(fā)明在權(quán)利要求1至3的任意一項(xiàng)中記載的光控制元件中，其特征為構(gòu)成該第1電極的信號(hào)電極以及接地電極的厚度大致相同。本發(fā)明的“信號(hào)電極以及接地電極的厚度大致相同”是指同時(shí)形成信號(hào)電極和接地電極，結(jié)果使各電極的厚度相同，在同時(shí)形成時(shí)由于制造不均等原因使厚度局部不相同的情況，也包含在本發(fā)明的允許范圍內(nèi)。權(quán)利要求5的發(fā)明在權(quán)利要求1至4的任意一項(xiàng)中記載的光控制元件中，其特征為該薄板為LiNbO3晶體、LiTaO3晶體、或兩者的固溶體晶體中的任意一種。
根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)明，因?yàn)樵诎ň哂须姽庑?yīng)且厚度為10 μ m以下的薄板、在該薄板上形成的光波導(dǎo)、以及用于控制在該光波導(dǎo)中傳播的光的多個(gè)光控制部的光控制元件中，在該光控制部的至少一部分上，用于對(duì)該光波導(dǎo)施加電場的控制電極由夾著該薄板配置的第1電極和第2電極構(gòu)成，該第1電極具有信號(hào)電極和接地電極，并且該第2電極至少具有接地電極，構(gòu)成為與第1電極的信號(hào)電極協(xié)作來對(duì)該光波導(dǎo)施加電場，多個(gè)光控制部之間通過僅在薄板的表面上配置的共面型線路、在薄板的表面上配置的共面型線路以及在背面配置的接地電極、或者微帶線中的任意一種構(gòu)成的控制信號(hào)配線來連接，光和電信號(hào)的到達(dá)時(shí)間被設(shè)定為大致相同，所以通過第1電極與第2電極協(xié)作，能夠降低光控制部中的驅(qū)動(dòng)電壓，并且通過控制信號(hào)配線的結(jié)構(gòu)，能夠確保微波的折射率和阻抗調(diào)整的設(shè)計(jì)自由度，所以能夠通過控制信號(hào)配線在低損失的狀態(tài)下對(duì)于多個(gè)光控制部供給控制信號(hào)。根據(jù)權(quán)利要求2的發(fā)明，因?yàn)楣饪刂撇渴枪饴非袚Q型的光開關(guān)、光衰減器、馬赫-曾德爾光調(diào)制器中的任意一種，所以還能夠組合這些各光控制部來構(gòu)成集成化的光控制元件。根據(jù)權(quán)利要求3的發(fā)明，因?yàn)楣饪刂撇渴且訧ns以下的切換速度或者以IGHz以上的頻率進(jìn)行工作的電光學(xué)元件，所以通過采用上述權(quán)利要求的結(jié)構(gòu)，能夠容易地達(dá)成適于高速驅(qū)動(dòng)的、驅(qū)動(dòng)電壓的降低以及光和電信號(hào)的速度/時(shí)機(jī)一致等。根據(jù)權(quán)利要求4的發(fā)明，因?yàn)闃?gòu)成第1電極的信號(hào)電極以及接地電極的厚度大致相同，所以能夠同時(shí)形成兩個(gè)電極。根據(jù)權(quán)利要求5的發(fā)明，因?yàn)楸“鍨長iNbO3晶體、LiTaO3晶體、或兩者的固溶體晶體中的任意一種，所以能夠容易地實(shí)現(xiàn)光和電信號(hào)(微波)的速度匹配，并且阻抗調(diào)整也變得容易，能夠提供可高速驅(qū)動(dòng)的光控制元件。


圖1表示光開關(guān)的例子，(a)是內(nèi)部反射型，(b)是平衡橋型。圖2說明Y分支型光開關(guān)，(a)是平面圖，(b)是剖面圖。圖3說明采用了 G-CPW電極結(jié)構(gòu)的光開關(guān)，(a)是剖面圖，(b)是平面圖。圖4表示使光開關(guān)多級(jí)化的光控制元件的例。圖5是在圖4的光控制元件中表示控制電極配線的圖。圖6表示在光開關(guān)的后級(jí)配置了多個(gè)衰減器的光控制元件的例子。圖7說明具有反射型光波導(dǎo)的光控制元件，(a)是整體的平面圖，(b)或(C)說明反射部附近的控制電極的形狀。
具體實(shí)施例方式以下詳細(xì)說明本發(fā)明的光控制元件。本發(fā)明在包括具有電光效應(yīng)且厚度為10 μ m以下的薄板、在該薄板上形成的光波導(dǎo)、以及用于控制在該光波導(dǎo)中傳播的光的多個(gè)光控制部的光控制元件中，在該光控制部的至少一部分上，用于對(duì)該光波導(dǎo)施加電場的控制電極由夾著該薄板配置的第1電極和第 2電極構(gòu)成，該第1電極具有信號(hào)電極和接地電極，并且該第2電極至少具有接地電極，構(gòu)成為與第1電極的信號(hào)電極協(xié)作來對(duì)該光波導(dǎo)施加電場，多個(gè)光控制部之間通過僅在薄板的表面上配置的共面型線路、在薄板的表面上配置的共面型線路和在背面配置的接地電極、 或者微帶線中的任意一種構(gòu)成的控制信號(hào)配線來連接，光和電信號(hào)的到達(dá)時(shí)間被設(shè)定為大致相同。圖3說明作為在本發(fā)明的光控制元件中采用的光控制部的一例的光開關(guān)，特別是說明Y分支型光開關(guān)的例子。圖3 (a)表示圖3(b)的箭頭X-X’的剖面圖，圖3(b)是僅圖示了光波導(dǎo)部分的平面圖。附圖標(biāo)記1是具有電光效應(yīng)且厚度為IOym以下的薄板，在該薄板上形成了脊型的光波導(dǎo)51 53。在薄板1的上表面以及下表面設(shè)置有緩沖層73、74， 起到抑制與緩沖層接觸配置的電極吸收光波的作用。用于對(duì)光開關(guān)的光波導(dǎo)52、53施加電場的控制電極由夾著該薄板1配置的第1電極和第2電極構(gòu)成，該第1電極至少由信號(hào)電極33、34和接地電極61、62構(gòu)成。在圖3中， 成為通過接地電極夾著信號(hào)電極的共面型電極結(jié)構(gòu)，但是還可以是在薄板的表面上僅配置信號(hào)電極，在背面配置了接地電極的微帶線。第2電極至少配置接地電極63，構(gòu)成為與第1 電極的信號(hào)電極33、34協(xié)作而對(duì)光波導(dǎo)52、53施加電場(圖中的實(shí)線箭頭)。為了增強(qiáng)薄板1的機(jī)械強(qiáng)度，在薄板1的背面?zhèn)冉?jīng)由粘接層8配置并固定了加強(qiáng)板9。為了驅(qū)動(dòng)圖3的Y分支型光開關(guān)，例如，對(duì)信號(hào)電極33以及34施加驅(qū)動(dòng)電壓(士V)， 從光波導(dǎo)51入射的光波a根據(jù)驅(qū)動(dòng)電壓的施加狀態(tài)，調(diào)整在Y分支部分支后輸出的輸出光 b以及c的強(qiáng)度比。本發(fā)明的第1特征在于，如圖3(a)所示，對(duì)于在薄板1上形成的光波導(dǎo)52、53，通過由在薄板的一面?zhèn)扰渲玫牡?電極和在另一面?zhèn)扰渲玫牡?電極構(gòu)成，提高了對(duì)光波導(dǎo)施加的電場效率，使光控制部的驅(qū)動(dòng)電壓降低。通過這樣配置電極，能夠改善電光(EO)作用效率，將EO設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電壓降低至目前的1/2至1/4左右。此外，在構(gòu)成使光和電信號(hào)速度匹配的行波電極時(shí)，各元件能夠進(jìn)行GHz頻帶(切換速度為Ins以下)中的工作，還能夠進(jìn)行數(shù)十GHz (切換速度在數(shù)十ps以下)中的工作。并且，如專利文獻(xiàn)1那樣，通過使用脊型波導(dǎo)，能夠進(jìn)一步提高電場效率。然后，本發(fā)明的第2特征在于，使光開關(guān)等光控制部多級(jí)化，謀求消光比等光學(xué)特性的改善。當(dāng)然，作為波導(dǎo)型光開關(guān)的基本元件，可以使用上述的內(nèi)部反射(TIR)型、Y分支型、X分支型等。例如，如圖4所示，使TIR型光開關(guān)為兩級(jí)結(jié)構(gòu)。第1光開關(guān)(SWl)由光波導(dǎo)的交叉部204以及在該交叉部設(shè)置的控制電極301構(gòu)成。第2光開關(guān)(SW2)通過光波導(dǎo)的交叉部207以及在該交叉部設(shè)置的控制電極302構(gòu)成。附圖標(biāo)記201 209是光波導(dǎo)，光波導(dǎo) 205連接兩個(gè)光開關(guān)。在圖4中，省略了構(gòu)成控制電極的接地電極的記載。在圖5以及圖6 中也同樣省略?！憷秒姽庑?yīng)的數(shù)字型光開關(guān)并非進(jìn)行閾值的0N/0FF工作，即使是適當(dāng)電壓以下的電壓，也在消光比不足的情況下進(jìn)行光路切換工作。因此，在驅(qū)動(dòng)電路的電壓不足時(shí)，進(jìn)行多級(jí)化來提高消光比是現(xiàn)實(shí)的選擇。多級(jí)使用同樣用于改善光開關(guān)的消光比的功能元件是公知的手段，例如，在專利文獻(xiàn)2中，表示了在光開關(guān)的后級(jí)，連接可變光衰減器來實(shí)現(xiàn)高消光比的結(jié)構(gòu)。此外，不僅僅是為了補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)電路的電壓不足，通過多級(jí)使用光學(xué)特性差的元件，可以得到高的消光比。
如圖4所示，由于引入光控制部的多級(jí)化而產(chǎn)生的制約是各光控制部中的電信號(hào)與光信號(hào)的同步。為了設(shè)備整體的高頻工作、寬帶工作，需要后級(jí)的光控制部的與信號(hào)光的速度對(duì)應(yīng)的適當(dāng)?shù)难舆t同步驅(qū)動(dòng)。越是高速，該問題的影響越大。例如，即使各光開關(guān)執(zhí)行高速的切換工作，當(dāng)各光開關(guān)的同步產(chǎn)生偏差時(shí)，在實(shí)效上開關(guān)的切換速度變慢，成為在光路切換即刻之前或即刻之后產(chǎn)生信號(hào)缺失、衰減或失真的原因。在通過了第1光開關(guān)(SWl)的光信號(hào)通過后級(jí)的第2光開關(guān)(SW2)時(shí)，按照與SWl 中進(jìn)行的方向切換操作和所接受的操作完全相同的模式和時(shí)機(jī)(控制信號(hào)的相位)進(jìn)行光路切換操作，由此來改善上述問題。為了解決問題，原理上能夠采用以下的方法準(zhǔn)備多個(gè)系列的相同模式的控制信號(hào)，與光信號(hào)通過SW1、SW2的時(shí)間相吻合地控制各光開關(guān)?；蛘?， 將一個(gè)模式的控制信號(hào)進(jìn)行多路分支，經(jīng)由適當(dāng)?shù)难舆t時(shí)間的信號(hào)延遲線等來控制后級(jí)的 Sff 2 O但是，這些方法導(dǎo)致控制電路或配線圖形的增加或復(fù)雜化，不是現(xiàn)實(shí)的方法。在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，串聯(lián)連接前后的光開關(guān)等光控制部的控制電極，來進(jìn)行控制。關(guān)于前后的光控制部之間的配線電極的結(jié)構(gòu)，使用G-CPW(在基板的表面上通過信號(hào)線和夾著信號(hào)線的接地電極形成共面型線路，在相反一側(cè)的背面配置接地電極的結(jié)構(gòu))、CPW(僅在基板的表面上配置共面型線路的結(jié)構(gòu))、微帶線中的任意一種，或者它們的組合。優(yōu)選在配線的途中線路阻抗不變化的結(jié)構(gòu)，但是在本發(fā)明中引入的粘合(脊型)波導(dǎo)基板的結(jié)構(gòu)中，能夠成型的電極的設(shè)計(jì)自由度極高，容易實(shí)現(xiàn)上述條件。在粘合(脊型)波導(dǎo)基板中，在使用相同寬度、高度的熱電極形成了 G-CPW電極、 CPff電極、微帶線電極時(shí)，針對(duì)電信號(hào)(控制信號(hào))的折射率(微波折射率)，為1.5<CPW 的折射率< G-CPW的折射率(約為2、<微帶線的折射率< 5。S卩，可以在需要大的延遲量的配線部中使用微帶線電極，在需要提前量的配線部中使用CPW電極。在此，熱電極的寬度和高度并非在整個(gè)配線部中進(jìn)行了規(guī)定，可以適當(dāng)?shù)刈兏?，但是關(guān)于熱電極的高度，從制造工藝上能夠通過一次工序成型的費(fèi)用方面的觀點(diǎn)出發(fā)，希望為相同的高度。在為本發(fā)明的構(gòu)成時(shí)，即使規(guī)定高度，控制信號(hào)的延遲提前量的調(diào)整、阻抗的調(diào)整也可以通過G-CPW、CPff電極的熱間隙、埋入電極的有無、熱電極寬度的設(shè)定來恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行。一般，現(xiàn)有的配線基板上的CPW電極、G-CPW或微帶線的配線與微波傳播的位置 (高度)有很大差異，連接損失大。因此，不同時(shí)使用這些配線。即，雖然部分地進(jìn)行在相同的基板上混合使用不同系列的信號(hào)線，但是不會(huì)通過同一基板上的相同的配線相互直接接合。
與此相對(duì)，如本發(fā)明那樣，CPW、G-CPW、微帶線在同一基板上的低損失連接，在LN 基板這樣的高介電常數(shù)(相對(duì)介電常數(shù)觀 48)的IOym以下的極薄的配線基板中，是初次發(fā)現(xiàn)的特性。在使用現(xiàn)有的厚基板的構(gòu)成的情況下，難以得到小于2的折射率，需要采取使熱電極從基板上浮起，或者經(jīng)由低介電常數(shù)的厚膜形成熱電極的結(jié)構(gòu)。在不具有埋入電極層，僅在薄基板上粘合了加強(qiáng)基板的波導(dǎo)基板的情況下，與使用厚基板時(shí)相比，雖然能夠改善控制信號(hào)的延遲量提前量的調(diào)整的自由度，但是因?yàn)椴荒懿扇≌凵渎蚀蟮奈Ь€的結(jié)構(gòu)，難以在保持阻抗匹配的同時(shí)得到大的延遲量。因此，為了得到需要的延遲量而研究使電極迂回、折疊等。如在專利文獻(xiàn)1中記載的那樣，在通過加強(qiáng)板使用LN基板，具有脊型波導(dǎo)和G-CPW 電極結(jié)構(gòu)的光控制元件中，容易得到光的速度和微波的速度的匹配。因此，在圖4那樣的簡單的二級(jí)結(jié)構(gòu)中，如果使連接光控制部之間的控制信號(hào)配線通過與光波導(dǎo)大致相同的路徑，則控制信號(hào)的時(shí)機(jī)自然而然地吻合。并且，關(guān)于今后的設(shè)備，預(yù)測向同一基板的高度集成化，預(yù)想使用將光波導(dǎo)彎曲成 U字型S字型的結(jié)構(gòu)、引入了光波導(dǎo)的反射折返的結(jié)構(gòu)、3級(jí)以上多重化的結(jié)構(gòu)，需要能夠?qū)崿F(xiàn)控制信號(hào)的大幅延遲或提前的配線。如本發(fā)明那樣，使用薄板，并且適當(dāng)?shù)亟M合CPW、 G-CPW、微帶線來使用光控制部之間的配線，由此能夠提高微波速度(微波折射率)以及阻抗的設(shè)計(jì)自由度，本發(fā)明的技術(shù)特別是在這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高度集成的結(jié)構(gòu)的方面，產(chǎn)業(yè)價(jià)值高。圖5在圖4的光控制元件上明示配線。例如，在構(gòu)成光控制元件的薄板上，作為加強(qiáng)板，通過粘接劑粘合了鈮酸鋰基板。IlR型光開關(guān)與圖3的Y分支型光開關(guān)相同，在薄板上形成脊型波導(dǎo)，進(jìn)行G-CPW結(jié)構(gòu)的電極配置。通過使用這兩個(gè)TIR型光開關(guān)(控制電極301、302)，即使在開關(guān)元件為一級(jí)時(shí)以無法得到足夠的消光比的電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過使用兩級(jí)能夠得到需要的消光比。并且，通過如圖5那樣配線，驅(qū)動(dòng)電路為一個(gè)系列即可，不會(huì)因?yàn)槭褂脙蓚€(gè)開關(guān)元件導(dǎo)致耗電上升，所以能夠通過低驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。構(gòu)成TIR型光開關(guān)的各光開關(guān)(SWl、SW2)的電極是G-CPW結(jié)構(gòu)(在圖5中，省略了薄板表面的接地電極。此外，在薄板的背面在屬于光開關(guān)的區(qū)域形成了接地電極)，但是各光開關(guān)之間通過CPW電極(省略了薄板表面的接地電極。此外，在薄板的背面，沒有配置接地電極)進(jìn)行了配線連接。在光控制部彼此的連接之間，為了避免向光波導(dǎo)施加配線電極的信號(hào)，對(duì)光信號(hào)施加相位調(diào)制，而使光波導(dǎo)與連接配線成為離開不作用的距離的其他路徑，但是通過采用CPW電極，降低微波的折射率，與光波的傳播速度相比提高了微波的傳播速度。結(jié)果，把控制信號(hào)從第1光開關(guān)(SWl)到達(dá)第2光開關(guān)(SW2)所需要的時(shí)間設(shè)定為與光信號(hào)所需要的時(shí)間相等。S卩，因?yàn)榕渚€電極的長度比SWl和SW2的光控制部之間的光波導(dǎo)的長度長，所以需要使相對(duì)于電極的微波的折射率Nm小于相對(duì)于光波導(dǎo)的光的折射率No，對(duì)于元件間連接配線的大部分使用CPW電極。此外，以使配線的各部都為恒定的方式設(shè)定阻抗。使用粘接劑在薄板上粘合加強(qiáng)基板，并且在該薄板上形成脊型波導(dǎo)的光控制元件中，光閉鎖強(qiáng)，即使以小半徑彎曲損失也小。因此，還可以采用使光波導(dǎo)迂回、對(duì)電極連接配線進(jìn)行取短的結(jié)構(gòu)。此時(shí)，需要使相對(duì)于電極的微波的折射率Nm大于相對(duì)于光波導(dǎo)的光的折射率No，能夠進(jìn)行如下的設(shè)定對(duì)于連接光控制部之間的配線的大部分，使用加大了熱電極與接地電極間隔的G-CPW電極，或者對(duì)于配線的一部分使用折射率大的微帶線電極， 來得到恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間延遲量。在本發(fā)明的光控制元件中使用的薄板是具有電光效應(yīng)的晶體基板，具體地說，可以使用鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)、PLZT (鋯鈦酸鉛鑭)以及石英類材料以及它們的組合。特別是由于容易實(shí)現(xiàn)高電光效應(yīng)、光和電信號(hào)(微波)的速度匹配，并且還容易調(diào)整阻抗，作為能夠高速驅(qū)動(dòng)的基板，優(yōu)選使用LiNbO3晶體、LiTaO3晶體、或者兩者的固溶體晶體。作為光波導(dǎo)的形成方法，可以采用熱擴(kuò)散法或質(zhì)子交換法等使Ti等在基板表面上擴(kuò)散來形成。此外，可以像專利文獻(xiàn)3那樣，在薄板的表面上與光波導(dǎo)的形狀相符合地形成脊，來構(gòu)成光波導(dǎo)?？梢酝ㄟ^形成Ti -Au的電極圖形以及鍍金方法等來形成信號(hào)電極、接地電極等控制電極。此外，還可以根據(jù)需要使用透明電極，使用作為ITO或紅外透明導(dǎo)電膜的h和Ti 的復(fù)合氧化物膜等。關(guān)于透明電極，可以使用通過光刻法形成電極圖形，然后通過剝離法來形成的方法、以使規(guī)定的電極圖形殘留的方式形成掩模材料，然后通過干蝕刻或濕蝕刻來形成的方法等。在與薄板間經(jīng)由SiO2膜等緩沖層配置了各電極。在緩沖層中具有防止在光波導(dǎo)中傳播的光波被控制電極吸收或者散亂的效果。此外，作為緩沖層的結(jié)構(gòu)，根據(jù)需要為了緩和薄板1的熱電效應(yīng)，還能夠加入Si膜等。在接地電極和薄板之間存在的緩沖層能夠省略，但是關(guān)于位于薄板的光波導(dǎo)和接地電極之間的緩沖層，隨著薄板變薄，在光波導(dǎo)中傳播的光波的模場直徑變得與薄板的厚度大致相等，由于在薄板背面?zhèn)刃纬傻牡?電極(接地電極)導(dǎo)致光波被吸收或者發(fā)生散亂，所以優(yōu)選保留該部分的緩沖層。此外，在控制信號(hào)配線越過光波導(dǎo)的部分，為了抑制對(duì)于在光波導(dǎo)中傳播的光波的影響，也能夠配置緩沖層。關(guān)于包含光控制元件的薄板的制造方法，在具有數(shù)百μ m的厚度的基板上形成上述的光波導(dǎo)，研磨基板的背面，做成具有IOym以下的厚度的薄板。然后在薄板的表面上做出控制電極。此外，還可以在做出了光波導(dǎo)和控制電極等之后，研磨基板的背面。當(dāng)施加形成光波導(dǎo)時(shí)產(chǎn)生的熱沖擊或者由于各種處理時(shí)的薄膜處理產(chǎn)生的機(jī)械沖擊等時(shí)，還存在薄板損壞的危險(xiǎn)，所以優(yōu)選在研磨基板使其變薄之前進(jìn)行容易施加這些熱沖擊或機(jī)械沖擊的工序。對(duì)于粘接在薄板上的加強(qiáng)基板，可以使用各種材料，例如除了使用與薄板相同的材料之外，還可以使用石英、玻璃、氧化鋁等介電常數(shù)低于薄板的材料，或者還可以使用具有與薄板不同的晶體方位的材料。其中，選擇與薄板同等的線膨脹系數(shù)的材料，有助于使光調(diào)制元件的調(diào)制特性相對(duì)于溫度變化穩(wěn)定。假設(shè)在難以選定同等的材料時(shí)，對(duì)于接合薄板和加強(qiáng)基板的粘接劑選擇具有與薄板同等的線膨脹系數(shù)的材料。在薄板與加強(qiáng)基板的接合中，作為粘接劑，可以使用環(huán)氧樹脂類粘接劑、熱固化粘接劑、紫外線固化粘接劑、焊料玻璃、熱固化、光固化或者因光增粘性的樹脂粘接劑片等各種粘接材料。光控制部的控制電極、光控制部之間的控制信號(hào)配線，選擇CPW、G_CPW、微帶線型， 在調(diào)整阻抗、折射率時(shí)，熱電極寬度、熱電極與接地電極的間隔、有無埋入電極(在薄板的背面設(shè)置的接地電極)等設(shè)計(jì)上的自由度高，即使在增長光波導(dǎo)、連接配線中的任意一方的情況下，也可以在使無論哪個(gè)部分的電極的高度都保持恒定的狀態(tài)下使光信號(hào)與控制信號(hào)的到達(dá)時(shí)間一致。在使電極的高度恒定時(shí)，可以同時(shí)形成控制電極、控制信號(hào)配線，可以簡化制造工藝的工序。本發(fā)明的光控制元件在形成了(脊型)光波導(dǎo)的薄板上粘接了加強(qiáng)基板，能夠形成CPW、G-CPW、微帶線等多樣的電極。并且，在使用鈮酸鋰這樣的高介電常數(shù)的薄板時(shí)，可以低損失地相互連接這些電極等，發(fā)揮了微波的折射率和阻抗的調(diào)整的設(shè)計(jì)自由度高的特征。關(guān)于微波的設(shè)計(jì)自由度，能夠在薄板的背面配置接地電極等電極層這一點(diǎn)是不可或缺的。關(guān)于光波導(dǎo)，不必為脊型，非脊型、平板波導(dǎo)均可，在選擇電光(EO)作用部的效率、光波導(dǎo)的彎曲等光學(xué)特性時(shí)，能夠選擇恰當(dāng)?shù)牟▽?dǎo)形狀。在圖5中表示了通過一個(gè)控制信號(hào)配線連接了兩個(gè)光控制部的例子，但是還可以在通過前級(jí)的光控制部之后，使控制信號(hào)配線分支，在后級(jí)并聯(lián)連接多個(gè)光控制部。這種情況下，為了高速穩(wěn)定地工作，需要根據(jù)分支比恰當(dāng)?shù)卦O(shè)定各個(gè)分支配線的阻抗。此外，在圖5所示的實(shí)施例中，前級(jí)和后級(jí)的光控制部使用了相同的光學(xué)元件，但是還可以根據(jù)設(shè)備的要求功能，恰當(dāng)?shù)厥褂镁邆洳煌δ艿墓鈱W(xué)元件。圖6是對(duì)于配置為 X型的光波導(dǎo)210 213設(shè)置了光開關(guān)(電極310)，在其后級(jí)，配置了折射型光衰減器(電極311、31幻和反射型光衰減器(電極313、314)的例子。這種情況下，也設(shè)定各光控制部之間的配線的路徑和延遲/提前時(shí)間，與光信號(hào)到達(dá)各光控制部的時(shí)間相吻合地使控制信號(hào)到達(dá)。在入射角度低的IlR型光開關(guān)中，由于光控制部的電極形狀和尺寸，控制信號(hào)在光控制部內(nèi)的延遲成為問題。其原因在于，在IlR型光開關(guān)中，需要根據(jù)在全反射部中的光的浸出深度來加大電極的寬度，在G-CPW結(jié)構(gòu)或微帶線結(jié)構(gòu)中粗的電極的微波折射率Nm增大。這種情況下，將光控制部之間的配線電極的微波折射率Nm設(shè)定為小于光波導(dǎo)的光波的折射率No，在設(shè)備整體中使到達(dá)時(shí)間吻合。圖7是分割配置一個(gè)馬赫-曾德爾光調(diào)制器的光控制部，通過控制信號(hào)配線將其之間連接的例子。此時(shí)，構(gòu)成了光波導(dǎo)220 225通過配置在基板端面的反射部件100被折返的馬赫-增德爾型波導(dǎo)?？刂齐姌O由信號(hào)電極320和接地電極600以及601形成的共面電極、配置在薄板1的背面上的未圖示的接地電極構(gòu)成。圖7(b)說明了通過光波導(dǎo)的折返部，短于光波導(dǎo)的長度地使控制信號(hào)配線折返的情況。此時(shí)，關(guān)于附圖標(biāo)記321表示的部分，為了使控制信號(hào)配線的折射率大于光波導(dǎo)的折射率，例如使用微帶線，能夠通過較短的配線確保延遲時(shí)間，能夠使到達(dá)時(shí)間差吻合。此外，圖7(c)說明了在光波導(dǎo)的折返部，與光波導(dǎo)的長度相等或者長于該光波導(dǎo)的長度地使控制信號(hào)配線折返的情況。在該情況下，由于對(duì)于附圖標(biāo)記322表示的部分，使控制信號(hào)的折射率等于或者小于光波導(dǎo)的折射率，因而例如能夠使用G-CPW結(jié)構(gòu)或COW結(jié)構(gòu)，使光波與微波的達(dá)到時(shí)間差吻合。在把本發(fā)明的光控制元件用于光開關(guān)時(shí)，可以期待以下多個(gè)優(yōu)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)高速寬帶的光開關(guān)，改善(降低)光開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓，消耗電力降低，通過使用低成本的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來降低用戶的費(fèi)用，設(shè)備尺寸減小改善了元件內(nèi)的集成度，并且，由于尺寸減小使得從晶圓能取得的設(shè)備的數(shù)量增加，使成本降低。在本發(fā)明的光控制元件中，對(duì)于光控制部，如上所述，可以使用光路切換型光開關(guān)、光衰減器、馬赫-增德爾光調(diào)制器中的任意一種。因此，可以構(gòu)成組合這些各個(gè)光控制部而集成化的光控制元件。此外，在本發(fā)明的光控制元件中，光控制部能夠配置以Ins以下的切換速度、或者以IGHz以上的頻率進(jìn)行工作的電光學(xué)元件，特別是在薄板上形成多級(jí)的光控制部，在各光控制部的電極和控制信號(hào)配線使用CPW、G-CPW、微帶線等結(jié)構(gòu)，能夠容易達(dá)成適合于高速驅(qū)動(dòng)的、驅(qū)動(dòng)電壓降低，光和電信號(hào)的速度、時(shí)機(jī)的一致等。工業(yè)實(shí)用性如上所述，根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種能夠進(jìn)行高速驅(qū)動(dòng)，能夠進(jìn)一步降低驅(qū)動(dòng)電壓的光控制元件。
權(quán)利要求
1.一種光控制元件，包括具有電光效應(yīng)且厚度為10 μ m以下的薄板、在該薄板上形成的光波導(dǎo)、以及用于控制在該光波導(dǎo)中傳播的光的多個(gè)光控制部，其特征在于，在該光控制部的至少一部分上，用于對(duì)該光波導(dǎo)施加電場的控制電極由夾著該薄板配置的第1電極和第2電極構(gòu)成，該第1電極具有信號(hào)電極和接地電極，并且該第2電極至少具有接地電極，構(gòu)成為與第 1電極的信號(hào)電極協(xié)作來對(duì)該光波導(dǎo)施加電場，多個(gè)光控制部之間通過僅在薄板的表面上配置的共面型線路、在薄板的表面上配置的共面型線路和在背面配置的接地電極、或者微帶線中的任意一種構(gòu)成的控制信號(hào)配線來連接，光和電信號(hào)的到達(dá)時(shí)間被設(shè)定為大致相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光控制元件，其特征在于，該光控制部是光路切換型的光開關(guān)、光衰減器、馬赫-曾德爾光調(diào)制器中的任意一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光控制元件，其特征在于，該光控制部是以Ins以下的切換速度或者IGHz以上的頻率進(jìn)行工作的電光元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3的任意一項(xiàng)所述的光控制元件，其特征在于， 構(gòu)成該第1電極的信號(hào)電極以及接地電極的厚度大致相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4的任意一項(xiàng)所述的光控制元件，其特征在于，該薄板為LiNbO3晶體、LiTaO3晶體、或兩者的固溶體晶體中的任意一種。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠進(jìn)行高速驅(qū)動(dòng)，能夠進(jìn)一步降低驅(qū)動(dòng)電壓的光控制元件。在包括具有電光效應(yīng)且厚度為10μm以下的薄板(1)、在該薄板上形成的光波導(dǎo)(52、53)、以及用于控制在該光波導(dǎo)中傳播的光的多個(gè)光控制部的光控制元件中，在該光控制部的至少一部分上，用于對(duì)該光波導(dǎo)施加電場的控制電極由夾著該薄板配置的第1電極和第2電極構(gòu)成，該第1電極具有信號(hào)電極(33、34)和接地電極(61、62)，并且該第2電極至少具有接地電極(63)，構(gòu)成為與第1電極的信號(hào)電極協(xié)作來對(duì)該光波導(dǎo)施加電場，多個(gè)光控制部之間通過僅在薄板的表面上配置的共面型線路、在薄板的表面上配置的共面型線路和在背面配置的接地電極、或者微帶線中的任意一種構(gòu)成的控制信號(hào)配線來連接，光和電信號(hào)的到達(dá)時(shí)間被設(shè)定為大致相同。
文檔編號(hào)G02F1/035GK102445771SQ20111030697
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者市岡雅之, 市川潤一郎, 須藤正明 申請(qǐng)人:住友大阪水泥股份有限公司