DE69737430T2

DE69737430T2 - Optischer Wellenleitermodulator mit Wanderwellenelektroden

Info

Publication number: DE69737430T2
Application number: DE69737430T
Authority: DE
Inventors: Tohru Funabashi City Sugamata; Yasuyuki Funabashi City Miyama; Takashi Funabashi City Shinriki
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 1996-06-14
Filing date: 1997-06-10
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2017-06-11
Also published as: EP0813092A1; EP0813092B1; DE69737430D1; CA2207715C; US5748358A; CA2207715A1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Wellenleitermodulator zur Verwendung in einem Lichtleiterkommunikationssystem Mit hoher Kapazität und hoher Geschwindigkeit und betrifft insbesondere einen optischen Wellenleitermodulator, der eine gewünschte charakteristische Impedanz und einen effektiven Brechnugsindex für ein Mikrowellensignal aufweist und mit einer hohen Geschwindigkeit bei einer niedrigen Antriebsspannung arbeiten kann.
VERWANDTE TECHNIK
In einem aktuellen Lichtleiterkommunikationssystem mit hoher Kapazität und hoher Geschwindigkeit wird bisher ein externer Modulator verwendet, statt eines direkten Modulators, bei dem eine Laserdiode direkt moduliert wird. Bei dem externen Modulator wurde ein optischer Wellenleitermodulator vorgeschlagen, bei dem ein Wellenleiter in einem Substrat gebildet ist, das aus einem Material mit einer elektrooptischen Wirkung besteht, wie etwa aus Lithiumniobat LiNbO₃, nachfolgend der Einfachheit halber LN genannt. Bei einem der bekannten externen optischen Wellenleitermodulatoren sind auf einer Oberfläche des Substrats Wanderwellenelektroden entlang des optischen Wellenleiters bereitgestellt.
In dem optischen Wellenleitermodulator mit Wanderwellenelektroden ist es erforderlich, unerwünschte Reflektion eines elektrischen Signals so weit wie möglich zu unterdrücken. Zu diesem Zweck sollte die charakteristische Impedanz des optischen Modulators mit der eines Treibers zum Betreiben des Modulators übereinstimmen. Für gewöhnlich beträgt die charakteristische Impedanz des Treibers 50 Ω, und somit muss die charakteristische Impedanz des optischen Modulators auf 50 Ω eingestellt werden. Außerdem sollte, um die Modulationsbandbreite zu vergrößern, die Reisegeschwindigkeit eines Mikrowellensignals über die heiße Elektrode so weit wie möglich identisch mit der Geschwindigkeit der Lichtwellenausbreitung entlang des optischen Wellenleiters gemacht werden. Das heißt, die Übereinstimmung von Geschwindigkeiten ist wichtig. Da jedoch LN eine sehr große dielektrische Konstante aufweist, ist eine Geschwindigkeit des Mikrowellensignals, das sich über die heiße Elektrode bewegt, geringer als die der Lichtwelle, und somit konnte die Übereinstimmung der Geschwindigkeiten kaum erzielt werden.
Es wurden Techniken nach dem Stand der Technik vorgeschlagen, um die oben genannten Probleme zu lösen. Zum Beispiel lehren die Japanische Patentschrift 7-13711, die Japanische Patent-Auslegeschrift Nr. 2-51123 und die Japanische Patent-Auslegeschrift Nr. 2-93423 mehrere verschiedene Lösungen. In diesen Patentschriften nach dem Stand der Technik wird, um die Übereinstimmung der Geschwindigkeiten durch eine Verringerung des effektiven Brechungsindex für das Mikrowellensignal zu erreichen, wird die Dicke der heißen Elektrode erhöht, wird die Dicke der Pufferschicht erhöht, ist zwischen den Elektroden eine Vertiefung in der Substratoberfläche gebildet oder ist ein Überhang in einer Oberfläche der Elektrode gebildet.
1A ist eine Perspektivansicht, die einen bekannten externen optischen Wellenleitermodulator darstellt, und 1B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 1A. Dieser bekannte externe optische Modulator ist ein Mach-Zehnder-Intensitätsmodulator mit zwei optischen Wellenleitern. Der optische Modulator umfasst ein Substrat 1 aus einem Material mit einer elektrooptischen Wirkung. In diesem Beispiel ist das Substrat 1 aus einer in Z-Richtung geschnittenen Platte LN gebildet. In einem Oberflächenbereich des Substrats 1 sind zwei optische Wellenleiter 2a und 2b parallel zueinander gebildet. Wie in 1A dargestellt, sind diese optischen Wellenleiter 2a und 2b an ihren beiden Enden miteinander vereint, um die optischen Wellenleiter der Eingangs- und der Ausgangsseite 2c und 2d zu bilden. Ein eingangsseitiger Lichtleiter 6 ist optisch mit dem eingangsseitigen optischen Wellenleiter 2c verbunden, und zwischen den eingansseitigen Lichtleiter 6 und den eingangsseitigen Wellenleiter 2c ist ein mehrschichtiger Polarisator 7 eingelegt. Ein ausgangsseitiger Lichtleiter 8 ist optisch mit dem ausgangsseitigen optischen Wellenleiter 2d gekoppelt. Die optischen Wellenleiter 2a–2d sind durch Herbeiführen einer thermischen Diffusion von Ti in die Oberfläche des Substrats 1 gebildet. Auf der Oberfläche des Substrats 1 ist eine Pufferschicht 3 gebildet, und es sind eine heiße Elektrode 4 und zwei Masseelektroden 5a und 5b auf der Pufferschicht 3 bereitgestellt. Eine Eingangsseite der heißen Elektrode 4 ist an eine Mikrowellensignalquelle 9 angeschlossen, und eine Ausgangsseite der heißen Elektrode 4 ist an einen Lastwiderstand 10 mit 50 Ω angeschlossen.
Unter den elektrooptischen Konstanten des LN-Substrats 1 ist r₃₃ die größte, und daher ist diese am wirksamsten, wenn ein elektrisches Feld in der Z-Richtung des Substrats 1 angelegt wird, d.h. in einer Richtung der Dicke. Daher ist die heiße Elektrode 4 über dem optischen Wellenleiter 2a, wie in 1 B dargestellt, derart bereitgestellt, dass das elektrische Feld in der Z-Richtung effektiv an den optischen Wellenleiter angelegt wird. Die heiße Elektrode 4 weist eine Breite W_c auf, die im Wesentlichen gleich der Breite W_f des optischen Wellenleiters 2a ist, um die Wechselwirkung zwischen der sich entlang des optischen Wellenleiters ausbreitenden Lichtwelle und dem elektrischen Feld zu verstärken.
2 und 3 sind schematische Querschnittsansichten, die die Wechselwirkung zwischen der sich entlang des optischen Wellenleiters 2a ausbreitenden Lichtwelle und dem elektrischen Feld F darstellen. In 2 ist die Breite W_e der heißen Elektrode 4 im Wesentlichen gleich der Breite W_f des optischen Wellenleiters 2a, und in 3 ist die Breite W_e der heißen Elektrode 4 kleiner als die Breite W_f des optischen Wellenleiters 2a. In 2 quert das elektrische Feld F wirksam den optischen Wellenleiter 2a, und es entsteht eine starke Wechselwirkung zwischen der Lichtwelle und dem elektrischen Feld F. Da die Amplitude der Antriebsspannung der Mikrowelle vom Grad der Wechselwirkung bestimmt wird, ist die in 2 dargestellte Anordnung eine bevorzugte Konfiguration für eine geringere Antriebsspannung als die in 3 dargestellte. Auf diese Weise sollte die heiße Elektrode 4 eine Breite W_e aufweisen, die im Wesentlichen identisch mit der des optischen Wellenleiters 2a ist.
Die Breite W_f des optischen Wellenleiters 2a hängt von dem Prozesszustand des Wellenleiters und der Wellenlänge der sich entlang des optischen Wellenleiters ausbreitenden Lichtwelle ab und beträgt etwa 10 μm für den optischen Single-Mode-Ti-Diffusions-Wellenleiter mit einer Wellenlänge von λ = 1,5 μm.
4 ist ein typisches Profil, das eine Intensitätsverteilung der sich entlang des optischen Wellenleiters 2a ausbreitenden Lichtwelle darstellt. In dem Fall, dass der optische Wellenleiter 2a durch Herbeiführen einer thermischen Diffusion von Ti in das LN-Substrat 1 gebildet ist, wird die Intensitätsverteilung der Lichtwellen eine Gaußsche Verteilung. Aus 4 kann abgeleitet werden, dass die gesamte Breite der sich entlang des optischen Wellenleiters 2a ausbreitenden Lichtwelle bei etwa 20 μm erreicht wird, obschon die Intensität der Lichtwelle bei einer Breite von 10 μm um 1/e² verringert wird.
Andererseits weist in dem bekannten optischen Modulator die heiße Elektrode 4 eine große Dicke t auf, um die Geschwindigkeit des Mikrowellensignals der der Lichtwelle anzunähern. Das heißt, wenn die heiße Elektrode eine große Dicke t aufweist, so wird ein effektiver Brechungsindex für die Mikrowelle derart verringert, dass die Übereinstimmung der Geschwindigkeiten erreicht wird.
Der effektive Brechungsindex n_m für die Mikrowelle wird von der großen dielektrischen Konstante des LN-Substrats 1 beeinflusst und wird etwa 4,2, wenn die Dicke t der heißen Elektrode gering ist. Andererseits beträgt der effektive Brechungsindex n_o für die Lichtwelle etwa 2,2. Durch Erhöhung der Dicke t der heißen Elektrode 4 wird der effektive Brechungsindex für die Mikrowelle in Richtung 2,2 verringert, weil eine dick gebildete Elektrode mit einem großen Flächeninhalt der Oberfläche die effektive dielektrische Konstante für das Mikrowellensignal verringer.
Wie oben erläutert muss bei dem bekannten optischen Modulator, um den effektiven Brechungsindex für die Mikrowelle von 4,2 auf 2,2 zu verringern, die Dicke t der heißen Elektrode 4 größer als der Abstand S zwischen der heißen Elektrode 4 und der Masseelektrode 5a gehalten sein, oder die Breite W_e der heißen Elektrode 4 muss verringert werden.
Im Allgemeinen beträgt der Abstand S zwischen der heißen Elektrode 4 mit einer Breite W_e von 10 μm und den Masseelektroden 5a und 5b etwa 20–30 μm. Um die Dicke t der heißen Elektrode 4 größer als die des Elektrodenabstands S zu halten, muss daher die heiße Elektrode 4 gebildet werden, indem mehr als 30 μm Au mittels Elektroplattierung abgeschieden werden.
In der Praxis jedoch ist es sehr schwierig, solch eine dicke Elektrode größer zu bilden als den Elektrodenabstand S. Außerdem kann das Problem auftreten, dass sich die Elektrode aufgrund einer inneren Spannung, die in der Elektrode aus abgeschiedenem Silber erzeugt wird, ablöst. Des Weiteren ist es auch schwierig, die heiße Elektrode mit einer gewünschten Querschnittskonfigurierung zuverlässig herzustellen, und daher können die charakteristische Impedanz des optischen Modulators und der effektive Brechungsindex für das Mikrowellensignal möglicherweise fluktuieren. Ferner konnte eine bekannte Lösung, die heiße Elektrode mit dem Überhangabschnitt zu versehen, wegen einer Beschränkung der Feinbehandlung nicht ohne Weiteres übernommen werden, und die oben erwähnten Probleme können ebenfalls auftreten.
Der effektive Brechungsindex für die Mikrowelle kann verringer werden, indem die Dicke der Pufferschicht 3 erhöht wird. Dies kann jedoch ein anderes Problem verursachen, dass nämlich eine höhere Antriebsspannung erforderlich ist. Außerdem wird eventuell die Antriebsspannung erhöht, wenn der effektive Brechungsindex für die Mikrowelle verringert wird, indem die Breite W_e der heißen Elektrode 4 verringer wird.
Bei der bekannten Lösung, bei der zwischen der heißen Elektrode und den Masseelektroden die Vertiefungen in dem Substrat gebildet werden, um den effektiven Brechungsindex für das Mikrowellensignal zu verringern, wird ein Herstellungsprozess sehr kompliziert und erfordert eine große Anlage. Außerdem kann die Bildung von Vertiefungen das Substrat und die Pufferschicht beschädigen.
Bei dem bekannten optischen Modulator weist die Masseelektrode 5a eine Breite auf, die ausreichend größer als die der heißen Elektrode 4 ist, und somit werden elektrische Kraftlinien unter der Masseelektrode 5a verbreitet und die Dichte des elektrischen Feldes ist niedriger als die unter der heißen Elektrode 4, wie in 5 dargestellt. Damit wird die Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld F und der sich entlang der optischen Wellenleiter 2a und 2b ausbreitenden Lichtwelle geringer und es ist eine höhere Antriebsspannung erforderlich. In dem Mach-Zehnder-Intensitätsmodulator kann die Antriebsspannung verringert werden, indem die beiden optischen Wellenleiter 2a und 2b in Gegentaktweise betrieben werden. Wenn jedoch die Modulationseffizienz eines der beiden optischen Wellenleiter 2a und 2b gering ist, kann die Antriebsspannung für den gesamten optischen Modulator nicht ausreichend verringert werden. Außerdem verursacht bei dem optischen Modulator mit einem einzigen optischen Wellenleiter die Verringerung der Modulationseffizienz aufgrund der verringerten Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld F und der Lichtwelle direkt eine Erhöhung der Antriebsspannung. Um das oben genannte Problem zu lindern, kann die Breite der Masseelektrode 5a verringert werden oder der Abstand zwischen der heißen Elektrode 4 und der Masseelektrode 5a kann reduziert werden. Dann kann jedoch ein anderes Problem auftreten, dass nämlich eine Frequenzeigenschaft insbesondere bei hoher Frequenz verschlechtert werden kann und dass eine Abweichung der charakteristischen Impedanz derart auftreten kann, dass unerwünschte Reflektionen zunehmen.
Die Japanische Patentschrift JP-A-4268531 offenbart ein bekanntes optisches Wellenleitergerät mit den Merkmalen, die den Oberbegriff von Anspruch 1 bilden und einem ersten erfindungsgemäßen Aspekt entsprechen. Insbesondere offenbart JP-A-4268531 einen Modulator, wobei die heiße Elektrode mit mehreren metallischen Vorsprüngen versehen ist, die unter der heißen Elektrode gebildet sind.
Die Japanische Patentschrift JP-06235891 offenbart ein bekanntes optisches Wellenleitergerät mit den Merkmalen, die den Oberbegriff von Anspruch 17 bilden und einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung entsprechen. Insbesondere offenbart JP-06235891 einen Modulator, wobei die Masseelektrode einen Querschnitt aufweist, der aus zwei verschiedenen Materialien gebildet ist, um das elektrische Feld unter der Masseelektrode zu konzentrieren.
6 ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen bekannten Mach-Zehnder-Intensitätsmodulator darstellt, der ein in X-Richtung geschnittenes LN-Substrat 1 umfasst. Auch in diesem bekannten optischen Modulator wird das elektrische Feld F aufgrund der Tatsache ausgebreitet, dass die Masseelektroden 5a und 5b eine größere Breite aufweisen als die heiße Elektrode 4, und damit wird die Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld F und der sich entlang der optischen Wellenleiter 2a und 2b ausbreitenden Lichtwelle verringert, und eine hohe Antriebsspannung ist erforderlich.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, einen neuartigen und verwendbaren optischen Wellenleitermodulator bereitzustellen, der die oben erwähnten Probleme der bekannten optischen Modulatoren lösen kann, eine hohe Modulationsbandbreite aufweisen kann und bei einer geringeren Antriebsspannung arbeiten kann.
Es ist eine weitere Ausgabe der Erfindung, einen neuartigen und verwendbaren optischen Wellenleitermodulator bereitzustellen, bei dem die Verteilung des elektrischen Feldes unter der Masseelektrode verringert werden kann und somit die Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld und der sich entlang des optischen Wellenleiters ausbreitenden Lichtwelle derart verstärkt wird, dass die Antriebsspannung verringert werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein optischer Wellenleitermodulator bereitgestellt, der Folgendes umfasst: ein Substrat mit einer Oberfläche, wobei das Substrat aus einem Material mit elektrooptischer Wirkung besteht, mindestens einen in einem Bereich der Oberfläche des Substrats gebildeten optischen Wellenleiter mit einer Breite W_f, eine auf der Oberfläche des Substrats gebildete Pufferschicht, Wanderwellenelektroden mit einer heißen Elektrode und mindestens einer Masseelektrode, die auf der Pufferschicht zum Anlegen eines Mikrowellensignals geschaffen sind, wobei sich die heiße und die Masseelektroden parallel zum optischen Wellenleiter solcherart erstrecken, dass sie eine sich entlang des optischen Wellenleiters ausbreitende Lichtwelle modulieren, wobei die heiße Elektrode eine Breite W_e aufweist und ein das elektrische Feld einstellender ebener Film zwischen der Pufferschicht und der heißen Elektrode geschaffen ist, wobei der das elektrische Feld einstellende ebene Film eine Breite h von nicht weniger als der Breite W_e der heißen Elektrode aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der das elektrische Feld einstellende ebene Film eine gleichmäßige Breite aufweist und sich entlang der heißen Elektrode erstreckt und dass die Breite W_e der heißen Elektrode geringer als die Breite W_f des optischen Wellenleiters ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung ist der das elektrische Feld einstellende ebene Film oberhalb des optischen Wellenleiters gebildet und weist die Breite h auf, die im Wesentlichen gleich der Breite W_f des optischen Wellenleiters ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung ist der das elektrische Feld einstellende ebene Film derart geformt, dass er eine uneinheitliche Verteilung der Leitfähigkeit in der Richtung seiner Breite aufweist.
Wenn der optische Wellenleiter unterhalb der heißen Elektrode gebildet ist, weist ein mittlerer Abschnitt des das elektrische Feld einstellenden ebenen Films eine höhere Leitfähigkeit auf und ein peripherer Abschnitt des das elektrische Feld einstellenden ebenen Films weist eine geringere Leitfähigkeit auf. Wenn der optische Wellenleiter zwischen der heißen Elektrode und der Masseelektrode gebildet ist, weist ein mittlerer Abschnitt des das elektrische Feld einstellenden ebenen Films eine geringere Leitfähigkeit auf und ein peripherer Abschnitt des das elektrische Feld einstellenden ebenen Films weist eine höhere Leitfähigkeit auf.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann der der das elektrische Feld einstellende ebene Film aus einem Metall bestehen, das aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Ni, Cu, Au und Legierungen daraus ausgewählt ist.
Außerdem kann der das elektrische Feld einstellende ebene Film aus einem Halbleitermaterial bestehen, das aus der Gruppe bestehend aus Ga, In, As, Al, B, Ge, Si, Sn, Sb und Verbindungen daraus ausgewählt ist.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung sind ein Material, eine Dicke d und eine Breite h des das elektrische Feld einstellenden ebenen Films solcherart festgelegt, dass eine charakteristische Impedanz Z der Wanderwellenelektroden und ein effektiver Brechungsindex für das Mikrowellensignal nicht wesentlich von dem das elektrische Feld einstellenden Bereich beeinflusst werden und die Wechselwirkung zwischen der Verteilung des elektrischen Feldes, das von der an die heiße Elektrode angelegten Mikrowelle erzeugt wird, und der Verteilung der Intensität der sich entlang des optischen Wellenleiters ausbreitenden Lichtwelle verstärkt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des optischen Modulators gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung weist der das elektrische Feld einstellende ebene Film eine Dicke d im Bereich von 150 Å bis 1 μm und eine Breite h im Bereich von 2 μm bis zu einem Wert auf, der kleiner als die Summe aus der Breite W_e der heißen Elektrode und dem doppelten Abstand S zwischen der heißen Elektrode und der Masseelektrode (W_e + 2S) ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein optischer Wellenleitermodulator bereitgestellt, der Folgendes umfasst: ein Substrat mit einer Oberfläche, wobei das Substrat aus einem Material mit elektrooptischer Wirkung besteht, mindestens einen in einem Oberflächenbereich des Substrats gebildeten optischen Wellenleiter, eine an der Oberfläche des Substrats gebildete Pufferschicht, Wanderwellenelektroden mit einer heißen Elektrode und mindestens einer Masseelektrode, die an der Pufferschicht zum Anlegen einer Mikrowelle geschaffen sind, wobei sich die heiße und die Masseelektroden parallel zum optischen Wellenleiter solcherart erstrecken, dass sie eine sich entlang des optischen Wellenleiters ausbreitende Lichtwelle modulieren, wobei zwischen der Pufferschicht und der Masseelektrode ein das elektrische Feld einstellender, masseseitiger Hauptfilm und ein das elektrische Feld einstellender, masseseitiger Nebenfilm nebeneinander geschaffen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm zwischen der Pufferschicht und der Masseelektrode zur heißen Elektrode hin vorsteht.
In einer bevorzugten Ausführungsform des zweiten Aspekts der Erfindung besteht der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm aus Metall, Halbleiter oder einer Kombination daraus, und der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Nebenfilm besteht aus Metall, Halbleiter, dielektrischem Material oder einer Kombination daraus.
In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung besteht der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Nebenfilm aus einem dielektrischen Material mit einer dielektrischen Konstante derart, dass die Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld und der sich entlang des optischen Wellenleiters ausbreitenden Lichtwelle verstärkt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm von einer Schicht elektrisch leitenden Materials gebildet, und der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Nebenfilm ist von einem Luftzwischenraum gebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung bestehen der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm und Nebenfilm aus einem Metall, das aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Ni, Cu, Au und Legierungen daraus ausgewählt ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung bestehen der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm und Nebenfilm aus einem Halbleitermaterial, das aus der Gruppe bestehend aus Ga, In, As, Al, B, Ge, Si, Sn, Sb und Verbindungen daraus ausgewählt ist.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung sind ein Material, eine Dicke und eine Breite des das elektrische Feld einstellenden, masseseitigen Hauptfilms und Nebenfilms derart festgelegt, dass eine charakteristische Impedanz Z der Wanderwellenelektroden und ein effektiver Brechungsindex für die Mikrowelle nicht wesentlich von den das elektrische Feld einstellenden Filmen beeinflusst werden und eine Wechselwirkung zwischen der Verteilung des elektrischen Feldes, das von der an die heiße Elektrode angelegten Mikrowelle erzeugt wird, und der Verteilung der Intensität der sich entlang des optischen Wellenleiters ausbreitenden Lichtwelle verstärkt wird.
Erfindungsgemäß besteht das Substrat bevorzugt aus Lithiumniobat, und der optische Wellenleiter wird durch Herbeiführen einer thermischen Diffusion von Titanium in die Substratoberfläche gebildet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A und 1B sind eine Perspektiv- bzw. Querschnittsansicht, die jeweils einen bekannten optischen Wellenleitermodulator darstellen;
2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die Verteilung des elektrischen Feldes hinsichtlich der optischen Wellenleiter in dem in 1 dargestellten, bekannten optischen Modulator darstellen;
3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die Verteilung des elektrischen Feldes in einem weiteren bekannten optischen Wellenleitermodulator darstellt;
4 ist ein typisches Profil, das eine Intensitätsverteilung der sich entlang des optischen Wellenleiters ausbreitenden Lichtwelle bei dem bekannten optischen Modulator darstellt;
5 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die Verteilung des elektrischen Feldes in dem bekannten optischen Modulator darstellt.
6 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die Verteilung des elektrischen Feldes in einem weiteren bekannten optischen Modulator darstellt;
7 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Modulators zeigt;
8 ist ein Schaubild, das eine simulierte Beziehung zwischen einer Breite der heißen Elektrode und einem effektiven Brechungsindex für die Mikrowelle darstellt;
9 ist ein Schaubild, das eine simulierte Beziehung zwischen einer Breite der heißen Elektrode und einer Antriebsspannung ausdrückt;
10 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die Verteilung des elektrischen Feldes in dem in 7 dargestellten optischen Modulator darstellt;
11 ist eine Querschnittsansicht, die eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Modulators zeigt;
12 ist eine Querschnittsansicht, die eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Modulators zeigt;
13 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Abschnitts der heißen Elektrode der 12;
14 ist eine Querschnittsansicht, die eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Modulators zeigt;
15 ist eine Querschnittsansicht, die einen Hauptabschnitt einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Modulators zeigt;
16 ist eine Querschnittsansicht, die einen Hauptabschnitt einer sechsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Modulators zeigt;
17 ist eine Querschnittsansicht zum Erklären eines Verfahrens zur Herstellung des in 16 dargestellten optischen Modulators;
18 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine siebente Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Modulators zeigt;
19 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine achte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Modulators zeigt;
20 ist eine Querschnittsansicht, die eine neunte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Modulators zeigt;
21 ist eine Querschnittsansicht, die eine zehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Modulators zeigt;
22 ist eine Querschnittsansicht, die eine elfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Modulators zeigt;
23 ist eine Querschnittsansicht, die eine zwölfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Modulators zeigt;
24 ist eine Querschnittsansicht, die eine dreizehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Modulators zeigt;
25 ist eine Querschnittsansicht, die eine vierzehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Modulators zeigt;
26 ist eine Querschnittsansicht, die eine fünfzehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Modulators zeigt;
27 ist eine Querschnittsansicht, die eine sechzehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Modulators zeigt; und
28 ist eine Querschnittsansicht, die eine siebzehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Modulators zeigt;
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
7 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine erste Ausführungsform des optischen Modulators gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung zeigt. In der betreffenden Ausführungsform ist der optische Modulator als ein Mach-Zehnder-Intensitätsmodulator gebildet, der zwei optische Wellenleiter und Wanderwellenelekixoden umfasst. Der optische Modulator umfasst ein Substrat 11, das von einer in Z-Richtung geschnittenen Lithiumniobat-Platte mit einer elektrooptischen Wirkung gebildet wird. In einem Oberflächenbereich des Substrats 11 sind optische Wellenleitermodulatoren 12a und 12b gebildet. Diese optischen Wellenleiter 12a und 12b sind gebildet, indem ein Titanfilm mit einer Dicke von 800 Å abgeschieden und dann 10 Stunden lang bei 1000°C eine thermische Diffusion durchgeführt wird. Auf der Oberfläche des Substrats 11 ist eine Pufferschicht 13 gebildet, um die Absorption der Lichtwelle durch die Metallelektroden zu unterdrücken. Diese Pufferschicht 13 wird von einem SiO₂ mit einer Dicke von 1,0 μm gebildet und wird durch einen Vorgang des Aufschleuderns gebildet.
Der optische Modulator umfasst einen das elektrische Feld einstellenden ebenen Film 14, der auf der Pufferschicht 13 geschaffen ist. Der das elektrische Feld einstellende ebene Film 14 wird gebildet, indem mit einem Aufschleudervorgang ein Photolack aufgetragen wird, womit eine Maske mit einer Öffnung geschaffen wird, welche dem zu bildenden, das elektrische Feld einstellenden ebenen Film entspricht, indem der Photolack durch die Maske belichtet wird und der Photolack entwickelt wird, um einen belichteten Abschnitt davon zu entfernen, indem Ti mit einer Dicke d von 500 Å abgeschieden wird und indem der Photolack entfernt wird. Auf diese Weise kann der das elektrische Feld einstellende ebene Film 14 mit einem Lift-off-Verfahren gebildet werden.
In der betreffenden Ausführungsform besteht der das elektrische Feld einstellende ebene Film 14 aus Ti, erfindungsgemäß kann der das elektrische Feld einstellende ebene Film jedoch aus anderem Material als Ti bestehen. Das heißt, erfindungsgemäß besteht der das elektrische Feld einstellende ebene Film 14 aus einem Material, das aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Ni, Cu und Au oder Legierungen daraus ausgewählt ist.
Der das elektrische Feld einstellende ebene Film 14 ist derart gebildet, dass er eine Breite h aufweist, die im Wesentlichen gleich einer Breite einer sich entlang des optischen Wellenleiters 12a ausbreitenden Lichtwelle ist. In der vorliegenden Ausführungsform besteht der das elektrische Feld einstellende ebene Film 14 aus Ti mit einer höheren Leitfähigkeit, und somit ist eine Breite h des Films 14 auf etwa 10 μm eingestellt. Der das elektrische Feld einstellende ebene Film 14 kann aus einem Halbleitermaterial mit einer geringeren Leitfähigkeit als Metall bestehen. Besteht der das elektrische Feld einstellende ebene Film 14 aus Si, so ist der Bereich bevorzugt mit einer Dicke d von 1000 Å und einer Breite h von 20–30 μm gebildet.
Besteht der das elektrische Feld einstellende ebene Film 14 aus einem Halbleitermaterial, so kann die Dicke d und die Breite h des Bereichs in einem großen Bereich variiert werden, weil die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials durch Auswahl der Konzentration von Verunreinigungen, der Zusammensetzung und des Herstellungsverfahrens in einem großen Bereich eingestellt werden kann. In einem solchen Fall ist es jedoch erforderlich, eine viel präzisere Fertigungsanlage sowie ein viel strengeres Fertigungsmanagement zu verwenden. Das Halbleitermaterial für den das elektrische Feld einstellenden ebenen Film 14 kann aus der Gruppe bestehend aus Ga, In, As, Al, B, Ge, Si, Sn, Sb und Verbindungen daraus ausgewählt sein.
Der optische Modulator umfasst ferner eine heiße Elektrode 15 und zwei Masseelektroden 16a und 16b. Die heiße Elektrode 15 ist oberhalb des ersten optischen Wellenleiters 12a geschaffen, eine der Masseelektroden 16a ist oberhalb des zweiten optischen Wellenleiters 12b bereitgestellt, und die andere Masseelektrode 16b ist derart angeordnet, dass die Masseelektroden symmetrisch in Bezug auf die heiße Elektrode 15 sind.
Die heiße Elektrode 15 und die Masseelektroden 16a, 16b sind mit dem Elektroplattierungsverfahren gebildet, das den Photolack verwendet. Das heißt, nachdem der das elektrische Feld einstellende ebene Film 14 gebildet wurde, wird ein Photolack auf die Oberfläche aufgetragen, die Abschnitte des aufgetragenen Photolacks, die den Elektroden 15, 16a und 16b entsprechen, werden selektiv entfernt, ein Elektrodenmaterial wie etwa Au wird mittels Elektroplattierung mit einer Dicke t von 10 μm abgeschieden, und schließlich wird der Photolack entfernt.
Die heiße Elektrode 15 ist mit einer Breite W_e derart gebildet, dass ein effektiver Brechungsindex n_m für das Mikrowellensignal im Wesentlichen gleich dem effektiven Brechungsindex n_o für die Lichtwelle ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Breite W_e der heißen Elektrode 15 auf 5 μm eingestellt, was weniger als die Breite W_f des optischen Wellenleiters 12a ist. Dann wird der effektive Brechungsindex für die Mikrowelle etwa 2,2, wie aus dem in 8 dargestellten Schaubild ersichtlich ist. In 8 bezeichnet eine horizontale Achse die Breite W_e der heißen Elektrode 15, und eine vertikale Achse stellt den effektiven Brechungsindex für die Mikrowelle dar. Wenn die heiße Elektrode eine Breite W_e von 10–20 μm aufweist wie der bekannte optische Modulator, wird der effektive Brechungsindex n_m für die Mikrowelle etwa 2,5–2,6, was mehr ist als der effektive Brechungsindex 2,2 für die Lichtwelle ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Breite W_e der heißen Elektrode 15 auf 5 μm eingestellt, und somit beträgt der effektive Brechungsindex für das Mikrowellensignal etwa 2,2, was im Wesentlichen gleich dem effektiven Brechungsindex für die sich entlang den optischen Wellenleitern 12a und 12b ausbreitende Lichtwelle ist. In diesem Fall ist es nicht mehr notwendig, die Dicke t der heißen Elektrode 15 größer als einen Elektrodenabstand S zu gestalten. Es ist somit möglich, die Probleme des bekannten optischen Modulators, wie etwa das Ablösen der heißen Elektrode wegen einer inneren Spannung der dicken Metallabscheidung und die Unterschiedlichkeit des optischen Modulators hinsichtlich der Impedanz und des effektiven Brechungsindex für die Mikrowelle aufgrund einer schlechten Reproduzierbarkeit der dicken heißen Elektrode, zu überwinden.
In dem Mach-Zehnder-Intensitätsmodulator mit der sehr schmalen heißen Elektrode der vorliegenden Ausführungsform wird die Übereinstimmung der Geschwindigkeiten zwischen dem Mikrowellensignal und der Lichtwelle erreicht, und er hat somit eine sehr große Modulationsbandbreite. Es tritt jedoch das Problem auf, dass die Antriebsspannung des Modulators wegen der schmalen heißen Elektrode, wie in 9 dargestellt, höher wird. In 9 stellt eine horizontale Achse die Breite W_e der heißen Elektrode 15 dar, und eine vertikale Achse bezeichnet ein Produkt aus der Halbwellenspannung V_π und einer Länge L der heißen Elektrode. Um dieses Problem zu überwinden, weist die vorliegende Ausführungsform eine Anordnung auf, bei der der das elektrische Feld einstellende ebene Film 14 aus einem geeigneten Material mit einer geeigneten Dicke d und Breite h derart hergestellt ist, dass die charakteristische Impedanz Z der Elektroden und der effektive Brechungsindex n_m für das Mikrowellensignal nicht von dem das elektrische Feld einstellenden ebenen Film 14 beeinflusst werden und dass gleichzeitig die Verteilung des elektrischen Feldes F, das von dem an die heiße Elektrode 15 angelegten Mikrowellensignal erzeugt wird, und die Verteilung der Intensität der sich entlang der optischen Wellenleiter 12a und 12b ausbreitenden Lichtwelle miteinander in Übereinstimmung gebracht werden, wie in 10 dargestellt, und dass daher eine sehr starke Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld der Mikrowelle und der Lichtwelle erreicht werden kann. Damit kann die Antriebsspannung gesenkt werden, obwohl die heiße Elektrode des Modulators schmal ist. Erfindungsgemäß wird eine effektive Breite W_e der heißen Elektrode 15 durch den das elektrische Feld einstellenden ebenen Film 14 erhöht, und damit kann die Antriebsspannung verringert werden.
11 ist eine Querschnittsansicht, die eine zweite Ausführungsform des optischen Modulators gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung darstellt. Der optische Modulator der betreffenden Ausführungsform ist ebenfalls als Mach-Zehnder gebildet. In der betreffenden Ausführungsform wird statt des in Z-Richtung geschnittenen LN-Substrats 11, das in der ersten Ausführungsform verwendet wird, ein in X-Richtung geschnittenes LN-Substrat 21 verwendet. Bei dem in X-Richtung geschnittenen LN-Substrat 21 erscheint die maximale elektrooptische Konstante r₃₃ horizontal, d.h. parallel zur Oberfläche des Substrats. Daher sind der erste und der zweite optische Wellenleiter 12a und 12b zwischen der heißen Elektrode 15 und der ersten und der zweiten Masseelektrode 16a bzw. 16b angeordnet, so dass das elektrische Feld horizontal an die sich entlang der optischen Wellenleiter 12a und 12b ausbreitende Lichtwelle angelegt wird. Der optische Modulator der vorliegenden Ausführungsform kann im Wesentlichen auf die gleiche Weise hergestellt werden wie der der vorhergehenden Ausführungsform. In der vorliegenden Ausfiührungsform, die das in X-Richtung geschnittene LN-Substrat 21 verwendet, ist jedoch der das elektrische Feld einstellende ebene Film 14 derart geformt, dass er eine größere Breite h als die vorhergehende Ausführungsform aufweist. Das heißt, besteht der das elektrische Feld einstellende ebene Film 14 aus NiCr, so weist der Bereich eine Breite h von 15 μm und eine Dicke d von 500 Å auf.
Dies ist der Tatsache geschuldet, dass, wenn die optischen Wellenleiter 12a und 12b nicht unter den Elektroden 15 und 16 gebildet sind, sondern zwischen den Elektroden 15 und 16a, 16b, die Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld und der Lichtwelle verstärkt werden kann, indem die Breite h des das elektrische Feld einstellenden ebenen Films 14 erhöht wird, und damit die Antriebsspannung verringert werden kann.
Besteht der der das elektrische Feld einstellende ebene Film 14 aus einem Halbleitermaterial wie etwa Si, so wird es bevorzugt, die Dicke d und die Breite h des Bereichs 14 auf 1000 Å bzw. 30–40 μm einzustellen. Auf jeden Fall wird die Breite W_e der heißen Elektrode 15 auf 5 μm eingestellt, was kleiner als die Breite der W_f der optischen Welleneiter 12a und 12b ist.
Erfindungsgemäß wurde experimentell bestätigt, dass eine Dicke d des das elektrische Feld 1 einstellenden ebenen Films 14 bevorzugt auf einen Wert im Bereich zwischen 150 Å und 1 μm eingestellt wird und eine Breite h des das elektrische Feld einstellenden ebenen Films 14 bevorzugt auf einen Wert im Bereich zwischen 2 μm und einem Wert eingestellt wird, der kleiner ist als die doppelte Summe des Elektrodenabstands S und der Breite W_e der heißen Elektrode 15.
12 ist eine Querschnittsansicht, die eine dritte Ausführungsform des optischen Modulators gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung darstellt. Der optische Modulator der betreffenden Ausführungsform ist ein Mach-Zehnder und die in Z-Richtung geschnittene LN-Platte wird als ein Substrat 11 verwendet wie in der ersten Ausführungsform, und daher sind der erste und der zweite optische Wellenleiter 12a und 12b unter der heißen Elektrode 15 bzw. der ersten Masseelektrode 16a gebildet. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist zwischen der Pufferschicht 13 und der heißen Elektrode 15 ein das elektrische Feld einstellender ebener Film 22 derart bereitgestellt, dass er eine ungleichmäßige Verteilung der Leitfähigkeit, in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats 11 gesehen, aufweist. In der betreffenden Ausführungsform besteht der das elektrische Feld einstellende ebene Film 22 aus einem mittleren Abschnitt 22a und einem peripheren Abschnitt 22b, wobei der mittlere Abschnitt 22a aus einem Material mit einer höheren Leitfähigkeit als der des Materials besteht, aus dem der periphere Abschnitt 22b i besteht. Das heißt, der mittlere Abschnitt 22a des das elektrische Feld einstellenden ebenen Films 22 besteht aus NiCr, und der periphere Abschnitt 22b besteht aus Ti, wobei NiCr eine höhere Leitfähigkeit aufweist als Ti.
Dann wird, wie in 13 dargestellt, die Dichte des elektrischen Feldes F, das in der Nähe der heißen Elektrode erzeugt wird, im mittleren Bereich höher und im peripheren Bereich niedriger. Andererseits hat die Intensitätsverteilung der Lichtwellenausbreitung entlang des optischen Wellenleiters das Gaußsche Profil, bei dem die Lichtwellenintensität vom Mittelpunkt der Intensitätsverteilung zur Peripherie hin abgeschwächt wird, wie in 4 dargestellt. Daher kann das elektrische Feld viel wirksamer in Wechselwirkung mit der sich entlang des optischen Wellenleiters 12a ausbreitenden Lichtwelle treten, und somit kann die Antriebsspannung weiter verringert werden.
Der das elektrische Feld einstellende ebene Film 22 mit dem mittleren Abschnitt 22a und dem peripheren Abschnitt 22b aus verschiedenen Materialien kann auf folgende Weise hergestellt werden. Nach Bildung der Pufferschicht 13 auf dem Substrat 11 wird ein erstes Photolack-Muster mit einer Öffnung an der Stelle, die dem mittleren Abschnitt 22a entspricht, gebildet, und ein NiCr-Film mit einer Dicke von 1000 Å wird durch Aufdampfen in Vakuum abgeschieden. Dann wird das erste Photolack-Muster entfernt, so dass der mittlere Abschnitt 22a mit einer Breite von 5 μm gebildet wird. Anschließend wird ein zweites Photolack-Muster mit einer Öffnung an der Stelle, die dem peripheren Abschnitt 22b entspricht, gebildet, und ein Ti-Film mit einer Dicke von 1000 wird Å wird durch Aufschleudern abgeschieden. Danach wird das zweite Photolack-Muster entfernt, so dass der periphere Abschnitt 22b mit einer Breite von 10 μm gebildet wird. Auf diese Weise können der mittlere Abschnitt 22a und der periphere Abschnitt 22b des das elektrische Feld einstellenden ebenen Films 22 einfach und präzise mit dem Lift-Off-Verfahren gebildet werden. Dann wird ein drittes Photolack-Muster mit Öffnungen an den Stellen, die der heißen Elektrode 15 und den Masseelektroden 16a, 16b entsprechen, gebildet, und ein Au-Film mit einer Dicke von 10 μm wird durch eine Elektroplattierung abgeschieden. Schließlich wird das dritte Photolack-Muster entfernt, um die heiße Elektrode 15 und die Masseelektroden 16a, 16b zu bilden. Es sollte angemerkt werden, dass die heiße Elektrode 15 eine Breite W_e von 5 μm weniger als die Breite W_f des optischen Wellenleiters 12a aufweist.
14 ist eine vierte Ausführungsform des optischen Modulators gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. In der betreffenden Ausführungsform wird von einer in X-Richtung geschnittenen LN-Platte ein Substrat 21 gebildet, und somit sind der erste und der zweite optische Wellenleiter 12a und 12b wie bei der in 11 dargestellten zweiten Ausfühungsform an versetzten Positionen in Bezug auf die heiße Elektrode 15 gebildet. Auch in der betreffenden Ausführungsform besteht ein das elektrische Feld einstellender ebener Film 23 aus einem mittleren Abschnitt 23a aus Si und einem peripheren Abschnitt 23b aus NiCr. Das heißt, in der betreffenden Ausführungsform weist der mittlere Abschnitt 23a eine geringere Leitfähigkeit auf als der periphere Abschnitt 23b. Außerdem ist die Breite des mittleren Abschnitts 23a auf 4 μm eingestellt, was kleiner ist als die Breite der heißen Elektrode 15 mit 5 μm. Der periphere Abschnitt 23b weist eine Breite von 10 μm auf und ist derart gebildet, dass er teilweise unter der heißen Elektrode 15 verläuft. Dann ist der periphere Abschnitt 23b des das elektrische Feld einstellenden ebenen Films 23 in direkten Kontakt mit der heißen Elektrode 15 gebracht. Somit kann das elektrische Feld F, das in der Nähe der heißen Elektrode erzeugt wird, wirksam in Wechselwirkung mit der sich entlang der optischen Wellenleiter 12a und 12b ausbreitenden Lichtwelle treten, wie in 14 dargestellt, und somit kann die Antriebsspannung verringert werden.
15 ist eine Querschnittsansicht, die einen Hauptabschnitt einer fünften Ausführungsform des optischen Modulators gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung darstellt. In der betreffenden Ausführungsform wird ein in Z-Richtung geschnittenes LN-Substrat 11 verwendet, und ein das elektrische Feld einstellender ebener Film 22 wird von einem mittleren Abschnitt 22a mit einer größeren Breite als die der heißen Elektrode 15 und von einem peripheren Abschnitt 22b aus einem Material mit einer geringeren Leitfähigkeit als die des Materials des mittleren Abschnitts 22a gebildet. Auch in der betreffenden Ausführungsform kann das eletrische Feld wirksam in Wechselwirkung mit der sich entlang des optischen Wellenleiters 12a ausbreitenden Lichtwelle treten, und somit kann die Antriebsspannung verringert werden.
16 ist eine Querschnittsansicht, die eine sechste Ausführungsform des optischen Modulators gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung darstellt. In den in 12–15 dargestellten Ausführungsformen ist der das elektrische Feld einstellende ebene Film derart gebildet, dass die Leitfähigkeit stufenweise verändert wird, in der Richtung seiner Breite gesehen. In der vorliegenden Ausführungsform jedoch ist ein das elektrische Feld einstellender ebener Film 24 derart gebildet, dass er eine Leitfähigkeitsverteilung aufweist, die sich in der Richtung seiner Breite allmählich ändert. Indem die Verteilung der Leitfähigkeit des das elektrische Feld einstellenden ebenen Films 24 in geeigneter Weise ausgewählt wird, ist es möglich, die Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld und der Lichtwelle weiter zu verstärken, und somit kann die Antriebsspannung weiter verringert werden.
Nun wird ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung des das elektrische Feld einstellenden ebenen Films 24 mit der sich kontinuierlich ändernden Leitfähigkeit erläutert. Zuerst wird, wie in 17 dargestellt, ein Si-Film 25 mit einer Dicke von 1000 Å und einer Breite von 10 μm auf beiden Seiten einer heißen Elektrode 15 aus Au gebildet. Dann wird die Anordnung drei Stunden lang bei etwa 350°C erhitzt, um eine Legierung aus Si und Au zu bilden. Auf diese Weise kann der das elektrische Feld einstellende ebene Film 24 mit der sich kontinuierlich ändernden Leitfähigkeit erzielt werden. In diesem Fall weist ein mittlerer Abschnitt des ebenen Films 24 eine höhere Leitfähigkeit auf als ein peripherer Abschnitt.
Im Allgemeinen ist es schwierig, einen Film mit einer sich kontinuierlich ändernden Leitfähigkeit, in einer Richtung parallel zu seiner Oberfläche gesehen, zu bilden. Bei dem oben erläuterten Verfahren kann ein solcher Film einfach gebildet werden, indem der Legierungsprozess verwendet wird. In diesem Fall kann eine Konfigurierung der Verteilung der Leitfähigkeit eingestellt werden, indem die Legierungstemperatur und -zeit entsprechend der Position und Breite des optischen Wellenleiters in dem Substrat verändert werden.
In oben stehender Ausführungsform ist der das elektrische Feld einstellende ebene Film 24 mit der sich kontinuierlich ändernden Verteilung der Leitfähigkeit aus der Legierung des Metalls und des Halbleiters gebildet, erfindungsgemäß kann jedoch ein solcher Bereich aus einer Legierung aus verschiedenen Arten von Metallen gebildet sein.
18 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine siebente Ausführungsform des optischen Modulators gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung darstellt. Der optische Modulator der betreffenden Ausführungsform ist als ein Mach-Zehnder-Intensitätsmodulator gebildet, der ein in Z-Richtung geschnittenes LN-Substrat 11 umfasst, in dem der erste und der zweite optische Wellenleiter 12a und 12b, eine Pufferschicht 13, eine heiße Elektrode 15 und eine Masseelektrode 31 gebildet sind. Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind zwischen der Pufferschicht und der Masseelektrode 31 ein das elektrische Feld einstellender, masseseitiger Hauptfilm und Nebenfilm 32 und 33 gebildet, die in der Richtung der Breite der Elektrode ausgerichtet sind. In der betreffenden Ausführungsform ist der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm 32 aus einem NiCr-Film mit einer Dicke von 500 Å gebildet. Der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Nebenfilm 33 ist von einem Luftzwischenraum gebildet. Eine ausreichende Funktion kann von dem sehr dünnen Luftzwischenraum 33 erzielt werden, im Hinblick auf die Fertigung ist es jedoch vorzuziehen, eine Dicke des Luftzwischenraums auf nicht weniger als 0,1 μm einzustellen. Da der Luftzwischenraum 33 eine geringere dielektrische Konstante aufweist als die Pufferschicht 13, kann der effektive Brechungsindex für die Mikrowelle vorteilhaft durch den Luftzwischenraum beeinflusst werden. Die Breite und Position des NiCr-Films 32, der als der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm dient, und die Breite des Luftzwischenraums 33, der als der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Nebenfilm dient, sind derart festgelegt, dass das elektrische Feld F auf die wirksamste Weise in Wechselwirkung mit der sich entlang des optischen Wellenleiters 12b ausbreitenden Lichtwelle treten kann.
19 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine achte Ausführungsform des optischen Modulators gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung darstellt. In der betreffenden Ausführungsform wird ein Substrat 21 von einer in X-Richtung geschnittenen LN-Platte gebildet, und somit sind der erste und der zweite optische Wellenleiter 12a und 12b zwischen der heißen Elektrode 15 und der ersten und der zweiten Masseelektrode 31a bzw. 31b gebildet. Zwischen einer Pufferschicht 13 und der ersten und zweiten Masseelektrode 31a und 31b sind ein erster und ein zweiter NiCr-Film 32a und 32b geschaffen, die als der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm dienen, sowie ein erster und ein zweiter Luftzwischenraum 33a und 33b, die als der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Nebenfilm dienen. Auch in der vorliegenden Ausführungsform kann die Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld F und der sich entlang der optischen Wellenleiter 12a und 12b ausbreitenden Lichtwelle verstärkt werden, so dass die Antriebsspannung reduziert werden kann.
20 ist eine Querschnittsansicht, die eine neunte Ausführungsform des optischen Modulators gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung darstellt. In der betreffenden Ausführungsform wird ein in Z-Richtung geschnittenes LN-Substrat 11 verwendet, und somit sind der erste und der zweite optische Wellenleiter 12a und 12b unter der heißen Elektrode 15 bzw. der ersten Masseelektrode 34a gebildet. Eine zweite Masseelektrode 34b ist auf der Schmalseite gebildet, die in Bezug auf die heiße Elektrode 15 der ersten Masseelektrode 34a gegenüber liegt.
In der betreffenden Ausführungsform sind zwischen der Pufferschicht 13 und der ersten und der zweiten Masseelektrode 34a und 34b der erste und der zweite, das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm 35a und 35b sowie der erste und der zweite das elektrische Feld einstellende, masseseitige Nebenfilm 36a und 36b gebildet. Der erste und der zweite, das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm 35a und 35b bestehen jeweils aus einem NiCr-Film mit einer Dicke von 500 Å und einer Breite von 10 μm, was im Wesentlichen gleich einer Breite des optischen Wellenleiters 12b ist. Der erste und der zweite, das elektrische Feld einstellende, masseseitige Nebenfilm 36a und 36b bestehen jeweils aus einem Ti-Film mit einer Dicke von 500 Å und einer Breite von 300 μm. Diese Bereiche 35a, 35b, 36a und 36b können mit einem Lift-Off-Verfahren unter Verwendung von Photolack-Mustern hergestellt werden. Die heiße Elektrode 15 und die Masseelektroden 34a und 34b sind von einem Au-Film mit einer Dicke von 10 μm gebildet. Diese Elektroden können mit dem Elektroplattierungsprozess gebildet werden. Es sollte angemerkt werden, dass die heiße Elektrode 15 eine Breite von 5 μm aufweist, was kleiner als die Breite des optischen Wellenleiters 12a derart ist, dass die gewünschte Übereinstimmung der Geschwindigkeiten zwischen dem Mikrowellensignal und der Lichtwelle erreicht werden kann.
Bei dem optischen Modulator, der das in Z-Richtung geschnittene LN-Substrat 11 verwendet, kann die Verbesserung der Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld der Mikrowelle und der sich entlang des optischen Wellenleiters 12b ausbreitenden Lichtwelle erreicht werden, indem nur der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm und Nebenfilm 35a und 36a unter der ersten Masseelektrode 34a geschaffen werden. Um jedoch das Frequenzmerkmal bei einer hohen Frequenz und einer Temperatureigenschaft zu verbessern, weist ein Querschnitt des optischen Modulators bevorzugt einen symmetrischen Aufbau auf, und daher wird es bevorzugt, den zweiten, das elektrische Feld einstellenden, masseseitigen Hauptfilm und Nebenfilm 35b und 36b unter der zweiten Masseelektrode 34b bereitzustellen, wie in 20 dargestellt.
Das NiCr des das elektrische Feld einstellenden, masseseitigen Hauptfilms 35a weist eine höhere Leitfähigkeit auf als das Ti des das elektrische Feld einstellenden, masseseitigen Nebenfilms 36a, und damit wird die Intensität des elektrischen Feldes an dem das elektrische Feld einstellenden, masseseitigen Hauptfilm 35a höher. Damit wird die Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld F und der sich entlang des optischen Wellenleiters 12b ausbreitenden Lichtwelle verstärkt.
21 ist eine Querschnittsansicht, die eine zehnte Ausführungsform des optischen Modulators gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung darstellt. In der betreffenden Ausführungsform bestehen der erste und der zweite, das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm jeweils aus einem mittleren Abschnitt 37a, 37b aus NiCr und einem peripheren Abschnitt 38a, 38b aus Ti, und der erste und der zweite, das elektrische Feld einstellende, masseseitige Nebenfilm 39a, 39b bestehen jeweils aus Si. Dann wird die Intensität des elektrischen Feldes in einer Mitte des optischen Wellenleiters 12b erhöht, und damit wird die Funktion des elektrischen Feldes weiter verstärkt.
Es sollte angemerkt werden, dass erfindungsgemäß die das elektrische Feld einstellenden, masseseitigen Haupt- und Nebenfilme unterschiedlich aufgebaut sein können. Beispielsweise können diese Bereiche aus mehr als drei verschiedenen Materialarten bestehen oder können als ein Film mit einer sich kontinuierlich ändernden Leitfähigkeit aufgebaut sein, wie der das elektrische Feld einstellende Bereich zwischen der Pufferschicht und der heißen Elektrode. Solch ein Bereich kann aus einer Legierung aus Metallen oder aus einer Legierung aus Metall und Halbleiter gebildet sein.
22 ist eine Querschnittsansicht, die eine elfte Ausführungsform des optischen Modulators gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung darstellt. In der betreffenden Ausführungsform sind die das elektrische Feld einstellenden, masseseitigen Hauptfilme und Nebenfilme 40a, 41a; 40b, 41b zwischen der Pufferschicht 13 und einem Teil der Masseelektroden 39a, 39b gebildet. Das heißt, die Masseelektroden 39a und 39b sind teilweise in direkten Kontakt mit der Pufferschicht 13 gebracht.
23 ist eine Querschnittsansicht, die eine zwölfte Ausführungsform des optischen Modulators gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform sind die das elektrische Feld einstellenden, masseseitigen Hauptfilme 42a und 42b zwischen der Pufferschicht 13 und den Masseelektroden 34a bzw. 34b geschaffen. Diese Bereiche 42a und 42b werden von einem NiCr-Film mit einer Dicke von 0,1 um gebildet. Die das elektrische Feld einstellenden, masseseitigen Nebenfilme 43a und 43b sind von Luftzwischenräumen mit einer Dicke von 0,1 μm gebildet.
24 ist eine Querschnittsansicht, die eine dreizehnte Ausführungsform des optischen Modulators gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung darstellt. Auch in der betreffenden Ausführungsform sind die das elektrische Feld einstellenden, masseseitigen Nebenfilme 43a und 43b von Luftzwischenräumen mit einer Dicke gebildet, die gleich der Dicke des Metallfilms ist, welcher die das elektrische Feld einstellenden, masseseitigen Hauptfilme 42a und 42b bildet, aber die Masseelektroden 44a und 44b weisen an ihren hinteren Oberflächen Vorsprünge auf, wobei die Vorsprünge eine Höhe haben, die gleich der Dicke der Luftzwischenräume ist. Dann werden die Masseelektroden 44a und 44b auf der Pufferschicht 13 mit Hilfe der das elektrische Feld einstellenden, masseseitigen Hauptfilme 42a, 42b und der Vorsprünge getragen.
25 ist eine Querschnittsansicht, die eine vierzehnte Ausführungsform des optischen Modulators gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung darstellt. In der betreffenden Ausführungsform sind in einer Oberfläche einer Pufferschicht 45 Vorsprünge 45a und 45b gebildet, die als das elektrische Feld einstellende, masseseitige Nebenfilme dienen. Die das elektrische Feld einstellenden, masseseitigen Hauptfilme 46a und 46b sind von einem Metallfilm mit einer Dicke gebildet, die kleiner als die Höhe der Vorsprünge 45a und 45b ist. Daher weisen die Masseelektroden 47a und 47b komplementäre Vorsprünge auf, die in ihren tiefer liegenden Oberflächen gebildet sind und den Vorsprüngen der Pufferschicht 45a und 45b umgekehrt entsprechen.
26 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine fünfzehnte Ausführungsform des optischen Modulators gemäß einer Kombination des oben genannten ersten und zweiten Aspekts der Erfindung darstellt. In der betreffenden Ausführungsform ist zwischen der Pufferschicht 13 und der heißen Elektrode 15 ein das elektrische Feld einstellender Film 14 aus Ti geschaffen wie in der in 7 dargestellten ersten Ausführungsform, und gleichzeitig sind zwischen der Pufferschicht 13 und der Masseelektrode 31 der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm und Nebenfilm 32 und 33 geschaffen. Der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm 32 besteht aus NiCr, und der Nebenfilm 33 wird von einem Luftzwischenraum wie in der in 19 dargestellten achten Ausführungsform gebildet.
27 ist eine Querschnittsansicht, die eine sechzehnte Ausführungsform des optischen Modulators gemäß einer Kombination des oben genannten ersten und zweiten Aspekts der Erfindung darstellt. In der betreffenden Ausführungsform besteht der das elektrische Feld einstellende Film 22, der zwischen der Pufferschicht 13 und der heißen Elektrode 15 geschaffen ist, aus einem mittleren Abschnitt 22a aus NiCr und einem peripheren Abschnitt 22b aus Ti wie die in 12 dargestellte dritte Ausführungsform. Außerdem sind zwischen den Masseelektroden 34a, 34b und der Pufferschicht 13 die das elektrische Feld einstellenden, masseseitigen Hauptfilme 35a, 35b aus NiCr und die das elektrische Feld einstellenden, masseseitigen Nebenfilme 36a, 36b aus Ti geschaffen, wie in der in 20 dargestellten neunten Ausführungsform.
Bei den in 26 und 27 dargestellten Ausführungsformen wird das elektrische Feld in der Nähe des ersten und des zweiten optischen Wellenleiters 12a und 12b konzentriert, und somit wird die Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld F und der sich entlang dieser optischen Wellenleiter ausbreitenden Lichtwelle sehr verstärkt, und die Antriebsspannung kann sehr stark verringert werden. Natürlich wird der effektive Brechungsindex für die Mikrowelle im Wesentlichen identisch mit dem für die Lichtwelle, ohne die charakteristische Impedanz Z und die Frequenzeigenschaft des optischen Modulators zu beeinflussen.
In den bisher erläuterten Ausführungsformen ist der optische Modulator als Mach-Zehnder mit dem ersten und dem zweiten optischen Wellenleiter aufgebaut. In der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, den optischen Modulator als einen beliebigen anderen Typ als den Mach-Zehnder aufzubauen.
28 ist eine Querschnittsansicht, die eine siebzehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Modulators darstellt. In der betreffenden Ausführungsform ist in einer Oberfläche eines in Z-Richtung geschnittenen LN-Substrats 11 nur ein einziger optischer Wellenleiter 12 gebildet, indem eine thermische Diffusion von Ti durchgeführt wird. Auf der Oberfläche des Substrats 11 ist eine Pufferschicht 13 gebildet. Ein das elektrische Feld einstellender ebener Film 14 aus NiCr ist auf der Pufferschicht 13 an einer Position ummittelbar oberhalb des optischen Wellenleiters 12 gebildet. Ferner ist auf dem das elektrische Feld einstellenden ebenen Film 14 eine heiße Elektrode 15 gebildet. Wie oben erläutert, ist erfindungsgemäß der das elektrische Feld einstellende Film 14 derart gebildet, dass er eine Breite h aufweist, die im Wesentlichen gleich der Breite W_f des optischen Wellenleiters 12 ist, und die heiße Elektrode 15 ist derart gebildet, dass sie eine Breite W_e aufweist, die kleiner als die Breite W_f des optischen Wellenleiters 12 ist. Ferner ist es nicht mehr erforderlich, die Dicke t der heißen Elektrode 15 und der Masseelektroden 16a und 16b größer zu halten als den Elektrodenabstand S. Außerdem ist die Dicke d des das elektrische Feld einstellenden Films 14 auf einen Wert im Bereich zwischen 150 Å und 1000 Å eingestellt, was ausreichend kleiner als die Dicke t der heißen Elektrode 15 ist. Der in 28 dargestellte optische Modulator kann als optischer Phasenmodulator oder als Polarisationsscrambler verwendet werden. Ferner ist in den oben erläuterten Ausführungsformen das Substrat aus einer in Z-Richtung geschnittenen oder einer in X-Richtung geschnittenen LN-Platte gebildet, aber erfindungsgemäß ist es auch möglich, ein in Y-Richtung geschnittenes LN-Substrat zu verwenden. Außerdem kann das Substrat aus dielektrischem oder Halbleitermaterial mit elektrooptischer Wirkung bestehen, das nicht Lithiumnibat ist.
Wie oben ausführlich erläutert, ist es erfindungsgemäß möglich, den optischen Modulator mit optischen Wellenleitern zu versehen, die die oben erwähnten Probleme der bekannten optischen Modulatoren lösen können, wie etwa das Problem der Ablösung der dicken heißen Elektrode, das Problem der Variierung der charakteristischen Impedanz, der Frequenzeigenschaft und des effektiven Brechungsindex für das Mikrowellensignal. Auch weist der erfindungsgemäße optische Modulator eine große Modulationsbandbreite und eine ausgezeichnete Impedanzübereinstimmung auf.
Außerdem kann bei dem erfindungsgemäßen optischen Modulator das elektrische Feld, das von der angelegten Mikrowelle erzeugt wird, auf die Nähe des optischen Wellenleiters konzentriert werden und somit die Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld und der sich entlang des optischen Wellenleiters ausbreitenden Lichtwelle verstärkt werden. Damit kann die Antriebsspannung verringert werden.

Claims

Optischer Wellenleitermodulator, umfassend ein Substrat (11, 21) mit einer Oberfläche, wobei das Substrat aus einem Material mit elektrooptischer Wirkung besteht, mindestens einen in einem Bereich der Oberfläche des Substrats gebildeten optischen Wellenleiter (12a, 12b) mit einer Breite W_f, eine auf der Oberfläche des Substrats gebildete Pufferschicht (13), Wanderwellenelektroden mit einer heißen Elektrode (15) und mindestens einer Masseelektrode (16a, 16b, 31, 34a, 34b), die auf der Pufferschicht zum Anlegen eines Mikrowellensignals geschaffen sind, wobei sich die heiße und die Masseelektroden parallel zum optischen Wellenleiter solcherart erstrecken, dass sie eine sich entlang des optischen Wellenleiters ausbreitende Lichtwelle modulieren, wobei die heiße Elektrode (15) eine Breite W_e aufweist und ein das elektrische Feld einstellender ebener Film (14, 22, 23, 24) zwischen der heißen Elektrode (15) und der Pufferschicht (13) geschaffen ist, wobei der das elektrische Feld einstellende ebene Film (14, 22, 23, 24) eine Breite h von nicht weniger als der Breite W_e der heißen Elektrode (15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der das elektrische Feld einstellende ebene Film eine gleichmäßige Breite aufweist und sich entlang der heißen Elektrode (15) erstreckt und dass die Breite W_e der heißen Elektrode (15) geringer als die Breite W_f des optischen Wellenleiters (12a, 12b) ist.
Optischer Modulator nach Anspruch 1, wobei der das elektrische Feld einstellende ebene Film (14, 22, 23, 24) mit einer Dicke d und einer Breite h solcherart gebildet ist, dass die charakteristische Impedanz Z der Wanderwellenelektroden (15, 16a, 16b, 31, 34a, 34b) und der effektive Brechungsindex für das über die Elektroden wandernde Mikrowellensignal nicht wesentlich von dem das elektrische Feld einstellenden ebenen Film (14, 22, 23, 24) beeinflusst werden und die Wechselwirkung zwischen der Verteilung des elektrischen Feldes (F), das von der an die heiße Elektrode (15) angelegten Mikrowelle erzeugt wird, und der Verteilung der Intensität der sich entlang des optischen Wellenleiters (12a, 12b) ausbreitenden Lichtwelle verstärkt wird.
Optischer Modulator nach Anspruch 2, wobei der das elektrische Feld einstellende ebene Film (14, 22, 23, 24) eine Dicke d im Bereich von 150 Å bis 1 μm und eine Breite h im Bereich von 2 μm bis zu einem Wert aufweist, der kleiner als die Summe aus der Breite W_e der heißen Elektrode (15) und dem doppelten Abstand S zwischen der heißen Elektrode (15) und der Masseelektrode (16a, 16b, 31, 34a, 34b) (W_e + 2S) ist.
Optischer Modulator nach Anspruch 1, wobei der das elektrische Feld einstellende ebene Film (14, 22, 24) oberhalb des optischen Wellenleiters (12a, 12b) gebildet ist und eine Breite h aufweist, die im Wesentlichen gleich der Breite W_f des optischen Wellenleiters (12a, 12b) ist.
Optischer Modulator nach Anspruch 1, wobei der optische Wellenleiter (12a, 12b) an einer Position zwischen der heißen Elektrode (15) und der Masseelektrode (16a, 16b) gebildet ist und der das elektrische Feld einstellende ebene Film (14, 22, 23, 24) eine Breite h von mehr als der Breite W_f des optischen Wellenleiters (12a, 12b) aufweist.
Optischer Modulator nach Anspruch 1, wobei der das elektrische Feld einstellende ebene Film (22, 23) so geformt ist, dass er eine uneinheitliche Verteilung der Leitfähigkeit in der Richtung seiner Breite aufweist.
Optischer Modulator nach Anspruch 6, wobei der das elektrische Feld einstellende ebene Film (22, 23) aus mehreren Materialien mit unterschiedlichen Leitfähigkeiten gebildet ist.
Optischer Modulator nach Anspruch 7, wobei der optische Wellenleiter (12a) unterhalb der heißen Elektrode (15) gebildet ist und der das elektrische Feld einstellende ebene Film (22) einen mittleren Abschnitt (22a) und einen peripheren Abschnitt (22b) mit einer geringeren Leitfähigkeit als der mittlere Abschnitt aufweist.
Optischer Modulator nach Anspruch 7, wobei der optische Wellenleiter (12a, 12b) an einer Position zwischen der heißen Elektrode (15) und der Masseelektrode (16a, 16b) gebildet ist und der das elektrische Feld einstellende ebene Film (23) einen mittleren Abschnitt (23a) und einen peripheren Abschnitt (23b) mit einer höheren Leitfähigkeit als der mittlere Abschnitt aufweist.
Optischer Modulator nach Anspruch 6, wobei der das elektrische Feld einstellende ebene Film (24) mit einer Leitfähigkeit gebildet ist, die sich in der Richtung seiner Breite kontinuierlich ändert.
Optischer Modulator nach Anspruch 10, wobei der das elektrische Feld einstellende ebene Film (24) aus einer durch thermische Diffusion gewonnenen Legierung gebildet ist.
Optischer Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Substrat (11, 21) aus Lithiumniobat (LiNbO₃) gebildet ist und der optische Wellenleiter (12a, 12b) durch thermische Diffusion von Titan in die Substratoberfläche gebildet ist.
Optischer Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der das elektrische Feld einstellende ebene Film (14, 22, 23, 24) aus einem Metall besteht, das aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Ni, Cu, Au und Legierungen daraus ausgewählt ist.
Optischer Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der das elektrische Feld einstellende ebene Film (14, 23, 24) aus einem Halbleitermaterial besteht, das aus der Gruppe bestehend aus Ga, In, As, Al, B, Ge, Si, Sn, Sb und Verbindungen daraus ausgewählt ist.
Optischer Modulator nach Anspruch 1, wobei der optische Modulator ein optischer Mach-Zehnder-Intensitätsmodulator ist, erste und zweite optische Wellenleiter (12a, 12b) in dem Substrat (11, 21) parallel zueinander gebildet sind und erste und zweite Masseelektroden (16a, 16b, 31, 34a, 34b) auf der Pufferschicht (13) solcherart geschaffen sind, dass die erste und die zweite Masseelektroden in Bezug auf die heiße Elektrode (15) symmetrisch liegen.
Optischer Modulator nach Anspruch 1, wobei der optische Modulator ein optischer Phasenmodulator oder Polarisationsscrambler ist, ein einziger optischer Wellenleiter (12) in dem Substrat (11) gebildet ist und die erste und zweite Masseelektrode (16a, 16b) auf der Pufferschicht (13) solcherart geschaffen sind, dass die erste und die zweite Masseelektrode (16a, 16b) in Bezug auf die heiße Elektrode (15) symmetrisch liegen.
Optischer Wellenleitermodulator, umfassend ein Substrat (11, 21) mit einer Oberfläche, wobei das Substrat aus einem Material mit elektrooptischer Wirkung besteht, mindestens einen an der Oberfläche des Substrats gebildeten optischen Wellenleiter (12a, 12b), eine an der Oberfläche des Substrats gebildete Pufferschicht (13), Wanderwellenelektroden mit einer heißen Elektrode (15) und mindestens einer Masseelektrode (31, 31a, 31b, 34a, 34b, 39a, 39b, 44a, 44b, 47a, 47b), die an der Pufferschicht zum Anlegen eines Mikrowellensignals geschaffen sind, wobei sich die heiße und die Masseelektroden parallel zum optischen Wellenleiter solcherart erstrecken, dass sie eine sich entlang des optischen Wellenleiters ausbreitende Lichtwelle modulieren, wobei zwischen der Pufferschicht (13) und der Masseelektrode ein das elektrische Feld einstellender, masseseitiger Hauptfilm (32, 32a, 32b, 35a, 35b, 37a, 37b, 38a, 38b, 40a, 40b, 42a, 42b, 46a, 46b) und ein das elektrische Feld einstellender, masseseitiger Nebenfilm (33, 33a, 33b, 36a, 36b, 39a, 39b, 41a, 41b, 43a, 43b) geschaffen sind, wobei der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm und Nebenfilm nebeneinander in der Richtung der Breite der Masseelektrode angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm (32) zwischen der Pufferschicht (13) und der Masseelektrode zur heißen Elektrode hin vorsteht.
Optischer Modulator nach Anspruch 17, wobei der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm (32, 32a, 32b, 35a, 35b, 37a, 37b, 38a, 38b) aus einem Material mit einer ersten Leitfähigkeit besteht und der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Nebenfilm (33, 33a, 33b, 36a, 36b, 39a, 39b) aus einem Material mit einer zweiten Leitfähigkeit besteht, die geringer als die erste Leitfähigkeit ist.
Optischer Modulator nach Anspruch 18, wobei der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm (32, 32a, 32b, 35a, 35b, 37a, 37b, 38a, 38b) aus Metall, Halbleiter oder Kombinationen daraus besteht und der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Nebenfilm (33, 33a, 33b, 36a, 36b, 39a, 39b) aus Metall, Halbleiter oder einer Kombination daraus besteht.
Optischer Modulator nach Anspruch 18, wobei der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Nebenfilm (33, 33a, 33b, 43a, 43b) aus einem dielektrischen Material mit einer dielektrischen Konstante solcherart besteht, dass die Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld (F) und der sich entlang des optischen Wellenleiters (12a, 12b) ausbreitenden Lichtwelle verstärkt wird.
Optischer Modulator nach Anspruch 18, wobei der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm (32, 32a, 32b, 42a, 42b) von einer Schicht elektrisch leitenden Materials gebildet ist und der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Nebenfilm (33, 33a, 33b, 43a, 43b) von einem Luftzwischenraum gebildet ist.
Optischer Modulator nach Anspruch 17, wobei der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm und Nebenfilm (32, 33) eine Dicke und eine Breite solcherart aufweisen, dass die charakteristische Impedanz Z der Wanderwellenelektroden (15, 31) und der effektive Brechungsindex n_m für das über die Elektroden wandernde Mikrowellensignal nicht wesentlich von dem das elektrische Feld einstellenden, masseseitigen Hauptfilm und Nebenfilm (32, 33) beeinflusst werden und die Wechselwirkung zwischen der Verteilung des elektrischen Feldes, das von der an die heiße Elektrode (15) angelegten Mikrowelle erzeugt wird, und der Verteilung der Intensität der sich entlang des optischen Wellenleiters (12a, 12b) ausbreitenden Lichtwelle verstärkt wird.
Optischer Modulator nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei das Substrat (11, 21) aus Lithiumniobat (LiNbO₃) gebildet ist und der optische Wellenleiter (12a, 12b) durch thermische Diffusion von Titan in die Substratoberfläche gebildet ist.
Optischer Modulator nach einem der Ansprüche 17 bis 19 und 22, wobei der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm und Nebenfilm (32, 32a, 32b, 35a, 35b, 36a, 36b, 37a, 37b, 38a, 38b, 42a, 42b) aus einem Metall bestehen, das aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Ni, Cu, Au und Legierungen daraus ausgewählt ist.
Optischer Modulator nach einem der Ansprüche 17 bis 20 und 22, wobei der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm und Nebenfilm (39a, 39b) aus einem Halbleitermaterial bestehen, das aus der Gruppe bestehend aus Ga, In, As, Al, B, Ge, Si, Sn, Sb und Verbindungen daraus ausgewählt ist.
Optischer Modulator nach Anspruch 17, wobei der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm und Nebenfilm (32, 32a, 32b, 35a, 35b, 37a, 37b, 38a, 38b, 40a, 40b, 42a, 42b, 46a, 46b, 36a, 36b, 39a, 39b, 41a, 41b) aus Metall, Halbleiter oder Kombinationen daraus solcherart bestehen, dass eine Verteilung der Leitfähigkeit in der Richtung der Breite der Masseelektrode variiert.
Optischer Wellenleitermodulator nach Anspruch 1, wobei ein das elektrische Feld einstellender, masseseitiger Hauptfilm (32, 35a, 35b) und ein das elektrische Feld einstellender, masseseitiger Nebenfilm (33, 36a, 36b) zwischen der Pufferschicht (13) und der Masseelektrode (31, 34a, 34b) geschaffen sind, wobei der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm und Nebenfilm (32, 35a, 35b, 33, 36a, 36b) nebeneinander in der Richtung der Breite der Masseelektrode angeordnet sind.
Optischer Modulator nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der das elektrische Feld einstellende Film (14, 22) und der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm und Nebenfilm (32, 33, 35a, 35b, 36a, 36b) jeweils eine Dicke und eine Breite solcherart aufweisen, dass die charakteristische Impedanz Z der Wanderwellenelektroden (15, 31, 34a, 34b) und der effektive Brechungsindex für das über die Elektroden wandernde Mikrowellensignal nicht wesentlich von dem das elektrische Feld einstellenden Film und dem das elektrische Feld einstellenden, masseseitigen Hauptfilm und Nebenfilm beeinflusst werden und die Wechselwirkung zwischen der Verteilung des elektrischen Feldes, das von der an die heiße Elektrode (15) angelegten Mikrowelle erzeugt wird, und der Verteilung der Intensität der sich entlang des optischen Wellenleiters (12a, 12b) ausbreitenden Lichtwelle verstärkt wird.
Optischer Modulator nach Anspruch 28, wobei der das elektrische Feld einstellende Film (22) so geformt ist, dass er eine uneinheitliche Verteilung der Leitfähigkeit in der Richtung seiner Breite aufweist.
Optischer Modulator nach Anspruch 29, wobei der das elektrische Feld einstellende Film (22) aus mehreren Materialien mit unterschiedlichen Leitfähigkeiten gebildet ist.
Optischer Modulator nach Anspruch 29, wobei der das elektrische Feld einstellende Film (22) mit einer Leitfähigkeit gebildet ist, die sich in der Richtung seiner Breite kontinuierlich ändert.
Optischer Modulator nach Anspruch 27, wobei der optische Modulator ein optischer Mach-Zehnder-Intensitätsmodulator ist, erste und zweite optische Wellenleiter (12a, 12b) in dem Substrat (11, 21) parallel zueinander gebildet sind und erste und zweite Masseelektroden (31a, 31b, 34a, 34b) auf der Pufferschicht (13) solcherart bereitgestellt sind, dass die erste und die zweite Masseelektrode in Bezug auf die heiße Elektrode (15) symmetrisch liegen, ein erster das elektrische Feld einstellender, masseseitiger Hauptfilm und Nebenfilm (32a, 33a, 35a, 36a) zwischen der Pufferschicht (13) und der ersten Masseelektrode (31a, 34a) geschaffen sind und ein zweiter das elektrische Feld einstellender, masseseitiger Hauptfilm und Nebenfilm (32b, 33b, 35b, 36b) zwischen der Pufferschicht (13) und der zweiten Masseelektrode (31b, 34b) geschaffen sind.
Optischer Modulator nach Anspruch 27, wobei der optische Modulator ein optischer Phasenmodulator oder Polarisationsscrambler ist, ein einziger optischer Wellenleiter (12) in dem Substrat (11) gebildet ist und die erste und zweite Masseelektrode (16a, 16b) auf der Pufferschicht (13) solcherart geschaffen sind, dass die erste und die zweite Masseelektrode(16a, 16b) in Bezug auf die heiße Elektrode (15) symmetrisch liegen, ein erster das eletrische Feld einstellender, masseseitiger Hauptfilm und Nebenfilm zwischen der Pufferschicht und der ersten Masseelektrode geschaffen sind und ein zweiter das elektrische Feld einstellender, masseseitiger Hauptfilm und Nebenfilm zwischen der Pufferschicht und der zweiten Masseelektrode geschaffen sind.
Optischer Modulator nach Anspruch 27, wobei der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm (32, 35a, 35b) aus einem Material mit einer ersten Leitfähigkeit besteht und der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Nebenfilm (33, 36a, 36b) aus einem Material mit einer zweiten Leitfähigkeit besteht, die geringer als die erste Leitfähigkeit ist.
Optischer Modulator nach Anspruch 34, wobei der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm (32, 35a, 35b) aus Metall, Halbleiter oder Kombinationen daraus besteht und der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Nebenfilm (33, 36a, 36b) aus Metall, Halbleiter oder einer Kombination daraus besteht.
Optischer Modulator nach Anspruch 34, wobei der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Nebenfilm (33, 36a, 36b) aus einem dielektrischen Material mit einer dielektrischen Konstante solcherart besteht, dass die Wechselwirkung zwischen dem vom angelegten Mikrowellensignal erzeugten elektrischen Feld und der sich entlang des optischen Wellenleiters (12a, 12b) ausbreitenden Lichtwelle verstärkt wird.
Optischer Modulator nach Anspruch 34, wobei der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm (32) von einer Schicht elektrisch leitenden Materials gebildet ist und der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Nebenfilm (33) von einem Luftzwischenraum gebildet ist.
Optischer Modulator nach einem der Ansprüche 27 bis 37, wobei das Substrat (11, 21) aus Lithiumniobat (LiNbO₃) gebildet ist und der optische Wellenleiter (12, 12a, 12b) durch thermische Diffusion von Titan in die Substratoberfläche gebildet ist.
Optischer Modulator nach einem der Ansprüche 27 bis 35 und 37, wobei der das elektrische Feld einstellende Film (14) aus einem Metall besteht, das aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Ni, Cu, Au und Legierungen daraus ausgewählt ist.
Optischer Modulator nach einem der Ansprüche 27 bis 37, wobei der das elektrische Feld einstellende Film (14) aus einem Halbleitermaterial besteht, das aus der Gruppe bestehend aus Ga, In, As, Al, B, Ge, Si, Sn, Sb und Verbindungen daraus ausgewählt ist.
Optischer Modulator nach einem der Ansprüche 27 bis 35, wobei der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm und Nebenfilm (32, 35a, 35b, 33, 36a, 36b) aus einem Metall bestehen, das aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Ni, Cu, Au und Legierungen daraus ausgewählt ist.
Optischer Modulator nach einem der Ansprüche 27 bis 35, wobei der das elektrische Feld einstellende, masseseitige Hauptfilm und Nebenfilm (39a, 39b) aus einem Halbleitermaterial bestehen, das aus der Gruppe bestehend aus Ga, In, As, Al, B, Ge, Si, Sn, Sb und Verbindungen daraus ausgewählt ist.
Optischer Modulator nach Anspruch 1, wobei der das elektrische Feld einstellende Film aus Metall besteht und eine Dicke von 150 Å bis 1.000 A aufweist.