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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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GEBIET DER
ERFINDUNG
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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.
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VERWANDTE
TECHNIK
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Wc auf, die im Wesentlichen gleich
der Breite Wf des optischen Wellenleiters 2a ist,
um die Wechselwirkung zwischen der sich entlang des optischen Wellenleiters
ausbreitenden Lichtwelle und dem elektrischen Feld zu verstärken.
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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 We der heißen Elektrode 4 im
Wesentlichen gleich der Breite Wf des optischen
Wellenleiters 2a, und in 3 ist die
Breite We der heißen Elektrode 4 kleiner
als die Breite Wf 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 We aufweisen, die
im Wesentlichen identisch mit der des optischen Wellenleiters 2a ist.
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Die
Breite Wf 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.
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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.
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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.
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Der
effektive Brechungsindex nm 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 no 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.
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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 We der heißen Elektrode 4 muss
verringert werden.
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Im
Allgemeinen beträgt
der Abstand S zwischen der heißen
Elektrode 4 mit einer Breite We 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.
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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.
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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 We der heißen Elektrode 4 verringer
wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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 Wf, 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 We 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 We 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 We der heißen Elektrode
geringer als die Breite Wf des optischen
Wellenleiters ist.
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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 Wf des optischen Wellenleiters ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
We der heißen Elektrode und dem doppelten Abstand
S zwischen der heißen
Elektrode und der Masseelektrode (We + 2S)
ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Erfindungsgemäß besteht
das Substrat bevorzugt aus Lithiumniobat, und der optische Wellenleiter
wird durch Herbeiführen
einer thermischen Diffusion von Titanium in die Substratoberfläche gebildet.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A und 1B sind
eine Perspektiv- bzw. Querschnittsansicht, die jeweils einen bekannten
optischen Wellenleitermodulator darstellen;
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2 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die die Verteilung des elektrischen
Feldes hinsichtlich der optischen Wellenleiter in dem in 1 dargestellten, bekannten optischen Modulator
darstellen;
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3 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die die Verteilung des elektrischen
Feldes in einem weiteren bekannten optischen Wellenleitermodulator
darstellt;
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4 ist
ein typisches Profil, das eine Intensitätsverteilung der sich entlang
des optischen Wellenleiters ausbreitenden Lichtwelle bei dem bekannten
optischen Modulator darstellt;
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5 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die die Verteilung des elektrischen
Feldes in dem bekannten optischen Modulator darstellt.
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6 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die die Verteilung des elektrischen
Feldes in einem weiteren bekannten optischen Modulator darstellt;
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7 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen optischen
Modulators zeigt;
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8 ist
ein Schaubild, das eine simulierte Beziehung zwischen einer Breite
der heißen
Elektrode und einem effektiven Brechungsindex für die Mikrowelle darstellt;
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9 ist
ein Schaubild, das eine simulierte Beziehung zwischen einer Breite
der heißen
Elektrode und einer Antriebsspannung ausdrückt;
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10 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die die Verteilung des elektrischen
Feldes in dem in 7 dargestellten optischen Modulator
darstellt;
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11 ist
eine Querschnittsansicht, die eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen
Modulators zeigt;
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12 ist
eine Querschnittsansicht, die eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen
Modulators zeigt;
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13 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht
eines Abschnitts der heißen
Elektrode der 12;
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14 ist
eine Querschnittsansicht, die eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen
Modulators zeigt;
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15 ist
eine Querschnittsansicht, die einen Hauptabschnitt einer fünften Ausführungsform des
erfindungsgemäßen optischen
Modulators zeigt;
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16 ist
eine Querschnittsansicht, die einen Hauptabschnitt einer sechsten
Ausführungsform des
erfindungsgemäßen optischen
Modulators zeigt;
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17 ist
eine Querschnittsansicht zum Erklären eines Verfahrens zur Herstellung
des in 16 dargestellten optischen Modulators;
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18 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die eine siebente Ausführungsform
des erfindungsgemäßen optischen
Modulators zeigt;
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19 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die eine achte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen optischen
Modulators zeigt;
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20 ist
eine Querschnittsansicht, die eine neunte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen
Modulators zeigt;
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21 ist
eine Querschnittsansicht, die eine zehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen
Modulators zeigt;
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22 ist
eine Querschnittsansicht, die eine elfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen
Modulators zeigt;
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23 ist
eine Querschnittsansicht, die eine zwölfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen
Modulators zeigt;
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24 ist
eine Querschnittsansicht, die eine dreizehnte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen optischen
Modulators zeigt;
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25 ist
eine Querschnittsansicht, die eine vierzehnte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen optischen
Modulators zeigt;
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26 ist
eine Querschnittsansicht, die eine fünfzehnte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen optischen
Modulators zeigt;
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27 ist
eine Querschnittsansicht, die eine sechzehnte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen optischen
Modulators zeigt; und
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28 ist
eine Querschnittsansicht, die eine siebzehnte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen optischen
Modulators zeigt;
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
heiße
Elektrode 15 ist mit einer Breite We derart
gebildet, dass ein effektiver Brechungsindex nm für das Mikrowellensignal
im Wesentlichen gleich dem effektiven Brechungsindex no für die Lichtwelle ist.
In der vorliegenden Ausführungsform
ist die Breite We der heißen Elektrode 15 auf
5 μm eingestellt, was
weniger als die Breite Wf 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 We der heißen Elektrode 15,
und eine vertikale Achse stellt den effektiven Brechungsindex für die Mikrowelle
dar. Wenn die heiße
Elektrode eine Breite We von 10–20 μm aufweist
wie der bekannte optische Modulator, wird der effektive Brechungsindex
nm 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 We 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.
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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 We der heißen Elektrode 15 dar,
und eine vertikale Achse bezeichnet ein Produkt aus der Halbwellenspannung
Vπ 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 nm 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
We der heißen Elektrode 15 durch
den das elektrische Feld einstellenden ebenen Film 14 erhöht, und
damit kann die Antriebsspannung verringert werden.
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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.
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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.
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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 We der heißen Elektrode 15 auf
5 μm eingestellt,
was kleiner als die Breite der Wf der optischen
Welleneiter 12a und 12b ist.
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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 We der
heißen
Elektrode 15.
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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.
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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.
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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
We von 5 μm
weniger als die Breite Wf des optischen
Wellenleiters 12a aufweist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
Wf des optischen Wellenleiters 12 ist,
und die heiße
Elektrode 15 ist derart gebildet, dass sie eine Breite
We aufweist, die kleiner als die Breite
Wf 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.
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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.
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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.