CN111051970B - 光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供电极损耗低且高频特性良好并且能够通过向光波导施加的电场效率的提高来进行低电压驱动的光调制器。光调制器(100)具备：互相相邻的第一和第二光波导(10a、10b)，其由在基板(1)上脊状地形成的电光材料膜构成；缓冲层(4)，其至少覆盖第一和第二光波导(10a、10b)的上表面；以及第一和第二信号电极(7a、7b)，其设置于缓冲层(4)的上方。第一和第二信号电极(7a、7b)分别具有：经由缓冲层(4)而分别与第一和第二光波导(10a、10b)相对的第一和第二下层部(7aL、7bL)、以及分别设置于第一和第二下层部(7aL、7bL)的上方的第一和第二上层部(7aH、7bH)，下层部(7aL、7bL)的下表面的宽度(WaL、WbL)比上层部(7aH、7bH)的宽度(W7a、W7b)窄。

Description

光调制器
技术领域
本发明涉及一种在光通信和光学测量领域中使用的光调制器，特别是涉及一种马赫曾德尔型光调制器的电极构造。
背景技术
随着互联网的普及，通信量急剧增加，光纤通信的重要性变得非常高。光纤通信将电信号转换为光信号，并通过光纤传输光信号，并且具有宽频带、低损耗、抗噪声等的特征。
作为将电信号转换为光信号的方式，已知有利用半导体激光器的直接调制方式和使用了光调制器的外部调制方式。直接调制不需要光调制器且成本低，但是对高速调制有极限，在高速且长距离的应用中，使用外部调制方式。
作为光调制器，在铌酸锂单晶基板的表面附近通过Ti(钛)扩散形成了光波导的马赫曾德尔型光调制器被实用化(例如，参照专利文献1)。马赫曾德尔型光调制器是使用了具有将从一个光源发出的光分成两束，使其通过不同的路径之后，再次使其叠加以引起干涉的马赫曾德尔干涉仪的构造的光波导(马赫曾德尔光波导)的光调制器，40Gb/s以上的高速的光调制器被商用化，但是其全长长达10cm左右成为大的缺点。
相对于此，专利文献2和3公开了一种使用了c轴取向的铌酸锂膜的马赫曾德尔型光调制器。使用了铌酸锂膜的光调制器与使用了铌酸锂单晶基板的光调制器相比，能够大幅地小型化以及低驱动电压化。
将专利文献2中所公开的现有的光调制器700的截面构造示于图12(a)。在蓝宝石基底21上形成有由铌酸锂膜构成的一对光波导22a、22b，分别在光波导22a、22b的上部经由缓冲层23而配置有信号电极24a和接地电极24b。该光调制器700是具有一个信号电极24a的所谓的单驱动型，由于信号电极24a和接地电极24b是对称构造，因此，施加于光波导22a、22b的电场的大小相等，且符号相反，并且是不会产生调制光的波长啁啾的构造。但是，由于接地电极24b的面积狭窄，因此，存在不能以高频动作等的问题。
将专利文献3中所公开的现有的光调制器800的截面构造示于图12(b)。在由铌酸锂膜构成的一对光波导22a、22b的上部经由缓冲层23而配置有两个信号电极24a1、24a2，并且与信号电极24a1、24a2分开而配置有三个接地电极24c、24d、24e。通过对两个信号电极24a1、24a2施加大小相等、符号相反的电压，从而施加于一对光波导22a、22b的电场的大小相等，且符号相反，并且不会产生调制光的波长啁啾。另外，通过调整施加于一对光波导22a、22b的电压，从而具有能够调整啁啾量等的特征。再者，由于充分确保了左右的接地电极24c、24d的面积，因此是能够以高频动作的构造。然而，由于该光调制器800是具有两个信号电极24a1、24a2的双驱动型，因此电极构造变得复杂。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4485218号公报
专利文献2：日本特开2006-195383号公报
专利文献3：日本特开2014-6348号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
在光调制器中，为了将现状的32Gbaud进一步高速化至64Gbaud，需要35GHz以上的宽频带化。为了实现这样的宽频带化，(1)高频下的电极损耗的降低、(2)光与微波之间的速度匹配、以及(3)阻抗匹配这三点很重要，其中(1)尤其重要。这是因为在高频率下，由于趋肤效应，电流仅在电极的表面附近流动，并且电极损耗增加。
为了降低图12(b)所示的现有的光调制器中的电极损耗，增加信号电极的截面积是有效的，为此，需要加厚信号电极24a1、24a2的厚度T、或者加宽信号电极24a1、24a2的宽度W。
然而，当加厚信号电极24a1、24a2的厚度T时，产生微波的有效介电常数降低而无法进行速度匹配，并且由于阻抗的降低而不能进行阻抗匹配等的问题。另外，当加宽信号电极24a1、24a2的宽度W时，虽然微波的有效介电常数和阻抗没有大的变化，但是产生施加于光波导的电场效率变差，并且半波电压增加等的问题。因此，在现有的电极构造中对应于64Gbaud的高速化的35GHz以上的宽频带化的实现是困难的。
因此，本发明的目的在于，提供一种电极损耗低且高频特性良好，并且能够通过对光波导施加的电场效率的提高来进行低电压驱动的双驱动型的光调制器。
解决问题的技术手段
本发明的光调制器，其特征在于，具备：基板；互相相邻的第一和第二光波导，其由在所述基板上脊状地形成的电光材料膜构成；缓冲层，其至少覆盖所述第一和第二光波导的上表面；以及第一和第二信号电极，其设置于所述缓冲层的上方，所述第一信号电极具有：经由所述缓冲层而与所述第一光波导相对的所述第一下层部、以及设置于所述第一下层部的上方的第一上层部，所述第二信号电极具有：经由所述缓冲层而与所述第二光波导相对的所述第二下层部、以及设置于所述第二下层部的上方的第二上层部，所述第一和第二下层部的下表面的宽度比所述第一和第二上层部的宽度窄。
根据本发明，通过使与第一和第二光波导相对的第一和第二信号电极的下层部的下表面的宽度变窄，可以使电场集中于第一和第二光波导。另外，通过使信号电极的上层部的宽度变宽而获得电极的截面积，可以降低趋肤效应，并且可以降低电极损耗。因此，可以提供一种高频特性良好，并且能够低电压驱动的差动型的光调制器。
本发明的光调制器，优选，还具备：绝缘层，其形成于所述缓冲层上；以及电极层，其包含所述第一和第二上层部，且形成于所述绝缘层上，并且所述第一和第二下层部埋入于形成于所述绝缘层的开口内。根据该结构，可以容易地形成二层构造的信号电极。
在本发明中，优选，所述电极层还包含在俯视时以夹入所述第一和第二信号电极的方式设置的第一和第二接地电极。在该情况下，所述电极层优选包含所述第一和第二接地电极的至少一部分。根据该结构，可以提供一种降低了放射损耗和波长啁啾且高频特性良好的光调制器。
在本发明中，优选，存在于所述第一信号电极和所述第二信号电极之间的电极分离区域的下方的所述绝缘层的至少一部分被去除。通过去除存在于第一信号电极和第二信号电极之间的绝缘层的一部分，可以降低行波电极的有效介电常数，由此可以使行波电极的有效折射率与光的有效折射率一致而使速度匹配成为良好。
在本发明中，优选，所述第一上层部和所述第二上层部之间的间隔为所述第一下层部和所述第二下层部之间的间隔以上。根据该结构，可以将降低电极损耗的效果提高。
在本发明中，优选，所述第一和第二光波导以及所述第一和第二信号电极的截面构造是左右对称的。根据该结构，可以实现抑制了波长啁啾的双驱动型的光调制器。
本发明的光调制器，优选，还具备形成于所述波导层上的保护层，所述保护层覆盖所述第一和第二光波导的两侧的侧面，所述缓冲层形成于所述保护层上。
在本发明中，优选，所述第一和第二下层部的下表面的宽度比所述第一和第二光波导的宽度宽。根据该结构，可以均匀地对光波导的宽度方向的整体施加电场，并且可以实现高频特性良好且能够低电压驱动的光调制器。
本发明的光调制器，优选，所述第一和第二光波导的各个具有至少一个直线部和至少一个弯曲部，所述第一下层部经由所述缓冲层而与所述第一光波导的所述直线部相对，所述第二下层部经由所述缓冲层而与所述第二光波导的所述直线部相对。在该情况下，优选，所述直线部具有互相平行的第一至第三直线部，所述弯曲部具有连接所述第一直线部和所述第二直线部的第一弯曲部、以及连接所述第二直线部和所述第三直线部的第二弯曲部，所述第一信号电极的所述第一下层部经由所述缓冲层而覆盖所述第一至第三直线部的至少一者的所述第一光波导，所述第二信号电极的所述第二下层部经由所述缓冲层而覆盖所述第一至第三直线部的至少一者的所述第二光波导。根据该结构，可以将光波导折返而构成，并且可以缩短元件长度。特别是在使用由铌酸锂膜构成的光波导的情况下，即使将曲率半径减小至例如50μm左右，损耗也小，因此本发明的效果显著。
在本发明中，优选，所述基板是单晶基板，所述电光材料膜为铌酸锂膜，所述铌酸锂膜是膜厚为2μm以下的外延膜，所述铌酸锂膜的c轴在相对于所述基板的主面垂直方向上取向。在由铌酸锂膜形成光调制器的马赫曾德尔光波导的情况下，可以形成极薄且线宽狭窄的光波导，并且可以构成小型且高品质的光调制器，但是，由于光波导是薄型且线宽也狭窄，因此电场集中的问题显著。然而，根据本发明，可以解决这样的问题，可以实现高频特性良好且可以降低调制光的波长啁啾，并且能够低电压驱动的光调制器。
发明的效果
根据本发明，可以提供一种电极损耗低且高频特性良好，并且能够通过对光波导施加的电场效率的提高来进行低电压驱动的双驱动型的光调制器。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的光调制器100的俯视图，图1(a)仅示出了光波导，图1(b)示出了包含行波电极的光调制器100的整体。
图2是沿图1(a)和图1(b)的A-A’线的光调制器100的大致截面图。
图3是示出本发明的第二实施方式的光调制器200的结构的大致截面图。
图4是示出本发明的第三实施方式的光调制器300的结构的大致截面图。
图5是示出本发明的第四实施方式的光调制器400的结构的大致截面图。
图6是本发明的第五实施方式的光调制器500的俯视图，图6(a)仅示出了光波导，图6(b)示出了包含行波电极的光调制器500的整体。
图7是示出当使信号电极的台阶差的高度(绝缘层5的厚度H)改变时的VπL(电场效率)的模拟结果的图表。
图8是示出当使信号电极的上层部的宽度W7(＝W7a＝W7b)改变时的电极损耗的模拟结果的图表。
图9是示出比较例(H＝0)的光调制器的构造的大致截面图。
图10是示出当使信号电极的上层部的宽度W7(＝W7a＝W7b)改变时的有效折射率的模拟结果的图表。
图11是示出在图9的比较例中当使电极7a、7b、8a、8b的厚度T改变时的有效折射率的模拟结果的图表。
图12(a)和图12(b)是示出现有的光调制器的构造的大致截面图。
具体实施方式
在下文中，一边参考附图，一边对本发明的优选的实施方式进行详细地说明。
图1是根据本发明的第一实施方式的光调制器100的俯视图，图1(a)仅示出了光波导，图1(b)示出了包含行波电极的光调制器100的整体。
如图1(a)和图1(b)所示，该光调制器100具备：马赫曾德尔光波导10，其具有形成于基板1上，并且互相平行地设置的第一和第二光波导10a、10b；第一信号电极7a，其与第一光波导10a重叠地设置；第二信号电极7b，其与第二光波导10b重叠地设置；第一和第二接地电极8a、8b，其以夹入第一和第二信号电极7a、7b的方式设置；第一偏置电极9a，其与第一光波导10a重叠地设置；以及第二偏置电极9b，其与第二光波导10b重叠地设置。
马赫曾德尔光波导10是具有马赫曾德尔干涉仪的构造的光波导。具有从一根输入光波导10i被分波部10c分支的第一和第二光波导10a、10b，第一和第二光波导10a、10b经由合波部10d而汇集于一根输出光波导10o。输入光Si在分波部10c被分波且分别在第一和第二光波导10a、10b行进之后，在合波部10d被合波，作为调制光So从输出光波导10o输出。
第一和第二信号电极7a、7b在俯视时位于第一和第二接地电极8a、8b之间。第一和第二信号电极7a、7b的一端7a1、7b1是信号输入端，第一和第二信号电极7a、7b的另一端7a2、7b2经由终端电阻12而互相连接。或者，第一信号电极7a的另一端7a2可以经由第一终端电阻而连接于第一接地电极8a，第二信号电极7b的另一端7b2可以经由第二终端电阻而连接于第二接地电极8b。由此，第一和第二信号电极7a、7b与第一和第二接地电极8a、8b共同地发挥作为差动的共面型行波电极的作用。虽然在后文中详细描述，但是第一和第二信号电极7a、7b是两层构造，由粗虚线表示的第一信号电极7a的下层部7aL在俯视时与第一光波导10a重叠，同样地，由粗虚线表示的第二信号电极7b的下层部7bL在俯视时与第二光波导10b重叠。
第一和第二偏置电极9a、9b为了向第一和第二光波导10a、10b施加直流偏置电压(DC偏置)，与第一和第二信号电极7a、7b独立地设置。第一和第二偏置电极9a、9b的一端9a1、9b1是DC偏置的输入端。在本实施方式中，第一和第二偏置电极9a、9b的形成区域设置于比第一和第二信号电极7a、7b的形成区域更靠近马赫曾德尔光波导10的输出端侧，但是也可以设置于输入端侧。另外，可以省略第一和第二偏置电极9a、9b，并且将预先重叠了DC偏置的调制信号输入于第一和第二信号电极7a、7b。
在第一信号电极7a的一端7a1和第二信号电极7b的一端7b1，输入绝对值相同且正负不同的差动信号(调制信号)。由于第一和第二光波导10a、10b由铌酸锂等的具有电光效应的材料构成，因此，根据赋予第一和第二光波导10a、10b的电场，第一和第二光波导10a、10b的折射率分别如+Δn、-Δn那样变化，一对光波导之间的相位差改变。由该相位差的变化调制的信号光从输出光波导10o被输出。
如此，由于本实施方式的光调制器100是由一对信号电极7a、7b构成的双驱动型，因此可以提高施加于一对光波导的电场的对称性，并且可以抑制波长啁啾。
图2是沿图1(a)和图1(b)的A-A’线的光调制器100的大致截面图。
如图2所示，本实施方式的光调制器100具有依次层叠有基板1、波导层2、保护层3、缓冲层4、绝缘层5和电极层6的多层构造。基板1例如是蓝宝石基板，在基板1的表面形成有由以铌酸锂为代表的电光材料构成的波导层2。波导层2具有由脊部2r构成的第一和第二光波导10a、10b。互相相邻的第一和第二光波导10a、10b的脊宽W0例如可以设定为1μm。
保护层3形成于在俯视时与第一和第二光波导10a、10b不重叠的区域。由于保护层3覆盖波导层2的上表面中的未形成脊部2r的区域的整个面，并且脊部2r的侧面也被保护层3覆盖，因此，可以防止由脊部2r的侧面的毛糙而引起的散射损耗。保护层3的厚度与波导层2的脊部2r的高度大致相同。对保护层3的材料没有特别限定，例如可以使用氧化硅(SiO2)。
缓冲层4是为了防止在第一和第二光波导10a、10b中传播的光被第一和第二信号电极7a、7b吸收，而形成于波导层2的脊部2r的上表面的层。缓冲层4优选地由折射率比波导层2低且透明性高的材料构成，例如，可以使用Al2O3、SiO2、LaAlO3、LaYO3、ZnO、HfO2、MgO、Y2O3等，并且其厚度可以为大约0.2～1μm左右。缓冲层4更优选地由介电常数比绝缘层5高的材料构成，但是也可以使用与绝缘层5相同的材料。在本实施方式中，缓冲层4不仅覆盖第一和第二光波导10a、10b的上表面，而且覆盖包含保护层3的上表面的基底面的整个面，但是也可以是如图4所示地以选择性地仅覆盖第一和第二光波导10a、10b的上表面附近的方式被图案化的层。另外，也可以省略保护层3，在波导层2的上表面直接形成缓冲层4。
为了减小电极的光吸收，缓冲层4的膜厚越厚越好，并且为了对光波导10a、10b施加高的电场，缓冲层4的膜厚越薄越好。由于电极的光吸收与电极的施加电压是权衡(Trade-off)的关系，因此有必要根据目的来设定适当的膜厚。缓冲层4的介电常数越高，则越可以减小VπL(表示电场效率的指标)，因而优选，缓冲层4的折射率越低，则可以使缓冲层4越薄，因而优选。通常，因为介电常数高的材料的折射率也高，考虑到两者的平衡，重要的是选定介电常数高且折射率比较低的材料。作为一例，Al2O3的相对介电常数约为9、且折射率约为1.6，是优选的材料。LaAlO3的相对介电常数约为13、且折射率约为1.7，另外，LaYO3的相对介电常数约为17、且折射率约为1.7，是特别优选的材料。
绝缘层5是为了在行波电极的下表面形成台阶差而设置的层。绝缘层5优选由介电常数低的材料构成，例如可以使用SiO2。在绝缘层5的俯视时与第一和第二光波导10a、10b重叠的区域形成有开口(狭缝)，使缓冲层4的上表面露出。通过在该开口内埋入有电极层6的导电材料的一部分，在第一和第二信号电极7a、7b的下表面形成有台阶差。绝缘层5的厚度优选为1μm以上。如果绝缘层5的厚度为1μm以上，则可以获得由在第一和第二信号电极7a、7b的下表面设置了台阶差而得到的效果。
优选地，存在于第一信号电极7a与第二信号电极7b之间的电极分离区域6i的下方的绝缘层5的至少一部分(被虚线U1包围的部分)被去除，由此缓冲层4的上表面的至少一部分露出。绝缘层5也可以不在电极分离区域6i整个区域而是在一部分区域中被去除。这样，在本实施方式中，由于存在于第一信号电极7a与第二信号电极7b之间的电极分离区域6i的绝缘层5被去除，因此可以使行波电极的有效折射率与光的有效折射率一致并使速度匹配良好。
在电极层6设置有第一信号电极7a、第二信号电极7b、第一接地电极8a和第二接地电极8b。第一信号电极7a为了调制在第一光波导10a内行进的光而与对应于第一光波导10a的脊部2r重叠地设置，经由缓冲层4而与第一光波导10a相对。第二信号电极7b为了调制在第二光波导10b内行进的光而与对应于第二光波导10b的脊部2r重叠地设置，经由缓冲层4而与第二光波导10b相对。从第一信号电极7a观察时，第一接地电极8a设置于与第二信号电极7b相反侧，从第二信号电极7b观察时，第二接地电极8b设置于与第一信号电极7a相反侧。
在垂直地切断第一和第二光波导10a、10b的图2中所示的截面构造中，被第一和第二接地电极8a、8b夹持的区域内的电极构造以位于电极分离区域6i的中央的对称轴Z0为中心而是左右对称的。因此，可以使从第一和第二信号电极7a、7b分别施加于第一和第二光波导10a、10b的电场的大小尽可能相同来降低波长啁啾。
波导层2只要是电光材料，就没有特别限定，但优选由铌酸锂(LiNbO3)构成。这是因为铌酸锂具有大的电光常数，适合作为光调制器等光学设备的构成材料。在下文中，对将波导层2作为铌酸锂膜的情况下的本实施方式的结构进行详细地说明。
作为基板1，只要是折射率比铌酸锂膜低的基板，就没有特别限定，但优选为可以将铌酸锂膜作为外延膜而形成的基板，优选蓝宝石单晶基板或硅单晶基板。单晶基板的晶体方位没有特别限定。铌酸锂膜相对于各种晶体方位的单晶基板，具有容易作为c轴取向的外延膜而形成等的性质。由于c轴取向的铌酸锂薄膜具有三重对称性，因此优选基底的单晶基板也具有相同的对称性，在蓝宝石单晶基板的情况下，优选c面，在硅单晶基板的情况下，优选(111)面的基板。
在此，外延膜是指，相对于基底的基板或基底膜的晶体方位一致地取向的膜。当将膜面内设为X-Y面且将膜厚方向设为Z轴时，晶体沿X轴、Y轴和Z轴方向均一致地取向。例如，可以通过进行：第一，利用2θ-θX射线衍射的取向位置处的峰强度的确认；第二，极点的确认，来证明外延膜。
具体地，在进行：第一，利用2θ-θX射线衍射的测定时，作为目标的面之外的所有的峰强度需要为作为目标的面的最大峰强度的10％以下，优选为5％以下。例如，在铌酸锂的c轴取向外延膜中，(00L)面以外的峰强度为(00L)面的最大峰强度的10％以下，优选为5％以下。(00L)是将(001)或(002)等的等价的面总称的表示。
第二，在极点测定中，需要能够看到极点。在上述的第一取向位置处的峰强度的确认的条件中，仅示出了一个方向上的取向性，即使取得了上述的第一条件，在面内晶体取向不一致的情况下，在特定角度位置处X射线的强度不会增加，并且看不到极点。由于LiNbO3是三角晶系的晶体构造，所以单晶中的LiNbO3(014)的极点为3个。在铌酸锂膜的情况下，已知有以c轴为中心旋转180°的晶体对称地耦合的、所谓以孪晶的状态进行外延生长。在这种情况下，由于3个极点是对称地两个耦合的状态，因此极点为6个。另外，在(100)面的硅单晶基板上形成了铌酸锂膜的情况下，由于基板是四重对称的，因此观察到4×3＝12个极点。此外，在本发明中，以孪晶的状态进行外延生长的铌酸锂膜也包含于外延膜。
铌酸锂膜的组成为LixNbAyOz。A表示Li、Nb、O以外的元素。x为0.5～1.2，优选为0.9～1.05。y为0～0.5。z为1.5～4，优选为2.5～3.5。作为A元素，有K、Na、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、V、Cr、Mo、W、Fe、Co、Ni、Zn、Sc、Ce等，也可以是两种以上的组合。
铌酸锂膜的膜厚优选为2μm以下。这是因为，如果膜厚比2μm厚，则难以形成高品质的膜。另一方面，在铌酸锂膜的膜厚过薄的情况下，铌酸锂膜中的光的限制变弱，光会泄漏至基板1或缓冲层4。即使对铌酸锂膜施加电场，光波导(10a、10b)的有效折射率的变化也有变小的担忧。因此，铌酸锂膜优选为所使用的光的波长的1/10左右以上的膜厚。
作为铌酸锂膜的形成方法，优选利用溅射法、CVD法、溶胶-凝胶法的膜形成方法。铌酸锂的c轴垂直于基板1的主面地取向，通过平行于c轴地施加电场，使光学折射率与电场成比例地变化。在使用蓝宝石作为单晶基板的情况下，可以在蓝宝石单晶基板上直接地使铌酸锂膜外延生长。在使用硅作为单晶基板的情况下，经由包覆层(未在图中示出)而通过外延生长形成铌酸锂膜。作为包覆层(未在图中示出)，使用折射率比铌酸锂膜低并且适于外延生长的材料。例如，当使用Y2O3作为包覆层(未在图中示出)时，可以形成高品质的铌酸锂膜。
此外，作为铌酸锂膜的形成方法，还已知有将铌酸锂单晶基板薄抛光或切片的方法。该方法具有能够获得与单晶相同的特性等的优点，并且可以适用于本发明。
第一信号电极7a是二层构造，具有形成于电极层6的上层部7aH和埋入于贯通绝缘层5的开口(第一开口)内的下层部7aL。第一信号电极7a的下层部7aL设置于第一信号电极7a的上层部7aH的靠近第二信号电极7b的端部。因此，第一信号电极7a的下层部7aL的下表面(第一下表面)SaL设置于比上层部7aH的下表面(第二下表面)SaH更靠近第二信号电极7b。通过该结构，第一信号电极7a的第一下表面SaL在第一光波导10a上方与缓冲层4的上表面相接，并且经由缓冲层4而覆盖第一光波导10a。第一信号电极7a的第二下表面SaH比第一下表面SaL更位于上方，并且不与缓冲层4相接。
第一信号电极7a的下层部7aL的宽度(第一下表面SaL的宽度)WaL比上层部7aH的宽度(第一信号电极7a的整个宽度)W7a窄。下层部7aL仅形成于在俯视时与第一光波导10a重叠的区域附近，而不形成于除此之外的区域。因此，第一信号电极7a的第一下表面SaL的宽度WaL是比第一光波导10a的脊宽度W0稍宽的程度。为了使来自于第一信号电极7a的电场集中于第一光波导10a，第一信号电极7a的第一下表面SaL的宽度WaL优选为第一光波导10a的脊宽度W0的1.1～15倍，更优选为1.5～10倍。为了充分地确保第一信号电极7a的上层部7aH的截面积，第二下表面SaH的宽度WaH优选为比第一下表面SaL的宽度WaL宽。
第二信号电极7b也是二层构造，具有形成于电极层6的上层部7bH和埋入于贯通绝缘层5的开口(第二开口)内的下层部7bL。第二信号电极7b的下层部7bL设置于第二信号电极7b的上层部7bH的靠近第一信号电极7a的端部。因此，第二信号电极7b的上层部7bH的下表面(第一下表面)SbL设置于比下层部7bL的下表面(第二下表面)SbH更靠近第一信号电极7a。通过该结构，第二信号电极7b的第一下表面SbL在第二光波导10b上方与缓冲层4的上表面相接，并且经由缓冲层4而覆盖第二光波导10b。第二信号电极7b的第二下表面SbH比第一下表面SbL更位于上方，并且不与缓冲层4相接。
第二信号电极7b的下层部7bL的宽度(第二下表面SbL的宽度)WbL比上层部7bH的宽度(第二信号电极7b的整个宽度)W7b窄。下层部7bL仅形成于在俯视时与第二光波导10b重叠的区域附近，而不形成于除此之外的区域。因此，第二信号电极7b的第一下表面SbL的宽度WbL是比第二光波导10b的脊宽度W0稍宽的程度。为了使来自于第二信号电极7b的电场集中于第二光波导10b，第二信号电极7b的第一下表面SbL的宽度WbL优选为第二光波导10b的脊宽度W0的1.1～15倍，更优选为1.5～10倍。为了充分地确保第二信号电极7b的上层部7bH的截面积，第二下表面SbH的宽度WbH优选为比第一下表面SbL的宽度WbL宽。
第一和第二接地电极8a、8b是仅由设置于电极层6的导体构成的单层构造，但是也可以与第一和第二信号电极7a、7b同样地是二层构造。即，第一和第二接地电极8a、8b也可以包含被埋入于形成于绝缘层5的开口内，并且与缓冲层4的上表面相接的导体。此外，第一和第二接地电极8a、8b也可以包含被埋入于贯通绝缘层5和缓冲层4的开口内，并且与保护层3的上表面相接的导体。
第一和第二接地电极8a、8b的宽度W8a、W8b优选比第一和第二信号电极7a、7b的宽度W7a、W7b宽。通过使第一和第二接地电极8a、8b的各个的面积大于第一和第二信号电极7a、7b的面积，可以减少放射损耗，可以获得良好的高频特性。第一接地电极8a的宽度W8a可以与第二接地电极8b的宽度W8b相同，也可以不同。
如上所述，夹持于第一和第二接地电极8a、8b之间的区域内的电极构造以对称轴Z0为中心而是左右对称的，第一和第二信号电极7a、7b的整个宽度W7a、W7b互相相等，下层部7aL、7bL的下表面SaL、SbL的宽度WaL、WbL也互相相等，上层部7aH、7bH的下表面SaH、SbH的宽度WaH、WbH也互相相等。此外，第一信号电极7a与第一接地电极8a之间的间隔G1a以及第二信号电极7b与第二接地电极8b之间的间隔G1b互相相等。
第一信号电极7a的下层部7aL的内侧侧面的位置与第一信号电极7a的上层部7aH的内侧侧面的位置一致，第二信号电极7b的下层部7bL的内侧侧面的位置与第二信号电极7b的上层部7bH的内侧侧面的位置一致。因此，下层部7aL和下层部7bL之间的间隔(G0L)和上层部7aH与上层部7bH之间的间隔(G0H)相等，两者均为间隔G0(G0L＝G0H＝G0)。还有，两个电极之间的间隔是指X方向上的两者之间的最短距离。
第一信号电极7a和第一接地电极8a之间的间隔G1a以及第二信号电极7b和第二接地电极8b之间的间隔G1b优选为比第一和第二信号电极7a、7b的间隔G0宽。通过使信号电极7a、7b与接地电极8a、8b之间间隔G1a、G1b比第一和第二信号电极7a、7b之间的间隔G0宽，可以降低第一和第二接地电极8a、8b对施加于一对光波导的电场赋予的影响，可以尽可能使施加于第一和第二光波导10a、10b的电场的大小相同以降低波长啁啾。
如以上所说明的那样，本实施方式的光调制器100由于使第一和第二信号电极7a、7b为二层构造，下层部7aL、7bL的下表面SaL、SbL的宽度WaL、WbL比上层部7aH、7bH的电极宽度(第一和第二信号电极7a、7b的最大宽度)W7a、W7b窄，因此可以使电场集中于第一和第二光波导10b，并且可以提高电场效率。另外，第一和第二信号电极7a、7b的上层部7aH、7bH的电极宽度W7a、W7b比下层部7aL、7bL的下表面7aL、7bL的宽度WaL、WbL宽，因此可以增大信号电极的截面积，并且可以降低高频下的电极损耗。因此，可以实现高频特性良好，并且能够低电压驱动的光调制器。
图3是示出本发明的第二实施方式的光调制器200的结构的大致截面图。
如图3所示，光调制器200是图2所示的光调制器100的截面构造的第一变形例，其特征在于，不仅存在于第一信号电极7a和第二信号7b之间的电极分离区域6i的下方的绝缘层5的一部分(被虚线U1包围的部分)被去除，而且还去除了存在于其下方的缓冲层4和保护层3的层叠体的一部分(被虚线U2包围的部分)，由此波导层2的上表面的一部分露出。缓冲层4和保护层3的层叠体也可以在电极分离区域6i的一部分区域被去除而不是在整个区域被去除。另外，如图所示，保护层3优选以覆盖脊部2r的侧面的方式被残留。另外，可以不去除缓冲层4和保护层3两者，而仅将缓冲层4与绝缘层5一起去除，使保护层3残留。此时，可以整体地残留保护层3，也可以去除至保护层3的中途为止，使剩余的一部分残留。
如以上所说明的那样，在本实施方式中，由于不仅去除绝缘层5，而且还去除存在于其下方的缓冲层4和保护层3的层叠体的至少一部分，因此可以进一步降低行波电极的有效介电常数。因此，可以使行波电极的有效折射率与光的有效折射率一致而进一步使速度匹配良好。
图4是示出本发明的第三实施方式的光调制器300的结构的大致截面图。
如图4所示，该光调制器300是图2所示的光调制器100的截面构造的第二变形例，其特征在于，在第一信号电极7a和第二信号电极7b之间的电极分离区域6i的下方存在绝缘层5，再有，第一和第二信号电极7a、7b的上层部7aH、7bH的对称轴Z0附近的端部比下层部7aL、7bL的端部更向对称轴Z0侧突出。另外，缓冲层4以选择性地仅覆盖第一和第二光波导10a、10b的上表面附近的方式被图案化。其他的结构与第一实施方式相同。
在本实施方式中，由于上层部7aH与上层部7bH之间的间隔G0H比下层部7aL与下层部7bL之间的间隔G0L小，因此在速度匹配方面比第一实施方式稍逊。然而，即使是这样的结构，也可以起到与第一实施方式同样的效果。即，由于上层部7aH、7bH的宽度比下层部7aL、7bL的宽度宽，因此与一律使第一和第二信号电极7a、7b的宽度变窄的情况相比，可以增加信号电极的截面积，并且可以降低高频下的电极损耗。因此，可以实现高频特性良好，且能够低电压驱动的光调制器。
图5是示出本发明的第四实施方式的光调制器400的结构的大致截面图。
如图5所示，光调制器400是图2所示的光调制器100的第三变形，其特征在于，绝缘层5的开口的内壁面是倾斜面，与之相应地，第一和第二信号电极7a、7b的下层部7aL、7bL也倾斜，再有，第一和第二信号电极7a、7b的内侧(对称轴Z0附近)的角部具有平缓地弄圆的形状。其他的结构与第一实施方式相同。
在本实施方式中，由于第一和第二信号电极7a、7b的上层部7aH、7bH之间的间隔G0H比第一和第二信号电极7a、7b的下层部7aL、7bL之间的间隔G0L宽，因此速度匹配容易。第一和第二信号电极7a、7b的上层部7aH、7bH的截面积比第一实施方式小，但是由于将上层部7aH、7bH的宽度加宽至比下层部7aL、7aL宽以确保截面积，因此可以起到与第一实施方式同样的效果。即，由于上层部7aH、7bH的电极宽度W7a’、W7b’比下层部7aL、7bL的下表面SaL、SbL的宽度WaL、WbL宽，因此与一律使第一和第二信号电极7a、7b的宽度变窄的情况相比，可以增加信号电极的截面积，并且可以降低高频下的电极损耗。因此，可以实现高频特性良好，且能够低电压驱动的光调制器。
图6是本发明的第五实施方式的光调制器500的俯视图，图6(a)仅示出了光波导，图6(b)示出了包含行波电极的光调制器500的整体。
如图6(a)和图6(b)所示，本实施方式的光调制器500的特征在于，马赫曾德尔光波导10由直线部和弯曲部的组合构成。更具体地，马赫曾德尔光波导10包含互相平行地配置的第一至第三线直线部10e1、10e2、10e3、连接第一直线部10e1和第二直线部10e2的第一弯曲部10f1、以及连接第二直线部10e2和第三直线部10e3的第二弯曲部10f2。
于是，本实施方式的光调制器500以沿图中的A-A’线的马赫曾德尔光波导10的直线部10e1、10e2、10e3的截面构造成为图2～图5所示的截面构造的方式构成。即，第一信号电极7a的第一下表面SaL经由缓冲层4而覆盖第一～第三直线部10e1、10e2、10e3中的第一光波导10a，另外，第二信号电极7b的第一下表面SbL经由缓冲层4而覆盖第一至第三直线部10e1、10e2、10e3中的第二光波导10b。第一和第二偏置电极9a、9b的位置没有特别限定，但是覆盖第三直线部10e3的其它的一部分中的第一和第二光波导10a、10b。在本实施方式中，第一和第二信号电极7a、7b覆盖第一和第二直线部10e1、10e2的整体以及第三直线部10e3的一部分，但是例如也可以仅覆盖第一直线部10e1。
在本实施方式中，输入光Si被输入至第一直线部10e1的一端，从第一直线部10e1的一端向另一端行进，在第一弯曲部10f1处折返并从第二直线部10e2的一端向另一端以与第一直线部10e1相反的方向行进，进一步在第二弯曲部10f2处折返并从第三直线部10e3的一端向另一端以与第一直线部10e1相同的方向行进。
在光调制器中，元件长度长是实用上的大的技术问题，但是，如图所示，通过将光波导折返来构成，可以大幅地缩短元件长度，并且可以得到显著的效果。特别地，由铌酸锂膜形成的光波导具有即使将曲率半径减小至例如50μm左右，损耗也小的特征，适用于本实施方式。
在上文中，对本发明的优选的实施方式进行了说明，但是本发明不限于上述的实施方式，在不脱离本发明的要旨的范围内可以进行各种变更，不用说它们也包含于本发明的范围内。
例如，在上述实施方式中，列举了具有由在基板1上外延生长的铌酸锂膜形成的一对光波导10a、10b的光调制器，但是本发明不限于该结构，也可以是由钛酸钡、锆钛酸铅等的电光材料形成光波导的光调制器。然而，由于如果是由铌酸锂膜形成的光波导，则可以使光波导的宽度变窄而形成，因此电场集中的问题显著，本发明的效果大。另外，作为波导层2，也可以使用具有电光效应的半导体材料、高分子材料等。
另外，在本发明中，列举了第一和第二信号电极7a、7b的下表面具有两阶的台阶差构造的情况为例，但是也可以具有三阶以上的台阶差构造。在该情况下，与缓冲层4相接的面是下层部的下表面。此外，也可以具有第一和第二信号电极7a、7b的下层部的宽度朝向第一和第二光波导10a、10b逐渐变狭窄的锥形状。
实施例
通过模拟对具有图2所示的截面构造的光调制器的电场效率进行了评价。在该光调制器中，设基板1为蓝宝石单晶基板(相对介电常数10)，波导层2为铌酸锂膜，保护层3为SiO2(相对介电常数4)，缓冲层4为由La、Al等构成的氧化物La-Al-O(相对介电常数13)，绝缘层5为SiO2(相对介电常数4)，且电极层6为Au。另外，设波导层2的厚度为1.5μm，波导层2的平板(Slab)厚度为0.4μm(脊部2r的厚度为1.1μm)，波导层2的脊宽度W0为1.2μm，缓冲层4的厚度为0.9μm，第一和第二波导的间隔为14μm，绝缘层5的厚度H＝2μm，信号电极的上层部的宽度W7a＝W7b＝9μm，信号电极的下层部的宽度WaL＝WbL＝3μm，电极层6的厚度T＝3μm，信号电极与接地电极的间隔G1a＝G1b＝20μm，且沿光波导的信号电极的电极长度(相互作用长度)为20mm。
在上述的结构中，当信号频率为32GHz时，得到了半波长电压Vπ＝1.8V、频带＝41GHz，并且得到了以64Gbaud动作的低驱动电压、宽频带的光调制器。
接下来，在具有图2所示的截面构造的光调制器中，通过模拟求得了使第一和第二信号电极7a、7b的下层部7aL、7bL的厚度(绝缘层5的厚度H)变化时的VπL的变化。VπL是表示电场效率的参数，表示为VπL越小则电场效率越高。Vπ是半波长电压，L是电极长度。设作为可变参数的绝缘层5的厚度H为0μm(无台阶差)、0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm的六个值。此外，将绝缘层5的厚度H为0μm的光调制器600的截面构造示于图9。该光调制器600与图2相比，在缓冲层4和电极层6之间没有绝缘层5，并且第一和第二信号电极7a、7b以及第一和第二接地电极8a、8b形成于缓冲层4的上表面。第一和第二接地电极8a、8b的宽度W7a＝W7b＝9μm。
图7是示出VπL的模拟结果的图表，横轴表示绝缘层5的厚度H(μm)，纵轴表示VπL(Vcm)。如图7所示，可以看出，通过设置绝缘层5(H>0μm)，即使扩宽信号电极的最大宽度，也可以改善电场效率。另外，可以看出，绝缘层5的厚度H越大，电场效率也越改善。
接下来，在具有图2所示的截面构造的光调制器中，求得了使第一和第二信号电极7a、7b的上层部7aH、7bH的宽度W7a＝W7b＝W7变化时的电极损耗的变化。在此，将作为可变参数的上层部7aH、7bH的W7设置为3μm、5μm、7μm、9μm这四个。另外，设绝缘层5的厚度H为0μm、2μm、4μm这三个。
图8是示出电极损耗的模拟结果的图表，横轴表示信号电极的上层部7aH、7bH的宽度W7(μm)，纵轴表示电极损耗(dB/mm)。如图8所示，可以看出上层部7aH、7bH的宽度W7变得越宽，电极损耗变得越小。
图10是示出有效折射率的模拟结果的图表，横轴表示信号电极的上层部7aH、7bH的宽度W7(μm)，纵轴表示微波的有效折射率Nm。如图10所示，可以看出，即使加宽上层部7aH、7bH的宽度W7，有效折射率Nm的变化也很小，并且光的有效折射率与2.05大致一致，满足了速度匹配条件。
另一方面，图11示出了在图9的比较例中当使电极7a、7b、8a、8b的厚度T变化时的微波的有效折射率Nm的模拟结果。如图11所示，可以看出，当使电极7a、7b、8a、8b的厚度T增加时，有效折射率Nm骤降，并且光的有效折射率与2.05之间的差变大，不满足速度匹配条件。
加宽实施例的W7或增厚比较例的T在降低电极损耗的方面是相同的效果。但是，即使加宽实施例中的W7，微波的有效折射率也几乎不改变，维持速度匹配条件，相对于此，如果增厚比较例的T，则有效折射率大幅地减少，不能够满足速度匹配条件。因此，可以看出，实施例的构造是更优越的。
由于以上的结果，可以看出，根据本发明的二层构造的信号电极，可以实现电场效率的提高(VπL的降低)和电极损耗的降低，并且对光纤通信的宽频带化和低驱动电压化是有利的。
符号的说明
1基板
2波导层
2r脊部
3保护层
4缓冲层
5绝缘层
6电极层
6i电极分离区域
7a 第一信号电极
7a1 第一信号电极的一端
7a2 第一信号电极的另一端
7aH 第一信号电极的上层部
7aL 第一信号电极的下层部
7b 第二信号电极
7b1 第二信号电极的一端
7b2 第二信号电极的另一端
7bH 第二信号电极的上层部
7bL 第二信号电极的下层部
8a 第一接地电极
8b 第二接地电极
9a 第一偏置电极
9b 第二偏置电极
10 马赫曾德尔光波导
10a 第一光波导
10b 第二光波导
10c 分波部
10d 合波部
10e1 马赫曾德尔光波导的第一直线部
10e2 马赫曾德尔光波导的第二直线部
10e3 马赫曾德尔光波导的第三直线部
10f1 马赫曾德尔光波导的第一弯曲部
10f2 马赫曾德尔光波导的第二弯曲部
10i 输入光波导
10o 输出光波导
12 终端电阻
21 蓝宝石基板
22a 第一光波导
22b 第二光波导
23 缓冲层
24a、24a1、24a2 信号电极
24b、24c、24d、24e 接地电极
100、200、300、400、500、600、700、800 光调制器
G0 第一信号电极和第二信号电极的间隔
G0H 第一上层部和第二上层部的间隔
G0L 第一下层部和第二下层部的间隔
G1a 第一信号电极和第一接地电极的间隔
G1b 第二信号电极和第二接地电极的间隔
SaH 第一上层部的下表面
SaL 第一下层部的下表面
SbH 第二上层部的下表面
SbL 第二下层部的下表面
Si 输入光
So 调制光
W0 第一和第二光波导的宽度(脊宽度)
W7a 第一上层部的宽度(第一信号电极的最大宽度)
W7a’ 第一上层部的宽度(最大宽度)
W7b 第二上层部的宽度(第二信号电极的最大宽度)
W7b’ 第二上层部的宽度(最大宽度)
W8a 第一接地电极的宽度
W8b 第二接地电极的宽度
WaH 第一上层部的下表面的宽度
WaL 第一下层部的下表面的宽度
WbH 第二上层部的下表面的宽度
WbL 第二下层部的下表面的宽度
Z0 对称轴。

Claims (12)

1.一种光调制器，其中，
具备：
基板；
互相相邻的第一光波导和第二光波导，其由在所述基板上脊状地形成的电光材料膜构成；
缓冲层，其至少覆盖所述第一光波导和所述第二光波导的上表面；以及
第一信号电极和第二信号电极，其设置于所述缓冲层的上方，
所述第一信号电极具有：经由所述缓冲层而与所述第一光波导相对的第一下层部、以及设置于所述第一下层部的上方的第一上层部，
所述第二信号电极具有：经由所述缓冲层而与所述第二光波导相对的第二下层部、以及设置于所述第二下层部的上方的第二上层部，
所述第一下层部的电极宽度比所述第一上层部的电极宽度窄，所述第二下层部的电极宽度比所述第二上层部的电极宽度窄，
所述第一下层部以所述第一下层部设置于所述第一上层部的靠近所述第二信号电极的端部、或者所述第一上层部的靠近所述第二信号电极的端部比所述第一下层部的靠近所述第二信号电极的端部更向所述第二信号电极侧突出的方式设置于比所述第一上层部的宽度方向中央更靠近所述第二信号电极的位置，
所述第二下层部以所述第二下层部设置于所述第二上层部的靠近所述第一信号电极的端部、或者所述第二上层部的靠近所述第一信号电极的端部比所述第二下层部的靠近所述第一信号电极的端部更向所述第一信号电极侧突出的方式设置于比所述第二上层部的宽度方向中央更靠近所述第一信号电极的位置，
所述第一下层部的下表面的宽度比所述第一上层部的宽度窄，所述第二下层部的下表面的宽度比所述第二上层部的宽度窄。
2.根据权利要求1所述的光调制器，其中，
还具备：
绝缘层，其形成于所述缓冲层上；以及
电极层，其包含所述第一上层部和所述第二上层部，且形成于所述绝缘层上，
所述第一下层部和所述第二下层部埋入于形成于所述绝缘层的开口内。
3.根据权利要求2所述的光调制器，其中，
所述电极层还包含在俯视时以夹入所述第一信号电极和所述第二信号电极的方式设置的第一接地电极和第二接地电极。
4.根据权利要求3所述的光调制器，其中，
存在于所述第一信号电极和所述第二信号电极之间的电极分离区域的下方的所述绝缘层的至少一部分被去除。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的光调制器，其中，
所述第一上层部和所述第二上层部之间的间隔为所述第一下层部和所述第二下层部之间的间隔以上。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的光调制器，其中，
所述第一光波导和所述第二光波导以及所述第一信号电极和所述第二信号电极的截面构造是左右对称的。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的光调制器，其中，
还具备形成于包含所述第一光波导和所述第二光波导的波导层上的保护层，
所述保护层覆盖所述第一光波导和所述第二光波导的两侧的侧面，
所述缓冲层形成于所述保护层上。
8.根据权利要求1～4中任一项所述的光调制器，其中，
所述第一下层部的下表面的宽度比所述第一光波导的宽度宽，所述第二下层部的下表面的宽度比所述第二光波导的宽度宽。
9.根据权利要求1～4中任一项所述的光调制器，其中，
所述第一光波导和所述第二光波导的各个具有至少一个直线部和至少一个弯曲部，
所述第一下层部经由所述缓冲层而与所述第一光波导的所述直线部相对，
所述第二下层部经由所述缓冲层而与所述第二光波导的所述直线部相对。
10.根据权利要求1～4中任一项所述的光调制器，其中，
所述基板是单晶基板，
所述电光材料膜为铌酸锂膜，
所述铌酸锂膜是膜厚为2μm以下的外延膜，
所述铌酸锂膜的c轴在相对于所述基板的主面垂直方向上取向。
11.根据权利要求1～4中任一项所述的光调制器，其中，
与所述第二信号电极相对的所述第一下层部的内侧侧面的位置和与所述第二信号电极相对的所述第一上层部的内侧侧面的位置一致，
与所述第一信号电极相对的所述第二下层部的内侧侧面的位置和与所述第一信号电极相对的所述第二上层部的内侧侧面的位置一致。
12.根据权利要求1或2所述的光调制器，其中，
在所述第一信号电极和所述第二信号电极之间不存在接地电极。
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