CN115004086A - 光调制元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光调制元件，其能够兼顾低驱动电压化和DC漂移的抑制。光调制元件(1)具备：基板(10)；以及光波导，其由形成于基板(10)上的电光材料膜构成，具有作为突出的部分的脊部(11r)和具有比脊部(11r)薄的膜厚的平板部(11s)。光波导包含：第一波导部，其具有第一脊宽度(W1)和第一平板膜厚(Tsb1)，被施加RF信号；第二波导部，其具有第二脊宽度(W2)和与第一平板膜厚(Tsb1)不同的第二平板膜厚(Tsb2)，被施加DC偏置。

Description

光调制元件
技术领域
本发明涉及光调制元件，特别是涉及马赫-曾德尔型光调制元件的波导结构。
背景技术
伴随着因特网的普及，通信量飞跃性地增加，光纤通信的重要性非常高。光纤通信是将电信号转换为光信号，并通过光纤来传输光信号的通信方式，具有宽频带、低损失、抗噪性强的特征。
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光调制器的外部调制方式。直接调制虽然不需要光调制器且成本低，但在高速调制方面有极限，在高速且长距离的用途中使用外部光调制方式。
作为光调制器，实际应用通过Ti(钛)扩散在铌酸锂单晶基板的表面附近形成有光波导的马赫-曾德尔型光调制器(例如参照专利文献1)。马赫-曾德尔型光调制器使用具有将从一个光源射出的光一分为二并通过不同的路径后，再次重叠而引起干涉的马赫-曾德尔干涉仪的结构的光波导(马赫-曾德尔光波导)，将40Gb/s以上的高速的光调制器商用，但总长长至10cm左右成为明显的缺点。
与之相对，在专利文献2中公开有使用c轴取向的铌酸锂膜的马赫-曾德尔型光调制器。与使用铌酸锂单晶基板的光调制器相比，使用铌酸锂膜的光调制器能够实现大幅的小型化和低驱动电压化。
在专利文献3中记载有一种脊型光波导元件，其具有：平板部，其具备形成于基板上的由铌酸锂膜构成的波导层，波导层具有规定的厚度；和从平板部突出的脊部。该脊型光波导元件的平板部的厚度低于在脊部传播的光的波长的0.4倍，因此，即使减小脊宽度，也能够将传播损失抑制得低。另外，关于光波导结构，在专利文献4中记载有如下结构：为了将由脊型光波导构成的输入输出波导部和由高台面型(high-mesa)光波导构成的光开关主要部分连接，在输入输出波导部与光开关主要部分之间设置输入输出锥形波导部，使波导形状台阶地变化。
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2017-129834号公报
专利文献4：日本专利第3816924号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
在将外延生长于基板上的铌酸锂膜加工成脊状来形成光波导的情况下，如专利文献3所记载的那样，通过充分确保脊部的高度，并减薄向脊部左右扩展的平板部的膜厚，能够加强光的封闭。在向一对电极间施加电压的情况下，能够对光波导施加充分的电场，能够降低半波电压Vπ。此外，半波电压Vπ是光输出最大的电压V1与最小的电压V2之差V1-V2，驱动电压与半波电压Vπ成比例。因此，降低半波电压Vπ意味着低驱动电压。
但是，在对这种光波导施加DC偏置的情况下，DC漂移大，因此，存在光调制元件的寿命短的问题。DC漂移是光输出的动作点的随时间变化。通常，光输出的动作点通过DC偏置来调整以成为最大光输出和最小光输出的平均值，但在为了确保脊部的高度而减薄平板膜厚的情况下，存在如下问题：动作点的随时间变化大，即使施加大的DC偏置，直到成为不能调整动作点的状态的时间(寿命)也短。
因此，本发明的目的在于，提供一种光调制元件，其能够兼顾低驱动电压化和DC漂移的抑制。另外，本发明的另一目的在于，提供能够降低光的传播损失并且抑制DC漂移的光波导元件以及使用该光波导元件的光调制元件。
用于解决技术问题的技术方案
本申请的发明人等对能够抑制DC漂移的光调制元件的结构反复进行了深入研究，结果发现，DC漂移取决于脊波导的平板膜厚，通过减薄平板膜厚，能够降低光调制元件的驱动电压，但会成为使DC漂移增加的原因。还发现在连接平板膜厚不同的两个光波导的情况下，由于平板膜厚的不连续的变化而连接损失增加，但通过分别调整两个光波导的脊宽度，能够降低连接损失。
本发明是基于这种技术性的见解的发明，本发明的光调制元件的具备：基板；以及光波导，其由形成于所述基板上的电光材料膜构成，具有作为突出的部分的脊部和具有比所述脊部薄的膜厚的平板部，所述光波导包含：第一波导部，其具有第一脊宽度(W1)和第一平板膜厚(Tsb1)，被施加RF信号；第二波导部，其具有第二脊宽度(W2)和与所述第一平板膜厚不同的第二平板膜厚(Tsb2)，被施加DC偏置。
根据本发明，构成RF部的第一波导部的平板膜厚与构成DC部的第二波导部的平板膜厚不同，因此，能够在RF部实现低驱动电压化，并且在DC部抑制DC漂移。
在本发明中，优选的是，所述第二平板膜厚(Tsb2)比所述第一平板膜厚(Tsb1)厚(Tsb2＞Tsb1)。根据该结构，能够在RF部实现低驱动电压，并且在DC部抑制DC漂移。
在本发明中，优选的是，所述第二脊宽度(W2)比所述第一脊宽度(W1)宽(W2＞W1)。根据该结构，能够在DC部提高DC漂移的抑制效果。
在本发明中，优选的是，所述第一平板膜厚(Tsb1)低于0.6μm(0μm≦Tsb1＜0.6μm)，所述第二平板膜厚(Tsb2)为0.6μm以上(Tsb2≧0.6μm)。根据该结构，能够在RF部实现低驱动电压化，并且在DC部抑制DC漂移。
在本发明中，优选的是，所述电光材料膜为铌酸锂膜，所述铌酸锂膜的c轴取向于与所述基板的主面垂直的方向。根据由铌酸锂膜构成的脊波导，即使减小脊宽度，也能够将传播损失抑制得低，可以进行光调制元件的小型化和低驱动电压化。另外，通过如上述那样增厚第二波导部的平板膜厚，能够抑制DC漂移。
优选的是，本发明的光调制元件还具备：信号电极，其对所述第一波导部施加所述RF信号；和偏置电极，其对所述第二波导部施加所述DC偏置。另外，优选的是，所述光波导为马赫-曾德尔光波导，其具有：输入波导；将在所述输入波导中传播的光分束的分束部；从所述分束部延伸而彼此平行地设置的第一及第二波导；将在所述第一及第二波导中传播的光合束的合束部；和传播从所述合束部输出的光的输出波导。根据本发明，能够实现可以低驱动电压化且DC漂移得到了抑制的长寿命的马赫-曾德尔型光调制元件。
发明效果
根据本发明，能够提供可以兼顾低驱动电压化和DC漂移的抑制的光调制元件。另外，根据本发明，能够提供可以降低光的传播损失且抑制DC漂移的光波导元件以及使用该光波导元件的光调制元件。
附图说明
图1的(a)和(b)是表示本发明的第一实施方式的光调制元件的结构的大致俯视图，图1的(a)仅图示光波导，图1的(b)图示包含行波电极在内的光调制元件的整体。
图2的(a)和(b)是光调制元件1的大致剖视图，图2的(a)是沿着图1的(a)和(b)的X1-X1’线的RF部的剖视图，图2的(b)是沿着图1的(a)和(b)的X2-X2’线的DC部的剖视图。
图3是表示RF部与DC部之间的中间部附近的波导结构的大致俯视图及大致剖视图。
图4是立体地表示中间部的波导结构的大致立体图。
图5是表示在RF部侧的光波导和DC部侧的光波导之间发生了轴偏离的情况的大致俯视图。
图6是表示本发明的第二实施方式的光调制元件中，RF部与DC部之间的中间部附近的波导结构的大致俯视图及大致剖视图。
图7是立体地表示图6所示的中间部的波导结构的大致立体图。
图8的(a)～(c)是用于说明具有图6和图7所示的第三中间波导部的波导结构的形成方法的图。
图9是表示本发明的第三实施方式的光调制元件中，RF部与DC部之间的中间部附近的波导结构的大致俯视图及大致剖视图。
图10是立体地表示图9所示的中间部的波导结构的大致立体图。
图11的(a)～(c)是用于说明具有图9和图10所示的第三中间波导部的波导结构的形成方法的图。
图12的(a)和(b)是本发明的第四实施方式的光调制元件的大致剖视图，图12的(a)是RF部的剖视图，图12的(b)是DC部的剖视图。
图13是表示RF部与DC部之间的中间部附近的波导结构的大致俯视图。
图14是表示本发明的第五实施方式的光调制元件的DC部的结构的大致剖视图。
图15是表示RF部的脊波导的平板膜厚Tsb1与电场效率VπL的关系的坐标图。
图16是表示RF部侧的第一中间波导部的脊宽度W1C与连接损失(dB)的关系的坐标图。
图17是表示第一中间波导部和第二中间波导部的轴偏离的大小ΔW与连接损失(dB)的关系的坐标图。
图18是表示第三中间波导部的长度LC与连接损失(dB)的关系的坐标图。
具体实施方式
以下，参照附图，本发明优选的实施方式详细地进行说明。
图1的(a)和(b)是表示本发明的第一实施方式的光调制元件的结构的大致俯视图，图1的(a)仅图示光波导，图1的(b)图示包含行波电极在内的光调制元件的整体。
如图1的(a)和(b)所示，该光调制元件1具备：马赫-曾德尔光波导2，其形成于基板10，具有彼此平行地设置的第一及第二波导2a、2b；沿着第一波导2a设置的第一信号电极4a；沿着第二波导2b设置的第二信号电极4b；沿着第一波导2a设置的第一偏置电极5a；沿着第二波导2b设置的第二偏置电极5b。第一及第二信号电极4a、4b与第一及第二波导2a、2b一起构成马赫-曾德尔型光调制元件的RF相互作用部3ir。另外，第一及第二偏置电极5a、5b与第一及第二波导2a、2b一起构成马赫-曾德尔型光调制元件的DC相互作用部3id。
马赫-曾德尔光波导2是具有马赫-曾德尔干涉仪的结构的光波导元件，具有：输入波导2i；将在输入波导2i中传播的光分束的分束部2c；从分束部2c延伸而彼此平行地设置的第一及第二波导2a、2b；将在第一及第二波导2a、2b中传播的光合束的合束部2d；传播从合束部2d输出的光的输出波导2o。输入到输入波导2i的输入光被分束部2c分束且在第一及第二波导2a、2b中分别行进后，被合束部2d合束，作为调制光从输出波导2o输出。
第一及第二信号电极4a、4b是俯视时与第一及第二波导2a、2b重叠的线状的电极图案，其两端被引出至基板10的外周端附近。即，第一及第二信号电极4a、4b的一端4a1、4b1被引出至基板10的边缘附近而构成信号输入端口，在信号输入端口连接驱动电路9a。另外，第一及第二信号电极4a、4b的另一端4a2、4b2被引出至基板10的边缘附近，并且经由终端电阻9b彼此连接。由此，第一及第二信号电极4a、4b作为差动的共面型行波电极发挥作用。
为了对第一及第二波导2a、2b施加直流电压(DC偏置)，独立地设置第一及第二偏置电极5a、5b与第一及第二信号电极4a、4b。第一及第二偏置电极5a、5b的一端5a1、5b1被引出至基板10的边缘附近而构成DC偏置输入端口，在DC偏置端口连接偏置电路9c。在本实施方式中，第一及第二偏置电极5a、5b的形成区域设置于比第一及第二信号电极4a、4b的形成区域靠马赫-曾德尔光波导2的输出端侧，但也可以设置于输入端侧。
这样，第一及第二信号电极4a、4b构成对第一及第二波导2a、2b施加RF信号的RF部3a，第一及第二偏置电极5a、5b构成对第一及第二波导2a、2b施加DC偏置的DC部3b。在RF部3a与DC部3b之间的中间部3c未设置信号电极、偏置电极。后面叙述详情，但中间部3c的光波导具有用于将RF部3a的光波导和DC部3b的光波导连接的特殊的形状。
第一及第二信号电极4a、4b的一端被输入绝对值相同且正负不同的差动信号(调制信号)。第一及第二波导2a、2b由铌酸锂等的具有电光效应的材料构成，因此，通过对第一及第二波导2a、2b施加的电场，第一及第二波导2a、2b的折射率分别如+Δn、﹣Δn那样变化，一对光波导间的相位差变化。将利用该相位差的变化进行了调制的信号光从输出波导2o输出。
这样，本实施方式的光调制元件1为由一对信号电极构成的双驱动型，因此，能够提高施加于一对光波导的电场的对称性，能够抑制波长啁啾。
图2的(a)和(b)为光调制元件1的大致剖视图，图2的(a)是沿着图1的(a)和(b)的X1-X1’线的RF部3a的剖视图，图2的(b)是沿着图1的(a)和(b)的X2-X2’线的DC部3b的剖视图。
如图2的(a)和(b)所示，光调制元件1具有将基板10、波导层11、保护层12、缓冲层13及电极层14依次层叠的多层结构。
基板10为例如蓝宝石单晶基板，在基板10的主面形成有由以铌酸锂为代表的电光材料构成的波导层11。波导层11具有作为突出的部分的脊部11r和设置于脊部11r的两侧的膜厚薄的部分即平板部11s，脊部11r构成第一及第二波导2a、2b。RF部3a中的脊部11r的宽度W1(第一脊宽度)和DC部3b中的脊部11r的宽度W2(第二脊宽度)可以为0.5～5μm。在本实施方式中，RF部3a中的脊部11r的宽度W1与DC部3b中的脊部11r的宽度W2相等，但也可以不同。
脊部11r是成为光波导的中心的部分。如上所述，脊部11r是指向上突出的部位。该向上突出的部位与左右的部位相比电光材料膜的膜厚变厚，因此，有效折射率变高。因此，在左右方向上也能够封闭光，作为三维光波导发挥作用。脊部11r的形状只要是能够对光进行波导的形状即可，脊部11r中的电光材料膜的膜厚只要是比左右的电光材料膜的膜厚厚的凸形状即可。因此，也可以是向上凸的穹顶形状、三角形状等。脊部11r能够通过在电光材料膜上形成抗蚀剂等掩模，有选择地蚀刻电光材料膜以进行图案描绘，由此来形成。脊部11r的宽度、高度、形状等需要优化，以提高器件特性。
通常，脊部11r的厚度与电光材料膜的厚度相等。脊部11r的宽度(脊宽度W1、W2)被定义为脊部11r的上表面的宽度。这是由于图示的脊部11r的侧面相对于基板10垂直，但还具有倾斜的情况。优选脊部11r的侧面的倾斜角度接近90°，但只要至少为70°以上即可。在像这样将脊部11r的上表面的宽度设为脊宽度的情况下，即使在脊部11r具有梯形形状的情况下，也能够明确地定义脊宽度。
设置于脊部11r的两侧的平板部11s是从脊部11r向左右扩展的由比脊部11r薄的电光材料膜构成的部分。在本实施方式中，平板部11s实际上具有一定的厚度，但脊部11r的根部附近的平板膜厚不稳定，有时残留有平缓的锥形形状或者凹陷。因此，平板部11s的厚度不是膜厚过渡地变化之处的厚度，而被定义为稍微离开脊部11r的根部的膜厚稳定之处的厚度。
RF部3a中的平板部11s的厚度Tsb1(第一平板膜厚)与DC部3b中的平板部11s的厚度Tsb2(第二平板膜厚)不同。在本实施方式中，优选DC部3b中的平板部11s的厚度Tsb2比RF部3a中的平板部11s的厚度Tsb1厚。这样，通过增厚DC部3b中的脊波导的平板膜厚，能够降低DC漂移，能够实现光调制元件的寿命延长。另外，通过减薄RF部3a中的脊波导的平板膜厚而提高脊部11r的突出高度，能够加强光的封闭而提高光的调制效率。
保护层12形成于俯视时与第一及第二波导2a、2b不重叠的区域。保护层12覆盖波导层11的上表面中未形成脊部11r的区域的整个面，脊部11r的侧面也被保护层12覆盖，因此，能够防止由于脊部11r的侧面的粗糙而造成的散射损失。保护层12的厚度与波导层11的脊部11r的高度大致相同。保护层12的材料没有特别限定，例如能够使用氧化硅(SiO2)。
缓冲层13为了防止在第一及第二波导2a、2b中传播的光被第一及第二信号电极4a、4b吸收而至少形成于脊部11r的上表面。缓冲层13优选由与波导层11相比折射率小且透明性高的材料构成，例如，能够使用Al2O3、SiO2、LaAlO3、LaYO3、ZnO、HfO2、MgO、Y2O3等。脊部11r的上表面上的缓冲层13的厚度只要为0.2～1μm程度即可。缓冲层13更优选由介电常数高的材料构成。在本实施方式中，缓冲层13不仅覆盖第一及第二波导2a、2b的上表面，还覆盖包含保护层12的上表面在内的基底面的整个面，但也可以以仅有选择地覆盖第一及第二波导2a、2b的上表面附近的方式进行了图案描绘而成。另外，也可以省略保护层12，在波导层11的上表面整体直接形成缓冲层13。
就缓冲层13的膜厚而言，为了降低电极的光吸收，越厚越好，为了对光波导施加高电场，越薄越好。电极的光吸收和电极的施加电压处于此消彼长的关系，因此，需要根据目的设定适当的膜厚。缓冲层13的介电常数越高，越能够降低VπL(表示电场效率的指标)，故而优选，缓冲层13的折射率越低，越能够减薄缓冲层13，故而优选。通常，介电常数高的材料的折射率也变高，因此，考虑两者的平衡选择介电常数高且折射率较低的材料是非常重要的。作为一例，Al2O3的相对介电常数约为9，折射率约为1.6，是优选的材料。LaAlO3的相对介电常数约为13，折射率约为1.7，另外，LaYO3的相对介电常数约为17，折射率约为1.7，是特别优选的材料。
也可以利用不同的材料构成图2的(a)的RF部3a的缓冲层13和图2的(b)的DC部3b的缓冲层13。RF部3a的缓冲层13使用能够优化RF部3a的特性的缓冲层材料，且DC部3b的缓冲层13使用能够降低DC漂移的缓冲层材料，由此能够优化各特性。作为能够降低DC漂移的缓冲层材料，例如，能够例举出包含氧化硅和铟的氧化物在内的材料。
如图2的(a)所示，在RF部3a的电极层14设置有第一信号电极4a及第二信号电极4b。第一信号电极4a为了调制在第一波导2a内行进的光而与对应于第一波导2a的脊部11r重叠地设置，并经由缓冲层13与第一波导2a相对。第二信号电极4b为了调制在第二波导2b内行进的光而与对应于第二波导2b的脊部11r重叠地设置，并经由缓冲层13与第二波导2b相对。
如图2的(b)所示，在DC部3b中的电极层14设置有第一偏置电极5a及第二偏置电极5b。第一偏置电极5a为了对在第一波导2a内行进的光施加偏置电场而与对应于第一波导2a的脊部11r重叠地设置，并经由缓冲层13与第一波导2a相对。第二偏置电极5b为了对在第二波导2b内行进的光施加偏置电场而与对应于第二波导2b的脊部11r重叠地设置，并经由缓冲层13与第二波导2b相对。
如图2的(a)和(b)所示，在与第一及第二波导2a、2b的行进方向正交的截面中，电极结构为左右对称。因此，能够使从第一及第二信号电极4a、4b分别施加于第一及第二波导2a、2b的电场的大小尽可能相同，能够降低波长啁啾。此外，本发明中，电极结构没有特别限定，也可以是所谓的单驱动型的电极结构，接地电极的有无及布局也没有特别限定。
波导层11只要是电光材料即可，没有特别限定，但优选由铌酸锂(LiNbO3)构成。这是由于铌酸锂具有大的电光常数，适合作为光调制元件等光学器件的构成材料。以下，详细地说明将波导层11设为铌酸锂膜时的本实施方式的结构。
作为基板10，只要折射率比铌酸锂膜低即可，没有特别限定，但优选为能够将铌酸锂膜作为外延膜形成的基板，优选为蓝宝石单晶基板或硅单晶基板。单晶基板的结晶方位没有特别限定。铌酸锂膜具有相对于各种各样的结晶方位的单晶基板，容易作为c轴取向的外延膜而形成的性质。c轴取向的铌酸锂膜具有3次对称的对称性，因此，期望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为c面的基板，在硅单晶基板的情况下优选为(111)面的基板。
在此，外延膜是相对于基底的基板或基底膜的结晶方位一致地取向的膜。在将膜面内设为X-Y面且将膜厚方向设为Z轴时，结晶与X轴、Y轴及Z轴方向均一致地取向。例如，首先，进行基于2θ-θX射线衍射的取向位置处的峰强度的确认，接着进行极点的确认，由此，能够证明为外延膜。
具体而言，首先，在进行基于2θ-θX射线衍射的测定时，需要作为目标的面以外的所有的峰强度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)、(002)等的等价的面总称的表示。
接着，在极点测定中，需要观察极点。在上述第一取向位置处的峰强度的确认的条件中，仅示出一个方向上的取向性，即使得到了上述的第一条件，在晶体取向在面内不一致的情况下，X射线的强度在特定角度位置也未变高，观察不到极点。LiNbO3为三方晶系的结晶结构，因此，单晶中的LiNbO3(014)的极点成为3个。
在铌酸锂膜的情况下，已知在以c轴为中心旋转了180°的结晶对称地结合的、所谓的双晶的状态下进行外延生长。在该情况下，3个极点成为对称地结合2个的状态，因此，极点成为6个。另外，在(100)面的硅单晶基板上形成有铌酸锂膜的情况下，基板成为4次对称，因此，观测到4×3＝12个极点。此外，在本发明中，在双晶状态下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，也可以组合2种以上。
铌酸锂膜的膜厚优选为2μm以下。这是由于，当膜厚比2μm厚时，难以形成高质量的膜。另一方面，在铌酸锂膜的膜厚过薄的情况下，铌酸锂膜中的光的封闭变弱，光会泄露到基板10或缓冲层13。即使对铌酸锂膜施加电场，光波导(2a、2b)的有效折射率的变化也可能变小。因此，铌酸锂膜优选为使用的光的波长的1/10程度以上的膜厚。
作为铌酸锂膜的形成方法，优选利用溅射法、CVD法、溶胶凝胶法等膜形成方法。铌酸锂的c轴与基板10的主面垂直地取向，并与c轴平行地施加电场，由此，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，能够使铌酸锂膜在蓝宝石单晶基板上直接外延生长。在使用硅作为单晶基板的情况下，经由包层(未图示)，通过外延生长形成铌酸锂膜。作为包层(未图示)，使用折射率比铌酸锂膜低且适于外延生长的包层。例如，当使用Y2O3作为包层(未图示)时，能够形成高质量的铌酸锂膜。
另外，作为铌酸锂膜的形成方法，还已知减薄铌酸锂单晶基板的研磨或切割(切成薄片)的方法。该方法具有能够得到与单晶相同的特性的优点，能够适用于本发明。
如图2的(a)所示，第一及第二信号电极4a、4b的宽度为比由形成为脊状的铌酸锂膜构成的第一及第二波导2a、2b的脊宽度W1略宽的程度。为了使来自第一及第二信号电极4a、4b的电场集中于第一及第二波导2a、2b，第一及第二信号电极4a、4b的宽度优选为第一及第二波导2a、2b的脊宽度W1的1.1～15倍，更优选为1.5～10倍。
如图2的(b)所示，第一及第二偏置电极5a、5b的宽度为比由形成为脊状的铌酸锂膜构成的第一及第二波导2a、2b的脊宽度W2略宽的程度。为了使来自第一及第二偏置电极5a、5b的电场集中于第一及第二波导2a、2b，第一及第二偏置电极5a、5b的宽度优选为第一及第二波导2a、2b的脊宽度W2的1.1～15倍，更优选为1.5～10倍。
图2的(b)所示的DC部3b中的第一及第二波导2a、2b的平板部11s比图2的(a)所示的RF部3a中的第一及第二波导2a、2b的平板部11s形成得厚。这样，通过增厚DC部3b中的脊波导的平板膜厚Tsb2，能够降低DC漂移。另外，通过减薄RF部3a中的脊波导的平板膜厚Tsb1，能够加强在光波导中传播的光的封闭而提高调制效率，能够以尽可能低的电压进行驱动。
通过增厚DC部3b中的平板膜厚来降低DC漂移的原因尚不明确，但推测是因为在将铌酸锂膜加工成脊形状时产生的损伤对DC漂移造成了影响。为了减薄平板膜厚(提高脊部的突出高度)，需要将铌酸锂膜的上表面下挖得更深，在被加工面残留更多的损伤。另一方面，在增厚平板膜厚(降低脊部的突出高度)的情况下，铌酸锂膜的加工量少，因此，被加工面的损伤少。因此，认为DC漂移得到降低，DC部3b的寿命延长。
在RF部3a及DC部3b这两者相对地提高构成第一及第二波导2a、2b的脊部11r的突出高度，且减薄形成于脊部11r的两侧的平板部11s的厚度Tsb1、Tsb2(平板膜厚)的情况下，能够增强在光波导中传播的光的封闭而以尽可能低的电压进行驱动。但是，当在DC部3b中采用这种波导结构时DC漂移变大，不能使光调制元件的寿命延长。另一方面，在RF部3a及DC部3b这两者降低脊部11r的突出高度，且增厚平板部11s的厚度Tsb1、Tsb2(平板膜厚)的情况下，能够减小DC漂移，但半波电压Vπ变高，不能以低电压驱动。
但是，如本实施方式，通过使DC部3b中的光波导的平板膜厚与RF部3a不同，相对地增厚DC部3b的平板膜厚，且相对地减薄RF部3a的平板膜厚，能够兼顾DC部3b中的DC漂移抑制效果和RF部3a中的低驱动电压化。
在RF部3a中的第一及第二波导2a、2b的平板膜厚Tsb1与DC部3b中的第一及第二波导2a、2b的平板膜厚Tsb1不同的情况下，当将两者简单地连接时，由于波导形状不匹配，连接损失变大。因此，在本实施方式中，在RF部3a与DC部3b之间的中间部3c设置用于提高波导的匹配性的中间波导部。以下，对中间波导部的结构详细地进行说明。
图3是表示RF部3a与DC部3b之间的中间部3c附近的波导结构的大致俯视图及大致剖视图。另外，图4是立体地表示中间部3c的波导结构的大致立体图。
如图3及图4所示，第一及第二波导2a、2b各自具有作为RF部3a的光波导的第一波导部21a、作为DC部3b的光波导的第二波导部21b、设置于中间部3c的靠RF部3a处且与第一波导部21a连接的第一中间波导部22a、和设置于中间部3c的靠DC部3b处且与第二波导部21b连接的第二中间波导部22b。即，第一及第二波导2a、2b具有从RF部3a侧向DC部3b侧依次配置有第一波导部21a、第一中间波导部22a、第二中间波导部22b、第二波导部21b的结构。
第一波导部21a具有脊宽度W1及平板膜厚Tsb1，第二波导部21b具有脊宽度W2(＝W1)及平板膜厚Tsb2(＞Tsb1)。当将这种平板膜厚不同且脊宽度狭窄的第一波导部21a和第二波导部21b直接连接时，由于边界部不匹配，光的传播损失变大。因此，在本实施方式中，在RF部3a侧的第一波导部21a与DC部3b侧的第二波导部21b之间设置第一中间波导部22a及第二中间波导部22b，来实现光的传播损失的降低。
第一中间波导部22a是与第一波导部21a连接的脊波导，具有与第一波导部21a相同的平板膜厚Tsb1，但具有比第一波导部21a宽的脊宽度W1C(第三脊宽度)。第一中间波导部22a是为了扩宽第一波导部21a的脊宽度而设置的，具有随着去往第二波导部21b而脊宽度逐渐增加的脊宽度扩大部。这样，在与第二中间波导部22b的连接位置，第一中间波导部22a具有比第一波导部21a宽的脊宽度W1C(＞W1)。
第二中间波导部22b是与第二波导部21b连接的脊波导，具有与第二波导部21b相同的平板膜厚Tsb2，但具有比第二波导部21b宽的脊宽度W2C(第四脊宽度)。第二中间波导部22b是为了扩宽第二波导部21b的脊宽度而设置的，具有随着去往第一波导部21a而脊宽度逐渐增加的脊宽度扩大部。这样，在与第一中间波导部22a的连接位置，第二中间波导部22b具有比第二波导部21b宽的脊宽度W2C(＞W2)。
第一中间波导部22a的脊宽度W1C比第二中间波导部22b的脊宽度W2C宽。因此，在第一中间波导部22a与第二中间波导部22b的边界位置，光波导的脊宽度及平板膜厚不连续地变化。在将平板膜厚彼此不同的RF部3a侧的第一波导部21a与DC部3b侧的第二波导部21b连接的情况下，在光波导内传播的光的光斑尺寸不同，因此，连接损失在边界位置增加。但是，通过扩宽平板膜厚相对薄的RF部3a侧的光波导的脊宽度W1C，且减小平板膜厚相对厚的DC部3b侧的光波导的脊宽度W2C，能够使第一波导部21a与第二波导部21b的边界处的光的光斑尺寸一致，由此，能够降低连接损失。
优选第一中间波导部22a的脊宽度W1C比第二中间波导部22b的脊宽度W2C大，且比第二中间波导部22b的脊宽度W2C的2倍小(W2C＜W1C＜2×W2C)。能够防止由第一中间波导部22a的脊宽度W1C过大引起的连接损失的增加。
通常，脊宽度变化的光波导的形成是容易的，通过一次图案描绘能够形成脊宽度连续地变化的锥形形状的光波导，因此，不需要形成脊宽度不连续的光波导。但是，在平板膜厚不同的光波导的形成中，需要加工条件不同的两次图案描绘处理，将两条光波导准确地对位并不简单。因此，在本实施方式中，分别进行平板膜厚彼此不同的RF部3a侧的光波导的加工和DC部3b侧的光波导的加工，并且将RF部3a侧的光波导和DC部3b侧的光波导的连接部附近的脊宽度扩宽而将两者连接。由此，能够降低连接损失，但形成脊宽度及平板膜厚不连续的脊波导。
图5是表示在RF部3a侧的光波导与DC部3b侧的光波导之间发生了轴偏离的情况的大致俯视图。
在为了使脊波导的平板膜厚不同而对RF部3a侧的波导图案(第一波导部21a及第一中间波导部22a)和DC部3b侧的波导图案(第二波导部21b及第二中间波导部22b)分别进行加工的情况下，如图5所示，有时会发生波导图案的错位(轴偏离)。但是，通过如本实施方式那样扩宽第一中间波导部22a及第二中间波导部22b的脊宽度，能够防止由轴偏离引起的波导的截面积的减小，能够降低由波导图案的加工不均引起的光的传播损失。
如以上所说明的那样，本实施方式的光调制元件1中，DC部3b的光波导的平板膜厚Tsb2比RF部3a的光波导的平板膜厚Tsb1大，因此，能够在RF部3a实施低驱动电压，并且降低DC漂移。
另外，本实施方式的光调制元件1中，将平板膜厚彼此不同的RF部3a的光波导(第一波导部21a)和DC部3b的光波导(第二波导部21b)连接，因此，在RF部3a与DC部3b之间的中间部3c设置脊宽度变化的第一中间波导部22a及第二中间波导部22b，使RF部3a侧的第一中间波导部22a的脊宽度W1C比DC部3b侧的第二中间波导部22b的脊宽度W2C宽，因此，能够使在第一波导部21a中传播的光的光斑尺寸与在第二波导部21b中传播的光的光斑尺寸匹配来降低传播损失。
图6是表示本发明的第二实施方式的光调制元件中，RF部3a与DC部3b之间的中间部3c附近的波导结构的大致俯视图及大致剖视图。另外，图7是立体地表示图6所示的中间部3c的波导结构的大致立体图。
如图6和图7所示，该光调制元件1的特征在于，在第一中间波导部22a与第二中间波导部22b之间设置有第三中间波导部22c。第三中间波导部22c具有：两级结构的脊部11r，其由具有与第一中间波导部22a相同的脊宽度W1C的脊下部和具有与第二中间波导部22b相同的脊宽度W2C的脊上部构成；以及平板部11s，其形成于该两级结构的脊部11r的两侧，平板膜厚Tsb3形成得比第一波导部21a的平板膜厚Tsb1更薄。在本实施方式中，第三中间波导部22c是具有薄的平板部11s的脊波导，但也可以为完全消除了平板部11s的波导结构。
优选第三中间波导部22c的长度LC为3μm以下。这是由于当第三中间波导部22c过长时，传播损失增加。
图8的(a)～(c)是用于说明具有图6及图7所示的第三中间波导部22c的波导结构的形成方法的图。
如图8的(a)～(c)所示，具有第三中间波导部22c的波导结构能够通过使用于形成RF部3a的波导图案的加工区域和用于形成DC部3b的波导图案的加工区域在两者边界附近局部地重叠来形成。
详细而言，首先，如图8的(a)所示，在用掩模30b覆盖DC部3b的形成区域25b的大致整个面后，通过铣削(milling)等对RF部3a的形成区域25a内的电光材料膜进行加工，形成RF部3a的波导图案即第一波导部21a及第一中间波导部22a。此时，掩模30b的边缘Eb位于比边界线B靠跟前侧处，未超出到RF部3a的形成区域25a侧，因此，在边界线B附近的DC部3b的形成区域25b实施脊加工。在RF部3a的加工中，通过例如延长加工时间来形成薄的平板部。
接着，如图8的(b)所示，在利用掩模30a覆盖RF部3a的形成区域25a的大致整个面后，通过铣削等对DC部3b的形成区域25b内的电光材料膜进行加工，形成DC部3b的波导图案即第二波导部21b及第二中间波导部22b。此时，掩模30a的边缘Ea位于比边界线B靠跟前侧处，未超出到DC部3b的形成区域25b侧，因此，在边界线B附近的RF部3a的形成区域25a实施脊加工。在DC部3b的加工中，通过例如缩短加工时间来形成厚的平板部。
这样，在RF部3a的形成区域25a与DC部3b的形成区域25b的边界线B的附近，通过两次实施脊加工，如图8的(c)所示，形成截面形状与第一中间波导部22a及第二中间波导部22b不同的第三中间波导部22c。此外，在图8中，按照RF部3a、DC部3b的顺序加工，但即使与之相反地按照DC部3b、RF部3a的顺序加工，也能够得到同样的结果。
根据本实施方式，能够实现与第一实施方式同样的效果。即，使RF部3a侧的第一中间波导部22a的脊宽度W1C比DC部3b侧的第二中间波导部22b的脊宽度W2C宽，因此，能够使在第一波导部21a中传播的光的光斑尺寸与在第二波导部21b中传播的光的光斑尺寸匹配来降低传播损失。
图9是表示本发明的第三实施方式的光调制元件中，RF部3a与DC部3b之间的中间部3c附近的波导结构的大致俯视图及大致剖视图。另外，图10是立体地表示图9所示的中间部3c的波导结构的大致立体图。
如图9及图10所示，该光调制元件1的特征在于，在第一中间波导部22a与第二中间波导部22b之间设置有第三中间波导部22c，第三中间波导部22c由不具有脊形状的未加工的波导层11构成。即，第三中间波导部22c为不具有波导形状的区域。其它结构与第二实施方式相同。
图11的(a)～(b)是用于说明具有图9及图10所示的第三中间波导部22c的波导结构的形成方法的图。
如图11的(a)～(c)所示，具有第三中间波导部22c的波导结构能够通过使用于形成RF部3a的波导图案的加工区域和用于形成DC部3b的波导图案的加工区域在其边界附近不重叠来形成。
详细而言，首先，如图11的(a)所示，在用掩模30b覆盖DC部3b的形成区域25b的大致整个面后，通过铣削等对RF部3a的形成区域25a内的电光材料膜进行加工，形成RF部3a的波导图案即第一波导部21a及第一中间波导部22a。此时，掩模30b的边缘Eb位于比边界线B靠进深侧处，超出到RF部3a的形成区域25a侧，因此，在边界线B附近的RF部3a的形成区域25a形成未加工区域。在RF部3a的加工中，通过例如延长加工时间来形成薄的平板部。
接着，如图11的(b)所示，在用掩模30a覆盖RF部3a的形成区域25a的大致整个面后，通过铣削等对DC部3b的形成区域25b内的电光材料膜进行加工，形成DC部3b的波导图案即第二波导部21b及第二中间波导部22b。此时，掩模30a的边缘Ea位于比边界线B靠进深侧处，超出到DC部3b的形成区域25b侧，因此，在边界线B附近的RF部3a的形成区域25a形成未加工区域。在DC部3b的加工中，通过例如缩短加工时间来形成厚的平板部。
这样，通过在RF部3a的形成区域25a与DC部3b的形成区域25b的边界线B的附近形成未加工区域，如图11的(c)所示，形成截面形状与第一中间波导部22a及第二中间波导部22b不同的第三中间波导部22c。
根据本实施方式，能够起到与第一实施方式同样的效果。即，使RF部3a侧的第一中间波导部22a的脊宽度W1C比DC部3b侧的第二中间波导部22b的脊宽度W2C宽，因此，能够使在第一波导部21a中传播的光的光斑尺寸与在第二波导部21b中传播的光的光斑尺寸匹配来降低传播损失。
图12的(a)和(b)是本发明的第四实施方式的光调制元件的大致剖视图，图12的(a)是RF部3a的剖视图，图12的(b)是DC部3b的剖视图。另外，图13是表示RF部3a与DC部3b之间的中间部3c附近的波导结构的大致俯视图。
如图12的(a)和(b)及图13所示，该光调制元件1的特征在于，RF部3a中的第一及第二波导2a、2b(第一波导部21a)的脊宽度W1与DC部3b中的第一及第二波导2a、2b(第二波导部21b)的脊宽度W2不同。在本实施方式中，DC部3b中的第一及第二波导2a、2b(第二波导部21b)的脊宽度W2比RF部3a中的第一及第二波导2a、2b(第一波导部21a)的脊宽度W1宽。其它结构与第一实施方式相同。本实施方式的光调制元件1不仅实现与第一实施方式同样的效果，还能够提高DC漂移的降低效果。
图14的(a)和(b)是本发明的第五实施方式的光调制元件的大致剖视图，图14的(a)是RF部3a的剖视图，图14的(b)是DC部3b的剖视图。
如图14的(a)和(b)所示，本实施方式的光调制元件1的特征在于，在DC部3b中省略了保护层12。即，光调制元件1的DC部3b具有将基板10、波导层11、缓冲层13及电极层14依次层叠的多层结构。缓冲层13以不仅覆盖脊部11r的上表面还覆盖侧面的方式形成于波导层11的整个面。因此，脊部11r的两侧的平板部11s的上表面也被缓冲层13覆盖。
在DC部3b中省略保护层12的情况下，DC部3b的缓冲层13优选由与RF部3a的缓冲层13不同的电介质材料构成，优选由与RF部3a的保护层12相同的电介质材料构成。即，优选使用与RF部3a的保护层12相同的电介质材料形成DC部3b的缓冲层13。此外，在DC部3b中省略保护层12的结构，与由相同的材料构成图2所示的DC部3b的保护层12及缓冲层13等价。
以上，对本发明优选的实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述的实施方式，可以在不脱离本发明主旨的范围内进行各种变更，当然这些也包含在本发明的范围内。
例如，在上述实施方式中，举例了对具有一对光波导的马赫-曾德尔光波导设置有一对信号电极的双驱动型的光调制元件，但本发明不限定于这种光调制元件，能够将具有RF部3a和DC部3b的各种光调制元件作为对象。
另外，在上述实施方式中，可举出具有利用在基板10上外延生长的铌酸锂膜形成的一对光波导的光调制元件，但本发明不限定于这种结构，也可以利用钛酸钡、锆钛酸铅等电光材料形成光波导。但是，只要是由铌酸锂膜形成的光波导，就能够使光波导的宽度形成得窄而低驱动电压化，另一方面DC漂移的问题显著，本发明效果明显。另外，作为波导层11，也可以使用具有电光效应的半导体材料、高分子材料等。
实施例
(RF部3a的平板膜厚的评价)
通过模拟评价了RF部3a中的脊波导的平板膜厚Tsb1对电场效率VπL造成的影响。将由铌酸锂膜构成的波导层11的厚度设为1.5μm，求出使脊波导的平板膜厚Tsb1变化时的电场效率VπL。其结果，如图15所示，脊波导的平板膜厚Tsb1在约0.3μm时，VπL最小。另外，只要平板膜厚Tsb2为0.6μm以下，就能够使VπL为2.2Vcm以下，成为优选的范围。
(DC部的平板膜厚的评价)
评价DC部3b中的脊波导的平板膜厚Tsb2对DC漂移造成的影响。在该评价试验中，在80℃的温度时对偏置电极施加一定的偏置电压，并且测定DC漂移量，测定从开始评价试验到DC漂移量超过50％所需要的时间(寿命)。将此时的由铌酸锂膜构成的波导层11的厚度设为1.5μm。其结果，平板膜厚Tsb2为0.3μm时的寿命为约1小时，0.6μm时的寿命为约84小时。另一方面，平板膜厚Tsb2为1.1μm时的寿命成为超过1000小时的良好的结果。
(第一及第二中间波导部的脊宽度的评价)
在图3及图4所示的波导结构中，通过模拟评价了使第一中间波导部22a的脊宽度W1C变化时的连接损失(dB)的变化。将由铌酸锂膜构成的波导层11的厚度设为1.5μm，第二中间波导部22b的脊宽度W2C＝2.5μm，第一中间波导部22a的平板膜厚Tsb1＝0.4μm，第二中间波导部22b的平板膜厚Tsb2＝1.1μm。其结果，如图16所示，能够确认到，脊宽度W1C在3～4.5μm的范围内，连接损失最小，平板膜厚不同的脊波导的连接损失被降低。
(光波导的轴偏离的评价)
通过模拟评价了图11所示的光波导的轴偏离的大小ΔW对连接损失(dB)造成的影响。将由铌酸锂膜构成的波导层11的厚度设为1.5μm，将第一及第二中间波导部22a、22b的脊宽度(W1C、W2C)的组合设为(1.2μm、2.5μm)、(2.5μm、2.5μm)、(3.8μm、2.5μm)、(4.2μm、3μm)、(5.2μm、4μm)这5种。另外，第一中间波导部22a的平板膜厚Tsb1＝0.4μm，第二中间波导部22b的平板膜厚Tsb2＝1.1μm。
其结果，如图17所示，可观察到第一及第二中间波导部22a、22b的脊宽度W1C、W2C越窄，没有光波导的轴偏离时的连接损失趋于越大。另外，轴偏离越大，连接损失越增加，第一及第二中间波导部22a、22b的脊宽度(W1C、W2C)为(1.2μm，2.5μm)时，连接损失相对于轴偏离的增加率最大，第一及第二中间波导部22a、22b的脊宽度(W1C、W2C)为(5.2μm、4μm)时，连接损失相对于轴偏离的增加率最小。即，第一及第二中间波导部22a、22b的脊宽度W1C、W2C越窄，连接损失的增加率越高。
(第三中间波导部的影响的评价)
通过模拟评价了图6～图11所示的第三中间波导部22c的存在对连接损失(dB)造成的影响。将由铌酸锂膜构成的波导层11的厚度设为1.5μm，第一中间波导部22a的平板膜厚Tsb1＝0.4μm，第二中间波导部22b的平板膜厚Tsb2＝1.1μm。另外，将第一及第二中间波导部22a、22b的脊宽度(W1C、W2C)的组合设为(3.8μm、2.5μm)、(4.2μm、3μm)、(5.2μm、4μm)这3个图案，对这些图案组合图6～图8所示的平板膜厚薄(在此，平板膜厚为零)的情况和没有图9～图11所示的波导结构的情况来评价。
其结果，如图18所示，第三中间波导部22c越长，连接损失越增加。特别是图9～图11所示的不具有波导结构的第三中间波导部22c，与图6～图8所示的没有平板部的波导结构的第三中间波导部22c相比，连接损失的增加率高。但是，在任意结构中，只要第三中间波导部22c的长度为3μm以下，连接损失就为0.2dB以下。可以充分制作长度为3μm以下的第三中间波导部22c，这是实际应用上没有问题的水平。
附图标记说明
1 光调制元件
2 马赫-曾德尔光波导
2a 第一波导
2b 第二波导
2c 分束部
2d 合束部
2i 输入波导
2o 输出波导
3a RF部
3b DC部
3c 中间部
3id DC相互作用部
3ir RF相互作用部
4a 第一信号电极
4a1 第一信号电极的一端
4a2 第一信号电极的另一端
4b 第二信号电极
4b1 第一信号电极的一端
4b2 第一信号电极的另一端
5a 第一偏置电极
5a1 第一偏置电极的一端
5b 第二偏置电极
5b1 第二偏置电极的一端
9 终端电阻
9a 驱动电路
9c 偏置电路
10 基板
11 波导层
11r 脊部
11s 平板部
12 保护层
13 缓冲层
14 电极层
21a 第一波导部
21b 第二波导部
22a 第一中间波导部
22b 第二中间波导部
22c 第三中间波导部
30a 掩模
30b 掩模。

Claims (7)

1.一种光调制元件，其特征在于，具备：
基板；以及
光波导，其由形成于所述基板上的电光材料膜构成，具有作为突出的部分的脊部和具有比所述脊部薄的膜厚的平板部，
所述光波导包含：
第一波导部，其具有第一脊宽度和第一平板膜厚，被施加RF信号；以及
第二波导部，其具有第二脊宽度和与所述第一平板膜厚不同的第二平板膜厚，被施加DC偏置。
2.根据权利要求1所述的光调制元件，其中，
所述第二平板膜厚比所述第一平板膜厚厚。
3.根据权利要求1或者2所述的光调制元件，其中，
所述第二脊宽度比所述第一脊宽度宽。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光调制元件，其中，
所述第一平板膜厚低于0.6μm，
所述第二平板膜厚为0.6μm以上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光调制元件，其中，
所述电光材料膜为铌酸锂膜，
所述铌酸锂膜的c轴取向于与所述基板的主面垂直的方向。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光调制元件，其中，还具备：
对所述第一波导部施加所述RF信号的信号电极；和
对所述第二波导部施加所述DC偏置的偏置电极。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光调制元件，其中，
所述光波导为马赫-曾德尔光波导，其具有：输入波导；将在所述输入波导中传播的光分束的分束部；从所述分束部延伸而彼此平行地设置的第一及第二波导；将在所述第一及第二波导中传播的光合束的合束部；和传播从所述合束部输出的光的输出波导。
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