JP2003066394A

JP2003066394A - コプレーナ型集積光導波路電気光学変調器

Info

Publication number: JP2003066394A
Application number: JP2002189715A
Authority: JP
Inventors: Valerio Pruneri; プルネーリヴァレリオ; Antonino Nespola; ネスポーラアントニーノ
Original assignee: Corning OTI SRL
Current assignee: Corning OTI SRL
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2003-03-05
Also published as: CN1432846A; EP1271220A1; DE60139549D1; EP1271220B1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】無チャーピングコプレーナ型導波路変調器及び
単相駆動二重コプレーナストリップ型変調器を提供す
る。【解決手段】コプレーナ型集積光導波路電気光学変調器
は、電気光学材料の基板、基板表面の対応する位置で基
板に集積された少なくとも２本の光導波路４１，４２及
びデバイス変調領域５０において２本の導波路の屈折率
変調を生じさせるに適する変調電場を導波路に印加する
ために表面に配置された電極系８０，９０，１００を備
える。デバイス変調領域における導波路のそれぞれの少
なくとも一区画４１１，４２１にかけて、導波路区画に
対して横方向の軸に沿う互いに符号が逆の電気光学係数
を有するそれぞれの基板領域に導波路が形成されて、導
波路区画において方向及び配向が同じ変調電場が導波路
区画において符号が互いに逆の屈折率変調を生じさせ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は全般的には光集積回路の分野に関
する。さらに詳しくは、本発明は、電気光学材料基板に
集積された光導波路を通る光ビームの伝搬における電気
光学効果に基づくデバイスである、集積光導波路電気光
学変調器に関し、特にマッハ−ツェンダー干渉計型の光
強度すなわち振幅変調器に関する。さらにまた詳しく
は、本発明は、変調電場の印加に必要な電極が同じ基板
表面に配置される、コプレーナ型集積光導波路電気光学
変調器に関する。

【０００２】変調器及びスイッチのような集積電気光学
デバイスは、電気光学材料基板上に作製される。既知の
全ての基板材料の中では、リチウムナイオベート(Ｌｉ
ＮｂＯ_３)が、その電気光学特性が優れていること及び
低損失光導波路を作成し得ることから、おそらくは最も
広く用いられている。その他の既知の基板材料は、例え
ばリチウムタンタレート(ＬｉＴａＯ_３)である。

【０００３】電気光学材料は、テンソルであることを特
徴とする２次非線形特性の電気光学応答を示す。このテ
ンソルは材料の光周波数における分極の変化(すなわち
屈折率変化)を、低周波変調電場、すなわち光電場の周
波数よりかなり低い周波数における変調電場と関係付け
る。光電場の位相及び振幅変調は、電気光学効果により
材料の屈折率を加減する、外部電場の印加により得るこ
とができる。

【０００４】単純化のため、電気光学効果のテンソル的
性質を無視すれば、光周波数ωにおける屈折率変化Δｎ
(ω)は、電気光学係数ｒと変調電場Ｅｏとの積に比例す
る：すなわちΔｎ(ω)∝ｒ・Ｅｏである。

【０００５】ＬｉＮｂＯ_３結晶の場合、最高値を有する
電気光学係数はｒ_３３〜３０ｐｍ/Ｖである。電気光学
係数ｒ_３３は、ｃ(ｚとも称される)結晶軸に沿って偏光
した電磁波に作用する屈折率変化を同じ軸に沿う変調電
場成分と関係付ける。

【０００６】この理由のため、ＬｉＮｂＯ_３結晶基板に
は、比較的高い変調周波数においても優れた変調性能を
確実に得られる形状であるから、ｚ結晶軸が最大面積の
基板表面に垂直な、ｚカット薄板が一般に利用される。

【０００７】マッハ−ツェンダー干渉計型電気光学変調
器は、光信号の電気的に誘起された振幅変調を与えるこ
とができるデバイスである。マッハ−ツェンダー干渉計
型電気光学変調器において、変調器の駆動に必要な電圧
は、２本の干渉計アームに沿って伝搬する２つの光学モ
ードに互いに逆の符号をもつ屈折率変化が作用するとき
に小さくなる。これは、２本の干渉計アームにおいてｚ
軸に沿う変調電場成分が互いに逆の符号(すなわちｚ軸
配向に対して互いに逆の配向)を有するように、電極の
形状寸法を適切に設計することにより達成される。得ら
れるデバイスは、プッシュ−プル構成をもつと称され
る。

【０００８】図１から４はプッシュ−プル構成のマッハ
−ツェンダー干渉計型電気光学変調器の代表例を示す。
詳しくは、図１及び２はそれぞれ、いわゆるコプレーナ
型導波路(“ＣＰＷ”)構成の上面図及び断面図を簡略に
示す。図３及び４は、いわゆる二重コプレーナストリッ
プ型(“ＣＰＳ”)構成の、同じく上面図及び断面図を簡
略に示す。

【０００９】上記の構成に基づくデバイスの電気光学性
能は広汎に文献で説明されている。例えば、ＣＰＷ構成
の性能は、IEICE Trans. Electron.誌，第Ｅ８１−Ｃ巻
(１９９８年)，３１６ページの、Ｋ．ノグチ(Noguchi)
等：「２段電極をもつ４０−Ｇビット/秒Ｔｉ：ＬｉＮｂ
Ｏ_３光変調器」、及びJ. of Light-wave Tech.誌，第１
６巻(１９９８年)，６１５ページの、Ｋ．ノグチ等：
「ミリ波Ｔｉ：ＬｉＮｂＯ_３光変調器」で論じられてい
る。二重ＣＰＳ構成は、例えば米国特許第５,３８８,１
７０号に説明されている。

【００１０】図１及び２を参照すれば、ｚカットＬｉＮ
ｂＯ_３基板１に、入力光導波路２すなわち入力チャネ
ル、入力導波路２に沿って伝搬する入力光信号を干渉計
アームを形成する２本の概ね平行な光導波路４１，４２
に沿って伝搬する２つの光信号に分割するための第１の
Ｙ−接合３、及び前記２つの光信号を出力光導波路６す
なわち出力チャネルに沿って伝搬する出力光信号に結合
するための、第１のＹ−接合から隔てられた、第２のＹ
−接合５を備える、マッハ−ツェンダー干渉計が集積さ
れている。導波路２，４１，４２及び６は、ｚ結晶軸に
垂直な基板１の表面７の対応する位置に通常の技法で形
成される。基板は単一の強誘電分域を形成し、よって基
板全体にわたりｚ結晶軸が同じ配向、例えば図２に矢印
で示される配向を保つ。

【００１１】干渉計アーム領域において：第１の金属電
極８が、導波路４２の上で表面７に重ねられ、導波路４
２の区画４２１にかけて広がり；第２の金属電極９が、
導波路４１の上で表面７に重ねられ、導波路４２の区画
４２１に実質的に対応する導波路４１の区画４１１にか
けて広がり；第３の金属電極１０が、表面７に重ねら
れ、導波路４１の区画４１１に実質的に対応するセグメ
ントにかけて、第１の電極８とは逆の側で、第２の電極
９に並んで広がる。従来通りに、金属電極８，９及び１
０を導波路４１，４２の光電場から分離し、よって光電
場の減衰を避けるために、一般には二酸化ケイ素(Ｓｉ
Ｏ_２)のバッファ層１１が表面７上に形成される。

【００１２】金属電極８，９及び１０は、電気光学効果
により、２本の導波路４１，４２における屈折率を変化
させるために有用な変調電場を印加するために用いられ
る。電極８及び１０は基準電位(接地電位)に電気的に接
続され、したがって接地電極と称される。電極９は変調
電位Ｖに電気的に接続され、活電極と称される。電極の
形状及びレイアウトは、変調電場のスペクトルのマイク
ロ波領域までデバイスの動作を可能にするように、適切
に設計される。変調電場の印加により、２本の導波路４
１，４２の屈折率に互いに逆の変化が生じ、これに対応
して、そのような導波路に沿って伝搬する光信号に互い
に逆の位相シフト(プッシュ−プル効果)が生じる。よっ
て、振幅変調出力光信号が導波路６に得られ、振幅は全
位相シフトに依存する。

【００１３】ＣＰＷ構成の主な欠点は、干渉計アームに
沿って伝搬するそれぞれの光学モードと変調電場との間
の相互作用に非対称性を生じさせる、構造の非対称性で
ある。そのような非対称性は、２本の干渉計アームに相
異なる位相シフトを生じさせ、よって振幅変調出力光電
場にチャーピングを誘起する。２本の干渉計アームに互
いに逆の位相シフトをもたせるためには、２本の導波路
が、一方は活電極の下に、また他方は接地電極の下に配
置されなければならないから、この非対称性は上記のデ
バイスに本質的に存在する。導波路を通って伝搬する光
学モードに変調電場により誘起される位相シフトの効率
は、変調電場と光学モードとの間の重なりに依存し、重
なり係数Γで表わされる。活電極９の下の導波路４１に
おける重なり係数Γｈと接地電極８の下の導波路４２に
おける重なり係数Γｇの比はかなり大きく、比の値は一
般に６に達し、よって互いに相当に異なる位相シフトが
２本の導波路に生じる。

【００１４】図３及び４の二重ＣＰＳ構成では、２つの
活電極１３及び１５が与えられ、それぞれが導波路４２
及び４１に重ねられて、導波路４２及び４１の対応する
区画４２１及び４１１にかけて広がる。２つの接地電極
１２及び１４も与えられ、それぞれが活電極１３及び１
５の内のそれぞれ１つと隣り合う。２つの活電極１３，
１５は、接地電位に対して互いに符号が逆の変調電位＋
Ｖ，−Ｖに電気的に接続される。この理由のため、この
構成は二相駆動とも称される。

【００１５】図３及び４に一点鎖線で示され、１６で指
定される、第３の接地電極が活電極１３と１５との間に
設けられ、よって活電極１３，１５のそれぞれが２つの
接地電極の間に延びている場合もある。これで得られ
る、さらに高い対称性を確保する構造は、二重ＣＰＷ構
成をもつと称される。

【００１６】二重ＣＰＳ構成では、二重ＣＰＷ構成と同
様に、ＣＰＷ構成に関して先に論じた問題は生じず、し
たがって無チャーピングであると称される。しかし、二
相駆動が必要であるため、互いに逆の符号をもつ駆動電
位を発生する電子回路の複雑性がかなり大きくなる。こ
れは二重ＣＰＳ構成の大きな欠点である。

【００１７】特開平７-１９１３５２号は、導波路間で
波動エネルギーの相互交換がおこる、方向性結合型光ス
イッチのような、光導波路デバイスの問題を論じてい
る。電気光学変調器では導波路間での波動エネルギーの
交換がおこらないから電気光学変調器とは明らかに異な
る上記のデバイスは、ｚカットＬｉＮｂＯ_３結晶から形
成された結晶基板を備え、基板表面に２本の光導波路が
互いに隣り合わせで平行に形成されている。デバイスは
結合領域、すなわち導波路間で波動エネルギーの相互交
換がおこる基板領域を有する。正及び負の電極が光導波
路と同じ基板表面上にバッファ層を介して形成され、そ
れぞれの導波路にある程度重なって互いに平行に延び
る。２本の導波路において、ｚ結晶軸に対してほぼ逆方
向の作用を有する、正電極から曲線を描いて負電極に向
かう電場が発生される。

【００１８】特開平７-１９１３５２号によれば、上記
構成においては、２本の光導波路における電場の作用の
方向は互いにほぼ逆であるに過ぎず、したがって完全に
逆方向である場合に比較して、電場作用の損失が大き
い。さらに、両光導波路への最大有効作用を確保するた
めには微細位置調節が必要であり、例として、電場の密
区画が光導波路に集中するように、電極の縁端区画が光
導波路デバイスの中央領域における最適位置に整合され
る。微細光導波路に対するこの種の高精度位置調節は極
めて困難であり、生産性向上を阻害する。さらに、正及
び負の電極は結晶基板の同じ表面上に並んで形成される
から、両電極間のバッファ層の存在により動作電圧が変
動する現象(ＤＣドリフト)が発生し、この現象が実用上
重大な問題をおこす。

【００１９】したがって、この特許においてはコプレー
ナ型電極配置が排され、上記問題を解決するとされるデ
バイスが説明される。説明されるデバイスでは、ｚカッ
トリチウムナイオベート結晶基板表面上に形成された一
対の光導波路が、基板の結合領域において波動エネルギ
ーの相互交換を行う。光導波路が形成される結晶のｚ軸
方向は、互いに逆向きに形成され、対向する平行平板の
正及び負電極が結晶基板の上面及び下面に配される。こ
の構成に基づけば、対向平行平板電極間に形成される線
形で一様で平行な電場の作用により、光導波路のｚ軸に
対してそれぞれ逆向きの作用が生じる。

【００２０】特開平７-１９１３５２号で提案される解
決策は、(ｄで表わされる)非線形光学係数及び電気光学
係数(ｒ)の符号が強誘電分域の配向、すなわち結晶の自
発分極の配向に関係付けられる、強誘電材料の既知の特
性に基づく。結晶の自発分極の配向が反転すると、ｄ及
びｒはともに符号を変え、これはそれぞれ高周波及び低
周波の電磁場に対する二次非線形材料応答の表れであ
る。

【００２１】この現象は、Appl. Phys. Lett.誌，第６
２巻(１９９３年)，４３５ページの、Ｍ．ヤマダ(Yamad
a)等：「高効率青色二次高調波発生のための外部電場印
加による周期的分極化一次疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導
波路」に報告されているように、高効率疑似位相整合周
波数変換を達成するために、レーザダイオードベース二
次高調波発生(ＳＨＧ)デバイスに利用されてきた。

【００２２】電気光学変調器との関連では、強誘電分域
反転の効果は、光変調とＲＦ電気信号との間の位相速度
不整合を補償する光−電気変調器を得るために、米国特
許第５,２７８,９２４号で利用された。

【００２３】ＳＨＧデバイス及び米国特許第５,２７８,
９２４号に開示されるデバイスのいずれにおいても、適
当な周期で反転された強誘電分域構造が必要であり、光
学モードは多くの強誘電分域境界を通って伝搬する。こ
れらの境界における散乱及び反射による線形損失は、検
出レベルより小さいことが多く、いかなる場合にも、ど
のような導波路損失と比較しても無視可能である。事
実、相異なる配向をもつ分域が同じ線形誘電特性を有す
る(屈折率は相異なる配向をもつ分域で同じである)こと
は周知である。

【００２４】例えば、米国特許第５,２７８,９２４号で
は、非対称コプレーナ型導波路進行波電極をもつ集積化
光マッハ−ツェンダー干渉計が、反転領域及び非反転領
域をもつ強誘電分域を有する基板に形成される。反転及
び非反転領域は、干渉計アームに対して横方向に互いに
平行で、アームに沿って交互に逐次連続して延びてい
る。それぞれの干渉計アームにおいて、光信号は強誘電
分域の反転及び非反転領域を通過する。反転領域と非反
転領域との間を遷移する毎に、光信号の誘起位相変調の
符号が変わる。これが、ＲＦ電気信号と光信号との間の
位相速度不整合により生じる光信号とＲＦ信号の変調間
の１８０°位相差を補償する。

【００２５】また別の状況において、米国特許第５,２
６７,３３６号では、強誘電分域反転の効果が、電極を
全くもたない集積化光導波路マッハ−ツェンダー干渉計
による広帯域過渡電気応答の検出及び測定に有用な電場
センサを得るために利用された。この特許では、測定さ
れるべき外部電場がアンテナで拾われて電圧に変換さ
れ、続いて、この電圧が２本の干渉計アームのそれぞれ
に互いに逆の方向の電場を生じさせるようにして干渉計
アームまたはその近くに配置された適切な電極に印加さ
れることで、従来の電気−光センサの欠点が処理され
る。この特許によれば、電場の測定を必要とする様々な
用途において、金属電極の存在が測定下にある電場を乱
す傾向がある。電極の近接によりアーク放電が生じ、よ
って短絡がおこるという、激烈な場合もある。金属電極
には、電気回路の容量性によるセンサの周波数応答限界
をもたらす傾向もある。この電気回路は、燃焼性または
爆発性材料の存在においては災害の元にもなり得る。し
たがって、この特許によれば、金属電極を全く必要とし
ない電場センサの提供が求められている。この特許によ
れば、そのような電場センサは、外部の垂直方向電場が
２本の干渉計アームに、等しく、符号が互いに逆の、位
相シフトを生じさせ、従来の電極型デバイスで受けるよ
うな全位相シフトを得られるように、２本の干渉計アー
ムの内の１本の強誘電分域を反転させることにより達成
される。

【００２６】出願人は、コプレーナ型電極配置が、特に
高周波用途において、非コプレーナ型配置より有利であ
ることに気づいた。

【００２７】出願人は、電気光学材料基板にコプレーナ
型集積電気光学マッハ−ツェンダー型変調器を実現する
ために、デバイスの少なくとも変調領域における電気光
学係数の符号が一方の干渉計アームと他方の干渉計アー
ムとでは異なるように、例えば、ＬｉＮｂＯ_３のような
強誘電材料における強誘電分域反転による、電気光学係
数の符号反転効果を利用すれば、単一分域電気光学基板
に対して、新しく有利な変調器構造を案出し得ることも
見いだした。そのような構造は、例えば(活電極が１つ
しか用いられない)無チャーピングコプレーナ型導波路
変調器及び(２つの活電極が用いられる)単相駆動二重コ
プレーナストリップ型変調器を含む。

【００２８】本発明の一態様にしたがえば、電気光学材
料の基板、基板表面の対応する位置で基板に集積された
少なくとも２本の光導波路、及びデバイス変調領域にお
いて２本の導波路の屈折率の変調を生じさせるに適する
変調電場を導波路に印加するための、前記表面上に配置
された電極系を備え、導波路が、デバイス変調領域にお
いて導波路の少なくとも一区画に対し、導波路区画にお
いて方向及び配向が同じ変調電場が導波路区画に符号が
互いに逆の屈折率変調を生じさせるように、導波路区画
に対して横方向の軸に沿う符号が互いに逆の電気光学係
数を有するそれぞれの基板領域に形成されることを特徴
とするコプレーナ型集積光導波路電気光学変調器が提供
される。一実施形態において、導波路区画及び符号が互
いに逆の電気光学係数を有するそれぞれの基板領域は、
実質的にデバイス変調領域の全体にわたる。

【００２９】別の実施形態においては、符号が交互する
電気光学係数を有する、基板領域の少なくとも２つの逐
次連続領域列がデバイス変調領域に設けられる。それぞ
れの逐次連続領域列を、少なくとも２本の導波路のそれ
ぞれ１本が通過する。導波路に対して実質的に横方向に
並ぶ２つの逐次連続領域列の領域対は、互いに符号が逆
の電気光学係数を有する。

【００３０】電極系は、それぞれ１つがそれぞれの前記
導波路区画にかけて延びる少なくとも２つの接地電極、
及び接地電極の間を延びる少なくとも１つの活電極を含
むことができる。したがって、電極はコプレーナ型導波
路電極系を形成する。

【００３１】あるいは、電極系は、前記導波路区画にか
けて延びる１つの活電極、及び活電極に並んで延びる少
なくとも１つの接地電極を含むことができる。この場合
も、電極はコプレーナ型導波路電極系を形成するが、活
電極に印加されるべき駆動電圧を小さくすることができ
る。

【００３２】この場合、導波路は変調領域における導波
路間の光結合を実質的に防止するに適する距離だけ隔て
られるべきであるから、活電極は前記距離に等しいかま
たはそれより広い幅を有する広幅部分及び広幅部分の上
面上の挟幅部分を含むことが好ましい。

【００３３】別の実施形態においては、電極系が、二重
コプレーナストリップ型電極系を形成するように、同じ
変調電圧を受け取るための、それぞれ１つがそれぞれの
前記導波路区画にかけて延びる２つの活電極、及び活電
極に並んで延びる少なくとも１つの接地電極を含む。

【００３４】前記少なくとも１つの接地電極は、それぞ
れ１つがそれぞれ一方の活電極に、他方の活電極と逆の
側で、並んで延びる２つの接地電極を含むことが好まし
い。

【００３５】好ましい実施形態において、コプレーナ型
集積光導波路電気光学変調器は、外部発生変調電圧を受
け取り、この電圧を２つの活電極に供給するための、集
積化電力分割回路を含む電極系を有する。

【００３６】変調領域の外側で、導波路はそれぞれのＹ
−接合により入力導波路及び出力導波路に光学的に接続
される。２つの活電極はＹ接合において合体でき、入力
及び出力導波路にかかる延長部を有することができる。

【００３７】接地電極は、入力及び出力導波路の対応す
る位置に、コプレーナ型導波路電極系を形成するよう
に、前記延長部に並んで延びることが好ましい。

【００３８】電気光学材料基板が強誘電材料、すなわ
ち、例えばリチウムナイオベートのような、自発分極を
有する材料のｚカット基板である場合、符号が互いに逆
の電気光学係数を有する領域は、互いに配向が逆の強誘
電分域を有する領域である。

【００３９】基板材料は、強誘電材料、特にリチウムナ
イオベートのｘカット基板とすることもできる。この場
合、互いに配向が逆の強誘電分域を設けることにより、
１つの活電極及び１つの接地電極を配置することでプッ
シュ−プル変調器を形成することが可能になる。

【００４０】本発明の第２の態様にしたがえば、本発明
の第１の態様にしたがうコプレーナ型集積光導波路電気
光学変調器、及び電極系への単極性駆動電位の印加に適
合された電気的駆動要素を含む電気光学変調器が提供さ
れる。

【００４１】本発明のまた別の態様にしたがえば、光ビ
ームを発生するための光ビーム発生手段及び本発明の第
２の態様にしたがう電気光学変調器を少なくとも備え
る、光通信システムのための送信局が提供される。

【００４２】本発明の特徴及び利点は、非限定的例とし
てのみ与えられ、添付図面に示される、本発明のいくつ
かの実施形態に関する以下の詳細な説明により明らかに
なるであろう。

【００４３】図面において、図１から４の従来技術の構
造の要素を識別するために既に適用された参照数字が、
同様のまたは対応する要素を識別するために図５から１
４においても用いられる。

【００４４】図５及び６に、本発明の第１の実施形態、
詳しくはコプレーナ型集積導波路(ＣＰＷ)マッハ−ツェ
ンダー電気光学変調器が示される。基板１は、ｚカット
電気光学材料、例えば、ＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_３，
ＫＴＰ(リン酸チタニルカリウム)のような無機結晶、ま
たは分極し得る非中心対称高分子材、分極化ガラス、半
導体からなる。

【００４５】基板１は、少なくとも光電場と電場との間
の相互作用のために設けられたデバイス変調領域５０
に、符号が互いに逆の電気光学係数を有する少なくとも
２つの領域６１，６２、例えば基板が自発分極を有する
強誘電材料である場合においては、互いに反転した、す
なわち互いに逆に分極した、２つの強誘電分域領域６
１，６２を含む。言い換えれば、一方の領域、例えば領
域６１において、強誘電分域したがってｚ結晶軸は、他
方の領域６２における強誘電分域したがってｚ結晶軸の
配向に対向する配向を有する。図において、このこと
は、領域６１では基板の上面７１に向かい、領域６２で
は基板の下面７２に向かう、２つの領域におけるｚ結晶
軸の、相異なり、対向する配向により簡略に示される。
例えば、領域６２の強誘電分域は基板１の残りの強誘電
分域と同じ配向を有し、領域６１の強誘電分域は基板１
の残りの強誘電分域に対して反転している。

【００４６】強誘電分域領域６１，６２のそれぞれに
は、２本の光導波路４１，４２の内のそれぞれ１本が形
成され、強誘電分域領域は変調領域５０内で導波路４
１，４２の軸方向に広がる。２つの強誘電分域６１と６
２との間の境界６３は２本の導波路４１と４２との間の
中間位置にある。

【００４７】変調領域５０において、金でつくられるこ
とが好ましい、金属電極８０，９０及び１００はバッフ
ァ層１１を介して基板１の上面７１に重ねられる。バッ
ファ層１１は、例えば、二酸化ケイ素層または、好まし
くは、二酸化ケイ素より若干小さい誘電定数を有し、し
たがって光学モードと変調電場との間でより良好な位相
整合が確保され、特に変調電場がマイクロ波スペクトル
範囲にある場合の損失が小さくなる、ベンゾシクロブテ
ン(ＢＣＢ)層とすることができる。

【００４８】詳しくは、第１の金属電極８０は導波路４
２に重ねられて、導波路４２の区画４２１にかけて広が
り、第２の金属電極１００は導波路４１に重ねられて、
導波路４２の区画４２１に実質的に対応する、導波路４
１の区画４１１にかけて広がり、第３の金属電極９０は
２本の導波路４１と４２との間の強誘電分域６２部分に
重ねられる。

【００４９】電極８０及び１００は基準電位(接地電位)
に電気的に接続されるべく設けられ、したがって接地電
極として作用する。電極９０は変調電位Ｖに接続される
べく設けられ、したがって活電極として作用する。電極
のレイアウトは、変調電場のスペクトルのマイクロ波領
域までデバイスの動作が可能となるように、適切に設計
される。

【００５０】それぞれの強誘電分域領域は、２本の干渉
計変調アームの内のそれぞれ１本の導波路を含むよう
に、(導波路に対して横方向に)十分に大きくなければな
らない。強誘電分域領域は、それぞれの導波路を通って
伝搬する光学モードの横方向プロファイルの全体を包含
することが望ましい。強誘電分域領域の厚さに関する限
り、反転領域の導波路表面からの深さが大きくなるほ
ど、屈折率変化の光学モードとの重なり、すなわち光学
モードが見る実効屈折率変化が大きくなる。

【００５１】変調器に入る光信号を変調するため、電極
８０，９０及び１００は、変調電場が電極８０，９０及
び１００に印加されるように、電圧が時間的に変化する
電源に電気的に接続される。

【００５２】変調電場の方向及び配向が２本の導波路４
１，４２で同じであるにもかかわらず、２本の導波路４
１，４２がｚ軸に沿う互いに反転した強誘電分域配向を
有する領域に形成されるという事実により、２本の導波
路４１，４２の屈折率は互いに逆の変化を受けることに
なり、対応して、そのような導波路に沿って伝搬する光
信号は互いに逆の位相シフトを受けることになる。すな
わち、デバイスはプッシュ−プル構成を有する。

【００５３】事実、分域反転は線形誘電特性を変えず
に、基板材料の非線形特性を変える。言い換えれば、マ
イクロ波及び光領域を含む全ての周波数における誘電定
数は、外部電場が印加されていない場合には、互いに異
なる配向をもつ強誘電分域で同じである。互いに反転し
た強誘電分域領域の間の境界にかけて外部変調電場が存
在するように寸法形状がなっていれば、符号が互いに逆
の屈折率変化が２つの互いに反転した強誘電分域領域に
確立されるが、それでもこの変化は、境界をわたって延
びる導波路において反射及び／または散乱によるいかな
る有意な損失も生じさせるほど十分に大きくはない。

【００５４】本明細書で説明されるデバイスにおいて
は、マッハ−ツェンダーのアームの内の１本に沿って伝
搬する間にモードが渡らなければならない分域境界は２
つだけとすることができるから、反射及び／または散乱
損失は極めて小さい。

【００５５】基板１の全体がただ１つの配向をもつ単一
強誘電分域を形成する、図１及び２の従来のＣＰＷ変調
器とは異なり、図５及び６の変調器は、変調領域５０に
おいて変調領域５０の構造が(光導波路及び電極に関す
る限り)対称である。これは、従来の変調器構造に優る
重要な利点である。

【００５６】図５及び６の変調器において、光導波路４
１及び４２はいずれも接地電極８０及び１００の下にあ
る。したがって、導波路を通って伝搬する光学モードと
変調電場との間の重なりは重なり係数Γｇで表わされ
る。接地電極の下にある導波路を通って伝搬する光学モ
ードと変調電場との間の重なりは、活電極の下に導波路
をおくことにより得られる重なりより小さい。活電極の
下に導波路がある場合、重なりはΓｇよりほぼ６倍大き
い重なり係数Γｈで表わされる。

【００５７】導波路を通って伝搬する光学モードと変調
電場との間の重なりが小さくなることは、同じだけの導
波路屈折率の電気光学変調を生じさせるに必要な駆動電
圧が高くなることを意味する。この結果、図５及び６の
変調器では、図１及び２の単一分域ＣＰＷ変調器に対し
て、同じ屈折率変調効果を得るために、駆動電圧を約
３.５倍に高める必要がある。

【００５８】図７のコプレーナ型導波路変調器は、無チ
ャーピング動作を維持すると同時に、与えられた屈折率
変調を生じさせるに必要な駆動電圧を、図５及び６の変
調器に対して低めることができる。導波路４１及び４２
はともに活電極９００の下におかれ、したがって２つの
強誘電分域領域６１と６２との間の境界６３は活電極９
００の下にある。この配置により、導波路を通って伝搬
する光学モードと変調電場との間の重なりは図５及び６
の構造で得られる重なりより大きくなり、図１及び２の
従来のコプレーナ型導波路変調器で得られる重なりより
も大きい。したがって、駆動電圧は図５及び６の変調器
に必要な駆動電圧より低く、少なくとも原理的には、図
１及び２の従来のコプレーナ型導波路変調器に必要な駆
動電圧よりも低い。同時に、構造は対称のままであるか
ら、無チャーピング動作は維持される。

【００５９】図７の実施形態においては、図５及び６の
実施形態と比較して、導波路４１，４２が互いに近接し
ている。しかし、導波路４１と４２との間の距離は、２
本の導波路間の光結合を回避し、よって２本の導波路間
の波動エネルギーのいかなる相互交換も回避するよう
に、十分に大きく保たれなければならない。したがっ
て、その下に導波路がともにおかれることになる活電極
９００は、幅が十分に広くなければならない。少なくと
も３０μｍの活電極幅が、導波路４１と４２との間の光
結合、したがって波動エネルギーの相互交換を回避する
に十分な導波路間隔を可能にするに適する。

【００６０】広幅活電極のインピーダンスは低い。イン
ピーダンスを高く保つためには、バッファ層１１の上に
配された少なくとも３０μｍ幅の平板９０１及び平板９
０１の上面上の挟幅ステム９０２をもつ、図７に示され
るいわゆる逆“Ｔ”字形のような、特定の形状をもつよ
うに、活電極９００を慎重に設計するべきである。しか
しそのような設計によっても、２０ＧＨｚ帯における速
度整合電気光学応答は変調器の入力インピーダンスがほ
ぼ２５Ωの場合にしか得られない。これは特定の用途に
対しては低すぎるインピーダンス値であり、よって図７
の構造は、３０Ωより高い変調器入力インピーダンスを
得ることができるような、１０ＧＨｚまでの帯域で用い
ることができる。この周波数帯域幅限界は、Ｖπ・Ｌ積
が１３Ｖｃｍであるとして計算された。ここでＶπは駆
動電圧、Ｌは変調領域長である。

【００６１】図７の変調器においては、図面に示される
ように２つの活電極を設ければ構造の対称性が高められ
るとしても、少なくとも１つの接地電極が必要であるこ
とが気づかれるべきである。

【００６２】図８及び９は本発明の別の実施形態、詳し
くは二重コプレーナストリップ(ＣＰＳ)型集積マッハ−
ツェンダー電気光学変調器を示す。先の実施形態と同様
に、基板１はｚカット電気光学材料、例えばＬｉＮｂＯ
_３，ＬｉＴａＯ_３，ＫＴＰ、または分極し得る非中心対
称性高分子材、分極化ガラス、半導体からなり、少なく
ともデバイス変調領域５０に，符号が逆の電気光学係数
を有する少なくとも２つの領域６１，６２、例えば互い
に反転した強誘電分域配向をもつ強誘電分域領域６１，
６２を含む。

【００６３】強誘電分域領域６１，６２のそれぞれにお
いて、２本の光導波４１，４２の内のそれぞれ１本が形
成され、強誘電分域領域は導波路４１，４２の軸方向に
変調領域５０内を延びる。２つの強誘電分域領域６１と
６２との間の境界６３は、配向が互いに反転している強
誘電分域領域のそれぞれが、変調領域５０において、す
なわち光学モードが変調電場と相互作用する領域におい
て、２本のアームの内のそれぞれ１本を含むように、２
本の導波路４１と４２との中間の位置、例えば２本の導
波路４１と４２との間の中央にある。

【００６４】変調器は、変調領域５０において、導波路
４２及び４１のそれぞれに重なり、導波路４２及び４２
のそれぞれの区画４２１及び４１１にかけて広がる、活
電極として作用するように設けられた、２つの電極１３
０及び１５０を含む金属電極配置を備える。電極１３０
及び１５０はさらに、変調領域５０の外側でも、上流領
域５１及び下流領域５２のそれぞれにおいて、導波路４
２及び４１のそれぞれの上を延び、入力導波路２及び出
力導波路６のそれぞれに重なる電極延長部１６０，１７
０を形成するためにＹ−接合３及び４の対応する位置で
合体する。接地電極として作用するように設けられた、
電極１２０及び１４０が、電極１３０及び１５０のそれ
ぞれと、また電極１６０及び１７０と、実質的に同じ広
がりを有して、並べて配置される。

【００６５】導波路４１，４２が活電極１３０，１５０
の下におかれているという事実は、導波路を通って伝搬
する光学モードと変調電場との間の重なりを大きくし、
よって駆動電圧を下げるに役立つ。さらに、構造は対称
であり、よって無チャーピング動作が保証される。

【００６６】プッシュ−プル動作を得るためには二相電
圧駆動(＋Ｖ，−Ｖ)が必要な、図３に示した従来の二重
ＣＰＳ変調器とは異なり、図８及び９の二重ＣＰＳ変調
器における、２つの互いに反転した強誘電分域領域６
１，６２での２本の導波路４１，４２の形成には、単相
駆動動作が可能になるという利点がある。２つの領域６
１，６２における強誘電分域が互いに逆の配向を有する
という事実の結果、２本の導波路４１，４２における互
いに逆の屈折率変調、したがって２本の導波路４１，４
２を通って伝搬する光学モードの互いに逆の位相シフト
を、２つの活電極１３及び１５に同じ駆動電圧Ｖを印加
することにより事実上得ることができる。

【００６７】図８の電極配置においては、(導波路を通
って伝搬する光学モードが変調電場と相互作用する)デ
バイスの変調領域５０の対応する位置にある二重ＣＰＳ
領域に加えて、入力及び出力ＣＰＷ領域である２つのＣ
ＰＷ領域がそれぞれ上流領域５１及び下流領域５２に存
在し、入力及び出力ＣＰＷ領域と二重ＣＰＳ領域との間
の遷移は断熱的である。

【００６８】入力及び出力ＣＰＷ電極は、それぞれのイ
ンピーダンスがＺ_０/２に等しくなるように設計でき
る。ここでＺ_０は二重ＣＰＳ構造のそれぞれのＣＰＳ区
画のインピーダンスである。ストリップ１３０，１５０
のそれぞれが出力において独立にインピーダンスＺ_０を
介して接地されるとすれば、変調器の入力及び出力イン
ピーダンスは正確にＺ_０/２となるであろうが、実際
上、図８の構造においても入力及び出力インピーダンス
をＺ_０/２にほぼ等しいと見なすことができる。出力に
おける電気的反射を防止するため、ＣＰＷ出力区画をＺ
_０/２にほぼ等しい全負荷Ｚ_Ｌに接続することが好まし
い。変調マイクロ波に対する構造対称性を保証するため
には、それぞれの値が２Ｚ_Ｌの、２つのマイクロ波負荷
２Ｚ_Ｌを延長部１７０と接地電極１２０及び１４０のそ
れぞれとの間に接続することが好ましい。

【００６９】図８の電極配置により、変調マイクロ波に
対する集積化電力分割回路を形成することが可能にな
る。

【００７０】図８では電極配置の変調区画だけが示され
ているが、別の電極区画、例えば、デバイスの動作点の
適切な選択を確保することを目的としたバイアス電極区
画をさらに設け得ることを、当業者であれば容易に理解
するであろうことが指摘される。この点については、デ
バイスのバイアス印加を、互いに符号が逆の電気光学係
数を有する基板領域にそれぞれの導波路が形成されてい
れば、両導波路の上に広がる単一電極により達成し得る
ことは注目に値する。

【００７１】ＣＰＳ領域５０について可能な寸法が図９
に簡略に示される。参照符号Ｌ１及びＬ３は活電極１３
０及び１５０とそれぞれに隣り合う接地電極１２０及び
１４０との間の間隙の寸法を示すために用いられ、参照
符号Ｌ２は２つの活電極１３０と１５０との間の間隙を
指定する。Ｌ１に適する値は６から２０μｍの範囲にあ
り、例えば２０μｍである。構造対称性のため、実質的
に等しい値が寸法Ｌ３に適用される。２つの隣り合うコ
プレーナストリップ１２０，１３０と１４０，１５０と
の間のいかなる電気的結合も防止するため、寸法Ｌ２に
適する値は１００μｍに等しいかまたはそれより大き
い。バッファ層１１はベンゾシクロブテン(ＢＣＢ)でつ
くられ、厚さは０.７から１.８μｍの範囲にあることが
好ましい。電極１２０，１３０，１４０，１５０は金で
つくられ、厚さは１５から２５μｍの範囲にあり、活電
極１３０及び１５０の幅は５から１４μｍの範囲にある
ことが好ましい。

【００７２】出願人は、導波路間の波動エネルギーの相
互交換がおこる光導波路デバイスに関連して先に引用し
た特開平７-１９１３５２号により提案された、電極が
コプレーナ型ではなく、代わりに結晶基板の上面及び下
面に配置される構造が、比較的高い変調周波数で動作す
ることを目的とするマッハ−ツェンダー変調器の実現に
は適していないことに気づいた。電気光学変調器では、
(同じくＶπと称される)駆動電圧及び帯域幅(ＢＷ)がと
もに、変調器長(変調器の変調領域の長さＬ)に反比例す
る。しかし、一方で、駆動電圧を下げるためには変調器
長が大きいことが望ましいが、他方で、帯域幅を大きく
するためには変調器長を小さく保つべきである。積Ｖπ
・Ｌ及びＢＷ・Ｌでいえば、良い電気光学変調器は小さい
Ｖπ・Ｌ及び大きいＢＷ・Ｌを特徴とするべきである。特
開平７-１９１３５２号で提案された構造がマッハ−ツ
ェンダー変調器の実現に採用され、駆動電圧が５Ｖにほ
ぼ等しく保たれるようにほぼ３ｃｍの変調器長Ｌが選ば
れると想定してみよう。出願人は、上記条件では、変調
マイクロ波が実質的に基板を通って伝搬し、光学モード
により見られる屈折率とは実質的に異なる屈折率を見る
という事実により、ほぼ５ＧＨｚの帯域幅を得ることは
困難であることに気づいた。このことは、結晶基板の上
面及び下面への正及び負平板電極の配置の結果である。

【００７３】比較として、出願人は寸法パラメータに以
下の値：活電極幅：７.５μｍ；Ｌ１＝Ｌ３＝２０μｍ；Ｌ２＝１５０μｍ；電極厚：１８μｍ；ＢＣＢ層厚：１.５μｍ；を採用して、図９の構造についてシミュレーションを行
った。

【００７４】長さＬが約３１ｍｍの活性ＣＰＳ領域５０
に対して、駆動電圧振幅Ｖπはほぼ４.２Ｖと推定する
ことができ、これはほぼ１３Ｖ・ｃｍの積Ｖπ・Ｌを与え
る。シミュレーションの結果、出願人は、注目する、ほ
ぼ１０ＧＨｚからほぼ４０ＧＨｚの周波数範囲のほとん
どに対して、変調マイクロ波により見られる屈折率が光
学モードにより見られる屈折率(２.１４にほぼ等しい)
に近いので、ストリップ１３０及び１５０のそれぞれに
おける光導波モードと変調マイクロ波との間の疑似完全
位相整合が確保されることを見いだした。変調周波数の
関数としての電気光学応答は、４０ＧＨｚ程度の３ｄＢ
帯域幅を示す。

【００７５】この理由の１つは、コプレーナ型電極配置
をもつ本発明の構造では、変調マイクロ波がバッファ層
１１も通って伝搬し、よって、マイクロ波により見られ
る平均屈折率が光学モードにより見られる屈折率に極め
て近いことである。

【００７６】同じ構造により、それぞれのストリップの
インピーダンス(Ｚ_０)が６０Ωより高いままであること
も保証される。よって得られる変調器入力インピーダン
スは３０Ωより高く、この値は過大な入力マイクロ波反
射損失をもたらすことなく一般的な５０Ωの電源インピ
ーダンスに整合する。マイクロ波損失はまた、ＢＣＢバ
ッファ層１１の使用の結果、低く保たれる。

【００７７】活電極幅を光学モードの寸法(一般に１/ｅ
^２強度幅が１０μｍ)と同等かそれより大きい値まで広
げれば、Ｖπ・Ｌ積をさらに小さくすることができる。
しかし、これには位相整合が悪化するという欠点があ
る。

【００７８】提案された構成に対する電気的反射損失の
計算は、−１０ｄＢレベルよりかなり小さいという結果
になる。シミュレーションは、電気光学応答及び電気的
反射損失にリプルがあることを示す。これらのリプル
は、ＣＰＳストリップのそれぞれと接地電極とのインピ
ーダンス整合を向上させることにより低減できるはずで
ある。これは、２本のＣＰＳストリップを(それぞれの
ＣＰＳインピーダンスに等しい)インピーダンスＺ_０に
独立に接地することにより達成できるであろう。上述し
たように、この電極構成は変調器入力インピーダンスが
Ｚ_０/２であることも保証する。

【００７９】図１０は、図５から９に示した実施形態の
内のいずれか１つにしたがう変調器２０１を備える、光
通信システムのための送信局を、単純化した簡略なブロ
ック図で示す。変調器２０１は、例えばレーザ源２０８
で発生される、光ビームを受け取る光入力２０２、及び
強度変調された光ビームのための光出力２０３を有す
る。変調器２０１はさらに、駆動回路２０９から変調電
位Ｖを受け取るための電気入力２０４，電気出力２０
５，及び基準電位に接続される２つの電気的接地端子２
０６，２０７を備える。インピーダンス整合のため、電
気出力２０５は適当な負荷２１０，２１１により基準電
位に結合される。図５及び７のＣＰＷ構成並びに図８の
二重ＣＰＳ構成のいずれの変調器も、単相駆動動作が可
能である。

【００８０】図１１は、本発明のまた別の実施形態にし
たがう二重コプレーナストリップ型変調器を上面図で示
す。図８の変調器と異なり、図１１の変調器は、図３に
示した従来の二重ＣＰＳ変調器と構造的に同様の金属電
極１２，１３，１４及び１５の配置を備え、２つの接地
電極１２，１４及び２つの活電極１３，１５は導波路４
２及び４２のそれぞれに重なり、導波路４２，４１のそ
れぞれの区画４２１，４１１にかけて広がる。

【００８１】図１１の二重コプレーナストリップ型変調
器も、単相駆動動作を可能にする(活電極１３及び１５
のいずれにも同じ極性の変調電位が印加される)が、図
８の実施形態と異なり、変調マイクロ波のための集積化
電力分割回路を備えていない。このことが、光通信シス
テムの送信局における変調器(図の３０１)の可能な用法
を単純化した簡略なブロック図で示す、図１２に示され
る。変調器３０１は、例えばレーザ源３１０で発生され
る光ビームを受け取る光入力３０２，及び強度変調され
た光ビームのための光出力３０３を有する。変調器３０
１はさらに、駆動回路３１１から電力分割回路３１２を
介して同じ極性の変調電位Ｖを受け取るための２つの電
気入力３０４及び３０５，２つの電気出力３０６及び３
０７，並びに基準電位に接続される２つの電気的接地端
子３０８，３０９を備える。インピーダンス整合のた
め、電気出力３０６，３０７は適当な負荷３１３，３１
４により基準電位に結合される。

【００８２】図１１の二重ＣＰＳ変調器では、導波路に
おける変調電場分布の観点から構造をさらに対称にする
ように、(図３及び４の従来技術のデバイスと同様に)中
央接地電極１６を設けることができる。この場合、デバ
イスは二重ＣＰＷ変調器になる。

【００８３】本発明のコプレーナ型集積光導波路変調器
は、通常の、ＬｉＮｂＯ_３のような電気光学材料のｚカ
ット薄板から出発して製造することができる。集積光導
波路は既知の技法のいずれかを用いて、例えば基板にチ
タンイオンを選択ドーピングすることにより、形成する
ことができる。選択ドーピングは、既知のフォトリソグ
ラフィ技法及びこれに続く熱拡散プロセスにより達成で
きる。

【００８４】互いに逆向きの強誘電分域領域６１及び６
２の形成方法に関しては、相異なる極性をもち、したが
ってｚ結晶軸の方向及び配向に依存する上記特性の反転
を示す領域を含むＬｉＮｂＯ_３結晶の作成を可能にす
る、様々な分域反転技法が既に報告されている。

【００８５】強誘電分域反転を達成するための方法のい
くつかは、結晶のキュリー点に近い、高温度でのイオン
の拡散に依存する。

【００８６】例えば、Jap. J. Appl. Phys.誌，第１６
巻(１９７７年)，１０６９ページの、Ｎ．オオニシ(Ohn
ishi):「ＬｉＮｂＯ_３の正分域表面における熱誘起層の
エッチング調査」に報告されているように、８００〜１
０００℃で１ないし２０時間加熱されたＬｉＮｂＯ_３結
晶のｚ＋表面におけるＬｉ_２Ｏ外方拡散により、分域反
転を誘起することができる。

【００８７】J. Appl. Phys.誌，第５０巻(１９７９
年)，４５９９ページの、Ｓ．ミヤザワ(Miyazawa)：「Ｔ
ｉ拡散ＬｉＮｂＯ_３光導波路における強誘電分域反転」
では、空気中、９５０〜１１００℃で５ないし１０時間
行われた、Ｔｉ内方拡散により、ｚ＋面での強誘電分域
反転が生じ得ることが報告されている。

【００８８】Appl. Phys. Lett.誌，第５６巻(１９９０
年)，１５３５ページの、Ｋ．ナカムラ(Nakamura)及び
Ｈ．シミズ(Shimizu)：「プロトン交換ＬｉＴａＯ_３の熱
処理により形成された強誘電反転層」は、プロトン交換
とその後のキュリー温度近くでの熱処理によるＬｉＮｂ
Ｏ_３のｚ＋面での強誘電分域反転が可能であることを報
告している。

【００８９】Electronics Lett.誌，第２７巻(１９９１
年)，１２０７ページの、Ｍ．フジムラ(Fujimura)等：
「ＬｉＮｂＯ_３導波路ＳＨＧに対するＳｉＯ_２クラッデ
ィングにより誘起された強誘電分域反転」に報告されて
いるように、ＳｉＯ_２クラッディングとその後のキュリ
ー温度近くでの数時間の熱処理が、ＬｉＮｂＯ_３を刺激
してＬｉ_２Ｏ外方拡散をおこさせるためにも用いられ、
強誘電分域反転は被覆領域の下のｚ＋面でおきる。

【００９０】Appl. Phys. Lett.誌，第６５巻(１９９４
年)，１７６３ページの、Ｌ．ファン(Huang)及びＮ．
Ａ．Ｆ．イェーガー(Jaeger)：「ＬｉＮｂＯ_３における
分域反転の検討」では、強誘電分域反転が、高温度にお
けるＬｉ_２Ｏ外方拡散によりつくられる、ＮｂＬｉ欠陥
及び自由電子から生じる数１００Ｖ/ｃｍの空間電荷電
場と関係付けられる、簡単なモデルが提案されている。

【００９１】例えば、Appl. Phys. Lett.誌，第４８巻
(１９８６年)，６９８ページの、Ｐ．Ｗ．ヘイコック(H
aycock)及びＰ．Ｄ．タウンゼンド(Townsend)：「Ｔｃ以
下におけるＬｉＮｂＯ_３及びＬｉＴａＯ_３の分極化方
法」で論じられた、ＬｉＮｂＯ _３及びＬｉＴａＯ_３にお
いて強誘電分域反転を達成するための別の方法は、電子
ビームの使用に基づく。最初の試みは、１０Ｖ/ｃｍ程
度の低電場を用い、約６００℃(ＬｉＮｂＯ_３)の温度で
実行された。この発想は、分子状態で結合している酸素
イオンは本来の単イオン状態にあるときより小さく、酸
素面のもう一方の側へのリチウムイオンの通り抜けが容
易になるというものであった。

【００９２】既知の強誘電分域反転または分極化技法の
いずれも、原理的に、強誘電分域領域６１，６２の形成
に用い得るであろう。

【００９３】しかし、高温度におけるイオンの拡散によ
って得られる強誘電分域反転領域は通常浅く(表面から
の深さが数μｍまで)、したがって導波路用途にしか適
していない。そのような強誘電分域反転領域ではさら
に、分域形状が三角形(Ｔｉ内方拡散、Ｌｉ_２Ｏ外方拡
散、ＳｉＯ_２クラッディング)または半円形(プロトン交
換とそれに続く熱処理)であって、反転領域と導波路モ
ードとの間に最適化された重なりを与えないことがある
という事実が問題となり得る。電子ビーム照射技法は、
試料厚(０.１〜１ｍｍ)全体にわたり真っ直ぐに延びる
分域をつくり、上述の重なりを改善する可能性を与え
る。

【００９４】チョクラルスキー成長及びレーザ加熱ペデ
スタル結晶成長中のドーピングを含むその他の方法も、
強誘電分域反転を得るために用いられた。

【００９５】今までのところ最も有効な分極化デバイス
は、例えば、Appl. Phys. Lett.誌，第６２巻(１９９３
年)，４３５ページの、Ｍ．ヤマダ等：「高効率青色二次
高調波発生のための外部電場印加による周期的分極化一
次疑似位相整合ＬｉＮｂＯ _３導波路」で論じられたよう
な、室温における電場分極化の技法を用いて得られた。
外部電場が抗電場力値(ＬｉＮｂＯ_３に対しては約２０
ｋＶ/ｍｍ)より高くなるような、高電圧パルスがｚカッ
ト基板に印加され、これに対応して分域反転がおこる。
電場分極化技法により、厚さ全体にわたって真っ直ぐ延
びる分域を、(いくつかの疑似位相整合周波数変換プロ
セスに対して作製された周期により示されるように、数
μｍの)高解像度で得ることができる。さらに、電場分
極化技法は他の方法に比較して、簡単であり、費用がか
からない。

【００９６】本発明の状況において、符号が互いに逆の
電気光学係数を有する領域、例えば強誘電材料基板にお
ける強誘電分域領域は、２本の変調器アームの導波路が
含まれるように、導波路に対して横方向に、十分に大き
くなければならない。好ましくは、符号が互いに逆の電
気光学係数を有する領域すなわち強誘電分域領域は、導
波路を通って伝搬する光学モードの横方向プロファイル
全体を包含するまで広がっているべきである。

【００９７】変調器の平面における(すなわち基板１の
表面７１上の)強誘電体分域領域の広がりは、分極化電
圧を印加するための電極の形成にリソグラフィ技法を用
いて、サブミクロンの解像度で定めることができる。

【００９８】反転領域の厚さに関する限り、必ずしも強
誘電分域領域６１，６２が基板１の下面７２まで届いて
いる必要はない。しかし、反転領域が導波路表面から深
くなるほど、光学モードとの重なりが大きくなる。この
観点から、可能な全ての分極化技法の中では、電場分極
化技法が好ましい。

【００９９】強誘電分域領域６１，６２は、基板１への
導波路２，４１，４２，６の形成の前または後に形成す
ることができる。

【０１００】ここまでは、デバイス変調領域全体にかけ
て広がる、符号が互いに逆の電気光学係数を有する領域
を、詳細な説明で与えてきたが、このことが本発明を制
限するとしてはならない。実際には、強誘電分域領域は
変調領域の一部分だけにかけて広がることができるであ
ろう。

【０１０１】さらに、２つの領域だけが符号が互いに逆
の電気光学係数を有する代わりに、符号が交互する電気
光学係数を有する領域の２つの逐次連続領域列を設け、
それぞれの逐次連続領域列を変調器アームを形成する２
本の導波路の内のそれぞれ１本が通過し、導波路に対し
て横方向に隣り合う、２つの逐次連続領域列における領
域対が互いに符号が逆の電気光学係数を有するようにす
ることができる。このようにすれば、変調電場と導波路
を通って伝搬する光学モードの光変調との間の位相速度
不整合を補償することができる。

【０１０２】本発明は、本明細書でこれまで説明された
ような、ｚカット基板に形成される変調器に適用される
だけではないことに注意することが重要である。図１３
及び１４は、それぞれ平面図及び断面図で、コプレーナ
型マッハ−ツェンダー変調器が、ｘカット基板１すなわ
ちｘ結晶軸に垂直な主表面を有する基板に形成される本
発明の実施例を、例としてのみ、簡略に示す。

【０１０３】少なくともデバイス変調領域５０におい
て、干渉計アームを構成する２本の導波路４１１及び４
２１が、互いに符号が逆の電気光学係数ｒ_３３を有する
基板領域に形成される(先に述べたように、ｒ_３３は、
ｚ結晶軸に沿って偏光した電磁波に作用する屈折率変化
を同じ軸に沿う変調電場成分と関係付ける電気光学係数
である)。例えば、基板がリチウムナイオベートのよう
な強誘電材料からなるとすれば、導波路４１１は、(ｚ
軸に沿って)図の右側に向けて配向された自発分極を有
するとした基板に直接に形成され、一方導波路４２１は
自発分極配向が反転された基板領域５００に形成され
る。リチウムナイオベート基板における自発分極の配向
を反転させるための可能な技法は、Appl. Phys. Lett.
誌，第７６巻，第２６号，３８５２〜３８５４ページ
の、キシノ(Kishino)等：「ＸヵットＬｉＮｂＯ_３におけ
る７０＋μｍ深さの分域反転及びその高速帯域通過集積
光変調器への使用」に報告されている。

【０１０４】電極配置が、導波路が集積された位置に対
応して、基板の上主表面７１上に、バッファ層１１を介
して設けられる。電極配置は、導波路４２１とは反対側
で導波路４１１に並んで延びる活電極５０１，及び導波
路４１１とは反対側で導波路４２１に並んで延びる接地
電極５０２を含む。

【０１０５】活電極５０１への変調電位Ｖの印加の結果
として発生される電場のｚ成分は、２本の導波路４１
１，４２１と同じ方向及び配向をもつ。しかし、導波路
は互いに符号が逆の電気光学係数を有する基板領域に形
成されているから、２本の導波路の屈折率は互いに逆の
変化を受け、よってプッシュ−プル効果が得られる。

【０１０６】本発明にしたがうコプレーナ型集積光導波
路変調器は、特に、高データレートデジタル光通信に適
合する。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のコプレーナ型集積導波路電気光学変調器
の簡略な上面図

【図２】線II−IIに沿ってとられた図１の変調器の断面

【図３】従来の二重コプレーナストリップ型集積電気光
学変調器の簡略な上面図

【図４】線IV−IVに沿ってとられた図３の変調器の断面

【図５】本発明の一実施形態にしたがう無チャーピング
コプレーナ型集積導波路電気光学変調器の簡略な上面図

【図６】線VI−VIに沿ってとられた図５の変調器の断面

【図７】本発明の別の実施形態にしたがう無チャーピン
グコプレーナ型集積導波路電気光学変調器を、図６と同
様の断面図で示す

【図８】単相駆動動作を可能にする、本発明のまた別の
実施形態にしたがう二重コプレーナストリップ型集積電
気光学変調器の簡略な上面図

【図９】線IX−IXに沿ってとられた図８の変調器の断面

【図１０】図５または７のコプレーナ型導波路変調器あ
るいは図８の二重コプレーナストリップ型変調器を備え
る光通信システムの送信局の、単純化した、簡略なブロ
ック図

【図１１】交互電極配置をもつ二重コプレーナストリッ
プ型集積変調器を、簡略な上面図で示す

【図１２】図１１の二重コプレーナストリップ型変調器
を備える光通信システムの送信局の、単純化した、簡略
なブロック図

【図１３】本発明のさらにまた別の実施形態にしたがう
コプレーナ型変調器の簡略な上面図

【図１４】線XIV−XIVに沿ってとられた図１３の変調器
の断面

【符号の説明】

１基板２入力導波路３，５Ｙ−接合６出力導波路１１バッファ層４１，４２光導波路５０デバイス変調領域６１，６２強誘電分域６３分域境界７１基板上面７２基板下面８０，１００活電極９０接地電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者アントニーノネスポーライタリア国 10024 （ティーオー）モンカリエリヴィアグラツィアデレッダ 18 Ｆターム(参考） 2H079 AA02 AA12 BA01 BA03 CA05 DA02 DA03 EA05 EB02 HA15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学材料の基板(１)、前記基板の表面(７１)の対応する位置で前記基板に集積
された少なくとも２本の光導波路(４１，４２)、及びデ
バイス変調領域(５０)において前記２本の導波路の屈折
率変調を生じさせるに適する変調電場を前記導波路に印
加するために前記表面上に配置された電極系(８０，９
０，１００；８０，９０，９００；１２〜１５；１２〜
１６；１２０，１３０，１４０，１５０，１６０，１７
０；５０１，５０２)を備え、前記導波路が、前記デバイス変調領域における前記導波
路のそれぞれの少なくとも一区画(４１１，４２１)にか
けて、前記導波路区画に対して横方向の軸に沿う符号が
互いに逆の電気光学定数を有するそれぞれの基板領域
(６１，６２；１，５００)に形成され、よって、前記導
波路区画において方向及び配向が同じ変調電場が前記導
波路区画において符号が互いに逆の屈折率変調を生じさ
せることを特徴とするコプレーナ型集積光導波路電気光
学変調器。
【請求項２】前記導波路区画及び互いに符号が逆の電
気光学係数を有する前記それぞれの基板領域が、実質的
に前記デバイス変調領域の全体にかけて広がっているこ
とを特徴とする請求項１記載のコプレーナ型集積光導波
路電気光学変調器。
【請求項３】符号が交互する電気光学係数を有する基
板領域の少なくとも２つの逐次連続領域列が前記基板領
域に設けられ、前記少なくとも２本の導波路のそれぞれ
１本が前記逐次連続領域列のそれぞれを通過し、前記導
波路に対して横方向に実質的に揃えられた前記２つの逐
次連続領域列における領域対は互いに符号が逆の電気光
学係数を有することを特徴とする請求項１記載のコプレ
ーナ型集積光導波路電気光学変調器。
【請求項４】前記電極系が、コプレーナ型導波路電極
系を形成するように、前記導波路のそれぞれの前記区画
の上にそれぞれ１つが広がる少なくとも２つの接地電極
(８０，１００)及び前記接地電極の間に延びる少なくと
も１つの活電極(９０)を備えることを特徴とする請求項
２または３記載のコプレーナ型集積光導波路電気光学変
調器。
【請求項５】前記電極系が、前記導波路の前記区画の
上に広がる１つの活電極(９００)及び前記活電極に並ん
で延びる少なくとも１つの接地電極(８０，１００)を備
えることを特徴とする請求項項２または３記載のコプレ
ーナ型集積光導波路電気光学変調器。
【請求項６】前記導波路が前記変調領域において前記
導波路間の光結合を実質的に防止するに適する距離だけ
隔てられ、前記活電極が、前記距離に等しいかまたはそ
れより広い幅を有する広幅部分(９０１)及び前記広幅領
域の上面上の挟幅部分(９０２)からなることを特徴とす
る請求項５記載のコプレーナ型集積光導波路電気光学変
調器。
【請求項７】前記電極系が、二重コプレーナストリッ
プ型電極系を形成するように、同じ変調電圧(Ｖ)を受け
取るための、前記導波路のそれぞれの前記区画の上にそ
れぞれ１つが広がる２つの活電極(１３，１５；１３
０，１５０)、及び前記活電極に並んで延びる少なくと
も１つの接地電極(１２，１４；１２０，１４０)を備え
ることを特徴とする請求項２または３記載のコプレーナ
型集積光導波路電気光学変調器。
【請求項８】前記少なくとも１つの接地電極が、２つ
の接地電極を含み、前記２つの接地電極のそれぞれ１つ
が前記２つの活電極の内のそれぞれ１つに、他方の活電
極とは反対の側で、並んで延びることを特徴とする請求
項７記載のコプレーナ型集積光導波路電気光学変調器。
【請求項９】前記電極系が、外部で発生された変調電
圧(Ｖ)を受け取り、前記変調電圧を前記２つの活電極に
供給するための、集積化電力分割回路(１６０，１３
０，１５０)を含むことを特徴とする請求項８記載のコ
プレーナ型集積光導波路電気光学変調器。
【請求項１０】前記変調領域の外側において、前記導
波路が入力導波路(２)及び出力導波路(６)のそれぞれに
Ｙ−接合(３，５)により光学的に接続され、前記２つの
活電極が前記Ｙ−接合において合体し、前記入力及び出
力導波路上に延長部(１６０，１７０)を有することを特
徴とする請求項９記載のコプレーナ型集積光導波路電気
光学変調器。
【請求項１１】前記接地電極が、前記入力及び出力導
波路の対応する位置で、コプレーナ型導波路電極系を形
成するように、前記延長部に並んで延びることを特徴と
する請求項１０記載のコプレーナ型集積光導波路電気光
学変調器。
【請求項１２】電気光学材料の前記基板が強誘電材
料、特にリチウムナイオベート(ニオブ酸リチウム)のｚ
カット基板であり、互いに符号が逆の電気光学係数を有
する前記領域が互いに逆に配向された強誘電分域を有す
る領域であることを特徴とする請求項１から１１のいず
れか１項記載のコプレーナ型集積光導波路電気光学変調
器。
【請求項１３】電気光学材料の前記基板が強誘電材
料、特にリチウムナイオベートのｘカット基板であり、
互いに符号が逆の電気光学係数を有する前記領域が互い
に逆に配向された強誘電分域を有する領域であり、前記
電極系が活電極及び接地電極を含むことを特徴とする請
求項１記載のコプレーナ型集積光導波路電気光学変調
器。
【請求項１４】請求項１から１３のいずれか１項記載
のコプレーナ型集積光導波路電気光学変調器(２０１；
３０１)、及び単極性駆動電位(Ｖ)を前記電極系に印加
するために適合された電気的駆動要素(２０９；３１
１，３１２)を備えることを特徴とする電気光学変調
器。
【請求項１５】光ビームを発生するための１つの光ビ
ーム発生手段及び請求項１４記載の電気光学変調器を少
なくとも備えることを特徴とする光通信システムのため
の送信局。