JP2007264543A - 導波路型光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】電気光学効果を有する基板に一対の光導波路および電極を形成した導波路型光デバイスについて、駆動電圧を低減する。
【解決手段】本発明は、例えば、Ｚ−カットのＬＮ基板１を用いたマッハツェンダ型のＬＮ変調器について、ＬＮ基板１の表面にエッチング部１Ａを形成して段差を設け、その段差部分にマッハツェンダ干渉計の一対の分岐導波路１３Ａ，１３Ｂが位置するように光導波路１０を形成することで、基板面の垂直方向について、各分岐導波路１３Ａ，１３Ｂの間に高低差をつける。これにより、一方の分岐導波路１３Ｂの上方に設けた信号電極２１から他方の分岐導波路１３Ａの上方に設けた接地電極２２に向かう電気力線が分散し難くなり、低い駆動電圧で所望の電気光学効果を得ることが可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気光学効果を利用した導波路型光デバイスに関し、特に、誘電体基板の表面近傍に形成した一対の光導波路に対して基板面の略垂直方向に電界が作用する導波路型光デバイスに関する。

電気光学効果をもつ結晶、特にニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３；ＬＮ）等の強誘電体結晶はその高い電気光学定数から、光の変調器やスイッチ、減衰器等の数多くの光デバイスへの適用がなされている。例えば、大容量高速通信に使用されているＬＮ変調器は、光源を直接変調する構成のものやＥＡ変調器集積型半導体レーザ（Electroabsorption Modulator Integrated Laser Diode；ＥＭＬ）等と比較して、波長チャープの発生量が少ないなどの点で有利である。

具体的に、従来のＬＮ変調器としては、例えば図１６〜図１８に示すように、Ｚ−カットのＬＮ基板を用いデュアル駆動型の電極を形成したチャープ可変の構成（図１６）や、Ｚ−カットのＬＮ基板を用いシングル駆動型の電極を形成したチャープ固定の構成（図１７）、Ｘ−カットのＬＮ基板を用いシングル駆動型の電極を形成した零チャープの構成（図１８）が知られている（例えば、特許文献１参照）。なお、各図における符号１０１はＬＮ基板、１１０はマッハツェンダ型の光導波路、１２１は信号電極、１２２は接地電極、１３０はバッファ層である。

上記のような各種構成のうちでシングル駆動型のＬＮ変調器は使い勝手が良く、特に、所要量のチャーピングを持たせたチャープ型ＬＮ変調器（図１７）は、長距離の光伝送に有利であるという報告もなされており、長距離大容量の光伝送システムにおいて広く製品化されている。
特開２００４−２１９５２１号公報（段落０００２−０００３等）

しかしながら、上記のようなＬＮ変調器については、前述した直接変調方式やＥＭＬよりも駆動時の電圧が大きく、消費電力やドライバ回路の駆動振幅などの点から、低電圧化（変調効率の改善）が課題となっている。このような課題は、ＬＮ変調器に限らず、電気光学効果を有する基板を利用した各種の導波路型光デバイスに共通するものである。
具体的に、前述の図１７に示したようなＺ−カットの基板を用いたシングル駆動型の電極構造を有する導波路型光デバイスについて説明すると、図１９のＸ−Ｘ’断面図に示すように、Ｚ−カット基板の表面近傍に所要の距離を隔てて略平行に形成された２本の光導波路に対して、一方の光導波路の上方には信号電極、他方の光導波路の上方には接地電極が配置される。このような電極構造では、各光導波路に対して作用する電界は、基板面に略垂直方向となる。図１９中の曲線矢印は、信号電極および接地電極の間の電気力線を模式的に示している。この電気力線の状態からも分かるように、Ｚ−カット基板を用いたシングル駆動型の電極構造では、電気力線が分散され易い構造となっており、所望の電気光学効果を得るためには、信号電極に比較的高い駆動電圧を印加しなければならないという問題点がある。

本発明は上記の点に着目してなされたもので、電気光学効果を有する基板に一対の光導波路および電極を形成した導波路型光デバイスについて、駆動電圧を低減することのできる新規な構造を実現することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の導波路型光デバイスの一態様は、電気光学効果を有する基板と、前記基板の一の面に形成された一対の光導波路である第１光導波路および第２光導波路と、前記第１光導波路の上方に設けられた第１電極と、前記第２光導波路の上方に設けられた第２電極とを備え、前記基板の前記一の面と対向する他の面からの距離が、前記第１光導波路と前記第２光導波路とで異なることを特徴とする。

このような構成の導波路型光デバイスでは、基板の一の面と対向する他の面からの距離が第１光導波路と第２光導波路とで異なることにより、一対の光導波路に高低差がつけられるようになる。これにより、一対の光導波路が同じ高さに配置された構成と比べて、第１および第２電極の間で形成される電気力線が分散し難い状態が実現されるようになる。
また、本発明の導波路型光デバイスの他の態様は、電気光学効果を有する基板と、前記基板の一の面に形成された一対の光導波路である第１光導波路および第２光導波路と、前記第１光導波路の上方に設けられた第１電極と、前記第２光導波路の上方に設けられた第２電極とを備え、前記第１光導波路は、前記一の面の一部である第１の面の近傍に形成され、前記第２光導波路は、前記一の面の一部である第２の面の近傍に形成され、前記基板の前記一の面と対向する他の面からの距離が、前記第１の面と前記第２の面とで異なることを特徴とする。

このような構成では、基板の一の面の段差（第１の面および第２の面）により、各々の面の近傍に形成された第１および第２光導波路の間に高低差がつけられるようになる。これにより、一対の光導波路が同じ高さに配置された構成と比べて、第１および第２電極の間で形成される電気力線が分散し難い状態が実現されるようになる。
また、上記のような導波路型光デバイスの具体的な構成としては、前記基板に形成されたマッハツェンダ型光導波路を備え、前記マッハツェンダ型光導波路は、入力導波路と、該入力導波路に入力された光を２つに分岐する分岐部と、該分岐部で分岐された一方の光が伝搬する第１分岐導波路と、該分岐部で分岐された他方の光が伝搬する第２分岐導波路と、前記第１および第２分岐導波路を通過した各光を合波する合波部と、該合波部で合波された光が伝搬する出力導波路と、を有し、前記第１および第２分岐導波路が、前記一対の光導波路に該当するものであってもよい。

上記のような構成の導波路型光デバイスでは、マッハツェンダ型光導波路の入力導波路に入力された光が分岐部で２分岐されて第１および第２分岐導波路にそれぞれ送られる。各分岐導波路には、第１および第２電極間で発生する電界が作用し、この電界による電気光学効果によって各分岐導波路の屈折率が変化することにより、各々を伝搬する光の位相が変化する。そして、各分岐導波路を伝搬した光が合波部で合波されることにより強度変調された光信号が出力導波路から出力されるようになる。

上述したような本発明の導波路光デバイスによれば、所望の電気光学効果を得るのに必要な駆動電圧を低減することが可能になる。また、駆動電圧を一定に維持したとすれば、光導波路を伝搬する光と電極を伝搬する電気信号とが相互作用する長さを短くすることができる。よって、例えば光の変調を行う場合には、変調効率を向上させることが可能になり、また、広帯域の変調を行うことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、全図を通して同一の符号は同一または相当部分を示すものとする。
図１は、本発明による導波路型光デバイスの第１実施形態を示す構成図である。
図１において、本実施形態の導波路型光デバイスは、例えば、従来のＺ−カット基板を用いたシングル駆動型の電極構造を有するＬＮ変調器に本発明を適用したものである。このＬＮ変調器は、Ｚ−カットのＬＮ基板１と、入力導波路１１、分岐部１２、分岐導波路１３Ａ，１３Ｂ、合波部１４および出力導波路１５からなるマッハツェンダ型の光導波路１０と、信号電極２１および接地電極２２からなる駆動電極２０と、ＬＮ基板１の表面と駆動電極２０の間に形成したバッファ層３０と、を備える。

ＬＮ基板１は、光導波路１０の分岐導波路１３Ａ付近に位置する予め設定した部分（図１の上段に示す上面図において破線で囲んだ範囲）に、基板の一の面（表面）の高さを他の部分とは相違させたエッチング部１Ａを有する。本実施形態では基板の表面のうちのエッチング部１Ａを除く部分が第１の面（上段の面）、エッチング部１Ａに該当する部分が第２の面（下段の面）となる。上記のエッチング部１Ａは、図１の下段に示すＸ−Ｘ’断面図にあるように、ＬＮ基板１の表面近傍に形成される各分岐導波路１３Ａ，１３Ｂに高低差を与える。ここでは、信号電極２１が上方に配置される分岐導波路１３Ｂの高さよりも、接地電極２２が上方に配置される分岐導波路１３Ａの高さが低くなるよう段差が設けられている。上記のエッチング部１Ａは、分岐部１２側に位置する一端部分が、分岐部１２とそれより一段低い分岐導波路１３Ａとの間での光路の接続が低損失で行われるように、分岐部１２から分岐導波路１３Ａの一端に向けて段差を徐々に大きくしたスロープ形状となっている。また、合波部１４側に位置する他端部分も、分岐導波路１３Ａとそれより一段高い合波部１４との間での光路の接続が低損失で行われるように、分岐導波路１３Ａの他端から合波部１４に向けて段差を徐々に小さくしたスロープ形状となっている。図２は、図１の構成をＹ方向から見たときの基板１表面の高低差を光導波路と伴に示した概略図であり、上記のようなエッチング部１Ａの両端部分のスロープ形状が拡大して図示されている。

光導波路１０は、上記のようなエッチング部１Ａを設けたＬＮ基板１に対して、例えばチタン（Ｔｉ）拡散等の公知の処理を施すことにより、マッハツェンダ干渉計を構成する入力導波路１１、分岐部１２、分岐導波路１３Ａ，１３Ｂ、合波部１４および出力導波路１５を基板表面近傍に形成したものである。分岐導波路１３Ａは、ＬＮ基板１のエッチング部１Ａにより、前述したように基板面の垂直方向に対する高さが、他の導波路部分よりも１段低くなっている。

なお、上述した特許文献１（特開２００４−２１９５２１号公報）の段落０００５や、特開２０００−２６６９５１号公報の図９などには、基板にリッジ型導波路を形成した構成例が示されており、該基板も表面に段差構造を有していることになる。しかしながら、上記のような従来構成における基板の段差構造は、リッジ型導波路を実現するために光導波路の両側に位置する基板部分を削った結果、基板の表面に段差が形成されたものであり、本発明のように基板内に形成される一対の導波路の垂直方向の高さを相違させるべく形成された基板の段差構造とは本質的に異なるものである。

駆動電極２０は、ＬＮ基板１の表面上にバッファ層３０を介して信号電極２１および接地電極２２が形成されている。信号電極２１は、ここでは分岐導波路１３Ｂに沿うようにパターニングされている。この信号電極２１の一端には、図示を省略したドライバ回路から供給される駆動電圧が印加される。接地電極２２は、信号電極２１と一定の距離を隔ててＬＮ基板１上の略全面に形成されている。

バッファ層３０は、光導波路１０中を伝搬する光が駆動電極２０により吸収されるのを防ぐためのものであり、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等からなるものが一般的である。
ここで、上記のような段差構造を備えたＬＮ変調器の製造方法の一例を図３に示す工程図を参照しながら説明する。

一般に、マッハツェンダ型ＬＮ変調器における一対の分岐導波路の間隔は、光が伝搬するモードフィールドにも依存するが、１０μｍ〜２０μｍ程度である。これと同程度の段差が表面に形成されるようＬＮ基板１を加工することは、例えばドライエッチング等の既存のプロセス技術を用いて容易に行うことが可能である。そこで、予め用意したＬＮ基板１の表面上において、エッチング部１Ａを形成する部分を除いた部分にフォトレジストＲを形成する（図３のＳ１，Ｓ２）。このフォトレジストは、ドライエッチングによりエッチング部１Ａを形成する際のマスクとして使用される。

ここで、エッチング部１Ａの境界部分に急峻な段差がつくと、その近傍に形成される光導波路が寸断される可能性があるため、エッチング部１Ａの境界の面はある程度の傾きを持った斜面とするのがよい。段差の境界を斜めに形成する１つの方法として、ここでは上記フォトレジストＲをベーク処理し、フォトレジストＲの収縮効果を利用してマスク端面に所望の傾斜をつける（Ｓ３）。このときのベーク温度は、使用するレジスト材料およびホットプレートやオーブンなどを用いたベーク手法に応じて最適化される。

そして、斜め形成されたフォトレジストＲをマスクとしてＬＮ基板１のドライエッチングを行う。エッチング量（基板表面の段差）は、光導波路のモードフィールドにもよるが、５μｍ〜２０μｍ程度とするのがよい。ただし、本発明における基板表面の段差は上記の一例に限定されるものではなく、ここでは各分岐導波路１３Ａ，１３Ｂを伝搬する光が相互作用しない範囲で任意に設定することが可能である。このとき、フォトレジストＲとＬＮ基板１の選択比が同程度であれば、マスク端面の形状をトレースした斜面を境界部分に持つエッチング部１Ａが形成される（Ｓ４）。なお、エッチング部１Ａとは反対側に位置するマスク端面の傾斜もＬＮ基板１にトレースされることになるが当該部分はカットされる。上記の説明ではドライエッチング時の基板とマスクの選択比を同程度としたが、該選択比を調整することで、エッチング部１Ａの境界面の傾斜角度を最適化することも可能である。

なお、上記の傾斜角度は、分岐導波路１３Ａ，１３Ｂの間に位置するエッチング部１Ａの境界部分（第３の面）に対応したものである。前述した分岐部１２側および合波部１４側の境界部分のスロープ形状は挿入損失の低減の面からなるべく緩やかにするのが好ましい。このような緩やかな傾斜についても、レジスト材料やベーク温度、ドライエッチング時の選択比を最適化することで対応可能である。また、後述するようなリフトオフを行って得たメタルマスクを利用する形成方法を適用してもよい。

次に、上記のようにしてエッチング部１Ａが形成されたＬＮ基板１の表面上に、光導波路１０となるチタン（Ｔｉ）層を蒸着する（Ｓ５）。そして、マッハツェンダ干渉計を構成する２本の分岐導波路１３Ａ，１３Ｂが基板面に段差をつけた部分に位置するようにパターンを合わせてＴｉ層のエッチングを行う（Ｓ６）。Ｔｉ層が所要のパターンにエッチングされると、該Ｔｉ層の熱拡散処理を行い、ＬＮ基板１の表面近傍にマッハツェンダ型の光導波路１０を形成する（Ｓ７）。

ＬＮ基板１への光導波路１０の形成が完了すると、段差がつけられたＬＮ基板１の表面にバッファ層３０を形成する（Ｓ８）。そして、バッファ層３０上に信号電極２１および接地電極２２を形成するためのレジストＲのパターニング処理を行い（Ｓ９）、該レジストＲをマスクとしてバッファ層３０上に金（Ａｕ）メッキを施し（Ｓ１０）、レジストＲを除去する（Ｓ１１）。これにより、分岐導波路１３Ｂの上方に信号電極２１、分岐導波路１３Ａの上方に接地電極２２をそれぞれ配置した所定パターンの駆動電極２０が形成され、図１に示したようなエッチング部１Ａを有するＬＮ変調器が既存のプロセス技術を用いて製造される。

なお、上記の製造工程では、エッチング部１Ａの境界部分を斜めに形成する方法として、ベーク処理によるフォトレジストＲの収縮効果を利用する一例を示したが、他の形成方法として、例えば図４の工程図に示すようなリフトオフを利用した方法を適用することも可能である。具体的には、予め用意したＬＮ基板の表面上のエッチング部１Ａを形成する部分にレジストＲを形成し（図４のＳ２１，Ｓ２２）、さらに、ドライエッチングのマスクとなるメタル層Ｍを蒸着した後（Ｓ２３）、リフトオフにより不要部分を除去して所望のメタルマスクを得る（Ｓ２４）。なお、メタル層Ｍとしては通常クロム（Ｃｒ）等が使用される。

次に、再度レジストＲを塗布し、斜面を形成する方向にパターンがずれるようにレジストＲをパターニングした後（Ｓ２５）、メタル層Ｍの蒸着（Ｓ２６）およびリフトオフ（Ｓ２７）を行う。これを繰り返し行うことにより、階段状の端面を有するメタルマスクＭが形成される（Ｓ２８）。そして、該メタルマスクＭを用いてＬＮ基板１のドライエッチングを行うことで、メタルマスクＭの形状をトレースした斜面を境界部分に持つエッチング部１Ａが形成される（Ｓ２９）。ＬＮ基板１にエッチング部１Ａが形成された後は、前述の図３に示したＳ５〜Ｓ１１と同様の処理が施される。

次に、第１実施形態の作用について説明する。
上記のような構成のＬＮ変調器では、外部から入力導波路１１に与えられた連続光が分岐部１２で２分岐されて各分岐導波路１３Ａ，１３Ｂにそれぞれ送られる。各分岐導波路１３Ａ，１３Ｂには、信号電極２１の一端に印加される駆動信号に応じて、信号電極２１と接地電極２２の間で発生する電界が作用し、この電界による電気光学効果によって各分岐導波路１３Ａ，１３Ｂの屈折率が変化する。これにより、各分岐導波路１３Ａ，１３Ｂを伝搬する各々の光の位相がそれぞれ変化して、各々の光が合波部１４で合波されることにより強度変調された光信号が出力導波路１５から外部に出力されるようになる。

このとき、分岐導波路１３Ｂの上方に位置する信号電極２１から分岐導波路１３Ａの上方に位置する接地電極２２に向かう電気力線は、例えば図５の曲線矢印に示すような状態となる。この状態は、上述の図１９に示した従来の構成、すなわち、一対の分岐導波路が同じ高さに配置される構成の場合と比べて、電気力線が分散し難い状態となる。
したがって、本ＬＮ変調器によれば、所望の電気光学効果を得るのに必要な駆動電圧を従来構成よりも低くすることができるため、変調効率の改善を図ることが可能になる。また、本ＬＮ変調器において、駆動電圧を従来と同様の値に維持した場合には、光と電気信号が相互作用する部分の長さ（相互作用長）を従来よりも短くすることができる。これにより、信号電極２１を伝搬する駆動信号、具体的には、伝送ビットレートに対応した高周波電気信号（例えば、マイクロ波等）の減衰が小さくなるため、より広帯域の変調を行うことが可能になる。

さらに、強誘電体であるＬＮ基板１を使用した拡散導波路は、その構造上、光の伝搬方向に垂直な断面のモードフィールドが、基板面に平行な横方向に大きくなる傾向がある（図１下段または図５参照）。本ＬＮ変調器では、横方向に広がりを持つ各分岐導波路１３Ａ，１３Ｂが縦方向にずらして配置されるため、従来のように各分岐導波路が同じ高さに配置される場合と比べて、各分岐導波路１３Ａ，１３Ｂを伝搬する光が相互作用し難くい構造となり、出力光の消光比の改善効果も期待できる。なお、図６に示すように、基板表面の段差の端から光導波路までの距離ａについては、変調効率の面からはａ＝０が望ましいが、光導波路のモードフィールによっては、損失発生の懸念がある。段差での損失を低減するためには、モードフィールドが大きい場合、距離aを大きくしなければならず、モードフィールドが小さい場合には、距離ａを小さくできる。ただし、モードフィールドは、マルチモードの励起や光ファイバとの接続損失および変調効率を考慮して最適化されるため、上記の距離aは、要求される特性に応じて適宜に決定する必要がある。

加えて、分岐部１２と分岐導波路１３Ａの一端との間、および、分岐導波路１３Ａの他端と合波部１４との間を緩やかなスロープ形状としたことにより、分岐部１２から分岐導波路１３Ａを介して合波部１４に至る光路の接続が低損失で行われるため、エッチング部１Ａを設けて駆動電圧の低減を図ったことによる、各分岐導波路１３Ａ，１２Ｂの伝搬光のパワーのばらつきを抑えて、良好な変調特性を維持することが可能である。

なお、上述した第１実施形態では、基板面の垂直方向について、信号電極２１が上方に配置される分岐導波路１３Ｂの位置よりも、接地電極２２が上方に配置される分岐導波路１３Ａの位置が低くなるようにエッチング部１Ａを設けた一例を示したが、該エッチング部１Ａに代えて、図７に示すようなエッチング部１Ｂを設けて、分岐導波路１３Ｂの位置が分岐導波路１３Ａの位置よりも低くなるような構成とすることも勿論可能である。また、例えば図８に示すように、分岐導波路１Ｂの両側に位置する部分にエッチング部１Ａ，１Ｂを設けるようにしてもよい。このような構成では、信号電極２１から分岐導波路１３Ａ上方の接地電極２２に向かう電気力線だけでなく、信号電極２１から分岐導波路１３Ａとは反対側の接地電極２３に向かう電気力線も分散し難くなるため、より低い駆動電圧で所望の電気光学効果を得ることが可能になる。

さらに、上述した第１実施形態では、各分岐導波路１Ａ，１Ｂの間に位置するエッチング部１Ａの境界部分が傾斜面となるようにした一例を示したが、光導波路のモードフィールドによっては、損失を多少犠牲にして変調効率をより高くするために、例えば図９に示すように、略垂直な境界面を形成するようにしても構わない。なお、図９の上段は図１の構成に対応し、中段は図７の構成に対応し、下段は図８の構成に対応している。このような段差を垂直にする構成では、単純な形状のマスクを用いて基板に段差構造を形成することができるため、ＬＮ変調器をより容易に製造することが可能になる。また、基板面に平行な横方向について、各分岐導波路１３Ａ，１３Ｂを近づけることもでき（ただし、各分岐導波路１３Ａ，１３Ｂの伝搬光に相互作用が生じない範囲とする）、信号電極２１および接地電極２２の間の距離が短くなればさらに低い駆動電圧で所望の電気光学効果を得ることが可能になる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図１０は、本発明による導波路型光デバイスの第２実施形態を示す構成図である。
図１０において、本実施形態の導波路型光デバイスは、上述した第１実施形態のＬＮ変調器の応用例として、段差構造を設けて駆動電圧の低減を図ったことによる各分岐導波路１３Ａ，１２Ｂの伝搬光のパワーのばらつきがより効果的に抑えられるようにしたものである。具体的には、ＬＮ基板１の表面の高さを３段階とし、入力導波路１１および出力導波路１６の高さ（図１０中段のＸ１−Ｘ１’断面図参照）に対して、分岐導波路１Ａの高さが１段低くされ、分岐導波路１Ｂの高さが１段高くされる（図１０下段のＸ２−Ｘ２’断面図参照）。

上記のような３段の段差構造をＬＮ基板１に形成するには、まず、最も高い位置に配置される分岐導波路１Ｂに対応する部分を除いたＬＮ基板１の表面にエッチング部１Ｃを形成する。そして、形成されたエッチング部１Ｃ内において、最も低い位置に配置される分岐導波路１Ａに対応する部分にさらにエッチング部１Ｄを形成する。このとき、エッチング部１Ｃの深さと、エッチング部１Ｄの深さとが略等しくなるようにするのが望ましい。エッチング部１Ｃ，１Ｄ全体の深さは、上述した第１実施形態におけるエッチング部Ａの深さと同程度である。

分岐部１２と各分岐導波路１３Ａ，１３Ｂの一端との間、および、各分岐導波路１３Ａ，１３Ｂの他端と合波部１４との間に位置する部分は、上述した第１実施形態の場合と同様に緩やかなスロープ形状として、高低差のつけられた分岐部１２、分岐導波路１３Ａ，１３Ｂおよび合波部１４の間での光路の接続が低損失で行われるようにする。図１１は、図１０の構成をＹ方向から見たときの基板１表面の高低差を光導波路と伴に示した概略図であり、上記のような各分岐導波路１３Ａ，１３Ｂの両端部分のスロープ形状が拡大して図示されている。

上記のような構成のＬＮ変調器では、上述した第１実施形態の場合と同様の作用効果が得られるのに加えて、基板面の垂直方向について、入力導波路１１および出力導波路１５の高さに対し、各分岐導波路１３Ａ，１３Ｂが対称に配置されるため、各分岐導波路１３Ａ，１３Ｂを伝搬する光の損失が同程度になる。よって、段差構造を設けて駆動電圧の低減を図ったことによる、各分岐導波路１３Ａ，１２Ｂの伝搬光のパワーのばらつきを最小限に抑えることが可能になる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図１２は、本発明による導波路型光デバイスの第３実施形態を示す構成図である。
図１２において、本実施形態の導波路型光デバイスは、上述した第１実施形態のＬＮ変調器の変形例として、ＬＮ基板１内に形成していた入力導波路１１および分岐部１２並びに合波部１４および出力導波路１５の機能を、光ファイバ型カプラ４１および４１’を用いて実現することで、導波路基板の構成の簡略化を図ったものである。

具体的に、本ＬＮ変調器に用いるＬＮ基板１’は、図中の破線で囲まれた下側の略半分の部分にエッチング部１Ｅが形成されている。エッチング部１Ｅの境界部分は、上述した第１実施形態の場合と同様に分岐導波路の寸断を防ぐために斜めに形成されるか、若しくは、上述の図９に示したように略垂直に形成される。なお、エッチング部１Ｅの長手方向の両端は、それぞれ一定の深さでＬＮ基板１’の端面まで達している。

分岐導波路１３Ａ，１３Ｂは、上記エッチング部１Ｅが形成されたＬＮ基板１の段差を有する表面近傍に形成され、ここでは分岐導波路１３Ａの高さが分岐導波路１３Ｂの高さよりも１段低くなっている。各分岐導波路１３Ａ，１３Ｂの両端はＬＮ基板１’の端面まで達している。分岐導波路１３Ａの上方にはバッファ層３０を介して接地電極２２が設けられ、分岐導波路１３Ｂの上方にはバッファ層３０を介して信号電極２１が設けられている。

入力側の光ファイバ型カプラ４１は、１つの入力ポートと２つの分岐ポートとを有する。入力ポートには、外部から与えられる連続光が入力される。一方の分岐ポートの端面は、分岐導波路１３Ａの入力端面近傍に配置され、他方の分岐ポートの端面は、分岐導波路１３Ｂの入力端面近傍に配置される。
出力側の光ファイバ型カプラ４１’は、２つの入力ポートと１つの合波ポートを有する。一方の入力ポートは、分岐導波路１３Ａの出力端面近傍に配置され、他方の入力ポートの端面は、分岐導波路１３Ｂの出力端面近傍に配置される。合波ポートからは、各入力ポートに入力された光を合波した光が出力される。

上記のような構成のＬＮ変調器では、上述した第１実施形態の場合と同様の作用効果が得られるのに加えて、各分岐導波路１３Ａ，１３Ｂに対する光の入出力が光ファイバ型カプラ４１，４１’を用いて行われるので、第１実施形態の場合のようにエッチング部の両端に位置する境界部分を緩やかなスロープ形状とする必要がないので、ＬＮ基板１の段差構造を簡略化することができ、導波路基板を容易に製造することが可能になる。

なお、上記の第３実施形態では、光ファイバ型カプラ４１，４１’を用いる構成例を示したが、例えば図１３に示すように、入力光ファイバ５１から出射される光をレンズ５２，５４およびプリズム５３の組み合わせにより２分岐して各分岐導波路１３Ａ，１３Ｂの入力端面に導くと共に、各分岐導波路１３Ａ，１３Ｂの出力端面から出射される光をレンズ５２’，５４’およびプリズム５３’の組み合わせにより合波して出力光ファイバ５１’から出力する構成としてもよい。図１４は、図１３に示した入力側のプリズム３５の具体的な構成例である。この構成例では、入力光ファイバ５１から出射された光がレンズ５１で平行光とされた後、その平行光がプリズム５３内のハーフミラー５３Ａで２分岐される。ハーフミラー５３Ａを透過した光は、レンズ５４を通って分岐導波路１３Ｂの入力端面に集光され、ハーフミラー５３Ａで反射された光は、プリズム５３内の全反射ミラー５３Ｂでさらに反射された後にレンズ５４を通って分岐導波路１３Ａの入力端面に集光される。なお、出力側のプリズム５３’は、上記入力側のプリズム５３と同様の構成であって入出力の関係を逆にしたものとなる。

次に、本発明の第４実施形態について説明する。
図１５は、本発明による導波路型光デバイスの第４実施形態を示す構成図である。
図１５において、本実施形態の導波路型光デバイスは、例えば、従来のＺ−カット基板を用いた方向性結合器型光スイッチに本発明を適用したものである。この方向性結合器型光スイッチは、Ｚ−カットのＬＮ基板１”と、入力導波路１６、平行導波路１７Ａ，１７Ｂおよび出力導波路１８Ａ，１８Ｂと、信号電極２１および接地電極２２と、バッファ層３０と、を備える。

ＬＮ基板１”は、平行導波路１７Ｂ付近に位置する予め設定した部分（図１５の上段に示す上面図において破線で囲んだ範囲）に、基板表面の高さを他の部分とは相違させたエッチング部１Ｆを有する。このエッチング部１Ｆは、図１５の下段に示すＸ−Ｘ’断面図にあるように、基板１”の表面近傍に形成される各平行導波路１７Ａ，１７Ｂに高低差を与える。ここでは、信号電極２１が上方に配置される分岐導波路１３Ａの高さよりも、接地電極２２が上方に配置される分岐導波路１３Ｂの高さが低くなるよう段差が設けられている。上記のエッチング部１Ｆは、長手方向の出力側に位置する一端部分が、平行導波路１７Ｂの端部から出力導波路１８Ｂの中程に向けて段差を徐々に小さくしたスロープ形状となっている。

入力導波路１６、平行導波路１７Ａ，１７Ｂおよび出力導波路１８Ａ，１８Ｂは、上記のようなエッチング部１Ｆを設けたＬＮ基板１”に対して、例えばチタン（Ｔｉ）拡散等の公知の処理を施すことにより基板表面近傍にそれぞれ形成される。平行導波路１７Ｂは、ＬＮ基板１”のエッチング部１Ｆにより、基板面の垂直方向に対する位置（高さ）が、他の導波路部分よりも１段低くなっている。ここでは、平行導波路１７Ａの上方にバッファ層３０介して信号電極２１が設けられ、平行導波路１７Ｂの上方にバッファ層３０介して接地電極２２が設けられている。

上記のような構成の方向性結合器型光スイッチでは、外部から入力導波路１６に与えられた光信号が平行導波路１７Ａに送られる。一対の平行導波路１７Ａ，１７Ｂには、信号電極２１の一端に印加される制御信号に応じて、信号電極２１と接地電極２２の間で発生する電界が作用し、この電界による電気光学効果によって平行導波路１７Ａ，１７Ｂ間における光の方向性結合の状態が制御される。これにより、入力導波路１６から平行導波路１７Ａに送られた光信号が出力導波路１８Ａ，１８Ｂのいずれかに導かれ、光スイッチとして動作するようになる。

このとき、信号電極２１から接地電極２２に向かう電気力線は、上述の図５に示した場合と同様な状態となり、一対の分岐導波路が同じ高さに配置される従来構成の場合に比べて、電気力線が分散し難い状態となる。
したがって、本方向性結合器型光スイッチによれば、所望の電気光学効果を得るのに必要な制御電圧を従来構成よりも低くすることができるため、光スイッチの消費電力を抑えることが可能になる。

また、エッチング部１Ｆの出力側の境界部分を緩やかなスロープ形状としたことにより、平行導波路１７Ｂと出力導波路１８Ｂの間の接続が低損失で行われるため、エッチング部１Ｆを設けて制御電圧の低減を図ったことによる、各出力導波路１８Ａ，１８Ｂから出力光信号のパワーのばらつきを抑えることが可能である。
なお、上述した第１〜第４実施形態では、電気光学効果を有する基板としてＬＮ基板を用いる構成例を示したが、本発明はこれに限らず、公知の電気光学効果を有する基板を適用することが可能である。また、導波路型光デバイスとしてＬＮ変調器および方向性結合器型光スイッチの一例を示したが、これら以外にも、Ｚ−カットの基板を使用し、一対の導波路のうちの一方の導波路の上方に信号電極、他方の導波路の上方に接地電極を設け、信号電極および接地電極の間で発生する電界による電気光学効果を利用して一対の導波路を伝搬する光の状態を制御する機能を備えた各種の導波路型光デバイスについて、本発明は有効である。

以上、本明細書で開示した主な発明について以下にまとめる。

（付記１） 電気光学効果を有する基板と、
前記基板の一の面に形成された一対の光導波路である第１光導波路および第２光導波路と、
前記第１光導波路の上方に設けられた第１電極と、
前記第２光導波路の上方に設けられた第２電極とを備え、
前記基板の前記一の面と対向する他の面からの距離が、前記第１光導波路と前記第２光導波路とで異なることを特徴とする導波路型光デバイス。

（付記２） 付記１に記載の導波路型光デバイスであって、
前記第１および第２電極の間の電界に応じて発生する電気光学効果を利用して前記一対の光導波路を伝搬する光の状態を制御することを特徴とする導波路型光デバイス。

（付記３） 付記１に記載の導波路型光デバイスであって、
前記基板に形成されたマッハツェンダ型光導波路を備え、
前記マッハツェンダ型光導波路は、入力導波路と、該入力導波路に入力された光を２つに分岐する分岐部と、該分岐部で分岐された一方の光が伝搬する第１分岐導波路と、該分岐部で分岐された他方の光が伝搬する第２分岐導波路と、前記第１および第２分岐導波路を通過した各光を合波する合波部と、該合波部で合波された光が伝搬する出力導波路と、を有し、
前記第１および第２分岐導波路が、前記一対の光導波路に該当することを特徴とする導波路型光デバイス。

（付記４） 付記３に記載の導波路型光デバイスであって、
前記基板は、表面に２段の段差構造を有し、
前記マッハツェンダ型光導波路は、前記入力導波路、前記分岐部、前記第１分岐導波路、前記合波部および前記出力導波路が前記基板の上段の面の近傍に形成され、前記第２分岐導波路が前記基板の下段の面の近傍に形成されたことを特徴とする導波路型光デバイス。

（付記５） 付記４に記載の導波路型光デバイスであって、
前記基板の段差構造は、前記分岐部および前記第２分岐導波路の間に位置する境界の面と、前記第２分岐導波路および前記合波部の間に位置する境界の面とが、前記上段の面と前記下段の面とを連続的に繋ぐスロープ形状をそれぞれ有していることを特徴とする導波路型光デバイス。

（付記６） 付記３に記載の導波路型光デバイスであって、
前記基板は、表面に３段の段差構造を有し、
前記マッハツェンダ型光導波路は、前記第１分岐導波路が前記基板の上段の面の近傍に形成され、前記入力導波路、前記分岐部、前記合波部および前記出力導波路が前記基板の中段の面の近傍に形成され、前記第２分岐導波路が前記基板の下段の面の近傍に形成されたことを特徴とする導波路型光デバイス。

（付記７） 付記６に記載の導波路型光デバイスであって、
前記基板の段差構造は、前記上段の面および前記中段の面の間の段差と、前記中段の面および前記下段の面の間の段差とが略等しいことを特徴とする導波路型光デバイス。

（付記８） 付記６に記載の導波路型光デバイスであって、
前記基板の段差構造は、前記分岐部および前記第１分岐導波路の間に位置する境界の面と、前記第１分岐導波路および前記合波部の間に位置する境界の面とが、前記上段の面と前記中段の面とを連続的に繋ぐスロープ形状をそれぞれ有すると共に、前記分岐部および前記第２分岐導波路の間に位置する境界の面と、前記第２分岐導波路および前記合波部の間に位置する境界の面とが、前記中段の面と前記下段の面とを連続的に繋ぐスロープ形状をそれぞれ有することを特徴とする導波路型光デバイス。

（付記９） 付記１に記載の導波路型光デバイスであって、
前記一対の光導波路は、光ファイバを用いた入力側光学系から出射される光が各々の入力端面に導かれると共に、各々の出力端面から出射される光が光ファイバを用いた出力側光学系に導かれることを特徴とする導波路型光デバイス。

（付記１０） 付記１に記載の導波路型光デバイスであって、
前記基板に形成された方向性結合器型光導波路を備え、
前記方向性結合器型光導波路は、入力導波路と、第１および第２出力導波路と、前記入力導波路に入力された光信号を導波路間の方向性結合を利用して前記第１および第２出力導波路のいずれかに送る第１および第２平行導波路と、を有し、
前記第１および第２平行導波路が、前記一対の光導波路に該当することを特徴とする導波路型光デバイス。

（付記１１） 付記１に記載の導波路型光デバイスであって、
前記基板は、Ｚ−カットの誘電体結晶を用いたことを特徴とする導波路型光デバイス。

（付記１２） 付記１１に記載の導波路型光デバイスであって、
前記誘電体結晶は、ニオブ酸リチウムを含むことを特徴とする導波路型光デバイス。

（付記１３） 電気光学効果を有する基板と、
前記基板の一の面に形成された一対の光導波路である第１光導波路および第２光導波路と、
前記第１光導波路の上方に設けられた第１電極と、
前記第２光導波路の上方に設けられた第２電極とを備え、
前記第１光導波路は、前記一の面の一部である第１の面の近傍に形成され、
前記第２光導波路は、前記一の面の一部である第２の面の近傍に形成され、
前記基板の前記一の面と対向する他の面からの距離が、前記第１の面と前記第２の面とで異なることを特徴とする導波路型光デバイス。

（付記１４） 付記１３に記載の導波路型光デバイスであって、
前記第１および第２電極の間の電界に応じて発生する電気光学効果を利用して前記一対の光導波路を伝搬する光の状態を制御することを特徴とする導波路型光デバイス。

（付記１５） 付記１３に記載の導波路型光デバイスであって、
前記第１の面と前記第２の面を接続する第３の面が、前記一の面の垂直方向に対して傾斜していることを特徴とする導波路型光デバイス。

（付記１６） 付記１３に記載の導波路型光デバイスであって、
前記第１の面と前記第２の面を接続する第３の面が、前記一の面に対して略垂直であることを特徴とする導波路型光デバイス。

本発明による導波路型光デバイスの第１実施形態を示す構成図である。 図１の構成をＹ方向から見たときの光導波路の配置を示す概略図である。 上記第１実施形態の製造方法の一例を示す工程図である。 上記第１実施形態の製造方法の他の例を示す工程図である。 上記第１実施形態における電気力線の状態を示す図である。 上記第１実施形態における段差と光導波路の距離を説明する図である。 上記第１実施形態に関連した他の構成例を示す図である。 上記第１実施形態に関連した別の構成例を示す図である。 図１、図７および図８の変形例を示す断面図である。 本発明による導波路型光デバイスの第２実施形態を示す構成図である。 図１０の構成をＹ方向から見たときの光導波路の配置を示す概略図である。 本発明による導波路型光デバイスの第３実施形態を示す構成図である。 上記第３実施形態に関連した他の構成例を示す図である。 図１３の構成におけるプリズムの具体例を示す図である。 本発明による導波路型光デバイスの第４実施形態を示す構成図である。 従来のデュアル駆動型ＬＮ変調器の構成例を示す図である。 従来のＺ−カット基板を用いたシングル駆動型ＬＮ変調器の構成例を示す図である。 従来のＸ−カット基板を用いたシングル駆動型ＬＮ変調器の構成例を示す図である。 従来のＬＮ変調器における電気力線の状態を示す図である。

符号の説明

１，１’，１”…ＬＮ基板
１Ａ〜１Ｆ，１Ａ’，１Ｂ’…エッチング部
１０…光導波路
１１，１６…入力導波路
１２…分岐部
１３Ａ，１３Ｂ，１７Ａ，１７Ｂ…分岐導波路
１４…合波部
１５，１８Ａ，１８Ｂ…出力導波路
２０…駆動電極
２１…信号電極２１
２２…接地電極
３０…バッファ層
４１，４１’…光ファイバ型カプラ
５１…入力光ファイバ
５１’…出力光ファイバ
５２，５４，５２’，５４’…レンズ
５３，５３’…プリズム
５３Ａ…ハーフミラー
５３Ｂ…全反射ミラー

Claims (11)

1. 電気光学効果を有する基板と、
   前記基板の一の面に形成された一対の光導波路である第１光導波路および第２光導波路と、
   前記第１光導波路の上方に設けられた第１電極と、
   前記第２光導波路の上方に設けられた第２電極とを備え、
   前記基板の前記一の面と対向する他の面からの距離が、前記第１光導波路と前記第２光導波路とで異なることを特徴とする導波路型光デバイス。
2. 電気光学効果を有する基板と、
   前記基板の一の面に形成された一対の光導波路である第１光導波路および第２光導波路と、
   前記第１光導波路の上方に設けられた第１電極と、
   前記第２光導波路の上方に設けられた第２電極とを備え、
   前記第１光導波路は、前記一の面の一部である第１の面の近傍に形成され、
   前記第２光導波路は、前記一の面の一部である第２の面の近傍に形成され、
   前記基板の前記一の面と対向する他の面からの距離が、前記第１の面と前記第２の面とで異なることを特徴とする導波路型光デバイス。
3. 請求項１または２に記載の導波路型光デバイスであって、
   前記第１および第２電極の間の電界に応じて発生する電気光学効果を利用して前記一対の光導波路を伝搬する光の状態を制御することを特徴とする導波路型光デバイス。
4. 請求項２に記載の導波路型光デバイスであって、
   前記第１の面と前記第２の面を接続する第３の面が、前記一の面の垂直方向に対して傾斜していることを特徴とする導波路型光デバイス。
5. 請求項２に記載の導波路型光デバイスであって、
   前記第１の面と前記第２の面を接続する第３の面が、前記一の面に対して略垂直であることを特徴とする導波路型光デバイス。
6. 請求項１に記載の導波路型光デバイスであって、
   前記基板に形成されたマッハツェンダ型光導波路を備え、
   前記マッハツェンダ型光導波路は、入力導波路と、該入力導波路に入力された光を２つに分岐する分岐部と、該分岐部で分岐された一方の光が伝搬する第１分岐導波路と、該分岐部で分岐された他方の光が伝搬する第２分岐導波路と、前記第１および第２分岐導波路を通過した各光を合波する合波部と、該合波部で合波された光が伝搬する出力導波路と、を有し、
   前記第１および第２分岐導波路が、前記一対の光導波路に該当することを特徴とする導波路型光デバイス。
7. 請求項６に記載の導波路型光デバイスであって、
   前記基板は、表面に２段の段差構造を有し、
   前記マッハツェンダ型光導波路は、前記入力導波路、前記分岐部、前記第１分岐導波路、前記合波部および前記出力導波路が前記基板の上段の面の近傍に形成され、前記第２分岐導波路が前記基板の下段の面の近傍に形成されたことを特徴とする導波路型光デバイス。
8. 請求項７に記載の導波路型光デバイスであって、
   前記基板の段差構造は、前記分岐部および前記第２分岐導波路の間に位置する境界の面と、前記第２分岐導波路および前記合波部の間に位置する境界の面とが、前記上段の面と前記下段の面とを連続的に繋ぐスロープ形状をそれぞれ有していることを特徴とする導波路型光デバイス。
9. 請求項６に記載の導波路型光デバイスであって、
   前記基板は、表面に３段の段差構造を有し、
   前記マッハツェンダ型光導波路は、前記第１分岐導波路が前記基板の上段の面の近傍に形成され、前記入力導波路、前記分岐部、前記合波部および前記出力導波路が前記基板の中段の面の近傍に形成され、前記第２分岐導波路が前記基板の下段の面の近傍に形成されたことを特徴とする導波路型光デバイス。
10. 請求項９に記載の導波路型光デバイスであって、
    前記基板の段差構造は、前記分岐部および前記第１分岐導波路の間に位置する境界の面と、前記第１分岐導波路および前記合波部の間に位置する境界の面とが、前記上段の面と前記中段の面とを連続的に繋ぐスロープ形状をそれぞれ有すると共に、前記分岐部および前記第２分岐導波路の間に位置する境界の面と、前記第２分岐導波路および前記合波部の間に位置する境界の面とが、前記中段の面と前記下段の面とを連続的に繋ぐスロープ形状をそれぞれ有することを特徴とする導波路型光デバイス。
11. 請求項１に記載の導波路型光デバイスであって、
    前記基板に形成された方向性結合器型光導波路を備え、
    前記方向性結合器型光導波路は、入力導波路と、第１および第２出力導波路と、前記入力導波路に入力された光信号を導波路間の方向性結合を利用して前記第１および第２出力導波路のいずれかに送る第１および第２平行導波路と、を有し、
    前記第１および第２平行導波路が、前記一対の光導波路に該当することを特徴とする導波路型光デバイス。

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