JP2008250080A

JP2008250080A - 光制御素子

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Publication number: JP2008250080A
Application number: JP2007092749A
Authority: JP
Inventors: Satoru Oikawa; 哲及川; Junichiro Ichikawa; 潤一郎市川; Yuuki Kanehara; 勇貴金原
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: EP2141532B1; CN101652704B; CN101652704A; JP4445977B2; EP2141532A4; WO2008120707A1; EP2141532A1; US20100034496A1; US7925123B2

Abstract

【課題】マイクロ波と光波との速度整合やマイクロ波のインピーダンス整合が実現でき、しかも、駆動電圧の低減が可能な光制御素子を提供する。
【解決手段】電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板と、前記薄板に形成された光導波路と、前記光導波路を通過する光を制御するための制御電極とを有する光制御素子において、前記制御電極は、前記薄板を挟むように配置された第１電極と第２電極とからなり、前記第１電極は、少なくとも信号電極と接地電極とからなるコプレーナ型の電極を有し、前記第２電極は、少なくとも接地電極を有すると共に、第１電極の信号電極と協働して前記光導波路に電界を印加するよう構成されており、前記薄板の下方には、少なくとも前記第１電極の前記信号電極の幅よりも大きな幅を有し、少なくとも前記信号電極の長さ方向の全体に亘って設けられた低屈折率層を形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、光制御素子に関し、特に、電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板と、前記薄板に形成された光導波路と、前記光導波路を通過する光を制御するための制御電極とを有する光制御素子に関する。

従来、光通信分野や光測定分野において、電気光学効果を有する基板上に光導波路や制御電極を形成した導波路型光変調器や導波路型光スイッチなどの各種の光制御素子が多用されている。現在利用されている光制御素子の多くの形態は、図１に示すような、厚さ０．５〜１ｍｍ程度の電気光学結晶基板１に、光導波路２や信号電極４及び接地電極５を形成したものである。なお、図１はＺカット型ＬｉＮｂＯ_３基板を用いた光変調器の例であり、符号３はＳｉＯ_２膜などのバッファ層を示している。

特に、導波路型光変調器においては、光導波路内を伝搬する光波を変調制御するため、マイクロ波信号が制御電極に印加されている。このため、マイクロ波が効率的に制御電極を伝搬するためには、マイクロ波を光変調器に導入する同軸ケーブルなどの信号線路と光変調器内の制御電極とのインピーダンス整合を図る必要がある。このため、図１に示すように、ストリップライン状の信号電極４を接地電極５で挟み込む形状、いわゆるコプレーナ型の制御電極が利用されている。

しかしながら、コプレーナ型制御電極の場合には、基板１の電気光学効果の効率が高い方向（図１のＺカット型基板の場合には、上下方向が前記方向に該当する）に、効率的に外部電界が作用しないため、必要な光変調度を得るために、より大きな電圧が必要となる。具体的には、ＬｉＮｂＯ_３（以下、「ＬＮ」という）基板を利用し、光導波路に沿った電極長が１ｃｍの場合には、約１０〜１５Ｖ程度の半波長電圧が必要となる。

また、図２に示すように、特許文献１には、光導波路の光波の閉じ込めを改善し、制御電極が生成する電界をより効率良く光導波路に印加するために、光導波路をリッジ型導波路２０とし、信号電極４及び４１に対して、接地電極５，５１，５２をより近接配置する構成が提案されている。この構成により、ある程度の駆動電圧の低減は実現できるが、特に、高周波帯域における高速変調を実現するには、より一層の駆動電圧の低減が不可欠である。
米国特許明細書第６，５８０，８４３号

また、特許文献２には、図３に示すように、基板を制御電極で挟み込み、電気光学効果の効率が高い方向（図３のＺカット型基板の場合には、上下方向が前記方向に該当する）に電界を印加することが提案されている。しかも、図３の光変調器は、電気光学効果を有する基板を分極反転し、自発分極の方向（図中の矢印方向）が異なる基板領域１０及び１１を形成すると共に、各基板領域には光導波路２が形成されており、共通の信号電極４２と接地電極５３で各光導波路に電界を印加した場合には、各光導波路を伝搬する光波には逆向きの位相変化を発生させることが可能となる。このような差動駆動により、駆動電圧をより一層低下させることが可能となる。
特許第３６３８３００号公報

しかしながら、図３のような電極構造では、マイクロ波の屈折率が高くなり、光導波路を伝搬する光波と変調信号であるマイクロ波との速度整合を取ることが困難となる。しかも、インピーダンスは逆に低くなるため、マイクロ波の信号線路とのインピーダンス整合を取ることも難しくなるという欠点がある。

他方、以下の特許文献３又は４においては、３０μｍ以下の厚みを有する極めて薄い基板（以下、「薄板」という）に、光導波路並びに変調電極を組み込み、前記薄板より誘電率の低い他の基板を接合し、マイクロ波に対する実効屈折率を下げ、マイクロ波と光波との速度整合を図ることが行われている。
特開昭６４−１８１２１号公報特開２００３−２１５５１９号公報

しかしながら、このような薄板を用いた光変調器に対して、図１乃至図３のような構造の制御電極を形成した場合であっても、依然として、上述した問題は、根本的に解消されていない。図３のような制御電極で基板を挟み込む場合には、基板の厚みを薄くした場合、マイクロ波屈折率は下がる傾向にあるが、光波とマイクロ波との速度整合を実現するのは困難である。電極の幅にも依存するが、例えば、ＬＮの薄板を用いた場合で、実効屈折率が約５程度であり、最適値である２．１４には及ばない。他方、インピーダンスは、基板が薄くなるに従い下がる傾向となり、インピーダンス不整合が拡大する原因となる。

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、マイクロ波と光波との速度整合やマイクロ波のインピーダンス整合が実現でき、しかも、駆動電圧の低減が可能な光制御素子を提供することである。

また、駆動電圧の低減により、光制御素子の温度上昇を抑制でき安定動作が可能な光制御素子を提供することであり、さらには、コストのより安い低駆動電圧型駆動装置を利用できる光制御素子を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に係わる発明では、
電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板と、前記薄板に形成された光導波路と、前記光導波路を通過する光を制御するための制御電極とを有する光制御素子において、
前記制御電極は、前記薄板を挟むように配置された第１電極と第２電極とからなり、
前記第１電極は、少なくとも信号電極と接地電極とからなるコプレーナ型の電極を有し、
前記第２電極は、少なくとも接地電極を有すると共に、第１電極の信号電極と協働して前記光導波路に電界を印加するよう構成されており、
前記薄板の下方には、少なくとも前記第１電極の前記信号電極の幅よりも大きな幅を有し、少なくとも前記信号電極の長さ方向の全体に亘って設けられた低屈折率層を形成したことを特徴とする、光制御素子に関する。

本発明における「コプレーナ型の電極」とは、信号電極を接地電極で挟んだものを意味し、例えば、信号電極と接地電極が同じ間隔で配置している構造、間隔が異なる構造、接地電極が信号電極の片側の構造や、複数の信号電極を一対の接地電極で挟むものや、さらに、複数の信号電極の間に接地電極を追加配置するものなども含むものである。

請求項２に係わる発明では、請求項１に記載の光制御素子において、前記低屈折率層は、前記薄板と前記第２の電極との間に一様に形成されたことを特徴とする。

請求項３に係わる発明では、請求項１に記載の光制御素子において、前記低屈折率層は、前記第２の電極の前記接地電極内に埋設するようにして形成されたことを特徴とする。

請求項４に係わる発明では、請求項１〜３のいずれか一に記載の光制御素子において、前記低屈折率層は、空気層を含むことを特徴とする。

請求項５に係わる発明では、請求項１〜３のいずれか一に記載の光制御素子において、前記低屈折率層は、樹脂層を含むことを特徴とする。

請求項６に係わる発明では、請求項１〜５のいずれか一に記載の光制御素子において、前記光導波路がリッジ型光導波路であることを特徴とする。

請求項７に係わる発明では、請求項１〜６のいずれか一に記載の光制御素子において、少なくとも前記薄板と前記第１電極との間には、バッファ層が形成されていることを特徴とする。

請求項８に係わる発明では、請求項１〜６のいずれか一に記載の光制御素子において、前記第１の電極及び前記第２の電極において、前記信号電極及び前記接地電極は、透明電極又は薄板側に透明電極を配置した電極のいずれかで構成されていることを特徴とする。

請求項９に係わる発明では、請求項６〜８のいずれか一に記載の光制御素子において、少なくとも前記リッジ型導波路の両側に配置された溝には、低誘電率膜が充填されていることを特徴とする。

請求項１０に係わる発明では、請求項１〜９のいずれか一に記載の光制御素子において、前記光導波路の少なくとも一部を含む薄板の自発分極が反転されていることを特徴とする。

請求項１１に係わる発明では、請求項１〜１０のいずれか一に記載の光制御素子において、前記低誘電率層の誘電率をε２、厚さをｄ２とし、前記薄板の誘電率をε１、厚さをｄ１とした場合、
ｄ２＜ε２／ε１×ｄ１
なる関係を満足することを特徴とする。

請求項１に係わる発明により、電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板と、前記薄板に形成された光導波路と、前記光導波路を通過する光を制御するための制御電極とを有する光制御素子において、前記制御電極は、前記薄板を挟むように配置された第１電極と第２電極とからなり、前記第１電極は、少なくとも信号電極と接地電極とからなるコプレーナ型の電極を有し、前記第２電極は、少なくとも接地電極を有すると共に、第１電極の信号電極と協働して前記光導波路に電界を印加するよう構成されているため、マイクロ波と光波との速度整合やマイクロ波のインピーダンス整合が実現でき、高速動作が可能な光制御素子を提供することができる。

しかも、前記薄板の下方には、少なくとも前記第１電極の前記信号電極の幅よりも大きな幅を有し、少なくとも前記信号電極の長さ方向の全体に亘って設けられた低屈折率層が形成されているので、電極損を低減し、光の閉じ込めを強くすることができる。これにより、高周波まで対応可能で、高効率な変調器を実現することができる。換言すれば、マイクロ波と光波との速度整合やマイクロ波のインピーダンス整合が実現でき、しかも、駆動電圧の低減が可能な光制御素子を提供することができるようになる。また、駆動電圧の低減により、光制御素子の温度上昇を抑制でき安定動作が可能な光制御素子を提供することができ、さらには、コストのより安い低駆動電圧型駆動装置を利用できる光制御素子を提供することができるようになる。

請求項２に係わる発明より、前記低誘電率層を前記信号電極に対してより近接して配置することができるので、上述した電極損低減の効果と、光の閉じ込めの効果とをより効果的に奏することができ、高周波まで対応可能で、高効率な変調器を簡易に実現することができる。

請求項３に係わる発明より、同じく前記低誘電率層を前記信号電極に対してより近接して配置することができるので、上述した電極損低減の効果と、光の閉じ込めの効果とをより効果的に奏することができ、高周波まで対応可能で、高効率な変調器を簡易に実現することができる。

請求項４に係わる発明より、前記低誘電率層を空気層としているので、その低誘電率効果がより助長され、上述した電極損低減の効果と、光の閉じ込めの効果とをより効果的に奏することができ、高周波まで対応可能で、高効率な変調器を簡易に実現することができる。

請求項５に係わる発明より、前記低誘電率層を樹脂層としているので、その低誘電率効果がより助長され、上述した電極損低減の効果と、光の閉じ込めの効果とをより効果的に奏することができ、高周波まで対応可能で、高効率な変調器を簡易に実現することができる。

請求項６に係わる発明により、光導波路はリッジ型光導波路であるため、光波の閉じ込め効率が高く、また、制御電極が形成する電界を光導波路に集中させることが可能となり、より低駆動電圧の光制御素子を実現することができる。

請求項７に係わる発明により、少なくとも薄板と、第１電極との間にはバッファ層が形成されているため、光導波路を伝搬する光波の伝搬損失を抑制しながら、制御電極を光導波路のより近傍に配置することが可能となる。

請求項８に係わる発明により、信号電極又は接地電極は、透明電極又は薄板側に透明電極を配置した電極のいずれかで構成されているため、バッファ層が無い場合でも、光導波路を伝搬する光波の伝搬損失を抑制しながら、制御電極を光導波路のより近傍に配置することが可能となる。

請求項９に係わる発明により、少なくともリッジ型導波路の両側に配置された溝には、低誘電率膜が充填されているため、制御電極におけるマイクロ波屈折率やインピーダンスの調整が可能となり、より適切なマイクロ波屈折率やインピーダンスを得ることができる。

請求項１０に係わる発明では、請求項１〜１０のいずれか一に記載の光制御素子において、光導波路の少なくとも一部を含む薄板の自発分極が反転されているため、光制御素子の差動駆動が簡便な制御電極や駆動回路で容易に実現できる上、駆動電圧を低減することも可能となる。

請求項１１に係わる発明では、請求項１〜１０のいずれか一に記載の光制御素子において、光導波路に印加される有効な電圧が１／２以下にならないようにすることができ、前記光導波路部に印加される有効な電圧が下がり過ぎないようにすることができる。

図４は、本発明の光制御素子に係わる一例を示す断面図である。本例では、光導波路が形成されるべき薄板をＺカット型基板から構成した場合について示しており、また、前記光制御素子の要部のみを示している。

図４に示すように、Ｚカット型基板（薄板１）中には光導波路２が形成され、薄板１を挟むように制御電極が配置されている。制御電極としては、薄板１の上側に配置された第１電極と、薄板の下側に配置された第２電極とがある。第１電極は、信号電極４及び接地電極５を含み、第２電極は接地電極５４を含んでいる。第１電極及び第２電極には、図示した電極以外にＤＣ電極など、必要な電極を適宜付加できることは言うまでもない。また、光導波路としては、直線導波路または直線導波路を組み合わせたマッハツェンダー型干渉系を構成してもよい。

図４の光制御素子の特徴は、光導波路２に対して信号電極４と接地電極５による電界以外に、信号電極４と接地電極５４とによる電界が印加されることである。これにより、光導波路２における図の縦方向の電界を強くすることができ、駆動電圧を低減させることが可能となる。しかも、制御電極におけるマイクロ波の屈折率及びインピーダンスは、信号電極４と接地電極５及び５４により決定されるため、例えば、最適値であるマイクロ波屈折率２．１４、インピーダンス５０Ωに設定することも可能となる。

第１の電極は、薄板１との間にＳｉＯ_２膜などのバッファ層３を介して配置されている。バッファ層には、光導波路を伝搬する光波が、制御電極により吸収又は散乱されることを防止する効果を有している。また、バッファ層の構成としては、必要に応じ、薄板１の焦電効果を緩和するため、Ｓｉ膜などを組み込むことも可能である。

また、第２の電極（接地電極５４）は、薄板１との間に、第１の電極の信号電極４の幅よりも大きく、信号電極４の長さ方向の全体に亘って形成された低誘電率層３１を介して配置されている。したがって、電極損を低減し、光の閉じ込めを強くすることができる。これにより、高周波まで対応可能で、高効率な変調器を実現することができる。

換言すれば、本実施形態の光制御素子によれば、マイクロ波と光波との速度整合やマイクロ波のインピーダンス整合が実現でき、しかも、駆動電圧の低減が可能な光制御素子を提供することができるようになる。また、駆動電圧の低減により、光制御素子の温度上昇を抑制でき安定動作が可能な光制御素子を提供することができ、さらには、コストのより安い低駆動電圧型駆動装置を利用できる光制御素子を提供することができるようになる。

低誘電率層３１は、例えば空気層やテフロン（登録商標）などの樹脂層から構成することができる。

なお、本実施形態では、光導波路２に対して信号電極４と接地電極５による電界以外に、信号電極４と接地電極５４とによる電界が十分に印加されるようにすべく、薄板１の厚さは１０μｍ以下とする。また、薄板１の下限値は特に限定されるものではないが、例えば０．７μｍとする。これよりも薄いと十分な大きさの光導波路２を形成することが困難になる。

薄板１は、第２電極が形成された後に、接着層６を介して支持基板７に接合される。これにより、薄板１が１０μｍ以下の場合でも、光制御素子として十分な機械的強度を確保することが可能となる。

図５は、Ｘカット型ＬｉＮｂＯ_３基板を用いたものでありＸカット型の基板を用いたものであり、電気光学効果の効率が高い方向は、図の横方向となる。このため、第１電極では、光導波路２を挟む位置に信号電極４と接地電極５とを配置し、第２電極では、信号電極４と接地電極５５及び５６とが形成する電界が、光導波路２に対して横方向の成分を有するように、接地電極５５及び５６の形状及び配置が決定されている。なお、後述するように、第２電極を光導波路の形状に対応してパターン状電極とすることにより、より最適な電界分布を形成することが可能となる。

また、図５に示す例においても、第２の電極（接地電極５５及び５６）は、薄板１との間に、第１の電極の信号電極４の幅よりも大きく、信号電極４の長さ方向の全体に亘って形成された低誘電率層３１を介して配置されている。したがって、電極損を低減し、光の閉じ込めを強くすることができる。これにより、高周波まで対応可能で、高効率な変調器を実現することができる。低誘電率層３１は、例えば空気層やテフロン（登録商標）などの樹脂層から構成することができる。

なお、本実施形態でも、光導波路２に対して信号電極４と接地電極５による電界以外に、信号電極４と接地電極５４とによる電界が十分に印加されるようにすべく、薄板１の厚さは１０μｍ以下とする。また、薄板１の下限値は特に限定されるものではないが、例えば０．７μｍとする。これよりも薄いと十分な大きさの光導波路２を形成することが困難になる。

薄板に使用される電気光学効果を有する結晶性基板としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料及びこれらの組み合わせが利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）結晶が好適に利用される。

光導波路の形成方法としては、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより形成することができる。また、特許文献５のように薄板１の表面に光導波路の形状に合わせてリッジを形成し、光導波路を構成することも可能である。

信号電極や接地電極などの制御電極は、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。また、後述する透明電極については、ＩＴＯや赤外透明導電膜であるＩｎとＴｉの複合酸化物膜などが利用可能であり、フォトリソグラフィー法により電極パターンを形成しリフトオフ法によって形成する方法や、所定の電極パターンが残るようにマスク材を形成し、ドライエッチング、あるいはウエットエッチングにて形成する方法などが使用可能である。
特開平６−２８９３４１号公報

光制御素子を含む薄板１の製造方法は、数百μｍの厚さを有する基板に上述した光導波路を形成し、基板の裏面を研磨して、１０μｍ以下の厚みを有する薄板を作製する。その後薄板の表面に制御電極を作り込む。また、光導波路や制御電極などの作り込みを行った後に、基板の裏面を研磨することも可能である。なお、光導波路形成時の熱的衝撃や各種処理時の薄膜の取り扱いによる機械的衝撃などが加わると、薄板が破損する危険性もあるため、これらの熱的又は機械的衝撃が加わり易い工程は、基板を研磨して薄板化する前に行うことが好ましい。

支持基板７に使用される材料としては、種々のものが利用可能であり、例えば、薄板と同様の材料を使用する他に、石英、ガラス、アルミナなどのように薄板より低誘電率の材料を使用したり、薄板と異なる結晶方位を有する材料を使用することも可能である。ただし、線膨張係数が薄板と同等である材料を選定することが、温度変化に対する光制御素子の変調特性を安定させる上で好ましい。仮に、同等の材料の選定が困難である場合には、薄板と支持基板とを接合する接着剤に、薄板と同等な線膨張係数を有する材料を選定する。

薄板１と支持基板７との接合には、接着層６として、エポキシ系接着剤、熱硬化性接着剤、紫外線硬化性接着剤、半田ガラス、熱硬化性、光硬化性あるいは光増粘性の樹脂接着剤シートなど、種々の接着材料を使用することが可能である。

図６は、図４に示す光制御素子の変形例を示す要部断面図である。本実施形態では、図４に示す実施形態に比較して、低誘電率層３１が第２電極（接地電極）中に埋設されている点で相違する。しかしながら、このような場合においても、第２の電極（接地電極５４）は、薄板１との間に、第１の電極の信号電極４の幅よりも大きく、信号電極４の長さ方向の全体に亘って形成された低誘電率層３１を介して配置されている。したがって、電極損を低減し、光の閉じ込めを強くすることができる。これにより、高周波まで対応可能で、高効率な変調器を実現することができる。

換言すれば、本実施形態の光制御素子においても、マイクロ波と光波との速度整合やマイクロ波のインピーダンス整合が実現でき、しかも、駆動電圧の低減が可能な光制御素子を提供することができるようになる。また、駆動電圧の低減により、光制御素子の温度上昇を抑制でき安定動作が可能な光制御素子を提供することができ、さらには、コストのより安い低駆動電圧型駆動装置を利用できる光制御素子を提供することができるようになる。低誘電率層３１は、例えば空気層やテフロン（登録商標）などの樹脂層から構成することができる。

上記低誘電率層の厚さは、光導波路部に印加される有効な電圧が下がり過ぎないように調整することが好ましい。本実施形態では、光導波路に印加される有効な電圧が１／２以下にならないように設定した。
ｄ２＜ε２／ε１×ｄ１
ここで、ε２は低誘電率層の誘電率であり、ｄ２は低誘電率層の厚さであり、ε１は薄板１の誘電率であり、ｄ１は薄板１の厚さである。例えば、低誘電率層を空気（ε２＝１）とし、ｄ１＝１０μｍとし、薄板１をＬｉＮｂＯ_３から構成した場合には、低誘電率層の厚さｄ２は０．３６μｍ以下にすれば良い。

なお、その他の構成要素及びこれら構成要素に対して要求される要件について、図４に関する実施形態と同様である。

以下に、本発明に係わる光制御素子の応用例について説明する。なお、以下の図面には、前出した部材と同じ部材を用いる場合には、可能な限り同じ符号を用い、さらに、構成の特徴を明確にするため、必要に応じ接着層や支持基板を省略して記載している。また、記載が冗長となるのを防止すべく、図４に示す実施形態を中心とした応用例について説明するようにしている。

（リッジ型導波路を有する光制御素子）
図７〜９は、図４に示す光制御素子に係わる応用例であり、光導波路をリッジ型導波路で形成した例を示す。光導波路をリッジ型光導波路で形成することにより、光波の閉じ込め効率が高くなり、また、制御電極が形成する電界を光導波路に集中させることが可能となるため、より低駆動電圧の光制御素子を実現することができる。

図７に示すように、光制御素子の光導波路をリッジ型導波路２０することによって、あり、リッジ部２０に伝搬する光波を閉じ込めている。リッジ部２０には、信号電極４と接地電極５とが形成する電界と、信号電極４と接地電極５４とが形成する電界とが集中的に印加されるため、光制御素子の駆動伝達を低減させることにも寄与する。

図８は、２つの光導波路２をリッジ型導波路２０とするものである。リッジ型導波路に対応して信号電極４及び４１が配置され、信号電極には互いに逆向きの信号などが印加されている。例えば、左側のリッジ部２０についてみると、信号電極４と接地電極５とが形成する電界と、信号電極４と接地電極５４とが形成する電界と、さらには信号電極４と信号電極４１とが形成する電界とが集中的に印加される。

図９は、２つの光導波路２をリッジ型導波路２０とすると共に、２つの光導波路間に、接地電極５１に対応したリッジ部を形成したものである。リッジ型導波路２０に対応して信号電極４及び４１が配置され、信号電極には個々独立した信号などが印加されている。

例えば、左側のリッジ部２０についてみると、信号電極４と接地電極５とが形成する電界と、信号電極４と接地電極５４とが形成する電界と、さらには信号電極４と接地電極５１とが形成する電界とが集中的に印加される。

（低誘電率膜を有する光制御素子）
図１０及び１１は、図４に示す光制御素子に係わる他の応用例であり、リッジ型導波路を形成する溝や、第１電極を構成する信号電極４と接地電極５との間に低誘電率膜を配置した例を示す。このような低誘電率膜の配置により、制御電極におけるマイクロ波屈折率やインピーダンスの調整が可能となり、また、制御電極の配線の自由度を増加させることが可能となる。

低誘電率膜の材料としては、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）などが使用でき、低誘電率膜の製造方法として、塗付法などが利用できる。

図１０に示すように、リッジ型導波路２０の両側に形成される溝や、信号電極４と接地電極５との間、あるいは第１電極を覆うように低誘電率膜８を形成することができる。

また、図１１に示すように、接地電極５を跨ぐように信号電極４の給電部４２を配置し、接地電極４と給電部４２との間には低誘電率膜８が配置される。これにより、制御電極の立体的な配線が可能となり、制御電極に係わる配線設計の自由度が増加する。さらに、接地電極を信号電極の上方（薄板から離れる位置）を通過させることも可能である。

（薄板の裏面側に光導波路を形成した光制御素子）
図１２及び１３は、図４に示す光制御素子に係わるその他の応用例であり、光導波路２（リッジ型導波路２０）を薄板１の裏面（図の下側）に形成した例を示す。
厚みが１０μｍ以下の薄板を使用する場合には、図１２のように、光導波路２を薄板１の裏面に形成し、第１電極である信号電極４及び接地電極５を薄板の表面に、また、第２電極である接地電極５４を薄板１の裏面に形成しても、特に信号電極４と接地電極５４とが形成する電界により、リッジ部２０に電界を印加させることが可能となる。

また、図１３は、２つの信号電極４及び４１を用いた例であり、左側のリッジ部２０に対しては、特に信号電極４と接地電極５４とが形成する電界により、また、右側のリッジ部２０に対しては、特に信号電極４１と接地電極５４とが形成する電界により、電界が印加される。

なお、各リッジ部２０を形成する溝には、必要に応じて低誘電率膜８１が形成することができる。

図７〜９のような光制御素子の場合には、リッジ型導波路のリッジ部の頂上に信号電極４や４１を正確に配置することが必要であるが、図１２及び１３のような光制御素子の場合には、信号電極４や４１の幅をリッジ型導波路の幅以上に設定するだけで、両者間に若干の位置ズレが発生しても、効率よくリッジ部に電界を印加することができるという利点を有している。

（透明電極を利用した光制御素子）
図１４〜１６は、図４に示す光制御素子に係わるさらにその他の応用例であり、透明電極（９及び９１至９６）を電極に使用した例を示す。信号電極又は接地電極に、透明電極又は薄板側に透明電極を配置した電極のいずれかを用いることにより、バッファ層が無い場合でも、光導波路を伝搬する光波の伝搬損失を抑制しながら、制御電極を光導波路のより近傍に配置することが可能となり、駆動電圧を低減させることができる。

図１４は、第２電極の接地電極に透明電極９を使用する例であり、図１５は第１電極に透明電極９１，９２を使用する例である。これらの場合には、図１４で示したバッファ層３が本質的に不要となり、電極を光導波路に近接して配置することが可能となる。なお、図１５の第１電極を構成する接地電極（透明電極９１）は、電極の近傍に光導波路が無いため、通常の金属電極で形成しても良い。

図１６は、制御電極の一部（薄板１又は１１に接する側）に、透明電極を使用する例を示すものである。透明電極は、一般的にＡｕなどの金属電極と比較して電気抵抗率が高いため、電極の電気抵抗を下げる目的で、透明電極９や９３乃至９６に接触して金属電極１４０，１５０，１５１を配置することができる。また、透明電極は、９３や９５，９６に示したようにリッジ型導波路の近傍又はリッジ型光導波路の側面に配置することも可能であり、極めて効果的に電界を導波路に作用させることが可能となる。

なお、図１６は、Ｚカット型ＬＮ基板を薄板として用いた例であるが、参考のために図１７には、Ｘカット型ＬＮ基板を薄板として用いた場合の例を示した。各符号の意味するところは同じであり、得られる作用効果も図１６に示すものと同じである。

（第２電極にパターン状電極を用いた光制御素子）
図１８は、図４に示す光制御素子に係わる他の応用例であり、第２電極を形成する接地電極をパターン状電極で構成した例を示す。第２電極を、光導波路の形状に対応した形状を有するパターン状電極とすることにより、光導波路に印加される電界を、より適切な形状に調整でき、駆動電圧をより一層低減させることが可能なる。

図１８は、接地電極５７を光導波路２に沿ったストリップ状の電極とし、信号電極４と接地電極５７とが形成する電界を、より光導波路２に集中するように構成している。なお、図１８は、Ｚカット型基板を薄板として用いた例であるが、参考のために図１９には、Ｘカット型基板を薄板として用いた場合の例を示した。各符号の意味するところは同じであり、得られる作用効果も図１８に示すものと同じである。

（分極反転を用いた光制御素子）
図２０及び２１は、図４に示す光制御素子に係わるその他の応用例であり、薄板１を分極反転した例を示す。光導波路の少なくとも一部を含む薄板１の自発分極を反転させることにより、光制御素子の差動駆動が、簡便な制御電極や駆動回路で容易に実現でき、駆動電圧の低減も可能となる。

図２０は、薄板１の基板領域１２と１３とにおいて、互いに異なる向き（図中の矢印）に自発分極が揃えられている。第１電極を構成する信号電極４３は、各基板領域１２及び１３に形成された光導波路２に対して、共通の電界を印加することが可能である。各光導波路においては互いに基板の分極方向が異なるため、光導波路を伝搬する光波の位相変化が逆の状態となり、結果として、差動駆動と同様の効果を得ることができる。

図２１は、薄板１の基板領域１２と１３との分極方向を互いに異なるように調整すると共に、リッジ型光導波路を利用した場合の例を示す。２つのリッジ型導波路２０に電界を印加する信号電極４４は共通であり、さらに、２つの信号電極４４は接続線路４５により導通されている。また、リッジ型導波路を形成する溝や、信号電極と接地電極５との間には、低誘電率膜８が形成されている。

（スルーホールを利用した光制御素子）
図２２は、本発明の光制御素子に係わる応用例であり、第１電極の接地電極と第２電極の接地電極との電気的接続に、スルーホールを利用した例である。第１電極の接地電極と第２電極の接地電極とを、薄板に設けられたスルーホールを介して電気的に接続することにより、光制御素子に係わる電気配線を簡略化できると共に、第１電極の接地電極と第２電極の接地電極とに発生する浮遊電荷のズレを抑制でき、より適切な電界を光導波路に印加させることが可能となる。

図２２は、Ｚカット型のＬＮ薄板１を利用した例であり、第１電極の接地電極５と第２電極の接地電極５４とが、薄板１のスルーホール内に配置された接続線路１００により導通状態に維持されている。図２乃至図８に例示した第１電極の接地電極と第２電極の接地電極とは、薄板の周囲又は外部で電気的に導通されているが、制御電極に印加される変調信号が高周波になるに従い、接地電極に誘起される浮遊電荷にタイミングのズレが生じ易くなる。このため、図２２のように、光導波路に近い場所で両者を導通することで、このタイミングのズレを抑制することが可能となる。

なお、図２２は、Ｚカット型ＬＮ基板を薄板として用いた例であるが、参考のために図２３には、Ｘカット型基板を薄板として用いた場合の例を示した。各符号の意味するところは同じであり、得られる作用効果も図２２に示すものと同じである。

本発明に係わる光制御素子によれば、マイクロ波と光波との速度整合やマイクロ波のインピーダンス整合が実現でき、しかも、駆動電圧の低減が可能な光制御素子を提供することが可能となる。また、駆動電圧の低減により、光制御素子の温度上昇を抑制でき安定動作が可能な光制御素子を提供でき、さらには、コストのより安い低駆動電圧型駆動装置を利用できる光制御素子を提供することが可能となる。

従来の光制御素子の例を示す図である。同じく、従来の光制御素子の例を示す図である。同じく、従来の光制御素子の例を示す図である。本発明の光制御素子の例を示す図である。同じく、本発明の光制御素子の例を示す図である。図４に示す光制御素子の変形例を示す図である。本発明のリッジ型光制御素子の例を示す図である。同じく、本発明のリッジ型光制御素子の例を示す図である。同じく、本発明のリッジ型光制御素子の例を示す図である。低誘電率膜を有する光制御素子の例を示す図である。同じく、低誘電率膜を有する光制御素子の例を示す図である。薄板の裏面側に光導波路を形成した光制御素子の例を示す図である。同じく、薄板の裏面側に光導波路を形成した光制御素子の例を示す図である。透明電極を利用した光制御素子の例を示す図である。同じく、透明電極を利用した光制御素子の例を示す図である。同じく、透明電極を利用した光制御素子の例を示す図である。同じく、透明電極を利用した光制御素子の例を示す図である。第２電極にパターン状電極を用いた光制御素子の例を示す図である。同じく、第２電極にパターン状電極を用いた光制御素子の例を示す図である。分極反転を用いた光制御素子の例を示す図である。同じく、分極反転を用いた光制御素子の例を示す図である。スルーホールを利用した光制御素子の例を示す図である。同じく、スルーホールを利用した光制御素子の例を示す図である。

符号の説明

１Ｚカット型結晶基板
２光導波路
３バッファ層
４，４１，４２，４３，４４，１４０信号電極
５，５１，５２，５３，５４，５５，５６，１５０接地電極
６接着層
７支持基板
８，８１低誘電率膜
９，９１，９２，９３，９４，９５，９６透明電極
１１Ｘカット型結晶基板
２０リッジ型導波路（リッジ部）
３１低誘電率層
１００スルーホールに形成された接続線路

Claims

電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板と、前記薄板に形成された光導波路と、前記光導波路を通過する光を制御するための制御電極とを有する光制御素子において、
前記制御電極は、前記薄板を挟むように配置された第１電極と第２電極とからなり、
前記第１電極は、少なくとも信号電極と接地電極とからなるコプレーナ型の電極を有し、
前記第２電極は、少なくとも接地電極を有すると共に、第１電極の信号電極と協働して前記光導波路に電界を印加するよう構成されており、
前記薄板の下方には、少なくとも前記第１電極の前記信号電極の幅よりも大きな幅を有し、少なくとも前記信号電極の長さ方向の全体に亘って設けられた低屈折率層を形成したことを特徴とする、光制御素子。
前記低屈折率層は、前記薄板と前記第２の電極との間に一様に形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の光制御素子。
前記低屈折率層は、前記第２の電極の前記接地電極内に埋設するようにして形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の光制御素子。
前記低屈折率層は、空気層を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の光制御素子。
前記低屈折率層は、樹脂層を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の光制御素子。
前記光導波路は、リッジ型光導波路であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の光制御素子。
少なくとも前記薄板と前記第１電極との間には、バッファ層が形成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の光制御素子。
前記第１の電極及び前記第２の電極において、前記信号電極及び前記接地電極は、透明電極又は薄板側に透明電極を配置した電極のいずれかで構成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の光制御素子。
少なくとも前記リッジ型導波路の両側に配置された溝には、低誘電率膜が充填されていることを特徴とする、請求項６〜８のいずれか一に記載の光制御素子。
前記光導波路の少なくとも一部を含む薄板の自発分極が反転されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一に記載の光制御素子。
前記低誘電率層の誘電率をε２、厚さをｄ２とし、前記薄板の誘電率をε１、厚さをｄ１とした場合、
ｄ２＜ε２／ε１×ｄ１
なる関係を満足することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一に記載の光制御素子。