JP2009258687A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】光変調素子において、光ファイバー伝搬光と光導波路の伝搬光との間のモードフィールドの不整合による光挿入損失を低減すると共に、素子に対して温度サイクルが加わった場合にも挿入損失の増大と消光比の悪化を防止することである。
【解決手段】光変調器２４は、支持基板５、電気光学材料からなる変調用基板１１、変調用基板の一方の主面３０側に設けられている光導波路１２、および基板１１の他方の主面３１を支持基板５に接着する接着層６を備えている。基板１１が、光導波路１２に対して電圧を印加し、伝搬光を変調する高周波相互作用部１１ｃ、光導波路に対して光を入射する入射部１１ａおよび光導波路からの光を出射する出射部１１ｂを備えている。変調用基板１１の主面３０側において相互作用部１１ｃが入射部１１ａおよび出射部１１ｂから凹んでおり、相互作用部１１ｃの厚さが入射部１１ａの厚さおよび出射部１１ｂの厚さよりも小さい。
【選択図】 図３

Description

本発明は、進行波型光変調器等の光変調器に関するものである。

非特許文献１では、PLC光回路とＬＮ導波路デバイスを接続している。また、特許文献１では、PLC光回路とＬＮ導波路デバイスとを接続することが記載されており、この際、二つの基板間で光導波路のモードフィールド径が異なるために、その間にモードフィールド径を調整するためのテーパー部を設けることが記載されている。
「Highly Functional Hybrid Modules Using Low Loss Direct Attachment Technique with PlannarLightwave Circuit and LiNbO3 Devices 」T. Yamada et al. 「ISMOT-2005」pp. 107-110, 2005 特開2005-173162

特許文献２の図３では、マッハツェンダー型の光変調器において、光導波路基板の底面に凹部を形成することによって、伝搬光と変調信号との速度整合を図っている。つまり、光導波路基板の厚さは、高調波変調部分において薄くなる。
特開平１０−１３３１５９

また、特許文献３においても、支持基板上に光導波路基板を接着する素子において、高周波相互作用部の厚さを小さくし、入射部または出射部の厚さを大きくすることが記載されている。この場合にも、高周波相互作用部の底面側には凹みを生じさせ、凹みを接着剤で充填する。
特許第３７６２３２０号

なお、本出願人は、特許文献４において、高周波相互作用部を含む光変調用基板と、光ファイバーに接続される厚い受動基板とを別体とし、両者を接着することによって、一体の光変調器を形成することを開示した。
ＷＯ ２００８／０９９９５０ Ａ１

光変調器の高周波相互作用部は、駆動電圧を低減するために、電極ギャップを狭くする必要がある。一方、電極ギャップを狭くしつつ、同時に、特性インピーダンス整合を保ち、光波−マイクロ波速度整合を達成するためには、変調器基板の厚さを１０μｍ以下、特には５μｍ以下にまで薄くする必要がある。

このような非常に薄いニオブ酸リチウム基板上に例えばチタン拡散光導波路を形成すると、基板の厚さ方向（縦方向）のモードサイズが基板厚さで制約されるために、横に偏平な形状となる。一方、接続するべき光ファイバーのモードフィールド径は１０μｍ程度の円形である。このため、薄いニオブ酸リチウム基板上に形成された光導波路を、外部の光ファイバーに対して接続すると、挿入損失が増加する。

特許文献２、３、非特許文献２に記載のように、高周波相互作用部を相対的に薄くすると共に、入射部ないし出射部の方を厚くすると、入射部ないし出射部と外部の光接続部材との間の挿入損失は低減できる。しかし、この場合には、光変調器を多数回の温度サイクルにかけると、挿入損失が増大したり、消光比が悪化したりすることが観察された。

本発明の課題は、光変調素子において、光ファイバー伝搬光と光導波路の伝搬光との間のモードフィールドの不整合による光挿入損失を低減すると共に、素子に対して温度サイクルが加わった場合にも挿入損失の増大と消光比の悪化を防止することである。

本発明に係る光変調器は、
支持基板、
電気光学材料からなる変調用基板、
この変調用基板の一方の主面側に設けられている光導波路、および
変調用基板の他方の主面を前記支持基板に接着する接着層を備えており、変調用基板が、光導波路に対して電圧を印加し、伝搬光を変調する高周波相互作用部、光導波路に対して光を入射する入射部および光導波路からの光を出射する出射部を備えており、変調用基板の一方の主面側において高周波相互作用部が入射部および出射部から凹んでおり、高周波相互作用部の厚さが入射部の厚さおよび出射部の厚さよりも小さいことを特徴とする。

本発明によれば、変調用基板において、高周波相互作用部の厚さが入射部の厚さおよび出射部の厚さよりも小さいので、光ファイバー伝搬光を変調器に入射、あるいは変調器から出射させるときの挿入損失を低減できると共に、相互作用部で伝搬光と変調電圧との速度整合を図ることができる。

これに加えて、従来は、光導波路基板の底面側に凹みを設けることによって、高周波相互作用部を薄くしていた。しかし、この場合には、素子に対して温度サイクルを多数回加えた後に、光挿入損失が増大したり、消光比が悪化することがあった。本発明者がこの原因を検討したところ、以下の知見を得た。即ち、支持基板および接着層と変調用基板との間に熱膨張のミスマッチがあり、このミスマッチによって、全体に薄い変調用基板に対して応力が加わる傾向がある。変調用基板の底面側に凹部を設けて高周波相互作用部を薄くした場合には、温度サイクルを素子に対して多数回加えると、変調用基板に対して不均等に加わる応力のために、光挿入損失や消光比が悪化したものと考えられる。

これに対して、本発明では、変調用基板の光導波路側、つまり支持基板および接着層とは反対側に凹部を設けることによって、基板厚さを相互作用部で薄くし、入射部および出射部で相対的に厚くした。これによって、素子に対して温度サイクルを加えた後にも、光挿入損失の増大や消光比の悪化を抑制できることを見いだし、本発明に到達した。

本発明において、「高周波相互作用部」とは、光導波路に高周波電圧が印加され、光が変調される領域のことである。ここで言う高周波電圧とは、1GHz以上の周波数の電圧を意味する。

本変調の電極は、いわゆるＣＰＷ型光変調器には限定されず、種々の形態の光変調器に対して適用できる。本発明は、例えば、いわゆるＡＣＰＳ型の光変調器や、独立変調型の光変調器に対して、適用可能である。

図１は、対照例１の光変調器４を模式的に示す斜視図である。本例では、支持基板５上に接着層６を介して変調用基板７を接着している。変調用基板７の一方の主面（図１では上面）側には、例えば一列の光導波路９と、一対の変調用電極８Ａ、８Ｂが形成されている。この光導波路９の入射端面に対して、光ファイバー１９のコア２０を光学結合する。光導波路９からの出射面にも同様に光ファイバー１９のコア２０を光学結合する。

しかし、対照例１のような光変調器では、変調用基板７の厚さが一定であるため、その厚さを例えば１０μｍ以下として速度整合を図ると、光ファイバーとの間での光挿入損失が増大する傾向がある。

図２は、対照例２に係る素子１４を示す斜視図である。本例では、支持基板５上に接着層６を介して変調用基板１を接着している。変調用基板１の一方の主面３０（図２では上面）側には、例えば一列の光導波路２と変調用電極８が形成されている。この光導波路２の入射端面に対して、光ファイバーのコアを光学結合する。光導波路２からの出射面にも同様に光ファイバーのコアを光学結合する。

ここで、本例では、変調用基板１の他方の主面３１（図２では下面）側に凹部１７を設けている。これによって、高周波相互作用部１ｃの厚さを、入射部１ａおよび出射部１ｂの厚さよりも小さくしている。

対照例２のような光変調器では、変調用基板１のうち、高周波相互作用部の厚さを例えば１０μｍ以下として速度整合を図った場合にも、入射部、出射部の厚さをそれよりも大きくして、光ファイバーとの間での光挿入損失を低減することができる。しかし、変調用基板１の中で支持基板５との接着力にバラツキがあるために、溝１７の末端の段差部分に応力が集中し、多数回の温度サイクルを加えた後に光挿入損失の増大や消光比の悪化が生ずることがあった。

図３は、本発明の実施形態に係る光変調器２４を示す斜視図である。本例では、支持基板５上に接着層６を介して変調用基板１１を接着している。変調用基板１１の一方の主面３０（図３では上面）側には、例えば一列の光導波路１２と変調用電極８が形成されている。この光導波路１２の入射端面に対して、光ファイバーのコアを光学結合する。光導波路１２からの出射面にも同様に光ファイバーのコアを光学結合する。

本例では、変調用基板１１の他方の主面３１には凹部を設けず、素子の入射側端面から出射側端面へと向かって全長にわたって平坦とする。これと共に、変調用基板１１の一方の主面３０（図３では上面）側に凹部３７を設けている。これによって、高周波相互作用部１１ｃの厚さを、入射部１１ａおよび出射部１１ｂの厚さよりも小さくしている。この結果として、光導波路１２の相互作用部１２ｃのモードフィールド径は、入射部１２ａのモードフィールド径よりも小さく、また出射部１２ｂのモードフィールド径よりも小さい。

本例の光変調器２４では、変調用基板１１のうち、高周波相互作用部１１ｃの厚さを例えば１０μｍ以下として速度整合を図った場合にも、入射部１１ａ、出射部１１ｂの厚さをそれよりも大きくして、光ファイバーとの間での光挿入損失を低減することができる。これと共に、変調用基板１１と支持基板５との接着力にバラツキがないため、基板の一部分への応力集中がなく、多数回の温度サイクルを加えた後にも、光挿入損失の増大や消光比の悪化を抑制できる。

なお、本例では、入射部１１ａと相互作用部１１ｃとの間には段差４０Ａが形成されており、出射部１１ｂと相互作用部１１ｃとの間には段差４０Ｂが形成されている。このように、入射部、出射部と相互作用部との間に段差を形成する場合には、加工による凹部３７の形成を比較的に容易にできるという利点がある。

図４は、本発明の他の実施形態に係る光変調器３４を示す斜視図である。本例では、支持基板５上に接着層６を介して変調用基板２１を接着している。変調用基板２１の一方の主面３０側には、例えば一列の光導波路２２と変調用電極８が形成されている。本例では、変調用基板２１の他方の主面３１には凹部を設けず、素子の入射側端面から出射側端面へと向かって全長にわたって平坦とする。これと共に、変調用基板２１の一方の主面３０側に凹部４７を設けている。これによって、高周波相互作用部２１ｃの厚さを、入射部２１ａおよび出射部２１ｂの厚さよりも小さくしている。

ただし、本例では、高周波相互作用部２１ｃと入射部２１ａ、出射部２１ｂとの間に、それぞれ、段差を形成していない。その代わりに、入射部２１ａ、出射部２１ｂの上面は滑らかなテーパ面ないし湾曲面としている。この結果、入射部２１ａの厚さは、素子の端面から相互作用部２１ｃへと向かって徐々に減少しており、出射部２１ｂの厚さは、素子の端面から相互作用部２１ｃへと向かって徐々に減少している。

本例では、光導波路２２の拡散部深さは、基板の全長にわたって一定としている。しかし，この場合にも、基板の厚さを変化させていることから、光導波路２２のうち、入射部２２ａのモードフィールド径は、素子の端面から相互作用部２２ｃへと向かって徐々に、滑らかに減少する。また、出射部２２ｂのモードフィールド径は、素子の端面から相互作用部２２ｃへと向かって徐々に、滑らかに減少する。

本例の光変調器３４では、変調用基板２１のうち、相互作用部２１ｃの厚さを例えば１０μｍ以下として速度整合を図った場合にも、入射部２１ａ、出射部２１ｂの厚さをそれよりも大きくして、光ファイバーとの間での光挿入損失を低減することができる。これと共に、変調用基板２１と支持基板５との接着力にバラツキがないため、多数回の温度サイクルを加えた後にも、光挿入損失の増大や消光比の悪化を抑制できる。

これに加えて、入射部２２ａ、出射部２２ｂの表面３０は、端面から相互作用部２２ｃへと向かって滑らかなテーパ面をなしている。この結果、相互作用部２２ｃと入射部２２ａ、出射部２２ｂとの境界部分への応力集中を、より一層効果的に緩和可能である。

図５は、本発明の他の実施形態に係る光変調器４４を示す斜視図である。本例では、支持基板５上に接着層６を介して変調用基板４１を接着している。変調用基板４１の一方の主面３０側には、例えば一列の光導波路４２と変調用電極８が形成されている。本例では、変調用基板４１の他方の主面３１には凹部を設けず、素子の入射側端面から出射側端面へと向かって全長にわたって平坦とする。これと共に、変調用基板４１の一方の主面３０側に凹部４７を設けている。これによって、相互作用部４１ｃの厚さを、入射部４１ａおよび出射部４１ｂの厚さよりも小さくしている。

本例では、図４と同様に，相互作用部４１ｃと入射部４１ａ、出射部４１ｂとの間に、それぞれ、段差を形成していない。その代わりに、入射部４１ａ、出射部４１ｂの上面は滑らかなテーパ面ないし湾曲面としている。この結果、入射部４１ａの厚さは、素子の端面から相互作用部４１ｃへと向かって徐々に減少しており、出射部４１ｂの厚さは、素子の端面から相互作用部４１ｃへと向かって徐々に減少している。

本例では、光導波路４２の拡散部深さも変化させている。即ち、入射部４２ａにおいては、拡散部深さを、素子の端面から相互作用部４２ｃへと向かって徐々に、滑らかに減少させており、出射部４２ｂにおいては、拡散部深さを、素子の端面から相互作用部４２ｃへと向かって徐々に、滑らかに減少させている。この場合にも、入射部４２ａのモードフィールド径は、素子の端面から相互作用部４２ｃへと向かって徐々に、滑らかに減少する。また、出射部４２ｂのモードフィールド径は、素子の端面から相互作用部４２ｃへと向かって徐々に、滑らかに減少する。本例では，図４のように基板の厚さを相互作用部へと向かって減少させているのと共に，光導波路の拡散部深さも相互作用部へと向かって減少させているので、モードフィールド径の変化は更に大きい。

変調用基板の光入射部、光出射部ともに、光ファイバーを、直接、ピッグテイル接続することができる。あるいは、光ファイバーをレンズ結合を通して各接続用部品の光導波路へと結合することができる。いずれも、光ファイバー伝搬光が変調用基板に対して接続される。

本発明の効果の観点からは、相互作用部の厚さと入射部、出射部の厚さとの差は、０．５μｍ以上であることが好ましく、2μｍ以上であることが更に好ましく、4μｍ以上であることが最も好ましい。ただし、相互作用部の厚さ、入射部の厚さ、出射部の厚さは、それぞれ、各部における最大厚さとする。

一方、相互作用部の厚さと入射部、出射部の厚さとの差を２０μｍ以下とすることによって、これらのモードフィールド径の相違による光挿入損失をいっそう低減できる。この観点からは、相互作用部の厚さと入射部、出射部の厚さとの差を１０μｍ以下とすることが更に好ましい。

また、特性インピーダンス整合と光波とマイクロ波との速度整合という観点からは、相互作用部の厚さは、１０μｍ以下であることが好ましく、８μｍ以下が好ましく、５μｍ以下であることが更に好ましい。

支持基板の厚さは特に限定されないが、部品の取り扱いという観点からは、１００μｍ以上が好ましく、５００μｍ以上が更に好ましい。

接着層６の厚さは特に限定されないが、光波とマイクロ波との速度整合という観点からは、１０μｍ以上であることが好ましい。また、接合部での線膨張係数差に伴う応力緩和という観点からは、１０００μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以下であることが更に好ましい。

また、入射部、出射部において表面が滑らかなテーパ面を形成している場合には、その具体的形態は特に限定されない。例えば、平坦な斜面であってよく、あるはい湾曲面であってよい。

本発明では、入射部、出射部における光導波路のモードフィールド径が相互作用部における光導波路のモードフィールド径よりも大きい。このモードフィールド径の差は限定されないが、０．５μｍ以上が好ましく、２μｍ以上が更に好ましい。

光導波路は、変調用基板の一方の主面に直接形成されたリッジ型の光導波路であってよく、変調用基板の一方の主面の上に他の層を介して形成されたリッジ型の光導波路であってよく、また変調用基板に内拡散法やイオン交換法によって形成された光導波路、例えばチタン拡散光導波路、プロトン交換光導波路であってよい。具体的には、光導波路が、基板表面から突出するリッジ型光導波路であってよい。リッジ型の光導波路は、レーザー加工、機械加工によって形成可能である。あるいは、高屈折率膜を基板上に形成し、この高屈折率膜を機械加工やレーザーアブレーション加工することによって、リッジ型の三次元光導波路を形成できる。高屈折率膜は、例えば化学的気相成長法、物理的気相成長法、有機金属化学的気相成長法、スパッタリング法、液相エピタキシャル法によって形成できる。

上記の各例では、電極は変調用基板の表面に設けられているが、変調用基板の表面に直接形成されていてよく、低誘電率層ないしバッファ層の上に形成されていてよい。低誘電率層は、酸化シリコン、弗化マグネシウム、窒化珪素、及びアルミナなどの公知の材料を使用することができる。ここで言う低誘電率層とは、基板本体を構成する材質の誘電率よりも低い誘電率を有する材料からなる層を言う。

変調用基板を構成する材料は、強誘電性の電気光学材料、好ましくは単結晶からなる。こうした結晶は、光の変調が可能であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、ＫＴＰ、ＧａＡｓ及び水晶などを例示することができる。

支持基体の材質は、上記した強誘電性の電気光学材料に加えて、更に石英ガラス等のガラスであってもよい。

変調用基板、接続用基板と支持基体とを接着する接着剤は、変調用基板よりも低誘電率である材料からなる。その具体例は、前記の条件を満足する限り特に限定されないが、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、アロンセラミックスＣ（商品名、東亜合成社製）（熱膨張係数１３×１０^−６／Ｋ）を例示できる。

変調用基板に凹部を形成する方法は、例えば、フッ素系の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、平面研削、サンドブラストを例示できる。

上記した各例では、振幅変調器に発明を適用した場合について述べたが、光導波路配置が異なる位相変調器に対しても本発明を適用できる。

（実施例１：図３）
図３に示した光変調器２４を作製した。具体的には、X板LN（ニオブ酸リチウム単結晶）ウエハに厚さ８００オングストローム、幅４μｍのＴｉ膜を形成し、熱拡散することにより、光導波路１２を形成した。次に、変調用電極８が形成される面に凹部３７を形成するために、予めフッ素系の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置を用いて、約５μｍの段差４０Ａ、４０Ｂを設けた。その後、凹部３７内に電極パターン８を形成した。凹部の形成については、平面研削機やサンドブラスターによっても、同様な加工ができることを確認した。

次に、ＬN基板の薄板化工程として、研磨定盤に上記光導波路付きウエハを貼り付け、裏面を研磨加工にて削り込み、相互作用部１１ｃの厚さを５μｍまで薄板化した。次に、LN基板裏面に低誘電率接着剤６を厚み５０μｍ塗布し、補強用LN基板５を貼り付け、薄板型光変調器を作製した。さらにチップ切断および端面研磨加工を実施して、光変調器チップ２４を得た。

本チップの相互作用部１１ｃの高周波特性を評価した結果、マイクロ波実効屈折率は２.２となり、速度整合条件を満足することを確認した。このLN光変調器チップに光ファイバーを接続してパッケージ内へ実装した後、光挿入損失評価を行った。対照例１の構造（図１）では、スポットサイズの不一致による光結合の過剰損失が−２.５ｄＢ（片側）であったのに対し、−０.９ｄＢに改善した。

図８は、基板厚と水平方向、垂直方向のスポットサイズおよび結合損失を示す。これらの結果から、基板厚が１２μｍ以下では、基板厚を薄くすることにより、水平方向、垂直方向ともスポットサイズは小さくなり、基板厚１０μｍ以上、１５μｍ以下で光ファイバとの結合損失が最小になることがわかった。さらに、基板厚１５μｍ以下でのスポットサイズは、Ｔｉ厚４００〜１０００オングストロームでは、基板厚に依存することがわかった。

また、本素子を１１デバイス作製し、―４０℃から８５℃の温度サイクル試験を５００回実施した。その結果を図６、７に示す。５００回経過後においても光挿入損失、消光比の劣化はほとんどなく、信頼性上問題ないことを確認した。

（実施例２：図４）
実施例１と同じように、X板ＬＮウエハにTi拡散光導波路を形成した。次にＬN基板の薄板化工程として、研磨定盤に上記光導波路付きウエハを貼り付け、裏面を研磨加工を実施した。この時、変調用電極が形成される中央部分を厚み約５μｍを保ち、両端部で厚みが１０μｍとなるようにテーパ状に厚みが増すように研磨した。その後、厚み５μｍ部分に電極パターンを形成した。次にLN基板裏面に低誘電率接着剤を変調用電極部の厚みが５０μｍとなるように塗布し、補強用LN基板を貼り付け、薄板型光変調器を作製した。さらにチップ切断および端面研磨加工を実施し、図４に示すLN光変調器チップとした。

このLN光変調器チップに光ファイバを接続してパッケージ内へ実装した後、光挿入損失評価を行った。

本構造は、実施例１と同様に、光結合の過剰損失が−０.９ｄＢであった。更に、実施例１と同様に、比較例と比べ、光調芯作業が簡易で各端面の反射防止膜が不要で光リターンロスが−３０ｄＢ以下になることがわかった。

また、本素子を１１デバイス作製し、―４０℃から８５℃の温度サイクル試験を５００回実施した。その結果を図６、７に示す。５００回経過後においても光挿入損失、消光比の劣化はほとんどなく、信頼性上問題ないことを確認した。

（実施例３：図４）
実施例１と同じように、X板ＬＮウエハにTi拡散光導波路を形成し、その後、光導波路形成した面に電極パターンを形成した。次にＬN基板の薄板化工程として、研磨定盤に上記光導波路付きウエハを貼り付け、裏面を研磨加工した。この時、変調用電極が形成される中央部分を厚み約５μｍを保ち、両端部で厚みが１０μｍとなるようにテーパ状に厚みが増すように研磨した。次にLN基板裏面に低誘電率接着剤を変調用電極部の厚みが５０μｍとなるように塗布し、補強用LN基板を貼り付け、薄板型光変調器を作製した。さらにチップ切断および端面研磨加工を実施し、図４に示すLN光変調器チップとした。

このLN光変調器チップに光ファイバを接続してパッケージ内へ実装した後、光挿入損失評価を行った。

本構造は、実施例１と同様に、光結合の過剰損失が−０.９ｄＢであった。更に、実施例１と同様に、比較例と比べ、光調芯作業が簡易で各端面の反射防止膜が不要で光リターンロスが−３０ｄＢ以下になることがわかった。

（比較例１：図２）
X板ＬＮウエハにTi拡散導波路、変調電極を形成し、光変調器ウエハを製造した。次にＬN基板の薄板化工程として、先ず研磨定盤に上記LN変調器ウエハを貼り付け、裏面を研磨加工にて削り込み、厚さ１０μｍまで薄板加工を実施した。次に、マイクログラインダーにて研削加工し、変調器駆動部下側に凹部を設け、中央部のみ厚み約５μｍの凹段差を設けた。

さらにこの加工後のパタン付きLN基板裏面に低誘電率接着剤を厚み50um塗布し、補強用LN基板を貼り付け、薄板型光変調器基板を作製した。さらに切断及び端面研磨加工を実施してLN光変調器チップとした（図２参照）。

このLN光変調器チップに光ファイバーを接続してパッケージ内へ実装した後、光挿入損失評価を行った。本構造は、実施例１と同様に光結合の過剰損失が−０.９ｄＢであった。更に、実施例１と同様に、光調芯作業が簡易で各端面の反射防止膜が不要で光リターンロスが−３０ｄＢ以下になることがわかった。

本素子を１１デバイス作製し、―４０℃から８５℃の温度サイクル試験を５００回実施した。その結果を図６、７に示す。１００回経過後においても、光挿入損失が増大、消光比も劣化することがわかった。この原因について応力解析をした結果、実施例１，２の場合のように溝形成面が電極面にある場合、基板に働く最大応力は６０MPa以内であるのに対し、比較例１のように電極面が溝形成面と逆にある場合には、基板に働く最大応力が１００MPaを超えることがわかった。このことから、光導波路部への応力集中によりマイクロクラックが発生し、光挿入損失、および消光比が劣化することが判明した。

（比較例２：図１）
比較例１と同様にして、図１のＬＮ光変調器チップ４を作製した。ただし、光変調器の駆動部下側に凹部を設けず、平板形状とした。このLN光変調器チップに光ファイバーを接続してパッケージ内へ実装した後、光挿入損失評価を行ったところ、−２．５ｄＢであった。

本比較例では、チタン拡散導波路の縦（基板の厚み方向）閉じ込めは、薄片化した光導波路基板の厚さで決定される。基板厚みは5ミクロン程度であり、光ファイバーのスポット直径は10ミクロンであり、差が大きすぎるために、実測で−２．５ｄＢもの結合損失が発生することが分かった。

本発明の実施例の光導波路の縦方向閉じ込めは、（１）光導波路基板の光ファイバー接続部厚み、（２）チタン拡散条件（チタン拡散幅あるいはチタン厚みなど）の2通りの設計パラメータが存在するため、自由度が高く、光ファイバーのスポットサイズである直径10ミクロンに近づけることが容易となった。

（比較例３：図９）
図９に示す構造の光変調器５４を作製した。ただし、基板５１は、ニオブ酸リチウム単結晶のＸカット板であり、厚さが５００μｍである。基板５１上にＳｉＯ_２バッファ層を形成し、バッファ層上に電極８Ａ、８Ｂを形成した。これは、厚板の光変調器基板の表面にバッファ層５２を形成することで、速度整合を行った実施形態である。

このLN光変調器チップ５４に光ファイバー１９を接続してパッケージ内へ実装した後、光挿入損失評価を行ったところ、−１．５ｄＢであった。

すなわち、厚板LN光変調器では、チタン拡散条件（チタン拡散幅あるいはチタン厚みなど）のみで制御するしかなく、本願発明よりも自由度に劣る。なぜなら、LN厚みは十分に厚く、LN厚みによる光導波路閉じ込めは期待できないため設計パラメータとはならないためである。しかし、本比較例でも，比較例２（図１）の光変調器よりも、結合損失は良好であった。

（Ｔｉ線幅とスポットサイズ、ファイバとの結合損失）
実施例３（図４）で示す構造と比較例２（図９）で示す構造について、Ｔｉ幅に対する光のスポットサイズの変化の実験結果を図１０と図１１に示す。Ｔｉ厚は０．０８μｍとした。この結果、基板厚が十分厚い場合、Ｔｉ幅が４μｍ以下ではカットオフとなり、光が放射するが、基板厚が２０μｍ以下ではカットオフのポイントがシフトし、２．５μｍまで導波モードとして機能することがわかった。

さらに、光ファイバとの結合損失についても、スポットサイズを反映し、Ｔｉ線幅が２．５μｍから７μｍまでの領域に調整することで、比較例２の基板厚が十分厚い構造よりも、結合損失が低減できることがわかった。
本結果は、Ｔｉ厚が７００オングストローム（０．０７μｍ）〜１１００オングストローム（０．１１）μｍの領域で同様な結果となる。Ｔｉ厚を厚くすることにより、図１２の結合損失が最小となるＴｉ線幅が狭い方向にシフトし、１０００オングストロームでは２μｍで最小になることがわかった。

対照例１の光変調器４を模式的に示す斜視図である。 対照例２に係る素子１４を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る光変調器２４を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る光変調器３４を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る光変調器４４を示す斜視図である。 温度サイクル後の光挿入損失を示すグラフである。 温度サイクル試験後の消光比を示すグラフである。 ＬＮ基板厚と水平方向、垂直方向のスポットサイズおよび結合損失を示すグラフである。 比較例で用いた光変調器チップ５４および光ファイバー１９を示す模式図である。 実施例３と比較例２におけるＴｉ幅に対するスポットサイズ（水平方向）を示すグラフである。 実施例３と比較例２におけるＴｉ幅に対するスポットサイズ（垂直方向）を示すグラフである。 実施例３と比較例２におけるＴｉ幅に対するファイバとの結合損失を示すグラフである。

１、１１、２１、４１ 変調用基板 １ａ、１１ａ、２１ａ、４１ａ 入射部 １ｂ、１１ｂ、２１ｂ、４１ｂ 出射部 １ｃ、１１ｃ、２１ｃ、４１ｃ 高周波相互作用部 ２、１２、２２、４２ 光導波路 ２ａ、１２ａ、２２ａ、４２ａ 入射部 ２ｂ、１２ｂ、２２ｂ、４２ｂ 出射部 ２ｃ、１２ｃ、２２ｃ、４２ｃ 高周波相互作用部 ４、１４、２４、４４ 光変調器 ５ 支持基板 ６ 接着層 ７ 変調用基板 ８、８Ａ、８Ｂ 変調用電極 ９ 光導波路 １９ 光ファイバー ３０ 変調用基板の一方の主面 ３１ 変調用基板の他方の主面 ３７、４７ 凹部 ４０Ａ、４０Ｂ 段差

Claims (8)

1. 支持基板、
   電気光学材料からなる変調用基板、
   この変調用基板の一方の主面側に設けられている光導波路、および
   前記変調用基板の他方の主面を前記支持基板に接着する接着層を備えている光変調器であって、
   前記変調用基板が、前記光導波路に対して電圧を印加し、伝搬光を変調する高周波相互作用部、前記光導波路に対して光を入射する入射部および前記光導波路からの光を出射する出射部を備えており、前記変調用基板の前記一方の主面側において前記高周波相互作用部が前記入射部および前記出射部から凹んでおり、前記高周波相互作用部の厚さが前記入射部の厚さおよび前記出射部の厚さよりも小さいことを特徴とする、光変調器。
2. 前記高周波相互作用部と前記入射部との間に段差が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の光変調器。
3. 前記高周波相互作用部と前記出射部との間に段差が設けられていることを特徴とする、請求項１または２記載の光変調器。
4. 前記変調用基板の前記一方の主面が前記入射部において滑らかなテーパ面を形成することを特徴とする、請求項１記載の光変調器。
5. 前記変調用基板の前記一方の主面が前記出射部において滑らかなテーパ面を形成することを特徴とする、請求項１または４記載の光変調器。
6. 前記高周波相互作用部の厚さが１０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の光変調器。
7. 前記高周波相互作用部の厚さと前記入射部との厚さの差、および前記高周波相互作用部の厚さと前記出射部の厚さの差がそれぞれ０．５μｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の光変調器。
8. 前記変調用基板の前記他方の主面が前記入射部、前記高周波相互作用部および前記出射部にわたって平坦であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つの請求項に記載の光変調器。

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