JP2014142411A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】作製が容易で、進行波電極の特性インピーダンスを所定の値に維持した状態で、小型または低駆動電圧の光変調器を提供する。
【解決手段】光変調器は、単結晶基板４と、単結晶基板４の主面上に形成されたエピタキシャル膜であり、リッジ形状部７を有するニオブ酸リチウム膜５と、リッジ形状部７上に形成されたバッファ層６と、バッファ層６上に形成された第１電極２ａ、２ｂと、ニオブ酸リチウム膜５の上面および／または段差部と接して形成された第２電極３ａ、３ｂ、３ｃとを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光通信、光計測分野において用いられる光変調器に関する。

インターネットの普及に伴い通信量は飛躍的に増大しており、光ファイバ通信の重要性が非常に高まっている。光ファイバ通信は、電気信号を光信号に変換し、光信号を光ファイバにより伝送するものであり、広帯域、低損失、ノイズに強いという特徴を有する。

電気信号を光信号に変換する方式としては、半導体レーザによる直接変調方式と光変調器を用いた外部変調方式が知られている。直接変調は光変調器が不要で低コストであるが、高速変調には限界があり、高速で長距離の用途では外部光変調方式が使われている。

光変調器としては、ニオブ酸リチウム単結晶基板の表面付近にＴｉ（チタン）拡散により光導波路を形成した光変調器が実用化されている。４０Ｇｂ／ｓ以上の高速の光変調器が商用化されているが、全長が１０ｃｍ前後と長いことが大きな欠点になっている。Ｔｉ拡散による光導波路は閉じ込めが弱いこと、ニオブ酸リチウムの誘電率が高いことが欠点であり、十分な小型化は実現されていない。

これに対して、特許文献１では、サファイア単結晶基板上にエピタキシャル成長によりｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜を形成し、そのニオブ酸リチウム膜を光導波路として用いたマッハツェンダー型光変調器が開示されている。

特開２００６−１９５３８３号公報

しかしながら、特許文献１によるニオブ酸リチウム膜を用いた光変調器には、以下に示す課題が残されている。図１２に特許文献１の光変調器１００の断面構成を示す。サファイア基板２１上にエピタキシャル成長によりニオブ酸リチウム膜が形成された後、微細加工により長方形状の断面を有する光導波路（２２ａ、２２ｂ）が形成されている。光導波路（２２ａ、２２ｂ）の側面と上面はＳｉＯ_２バッファ層２３により囲まれていて、いわゆる、埋め込み型の光導波路（２２ａ、２２ｂ）となっている。光導波路（２２ａ、２２ｂ）の上部には、バッファ層２３を介して、電極（２４ａ、２４ｂ）が配置されている。光変調器１００用の光導波路（２２ａ、２２ｂ）はシングルモード、もしくは、実質上、一つのモードのみ導波するように設計する必要がある。この従来例で示されている埋め込み型の光導波路（２２ａ、２２ｂ）では、シングルモードの条件を満足するためには、非常に微細な導波路にする必要があり、作製が困難という課題があった。例えば、波長１５５０ｎｍにおいてシングルモード条件を満足する光導波路（２２ａ、２２ｂ）のサイズを計算した所、光導波路（２２ａ、２２ｂ）の高さが１μｍの場合は、光導波路（２２ａ、２２ｂ）の幅を１μｍ以下と大変狭くする必要がある。また、バッファ層２３はニオブ酸リチウム膜より誘電率が低いので、電極（２４ａ、２４ｂ）間に電圧を印加した場合に、光導波路（２２ａ、２２ｂ）には十分な電界が印加されず、大型または駆動電圧が高いという課題もあった。電極間のギャップを狭めることで、光導波路（２２ａ、２２ｂ）に印加される電界を強めることはできるものの、電極の特性インピーダンスが低くなり、所定の値を維持できないという別の問題が生じてしまう。

本発明は、上記の点を考慮してなされたもので、単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成されたニオブ酸リチウム膜を用い、作製が容易で、進行波電極の特性インピーダンスを所定の値に維持した状態で、小型または駆動電圧を低減した光変調器を提供することを目的とする。

本発明は、単結晶基板と、単結晶基板の主面上に形成されたエピタキシャル膜であり、リッジ形状部を有するニオブ酸リチウム膜と、リッジ形状部上に形成されたバッファ層と、バッファ層上に形成された第１電極と、ニオブ酸リチウム膜の上面および／または段差部と接して形成された第２電極とを有する光変調器である。

第２電極の一部の膜厚は第１電極の膜厚より薄いことが好ましい。また、第２電極の段差部および上面の少なくとも一部に、バッファ層が配置されていることが好ましい。

単結晶基板は、サファイア単結晶基板またはシリコン単結晶基板であることが好ましく、単結晶基板がシリコン単結晶基板の場合は、シリコン単結晶基板とニオブ酸リチウム膜の間にクラッド層を備えることが好ましい。

本発明により、作製が容易で、進行波電極の特性インピーダンスを所定の値に維持した状態で、小型または駆動電圧を低減した光変調器を実現することができる。

実施形態１の光変調器の平面図である。 実施形態１の光変調器の断面図である。 実施形態２の光変調器の断面図である。 比較形態１の光変調器の断面図である。 比較形態２の光変調器の断面図である。 ＶπＬの計算結果を示す図である。 特性インピーダンスの計算結果を示す図である。 ＶπＬの計算結果を示す図である。 実施形態３の光変調器の断面図である。 実施形態４の光変調器の断面図である。 実施形態５の光変調器の断面図である。 従来技術の光変調器の断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明の対象は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれると共に、その構成要素は、適宜組み合わせることが可能である。また説明図は模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係は、本実施形態の効果が得られる範囲内で実際の構造とは異なっていても良いこととする。

以下、実施形態１について図面を参照して説明する。図１は、実施形態１の、マッハツェンダ型の光変調器１０の平面図である。以後、光変調器１０と呼ぶ。光変調器１０は、電気光学効果を有する光導波路１で形成されたマッハツェンダ干渉計に、電圧を印加して光導波路１内を伝搬する光を変調するデバイスである。光導波路１は、２本の光導波路（１ａ、１ｂ）に分岐され、光導波路（１ａ、１ｂ）上には、それぞれ１本ずつ、すなわち、２本の第１電極（２ａ、２ｂ）が設けられていて、デュアル電極構造となっている。

図２は、実施形態１の、光変調器１０のＡ−Ａ´線の断面図である。単結晶基板４の主面上にエピタキシャル成長によりニオブ酸リチウム膜５が形成されている。ニオブ酸リチウム膜５のｃ軸は単結晶基板４の主面に垂直方向に配向している。ニオブ酸リチウム膜５はリッジ形状部７を有しており、光導波路（１ａ、１ｂ）として機能している。このリッジ型の光導波路（１ａ、１ｂ）は、シングルモード動作の範囲が広く、作製が容易という特徴を有する。例えば、波長１５５０ｎｍにおいて、リッジ形状部７におけるニオブ酸リチウム膜５の膜厚１μｍ、リッジ高さ０．２μｍ、光の進行方向と直交する左右のニオブ酸リチウム膜５の膜厚０．８μｍの場合、リッジ幅が２．３μｍまでシングルモード条件を満足できる。リッジ形状部７上にはバッファ層６を介して第１電極（２ａ、２ｂ）が形成されている。第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）は、ニオブ酸リチウム膜５の上面と接して形成されている。また、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚は第１電極（２ａ、２ｂ）の膜厚より薄くなっている。通常、リッジ形状部７は凸形状部の上に突き出した場所を指す。この上に突き出した場所は、光の進行方向と直交する左右の場所と比較して、ニオブ酸リチウム膜５の膜厚が厚くなっているので、実効屈折率が高くなっている。そのため、光の進行方向と直交する左右方向についても光を閉じ込めることができ、３次元光導波路として機能する。リッジ形状部７の形状は光を導波可能とする形状であればよく、リッジ形状部７におけるニオブ酸リチウム膜５の膜厚が、光の進行方向と直交する左右のニオブ酸リチウム膜５の膜厚より厚ければよい。上に凸のドーム形状、三角形状などであっても良い。

光変調器１０の動作原理について説明する。図１において、２本の第１電極（２ａ、２ｂ）と、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）を終端抵抗９で接続して、進行波電極として機能させる。第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）を接地電極とし、２本の第１電極（２ａ、２ｂ）に対して、絶対値が同じで正負の異なる位相がずれていない、いわゆる、相補信号を光変調器１０の第１電極（２ａ、２ｂ）の入力側（１３ａ、１３ｂ）から入力する。ニオブ酸リチウム膜５は電気光学効果を有しているので、光導波路（１ａ、１ｂ）に与えられる電界によって光導波路（１ａ、１ｂ）の屈折率がそれぞれ＋Δｎ、−Δｎのように変化し、光導波路（１ａ、１ｂ）間の位相差が変化する。この位相差の変化により光変調器１０の出射導波路１ｃから強度変調された信号光が出力側１２に出力される。光導波路（１ａ、１ｂ）間の位相差がπの偶数倍であれば光は強め合い、位相差がπの奇数倍ならば光は弱め合う。

次に、実施形態１、実施形態２、比較形態１、比較形態２の４つの形態を比較した結果を詳細に説明する。図３は実施形態２の断面図であり、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）は単結晶基板４上に形成され、かつ、ニオブ酸リチウム膜５の段差部（５１）と接していて、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚は第１電極（２ａ、２ｂ）の膜厚より薄くなっている。第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）以外の部分については、実施形態１と同じである。図４は比較形態１の断面図であり、ニオブ酸リチウム膜５の断面を長方形状に加工することで埋め込み導波路（２５ａ、２５ｂ）を形成している。光導波路（２５ａ、２５ｂ）上にはバッファ層６を介して第１電極（２ａ、２ｂ）が設けられている。第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）は、バッファ層６の上面に形成されており、ニオブ酸リチウム膜５とは接していない。図５は比較形態２の断面図であり、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）はバッファ層６の上面に形成されており、ニオブ酸リチウム膜５とは接していない。第２電極（２ａ、２ｂ）以外の部分については、実施形態１と同じである。

第１電極（２ａ、２ｂ）の部分は４つの形態において同一条件とし、進行波電極の特性インピーダンス、ＶπＬ、帯域特性をシミュレーションにより計算した。ここで、Ｖπとは半波長電圧であり、光出力が最大となる電圧Ｖ１と最小となる電圧Ｖ２との差で定義され、駆動電圧を意味している。Ｌは、リッジ形状部７を有する導波路上の電極の長さである。ＶπはＬと反比例の関係にあり、例えば、同一の値であるＶπとＬの積値について、Ｌが２倍になると、Ｖπは半分になる。そのため、ＶπとＬの積をとったＶπＬは、光変調器１０の性能を表す重要な指標である。ＶπＬが小さい程、小型または低駆動電圧であることを示している。なお、本発明で小型とはＬが短いことを意味している。図１において幅方向の寸法はＬより十分小さく問題とならない。通常、Ｌは数ｍｍ〜５０ｍｍの範囲であるが、導波路１ａ、１ｂの間隔は１００μｍ以下であり、Ｌと比較すると十分短い。通常、幅方向の寸法（Ｗ）とＬの比、Ｗ／Ｌは０．０２以上０．５以下である。図１は、横方向と比べて縦方向を大幅に拡大して描いた模式図になっている。計算条件として、第１電極（２ａ、２ｂ）の幅は３μｍ、第１電極（２ａ、２ｂ）の膜厚は６μｍ、ニオブ酸リチウム膜５の膜厚は１μｍ、バッファ層６の膜厚は１μｍ、単結晶基板４はサファイア、バッファ層６はアルミナ膜、電極は金とした。入力側１１の光導波路１に入射する光の波長は１５５０ｎｍとした。

図６にＶπＬを計算した結果を示す。横軸のギャップＧは第１電極（２ａ、２ｂ）と第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の間隔である。ギャップＧが狭いほど、ＶπＬを低減できる。比較形態１、比較形態２と比較して、実施形態１と実施形態２は、同じギャップＧで比較した場合に、ＶπＬを低減できていることが分かる。これは、実施形態１と実施形態２では、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）とニオブ酸リチウム膜５の間にバッファ層６が介在していないので、光導波路（１ａ、１ｂ）に高い電界を印加できるからである。また、実施形態１と実施形態２の差異は小さく、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）がニオブ酸リチウム膜５と接していれば、構造によらずＶπＬの低減効果があることが分かる。なお、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚を変化させた場合のＶπＬの変化は小さい。

図７に進行波電極の特性インピーダンスを計算した結果を示す。ギャップＧにより、特性インピーダンスは変化し、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚によっても変化することが分かる。特性インピーダンスは所定の値にする必要があり、例えば、５０Ωの場合を考えると、図７に示す３つの例では５０ΩとなるギャップＧが異なっている。特性インピーダンスが５０ΩとなるギャップＧは、比較形態２で第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚が６μｍの場合は６．３μｍ、実施形態１で第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚が１μｍの場合は５．３μｍ、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚が６μｍの場合は６．８μｍであった。一般に第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚が薄いほど、特性インピーダンスは高くなる。一方、ギャップＧが狭くなるほど、特性インピーダンスは低くなる。ここで、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）が同一膜厚の場合、比較形態２の方が実施形態１よりギャップＧが小さくなっている。しかし、Ｌに比較してギャップＧは十分小さい値なので問題にはならない。

このように特性インピーダンスは、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚、ギャップＧに依存するので、特性インピーダンスが同じ値になる条件で比較することが重要である。特性インピーダンスが５０ΩとなるようにギャップＧを設定し、ＶπＬを計算した結果を図８に示す。第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚Ｔｇが第１電極（２ａ、２ｂ）の膜厚と等しく６μｍの場合は、比較形態１と比較形態２はほぼ同じ結果であり、ＶπＬ＝３．８Ｖｃｍであった。実施形態１と実施形態２もほぼ同じ結果であり、ＶπＬ＝３．５Ｖｃｍであった。実施形態１と実施形態２の差異が小さく、さらに、比較形態１と比較形態２の差異が小さいことから、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）がニオブ酸リチウム膜５と接しているのか否かが、ＶπＬに影響していることが分かる。第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）がニオブ酸リチウム膜５と接している場合は、接していない場合と比較して、ＶπＬを約１０％低減する効果がある。いずれの形態においても、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚が薄い程、ＶπＬを低減できている。なお、高周波では表皮効果により電極の損失が大きくなり、第１電極（２ａ、２ｂ）の幅および膜厚は、ある程度大きくする必要がある。従って、第１電極（２ａ、２ｂ）の幅および膜厚を同じ条件にして構造を比較することが重要である。また、図８とは異なり、ギャップＧを固定して、電極の膜厚を変化させてインピーダンスを５０Ωに設定してもよい。第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚はＶπＬにはほとんど影響しないので、この場合は図６と同じ結果となる。実施形態１と実施形態２のＶπＬはほぼ同じであり、比較形態１と比較形態２より低く、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）がニオブ酸リチウム膜５と接している場合に、特性インピーダンスを維持した状態でＶπＬを低くできる。

以上、説明したように、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）がニオブ酸リチウム膜５と接していて、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚を第１電極（２ａ、２ｂ）の膜厚より薄くすることで、特性インピーダンスを維持した状態で、ＶπＬを低減できる、すなわち、小型または駆動電圧を低減できることが分かる。また、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）がニオブ酸リチウム膜５と接していて、ギャップＧを同一の値として第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚を調整することで、特性インピーダンスを維持した状態で、ＶπＬを低減できる。ここで、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）がニオブ酸リチウム膜５の上面および／または段差部５１と接している場合に、本質的に重要なことは、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）と光導波路（１ａ、１ｂ）とを結ぶ経路の中でニオブ酸リチウム膜５のみが介在している経路があることである。このようなニオブ酸リチウム膜５のみの経路があることにより、ＶπＬを低減できる。この理由について、平行平板の電極の間に、厚さｄ１、比誘電率ε１のニオブ酸リチウム膜と厚さｄ２、比誘電率ε２のバッファ層が挿入されている簡単なモデルを用いて説明する。電圧Ｖを印加すると、ニオブ酸リチウム膜の部分に印加される電界は、Ｖ／（ｄ１＋ｄ２ε１／ε２）であり、バッファ層６が介在すると同一印加電圧に対するニオブ酸リチウム膜５に印加される電界が低くなる。バッファ層として使用されるＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３などの比誘電率ε２は、通常、ニオブ酸リチウム膜５の比誘電率ε１より低く、ε１／ε２＞１であり、バッファ層介在による電界の低減は大きくなる。逆に、ニオブ酸リチウム膜５のみであれば、ニオブ酸リチウム膜５に印加される電界は高くなるので、ＶπＬを低減できる。図４で示した埋め込み導波路では、光導波路（１ａ、１ｂ）の周囲は光導波路（１ａ、１ｂ）より低い屈折率の領域により囲まれており、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）と光導波路（１ａ、１ｂ）とを結ぶ経路は、ニオブ酸リチウム膜５以外の領域を必ず含んでいる。本発明の効果を得るには、実効屈折率が高く、光の進行方向と直交する左右方向についても光を閉じ込めることができるリッジ形状部７を有する導波路にする必要がある。

次に帯域特性について説明する。広帯域の光変調器１０を実現するには、光導波路（１ａ、１ｂ）を伝搬する光の速度と進行波電極を伝搬する高周波の速度を一致させる必要がある。すなわち、光導波路（１ａ、１ｂ）と進行波電極の実効屈折率を一致させる必要がある。一例として、単結晶基板４として、比誘電率が１０のサファイア単結晶基板を用いた場合を考える。ニオブ酸リチウム膜５と第１電極（２ａ、２ｂ）および第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚が十分薄く、無視できるとすると、進行波電極の実効比誘電率は、単結晶基板と空気の比誘電率の平均値と近似でき、空気の比誘電率は約１なので、単結晶基板４の比誘電率１０と１の平均をとって、５．５となる。実効屈折率は実効比誘電率の平方根であり、進行波電極の実効屈折率は２．３となる。ニオブ酸リチウム膜５による光導波路（１ａ、１ｂ）の実効屈折率は約２．１であり、速度整合がほぼ取れており、本発明は広帯域に大変適した構成であることが分かる。図８において計算した全ての条件において、電極長１０ｍｍにおける帯域は２０ＧＨｚ以上となっており、広帯域特性を満足している。

本発明の構成要素について詳しく説明する。単結晶基板４としては、ニオブ酸リチウム膜５をエピタキシャル膜として形成させることができる基板であればよく、サファイア単結晶基板もしくはシリコン単結晶基板が好ましい。シリコン単結晶の比誘電率は１２であり、サファイア単結晶の比誘電率１０と近く、シリコン単結晶基板を用いた場合もサファイア単結晶基板と同様、広帯域に大変適した構成となっている。単結晶基板４の結晶方位は特に限定されない。ニオブ酸リチウム膜５はさまざまな結晶方位の単結晶基板４に対して、ｃ軸配向のエピタキシャル膜として形成されやすいという性質を持っている。ｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜５は３回対称の対称性を有しているので、下地の単結晶基板４も同じ対称性を有していることが望ましく、サファイア単結晶基板の場合はｃ面、シリコン単結晶基板の場合は（１１１）面の基板が好ましい。

ここで、エピタキシャル膜とは、下地の基板もしくは下地膜の結晶方位に対して、そろって配向している膜のことである。膜面内をＸ−Ｙ面とし、膜厚方向をＺ軸としたとき、結晶がＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向にともにそろって配向しているものである。例えば、第１に２θ−θＸ線回折による配向位置でのピーク強度の確認と、第２に極点の確認を行うことで、エピタキシャル膜を証明できる。

具体的には、第１に２θ−θＸ線回折による測定を行ったとき、目的とする面以外の全てのピーク強度が目的とする面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である必要がある。例えば、ニオブ酸リチウムのｃ軸配向エピタキシャル膜では、（００Ｌ）面以外のピーク強度が、（００Ｌ）面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である。（００Ｌ）は、（００１）や（００２）などの等価な面を総称する表示である。

第２に、極点測定において、極点が見えることが必要である。前述の第１の配向位置でのピーク強度の確認の条件においては、一方向における配向性を示しているのみであり、前述の第１の条件を得たとしても、面内において結晶配向がそろっていない場合には、特定角度位置でＸ線の強度が高まることはなく、極点は見られない。ＬｉＮｂＯ３は三方晶系の結晶構造であるため、単結晶におけるＬｉＮｂＯ３（０１４）の極点は３つとなる。ニオブ酸リチウム膜５の場合、ｃ軸を中心に１８０°回転させた結晶が対称的に結合した、いわゆる双晶の状態にてエピタキシャル成長することが知られている。この場合、３つの極点が対称的に２つ結合した状態になるため、極点は６つとなる。また、（１００）面のシリコン単結晶基板上にニオブ酸リチウム膜５を形成した場合は、基板が４回対称となっているため、４ｘ３＝１２個の極点が観測される。なお、本発明では、双晶の状態にてエピタキシャル成長したニオブ酸リチウム膜５もエピタキシャル膜に含める。

ニオブ酸リチウム膜５の組成はＬｉ_ｘＮｂＡ_ｙＯ_ｚである。Ａは、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｏ以外の元素を表している。ｘは０．５〜１．２であり、好ましくは、０．９〜１．０５である。ｙは、０〜０．５である。ｚは１．５〜４であり、好ましくは２．５〜３．５である。Ａの元素としては、Ｋ、Ｎａ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｃｅなどがあり、２種類以上の組み合わせでも良い。

ニオブ酸リチウム膜５の膜厚は２μｍ以下であることが望ましい。これ以上、膜厚が厚くなると、高品質な膜を形成するのが困難になるとともに、進行波電極の実効比誘電率が高くなってしまい、速度整合を満足するのが難しくなるからである。ニオブ酸リチウム膜５の膜厚が薄すぎる場合は、ニオブ酸リチウム膜５における光の閉じ込めが弱くなり、単結晶基板４やバッファ層６に光が漏れて導波することになる。ニオブ酸リチウム膜５に電界を印加しても、光導波路（１ａ、１ｂ）の実効屈折率の変化が小さくなるおそれがある。そのため、ニオブ酸リチウム膜５は、波長の１／３程度以上の膜厚が望ましい。

ニオブ酸リチウム膜５の形成方法としては、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などの膜形成方法を利用するのが望ましい。ｃ軸が単結晶基板４の主面に垂直に配向されており、ｃ軸に平行に電界を印加することで、電界に比例して光学屈折率が変化する。単結晶基板４としてサファイアを用いる場合は、サファイア単結晶基板上に直接、ニオブ酸リチウム膜５をエピタキシャル成長できる。単結晶基板４としてシリコンを用いる場合は、クラッド層（図示せず）を介して、ニオブ酸リチウム膜５をエピタキシャル成長により形成する。クラッド層（図示せず）としては、ニオブ酸リチウム膜５より屈折率が低く、エピタキシャル成長に適したものを用いる。例えば、クラッド層（図示せず）としてＹ_２Ｏ_３を用いると、高品質のニオブ酸リチウム膜５を形成できる。

バッファ層６としては、ニオブ酸リチウム膜５より屈折率が低く、透明性が高い材料であればよく、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２、Ｌａ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＨｆＯ_２、ＭｇＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＦ_２などを用いることができる。電極の光吸収による光導波路（１ａ、１ｂ）の伝搬損失を低減するために、光導波路（１ａ、１ｂ）と第１電極（２ａ、２ｂ）の間にバッファ層６を配置する必要がある。バッファ層６の膜厚は、電極の光吸収を低減するためには厚いほど良く、光導波路（１ａ、１ｂ）に高い電界を印加するためには薄いほど良い。電極の光吸収と電極の印加電圧とは、トレードオフの関係にあるので、目的に応じて適切な膜厚を設定する必要がある。なお、図８はバッファ層として膜厚１μｍのアルミナ膜（Ａｌ_２Ｏ_３膜）を用いた場合について計算した結果であるが、材料と膜厚を変更しても、得られる傾向は変わらない。本発明の効果は、バッファ層の材料や膜厚に依存せず、得られる。

第１電極（２ａ、２ｂ）、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の材料は、電気伝導度が高い材料であればよいが、高周波における信号の伝搬損失を低減するために、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔなどの高電気伝導度の金属材料を使用することが望ましい。

電極の構造については様々な変形が可能である。実施形態１では、第１電極（２ａ、２ｂ）を信号電極、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）を接地電極として動作原理を説明したが、例えば、第２電極３ｂ、もしくは、第２電極３ａと３ｃを省いてもよい。また、第２電極３ｂを省き、第１電極２ａもしくは第１電極２ｂを接地電極とすることもできる。第１電極（２ａ、２ｂ）には相補信号を入力すると説明したが、一方のみに入力し、他方を省くことも可能である。さらに、第１電極（２ａ、２ｂ）におけるニオブ酸リチウム膜５の分極方向を反転させることにより、相補信号ではなく、同じ信号を入力することも可能である。

第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚を第１電極（２ａ、２ｂ）の膜厚より薄くすることが好ましいと説明したが、これは、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の全ての部分について規定しているのではなく、少なくとも一部について薄ければよい。例えば、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚を、第１電極（２ａ、２ｂ）の近傍では第１電極（２ａ、２ｂ）の膜厚より薄くし、離れた部分では第１電極（２ａ、２ｂ）の膜厚以上に設定してもよい。このように設定しても、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚が第１電極（２ａ、２ｂ）の膜厚と等しい場合と比較して、特性インピーダンスを低減できるので、発明の効果が得られる。

図９は実施形態３の光変調器１０の断面図である。単結晶基板４の部分を、シリコン単結晶基板４１、エピバッファ層４２、クラッド層４３で置き換えた以外は、実施形態２と同じである。光導波路（１ａ、１ｂ）はリッジ形状部７を有するリッジ型光導波路（１ａ、１ｂ）となっており作製が容易である。第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）はニオブ酸リチウム膜５の段差部５１と接して形成されていて、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚は第１電極（２ａ、２ｂ）の膜厚より薄くなっているので、特性インピーダンスを維持した状態で、小型または低駆動電圧を実現できる。シリコン単結晶基板４１上にニオブ酸リチウム膜５を直接エピタキシャル成長させるのは困難であり、エピタキシャル成長を促進させるバッファ層４２を介して、成長させる必要がある。このバッファ層４２を、バッファ層６と区別するため、ここでは、エピバッファ層４２と呼んでいる。また、ニオブ酸リチウム膜５を用いて光導波路１を形成し、光を伝搬させるためには、ニオブ酸リチウム膜５の光学屈折率が周囲の光学屈折率より高いことが必要である。このため、光学屈折率が約３．５のシリコン単結晶基板４１を用いる場合は、シリコン単結晶基板４１とニオブ酸リチウム膜５の間にニオブ酸リチウム膜５の光学屈折率より低い光学屈折率を有するクラッド層４３を挟む必要がある。エピバッファ層４２、クラッド層４３、ニオブ酸リチウム膜５は全て、エピタキシャル膜となっている。なお、シリコン単結晶基板４１を用いる場合、クラッド層４３は必須であるが、エピエピバッファ層４２を省くことができる。エピバッファ層４２としてはＺｒＯ_２、クラッド層４３としては、Ｙ_２Ｏ_３が好ましい。

図１０は実施形態４の光変調器１０の断面図である。光導波路（１ａ、１ｂ）はリッジ形状部７を有するリッジ型光導波路（１ａ、１ｂ）となっており作製が容易である。第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）はニオブ酸リチウム膜５の上面と接して形成されていている。さらに、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）はバッファ層６とも接していて、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の段差部３１および上面の少なくとも一部に、バッファ層６が配置されている。ここで、第１電極（２ａ、２ｂ）と第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）のギャップにはバッファ層６が介在しているので、第１電極（２ａ、２ｂ）と第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）がショートする可能性は低く、歩留の悪化を低減できるという顕著な効果も有している。高周波では表皮効果により電極の表面にしか電流が流れないので、損失が高くなる。この損失を低減するには、電極の表面積を広げる必要があるが、第１電極（２ａ、２ｂ）の幅を広げることはＶπＬが高くなる方向であり好ましくなく、第１電極（２ａ、２ｂ）の膜厚を厚くすることが好ましい。このように電極の膜厚が厚い場合、ショートする可能性が高く、歩留が悪くなるという問題があった。なお、実施形態１と比較すると、実施形態４は、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の上面にバッファ層６が配置されている点が異なるが、この違いはＶπＬや特性インピーダンスに大きく影響しないので、実施形態１で得られる発明の効果は実施形態４についても成り立つ。さらに、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚は第１電極（２ａ、２ｂ）の膜厚より薄くなっているので、特性インピーダンスを維持した状態で、より小型または低駆動電圧を実現できる。

図１１は実施形態５の光変調器１０の断面図である。光導波路（１ａ、１ｂ）はリッジ形状部７を有するリッジ型光導波路（１ａ、１ｂ）となっており作製が容易である。第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）は単結晶基板４上に形成されている。第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）はニオブ酸リチウム膜５の段差部５１および上面の少なくとも一部に接していて、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚は第１電極（２ａ、２ｂ）の膜厚より薄くなっている。さらに、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）はバッファ層６とも接していて、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の段差部３１および上面の少なくとも一部に、バッファ層６が配置されている。ここで、第１電極（２ａ、２ｂ）と第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）のギャップにはバッファ層６が介在しているので、第１電極（２ａ、２ｂ）と第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）がショートする可能性は低く、歩留の悪化を低減できる。なお、実施形態２と比較すると、実施形態５は、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）はニオブ酸リチウム膜５の段差部５１および上面の少なくとも一部に接していて、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の上面にバッファ層６が配置されている点が異なるが、この違いはＶπＬや特性インピーダンスに大きく影響しないので、実施形態２で得られる発明の効果は実施形態４についても成り立つ。さらに、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚は第１電極（２ａ、２ｂ）の膜厚より薄くなっているので、特性インピーダンスを維持した状態で、より小型または低駆動電圧を実現できる。

本発明に係わる光変調器は、光ファイバ通信、光計測における様々な用途に利用できる。

１０、１００ 光変調器
１、１ａ、１ｂ、１ｃ 光導波路
２ａ、２ｂ 第１電極
３ａ、３ｂ、３ｃ 第２電極
３１ 第２電極の段差部
４ 単結晶基板
４１ シリコン単結晶基板
４２ エピバッファ層
４２ クラッド層
５ ニオブ酸リチウム膜
５１ ニオブ酸リチウム膜の段差部
６ バッファ層
７ リッジ形状部
９ 終端抵抗
１１ 入力側
１２ 出力側
１３ａ、１３ｂ 入力側
２１ サファイア基板
２２ａ、２２ｂ 光導波路
２３ ＳｉＯ_２バッファ層
２４ａ、２４ｂ 電極
２５ａ、２５ｂ 光導波路

Claims (5)

1. 単結晶基板と、
   前記単結晶基板の主面上に形成されたエピタキシャル膜であり、リッジ形状部を有するニオブ酸リチウム膜と、
   前記リッジ形状部上に形成されたバッファ層と、
   前記バッファ層上に形成された第１電極と、
   前記ニオブ酸リチウム膜の上面および／または段差部と接して形成された第２電極とを有する光変調器。
2. 前記第２電極の少なくとも一部の膜厚は前記第１電極の膜厚より薄いことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 前記第２電極の段差部および上面の少なくとも一部に、前記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または２に記載の光変調器。
4. 前記単結晶基板がサファイア単結晶基板であることを特徴とする請求項１ないし３に記載の光変調器。
5. 前記単結晶基板がシリコン単結晶基板であり、
   前記単結晶基板と前記ニオブ酸リチウム膜の間にクラッド層を備えることを特徴とする請求項１ないし３に記載の光変調器。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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