JP2015118371A

JP2015118371A - 光変調器

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Publication number: JP2015118371A
Application number: JP2014227075A
Authority: JP
Inventors: 岩塚　信治; Shinji Iwatsuka; 信治岩塚; 権治佐々木; Kenji Sasaki; 真理谷口; Mari Taniguchi
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2013-11-15
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2015-06-25
Anticipated expiration: 2034-11-07
Also published as: US9244296B2; JP6787387B2; JP6456662B2; US20150138619A1; JP2019045880A

Abstract

【課題】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、進行波電極の特性インピーダンスＺｃを所定の値に維持した状態で、低ＶπＬの光変調器を提供することを目的とする。
【解決手段】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、第１電極とは離間して配置された第２電極とを少なくとも有し、第２電極は、ニオブ酸リチウム膜と接していることを特徴とする光変調器を提供する。
【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。

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１５に従来形態の光変調器として、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であるバッファ層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。ＳｉＯ_２であるバッファ層２３の比誘電率は４であり、ニオブ酸リチウム膜の比誘電率２８（ｃ軸と平行）、４３（ｃ軸と垂直方向）より大幅に低いので、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、半波長電圧Ｖπが高いという課題があった。電極長Ｌを長くすることで半波長電圧Ｖπを低減することはできるものの、大型になってしまう。すなわち、ＶπＬが高いという問題があった。バッファ層２３として比誘電率が高い材料を使うことで、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Ｚｃ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。特性インピーダンスＺｃを維持するためには、電極間のギャップを広げる必要があり、光導波路（２２ａ、２２ｂ）に印加される電界が弱まってしまう。

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、進行波電極の特性インピーダンスＺｃを所定の値に維持した状態で、低ＶπＬの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、第１電極とは離間して配置された第２電極とを少なくとも有し、第２電極は、ニオブ酸リチウム膜と接していることを特徴とする光変調器である。この構造とすることにより、光導波路に効率良く電界を印加できるため、進行波電極の特性インピーダンスＺｃを維持したまま、ＶπＬを低下させることができる。

本発明のバッファ層は、第２電極と離間して配置することができる。この構造とすることにより、特性インピーダンスＺｃを高めることができるため、特性インピーダンスＺｃを所定の値に維持した状態で、ＶπＬをさらに低下させることができる。

本発明の光変調器では、バッファ層の側面およびリッジ形状部の側面に接して配置された誘電体層を設けることができる。この構造とすることにより、リッジ形状部を保護できる。

本発明の光変調器では、上述した誘電体層の比誘電率を、バッファ層の比誘電率より低くすることができる。この構造とすることにより、特性インピーダンスＺｃを高めることができるため、特性インピーダンスＺｃを所定の値に維持した状態で、ＶπＬをさらに低下させることができる。

本発明の光変調器では、第２電極を、誘電体層と離間して配置することができる。この構造とすることにより、特性インピーダンスＺｃを高めることができるため、特性インピーダンスＺｃを所定の値に維持した状態で、ＶπＬをさらに低下させることができる。

本発明の光変調器では、第１電極は、誘電体層と接して配置することができる。この構造とすることにより、誘電体層が第１電極を保持する役目をしており、製造が容易になる。

本発明の光変調器では、バッファ層の比誘電率を６以上とし、かつ、誘電体層の比誘電率は５以下とすることができる。この構造とすることにより、光導波路に効率良く電界を印加できるため、ＶπＬをさらに低下させることができる。

本発明の光変調器では、また、第２電極は、ニオブ酸リチウムの側面と接して配置することができる。この構造とすることにより、光導波路に効率良く電界を印加できるため、ＶπＬをさらに低下させることができる。

本発明により、進行波電極の特性インピーダンスＺｃを所定の値に維持した状態で、低ＶπＬの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。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。従来形態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Ｚｃの計算結果を示す図である。特性インピーダンスＺｃが５０Ωとなるギャップの計算結果を示す図である。特性インピーダンスＺｃが５０Ωとなる場合のＶπＬの計算結果を示す図である。特性インピーダンスＺｃが５０Ωとなる場合のＶπＬの計算結果を示す図である。実施形態６の光変調器の断面図である。Ｌ＝１ｃｍ、１０ＧＨｚにおけるＶπＬの計算結果を示す図である。従来形態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のマッハツェンダー型の光変調器１０の平面図である。（以下、これを「光変調器１０」という。）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ー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６を有しており、光導波路（１ａ、１ｂ）として機能している。リッジ形状部６上には比誘電率ε_１のバッファ層７が形成されている。バッファ層７上には第１電極（２ａ、２ｂ）が形成されている。第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）は、第１電極（２ａ、２ｂ）とは離間してニオブ酸リチウム膜５の上面と接して形成されている。バッファ層７と第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）は接するように配置されている。なお、第１電極（２ａ、２ｂ）と第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の間隔をギャップＧと定義する。

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）とを終端抵抗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１〜５と従来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の光変調器の断面図である。バッファ層７が第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）と離間して配置されている点が実施形態１とは異なっている。ここで、バッファ層７はリッジ形状部６を被覆し保護するので、リッジ形状部６の破損、破壊などを低減することが可能となっている。図４は、実施形態３の光変調器の断面図である。バッファ層７はリッジ形状部６上にのみ形成されており、比誘電率ε_２の誘電体層８が、バッファ層７とリッジ形状部６の側面に接するように形成されている。さらに、誘電体層８は第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）と接している。図５は実施形態４の光変調器の断面図である。実施形態３と同様、バッファ層７はリッジ形状部６上にのみ形成されており、比誘電率ε_２の誘電体層８が、バッファ層７とリッジ形状部６の側面に接するように形成されている。実施形態３とは異なり、誘電体層８は第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）と接していない。図６は実施形態５の光変調器の断面図である。第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）が単結晶基板４の主面上に形成さされ、ニオブ酸リチウム膜５の側面とも接している点が実施形態４と異なっている。図７は従来形態の光変調器の断面図であり、バッファ層７がニオブ酸リチウム膜５上に全面に形成されている。第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）はバッファ層７上に形成されている。

各実施形態の光変調器１０において、バッファ層７の比誘電率ε_１とギャップＧのみを変化させて、ＶπＬ、進行波電極の特性インピーダンスＺｃを計算した。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６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。光変調器１０は、ＶπＬが低い程、小型または低駆動電圧である。なお、各実施形態に於いて小型とは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２μｍ、膜厚は１０μｍ、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚は１．５μｍ、ニオブ酸リチウム膜５の膜厚は１．５μｍ、バッファ層７の膜厚は０．８μｍ、リッジ形状部６のリッジ幅は２．５μｍ、リッジ高さは０．５μｍ、単結晶基板４の材質はサファイア、第１電極および第２電極の材質は金とした。ニオブ酸リチウム膜５の比誘電率は２８（ｃ軸と平行）、４３（ｃ軸と垂直方向）、単結晶基板４の比誘電率は１０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。実施形態２におけるバッファ層７の幅は４．５μｍとした。実施形態３〜５における誘電体層８の比誘電率ε_２は３、実施形態４、５における誘電体層８の幅は１μｍとした。

実施形態１、ε_１＝１０、１５の場合について、ギャップＧを変化させてＶπＬを計算した結果を図８に示す。ギャップＧを狭くすることでＶπＬを低減でき、また、バッファ層７の比誘電率ε_１を高くすることで、ＶπＬを低減できることが分かる。次に、進行波電極の特性インピーダンスＺｃを計算した結果を図９に示す。ギャップＧを狭く、または、比誘電率ε_１を高くすると、特性インピーダンスＺｃが小さくなってしまう。特性インピーダンスＺｃは所定の値にする必要があり、通常、５０Ωにマッチングさせる必要がある。各形態について特性インピーダンスＺｃが５０ΩとなるギャップＧを計算した結果を図１０に示す。ε_１が高くなるほど、特性インピーダンスＺｃが小さくなるので、ギャップＧを広げる必要があることが分かる。また、各形態により、ギャップＧの値は異なることもわかる。特性インピーダンスＺｃが所定の値になるギャップＧにおいて、ＶπＬを比較する必要がある。

特性インピーダンスＺｃ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１１に示す。横軸はε_１とした。ε_１が５以上の場合は、従来形態＞実施形態１＞実施形態２＞実施形態３＞実施形態４＞実施形態５の順で、ＶπＬは低くなっている。まず、従来形態と実施形態１とを比較すると、従来形態では、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７が介在しているが、実施形態１では、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）がニオブ酸リチウム膜５と接して配置されている。そのため、従来形態より実施形態１の方が、光導波路（１ａ、１ｂ）に印加される電界が高く、ＶπＬが低くなっている。バッファ層７の役割は、第１電極（２ａ、２ｂ）の光吸収により発生する光導波路（１ａ、１ｂ）の伝搬損失を低減するためであり、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）とニオブ酸リチウム膜５との間に介在させる必要はない。

次に、実施形態１と実施形態２の比較では、実施形態２の方がバッファ層７の領域が少なくなっており、実施形態２の特性インピーダンスＺｃは実施形態１より高い。このため、図１０に示すように、特性インピーダンスＺｃが５０ΩとなるギャップＧは、実施形態２の方が実施形態１より小さくなるので、ＶπＬは低くなっている。同様に、実施形態３と実施形態４は、それぞれ、実施形態１と実施形態２のバッファ層７の領域の一部が、比誘電率が低い誘電体層８に置き換わっており、特性インピーダンスＺｃは高くなる。このため、図１０に示すように、特性インピーダンスＺｃが５０ΩとなるギャップＧは、実施形態３、４の方が実施形態１、２より小さくなるので、ＶπＬは低くなっている。いずれのε_１においても、実施形態４のＶπＬは、実施形態１〜３のＶπＬより低く、特に適した形態であることが分かる。ε_１が６以上の場合は、実施形態１と比較して５％以上のＶπＬの低減効果があり、特に好ましい。また、実施形態５は、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）が単結晶基板４の主面上に形成され、ニオブ酸リチウム膜５の側面と接していることで、光導波路（１ａ、１ｂ）に印加される電界を高めることができ、実施形態４より、さらにＶπＬが低くなっている。

なお、図１１のε_１＞１５では、従来形態、実施形態１、２のＶπＬは上昇している。ε_１が大きくなると特性インピーンダンス５０Ωとなるギャップが大きくなり、その分、ニオブ酸リチウム膜５の屈折率変化に必要な第１電極（２ａ、２ｂ）および第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）間に印加する電圧が上昇する。ＶπＬの上昇は、この電圧上昇分の影響が、ε_１が大きくなることによる電圧低下分の影響を上回っていることによるものである。一方、実施形態３〜５は、リッジ形状部６上のみバッファ層７を配置しており、ε_１が高くなっても、特性インピーダンスＺｃが余り低くならない構造であり、図１０に示すように、特性インピーダンスＺｃが５０Ωとなるギャップも余り大きくならない。そのため、図１１において、実施形態３〜５のＶπＬはε_１とともに単調に減少している。

横軸を誘電体層の比誘電率ε_２として、実施形態３（ε_１＝６）、実施形態４（ε_１＝６）、実施形態４（ε_１＝１０）について、特性インピーダンスＺｃが５０ΩとなるＶπＬを計算した結果を図１２に示す。ε_２が低いほどＶπＬを低減できることが分かる。これは、ε_２が低いほど特性インピーダンスＺｃが高くなるため、５０Ωにおけるギャップが狭くなるためである。実施形態３（ε_１＝６）、実施形態４（ε_１＝６）において、実施形態１、実施形態２に相当するε_２＝６の場合と比較して、ε_２が５以下の場合、１．２％以上のＶπＬの低減効果があり、特に好ましい。実施形態５についても同様であり、ε_２が低いほどＶπＬを低減できる。

別の実施形態の例として、図１３に実施形態６の断面図を示す。誘電体層８は第１電極（２ａ、２ｂ）を保持するように、第１電極（２ａ、２ｂ）の側面とも接するように配置されている。第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）は、ニオブ酸リチウム膜５の側面と上面の両方に接するように配置されている。このような形態でも、リッジ形状部６上のみバッファ層７を形成しているので、実施形態４、実施形態５と同様にＶπＬの低減効果が得られる。また、誘電体層８が第１電極（２ａ、２ｂ）を保持する役目もしており、製造が容易になるという別の効果も得られる。第１電極（２ａ、２ｂ）の幅は厚さ方向に対して変化させてもよく、図１３では、上側と比較して下側の幅が狭く形成されている。なお、実施形態６では、バッファ層７の幅は、リッジ形状部６の幅より狭く形成されている。また、第１電極（２ａ、２ｂ）の上側の幅がリッジ形状部６の幅より広くてもよい。このような形態でも本発明の効果は得られる。

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。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を構成する結晶は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、エピタキシャル膜であることを証明できる。

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。ＬｉＮｂＯ_３は三方晶系の結晶構造であるため、単結晶におけるＬｉＮｂＯ_３（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。膜厚がこれ以上に厚くなると、高品質な膜を形成するのが困難になるからである。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７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の膜厚は、使用する光の波長の１／１０程度以上であることが望ましい。

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。

リッジ形状部６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６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。なお、通常、リッジ形状部６はニオブ酸リチウム膜５をエッチングして形成される。

バッファ層７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。本発明の効果を発揮させるには、比誘電率ε_１が６以上の材料が好ましく、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＨｆＯ_２、ＭｇＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＦ_２などが好ましい。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７を配置する必要がある。バッファ層７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。バッファ層７の屈折率は低い程、バッファ層７を薄くでき、ＶπＬを低減できるので好ましい。通常、比誘電率が高い材料は屈折率も高くなるので、両者のバランスを考慮して、比誘電率が高く、かつ、屈折率が比較的低い材料を選定することが重要である。一例として、Ａｌ_２Ｏ_３は、比誘電率ε_１は約９、屈折率は約１．６であり、好ましい材料である。ＬａＡｌＯ_３は、比誘電率ε_１は約１３、屈折率は約１．７、ＬａＹＯ_３は、比誘電率ε_１は約１７、屈折率は約１．７であり、特に好ましい材料である。

誘電体層８としては、バッファ層７より比誘電率が低いものであればよい。特に、比誘電率ε_２が５以下の低誘電率の材料を用いるのが好ましい。例えば、ＳｉＯ_２などの無機材料、ポリイミド、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）などの低誘電率の樹脂を用いることができる。光導波路（１ａ、１ｂ）が光導波路として動作するために、誘電体層８の屈折率は、ニオブ酸リチウム膜５の屈折率より低いことが必要である。上記の低誘電率の材料の屈折率は、１．４〜１．８の範囲にあり、ニオブ酸リチウム膜５の屈折率２．１４より低く、光導波路の動作条件を満足している。リッジ形状部６の保護が誘電体層８の役割である。誘電体層８は、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）と接して配置してもよいが、図５の実施形態４、図６の実施形態５に示すように、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）と離間して配置した方が、ＶπＬを低減できるので、より好ましい。また、図１３の実施形態６に示すように、第１電極（２ａ、２ｂ）と接して配置してもよい。一般に、誘電体層８の比誘電率は低い程、ＶπＬを低減でき、また、誘電体層８の領域が少ない程、比誘電率が約１の空気が占める領域が増えるので、ＶπＬを低減できる。また、誘電体層８がリッジ形状部６を保護するので、リッジ形状部６の破損、破壊などを低減することが可能となっている。

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。第１電極（２ａ、２ｂ）の幅は、リッジ形状部６と同程度の幅で形成することが、光導波路（１ａ、１ｂ）へ印加される電界を高める点で好ましい。第１電極（２ａ、２ｂ）の膜厚は、高周波における進行波電極の伝搬損失を低減するために、２μｍ以上であることが好ましい。第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚は、特に限定されないが、第１電極（２ａ、２ｂ）の膜厚より薄くする方が、特性インピーダンスＺｃを高めることができ、好ましい。また、光導波路（１ａ、１ｂ）へ印加される電界を高めるために、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）はニオブ酸リチウム膜５と接して配置されている。

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１電極（２ａ、２ｂ）と第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の間隔は、簡単のために、全て同じギャップＧとして説明したが、それぞれ異なる間隔とすることも可能である。

なお、図１１は、ある特定の条件の結果であるが、パラメータを変化させても、ＶπＬの値は変わるものの、傾向は変わらず、本発明の効果は発揮できる。例えば、単結晶基板４としてシリコン単結晶基板を用いた場合、シリコンの比誘電率は１２であり、サファイアの比誘電率１０と大差はないので、同様の結果が得られる。また、第１電極（２ａ、２ｂ）の幅と膜厚、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の膜厚、ニオブ酸リチウム膜５の膜厚、バッファ層７の膜厚、リッジ形状部６のリッジ幅とリッジ高さなどの形状のパラメータを変化させた場合、ＶπＬの値は変わるものの、各形態のＶπＬの大小関係は変わらず、本発明は有効である。

また、図１１のＶπＬは、１ＧＨｚ以下の低周波における値である。実際には、駆動周波数（通常は１ＧＨｚ以上）におけるＶπＬが重要であるが、１ＧＨｚ以上の高周波になると、進行波電極を伝搬する電気信号の損失や光信号と電気信号の速度の違いなどの影響のため、ＶπＬがＬと周波数にも依存した値になる。高周波におけるＶπＬを下げるには、まず、低周波におけるＶπＬを下げる必要があり、図１１では低周波のＶπＬを用いて各形態を比較した。図１４に、Ｌ＝１ｃｍ、周波数１０ＧＨｚの場合のＶπを計算した結果を示す。計算条件は図１１と同じである。低周波の図１１のＶπと比較して、Ｖπは高くなっているものの、各形態の大小関係は同じであり、実際に駆動する高周波においても本発明は有効であることが分かる。なお、比誘電率は駆動周波数における値を用いる必要がある。通常は、ＧＨｚ帯において、比誘電率の周波数依存は小さいと仮定して、周波数に依存しない値を用いる。

以下、実施例によって本発明の実施の効果を説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例）
図１３の実施形態６の構造を、以下の手順で実際に試作した。単結晶基板４の材質はサファイアとした。単結晶基板４の表面に膜厚１．５μｍのニオブ酸リチウム膜５をスパッタ法により製膜した。次に、ニオブ酸リチウム膜５の上に、膜厚０．８μｍ、材質ＬａＡｌＯ_３のバッファ層７を蒸着法により成膜した。レジストによるマスク形成とＡｒプラズマを用いたドライエッチング加工により、リッジ形状部６の形成およびバッファ層のパターニングをおこなった。リッジ形状部６のリッジ幅は２．５μｍ、リッジ高さは０．４μｍとした。その後、膜厚０．７μｍ、材質ＳｉＯ_２の誘電体層８をＣＶＤ法により全面に製膜した。再度レジストマスク形成の後に、不要な部分の誘電体層８をドライエッチング法により除去した。最後に、第１電極（２ａ、２ｂ）、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）をフォト工程と金めっき工程により形成した。ＬａＡｌＯ_３の比誘電率は１３、ＳｉＯ_２の比誘電率は４であった。ギャップＧは６μｍ、電極長Ｌは１４ｍｍとした。

得られた光変調器について、波長１５５０ｎｍの光を用いて変調特性を評価した。その結果、実施例で得られた光変調器のＶπＬは、２．４Ｖｃｍと低く、本発明の効果を確認できた。

本発明に係わる光変調器は、ＶπＬを十分に低下させることができるため、光ファイバ通信、光計測における様々な用途において高精度の光通信を実現できる。

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
４単結晶基板
５ニオブ酸リチウム膜
６リッジ形状部
７バッファ層
８誘電体層
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バッファ層
２４ａ、２４ｂ電極
２５ａ、２５ｂ光導波路

Claims

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、
前記第１電極とは離間して配置された第２電極とを少なくとも有し、
前記第２電極は、前記ニオブ酸リチウム膜と接していることを特徴とする光変調器。
前記バッファ層は、前記第２電極と離間して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記バッファ層の側面および前記リッジ形状部の側面に接して配置された誘電体層を有し、
前記誘電体層の比誘電率は、前記バッファ層の比誘電率より低いことを特徴とする請求項２に記載の光変調器。
前記第２電極は、前記誘電体層と離間して配置されていることを特徴とする請求項３に記載の光変調器。
前記第１電極は、前記誘電体層と接して配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載の光変調器。
前記バッファ層の比誘電率は６以上であり、かつ、前記誘電体層の比誘電率は５以下であることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか一項に記載の光変調器。
前記第２電極は、前記ニオブ酸リチウム膜の側面と接して配置されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の光変調器。