JP2015230466A - 光導波路素子およびこれを用いた光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】伝搬損失が低く、実質的にシングルモードで動作するリッジ型光導波路素子およびこれを用いた光変調器を提供する。【解決手段】光導波路素子１００は、基板１と、基板１上に形成された導波層２とを備え、導波層２は、断面がリッジ形状を有するリッジ部３からなる導波路を有する。リッジ部３は、第１のリッジ幅Ｗ１および第１の厚さＴ１を有する第１の部分２Ａと、第１のリッジ幅Ｗ１よりも広く基板１の幅よりも狭い第２のリッジ幅Ｗ２および第１の厚さＴ１よりも薄い第２の厚さＴ２を有する第２の部分２Ｂとの組み合わせからなる２段のリッジ構造を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、光通信および光計測分野において用いられる光導波路素子および光変調器に関し、特に、リッジ構造を有する光導波路素子およびこれを用いた光変調器に関する。

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型光変調器が開示されている。

特開２００６−１９５３８３号公報

図１０は、上記特許文献１に記載されている従来の光変調器３００の構成を示す断面図である。光変調器３００は、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が形成されたものである。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３００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。この特許文献１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るため、作製が困難である。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のサイズは、高さが１μｍの場合、幅を１μｍ以下と大変狭くしなければならない。

そこで、本発明者は、埋め込み型ではなく、作製が容易なリッジ型光導波路について検討を進めた。図１１は、従来のリッジ型光導波路素子４００の断面図である。光導波路素子４００は、基板１と、基板１上に形成されたニオブ酸リチウム膜の導波層２とを備え、導波層２はリッジ部３を有している。リッジ部３は、リッジ幅Ｗ１および厚さＴ１を有する１段のリッジ構造となっている。リッジ部３ではない部分の導波層２の厚さをＴ２とする。

リッジ型光導波路素子４００ではリッジ幅Ｗ１を狭くすることで実質的にシングルモードになるものの、伝搬損失が高くなるという問題がある。リッジ幅Ｗ１を広げることで伝搬損失は低くなるものの、ｍ＝１モードが伝搬してしまい、マルチモードになるという別の問題が生じてしまう。

このようなリッジ型光導波路素子４００を用いて光変調器を構成すると、光導波路の伝搬損失が高い場合には光変調器の挿入損失が高くなり、また、マルチモードの光導波路では消光比の劣化が問題になる。

本発明は、上記の点を考慮してなされたもので、伝搬損失が低く、実質的にシングルモードで動作するリッジ型光導波路素子を提供することを目的とする。また、本発明は、挿入損失が低く、かつ、消光比も高い光変調器を提供することを目的とする。

本発明者が鋭意検討した結果、従来のリッジ型光導波路においてＴＭモードの伝搬損失が高くなる原因は、ＴＥのスラブモードへの結合であることが分かった。スラブモードとは図１１においてリッジ部３の外側の厚さＴ２の部分に伝搬するモードであり、リッジ部３に拘束されずリークしてしまうモードである。そして、ＴＥスラブモードとの結合を抑制することにより、ＴＭモードの伝搬損失を低くすることができることを見出した。

本発明はこのような技術的知見に基づくものであり、本発明による光導波路素子は、基板と、前記基板上に形成された導波層とを備え、前記導波路層は、断面がリッジ形状を有するリッジ部からなる導波路を有し、前記リッジ部は、第１のリッジ幅および第１の厚さを有する第１の部分と、前記第１のリッジ幅よりも広く前記基板の幅よりも狭い第２のリッジ幅および前記第１の厚さよりも薄い第２の厚さを有する第２の部分との組み合わせからなる２段のリッジ構造を有することを特徴とする。

本発明によれば、ＴＭモードの伝搬損失が低く、実質的にシングルモードで動作するリッジ型光導波路を提供することができる。１段のリッジ構造を有する従来のリッジ型光導波路においてリッジ幅を狭くするとＴＭモードがＴＥスラブモードと結合してリッジ部の外側に漏れやすくなり、ＴＭモードの伝搬損失が大きくなる。しかし、２段のリッジ構造では、ＴＭモードがＴＥスラブモードと結合しない構造を実現でき、ＴＭモードの伝搬損失を抑えることができる。

本発明において、前記導波層は、前記導波路の形成領域以外の領域に設けられ、前記第２の厚さよりも薄い第３の厚さを有する第３の部分をさらに有し、前記第３の厚さＴ３は、前記第１の厚さの半分以下であることが好ましい。第３の部分の厚さが第１の厚さの半分以下である場合には、導波層の第２の部分が有効に機能するので、ＴＭモードの伝搬損失を十分に低減することができる。

本発明において、前記第２のリッジ幅は、前記第１リッジ幅の５倍以上であることが好ましい。第２のリッジ幅Ｗ２が第１のリッジ幅Ｗ１の５倍未満である場合にはマルチモードが強くなり、本発明によるリッジ型光導波路を実質的にシングルモードで動作させることが難しい。しかし、第２のリッジ幅が第１のリッジ幅の５倍以上であればマルチモードを抑制することができ、実質的にシングルモードで動作させることができる。

本発明において、前記導波層はニオブ酸リチウム膜からなることが好ましい。ニオブ酸リチウムは大きな電気光学定数を有し、光変調器等の光学デバイスの構成材料として好適であるが、光変調器を構成するベースとなる光導波路において従来のリッジ構造を採用する場合には上記のように伝搬損失が高くなるか、あるいはマルチモードになるという問題がある。しかし、上述した２段のリッジ構造によればこれらの問題を解決することができ、伝搬損失が低く、実質的にシングルモードで動作するリッジ型光導波路素子を提供することができる。

さらに、本発明による光変調器は、上述した本発明の特徴を有する光導波路素子を構成する光導波路を少なくとも一部に用いたことを特徴とする。本発明による高性能な光導波路を用いて光変調器を構成した場合には、挿入損失が低く、かつ、消光比が高い光変調器を実現することができる。

本発明によれば、伝搬損失が低く、実質的にシングルモードで動作するリッジ型光導波路素子を提供できる。また、挿入損失が低く、かつ、消光比も高い光変調器を提供できる。

本発明の実施形態による光導波路素子の平面図である。 本発明の実施形態による光導波路素子の断面図である。 本発明の実施形態によるマッハツェンダ型の光変調器の平面図である。 本発明の実施形態による光変調器の断面図である。 ＴＭモードの伝搬損失の測定結果を示すグラフである。 ＴＥモードの伝搬損失の測定結果を示すグラフである。 ＴＭモードの伝搬損失の計算結果を示すグラフである。 ＴＭモードの強度分布を示す図である。 ＴＭモードの伝搬損失の測定結果を示すグラフである。 従来の光変調器の断面図である。 従来の光導波路素子の断面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。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。

図１は、本発明の実施形態による光導波路素子１００の構成を示す平面図である。光導波路素子１００は光導波路１０を有し、入力側１１から入射した光は光導波路１０を伝搬した後、出力側１２から出射する。

図２は、図１に示した光導波路素子１００のＡ−Ａ'線の断面図である。光導波路素子１００は、基板１と、基板１上に形成された導波層２とを備え、導波層２は断面がリッジ形状（凸形状）を有するリッジ部３からなる光導波路１０を有している。リッジ部３は、リッジ幅Ｗ１および厚さＴ１を有する導波層２の第１の部分２Ａと、第１の部分２Ａを挟んで両側に配置されリッジ幅Ｗ２および厚さＴ２を有する導波層２の第２の部分２Ｂとの組み合わせからなる２段のリッジ構造となっている。ここで、基板１の幅をＷ０とするとき、Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ０である。第１の部分２Ａは第２の部分２Ｂの幅方向の中央に位置している。

導波層２はさらに、光導波路１０の形成領域の外側の領域であって、第２の部分２Ｂに隣接するリッジ部３ではない第３の部分２Ｃを有しており、第３の部分２Ｃの厚さＴ３は第２の部分２Ｂの厚さＴ２よりも薄い。特に限定されないが、第３の部分２Ｃの幅は基板１の幅Ｗ０と等しい。

リッジ部３を構成する導波層２の第１の部分２Ａのリッジ幅Ｗ１は２．５μｍ以下であることが好ましい。Ｗ１≦２．５μｍであればリッジ型光導波路を実質的にシングルモードで動作させることができる。ここで、光導波路素子１００のリッジ部３はリッジ幅Ｗ２を有する第２の部分を有するので、第１の部分のリッジ幅Ｗ１が２．５μｍ以下であっても伝搬損失を低くすることができる。

リッジ部３を構成する導波層２の第２の部分２Ｂのリッジ幅Ｗ２は、第１の部分２Ｂのリッジ幅Ｗ１の５倍以上であることが好ましい。Ｗ２／Ｗ１＜５の場合にはマルチモードとなり、リッジ型光導波路をシングルモードで動作させることが難しい。しかし、Ｗ２／Ｗ１≧５であればマルチモードを抑制することができ、実質的にシングルモードで動作させることができる。

リッジ幅Ｗ２はＴＭモードがＴＥスラブモードと結合しないように設定する必要があり、これによりＴＭモードの伝搬損失を抑えることができる。

第１の部分２Ａの厚さＴ１は導波層２の最大厚と等しく、使用波長の１／１０以上、２倍以下であることが好ましい。薄すぎると、導波層２への光の閉じ込めが弱くなり、光導波路として機能しなくなり、また、厚すぎると、マルチモードになり易くなるためである。第２の部分２Ｂの厚さＴ２は、Ｔ１の０．５倍以上０．９９倍以下であることが好ましい。その理由は、Ｔ２が薄すぎると、リッジ部のみに光が閉じ込められ、２段リッジ構造の効果が得られなくなる。Ｔ２が厚すぎると、リッジ導波路として機能しなくなる。

第３の部分２Ｃの厚さＴ３は、第１の部分２Ａの厚さＴ１の半分以下であることが好ましい。第３の部分２Ｃの厚さＴ３が厚すぎると第２の部分２Ｂを設けたことによる効果が十分に得られず、従来の１段のリッジ構造と同じように機能することになり、ＴＭモードの伝搬損失が大きくなるからである。

導波層２はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）の膜からなることが好ましい。ニオブ酸リチウムは大きな電気光学定数を有し、光変調器等の光学デバイスの構成材料として好適だからである。以下、導波層２をニオブ酸リチウム膜とした場合の本発明の構成について詳しく説明する。

基板１としてはニオブ酸リチウム膜より屈折率が低いものであれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム膜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が好ましく、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。単結晶基板の結晶方位は特に限定されない。ニオブ酸リチウム膜はさまざまな結晶方位の単結晶基板に対して、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。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もエピタキシャル膜に含める。

ニオブ酸リチウム膜の組成はＬｉｘＮｂＡｙＯｚ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の膜厚は２μｍ以下であることが望ましい。膜厚がこれ以上厚くなると、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の膜厚が薄すぎる場合は、ニオブ酸リチウム膜における光の閉じ込めが弱くなり、基板やバッファ層に光が漏れて導波することになる。ニオブ酸リチウム膜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は、使用する光の波長の１／１０程度以上の膜厚が望ましい。

ニオブ酸リチウム膜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をエピタキシャル成長できる。単結晶基板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を形成できる。

なお、ニオブ酸リチウム膜の形成方法として、ニオブ酸リチウム単結晶基板を薄く研磨する方法も知られている。この方法は、単結晶と同じ特性が得られるという利点があるものの、２μｍ以下の膜厚の薄膜を加工するのは困難である。上述のように、本発明では、成膜によりニオブ酸リチウム膜を形成しているので、量産性があり、大口径化も容易である。

リッジ部３の形状は光を導波可能とする形状であればよく、リッジ部３におけるニオブ酸リチウム膜の膜厚が、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。図２では、リッジ部３の断面形状は長方形状になっているが、これに限定されるものではない。

図３は、本発明の実施形態によるマッハツェンダ型の光変調器２００の平面図である。光変調器２００は、光導波路１０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１０内を伝搬する光を変調するデバイスである。光導波路１０は、２本の光導波路１０ａ、１０ｂに分岐され、光導波路１０ａ、１０ｂ上には、それぞれ１本ずつ、すなわち、２本の第１電極７ａ、７ｂが設けられていて、デュアル電極構造となっている。

図４は、光変調器２００のＢ−Ｂ'線の断面図である。なお光変調器２００のＡ−Ａ'線の断面図は図２に示した光導波路素子１００の断面図と同じである。基板１としてサファイア基板を用い、導波層２となるニオブ酸リチウム膜が形成されている。導波層２はリッジ部３からなる光導波路１０ａ、１０ｂを有している。光導波路１０ａを構成するリッジ部３上にはバッファ層５を介して第１電極７ａが形成されており、光導波路１０ｂに対応するリッジ部３上にはバッファ層５を介して第１電極７ｂが形成されている。第２電極８ａ、８ｂ、８ｃは、第１電極７ａ、７ｂを介して互いに離間して設けられており、導波層２の上面と接して形成されている。誘電体層６は、バッファ層５とリッジ部３の側面に接するように形成されている。

光変調器２００の動作原理について説明する。図３において、２本の第１電極７ａ、７ｂと、第２電極８ａ、８ｂ、８ｃ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８ａ、８ｂ、８ｃを接地電極とし、２本の第１電極７ａ、７ｂ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２００の第１電極７ａ、７ｂの入力側１５ａ、１５ｂから入力する。ニオブ酸リチウム膜は電気光学効果を有しているので、光導波路１０ａ、１０ｂに与えられる電界によって光導波路（１０ａ、１０ｂ）の屈折率がそれぞれ＋Δｎ、−Δｎのように変化し、光導波路（１０ａ、１０ｂ）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２００の出射側の光導波路１０ｃから強度変調された信号光が出力側１２に出力される。

以上説明したように、本実施形態による光導波路素子１００は、２段のリッジ構造を有するので、ＴＭモードがＴＥのスラブモードと結合することによるリッジ部３の第１の部分２Ａの外側へのリークを抑制することができる。したがって、伝搬損失が低く、実質的にシングルモードで動作する光導波路を実現することができる。さらに、本発明による光変調器２００は、そのような高性能な光導波路を用いて構成されているので、挿入損失が低く、かつ、消光比が高い光変調器を実現することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

図２に示した２段のリッジ構造を有する実施例および図１１に示した従来の１段のリッジ構造を有する比較例に対して、リッジ幅Ｗ１をパラメータとしてＴＭモードおよびＴＥモードの伝搬損失を測定した。ここで、基板１はサファイア単結晶、導波層２はｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜、第１の部分２Ａの厚さＴ１＝１．５μｍ、第２の部分２Ｂの厚さＴ２＝１．１μｍ、第３の部分２Ｃの厚さＴ３＝０．１μｍ、第２の部分２ＢのＷ２＝２１μｍとした。伝搬損失の測定結果を図５、図６にそれぞれ示す。

図５はＴＭモードの伝搬損失であり、比較例では、厚さＷ１が２．５μｍより狭くなると、ＴＭモードの伝搬損失が高くなるが、実施例では、Ｗ１≦２．５μｍにおいても伝搬損失が低く、良好な特性となった。一方、図６はＴＥモードの伝搬損失であり、実施例、比較例ともにＴＥモードの伝搬損失は低く、大差がない結果となった。

以上のように、導波層を２段リッジ構造にすることにより、Ｗ１≦２．５μｍにおいても、ＴＭモードの伝搬損失が低く、良好な特性を示すことが分かった。特に、導波層がｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜の場合、電気光学特性はＴＥモードよりＴＭモードの方が高く、また、シングルモード動作のために、第１の部分２Ａのリッジ幅Ｗ１は２．５μｍ以下とする必要があるため、本発明が特に有効となる。

なお、図５、図６において、本発明の２段リッジ構造は、ＴＭモードに対して有効で、ＴＥモードに対しては効果がない結果となっているが、ＴＥモードに対して有効な場合もある。導波層２をニオブ酸リチウム膜として、ニオブ酸リチウムのｃ軸は基板面内に配向し、光導波路１０の進行方向と直交している場合は、ＴＥモードに対して有効であり、ＴＭモードに対しては効果がない。ｃ軸が面内配向している場合、電気光学特性はＴＭモードよりＴＥモードの方が高く、通常、ＴＥモードで動作させる。このように、本発明の２段リッジ構造は、導波層２をニオブ酸リチウム膜とした場合、ｃ軸が垂直配向および面内配向のいずれの場合にも有効である。

次に、リッジ幅Ｗ２をパラメータとしてＴＭモードの伝搬損失を計算した。ここで、基板１はサファイア単結晶、導波層２はｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜、第１の部分２Ａの厚さＴ１＝１．５μｍ、第２の部分２Ｂの厚さＴ２＝１．１μｍ、第３の部分２Ｃの厚さＴ３＝０μｍ、リッジ幅Ｗ１＝２．０μｍとした。ＴＭのｍ＝０モードの光を入射して、２ｍｍ長を伝搬させた後の挿入損失を計算し、伝搬損失を求めた。その結果を図７に示す。

図７から明らかなように、ＴＭモードの伝搬損失は、Ｗ２＝１１．０μｍ、１３．９μｍ、１６．９μｍ、１９．８μｍ、２２．８μｍ付近で非常に高くなっている。これは、ＴＭモードがＴＥスラブモードと結合しているためである。一方、リッジ幅Ｗ２を適切に設定することで、ＴＭモードがＴＥスラブモードと結合せず、伝搬損失を低くできることが分かる。図７では、例えば、Ｗ２＝１２〜１３μｍ、１５〜１６μｍ、１８〜１９μｍ、２１〜２２μｍに設定することで、伝搬損失は、０．１ｄＢ／ｃｍ以下となる。±０．５μｍ程度にリッジ幅Ｗ２を制御することは、通常の微細加工技術を用いれば容易であり、本発明は量産性に適している。

図１１の従来の構造でも、基板１の幅Ｗ０をＴＥスラブモードと結合しないように設定することで、原理的には、伝搬損失を低くできるものの、通常、基板の幅Ｗ０は０．５ｍｍ以上と広く、切断により加工されるものなので、±０．５μｍ程度に制御することは難しく、本発明の２段リッジ構造が有効となる。

リッジ幅Ｗ２は、ＴＥスラブモードと結合しないように設定する以外に特に限定されるものではないが、２００μｍ以下が好ましい。Ｗ２を広くすると、精度良く作製するのが困難になり、また、小型化にも不利になるためである。なお、ＴＥスラブモードと結合しないリッジ幅Ｗ２の条件は、リッジ形状により変わるので、計算または実験により、適切なＷ２を定める必要がある。

次に、実施例に対して、第２の部分２Ｂのリッジ幅Ｗ２をパラメータとしたときのＴＭモードの強度分布を計算により求めた。ここで、基板１はサファイア単結晶、導波層２はｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜、第１の部分の厚さＴ１＝１．５μｍ、第２の部分の厚さＴ２＝１．１μｍ、第３の部分の厚さＴ３＝０μｍ、第１の部分のリッジ幅Ｗ１＝２μｍとした。第２の部分のリッジ幅Ｗ２＝２０μｍ、１０μｍ、６μｍの３通りとした。その結果を図８（ａ）〜（ｆ）に示す。

図８（ａ）、（ｃ）、（ｅ）に示すように、ｍ＝０モードの強度分布はＷ２を変えてもほぼ同じであった。一方、図８（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）に示すように、ｍ＝１モードは、Ｗ２を狭くするとｍ＝０モードの分布に近づくことが分かった。シングルモード動作のために、ｍ＝１モードは不要なモードであるが、リッジ幅Ｗ２＝６μｍの場合は、ｍ＝０モードとｍ＝１モードの強度分布が重なっているので、マルチモードとなり問題となる。Ｗ２／Ｗ１≧５となるようにリッジ幅Ｗ２を設定することで、実質的にシングルモード動作を実現できることが分かった。

次に、実施例において、第３の部分２Ｃの厚さＴ３をパラメータとしたときのＴＭモードの伝搬損失を測定した。ここで、基板１はサファイア単結晶、導波層２はｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜、第１の部分２Ａの厚さＴ１＝１．５μｍ、第２の部分２Ｂの厚さＴ２＝１．１μｍ、第１の部分２Ａのリッジ幅Ｗ１＝２．５μｍ、第２の部分２Ｂのリッジ幅Ｗ２＝２１μｍとした。その結果を図９に示す。第３の部分２Ｃの厚さＴ３≦０．７５μｍ、すなわち、Ｔ３／Ｔ１≦０．５の場合に、本発明の効果が十分得られることが分かった。

次に、実際に光変調器２００を試作し、特性を評価した。実施例、比較例１、２ともに、第１の部分２Ａの厚さＴ１＝１．５μｍ、第２の部分２Ｂの厚さＴ２＝１．１μｍとした。実施例では、第２の部分２Ｂのリッジ幅Ｗ２＝２１μｍ、第３の部分２Ｃの厚さＴ３＝０．１μｍとした。実施例および比較例のサンプルをそれぞれ１０個作成し、挿入損失と消光比の平均値を求めた。その結果を表１に示す。

比較例１（Ｗ１＝２μｍ）では、リークにより光導波路の伝搬損失が高くなるため、挿入損失が高い結果となった。また、比較例２（Ｗ１＝２．５μｍ）では、挿入損失は比較的低い結果であったが、ｍ＝１モードが伝搬するマルチモードとなるため、消光比が劣化した。これに対し、実施例では、挿入損失が３．５ｄＢ、消光比が２８ｄＢとなり、両方とも良好な結果が得られた。

１ 基板
２ 導波層
２Ａ 第１の部分
２Ｂ 第２の部分
２Ｃ 第３の部分
３ リッジ部
５ バッファ層
６ 誘電体層
７ａ 電極
８ａ 電極
９ 終端抵抗
１０ 光導波路
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 光導波路
１１ 入力側
１２ 出力側
１５ａ，１５ｂ 第１電極の入力側
２１ サファイア基板
２２ａ 光導波路
２３ バッファ層
２４ａ，２４ｂ 電極
１００ 光導波路素子
２００ 光変調器
３００ 光変調器
４００ 光導波路素子

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板上に形成された導波層とを備え、
   前記導波層は、断面がリッジ形状を有するリッジ部からなる導波路を有し、
   前記リッジ部は、第１のリッジ幅Ｗ１および第１の厚さを有する第１の部分と、前記第１のリッジ幅よりも広く前記基板の幅よりも狭い第２のリッジ幅および前記第１の厚さよりも薄い第２の厚さを有する第２の部分との組み合わせからなる２段のリッジ構造を有することを特徴とする光導波路素子。
2. 前記導波層は、
   前記導波路の形成領域以外の領域に設けられ、前記第２の厚さよりも薄い第３の厚さを有する第３の部分をさらに有し、
   前記第３の厚さは、前記第１の厚さの半分以下であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
3. 前記第２のリッジ幅は、前記第１リッジ幅の５倍以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路素子。
4. 前記導波層はニオブ酸リチウム膜からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光導波路素子。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の光導波路素子を構成する光導波路を少なくとも一部に用いたことを特徴とする光変調器。