JP2016071198A

JP2016071198A - 光導波路素子

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Publication number: JP2016071198A
Application number: JP2014201317A
Authority: JP
Inventors: 徳一宮崎; Tokuichi Miyazaki; 日隈　薫; Kaoru Hikuma; 薫日隈; 市川　潤一郎; Junichiro Ichikawa; 潤一郎市川
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-05-09
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: JP6394243B2

Abstract

【課題】
光導波路素子において、電極パターンの曲り部における放射損失防止と当該曲がり部分の電極下部を通過する光導波路における光吸収損失防止とを、製造工程の煩雑化を伴うことなく行い得る素子構造を実現する。
【解決手段】
基板（１０２）に形成された光導波路（１１２、１１４）と、当該光導波路を伝搬する光波を制御するため前記基板上に形成された制御電極（１２０）と、当該制御電極を中心導体とするコプレーナ型線路を構成する２つの接地電極（１３０、１３２）と、を備え、前記コプレーナ型線路の曲がり部分において、当該曲がり部分の内側に位置する一の接地電極の、前記制御電極と対向する側壁に、所定のサイズの開口と所定の奥行きを持つブリッジ（１４０ａ〜ｅ、１４２ａ〜ｅ）が、所定の数だけ形成されている、光導波路素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路素子に関し、特に、基板上に形成された光導波路と、該光導波路内を伝搬する光波を制御するための制御電極と、を備えた光導波路素子に関する。

近年、光通信や光計測の分野においては、電気光学効果を有する基板上に形成した光導波路と、当該光導波路内を伝搬する光波を制御するための制御電極と、を備えた、導波路型光変調器などの光導波路素子が多く用いられている。

このような導波路型光素子のひとつとして、例えば電気光学効果を有する基板として強誘電体結晶であるニオブ酸リチウム（LiNbO₃）（「ＬＮ」とも称する）を用い、マッハツェンダ型光導波路と制御電極を形成したマッハツェンダ型光変調器が広く用いられている。マッハツェンダ型光導波路は、外部から光を導入するための入射導波路と、当該入射導波路により導入された光を２つの経路に分けて伝搬させるための２本の並行導波路と、当該２本の並行導波路を伝搬した光を合波して外部へ出力するための出射導波路とにより構成される、一般にマッハツェンダ干渉計型と称される光導波路パターンである。また、マッハツェンダ型光変調器は、上記並行導波路内を伝搬する光波の位相を電気光学効果により変化させて制御するための制御電極を備える。

この制御電極は、一般に、上記並行導波路の上部又はその近傍部分に形成されたＲＦ（高周波）信号電極（以下、「ＲＦ電極」と称する）と、当該ＲＦ電極に離間して並走する接地電極とで構成される。特に、数十Gb/s以上の高速光変調を行う用途では、光導波路を伝搬する光の伝搬速度と、当該光導波路に沿って形成される制御電極を伝搬する高速（高周波）変調信号の伝搬速度とを一致させる必要があり、さらに駆動ドライバなどとの電気回路との電気的特性の整合をとる必要があることから、当該伝搬速度の適切な調整と、電気的特性の決定要因のひとつである制御電極の特性インピーダンスの適切な調整範囲の確保と、を両立すべく、ＬＮ基板表面と制御電極との間にＳｉＯ_２等のバッファ層が設けられることが多い。

この場合、バッファ層上の制御電極からＬＮ基板内の光導波路までの距離は広がることとなり、光導波路に印加される電界は弱まる。その結果、マッハツェンダ型光変調器の半波長電圧（Ｖπと称する）が大きくなるため、制御電極に印加すべき駆動電圧は大きくなる。

このような駆動電圧の増大を防止するためのひとつとして、バッファ層を用いる代わりに基板厚さを薄く（例えば、１０μｍ以下）する策があり、また、この策により制御電極の特性インピーダンスの適切な調整範囲を確保することが知られている（例えば、非特許文献１〜４参照）。ただし、このようなバッファ層を用いない場合には、光導波路は制御電極及び基板側部から高速（高周波）変調信号を制御電極に印加するための配線パターンの金属と直接接することとなる場合があり、その場合は、当該接する部分において光の吸収損失が発生する。

ＸカットのＬＮ基板を用いる場合には、一般的に、制御電極（ＲＦ電極および接地電極）は、いずれも並行光導波路の側方に当該導波路と並走して形成されるため、制御電極を構成する材料が、例えば金属である場合にも、電極と光導波路の間隔が十分にとられていれば当該金属による並行光導波路を伝搬する光の吸収は回避し得る。しかしながら、当該配線パターンが基板上に形成された光導波路と交差することは避けられず、このような配線パターンと光導波路との交差部分における光損失を低減することが必要となる場合がある。特に、信号電極を接地電極で挟んで並走させるコプレーナ型制御電極の配線パターンにおいては、配線パターンの接地電極と光導波路とが重なり合う領域が多くなり、発生し得る光吸収損失を低減することが切に望まれる。また、例えば、光導波路を用いたネスト型変調器のようにマッハツェンダ型光導波路及び制御電極を複数備えた、より複雑な光導波路構造でも、配線パターンの接地電極と光導波路とが重なりあう領域が多くなり、発生し得る光吸収損失を低減することが切に望まれる。

このような接地電極と光導波路との交差部分の光損失を低減する技術として、従来、接地電極が光導波路を跨ぐ部分を幅の狭い金属パターンとする構成が知られている（特許文献１）。また、光導波路の直近で２つの部分に分断されるように接地電極を形成し、当該分断された接地電極の２つの部分を、光導波路を覆わないように、当該光導波路を跨ぐように形成したボンディングや導体によりブリッジ接続する構成が知られている（特許文献１）。

上記構成においては、ブリッジ接続部分と信号ラインとの間の結合は弱くなり、ブリッジ接続区間の特性インピーダンスは、他の区間の特性インピーダンスよりも高くなる。ブリッジ接続区間の長さ（接地電極の分断部分の間隙幅）が、その間隙部分を通る光導波路を伝搬する光のモードフィールド径（約１０μｍ）よりも大きければ、当該区間における光の損失は大きく減少し、光のモードフィールド径の２倍程度（即ち、約２０μｍ）になると光損失はほとんど無視できるレベルにまで低減される。一方、ブリッジ接続区間の長さが２０μｍ程度あっても、この長さは信号ラインを伝搬する高周波信号の波長（例えば１１０ＧＨｚにおいて約１．３ｍｍ）に比べて小さいため、信号伝送路としての広帯域特性（反射特性Ｓ１１や透過特性Ｓ２１の平坦性）は、上記ブリッジ接続区間における特性インピーダンスの不連続があっても大きくは劣化しない。

しかしながら高周波信号線路において、特性インピーダンスの不連続箇所は、信号の散乱箇所となり、特に当該信号の放射損失が発生し得る。また、ブリッジ接続部のサイズ（接続ワイヤやリボンの、ループの高さや接続距離）が大きいほど、この放射損失は大きくなり、隣接する他の電極とのクロストークが大きくなるといった問題も発生し得る。例えば、現在主流となっている偏波多重ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）変調において、各トリビュタリの電気信号の０．１ｄＢ程度の損失は許容できる値であるが、各トリビュタリ信号間の０．１ｄＢものクロストークはきわめて深刻な問題となる。

さらに、例えばマッハツェンダ型光変調器においては、その構造上、制御電極や配線パターン及び基板上に設けられた電極パッドなどと、導波路パターンとの位置関係に起因して、導波路上に、制御電極や配線パターンの曲がり部分が形成されてしまう場合がある。そして、このような制御電極や配線パターンの曲り部分では、当該部分の曲り形状そのものに起因して、電気信号の放射損失を生じ得る。

すなわち、光導波路上に電極パターンの曲がり部分が形成される場合には、当該曲がり部分において光導波路を跨ぐように上記ブリッジ接続を行うこととなり、当該ブリッジ接続による特性インピーダンスの不連続と、上記曲がり形状とに起因して、当該部分における信号の放射損失は更に増加し得る。このため、上記クロストークが更に大きくなると共に、放射損失により失った信号振幅を補償すべく駆動電圧を増加させなければならない事態も生じ得る。

コプレーナ構造の配線パターンにおける、曲がり部分の放射損失を低減する技術として、従来、曲がり部分の曲率半径を所定値以上とする構成や（特許文献２）、信号ラインと接地電極との間隙を調整する構成（特許文献３）など、種々の技術が知られている。しかしながら、これらの構成は、専ら放射損失の防止を図るためのものであり、電極パターンの曲がり部分が光導波路と交差する場合には、上記放射損失防止のための手段に加えて、上記曲り形状に伴う信号の放射損失を防止するための手段を（例えば特許文献１に記載の構成を用いて）個別に設ける必要があり、製造工程が煩雑となる。

特開２０１３−２４２５９２号公報特許第３５４８０４２号公報特開２０１０−７２１２９号公報

E. Yamashita, and K. Atsuki, "Distributed Capacitance of a Thin-Film Electrooptic Light Modulator," Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vo. no. 23(1), pp. 177-178.(1975). T. Sueta, and M. Izutsu, "High speed guided-wave optical modulators," J. Opt. Commun., vol. 3, pp. 52-58 (1982). K. Atsuki, and E. Yamashita, "Transmission Line Aspects of the Design of Broad-Band Electrooptic Traveling-Wave Modulators," Journal of Ligihtwave Technology, vol. LT-5, pp. 316-319 (1987). J. Kondo, K. Aoki, A. Kondo, T. Ejiri, Y. Iwata, A. Hamajima, T. Mori, Y. Mizuno, M. Imaeda, Y. Kozuka, O. Mitomi, and M. Minakata, "High-Speed and Low-Driving-Voltage Thin- Sheet X Cut LiNbO3 Modulator With Laminated Low-Dielectric-Constant Adhesive," IEEE Photon. Tech. Lett., vol. 17, pp. 2077-79 (2005).

上記背景より、光導波路素子において、電極パターンの曲り部における放射損失防止と、当該曲がり部分の電極下部を通過する光導波路における光吸収損失防止とを、製造工程の煩雑化を伴うことなく行い得る、素子構造の実現が求められている。

本発明の一の態様は、基板に形成された光導波路と、当該光導波路を伝搬する光波を制御するため前記基板上に形成された制御電極１２０と、当該制御電極１２０を中心導体とするコプレーナ型線路を構成する２つの接地電極１３０，１３２と、を備える光導波路素子であって、前記コプレーナ型線路の曲がり部分において、当該曲がり部分の内側に位置する一の接地電極１３２と前記制御電極１２０との間を伝搬するスロットモードの速度が、当該曲がり部分の外側に位置する一の接地電極１３０と前記制御電極との間を伝搬するスロットモードの速度よりも遅いことを特徴とする。
本発明の他の態様は、基板に形成された光導波路と、当該光導波路を伝搬する光波を制御するため前記基板上に形成された制御電極と、当該制御電極を中心導体とするコプレーナ型線路を構成する２つの接地電極と、を備える光導波路素子であって、前記コプレーナ型線路の曲がり部分において、当該曲がり部分の内側に位置する一の接地電極の、前記制御電極と対向する側壁に、所定のサイズの開口と所定の奥行きを持つブリッジが、所定の数だけ形成されている。
本発明の他の態様によると、前記曲がり部分において、当該曲がり部分の外側に位置する他の接地電極の、前記制御電極と対向する側壁に、所定のサイズの開口と所定の奥行きとを持つブリッジが、所定の数だけ形成されている。
本発明の他の態様によると、前記一の接地電極に設けられた前記ブリッジ及び前記他の接地電極に設けられた前記ブリッジの少なくとも一つが、前記基板に形成された前記光導波路の全部または一部を跨ぐように形成されている。
本発明の他の態様によると、前記基板は、電気光学効果を有する材料で構成され、前記光導波路は、マッハツェンダ型光導波路である。
本発明の他の態様によると、前記基板の厚さが５０μｍ以下である。
本発明の他の態様によると、前記制御電極は、メッキ法を用いて形成され、且つ、前記制御電極の厚さは、３０μｍ以上である。
本発明の他の態様によると、前記光導波路は、方向性結合器を構成する光導波路、互いに交差する光導波路、又はＹ分岐部を有する光導波路を含むものである。

本発明の実施形態に係る光導波路素子の構造を示す図である。図１に示す光導波路素子の、ＡＡ断面矢視図である。図１に示す光導波路素子の、ＢＢ断面矢視図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る光導波路素子の構造を示す図である。
本光導波路素子１００は、基板１０２上に形成されたマッハツェンダ型光変調器であり、外部から光を導入するための入射導波路１１０と、当該入射導波路１１０により導入された光を２つの経路に分けて伝搬させる２本の並行導波路１１２及び１１４と、当該並行導波路１１２及び１１４を伝搬した光を合波して出力するための出射導波路１１６と、で構成されるマッハツェンダ型光導波路を備える（図１において、各導波路は太い破線で図示されている）。

また、光変調器１００は、並行導波路１１２、１１４の間に、これらの並行導波路１１２、１１４から所定距離だけ離れて形成された高周波信号電極（ＲＦ電極）１２０を備える。ＲＦ電極１２０は、所定距離の区間に亘って並行導波路１１２、１１４と平行に設けられ、当該区間の左右末端部において、それぞれ図示下方向に曲って延在し、基板１０２の図示下端において外部の制御回路に接続される。

基板１０２は、例えばＬＮ（ニオブ酸リチウム、ＬｉＮｂＯ_３）基板であり、各導波路１１０〜１１６は、例えば基板１０２上においてフォトリソグラフィとスパッタリング等の手法により所望の導波路パターンを形成するように堆積された金属チタン（Ｔｉ）を、基板１０２内部へ熱拡散させることにより形成することができる。なお、ＬＮを用いた基板１０２への上記導波路の形成は、上述のＴｉ熱拡散法に限らず、プロトン交換法等の他の公知の手法により行うことができる。また、基板１０２としては、上記ＬＮのほか、タンタル酸リチウムや、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、電気光学ポリマー等、電界印加により所要の屈折率変化を誘起することのできる電気光学定数を持った素材とすることができる。

ＲＦ電極１２０は、例えばＴｉ又はＣｒを下地としてＡｕ又はＡｌ等の金属により形成した金属電極とすることができる。

また、本実施形態において基板１０２に用いたＬＮ基板はＸカット基板であり、導波路に対し基板面に対し平行な方向に電界を印加する必要がある。このため、ＲＦ電極１２０は、並行導波路１１２、１１４の直上部ではなく（即ち、重なるように形成されるのではなく）、上述のように並行導波路１１２、１１４から所定距離だけ離れた位置に形成されている。

基板１０２上には、ＲＦ電極１２０の幅方向の両側に、並行導波路１１２、１１４をそれぞれ挟むように、ＲＦ電極１２０から所定距離だけ離れた位置に接地電極１３０、１３２が形成されている。これにより、ＲＦ電極１２０は、接地電極１３０、１３２と共にコプレーナ型の線路を構成し、ＲＦ電極１２０と接地電極１３０及び接地電極１３２とにより挟まれた並行導波路１１２、１１４に電界を印加して、当該並行導波路１１２、１１４を伝搬する光波の位相を制御する。

また、ＲＦ電極１２０のうち、並行導波路１１４と交差する部分には、当該並行導波路１１４を跨ぐようにブリッジ１６０、１６２が設けられている。ただし、これらの交差部分は距離が短く（通常４〜３０μｍ）、当該交差部分における光の吸収損失の量は小さいので、ブリッジ１６０、１６２の形成は省略することもできる。

さらに、ＲＦ電極１２０の図示左側及び右側の曲り部分の内側（即ち、曲率中心に近い側）に位置する接地電極１３２の、図示左側及び右側の各角部には、それぞれ、所定サイズの開口と所定の奥行きとを有する５つのブリッジ（空洞部）１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ、１４０ｅ（以下、１４０ａ〜ｅと略記する）、及びブリッジ１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ、１４２ｄ、１４２ｅ（以下、１４２ａ〜ｅと略記する）が設けられている（それぞれ図示点線部分）。

また、ＲＦ電極１２０の図示左側及び右側の曲り部分の外側（即ち、曲率中心から遠い側）に位置する接地電極１３０の、図示左側及び右側の曲がり部分には、それぞれ、３つのブリッジ１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃ（以下、１５０ａ〜ｃと略記する）、及びブリッジ１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ（以下、１５２ａ〜ｃと略記する）が設けられている（それぞれ図示点線部分）。

図２Ａは、図示一点鎖線に沿うＡＡ断面矢視図であり、図１に示す接地電極１３２の図示左側の角部における、ブリッジ１４０ａ〜ｅが形成された部分の詳細を示す図である。図示のように、ブリッジ１４０ａ〜ｅは、基板１０２上に形成された接地電極１３２内の、基板１０２との境界面上に形成されている。図１に示す接地電極１３２の図示右側角部に設けられたブリッジ１４２ａ〜ｅも、図２Ａと同様の構成を有している。

図２Ｂは、図示二点鎖線に沿うＢＢ断面矢視図であり、図１に示す接地電極１３０の図示左側の曲がり部における、ブリッジ１５０ａ〜ｃが形成された部分の詳細を示す図である。図示のように、ブリッジ１５０ａ〜ｃは、基板１０２上に形成された接地電極１３０内の、基板１０２との境界面上に形成されている。ブリッジ１５０ｂは、所定サイズの開口と所定の奥行きを持つように形成されており、ブリッジ１５０ａ、１５０ｃは、それぞれ並行導波路１１２、１１４を跨ぐように形成されている。これらのブリッジ１５０ａ、１５０ｃにより、並行導波路１１２、１１４内の光は、接地電極１３０の金属材料による吸収損失を受けることなく伝搬することができる。

特に、接地電極１３０により覆われた並行導波路１１２、１１４の部分のように、光導波路が曲線を描く部分は、直線部分に比べて伝搬光の一部を漏えい光として失い易い部分であるため、当該部分における基板１０２への歪や応力の付与は極力避けることが好ましい。本実施形態の光導波路素子１００では、並行導波路１１２、１１４の曲線部分を覆う接地電極１３２０対し、ワイヤボンディング等の基板歪や基板応力を生じさせ易い手段を用いることなく、ブリッジ１５０ａ、１５０ｃ、１５２ａ、１５０ｃにより、当該接地電極１３０と並行導波路１１２、１１４との接触が回避されるため、並行導波路１１２、１１４における光の伝搬状態を安定に保つことができる。

さらに、接地電極１３０、１３２に設けられたこれらのブリッジは、ＲＦ電極１２０の上記曲り部分における高周波信号の放射損失を低減する作用も有する。その原理について、以下、説明する。

図１示すようにＲＦ電極１２０と接地電極１３０、１３２とにより構成されるコプレーナ線路は、中心導体であるＲＦ電極１２０及び接地電極１３０とで構成される第１のスロット線路と、ＲＦ電極１２０及び接地電極１３２とで構成される第２のスロット線路の、２つのスロット線路が結合した状態とみなすことができる（例えば、Knorr J. B and Kucher K. "Analysis of coupled slots and coplanar strips on dielectric substrate" IEEE Trans. Microwave Theory & Tech. vol. MTT-23, no.7 pp.541-548 (1975) 参照）。

上記コプレーナ線路の曲り部（図１）では、上記２つのスロット線路のうち第２のスロット線路が当該曲り部の内側に、第１のスロット線路が当該曲り部の外側に位置することとなる。したがって、外側に位置する第１のスロット線路（以下、「外側スロット線路」とも称する）は、内側に位置する第２のスロット線路（以下、「内側スロット線路」とも称する）に比べて多くの距離を伝搬する必要が生じ、外側スロット線路を伝搬する信号は、内側スロット線路を伝搬する信号に対し遅れることとなる。

これにより、ＲＦ電極１２０を挟んだこれら２つのスロット線路間における信号伝搬モード（スロットモード）の対称性が崩れ、上記曲り部分において信号の放射損失が生ずることとなる。

したがって、ＲＦ電極１２０が構成するコプレーナ型線路の曲り部分における放射損失を防止するためには、当該曲り部分の内側スロット線路を伝搬する信号の速度を遅くして、外側スロット線路を伝搬する信号が、内側スロット線路を伝搬する信号に対し遅れないようにすればよい。言い換えると、上記曲がり部において、内側スロット線路におけるスロットモードの速度を、外側スロット線路におけるスロットモードの速度に対して遅くして、上記曲がり部に起因するこれら２つのスロットモード間での信号の遅延を防止すればよい。

本実施形態の光導波路素子１００では、ＲＦ電極１２０の各曲り部分の内側に位置する接地電極１３２の各角部にブリッジ１４０ａ〜ｅ、及び１４２ａ〜ｅがそれぞれ形成されている。このため、当該曲り部分において、ＲＦ電極１２０の曲り部分内側の側壁部分に対向する接地電極１３２の側壁部分の面積は、ブリッジ１４０ａ〜ｅの開口部面積の総和だけ減少する。したがって、ＲＦ電極１２０と接地電極１３２とで構成される内側スロット線路は、上記曲り部分において分布容量が減少（したがって、当該部分の特性インピーダンスが増加すると共に、誘電率の高い基板１０２内部を通る電気力線が増加）するので、当該曲り部分における、内側スロット線路のスロットモード（以下、「内側スロットモード」とも称する）の伝搬速度が低下する。これにより、上記曲り部分において、内側スロットモードの伝搬時間は、外側スロット線路におけるスロットモード（以下、「外側スロットモード」とも称する）の伝搬時間とほぼ等しくなる。その結果、外側スロットモードと内側スロットモードとは、互いの間で信号遅延を生ずることなくバランスするので、放射損失や放射電磁雑音は生じにくくなる。

なお、スロットモードの伝搬速度は、中心導体と接地電極との間の分布容量が小さいほど遅くなるので、接地電極に設けるブリッジのサイズ（開口部面積）が大きいほど、またブリッジの数が多いほど遅くなる。

また、スロットモードの信号の伝搬を遅延させる効果は、ブリッジの奥行きにも大きく依存し、奥行きが浅いと信号遅延の効果は薄い。各ブリッジの奥行きは、接地電極１３０、１３２の材料や、ＲＦ電極１２０を伝搬する信号の周波数、及び当該ブリッジの開口部のサイズに応じて決定する必要があるが、少なくとも、金属内において高周波の表皮効果が発生する深さ（いわゆる表皮深さ（skin depth））の３倍以上、あるいは、望ましくは貫通孔とする必要がある。また、ブリッジは、その深さ方向が接地電極側面の垂線方向と一致するように形成されていなくとも信号遅延の効果が得られる。従って、ブリッジを光導波路の上方に形成する場合は、例えば図１に示すブリッジ１５０ａ、１５０ｃ、１６０などのように、当該ブリッジを接地電極の壁面と直交しない方向に延伸させた貫通穴として形成することができる。

本実施形態では、接地電極１３２に設けるブリッジ１４０ａ〜ｅ、及び１４２ａ〜ｅは、直径７．５μｍの半円形の開口を有する、奥行き２０μｍの空洞として形成されている。また、接地電極１３０に、並行導波路１１２、１１４を跨ぐように設けるブリッジ１５０ａ、１５０ｃ、１５２ａ、１５２ｃは、これらの導波路を伝搬する光のモードフィールド径（光パワーフィールド分布の有効径）が約１０μｍであることから、直径１５μｍの半円形の開口を有するように形成されている。光損失をほぼ無視できる程度に低減するには、直径２０μｍ以上の開口にする必要があるが、接地電極１３０が並行導波路１１２、１１４を跨ぐ長さは、１００〜５００μｍ程度と短いため、開口約１５μｍのブリッジでも光損失を０．０５ｄＢ以下に抑えることができる。なお、接地電極１３０に設けたブリッジ１５０ｂは、外側スロットモードの信号伝搬速度を低下させて、内側スロットモードの伝搬速度と外側スロットモードの伝搬速度との間の細かな調整を図るためのものである。なお、速度調整用の１５０ｂのようなブリッジは、一つに限らず、必要に応じて複数設けることもできる。

このように、曲がり部外側の接地電極１３０に速度調整用のブリッジを設けることにより、例えば、曲がり部内側の接地電極１３２に設ける各ブリッジ（例えば１４０ａ等）を、大きな開口を持つ同一の形状として形成し、その数によって内側スロットモードの速度を調整しつつ、曲がり部外側の接地電極１３０に設けるブリッジ（例えば１５０ｂ）を、これより小さな開口を持つ形状として形成し、その数により外側スロットモードの速度を微調整することができ、接地電極１３０、１３２におけるブリッジ形成の設計自由度が向上する。

なお、ＲＦ電極１２０の曲がり部外側の接地電極１３０に設けるブリッジの数、開口部の形状及びサイズ、並びに当該曲がり部内側の接地電極１３２に設けるブリッジの数、開口部の形状及びサイズは、上記に限らず、内側スロットモードと外側スロットモードとの間の信号遅延を解消できる範囲において、それぞれ任意の数、任意の形状、及び任意のサイズとすることができる。例えば、ブリッジの開口部形状を、長半楕円等の任意の曲線形状、又は任意の多角形の形状とすることができる。

ここで、内側スロットモードと外側スロットモードとの間の伝搬時間差の解消の観点から必要とされるブリッジ開口部のサイズについての試算結果を示す。
ＲＦ電極１２０の１／４円弧（９０度曲げ）の屈曲部における曲げ半径（ＲＦ電極１２０の中心線が構成する円弧の曲げ半径）をｒとすると、ＲＦ電極１２０、接地電極１３０、１３２で構成されるコプレーナ電極を伝搬するマイクロ波の伝搬距離（ＲＦ電極１２０の中心線の円弧の長さ）は（πｒ／２）であり、当該距離の伝搬時間ｔは、
ｔ=（πｒ／２）／Ｖ_ｃｐｗ＝（πｒ／２）（Ｎ_ｃｐｗ／ｃ_０）（１）
で与えられる。ここに、Ｖ_ｃｐｗ、Ｎ_ｃｐｗ、及びｃ_０は、それぞれ、マイクロ波の群速度、屈折率、及び光速である。

また、ＲＦ電極１２０の幅をＳ、ＲＦ電極１２０と接地電極１３０、１３２との間隔をｇとし、ＲＦ電極１２０と接地電極１３０との間隙の中心線が構成する円弧の距離を外側スロットモードの伝搬距離、ＲＦ電極１２０と接地電極１３２との間隙の中心線が構成する円弧の距離を内側スロットモードの伝搬距離とすると、両スロットモードの伝搬距離差ΔＬは、
ΔＬ＝π（Ｓ＋ｇ）／２（２）
で与えられる。

したがって、式（１）で与えられる時間ｔの間に発生する外側スロットモードの伝搬距離と内側スロットモードの伝搬距離との差が、式（２）で与えられる伝搬距離差ΔＬに等しければ、すなわち、
ΔＬ＝ｃ_０（１／Ｎ_ｏｕｔ−１／Ｎ_ｉｎ）ｔ（３）
が満たさされれば、両スロットモード間での伝搬遅延は発生しない。ここに、Ｎ_ｏｕｔ及びＮ_ｉｎは、それぞれ、ＲＦ電極１２０と接地電極１３０で構成される伝送線路の外側スロットモードに対する屈折率、及びＲＦ電極１２０と接地電極１３２で構成される伝送線路の内側スロットモードに対する屈折率である。

上述の式（３）及び伝送線路における屈折率についての一般的な算出式に従うと、例えばＳ＝２０μｍ、ｇ＝３０μｍ、ｒ＝２００μｍの場合、Ｎ_ｏｕｔに対しＮ_ｉｎを３％程度大きく設定すれば、両スロットモード間の伝搬遅延をなくすことができることとなる。

外側スロットモード及び内側スロットモードの屈折率は、上述したように、ＲＦ電極１２０と接地電極１３０、１３２とで構成されるスロット線路の容量分布を変化させることで調整できる。これらのスロット線路の静電容量は、基板１０２の内部を通る電気力線に沿って基板１０２の材料を挟むように構成されるコンデンサの静電容量と、ＲＦ電極１２０の側壁と接地電極１３０、１３２の側壁とが基板上で対向することによって形成されるそれぞれのコンデンサの静電容量との和によって与えられる。広帯域光変調器の場合、通常は、上記対向する側壁で構成されるコンデンサの容量が支配的であり、Ｎ_ｏｕｔに対しＮ_ｉｎを３％程度大きくにするには、ＲＦ電極１２０の側壁と接地電極１３０との側壁との間の静電容量に対し、ＲＦ電極１２０の側壁と接地電極１３２の側壁との間の静電容量を３％弱小さくすればよい。そして、この容量差を実現するには、ブリッジ開口部の形状や開口部の大きさも依存するが、近似的には、接地電極１３２に設けるブリッジの開口部の総面積が、ブリッジ１３２の側面の面積に対し２％〜４％程度となるようにすれば良い。

例えば、接地電極１３２の高さが３０μｍの場合、ブリッジ１４０ａ〜ｅの開口部をそれぞれ直径１５μｍ程度の半円形状とし、これらのブリッジをおよそ１００μｍのピッチで形成すれば、内側スロットモードの速度を３％程度遅くすることができる。速度低下の調整は、各ブリッジの開口部の大きさで調整しても良いし、隣接するブリッジ間のピッチ（間隔）で調整しても良い（ピッチを大きくすれば、伝搬距離当たりの静電容量が下がるので、伝搬速度も低下する）。

ブリッジ１４０ａ〜ｅ、１４２ａ〜ｅを備える接地電極１３２、ブリッジ１５０ａ〜ｃ、１５２ａ〜ｃを備える接地電極１３０の形成は、例えばＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuits）の製造工程において回路素子間の空中接続配線（エアブリッジ）の形成に用いられるプロセスと同様のプロセスにより行うことができる。この場合、ブリッジ部分を構成するための犠牲層（金属堆積後に除去されてブリッジを構成する部分）の素材としては、フォトレジストや、ニッケル、クロム、ニクロムなどの金属を用いることができる。

接地電極１３０、１３２の材料堆積は、ＲＦ電極１２０の材料堆積に用いるものと同じメッキプロセス（メッキ法）を用いて、例えばＲＦ電極材料を堆積する工程と同一の工程において行うことができる。例えば、ブリッジ部分となる上述の犠牲層（フォトレジスト等）を基板１０２上に堆積した後、ＲＦ電極１２０の材料を堆積する際に、これと同じ材料により接地電極１３０、１３２も堆積させ、その後に犠牲層をエッチング除去することで、各ブリッジ１４０ａ等を容易に形成することができる。この場合には、接地電極１３０、１３２の素材や犠牲層に用いる素材に制限があるものの、少ない工程で接地電極１３０、１３２を形成することができ、製造コストの点で有利である。

また、接地電極１３０、１３２の形成は、所定の幅の開口を有する少なくとも一つの金属層を含む、複数の金属膜を基板１０２上に積層して行うものとすることもできる。

さらに、接地電極１３０、１３２は、必ずしもその全体が基板１０２上への材料堆積により形成される必要はない。したがって、例えば、所定サイズのブリッジを構成するように設けられた溝をそれぞれ備える略板状の導電性部材を、予め基板１０２上に形成された金属膜に対し、例えばフリップチップボンディングにより接合して、接地電極１３０、１３２をそれぞれ構成するものとすることもできる。

以上、説明したように、本実施形態の光導波路素子は、制御電極であるＲＦ電極がコプレーナ型線路を構成し、その曲がり部分において、当該曲がり部分の内側に位置する接地電極（内側接地電極）に所定サイズの開口を持つ一つ以上のブリッジが設けられている。これにより、ＲＦ電極と内側接地電極とで構成される内側スロット線路の信号伝搬モード（内側スロットモード）の伝搬速度を、当該ＲＦ電極と上記曲がり部外側の接地電極とで構成される外側スロット線路の信号伝搬モード（外側スロットモード）の伝搬速度よりも遅くして、上記曲がり部分に起因する内側スロットモードと外側スロットモードとの間での信号遅延を解消し、当該信号遅延による両スロットモード間のアンバランスを解消して信号の放射損失を有効に防止することができる。

また、本実施形態の光導波路素子は、上記曲がり部分の近傍に形成された光導波路を覆う接地電極に、当該光導波路を跨ぐように上記と同様のブリッジが形成され、当該接地電極の材料金属による上記光導波路における光吸収損失の発生が防止される。すなわち、ＲＦ電極が構成するコプレーナ型線路の曲がり部分を通過する光導波路がある場合には、上記放射損失を防止するための構造であるブリッジと同様のブリッジ構造を用いて、上記光吸収損失を防止することができる。

なお、本実施形態では、接地電極１３０の、並行導波路１１２、１１４と重なる部分の全体に亘って、当該並行導波路１１２、１１４を跨ぐようにブリッジ１５０ａ等を設けるものとしたが、これに限らず、光導波路内を伝搬する光の損失についての許容度に応じて、上記重なる部分の一部についてのみ、並行導波路１１２、１１４を跨ぐようにブリッジ１５０ａ等を設けるものとすることもできる。

また、本実施形態に示した光導波路素子１００は、マッハツェンダ型光導波路を有し、ＲＦ電極１２０の曲がり部内側の接地電極１３２の下部には光導波路が形成されていないものとなっているが、これに限らず、他の構成の光導波路を、ＲＦ電極１２０、接地電極１３０、１３２に対し任意の位置関係で用いるものとしても良い。例えば、光導波路は、方向性結合器のように所定距離だけ離れた２本の平行導波路で構成されるものとしてもよく、Ｘ字状やＹ字状に交差又は分岐する導波路で構成されていてもよい。また、これらの光導波路の一部が、内側接地電極１３２の下部を通るように構成されていてもよい。

そして、光導波路の一部が内側接地電極１３２の下部に形成される場合には、当該接地電極１３０に形成されるブリッジの少なくとも一つが、当該光導波路の一部又は全部を跨ぐように構成されるものとすることができる。これにより、内側接地電極１３２に設けられるブリッジにより、上記曲がり部における高周波信号の放射損失と、光導波路における上記接地電極１３２による吸収損失とを、同時に防止することができる。

また、本実施形態に示す光導波路素子は、基板１０２の上面にバッファ層を設けられていないが、これに限らず、基板１０２上に形成されたバッファ層上に、上述したブリッジ１４０ａ等を設けるものとしてもよい。この場合にも、ＲＦ電極の曲がり部内側の接地電極へのブリッジ形成により、高周波信号の放射損失を防止することができる。また、同時に、例えばバッファ層の厚さが薄く、当該バッファ層のみでは接地電極による光の吸収損失を完全には回避できない場合には、光導波路上部の接地電極に当該光導波路を跨ぐブリッジを形成して、上記吸収損失の発生を完全に回避することができる。

また、上述した実施形態では、基板１０２としてＸカットのＬＮ基板を用いる構成としたが、これに限らず、ＺカットのＬＮ基板を用いるものとすることもできる。ＺカットのＬＮ基板を用いる場合には、ＲＦ電極を並行導波路の直上部に重ねて設けるため基板表面にバッファ層を形成するのが一般的であるが、上述したように、このようなバッファ層を形成する場合にも、本実施形態に示したブリッジ構造を用いて高周波信号の放射損失を有効に防止することができる。

また、本実施形態に示した、ＲＦ電極の曲がり部における内側接地電極へのブリッジ形成に加えて、ＲＦ電極と内側接地電極との距離を、ＲＦ電極と外側接地電極との距離よりも大きくする構成を併用することができる。これにより、例えば、当該構成により内側スロット線路の分布容量を補足的に低減して、ブリッジ形成による調整範囲を狭めて、より細かな調整を可能とすることができる。

さらに、上述した実施形態では、ＲＦ電極１２０の側壁と内側接地電極１３２の側壁との間の空間は空気であるものとしたが、当該空間に低誘電損失の絶縁材料（例えば、樹脂など）を配置して、内側スロットモードの速度低減効果を補足することもできる。

また、ＲＦ電極１２０の側壁と外側接地電極１３０の側壁との間の空間に、低誘電損失の絶縁材料（例えば、樹脂）を配置して、外側スロットモードの伝搬速度低減効果を補足的に高めて、内側スロットモードと外側スロットモードとの間の信号遅延を防止し、放射損失を低減することもできる。

１００・・・光導波路素子、１０２・・・基板、１１０・・・入射導波路、１１２、１１４・・・並行導波路、１１６・・・出射導波路、１２０・・・ＲＦ電極、１３０、１３２・・・接地電極、１４０ａ〜ｅ、１４２ａ〜ｅ、１５０ａ〜ｃ、１５２ａ〜ｃ、１６０、１６２・・・ブリッジ。

Claims

基板に形成された光導波路と、当該光導波路を伝搬する光波を制御するため前記基板上に形成された制御電極と、当該制御電極を中心導体とするコプレーナ型線路を構成する２つの接地電極と、を備える光導波路素子であって、
前記コプレーナ型線路の曲がり部分において、当該曲がり部分の内側に位置する一の接地電極と前記制御電極との間を伝搬するスロットモードの速度が、当該曲がり部分の外側に位置する一の接地電極と前記制御電極との間を伝搬するスロットモードの速度よりも遅いことを特徴とする、
光導波路素子。
基板に形成された光導波路と、当該光導波路を伝搬する光波を制御するため前記基板上に形成された制御電極と、当該制御電極を中心導体とするコプレーナ型線路を構成する２つの接地電極と、を備える光導波路素子であって、
前記コプレーナ型線路の曲がり部分において、当該曲がり部分の内側に位置する一の接地電極の、前記制御電極と対向する側壁に、所定のサイズの開口と所定の奥行きを持つブリッジが、所定の数だけ形成されている、
光導波路素子。
前記曲がり部分において、当該曲がり部分の外側に位置する他の接地電極の、前記制御電極と対向する側壁に、所定のサイズの開口と所定の奥行きとを持つブリッジが、所定の数だけ形成されている、
請求項２に記載の光導波路素子。
前記一の接地電極に設けられた前記ブリッジ及び前記他の接地電極に設けられた前記ブリッジの少なくとも一つが、前記基板に形成された前記光導波路の全部または一部を跨ぐように形成されている、
請求項３に記載の光導波路素子。
前記基板は、電気光学効果を有する材料で構成され、
前記光導波路は、マッハツェンダ型光導波路である、
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。
前記基板の厚さが５０μｍ以下である、請求項５に記載の光導波路素子。
前記制御電極は、メッキ法を用いて形成され、且つ、
前記制御電極の厚さは、３０μｍ以上である、
請求項１ないし６のいずれか一項に記載の光導波路素子。
前記光導波路は、方向性結合器を構成する光導波路、互いに交差する光導波路、又はＹ分岐部を有する光導波路を含むものである、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の光導波路素子。