JP2016161661A

JP2016161661A - 導波路型光素子

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Publication number: JP2016161661A
Application number: JP2015038416A
Authority: JP
Inventors: 勝利近藤; Katsutoshi Kondo
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2016-09-05
Anticipated expiration: 2035-02-27
Also published as: JP6477016B2

Abstract

【課題】電極フィード部の曲がり部分に発生する高周波損失に起因した光制御特性の悪化を防止した導波路型光素子を提供する。【解決手段】導波路型光素子は、電気光学効果を有する基板１００と、基板表面に形成された光導波路１０８〜１１４と、光導波路の近傍に形成されて当該光導波路内を伝搬する光波を制御する作用部１１８ａ、１２０ａと、当該作用部に電気信号を伝達するフィード部１１８ｃ、１２０ｃと、を有する制御電極１１８、１２０と、を備える。制御電極のフィード部は曲がり部分を有しており、少なくともフィード部の曲がり部分は、基板より誘電率の小さい材料を用いて基板上に形成された低誘電率層１２８の上に形成され、かつ、フィールド部の曲がり部分を含まず作用部を含む基板上の領域には低誘電率層が形成されていない。【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に形成された光導波路と、当該光導波路を伝搬する光を制御するための制御電極とを備えた導波路型光素子に関し、特に、制御電極の曲がり部分における高周波信号損失が光制御に影響を与えるのを防止することのできる導波路型光素子に関する。

光通信や光情報処理の分野においては、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導波路型光素子が多く用いられている。

このような導波路型光素子として、例えば強誘電体結晶であるニオブ酸リチウム（LiNbO3）（「ＬＮ」とも称する）を基板に用い、当該基板表面にマッハツェンダ（ＭＺ、Mach-Zehnder）型光導波路（ＭＺ導波路）を形成すると共に、当該光導波路上、若しくはその近傍に高周波信号を伝搬し、光波を制御するためのコプレーナ電極（ＣＰＷ、Copalanar Waveguide）を形成した、光変調器が広く用いられている。

上記のような構成を持つ光変調器における一つの課題として、ＣＰＷを伝搬する高周波伝搬モード（ＣＰＷモードと称する）と、基板内を伝搬する高周波伝搬モード（基板モードと称する）と、の間の結合より、ＣＰＷを伝搬する高周波信号が特定周波数において損失を発生することが挙げられる。この損失は、ＣＰＷの高周波伝達特性（Ｓ２１特性）における特定周波数でのディップとなって現れ、当該周波数成分の高周波パワーが減少することで、例えば当該ＣＰＷで制御される光導波路の光変調特性が悪化する。

従来、このようなＬＮ基板上に形成されたＣＰＷの高周波伝達特性を改善する技術として、ＣＰＷが形成された基板の厚さを薄くする（例えば２５０μｍ程度）ことで、高周波に対する基板モードの実効屈折率を減少させて、ＣＰＷモードから基板モードへ結合する周波数を高周波側へシフトさせることで低減して、ディップを低減することが知られている（非特許文献１）。

ところで、近年においては、光通信システムに求められる伝送容量の増大に対応するため、ＬＮ基板上に複数のＭＺ導波路を設けて複雑な光変調を行う導波路型光素子が用いられている。例えば、ＱＰＳＫ変調用の導波路型光変調器の場合、ＬＮ基板上に２つのＭＺ導波路が並べて形成され、当該２つのＭＺ導波路上、若しくはその近傍にそれぞれのＭＺ導波路を制御するためのＣＰＷの部分（作用部）に、個別の高周波信号が印加されて、光変調が行われる。

このようなＱＰＳＫ光変調器のように複数のＭＺ光導波路をもつ光変調器では、一般的に、外部回路とＣＰＷとが接続される基板の端部においてタイミングの揃った高周波信号が入力される。各ＣＰＷのフィード部（基板端部から光導波路を制御するためのＣＰＷに至るまでの部分）を伝搬した信号が、導波路を制御するための各ＣＰＷの作用部端において、所望のタイミングを確保するためには、基板上に並んで形成されたすくなくとも一方のＣＰＷ（すなわち、上記一の基板端部に近い方のＭＺ導波路のＣＰＷ）のフィード部に、曲がり部分（Ｒ部）を追加するなどして、長さを調整することとなる。

このような曲がり部分では、当該曲がり部分の内側を伝搬する高周波伝搬モード（内側スロットモード）と、当該曲がり部分の外側を伝搬する高周波伝搬モード（外側スロットモード）と、の間で位相不整合が発生する。このため、ＣＰＷモードから基板モードへの放射が発生するため、直線状フィード部で発生する上記ディップの周波数とは異なる周波数に新たなディップを、Ｓ２１特性に生じさせる。その結果、上記２つのＭＺ導波路間での光制御特性のバランスが崩れ、光変調器全体としての光制御特性も悪化する（例えば、光変調波形に歪が生じる）こととなる。

そして、これら曲がり部分に起因するＳ２１特性上のディップは、フィード部の基板厚さを薄くする上述の従来手法では、解消することは困難である。

Yongqiang Shi, "Micromachined Wide-Band Lithium-Niobate Electrooptic Modulators", pp. 810-815, IEEE Trans. on Microwave and Technique, Vol. 54, No.2, Feb. 2006.

上記背景より、導波路型光素子において、電極フィード部の曲がり部分において発生する高周波損失に起因した光制御特性の悪化を抑制することが望まれている。

本発明の一の態様は、電気光学効果を有する基板と、前記基板表面に形成された光導波路と、前記光導波路の近傍に形成されて当該光導波路内を伝搬する光波を制御する作用部と、当該作用部に電気信号を伝達するフィード部と、を有する制御電極と、を備え、前記フィード部は曲がり部分を有しており、少なくとも前記フィード部の前記曲がり部分は、前記基板より誘電率の小さい材料を用いて前記基板上に形成された低誘電率層の上に形成され、かつ、前記フィード部の前記曲がり部分を含まず前記作用部を含む前記基板上の領域には前記低誘電率層が形成されていないか、又は、前記フィード部の前記曲がり部分を含まず前記作用部を含む前記基板上の領域に前記低誘電率層が形成されている場合には、当該領域に形成された前記低誘電率層の厚さに比べて、前記フィード部の前記曲がり部分の下部に形成される前記低誘電率層の厚さが厚い。
本発明の他の態様によると、前記信号損失の前記発生周波数は、前記低誘電率層の存在により、少なくとも前記導波路型光素子の変調周波数の２倍以上の高い周波数へシフトされている。
本発明の他の態様によると、前記低誘電率層は、当該材料の誘電率及び誘電損失をε及びtanδとしたとき、

の特性を有する材料を用いて構成されている。
本発明の他の態様によると、前記低誘電率層を構成する前記材料は、樹脂である。
本発明の他の態様によると、前記導波路型光素子は、前記光導波路に少なくとも一つのマッハツェンダ型光導波路を含む光変調器である。

本発明の第１の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。図１に示す導波路型光素子のＡＡ断面矢視図である。図１に示す導波路型光素子のＢＢ断面矢視図である。低誘電率層によるディップ発生周波数のシフト効果の例を示すシミュレーションに用いたＣＰＷ構造の電極モデルである。低誘電率層によるディップ発生周波数のシフト効果の例を示すシミュレーション結果である。本発明の第２の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。図４に示す導波路型光素子のＣＣ断面矢視図である。図４に示す導波路型光素子のＤＤ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。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。
導波路型光素子１０は、例えばＱＰＳＫ光変調器（９０°位相シフト用電極は不図示）であり、ＬＮ基板１００上に形成された２つのＭＺ導波路１０２、１０４で構成されるネスト型ＭＺ導波路１０６により構成されている。ＭＺ導波路１０２及び１０４は、それぞれ並行導波路１０８、１１０及び１１２、１１４を備えている。

図２Ａは、図１に示す導波路型光素子１０のＡＡ断面矢視図である。ＬＮ基板１００は約１０μｍの厚さで形成されており、例えばＬＮ支持基板１１６上に接着剤層１１７を介して、接着固定されている。ＬＮ基板１００上には、金（Ａｕ）等の金属から成る制御電極である高周波（ＲＦ）電極１１８、１２０が形成され、当該ＲＦ電極１１８、１２０をそれぞれ基板面方向に沿って挟むようにグランド（ＧＮＤ）電極１２２、１２４、１２６が形成されている。これにより、ＲＦ電極１１８は、ＧＮＤ電極１２２、１２４に挟まれて一のＣＰＷ電極を構成し、ＲＦ電極１２０は、ＧＮＤ電極１２４、１２６に挟まれて他のＣＰＷ電極を構成する。

なお、ＬＮ基板１００を厚さ１０μｍ程度まで薄板化して形成するのは、ＲＦ電極１１８、１２０におけるＣＰＷモードと基板モードとの結合によるディップを低減するためである。

ここで、ネスト型ＭＺ導波路１０６は、例えば基板１００に金属チタン（Ｔｉ）を熱拡散する方法等、既知の種々の方法を用いて作製することができる。また、基板１００は、例えばＸカットのＬＮ基板であり、したがって、印加電界に対して最大の屈折率変化を得るべく、並行導波路１０８〜１１４内において基板１００の基板面に平行に電界が印加されるよう、ＲＦ電極１１８、１２０がそれぞれ並行導波路１０８、１１０の間及び並行導波路１１２、１１４の間に形成されており、且つ、ＲＦ電極１１８とＧＮＤ電極１２２及び１２４との間に並行導波路１０８、１１０が、ＲＦ電極１２０とＧＮＤ電極１２４及び１２６との間に並行導波路１１２、１１４が配されるように、ＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６が配されている。

また、図１に示すように、ＲＦ電極１１８、１２０は、共に、それぞれ並行導波路１０８、１１０と平行に形成された作用部１１８ａ（図示ハッチング部分）、及び並行導波路１１２、１１４と平行に形成された作用部１２０ａ（図示ハッチング部分）の、図示左側端部から、図示下側の基板１００の端部まで延在するように形成されており、当該図示下側の端部部分が各ＲＦ電極１１８、１２０の信号入力端１１８ｂ、１２０ｂとなっている。すなわち、ＲＦ電極１１８、１２０のうち、上記作用部１１８ａ、１２０ａの図示左端から上記信号入力端１１８ｂ、１２０ｂまでの間に形成された部分が、当該ＲＦ電極１１８、１２０のフィード部１１８ｃ、１２０ｃをそれぞれ構成する。

また、ＲＦ電極１１８の作用部１１８ａの図示右側端部は、図示上側の基板１００端部まで延在し、当該端部部分が信号出力端１１８ｄを構成する。当該信号出力端１１８ｄは、基板１００の外部に設けられた終端抵抗（不図示）に接続されており、これにより、ＲＦ電極１１８の信号入力端１１８ｂから入力された高周波信号は、上記フィード部１１８ｃ及び作用部１１８ａを通り、信号出力端１１８ｄから上記終端抵抗に至って無反射終端される。

同様に、ＲＦ電極１２０の作用部１２０ａの図示右側端部は、図示下側の基板１００端部まで延在し、当該端部部分が信号出力端１２０ｄを構成する。当該信号出力端１２０ｄは、基板１００の外部に設けられた終端抵抗（不図示）に接続されており、これにより、ＲＦ電極１２０の信号入力端１２０ｂから入力された高周波信号は、フィード部１２０ｃ及び作用部１２０ａを通って信号出力端１２０ｄから上記終端抵抗に至って無反射終端される。

ＲＦ電極１１８、１２０の信号入力端１１８ｂ、１２０ｂには、これら信号入力端において互いにタイミングの揃った高周波信号が、それぞれ印加される。このため、ＲＦ電極１１８、１２０のそれぞれのフィード部１１８ｃ、１２０ｃは、高周波の伝搬時間が同じとなるように、同じ長さで形成されている。すなわち、２つのＭＺ導波路１０２、１０４のうち、基板１００の図示下側端部から遠い方のＭＺ導波路１０２に設けられたＲＦ電極１１８のフィード部１１８ｃは、一つの曲がり部分と図示上下方向に延びる直線部分とで形成されているのに対し、基板１００の図示下側端部に近い方のＭＺ導波路１０４に設けられたＲＦ電極１２０のフィード部１２０ｃは、３つの曲がり部分と、図示上下方向に延びる２つの短い直線部分と、図示左右方向に延びる１つの短い直線部分と、で構成されている。

図２Ｂは、図１に示す導波路型光素子１０のＢＢ断面矢視図である。
本実施形態に係る導波路型光素子１０では、特に、ＲＦ電極１１８、１２０の作用部１１８ａ、１２０ａがＬＮ基板１００上に形成されているのに対し、作用部１１８ａ、１２０ａ以外の、フィード部１１８ｃ、１２０ｃと、当該フィード部１１８ｃ、１２０ｃを挟むＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６の部分とが、ＬＮ基板１００上に形成された低誘電率層１２８の上に形成されている。この低誘電率層１２８は、ＬＮ基板１００よりも低い誘電率を有する材料で構成される。

上記の構成を有する導波路型光導波路１０は、ＲＦ電極１１８、１２０のうち曲がり部分を有するそれぞれのフィード部１１８ｃ、１２０ｃが、低誘電率層１２８を介してＬＮ基板１００上に形成されているので、低誘電率層１２８の無い従来の導波路型光素子に比べて、上記曲がり部分に起因するＳ２１特性上のディップの周波数位置が高周波側へシフトする。

すなわち、上述したように、ＣＰＷ電極の曲がり部分における高周波の放射損失は、当該曲がり部分における内側スロットモードと外側スロットモードとの間の位相不整合により発生することから、当該放射損失（即ちＳ２１特性におけるディップ）が発生する周波数ｆｍは、次式で与えられる。

ここで、v₀、Δl、ε_e、mは、それぞれ、両スロットモードの伝搬速度、曲がり部分における内側スロットモードと外側スロットモードの伝搬距離の差、ＣＰＷ電極の当該曲がり部分の実効誘電率、及び位相差の次数を表す自然数である。

本実施形態の導波路型光素子１０では、曲がり部分を有するＲＦ電極１１８、１２０のフィード部１１８ｃ、１２０ｃが、ＬＮ基板１００上に形成された低誘電率層１２８の上に形成されているため、ＲＦ電極１１８、１２０の当該曲がり部分での実効誘電率が、低誘電率層１２８がない場合に比べて小さくなることから、Ｓ２１特性におけるディップの発生周波数（即ち、上記f_m）が高周波側にシフトすることとなる。

これにより、例えば、低誘電率層１２８を用いない構成においてＲＦ電極１１８、１２０に入力する高周波信号の周波数スペクトラムにおいて最もエネルギ密度の高い周波数（変調周波数）又はその近傍にＳ２１特性上のディップが発生する場合には、本実施形態のように低誘電率層１２８を設けることで、Ｓ２１特性上の当該ディップの発生周波数を、上記変調周波数の外へシフトさせて、高周波損失を低減することができる。そして、これにより、２つのＭＺ導波路１０２、１０４を適切に動作させて、導波路型光素子１０全体として良好な変調特性を得ることができる。

なお、低誘電率層１２８の素材としては、ＬＮ基板１００より誘電率が低くければよく、望ましくは誘導損失（誘電正接）tanδが小さい材料が良い。例えば、後述する表１および図３Ｂから、

となる材料が伝送線路の損失から好ましい。具体的な例として、SiO₂や、フォトリソグラフィ技術を基にパターンが可能な樹脂（永久レジスト）を、低誘電率層１２２の素材とすることができる。

図３Ａ及び図３Ｂは、ＬＮ基板上に低誘電率層を介してＣＰＷ電極の曲がり部分を形成した場合の、Ｓ２１特性におけるディップ周波数シフト効果の例を、シミュレーションにより示した図である。本シミュレーションでは、低誘電率層を用いない場合のＳ２１特性と、本願の出願時において市販されている永久レジスト３種類を用いて低誘電率層を構成した場合のＳ２１特性とを算出した。計算に用いた永久レジストの比誘電率（ε）及び誘電損失（tanδ）を下表に示す。

図３Ａは、シミュレーションに用いたＣＰＷ電極モデルである。図示のモデルでは、曲率半径Ｒを持つ曲がり部分を備えたＲＦ電極３００が、ＧＮＤ電極３０２、３０４に挟まされて形成されている。ＲＦ電極３００の幅をｗ、ＲＦ電極３００のうち図示左右方向（Ｙ方向）に延びる部分とＧＮＤ電極３０２、３０４との間の間隔をｇ１、図示上下方向（Ｚ方向）に延びる部分とＧＮＤ電極３０２、３０４との間の間隔をｇ２としている。ｗ、ｇ１、ｇ２の具体的な数値は、それぞれ、３０μｍ、２５μｍ、３２μｍである。

また、ＲＦ電極３００、ＧＮＤ電極３０２、３０４は、厚さ９μｍのＸカットＬＮ基板上に形成されているものとし、当該ＬＮ基板のＸ、Ｙ方向の比誘電率を４４、Ｚ方向の比誘電率を２８とした。また、ＲＦ電極３００、ＧＮＤ電極３０２、３０４の厚さを４０μｍとして計算した。

図３Ｂは、Ｓ２１特性のシミュレーション結果である。横軸は周波数、縦軸が伝達損失である。曲線３１０は、低誘電率層を用いない場合のＳ２１特性、曲線３１２、３１４、３１６は、それぞれ、表１に示したレジストＡ、Ｂ、Ｃを用いて層厚５μｍの低誘電率層を形成した場合のＳ２１特性である。

図示の例では、低誘電率層を用いない場合（曲線３１０）には４０ＧＨｚ近傍の周波数３２０において、曲がり部分に起因したディップ（伝達損失）３３０が生ずる。図示されていないが、低誘電率層を用いない場合のディップ３３０の発生周波数は、曲がり部分の曲率半径を変化させて計算を行っても殆ど変化しない。したがって、このディップ３３０の深さは、ＣＰＷ電極のフィーダ部に設けた曲がり部分の数に比例して深くなる（すなわち、周波数３２０における伝達損失は曲がり部分の数に比例して増加する）。

これに対し、レジストＡ、Ｂ、Ｃを用いて低誘電率層を形成した場合には（曲線３１２、３１４、３１６）、ディップ３３２、３３４、３３６は、いずれも５０ＧＨｚ近傍の周波数３２２へ約１０ＧＨｚシフトしている。また、周波数全体に亘る伝達損失は、低誘電率層に用いたレジストの誘電損失に応じて、レジストＣの場合が最も少なく、レジストＡの場合が最も多くなる。

導波路型光素子の光制御特性を良好に保つために、ディップ発生周波数は、当該導波路型光素子の動作周波数以外の周波数へシフトさせるべきである。例えば、少なくともＣＰＷ電極に入力される高周波信号の変調周波数の２倍の周波数までシフトさせるべきであり、望ましくは上記変調周波数の２倍の周波数以上の周波数領域までシフトさせる。このディップ周波数のシフト量は、低誘電率層１２８に用いる材料の比誘電率と膜厚を含むパラメータにより定まる。

なお、永久レジスト等を用いて構成される低誘電率層は、薄板化されたＬＮ基板の強度を補強する作用も有している。従って、例えば、分離して形成されたＧＮＤ電極間をボンディングにより接続する場合には（例えば、特開２０１１−２１５２９３号公報参照）、ボンディングされるＧＮＤ電極とＬＮ基板との間に部分的に低誘電率層を設けることで、ボンディングの際のＬＮ基板へのクラック発生を防止することができる。

また、本実施形態では、ＸカットＬＮ基板１００上に形成されたネスト型ＭＺ導波路１０６により構成される導波路型光素子１０を示したが、上述した低誘電率層によるディップ周波数シフト効果は、ＺカットＬＮ基板においても同様に奏し得る。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態に係る導波路型光素子は、ＺカットＬＮ基板上に形成された一つのＭＺ導波路から成る光変調器である。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。
導波路型光素子４０は、光変調器であり、ＺカットＬＮ基板４００上に形成された並行導波路４０２、４０４を備えるＭＺ導波路４０６（図示の太い点線部分）により構成されている。

図５Ａは、図４に示す導波路型光素子４０のＣＣ断面矢視図である。ＬＮ基板４００上には、二酸化珪素（ＳｉＯ２）から成るバッファ層４０８が形成され、当該バッファ層４０８上には、珪素（Ｓｉ）より成る電荷分散膜４１０が形成されている。また、電荷分散膜４１０上には、並行導波路４０２、４０４の上方位置に、金（Ａｕ）等の金属から成る制御電極である高周波（ＲＦ）電極４１２、４１４が形成され、当該ＲＦ電極４１２、４１４をそれぞれ基板面方向に沿って挟むようにグランド（ＧＮＤ）電極４１６、４１８、４２０が形成されている。これにより、ＲＦ電極４１２は、ＧＮＤ電極４１６、４１８に挟まれて一のＣＰＷ電極を構成し、ＲＦ１１４は、ＧＮＤ電極４１８、４２０に挟まれて他のＣＰＷ電極を構成する。

ここで、上記ＭＺ導波路４０６は、例えば基板４００に金属チタン（Ｔｉ）を熱拡散する方法等、既知の種々の方法を用いて作製することができる。基板４００は、ＺカットのＬＮ基板であるため、印加電界に対して最大の屈折率変化を得るべく、並行導波路４０２、４０４内において基板４００の厚さ方向に電界が印加されるように、上述の如くＲＦ電極４１２、４１４が並行導波路４０２、４０４の上方に形成されている。

また、図４に示すように、ＲＦ電極４１２、４１４は、共に、それぞれ並行導波路４０２、４０４と重なる作用部４１２ａ、４１４ａの図示左側端部から、図示下側の基板４００の端部まで延在するように形成されており、当該図示下側の端部部分が各ＲＦ電極４１２、４１４の信号入力端４１２ｂ、４１４ｂとなっている。すなわち、ＲＦ電極４１２、４１４のうち、上記作用部４１２ａ、４１４ａの図示左端から上記信号入力端４１０ｂ、４１２ｂまでの間に形成された部分が、当該ＲＦ電極４１２、４１４のフィード部４１２ｃ、４１４ｃをそれぞれ構成する。

また、ＲＦ電極４１２の作用部４１２ａの図示右側端部は、図示上側の基板４００端部まで延在し、当該端部部分が信号出力端４１２ｄを構成する。当該信号出力端４１２ｄは、基板４００の外部に設けられた終端抵抗（不図示）に接続されており、これにより、ＲＦ電極４１２の信号入力端４１２ｂから入力された高周波信号は、フィード部４１２ｃ及び作用部４１２ａを通り、信号出力端４１２ｄから上記終端抵抗に至って無反射終端される。

同様に、ＲＦ電極４１４の作用部４１４ａの図示右側端部は、図示下側の基板４００端部まで延在し、当該端部部分が信号出力端４１４ｄを構成する。当該信号出力端４１４ｄは、基板４００の外部に設けられた終端抵抗（不図示）に接続されており、これにより、ＲＦ電極４１４の信号入力端４１４ｂから入力された高周波信号は、フィード部４１４ｃ及び作用部４１４ａを通って信号出力端４１４ｄから上記終端抵抗に至って無反射終端される。

ＲＦ電極４１２、４１４の信号入力端４１２ｂ、４１４ｂには、これら信号入力端において互いにタイミングの揃った高周波信号が、それぞれ印加される。このため、ＲＦ電極４１２、４１４のそれぞれのフィード部４１２ｃ、４１４ｃは、高周波の伝搬時間が同じとなるように、同じ長さで形成されている。すなわち、２本の並行導波路４０２、４０４のうち、基板４００の図示下側端部から遠い方の並行導波路４０２に設けられたＲＦ電極４１２のフィード部４１２ｃは、一つの曲がり部分と図示上下方向に延びる直線部分とで形成されているのに対し、基板４００の図示下側端部に近い方の並行導波路４０４に設けられたＲＦ電極４１４のフィード部４１４ｃは、３つの曲がり部分と、図示上下方向に延びる２つの短い直線部分と、図示左右方向に延びる１つの短い直線部分と、で構成されている。

図５Ｂは、図１に示す導波路型光素子４０のＤＤ断面矢視図である。
本実施形態に係る導波路型光素子４０では、特に、ＲＦ電極４１２、４１４の作用部４１２ａ、４１４ａが電荷分散膜４１０上に形成されているのに対し、作用部４１２ａ、４１４ａ以外の、ＲＦ電極４１２、４１４のフィード部４１２ｃ、４１４ｃと、当該フィード部４１２ｃ、４１４ｃを挟むＧＮＤ電極４１６、４１８、４２０の部分とが、電荷分散膜４１０上に形成された低誘電率層４２２の上に形成されている。この低誘電率層４２２は、ＬＮ基板４００よりも低い誘電率を有する材料で構成される。なお、低誘電率層４２２を構成する材料に求められる特性及び望ましい特性は、第１の実施形態において記載したとおりである。

上記の構成を有する導波路型光素子４０は、第１の実施形態に係る導波路型光素子１０と同様に、ＲＦ電極４１２、４１４のうち曲がり部分を有するそれぞれのフィード部４１２ｃ、４１４ｃが、低誘電率層４２２を介して基板４００上に形成されているので、低誘電率層４２２の無い従来の導波路型光素子に比べて、上記曲がり部分に起因するＳ２１特性上のディップの周波数位置が高周波側へシフトする。

なお、バッファ層４０８は、並行導波路４０２、４０８の上部に形成されたＲＦ電極４１２、４１４を構成する金属により当該並行導波路４０２、４０８を伝搬する光が吸収されるのを防止することを目的として形成されるが、一方において、当該バッファ層の存在により、ＲＦ電極４１２、４０８によって並行導波路４０２、４０８に印加される電界の強度が低下する。このため、バッファ層４０８は、上記光吸収防止の目的が達成される範囲及びＲＦ電極４１２、４１４を伝搬する高周波の速度をその作用部４１２ａ、４１４ａにおいて整合させる所望の光帯域が確保できる範囲において、上記電界の強度をできるだけ高く維持し得るように、出来る限り薄く形成される。

バッファ層４０８を構成する二酸化珪素（ＳｉＯ_２）は、ＬＮ基板４００よりも低い誘電率を有する材料であって、低誘電率層４２２を構成する材料としても用いることができる。したがって、低誘電率層４２２とバッファ層４０８とが同じＳｉＯ_２にて形成される場合には、フィード部４１２ｃ、４１４ｃの下部に形成された低誘電率層４２２の厚さとバッファ層４０８の厚さと電荷分散膜410の厚さを加えた厚さにより、上記Ｓ２１特性におけるディップ周波数が定まる。

また、この場合、バッファ層４０８を、低誘電率層４２２の一部であるということもでき、従って、低誘電率層４２２がフィード部４１２ｃ、４１４ｃの下部以外の基板４００表面に形成されていると言うことができる。ただし、上述したように、バッファ層４０８は、本来、できる限り薄く形成されるものであるのに対し、フィード部４１２ｃ、４１４ｃの下部に形成される低誘電率層４２２は、Ｓ２１特性におけるディップ周波数を所望の量以上に高周波側へシフトさせるべく十分厚く形成されるものであるため、低誘電率層４２２と同じ素材で構成されたバッファ層４０８を当該低誘電率層４２２の一部としてみた場合には、フィード部４１２ｃ、４１４ｃの下部に形成される低誘電率層４２２の厚さは、作用部４１２ａ、４１４ａの下部に形成される低誘電率層４２２の厚さよりも、厚くなるのが一般的である。

また、ＬＮ基板としてＸカットのＬＮ基板１００を用いる第１の実施例においても、ＬＮ基板が厚い場合には、ＲＦ電極１１８、１２０を伝搬する高周波の速度をその作用部１１８ａ、１２０ａにおいて整合させるべく、ＳｉＯ_２等で構成されるバッファ層を形成する場合もあるが、この場合においても、当該バッファ層は、ＲＦ電極１１８、１２０によって並行導波路１０８、１１０、１１２、１１４に印加される電界の強度をできるだけ高く維持し得るように、バ出来る限り薄く形成される。したがって、ＸカットのＬＮ基板１００においても、フィード部１１８ｃ、１２０ｃの下部以外のＬＮ基板１００上の領域に、低誘電率層１２８と同じ材料によりバッファ層を形成する場合には、上記と同様に、フィード部１１８ｃ、１２０ｃの下部に形成される低誘電率層１２８の厚さは、作用部１１８ａ、１２０ａの下部に形成される低誘電率層４２２の厚さよりも、厚くなる。

以上、説明したように、第１及び第２の実施形態では、光導波路（ＭＺ導波路１０６、４０６の並行導波路１０８〜１１４、４０２、４０４）を伝搬する光波を制御するＲＦ電極（１１８、１２０、４１８、４２０）の、曲がり部を有するフィード部（１１８ｃ、１２０ｃ、４１２ｃ、４１４ｃ）を、ＬＮ基板上に、当該ＬＮ基板より小さい比誘電率を持つ低誘電率層を介して形成することで、当該曲がり部で発生する高周波損失の発生周波数を、動作周波数より高周波側へシフトさせることができる。その結果、光波制御に対するＲＦ電極の上記曲がり部における高周波損失の影響を低減することができる。

なお、上述した実施形態では、導波路型光素子としてマッハツェンダ型の光変調器を示したが、これに限らず、本発明は、マッハツェンダ型光導波路や方向性結合器型導波路を用いた光制御素子（光変調器のみならず、光スイッチ等の他の機能素子を含む）についても、同様に適用することができる。

１０、４０・・・導波路型光素子、１００、４００・・・基板、１０６・・・ネスト型ＭＺ導波路、１０２、１０４、４０６・・・ＭＺ導波路、１０８、１１０、１１２、１１４、４０２、４０４・・・並行導波路、１１６・・・ＬＮ支持基板、１１７・・・接着剤層、１１８、１２０、３００、４１２、４１４・・・ＲＦ電極、１１８ａ、１２０ａ、４１２ａ、４１４ａ・・・作用部、１１８ｂ、１２０ｂ、４１２ｂ、４１４ｂ・・・信号入力端、１１８ｃ、１２０ｃ、４１２ｃ、４１４ｃ・・・フィード部、１１８ｄ、１２０ｄ、４１２ｄ、４１４ｄ・・・信号出力端、１２２、１２４、１２６、３０２、３０４、４１６、４１８、４２０・・・ＧＮＤ電極、１２８、４２２・・・低誘電率層、４０７・・・バッファ層、４１０・・・電荷分散膜。

Claims

電気光学効果を有する基板と、
前記基板表面に形成された光導波路と、
前記光導波路の近傍に形成されて当該光導波路内を伝搬する光波を制御する作用部と、当該作用部に電気信号を伝達するフィード部と、を有する制御電極と、
を備え、
前記フィード部は曲がり部分を有しており、
少なくとも前記フィード部の前記曲がり部分は、前記基板より誘電率の小さい材料を用いて前記基板上に形成された低誘電率層の上に形成され、
かつ、
前記フィード部の前記曲がり部分を含まず前記作用部を含む前記基板上の領域には前記低誘電率層が形成されていないか、又は、
前記フィード部の前記曲がり部分を含まず前記作用部を含む前記基板上の領域に前記低誘電率層が形成されている場合には、当該領域に形成された前記低誘電率層の厚さに比べて、前記フィード部の前記曲がり部分の下部に形成される前記低誘電率層の厚さが厚い、
導波路型光素子。
前記信号損失の前記発生周波数は、前記低誘電率層の存在により、少なくとも前記導波路型光素子の変調周波数の２倍以上の高い周波数へシフトされている、
請求項１に記載の導波路型光素子。
前記低誘電率層は、当該材料の誘電率及び誘電損失をε及びtanδとしたとき、

の特性を有する材料を用いて構成されている、
請求項１又は２に記載の導波路型光素子。
前記低誘電率層を構成する前記材料は、樹脂である、
請求項３に記載の導波路型光素子。
前記導波路型光素子は、前記光導波路に少なくとも一つのマッハツェンダ型光導波路を含む光変調器である、
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の導波路型光素子。