JP2016194577A

JP2016194577A - 光変調器

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Publication number: JP2016194577A
Application number: JP2015074167A
Authority: JP
Inventors: 洋一細川; Yoichi Hosokawa; 徳一宮崎; Tokuichi Miyazaki; 加藤　圭; Kei Kato; 圭加藤
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2016-11-17
Anticipated expiration: 2035-03-31
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Abstract

【課題】光導波路や制御電極を高集積化した場合でも、信号電極の取り回し配線から光導波路に働く応力による歪みを緩和し、温度ドリフト等の発生を抑制した光変調器を提供する。
【解決手段】電気光学効果を有する基板と、基板に形成され、少なくとも一つのマッハツェンダー型光導波路を備えた光導波路Ｌ１〜Ｌ４と、光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを有する光変調器において、信号電極Ｓ１，Ｓ２は、光導波路に電界を作用させる相互作用部Ｒ１と、パッド部Ｓ１Ｐ，Ｓ２Ｐと相互作用部とを結ぶ配線部とを備え、光導波路の延伸方向で、光導波路を構成する２つの分岐導波路が存在する範囲Ｒ２内において、配線部の一部が延伸方向と平行に配置され、光導波路の延伸方向の中心対称軸に対し、配線部の一部と線対称となる位置に、相互作用部の一部、配線部の他の一部、又は接地電極の応力緩和構造のいずれかが形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、光変調器に関し、特に、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成され、少なくとも一つのマッハツェンダー型光導波路を備えた光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを有する光変調器に関する。

光通信技術や光計測技術では、電気光学効果を有する基板に、光導波路と制御電極とを組み込んだ光変調器が多用されている。このような光変調器では、光導波路にマッハツェンダー型光導波路が形成され、光導波路を伝搬する光波を制御する制御電極は、たとえば、ＬｉＮｂＯ_３を基板にもちいた場合では、数十μｍの厚みで、信号電極や接地電極が形成されている。ＬｉＮｂＯ_３を基板にもちいた光変調器では、温度変化に起因する動作点シフト、所謂、温度ドリフトが発生することが知られている。

マッハツェンダー型光導波路を用いた光変調器において、たとえば、光導波路に対する制御電極の断面構造対称性を確保することで、制御電極が光導波路に影響を与える応力のバランスをとり、温度ドリフト特性を改善する手法は、特許文献１乃至４にも開示されている。特許文献１では、マッハツェンダー型光導波路の変調領域で、信号電極とそれに対向する接地電極について、２本の分岐導波路間の中心に対して実質的に左右対称に形成することが開示されている。なお、接地電極の一部の形状を信号電極に合わせるため、接地電極の特定の領域で電極の厚みを薄く形成している。

特許文献２には、特許文献１の接地電極の特定領域の薄い電極に対し、部分的に導体が欠落した部位を形成し、接地電極の外側部分（光導波路から離れた領域にある接地電極）の応力が光導波路に及ぼす影響を抑制することが開示されている。また、特許文献３には、信号電極（中心導体）の中心線に対して対称となるように、信号電極を挟む２つの接地電極の各々に、部分的に導体が欠落した部位を形成することが開示されている。

さらに、特許文献４において、複数のマッハツェンダー型光導波路を並列に配置した場合に、信号電極と接地電極の形状が、各マッハツェンダー型光導波路を構成する２つの分岐光導波路の中心に対して対称となるように形成されるだけでなく、隣接するマッハツェンダー型光導波路の間の中心に対しても対称となるように形成することが開示されている。

近年の光変調器では、光通信における大容量高速化の市場ニーズに応えるために多値変調方式が用いられるようになり、マッハツェンダー型光導波路を並列に多数配置するなど、高集積化が進んでおり、さらに光変調器を含む光送信部は、低消費電力化や小型化も求められている。また変調器を実装したトランスポンダーも大容量高速化・低消費電力化・小型化が進んでおり、光変調器の駆動回路では、簡素化することで特性の劣化を抑制することが求められている。例えば、信号成分を重畳するＲＦ変調電極部分と、動作点を調整するＤＣ電極部分を共通化した構造を有する光変調器の場合、光変調器を駆動させるためのドライバアンプをＤＣ電圧から保護するために、変調器の前段には耐圧の大きなＤＣブロックコンデンサが必要となる。このため、ＲＦ変調電極部分とＤＣ電極部分を独立に配置し、変調器の前段に配置されるＤＣブロックコンデンサを不要とするＡＣ／ＤＣ電極分離構造が望まれている。このような変調器では、制御電極やその配線構造が複雑化するため、各マッハツェンダー型光導波路に対して、導波路と電極の断面構造対称性を保つことが難しくなってきている。そして非対称構造に起因する応力アンバランスが、温度変化によってマッハツェンダーのアームの光導波路に、異なる屈折率変化を発生させ、マッハツェンダーのアーム間に位相差が発生し、それによる動作シフト、いわゆる温度ドリフト現象が問題となる。

特に、ＡＣ／ＤＣ電極分離構造では、光変調器自体の大型化を抑制するため、ＤＣ電極を長く確保することができず、マッハツェンダー構造のＶπ電圧が上昇する。そして一つのマッハツェンダー構造に生じる温度ドリフト現象は、ＤＣ電極および、ＲＦ変調電極による温度ドリフト現象を重畳したものとなるため、ＲＦ変調電極とＤＣ電極を共通化した構造と比較して、動作点シフトを補償するために必要なＤＣ電圧の値が大きくなる。さらにＤＣドリフト現象に起因する動作点シフト量は、印加するＤＣ電圧の大きさに比例するため、ＡＣ／ＤＣ分離電極構造では、上述したようにバイアス点補償に大きなＤＣ電圧が必要となるため、大きなＤＣドリフトが引き起こされてしまい、光変調器を長期的に動作保証させることが困難となっている。これらのことから、温度ドリフトによる動作点シフトをより抑制することが不可欠となっている。

本発明者らは、高集積化した光変調器において、温度ドリフト現象に基づく動作点シフトの原因について鋭意研究を重ねた。その結果、集積化が進むと、図１に示すように、複数のマッハツェンダー型光導波路（分岐導波路Ｌ１〜Ｌ４）を形成した基板上に多くの信号電極（Ｓ１，Ｓ２。ＲＦ変調電極やＤＣ電極を含む）を配置する必要が生じ、信号電極の取り回しが複雑化する上、光変調器の小型化の要求から、限られたスペースにおいて、たとえば、枠ａ及びｂで囲んだ部分に示す通り、光導波路の近傍まで信号電極の取り回し配線が入り込むこととなり、光導波路に作用する応力が光導波路間で異なってしまうため、温度ドリフト現象に基づく動作点シフトの原因のひとつであることを見出した。

特に、信号電極の取り回し配線の迂回部分が多くなり、配線が複雑化する理由には、マッハツェンダー型光導波路の集積化（ネスト型光導波路等）だけでなく、所謂スキューを一致させるため、それぞれの信号電極の電気入力用パッド部からマッハツェンダー型光導波路の相互作用部までの信号配線の電気長を各信号電極間で同じになるようにすることや、電気入力パッド部を光変調器基板の一方の側面側へ集めることなどが挙げられる。さらに、光変調器のチップの幅（光伝搬方向の垂直方向）は限られているため、取回し配線は狭いスペースに集積して配置されることになることも理由のひとつである。

図１は、光変調器のＲＦ変調信号入力部分付近の平面図を示しており、図２は、図１における一点鎖線Ａにおける断面図を示している。図２に示すように、光導波路Ｌ１，Ｌ２に作用する信号電極Ｓ２−１を中心（一点鎖線）として、この信号電極Ｓ２−１の両脇の接地電極の幅（接地電極Ｇ２−１の幅ｗ２，接地電極Ｇ３−１の幅ｗ１）が異なる場合（ｗ１≠ｗ２）、光導波路Ｌ１，Ｌ２に対する電極配置はそれぞれ異なったものとなる。温度を変化させた場合には、電極を構成する金属膜の伸縮により基板（ＬｉＮｂＯ_３など。ＬＮ基板ともいう。）の応力による歪みの変化が発生するが、図２の場合には電極配置の非対称性のため、光導波路Ｌ１，Ｌ２それぞれに対するひずみの変化は異なるものになり、このひずみの差は光導波路（Ｌ１，Ｌ２）間の位相差を誘起する。つまり、光変調器のバイアス点が変化する（温度ドリフト）現象が発生する。特に、電極厚が１０μｍ以上になると、発生する応力による歪みがより大きくなるため、影響が顕著となる。

このような不具合を解消する方法としては、例えば、特許文献１のように、接地電極Ｇ３−１に対し、信号電極Ｓ２−１側から幅ｗ２の位置に凹部（電極の薄い部分）を形成したり、特許文献４のように、接地電極Ｇ３−１の幅を接地電極Ｇ２−１の幅ｗ２と等しくする方法が考えられる。しかしながら、前者の方法では、仮に接地電極の形状を調整しても、その近傍に取り回し配線Ｓ２−２が存在するため、さらに取り回し配線に対応する応力による歪みを抑制する構成が必要となり、電極形状が一層複雑化する原因となる。また、後者の方法では、接地電極Ｇ３−１の幅をｗ２となるように狭く設定した場合には、取り回し配線（図１のａ部分）は、光導波路により接近することとなり、取り回し配線が与える応力による歪みの影響がより大きくなる。

しかも、光導波路に近接して配置される取り回し配線は、信号電極と光導波路との相互作用部の領域（図１の矢印Ｒ１）の近傍だけでなく、枠ｂで示すような、相互作用部の領域以外にも存在し、マッハツェンダー型光導波路の分岐導波路が形成される領域（図１の矢印Ｒ２）全体において、取り回し配線の影響を考慮することが不可欠である。

特開２００１−４９６７号公報特開２００９−６９６１６号公報特開２００９−９８６４０号公報特開２０１１−１００１６８号公報

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、光導波路や制御電極を小型でかつ高集積化した場合でも、信号電極の取り回し配線から光導波路に働く応力による歪みを起因とする温度ドリフト等の発生を抑制した光変調器を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の光変調器は、次のような技術的特徴を備えている。
（１）電気光学効果を有する基板と、該基板に形成され、少なくとも一つのマッハツェンダー型光導波路を備えた光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを有する光変調器において、該制御電極は、信号電極と接地電極から構成され、かつ、該信号電極は、該基板の外部に設けられる電気回路と電気接続される入力又は出力用パッド部と、該光導波路に電界を作用させる相互作用部と、該パッド部と該相互作用部とを結ぶ配線部とを備え、該マッハツェンダー型光導波路の延伸方向で、該マッハツェンダー型光導波路を構成する２つの分岐導波路が存在する範囲内において、該配線部の一部が該延伸方向と平行に配置され、該マッハツェンダー型光導波路の該延伸方向の中心対称軸に対し、前記配線部の一部と線対称となる位置に、該相互作用部の一部、該配線部の他の一部、又は該接地電極の応力緩和構造のいずれかが形成されていることを特徴とする。

（２）上記（１）に記載の光変調器において、該中心対称軸に対して制御電極の形状を対称にする範囲が、該中心対称軸から７０μｍ以上の範囲であることを特徴とする。

（３）上記（１）又は（２）に記載の光変調器において、該光導波路は、第１のマッハツェンダー型光導波路の２つの分岐導波路の各々に、第２のマッハツェンダー型光導波路を形成しており、前記第１のマッハツェンダー型光導波路の延伸方向の中心対称軸と前記第２のマッハツェンダー型光導波路の延伸方向の中心対称軸のいずれか一方又は両方に対して、前記配線部の一部と線対称となる位置に、該相互作用部の一部、該配線部の他の一部、又は該接地電極の応力緩和構造のいずれかが形成されていることを特徴とする。

（４）上記（1）又は（２）に記載の光変調器において、該光導波路は、第１のマッハツェンダー型光導波路の２つの分岐導波路の各々に、第２のマッハツェンダー型光導波路を形成し、さらに、前記第２のマッハツェンダー型光導波路毎の２つの分岐導波路の各々に、第３のマッハツェンダー型光導波路を形成しており、前記第１のマッハツェンダー型光導波路の延伸方向の中心対称軸と前記第２のマッハツェンダー型光導波路の延伸方向の中心対称軸及び前記第３のマッハツェンダー型光導波路の延伸方向の中心対称軸のいずれか一つ又は全てに対して、前記配線部の一部と線対称となる位置に、該相互作用部の一部、該配線部の他の一部、又は該接地電極の応力緩和構造のいずれかが形成されていることを特徴とする。

本発明は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成され、少なくとも一つのマッハツェンダー型光導波路を備えた光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを有する光変調器において、該制御電極は、信号電極と接地電極から構成され、かつ、該信号電極は、該基板の外部に設けられる電気回路と電気接続される入力又は出力用パッド部と、該光導波路に電界を作用させる相互作用部と、該パッド部と該相互作用部とを結ぶ配線部とを備え、該マッハツェンダー型光導波路の延伸方向で、該マッハツェンダー型光導波路を構成する２つの分岐導波路が存在する範囲内において、該配線部の一部が該延伸方向と平行に配置され、該マッハツェンダー型光導波路の該延伸方向の中心対称軸に対し、前記配線部の一部と線対称となる位置に、該相互作用部の一部、該配線部の他の一部、又は該接地電極の応力緩和構造のいずれかが形成されているため、信号電極の取り回し配線から光導波路へ作用する応力による歪みの発生を補償することができ、温度ドリフト等の動作点シフトを改善した光変調器を提供することが可能となる。しかも、温度ドリフトが抑制されることで、バイアス制御に必要な電圧値が減少し、結果として、ＤＣドリフト現象による動作点シフトも低減させることが可能となる。

従来の光変調器におけるＲＦ変調電極の入力部付近の制御電極の様子を説明する平面図である。図１の一点鎖線Ａにおける断面図である。本発明の光変調器に関する第１の実施例（ＲＦ変調電極の入力部付近）を説明する平面図である。図３の一点鎖線Ａにおける断面図である。図３の一点鎖線Ｂにおける断面図である。本発明の光変調器に関する第２の実施例（ＲＦ変調電極の入力部付近）を説明する平面図である。図６の一点鎖線Ａにおける断面図である。図６の一点鎖線Ｂにおける断面図である。本発明の光変調器に関する第３の実施例（ＲＦ変調電極の入力部付近）を説明する平面図である。図９の一点鎖線Ａにおける断面図である。図９の一点鎖線Ｂにおける断面図である。本発明の光変調器に関する第４の実施例（ＲＦ変調電極の出力部付近）を説明する平面図である。図１２の一点鎖線Ａにおける断面図である。本発明の光変調器に関する第５の実施例（ＤＣ電極）を説明する平面図である。図１４の一点鎖線Ａにおける断面図である。図１４の一点鎖線Ｂにおける断面図である。温度変化を与えた際の動作点シフト量を測定する際の対称構造領域を説明する図（その１）である。温度変化を与えた際の動作点シフト量を測定する際の対称構造領域を説明する図（その２）である。対称構造領域の範囲Ｗに対する動作点シフト量の変化を示すグラフである。

以下、本発明の光変調器について、好適例を用いて詳細に説明する。
図３は、本発明の光変調器の第１の実施例を示す平面図であり、ＲＦ変調信号を入力する制御電極について、入力部付近を説明する図である。また、図４は図３の一点鎖線Ａの断面図であり、図５は図３の一点鎖線Ｂの断面図である。

本発明の光変調器は、図３〜５に示すように、電気光学効果を有する基板１と、該基板に形成され、少なくとも一つのマッハツェンダー型光導波路を備えた光導波路（Ｌ１〜Ｌ４）と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを有する光変調器において、該制御電極は、信号電極（Ｓ１，Ｓ２）と接地電極（Ｇ１〜Ｇ３）から構成され、かつ、該信号電極は、該基板の外部に設けられる電気回路と電気接続される入力又は出力用パッド部（Ｓ１Ｐ，Ｓ２Ｐ）と、該光導波路に電界を作用させる相互作用部（矢印Ｒ１）と、該パッド部と該相互作用部とを結ぶ配線部とを備え、該マッハツェンダー型光導波路の延伸方向（図３の横方向）で、該マッハツェンダー型光導波路を構成する２つの分岐導波路が存在する範囲（矢印Ｒ２）内において、該配線部の一部（Ｓ１−１１，Ｓ２−２）が該延伸方向と平行に配置され、該マッハツェンダー型光導波路の該延伸方向の中心対称軸に対し、前記配線部の一部と線対称となる位置に、該相互作用部の一部（配線部の一部がＳ２−２の場合、Ｓ１−１が相当）、該配線部の他の一部、又は該接地電極の応力緩和構造（配線部の一部がＳ１−１１の場合、Ｇ２−１４が相当）のいずれかが形成されていることを特徴とする。

図３では、分岐導波路Ｌ１とＬ２が一つのマッハツェンダー型光導波路を形成し、他の分岐導波路Ｌ３とＬ４が他の一つのマッハツェンダー型光導波路を形成している。図３に示す２つのマッハツェンダー型光導波路は、図示されていない一つのマッハツェンダー型光導波路（第１のマッハツェンダー型光導波路）の２つの分岐導波路の各々に形成された第２のマッハツェンダー型光導波路である。本発明の光変調器は、少なくとも一つのマッハツェンダー型光導波路が存在すれば適用可能である。

図３において、マッハツェンダー型光導波路の延伸方向（図３の横方向）で、制御電極の相互作用部（光導波路に電界を印加する部分）が形成されている範囲（矢印Ｒ１で示す範囲）では、信号電極Ｓ２の取り回し配線部の一部が、マッハツェンダー型光導波路の延伸方向に平行となる部分が存在する。また、矢印Ｒ１の範囲の左側では、光導波路に電界を印加する制御電極は形成されていないが、光導波路の近傍に、信号電極Ｓ１の取り回し配線部の一部が、前記延伸方向に平行となる部分が存在する。このような配線部の一部が存在する場合には、近傍の光導波路に加わる応力により歪が発生するため、本発明の光変調器では、温度変化において、このような応力による歪みの変化により生じる温度ドリフト現象の動作点シフトをできるだけ抑制するよう制御電極の形状・配置を設定している。

光導波路間の応力による歪みの差を補償するためには、マッハツェンダー型光導波路の延伸方向の中心対称軸（２つの分岐導波路の間にある対称軸）について、制御電極の形状が対称となるよう設定することが必要である。複数のマッハツェンダー型光導波路がある場合には、個々のマッハツェンダー型光導波路について、制御電極の形状を対称とすることが好ましい。また、第１のマッハツェンダー型光導波路の２つの分岐導波路に第２のマッハツェンダー型光導波路を入れ子型に組み込んだ、所謂、ネスト型光導波路の場合は、第２のマッハツェンダー型光導波路の中心対称軸（Ｃ１，Ｃ２）のみでなく、第１のマッハツェンダー型光導波路の中心対称軸（Ｃ３）に対しても制御電極の対称性を有することがより好ましい。

本発明において「中心対称軸」とは、図３のような平面視した場合には、マッハツェンダー型光導波路の中心を通過する軸（Ｃ１〜Ｃ３）と一致するが、図４及び５のようにマッハツェンダー型光導波路の延伸方向に垂直な方向の断面で見た場合には、上記軸（Ｃ１〜Ｃ３）を通り図面の上下方向（基板１の表面に対する法線方向）を意味している。言い換えると、マッハツェンダー型光導波路の延伸方向の中心軸を通り、基板１表面に垂直な面に対して、制御電極の形状を対称に形成している。ここでは、このような対称面について「中心対称軸」と称している。

取り回し配線部の一部（Ｓ２−２）に起因する応力による歪みを補償する構成としては、図４に示すように、まず、マッハツェンダー型光導波路（Ｌ１，Ｌ２）の中心対称軸Ｃ１について見ると、配線部の一部Ｓ２−２に対して信号電極Ｓ１−１を対称に配置している。これに伴い、接地電極Ｇ３−１の幅ｗ１と接地電極Ｇ２−１の幅ｗ２は同じに設定することが好ましい。さらに、接地電極Ｇ３−１と配線部（信号電極）Ｓ２−２との間隔ｗ３についても、接地電極Ｇ２−１と信号電極Ｓ１−１との間隔ｗ４と同じに設定することがより好ましい。

次に、マッハツェンダー型光導波路（Ｌ３，Ｌ４）の中心対称軸Ｃ２について見ると、接地電極Ｇ２−１と接地電極Ｇ１−１との形状を対称に形成する必要がある。このため、接地電極Ｇ１−１側にはスリット部Ｇ１−２を形成している。このスリット部を形成する際に、接地電極Ｇ２−１の幅ｗ２と接地電極Ｇ１−１の幅ｗ５は同じに設定することが好ましい。

本発明の「接地電極の応力緩和構造」としては、図４では、信号電極Ｓ２−１に対応して、スリット部Ｇ１−２を形成する構成を用いている。着目する光導波路に加わる応力による歪みを補償できるのであれば、このような形状のスリット部には限られない。例えば、信号電極Ｓ２−１と同様に２つのスリット部の間に信号電極Ｓ２−１と同様の凸状部を設けることも可能である。また、信号電極Ｓ２−１を挟む両側の接地電極の間隔に相当する幅を備えたスリット部を一つ形成することも可能である。スリット部には、厚さ１０μｍ以下、より好ましくは、５μｍ以下の厚みの薄電極を設け、接地電極間の導通を確保することが好ましい。スリット部に替えて、特許文献２及び３に示すような接地電極を完全に除去した除去部を設けることも可能である。

さらに、第１のマッハツェンダー型光導波路の中心対称軸Ｃ３について見ると、取り回し配線部Ｓ２−２に対しては、スリット部Ｇ１−２が重要な役割を担っている。このため、接地電極Ｇ３−１の幅ｗ１と、接地電極Ｇ１−１の幅ｗ５とを同じに設定したり、配線部Ｓ２−２が発生させる応力と同じ程度の応力が発生するように、スリット部Ｇ１−２の幅（図の左右方向）や深さ（図の上下方向）の大きさが設定される。

このようにして、マッハツェンダー型光導波路の全ての中心対称軸に対して制御電極の形状・配置を対称にすることで、応力による歪みを効果的に抑制することができる。

本発明の光変調器では、取り回し配線部の一部が光導波路の延伸方向に平行となる部分が存在する場所は、相互作用部の範囲内（図３の矢印Ｒ１）に留まらない。相互作用部が無い範囲（矢印Ｒ１の左側）であっても、このような配線部Ｓ１−１１が存在する。

バッファ層を持たない光変調器の場合、光導波路に直接電極を形成すると、光損失が発生する。ただし、取回し配線が配置される場所では、取回し配線の近傍に接地電極が必要となる。また、理想的には接地接続が強固であることが望ましいため、図３のように、光導波路（Ｌ１〜Ｌ４）および信号電極（Ｓ１，Ｓ２）が配置されている以外の場所ほぼ全てに、接地電極が配置される。そのため、図５に示すように、光導波路（Ｌ１〜Ｌ４）の近傍に不均一な電極パターン（Ｇ２−１１，Ｇ２−１２，Ｇ２−１３）が構成されることになる。

まず、取り回し配線部Ｓ１−１１に最も近いマッハツェンダー型光導波路の中心対称軸Ｃ２について着目する。配線部Ｓ１−１１によって、接地電極Ｇ２−１１が幅ｗ５を有することとなるため、同様の幅となるように、接地電極Ｇ２−１２の幅を設定する。しかしながら、配線部Ｓ１−１１に対応する位置は、光導波路Ｌ１とＬ２が形成されており、当該部分には接地電極を設けることができない。このため、配線部Ｓ１−１１による応力による歪みも考慮する場合には、接地電極Ｇ２−１２の幅ｗ２を、接地電極Ｇ２−１１の幅ｗ５よりも若干大きくすることも可能である。また、接地電極Ｇ２−１２とＧ２−１３との間隔を調整して、配線部Ｓ１−１１の影響による応力による歪みを補償することも可能である。

マッハツェンダー型光導波路の中心対称軸Ｃ１について見ると、接地電極Ｇ２−１２の幅ｗ２や接地電極間の間隔（Ｇ２−１１とＧ２−１２との間隔）ｗ４を考慮して、スリット部Ｇ２−１４が形成されている。例えば、接地電極Ｇ２−１２の幅ｗ２と接地電極ｇ２−１３の幅ｗ１とを等しくしたり、接地電極間の間隔ｗ４を考慮して、スリット部Ｇ２−１４の幅ｗ３を設定する。ｗ３は、ｗ４と同じとすることも可能であるが、薄電極の影響を考慮して、ｗ４よりも大きく設定することも可能である。

さらに、第１のマッハツェンダー型光導波路の中心対称軸Ｃ３について検討する。配線部Ｓ１−１１に対応する部分は、スリット部Ｇ２−１４であり、それらの配置位置を決める接地電極Ｇ−２−１１の幅ｗ５や接地電極Ｇ２−１３の幅ｗ１、さらには、スリット部Ｇ２−１４の幅ｗ３を調整する。このようにして、マッハツェンダー型光導波路の全ての中心対称軸に対して制御電極の形状・配置を対称にすることで、応力による歪みを効果的に補償することができる。なお、図４の場合と比較して、図５では、対称性が若干は劣るものの、影響度の高い、光導波路の近傍での構造に対しては高い対称性を確保しているため、温度ドリフト抑制の効果がある。

図６は、本発明の光変調器に対する第２の実施例であり、図３のものより、より広い範囲に着目して対称性を高めたものである。具体的には、信号電極Ｓ２の取り回し配線部で、光導波路の延伸方向に平行な部分が２箇所あるが、これらを全て考慮した上で、制御電極の対称性を維持している。図７は、図６の一点鎖線Ａにおける断面図であり、図８は、図６の一点鎖線Ｂにおける断面図である。

図７に示す相互作用部が存在する範囲では、中心対称軸Ｃ１について見ると、配線部Ｓ２−２に対応して、信号電極Ｓ１−１が配置され、さらに配線部Ｓ２−３に対応して、接地電極の応力緩和構造Ｇ１−２が設けられている。特に、接地電極Ｇ１−２では、配線部Ｓ２−３の形状に合わせて、２つのスリット部に挟まれる凸状部を形成している。

中心対称軸Ｃ２については、配線部Ｓ２−２に対応して、接地電極の応力緩和構造Ｇ１−４が設けられている。さらに、中心対称軸Ｃ３については、配線部Ｓ２−２に対応して、接地電極の応力緩和構造Ｇ１−２が形成され、配線部Ｓ２−３に対応して、接地電極の応力緩和構造Ｇ１−４が構成されている。

制御電極における対称性は、光導波路に近いほど、対称性は高く設定することが好ましい。このため、図３や図６のようネスト型光導波路の場合には、第２のマッハツェンダー型光導波路の中心対称軸の対称性を最初に考慮し、次に、第１のマッハツェンダー型光導波路の中心対称軸の対称性について考慮する。

図８は、相互作用部が存在しない範囲を例示したものであるが、中心対称軸軸Ｃ１及びＣ３を考慮して、取り回し配線部Ｓ１−１１に対応して、接地電極の応力緩和構造Ｇ２−１６を構成している。

図９は、ＤＰ−ＱＰＳＫのＲＦ変調信号の入力部近傍の様子を示したものである。光導波路（Ｌ１〜Ｌ８）は、第１のマッハツェンダー型光導波路の各分岐導波路に第２のマッハツェンダー型光導波路を組み込み、さらに、第２のマッハツェンダー型光導波路の各分岐導波路に第３のマッハツェンダー型光導波路を組み込んでいる。図９は、第３のマッハツェンダー型光導波路の各分岐導波路（Ｌ１〜Ｌ８）を示したものである。

図１０は、図９の一点鎖線Ａにおける断面図であり、相互作用部が存在する範囲の状態を説明する図である。第３のマッハツェンダー型光導波路の中心対称軸Ｃ４について、配線部Ｓ４−２に対応して、信号電極Ｓ３−１が配置されている。また、第２のマッハツェンダー型光導波路の中心対称軸Ｃ５について、配線部Ｓ４−２に対応して、信号電極Ｓ２−１が配置されている。さらに、第１のマッハツェンダー型光導波路の中心対称軸Ｃ６について、配線部Ｓ４−２に対応して、スリット部Ｇ１−２が形成されている。当然、他の中心対称軸について対称性を考慮することが可能であることは、言うまでも無い。以下の説明においても同様である。

図１１は、図９の一点鎖線Ｂにおける断面図であり、相互作用部が存在しない範囲の状態を説明する図である。中心対称軸Ｃ４については、配線部Ｓ２−１２に対応して、接地電極Ｇ３−１３とＧ３−１４との間の間隔が調整されている。必要に応じて、接地電極Ｇ３−１４の幅を含めて調整することも可能である。また、中心対称軸Ｃ５については、配線部Ｓ２−１２に対応して、接地電極Ｇ３−１２とＧ３−１３との間の間隔が調整されている。さらに、中心対応軸Ｃ６については、配線部Ｓ２−１２に対応して、配線部Ｓ２−１１が配置されている。

図１２は、ＤＰ−ＱＰＳＫのＲＦ変調信号の出力部近傍の様子を示したものである。図１３は図１２の一点鎖線Ａにおける断面図である。中心対称軸Ｃ４については、取り回し配線部Ｓ４−２２に対応して、信号電極Ｓ３−２１が配置される。また、中心対称軸Ｃ５については、配線部Ｓ４−２２に対応して、信号電極Ｓ２−２１が配置される。さらに、中心対応軸Ｃ６については、配線部Ｓ４−２２に対応して、他の信号電極の取り回し配線部Ｓ１−２１が配置される。

図１４は、ネスト型光導波路（Ｌ１〜Ｌ４）に設けられたＤＣバイアス電極を示したものである。図１５は、図１４の一点鎖線Ａにおける断面図であり、図１６は図１４の一点鎖線Ｂにおける断面図である。ＤＣバイアスは、信号電極Ｓ５とＳ６との間、信号電極Ｓ７とＳ８との間で、各々印加される。

中心対応軸Ｃ１については、取り回し配線部Ｓ５−１に対応して、信号電極Ｓ７−１が配置される。また、中心対称軸Ｃ３については、配線部Ｓ５−１に対応して、他の信号電極の取り回し配線部Ｓ８−３が配置される。

図１７及び図１８は、図４及び図５と同じ断面図を示したものである。中心対称軸Ａを基点に、対称構造を設定する領域をＷＡの矢印で示している。同様に、中心対称軸Ｂ〜Ｄについても対称構造領域をＷＢ〜ＷＤで示している。ここで、どの範囲の領域まで対称性が必要であるか確認するため、光変調器の使用温度範囲である、−５〜７５℃の範囲で温度変化を与えた際の動作点シフト量を実験によって求めたところ、図１９に示すような結果が得られた。

図１９では、温度変化に対する動作点シフト量はＶπで規格化した。グラフ中の近似曲線には累乗近似を採用している。本結果より、動作点シフト量を５０％以下に抑えるためには、対称構造領域は１４０μｍ以上必要であることが示唆される。つまり、中心対称軸より７０μｍ以上離れた範囲にまで、対称構造が形成されていることが必要である。さらに、動作点シフト量を２０％以下に抑えるには、中心対称軸より３００μｍ以上の範囲まで、対称構造を設ける必要あがる。

本発明の光変調器は、取り回し配線部の電極の高さが高いほど、より効果的に適用することができる。特に、１０μｍ以上の電極高さを有する場合には、本発明を適用することが好ましい。また、光変調器を構成する基板（ＬｉＮｂＯ_３などの電気光学効果を有する基板）の厚みが薄いほど、制御電極の熱膨張による応力の影響をより強く受ける。例えば、１００μｍ以下の厚みの基板を用いる場合には、特に本発明の構成を採用することが好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、光導波路や制御電極を高集積化した場合でも、信号電極の取り回し配線から光導波路に働く応力による歪みを緩和し、温度ドリフト等の発生を抑制した光変調器を提供することができる。

１基板
Ｓ１〜Ｓ８信号電極
Ｇ１〜Ｇ１０接地電極
Ｃ１〜Ｃ６マッハツェンダー型光導波路の延伸方向の中心対称軸
Ｌ１〜Ｌ８光導波路（分岐導波路）
Ｒ１着目する相互作用部が存在する範囲
Ｒ２着目する分岐導波路が存在する範囲

Claims

電気光学効果を有する基板と、該基板に形成され、少なくとも一つのマッハツェンダー型光導波路を備えた光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを有する光変調器において、
該制御電極は、信号電極と接地電極から構成され、かつ、該信号電極は、該基板の外部に設けられる電気回路と電気接続される入力又は出力用パッド部と、該光導波路に電界を作用させる相互作用部と、該パッド部と該相互作用部とを結ぶ配線部とを備え、
該マッハツェンダー型光導波路の延伸方向で、該マッハツェンダー型光導波路を構成する２つの分岐導波路が存在する範囲内において、該配線部の一部が該延伸方向と平行に配置され、
該マッハツェンダー型光導波路の該延伸方向の中心対称軸に対し、前記配線部の一部と線対称となる位置に、該相互作用部の一部、該配線部の他の一部、又は該接地電極の応力緩和構造のいずれかが形成されていることを特徴とする光変調器。
請求項１に記載の光変調器において、該中心対称軸に対して制御電極の形状を対称にする範囲が、該中心対称軸から７０μｍ以上の範囲であることを特徴とする光変調器。
請求項１又は２に記載の光変調器において、該光導波路は、第１のマッハツェンダー型光導波路の２つの分岐導波路の各々に、第２のマッハツェンダー型光導波路を形成しており、前記第１のマッハツェンダー型光導波路の延伸方向の中心対称軸と前記第２のマッハツェンダー型光導波路の延伸方向の中心対称軸のいずれか一方又は両方に対して、前記配線部の一部と線対称となる位置に、該相互作用部の一部、該配線部の他の一部、又は該接地電極の応力緩和構造のいずれかが形成されていることを特徴とする光変調器。
請求項1又は２に記載の光変調器において、該光導波路は、第１のマッハツェンダー型光導波路の２つの分岐導波路の各々に、第２のマッハツェンダー型光導波路を形成し、さらに、前記第２のマッハツェンダー型光導波路毎の２つの分岐導波路の各々に、第３のマッハツェンダー型光導波路を形成しており、前記第１のマッハツェンダー型光導波路の延伸方向の中心対称軸と前記第２のマッハツェンダー型光導波路の延伸方向の中心対称軸及び前記第３のマッハツェンダー型光導波路の延伸方向の中心対称軸のいずれか一つ又は全てに対して、前記配線部の一部と線対称となる位置に、該相互作用部の一部、該配線部の他の一部、又は該接地電極の応力緩和構造のいずれかが形成されていることを特徴とする光変調器。