JP2020134873A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】光変調素子を小型化や多重化した場合でも電極損失が低く高周波特性が良好であり、光導波路に印加される電界効率の向上により低電圧駆動が可能な光変調器を提供する。【解決手段】光変調器１００は、基板１と、基板１上にリッジ状に形成された電気光学材料膜からなり、互いに隣り合う第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂと、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂの上面を覆うバッファ層４と、バッファ層４の上方に第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂと対向して設けられた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂとを備え、第１の信号電極７ａから見て第２の信号電極７ｂと反対側の第１の信号電極７ａの近傍領域及び第２の信号電極７ｂから見て第１の信号電極７ａと反対側の第２の信号電極７ｂの近傍領域には接地電極が配置されておらず、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂには差動信号が印加される。【選択図】図２

Description

本発明は、光通信及び光計測分野において用いられる光変調器に関し、特に、マッハツェンダー型光変調器の電極構造に関する。

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マッハツェンダー型光変調器が実用化されている（例えば特許文献１参照）。マッハツェンダー型光変調器は、１つの光源から出た光を２つに分け、異なる経路を通過させた後、再び重ね合わせて干渉を起こさせるマッハツェンダー干渉計の構造を有する光導波路（マッハツェンダー光導波路）を用いるものであり、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２及び３にはｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜を用いたマッハツェンダー型光変調器が開示されている。ニオブ酸リチウム膜を用いた光変調器は、ニオブ酸リチウム単結晶基板を用いた光変調器と比較して、大幅な小型化及び低駆動電圧化が可能である。

特許文献２に記載された従来の光変調器１２００の断面構造を図２１（ａ）に示す。サファイア基板２１上にはニオブ酸リチウム膜による一対の光導波路２２ａ，２２ｂが形成され、光導波路２２ａ、２２ｂの上部にはバッファ層２３を介して信号電極２４ａ及び接地電極２４ｂがそれぞれ配置されている。この光変調器１２００は１つの信号電極２４ａを有するいわゆるシングル駆動型であり、信号電極２４ａと接地電極２４ｂは対称構造なので、光導波路２２ａ，２２ｂに印加される電界は大きさが等しく、符号が逆となっており、変調光の波長チャープが発生しない構造である。しかし、接地電極２４ｂの面積が狭いため、高周波で動作しないという問題がある。

特許文献３に記載された従来の光変調器１３００の断面構造を図２１（ｂ）に示す。ニオブ酸リチウム膜による一対の光導波路２２ａ，２２ｂの上部にはバッファ層２３を介して２つの信号電極２４ａ_１，２４ａ_２が配置されると共に、信号電極２４ａ_１，２４ａ_２と離間して３つの接地電極２４ｃ，２４ｄ，２４ｅが配置されている。２つの信号電極２４ａ_１，２４ａ_２に大きさが等しく符号が逆の電圧を加えることで、一対の光導波路２２ａ，２２ｂに印加される電界は大きさが等しく、符号が逆となり、変調光の波長チャープは発生しない。また、一対の光導波路２２ａ，２２ｂに加える電圧を調整することで、チャープ量を調整可能という特徴を有している。さらに左右の接地電極２４ｃ，２４ｄの面積が十分に確保されているので、高周波で動作可能な構造である。しかしながら、この光変調器１３００は２つの信号電極２４ａ_１，２４ａ_２を有するデュアル駆動型であるため、電極構造が複雑になる。

特許第４４８５２１８号公報 特開２００６−１９５３８３号公報 特開２０１４−６３４８号公報

光変調器において、現状の３２Ｇｂａｕｄから６４Ｇｂａｕｄへのさらなる高速化のためには３５ＧＨｚ以上の広帯域化が必要である。このような広帯域化を実現するためには、(1)高周波での電極損失の低減、(2)光とマイクロ波との速度整合、(3)インピーダンス整合の３つが重要であり、(1)が特に重要である。高周波では表皮効果により電流が電極の表面近傍にしか流れず、電極損失が増加するからである。

図２１（ｂ）に示した従来の光変調器において電極損失を低減するためには、信号電極の断面積を大きくすることが効果的であり、そのためには信号電極２４ａ_１，２４ａ_２の厚さＴを厚くするか、信号電極２４ａ_１，２４ａ_２の幅Ｗを広くする必要がある。

しかしながら、信号電極２４ａ_１，２４ａ_２の厚さＴを厚くすると、マイクロ波の実効誘電率が低下して速度整合させることができなくなると共に、インピーダンスの低下によりインピーダンス整合が取れなくなるという問題がある。また、信号電極２４ａ_１，２４ａ_２の幅Ｗを広げると、マイクロ波の実効誘電率とインピーダンスは大きく変化しないものの、光導波路に印加される電界効率が悪くなり、半波長電圧が増加するという問題がある。したがって、従来の電極構造では６４Ｇｂａｕｄの高速化に対応した３５ＧＨｚ以上の広帯域化の実現が困難であった。

また光変調器の小型化や多重化ため、複数本の光導波路を並列に配置して光導波路アレイを構成する場合、隣接チャンネル間の光導波路が近づくことにより、ＥＯ特性のリップルやクロストークノイズが増加して高周波特性が悪化しやすいという問題がある。

したがって、本発明は、光変調素子を小型化や多重化した場合でも電極損失が低く高周波特性が良好であり、光導波路に印加される電界効率の向上により低電圧駆動が可能なデュアル駆動型の光変調器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明による光変調器は、基板と、前記基板上に設けられた少なくとも一つの相互作用部とを備え、前記相互作用部は、前記基板上にリッジ状に形成された電気光学材料膜からなり、互いに隣り合う第１及び第２の光導波路と、前記第１及び第２の光導波路の上面を覆うバッファ層と、前記バッファ層の上方に前記第１及び第２の光導波路と対向して設けられた第１及び第２の信号電極とを備え、前記第１の信号電極から見て前記第２の信号電極と反対側の前記第１の信号電極の近傍領域及び前記第２の信号電極から見て前記第１の信号電極と反対側の前記第２の信号電極の近傍領域には接地電極が配置されておらず、前記第１及び第２の信号電極には差動信号が印加されることを特徴とする。

光変調素子の小型化や高集積化により信号電極の近傍に十分な幅又は面積を持つ接地電極を設けることができない場合にはＥＯ特性のリップルやクロストークが問題となる。しかし、信号電極の近傍から接地電極を排除した場合には、ＥＯ特性のリップルやクロストークを低減することができる。

本発明において、前記第１の信号電極は、前記バッファ層を介して前記第１の光導波路と対向する第１の下層部と、前記第１の下層部の上方に設けられた第１の上層部とを有し、前記第２の信号電極は、前記バッファ層を介して前記第２の光導波路と対向する第２の下層部と、前記第２の下層部の上方に設けられた第２の上層部とを有し、前記第１及び第２の下層部の下面の幅は、前記第１及び第２の上層部の幅よりも狭く、前記第１の上層部の幅は前記第１の下層部から前記第２の信号電極と反対方向に広がっており、前記第２の上層部の幅は前記第２の下層部から前記第１の信号電極と反対方向に広がっていることが好ましい。

この構成によれば、第１及び第２の光導波路と対向する第１及び第２の信号電極の下層部の下面の幅を狭くすることで第１及び第２の光導波路に電界を集中させることができる。また、信号電極の上層部の幅を広くして電極の断面積を稼ぐことで表皮効果を低減することができ、電極損失を低減することができる。したがって、高周波特性が良好であり、低電圧駆動が可能な差動型の光変調器を提供することができる。

本発明において、前記第１の上層部と前記第２の上層部との間の間隔は、前記第１の下層部と前記第２の下層部との間の間隔以上であることが好ましい。第１及び第２の信号電極の幅を広げるために上層部どうしを下層部どうしよりも近づけた場合、高周波における電極損失が増大してインピーダンスが低下する。しかし、上層部どうしが互いに近づかないように外側に広がった略Ｌ字状の電極形状を採用した場合には、電極損失を低減することができる。

本発明による光変調器は、前記バッファ層の上方に形成された絶縁層と、前記第１及び第２の上層部を含み、前記絶縁層上に形成された電極層とをさらに備え、前記第１及び第２の下層部は、前記絶縁層に形成された開口内に埋め込まれていることが好ましい。この構成によれば、二層構造の信号電極を容易に形成することができる。

本発明において、前記第１及び第２の光導波路及び前記第１及び第２の信号電極の断面構造は左右対称であることが好ましい。この構成によれば、波長チャープが抑えられたデュアル駆動型の光変調器を実現することができる。

本発明において、前記第１及び第２の下層部の下面の幅は、前記第１及び第２の光導波路の幅よりも広いことが好ましい。この構成によれば、光導波路の幅方向の全体に対して電界を均一に印加することができ、高周波特性が良好であり、低電圧駆動が可能な光変調器を実現することができる。

本発明において、前記第１及び第２の光導波路の各々は、少なくとも一つの直線部と少なくとも一つの湾曲部とを有し、前記第１の信号電極は、前記第１の光導波路の前記直線部及び前記湾曲部に沿って設けられており、前記第２の信号電極は、前記第２の光導波路の前記直線部及び前記湾曲部に沿って設けられていることが好ましい。この構成によれば、光導波路を折り返して構成することができ、素子長を短くすることができる。また湾曲部の近傍に接地電極を設けた場合にはＥＯ特性のリップルが特に問題となるが、本発明のように接地電極を省略することでＥＯ特性の改善することができる。

本発明において、前記相互作用部は、第１及び第２の相互作用部を含み、前記第１相互作用部の前記第２の光導波路は、前記第２の相互作用部の前記第１の光導波路と隣り合っており、前記第１の相互作用部の前記第２の信号電極と前記第２の相互作用部の前記第１の信号電極との間の領域には接地電極が配置されていないことが好ましい。このように互いに隣接する第１及び第２の相互作用部の信号電極間の領域において接地電極を省略することにより、隣接チャンネル間のクロストークを低減することができる。

本発明において、前記基板は単結晶基板であり、前記電気光学材料膜はニオブ酸リチウム膜であり、前記ニオブ酸リチウム膜のｃ軸は前記基板の主面に対して垂直方向に配向していることが好ましい。光変調器のマッハツェンダー光導波路をニオブ酸リチウム膜により形成する場合、非常に薄く線幅が狭い光導波路を形成することができ、小型で高品質な光変調器を構成することが可能であるが、光導波路は薄型で線幅も狭いため電界集中の問題が顕著である。しかし本発明によればそのような問題を解決することができ、高周波特性が良好で変調光の波長チャープを低減でき、低電圧駆動が可能な光変調器を実現することができる。さらに、ニオブ酸リチウム膜により形成された光導波路を用いる場合には、曲率半径を例えば５０μｍ程度まで小さくしても損失が小さいことから、本発明の効果が顕著である。

また、本発明による光変調器は、基板と、前記基板上にリッジ状に形成された電気光学材料膜からなり、この順で配列された第１乃至第４の光導波路と、前記第１乃至第４の光導波路の上面を覆うバッファ層と、前記バッファ層の上方に前記第１乃至第４の光導波路と対向して設けられた第１乃至第４の信号電極とを備え、前記第２の信号電極と前記第３の信号電極との間の領域には接地電極が配置されておらず、前記第１及び第２の信号電極には第１の差動信号が印加され、前記第３及び第４の信号電極には第２の差動信号が印加されることを特徴とする。

本発明によれば、光変調素子の小型化や高集積化に伴って第１及び第２の信号電極の近傍に十分な幅又は面積を持つ接地電極を設けることができない場合において問題となる隣接チャンネル間のクロストークを低減することができる。

さらにまた、本発明による光変調器は、基板と、前記基板上にリッジ状に形成された電気光学材料膜からなり、互いに隣り合う第１及び第２の光導波路と、前記第１及び第２の光導波路の上面を覆うバッファ層と、前記バッファ層の上方に前記第１及び第２の光導波路と対向して設けられた第１及び第２の信号電極とを備え、前記第１の信号電極は、前記バッファ層を介して前記第１の光導波路と対向する第１の下層部と、前記第１の下層部の上方に設けられた第１の上層部とを有し、前記第２の信号電極は、前記バッファ層を介して前記第２の光導波路と対向する第２の下層部と、前記第２の下層部の上方に設けられた第２の上層部とを有し、前記第１及び第２の下層部の下面の幅は、前記第１及び第２の上層部の幅よりも狭く、前記第１の上層部の幅は前記第１の下層部から前記第２の信号電極と反対方向に広がっており、前記第２の上層部の幅は前記第２の下層部から前記第１の信号電極と反対方向に広がっており、前記第１及び第２の信号電極の間には接地電極が無く、前記第１及び第２の信号電極には差動信号が印加されることを特徴とする。

本発明によれば、第１及び第２の光導波路と対向する第１及び第２の信号電極の下層部の下面の幅を狭くすることで第１及び第２の光導波路に電界を集中させることができる。また、信号電極の上層部の幅を広くして電極の断面積を稼ぐことで表皮効果を低減することができ、電極損失を低減することができる。したがって、高周波特性が良好であり、低電圧駆動が可能な差動型の光変調器を提供することができる。

本発明によれば、光変調素子を小型化や多重化した場合でも電極損失が低く高周波特性が良好であり、光導波路に印加される電界効率の向上により低電圧駆動が可能なデュアル駆動型の光変調器を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態による光変調器の構成を示す略平面図であり、図１（ａ）は光導波路のみ図示し、図１（ｂ）は進行波電極を含めた光変調器の全体を図示している。 図２は、図１（ａ）及び（ｂ）のＡ−Ａ'線に沿った光変調器の略断面図である。 図３は、本発明の第２の実施の形態による光変調器の構成を示す略断面図である。 図４は、本発明の第３の実施の形態による光変調器の構成を示す略断面図である。 図５は、本発明の第４の実施の形態による光変調器の構成を示す略断面図である。 図６は、本発明の第５の実施の形態による光変調器の構成を示す略平面図であり、図６（ａ）は光導波路のみ図示し、図６（ｂ）は進行波電極を含めた光変調器の全体を図示している。 図７は、本発明の第６の実施の形態による光変調器の構成を示す略平面図である。 図８は、図７のＡ−Ａ'線に沿った光変調器の略断面図である。 図９は、本発明の第７の実施の形態による光変調器の構成を示す略平面図である。 図１０は、図９のＡ−Ａ'線に沿った光変調器の略断面図である。 図１１は、本発明の第８の実施の形態による光変調器の構成を示す略平面図である。 図１２は、本発明の第９の実施の形態による光変調器の構成を示す略平面図である。 図１３は、図１２のＡ−Ａ'線に沿った光変調器の略断面図である。 図１４は、信号電極の段差の高さ（絶縁層５の厚さＨ）を変化させたときのＶπＬ（電界効率）のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１５は、信号電極の上層部の幅Ｗ_７（＝Ｗ_７ａ＝Ｗ_７ｂ）を変化させたときの電極損失のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１６は、比較例（Ｈ＝０）による光変調器の構造を示す略断面図である。 図１７は、信号電極の上層部の幅Ｗ_７（＝Ｗ_７ａ＝Ｗ_７ｂ）を変化させたときの実効屈折率のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１８は、図１６の比較例において電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの厚さＴを変化させたときの実効屈折率のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１９は、接地電極の有無をパラメータとする４チャンネル光変調器の利得のシミュレーション結果であって、第２チャンネルに信号を入力したとき第２チャンネルから出力される信号の周波数特性を示すグラフである。 図２０は、接地電極の有無をパラメータとする図１１に示した４チャンネル光変調器のクロストークのシミュレーション結果であって、第２チャンネルに信号を入力したとき第３チャンネルからの出力される信号の周波数特性を示すグラフである。 図２１（ａ）及び（ｂ）は、従来の光変調器の構造を示す略断面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態による光変調器の構成を示す略平面図であり、図１（ａ）は光導波路のみ図示し、図１（ｂ）は進行波電極を含めた光変調器の全体を図示している。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、この光変調器１００は、基板１上に形成され、互いに平行に設けられた第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂを有するマッハツェンダー光導波路１０と、第１の光導波路１０ａに沿って設けられた第１の信号電極７ａと、第２の光導波路１０ｂに沿って設けられた第２の信号電極７ｂと、第１の光導波路１０ａに沿って設けられた第１のバイアス電極９ａと、第２の光導波路１０ｂに沿って設けられた第２のバイアス電極９ｂとを備えている。第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂは、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂと共に、マッハツェンダー光変調素子の相互作用部を構成している。

マッハツェンダー光導波路１０は、マッハツェンダー干渉計の構造を有する光導波路である。一本の入力導波路１０ｉから分波部１０ｃによって分岐した第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂを有し、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂは合波部１０ｄによって一本の出力導波路１０ｏにまとめられる。入力光Ｓｉは、分波部１０ｃで分波されて第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂをそれぞれ進行した後、合波部１０ｄで合波され、変調光Ｓｏとして出力導波路１０ｏから出力される。

第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂは平面視で第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂと重なる線状の電極であり、その両端は基板１の外周端まで引き出されている。第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの一端７ａ_１，７ｂ_１は信号入力端であり、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの他端７ａ_２，７ｂ_２は終端抵抗１２を介して互いに接続されている。これにより、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂは、差動のコプレーナ型進行波電極として機能する。詳細は後述するが、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂは二層構造であり、太破線で示す第１の信号電極７ａの下層部７ａ_Ｌは第１の光導波路１０ａと平面視で重なっており、同じく太破線で示す第２の信号電極７ｂの下層部７ｂ_Ｌは第２の光導波路１０ｂと平面視で重なっている。

第１及び第２のバイアス電極９ａ，９ｂは、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂに直流バイアス電圧（ＤＣバイアス）を印加するために第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂとは独立に設けられている。第１及び第２のバイアス電極９ａ，９ｂの一端９ａ_１，９ｂ_１はＤＣバイアスの入力端である。本実施形態において、第１及び第２のバイアス電極９ａ，９ｂの形成領域は、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの形成領域よりもマッハツェンダー光導波路１０の出力端側に設けられているが、入力端側に設けられていてもよい。また、第１及び第２のバイアス電極９ａ，９ｂを省略し、ＤＣバイアスを予め重畳させた変調信号を第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂに入力することも可能である。

第１の信号電極７ａの一端７ａ_１及び第２の信号電極７ｂの一端７ｂ_１には、絶対値が同じで正負の異なる差動信号（変調信号）が入力される。第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂはニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料からなるので、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂに与えられる電界によって第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂの屈折率がそれぞれ＋Δｎ、−Δｎのように変化し、一対の光導波路間の位相差が変化する。この位相差の変化により変調された信号光が出力導波路１０ｏから出力される。

このように、本実施形態による光変調器１００は、一対の信号電極７ａ，７ｂで構成されたデュアル駆動型であるため、一対の光導波路に印加される電界の対称性を高めることができ、波長チャープを抑制することができる。

本実施形態において、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの近傍に接地電極は設けられていない。光変調器の信号電極の近傍には接地電極を設けることが一般的であるが、光変調素子の小型化に伴い接地電極の十分な幅又は面積を確保することが難しくなっており、中途半端な接地電極は高周波特性を悪化させる要因となる。しかし、本実施形態のように接地電極を省略した場合には、光変調器を小型化しても高周波特性が悪化することがなく、光変調素子の多重化も容易な光変調器を実現することができる。

図２は、図１（ａ）及び（ｂ）のＡ−Ａ'線に沿った光変調器の略断面図である。

図２に示すように、本実施形態による光変調器１００は、基板１、導波層２、保護層３、バッファ層４、絶縁層５及び電極層７がこの順で積層された多層構造を有している。

基板１は例えばサファイア基板であり、基板１の表面にはニオブ酸リチウムに代表される電気光学材料からなる導波層２が形成されている。導波層２はリッジ部２ｒからなる第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂを有している。第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂのリッジ幅Ｗ_０は例えば１μｍとすることができる。

保護層３は第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂと平面視で重ならない領域に形成されている。保護層３は、導波層２の上面のうちリッジ部２ｒが形成されていない領域の全面を覆っており、リッジ部２ｒの側面も保護層３に覆われているので、リッジ部２ｒの側面の荒れによって生じる散乱損失を防ぐことができる。保護層３の厚さは導波層２のリッジ部２ｒの高さとほぼ同じである。保護層３の材料は特に限定されないが、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を用いることができる。

バッファ層４は、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂ中を伝搬する光が第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂに吸収されることを防ぐため、導波層２のリッジ部２ｒの上面に形成されるものである。バッファ層４は、導波層２よりも屈折率が小さく、透明性が高い材料からなることが好ましく、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＬａＡｌＯ_３、ＬａＹＯ_３、ＺｎＯ、ＨｆＯ_２、ＭｇＯ、Ｙ_２Ｏ_３などを用いることができる。リッジ部２ｒの上面上のバッファ層４の厚さは０．２〜１μｍ程度であればよい。バッファ層４は絶縁層５よりも誘電率が高い材料からなることがより好ましいが、絶縁層５と同じ材料を用いることも可能である。本実施形態において、バッファ層４は、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂの上面のみならず保護層３の上面を含む下地面の全面を覆っているが、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂの上面付近だけを選択的に覆うようにパターニングされたものであってもよい。また保護層３を省略し、導波層２の上面全体にバッファ層４を直接形成してもよい。

バッファ層４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１０ａ、１０ｂ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４の誘電率は高い程、ＶπＬ（電界効率を表す指標）を低減できるので好ましく、バッファ層４の屈折率は低い程、バッファ層４を薄くできるので好ましい。通常、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、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、比誘電率が約９、屈折率が約１．６であり、好ましい材料である。ＬａＡｌＯ_３は、比誘電率が約１３、屈折率が約１．７であり、またＬａＹＯ_３は、比誘電率が約１７、屈折率が約１．７であり、特に好ましい材料である。

絶縁層５は、進行波電極の下面に段差を形成するために設けられるものである。絶縁層５は誘電率が低い材料からなることが好ましく、例えばＳｉＯ_２を用いることができる。絶縁層５の第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂと平面視で重なる領域には開口（スリット）が形成されており、バッファ層４の上面を露出させている。この開口内に電極層７の導電材料の一部が埋め込まれることにより、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの下面に段差が形成される。絶縁層５の厚さは１μｍ以上であることが好ましい。絶縁層５の厚さが１μｍ以上であれば、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの下面に段差を設けたことによる効果を得ることができる。

電極層７には、第１の信号電極７ａ及び第２の信号電極７ｂが設けられている。第１の信号電極７ａは、第１の光導波路１０ａ内を進行する光を変調するために第１の光導波路１０ａに対応するリッジ部２ｒに重ねて設けられ、バッファ層４を介して第１の光導波路１０ａと対向している。第２の信号電極７ｂは、第２の光導波路１０ｂ内を進行する光を変調するために第２の光導波路１０ｂに対応するリッジ部２ｒに重ねて設けられ、バッファ層４を介して第２の光導波路１０ｂと対向している。

図２に示すように、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂを垂直に切断した断面において、電極構造は左右対称である。そのため、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂから第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂにそれぞれ印加される電界の大きさをできるだけ同じにして波長チャープを低減することができる。

導波層２は電気光学材料であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）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実施形態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軸及び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、４×３＝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２μｍよりも厚くなると、高品質な膜を形成することが困難になるからである。一方、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１やバッファ層４に光が漏れることになる。ニオブ酸リチウム膜に電界を印加しても、光導波路（１０ａ、１０ｂ）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。ニオブ酸リチウムのｃ軸が基板１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させることができる。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したりスライスしたり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り、本発明に適用することが可能である。

第１の信号電極７ａは二層構造であり、電極層７に形成された上層部７ａ_Ｈと、絶縁層５を貫通する開口（第１の開口）内に埋め込まれた下層部７ａ_Ｌとを有している。第１の信号電極７ａの下層部７ａ_Ｌは、第１の信号電極７ａの上層部７ａ_Ｈの第２の信号電極７ｂ寄りの端部に設けられている。そのため、第１の信号電極７ａの下層部７ａ_Ｌの下面（第１の下面）Ｓ_ａＬは、上層部７ａ_Ｈの下面（第２の下面）Ｓ_ａＨよりも第２の信号電極７ｂ寄りに設けられており、第１の上層部７ａ_Ｈの幅は第１の下層部７ａ_Ｌから第２の信号電極７ｂと反対方向に広がっている。このような断面構造により、第１の信号電極７ａの第１の下面Ｓ_ａＬは、第１の光導波路１０ａの上方においてバッファ層４の上面に接しており、バッファ層４を介して第１の光導波路１０ａを覆っている。第１の信号電極７ａの第２の下面Ｓ_ａＨは、第１の下面Ｓ_ａＬよりも上方に位置しており、バッファ層４には接していない。

第１の信号電極７ａの下層部７ａ_Ｌの幅（第１の下面Ｓ_ａＬの幅）Ｗ_ａＬは、上層部７ａ_Ｈの幅（第１の信号電極７ａの全幅）Ｗ_７ａよりも狭い。下層部７ａ_Ｌは、第１の光導波路１０ａと平面視で重なる領域付近にのみ形成され、それ以外の領域には形成されない。そのため、第１の信号電極７ａの第１の下面Ｓ_ａＬの幅Ｗ_ａＬは、第１の光導波路１０ａのリッジ幅Ｗ_０よりも少し広い程度である。第１の信号電極７ａからの電界を第１の光導波路１０ａに集中させるためには、第１の信号電極７ａの第１の下面Ｓ_ａＬの幅Ｗ_ａＬは、第１の光導波路１０ａのリッジ幅Ｗ_０の１．１〜１５倍であることが好ましく、１．５〜１０倍であることがより好ましい。第１の信号電極７ａの上層部７ａ_Ｈの断面積を十分に確保するため、第２の下面Ｓ_ａＨの幅Ｗ_ａＨは、第１の下面Ｓ_ａＬの幅Ｗ_ａＬよりも広いことが好ましい。

第２の信号電極７ｂも二層構造であり、電極層７に形成された上層部７ｂ_Ｈと、絶縁層５を貫通する開口（第２の開口）内に埋め込まれた下層部７ｂ_Ｌとを有している。第２の信号電極７ｂの下層部７ｂ_Ｌは、第２の信号電極７ｂの上層部７ｂ_Ｈの第１の信号電極７ａ寄りの端部に設けられている。そのため、第２の信号電極７ｂの下層部７ｂ_Ｌの下面（第１の下面）Ｓ_ｂＬは、上層部７ｂ_Ｈの下面（第２の下面）Ｓ_ｂＨよりも第１の信号電極７ａ寄りに設けられており、第２の上層部７ｂ_Ｈの幅は第２の下層部７ｂ_Ｌから第１の信号電極７ａと反対方向に広がっている。このような断面構造により、第２の信号電極７ｂの第１の下面Ｓ_ｂＬは、第２の光導波路１０ｂの上方においてバッファ層４の上面に接しており、バッファ層４を介して第２の光導波路１０ｂを覆っている。第２の信号電極７ｂの第２の下面Ｓ_ｂＨは、第１の下面Ｓ_ｂＬよりも上方に位置しており、バッファ層４には接していない。

第２の信号電極７ｂの下層部７ｂ_Ｌの幅（第１の下面Ｓ_ｂＬの幅）Ｗ_ｂＬは、上層部７ｂ_Ｈの幅（第２の信号電極７ｂの全幅）Ｗ_７ｂよりも狭い。下層部７ｂ_Ｌは、第２の光導波路１０ｂと平面視で重なる領域付近にのみ形成され、それ以外の領域には形成されない。そのため、第２の信号電極７ｂの第１の下面Ｓ_ｂＬの幅Ｗ_ｂＬは、第２の光導波路１０ｂのリッジ幅Ｗ_０よりも少し広い程度である。第２の信号電極７ｂからの電界を第２の光導波路１０ｂに集中させるためには、第２の信号電極７ｂの第１の下面Ｓ_ｂＬの幅Ｗ_ｂＬは、第２の光導波路１０ｂのリッジ幅Ｗ_０の１．１〜１５倍であることが好ましく、１．５〜１０倍であることがより好ましい。第２の信号電極７ｂの上層部７ｂ_Ｈの断面積を十分に確保するため、第２の下面Ｓ_ｂＨの幅Ｗ_ｂＨは、第１の下面Ｓ_ｂＬの幅Ｗ_ｂＬよりも広いことが好ましい。

電極層７に接地電極は設けられていない。第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂ間の電極分離領域Ｄ_０や第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの外側の領域Ｄ_１ａ，Ｄ_１ｂに接地電極が設けられている場合には、リップルやクロストークが大きくなり、高周波特性が悪化する。このような高周波特性の悪化は、光変調器の小型化に伴って接地電極の幅や面積を十分に確保することができず、接地電位が不安定になっていることが原因と考えられる。本実施形態のように接地電極を設けない場合には、リップルやクロストークを低減することができ、高周波特性を改善することができる。

上記のように、電極構造は左右対称であり、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの全幅Ｗ_７ａ，Ｗ_７ｂは互いに等しく、下層部７ａ_Ｌ，７ｂ_Ｌの下面Ｓ_ａＬ，Ｓ_ｂＬの幅Ｗ_ａＬ，Ｗ_ｂＬも互いに等しく、上層部７ａ_Ｈ，７ｂ_Ｈの下面Ｓａ_Ｈ，Ｓｂ_Ｈの幅Ｗ_ａＨ，Ｗ_ｂＨも等しい。

第１の信号電極７ａの下層部７ａ_Ｌの内側側面の位置は、第１の信号電極７ａの上層部７ａ_Ｈの内側側面の位置と揃っており、第１の上層部７ａ_Ｈの幅は第１の下層部７ａ_Ｌから第２の信号電極７ｂと反対方向に広がっているので、第１の信号電極７ａの断面形状は略Ｌ字状である。第２の信号電極７ｂの下層部７ｂ_Ｌの内側側面の位置は、第２の信号電極７ｂの上層部７ｂ_Ｈの内側側面の位置と揃っており、第２の上層部７ｂ_Ｈの幅は第２の下層部７ｂ_Ｌから第１の信号電極７ａと反対方向に広がっているので、第２の信号電極７ｂの断面形状もまた略Ｌ字状である。したがって、下層部７ａ_Ｌと下層部７ｂ_Ｌとの間の間隔と上層部７ａ_Ｈと上層部７ｂ_Ｈとの間の間隔は等しく、両者の間隔は共にＧ_０である。なお２つの電極の間隔とは、Ｘ方向における両者の最短距離のことを言う。

以上説明したように、本実施形態による光変調器１００は、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂを二層構造とし、下層部７ａ_Ｌ，７ｂ_Ｌの下面Ｓ_ａＬ，Ｓ_ｂＬの幅Ｗ_ａＬ，Ｗ_ｂＬが上層部７ａ_Ｈ，７ｂ_Ｈの電極幅（第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの最大幅）Ｗ_７ａ，Ｗ_７ｂよりも狭いので、第１及び第２の光導波路１０ｂに電界を集中させることができ、電界効率を向上させることができる。また、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの上層部７ａ_Ｈ，７ｂ_Ｈの電極幅Ｗ_７ａ，Ｗ_７ｂが、下層部７ａ_Ｌ，７ｂ_Ｌの下面Ｓ_ａＬ，Ｓ_ｂＬの幅Ｗ_ａＬ，Ｗ_ｂＬよりも広いので、信号電極の断面積を大きくすることができ、高周波における電極損失を低減することができる。したがって、高周波特性が良好であり、低電圧駆動が可能な光変調器を実現することができる。

図３は、本発明の第２の実施の形態による光変調器の構成を示す略断面図である。

図３に示すように、この光変調器２００は、図２に示した光変調器１００の第１の変形例であって、その特徴は、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの内側のコーナー部が緩やかにラウンドした形状を有する点にある。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

本実施形態において、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの上層部７_ａＨ，７_ｂＨの間隔Ｇ_０Ｈは、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの上層部７ａ_Ｈ，７ｂ_Ｈの間隔Ｇ_０Ｌよりも広いので、速度整合は容易である。第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの上層部７ａ_Ｈ，７ｂ_Ｈの断面積は第１の実施の形態よりも小さくなるが、上層部７ａ_Ｈ，７ｂ_Ｈの幅を下層部７ａ_Ｌ，７ｂ_Ｌよりも広げて断面積を確保しているので、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。すなわち、信号電極の断面積を大きくして高周波における電極損失を低減することができる。また、接地電極を省略することによりリップルやクロストークを低減することができる。したがって、高周波特性が良好であり、低電圧駆動が可能な光変調器を実現することができる。

図４は、本発明の第３の実施の形態による光変調器の構成を示す略断面図である。

図４に示すように、この光変調器３００は、図２に示した光変調器１００の第２の変形例であって、その特徴は、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの下端から上端まで電極幅がほぼ一定であり、上層部７ａ_Ｈ，７ｂ_Ｈの幅が下層部７ａ_Ｌ，７ｂ_Ｌの幅と等しく設定されている点にある。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

本実施形態においては、上層部７ａ_Ｈ，７ｂ_Ｈの幅を下層部７ａ_Ｌ，７ｂ_Ｌの幅よりも広げていないので、高周波における電極損失を低減する効果は期待できない。しかし、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの外側の領域Ｄ_１ａ，Ｄ_１ｂに接地電極を設けていないので、リップルやクロストークを低減することができる。

図５は、本発明の第４の実施の形態による光変調器の構成を示す略断面図である。

図５に示すように、この光変調器４００は、図２に示した光変調器１００の第３の変形例あって、その特徴は、第１の信号電極７ａと第２の信号電極７ｂとの間の電極分離領域Ｄ_０の下方に存在する絶縁層５の少なくとも一部（破線Ｕ_１で囲んだ部分）が除去されており、これによりバッファ層４の上面の少なくとも一部が露出している点にある。絶縁層５は、電極分離領域Ｄ_０の全域ではなく一部の領域において除去されていてもよい。このように、本実施形態においては、第１の信号電極７ａと第２の信号電極７ｂとの間の電極分離領域Ｄ_０に存在する絶縁層５が除去されているので、進行波電極の実効屈折率を調整することができ、進行波電極の実効屈折率を光の実効屈折率と一致させて速度整合を良好にすることができる。

図６は、本発明の第５の実施の形態による光変調器の構成を示す略平面図であり、図６（ａ）は光導波路のみ図示し、図６（ｂ）は進行波電極を含めた光変調器の全体を図示している。

図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態による光変調器５００の特徴は、マッハツェンダー光導波路１０が直線部と湾曲部との組み合わせにより構成されている点にある。より具体的には、マッハツェンダー光導波路１０は、互いに並行に配置された第１乃至第３の直線部１０ｅ_１，１０ｅ_２，１０ｅ_３と、第１の直線部１０ｅ_１と第２の直線部１０ｅ_２とを繋ぐ第１の湾曲部１０ｆ_１と、第２の直線部１０ｅ_２と第３の直線部１０ｅ_３とを繋ぐ第２の湾曲部１０ｆ_２とを有している。第１及び第２の湾曲部１０ｆ_１，１０ｆ_２は、光導波路の進行方向を１８０度方向転換するため、同心半円状に形成されている。

そして本実施形態による光変調器５００は、図中のＡ−Ａ'線に沿ったマッハツェンダー光導波路１０の直線部１０ｅ_１，１０ｅ_２，１０ｅ_３の断面構造が、図２〜図５に示した断面構造となるように構成されている。すなわち、第１の信号電極７ａの第１の下面Ｓ_ａＬは、バッファ層４を介して第１乃至第３の直線部１０ｅ_１，１０ｅ_２，１０ｅ_３における第１の光導波路１０ａを覆っており、また第２の信号電極７ｂの第１の下面Ｓ_ｂＬは、バッファ層４を介して第１乃至第３の直線部１０ｅ_１，１０ｅ_２，１０ｅ_３における第２の光導波路１０ｂを覆っている。第１及び第２のバイアス電極９ａ，９ｂの位置は特に限定されないが、第３の直線部１０ｅ_３の他の一部における第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂを覆っている。本実施形態において、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂは、第１及び第２の直線部１０ｅ_１，１０ｅ_２の全体と、第３の直線部１０ｅ_３の一部を覆っているが、例えば第１の直線部１０ｅ_１だけを覆っていてもよい。

本実施形態においても、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの近傍に接地電極は設けられていない。光変調器の信号電極の近傍には接地電極を設けることが一般的であるが、光変調素子の小型化に伴い接地電極の十分な幅又は面積を確保することが難しくなっており、中途半端な接地電極は高周波特性を悪化させる原因となる。しかし、本実施形態のように接地電極を省略した場合には、光変調器を小型化しても接地電極が原因で高周波特性が悪化することがなく、光変調素子の多重化も容易な光変調器を実現することができる。

本実施形態において、入力光Ｓｉは、第１の直線部１０ｅ_１の一端に入力され、第１の直線部１０ｅ_１の一端から他端に向かって進行し、第１の湾曲部１０ｆ_１で折り返して第２の直線部１０ｅ_２の一端から他端に向かって第１の直線部１０ｅ_１とは逆方向に進行し、さらに第２の湾曲部１０ｆ_２で折り返して第３の直線部１０ｅ_３の一端から他端に向かって第１の直線部１０ｅ_１と同じ方向に進行する。

光変調器では素子長が長いことが実用上の大きな課題となっているが、図示のように光導波路を折り返すことで素子長を大幅に短くでき、小型化に対する顕著な効果が得られる。特に、ニオブ酸リチウム膜により形成された光導波路は、湾曲部の曲率半径を例えば５０μｍ程度まで小さくしても損失が小さいという特徴があり、本実施形態に適している。

上記のように光導波路が湾曲部を有し、湾曲部の近傍に接地電極が設けられている場合、湾曲部において高周波信号の漏れが大きくなり、高周波特性が悪化しやすい。しかし、湾曲部の近傍に接地電極が設けられていない場合には、湾曲部における高周波信号の漏れを抑えることができ、高周波特性の悪化を抑制することができる。

図７は、本発明の第６の実施の形態による光変調器の構成を示す略平面図である。

図７に示すように、本実施形態による光変調器６００の特徴は、基板１上にマッハツェンダー光変調素子の相互作用部を２つ並べた２チャンネルアレイ構造を有し、２つの相互作用部を用いて入力光Ｓｉの直交位相変調（ＱＰＳＫ）又は直交振幅変調（ｘＱＡＭ）を行う点にある。本実施形態による光変調器６００は、第１及び第２の相互作用部ＭＺ_１，ＭＺ_２を用いて構成されたＩＱ光変調器であり、第２の相互作用部ＭＺ_２の出力側には位相シフタ１０ｇが設けられている。個々の相互作用部ＭＺ_１，ＭＺ_２の構成は、図１に示したマッハツェンダー光変調素子の単一の相互作用部と同様である。第１及び第２の相互作用部ＭＺ_１，ＭＺ_２の一対のＲＦ信号入力端子にはそれぞれ別の差動信号が印加される。

一本の光導波路からなる入力導波路１０ｉは、二段の分波部１０ｃによって４分割されて４本２対の光導波路が形成される。すなわち、第１の相互作用部ＭＺ_１を構成する第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂと、第２の相互作用部ＭＺ_２を構成する第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂが形成される。光導波路の出力側では、２段の合波部１０ｄを経て一本の出力導波路１０ｏにまとめられる。

本実施形態においても、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの近傍に接地電極は設けられておらず、特に第１の相互作用部ＭＺ_１の第２の信号電極７ｂと第２の相互作用部ＭＺ_２の第１の信号電極７ａとの間のチャンネル間領域にも接地電極は設けられていない。光変調器を小型化及び多重化した場合、チャンネル間領域に十分な幅又は面積を持つ接地電極を確保することは難しく、中途半端な接地電極はむしろ高周波特性を悪化させる原因となる。しかし、本実施形態のように接地電極を省略した場合には、光変調器を小型化しても高周波特性が悪化することがなく、光変調素子の多重化も容易な光変調器を実現することができる。

図８は、図７のＡ−Ａ'線に沿った光変調器の略断面図である。

図８に示すように、第１及び第２の相互作用部ＭＺ_１，ＭＺ_２の各々は、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂと、バッファ層４の上方に設けられた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂとを有している。そして、第１の相互作用部ＭＺ_１の第２の光導波路１０ｂ及び第２の信号電極７ｂは、第２の相互作用部ＭＺ_２の第１の光導波路１０ａ第１の信号電極７ａとそれぞれ隣り合っている。

そして上記のように、本実施形態においては、同一チャンネル内の第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂ間の電極分離領域Ｄ_０のみならず、第１の相互作用部ＭＺ_１の第２の信号電極７ｂと第２の相互作用部ＭＺ_２の第１の信号電極７ａとの間のチャンネル間領域Ｄ_２にも接地電極は設けられていない。これにより、マルチチャンネル構造の光変調器において特に問題となる隣接チャンネル間のクロストークを低減することができる。

図９は、本発明の第７の実施の形態による光変調器の構成を示す略平面図である。

図９に示すように、本実施形態による光変調器７００の特徴は、基板１上に４つの相互作用部ＭＺ_１，ＭＺ_２，ＭＺ_３，ＭＺ_４を並べた４チャンネルアレイ構造を有し、４つの相互作用部を用いて偏波多重直交位相変調（ＤＰ−ＱＰＳＫ）を行う点にある。そのため、第１及び第２の相互作用部ＭＺ_１，ＭＺ_２は第１のＩＱ変調器を構成しており、第３及び第４の相互作用部ＭＺ_３，ＭＺ_４は第２のＩＱ変調器を構成しており、各々の出力は偏波多重導波路１０ｈを介して出力される。個々の相互作用部ＭＺ_１〜ＭＺ_４の構成は、図１に示したマッハツェンダー光変調素子の単一の相互作用部と同様である。

図１０は、図９のＡ−Ａ'線に沿った光変調器の略断面図である。

図１０に示すように、第１〜第４の相互作用部ＭＺ_１〜ＭＺ_４の各々は、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂと、バッファ層４の上方に設けられた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂとを有している。そして、第１の相互作用部ＭＺ_１の第２の光導波路１０ｂ及び第２の信号電極７ｂは、第２の相互作用部ＭＺ_２の第１の光導波路１０ａ及び第１の信号電極７ａとそれぞれ隣り合っており、第２の相互作用部ＭＺ_２の第２の光導波路１０ｂ及び第２の信号電極７ｂは、第３の相互作用部ＭＺ_３の第１の光導波路１０ａ及び第１の信号電極７ａとそれぞれ隣り合っており、第３の相互作用部ＭＺ_３の第２の光導波路１０ｂ及び第２の信号電極７ｂは、第４の相互作用部ＭＺ_４の第１の光導波路１０ａ及び第１の信号電極７ａとそれぞれ隣り合っている。

そして上記のように、第１の相互作用部ＭＺ_１の第２の信号電極７ｂと第２の相互作用部ＭＺ_２の第１の信号電極７ａとの間のチャンネル間領域Ｄ_２１、第２の相互作用部ＭＺ_２の第２の信号電極７ｂと第３の相互作用部ＭＺ_３の第１の信号電極７ａとの間のチャンネル間領域Ｄ_２２、及び、第３の相互作用部ＭＺ_３の第２の信号電極７ｂと第４の相互作用部ＭＺ_４の第１の信号電極７ａとの間のチャンネル間領域Ｄ_２３にも接地電極は設けられていない。これにより、マルチチャンネル構造の光変調器において特に問題となる隣接チャンネル間のクロストークを低減することができる。

図１１は、本発明の第８の実施の形態による光変調器の構成を示す略平面図である。

図１１に示すように、本実施形態による光変調器８００の特徴は、図１０に示した４チャンネルの光変調器において、各相互作用部ＭＺ_１〜ＭＺ_４のマッハツェンダー光導波路が直線部と湾曲部との組み合わせにより構成されている点にある。すなわち、第６の実施の形態と第８の実施の形態の組み合わせたものである。図１１のＡ−Ａ'線に沿った断面構造は図１０と同様であり、チャンネル間領域Ｄ_２１，Ｄ_２２，Ｄ_２３に接地電極は設けられていない。上記のように、マルチチャンネル構造において光導波路が湾曲部を有する場合にはクロストークの問題が顕著である。しかし、信号電極近傍に接地電極が設けられていないので、クロストークを低減することができる。

図１２は、本発明の第９の実施の形態による光変調器の構成を示す略断面図である。また、図１３は、図１２のＡ−Ａ'線に沿った光変調器の略断面図である。

図１２及び図１３に示すように、本実施形態による光変調器９００の特徴は、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの外側の領域Ｄ_１ａ，Ｄ_１ｂに第１及び第２の接地電極７ｃ，７ｄが設けられている点にある。第１の接地電極７ｃは、第１の信号電極７ａの近傍であって第１の信号電極７ａから見て第２の信号電極７ｂと反対側に配置されており、第２の接地電極７ｄは、第２の信号電極７ｂの近傍であって第２の信号電極７ｂから見て第１の信号電極７ａと反対側に配置されている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

第１及び第２の接地電極７ｃ，７ｄは電極層７に設けられた導体のみからなる単層構造であるが、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂと同様に二層構造であってもよい。すなわち、第１及び第２の接地電極７ｃ，７ｄは、絶縁層５に形成された開口内に埋め込まれ、バッファ層４の上面に接する導体を含むものであってもよい。さらに、第１及び第２の接地電極７ｃ，７ｄは、絶縁層５及びバッファ層４を貫通する開口内に埋め込まれ、保護層３の上面に接する導体を含むものであってもよい。

第１及び第２の接地電極７ｃ，７ｄの幅Ｗ_７ｃ，Ｗ_７ｄは、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの幅Ｗ_７ａ，Ｗ_７ｂよりも広いことが望ましい。第１及び第２の接地電極７ｃ，７ｄの各々の面積を第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの面積よりも大きくすることにより、放射損失を低減することができ、良好な高周波特性を得ることができる。第１の接地電極７ｃの幅Ｗ_７ｃは、第２の接地電極７ｄの幅Ｗ_７ｄと同一であってもよく、異なっていてもよい。

本実施形態においては、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの両側に接地電極７ｃ，７ｄが設けられているので、接地電極を省略することによるリップル等を低減する効果は期待できない。しかし、接地電極７ｃ，７ｄの幅や面積を十分に確保できる場合には、放射損失及び波長チャープが低減された高周波特性が良好な光変調器を実現することができる。さらに、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの断面形状が略Ｌ字状であり、第１及び第２の上層部７ａ_Ｈ，７ｂ_Ｈの幅が第１及び第２の下層部７ａ_Ｌ，７ｂ_Ｌの幅よりも広いので、高周波における電極損失を低減することができる。したがって、高周波特性が良好であり、低電圧駆動が可能な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。

例えば、上記実施形態においては、基板１上にエピタキシャル成長させたニオブ酸リチウム膜によって形成された一対の光導波路１０ａ，１０ｂを有する光変調器を挙げたが、本発明はそのような構造に限定にされず、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛などの電気光学材料により光導波路を形成したものであってもよい。ただし、ニオブ酸リチウム膜によって形成された光導波路であれば光導波路の幅を狭く形成できるため、電界集中の問題が顕著であり、本発明の効果が大きい。また、導波層２として、電気光学効果を有する半導体材料、高分子材料などを用いてもよい。

また、本発明においては第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの下面が二段の段差構造を有する場合を例に挙げたが、三段以上の段差構造を有するものであってもよい。その場合、バッファ層４と接する面が下層部の下面となる。さらには、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの下層部の幅が第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂに向けて徐々に狭くなるテーパー形状を有していても構わない。

図２に示した断面構造を有する光変調器の電界効率をシミュレーションにより評価した。この光変調器において、基板１はサファイア単結晶基板（比誘電率１０）、導波層２はニオブ酸リチウム膜、保護層３はＳｉＯ_２（比誘電率４）、バッファ層４はＬａ、Ａｌなどからなる酸化物Ｌａ−Ａｌ−Ｏ（比誘電率１３）、絶縁層５は酸化物（比誘電率８）、電極層７はＡｕとした。また、導波層２の厚さは１．５μｍ、導波層２のスラブ厚は０．４μｍ（リッジ部２ｒの厚さは１．１μｍ）、導波層２のリッジ幅Ｗ_０は１．２μｍ、バッファ層４の厚さは０．９μｍ、第１及び第２の導波路の間隔は１８μｍ、絶縁層５の厚さＨ＝２μｍ、信号電極の上層部の幅Ｗ_７ａ＝Ｗ_７ｂ＝９μｍ、信号電極の下層部の幅Ｗ_ａＬ＝Ｗ_ｂＬ＝３μｍ、電極層７の厚さＴ＝３μｍ、光導波路に沿った信号電極の電極長（相互作用長）は２０ｍｍとした。

上記の構成において、信号周波数が３２ＧＨｚのとき、半波長電圧Ｖπ＝３．９Ｖ、帯域＝４６ＧＨｚが得られ、６４Ｇｂａｕｄで動作する低駆動電圧、広帯域な光変調器が得られた。

次に図２に示した断面構造を有する光変調器において、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの下層部７ａ_Ｌ，７ｂ_Ｌの厚さ（絶縁層５の厚さＨ）を変化させたときのＶπＬの変化をシミュレーションにより求めた。ＶπＬは電界効率を表すパラメータであり、ＶπＬが小さいほど電界効率が高いこと示している。Ｖπは半波長電圧、Ｌは電極長である。可変パラメータである絶縁層５の厚さＨは、０μｍ（段差なし）、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍの６通りとした。なお絶縁層５の厚さＨ＝０μｍである光変調器６００の断面構造を図１６に示す。この光変調器６００は、図２と比べてバッファ層４と電極層７との間に絶縁層５が無く、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂはバッファ層４の上面に形成されている。第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの幅Ｗ_７ａ＝Ｗ_７ｂ＝９μｍである。

図１４は、ＶπＬのシミュレーション結果を示すグラフであり、横軸は絶縁層５の厚さＨ（μｍ）、縦軸はＶπＬ（Ｖｃｍ）をそれぞれ示している。図１４に示すように、絶縁層５を設けることで（Ｈ＞０μｍ）、信号電極の最大幅を広げても電界効率を改善できることが分かる。また、絶縁層５の厚さＨが大きいほど電界効率も改善することが分かる。

次に、図２に示した断面構造を有する光変調器において、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの上層部７ａ_Ｈ，７ｂ_Ｈの幅Ｗ_７ａ＝Ｗ_７ｂ＝Ｗ_７を変化させたときの電極損失の変化を求めた。ここで、可変パラメータである上層部７ａ_Ｈ，７ｂ_ＨのＷ_７は、３μｍ、５μｍ、７μｍ、９μｍの４通りとした。また、絶縁層５の厚さＨは、０μｍ、２μｍ、４μｍの３通りとした。

図１５は、電極損失のシミュレーション結果を示すグラフであり、横軸は信号電極の上層部７ａ_Ｈ，７ｂ_Ｈの幅Ｗ_７（μｍ）、縦軸は電極損失（ｄＢ／ｍｍ）を示している。図１５に示すように、上層部７ａ_Ｈ，７ｂ_Ｈの幅Ｗ_７が広くなるほど電極損失が小さくなっていることが分かる。

図１７は、信号電極の上層部７ａ_Ｈ，７ｂ_Ｈの幅Ｗ_７を変化させたときのマイクロ波の実効屈折率のシミュレーション結果を示すグラフであり、横軸は信号電極の上層部７ａ_Ｈ，７ｂ_Ｈの幅Ｗ_７（μｍ）、縦軸はマイクロ波の実効屈折率Ｎ_ｍを示している。図１７に示すように、上層部７ａ_Ｈ，７ｂ_Ｈの幅Ｗ_７を広げても、実効屈折率Ｎ_ｍの変化は小さく、光の実効屈折率の２．２６とほぼ一致しており、速度整合条件を満足していることが分かる。

一方、図１８は、図１６に示す比較例の光変調器において電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの厚さＴを変化させた場合のマイクロ波の実効屈折率Ｎ_ｍのシミュレーション結果である。図１８に示すように、電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの厚さＴを厚くすると、実効屈折率Ｎ_ｍは急激に下がってしまい、光の実効屈折率の２．２６との差が大きくなり、速度整合条件を満足しないことが分かる。

実施例のＷ_７を広げることや比較例のＴを厚くすることは、電極損失を低減する点において同じ効果である。しかし、マイクロ波の実効屈折率は、実施例のＷ_７を広げてもほぼ変化せず、速度整合条件を維持できるのに対して、比較例のＴを厚くすると大きく減少し、速度整合条件を満足できなくなる。したがって、実施例の構造の方が優れていることが分かる。

以上の結果から、本発明による二層構造の信号電極によれば、電界効率の向上（ＶπＬの低減）と電極損失の低減を図ることができ、光ファイバ通信の広帯域化及び低駆動電圧化に有利であることが分かった。

次に、接地電極の有無が光変調器の高周波特性に与える影響について考察した。その結果、図１９に示すように、信号電極近傍に接地電極を設けた図１６に示す構造の場合、高周波において損失が大きくなった。一方、接地電極を設けない図４の電極構造の場合には、高周波において損失が小さかった。

次に、図１１に示した４チャンネル光変調器において、接地電極の有無が隣接チャンネルの高周波特性に与える影響について考察した。具体的には、第２チャンネルのＲＦ信号電極に差動信号を入力したときに第３チャンネルの光出力ポートに現れる信号からクロストーク特性を評価した。その結果、図２０のグラフに示すように、接地電極を設けた場合にはクロストークが大きくなり、接地電極を設けない場合にはクロストークが小さくなった。

１ 基板
２ 導波層
２ｒ リッジ部
３ 保護層
４ バッファ層
５ 絶縁層
７ 電極層
７ａ 第１の信号電極（進行波電極）
７ａ_１ 第１の信号電極の一端
７ａ_２ 第１の信号電極の他端
７ａ_Ｈ 第１の信号電極の上層部
７ａ_Ｌ 第１の信号電極の下層部
７ｂ 第２の信号電極（進行波電極）
７ｂ_１ 第２の信号電極の一端
７ｂ_２ 第２の信号電極の他端
７ｂ_Ｈ 第２の信号電極の上層部
７ｂ_Ｌ 第２の信号電極の下層部
７ｃ 第１の接地電極
７ｄ 第２の接地電極
９ａ 第１のバイアス電極
９ａ_１ 第１のバイアス電極の一端
９ｂ 第２のバイアス電極
９ｂ_１ 第２のバイアス電極の一端
１０ マッハツェンダー光導波路
１０ａ 第１の光導波路
１０ｂ 第２の光導波路
１０ｃ 分波部
１０ｄ 合波部
１０ｅ_１ マッハツェンダー光導波路の第１の直線部
１０ｅ_２ マッハツェンダー光導波路の第２の直線部
１０ｅ_３ マッハツェンダー光導波路の第３の直線部
１０ｆ_１ マッハツェンダー光導波路の第１の湾曲部
１０ｆ_２ マッハツェンダー光導波路の第２の湾曲部
１０ｇ 位相シフタ
１０ｈ 偏波多重導波路
１０ｉ 入力導波路
１０ｏ 出力導波路
１２ 終端抵抗
２１ サファイア基板
２２ａ 第１の光導波路
２２ｂ 第２の光導波路
２３ バッファ層
２４ａ，２４ａ_１，２４ａ_２ 信号電極
２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ，２４ｅ 接地電極
１００，２００，３００ ，４００，５００，６００，７００，８００，９００，１２００，１３００ 光変調器
Ｄ_０ 電極分離領域
Ｄ_１ａ 第１の信号電極の外側の領域
Ｄ_１ｂ 第２の信号電極の外側の領域
Ｄ_２，Ｄ_２１，Ｄ_２２，Ｄ_２３ チャンネル間領域
Ｇ_０ 第１の信号電極と第２の信号電極の間隔
Ｇ_０Ｈ 第１の上層部と第２の上層部の間隔
Ｇ_０Ｌ 第１の下層部と第２の下層部の間隔
ＭＺ_１〜ＭＺ_４ 相互作用部
Ｓ_ａＨ 第１の上層部の下面
Ｓ_ａＬ 第１の下層部の下面
Ｓ_ｂＨ 第２の上層部の下面
Ｓ_ｂＬ 第２の下層部の下面
Ｓｉ 入力光
Ｓｏ 変調光

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられた少なくとも一つの相互作用部とを備え、
   前記相互作用部は、
   前記基板上にリッジ状に形成された電気光学材料膜からなり、互いに隣り合う第１及び第２の光導波路と、
   前記第１及び第２の光導波路の上面を覆うバッファ層と、
   前記バッファ層の上方に前記第１及び第２の光導波路と対向して設けられた第１及び第２の信号電極とを備え、
   前記第１の信号電極から見て前記第２の信号電極と反対側の前記第１の信号電極の近傍領域及び前記第２の信号電極から見て前記第１の信号電極と反対側の前記第２の信号電極の近傍領域には接地電極が配置されておらず、
   前記第１及び第２の信号電極には差動信号が印加されることを特徴とする光変調器。
2. 前記第１の信号電極は、前記バッファ層を介して前記第１の光導波路と対向する第１の下層部と、前記第１の下層部の上方に設けられた第１の上層部とを有し、
   前記第２の信号電極は、前記バッファ層を介して前記第２の光導波路と対向する第２の下層部と、前記第２の下層部の上方に設けられた第２の上層部とを有し、
   前記第１及び第２の下層部の下面の幅は、前記第１及び第２の上層部の幅よりも狭く、
   前記第１の上層部の幅は前記第１の下層部から前記第２の信号電極と反対方向に広がっており、
   前記第２の上層部の幅は前記第２の下層部から前記第１の信号電極と反対方向に広がっている、請求項１に記載の光変調器。
3. 前記第１の上層部と前記第２の上層部との間の間隔は、前記第１の下層部と前記第２の下層部との間の間隔以上である、請求項２に記載の光変調器。
4. 前記バッファ層の上方に形成された絶縁層と、
   前記第１及び第２の上層部を含み、前記絶縁層上に形成された電極層とをさらに備え、
   前記第１及び第２の下層部は、前記絶縁層に形成された開口内に埋め込まれている、請求項２又は３に記載の光変調器。
5. 前記第１及び第２の光導波路の各々は、少なくとも一つの直線部と少なくとも一つの湾曲部とを有し、
   前記第１の信号電極は、前記第１の光導波路の前記直線部及び前記湾曲部に沿って設けられており、
   前記第２の信号電極は、前記第２の光導波路の前記直線部及び前記湾曲部に沿って設けられている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光変調器。
6. 前記相互作用部は、第１及び第２の相互作用部を含み、
   前記第１の相互作用部の前記第２の光導波路は、前記第２の相互作用部の前記第１の光導波路と隣り合っており、
   前記第１の相互作用部の前記第２の信号電極と前記第２の相互作用部の前記第１の信号電極との間の領域には接地電極が配置されていない、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光変調器。
7. 前記基板は単結晶基板であり、
   前記電気光学材料膜はニオブ酸リチウム膜であり、
   前記ニオブ酸リチウム膜のｃ軸は前記基板の主面に対して垂直方向に配向している、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光変調器。
8. 基板と、
   前記基板上にリッジ状に形成された電気光学材料膜からなり、互いに隣り合う第１及び第２の光導波路と、
   前記第１及び第２の光導波路の上面を覆うバッファ層と、
   前記バッファ層の上方に前記第１及び第２の光導波路と対向して設けられた第１及び第２の信号電極とを備え、
   前記第１の信号電極は、前記バッファ層を介して前記第１の光導波路と対向する第１の下層部と、前記第１の下層部の上方に設けられた第１の上層部とを有し、
   前記第２の信号電極は、前記バッファ層を介して前記第２の光導波路と対向する第２の下層部と、前記第２の下層部の上方に設けられた第２の上層部とを有し、
   前記第１及び第２の下層部の下面の幅は、前記第１及び第２の上層部の幅よりも狭く、
   前記第１の上層部の幅は前記第１の下層部から前記第２の信号電極と反対方向に広がっており、
   前記第２の上層部の幅は前記第２の下層部から前記第１の信号電極と反対方向に広がっており、
   前記第１及び第２の信号電極の間には接地電極が無く、
   前記第１及び第２の信号電極には差動信号が印加されることを特徴とする光変調器。

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