JP2020166053A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】変調電極により発生する基板の応力を低減させることで、基板に対するダメージを防ぐとともに、変調器の特性劣化を防ぐことが可能な光変調器を提供する。【解決手段】光変調器１は、電気光学効果を有する基板５と、基板５に形成された光導波路１０と、基板５上に設けられており、光導波路１０を伝搬する光波を変調する変調電極（信号電極Ｓおよび接地電極Ｇ）とを備えており、変調電極の底面の一部と、変調電極の底面の一部に対向する基板５との間に、変調電極により発生する基板５の応力を低減させる樹脂８が配設されていることを特徴とする。【選択図】図５

Description

本発明は、電気光学効果を有する基板と、基板に形成された光導波路と、光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極とを備えた光変調器に関する。

近年、光通信分野や光計測分野において、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３：以下ＬＮと記載）等の電気光学効果を有する基板上に光導波路を形成するとともに、光導波路内を伝搬する光波を変調する金属製の変調電極を形成した光変調器が使用されている。

下記の特許文献１には、接地電極の底面の一部と基板の相当部分との間にギャップを設けた光変調器が開示されている。また、下記の特許文献２には、接地電極が第１電極部と第１電極部の内部に配設された第２電極部とを備えた光変調器が開示されている。

また、光変調周波数の広帯域化を実現するために、変調信号であるマイクロ波と光波との速度整合を図ることが重要である。このため、基板の厚さを薄くする基板の薄板化を行うことによって、マイクロ波と光波との速度整合を図るとともに、駆動電源の低減を図る試みが行われている。

特開平６−２３５８９１号公報 特開２０１０−１８１４５４号公報

例えば基板はＬＮを材料とし変調電極は金属製であることから、基板と変調電極とは線膨張率が異なる。このため、温度変化に伴う線膨張率差によって、変調電極が接触する付近では基板に内部応力が生じる。また、基板には、基板上に配置された変調電極からの圧縮応力が生じ、特に厚さの薄い基板ではこの圧縮応力を無視することができない。基板にこのような内部応力や圧縮応力等の応力が生じると基板がダメージを受け、基板にひび割れ等が発生してしまうという問題がある。

また、基板はＬＮ等の電気光学効果を有する材料で作られており、電気を印加して屈折率を変化させることで光変調が行われる。しかしながら、基板に応力が生じると、光弾性効果によって基板の屈折率が変化してしまい、光波の伝搬速度が変化してしまうという問題がある。その結果、例えばマッハツェンダー構造を有する光変調器では、マッハツェンダー構造における合波の際に位相差が生じてしまい、バイアス電圧の変動等の特性劣化が発生してしまうという問題がある。

このような問題を解決するための方法の１つとして、例えばバッファ層を形成して応力緩和を行うことが考えられる。しかしながら、従来のスパッタ成膜により形成されるバッファ層は膜厚が薄く、特に基板の厚さが薄い場合には、基板に生じる応力を十分に緩和することができないという問題がある。また、バッファ層には、一般的にはＳｉＯ_２等の剛性が高い材料（ＳｉＯ_２のヤング率：７２〜７４ＧＰａ）が用いられる。このように剛性の高い材料からなるバッファ層では、変調電極による基板への応力の影響が大きく現れ、特に基板の厚さが薄い場合には、基板に生じる応力を十分に緩和することができないという問題がある。

なお、特許文献１や特許文献２に開示されている光変調器は、チャーピング発生の抑制、変調効率の低下の防止、駆動電圧の抑制等の作用が得られるものであるが、変調電極による基板の応力を低減させる作用は少ない。したがって、特許文献１や特許文献２に開示されている光変調器は、本発明が取り組む上記の課題を解決できるものではない。

本発明は、上記の課題を解決するため、変調電極により発生する基板の応力を低減させることで、基板に対するダメージを防ぐとともに、変調器の特性劣化を防ぐことが可能な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、本発明に係る光変調器は以下のような技術的特徴を有する。

（１） 本発明に係る光変調器は、上記の目的を達成するため、電気光学効果を有する基板と、前記基板に形成された光導波路と、前記基板上に設けられており、前記光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極と、を備える光変調器であって、前記変調電極の底面の一部と、前記変調電極の底面の一部に対向する前記基板との間に、樹脂が配設されていることを特徴とする。

この構成により、変調電極の底面の一部と変調電極の底面の一部に対向する基板との間に配設された樹脂によって、変調電極により発生する基板の応力を低減させることができる。樹脂は従来のスパッタ成膜により形成されるバッファ層と比べて大きな膜厚を確保することができ、変調電極による基板への応力の影響を抑えることができる。また、樹脂は上述したバッファ層に用いられるＳｉＯ_２等の材料と比べて剛性の低い材料（樹脂のヤング率：おおよそ１〜２ＧＰａ）であり、変調電極と基板との間に線膨張率差があっても、線膨張率差により生じる応力を緩和する緩衝材としての役割を果たす。その結果、樹脂の配設によって、基板に対するダメージを防ぐとともに、変調器の特性劣化を防ぐことが可能となる。

（２） 上記（１）に記載の光変調器において、前記変調電極が前記光導波路の一部に沿って配置された信号電極および接地電極からなり、前記信号電極および前記接地電極の少なくとも一方の底面の一部と、前記信号電極および前記接地電極の少なくとも一方の底面の一部に対向する前記基板との間に、前記樹脂が配設されていることを特徴とする。

この構成により、信号電極および接地電極の少なくとも一方の底面の一部と当該信号電極および接地電極の少なくとも一方の底面の一部に対向する基板との間に配設された樹脂によって、当該信号電極および前記接地電極の少なくとも一方により発生する基板の応力を低減させることができ、基板に対するダメージを防ぐとともに、変調器の特性劣化を防ぐことが可能となる。

（３） 上記（２）に記載の光変調器において、前記信号電極と前記基板との間に前記樹脂が配設される場合には、前記樹脂の幅が前記信号電極の幅の１／３以下に設定され、
前記接地電極と前記基板との間に前記樹脂が配設される場合には、前記樹脂の幅が前記接地電極の幅の１／２以下に設定されることを特徴とする。

この構成により、樹脂の幅と変調電極の幅との比率を上記のように設定することにより、光導波路への実効的な電界印加が可能となるとともに、変調電極の基板からの剥離を抑えることが可能となる。

（４） 上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の光変調器において、前記変調電極内に前記樹脂が配設されていることを特徴とする。

この構成により、通常の基板上に樹脂を形成して、その後、樹脂が埋設されるように電極を形成することで、変調電極の底面の一部と変調電極の底面の一部に対向する基板との間に、容易かつ確実に樹脂を配設することが可能となる。

（５） 上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の光変調器において、変調対象である一対の光導波路に対して左右対称の電界が印加されるように、前記樹脂が配設されていることを特徴とする。

この構成により、例えばマッハツェンダー型導波路等における一対の光導波路に対して左右対称となる電界を印加することができ、電界の非対称性により生じ得る変調効率の非均一性や、変調効率の非対称性に起因するチャーピングの発生等を抑えることが可能となる。

（６） 上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の光変調器において、前記変調電極の底面と前記基板との接触面が前記光導波路の近位側に配置されるように前記樹脂が配設されていることを特徴とする。

この構成により、光導波路に対して効率的に電界を集中させることが可能となり、光導波路における光波の変調効率を向上させることが可能となる。

（７） 上記（１）から（６）のいずれか１つに記載の光変調器において、前記樹脂の厚さが１．０μｍ以上であることを特徴とする。

この構成により、変調電極により発生する基板の応力を確実に低減させることができる厚さの樹脂を、変調電極の底面の一部と変調電極の底面の一部に対向する基板との間に配設することができ、基板に対するダメージをより確実に防ぐとともに、変調器の特性劣化をより確実に防ぐことが可能となる。

（８） 上記（１）から（７）のいずれか１つに記載の光変調器において、前記樹脂は、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のいずれか一方であることを特徴とする。

この構成により、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のいずれか一方を材料とするフォトレジストを用いて、変調電極により発生する基板の応力を低減させることができ、基板に対するダメージを防ぐとともに、変調器の特性劣化を防ぐことが可能となる。特に、フォトリソグラフィプロセスによって基板上に樹脂を形成することができ、樹脂のパターン形状や厚さ等を精度良く容易にコントロールすることが可能となる。

（９） 上記（１）から（８）のいずれか１つに記載の光変調器において、前記基板の厚さが４．０μｍ以下であることを特徴とする。

この構成により、基板の薄板化に伴って基板に生じる応力の影響が大きくなる場合であっても、変調電極の底面の一部と変調電極の底面の一部に対向する基板との間に配設された樹脂によって、変調電極により発生する基板の応力を低減させることができ、基板に対するダメージを防ぐとともに、変調器の特性劣化を防ぐことが可能となる。

（１０） 上記（１）から（９）のいずれか１つに記載の光変調器において、前記基板上に突設されたリブ部が前記光導波路として用いられることを特徴とする。

この構成により、リブ型導波路による基板に伴って基板に生じる応力の影響が大きくなる場合であっても、変調電極の底面の一部と変調電極の底面の一部に対向する基板との間に配設された樹脂によって変調電極により発生する基板の応力を低減させることができ、基板に対するダメージを防ぐとともに、変調器の特性劣化を防ぐことが可能となる。

（１１） 上記（１）から（１０）のいずれか１つに記載の光変調器において、前記変調電極は金属からなり、前記基板はニオブ酸リチウムからなることを特徴とする。

この構成により、ニオブ酸リチウムを材料とする基板と金属製の変調電極との線膨張率差によって応力が生じる場合であっても、その応力を低減させることができ、基板に対するダメージを防ぐとともに、変調器の特性劣化を防ぐことが可能となる。

（１２） 上記（１）から（１１）のいずれか１つに記載の光変調器において、複数のマッハツェンダー部により前記光導波路が形成されていることを特徴とする。

この構成により、様々な変調方式に対応した光信号を生成することが可能な複数のマッハツェンダー型光導波路が集積されたマッハツェンダー型光変調器において、変調電極の底面の一部と変調電極の底面の一部に対向する基板との間に配設された樹脂によって、変調電極により発生する基板の応力を低減させることができ、基板に対するダメージを防ぐとともに、変調器の特性劣化を防ぐことが可能となる。

本発明によれば、光変調器において、変調電極により発生する基板の応力を低減させることで、基板に対するダメージを防ぐとともに、変調器の特性劣化を防ぐことが可能となる。

本発明の実施の形態において、光変調器を構成する基板上に形成された光導波路の一例を説明するための平面図である。 本発明の実施の形態における光変調器の断面構造の一例を示す図であり、（ａ）は図１の線分Ｐ−Ｐの矢視断面図であり、（ｂ）は基板内に光導波路が形成された別例の光変調器の断面構造の一例を示す図である。 本発明の実施の形態における光変調器の一例を模式的に示す平面図であり、図１の領域Ｒにおける樹脂の配設パターンを模式的に示す図である。 本発明の実施の形態における光変調器の一例を模式的に示す平面図であり、（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、図１の領域Ｒにおける樹脂の配設パターンの派生例を示す図である。 本発明の実施の形態における光変調器の断面構造の第１の例を示す図である。 本発明の実施の形態における光変調器の断面構造の第２の例を示す図である。 本発明の実施の形態における光変調器の断面構造の第３の例を示す図である。 本発明の実施の形態における光変調器の断面構造の第４の例を示す図である。 本発明の実施の形態における光変調器の断面構造の第５の例を示す図である。 本発明の実施の形態における光変調器の断面構造の第６の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態における光変調器について説明する。

図１は、本発明の実施の形態において、光変調器を構成する基板上に形成された光導波路の一例を説明するための平面図である。なお、図面では、光変調器の幅方向をＸ軸、光変調器の長手方向をＹ軸、光変調器の厚さ方向をＺ軸と定義する。

図１に示す光変調器１は、複数のマッハツェンダー型光導波路が集積された光変調器１であり、ネスト型光変調器とも呼ばれる。複数のマッハツェンダー型光導波路が集積された光変調器１は、様々な変調方式に対応した光信号を生成することができる。図１には一例として、複数のマッハツェンダー型光導波路が集積された光変調器１が図示されているが、本発明はこの構造に限定されるものではなく、例えば単一のマッハツェンダー型光導波路を有する光変調器１であってもよい。

図１に示すように、本発明の実施の形態における光変調器１は、電気光学効果を有する材料で形成された基板５上に形成された光導波路１０を備える。図１に示す光変調器１は、外部から光信号が導入される入射導波路を分岐する第１分岐部２ａ、第１分岐部２ａで分岐された光導波路１０を更に分岐する第２分岐部２ｂ、第２分岐部２ｂで分岐された光導波路１０を更に分岐する第３分岐部２ｃを備えており、３段階の分岐を経て合計８本の並行導波路が形成されている。第１〜第３分岐部２ａ〜２ｃは光カプラ等により実現される。各並行導波路を伝搬する光波の位相は、例えば各並行導波路近傍に配置された金属製の変調電極（図１には不図示）を用いて各並行導波路に印加される電界１１により調整される。

また、各並行導波路を伝搬した光波は、上記の第１〜第３分岐部２ａ〜２ｃの各々に対応する第１〜第３合成部３ａ〜３ｃにおいて合波された後、出射導波路から外部へ出力される。具体的には、図１に示す光変調器１は、第３分岐部２ｃで分岐された並行導波路を合成する第３合成部３ｃ、第２分岐部２ｂで分岐された光導波路１０を合成する第２合成部３ｂ、第１分岐部２ａで分岐された光導波路１０を合成する第１合成部３ａを備えており、３段階の合成を経て出射導波路から光信号が出力される。第１〜第３分岐部２ａ〜２ｃと同様に、第１〜第３合成部３ａ〜３ｃも光カプラ等により実現される。

図２（ａ）は、本発明の実施の形態における光変調器１の断面構造の一例を示す図であり、図１の線分Ｐ−Ｐの矢視断面図である。図３は、本発明の実施の形態における光変調器１の一例を模式的に示す平面図であり、図１の領域Ｒにおける樹脂８の配設パターンを模式的に示す図である。

図２（ａ）の断面構造に示すように、光変調器１は、補強基板７の上に基板５が設けられており、さらに基板５の上に変調電極が設けられた構造を有している。

基板５は、電気光学効果を有する材料により形成されている。従来の基板は厚さが８〜１０μｍ程度あるのに対し、本発明の実施の形態における基板５は、例えば厚さが１．０〜２．０μｍ程度の極めて薄い薄板を用いることが可能である。基板５には、電気光学効果を有する材料として、例えばＬＮを用いることが可能であるが、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）やジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）等が用いられてもよい。図２（ａ）には一例として、作用部（変調部）で変調電極間に光導波路１０が配置されるＸカットの基板５を用いたＬＮ変調器である光変調器１の断面構造が図示されている。ただし、作用部で変調電極間に光導波路１０が配置されるＸカットの基板５のＬＮ変調器であってもよく、変調電極下に光導波路１０が配置されるＺカットの基板５のＬＮ変調器であってもよい。

図２（ａ）に示すように、基板５上にはリブ部６が設けられている。リブ部６は、基板５の表面に対して突設されており、光波を閉じ込める作用を有することから光導波路１０として利用される。図２（ａ）には一例として、基板５上にリブ部６が形成されたリブ型基板を有する光変調器１が図示されているが、この構造に限定されるものではなく、図２（ｂ）のように例えば金属の熱拡散により基板５内に光導波路１０が形成された光変調器１であってもよい。

従来の基板５の厚さは８．０〜１０．０μｍであったのに対し、リブ型基板の厚さは１．０〜２．０μｍと極めて薄くすることができ、マイクロ波と光波との速度整合や駆動電源の低減を図ることが可能となる。ただし、このように極めて薄い基板５では、基板５上に配置された変調電極からの圧縮応力の影響が大きく現れ、基板５がダメージを受けてひび割れ等が発生してしまう問題があるが、本発明はこの問題に対処することができる。

本発明の実施の形態における光変調器１では、例えば、リブ部６を含めた基板５の厚さＡの最大値は４．０μｍ、リブ部６の幅Ｂの最大値は４．０μｍ、リブ部６の高さＣの最大値は２．０μｍであり、厚さＡと幅Ｂとの比率は１：１である。リブ部や基板等は設計上小さければ小さいほど良いため、上記の厚さＡ、幅Ｂ、高さＣの最小値は、製造プロセスにおける最小化の限界値となる。また、光の閉じ込めの観点からも、光のシングルモード条件が維持される範囲内の寸法であれば、厚さＡおよび幅Ｂの各々の寸法は小さければ小さいほど光が閉じ込められるため好ましい。

変調電極は、信号電極Ｓおよび接地電極Ｇを含んでいる。変調電極は、例えば、基板５上にＴｉ／Ａｕを蒸着した後、フォトリソグラフィプロセスにより電極のパターニングを行うことで形成される。なお、変調電極は適切な金属であればよく、基板５上に変調電極を形成する方法も特に限定されるものではない。変調電極の厚さは、例えば２０μｍ以上である。

信号電極Ｓは、例えば図５に示すように光導波路１０に電界１１を印加するための電極であり、例えば、光導波路１０と並行して延在するように配置されている。不図示であるが、信号電極Ｓには、信号源および終端抵抗に接続されており、信号源から高周波電気信号が供給されて終端抵抗で終端されるようになっている。接地電極Ｇは、基準電位点に接続された電極であり、例えば、信号電極Ｓと同様に光導波路１０と並行して延在するように配置されている。信号電極Ｓと接地電極Ｇとは離隔して設けられており、信号電極Ｓと接地電極Ｇとの間に電界１１が形成される。信号電極Ｓおよび接地電極Ｇは、例えばコプレーナ線路を構成している。

補強基板７は、極めて薄い基板５の強度を補い、基板５および基板５上の変調電極等を安定して支持可能とする部材である。補強基板７は、基板５の裏側に直接接合されるか、接着剤等で基板５の裏側に貼り合わされている。基板５と補強基板７とを直接接合する場合には、補強基板７は、例えば基板５の材料（例えばＬＮ）より誘電率の低い材料を用いることが可能である。一方、基板５と補強基板７とを接着剤で貼り合わせる場合には、補強基板７は、例えば基板５と同一の材料（例えばＬＮ）を用いることが可能である。この場合には、基板５の材料（例えばＬＮ）より誘電率および屈折率が低い接着剤が用いられ、基板５と補強基板７との間の接着剤層の厚さは例えば３０μｍ以上とする。

図２（ａ）に示すように、変調電極と基板５との間には、樹脂８が部分的に配設されている。また、図３の配設パターンに示すように、樹脂８は、例えば光波の伝搬方向である光導波路１０が延在する方向に沿って、変調電極と基板５との間に延在するように配設されている。樹脂８は、その粘弾性特性により変調電極と基板５との間で応力を緩和する緩衝材としての役割を果たす。一般的にバッファ層に用いられるＳｉＯ_２等の剛性が高い材料（ＳｉＯ_２のヤング率：７２〜７４ＧＰａ）と比べて、樹脂８は剛性の低い材料（樹脂のヤング率：おおよそ１〜２ＧＰａ）であり、変調電極と基板５との間の線膨張率差により生じる応力を緩和する緩衝材としての役割を果たすことができる。

なお、図２（ａ）に示す一例では、信号電極Ｓと基板５との間および接地電極Ｇと基板５との間の両方に樹脂８が配設されているが、信号電極Ｓと基板５との間および接地電極Ｇと基板５との間のどちらか一方にのみ樹脂８が配設されてもよい。

変調電極と基板５との間に樹脂８が部分的に配設されることにより、変調電極と樹脂８との接触面、変調電極と基板５との接触面、基板５と樹脂８との接触面が生じ、樹脂８を配設した分だけ変調電極と基板５との接触面積を低減させることが可能となる。これにより、変調電極によって基板５に生じる応力を低減させることが可能となる。

樹脂８は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂等の樹脂であり、一例として、ポリアミド系樹脂、メラミン系樹脂、フェノール系樹脂、アミノ系樹脂、エポキシ系樹脂等を含む。

また、樹脂８は、例えば永久レジストであり、熱硬化型の樹脂を材料とするフォトレジストである。光導波路素子の製造工程において、スピンコートにより基板５上に樹脂８を塗布し、通常の一般的なフォトリソグラフィプロセスによってパターニングを行った後に熱硬化をさせることにより、変調電極と基板５との間に樹脂８を配設することができる。フォトリソグラフィプロセスによるパターニングは、従来のスパッタ成膜と比較して微細なパターン形状を高精度で形成することが可能であり、本発明の実施の形態における基板５上の樹脂形成に好適である。また、従来のスパッタ成膜で形成されるバッファ層は膜厚が薄かったが、一方、スピンコートによって樹脂８を塗布した場合には、１μｍ以上の膜厚であれば自在に膜厚をコントロールすることが可能であり、本発明の実施の形態における基板５上の樹脂形成に好適である。なお、基板５上に樹脂８を形成した後に、樹脂８が埋設されるように電極を形成することで、変調電極と基板５との間に、容易かつ確実に樹脂８を部分的に配設することが可能となる。

なお、図３には、樹脂８の配設パターンとして、光導波路１０の延在方向に沿って変調電極と基板５との間に樹脂８が延在するように配設された例を示しているが、例えば図４（ａ）〜（ｃ）に示すような配設パターンを採用することも可能である。

図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態における光変調器１の一例を模式的に示す平面図であり、図１の領域Ｒにおける樹脂８の配設パターンの派生例を模式的に示す図である。

図４（ａ）に示す配設パターンでは、樹脂８は、複数の樹脂８のセル（図４（ａ）では４つの樹脂８のセル）が、光導波路１０の延在方向に沿って配列されている。図４（ｂ）に示す配設パターンでは、１つの変調電極内に複数の樹脂８が幅方向に配設されているとともに、これらの樹脂８が、光導波路１０の延在方向に沿って配設されている。図４（ｃ）に示す配設パターンでは、１つの変調電極内に複数の樹脂８が幅方向に配設されているとともに、これらの樹脂８が、光導波路１０の延在方向に沿って断続的に配設されている。

なお、本実施の形態で説明した幅方向および光導波路１０の延在方向における樹脂８の配設パターンはあくまでも一例であり、本発明の目的である変調電極によって基板５に生じる応力の緩和を達成するものであれば任意の配設パターンを採用することができる。

一方、ピーリング試験の結果から、変調電極と樹脂８との密着強度ＡＳ１、変調電極と基板５との密着強度ＡＳ２、樹脂８と基板５との密着強度ＡＳ３の関係は、ＡＳ１＜ＡＳ２≦ＡＳ３であることが得られている。すなわち、変調電極と樹脂８との密着強度ＡＳ１は、変調電極と基板５との密着強度ＡＳ２および樹脂８と基板５との密着強度ＡＳ３に比べて小さい。したがって、変調電極と樹脂８との接触面積を低減させるパターンを採用することで、密着性の脆弱化による変調電極の基板５からの剥離を抑えることが可能となる。

上述のように、変調電極と基板５との接触面積を低減させた場合には基板５に生じる応力を低減させることが可能であり、変調電極と樹脂８との接触面積を低減させた場合には変調電極の剥離を抑えることが可能となる。ただし、変調電極と基板５との接触面積の低減と変調電極と樹脂８との接触面積の低減とは相反関係にある。すなわち、樹脂８の幅を大きくすると変調電極と基板５との接触面積を低減させることができる一方、変調電極と樹脂８との接触面積は増大してしまう。また、樹脂８の幅を小さくすると変調電極と樹脂８との接触面積を低減させることができる一方、変調電極と基板５との接触面積は増大してしまう。

電界１１は、信号電極Ｓから接地電極Ｇに向かって信号電極Ｓの表面から垂直に出射されて接地電極Ｇの表面に垂直に入射される。また、誘電率を比較した場合、例えば基板５の材料として用いられるＬＮの誘電率（ε_１１＝４３、ε_３３＝２８）は、樹脂８の誘電率（ε＝３〜４）に比べて高い。電界１１は誘電率が高い材料に集中することから、樹脂８が配設された場合には、信号電極Ｓから接地電極Ｇへ向かう電界は基板５側に集中し、変調電極と基板５との接触面が光導波路１０に印加される電界１１の出入口面となる。樹脂８の幅が変調電極の幅に対して大きすぎると光導波路１０に対して電界１１を適切に印加できなくなるおそれがある。また、電界１１が出射される信号電極Ｓと基板５との接触面は、電界１１が入射される接地電極Ｇと基板５との接触面よりも大きく設定されることが好ましい。なお、本明細書では、電界１１の向きが信号電極Ｓから接地電極Ｇに向かう方向であることから、信号電極Ｓと基板５との接触面を電界１１の入口面と表現し、接地電極Ｇと基板５との接触面を電界１１の出口面と表現する。

以上の観点から、本発明の実施の形態では、信号電極Ｓと基板５との間に配設される樹脂８の幅は、信号電極Ｓの幅に対して１／３以下に設定される。また、接地電極Ｇと基板５との間に配設される樹脂８の幅は、接地電極Ｇの幅に対して１／２以下に設定される。樹脂８の幅と変調電極の幅との比率を上記のように設定することにより、光導波路１０への実効的な電界印加が可能となるとともに、変調電極の基板５からの剥離を抑えた構造を実現することが可能となる。なお、１つの変調電極に対して幅方向に複数の樹脂８が配設される場合（例えば、１つの信号電極Ｓに複数の樹脂８が配設された場合を示す図８参照）、複数の樹脂８の幅の総和を樹脂８の幅とみなす。

本明細書では、「変調電極と基板５との間に樹脂８が部分的に配設される」とは、変調電極の底面の一部と、変調電極の底面の一部に対向する基板５との間に、樹脂８が配設されることを意味する。より具体的には、例えば上記の比率に従って樹脂８の幅が変調電極の幅よりも小さく設定され、樹脂８の配設により、変調電極と樹脂８との接触面、変調電極と基板５との接触面、基板５と樹脂８との接触面の３つの接触面が生じることを意味する。

変調電極と基板５との間に配設される樹脂８の配設位置は特に限定されるものではないが、以下、いくつかの例を挙げながら、樹脂８の配設位置と、当該樹脂８の配設位置において信号電極Ｓと接地電極Ｇとの間に形成される電界１１の状態とについて説明する。

図５は、本発明の実施の形態における光変調器１の断面構造の第１の例を示す図である。図５の断面構造は、図１の線分Ｐ−Ｐの矢視断面図に図示されている断面構造と同一であるが、さらに図５には、信号電極Ｓと接地電極Ｇとの間に形成される電界１１の状態および光導波路１０が示されている。

図５には、ＬＮ変調器において作用部で変調電極間に光導波路１０が配置されるＸカットの基板５上に信号電極Ｓおよび接地電極Ｇが設けられており、基板５のリブ部６を光導波路１０として用いる光変調器１の断面構造が示されている。信号電極Ｓと接地電極Ｇとの間に形成される電界１１は、リブ部６内に形成された光導波路１０に印加され、信号源から供給する電気信号を制御することによって電界強度を調整し、光導波路１０内を伝搬する光波が適切に変調されるようになっている。

信号電極Ｓと接地電極Ｇとの間に電界１１が形成される際、樹脂８の存在により電界１１の出入口面が変調電極と基板５との接触面に絞られる。例えば図５に示すように、樹脂８は信号電極Ｓおよび接地電極Ｇの幅方向中央部に配設されており、信号電極Ｓの幅方向端部において信号電極Ｓと基板５とが接触し、接地電極Ｇの幅方向端部において接地電極Ｇと基板５とが接触する構造とする。この構造により、樹脂８によって電界１１の出入口面が絞られ、かつ、電界１１の出入口面を光導波路１０の近位側に偏って配置させることができる。その結果、光導波路１０に対して効率的に電界１１を集中させることが可能となり、光導波路１０における光波の変調効率を向上させることが可能となる。

図６は、本発明の実施の形態における光変調器１の断面構造の第２の例を示す図である。図６には、光変調器１の断面構造とともに、信号電極Ｓと接地電極Ｇとの間に形成される電界１１の状態および光導波路１０が示されている。

図６には、ＬＮ変調器において変調電極下に光導波路１０が配置されるＺカットの基板５上に信号電極Ｓおよび接地電極Ｇが設けられており、基板５のリブ部６を光導波路１０として用いる光変調器１の断面構造が示されている。図６に示すように基板５がＺカットの場合には、信号電極Ｓはリブ部６の上に設けられるが、信号電極Ｓによる光の吸収を抑えるため、光導波路１０と信号電極Ｓとの間にはバッファ層や透明電極層等の光の吸収のない層が配置される場合がある。

図６には一例として、信号電極Ｓと基板５のリブ部６との間に樹脂８は配設されず、接地電極Ｇと基板５との間にのみ樹脂８が配設されている場合が示されている。接地電極Ｇには、幅方向中央部に樹脂８が配設されている。この場合、樹脂８の存在により、接地電極Ｇの幅方向端部において接地電極Ｇと基板５とが接触する構造となる。この構造により、樹脂８によって電界１１の出口面が絞られ、かつ、電界１１の出口面を光導波路１０の近位側に偏って配置させることができる。その結果、光導波路１０に対して効率的に電界１１を集中させることが可能となり、光導波路１０における光波の変調効率を向上させることが可能となる。

図７は、本発明の実施の形態における光変調器１の断面構造の第３の例を示す図である。図７には、光変調器１の断面構造とともに、信号電極Ｓと接地電極Ｇ１、Ｇ２との間に形成される電界１１の状態および光導波路１０が示されている。

図７には、ＬＮ変調器において変調電極下に光導波路１０が配置されるＺカットの基板５上に信号電極Ｓおよび接地電極Ｇ１、Ｇ２が設けられており、基板５のリブ部６を光導波路１０として用いる光変調器１の断面構造が示されている。図７に示すように基板５がＺカットの場合には、信号電極Ｓはリブ部６の上に設けられるが、信号電極Ｓによる光の吸収を抑えるため、光導波路１０と信号電極Ｓとの間にはバッファ層や透明電極層等の光の吸収のない層が配置される場合がある。

図６の断面構造と図７の断面構造とを比較した場合、図６の断面構造では中央付近に１つの接地電極Ｇが配置された構成となっている一方、図７の断面構造では、中央付近に２つに分割された接地電極Ｇ２が配置された構成となっている。図６の中央付近の接地電極Ｇの幅方向の寸法は、２本の光導波路１０の幅方向の寸法に応じて大きくなってしまう場合がある。これに対し、図７の断面構造では、図６の中央付近の接地電極Ｇにスリットを入れることで２つの接地電極Ｇ２に分けられている。図７の２つの接地電極Ｇ２と基板５との接触面積は、図６の接地電極Ｇと基板５との接触面積よりも小さいことから、図７に示す構成は、図６に示す構成と比べて変調電極によって基板５に生じる応力が緩和された構成となっている。

図７には一例として、信号電極Ｓと基板５のリブ部６との間に樹脂８は配設されず、接地電極Ｇ１、Ｇ２と基板５との間にのみ樹脂８が配設されている場合が示されている。接地電極Ｇ１には幅方向中央部に樹脂８が配設されている。一方、接地電極Ｇ２には、幅方向端部であって光導波路１０の遠位側に樹脂８が配設されている。この構造により、樹脂８によって電界１１の出口面が絞られ、かつ、電界１１の出口面を光導波路１０の近位側に偏って配置させることができる。その結果、光導波路１０に対して効率的に電界１１を集中させることが可能となり、光導波路１０における光波の変調効率を向上させることが可能となる。

図８は、本発明の実施の形態における光変調器１の断面構造の第４の例を示す図である。図８には、光変調器１の断面構造とともに、信号電極Ｓと接地電極Ｇとの間に形成される電界１１の状態および光導波路１０が示されている。

図８には、ＬＮ変調器において変調電極下に光導波路１０が配置されるＺカットの基板５上に信号電極Ｓおよび接地電極Ｇが設けられており、基板５のリブ部６を光導波路１０として用いる光変調器１の断面構造が示されている。図８に示すように基板５がＺカットの場合には、信号電極Ｓはリブ部６の上に設けられるが、信号電極Ｓによる光の吸収を抑えるため、光導波路１０と信号電極Ｓとの間にはバッファ層や透明電極層等の光の吸収のない層が配置される場合がある。

図８には一例として、信号電極Ｓと基板５のリブ部６との間および接地電極Ｇと基板５との間に樹脂８が配設されている場合が示されている。信号電極Ｓには、幅方向端部に樹脂８が配設されている。接地電極Ｇには、幅方向中央部に樹脂８が配設されている。例えば図８に示すように、信号電極Ｓの幅方向中央部において信号電極Ｓと基板５とが接触し、かつ、接地電極Ｇの幅方向端部において接地電極Ｇと基板５とが接触する構造とする。この構造により、樹脂８によって電界１１の出入口面が絞られ、電界１１を信号電極Ｓ下方の光導波路１０に集中させるとともに、電界１１の出口面を光導波路１０の近位側に偏って配置させることができる。その結果、光導波路１０に対して効率的に電界１１を集中させることが可能となり、光導波路１０における光波の変調効率を向上させることが可能となる。

図９は、本発明の実施の形態における光変調器１の断面構造の第５の例を示す図である。図９の断面構造は、図５の断面構造と類似しているが、図５の断面構造では樹脂８が変調電極内に配設されているのに対し、図９の断面構造では樹脂８が基板５内に配設されている点で異なっている。

図９に示すように、樹脂８が基板５内に配設されている場合も、樹脂８が変調電極内に配設されている図５の断面構造と同様の作用効果を奏する。図９の断面構造においても、樹脂８の配設により電界１１の出入口面を光導波路１０の近位側に偏って配置させることができる。その結果、光導波路１０に対して効率的に電界１１を集中させることが可能となり、光導波路１０における光波の変調効率を向上させることが可能となる。

図１０は、本発明の実施の形態における光変調器１の断面構造の第６の例を示す図である。図１０の断面構造は、図５の断面構造と類似しているが、図５の断面構造では樹脂８が変調電極内に配設されているのに対し、図１０の断面構造では樹脂８が変調電極および基板５の両方にまたがって配設されている点で異なる。

図１０に示すように、樹脂８が変調電極および基板５の両方にまたがって配設されている場合も、樹脂８が変調電極内に配設されている図５の断面構造と同様の作用効果を奏する。図１０の断面構造においても、樹脂８の配設により電界１１の出入口面を光導波路１０の近位側に偏って配置させることができる。その結果、光導波路１０に対して効率的に電界１１を集中させることが可能となり、光導波路１０における光波の変調効率を向上させることが可能となる。

ここでは、図５の断面構造と図９および図１０の断面構造と比較しながら、樹脂８が基板５内や変調電極および基板５の両方にまたがって配設される場合について説明しているが、例えば図６〜図８の断面構造やその他任意の断面構造において、樹脂８が基板５内や変調電極および基板５の両方にまたがって配設されてもよい。

また、図５〜図１０の断面構造では、信号電極Ｓや接地電極Ｇと基板５との接触面が光導波路１０に対して左右対称となるように、樹脂８が配設されている。このように樹脂８を配設することで、光導波路１０に対して効率良く電界を印加することが可能である。さらに、図５〜図１０の断面構造では、例えばマッハツェンダー型導波路等における一対の並行導波路に対して印加される電界が左右対称となるように、樹脂８が配置されている。このように樹脂８を配設することで、一対の並行導波路に対して左右対称となる電界１１を印加することができるようになる。その結果、電界１１の非対称性により生じ得る変調効率の非均一性や変調効率の非対称性に起因するチャーピングの発生等を抑えることが可能となる。

また、図５〜図１０の断面構造は、図３および図４の配設パターンや任意の配設パターンに適用することができる。図５〜図１０の断面構造は、変調電極によって基板５に生じる応力を緩和する効果に加えて、電界１１を光導波路１０に効率良く集中させて光導波路１０における光波の変調効率を向上させる効果を有している。すなわち、本発明は、変調電極と基板５との間に樹脂８を部分的に配設することで、変調電極によって基板５に生じる応力を低減させることが可能であり、これに加えて、応力緩和効果を持つ樹脂８の配設位置を適宜設計することで、電界１１を光導波路１０に効率良く集中させて光導波路１０における光波の変調効率を向上させることが可能である。

また、本実施の形態では、基板５上にリブ部６が形成されたリブ型基板を一例に挙げて説明している。しかしながら上述したように、本発明は、リブ型基板に限定されず、例えば金属の熱拡散により基板５内に光導波路１０が形成される通常の基板（図２（ｂ）参照）に対しても適用することができる。図２（ｂ）に示すような通常の基板においても同様に、図３および図４の配設パターンや任意の配設パターンで樹脂８を配設することが可能である。また、図２（ｂ）に示すような通常の基板においても同様に、図９および図１０に示す位置に樹脂８を配設することが可能である。

また、本実施の形態では、１つの信号電極Ｓの両側に接地電極Ｇが１つずつ配置されたコプレーナ線路構造を一例に挙げて説明している。しかしながら、本発明はこのようなコプレーナ線路構造に限定されず、例えば、並行する２つの信号電極Ｓの両側に接地電極Ｇが１つずつ配置された差動線路を有するコプレーナ線路構造が採用されてもよい。

本発明は、上記の実施の形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例および設計変更等をその技術的範囲内に包含するものである。

本発明は、変調電極により発生する基板の応力を低減させることで、基板に対するダメージを防ぐとともに、変調器の特性劣化を防ぐことが可能な光変調器を提供し、光通信分野や光計測分野等に適用可能である。

１ 光変調器
２ａ〜２ｃ 分岐部
３ａ〜３ｃ 合成部
５ 基板
６ リブ部
７ 補強基板
８ 樹脂
１０ 光導波路
１１ 電界
Ｇ、Ｇ１、Ｇ２ 接地電極
Ｓ 信号電極

Claims (12)

1. 電気光学効果を有する基板と、
   前記基板に形成された光導波路と、
   前記基板上に設けられており、前記光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極と、を備える光変調器であって、
   前記変調電極の底面の一部と、前記変調電極の底面の一部に対向する前記基板との間に、樹脂が配設されていることを特徴とする光変調器。
2. 前記変調電極が前記光導波路の一部に沿って配置された信号電極および接地電極からなり、前記信号電極および前記接地電極の少なくとも一方の底面の一部と、前記信号電極および前記接地電極の少なくとも一方に対向する前記基板との間に、前記樹脂が配設されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 前記信号電極と前記基板との間に前記樹脂が配設される場合には、前記樹脂の幅が前記信号電極の幅の１／３以下に設定され、
   前記接地電極と前記基板との間に前記樹脂が配設される場合には、前記樹脂の幅が前記接地電極の幅の１／２以下に設定されることを特徴とする請求項２に記載の光変調器。
4. 前記変調電極内に前記樹脂が配設されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の光変調器。
5. 前記変調電極と前記基板との接触面が前記光導波路に対して左右対称となるように前記樹脂が配設されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の光変調器。
6. 前記変調電極の底面と前記基板との接触面が前記光導波路の近位側に配置されるように前記樹脂が配設されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の光変調器。
7. 前記樹脂の厚さが１．０μｍ以上であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の光変調器。
8. 前記樹脂は、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のいずれか一方であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の光変調器。
9. 前記基板の厚さが４．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の光変調器。
10. 前記基板上に突設されたリブ部が前記光導波路として用いられることを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の光変調器。
11. 前記変調電極は金属からなり、前記基板はニオブ酸リチウムからなることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１つに記載の光変調器。
12. 複数のマッハツェンダー部により前記光導波路が形成されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１つに記載の光変調器。

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