JP2020166100A - 電気光学デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】駆動電圧が低く、良好な変調特性を有する電気光学デバイスを提供する。【解決手段】電気光学デバイス１は、基板１０と、基板１０上にリッジ状に形成されたニオブ酸リチウム膜よりなる光導波路２と、光導波路２に電界を印加する電極３とを備えている。光導波路２は、電界が印加される電界印加領域Ｒ１に少なくとも設けられ、１μｍ以上の厚さを有する第１導波路部ＷＧ１と、電界印加領域Ｒ１以外の領域Ｒ２に設けられ、０．３μｍ以上１μｍ未満の厚さを有する第２導波路部ＷＧ２を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、光通信及び光計測分野において用いられる電気光学デバイスに関し、特に光導波路の構造に関するものである。

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。

光変調器は代表的な電気光学デバイスの一つであり、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。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１〜４には、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。

一般に、電気光学デバイスに用いられる光導波路はシングルモードで動作することが必須とされている。マルチモードの場合には、電界を印加したときの実効屈折率の変化が各モードで異なり、変調特性が大幅に悪化するからである。

マルチモードを抑制する方法に関し、例えば特許文献５には、光導波路の一対のアームに他部分より狭い幅を有する狭幅部を設け、一対のアームを伝搬する光のうち、高次モードの光を光導波路の外部に放射することが記載されている。また特許文献６には、メサ構造を有する第１乃至第３の光導波路がこの順に接続され、第３の光導波路のコア高さが第１の光導波路のコア高さよりも低く、第３の光導波路のメサ幅が第１の光導波路の前記メサ幅よりも狭い光素子及び光変調器が記載されている。

特開２００６−１９５３８３号公報 特開２０１４−６３４８号公報 特開２０１５−１１８３７１号公報 特開２０１７−１２９８３４号公報 特許第６１３１９５４号公報 国際公開第２０１７／１３５４３６号パンフレット

ニオブ酸リチウム膜を用いた光導波路ではその膜厚をできるだけ薄くすることでシングルモードを実現できるが、光の閉じ込めが弱くなるだけでなく、駆動電圧が高くなるという問題がある。ニオブ酸リチウム膜を厚くすることで光の閉じ込めを強くして駆動電圧を低減することができるが、マルチモード光導波路となり、変調特性が悪化する。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、駆動電圧が低く、変調特性も良好な電気光学デバイスを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明による電気光学デバイスは、基板と、前記基板上にリッジ状に形成されたニオブ酸リチウム膜よりなる光導波路と、前記光導波路に電界を印加する電極とを備え、前記光導波路は、前記電界が印加される電界印加領域に少なくとも設けられ、１μｍ以上の厚さを有する第１導波路部と、前記電界印加領域以外の領域に設けられ、０．３μｍ以上１μｍ未満の厚さを有する第２導波路部を含むことを特徴とする。

本発明によれば、電界印加領域において駆動電圧が低い光導波路を実現することができる。また、電界印加領域以外の領域に設けられた光導波路の一部がシングルモード光導波路として構成されているので、高次モードを予め除去することができ、電界印加領域におけるマルチモード光導波路を実質的にシングルモードで動作させて変調特性を良好にすることができる。

本発明において、前記第１導波路部はスラブ部を有し、前記第２導波路部はスラブ部を有しないことが好ましい。この構成によれば、シングルモード光導波路による高次モードの除去効果を高めることができる。

本発明において、前記第２導波路部の幅は、前記第１導波路部の幅よりも狭いことが好ましい。これによれば、第２導波路部による高次モードの除去効果を高めることができる。

前記光導波路はマッハツェンダー光導波路を含むことが好ましい。この構成によれば、駆動電圧が低く、変調特性も良好なマッハツェンダー型光変調器を実現することができる。

本発明によれば、駆動電圧が低く、良好な変調特性を有する電気光学デバイスを提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態による電気光学デバイスの構成を示す略平面図である。 図２は、図１のＡ−Ａ'線に沿った電界印加領域Ｒ１における電気光学デバイスの構造を示す略断面図である。 図３は、ニオブ酸リチウム膜の膜厚と半波長電圧Ｖπとの関係を示すグラフである。 図４（ａ）乃至（ｄ）は、不要モード除去部５の構成を示す図であって、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ'線、Ｃ−Ｃ'線及びＤ−Ｄ'線にそれぞれ沿った断面図である。 図５（ａ）乃至（ｃ）は、不要モード除去部のレイアウトの変形例を示す略平面図である。 図６は、不要モード除去部における基本モードＴＭ０の伝搬損失を示すグラフである。 図７は、不要モード除去部における１次モードＴＭ１の伝搬損失を示すグラフである。 図８（ａ）〜（ｅ）は、実施例１〜３における導波モードの評価結果を示す図である。 図９（ａ）〜（ｅ）は、実施例４〜６における導波モードの評価結果を示す図である。

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、本発明の実施の形態による電気光学デバイスの構成を示す略平面図である。

図１に示すように、本実施形態による電気光学デバイス１は光変調器であって、基板１０と、基板１０上に形成された光導波路２と、光導波路２の一部と平面視で重なるように設けられたＲＦ信号電極３とを備えている。

光導波路２はマッハツェンダー光導波路であって、光入力ポート２ｉから光出力ポート２ｏに向かって順に、入力導波路１１、分波部１２、第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂ、合波部１４、出力導波路１５が設けられている。光入力ポート２ｉから延びる入力導波路１１は、分波部１２を介して第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂにそれぞれ接続されており、第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂは合波部１４を介して出力導波路１５に接続されている。光入力ポート２ｉに入力された入力光Ｓｉは、分波部１２で分波されて第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂを進行した後、合波部１４で合波され、光出力ポート２ｏから変調光Ｓｏとして出力される。

ＲＦ信号電極３は、第１の変調導波路１３ａに沿って設けられた第１の信号電極３ａと、第２の変調導波路１３ｂに沿って設けられた第２の信号電極３ｂとを有している。第１及び第２の信号電極３ａ，３ｂの一端はＲＦ信号入力ポート３ｉであり、差動信号（変調信号）が入力される。第１及び第２の信号電極３ａ，３ｂの他端は終端抵抗３ｒを介して互いに接続されている。第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂには、第１及び第２の信号電極３ａ，３ｂから発生する電界が印加される。

直流バイアス電圧（ＤＣバイアス）を印加するため、第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂと平面視で重なる位置には一対のバイアス電極が設けられてもよい。一対のバイアス電極の一端はＤＣバイアスの入力ポートである。一対のバイアス電極の形成領域は、第１及び第２の信号電極３ａ，３ｂの形成領域よりも光導波路２の光入力ポート１０Ｐｉ側に設けられてもよく、あるいは光出力ポート１０Ｐｏ側に設けられてもよい。また、バイアス電極を省略し、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３ａ，３ｂに入力することも可能である。

本実施形態による光導波路２は、後述する不要モード除去部５を除き、基本モードのみならず高次モードの光も伝搬可能なマルチモード光導波路ＷＧ_１（第１導波路部）である。本実施形態によるマルチモード光導波路ＷＧ_１は、厚さが１．０μｍ以上のリッジ型光導波路である。特に、第１及び第２の信号電極３ａ，３ｂと平面視で重なる電界印加領域Ｒ１内の第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂがマルチモード光導波路ＷＧ_１として構成されており、１．０μｍ以上の厚さを有することから、光の閉じ込めを強くして駆動電圧を低減することができる。ＲＦ信号電極３と共にバイアス電極が設けられる場合、電界印加領域Ｒ１はＲＦ信号電極３の形成領域のみならずバイアス電極の形成領域をさらに含む。

電界印加領域Ｒ１以外の領域Ｒ２に設けられた光導波路２である入力導波路１１及び出力導波路１５には、高次モードを除去する不要モード除去部５が設けられている。詳細は後述するが、不要モード除去部５は、厚さが１．０μｍよりも小さな光導波路からなるシングルモード光導波路ＷＧ_２（第２導波路部）である。光導波路２の厚さを厚くした場合には駆動電圧を低減することができるが、導波モードがマルチモードになるため、変調特性の悪化の問題がある。しかし、電界印加領域Ｒ１以外の領域Ｒ２に不要モード除去部５を設けた場合には、高駆動電圧化の問題はなく、さらに高次モードの光を減衰させて基本モードの光だけを伝搬させることができる。したがって、電界印加領域Ｒ１内のマルチモード光導波路を実質的にシングルモードで動作させることができる。

図２は、図１のＡ−Ａ'線に沿った電界印加領域Ｒ１における電気光学デバイスの構造を示す略断面図である。

図２に示すように、本実施形態による電気光学デバイス１は、基板１０、導波層２０、保護層２１、バッファ層２２、電極層３０がこの順で積層された多層構造を有している。

基板１０は例えばサファイア基板であり、基板１０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２０が形成されている。導波層２０はリッジ部２０ｒからなる第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂを有している。

保護層２１は第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂと平面視で重ならない領域に形成されている。保護層２１は、導波層２０の上面のうちリッジ部２０ｒが形成されていない領域の全面を覆っており、リッジ部２０ｒの側面も保護層２１に覆われているので、リッジ部２０ｒ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２１の厚さは導波層２０のリッジ部２０ｒの高さとほぼ同じである。保護層２１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。

上記のように、第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂのリッジ厚さＴ_ＬＮ１は１μｍ以上であることが好ましい。これにより、基本モードに加え、膜厚方向に光強度分布が２山になる１次モードが少なくとも伝搬するマルチモード光導波路となる。第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂのリッジ幅Ｗ_１は、０．８〜１．４μｍであることが好ましい。

バッファ層２２は、第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂ中を伝搬する光が第１及び第２の信号電極３ａ，３ｂに吸収されることを防ぐため、リッジ部２０ｒの上面を覆うように形成されている。バッファ層２２は、導波層２０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２０ｒの上面上のバッファ層２２の厚さは０．２〜１μｍ程度であればよい。本実施形態において、バッファ層２２は、第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂの上面のみならず保護層２１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の変調導波路１３ａ，１３ｂ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２１を省略し、導波層２０の上面全体にバッファ層２２を直接形成してもよい。

バッファ層２２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、第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂ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２２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２２の屈折率は低い程、バッファ層２２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。

電極層３０には、第１の信号電極３ａ及び第２の信号電極３ｂが設けられている。第１の信号電極３ａは、第１の変調導波路１３ａ内を進行する光を変調するために第１の変調導波路１３ａに対応するリッジ部２０ｒに重ねて設けられ、バッファ層２２を介して第１の変調導波路１３ａと対向している。第２の信号電極３ｂは、第２の変調導波路１３ｂ内を進行する光を変調するために第２の変調導波路１３ｂに対応するリッジ部２０ｒに重ねて設けられ、バッファ層２２を介して第２の変調導波路１３ｂと対向している。

電極層３０には接地電極が設けられていてもよい。例えば、第１の信号電極３ａから見て第２の信号電極３ｂと反対側であって第１の信号電極３ａの近傍に第１の接地電極が設けられ、第２の信号電極３ｂから見て第１の信号電極３ａと反対側であって第２の信号電極３ｂの近傍に第２の接地電極が設けられる。さらに第１の信号電極３ａと第２の信号電極３ｂとの間に第３の接地電極を設けることも可能である。

導波層２０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、光変調器等の電気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２０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１０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１０やバッファ層２２に光が漏れることになる。またニオブ酸リチウム膜に電界を印加しても、光導波路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、電界印加領域Ｒ１におけるニオブ酸リチウム膜の膜厚は１μｍ以上であることが好ましく、１．３μｍ以上であることが特に好ましい。

図３は、ニオブ酸リチウム膜の膜厚と半波長電圧Ｖπとの関係を示すグラフであって、横軸はニオブ酸リチウム膜の膜厚（μｍ）、縦軸はニオブ酸リチウム膜の膜厚が１．３μｍのときの値を基準とする半波長電圧Ｖπの相対値をそれぞれ示している。

図３に示すように、光の波長λが光通信システムで使用される１５５０ｎｍである場合において、ニオブ酸リチウム膜の膜厚を１μｍ未満にすると半波長電圧Ｖπが急激に高くなり、半波長電圧Ｖπを実用的な電圧値である３Ｖ以下にすることが難しくなる。これは、膜厚が薄いと、ニオブ酸リチウム膜への光の閉じ込めが弱くなり、電気光学効果が実効的に小さくなるためである。一方、ニオブ酸リチウム膜の膜厚を１．０μｍ以上とした場合には、半波長電圧Ｖπを低く抑えることができ、これにより駆動電圧を低減することができる。ニオブ酸リチウム膜の膜厚が１．３μｍ以上であれば、光の閉じ込めが十分に強くなるので、それ以上膜厚を厚くしてもＶπはほとんど変化しない。

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ことが望ましい。ニオブ酸リチウムのｃ軸が基板１０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。

図４（ａ）乃至（ｄ）は、不要モード除去部５の構成を示す図であって、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ'線、Ｃ−Ｃ'線及びＤ−Ｄ'線にそれぞれ沿った断面図である。

図４（ａ）乃至（ｄ）に示すように、不要モード除去部５は、光導波路２の厚さ及び幅が細く絞られたシングルモード光導波路ＷＧ_２（第２導波路部）を含む。不要モード除去部５を構成するシングルモード光導波路ＷＧ_２の厚さＴ_ＬＮ２及び幅Ｗ_２は、マルチモード光導波路ＷＧ_１の厚さＴ_ＬＮ１及び幅Ｗ_１よりも小さい。ただし、シングルモード光導波路ＷＧ_２の幅Ｗ_２をマルチモード光導波路ＷＧ_１の幅Ｗ_１よりも小さくすることは必須ではない。入力側のマルチモード光導波路ＷＧ_１とシングルモード光導波路ＷＧ_２との間の遷移領域には光導波路２の幅及び厚さが徐々に小さくなるテーパー部ＴＰ_１が設けられており、シングルモード光導波路ＷＧ_２と出力側のマルチモード光導波路ＷＧ_１との間の遷移領域には光導波路２の幅及び厚さが徐々に大きくなるテーパー部ＴＰ_２が設けられている。

マルチモード光導波路ＷＧ_１の厚さＴ_ＬＮ１は１．０μｍ以上であることが好ましく、電界印加領域Ｒ１における光導波路２もマルチモード光導波路ＷＧ_１（第１導波路部）として構成されている。このように、１μｍ以上の厚さを有するマルチモード光導波路ＷＧ_１によれば、高次モードの光の伝搬を許容しつつ、光の閉じ込めを強くして駆動電圧を低減することができる。

一方、不要モード除去部５を構成するシングルモード光導波路ＷＧ_２の厚さＴ_ＬＮ２は０．３μｍ以上１．０μｍ未満であることが好ましい。このように、光導波路２の厚さを薄くすることにより、高次モードの光を排除して基本モードの光のみを伝搬させるシングルモード光導波路ＷＧ_２を実現することができ、電界印加領域Ｒ１のマルチモード光導波路ＷＧ_１を実質的にシングルモードで動作させることができる。

マルチモード光導波路ＷＧ_１がスラブ部２０ｓを有するリッジ型光導波路であるのに対して、不要モード除去部５を構成するシングルモード光導波路ＷＧ_２はスラブ部を有しない非リッジ型（メサ型）光導波路であることが好ましい。この構成によれば、不要モード除去部５による高次モードの除去効果を高めることができる。

図５（ａ）乃至（ｃ）は、不要モード除去部のレイアウトの変形例を示す略平面図である。

図５（ａ）に示すように、不要モード除去部５は入力導波路１１上にのみ設けられてもよい。また図５（ｂ）に示すように、不要モード除去部５は出力導波路１５上にのみ設けてられてもよい。さらに図５（ｃ）に示すように、不要モード除去部５は電界印加領域Ｒ１以外の領域Ｒ２における第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂ上に設けてられてもよい。

このように、電界印加領域Ｒ１以外の領域Ｒ２における光導波路２に不要モード除去部５を設けた場合には、たとえ電界印加領域Ｒ１の光導波路２がマルチモード光導波路ＷＧ_１であったとしても、高次モード、特に１次モードＴＭ１の光を予め除去してマルチモード光導波路ＷＧ_１を実質的に基本モードＴＭ０で動作させることができ、変調特性の悪化を防止することができる。

以上説明したように、本実施形態による電気光学デバイス１は、電界印加領域Ｒ１における光導波路２が１μｍ以上の厚さを有するマルチモード光導波路ＷＧ_１として構成されているので、低駆動電圧を実現することができる。また、電界印加領域Ｒ１以外の領域Ｒ２には不要モード除去部５が設けられているので、高次モードの光を予め除去してマルチモード光導波路ＷＧ_１を実質的にシングルモードで動作させることができ、変調特性を良好にすることができる。

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、本発明による電気光学デバイスは光変調器に限定されず、他の様々な電気光学デバイスに適用可能である。

不要モード除去部５が基本モードＴＭ０及び１次モードＴＭ１の伝搬特性に与える影響をシミュレーションにより評価した。

マルチモード光導波路ＷＧ_１の幅Ｗ_１＝１．２μｍ、厚さＴ_ＬＮ１＝１．５μｍとした。また不要モード除去部を構成するシングルモード光導波路ＷＧ_２の長さＬ_ＷＧ２＝１００μｍ、シングルモード光導波路ＷＧ_２の幅Ｗ_２＝０．９μｍ、光の波長λ＝１．５５μｍとした。シングルモード光導波路ＷＧ_２の厚さＴ_ＬＮ２は、０．９ｕｍ、０．８ｕｍ、０．６ｕｍ、０．４ｕｍ、０．３ｕｍの５通りとした。

このような不要モード除去部の構成において、マルチモード光導波路ＷＧ_１からシングルモード光導波路ＷＧ_２に遷移するためのテーパー部ＴＰ_１，ＴＰ_２の長さＬ_{ｔａｐｅｒ}（図４（ａ）及び（ｂ）参照）を０〜１００μｍまで変化させたときの基本モードＴＭ０及び１次モードＴＭ１の伝搬損失をシミュレーションにより求めた。不要モード除去部において、基本モードＴＭ０の伝搬損失は低く、１次モードＴＭ１の伝搬損失は高いことが望ましい。

図６は、不要モード除去部における基本モードＴＭ０の伝搬損失を示すグラフであって、横軸はテーパー部の長さＬ_{ｔａｐｅｒ}、縦軸は伝搬損失（ｄＢ）をそれぞれ示している。

図６に示すように、テーパー部の長さＬ_{ｔａｐｅｒ}が１０ｕｍ以上であれば、シングルモード光導波路ＷＧ_２の厚さＴ_ＬＮ２が０．３〜０．９ｕｍの範囲内において、伝送損失は０．０５ｄＢ以下であり、基本モードＴＭ０を伝搬できることが分かった。ただし、シングルモード光導波路ＷＧ_２の厚さＴ_ＬＮ２が０．３ｕｍの場合には伝搬損失の悪化が目立ち、０．３ｕｍ未満の場合には伝搬損失が０．０５ｄＢを超えて悪化すると考えられる。

またテーパー部の長さＬ_{ｔａｐｅｒ}が１０ｕｍ未満のときには、基本モードＴＭ０の伝搬特性の悪化が著しいことが分かる。テーパー部の長さを短くして光導波路の厚さを急激に変化させるほど、基本モードＴＭ０の伝搬損失が大きくなることが分かった。

図７は、不要モード除去部における１次モードＴＭ１の伝搬損失を示すグラフであって、横軸はテーパー部の長さＬ_{ｔａｐｅｒ}、縦軸は伝搬損失（ｄＢ）をそれぞれ示している。

図７に示すように、不要モード除去部において１次モードＴＭ１の伝搬損失は、シングルモード光導波路ＷＧ_２の厚さＴ_ＬＮ２が薄くなるほど大きくなり、テーパー部の長さＬ_{ｔａｐｅｒ}＞１０ｕｍであれば、シングルモード光導波路ＷＧ_２の厚さＴ_ＬＮ２が０．３〜０．９ｕｍの範囲内において、伝送損失は約２０ｄＢ以上であり、１次モードＴＭ１を除去できることが分かった。

またテーパー部の長さＬ_{ｔａｐｅｒ}が１０ｕｍ未満のときには、基本モードＴＭ０の伝搬損失が低いことが分かる。テーパー部の長さを長くして光導波路の厚さを緩やかに変化させるほど、１次モードＴＭ１の伝搬損失を大きくできることが分かる。

次に、光導波路の厚さＴ_ＬＮが導波モードに与える影響をシミュレーションにより評価した。

（実施例１）
実施例１では、光導波路の厚さＴ_ＮＬ１＝１．５μｍ、リッジ幅Ｗ_１＝１．０μｍ、最大スラブ厚Ｌ_{ｓｌａｂ１}＝０．４μｍ、最小スラブ厚Ｌ_{ｓｌａｂ２}＝０．２μｍ、スラブ厚の変化幅Ｌ_{ｓｌｏｐｅ}＝２μｍとした（図４（ｃ）参照）。また、光の波長λ＝１．５５μｍとした。その結果、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、光導波路内には基本モードＴＭ０と１次モードＴＭ１の両方が発生した。

（実施例２）
光導波路の厚さＴ_ＮＬ１＝１．０μｍとした点以外は実施例１と同じ条件に設定された実施例２による光導波路の導波モードを評価した。その結果、図８(ｃ)及び（ｄ）に示すように、光導波路内には基本モードＴＭ０と１次モードＴＭ１の両方が発生したが、１次モードＴＭ１は実施例１よりも弱かった。

（実施例３）
光導波路の厚さＴ_ＮＬ１＝０．９μｍとした点以外は実施例１と同じ条件に設定された実施例３による光導波路の導波モードを評価した。その結果、図８(ｅ)に示すように、光導波路内には基本モードＴＭ０のみが発生し、１次モードＴＭ１は発生しなかった。

（実施例４）
スラブ部がない光導波路（図４（ｄ）参照）とした点以外は実施例２と同じ条件に設定された実施例４による光導波路の導波モードを評価した。その結果、図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、光導波路内には基本モードＴＭ０と１次モードＴＭ１の両方が発生した。

（実施例５）
光導波路の厚さＴ_ＮＬ２＝０．９μｍとした点以外は実施例４と同じ条件に設定された実施例５による光導波路の導波モードを評価した。その結果、図９(ｃ)及び（ｄ）に示すように、光導波路内には基本モードＴＭ０と１次モードＴＭ１の両方が発生したが、１次モードＴＭ１は実施例４よりも弱かった。

（実施例６）
光導波路の厚さＴ_ＮＬ２＝０．８μｍとした点以外は実施例１と同じ条件に設定された実施例３による光導波路の導波モードを評価した。その結果、図９(ｅ)に示すように、光導波路内には基本モードＴＭ０のみが発生し、１次モードＴＭ１は発生しなかった。

以上の結果から、光導波路の厚さＴ_ＮＬが１．０μｍ以上であればマルチモード光導波路を実現でき、１．０μｍ未満であればシングルモード光導波路を実現できることが分かった。

１ 電気光学デバイス
２ 光導波路
２ｉ 光入力ポート
２ｏ 光出力ポート
３ ＲＦ信号電極
３ａ 第１の信号電極
３ｂ 第２の信号電極
３ｉ 信号入力ポート
３ｒ 終端抵抗
５ 不要モード除去部
１０ 基板
１０Ｐｉ 光入力ポート
１０Ｐｏ 光出力ポート
１１ 入力導波路
１２ 分波部
１３ａ 第１の変調導波路
１３ｂ 第２の変調導波路
１４ 合波部
１５ 出力導波路
２０ 導波層
２０ｒ リッジ部
２０ｓ スラブ部
２１ 保護層
２２ バッファ層
３０ 電極層
Ｒ１ 電界印加領域
Ｒ２ 電界印加領域以外の領域
Ｓｉ 入力光
Ｓｏ 変調光
ＴＰ_１，ＴＰ_２ テーパー部
ＷＧ_１ マルチモード光導波路（第１導波路部）
ＷＧ_２ シングルモード光導波路（第２導波路部）

直流バイアス電圧（ＤＣバイアス）を印加するため、第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂと平面視で重なる位置には一対のバイアス電極が設けられてもよい。一対のバイアス電極の一端はＤＣバイアスの入力ポートである。一対のバイアス電極の形成領域は、第１及び第２の信号電極３ａ，３ｂの形成領域よりも光導波路２の光入力ポート２ｉ側に設けられてもよく、あるいは光出力ポート２ｏ側に設けられてもよい。また、バイアス電極を省略し、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３ａ，３ｂに入力することも可能である。

図６に示すように、テーパー部の長さＬ_{ｔａｐｅｒ}が１０ｕｍ以上であれば、シングルモード光導波路ＷＧ_２の厚さＴ_ＬＮ２が０．３〜０．９ｕｍの範囲内において、伝搬損失は１．０ｄＢ以下であり、基本モードＴＭ０を伝搬できることが分かった。ただし、シングルモード光導波路ＷＧ_２の厚さＴ_ＬＮ２が０．３ｕｍの場合には伝搬損失の悪化が目立ち、０．３ｕｍ未満の場合には伝搬損失が１．０ｄＢを超えて悪化すると考えられる。

またテーパー部の長さＬ_{ｔａｐｅｒ}が１０ｕｍ未満のときには、１次モードＴＭ１の伝搬損失が低いことが分かる。テーパー部の長さを長くして光導波路の厚さを緩やかに変化させるほど、１次モードＴＭ１の伝搬損失を大きくできることが分かる。

（実施例１）
実施例１では、光導波路の厚さＴ _ＬＮ１ ＝１．５μｍ、リッジ幅Ｗ_１＝１．０μｍ、最大スラブ厚Ｌ_{ｓｌａｂ１}＝０．４μｍ、最小スラブ厚Ｌ_{ｓｌａｂ２}＝０．２μｍ、スラブ厚の変化幅Ｌ_{ｓｌｏｐｅ}＝２μｍとした（図４（ｃ）参照）。また、光の波長λ＝１．５５μｍとした。その結果、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、光導波路内には基本モードＴＭ０と１次モードＴＭ１の両方が発生した。

（実施例２）
光導波路の厚さＴ _ＬＮ１ ＝１．０μｍとした点以外は実施例１と同じ条件に設定された実施例２による光導波路の導波モードを評価した。その結果、図８(ｃ)及び（ｄ）に示すように、光導波路内には基本モードＴＭ０と１次モードＴＭ１の両方が発生したが、１次モードＴＭ１は実施例１よりも弱かった。

（実施例３）
光導波路の厚さＴ _ＬＮ１ ＝０．９μｍとした点以外は実施例１と同じ条件に設定された実施例３による光導波路の導波モードを評価した。その結果、図８(ｅ)に示すように、光導波路内には基本モードＴＭ０のみが発生し、１次モードＴＭ１は発生しなかった。

（実施例５）
光導波路の厚さＴ _ＬＮ２ ＝０．９μｍとした点以外は実施例４と同じ条件に設定された実施例５による光導波路の導波モードを評価した。その結果、図９(ｃ)及び（ｄ）に示すように、光導波路内には基本モードＴＭ０と１次モードＴＭ１の両方が発生したが、１次モードＴＭ１は実施例４よりも弱かった。

（実施例６）
光導波路の厚さＴ _ＬＮ２ ＝０．８μｍとした点以外は実施例４と同じ条件に設定された実施例６による光導波路の導波モードを評価した。その結果、図９(ｅ)に示すように、光導波路内には基本モードＴＭ０のみが発生し、１次モードＴＭ１は発生しなかった。

以上の結果から、光導波路の厚さＴ _ＬＮ が１．０μｍ以上であればマルチモード光導波路を実現でき、１．０μｍ未満であればシングルモード光導波路を実現できることが分かった。

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板上にリッジ状に形成されたニオブ酸リチウム膜よりなる光導波路と、
   前記光導波路に電界を印加する電極とを備え、
   前記光導波路は、
   前記電界が印加される電界印加領域に少なくとも設けられ、１μｍ以上の厚さを有する第１導波路部と、
   前記電界印加領域以外の領域に設けられ、０．３μｍ以上１μｍ未満の厚さを有する第２導波路部を含むことを特徴とする電気光学デバイス。
2. 前記第１導波路部はスラブ部を有し、前記第２導波路部はスラブ部を有しない、請求項１に記載の電気光学デバイス。
3. 前記第２導波路部の幅は、前記第１導波路部の幅よりも狭い、請求項１又は２に記載の電気光学デバイス。
4. 前記光導波路はマッハツェンダー光導波路を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電気光学デバイス。