JP2020181070A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】低屈折率且つ高誘電率なバッファ層を有する光変調器を提供する。【解決手段】本発明による光変調器１００は、光導波路１０ａ，１０ｂと、光導波路１０ａ，１０ｂと対向して設けられた電極７，８と、光導波路１０ａ，１０ｂと電極７，８との間に設けられたバッファ層４とを備えている。バッファ層４は、ペロブスカイト構造を有する誘電体のナノ粒子が分散した樹脂からなる。【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、光導波路を覆うバッファ層の組成に関する。

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、２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。

特許文献３には、光学的に透明な電気光学領域を備えたナノ複合材料電気光学変調器が記載されている。この電気光学変調器は、２次光学非線形特性を示す電気光学領域と、電気光学領域に接した１または複数の誘電体層と、電気光学領域に近接した１または複数の電極を備えている。上述した複数の要素の少なくとも１つは、体積比約０．２５％から約７０％のナノ粒子が充填された有機ホストからなるナノ複合材料からなる。例えば、複数の電極は、少なくとも１つの誘電体層と接触しており、誘電体層は、絶縁耐圧を増加させるナノ粒子が充填されたバッファ層である。

国際公開第２０１７／１８３４８４号パンフレット 国際公開第２０１６／１５８６５０号パンフレット 特表２０１８−５０８８３６号公報

光変調器において、光導波路とＲＦ信号電極との間に存在するバッファ層は、屈折率が低いほど光損失が低減し、誘電率が高いほど半波長電圧Ｖπを低くすることができ、Ｖπ特性が向上することが知られている。

しかし、低屈折率と高誘電率はトレードオフの関係にあり、屈折率が低い材料は誘電率も低く、逆に誘電率が高い材料は屈折率も高いため、酸化物材料から低屈折率且つ高誘電率な材料を選択する余地はほとんどない。樹脂材料は低屈折率であり、スピンコートによる塗布が可能であるため量産性が高い。しかし、樹脂材料の誘電率は低いため、バッファ層の材料としては不向きである。

したがって、本発明の目的は、低屈折率且つ高誘電率なバッファ層を有する光変調器を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明による光変調器は、光導波路と、前記光導波路と対向して設けられた電極と、前記光導波路と前記電極との間に設けられたバッファ層を備え、前記バッファ層は、ペロブスカイト構造を有する誘電体のナノ粒子が分散した樹脂からなることを特徴とする。

本発明によれば、屈折率が低く誘電率が高いバッファ層を形成することができ、酸化物材料では達成できない低屈折率と高誘電率の両立を実現することができる。また樹脂材料を用いることでバッファ層をスピンコートにより形成することができ、光変調器の特性のみならず生産性の向上も可能となる。

本発明において、前記ナノ粒子はＢａＴｉＯ_３系粒子であることが好ましい。これによれば、屈折率が低く誘電率が高いバッファ層を形成することができる。

本発明において、前記ナノ粒子の粒径は１５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。これによれば、屈折率が低く誘電率が高いバッファ層を形成することができる。

本発明において、前記樹脂はポリイミド樹脂であることが好ましい。これによれば、耐熱性が比較的高いバッファ層を得ることができる。

本発明において、前記樹脂はポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）樹脂であることもまた好ましい。これによれば、低屈折率なバッファ層を得ることができる。

本発明において、前記光導波路はニオブ酸リチウム膜からなることが好ましい。特に、リッジ形状に加工されたニオブ酸リチウム膜からなる光導波路を用いることにより、１０ＧＨｚ以上の高周波においても良好な電気光学特性を持つ光導波路を得ることができる。

本発明において、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。これによれば、変調特性の良好なマッハツェンダー光変調器を実現することができる。

本発明によれば、低屈折率且つ高誘電率なバッファ層を有する光変調器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光変調器の構成を示す平面図であり、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、バッファ層の構造を示す模式図である。 図４は、バッファ層のＲＦ性能指数を示すグラフである。

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光変調器の構成を示す平面図であり、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信号電極７と、第２の光導波路１０ｂに沿って設けられた第１の接地電極８と、信号電極７から見て第１の接地電極８と反対側に設けられた第２の接地電極９とを備えている。

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は、合波部１０ｄを介して再び一本の出力導波路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。

信号電極７は平面視で第１及び第２の接地電極８，９間に位置している。信号電極７の一端７ｅは信号入力端であり、信号電極７の他端７ｇは終端抵抗１２を介して第１及び第２の接地電極８，９にそれぞれ接続されている。これにより、信号電極７と第１及び第２の接地電極８，９は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、信号電極７及び第１の接地電極８は二層構造であり、破線で示す信号電極７の下層部７ｂは第１の光導波路１０ａと平面視で重なっており、同じく破線で示す第１の接地電極８の下層部８ｂは第２の光導波路１０ｂと平面視で重なっている。

信号電極７の一端７ｅには電気信号（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に代表される電気光学材料からなるので、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂに電界を与えることによって第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。

ＤＣバイアスを印加するため、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂ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、信号電極７の形成領域よりも光導波路の入力ポート側に設けられてもよく、あるいは出力ポート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信号電極７に入力することも可能である。

このように、本実施形態による光変調器１００は、１つの信号電極７で構成されたシングル駆動型であるため、第１の接地電極８の面積を十分に確保することができ、高周波で動作可能である。また信号電極７を挟んで第１の接地電極８と反対側に第２の接地電極９を配置することで放射損失を低減でき、さらに良好な高周波特性を得ることができる。

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６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膜からなる導波層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の幅Ｗ_０は例えば１μｍとすることができる。導波層２として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。

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中を伝搬する光が信号電極７や第１の接地電極８に吸収されることを防ぐため、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂを構成するリッジ部２ｒの上面を覆うように形成されている。バッファ層４は、導波層２より屈折率が低く、透明性が高い材料からなることが好ましい。リッジ部２ｒの直上のバッファ層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はトレードオフの関係にあるため、両者のバランスを考慮して、誘電率が高く且つ屈折率が低い材料を選定することが重要である。

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。

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たものである。絶縁層５の第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂと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６の一部が埋め込まれることにより、信号電極７及び第１の接地電極８の下面に段差が形成される。絶縁層５の厚さＴ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、信号電極７及び第１の接地電極８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６には、信号電極７、第１の接地電極８及び第２の接地電極９が設けられている。信号電極７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１の接地電極８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。第２の接地電極９は、信号電極７を挟んで第１の接地電極８と反対側に設けられている。

信号電極７は二層構造であり、電極層６に形成された上層部７ａ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７ｂとを有している。信号電極７の下層部７ｂは、信号電極７の上層部７ａの第１の接地電極８寄りの端部に設けられている。そのため、信号電極７の下層部７ｂの下面は、上層部７ａの下面よりも第１の接地電極８寄りに設けられている。このような構成により、信号電極７の下層部７ｂの下面は、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。信号電極７の上層部７ａの下面は、下層部７ｂの下面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の接地電極８も二層構造であり、電極層６に形成された上層部８ａ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８ｂとを有している。第１の接地電極８の下層部８ｂは、第１の接地電極８の上層部８ａの信号電極７寄りの端部に設けられている。そのため、第１の接地電極８の上層部８ａの下面は、下層部８ｂの下面よりも信号電極７寄りに設けられている。このような構成により、第１の接地電極８の下層部８ｂの下面は、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１の接地電極８の上層部８ａの下面は、下層部８ｂの下面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の接地電極９は、信号電極７を挟んで第１の接地電極８と反対側に設けられている。第２の接地電極９は電極層６に設けられた導体のみからなる単層構造であるが、信号電極７や第１の接地電極８と同様に二層構造であってもよい。

次に、導波層２をニオブ酸リチウム膜とした場合の光変調器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。また電界を印加したときの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、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。

電界印加領域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、１．４μｍ以上であることが特に好ましい。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いからである。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、膜厚が１．５μｍ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。以上のように、ニオブ酸リチウム膜の膜厚を１μｍ以上とした場合には、駆動電圧や伝搬損失を低減することができる。

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。

次に、バッファ層４について詳細に説明する。

バッファ層４は、屈折率が低いほど光の閉じ込めを強くすることができるので好ましく、誘電率が高いほどＶπＬ（電界効率を表す指標）を低減することができるので好ましい。これまで、バッファ層４にはＡｌ_２Ｏ_３、ＬａＡｌＯ_３、ＬａＹＯ_３などの酸化物材料が好ましく用いられてきた。例えば、Ａｌ_２Ｏ_３は、比誘電率が約９、屈折率が約１．６であり、バッファ層４に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、Ａｌ_２Ｏ_３よりも好ましい材料である。ＬａＹＯ_３は、比誘電率が約１７、屈折率が約１．７であり、ＬａＡｌＯ_３よりもさらに好ましい材料である。しかし、一般的に、屈折率が低い材料は誘電率も低く、逆に誘電率が高い材料は屈折率も高く、低屈折率と高誘電率とはトレードオフの関係にあるので、酸化物材料を用いる限りはこのトレードオフから抜け出すことができない。

そこで本実施形態では、チタン酸バリウムに代表されるペロブスカイト型誘電体のナノ粒子を樹脂中に分散させた薄膜をバッファ層４として用いる。

図３は、バッファ層の構造を示す模式図である。

図３に示すように、バッファ層４は、樹脂４ａと、樹脂４ａのマトリックス中に分散したペロブスカイト構造を有する誘電体のナノ粒子４ｂとを有している。このような樹脂４ａと誘電体のナノ粒子４ｂとの複合材料によれば、低屈折率且つ高誘電率なバッファ層４を実現することができる。バッファ層４の屈折率を低くすることで光導波路中の光の電場の広がりを抑制することができ、高性能なバッファ層４を実現することができる。またバッファ層４の誘電率を高くすることでバッファ層４が薄くても光導波路に強い電界を印加することができ、位相制御に必要な電圧を低くすることができる。

バッファ層４を構成する樹脂４ａはポリイミド樹脂であることが好ましい。ポリイミド樹脂であれば、耐熱性が高いバッファ層４を得ることができる。またバッファ層４を構成する樹脂は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）樹脂であってもよい。ＰＭＭＡ樹脂であれば、屈折率がより低いバッファ層４を得ることができる。さらにバッファ層４を構成する樹脂はポリイミド樹脂やＰＭＭＡ樹脂に限定されず、低屈折率且つ使用する光の波長に対して透明な他の樹脂、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、フッ素樹脂、ＡＢＳ樹脂等を用いることも可能である。

バッファ層４がＳｉＯ_２等の酸化物材料からなる場合、バッファ層４をスパッタ法により形成する必要があり、生産性が悪かった。しかし、バッファ層４がナノ粒子含有樹脂からなる場合には、バッファ層４をスピンコートにより形成することができ、バッファ層４を容易に低コストで形成することが可能である。

ペロブスカイト構造を有する誘電体は、ＢａＴｉＯ_３系材料であることが好ましい。ＢａＴｉＯ_３系材料とは、ＢａＴｉＯ_３を主成分とする誘電体材料のことを言い、ＢａＴｉＯ_３のみからなる誘電体材料のみならず、ＢａＴｉＯ_３を構成する元素の一部が置換されたものを含んでいてもよい。置換元素としてはＣａ、Ｓｒ、Ｚｒ、Ｈｆの中から１種類以上を選択することができる。すなわち、ＢａＴｉＯ_３系材料の組成は、一例を示すと（Ｂａ，Ｃａ）ＴｉＯ_３、Ｂａ（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）Ｏ_３、（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）Ｏ_３などが選択可能である。

ペロブスカイト構造を有する誘電体は、ＢａＴｉＯ_３系材料に限定されず、（Ｎａ，Ｋ）（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ_３の組成を有する誘電体であってもよい。すなわち、ＮａＮｂＯ_３、ＮａＴａＯ_３、ＫＴａＯ_３、ＮａＴａＯ_３などの誘電体であってもよく、あるいはＢａＴｉＯ_３系材料に（Ｎａ，Ｋ）（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ_３が所定の割合で含まれていてもよい。（Ｎａ，Ｋ）（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ_３はＢａやＴｉを含有する誘電体ではないが、高誘電率が期待される材料である。

ナノ粒子とは、広義には粒径が１〜数百ｎｍの粒子のことを言い、狭義には粒径が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒子のことを言う。本実施形態によるナノ粒子の粒径は１５〜５０ｎｍであることが好ましく、２０〜５０ｎｍであることが特に好ましい。粒径が５０ｎｍよりも大きい場合には、粒径が大きすぎて光の透過性が悪くなり、さらに強誘電性の影響により高周波特性が劣化する懸念がある。また、粒径が１５ｎｍよりも小さい場合には、粒径が小さすぎて分散が難しくなり、バッファ層４の誘電率を向上させることができない。

しかし、ナノ粒子の粒径が１５〜５０ｎｍであれば、光変調器で使用する光の波長（１４７０〜１６１０ｎｍ）に対して透明な薄膜を得ることができ、さらに常誘電性となることから、高周波でも誘電損失を抑制することが可能である。特に、粒径が１５〜５０ｎｍのＢａＴｉＯ_３系粒子を用いた場合には、従来の酸化物材料では実現できなかったｎ＜２．０の低屈折率とε＞１５の高誘電率の両立が可能となる。

例えば、ＢａＴｉＯ_３のナノ粉（平均粒径が３０ｎｍ、誘電率ε＝４００、屈折率ｎ＝２．３５の）をポリイミド樹脂（誘電率ε＝３．５、屈折率ｎ＝１．６８、５ｗｔ％、減量温度５００℃）に分散させて、ポリイミド樹脂中のＢａＴｉＯ_３の含有率を５０ｖｏｌ％とした場合、屈折率ｎ＝１．８５、誘電率ε＝３６．５のバッファ層４を得ることができる。

バッファ層４に含まれるナノ粒子４ｂの含有率は３０〜７０ｖｏｌ％であることが好ましく、４０〜６０ｖｏｌ％であることがさらに好ましい。バッファ層４に含まれるナノ粒子４ｂの含有率が３０ｖｏｌ％よりも低い場合には、樹脂４ａ中のナノ粒子４ｂが少なすぎて所望の誘電率（ε＞１５）を達成することが難しくなるからであり、バッファ層４に含まれるナノ粒子４ｂの含有率が７０ｖｏｌ％よりも高い場合には、樹脂４ａ中のナノ粒子４ｂが多すぎて所望の屈折率（ｎ＜２．０）を達成することが難しくなるからである。

図４は、バッファ層４のＲＦ性能指数を示すグラフであり、横軸はポリイミド樹脂中に分散させたＢａＴｉＯ_３（以下、「ＢＴ」という）の含有率（ｖｏｌ％）、縦軸はＲＦ性能指数Ｋ＝（２．１４−ｎ）×εをそれぞれ示している。ＲＦ性能指数Ｋは、バッファ層の性能を示す指標であり、ＲＦ性能指数Ｋが高ければ高いほど低屈折率且つ高誘電率であり、バッファ層として優れていることを示している。なおｎはバッファ層の屈折率、εはバッファ層の誘電率である。図中の５本のグラフは、ＢＴ粒径が１０ｎｍ，１５ｎｍ，３０ｎｍ，５０ｎｍ，７０ｎｍであるときのバッファ層のＲＦ性能指数Ｋをそれぞれ示している。

図４に示すように、ＲＦ性能指数Ｋは、ＢＴ含有率（ｖｏｌ％）が高くなるほど大きくなり、その増加率はＢＴ粒径が大きいほど顕著となる。例えばＢＴ粒径が１０ｎｍのときと比べて、ＢＴ粒径が７０ｎｍのときの粒径の増加率は著しいことが分かる。現状の酸化物材料のＲＦ性能指数Ｋの最大値が約５．５であることから、ナノ粒子含有樹脂材料のＲＦ性能指数Ｋは５．５以上となるためには、ＢＴ粒径は１５ｎｍ以上であることが好ましい。ＢＴ粒径が１０ｎｍではバッファ層の誘電率εが向上せず、ＲＦ性能指数Ｋを５．５以上にすることができないからである。

ＢＴ粒径が１５ｎｍである場合、ＢＴ含有率を５０ｖｏｌ％以上にすればＲＦ性能指数Ｋを５．５以上にすることができる。ＢＴ粒径が３０ｎｍである場合、ＢＴ含有率を３０ｖｏｌ％以上にすればＲＦ性能指数Ｋを５．５以上にすることができる。ＢＴ粒径が５０ｎｍである場合、ＢＴ含有率を２５ｖｏｌ％以上にすればＲＦ性能指数Ｋを５．５以上にすることができる。ＢＴ粒径が７０ｎｍである場合、ＢＴ含有率を２２ｖｏｌ％以上にすればＲＦ性能指数Ｋを５．５以上にすることができる。

上記のように、ＢＴ粒径が７０ｎｍである場合には、ＲＦ性能指数を大幅に向上させることが可能である。しかしながら、ＢＴ粒径が５０ｎｍを超えるとＢＴのナノ粒子による光の散乱の影響により光損失が増加する。したがって、ＢＴ粒径は５０ｎｍ以下であることが好ましい。

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の光導波路１０ａ，１０ｂ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信号電極７及び第１の接地電極８と、第１の光導波路１０ａと信号電極７との間及び第２の光導波路１０ｂと第１の接地電極８との間に設けられたバッファ層４と、を備え、バッファ層４は、ペロブスカイト構造を有するナノ粒子が分散した樹脂からなるので、低屈折率且つ高誘電率なバッファ層４を有する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、単一の信号電極７を用いて第１の光導波路１０ａ内を伝搬する光を駆動するシングル駆動型の光変調器を例に挙げたが、本発明において光変調器の具体的な構成は特に限定されない。したがって、例えば、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂに対応する一対の信号電極に差動信号（変調信号）を入力して第１の光導波路１０ａ内を伝搬する光と第２の光導波路１０ｂ内を伝搬する光の両方を駆動するデュアル駆動型の光変調器に本発明を適用することも可能である。

１ 基板
２ 導波層
２ｒ リッジ部
３ 特許文献
３ 保護層
４ バッファ層
４ａ 樹脂
４ｂ ナノ粒子
５ 絶縁層
６ 電極層
７ 信号電極
７ａ 信号電極の上層部
７ｂ 信号電極の下層部
７ｅ 信号電極の一端
７ｇ 信号電極の他端
８ 第１の接地電極
８ａ 第１の接地電極の上層部
８ｂ 第１の接地電極の下層部
９ 第２の接地電極
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
１０ｉ 入力導波路
１０ｏ 出力導波路
１２ 終端抵抗
１００ 光変調器
Ｓｉ 入力光
Ｓｏ 変調光

Claims (7)

1. 光導波路と、
   前記光導波路と対向して設けられた電極と、
   前記光導波路と前記電極との間に設けられたバッファ層を備え、
   前記バッファ層は、ペロブスカイト構造を有する誘電体のナノ粒子が分散した樹脂からなることを特徴とする光変調器。
2. 前記ナノ粒子がＢａＴｉＯ_３系誘電体からなる、請求項１に記載の光変調器。
3. 前記ナノ粒子の粒径が１５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である、請求項１又は２に記載の光変調器。
4. 前記樹脂がポリイミド樹脂である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光変調器。
5. 前記樹脂がポリメタクリル酸メチル樹脂である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光変調器。
6. 前記光導波路がニオブ酸リチウム膜からなる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光変調器。
7. 前記光導波路がマッハツェンダー光導波路を含む、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光変調器。