JP2022155577A - 電気光学デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、電気光学デバイスに関するものである。【解決手段】電気光学デバイスは、基板と、基板上に形成された光導波路と、光導波路を覆うように基板上に形成されたバッファ層と、バッファ層上に形成された電極とを備え、光導波路の側面は、光の伝送方向から見た場合に、少なくとも１つの傾斜度変化点を有する。本発明によれば、駆動電圧を低減しつつ、光の伝送損失を低減することができる電気光学デバイスを提供することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、光通信または光学計測の分野で使用される電気光学デバイスに関するものである。

インターネットの普及に伴い、通信量が急激に増加し、光ファイバー通信の重要性が非常に高まっている。光ファイバー通信は電気信号を光信号に変換し、光ファイバーにより光信号を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、半導体レーザを利用した直接変調方式と光変調器を使用した外部変調方式が知られている。直接変調は光変調器を必要とせずかつ低コストであるが、高速変調には限界があり、高速かつ長距離の応用においては、外部変調方式を採用している。

外部変調方式中で使用される光変調器としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３、以下「ＬＮ」と称する）からなる光導波路を使用した光変調器は、高速、低損失、制御光波形の歪みが少ないというメリットがあるが、半導体光学デバイスと比べて、駆動電圧が高いというデメリットがある。

上記デメリットを克服するため、サファイア基板上に薄膜技術を応用して形成されたＬＮ膜を利用した光導波路により、従来と比べて、低駆動電圧化の光学デバイスが実現される（特許文献１、２参照）ことが知られている。また、光導波路の下部に高屈折率膜を設置することで、駆動電圧の低下を実現した光導波路素子（特許文献３参照）が知られている。

ただし、上記の薄膜技術を利用した光変調器及び高屈折率膜を設置した光導波路素子において、駆動電圧が低下するとき、伝送損失が大きくなる。

特開２００６－１９５３８３号公報 特開２０１４－６３４８号公報 特開２０１２－０７８３７５号公報

発明の開示
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、駆動電圧の低減しつつ、光の伝送損失を低減することができる電気光学デバイスを提供することを目的としている。

本発明者らは、電気光学デバイスの駆動電圧及び光の伝送損失のメカニズムについて深く研究した結果、当業者がこれまで考えられなかった全く新しい見解を発見した。即ち、（１）理想的には、光導波路の伝送方向から観察したときの断面（即ち、光の伝送方向に直交する断面）が円形形状であることが期待されている；（２）従来の光導波路において、光導波路の上記断面は通常、台形または四角形の形状であり、光はこれら形状の角部にリークすることで、伝送損失ＰＬ（ｄＢ／ｃｍ）の増加を引き起こす；（３）光導波路の上部の幅が狭いほど電場が集中し、電場効率の指標であるＶπ（Ｖ）＠１５５０ｎｍが良好であり、かつ駆動電圧が低いが、光導波路の上部の幅が狭すぎる場合を考えた場合、光はＬＮからなる光導波路の外へ導光され、電気光学効果が小さくなりかつ表面の粗さによる散乱損失が大きくなることから、駆動電圧は逆に大きくなり、そのため、駆動電圧を維持できれば、光導波路の上部の幅を狭すぎないようにすることが好ましい。そして、上記の全く新しい見解に基づいて、本発明者らは、光導波路の断面形状に対して改善を試みたが、光導波路は通常、ドライエッチングによって形成されるため、プロセス上の問題により、光導波路の断面を理想的に円形形状とすることが困難であったため、本発明者らは、光導波路の幅が上部に行くほど狭くなるようにして、光導波路の側面を光の伝送方向から見た時に少なくとも一つの傾斜度変化点を有する（即ち、光導波路の側面を光の伝送方向から見た時に、複数の傾斜度が異なる直線からなる）とすることで、光導波路の断面を円形形状に近づけて、これにより、駆動電圧を低下させながら、光の伝送損失を減少させることができると予想し、本発明の完成に至った。

即ち、本発明の一側面に係る電気光学デバイスは、基板と、前記基板上に形成された光導波路と、前記光導波路を覆うように前記基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成された電極とを備え、前記光導波路の側面は、光の伝送方向から見た場合に、少なくとも１つの傾斜度変化点を有する。

当該電気光学デバイスにおいて、光導波路の側面は、光の伝送方向から見た場合に、少なくとも１つの傾斜度変化点を有する。言い換えれば、光導波路の側面は、光の伝送方向から見た場合に、複数の傾斜度が異なる直線からなるため、光導波路の側面の上部と下部の傾斜度が異なるようにすることで、光導波路の上部の幅が狭くなり、駆動電圧が低下し、かつ光導波路の断面を円形形状に近づけることにより光の伝播損失を減少させることができると考えられる。

また、上記の本発明の一側面に係る電気光学デバイスでは、光の伝送方向から見た場合における前記光導波路の下部側面と前記基板の上面とのなす角度は、６０度以上であってもよい。

また、上記の本発明の一側面に係る電気光学デバイスでは、前記光導波路の最上部の幅は、最下部の幅の４０％から７５％であってもよい。

また、上記本発明の一側面に係る電気光学デバイスでは、光の伝送方向から見た場合における前記光導波路の最上段の側面と前記基板の上面とのなす角度は、０度よりも大きく８０度以下であってもよい。

また、上記本発明の一側面に係る電気光学デバイスでは、前記傾斜度変化点を複数有してもよい。

また、上記本発明の一側面に係る電気光学デバイスでは、前記光導波路は、ＬｉＮｂＯ_３またはＬｉＴａＯ_３からなる膜であってもよい。

また、上記本発明の一側面に係る電気光学デバイスでは、前記光導波路は、ＬｉＮｂＯ_３に、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕから選ばれる少なくとも一種の元素がドーピングされている膜であってもよい。

また、上記本発明の一側面に係る電気光学デバイスでは、前記光導波路はエピタキシャル膜であってもよい。

また、上記本発明の一側面に係る電気光学デバイスでは、前記エピタキシャル膜は、前記基板と交差する方向に配向されていてもよい。

本発明の一側面に係るによれば、駆動電圧の低減しつつ、光の伝送損失を低減することができる電気光学デバイスを提供することができる。

図１（ａ）と図１（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る光変調器の上面図であり、図１（ａ）に光導波路のみを示し、図１（ｂ）に進行波電極を含む光変調器の全体を示す。 図１（ａ）と図１（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る光変調器の上面図であり、図１（ａ）に光導波路のみを示し、図１（ｂ）に進行波電極を含む光変調器の全体を示す。 図２は本発明の第１の実施形態に係る光変調器における光導波路の任意の位置を通過し当該位置での光の伝送方向に垂直するＡ－Ａ’線で切り取られる断面図である。 図３は本発明の第１の実施形態の変形例に係る光変調器の図２に対応する断面図である。 図４は本発明の第２の実施形態に係る光変調器の図２に対応する断面図である。 図５は本発明の実施例１の光導波路の断面形状を示す断面図である。 図６は本発明の実施例２の光導波路の断面形状を示す断面図である。 図７は本発明の実施例３の光導波路の断面形状を示す断面図である。 図８は本発明の実施例４の光導波路の断面形状を示す断面図である。 図９は本発明の実施例５の光導波路の断面形状を示す断面図である。 図１０は本発明の実施例６の光導波路の断面形状を示す断面図である。 図１１は本発明の実施例７の光導波路の断面形状を示す断面図である。 図１２は本発明の実施例８の光導波路の断面形状を示す断面図である。 図１３は本発明の実施例９の光導波路の断面形状を示す断面図である。 図１４は本発明の他の変形例の光導波路の断面形状を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態について詳しく説明する。ここで、図面の説明において、同じまたは同等な要素に対して同じ符号を割り当て、重複する説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）と図１（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る光変調器の上面図であり、図１（ａ）に光導波路のみを示し、図１（ｂ）に進行波電極を含む光変調器の全体を示す。図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、光変調器１００は、基板１に形成され互いに平行して設置される第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に沿って設置された第１の信号電極２０ａと、第２の光導波路１０ｂに沿って設置された第２の信号電極２０ｂと、第１の光導波路１０ａに沿って設置された第１のバイアス電極３０ａと、第２の光導波路１０ｂに沿って設置された第２のバイアス電極３０ｂとを有する。第１の信号電極２０ａ及び第２の信号電極２０ｂは第１の光導波路１０ａ及び第２の光導波路１０ｂと共に、マッハツェンダー光変調器のＲＦ相互作用部４０を構成する。第１のバイアス電極３０ａ及び第２のバイアス電極３０ｂは第１の光導波路１０ａ及び第２の光導波路１０ｂと共に、マッハツェンダー光変調器のＤＣ相互作用部５０を構成する。

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。一本の入力光導波路１０ｉから分波部１０ｃにより分岐した第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を介して一本の出力光導波路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に沿って第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、出力光導波路１０ｏから出力される。

第１及び第２の信号電極２０ａ、２０ｂは上面図に第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂと重なる線状の電極パターンであり、かつその両端が基板１の端面付近に設置される電極パットまで延びる。即ち、第１の信号電極２０ａと第２の信号電極２０ｂの一端２０ａ１、２０ｂ１を基板１の端面付近に設置される電極パットに引き出されて信号入力ポートを形成し、かつ駆動回路６０ａは信号入力ポートに接続されている。また、第１の信号電極２０ａと第２の信号電極２０ｂの他端２０ａ２、２０ｂ２が基板１の端面付近に設置される電極パットまで引き出され、端末抵抗器６０ｂ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の信号電極信号２０ａ、２０ｂは差分共面進行波電極として機能する。

第１及び第２のバイアス電極３０ａ、３０ｂは、ＤＣ電圧（ＤＣバイアス）を第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂに印加するように、第１及び第２の信号電極信号２０ａ、２０ｂと独立している。第１のバイアス電極３０ａ及び第２のバイアス電極３０ｂの一端３０ａ１、３０ｂ１が基板１の端面付近に設置される電極パットまで引き出されてＤＣバイアス入力ポートを形成し、かつバイアス回路６０ｃはＤＣバイアスポートに接続されている。本実施形態において、第１のバイアス電極３０ａと第２のバイアス電極３０ｂの形成区域は、第１の信号電極２０ａと第２の信号電極２０ｂの形成区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。

上記のように、第１及び第２の信号電極信号２０ａ、２０ｂはＲＦ信号を第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂに印加し、かつ第１及び第２のバイアス電極３０ａ、３０ｂはＤＣバイアスを第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂに印加している。

同じ絶対値を有するが、正負が異なる差分信号（変調信号）は第１及び第２の信号電極２０ａ、２０ｂの一端に入力される。第１の光導波路１０ａと第２の光導波路１０ｂは例えばニオブ酸リチウムという電気光学効果を有する材料からなるため、第１の光導波路１０ａと第２の光導波路１０ｂに印加される電場により、第１の光導波路１０ａ及び第２の光導波路１０ｂの屈折率が例えばそれぞれ＋Δｎ及び－Δｎのように変化し、一対の光導波路の間の位相差が変化する。当該位相差の変化により変調された信号光は出力導波路１０ｏから出力される。

本実施形態では、第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂは、ＬｉＮｂＯ_３からなる膜であるが、これに限定されず、第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂは、ＬｉＴａＯ_３からなる膜であってもよく、ＬｉＮｂＯ_３に、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕから選ばれる少なくとも一種の元素がドーピングされている膜であってもよい。

本実施形態では、第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂは、エピタキシャル膜である。エピタキシャル膜は、下記の基板１と交差する方向に配向されていることが好ましい。

図２は本発明の第１の実施形態に係る光変調器における光導波路の任意の位置を通過し当該位置での光の伝送方向に垂直するＡ－Ａ’線で切り取られる断面図である。図２に示すように、光変調器１００は基板１、導波層２、バッファ層３及び電極層４がこの順に積層してなる多層構造を有する。基板１は例えばサファイア基板である。基板１の表面上には、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３、以下「ＬＮ」と称する）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を有する。

バッファ層３は第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂ中で伝搬される光が電極２０ａ、２０ｂに吸収されることを防ぐため、導波層２の上面Ｓ２のうちリッジ部が形成されていない区域の全面、及び、リッジ部２ｒの側面Ｓ３と上面Ｓ４を覆うように、基板１上に形成された層である。バッファ層３は光導波路と電極との間の中間層としての役割を果たせばよく、かつ、バッファ層３の材料が非金属であれば、幅広く選択できる。例えば、バッファ層３は、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物などの絶縁材料からなるセラミック層を使用してもよい。バッファ層の材料は結晶性の材料であってよく、非晶質の材料でもよい。バッファ層３は、屈折率が導波層２より低くかつ透明性が高い材料より構成されることが好ましく、例えばＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＬａＡｌＯ_３、ＬａＹＯ_３、ＺｎＯ、ＨｆＯ_２、ＭｇＯ、Ｙ_２Ｏ_３等を使用してよい。光導波路上に形成されるバッファ層３の厚みは０．２～１．２μｍ程度であってよい。本実施形態において、バッファ層３は第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂの上面Ｓ４だけでなく、導波層２の上面Ｓ２のうちリッジ部２ｒが形成されていない区域の全面、およびリッジ部２ｒの側面Ｓ３を覆うが、バッファ層３は少なくとも導波層２のリッジ部２ｒの上面Ｓ４に形成すればよく、バッファ層３は第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂの上面Ｓ４付近だけを選択的に覆うようにパターニングされてもよい。

電極による光吸収を低減するために、バッファ層３の膜厚は厚いほどよく、第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂに高い電場を加えるためには、バッファ層３の膜厚は薄いほどよい。電極の光吸収と電極の印加電圧はいわゆる「トレードオフ」関係にあるため、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３の誘電率が高いほどＶπ（Ｖ）＠１５５０ｎｍ（電場効率を表す指標）を減らすことができるため好ましく、バッファ層３の屈折率が低いほど、バッファ層３を薄くすることができるため好ましい。通常、誘電率が高い材料の屈折率も高く、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の選定が重要である。一例として、Ａｌ_２Ｏ_３の比誘電率は約９であり、かつ屈折率は約１．６であるため、好ましい材料である。ＬａＡｌＯ_３の比誘電率は約１３であり、かつ屈折率は約１．７であり、また、ＬａＹＯ_３の比誘電率は約１７であり、かつ屈折率は約１．７であるため、特に好ましい材料である。

電極層４はバッファ層３に設置されている。電極層４には、第１及び第２の信号電極２０ａ、２０ｂ、及び第１及び第２のバイアス電極３０ａ、３０ｂが設置されている。第１及び第２の信号電極２０ａ、２０ｂ、及び第１及び第２のバイアス電極３０ａ、３０ｂはそれぞれ第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂに対応するリッジ部２ｒと重ねて設置されており、バッファ層３を介して第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂと対向している。

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。これはニオブ酸リチウムが大きな電気光学定数を有し、光変調器などの光学デバイスの構成材料に適したためである。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造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Ｌｉ_ｘＮｂＡ_ｙＯ_ｚ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、第１及び第２の光導波路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。

本実施形態において、図２に示すように、光の伝送方向から見た場合に、即ち、光導波路１０ａ（１０ｂ）のＹ軸方向の任意の位置を通過し当該位置での光の伝送方向に垂直するＡ－Ａ’線で切り取られる断面図において、リッジ部２ｒの側面Ｓ３は１つの傾斜度変化点Ｐ１を有する。言い換えれば、光の伝送方向から見た場合に、即ち、光導波路１０ａ（１０ｂ）のＹ軸方向の任意の位置を通過し当該位置での光の伝送方向に垂直するＡ－Ａ’線で切り取られる断面図において、リッジ部２ｒの側面Ｓ３は２本の傾斜度が異なる直線Ｌ１、Ｌ２によって構成される。

このように、リッジ部の側面の上部と下部の傾斜度を異なるようにすることで、リッジ部の上部の幅を下部の幅に対して狭くして駆動電圧を低下させることができ、かつ、リッジ部の断面を円形形状に近づけることにより光の伝播損失を低減することができると考えられる。

また、光の伝送方向から見た場合に、即ち、光導波路１０ａ（１０ｂ）のＹ軸方向の任意の位置を通過し当該位置での光の伝送方向に垂直するＡ－Ａ’線で切り取られる断面図において、リッジ部２ｒの最下段の側面（「下部側面」とも称す。以下の説明でも同様。）Ｓ３１と基板１の上面Ｓ１とのなす角度α１は、６０度以上９０度以下であることが好ましい。なお、角度α１とは、断面においてリッジ部の最下段の側面の延長線と基板の上面に平行する直線とが交差したときの当該リッジ部側の内側の角度である。角度α１の定義について、以下の説明でも同様である。

また、光の伝送方向から見た場合に、即ち、光導波路１０ａ（１０ｂ）のＹ軸方向の任意の位置を通過し当該位置での光の伝送方向に垂直するＡ－Ａ’線で切り取られる断面図において、リッジ部２ｒの最上段の側面Ｓ３２と基板１の上面Ｓ１で形成される角度α２は、０度よりも大きく８０度以下であることが好ましい。なお、角度α２とは、断面においてリッジ部の最上段の側面の延長線と基板の上面に平行する直線とが交差したときの当該リッジ部側の内側の角度である。角度α２の定義について、以下の説明でも同様である。

このように、光導波路１０ａ（１０ｂ）は、基板１側から直線や略垂直に急峻に立ち上がり、その後、１回の傾斜度変化点をもって側面の傾斜度が変わっている。このように上段部分は複数の傾斜度変化点をもってなだらかに光導波路の最上面に達する。

また、リッジ部２ｒの下部側面Ｓ３１と基板１の上面Ｓ１とのなす角度α１は、リッジ部２ｒの最上段の側面Ｓ３２と基板１の上面Ｓ１とのなす角度α２より大きい。言い換えれば、上部に向かうほど、下部側面Ｓ３１及び最上段の側面Ｓ３２における各側面と基板１の上面Ｓ１とのなす角度が小さくなる。

また、光の伝送方向から見た場合に、即ち、光導波路１０ａ（１０ｂ）のＹ軸方向の任意の位置を通過し当該位置での光の伝送方向に垂直するＡ－Ａ’線で切り取られる断面図において、リッジ部２ｒの最上部の幅Ｔ１は、最下部の幅Ｔ２より小さく、最下部の幅Ｔ２の４０％から７５％であることが好ましい。なお、リッジ部２ｒの最上部の幅Ｔ１とは、リッジ部２ｒの上部が台形の場合、台形の上辺の長さを意味している。リッジ部の最上部の幅の定義について、以下の説明でも同様である。

（第１の実施形態の変形例）
図３は本発明の第１の実施形態の変形例に係る光変調器の図２に対応する断面図である。第１の実施形態において、同じ材料で構成されたバッファ層３でリッジ部２ｒの上面Ｓ４と側面Ｓ３を覆う例を示したが、これに限られず、図３に示すように、リッジ部２ｒの上面Ｓ４を覆うバッファ層の材料とリッジ部２ｒの側面Ｓ３を覆うバッファ層の材料とは異なってもよい。

即ち、図３に示すように、本変形例に係るバッファ層３’は第１のバッファ層３１と第２のバッファ層３２を有する。第１のバッファ層３１はリッジ部２ｒの間かつ導波層２の上面Ｓ２に形成される。第２のバッファ層３２は第１のバッファ層３１の上面Ｓ５とリッジ部２ｒの上面Ｓ４とに形成される。第１のバッファ層３１の材料と第２のバッファ層３２の材料とはお互い異なる。このようにして、第１のバッファ層の材料を第２のバッファ層の材料と異なるようにすることで、より効果的に光の伝播損失を減少させることができる。

（第２の実施形態）
図４は本発明の第２の実施形態に係る光変調器の図２に対応する断面図である。第２の実施形態に係る光変調器と第１の実施形態に係る光変調器の異なる点はリッジ部２ｒ’の形状のみであり、その他の構造はいずれも第１の実施形態に係る光変調器と同じであるため、その説明を省略する。

具体的には、図４に示すように、光の伝送方向から見た場合に、即ち、光導波路のＹ軸方向の任意の位置を通過し当該位置での光の伝送方向に垂直するＡ－Ａ’線で切り取られる断面図において、リッジ部２ｒ’の側面Ｓ３’は複数（ここでは、２つ）の傾斜度変化点Ｐ１’とＰ２’とを有する。言い換えれば、光の伝送方向から見た場合に、即ち、光導波路のＹ軸方向の任意の位置を通過し当該位置での光の伝送方向に垂直するＡ－Ａ’線で切り取られる断面図において、リッジ部２ｒ’の側面Ｓ３’は３本の傾斜度が異なる直線Ｌ１’、Ｌ２’、Ｌ３’によって構成される。

また、光の伝送方向から見た場合に、即ち、光導波路のＹ軸方向の任意の位置を通過し当該位置での光の伝送方向に垂直するＡ－Ａ’線で切り取られる断面図において、リッジ部２ｒ’の下部側面Ｓ３１’と基板１の上面Ｓ１とのなす角度α１は、６０度以上９０度以下であることが好ましい。

また、光の伝送方向から見た場合に、即ち、光導波路のＹ軸方向の任意の位置を通過し当該位置での光の伝送方向に垂直するＡ－Ａ’線で切り取られる断面図において、リッジ部２ｒ’の第二段の側面Ｓ３２’と基板１の上面Ｓ１とのなす角度βは、０度よりも大きく８０度以下であることが好ましい。なお、角度βとは、断面においてリッジ部の第二段の側面の延長線と基板の上面に平行する直線とが交差したときの当該リッジ部側の内側の角度である。

また、光の伝送方向から見た場合に、即ち、光導波路のＹ軸方向の任意の位置を通過し当該位置での光の伝送方向に垂直するＡ－Ａ’線で切り取られる断面図において、リッジ部２ｒ’の最上段の側面Ｓ３３’と基板１の上面Ｓ１とのなす角度α２は、０度よりも大きく８０度以下であることが好ましい。

また、リッジ部２ｒ’の下部側面Ｓ３１’と基板１の上面Ｓ１とのなす角度α１はリッジ部２ｒ’の第二段の側面Ｓ３２’と基板１の上面Ｓ１とのなす角度βより大きく、リッジ部２ｒ’の第二段の側面Ｓ３２’と基板１の上面Ｓ１とのなすβは、リッジ部２ｒ’の最上段の側面Ｓ３３’と基板１の上面Ｓ１とのなす角度α２よりも大きい。言い換えれば、上部に向かうほど、下部側面Ｓ３１’、第二段の側面Ｓ３２’及び最上段の側面Ｓ３３’における各側面と基板１の上面Ｓ１とのなす角度が小さくなる。

また、光の伝送方向から見た場合に、即ち、光導波路のＹ軸方向の任意の位置を通過し当該位置での光の伝送方向に垂直するＡ－Ａ’線で切り取られる断面図において、リッジ部２ｒ’の最上部の幅Ｔ１は、最下部の幅Ｔ２より小さく、最下部の幅Ｔ２の４０％から７５％以下であることが好ましい。

実施例
表１に示す断面形状を有する光導波路（図５～図１３に示す光導波路）の実施例１～１１、および比較例１（傾斜度変化点を持たない断面が矩形状の導波路）を作製し、それらの電場効率の指標のＶπ（Ｖ）＠１５５０ｎｍと伝送損失ＰＬ（ｄＢ／ｃｍ）を測定し、結果を表１に示した。なお、図５～６、１２～１３に示すように、実施例１～２、８～９の光導波路の形状は第１の実施形態に対応し、実施例１０～１１の光導波路の形状は実施例１～２、８～９と同様に第１の実施形態に対応し、図７～９に示すように、実施例３～５の光導波路の形状は第２の実施形態に対応している。また、図１０～１１に示すように、実施例６～７において、光導波路の形状は、ステップ型であり、上部の角部が削られた構造である。また、表１中には基板から数え最初の傾斜度変化点（α１またはβの発生点）の位置を光導波路高さを１００％とした時の比率で示すと共に、光導波路最上部から数え最初の傾斜度変化点（α２の発生点）の位置を光導波路高さを１００％とした時の比率で示している。更に、（１．９８－ＰＬ）／Ｖπを示す。このデータは小さい値を取ることが好ましいＶπを分母とし、大きい値を持つことが好ましいもの（比較例の特性１．９８に対して損失分を差し引いた伝搬量を示す比較値）を分子に設定しているため（１．９８－ＰＬ）／Ｖπの値が大きいほど、ＶπとＰＬの値が共にバランスよく、優れた特性であることが分かる。

上記の表１からわかるように、光導波路の下部側面と基板の上面とのなす角度α１を６０度以上、かつ光導波路の最上段の側面と基板の上面とのなす角度α２を０度よりも大きく８０度以下としたことで、低い駆動電圧を基本的に維持したまま、同時により効果的に光の伝播損失を低下させることができた。

基板から数えて最初の傾斜度変化点の高さが光導波路高さの５０％以上であることが好ましく、５９％～８５％であることがより好ましい。

光導波路最上部から数えて最初の傾斜度変化点の高さが光導波路高さの６０％以上であることが好ましく、８０～９０％であることがより好ましい。

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られず、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で、様々な変更を実施してもよく、これらも本発明の範囲内に含まれていることは勿論である。

例えば、上記の実施形態において、基板１にエピタキシャル成長したニオブ酸リチウム膜からなる一対の光導波路１０ａ、１０ｂを備える光変調器を例示したが、本発明はこのような構造に限られず、チタン酸バリウム、ジルコンチタン酸鉛などの電気光学材料で光導波路を形成した光変調器であってもよい。また、導波層２として、電気光学効果を有する半導体材料、高分子材料などを使用してもよい。

また、上記実施形態において、リッジ部の側面にそれぞれ１つの傾斜度変化点と２つの傾斜度変化点を有する例を示したが、リッジ部の側面には３つ以上の傾斜度変化点を有してもよい。

また、上記実施形態において、一対の光導波路１０ａ、１０ｂを示したが、光通信または光学計測の機能を発揮できれば、１つの光導波路のみを有してもよく、あるいは、３つ以上の光導波路を有してもよい。

また、上記実施形態において、リッジ部の側面は複数本の直線からなるが、これに限定されず、図１４に示すように、リッジ部の側面を構成する線のうち一つ又は複数の線が曲線になる場合もある。

また、上記実施形態において、本発明を光変調器に応用した例であったが、本発明は光スイッチ、光共振器、光分岐回路、センサー素子、ミリ波発生器などの光通信または光学計量の機能を実現できる任意の電気光学デバイスに応用してもよい。

Claims (9)

1. 基板と、前記基板上に形成された光導波路と、前記光導波路を覆うように前記基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成された電極と、を備え、
   前記光導波路の側面は、光の伝送方向から見た場合に、少なくとも１つの傾斜度変化点を有することを特徴とする電気光学デバイス。
2. 光の伝送方向から見た場合における前記光導波路の下部側面と前記基板の上面とのなす角度は、６０度以上であることを特徴とする請求項１に記載の電気光学デバイス。
3. 前記光導波路の最上部の幅は、最下部の幅の４０％から７５％であることを特徴とする請求項１に記載の電気光学デバイス。
4. 光の伝送方向から見た場合における前記光導波路の最上段の側面と前記基板の上面とのなす角度は、０度よりも大きく８０度以下であることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の電気光学デバイス。
5. 前記傾斜度変化点を複数有することを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の電気光学デバイス。
6. 前記光導波路は、ＬｉＮｂＯ_３またはＬｉＴａＯ_３からなる膜であることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の電気光学デバイス。
7. 前記光導波路は、ＬｉＮｂＯ_３に、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕから選ばれる少なくとも一種の元素がドーピングされている膜であることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の電気光学デバイス。
8. 前記光導波路はエピタキシャル膜であることを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載の電気光学デバイス。
9. 前記エピタキシャル膜は、前記基板と交差する方向に配向されていることを特徴とする請求項８に記載の電気光学デバイス。

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