JP2850950B2 - 導波型光デバイス - Google Patents
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
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- G02F1/2255—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour by interference in an optical waveguide structure controlled by a high-frequency electromagnetic component in an electric waveguide structure
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- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高速光通信、光ス
イッチングネットワーク、光情報処理、光画像処理な
ど、各種光システムに用いられる、導波型光変調器や導
波型光スイッチなどの導波型光デバイスに関する。
イッチングネットワーク、光情報処理、光画像処理な
ど、各種光システムに用いられる、導波型光変調器や導
波型光スイッチなどの導波型光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】導波型光変調器および導波型光スイッチ
は、高速光通信、光スイッチングネットワーク、光情報
処理、光画像処理など、各種光システムの実現において
非常に重要な要素となるものである。導波型光変調器
は、さまざまな製造方法により、注目される数種の基板
上に形成される。しかしながら、導波型光デバイスの研
究の大半は、ＬｉＮｂＯ３や半導体（たとえばＧａＡｓ
系の）基板に関するものである。ＬｉＮｂＯ３へのチタ
ンの内拡散法によれば、良好な電気光学特性を備えた低
損失ストリップ状導波路を基板に形成するための、便利
で比較的簡単な方法が得られる。導波型光変調器の重要
なパラメータは、駆動電力（あるいは駆動電圧）と、変
調帯域幅と、挿入損失である。これらのパラメータのう
ち、変調帯域幅と駆動電圧とはトレード・オフの関係に
あった。すなわち、広い変調帯域幅と低い駆動電圧に対
する要請を、同時に満足することは困難であった。そこ
で、導波型光変調器の研究は、このトレード・オフの関
係を最適化することに集中している。
は、高速光通信、光スイッチングネットワーク、光情報
処理、光画像処理など、各種光システムの実現において
非常に重要な要素となるものである。導波型光変調器
は、さまざまな製造方法により、注目される数種の基板
上に形成される。しかしながら、導波型光デバイスの研
究の大半は、ＬｉＮｂＯ３や半導体（たとえばＧａＡｓ
系の）基板に関するものである。ＬｉＮｂＯ３へのチタ
ンの内拡散法によれば、良好な電気光学特性を備えた低
損失ストリップ状導波路を基板に形成するための、便利
で比較的簡単な方法が得られる。導波型光変調器の重要
なパラメータは、駆動電力（あるいは駆動電圧）と、変
調帯域幅と、挿入損失である。これらのパラメータのう
ち、変調帯域幅と駆動電圧とはトレード・オフの関係に
あった。すなわち、広い変調帯域幅と低い駆動電圧に対
する要請を、同時に満足することは困難であった。そこ
で、導波型光変調器の研究は、このトレード・オフの関
係を最適化することに集中している。
【０００３】導波型光変調器の帯域幅は、おもに、電極
の種類・材料・配置と、基板の誘電率に依存する。広帯
域の用途には、進行波電極が広く用いられている。その
概念は、電極を駆動伝送線路の延長として構成すること
である。そのため、電極の特性インピーダンスは、電源
およびケーブルの特性インピーダンスと同じでなくては
ならない。この場合の変調速度は、光波およびマイクロ
波の走行時間（または位相速度または有効屈折率）の差
により制限される。用い得る進行波電極構造としては、
1)非対称ストリップライン（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｓ
ｔｒｉｐ Ｌｉｎｅ（以下、ＡＳＬと略称する））型ま
たは非対称平面ストリップ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｃ
ｏｐｌａｎａｒ Ｓｔｒｉｐ（以下、ＡＣＰＳと略称す
る））型電極構造と、2)平面導波（Ｃｏｐｌａｎａｒ
Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ（以下、ＣＰＷと略称する））型
電極構造がある。
の種類・材料・配置と、基板の誘電率に依存する。広帯
域の用途には、進行波電極が広く用いられている。その
概念は、電極を駆動伝送線路の延長として構成すること
である。そのため、電極の特性インピーダンスは、電源
およびケーブルの特性インピーダンスと同じでなくては
ならない。この場合の変調速度は、光波およびマイクロ
波の走行時間（または位相速度または有効屈折率）の差
により制限される。用い得る進行波電極構造としては、
1)非対称ストリップライン（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｓ
ｔｒｉｐ Ｌｉｎｅ（以下、ＡＳＬと略称する））型ま
たは非対称平面ストリップ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｃ
ｏｐｌａｎａｒ Ｓｔｒｉｐ（以下、ＡＣＰＳと略称す
る））型電極構造と、2)平面導波（Ｃｏｐｌａｎａｒ
Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ（以下、ＣＰＷと略称する））型
電極構造がある。
【０００４】変調器の帯域幅は、マイクロ波減衰と、光
波およびマイクロ波の速度不整合により制限される。速
度不整合（および特性インピーダンス）とマイクロ波減
衰を抑制するには、バッファ層パラメータおよび電極パ
ラメータ、特に、信号電極の幅と、信号電極と接地電極
（ＡＣＰＳ型電極構造の場合には１つ、ＣＰＷ型電極構
造の場合には複数の接地電極）の間隔とを最適化すれば
よい。上述したように、駆動電圧と帯域幅とは、トレー
ド・オフの関係にある。駆動電圧は、他のパラメータに
加え、電波（すなわち、マイクロ波）と光波との重なり
積分、即ち、オーバーラップ積分に関連する。そして、
重なり積分は、バッファ層の厚さが増加するにつれて減
少し、バッファ層の厚さの増加は、駆動電圧を増大させ
る。
波およびマイクロ波の速度不整合により制限される。速
度不整合（および特性インピーダンス）とマイクロ波減
衰を抑制するには、バッファ層パラメータおよび電極パ
ラメータ、特に、信号電極の幅と、信号電極と接地電極
（ＡＣＰＳ型電極構造の場合には１つ、ＣＰＷ型電極構
造の場合には複数の接地電極）の間隔とを最適化すれば
よい。上述したように、駆動電圧と帯域幅とは、トレー
ド・オフの関係にある。駆動電圧は、他のパラメータに
加え、電波（すなわち、マイクロ波）と光波との重なり
積分、即ち、オーバーラップ積分に関連する。そして、
重なり積分は、バッファ層の厚さが増加するにつれて減
少し、バッファ層の厚さの増加は、駆動電圧を増大させ
る。
【０００５】ここで、重なり積分、バッファ層の厚さ、
及び駆動電圧の関係を更に詳細に説明する。
及び駆動電圧の関係を更に詳細に説明する。
【０００６】導波型光変調器において、電極は導波路上
に配置され、電界が電極を介して印加される。直線的光
電効果（ポッケルス効果）により、導波路の屈折率プロ
ファイルは印加電圧に比例して変化する。この屈折率の
変化の結果、電気光学的に位相シフトが誘導され、この
位相シフトの結果として、変調が行なわれる。
に配置され、電界が電極を介して印加される。直線的光
電効果（ポッケルス効果）により、導波路の屈折率プロ
ファイルは印加電圧に比例して変化する。この屈折率の
変化の結果、電気光学的に位相シフトが誘導され、この
位相シフトの結果として、変調が行なわれる。
【０００７】一般に、電気光学的に誘導された位相シフ
トΔｎは、印加電圧Ｖの関数として数１式で表される。
トΔｎは、印加電圧Ｖの関数として数１式で表される。
【０００８】
【数１】 ここで、ｎｅは基板結晶の異常光屈折率、ｒ33は基板結
晶の電気光学係数、Ｅ（ｘ，ｙ）は印加電界、Ｖは印加
電圧、Ｇは電極間の距離、Γは印加電界と光学モードフ
ィールド（以下、単に、光学フィールドと呼ぶ）との重
なり積分である。この重なり積分の値は、電極間の距離
と、導波路光学モードプロファイルと、電界プロファイ
ルと、バッファ層の厚さに依存する。そして、このΓの
値は０と１の間にあり、数２式で与えられる。
晶の電気光学係数、Ｅ（ｘ，ｙ）は印加電界、Ｖは印加
電圧、Ｇは電極間の距離、Γは印加電界と光学モードフ
ィールド（以下、単に、光学フィールドと呼ぶ）との重
なり積分である。この重なり積分の値は、電極間の距離
と、導波路光学モードプロファイルと、電界プロファイ
ルと、バッファ層の厚さに依存する。そして、このΓの
値は０と１の間にあり、数２式で与えられる。
【０００９】
【数２】 ここで、Φ（ｘ，ｙ）は二次元光学フィールドであり、
Ｅ（ｘ，ｙ）は二次元電界である。印加電界プロファイ
ルと光学フィールドプロファイル（すなわちモードプロ
ファイル）は異なるため、重なり積分Γは、これら２つ
のモードプロファイル間のオーバーラップ量をあらわ
す。
Ｅ（ｘ，ｙ）は二次元電界である。印加電界プロファイ
ルと光学フィールドプロファイル（すなわちモードプロ
ファイル）は異なるため、重なり積分Γは、これら２つ
のモードプロファイル間のオーバーラップ量をあらわ
す。
【００１０】電圧を減少させるためには、Γの値を、理
論的限界である１に限りなく近くなるよう増加させる必
要があるが、実際に達成可能な値は、バッファ層の厚
さ、電極の幅、間隔などのパラメータにより、０．３〜
０．６の範囲であった。
論的限界である１に限りなく近くなるよう増加させる必
要があるが、実際に達成可能な値は、バッファ層の厚
さ、電極の幅、間隔などのパラメータにより、０．３〜
０．６の範囲であった。
【００１１】相互作用長Ｌ（すなわち電極の長さ）にわ
たる誘導総位相シフト量Δβは数３式で与えられる。
たる誘導総位相シフト量Δβは数３式で与えられる。
【００１２】
【数３】 ここで、λは動作波長である。
【００１３】スイッチング動作（即ち、オン−オフ動
作）が、オン状態において、０の誘導位相シフト量、ま
たは、オフ状態において、πの誘導位相シフト量をとる
ことによって可能である。
作）が、オン状態において、０の誘導位相シフト量、ま
たは、オフ状態において、πの誘導位相シフト量をとる
ことによって可能である。
【００１４】ここで、電圧が０ボルトであるときには、
位相シフトは起こらず、変調器／スイッチはオンの状態
になる。他方、電圧Ｖが与えられると、πラジアンの位
相シフトが生じ、変調器／スイッチはオフの状態にな
る。
位相シフトは起こらず、変調器／スイッチはオンの状態
になる。他方、電圧Ｖが与えられると、πラジアンの位
相シフトが生じ、変調器／スイッチはオフの状態にな
る。
【００１５】ΔβＬの代わりに、πを置き換え、（４）
式を変形すると、電圧と長さの積ＶＬが数４式であらわ
される。
式を変形すると、電圧と長さの積ＶＬが数４式であらわ
される。
【００１６】
【数４】 Ｖπ（＝Ｖ）は位相シフトπに対応する印加電圧で、ス
イッチング電圧とも呼ばれる。このようにして、Γおよ
びＶπを計算することができる。まず、導波路の屈折率
プロファイルを計算し、次に、光学フィールドを固有モ
ード計算により計算する。また、印加電界プロファイル
も計算され、重なり積分Γと、ＶπＬ（またはＶＬ）と
が、（２）式および（４）式から得られる。
イッチング電圧とも呼ばれる。このようにして、Γおよ
びＶπを計算することができる。まず、導波路の屈折率
プロファイルを計算し、次に、光学フィールドを固有モ
ード計算により計算する。また、印加電界プロファイル
も計算され、重なり積分Γと、ＶπＬ（またはＶＬ）と
が、（２）式および（４）式から得られる。
【００１７】本発明者らは、厚い従来のＣＰＷ型電極構
造（ここでは従来型として考える）を用い、しかも、広
帯域で比較的駆動電圧の低い光変調器を実現した。これ
は、「Ａ ｗｉｄｅ−ｂａｎｄ Ｔｉ：ＬｉＮｂＯ３
ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｗｉｔｈ ａ
ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｃｏｐｌａｎａｒ ｗａｖ
ｅｇｕｉｄｅ ｔｙｐｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ（従来の
平面導波型電極を備えた、広帯域ＴＩ：ＬｉＮｂＯ３光
変調器）」と題する論文（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ
ｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第４巻第
９号（１９９２年）、１０２０〜１０２２頁）に開示さ
れている。しかし、同じ帯域幅を確保しつつさらに駆動
電圧を低下させることの要求がなお存在している。しか
しながら、既存の構造を用いて、更に低い駆動電圧と広
い帯域幅の要求を同時に満足させる構造を達成すること
は難しい。
造（ここでは従来型として考える）を用い、しかも、広
帯域で比較的駆動電圧の低い光変調器を実現した。これ
は、「Ａ ｗｉｄｅ−ｂａｎｄ Ｔｉ：ＬｉＮｂＯ３
ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｗｉｔｈ ａ
ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｃｏｐｌａｎａｒ ｗａｖ
ｅｇｕｉｄｅ ｔｙｐｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ（従来の
平面導波型電極を備えた、広帯域ＴＩ：ＬｉＮｂＯ３光
変調器）」と題する論文（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ
ｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第４巻第
９号（１９９２年）、１０２０〜１０２２頁）に開示さ
れている。しかし、同じ帯域幅を確保しつつさらに駆動
電圧を低下させることの要求がなお存在している。しか
しながら、既存の構造を用いて、更に低い駆動電圧と広
い帯域幅の要求を同時に満足させる構造を達成すること
は難しい。
【００１８】過去の研究すなわち特開平４−１７２３１
６号には、その解決策が与えられている。これは、基板
上に形成されるバッファ層の厚さを、電極の下の導波路
から離れた部分で変えて、低い駆動電圧と広い帯域幅で
の動作を可能とすることを意図したものである。しか
し、この構造は、信号電極の幅が導波路の幅よりもかな
り広いときにのみ可能である。
６号には、その解決策が与えられている。これは、基板
上に形成されるバッファ層の厚さを、電極の下の導波路
から離れた部分で変えて、低い駆動電圧と広い帯域幅で
の動作を可能とすることを意図したものである。しか
し、この構造は、信号電極の幅が導波路の幅よりもかな
り広いときにのみ可能である。
【００１９】一般に、導波型光デバイスにおいては、導
波路の幅は５〜８μｍ（拡散前のチタンストリップの
幅）であり、電極の幅および間隔はそれぞれ５〜８μｍ
および１５〜２８μｍであり、バッファ層の厚さは１〜
２μｍである。これらの値は、マイクロ波減衰や速度不
整合の減少ならびに特性インピーダンスを５０Ωに保つ
という観点から到達されたものである。この場合、電極
の幅と導波路の幅が等しいため、上述した先行技術例に
よって上記の問題を解決することはできず、先行技術例
で述べた利点は達成されないことは明らかである。電極
の幅を導波路の幅より大きくする場合には、それに対応
して電極間の間隔を増加させることにより、特性インピ
ーダンスを５０Ωに保つとともに、速度整合を達成しマ
イクロ波減衰の低減を図る必要がある。その理由は、こ
れらのファクターが電極の幅と間隔の比により制限を受
けるからである。
波路の幅は５〜８μｍ（拡散前のチタンストリップの
幅）であり、電極の幅および間隔はそれぞれ５〜８μｍ
および１５〜２８μｍであり、バッファ層の厚さは１〜
２μｍである。これらの値は、マイクロ波減衰や速度不
整合の減少ならびに特性インピーダンスを５０Ωに保つ
という観点から到達されたものである。この場合、電極
の幅と導波路の幅が等しいため、上述した先行技術例に
よって上記の問題を解決することはできず、先行技術例
で述べた利点は達成されないことは明らかである。電極
の幅を導波路の幅より大きくする場合には、それに対応
して電極間の間隔を増加させることにより、特性インピ
ーダンスを５０Ωに保つとともに、速度整合を達成しマ
イクロ波減衰の低減を図る必要がある。その理由は、こ
れらのファクターが電極の幅と間隔の比により制限を受
けるからである。
【００２０】また、特開平４−１９０３２２号には、や
はり信号電極の幅が導波路の幅と比べて大きい場合に適
用される、特開平４−１７２３１６号と同様な概念が開
示されている。
はり信号電極の幅が導波路の幅と比べて大きい場合に適
用される、特開平４−１７２３１６号と同様な概念が開
示されている。
【００２１】特開平４−２８８５３１号にも、同様な概
念が開示されており、ここでは、ＬｉＮｂＯ３基板の、
方向性結合器型導波路の両側の部分を物理的にエッチン
グしてリッジ型構造を構成し、そして結果的に、バッフ
ァ層の厚さを導波路上と外側とで異ならせる。これは上
述した各例と同様である。
念が開示されており、ここでは、ＬｉＮｂＯ３基板の、
方向性結合器型導波路の両側の部分を物理的にエッチン
グしてリッジ型構造を構成し、そして結果的に、バッフ
ァ層の厚さを導波路上と外側とで異ならせる。これは上
述した各例と同様である。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来技術で
は、いずれも、信号電極の幅と導波路の幅がほぼ同じ場
合について、何等、考慮されていないため、低い駆動電
圧と広い帯域幅という相反する要求のいずれをも満足さ
せる構造については何等開示されていない。
は、いずれも、信号電極の幅と導波路の幅がほぼ同じ場
合について、何等、考慮されていないため、低い駆動電
圧と広い帯域幅という相反する要求のいずれをも満足さ
せる構造については何等開示されていない。
【００２３】本発明の目的は、信号電極の幅と導波路の
幅がほぼ同じ場合にも、駆動電圧をできるだけ小さくし
て、必要な位相シフト量を得ることができる導波型光デ
バイスを提供することである。
幅がほぼ同じ場合にも、駆動電圧をできるだけ小さくし
て、必要な位相シフト量を得ることができる導波型光デ
バイスを提供することである。
【００２４】本発明の他の目的は、種々のタイプの電極
構造に適用して、駆動電圧を低減できる導波型光デバイ
スを提供することである。
構造に適用して、駆動電圧を低減できる導波型光デバイ
スを提供することである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】本発明では、重なり積分
の増加にしたがって、電圧−長さの積が減少するような
構成を実現することによって、駆動電圧を低減できる導
波型光デバイスが得られる。
の増加にしたがって、電圧−長さの積が減少するような
構成を実現することによって、駆動電圧を低減できる導
波型光デバイスが得られる。
【００２６】具体的に言えば、本発明によれば、電気光
学効果を有する結晶基板と、該結晶基板に設けられた少
なくとも１つの導波路と、前記結晶基板上に形成され、
上記導波路上の部分の厚さが上記導波路の断面方向にお
いて連続的あるいは階段状に変化するように構成され
た、誘電体のバッファ層と、１つの信号電極と上記１つ
の信号電極の両側に配置された２つの接地電極からなる
電極群とを備えた導波型光デバイスが得られる。
学効果を有する結晶基板と、該結晶基板に設けられた少
なくとも１つの導波路と、前記結晶基板上に形成され、
上記導波路上の部分の厚さが上記導波路の断面方向にお
いて連続的あるいは階段状に変化するように構成され
た、誘電体のバッファ層と、１つの信号電極と上記１つ
の信号電極の両側に配置された２つの接地電極からなる
電極群とを備えた導波型光デバイスが得られる。
【００２７】また、本発明によれば、電気光学効果を有
する結晶基板と、該結晶基板に設けられた少なくとも１
つの導波路と、前記結晶基板上に形成され、上記導波路
上の部分の厚さが上記導波路の断面方向において連続的
あるいは階段状に変化するように構成された誘電体のバ
ッファ層と、１つの信号電極と１つの接地電極からなる
電極群とを備えた導波型光デバイスが得られる。
する結晶基板と、該結晶基板に設けられた少なくとも１
つの導波路と、前記結晶基板上に形成され、上記導波路
上の部分の厚さが上記導波路の断面方向において連続的
あるいは階段状に変化するように構成された誘電体のバ
ッファ層と、１つの信号電極と１つの接地電極からなる
電極群とを備えた導波型光デバイスが得られる。
【００２８】
【作用】本発明は、導波路と信号電極の幅がほとんど等
しいことを考慮して、導波路上のバッファ層の厚さを制
御することにより、問題を解決する。電極およびバッフ
ァ層の適切な設計および最適パラメータの選択により、
マイクロ波減衰と速度不整合の減少ならびに特性インピ
ーダンスを５０Ωに保ち、これにより、低い駆動電圧と
広い帯域幅の両方を実現することができる。
しいことを考慮して、導波路上のバッファ層の厚さを制
御することにより、問題を解決する。電極およびバッフ
ァ層の適切な設計および最適パラメータの選択により、
マイクロ波減衰と速度不整合の減少ならびに特性インピ
ーダンスを５０Ωに保ち、これにより、低い駆動電圧と
広い帯域幅の両方を実現することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】まず、本発明の説明に先立ち、従
来の導波型光デバイスについて、簡単に説明する。図５
（ａ）は、従来の導波型光デバイスの平面図、図５
（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ｂ線に沿った断面図である。
図５（ａ）および（ｂ）を参照して、電気光学効果を有
する結晶基板１上に、入射側導波路２、出射側導波路
３、位相シフト導波路４が形成されている。結晶基板１
は、厚さＴを有するバッファ層５で被覆されている。バ
ッファ層５上には、信号電極６と２つの接地電極７およ
び８からなる電極構造が形成されている。
来の導波型光デバイスについて、簡単に説明する。図５
（ａ）は、従来の導波型光デバイスの平面図、図５
（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ｂ線に沿った断面図である。
図５（ａ）および（ｂ）を参照して、電気光学効果を有
する結晶基板１上に、入射側導波路２、出射側導波路
３、位相シフト導波路４が形成されている。結晶基板１
は、厚さＴを有するバッファ層５で被覆されている。バ
ッファ層５上には、信号電極６と２つの接地電極７およ
び８からなる電極構造が形成されている。
【００３０】入射側導波路２に入射した光は、分岐した
位相シフト導波路４により二分割される。信号電極６へ
の印加電圧に応じて位相シフト導波路４内の屈折率が変
化し、通過する光の位相が変化する。位相シフト導波路
４を通過した光はふたたび出射側導波路３において合成
され、位相の変化に応じた光量を有する出力光が得られ
る。
位相シフト導波路４により二分割される。信号電極６へ
の印加電圧に応じて位相シフト導波路４内の屈折率が変
化し、通過する光の位相が変化する。位相シフト導波路
４を通過した光はふたたび出射側導波路３において合成
され、位相の変化に応じた光量を有する出力光が得られ
る。
【００３１】以下、本発明に係る実施の形態を図面を参
照して説明する。従来例と同様な部分には同一の参照番
号を付してある。
照して説明する。従来例と同様な部分には同一の参照番
号を付してある。
【００３２】実施の形態１ 本発明の第１の実施の形態による導波型光デバイスの構
造を図１に示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ
−Ｂ線断面図である。
造を図１に示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ
−Ｂ線断面図である。
【００３３】図１（ａ）および（ｂ）を参照すると、電
気光学効果を有する結晶基板１上に、Ｙ字分岐型の入射
側導波路２および出射側導波路３と、位相シフト導波路
４が形成されている。これらの導波路は、幅５−２０μ
ｍ、厚さ５００−１２００オングストロームのチタン金
属膜ストリップを結晶基板上に成膜し、９００−１１０
０℃で５−１２時間、結晶基板中に内拡散することによ
り形成される。厚さ（Ｔ）０．３−１０μｍのバッファ
層５（誘電率１．２−４０の誘電体層）をその上に被覆
する。バッファ層５は、その厚さが導波路の一端(Ｔ)か
ら他端（ｔ‘））に向かって連続的に変化する（図１
（ｂ）の水平方向において）ように、構成される。より
具体的に言えば、図１（ｂ）からも明らかなように、下
部に導波路４を形成されていない接地電極８側に位置す
る断面方向の一端(Ｔ)から、下部に導波路４を形成され
ている接地電極７側に位置する断面方向の他端（ｔ’）
まで、バッファ層５の厚さは、厚い部分から薄い部分ま
で単調に変化していることが判る。ｔ‘の値は、ｔ’／
Ｔが０．２５−０．９になるように、要求される駆動電
圧値およびその他のマイクロ波設計パラメータに依存し
て決定された一定値を取る。バッファ層５上に、平面導
波（ＣＰＷ）型電極構造が形成される。これは、幅
（Ｗ）５−２０μｍ、長さ（Ｌ）１０−７０μｍ、厚さ
３−４０μｍの信号電極６と、幅１００−９０００μ
ｍ、長さ１０−７０ｍｍ、厚さ３−４０μｍの接地電極
７、８からなる。信号電極と接地電極との距離Ｇは、Ｗ
／Ｇの値が１−０．１（すなわちＧ＝５−２００μｍ）
になるような距離である。
気光学効果を有する結晶基板１上に、Ｙ字分岐型の入射
側導波路２および出射側導波路３と、位相シフト導波路
４が形成されている。これらの導波路は、幅５−２０μ
ｍ、厚さ５００−１２００オングストロームのチタン金
属膜ストリップを結晶基板上に成膜し、９００−１１０
０℃で５−１２時間、結晶基板中に内拡散することによ
り形成される。厚さ（Ｔ）０．３−１０μｍのバッファ
層５（誘電率１．２−４０の誘電体層）をその上に被覆
する。バッファ層５は、その厚さが導波路の一端(Ｔ)か
ら他端（ｔ‘））に向かって連続的に変化する（図１
（ｂ）の水平方向において）ように、構成される。より
具体的に言えば、図１（ｂ）からも明らかなように、下
部に導波路４を形成されていない接地電極８側に位置す
る断面方向の一端(Ｔ)から、下部に導波路４を形成され
ている接地電極７側に位置する断面方向の他端（ｔ’）
まで、バッファ層５の厚さは、厚い部分から薄い部分ま
で単調に変化していることが判る。ｔ‘の値は、ｔ’／
Ｔが０．２５−０．９になるように、要求される駆動電
圧値およびその他のマイクロ波設計パラメータに依存し
て決定された一定値を取る。バッファ層５上に、平面導
波（ＣＰＷ）型電極構造が形成される。これは、幅
（Ｗ）５−２０μｍ、長さ（Ｌ）１０−７０μｍ、厚さ
３−４０μｍの信号電極６と、幅１００−９０００μ
ｍ、長さ１０−７０ｍｍ、厚さ３−４０μｍの接地電極
７、８からなる。信号電極と接地電極との距離Ｇは、Ｗ
／Ｇの値が１−０．１（すなわちＧ＝５−２００μｍ）
になるような距離である。
【００３４】図６は、Ｔ＝１μｍの場合について、上述
のステップを行なって得られた電圧−長さの積の計算値
の例である。ｘ軸は、バッファ層の厚み減少部（ｔ´）
の厚さを、厚みが減少していない部分の厚さ（Ｔ）に対
する比としてあらわす。ｙ軸は、上記の式（２）および
（４）により計算された電圧−長さの積をあらわす。そ
の他の可変パラメータはＷ／Ｇ、すなわち、電極幅と、
信号電極と接地電極間の間隔との比である。ｔ´／Ｔ＝
１の値は図５の従来例の場合を示す。図から明らかなよ
うに、ｔ´が初期値Ｔから減少するにつれ、駆動電圧
（固定電極長Ｌについて）すなわち電圧−長さの積は減
少する。これは、本発明の目的とする成果である。同様
な曲線が図２乃至図４の構成から得られる。
のステップを行なって得られた電圧−長さの積の計算値
の例である。ｘ軸は、バッファ層の厚み減少部（ｔ´）
の厚さを、厚みが減少していない部分の厚さ（Ｔ）に対
する比としてあらわす。ｙ軸は、上記の式（２）および
（４）により計算された電圧−長さの積をあらわす。そ
の他の可変パラメータはＷ／Ｇ、すなわち、電極幅と、
信号電極と接地電極間の間隔との比である。ｔ´／Ｔ＝
１の値は図５の従来例の場合を示す。図から明らかなよ
うに、ｔ´が初期値Ｔから減少するにつれ、駆動電圧
（固定電極長Ｌについて）すなわち電圧−長さの積は減
少する。これは、本発明の目的とする成果である。同様
な曲線が図２乃至図４の構成から得られる。
【００３５】実施の形態２ 本発明の第２の実施の形態による導波型光デバイスの構
造を図２に示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ
−Ｂ線断面図である。
造を図２に示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ
−Ｂ線断面図である。
【００３６】図２（ａ）および（ｂ）を参照すると、電
気光学効果を有する結晶基板１上に、Ｙ字分岐型の入射
側導波路２および出射側導波路３と、位相シフト導波路
４が形成されている。これらの導波路は、幅５〜２０μ
ｍ、厚さ５００〜１２００オングストロームのチタン金
属膜ストリップを結晶基板上に成膜し、９００〜１１０
０℃で５〜１２時間、結晶基板中に内拡散することによ
り形成される。厚さ（Ｔ）０．３〜１０μｍのバッファ
層５（誘電率１．２〜４０の誘電体層）をその上に被覆
する。バッファ層５は、図２（ｂ）に示されているよう
に、その厚さが導波路の一端から他端に向かって階段状
に、且つ、単調に変化する（図２（ｂ）の水平方向にお
いて）ように構成される。ｔ´の値は、ｔ´／Ｔが０．
２５〜０．９になるように、要求される駆動電圧値およ
びその他のマイクロ波設計パラメータに依存して、一定
に定められる。バッファ層５上に、平面導波（ＣＰＷ）
型電極構造が、図２（ｂ）に示されるように、形成され
る。これは、幅（Ｗ）５〜２０μｍ、長さ（Ｌ）１０〜
７０ｍｍ、厚さ３〜４０μｍの信号電極６と、幅１００
〜９０００μｍ、長さ１０〜７０ｍｍ、厚さ３〜４０μ
ｍの２つの接地電極７、８からなる。信号電極と接地電
極との距離Ｇは、Ｗ／Ｇの値が１〜０．１（すなわちＧ
＝５〜２００μｍ）になるような距離である。
気光学効果を有する結晶基板１上に、Ｙ字分岐型の入射
側導波路２および出射側導波路３と、位相シフト導波路
４が形成されている。これらの導波路は、幅５〜２０μ
ｍ、厚さ５００〜１２００オングストロームのチタン金
属膜ストリップを結晶基板上に成膜し、９００〜１１０
０℃で５〜１２時間、結晶基板中に内拡散することによ
り形成される。厚さ（Ｔ）０．３〜１０μｍのバッファ
層５（誘電率１．２〜４０の誘電体層）をその上に被覆
する。バッファ層５は、図２（ｂ）に示されているよう
に、その厚さが導波路の一端から他端に向かって階段状
に、且つ、単調に変化する（図２（ｂ）の水平方向にお
いて）ように構成される。ｔ´の値は、ｔ´／Ｔが０．
２５〜０．９になるように、要求される駆動電圧値およ
びその他のマイクロ波設計パラメータに依存して、一定
に定められる。バッファ層５上に、平面導波（ＣＰＷ）
型電極構造が、図２（ｂ）に示されるように、形成され
る。これは、幅（Ｗ）５〜２０μｍ、長さ（Ｌ）１０〜
７０ｍｍ、厚さ３〜４０μｍの信号電極６と、幅１００
〜９０００μｍ、長さ１０〜７０ｍｍ、厚さ３〜４０μ
ｍの２つの接地電極７、８からなる。信号電極と接地電
極との距離Ｇは、Ｗ／Ｇの値が１〜０．１（すなわちＧ
＝５〜２００μｍ）になるような距離である。
【００３７】実施の形態３ 本発明の第３の実施の形態による導波型光デバイスの構
造を図３に示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ
−Ｂ線断面図である。
造を図３に示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ
−Ｂ線断面図である。
【００３８】図３（ａ）および（ｂ）を参照すると、電
気光学効果を有する結晶基板１上に、Ｙ字分岐型の入射
側導波路２および出射側導波路３と、位相シフト導波路
４が形成されている。これらの導波路は、幅５〜２０μ
ｍ、厚さ５００〜１２００オングストロームのチタン金
属膜ストリップを結晶基板上に成膜し、９００〜１１０
０℃で５〜１２時間、結晶基板中に内拡散することによ
り形成される。厚さ０．３〜１０μｍのバッファ層５
（誘電率１．２〜４０の誘電体層）をその上に被覆す
る。バッファ層５は、その厚さが導波路の一端から他端
に向かって連続的に変化する（図３（ｂ）の水平方向に
おいて）ように構成される。ｔ´の値は、ｔ´／Ｔが
０．２５〜０．９になるように、要求される駆動電圧値
およびその他のマイクロ波設計パラメータに依存して、
一定に定められる。バッファ層５上に、非対称ストリッ
プライン（ＡＳＬ）型または非対称平面ストリップ（Ａ
ＣＰＳ）型電極構造が形成される。これは、幅（Ｗ）５
〜２０μｍ、長さ（Ｌ）１０〜７０ｍｍ、厚さ３〜４０
μｍの信号電極６と、幅１００〜９０００μｍ、長さ１
０〜７０ｍｍ、厚さ３〜４０μｍの１つの接地電極７か
らなる。信号電極と接地電極との距離Ｇは、Ｗ／Ｇの値
が１〜０．１（すなわちＧ＝５〜２００μｍ）になるよ
うな距離である。
気光学効果を有する結晶基板１上に、Ｙ字分岐型の入射
側導波路２および出射側導波路３と、位相シフト導波路
４が形成されている。これらの導波路は、幅５〜２０μ
ｍ、厚さ５００〜１２００オングストロームのチタン金
属膜ストリップを結晶基板上に成膜し、９００〜１１０
０℃で５〜１２時間、結晶基板中に内拡散することによ
り形成される。厚さ０．３〜１０μｍのバッファ層５
（誘電率１．２〜４０の誘電体層）をその上に被覆す
る。バッファ層５は、その厚さが導波路の一端から他端
に向かって連続的に変化する（図３（ｂ）の水平方向に
おいて）ように構成される。ｔ´の値は、ｔ´／Ｔが
０．２５〜０．９になるように、要求される駆動電圧値
およびその他のマイクロ波設計パラメータに依存して、
一定に定められる。バッファ層５上に、非対称ストリッ
プライン（ＡＳＬ）型または非対称平面ストリップ（Ａ
ＣＰＳ）型電極構造が形成される。これは、幅（Ｗ）５
〜２０μｍ、長さ（Ｌ）１０〜７０ｍｍ、厚さ３〜４０
μｍの信号電極６と、幅１００〜９０００μｍ、長さ１
０〜７０ｍｍ、厚さ３〜４０μｍの１つの接地電極７か
らなる。信号電極と接地電極との距離Ｇは、Ｗ／Ｇの値
が１〜０．１（すなわちＧ＝５〜２００μｍ）になるよ
うな距離である。
【００３９】実施の形態４ 本発明の第４の実施の形態による導波型光デバイスの構
造を図４に示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ
−Ｂ線断面図である。
造を図４に示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ
−Ｂ線断面図である。
【００４０】図４（ａ）および（ｂ）を参照すると、電
気光学効果を有する結晶基板１上に、Ｙ字分岐型の入射
側導波路２および出射側導波路３と、位相シフト導波路
４が形成されている。これらの導波路は、幅５〜２０μ
ｍ、厚さ５００〜１２００オングストロームのチタン金
属膜ストリップを結晶基板上に成膜し、９００〜１１０
０℃で５〜１２時間、結晶基板中に内拡散することによ
り形成される。厚さ０．３〜１０μｍのバッファ層５
（誘電率１．２〜４０の誘電体層）をその上に被覆す
る。バッファ層５は、図４（ｂ）に示されるように、そ
の厚さが導波路の一端から他端に向かって階段状に、且
つ、単調に変化する（図４（ｂ）の水平方向において）
ように構成される。ｔ´の値は、ｔ´／Ｔが０．２５〜
０．９になるように、要求される駆動電圧値およびその
他のマイクロ波設計パラメータにより一定値に定められ
る。バッファ層５上に、非対称ストリップライン（ＡＳ
Ｌ）型または非対称平面ストリップ（ＡＣＰＳ）型電極
構造が、図４（ｂ）に示されるように、形成される。こ
れは、幅５〜２０μｍ、長さ１０〜７０ｍｍ、厚さ３〜
４０μｍの信号電極６と、幅１００〜９０００μｍ、長
さ１０〜７０ｍｍ、厚さ３〜４０μｍの１つの接地電極
７からなる。信号電極と接地電極との距離Ｇは、Ｗ／Ｇ
の値が１〜０．１（すなわちＧ＝５〜２００μｍ）にな
るような距離である。
気光学効果を有する結晶基板１上に、Ｙ字分岐型の入射
側導波路２および出射側導波路３と、位相シフト導波路
４が形成されている。これらの導波路は、幅５〜２０μ
ｍ、厚さ５００〜１２００オングストロームのチタン金
属膜ストリップを結晶基板上に成膜し、９００〜１１０
０℃で５〜１２時間、結晶基板中に内拡散することによ
り形成される。厚さ０．３〜１０μｍのバッファ層５
（誘電率１．２〜４０の誘電体層）をその上に被覆す
る。バッファ層５は、図４（ｂ）に示されるように、そ
の厚さが導波路の一端から他端に向かって階段状に、且
つ、単調に変化する（図４（ｂ）の水平方向において）
ように構成される。ｔ´の値は、ｔ´／Ｔが０．２５〜
０．９になるように、要求される駆動電圧値およびその
他のマイクロ波設計パラメータにより一定値に定められ
る。バッファ層５上に、非対称ストリップライン（ＡＳ
Ｌ）型または非対称平面ストリップ（ＡＣＰＳ）型電極
構造が、図４（ｂ）に示されるように、形成される。こ
れは、幅５〜２０μｍ、長さ１０〜７０ｍｍ、厚さ３〜
４０μｍの信号電極６と、幅１００〜９０００μｍ、長
さ１０〜７０ｍｍ、厚さ３〜４０μｍの１つの接地電極
７からなる。信号電極と接地電極との距離Ｇは、Ｗ／Ｇ
の値が１〜０．１（すなわちＧ＝５〜２００μｍ）にな
るような距離である。
【００４１】上に述べた実施の形態では、バッファ層５
の誘電率が１．２〜４０の場合について説明したが、
１．１の誘電率を有する材料を使用しても、同様な効果
が得られた。
の誘電率が１．２〜４０の場合について説明したが、
１．１の誘電率を有する材料を使用しても、同様な効果
が得られた。
【００４２】
【発明の効果】本発明によれば、導波路上すなわち信号
電極（および接地電極）の下に形成されるバッファ層
は、その一部の厚さが、他の部分よりも小さくなるよう
に構成される。その結果、マイクロ波（電波）と光波の
重なりは、導波路上のバッファ層の厚さが同一の場合と
比べて増加し、駆動電圧は減少する。バッファ層の厚さ
が、導波路の断面方向において、一端から他端に向かっ
て、徐々に減少するので、急激な厚さの差による損失は
少なくなる。電極およびバッファ層のパラメータを適切
に選択することにより、帯域幅を制限する要因である速
度不整合と総マイクロ波減衰を減少させることができ
る。
電極（および接地電極）の下に形成されるバッファ層
は、その一部の厚さが、他の部分よりも小さくなるよう
に構成される。その結果、マイクロ波（電波）と光波の
重なりは、導波路上のバッファ層の厚さが同一の場合と
比べて増加し、駆動電圧は減少する。バッファ層の厚さ
が、導波路の断面方向において、一端から他端に向かっ
て、徐々に減少するので、急激な厚さの差による損失は
少なくなる。電極およびバッファ層のパラメータを適切
に選択することにより、帯域幅を制限する要因である速
度不整合と総マイクロ波減衰を減少させることができ
る。
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本発明の第１
の実施の形態による導波型光デバイスの構成を示す平面
図及び断面図である。
の実施の形態による導波型光デバイスの構成を示す平面
図及び断面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本発明の第２
の実施の形態による導波型光デバイスの構成を示す平面
図及び断面図である。
の実施の形態による導波型光デバイスの構成を示す平面
図及び断面図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本発明の第３
の実施の形態による導波型光デバイスの構成を示す平面
図及び断面図である。
の実施の形態による導波型光デバイスの構成を示す平面
図及び断面図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本発明の第４
の実施の形態による導波型光デバイスの構成を示す平面
図及び断面図である。
の実施の形態による導波型光デバイスの構成を示す平面
図及び断面図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、従来の導波型
光デバイスの構成を示す平面図及び断面図である。
光デバイスの構成を示す平面図及び断面図である。
【図６】バッファ層の厚さと、駆動電圧−長さの積の関
係を示すグラフである。
係を示すグラフである。
１ 結晶基板 ２ 入射側導波路 ３ 出射側導波路 ４ 位相シフト導波路 ５ バッファ層 ６ 信号電極 ７ 接地電極 ８ 接地電極
Claims (12)
- 【請求項１】 電気光学効果を有する結晶基板と、該結
晶基板に設けられた少なくとも１つの導波路と、上記結
晶基板上に形成され、上記導波路上の部分の厚さが、上
記導波路の断面方向における一方の端部から他方の端部
まで、厚い部分から薄い部分まで、単調に変化する部分
を有する誘電体によって形成されたバッファ層と、前記
バッファ層厚さが変化する部分上に設けられた電極とを
備えたことを特徴とする導波型光デバイス。 - 【請求項２】 請求項１において、前記バッファ層の導
波路上の部分における厚さが、連続的に変化しているこ
とを特徴とする導波型光デバイス。 - 【請求項３】 請求項１又は２において、前記バッファ
層厚さが変化する部分は、１．１〜４０の誘電率を有す
る誘電体によって形成されていることを特徴とする導波
型光デバイス。 - 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかにおいて、前記
バッファ層上には、１つの信号電極と、上記１つの信号
電極の両側に配置された２つの接地電極からなる電極群
とが設けられており、前記バッファ層厚さが変化する部
分上には、前記信号電極及び前記接地電極のうち、少な
くとも前記信号電極が前記電極として配置されているこ
とを特徴とする導波型光デバイス。 - 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかにおいて、前記
バッファ層厚さが変化する部分は、０．３〜１０μｍの
範囲で変化することを特徴とする導波型光デバイス。 - 【請求項６】 電気光学効果を有する結晶基板と、該結
晶基板に設けられた少なくとも１つの導波路と、上記結
晶基板上に形成され、上記導波路上の部分の厚さが、上
記導波路の断面方向において一方の端部から他方の端部
まで、厚い部分から薄い部分まで、階段状に、且つ、単
調に変化する部分を有する誘電体によって形成されたバ
ッファ層と、前記バッファ層厚さが変化する部分上に設
けられた電極とを備えたことを特徴とする導波型光デバ
イス。 - 【請求項７】 請求項６において、前記バッファ層上に
は、１つの信号電極と上記１つの信号電極の両側に配置
された２つの接地電極からなる電極群とが設けられてお
り、前記バッファ層厚さが変化する部分上には、前記信
号電極と前記 接地電極のうち、少なくとも前記信号電極
が、前記電極として配置されていることを特徴とする導
波型光デバイス。 - 【請求項８】 請求項６または７において、前記バッフ
ァ層は、１．１〜４０の誘電率を有する誘電体によって
形成されていることを特徴とする導波型光デバイス。 - 【請求項９】 請求項６〜８のいずれかにおいて、前記
バッファ層厚さが変化する部分は、０．３〜１０μｍの
範囲で変化することを特徴とする導波型光デバイス。 - 【請求項１０】 請求項１または６において、前記バッ
ファ層上には、単一の信号電極と、単一の接地電極が配
置されており、前記バッファ層厚さが変化する部分上に
は、少なくとも前記単一の信号電極が前記電極として配
置されていることを特徴とする導波型光デバイス。 - 【請求項１１】 電気光学効果を有する結晶基板と、該
結晶基板に設けられた２つの導波路と、上記結晶基板上
に形成され、前記導波路上の部分の厚さが、上記導波路
の断面方向において一方の端部から他方の端部まで、厚
い部分から薄い部分まで、単調に、且つ、連続的に変化
する部分を有する誘電体によって形成されたバッファ層
とを備え、前記バッファ層厚さが変化する部分上には、
１つの信号電極と１つの接地電極とが、それぞれ配置さ
れていることを特徴とする導波型光デバイス。 - 【請求項１２】 電気光学効果を有する結晶基板と、該
結晶基板に設けられた２つの導波路と、上記結晶基板上
に形成され、前記導波路上の部分の厚さが、上記導波路
の断面方向において一方の端部から他方の端部まで、厚
い部分から薄い部分まで、階段状に、且つ、単調に変化
する部分を有する誘電体によって形成されたバッファ層
とを備え、前記バッファ層厚さが変化する部分上には、
１つの信号電極と１つの接地電極とが、それぞれ配置さ
れていることを特徴とする導波型光デバイス。
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