JP4149490B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、電気光学効果を利用して、光導波路に入射した光を高周波電気信号で変調して光信号パルスとして出射する光変調器に関する。

近年、高速、大容量の光通信システムが実用化されている。このような高速、大容量の光通信システムに組込むための高速、小型、かつ低価格の光変調器の開発が求められている。

このような要望に応える光変調器として、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、ＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）がある。このＬＮ光変調器は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ／ｓ、１０Ｇｂｉｔ／ｓの大容量光通信システムに適用されている。最近はさらに４０Ｇｂｉｔ／ｓの超大容量光通信システムにも適用が検討されている。

以下、従来、実用化され、又は提唱されてきたリチウムナイオベートの電気光学効果を利用した各ＬＮ光変調器の特徴を順番に説明していく。

（第１の従来技術）
図１５は、ｚ−カットＬＮ基板を用いて構成した特許文献１に開示された第１の従来技術のＬＮ光変調器についての斜視図であり、図１６は図１５のＡ−Ａ’線における断面図である。

ｚ−カットＬＮ基板１上に光導波路３が形成されている。この光導波路３は、金属Ｔｉを１０５０℃で約１０時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系（あるいは、マッハツェンダ光導波路）を構成している。したがって、光導波路３の電気信号と光が相互作用する部（相互作用部と言う）には２本の相互作用光導波路３ａ、３ｂ、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームが形成されている。

この光導波路３の上面にＳｉＯ_２バッファ層２が形成され、このＳｉＯ_２バッファ層２の上面に進行波電極４が形成されている。進行波電極４としては、１つの中心導体４ａと２つの接地導体４ｂ、４ｃを有するコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）を用いている。なお、通常、進行波電極４はＡｕにより形成されている。５はｚ−カットＬＮ基板１を用いて製作したＬＮ変調器に特有の焦電効果に起因する温度ドリフトを抑圧するための導電層であり、通常はＳｉ導電層を用いる。なお、説明の簡単のために、図１６においては図１５には図示したＳｉ導電層５を省略している。

変調用の高周波（ＲＦ）電気信号をこの光変調器の高周波電気信号給電線６を介して中心導体４ａと接地導体４ｂに供給すると、中心導体４ａと接地導体４ｂの間に電界が印加される。ｚ−カットＬＮ基板１は電気光学効果を有するので、この電界により屈折率変化を生じ、２本の相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の位相にずれが発生する。このずれがπになった場合、光導波路３のマッハツェンダ光導波路としての合波部において、高次モードを励振し、光はＯＦＦ状態になる。なお、７は高周波電気信号出力線であり、終端抵抗で置き換えても良い。

図１６からわかるように、図１５に示した特許文献１の光変調器の特徴としては、１）中心導体４ａの幅Ｓを相互作用光導波路３ａ、３ｂの幅とほぼ同じ６μｍ〜１２μｍ程度としている、２）中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間のギャップＷを１５μｍ〜３０μｍと広くしている、さらに３）相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃからなる進行波電極４を構成する金属による吸収を抑えるためにのみ使用されてきたＳｉＯ_２バッファ層２の比誘電率が４〜６と比較的低いことを利用して、ＳｉＯ_２バッファ層２の厚みＤを４００ｎｍ〜１．５μｍ程度と厚くすることにより、高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率ｎ_ｍを低減して、相互作用光導波路３ａ、３ｂを導波する光の等価屈折率ｎ_ｏに近づけるとともに、特性インピーダンスをなるべく５０Ωに近づけている。また、図１６に示した第１の従来技術では、特許文献２に開示された進行波電極４の厚みＴを厚くすることによりマイクロ波等価屈折率ｎ_ｍをよりいっそう低減して、光の等価屈折率ｎ_ｏに近づけている。

こうした構造をとることにより、中心導体４ａの幅Ｓが３０μｍ程度、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間のギャップＷが６μｍ程度、ＳｉＯ_２バッファ層２の厚みＤが３００ｎｍ程度であったそれまでの構造と比べて、光変調帯域、特性インピーダンスなど光変調器としての特性が大幅に改善できた。しかしながら、光変調帯域、駆動電圧、特性インピーダンスなどについてさらに改善された特性が必要となり、次に述べる第２の従来技術として、いわゆるリッジ構造が提案された。

（第２の従来技術）
第１の従来技術をさらに高性能化するために特許文献３に提案された、いわゆるリッジ構造を第２の従来技術として図１７に示す。図１７においてＢとして示した領域の拡大図を図１８に示す。図１８において、８ａは中心導体４ａの下のリッジ、８ｂは接地導体４ｂの下のリッジ、８ｃは接地導体４ｃの下のリッジである。また、９ａ、９ｂはリッジの底部、１０ａ、１０ｂ、１０ｃはリッジの頂部、１１ｂはリッジ８ａ、８ｂ間の空隙、１１ａはリッジ８ａ、８ｃ間の空隙である。

Ｈはリッジの高さ、Ｔは進行波電極の厚み、Ｄはリッジ８ａの底部９ａとリッジ８ａの頂部１０ａにおけるＳｉＯ_２バッファ層２の厚みである。１２は中心導体４ａの下にあるリッジ８ａの側壁に対する法線である。なお、ここではこの法線１２の方向におけるバッファ層の厚みもＤと仮定する。また、図１９において１３は中心導体４ａから出て接地導体４ｂ、４ｃに入る電気力線であり、相互作用光導波路３ａ、３ｂに作用してそれらの屈折率を変化させる（あるいは、相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光と相互作用するとも言える）。

この第２の従来技術ではｚ−カットＬＮ基板１に８ａや８ｂなどのリッジが形成されているので、電気力線１３はリッジ８ａ、８ｂ間の空隙１１ｂやリッジ８ａ、８ｃ間の空隙１１ａを感じるので、高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率ｎ_ｍがより低減して、相互作用光導波路３ａ、３ｂを導波する光の等価屈折率ｎ_ｏに近づく、あるいは特性インピーダンスが５０Ωに向かって高くなるという利点がある。さらに、電気力線１３には比誘電率が高い領域に閉じこもる性質があるので、相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光との相互作用の効率が高くなり、結果的に駆動電圧を低減できる。通常、リッジ８ａ、８ｂ、８ｃの高さＨとしては２〜５μｍ程度、進行波電極の厚みＴとしては６〜１８μｍ程度、ＳｉＯ_２バッファ層２の厚みとしては４００ｎｍ〜１．５μｍ程度が使用される。

この第２の従来技術により、光変調帯域、駆動電圧、特性インピーダンスなど、光変調器としての基本性能について図１６に示した第１の従来技術よりも大幅に改善された特性が実現できた。

しかしながら、この第２の従来技術にも改善すべき課題が残っている。つまり、ＳｉＯ_２バッファ層２の比誘電率は４〜６であり、ｚ−カットＬＮ基板１の比誘電率（基板表面に垂直方向と光導波路３の長手方向において異方性があるが、平均すると約３４）よりは小さいが、空気（比誘電率は１）よりも大きい。

そして、第２の従来技術において、図１７においてリッジ８ａ、８ｂ、８ｃの側壁に対する垂線の方向における（あるいはリッジ８ａ、８ｂ、８ｃの側壁における）ＳｉＯ_２バッファ層の厚みが、リッジの底部９ａ、９ｂとリッジの頂部１０ａ、１０ｂ、１０ｃにおけるＳｉＯ_２バッファ層２の厚みと等しい場合には、図１９から推測できるように、電気力線１３はリッジ８ａ、８ｂ間の空隙１１ｂやリッジ８ａ、８ｃ間の空隙１１ａの他に、リッジ８ａ、８ｂ、８ｃのスロープに堆積されたＳｉＯ_２バッファ層２の内部にも比較的多く存在している。

その結果、高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率ｎ_ｍを低減して、相互作用光導波路３ａ、３ｂを導波する光の等価屈折率ｎ_ｏに近づける、また特性インピーダンスをなるべく５０Ωに近づける、さらには駆動電圧を低減できるというリッジ構造の利点を最大限に利用できている訳ではない。なお、ここではリッジ８ａ、８ｂ、８ｃの側壁におけるＳｉＯ_２バッファ層の厚みとリッジの底部９ａ、９ｂと頂部１０ａ、１０ｂ、１０ｃにおけるＳｉＯ_２バッファ層２の厚みが等しいと仮定する。

なお、第２の従来技術の説明では説明をわかりやすくするためにＳｉＯ_２バッファ層２の厚みについてのみ述べたが、ｚ−カットＬＮ基板１を用いたＬＮ光変調器においては、温度ドリフトを抑圧するために、第１の従来技術である図１５に示したようなＳｉＯ_２バッファ層２の上のＳｉ導電層５が必要となる。ところが、ＳｉＯ_２バッファ層２の比誘電率は上に述べたように４〜６程度であるが、Ｓｉ導電層の比誘電率は１１〜１３程度と大きく、第２の従来技術について詳しく説明したＳｉＯ_２バッファ層２のリッジ側壁での厚みの問題は実際にはＳｉ導電層についても成り立っている。これについては、本発明の実施形態の項において説明する。
特開平２−５１１２３号公報 特開平１−９１１１１号公報 特開平４−２８８５１８号公報

以上のように、光変調帯域、駆動電圧、特性インピーダンスなどの光変調器としての特性を大幅に改善できた第２の従来技術も、リッジの側壁とリッジの底部あるいはリッジの頂部におけるＳｉＯ_２バッファ層の厚みがほぼ等しくなってしまう場合には、進行波電極を伝搬する高周波電気信号の電気力線がリッジの側壁のＳｉＯ_２バッファ層内にも多く存在する、あるいは長く通過し、その結果リッジ間の空隙を有効に利用できていない。そのため、高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率が充分に下がらず光との速度整合の状態に近づけていない（つまり、光変調の広帯域化が不充分である）、駆動電圧にまだ低減の余地がある、さらに特性インピーダンスを高めるという観点から改善の余地があるなどの問題があった。なお、温度ドリフトを抑圧するための導電層として用いられるＳｉ導電層についても、ＳｉＯ_２バッファ層と同じこれらの問題点を有している。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、光変調帯域が広く、駆動電圧が低く、特性インピーダンスについて改善された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に、本発明の請求項１の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、前記基板の上に形成されたＳｉＯ _２ バッファ層と、該ＳｉＯ _２ バッファ層の上に配置された中心導体と接地導体からなる進行波電極と、前記進行波電極を伝搬する高周波電気信号の電界強度が強い領域における前記基板の一部分の厚さを掘り下げにより少なくして、前記基板に形成したリッジと、該リッジに設けられた少なくとも一本の光導波路とを有する光変調器において、前記ＳｉＯ _２ バッファ層は、前記リッジの頂部、前記掘り下げにより形成されたリッジの底部、および前記リッジの側壁の各々に形成されており、且つ、前記進行波電極に印加される前記高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率が前記光導波路を伝搬する光の等価屈折率に近づくように、前記リッジの側壁に対する法線方向における前記ＳｉＯ _２ バッファ層の少なくとも一部の厚みを、前記リッジの底面における前記ＳｉＯ _２ バッファ層の厚み、もしくは前記リッジの頂部における前記ＳｉＯ _２ バッファ層の厚みの少なくとも一方の最も厚い部分の厚みの２／３以下としたことを特徴とする。

本発明の請求項２の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、前記基板の上に形成されたＳｉＯ _２ バッファ層と、該ＳｉＯ _２ バッファ層の上に形成された導電層と、該導電層の上に配置された中心導体と接地導体からなる進行波電極と、前記進行波電極を伝搬する高周波電気信号の電界強度が強い領域における前記基板の一部分の厚さを掘り下げにより少なくして、前記基板に形成したリッジと、該リッジに設けられた少なくとも一本の光導波路とを有する光変調器において、前記ＳｉＯ _２ バッファ層および前記導電層は、前記リッジの頂部、前記掘り下げにより形成されたリッジの底面、および前記リッジの側壁の各々に形成されており、且つ、前記進行波電極に印加される前記高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率が前記光導波路を伝搬する光の等価屈折率に近づくように、前記リッジの側壁に対する法線方向における前記導電層の少なくとも一部の厚みを、前記リッジの底面における前記導電層の厚み、もしくは前記リッジの頂部における前記導電層の厚みの少なくとも一方の最も厚い部分の厚みの２／３以下としたことを特徴とする。

本発明の請求項３の光変調器は、請求項１から請求項２に記載の光変調器において、前記進行波電極の前記中心導体付近に配置された前記光導波路を含む前記リッジの頂部の幅を、前記中心導体の幅とほぼ等しくしたことを特徴とする。

本発明の請求項４の光変調器は、請求項１から請求項２に記載の光変調器において、前記進行波電極の前記中心導体付近に配置された前記光導波路を含む前記リッジの頂部の幅を、前記中心導体の幅よりも広くしたことを特徴とする。

本発明の請求項５の光変調器は、請求項１から請求項２に記載の光変調器において、前記進行波電極の前記中心導体付近に配置された前記光導波路を含む前記リッジの頂部の幅を、前記中心導体の幅よりも狭くしたことを特徴とする。

本発明の請求項６の光変調器は、請求項１から請求項２に記載の光変調器において、前記中心導体の前記幅と前記リッジの頂部の前記幅との比が１／５より大きく１以下であることを特徴とする。

本発明の請求項７の光変調器は、請求項１から請求項２に記載の光変調器において、前記中心導体の前記幅と前記リッジの頂部の前記幅との比が１より大きく５以下であることを特徴とする。

本発明の請求項８の光変調器は、請求項１から請求項７に記載の光変調器において、前記リッジに設けられた少なくとも一本の光導波路を、前記ＳｉＯ _２ バッファ層を介して前記進行波電極の前記中心導体の真下に配置したことを特徴とする。

本発明に係る光変調器では、リッジの側壁におけるＳｉＯ_２バッファ層やＳｉ導電層の厚みを、リッジの底部あるいはリッジの頂部におけるＳｉＯ_２バッファ層やＳｉ導電層の厚みの少なくとも一方と比較して薄く形成することにより、進行波電極を伝搬する高周波電気信号の電気力線の内、リッジの側壁のＳｉＯ_２バッファ層やＳｉ導電層内に存在する電気力線の数を少なくする、あるいはＳｉＯ_２バッファ層やＳｉ導電層を通過する電気力線の長さを短くすることができる。そのため、電気力線はリッジ間の空隙とｚ−カットＬＮ基板のリッジ内とに有効に割り振られるので、マイクロ波等価屈折率ｎ_ｍを光の等価屈折率ｎ_ｏに有効に近づけることができ（さらには、ｎ_ｍ＝ｎ_ｏの速度整合状態となり）、光変調帯域を広くできる、また駆動電圧を低減できる、そして特性インピーダンスを高めることができるなど、光変調器としての特性を向上できるという効果がある。

以下、本発明の実施形態について説明するが、図１５乃至図１９に示した従来技術と同一の符号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一の符号を持つ機能部の説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１はＳｉＯ_２バッファ層１４の堆積条件を調整して製作した本発明の第１の実施形態に係わる光変調器の概略構成を模式的に示す断面図である。また、図２は図１のＣで示した領域の拡大図である。図１や図２からわかるように、本実施形態ではリッジ８ａの側壁におけるＳｉＯ_２バッファ層１４の厚みＤ’を、リッジの底部９ａ、９ｂ、あるいはリッジの頂部１０ａ、１０ｂ、１０ｃにおけるＳｉＯ_２バッファ層１４の厚みＤよりも薄くなるように形成している。なお、説明をわかりやすくするために、この第１の実施形態と次に述べる第２の実施形態については、図１９と同様に温度ドリフト抑圧のためのＳｉ導電層を省略している。

また、本発明における全ての実施形態では、リッジの底部９ａ、９ｂとリッジの頂部１０ａ、１０ｂ、１０ｃにおけるＳｉＯ_２バッファ層１４の厚みは異なっていても良いが、ここでは説明の簡単のために、リッジの底部９ａ、９ｂとリッジの頂部１０ａ、１０ｂ、１０ｃにおけるＳｉＯ_２バッファ層１４の厚みは図１８に示した第２の従来技術と同じＤとした。また、リッジ８ａの側壁におけるＳｉＯ_２バッファ層１４の厚みについては、リッジ８ｂ、８ｃの側壁についても同様であるが、以下ではリッジ８ａ、８ｂ、８ｃの側壁を代表してリッジ８ａの側壁について述べる。なお、これらの説明の簡略化は本明細書で取り上げた全ての実施形態について行っている。

リッジ８ａの側壁におけるＳｉＯ_２バッファ層１４の厚みＤ’を変数とした場合の高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率ｎ_ｍを図３に、光変調器の特性インピーダンスＺを図４に、３ｄＢ光変調帯域Δｆを図５に、半波長電圧Ｖπと相互作用光導波路の長さＬの積Ｖπ・Ｌを図６に示す。これらの図からわかるように、リッジ８ａの側壁におけるＳｉＯ_２バッファ層１４の厚みＤ’は、高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率ｎ_ｍ、特性インピーダンスＺ、３ｄＢ光変調帯域Δｆ、駆動電圧の大きさの目安となるＶπ・Ｌに大きく影響し、リッジ８ａの側壁におけるＳｉＯ_２バッファ層１４の厚みＤ’は薄い方が良いことがわかる。

つまり、リッジ８ａ（及び８ｂ、８ｃ）の側壁におけるＳｉＯ_２バッファ層１４の厚みＤ’が薄くなると、高周波電気信号の電気力線は８ａ（及び８ｂ）の側壁にあるＳｉＯ_２バッファ層の中に入り込みにくくなり、あるいは高周波電気信号の電気力線がＳｉＯ_２バッファ層１４を通過しても、その距離が短くなるので、リッジ間の空隙１１ａ（及び１１ｂ）とリッジ８ａ（及び８ｂ）に分布する。その結果、高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率ｎ_ｍを効果的に低減するとともに、高周波電気信号の電気力線は相互作用光導波路３ａ、３ｂと有効に相互作用する。この様子を模式的に図７に示す。ここで、高周波電気信号の電気力線は３０として示した。

この第１の実施形態では中心導体４ａの幅Ｓを９μｍ、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃとのギャップＷを３０μｍ、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの厚みＴを２６μｍ、リッジの高さＨを５μｍ、リッジの底部９ａ、９ｂとリッジの頂部１０ａ、１０ｂ、１０ｃにおけるＳｉＯ_２バッファ層１４の厚みＤを１．５μｍとしたが、この場合にはリッジ８ａの側壁におけるＳｉＯ_２バッファ層１４の厚みＤ’には最適値があり、約０．１６μｍであった。

なお、リッジ８ａの側壁におけるＳｉＯ_２バッファ層の厚みＤ’の最適値は、中心導体４ａの幅Ｓ、ギャップＷ、進行波電極の厚みＴ、リッジの高さＨ、リッジの底部９ａ、９ｂとリッジの頂部１０ａ、１０ｂ、１０ｃにおけるＳｉＯ_２バッファ層１４の厚みＤに依存することは言うまでもなく、上記の寸法以外の光変調器にも本発明は適用できる。さらに、詳しく述べると、リッジ８ａの側壁におけるＳｉＯ_２バッファ層１４の厚みＤ’としては、リッジの底部９ａ、９ｂとリッジの頂部１０ａ、１０ｂ、１０ｃにおけるＳｉＯ_２バッファ層１４の厚みＤの２／３以下であれば大きな効果があり、半分以下であれば著しい効果があることを確認した。以上のことは、本発明における第１の実施形態のみでなく本発明における全ての実施形態について適用できる。

また、リッジの底部９ａ、９ｂとリッジの頂部１０ａ、１０ｂ、１０ｃにおけるＳｉＯ_２バッファ層１４の厚みよりもリッジ８ａ、８ｂ、８ｃの側壁にあるＳｉＯ_２バッファ層の厚みを薄くするには、ＳｉＯ_２バッファ層の堆積条件を最適化することによっても可能であるし、さらにＳｉＯ_２バッファ層を堆積後にリッジ８ａ、８ｂ、８ｃの側壁にあるＳｉＯ_２バッファ層を部分的に、もしくは全体をエッチングしても良い。

なお、本発明におけるリッジの定義は広く、第１の実施形態のみならず、その他の実施形態においても、接地導体４ｂと４ｃのどちらか一方、あるいは両方の下方にあるｚ−カットＬＮ基板１は掘り下げなくても本発明の効果を発揮できる。この場合には、掘り下げた箇所は例えば図７においてリッジの底部として示した９ａあるいは９ｂのみとなる。

（第２の実施形態）
図８には、ＳｉＯ_２バッファ層１５の堆積条件を調整して製作した本発明の第２の実施形態に係わる光変調器の概略構成についての模式的な断面図を示す。また、図９には図８にＥとして示した領域の拡大図を示す。リッジ８ａ（及び８ｂ、８ｃ）の底部９ａ（及び９ｂ）とリッジの頂部１０ａ（及び１０ｂ、１０ｃ）におけるＳｉＯ_２バッファ層１５の厚みを異ならしめるとともに、その厚い方の厚みよりもリッジ８ａ（及び８ｂ、８ｃ）の側壁におけるＳｉＯ_２バッファ層の厚みを薄くしている。

なお、図８や図９からわかるように、この第２の実施形態では、リッジの底部９ａ、９ｂにおけるＳｉＯ_２バッファ層１５の厚みをリッジの頂部１０ａ、１０ｂ、１０ｃにおけるＳｉＯ_２バッファ層１５の厚みよりも厚くしている。つまり、図９においてはＤ＞Ｄ’’としている。また、この図とは逆にＤ＜Ｄ’’とした場合でもＤ’＜Ｄ’’が成り立てば良い。

つまり、リッジ８ａ（及び８ｂ、８ｃ）の側壁におけるＳｉＯ_２バッファ層の厚みが、リッジ８ａ（及び８ｂ、８ｃ）の底部９ａ（および９ｂ）もしくはリッジの頂部１０ａ（及び１０ｂ、１０ｃ）におけるＳｉＯ_２バッファ層１５の厚みの厚い方より薄ければ本発明に属すると言える。

（第３の実施形態）
図１０に、ＳｉＯ_２バッファ層１４と温度ドリフト抑圧用のＳｉ導電層１６の堆積条件を調整して製作した本発明の第３の実施形態に係わる光変調器の概略構成についての模式的な断面図を示す。また、図１１は図１０のＦで示した領域の拡大図である。これらの図は、図１や図２に示した本発明における第１の実施形態に、実際には使用するが図１や図２では説明の便宜のために省略した温度ドリフト抑圧用のＳｉ導電層１６を追加記載してより完全に説明をするものである。

というのは、前述のようにＳｉ導電層１６の比誘電率は１１〜１３と、ＳｉＯ_２バッファ層１４の比誘電率の４〜６よりもかなり大きく、例えば０．２μｍのＳｉ導電層１６は０．４μｍ〜０．６μｍ程度もの厚みのＳｉＯ_２バッファ層１４に対応する。その結果、実際にはＳｉ導電層１６がＬＮ光変調器の特性に与える影響は大きい。

これらの図からわかるように、本実施形態では、本発明の第１の実施形態について説明した全ての工夫に加えて、リッジ８ａの側壁におけるＳｉ導電層１６の厚みＫ’を、リッジの底部９ａ、９ｂ、あるいはリッジの頂部１０ａ、１０ｂ、１０ｃにおけるＳｉ導電層１６の厚みＫよりも薄くなるように形成している。

図７から類推できるように、図１１においてリッジ８ａの側壁におけるＳｉ導電層１６の厚みＫ’を薄くすることにより高周波電気信号の電気力線が比誘電率の高いＳｉ導電層１６を通過しにくくなり、高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率ｎ_ｍを低減する、光変調器の特性インピーダンスＺを高上する、さらには駆動電圧を低減するなどの効果がある。

なお、図１１においてこの第３の実施形態ほどの効果はないが、リッジ８ａの側壁におけるＳｉＯ_２バッファ層１４の厚みＤ’がリッジの底部９ｂ、あるいはリッジの頂部１０ａにおけるＳｉＯ_２バッファ層１４の厚みと等しくても（Ｄ’＝Ｄ）、リッジ８ａの側壁におけるＳｉ導電層１６の厚みＫ’を薄くすることにより本発明としての効果をある程度は発揮できる。

（第４の実施形態）
図１２には、ＳｉＯ_２バッファ層１５と温度ドリフト抑圧用のＳｉ導電層１６の堆積条件を調整して製作した本発明の第４の実施形態に係わる光変調器の概略構成についての模式的な断面図を示す。図１２は、図８に示した本発明における第２の実施形態に、実際には使用するが図８では説明の便宜のために省略した温度ドリフト抑圧用のＳｉ導電層１６を追加記載してより完全に説明をするものである。

これらの図からわかるように、本実施形態ではリッジ８ａの底部９ｂとリッジの頂部１０ａにおけるＳｉ導電層１６の厚みを異ならしめるとともに、その厚い方の厚みよりもリッジ８ａの側壁におけるＳｉ導電層１６の厚みＫ’を薄くしている。

なお、図１２からわかるように、この第４の実施形態では、リッジの底部９ｂにおけるＳｉ導電層１６の厚みをリッジの頂部１０ａにおけるＳｉ導電層１６の厚みよりも厚くしている。つまり、図１２においてはＫ＞Ｋ’’としている。また、この図とは逆にＫ＜Ｋ’’とした場合でもＫ’＜Ｋ’’ が成り立てば良い。

つまり、リッジ８ａの側壁におけるＳｉ導電層１６の厚みＫ’が、リッジの底部９ｂもしくはリッジの頂部１０ａにおけるＳｉ導電層１６の厚みの厚い方より薄ければ本発明に属すると言える。

なお、図１２においてこの第４の実施形態ほどの効果はないが、リッジ８ａの側壁におけるＳｉＯ_２バッファ層１５の厚みＤ’がリッジの底部９ｂ、あるいはリッジの頂部１０ａにおけるＳｉＯ_２バッファ層１５の厚みと等しくても（Ｄ’＝Ｄ、Ｄ’＝Ｄ’’、あるいはＤ’＝Ｄ’’＝Ｄ）、リッジ８ａの側壁におけるＳｉ導電層１６の厚みＫ’を薄くすることにより本発明としての効果をある程度は発揮できる。

（第５の実施形態）
図１３には、本発明の第５の実施形態に係わる光変調器の概略構成についての模式的な断面図を示す。ここで、Ｓは中心導体４ａの幅、Ｓ_Ｒはリッジ８ａの頂部の幅であり、中心導体４ａの幅Ｓはリッジ８ａの頂部の幅Ｓ_Ｒに等しいかより狭い場合を表している。また、２０は中心導体４ａの下側のエッジ、２１はリッジ８ａの頂部のエッジ、４０は接地導体４ｂの下側のエッジ、４１はリッジ８ｂの頂部のエッジである。

中心導体４ａの幅Ｓはリッジ８ａの頂部の幅Ｓ_Ｒよりも小さ過ぎると、高周波電気力線の多くがｚ−カットＬＮ基板１を通過するので、リッジ構造及び本発明としての効果が小さくなる。中心導体４ａの幅Ｓが広くなりリッジ８ａの頂部の幅Ｓ_Ｒに近づく、つまり中心導体４ａの下側のエッジ２０がリッジ８ａの頂部のエッジ２１に近づくとリッジ構造としての効果と本発明としての効果を有効に利用できる。そのため、中心導体４ａの幅Ｓとリッジ８ａの頂部の幅Ｓ_Ｒとの比は０．２〜１程度が望ましい。なお、同様のことは接地導体４ｂ、４ｃにも言えて、たとえば接地導体４ｂの下側のエッジ４０がリッジ８ｂの頂部のエッジ４１に近づくと本発明としての効果が大きい。

（第６の実施形態）
図１４には、本発明の第６の実施形態に係わる光変調器の概略構成についての模式的な断面図を示す。ここで、Ｓは中心導体４ａの幅、Ｓ_Ｒはリッジ８ａの頂部の幅であり、中心導体４ａの幅Ｓはリッジ８ａの頂部の幅Ｓ_Ｒより広い場合を表している。中心導体４ａの幅Ｓはリッジ８ａの頂部の幅Ｓ_Ｒより広すぎると、高周波電気信号の電気力線のうち、リッジ８ａ、８ｂあるいは８ｃの側面のバッファ層１４やＳｉ導電層１６の中に入る、あるいはそれらを通過する長さを低減するという本発明としての効果は薄れるので、中心導体４ａの幅Ｓとリッジ８ａの頂部の幅Ｓ_Ｒとの比は５倍よりは小さい方が望ましく、そうすることにより、リッジ構造の効果と本発明の効果を有効に利用できる。

（各実施形態）
分岐光導波路の例としてマッハツェンダ光導波路を用いたが、方向性結合器などその他の分岐合波型の光導波路にも本発明を適用可能であることは言うまでもなく、考え方は３本以上の光導波路にも適用可能であるし、光導波路が１本の位相変調器にも適用できる。また光導波路の形成法としてはＴｉ熱拡散法の他に、プロトン交換法など光導波路の各種形成法を適用できるし、バッファ層としてＡｌ_２Ｏ_３等のＳｉＯ_２以外の各種材料も適用できる。

また、ｚ−カットＬＮ基板について説明したが、その他のカットのＬＮ基板でも良いし、リチウムタンタレート基板、さらには半導体基板などその他の基板でも良い。なお、これまでＳｉ導電層はＳｉＯ_２バッファ層の「上」に配置するとして説明したが、この「上」は「上方」という広い意味であり、Ｓｉ導電層とＳｉＯ_２バッファ層の間にその他の膜を含んでいても良い。

以上の実施形態としては、リッジが３つある場合について説明したがリッジの数は１つや２つ、あるいはこれら以外の数でも良いし、複数のリッジの高さが異なっていても良いことは言うまでもない。また、本発明において述べているリッジは広い意味を表しており、例えば図７〜図１４においてｚ−カットＬＮ基板を掘り下げた箇所を９ａや９ｂのみとし、その他の場所は接地導体４ｂ、４ｃの下方も含め掘り下げない構造も含んでいる。

また、本発明において、リッジの側壁にあるＳｉＯ_２バッファ層の厚みを薄くするとは、リッジの側壁にあるＳｉＯ_２バッファ層の厚みの少なくとも一部がリッジの底部もしくはリッジの頂部におけるＳｉＯ_２バッファ層の最も厚い部分の厚みよりも薄ければ良い。また、以上における実施形態ではリッジの側壁は傾斜している場合を想定したが、垂直でも良いことは言うまでもない。

なお、リッジの側面の部分以外にレジストをパターニングし、リッジの側面のバッファ層全体をウェットエッチングもしくはドライエッチングにより除去しても良いが、その場合における最適なリッジの高さはリッジの側面にバッファ層がある場合よりは低くなる。
また、本発明の全ての実施形態において、ＳｉＯ_２バッファ層とＳｉ導電層はスパッタや電子ビーム蒸着等、各種の方法により成膜できる。そして、リッジの側壁におけるこれらの膜の厚みは成膜方法により異なるので、本発明の考え方にのっとりリッジの側壁のこれらの膜の厚みを含めて設計することにより、ＬＮ光変調器としての性能を充分に発揮することが可能となる。

電極構成としては構造が対称なＣＰＷ電極を用いた構成について説明したが、構造が非対称なＣＰＷ電極でも良いし、さらには非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）あるいは対称コプレーナストリップ（ＣＰＳ）など、その他の構成でも良いし、進行波電極を構成する中心導体と接地導体の一部が基板に接触していても良い。

一般に、中心導体４ａの下の相互作用光導波路３ｂについては、相互作用光導波路３ｂの水平方向における中心と中心導体４ａの水平方向における中心がほぼ一致するように、中心導体４ａのほぼ真下に相互作用光導波路３ｂを配置すると光変調の効率が最も高いが、中心導体４ａの幅が広い場合には中心導体４ａのエッジの下に相互作用光導波路３ｂを配置しても良い。

また、電気信号の出力側を４０Ωや５０Ωなどの終端器で終端しても良いことは言うまでもない。さらに、以上の説明では外部回路の特性インピーダンスとして５０Ω系として説明したが、リッジの側壁に形成したバッファ層の少なくとも一部を、リッジの底部もしくはリッジの頂部におけるバッファ層よりも薄くすることにより特性インピーダンスを高める限り、外部回路あるいは光変調器の特性インピーダンスが５０Ωに近くなくても本発明に帰属する。

以上のように、本発明に係る光変調器は、リッジの側壁におけるＳｉＯ_２バッファ層の厚みを、リッジの底部あるいはリッジの頂部におけるＳｉＯ_２バッファ層の厚みの少なくとも一方と比較して薄く形成することにより、マイクロ波等価屈折率ｎ_ｍを光の等価屈折率ｎ_ｏに有効に近づけることができ、光変調帯域が広く、駆動電圧が低く、特性インピーダンスについて改善された光変調器として有用である。

本発明の第１の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す断面図 図１におけるＣの領域の拡大図 同第１の実施形態の原理を説明する図 同第１の実施形態の原理を説明する図 同第１の実施形態の原理を説明する図 同第１の実施形態の原理を説明する図 同第１の実施形態の原理を説明する図 本発明の第２の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す断面図 図８におけるＥの領域の拡大図 本発明の第３の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す断面図 図１０におけるＦの領域の拡大図 本発明の第４の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す断面図 本発明の第５の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す断面図 本発明の第６の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す断面図 第１の従来技術の光変調器についての概略構成を示す斜視図 図１５のＡ−Ａ’における断面図 第２の従来技術の光変調器についての概略構成を示す断面図 図１７におけるＢの領域の拡大図 第２の従来技術の光変調器における問題点を説明する図

符号の説明

１：ｚ−カットＬＮ基板
２、１４、１５：ＳｉＯ_２バッファ層
３：マッハツェンダ光導波路
３ａ、３ｂ：マッハツェンダ光導波路を構成する相互作用光導波路
４：進行波電極
４ａ：中心導体
４ｂ、４ｃ：接地導体
５：Ｓｉ導電層
６：高周波（ＲＦ）電気信号給電線
７：高周波（ＲＦ）電気信号出力線
８ａ：中心導体４ａの下のリッジ
８ｂ：接地導体４ｂの下のリッジ
８ｃ：接地導体４ｃの下のリッジ
９ａ、９ｂ：リッジの底部
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ：リッジの頂部
１１ａ、１１ｂ：リッジ間の空隙
１２：リッジの側壁に対する法線
１３、３０：電気力線
１６：Ｓｉ導電層
２０：中心導体４ａの下側のエッジ
２１：リッジ８ａの頂部のエッジ
４０：接地導体４ｂの下側のエッジ
４１：リッジ８ｂの頂部のエッジ

Claims (8)

1. 電気光学効果を有する基板と、前記基板の上に形成されたＳｉＯ _２ バッファ層と、該ＳｉＯ _２ バッファ層の上に配置された中心導体と接地導体からなる進行波電極と、前記進行波電極を伝搬する高周波電気信号の電界強度が強い領域における前記基板の一部分の厚さを掘り下げにより少なくして、前記基板に形成したリッジと、該リッジに設けられた少なくとも一本の光導波路とを有する光変調器において、
   前記ＳｉＯ _２ バッファ層は、前記リッジの頂部、前記掘り下げにより形成されたリッジの底部、および前記リッジの側壁の各々に形成されており、且つ、
   前記進行波電極に印加される前記高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率が前記光導波路を伝搬する光の等価屈折率に近づくように、前記リッジの側壁に対する法線方向における前記ＳｉＯ _２ バッファ層の少なくとも一部の厚みを、前記リッジの底面における前記ＳｉＯ _２ バッファ層の厚み、もしくは前記リッジの頂部における前記ＳｉＯ _２ バッファ層の厚みの少なくとも一方の最も厚い部分の厚みの２／３以下としたことを特徴とする光変調器。
2. 電気光学効果を有する基板と、前記基板の上に形成されたＳｉＯ _２ バッファ層と、該ＳｉＯ _２ バッファ層の上に形成された導電層と、該導電層の上に配置された中心導体と接地導体からなる進行波電極と、前記進行波電極を伝搬する高周波電気信号の電界強度が強い領域における前記基板の一部分の厚さを掘り下げにより少なくして、前記基板に形成したリッジと、該リッジに設けられた少なくとも一本の光導波路とを有する光変調器において、
   前記ＳｉＯ _２ バッファ層および前記導電層は、前記リッジの頂部、前記掘り下げにより形成されたリッジの底面、および前記リッジの側壁の各々に形成されており、且つ、
   前記進行波電極に印加される前記高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率が前記光導波路を伝搬する光の等価屈折率に近づくように、前記リッジの側壁に対する法線方向における前記導電層の少なくとも一部の厚みを、前記リッジの底面における前記導電層の厚み、もしくは前記リッジの頂部における前記導電層の厚みの少なくとも一方の最も厚い部分の厚みの２／３以下としたことを特徴とする光変調器。
3. 前記進行波電極の前記中心導体付近に配置された前記光導波路を含む前記リッジの頂部の幅を、前記中心導体の幅とほぼ等しくしたことを特徴とする請求項１から請求項２に記載の光変調器。
4. 前記進行波電極の前記中心導体付近に配置された前記光導波路を含む前記リッジの頂部の幅を、前記中心導体の幅よりも広くしたことを特徴とする請求項１から請求項２に記載の光変調器。
5. 前記進行波電極の前記中心導体付近に配置された前記光導波路を含む前記リッジの頂部の幅を、前記中心導体の幅よりも狭くしたことを特徴とする請求項１から請求項２に記載の光変調器。
6. 前記中心導体の前記幅と前記リッジの頂部の前記幅との比が１／５より大きく１以下であることを特徴とする請求項１から請求項２に記載の光変調器。
7. 前記中心導体の前記幅と前記リッジの頂部の前記幅との比が１より大きく５以下であることを特徴とする請求項１から請求項２に記載の光変調器。
8. 前記リッジに設けられた少なくとも一本の光導波路を、前記ＳｉＯ _２ バッファ層を介して前記進行波電極の前記中心導体の真下に配置したことを特徴とする請求項１から請求項７に記載の光変調器。

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