JP4936313B2 - 光変調素子 - Google Patents

Description

本発明は、スラブ型２次元フォトニック結晶を利用した光機能素子に関するものである。

誘電率の異なる２種類の誘電体の繰返し構造を有する、フォトニック結晶を用いた光デバイスは、その内部多重反射現象を用いることによって、種々の高機能・超小形デバイスを実現できる。本デバイスの動作原理が多重反射現象に基づくために、フォトニック結晶基板の材質（屈折率N）と、フォトニック結晶構造の繰返し周期長ｄでほぼ決まる周波数付近で、デバイス特性は強い周波数（波長）依存性を持つ。この周波数依存性が本デバイスの特長になる。しかし、広い波長域で使用する場合には、この特長が逆に欠点にもなっていた。

スラブ型２次元フォトニック結晶を利用した光導波路は、例えば以下の文献に記載されている。
特開２００５−１７２９３２ 特開２００３−１５６６４２ 特開２００５−７０１６３ 特開２００２−３５０６５７

また、非特許文献1の図１では、スラブ型２次元フォトニック結晶内にマッハツェンダー型の光導波路を形成している。この素子はＳＯＩ型の素子であり、スラブ型２次元フォトニック結晶、絶縁層（バッファ層）、支持基板はすべてシリコンからなる。
「IEEE PHOTONICSTECHNOLOGY LETTERS」 VOL. 17, No.10, October 2005 ‘’Thermooptic Switch Based on Photonic-Crystal Line-DefectWaveguides’’

また、非特許文献２では、やはりＳＯＩ型の素子において、シリコン基盤上に酸化珪素バッファ層を挟んでスラブ型２次元フォトニック結晶を設けており、導波部の直下には空洞を設けている（図３）。これはマッハツェンダー型の光変調素子ではない。
「応用物理」 第７４巻、第２号 （２００５） 「二次元・三次元フォトニック結晶の現状と将来展望」

例えば、２次元3角格子フォトニック結晶基板に進行波形電極を形成し、電極に外部から高周波信号を入力することによって、高速光機能デバイスを実現することが期待できる。

本発明者は、フォトニック結晶構造と特性の関係について詳細な検討を行った。この結果、フォトニックバンド端近傍において、実効EO定数増大と共に光群屈折率GNoも同時に大きくなる事が判明した。なお、通常のTi拡散パルクニオブ酸リチウム基板を用いた変調器の光群屈折率は、波長1.5μｍ帯でGNo＝2.2程度の大きさになる。一方、フォトニック結晶デバイスにおいて、通常のデバイス構成をとると、この場合の進行波電極のマイクロ波信号の実効屈折率Nmは、２程度の大きさになる事が分かった。このためにEO定数増大効果が著しい波長領域で本デバイスを動作させる場合、ＧＮoが２より大幅に大きくなるために、マイクロ波と光波との間の速度不整合に起因し、動作速度上限の制約を大きく受けることが判明した。

本発明の課題では、変調器構造の改良によって、進行波形電極を伝搬する信号波と光波との間の速度不整合を抑制し、優れたフォトニック結晶特性発現と共に高速動作が可能な光変調器を提供することである。

本発明に係る進行波形光変調素子は、
誘電体層と、誘電体柱によって形成されている複数列の格子列と、誘電体柱が形成されていない欠陥領域からなる導波部とを備えており、平面的に見て前記導波部の右側および左側にそれぞれ複数列の前記格子列が配列されているスラブ型２次元フォトニック結晶層、
誘電体層の上面上に形成されており、導波部を伝搬する光に変調電圧を印加するための接地電極および信号電極、
誘電体層の背面上に積層されている高誘電率層、および
誘電体層の背面上に設けられ、導波部およびこの導波部から見て右側および左側に少なくとも１〜３列目の格子列が接する低誘電率部を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、誘電体層に対して高誘電率層を積層することで、進行波電極を伝搬する信号波の実効屈折率Nmを著しく大きくでき、これによって光群屈折率GNoとの速度整合を達成し、変調帯域を広げることができる。これと同時に、導波部から少なくとも１〜３列目の格子列が面する低誘電率部を設けることによって、光波の高誘電率層内への漏れを防止し、光波の伝搬損失を低減して実用的な水準にとどめることができる。このように、本発明は、スラブ型２次元フォトニック結晶を用いた光変調素子の分野において、広帯域化を可能としたものであり、産業上の利用価値は大きい。

フォトニック結晶とは、屈折率の異なる複数種の媒質によって、光の波長と同程度の周期性を形成した多次元周期構造体であり、電子のバンド構造に似た光のバンド構造を有する。そのため、特定の構造には光の禁制帯（フォトニックバンドギャップ）が表れる。禁制帯を有するフォトニック結晶は、光の絶縁体として機能する。

フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶に、周期性を乱す線欠陥を導入すると、バンドギャップの周波数領域内に導波モードが形成され、光を閉じ込める光導波路を実現できる。

スラブ型２次元フォトニック結晶とは、誘電体薄スラブに、誘電体薄スラブよりも低い屈折率の円柱状又は多角柱状の低屈折率柱を適当な２次元周期間隔で設け、さらに誘電体薄スラブの上下を誘電体薄スラブよりも低い屈折率を持つ上部クラッドと下部クラッドとで挟んだフォトニック結晶のことである。

２次元フォトニック結晶を導波路として用いる場合、２次元面に垂直な方向の光の閉じ込めが必要になる。このため、光導波路を形成する方法はいくつか提案されているが、いずれも本発明において使用できる。

例えば、低屈折率の誘電体（酸化物又はポリマー）の上に高屈折率の半導体（屈折率３から３．５程度）の薄膜を付けた構造に２次元フォトニック結晶を作り込んだ構造（酸化物クラッド２次元スラブ型フォトニック結晶）は、最も容易に大面積のものが作製可能であり、好ましい。
また、Silicon-On-Insulator（ＳＯＩ）と呼ばれる、二酸化珪素（ＳｉＯ２）上に珪素（Ｓｉ）薄膜がついた基板を用いることにより、高品質の酸化物クラッド型２次元スラブフォトニック結晶を作製することができる。

誘電体スラブ材料に、LiNbO3, LiTaO3, PLZT,KTN,BaTiO3 等の電気光学結晶、珪素、ゲルマニウム、ガリウム・砒素系化合物、インジウム・燐系化合物、又は、インジウム・アンチモン系化合物を添加することができる。また、誘電体柱の材料に、二酸化珪素、ポリイミド系有機化合物、エポキシ系有機化合物、アクリル系有機化合物を利用できる。また、誘電体柱は、固体である必要はなく、空気などの気体でもよく更に真空でもよい。

また、誘電体柱は、規則的な格子を形成するように配列する必要がある。このような格子の形態は特に限定されないが、三角格子、正方形格子を例示できる。

誘電体柱部の平面形状は特に限定されず、等辺多角形、真円形、楕円形などであってよい。等辺多角形の角数は限定されないが、正三角形、正方形、正五角形、正六角形，正八角形が好ましい。また、誘電体柱の平面形状は真円が特に好ましいが、この場合にも、製造上の誤差は許容される。具体的には、測定限界や誤差、材料の物性値あるいは加工エッチング速度の異方性を考慮すると、長径／短径比が１．００±０．１以内であることが好ましく、１．００±０．０５以内であることが更に好ましい。

群屈折率GNeff、実効ＥＯ定数は以下のように定義されるものである。
GNeff＝ｃ／［Neff−λ・（ΔＮeff／Δλ）］
（ｃ：真空中の光速， λ：波長， Neff：導波光の実効屈折率）
実効EO定数＝導波光の実効屈折率の変化量／基板（バルク）の屈折率変化量
基板（パルク）の屈折率変化は、例えばポッケルス効果，ＴＯ効果（温度変化に伴う屈折率変化），プラズマ効果（半導体への電流注入に伴う屈折率変化）等により発現できる。

本発明は、進行波形光変調器に利用できる。

本発明の光導波路構造は、電磁波に対して効果があるために、基板材質・周期長ｄを適当に設定すれば、光波以外の電磁波に対しても同様の効果が得られる。このような電磁波としては、マイクロ波、テラヘルツ波を例示できる。

以下、図面を適宜参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る光機能素子１を示す断面図である。
スラブ型２次元フォトニック結晶層２９は、誘電体層４と、誘電体層４に形成された誘電体柱からなる格子列７Ａ、７Ｂ、７Ｃ・・・・・・からなる。複数の格子列が格子構造５を構成する。図１において右側の格子列と左側の格子列との間には、誘電体柱が形成されていない欠陥領域があり、導波部６を構成している。

誘電体層４の上面４ａ側に接地電極８と信号電極９とが形成されている。ただし、接地電極、信号電極と誘電体層とが直接接触していると、特に導波部６の付近では、導波光の電極内への漏れによって、光の伝搬損失が増大する傾向がある。このため、本例では、接地電極および信号電極を、誘電体層４から離して浮上させ、接地電極、信号電極と誘電体層との間に間隙を設けてある。

このように、接地電極、信号電極と誘電体層との間に間隙を設ける方法は特に限定されない。例えば、別体の基板の表面に接地電極および信号電極を形成し、この基板を定位置に固定できる。あるいは、接地電極、信号電極をそれぞれ薄い平板とし、各平板を定位置に固定することができる。

誘電体層４の背面４ｂ側には、高誘電率層２が接合され、一体化されている。高誘電率層２の上面２ａ側には、所定の低誘電率部３が形成されている。導波部６は低誘電率部３に面している。これと共に、導波部６から１〜３列目に位置する格子列７Ａ、７Ｂおよび７Ｃ下には低誘電率部３が存在する。本例では、導波部６から４列目以降の格子列７Ｄ、７Ｅ・・・・の下には低誘電率部３上は存在しておらず、高誘電率層２が設けられている。

ここで、導波部６から１〜３列目の格子列までは低誘電率部３を設ける必要がある。なぜなら、光は、導波部内を伝搬するだけでなく、光エネルギーの一部は導波部６から近傍の格子列７Ａ、７Ｂ、７Ｃへと向かって拡散していた。そして、導波部６、および格子列の直下に高誘電率層を設けると、光の漏れによって伝搬損失が生ずる。本発明者の検討では、特に導波部６から３列目までは低誘電率部を設けることが必要であることがわかった。

導波部から４列目以降については、低誘電率部を設けることは必須ではない。しかし、光の伝搬効率という観点からは、導波部から４列目の格子列まで低誘電率部を設けることが好ましく、導波部から５列目の格子列まで低誘電率部を設けることが更に好ましい。一方、低誘電率部を大きくすると、今度は電極における信号波の実効屈折率が低下するので、この観点からは、低誘電率部を小さくすることが好ましい。

図２に模式的に示すように、接地電極８と信号電極９との間に、交流電源１０から変調電圧を印加する。矢印Ａのように導波部６へと基本光を入射させ、所定の変調を加え、矢印Ｂのように出射させる。１１は抵抗である。

好適な実施形態においては、接地電極、信号電極と誘電体層との間にバッファ層を設ける。例えば、図３に示す素子１Ａにおいては、誘電体層４の上面４ａ上に接地電極８および信号電極９が形成されている。これと共に、接地電極、信号電極と誘電体層との間にはバッファ層１２が形成されている。バッファ層１２は、電極の全面にわたって形成されていてもよいが、その必要はない。しかし、導波部から５列目の格子列までは光が拡散しやすいので、導波部から少なくとも５列目の格子列まではバッファ層を介在させることが好ましい。

信号電極、接地電極と誘電体層との間に介在させるバッファ層の材質は特に限定されないが、
SiO2、ポリマーを例示できる。

高誘電率層の材質は特に限定されないが、前記誘電体層材質、あるいは代表的な強誘電体として以下を例示できる。
εhs＝ ５−１０： Al2O3＋SiO2系セラミック
εhs＝ １０−１００： Al2O3＋SiO2+BaTiO3系
εhs＝ １００以上： 擬似タングステンブロンズ構造のセラミック、タングステンブロンズ構造のセラミック
その他： BaTiO3、

また、好適な実施形態においては、導波部から見て少なくとも５列目までは接地電極、信号電極を形成せず、導波部から見て６列目の格子列以遠の格子列を被覆するように、接地電極、信号電極を形成する。これによって、導波部から拡散してくる光の電極内への漏れを防止できる。例えば図４（ａ）に示す素子１Ｂにおいては，導波部６から見て１〜５列の格子列７Ａ〜７Ｅまでは、接地電極、信号電極を形成しておらず、６列の格子列７Ｆ以遠において、誘電体層４上に接地電極、信号電極を形成している。

また、好適な実施形態においては、接地電極および信号電極下に格子列が設けられていない。更に好ましくは、導波部から６列目以遠の格子列が設けられていない。この場合には、導波部から６列目以遠において、接地電極および信号電極が形成されることとなり、接地電極下、信号電極下には格子列は設けられていない。

使用する波長域によっては導波光は導波部６近傍に集光する。従って、このような波長域で動作させる場合、例えば６列目以遠では導波光強度は極めて微弱なために、格子列を形成しなくても光導波特性には影響しない。したがって、図４（ｂ）に示す素子１Ｅのように、格子列を例えば５列目まで形成し、６列目以遠では格子列を形成せず、その平板状誘電体層４上に接地電極８もしくは信号電極９を配置してもよい。この場合、電極下のバッファ層がないので、誘電体層に加わる実効的印加電圧が強まり、動作効率が向上する。また、格子列がない平板上に電極を形成すれば良いので、金属膜を容易に製作でき、かつ膜厚を精度よく均一に制御できる利点がある。

以上述べてきた例では、誘電体層と高誘電率層とが、それぞれ別体として形成されていた。しかし、誘電体層と高誘電率層とは、成形時に別体である必要はない。一体のスラブ基板を加工することによって、誘電体層と高誘電率層とを形成することが可能である。ただし、この場合には、誘電体層と高誘電率層とが同じスラブ材料によって形成されることになる。

例えば、図５に示す素子１Ｃにおいては、誘電体層１４と高誘電率層１５とが、一体のスラブ基板１３に形成されている。スラブ型２次元フォトニック結晶層２９は、誘電体層１４と、誘電体層１４に形成された誘電体柱からなる格子列７Ａ、７Ｂ、７Ｃ・・・・・・からなる。

基板１３の上面１３ａ側に接地電極８と信号電極９とが形成されている。ただし、接地電極、信号電極と誘電体層との間にはバッファ層を形成してよい。あるいは、導波部から少なくとも５列目までの格子列上には接地電極、信号電極を形成しないようにできる。格子列の直下に高誘電率層１５が設けられている。導波部６は低誘電率部３に面している。これと共に、導波部６から１〜３列目に位置する格子列７Ａ、７Ｂおよび７Ｃ下には低誘電率部３が存在する。本例では、導波部６から４列目以降の格子列７Ｄ、７Ｅ・・・・の下には低誘電率部３上は存在しておらず、高誘電率層１５が設けられている。

なお、図６の素子１Ｄにおいては、低誘電率部１６の幅が更に大きくなっている。本例では、例えば、すべての格子列の直下に低誘電率部を設けており、各格子列が低誘電率部１６に面している。この場合には、導波部６を伝搬する光の漏れの防止という観点からは優れている。しかし、電極を伝搬する信号波の実効屈折率は低下する。

以下、本発明の光機能素子を、マッハツェンダー型の光導波路を有する素子に適用した例を述べる。図７は、この実施形態に係る素子を模式的に示す平面図である。

本例では、導波部２０がマッハツェンダー型導波路を形成している。すなわち、入射光Ａ側には一列の導波部２０Ａが形成されており、出射光Ｂ側にも一列の導波部２０Ｄが形成されている。導波部２０Ａと２０Ｄとの間には、分岐した一対の導波部２０Ｂと２０Ｃとが形成されている。

ここで、各導波部における構造は、本発明にしたがって構成する。したがって、例えば前述した図１〜図６に示したような構造であってよい。図８〜図１２は、マッハツェンダー型の導波路構造を有する本発明のフォトニック素子を例示する断面図である。

図８の素子２１では、スラブ型２次元フォトニック結晶層２９は、誘電体層４と、誘電体層４に形成された誘電体柱からなる格子列７Ａ、７Ｂ、７Ｃ・・・・・・からなる。図８においては、接地電極８Ａ、８Ｂ下、信号電極９下に、それぞれ格子列が形成されている。また、接地電極８Ａと信号電極９との間、接地電極８Ｂと信号電極９との間にも、それぞれ、導波部２０Ｂ，２０Ｃが形成されている。

誘電体層４の背面４ｂ側には、高誘電率層２が接合され、一体化されている。高誘電率層２の上面２ａ側には、所定の低誘電率部３Ａ、３Ｂが形成されている。導波部２０Ｂは低誘電率部３Ａに面しており，導波部２０Ｃは低誘電率部３Ｂに面している。これと共に、導波部２０Ｂ、２０Ｃから１〜３列目に位置する格子列７Ａ、７Ｂおよび７Ｃ下までは低誘電率部３Ａ、３Ｂが存在する。本例では、導波部２０Ａ、２０Ｂから４列目以降の格子列７Ｄ、７Ｅ・・・・の下には低誘電率部３上は存在しておらず、高誘電率層２が設けられている。

図９の素子２１Ａでは、スラブ型２次元フォトニック結晶層２９は、誘電体層４と、誘電体層４に形成された誘電体柱からなる格子列７Ａ、７Ｂ、７Ｃ・・・・・・からなる。図９においては、接地電極８Ａ、８Ｂ下、信号電極９下に、それぞれ格子列が形成されている。また、接地電極８Ａと信号電極９との間、接地電極８Ｂと信号電極９との間にも、それぞれ、導波部２０Ｂ，２０Ｃが形成されている。

誘電体層４の上面４ａ側には、高誘電率層２２が接合され、一体化されている。高誘電率層２２の上面２２ｂは平坦であるが、下面２２ａ側には、所定の低誘電率部２３Ａ、２３Ｂが形成されている。導波部２０Ｂは低誘電率部２３Ａに面しており，導波部２０Ｃは低誘電率部２３Ｂに面している。これと共に、導波部２３Ｂ、２３Ｃから３列目に位置する格子列７Ａ、７Ｂおよび７Ｃ下までは低誘電率部が存在する。本例では、導波部２０Ｂ、２０Ｃから４列目以降の格子列７Ｄ、７Ｅ・・・・の上には低誘電率部は存在しておらず、高誘電率層２２が設けられている。

図１０の素子２１Ｂでは、誘電体層４の上面４ａ側には、高誘電率層２２が接合され、一体化されている。高誘電率層２２の上面２２ｂは平坦であるが、下面２２ａ側には、所定の低誘電率部２３Ａ、２３Ｂが形成されている。導波部２０Ｂは低誘電率部２３Ａに面しており，導波部２０Ｃは低誘電率部２３Ｂに面している。これと共に、導波部２３Ｂ、２３Ｃから３列目に位置する格子列７Ａ、７Ｂおよび７Ｃまでは低誘電率部２３Ａ、２３Ｂが存在する。本例では、導波部２０Ｂ、２０Ｃから４列目以降の格子列７Ｄ、７Ｅ・・・・の上には低誘電率部２Ａ、２３Ｂは存在しておらず、高誘電率層２２が設けられている。

また、誘電体層４の背面４ｂ側には、高誘電率層２が接合され、一体化されている。高誘電率層２の上面２ａ側には、所定の低誘電率部３Ａ、３Ｂが形成されている。導波部２０Ｂは低誘電率部３Ａに面しており，導波部２０Ｃは低誘電率部３Ｂに面している。これと共に、導波部２０Ｂ、２０Ｃから３列目に位置する格子列７Ａ、７Ｂおよび７Ｃ下までは低誘電率部３Ａ、３Ｂが存在する。本例では、導波部２０Ｂ、２０Ｃから４列目以降の格子列７Ｄ、７Ｅ・・・・の下には低誘電率部３Ａ、３Ｂは存在しておらず、高誘電率層２が設けられている。

また、高誘電率層とは別体の支持基板を設け、高誘電率層と支持基板とを接合し、一体化することができる。この場合には、支持基板は高誘電率材料によって形成する必要はなく、コストの低い材料を転用できる。

図１１は、この実施形態に係るものである。図１１の素子２１Ｃにおいては、誘電体層４の背面４ｂ側には、高誘電率層３２が接合され、一体化されている。高誘電率層３２の上面３２ａ側には、所定の低誘電率部３Ａ、３Ｂが形成されている。導波部２０Ｂは低誘電率部３Ａに面しており，導波部２０Ｃは低誘電率部３Ｂに面している。これと共に、導波部２０Ｂ、２０Ｃから１〜３列目に位置する格子列７Ａ、７Ｂおよび７Ｃ下までは低誘電率部３Ａ、３Ｂが存在する。本例では、導波部２０Ａ、２０Ｂから４列目以降の格子列７Ｄ、７Ｅ・・・・の下には低誘電率部３Ａ、３Ｂ上は存在しておらず、高誘電率層３２が設けられている。これと共に、高誘電率層３２の背面３２ｂは支持基板３０に対して接合されている。

図１１の例では、接地電極８Ａ、８Ｂ、信号電極９が、低誘電率部２３Ａ、２３Ｂに面している。しかし、図１２に示す素子２１Ｄにおいては、接地電極８Ａ、信号電極９が、低誘電率部２３Ａに露出しないように、導波部２０Ｂから少なくとも３列目の格子列までは被覆しない。また、接地電極８Ｂ、信号電極９が、低誘電率部２３Ｂに露出しないように、導波部２０Ｃから少なくとも３列目の格子列までは被覆しない。

図１３は、フォトニック結晶デバイスの光導波路の群屈折率GNo（横軸）と、電極の実効屈折率Nmとの速度不整合に起因する３dＢ帯域Δｆの関係を表す。ここでは、電極長L＝10mmの例である。Nm＝２の場合が従来構成例を表し、この時GNo＝４以上になると、Δｆは10GHz以下になる。10GHz以上の広帯域化のためにNmを３以上にする必要がある。本発明では、前述した構成によってNmを大きくすることができ、これによって、Nmの大きさをフォトニック結晶のGNoに近づけることができる。

（実施例１）
図８、図９、図１０の各例の光変調素子について試験した。また、図８において、格子列の下に高誘電率層を設けない光変調素子についても試験した。そして、各素子について、変調電極に印加するマイクロ波の実効屈折率Nmをシュミレーションによって算出した。ただし、誘電体層４をニオブ酸リチウム単結晶によって形成し、高誘電率層（基板）２の屈折率Ｎｈｓは、図１４に示すように変化させる。この結果を図１４に示す。また、各パラメータは以下のとおりである。
図８の光変調素子： タイプＡ
図９の光変調素子： タイプＢ
図１０の光変調素子： タイプＣ
格子列の下に高誘電率層を設けない光変調素子： 従来タイプ
誘電体膜スラブの厚さｔｓｕｂ＝０．４μｍ
接地電極、信号電極の厚さｔｍ＝１μｍ
信号電極の幅Ｗ＝１０μｍ
低誘電率部の幅Ｇ＝５μｍ
低誘電率部の深さｔｈｓ＝１μｍ

この結果からわかるように、本発明にしたがうことで、マイクロ波の実効屈折率が著しく向上した。特に、スラブ型２次元フォトニック結晶層の上側および下側の両方に高誘電率層を設けることで（タイプＣ：図１０）、マイクロ波の実効屈折率は一層向上した。

（実施例２）
図１０の光変調素子について、マイクロ波実効屈折率Nmの、（ＷｇＩ−Ｇ）／２（＝ΔＷｇＩ）に対する依存性を試験した。ただし、ＷｇＩは、低誘電率部の幅であり、Ｇは、電極ギャップであって、５μｍである。中心の信号電極の幅Ｗは、１０μｍ、２０μｍまたは無限大とする。ΔＷｇＩは、導波部から見たときに、電極のエッジから高誘電率層がどれだけ後退しているかを示す。

この素子について、変調電極に印加するマイクロ波の実効屈折率Nmをシュミレーションによって算出した。ただし、誘電体層４をニオブ酸リチウム単結晶によって形成する。各パラメータは以下のとおりである。結果は図１５に示す。
誘電体層の厚さｔｓｕｂ＝０．４μｍ
接地電極、信号電極の厚さｔｍ＝１μｍ
電極ギャップＧ＝５μｍ
信号電極の幅Ｗ＝１０μｍ、２０μｍまたは無限大
低誘電率部の幅ＷｇＩ＝５μｍ
低誘電率部の深さｔｈｓ＝１μｍ

この結果、高誘電率層が導波部から見てある程度後退すると、実効屈折率Ｎｍは低下傾向がある。

（実施例３）
図１０の光変調素子について、マイクロ波実効屈折率Nmの、接地電極および信号電極の厚さtmへの依存性を試験した。この素子について、変調電極に印加するマイクロ波の実効屈折率Nmをシュミレーションによって算出した。ただし、誘電体層４をニオブ酸リチウム単結晶によって形成する。各パラメータは以下のとおりである。結果は図１６に示す。
誘電体層の厚さｔｓｕｂ＝０．４μｍ
接地電極、信号電極の厚さｔｍ＝１、３または１０μｍ
電極ギャップＧ＝５μｍ
信号電極の幅Ｗ＝１０μｍ
低誘電率部の幅ＷｇＩ＝５μｍ
低誘電率部の深さｔｈｓ＝１μｍ

この結果、接地電極、信号電極の厚さｔｍを小さくすることによって、マイクロ波の実効屈折率が更に一層向上することがわかった。従って、この観点からは、接地電極、信号電極の厚さｔｍは、１０μｍ以下とすることが好ましく、５μｍ以下とすることが更に好ましい。

（実施例４）
図１０の光変調素子について、マイクロ波実効屈折率Nmの、信号電極幅Wへの依存性を試験した。この素子について、変調電極に印加するマイクロ波の実効屈折率Nmをシュミレーションによって算出した。ただし、誘電体層４をニオブ酸リチウム単結晶によって形成する。各パラメータは以下のとおりである。結果は図１７に示す。
誘電体層の厚さｔｓｕｂ＝０．４μｍ
接地電極、信号電極の厚さｔｍ＝ １μｍ
電極ギャップＧ＝５μｍ
信号電極の幅Ｗ＝１、２、５、または１０μｍ
低誘電率部の幅ＷｇＩ＝５μｍ
低誘電率部の深さｔｈｓ＝１μｍ

この結果、信号電極の幅Ｗを大きくすることによって、マイクロ波の実効屈折率が更に一層向上することがわかった。

（実施例５）
図１０の光変調素子について、マイクロ波実効屈折率Nmの、電極ギャップGへの依存性を試験した。この素子について、変調電極に印加するマイクロ波の実効屈折率Nmをシュミレーションによって算出した。ただし、誘電体層４はニオブ酸リチウム単結晶によって形成する。各パラメータは以下のとおりである。結果は図１８に示す。
誘電体層の厚さｔｓｕｂ＝０．４μｍ
接地電極、信号電極の厚さｔｍ＝ １μｍ
電極ギャップＧ＝２、５、１０μｍ
信号電極の幅Ｗ＝１０μｍ
低誘電率部の幅ＷｇＩ＝５μｍ
低誘電率部の深さｔｈｓ＝１μｍ

この結果、電極ギャップＧを大きくすることによって、マイクロ波の実効屈折率が更に一層向上することがわかった。従って、この観点からは、電極ギャップＧは、２μｍ以上が好ましく、５μｍ以上が更に好ましい。

（実施例６）
図１０の光変調素子について、マイクロ波実効屈折率Nmの、誘電体溝深さThs依存性への依存性を試験した。この素子について、変調電極に印加するマイクロ波の実効屈折率Nmをシュミレーションによって算出した。ただし、誘電体層４はニオブ酸リチウム単結晶によって形成する。各パラメータは以下のとおりである。結果は図１９に示す。
誘電体層の厚さｔｓｕｂ＝０．４μｍ
接地電極、信号電極の厚さｔｍ＝ １μｍ
電極ギャップＧ＝５μｍ
信号電極の幅Ｗ＝１０μｍ
低誘電率部の幅ＷｇＩ＝５μｍ
低誘電率部の深さｔｈｓ＝０．５、１、２または５μｍ

この結果、低誘電率部の深さｔｈｓを浅くすることによって，マイクロ波の実効屈折率が更に一層向上することがわかった。従って、この観点からは、低誘電率部の深さｔｈｓは、５μｍ以下が好ましく、２μｍ以下が更に好ましい。

本発明の一実施形態に係る光機能素子１を模式的に示す断面図である。 光機能素子１を模式的に示す斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る光機能素子１Ａを模式的に示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る光機能素子１Ｂを模式的に示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る光機能素子１Ｅを模式的に示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る光機能素子１Ｃを模式的に示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る光機能素子１Ｄを模式的に示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る光機能素子２１〜２１Ｄの要部を模式的に示す平面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る光機能素子２１を模式的に示す断面図であり、マッハツェンダー型光導波路が形成されている。 本発明の更に他の実施形態に係る光機能素子２１Ａを模式的に示す断面図であり、マッハツェンダー型光導波路が形成されている。 本発明の更に他の実施形態に係る光機能素子２１Ｂを模式的に示す断面図であり、マッハツェンダー型光導波路が形成されている。 本発明の更に他の実施形態に係る光機能素子２１Ｃを模式的に示す断面図であり、マッハツェンダー型光導波路が形成されている。 本発明の更に他の実施形態に係る光機能素子２１Ｄを模式的に示す断面図であり、マッハツェンダー型光導波路が形成されている。 光波群屈折率、３ｄＢ帯域、およびマイクロ波屈折率Ｎｍの関係を示すグラフである。 高誘電率層（基板）の屈折率とマイクロ波の実効屈折率Ｎｍとの関係を示すグラフである。 ΔＷｇＩ、マイクロ波の実効屈折率Ｎｍおよび電極幅Ｗの関係を示すグラフである。 基板屈折率、マイクロ波の実効屈折率Ｎｍおよび電極厚さｔｍの関係を示すグラフである。 基板屈折率、マイクロ波の実効屈折率Ｎｍおよび電極幅Ｗの関係を示すグラフである。 基板屈折率、マイクロ波の実効屈折率Ｎｍおよび電極ギャップＧの関係を示すグラフである。 基板屈折率、マイクロ波の実効屈折率Ｎｍおよび低誘電率部の深さｔｈｓの関係を示すグラフである。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、２１、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ 光機能素子 ２ 高誘電率層 ３ 低誘電率部 ４ 誘電体層 ６ 導波部 ７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、 導波部から３列目までの格子列 ７Ｄ、７Ｅ 導波部から４、５列目の格子列 ７Ｆ、７Ｇ 導波部から６列目以遠の格子列 ８、８Ａ、８Ｂ 接地電極 ９ 信号電極 １０ 電源 ２９ スラブ型２次元フォトニック結晶層 Ａ 入射光 Ｂ 出射光

Claims (8)

1. 誘電体層と、誘電体柱によって形成されている複数列の格子列と、前記誘電体柱が形成されていない欠陥領域からなる導波部とを備えており、平面的に見て前記導波部の右側および左側にそれぞれ複数列の前記格子列が配列されているスラブ型２次元フォトニック結晶層、
   前記誘電体層の上面上に形成されており、前記導波部を伝搬する光に変調電圧を印加するための接地電極および信号電極、
   前記誘電体層の背面上に積層されている高誘電率層、および
   前記誘電体層の背面上に設けられ、前記導波部およびこの導波部から見て右側および左側に少なくとも１〜３列目の前記格子列が接する低誘電率部を備えていることを特徴とする、進行波形光変調素子。
2. 前記接地電極および前記信号電極が前記スラブ型２次元フォトニック結晶層に接触していないことを特徴とする、請求項１記載の素子。
3. 前記接地電極および前記信号電極と前記スラブ型２次元フォトニック結晶層との間に設けられたバッファ層を備えていることを特徴とする、請求項１記載の素子。
4. 前記導波部から見て６列目の前記格子列以遠の格子列上に前記接地電極および前記信号電極が形成されていることを特徴とする、請求項１記載の素子。
5. 前記接地電極および前記信号電極下に前記格子列が設けられていないことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の素子。
6. 前記導波部から６列目以遠の格子列が設けられていないことを特徴とする、請求項５記載の素子。
7. 前記誘電体層と前記高誘電率層とが一体のバルク体から形成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の素子。
8. 少なくとも一対の前記接地電極および少なくとも一対の前記導波部を備えており、一対の前記導波部がマッハツェンダー型光導波路を構成しており、前記各導波部に対する前記変調電圧を制御することによって前記各導波部を伝搬する光を制御することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つの請求項に記載の素子。
   

Images