JP5033083B2 - 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、低価格、かつ高安定な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ＬＮ光変調器について説明する。

（第１の従来技術）
特許文献１に開示された、ｚ−カットＬＮ基板を用いて構成した、いわゆるリッジ型ＬＮ光変調器を第１の従来技術の光変調器として図９にその斜視図を示す。なお、図１０は図９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位（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は高価な貴金属材料である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光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。中心導体４ａの幅Ｓは７μｍ程度で、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間のギャップＷは１５μｍ程度である。なお、説明を簡単にするために、図９では図示した温度ドリフト抑圧のためのＳｉ導電層５を図１０においては省略している。また、以下においてもＳｉ導電層５は省略して議論する。

この第１の従来技術では、ｚ−カットＬＮ基板１をエッチングなどで掘り込むことにより、凹部９ａ、９ｂ、及び９ｃ（あるいは、リッジ部８ａ、８ｂとも言える）を形成している。ここで、１０ａ、１０ｂは接地導体において高周波電信号の電磁界が小さくなった領域あるいは部位であり、外周部と呼ぶ。なお、リッジ部８ａ、８ｂを各々中心導体用リッジ部、接地導体用リッジ部とも呼ぶ。

このリッジ構造をとることにより、高周波電気信号の実効屈折率（あるいは、マイクロ波実効屈折率）、特性インピーダンス、変調帯域、駆動電圧などにおいて優れた特性を実現することができる。なお、図１０では凹部９ａ、９ｂ、及び９ｃの深さ（あるいはリッジ部８ａ、８ｂの高さ）を強調して描いているが、実際には２〜５μｍ程度であり、中心導体４ａや接地導体４ｂ、４ｃの厚み約２０μｍに比較するとその値は小さい。

さて、この第１の従来技術はＬＮ光変調器としての変調特性は高いものの、安定性について問題があることがわかった。即ち、Ｓｉ導電層５を使用しているにもかかわらず、温度ドリフト特性が悪いことが判明した。その原因は高い変調性能を生み出すリッジ構造に起因していると考えられる。

以下にその原因について詳しく説明する。図１０からわかるように、中心導体４ａの直下のリッジ部８ａについては、接地導体４ｂ、４ｃとは独立しているので、ｚ−カットＬＮ基板１の表面に平行な方向にリッジ部８ａを引っ張る力は存在しない。

ところが、リッジ部８ｂについては、前述のように約２０μｍの厚い接地導体４ｂが凹部９ｃ、外周部１０ｂとともに形成されている。そして、ＳｉＯ_２バッファ層２上の接地導体４ｂのＡｕとｚ−カットＬＮ基板１の熱膨張係数は互いに大きく異なる。さらに、ｚ−カットＬＮ基板１の幅は数ミリメートル（例えば、１ｍｍ〜５ｍｍ）と広い。一方、相互作用光導波路３ａ、３ｂのギャップは約１５μｍ程度と狭いので、接地導体４ｂや４ｃの幅は各々ｚ−カットＬＮ基板１の幅の約半分と言えるくらいに広い（換言すると、外周部１０ａや１０ｂが広い）。つまり、図１０の接地導体４ｂの幅も広いので環境変化に起因する熱膨張や熱収縮などの応力が積み重なり、リッジ部８ｂへかなり大きな応力（あるいは厚みが厚いことに起因するモーメント）がかかる。さらに、リッジ部８ｂは突起しているので、応力（特にモーメントによる応力）の影響を受けやすい。なお、実際には接地導体４ｃの幅も広く、その影響もある。

ところが、ｚ−カットＬＮ基板１に応力がかかるとその屈折率が変化する（応力複屈折）ので、結果的に相互作用光導波路３ａの屈折率が変化することになり、ＬＮ光変調器を動作させる際のＤＣバイアス点が変わってしまう。これがリッジ構造特有の温度ドリフト現象であり、ＬＮ光変調器としての安定性を損なう結果となる。ちなみに、ＬＮ光変調器の環境温度を室温から８０℃まで変化させた際に、この第１の従来技術でのＤＣバイアス点の変化は６Ｖと大きかった。

（第２の従来技術）
この第１の従来技術の問題点を解決するために、特許文献２に開示された第２の従来技術の相互作用部における断面図を図１１に示す。この図１１からわかるように、リッジ部８ｂの上に形成された接地導体４ｂ'と外周部１０ｂの上に形成された接地導体４ｂ''の厚みは厚いが、凹部９ｃに形成された接地導体４ｂ'''の厚みを例えば約３００ｎｍ以下と薄くしている。このように凹部９ｃにおける接地導体４ｂ'''の厚みを薄くすることにより、広い面積を有する接地導体４ｂ''がリッジ部８ｂへ与える応力を小さくすることができるので、温度安定性を改善できるという考え方である。

以下において、温度ドリフトと高周波電気信号の伝搬の観点から議論する。この第２の従来技術ではリッジ部８ａと８ｂを形成する凹部９ａ、９ｂ、９ｃと光導波路３ａと３ｂはそれらの中間に設けた中心線Ｉに対して対称な構造である。さて、リッジ部８ａや８ｂの側面は傾斜している（よって、傾斜面あるいは傾斜部とも言う）。こうした傾斜面は−ｚ面でないため焦電効果による電荷の発生が−ｚ面であるｚ−カットＬＮ基板１の上面や凹部９ａ、９ｂ、及び９ｃと異なっている。

そのため、優れた温度ドリフト特性を実現するためには、凹部９ａ、９ｂ、及び９ｃを光導波路３ａと３ｂの中間に設けることのできる中心線Ｉに対してほぼ対称な（あるいは、光導波路３ａと３ｂを含むｚ−カットＬＮ基板１の構造がその中間に設けた中心線に対してほぼ対称な）構造が望ましい。つまり、この第２の従来技術は温度ドリフト抑圧に適した構造と言える。なお、マッハツェンダ光導波路のように、相互作用光導波路が２本（光導波路３ａと３ｂ）の場合に、光導波路３ａと３ｂがそれらの中間の中心線Ｉに対して対称となる構造では、実質的な凹部（９ａ、９ｂ、９ｃ）の数が奇数となる。

ところが、高周波電気信号の低損失で安定な伝搬の観点からこの第２の従来技術は以下のように問題を有していることがわかる。図９に示すように、マイクロ波である高周波電気信号は高周波電気信号給電線６や不図示のコネクタを伝搬した後、進行波電極４に印加されるが、高周波電気信号給電線６と不図示のコネクタの電磁界分布は各々の中心導体に対して軸対称である。また、高周波電気信号給電線６に接続される不図示のコネクタと進行波電極４との接続部（入力用フィードスルー部と呼ばれる）においても高周波電磁界の電磁界分布は進行波電極４の中心導体（相互作用部の中心導体４ａを不図示のコネクタの芯線との接続部まで延長した部位）に対して左右対称（つまり、基板表面方向に対して対称）である。

しかしながら、この第２の従来技術では図１１の中心導体４ａの中央に引いた線ＩＩに対して進行波電極が構造的に左右非対称である。構造が左右非対称ということは電磁界分布も左右非対称となるので、入力用フィードスルー部における左右対称な電磁界分布と整合性が良くない。その結果、高周波電気信号が中心導体４ａ、接地導体４ｂ'、４ｂ'''、４ｂ''、４ｃで構成される進行波電極４を伝搬する際に、対称な電磁界分布から非対称な電磁界分布に変換せねばならず、電磁界分布が安定しない、あるいは放射損失（または伝搬損失）が生じるなどの不都合が生じてしまう。

（第３の従来技術）
図１２に特許文献３に開示された第３の従来技術の上面図を示す。なお、ｚ−カットＬＮ基板１の幅は数ミリメートルあり、相互作用光導波路３ａと３ｂのギャップは１５μｍ程度である。またｚ−カットＬＮ基板１の長さは５ｃｍ〜７ｃｍ程度である。

ここで、Ｂ−Ｂ'とＣ−Ｃ'における断面図を図１３と図１４に示す。なお、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、及び１１ｄは凹部９ａ、９ｂ、９ｃ及び９ｄがあることによる空隙部であり、４ｂ^（４）、４ｂ^（５）、４ｂ^（６）、４ｃ^（４）、４ｃ^（５）、４ｃ^（６）は接地導体である。ここで、接地導体４ｂ^（５）は接地導体４ｂ^（４）と４ｂ^（６）を接続している。また、１０ｃは外周部である。８ａ、８ｂ、８ｃはリッジ部である。空隙部１１ａと１１ｄは接地導体において導体が欠落した部位（あるいは、接地導体に開けた窓）とも言える。また、１３ａ、１３ｄは空隙部１１ａと１１ｄを接地導体４ｂ^（５）と４ｃ^（５）で埋めた埋め込み部である。図１３と図１４において、ＩＶは中心導体４ａの中心線であり、進行波電極はこの中心線ＩＶに対して対称となっている。

図からわかるように、接地導体４ｂ^（４）と４ｃ^（４）の幅は図１１に示した第２の従来技術の接地導体４ｂ'や中心導体４ａと同程度に狭い。また、接地導体４ｂ^（６）、４ｃ^（６）は図１１に示した第２の従来技術の接地導体４ｂ''のように広い。そして、この第３の従来技術において接地導体４ｂ^（４）と４ｂ^（６）を接続する接地導体４ｂ^（５）と、接地導体４ｃ^（４）と４ｃ^（６）を接続する接地導体４ｃ^（５）の厚みは、図１１に示した第２の従来技術の接地導体４ｂ'''よりも厚く設定している。

ところが、この第３の従来技術を実際に製作したところ、この構造ではリッジ構造に起因する温度ドリフトを抑圧することができないという重要な問題があることがわかった。以下、その問題点を焦電効果の観点から説明する。

光導波路３ａと３ｂの中間の中心線ＩＩＩに対して、リッジ８ａ、８ｂ、８ｃ（あるいは凹部９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ）が非対称に配置されている。リッジ８ａ、８ｂ、８ｃの側面である傾斜面は−ｚ面ではないので、環境温度の変化に伴う焦電効果による電荷の分布はこれらの凹部やｚ−カットＬＮ基板１の上面と異なっている。そのため、環境温度の変化とともに刻々と変化する不均一な電荷分布（即ち、不均一な電界分布）が生じるので光導波路３ａと３ｂに不均一な電圧が印加される。これらの不均一な電界分布を打ち消すように外部回路からＤＣバイアスを印加する必要があるので、結果的に温度ドリフトを生じてしまうと結論できる。
特開平４−２８８５１８号公報 特開２００４−１５７５００号公報 特開２００６−８４５３７号公報

以上のように、リッジ型ＬＮ光変調器として提案された従来の第１技術ではＳｉＯ_２バッファ層上の電極を構成するＡｕとｚ−カットＬＮ基板との熱膨張係数の差に起因する接地導体からの応力（あるいは、モーメントによる応力）が温度とともに最適ＤＣバイアス点を変化させる温度ドリフトを生じた。この温度特性を改善するために提案された第２の従来技術では、温度ドリフトは改善できるものの、進行波電極が中心導体に対して対称ではないため、高周波電気信号が対称モードから非対称モードへのモード変換における安定な伝搬と低損失な伝搬という観点から不利であった。また、第３の従来技術では進行波電極が中心導体に対して対称であるため、高周波電気信号の安定で低損失な伝搬という観点から有利であったが、リッジ部（あるいは凹部）の構成が２本の光導波路に対して非対称であったため、特にリッジの傾斜面における焦電効果の影響が強く、温度ドリフトの観点から問題があった。つまり、光変調器としての高速性・低駆動電圧性を犠牲にしないで温度安定化を実現できる光変調器の開発が急務となっている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、光変調特性が高性能であるとともに、安定性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、前記基板に形成された２本の光導波路と、前記基板の上に形成されたバッファ層と、該バッファ層の上方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少なくとも一部を掘り下げることにより形成した凹部により構成されるリッジ部とを具備し、該リッジ部は前記中心導体が上方に形成された中心導体用リッジ部と、前記接地導体が上方に形成された接地導体用リッジ部からなり、前記中心導体用リッジ部に前記２本の光導波路のうちの１本が形成され、前記接地導体用リッジ部にもう１本の光導波路が形成されている光変調器において、前記凹部は第１、第２および第３の凹部でなり、前記第１の凹部の中心線に対して対称な位置に前記第２および第３の凹部が形成されており、前記第１の凹部と前記第２の凹部との間に前記中心導体用リッジ部が形成され、前記第１の凹部と前記第３の凹部との間に前記接地導体用リッジ部が形成されており、前記第１の凹部および前記第２の凹部の上方には前記接地導体が形成されておらず、前記第３の凹部の上方には、前記中心導体の厚みよりも導体が薄く形成された接地導体と前記中心導体もしくは前記中心導体に相対向する接地導体とほぼ同じ厚みを持つ接地導体とが、前記光導波路の方向に交互に形成されており、また、前記第２の凹部に隣接する前記中心導体用リッジ部でない側の基板上に形成された接地導体には、前記中心導体の中心線で前記第３の凹部と対称となる位置に、前記中心導体の厚みよりも導体が薄く形成された接地導体と前記中心導体もしくは前記中心導体に相対向する接地導体とほぼ同じ厚みを持つ接地導体とが光導波路方向に交互に形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項２の光変調器は、前記第３の凹部の上方に形成された接地導体であって、前記中心導体の厚みよりも薄く形成された部分を第１の薄い接続用接地導体とし、前記中心導体もしくは前記中心導体に相対向する接地導体とほぼ同じ厚みを持つ部分を第１の厚い接続用接地導体とし、前記中心導体の中心線で前記第３の凹部と対称となる位置に形成された接地導体であって、前記中心導体の厚みよりも薄く形成された部分を第２の薄い接続用接地導体とし、前記中心導体もしくは前記中心導体に相対向する接地導体とほぼ同じ厚みを持つ部分を第２の厚い接続用接地導体とするとき、前記第１の薄い接続用接地導体と前記第２の薄い接続用接地導体が前記中心導体の中心線で対称に形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項３の光変調器は、前記第３の凹部の上方に形成された接地導体であって、前記中心導体の厚みよりも薄く形成された部分を第１の薄い接続用接地導体とし、前記中心導体もしくは前記中心導体に相対向する接地導体とほぼ同じ厚みを持つ部分を第１の厚い接続用接地導体とし、前記中心導体の中心線で前記第３の凹部と対称となる位置に形成された接地導体であって、前記中心導体の厚みよりも薄く形成された部分を第２の薄い接続用接地導体とし、前記中心導体もしくは前記中心導体に相対向する接地導体とほぼ同じ厚みを持つ部分を第２の厚い接続用接地導体とするとき、前記第１の薄い接続用接地導体と前記第２の薄い接続用接地導体の前記光導波路の方向における位置、長さ、もしくは幅の少なくとも１つが異なって形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項４の光変調器は、前記第３の凹部に隣接する前記接地導体用リッジ部でない側の基板上に形成された接地導体の、前記高周波電気信号の電磁界が小さくなった領域である前記第３の凹部から所定距離離れた領域における厚みを、当該領域以外の領域における接地導体の厚みよりも薄く構成したことを特徴とする。

本発明の請求項５の光変調器は、前記第２の凹部に隣接する前記中心導体用リッジ部でない側の基板上に形成された接地導体の、前記高周波電気信号の電磁界が小さくなった領域である前記第２の凹部から所定距離離れた領域における厚みを、当該領域以外の領域における接地導体の厚みよりも薄く構成したことを特徴とする。

本発明の請求項６の光変調器は、前記基板がリチウムナイオベートからなることを特徴とする。

本発明の請求項７の光変調器は、前記基板が半導体からなることを特徴とする。

本発明に係る光変調器では、リッジやそれを構成する凹部は２本の光導波路の中間に設けた中心線に対して対称とする。これにより、環境温度の変化に対応して起こる焦電効果による電荷の分布（即ち、電界の分布）が２本の光導波路の中間に設けた中心線に対してほぼ対称となるので、温度ドリフトを解決することができる。また、進行波電極を中心導体の中心線に対して対称とするとともに、光導波路の長手方向に沿って接地導体の厚みが厚い領域と薄い領域からなる接続用接地導体を並置している。これらの結果、温度ドリフトを解決することができるばかりでなく、高周波電気信号の安定、かつ低損失な伝搬を可能とし、リッジ型光変調器の変調の観点からの高い性能を損なうことがない。従って、温度特性が安定で、かつ高周波特性の優れたＬＮ光変調器を提供することが可能となるという優れた効果がある。そして、本発明には接地導体において高周波電気信号の電磁界分布が小さくなる領域（あるいは部位）である外周部の導体の厚みを薄くする構造も含んでいる。この外周部の導体の厚みを薄くする構造により、環境温度が変化する際に、ＳｉＯ_２バッファ層上の導体とｚ−カットＬＮ基板の熱膨張係数の差に起因して生じる広い接地導体からの導体の応力を緩和することができるので、一層の温度ドリフト特性の改善に寄与するばかりでなく、高価な貴金属材料であるＡｕの使用量を減らすことができるので光変調器としてのコスト低減も可能となる。

以下、本発明の実施形態について説明するが、図９から図１４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に本発明の第１の実施形態についてその上面図を示す。また、Ｄ−Ｄ'、Ｅ−Ｅ'における断面図を各々図２と図３に示す。ここで、１１ｂと１１ｃは空隙部である。なお、４ｂ^（４）、４ｂ^（５）、４ｂ^（５）'、４ｂ^（６）、４ｃ^（４）、４ｃ^（５）、４ｃ^（５）'、４ｃ^（６）は接地導体である。

接地導体４ｂ^（５）と接地導体４ｃ^（５）の厚みは厚いので厚い接地導体、一方、接地導体４ｂ^（５）'と接地導体４ｃ^（５）'の厚みは薄いので薄い接地導体とも呼ばれる。また、１０ｂと１０ｄは接地導体において高周波電気信号の強度が小さくなった部位であり、外周部と呼ぶ。８ａと８ｂはリッジ部である。

厚い接地導体４ｂ^（５）と薄い接地導体４ｂ^（５）'は接地導体４ｂ^（４）と４ｂ^（６）とを、また厚い接地導体４ｃ^（５）と薄い接地導体４ｃ^（５）'は接地導体４ｃ^（４）と４ｃ^（６）とを接続している（厚い接地導体４ｂ^（５）と薄い接地導体４ｂ^（５）'、及び厚い接地導体４ｃ^（５）と薄い接地導体４ｃ^（５）'は接続用接地導体とも呼ばれる）。

本実施形態では、接続用接地導体である接地導体４ｂ^（５）と４ｃ^（５）はそれらの厚みを厚くしているが、これは高周波電気信号としての表皮効果の影響を受けにくいようにするためである。さらに、薄い接地導体４ｂ^（５）'と４ｃ^（５）'の厚みは温度ドリフトが充分小さくなるように例えば５０ｎｍ〜５００ｎｍと薄く設定するが、材料としては電気抵抗の小さなＡｕにより構成する。従って、これらの部分のＡｕを欠落させるよりは高周波電気信号の伝搬損失が小さくなる。なお、薄い接地導体４ｂ^（５）'と４ｃ^（５）'の厚みについての上記の数値は例でありこの限りではないことは言うまでもない。

ここで、光導波路が形成されていない側の厚い接地導体４ｃ^（５）と薄い接地導体４ｃ^（５）'の下には凹部を形成していない。図２においてＶは光導波路３ａと３ｂの中間に設けた中心線であり、光導波路３ａと３ｂ（あるいは、リッジ部８ａと８ｂ、もしくは凹部９ａ、９ｂ、９ｃ）はこの中心線Ｖに対して対称な構造となっている。従って、Ｖは光導波路についての対称軸と言える。前述のように、リッジ部８ａと８ｂは焦電効果により発生する電荷の分布が凹部９ａ、９ｂ、９ｃの底面やｚ−カットＬＮ基板１の上面とは異なる傾斜部（前述のように、リッジ８ａと８ｂの側面であり、傾斜面とも言う）を持っている。

重要なことは第１の実施形態では光導波路３ａと３ｂについてこの傾斜面を含め、凹部９ａ、９ｂ、９ｃを中心線Ｖに対して対称な構造としていることである。これにより、焦電効果による電荷分布、即ち電界分布も中心線Ｖに対して対称となるので、環境変化に伴う温度ドリフトについては極めて安定な特性を実現できる。

なお、各接地導体の下方において、温度ドリフトには影響のない箇所に凹部を作ることにより光導波路３ａと３ｂについての対称性を壊しても、それは影響のない箇所の変更であるので本発明に属する。また、図２や図３における凹部の数は３個であるが、２本の光導波路の中間に設けた中心線に対して構造が対称でありさえすれば、これ以上の数の凹部を設けても本発明に属すると言える。そして、これらのことは本発明の全ての実施形態について成り立つことは言うまでもない。

図４には環境温度Ｔを２０℃から８０℃まで変化させた場合の本発明における第１の実施形態についての実験結果を示す。比較のために、図には第１の従来技術、第２の従来技術、及び第３の従来技術についての測定結果も示している。ここで、中心導体４ａの幅Ｓは７μｍ、中心導体４ａと接地導体４ｂ^（４）、もしくは接地導体４ｃ^（４）とのギャップＷは１５μｍとした。また、薄い接地導体４ｂ^（５）'の幅Ｗｗが１５μｍで、それらの長さＬｗと厚い接地導体４ｂ^（５）の長さＬｅが各々１ｍｍと１００μｍとした。図からわかるように、本実施形態を採用することにより、進行波電極が中心導体４ａの中心線に対して対称であるため、高周波光変調の観点から有利ではあるものの、凹部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの配置が光導波路３ａ、３ｂについては対称ではない第３の従来技術よりも温度ドリフトを大幅に抑えることが可能となり、本発明の考え方が正しいことを実証できた。なお、温度ドリフトについては第２の従来技術も優れているが、先に述べたように第２の従来技術は高周波電気信号のモード変換の観点から問題がある。ここで、薄い接地導体４ｂ^（５）'と４ｃ^（５）'の長さＬｗと厚い接地導体４ｂ^（５）の長さＬｅは各々３０μｍ〜３ｍｍ、及び５μｍ〜５００μｍ程度まで変化させても効率よく温度ドリフトを抑圧できた。

以上の説明においては、本発明の原理の説明を簡単にするために、薄い接地導体４ｂ^（５）'の幅Ｗｗと長さＬｗが、薄い接地導体４ｃ^（５）'の幅Ｗｗ'と長さＬｗ'と各々等しく、また厚い接地導体４ｂ^（５）の長さＬｅと厚い接地導体４ｃ^（５）の長さＬｅ'も等しいと仮定したが、本発明はこれに限るものではない。さらに、薄い接地導体４ｂ^（５）'や 厚い接地導体４ｂ^（５）の個数と薄い接地導体４ｃ^（５）'や 厚い接地導体４ｃ^（５）の個数が各々異なっていても良い。そして、このことは本発明の全ての実施形態について言える。なお、以上に述べた接地導体（接続用接地導体）の長さや幅は相互作用光導波路３ａ、３ｂの長さ方向に対するものとする。

次に、高周波電気信号の電磁界分布と伝搬損失の観点から考察する。図２と図３からわかるように、中心導体４ａの中心に引いた中心線ＶＩは中心導体４ａと接地導体４ｂ^（４）、４ｂ^（５）'、４ｂ^（６）、４ｃ^（４）、４ｃ^（５）'、４ｃ^（６）からなる進行波電極の対称軸となっている。なお、本実施形態では、この対称性はさらに接地導体４ｂ^（５）と４ｃ^（５）を含めて考えても成り立っている。このように、本実施形態における進行波電極は中心導体４ａの中心線を対称軸とする構造対称性を有している。

進行波電極の構造が対称であるということは、進行波電極を伝搬する高周波電気信号の電磁界分布も対称であることを意味している。従って、図１１に示した第２の従来技術では必要であったコネクタや入力用フィードスルー部の対称な高周波電気信号の対称モードから進行波電極の非対称モードへの変換が不要となるので、高周波電気信号を安定、かつ低損失に伝搬することが可能となる。

そして、本実施形態では、接続用接地導体である接地導体４ｂ^（５）と４ｃ^（５）はそれらの厚みを厚くしているが、これは高周波電気信号としての表皮効果の影響を受けにくいようにするためである。さらに、別種の接続用接地導体である接地導体４ｂ^（５）'と４ｃ^（５）'の厚みは温度ドリフトが充分小さくなるように薄く設定しているとはいえ、材料としては電気抵抗の小さなＡｕである。従って、これらの部分のＡｕを欠落させるよりは高周波電気信号の伝搬損失が小さくなる。

さて、凹部が光導波路３ａと３ｂの中間に設けた中心線Ｖに対して厳密に対称でないと本発明の効果を発揮できないかというとそれは正しくない。接地導体４ｂ^（４）の幅は中心導体４ａの幅と数μｍ程度異なっていても良く、これを含めて光導波路３ａ、３ｂの中間に設けた中心線Ｖに対して光導波路３ａ、３ｂの上にある中心導体と接地導体が対称である（あるいは、実質的にほぼ対称）としている。また、同様に進行波電極の構造が中心線ＶＩに対して厳密に対称でなくても本発明の効果を発揮できる。そしてこれらのことは本発明の全ての実施形態について言える。

以上のように、本実施形態は光導波路に関する構造を２本の光導波路の中間に設けた中心線Ｖについて対称とするとともに、進行波電極に関する構造を中心導体の中心線ＶＩについて対称とすることにより、それらの対称性を有しない場合と比較して、環境温度変化に伴う温度ドリフトを抑圧し、かつ高周波電気信号のモードを安定させ、かつ低損失に伝搬させている。

（第２の実施形態）
図５に本発明の第２の実施形態についてその上面図を示す。また、Ｈ−Ｈ'、Ｉ−Ｉ'における断面図を各々図６と図７に示す。ここで、１１ｂと１１ｃは空隙部である。なお、４ｂ^（１０）、４ｂ^（１１）、４ｂ^（１１）'、４ｂ^（１２）、４ｂ^（１３）、４ｃ^（１０）、４ｃ^（１１）、４ｃ^（１１）'、４ｃ^（１２）、４ｃ^（１３）、は接地導体である。

なお、接地導体４ｂ^（１１）と接地導体４ｃ^（１１）の厚みは厚いので厚い接地導体と呼ばれ、一方、接地導体４ｂ^（１１）'と接地導体４ｃ^（１１）'の厚みは薄いので薄い接地導体とも呼ばれる。また、１０ｂと１０ｄは接地導体において高周波電気信号の強度が小さくなった部位であり、外周部と呼ぶ。８ａと８ｂはリッジ部である。

厚い接地導体４ｂ^（１１）と薄い接地導体４ｂ^（１１）'は接地導体４ｂ^（１０）と４ｂ^（１２）とを、また厚い接地導体４ｃ^（１１）と薄い接地導体４ｃ^（１１）'は接地導体４ｃ^（１０）と４ｃ^（１２）とを接続している（厚い接地導体４ｂ^（１１）と薄い接地導体４ｂ^（１１）'、及び厚い接地導体４ｃ^（１１）と薄い接地導体４ｃ^（１１）'は接続用接地導体とも呼ばれる）。

図６に示した本実施形態においても、光導波路に関する構造は２本の光導波路３ａと３ｂの中間における中心線Ｖに対して凹部９ａ、９ｂ、９ｃを対称に配置しており、このことは優れた温度ドリフト特性を有する上で重要な要素となる。また、中心導体４ａの中心に引いた中心線ＶＩは中心導体４ａと接地導体４ｂ^（１０）、４ｂ^（１１）'、４ｂ^（１２）、４ｂ^（１３）、４ｃ^（１０）、４ｃ^（１１）'、４ｃ^（１２）、４ｃ^（１３）からなる進行波電極の対称軸となっている。そして、この対称性は接地導体４ｂ^（１１）と４ｃ^（１１）を含めて考えても成り立っている。このように、本実施形態も進行波電極は中心導体４ａの中心を対称軸とする構造対称性を有しているので、進行波電極を伝搬する高周波電気信号は対称モードである。従って、コネクタや入力用フィードスルー部の対称な電磁界分布と整合性が良く、高周波電気信号を安定なモードで、かつ低損失に伝搬することが可能となる。

この本発明の第２の実施形態において注目すべきことは接地導体４ｂ^（１３）と４ｃ^（１３）の厚みが例えば３００ｎｍのように薄くなっていることである。接地導体の厚みが厚いと、てこの原理によりｚ−カットＬＮ基板１、ひいてはリッジ部８ａや８ｂに加わる応力（あるいは、モーメントによる応力）が大きくなる。そこで、まずこの実施形態では外周部１０ｂの接地導体４ｂ^（１３）の厚みを薄くすることにより、この応力を小さくしている。さらに、本発明の効果を一層顕著とするために、外周部１０ｄ上に形成した接地導体４ｃ^（１３）の厚みも同じく薄くしている。この工夫をとり入れることにより、図８に示すように２０℃から８０℃の環境温度の変化に対するＤＣバイアスの温度ドリフトを第１の実施形態よりもさらに小さく抑えることができた。

先に述べたように、相互作用光導波路３ａと３ｂのギャップが１５μｍ程度であることを考慮すると、高周波電気信号と相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光が相互作用する相互作用部の幅は、ｚ−カットＬＮ基板１の幅（約１ｍｍ〜５ｍｍ程度）と比較して著しく狭い。従って、接地導体４ｂ^（１３）と４ｃ^（１３）の厚みを薄くすることにより、高価なＡｕの使用量を著しく低減することができ、コスト削減に貢献できる。

なお、厚みは薄いものの面積が広い接地導体４ｂ^（１３）と４ｃ^（１３）は高周波電気信号の観点からしっかりとした電気的アースの確立と電気的アースである筐体とのワイヤやリボンによる接続の観点から有用である。このことは本発明の全ての実施形態について言える。

このように、高周波電気信号が小さい外周部の接地導体の厚みを薄くすることにより、変調特性を損なわずに、かつ温度ドリフトを改善するという考え方は第１の実施形態のみならず外周部の接地導体の厚みが厚いその他の実施形態にも適用可能であることは言うまでもない。また図６や図７において接地導体４ｂ^（１３）と４ｃ^（１３）の厚みのどちらかのみを薄くしてもある程度の効果がある。また、もともと高周波電気信号の電磁界は外周部では小さいので、非対称性がこの程度壊れても高周波電気信号の伝搬特性に影響を与えることは小さい。そしてこのことは本発明の全ての実施形態にあてはまる。

（各実施形態）
なお、本発明において進行波電極は中心導体の中心線に対して左右対称と述べてきたが、これは主要な構造についてのことである。例えば図１において薄い接地導体４ｂ^（１１）'と４ｃ^（１１）'、及び厚い接地導体４ｂ^（１１）と４ｃ^（１１）は中心導体４ａの中心線に対してほぼ対称である。このほぼ対称であることは高周波電気信号の安定な伝搬の観点から最も望ましいが、例えば厚い接地導体４ｂ^（１１）と４ｃ^（１１）が互いに（図１の紙面では上下方向に）ずれていても良いし、相互作用部の長手方向のぎりぎりまで空隙部１１ｂ、１１ｃを形成しても良いことは言うまでもない。つまり、厳密には対称でない構造であっても主要な部位でほぼ対称であれば、それも本発明に属することは言うまでもない。

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。なお、位相変調器の場合には、その１本の光導波路と進行波電極が中心導体の中心線に対して対称となる。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、ｘ−カットやｙ−カットなどその他の面方位の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異なる材料の基板でも良い。さらに、電極は進行波電極として説明してきたが、原理的には集中定数電極でも良いので、本明細書における進行波電極は集中定数電極も含むものとする。

また、通常、各凹部は同じ程度の幅で形成するが、外周部に近い凹部が極めて広くなるように（外周部が凹部の底部とほぼ同じ高さとなるように）エッチングしている場合には、その広くエッチングされた部分を事実上の外周部と考え、本発明を適用することが可能である。

以上のように、本発明に係る光変調器は、高性能なリッジ型の光変調器において、基板に設ける凹部や光導波路に関する構造を２本の光導波路の中間に設けた中心線に対称とすることにより温度ドリフト特性を改善し、進行波電極については中心導体の中心線に対して対称な構造とすることにより高周波電気信号の伝搬特性を改善し、かつ外周部のＡｕの厚みを薄くすることにより温度ドリフト特性のさらなる改善と、コストの低減を実現し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上面図 図１のＤ−Ｄ'における断面図 図１のＥ−Ｅ'における断面図 本発明の第１の実施形態の特性を説明する図 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上面図 図５のＨ−Ｈ'における断面図 図５のＩ−Ｉ'における断面図 本発明の第２の実施形態の特性を説明する図 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９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 第３の従来技術の光変調器についての概略構成を示す上面図 図１２のＢ−Ｂ'における断面図 図１２のＣ−Ｃ'における断面図

符号の説明

１：ｚ−カットＬＮ基板（ＬＮ基板）
２、１４、１５：ＳｉＯ_２バッファ層（バッファ層）
３：マッハツェンダ光導波路（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、４ｂ'、４ｂ''、４ｂ'''、４ｂ^（４）、４ｂ^（５）、４ｂ^（６）、４ｂ^（７）、４ｂ^（８）、４ｂ^（９）、４ｂ^（１０）、４ｂ^（１１）、４ｂ^（１１）' 、４ｂ^（１２）、４ｂ^（１３）、４ｃ、４ｃ^（４）、４ｃ^（５）、４ｃ^（６）、４ｃ^（７）、４ｃ^（８）、４ｃ^（９）、４ｃ^（１０）、４ｃ^（１１）、４ｃ^（１１）' 、４ｃ^（１２）、４ｃ^（１３）：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：リッジ部（中心導体用リッジ部）
８ｂ、８ｃ：リッジ部（接地導体用リッジ部）
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ：凹部
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ：外周部
１１ｂ、１１ｃ：空隙部
１３ａ、１３ｄ：埋め込み部

Claims (7)

1. 電気光学効果を有する基板と、前記基板に形成された２本の光導波路と、前記基板の上に形成されたバッファ層と、該バッファ層の上方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少なくとも一部を掘り下げることにより形成した凹部により構成されるリッジ部とを具備し、該リッジ部は前記中心導体が上方に形成された中心導体用リッジ部と、前記接地導体が上方に形成された接地導体用リッジ部からなり、前記中心導体用リッジ部に前記２本の光導波路のうちの１本が形成され、前記接地導体用リッジ部にもう１本の光導波路が形成されている光変調器において、
   前記凹部は第１、第２および第３の凹部でなり、前記第１の凹部の中心線に対して対称な位置に前記第２および第３の凹部が形成されており、前記第１の凹部と前記第２の凹部との間に前記中心導体用リッジ部が形成され、前記第１の凹部と前記第３の凹部との間に前記接地導体用リッジ部が形成されており、
   前記第１の凹部および前記第２の凹部の上方には前記接地導体が形成されておらず、前記第３の凹部の上方には、前記中心導体の厚みよりも導体が薄く形成された接地導体と前記中心導体もしくは前記中心導体に相対向する接地導体とほぼ同じ厚みを持つ接地導体とが、前記光導波路の方向に交互に形成されており、
   また、前記第２の凹部に隣接する前記中心導体用リッジ部でない側の基板上に形成された接地導体には、前記中心導体の中心線で前記第３の凹部と対称となる位置に、前記中心導体の厚みよりも導体が薄く形成された接地導体と前記中心導体もしくは前記中心導体に相対向する接地導体とほぼ同じ厚みを持つ接地導体とが光導波路方向に交互に形成されていることを特徴とする光変調器。
2. 前記第３の凹部の上方に形成された接地導体であって、前記中心導体の厚みよりも薄く形成された部分を第１の薄い接続用接地導体とし、前記中心導体もしくは前記中心導体に相対向する接地導体とほぼ同じ厚みを持つ部分を第１の厚い接続用接地導体とし、
   前記中心導体の中心線で前記第３の凹部と対称となる位置に形成された接地導体であって、前記中心導体の厚みよりも薄く形成された部分を第２の薄い接続用接地導体とし、前記中心導体もしくは前記中心導体に相対向する接地導体とほぼ同じ厚みを持つ部分を第２の厚い接続用接地導体とするとき、
   前記第１の薄い接続用接地導体と前記第２の薄い接続用接地導体が前記中心導体の中心線で対称に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 前記第３の凹部の上方に形成された接地導体であって、前記中心導体の厚みよりも薄く形成された部分を第１の薄い接続用接地導体とし、前記中心導体もしくは前記中心導体に相対向する接地導体とほぼ同じ厚みを持つ部分を第１の厚い接続用接地導体とし、
   前記中心導体の中心線で前記第３の凹部と対称となる位置に形成された接地導体であって、前記中心導体の厚みよりも薄く形成された部分を第２の薄い接続用接地導体とし、前記中心導体もしくは前記中心導体に相対向する接地導体とほぼ同じ厚みを持つ部分を第２の厚い接続用接地導体とするとき、
   前記第１の薄い接続用接地導体と前記第２の薄い接続用接地導体の前記光導波路の方向における位置、長さ、もしくは幅の少なくとも１つが異なって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
4. 前記第３の凹部に隣接する前記接地導体用リッジ部でない側の基板上に形成された接地導体の、前記高周波電気信号の電磁界が小さくなった領域である前記第３の凹部から所定距離離れた領域における厚みを、当該領域以外の領域における接地導体の厚みよりも薄く構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の光変調器。
5. 前記第２の凹部に隣接する前記中心導体用リッジ部でない側の基板上に形成された接地導体の、前記高周波電気信号の電磁界が小さくなった領域である前記第２の凹部から所定距離離れた領域における厚みを、当該領域以外の領域における接地導体の厚みよりも薄く構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の光変調器。
6. 前記基板がリチウムナイオベートからなることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の光変調器。
7. 前記基板が半導体からなることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の光変調器。

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