JP6020555B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、光変調器に関する。

従来、電気光学基板上に光導波路が形成された光導波路構造の光変調器が知られている。マッハツェンダ干渉型光変調器は、異なる光導波路を通過した光が合波する構成であり、各々の光導波路を通過する光が受ける位相変化量の差により合波後の光の強度が決まるものである（例えば特許文献１参照）。位相変化量の差を変化させることによって、光変調器の出力強度を変化させることができる。

特許文献１に記載されたようなマッハツェンダ干渉型光変調器では、光導波路の近傍を掘り込み、光導波路をリッジ形状とすることがある。光導波路をリッジ形状とすることで、光導波路における、電気信号による電界と伝搬する光との実行重なり積分が改善し、駆動電圧の低減が図られる。また、光導波路をリッジ形状とすることで、高周波制御信号（電気信号）の実効屈折率（マイクロ波実効屈折率）、及び、特性インピーダンスが適正化され、マイクロ波特性の向上が図られる。

特開平１０−９０６３８号公報 特開２００７−１３３４４２号公報 特開２０１１−０９０３３２号公報

ここで、光導波路をリッジ形状とすることによる２つの効果、すなわち、駆動電圧の低減及びマイクロ波特性の向上を実現するために適正なリッジ形状の掘り込み深さは、リッジ形状、電極形状、及び電極が形成される場所によって異なる。光導波路をリッジ形状に加工するには、一般的にドライエッチング法が用いられる。加工後には、光導波路脇の溝は逆台形状に、リッジ形状は正台形状になる。正台形状であるリッジ形状の低角は、加工方法及び条件に依存し、３０〜８５度であるが、駆動電圧の低減効果を発現させるには、７０度以上とされることが望ましい。しかしながら、特許文献１に記載された従来のマッハツェンダ干渉型光変調器のリッジ形状は、そのようなリッジ形状（リッジの幅及び角度）を十分には考慮しておらず、広帯域変調器の駆動電圧低減及びマイクロ波特性向上の双方の効果を十分には得ることができていない。

例えば、広帯域変調器の駆動Ｂａｕｄレートが、２５ＧＨｚを超えるようなＤＱＰＳＫ（Differential Quadrature Phase Shift Keying）変調器又はＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）変調器の場合、駆動ドライバの出力電圧や出力が線形な電圧範囲が制限されている。このため、変調器の作用部電極を長尺化すること、ほぼ完全な高周波制御信号（電気信号）の実行屈折率（マイクロ波実行屈折率）と伝搬光の屈折率との整合をとること、及び、駆動電圧の低減に適した溝の掘り込みを行うことが必須となる。これらを設計の優先事項とすると、電極部のインピーダンスが、ＲＦ（Radio Frequency）信号コネクタ部のインピーダンス（標準的には５０Ω）から乖離しやすい。インピーダンスが５〜１０Ω程度乖離しても、反射減衰量は−２０ｄＢ以下であり、制御電気信号の反射損失による振幅応答性の劣化は比較的軽微である。しかしながら、ＲＦ信号コネクタ部のインピーダンス５０Ωとの不連続点の存在により、制御信号の位相遅延量の周波数依存性が不連続となり、光変調信号が劣化する。これは、光変調器に給電される制御信号が良好であっても、変調器のＲＦコネクタ部（制御信号入射端）、変調器の電極、及び終端抵抗（制御信号終端部）のインピーダンスが異なっているので、変調器の電極部を伝搬する制御信号には、不連続部での制御信号の反射、干渉、及び位相の変化に起因した位相遅延の周波数依存性が生じることが原因である。

これまで広く使われてきたＲＺ（Return to Zero）変調及びＮＲＺ（Non Return to Zero）変調等のデジタル二値の強度変調の場合には、位相遅延量の周波数依存性の問題は実務上軽微であり、システム運用上無視できる程度であった。しかしながら、ＱＰＳＫ変調器及びＱＡＭ変調器のような多値の位相変調、又はアナログ変調の場合には、その劣化は、伝送品質に与える影響が大きく、無視できない問題である。そのため、電極部及び終端抵抗部のインピーダンスとＲＦコネクタのインピーダンスとの差を極力小さくすることが望ましい。好ましくは、上述したインピーダンスの差は、インピーダンス不整合によるＳＷＲ（定在波比：Standing Wave Ratio）が１．１以下になる、±５Ω以内である。より好ましくは、上述したインピーダンスの差は、インピーダンス不整合によるＳＷＲが１．０５以下になる、±２Ω以内である。

特許文献１には、表面を掘り込む幅Ｇｒが、信号電極と接地電極との間隔Ｇに対して、Ｇｒ≦Ｇの関係を満たすようにする、との記載がある。この設計方針は、電極間隔Ｇｒをむやみに狭くしないで電極のインピーダンスＺを一定の大きさ以上に保つためには有効な策である。しかしながら、実際の加工においては、掘り込む溝の断面形状は逆台形型、光導波路部分の断面形状は正台形状になり、高い比誘電率材料である基板部分が多く残る構造となるので、電極のインピーダンスＺを大きくするように設計するには不利な構成である。また、リッジの正台形の低角が小さいほど、溝形成による電極のインピーダンス向上の効果が薄く、インピーダンスを大きくすることが難しくなる。

駆動電圧の低減、及び、マイクロ波実行屈折率と伝搬光の屈折率との整合を実現した上で、電極のインピーダンスＺをＲＦ信号コネクタ部のインピーダンスに整合させるために、リッジ導波路の角度に応じた電極間隔Ｇｒ、溝の深さｄ、並びに、電極の形状及び位置を調整することが考えられる。ここで、高周波帯における駆動電圧の低減及び広帯域化を実現するためには、制御信号の伝搬損失を小さくすることが必要である。そのため、実用的な広帯域ＱＰＳＫ変調器又は広帯域ＱＡＭ変調器を実現するためには、リッジ状の光導波路に加えて、表面積及び断面積の大きな電極構造を併せて用いる必要がある。このことで、実際には、インピーダンスをちょうど５０Ωにすることが困難となっている。すなわち、駆動電圧の低減、及び、マイクロ波実行屈折率と伝搬光の屈折率との整合を優先して設計すると、特許文献２及び３に示されるように、インピーダンスは５０Ωより低めの値になりやすい。以上より、速度整合、駆動電圧の低減、及び、インピーダンス整合を同時実現可能な、設計自由度が高い構成が求められている。

本発明の一態様は、駆動電圧の低減及びマイクロ波特性の向上の双方の効果を十分に得ることができる広帯域低駆動電圧光変調器を提供する。

本発明の一側面に係る光変調器は、電気光学基板と、光導波路と、変調信号に応じた電界を該光導波路に印加する複数の信号電極と、を備える光変調器であって、電気光学基板は、電気光学基板表面が掘り込まれた掘り込み部と、該掘り込み部によりリッジ形状に形成されて光導波路が設けられたリッジ部と、を有し、掘り込み部は、一対の分岐された光導波路間の掘り込み部である第１の掘り込み部と、該第１の掘り込み部以外の掘り込み部である第２の掘り込み部とからなり、第１の掘り込み部と第２の掘り込み部とで掘り込み深さが異なっている。

このような光変調器では、光導波路の両脇に、光導波路をリッジ形状とするための掘り込み部が形成されており、一対の分岐された光導波路間の掘り込み部である第１の掘り込み部と、その他の掘り込み部である第２の掘り込み部とは、掘り込み深さが異なるように形成されている。光導波路の駆動電圧は主に第１の掘り込み部の掘り込み深さに基づいて決まり、光導波路のマイクロ波特性は第１及び第２の掘り込み部の掘り込み深さに基づいて決まるところ、第１の掘り込み部の掘り込み深さと第２の掘り込み部の掘り込み深さとを異ならせて形成することにより、第１の掘り込み部の掘り込み深さを光導波路の駆動電圧の低減及びマイクロ波特性の向上に適した深さとするとともに、第２の掘り込み部の掘り込み深さをマイクロ波特性の向上に適した深さとすることができる。これにより、駆動電圧の低減及びマイクロ波特性の向上の双方の効果を十分に得ることができる。

第１の掘り込み部の掘り込み深さと、第２の掘り込み部の掘り込み深さとの差が、２μｍ以下であってもよい。掘り込み深さの差が大きい場合には応力によって電気光学基板が歪み特性が変わることが問題となるところ、掘り込み深さの差を２μｍ以下とすることで、電気光学基板にかかる応力を低減することができる。

第１及び第２の掘り込み部の掘り込み深さの関係が、第１及び第２の掘り込み部の幅及びリッジ形状の少なくとも一方に応じて決まっていてもよい。掘り込み部の幅及びリッジ形状の少なくとも一方に応じて掘り込み深さを決定することで、駆動電圧の低減及びマイクロ波特性の向上が図られる。

第１及び第２の掘り込み部の幅が９μｍ以下の場合には、第１の掘り込み部の掘り込み深さが第２の掘り込み部の掘り込み深さよりも深く、第１及び第２の掘り込み部の幅が９μｍより大きい場合には、第１の掘り込み部の掘り込み深さが第２の掘り込み部の掘り込み深さよりも浅い構成としてもよい。第１及び第２の掘り込み部の幅に応じて第１の堀り込み部の掘り込み深さを駆動電圧が低減される深さに決定するとともに、該第１及び第２の掘り込み部の幅が９μｍ以下の場合には第２の掘り込み部の掘り込み深さを第１の掘り込み部の掘り込み深さよりも浅くし、該第１及び第２の掘り込み部の幅が９μｍより大きい場合には第２の掘り込み部の掘り込み深さを第１の掘り込み部の掘り込み深さよりも深くすることで、光の屈折率及び特性インピーダンスが適正化されマイクロ波特性が向上する。このため、駆動電圧の低減及びマイクロ波特性の向上の双方の効果を十分に得ることができる。

本発明の一態様によれば、駆動電圧の低減及びマイクロ波特性の向上の双方の効果が十分に得られる光変調器を提供できる。実用面では、特に、インピーダンス整合の実現に有効であり、ＤＱＰＳＫ変調器及びＱＡＭ変調器のような多値変調、又はアナログ変調信号の品質改善への効果が高い。

一実施形態に係る光変調器の構成を概略的に示す図である。 図１に示したマッハツェンダ部の模式図である。 図２に示したマッハツェンダ部のIII-III線における断面図である。 掘り込み部の幅毎の、掘り込み部の掘り込み深さと駆動電圧との関係を示す図である。 掘り込み部の幅毎の、掘り込み部の掘り込み深さとマイクロ波実効屈折率との関係を示す図である。 掘り込み部の幅毎の、掘り込み部の掘り込み深さとインピーダンスとの関係を示す図である。 光変調器の断面図の他の例である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、一実施形態に係る光変調器の構成を概略的に示す図である。図１に示されるように、光変調器１は、光ファイバＦ１によって導入された入力光を変調して、光ファイバＦ２に変調光を出力する装置である。光変調器１は、光入力部２と、中継部３と、光変調素子４と、終端部５と、光出力部６と、モニタ部７と、筐体１０と、を備え得る。なお、図１に示した光変調器１はいわゆるＺカットのニオブ酸リチウムで構成された光変調器である。

筐体１０は、一方向（以下、「方向Ａ」という。）に延びる箱型の部材であって、例えばステンレス鋼から構成されている。筐体１０は、方向Ａにおける両端面である一端面１０ａ及び他端面１０ｂを有する。一端面１０ａには光ファイバＦ１を挿入するための開口が設けられている。他端面１０ｂには光ファイバＦ２を挿入するための開口が設けられている。筐体１０は、例えば、光入力部２、中継部３、光変調素子４、終端部５、光出力部６及びモニタ部７を収容する。

光入力部２は、光ファイバＦ１によって導入される入力光を光変調素子４に供給する。光入力部２は、光ファイバＦ１と光変調素子４との接続を補助するための補助部材を備えてもよい。

中継部３は、外部から供給される電気信号である変調信号を中継して光変調素子４に出力する。中継部３は、例えば筐体１０の側面１０ｃに設けられた変調信号入力用のコネクタを介して変調信号を入力し、光変調素子４に変調信号を出力する。

光変調素子４は、中継部３から出力される変調信号に応じて、光入力部２から供給される入力光を変調光に変換する素子であって、例えばＬＮ光変調素子である。光変調素子４は、電気光学基板４１と、光導波路４２と、変調電極４３（図１には図示せず）と、を備え得る。電気光学基板４１は、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３、以下「ＬＮ」という。）などの電気光学効果を奏する誘電体材料から構成されている。電気光学基板４１は方向Ａに沿って延びており、方向Ａにおける両端部である一端部４１ａ及び他端部４１ｂを有する。

光導波路４２は、電気光学基板４１上に設けられている。光導波路４２は、例えばマッハツェンダ（Mach-Zehnder）型の光導波路であって、光変調素子４の変調方式に応じた構造を有する。この例では、光変調素子４の変調方式は、ＤＱＰＳＫ（Differential Quadrature Phase Shift Keying：差動４値位相変調）方式である。この場合、光導波路４２は、マッハツェンダ部４２０の２つの分岐導波路上に、マッハツェンダ部４２１及びマッハツェンダ部４２２が設けられた構造を有する。すなわち、マッハツェンダ部４２０の入力導波路４２ａは電気光学基板４１の一端部４１ａから方向Ａに沿って延び、分岐されてマッハツェンダ部４２１の入力端及びマッハツェンダ部４２２の入力端にそれぞれ接続されている。マッハツェンダ部４２０の出力導波路４２ｂでは、マッハツェンダ部４２１の出力端及びマッハツェンダ部４２２の出力端から延びる導波路が合流して方向Ａに沿って他端部４１ｂまで延びている。

光変調素子４では、光入力部２から光変調素子４に入力される入力光は、入力導波路４２ａによってマッハツェンダ部４２１及びマッハツェンダ部４２２に分岐して入力される。入力光は、マッハツェンダ部４２１及びマッハツェンダ部４２２においてそれぞれ変調される。マッハツェンダ部４２１において変調された変調光及びマッハツェンダ部４２２において変調された変調光は、９０度の位相差を付与され、出力導波路４２ｂにおいて合波されて光変調素子４から出力される。

終端部５は、変調信号の電気的終端である。終端部５は、光変調素子４の変調電極４３の各々に対応した抵抗器を備え得る。各抵抗器の一端は光変調素子４の変調電極４３に電気的に接続され、各抵抗器の他端は接地電位に接続されている。各抵抗器の抵抗値は、例えば５０Ω程度である。

光出力部６は、光変調素子４から出力される変調光を光ファイバＦ２に出力する。光出力部６は、電気光学基板４１の他端部４１ｂに設けられている。

モニタ部７は、例えば、各マッハツェンダ部４２１，４２２の光出力の相補的な光強度をモニタする。モニタ部７は光電変換素子を備え得る。光電変換素子は、光信号を電気信号に変換するための素子であって、例えばフォトダイオードである。光電変換素子は、例えばＬＮ基板上で、マッハツェンダ部４２０の出力導波路４２ｂと分岐した導波路５１上に置かれ、分岐光を受光し、その光強度に応じた電気信号をバイアス制御部（図示せず）に出力する。

つぎに、図２及び図３を用いて、マッハツェンダ部４２１の詳細な構成について説明する。なお、マッハツェンダ部４２２の主要な構成は、マッハツェンダ部４２１と同様である。図２は、図１に示したマッハツェンダ部の模式図である。図３は、図２に示したマッハツェンダ部のIII-III線における断面図である。

マッハツェンダ部４２１は、光導波路４２として、入力導波路４２１ａ、出力導波路４２１ｂ、及び、一対の分岐された光導波路であって方向Ａに沿って延びた分岐導波路４２１ｃ，４２１ｄを備えている。すなわち、マッハツェンダ部４２１の光導波路４２では、方向Ａに沿って延びた入力導波路４２１ａが、分岐点４２１ｘで分岐導波路４２１ｃ，４２１ｄと接続されており、また、分岐導波路４２１ｃ，４２１ｄが、合流点４２１ｙで方向Ａに沿って延びた出力導波路４２１ｂと接続されている。なお、分岐点４２１ｘ及び合流点４２１ｙは、ＬＮ基板上になくてもよく、例えば石英導波路で形成されていてもよい。

電気光学基板４１上には、分岐導波路４２１ｃ，４２１ｄ内を通過する光を変調するための変調電極４３が設けられている。光変調器１の動作帯域を広帯域化させる観点から、変調電極４３には、電気信号と光波とが同方向に伝搬することで両者の速度整合が図られる進行波型電極が用いられている。具体的には、変調電極４３には、信号電極４４ａと、信号電極４４ａを挟むように配置される接地電極４４ｂ，４５ａ，４５ｂとで構成されたコプレーナ型電極が用いられている。接地電極４４ｂと接地電極４５ｂとは、接続部４８により電気的に接続されており、図２に示されるように接続部４８は掘り込み部４６ｃに方向Ａに沿って複数設けられている。接続部４８は、後述する掘り込み部４６ｃ全面に設けられていてもよい。なお、変調電極４３の厚みＨは、例えば１０〜８０μｍである。また、変調電極４３は、金（Ａｕ）などの低抵抗の金属で形成されている。

信号電極４４ａは、中継部３から出力される変調信号に応じた電界を分岐導波路４２１ｃに印加する電極であり、分岐導波路４２１ｃが延びる方向Ａに延びている。信号電極４４ａは分岐導波路４２１ｃ上に設けられている。信号電極４４ａの配置及び数は、電気光学基板４１の結晶軸の向き及び光変調素子４の変調方式に応じて決定される。なお、信号電極４４ａの方向Ａにおける長さは、分岐導波路４２１ｃ，４２１ｄの方向Ａに延びる部分の長さと同程度である。また、信号電極４４ａの幅（図中におけるｙ方向）は、少なくとも図中における分岐導波路４２１ｃの幅（図中におけるｙ方向）Ｗｃよりも広い。

接地電極４４ｂ，４５ａ，４５ｂは、接地されグランド電位となった電極であり、分岐導波路４２１ｃ，４２１ｄが延びる方向Ａに延びている。接地電極４５ａ，４５ｂは、分岐導波路４２１ｃ，４２１ｄが延びる方向Ａ（図中におけるｘ方向）と交差する方向（図中におけるｙ方向）であって、分岐導波路４２１ｃと分岐導波路４２１ｄとが対向する方向において、信号電極４４ａを挟み込むようにして設けられている。接地電極４４ｂ，４５ａ，４５ｂの方向Ａにおける長さは、信号電極４４ａの方向Ａにおける長さと同程度である。

変調電極４３と電気光学基板４１との間には、電極金属による光波の伝搬損失を防ぐため、電気光学基板４１を構成するＬＮよりも低屈折率の誘電体材料（例えばＳｉＯ２）からなるバッファ層が形成されている（図示せず）。また、変調電極４３とバッファ層との間には、Ｓｉ等の電荷分散膜が形成されている（図示せず）。

電気光学基板４１には、電気光学基板４１の表面が掘り込まれた（エッチングされた）掘り込み部４６ａ，４６ｂ，４６ｃが形成されている。掘り込み部４６ａ，４６ｂ，４６ｃが形成されていることによって、電気光学基板４１における掘り込み部４６ａ，４６ｂに挟まれた部分、及び、電気光学基板４１における掘り込み部４６ａ，４６ｃに挟まれた部分はリッジ形状（リッジ構造）のリッジ部とされている。電気光学基板４１の該リッジ部には、分岐導波路４２１ｃ，４２１ｄが設けられている。掘り込み部４６ａは、分岐導波路４２１ｃと分岐導波路４２１ｄとの間に形成された掘り込み部である（第１の掘り込み部）。また、掘り込み部４６ｂは、第１の掘り込み部以外の掘り込み部である第２の掘り込み部であり、分岐導波路４２１ｃと接地電極４５ａ直下の電気光学基板４１部分との間に形成された掘り込み部である。

掘り込み部４６ａ，４６ｂの掘り込み深さの関係は、掘り込み部４６ａの幅（図中におけるｙ方向）Ｇ_１、掘り込み部４６ｂの幅（図中におけるｙ方向）Ｇ_２及びリッジ形状の斜面角度の少なくとも一方に応じて決まっており、第１の掘り込み部である掘り込み部４６ａと、第２の掘り込み部である掘り込み部４６ｂとでは、堀り込みの深さが異なっている。なお、掘り込み部４６ａの幅Ｇ_１、掘り込み部４６ｂの幅Ｇ_２、掘り込み部４６ｃの幅Ｇ_３は、同一の広さＧである。リッジ形状の斜面角度とは、リッジの上面として残した面あるいは掘り込んだ掘り込み部底面とリッジ斜面の為す角度をいい、本実施形態においては、リッジ形状の斜面角度は７０度〜８５度の範囲の値とする。

分岐導波路４２１ｃ，４２１ｄがリッジ形状とされていることで、以下の効果が期待できる。すなわち、第１に、分岐導波路４２１ｃ，４２１ｄにおける、電気信号による電界と伝搬する光との実行重なり積分を改善し、駆動電圧の低減を図ることができる。第２に、高周波制御信号（電気信号）の実効屈折率（マイクロ波実効屈折率）、及び、特性インピーダンスを適正化し、マイクロ波特性の向上を図ることができる。

上述したマイクロ波実効屈折率の適正化について説明する。光変調器１のように、広帯域光変調器においては、変調電極４３を伝搬する電気信号（マイクロ波）と導波路を通過する光波との速度整合をとることが重要である。しかしながら、ＬＮの屈折率は光波とマイクロ波とで大きく異なるので（光波１．５５μｍでの屈折率ｎ＝２．２、マイクロ波の屈折率ｎ_ｍ＝４．２）、何ら対処をしない場合には速度整合をとることができない。そこで、ＬＮ中に分布する電界を相対的に少なくしてマイクロ波の実効屈折率を光波の実効屈折率に近づけ、マイクロ波と光波との速度整合をとる必要がある。

上述した特性インピーダンスの適正化について説明する。特性インピーダンスの適正化とは、変調電極４３のインピーダンスＺを駆動回路及びコネクタの５０Ω系に合わせ、マイクロ波の反射を少なくするものである。

ここで、上述した、分岐導波路４２１ｃ，４２１ｄがリッジ形状とされていることによる効果のうち、駆動電圧については、掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１が主な要因となる。また、マイクロ波特性（マイクロ波実効屈折率及び特性インピーダンス）については、掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１、及び、掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２に基づいて決まる。なお、掘り込み部４６ｃの掘り込み深さｄ_３は、応力及び光の閉じ込め等を考慮して掘り込み深さｄ_２と同様の深さで形成すればよい。

図４〜図６を用いて、掘り込み深さと駆動電圧Ｖ_π、マイクロ波実効屈折率ｎ_ｍ、及びインピーダンスＺとの関係について説明する。

図４は、掘り込み部の幅毎の、掘り込み部の掘り込み深さと駆動電圧との関係を示す図である。図４に示すグラフの縦軸は光変調器１の駆動電圧Ｖ_π（Ｖ）を、横軸は掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１（μｍ）をそれぞれ示している。図４に示されるように、掘り込み部の掘り込み深さと駆動電圧との関係は、下に凸の曲線の関係となっている。

そして、掘り込み部４６ａ，４６ｂの幅Ｇが９μｍ以下の値である８μｍの場合には、掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１を７μｍとすると駆動電圧Ｖ_πは最小値をとる。一方、掘り込み部４６ａ，４６ｂの幅Ｇが９μｍより大きい値である１０μｍの場合には、掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１を８μｍとすると駆動電圧Ｖ_πは最小値をとる。

図５は、掘り込み部の幅毎の、掘り込み部の掘り込み深さとマイクロ波実効屈折率との関係を示す図である。図５に示すグラフの縦軸はマイクロ波実効屈折率ｎ_ｍを、横軸は掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１（μｍ）、掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２（μｍ）をそれぞれ示している。図５に示されるように、掘り込み部の掘り込み深さとマイクロ波実効屈折率との関係は、単調な右下がりの曲線の関係となっている。

そして、掘り込み部４６ａ，４６ｂの幅Ｇが８μｍの場合に、マイクロ波実効屈折率ｎ_ｍを光波の実効屈折率ｎ（２．２）に近づけるためには、掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１、及び掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２を５．５μｍとしてもよい。一方、掘り込み部４６ａ，４６ｂの幅Ｇが１０μｍの場合に、マイクロ波実効屈折率ｎ_ｍを光波の実効屈折率ｎ（２．２）に近づけるためには、掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１、及び掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２を９μｍとしてもよい。

図６は、掘り込み部の幅毎の、掘り込み部の掘り込み深さとインピーダンスとの関係を示す図である。図６に示すグラフの縦軸はインピーダンスＺ（Ω）を、横軸は掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１（μｍ）、掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２（μｍ）をそれぞれ示している。図６に示されるように、掘り込み部の掘り込み深さとインピーダンスとの関係は、上に凸の曲線の関係となっている。

そして、掘り込み部４６ａ，４６ｂの幅Ｇが８μｍの場合に、変調電極４３のインピーダンスＺを駆動回路及びコネクタの５０Ω系に合わせるためには、掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１、及び掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２を５．５μｍとしてもよい。一方、掘り込み部４６ａ，４６ｂの幅Ｇが１０μｍの場合に、変調電極４３のインピーダンスＺを駆動回路及びコネクタの５０Ω系にマッチさせるためには、掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１、及び掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２を１０μｍとしてもよい。

上述したように、掘り込み部４６ａ，４６ｂの掘り込み深さｄ_１，ｄ_２の関係は、掘り込み部４６ａ，４６ｂの幅Ｇに応じて決まっている。具体的には、掘り込み部４６ａ，４６ｂの幅Ｇが９μｍ以下であるか９μｍより大きいかによって、掘り込み部４６ａ，４６ｂの掘り込み深さｄ_１，ｄ_２の関係が決まっている。すなわち、掘り込み部４６ａ，４６ｂの幅Ｇが９μｍ以下の場合には、掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１が掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２よりも深く、掘り込み部４６ａ，４６ｂの幅Ｇが９μｍより大きい場合には、掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１が掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２よりも浅い。

掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１、及び掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２の具体的な決定手順について、図３及び図７を用いて説明する。図３、図７ともに、マッハツェンダ部の断面図であるが、図３は掘り込み部４６ａ，４６ｂの幅Ｇが８μｍであるマッハツェンダ部４２１の断面図であり、図７は掘り込み部４６ａ，４６ｂの幅Ｇが１０μｍであるマッハツェンダ部４２１ｚの断面図である。

図３に示されるマッハツェンダ部４２１では、掘り込み部４６ａ，４６ｂの幅Ｇが８μｍであるところ、まず、駆動電圧Ｖ_π（Ｖ）が最小となるよう、掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１の値を７μｍに決定する（図４参照）。つづいて、マイクロ波実効屈折率ｎ_ｍを２．２に近づけ、且つ、インピーダンスＺ（Ω）を５０Ωに近づけるよう、掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２を５．５μｍに決定する（図５及び図６参照）。すなわち、掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１が、掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２よりも深くなるように決定する。

図７に示されるマッハツェンダ部４２１ｚでは、掘り込み部４６ａ，４６ｂの幅Ｇが１０μｍであるところ、まず、駆動電圧Ｖ_π（Ｖ）が最小となるよう、掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１の値を８μｍに決定する（図４参照）。つづいて、マイクロ波実効屈折率ｎ_ｍを２．２に近づけ、且つ、インピーダンスＺ（Ω）を５０Ωに近づけるよう、掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２を決定する。ここで、図５に示されるように、マイクロ波実効屈折率を適正化する観点からは、掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２は、９μｍとしてもよい。一方で、インピーダンスＺ（Ω）の値を適正化する観点からは、掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２は、１０μｍとしてもよい。この場合、掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２は、９μｍ〜１０μｍの範囲の値に決定すればよい。すなわち、掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１が、掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２よりも浅くなるように決定する。

なお、第１の掘り込み部（掘り込み部４６ａ）の掘り込み深さｄ_１と、第２の掘り込み部（掘り込み部４６ｂ）の掘り込み深さｄ_２との差は、例えば、２μｍ以下とすることが考えられるところ、上述した図３及び図７を用いて説明した例では、掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１と、掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２との差は２μｍ以下であり、当該条件を満たしている。

このように、本実施形態に係る光変調器１では、分岐導波路４２１ｃ，４２１ｄの両脇に、分岐導波路４２１ｃ，４２１ｄをリッジ形状とするための掘り込み部が形成されており、分岐導波路４２１ｃと分岐導波路４２１ｄとの間の掘り込み部である掘り込み部４６ａ（第１の掘り込み部）と、その他の掘り込み部である掘り込み部４６ｂ（第２の掘り込み部）とは、掘り込み深さが異なるように形成されている。

光導波路の駆動電圧は主に第１の掘り込み部の掘り込み深さに基づいて決まり、光導波路のマイクロ波特性は第１及び第２の掘り込み部の掘り込み深さに基づいて決まるところ、従来はこのようなリッジ形状（幅及び角度）、電極形状、及び電極が形成される場所を考慮して各掘り込み部の掘り込み深さを決定することは行っておらず、駆動電圧の低減及びマイクロ波特性の向上の点において、各掘り込み部の掘り込み深さは必ずしも適切な値となっていない。

この点、本実施形態に係る光変調器１では、第１の掘り込み部である掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１と、第２の掘り込み部である掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２とを異ならせて形成することにより、掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１を光導波路の駆動電圧低減に適した深さとするとともに、掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２をマイクロ波特性の向上に適した深さとすることができる。これにより、駆動電圧の低減及びマイクロ波特性の向上の双方の効果を十分に得ることができる。

また、第１の掘り込み部（掘り込み部４６ａ）の掘り込み深さｄ_１と、第２の掘り込み部（掘り込み部４６ｂ）の掘り込み深さｄ_２との差を２μｍ以下とすることにより、電気光学基板４１にかかる応力を低減している。

また、第１の掘り込み部である掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１と、第２の掘り込み部である掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２との関係が、掘り込み部４６ａ，４６ｂの幅Ｇ及びリッジ形状の斜面角度の少なくとも一方に応じて決まっていることにより、掘り込み部４６ａ，４６ｂの幅Ｇ毎に、適切に、駆動電圧の低減及びマイクロ波特性の向上を実現している。

また、掘り込み部４６ａ，４６ｂの幅Ｇが９μｍ以下の場合には掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１を、掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２よりも深くし、掘り込み部４６ａ，４６ｂの幅Ｇが９μｍより大きい場合には掘り込み部４６ａの掘り込み深さｄ_１を、掘り込み部４６ｂの掘り込み深さｄ_２よりも浅くすることで、図３〜図７を用いて説明したように、駆動電圧の低減及びマイクロ波特性の向上の双方の効果を十分に得ることができる。

ここまで、図３を用いて信号電極４４ａに変調信号を給電して変調する構成で説明してきたが、接地電極４４ｂを接地電極４５ｂから分離させて信号電極とし、信号電極４４ａ，４４ｂに差動信号を給電して光変調器を駆動する構成においても、同様に掘り込み部４６ａ，４６ｂ，４６ｃの掘り込み深さｄ_１，ｄ_２，ｄ_３の違いを特性設計の自由度の改善に活かすことができる。また、接地電極４５ａ，４５ｂが掘り込み部４６ａ，４６ｂ，４６ｃの底部にまで張り出している構成の場合も、同様に掘り込み部４６ａ，４６ｂ，４６ｃの掘り込み深さｄ_１，ｄ_２，ｄ_３の違いを特性設計の自由度の改善に活かすことができる。ただし、特性インピーダンスの掘り込み深さ依存性は、図５に示した特性曲線とはかなり異なったものになる。接地電極４４ｂを信号電極として機能させた場合についても、同様に掘り込み部４６ａ，４６ｂ，４６ｃの掘り込み深さｄ_１，ｄ_２，ｄ_３の違いを特性設計の自由度の改善に活かすことができる。

なお、本発明に係る光変調器は上記実施形態に限定されない。例えば、電気光学基板４１上に設けられた光導波路４２は、マッハツェンダ型の光導波路である、として説明したがこれに限定されず、光導波路と信号電極とを備えるその他の光変調器であってもよい。また、変調電極４３としてコプレーナ型電極を用いるとして説明したが、変調電極４３には、少なくとも信号電極を備えるその他の電極を用いてもよい。また、説明を簡単にするため、接地電極が溝部ではなくリッジ部に形成されている事例を用いて説明してきたが、接地電極が溝部に形成されている構成であっても、特性設計の自由度が高まることは言うまでもない。

１…光変調器、４１…電気光学基板、４２…光導波路、４４ａ…信号電極、４４ｂ，４５ａ，４５ｂ…接地電極、４６ａ…掘り込み部（第１の掘り込み部）、４６ｂ，４６ｃ…掘り込み部（第２の掘り込み部）、４２０，４２１，４２１ｚ，４２２…マッハツェンダ部、４２１ｃ，４２１ｄ…分岐導波路（光導波路）。

Claims (4)

1. 電気光学基板と、光導波路と、変調信号に応じた電界を該光導波路に印加する信号電極と接地電極とから構成された変調電極と、を備える光変調器であって、
   前記電気光学基板は、前記電気光学基板表面が掘り込まれた掘り込み部と、該掘り込み部によりリッジ形状に形成されて光導波路が設けられたリッジ部と、を有し、
   前記信号電極は、前記リッジ部上に設けられ、該光導波路の延在方向に交差する方向の断面においてリッジ幅より広い構成であり、
   前記接地電極は、前記掘り込み部の底部にまで張り出した構成であり、
   前記掘り込み部は、一対の分岐された前記光導波路間の掘り込み部である第１の掘り込み部と、該第１の掘り込み部以外の掘り込み部である第２の掘り込み部とからなり、
   前記第１の掘り込み部と前記第２の掘り込み部とで掘り込み深さが異なっている、多値の位相変調器である、光変調器。
2. 前記第１の掘り込み部の掘り込み深さと、前記第２の掘り込み部の掘り込み深さとの差が、２μｍ以下である、請求項１に記載の光変調器。
3. Ｚカットのニオブ酸リチウムにより構成されている、請求項１又は２に記載の光変調器。
4. 前記リッジ部は、前記光導波路の延在方向に交差する方向の断面において正台形状であり、底角が７０度以上とされている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光変調器。

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