JP6075576B2 - 導波路型光素子 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路と当該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを備えた導波路型光素子に関し、特に、広い周波数範囲に亘って動作が可能な広帯域導波路型光素子に関する。

近年、光通信や光計測の分野においては、電気光学効果を有する基板上に光導波路を形成した光変調器などの導波路型光素子が多く用いられている。導波路型光素子は、一般に、上記光導波路と、当該光導波路内を伝搬する光波を制御するための制御電極を備える。

このような導波路型光素子として、例えば強誘電体結晶であるニオブ酸リチウム（LiNbO3）（「ＬＮ」とも称する）を基板に用いたマッハツェンダ型光変調器が広く用いられている。マッハツェンダ型光変調器は、外部から光を導入するための入射導波路と、当該入射導波路により導入された光を２つの経路に分けて伝搬させるための分岐部と、分岐部の後段に分岐されたそれぞれの光を伝搬させる２本の並行導波路と、当該２本の並行導波路を伝搬した光を合波して外部へ出力するための出射導波路とにより構成されるマッハツェンダ型光導波路を備える。

また、マッハツェンダ型光変調器は、電圧を印加することで、電気光学効果を利用して、上記並行導波路内を伝搬する光波の位相を変化させて制御するための制御電極を備える。当該制御電極は、一般に、上記並行導波路の長さ方向に沿ってその上部又はその近傍に形成された中心電極と、当該中心電極に離間して配置された接地電極と、を有するＣＰＷ（Coplanar Waveguide）型電極として構成されている。

特に、並行導波路を伝搬する光波をより高い周波数で制御する広帯域（マイクロ波帯域）のマッハツェンダ型光変調器の設計においては、並行導波路を伝搬する光の伝搬速度と中心電極を伝搬する伝搬速度との速度整合（以下、単に「速度整合」という）と、駆動回路の出力インピーダンスに対する中心電極の入力インピーダンスの整合（以下、インピーダンス整合という）と、光波とマイクロ波との重なり（変調効率）と、をバランスさせる必要がある。

すなわち、マッハツェンダ型光変調器では、速度整合と、インピーダンス整合と、を行うことを必須要件として、でき得る限り駆動電圧を低減する必要がある。さらに、広帯域化のためには、電極を伝搬する高周波信号の損失（マイクロ波損失）を低減することも必要となる。しかしながら、駆動電圧の低減と広帯域化は相反的な関係にあり、駆動電圧の増加を伴うことなく広帯域化を図ることには困難を伴う。

従来、速度整合とインピーダンス整合を両立させるため基板の表面をリッジ形状に加工し、駆動電圧の上昇を抑制しつつ広帯域化を図ることが知られている（非特許文献１）。また、更なる広帯域化のため、接地電極及び又は中心電極を２段構成（すなわち、それら電極の厚さを２段階に変化させる構成）としてインピーダンスを変えずに速度整合を満たす電極の厚さを厚くすることで、マイクロ波の導体損失を低減させている（特許文献１）

上記従来の導波路型光素子では、基板厚さや電極厚さ等により速度整合を図りつつマイクロ波損失を低減して、ある程度まで広帯域な動作が可能となっている。しかしながら、実際上、形成できる電極の厚さは５０μｍ程度が上限であり、電極厚さを厚くすることで広帯域化を図るには限界がある。すなわち、電極形成の際には、形成すべき電極の厚さに応じて電極のパターンニングに用いるレジストも厚く形成する必要があるが、レジスト厚さが厚くなるにつれてレジスト内部の応力が高まり、レジストと基板との間の付着力が低下して、電極形成途中でレジストが剥離してしまう確率が高まる。また、厚さに応じて電極形成の時間も長くなり、生産性が低下する。ここで、電極の形成方法は、非特許文献１、２に記載されているように、フォトレジスト及び電気メッキを用いたセミアディテイブを用いている。

特許第２６０６６７４号公報

"Broadband Optical Modulators"、ISBN978-1-4398-2506-8 "A review of lithium niobate modulators for fiber-optic communications systems"、Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Journal of, 2000, Vol.6.No.1:pp 69-82

上記背景より、導波路型光素子において、更なる広帯域動作を可能とするため構成の実現が望まれている。

本発明の一の態様は、電気光学効果を有する基板上に形成された光導波路と、当該光導波路を伝搬する光波を制御する制御電極と、を備える導波路型光素子であって、前記制御電極は、前記光導波路に沿って形成された中心電極と、当該中心電極導体から所定の距離だけ隔てて前記基板の面方向において挟むように形成された接地電極と、で構成され、前記中心電極又は前記接地電極は、当該中心電極及び当該接地電極を伝搬する高周波信号の伝搬方向に沿って、それぞれが相対抗する２つの界面で構成される複数の界面のペアが形成されている。
本発明の他の態様によると、前記複数の界面のペアは、前記高周波の伝搬方向に沿って所定の間隔で周期的に形成されている。
本発明の他の態様によると、前記接地電極は、前記中心電極に沿って当該中心電極と対向する部分が、他の部分よりも厚さが薄く形成されており、前記複数の界面のペアは、前記厚さが薄く形成された前記接地電極の部分以外の部分に形成されている。
本発明の他の態様によると、前記複数の界面のペアは、前記中心電極に向かう方向とは逆の方向に向かって開口を有する矩形のスリットとして形成されている。
本発明の他の態様によると、前記複数の界面のペアは、前記中心電極に向かう方向に開口を有する矩形のスリットとして形成されている。
本発明の他の態様によると、前記接地電極は、前記中心電極に沿って当該中心電極と対向する部分が、他の部分よりも厚さが薄く形成されており、前記複数の界面のペアは、前記厚さが薄く形成された前記接地電極の部分に形成されている。
本発明の他の態様によると、前記複数の界面のペアは、前記中心電極の方向に向かって開口を有する矩形のスリットとして形成されている。
本発明の他の態様によると、前記矩形のスリットは、前記接地電極の前記中心電極に近い側のエッジから当該中心電極から離れる方向に所定の距離以内の範囲にわたり、当該範囲以外の部分よりも幅が狭く形成されている。
本発明の他の態様によると、前記複数の界面のペアは、前記接地電極の深さ方向に設けられた矩形の穴として形成されている。
本発明の他の態様によると、前記複数の界面のペアは、前記中心電極の深さ方向に設けられたスリットとして形成されている。
本発明の他の態様によると、前記基板は、ニオブ酸リチウムで構成されており、前記厚さが薄く形成された前記接地電極の部分の厚さは、５μｍ以下である。
本発明の他の態様によると、前記基板は、ニオブ酸リチウムで構成されており、前記基板の厚さは４μｍ以下である。

本発明の第１の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。 図１に示す導波路型光素子のＡＡ矢視断面の斜視図である。 図１に示す導波路型光素子における、中心電極と接地電極とにより構成される分布定数線路の等価回路である。 本発明の第２の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。 図５に示す導波路型光素子のＢＢ矢視断面の斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。 図６に示す導波路型光素子のＣＣ矢視断面の斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。 図８に示す導波路型光素子のＤＤ矢視断面の斜視図である。 本発明の第５の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。 図１０に示す導波路型光素子のＥＥ矢視断面の斜視図である。 本発明の第６の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。 図１２に示す導波路型光素子のＦＦ矢視断面の斜視図である。 図１２に示す導波路型光素子における、中心電極と接地電極とにより構成される分布定数線路の等価回路である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下に示す実施形態は、マッハツェンダ型光導波路で構成される光変調器であるが、本発明に係る導波路型光素子は、これに限らず、ＣＰＷ型電極を構成する制御電極により動作するマッハツェンダ型光導波路、方向性結合器型光導波路、Ｙ分岐型光導波路、その他のタイプの光導波路で構成された光変調器、光スイッチ、その他の機能を有する導波路型光素子に、一般に適用することができる。

〔第１実施形態〕
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。
本導波路型光素子１０は、マッハツェンダ型光変調器であり、基板１００上に形成されたマッハツェンダ（ＭＺ、Mach-Zehnder）型光導波路１０２と、ＣＰＷ型電極を構成する中心電極１０４及び２つの接地電極１０６、１０８と、を有する。

基板１００は、電気光学材料であるニオブ酸リチウム（ＬＮ）から成る基板であり、例えばＸカットのＬＮ基板である。ＭＺ型光導波路１０２は、並行導波路１１０、１１２を有し、並行導波路１１０、１１２に挟まれた基板１００面上の領域に、当該並行導波路１１０、１１２と平行に中心電極１０４が形成されている。また、並行導波路１１０、１１２を挟んで中心電極１０４と対向する側に、それぞれ、中心電極１０４から所定の距離だけ離れた位置に、接地電極１０６、１０８が形成されている。これらの中心電極１０４、接地電極１０６、１０８は、並行導波路１１０、１１２を伝搬する光波を制御する制御電極を構成する。より詳細には、中心電極１０４と接地電極１０６とが、並行導波路１１０を伝搬する光波を制御する制御電極を構成し、中心電極１０４と接地電極１０８とが、並行導波路１１２を伝搬する光波を制御する制御電極を構成している。

高周波信号は、中心電極１０４の図示左下側の端部から入力され、図示右下側端部に向かって伝搬して、例えば当該端部に接続された終端抵抗（不図示）により終端される。

接地電極１０６は、中心電極１０４に沿って当該中心電極１０４と対向する部分（以下、対向部分）１０６ａと、それ以外の部分（以下、後背部分）１０６ｂとで構成されており、対向部分１０６ａは、後背部分１０６ｂよりも厚さが薄くなっている。同様に、接地電極１０８は、中心電極１０４に沿って当該中心電極１０４と対向する部分（以下、対向部分）１０８ａと、それ以外の部分（以下、後背部分）１０８ｂとで構成されており、対向部分１０８ａは、後背部分１０８ｂよりも厚さが薄くなっている。

特に、本実施形態では、接地電極１０６の後背部分１０６ｂと、接地電極１０８の後背部分１０８ｂとに、それぞれ、高周波信号の伝搬方向（すなわち、中心電極１０４、接地電極１０６、１０８の長さ方向）に沿って、中心電極１０４に向かう方向とは逆の方向に向かって開口を有する平面視が矩形のスリット１１６ａ〜１１６ｋ、１１８ａ〜１１８ｋが設けられている。これらの矩形のスリット１１６ａ〜１１６ｋ、１１８ａ〜１１８ｋにより、接地電極１０６の後背部分１０６ｂと、接地電極１０８の後背部分１０８ｂとには、それぞれ、高周波信号の伝搬方向に沿って、それぞれが相対抗する２つの界面（すなわち、対応する接地電極１０６又は１０８の電極材料の表面）で構成される複数の界面のペアが形成される。

図２は、図１に示す導波路型光素子１０のＡＡ矢視断面の斜視図であり、ＡＡ断面と共に当該ＡＡ断面につながる基板１００の上面の一部が示されている。接地電極１０６及び１０８は、それぞれ、中心電極１０４に沿って当該中心電極１０４と対向する対向部分１０６ａ、１０８ａと、後背部分１０６ｂ、１０８ｂとで構成されており、対向部分１０６ａ、１０８ａは、当該後背部分１０６ｂ、１０８ｂよりも厚さが薄く形成されている。これにより、中心電極１０４と接地電極１０６、１０８とのインピーダンスが、当該中心電極１０４、接地電極１０６、１０８に接続される駆動回路（不図示）の出力インピーダンスと整合される。対向部分１０６ａ、１０８ａは、上記インピーダンスを３０〜５０Ωに整合する場合には、例えば５μｍ以下の厚さで形成される。また、後背部分１０６ｂ、１０８ｂの図示部分には、スリット１１６ｈ、１１６ｉ、及び１１８ｈ、１１８ｉが設けられている。

上記の構成を有する導波路型光素子１０では、高周波信号の伝搬方向に沿って、接地電極１０６の後背部分１０６ｂと、接地電極１０８の後背部分１０８ｂとにそれぞれ設けられた矩形のスリット１１６ａ〜１１６ｋ、１１８ａ〜１１８ｋにより、それぞれが相対抗する２つの界面で構成される複数の界面のペアが形成され、これらの界面のペアが、それぞれコンデンサとして機能する。このため、中心電極１０４と接地電極１０６、１０８とにより構成される分布定数線路の特性インピーダンスに付加的な容量成分が追加されることとなり、当該線路のＳ２１特性に共鳴点が生じて、広帯域動作が可能となる。

図３は、図１に示す導波路型光素子１０における、中心電極１０４と接地電極１０６、１０８とにより構成される分布定数線路の等価回路である。Ｌ３００、Ｒ３０２は、それぞれ、スリット１１６ａ〜１１６ｋ、１１８ａ〜１１８ｋがない場合の、中心電極１０４、接地電極１０６、１０８のインダクタンス成分及び直流抵抗成分であり、Ｃ３０４、Ｒ３０６は、それぞれ、中心電極１０４と接地電極１０６、１０８との間のキャパシタンス成分及び絶縁抵抗成分である。本実施形態の導波路型光素子１０では、スリット１１６ａ〜１１６ｋ、１１８ａ〜１１８ｋがあることにより、これらのスリットが構成する相対抗する２つの界面がコンデンサとして機能し、接地電極１０６、１０８に付加的なキャパシタンスＣ３０８が、並列に追加されることとなる。これにより、上述のように、中心電極１０４と接地電極１０６、１０８とにより構成される分布定数線路のＳ２１特性に共鳴点が生じ、広帯域動作が可能となる。

なお、スリット１１６ａ〜１１６ｋ、１１８ａ〜１１８ｋは、等間隔で周期的に配されていることが望ましいが、不等間隔で非周期的に配するものとしてもよい。また、このような電極構成は、基板１００に付加的な応力を発生させないため、光波と高周波との間の速度整合のために基板１００の厚さを例えば４μｍ以下とした場合にも有効に適用することが可能である。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。なお、図４及び後述する図５においては、図１及び図２に示す第１の実施形態に係る導波路型光素子１０と同じ構成要素については、図１及び図２と同じ符号を用いるものとし、上述した第１の実施形態に係る導波路型光素子１０における説明を援用するものとする。

本導波路型光素子４０は、第１の実施形態に係る導波路型光素子１０と同様の構成を有するが、接地電極１０６、１０８に代えて、接地電極４０６、４０８を備える。接地電極４０６、４０８は、接地電極１０６、１０８と同様の構成を有するが、対向部分１０６ａ、１０８ａ及び後背部分１０６ｂ、１０８ｂに代えて、対向部分４０６ａ、４０８ａ及び後背部分４０６ｂ、４０８ｂを有する点が異なる。対向部分４０６ａ、４０８ａ及び後背部分４０６ｂ、４０８ｂは、対向部分１０６ａ、１０８ａ及び後背部分１０６ｂ、１０８ｂと同様の構成を有するが、後背部分４０６ｂ、４０８ｂにスリットが設けられておらず、対向部分４０６ａ、４０８ａに、それぞれ、高周波信号の伝搬方向（すなわち、中心電極１０４、接地電極４０６、４０８の長さ方向）に沿って、中心電極１０４に向かう方向に向かって開口を有する平面視が矩形のスリット４１６ａ〜４１６ｋ、４１８ａ〜４１８ｋが設けられている。

これらの矩形のスリット４１６ａ〜４１６ｋ、４１８ａ〜４１８ｋにより、接地電極４０６の対向部分４０６ａと、接地電極４０８の対向部分４０８ａとには、それぞれ、高周波信号の伝搬方向に沿って、それぞれが相対抗する２つの界面（すなわち、対応する接地電極４０６又は４０８の電極材料の表面）で構成される複数の界面のペアが形成される。

図５は、図４に示す導波路型光素子４０のＢＢ矢視断面の斜視図であり、ＢＢ断面と共に当該ＢＢ断面につながる基板１００の上面の一部が示されている。接地電極４０６及び４０８は、それぞれ、中心電極１０４に沿って当該中心電極１０４と対向する対向部分４０６ａ、４０８ａと、後背部分４０６ｂ、４０８ｂとで構成されており、対向部分４０６ａ、４０８ａは、当該後背部分４０６ｂ、４０８ｂよりも厚さが薄く形成されている。これにより、中心電極１０４と接地電極４０６、４０８とのインピーダンスが、当該中心電極１０４、接地電極４０６、４０８に接続される駆動回路（不図示）の出力インピーダンスと整合される。対向部分４０６ａ、４０８ａは、上記インピーダンスを３０〜５０Ωに整合する場合には、例えば５μｍ以下の厚さで形成される。また、対向部分４０８ａの図示部分には、スリット４１８ｇ、４１８ｈ、４１８ｉが設けられている。

上記の構成を有する導波路型光素子４０では、高周波信号の伝搬方向に沿って、接地電極４０６の対向部分４０６ａと、接地電極４０８の対向部分４０８ａとにそれぞれ設けられた矩形のスリット４１６ａ〜４１６ｋ、４１８ａ〜４１８ｋにより、それぞれが相対抗する２つの界面で構成される複数の界面のペアが形成され、これらの界面のペアが、それぞれコンデンサとして機能する。このため、第１の実施形態に係る導波路型光素子１０と同様に、中心電極１０４と接地電極４０６、４０８とにより構成される分布定数線路の特性インピーダンスに付加的な容量成分が追加されることとなり、当該線路のＳ２１特性に共鳴点が生じて、広帯域動作が可能となる。

なお、スリット４１６ａ〜４１６ｋ、４１８ａ〜４１８ｋは、等間隔で周期的に配することが望ましいが、不等間隔で非周期的に配するものとしてもよい。また、このような電極構成は、基板１００に付加的な応力を発生させないため、光波と高周波との間の速度整合のために基板１００の厚さを例えば４μｍ以下とした場合にも有効に適用することが可能である。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図６は、本発明の第３の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。なお、図６及び後述する図７においては、図１及び図２に示す第１の実施形態に係る導波路型光素子１０と同じ構成要素については、図１及び図２と同じ符号を用いるものとし、上述した第１の実施形態に係る導波路型光素子１０における説明を援用するものとする。

本導波路型光素子６０は、第１の実施形態に係る導波路型光素子１０と同様の構成を有するが、接地電極１０６、１０８に代えて、接地電極６０６、６０８を備える。接地電極６０６、６０８は、接地電極１０６、１０８と同様の構成を有するが、対向部分１０６ａ、１０８ａ及び後背部分１０６ｂ、１０８ｂに代えて、対向部分６０６ａ、６０８ａ及び後背部分６０６ｂ、６０８ｂを有する点が異なる。対向部分６０６ａ、６０８ａ及び後背部分６０６ｂ、６０８ｂは、対向部分１０６ａ、１０８ａ及び後背部分１０６ｂ、１０８ｂと同様の構成を有するが、後背部分６０６ｂ、６０８ｂに、それぞれ、高周波信号の伝搬方向（すなわち、中心電極１０４、接地電極６０６、６０８の長さ方向）に沿って、中心電極１０４に向かう方向に向かって開口を有する平面視が矩形のスリット６１６ａ〜６１６ｋ、６１８ａ〜６１８ｋが設けられている。

これらの矩形のスリット６１６ａ〜６１６ｋ、６１８ａ〜６１８ｋにより、接地電極６０６の後背部分６０６ｂと、接地電極６０８の後背部分６０８ｂとには、それぞれ、高周波信号の伝搬方向に沿って、それぞれが相対抗する２つの界面（すなわち、対応する接地電極６０６又は６０８の電極材料の表面）で構成される複数の界面のペアが形成される。

図７は、図６に示す導波路型光素子６０のＣＣ矢視断面の斜視図であり、ＣＣ断面と共に当該ＣＣ断面につながる基板１００の上面の一部が示されている。接地電極６０６及び６０８は、それぞれ、中心電極１０４に沿って当該中心電極１０４と対向する対向部分６０６ａ、６０８ａと、後背部分６０６ｂ、６０８ｂとで構成されており、対向部分６０６ａ、６０８ａは、当該後背部分６０６ｂ、６０８ｂよりも厚さが薄く形成されている。これにより、中心電極１０４と接地電極６０６、６０８とのインピーダンスが、当該中心電極１０４、接地電極６０６、６０８に接続される駆動回路（不図示）の出力インピーダンスと整合される。対向部分６０６ａ、６０８ａは、上記インピーダンスを３０〜５０Ωに整合する場合には、例えば５μｍ以下の厚さで形成される。また、後背部分６０６ｂ、６０８ｂの図示部分には、スリット６１６ｇ、６１６ｈ、６１６ｉ、及び６１８ｇ、６１８ｈ、６１８ｉが設けられている。

上記の構成を有する導波路型光素子６０では、高周波信号の伝搬方向に沿って、接地電極６０６の後背部分６０６ｂと、接地電極６０８の後背部分６０８ｂとにそれぞれ設けられた矩形のスリット６１６ａ〜６１６ｋ、６１８ａ〜６１８ｋにより、それぞれが相対抗する２つの界面で構成される複数の界面のペアが形成され、これらの界面のペアが、それぞれコンデンサとして機能する。このため、第１の実施形態に係る導波路型光素子１０と同様に、中心電極１０４と接地電極６０６、６０８とにより構成される分布定数線路の特性インピーダンスに付加的な容量成分が追加されることとなり、当該線路のＳ２１特性に共鳴点が生じて、広帯域動作が可能となる。

なお、スリット６１６ａ〜６１６ｋ、６１８ａ〜６１８ｋは、等間隔で周期的に配することが望ましいが、不等間隔で非周期的に配するものとしてもよい。また、このような電極構成は、基板１００に付加的な応力を発生させないため、光波と高周波との間の速度整合のために基板１００の厚さを例えば４μｍ以下とした場合にも有効に適用することが可能である。

〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
図８は、本発明の第４の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。なお、図８及び後述する図９においては、図１及び図２に示す第１の実施形態に係る導波路型光素子１０と同じ構成要素については、図１及び図２と同じ符号を用いるものとし、上述した第１の実施形態に係る導波路型光素子１０における説明を援用するものとする。

本導波路型光素子８０は、第１の実施形態に係る導波路型光素子１０と同様の構成を有するが、接地電極１０６、１０８に代えて、一定の一様な厚さを有する接地電極８０６、８０８を備える。接地電極８０６、８０８には、それぞれ、高周波信号の伝搬方向（すなわち、中心電極１０４、接地電極８０６、８０８の長さ方向）に沿って、接地電極８０６、８０８の深さ方向（厚さ方向）に矩形のトレンチ８１６ａ〜８１６ｋ、８１８ａ〜８１８ｋが設けられている。

これらの矩形のトレンチ８１６ａ〜８１６ｋ、８１８ａ〜８１８ｋにより、接地電極８０６、８０８には、それぞれ、高周波信号の伝搬方向に沿って、それぞれが相対抗する２つの界面（すなわち、対応する接地電極８０６又は８０８の電極材料の表面）で構成される複数の界面のペアが形成される。

図９は、図８に示す導波路型光素子８０のＤＤ矢視断面の斜視図であり、ＤＤ断面と共に当該ＤＤ断面につながる基板１００の上面の一部が示されている。接地電極８０６及び８０８の図示部分には、トレンチ８１６ｇ、８１６ｈ、８１６ｉ、及び８１８ｇ、８１８ｈ、８１８ｉが設けられている。

上記の構成を有する導波路型光素子８０では、高周波信号の伝搬方向に沿って接地電極８０６、８０８にそれぞれ設けられた矩形のトレンチ８１６ａ〜８１６ｋ、８１８ａ〜８１８ｋにより、それぞれが相対抗する２つの界面で構成される複数の界面のペアが形成され、これらの界面のペアが、それぞれコンデンサとして機能する。このため、第１の実施形態に係る導波路型光素子１０と同様に、中心電極１０４と接地電極８０６、８０８とにより構成される分布定数線路の特性インピーダンスに付加的な容量成分が追加されることとなり、当該線路のＳ２１特性に共鳴点が生じて、広帯域動作が可能となる。

なお、トレンチ８１６ａ〜８１６ｋ、８１８ａ〜８１８ｋは、等間隔で周期的に配することが望ましいが、不等間隔で非周期的に配するものとしてもよい。また、このような電極構成は、基板１００に付加的な応力を発生させないため、光波と高周波との間の速度整合のために基板１００の厚さを例えば４μｍ以下とした場合にも有効に適用することが可能である。

〔第５実施形態〕
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。なお、図１０及び後述する図１１においては、図１及び図２に示す第１の実施形態に係る導波路型光素子１０と同じ構成要素については、図１及び図２と同じ符号を用いるものとし、上述した第１の実施形態に係る導波路型光素子１０における説明を援用するものとする。

本導波路型光素子１０００は、第１の実施形態に係る導波路型光素子１０と同様の構成を有するが、接地電極１０６、１０８に代えて、一定の一様な厚さを有する接地電極１００６、１００８を備え、中心電極１０４に代えて、中心電極１００４を備える。中心電極１００４には、高周波信号の伝搬方向（すなわち、中心電極１００４、接地電極１００６、１００８の長さ方向）に沿って、中心電極１００４の上方（基板１００から離れる方向。すなわち、図１０の紙面手前方向。）に開いた矩形のスリット１０１４ａ〜１０１４ｋが設けられている。

これらの矩形のスリット１０１４ａ〜１０１４ｋにより、中心電極１００４には、高周波信号の伝搬方向に沿って、それぞれが相対抗する２つの界面（すなわち、中心電極１００４の電極材料の表面）で構成される複数の界面のペアが形成される。

図１１は、図１０に示す導波路型光素子１０００のＥＥ矢視断面の斜視図であり、ＥＥ断面と共に当該ＥＥ断面につながる基板１００の上面の一部が示されている。一定の一様な厚さを有する接地電極１００６、１００８と、中心電極１００４とが設けられており、中心電極１００４の図示部分には、スリット１０１４ｇ、１０１４ｈ、１０１４ｉが設けられている。

上記の構成を有する導波路型光素子１０００では、高周波信号の伝搬方向に沿って中心電極１００４に設けられた矩形のスリット１０１４ａ〜１０１４ｋにより、それぞれが相対抗する２つの界面で構成される複数の界面のペアが形成され、これらの界面のペアが、それぞれコンデンサとして機能する。このため、第１の実施形態に係る導波路型光素子１０と同様に、中心電極１００４と接地電極１００６、１００８とにより構成される分布定数線路の特性インピーダンスに付加的な容量成分が追加されることとなり、当該線路のＳ２１特性に共鳴点が生じて、広帯域動作が可能となる。

なお、スリット１０１４ａ〜１０１４ｋは、等間隔で周期的に配することが望ましいが、不等間隔で非周期的に配するものとしてもよい。また、このような電極構成は、基板１００に付加的な応力を発生させないため、光波と高周波との間の速度整合のために基板１００の厚さを例えば４μｍ以下とした場合にも有効に適用することが可能である。

〔第６実施形態〕
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。
図１２は、本発明の第６の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。なお、図１２及び後述する図１３においては、図１及び図２に示す第１の実施形態に係る導波路型光素子１０と同じ構成要素については、図１及び図２と同じ符号を用いるものとし、上述した第１の実施形態に係る導波路型光素子１０における説明を援用するものとする。

本導波路型光素子１２００は、第１の実施形態に係る導波路型光素子１０と同様の構成を有するが、接地電極１０６、１０８に代えて、接地電極１２０６、１２０８を備える。接地電極１２０６、１２０８は、接地電極１０６、１０８と同様の構成を有するが、対向部分１０６ａ、１０８ａ及び後背部分１０６ｂ、１０８ｂに代えて、対向部分１２０６ａ、１２０８ａ及び後背部分１２０６ｂ、１２０８ｂを有する点が異なる。対向部分１２０６ａ、１２０８ａ及び後背部分１２０６ｂ、１２０８ｂは、対向部分１０６ａ、１０８ａ及び後背部分１０６ｂ、１０８ｂと同様の構成を有するが、後背部分１２０６ｂ、１２０８ｂにはスリットが設けられておらず、対向部分１２０６ａ、１２０８ａに、それぞれ、高周波信号の伝搬方向（すなわち、中心電極１０４、接地電極１２０６、１２０８の長さ方向）に沿って、中心電極１０４に向かって開口を有するスリット１２１６ａ〜１２１６ｋ、１２１８ａ〜１２１８ｋが設けられている。

また、スリット１２１６ａ〜１２１６ｋ、１２１８ａ〜１２１８ｋは、それぞれ、接地電極１２０６、１２０８の対向部分１２０６ａ、１２０８ａの中心電極１０４に近い側のエッジから当該中心電極１０４から離れる方向に所定の距離以内の範囲の開口部において、それ以外の部分のよりも幅が狭く形成されている。

これらの矩形のスリット１２１６ａ〜１２１６ｋ、１２１８ａ〜１２１８ｋにより、接地電極４０６の対向部分１２０６ａと、接地電極１２０８の対向部分１２０８ａとには、それぞれ、高周波信号の伝搬方向に沿って、それぞれが相対抗する２つの界面（すなわち、対応する接地電極１２０６又は１２０８の電極材料の表面）で構成される複数の界面のペアが形成される。

図１３は、図１２に示す導波路型光素子１２００のＦＦ矢視断面の斜視図であり、ＦＦ断面と共に当該ＦＦ断面につながる基板１００の上面の一部が示されている。接地電極１２０６及び１２０８は、それぞれ、中心電極１０４に沿って当該中心電極１０４と対向する対向部分１２０６ａ、１２０８ａと、後背部分１２０６ｂ、１２０８ｂとで構成されており、対向部分１２０６ａ、１２０８ａは、当該後背部分１２０６ｂ、１２０８ｂよりも厚さが薄く形成されている。これにより、中心電極１０４と接地電極１２０６、１２０８とのインピーダンスが、当該中心電極１０４、接地電極１２０６、１２０８に接続される駆動回路（不図示）の出力インピーダンスと整合される。対向部分１２０６ａ、１２０８ａは、上記インピーダンスを３０〜５０Ωに整合する場合には、例えば５μｍ以下の厚さで形成される。また、対向部分１２０８ａの図示部分には、スリット１２１８ｈ、１２１８ｉが設けられている。

上記の構成を有する導波路型光素子１２００では、高周波信号の伝搬方向に沿って、接地電極１２０６の対向部分１２０６ａと、接地電極１２０８の対向部分１２０８ａとにそれぞれ設けられた矩形のスリット１２１６ａ〜１２１６ｋ、１２１８ａ〜１２１８ｋにより、それぞれが相対抗する２つの界面で構成される複数の界面のペアが形成され、これらの界面のペアが、それぞれコンデンサとして機能する。このため、第１の実施形態に係る導波路型光素子１０と同様に、中心電極１０４と接地電極１２０６、１２０８とにより構成される分布定数線路の特性インピーダンスに付加的な容量成分が追加されることとなり、当該線路のＳ２１特性に共鳴点が生じて、広帯域動作が可能となる。

さらに、導波路型光素子１２００では、スリット１２１６ａ〜１２１６ｋ、１２１８ａ〜１２１８ｋが、それぞれ、接地電極１２０６、１２０８の対向部分１２０６ａ、１２０８ａの中心電極１０４に近い側のエッジから当該中心電極１０４から離れる方向に所定の距離以内の範囲の開口部において、それ以外の部分のよりも幅が狭く形成されていることから、各スリット１２１６ａ〜１２１６ｋ、１２１８ａ〜１２１８ｋは、それぞれ対応する後背部分１２０６ｂ、１２０８ｂを背にしたＣ字状のループを構成する。このＣ字状のループは、それぞれコイル（インダクタンス）として機能し、中心電極１０４と接地電極１２０６、１２０８とにより構成される分布定数線路の特性インピーダンスに付加的なインダクタンス成分を付加して、当該線路を伝搬する高周波の伝搬速度を遅くする。

図１４は、図１２に示す導波路型光素子１２００における、中心電極１０４と接地電極１２０６、１２０８とにより構成される分布定数線路の等価回路である。Ｌ１４００、Ｒ１４０２は、それぞれ、スリット１２１６ａ〜１２１６ｋ、１２１８ａ〜１２１８ｋがない場合の、中心電極１０４、接地電極１２０６、１２０８のインダクタンス成分及び抵抗成分であり、Ｃ１４０４、Ｒ１４０６は、それぞれ、中心電極１０４と接地電極１２０６、１２０８との間のキャパシタンス成分及び抵抗成分である。本実施形態の導波路型素子１０では、スリット１２１６ａ〜１２１６ｋ、１２１８ａ〜１２１８ｋがあることにより、これらのスリットが構成する相対抗する２つの界面がコンデンサとして機能し、接地電極１２０６、１２０８に付加的なキャパシタンスＣ１４０８が、並列に追加されることとなる。

また、各スリット１２１６ａ〜１２１６ｋ、１２１８ａ〜１２１８ｋは、それぞれＣ字形の形状によりコイルとして機能し、接地電極１２０６、１２０８に付加的なインダクタンスＬ１４１０が、直列に追加されることとなる。このため、上述のように、中心電極１０４と接地電極１２０６、１２０８とにより構成される分布定数線路を伝搬する高周波の伝搬速度が遅くなる。これにより、従来のように基板１００を薄くして高周波の伝搬速度を速める調整を行いつつ、これと拮抗するように、接地電極（１２０６、１２０８）の形状寸法を調整することで高周波の伝搬速度を遅くする方向の調整を行うことができるので、導波路型光素子全体としての設計自由度が向上する。これにより、上述のように、中心電極１０４と接地電極１０６、１０８とにより構成される分布定数線路が変わることによりＳ２１特性の広帯域化が可能となる。

なお、スリット１２１６ａ〜１２１６ｋ、１２１８ａ〜１２１８ｋは、等間隔で周期的に配することが望ましいが、不等間隔で非周期的に配するものとしてもよい。また、このような電極構成は、基板１００に付加的な応力を発生させないため、光波と高周波との間の速度整合のために基板１００の厚さを例えば４μｍ以下とした場合にも有効に適用することが可能である。

以上、説明したように、上述した実施形態１ないし６に記載した導波路型光素子（１０等）では、中心電極（１０４等）又は接地電極（１０６等）に、高周波信号の伝搬方向に沿って、スリット（１１６ａ等）やトレンチ（８１６ａ等）が形成されることにより、それぞれが相対抗する２つの界面で構成される複数の界面のペアが形成されている。これらの界面のペアのそれぞれはコンデンサとして機能するので、上記中心電極と上記接地電極とで構成される分布定数線路のＳ２１特性に共鳴点が生じ、その結果、上記導波路型光素子の更なる広帯域動作が可能となる。

１０、４０、６０、８０、１０００、１２００・・・導波路型光素子、１００・・・基板、１０２・・・ＭＺ型光導波路、１０４、１００４・・・中心電極、１０６、１０８、４０６、４０８、６０６、６０８、８０６、８０８、１００６、１００８、１２０６、１２０８・・・接地電極、１０６ａ、１０８ａ、４０６ａ、４０８ａ、６０６ａ、６０８ａ、１２０６ａ、１２０８ａ・・・対向部分、１０６ｂ、１０８ｂ、４０６ｂ、４０８ｂ、６０６ｂ、６０８ｂ、１２０６ｂ、１２０８ｂ・・・後背部分、１１０、１２・・・並行導波路、１１６ａ〜１１６ｋ、１１８ａ〜１１８ｋ、４１６ａ〜４１６ｋ、４１８ａ〜４１８ｋ、６１６ａ〜６１６ｋ、６１８ａ〜６１８ｋ、１０１４ａ〜１０１４ｋ、１２１６ａ〜１２１６ｋ、１２１８ａ〜１２１８ｋ・・・スリット、８１６ａ〜８１６ｋ、８１８ａ〜８１８ｋ・・・トレンチ。

Claims (14)

1. 電気光学効果を有する基板上に形成された光導波路と、当該光導波路を伝搬する光波を制御する制御電極と、を備える導波路型光素子であって、
   前記制御電極は、前記光導波路に沿って形成された中心電極と、当該中心電極導体から所定の距離だけ隔てて前記基板の面方向において挟むように形成された接地電極と、で構成され、
   前記中心電極又は前記接地電極には、当該中心電極及び当該接地電極を伝搬する高周波信号の伝搬方向に沿って、それぞれが相対向する２つの界面で構成される複数の界面のペアが形成されており、
   前記界面のペアは、前記中心電極と前記接地電極とにより構成される分布定数線路に容量成分を付加して、当該線路の高周波伝達特性に共鳴点を生じさせるよう構成されている、
   導波路型光素子。
2. 前記複数の界面のペアは、前記高周波の伝搬方向に沿って所定の間隔で周期的に形成されている、
   請求項１に記載の導波路型光素子。
3. 前記接地電極は、前記中心電極に沿って当該中心電極と対向する部分が、他の部分よりも厚さが薄く形成されており、
   前記複数の界面のペアは、前記厚さが薄く形成された前記接地電極の部分以外の部分に形成されている、
   請求項１又は２に記載の導波路型光素子。
4. 前記複数の界面のペアは、前記中心電極に向かう方向とは逆の方向に向かって開口を有する矩形のスリットとして形成されている、
   請求項３に記載の導波路型光素子。
5. 前記複数の界面のペアは、前記中心電極に向かう方向に開口を有する矩形のスリットとして形成されている、
   請求項３に記載の導波路型光素子。
6. 前記接地電極は、前記中心電極に沿って当該中心電極と対向する部分が、他の部分よりも厚さが薄く形成されており、
   前記複数の界面のペアは、前記厚さが薄く形成された前記接地電極の部分に形成されている、
   請求項１又は２に記載の導波路型光素子。
7. 前記複数の界面のペアは、前記中心電極の方向に向かって開口を有する矩形のスリットとして形成されている、
   請求項６に記載の導波路型光素子。
8. 前記矩形のスリットは、前記接地電極の前記中心電極に近い側のエッジから当該中心電極から離れる方向に所定の距離以内の範囲にわたり、当該範囲以外の部分よりも幅が狭く形成されている、
   請求項７に記載の導波路型光素子。
9. 前記複数の界面のペアは、前記接地電極の深さ方向に設けられた矩形の穴として形成されている、
   請求項１又は２に記載の導波路型光素子。
10. 前記複数の界面のペアは、前記中心電極の深さ方向に設けられたスリットとして形成されている、
    請求項１又は２に記載の導波路型光素子。
11. 前記基板は、ニオブ酸リチウムで構成されており、
    前記厚さが薄く形成された前記接地電極の部分の厚さは、５μｍ以下である、
    請求項３ないし８のいずれか一項に記載の導波路型光素子。
12. 電気光学効果を有する基板上に形成された光導波路と、当該光導波路を伝搬する光波を制御する制御電極と、を備える導波路型光素子であって、
    前記制御電極は、前記光導波路に沿って形成された中心電極と、当該中心電極導体から所定の距離だけ隔てて前記基板の面方向において挟むように形成された接地電極と、で構成され、
    前記中心電極又は前記接地電極は、当該中心電極及び当該接地電極を伝搬する高周波信号の伝搬方向に沿って、それぞれが相対向する２つの界面で構成される複数の界面のペアが形成され、
    前記基板はニオブ酸リチウムで構成されており、
    前記接地電極は、前記中心電極に沿って当該中心電極と対向する部分が、他の部分よりも厚さが薄く形成され、
    前記複数の界面のペアは、前記厚さが薄く形成された前記接地電極の部分に形成され、且つ前記中心電極の方向に向かって開口を有する矩形のスリットとして形成されており、
    前記矩形のスリットは、前記接地電極の前記中心電極に近い側のエッジから当該中心電極から離れる方向に所定の距離以内の範囲にわたり、当該範囲以外の部分よりも幅が狭く形成されている、
    導波路型光素子。
13. 前記矩形のスリットにより、前記中心電極と前記接地電極とにより構成される分布定数線路に誘導成分を付加して、当該線路を伝搬する信号の速度が前記光導波路を伝搬する光の速度と整合するよう構成されている、
    請求項１２に記載の導波路型光素子。
14. 前記厚さが薄く形成された前記接地電極の部分の厚さは、５μｍ以下であり、
    前記基板は、厚さが４μｍ以下である、
    請求項１２に記載の導波路型光素子。

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