JP6375836B2 - 光導波路素子 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路素子に関し、特に、基板上に形成された光導波路と、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とを備えた光導波路素子に関する。

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形成した光導波路と、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と、を備えた、導波路型光変調器などの光導波路素子が多く用いられている。

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（ＭＺ、mach-zehnder）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、当該入射導波路に導入された光を２つの光に分岐する分岐導波路と、当該分岐導波路により分岐された２つの光をそれぞれ伝搬させるための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する合波導波路と、当該合波導波路により合波された光を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、上記並行導波路内を伝搬する光波の位相を電気光学効果により変化させて制御するための制御電極を備える。

近年では、ＳＳＢ（Single Side-Band）データ通信、ミリ波レーダや電波天文の分野、あるいは光マイクロ波/ミリ波伝送などＲｏＦ（Radio on Fiber）通信システムの分野において、一つのマッハツェンダ型光変調器の２本の並行導波路のそれぞれにマッハツェンダ型光変調器を集積させた構成の光変調器を同一基板上に集積した光素子（以下、「ネスト型光変調器」とも称する）の用途が広がっている。

ネスト型光変調器の応用例として、例えば、デジタル光通信分野において、周波数資源の効率的な使用を目的とした光ＳＳＢ変調装置が知られている（特許文献１参照）。また、デジタル放送波等の用途向けに超広帯域の変調信号を実現することを目的として、上記のようなネスト型ＭＺ光変調器を用いて変調された光を自乗検波することにより、目的とする帯域幅を持った角度変調波（位相変調波又は周波数変調波）を得る角度変調装置が知られている（特許文献２参照）。この装置では、例えば図８に示すようなネスト型ＭＺ光変調器を用いた多機能集積型光変調器が使用される。

この多機能集積型光変調器８００は、例えばＸカットのＬＮを基板８０２とし、当該基板８０２上に形成された光導波路と電極とにより構成されている。すなわち、多機能集積型光変調器８００は、入射導波路８０４と、分岐導波路８０６と、並行導波路８０８、８１０と、合波導波路８１２と、出射導波路８１４と、により構成されるマッハツェンダ型光変調器（メイン光変調器）の、一方の並行導波路８０８に、ネスト型光変調器８２０が集積されている。ネスト型光変調器８２０は、分岐導波路８０６に繋がった並行導波路８０８の部分（入射部）及び合波導波路８１２に繋がった並行導波路８０８の部分（出射部）をそれぞれ入射導波路及び出射導波路とし、当該入射部からの光を２つの光に分岐する分岐導波路８２２と、当該分岐導波路８２２で分岐された２つの光をそれぞれ伝搬する２つの並行導波路８２４、８２６と、当該並行導波路８２４、８２６からの光を合波する合波導波路８２８と、を備える。

さらに、ネスト光型変調器８２０の２つの並行導波路８２４、８２６には、マッハツェンダ型光変調器８３０ａ、８３０ｂがそれぞれ挿入されている。そして、マッハツェンダ型光変調器８３０ａは、ネスト型光変調器８２０の並行導波路８２４のうち分岐導波路８２２に繋がった部分（入射部）及び合波導波路８２８に繋がった分部（出射部）をそれぞれ入射導波路及び出射導波路とし、当該入射部からの光を２つの光に分岐する分岐導波路８３２ａと、当該分岐導波路８３２ａにより分岐された２つの光をそれぞれ伝搬する並行導波路８３４ａ、８３６ａと、当該並行導波路８３４ａ、８３６ａからの光を合波する合波導波路８３８ａと、を備える。

また、マッハツェンダ型光変調器８３０ｂは、ネスト型光変調器８２０の並行導波路８２６のうち分岐導波路８２２に繋がった部分（入射部）及び合波導波路８２８に繋がった分部（出射部）をそれぞれ入射導波路及び出射導波路とし、当該入射部からの光を２つの光に分岐する分岐導波路８３２ｂと、当該分岐導波路８３２ｂにより分岐された２つの光をそれぞれ伝搬する並行導波路８３４ｂ、８３６ｂと、当該並行導波路８３４ｂ、８３６ｂからの光を合波する合波導波路８３８ｂと、を備える。

マッハツェンダ型光変調器８３０ａの並行導波路８３４ａと８３６ａの間には、当該並行導波路８３４ａ、８３６ａを伝搬する光波を制御するための高周波信号電極（ＲＦ電極）８４０ａが設けられており、マッハツェンダ型光変調器８３０ｂの並行導波路８３４ｂと８３６ｂの間には、当該並行導波路８３４ｂ、８３６ｂを伝搬する光波を制御するためのＲＦ電極８４０ｂが設けられている。また、各ＲＦ電極８４０ａ、８４０ｂに対し、それぞれ当該ＲＦ電極８４０ａ、８４０ｂから所定距離だけ隔たった位置に、並行導波路８３４ａ、８３６ａ、８３４ｂ、８３６ｂをそれぞれ挟んで接地電極８５０、８５２、８５４が設けられている。

さらに、並行導波路８１０から所定距離離れた位置に、当該並行導波路８１０に沿って制御用の直流電圧が印加されるＤＣ電極８６０が設けられ、当該ＤＣ電極８６０に対し、所定距離離れて並行導波路８１０を挟む位置に形成された部分を有する接地電極８６２が設けられている。

ネスト型光変調器８２０は（全体として）ＳＳＢ変調器、または周波数変換変調器として機能する。また、並行導波路８１０は、ＤＣ電極８６０と共に光位相制御器を構成している。

上記の構成において、多機能集積型光変調器８００は、中心周波数ｆ０（中心波長λ０に対応する周波数）を持つレーザ等の光源（不図示）からのＣＷ（無変調連続波、continuous wave）光を入射導波路８０４により受け取る。そして、当該ＣＷ光を、分岐導波路８０６により、並行導波路８０８に入射する第１の分岐光と、並行導波路８１０に入射する第２の分岐光と、に分岐する。

第１の分岐光は、ネスト型光変調器８２０により例えば周波数ｆｃの正弦波により強度変調されて、その中心周波数がｆ０＋ｆｃにシフトした周波数シフト光となる。

このとき、ネスト型光変調器８２０で生成される上記周波数シフト光（中心周波数ｆ０＋ｆｃ）には、ネスト型光変調器８２０における並行導波路８２４、８２６間の位相ずれ等に起因して、中心周波数ｆ０を持つＣＷ光の一部が残留光として含まれることとなる。

当該残留光を抑圧するため、並行導波路８１０に入射した第２の分岐光は、ＤＣ電極８６０により、その位相が上記残留光に対し逆相となるように制御される（この制御は、例えば出射導波路８１４から出力される出射光をモニタリングしてフィードバック制御を行うことにより実現される）。合波導波路８１２において、並行導波路８０８からの上記周波数シフト光と周波数変調光との合波光が、並行導波路８１０からの上記逆相の光と合波されると、上記周波数シフト光に含まれている周波数ｆ０の残留光は、上記逆相の光により相殺され、当該残留光を含まない上記周波数シフト光と光周波数変調信号との合波光が出射導波路８１４から出力されることとなる。

これにより、出射導波路８１４からの出射光を、フォトダイオード等の光受信機（不図示）により自乗検波すると、周波数シフト光と位相調整された周波数無変調光とのビート信号として、周波数ｆｃの光マイクロ波/ミリ波信号が得られる。なお、上記残留光と上記逆相の光とのレベル合わせは、例えば並行導波路８１０の一部に光減衰器を設けることにより行うこともできる。

ところで、上記の多機能集積型光変調器のように、高周波信号電圧が印加されるＲＦ電極と、位相制御等のための直流制御電圧が印加されるＤＣ電極とが近接して設けられる光導波路素子では、ＤＣ電極に印加される電圧によっては、当該ＤＣ電極からの放射電界に起因してＲＦ電極の電位に変動が生じ、光導波路素子全体の動作に誤りが生じ得る。特に、光導波路素子においては、光導波路に沿うように所定距離に亘って電極が設けられることから、２以上の電極の形成位置を光導波路の長さ方向に沿って互いにずらして形成することは素子全体のサイズを増大させることとなる。このため、ＲＦ電極とＤＣ電極とは、互いに隣接して形成されることが多く、ＤＣ電極からＲＦ電極への上記干渉が生じやすい。

さらに、光導波路素子のようなデバイスに対する小型化への要求は不変であり、更なる小型化に向けて同一基板上に集積する光導波路や電極間の間隔を狭くするにつれ、上述したＤＣ電極からＲＦ電極への干渉は、ますます顕著なものとなり得る。

特開２００２−２５８２２８号公報 特開２００１−１３３８２４号公報

上記背景より、基板上に形成された光導波路と、当該光導波路内を伝搬する光波を制御するためのＲＦ電極とＤＣ電極とを備えた光導波路素子において、ＤＣ電極からＲＦ電極への干渉を効果的に低減し得る、素子構造の実現が望まれている。

本発明の一の態様は、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ための少なくとも一つのＲＦ電極及び少なくとも一つのＤＣ電極と、を備えた光導波路素子であって、前記基板上には、前記ＤＣ電極を覆うように、且つ当該ＤＣ電極と電気的に接触することなく当該ＤＣ電極を跨ぐように、接地電極が形成されている。
本発明の他の態様によると、前記光導波路素子は、マッハツェンダ型光導波路と、当該マッハツェンダ型光導波路を構成する２つの並行導波路の少なくとも一方に設けられた、２つのマッハツェンダ光変調器が集積されたネスト型光変調器と、を備える多機能集積型光変調器である。
本発明の他の態様によると、前記光導波路素子は、マッハツェンダ型光導波路と、当該マッハツェンダ型光導波路を構成する２つの並行導波路のうちの一の並行導波路に設けられた、２つのマッハツェンダ光変調器が集積されたネスト型光変調器と、を備える多機能集積型光変調器であって、前記ＲＦ電極は、前記ネスト型光変調器に設けられ、前記ＤＣ電極は、前記マッハツェンダ型光導波路を構成する２つの前記並行導波路のうちの他の並行導波路に設けられている。
本発明の他の態様によると、前記基板は、Ｘカット又はＺカットのニオブ酸リチウムで構成される。
本発明の他の態様によると、前記基板の厚さは３０μｍ以下である。
本発明の他の態様によると、前記ＤＣ電極を覆う前記接地電極は、メッキ法を用いて形成される。

本発明の第１の実施形態に係る光導波路素子の構成を示す図である。 図１に示す光導波路素子のＡＡ断面矢視図である。 金属層を積層することにより形成される接地電極の例を示す断面図である。 導電性部材の接合により形成される接地電極の例を示す断面図である。 Ｖ溝を形成したシリコン板を用いた接地電極の例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る光導波路素子の構成を示す平面図である。 図６に示す光導波路素子のＢＢ断面矢視図である。 従来のネスト型ＭＺ光変調器の構成を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光導波路素子の構成を示す図である。
本光導波路素子１００は、例えば、基板１０２上に形成された多機能集積型光変調器である。すなわち、光導波路素子１００は、外部から光を導入する入射導波路１０４と、当該入射導波路１０４により導入された光を分岐する分岐導波路１０６と、当該分岐導波路１０６により分岐された２つの光をそれぞれ伝搬する並行導波路１０８、１１０と、当該並行導波路１０８、１１０を伝搬した光を合波する合波導波路１１２と、当該合波導波路１１２により合波された光を外部へ出力するための出射導波路１１４と、を有する。

並行導波路１０８には、集積されたネスト型光変調器１２０が挿入されている。当該ネスト型光変調器１２０は、並行導波路１０８のうち分岐導波路１０６に繋がった部分（入射部）及び合波導波路１１２に繋がった部分（出射部）をそれぞれ入射導波路及び出射導波路とし、並行導波路１０８の入射部から入射される光を分岐する分岐導波路１２２と、当該分岐導波路１２２により分岐された２つの光をそれぞれ伝搬する並行導波路１２４、１２６と、当該並行導波路１２４、１２６を伝搬した光を合波する合波導波路１２８と、を有する。

また、ネスト型光変調器１２０の並行導波路１２４及び１２６には、それぞれ、集積された２つのマッハツェンダ型の光変調器１３０ａ、１３０ｂが挿入されている。

マッハツェンダ型光変調器１３０ａは、並行導波路１２４のうち分岐導波路１２２に繋がった部分（入射部）及び合波導波路１２８に繋がった部分（出射部）をそれぞれ入射導波路及び出射導波路とし、並行導波路１２４の入射部から入射される光を分岐する分岐導波路１３２ａと、当該分岐導波路１３２ａにより分岐された２つの光をそれぞれ伝搬する並行導波路１３４ａ、１３６ａと、当該並行導波路１３４ａ、１３６ａを伝搬した光を合波する合波導波路１３８ａと、を有する。

同様に、マッハツェンダ型光変調器１３０ｂは、並行導波路１２６のうち分岐導波路１２２に繋がった部分（入射部）及び合波導波路１２８に繋がった部分（出射部）をそれぞれ入射導波路及び出射導波路とし、並行導波路１２６の入射部から入射される光を分岐する分岐導波路１３２ｂと、当該分岐導波路１３２ｂにより分岐された２つの光をそれぞれ伝搬する並行導波路１３４ｂ、１３６ｂと、当該並行導波路１３４ｂ、１３６ｂを伝搬した光を合波する合波導波路１３８ｂと、を有する。

また、マッハツェンダ型光変調器１３０ａの並行導波路１３４ａと１３６ａの間には、これらの並行導波路から所定距離だけ離れ、かつ、これらの並行導波路と平行に形成された部分を有する高周波信号電極（ＲＦ電極）１４０ａが設けられている。同様に、マッハツェンダ型光変調器１３０ｂの並行導波路１３４ｂと１３６ｂの間には、これらの並行導波路から所定距離だけ離れ、かつ、これらの並行導波路と平行に形成された部分を有する高周波信号電極（ＲＦ電極）１４０ｂが設けられている。

さらに、ＲＦ電極１４０ａに対し、並行導波路１３４ａ、１３６ａを挟むように、且つ当該ＲＦ電極１４０ａと平行に、それぞれ接地電極１５０、１５２が設けられている。また、接地電極１５２は、ＲＦ電極１４０ｂに対しても、並行導波路１３４ｂを挟むように、且つ当該ＲＦ電極１４０ｂと平行となるように設けられている。さらに、ＲＦ電極１４０ｂに対し、並行導波路１３６ｂを挟むように、且つ当該ＲＦ電極１４０ｂと平行に、接地電極１５４が設けられている。

さらに、並行導波路１１０には、当該並行導波路１１０から所定距離離れた位置に、且つ当該並行導波路１１０と所定距離に亘って平行となる部分を有するように、直流制御電極（ＤＣ電極）１６０が設けられている。また、ＤＣ電極１６０を覆うように、且つＤＣ電極１６０と電気的に接触することなく当該ＤＣ電極１６０を跨ぐように、接地電極１６２が設けられている。接地電極１６２は、基板１０２の面上においては、ＤＣ電極１６０に対し並行導波路１１０を挟んで対向する位置に、当該ＤＣ電極１６０と所定距離に亘って平行となるように形成された部分を有している。

図２は、図１に示す光導波路素子１００のＡＡ断面矢視図である。基板１０２の表面近傍に形成された並行導波路１３６ａ、１３８ａ、１３６ｂ、１３８ｂ、を挟むように、基板１０２上に接地電極１５０、ＲＦ電極１４０ａ、接地電極１５２、ＲＦ電極１４０ｂ、及び接地電極１５４が設けられている。また、基板１０２の表面近傍に形成された並行導波路１１０の図示右側上方の基板１０２上にＤＣ電極１６０が設けられており、当該ＤＣ電極１６０を覆うように接地電極１６２が設けられている。接地電極１６２にはブリッジ（空洞部）２００が設けられており、当該ブリッジ２００により、接地電極１６２は、ＤＣ電極１６０と電気的に接触することなく、当該ＤＣ電極１６０を跨ぐように形成されている。

ここで、基板１０２は、例えばＸカットのニオブ酸リチウム（ＬＮ、ＬｉＮｂＯ_３）基板であり、基板１０２の平面に平行な方向の電界に対して最も大きな電気光学定数を持つ。このため、ＲＦ電極１４０ａ、１４０ｂ、ＤＣ電極１６０、接地電極１５０、１５２、１５４、１６２は、基板１０２の面上において、それぞれ対応する並行導波路１３６ａ、１３８ａ、１３６ｂ、１３８ｂ、１１０を挟む位置に形成されている。なお、基板１０２に設けられる光導波路（符号１０４〜１１４、１２２〜１２８、１３２ａ〜１３８ａ、１３２ｂ〜１３８ｂ）は、例えば基板１０２上においてフォトリソグラフィとスパッタリング等の手法により所望の導波路パターンを構成するように堆積された金属チタン（Ｔｉ）を、基板１０２内部へ熱拡散させることにより形成することができる。

なお、ＬＮを用いた基板１０２への上記導波路の形成は、上述のＴｉ熱拡散法に限らず、プロトン交換法等の他の公知の手法により行うことができる。また、基板１０２としては、上記ＬＮのほか、タンタル酸リチウムや、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、電気光学ポリマー等、電界印加により所要の屈折率変化を誘起することのできる電気光学定数を持った素材とすることができる。

また、ＲＦ電極１４０ａ、１４０ｂ、ＤＣ電極１６０、接地電極１５０、１５２、１５４、１６２は、例えばＴｉ又はＣｒを下地としてＡｕ又はＡｌ等の金属により形成した金属電極とすることができる。

上記の構成を有する光導波路素子１００は、例えば、図８に示す多機能集積型光変調器と同様に、デジタル放送用のＳＳＢ変調やＲｏＦシステム用の光マイクロ波/ミリ波信号を生成するためのものであり、ネスト光変調器１２０は、ＳＳＢ変調器、あるいは光周波数変調器を構成し、並行導波路１１０とＤＣ電極１６０は、光位相制御器を構成する。そして、図１において、レーザ光源等（不図示）からのＣＷ光が、図示左方から入射導波路１０４に入射され、残留ＣＷ光の除去された周波数シフト光と周波数変調光との合波光が出射導波路１１４から出射されて、フォトダイオード等の受信機（不図示）により受信されて自乗検波される。なお、ＣＷ光から広帯域変調信号を得るための動作については、図８を参照して上述した動作と同様であるので、上述の図８についての説明を援用する。

特に、本実施形態に係る光導波路素子１００は、ＤＣ電極１６０と協働して並行導波路１１０に電界を印加する接地電極１６２が、ブリッジ２００によりＤＣ電極１６０と電気的に接触することなく当該ＤＣ電極１６０を覆うように構成されている。このため、本光導波路素子１００では、ＤＣ電極１６０に印加された直流電圧により当該ＤＣ電極１６０から生ずる放射電界は接地電極１６２により終端されるので、当該放射電界によりＲＦ電極１４０ａ、１４０ｂの電位や接地電極１５２、１５０の接地電位は影響を受けない。従って、本光導波路素子１００では、ＳＳＢ変調や光周波数変調等を行うネスト型光変調器１２０は、光位相制御等のためＤＣ電極１６０に印加されるＤＣ電圧の影響を受けることなく、安定な変調動作を行うことができる。

なお、図２では、ブリッジ２００の形状を半円で示しているが、ブリッジの形状はこれに限らず任意の形状とすることができ、例えば半長丸、長半楕円、あるいは任意の多角形とすることができる。

接地電極１６２は、例えばＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuits）の製造工程において回路素子間の空中接続配線（エアブリッジ）の形成に用いられるプロセスと同様のプロセスにより実現することができる。この場合、ブリッジ部分を構成するための犠牲層（金属堆積後に除去されてブリッジを構成する部分）の素材としては、フォトレジストや、ニッケル、クロム、ニクロムなどの金属を用いることができる。

また、ＤＣ電極１６０は、ＲＦ電極１４０ａ、１４０ｂのように高周波信号（例えば、数十ＧＨｚ）を扱うものではないため、アスペクト比の大きい背の高い電極とする必要はなく、その厚さは例えば５００Å〜５μｍ程度であれば十分である。このため、ブリッジ２００の高さもこれに応じて低くすることができ、その結果、接地電極１６２の厚さは、例えば５０〜１００μｍ程度であればよい。

この厚さは、上述した背の高いセンタストリップを形成する際にＲＦ電極材料に求められる堆積厚さと同等であり、したがって、接地電極１６２の材料堆積は、ＲＦ電極材料の堆積に用いるものと同じメッキプロセス（メッキ法）を用いて、例えばＲＦ電極材料を堆積する工程と同一の工程において行うことができる。例えば、ブリッジ部分となる上述の犠牲層（フォトレジスト等）を基板１０２上に堆積した後、ＲＦ電極１４０ａ、１４０ｂの材料を堆積する際に、これと同じ材料により接地電極１６２も堆積させ、その後に犠牲層をエッチング除去することで、ブリッジ２００を容易に形成することができる。この場合には、接地電極１６２の素材や犠牲層に用いる素材に制限があるものの、少ない工程で接地電極１６２を形成することができ、製造コストの点で有利である。

なお、ブリッジ２００のサイズについては、基板１０２の面上における並行導波路１１０から接地電極１６２までの距離が、当該接地電極１６２に起因する並行導波路１１０での光吸収損失を生じさせない程度の距離であることが必要である。例えば、並行導波路１１０の伝搬光のスポットサイズが１０μｍである場合、当該光スポットの端部から２μｍ程度の距離を持たせるものとすることができる。また、基板１０２の面上におけるＤＣ電極１６０と接地電極１６２までの距離が、当該ＤＣ電極１６０に印加される最大電圧において沿面放電を生じない程度に設定される必要がある。

また、接地電極１６２の形成は、上述したメッキプロセスを用いる方法のほか、所定の幅の開口を有する少なくとも一つの金属層を含む複数の金属膜を基板１０２上に積層することで行うこともできる。

図３は、金属層を積層することにより形成される接地電極の例を示す断面図である。図示の接地電極３６２は、図２の接地電極１６２に代えて光導波路素子１００に用いることができる。本接地電極３６２は、ＤＣ電極１６０を跨ぐブリッジ３００を構成するための開口を有する２つの金属層３７０ａ、３７０ｂと、開口を有さない金属層３７０ｃとを、基板１０２上に積層させることで形成されている。なお、積層する金属層の数は３に限らず、ブリッジ３００について所望される形状に応じて、４つ以上の金属層を積層するものとすることができる。

さらに、図１及び図２において、接地電極１６２は、ブリッジ２００によりバイアス電極を跨ぐように形成された導電材料であればよく、必ずしもその全体が基板１０２上への材料堆積により形成される必要はない。したがって、例えば、ＤＣ電極１６０を跨ぐように構成された溝を形成した略板状の導電性部材を、ＤＣ電極１６０から所定距離離れて並走するように設けられた金属膜に対し、例えばフリップチップボンディングにより接合して、接地電極を構成するものとすることもできる。

図４は、導電性部材の接合により形成される接地電極の例を示す断面図である。図４に示す接地電極４６２は、図２に示す接地電極１６２に代えて光導波路素子１００に用いることができる。本接地電極４６２は、ＤＣ電極１６０を跨ぐブリッジ４００を構成するための溝部を設けた導電性部材４７０（例えばアルミニウム板）と、ＤＣ電極１６０から所定の距離だけ離れて並走するように設けられた金属膜４７２ａ、４７２ｂとにより構成される。導電性部材４７０の、金属膜４７２ａ、４７２ｂと対向する部分には、ハンダバンプ４７４ａ、４７４ｂが設けられており、これらのハンダバンプを用いて、導電性部材４７０が、フリップチップボンディングにより金属膜４７２ａ、４７２ｂに接合されて、基板１０２に固定される。

接地電極１６２の他の代替例として、ブリッジ２００を逆Ｖ字型の形状とするものとし、ＤＣ電極１６０を跨ぐように構成されたＶ溝を形成した導電性部材（例えば、シリコン板）を、ＤＣ電極１６０を挟んで並走するように設けられた金属膜と接合することにより、接地電極を形成するものとすることができる。

図５は、Ｖ溝を形成したシリコン板を用いた接地電極の例を示す断面図である。図５に示す接地電極５６２は、図２に示す接地電極１６２に代えて光導波路素子１００に用いることができる。本接地電極５６２は、ＤＣ電極１６０を跨ぐブリッジ５００を構成するためのＶ溝部を設けた導電性部材であるシリコン板５７０と、ＤＣ電極１６０から所定の距離だけ離れて並走するように設けられた金属膜５７２ａ、５７２ｂとにより構成されている。シリコン板５７０のうちＶ溝が形成されていない平坦部分には、例えばＡｕ等の薄膜が堆積されており、当該平坦部と金属膜５７２ａ、５７２ｂとが（ハンダ等により）接合されることにより、シリコン板５７０が基板１０２に固定される。なお、シリコン板５７０にハンダバンプを設けて、シリコン板５７０と金属膜５７２ａ、５７２ｂとをフリップチップボンディングにより接合することもできる。

接地電極１６２の代替として、上述した多層金属膜や導電性部材で構成される接地電極３６２、４６２、又は５６２を用いる構成では、ＲＦ電極１４０ａ、１４０ｂ等のための材料堆積とは異なる工程を用いて、上記接地電極３６２、４６２、又は５６２を形成することとなるため、当該接地電極３６２、４６２、又は５６２の材料をＲＦ電極１３４ａ、１３４ｂの材料と同一とする必要はなく、材料選択の自由度が増す。

〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態に係る光導波路素子は、基板としてＺカットのＬＮを用いる点が第１の実施形態における光導波路素子１００と異なる。
図６は、本発明の第２の実施形態に係る光導波路素子の構成を示す平面図である。また、図７は、図６に示す光導波路素子６００のＢＢ断面の矢視図である。

なお、図６、図７に符号６０４〜６１４、６２２〜６２８、６３２ａ〜６３８ａ、６３２ｂ〜６３８ｂで示す各光導波路は、ＺカットのＬＮ基板である基板６０２に形成されていることを除き、図１に符号１０４〜１１４、１２２〜１２８、１３２ａ〜１３８ａ、１３２ｂ〜１３８ｂで示す各光導波路とそれぞれ同様であるので、これらの光導波路については、上述した図１についての対応する各光導波路に関する説明を援用するものとする。

光導波路素子６００は、上述のとおり基板６０２としてＺカットのＬＮを用いているので、光導波路に対し基板６０２の深さ方向に電界を印加する必要がある。このため、ＲＦ電極６４２ａ、６４４ａ、６４２ｂ、６４４ｂ、ＤＣ電極６６０は、それぞれ所定距離に亘って対応する並行導波路６３４ａ、６３６ａ、６３４ｂ、６３６ｂ、６１０の直上部と重なる部分を有するように、バッファ層６８０（図６、図７）を介して形成されている。

また、基板６０２のバッファ層６８０上には、ＲＦ電極６４２ａ、６４４ａ、６４２ｂ、６４４ｂが例えばコプレーナ線路を構成するように、ＲＦ電極６４２ａ、６４４ａ、６４２ｂ、６４４ｂに対し、各電極から所定距離だけ離れて当該各電極を挟むように、接地電極６７０、６７２、６７４、６７６、６７８が形成されている。

バッファ層６８０は、並行導波路６３４ａ、６３６ａ、６３４ｂ、６３６ｂ、６１０を伝搬する光が、それぞれＲＦ電極６４２ａ、６４４ａ、６４２ｂ、６４４ｂ、ＤＣ電極６６０の材料金属により吸収されて損失を生ずるのを防止する。また、バッファ層６８０は、コプレーナ線路を構成するＲＦ電極６４２ａ、６４４ａ、６４２ｂ、６４４ｂのそれぞれの特性インピーダンスの設定可能範囲を決定付け、ＲＦ電極６４２ａ、６４４ａ、６４２ｂ、６４４ｂを伝搬する高周波信号（変調信号）の速度と、並行導波路６３４ａ、６３６ａ、６３４ｂ、６３６ｂを伝搬する光の速度との整合を可能にする。例えば、バッファ層６８０は、低誘電率材量である酸化珪素（ＳｉＯ２）で構成される。

なお、ＬＮ基板である基板６０２の厚さが３０μｍ以下である場合には、基板６０２の断面積が小さくなることから、当該基板６０２を介したＲＦ電極と接地電極との間の静電容量が小さくなるので、バッファ層６８０がなくても、ＲＦ電極６４２ａ、６４４ａ、６４２ｂ、６４４ｂを伝搬する高周波信号（変調信号）の速度と、並行導波路６３４ａ、６３６ａ、６３４ｂ、６３６ｂを伝搬する光の速度とを整合させることができる。

基板６０２の厚さを３０μｍ以下としてバッファ層６８０を用いない構成とした場合、並行導波路６３４ａ、６３６ａ、６３４ｂ、６３６ｂ、６１０においてＲＦ電極６４２ａ、６４４ａ、６４２ｂ、６４４ｂ、ＤＣ電極６６０の材料金属による光の吸収損失が生ずることとなるが、並行導波路６３４ａ、６３６ａ、６３４ｂ、６３６ｂ、６１０に対しＲＦ電極６４２ａ、６４４ａ、６４２ｂ、６４４ｂ、ＤＣ電極６６０から直に電圧を印加することができ、いわゆる半波長電圧Ｖπを小さくできる（従って変調に必要な電圧振幅を小さくできる）ので、電気特性の点で有利である。

図６において、ネスト型光変調器６２０は、光導波路６２２〜６２８とマッハツェンダ型光変調器６３０ａ、６３０ｂとにより構成されている。また、マッハツェンダ型光変調器６３０ａは、光導波路６３２ａ〜６３８ａとＲＦ電極６４２ａ、６４４ａと接地電極６７０〜６７４とにより構成され、マッハツェンダ型光変調器６３０ｂは、光導波路６３２ｂ〜６３８ｂとＲＦ電極６４２ｂ、６４４ｂと接地電極６７４〜６７８とにより構成されている。

基板６０２のバッファ層６８０上には、ＤＣ電極６６０を覆うように、且つＤＣ電極６６０と電気的に接触することなく当該ＤＣ電極６６０を跨ぐように、接地電極６６２が設けられている。接地電極６６２は、バッファ層６８０上において、ＤＣ電極６６０及び並行導波路６１０を挟んで対向する位置に、当該ＤＣ電極６６０及び並行導波路６１０と所定距離に亘って平行となるように形成された部分を有している。

図７（図６に示す光導波路素子６００のＢＢ断面矢視図）に示すように、接地電極６６２は、基板６０２上に形成されたバッファ層６８０上において、並行導波路６１０の直上部に形成されたＤＣ電極６６０を覆うように形成されている。また、接地電極６６２にはブリッジ（空洞部）７００が設けられており、当該ブリッジ７００により、接地電極６６２は、ＤＣ電極６６０と電気的に接触することなく、当該ＤＣ電極６６０を跨ぐように形成されている。

上記の構成を有する光導波路素子６００は、第１の実施形態に係る光導波路素子１００と同様に、例えばデジタル放送波等のための広帯域変調信号の生成に用いることができ、ネスト型光変調器６２０は、ＳＳＢ変調器あるいは光周波数変調器を構成し、並行導波路６１０とＤＣ電極６６０は、光位相制御器を構成する。

光導波路素子６００においては、ＤＣ電極６６０に印加された直流電圧により当該ＤＣ電極６６０から生ずる放射電界は接地電極６６２により終端されるので、当該放射電界によりＲＦ電極６４２ａ、６４４ａ、６４２ｂ、６４４ｂの電位や接地電極６７０〜６７８の電位は影響を受けない。従って、本光導波路素子６００では、第１の実施形態に係る光導波路素子１００と同様に、例えばＳＳＢ変調や光周波数変調等に関わるマッハツェンダ型光変調器６３０ａ、６３０ｂは、光位相制御等のためＤＣ電極６６０に印加されるＤＣ電圧に影響されることなく、安定な変調動作を行うことができる。

なお、基板６０２への各導波路６０４〜６１４、６２２〜６２８、６３２ａ〜６３８ａ、６３２ｂ〜６３８ｂの作製方法（プロセス）、バッファ層６８０上へのＲＦ電極６４２ａ、６４４ａ、６４２ｂ、６４４ｂ、及びＤＣ電極６６０の作製方法は、上述した第１の実施形態に係る光導波路素子１００における各導波路、及び各ＲＦ電極の作製方法と同様のものを用いることができる。また、バッファ層６８０上への、接地電極６７０〜６７８の作製方法は、上述した第１の実施形態に係る光導波路素子１００における接地電極１５０〜１５４の作製方法と同様とすることができ、接地電極６６２の作製方法は接地電極１６２の作製方法と同様とすることができる。

ブリッジ７００の形状は、図７に示す半円の他、半長丸、長半楕円、あるいは多角形等、任意の形状とすることができる。また、ブリッジ７００のサイズについては、バッファ層６８０上におけるＤＣ電極６６０と接地電極６６２との距離が、ＤＣ電極６６０に印加された電圧により並行導波路１１０に電界が効率的に発生するように設定されていること、及び、ＤＣ電極６６０に印加される最大電圧においてバッファ層６８０上に沿面放電を生じない程度に設定されていること、が必要である。なお、接地電極６６２の代替として、第１の実施形態に係る光導波路素子１００に関連して説明した図３〜図５に示す構成の接地電極３６２、４６２、又は５６２を、同様に用いることができる。

以上、説明したように、本実施形態の光導波路素子は、同一基板上に隣接して形成されたＲＦ電極とＤＣ電極とを備え、当該ＤＣ電極に対し、当該ＤＣ電極を覆うように、且つ当該ＤＣ電極と電気的に接触することなく当該ＤＣ電極を跨ぐように、接地電極が形成されている。これにより、本光導波路素子は、ＤＣ電極が接地電極によりシールドされるので、ＲＦ電極とＤＣ電極との間隔を狭めて集積度を上げる場合にも、ＤＣ電極から生じる放射電界によりＲＦ電極及びその他の接地電極の電位に変動が生じるのを有効に回避して、当該光導波路素子の安定動作を確保することができる。

なお、上述の実施形態では、一例として一つのＤＣ電極のみが設けられる光導波路素子の構成を示したが、本発明は上記構成に限定されるものではなく、同一基板上に一つ以上のＲＦ電極と複数のＤＣ電極とが設けられた構成においても、各ＤＣ電極に対し、上述した接地電極１６２等と同様の構造の接地電極を個別に設けることで、上記と同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態では、光導波路素子として同一基板上に複数のマッハツェンダ型光変調器がネストされる構成を示したが、これに限らず、本発明は、少なくとも一つのＲＦ電極と少なくとも一つのＤＣ電極とが隣接して混在する他のタイプの光変調器や他の種々のタイプの導波路型光機能素子（例えば、光スイッチ等）を種々の態様で集積した（即ち、ネストする形態に限らず任意の接続関係において集積した）光導波路素子に、同様に適用することができる。

１００、６００・・・光導波路素子、１０２、６０２、８０２・・・基板、１０４、５０４、８０４・・・入射導波路、１０６、１２２、１３２ａ、１３２ｂ、６０６、６２２、６３２ａ、６３２ｂ、８０６、８２２、８３２ａ、８３２ｂ・・・分岐導波路、１０８、１１０、１２４、１２６、１３４ａ、１３６ａ、１３４ｂ、１３６ｂ、６０８、６１０、６２４、６２６、６３４ａ、６３６ａ、６３４ｂ、６３６ｂ、８０８、８１０、８２４、８２６、８３４ａ、８３６ａ、８３４ｂ、８３６ｂ・・・並行導波路、１１２、１２８、１３８ａ、１３８ｂ、６１２、６２８、６３８ａ、６３８ｂ、８１２、８２８、８３８ａ、８３８ｂ・・・合波導波路、１１４、６１４、８１４・・・出射導波路、１２０、６２０、８２０・・・ネスト型光変調器、１３０ａ、１３０ｂ、６３０ａ、６３０ｂ、８３０ａ、８３０ｂ・・・マッハツェンダ型光変調器、１４０ａ、１４０ｂ、６４２ａ、６４４ａ、６４２ｂ、６４４ｂ、８４０ａ、８４０ｂ・・・ＲＦ電極、１６０、６６０、８６０・・・ＤＣ電極、１５０、１５２、１５４、１６２、３６２、４６２、５６２、６７０、６７２、６７４、６７６、６７８、６６２、８５０、８５２、８５４、８６２・・・接地電極、２００、３００、４００、５００、７００・・・ブリッジ、３７０ａ、３７０ｂ、３７０ｃ・・・金属層、４７０・・・導電性部材、４７２ａ、４７２ｂ、５７２ａ、５７２ｂ・・・金属膜、４７４ａ、４７４ｂ・・・ハンダバンプ、５７０・・・シリコン板、６８０・・・バッファ層、８００・・・多機能集積型光変調器。

Claims (6)

1. 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ための少なくとも一つのＲＦ電極及び少なくとも一つのＤＣ電極と、を備えた光導波路素子であって、
   前記ＲＦ電極と前記ＤＣ電極とは、前記光導波路の一部を挟んで当該光導波路の長さ方向に沿って互いに平行に延在し、
   前記基板上には、前記ＤＣ電極の前記長さ方向の所定の距離を隙間なく覆うように、且つ当該ＤＣ電極と電気的に接触することなく当該ＤＣ電極を跨ぐように、接地電極が形成されている、
   光導波路素子。
2. 前記光導波路素子は、
   マッハツェンダ型光導波路と、
   当該マッハツェンダ型光導波路を構成する２つの並行導波路の少なくとも一方に設けられた、２つのマッハツェンダ光変調器が集積されたネスト型光変調器と、
   を備える多機能集積型光変調器である、請求項１に記載の光導波路素子。
3. 前記光導波路素子は、マッハツェンダ型光導波路と、当該マッハツェンダ型光導波路を構成する２つの並行導波路のうちの一の並行導波路に設けられた、２つのマッハツェンダ光変調器が集積されたネスト型光変調器と、を備える多機能集積型光変調器であって、
   前記ＲＦ電極は、前記ネスト型光変調器に含まれるマッハツェンダ型光導波路に設けられ、
   前記ＤＣ電極は、前記マッハツェンダ型光導波路を構成する２つの前記並行導波路のうちの他の並行導波路に設けられている、
   請求項１に記載の光導波路素子。
4. 前記基板は、Ｘカット又はＺカットのニオブ酸リチウムで構成される、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光導波路素子。
5. 前記基板の厚さが３０μｍ以下である、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の光導波路素子。
6. 前記ＤＣ電極を覆う前記接地電極は、メッキ法を用いて形成される、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の光導波路素子。
   

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