JP6597698B2

JP6597698B2 - 光変調器

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Publication number: JP6597698B2
Application number: JP2017069735A
Authority: JP
Inventors: 徳一宮崎; 洋一細川; 徹菅又
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
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Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2019-10-30
Anticipated expiration: 2037-03-31
Also published as: JP2018173450A; US10228605B2; US20180284558A1; CN108693664A

Description

本発明は、基板上に形成された光導波路で構成される光変調器に関し、特に、基板上に並行して設けられた光導波路に電界を印加することにより光変調等の動作を行う光変調器に関する。

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、上記光導波路と共に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、上記並行導波路の上部又はその近傍に形成されたＲＦ（高周波）信号電極（以下、「信号電極」と称する）と、当該信号電極に離間して配置された接地電極とで構成されている。

近年では、大容量高速光伝送のニーズに応えるべく、位相変調を用いた多値変調方式が検討され、一部商用化している。例えば、ＱＰＳＫ（四位相偏移変調、Quadrature Phase Shift Keying）や１６ＱＡＭ（直角位相振幅変調、Quadrature Amplitude Modulation）と称される光変調方式では、ネスト型光変調器が用いられている。このネスト型光変調器は、マッハツェンダ型光導波路の２つの並行導波路に相当する部分にそれぞれ他のマッハツェンダ型光導波路を形成し、２つの当該他のマッハツェンダ型光導波路を構成する合計４本の並行導波路について、当該並行導波路を伝搬する光波の位相をそれぞれ変化させることで光変調動作を行う。

一方で、光伝送容量の増大化への市場要求は年々増加しており、光伝送装置の小型化、広帯域化への絶え間ない要求と共に、このようなネスト型光変調器の小型化、広帯域化の要求がますます強まっている。特に、変調帯域については、例えば１００Ｇｂｐｓ伝送では、これまで最大３２Ｇｂａｕｄのシンボルレートが用いられており、さらに、４００Ｇｂｐｓ超の伝送システムでは、それを超える最大６４Ｇｂａｕｄのシンボルレートの適用が検討されている。

しかしながら、上述したネスト型光変調器では、上記４本の並行導波路に設けられた複数の信号電極が互いに近接しているため、変調周波数が広帯域化すると信号電極間の電気クロストークによる特性劣化を無視し得なくなる。

特に、従来の光変調器では、所望の帯域において高周波特性を確保すべく信号電極の高さを高くして当該信号電極の導体損失を下げることが一般的である。このため、信号電極の高さは、周囲の接地電極（グランド電極、ＧＮＤ電極）の高さに比べてはるかに高くなり、隣接する信号電極間に設けられた接地電極の、当該隣接する信号電極相互に対するシールド効果は限られたものとなる。その結果、当該隣接する信号電極間のクロストークは、信号電極の高さが高くなるほど顕著なものとなり得る。

このような電気クロストークを抑制するためには、信号電極間の間隔を広くすることが有効であるが、そのためにはネスト型光変調器を構成する並行導波路間の間隔を広げる必要があり、ネスト型光変調器の幅方向（光伝搬方向に直交する方向）のサイズが大型化する。また、光導波路を伝搬する光の損失を低く維持する観点から、光導波路の曲率を減少させることには限界があり、並行導波路間の間隔が広がれば、並行導波路と入射導波路及び出射導波路までの距離も大きくなることから、ネスト型光変調器の長さ方向（光伝搬方向に平行な方向）のサイズも大型化する。

信号電極間の間隔を広げることなく電気クロストークを低減する他の手法として、信号電極の幅を狭くしたり信号電極と接地電極との間隔を狭くする等により、信号電極と接地電極とで構成される信号線路の幅方向サイズを小さくすることで、信号電極から空間へ放射される電気力線を低減することが考えられる。しかしながら、この場合には、信号電極の電気損失が増加することに加え、ネスト型光変調器を動作させる駆動回路と上記信号線路とのインピーダンスの不整合や、光導波路内での光の伝搬速度と上記信号線路を伝搬する電気信号の伝搬速度との不整合（伝搬速度不整合）等の、高周波特性の変化を招くこととなり、得策ではない。

電気クロストークを抑制する更に他の方法として、信号電極に挟まれた接地電極の高さを信号電極より高く形成したり、接地電極上に導体ワイヤや導体リボンを円弧状に立ち上げることが知られている（特許文献１参照）。しかしながら、接地電極を信号電極より高く形成するためには付加的な電極金属の形成工程が必要であり、導体ワイヤを立ち上げるためには余剰のボンディング工程が必要となり、いずれも製造工程の複雑さの観点から得策ではない。また、余剰のボンディングを行えば、基板へのダメージやストレスが余分に発生することととなり、歩留まり低下や信頼性の観点からも問題となり得る。このような問題は特に基板を薄板化した場合に顕著である。

特許第５２７１３６９号

上記背景より、複数の光導波路を変調する複数の信号電極が基板上に並行して形成される導波路型光素子において、製造工程の複雑さを招くことなく、且つ、信号電極と接地電極とで構成される信号線路の高周波特性の変化を招くことなく、信号電極間の電気クロストークを低減することが望まれている。

本発明の一の態様は、電気光学効果を有する基板上に並行に設けられた複数の光導波路で構成される光変調器である。当該光変調器は、前記光導波路のそれぞれを伝搬する光波を制御する、並行に設けられた複数の信号電極と、当該信号電極を前記基板の面方向において挟むように設けられた複数の接地電極と、を備える。ここで、少なくとも一つの前記接地電極は、第１の層と、当該第１の層の上に形成された第２の層とで構成され、前記第２の層は、当該第２の層と当該第２の層に隣接する信号電極との間の距離が、前記第１の層と当該隣接する信号電極との間の距離よりも大きくなるように形成され、前記第１の層及び前記第２の層で構成される前記グランド電極の厚さは、２５μｍ以上であり、前記信号電極と前記接地電極とは、互いに隣接する前記信号電極の間に設けられた前記接地電極の前記第１の層の端部から当該端部に隣接する前記信号電極の端部までの距離ｄに対する、当該互いに隣接する前記信号電極の中心間の距離Ｄの比Ｄ／ｄが、６以上１０以下の範囲の値となるように構成されている。
本発明の他の態様によると、前記信号電極は、互いに隣接する前記信号電極が並行に設けられる並行区間の長さが３０ｍｍ以下である。
本発明の他の態様によると、前記信号電極のそれぞれは、並行に設けられた隣接する前記光導波路の間に設けられている。
本発明の他の態様によると、前記信号電極の厚さは、前記接地電極の第２の層の厚さと同じである。
本発明の他の態様によると、前記信号電極は、前記基板の上に形成された第３の層と、当該第３の層の上に形成された第４の層とで構成され、前記第２の層は、当該第２の層と、当該第２の層に隣接する信号電極の前記第４の層と、の距離が、前記第１の層と、当該隣接する信号電極の前記第３の層と、の間の距離よりも大きくなるように形成されている。
本発明の他の態様によると、前記第３の層の厚さ及び前記第４の層の厚さは、それぞれ、前記第１の層の厚さ及び前記第２の層の厚さと同じである。
本発明の他の態様によると、前記第１の層と前記第２の層は、互いに異なる材料で構成されている。
本発明の他の態様によると、前記第１の層と前記第３の層は同じ材料で構成されており、前記第２の層と前記第４の層は同じ材料で構成されている。
本発明の他の態様によると、前記基板は、ＬｉＮｂＯ３で構成され、厚さが３０μｍ未満である。

本発明の一実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す平面図である。図１に示す導波路型光素子のＡＡ断面である。図１に示す導波路型光素子のＢＢ断面である。図１に示す導波路型光素子における、ＧＮＤ電極の上部層の厚さと信号電極間クロストークとの関係を説明するための説明図である。図１に示す導波路型光素子における、ＧＮＤ電極の上部層の厚さと信号電極間クロストークとの関係を説明するための説明図である。図１に示す導波路型光素子の第１の変形例を示す図である。図１に示す導波路型光素子の第２の変形例を示す図である。図５に示す第２の変形例におけるＤＤ断面である。図１に示す導波路型光素子の第３の変形例を示す断面図である。図１に示す導波路型光素子の第４の変形例を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。また、図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、図１に示す導波路型光素子のＡＡ断面矢視図及びＢＢ断面矢視図である。

本導波路型光素子１０は、例えばＱＰＳＫ光変調器（各サブMZ部のバイアス電極、および９０°位相シフト用電極は不図示）であり、例えばＸカットのＬＮ基板である電気光学効果を有する基板１００上に形成された２つのＭＺ導波路１０２、１０４で構成されるネスト型ＭＺ導波路１０６により構成されている。ＭＺ導波路１０２及び１０４は、それぞれ並行導波路である光導波路１０８、１１０及び１１２、１１４を備えている。

ＬＮ基板１００上には、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）あるいはそれらを含む合金等の導電性の高い金属から成る制御電極である高周波（ＲＦ）電極１１８、１２０が形成され、当該信号電極１１８、１２０をそれぞれ基板面方向に沿って挟むようにＧＮＤ電極（グランド電極、接地電極）１２２、１２４、１２６が形成されている。これにより、信号電極１１８は、ＧＮＤ電極１２２、１２４に挟まれて、信号線路である一のＣＰＷ（Coplanar Waveguide）電極を構成し、信号電極１２０は、ＧＮＤ電極１２４、１２６に挟まれて、信号線路である他のＣＰＷ電極を構成する。

ここで、ネスト型ＭＺ導波路１０６は、例えば基板１００に金属チタン（Ｔｉ）を熱拡散する方法等、既知の種々の方法を用いて作製することができる。また、基板１００は、例えばＸカットのＬＮ基板であり、したがって、印加電界に対して最大の屈折率変化を得るべく、光導波路１０８〜１１４内において基板１００の基板面に平行に電界が印加されるよう、信号電極１１８、１２０がそれぞれ光導波路１０８、１１０の間及び光導波路１１２、１１４の間に形成されており、且つ、信号電極１１８とＧＮＤ電極１２２及び１２４との間に光導波路１０８、１１０が、信号電極１２０とＧＮＤ電極１２４及び１２６との間に光導波路１１２、１１４が配されるように、ＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６が配されている。

信号電極１１８は、光導波路１０８、１１０に沿って略平行に形成された作用部１１８ａ（斜線部）を有し、同様に、信号電極１２０は、光導波路１１２、１１４に沿って略平行に形成された作用部１２０ａ（斜線部）を有する。

また、信号電極１１８の作用部１１８ａの図示右側端部は、基板１００端部まで延在し、当該端部部分が信号出力端１１８ｃを構成する。当該信号出力端１１８ｃは、基板１００の外部に設けられた終端抵抗（不図示）に接続されており、これにより、信号電極１１８の信号入力端１１８ｂから入力された高周波信号は、作用部１１８ａを通り、信号出力端１１８ｃから上記終端抵抗に至って無反射終端される。

同様に、信号電極１２０の作用部１２０ａの図示右側端部は、基板１００端部まで延在し、当該端部部分が信号出力端１２０ｃを構成する。当該信号出力端１２０ｃは、基板１００の外部に設けられた終端抵抗（不図示）に接続されており、これにより、信号電極１２０の信号入力端１２０ｂから入力された高周波信号は、作用部１２０ａを通って信号出力端１２０ｃから上記終端抵抗に至って無反射終端される。

なお、以下では、記載を簡略化して理解を容易にするため、「信号電極１１８」及び「信号電極１２０」というときは、特に断りの無い限り信号電極１１８及び１２０の作用部１１８ａ及び１２０ａをそれぞれ意味するものとする。

図１、図２Ａ、及び図２Ｂに示す本実施形態の導波路型光素子１０では、特に、ＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６は、それぞれ、厚さｔ１の下部層１２２ａ、１２４ａ、１２６ａと、これら下部層１２２ａ、１２４ａ、１２６ａの上に形成された、厚さｔ１より大きい厚さｔ２の上部層１２２ｂ、１２４ｂ、１２６ｂとで構成されている。そして、各ＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６では、それぞれ隣接する信号電極１１８、１２０から上部層１２２ｂ、１２４ｂ、１２６ｂまでの距離（ｄ２）が、当該隣接する信号電極１１８、１２０から下部層１２２ａ、１２４ａ、１２６ａまでの距離（ｄ１）よりも大きくなる（ｄ２＞ｄ１）ように構成されている。

また、特に、本実施形態の導波路型光素子１０は、信号電極１１８、１２０及びＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６の厚さ（高さ）が、後述するように、従来技術において通常用いられる１０μｍ前後の値より数倍以上大きい数十μｍ（例えば３０μｍ）となっている。このため、信号電極１１８、１２０のそれぞれの、ＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６との対向面積は、従来技術における構成に比べて数倍大きくなり、信号電極１１８、１２０から出た電気力線の殆ど全てがＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６との間に閉じ込められる。その結果、信号電極１１８、１２０間での電気クロストークが効果的に低減される。

一般に、信号電極及びＧＮＤ電極の厚さを単純に厚くした場合には、信号電極とＧＮＤ電極との間のぞれぞれの対向面間の静電容量が増加することとなる。その結果、従来技術の説明において上述したように、信号電極とＧＮＤ電極とで構成される信号線路は、高周波インピーダンスが変化し、且つこれら信号線路を伝搬する高周波信号の伝搬速度も変化して、導波路型光素子としての動作特性（例えば、変調特性）が悪化することとなる。また、これを補償するため、単に信号電極とＧＮＤ電極との距離を広げて静電容量を元の値まで低下させた場合には、信号電極とＧＮＤ電極との間の基板面上に形成された光導波路に印加される電界が低下し、やはり導波路型光素子としての動作特性が悪化する。

これに対し、本実施形態の導波路型光素子１０では、各ＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６は、それぞれ隣接する信号電極１１８、１２０から上部層１２２ｂ、１２４ｂ、１２６ｂまでの距離（ｄ２）と、当該隣接する信号電極１１８、１２０から下部層１２２ａ、１２４ａ、１２６ａまでの距離（ｄ１）とが異なっており、ｄ１及びｄ２はそれぞれ個別に設定することができる。そして、光導波路１０８等に印加される電界は、下部層１１２ａ等と信号電極１１８等との距離ｄ１で定まることから、距離ｄ１を調整することで、信号電極１１８、１２０に印加される電圧に対して光導波路１０８等に所望の電界が印加されるようにすることができる。

また、本実施形態の導波路型光素子１０では、各ＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６は、上部層１２２ｂ、１２４ｂ、１２６ｂの厚さｔ２は、下部層１２２ａ、１２４ａ、１２６ａの厚さｔ１よりも大きいので、信号電極１１８、１２０とＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６との各対向面間の静電容量は、信号電極１１８、１２０とＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６の上部層１２２ｂ、１２４ｂ、１２６ｂとの間の距離ｄ２によって定まる。したがって、距離ｄ２を調整することで、上記信号線路の高周波インピーダンス及び高周波伝搬速度の変化を補償して、変調特性の悪化を防止することができる。

すなわち、本実施形態の導波路型光素子１０では、信号電極１１８、１２０に求められる印加電圧の増加を招くことなく光導波路１０８等に必要な印加電界を確保しつつ、信号電極１１８、１２０及びＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６を厚くしたことによる信号線路の高周波特性の変化を補償して、導波路型光素子１０の動作特性の悪化を防止することができる。

また、例えば下部層１２２ａ、１２４ａ、１２６ａ及び上部層１２２ｂ、１２４ｂ、１２６ｂを、信号電極１１８、１２０と同じ金属材料により形成するものとすれば、基板１００上への信号電極１１８、１２０の形成は、下部層１２２ａ、１２４ａ、１２６ａ及び上部層１２２ｂ、１２４ｂ、１２６ｂの形成と同時に行うことができるので、余分な（付加的な）金属膜形成工程は発生しない。

また、下部層１２２ａ等は、光導波路１０８等への印加電界が確保される程度の薄い層（例えば、１μｍ以上）であればよく、１〜１０μｍ程度の厚さとすることで、電極下層部の電界集中による電気損失の増加を抑制することができる。また、１〜１０μｍ程度の電極厚さであれば、メッキ工程を用いて基板１００上において精度の良いパターンニングを行うことができる。また、上部層１２２ｂ等についても、従来の構成に比べて信号電極から遠い位置に形成されるため、従来のように下部層を用いず信号電極の直近に形成される構成に比べて電極形成が容易である。このため、下部層を用いずＧＮＤ電極を単純な柱状で構成する従来技術に比べて、製造バラツキを抑えて歩留まりを向上することができる。

なお、本実施形態では、図１及び図２Ｂに示すように、信号電極１１８及び１２０の信号入力端１１８ｂ、１２０ｂから信号出力端１１８ｃ、１２０ｃに至るまでの信号電極１１８及び１２０の全体に亘って、当該信号電極１１８及び１２０をそれぞれ挟むＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６が、それぞれ隣接する信号電極１１８、１２０から上部層１２２ｂ、１２４ｂ、１２６ｂまでの距離（ｄ２）が、当該隣接する信号電極１１８、１２０から下部層１２２ａ、１２４ａ、１２６ａまでの距離（ｄ１）よりも大きくなる（ｄ２＞ｄ１）ように構成されている。

ただし、光波の伝搬速度と高周波信号の伝搬速度との整合は、少なくとも信号電極１１８、１２０の作用部１１８ａ、１２０ａにおいて実現されていれば良い。したがって、後述する第１の変形例に示すように、信号電極１１８、１２０のうち作用部１１８ａ、１２０ａ以外の部分を挟むＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６の部分については、必ずしもｄ２＞ｄ１である必要はなく、例えばｄ２＝ｄ１（すなわち、例えば下部層１２２ａは上部層１２２ｂのエッジから信号電極１１８に向かって延在しない）であってもよい。

また、本実施形態では、ＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６の全てが上部層と下部層とで構成されるものとしたが、少なくとも一つのＧＮＤ電極（例えば信号電極１１８、１２０に挟まれた信号電極１２６）が上部層と下部層とで構成され、ｔ１、ｔ２、ｄ１、ｄ２に関する上述の条件を満たしていれば、一定の電気クロストーク低減効果を得ることができる。

次に、図３Ａ及び図３Ｂを用いて、本実施形態の導波路型光素子１０の構成における電極厚さ（ｔ１＋ｔ２）と信号電極１１８、１２０間での電気クロストーク量との関係について説明する。図３Ａは、電極厚さ（ｔ１＋ｔ２）と信号電極１１８、１２０間の結合係数β_ｃ／ｋとの関係を示す図、図３Ｂは、結合係数β_ｃ／ｋと信号電極１１８、１２０間の電気クロストーク量との関係を示す図である。図３Ａにおいて、横軸は電極厚さ（ｔ１＋ｔ２）、縦軸は結合係数β_ｃ／ｋである。また、図３Ｂにおいて、横軸は結合係数β_ｃ／ｋ、縦軸は信号電極１１８、１２０間の電気クロストーク量である。なお、図３Ｂにおいて、電気クロストーク量は、ＲＦ１１８、１２０が構成する２つの信号線路のうちの一方の信号線路に入力された高周波信号パワーに対する、他方の信号線路へ結合した高周波信号パワーの比であり、単位はｄＢである。

ここで、β_ｃは、信号電極１１８と１２０とが結合した状態における高周波信号の伝搬定数、ｋは波数である。信号電極１１８及び１２０が構成する信号線路の構成はほぼ等しいので、信号電極１１８、１２０間の電気クロストーク量Ｐは、近似的にＰ＝ｓｉｎ^２（β_ｃ・ｋ・Ｌ）で算出される。

図３Ａでは、信号電極１１８の中心から隣接するＧＮＤ電極１２６（及び１２２）の下部層１２６ａ（及び１２２ａ）までの距離ｄに対する、信号電極１１８の中心から信号電極１２０の中心までの距離Ｄ（図２Ａ参照）の比（Ｄ／ｄ）をパラメータとして用いて、結合係数β_ｃ／ｋの値を示している。より具体的には、図３Ａの曲線３００、３０２、３０４は、それぞれ、Ｄ／ｄが６、８、１０における、電極厚さ（ｔ１＋ｔ２）に対する結合係数β_ｃ／ｋの値を示している。なお、図３Ａに示すグラフにおいては、信号電極１２０の中心から隣接するＧＮＤ電極１２６（及び１２４）の下部層１２６ａ（及び１２４ａ）までの距離ｄは、信号電極１１８の中心から隣接するＧＮＤ電極１２６（及び１２２）の下部層１２６ａ（及び１２２ａ）までの距離ｄと同じ値を持つものとしている。

また、図３Ｂにおいて、曲線３１０、３１２は、それぞれ、並行区間の信号線路長さが４０ｍｍである場合における、信号周波数が２３ＧＨｚ、４５ＧＨｚのときの信号電極１１８、１２０間の電気クロストーク量を示している。２３ＧＨｚ、４５ＧＨｚはそれぞれシンボルレート３２ＧＢａｕｄ、６４ＧＢａｕｄで必要とされる周波数帯域（シンボルレートの約７割）である。また、曲線３１４、３１６は、それぞれ、並行区間の信号線路長さが３０ｍｍである場合における、信号周波数が２３ＧＨｚ、４５ＧＨｚであるときの信号電極１１８、１２０間の電気クロストーク量を示している。ここで、信号線路長さ３０ｍｍ、４０ｍｍは、市場に許容される一般的なサイズの導波路型光素子における信号線路長である。

一般に、電気クロストーク量が−２０ｄＢ程度（入力された高周波信号パワーの１／１００程度）であれば、実質的に電気的クロストークの影響が十分抑制されていると考えることができる。信号線路の並行区間の長さは短いほうが好ましいことから、信号線路長さの設計典型値の上限を３０ｍｍとすれば、動作周波数４５ＧＨｚでは、結合係数β_ｃ／ｋとして０．００３５以下が望ましく（図３Ｂ）、従って電極厚さ（ｔ１＋ｔ２）は２５μｍ以上であることが望ましい。

次に、図１、図２Ａ、及び図２Ｂに示す導波路型光素子１０の変形例について説明する。
〔第１の変形例〕
まず、導波路型光素子１０の第１の変形例に係る導波路型光素子１０−１ついて説明する。導波路型光素子１０−１は、導波路型光素子１０と同様の構成を有するが、信号電極１１８、１２０に代えて、信号電極１１８´、１２０´を備える。また、信号電極１１８´、１２０´は、信号電極１１８、１２０と同様の構成を有するが、その高さが信号電極１１８、１２０と異なっている。

図４は、導波路型光素子１０のＡＡ断面図（図２Ａ）に相当する、導波路型光素子１０−１の断面図である。図１、図２Ａ、図２Ｂに示す導波路型光素子１０では、信号電極１１８、１２０の高さは、ＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６の高さと同じであるのに対し、本変形例では、信号電極１１８´、１２０´の高さ（厚さ）が、ＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６の上部層１２２ｂ、１２４ｂ、１２６ｂの高さ（厚さ）ｔ２と同じとなっている。

すなわち、本構成では、信号電極１１８´、１２０´の高さが、ＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６に比べて、下部層１２２ａ等の高さｔ１分だけ低く構成されている。このため、本構成においては、導波路型光素子１０に比べて、信号電極１１８´、１２０´間のクロストークを更に低減することができる。また、本構成では、信号電極１１８´、１２０´と上部層１２２ｂ、１２４ｂ、１２６ｂとを同じ材料で構成するものとすれば、信号電極１１８´、１２０´と上部層１２２ｂ、１２４ｂ、１２６ｂとを１回の膜形成工程で同時に形成することができるので便宜である。

〔第２の変形例〕
次に、導波路型光素子１０の第２の変形例について説明する。図５は、導波路型光素子１０の第２の変形例である導波路型光素子１０−２の構成を示す図、図６は、図５に示す導波路型光素子１０−２のＤＤ断面矢視図である。なお、図５、図６において、図１及び図２Ｂに示す構成要素に対応する構成要素であって図１及び図２Ｂに示す構成要素と異なる形状を有する構成要素については、対応する図１及び図２Ｂに示す構成要素の符号にダッシュ（´）を付して示している。

上述したように、光波の伝搬速度と高周波信号の伝搬速度との整合は、少なくとも信号電極１１８、１２０の作用部１１８ａ、１２０ａにおいて実現されていれば良い。したがって、本変形例に係る導波路型光素子１０−２は、信号電極１１８、１２０のうち作用部１１８ａ、１２０ａを挟むＧＮＤ電極１２２´、１２４´、１２６´の部分については、ｄ２＞ｄ１となるように構成されている一方（すなわち、図５におけるＣＣ断面は図２Ｂに示すＡＡ断面と同様である一方）、作用部１１８ａ、１２０ａ以外の部分を挟むＧＮＤ電極１２２´、１２４´、１２６´の部分については、上部層のエッジと下部層のエッジとが同じ位置となるように構成されている。

すなわち、図５に示す導波路型光素子１０−２のＤＤ断面は、導波路型光素子１０のＢＢ断面（図２Ｂ）とは異なり、図６に示すように、信号入力端１１８ｂ、１２０ｂの近傍においては、上部層１２２ｂ´、１２４ｂ´、１２６ｂ´のエッジが、下部層１２２ａ、１２４ａ、１２６ａのエッジと同じ位置となるように構成されている。なお、図６には、一例として信号電極１１８、１２０の信号入力端１１８ｂ、１２０ｂ部分のＤＤ断面を示したが、本変形例においては、信号入力端１１８ｂ、１２０ｂ部分のみならず、信号出力端１１８ｃの近傍や信号出力端１２０ｃの近傍など、作用部１１８ａ、１２０ａ以外の部分における構造も、図６と同様に、上部層１２２ｂ´、１２４ｂ´、１２６ｂ´のエッジが、下部層１２２ａ、１２４ａ、１２６ａのエッジと同じ位置となるように構成されている。

このような構成においても、信号電極１１８、１２０の作用部１１８ａ、１２０ａにおいては、当該作用部１１８ａ、１２０ａを伝搬する高周波信号の伝搬速度と並行導波路１０８、１１０，１１２、１１４を伝搬する光波の伝搬速度と、の整合を図りつつ、信号電極１１８、１２０との間のクロストークを低減することができる。

なお、作用部１１８ａ、１２０ａ以外の部分を挟むＧＮＤ電極１２２´、１２４´、１２６´の部分については、必ずしも上部層と下部層とに分かれている必要はなく、例えば下部層がない構成としてもよい。

〔第３の変形例〕
次に、導波路型光素子１０の第３の変形例に係る導波路型光素子１０−３ついて説明する。図７は、導波路型光素子１０のＡＡ断面図（図２Ａ）に相当する、導波路型光素子１０−３の、作用部１１８ａ、１２０ａに相当する部分における断面図である。本変形例は、導波路型光素子１０と同様の構成を有するが、信号電極１１８、１２０に代えて信号電極１１８´´、１２０´´を有し、ＧＮＤ電極１２２、１２４に代えてＧＮＤ電極１２２´´、１２４´´を有する点が異なる。

信号電極１１８´´、１２０´´は、信号電極１１８、１２０と同様の構成を有するが、それぞれが、厚さｔ３を持つ下部層１１８ｆ、１２０ｆと、厚さｔ３より厚い厚さｔ４を持つ上部層１１８ｇ、１２０ｇとで構成される点が異なる。

ＧＮＤ電極１２２´´、１２４´´は、ＧＮＤ電極１２２、１２４と同様の構成を有するが、上部層１２２ｂ、１２４ｂに代えて上部層１２２ｂ´´、１２４ｂ´´を有する点が異なる。また、上部層１２２ｂ´´、１２４ｂ´´は、上部層１２２ｂ、１２４ｂと同様の構成を有するが、上部層１２２ｂ´´、１２４ｂ´´の幅（図７における図示左右方向の長さ）が、ＧＮＤ電極１２６の上部層１２６ｂの幅と同じ値（ｄ５）となっている点が異なる。

そして、ＧＮＤ電極１２２´´、１２４´´、１２６の上部層１２２ｂ´´、１２４ｂ´´、１２６ｂと、それぞれ隣接する信号電極１１８´´、１２０´´の上部層１１８ｇ、１２０ｇとの間の距離ｄ４が、当該隣接する信号電極１１８´´、１２０´´の下部層１１８ｆ、１２０ｆからＧＮＤ電極１２２´´、１２４´´、１２６の下部層１２２ａ、１２４ａ、１２６ａまでの距離ｄ３より大きくなるように構成されている（ｄ４＞ｄ３）。

これにより、本変形例の導波路型光素子１０−３では、導波路型光素子１０と同様に、ＧＮＤ電極１２２´´、１２４´´、１２６の高さ（厚さ）を従来技術の場合よりも数倍以上大きい２５μｍ以上の高さとして信号電極１１８´´、１２０´´間の電気クロストークを効果的に低減しつつ、距離ｄ３を調整して光導波路１０８等に印加される電界を高く維持し、且つ、距離ｄ４を調整して、ＧＮＤ電極１２２´´、１２４´´、１２６の高さを高くしたことに伴う信号電極１１８´´、１２０´´が構成する信号線路の高周波インピーダンスの変化及び高周波伝搬速度の変化を補償して、導波路型光素子１０−３の動作特性の悪化を防止することができる。

また、特に、上部層１２２ｂ´´、１２４ｂ´´の幅が、ＧＮＤ電極１２６の上部層１２６ｂの幅と同じ値（ｄ５）となっているため、並行導波路１０８、１１０の周辺及び並行導波路１１２、１１４の周辺の電極構造が、それぞれ、並行導波路１０８、１１０の間の中心線Ｃ１及び並行導波路１１２、１１４の間の中心線Ｃ２を挟んで左右対称となる。このため、信号電極１１８´´、１２０´´及びＧＮＤ電極１２２´´、１２４´´、１２６を設けたことにより基板１００に発生する応力は、中心線Ｃ１、Ｃ２を挟んでそれぞれバランスし、並行導波路１０８と１１０とに係る応力が互いに同程度のものとなると共に、並行導波路１１２と１１４とにかかる応力が互いに同程度のものとなる。その結果、並行導波路１０８及び１１０を伝搬する２つの光波の、上記応力に起因する位相シフト量の差が同程度になると共に、並行導波路１１２及び１１４を伝搬する２つの光波の、上記応力に起因する位相シフト量の差が同程度となって、例えば変調動作を行う際のバイアス電圧の温度変動を抑制することができる。

なお、ＧＮＤ電極１２２´´、１２４´´、１２６の下部層１２２ａ、１２４ａ、１２６ａと、上部層１２２ｂ´´、１２４ｂ´´、１２６ｂと、信号電極１１８´´、１２０´´の下部層１１８ｆ、１２０ｆと、上部層１１８ｇ、１２０ｇと、は互いに異なる材料としても良いし、同じ材料としても良い。

また、信号電極１１８´´、１２０´´の下部層１１８ｆ、１２０ｆの厚さｔ３は、ＧＮＤ電極１２２´´、１２４´´、１２６の下部層１２２ａ、１２４ａ、１２６ａの厚さｔ１と同じでも良いし、異なっていても良い。同様に、信号電極１１８´´、１２０´´の上部層１１８ｇ、１２０ｇの厚さｔ４は、ＧＮＤ電極１２２´´、１２４´´、１２６の上部層１２２´´ｂ、１２４ｂ´´、１２６ｂの厚さｔ２と同じでも良いし、異なっていてもよい。

例えば、ｔ１＝ｔ３、ｔ２＝ｔ４とし、ＧＮＤ電極１２２´´、１２４´´、１２６の下部層１２２ａ、１２４ａ、１２６ａと信号電極１１８´´、１２０´´の下部層１１８ｆ、１２０ｆとを同じ材料Ａで構成し、ＧＮＤ電極１２２´´、１２４´´、１２６の上部層１２２ｂ´´、１２４ｂ´´、１２６ｂと信号電極１１８´´、１２０´´の上部層１１８ｇ、１２０ｇとを同じ材料Ｂ（材料Ａと異なっていても良い）で構成するものとすれば、製造工程の観点から便宜である。この場合には、例えば、１回の金属膜形成工程により、ＧＮＤ電極１２２´´、１２４´´、１２６の下部層１２２ａ、１２４ａ、１２６ａと信号電極１１８´´、１２０´´の下部層１１８ｆ、１２０ｆとを同じ材料Ａにより同じ厚さｔ１＝ｔ３で形成し、これに続く他の１回の金属膜形成工程によりＧＮＤ電極１２２´´、１２４´´、１２６の上部層１２２ｂ´´、１２４ｂ´´、１２６ｂと信号電極１１８´´、１２０´´の上部層１１８ｇ、１２０ｇとを同じ材料Ｂにより同じ厚さｔ２＝ｔ４で形成することができる。

〔第４の変形例〕
次に、導波路型光素子１０の第４の変形例に係る導波路型光素子１０−４ついて説明する。図８は、導波路型光素子１０のＡＡ断面図（図２Ａ）に相当する、導波路型光素子１０−４の、作用部１１８ａ、１２０ａに相当する部分における断面図である。本変形例は、導波路型光素子１０と同様の構成を有するが、ＸカットのＬＮ基板である基板１００に代えて、ＺカットのＬＮ基板である基板１００´´´を用いる点が異なる。また、信号電極１１８、１２０に代えて、並行導波路である４本の光導波路１０８、１１０、１１２、１１４の真上にそれぞれ形成された信号電極５００、５０２、５０４、５０６を有する点が異なる。また、ＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６に代えて、基板１００´´´の基板面方向において信号電極５００、５０２、５０４、５０６を挟むように形成されたＧＮＤ電極５２０、５２２、５２４、５２６、５２８、５３０を有する点が異なる。また、基板１００´´´の表面には、光導波路１０８、１１０、１１２、１１４を覆うように、例えばＳｉＯ_２から成るバッファ層５５０が形成されている。

そして、ＧＮＤ電極５２０、５２２、５２４、５２６、５２８、５３０は、ＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６と同様に、それぞれ、厚さｔ１の下部層５２０ａ、５２２ａ、５２４ａ、５２６ａ、５２８ａ、５３０ａと、これら下部層５２０ａ、５２２ａ、５２４ａ、５２６ａ、５２８ａ、５３０ａの上に形成された、厚さｔ１より大きい厚さｔ２の上部層５２０ｂ、５２２ｂ、５２４ｂ、５２６ｂ、５２８ｂ、５３０ｂとで構成されている。そして、上部層５２０ｂ、５２２ｂ、５２４ｂ、５２６ｂ、５２８ｂ、５３０ｂのそれぞれは、隣接する信号電極５００、５０２、５０４又は５０６までの距離ｄ２が、当該隣接する信号電極５００、５０２、５０４、又は５０６から下部層５２０ａ、５２２ａ、５２４ａ、５２６ａ、５２８ａ、５３０ａまでの距離ｄ１よりも大きくなる（ｄ２＞ｄ１）ように構成されている。

これにより、本変形例の導波路型光素子１０−４も、導波路型光素子１０と同様に、ＧＮＤ電極５２０、５２２、５２４、５２６、５２８、５３０の高さを２５μｍ以上として信号電極５００、５０２、５０４、５０６間の電気クロストークを効果的に低減しつつ、距離ｄ１、ｄ２を調整することにより、光導波路１０８等にかかる電界を高く維持すると共に、信号電極５００、５０２、５０４、５０６が構成する信号線路の高周波インピーダンスの変化及び信号伝搬速度の変化を補償して、導波路型光素子１０−４の動作特性を良好に維持することができる。

また、本変形例では、ＧＮＤ電極５２０、５２２、５２４の幅が互いに同じ値ｄ６であり、ＧＮＤ電極５２６、５２８、５３０の幅が互いに同じ値ｄ７である。これにより、本変形例では、第２の変形例と同様に、並行導波路１０８及び１１０、並びに並行導波路１１２及び１１４、に係る応力をそれぞれバランスさせて、変調動作を行う際のバイアス電圧の温度変動を抑制することができる。なお、ｄ６＝ｄ７とすれば、基板１００´´´の全体にかかる応力も、並行導波路１０８、１１０及び並行導波路１１２、１１４が構成する２つのＭＺ型導波路を挟む中心線Ｃ３を挟んでバランスするので、変調動作の温度変動を更に低減することができる。

以上、説明したように、本実施形態の導波路型光素子１０では、信号電極１１８、１２０を挟むＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６が、従来技術に比べて数倍程度厚い２５μｍ以上の厚さで形成されていると共に、そのそれぞれが、下部層１２２ａ、１２４ａ、１２６ａと、これら下部層よりも厚い上部層１２２ｂ、１２４ｂ、１２６ｂとで形成されている。そして、上部層１２２ｂ、１２４ｂ、１２６ｂは、それぞれ隣接する信号電極１１８又は１２０までの距離ｄ２が、当該隣接する信号電極１１８、１２０から下部層１２２ａ、１２４ａ、１２６ａまでの距離ｄ１よりも大きくなる（ｄ２＞ｄ１）ように構成されている。

このため、導波路型光素子１０では、ＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６を２５μｍ以上まで厚くすることにより信号電極１１８、１２０間の電気クロストークを効果的に低減しつつ、距離ｄ１を調整して光導波路１０８等へ印加される電界を所望の強度に維持し、且つ、距離ｄ２を調整して、信号電極１１８、１２０とＧＮＤ電極１２２、１２４、１２６とが構成する信号線路の高周波インピーダンス及び信号伝搬速度を所望の値に維持して、導波路型光素子の動作特性を良好に維持することができる。

なお、ＬＮ基板である基板１００、１００´´´の厚さは、３０μｍ未満の厚さとすることができる。この場合には、基板が厚い場合と比較し、電極インピーダンスを信号源のインピーダンス（一般に５０Ω）に近くした電極構造を得ることができる。

１０、１０−１、１０−２、１０−３、１０−４・・・導波路型光素子、１００、１００´´´・・・ＬＮ基板、１０２、１０４・・・ＭＺ導波路、１０６・・・ネスト型ＭＺ導波路、１０８、１１０、１１２、１１４・・・光導波路、１１８、１２０、１１８´、１２０´、１１８´´、１２０´´、５００、５０２、５０４、５０６・・・信号電極、１１８ａ、１２０ａ・・・作用部、１１８ｂ、１２０ｂ・・・信号入力端、１１８ｃ、１２０ｃ・・・信号出力端、１２２、１２２´、１２２´´、１２４、１２４´、１２４´´、１２６、１２６´、５２０、５２２、５２４、５２６、５２８、５３０・・・ＧＮＤ電極、１１８ｆ、１２０ｆ、１２２ａ、１２４ａ、１２６ａ、５２０ａ、５２２ａ、５２４ａ、５２６ａ、５２８ａ、５３０ａ・・・下部層、１１８ｇ、１２０ｇ、１２２ｂ、１２２ｂ´、１２２´´、１２４ｂ、１２４ｂ´、１２４´´、１２６ｂ、１２６ｂ´、５２０ｂ、５２２ｂ、５２４ｂ、５２６ｂ、５２８ｂ、５３０ｂ・・・上部層、５５０・・・バッファ層。

Claims

電気光学効果を有する基板上に並行に設けられた複数の光導波路で構成される光変調器であって、
前記光導波路のそれぞれを伝搬する光波を制御する、並行に設けられた複数の信号電極と、
当該信号電極を前記基板の面方向において挟むように設けられた複数の接地電極と、
を備え、
少なくとも一つの前記接地電極は、第１の層と、当該第１の層の上に形成された第２の層とで構成され、
前記第２の層は、当該第２の層と当該第２の層に隣接する信号電極との間の距離が、前記第１の層と当該隣接する信号電極との間の距離よりも大きくなるように形成され、
前記第１の層及び前記第２の層で構成される前記接地電極の厚さは、２５μｍ以上であり、
前記信号電極と前記接地電極とは、互いに隣接する前記信号電極の間に設けられた前記接地電極の前記第１の層の端部から当該端部に隣接する前記信号電極の端部までの距離ｄに対する、当該互いに隣接する前記信号電極の中心間の距離Ｄの比Ｄ／ｄが、６以上１０以下の範囲の値となるように構成されている、
光変調器。
前記信号電極は、互いに隣接する前記信号電極が並行に設けられる並行区間の長さが３０ｍｍ以下である、
請求項１に記載の光変調器。
前記信号電極のそれぞれは、並行に設けられた隣接する前記光導波路の間に設けられている、
請求項１または２に記載の光変調器。
前記信号電極の厚さは、前記接地電極の第２の層の厚さと同じである、
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光変調器。
前記信号電極は、前記基板の上に形成された第３の層と、当該第３の層の上に形成された第４の層とで構成され、
前記第２の層は、当該第２の層と当該第２の層に隣接する信号電極の前記第４の層との距離が、前記第１の層と当該隣接する信号電極の前記第３の層との間の距離よりも大きくなるように形成されている、
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光変調器。
前記第３の層の厚さ及び前記第４の層の厚さは、それぞれ、前記第１の層の厚さ及び前記第２の層の厚さと同じである、
請求項５に記載の光変調器。
前記第１の層と前記第２の層は、互いに異なる材料で構成されている、
請求項１ないし６のいずれか一項に記載の光変調器。
前記第１の層と前記第３の層は同じ材料で構成されており、
前記第２の層と前記第４の層は同じ材料で構成されている、
請求項５又は６に記載の光変調器。
前記基板は、ＬｉＮｂＯ３で構成され、厚さが３０μｍ未満である、
請求項１ないし８のいずれか一項に記載の光変調器。