JP7131565B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、光通信及び光計測分野において用いられる光変調器に関し、特に、マッハツェンダー型光変調器の電極構造に関する。

インターネットの普及に伴い通信量は飛躍的に増大しており、光ファイバ通信の重要性が非常に高まっている。光ファイバ通信は、電気信号を光信号に変換し、光信号を光ファイバにより伝送するものであり、広帯域、低損失、ノイズに強いという特徴を有する。

電気信号を光信号に変換する方式としては、半導体レーザによる直接変調方式と光変調器を用いた外部変調方式が知られている。直接変調は光変調器が不要で低コストであるが、高速変調には限界があり、高速で長距離の用途では外部変調方式が使われている。

光変調器としては、ニオブ酸リチウム単結晶基板の表面付近にＴｉ（チタン）拡散により光導波路を形成したマッハツェンダー型光変調器が実用化されている（例えば特許文献１参照）。マッハツェンダー型光変調器は、１つの光源から出た光を２つに分け、異なる経路を通過させた後、再び重ね合わせて干渉を起こさせるマッハツェンダー干渉計の構造を有する光導波路（マッハツェンダー光導波路）を用いるものであり、４０Ｇｂ／ｓ以上の高速の光変調器が商用化されているが、全長が１０ｃｍ前後と長いことが大きな欠点になっている。

これに対して、特許文献２及び３にはｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜を用いたマッハツェンダー型光変調器が開示されている。ニオブ酸リチウム膜を用いた光変調器は、ニオブ酸リチウム単結晶基板を用いた光変調器と比較して、大幅な小型化及び低駆動電圧化が可能である。

光変調器の電極に電圧を印加した直後と十分に長い時間が経過した後とでは光導波路に印加される電圧が変化し、これによって光変調器からの出射光も変化する現象がみられる。光導波路に印加される電圧の変化はＤＣドリフトと呼ばれており、光変調器ではＤＣドリフトをできるだけ抑制することが望まれている。

特許文献４には、ニオブ酸リチウム等の結晶基板を用いた導波路型光デバイスにおいてＤＣドリフトを抑制するため、結晶基板にリン（Ｐ）等の５族元素あるいは塩素（Ｃｌ）をドーピングすることによって結晶基板の内部や表面の可動イオンを不動化することが記載されている。また特許文献５には、ニオブ酸リチウム結晶基板上に、互いに近接した２本の光導波路とその近傍に接地された制御用電極が設けられてなる方向性結合器型光制御デバイスにおいて、ＤＣドリフトを小さくするため、ニオブ酸リチウム結晶基板中にニオブ酸リチウムのバルク結晶の抵抗率よりも抵抗率の低い低抵抗領域を設けることが記載されている。低抵抗領域は、加熱された安息香酸やピロ燐酸等の酸の中にニオブ酸リチウム基板を浸漬し、ニオブ酸リチウム中のリチウムイオン（Ｌｉ⁺）をプロトン（Ｈ⁺）に交換するプロトンイオン交換法によって形成することができる。

特許第４４８５２１８号公報 特開２００６－１９５３８３号公報 特開２０１４－６３４８号公報 特開平５－１１３５１３号公報 特開平５－６６４２８号公報

上記のようにＤＣドリフトは光変調器において重要な課題であり、ＰやＣｌなどがドーピングされた特別なニオブ酸リチウム結晶を用いることなく、ＤＣドリフトを抑制できるデバイス構造が望まれている。

したがって、本発明は、ＤＣドリフトを小さくして長期にわたり安定的に制御可能なデバイス構造を有する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、本発明による光変調器は、基板と、前記基板上にリッジ状に形成された電気光学材料膜からなり、互いに隣り合う第１及び第２の光導波路を含む導波層と、前記第１及び第２の光導波路に変調信号を印加するＲＦ部と、前記第１及び第２の光導波路にＤＣバイアスを印加するＤＣ部とを備え、前記ＤＣ部は、少なくとも前記第１及び第２の光導波路の上面を覆うバッファ層と、前記バッファ層を介して前記第１の光導波路と対向する第１のバイアス電極と、前記第１のバイアス電極に隣接して設けられた第２のバイアス電極とを含み、前記第１のバイアス電極と前記第２のバイアス電極との間には第１のＤＣバイアス電圧が印加され、少なくとも前記第１のバイアス電極と前記第２のバイアス電極との間の第１の電極分離領域の下方には、前記導波層の少なくとも一部が除去された導波層除去領域が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、第１及び第２のバイアス電極間にＤＣバイアスを印加し続けることによる可動イオンの移動を阻止することができ、これによりＤＣドリフトを小さくすることができる。したがって、長期にわたり安定的に制御可能な光変調器を提供することができる。

本発明において、前記ＤＣ部は、前記バッファ層を介して前記第２の光導波路と対向する第３のバイアス電極と、前記第３のバイアス電極に隣接して設けられた第４のバイアス電極とをさらに含み、前記第３のバイアス電極と前記第４のバイアス電極との間には第２のＤＣバイアス電圧が印加され、前記第３のバイアス電極と前記第４のバイアス電極との間の第２の電極分離領域の下方には、前記導波層除去領域が設けられていることが好ましい。この場合において、前記第２のバイアス電極は、前記第１のバイアス電極から見て前記第３のバイアス電極と反対側に位置し、前記第４のバイアス電極は、前記第３のバイアス電極から見て前記第１のバイアス電極と反対側に位置することが好ましい。この構成によれば、いわゆるデュアル駆動型の電極構造を有する光変調器のＤＣドリフトを小さくすることができる。

本発明において、前記ＤＣ部は、前記第１のバイアス電極と前記第３のバイアス電極との間に設けられた第５のバイアス電極をさらに含み、前記第１のバイアス電極と前記第５のバイアス電極との間の第３の電極分離領域の下方及び前記第３のバイアス電極と前記第５のバイアス電極との間の第４の電極分離領域の下方には、前記導波層除去領域が設けられていることが好ましい。この構成によれば、いわゆるデュアル駆動型の電極構造を有する光変調器のＤＣドリフトを小さくすることができる。

本発明において、前記第２のバイアス電極は、前記バッファ層を介して前記第２の光導波路と対向していることもまた好ましい。この構成によれば、第１の光導波路のみならず第２の光導波路にもＤＣバイアスを印加することができる。

本発明において、前記導波層除去領域は、前記バッファ層と共に前記導波層が除去されて前記基板が露出した領域であることが好ましい。この場合において、前記導波層除去領域は、前記基板の一部がさらに除去された領域であってもよい。さらに、前記導波層除去領域は、前記バッファ層と共に前記導波層の一部が除去され、前記基板が前記導波層の残部に覆われた領域であってもよい。いずれの構成であっても、ＤＣ部の電極分離領域に導波層除去領域が設けられているので、ＤＣドリフトを小さくすることができる。

本発明において、前記ＤＣ部は、前記第１及び第２の光導波路の両側の側面を覆うように前記導波層と前記バッファ層との間に形成された保護層をさらに含み、前記導波層除去領域は、前記バッファ層及び前記保護層と共に前記導波層が除去された領域であることが好ましい。この構成によれば、光導波路の側面の保護と共にＤＣドリフトを小さくすることができる。

本発明において、前記ＲＦ部は、前記バッファ層を介して前記第１及び第２の光導波路とそれぞれ対向する第１及び第２の信号電極と、前記第１の信号電極に隣接して設けられた第１の接地電極と、前記第２の信号電極に隣接して設けられた第２の接地電極とを含み、前記第１の信号電極と前記第１の接地電極との間の第５の電極分離領域の下方及び第２の信号電極と前記第２の接地電極との間の第６の電極分離領域の下方の前記導波層は除去されずに残留していることが好ましい。この構成によれば、ＲＦ部において所望の電界効率を確保しながらＤＣドリフトを小さくすることができる。

本発明において、前記第１及び第２の光導波路の各々は、少なくとも一つの直線部と少なくとも一つの湾曲部とを有し、前記ＲＦ部は、前記直線部の一部と平面視で重なる位置に設けられており、前記ＤＣ部は、前記直線部の他の一部と平面視で重なる位置に設けられていることが好ましい。この構成によれば、光導波路を折り返して構成することができ、素子長を短くすることができる。特に、ニオブ酸リチウム膜により形成された光導波路を用いる場合には、曲率半径を例えば５０μｍ程度まで小さくしても損失が小さいことから、本発明の効果が顕著である。したがって、ＲＦ部とＤＣ部とを別々に構成する独立バイアス方式の光変調器の小型化を図ることができる。

本発明において、前記基板は単結晶基板であり、前記電気光学材料膜はニオブ酸リチウム膜であり、前記ニオブ酸リチウム膜は膜厚が２μｍ以下のエピタキシャル膜であり、前記ニオブ酸リチウム膜のｃ軸は前記基板の主面に対して垂直方向に配向していることが好ましい。光変調器のマッハツェンダー光導波路をニオブ酸リチウム膜により形成する場合、非常に薄く線幅が狭い光導波路を形成することができ、小型で高品質な光変調器を構成することが可能であるが、光導波路は薄型で線幅も狭いため電界集中の問題が顕著である。しかし本発明によればそのような問題を解決することができ、高周波特性が良好で変調光の波長チャープを低減でき、低電圧駆動が可能な光変調器を実現することができる。

また、本発明の第２の側面による光変調器は、基板と、前記基板上にリッジ状に形成された電気光学材料膜からなり、互いに隣り合う第１及び第２の光導波路を含む導波層と、前記第１及び第２の光導波路に変調信号を印加するＲＦ部と、前記第１及び第２の光導波路にＤＣバイアスを印加するＤＣ部とを備え、前記ＤＣ部は、少なくとも前記第１及び第２の光導波路の上面を覆うバッファ層と、前記バッファ層を介して前記第１の光導波路と対向する第１のバイアス電極と、前記第１のバイアス電極に隣接して設けられた第２のバイアス電極とを含み、前記第１のバイアス電極と前記第２のバイアス電極との間には第１のＤＣバイアス電圧が印加され、前記第１のバイアス電極と前記第２のバイアス電極との間の第１の電極分離領域における前記導波層の最小厚さは、前記第１の電極分離領域と前記第１の光導波路との間における前記導波層の最小厚さよりも小さいことを特徴とする。

本発明によれば、第１及び第２のバイアス電極間にＤＣバイアスを印加し続けることによる可動イオンの移動を抑制することができ、これによりＤＣドリフトを小さくすることができる。したがって、長期にわたり安定的に制御可能な光変調器を提供することができる。

本発明において、前記ＤＣ部は、前記バッファ層を介して前記第２の光導波路と対向する第３のバイアス電極と、前記第３のバイアス電極に隣接して設けられた第４のバイアス電極とをさらに含み、前記第３のバイアス電極と前記第４のバイアス電極との間には第２のＤＣバイアス電圧が印加され、前記第３のバイアス電極と前記第４のバイアス電極との間の第２の電極分離領域における前記導波層の最小厚さは、前記第２の電極分離領域と前記第２の光導波路との間における前記導波層の最小厚さよりも小さいことが好ましい。この場合において、前記第２のバイアス電極は、前記第１のバイアス電極から見て前記第３のバイアス電極と反対側に位置し、前記第４のバイアス電極は、前記第３のバイアス電極から見て前記第１のバイアス電極と反対側に位置することが好ましい。この構成によれば、いわゆるデュアル駆動型の電極構造を有する光変調器のＤＣドリフトを小さくすることができる。

本発明において、前記ＤＣ部は、前記第１のバイアス電極と前記第３のバイアス電極との間に設けられた第５のバイアス電極をさらに含み、前記第１のバイアス電極と前記第５のバイアス電極との間の第３の電極分離領域における前記導波層の最小厚さは、前記第３の電極分離領域と前記第１の光導波路との間における前記導波層の最小厚さよりも小さく、前記第３のバイアス電極と前記第５のバイアス電極との間の第４の電極分離領域における前記導波層の最小厚さは、前記第４の電極分離領域と前記第２の光導波路との間における前記導波層の最小厚さよりも小さいことが好ましい。この構成によれば、いわゆるデュアル駆動型の電極構造を有する光変調器のＤＣドリフトを小さくすることができる。

本発明において、前記第２のバイアス電極は、前記バッファ層を介して前記第２の光導波路と対向しており、前記第１の電極分離領域における前記導波層の最小厚さは、前記第１の電極分離領域と前記第２の光導波路との間における前記導波層の最小厚さよりも小さいことが好ましい。この構成によれば、第１の光導波路のみならず第２の光導波路にもＤＣバイアスを印加することができる。

本発明において、前記ＤＣ部は、前記第１及び第２の光導波路の両側の側面を覆うように前記導波層と前記バッファ層との間に形成された保護層をさらに含み、前記電極分離領域において、前記導波層は前記バッファ層及び前記保護層に覆われることなく露出していることが好ましい。このように、ＤＣ部の電極分離領域においてバッファ層及び保護層が除去されている場合には、ＤＣドリフトをさらに小さくすることができる。

前記導波層は、前記第１又は第２の光導波路から遠ざかるにつれて徐々に薄くなる断面形状を有することが好ましい。この構成によれば、電極分離領域における導波層の最小厚さが電極分離領域と光導波路との間における導波層の最小厚さよりも小さくなる形状を容易に実現することができ、導波層をリッジ状に加工する際にそのような形状を作り込むことが可能となる。

本発明によれば、ＤＣドリフトを小さくして長期にわたり安定的に制御可能なデバイス構造を有する光変調器を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態による光変調器１００の平面図であり、（ａ）は光導波路のみ図示し、（ｂ）は進行波電極を含めた光変調器１００の全体を図示している。 図２は、図１に示した光変調器１００の略断面図であって、（ａ）は図１（ｂ）のＡ－Ａ'線に沿ったＲＦ部Ｓ_ＲＦの断面図、（ｂ）は図１（ｂ）のＢ－Ｂ'線に沿ったＤＣ部Ｓ_ＤＣの断面図である。 図３は、導波層除去領域Ｄの作用を説明するための図であって、（ａ）はバッファ層４、保護層３及び導波層２が全面に形成された従来構造、（ｂ）は電極分離領域のバッファ層４及び保護層３が選択的に除去され、導波層２が全面に形成された従来構造、（ｃ）は電極分離領域のバッファ層４、保護層３及び導波層２が選択的に除去された本実施形態の構造をそれぞれ示している。 図４（ａ）及び（ｂ）は、光変調器１００のＤＣ部Ｓ_ＤＣの断面構造の変形例を示す略断面図である。 図５（ａ）及び（ｂ）は、光変調器１００のＤＣ部Ｓ_ＤＣの断面構造の他の変形例を示す略断面図である。 図６は、本発明の第２の実施の形態による光変調器２００の平面図であり、特に進行波電極を含めた光変調器２００の全体を図示している。 図７は、図６に示した光変調器２００の略断面図であって、（ａ）は図６のＡ－Ａ'線に沿った断面図、（ｂ）は図６のＢ－Ｂ'線に沿った断面図である。 図８は、本発明の第３の実施の形態による光変調器３００の平面図であり、特に進行波電極を含めた光変調器３００の全体を図示している。 図９は、図８に示した光変調器３００の略断面図であって、（ａ）は図８のＡ－Ａ'線に沿った断面図、（ｂ）は図８のＢ－Ｂ'線に沿った断面図である。 図１０は、図９に示した光変調器の第１の変形例であって、図８のＢ－Ｂ'線に沿った断面図である。 図１１は、図９に示した光変調器の第２の変形例であって、図８のＢ－Ｂ'線に沿った断面図である。 図１２は、図９に示した光変調器の第３の変形例であって、図８のＢ－Ｂ'線に沿った断面図である。 図１３は、本発明の第４の実施の形態による光変調器４００の平面図であり、（ａ）は光導波路のみ図示し、（ｂ）は進行波電極を含めた光変調器４００の全体を図示している。 図１４は、比較例及び実施例による光変調器のＤＣドリフトの加速試験の結果を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態による光変調器１００の平面図であり、（ａ）は光導波路のみ図示し、（ｂ）は進行波電極を含めた光変調器１００の全体を図示している。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、この光変調器１００は、基板１上に形成され、互いに平行に設けられた第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂを有するマッハツェンダー光導波路１０と、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂにそれぞれ重ねて設けられた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂを含むＲＦ部Ｓ_ＲＦと、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂにそれぞれ重ねて設けられたバイアス電極９ａ，９ｂを含むＤＣ部Ｓ_ＤＣとを備えている。また光変調器１００のＲＦ部Ｓ_ＲＦは、第１の信号電極７ａに隣接して設けられた接地電極８ａと、第２の信号電極７ｂに隣接して設けられた接地電極８ｂと、第１の信号電極７ａと第２の信号電極７ｂとの間に設けられた接地電極８ｃとを備えている。さらに光変調器１００のＤＣ部には、バイアス電極９ａに隣接して設けられたバイアス電極９ｃと、バイアス電極９ｂに隣接して設けられたバイアス電極９ｄと、バイアス電極９ａとバイアス電極９ｂとの間に設けられたバイアス電極９ｅとを備えている。バイアス電極９ｃ，９ｄ，９ｅは互いに電気的に接続されており、これらには基準電位（接地電位）が付与されている。

マッハツェンダー光導波路１０は、マッハツェンダー干渉計の構造を有する光導波路であり、一本の入力光導波路１０ｉから分波部１０ｃによって分岐した第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂを有し、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂは合波部１０ｄを介して一本の出力光導波路１０ｏにまとめられる。入力光Ｓｉは、分波部１０ｃで分波されて第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂをそれぞれ進行した後、合波部１０ｄで合波され、変調光Ｓｏとして出力光導波路１０ｏから出力される。

第１の信号電極７ａは平面視で２つの接地電極８ａ，８ｃ間に位置しており、第２の信号電極７ｂは平面視で２つの接地電極８ｂ，８ｃ間に位置している。第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの一端７ａ_１，７ｂ_１及び他端７ａ_２，７ｂ_２は基板１の幅方向の一端側に引き出されている。第１及び第２信号電極７ａ，７ｂの一端７ａ_１，７ｂ_１は信号入力端であり、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの他端７ａ_２，７ｂ_２は終端抵抗１２を介して互いに接続されている。あるいは、第１の信号電極７ａの他端７ａ_２は第１の終端抵抗を介して接地電極８ａに接続され、第２の信号電極７ｂの他端７ｂ_２は第２の終端抵抗を介して接地電極８ｂに接続されてもよい。これにより、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂは、接地電極８ａ，８ｂと共に差動のコプレーナ型進行波電極として機能する。

バイアス電極９ａ～９ｅは、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂにＤＣバイアスを印加するために第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂとは独立に設けられている。バイアス電極９ａ，９ｂの一端９ａ_１，９ｂ_１はＤＣバイアスの入力端であり、ＤＣ電圧源１３ａ，１３ｂにそれぞれ接続されている。詳細には、バイアス電極９ａの一端９ａ_１にはＤＣ電圧源１３ａの正極端子が接続され、バイアス電極９ｂの一端９ｂ_１にはＤＣ電圧源１３ｂの負極端子が接続される。そのため、バイアス電極９ａとその両側のバイアス電極９ｃ，９ｅは、第１の光導波路１０ａにＤＣバイアスを印加するための一対のバイアス電極（第１及び第２のバイアス電極）として機能する。また、バイアス電極９ｂとその両側のバイアス電極９ｄ，９ｅは、第２の光導波路１０ｂにＤＣバイアスを印加するための一対のバイアス電極（第１及び第２のバイアス電極）として機能する。なおＤＣ電圧源１３ａ，１３ｂの一方を省略することも可能である。本実施形態において、バイアス電極９ａ～９ｅの形成領域（ＤＣ部Ｓ_ＤＣ）は、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの形成領域（ＲＦ部Ｓ_ＲＦ）よりもマッハツェンダー光導波路１０の出力端側に設けられているが、入力端側に設けられていてもよい。

第１の信号電極７ａの一端７ａ_１及び第２の信号電極７ｂの一端７ｂ_１には、絶対値が同じで正負の異なる差動信号（変調信号）が入力される。第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂはニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料からなるので、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂに与えられる電界によって第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂの屈折率がそれぞれ＋Δｎ、－Δｎのように変化し、一対の光導波路間の位相差が変化する。この位相差の変化により変調された信号光が出力光導波路１０ｏから出力される。

バイアス電極９ａの一端９ａ_１には、プラスのＤＣバイアス電圧が入力され、バイアス電極９ｂの一端９ｂ_１には、マイナスのＤＣバイアス電圧が入力される。ＤＣドリフトに追従しながら変調信号に対して適切な動作点を設定するため、ＤＣバイアスは数ボルトから数十ボルトの範囲内で調整される。

このように、本実施形態による光変調器１００は、一対の信号電極７ａ，７ｂで構成されたデュアル駆動型であるため、一対の光導波路に印加される電界の対称性を高めることができ、波長チャープを抑制することができる。

図２は、図１に示した光変調器１００の略断面図であって、（ａ）は図１（ｂ）のＡ－Ａ'線に沿ったＲＦ部Ｓ_ＲＦの断面図、（ｂ）は図１（ｂ）のＢ－Ｂ'線に沿ったＤＣ部Ｓ_ＤＣの断面図である。

図２（ａ）に示すように、本実施形態による光変調器１００のＲＦ部Ｓ_ＲＦの断面構造は、基板１、導波層２、保護層３、バッファ層４及び電極層６がこの順で積層された多層構造を有している。基板１は例えばサファイア基板であり、基板１の表面にはニオブ酸リチウムに代表される電気光学材料からなる導波層２が形成されている。導波層２はリッジ部２ｒからなる第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂを有している。第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂのリッジ幅Ｗ_０は例えば１μｍとすることができる。また、互いに隣り合う第１の光導波路１０ａと第２の光導波路１０ｂとの間隔は例えば１４μｍにすることができる。

保護層３は第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂと平面視で重ならない領域に形成されている。保護層３は、導波層２の上面のうちリッジ部２ｒが形成されていない領域の全面を覆っており、リッジ部２ｒの側面も保護層３に覆われているので、リッジ部２ｒの側面の荒れによって生じる散乱損失を防ぐことができる。保護層３の厚さは導波層２のリッジ部２ｒの高さとほぼ同じである。保護層３の材料は特に限定されないが、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を用いることができる。

バッファ層４は、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂ中を伝搬する光が第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂに吸収されることを防ぐため、導波層２のリッジ部２ｒの上面に形成されるものである。バッファ層４は、導波層２よりも屈折率が小さく、透明性が高い材料からなることが好ましく、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＬａＡｌＯ_３、ＬａＹＯ_３、ＺｎＯ、ＨｆＯ_２、ＭｇＯ、Ｙ_２Ｏ_３などを用いることができ、その厚さは０．２～１μｍ程度であればよい。バッファ層４は誘電率が高い材料からなることがより好ましく、保護層３と同じ材料を用いることも可能である。すなわち、保護層３を省略して導波層２の上面にバッファ層４を直接形成してもよい。本実施形態において、バッファ層４は、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂの上面のみならず保護層３の上面を含む下地面の全面を覆っているが、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂの上面付近だけを選択的に覆うようにパターニングされたものであってもよい。

バッファ層４の膜厚は、電極の光吸収を低減するためには厚いほど良く、光導波路１０ａ、１０ｂに高い電界を印加するためには薄いほど良い。電極の光吸収と電極の印加電圧とは、トレードオフの関係にあるので、目的に応じて適切な膜厚を設定する必要がある。バッファ層４の誘電率は高い程、ＶπＬ（電界効率を表す指標）を低減できるので好ましく、バッファ層４の屈折率は低い程、バッファ層４を薄くできるので好ましい。通常、誘電率が高い材料は屈折率も高くなるので、両者のバランスを考慮して、誘電率が高く、かつ、屈折率が比較的低い材料を選定することが重要である。一例として、Ａｌ_２Ｏ_３は、比誘電率が約９、屈折率が約１．６であり、好ましい材料である。ＬａＡｌＯ_３は、比誘電率が約１３、屈折率が約１．７であり、またＬａＹＯ_３は、比誘電率が約１７、屈折率が約１．７であり、特に好ましい材料である。

電極層６には、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂ及び接地電極８ａ～８ｃが設けられている。第１の信号電極７ａは、第１の光導波路１０ａ内を進行する光を変調するために第１の光導波路１０ａに対応するリッジ部２ｒに重ねて設けられ、バッファ層４を介して第１の光導波路１０ａと対向している。第２の信号電極７ｂは、第２の光導波路１０ｂ内を進行する光を変調するために第２の光導波路１０ｂに対応するリッジ部２ｒに重ねて設けられ、バッファ層４を介して第２の光導波路１０ｂと対向している。

接地電極８ａ（第１の接地電極）は、第１の信号電極７ａから見て第２の光導波路１０ｂ（或いは接地電極８ｃ）とは反対側に位置し、第１の信号電極７ａに隣接している。接地電極８ｂ（第２の接地電極）は、第２の信号電極７ｂから見て第１の光導波路１０ａ（或いは接地電極８ｃ）とは反対側に位置し、第２の信号電極７ｂに隣接している。接地電極８ｃ（第３の接地電極）は、第１の信号電極７ａと第２の信号電極７ｂとの間に位置し、第１の信号電極７ａと第２の信号電極７ｂの両方に隣接している。接地電極８ａの幅は、接地電極８ｂと同じであってもよく、異なっていてもよい。接地電極８ｃの幅は、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの幅と異なっていてもよく、同じであってもよい。このように、本実施形態による光変調器１００は、光導波路１０ａ，１０ｂの進行方向と直交する方向（Ｘ方向）に対して、接地電極｜信号電極｜接地電極｜信号電極｜接地電極の順に配列されたいわゆるＧＳＧＳＧ電極構造（Ｇはグランド、Ｓはシグナルの意味）を有している。

第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂを垂直に切断した図示の断面構造において、接地電極８ａ，８ｂに挟まれた領域内の電極構造は左右対称である。そのため、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂから第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂにそれぞれ印加される電界の大きさをできるだけ同じにして波長チャープを低減することができる。

導波層２は電気光学材料であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）からなることが好ましい。ニオブ酸リチウムは大きな電気光学定数を有し、光変調器等の光学デバイスの構成材料として好適だからである。以下、導波層２をニオブ酸リチウム膜とした場合の本実施形態の構成について詳しく説明する。

基板１としてはニオブ酸リチウム膜より屈折率が低いものであれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル膜として形成させることができる基板が好ましく、サファイア単結晶基板もしくはシリコン単結晶基板が好ましい。単結晶基板の結晶方位は特に限定されない。ニオブ酸リチウム膜はさまざまな結晶方位の単結晶基板に対して、ｃ軸配向のエピタキシャル膜として形成されやすいという性質を持っている。ｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜は３回対称の対称性を有しているので、下地の単結晶基板も同じ対称性を有していることが望ましく、サファイア単結晶基板の場合はｃ面、シリコン単結晶基板の場合は（１１１）面の基板が好ましい。

ここで、エピタキシャル膜とは、下地の単結晶基板もしくは単結晶膜上で結晶成長させることで結晶方位が揃えられた単結晶の膜のことである。すなわち、エピタキシャル膜とは、膜厚方向および膜面内方向に単一の結晶方位をもった膜であり、膜面内をＸ－Ｙ面とし、膜厚方向をＺ軸としたとき、結晶がＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向にともに揃って配向しているものである。エピタキシャル膜かどうかは、例えば、２θ－θＸ線回折における配向位置でのピーク強度と極点の確認を行うことで証明することができる。

具体的には、第１に２θ－θＸ線回折による測定を行ったとき、目的とする面以外の全てのピーク強度が目的とする面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である必要がある。例えば、ニオブ酸リチウムのｃ軸配向エピタキシャル膜では、（００Ｌ）面以外のピーク強度が、（００Ｌ）面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である。（００Ｌ）は、（００１）や（００２）などの等価な面を総称する表示である。

第２に、極点測定において、極点が見えることが必要である。前述の第１の配向位置でのピーク強度の確認の条件においては、一方向における配向性を示しているのみであり、前述の第１の条件を得たとしても、面内において結晶配向がそろっていない場合には、特定角度位置でＸ線の強度が高まることはなく、極点は見られない。ＬｉＮｂＯ_３は三方晶系の結晶構造であるため、単結晶におけるＬｉＮｂＯ_３（０１４）の極点は３つとなる。ニオブ酸リチウム膜の場合、ｃ軸を中心に１８０°回転させた結晶が対称的に結合した、いわゆる双晶の状態にてエピタキシャル成長することが知られている。この場合、３つの極点が対称的に２つ結合した状態になるため、極点は６つとなる。また、（１００）面のシリコン単結晶基板上にニオブ酸リチウム膜を形成した場合は、基板が４回対称となっているため、４×３＝１２個の極点が観測される。なお、本発明では、双晶の状態にてエピタキシャル成長したニオブ酸リチウム膜もエピタキシャル膜に含める。

ニオブ酸リチウム膜の組成はＬｉｘＮｂＡｙＯｚである。Ａは、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｏ以外の元素を表している。ｘは０．５～１．２であり、好ましくは、０．９～１．０５である。ｙは、０～０．５である。ｚは１．５～４であり、好ましくは２．５～３．５である。Ａの元素としては、Ｋ、Ｎａ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｃｅなどがあり、２種類以上の組み合わせでも良い。

ニオブ酸リチウム膜の膜厚は２μｍ以下であることが望ましい。膜厚が２μｍよりも厚くなると、高品質な膜を形成することが困難になるからである。一方、ニオブ酸リチウム膜の膜厚が薄すぎる場合は、ニオブ酸リチウム膜における光の閉じ込めが弱くなり、基板１やバッファ層４に光が漏れることになる。ニオブ酸リチウム膜に電界を印加しても、光導波路（１０ａ、１０ｂ）の実効屈折率の変化が小さくなるおそれがある。そのため、ニオブ酸リチウム膜は、使用する光の波長の１／１０程度以上の膜厚が望ましい。

ニオブ酸リチウム膜の形成方法としては、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などの膜形成方法を利用するのが望ましい。ニオブ酸リチウムのｃ軸が基板１の主面に垂直に配向されており、ｃ軸に平行に電界を印加することで、電界に比例して光学屈折率が変化する。単結晶基板としてサファイアを用いる場合は、サファイア単結晶基板上に直接、ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル成長させることができる。単結晶基板としてシリコンを用いる場合は、クラッド層（図示せず）を介して、ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル成長により形成する。クラッド層（図示せず）としては、ニオブ酸リチウム膜より屈折率が低く、エピタキシャル成長に適したものを用いる。例えば、クラッド層（図示せず）としてＹ_２Ｏ_３を用いると、高品質のニオブ酸リチウム膜を形成できる。

なお、ニオブ酸リチウム膜の形成方法として、ニオブ酸リチウム単結晶基板を薄く研磨したりスライスしたりする方法も知られている。この方法は、単結晶と同じ特性が得られるという利点があり、本発明に適用することが可能である。

図２（ｂ）に示すように、光変調器１００のＤＣ部Ｓ_ＤＣには、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの代わりに、２つのバイアス電極９ａ，９ｂが設けられており、また接地電極８ａ，８ｂ，８ｃの代わりに、バイアス電極９ｃ，９ｄ，９ｅが設けられている。さらに、ＤＣ部Ｓ_ＤＣの断面構造はＲＦ部Ｓ_ＲＦと異なり、バイアス電極９ａ，９ｂとバイアス電極９ｃ，９ｄ，９ｅとの間の電極分離領域Ｓ_１～Ｓ_４に、導波層２の少なくとも一部が除去された導波層除去領域Ｄがそれぞれ設けられている。その他はＲＦ部Ｓ_ＲＦの断面構造と同じである。

図示のように、バイアス電極９ｃ（第２のバイアス電極）は、バイアス電極９ａ（第１のバイアス電極）から見てバイアス電極９ｂ（第３のバイアス電極）とは反対側に位置し、バイアス電極９ａに隣接している。バイアス電極９ｄ（第４のバイアス電極）は、バイアス電極９ｂ（第２のバイアス電極）から見てバイアス電極９ａ（第１のバイアス電極）とは反対側に位置し、バイアス電極９ｂに隣接している。バイアス電極９ｅ（第５のバイアス電極）は、バイアス電極９ａとバイアス電極９ｂとの間に位置し、バイアス電極９ａとバイアス電極９ｂの両方に隣接している。

このような電極構造を有するＤＣ部Ｓ_ＤＣにおいて、導波層除去領域Ｄは、バイアス電極９ａとバイアス電極９ｃとの間の第１の電極分離領域Ｓ_１の下方、バイアス電極９ｂとバイアス電極９ｄとの間の第２の電極分離領域Ｓ_２の下方、バイアス電極９ａとバイアス電極９ｅとの間の第３の電極分離領域Ｓ_３の下方、バイアス電極９ｂとバイアス電極９ｅとの間の第４の電極分離領域Ｓ_４の下方にそれぞれ設けられている。

本実施形態において、導波層除去領域Ｄは、バッファ層４、保護層３及び導波層２が除去され、これにより基板１の上面が露出した領域である。図示のように、電極分離領域Ｓ_１～Ｓ_４の幅方向（Ｘ方向）の全体に導波層除去領域Ｄが形成されている必要はなく、中央部にのみ形成されていてもよい。これにより、リッジ部２ｒの側面が保護層３に覆われた状態を維持することができる。また導波層除去領域Ｄは、バイアス電極９ａ，９ｂの配線方向（Ｙ方向）の全長にわたって形成されていることが好ましいが、配線方向の全長にわたって完全に形成されていなくてもよい。

図３は、導波層除去領域Ｄの作用を説明するための図であって、（ａ）はバッファ層４、保護層３及び導波層２が全面に形成された従来構造、（ｂ）は電極分離領域のバッファ層４及び保護層３が選択的に除去され、導波層２が全面に形成された従来構造、（ｃ）は電極分離領域のバッファ層４、保護層３及び導波層２が選択的に除去された本実施形態の構造をそれぞれ示している。

図３（ａ）に示すように、バッファ層４、保護層３及び導波層２が電極分離領域Ｓ_１，Ｓ_３を含む基板１の全面に形成された従来構造では、ＤＣドリフトが大きくなる。ＤＣドリフトの根本的な原因は明らかにされていないが、図示のように、一対の電極間にＤＣバイアスを印加し続けることで誘電体中のＬｉ、Ｎａ、Ｋなどの可動イオンが徐々に移動して電極近傍領域に蓄積してしまい、ＤＣバイアスがイオンによって打ち消されてしまうからと考えられている。

また図３（ｂ）に示すように、電極分離領域Ｓ_１，Ｓ_３の下方のバッファ層４及び保護層３が選択的に除去された構造は、図３（ａ）の構造よりもＤＣドリフトを抑制する効果はあるものの、導波層２がイオンの移動経路となるため、ＤＣドリフト抑制効果が十分とは言えない。

これに対し、図３（ｃ）に示すように、電極分離領域Ｓ_１，Ｓ_３の下方の導波層２がバッファ層４及び保護層３と共に選択的に除去された本実施形態の構造では、可動イオンの移動経路が分断されているので、バイアス電極９ａとバイアス電極９ｃ，９ｅとの間での可動イオンの移動を阻止することができる。したがって、ＤＣドリフトの抑制効果を高めることができ、光変調器の寿命を延ばすことができる。

ニオブ酸リチウム結晶基板を用いた従来の光変調器では、電極分離領域の下方のバッファ層４を除去することは可能であったが、基板中のイオンの移動経路を分断することまではできず、可動イオンの移動経路を分断することは極めて困難であった。しかし、本実施形態による光変調器１００は、一対の光導波路１０ａ，１０ｂをニオブ酸リチウムの薄い膜で構成しているため、ニオブ酸リチウム膜からなる導波層２のうち光導波路として機能しない部分の除去が容易であり、ＤＣドリフトを抑制するデバイス構造を容易に実現することができる。

ところで、図２（ａ）に示したように、ＲＦ部Ｓ_ＲＦにおいて信号電極７ａ，７ｂと接地電極８ａ，８ｂ，８ｃとの間の電極分離領域Ｓ_１～Ｓ_４の下方に存在する導波層２は除去されない。ＲＦ部Ｓ_ＲＦにおいて導波層２を除去してしまうと光導波路１０ａ，１０ｂに印加される電界効率が悪化して半波長電圧が高くなるためである。そのため、ＲＦ部Ｓ_ＲＦの電極分離領域Ｓ_１～Ｓ_４（第５～第８の電極分離領域）には導波層２を配置したほうが良く、導波層２の除去はＤＣ部Ｓ_ＤＣに対してのみ適用される。

このように、ＲＦ部Ｓ_ＲＦにおいて電極分離領域の下方の導波層２を除去してしまうと光導波路１０ａ，１０ｂに対する電界効率が低下することから、従来の光変調器のＲＦ部Ｓ_ＲＦでは電極分離領域を含む全面に導波層２が設けられた構造が採用されており、ＤＣ部Ｓ_ＤＣでもＲＦ部Ｓ_ＲＦと同じ構造が採用されていた。しかし、本実施形態においては、ＤＣ部Ｓ_ＤＣの電極分離領域の導波層２を除去してＲＦ部Ｓ_ＲＦと異なる構造を積極的に採用することにより、ＤＣドリフトの低減効果を高めることが可能となる。

図４（ａ）及び（ｂ）は、光変調器１００のＤＣ部Ｓ_ＤＣの断面構造の変形例を示す略断面図である。

図４（ａ）に示すように、光変調器１００のＤＣ部Ｓ_ＤＣにおいて、導波層除去領域Ｄは導波層２の厚さ方向（Ｚ方向）の全部ではなく一部が除去されたものであってもよい。この場合、基板１の上面は露出しておらず、導波層２の残部に覆われていている。この場合、導波層除去領域Ｄにおいて基板１の上面を覆う導波層２の残部の厚さは、導波層除去領域Ｄ以外の領域における導波層２の厚さ（導波層２のスラブ厚）よりも薄い。光変調器１００はこのような構成であってもＤＣドリフトの低減効果を得ることができる。

また図４（ｂ）に示すように、光変調器１００のＤＣ部Ｓ_ＤＣにおいて、導波層除去領域Ｄは導波層２の厚さ方向（Ｚ方向）の全部が除去され、さらに基板１の一部（表層部）が除去されていてもよい。光変調器１００はこのような構成であってもＤＣドリフトの低減効果を得ることができる。

図５（ａ）及び（ｂ）は、光変調器１００のＤＣ部Ｓ_ＤＣの断面構造の他の変形例を示す略断面図である。

図５（ａ）に示すように、光変調器１００のＤＣ部Ｓ_ＤＣにおいて、バッファ層４及び保護層３は、一対の光導波路１０ａ，１０ｂの上方にのみ形成され、それ以外の領域のバッファ層４及び保護層３は除去されていてもよい。この構造により、バイアス電極９ｃ～９ｅは、導波層２の上面に形成されている。この光変調器１００のＤＣ部Ｓ_ＤＣの電極構造は、ＲＦ部Ｓ_ＲＦの電極構造に合わせて採用されたものである。光変調器１００はこのような構造であってもＤＣドリフトの低減効果を得ることができる。

また図５（ｂ）に示すように、光変調器１００のＤＣ部Ｓ_ＤＣは、不図示の及びＲＦ部Ｓ_ＲＦと共に、保護層３が省略された構造であってもよい。この場合、導波層２の全面にバッファ層４が形成され、導波層２のリッジ部２ｒの上面のみならず側面もバッファ層４に覆われることになる。光変調器１００はこのような構造であってもＤＣドリフトの低減効果を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態による光変調器１００は、一対の光導波路１０ａ，１０ｂに変調信号を印加するＲＦ部Ｓ_ＲＦとＤＣバイアスを印加するＤＣ部Ｓ_ＤＣとが別々に設けられた独立バイアス方式を採用し、ＤＣ部Ｓ_ＤＣは、バッファ層４を介して第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂとそれぞれ対向するバイアス電極９ａ，９ｂと、バイアス電極９ａ，９ｂに隣接して設けられたバイアス電極９ｃ，９ｄ，９ｅとを含み、互いに隣り合うバイアス電極９ａ，９ｂとバイアス電極９ｃ，９ｄ，９ｅとの間の第１～第４の電極分離領域Ｓ_１～Ｓ_４には、バッファ層４及び保護層３と共に導波層２の少なくとも一部が除去された導波層除去領域Ｄが設けられているので、可動イオンの移動を阻止してＤＣドリフトを抑制することができる。

図６は、本発明の第２の実施の形態による光変調器２００の平面図であり、特に進行波電極を含めた光変調器２００の全体を図示している。

図６に示すように、本実施形態による光変調器２００の特徴は、平面視で第１の信号電極７ａと第２の信号電極７ｂとの間に接地電極８ｃが設けられておらず、また平面視でバイアス電極９ａとバイアス電極９ｂとの間にバイアス電極９ｅが設けられていない点にある。すなわち、本実施形態による光変調器２００は、光導波路１０ａ，１０ｂの進行方向と直交する方向（Ｘ方向）に対して、接地電極｜信号電極｜信号電極｜接地電極の順に配列されたいわゆるＧＳＳＧ電極構造を有している。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

図７は、図６に示した光変調器２００の略断面図であって、（ａ）は図６のＡ－Ａ'線に沿った断面図、（ｂ）は図６のＢ－Ｂ'線に沿った断面図である。

図７（ｂ）に示すように、この光変調器２００の特徴は、バイアス電極９ａとバイアス電極９ｂとの間の電極分離領域Ｓ_０の下方にも導波層除去領域Ｄが設けられている点にある。バイアス電極９ａとバイアス電極９ｃとの間の電極分離領域Ｓ_１及びバイアス電極９ｂとバイアス電極９ｄとの間の電極分離領域Ｓ_２の下方にも導波層除去領域Ｄがそれぞれ設けられる点や、図７（ａ）に示すようにＲＦ部Ｓ_ＲＦの電極分離領域Ｓ_１，Ｓ_２の下方に存在する導波層２が除去されない点は、第１の実施の形態と同様である。

図７（ｂ）の構成において、バイアス電極９ａ，９ｂとの間隔が十分に広ければ、電極分離領域Ｓ_０の下方の導波層２を残し、電極分離領域Ｓ_１，Ｓ_２の下方にのみに導波層除去領域Ｄを設けることも可能である。可動イオンの移動はバイアス電極９ａ（第１のバイアス電極）とバイアス電極９ｃ（第２のバイアス電極）との間、あるいはバイアス電極９ｂ（第３のバイアス電極）とバイアス電極９ｄ（第４のバイアス電極）との間の電極間領域で発生し、バイアス電極９ａ，９ｂ間ではほとんど発生しないからである。また、バイアス電極９ａ，９ｃの間隔及びバイアス電極９ｂ，９ｄの間隔が十分に広ければ、電極分離領域Ｓ_１及び電極分離領域Ｓ_２の下方の導波層２を残し、電極分離領域Ｓ_０の下方にのみ導波層除去領域Ｄを設けることも可能である。

本実施形態による光変調器２００は、第１の実施の形態による光変調器１００と同様の効果を奏することができる。すなわち、本実施形態による光変調器２００は、ＲＦ部Ｓ_ＲＦとＤＣ部Ｓ_ＤＣとが別々に設けられた独立バイアス方式を採用し、ＤＣ部Ｓ_ＤＣは、バッファ層４を介して第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂとそれぞれ対向する２つのバイアス電極９ａ，９ｂと、２つのバイアス電極９ａ，９ｂにそれぞれ隣接して設けられたバイアス電極９ｃ，９ｄとを含み、バイアス電極９ａとバイアス電極９ｃとの間の電極分離領域Ｓ_１（第１の電極分離領域）の下方及びバイアス電極９ｂとバイアス電極９ｄとの間の電極分離領域Ｓ_２（第２の電極分離領域）の下方には、バッファ層４及び保護層３と共に導波層２の少なくとも一部が除去された導波層除去領域Ｄが設けられているので、可動イオンの移動を阻止してＤＣドリフトを抑制することができる。

図８は、本発明の第３の実施の形態による光変調器３００の平面図であり、特に進行波電極を含めた光変調器３００の全体を図示している。

図８に示すように、本実施形態による光変調器３００の特徴は、第１の光導波路１０ａに重ねて設けられた信号電極７ａと、信号電極７ａの両側にそれぞれ設けられた接地電極８ａ，８ｂとを有し、ＲＦ部Ｓ_ＲＦの接地電極８ｂは平面視で第２の光導波路１０ｂに重ねて設けられている点にある。すなわち、本実施形態による光変調器３００は、一対の光導波路１０ａ，１０ｂの上方に信号電極及び接地電極がそれぞれ設けられたいわゆるＧＳＧ電極構造を有しており、単一の信号電極を有するいわゆるシングル駆動型である。

また本実施形態において、ＤＣ部Ｓ_ＤＣのバイアス電極９ａ，９ｂの両側にバイアス電極９ｃ，９ｄは設けられていない。ＤＣ電圧源の正極端子はバイアス電極９ａの一端９ａ_１に接続され、ＤＣ電圧源１３の負極端子はバイアス電極９ｂの一端９ｂ_１に接続される。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

図９は、図８に示した光変調器３００の略断面図であって、（ａ）は図８のＡ－Ａ'線に沿った断面図、（ｂ）は図８のＢ－Ｂ'線に沿った断面図である。

図９（ｂ）に示すように、この光変調器３００の特徴は、ＤＣ部Ｓ_ＤＣのバイアス電極９ａとバイアス電極９ｂとの間の電極分離領域Ｓ_５（電極間領域）の下方に存在する導波層２が除去されている点にある。上記のように、一対のバイアス電極９ａ，９ｂ間で発生する可動イオンの移動を阻止する必要があるからである。図９（ａ）に示すようにＲＦ部Ｓ_ＲＦの信号電極７ａと接地電極８ａ，８ｂとの間の電極分離領域Ｓ_１，Ｓ_５の下方に存在する導波層２が除去されない点は、第１の実施の形態と同様である。

本実施形態による光変調器３００は、第１の実施の形態による光変調器１００と同様の効果を奏することができる。すなわち、本実施形態による光変調器３００は、ＲＦ部Ｓ_ＲＦとＤＣ部Ｓ_ＤＣとが別々に設けられた独立バイアス方式を採用し、ＤＣ部Ｓ_ＤＣは、バッファ層４を介して第１の光導波路１０ａと対向するバイアス電極９ａと、バッファ層４を介して第２の光導波路１０ｂと対向するバイアス電極９ｂとを含み、バイアス電極９ａとバイアス電極９ｂとの間の電極分離領域Ｓ_５（第５の電極分離領域）の下方には、バッファ層４及び保護層３と共に導波層２の少なくとも一部が除去された導波層除去領域Ｄが設けられているので、可動イオンの移動を防止することができ、ＤＣドリフトを抑制することができる。

図１０乃至図１２は、図９に示した光変調器の変形例であって、図８のＢ－Ｂ'線に沿った断面図である。

図１０に示す光変調器３００－１の特徴は、図９（ｂ）のようにＤＣ部Ｓ_ＤＣのバイアス電極９ａとバイアス電極９ｂとの間の電極分離領域Ｓ_５（電極間領域）の下方に存在する導波層２が除去されてないが、リッジ部２ｒ以外の部分の導波層２の厚さ（導波層２のスラブ厚）が、リッジ部２ｒから遠ざかるにつれて徐々に薄くなっている点にある。リッジ部２ｒから一定以上離れた位置では、その厚さは一定（又はゼロ）となり、それ以上は薄くならない。そして導波層２のこのような形状により、電極分離領域Ｓ_５と第１の光導波路１０ａ（又は第２の光導波路１０ｂ）との間における導波層２の最小厚さをＴａ（＞０）、電極分離領域Ｓ_５における導波層２の最小厚さをＴｂ（≧０）とするとき、Ｔａ＞Ｔｂという関係が成立している。

本実施形態のような導波層２の断面形状は、リッジ部２ｒを形成するために導波層２を加工したときに形成されたものであってもよく、或いはリッジ部２ｒを形成した後の加工によって形成されたものであってもよい。光導波路１０ａ，１０ｂは導波層２を介して互いにつながっているが、電極分離領域Ｓ_５において導波層２のスラブ厚が非常に薄いので、可動イオンの移動を防止してＤＣドリフトを抑制することができる。

図１１に示す光変調器３００－２の特徴は、図１０のＤＣ部Ｓ_ＤＣの構成において、バッファ層４及び保護層３は、一対の光導波路１０ａ，１０ｂの近傍にのみ形成され、それ以外の領域のバッファ層４及び保護層３が除去されている点にある。すなわち、図１０の構成において、電極分離領域Ｓ_５とは反対側の保護層３及びバッファ層４も選択的に除去されており、薄化された導波層２の上面は露出している。光導波路１０ａ，１０ｂは導波層２を介して互いにつながっているが、電極分離領域Ｓ_５において導波層２のスラブ厚が非常に薄いので、可動イオンの移動を防止してＤＣドリフトを抑制することができる。

図１２に示す光変調器３００－３の特徴は、図１１のＤＣ部Ｓ_ＤＣの構成において、露出した導波層２の上面にバイアス電極９ｃ，９ｄが直接形成されている点にある。すなわち、図５（ａ）に示した光変調器１００と類似の構造である。光導波路１０ａ，１０ｂは導波層２を介して互いにつながっているが、電極分離領域Ｓ_５において導波層２のスラブ厚が非常に薄いので、可動イオンの移動を防止してＤＣドリフトを抑制することができる。

図１３は、本発明の第４の実施の形態による光変調器４００の平面図であり、（ａ）は光導波路のみ図示し、（ｂ）は進行波電極を含めた光変調器４００の全体を図示している。

図１３（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態による光変調器４００の特徴は、マッハツェンダー光導波路１０が直線部と湾曲部との組み合わせにより構成されている点にある。より具体的には、マッハツェンダー光導波路１０は、互いに並行に配置された第１乃至第３の直線部１０ｅ_１，１０ｅ_２，１０ｅ_３と、第１の直線部１０ｅ_１と第２の直線部１０ｅ_２とを繋ぐ第１の湾曲部１０ｆ_１と、第２の直線部１０ｅ_２と第３の直線部１０ｅ_３とを繋ぐ第２の湾曲部１０ｆ_２とを有している。

本実施形態による光変調器４００は、図中のＡ－Ａ'線に沿ったマッハツェンダー光導波路１０の直線部１０ｅ_１，１０ｅ_２，１０ｅ_３の断面構造が、例えば図２（ａ）に示した断面構造となり、またＢ－Ｂ'線に沿ったマッハツェンダー光導波路１０の直線部１０ｅ_３の断面構造が、例えば図２（ｂ）に示した断面構造となるように構成されている。すなわち、ＲＦ部Ｓ_ＲＦは、第１～第３の直線部１０ｅ_１，１０ｅ_２，１０ｅ_３の一部と平面視で重なる位置に設けられており、ＤＣ部Ｓ_ＤＣは、第１～第３の直線部１０ｅ_１，１０ｅ_２，１０ｅ_３の他の一部と平面視で重なる位置に設けられている。なお図２（ａ）及び（ｂ）の断面構造の代わりに、例えば図７（ａ）及び（ｂ）の断面構造や図９（ａ）及び（ｂ）の断面構造を採用してもよい。

本実施形態において、入力光Ｓｉは、第１の直線部１０ｅ_１の一端に入力され、第１の直線部１０ｅ_１の一端から他端に向かって進行し、第１の湾曲部１０ｆ_１で折り返して第２の直線部１０ｅ_２の一端から他端に向かって第１の直線部１０ｅ_１とは逆方向に進行し、さらに第２の湾曲部１０ｆ_２で折り返して第３の直線部１０ｅ_３の一端から他端に向かって第１の直線部１０ｅ_１と同じ方向に進行する。

光変調器では素子長が長いことが実用上大きな課題となっているが、図示のように光導波路を折り返して構成することで素子長を大幅に短くでき、顕著な効果が得られる。特に、ニオブ酸リチウム膜により形成された光導波路は、曲率半径を例えば５０μｍ程度まで小さくしても損失が小さいという特徴があり、本実施形態に適している。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態においては、基板１上にエピタキシャル成長させたニオブ酸リチウム膜によって形成された一対の光導波路１０ａ，１０ｂを有する光変調器を挙げたが、本発明はそのような構造に限定にされず、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛などの電気光学材料により光導波路を形成したものであってもよい。ただし、ニオブ酸リチウム膜によって形成された光導波路であれば光導波路の幅を狭く形成できるため、電界集中の問題が顕著であり、本発明の効果が大きい。また、導波層２として、電気光学効果を有する半導体材料、高分子材料などを用いてもよい。

また上記実施形態は適宜組み合わせることが可能である。したがって、例えば、図５に示したいわゆるＧＳＧＳＧ電極構造や図７に示したＧＳＳＧ電極構造を有する光変調器において、リッジ部２ｒから離れるにつれて徐々に薄くなる導波層２（図１０等参照）を採用することが可能である。

比較例及び実施例による光変調器のＤＣドリフトの加速試験を行った。加速試験では、１４０℃の高温下でＤＣバイアスＶbiasを２４時間印加し続けたときのドリフト量Ｖdrift／Ｖbiasの変化を求めた。

比較例１Ａ、１Ｂの光変調器は、図３（ａ）の断面構造を有するものであり、導波層及びバッファ層が全面に形成された従来構造のものである。このうち、比較例１Ａのバッファ層はＬａ、Ａｌを主成分とする酸化物Ｌａ－Ａｌ－Ｏ（組成Ａ）、比較例１Ｂのバッファ層はＳｉ、Ｉｎを主成分とする酸化物Ｓｉ－Ｉｎ－Ｏ（組成Ｂ）である。

比較例２Ａ，２Ｂの光変調器は、図３（ｂ）の断面構造を有するものであり、電極間のバッファ層を除去しているが、導波層は全面に形成された従来構造のものである。このうち、比較例２Ａのバッファ層はＬａ、Ａｌを主成分とする酸化物（組成Ａ）、比較例２Ｂのバッファ層はＳｉ、Ｉｎを主成分とする酸化物（組成Ｂ）である。

実施例１Ａ、１Ｂの光変調器は、図２（ｂ）及び図３（ｃ）に示した断面構造を有する光変調器であり、バイアス電極間のバッファ層及び導波層を除去したものである。ここで、実施例１Ａのバッファ層はＬａ、Ａｌを主成分とする酸化物（組成Ａ）、実施例１Ｂのバッファ層はＳｉ、Ｉｎを主成分とする酸化物（組成Ｂ）である。

図１４は、比較例１Ｂ、２Ａ、２Ｂ及び実施例１Ａ、１Ｂによる光変調器のＤＣドリフトの加速試験の結果を示すグラフであり、横軸は経過時間（Ｈ）、縦軸はドリフト量Ｖ_drift／Ｖ_biasをそれぞれ示している。なお比較例１Ａの結果は比較例１Ｂとほぼ同じであるためグラフは省略する。

図１４に示すように、比較例１Ａ、１Ｂでは、評価試験を開始してすぐにドリフト量が１００％となり、ドリフト量がすぐに飽和していることが分かる。比較例１Ａ、１Ｂにおいて、ドリフト量が５０％に到達するまでの時間は１分未満であり、２４時間後のドリフト量は１００％であった。

比較例２Ａでは、ドリフト量が５０％に到達するまでの時間は約５分であり、２４時間後のドリフト量は約７０％であった。また、比較例２Ｂでは、ドリフト量が５０％に到達するまでの時間は約２２時間であり、２４時間後のドリフト量は約５５％であった。このように、バッファ層を組成Ａから組成Ｂに変えることでＤＣドリフトの低減効果が得られたが、２４時間後のドリフト量を５０％以下にすることはできなかった。

一方、実施例１Ａ，１Ｂでは、ドリフト量がすぐに飽和せず緩やかに変化した。実施例１Ａでは、ドリフト量が５０％に到達するまでの時間は２４時間以降であり、２４時間後のドリフト量は約４５％であった。実施例１Ｂでもドリフト量が５０％に到達するまでの時間は２４時間以降であり、２４時間後のドリフト量は約３０％であった。このように、電極分離領域の下方の導波層を除去した実施例１Ａ、１Ｂでは、バッファ層の組成にかかわらず、２４時間後のドリフト量が目標の５０％以下を達成しており、ＤＣドリフトの低減効果が大きいことが分かった。

１ 基板
２ 導波層
２ｒ リッジ部
３ 保護層
４ バッファ層
６ 電極層
７ａ 第１の信号電極
７ａ_１ 第１の信号電極の一端
７ａ_２ 第１の信号電極の他端
７ｂ 第２の信号電極
７ｂ_１ 第２の信号電極の一端
７ｂ_２ 第２の信号電極の他端
８ａ，８ｂ，８ｃ 接地電極
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ バイアス電極
９ａ_１ バイアス電極の一端
９ｂ_１ バイアス電極の一端
１０ マッハツェンダー光導波路
１０ａ 第１の光導波路
１０ｂ 第２の光導波路
１０ｃ 分波部
１０ｄ 合波部
１０ｅ_１，１０ｅ_２，１０ｅ_３ 直線部
１０ｆ_１，１０ｆ_２ 湾曲部
１０ｉ 入力光導波路
１０ｏ 出力光導波路
１２ 終端抵抗
１３，１３ａ，１３ｂ ＤＣ電圧源
１００，２００，３００，３００－１，３００－２，３００－３，４００ 光変調器
Ｄ 導波層除去領域
Ｓ_０～Ｓ_５ 電極分離領域
Ｓ_ＤＣ ＤＣ部
Ｓ_ＲＦ ＲＦ部

Claims (21)

1. 基板と、
   前記基板上にリッジ状に形成された電気光学材料膜からなり、互いに隣り合う第１及び第２の光導波路を含む導波層と、
   前記第１及び第２の光導波路に変調信号を印加するＲＦ部と、
   前記第１及び第２の光導波路にＤＣバイアスを印加するＤＣ部とを備え、
   前記ＤＣ部は、
   少なくとも前記第１及び第２の光導波路の上面を覆うバッファ層と、
   前記バッファ層を介して前記第１の光導波路と対向する第１のバイアス電極と、
   前記第１のバイアス電極に隣接して設けられた第２のバイアス電極とを含み、
   前記第１のバイアス電極と前記第２のバイアス電極との間には第１のＤＣバイアス電圧が印加され、
   少なくとも前記第１のバイアス電極と前記第２のバイアス電極との間の第１の電極分離領域の下方には、前記導波層の少なくとも一部が除去された導波層除去領域が設けられており、
   前記ＲＦ部は、
   前記バッファ層を介して前記第１及び第２の光導波路とそれぞれ対向する第１及び第２の信号電極と、
   前記第１の信号電極に隣接して設けられた第１の接地電極と、
   前記第２の信号電極に隣接して設けられた第２の接地電極とを含み、
   前記ＲＦ部には前記導波層除去領域が設けられておらず、
   前記第１及び第２の光導波路の延在方向と直交する前記導波層の断面形状は、前記ＤＣ部と前記ＲＦ部とで異なることを特徴とする光変調器。
2. 前記ＤＣ部は、
   前記バッファ層を介して前記第２の光導波路と対向する第３のバイアス電極と、
   前記第３のバイアス電極に隣接して設けられた第４のバイアス電極とをさらに含み、
   前記第３のバイアス電極と前記第４のバイアス電極との間には第２のＤＣバイアス電圧が印加され、
   前記第３のバイアス電極と前記第４のバイアス電極との間の第２の電極分離領域の下方には、前記導波層除去領域が設けられている、請求項１に記載の光変調器。
3. 前記第２のバイアス電極は、前記第１のバイアス電極から見て前記第３のバイアス電極と反対側に位置し、
   前記第４のバイアス電極は、前記第３のバイアス電極から見て前記第１のバイアス電極と反対側に位置する、請求項２に記載の光変調器。
4. 前記ＤＣ部は、
   前記第１のバイアス電極と前記第３のバイアス電極との間に設けられた第５のバイアス電極をさらに含み、
   前記第１のバイアス電極と前記第５のバイアス電極との間の第３の電極分離領域の下方及び前記第３のバイアス電極と前記第５のバイアス電極との間の第４の電極分離領域の下方には、前記導波層除去領域が設けられており、
   前記ＲＦ部は、
   前記第１の信号電極と前記第２の信号電極との間に設けられた第３の接地電極をさらに含む、請求項３に記載の光変調器。
5. 前記第２のバイアス電極は、前記バッファ層を介して前記第２の光導波路と対向している、請求項１に記載の光変調器。
6. 前記導波層除去領域は、前記バッファ層と共に前記導波層が除去されて前記基板が露出した領域である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光変調器。
7. 前記導波層除去領域は、前記基板の一部がさらに除去された領域である、請求項６に記載の光変調器。
8. 前記導波層除去領域は、前記バッファ層と共に前記導波層の一部が除去され、前記基板が前記導波層の残部に覆われた領域である、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光変調器。
9. 前記ＤＣ部は、前記第１及び第２の光導波路の両側の側面を覆うように前記導波層と前記バッファ層との間に形成された保護層をさらに含み、
   前記導波層除去領域は、前記バッファ層及び前記保護層と共に前記導波層が除去された領域である、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の光変調器。
10. 前記第１の電極分離領域の下方に位置する前記導波層除去領域の幅は、前記第１の電極分離領域の幅よりも狭く、前記第２の電極分離領域の下方に位置する前記導波層除去領域の幅は、前記第２の電極分離領域の幅よりも狭く、前記第３の電極分離領域の下方に位置する前記導波層除去領域の幅は、前記第３の電極分離領域の幅よりも狭く、前記第４の電極分離領域の下方に位置する前記導波層除去領域の幅は、前記第４の電極分離領域の幅よりも狭い、請求項４に記載の光変調器。
11. 前記第１及び第２の光導波路の各々は、少なくとも一つの直線部と少なくとも一つの湾曲部とを有し、前記ＲＦ部は、前記直線部の一部と平面視で重なる位置に設けられており、前記ＤＣ部は、前記直線部の他の一部と平面視で重なる位置に設けられている、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光変調器。
12. 前記基板は単結晶基板であり、前記電気光学材料膜はニオブ酸リチウム膜であり、前記ニオブ酸リチウム膜は膜厚が２μｍ以下のエピタキシャル膜であり、前記ニオブ酸リチウム膜のｃ軸は前記基板の主面に対して垂直方向に配向している、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光変調器。
13. 基板と、
    前記基板上にリッジ状に形成された電気光学材料膜からなり、互いに隣り合う第１及び第２の光導波路を含む導波層と、
    前記第１及び第２の光導波路に変調信号を印加するＲＦ部と、
    前記第１及び第２の光導波路にＤＣバイアスを印加するＤＣ部とを備え、
    前記ＤＣ部は、
    少なくとも前記第１及び第２の光導波路の上面を覆うバッファ層と、
    前記バッファ層を介して前記第１の光導波路と対向する第１のバイアス電極と、
    前記第１のバイアス電極に隣接して設けられた第２のバイアス電極とを含み、
    前記第１のバイアス電極の幅は前記第１の光導波路の幅よりも広く、
    前記第１のバイアス電極と前記第２のバイアス電極との間には第１のＤＣバイアス電圧が印加され、
    前記第１のバイアス電極と前記第２のバイアス電極との間の第１の電極分離領域における前記導波層の最小厚さは、前記第１の電極分離領域と前記第１の光導波路との間における前記導波層の最小厚さよりも小さく、
    前記ＲＦ部は、
    前記バッファ層を介して前記第１及び第２の光導波路とそれぞれ対向する第１及び第２の信号電極と、
    前記第１の信号電極に隣接して設けられた第１の接地電極と、
    前記第２の信号電極に隣接して設けられた第２の接地電極とを含み、
    前記ＲＦ部における前記導波層の最小厚さは、前記ＤＣ部の前記第１の電極分離領域における前記導波層の最小厚さよりも大きく、
    前記第１及び第２の光導波路の延在方向と直交する前記導波層の断面形状は、前記ＤＣ部と前記ＲＦ部とで異なることを特徴とする光変調器。
14. 前記ＤＣ部は、
    前記バッファ層を介して前記第２の光導波路と対向する第３のバイアス電極と、
    前記第３のバイアス電極に隣接して設けられた第４のバイアス電極とをさらに含み、
    前記第３のバイアス電極の幅は前記第２の光導波路の幅よりも広く、
    前記第３のバイアス電極と前記第４のバイアス電極との間には第２のＤＣバイアス電圧が印加され、
    前記第３のバイアス電極と前記第４のバイアス電極との間の第２の電極分離領域における前記導波層の最小厚さは、前記第２の電極分離領域と前記第２の光導波路との間における前記導波層の最小厚さよりも小さい、請求項１３に記載の光変調器。
15. 前記第２のバイアス電極は、前記第１のバイアス電極から見て前記第３のバイアス電極と反対側に位置し、
    前記第４のバイアス電極は、前記第３のバイアス電極から見て前記第１のバイアス電極と反対側に位置する、請求項１４に記載の光変調器。
16. 前記ＤＣ部は、
    前記第１のバイアス電極と前記第３のバイアス電極との間に設けられた第５のバイアス電極をさらに含み、
    前記第１のバイアス電極と前記第５のバイアス電極との間の第３の電極分離領域における前記導波層の最小厚さは、前記第３の電極分離領域と前記第１の光導波路との間における前記導波層の最小厚さよりも小さく、
    前記第３のバイアス電極と前記第５のバイアス電極との間の第４の電極分離領域における前記導波層の最小厚さは、前記第４の電極分離領域と前記第２の光導波路との間における前記導波層の最小厚さよりも小さく、
    前記ＲＦ部は、
    前記第１の信号電極と前記第２の信号電極との間に設けられた第３の接地電極をさらに含む、請求項１５に記載の光変調器。
17. 前記第２のバイアス電極は、前記バッファ層を介して前記第２の光導波路と対向しており、
    前記第２のバイアス電極の幅は前記第２の光導波路の幅よりも広く、
    前記第１の電極分離領域における前記導波層の最小厚さは、前記第１の電極分離領域と前記第２の光導波路との間における前記導波層の最小厚さよりも小さい、請求項１３に記載の光変調器。
18. 前記ＤＣ部は、前記第１及び第２の光導波路の両側の側面を覆うように前記導波層と前記バッファ層との間に形成された保護層をさらに含み、
    前記第１の電極分離領域において、前記導波層は前記バッファ層及び前記保護層に覆われることなく露出している、請求項１３又は１７に記載の光変調器。
19. 前記ＤＣ部は、前記第１及び第２の光導波路の両側の側面を覆うように前記導波層と前記バッファ層との間に形成された保護層をさらに含み、
    前記第１及び第２の電極分離領域において、前記導波層は前記バッファ層及び前記保護層に覆われることなく露出している、請求項１４又は１５に記載の光変調器。
20. 前記ＤＣ部は、前記第１及び第２の光導波路の両側の側面を覆うように前記導波層と前記バッファ層との間に形成された保護層をさらに含み、
    前記第１乃至第４の電極分離領域において、前記導波層は前記バッファ層及び前記保護層に覆われることなく露出している、請求項１６に記載の光変調器。
21. 前記導波層は、前記第１又は第２の光導波路から遠ざかるにつれて徐々に薄くなる断面形状を有する、請求項１３乃至２０のいずれか一項に記載の光変調器。

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