JP7135546B2 - 光変調器、光変調器モジュール、及び光送信モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光変調器、光変調器モジュール、及び光送信モジュールに関する。

近年、光通信分野では、急増するトラフィックに対応するため、１チャネルあたり100Gbit/s、400Gbit/sといった伝送容量の拡大と、消費電力の低減に対する要求が高まっている。これにともなって、フロントエンドで使用される光変調器などのデバイスにも、高周波帯域で動作する小型のデバイス設計が求められている。

高周波帯域の光変調器として、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃；ＬＮ）、インジウムリン（ＩｎＰ）、シリコン（Ｓｉ）等を利用したものがある。なかでもＬｉＮｂＯ₃を使用した光変調器（「ＬＮ変調器」と呼ばれる）は、挿入損失、伝送特性、制御性の観点から、現時点では変調器市場で主流となっている。従来のＬＮ変調器では、ＬＮ基板にチタン（Ｔｉ）を拡散して光導波路を形成していたが、光の閉じ込めが弱いため変調効率が悪く、Ｖπ（半波長電圧）との関係で変調器チップ長が５ｃｍ以上になる。

ＬＮ基板にリッジ構造の導波路を形成して光の閉じ込めを強くする構成も提案されている。（たとえば、特許文献１～３参照）。図１は、リッジ型の光導波路１３１ａ、１３１ｂを有する光変調器の断面構成である。ＺカットのＬＮ基板１２０を用いる場合、信号電極Ｓはバッファ層１４を介してリッジ導波路の上部に配置される。

特開２００８－２５０２５８号公報 特開２０１２－７８３７５号公報 米国特許出願公開第２００２／０１４６１９０号

ＺカットのＬＮ基板を用いたリッジ型導波路で光の閉じ込めを強くする場合、導波路の高さと幅は１μｍ程度になり、リッジ導波路の上に配置する信号電極Ｓの幅も、１μｍ程度と狭くなる。一般的に、電極の断面積が広い方が電気の減衰が小さく、良好な高周波特性が得られる。図１の構成で信号電極Ｓの断面積を大きくしようとすると、信号電極Ｓの高さｈは１０μｍ以上になる。このようなアスペクト比の信号電極Ｓを形成すること自体が困難であり、形成できた場合でも、電極が倒れやすく、リッジ導波路に効果的に電圧を印加することができない。

本発明は、変調効率と高周波特性が良好な、小型の光変調器を実現することを目的とする。

一つの態様では、光変調器は、
基板の上に電気光学効果を有する誘電体の薄膜で形成されたリッジ型の光導波路と、
前記光導波路を覆うバッファ層と、
前記光導波路の上に前記バッファ層を介して配置される信号電極と、
を有し、前記信号電極の幅は、前記光導波路のリッジ幅よりも広く、かつ、前記バッファ層を介してリッジの少なくとも一方の側面を覆っている。

変調効率と高周波特性が良好な小型の光変調器が実現される。

ＺカットのＬＮ基板を用いた従来のリッジ導波路構成の問題点を説明する図である。 本発明に至る過程で考えられ得る光変調器の構成を示す図である。 第１実施形態の光変調器の平面模式図である。 図３のＡ－Ａ’断面図である。 第１実施形態の光変調器構成の効果を示す図である。 第１実施形態の光変調器の作製工程図である。 第２実施形態の光変調器の概略断面図である。 リッジ間隔とＶπＬの関係を示す図である。 第２実施形態の光変調器の設計フローである。 第２実施形態の変形例の光変調器の概略断面図である。 第３実施形態の光変調器の概略断面図である。 第３実施形態のテラス構成の効果を示す図である。 第４実施形態の光変調器の概略断面図である。 第４実施形態の光変調器の効果を示す図である。 ＧＳＧＳＧ型の差動駆動構成の光変調器の平面図である。 図１５のＧＳＧＳＧ型の電極配置を第１実施形態の構成に適用した光変調器の概略断面図である。 図１５のＧＳＧＳＧ型の電極配置を第２実施形態の構成に適用した光変調器の概略断面図である。 図１５のＧＳＧＳＧ型の電極配置を第３実施形態の構成に適用した光変調器の概略断面図である。 図１５のＧＳＧＳＧ型の電極配置を第４実施形態の構成に適用した光変調器の概略断面図である。 第１実施形態の構成で、リッジ型の光導波路を形成する薄膜と基板の間にバッファ層を挿入した構成例を示す図である。 第２実施形態の構成で、リッジ型の光導波路を形成する薄膜と基板の間にバッファ層を挿入した構成例を示す図である。 第３実施形態の構成で、リッジ型の光導波路を形成する薄膜と基板の間にバッファ層を挿入した構成例を示す図である。 第４実施形態の構成で、リッジ型の光導波路を形成する薄膜と基板の間にバッファ層を挿入した構成例を示す図である。 実施形態のＧＳＳＧ差動型の電極構成を、ＤＰ－ＱＰＳＫ（Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying：偏波多重４位相偏移変調）の光変調器適用した平面構成図である。 実施形態の光変調器を光学部品とともにパッケージ内に収容した光変調器モジュールの構成例である。 実施形態の光変調器を駆動回路とともにパッケージ内に収容したドライバ内蔵型の光変調器モジュールの構成例である。 実施形態の光変調器を用いた光送信モジュールの模式図である。

図２は、本発明に至る過程で考えられ得る光変調器の構成である。基板１１の上に、ＬｉＮｂＯ₃の薄膜１２でリッジ型の光導波路１３１ａ、１３１ｂが形成されている。本実施形態において、リッジとは、例えば、光導波路１３１ａ、１３１ｂのように、他の領域より凸状に突出している状態、或いは、凸状に突出している形態のことをいう。

ＬｉＮｂＯ₃の薄膜１２の結晶配向方向は、ＺカットのＬＮ基板と同じく＜００１＞方向である。信号電極Ｓのアスペクト比の問題を解決するために、バッファ層１４０を厚く形成し、その後、研磨などにより平坦化する。平坦なバッファ層１４０の上に、光導波路１３１ａ、１３１ｂの幅よりも広い幅の信号電極１５Ｓを形成する。リッジ型の光導波路１３１ａ、１３１ｂの幅が１μｍの場合、たとえば幅３μｍの信号電極１５Ｓを設ける。この構成により、信号電極１５Ｓの高さを低くして十分な断面積を確保することができ、配置が安定する。

しかし、バッファ層１４０の平坦化のための工程数が増えるだけではなく、バッファ層１４０の内部で電界が横方向に分散され、リッジに対して効率良く電界を印加することができない。図中、電気力線ＥＬで模式的に示すように、信号電極１５Ｓから光導波路１３１ａ、１３１に対して垂直な方向に延びる電気力線が少なくなり、リッジに印加される電界の密度が低減する。電気力線ＥＬのうち、実線で示されているのが有効に変調に寄与する電界成分であり、点線で示されているのが、損失になる電界成分である。この構成で所定の変調効率を実現するためには、半波長電圧Ｖπが大きくなり、消費電力が増大する。

そこで、実施形態では、一対のリッジ型の光導波路を有するマッハツェンダ（ＭＺ）型の光変調器で、各光導波路に設けられる信号電極を、その光導波路の上面と、少なくとも外側のリッジ側面を覆って形成する。すなわち、ＭＺ干渉計を形成する２本のリッジ型の光導波路に基板と垂直なＺ方向に電圧を印加する信号電極が、リッジの両側面、または外側の側面を覆う構成とする。信号電極をこのような構成とすることで、変調効率と高周波特性が良好な光変調器を実現することができる。以下で、具体的な光変調器の構成例を説明する。

＜第１実施形態＞
図３は、第１実施形態の光変調器１０Ａの平面図模式図、図４は図３のＡ－Ａ’断面図である。光変調器１０Ａは、一対のリッジ型の光導波路１３１ａ、１３１ｂを有するＭＺ型の光変調器である。上述のように、「リッジ」とは他の領域よりも積層方向または基板表面と垂直な方向に凸状に突出する状態または形態をいう。一対のリッジ型の光導波路１３１ａ、１３１ｂは、光導波路１３の分岐部１３２と１３３の間に延びている。光導波路１３と、光導波路１３１ａ、１３１ｂは、ＬｉＮｂＯ₃などの屈折率変化が大きく電気光学効果を有する薄膜で形成されている。

光導波路１３１ａと光導波路１３１ｂに、それぞれ信号電極１５Ｓａと信号電極１５Ｓｂが設けられ、信号電極１５Ｓａ、１５Ｓｂの外側に、それぞれ接地電極１５Ｇａ、１５Ｇｂが設けられている。

信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂ（適宜「信号電極１５Ｓ」と総称する）から、光導波路１３１ａと１３１ｂ（適宜、「光導波路１３１」と総称する）にそれぞれ駆動電圧が印加されると、光導波路１３１ａと１３１ｂを通過する光は屈折率変化による変調を受ける。たとえば、信号電極１５Ｓａと信号電極１５Ｓｂに極性の異なる反転信号を印加して、光導波路１３１ａと１３１ｂを透過する光に互いに逆方向の位相変化を与える。信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂが設けられた光導波路１３１ａと１３１ｂは、電気と光の相互作用を生じさせるという意味で、光変調器１０Ａの相互作用部となる。

図４は、相互作用部のＡ－Ａ’断面図である。基板１１上に、電気光学効果を有する薄膜１２が形成され、薄膜１２の一部で、リッジ型の光導波路１３１ａと１３１ｂが形成されている。薄膜１２は、たとえば基板１１と垂直な方向にＺ軸が配向するＬｉＮｂＯ₃の薄膜である。基板１１は、ガラス、ＭｇＯ、サファイアなど、薄膜１２と異なる材料、かつ使用波長において薄膜１２よりも屈折率が小さく、光の吸収が少ない材料で形成されている。

リッジ型の光導波路１３１ａ、１３１ｂの幅と高さは、それぞれ１μｍ程度である。光導波路１３１ａ、１３１ｂのリッジ側壁によって横方向の光の閉じ込めが規定され、光導波路１３１ａ、１３１ｂの上面と、下層の基板１１によって、縦方向の光の閉じ込めが規定される。

光導波路１３１ａ、１３１ｂを含むチップの全面を覆って、バッファ層１４が形成されている。バッファ層１４は、使用波長で薄膜１２よりも屈折率が小さく、かつ光の吸収が小さい材料で形成され、たとえば、シリコン酸化膜で形成される。バッファ層１４の厚さは、薄膜１２の厚さよりも薄いが、電極に用いられる金属材料による光の吸収を防止できる厚さである。

光導波路１３１ａに、光導波路１３１ａよりも幅の広い信号電極１５Ｓａが設けられ、光導波路１３１ｂに、光導波路１３１ｂよりも幅の広い信号電極１５Ｓｂが設けられている。信号電極１５Ｓａは、バッファ層１４を介して光導波路１３１ａのリッジ側壁を覆っている。信号電極１５Ｓｂは、バッファ層１４を介して光導波路１３１ｂのリッジ側壁を覆っている。

信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂの外側に、接地電極１５Ｇａと１５Ｇｂ（以下、適宜「接地電極１５Ｇ」と総称する）がそれぞれ配置されており、いわゆる「ＧＳＳＧ」の差動電極構造となっている。

光導波路１３１ａには、信号電極１５Ｓａと接地電極１５Ｇａが形成する電界と、信号電極１５Ｓａと信号電極１５ｓｂが形成する電界が印加される。光導波路１３１ｂには、信号電極１５Ｓｂと接地電極１５Ｇｂが形成する電界と、信号電極１５Ｓｂと信号電極１５Ｓａが形成する電界が印加される。

信号電極１５Ｓａと接地電極１５Ｇａの間隔、及び信号電極１５Ｓｂと接地電極１５Ｇｂの間隔は、変調効率の観点からはなるべく近くに配置されるのが望ましいが、電極間の静電容量が許容量を超えない距離に設定されている。これにより、光変調器１０Ａと外部素子とのインピーダンスを整合させて、高周波動作を保証する。

図４の例では、光導波路１３１ａの幅方向の中心軸の位置と、信号電極１５Ｓａの幅方向の中心軸の位置はほぼ一致しており、信号電極１５Ｓａは、バッファ層１４を介して光導波路１３１ａの上面と、リッジの両側面を覆っている。同様に、光導波路１３１ｂの幅方向の中心軸の位置と、信号電極１５Ｓｂの幅方向の中心軸の位置はほぼ一致しており、信号電極１５Ｓｂは、バッファ層１４を介して光導波路１３１ｂの上面と、リッジの両側面を覆っている。

バッファ層１４を介して信号電極１５Ｓでリッジの側面を覆うことで、電気力線ＥＬで模式的に示されるように、リッジに対して、ほぼ垂直な方向に電界が印加され、バッファ層１４に拡散する電界を低減することができる。信号電極１５Ｓａと信号電極１５Ｓｂには、反転信号が印加されるので、たとえば信号電極１５Ｓａから光導波路１３１ａに印加された電界の電気力線ＥＬは、逆の向きで光導波路１３１ｂに入り、光変調器１０Ａの差動駆動に寄与する。同様に、信号電極１５Ｓｂから光導波路１３１ｂに印加された逆向きの電界の電気力線ＥＬは、順方向で光導波路１３１ａに入り、光変調器１０Ａの差動駆動に寄与する。

図５は、第１実施形態の構成の効果を示す図である。横軸は信号電極１５Ｓの幅、縦軸は変調効率を表わす指標であるＶπ・Ｌである。ここで、Ｖπは光の位相をπラジアン変化させるのに必要な半波長電圧、Ｌは相互作用長である。比較例として、本発明に至る過程で検討された図２のバッファ平坦化構造の特性を、破線で示す。双方のシミュレーションで、電極の高さは同じ値に設定されている。

図２の構成で、平坦なバッファ層１４上に配置される信号電極Ｓの幅をリッジ幅よりも広げていくと、Ｖπ・Ｌの値が小さくなって変調効率が改善されるが、ある点でＶπ・Ｌが増大する。これは、電界がバッファ層１４の内部に拡散して無駄が生じるからである。破線でＶπ・Ｌが最も小さくなる点が、図２の構成での最適な電極幅である。

実線で示す第１実施形態の構成のシミュレーション結果でも、比較例の最適点に対応する電極幅でＶπ・Ｌが最小値となるが、図２の構成と比較してＶπ・Ｌの値が小さく、変調効率が改善されていることがわかる。すなわち、小さな電圧Ｖπで光導波路１３１ａ、１３１ｂを伝搬する光を変調することができる。また、相互作用長Ｌを小さくして、光変調器の小型化を実現することができる。

第１実施形態の構成でも、信号電極１５Ｓの幅を増やしていくと、徐々に破線の特性に近づいていく。これは図４の構成においても、リッジ型の光導波路１３１ａ、１３１ｂの幅と比較して信号電極１５Ｓの幅が大きくなりすぎると、印加される電界に無駄が生じるからである。

したがって、図２の平坦化バッファ構成でＶπ・Ｌを最小にする電極幅を、実施形態の信号電極１５Ｓの幅として設定し、光導波路１３１ａ、１３１ｂの幅と、信号電極１５Ｓの幅とに基づいて、適宜バッファ層１４の厚さを設定することが可能である。この設計により、高周波の駆動信号を信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂに印加して、高速変調を行うことができる。

図６は、第１実施形態の光変調器１０Ａの作製構成図である。工程（ａ）で、ガラス、サファイア、ＭｇＯ等の基板１１上に、基板１１よりも屈折率が高く、かつ電気光学効果を有する誘電体の薄膜１２を形成する。一例として、厚さ５００μｍのガラスの基板１１の上に、マグネトロンスパッタリングで、ＬｉＮｂＯ₃の薄膜１２を１μｍ～２μｍの厚さに形成する。

工程（ｂ）で、薄膜１２の上に、フォトリソグラフィ技術等によって所望のパターンのマスクを形成し、エッチングによりリッジ型の導波路パターンを形成する。ＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）、リアクティブイオンビームエッチングなどの比較的異方性の大きいドライエッチングを行う場合は、金属マスク、あるいは貴金属膜を介したフッ素樹脂マスク等を用いてエッチングする。ウェットエッチングによってリッジ導波路を形成する場合は、貴金属で所定のマスクパターンを形成し、エッチャントに浸漬する。これにより、一対の光導波路１３１ａ、１３１ｂを含む導波路パターンが形成される。このとき、相互作用部の基板１１の表面に、わずかに薄膜１２を残しておいてもよい。

工程（ｃ）で、スパッタ法、蒸着、ＣＶＤ法等により、全面にバッファ層１４を形成する。バッファ層１４として、たとえば厚さ５００ｎｍ～１０００ｎｍのシリコン酸化膜を形成する。

工程（ｄ）で、めっきレジストで所定のパターンのレジストマスクを形成し、めっき成長により信号電極１５Ｓａ、１５Ｓｂ及び接地電極１５Ｇａ、１５Ｇｂを形成する。このとき、信号電極１５Ｓａ、１５Ｓｂの幅が光導波路１３１ａ、１３１ｂの幅よりも広く、かつ、バッファ層１４を介してリッジの側面を覆うようにマスクパターンが形成される。信号電極１５Ｓａ、１５Ｓｂ、及び接地電極１５Ｇａ、１５Ｇｂは、たとえば、金（Ａｕ）下地層の上にチタン（Ｔｉ）を積層したＴｉ／Ａｕ層である。一例として、信号電極１５Ｓａ、１５Ｓｂの幅は３～４μｍ、高さは４～１０μｍである。

めっき後にレジストを剥離して図４の光変調器１０Ａの構成が完成する。この後に、ダイシングによりウェハをチップ化する。

これにより、安定した信号電極１５Ｓａ、１５Ｓｂの配置で、基板１１と垂直な方向からＬｉＮｂＯ₃のリッジ導波路に効果的に電圧を印加することができる。Ｖπと相互作用長Ｌを低減し、変調効率と高周波特性を向上することができる。

＜第２実施形態＞
図７は、第２実施形態の光変調器１０Ｂ－１の相互作用部の概略断面図である。第１実施形態では、光導波路１３１ａ、１３１ｂのそれぞれに、光導波路１３１ａ、１３１ｂよりも幅の広い信号電極１５Ｓａ、１５Ｓｂを中心軸に対してほぼ対象に配置した。

第２実施形態では、ＭＺ干渉計を形成する２本の光導波路１３１ａ、１３１ｂの配置間隔を小さくして、リッジの内側の側面を覆う信号電極１５Ｓの厚さよりも、リッジの外側の側面を覆う信号電極１５Ｓの厚さの方が厚くなる非対称な構成とする。

光変調器１０Ｂ－１は、基板１１上に、電気光学効果を有する薄膜１２で形成されたリッジ型の光導波路１３１ａと１３１ｂを有する。光導波路１３１ａ、１３１ｂを含むウェハの全面は、バッファ層１４で覆われている。基板１１、薄膜１２、及びバッファ層１４の材料、寸法等は、第１実施形態と同じであってもよい。

光導波路１３１ａと１３１ｂの上に、バッファ層１４を介して、信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂが配置され、信号電極１５Ｓａ、１５Ｓｂの外側に、接地電極１５Ｇａ、１５Ｇｂがそれぞれ配置されている。

信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂの中心軸１０５間の間隔Ｓ_gapは、光導波路１３１ａと１３１ｂのリッジの中心軸１０３間の間隔Ｒ_gapよりも大きい。信号電極１５Ｓａの幅方向の中心軸１０５は、光導波路１３１ａの幅方向の中心軸１０３よりもＭＺ干渉計の外側にオフセットし、信号電極１５Ｓｂの幅方向の中心軸１０５は、光導波路１３１ｂの幅方向の中心軸１０３よりもＭＺ干渉計の外側にオフセットしている。

差動駆動の光変調器１０Ｂ－１の場合、相互作用部の光導波路１３１ａと１３１ｂの間隔は狭い方が効率良く変調をかけることができ、Ｖπを小さくできる。一方、第１実施形態と同様に、信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂの幅を光導波路１３１ａ、１３１ｂのリッジ幅よりも太くして、かつ信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂの間に一定の間隔がある方が、高周波特性の観点から有利である。この条件を満たすため、図７では、信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂの中心軸間の間隔Ｓ_gapを、光導波路１３１ａと１３１ｂのリッジの中心軸間の間隔Ｒ_gapよりも大きくして、非対称またはオフセット構成を採用している。

図７の構成は、第１実施形態の構成と比較して、光導波路１３１ａと１３１ｂの間隔を狭くしたことで、同じ高周波特性を維持したまま、Ｖπを小さくして、変調効率を上げることができる。

一例として、光導波路１３１ａ、１３１ｂの断面形状を１μｍ×１μｍ、信号電極１５Ｓａ、１５Ｓｂの幅を３～４μｍ、リッジの中心軸間の間隔Ｒ_gapは８～９μｍ、信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂの中心軸間の間隔Ｓ_gapを１０～１２μｍとする。

光導波路１３１ａと１３１ｂの間の距離を小さくしたことで、電気力線ＥＬで模式的に示すように、光導波路１３１ａと１３１ｂに対してより効率良く垂直方向の電界をかけることができる。

図８は、光導波路１３１ａ、１３１ｂのリッジ中心間の間隔Ｒ_gapの関数としての変調効率（Ｖπ・Ｌ）を示す。リッジ中心間の間隔Ｒ_gapが小さいほど、Ｖπ・Ｌの値［Ｖｃｍ］は小さくなり、変調効率が上がる。しかし、信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂの位置をそのままにして、光導波路１３１ａと１３１ｂを互いに近づけると、光導波路１３１ａ、１３１ｂのリッジの内側側面を覆うバッファ層１４が、対応する信号電極１５Ｓａ、１５Ｓｂの側壁よりも内側に入る。光導波路１３１ａと１３１ｂの接近がある限界（たとえばリッジ幅の１／５程度が電極側壁から内側に突出する状態）を超えると、リッジに対して効果的に電界が掛からなくなる。この場合、短絡が起きてＶπ・Ｌが急上昇し、光変調器の機能を果たさなくなる。

そこで、信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂを、高周波特性を損なわない間隔Ｓ_gap、かつ光導波路１３１ａ、１３１ｂに効率的に電界を印加できる幅に設計する。この最適配置の信号電極１５Ｓａ、１５Ｓｂに対して、光導波路１３１ａと１３１ｂの中心軸間の間隔Ｒ_gapが最小となるように光変調器１０Ｂ－１を設計する。

図９は、第２実施形態の光変調器１０Ｂ－１の設計方法のフローチャートである。まず信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂの中心軸１０５間の間隔Ｓ_gap、高さ、及び幅を最適化する（Ｓ１１）。信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂの間隔Ｓ_gapは、クロストークが発生せず、静電容量が所定値以下で高周波特性を維持することのできる最小の間隔である。信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂの最適な幅は、光導波路１３１ａ、１３１ｂに垂直方向から効率的に、最小の損失で電界を印加することのできる幅である。信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂの最適な高さは、信号電極１５Ｓａ、１５Ｓｂの断面積を十分に大きくでき、かつ小型化を妨げない高さである。

信号電極１５Ｓａ、１５Ｓｂの最適な配置・設計が決まると、光導波路１３１ａと１３１ｂのリッジ中心間の間隔Ｒ_gapをできるだけ小さく設定する（Ｓ１２）。最後に、光導波路１３１ａと１３１ｂで、内側のリッジ側面を覆うバッファ層１４が、対応する信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂに覆われているか、または信号電極１５Ｓａ、１５Ｓｂの側壁と揃っている（同じ面内にある）ことを確認する（Ｓ１３）。光導波路１３１ａと１３１ｂの内側のリッジ側面が信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂの側壁よりもＭＺ干渉計の内側にシフトして近づくと、短絡が生じ、光変調器１０Ｂ－１が機能しなくなるからである。

図１０は、第２実施形態の変形例として、光変調器１０Ｂ－２の構成を示す。図１０の変形例では、図９の設計フローのステップＳ１３のうち、光導波路１３１ａ、１３１ｂの内側のリッジ側面は信号電極１５Ｓａ、１５Ｓｂに覆われずに、バッファ層１４の表面１４１と、信号電極１５Ｓａ，１５Ｓｂの側壁１５１が揃っている。

この構成でも、信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂの中心間の間隔Ｓ_gapは、光導波路１３１ａと１３１ｂのリッジ中心間の間隔Ｒ_gapよりも大きく、信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂの中心軸１０５は、光導波路１３１ａと１３１ｂの中心軸１０３よりも外側にオフセットしている。

図１０の構成は特に、「ＧＳＳＧ」型の電極構成の場合に有益である。「ＧＳＳＧ」構成の場合、主として変調効率に寄与するのは、信号電極１５Ｓのうち、リッジの上面に位置してリッジに垂直方向から効率的に電界を印加する部分である。適正な信号電極配置の範囲内で、光導波路１３１ａと１３１ｂのリッジ中心間の間隔Ｒ_gapを最小にして、変調効率を最大にすることができる。

＜第３実施形態＞
図１１は、第３実施形態の光変調器１０Ｃの相互作用部の概略断面図である。第３実施形態では、接地電極１５Ｇａの下方のＬｉＮｂＯ₃の薄膜１２は、接地電極１５Ｇａよりも光導波路１３１ａの側に突出するテラス１２４を有する。同様に、接地電極１５Ｇｂの下方のＬｉＮｂＯ3の薄膜１２は、接地電極１５Ｇｂよりも光導波路１３１ｂの側に突出するテラス１２４を有する。テラス１２４で、薄膜１２が接地電極１５Ｇの側壁よりも光導波路１３１の側へ突出する突出量を「ａ」とする。その他の構成は、第１実施形態と同様である。

光変調器１０Ｃは、基板１１上に形成されたＬｉＮｂＯ3等の電気光学効果を有する薄膜１２の一部を用いて形成されたリッジ型の光導波路１３１ａと１３１ｂを有する。光導波路１３１ａ、１３１ｂの幅Ｗは、たとえば１μｍ前後であり、信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂの幅は、光導波路１３１ａ、１３１ｂの幅Ｗよりも広い。光導波路１３１ａ、１３１ｂのリッジの両側面は、バッファ層１４を介して信号電極１５Ｓａ、１５Ｓｂで覆われている。

電気力線ＥＬで模式的に示すように、信号電極１５Ｓａと接地電極１５Ｇａで形成される電界が、光導波路１３１ａのリッジに効率的に印加され、信号電極１５Ｓｂと接地電極１５Ｇｂで形成される電界が、光導波路１３１ｂのリッジに効率的に印加される。特に、信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂのそれぞれから斜めに延びる電気力線が、テラス１２４の存在によって効果的に接地電極１５Ｇａ、１５Ｇｂへ引き込まれる。接地電極１５Ｇの下方の薄膜１２のテラス１２４に斜め方向から入る電界成分も利用することができ、電界の印加を有効に用いることができる。これにより、Ｖπを小さくして変調効率を高めることができる。

図１２は、テラス１２４の突出量ａと、Ｖπ・Ｌの関係を示す図である。突出量ａを増やしていくと、Ｖπ・Ｌが減少し、変調効率が上がる。ただし、突出量ａが所定の量を超えると、短絡してＶπ・Ｌが急激に上昇し、光変調器１０Ｃが機能しなくなる。Ｖπ・Ｌが最小になるように突出量ａを設定することで、光変調器１０Ｃの変調効率を向上することができる。

＜第４実施形態＞
図１３は、第４実施形態の光変調器１０Ｄの相互作用部の概略断面図である。第４実施形態では、第２実施形態の信号電極１５Ｓのオフセット（非対称）構成と、第３実施形態の薄膜１２のテラス構成を組み合わせる。

光変調器１０Ｄは、基板１１上に、ＬｉＮｂＯ₃などの電気光学効果を有する薄膜１２で形成されたリッジ型の光導波路１３１ａと１３１ｂを有する。光導波路１３１ａ、１３１ｂを含むウェハの全面は、バッファ層１４で覆われている。基板１１、薄膜１２、及びバッファ層１４の材料、寸法等は、第１実施形態と同じであってもよい。

光導波路１３１ａと１３１ｂの上にバッファ層１４を介して配置される信号電極１５Ｓａと１５Ｓｂの中心間の間隔Ｓ_gapは、光導波路１３１ａと１３１ｂのリッジ中心間の間隔Ｒ_gapよりも大きい。信号電極１５Ｓａの幅方向の中心軸１０５は、光導波路１３１ａの幅方向の中心軸１０３よりもＭＺ干渉計の外側にオフセットし、信号電極１５Ｓｂの幅方向の中心軸１０５は、光導波路１３１ｂの幅方向の中心軸１０３よりもＭＺ干渉計の外側にオフセットしている。

さらに、接地電極１５Ｇａ、１５Ｇｂの下方のＬｉＮｂＯ3の薄膜１２に、接地電極１５Ｇａ、１５Ｇｂよりも光導波路１３１ａ、１３１ｂ側に突出するテラス１２４が設けられている。突出量ａは、Ｖπ・Ｌの値を最小にする量に設定されている。

信号電極１５Ｓａ、１５Ｓｂの中心軸１０５を、光導波路１３１ａ、１３１ｂの中心軸１０３よりも外側にオフセットさせることで、リッジ型の導波路１３１ａ、１３１ｂに垂直方向にかかる電界の密度を増大させ、変調効率を向上することができる。また、信号電極１５Ｓａと接地電極１５Ｇａで形成される電界の密度と、信号電極１５Ｓｂと接地電極１５Ｇｂで形成される電界の密度を増大して、さらに変調効率を高めることができる。

図１４は、第４実施形態の効果を、第２実施形態の光変調器１０Ｂ－１（図７）の構成と比較して示す図である。光導波路１３１ａと１３１ｂのリッジ中心間の間隔Ｒ_gapを小さくすることで、Ｖπ・Ｌを小さくして変調効率を向上できることは、第２実施形態と第４実施形態で共通に得られる効果である。実際、光変調器１０Ｂ－１と光変調器１０Ｄにおいて、リッジ中心間の間隔Ｒ_gapの関数としての変調効率（Ｖπ・Ｌ）の変化の傾向は同じである。

光変調器１０Ｄでは、接地電極１５Ｇの下方の薄膜１２にテラス１２４を設けたことにより、Ｖπ・Ｌの値がさらに小さくなり、変調効率の改善効果が高い。

上述の光変調器１０Ｄでは、図７の光変調器１０Ｂ－１のように、光導波路１３１ａ、１３１ｂのリッジの両側面を電極膜で覆い、かつ、内側のリッジ側面の電極膜の厚さを、外側のリッジ側面の電極膜の厚さよりも小さくする構成を用いている。これに替えて、図１０の光変調器１０Ｂ－２のように、光導波路１３１ａ、１３１ｂのリッジの外側の側面だけを電極膜で覆う構成を、第３実施形態のテラス構成と組み合わせてもよい。この場合は、図１３の構成よりもさらに光導波路１３１ａと１３１ｂの間の間隔を小さくして、変調効率を高めることができる。

＜その他の変形例＞
図１５は、「ＧＳＧＳＧ」型の差動駆動構成の光変調器２０の平面図である。相互作用部でＭＺ干渉計を形成するリッジ型の光導波路１３１ａの外側に接地電極１５Ｇａが配置され、リッジ型の光導波路１３１ｂの外側に接地電極１５Ｇｂが配置されている。光導波路１３１ａと１３１ｂの間に、接地電極１５Ｇｃが配置されている。この構成では、光導波路１３１ａのリッジに、信号電極１５Ｓａと接地電極１５Ｇａで形成される電界と、信号電極１５Ｓａと接地電極１５Ｇｃで形成される電界が印加される。同様に、光導波路１３１ｂのリッジに、信号電極１５Ｓｂと接地電極１５Ｇｂで形成される電界と、信号電極１５Ｓｂと接地電極１５Ｇｃで形成される電界が印加される。このＧＳＧＳＧ型の電極構成により、変調効率を高めることができる。

信号電極１５Ｓａと接地電極１５Ｇａの間隔、及び信号電極１５Ｓａと接地電極１５Ｇｃの間隔は、静電容量が閾値を超えない範囲で十分に近接して配置される。同様に、信号電極１５Ｓｂと接地電極１５Ｇｂの間隔、及び信号電極１５Ｓｂと接地電極１５Ｇｃの間隔は、静電容量が閾値を超えない範囲で十分に近接して配置される。これにより、信号電極１５Ｓの下方の光導波路１３１のリッジに、基板１１と垂直方向の電界を効率的に印加することができる。

図１６Ａ～図１６Ｄは、図１５の「ＧＳＧＳＧ」型の電極構成を、第１実施形態～第４実施形態の構成に適用した光変調器２０Ａ～２０Ｄの概略断面図である。第１実施形態～第４実施形態で、光導波路１３１に対する信号電極１５Ｓの配置を工夫することで、光導波路１３１のリッジに対し、電界を効率的に印加することのできる構成を採用している。これに加えて、「ＧＳＧＳＧ」型の構成をとることで、光導波路１３１のリッジに電界をより高密度で印加することができる。

図１７Ａ～図１７Ｄは、第１実施形態～第４実施形態の光変調器に、第２のバッファ層２４を設けた構成例を示す。第２のバッファ層２４は、基板１１と、リッジ型の光導波路を形成する薄膜１２の間に挿入される。

上述した実施形態では、薄膜１２よりも屈折率が小さく光の吸収の少ない材料を基板１１に用いていた。しかし、熱膨張係数や加工性の観点から、基板１１を薄膜１２と同じ材料、たとえばＬｉＮｂＯ₃にしたい場合がある。また、異なる材料であっても、屈折率が薄膜１２よりも高い場合、リッジの中に光が導波せずに基板側に漏れてしまう。これらの場合に、基板１１と光導波路１３１用の薄膜１２の間に、バッファ層２４を挿入する、
バッファ層２４は、薄膜１２よりも低い屈折率で、かつ誘電率を整合させた材料が望ましく、たとえば、ＳｉＯ₂でバッファ層２４を形成する。これにより、基板１１の選択の自由度が広がり、光変調器３０Ａ～３０Ｄの加工性、設計性が向上する。

図１８は、実施形態のＧＳＳＧ差動型の電極構成を、ＤＰ－ＱＰＳＫ（Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying：偏波多重４位相偏移変調）の光変調器１０に適用した平面構成図である。

光変調器１０は、パラレルに配置される４つのＭＺ干渉計で形成される相互作用部１１０ＸＩ、１１０ＸＱ、１１０ＹＩ、１１０ＹＱ（適宜、「相互作用部１１０」と総称する）を有する。各相互作用部１１０で、２本の光導波路のそれぞれに信号電極１５Ｓが設けられている。各信号電極１５Ｓは、ＲＦ端子として基板１１のサイドエッジに引き出されている。また、２本の信号電極１５Ｓを挟んで接地電極１５Ｇが形成されている。

光導波路１３に入力された光は、２つに分岐され、分岐光のそれぞれは、ＩブランチとＱブランチでＩＱ変調を受けて出力される。光変調器１０の２つの光出力の一方は、後段で偏波方向が９０°回転される。偏波の方向が互いに直交する２つの光成分が合波され、光信号として出力される。

２つの偏波（Ｘ偏波とＹ偏波）を使用して、各偏波にそれぞれＩＱ変調による２ビットの情報を与え、一度に４ビットの変調を行う。

相互作用部１１０ＸＩ、１１０ＸＱ、１１０ＹＩ、１１０ＹＱの各々は、実施形態の信号電極構成を有するため、光変調器１０の変調効率が高く、良好な高周波特性を有する。

図１９は、実施形態の光変調器１０を用いた光変調器モジュール１００Ａの概略図である。光変調器モジュール１００Ａは、光変調器１０を光学部品とともにパッケージ１０２の中に収容している。光変調器１０として、第１実施形態～第４実施形態の光変調器１０Ａ～１０Ｄのいずれを用いてもよい。あるいは、変形例の光変調器２０Ａ～２０Ｄ、または３０Ａ～３０Ｄのいずれを用いてもよい。

パッケージ１０２は、入力側で金属フェルール１１４によって入力ファイバ１１１に接続され、出力側で金属フェルール１２２によって出力ファイバ１１２に接続されている。入力ファイバ１１１から出射した光は、レンズ１１３によって集光され、透明窓１１６を透過して、光変調器１０の光導波路１３に入射する。光導波路１３に入射した光は、順次分岐されて、４つの相互作用部１１０ＸＩ、１１０ＸＱ、１１０ＹＩ、１１０ＹＱ（図１８参照）に導かれる。

相互作用部１１０ＸＩ、１１０ＸＱ、１１０ＹＩ、１１０ＹＱのそれぞれに信号電極１５Ｓが設けられており、各相互作用部１１０の光導波路対に作動方式で信号電圧が印加される。信号電極１５Ａは、中継基板１４４とコネクタ１４３により外部の電気回路に接続されており、外部から高速のアナログ駆動信号（差動信号）が入力される。

光変調器１０の２つの光出力は、対応するコリメートレンズ１３４と１３５でそれぞれ集光されて偏波合成部１２７に入射する。偏波合成部１２７は偏波ローテータを含み、一方の光の偏波の向きを９０°回転する。たとえば、光変調器１０から２つのＴＭ偏光が出力され、偏波合成部１２７で、一方の光がＴＥ偏光に変換される。偏波合成部１２７の出力は、それぞれが２ビットの情報を載せたＴＭ偏光とＴＥ偏光の合成光である。合成光は透明窓１２６を透過して、レンズホルダ１２５内のレンズ１２３で集光され、金属フェルール１２２に保持される出力ファイバ１１２に入射する。

光変調器１０の各相互作用部１１０は、最適な信号電極の配置を有し、光導波路のリッジに効率的に信号電界を印加する。光変調器１０は変調効率と高周波特性が良好であり、小型かつ低消費電力の光変調器モジュール１００Ａが実現する。

図２０は、別の光変調器モジュール１００Ｂの構成例を示す。光変調器モジュール１００Ｂは、実施形態の光変調器１０をドライバ回路（図中、「ＤＲＶ」と表記）１３０とともにパッケージ１０２の中に収容したドライバ内蔵型の光変調器モジュールである。ドライバ回路１３０から４つの差動信号対が出力され、光変調器１０の４つの相互作用部１１０に入力される。この構成で、ドライバ回路１３０を内蔵したコンパクトな光変調器モジュール１００Ｂが実現する。

図２１は、実施形態の光変調器を用いた光送信モジュール１０００の模式図である。光送信モジュール１０００は、実施形態の光変調器１０と、光源１５０と、ドライバ回路（図中、「ＤＲＶ－ＩＣ」と表記）１３０を有する。ドライバ回路１３０は、コネクタ１４３によって、外部の電気回路（シリアライザ等）に接続されている。

光源１５０は、たとえばレーザダイオード（ＬＤ）と波長ロッカを用いた波長可変光源であり、所定波長の光を出力する。光源１５０の出力光は、たとえば入力ファイバ１１１により光変調器１０に入力されてもよいし、コリメートレンズやミラー等の光学素子を用いてもよい。

ドライバ回路１３０にデータ信号が入力されると、ドライバ回路１３０は、入力データの論理値に応じて高速のアナログ駆動信号を生成し、駆動信号を光変調器モジュール１００Ａに供給する。駆動信号は光変調器１０に入力され、光変調器１０の光導波路を伝搬する光を変調する。光変調器１０で変調をうけた光信号は、光送信モジュール１０００から出力される。光変調器１０は変調効率と高周波特性が良好であり、小型かつ低消費電力の光送信モジュール１０００が実現する。

以上、特定の実施形態に基づいて本発明を説明してきたが、本発明は上述した構成例に限定されず、多様な変形例を含む。たとえば、図１６Ａ～図１６Ｄの「ＧＳＧＳＧ」型の電極配置を採用する際に、リッジ型の光導波路を形成する薄膜１２と基板１１の光学的性質が似ている場合は、図１７Ａ～図１７Ｄのようにバッファ層２４を挿入してもよい。また、図１６の「ＧＳＧＳＧ」型の電極構成や、図１７の下地のバッファ層２４を挿入する構成は、図１０のように、外側のリッジ側面にだけ信号電極Ｓ用の電極膜を配置する構成にも適用可能である。

光変調器１０、２０、または３０の変調方式はＤＰ－ＱＰＳＫに限定されず、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、３２ＱＡＭ、６４ＱＡＭなど、電界印加による位相変化を利用する他の多値変調方式の光変調器に適用してもよい。いずれの場合も、リッジ型の光導波路に効率的に電界を印加して半波長電圧Ｖπを低減し、高周波特性と変調効率の良好な光変調器を実現することができる。

リッジ型の光導波路の薄膜材料としてＬｉＮｂＯ₃（ＬＮ）を例にとって説明したが、ＬＮと同程度、またはそれ以上の電気光学定数を有するＬｉＴａＯ₃、ＫＴｉＯＰＯ₄などを用いる場合にも、実施形態の信号電極構成を適用することができる。

以上の説明に対し、以下の付記を呈示する。
（付記１）
基板の上に電気光学効果を有する誘電体の薄膜で形成されたリッジ型の光導波路と、
前記光導波路を覆うバッファ層と、
前記光導波路の上に前記バッファ層を介して配置される信号電極と、
を有し、前記信号電極の幅は、前記光導波路のリッジ幅よりも広く、かつ、前記バッファ層を介してリッジの少なくとも一方の側面を覆っていることを特徴とする光変調器。
（付記２）
前記信号電極は、前記バッファ層を介して、前記リッジの両側面を前記リッジの幅方向の中心に対して対称に覆っていることを特徴とする付記１に記載の光変調器。
（付記３）
前記信号電極は、前記バッファ層を介して、前記リッジの両側面を前記リッジの幅方向の中心に対して非対称に覆っていることを特徴とする付記１に記載の光変調器。
（付記４）
前記信号電極は、前記バッファ層を介して前記リッジの一方の側面を覆い、前記リッジの他方の側面で前記信号電極の側壁と前記バッファ層の表面位置が揃っていることを特徴とする付記１に記載の光変調器。
（付記５）
前記薄膜の上に、信号電極から所定の間隔をおいて配置される接地電極、
をさらに有し、
前記接地電極の下方の前記薄膜は、前記接地電極の側壁よりも前記光導波路の側に突出するテラスを有することを特徴とする付記１～４のいずれかに記載の光変調器。
（付記６）
前記光導波路は、マッハツェンダ干渉計を形成する第１導波路と第２導波路を含み、
前記信号電極は、前記第１導波路に設けられる第１信号電極と、前記第２導波路に設けられる第２信号電極を含み、
前記第１信号電極と前記第２信号電極の中心間の間隔は、前記第１導波路と前記第２導波路のリッジ中心間の間隔よりも広いことを特徴とする付記１、３、４、または５に記載の光変調器。
（付記７）
前記第１信号電極は、前記マッハツェンダ干渉計の中心軸に対して、前記第１導波路の前記リッジの外側の側面を覆い、前記リッジの内側の側面で前記バッファ層の表面位置と揃い、
前記第２信号電極は、前記マッハツェンダ干渉計の中心軸に対して、前記第２導波路の前記リッジの外側の側面を覆い、前記リッジの内側の側面で前記バッファ層の表面位置と揃っていることを特徴とする付記６に記載の光変調器。
（付記８）
前記光導波路は、マッハツェンダ干渉計を形成する第１導波路と第２導波路を含み、
前記信号電極は、前記第１導波路に設けられる第１信号電極と、前記第２導波路に設けられる第２信号電極を含み、
前記接地電極は、前記マッハツェンダ干渉計に対して前記第１信号電極の外側に配置される第１接地電極と、前記第２信号電極の外側に配置される第２接地電極を含むことを特徴とする付記５に記載の光変調器。
（付記９）
前記第１接地電極の下方の前記薄膜は、前記第１導波路の側に突出する前記テラスを有し、前記第２接地電極の下方の前記薄膜は、前記第２導波路の側に突出する前記テラスを有することを特徴とする付記８に記載の光変調器。
（付記１０）
前記第１信号電極と前記第２信号電極の間に配置される第３接地電極、
をさらに有することを特徴とする付記８または９に記載の光変調器。
（付記１１）
前記基板の屈折率は、前記薄膜の屈折率よりも小さいことを特徴とする付記１～１０のいずれかに記載の光変調器。
（付記１２）
前記基板と前記薄膜の間に挿入される第２のバッファ層、
をさらに有することを特徴とする付記１～１０のいずれかに記載の光変調器。
（付記１３）
付記１～１２のいずれかに記載の光変調器と、
前記光変調器を収容するパッケージと、
を有する光変調器モジュール。
（付記１４）
前記パッケージ内に配置され、前記光変調器の前記信号電極と電気的に接続されるドライバ回路、
をさらに有することを特徴とする付記１３に記載の光変調器モジュール
（付記１５）
付記１～１２のいずれか記載の光変調器と、
前記光変調器に入力される光を出力する光源と、
前記光変調器を駆動するドライバ回路と、
を有することを特徴とする光送信モジュール。

１０、１０Ａ～１０Ｄ、２０、２０Ａ～２０Ｄ、３０Ａ～３０Ｄ 光変調器
１１ 基板
１２ 薄膜
１３、１３１ａ、１３１ｂ 光導波路
１４ バッファ層
１５Ｓ、１５Ｓａ、１５Ｓｂ 信号電極
１５Ｇ、１５Ｇａ、１５Ｇｂ、１５Ｇｃ 接地電極
１００Ａ、１００Ｂ 光変調器モジュール
１０２ パッケージ
１１０ＸＩ、１１０ＸＱ、１１０ＹＩ、１１０ＹＱ 相互作用部
１１１ 入力ファイバ
１１２ 出力ファイバ
１２４ テラス
１３０ ドライバ回路
１５０ 光源
１０００ 光送信モジュール
Ｓ_gap 信号電極間の間隔
Ｒ_gap リッジ中心間の間隔

Claims (7)

1. 基板の上に電気光学効果を有する誘電体の薄膜で形成されたリッジ型の光導波路と、
   前記光導波路を覆うバッファ層と、
   前記光導波路の上に前記バッファ層を介して配置される信号電極と、
   を有し、前記信号電極は、リッジの両側面で前記バッファ層を覆い、前記リッジの両側の溝の底面で前記バッファ層は前記信号電極から露出していることを特徴とする光変調器。
2. 前記信号電極は、前記バッファ層を介して、前記リッジの両側面を前記リッジの幅方向の中心に対して対称に覆っていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 前記信号電極は、前記バッファ層を介して、前記リッジの両側面を前記リッジの幅方向の中心に対して非対称に覆っていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
4. 前記薄膜の上に、信号電極から所定の間隔をおいて配置される接地電極、
   をさらに有し、
   前記接地電極の下方の前記薄膜は、前記接地電極の側壁よりも前記光導波路の側に突出するテラスを有することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の光変調器。
5. 前記光導波路は、マッハツェンダ干渉計を形成する第１導波路と第２導波路を含み、
   前記信号電極は、前記第１導波路に設けられる第１信号電極と、前記第２導波路に設けられる第２信号電極を含み、
   前記第１信号電極と前記第２信号電極の中心間の間隔は、前記第１導波路と前記第２導波路のリッジ中心間の間隔よりも広いことを特徴とする請求項１、３、または４に記載の光変調器。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の光変調器と、
   前記光変調器を収容するパッケージと、
   を有する光変調器モジュール。
7. 請求項１～５のいずれか１項に記載の光変調器と、
   前記光変調器に入力される光を出力する光源と、
   前記光変調器を駆動するドライバ回路と、
   を有することを特徴とする光送信モジュール。

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