JP7538208B2 - 光変調素子 - Google Patents

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Description

本発明は、光変調素子に関し、特に、マッハツェンダー型光変調素子の導波路構造に関する。
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。
特許文献３には、基板上に形成されたニオブ酸リチウム膜からなる導波層を備え、導波層が所定の厚さを有するスラブ部と、スラブ部から突出したリッジ部とを有するリッジ型光導波路素子が記載されている。このリッジ型光導波路素子は、スラブ部の厚さがリッジ部を伝搬する光の波長の０．４倍未満であるため、リッジ幅を狭くしても伝搬損失を低く抑えることが可能である。また光導波路構造に関し、特許文献４には、リッジ型光導波路からなる入出力導波路部とハイメサ型光導波路からなる光スイッチ主要部とを接続するため、入出力導波路部と光スイッチ主要部との間に入出力テーパー導波路部を設けて導波路形状を段階的に変化させることが記載されている。
特許第４４８５２１８号公報 特開２００６－１９５３８３号公報 特開２０１７－１２９８３４号公報 特許第３８１６９２４号公報
基板上にエピタキシャル成長させたニオブ酸リチウム膜をリッジ状に加工して光導波路を形成する場合、特許文献３に記載のように、リッジ部の高さを十分に確保し、リッジ部の左右に広がるスラブ部の膜厚を薄くすることにより、光の閉じ込めを強くすることができる。一対の電極間に電圧を印加した場合に、光導波路に十分な電界を印加することができ、半波長電圧Ｖπを低くすることができる。なお、半波長電圧Ｖπは、光出力が最大となる電圧Ｖ１と最小となる電圧Ｖ２との差Ｖ１－Ｖ２であり、駆動電圧は半波長電圧Ｖπに比例する。そのため、半波長電圧Ｖπを低くすることは低駆動電圧を意味している。
しかしながら、このような光導波路に対してＤＣバイアスを印加する場合、ＤＣドリフトが大きいため、光変調素子の寿命が短いという問題がある。ＤＣドリフトは光出力の動作点の経時変化のことである。通常、光出力の動作点は最大光出力と最小光出力の平均値となるようにＤＣバイアスにより調整されるが、リッジ部の高さを確保するためにスラブ膜厚を薄くした場合には、動作点の経時変化が大きく、大きなＤＣバイアスを印加しても動作点の調整ができない状態になるまでの時間（寿命）が短いという問題がある。
したがって、本発明の目的は、低駆動電圧化とＤＣドリフトの抑制を両立することが可能な光変調素子を提供することにある。また、本発明の他の目的は、光の伝搬損失を低減しつつＤＣドリフトを抑制することが可能な光導波路素子及びこれを用いた光変調素子を提供することにある。
本願発明者らは、ＤＣドリフトを抑制できる光変調素子の構造について鋭意研究を重ねた結果、ＤＣドリフトはリッジ導波路のスラブ膜厚に依存し、スラブ膜厚を薄くすることで光変調素子の駆動電圧を低減できる一方で、ＤＣドリフトを増加させる原因となっていることを見出した。またスラブ膜厚が異なる２つの光導波路を接続する場合、スラブ膜厚の不連続な変化によって接続損失が増加するが、２つの光導波路のリッジ幅をそれぞれ調整することにより接続損失を低減できることを見出した。
本発明はこのような技術的知見に基づくものであり、本発明による光変調素子は、基板と、前記基板上に形成された電気光学材料膜からなり、突出した部分であるリッジ部と、前記リッジ部よりも薄い膜厚を有するスラブ部とを有する光導波路とを備え、前記光導波路は、第１のリッジ幅（Ｗ１）及び第１のスラブ膜厚（Ｔｓｂ１）を有し、ＲＦ信号が印加される第１導波部と、第２のリッジ幅（Ｗ２）及び前記第１のスラブ膜厚と異なる第２のスラブ膜厚（Ｔｓｂ２）を有し、ＤＣバイアスが印加される第２導波部とを含むことを特徴とする。
本発明によれば、ＲＦ部を構成する第１導波部のスラブ膜厚とＤＣ部を構成する第２導波部のスラブ膜厚が異なるので、ＲＦ部において低駆動電圧化を図りつつ、ＤＣ部においてＤＣドリフトを抑制することができる。
本発明において、前記第２のスラブ膜厚（Ｔｓｂ２）は前記第１のスラブ膜厚（Ｔｓｂ１）よりも厚い（Ｔｓｂ２＞Ｔｓｂ１）ことが好ましい。この構成によれば、ＲＦ部において低駆動電圧を実現すると共に、ＤＣ部においてＤＣドリフトを抑制することができる。
本発明において、前記第２のリッジ幅（Ｗ２）は前記第１のリッジ幅（Ｗ１）よりも広い（Ｗ２＞Ｗ１）ことが好ましい。この構成によれば、ＤＣ部においてＤＣドリフトの抑制効果を高めることができる。
本発明において、前記第１のスラブ膜厚（Ｔｓｂ１）は０．６μｍ未満（０μｍ≦Ｔｓｂ１＜０．６μｍ）であり、前記第２のスラブ膜厚（Ｔｓｂ２）は０．６μｍ以上（Ｔｓｂ２≧０．６μｍ）であることが好ましい。この構成によれば、ＲＦ部において低駆動電圧化を図りつつ、ＤＣ部においてＤＣドリフトを抑制することができる。
本発明において、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。ニオブ酸リチウム膜からなるリッジ導波路によれば、リッジ幅を狭くしても伝搬損失を低く抑えることができ、光変調素子の小型化及び低駆動電圧化が可能である。さらに、上記のように第２導波部のスラブ膜厚を厚くすることでＤＣドリフトを抑制することができる。
本発明による光変調素子は、前記第１導波部に前記ＲＦ信号を印加する信号電極と、前記第２導波部に前記ＤＣバイアスを印加するバイアス電極とをさらに備えることが好ましい。また、前記光導波路は、入力導波路と、前記入力導波路を伝搬する光を分波する分波部と、前記分波部から延びて互いに平行に設けられた第１及び第２の導波路と、前記第１及び第２の導波路を伝搬する光を合波する合波部と、前記合波部から出力される光を伝搬する出力導波路とを有するマッハツェンダー光導波路であることが好ましい。本発明によれば、低駆動電圧化が可能でＤＣドリフトが抑制された長寿命なマッハツェンダー型光変調素子を実現することができる。
本発明によれば、低駆動電圧化とＤＣドリフトの抑制を両立することが可能な光変調素子を提供することができる。また本発明によれば、光の伝搬損失を低減しつつＤＣドリフトを抑制することが可能な光導波路素子及びこれを用いた光変調素子を提供することができる。
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態による光変調素子の構成を示す略平面図であり、図１（ａ）は光導波路のみ図示し、図１（ｂ）は進行波電極を含めた光変調素子の全体を図示している。 図２（ａ）及び（ｂ）は、光変調素子１の略断面図であって、図２（ａ）は、図１（ａ）及び（ｂ）のＸ１－Ｘ１'線に沿ったＲＦ部の断面図、図２（ｂ）は、図１（ａ）及び（ｂ）のＸ２－Ｘ２'線に沿ったＤＣ部の断面図である。 図３は、ＲＦ部とＤＣ部との間の中間部付近における導波路構造を示す略平面図及び略断面図である。 図４は、中間部における導波路構造を立体的に示す略斜視図である。 図５は、ＲＦ部側の光導波路とＤＣ部側の光導波路との間に軸ずれが生じた場合を示す略平面図である。 図６は、本発明の第２の実施の形態による光変調素子であって、ＲＦ部とＤＣ部との間の中間部付近における導波路構造を示す略平面図及び略断面図である。 図７は、図６に示した中間部における導波路構造を立体的に示す略斜視図である。 図８（ａ）～（ｃ）は、図６及び図７に示した第３中間導波部を有する導波路構造の形成方法を説明するための図である。 図９は、本発明の第３の実施の形態による光変調素子であって、ＲＦ部とＤＣ部との間の中間部付近における導波路構造を示す略平面図及び略断面図である。 図１０は、図９に示した中間部における導波路構造を立体的に示す略斜視図である。 図１１（ａ）～（ｃ）は、図９及び図１０に示した第３中間導波部を有する導波路構造の形成方法を説明するための図である。 図１２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第４の実施の形態による光変調素子の略断面図であって、図１２（ａ）は、ＲＦ部の断面図、図１２（ｂ）は、ＤＣ部の断面図である。 図１３は、ＲＦ部とＤＣ部との間の中間部付近における導波路構造を示す略平面図である。 図１４は、本発明の第５の実施の形態による光変調素子のＤＣ部の構造を示す略断面図である。 図１５は、ＲＦ部のリッジ導波路のスラブ膜厚Ｔｓｂ１と電界効率ＶπＬとの関係を示すグラフである。 図１６は、ＲＦ部側の第１中間導波部のリッジ幅Ｗ１Ｃと接続損失（ｄＢ）との関係を示すグラフである。 図１７は、第１中間導波部と第２中間導波部の軸ずれの大きさΔＷと接続損失（ｄＢ）との関係を示すグラフである。 図１８は、第３中間導波部の長さＬＣと接続損失（ｄＢ）との関係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（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態による光変調素子の構成を示す略平面図であり、図１（ａ）は光導波路のみ図示し、図１（ｂ）は進行波電極を含めた光変調素子の全体を図示している。
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、この光変調素子１は、基板１０上に形成され、互いに平行に設けられた第１及び第２の導波路２ａ，２ｂを有するマッハツェンダー光導波路２と、第１の導波路２ａに沿って設けられた第１の信号電極４ａと、第２の導波路２ｂに沿って設けられた第２の信号電極４ｂと、第１の導波路２ａに沿って設けられた第１のバイアス電極５ａと、第２の導波路２ｂに沿って設けられた第２のバイアス電極５ｂとを備えている。第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂは、第１及び第２の導波路２ａ，２ｂと共にマッハツェンダー型光変調素子のＲＦ相互作用部３ｉｒを構成している。また、第１及び第２のバイアス電極５ａ，５ｂは、第１及び第２の導波路２ａ，２ｂと共にマッハツェンダー型光変調素子のＤＣ相互作用部３ｉｄを構成している。
マッハツェンダー光導波路２は、マッハツェンダー干渉計の構造を有する光導波路素子であって、入力導波路２ｉと、入力導波路２ｉを伝搬する光を分波する分波部２ｃと、分波部２ｃから延びて互いに平行に設けられた第１及び第２の導波路２ａ，２ｂと、第１及び第２の導波路２ａ，２ｂを伝搬する光を合波する合波部２ｄと、合波部２ｄから出力される光を伝搬する出力導波路２ｏとを有している。入力導波路２ｉに入力された入力光は、分波部２ｃで分波されて第１及び第２の導波路２ａ，２ｂをそれぞれ進行した後、合波部２ｄで合波され、出力導波路２ｏから変調光として出力される。
第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂは平面視で第１及び第２の導波路２ａ，２ｂと重なる線状の電極パターンであり、その両端は基板１０の外周端付近まで引き出されている。すなわち、第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂの一端４ａ１，４ｂ１は基板１０のエッジ近傍まで引き出されて信号入力ポートを構成しており、信号入力ポートにはドライバ回路９ａが接続される。また、第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂの他端４ａ２，４ｂ２は基板１０のエッジ近傍まで引き出されると共に終端抵抗９ｂを介して互いに接続されている。これにより、第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂは、差動のコプレーナ型進行波電極として機能する。
第１及び第２のバイアス電極５ａ，５ｂは、第１及び第２の導波路２ａ，２ｂに直流電圧（ＤＣバイアス）を印加するために第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂとは独立に設けられている。第１及び第２のバイアス電極５ａ，５ｂの一端５ａ１，５ｂ１は基板１０のエッジ近傍まで引き出されてＤＣバイアス入力ポートを構成しており、ＤＣバイアスポートにはバイアス回路９ｃが接続される。本実施形態において、第１及び第２のバイアス電極５ａ，５ｂの形成領域は、第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂの形成領域よりもマッハツェンダー光導波路２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。
このように、第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂは、第１及び第２の導波路２ａ，２ｂにＲＦ信号を印加するＲＦ部３ａを構成しており、第１及び第２のバイアス電極５ａ，５ｂは、第１及び第２の導波路２ａ，２ｂにＤＣバイアスを印加するＤＣ部３ｂを構成している。ＲＦ部３ａとＤＣ部３ｂとの間の中間部３ｃには信号電極やバイアス電極は設けられていない。詳細は後述するが、中間部３ｃの光導波路は、ＲＦ部３ａの光導波路とＤＣ部３ｂの光導波路とを接続するための特別な形状を有している。
第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂの一端には、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の導波路２ａ，２ｂ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の導波路２ａ，２ｂに与えられる電界によって第１及び第２の導波路２ａ，２ｂ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導波路２ｏから出力される。
このように、本実施形態による光変調素子１は、一対の信号電極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（ａ）及び（ｂ）は、光変調素子１の略断面図であって、図２（ａ）は、図１（ａ）及び（ｂ）のＸ１－Ｘ１'線に沿ったＲＦ部３ａの断面図、図２（ｂ）は、図１（ａ）及び（ｂ）のＸ２－Ｘ２'線に沿ったＤＣ部３ｂの断面図である。
図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、光変調素子１は、基板１０、導波層１１、保護層１２、バッファ層１３、及び電極層１４がこの順で積層された多層構造を有している。
基板１０は例えばサファイア単結晶基板であり、基板１０の主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１１が形成されている。導波層１１は、突出した部分であるリッジ部１１ｒと、リッジ部１１ｒの両側に設けられた膜厚が薄い部分であるスラブ部１１ｓとを有し、リッジ部１１ｒが第１及び第２の導波路２ａ、２ｂを構成している。ＲＦ部３ａにおけるリッジ部１１ｒの幅Ｗ１（第１のリッジ幅）及びＤＣ部３ｂにおけるリッジ部１１ｒの幅Ｗ２（第２のリッジ幅）は０．５～５μｍとすることができる。本実施形態において、ＲＦ部３ａにおけるリッジ部１１ｒの幅Ｗ１はＤＣ部３ｂにおけるリッジ部１１ｒの幅Ｗ２は等しいが、異なっていてもよい。
リッジ部１１ｒは光導波路の中心となる部分である。上記のように、リッジ部１１ｒは上に突き出した場所を指す。この上に突き出した場所は、左右の場所と比較して、電気光学材料膜の膜厚が厚くなっているので、実効屈折率が高くなっている。そのため、左右方向についても光を閉じ込めることができ、３次元光導波路として機能する。リッジ部１１ｒの形状は光を導波可能とする形状であればよく、リッジ部１１ｒにおける電気光学材料膜の膜厚が、左右の電気光学材料膜の膜厚より厚い凸形状であればよい。したがって、上に凸のドーム形状、三角形状などであってもよい。リッジ部１１ｒは、電気光学材料膜上にレジストなどのマスクを形成し、電気光学材料膜を選択的にエッチングしてパターニングすることにより形成することができる。リッジ部１１ｒの幅、高さ、形状等はデバイス特性が向上するように最適化する必要がある。
通常、リッジ部１１ｒの厚さは電気光学材料膜の厚さと等しい。リッジ部１１ｒの幅（リッジ幅Ｗ１，Ｗ２）は、リッジ部１１ｒの上面の幅として定義される。図示のリッジ部１１ｒの側面は基板１０に対して垂直であるが、傾斜している場合もあるからである。リッジ部１１ｒの側面の傾斜角度は９０°に近いことが好ましいが、少なくとも７０°以上であれば足りる。このようにリッジ部１１ｒの上面の幅をリッジ幅とする場合には、リッジ部１１ｒが台形形状を有する場合でもリッジ幅を明確に定義することができる。
リッジ部１１ｒの両側に設けられたスラブ部１１ｓは、リッジ部１１ｒから左右に広がるリッジ部１１ｒよりも薄い電気光学材料膜からなる部分である。本実施形態において、スラブ部１１ｓは実質的に一定の厚さを有しているが、リッジ部１１ｒの根元付近のスラブ膜厚は安定しておらず、なだらかなテーパー形状が残留していたり、陥没していたりする場合がある。そのため、スラブ部１１ｓの厚さは、膜厚が過渡的に変化するところでの厚さではなく、リッジ部１１ｒの根元から少し離れた膜厚が安定しているところでの厚さとして定義される。
ＲＦ部３ａにおけるスラブ部１１ｓの厚さＴｓｂ１（第１のスラブ膜厚）とＤＣ部３ｂにおけるスラブ部１１ｓの厚さＴｓｂ２（第２のスラブ膜厚）は異なっている。本実施形態において、ＤＣ部３ｂにおけるスラブ部１１ｓの厚さＴｓｂ２は、ＲＦ部３ａにおけるスラブ部１１ｓの厚さＴｓｂ１よりも厚いことが好ましい。このように、ＤＣ部３ｂにおけるリッジ導波路のスラブ膜厚を厚くすることにより、ＤＣドリフトを低減することができ、光変調素子の長寿命化を図ることができる。またＲＦ部３ａにおけるリッジ導波路のスラブ膜厚を薄くしてリッジ部１１ｒの突出高さを高くすることにより、光の閉じ込めを強くして光の変調効率を向上させることができる。
保護層１２は第１及び第２の導波路２ａ、２ｂと平面視で重ならない領域に形成されている。保護層１２は、導波層１１の上面のうちリッジ部１１ｒが形成されていない領域の全面を覆っており、リッジ部１１ｒの側面も保護層１２に覆われているので、リッジ部１１ｒ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１２の厚さは導波層１１のリッジ部１１ｒの高さとほぼ同じである。保護層１２の材料は特に限定されないが、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）を用いることができる。
バッファ層１３は、第１及び第２の導波路２ａ、２ｂ中を伝搬する光が第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂに吸収されることを防ぐため、少なむともリッジ部１１ｒの上面に形成されるものである。バッファ層１３は、導波層１１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、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＬａＡｌＯ３、ＬａＹＯ３、ＺｎＯ、ＨｆＯ２、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３などを用いることができる。リッジ部１１ｒの上面上のバッファ層１３の厚さは０．２～１μｍ程度であればよい。バッファ層１３は誘電率が高い材料からなることがより好ましい。本実施形態において、バッファ層１３は、第１及び第２の導波路２ａ、２ｂの上面のみならず保護層１２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の導波路２ａ、２ｂ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。また保護層１２を省略し、導波層１１の上面全体にバッファ層１３を直接形成してもよい。
バッファ層１３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１３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１３の屈折率は低い程、バッファ層１３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、Ａｌ２Ｏ３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。ＬａＡｌＯ３は、比誘電率が約１３、屈折率が約１．７であり、またＬａＹＯ３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。
図２（ａ）のＲＦ部３ａのバッファ層１３と図２（ｂ）のＤＣ部３ｂのバッファ層１３とを異なる材料で構成してもよい。ＲＦ部３ａのバッファ層１３にはＲＦ部３ａの特性を最適化できるバッファ層材料、ＤＣ部３ｂのバッファ層１３にはＤＣドリフトを低減できるバッファ層材料を用いることで、各特性を最適化できる。ＤＣドリフトを低減できるバッファ層材料としては、例えば、酸化シリコンとインジウムの酸化物を含む材料を挙げることができる。
図２（ａ）に示すように、ＲＦ部３ａの電極層１４には、第１の信号電極４ａ及び第２の信号電極４ｂが設けられている。第１の信号電極４ａは、第１の導波路２ａ内を進行する光を変調するために第１の導波路２ａに対応するリッジ部１１ｒに重ねて設けられ、バッファ層１３を介して第１の導波路２ａと対向している。第２の信号電極４ｂは、第２の導波路２ｂ内を進行する光を変調するために第２の導波路２ｂに対応するリッジ部１１ｒに重ねて設けられ、バッファ層１３を介して第２の導波路２ｂと対向している。
図２（ｂ）に示すように、ＤＣ部３ｂにおける電極層１４には、第１のバイアス電極５ａ及び第２のバイアス電極５ｂが設けられている。第１のバイアス電極５ａは、第１の導波路２ａ内を進行する光にバイアス電界するために第１の導波路２ａに対応するリッジ部１１ｒに重ねて設けられ、バッファ層１３を介して第１の導波路２ａと対向している。第２のバイアス電極５ｂは、第２の導波路２ｂ内を進行する光にバイアス電界するために第２の導波路２ｂに対応するリッジ部１１ｒに重ねて設けられ、バッファ層１３を介して第２の導波路２ｂと対向している。
図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１及び第２の導波路２ａ、２ｂの進行方向と直交する断面において、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４ａ，４ｂから第１及び第２の導波路２ａ、２ｂ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。なお、本発明において電極構造は特に限定されず、いわゆるシングル駆動型の電極構造であってもよく、グランド電極の有無及びレイアウトも特に限定されない。
導波層１１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（ＬｉＮｂＯ３）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、光変調素子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１１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１０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、下地の基板もしくは下地膜の結晶方位に対して、揃って配向している膜のことである。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。例えば、第１に２θ－θＸ線回折による配向位置でのピーク強度の確認と、第２に極点の確認を行うことで、エピタキシャル膜を証明できる。
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揃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。ＬｉＮｂＯ３は三方晶系の結晶構造であるため、単結晶におけるＬｉＮｂＯ３（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１０やバッファ層１３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（２ａ、２ｂ）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ことが望ましい。ニオブ酸リチウムのｃ軸が基板１０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Ｙ２Ｏ３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（ａ）に示すように、第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂの幅は、リッジ状に形成されたニオブ酸リチウム膜からなる第１及び第２の導波路２ａ、２ｂのリッジ幅Ｗ１よりも少し広い程度である。第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂからの電界を第１及び第２の導波路２ａ、２ｂに集中させるためには、第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂの幅は、第１及び第２の導波路２ａ，２ｂのリッジ幅Ｗ１の１．１～１５倍であることが好ましく、１．５～１０倍であることがより好ましい。
図２（ｂ）に示すように、第１及び第２のバイアス電極５ａ，５ｂの幅は、リッジ状に形成されたニオブ酸リチウム膜からなる第１及び第２の導波路２ａ、２ｂのリッジ幅Ｗ２よりも少し広い程度である。第１及び第２のバイアス電極５ａ，５ｂからの電界を第１及び第２の導波路２ａ、２ｂに集中させるためには、第１及び第２のバイアス電極５ａ，５ｂの幅は、第１及び第２の導波路２ａ，２ｂのリッジ幅Ｗ２の１．１～１５倍であることが好ましく、１．５～１０倍であることがより好ましい。
図２（ｂ）に示すＤＣ部３ｂにおける第１及び第２の導波路２ａ、２ｂのスラブ部１１ｓは、図２（ａ）に示すＲＦ部３ａにおける第１及び第２の導波路２ａ，２ｂのスラブ部１１ｓよりも厚く形成されている。このように、ＤＣ部３ｂにおけるリッジ導波路のスラブ膜厚Ｔｓｂ２を厚くすることにより、ＤＣドリフトを低減することができる。またＲＦ部３ａにおけるリッジ導波路のスラブ膜厚Ｔｓｂ１を薄くすることにより、光導波路を伝搬する光の閉じ込めを強くして変調効率を高めることができ、できるだけ低い電圧で駆動することが可能となる。
ＤＣ部３ｂにおけるスラブ膜厚を厚くすることによりＤＣドリフトが低減される理由は明らかではないが、ニオブ酸リチウム膜をリッジ形状に加工したときに生じるダメージがＤＣドリフトに影響を与えているのではないかと推察される。スラブ膜厚を薄くする（リッジ部の突出高さを高くする）ためにはニオブ酸リチウム膜の上面をより深く掘り下げる必要があり、被加工面にはより多くのダメージが残る。一方、スラブ膜厚を厚くする（リッジ部の突出高さを低くする）場合にはニオブ酸リチウム膜の加工量が少ないので、被加工面のダメージは少ない。そのため、ＤＣドリフトが低減され、ＤＣ部３ｂの寿命が長くなると考えられる。
ＲＦ部３ａ及びＤＣ部３ｂの両方において第１及び第２の導波路２ａ，２ｂを構成するリッジ部１１ｒの突出高さを相対的に高くし、リッジ部１１ｒの両側に形成されるスラブ部１１ｓの厚さＴｓｂ１，Ｔｓｂ２（スラブ膜厚）を薄くする場合、光導波路を伝搬する光の閉じ込めを強くしてできるだけ低い電圧で駆動することが可能となる。しかし、ＤＣ部３ｂにおいてそのような導波路構造を採用するとＤＣドリフトが大きくなり、光変調素子を長寿命化することができない。一方、ＲＦ部３ａ及びＤＣ部３ｂの両方においてリッジ部１１ｒの突出高さを低くし、スラブ部１１ｓの厚さＴｓｂ１，Ｔｓｂ２（スラブ膜厚）を厚くする場合、ＤＣドリフトを小さくすることができるが、半波長電圧Ｖπが高くなり、低電圧で駆動することができない。
しかし、本実施形態のようにＤＣ部３ｂにおける光導波路のスラブ膜厚をＲＦ部３ａと異ならせ、ＤＣ部３ｂのスラブ膜厚を相対的に厚くし、ＲＦ部３ａのスラブ膜厚を相対的に薄くすることにより、ＤＣ部３ｂにおけるＤＣドリフト抑制効果とＲＦ部３ａにおける低駆動電圧化を両立させることができる。
ＲＦ部３ａにおける第１及び第２の導波路２ａ，２ｂのスラブ膜厚Ｔｓｂ１とＤＣ部３ｂにおける第１及び第２の導波路２ａ，２ｂのスラブ膜厚Ｔｓｂ１が異なる場合、両者を単純に接続すると導波路形状の不整合により接続損失が大きくなる。そのため、本実施形態においては、ＲＦ部３ａとＤＣ部３ｂとの間の中間部３ｃに導波路の整合性を高めるための中間導波部が設けられる。以下、中間導波部の構成について詳細に説明する。
図３は、ＲＦ部３ａとＤＣ部３ｂとの間の中間部３ｃ付近における導波路構造を示す略平面図及び略断面図である。また、図４は、中間部３ｃにおける導波路構造を立体的に示す略斜視図である。
図３及び図４に示すように、第１及び第２の導波路２ａ，２ｂの各々は、ＲＦ部３ａの光導波路である第１導波部２１ａと、ＤＣ部３ｂの光導波路である第２導波部２１ｂと、中間部３ｃのＲＦ部３ａ寄りに設けられ、第１導波部２１ａに接続された第１中間導波部２２ａと、中間部３ｃのＤＣ部３ｂ寄りに設けられ、第２導波部２１ｂに接続された第２中間導波部２２ｂとを有している。すなわち、第１及び第２の導波路２ａ，２ｂは、ＲＦ部３ａ側からＤＣ部３ｂ側に向かって第１導波部２１ａ、第１中間導波部２２ａ、第２中間導波部２２ｂ、第２導波部２１ｂがこの順で配置された構成を有している。
第１導波部２１ａは、リッジ幅Ｗ１及びスラブ膜厚Ｔｓｂ１を有し、第２導波部２１ｂは、リッジ幅Ｗ２（＝Ｗ１）及びスラブ膜厚Ｔｓｂ２（＞Ｔｓｂ１）を有している。このようなスラブ膜厚が異なり且つリッジ幅が狭い第１導波部２１ａと第２導波部２１ｂとを直接接続しようとすると、境界部の不整合により光の伝搬損失が大きくなる。そこで本実施形態では、ＲＦ部３ａ側の第１導波部２１ａとＤＣ部３ｂ側の第２導波部２１ｂとの間に第１中間導波部２２ａ及び第２中間導波部２２ｂを設けて光の伝搬損失の低減を図っている。
第１中間導波部２２ａは、第１導波部２１ａに接続されたリッジ導波路であり、第１導波部２１ａと同じスラブ膜厚Ｔｓｂ１を有するが、第１導波部２１ａよりも広いリッジ幅Ｗ１Ｃ（第３のリッジ幅）を有している。第１中間導波部２２ａは、第１導波部２１ａのリッジ幅を広げるために設けられており、第２導波部２１ｂに向かってリッジ幅が徐々に増加するリッジ幅拡大部を有している。このように、第２中間導波部２２ｂとの接続位置において、第１中間導波部２２ａは第１導波部２１ａよりも広いリッジ幅Ｗ１Ｃ（＞Ｗ１）を有している。
第２中間導波部２２ｂは、第２導波部２１ｂに接続されたリッジ導波路であり、第２導波部２１ｂと同じスラブ膜厚Ｔｓｂ２を有するが、第２導波部２１ｂよりも広いリッジ幅Ｗ２Ｃ（第４のリッジ幅）を有している。第２中間導波部２２ｂは、第２導波部２１ｂのリッジ幅を広げるために設けられており、第１導波部２１ａに向かってリッジ幅が徐々に増加するリッジ幅拡大部を有している。このように、第１中間導波部２２ａとの接続位置において、第２中間導波部２２ｂは第２導波部２１ｂよりも広いリッジ幅Ｗ２Ｃ（＞Ｗ２）を有している。
第１中間導波部２２ａのリッジ幅Ｗ１Ｃは、第２中間導波部２２ｂのリッジ幅Ｗ２Ｃよりも広い。そのため、第１中間導波部２２ａと第２中間導波部２２ｂとの境界位置では光導波路のリッジ幅及びスラブ膜厚が不連続に変化している。スラブ膜厚が互いに異なるＲＦ部３ａ側の第１導波部２１ａとＤＣ部３ｂ側の第２導波部２１ｂとを接続する場合、光導波路内を伝搬する光のスポットサイズが異なるため、境界位置において接続損失が増加する。しかし、スラブ膜厚が相対的に薄いＲＦ部３ａ側の光導波路のリッジ幅Ｗ１Ｃを広くし、スラブ膜厚が相対的に厚いＤＣ部３ｂ側の光導波路のリッジ幅Ｗ２Ｃを狭くすることにより、第１導波部２１ａと第２導波部２１ｂとの境界での光のスポットサイズを揃えることができ、これにより接続損失を低減することができる。
第１中間導波部２２ａのリッジ幅Ｗ１Ｃは、第２中間導波部２２ｂのリッジ幅Ｗ２Ｃよりも大きく、第２中間導波部２２ｂのリッジ幅Ｗ２Ｃの２倍よりも小さいことが好ましい（Ｗ２Ｃ＜Ｗ１Ｃ＜２×Ｗ２Ｃ）。第１中間導波部２２ａのリッジ幅Ｗ１Ｃが大きすぎることによる接続損失の増加を防止することができる。
通常、リッジ幅が変化する光導波路の形成は容易であり、一回のパターニングによってリッジ幅が連続的に変化するテーパー形状の光導波路を形成できるので、リッジ幅が不連続な光導波路を形成する必要はない。しかし、スラブ膜厚が異なる光導波路の形成では加工条件が異なる２回のパターニングプロセスが必要であり、２本の光導波路を正確に位置合わせすることは簡単ではない。そのため、本実施形態では、スラブ膜厚が互いに異なるＲＦ部３ａ側の光導波路の加工とＤＣ部３ｂ側の光導波路の加工とを別々に行うと共に、ＲＦ部３ａ側の光導波路及びＤＣ部３ｂ側の光導波路の接続部近傍におけるリッジ幅を広げて両者を接続する。これにより、接続損失を低減することが可能となるが、リッジ幅及びスラブ膜厚が不連続なリッジ導波路が形成される。
図５は、ＲＦ部３ａ側の光導波路とＤＣ部３ｂ側の光導波路との間に軸ずれが生じた場合を示す略平面図である。
リッジ導波路のスラブ膜厚を異ならせるためにＲＦ部３ａ側の導波路パターン（第１導波部２１ａ及び第１中間導波部２２ａ）とＤＣ部３ｂ側の導波路パターン（第２導波部２１ｂ及び第２中間導波部２２ｂ）を別々に加工した場合、図５に示すように、導波路パターンの位置ずれ（軸ずれ）が生じる場合がある。しかし、本実施形態のように第１中間導波部２２ａ及び第２中間導波部２２ｂのリッジ幅を広げることにより、軸ずれによる導波路の断面積の縮小を防止することができ、導波路パターンの加工ばらつきに起因する光の伝搬損失を低減することができる。
以上説明したように、本実施形態による光変調素子１は、ＤＣ部３ｂの光導波路のスラブ膜厚Ｔｓｂ２がＲＦ部３ａの光導波路のスラブ膜厚Ｔｓｂ１よりも大きいので、ＲＦ部３ａにおいて低駆動電圧を実施しつつ、ＤＣドリフトを低減することができる。
また、本実施形態による光変調素子１は、スラブ膜厚が互いに異なるＲＦ部３ａの光導波路（第１導波部２１ａ）とＤＣ部３ｂの光導波路（第２導波部２１ｂ）とを接続するため、ＲＦ部３ａとＤＣ部３ｂとの間の中間部３ｃにリッジ幅が変化する第１中間導波部２２ａ及び第２中間導波部２２ｂを設け、ＲＦ部３ａ側の第１中間導波部２２ａのリッジ幅Ｗ１ＣをＤＣ部３ｂ側の第２中間導波部２２ｂのリッジ幅Ｗ２Ｃよりも広くしているので、第１導波部２１ａを伝搬する光のスポットサイズと第２導波部２１ｂを伝搬する光のスポットサイズを整合させて伝搬損失を低減することができる。
図６は、本発明の第２の実施の形態による光変調素子であって、ＲＦ部３ａとＤＣ部３ｂとの間の中間部３ｃ付近における導波路構造を示す略平面図及び略断面図である。また、図７は、図６に示した中間部３ｃにおける導波路構造を立体的に示す略斜視図である。
図６及び図７に示すように、この光変調素子１の特徴は、第１中間導波部２２ａと第２中間導波部２２ｂとの間に第３中間導波部２２ｃが設けられている点にある。第３中間導波部２２ｃは、第１中間導波部２２ａと同じリッジ幅Ｗ１Ｃを有するリッジ下部と、第２中間導波部２２ｂと同じリッジ幅Ｗ２Ｃを有するリッジ上部からなる２段構造のリッジ部１１ｒと、この２段構造のリッジ部１１ｒの両側に形成されたスラブ部１１ｓとを有し、スラブ膜厚Ｔｓｂ３は第１導波部２１ａのスラブ膜厚Ｔｓｂ１よりもさらに薄く形成されている。本実施形態において、第３中間導波部２２ｃは薄いスラブ部１１ｓを有するリッジ導波路であるが、スラブ部１１ｓが完全に消滅した導波路構造であってもよい。
第３中間導波部２２ｃの長さＬＣは３μｍ以下であることが好ましい。第３中間導波部２２ｃが長すぎると伝搬損失が増加するからである。
図８（ａ）～（ｃ）は、図６及び図７に示した第３中間導波部２２ｃを有する導波路構造の形成方法を説明するための図である。
図８（ａ）～（ｃ）に示すように、第３中間導波部２２ｃを有する導波路構造は、ＲＦ部３ａの導波路パターンを形成するための加工領域とＤＣ部３ｂの導波路パターンを形成するための加工領域をその境界近傍で部分的に重ね合わせることで形成することができる。
詳細には、まず図８（ａ）に示すように、ＤＣ部３ｂの形成領域２５ｂの略全面をマスク３０ｂで覆った後にＲＦ部３ａの形成領域２５ａ内の電気光学材料膜をミリング等により加工してＲＦ部３ａの導波路パターンである第１導波部２１ａ及び第１中間導波部２２ａを形成する。このとき、マスク３０ｂのエッジＥｂが境界線Ｂよりも手前側に位置し、ＲＦ部３ａの形成領域２５ａ側にはみ出していないので、境界線Ｂ付近におけるＤＣ部３ｂの形成領域２５ｂにはリッジ加工が施される。ＲＦ部３ａの加工では、例えば加工時間を長くすることにより薄いスラブ部が形成される。
次に、図８（ｂ）に示すように、ＲＦ部３ａの形成領域２５ａの略全面をマスク３０ａで覆った後にＤＣ部３ｂの形成領域２５ｂ内の電気光学材料膜をミリング等により加工してＤＣ部３ｂの導波路パターンである第２導波部２１ｂ及び第２中間導波部２２ｂを形成する。このとき、マスク３０ａのエッジＥａが境界線Ｂよりも手前側に位置し、ＤＣ部３ｂの形成領域２５ｂ側にはみ出していないので、境界線Ｂ付近におけるＲＦ部３ａの形成領域２５ａにはリッジ加工が施される。ＤＣ部３ｂの加工では、例えば加工時間を短くすることにより厚いスラブ部が形成される。
このように、ＲＦ部３ａの形成領域２５ａとＤＣ部３ｂの形成領域２５ｂとの境界線Ｂの近傍では、リッジ加工が二重に施されることにより、図８（ｃ）に示すように、第１中間導波部２２ａ及び第２中間導波部２２ｂと断面形状が異なる第３中間導波部２２ｃが形成される。なお、図８では、ＲＦ部３ａ、ＤＣ部３ｂの順に加工しているが、この逆に、ＤＣ部３ｂ、ＲＦ部３ａの順に加工しても同様の結果が得られる。
本実施形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。すなわち、ＲＦ部３ａ側の第１中間導波部２２ａのリッジ幅Ｗ１ＣをＤＣ部３ｂ側の第２中間導波部２２ｂのリッジ幅Ｗ２Ｃよりも広くしているので、第１導波部２１ａを伝搬する光のスポットサイズと第２導波部２１ｂを伝搬する光のスポットサイズを整合させて伝搬損失を低減することができる。
図９は、本発明の第３の実施の形態による光変調素子であって、ＲＦ部３ａとＤＣ部３ｂとの間の中間部３ｃ付近における導波路構造を示す略平面図及び略断面図である。また、図１０は、図９に示した中間部３ｃにおける導波路構造を立体的に示す略斜視図である。
図９及び図１０に示すように、この光変調素子１の特徴は、第１中間導波部２２ａと第２中間導波部２２ｂとの間に第３中間導波部２２ｃが設けられており、第３中間導波部２２ｃはリッジ形状を有しない未加工の導波層１１からなる点にある。すなわち、第３中間導波部２２ｃは、導波路形状を有しない領域である。その他の構成は第２の実施の形態と同様である。
図１１（ａ）～（ｂ）は、図９及び図１０に示した第３中間導波部２２ｃを有する導波路構造の形成方法を説明するための図である。
図１１（ａ）～（ｃ）に示すように、第３中間導波部２２ｃを有する導波路構造は、ＲＦ部３ａの導波路パターンを形成するための加工領域とＤＣ部３ｂの導波路パターンを形成するための加工領域をその境界近傍で重ならないようにすることで形成することができる。
詳細には、まず図１１（ａ）に示すように、ＤＣ部３ｂの形成領域２５ｂの略全面をマスク３０ｂで覆った後にＲＦ部３ａの形成領域２５ａ内の電気光学材料膜をミリング等により加工してＲＦ部３ａの導波路パターンである第１導波部２１ａ及び第１中間導波部２２ａを形成する。このとき、マスク３０ｂのエッジＥｂが境界線Ｂよりも奥側に位置し、ＲＦ部３ａの形成領域２５ａ側にはみ出しているので、境界線Ｂ付近におけるＲＦ部３ａの形成領域２５ａには未加工領域が形成される。ＲＦ部３ａの加工では、例えば加工時間を長くすることにより薄いスラブ部が形成される。
次に、図１１（ｂ）に示すように、ＲＦ部３ａの形成領域２５ａの略全面をマスク３０ａで覆った後にＤＣ部３ｂの形成領域２５ｂ内の電気光学材料膜をミリング等により加工してＤＣ部３ｂの導波路パターンである第２導波部２１ｂ及び第２中間導波部２２ｂを形成する。このとき、マスク３０ａのエッジＥａが境界線Ｂよりも奥側に位置し、ＤＣ部３ｂの形成領域２５ｂ側にはみ出しているので、境界線Ｂ付近におけるＲＦ部３ａの形成領域２５ａには未加工領域が形成される。ＤＣ部３ｂの加工では、例えば加工時間を短くすることにより厚いスラブ部が形成される。
このように、ＲＦ部３ａの形成領域２５ａとＤＣ部３ｂの形成領域２５ｂとの境界線Ｂの近傍に未加工領域が形成されることにより、図１１（ｃ）に示すように、第１中間導波部２２ａ及び第２中間導波部２２ｂと断面形状が異なる第３中間導波部２２ｃが形成される。
本実施形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。すなわち、ＲＦ部３ａ側の第１中間導波部２２ａのリッジ幅Ｗ１ＣをＤＣ部３ｂ側の第２中間導波部２２ｂのリッジ幅Ｗ２Ｃよりも広くしているので、第１導波部２１ａを伝搬する光のスポットサイズと第２導波部２１ｂを伝搬する光のスポットサイズを整合させて伝搬損失を低減することができる。
図１２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第４の実施の形態による光変調素子の略断面図であって、図１２（ａ）は、ＲＦ部３ａの断面図、図１２（ｂ）は、ＤＣ部３ｂの断面図である。また、図１３は、ＲＦ部３ａとＤＣ部３ｂとの間の中間部３ｃ付近における導波路構造を示す略平面図である。
図１２（ａ）及び（ｂ）及び図１３に示すように、この光変調素子１の特徴は、ＲＦ部３ａにおける第１及び第２の導波路２ａ，２ｂ（第１導波部２１ａ）のリッジ幅Ｗ１とＤＣ部３ｂにおける第１及び第２の導波路２ａ，２ｂ（第２導波部２１ｂ）のリッジ幅Ｗ２が異なる点にある。本実施形態において、ＤＣ部３ｂにおける第１及び第２の導波路２ａ，２ｂ（第２導波部２１ｂ）のリッジ幅Ｗ２は、ＲＦ部３ａにおける第１及び第２の導波路２ａ，２ｂ（第１導波部２１ａ）のリッジ幅Ｗ１よりも広い。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。本実施形態による光変調素子１は、第１の実施の形態と同様の効果を奏するだけでなく、ＤＣドリフトの低減効果を高めることができる。
図１４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第５の実施の形態による光変調素子の略断面図であって、図１４（ａ）は、ＲＦ部３ａの断面図、図１４（ｂ）は、ＤＣ部３ｂの断面図である。
図１４（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態による光変調素子１の特徴は、ＤＣ部３ｂにおいて保護層１２が省略されている点にある。すなわち、光変調素子１のＤＣ部３ｂは、基板１０、導波層１１、バッファ層１３、及び電極層１４がこの順で積層された多層構造を有している。バッファ層１３は、リッジ部１１ｒの上面のみならず側面を覆うように導波層１１の全面に形成される。そのため、リッジ部１１ｒの両側のスラブ部１１ｓの上面もバッファ層１３に覆われている。
ＤＣ部３ｂにおいて保護層１２を省略する場合、ＤＣ部３ｂのバッファ層１３は、ＲＦ部３ａのバッファ層１３と異なる誘電体材料からなることが好ましく、ＲＦ部３ａの保護層１２と同じ誘電体材料からなることが好ましい。すなわち、ＲＦ部３ａの保護層１２と同じ誘電体材料を用いてＤＣ部３ｂのバッファ層１３を形成することが好ましい。なおＤＣ部３ｂにおいて保護層１２を省略する構成は、図２に示したＤＣ部３ｂの保護層１２及びバッファ層１３を同じ材料で構成することと等価である。
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、一対の光導波路を有するマッハツェンダー光導波路に対して一対の信号電極を設けたデュアル駆動型の光変調素子を例に挙げたが、本発明はこのような光変調素子に限定されるものではなく、ＲＦ部３ａとＤＣ部３ｂを有する種々の光変調素子を対象とすることができる。
また、上記実施形態においては、基板１０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を有する光変調素子を挙げたが、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して低駆動電圧化できる一方でＤＣドリフトの問題が顕著であり、本発明の効果が大きい。また、導波層１１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。
（ＲＦ部３ａのスラブ膜厚の評価）
ＲＦ部３ａにおけるリッジ導波路のスラブ膜厚Ｔｓｂ１が電界効率ＶπＬに与える影響をシミュレーションにより評価した。ニオブ酸リチウム膜からなる導波層１１の厚さを１．５μｍとし、リッジ導波路のスラブ膜厚Ｔｓｂ１を変化させたときの電界効率ＶπＬを求めた。その結果、図１５に示すように、リッジ導波路のスラブ膜厚Ｔｓｂ１が約０．３μｍのときにＶπＬが最小となった。またスラブ膜厚Ｔｓｂ２が０．６μｍ以下であればＶπＬを２．２Ｖｃｍ以下とすることができ、好ましい範囲となった。
（ＤＣ部のスラブ膜厚の評価）
ＤＣ部３ｂにおけるリッジ導波路のスラブ膜厚Ｔｓｂ２がＤＣドリフトに与える影響を評価した。この評価試験では８０℃の温度下でバイアス電極に一定のバイアス電圧を印加しながらＤＣドリフト量を測定し、評価試験を開始してからＤＣドリフト量が５０％を超えるまでに要した時間（寿命）を測定した。このときのニオブ酸リチウム膜からなる導波層１１の厚さは１．５μｍとした。その結果、スラブ膜厚Ｔｓｂ２が０．３μｍのときの寿命は約１時間、０．６μｍのときの寿命は約８４時間であった。一方、スラブ膜厚Ｔｓｂ２が１．１μｍのときの寿命は１０００時間を超える良好な結果となった。
（第１及び第２中間導波部のリッジ幅の評価）
図３及び図４に示す導波路構造において、第１中間導波部２２ａのリッジ幅Ｗ１Ｃを変化させたときの接続損失（ｄＢ）の変化をシミュレーションにより評価した。ニオブ酸リチウム膜からなる導波層１１の厚さを１．５μｍとし、第２中間導波部２２ｂのリッジ幅Ｗ２Ｃ＝２．５μｍ、第１中間導波部２２ａのスラブ膜厚Ｔｓｂ１＝０．４μｍ、第２中間導波部２２ｂのスラブ膜厚Ｔｓｂ２＝１．１μｍとした。その結果、図１６に示すように、リッジ幅Ｗ１Ｃが３～４．５μｍの範囲で接続損失が最小になり、スラブ膜厚が異なるリッジ導波路の接続損失が低減されることを確認できた。
（光導波路の軸ずれの評価）
図１１に示す光導波路の軸ずれの大きさΔＷが接続損失（ｄＢ）に与える影響をシミュレーションにより評価した。ニオブ酸リチウム膜からなる導波層１１の厚さを１．５μｍとし、第１及び第２中間導波部２２ａ，２２ｂのリッジ幅（Ｗ１Ｃ，Ｗ２Ｃ）の組み合わせを（１．２μｍ，２．５μｍ）、（２．５μｍ，２．５μｍ）、（３．８μｍ，２．５μｍ）、（４．２μｍ，３μｍ）、（５．２μｍ，４μｍ）の５通りとした。また、第１中間導波部２２ａのスラブ膜厚Ｔｓｂ１＝０．４μｍ、第２中間導波部２２ｂのスラブ膜厚Ｔｓｂ２＝１．１μｍとした。
その結果、図１７に示すように、光導波路の軸ずれがないときの接続損失は、第１及び第２中間導波部２２ａ，２２ｂのリッジ幅Ｗ１Ｃ，Ｗ２Ｃが狭いほど大きくなる傾向がみられた。また軸ずれが大きくなるほど接続損失は増加し、第１及び第２中間導波部２２ａ，２２ｂのリッジ幅（Ｗ１Ｃ，Ｗ２Ｃ）が（１．２μｍ，２．５μｍ）のとき、軸ずれに対する接続損失の増加率は最も大きく、第１及び第２中間導波部２２ａ，２２ｂのリッジ幅（Ｗ１Ｃ，Ｗ２Ｃ）が（５．２μｍ，４μｍ）のとき、軸ずれに対する接続損失の増加率は最も小さくなった。すなわち、第１及び第２中間導波部２２ａ，２２ｂのリッジ幅Ｗ１Ｃ，Ｗ２Ｃが狭いほど接続損失の増加率は高くなった。
（第３中間導波部の影響の評価）
図６～図１１に示した第３中間導波部２２ｃの存在が接続損失（ｄＢ）に与える影響をシミュレーションにより評価した。ニオブ酸リチウム膜からなる導波層１１の厚さを１．５μｍとし、第１中間導波部２２ａのスラブ膜厚Ｔｓｂ１＝０．４μｍ、第２中間導波部２２ｂのスラブ膜厚Ｔｓｂ２＝１．１μｍとした。さらに、第１及び第２中間導波部２２ａ，２２ｂのリッジ幅（Ｗ１Ｃ，Ｗ２Ｃ）の組み合わせを（３．８μｍ，２．５μｍ）、（４．２μｍ，３μｍ）、（５．２μｍ，４μｍ）の３パターンとし、これらのパターンに対して図６～図８に示したスラブ膜厚が薄い（ここではスラブ膜厚がゼロ）場合と、図９～図１１に示した導波路構造がない場合を組み合わせて評価した。
その結果、図１８に示すように、第３中間導波部２２ｃが長くなるほど接続損失は増加した。特に、図９～図１１に示した導波路構造を有しない第３中間導波部２２ｃは、図６～図８に示したスラブ部がない導波路構造の第３中間導波部２２ｃよりも接続損失の増加率が高かった。しかし、いずれの構造も第３中間導波部２２ｃの長さが３μｍ以下であれば接続損失は０．２ｄＢ以下であった。長さが３μｍ以下の第３中間導波部２２ｃを作製することは十分に可能であり、実用上問題ないレベルである。
１ 光変調素子
２ マッハツェンダー光導波路
２ａ 第１の導波路
２ｂ 第２の導波路
２ｃ 分波部
２ｄ 合波部
２ｉ 入力導波路
２ｏ 出力導波路
３ａ ＲＦ部
３ｂ ＤＣ部
３ｃ 中間部
３ｉｄ ＤＣ相互作用部
３ｉｒ ＲＦ相互作用部
４ａ 第１の信号電極
４ａ１ 第１の信号電極の一端
４ａ２ 第１の信号電極の他端
４ｂ 第２の信号電極
４ｂ１ 第１の信号電極の一端
４ｂ２ 第１の信号電極の他端
５ａ 第１のバイアス電極
５ａ１ 第１のバイアス電極の一端
５ｂ 第２のバイアス電極
５ｂ１ 第２のバイアス電極の一端
９ 終端抵抗
９ａ ドライバ回路
９ｃ バイアス回路
１０ 基板
１１ 導波層
１１ｒ リッジ部
１１ｓ スラブ部
１２ 保護層
１３ バッファ層
１４ 電極層
２１ａ 第１導波部
２１ｂ 第２導波部
２２ａ 第１中間導波部
２２ｂ 第２中間導波部
２２ｃ 第３中間導波部
３０ａ マスク
３０ｂ マスク

Claims (6)

  1. 基板と、
    前記基板上に形成された電気光学材料膜からなり、突出した部分であるリッジ部と、前記リッジ部よりも薄い膜厚を有するスラブ部とを有する光導波路とを備え、
    前記光導波路は、
    第１のリッジ幅及び第１のスラブ膜厚を有し、ＲＦ信号が印加される第１導波部と、
    第２のリッジ幅及び前記第１のスラブ膜厚と異なる第２のスラブ膜厚を有し、ＤＣバイアスが印加される第２導波部とを含み、
    前記第２のリッジ幅は前記第１のリッジ幅よりも広いことを特徴とする光変調素子。
  2. 前記第２のスラブ膜厚は前記第１のスラブ膜厚よりも厚い、請求項１に記載の光変調素子。
  3. 前記第１のスラブ膜厚は０．６μｍ未満であり、
    前記第２のスラブ膜厚は０．６μｍ以上である、請求項１又は２に記載の光変調素子。
  4. 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３のいずれか一項に記載の光変調素子。
  5. 前記第１導波部に前記ＲＦ信号を印加する信号電極と、
    前記第２導波部に前記ＤＣバイアスを印加するバイアス電極とをさらに備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光変調素子。
  6. 前記光導波路は、入力導波路と、前記入力導波路を伝搬する光を分波する分波部と、前記分波部から延びて互いに平行に設けられた第１及び第２の導波路と、前記第１及び第２の導波路を伝搬する光を合波する合波部と、前記合波部から出力される光を伝搬する出力導波路とを有するマッハツェンダー光導波路である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光変調素子。
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