JPH11316359A

JPH11316359A - 光制御デバイス

Info

Publication number: JPH11316359A
Application number: JP12332498A
Authority: JP
Inventors: Osamu Mitomi; 修三冨; Hiroshi Miyazawa; 弘宮沢; Kazuto Noguchi; 一人野口
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1998-05-06
Filing date: 1998-05-06
Publication date: 1999-11-16

Abstract

(57)【要約】【課題】速度整合、特性インピーダンス整合をとると
共に、電極の導体損失を大幅に低減することにより、低
駆動電圧で高速動作が可能な光制御デバイスを提供す
る。【解決手段】少なくとも１本の光導波路を表面近傍に
備え、かつ光導波路の近傍の表面を掘り込んだリッジ形
状とした電気光学効果を有する基板と、基板表面上に形
成されたバッファ層と、１本の光導波路直上にバッファ
層を介して形成された中心導体とこの中心導体が形成さ
れた光導波路近傍に形成された接地導体よりなる電極と
を有する光制御デバイスである。光制御デバイスは、電
極のうち、少なくとも中心導体がバッファ層に接する第
１の電極層と当該第１の電極層の上部に形成された１層
または複数層からなる第２の電極層からなり、第２の電
極層の幅が第１の電極層の幅より大きい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光制御デバイスに関
し、特に、製作が容易で、周波数特性が極めて広帯域か
つ低駆動電圧特性を有する光変調器、光スイッチ等の光
制御デバイスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光通信システムや光応用計測技術におい
ては、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃ ：ＬＮ）
結晶のような電気光学効果を有する強誘電体を利用し
て、光変調器、光スイッチあるいは偏波制御器のよう
な、電気信号によって光の変調、スイッチング、偏波制
御等を行う光制御デバイスが多く用いられている。

【０００３】ＬＮ結晶を用いた従来の進行波形高速光強
度変調器の構成例を図１（ａ）、（ｂ）に示す。図１
（ａ）はコプレーナ線路形変調電極を用いた光変調器の
上面図、（ｂ）は光変調器中央部のＡ−Ａ′線に沿った
断面図である。この例では、電気光学効果を持つｚカッ
ト−ＬＮ基板１０１にＴｉの熱拡散によりマッハ−ツェ
ンダ形光導波路１０２が形成され、基板のその周辺部は
数μｍの深さ掘り込まれ、光導波路はリッジ構造となっ
ている。基板１０１の表面上には、変調電極による光の
伝搬損失を抑制するために、厚さｔｂの、例えばＳｉＯ
₂ のような誘電体よりなるバッファ層（光導波路のクラ
ッド層）１０３が形成され、バッファ層１０３上にＡ
ｕ、Ａｌ等の中心導体１０４および接地導体１０５から
構成されるコプレーナ線路変調電極が形成されている。

【０００４】このような従来の変調器において、変調信
号の伝搬速度と光導波路を伝わる光波の速度が一致して
いない場合、変調器の動作帯域は主にこの速度不整合に
よって制限される。マイクロ波変調信号に対する電極の
実効屈折率をｎ_m 、光導波路の実効屈折率をｎ_o （波長
λ＝１．５５μｍ帯ではｎ_o ＝２．１５）とすると、イ
ンピーダンス整合（通常、特性インピーダンスＺ＝５０
Ω）がとれているとき、光変調器の帯域幅Δｆ₁ （エレ
クトリカル３ｄＢ）は、

【０００５】

【数１】 Δｆ₁ ＝１．４ｃ／（π｜ｎ_m −ｎ_o ｜Ｌ）（１）の関係で与えられることが知られている。ここで、ｃは
真空中の光速、Ｌは変調電極の相互作用長である。変調
器の駆動電圧Ｖπの大きさは変調電極長Ｌに反比例する
関係がある。従って、式（１）の関係から、駆動電圧を
大きくすることなく広帯域化を図るためには、電極の特
性インピーダンスＺを５０Ωに近い値とし、さらにｎ_m
の大きさをｎ_o の大きさに近づけるように、電極の厚さ
ｔ_e 、バッファ層の厚さｔ_b の大きさを設定している。
しかし、ｎ_m の値をのｎ_o 値に近づけた場合、主に電極
の抵抗に起因する導体損失の大きさで帯域幅Δｆ₂ が制
限されるようになり、この場合（ｎ_m ＝ｎ_o の時）、

【０００６】

【数２】 Δｆ₂ （ＧＨｚ）＝４０／（αＬ）² （２）で与えられる。ここでαは１ＧＨｚにおける減衰定数
（ｄＢ／ｃｍ）である。

【０００７】従って、より低駆動電圧化や広帯域・高速
化を達成するためには、特性インピーダンス整合、マイ
クロ波−光波速度整合と共に、変調電極の導体損失を小
さくすることが極めて重要である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】通常、光変調器の中心
導体の幅Ｗと中心導体の厚さｔ_e を大きくすれば、導体
損失を小さくできることが知られている。しかしなが
ら、従来の光変調器においては、幅Ｗを広くすると、電
極間（中心導体と接地導体間）の静電容量が増加して特
性インピーダンスが著しく低下するために、外部駆動回
路とのインピーダンス整合の問題が生ずることになる。
このために、通常、幅Ｗの大きさは光導波路の幅ｗ_o と
ほぼ同程度で、かつリッジの幅ｗ_r より狭く設定されて
いた。従って、通常、中心導体幅はＷ＝５〜８μｍ程度
の大きさが選ばれている。一方中心導体の厚さｔ_e につ
いては、デバイス製作技術の制約からアスペクト比（＝
ｔ_e ／Ｗ）として高々３〜４程度に抑えられるために、
ｔ_e ＝３０μｍ程度が上限になり、導体損失の低減化に
制限が生じて、広帯域化に限界があった。また、アスペ
クト比が大きくなると、電極形成に当たってそのメッキ
形成のためのレジスト形状を反映して、電極形状は図１
に示すように、逆台形になって、実効的な電極寸法Ｗお
よびＧ（中心導体と接地導体の間隔）が、ｔ_e の大きさ
によって異なるために、製品の特性が設計値からずれて
悪くなる、あるいは製品バラツキが大きくなる等の問題
があった。

【０００９】一方、図１に示した構成と同様の構成であ
って、ただし、リッジの高さが０であり、ＬＮ基板１０
１が平面状になっているいわゆるプレーナ形光変調器が
広く商品化されている。このプレーナ形光変調器の場
合、上記と同様の制約によって動作帯域が制限されると
共に、インピーダンス整合、速度整合をとる構成にする
と、通常、バッファ層の厚さを相対的により厚くする必
要が生ずる。このために、駆動電圧が大幅に増加して、
超高速動作用光変調器の実用性に大きな問題を抱えてい
た。

【００１０】本発明の目的は、上述した従来の問題点を
解決し、速度整合、特性インピーダンス整合をとると共
に、電極の導体損失を大幅に低減することにより、低駆
動電圧で高速動作が可能な光制御デバイスを提供するこ
とにある。さらに、本発明は製品の特性のバラツキが小
さいデバイス構造を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による光制御デバイスは、少なくとも１本の
光導波路を表面近傍に備え、かつ該光導波路の近傍の表
面を掘り込んだリッジ形状とした電気光学効果を有する
基板と、該基板表面上に形成されたバッファ層と、１本
の光導波路直上に前記バッファ層を介して形成された中
心導体と前記中心導体が形成された光導波路近傍に形成
された接地導体よりなる電極とを有する光制御デバイス
において、前記電極のうち、少なくとも前記中心導体
が、前記バッファ層に接する第１の電極層と該第１の電
極層の上部に形成された１層または複数層からなる第２
の電極層からなり、該第２の電極層の幅が前記第１の電
極層の幅より大きいことを特徴とする。

【００１２】ここで、前記第２の電極層が複数層からな
り、該複数層の全てまたは一部の幅が前記第１の電極層
の幅より大きく設定することができる。

【００１３】さらに、好ましくは、前記リッジの幅と高
さ、前記バッファ層の厚さおよび前記電極の形状・寸法
が前記電極を伝搬するマイクロ波信号波と前記光導波路
を伝搬する光波の伝搬速度が等しくなる条件を満足して
いる。前記電極の少なくとも中心導体の厚さが中心導体
の幅より大きくてもよい。

【００１４】上記バッファ層は基板のリッジを完全に覆
って基板表面は平坦であってもよく、また、電極の中心
導体と接地導体の間のバッファ層が除去されていてもよ
い。

【００１５】光制御デバイスはマッハ−ツェンダ形光強
度変調器であってもよい。さらに、前記基板がニオブ酸
リチウムであってもよい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の原
理と実施例を詳細に説明する。

【００１７】図２に本発明による光制御デバイスの一実
施例を示す。本実施例は、ｚ軸（結晶ｃ軸）カット−Ｌ
Ｎ基板とコプレーナ線路電極を用いたリッジ形状のマッ
ハ−ツェンダ形光強度変調器の例であり、図２は光変調
器の中央部の断面を示したものである。Ｔｉの熱拡散に
よる光導波路２０２近傍のＬＮ基板１の表面をエッチン
グすることにより、ＬＮ基板２０１をリッジ形状化して
いる。ＬＮ基板２０１の表面にはバッファ層２０３が形
成され、バッファ層２０３を介して一方の光導波路部リ
ッジ上に中心導体の第１電極層２０４が、他方の光導波
路部リッジ上および本例では中心導体を挟むように平坦
な基板上に接地導体の第１電極層２０５が形成されてい
る。ここでは、基本形状として、電極の断面形状を矩形
として示している。中心導体の第１電極層２０４の幅ｗ
_elは、従来例と同様に、直下のＬＮ基板光導波路幅ｗ_o
よりやや大きく、リッジ幅ｗ_r よりやや小さく構成して
いる。接地導体の第１電極層２０５のエッジは直下の光
導波路リッジ部を覆うように構成されている。さらに、
中心導体の第１電極層２０４および接地導体の第１電極
層２０５の上には、それぞれ第２電極層２０６および２
０７が形成されている。ここで、中心導体の第２電極層
２０６の幅Ｗは第１電極層の幅ｗ_elより大きく設定して
いる。

【００１８】バッファ層２０３としては、ＳｉＯ₂ 、あ
るいはポリイミド等のようなＬＮに対して誘電率が小さ
い材料が選ばれる。中心導体の第２電極層２０６と接地
導体の第２電極層２０７の間隔Ｇ、バッファ層２０３の
厚さｔ_b 、リッジの高さｔ_r、第１電極層の厚さｔ_el、
第２電極層の厚さｔ_eu（電極の全体の厚さｔ_e ＝ｔ_el＋
ｔ_eu）の大きさは、光とマイクロ波との速度整合をと
り、特性インピーダンスＺを適当な大きさ（例えばＺ＝
５０Ω）にして外部回路とのインピーダンス整合を図る
ように構成される。ここで、電極の断面形状は図２では
矩形を示しているが、例えば中心導体の第１電極層２０
４、第２電極層２０６、接地導体の第１電極層２０５、
第２電極層２０７が、それぞれ台形、または逆台形であ
っても、あるいは中心導体および接地導体が多層の任意
の形状をとっても同様の効果を有する。

【００１９】この場合、従来例と同様に各電極層でアス
ペクト比の制約があっても、電極を複数の層で構成して
いるので、総電極厚ｔ_e を大きくすることができる。ま
た、中心導体の第２電極層２０６はその幅が第１電極層
２０４の幅より相対的に大きくなっているので、その分
だけ厚さｔ_euをより厚く構成できるので、従来例と比較
して、総電極厚ｔ_e を大幅に増大できる利点が生ずる。

【００２０】光変調器の特性は、中心導体の第１電極層
２０４のバッファ層２０３と接する側の幅ｗ_elに大きく
依存することが知られている。本発明では、第１電極層
２０４のアスペクト比を、後述するように、無理に大き
くする必要がないので、幅ｗ_elを設計値に近い大きさに
容易に形成できる利点がある。このために、デバイスの
製作の容易性と共に、製品の特性のバラツキを小さくで
きる利点も有する。

【００２１】図３は、本発明による光変調器の他の実施
例の断面図である。本実施例もｚカット−ＬＮ基板を用
いたリッジ形状化したマッハ−ツェンダ形光強度変調器
の例であり、ＬＮ基板３０１がリッジ形状を有し、光導
波路３０２がリッジ部に形成されていること、基板３０
１の表面にバッファ層３０３が形成されていること、中
心導体が第１電極層３０４と第２電極層３０６の２層で
構成され、接地導体が第１電極層３０５と第２電極層３
０７の２層で構成されていることは、図２の実施例と同
様である。ただし、本実施例においては、基板３０１に
は、光導波路が形成されていないリッジがさらに設けら
れ、その上にも接地導体が設けられている。本実施例に
おいては、中心導体の第１電極層３０４の幅ｗ_elをリッ
ジ幅ｗ_rより大きくしている。さらに、中心導体の第２
電極層３０６の幅Ｗを第１電極層の幅ｗ_elより大きく構
成している。この場合、リッジ幅ｗ_r 、中心導体の第２
電極層３０６と接地導体の第２電極層３０７の間隔Ｇを
一定の大きさに保った状態で、第１電極層３０４の幅ｗ
_elをリッジ幅ｗ_r より大きくしても、図１に示した従来
のリッジ形（ｗ_el＜ｗ_r ）の光変調器、あるいはＬＮ基
板３０１がプレーナ構造（ｔ_r ＝０）の光変調器と異な
って、電極の静電容量がほとんど増加しない。これは、
例えば、特開平１０−３９２６６号公報に記述されてい
るように、本発明においては、ＬＮ基板３０１がリッジ
構造化され、リッジの両側に空気あるいはＳｉＯ₂ 等の
低誘電率の媒体が配置されていることに起因している。
この結果、ｗ_elを大きくしても、従来例のように特性イ
ンピーダンスの大幅な低下を招くことなく、中心導体の
電極断面積を大幅に増加できるので、電極の導体損失を
大幅に低下できる。

【００２２】なお、本実施例においては、接地導体の第
２電極層３０７の端部を第１電極層３０５の端部と一致
させているが、本発明における接地導体については、図
２に示したように第１電極層２０５の端部に対して第２
電極層２０７の端部を中心導体側に突き出るように構成
しても、あるいは、第１電極層の端部に対して第２電極
層の端部を後退した位置に配置しても、本発明の効果を
得ることができる。上述したように、本実施例において
は基板３０１には、光導波路が形成されていないリッジ
上にも接地導体が設けられいるので、特性の安定性を高
めることができる。

【００２３】図４〜図７は、本発明の原理と効果を説明
するための図であり、ＬＮ基板を用いた光変調器の駆動
電圧と電極マイクロ波特性を準ＴＥＭ波近似解析法で計
算した例を示す。

【００２４】図４は、図２の実施例において、中心導体
の第１電極層の幅ｗ_el＝８μｍ、厚さｔ_el＝１０μｍ、
第２電極層の幅Ｗ＝２０μｍ、中心導体の第２電極層と
接地導体の第２電極層の間隔Ｇ＝４０μｍ、リッジ幅ｗ
_r ＝９μｍ、リッジの高さｔ_r ＝３μｍ、バッファ層の
厚さｔ_b ＝１．２５μｍに設定したとき、第２電極層の
厚さｔ_euと電極特性の関係を示したものである。ここ
で、ｎ_m は電極のマイクロ波実効屈折率、Ｚは特性イン
ピーダンス、αは減衰定数（１ＧＨｚにおける導体損
失）、ＶπＬは単位長さ電極の駆動電圧を表す。光波の
波長は１．５５μｍ帯としている。

【００２５】上記のような条件に設定した場合、図４か
ら、第２電極層の厚さｔ_euを適当（この場合ｔ_eu＝２０
μｍ）に設定すれば、ｎ_m ＝２．１５、Ｚ≒５０Ωの大
きさになり、速度整合とインピーダンス整合が同時に満
たされる条件が得られることが分かる。なお、この速度
整合、インピーダンス整合条件は、従来例と同様の原理
によって、あらゆるリッジ並びに電極の構造、寸法に応
じて、それぞれの寸法を適当に選び、組み合わせれば達
成される。定性的には、リッジの高さｔ_r が大きいほど
バッファ層の厚さｔ_b は小さくなり、中心導体と接地導
体の間隔Ｇが大きいほど電極の全体の厚さｔ_e ＝（ｔ_el
＋ｔ_eu）は大きくなる。

【００２６】図５は、図２の実施例において、中心導体
の第１電極層の幅ｗ_el＝８μｍ、第２電極層の幅Ｗ＝２
０μｍ、中心導体と接地導体の間隔Ｇ＝６０μｍ、リッ
ジ幅ｗ_r ＝９μｍ、リッジの高さｔ_r ＝３μｍ、バッフ
ァ層の厚さｔ_b ＝１．２５μｍに設定し、中心導体の電
極の総厚ｔ_e （＝ｔ_el＋ｔ_eu）＝４６μｍ一定に固定し
たとき、第１電極層の厚さｔ_elと電極特性の関係を示し
たものである。図５から分かるように、ｔ_elの大きさの
変動に対する各特性の変動は小さく、第１電極層２０４
をサブミクロン以上の厚さにすれば、本発明の効果を実
現できる。なお、この構成の場合、厚さｔ_elが５から１
０μｍ程度で、ほぼ完全な速度整合およびインピーダン
ス整合がとれる。

【００２７】図６は、図２の実施例において、中心導体
の第１電極層の幅ｗ_el＝８μｍ、厚さ＝ｔ_el＝１０μ
ｍ、第２電極層の幅Ｗ＝２０μｍ、中心導体と接地導体
の間隔Ｇ＝６０μｍ、リッジ幅ｗ_r ＝９μｍ、リッジの
高さｔ_r ＝３μｍ、バッファ層の厚さｔ_b ＝１．２５μ
ｍに設定した場合、中心導体と接地導体の間隔Ｇに対す
る速度整合を得るための第２電極層の厚さｔ_eu（ｔ_m と
表示してある）と、その時の特性を示す。図中の印×は
図１に示した従来例の特性を表す。なお、ここで示した
いずれの構成も特性インピーダンスＺは約５０Ωであ
り、インピーダンス整合も満たしている。

【００２８】図６中のｐは性能指数を表し、

【００２９】

【数３】ｐ＝ＶπＬ・α （３）で定義されるパラメータである。変調器と信号源のイン
ピーダンス整合がとれている場合、変調器の駆動電圧Ｖ
π（Ｖ）、光応答特性のエレクトリカル３ｄＢ帯域幅ｆ
（ＧＨｚ）は、

【００３０】

【数４】Ｖπ／Δｆ^1/2 ＝ｐ／６．４（４）の関係で与えられる。すなわち、ｐが小さい電極構造ほ
ど、高性能化（低駆動電圧化、広帯域化）が可能にな
る。

【００３１】図６から分かるように、本発明によると、
中心導体の接地導体の間隔Ｇが大きくなる程速度整合を
得るための第２電極層の厚さｔ_m が大きくなり、中心導
体の断面積が大きくなって、減衰定数αが大幅に減少す
る。一方、駆動電圧ＶπＬの増加は小さいので、性能指
数は減少して高性能な光変調器が実現できる。

【００３２】図７は、図３に示した実施例において、中
心導体の第１電極層の幅ｗ_el＝１５μｍ、厚さｔ_el＝１
０μｍ、リッジ幅ｗ_r ＝９μｍ、リッジの高さｔ_r ＝５
μｍ、バッファ層の厚さｔ_b ＝１μｍに設定した場合、
第２電極層の幅Ｗと、中心導体と接地導体の間隔Ｇに対
する速度整合を得るための第２電極層の厚さｔ_m との関
係、およびその時の特性を示す。図中の印×は従来例
（ｗ_el＝Ｗ＝１５μｍ）の特性を表す。なお、ここで示
したいずれの構成も特性インピーダンスＺは約５０Ωに
なり、インピーダンス整合も満たしている。図７から、
Ｗ、Ｇが大きくなる程ｔ_m が大きくなり、中心導体の断
面積が大きくなって、減衰定数α、性能指数ｐが大幅に
減少して高性能な光変調器を実現できることが分かる。

【００３３】図８は、本発明の光変調器のさらに他の実
施例の断面図であり、変調電極として非対称コプレーナ
ストリップ線路を用いた場合を示す。本実施例もｚカッ
ト−ＬＮ基板を用いたリッジ形状化したマッハ−ツェン
ダ形光変調器の例であり、ＬＮ基板８０１がリッジ形状
を有し、光導波路８０２がリッジ部に形成されているこ
と、基板８０１の表面にバッファ層８０３が形成されて
いることは、図２の実施例と同様である。本実施例で
は、第２電極層を２層以上の複数の層で構成しており、
第２電極層の幅Ｗ₁ 、Ｗ₂ 、・・・・の全てもしくはそ
の一部を中心導体の第１電極層８０４の幅ｗ_elに対して
大きく設定している。バッファ層８０３は、ＳｉＯ₂ や
ポリイミド等の低誘電率材料がＬＮ基板８０１のリッジ
部を埋め込むように平坦化して形成されている。この平
坦化によって、その上部の電極層を容易に形成できるよ
うにしている。中心導体と接地導体間の静電容量を低減
させることにより、速度整合やインピーダンス整合を、
比較的薄い電極構成によって取れるように、必要に応じ
て中心導体と接地導体の間のバッファ層を除去しても良
い。図８は、中心導体と接地導体の間のバッファ層を除
去した状態を示している。この場合でも、中心導体と接
地導体の間隔Ｇ₁ 、Ｇ₂ ・・・と、バッファ層８０３の
厚さｔ_b 、リッジの高さｔ_r 、第１電極層の厚さｔ_el、
第２電極層の厚さｔ_eu1 、ｔ_eu2 等の大きさを、光とマ
イクロ波との速度整合を図り、特性インピーダンスＺを
適当な大きさ（例えば５０Ω）にした変調器構造を採用
すればよい。これによって電極のマイクロ波損失を従来
より大幅に小さくすることが可能であり、低駆動電圧で
広帯域な高性能光変調器を実現できる。また、変調電極
として対象コプレーナストリップ線路等の各種マイクロ
波線路を用いても同様の効果が生ずることは自明であ
る。

【００３４】図９は、本発明のさらに他の実施例の断面
図である。本実施例もｚカット−ＬＮ基板を用いたリッ
ジ形状化したマッハ−ツェンダ形光変調器の例であり、
ＬＮ基板９０１がリッジ形状を有し、光導波路９０２が
リッジ部に形成されていること、基板９０１の表面にバ
ッファ層９０３が形成されていること、基板３０１に
は、光導波路が形成されていないリッジがさらに設けら
れ、その上にも接地導体が設けられていることは、図３
の実施例と同様である。本実施例の特徴は、接地導体は
単層の電極層９０５で構成し、中心導体のみ複数の電極
層９０４、９０６で構成した点にある。電極の減衰定数
αは、主に中心導体の断面積で決まるので、中心導体の
みを複数の層で構成して厚さを大きくした本実施例の構
成でも減衰定数αの低減化に効果がある。

【００３５】以上説明したように、本発明ではＬＮ基板
をリッジ構造化しているので、特性インピーダンスＺ
は、中心導体の第２電極の幅Ｗ、中心導体と接地導体の
間隔Ｇの大きさにはほとんど依存せず、主にリッジの幅
ｗ_r 、高さｔ_r とバッファ層の厚さｔ_b 、中心導体の第
１電極の幅ｗ_elの大きさでほぼ一義的に決まる。駆動電
圧ＶπＬも、同様に中心導体の第２電極の幅Ｗおよび中
心導体と接地導体の間隔Ｇの大きさにはほとんど依存せ
ず、バッファ層の厚さｔ_b の大きさでほぼ一義的に決ま
る。従って、本発明の特長の一つである第２電極の幅Ｗ
を大きくすることによって、特性インピーダンスＺおよ
び駆動電圧ＶπＬのそれぞれに与える悪影響は小さい。
これは、ＬＮ基板をリッジ形状化することによって、
（１）ＬｉＮｂＯ₃ 基板が強誘電体材料であるために、
第２電極層の幅Ｗや中心導体と接地導体の間隔Ｇが大き
くなっても、電気力線の総量はさほど変化せずにＬＮ基
板のリッジ部に集中した状態が保たれるので、中心導体
と接地導体間の静電容量がさほど変化しないこと、
（２）ＬｉＮｂＯ₃ の誘電率が結晶のｃ軸に対して平行
方向（：ε‖）と垂直方向（：ε⊥）で異方性（ε‖＞
ε⊥）を持つために、中心導体と接地導体の間隔Ｇが大
きくなってもリッジ部のマイクロ波電界強度はほとんど
変化しないことに起因している。言い換えれば、このこ
とは、電極構造の設計の自由度を増大させ得るというこ
ともできる。これが、本発明の効果を引き出す、従来例
にない特長になる。

【００３６】一方、本発明では減衰定数αを大幅に低減
できる。これは、中心導体の第２電極層の幅Ｗを大きく
することによって、マイクロ波電流に対する電気抵抗を
小さくできるためである。また、Ｗを大きくするに伴っ
て、電極のアスペクト比上の制約があっても、形状効果
によって、より厚い電極を比較的容易に製作できる利点
が生ずる。

【００３７】中心導体と接地導体の間隔Ｇについては、
Ｇを大きくするほど性能指数パラメータｐが小さくな
る。しかし、Ｇを必要以上に大きくすると構造分散によ
るマイクロ波特性への悪影響がでてくる。このために、
動作周波数に応じて、マイクロ波信号の波長より十分小
さい寸法を選ぶことにより、その影響を軽減できるの
で、Ｇ＝１０μｍ〜１０００μｍ程度の大きさを選べば
よい。変調電極の厚さｔ_eは第２電極層の厚さＷと同程
度の大きさ（ｔ_e ≒Ｗ）から１０倍程度（ｔ_e ≒１０
Ｗ）の大きさの範囲に設定すればよい。バッファ層の厚
さｔ_b は、主に特性インピーダンスの大きさから決まる
が、光変調器の製作性や光導波路の伝搬損失・安定性あ
るいは駆動電圧などを考慮して、ｔ_b ＝０．１μｍ〜１
０μｍになる。

【００３８】ＬｉＮｂＯ₃ 基板のリッジの高さｔ_r 、幅
ｗ_r については、ｔ_r ＝３μｍおよび５μｍ、ｗ_r ＝９
μｍの場合について具体的に説明した。しかし、本発明
による光変調器では、図１の従来例と同様に、駆動電圧
ＶπＬ特性の低減効果とマイクロ波特性、ＬｉＮｂＯ₃
基板のエッチング工程の容易さ、光導波路の伝搬損失を
考慮して、通常、ｔ_r ＝１〜１０μｍ、ｗ_r ＝３〜２０
μｍ程度に設定すればよい。

【００３９】以上では、光導波路の幅ｗ_o ＝７μｍ、リ
ッジ幅ｗ_r ＝９μｍの場合を示したが、これらの大きさ
を変えた場合、その大きさに応じて中心導体の第１電極
層の幅ｗ_el、第２電極層の幅Ｗの大きさを設定すれば本
発明の効果を同様に得ることができる。例えば、変調効
率を高めるために、光導波路の屈折率差（閉じ込め効
果）を大きくし、ｗ_o を小さくして光スポットサイズを
小さくした場合、それに合わせるように、リッジ幅ｗ_r
を小さくすれば、さらに高効率の光変調器を実現でき
る。

【００４０】以上では、特性インピーダンスが５０Ω系
の場合の構成例を示したが、５０Ωと異なるインピーダ
ンス系の場合でも、従来例と同様の原理で、電極の構
造、寸法を適当に設定すれば、任意の電極特性インピー
ダンスを実現でき、本発明の効果を得ることができる。

【００４１】さらに、以上では電気光学効果を有する基
板としてＬｉＮｂＯ₃ を、バッファ層としてＳｉＯ₂ を
用いた高速光強度変調器を例として本発明の原理、効
果、実施例を述べたが、この他に、電気光学効果を有す
る基板としてＬｉＴａＯ₃ やＰＬＺＴ等の強誘電体や半
導体、有機材料などを利用し、バッファ層として、例え
ばＡｌ₂ Ｏ₃ やＩＴＯ、ポリイミド等の相対的に低誘電
率の誘電体を利用しても良い。また、光強度変調器以外
に光位相変調器、光スイッチ、偏波制御器のような、少
なくとも１本の光導波を有し、電気信号によって光出力
を制御するあらゆる光デバイスに本発明を適用できるこ
とは自明である。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による光制
御デバイスは、少なくとも１本の光導波路を表面近傍に
備え、かつこの光導波路近傍の基板表面を掘り込んだリ
ッジ形状とした電気光学効果を有する基板と、基板表面
に形成されたバッファ層と、１本の光導波路直上にバッ
ファ層を介して形成された中心導体と、この中心導体が
形成された光導波路近傍に形成された接地導体よりなる
電極とを有し、少なくとも中心導体がバッファ層に接す
る第１の電極層と当該第１の電極層の上部に形成された
１層または複数層からなる第２の電極層からなり、第２
の電極層の一部または全ての幅を第１の電極層の幅より
大きく設定して構成している。また、特性インピーダン
スを適当な値に設定でき、マイクロ波の実効屈折率の大
きさを光の実効屈折率の大きさに合わせるように構成し
ている。ここで、バッファ層はリッジ基板を覆うように
平坦化されて構成されてもよく、また、電極の中心導体
と接地導体の間のバッファ層が除去されてもよい。光制
御デバイスはマッハ−ツェンダ形光強度変調器であって
もよい。さらに、基板がニオブ酸リチウムであってもよ
い。

【００４３】本発明のこの構成によって、変調電極の断
面積を大きくすることが可能であり、また、電極構成も
容易にできる。この結果、本発明によれば、マイクロ波
減衰定数を大幅に低減化できるため、従来の問題を解決
でき、低電圧で高速・広帯域動作が可能な光制御デバイ
スを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のマッハ−ツェンダ形光強度変調器の一例
を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。

【図２】本発明の一実施例の断面図である。

【図３】本発明の他の実施例の断面図である。

【図４】本発明の原理と効果を説明するための、マイク
ロ波減衰定数、駆動電圧、インピーダンス、電極のマイ
クロ波実効屈折率と第２電極層の厚さとの関係を示す特
性図である。

【図５】本発明の原理と効果を説明するための、マイク
ロ波減衰定数、駆動電圧、インピーダンス、電極のマイ
クロ波実効屈折率と第１電極層の厚さとの関係を示す特
性図である。

【図６】本発明の原理と効果を説明するための、マイク
ロ波減衰定数、駆動電圧、速度整合を得るための第２電
極層の厚さ、性能指数と中心導体と接地導体の間隔との
関係を示す特性図である。

【図７】本発明の原理と効果を説明するための、マイク
ロ波減衰定数、駆動電圧、速度整合を得るための第２電
極層の厚さ、性能指数と第２電極層の幅との関係を示す
特性図である。

【図８】本発明の他の実施例の断面図である。

【図９】本発明のさらに他の実施例の断面図である。

【符号の説明】

１０１、２０１、３０１、８０１、９０１リッジ構造
化したＬｉＮｂＯ₃ 基板１０２、２０２、３０２、８０２、９０２Ｔｉ熱拡散
光導波路１０３、２０３、３０３、８０３、９０３バッファ層１０４、２０４、３０４、８０４、９０４中心導体の
第１電極層１０５、２０５、３０５、８０５、９０５接地導体の
第１電極層２０６、３０６、８０６、９０６中心導体の第２電極
層２０７、３０７、８０７接地導体の第２電極層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１本の光導波路を表面近傍に
備え、かつ該光導波路の近傍の表面を掘り込んだリッジ
形状とした電気光学効果を有する基板と、該基板表面上
に形成されたバッファ層と、１本の光導波路直上に前記
バッファ層を介して形成された中心導体と前記中心導体
が形成された光導波路近傍に形成された接地導体よりな
る電極とを有する光制御デバイスにおいて、前記電極のうち、少なくとも前記中心導体が、前記バッ
ファ層に接する第１の電極層と該第１の電極層の上部に
形成された１層または複数層からなる第２の電極層から
なり、該第２の電極層の幅が前記第１の電極層の幅より
大きいことを特徴とする光制御デバイス。
【請求項２】前記第２の電極層が複数層からなり、該
複数層の全てまたは一部の幅が前記第１の電極層の幅よ
り大きいことを特徴とする請求項１に記載の光制御デバ
イス。
【請求項３】前記リッジの幅と高さ、前記バッファ層
の厚さおよび前記電極の形状・寸法が前記電極を伝搬す
るマイクロ波信号波と前記光導波路を伝搬する光波の伝
搬速度が等しくなる条件を満足していることを特徴とす
る請求項１または２に記載の光制御デバイス。