WO2017183484A1 - 光変調器 - Google Patents

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optical
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岩塚　信治
権治 佐々木
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Tdk株式会社
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    • G02F2202/00—Materials and properties
    • G02F2202/20—LiNbO3, LiTaO3

Definitions

  • the present invention relates to an optical modulator used in the fields of optical communication and optical measurement, and more particularly to an electrode structure of a Mach-Zehnder optical modulator.
  • Optical fiber communication is a technique for converting an electrical signal into an optical signal and transmitting the optical signal through an optical fiber, and is characterized by a wide band, low loss, and resistance to noise.
  • Direct modulation does not require an optical modulator and is low-cost, but there is a limit to high-speed modulation, and external modulation is used for high-speed and long-distance applications.
  • the Mach-Zehnder optical modulator is an optical modulator using an optical waveguide (Mach-Zehnder optical waveguide) having a structure of a Mach-Zehnder interferometer.
  • a Mach-Zehnder interferometer is a device that splits light emitted from one light source into two parts, passes them through different paths, and then superimposes them again to cause interference. Used to generate various types of modulated light.
  • Patent Documents 2 to 4 disclose Mach-Zehnder type optical modulators using a c-axis oriented lithium niobate film.
  • An optical modulator using a lithium niobate film achieves a significant reduction in size and drive voltage compared to an optical modulator using a lithium niobate single crystal substrate.
  • phase change of each light propagating through the parallel waveguide also has a different absolute value, and wavelength chirp occurs when the signal is switched from “0” to “1” or from “1” to “0”. As a result, the signal waveform after transmission deteriorates.
  • FIG. 9A shows a cross-sectional structure of a conventional optical modulator 300 described in Patent Document 2.
  • a pair of optical waveguides 22a and 22b made of a lithium niobate film is formed on the sapphire substrate 21, and a signal electrode 24a and a ground electrode 24b are disposed above the optical waveguides 22a and 22b via a buffer layer 23, respectively.
  • this optical modulator 300 is a so-called single drive type having one signal electrode 24a, and the signal electrode 24a and the ground electrode 24b are symmetrical structures, the electric fields applied to the optical waveguides 22a and 22b are equal in magnitude and have the sign.
  • the structure is reversed, and the wavelength chirp of the modulated light does not occur.
  • the area of the ground electrode 24b is small, there is a problem that it does not operate at high frequency.
  • FIG. 9B shows a cross-sectional structure of a conventional optical modulator 400 described in Patent Document 3.
  • a pair of optical waveguides 22a with lithium niobate film, the two signal electrodes 24a 1 via a buffer layer 23 on the upper portion of 22b, together with 24a 2 are arranged, three spaced apart from the signal electrode 24a 1, 24a 2 Ground electrodes 24c, 24d, and 24e are disposed.
  • the electric fields applied to the pair of optical waveguides 22a and 22b have the same magnitude and opposite signs, Wavelength chirp does not occur.
  • the chirp amount can be adjusted by adjusting the voltage applied to the pair of optical waveguides 22a and 22b. Further, since the areas of the left and right ground electrodes 24c and 24d are sufficiently secured, the structure can operate at a high frequency. However, since the optical modulator 400 is a dual drive type having two signal electrodes 24a and 24b, there is a problem that the electrode structure is complicated. In addition, since two high-frequency electrical signal input connectors are required and it is necessary to control the phase of the inverted electrical signal with respect to both signal electrodes, the circuit configuration of the drive system Has disadvantages such as complications.
  • FIG. 9C shows a cross-sectional structure of a single drive type optical modulator 500 that can operate at a high frequency.
  • the first and second ground electrodes 24b and 24c are provided on the left and right sides of the single signal electrode 24a, respectively, and the area of each ground electrode is sufficiently secured. It is an operable structure.
  • the ground electrode 24b has a large planar size, it is difficult for the electric field to concentrate on the optical waveguide 22b, and the electric field applied to the optical waveguide 22a is larger than the electric field applied to the optical waveguide 22b. Is a problem.
  • an object of the present invention is to provide a single drive type optical modulator having good high frequency characteristics and reduced wavelength chirp of modulated light.
  • an optical modulator includes a Mach-Zehnder optical waveguide including first and second optical waveguides, a buffer layer covering the first and second optical waveguides, and first and first optical waveguides.
  • the distance between the signal electrode and the second ground electrode is wider than the distance between the signal electrode and the first ground electrode.
  • the difference in magnitude of the electric field applied to the pair of optical waveguides due to the difference in magnitude between the signal electrode and the first ground electrode is made as small as possible, thereby reducing the wavelength chirp of the modulated light. can do. Also, by providing the second ground electrode, it is possible to reduce radiation loss and obtain good high frequency characteristics. Further, by making the distance between the signal electrode and the second ground electrode wider than the distance between the signal electrode and the first ground electrode, the electric field applied to the pair of optical waveguides due to the influence of the second ground electrode is increased. The difference in thickness can be reduced to reduce the wavelength chirp of the modulated light.
  • the width of the first lower surface of the signal electrode is preferably wider than the width of the first lower surface of the first ground electrode. According to this configuration, the difference in magnitude of the electric field applied to the pair of optical waveguides due to the influence of the second ground electrode can be further reduced, and the wavelength chirp of the modulated light can be reduced.
  • the signal electrode further has a second lower surface located above the first lower surface. According to this configuration, the electric field can be concentrated on the first optical waveguide, and the electric fields applied to the first and second optical waveguides can be balanced.
  • the width of the first lower surface of the signal electrode and the width of the first lower surface of the first ground electrode are wider than the widths of the first and second optical waveguides. According to this configuration, the signal electrode can be reliably opposed to the first optical waveguide while increasing the electric field concentration on the pair of optical waveguides, and the first ground electrode can be reliably opposed to the second optical waveguide. Can be made.
  • the optical modulator according to the present invention further includes an insulating layer provided between the buffer layer and the electrode layer, and the insulating layer is positioned above the first and second optical waveguides, respectively.
  • the signal electrode includes an upper layer portion formed in the electrode layer and a lower layer portion embedded in the first opening
  • the first ground electrode includes the electrode
  • An upper layer portion formed in the layer and a lower layer portion embedded in the second opening and the width of the upper layer portion of the first ground electrode is larger than the width of the lower layer portion of the first ground electrode. Wide is preferable. According to this configuration, it is possible to easily realize an electrode structure having first and second lower surfaces having different heights.
  • the width of the upper layer portion of the signal electrode is preferably wider than the width of the lower layer portion of the signal electrode, and is preferably equal to the width of the lower layer portion of the signal electrode. In any case, it is possible to provide a single drive type optical modulator having good high frequency characteristics and reduced wavelength chirp of modulated light.
  • an optical modulator according to the present invention covers a waveguide layer having a ridge portion constituting the first and second optical waveguides, and a region of the upper surface of the waveguide layer where the ridge portion is not formed.
  • the Mach-Zehnder optical waveguide has at least one linear portion and at least one curved portion, and the first lower surface of the signal electrode is connected to the first portion of the linear portion via the buffer layer.
  • the first optical waveguide covers one optical waveguide
  • the first lower surface of the first ground electrode covers the second optical waveguide in the linear portion via the buffer layer.
  • the straight part has first to third straight parts parallel to each other
  • the curved part is a first curved part that connects the first straight part and the second straight part.
  • a second curved portion that connects the second straight portion and the third straight portion, and the first lower surface of the signal electrode has the first to second through the buffer layer.
  • the optical waveguide can be folded back and the element length can be shortened.
  • the effect of the present invention is remarkable because the loss is small even if the radius of curvature is reduced to, for example, about 50 ⁇ m.
  • the Mach-Zehnder optical waveguide is formed of a lithium niobate film formed on a substrate, and the c-axis of the lithium niobate film is oriented in a direction perpendicular to the main surface of the substrate.
  • a Mach-Zehnder optical waveguide of an optical modulator is formed of a lithium niobate film, an extremely thin optical waveguide with a narrow line width can be formed, and a small and high-quality optical modulator can be configured.
  • the optical waveguide is thin and has a narrow line width, the problem of electric field concentration is remarkable.
  • a single drive type optical modulator having good high frequency characteristics and reduced wavelength chirp of modulated light can be realized.
  • FIG. 1 is a plan view of an optical modulator 100 according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 (a) shows only an optical waveguide
  • FIG. 1 (b) shows an optical modulation including traveling wave electrodes.
  • the entire vessel 100 is illustrated.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the optical modulator 100 taken along line AA ′ in FIGS. 1 (a) and 1 (b).
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of an optical modulator 200 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A is a schematic cross-sectional view showing the configuration of an optical modulator 300 according to the third embodiment of the present invention
  • FIG. 4B is an optical modulation according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view of an optical modulator 500 according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 5A shows only an optical waveguide
  • FIG. 5B shows optical modulation including traveling wave electrodes.
  • the entire device 500 is illustrated.
  • FIG. 6 is a diagram of an equipotential surface showing an example of a simulation result for changing the height T of the step of the first ground electrode.
  • FIG. 7 is a graph showing the wavelength chirp ⁇ of the modulated light obtained from the simulation result of FIG.
  • FIG. 8 is a graph showing the wavelength chirp ⁇ of the modulated light obtained from the simulation result.
  • 9 (a) to 9 (c) are schematic cross-sectional views showing the structure of a conventional optical modulator.
  • FIG. 1 is a plan view of an optical modulator 100 according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 (a) shows only an optical waveguide
  • FIG. 1 (b) shows an optical modulation including traveling wave electrodes. The entire vessel 100 is illustrated.
  • this optical modulator 100 is formed on a substrate 1 and has Mach-Zehnder light having first and second optical waveguides 10a and 10b provided in parallel to each other.
  • a second ground electrode 9 provided on the opposite side of the ground electrode 8.
  • the Mach-Zehnder optical waveguide 10 is an optical waveguide having a structure of a Mach-Zehnder interferometer.
  • the first and second optical waveguides 10a and 10b are branched from a single input optical waveguide 10i by a demultiplexing unit 10c, and the first and second optical waveguides 10a and 10b are connected to each other via a multiplexing unit 10d.
  • the output optical waveguides 10o are combined.
  • the input light Si is demultiplexed by the demultiplexing unit 10c and travels through the first and second optical waveguides 10a and 10b, and then is multiplexed by the multiplexing unit 10d and output from the output optical waveguide 10o as the modulated light So. Is done.
  • the signal electrode 7 is located between the first and second ground electrodes 8 and 9 in plan view.
  • One end 7 e of the signal electrode 7 is a signal input end, and the other end 7 g of the signal electrode 7 is connected to the first and second ground electrodes 8 and 9 via the termination resistor 12.
  • the signal electrode 7 and the first and second ground electrodes 8 and 9 function as coplanar traveling wave electrodes.
  • the signal electrode 7 and the first ground electrode 8 have a two-layer structure, and the lower layer portion 7b of the signal electrode 7 indicated by a broken line overlaps the first optical waveguide 10a in plan view.
  • the lower layer portion 8b of the first ground electrode 8 shown in FIG. 1 overlaps the second optical waveguide 10b in plan view.
  • An electric signal (modulation signal) is input to one end 7e of the signal electrode 7. Since the first and second optical waveguides 10a and 10b are made of a material having an electro-optic effect such as lithium niobate, the first and second optical waveguides are applied by the electric fields applied to the first and second optical waveguides 10a and 10b.
  • the refractive indexes of the waveguides 10a and 10b change as + ⁇ n and ⁇ n, respectively, and the phase difference between the pair of optical waveguides changes.
  • the signal light modulated by the change in the phase difference is output from the output optical waveguide 10o.
  • the optical modulator 100 according to the present embodiment is a single drive type constituted by one signal electrode 7, the area of the first ground electrode 8 can be sufficiently ensured and operates at a high frequency. Is possible. Further, by disposing the second ground electrode 9 on the opposite side of the first ground electrode 8 with the signal electrode 7 interposed therebetween, radiation loss can be reduced, and better high frequency characteristics can be obtained.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the optical modulator 100 taken along line AA ′ in FIGS. 1 (a) and 1 (b).
  • the optical modulator 100 has a multilayer structure in which a substrate 1, a waveguide layer 2, a protective layer 3, a buffer layer 4, an insulating layer 5 and an electrode layer 6 are laminated in this order.
  • the substrate 1 is, for example, a sapphire substrate, and a waveguide layer 2 made of a lithium niobate film is formed on the surface of the substrate 1.
  • the waveguiding layer 2 has first and second optical waveguides 10a and 10b made of a ridge portion 2r.
  • the width W 0 of the first and second optical waveguides 10a and 10b can be set to 1 ⁇ m, for example.
  • the protective layer 3 is formed in a region that does not overlap the first and second optical waveguides 10a and 10b in plan view. Since the protective layer 3 covers the entire surface of the upper surface of the waveguide layer 2 where the ridge portion 2r is not formed, and the side surface of the ridge portion 2r is also covered with the protective layer 3, the side surface of the ridge portion 2r is covered. It is possible to prevent scattering loss caused by roughness of the surface.
  • the thickness of the protective layer 3 is substantially the same as the height of the ridge 2r of the waveguide layer 2.
  • the material of the protective layer 3 is not particularly limited, it may be, for example, silicon oxide (SiO 2).
  • the buffer layer 4 prevents the light propagating through the first and second optical waveguides 10a and 10b from being absorbed by the signal electrode 7 and the first ground electrode 8, so that the ridge portion 2r of the waveguide layer 2 It is formed on the upper surface.
  • a material having a refractive index smaller than that of the waveguide layer 2 for example, silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or the like can be used, and the thickness thereof is 0. It may be about 2 to 1 ⁇ m.
  • the buffer layer 4 covers not only the upper surfaces of the first and second optical waveguides 10a and 10b but also the entire base surface including the upper surface of the protective layer 3, but the first and second optical waveguides It may be patterned so as to selectively cover only the vicinity of the upper surfaces of the waveguides 10a and 10b.
  • the insulating layer 5 is provided to form a step on the lower surface of the traveling wave electrode. Openings (slits) are formed in regions of the insulating layer 5 that overlap the first and second optical waveguides 10 a and 10 b, and the upper surface of the buffer layer 4 is exposed. A part of the electrode layer 6 is embedded in the opening, whereby a step is formed on the lower surfaces of the signal electrode 7 and the first ground electrode 8.
  • the thickness T of the insulating layer 5 is preferably 1 ⁇ m or more. If the thickness of the insulating layer 5 is 1 ⁇ m or more, the effect of providing a step on the lower surfaces of the signal electrode 7 and the first ground electrode 8 can be obtained.
  • the electrode layer 6 is provided with a signal electrode 7, a first ground electrode 8, and a second ground electrode 9.
  • the signal electrode 7 is provided so as to overlap the ridge 2r corresponding to the first optical waveguide 10a in order to modulate the light traveling in the first optical waveguide 10a, and the first optical waveguide is interposed via the buffer layer 4. 10a.
  • the first ground electrode 8 is provided so as to overlap the ridge portion 2r corresponding to the second optical waveguide 10b in order to modulate the light traveling in the second optical waveguide 10b. It faces the optical waveguide 10b.
  • the second ground electrode 9 is provided on the side opposite to the first ground electrode 8 with the signal electrode 7 interposed therebetween.
  • the waveguide layer 2 is not particularly limited as long as it is an electro-optic material, but is preferably made of lithium niobate (LiNbO 3 ). This is because lithium niobate has a large electro-optic constant and is suitable as a constituent material of an optical device such as an optical modulator.
  • the configuration of the present invention when the waveguide layer 2 is a lithium niobate film will be described in detail.
  • the substrate 1 is not particularly limited as long as it has a refractive index lower than that of the lithium niobate film.
  • a substrate on which the lithium niobate film can be formed as an epitaxial film is preferable, and a sapphire single crystal substrate or a silicon single crystal substrate is preferable.
  • the crystal orientation of the single crystal substrate is not particularly limited. Lithium niobate films have the property of being easily formed as c-axis oriented epitaxial films on single crystal substrates of various crystal orientations. Since the c-axis oriented lithium niobate film has three-fold symmetry, it is desirable that the underlying single crystal substrate also has the same symmetry. In the case of a sapphire single crystal substrate, the c-plane, In the case of a silicon single crystal substrate, a (111) plane substrate is preferable.
  • the epitaxial film is a film that is aligned with the crystal orientation of the underlying substrate or the underlying film.
  • the film plane is the XY plane and the film thickness direction is the Z-axis
  • the crystals are aligned along the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions.
  • the epitaxial film can be proved by firstly confirming the peak intensity at the orientation position by 2 ⁇ - ⁇ X-ray diffraction and secondly confirming the pole.
  • all peak intensities other than the target surface are 10% or less, preferably 5% or less of the maximum peak intensity of the target surface.
  • the peak intensity other than the (00L) plane is 10% or less, preferably 5% or less of the maximum peak intensity of the (00L) plane.
  • (00L) is a display collectively referring to equivalent surfaces such as (001) and (002).
  • the number of poles is six.
  • 4 ⁇ 3 12 poles are observed because the substrate is symmetric four times.
  • a lithium niobate film epitaxially grown in a twin state is also included in the epitaxial film.
  • the composition of the lithium niobate film is LixNbAyOz.
  • A represents an element other than Li, Nb, and O.
  • x is 0.5 to 1.2, preferably 0.9 to 1.05.
  • y is 0 to 0.5.
  • z is 1.5 to 4, preferably 2.5 to 3.5.
  • elements of A K, Na, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Hf, V, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, Zn, Sc, Ce, etc. There may be a combination of two or more.
  • the film thickness of the lithium niobate film is preferably 2 ⁇ m or less. This is because it becomes difficult to form a high-quality film when the film thickness is larger than this. On the other hand, when the film thickness of the lithium niobate film is too thin, light confinement in the lithium niobate film becomes weak, and light leaks to the substrate or the buffer layer and is guided. Even if an electric field is applied to the lithium niobate film, the change in the effective refractive index of the optical waveguide (1a, 1b) may be small. Therefore, the thickness of the lithium niobate film is preferably about 1/10 or more of the wavelength of light used.
  • the lithium niobate film As a method for forming the lithium niobate film, it is desirable to use a film forming method such as a sputtering method, a CVD method, or a sol-gel method.
  • the c-axis of lithium niobate is oriented perpendicular to the main surface of the substrate 1, and the optical refractive index changes in proportion to the electric field by applying an electric field parallel to the c-axis.
  • sapphire is used as the single crystal substrate
  • the lithium niobate film can be epitaxially grown directly on the sapphire single crystal substrate.
  • silicon is used as the single crystal substrate, a lithium niobate film is formed by epitaxial growth through a cladding layer (not shown).
  • a layer having a refractive index lower than that of the lithium niobate film and suitable for epitaxial growth is used.
  • Y 2 O 3 is used as a cladding layer (not shown)
  • a high quality lithium niobate film can be formed.
  • a method for forming a lithium niobate film As a method for forming a lithium niobate film, a method of thinly polishing or slicing a lithium niobate single crystal substrate is also known. This method has the advantage that the same characteristics as a single crystal can be obtained, and can be applied to the present invention.
  • the signal electrode 7 has a two-layer structure, and has an upper layer portion 7 a formed in the electrode layer 6 and a lower layer portion 7 b embedded in an opening (first opening) penetrating the insulating layer 5.
  • the lower layer portion 7 b of the signal electrode 7 is provided at the end portion of the upper layer portion 7 a of the signal electrode 7 near the first ground electrode 8. Therefore, the lower surface (first lower surface) S 11 of the lower portion 7b of the signal electrodes 7 are provided on the first ground electrode 8 toward the lower surface (second lower surface) S 12 of the upper portion 7a.
  • the first lower surface S 11 of the signal electrode 7 is in contact with the upper surface of the buffer layer 4 above the first optical waveguide 10a, a first optical waveguide 10a via a buffer layer 4 Covering.
  • the second lower surface S 12 of the signal electrode 7 is located above the first lower surface S 11 and is not in contact with the buffer layer 4.
  • Signal lower portion 7b of the X direction width of the electrode 7 W 11 (width of the first lower surface S 11) is narrower than W 10 (total width of the signal electrode 7) X direction width of the upper portion 7a.
  • the lower layer portion 7b is formed only in the vicinity of the region overlapping the first optical waveguide 10a in plan view, and is not formed in any other region. Therefore, the width W 11 of the first lower surface S 11 of the signal electrode 7 is slightly larger than the width W 0 of the first optical waveguide 10a.
  • the width W 11 of the first lower surface S 11 of the signal electrode 7 is preferably 1.1 to 15 times the width W 0 of the optical waveguide 10a, 1. It is more preferably 5 to 10 times.
  • the first ground electrode 8 also has a two-layer structure, and has an upper layer portion 8a formed in the electrode layer 6 and a lower layer portion 8b embedded in an opening (second opening) penetrating the insulating layer 5. ing.
  • the lower layer portion 8 b of the first ground electrode 8 is provided at the end portion of the upper layer portion 8 a of the first ground electrode 8 near the signal electrode 7. Therefore, the lower surface (first lower surface) S 21 of the upper portion 8a of the first ground electrode 8 is provided on the signal electrodes 7 closer than the lower surface (second lower surface) S 22 of the lower portion 8b.
  • the first lower surface S 21 of the first ground electrode 8 is in contact with the upper surface of the buffer layer 4 above the second optical waveguide 10 b, and the second optical waveguide is interposed via the buffer layer 4.
  • the waveguide 10b is covered.
  • the second lower surface S 22 of the first ground electrode 8 is located above the first lower surface S 21 and is not in contact with the buffer layer 4.
  • First X-direction width of the lower portion 8b of the ground electrode 8 W 21 (the width of the second lower surface S 21), from the X direction width (full width of the first ground electrode 8) W 20 of the upper portion 8a Is also narrow.
  • the lower layer portion 8b of the first ground electrode 8 is formed only in the vicinity of the region overlapping the second optical waveguide 10b in plan view, and is not formed in any other region. Therefore, the width W 21 of the first lower surface S 21 of the first ground electrode 8 is slightly larger than the width W 0 of the second optical waveguide 10b.
  • X-direction width W 21 of the lower portion 8b of the first ground electrode 8 is smaller than the X direction width W 22 of the upper portion 8a.
  • the width W 21 of the first lower surface S 21 of the first ground electrode 8 is 1.1 to 5 times the width W 0 of the optical waveguide 10b The ratio is preferably 1.5 to 3 times.
  • the second ground electrode 9 is provided on the opposite side of the first ground electrode 8 across the signal electrode 7.
  • the second ground electrode 9 has a single-layer structure composed of only a conductor provided on the electrode layer 6, but may have a two-layer structure like the signal electrode 7 and the first ground electrode 8.
  • the width W 20 of the upper layer portion 8 a of the first ground electrode 8 is wider than the width W 10 of the upper layer portion 7 a of the signal electrode 7.
  • the width W 30 of the second ground electrode 9 is also preferably wider than the width W 10 of the upper layer portion 7 a of the signal electrode 7.
  • First and second optical waveguides 10a in the cross-sectional structure shown in FIG. 2 10b to the vertical cut, spacing G 3 between the signal electrodes 7 and the second ground electrode 9, the signal electrode 7 first ground electrode 8 is set wider than the interval G 2 with respect to 8.
  • the interval between the signal electrode and the ground electrode means the shortest distance between them in the X direction.
  • the pair of optical waveguides by the influence of the second ground electrodes 9 the size difference between the applied electric field is increased, which although causes wavelength chirp, spacing apart G 3 between the signal electrodes 7 and the second ground electrodes 9 and the signal electrodes 7 and the first ground electrode 8
  • the influence of the second ground electrode 9 on the applied electric field to the pair of optical waveguides can be reduced, and the applied electric fields to the first and second optical waveguides 10a and 10b are as similar as possible.
  • the wavelength chirp can be reduced by adjusting the size.
  • the width W 11 of the lower surface S 11 of the signal electrode 7 is preferably wider than the width W 21 of the lower surface S 21 of the first ground electrode 8 (W 11 > W 21 ).
  • the second ground electrode 9 is provided next to the signal electrode 7 as described above, a good high frequency characteristic can be obtained by reducing the radiation loss.
  • the electrode structure is asymmetric, the wavelength chirp is reduced. Problems arise.
  • W 11 only the W 21 can not be substantially the same size of the electric field applied to the first and second optical waveguides 10a, 10b.
  • W 11 > W 21 the influence of the second ground electrode 9 can be suppressed, and the electric fields applied to the pair of optical waveguides can be made substantially the same, thereby reducing the wavelength chirp. Can be prevented.
  • the optical modulator 100 reduces the radiation loss because the widths W 20 and W 30 of the first and second ground electrodes 8 and 9 are wider than the width W 10 of the signal electrode 7. And good high frequency characteristics can be obtained. Further, by the first ground electrode 8 and a two-layer structure, the width W 21 of the first lower surface S 21 of the lower portion 8b narrower than the width W 22 of the upper portion 8a, the electric field in the second optical waveguide 10b Thus, the difference in the magnitude of the electric field applied to the pair of optical waveguides can be reduced, and the wavelength chirp of the modulated light can be reduced.
  • the width W 11 of the lower surface S 11 of the signal electrode 7 is made wider than the width W 21 of the lower layer portion 8 b of the first ground electrode 8, and the gap G 3 between the signal electrode 7 and the second ground electrode 9 is set.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of an optical modulator 200 according to the second embodiment of the present invention.
  • the optical modulator 200 according to the present embodiment is characterized in that the upper layer portion 7 a and the lower layer portion 7 b of the signal electrode 7 have the same width W 10 , and both are the lower layers of the first ground electrode 8. The point is larger than the width W 21 of the part 8b (W 10 > W 21 ).
  • Other configurations of the optical modulator 200 are the same as those of the optical modulator 100 according to the first embodiment. Therefore, the present embodiment can achieve the same effects as those of the first embodiment.
  • the protective layer 3, the buffer layer 4, and the insulating layer 5 include the ridge portion 2 r, the lower layer portion 7 b of the signal electrode 7, and the first ground electrode 8. Although formed on the entire surface excluding the lower layer portion 8b, the protective layer 3, the buffer layer 4, and the insulating layer 5 between the signal electrode 7 and the first ground electrode 8 may be removed.
  • FIG. 4A is a schematic cross-sectional view showing the configuration of an optical modulator 300 according to the third embodiment of the present invention
  • FIG. 4B is an optical modulation according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the optical modulator 300 shown in FIG. 4A is a first modification of the optical modulator 100 shown in FIG. 2, and is characterized by the lower layer portion 7 b of the signal electrode 7 and the first ground electrode 8.
  • electrode separation area part of the insulating layer 5 which is present below the 6i between the lower portion 8b (the portion surrounded by a broken line H 1) is removed, and thereby to expose the portion of the top surface of the buffer layer 4 There is in point.
  • the insulating layer 5 may be removed not in the whole region of the electrode separation region 6i but in a part of the region.
  • the optical modulator 400 shown in FIG. 4B is a second modification of the optical modulator 100 shown in FIG. 2, and is characterized by the lower layer portion 7 b of the signal electrode 7 and the first ground electrode 8.
  • the lower layer portion 7 b of the signal electrode 7 and the first ground electrode 8 In addition to a part of the insulating layer 5 existing below the electrode isolation region 6i between the lower layer part 8b and a part of the laminated body of the buffer layer 4 and the protective layer 3 located below the insulating layer 5 (broken line H 2 (The portion surrounded by) is also removed, so that a part of the upper surface of the waveguide layer 2 is exposed.
  • the laminated body of the buffer layer 4 and the protective layer 3 may be removed not in the whole region of the electrode separation region 6i but in a part of the region. Further, instead of removing both the buffer layer 4 and the protective layer 3, only the buffer layer 4 may be removed together with the insulating layer 5, and a part of the upper surface of the protective layer 3 may be exposed.
  • the speed matching in (1) is matching between the speed of light and the speed of the traveling wave electrode, and it is necessary to match the effective refractive indexes of the two.
  • the effective refractive index of light is almost determined by the material used for the optical waveguide and cannot be adjusted.
  • the effective refractive index of the traveling wave electrode can be lowered by removing a part of the protective layer 3, the buffer layer 4, and the insulating layer 5, as shown in FIGS. Is possible. Further, the effective refractive index can be increased by adding another layer.
  • the impedance also changes simultaneously with the change of the effective refractive index, it is actually necessary to optimize conditions that satisfy (1) speed matching and (3) impedance matching at the same time.
  • the optical modulator 300 exists below the electrode isolation region 6 i between the lower layer portion 7 b of the signal electrode 7 and the lower layer portion 8 b of the first ground electrode 8. Since a part of the insulating layer 5 is removed, the effective refractive index of the traveling wave electrode can be matched with the effective refractive index of light, so that speed matching can be improved.
  • the optical modulator 400 according to the fourth embodiment includes an insulating layer 5 and a buffer that exist below the electrode isolation region 6 i between the lower layer portion 7 b of the signal electrode 7 and the lower layer portion 8 b of the first ground electrode 8.
  • the effective refractive index of the traveling wave electrode matches the effective refractive index of light.
  • the speed matching can be improved.
  • the Mach-Zehnder optical waveguide 10 is formed in a linear shape, but may have a curved portion.
  • FIG. 5 is a plan view of an optical modulator 500 according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 5A shows only an optical waveguide, and
  • FIG. 5B shows optical modulation including traveling wave electrodes. The entire device 500 is illustrated.
  • the optical modulator 500 is characterized in that the Mach-Zehnder optical waveguide 10 is configured by a combination of a straight portion and a curved portion. More specifically, the Mach-Zehnder optical waveguide 10 includes first to third straight portions 10e 1 , 10e 2 , 10e 3 arranged in parallel to each other, a first straight portion 10e 1, and a second straight portion. a first curved portion 10f 1 that connects the 10e 2, has a second straight portion 10e 2 of the second curved portion 10f 1 that connects the third straight portion 10e 3.
  • the input light Si is input to one end of the first straight portion 10e 1 , travels from one end of the first straight portion 10e 1 to the other end, and is turned back at the first bending portion 10f 1 .
  • the second straight line portion 10e 2 advances from one end to the other end in the opposite direction to the first straight line portion 10e 1 and is further folded at the second curved portion 10f 2 to form the third straight line portion 10e 3 . It proceeds in the same direction as the first straight part 10e 1 from one end to the other end.
  • an optical waveguide formed of a lithium niobate film has a feature that loss is small even when the curvature radius is reduced to, for example, about 50 ⁇ m, and is suitable for this embodiment.
  • an optical modulator having a pair of optical waveguides 10a and 10b formed by a lithium niobate film epitaxially grown on the substrate 1 has been described.
  • the present invention is limited to such a structure.
  • an optical waveguide formed by Ti diffusion near the surface of the lithium niobate single crystal substrate may be used.
  • the width of the optical waveguide can be narrowed if it is an optical waveguide formed of a lithium niobate film, the problem of electric field concentration is significant, and the effect of the present invention is great.
  • the waveguiding layer 2 a semiconductor material or a polymer material having an electro-optic effect may be used as the waveguiding layer 2.
  • the case where the lower surfaces of the first ground electrode 8 and the signal electrode 7 have a two-step structure is described as an example.
  • the first ground electrode 8 and the signal electrode 7 may have three or more steps.
  • the surface in contact with the buffer layer 4 is the first lower surface
  • all surfaces not in contact with the buffer layer 4 are the second lower surface.
  • the width of the lower layer portion 7b of the signal electrode 7 and the lower layer portion 8b of the first ground electrode 8 may have a tapered shape in which the width gradually decreases toward the first and second optical waveguides 10a and 10b. I do not care.
  • the second ground electrode 9 does not have a step structure, but may have a step structure, and a part of the second ground electrode 9 is formed on the insulating layer 5. It may be embedded in the opening.
  • the wavelength chirp ⁇ of the modulated light of the optical modulator when the thickness (thickness of the insulating layer 5) T of the lower layer portion 8b of the first ground electrode 8 is a variable parameter was obtained by simulation.
  • the thickness of the waveguide layer 2 made of a lithium niobate film including the ridge portion 2r (total thickness of the waveguide layer 2 and the protective layer 3) is 1.5 ⁇ m, and the ridge width (W 0 ) is 1 ⁇ m.
  • the thickness of the buffer layer 4 was 0.9 ⁇ m, and the dielectric constant of the buffer layer 4 was 13.
  • the electrode layer 6 on which the signal electrode 7 and the first and second ground electrodes 8 and 9 are formed is Au, and the maximum thickness is 11 ⁇ m.
  • the width W 11 of width W 10 and the lower portion 7b of the upper portion 7a of the signal electrodes 7 are both set to 3 [mu] m.
  • the thickness T (thickness of the insulating layer 5) T of the first ground electrode 8 which is a variable parameter is 0 ⁇ m (no step), 0.5 ⁇ m, 1 ⁇ m, 2 ⁇ m, 3 ⁇ m, 4 ⁇ m, 5 ⁇ m, There were 8 types of 6 ⁇ m.
  • the width W 21 of the lower layer portion 8b of the first ground electrode 8 is set to 3 ⁇ m (however, the height of the step T ⁇ 0 ⁇ m).
  • Distance G 2 between the signal electrode 7 and the first ground electrode 8 7 [mu] m, distance G 3 between the signal electrodes 7 and the second ground electrode 9 was set to 12.5 .mu.m.
  • FIG. 6 is a diagram of an equipotential surface showing an example of a simulation result.
  • FIG. 7 is a graph showing the calculation result of the wavelength chirp ⁇ .
  • T> 0 ⁇ m that is, the first ground electrode 8 has two types of lower surfaces with different heights, and the lowermost surface is in contact with the upper surface of the buffer layer 4, whereby the absolute value of the wavelength chirp ⁇ can be reduced. This is mainly because the electric field applied to the second optical waveguide 10b on the right side is increased by increasing the height T of the step.
  • the width of the lower portion 7b of the signal electrodes 7 was obtained by simulating the wavelength chirp ⁇ of the modulated light of the light modulator with respect to a change in the W 11 (width of the first lower surface S 11) the width of the lower portion 7b of the signal electrodes 7.
  • the thickness T of the insulating layer 5 was 2 ⁇ m
  • the thickness of the electrode layer 6 was 4 ⁇ m.
  • the width W 21 of the lower layer portion 8b of the first ground electrode 8 was 3 ⁇ m.
  • the width W 11 of the lower portion 7b of the signal electrode 7 is variable parameters were 3 [mu] m, 4 [mu] m, 5 [mu] m, and are four of 6 [mu] m.
  • the width W 10 of the upper layer portion 7a of the signal electrode 7 was set to 15 ⁇ m.
  • FIG. 8 is a graph showing the calculation result of the wavelength chirp ⁇ .
  • the signal electrode 7 is provided with the first and second lower surfaces S 11 and S 12 having different heights, and the width W 11 of the first lower surface S 11 of the signal electrode 7 in contact with the upper surface of the buffer layer 4 is adjusted.
  • the magnitude of the electric field applied to the first optical waveguide 10a was finely adjusted, so that the wavelength chirp ⁇ could be made substantially zero.
  • the thickness of the waveguide layer 2 made of a lithium niobate film including the ridge portion 2r is 1.5 ⁇ m
  • the ridge width (W 0 ) is 1.
  • the thickness of the buffer layer 4 is 0.9 ⁇ m, and the dielectric constant of the buffer layer 4 is 13.
  • the electrode layer 6 on which the signal electrode 7 and the first and second ground electrodes 8 and 9 are formed is Au, and the thickness of the upper layer portion 7a of the signal electrode 7 and the upper layer portion 8a of the first ground electrode 8 is set.
  • the (thickness of the electrode layer 6) was 4 ⁇ m.
  • the thickness (thickness of the insulating layer 5) T of the lower layer portion 7b of the signal electrode 7 and the lower layer portion 8b of the first ground electrode 8 was 3 ⁇ m.
  • Width W 10 of the upper portion 7a of the signal electrodes 7 34 mm, the width W 11 of the lower portion 7b is set to 4 [mu] m.
  • the width W 20 of the upper layer portion 8a of the first ground electrode 8 was 203 ⁇ m, and the width W 21 of the lower layer portion 8b was 3 ⁇ m.
  • the width W 30 of the second ground electrode 9 was 200 ⁇ m.
  • Distance G 2 between the signal electrode 7 and the first ground electrode 8 is 8.5 .mu.m
  • spacing G 3 between the signal electrodes 7 and the second ground electrode 9 was set to 60 [mu] m.
  • the half-wave voltage at 32 GHz is 2.5 V
  • the band is 45 GHz
  • the wavelength chirp ⁇ is 0.02
  • the wavelength chirp is small
  • the drive voltage is low. Good frequency characteristics were obtained.

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Abstract

【課題】、高周波特性が良好であり、変調光の波長チャープが低減されたシングル駆動型の光変調器を提供する。 【解決手段】光変調器１００は、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂを含む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を覆うバッファ層４と、第１及び第２の接地電極８，９と、平面視で第１及び第２の接地電極８，９間に位置する信号電極７とを含む電極層６とを備える、信号電極７は、バッファ層４を介して第１の光導波路１０ａを覆う第１の下面Ｓ１１を有し、第１の接地電極８は、バッファ層４を介して第２の光導波路１０ｂを覆う第１の下面Ｓ２１と、第１の下面Ｓ２１よりも上方に位置する第２の下面Ｓ２２とを有し、信号電極７と第２の接地電極９の間隔Ｇ３は、信号電極７と第１の接地電極８の間隔Ｇ２より広い。

Description

光変調器
　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）。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。マッハツェンダー型光変調器は、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）を用いた光変調器である。マッハツェンダー干渉計は、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装置であり、これを応用したマッハツェンダー型光変調器は各種の変調光を発生するために用いられる。
　これに対して、特許文献２～４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、低駆動電圧化を実現している。
　特許文献１に記載されているように、従来のマッハツェンダー型光変調器においては、波長チャープと呼ばれる変調光の波長変化による信号波形の劣化が問題となっている。平行導波路に対する信号電極の配置の違いによって、各平行導波路に印加される電界の強さが異なり、信号電極に近い一方の導波路の屈折率の変化量（ΔｎＳ）の方が、信号電極から遠い他方の導波路の屈折率の変化量（ΔｎＧ）よりも大きくなる。このため、平行導波路を伝搬する各光の位相変化も絶対値が異なるようになり、信号が「０」から「１」又は「１」から「０」に切り替わるときに、波長チャープが発生して伝送後の信号波形が劣化する。
　特許文献２に記載された従来の光変調器３００の断面構造を図９（ａ）に示す。サファイア基板２１上にはニオブ酸リチウム膜による一対の光導波路２２ａ，２２ｂが形成され、光導波路２２ａ、２２ｂの上部にはバッファ層２３を介して信号電極２４ａ及び接地電極２４ｂがそれぞれ配置されている。この光変調器３００は１つの信号電極２４ａを有するいわゆるシングル駆動型であり、信号電極２４ａと接地電極２４ｂは対称構造なので、光導波路２２ａ，２２ｂに印加される電界は大きさが等しく、符号が逆となっており、変調光の波長チャープが発生しない構造である。しかし、接地電極２４ｂの面積が狭いため、高周波で動作しないという問題がある。
　特許文献３に記載された従来の光変調器４００の断面構造を図９（ｂ）に示す。ニオブ酸リチウム膜による一対の光導波路２２ａ，２２ｂの上部にはバッファ層２３を介して２つの信号電極２４ａ１，２４ａ２が配置されると共に、信号電極２４ａ１，２４ａ２と離間して３つの接地電極２４ｃ，２４ｄ，２４ｅが配置されている。２つの信号電極２４ａ１，２４ａ２に大きさが等しく符号が逆の電圧を加えることで、一対の光導波路２２ａ，２２ｂに印加される電界は大きさが等しく、符号が逆となり、変調光の波長チャープは発生しない。また、一対の光導波路２２ａ，２２ｂに加える電圧を調整することで、チャープ量を調整可能という特徴を有している。さらに左右の接地電極２４ｃ，２４ｄの面積が十分に確保されているので、高周波で動作可能な構造である。しかしながら、この光変調器４００は２つの信号電極２４ａ，２４ｂを有するデュアル駆動型であるため、電極構造が複雑という問題がある。また、高周波の電気信号の入力コネクタが２つ必要になると共に、両方の信号電極に対してデータの反転した電気信号の位相を制御しながら印加することが必要になるため、駆動系の回路構成が複雑化するなどの欠点がある。
特許第４４８５２１８号公報 特開２００６－１９５３８３号公報 特開２０１４－６３４８号公報 特開２０１５－１１８３７１号公報
　高周波で動作可能なシングル駆動型の光変調器５００の断面構造を図９（ｃ）に示す。この光変調器５００は、単一の信号電極２４ａの左右に第１及び第２の接地電極２４ｂ，２４ｃがそれぞれ設けられており、各接地電極の面積が十分に確保されているので、高周波で動作可能な構造である。しかしながら、接地電極２４ｂの平面サイズが大きいため光導波路２２ｂに電界が集中し難く、光導波路２２ｂに印加される電界よりも光導波路２２ａに印加される電界のほうが大きくなるため、変調光の波長チャープが問題となる。
　したがって、本発明は、高周波特性が良好で変調光の波長チャープが低減されたシングル駆動型の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、第１及び第２の光導波路を含むマッハツェンダー光導波路と、前記第１及び第２の光導波路を覆うバッファ層と、第１及び第２の接地電極と、平面視で前記第１及び第２の接地電極間に位置する信号電極とを含む電極層とを備え、前記信号電極は、前記バッファ層を介して前記第１の光導波路を覆う第１の下面を有し、前記第１の接地電極は、前記バッファ層を介して前記第２の光導波路を覆う第１の下面と、前記第１の下面よりも上方に位置する第２の下面とを有し、前記信号電極と前記第２の接地電極の間隔は、前記信号電極と前記第１の接地電極の間隔より広いことを特徴とする。
　本発明によれば、信号電極と第１の接地電極との大きさの違いに起因する一対の光導波路への印加電界の大きさの差をできるだけ小さくし、これにより変調光の波長チャープを低減することができる。また、第２の接地電極を設けることによって放射損失を低減して良好な高周波特性を得ることができる。さらに信号電極と第２の接地電極との間隔を信号電極と前記第１の接地電極との間隔よりも広くすることにより、第２の接地電極の影響による一対の光導波路への印加電界の大きさの差を小さくして変調光の波長チャープを低減することができる。
　本発明において、前記信号電極の前記第１の下面の幅は、前記第１の接地電極の前記第１の下面の幅よりも広いことが好ましい。この構成によれば、第２の接地電極の影響による一対の光導波路への印加電界の大きさの差をさらに小さくして変調光の波長チャープを低減することができる。
　本発明において、前記信号電極は、前記第１の下面よりも上方に位置する第２の下面をさらに有することが好ましい。この構成によれば、第１の光導波路に電界を集中させると共に、第１及び第２の光導波路にそれぞれ印加される電界のバランスをとることができる。
　本発明において、前記信号電極の前記第１の下面の幅及び前記第１の接地電極の前記第１の下面の幅は、前記第１及び第２の光導波路の幅よりも広いことが好ましい。この構成によれば、一対の光導波路に対する電界集中を高めつつ、信号電極を第１の光導波路と確実に対向させることができ、また第１の接地電極を第２の光導波路と確実に対向させることができる。
　本発明による光変調器は、前記バッファ層と前記電極層との間に設けられた絶縁層をさらに備え、前記絶縁層は、前記第１及び第２の光導波路の上方にそれぞれ位置する第１及び第２の開口を有し、前記信号電極は、前記電極層に形成された上層部と、前記第１の開口内に埋め込まれた下層部を含み、前記第１の接地電極は、前記電極層に形成された上層部と、前記第２の開口内に埋め込まれた下層部を含み、前記第１の接地電極の上層部の幅は、前記第１の接地電極の下層部の幅よりも広いことが好ましい。この構成によれば、高さが異なる第１及び第２の下面を有する電極構造を容易に実現することができる。
　本発明において、前記信号電極の上層部の幅は、前記信号電極の下層部の幅よりも広いことが好ましく、前記信号電極の下層部の幅と等しいこともまた好ましい。いずれの場合でも、高周波特性が良好で変調光の波長チャープが低減されたシングル駆動型の光変調器を提供することができる。
　本発明において、前記信号電極の下層部と前記第１の接地電極の下層部との間の電極分離領域の下方に存在する前記絶縁層の少なくとも一部は、除去されていてもよい。また、前記電極分離領域の下方に存在する前記バッファ層の一部は、前記絶縁層の一部と共に除去されていてもよい。さらに、本発明による光変調器は、前記第１及び第２の光導波路を構成するリッジ部を有する導波層と、前記導波層の上面のうち前記リッジ部が形成されていない領域を覆う保護層とをさらに備え、前記バッファ層は、前記リッジ部の上面及び前記保護層の上面を覆っており、前記電極分離領域の下方に存在する前記保護層の一部は、前記絶縁層の一部及び前記バッファ層の一部と共に除去されていてもよい。この構成によれば、進行波電極の実効屈折率を光の実行屈折率と一致させて速度整合を良好にすることができ、高周波特性が良好な光変調器を実現することができる。
　本発明において、前記マッハツェンダー光導波路は、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、前記信号電極の前記第１の下面は、前記バッファ層を介して前記直線部における前記第１の光導波路を覆っており、前記第１の接地電極の前記第１の下面は、前記バッファ層を介して前記直線部における前記第２の光導波路を覆っていることが好ましい。この場合において、前記直線部は、互いに平行な第１乃至第３の直線部を有し、前記湾曲部は、前記第１の直線部と前記第２の直線部とを繋ぐ第１の湾曲部と、前記第２の直線部と前記第３の直線部とを繋ぐ第２の湾曲部とを有し、前記信号電極の前記第１の下面は、前記バッファ層を介して前記第１乃至第３の直線部の少なくとも一つにおける前記第１の光導波路を覆っており、前記第１の接地電極の前記第１の下面は、前記バッファ層を介して前記第１乃至第３の直線部の少なくとも一つにおける前記第２の光導波路を覆っ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。
　本発明において、前記マッハツェンダー光導波路は、基板上に形成されたニオブ酸リチウム膜により形成され、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が低減されたシングル駆動型の光変調器を実現することができる。
　本発明によれば、高周波特性が良好で変調光の波長チャープが低減されたシングル駆動型の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、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器１００の全体を図示している。 図２は、図１（ａ）及び（ｂ）のＡ－Ａ'線に沿った光変調器１００の略断面図である。 図３は、本発明の第２の実施の形態による光変調器２００の構成を示す略断面図である。 図４（ａ）は、本発明の第３の実施の形態による光変調器３００の構成を示す略断面図であり、図４（ｂ）は、本発明の第４の実施の形態による光変調器４００の構成を示す略断面図である。 図５は、本発明の第５の実施の形態による光変調器５００の平面図であり、図５（ａ）は光導波路のみ図示し、図５（ｂ）は進行波電極を含めた光変調器５００の全体を図示している。 図６は、第１の接地電極の段差の高さＴを変化させるシミュレーション結果の例を示す等電位面の図であり、図６（ａ）はＴ＝０μｍ、図６（ｂ）はＴ＝６μｍの結果を図示している。 図７は、図６のシミュレーション結果から得られる変調光の波長チャープαを示すグラフである。 図８は、シミュレーション結果から得られる変調光の波長チャープαを示すグラフである。 図９（ａ）～（ｃ）は、従来の光変調器の構造を示す略断面図である。
　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、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の光導波路１０ａに沿って設けられた信号電極７と、第２の光導波路１０ｂに沿って設けられた第１の接地電極８と、信号電極７から見て第１の接地電極８と反対側に設けられた第２の接地電極９とを備えている。
　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る。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。
　信号電極７は平面視で第１及び第２の接地電極８，９間に位置している。信号電極７の一端７ｅは信号入力端であり、信号電極７の他端７ｇは終端抵抗１２を介して第１及び第２の接地電極８，９にそれぞれ接続されている。これにより、信号電極７と第１及び第２の接地電極８，９はコプレーナ型進行波電極として機能する。詳細は後述するが、信号電極７及び第１の接地電極８は二層構造であり、破線で示す信号電極７の下層部７ｂは第１の光導波路１０ａと平面視で重なっており、同じく破線で示す第１の接地電極８の下層部８ｂは第２の光導波路１０ｂと平面視で重なっている。
　信号電極７の一端７ｅには電気信号（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。
　このように、本実施形態による光変調器１００は、１つの信号電極７で構成されたシングル駆動型であるため、第１の接地電極８の面積を十分に確保することができ、高周波で動作可能である。また信号電極７を挟んで第１の接地電極８と反対側に第２の接地電極９を配置することで放射損失を低減でき、さらに良好な高周波特性を得ることができる。
　図２は、図１（ａ）及び（ｂ）のＡ－Ａ'線に沿った光変調器１００の略断面図である。
　図２に示すように、本実施形態による光変調器１００は、基板１、導波層２、保護層３、バッファ層４、絶縁層５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膜からなる導波層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の幅Ｗ０は例えば１μｍとすることができる。
　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（ＳｉＯ２）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中を伝搬する光が信号電極７や第１の接地電極８によって吸収されるのを防ぐため、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としては、導波層２の屈折率より小さい屈折率を有する材質、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）や酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）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。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。
　絶縁層５は、進行波電極の下面に段差を形成するために設けられたものである。絶縁層５の第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂと重なる領域には開口（スリット）が形成されており、バッファ層４の上面を露出させている。この開口内に電極層６の一部が埋め込まれることにより、信号電極７及び第１の接地電極８の下面に段差が形成される。絶縁層５の厚さＴは１μｍ以上であることが好ましい。絶縁層５の厚さが１μｍ以上であれば、信号電極７及び第１の接地電極８の下面に段差を設けたことによる効果を得ることができる。
　電極層６には、信号電極７、第１の接地電極８及び第２の接地電極９が設けられている。信号電極７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１の接地電極８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。第２の接地電極９は、信号電極７を挟んで第１の接地電極８と反対側に設けられている。
　導波層２として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発明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、下地の基板もしくは下地膜の結晶方位に対して、そろ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軸方向にともにそろ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。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。膜厚がこれ以上厚くなると、高品質な膜を形成するの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、基板やバッファ層に光が漏れて導波することになる。ニオブ酸リチウム膜に電界を印加しても、光導波路（１ａ、１ｂ）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。
　信号電極７は二層構造であり、電極層６に形成された上層部７ａと、絶縁層５を貫通する開口（第１の開口）内に埋め込まれた下層部７ｂとを有している。信号電極７の下層部７ｂは、信号電極７の上層部７ａの第１の接地電極８寄りの端部に設けられている。そのため、信号電極７の下層部７ｂの下面（第１の下面）Ｓ１１は、上層部７ａの下面（第２の下面）Ｓ１２よりも第１の接地電極８寄りに設けられている。このような構成により、信号電極７の第１の下面Ｓ１１は、第１の光導波路１０ａの上方においてバッファ層４の上面に接しており、バッファ層４を介して第１の光導波路１０ａを覆っている。信号電極７の第２の下面Ｓ１２は、第１の下面Ｓ１１よりも上方に位置しており、バッファ層４には接していない。
　信号電極７の下層部７ｂのＸ方向の幅（第１の下面Ｓ１１の幅）Ｗ１１は、上層部７ａのＸ方向の幅（信号電極７の全幅）Ｗ１０よりも狭い。下層部７ｂは、第１の光導波路１０ａと平面視で重なる領域付近にのみ形成され、それ以外の領域には形成されない。そのため、信号電極７の第１の下面Ｓ１１の幅Ｗ１１は、第１の光導波路１０ａの幅Ｗ０よりも少し広い程度である。信号電極７に電界を集中させるためには、信号電極７の第１の下面Ｓ１１の幅Ｗ１１は、光導波路１０ａの幅Ｗ０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。
　第１の接地電極８も二層構造であり、電極層６に形成された上層部８ａと、絶縁層５を貫通する開口（第２の開口）内に埋め込まれた下層部８ｂとを有している。第１の接地電極８の下層部８ｂは、第１の接地電極８の上層部８ａの信号電極７寄りの端部に設けられている。そのため、第１の接地電極８の上層部８ａの下面（第１の下面）Ｓ２１は、下層部８ｂの下面（第２の下面）Ｓ２２よりも信号電極７寄りに設けられている。このような構成により、第１の接地電極８の第１の下面Ｓ２１は、第２の光導波路１０ｂの上方においてバッファ層４の上面に接しており、バッファ層４を介して第２の光導波路１０ｂを覆っている。第１の接地電極８の第２の下面Ｓ２２は、第１の下面Ｓ２１よりも上方に位置しており、バッファ層４には接していない。
　第１の接地電極８の下層部８ｂのＸ方向の幅（第２の下面Ｓ２１の幅）Ｗ２１は、上層部８ａのＸ方向の幅（第１の接地電極８の全幅）Ｗ２０よりも狭い。第１の接地電極８の下層部８ｂは、第２の光導波路１０ｂと平面視で重なる領域付近にのみ形成され、それ以外の領域には形成されない。そのため、第１の接地電極８の第１の下面Ｓ２１の幅Ｗ２１は、第２の光導波路１０ｂの幅Ｗ０よりも少し広い程度である。したがって、第１の接地電極８の下層部８ｂのＸ方向の幅Ｗ２１は、上層部８ａのＸ方向の幅Ｗ２２よりも狭い。第２の光導波路１０ｂに電界を集中させるためには、第１の接地電極８の第１の下面Ｓ２１の幅Ｗ２１は、光導波路１０ｂの幅Ｗ０の１．１～５倍であることが好ましく、１．５～３倍であることがより好ましい。
　第２の接地電極９は、信号電極７を挟んで第１の接地電極８と反対側に設けられている。第２の接地電極９は電極層６に設けられた導体のみからなる単層構造であるが、信号電極７や第１の接地電極８と同様に二層構造であってもよい。
　第１の接地電極８の上層部８ａの幅Ｗ２０は、信号電極７の上層部７ａの幅Ｗ１０よりも広い。また第２の接地電極９の幅Ｗ３０も信号電極７の上層部７ａの幅Ｗ１０よりも広いことが好ましい。第１及び第２の接地電極８，９の各々の面積を信号電極７の面積よりも大きくすることにより、放射損失を低減することができ、良好な高周波特性を得ることができる。
　第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂを垂直に切断した図２に示す断面構造において、信号電極７と第２の接地電極９との間隔Ｇ３は、信号電極７と第１の接地電極８との間隔Ｇ２よりも広く設定される。なお信号電極と接地電極との間隔とは、Ｘ方向における両者の最短距離のことを言う。信号電極７と第２の接地電極９との間隔Ｇ３が信号電極７と第１の接地電極８との間隔Ｇ２よりも狭いと、第２の接地電極９の影響により一対の光導波路への印加電界の大きさの差が大きくなり、これが波長チャープの原因となるが、信号電極７と第２の接地電極９との間隔Ｇ３を信号電極７と第１の接地電極８との間隔Ｇ２よりも広く設定することで、第２の接地電極９が一対の光導波路への印加電界に与える影響を低減でき、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂへの印加電界をできるだけ同じ大きさに調整して波長チャープを低減することができる。
　本実施形態において、信号電極７の下面Ｓ１１の幅Ｗ１１は、第１の接地電極８の下面Ｓ２１の幅Ｗ２１よりも広い（Ｗ１１＞Ｗ２１）ことが好ましい。上記のように信号電極７の隣に第２の接地電極９を設けた場合には、放射損失の低減により良好な高周波特性を得ることができるが、電極構造が非対称となるため、波長チャープの問題が生じる。第２の接地電極９が設けられていなければ、信号電極７の下層部７ｂの幅Ｗ１１と第１の接地電極８の下層部８ｂの幅Ｗ２１とを同じ（Ｗ１１＝Ｗ２１）にすることで一対の光導波路に印加される電界の大きさをほぼ同じにすることができるが、上記のように信号電極７の隣に第２の接地電極９を設けた場合において、Ｗ１１＝Ｗ２１とするだけでは第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ほぼ同じにすることができない。しかし、Ｗ１１＞Ｗ２１とする場合には、第２の接地電極９の影響を抑えて一対の光導波路にそれぞれ印加される電界をほぼ同じ大きさにすることができ、これにより波長チャープを防止することができる。
　以上説明したように、本実施形態による光変調器１００は、第１及び第２の接地電極８，９の幅Ｗ２０，Ｗ３０が信号電極７の幅Ｗ１０よりも広いので放射損失を低減でき、良好な高周波特性を得ることができる。また第１の接地電極８を二層構造とし、下層部８ｂの第１の下面Ｓ２１の幅Ｗ２１を上層部８ａの幅Ｗ２２よりも狭くすることにより、第２の光導波路１０ｂに電界を集中させることができ、これにより一対の光導波路に印加される電界の大きさの差を小さくして変調光の波長チャープを低減することができる。さらに、信号電極７の下面Ｓ１１の幅Ｗ１１を第１の接地電極８の下層部８ｂの幅Ｗ２１よりも広くすると共に、信号電極７と第２の接地電極９との間隔Ｇ３を信号電極７と第１の接地電極８との間隔Ｇ２よりも広くすることにより、第２の接地電極９の影響による一対の光導波路に印加される電界の大きさの差をさらに小さくすることができ、変調光の波長チャープをさらに低減することができる。
　図３は、本発明の第２の実施の形態による光変調器２００の構成を示す略断面図である。
　図３に示すように、本実施形態による光変調器２００の特徴は、信号電極７の上層部７ａと下層部７ｂとが同じ幅Ｗ１０であり、両者は共に第１の接地電極８の下層部８ｂの幅Ｗ２１よりも大きい（Ｗ１０＞Ｗ２１）点にある。光変調器２００のその他の構成は第１の実施の形態による光変調器１００と同じである。したがって、本実施形態も第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。
　図２に示した第１の実施の形態による光変調器１００では、保護層３、バッファ層４及び絶縁層５が、リッジ部２ｒ、信号電極７の下層部７ｂ及び第１の接地電極８の下層部８ｂを除いた全面に形成されているが、信号電極７と第１の接地電極８との間の保護層３、バッファ層４、絶縁層５は除去されていてもよい。
　図４（ａ）は、本発明の第３の実施の形態による光変調器３００の構成を示す略断面図であり、図４（ｂ）は、本発明の第４の実施の形態による光変調器４００の構成を示す略断面図である。
　図４（ａ）に示す光変調器３００は、図２に示した光変調器１００の第１の変形例であって、その特徴は、信号電極７の下層部７ｂと第１の接地電極８の下層部８ｂとの間の電極分離領域６ｉの下方に存在する絶縁層５の一部（破線Ｈ１で囲んだ部分）が除去され、これによりバッファ層４の上面の一部が露出している点にある。絶縁層５は、電極分離領域６ｉの全域ではなく一部の領域において除去されていてもよい。
　図４（ｂ）に示す光変調器４００は、図２に示した光変調器１００の第２の変形例であって、その特徴は、信号電極７の下層部７ｂと第１の接地電極８の下層部８ｂとの間の電極分離領域６ｉの下方に存在する絶縁層５の一部だけでなく、さらにその下方に位置するバッファ層４及び保護層３の積層体の一部（破線Ｈ２で囲んだ部分）も除去され、これにより導波層２の上面の一部が露出している点にある。バッファ層４及び保護層３の積層体は、電極分離領域６ｉの全域ではなく一部の領域において除去されていてもよい。またバッファ層４及び保護層３の両方を除去するのではなく、バッファ層４のみを絶縁層５と共に除去し、保護層３の上面の一部を露出させてもよい。
　光変調器が良好な高周波特性を得るためには、(1)速度整合、(2)電極の損失が低いこと、(3)インピーダンス整合の３つが重要である。(1)の速度整合とは、光の速度と進行波電極の速度の整合であり、両者の実効屈折率を一致させる必要がある。光の実効屈折率は、光導波路に用いられる材料によりほぼ決定され、調整することができない。一方、進行波電極の実効屈折率は、図４（ａ）及び（ｂ）のように、保護層３、バッファ層４、及び絶縁層５の一部を除去することで下げることができ、調整可能である。また、別の層を付加することで実効屈折率を上げることもできる。ただし、実行屈折率の変化と同時にインピーダンスも変化するので、実際には、(1)速度整合と(3)インピーダンス整合とを同時に満足するような条件の最適化が必要である。
　以上説明したように、第３の実施の形態による光変調器３００は、信号電極７の下層部７ｂと第１の接地電極８の下層部８ｂとの間の電極分離領域６ｉの下方に存在する絶縁層５の一部が除去されているので、進行波電極の実効屈折率を光の実行屈折率と一致させて速度整合を良好にすることができる。また第４の実施の形態による光変調器４００は、信号電極７の下層部７ｂと第１の接地電極８の下層部８ｂとの間の電極分離領域６ｉの下方に存在する絶縁層５、バッファ層４及び保護層３の積層体の一部（若しくは絶縁層５及びバッファ層４の積層体の一部）が除去されているので、進行波電極の実効屈折率を光の実行屈折率と一致させて速度整合を良好にすることができる。
　図１に示した第１の実施の形態による光変調器１００では、マッハツェンダー光導波路１０が直線状に形成されているが、湾曲部を有していてもよい。
　図５は、本発明の第５の実施の形態による光変調器５００の平面図であり、図５（ａ）は光導波路のみ図示し、図５（ｂ）は進行波電極を含めた光変調器５００の全体を図示している。
　図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態による光変調器５００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１０ｅ１，１０ｅ２，１０ｅ３と、第１の直線部１０ｅ１と第２の直線部１０ｅ２とを繋ぐ第１の湾曲部１０ｆ１と、第２の直線部１０ｅ２と第３の直線部１０ｅ３とを繋ぐ第２の湾曲部１０ｆ１とを有している。
　そして本実施形態による光変調器５００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１０ｅ１，１０ｅ２，１０ｅ３の断面構造が、図２、図３、図４（ａ）又は図４（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、信号電極７の第１の下面Ｓ１１は、バッファ層４を介して第１乃至第３の直線部１０ｅ１，１０ｅ２，１０ｅ３における第１の光導波路１０ａを覆っており、また第１の接地電極８の第１の下面Ｓ２１は、バッファ層４を介して第１乃至第３の直線部１０ｅ１，１０ｅ２，１０ｅ３における第２の光導波路１０ｂを覆っている。信号電極７の第１の下面Ｓ１１及び第１の接地電極８の第１の下面Ｓ２１は、第１乃至第３の直線部１０ｅ１，１０ｅ２，１０ｅ３の全体を覆っていることが好ましいが、例えば第１の直線部１０ｅ１だけを覆っていてもよい。
　本実施形態において、入力光Ｓｉは、第１の直線部１０ｅ１の一端に入力され、第１の直線部１０ｅ１の一端から他端に向かって進行し、第１の湾曲部１０ｆ１で折り返して第２の直線部１０ｅ２の一端から他端に向かって第１の直線部１０ｅ１とは逆方向に進行し、さらに第２の湾曲部１０ｆ２で折り返して第３の直線部１０ｅ３の一端から他端に向かって第１の直線部１０ｅ１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、ニオブ酸リチウム単結晶基板の表面付近にＴｉ拡散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、本発明においては第１の接地電極８及び信号電極７の下面が二段の段差構造を有する場合を例に挙げたが、三段以上の段差構造を有するものであってもよい。その場合、バッファ層４と接する面が第１の下面となり、バッファ層４と接しない面はすべて第２の下面となる。さらには、信号電極７の下層部７ｂや第１の接地電極８の下層部８ｂの幅が第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂに向けて徐々に狭くなるテーパー形状を有していても構わない。
　また、上記実施形態においては、第２の接地電極９は段差構造を有していないが、段差構造を有していてもよく、第２の接地電極９の一部が絶縁層５に形成された開口内に埋め込まれていても構わない。
　第１の接地電極８の下層部８ｂの厚さ（絶縁層５の厚さ）Ｔを可変パラメータとしたときの光変調器の変調光の波長チャープαをシミュレーションにより求めた。ここで、ニオブ酸リチウム膜からなる導波層２のリッジ部２ｒを含めた厚さ（導波層２と保護層３の合計の厚さ）は１．５μｍ、リッジ幅（Ｗ０）は１μｍ、バッファ層４の厚さは０．９μｍ、バッファ層４の誘電率は１３とした。また信号電極７及び第１及び第２の接地電極８，９が形成される電極層６の材料はＡｕとし、その最大厚さは１１μｍとした。また、信号電極７の上層部７ａの幅Ｗ１０及び下層部７ｂの幅Ｗ１１は共に３μｍとした。
　また、可変パラメータである第１の接地電極８の下層部８ｂの厚さ（絶縁層５の厚さ）Ｔは、０μｍ（段差なし），０．５μｍ，１μｍ，２μｍ，３μｍ，４μｍ，５μｍ，６μｍの８通りとした。さらに第１の接地電極８の下層部８ｂの幅Ｗ２１は３μｍ（ただし段差の高さＴ≠０μｍ）とした。信号電極７と第１の接地電極８との間隔Ｇ２は７μｍ、信号電極７と第２の接地電極９との間隔Ｇ３は１２．５μｍとした。
　図６は、シミュレーション結果の例を示す等電位面の図であり、図６（ａ）はＴ＝０μｍ、図６（ｂ）はＴ＝６μｍの結果を図示している。第２の光導波路１０ｂにおける等電位面の間隔は、Ｔ＝６μｍの方が狭くなっており、電界の大きさが強くなっていることが分かる。
　図７は、波長チャープαの計算結果を示すグラフである。図７に示すように、Ｔ＝０μｍは段差がない従来の構造（図９（ｃ）参照）であり、波長チャープαの絶対値は０．３６と大きい。またＴ＞０μｍ、すなわち、第１の接地電極８が高さの異なる２種の下面を有し、最下面がバッファ層４の上面と接することで、波長チャープαの絶対値を低減できる。これは、主に、段差の高さＴを大きくすることで、右側の第２の光導波路１０ｂに印加される電界が大きくなるためである。
　次に、信号電極７の下層部７ｂの幅（第１の下面Ｓ１１の幅）Ｗ１１を変化させたときの光変調器の変調光の波長チャープαをシミュレーションにより求めた。ここで、絶縁層５の厚さＴは２μｍとし、電極層６の厚さは４μｍとした。第１の接地電極８の下層部８ｂの幅Ｗ２１は３μｍとした。また、可変パラメータである信号電極７の下層部７ｂの幅Ｗ１１は、３μｍ，４μｍ，５μｍ，６μｍの４通りとした。さらに信号電極７の上層部７ａの幅Ｗ１０は１５μｍとした。
　図８は、波長チャープαの計算結果を示すグラフである。図８に示すように、信号電極７の下層部７ｂの幅Ｗ１１を変えると波長チャープαがリニアに変化し、幅Ｗ１１＝約６μｍのときにα＝０となる。第１の接地電極８の下層部８ｂの幅Ｗ２１は３μｍであることから、チャープフリーとなる条件は、信号電極７の下層部７ｂの幅Ｗ１１が第１の接地電極８の下層部８ｂの幅Ｗ２１よりも広いときであることが分かる。このように、信号電極７に高さの異なる第１及び第２の下面Ｓ１１，Ｓ１２を設け、バッファ層４の上面と接する信号電極７の第１の下面Ｓ１１の幅Ｗ１１を調整することで、第１の光導波路１０ａに印加される電界の大きさを微調整し、これにより波長チャープαをほぼゼロにできることが分かった。
　次に、図４（ａ）に示したように信号電極７と第１の接地電極８との間の電極分離領域６ｉの下方に存在する絶縁層５の一部が除去された光変調器の変調光の波長チャープαをシミュレーションにより求めた。ここで、ニオブ酸リチウム膜からなる導波層２のリッジ部２ｒを含めた厚さ（導波層２と保護層３の合計の厚さ）は１．５μｍ、リッジ幅（Ｗ０）は１．２μｍ、バッファ層４の厚さは０．９μｍ、バッファ層４の誘電率は１３とした。また信号電極７及び第１及び第２の接地電極８，９が形成される電極層６の材料はＡｕとし、信号電極７の上層部７ａ及び第１の接地電極８の上層部８ａの厚さ（電極層６の厚さ）は４μｍとした。さらに、信号電極７の下層部７ｂ及び第１の接地電極８の下層部８ｂの厚さ（絶縁層５の厚さ）Ｔは３μｍとした。
　信号電極７の上層部７ａの幅Ｗ１０は３４ｍｍ、下層部７ｂの幅Ｗ１１は４μｍとした。第１の接地電極８の上層部８ａの幅Ｗ２０は２０３μｍ、下層部８ｂの幅Ｗ２１は３μｍとした。第２の接地電極９の幅Ｗ３０は２００μｍとした。信号電極７と第１の接地電極８との間隔Ｇ２は８．５μｍ、信号電極７と第２の接地電極９との間隔Ｇ３は６０μｍとした。
　以上の条件下でシミュレーションを行った結果、相互作用長２５ｍｍにおいて、３２ＧＨｚにおける半波長電圧は２．５Ｖ、帯域は４５ＧＨｚ、波長チャープαは０．０２であり、波長チャープが小さく、駆動電圧が低く、良好な周波数特性が得られた。
１　　基板
２　　導波層
２ｒ　　リッジ部
３　　保護層
４　　バッファ層
５　　絶縁層
６　　電極層
６ｉ　　電極分離領域
７　　信号電極
７ａ　　信号電極の上層部
７ｂ　　信号電極の下層部
７ｅ　　信号電極の一端
７ｇ　　信号電極の他端
８　　第１の接地電極
８ａ　　第１の接地電極の上層部
８ｂ　　第１の接地電極の下層部
９　　第２の接地電極
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
１０ｅ１　　マッハツェンダー光導波路の第１の直線部
１０ｅ２マッハツェンダー光導波路の第２の直線部
１０ｅ３　　マッハツェンダー光導波路の第３の直線部
１０ｆ１　　マッハツェンダー光導波路の第１の曲線部
１０ｆ２マッハツェンダー光導波路の第２の曲線部
１０ｉ　　入力光導波路
１０ｏ　　出力光導波路
１２　　終端抵抗
２１　　サファイア基板
２２ａ　　第１の光導波路
２２ｂ　　第２の光導波路
２３　　バッファ層
２４ａ，２４ａ１，２４ａ２　　信号電極
２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ　　接地電極
１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００　　光変調器
Ｇ２　　信号電極と第１の接地電極の間隔
Ｇ３　　信号電極と第２の接地電極の間隔
Ｓ１１　　信号電極の第１の下面（下層部７ｂの下面）
Ｓ１２　　信号電極の第２の下面（上層部７ａの下面）
Ｓ２１　　第１の接地電極の下面（下層部８ｂの下面）
Ｓ２２　　第２の接地電極の下面（上層部８ａの下面）
Ｓｉ　　入力光
Ｓｏ　　変調光（出力光）
Ｗ０　　第１及び第２の光導波路の幅（リッジ幅）
Ｗ１０　　信号電極の全幅
Ｗ１１　　信号電極の第１の下面の幅
Ｗ１２　　信号電極の第２の下面の幅
Ｗ２０　　第１の接地電極の全幅
Ｗ２１　　第１の接地電極の第１の下面の幅
Ｗ２２　　第１の接地電極の第２の下面の幅
Ｗ３０　　第２の接地電極の全幅

Claims (8)

  1. 　第１及び第２の光導波路を含むマッハツェンダー光導波路と、
    　前記第１及び第２の光導波路を覆うバッファ層と、
    　第１及び第２の接地電極と、平面視で前記第１及び第２の接地電極間に位置する信号電極とを含む電極層とを備え、
    　前記信号電極は、前記バッファ層を介して前記第１の光導波路を覆う第１の下面を有し、
    　前記第１の接地電極は、前記バッファ層を介して前記第２の光導波路を覆う第１の下面と、前記第１の下面よりも上方に位置する第２の下面とを有し、
    　前記信号電極と前記第２の接地電極の間隔は、前記信号電極と前記第１の接地電極の間隔より広いことを特徴とする光変調器。
  2. 　前記信号電極の前記第１の下面の幅は、前記第１の接地電極の前記第１の下面の幅よりも広い、請求項１に記載の光変調器。
  3. 　前記信号電極は、前記第１の下面よりも上方に位置する第２の下面をさらに有する、請求項１又は２に記載の光変調器。
  4. 　前記信号電極の前記第１の下面の幅及び前記第１の接地電極の前記第１の下面の幅は、前記第１及び第２の光導波路の幅よりも広い、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光変調器。
  5. 　前記バッファ層と前記電極層との間に設けられた絶縁層をさらに備え、
    　前記絶縁層は、前記第１及び第２の光導波路の上方にそれぞれ位置する第１及び第２の開口を有し、
    　前記信号電極は、前記電極層に形成された上層部と、前記第１の開口内に埋め込まれた下層部を含み、
    　前記第１の接地電極は、前記電極層に形成された上層部と、前記第２の開口内に埋め込まれた下層部を含み、
    　前記第１の接地電極の上層部の幅は、前記第１の接地電極の下層部の幅よりも広い、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光変調器。
  6. 　前記信号電極の下層部と前記第１の接地電極の下層部との間の電極分離領域の下方に存在する前記絶縁層の少なくとも一部が除去されている、請求項５に記載の光変調器。
  7. 　前記マッハツェンダー光導波路は、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、
    　前記信号電極の前記第１の下面は、前記バッファ層を介して前記直線部における前記第１の光導波路を覆っており、
    　前記第１の接地電極の前記第１の下面は、前記バッファ層を介して前記直線部における前記第２の光導波路を覆っている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光変調器。
  8. 　前記マッハツェンダー光導波路は、
    　基板上に形成されたニオブ酸リチウム膜により形成され、
    　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７のいずれか一項に記載の光変調器。
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