WO2021161745A1 - 光変調素子 - Google Patents

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WO2021161745A1
WO2021161745A1 PCT/JP2021/001823 JP2021001823W WO2021161745A1 WO 2021161745 A1 WO2021161745 A1 WO 2021161745A1 JP 2021001823 W JP2021001823 W JP 2021001823W WO 2021161745 A1 WO2021161745 A1 WO 2021161745A1
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ground electrode
electrode pad
modulation element
light modulation
substrate
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PCT/JP2021/001823
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岩塚　信治
遠藤　謙二
原　裕貴
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Tdk株式会社
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    • G02F2201/12—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 electrode

Definitions

  • the present invention relates to a light modulation element, and more particularly to an electrode structure of a Mach-Zehnder type light modulation element.
  • Optical fiber communication converts an electric signal into an optical signal and transmits the optical signal by an optical fiber, and has features of wide band, low loss, and resistance to noise.
  • Direct modulation does not require an optical modulator and is low cost, but high-speed modulation has its limits, and external modulation methods are used for high-speed and long-distance applications.
  • a Mach-Zehnder-type optical modulator in which an optical waveguide is formed by Ti (titanium) diffusion near the surface of a lithium niobate single crystal substrate has been put into practical use (see, for example, Patent Document 1).
  • the Mach-Zehnder type optical modulator has an optical waveguide (Mach-Zehnder) having a structure of a Mach-Zehnder interferometer that divides the light emitted from one light source into two, passes them through different paths, and then superimposes them again to cause interference.
  • An optical waveguide is used, and a high-speed optical modulator of 40 Gb / s or more has been commercialized, but the major drawback is that the total length is as long as about 10 cm.
  • Patent Documents 2 and 3 disclose a Mach-Zehnder type optical modulator using a lithium niobate film oriented in the c-axis.
  • An optical modulator using a lithium niobate film can be significantly reduced in size and drive voltage as compared with an optical modulator using a lithium niobate single crystal substrate.
  • FIG. 12A shows the cross-sectional structure of the conventional light modulation element 20A described in Patent Document 2.
  • a pair of optical waveguides 22a and 22b made of a lithium niobate film are formed on the sapphire substrate 21, and a signal electrode 24a and a ground electrode 24b are arranged above the optical waveguides 22a and 22b via a buffer layer 23, respectively. ..
  • the light modulation element 20A is a so-called single drive type having one signal electrode 24a, and since the signal electrode 24a and the ground electrode 24b have a symmetrical structure, the electric fields applied to the optical waveguides 22a and 22b have the same magnitude and the symbols are the same.
  • the structure is the opposite, 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 a high frequency.
  • FIG. 12 (b) The cross-sectional structure of the conventional light modulation element 20B described in Patent Document 3 is shown in FIG. 12 (b).
  • 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, 24e are arranged.
  • the electric fields applied to the pair of optical waveguides 22a and 22b have the same magnitude and opposite signs, and the modulated light 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 be operated at high frequencies. However, since the light modulation element 20B is a dual drive type having two signal electrodes 24a 1 and 24a 2, the electrode structure becomes complicated.
  • a wide band of 35 GHz or more is required to increase the speed from the current 32 Gbaud to 64 Gbaud, and a wide band of 50 GHz or more is required to increase the speed to 96 Gbaud.
  • (1) reduction of electrode loss at high frequency, (2) velocity matching between light and microwave, and (3) impedance matching are important, and (1) Is especially important. This is because at high frequencies, the current flows only near the surface of the electrode due to the skin effect, and the electrode loss increases.
  • the signal electrodes 24a 1 , 24a 2 It is necessary to increase the thickness T or increase the width W of the signal electrodes 24a 1 and 24a 2.
  • the thickness T of the signal electrodes 24a 1 and 24a 2 is increased, the effective permittivity of the microwave is lowered and velocity matching cannot be performed, and there is a problem that impedance matching cannot be achieved due to the decrease in impedance.
  • the width W of the signal electrodes 24a 1 and 24a 2 is widened, the effective permittivity and impedance of the microwave do not change significantly, but the electric field efficiency applied to the optical waveguide deteriorates and the half-wavelength voltage increases. There is. Therefore, with the conventional electrode structure, it has been difficult to realize a wide band of 35 GHz or more corresponding to a high speed of 64 Gbaud. In particular, in high-speed communication exceeding 64 Gbaud, a rapid increase in radiation loss at a high frequency of 50 GHz or more becomes a problem.
  • an object of the present invention is to provide a light modulation element capable of suppressing electrode loss at a low frequency of 50 GHz or less and suppressing radiation loss at a high frequency of 50 GHz or more.
  • the optical modulation element includes a substrate and at least one interacting portion provided on the substrate, and the interacting portions are adjacent to each other formed on the substrate.
  • the interaction unit includes first and second optical waveguides that match, and first and second signal electrodes that are provided facing the first and second optical waveguides and to which a differential signal is applied.
  • the ground electrode is not arranged in the vicinity of the first and second signal electrodes, and the ground electrode is arranged in the vicinity of at least one of the input portion and the terminal portion electrically connected to the first and second signal electrodes. It is characterized by.
  • ripple and crosstalk noise can be reduced at a low frequency of 50 GHz or less, but also radiation loss can be suppressed at a high frequency of 50 GHz or more. Therefore, it is possible to provide an optical modulation element capable of high-speed communication exceeding 64 Gbaud.
  • the input unit has first and second signal electrode pads
  • the ground electrode has a first ground electrode pad adjacent to the first signal electrode pad and the second signal. It is preferable to include a second ground electrode pad adjacent to the electrode pad. With this configuration, it is possible to reduce the radiation loss and the leakage loss on the input portion side of the first and second signal electrodes.
  • the first ground electrode pad and the second ground electrode pad are electrically connected.
  • the first ground electrode pad and the second ground electrode pad may be electrically connected via a first short-circuit pattern provided on the substrate, and the first and second ground electrode pads may be electrically connected to each other.
  • the second signal electrode pad may be electrically connected via a ground line in a driver circuit that applies the differential signal.
  • the terminal portion has first and second terminal electrode pads
  • the ground electrode has a third ground electrode pad adjacent to the first terminal electrode pad and the second terminal. It is preferable to include a fourth ground electrode pad adjacent to the electrode pad.
  • the third ground electrode pad and the fourth ground electrode pad may be electrically connected via a second short-circuit pattern on the substrate, and the first and second ground electrode pads may be electrically connected to each other. It may be electrically connected via a ground line in the terminator connected to the terminator electrode pad. Furthermore, the third ground electrode pad is connected to the first ground electrode pad via a third short-circuit pattern on the substrate, and the fourth ground electrode pad is on the substrate. It may be connected to the second ground electrode pad via a fourth short circuit pattern. As a result, the reference potential on the terminal side of the first and second signal electrodes can be stabilized, and a light modulation element having good high frequency characteristics can be realized.
  • the region near the interaction portion is preferably a region within a range of 5 times or less the distance between the first optical waveguide and the second optical waveguide from the center of the interaction portion. ..
  • ripple and crosstalk noise can be suppressed at a low frequency of 50 GHz or less.
  • the substrate is a single crystal substrate and the first and second optical waveguides are made of a lithium niobate film formed in a ridge shape on the substrate.
  • the interacting portion includes the first and second optical waveguides, and is formed on a waveguide layer formed on the main surface of the substrate and at least on the upper surface of the first and second optical waveguides.
  • the first and second signal electrodes include a buffer layer, the first and second signal electrodes, and an electrode layer formed on the upper surface of the buffer layer, and the first and second signal electrodes sandwich the buffer layer. It is preferable that the optical wave guide and the second optical wave guide are opposed to each other. As a result, it is possible to realize a light modulation element that is compact and has good high frequency characteristics.
  • a light modulation element capable of suppressing electrode loss at a low frequency of 50 GHz or less and suppressing radiation loss at a high frequency of 50 GHz or more.
  • FIG. 1 is a schematic plan view showing a configuration of a light modulation element according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 1 (a) shows only an optical waveguide
  • FIG. 1 (b) includes a traveling wave electrode. The whole of the light modulation element is shown.
  • Figure 2 is a schematic cross-sectional view of a light modulation element 1A along X 1 -X 1 line in FIG. 1 (a) and (b).
  • 3A and 3B are graphs showing the frequency characteristics of the transmission loss (S dd21) of the light modulation element.
  • FIG. 4 is a schematic plan view showing the configuration of the light modulation element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic plan view showing the configuration of the light modulation element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic plan view showing the configuration of the light modulation element according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing the configuration of the light modulation element according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic plan view showing the configuration of the light modulation element according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic plan view showing the configuration of the light modulation element according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic plan view showing the configuration of the light modulation element according to the seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic plan view showing the configuration of the light modulation element according to the eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic plan view showing the configuration of the light modulation element according to the ninth embodiment of the present invention.
  • 12 (a) and 12 (b) are schematic cross-sectional views showing the structure of a conventional light modulation element.
  • FIG. 1 is a schematic plan view showing a configuration of a light modulation element according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 1 (a) shows only an optical waveguide
  • FIG. 1 (b) includes a traveling wave electrode. The whole of the light modulation element is shown.
  • the optical modulation element 1A is a Mach Zender optical beam having first and second optical waveguides 10a and 10b formed on the substrate 2 and provided in parallel with each other.
  • a first bias electrode 9a provided along the line and a second bias electrode 9b provided along the second optical waveguide 10b are provided.
  • the first and second signal electrodes 7a and 7b, together with the first and second optical waveguides 10a and 10b, form an interaction portion MZ of the Mach-Zehnder light modulation element.
  • the Mach-Zehnder optical waveguide 10 is an optical waveguide having the structure of a Mach-Zehnder interferometer. It has first and second optical waveguides 10a and 10b branched from one input waveguide 10i by a demultiplexing unit 10c, and the first and second optical waveguides 10a and 10b are one by a combiner part 10d. It is summarized in the output waveguide 10o.
  • the input light Si is demultiplexed by the demultiplexing unit 10c, travels through the first and second optical waveguides 10a and 10b, respectively, then combined by the confluent unit 10d, and is output from the output waveguide 10o as modulated light So. Will be done.
  • the first and second signal electrodes 7a and 7b are linear electrode patterns that overlap the first and second optical waveguides 10a and 10b in a plan view, and both ends thereof are drawn out to the vicinity of the outer peripheral end of the substrate 2. .. That is, one end side of the first and second signal electrodes 7a, 7b is pulled out to the vicinity of the edge of the substrate 2 via the drawing portions 7a 1 , 7b 1 , and the first and the first and provided near the edge of the substrate 2 are provided. It is electrically connected to the second signal electrode pads 7a 3 , 7b 3.
  • first and second signal electrodes 7a and 7b are pulled out to the vicinity of the edge of the substrate 2 via the drawing portions 7a 2 and 7b 2, and the first one provided near the edge of the substrate 2 is provided. And the second terminal electrode pads 7a 4 , 7b 4 are electrically connected.
  • the first and second signal electrode pads 7a 3 , 7b 3 on one end side of the first and second signal electrodes 7a, 7b are signal input terminals and are connected to the driver circuit.
  • the first and second terminal electrode pads 7a 4 , 7b 4 on the other end side of the first and second signal electrodes 7a, 7b are connected to each other via a terminating resistor 12.
  • the first and second signal electrodes 7a and 7b function as differential coplanar traveling wave electrodes.
  • the first and second bias electrodes 9a and 9b are independent of the first and second signal electrodes 7a and 7b in order to apply a DC voltage (DC bias) to the first and second optical waveguides 10a and 10b. It is provided in.
  • One ends 9a 1 , 9b 1 of the first and second bias electrodes 9a and 9b are DC bias input ends.
  • the formation regions of the first and second bias electrodes 9a and 9b are provided on the output end side of the Mach-Zehnder optical waveguide 10 with respect to the formation regions of the first and second signal electrodes 7a and 7b. However, it may be provided on the input end side. It is also possible to omit the first and second bias electrodes 9a and 9b and input a modulated signal in which a DC bias is superimposed in advance to the first and second signal electrodes 7a and 7b.
  • Differential signals (modulated signals) having the same absolute value but different positive and negative values are input to the first and second signal electrode pads 7a 3 , 7b 3. Since the first and second optical waveguides 10a and 10b are made of a material having an electro-optical effect such as lithium niobate, the first and second optical waves are subjected to the electric field 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 this change in phase difference is output from the output waveguide 10o.
  • the light modulation element 1A according to the present embodiment is a dual drive type composed of a pair of signal electrodes, the symmetry of the electric field applied to the pair of optical waveguides can be enhanced, and the wavelength chirp can be increased. It can be suppressed.
  • the ground electrode is not provided in the region NZ near the interaction portion MZ.
  • the vicinity region NZ of the interaction portion MZ is 5 times or less (W 1 ⁇ 5 W) of the distance W 0 of the first and second optical waveguides 10a and 10b extending to the left and right from the center in the width direction of the interaction portion MZ. It is defined as the area of 0).
  • the ground electrode is an electrode that serves as a reference point for electric potential.
  • ground electrodes in the vicinity of the first and second signal electrodes 7a and 7b constituting the interaction unit MZ (see FIG. 12B and the like).
  • a ground electrode having a half-sized size becomes a factor of deteriorating the high frequency characteristics.
  • the ground electrode is excluded from the region NZ near the interaction portion MZ as in the present embodiment, the high frequency characteristics do not deteriorate even if the size is reduced, and the interaction portion MZ can be easily multiplexed. ..
  • the first and second optical waveguides 10a in FIG. 1, 10b interval W 0 of depicted actually sufficiently larger than.
  • the actual waveguide spacing W 0 is very narrow, 5 to 50 ⁇ m.
  • the lengths of the lead- out portions 7a 1 , 7a 2 on one end side and the other end side of the first signal electrode 7a and the pull-out portions 7b 1 , 7b 2 on the one end side and the other end side of the second signal electrode 7b are 100 ⁇ m. That is all.
  • the first and second signal electrode pads 7a 3 , 7b 3 , the first and second ground electrode pads 8a 1 , 8b 1 , the first and second terminal electrode pads 7a 4 , 7b 4 , and the third The fourth ground electrode pads 8a 2 , 8b 2 are located outside the near region NZ of the interaction portion MZ, and are far away from the interaction portion MZ.
  • a ground electrode may be provided on the back surface side of the substrate 2 to stabilize the reference potential. As described above, it is necessary that the ground electrode is not provided in the region NZ near the interaction portion MZ, but the back surface side of the substrate 2 is out of scope. That is, a ground electrode may be provided in the region NZ near the interaction portion MZ on the back surface side of the substrate 2.
  • first and second ground electrode pads 8a 1 , 8b 1 are provided in the vicinity of the input portions of the first and second signal electrodes 7a and 7b located outside the near region NZ of the interaction portion MZ. ing.
  • the first ground electrode pad 8a 1 is provided adjacent to the first signal electrode pad 7a 3 constituting the input portion of the first signal electrode 7a
  • the second ground electrode pad 8b 1 is a second. It is provided adjacent to the second signal electrode pad 7b 3 that constitutes the input portion of the signal electrode 7b.
  • the first and second signal electrodes 7a and 7b located outside the vicinity region NZ of the interaction portion MZ are near the end portions of the first and second signal electrodes 7a and 7b.
  • the third and fourth ground electrode pads 8a 2 , 8b 2 are provided.
  • the third ground electrode pad 8a 2 is provided adjacent to the first terminal electrode pad 7a 4 constituting the terminal portion of the first signal electrode 7a
  • the fourth ground electrode pad 8b 2 is a second ground electrode pad 8b 2. It is provided adjacent to the second terminal electrode pad 7b 4 that constitutes the terminal portion of the signal electrode 7b.
  • the first ground electrode pad 8a 1 and the second ground electrode pad 8b 1 are electrically connected via a short circuit pattern 8c 1 (first short circuit pattern) provided in the same electrode layer as them. It is connected.
  • the third ground electrode pad 8a 2 and the fourth ground electrode pad 8b 2 are also electrically connected via a short circuit pattern 8c 2 (second short circuit pattern) provided in the same electrode layer as them. Since the short-circuit patterns 8c 1 and 8c 2 are formed along the edge of the substrate 2, the first and second signal electrode pads 7a 3 , 7b 3 and the first and second terminal electrode pads 7a 4 , 7b 4 Is arranged inside the edge of the substrate 2.
  • Figure 2 is a schematic cross-sectional view of a light modulation element 1A along X 1 -X 1 line in FIG. 1 (a) and (b).
  • the light modulation element 1A has a multilayer structure in which a substrate 2, a waveguide layer 3, a protective layer 4, a buffer layer 5, and an electrode layer 6 are laminated in this order. There is.
  • the substrate 2 is, for example, a sapphire substrate, and a waveguide layer 3 made of an electro-optical material typified by lithium niobate is formed on the main surface of the substrate 2.
  • the waveguide layer 3 has first and second optical waveguides 10a and 10b composed of ridge portions 3r.
  • the width W 10 of the ridge portion 3r constituting the first and second optical waveguides 10a and 10b can be set to, for example, 1 ⁇ m.
  • the protective layer 4 is formed in a region that does not overlap with the first and second optical waveguides 10a and 10b in a plan view.
  • the protective layer 4 covers the entire surface of the upper surface of the waveguide layer 3 in which the ridge portion 3r is not formed, and the side surface of the ridge portion 3r is also covered by the protective layer 4, so that the side surface of the ridge portion 3r is covered. It is possible to prevent the scattering loss caused by the roughness of the surface.
  • the thickness of the protective layer 4 is substantially the same as the height of the ridge portion 3r of the waveguide layer 3.
  • the material of the protective layer 4 is not particularly limited, but for example, silicon oxide (SiO 2 ) can be used.
  • the buffer layer 5 has a ridge portion 3r of the waveguide layer 3 in order to prevent light propagating in the first and second optical waveguides 10a and 10b from being absorbed by the first and second signal electrodes 7a and 7b. It is formed on the upper surface of the.
  • Buffer layer 5 has a smaller refractive index than the waveguiding layer 3, is preferably made of highly transparent material, e.g., Al 2 O 3, SiO 2 , LaAlO 3, LaYO 3, ZnO, HfO 2, MgO, Y 2 O 3 and the like can be used.
  • the thickness of the buffer layer 5 on the upper surface of the ridge portion 3r may be about 0.2 to 1 ⁇ m.
  • the buffer layer 5 is made of a material having a high dielectric constant.
  • the buffer layer 5 covers not only the upper surfaces of the first and second optical waveguides 10a and 10b but also the entire surface of the base surface including the upper surface of the protective layer 4, but the first and second optical waves are used. It may be patterned so as to selectively cover only the vicinity of the upper surfaces of the waveguides 10a and 10b. Further, the protective layer 4 may be omitted, and the buffer layer 5 may be directly formed on the entire upper surface of the waveguide layer 3.
  • the thickness of the buffer layer 5 is better as it is thicker in order to reduce the light absorption of the electrode, and is better as it is thinner in order to apply a higher electric field to the optical waveguide. Since there is a trade-off relationship between the light absorption of the electrode and the applied voltage of the electrode, it is necessary to set an appropriate film thickness according to the purpose.
  • a material having a high dielectric constant also has a high refractive index, so it is important to select a material having a high dielectric constant and a relatively low refractive index in consideration of the balance between the two.
  • Al 2 O 3 has a relative permittivity of about 9 and a refractive index of about 1.6, and is a preferable material.
  • LaAlO 3 has a relative permittivity of about 13 and a refractive index of about 1.7
  • LaYO 3 has a relative permittivity of about 17 and a refractive index of about 1.7, which are particularly preferable materials.
  • the electrode layer 6 is provided with a first signal electrode 7a and a second signal electrode 7b.
  • the first signal electrode 7a is provided so as to overlap the ridge portion 3r corresponding to the first optical waveguide 10a in order to modulate the light traveling in the first optical waveguide 10a, and the first signal electrode 7a is provided via the buffer layer 5. It faces the optical waveguide 10a of the above.
  • the second signal electrode 7b is provided so as to overlap the ridge portion 3r corresponding to the second optical waveguide 10b in order to modulate the light traveling in the second optical waveguide 10b, and the second signal electrode 7b is provided via the buffer layer 5. It faces the optical waveguide 10b of.
  • the electrode structure is symmetrical in the cross section orthogonal to the traveling direction of the first and second optical waveguides 10a and 10b. Therefore, the wavelength chirp can be reduced by making the magnitudes of the electric fields applied from the first and second signal electrodes 7a and 7b to the first and second optical waveguides 10a and 10b as much as possible.
  • the waveguide layer 3 is not particularly limited as long as it is an electro-optical material, but is preferably made of lithium niobate (LiNbO 3). This is because lithium niobate has a large electro-optical constant and is suitable as a constituent material for optical devices such as light modulation elements.
  • the configuration of the present embodiment when the waveguide layer 3 is a lithium niobate film will be described in detail.
  • the substrate 2 is not particularly limited as long as it has a lower refractive index than the lithium niobate film, but a substrate capable of forming the lithium niobate film 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.
  • the lithium niobate film has a property of being easily formed as a c-axis oriented epitaxial film on a single crystal substrate having 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.
  • 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 crystals are aligned in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions.
  • the epitaxial film can be proved by first confirming the peak intensity at the orientation position by 2 ⁇ - ⁇ X-ray diffraction and secondly confirming the pole point.
  • 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 intensities other than the (00L) plane are 10% or less, preferably 5% or less of the maximum peak intensities of the (00L) plane.
  • (00L) is a display that collectively refers to equivalent surfaces such as (001) and (002).
  • 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 include K, Na, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Hf, V, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, Zn, Sc, Ce and the like. There may be a combination of two or more types.
  • the film thickness of the lithium niobate film is preferably 2 ⁇ m or less. This is because if the film thickness is thicker than 2 ⁇ m, it becomes difficult to form a high-quality film. On the other hand, if the film thickness of the lithium niobate film is too thin, the light confinement in the lithium niobate film becomes weak and the light leaks to the substrate 2 and the buffer layer 5. Even if an electric field is applied to the lithium niobate film, the change in the effective refractive index of the optical waveguide (10a, 10b) may be small. Therefore, it is desirable that the lithium niobate film has a film thickness of about 1/10 or more of the wavelength of the 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 2, and by applying an electric field parallel to the c-axis, the optical refractive index changes in proportion to the electric field.
  • sapphire is used as the single crystal substrate
  • the lithium niobate film can be epitaxially grown directly on the sapphire single crystal substrate.
  • silicon silicon is used as the single crystal substrate, a lithium niobate film is formed by epitaxial growth via a clad layer (not shown).
  • the clad layer As the clad layer (not shown), one having a lower refractive index than the lithium niobate film and suitable for epitaxial growth is used. For example, when Y 2 O 3 is used as the clad 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 an advantage that the same characteristics as a single crystal can be obtained, and can be applied to the present invention.
  • the width W 7 of the first and second signal electrodes 7a and 7b is slightly wider than the ridge width W 10 of the first and second optical waveguides 10a and 10b made of a ridge-shaped lithium niobate film. Is. In order to concentrate the electric fields from the first and second signal electrodes 7a and 7b on the first and second optical waveguides 10a and 10b, the widths W 7 of the first and second signal electrodes 7a and 7b are set.
  • the ridge width W 10 of the second optical waveguide 10b is preferably 1.1 to 15 times, more preferably 1.5 to 10 times.
  • the signal electrode spacing refers to the distance from the center of the first signal electrode 7a in the width direction to the center of the second signal electrode 7b in the width direction.
  • the waveguide interval refers to the distance from the center of the first optical waveguide 10a in the width direction to the center of the second optical waveguide 10b in the width direction. In this embodiment, the signal electrode spacing and the waveguide spacing are substantially equal.
  • a ground electrode is not provided in the electrode layer 6 of the region NZ near the interaction portion MZ.
  • the ground electrode is provided in the electrode separation region D 0 between the first and second signal electrodes 7a and 7b and the peripheral regions D 1a and D 1b outside the first and second signal electrodes 7a and 7b. Ripple and crosstalk increase, and the high frequency characteristics deteriorate. It is considered that such deterioration of the high frequency characteristics is caused by the fact that the width and area of the ground electrode cannot be sufficiently secured due to the miniaturization of the light modulation element, and the reference potential becomes unstable.
  • ripple and crosstalk can be reduced, and high frequency characteristics can be improved.
  • the first to fourth ground electrode pads 8a 1 , 8b 1 , 8a 2 , 8b 2 and the short-circuit patterns 8c 1 , 8c 2 described above are the signal electrode pads 7a 3 , of the first and second signal electrodes 7a, 7b. It is provided in the electrode layer 6 together with 7b 3 and the first and second terminal electrode pads 7a 4 , 7b 4. Since these ground electrodes exist outside the region NZ near the interaction portion MZ, they do not cause ripples or crosstalk at low frequencies of 50 GHz or less, and further reduce radiation loss at high frequencies of 50 GHz or more. Can be done.
  • 3A and 3B are graphs showing the frequency characteristics of the transmission loss (S dd21) of the light modulation element.
  • the transmission loss of the light modulation element having a conventional electrode structure in which the ground electrode is arranged in the vicinity region NZ of the interaction portion MZ is rippled at a low frequency of 50 GHz or less. Cross talk occurs.
  • the frequency is 50 GHz or less. Ripple and crosstalk do not occur at low frequencies.
  • the ground electrode is not provided near the input portion and the terminal portion of the first and second signal electrodes 7a and 7b, the transmission loss becomes large at a high frequency of 50 GHz or more.
  • the transmission loss of the element can not only suppress ripple and crosstalk at a low frequency of 50 GHz or less, but also reduce the transmission loss at a high frequency of 50 GHz or more. can.
  • the light modulation element 1A according to the present embodiment is not provided with the ground electrode in the vicinity region NZ of the interaction portion MZ, the electrode loss can be reduced and the electric field applied to the optical waveguide can be reduced. It is possible to provide an optical modulation element capable of driving at a low voltage by improving efficiency. Further, in the light modulation element 1A according to the present embodiment, a ground electrode is provided in the vicinity of at least one of the input portion and the terminal portion of the first and second signal electrodes 7a and 7b away from the vicinity region NZ of the interaction portion MZ. Therefore, it is possible to reduce the radiation loss at a high frequency of 50 GHz or more. Therefore, it is possible to provide an optical modulation element having good high frequency characteristics.
  • FIG. 4 is a schematic plan view showing the configuration of the light modulation element according to the second embodiment of the present invention.
  • the feature of the optical modulation element 1B is that the first ground electrode pad 8a 1 on the input portion side of the first signal electrode 7a and the third ground electrode pad 8a 2 on the terminal portion side It is electrically connected via a short-circuit pattern 8c 3 (third short-circuit pattern) that largely orbits around the interaction portion MZ, and is also electrically connected to the second ground electrode pad 8b 1 on the input side and the fourth on the terminal side.
  • the ground electrode pad 8b 2 is electrically connected to the ground electrode pad 8b 2 via a short circuit pattern 8c 4 (fourth short circuit pattern).
  • first and second signal electrode pads 7a 3 , 7b 3 are arranged close to the edge of the substrate 2, and the first and second terminal electrode pads 7a 4 , 7b 4 are also arranged on the edge of the substrate 2. They are placed in close proximity. Other configurations are the same as in the first embodiment.
  • the short-circuit patterns 8c 3 , 8c 4 are arranged outside the near region NZ of the interaction portion MZ, similarly to the first to fourth ground electrode pads 8a 1 , 8b 1 , 8a 2 , 8b 2. Therefore, the ground electrode is not provided in the vicinity region NZ of the interaction portion MZ. According to the present embodiment, the radiation loss at a high frequency of 50 GHz or more can be reduced as in the first embodiment.
  • the first ground electrode pad 8a 1 on the input portion side and the second ground electrode pad 8b 1 are not connected via a short circuit pattern, and the third ground electrode pad 8a 2 on the terminal portion side is not connected.
  • the fourth ground electrode pad 8b 2 are not connected via a short circuit pattern, but can be configured in the same manner as in the first embodiment.
  • the first and second signal electrode pads 7a 3 , 7b 3 and the first and second terminal electrode pads 7a 4 , 7b 4 are arranged apart from the edge of the substrate 2.
  • FIG. 5 is a schematic plan view showing the configuration of the light modulation element according to the third embodiment of the present invention.
  • the features of the optical modulation element 1C are the first ground electrode pad 8a 1 and the second ground electrode pad 8b 1 on the input portion side of the first and second signal electrodes 7a and 7b.
  • the third ground electrode pad 8a 2 on the terminal side and the fourth ground electrode pad 8b 2 penetrate the substrate 2 via contact plugs 8d 3 , 8d 4, and a short-circuit pattern 8c 6 formed on the back surface of the substrate 2. It is in the point that it is electrically connected.
  • the short-circuit pattern 8c 5 and the short-circuit pattern 8c 6 may be formed as a single ground pattern, or a ground pattern may be formed on the entire back surface of the substrate 2. Further, the first and second signal electrode pads 7a 3 , 7b 3 are arranged close to the edge of the substrate 2, and the first and second terminal electrode pads 7a 4 , 7b 4 are also arranged on the edge of the substrate 2. They are placed in close proximity. Other configurations are the same as in the first embodiment.
  • the short-circuit patterns 8c 5 , 8c 6 are arranged outside the near region NZ of the interaction portion MZ, similarly to the first to fourth ground electrode pads 8a 1 , 8b 1 , 8a 2 , 8b 2. Therefore, the ground electrode is not provided in the vicinity region NZ of the interaction portion MZ. According to the present embodiment, the radiation loss at a high frequency of 50 GHz or more can be reduced as in the first embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing the configuration of the light modulation element according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the feature of the optical modulation element 1D is that the first ground electrode pad 8a 1 and the second ground electrode pad 8b 1 are attached to the input portions of the first and second signal electrodes 7a and 7b. It is electrically connected via a ground line in the connected driver circuit 200, and the third ground electrode pad 8a 2 and the fourth ground electrode pad 8b 2 are connected to the first and second signal electrodes 7a. , 7b is electrically connected via the ground line in the termination device 300 connected to the termination portion. Further, the first and second signal electrode pads 7a 3 , 7b 3 are arranged close to the edge of the substrate 2, and the first and second terminal electrode pads 7a 4 , 7b 4 are located on the edge of the substrate 2. They are placed in close proximity. Other configurations are the same as in the first embodiment.
  • the ground line in the driver circuit 200 and the ground line in the terminator 300 are arranged outside the vicinity region NZ of the interaction portion MZ. Therefore, the ground electrode is not provided in the vicinity region NZ of the interaction portion MZ. According to the present embodiment, the radiation loss at a high frequency of 50 GHz or more can be reduced as in the first embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic plan view showing the configuration of the light modulation element according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the light modulation element 1E is a modification of the light modulation element 1D according to the fourth embodiment, and the driver circuit 200 and the terminator 300 shown in FIG. 6 are flipped onto the substrate 2. It is characterized by being chip-mounted. Other configurations are the same as those in the fourth embodiment. Therefore, the light modulation element 1E according to the present embodiment can reduce the size of the entire light modulation element in addition to the same effect as that of the fourth embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic plan view showing the configuration of the light modulation element according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the feature of the light modulation element 1F is that the Mach-Zehnder optical waveguide 10 is composed of a combination of a straight portion and a curved portion.
  • the Mach-Zehnder optical waveguide 10 has first to third straight line portions 10e 1 , 10e 2 , 10e 3 arranged in parallel with each other, and first straight line portion 10e 1 and second straight line portion 10e.
  • a first curved portion 10f 1 that connects the 2
  • a second straight portion 10e 2 of the second curved portion 10f 2 that connects the third straight portion 10e 3.
  • the first and second curved portions 10f 1 , 10f 2 are formed concentrically in a semicircle in order to change the traveling direction of the optical waveguide by 180 degrees. Other configurations are the same as in the first embodiment.
  • the first straight portion 10e 1 of the Mach-Zehnder optical waveguide 10 most of the first straight portion 10e 1 of the Mach-Zehnder optical waveguide 10, the entire second straight portion 10e 2 and the first and second curved portions 10f 1 , 10f 2 , and the third some of the linear portion 10e 3 of the first and second signal electrodes 7a, with 7b, constituting the interaction portion MZ.
  • the input light Si is input to one end of the first straight line portion 10e 1 , travels from one end of the first straight line portion 10e 1 toward the other end, and is folded back at the first curved portion 10f 1 to form a second straight line.
  • the long element length is a big problem in practical use.
  • the element length can be significantly shortened, and a remarkable effect on miniaturization can be obtained. ..
  • the optical waveguide formed of the lithium niobate film is suitable for the present embodiment because it has a feature that the loss is small even if the radius of curvature of the curved portion is reduced to, for example, about 50 ⁇ m.
  • the ground electrode is not provided in the vicinity region NZ of the interaction portion MZ.
  • Providing a ground electrode having a halfway size in the vicinity of the first and second signal electrodes 7a and 7b constituting the interaction portion MZ causes deterioration of high frequency characteristics.
  • a ground electrode is provided in the vicinity of the first and second curved portions 10f 1, 10f 2, the curved portion Leakage of high-frequency signals becomes large, and high-frequency characteristics tend to deteriorate.
  • the ground electrode is omitted as in the present embodiment, the high frequency characteristics are not deteriorated due to the ground electrode, and the light modulation element can be easily miniaturized and multiplexed.
  • ground electrodes are provided near the input portions and the terminal portions of the first and second signal electrodes 7a and 7b located outside the region NZ near the interaction portion MZ.
  • the first and second ground electrode pads 8a 1 , 8b 1 are provided in the vicinity of the input portions of the first and second signal electrodes 7a and 7b far from the interaction portion MZ. ..
  • the first ground electrode pad 8a 1 is provided adjacent to the first signal electrode pad 7a 3 constituting the input portion of the first signal electrode 7a
  • the second ground electrode pad 8b 1 is a second. It is provided adjacent to the second signal electrode pad 7b 3 that constitutes the input portion of the signal electrode 7b.
  • the first and second ground electrode pads 8a 1 , 8b 1 are connected to each other via a short circuit pattern 8c 1.
  • the third and fourth signal electrodes 7a and 7b are located near the end portions of the first and second signal electrodes 7a and 7b far away from the interaction portion MZ.
  • Ground electrode pads 8a 2 and 8b 2 are provided.
  • the third ground electrode pad 8a 2 is provided adjacent to the first terminal electrode pad 7a 4 constituting the terminal portion of the first signal electrode 7a
  • the fourth ground electrode pad 8b 2 is a second ground electrode pad 8b 2. It is provided adjacent to the second terminal electrode pad 7b 4 that constitutes the terminal portion of the signal electrode 7b.
  • the third and fourth ground electrode pads 8a 2 and 8b 2 are connected to each other via a short circuit pattern 8c 2.
  • the ground electrode is not provided in the vicinity region NZ of the interaction portion MZ, but the first and second signal electrodes located outside the vicinity region NZ. Since the ground electrode is provided near the input portion and the terminal portion of 7a and 7b, it is possible to reduce the radiation loss at a high frequency of 50 GHz or more. Therefore, it is possible to provide an optical modulation element having good high frequency characteristics.
  • FIG. 9 is a schematic plan view showing the configuration of the light modulation element according to the seventh embodiment of the present invention.
  • this light modulation element 1G has a two-channel array structure in which two interaction parts of the Mach-Zehnder light modulation element are arranged, and the first and second interaction parts MZ 1 .
  • QPSK quadrature phase modulation
  • xQAM quadrature amplitude modulation
  • the light modulation element 1G according to the present embodiment is an IQ light modulation element configured by using the first and second interaction units MZ 1 and MZ 2 , and is the output side of the second interaction unit MZ 2. Is provided with a phase shifter of 10 g.
  • the configuration of the individual interaction units MZ 1 and MZ 2 is similar to that of the single interaction unit MZ of the Mach-Zehnder light modulation element shown in FIG. Different differential signals are applied to the pair of RF signal input terminals (first and second signal electrode pads 7a 3 , 7b 3 ) of the first and second interaction units MZ 1 and MZ 2.
  • the input waveguide 10i composed of one optical waveguide is divided into four by a two-stage demultiplexing unit 10c to form four (two pairs) optical waveguides. That is, the first and second optical waveguides 10a and 10b constituting the first interaction unit MZ 1 and the first and second optical waveguides 10a and 10b constituting the second interaction unit MZ 2 are formed. Will be done.
  • the optical waveguide is combined into one output waveguide 10o via a two-stage combiner portion 10d.
  • the ground electrode is not provided in the vicinity region NZ of the first and second interaction portions MZ 1 and MZ 2 , and in particular, the second signal electrode 7b of the first interaction portion MZ 1 is not provided. No ground electrode is also provided in the interchannel region between the second interaction unit MZ 2 and the first signal electrode 7a.
  • the light modulation element is miniaturized and multiplexed, it is difficult to secure a ground electrode having a sufficient width or area in the interchannel region, and a ground electrode having a half-sized size rather causes deterioration of high-frequency characteristics. ..
  • the ground electrode is omitted as in the present embodiment, the high frequency characteristics do not deteriorate even if the light modulation element is miniaturized, and the light modulation element can be easily multiplexed.
  • ground electrodes are provided in the vicinity of the input portions and the terminal portions of the first and second signal electrodes 7a and 7b away from the vicinity region NZ of the first and second interaction portions MZ 1 and MZ 2.
  • the first and second ground electrode pads are located near the input portions of the first and second signal electrodes 7a and 7b far away from the first and second interaction portions MZ 1 and MZ 2.
  • 8a 1 , 8b 1 are provided.
  • the first ground electrode pad 8a 1 is provided adjacent to the first signal electrode pad 7a 3 constituting the input portion of the first signal electrode 7a
  • the second ground electrode pad 8b 1 is a second. It is provided adjacent to the second signal electrode pad 7b 3 that constitutes the input portion of the signal electrode 7b.
  • the first and second ground electrode pads 8a 1 , 8b 1 are connected to each other via a short circuit pattern 8c 1.
  • the first and second signal electrodes 7a separated from the vicinity region NZ of the first and second interaction portions MZ 1 and MZ 2.
  • Third and fourth ground electrode pads 8a 2 and 8b 2 are provided in the vicinity of the end portions of the and 7b.
  • the third ground electrode pad 8a 2 is provided adjacent to the first terminal electrode pad 7a 4 constituting the terminal portion of the first signal electrode 7a
  • the fourth ground electrode pad 8b 2 is a second ground electrode pad 8b 2. It is provided adjacent to the second terminal electrode pad 7b 4 that constitutes the terminal portion of the signal electrode 7b.
  • the third and fourth ground electrode pads 8a 2 and 8b 2 are connected to each other via a short circuit pattern 8c 2.
  • the light modulation element 1G is not provided with the ground electrode in the vicinity region NZ of the first and second interaction portions MZ 1 and MZ 2, but is outside the vicinity region NZ. Since the ground electrode is provided near the input portion and the terminal portion of the first and second signal electrodes 7a and 7b located, it is possible to reduce the radiation loss at a high frequency of 50 GHz or more. Therefore, it is possible to provide an optical modulation element having good high frequency characteristics.
  • FIG. 10 is a schematic plan view showing the configuration of the light modulation element according to the eighth embodiment of the present invention.
  • the feature of the light modulation element 1H is that it has a 4-channel array structure in which four interaction parts of the Mach-Zehnder light modulation element are arranged, and the four interaction parts MZ 1 , MZ 2 , MZ 3, lies in performing polarization multiplexing quadrature phase modulation of (DP-QPSK) with MZ 4. Therefore, the first and second interaction units MZ 1 and MZ 2 constitute the first IQ modulator, and the third and fourth interaction units MZ 3 and MZ 4 form the second IQ modulator. Each output is output via the polarization multiplex waveguide 10h.
  • the configuration of the individual interaction units MZ 1 to MZ 4 is similar to that of the single interaction unit MZ of the light modulation element 1A shown in FIG.
  • no ground electrode is provided in the vicinity region NZ of the first to fourth interaction portions MZ 1 , MZ 2 , MZ 3 , and MZ 4 , and they belong to different interaction portions and are adjacent to each other.
  • No ground electrode is also provided in the interchannel region between the second signal electrode 7b and the first signal electrode 7a.
  • first and second signal electrodes 7a, 7b are provided in the vicinity of the input portion and the terminal portion of the first and second signal electrodes 7a, 7b away from the vicinity region NZ of the first to fourth interaction portions MZ 1 , MZ 2 , MZ 3 , and MZ 4.
  • a ground electrode is provided.
  • the first and second signal electrodes 7a and 7b are located near the input portions of the first and second signal electrodes 7a and 7b, which are far from the first to fourth interaction portions MZ 1 , MZ 2 , MZ 3 , and MZ 4.
  • Second ground electrode pads 8a 1 , 8b 1 are provided.
  • the first ground electrode pad 8a 1 is provided adjacent to the first signal electrode pad 7a 3 constituting the input portion of the first signal electrode 7a, and the second ground electrode pad 8b 1 is a second. It is provided adjacent to the second signal electrode pad 7b 3 that constitutes the input portion of the signal electrode 7b.
  • the first and second interaction portions MZ 1 , MZ 2 , MZ 3 , and MZ 4 far away from the first to fourth interaction portions MZ 1, MZ 2, and MZ 4.
  • Third and fourth ground electrode pads 8a 2 and 8b 2 are provided in the vicinity of the terminal portions of the signal electrodes 7a and 7b.
  • the third ground electrode pad 8a 2 is provided adjacent to the first terminal electrode pad 7a 4 constituting the terminal portion of the first signal electrode 7a
  • the fourth ground electrode pad 8b 2 is a second ground electrode pad 8b 2. It is provided adjacent to the second terminal electrode pad 7b 4 that constitutes the terminal portion of the signal electrode 7b.
  • the third and fourth ground electrode pads 8a 2 and 8b 2 are connected to each other via a short circuit pattern 8c 2.
  • the light modulation element 1H according to the present embodiment is not provided with the ground electrode in the vicinity region NZ of the first to fourth interaction portions MZ 1 , MZ 2 , MZ 3 , and MZ 4. Since the ground electrode is provided near the input portion and the terminal portion of the first and second signal electrodes 7a and 7b away from the vicinity region NZ, it is possible to reduce the radiation loss at a high frequency of 50 GHz or more. Therefore, it is possible to provide an optical modulation element having good high frequency characteristics.
  • FIG. 11 is a schematic plan view showing the configuration of the light modulation element according to the ninth embodiment of the present invention.
  • the feature of the light modulation element 1I is that in the light modulation element having the 4-channel array structure shown in FIG. 10, the first to fourth interaction portions MZ 1 to MZ 4 are curved with a straight portion.
  • the point is that it is composed of a combination with a part. That is, it is a combination of the sixth embodiment and the eighth embodiment.
  • the Mach-Zehnder optical waveguide 10 has first to fourth output waveguides 10o 1 , 10o 2 , 10o 3 , and 10o 4 .
  • the optical waveguide has a curved portion in the multi-channel structure
  • the problem of crosstalk is remarkable.
  • the ground electrode is not provided near the signal electrode, crosstalk can be reduced.
  • the ground electrodes are provided in the vicinity of both the input portion and the terminal portion of the first and second signal electrodes 7a and 7b away from the region NZ in the vicinity of the interaction portion MZ. It is not essential to provide the ground electrode, and the ground electrode may be provided only in the vicinity of either the input portion or the terminal portion.
  • a light modulation element having a pair of optical waveguides formed by an epitaxially grown lithium niobate film on the substrate 2 is mentioned, but the present invention is not limited to such a structure.
  • the optical waveguide may be formed of an electro-optical material such as barium titanate or lead zirconate titanate.
  • the optical waveguide is formed of a lithium niobate film, the width of the optical waveguide can be narrowed, but the problem of the layout of the ground electrode is remarkable, and the effect of the present invention is great.
  • the waveguide layer 3 a semiconductor material having an electro-optical effect, a polymer material, or the like may be used.
  • the configuration of the lead-out portion formed by bending the signal electrode at a right angle is shown for convenience, but the present invention is not limited to these, and the lead-out portion formed by bending the signal electrode into an arc shape has high frequency characteristics. It may be used from the viewpoint of.
  • the curvature when the signal electrode is bent into an arc shape is appropriately set according to the width of the signal electrode and the like.

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Abstract

【課題】５０ＧＨｚ以下の低周波において電極損失を抑制しつつ、５０ＧＨｚ以上の高周波において放射損失を抑制することが可能な光変調素子を提供する。 【解決手段】光変調素子１は、基板２と、基板２上に設けられた少なくとも一つの相互作用部ＭＺとを備える。相互作用部ＭＺは、基板２上に形成された互いに隣り合う第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂと、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂと対向してそれぞれ設けられた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂとを備えている。相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにはグランド電極が配置されておらず、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂと電気的に接続された入力部及び終端部の少なくとも一方の近傍にはグランド電極が配置されている。

Description

光変調素子
　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電極構造に関する。
　インターネットの普及に伴い通信量は飛躍的に増大しており、光ファイバ通信の重要性が非常に高まっている。光ファイバ通信は、電気信号を光信号に変換し、光信号を光ファイバにより伝送するものであり、広帯域、低損失、ノイズに強いという特徴を有する。
　電気信号を光信号に変換する方式としては、半導体レーザによる直接変調方式と光変調器を用いた外部変調方式が知られている。直接変調は光変調器が不要で低コストであるが、高速変調には限界があり、高速で長距離の用途では外部変調方式が使われている。
　光変調器としては、ニオブ酸リチウム単結晶基板の表面付近にＴｉ（チタン）拡散により光導波路を形成したマッハツェンダー型光変調器が実用化されている（例えば特許文献１参照）。マッハツェンダー型光変調器は、１つの光源から出た光を２つに分け、異なる経路を通過させた後、再び重ね合わせて干渉を起こさせるマッハツェンダー干渉計の構造を有する光導波路（マッハツェンダー光導波路）を用いるものであり、４０Ｇｂ／ｓ以上の高速の光変調器が商用化されているが、全長が１０ｃｍ前後と長いことが大きな欠点になっている。
　これに対して、特許文献２及び３には、ｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜を用いたマッハツェンダー型光変調器が開示されている。ニオブ酸リチウム膜を用いた光変調器は、ニオブ酸リチウム単結晶基板を用いた光変調器と比較して大幅な小型化及び低駆動電圧化が可能である。
　特許文献２に記載された従来の光変調素子２０Ａの断面構造を図１２（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及びグランド電極２４ｂがそれぞれ配置されている。この光変調素子２０Ａ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とグランド電極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、グランド電極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素子２０Ｂの断面構造を図１２（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つのグランド電極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。さらに左右のグランド電極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、この光変調素子２０Ｂは２つの信号電極２４ａ１，２４ａ２を有するデュアル駆動型であるため、電極構造が複雑になる。
特許第４４８５２１８号公報 特開２００６－１９５３８３号公報 特開２０１４－６３４８号公報
　光変調素子において、現状の３２Ｇｂａｕｄから６４Ｇｂａｕｄへの高速化のためには３５ＧＨｚ以上の広帯域化が必要であり、９６Ｇｂａｕｄへの高速化のためには５０ＧＨｚ以上の広帯域化が必要である。このような広帯域化を実現するためには、(1)高周波での電極損失の低減、(2)光とマイクロ波との速度整合、(3)インピーダンス整合の３つが重要であり、(1)が特に重要である。高周波では表皮効果により電流が電極の表面近傍にしか流れず、電極損失が増加するからである。
　図１２（ｂ）に示した従来の光変調素子２０Ｂにおいて電極損失を低減するためには、信号電極の断面積を大きくすることが効果的であり、そのためには信号電極２４ａ１，２４ａ２の厚さＴを厚くするか、信号電極２４ａ１，２４ａ２の幅Ｗを広くする必要がある。
　しかしながら、信号電極２４ａ１，２４ａ２の厚さＴを厚くすると、マイクロ波の実効誘電率が低下して速度整合させることができなくなると共に、インピーダンスの低下によりインピーダンス整合が取れなくなるという問題がある。また、信号電極２４ａ１，２４ａ２の幅Ｗを広げると、マイクロ波の実効誘電率とインピーダンスは大きく変化しないものの、光導波路に印加される電界効率が悪くなり、半波長電圧が増加するという問題がある。したがって、従来の電極構造では６４Ｇｂａｕｄの高速化に対応した３５ＧＨｚ以上の広帯域化の実現が困難であった。特に、６４Ｇｂａｕｄを超える高速通信においては、５０ＧＨｚ以上の高周波における放射損失の急激な増加が問題となる。
　また光変調素子の小型化や多重化のため、複数本の光導波路を並列に配置して光導波路アレイを構成する場合、隣接チャンネル間の光導波路が近づくことにより、ＥＯ特性のリップルやクロストークノイズが増加して高周波特性が悪化しやすいという問題がある。
　したがって、本発明の目的は、５０ＧＨｚ以下の低周波において電極損失を抑制しつつ、５０ＧＨｚ以上の高周波において放射損失を抑制することが可能な光変調素子を提供することにある。
　上記課題を解決するため、本発明による光変調素子は、基板と、前記基板上に設けられた少なくとも一つの相互作用部とを備え、前記相互作用部は、前記基板上に形成された互いに隣り合う第１及び第２の光導波路と、前記第１及び第２の光導波路と対向して設けられ、差動信号が印加される第１及び第２の信号電極とを備え、前記相互作用部の近傍領域にはグランド電極が配置されておらず、前記第１及び第２の信号電極と電気的に接続された入力部及び終端部の少なくとも一方の近傍にはグランド電極が配置されていることを特徴とする。
　本発明によれば、５０ＧＨｚ以下の低周波においてリップルやクロストークノイズを低減することができるだけでなく、５０ＧＨｚ以上の高周波において放射損失を抑制することができる。したがって、６４Ｇｂａｕｄを超える高速通信が可能な光変調素子を提供することができる。
　本発明において、前記入力部は、第１及び第２の信号電極パッドを有し、前記グランド電極は、前記第１の信号電極パッドに隣接する第１のグランド電極パッドと、前記第２の信号電極パッドに隣接する第２のグランド電極パッドを含むことが好ましい。この構成により、第１及び第２の信号電極の入力部側の放射損失及び漏れ損失を低減することができる。
　本発明において、前記第１のグランド電極パッドと前記第２のグランド電極パッドは電気的に接続されていることが好ましい。この場合において、前記第１のグランド電極パッドと前記第２のグランド電極パッドは、前記基板上に設けられた第１の短絡パターンを介して電気的に接続されていてもよく、前記第１及び第２の信号電極パッドに前記差動信号を印加するドライバ回路内のグランドラインを介して電気的に接続されていてもよい。これにより、第１及び第２の信号電極の入力部側の基準電位のさらなる安定化を図ることができ、高周波特性が良好な光変調素子を実現することができる。
　本発明において、前記終端部は、第１及び第２の終端電極パッドを有し、前記グランド電極は、前記第１の終端電極パッドに隣接する第３のグランド電極パッドと、前記第２の終端電極パッドに隣接する第４のグランド電極パッドを含むことが好ましい。この構成により、第１及び第２の信号電極の終端部側の放射損失及び漏れ損失を低減することができる。
　本発明において、前記第３のグランド電極パッドと前記第４のグランド電極パッドは、前記基板上の第２の短絡パターンを介して電気的に接続されていてもよく、前記第１及び第２の終端電極パッドに接続された終端器内のグランドラインを介して電気的に接続されていてもよい。さらにまた、前記第３のグランド電極パッドは、前記基板上の第３の短絡パターンを介して前記第１のグランド電極パッドに接続されており、前記第４のグランド電極パッドは、前記基板上の第４の短絡パターンを介して前記第２のグランド電極パッドに接続されていてもよい。これにより、第１及び第２の信号電極の終端部側の基準電位の安定化を図ることができ、高周波特性が良好な光変調素子を実現することができる。
　本発明において、前記相互作用部の近傍領域は、前記相互作用部の中心から前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間隔の５倍以下の範囲内の領域であることが好ましい。相互作用部の中心から導波路間隔の５倍以下の近傍領域にグランド電極がない場合には、５０ＧＨｚ以下の低周波においてリップルやクロストークノイズを抑制することができる。
　本発明において、前記基板は単結晶基板であり、前記第１及び第２の光導波路は、前記基板上にリッジ状に形成されたニオブ酸リチウム膜からなることが好ましい。さらに、前記相互作用部は、前記第１及び第２の光導波路を含み、前記基板の主面に形成された導波層と、少なくとも前記第１及び第２の光導波路の上面に形成されたバッファ層と、前記第１及び第２の信号電極を含み、前記バッファ層の上面に形成された電極層を含み、前記第１及び第２の信号電極は、前記バッファ層を挟んで前記第１及び第２の光導波路とそれぞれ対向していることが好ましい。これにより、小型で高周波特性が良好な光変調素子を実現することができる。
　本発明によれば、５０ＧＨｚ以下の低周波において電極損失を抑制しつつ、５０ＧＨｚ以上の高周波において放射損失を抑制することが可能な光変調素子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は、図１（ａ）及び（ｂ）のＸ１－Ｘ１線に沿った光変調素子１Ａの略断面図である。 図３（ａ）及び（ｂ）は、光変調素子の透過損失（Ｓｄｄ２１）の周波数特性を示すグラフである。 図４は、本発明の第２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る。 図５は、本発明の第３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る。 図６は、本発明の第４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る。 図７は、本発明の第５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る。 図８は、本発明の第６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る。 図９は、本発明の第７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る。 図１０は、本発明の第８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る。 図１１は、本発明の第９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る。 図１２（ａ）及び（ｂ）は、従来の光変調素子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１Ａは、基板２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第１の信号電極７ａと、第２の光導波路１０ｂに沿って設けられた第２の信号電極７ｂと、第１の光導波路１０ａに沿って設けられた第１のバイアス電極９ａと、第２の光導波路１０ｂに沿って設けられた第２のバイアス電極９ｂとを備えている。第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂは、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂと共に、マッハツェンダー光変調素子の相互作用部ＭＺを構成している。
　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によって一本の出力導波路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として出力導波路１０ｏから出力される。
　第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂは平面視で第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂと重なる線状の電極パターンであり、その両端は基板２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７ａ，７ｂの一端側は引き出し部７ａ１，７ｂ１を介して基板２のエッジ近傍まで引き出されており、基板２のエッジ近傍に設けられた第１及び第２の信号電極パッド７ａ３，７ｂ３と電気的に接続されている。また、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの他端側は引き出し部７ａ２，７ｂ２を介して基板２のエッジ近傍まで引き出されており、基板２のエッジ近傍に設けられた第１及び第２の終端電極パッド７ａ４，７ｂ４と電気的に接続されている。
　第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの一端側の第１及び第２の信号電極パッド７ａ３，７ｂ３は信号入力端子であり、ドライバ回路に接続される。第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの他端側の第１及び第２の終端電極パッド７ａ４，７ｂ４は、終端抵抗１２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７ａ，７ｂ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９ａ，９ｂは、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂ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７ａ，７ｂ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９ａ，９ｂの一端９ａ１，９ｂ１はＤＣバイアスの入力端である。本実施形態において、第１及び第２のバイアス電極９ａ，９ｂの形成領域は、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの形成領域よりもマッハツェンダー光導波路１０の出力端側に設けられているが、入力端側に設けられていてもよい。また、第１及び第２のバイアス電極９ａ，９ｂを省略し、ＤＣバイアスを予め重畳させた変調信号を第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂに入力することも可能である。
　第１及び第２の信号電極パッド７ａ３，７ｂ３には、絶対値が同じで正負の異なる差動信号（変調信号）が入力される。第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂはニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料からなるので、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂに与えられる電界によって第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂの屈折率がそれぞれ＋Δｎ、－Δｎのように変化し、一対の光導波路間の位相差が変化する。この位相差の変化により変調された信号光が出力導波路１０ｏから出力される。
　このように、本実施形態による光変調素子１Ａ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。
　本実施形態において、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにグランド電極は設けられていない。ここで、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺは、相互作用部ＭＺの幅方向の中心から左右に広がる第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂの間隔Ｗ０の５倍以下（Ｗ１≦５Ｗ０）の領域として定義される。またグランド電極とは、電位の基準点となる電極のことを言う。
　相互作用部ＭＺを構成する第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの近傍にはグランド電極を設けることが一般的である（図１２（ｂ）等参照）。しかし、光変調素子の小型化に伴いグランド電極の十分な幅又は面積を確保することが難しくなっており、中途半端な大きさのグランド電極は高周波特性を悪化させる要因となる。しかし、本実施形態のように相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺからグランド電極を排除した場合には、小型化しても高周波特性が悪化することがなく、相互作用部ＭＺの多重化も容易である。
　説明の便宜上、図１において第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂの間隔Ｗ０は実際よりも十分に広く描かれている。実際の導波路間隔Ｗ０は非常に狭く、５～５０μｍである。一方、第１の信号電極７ａの一端側及び他端側の引き出し部７ａ１，７ａ２及び第２の信号電極７ｂの一端側及び他端側の引き出し部７ｂ１，７ｂ２の長さは１００μｍ以上である。そのため、第１及び第２の信号電極パッド７ａ３，７ｂ３、第１及び第２のグランド電極パッド８ａ１，８ｂ１、第１及び第２の終端電極パッド７ａ４，７ｂ４、及び第３及び第４のグランド電極パッド８ａ２，８ｂ２は、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺの外側に位置し、相互作用部ＭＺから遠く離れている。
　基準電位の安定化のため、基板２の裏面側にはグランド電極が設けられていてもよい。上記のように、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにはグランド電極が設けられていないことが必要であるが、基板２の裏面側は対象外である。すなわち、基板２の裏面側における相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにはグランド電極が設けられていてもかまわない。
　一方、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺの外側に位置する第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部の近傍には第１及び第２のグランド電極パッド８ａ１，８ｂ１が設けられている。第１のグランド電極パッド８ａ１は第１の信号電極７ａの入力部を構成する第１の信号電極パッド７ａ３に隣接して設けられており、第２のグランド電極パッド８ｂ１は第２の信号電極７ｂの入力部を構成する第２の信号電極パッド７ｂ３に隣接して設けられている。
　第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部と同様に、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺの外側に位置する第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの終端部の近傍には第３及び第４のグランド電極パッド８ａ２，８ｂ２が設けられている。第３のグランド電極パッド８ａ２は第１の信号電極７ａの終端部を構成する第１の終端電極パッド７ａ４に隣接して設けられており、第４のグランド電極パッド８ｂ２は第２の信号電極７ｂの終端部を構成する第２の終端電極パッド７ｂ４に隣接して設けられている。
　本実施形態において、第１のグランド電極パッド８ａ１と第２のグランド電極パッド８ｂ１はそれらと同じ電極層内に設けられた短絡パターン８ｃ１（第１の短絡パターン）を介して電気的に接続されている。第３のグランド電極パッド８ａ２と第４のグランド電極パッド８ｂ２もそれらと同じ電極層内に設けられた短絡パターン８ｃ２（第２の短絡パターン）を介して電気的に接続されている。短絡パターン８ｃ１，８ｃ２は基板２のエッジに沿って形成されているので、第１及び第２の信号電極パッド７ａ３，７ｂ３及び第１及び第２の終端電極パッド７ａ４，７ｂ４は、基板２のエッジよりも内側に配置されている。このように、互いに近接する２つのグランド電極パッド同士を短絡することにより、グランド電極パッド上の基準電位の安定化を図ることができ、高周波特性を改善することができる。
　図２は、図１（ａ）及び（ｂ）のＸ１－Ｘ１線に沿った光変調素子１Ａ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素子１Ａは、基板２、導波層３、保護層４、バッファ層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２は例えばサファイア基板であり、基板２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３が形成されている。導波層３はリッジ部３ｒ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を構成するリッジ部３ｒの幅Ｗ１０は例えば１μｍとすることができる。
　保護層４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４は、導波層３の上面のうちリッジ部３ｒが形成されていない領域の全面を覆っており、リッジ部３ｒの側面も保護層４に覆われているので、リッジ部３ｒ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４の厚さは導波層３のリッジ部３ｒの高さとほぼ同じである。保護層４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５は、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂ中を伝搬する光が第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂに吸収されることを防ぐため、導波層３のリッジ部３ｒの上面に形成されるものである。バッファ層５は、導波層３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３ｒの上面上のバッファ層５の厚さは０．２～１μｍ程度であればよい。バッファ層５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５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４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。また保護層４を省略し、導波層３の上面全体にバッファ層５を直接形成してもよい。
　バッファ層５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５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５の屈折率は低い程、バッファ層５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。
　電極層６には、第１の信号電極７ａ及び第２の信号電極７ｂが設けられている。第１の信号電極７ａは、第１の光導波路１０ａ内を進行する光を変調するために第１の光導波路１０ａに対応するリッジ部３ｒに重ねて設けられ、バッファ層５を介して第１の光導波路１０ａと対向している。第２の信号電極７ｂは、第２の光導波路１０ｂ内を進行する光を変調するために第２の光導波路１０ｂに対応するリッジ部３ｒに重ねて設けられ、バッファ層５を介して第２の光導波路１０ｂと対向している。
　図２に示すように、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂ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７ａ，７ｂから第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂにそれぞれ印加される電界の大きさをできるだけ同じにして波長チャープを低減することができる。
　導波層３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３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２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２やバッファ層５に光が漏れることになる。ニオブ酸リチウム膜に電界を印加しても、光導波路（１０ａ、１０ｂ）の実効屈折率の変化が小さくなるおそれがある。そのため、ニオブ酸リチウム膜は、使用する光の波長の１／１０程度以上の膜厚が望ましい。
　ニオブ酸リチウム膜の形成方法としては、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などの膜形成方法を利用することが望ましい。ニオブ酸リチウムのｃ軸が基板２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。
　第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの幅Ｗ７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の光導波路１０ａ，１０ｂのリッジ幅Ｗ１０よりも少し広い程度である。第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂからの電界を第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂに集中させるためには、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの幅Ｗ７は、第２の光導波路１０ｂのリッジ幅Ｗ１０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。なお、信号電極間隔とは、第１の信号電極７ａの幅方向中央から第２の信号電極７ｂの幅方向中央までの距離のことを言う。また導波路間隔とは、第１の光導波路１０ａの幅方向中央から第２の光導波路１０ｂの幅方向中央までの距離のことを言う。本実施形態において、信号電極間隔と導波路間隔は実質的に等しい。
　相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺの電極層６にグランド電極は設けられていない。第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂ間の電極分離領域Ｄ０や第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの外側の近傍領域Ｄ１ａ，Ｄ１ｂにグランド電極が設けられている場合には、リップルやクロストークが大きくなり、高周波特性が悪化する。このような高周波特性の悪化は、光変調素子の小型化に伴ってグランド電極の幅や面積を十分に確保することができず、基準電位が不安定になっていることが原因と考えられる。本実施形態のようにグランド電極を設けない場合には、リップルやクロストークを低減することができ、高周波特性を改善することができる。
　上述した第１乃至第４のグランド電極パッド８ａ１，８ｂ１，８ａ２，８ｂ２及び短絡パターン８ｃ１，８ｃ２は、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの信号電極パッド７ａ３，７ｂ３及び第１及び第２の終端電極パッド７ａ４，７ｂ４と共に、電極層６に設けられている。これらのグランド電極は相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺの外側に存在するので、５０ＧＨｚ以下の低周波においてリップルやクロストークの発生原因とならならず、さらに５０ＧＨｚ以上の高周波における放射損失を低減することができる。
　図３（ａ）及び（ｂ）は、光変調素子の透過損失（Ｓｄｄ２１）の周波数特性を示すグラフである。
　相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにグランド電極を配置した従来の電極構造を有する光変調素子の透過損失は、図３（ａ）のグラフＧＬ１に示すように、５０ＧＨｚ以下の低周波においてリップルやクロストークが発生する。これに対し、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺを含む基板全面からグランド電極を排除した光変調素子の場合、図３（ａ）及び図３（ｂ）のグラフＧＬ２に示すように、５０ＧＨｚ以下の低周波においてリップルやクロストークは発生しない。しかし、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部及び終端部の近傍にもグランド電極が設けられていないことから、５０ＧＨｚ以上の高周波において透過損失が大きくなる。
　一方、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにはグランド電極を設けていないが、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部及び終端部の近傍にグランド電極を設けた本発明による光変調素子の透過損失は、図３（ｂ）のグラフＧＬ３に示すように、５０ＧＨｚ以下の低周波においてリップルやクロストークが抑制されるだけでなく、５０ＧＨｚ以上の高周波において透過損失を小さくすることができる。
　以上説明したように、本実施形態による光変調素子１Ａは、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにグランド電極が設けられていないので、電極損失を低減することができ、光導波路に印加される電界効率の向上により低電圧駆動が可能な光変調素子を提供することができる。また、本実施形態による光変調素子１Ａは、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺから離れた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部及び終端部の少なくとも一方の近傍にグランド電極が設けられているので、５０ＧＨｚ以上の高周波における放射損失を低減することができる。したがって、高周波特性が良好な光変調素子を提供することができる。
　図４は、本発明の第２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る。
　図４に示すように、この光変調素子１Ｂの特徴は、第１の信号電極７ａの入力部側の第１のグランド電極パッド８ａ１と終端部側の第３のグランド電極パッド８ａ２とが相互作用部ＭＺの周りを大きく周回する短絡パターン８ｃ３（第３の短絡パターン）を介して電気的に接続されており、また入力側の第２のグランド電極パッド８ｂ１と終端側の第４のグランド電極パッド８ｂ２とが短絡パターン８ｃ４（第４の短絡パターン）を介して電気的に接続されている点にある。また、第１及び第２の信号電極パッド７ａ３，７ｂ３は基板２のエッジに近接して配置されており、第１及び第２の終端電極パッド７ａ４，７ｂ４も基板２のエッジに近接して配置されている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。
　短絡パターン８ｃ３，８ｃ４は、第１乃至第４のグランド電極パッド８ａ１，８ｂ１，８ａ２，８ｂ２と同様に、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺの外側に配置されている。そのため、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにグランド電極は設けられていない。本実施形態によれば、第１の実施の形態と同様に、５０ＧＨｚ以上の高周波における放射損失を低減することができる。
　本実施形態において、入力部側の第１のグランド電極パッド８ａ１と第２のグランド電極パッド８ｂ１は短絡パターンを介して接続されておらず、終端部側の第３のグランド電極パッド８ａ２と第４のグランド電極パッド８ｂ２は短絡パターンを介して接続されていないが、第１の実施の形態と同様に構成することも可能である。その場合、第１及び第２の信号電極パッド７ａ３，７ｂ３及び第１及び第２の終端電極パッド７ａ４，７ｂ４は、基板２のエッジから離れて配置されることになる。
　図５は、本発明の第３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る。
　図５に示すように、この光変調素子１Ｃの特徴は、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部側の第１のグランド電極パッド８ａ１と第２のグランド電極パッド８ｂ１とが基板２を貫通するコンタクトプラグ８ｄ１，８ｄ２及び基板２の裏面に形成された短絡パターン８ｃ５を介して電気的に接続されており、また第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの終端部側の第３のグランド電極パッド８ａ２と第４のグランド電極パッド８ｂ２とが基板２を貫通するコンタクトプラグ８ｄ３，８ｄ４及び基板２の裏面に形成された短絡パターン８ｃ６を介して電気的に接続されている点にある。短絡パターン８ｃ５と短絡パターン８ｃ６は単一のグランドパターンとして形成されてもよく、さらに基板２の裏面全体にグランドパターンが形成されてもよい。さらに、第１及び第２の信号電極パッド７ａ３，７ｂ３は基板２のエッジに近接して配置されており、第１及び第２の終端電極パッド７ａ４，７ｂ４も基板２のエッジに近接して配置されている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。
　短絡パターン８ｃ５，８ｃ６は、第１乃至第４のグランド電極パッド８ａ１，８ｂ１，８ａ２，８ｂ２と同様に、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺの外側に配置されている。そのため、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにグランド電極は設けられていない。本実施形態によれば、第１の実施の形態と同様に、５０ＧＨｚ以上の高周波における放射損失を低減することができる。
　図６は、本発明の第４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る。
　図６に示すように、この光変調素子１Ｄの特徴は、第１のグランド電極パッド８ａ１と第２のグランド電極パッド８ｂ１とが第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部に接続されたドライバ回路２００内のグランドラインを介して電気的に接続されており、また第３のグランド電極パッド８ａ２と第４のグランド電極パッド８ｂ２とが第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの終端部に接続された終端器３００内のグランドラインを介して電気的に接続される点にある。また、第１及び第２の信号電極パッド７ａ３，７ｂ３は基板２のエッジに近接して配置されており、第１及び第２の終端電極パッド７ａ４，７ｂ４は基板２のエッジに近接して配置されている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。
　ドライバ回路２００内のグランドライン及び終端器３００内のグランドラインは、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺの外側に配置されている。そのため、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにグランド電極は設けられていない。本実施形態によれば、第１の実施の形態と同様に、５０ＧＨｚ以上の高周波における放射損失を低減することができる。
　図７は、本発明の第５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る。
　図７に示すように、この光変調素子１Ｅは、第４の実施の形態による光変調素子１Ｄの変形例であって、図６に示したドライバ回路２００及び終端器３００が基板２上にフリップチップ実装されていることを特徴とするものである。その他の構成は第４の実施の形態と同様である。そのため、本実施形態による光変調素子１Ｅは、第４の実施の形態と同様の効果に加えて光変調素子全体の小型化を図ることができる。
　図８は、本発明の第６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る。
　図８に示すように、この光変調素子１Ｆ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。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１０ｆ２とを有している。第１及び第２の湾曲部１０ｆ１，１０ｆ２は、光導波路の進行方向を１８０度方向転換するため、同心半円状に形成されている。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。
　本実施形態において、マッハツェンダー光導波路１０の第１の直線部１０ｅ１の大部分と、第２の直線部１０ｅ２及び第１及び第２の湾曲部１０ｆ１，１０ｆ２の全体と、第３の直線部１０ｅ３の一部は、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂと共に、相互作用部ＭＺを構成している。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。
　マッハツェンダー光変調素子では素子長が長いことが実用上の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すことで素子長を大幅に短くでき、小型化に対する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、湾曲部の曲率半径を例えば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。
　本実施形態においても、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにグランド電極は設けられていない。相互作用部ＭＺを構成する第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの近傍に中途半端な大きさのグランド電極を設けることは高周波特性を悪化させる原因となる。特に、光導波路が第１及び第２の湾曲部１０ｆ１，１０ｆ２を有し、第１及び第２の湾曲部１０ｆ１，１０ｆ２の近傍にグランド電極が設けられている場合、湾曲部において高周波信号の漏れが大きくなり、高周波特性が悪化しやすい。しかし、本実施形態のようにグランド電極を省略した場合には、グランド電極が原因で高周波特性が悪化することがなく、光変調素子の小型化及び多重化も容易である。
　本実施形態においても、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺの外側に位置する第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部及び終端部の近傍にはグランド電極が設けられている。具体的には、相互作用部ＭＺから遠く離れた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部の近傍には第１及び第２のグランド電極パッド８ａ１，８ｂ１が設けられている。第１のグランド電極パッド８ａ１は第１の信号電極７ａの入力部を構成する第１の信号電極パッド７ａ３に隣接して設けられており、第２のグランド電極パッド８ｂ１は第２の信号電極７ｂの入力部を構成する第２の信号電極パッド７ｂ３に隣接して設けられている。第１及び第２のグランド電極パッド８ａ１，８ｂ１は短絡パターン８ｃ１を介して相互に接続されている。
　第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部と同様に、相互作用部ＭＺから遠く離れた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの終端部の近傍には第３及び第４のグランド電極パッド８ａ２，８ｂ２が設けられている。第３のグランド電極パッド８ａ２は第１の信号電極７ａの終端部を構成する第１の終端電極パッド７ａ４に隣接して設けられており、第４のグランド電極パッド８ｂ２は第２の信号電極７ｂの終端部を構成する第２の終端電極パッド７ｂ４に隣接して設けられている。第３及び第４のグランド電極パッド８ａ２，８ｂ２は短絡パターン８ｃ２を介して相互に接続されている。
　以上説明したように、本実施形態による光変調素子１Ｆは、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにグランド電極が設けられていないが、近傍領域ＮＺの外側に位置する第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部及び終端部の近傍にグランド電極が設けられているので、５０ＧＨｚ以上の高周波における放射損失を低減することができる。したがって、高周波特性が良好な光変調素子を提供することができる。
　図９は、本発明の第７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る。
　図９に示すように、この光変調素子１Ｇの特徴は、マッハツェンダー光変調素子の２つの相互作用部を並べた２チャンネルアレイ構造を有し、第１及び第２の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２を用いて入力光Ｓｉの直交位相変調（ＱＰＳＫ）又は直交振幅変調（ｘＱＡＭ）を行う点にある。すなわち、本実施形態による光変調素子１Ｇは、第１及び第２の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２を用いて構成されたＩＱ光変調素子であり、第２の相互作用部ＭＺ２の出力側には位相シフタ１０ｇが設けられている。個々の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２の構成は、図１に示したマッハツェンダー光変調素子の単一の相互作用部ＭＺと同様である。第１及び第２の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２の一対のＲＦ信号入力端子（第１及び第２の信号電極パッド７ａ３，７ｂ３）にはそれぞれ別の差動信号が印加される。
　一本の光導波路からなる入力導波路１０ｉは、二段の分波部１０ｃによって４分割されて４本（２対）の光導波路が形成される。すなわち、第１の相互作用部ＭＺ１を構成する第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂと、第２の相互作用部ＭＺ２を構成する第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂが形成される。光導波路の出力側では、２段の合波部１０ｄを経て一本の出力導波路１０ｏにまとめられる。
　本実施形態においても、第１及び第２の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２の近傍領域ＮＺにグランド電極は設けられておらず、特に第１の相互作用部ＭＺ１の第２の信号電極７ｂと第２の相互作用部ＭＺ２の第１の信号電極７ａとの間のチャンネル間領域にもグランド電極は設けられていない。光変調素子を小型化及び多重化した場合、チャンネル間領域に十分な幅又は面積を持つグランド電極を確保することは難しく、中途半端な大きさのグランド電極はむしろ高周波特性を悪化させる原因となる。しかし、本実施形態のようにグランド電極を省略した場合には、光変調素子を小型化しても高周波特性が悪化することがなく、光変調素子の多重化も容易である。
　一方、第１及び第２の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２の近傍領域ＮＺから離れた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部及び終端部の近傍にはグランド電極が設けられている。具体的には、第１及び第２の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２から遠く離れた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部の近傍には第１及び第２のグランド電極パッド８ａ１，８ｂ１が設けられている。第１のグランド電極パッド８ａ１は第１の信号電極７ａの入力部を構成する第１の信号電極パッド７ａ３に隣接して設けられており、第２のグランド電極パッド８ｂ１は第２の信号電極７ｂの入力部を構成する第２の信号電極パッド７ｂ３に隣接して設けられている。第１及び第２のグランド電極パッド８ａ１，８ｂ１は短絡パターン８ｃ１を介して相互に接続されている。
　また、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部と同様に、第１及び第２の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２の近傍領域ＮＺから離れた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの終端部の近傍には第３及び第４のグランド電極パッド８ａ２，８ｂ２が設けられている。第３のグランド電極パッド８ａ２は第１の信号電極７ａの終端部を構成する第１の終端電極パッド７ａ４に隣接して設けられており、第４のグランド電極パッド８ｂ２は第２の信号電極７ｂの終端部を構成する第２の終端電極パッド７ｂ４に隣接して設けられている。第３及び第４のグランド電極パッド８ａ２，８ｂ２は短絡パターン８ｃ２を介して相互に接続されている。
　以上説明したように、本実施形態による光変調素子１Ｇは、第１及び第２の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２の近傍領域ＮＺにグランド電極が設けられていないが、近傍領域ＮＺの外側に位置する第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部及び終端部の近傍にグランド電極が設けられているので、５０ＧＨｚ以上の高周波における放射損失を低減することができる。したがって、高周波特性が良好な光変調素子を提供することができる。
　図１０は、本発明の第８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る。
　図１０に示すように、この光変調素子１Ｈの特徴は、マッハツェンダー光変調素子の４つの相互作用部を並べた４チャンネルアレイ構造を有し、４つの相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２，ＭＺ３，ＭＺ４を用いて偏波多重直交位相変調（ＤＰ－ＱＰＳＫ）を行う点にある。そのため、第１及び第２の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２は第１のＩＱ変調器を構成しており、第３及び第４の相互作用部ＭＺ３，ＭＺ４は第２のＩＱ変調器を構成しており、各々の出力は偏波多重導波路１０ｈを介して出力される。個々の相互作用部ＭＺ１～ＭＺ４の構成は、図１に示した光変調素子１Ａの単一の相互作用部ＭＺと同様である。
　本実施形態においても、第１乃至第４の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２，ＭＺ３，ＭＺ４の近傍領域ＮＺにグランド電極は設けられておらず、特に異なる相互作用部に属し互いに隣り合う第２の信号電極７ｂと第１の信号電極７ａとの間のチャンネル間領域にもグランド電極は設けられていない。光変調素子を小型化及び多重化した場合、チャンネル間領域に十分な幅又は面積を持つグランド電極を確保することは難しく、中途半端な大きさのグランド電極はむしろ高周波特性を悪化させる原因となる。しかし、本実施形態のようにグランド電極を省略した場合には、光変調素子を小型化しても高周波特性が悪化することがなく、光変調素子の多重化も容易である。
　一方、第１乃至第４の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２，ＭＺ３，ＭＺ４の近傍領域ＮＺから離れた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部及び終端部の近傍にはグランド電極が設けられている。具体的には、第１乃至第４の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２，ＭＺ３，ＭＺ４から遠く離れた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部の近傍には第１及び第２のグランド電極パッド８ａ１，８ｂ１が設けられている。第１のグランド電極パッド８ａ１は第１の信号電極７ａの入力部を構成する第１の信号電極パッド７ａ３に隣接して設けられており、第２のグランド電極パッド８ｂ１は第２の信号電極７ｂの入力部を構成する第２の信号電極パッド７ｂ３に隣接して設けられている。
　また、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部と同様に、第１乃至第４の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２，ＭＺ３，ＭＺ４から遠く離れた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの終端部の近傍には第３及び第４のグランド電極パッド８ａ２，８ｂ２が設けられている。第３のグランド電極パッド８ａ２は第１の信号電極７ａの終端部を構成する第１の終端電極パッド７ａ４に隣接して設けられており、第４のグランド電極パッド８ｂ２は第２の信号電極７ｂの終端部を構成する第２の終端電極パッド７ｂ４に隣接して設けられている。第３及び第４のグランド電極パッド８ａ２，８ｂ２は短絡パターン８ｃ２を介して相互に接続されている。
　以上説明したように、本実施形態による光変調素子１Ｈは、第１乃至第４の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２，ＭＺ３，ＭＺ４の近傍領域ＮＺにグランド電極が設けられていないが、近傍領域ＮＺから離れた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部及び終端部の近傍にグランド電極が設けられているので、５０ＧＨｚ以上の高周波における放射損失を低減することができる。したがって、高周波特性が良好な光変調素子を提供することができる。
　図１１は、本発明の第９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る。
　図１１に示すように、この光変調素子１Ｉの特徴は、図１０に示した４チャンネルアレイ構造の光変調素子において、第１乃至第４の相互作用部ＭＺ１～ＭＺ４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。すなわち、第６の実施の形態と第８の実施の形態の組み合わせたものである。
　本実施形態において、各チャンネルの出力は合波されず個別に出力される。そのため、マッハツェンダー光導波路１０は、第１乃至第４の出力導波路１０ｏ１，１０ｏ２，１０ｏ３，１０ｏ４を有している。
　上記のように、マルチチャンネル構造において光導波路が湾曲部を有する場合にはクロストークの問題が顕著である。しかし、信号電極近傍にグランド電極が設けられていないので、クロストークを低減することができる。
　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、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺから離れた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部及び終端部の両方の近傍にグランド電極を設けているが、両方に設けることは必須ではなく、入力部及び終端部のどちらか一方の近傍だけにグランド電極を設けてもよい。
　また、上記実施形態においては、基板２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できる一方でグランド電極のレイアウ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３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。
　また図１等では、信号電極を直角に曲げてなる引き出し部の構成を便宜的に示しているが、これらに限定されることなく、信号電極を円弧状に曲げてなる引き出し部などを高周波特性の観点から用いてもよい。なお、信号電極を円弧状に曲げる際の曲率は、信号電極の幅等に応じて適宜設定される。
１Ａ～１Ｉ　　光変調素子
２　　基板
３　　導波層
３ｒ　　リッジ部
４　　保護層
５　　バッファ層
６　　電極層
７ａ　　第１の信号電極
７ｂ　　第２の信号電極
７ａ１，７ａ２　　第１の信号電極の引き出し部
７ａ３　　第１の信号電極パッド
７ａ４　　第１の終端電極パッド
７ｂ　　第２の信号電極
７ｂ１，７ｂ２　　第２の信号電極の引き出し部
７ｂ３　　第２の信号電極パッド
７ｂ４　　第２の終端電極パッド
８ａ１　　第１のグランド電極パッド
８ｂ１　　第２のグランド電極パッド
８ａ２　　第３のグランド電極パッド
８ｂ２　　第４のグランド電極パッド
８ｃ１～８ｃ６　　短絡パターン
８ｄ１～８ｄ４　　コンタクトプラグ
９ａ　　第１のバイアス電極
９ａ１　　第１のバイアス電極の一端
９ｂ　　第２のバイアス電極
９ｂ１　　第２のバイアス電極の一端
１０　　マッハツェンダー光導波路
１０ａ　　第１の光導波路
１０ｂ　　第２の光導波路
１０ｃ　　分波部
１０ｄ　　合波部
１０ｅ１　　第１の直線部
１０ｅ２　　第２の直線部
１０ｅ３　　第３の直線部
１０ｆ１　　第１の湾曲部
１０ｆ２　　第２の湾曲部
１０ｇ　　位相シフタ
１０ｉ　　入力導波路
１０ｏ　　出力導波路
１２　　終端抵抗
２０Ａ，２０Ｂ　　光変調素子
２１　　サファイア基板
２２ａ，２２ｂ　　光導波路
２３　　バッファ層
２４ａ，２４ａ１，２４ａ２　　信号電極
２４ｂ　　グランド電極
２００　　ドライバ回路
３００　　終端器
Ｄ０　　電極分離領域
Ｄ１ａ，Ｄ１ｂ　　近傍領域
ＭＺ　　相互作用部
ＭＺ１　　第１の相互作用部
ＭＺ２　　第２の相互作用部
ＭＺ３　　第３の相互作用部
ＭＺ４　　第３の相互作用部
ＮＺ　　相互作用部の近傍領域

Claims (12)

  1. 　基板と、
    　前記基板上に設けられた少なくとも一つの相互作用部とを備え、
    　前記相互作用部は、
    　前記基板上に形成された互いに隣り合う第１及び第２の光導波路と、
    　前記第１及び第２の光導波路と対向して設けられ、差動信号が印加される第１及び第２の信号電極とを備え、
    　前記相互作用部の近傍領域にはグランド電極が配置されておらず、
    　前記第１及び第２の信号電極と電気的に接続された入力部及び終端部の少なくとも一方の近傍にはグランド電極が配置されていることを特徴とする光変調素子。
  2. 　前記入力部は、第１及び第２の信号電極パッドを有し、
    　前記グランド電極は、前記第１の信号電極パッドに隣接する第１のグランド電極パッドと、前記第２の信号電極パッドに隣接する第２のグランド電極パッドを含む、請求項１に記載の光変調素子。
  3. 　前記第１のグランド電極パッドと前記第２のグランド電極パッドは電気的に接続されている、請求項２に記載の光変調素子。
  4. 　前記第１のグランド電極パッドと前記第２のグランド電極パッドは、前記基板上の第１の短絡パターンを介して電気的に接続されている、請求項３に記載の光変調素子。
  5. 　前記第１のグランド電極パッドと前記第２のグランド電極パッドは、前記第１及び第２の信号電極パッドに前記差動信号を印加するドライバ回路内のグランドラインを介して電気的に接続されている、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の光変調素子。
  6. 　前記終端部は、第１及び第２の終端電極パッドを有し、
    　前記グランド電極は、前記第１の終端電極パッドに隣接する第３のグランド電極パッドと、前記第２の終端電極パッドに隣接する第４のグランド電極パッドを含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光変調素子。
  7. 　前記第３のグランド電極パッドと前記第４のグランド電極パッドは、前記基板上の第２の短絡パターンを介して電気的に接続されている、請求項６に記載の光変調素子。
  8. 　前記第３のグランド電極パッドは、前記基板上の第３の短絡パターンを介して前記第１のグランド電極パッドに接続されており、
    　前記第４のグランド電極パッドは、前記基板上の第４の短絡パターンを介して前記第２のグランド電極パッドに接続されている、請求項６又は７に記載の光変調素子。
  9. 　前記第３のグランド電極パッドと前記第４のグランド電極パッドは、前記第１及び第２の終端電極パッドに接続された終端器内のグランドラインを介して電気的に接続されている、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の光変調素子。
  10. 　前記相互作用部の近傍領域は、前記相互作用部の中心から前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間隔の５倍以下の範囲内の領域である、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光変調素子。
  11. 　前記基板は単結晶基板であり、
    　前記第１及び第２の光導波路は、前記基板上にリッジ状に形成されたニオブ酸リチウム膜からなる、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光変調素子。
  12. 　前記相互作用部は、
    　前記第１及び第２の光導波路を含み、前記基板の主面に形成された導波層と、
    　少なくとも前記第１及び第２の光導波路の上面に形成されたバッファ層と、
    　前記第１及び第２の信号電極を含み、前記バッファ層の上面に形成された電極層を含み、
    　前記第１及び第２の信号電極は、前記バッファ層を挟んで前記第１及び第２の光導波路とそれぞれ対向している、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光変調素子。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060093266A1 (en) * 2002-09-13 2006-05-04 Avanex Corporation Lithium niobate optical modulator
JP2012078759A (ja) * 2010-10-06 2012-04-19 Mitsubishi Electric Corp 光変調器
JP2015014715A (ja) * 2013-07-05 2015-01-22 Tdk株式会社 電気光学デバイス
JP2016014698A (ja) * 2014-06-30 2016-01-28 住友大阪セメント株式会社 光デバイス
JP2016071241A (ja) * 2014-09-30 2016-05-09 住友大阪セメント株式会社 光デバイス
JP2019174619A (ja) * 2018-03-28 2019-10-10 住友大阪セメント株式会社 光導波路素子
JP2019179165A (ja) * 2018-03-30 2019-10-17 住友大阪セメント株式会社 光導波路素子

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060093266A1 (en) * 2002-09-13 2006-05-04 Avanex Corporation Lithium niobate optical modulator
JP2012078759A (ja) * 2010-10-06 2012-04-19 Mitsubishi Electric Corp 光変調器
JP2015014715A (ja) * 2013-07-05 2015-01-22 Tdk株式会社 電気光学デバイス
JP2016014698A (ja) * 2014-06-30 2016-01-28 住友大阪セメント株式会社 光デバイス
JP2016071241A (ja) * 2014-09-30 2016-05-09 住友大阪セメント株式会社 光デバイス
JP2019174619A (ja) * 2018-03-28 2019-10-10 住友大阪セメント株式会社 光導波路素子
JP2019179165A (ja) * 2018-03-30 2019-10-17 住友大阪セメント株式会社 光導波路素子

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