WO2021161746A1 - 光変調素子 - Google Patents

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WO2021161746A1
WO2021161746A1 PCT/JP2021/001824 JP2021001824W WO2021161746A1 WO 2021161746 A1 WO2021161746 A1 WO 2021161746A1 JP 2021001824 W JP2021001824 W JP 2021001824W WO 2021161746 A1 WO2021161746 A1 WO 2021161746A1
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waveguide
ridge
slab
optical
film thickness
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アンソニー レイモンドメラド ビナラオ
進武 王
田家　裕
長瀬　健司
岩塚　信治
原　裕貴
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Tdk株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a light modulation element, and more particularly to a waveguide 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 Document 2 discloses a Mach-Zehnder type optical modulator using a c-axis oriented lithium niobate film.
  • 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.
  • Patent Document 3 includes a waveguide layer made of a lithium niobate film formed on a substrate, and has a ridge type having a slab portion having a predetermined thickness and a ridge portion protruding from the slab portion.
  • Optical waveguide elements are described.
  • the thickness of the slab portion is less than 0.4 times the wavelength of the light propagating in the ridge portion, so that the propagation loss can be suppressed low even if the ridge width is narrowed.
  • Patent Document 4 describes the input / output waveguide portion and the optical switch main portion in order to connect the input / output waveguide portion made of a ridge type optical waveguide and the optical switch main part made of a high-mess type optical waveguide. It is described that an input / output tapered waveguide portion is provided between the and, and the shape of the waveguide is changed stepwise.
  • the inventors of the present application depend on the slab thickness of the ridge waveguide, and by reducing the slab thickness, the light modulation element It was found that while the drive voltage can be reduced, it is a cause of increasing DC drift. Further, when two optical waveguides having different slab film thicknesses are connected, the connection loss increases due to the discontinuous change in the slab film thickness, but the connection loss can be reduced by adjusting the ridge widths of the two optical waveguides respectively. I found it.
  • the present invention is based on such technical knowledge, and the light modulation element according to the present invention is composed of a substrate, an electro-optical material film formed on the substrate, a ridge portion which is a protruding portion, and the above-mentioned
  • the optical waveguide includes an optical waveguide having a slab portion having a thickness thinner than that of the ridge portion, and the optical waveguide has a first ridge width (W 1 ) and a first slab thickness (T sb 1 ), and has an RF. has a first waveguide portion which signal is applied, the second ridge width (W 2) and the first slab thickness different from the second slab film thickness (T sb2), DC bias is applied It is characterized by including a second waveguide.
  • the slab film thickness of the first waveguide section constituting the RF section and the slab film thickness of the second waveguide section constituting the DC section are different. DC drift can be suppressed in the DC section.
  • the second slab film thickness (T sb2 ) is thicker than the first slab film thickness (T sb1 ) (T sb2 > T sb1 ). According to this configuration, a low drive voltage can be realized in the RF section and DC drift can be suppressed in the DC section.
  • the second ridge width (W 2 ) is preferably wider (W 2 > W 1 ) than the first ridge width (W 1). According to this configuration, the effect of suppressing DC drift can be enhanced in the DC unit.
  • the first slab film thickness (T sb1 ) is less than 0.6 ⁇ m (0 ⁇ m ⁇ T sb1 ⁇ 0.6 ⁇ m), and the second slab film thickness (T sb2 ) is 0.6 ⁇ m or more (T sb2).
  • T sb2 ⁇ 0.6 ⁇ m) is preferable. According to this configuration, DC drift can be suppressed in the DC section while reducing the drive voltage in the RF section.
  • the electro-optical material film is a lithium niobate film, and the c-axis of the lithium niobate film is oriented in a direction perpendicular to the main surface of the substrate.
  • the ridge waveguide made of a lithium niobate film the propagation loss can be suppressed to a low level even if the ridge width is narrowed, and the light modulation element can be miniaturized and the drive voltage can be reduced. Further, DC drift can be suppressed by increasing the slab film thickness of the second waveguide as described above.
  • the light modulation element according to the present invention further includes a signal electrode for applying the RF signal to the first waveguide and a bias electrode for applying the DC bias to the second waveguide.
  • the optical waveguide includes an input waveguide, a demultiplexing portion for demultiplexing the light propagating in the input waveguide, and first and second waveguides extending from the demultiplexing portion and provided in parallel with each other.
  • a Mach Zender optical waveguide having a wave guide for merging light propagating through the first and second waveguides and an output waveguide for propagating light output from the wave guide.
  • an optical modulation element capable of achieving both low drive voltage and suppression of DC drift. Further, according to the present invention, it is possible to provide an optical waveguide element capable of suppressing DC drift while reducing light propagation loss, and an optical modulation element using the same.
  • FIG. 1 (a) and 1 (b) are schematic plan views showing the configuration of the light modulation element according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 1 (a) shows only the optical waveguide and FIG. 1 (b).
  • 2 (a) and (b) is a schematic sectional view of an optical modulation element 1, FIG. 2 (a), along the X 1 -X 1 'line in FIG. 1 (a) and (b) sectional view of the RF section
  • FIG. 2 (b) is a cross-sectional view of the DC portion along the X 2 -X 2 'line in FIG. 1 (a) and (b).
  • FIG. 1 (a) and 1 (b) are schematic plan views showing the configuration of the light modulation element according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 1 (a) shows only the optical waveguide and FIG. 1 (b).
  • 2 (a) and (b)
  • FIG. 3 is a schematic plan view and a schematic cross-sectional view showing a waveguide structure in the vicinity of the intermediate portion between the RF portion and the DC portion.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view showing the waveguide structure in the intermediate portion in three dimensions.
  • FIG. 5 is a schematic plan view showing a case where an axial deviation occurs between the optical waveguide on the RF portion side and the optical waveguide on the DC portion side.
  • FIG. 6 is a light modulation element according to a second embodiment of the present invention, and is a schematic plan view and a schematic cross-sectional view showing a waveguide structure in the vicinity of an intermediate portion between an RF portion and a DC portion.
  • FIG. 7 is a schematic perspective view showing the waveguide structure in the intermediate portion shown in FIG. 6 in three dimensions.
  • FIGS. 8 (a) to 8 (c) are diagrams for explaining a method of forming a waveguide structure having a third intermediate waveguide shown in FIGS. 6 and 7.
  • FIG. 9 is a schematic plan view and a schematic cross-sectional view showing a waveguide structure in the vicinity of an intermediate portion between an RF portion and a DC portion, which is a light modulation element according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic perspective view showing the waveguide structure in the intermediate portion shown in FIG. 9 in three dimensions.
  • 11 (a) to 11 (c) are diagrams for explaining a method of forming a waveguide structure having a third intermediate waveguide shown in FIGS. 9 and 10.
  • FIG. 12 (a) and 12 (b) are schematic cross-sectional views of the light modulation element according to the fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 12 (a) is a cross-sectional view of the RF portion
  • FIG. 12 (b) Is a cross-sectional view of the DC portion
  • FIG. 13 is a schematic plan view showing a waveguide structure in the vicinity of the intermediate portion between the RF portion and the DC portion.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the DC portion of the light modulation element according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a graph showing the relationship between the slab film thickness T sb1 of the ridge waveguide in the RF portion and the electric field efficiency V ⁇ L.
  • FIG. 16 is a graph showing the relationship between the ridge width W 1C of the first intermediate waveguide portion on the RF portion side and the connection loss (dB).
  • FIG. 17 is a graph showing the relationship between the magnitude ⁇ W of the axial deviation between the first intermediate waveguide and the second intermediate waveguide and the connection loss (dB).
  • Figure 18 is a graph showing the relationship between the connection loss and the length L C of the third intermediate waveguide section (dB).
  • FIG. 1 (a) and 1 (b) are schematic plan views showing the configuration of the light modulation element according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1 (a) shows only the optical waveguide and FIG. 1 (b). ) Shows the entire light modulation element including the traveling wave electrode.
  • the light modulation element 1 is formed on a substrate 10 and has first and second waveguides 2a and 2b provided in parallel with each other.
  • a first bias electrode 5a provided along the line and a second bias electrode 5b provided along the second waveguide 2b are provided.
  • the first and second signal electrodes 4a and 4b together with the first and second waveguides 2a and 2b form an RF interaction unit 3ir of the Mach-Zehnder type light modulation element.
  • the first and second bias electrodes 5a and 5b together with the first and second waveguides 2a and 2b form a DC interaction unit 3id of the Mach-Zehnder type light modulation element.
  • the Mach-Zehnder optical waveguide 2 is an optical waveguide element having the structure of a Mach-Zehnder interferometer, and is an input waveguide 2i, a demultiplexing unit 2c for demultiplexing light propagating in the input waveguide 2i, and a demultiplexing unit 2c.
  • the first and second waveguides 2a and 2b extending from the above and provided parallel to each other, and the interferometer 2d for merging the light propagating through the first and second waveguides 2a and 2b, and the interferometer. It has an output waveguide 2o that propagates the light output from 2d.
  • the input light input to the input waveguide 2i is demultiplexed by the demultiplexing unit 2c, travels through the first and second waveguides 2a and 2b, respectively, and then combined by the combiner 2d, and is combined with the output waveguide. It is output as modulated light from 2o.
  • the first and second signal electrodes 4a and 4b are linear electrode patterns that overlap the first and second waveguides 2a and 2b in a plan view, and both ends thereof are drawn out to the vicinity of the outer peripheral end of the substrate 10. .. That is, one ends 4a 1 , 4b 1 of the first and second signal electrodes 4a and 4b are pulled out to the vicinity of the edge of the substrate 10 to form a signal input port, and a driver circuit 9a is connected to the signal input port. NS. Further, the other ends 4a 2 , 4b 2 of the first and second signal electrodes 4a, 4b are drawn out to the vicinity of the edge of the substrate 10 and are connected to each other via a terminating resistor 9b. As a result, the first and second signal electrodes 4a and 4b function as differential coplanar traveling wave electrodes.
  • the first and second bias electrodes 5a and 5b are independent of the first and second signal electrodes 4a and 4b in order to apply a DC voltage (DC bias) to the first and second waveguides 2a and 2b. It is provided in. One ends 5a 1 , 5b 1 of the first and second bias electrodes 5a and 5b are pulled out to the vicinity of the edge of the substrate 10 to form a DC bias input port, and a bias circuit 9c is connected to the DC bias port. ..
  • the formation regions of the first and second bias electrodes 5a and 5b are provided on the output end side of the Mach-Zehnder optical waveguide 2 with respect to the formation regions of the first and second signal electrodes 4a and 4b. However, it may be provided on the input end side.
  • the first and second signal electrodes 4a and 4b form the RF unit 3a that applies the RF signal to the first and second waveguides 2a and 2b, and the first and second biases.
  • the electrodes 5a and 5b constitute a DC unit 3b that applies a DC bias to the first and second waveguides 2a and 2b.
  • No signal electrode or bias electrode is provided in the intermediate portion 3c between the RF portion 3a and the DC portion 3b.
  • the optical waveguide of the intermediate portion 3c has a special shape for connecting the optical waveguide of the RF portion 3a and the optical waveguide of the DC portion 3b.
  • Differential signals (modulated signals) having the same absolute value but different positive and negative values are input to one ends of the first and second signal electrodes 4a and 4b. Since the first and second waveguides 2a and 2b are made of a material having an electro-optical effect such as lithium niobate, the first and second induction paths are derived by the electric field applied to the first and second optical waveguides 2a and 2b. The refractive indexes of the waveguides 2a and 2b 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 2o.
  • the light modulation element 1 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.
  • FIG. 2 (a) and (b) is a schematic sectional view of an optical modulation element 1, FIG. 2 (a), along the X 1 -X 1 'line in FIG. 1 (a) and (b) sectional view of the RF unit 3a
  • FIG. 2 (b) is a cross-sectional view of the DC portion 3b along the X 2 -X 2 'line in FIG. 1 (a) and (b).
  • the light modulation element 1 has a multilayer structure in which a substrate 10, a waveguide layer 11, a protective layer 12, a buffer layer 13, and an electrode layer 14 are laminated in this order. Have.
  • the substrate 10 is, for example, a sapphire single crystal substrate, and a waveguide layer 11 made of an electro-optical material typified by lithium niobate is formed on the main surface of the substrate 10.
  • the waveguide layer 11 has a ridge portion 11r which is a protruding portion and a slab portion 11s which is a thin portion provided on both sides of the ridge portion 11r, and the ridge portion 11r is a first and second portion. It constitutes the waveguides 2a and 2b.
  • the width W 1 (first ridge width) of the ridge portion 11r in the RF portion 3a and the width W 2 (second ridge width) of the ridge portion 11r in the DC portion 3b can be 0.5 to 5 ⁇ m. In the present embodiment, the width W 1 of the ridge portion 11r in the RF portion 3a is equal to the width W 2 of the ridge portion 11r in the DC portion 3b, but may be different.
  • the ridge portion 11r is the central portion of the optical waveguide. As described above, the ridge portion 11r points to a place protruding upward. The location protruding above this has a higher effective refractive index because the film thickness of the electro-optical material film is thicker than that of the left and right locations. Therefore, light can be confined in the left-right direction as well, and functions as a three-dimensional optical waveguide.
  • the shape of the ridge portion 11r may be any shape as long as it can guide light, and the film thickness of the electro-optical material film in the ridge portion 11r may be a convex shape thicker than the film thickness of the left and right electro-optical material films.
  • the ridge portion 11r can be formed by forming a mask such as a resist on the electro-optical material film and selectively etching and patterning the electro-optical material film.
  • the width, height, shape, etc. of the ridge portion 11r need to be optimized so as to improve the device characteristics.
  • the thickness of the ridge portion 11r is equal to the thickness of the electro-optical material film.
  • the width of the ridge portion 11r (ridge width W 1 , W 2 ) is defined as the width of the upper surface of the ridge portion 11r. This is because the side surface of the ridge portion 11r shown in the drawing is perpendicular to the substrate 10, but may be inclined. The inclination angle of the side surface of the ridge portion 11r is preferably close to 90 °, but at least 70 ° or more is sufficient.
  • the width of the upper surface of the ridge portion 11r is defined as the ridge width in this way, the ridge width can be clearly defined even when the ridge portion 11r has a trapezoidal shape.
  • the slab portions 11s provided on both sides of the ridge portion 11r are portions made of an electro-optical material film thinner than the ridge portion 11r extending to the left and right from the ridge portion 11r.
  • the slab portion 11s has a substantially constant thickness, but the slab film thickness near the root of the ridge portion 11r is not stable, and a gentle taper shape remains. It may be depressed. Therefore, the thickness of the slab portion 11s is defined not as the thickness where the film thickness changes transiently, but as the thickness where the film thickness slightly away from the root of the ridge portion 11r is stable.
  • the thickness T sb1 (first slab film thickness) of the slab portion 11s in the RF portion 3a and the thickness T sb2 (second slab film thickness) of the slab portion 11s in the DC portion 3b are different.
  • the thickness T sb2 of the slab portion 11s in the DC portion 3b is preferably thicker than the thickness T sb1 of the slab portion 11s in the RF portion 3a.
  • the protective layer 12 is formed in a region that does not overlap with the first and second waveguides 2a and 2b in a plan view.
  • the protective layer 12 covers the entire surface of the upper surface of the waveguide layer 11 in which the ridge portion 11r is not formed, and the side surface of the ridge portion 11r is also covered with the protective layer 12, so that the side surface of the ridge portion 11r is covered. It is possible to prevent the scattering loss caused by the roughness of the wave guide.
  • the thickness of the protective layer 12 is substantially the same as the height of the ridge portion 11r of the waveguide layer 11.
  • the material of the protective layer 12 is not particularly limited, but for example, silicon oxide (SiO 2 ) can be used.
  • the buffer layer 13 is at least the upper surface of the ridge portion 11r in order to prevent the light propagating in the first and second waveguides 2a and 2b from being absorbed by the first and second signal electrodes 4a and 4b. It is formed in.
  • Buffer layer 13 has a smaller refractive index than the waveguide layer 11, 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 13 on the upper surface of the ridge portion 11r may be about 0.2 to 1 ⁇ m. It is more preferable that the buffer layer 13 is made of a material having a high dielectric constant.
  • the buffer layer 13 covers not only the upper surfaces of the first and second waveguides 2a and 2b but also the entire surface of the base surface including the upper surface of the protective layer 12, but the first and second guides are provided. It may be patterned so as to selectively cover only the vicinity of the upper surfaces of the waveguides 2a and 2b. Further, the protective layer 12 may be omitted, and the buffer layer 13 may be directly formed on the entire upper surface of the waveguide layer 11.
  • the thickness of the buffer layer 13 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 buffer layer 13 of the RF portion 3a of FIG. 2A and the buffer layer 13 of the DC portion 3b of FIG. 2B may be made of different materials. Each characteristic can be optimized by using a buffer layer material capable of optimizing the characteristics of the RF unit 3a for the buffer layer 13 of the RF unit 3a and a buffer layer material capable of reducing DC drift for the buffer layer 13 of the DC unit 3b. ..
  • the buffer layer material capable of reducing DC drift include a material containing an oxide of silicon oxide and indium.
  • the electrode layer 14 of the RF portion 3a is provided with a first signal electrode 4a and a second signal electrode 4b.
  • the first signal electrode 4a is provided so as to be superposed on the ridge portion 11r corresponding to the first waveguide 2a in order to modulate the light traveling in the first waveguide 2a, and the first signal electrode 4a is provided via the buffer layer 13. Facing the waveguide 2a of.
  • the second signal electrode 4b is provided so as to overlap the ridge portion 11r corresponding to the second waveguide 2b in order to modulate the light traveling in the second waveguide 2b, and the second signal electrode 4b is provided via the buffer layer 13. Facing the waveguide 2b of.
  • the electrode layer 14 in the DC unit 3b is provided with a first bias electrode 5a and a second bias electrode 5b.
  • the first bias electrode 5a is provided so as to be superposed on the ridge portion 11r corresponding to the first waveguide 2a in order to bias the light traveling in the first waveguide 2a, and the first bias electrode 5a is provided via the buffer layer 13. It faces the waveguide 2a of 1.
  • the second bias electrode 5b is provided so as to be superposed on the ridge portion 11r corresponding to the second waveguide 2b in order to bias the light traveling in the second waveguide 2b, and the second bias electrode 5b is provided via the buffer layer 13. It faces the waveguide 2b of 2.
  • the electrode structure is symmetrical in the cross section orthogonal to the traveling direction of the first and second waveguides 2a and 2b. Therefore, the wavelength chirp can be reduced by making the magnitudes of the electric fields applied from the first and second signal electrodes 4a and 4b to the first and second waveguides 2a and 2b as much as possible.
  • the electrode structure is not particularly limited, and a so-called single drive type electrode structure may be used, and the presence / absence and layout of the ground electrode are not particularly limited.
  • the waveguide layer 11 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 11 is a lithium niobate film will be described in detail.
  • the substrate 10 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 10 and the buffer layer 13. Even if an electric field is applied to the lithium niobate film, the change in the effective refractive index of the optical waveguide (2a, 2b) 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 10, 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 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 widths of the first and second signal electrodes 4a and 4b are the ridges of the first and second waveguides 2a and 2b made of a lithium niobate film formed in a ridge shape. it is the degree a little wider than the width W 1.
  • the widths of the first and second signal electrodes 4a and 4b are first.
  • the ridge width W 1 of the second waveguides 2a and 2b is preferably 1.1 to 15 times, more preferably 1.5 to 10 times.
  • the widths of the first and second bias electrodes 5a and 5b are the ridges of the first and second waveguides 2a and 2b made of a lithium niobate film formed in a ridge shape. It is a little wider than the width W 2.
  • the widths of the first and second bias electrodes 5a and 5b are first.
  • the ridge width W 2 of the second waveguides 2a and 2b is preferably 1.1 to 15 times, more preferably 1.5 to 10 times.
  • the slab portions 11s of the first and second waveguides 2a and 2b in the DC section 3b shown in FIG. 2B are the first and second waveguides 2a and 2b in the RF section 3a shown in FIG. 2A. It is formed thicker than the slab portion 11s of. In this way, the DC drift can be reduced by increasing the slab film thickness T sb2 of the ridge waveguide in the DC portion 3b. Further, by reducing the slab film thickness T sb1 of the ridge waveguide in the RF portion 3a, it is possible to strengthen the confinement of the light propagating in the optical waveguide and increase the modulation efficiency, and it is possible to drive at the lowest possible voltage. Become.
  • the protruding height of the ridge portion 11r constituting the first and second waveguides 2a and 2b is relatively increased, and the slab portions 11s formed on both sides of the ridge portion 11r.
  • the thicknesses T sb1 and T sb2 (slab film thickness) of the above are reduced, the confinement of light propagating in the optical waveguide is strengthened so that the light can be driven at the lowest possible voltage.
  • the DC drift becomes large and the life of the light modulation element cannot be extended.
  • the slab film thickness of the optical waveguide in the DC portion 3b is different from that of the RF portion 3a, the slab film thickness of the DC portion 3b is relatively thickened, and the slab film thickness of the RF portion 3a is relative.
  • first and second waveguides 2a in the RF portion 3a, first and second waveguides 2a in slab thickness T sb1 and DC portion 3b of 2b, is 2b slab thickness T sb1 different, simpler both If it is connected to, the connection loss will increase due to the mismatch of the waveguide shape. Therefore, in the present embodiment, an intermediate waveguide portion for improving the consistency of the waveguide is provided in the intermediate portion 3c between the RF portion 3a and the DC portion 3b.
  • the configuration of the intermediate waveguide will be described in detail.
  • FIG. 3 is a schematic plan view and a schematic cross-sectional view showing a waveguide structure in the vicinity of the intermediate portion 3c between the RF portion 3a and the DC portion 3b. Further, FIG. 4 is a schematic perspective view showing the waveguide structure in the intermediate portion 3c in three dimensions.
  • each of the first and second waveguides 2a and 2b is an optical waveguide of the RF section 3a, the first waveguide section 21a, and the optical waveguide of the DC section 3b, respectively.
  • the waveguide section 21b, the first intermediate waveguide section 22a provided near the RF section 3a of the intermediate section 3c and connected to the first waveguide section 21a, and the first intermediate waveguide section 22a provided near the DC section 3b of the intermediate section 3c. It has a second intermediate waveguide 22b connected to the second waveguide 21b.
  • the first and second waveguides 2a and 2b have the first waveguide 21a, the first intermediate waveguide 22a, and the second intermediate waveguide 22b from the RF section 3a side toward the DC section 3b side.
  • the second waveguide 21b has a configuration in which the second waveguide 21b is arranged in this order.
  • the first intermediate waveguide 22a is a ridge waveguide connected to the first waveguide 21a and has the same slab film thickness T sb1 as the first waveguide 21a, but more than the first waveguide 21a. It has a wide ridge width W 1C (third ridge width).
  • the first intermediate waveguide 22a is provided to widen the ridge width of the first waveguide 21a, and has a ridge width expanding portion in which the ridge width gradually increases toward the second waveguide 21b. ing.
  • the first intermediate waveguide 22a has a ridge width W 1C (> W 1 ) wider than that of the first waveguide 21a at the connection position with the second intermediate waveguide 22b.
  • the second intermediate waveguide 22b is a ridge waveguide connected to the second waveguide 21b and has the same slab film thickness T sb2 as the second waveguide 21b, but more than the second waveguide 21b. It has a wide ridge width W 2C (fourth ridge width).
  • the second intermediate waveguide 22b is provided to widen the ridge width of the second waveguide 21b, and has a ridge width expanding portion in which the ridge width gradually increases toward the first waveguide 21a. ing.
  • the second intermediate waveguide 22b has a ridge width W 2C (> W 2 ) wider than that of the second waveguide 21b at the connection position with the first intermediate waveguide 22a.
  • the ridge width W 1C of the first intermediate waveguide 22a is wider than the ridge width W 2C of the second intermediate waveguide 22b. Therefore, the ridge width and the slab film thickness of the optical waveguide change discontinuously at the boundary position between the first intermediate waveguide portion 22a and the second intermediate waveguide portion 22b.
  • the spot size of the light propagating in the optical waveguide is different, so that the boundary Connection loss increases at the position.
  • the ridge width W 1C of the optical waveguide on the RF portion 3a side where the slab thickness is relatively thin is widened, and the ridge width W 2C of the optical waveguide on the DC portion 3b side where the slab thickness is relatively thick is narrowed.
  • the spot sizes of light at the boundary between the first waveguide 21a and the second waveguide 21b can be made uniform, which can reduce the connection loss.
  • the ridge width W 1C of the first intermediate waveguide 22a is larger than the ridge width W 2C of the second intermediate waveguide 22b and smaller than twice the ridge width W 2C of the second intermediate waveguide 22b. Preferred (W 2C ⁇ W 1C ⁇ 2 ⁇ W 2C ). It is possible to prevent an increase in connection loss due to an excessively large ridge width W 1C of the first intermediate waveguide 22a.
  • an optical waveguide having a discontinuous ridge width is formed. No need.
  • forming optical waveguides having different slab film thickness requires two patterning processes with different processing conditions, and it is not easy to accurately align the two optical waveguides. Therefore, in the present embodiment, the processing of the optical waveguide on the RF portion 3a side and the processing of the optical waveguide on the DC portion 3b side, which have different slab thicknesses, are performed separately, and the optical waveguide on the RF portion 3a side and the DC portion 3b are processed separately. Widen the ridge width near the connection of the optical waveguide on the side to connect the two. This makes it possible to reduce the connection loss, but forms a ridge waveguide in which the ridge width and the slab film thickness are discontinuous.
  • FIG. 5 is a schematic plan view showing a case where an axial deviation occurs between the optical waveguide on the RF unit 3a side and the optical waveguide on the DC unit 3b side.
  • the waveguide pattern on the RF section 3a side first waveguide section 21a and first intermediate waveguide section 22a
  • the waveguide pattern on the DC section 3b side second waveguide.
  • the position deviation (axis deviation) of the waveguide pattern may occur as shown in FIG.
  • the ridge width of the first intermediate waveguide 22a and the second intermediate waveguide 22b as in the present embodiment, it is possible to prevent the cross-sectional area of the waveguide from being reduced due to the axial deviation, and the waveguide can be prevented from shrinking. It is possible to reduce the light propagation loss caused by the processing variation of the pattern.
  • the slab film thickness T sb2 of the optical waveguide of the DC unit 3b is larger than the slab film thickness T sb1 of the optical waveguide of the RF unit 3a, the RF unit 3a DC drift can be reduced while implementing a low drive voltage.
  • the optical waveguide of the RF portion 3a (first waveguide section 21a) and the optical waveguide of the DC section 3b (second waveguide section 21b) having different slab thicknesses are connected. Therefore, a first intermediate waveguide 22a and a second intermediate waveguide 22b whose ridge width changes are provided in the intermediate portion 3c between the RF portion 3a and the DC portion 3b, and the first intermediate guide on the RF portion 3a side is provided.
  • the spot size of the light propagating through the first waveguide 21a and the second Propagation loss can be reduced by matching the spot size of the light propagating through the waveguide 21b.
  • FIG. 6 is a schematic plan view and a schematic cross-sectional view showing a waveguide structure in the vicinity of the intermediate portion 3c between the RF portion 3a and the DC portion 3b, which is a light modulation element according to the second embodiment of the present invention. be.
  • FIG. 7 is a schematic perspective view showing the waveguide structure in the intermediate portion 3c shown in FIG. 6 in three dimensions.
  • the feature of the light modulation element 1 is that a third intermediate waveguide 22c is provided between the first intermediate waveguide 22a and the second intermediate waveguide 22b.
  • the third intermediate waveguide 22c has a two-stage structure including a lower ridge having the same ridge width W 1C as the first intermediate waveguide 22a and an upper ridge having the same ridge width W 2C as the second intermediate waveguide 22b.
  • the third intermediate waveguide 22c is a ridge waveguide having a thin slab portion 11s, but it may have a waveguide structure in which the slab portion 11s completely disappears.
  • L C of the third intermediate waveguide section 22c is 3 ⁇ m or less. This is because if the third intermediate waveguide 22c is too long, the propagation loss increases.
  • 8 (a) to 8 (c) are diagrams for explaining a method of forming a waveguide structure having the third intermediate waveguide portion 22c shown in FIGS. 6 and 7.
  • the waveguide structure having the third intermediate waveguide portion 22c has a processing region for forming the waveguide pattern of the RF portion 3a and the waveguide pattern of the DC portion 3b. It can be formed by partially overlapping the processed regions for forming the above boundary in the vicinity of the boundary.
  • the electro-optical material film in the forming region 25a of the RF portion 3a is processed by milling or the like. Then, the first waveguide 21a and the first intermediate waveguide 22a, which are the waveguide patterns of the RF portion 3a, are formed. At this time, since the edge Eb of the mask 30b is located on the front side of the boundary line B and does not protrude toward the forming region 25a of the RF portion 3a, a ridge is formed on the forming region 25b of the DC portion 3b near the boundary line B. Processing is applied. In the processing of the RF portion 3a, for example, a thin slab portion is formed by lengthening the processing time.
  • the electro-optical material film in the forming region 25b of the DC portion 3b is processed by milling or the like.
  • the second waveguide 21b and the second intermediate waveguide 22b which are the waveguide patterns of the DC section 3b, are formed.
  • the edge E a mask 30a is positioned in front of the border line B, since no protruding formation region 25b side of the DC portion 3b, ridge formation region 25a of the RF portion 3a in the vicinity of the boundary line B Processing is applied.
  • a thick slab portion is formed by shortening the processing time.
  • the ridge processing is performed twice, so that as shown in FIG. 8C, A third intermediate waveguide 22c having a cross-sectional shape different from that of the first intermediate waveguide 22a and the second intermediate waveguide 22b is formed.
  • the RF portion 3a and the DC portion 3b are processed in this order, but conversely, the same result can be obtained by processing the DC portion 3b and the RF portion 3a in this order.
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained. That is, since the ridge width W 1C of the first intermediate waveguide portion 22a on the RF portion 3a side is wider than the ridge width W 2C of the second intermediate waveguide portion 22b on the DC portion 3b side, the first waveguide portion The propagation loss can be reduced by matching the spot size of the light propagating in the 21a with the spot size of the light propagating in the second waveguide 21b.
  • FIG. 9 is a schematic plan view and a schematic cross-sectional view showing a waveguide structure in the vicinity of the intermediate portion 3c between the RF portion 3a and the DC portion 3b, which is a light modulation element according to the third embodiment of the present invention. be.
  • FIG. 10 is a schematic perspective view showing the waveguide structure in the intermediate portion 3c shown in FIG. 9 in three dimensions.
  • the feature of the light modulation element 1 is that a third intermediate waveguide 22c is provided between the first intermediate waveguide 22a and the second intermediate waveguide 22b.
  • the third intermediate waveguide 22c is made of an unprocessed waveguide 11 having no ridge shape. That is, the third intermediate waveguide 22c is a region having no waveguide shape.
  • Other configurations are the same as in the second embodiment.
  • 11 (a) to 11 (b) are diagrams for explaining a method of forming a waveguide structure having a third intermediate waveguide 22c shown in FIGS. 9 and 10.
  • the waveguide structure having the third intermediate waveguide portion 22c has a processing region for forming the waveguide pattern of the RF portion 3a and the waveguide pattern of the DC portion 3b. It can be formed by not overlapping the processed regions for forming the above boundary in the vicinity of the boundary.
  • the electro-optical material film in the forming region 25a of the RF portion 3a is processed by milling or the like. Then, the first waveguide 21a and the first intermediate waveguide 22a, which are the waveguide patterns of the RF portion 3a, are formed. At this time, since the edge E b of the mask 30b is located on the back side of the boundary line B and protrudes to the formation region 25a side of the RF portion 3a, it is not in the formation region 25a of the RF portion 3a near the boundary line B. A processing area is formed. In the processing of the RF portion 3a, for example, a thin slab portion is formed by lengthening the processing time.
  • the electro-optical material film in the forming region 25b of the DC portion 3b is processed by milling or the like.
  • the second waveguide 21b and the second intermediate waveguide 22b which are the waveguide patterns of the DC section 3b, are formed.
  • the edge E a mask 30a is positioned on the rear side of the boundary line B, since the protruding formation region 25b side of the DC portion 3b, seen in the formation regions 25a of the RF portion 3a in the vicinity of the boundary line B A processing area is formed.
  • a thick slab portion is formed by shortening the processing time.
  • the unprocessed region is formed in the vicinity of the boundary line B between the forming region 25a of the RF portion 3a and the forming region 25b of the DC portion 3b, so that the first intermediate region is formed as shown in FIG. 11C.
  • a third intermediate waveguide 22c having a cross-sectional shape different from that of the waveguide 22a and the second intermediate waveguide 22b is formed.
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained. That is, since the ridge width W 1C of the first intermediate waveguide portion 22a on the RF portion 3a side is wider than the ridge width W 2C of the second intermediate waveguide portion 22b on the DC portion 3b side, the first waveguide portion The propagation loss can be reduced by matching the spot size of the light propagating in the 21a with the spot size of the light propagating in the second waveguide 21b.
  • FIG. 12 (a) and 12 (b) are schematic cross-sectional views of the light modulation element according to the fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 12 (a) is a cross-sectional view of the RF portion 3a
  • FIG. 12 (b). ) Is a cross-sectional view of the DC portion 3b
  • FIG. 13 is a schematic plan view showing a waveguide structure in the vicinity of the intermediate portion 3c between the RF portion 3a and the DC portion 3b.
  • the feature of the light modulation element 1 is that of the first and second waveguides 2a and 2b (first waveguide 21a) in the RF section 3a.
  • first and second waveguides 2a in ridge width W 1 and the DC portion 3b, ridge width W 2 of 2b (second waveguide 21b) is in a different.
  • the ridge width W 2 of the first and second waveguides 2a and 2b (second waveguide 21b) in the DC section 3b is the first and second waveguides 2a and 2b in the RF section 3a. wider than the ridge width W 1 (first waveguide portion 21a).
  • Other configurations are the same as in the first embodiment.
  • the light modulation element 1 according to the present embodiment not only has the same effect as that of the first embodiment, but can also enhance the effect of reducing DC drift.
  • FIG. 14 (a) and 14 (b) are schematic cross-sectional views of the light modulation element according to the fifth embodiment of the present invention, and FIG. 14 (a) is a cross-sectional view of the RF portion 3a, FIG. 14 (b). ) Is a cross-sectional view of the DC portion 3b.
  • the feature of the light modulation element 1 according to the present embodiment is that the protective layer 12 is omitted in the DC unit 3b. That is, the DC portion 3b of the light modulation element 1 has a multilayer structure in which the substrate 10, the waveguide layer 11, the buffer layer 13, and the electrode layer 14 are laminated in this order.
  • the buffer layer 13 is formed on the entire surface of the waveguide layer 11 so as to cover not only the upper surface of the ridge portion 11r but also the side surface. Therefore, the upper surfaces of the slab portions 11s on both sides of the ridge portion 11r are also covered with the buffer layer 13.
  • the buffer layer 13 of the DC section 3b is preferably made of a dielectric material different from that of the buffer layer 13 of the RF section 3a, and is the same dielectric material as the protective layer 12 of the RF section 3a. It is preferably made of a material. That is, it is preferable to form the buffer layer 13 of the DC portion 3b using the same dielectric material as the protective layer 12 of the RF portion 3a.
  • the configuration in which the protective layer 12 is omitted in the DC portion 3b is equivalent to the configuration in which the protective layer 12 and the buffer layer 13 of the DC portion 3b shown in FIG. 2 are made of the same material.
  • a dual drive type light modulation element in which a pair of signal electrodes are provided for a Mach Zender optical waveguide having a pair of optical waveguides is given as an example, but the present invention has such a light modulation. It is not limited to the element, and various light modulation elements having an RF unit 3a and a DC unit 3b can be targeted.
  • a light modulation element having a pair of optical waveguides formed by an epitaxially grown lithium niobate film on a substrate 10 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 width of the optical waveguide can be narrowed to reduce the driving voltage, but the problem of DC drift is remarkable, and the effect of the present invention is great.
  • the waveguide layer 11 a semiconductor material having an electro-optical effect, a polymer material, or the like may be used as the waveguide layer 11.
  • the thickness of the waveguide layer 11 made of the lithium niobate film is 1.5 ⁇ m
  • the combination of the ridge widths (W 1C , W 2C ) of the first and second intermediate waveguides 22a and 22b is (1.2 ⁇ m, 2).
  • the slab film thickness T sb1 of the first intermediate waveguide 22a was set to 0.4 ⁇ m
  • the slab film thickness T sb2 of the second intermediate waveguide 22b was set to 1.1 ⁇ m.
  • connection loss when there is no axial deviation of the optical waveguide tends to increase as the ridge widths W 1C and W 2C of the first and second intermediate waveguides 22a and 22b become narrower. It was seen. Further, the larger the axial deviation is, the larger the connection loss is, and when the ridge widths (W 1C , W 2C ) of the first and second intermediate waveguides 22a and 22b are (1.2 ⁇ m, 2.5 ⁇ m), the connection loss is increased.
  • the rate of increase in connection loss is the largest, and the rate of increase in connection loss with respect to axial misalignment when the ridge widths (W 1C , W 2C) of the first and second intermediate waveguides 22a and 22b are (5.2 ⁇ m, 4 ⁇ m). Became the smallest. That is, the narrower the ridge widths W 1C and W 2C of the first and second intermediate waveguides 22a and 22b, the higher the rate of increase in connection loss.
  • the effect of the presence of the third intermediate waveguide 22c shown in FIGS. 6 to 11 on the connection loss (dB) was evaluated by simulation.
  • the thickness of the waveguide layer 11 made of the lithium niobate film is 1.5 ⁇ m
  • the slab film thickness T sb1 of the first intermediate waveguide 22a is 0.4 ⁇ m
  • the slab film thickness T sb2 of the second intermediate waveguide 22b. 1.1 ⁇ m.
  • the combinations of the ridge widths (W 1C , W 2C ) of the first and second intermediate waveguides 22a and 22b are (3.8 ⁇ m, 2.5 ⁇ m), (4.2 ⁇ m, 3 ⁇ m), (5.2 ⁇ m, There are three patterns of 4 ⁇ m), and the slab film thickness shown in FIGS. 6 to 8 is thin (here, the slab film thickness is zero) and the waveguide structure shown in FIGS. 9 to 11 is different from these patterns. The cases that did not exist were evaluated in combination.
  • connection loss increased as the third intermediate waveguide 22c became longer.
  • the third intermediate waveguide 22c having no waveguide structure shown in FIGS. 9 to 11 is larger than the third intermediate waveguide 22c having a waveguide structure without a slab shown in FIGS. 6 to 8.
  • the rate of increase in connection loss was high.
  • the connection loss was 0.2 dB or less. It is sufficiently possible to fabricate the third intermediate waveguide 22c having a length of 3 ⁇ m or less, which is a level at which there is no problem in practical use.

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Abstract

【課題】低駆動電圧化とＤＣドリフトの抑制を両立することが可能な光変調素子を提供する。 【解決手段】光変調素子１は、基板１０と、基板１０上に形成された電気光学材料膜からなり、突出した部分であるリッジ部１１ｒと、リッジ部１１ｒよりも薄い膜厚を有するスラブ部１１ｓとを有する光導波路とを備える。光導波路は、第１のリッジ幅Ｗ１及び第１のスラブ膜厚Ｔｓｂ１を有し、ＲＦ信号が印加される第１導波部と、第２のリッジ幅Ｗ２及び第１のスラブ膜厚Ｔｓｂ１と異なる第２のスラブ膜厚Ｔｓｂ２を有し、ＤＣバイアスが印加される第２導波部とを含む。

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導波路構造に関する。
　インターネットの普及に伴い通信量は飛躍的に増大しており、光ファイバ通信の重要性が非常に高まっている。光ファイバ通信は、電気信号を光信号に変換し、光信号を光ファイバにより伝送するものであり、広帯域、低損失、ノイズに強いという特徴を有する。
　電気信号を光信号に変換する方式としては、半導体レーザによる直接変調方式と光変調器を用いた外部変調方式が知られている。直接変調は光変調器が不要で低コストであるが、高速変調には限界があり、高速で長距離の用途では外部変調方式が使われている。
　光変調器としては、ニオブ酸リチウム単結晶基板の表面付近にＴｉ（チタン）拡散により光導波路を形成したマッハツェンダー型光変調器が実用化されている（例えば特許文献１参照）。マッハツェンダー型光変調器は、１つの光源から出た光を２つに分け、異なる経路を通過させた後、再び重ね合わせて干渉を起こさせるマッハツェンダー干渉計の構造を有する光導波路（マッハツェンダー光導波路）を用いるものであり、４０Ｇｂ／ｓ以上の高速の光変調器が商用化されているが、全長が１０ｃｍ前後と長いことが大きな欠点になっている。
　これに対して、特許文献２には、ｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜を用いたマッハツェンダー型光変調器が開示されている。ニオブ酸リチウム膜を用いた光変調器は、ニオブ酸リチウム単結晶基板を用いた光変調器と比較して大幅な小型化及び低駆動電圧化が可能である。
　特許文献３には、基板上に形成されたニオブ酸リチウム膜からなる導波層を備え、導波層が所定の厚さを有するスラブ部と、スラブ部から突出したリッジ部とを有するリッジ型光導波路素子が記載されている。このリッジ型光導波路素子は、スラブ部の厚さがリッジ部を伝搬する光の波長の０．４倍未満であるため、リッジ幅を狭くしても伝搬損失を低く抑えることが可能である。また光導波路構造に関し、特許文献４には、リッジ型光導波路からなる入出力導波路部とハイメサ型光導波路からなる光スイッチ主要部とを接続するため、入出力導波路部と光スイッチ主要部との間に入出力テーパー導波路部を設けて導波路形状を段階的に変化させることが記載されている。
特許第４４８５２１８号公報 特開２００６－１９５３８３号公報 特開２０１７－１２９８３４号公報 特許第３８１６９２４号公報
　基板上にエピタキシャル成長させたニオブ酸リチウム膜をリッジ状に加工して光導波路を形成する場合、特許文献３に記載のように、リッジ部の高さを十分に確保し、リッジ部の左右に広がるスラブ部の膜厚を薄くすることにより、光の閉じ込めを強くすることができる。一対の電極間に電圧を印加した場合に、光導波路に十分な電界を印加することができ、半波長電圧Ｖπを低くすることができる。なお、半波長電圧Ｖπは、光出力が最大となる電圧Ｖ１と最小となる電圧Ｖ２との差Ｖ１－Ｖ２であり、駆動電圧は半波長電圧Ｖπに比例する。そのため、半波長電圧Ｖπを低くすることは低駆動電圧を意味している。
　しかしながら、このような光導波路に対してＤＣバイアスを印加する場合、ＤＣドリフトが大きいため、光変調素子の寿命が短いという問題がある。ＤＣドリフトは光出力の動作点の経時変化のことである。通常、光出力の動作点は最大光出力と最小光出力の平均値となるようにＤＣバイアスにより調整されるが、リッジ部の高さを確保するためにスラブ膜厚を薄くした場合には、動作点の経時変化が大きく、大きなＤＣバイアスを印加しても動作点の調整ができない状態になるまでの時間（寿命）が短いという問題がある。
　したがって、本発明の目的は、低駆動電圧化とＤＣドリフトの抑制を両立することが可能な光変調素子を提供することにある。また、本発明の他の目的は、光の伝搬損失を低減しつつＤＣドリフトを抑制することが可能な光導波路素子及びこれを用いた光変調素子を提供することにある。
　本願発明者らは、ＤＣドリフトを抑制できる光変調素子の構造について鋭意研究を重ねた結果、ＤＣドリフトはリッジ導波路のスラブ膜厚に依存し、スラブ膜厚を薄くすることで光変調素子の駆動電圧を低減できる一方で、ＤＣドリフトを増加させる原因となっていることを見出した。またスラブ膜厚が異なる２つの光導波路を接続する場合、スラブ膜厚の不連続な変化によって接続損失が増加するが、２つの光導波路のリッジ幅をそれぞれ調整することにより接続損失を低減できることを見出した。
　本発明はこのような技術的知見に基づくものであり、本発明による光変調素子は、基板と、前記基板上に形成された電気光学材料膜からなり、突出した部分であるリッジ部と、前記リッジ部よりも薄い膜厚を有するスラブ部とを有する光導波路とを備え、前記光導波路は、第１のリッジ幅（Ｗ１）及び第１のスラブ膜厚（Ｔｓｂ１）を有し、ＲＦ信号が印加される第１導波部と、第２のリッジ幅（Ｗ２）及び前記第１のスラブ膜厚と異なる第２のスラブ膜厚（Ｔｓｂ２）を有し、ＤＣバイアスが印加される第２導波部とを含むことを特徴とする。
　本発明によれば、ＲＦ部を構成する第１導波部のスラブ膜厚とＤＣ部を構成する第２導波部のスラブ膜厚が異なるので、ＲＦ部において低駆動電圧化を図りつつ、ＤＣ部においてＤＣドリフトを抑制することができる。
　本発明において、前記第２のスラブ膜厚（Ｔｓｂ２）は前記第１のスラブ膜厚（Ｔｓｂ１）よりも厚い（Ｔｓｂ２＞Ｔｓｂ１）ことが好ましい。この構成によれば、ＲＦ部において低駆動電圧を実現すると共に、ＤＣ部においてＤＣドリフトを抑制することができる。
　本発明において、前記第２のリッジ幅（Ｗ２）は前記第１のリッジ幅（Ｗ１）よりも広い（Ｗ２＞Ｗ１）ことが好ましい。この構成によれば、ＤＣ部においてＤＣドリフトの抑制効果を高めることができる。
　本発明において、前記第１のスラブ膜厚（Ｔｓｂ１）は０．６μｍ未満（０μｍ≦Ｔｓｂ１＜０．６μｍ）であり、前記第２のスラブ膜厚（Ｔｓｂ２）は０．６μｍ以上（Ｔｓｂ２≧０．６μｍ）であることが好ましい。この構成によれば、ＲＦ部において低駆動電圧化を図りつつ、ＤＣ部においてＤＣドリフトを抑制することができる。
　本発明において、前記電気光学材料膜はニオブ酸リチウム膜であり、前記ニオブ酸リチウム膜のｃ軸は前記基板の主面に対して垂直方向に配向していることが好ましい。ニオブ酸リチウム膜からなるリッジ導波路によれば、リッジ幅を狭くしても伝搬損失を低く抑えることができ、光変調素子の小型化及び低駆動電圧化が可能である。さらに、上記のように第２導波部のスラブ膜厚を厚くすることでＤＣドリフトを抑制することができる。
　本発明による光変調素子は、前記第１導波部に前記ＲＦ信号を印加する信号電極と、前記第２導波部に前記ＤＣバイアスを印加するバイアス電極とをさらに備えることが好ましい。また、前記光導波路は、入力導波路と、前記入力導波路を伝搬する光を分波する分波部と、前記分波部から延びて互いに平行に設けられた第１及び第２の導波路と、前記第１及び第２の導波路を伝搬する光を合波する合波部と、前記合波部から出力される光を伝搬する出力導波路とを有するマッハツェンダー光導波路であることが好ましい。本発明によれば、低駆動電圧化が可能でＤＣドリフトが抑制された長寿命なマッハツェンダー型光変調素子を実現することができる。
　本発明によれば、低駆動電圧化とＤＣドリフトの抑制を両立することが可能な光変調素子を提供することができる。また本発明によれば、光の伝搬損失を低減しつつＤＣドリフトを抑制することが可能な光導波路素子及びこれを用いた光変調素子を提供することができる。
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態による光変調素子の構成を示す略平面図であり、図１（ａ）は光導波路のみ図示し、図１（ｂ）は進行波電極を含めた光変調素子の全体を図示している。 図２（ａ）及び（ｂ）は、光変調素子１の略断面図であって、図２（ａ）は、図１（ａ）及び（ｂ）のＸ１－Ｘ１'線に沿ったＲＦ部の断面図、図２（ｂ）は、図１（ａ）及び（ｂ）のＸ２－Ｘ２'線に沿ったＤＣ部の断面図である。 図３は、ＲＦ部とＤＣ部との間の中間部付近における導波路構造を示す略平面図及び略断面図である。 図４は、中間部における導波路構造を立体的に示す略斜視図である。 図５は、ＲＦ部側の光導波路とＤＣ部側の光導波路との間に軸ずれが生じた場合を示す略平面図である。 図６は、本発明の第２の実施の形態による光変調素子であって、ＲＦ部とＤＣ部との間の中間部付近における導波路構造を示す略平面図及び略断面図である。 図７は、図６に示した中間部における導波路構造を立体的に示す略斜視図である。 図８（ａ）～（ｃ）は、図６及び図７に示した第３中間導波部を有する導波路構造の形成方法を説明するための図である。 図９は、本発明の第３の実施の形態による光変調素子であって、ＲＦ部とＤＣ部との間の中間部付近における導波路構造を示す略平面図及び略断面図である。 図１０は、図９に示した中間部における導波路構造を立体的に示す略斜視図である。 図１１（ａ）～（ｃ）は、図９及び図１０に示した第３中間導波部を有する導波路構造の形成方法を説明するための図である。 図１２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第４の実施の形態による光変調素子の略断面図であって、図１２（ａ）は、ＲＦ部の断面図、図１２（ｂ）は、ＤＣ部の断面図である。 図１３は、ＲＦ部とＤＣ部との間の中間部付近における導波路構造を示す略平面図である。 図１４は、本発明の第５の実施の形態による光変調素子のＤＣ部の構造を示す略断面図である。 図１５は、ＲＦ部のリッジ導波路のスラブ膜厚Ｔｓｂ１と電界効率ＶπＬとの関係を示すグラフである。 図１６は、ＲＦ部側の第１中間導波部のリッジ幅Ｗ１Ｃと接続損失（ｄＢ）との関係を示すグラフである。 図１７は、第１中間導波部と第２中間導波部の軸ずれの大きさΔＷと接続損失（ｄＢ）との関係を示すグラフである。 図１８は、第３中間導波部の長さＬＣと接続損失（ｄＢ）との関係を示すグラフである。
　以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
　図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態による光変調素子の構成を示す略平面図であり、図１（ａ）は光導波路のみ図示し、図１（ｂ）は進行波電極を含めた光変調素子の全体を図示している。
　図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、この光変調素子１は、基板１０上に形成され、互いに平行に設けられた第１及び第２の導波路２ａ，２ｂを有するマッハツェンダー光導波路２と、第１の導波路２ａに沿って設けられた第１の信号電極４ａと、第２の導波路２ｂに沿って設けられた第２の信号電極４ｂと、第１の導波路２ａに沿って設けられた第１のバイアス電極５ａと、第２の導波路２ｂに沿って設けられた第２のバイアス電極５ｂとを備えている。第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂは、第１及び第２の導波路２ａ，２ｂと共にマッハツェンダー型光変調素子のＲＦ相互作用部３ｉｒを構成している。また、第１及び第２のバイアス電極５ａ，５ｂは、第１及び第２の導波路２ａ，２ｂと共にマッハツェンダー型光変調素子のＤＣ相互作用部３ｉｄを構成している。
　マッハツェンダー光導波路２は、マッハツェンダー干渉計の構造を有する光導波路素子であって、入力導波路２ｉと、入力導波路２ｉを伝搬する光を分波する分波部２ｃと、分波部２ｃから延びて互いに平行に設けられた第１及び第２の導波路２ａ，２ｂと、第１及び第２の導波路２ａ，２ｂを伝搬する光を合波する合波部２ｄと、合波部２ｄから出力される光を伝搬する出力導波路２ｏとを有している。入力導波路２ｉに入力された入力光は、分波部２ｃで分波されて第１及び第２の導波路２ａ，２ｂをそれぞれ進行した後、合波部２ｄで合波され、出力導波路２ｏから変調光として出力される。
　第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂは平面視で第１及び第２の導波路２ａ，２ｂと重なる線状の電極パターンであり、その両端は基板１０の外周端付近まで引き出されている。すなわち、第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂの一端４ａ１，４ｂ１は基板１０のエッジ近傍まで引き出されて信号入力ポートを構成しており、信号入力ポートにはドライバ回路９ａが接続される。また、第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂの他端４ａ２，４ｂ２は基板１０のエッジ近傍まで引き出されると共に終端抵抗９ｂを介して互いに接続されている。これにより、第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂは、差動のコプレーナ型進行波電極として機能する。
　第１及び第２のバイアス電極５ａ，５ｂは、第１及び第２の導波路２ａ，２ｂに直流電圧（ＤＣバイアス）を印加するために第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂとは独立に設けられている。第１及び第２のバイアス電極５ａ，５ｂの一端５ａ１，５ｂ１は基板１０のエッジ近傍まで引き出されてＤＣバイアス入力ポートを構成しており、ＤＣバイアスポートにはバイアス回路９ｃが接続される。本実施形態において、第１及び第２のバイアス電極５ａ，５ｂの形成領域は、第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂの形成領域よりもマッハツェンダー光導波路２の出力端側に設けられているが、入力端側に設けられていてもよい。
　このように、第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂは、第１及び第２の導波路２ａ，２ｂにＲＦ信号を印加するＲＦ部３ａを構成しており、第１及び第２のバイアス電極５ａ，５ｂは、第１及び第２の導波路２ａ，２ｂにＤＣバイアスを印加するＤＣ部３ｂを構成している。ＲＦ部３ａとＤＣ部３ｂとの間の中間部３ｃには信号電極やバイアス電極は設けられていない。詳細は後述するが、中間部３ｃの光導波路は、ＲＦ部３ａの光導波路とＤＣ部３ｂの光導波路とを接続するための特別な形状を有している。
　第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂの一端には、絶対値が同じで正負の異なる差動信号（変調信号）が入力される。第１及び第２の導波路２ａ，２ｂはニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料からなるので、第１及び第２の導波路２ａ，２ｂに与えられる電界によって第１及び第２の導波路２ａ，２ｂの屈折率がそれぞれ＋Δｎ、－Δｎのように変化し、一対の光導波路間の位相差が変化する。この位相差の変化により変調された信号光が出力導波路２ｏから出力される。
　このように、本実施形態による光変調素子１は、一対の信号電極で構成されたデュアル駆動型であるため、一対の光導波路に印加される電界の対称性を高めることができ、波長チャープを抑制することができる。
　図２（ａ）及び（ｂ）は、光変調素子１の略断面図であって、図２（ａ）は、図１（ａ）及び（ｂ）のＸ１－Ｘ１'線に沿ったＲＦ部３ａの断面図、図２（ｂ）は、図１（ａ）及び（ｂ）のＸ２－Ｘ２'線に沿ったＤＣ部３ｂの断面図である。
　図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、光変調素子１は、基板１０、導波層１１、保護層１２、バッファ層１３、及び電極層１４がこの順で積層された多層構造を有している。
　基板１０は例えばサファイア単結晶基板であり、基板１０の主面にはニオブ酸リチウムに代表される電気光学材料からなる導波層１１が形成されている。導波層１１は、突出した部分であるリッジ部１１ｒと、リッジ部１１ｒの両側に設けられた膜厚が薄い部分であるスラブ部１１ｓとを有し、リッジ部１１ｒが第１及び第２の導波路２ａ、２ｂを構成している。ＲＦ部３ａにおけるリッジ部１１ｒの幅Ｗ１（第１のリッジ幅）及びＤＣ部３ｂにおけるリッジ部１１ｒの幅Ｗ２（第２のリッジ幅）は０．５～５μｍとすることができる。本実施形態において、ＲＦ部３ａにおけるリッジ部１１ｒの幅Ｗ１はＤＣ部３ｂにおけるリッジ部１１ｒの幅Ｗ２は等しいが、異なっていてもよい。
　リッジ部１１ｒは光導波路の中心となる部分である。上記のように、リッジ部１１ｒは上に突き出した場所を指す。この上に突き出した場所は、左右の場所と比較して、電気光学材料膜の膜厚が厚くなっているので、実効屈折率が高くなっている。そのため、左右方向についても光を閉じ込めることができ、３次元光導波路として機能する。リッジ部１１ｒの形状は光を導波可能とする形状であればよく、リッジ部１１ｒにおける電気光学材料膜の膜厚が、左右の電気光学材料膜の膜厚より厚い凸形状であればよい。したがって、上に凸のドーム形状、三角形状などであってもよい。リッジ部１１ｒは、電気光学材料膜上にレジストなどのマスクを形成し、電気光学材料膜を選択的にエッチングしてパターニングすることにより形成することができる。リッジ部１１ｒの幅、高さ、形状等はデバイス特性が向上するように最適化する必要がある。
　通常、リッジ部１１ｒの厚さは電気光学材料膜の厚さと等しい。リッジ部１１ｒの幅（リッジ幅Ｗ１，Ｗ２）は、リッジ部１１ｒの上面の幅として定義される。図示のリッジ部１１ｒの側面は基板１０に対して垂直であるが、傾斜している場合もあるからである。リッジ部１１ｒの側面の傾斜角度は９０°に近いことが好ましいが、少なくとも７０°以上であれば足りる。このようにリッジ部１１ｒの上面の幅をリッジ幅とする場合には、リッジ部１１ｒが台形形状を有する場合でもリッジ幅を明確に定義することができる。
　リッジ部１１ｒの両側に設けられたスラブ部１１ｓは、リッジ部１１ｒから左右に広がるリッジ部１１ｒよりも薄い電気光学材料膜からなる部分である。本実施形態において、スラブ部１１ｓは実質的に一定の厚さを有しているが、リッジ部１１ｒの根元付近のスラブ膜厚は安定しておらず、なだらかなテーパー形状が残留していたり、陥没していたりする場合がある。そのため、スラブ部１１ｓの厚さは、膜厚が過渡的に変化するところでの厚さではなく、リッジ部１１ｒの根元から少し離れた膜厚が安定しているところでの厚さとして定義される。
　ＲＦ部３ａにおけるスラブ部１１ｓの厚さＴｓｂ１（第１のスラブ膜厚）とＤＣ部３ｂにおけるスラブ部１１ｓの厚さＴｓｂ２（第２のスラブ膜厚）は異なっている。本実施形態において、ＤＣ部３ｂにおけるスラブ部１１ｓの厚さＴｓｂ２は、ＲＦ部３ａにおけるスラブ部１１ｓの厚さＴｓｂ１よりも厚いことが好ましい。このように、ＤＣ部３ｂにおけるリッジ導波路のスラブ膜厚を厚くすることにより、ＤＣドリフトを低減することができ、光変調素子の長寿命化を図ることができる。またＲＦ部３ａにおけるリッジ導波路のスラブ膜厚を薄くしてリッジ部１１ｒの突出高さを高くすることにより、光の閉じ込めを強くして光の変調効率を向上させることができる。
　保護層１２は第１及び第２の導波路２ａ、２ｂと平面視で重ならない領域に形成されている。保護層１２は、導波層１１の上面のうちリッジ部１１ｒが形成されていない領域の全面を覆っており、リッジ部１１ｒの側面も保護層１２に覆われているので、リッジ部１１ｒの側面の荒れによって生じる散乱損失を防ぐことができる。保護層１２の厚さは導波層１１のリッジ部１１ｒの高さとほぼ同じである。保護層１２の材料は特に限定されないが、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）を用いることができる。
　バッファ層１３は、第１及び第２の導波路２ａ、２ｂ中を伝搬する光が第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂに吸収されることを防ぐため、少なむともリッジ部１１ｒの上面に形成されるものである。バッファ層１３は、導波層１１よりも屈折率が小さく、透明性が高い材料からなることが好ましく、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＬａＡｌＯ３、ＬａＹＯ３、ＺｎＯ、ＨｆＯ２、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３などを用いることができる。リッジ部１１ｒの上面上のバッファ層１３の厚さは０．２～１μｍ程度であればよい。バッファ層１３は誘電率が高い材料からなることがより好ましい。本実施形態において、バッファ層１３は、第１及び第２の導波路２ａ、２ｂの上面のみならず保護層１２の上面を含む下地面の全面を覆っているが、第１及び第２の導波路２ａ、２ｂの上面付近だけを選択的に覆うようにパターニングされたものであってもよい。また保護層１２を省略し、導波層１１の上面全体にバッファ層１３を直接形成してもよい。
　バッファ層１３の膜厚は、電極の光吸収を低減するためには厚いほど良く、光導波路に高い電界を印加するためには薄いほど良い。電極の光吸収と電極の印加電圧とは、トレードオフの関係にあるので、目的に応じて適切な膜厚を設定する必要がある。バッファ層１３の誘電率は高い程、ＶπＬ（電界効率を表す指標）を低減できるので好ましく、バッファ層１３の屈折率は低い程、バッファ層１３を薄くできるので好ましい。通常、誘電率が高い材料は屈折率も高くなるので、両者のバランスを考慮して、誘電率が高く、かつ、屈折率が比較的低い材料を選定することが重要である。一例として、Ａｌ２Ｏ３は、比誘電率が約９、屈折率が約１．６であり、好ましい材料である。ＬａＡｌＯ３は、比誘電率が約１３、屈折率が約１．７であり、またＬａＹＯ３は、比誘電率が約１７、屈折率が約１．７であり、特に好ましい材料である。
　図２（ａ）のＲＦ部３ａのバッファ層１３と図２（ｂ）のＤＣ部３ｂのバッファ層１３とを異なる材料で構成してもよい。ＲＦ部３ａのバッファ層１３にはＲＦ部３ａの特性を最適化できるバッファ層材料、ＤＣ部３ｂのバッファ層１３にはＤＣドリフトを低減できるバッファ層材料を用いることで、各特性を最適化できる。ＤＣドリフトを低減できるバッファ層材料としては、例えば、酸化シリコンとインジウムの酸化物を含む材料を挙げることができる。
　図２（ａ）に示すように、ＲＦ部３ａの電極層１４には、第１の信号電極４ａ及び第２の信号電極４ｂが設けられている。第１の信号電極４ａは、第１の導波路２ａ内を進行する光を変調するために第１の導波路２ａに対応するリッジ部１１ｒに重ねて設けられ、バッファ層１３を介して第１の導波路２ａと対向している。第２の信号電極４ｂは、第２の導波路２ｂ内を進行する光を変調するために第２の導波路２ｂに対応するリッジ部１１ｒに重ねて設けられ、バッファ層１３を介して第２の導波路２ｂと対向している。
　図２（ｂ）に示すように、ＤＣ部３ｂにおける電極層１４には、第１のバイアス電極５ａ及び第２のバイアス電極５ｂが設けられている。第１のバイアス電極５ａは、第１の導波路２ａ内を進行する光にバイアス電界するために第１の導波路２ａに対応するリッジ部１１ｒに重ねて設けられ、バッファ層１３を介して第１の導波路２ａと対向している。第２のバイアス電極５ｂは、第２の導波路２ｂ内を進行する光にバイアス電界するために第２の導波路２ｂに対応するリッジ部１１ｒに重ねて設けられ、バッファ層１３を介して第２の導波路２ｂと対向している。
　図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１及び第２の導波路２ａ、２ｂの進行方向と直交する断面において、電極構造は左右対称である。そのため、第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂから第１及び第２の導波路２ａ、２ｂにそれぞれ印加される電界の大きさをできるだけ同じにして波長チャープを低減することができる。なお、本発明において電極構造は特に限定されず、いわゆるシングル駆動型の電極構造であってもよく、グランド電極の有無及びレイアウトも特に限定されない。
　導波層１１は電気光学材料であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からなることが好ましい。ニオブ酸リチウムは大きな電気光学定数を有し、光変調素子等の光学デバイスの構成材料として好適だからである。以下、導波層１１をニオブ酸リチウム膜とした場合の本実施形態の構成について詳しく説明する。
　基板１０としてはニオブ酸リチウム膜より屈折率が低いものであれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル膜として形成させることができる基板が好ましく、サファイア単結晶基板もしくはシリコン単結晶基板が好ましい。単結晶基板の結晶方位は特に限定されない。ニオブ酸リチウム膜はさまざまな結晶方位の単結晶基板に対して、ｃ軸配向のエピタキシャル膜として形成されやすいという性質を持っている。ｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜は３回対称の対称性を有しているので、下地の単結晶基板も同じ対称性を有していることが望ましく、サファイア単結晶基板の場合はｃ面、シリコン単結晶基板の場合は（１１１）面の基板が好ましい。
　ここで、エピタキシャル膜とは、下地の基板もしくは下地膜の結晶方位に対して、揃って配向している膜のことである。膜面内をＸ－Ｙ面とし、膜厚方向をＺ軸としたとき、結晶がＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向にともに揃って配向しているものである。例えば、第１に２θ－θＸ線回折による配向位置でのピーク強度の確認と、第２に極点の確認を行うことで、エピタキシャル膜を証明できる。
　具体的には、第１に２θ－θＸ線回折による測定を行ったとき、目的とする面以外の全てのピーク強度が目的とする面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である必要がある。例えば、ニオブ酸リチウムのｃ軸配向エピタキシャル膜では、（００Ｌ）面以外のピーク強度が、（００Ｌ）面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である。（００Ｌ）は、（００１）や（００２）などの等価な面を総称する表示である。
　第２に、極点測定において、極点が見えることが必要である。前述の第１の配向位置でのピーク強度の確認の条件においては、一方向における配向性を示しているのみであり、前述の第１の条件を得たとしても、面内において結晶配向が揃っていない場合には、特定角度位置でＸ線の強度が高まることはなく、極点は見られない。ＬｉＮｂＯ３は三方晶系の結晶構造であるため、単結晶におけるＬｉＮｂＯ３（０１４）の極点は３つとなる。
　ニオブ酸リチウム膜の場合、ｃ軸を中心に１８０°回転させた結晶が対称的に結合した、いわゆる双晶の状態にてエピタキシャル成長することが知られている。この場合、３つの極点が対称的に２つ結合した状態になるため、極点は６つとなる。また、（１００）面のシリコン単結晶基板上にニオブ酸リチウム膜を形成した場合は、基板が４回対称となっているため、４×３＝１２個の極点が観測される。なお、本発明では、双晶の状態にてエピタキシャル成長したニオブ酸リチウム膜もエピタキシャル膜に含める。
　ニオブ酸リチウム膜の組成はＬｉｘＮｂＡｙＯｚである。Ａは、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｏ以外の元素を表している。ｘは０．５～１．２であり、好ましくは、０．９～１．０５である。ｙは、０～０．５である。ｚは１．５～４であり、好ましくは２．５～３．５である。Ａの元素としては、Ｋ、Ｎａ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｃｅなどがあり、２種類以上の組み合わせでも良い。
　ニオブ酸リチウム膜の膜厚は２μｍ以下であることが望ましい。膜厚が２μｍよりも厚くなると、高品質な膜を形成することが困難になるからである。一方、ニオブ酸リチウム膜の膜厚が薄すぎる場合は、ニオブ酸リチウム膜における光の閉じ込めが弱くなり、基板１０やバッファ層１３に光が漏れることになる。ニオブ酸リチウム膜に電界を印加しても、光導波路（２ａ、２ｂ）の実効屈折率の変化が小さくなるおそれがある。そのため、ニオブ酸リチウム膜は、使用する光の波長の１／１０程度以上の膜厚が望ましい。
　ニオブ酸リチウム膜の形成方法としては、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などの膜形成方法を利用することが望ましい。ニオブ酸リチウムのｃ軸が基板１０の主面に垂直に配向されており、ｃ軸に平行に電界を印加することで、電界に比例して光学屈折率が変化する。単結晶基板としてサファイアを用いる場合は、サファイア単結晶基板上に直接、ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル成長させることができる。単結晶基板としてシリコンを用いる場合は、クラッド層（図示せず）を介して、ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル成長により形成する。クラッド層（図示せず）としては、ニオブ酸リチウム膜より屈折率が低く、エピタキシャル成長に適したものを用いる。例えば、クラッド層（図示せず）としてＹ２Ｏ３を用いると、高品質のニオブ酸リチウム膜を形成できる。
　なお、ニオブ酸リチウム膜の形成方法として、ニオブ酸リチウム単結晶基板を薄く研磨したりスライスしたりする方法も知られている。この方法は、単結晶と同じ特性が得られるという利点があり、本発明に適用することが可能である。
　図２（ａ）に示すように、第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂの幅は、リッジ状に形成されたニオブ酸リチウム膜からなる第１及び第２の導波路２ａ、２ｂのリッジ幅Ｗ１よりも少し広い程度である。第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂからの電界を第１及び第２の導波路２ａ、２ｂに集中させるためには、第１及び第２の信号電極４ａ，４ｂの幅は、第１及び第２の導波路２ａ，２ｂのリッジ幅Ｗ１の１．１～１５倍であることが好ましく、１．５～１０倍であることがより好ましい。
　図２（ｂ）に示すように、第１及び第２のバイアス電極５ａ，５ｂの幅は、リッジ状に形成されたニオブ酸リチウム膜からなる第１及び第２の導波路２ａ、２ｂのリッジ幅Ｗ２よりも少し広い程度である。第１及び第２のバイアス電極５ａ，５ｂからの電界を第１及び第２の導波路２ａ、２ｂに集中させるためには、第１及び第２のバイアス電極５ａ，５ｂの幅は、第１及び第２の導波路２ａ，２ｂのリッジ幅Ｗ２の１．１～１５倍であることが好ましく、１．５～１０倍であることがより好ましい。
　図２（ｂ）に示すＤＣ部３ｂにおける第１及び第２の導波路２ａ、２ｂのスラブ部１１ｓは、図２（ａ）に示すＲＦ部３ａにおける第１及び第２の導波路２ａ，２ｂのスラブ部１１ｓよりも厚く形成されている。このように、ＤＣ部３ｂにおけるリッジ導波路のスラブ膜厚Ｔｓｂ２を厚くすることにより、ＤＣドリフトを低減することができる。またＲＦ部３ａにおけるリッジ導波路のスラブ膜厚Ｔｓｂ１を薄くすることにより、光導波路を伝搬する光の閉じ込めを強くして変調効率を高めることができ、できるだけ低い電圧で駆動することが可能となる。
　ＤＣ部３ｂにおけるスラブ膜厚を厚くすることによりＤＣドリフトが低減される理由は明らかではないが、ニオブ酸リチウム膜をリッジ形状に加工したときに生じるダメージがＤＣドリフトに影響を与えているのではないかと推察される。スラブ膜厚を薄くする（リッジ部の突出高さを高くする）ためにはニオブ酸リチウム膜の上面をより深く掘り下げる必要があり、被加工面にはより多くのダメージが残る。一方、スラブ膜厚を厚くする（リッジ部の突出高さを低くする）場合にはニオブ酸リチウム膜の加工量が少ないので、被加工面のダメージは少ない。そのため、ＤＣドリフトが低減され、ＤＣ部３ｂの寿命が長くなると考えられる。
　ＲＦ部３ａ及びＤＣ部３ｂの両方において第１及び第２の導波路２ａ，２ｂを構成するリッジ部１１ｒの突出高さを相対的に高くし、リッジ部１１ｒの両側に形成されるスラブ部１１ｓの厚さＴｓｂ１，Ｔｓｂ２（スラブ膜厚）を薄くする場合、光導波路を伝搬する光の閉じ込めを強くしてできるだけ低い電圧で駆動することが可能となる。しかし、ＤＣ部３ｂにおいてそのような導波路構造を採用するとＤＣドリフトが大きくなり、光変調素子を長寿命化することができない。一方、ＲＦ部３ａ及びＤＣ部３ｂの両方においてリッジ部１１ｒの突出高さを低くし、スラブ部１１ｓの厚さＴｓｂ１，Ｔｓｂ２（スラブ膜厚）を厚くする場合、ＤＣドリフトを小さくすることができるが、半波長電圧Ｖπが高くなり、低電圧で駆動することができない。
　しかし、本実施形態のようにＤＣ部３ｂにおける光導波路のスラブ膜厚をＲＦ部３ａと異ならせ、ＤＣ部３ｂのスラブ膜厚を相対的に厚くし、ＲＦ部３ａのスラブ膜厚を相対的に薄くすることにより、ＤＣ部３ｂにおけるＤＣドリフト抑制効果とＲＦ部３ａにおける低駆動電圧化を両立させることができる。
　ＲＦ部３ａにおける第１及び第２の導波路２ａ，２ｂのスラブ膜厚Ｔｓｂ１とＤＣ部３ｂにおける第１及び第２の導波路２ａ，２ｂのスラブ膜厚Ｔｓｂ１が異なる場合、両者を単純に接続すると導波路形状の不整合により接続損失が大きくなる。そのため、本実施形態においては、ＲＦ部３ａとＤＣ部３ｂとの間の中間部３ｃに導波路の整合性を高めるための中間導波部が設けられる。以下、中間導波部の構成について詳細に説明する。
　図３は、ＲＦ部３ａとＤＣ部３ｂとの間の中間部３ｃ付近における導波路構造を示す略平面図及び略断面図である。また、図４は、中間部３ｃにおける導波路構造を立体的に示す略斜視図である。
　図３及び図４に示すように、第１及び第２の導波路２ａ，２ｂの各々は、ＲＦ部３ａの光導波路である第１導波部２１ａと、ＤＣ部３ｂの光導波路である第２導波部２１ｂと、中間部３ｃのＲＦ部３ａ寄りに設けられ、第１導波部２１ａに接続された第１中間導波部２２ａと、中間部３ｃのＤＣ部３ｂ寄りに設けられ、第２導波部２１ｂに接続された第２中間導波部２２ｂとを有している。すなわち、第１及び第２の導波路２ａ，２ｂは、ＲＦ部３ａ側からＤＣ部３ｂ側に向かって第１導波部２１ａ、第１中間導波部２２ａ、第２中間導波部２２ｂ、第２導波部２１ｂがこの順で配置された構成を有している。
　第１導波部２１ａは、リッジ幅Ｗ１及びスラブ膜厚Ｔｓｂ１を有し、第２導波部２１ｂは、リッジ幅Ｗ２（＝Ｗ１）及びスラブ膜厚Ｔｓｂ２（＞Ｔｓｂ１）を有している。このようなスラブ膜厚が異なり且つリッジ幅が狭い第１導波部２１ａと第２導波部２１ｂとを直接接続しようとすると、境界部の不整合により光の伝搬損失が大きくなる。そこで本実施形態では、ＲＦ部３ａ側の第１導波部２１ａとＤＣ部３ｂ側の第２導波部２１ｂとの間に第１中間導波部２２ａ及び第２中間導波部２２ｂを設けて光の伝搬損失の低減を図っている。
　第１中間導波部２２ａは、第１導波部２１ａに接続されたリッジ導波路であり、第１導波部２１ａと同じスラブ膜厚Ｔｓｂ１を有するが、第１導波部２１ａよりも広いリッジ幅Ｗ１Ｃ（第３のリッジ幅）を有している。第１中間導波部２２ａは、第１導波部２１ａのリッジ幅を広げるために設けられており、第２導波部２１ｂに向かってリッジ幅が徐々に増加するリッジ幅拡大部を有している。このように、第２中間導波部２２ｂとの接続位置において、第１中間導波部２２ａは第１導波部２１ａよりも広いリッジ幅Ｗ１Ｃ（＞Ｗ１）を有している。
　第２中間導波部２２ｂは、第２導波部２１ｂに接続されたリッジ導波路であり、第２導波部２１ｂと同じスラブ膜厚Ｔｓｂ２を有するが、第２導波部２１ｂよりも広いリッジ幅Ｗ２Ｃ（第４のリッジ幅）を有している。第２中間導波部２２ｂは、第２導波部２１ｂのリッジ幅を広げるために設けられており、第１導波部２１ａに向かってリッジ幅が徐々に増加するリッジ幅拡大部を有している。このように、第１中間導波部２２ａとの接続位置において、第２中間導波部２２ｂは第２導波部２１ｂよりも広いリッジ幅Ｗ２Ｃ（＞Ｗ２）を有している。
　第１中間導波部２２ａのリッジ幅Ｗ１Ｃは、第２中間導波部２２ｂのリッジ幅Ｗ２Ｃよりも広い。そのため、第１中間導波部２２ａと第２中間導波部２２ｂとの境界位置では光導波路のリッジ幅及びスラブ膜厚が不連続に変化している。スラブ膜厚が互いに異なるＲＦ部３ａ側の第１導波部２１ａとＤＣ部３ｂ側の第２導波部２１ｂとを接続する場合、光導波路内を伝搬する光のスポットサイズが異なるため、境界位置において接続損失が増加する。しかし、スラブ膜厚が相対的に薄いＲＦ部３ａ側の光導波路のリッジ幅Ｗ１Ｃを広くし、スラブ膜厚が相対的に厚いＤＣ部３ｂ側の光導波路のリッジ幅Ｗ２Ｃを狭くすることにより、第１導波部２１ａと第２導波部２１ｂとの境界での光のスポットサイズを揃えることができ、これにより接続損失を低減することができる。
　第１中間導波部２２ａのリッジ幅Ｗ１Ｃは、第２中間導波部２２ｂのリッジ幅Ｗ２Ｃよりも大きく、第２中間導波部２２ｂのリッジ幅Ｗ２Ｃの２倍よりも小さいことが好ましい（Ｗ２Ｃ＜Ｗ１Ｃ＜２×Ｗ２Ｃ）。第１中間導波部２２ａのリッジ幅Ｗ１Ｃが大きすぎることによる接続損失の増加を防止することができる。
　通常、リッジ幅が変化する光導波路の形成は容易であり、一回のパターニングによってリッジ幅が連続的に変化するテーパー形状の光導波路を形成できるので、リッジ幅が不連続な光導波路を形成する必要はない。しかし、スラブ膜厚が異なる光導波路の形成では加工条件が異なる２回のパターニングプロセスが必要であり、２本の光導波路を正確に位置合わせすることは簡単ではない。そのため、本実施形態では、スラブ膜厚が互いに異なるＲＦ部３ａ側の光導波路の加工とＤＣ部３ｂ側の光導波路の加工とを別々に行うと共に、ＲＦ部３ａ側の光導波路及びＤＣ部３ｂ側の光導波路の接続部近傍におけるリッジ幅を広げて両者を接続する。これにより、接続損失を低減することが可能となるが、リッジ幅及びスラブ膜厚が不連続なリッジ導波路が形成される。
　図５は、ＲＦ部３ａ側の光導波路とＤＣ部３ｂ側の光導波路との間に軸ずれが生じた場合を示す略平面図である。
　リッジ導波路のスラブ膜厚を異ならせるためにＲＦ部３ａ側の導波路パターン（第１導波部２１ａ及び第１中間導波部２２ａ）とＤＣ部３ｂ側の導波路パターン（第２導波部２１ｂ及び第２中間導波部２２ｂ）を別々に加工した場合、図５に示すように、導波路パターンの位置ずれ（軸ずれ）が生じる場合がある。しかし、本実施形態のように第１中間導波部２２ａ及び第２中間導波部２２ｂのリッジ幅を広げることにより、軸ずれによる導波路の断面積の縮小を防止することができ、導波路パターンの加工ばらつきに起因する光の伝搬損失を低減することができる。
　以上説明したように、本実施形態による光変調素子１は、ＤＣ部３ｂの光導波路のスラブ膜厚Ｔｓｂ２がＲＦ部３ａの光導波路のスラブ膜厚Ｔｓｂ１よりも大きいので、ＲＦ部３ａにおいて低駆動電圧を実施しつつ、ＤＣドリフトを低減することができる。
　また、本実施形態による光変調素子１は、スラブ膜厚が互いに異なるＲＦ部３ａの光導波路（第１導波部２１ａ）とＤＣ部３ｂの光導波路（第２導波部２１ｂ）とを接続するため、ＲＦ部３ａとＤＣ部３ｂとの間の中間部３ｃにリッジ幅が変化する第１中間導波部２２ａ及び第２中間導波部２２ｂを設け、ＲＦ部３ａ側の第１中間導波部２２ａのリッジ幅Ｗ１ＣをＤＣ部３ｂ側の第２中間導波部２２ｂのリッジ幅Ｗ２Ｃよりも広くしているので、第１導波部２１ａを伝搬する光のスポットサイズと第２導波部２１ｂを伝搬する光のスポットサイズを整合させて伝搬損失を低減することができる。
　図６は、本発明の第２の実施の形態による光変調素子であって、ＲＦ部３ａとＤＣ部３ｂとの間の中間部３ｃ付近における導波路構造を示す略平面図及び略断面図である。また、図７は、図６に示した中間部３ｃにおける導波路構造を立体的に示す略斜視図である。
　図６及び図７に示すように、この光変調素子１の特徴は、第１中間導波部２２ａと第２中間導波部２２ｂとの間に第３中間導波部２２ｃが設けられている点にある。第３中間導波部２２ｃは、第１中間導波部２２ａと同じリッジ幅Ｗ１Ｃを有するリッジ下部と、第２中間導波部２２ｂと同じリッジ幅Ｗ２Ｃを有するリッジ上部からなる２段構造のリッジ部１１ｒと、この２段構造のリッジ部１１ｒの両側に形成されたスラブ部１１ｓとを有し、スラブ膜厚Ｔｓｂ３は第１導波部２１ａのスラブ膜厚Ｔｓｂ１よりもさらに薄く形成されている。本実施形態において、第３中間導波部２２ｃは薄いスラブ部１１ｓを有するリッジ導波路であるが、スラブ部１１ｓが完全に消滅した導波路構造であってもよい。
　第３中間導波部２２ｃの長さＬＣは３μｍ以下であることが好ましい。第３中間導波部２２ｃが長すぎると伝搬損失が増加するからである。
　図８（ａ）～（ｃ）は、図６及び図７に示した第３中間導波部２２ｃを有する導波路構造の形成方法を説明するための図である。
　図８（ａ）～（ｃ）に示すように、第３中間導波部２２ｃを有する導波路構造は、ＲＦ部３ａの導波路パターンを形成するための加工領域とＤＣ部３ｂの導波路パターンを形成するための加工領域をその境界近傍で部分的に重ね合わせることで形成することができる。
　詳細には、まず図８（ａ）に示すように、ＤＣ部３ｂの形成領域２５ｂの略全面をマスク３０ｂで覆った後にＲＦ部３ａの形成領域２５ａ内の電気光学材料膜をミリング等により加工してＲＦ部３ａの導波路パターンである第１導波部２１ａ及び第１中間導波部２２ａを形成する。このとき、マスク３０ｂのエッジＥｂが境界線Ｂよりも手前側に位置し、ＲＦ部３ａの形成領域２５ａ側にはみ出していないので、境界線Ｂ付近におけるＤＣ部３ｂの形成領域２５ｂにはリッジ加工が施される。ＲＦ部３ａの加工では、例えば加工時間を長くすることにより薄いスラブ部が形成される。
　次に、図８（ｂ）に示すように、ＲＦ部３ａの形成領域２５ａの略全面をマスク３０ａで覆った後にＤＣ部３ｂの形成領域２５ｂ内の電気光学材料膜をミリング等により加工してＤＣ部３ｂの導波路パターンである第２導波部２１ｂ及び第２中間導波部２２ｂを形成する。このとき、マスク３０ａのエッジＥａが境界線Ｂよりも手前側に位置し、ＤＣ部３ｂの形成領域２５ｂ側にはみ出していないので、境界線Ｂ付近におけるＲＦ部３ａの形成領域２５ａにはリッジ加工が施される。ＤＣ部３ｂの加工では、例えば加工時間を短くすることにより厚いスラブ部が形成される。
　このように、ＲＦ部３ａの形成領域２５ａとＤＣ部３ｂの形成領域２５ｂとの境界線Ｂの近傍では、リッジ加工が二重に施されることにより、図８（ｃ）に示すように、第１中間導波部２２ａ及び第２中間導波部２２ｂと断面形状が異なる第３中間導波部２２ｃが形成される。なお、図８では、ＲＦ部３ａ、ＤＣ部３ｂの順に加工しているが、この逆に、ＤＣ部３ｂ、ＲＦ部３ａの順に加工しても同様の結果が得られる。
　本実施形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。すなわち、ＲＦ部３ａ側の第１中間導波部２２ａのリッジ幅Ｗ１ＣをＤＣ部３ｂ側の第２中間導波部２２ｂのリッジ幅Ｗ２Ｃよりも広くしているので、第１導波部２１ａを伝搬する光のスポットサイズと第２導波部２１ｂを伝搬する光のスポットサイズを整合させて伝搬損失を低減することができる。
　図９は、本発明の第３の実施の形態による光変調素子であって、ＲＦ部３ａとＤＣ部３ｂとの間の中間部３ｃ付近における導波路構造を示す略平面図及び略断面図である。また、図１０は、図９に示した中間部３ｃにおける導波路構造を立体的に示す略斜視図である。
　図９及び図１０に示すように、この光変調素子１の特徴は、第１中間導波部２２ａと第２中間導波部２２ｂとの間に第３中間導波部２２ｃが設けられており、第３中間導波部２２ｃはリッジ形状を有しない未加工の導波層１１からなる点にある。すなわち、第３中間導波部２２ｃは、導波路形状を有しない領域である。その他の構成は第２の実施の形態と同様である。
　図１１（ａ）～（ｂ）は、図９及び図１０に示した第３中間導波部２２ｃを有する導波路構造の形成方法を説明するための図である。
　図１１（ａ）～（ｃ）に示すように、第３中間導波部２２ｃを有する導波路構造は、ＲＦ部３ａの導波路パターンを形成するための加工領域とＤＣ部３ｂの導波路パターンを形成するための加工領域をその境界近傍で重ならないようにすることで形成することができる。
　詳細には、まず図１１（ａ）に示すように、ＤＣ部３ｂの形成領域２５ｂの略全面をマスク３０ｂで覆った後にＲＦ部３ａの形成領域２５ａ内の電気光学材料膜をミリング等により加工してＲＦ部３ａの導波路パターンである第１導波部２１ａ及び第１中間導波部２２ａを形成する。このとき、マスク３０ｂのエッジＥｂが境界線Ｂよりも奥側に位置し、ＲＦ部３ａの形成領域２５ａ側にはみ出しているので、境界線Ｂ付近におけるＲＦ部３ａの形成領域２５ａには未加工領域が形成される。ＲＦ部３ａの加工では、例えば加工時間を長くすることにより薄いスラブ部が形成される。
　次に、図１１（ｂ）に示すように、ＲＦ部３ａの形成領域２５ａの略全面をマスク３０ａで覆った後にＤＣ部３ｂの形成領域２５ｂ内の電気光学材料膜をミリング等により加工してＤＣ部３ｂの導波路パターンである第２導波部２１ｂ及び第２中間導波部２２ｂを形成する。このとき、マスク３０ａのエッジＥａが境界線Ｂよりも奥側に位置し、ＤＣ部３ｂの形成領域２５ｂ側にはみ出しているので、境界線Ｂ付近におけるＲＦ部３ａの形成領域２５ａには未加工領域が形成される。ＤＣ部３ｂの加工では、例えば加工時間を短くすることにより厚いスラブ部が形成される。
　このように、ＲＦ部３ａの形成領域２５ａとＤＣ部３ｂの形成領域２５ｂとの境界線Ｂの近傍に未加工領域が形成されることにより、図１１（ｃ）に示すように、第１中間導波部２２ａ及び第２中間導波部２２ｂと断面形状が異なる第３中間導波部２２ｃが形成される。
　本実施形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。すなわち、ＲＦ部３ａ側の第１中間導波部２２ａのリッジ幅Ｗ１ＣをＤＣ部３ｂ側の第２中間導波部２２ｂのリッジ幅Ｗ２Ｃよりも広くしているので、第１導波部２１ａを伝搬する光のスポットサイズと第２導波部２１ｂを伝搬する光のスポットサイズを整合させて伝搬損失を低減することができる。
　図１２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第４の実施の形態による光変調素子の略断面図であって、図１２（ａ）は、ＲＦ部３ａの断面図、図１２（ｂ）は、ＤＣ部３ｂの断面図である。また、図１３は、ＲＦ部３ａとＤＣ部３ｂとの間の中間部３ｃ付近における導波路構造を示す略平面図である。
　図１２（ａ）及び（ｂ）及び図１３に示すように、この光変調素子１の特徴は、ＲＦ部３ａにおける第１及び第２の導波路２ａ，２ｂ（第１導波部２１ａ）のリッジ幅Ｗ１とＤＣ部３ｂにおける第１及び第２の導波路２ａ，２ｂ（第２導波部２１ｂ）のリッジ幅Ｗ２が異なる点にある。本実施形態において、ＤＣ部３ｂにおける第１及び第２の導波路２ａ，２ｂ（第２導波部２１ｂ）のリッジ幅Ｗ２は、ＲＦ部３ａにおける第１及び第２の導波路２ａ，２ｂ（第１導波部２１ａ）のリッジ幅Ｗ１よりも広い。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。本実施形態による光変調素子１は、第１の実施の形態と同様の効果を奏するだけでなく、ＤＣドリフトの低減効果を高めることができる。
　図１４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第５の実施の形態による光変調素子の略断面図であって、図１４（ａ）は、ＲＦ部３ａの断面図、図１４（ｂ）は、ＤＣ部３ｂの断面図である。
　図１４（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態による光変調素子１の特徴は、ＤＣ部３ｂにおいて保護層１２が省略されている点にある。すなわち、光変調素子１のＤＣ部３ｂは、基板１０、導波層１１、バッファ層１３、及び電極層１４がこの順で積層された多層構造を有している。バッファ層１３は、リッジ部１１ｒの上面のみならず側面を覆うように導波層１１の全面に形成される。そのため、リッジ部１１ｒの両側のスラブ部１１ｓの上面もバッファ層１３に覆われている。
　ＤＣ部３ｂにおいて保護層１２を省略する場合、ＤＣ部３ｂのバッファ層１３は、ＲＦ部３ａのバッファ層１３と異なる誘電体材料からなることが好ましく、ＲＦ部３ａの保護層１２と同じ誘電体材料からなることが好ましい。すなわち、ＲＦ部３ａの保護層１２と同じ誘電体材料を用いてＤＣ部３ｂのバッファ層１３を形成することが好ましい。なおＤＣ部３ｂにおいて保護層１２を省略する構成は、図２に示したＤＣ部３ｂの保護層１２及びバッファ層１３を同じ材料で構成することと等価である。
　以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
　例えば、上記実施形態においては、一対の光導波路を有するマッハツェンダー光導波路に対して一対の信号電極を設けたデュアル駆動型の光変調素子を例に挙げたが、本発明はこのような光変調素子に限定されるものではなく、ＲＦ部３ａとＤＣ部３ｂを有する種々の光変調素子を対象とすることができる。
　また、上記実施形態においては、基板１０上にエピタキシャル成長させたニオブ酸リチウム膜によって形成された一対の光導波路を有する光変調素子を挙げたが、本発明はそのような構造に限定にされず、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛などの電気光学材料により光導波路を形成したものであってもよい。ただし、ニオブ酸リチウム膜によって形成された光導波路であれば光導波路の幅を狭く形成して低駆動電圧化できる一方でＤＣドリフトの問題が顕著であり、本発明の効果が大きい。また、導波層１１として、電気光学効果を有する半導体材料、高分子材料などを用いてもよい。
（ＲＦ部３ａのスラブ膜厚の評価）
　ＲＦ部３ａにおけるリッジ導波路のスラブ膜厚Ｔｓｂ１が電界効率ＶπＬに与える影響をシミュレーションにより評価した。ニオブ酸リチウム膜からなる導波層１１の厚さを１．５μｍとし、リッジ導波路のスラブ膜厚Ｔｓｂ１を変化させたときの電界効率ＶπＬを求めた。その結果、図１５に示すように、リッジ導波路のスラブ膜厚Ｔｓｂ１が約０．３μｍのときにＶπＬが最小となった。またスラブ膜厚Ｔｓｂ２が０．６μｍ以下であればＶπＬを２．２Ｖｃｍ以下とすることができ、好ましい範囲となった。
（ＤＣ部のスラブ膜厚の評価）
　ＤＣ部３ｂにおけるリッジ導波路のスラブ膜厚Ｔｓｂ２がＤＣドリフトに与える影響を評価した。この評価試験では８０℃の温度下でバイアス電極に一定のバイアス電圧を印加しながらＤＣドリフト量を測定し、評価試験を開始してからＤＣドリフト量が５０％を超えるまでに要した時間（寿命）を測定した。このときのニオブ酸リチウム膜からなる導波層１１の厚さは１．５μｍとした。その結果、スラブ膜厚Ｔｓｂ２が０．３μｍのときの寿命は約１時間、０．６μｍのときの寿命は約８４時間であった。一方、スラブ膜厚Ｔｓｂ２が１．１μｍのときの寿命は１０００時間を超える良好な結果となった。
（第１及び第２中間導波部のリッジ幅の評価）
　図３及び図４に示す導波路構造において、第１中間導波部２２ａのリッジ幅Ｗ１Ｃを変化させたときの接続損失（ｄＢ）の変化をシミュレーションにより評価した。ニオブ酸リチウム膜からなる導波層１１の厚さを１．５μｍとし、第２中間導波部２２ｂのリッジ幅Ｗ２Ｃ＝２．５μｍ、第１中間導波部２２ａのスラブ膜厚Ｔｓｂ１＝０．４μｍ、第２中間導波部２２ｂのスラブ膜厚Ｔｓｂ２＝１．１μｍとした。その結果、図１６に示すように、リッジ幅Ｗ１Ｃが３～４．５μｍの範囲で接続損失が最小になり、スラブ膜厚が異なるリッジ導波路の接続損失が低減されることを確認できた。
（光導波路の軸ずれの評価）
　図１１に示す光導波路の軸ずれの大きさΔＷが接続損失（ｄＢ）に与える影響をシミュレーションにより評価した。ニオブ酸リチウム膜からなる導波層１１の厚さを１．５μｍとし、第１及び第２中間導波部２２ａ，２２ｂのリッジ幅（Ｗ１Ｃ，Ｗ２Ｃ）の組み合わせを（１．２μｍ，２．５μｍ）、（２．５μｍ，２．５μｍ）、（３．８μｍ，２．５μｍ）、（４．２μｍ，３μｍ）、（５．２μｍ，４μｍ）の５通りとした。また、第１中間導波部２２ａのスラブ膜厚Ｔｓｂ１＝０．４μｍ、第２中間導波部２２ｂのスラブ膜厚Ｔｓｂ２＝１．１μｍとした。
　その結果、図１７に示すように、光導波路の軸ずれがないときの接続損失は、第１及び第２中間導波部２２ａ，２２ｂのリッジ幅Ｗ１Ｃ，Ｗ２Ｃが狭いほど大きくなる傾向がみられた。また軸ずれが大きくなるほど接続損失は増加し、第１及び第２中間導波部２２ａ，２２ｂのリッジ幅（Ｗ１Ｃ，Ｗ２Ｃ）が（１．２μｍ，２．５μｍ）のとき、軸ずれに対する接続損失の増加率は最も大きく、第１及び第２中間導波部２２ａ，２２ｂのリッジ幅（Ｗ１Ｃ，Ｗ２Ｃ）が（５．２μｍ，４μｍ）のとき、軸ずれに対する接続損失の増加率は最も小さくなった。すなわち、第１及び第２中間導波部２２ａ，２２ｂのリッジ幅Ｗ１Ｃ，Ｗ２Ｃが狭いほど接続損失の増加率は高くなった。
（第３中間導波部の影響の評価）
　図６～図１１に示した第３中間導波部２２ｃの存在が接続損失（ｄＢ）に与える影響をシミュレーションにより評価した。ニオブ酸リチウム膜からなる導波層１１の厚さを１．５μｍとし、第１中間導波部２２ａのスラブ膜厚Ｔｓｂ１＝０．４μｍ、第２中間導波部２２ｂのスラブ膜厚Ｔｓｂ２＝１．１μｍとした。さらに、第１及び第２中間導波部２２ａ，２２ｂのリッジ幅（Ｗ１Ｃ，Ｗ２Ｃ）の組み合わせを（３．８μｍ，２．５μｍ）、（４．２μｍ，３μｍ）、（５．２μｍ，４μｍ）の３パターンとし、これらのパターンに対して図６～図８に示したスラブ膜厚が薄い（ここではスラブ膜厚がゼロ）場合と、図９～図１１に示した導波路構造がない場合を組み合わせて評価した。
　その結果、図１８に示すように、第３中間導波部２２ｃが長くなるほど接続損失は増加した。特に、図９～図１１に示した導波路構造を有しない第３中間導波部２２ｃは、図６～図８に示したスラブ部がない導波路構造の第３中間導波部２２ｃよりも接続損失の増加率が高かった。しかし、いずれの構造も第３中間導波部２２ｃの長さが３μｍ以下であれば接続損失は０．２ｄＢ以下であった。長さが３μｍ以下の第３中間導波部２２ｃを作製することは十分に可能であり、実用上問題ないレベルである。
１　　光変調素子
２　　マッハツェンダー光導波路
２ａ　　第１の導波路
２ｂ　　第２の導波路
２ｃ　　分波部
２ｄ　　合波部
２ｉ　　入力導波路
２ｏ　　出力導波路
３ａ　　ＲＦ部
３ｂ　　ＤＣ部
３ｃ　　中間部
３ｉｄ　　ＤＣ相互作用部
３ｉｒ　　ＲＦ相互作用部
４ａ　　第１の信号電極
４ａ１　　第１の信号電極の一端
４ａ２　　第１の信号電極の他端
４ｂ　　第２の信号電極
４ｂ１　　第１の信号電極の一端
４ｂ２　　第１の信号電極の他端
５ａ　　第１のバイアス電極
５ａ１　　第１のバイアス電極の一端
５ｂ　　第２のバイアス電極
５ｂ１　　第２のバイアス電極の一端
９　　終端抵抗
９ａ　　ドライバ回路
９ｃ　　バイアス回路
１０　　基板
１１　　導波層
１１ｒ　　リッジ部
１１ｓ　　スラブ部
１２　　保護層
１３　　バッファ層
１４　　電極層
２１ａ　　第１導波部
２１ｂ　　第２導波部
２２ａ　　第１中間導波部
２２ｂ　　第２中間導波部
２２ｃ　　第３中間導波部
３０ａ　　マスク
３０ｂ　　マスク

Claims (7)

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