WO2023181152A1 - 光変調素子 - Google Patents

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WO2023181152A1
WO2023181152A1 PCT/JP2022/013416 JP2022013416W WO2023181152A1 WO 2023181152 A1 WO2023181152 A1 WO 2023181152A1 JP 2022013416 W JP2022013416 W JP 2022013416W WO 2023181152 A1 WO2023181152 A1 WO 2023181152A1
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WO
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broken line
waveguide
modulation element
width
line portion
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/013416
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English (en)
French (fr)
Inventor
裕貴 原
隆 菊川
Original Assignee
Tdk株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
    • G02F1/035—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure

Definitions

  • the present disclosure relates to a light modulation element.
  • Optical fiber communication converts electrical signals into optical signals and transmits the optical signals through optical fibers, and has the characteristics of broadband, low loss, and resistance to noise.
  • Direct modulation requires no optical modulator and is low cost, but there are limits to high-speed modulation, and external modulation methods are used for high-speed, long-distance applications.
  • an optical modulator in which an optical waveguide is formed near the surface of a lithium niobate single crystal substrate by Ti (titanium) diffusion has been put into practical use.
  • high-speed optical modulators of 40 Gb/s or higher are commercially available, their long overall length of about 10 cm is a major drawback.
  • Patent Document 1 discloses a Mach-Zehnder optical modulator in which a c-axis oriented lithium niobate film is formed on a sapphire single crystal substrate by epitaxial growth and the lithium niobate film is used as an optical waveguide. has been done.
  • An optical modulator using a lithium niobate film can be significantly smaller in size and at a lower driving voltage than an optical modulator using a lithium niobate single crystal substrate.
  • it is necessary to simultaneously reduce high-frequency loss and lower drive voltage.
  • speed matching of light and microwave is necessary for broadband.
  • Patent Document 2 discloses a low-speed wave electrode structure in which thin fins are added to a pair of substantially parallel conductor strips so that the pair of conductor strips are capacitively coupled. is disclosed. With this electrode structure, the capacitance per unit length between the strips can be substantially increased and the phase velocity of the microwave signal can be slowed down. Therefore, speed matching of light and microwave becomes possible.
  • Patent Document 3 describes an electro-optical device that includes a waveguide that transmits an optical signal and an electrode that transmits microwaves.
  • the waveguide includes at least one optical material having an electro-optic effect
  • the electrode includes a channel region and a plurality of extensions projecting from the channel region. Since the electrode extension is closer to the part of the waveguide than the channel region, it is possible to reduce the speed mismatch between the optical signal and the microwave signal.
  • Patent Document 3 also discloses a so-called GSSG electrode structure in which a pair of ground electrodes (G) are arranged outside a pair of signal electrodes (S).
  • the present disclosure has been made in view of the above circumstances, and an object of the present disclosure is to provide an optical modulation element that can achieve both speed matching of light and microwave and low driving voltage.
  • an optical modulation element includes a substrate, an optical material film having a ridge portion disposed on the substrate, and first and second waveguide portions provided in parallel to each other, A buffer layer disposed on the first and second waveguide sections, and first and second signal electrodes disposed along the first and second waveguide sections;
  • Each of the solid line portions is provided outside the first and second waveguide portions in plan view and is continuously provided in the traveling direction, and the first and second waveguide portions are located inside the pair of solid line portions.
  • It has a broken line part which is provided at a position overlapping with the ridge part in a plan view and is provided intermittently in the traveling direction, and a connecting part which connects the solid line part and the broken line part, and the width of the broken line part is wider than the width of the ridge part. It is characterized by being spacious.
  • an optical modulation element that can achieve both speed matching of light and microwave and low driving voltage.
  • FIG. 1 is a schematic plan view showing the configuration of an optical modulation element according to a first embodiment of the present disclosure, in which (a) shows an optical waveguide pattern, and (b) shows an electrode pattern superimposed on the optical waveguide pattern.
  • 2(a) and (b) are schematic cross-sectional views of the light modulation element shown in FIG. 1, and FIG. 2(a) is a cross-sectional view taken along the line X 1 -X 1 in FIG. 1(b).
  • FIG. 2(b) is a sectional view taken along the line X 2 -X 2 of FIG. 1(b).
  • FIG. 3 is a schematic plan view showing in detail the configuration of the first and second signal electrodes.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a light modulation element according to a second embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 5 is a schematic plan view showing the structure of a light modulation element according to a third embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a light modulation element according to a fourth embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 7 is a schematic plan view showing the configuration of a light modulation element according to a fifth embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the connection region length Ld and the effective refractive index Nm of microwaves.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the width SH of the connecting portion and the effective refractive index Nm of microwaves.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the thickness T of the electrode layer and the effective refractive index Nm of microwaves.
  • FIG. 1(a) and (b) are schematic plan views showing the configuration of an optical modulation element according to a first embodiment of the present disclosure
  • FIG. 1(a) is a diagram showing an optical waveguide pattern alone
  • 1(b) is a diagram showing an electrode pattern superimposed on an optical waveguide pattern.
  • this optical modulation element 1 is a Mach-Zehnder optical guide formed on a substrate 10 and having first and second waveguide sections 2A and 2B provided in parallel with each other.
  • the waveguide 2 includes a first signal electrode 5A provided along the first waveguide section 2A, and a second signal electrode 5B provided along the second waveguide section 2B.
  • the Mach-Zehnder optical waveguide 2 is an optical waveguide having the structure of a Mach-Zehnder interferometer, and includes an input waveguide section 2C, a demultiplexing section 2D that demultiplexes the light propagating through the input waveguide section 2C, and a demultiplexing section.
  • First and second waveguide parts 2A and 2B extending from 2D and provided in parallel to each other, a combining part 2E that combines the lights propagating through the first and second waveguide parts 2A and 2B, and It has an output waveguide section 2F that propagates the light output from the section 2E.
  • the Mach-Zehnder optical waveguide 2 extends in the longitudinal direction (Y direction) of the substrate 10, and the optical input port 2i, which is one end of the input waveguide section 2C, is located at one end of the substrate 10 in the longitudinal direction. It is provided. Further, the optical output port 2o, which is one end of the output waveguide section 2F, is provided on the other end side in the longitudinal direction of the substrate 10.
  • the input light input to the optical input port 2i travels through the input waveguide section 2C, is demultiplexed by the demultiplexing section 2D, and travels through the first and second waveguide sections 2A and 2B, respectively, and then passes through the multiplexing section. 2E, and output as modulated light from the optical output port 2o of the output waveguide section 2F.
  • the first and second signal electrodes 5A and 5B are provided for applying microwave signals to the first and second waveguide sections 2A and 2B, and are used as interaction sections of the optical modulation element 1 together with the Mach-Zehnder optical waveguide 2. It consists of The first and second signal electrodes 5A and 5B are approximately linear electrode patterns having portions that overlap with the first and second waveguide sections 2A and 2B in a plan view, and both ends of which extend to near the outer peripheral edge of the substrate 10. It's being pulled out.
  • one end and the other end of the first signal electrode 5A are drawn out to the vicinity of one outer peripheral end in the width direction (X direction) of the substrate 10 by the lead-out parts 56a and 57a, and one end and the other end of the second signal electrode 5B The ends are also drawn out to the vicinity of one outer peripheral end in the width direction of the substrate 10 by the drawing parts 56b and 57b.
  • each of the first and second signal electrodes 5A and 5B is connected to a pair of terminal portions 58a and 58b provided near one outer circumferential end of the substrate 10 in the width direction via lead-out portions 56a and 56b, respectively.
  • the pair of terminal portions 58a and 58b constitute a signal input port, and the driver circuit 7 is connected to the signal input port.
  • the other ends of the first and second signal electrodes 5A and 5B are respectively connected to a pair of terminal portions 59a and 59b provided near one outer peripheral end in the width direction of the substrate 10 via lead-out portions 57a and 57b. has been done.
  • a pair of terminal portions 59a and 59b are connected to each other via a terminating resistor 8.
  • Each of the first and second signal electrodes 5A, 5B includes a solid line portion 51 that is formed continuously in the direction of travel, and is provided parallel to the solid line portion 51, and is formed intermittently in the direction of travel. It has a broken line portion 52 and a connecting portion 53 that connects the solid line portion 51 and the broken line portion 52.
  • the pair of solid line portions 51, 51 are provided outside the first and second waveguide portions 2A, 2B that are parallel to each other and at positions that do not overlap with the first and second waveguide portions 2A, 2B in plan view. ing. That is, although the solid line portion 51 of the first signal electrode 5A is arranged near the first waveguide portion 2A, it does not overlap with the first waveguide portion 2A in plan view. Similarly, the solid line portion 51 of the second signal electrode 5B is arranged near the second waveguide portion 2B, but does not overlap with the second waveguide portion 2B in plan view.
  • the pair of broken line parts 52, 52 are provided inside the pair of solid line parts 51, 51, and at positions overlapping with the first and second waveguide parts 2A, 2B in plan view. That is, the broken line portion 52 of the first signal electrode 5A is placed directly above the first waveguide portion 2A. Similarly, the broken line portion 52 of the second signal electrode 5B is placed directly above the second waveguide portion 2B.
  • the broken line portion 52 and the connection portion 53 constitute a protrusion that protrudes laterally from one of the first and second signal electrodes 5A, 5B toward the other.
  • the protrusions periodically along the extending direction of the signal electrodes and locally reducing the distance between the first signal electrodes 5A and the second signal electrodes 5B, it is possible to reduce the distance per unit length of the strip conductor.
  • the capacitance of the microwave can be increased, and the effective refractive index Nm of microwaves can be increased. Thereby, it is possible to reduce the speed of the microwave and achieve speed matching between the light and the microwave.
  • a differential signal (modulation signal) having the same absolute value but different positive and negative values is input to one end of the first and second signal electrodes 5A and 5B. Since the first and second waveguide sections 2A and 2B are made of an optical material having an electro-optic effect such as lithium niobate, the electric field applied to the first and second waveguide sections 2A and 2B causes the first and second waveguide sections to The refractive index of the waveguide portions 2A and 2B changes by + ⁇ n and ⁇ n, respectively, and the phase difference between the pair of optical waveguides changes. Signal light modulated by this change in phase difference is output from the output waveguide section 2F.
  • FIG. 2(a) and (b) are schematic cross-sectional views of the light modulation element shown in FIG. 1, and FIG. 2(a) is a cross-sectional view taken along the line X 1 -X 1 in FIG. 1(b). , FIG. 2(b) is a sectional view taken along the line X 2 -X 2 of FIG. 1(b).
  • the optical modulator 1 has a multilayer structure in which a substrate 10, a waveguide layer 20, a protective layer 30, a buffer layer 40, and an electrode layer 50 are laminated in this order. have.
  • a waveguide layer 20 made of an electro-optic material typified by lithium niobate is formed on the main surface of the substrate 10.
  • the waveguide layer 20 has a ridge portion 21 that is a protruding portion, and slab portions 22 that are thin portions provided on both sides of the ridge portion 21.
  • a Mach-Zehnder optical waveguide 2 including waveguide portions 2A and 2B is configured.
  • the width Wr (ridge width) of the ridge portion 21 can be set to 0.5 to 5 ⁇ m.
  • the ridge portion 21 is the central portion of the optical waveguide, and refers to a location that protrudes upward. This upwardly protruding location has a thicker electro-optic material film than the left and right locations, so the effective refractive index is higher. Therefore, it is possible to confine light also in the left and right directions, and it functions as a three-dimensional optical waveguide.
  • the shape of the ridge portion 21 may be any shape that allows light to be guided, and it may be a convex shape in which the thickness of the electro-optic material film in the ridge portion 21 is thicker than the thickness of the left and right electro-optic material films.
  • the ridge portion 21 can be formed by forming a mask such as a resist on the electro-optic material film and selectively etching and patterning the electro-optic material film.
  • the protective layer 30 covers the entire area of the upper surface of the waveguide layer 20 where the ridge portion 21 is not formed, and the side surfaces of the ridge portion 21 are also covered with the protective layer 30. Scattering loss caused by roughness can be prevented.
  • the thickness of the protective layer 30 is approximately the same as the height of the ridge portion 21 of the waveguide layer 20.
  • the material of the protective layer 30 is not particularly limited, silicon oxide (SiO 2 ) can be used, for example.
  • the buffer layer 40 is formed at least on the upper surface of the ridge portion 21 in order to prevent light propagating through the first and second waveguide portions 2A and 2B from being absorbed by the first and second signal electrodes. be.
  • the protective layer 30 may be omitted and the top and side surfaces of the ridge portion 21 may be covered with the buffer layer 40.
  • the buffer layer 40 is preferably made of a dielectric material (dielectric layer) having a lower refractive index and higher transparency than the waveguide layer 20, such as 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 40 on the upper surface of the ridge portion 21 may be about 0.2 to 2 ⁇ m.
  • V ⁇ L is the product of the drive voltage required to shift the phase of light by a half wavelength ( ⁇ ), that is, the half-wavelength voltage V ⁇ , and the length L of the interaction part of the light modulation element; It is an index that indicates performance. The smaller the value of V ⁇ L, the higher the modulation efficiency and the higher the performance.
  • a material with a high dielectric constant also has a high refractive index, so it is important to consider the balance between the two and select a material with a high dielectric constant and a relatively low refractive index.
  • Al 2 O 3 has a dielectric constant of about 9 and a refractive index of about 1.6, and is a preferred material.
  • LaAlO 3 has a dielectric constant of about 13 and a refractive index of about 1.7
  • LaYO 3 has a dielectric constant of about 17 and a refractive index of about 1.7, making it a particularly preferred material.
  • the electrode layer 50 includes first and second signal electrodes 5A and 5B that constitute interaction parts with the first and second waveguide parts 2A and 2B.
  • each of the first and second signal electrodes 5A, 5B is provided along the solid line portion 51 provided along the first and second waveguide portions 2A, 2B, and the solid line portion 51 provided parallel to the solid line portion 51. It has a broken line part 52 and a connecting part 53 that connects the solid line part 51 and the broken line part 52. It is preferable that the width W 1 of the solid line portion 51 is wider than the width W 2 of the broken line portion 52 . Thereby, the propagation of the microwave can be concentrated on the solid line portion 51, and an excessive increase in the effective refractive index Nm of the microwave can be suppressed.
  • the ridge portion 21 constituting the optical waveguide is placed directly below the broken line portion 52.
  • the width W2 of the broken line portion 52 is slightly wider than the ridge width Wr of the first and second waveguide portions 2A and 2B made of a ridge-shaped lithium niobate film. That is, in this embodiment, the ridge portion 21 is arranged so as to fit between the inner edge and the outer edge of the broken line portion 52 in the direction orthogonal to the traveling direction in plan view.
  • the width W2 of the broken line portion 52 of the first and second signal electrodes 5A and 5B is It is preferably 1.05 to 15 times, more preferably 1.2 to 10 times, the ridge width Wr of the wave path portions 2A, 2B.
  • the width SH of the connecting portion 53 in the X direction varies depending on the required Nm, but is preferably 1 to 50 ⁇ m. As the width SH of the connecting portion 53 increases, the length of the protruding portion increases, so the capacitance per unit length of the differential line increases and Nm increases. Therefore, it is necessary to appropriately set the width SH of the connecting portion 53 so that speed matching between the light and the microwave can be achieved.
  • the ridge width Wr, the width W 1 of the solid line portion 51, the width W 2 of the broken line portion 52, and the width SH of the connecting portion 53 are length dimensions in the X direction, which is a direction orthogonal to the traveling direction and the stacking direction.
  • the heights of the upper surfaces of the solid line portion 51, the broken line portion 52, and the connecting portion 53 are equal.
  • Nm the thickness of the electrode layer 50 as much as possible, but it is difficult to form a very thick electrode layer 50 due to the manufacturing process. Therefore, it is desirable to increase Nm by optimizing the shapes of the broken line portion 52 and the connection portion 53 without making the thickness T of the electrode layer 50 excessively thick.
  • the waveguide layer 20 is not particularly limited as long as it is an electro-optic material, but it is preferably made of lithium niobate. This is because lithium niobate has a large electro-optic constant and is suitable as a constituent material of optical devices such as light modulation elements.
  • the configuration of this embodiment in which the waveguide layer 20 is a lithium niobate film will be described in detail below.
  • the substrate 10 is not particularly limited as long as it has a lower refractive index than the lithium niobate film, but a substrate on which a lithium niobate film can be formed as an epitaxial film is preferable, such as a sapphire single crystal substrate, a silicon single crystal substrate, or a quartz substrate. A substrate is preferred.
  • the crystal orientation of the single crystal substrate is not particularly limited. A lithium niobate film has the property of being easily formed as a c-axis oriented epitaxial film on single crystal substrates with various crystal orientations.
  • the underlying single crystal substrate also has the same symmetry; in the case of a sapphire single crystal substrate, the c-plane, In the case of a silicon single crystal substrate, a (111) plane substrate is preferable.
  • the epitaxial film is a film that is aligned with respect to the crystal orientation of the underlying substrate or underlying film.
  • the inside of the film is defined as the XY plane and the film thickness direction is defined as the Z axis
  • the crystals are aligned in the X, Y, and Z axis directions.
  • an epitaxial film can be verified by firstly confirming the peak intensity at the alignment position by 2 ⁇ - ⁇ X-ray diffraction and secondly confirming the polar points.
  • all peak intensities other than the target plane are 10% or less, preferably 5% or less of the maximum peak intensity of the target plane.
  • the peak intensity other than the (00L) plane is 10% or less, preferably 5% or less of the maximum peak intensity of the (00L) plane.
  • (00L) is a general term for 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.
  • the 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, etc. There is a combination of two or more types.
  • the thickness of the lithium niobate film is preferably 2 ⁇ m or less. This is because if the film thickness becomes thicker than 2 ⁇ m, it becomes difficult to form a high-quality film. On the other hand, if the lithium niobate film is too thin, light confinement in the lithium niobate film becomes weak, and light leaks to the substrate 10 and the buffer layer 40. Even if an electric field is applied to the lithium niobate film, there is a risk that the change in the effective refractive index of the optical waveguide will be small. Therefore, the thickness of the lithium niobate film is preferably 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.
  • a 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 cladding layer (not shown).
  • the cladding layer used has a refractive index lower than that of the lithium niobate film and is suitable for epitaxial growth.
  • Y 2 O 3 is used as the cladding layer, a high quality lithium niobate film can be formed.
  • a method of forming a lithium niobate film a method of polishing or slicing a lithium niobate single crystal substrate thinly is also known. This method has the advantage of obtaining the same properties as a single crystal, and can be applied to the present disclosure.
  • FIG. 3 is a schematic plan view showing in detail the shapes of the first and second signal electrodes 5A and 5B.
  • each of the first and second signal electrodes 5A, 5B has a solid line portion 51 that is continuously formed without any break in the direction of travel (here, the Y direction) and a solid line portion 51 that is parallel to the solid line portion 51. It has broken line portions 52 that are disposed intermittently in the direction of travel, and a connecting portion 53 that connects the solid line portions 51 and the broken line portions 52.
  • the line width W 1 of the solid line portion 51 is preferably wider than the line width W 2 of the broken line portion 52 .
  • the propagation of microwaves can be concentrated in the solid line portion 51, thereby reducing the excess of the effective refractive index Nm of the microwave. It is possible to suppress the increase.
  • the broken line portion 52 is made up of a plurality of line segment patterns arranged at regular intervals across an insulating space of a predetermined length.
  • the line width W 2 of the broken line portion 52 is wider than the width Wr of the ridge portion, and is, for example, 1.5 to 10 ⁇ m.
  • the length La of the line segment pattern (divided portion) of the broken line portion 52 is preferably 10 to 500 ⁇ m.
  • the interval Lc between the broken line portions 52 that is, the distance between adjacent line segment patterns, is preferably as short as possible, and is preferably 1 to 50 ⁇ m. This is because the longer the interval Lc between the broken line portions 52, the more areas where an electric field cannot be applied to the ridge portion 21, leading to an increase in the half-wavelength voltage V ⁇ .
  • the connecting portion 53 is a conductor pattern that electrically connects the solid line portion 51 and the broken line portion 52.
  • One end of the connecting portion 53 in the width direction (X direction) is connected to the solid line portion 51 , and the other end in the width direction (X direction) is connected to the broken line portion 52 .
  • the length Lb of the connecting portion 53 is preferably shorter than the length La of the line segment pattern of the broken line portion 52. Thereby, the effective refractive index Nm of microwaves can be increased.
  • the length Lb of the connecting portion 53 is preferably longer than half the length La of the broken line portion 52 (Lb/La>0.5).
  • the length Lb of the connecting portion 53 is equal to the maximum distance of the forming area of the connecting portion 53 connected to one broken line portion 52. This is because if the length Lb of the connection part 53, which is the maximum distance of the formation area of the connection part 53, is too short, Nm becomes excessively large, making it difficult to match the speeds of light and microwave. Furthermore, by making the length Lb of the connecting portion 53 longer than half the length La of the broken line portion 52, even when a high dielectric constant substrate is used as the substrate, the thickness of the electrode layer can be made excessively thick. Without this, it is possible to suppress Nm from becoming excessively large and to match the speeds of light and microwave. Similar to the broken line portion 52, the connecting portion 53 is also a conductor pattern formed intermittently in the traveling direction, but the length of the line segment pattern is shorter than that of the broken line portion 52.
  • the broken line portion 52 and the connecting portion 53 constitute a protrusion that projects laterally from the solid line portion 51 of one signal electrode toward the other signal electrode.
  • each of the first and second signal electrodes 5A and 5B parallel to each other constituting the differential line is connected to the solid line portion 51 via the connection portion 53. Since the broken line part 52 and the connecting part 53 are added inside the pair of solid line parts 51 and 51, the effective refractive index Nm of the microwave can be increased. , This makes it possible to reduce the speed of the microwave and achieve speed matching between the light and the microwave.
  • the first and second waveguide sections 2A and 2B are respectively arranged directly under the pair of broken line sections 52 and 52 where the distance between the electrodes is close, the distance between the pair of ridge sections constituting the interaction section can be reduced. This allows V ⁇ L to be reduced. Furthermore, in this embodiment, since the width W2 of the broken line portion 52 is wider than the ridge width Wr, an electric field can be efficiently applied to the ridge portion 21, thereby reducing V ⁇ L.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a light modulation element according to a second embodiment of the present disclosure.
  • the light modulation element 1 is characterized in that the broken line portions 52 of the first and second signal electrodes 5A and 5B have a two-layer structure, and the width W 4 of the lower layer portion 52a is the same as that of the upper layer portion 52b. It is at a point narrower than the width W2 .
  • Other configurations are similar to the first embodiment.
  • the lower layer portion 52a of the broken line portion 52 can be formed by forming the dielectric layer 41 on the upper surface of the buffer layer 40, forming a trench pattern penetrating the dielectric layer 41, and burying an electrode material in the trench pattern. can. Thereafter, by forming the electrode layer 50 including the upper layer portion 52b, the broken line portion 52 having a downwardly convex shape in cross-sectional view is completed.
  • the electric field generated from the broken line portion 52 can be concentrated on the ridge portion 21, and the electric field efficiency can be improved and V ⁇ L can be further reduced.
  • FIG. 5 is a schematic plan view showing the structure of a light modulation element according to a third embodiment of the present disclosure.
  • this optical modulation element 1 is that one broken line section 52 is connected to a solid line section 51 via a plurality of (here, two) connection sections 53. Therefore, the length Lb of one connecting portion 53 in the Y direction in this embodiment is narrower than the length Lb of the connecting portion 53 in the first embodiment. That is, the solid line portion 51 and one of the broken line portions 52 are connected in parallel using a plurality of connection portions 53 having short lengths in the Y direction instead of one connection portion 53 having a long length in the Y direction. .
  • Other configurations are similar to the first embodiment.
  • the maximum distance Ld of the forming area of the plurality of connection parts 53 connected to one broken line part 52 is the length La of the broken line part 52, similar to the length Lb of the single connection part 53 in the first embodiment. (Ld/La>0.5) is preferable. This is because if the maximum distance Ld of the formation region of the connection portion 53 is too short, Nm becomes excessively large, making it difficult to match the speeds of light and microwave.
  • the solid line portion 51 and the broken line portion 52 are connected in parallel via the plurality of connection portions 53, and the intervals between the plurality of connection portions 53 connected to one broken line portion 52 are Since it is widened, the range in which the insulator is present between the solid line portion 51 and the broken line portion 52 becomes longer, V ⁇ L can be reduced, and the driving voltage of the optical modulation element can be lowered.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a light modulation element according to a fourth embodiment of the present disclosure.
  • the feature of this light modulation element 1 is that the electrode layer 50 is covered with a dielectric layer 60.
  • the electrode layer 50 has a solid line portion 51, a broken line portion 52, and a connecting portion 53, and the dielectric layer 60 covers the exposed surfaces of these electrode portions.
  • the dielectric layer 60 covers not only the exposed surface of the electrode pattern but also the entire exposed surface of the base layer (buffer layer 40) that is not covered by the electrode pattern.
  • the material of the dielectric layer 60 may be Al 2 O 3 , SiN, resin, or a combination of these materials. Particularly when SiN or resin is used, by reducing the film thickness, stress can be suppressed and reliability can be improved.
  • the exposed surface refers to the surface of the electrode layer 50 that is not covered with the base layer (buffer layer 40).
  • the heights of the upper surfaces of the solid line portion 51, the broken line portion 52, and the connecting portion 53 are the same. Since the upper surfaces of the solid line portion 51, the broken line portion 52, and the connecting portion 53 are flush with each other, the coverage of the dielectric layer 60 can be increased. Therefore, the effect of increasing the effective refractive index Nm of microwaves can be enhanced. Note that the same range includes errors due to manufacturing variations and errors due to surface roughness.
  • the effective refractive index Nm of microwaves can be increased.
  • FIG. 7 is a schematic plan view showing the configuration of a light modulation element according to a fifth embodiment of the present disclosure.
  • the feature of this optical modulation element 1 is that the Mach-Zehnder optical waveguide 2 has a folded structure. More specifically, the first and second waveguide sections 2A and 2B of the Mach-Zehnder optical waveguide 2 include a first straight section 2S1 and a curved section 2U that changes the traveling direction of the first straight section 2S1 by 180 degrees. and a second straight part 2S2 provided parallel to the first straight part 2S1 .
  • Both the optical input port 2i and the optical output port 2o are provided on one end side of the substrate 10 in the longitudinal direction (Y direction).
  • the first and second waveguide sections 2A and 2B of the first straight section 2S1 extend parallel to each other from one end to the other end in the longitudinal direction of the substrate 10.
  • the first and second waveguide sections 2A and 2B of the curved section 2U are formed in concentric semicircular shapes to change the traveling direction of the first straight section 2S1 by 180 degrees.
  • the first and second waveguide sections 2A and 2B of the second linear section 2S2 extend in parallel to each other from the other end in the longitudinal direction of the substrate 10 toward one end.
  • the first and second signal electrodes 5A and 5B are continuously configured along the first straight portion 2S 1 , the curved portion 2U, and the second straight portion 2S 2 of the Mach-Zehnder optical waveguide 2.
  • the interaction length can be increased, and thereby the driving voltage can be lowered.
  • the long sides of the main body of optical modulators are a major practical problem, but by folding the optical waveguide as shown in the figure, the long sides can be significantly shortened, resulting in lower driving voltage and smaller size. It is possible to achieve both.
  • an optical waveguide formed of a lithium niobate film has a characteristic that loss is small even when the radius of curvature of the curved portion 2U is reduced to about 50 ⁇ m, and is suitable for this embodiment.
  • the Mach-Zehnder optical waveguide 2 has the first straight section 2S 1 , the curved section 2U, and the second straight section 2S 2 , and the first and second signal electrodes 5A and 5B forming a differential line. is provided not only in the first and second straight portions 2S 1 and 2S 2 but also in the curved portion 2U. That is, the solid line portion 51, broken line portion 52, and connection portion 53 that constitute the first and second signal electrodes 5A and 5B are provided not only in the first and second straight portions 2S 1 and 2S 2 but also in the curved portion 2U. ing.
  • the width direction of the connecting portion 53 preferably faces the normal direction of the solid line portion 51 indicated by arrow D.
  • the technology according to the present disclosure includes, but is not limited to, the following configuration examples.
  • An optical modulation element includes a substrate and an optical material film having a ridge portion disposed on the substrate, and a waveguide including first and second waveguide portions provided in parallel to each other. , a buffer layer disposed on the first and second waveguide sections, and first and second signal electrodes provided along the first and second waveguide sections, the first and second signal electrodes are provided outside the first and second waveguide sections in a plan view and are formed continuously in the traveling direction, and a solid line section that is inside the pair of solid line sections and includes the first and second waveguide sections.
  • It has a broken line part which is provided at a position overlapping with the ridge part in plan view and is formed intermittently in the traveling direction, and a connecting part which connects the solid line part and the broken line part, and the width of the broken line part is wider than the width of the ridge part. It is also characterized by being spacious. In this way, by adding the broken line part and the connecting part to the signal electrode, it is possible to increase the effective refractive index Nm of the microwave and reduce the phase velocity, thereby achieving speed matching between light and microwave. can. Furthermore, by providing the broken line portions directly above the ridge portions constituting the first and second waveguide sections, the distance between the pair of ridge portions can be brought closer and V ⁇ L can be reduced compared to installing solid line portions. Further, since the width of the broken line portion is wider than the width of the ridge portion, an electric field can be efficiently applied to the ridge portion, and an effect of further reducing V ⁇ L can be obtained.
  • the broken line portion has an upper layer portion and a lower layer portion, and the width of the lower layer portion may be wider than the width of the ridge portion and narrower than the width of the upper layer portion. Since the broken line portion directly below the ridge portion has a downwardly convex shape, the electric field from the signal electrode can be concentrated on the ridge portion, and the effect of reducing V ⁇ L can be enhanced.
  • the light modulation element further includes a first dielectric layer provided on the buffer layer, an upper layer portion of the broken line portion is provided on the first dielectric layer, and a lower layer portion of the broken line portion is provided on the first dielectric layer.
  • the portion may be embedded within a trench pattern formed in the first dielectric layer. The electric field generated from the broken line portion can be concentrated on the ridge portion, and the electric field efficiency can be improved and further reduced.
  • the width of the solid line portion may be wider than the width of the broken line portion. By widening the width of the solid line portion, transmission of microwaves is concentrated in the solid line portion, so that it is possible to suppress an excessive increase in the effective refractive index Nm of the microwave.
  • the maximum distance between both ends of the connecting portion in the traveling direction may be equal to or more than half the length of the line segment pattern forming the broken line portion. Excessive increase in Nm is suppressed by increasing the distance between the connection parts connected to one line segment pattern forming the broken line part. By suppressing the increase in Nm, the electrode height is prevented from increasing and it is difficult to fall down.
  • Each of the line segment patterns forming the broken line portion may be connected in parallel to the solid line portion via a plurality of connections.
  • the connection part consists of one thick conductor pattern
  • the connection part by making the connection part a plurality of thin conductor patterns, the effect of reducing V ⁇ L can be enhanced.
  • the light modulation element may further include a second dielectric layer covering the exposed surfaces of the first and second signal electrodes.
  • a second dielectric layer covering the exposed surfaces of the first and second signal electrodes.
  • the solid line portion, the broken line portion, and the connection portion may be arranged so that their respective upper surfaces are on the same surface.
  • the dielectric layer may be made of resin or SiN.
  • resin or SiN By using an organic resin or SiN with a high dielectric constant, the film thickness can be reduced and reliability can be improved.
  • the first and second waveguide parts have a straight part and a curved part, and the broken line parts of the first and second signal electrodes are different from the first and second waveguide parts in both the straight part and the curved part in plan view. may overlap. As a result, an electric field is applied to the first and second waveguide parts even in the curved part, so that the interaction part becomes longer and the driving voltage is reduced.
  • the connecting portion may be approximately parallel to the normal direction of the solid line portion.
  • the value of Nm does not change in the curved portion, so that speed matching of light and microwave can be achieved.
  • the influence of the dimensions of the signal electrode in the optical modulation element according to the present disclosure on the effective refractive index Nm of microwaves was evaluated by simulation.
  • FIG. 8 is a graph showing the change in Nm when the connection area length Ld is changed, where the horizontal axis shows the connection area length/dashed line length ratio Ld/La (%), and the vertical axis shows Nm. There is.
  • FIG. 9 is a graph showing the change in Nm when the width SH of the connection part is changed, and the horizontal axis shows the width SH ( ⁇ m) of the connection part, and the vertical axis shows Nm.
  • FIG. 10 is a graph showing changes in Nm when changing the thickness T of the electrode layer, where the horizontal axis shows the thickness T ( ⁇ m) of the electrode layer, and the vertical axis shows Nm.
  • Nm As shown in FIG. 10, it can be seen that as the thickness T of the electrode layer increases, Nm decreases. In order to increase Nm, it is desirable to reduce the thickness T of the electrode layer.

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Abstract

【課題】光とマイクロ波の速度整合と低駆動電圧化の両立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）上に配置されたリッジ部を有する光学材料膜からなり、互いに平行に設けられた第１及び第２導波路部（２Ａ，２Ｂ）と、第１及び第２導波路部（２Ａ，２Ｂ）上に配置されたバッファ層と、第１及び第２導波路部（２Ａ，２Ｂ）に沿って設けられた第１及び第２信号電極（５Ａ，５Ｂ）とを備える。第１及び第２信号電極（５Ａ，５Ｂ）の各々は、平面視で第１及び第２導波路部（２Ａ，２Ｂ）の外側に設けられ、進行方向に連続的に設けられた実線部（５１）と、第１及び第２導波路部（２Ａ，２Ｂ）と平面視で重なる位置に設けられ、進行方向に断続的に設けられた破線部（５２）と、実線部（５１）と破線部（５２）とを接続する接続部（５３）とを有する。破線部（５２）の幅（Ｗ２）はリッジ部の幅（Ｗｒ）よりも広い。

Description

光変調素子
　本開示は、光変調素子に関する。
　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光変調器が実用化されている。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１には、サファイア単結晶基板上にエピタキシャル成長によりｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜を形成し、そのニオブ酸リチウム膜を光導波路として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。ただし、さらなる広帯域化のためには高周波損失の低減と低駆動電圧化の両立が課題となっている。また、広帯域化のためには光とマイクロ波の速度整合が必要である。
　光とマイクロ波の速度整合に関し、例えば特許文献２には、一対の略平行な導体ストリップに細いフィンを追加して、一対の導体ストリップが容量性結合されるように構成された低速波電極構造が開示されている。この電極構造によれば、ストリップ間の単位長さ当たりのキャパシタンスを実質的に増加させて、マイクロ波信号の位相速度を低速化することができる。したがって、光とマイクロ波の速度整合が可能となる。
　また、特許文献３には、光信号を伝送する導波路とマイクロ波を伝送する電極を含む電気光学デバイスが記載されている。導波路は、電気光学効果を有する少なくとも１つの光学材料を含み、電極は、チャネル領域と、チャネル領域から突出する複数の延長部を含む。電極の延長部はチャネル領域よりも導波路の一部に近いので、光信号とマイクロ波信号との間の速度の不一致を低減することが可能である。また特許文献３には、一対の信号電極（Ｓ）の外側に一対のグランド電極（Ｇ）が配置された、いわゆるＧＳＳＧ電極構造も開示されている。
特許第６４５６６６２号公報 特表平６－５１０３７８号公報 米国特許出願公開第２０２１／０１５７１７７号明細書
　しかしながら、特許文献２および特許文献３に記載された従来の電極構造は、信号電極に突起部を追加しているため、電極の全幅が広くなり、光導波路に対する電界効率が悪化し、駆動電圧が高くなる。そのため、光とマイクロ波の速度整合と低駆動電圧化の両立ができない。
　本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光とマイクロ波の速度整合と低駆動電圧化の両立が可能な光変調素子を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本開示による光変調素子は、基板と、基板上に配置されたリッジ部を有する光学材料膜からなり、互いに平行に設けられた第１及び第２導波路部と、第１及び第２導波路部上に配置されたバッファ層と、第１及び第２導波路部に沿って設けられた第１及び第２信号電極とを備え、第１及び第２信号電極の各々は、平面視で第１及び第２導波路部の外側に設けられ、進行方向に連続的に設けられた実線部と、一対の実線部の内側であって第１及び第２導波路部と平面視で重なる位置に設けられ、進行方向に断続的に設けられた破線部と、実線部と破線部とを接続する接続部とを有し、破線部の幅はリッジ部の幅よりも広いことを特徴とする。
　本開示によれば、光とマイクロ波の速度整合と低駆動電圧化の両立が可能な光変調素子を提供することができる。
図１は、本開示の第１の実施態様による光変調素子の構成を示す略平面図であって、（ａ）は光導波路パターン、（ｂ）は光導波路パターンに重ねた電極パターンをそれぞれ示している。 図２（ａ）及び（ｂ）は、図１に示した光変調素子の略断面図であって、図２（ａ）は図１（ｂ）のＸ１－Ｘ１線に沿った断面図、図２（ｂ）は図１（ｂ）のＸ２－Ｘ２線に沿った断面図である。 図３は、第１及び第２信号電極の構成を詳細に示す略平面図である 図４は、本開示の第２の実施態様による光変調素子の構造を示す略断面図である。 図５は、本開示の第３の実施態様による光変調素子の構造を示す略平面図である。 図６は、本開示の第４の実施態様による光変調素子の構造を示す略断面図である。 図７は、本開示の第５の実施態様による光変調素子の構成を示す略平面図である。 図８は、接続部領域長Ｌｄとマイクロ波の実効屈折率Ｎｍとの関係を示すグラフである。 図９は、接続部の幅ＳＨとマイクロ波の実効屈折率Ｎｍとの関係を示すグラフである。 図１０は、電極層の厚さＴとマイクロ波の実効屈折率Ｎｍ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、本開示の好ましい実施態様について詳細に説明する。
　図１（ａ）及び（ｂ）は、本開示の第１の実施態様による光変調素子の構成を示す略平面図であって、図１（ａ）は光導波路パターンを単独で示す図、図１（ｂ）は電極パターンを光導波路パターンに重ねて示す図である。
　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導波路部２Ａ，２Ｂを有するマッハツェンダー光導波路２と、第１導波路部２Ａに沿って設けられた第１信号電極５Ａと、第２導波路部２Ｂに沿って設けられた第２信号電極５Ｂとを備えている。
　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であって、入力導波路部２Ｃと、入力導波路部２Ｃを伝搬する光を分波する分波部２Ｄと、分波部２Ｄから延びて互いに平行に設けられた第１及び第２導波路部２Ａ，２Ｂと、第１及び第２導波路部２Ａ，２Ｂを伝搬する光を合波する合波部２Ｅと、合波部２Ｅから出力される光を伝搬する出力導波路部２Ｆとを有している。
　図示のように、マッハツェンダー光導波路２は基板１０の長手方向（Ｙ方向）に延在しており、入力導波路部２Ｃの一端である光入力ポート２ｉは基板１０の長手方向の一端側に設けられている。また、出力導波路部２Ｆの一端である光出力ポート２ｏは基板１０の長手方向の他端側に設けられている。光入力ポート２ｉに入力された入力光は、入力導波路部２Ｃを進行し、分波部２Ｄで分波されて第１及び第２導波路部２Ａ，２Ｂをそれぞれ進行した後、合波部２Ｅで合波され、出力導波路部２Ｆの光出力ポート２ｏから変調光として出力される。
　第１及び第２信号電極５Ａ，５Ｂは第１及び第２導波路部２Ａ，２Ｂにマイクロ波信号を印加するために設けられており、マッハツェンダー光導波路２と共に光変調素子１の相互作用部を構成している。第１及び第２信号電極５Ａ，５Ｂは、平面視で第１及び第２導波路部２Ａ，２Ｂと重なる部分を有する略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信号電極５Ａの一端及び他端は、引き出し部５６ａ，５７ａによって基板１０の幅方向（Ｘ方向）の一方の外周端近傍まで引き出されており、第２信号電極５Ｂの一端及び他端もまた、引き出し部５６ｂ，５７ｂによって基板１０の幅方向の一方の外周端近傍まで引き出されている。
　第１及び第２信号電極５Ａ，５Ｂそれぞれの一端は、引き出し部５６ａ，５６ｂを介して、基板１０の幅方向の一方の外周端近傍に設けられた一対の端子部５８ａ，５８ｂにそれぞれ接続されている。一対の端子部５８ａ，５８ｂは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７が接続される。第１及び第２信号電極５Ａ，５Ｂそれぞれの他端は、引き出し部５７ａ，５７ｂを介して、基板１０の幅方向の一方の外周端近傍に設けられた一対の端子部５９ａ，５９ｂにそれぞれ接続されている。一対の端子部５９ａ，５９ｂは終端抵抗８を介して互いに接続されている。
　第１及び第２信号電極５Ａ，５Ｂの各々は、進行方向に向かって切れ目なく連続的に形成された実線部５１と、実線部５１と平行に設けられ、進行方向に向かって断続的に形成された破線部５２と、実線部５１と破線部５２とを接続する接続部５３とを有している。
　一対の実線部５１，５１は、互いに平行な第１及び第２導波路部２Ａ，２Ｂの外側であって、第１及び第２導波路部２Ａ，２Ｂと平面視で重ならない位置に設けられている。すなわち、第１信号電極５Ａの実線部５１は第１導波路部２Ａの近傍に配置されているが、第１導波路部２Ａとは平面視で重ならない。同様に、第２信号電極５Ｂの実線部５１は第２導波路部２Ｂの近傍に配置されているが、第２導波路部２Ｂとは平面視で重ならない。
　一方、一対の破線部５２，５２は、一対の実線部５１，５１の内側であって、第１及び第２導波路部２Ａ，２Ｂと平面視で重なる位置に設けられている。すなわち、第１信号電極５Ａの破線部５２は、第１導波路部２Ａの直上に配置されている。同様に、第２信号電極５Ｂの破線部５２は第２導波路部２Ｂの直上に配置されている。
　本実施態様において、破線部５２及び接続部５３は、第１及び第２信号電極５Ａ，５Ｂの一方から他方に向かって横方向に突き出た突起部を構成している。このように突起部を信号電極の延在方向に沿って周期的に設けて第１信号電極５Ａと第２信号電極５Ｂとの線間距離を局所的に近づけることでストリップ導体の単位長さ当たりのキャパシタンスを増加させることができ、マイクロ波の実効屈折率Ｎｍを大きくすることができる。これにより、マイクロ波の速度を減速させて光とマイクロ波の速度整合を図ることができる。
　第１及び第２信号電極５Ａ，５Ｂ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導波路部２Ａ，２Ｂはニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する光学材料からなるので、第１及び第２導波路部２Ａ，２Ｂに与えられる電界によって第１及び第２導波路部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部２Ｆから出力される。
　図２（ａ）及び（ｂ）は、図１に示した光変調素子の略断面図であって、図２（ａ）は図１（ｂ）のＸ１－Ｘ１線に沿った断面図、図２（ｂ）は図１（ｂ）のＸ２－Ｘ２線に沿った断面図である。
　図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、光変調素子１は、基板１０、導波路層２０、保護層３０、バッファ層４０、及び電極層５０がこの順で積層された多層構造を有している。
　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路層２０が形成されている。導波路層２０は、突出した部分であるリッジ部２１と、リッジ部２１の両側に設けられた膜厚が薄い部分であるスラブ部２２とを有し、リッジ部２１が第１及び第２導波路部２Ａ，２Ｂを含むマッハツェンダー光導波路２を構成している。本実施態様において、リッジ部２１の幅Ｗｒ（リッジ幅）は０．５～５μｍとすることができる。
　リッジ部２１は光導波路の中心となる部分であり、上方に突き出した場所を指す。この上方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２１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２１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。リッジ部２１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。
　保護層３０は、導波路層２０の上面のうちリッジ部２１が形成されていない領域の全面を覆っており、リッジ部２１の側面も保護層３０に覆われているので、リッジ部２１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３０の厚さは導波路層２０のリッジ部２１の高さとほぼ同じである。保護層３０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４０は、第１及び第２導波路部２Ａ，２Ｂ中を伝搬する光が第１及び第２信号電極に吸収されることを防ぐため、少なくともリッジ部２１の上面に形成されるものである。保護層３０を省略し、リッジ部２１の上面と側面をバッファ層４０で覆ってもよい。バッファ層４０は、導波路層２０よりも屈折率が小さく、透明性が高い誘電体材料（誘電体層）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２１の上面上のバッファ層４０の厚さは０．２～２μｍ程度であればよい。
　バッファ層４０は厚いほど電極の光吸収を低減でき、薄いほど光導波路に高い電界を印加できる。電極の光吸収と電極の印加電圧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４０は誘電率が高いほどＶπＬを低減でき、屈折率が低いほどバッファ層４０を薄くできる。ＶπＬは、光の位相を半波長（π）分シフトするのに必要な駆動電圧、すなわち半波長電圧Ｖπと、光変調素子の相互作用部の長さＬとの積であり、光変調素子の性能を示す指数である。ＶπＬの値が小さいほど変調効率が高く、高性能であることを意味する。
　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５０は第１及び第２導波路部２Ａ，２Ｂと相互作用部を構成する第１及び第２信号電極５Ａ，５Ｂを含む。上記のように、第１及び第２信号電極５Ａ，５Ｂの各々は、第１及び第２導波路部２Ａ，２Ｂに沿って設けられた実線部５１と、実線部５１と平行に設けられた破線部５２と、実線部５１と破線部５２とを接続する接続部５３とを有する。実線部５１の幅Ｗ１は破線部５２の幅Ｗ２よりも広いことが好ましい。これにより、マイクロ波の伝搬を実線部５１に集中させてマイクロ波の実効屈折率Ｎｍの過剰な増加を抑制することができる。
　本実施態様において、光導波路を構成するリッジ部２１は破線部５２の直下に配置されている。電極間距離が離れている一対の実線部５１の直下ではなく、電極間距離が近い一対の破線部５２の直下に光導波路を配置することにより、相互作用部を構成する一対のリッジ部間距離を小さくすることができ、これによりＶπＬを低減することができる。
　破線部５２の幅Ｗ２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導波路部２Ａ，２Ｂのリッジ幅Ｗｒよりも少し広い程度であることが好ましい。すなわち、本実施態様では、平面視で進行方向と直交する方向における破線部５２の内縁と外縁との間にリッジ部２１が収まるように配置される。第１及び第２信号電極５Ａ，５Ｂからの電界をリッジ部２１に集中させるためには、第１及び第２信号電極５Ａ，５Ｂの破線部５２の幅Ｗ２は、第１及び第２導波路部２Ａ，２Ｂのリッジ幅Ｗｒの１．０５～１５倍であることが好ましく、１．２～１０倍であることがより好ましい。
　接続部５３のＸ方向の幅ＳＨは、求められるＮｍによっても異なるが、１～５０μｍが好ましい。接続部５３の幅ＳＨが広くなるほど突出部の長さが増加するため、差動線路の単位長さ当たりのキャパシタンスが増加してＮｍが大きくなる。したがって、光とマイクロ波との速度整合が図られるように接続部５３の幅ＳＨを適切に設定する必要がある。なお、リッジ幅Ｗｒ、実線部５１の幅Ｗ１、破線部５２の幅Ｗ２及び接続部５３の幅ＳＨは、進行方向及び積層方向と直交する方向であるＸ方向の長さ寸法である。
　本実施態様において、実線部５１、破線部５２及び接続部５３の上面の高さは等しい。Ｎｍを大きくするためには、電極層５０の厚さＴをできるだけ厚くすることが望ましいが、非常に厚い電極層５０を形成することは製造プロセス上困難である。そのため、電極層５０の厚さＴを過度に厚くすることなく、破線部５２及び接続部５３の形状を最適化することでＮｍを増加させることが望ましい。
　導波路層２０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、導波路層２０をニオブ酸リチウム膜とした場合の本実施態様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、シリコン単結晶基板もしくはクォーツ基板が好ましい。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、本開示では、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４０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、本開示に適用することが可能である。
　図３は、第１及び第２信号電極５Ａ，５Ｂの形状を詳細に示す略平面図である
　図３に示すように、第１及び第２信号電極５Ａ，５Ｂの各々は、進行方向（ここではＹ方向）に向かって切れ目なく連続的に形成された実線部５１と、実線部５１と平行に設けられ、進行方向に向かって断続的に形成された破線部５２と、実線部５１と破線部５２とを接続する接続部５３とを有している。
　本実施態様において、実線部５１の線幅Ｗ１は破線部５２の線幅Ｗ２よりも広いことが好ましい。実線部５１の線幅Ｗ１を破線部５２の線幅Ｗ２よりも広くすることで、マイクロ波の伝搬を実線部５１に集中させることができ、これによりマイクロ波の実効屈折率Ｎｍの過剰な増大を抑制することができる。
　破線部５２は、所定長さの絶縁スペースを隔てて一定間隔で配置された複数の線分パターンからなる。破線部５２の線幅Ｗ２はリッジ部の幅Ｗｒよりも広く、例えば１．５～１０μｍである。破線部５２の線分パターン（分割部）の長さＬａは、１０～５００μｍであることが好ましい。また破線部５２の間隔Ｌｃ、すなわち隣接する線分パターン間の距離はできるだけ短いほうがよく、１～５０μｍであることが好ましい。破線部５２の間隔Ｌｃが長くなるほどリッジ部２１に電界を印加できない区間が増えて半波長電圧Ｖπの増加につながるからである。
　接続部５３は、実線部５１と破線部５２とを電気的に接続する導体パターンである。接続部５３の幅方向（Ｘ方向）の一端は実線部５１に接続されており、幅方向（Ｘ方向）の他端は破線部５２に接続されている。接続部５３の長さＬｂは、破線部５２の線分パターンの長さＬａよりも短いことが好ましい。これにより、マイクロ波の実効屈折率Ｎｍを大きくすることができる。本実施態様において、接続部５３の長さＬｂは破線部５２の長さＬａの半分よりも長い（Ｌｂ／Ｌａ＞０．５）ことが好ましい。すなわち、本実施態様では、接続部５３の長さＬｂが一つの破線部５２に接続される接続部５３の形成領域の最大距離と等しくなる。接続部５３の形成領域の最大距離である接続部５３の長さＬｂが短すぎるとＮｍが過剰に大きくなることにより光とマイクロ波との速度整合が難しくなるからである。また、接続部５３の長さＬｂを破線部５２の長さＬａの半分よりも長くすることで、基板に高誘電率基板を用いた場合であっても、電極層の厚さを過度に厚くすることなく、Ｎｍが過剰に大きくなることを抑制し、光とマイクロ波との速度整合が可能となる。接続部５３も、破線部５２と同様に、進行方向に断続的に形成された導体パターンであるが、破線部５２よりも線分パターンの長さが短い。
　本実施態様において、破線部５２及び接続部５３は一方の信号電極の実線部５１から他方の信号電極に向かって横方向に突き出た突起部を構成している。このように突起部を周期的に設けて第１信号電極５Ａと第２信号電極５Ｂとの線間距離を局所的に近づけることでストリップ導体の単位長さ当たりのキャパシタンスを増加させてマイクロ波の実効屈折率を増加させることができる。したがって光とマイクロ波の速度整合を図ることができる。
　以上説明したように、本実施態様による光変調素子１は、差動線路を構成する互いに平行な第１及び第２信号電極５Ａ，５Ｂの各々が実線部５１と、接続部５３を介して実線部５１に接続された破線部５２とを備え、一対の実線部５１，５１の内側に破線部５２及び接続部５３が追加されているので、マイクロ波の実効屈折率Ｎｍを大きくすることができ、これによりマイクロ波の速度を低減して光とマイクロ波の速度整合を図ることができる。また、第１及び第２導波路部２Ａ，２Ｂは電極間距離が近い一対の破線部５２，５２の直下にそれぞれ配置されているので、相互作用部を構成する一対のリッジ部間距離を近づけることができ、これによりＶπＬを低減することができる。さらに、本実施態様においては破線部５２の幅Ｗ２がリッジ幅Ｗｒよりも広いので、リッジ部２１に電界を効率的にかけることができ、これによりＶπＬを低減することができる。
　図４は、本開示の第２の実施態様による光変調素子の構造を示す略断面図である。
　図４に示すように、この光変調素子１の特徴は、第１及び第２信号電極５Ａ，５Ｂの破線部５２が二層構造を有し、下層部５２ａの幅Ｗ４が上層部５２ｂの幅Ｗ２よりも狭い点にある。その他の構成は第１の実施態様と同様である。
　破線部５２の下層部５２ａは、バッファ層４０の上面に誘電体層４１を形成し、誘電体層４１を貫通するトレンチパターンを形成し、トレンチパターン内に電極材料を埋め込むことにより形成することができる。その後、上層部５２ｂを含む電極層５０を形成することにより、断面視で下凸形状を有する破線部５２が完成する。
　本実施態様によれば、破線部５２から発生する電界をリッジ部２１に集中させることができ、電界効率を向上させてＶπＬをさらに低減することができる。
　図５は、本開示の第３の実施態様による光変調素子の構造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１の特徴は、一つの破線部５２が複数（ここでは２つ）の接続部５３を介して実線部５１に接続されている点にある。そのため、本実施態様における一つの接続部５３のＹ方向の長さＬｂは、第１の実施態様における接続部５３の長さＬｂよりも狭い。すなわち、Ｙ方向の長さが長い１本の接続部５３ではなく、Ｙ方向の長さが短い複数の接続部５３を用いて実線部５１と破線部５２の一つとを並列接続するものである。その他の構成は第１の実施態様と同様である。
　一つの破線部５２に接続される複数の接続部５３の形成領域の最大距離Ｌｄは、第１の実施態様における単一の接続部５３の長さＬｂと同様に、破線部５２の長さＬａの半分よりも長い（Ｌｄ／Ｌａ＞０．５）ことが好ましい。接続部５３の形成領域の最大距離Ｌｄが短すぎるとＮｍが過剰に大きくなり、光とマイクロ波との速度整合が難しくなるからである。また、一つの破線部５２に接続される複数の接続部５３の形成領域の最大距離Ｌｄを破線部５２の長さＬａの半分よりも長くすることで、基板に高誘電率基板を用いた場合であっても、電極層の厚さを過度に厚くすることなく、Ｎｍが過剰に大きくなることを抑制し、光とマイクロ波との速度整合が可能となる。なお、マイクロ波の速度変化においては、実線部５１から破線部５２への分波点と破線部５２から実線部５１への合波点の長さが重要となる。したがって、本実施態様では、接続部５３の形成領域の最大距離Ｌｄを一定とした場合の接続部５３の長さＬｂと複数の接続部５３の間の距離Ｌｅの値がＮｍへ与える影響は小さい。
　以上説明したように、本実施態様によれば、複数の接続部５３を介して実線部５１と破線部５２とを並列接続し、一つの破線部５２に接続される複数の接続部５３の間隔を広げているので、実線部５１と破線部５２の間に絶縁体を有する範囲が長くなり、ＶπＬを小さくすることができ、光変調素子の低駆動電圧化を図ることができる。
　図６は、本開示の第４の実施態様による光変調素子の構造を示す略断面図である。
　図６に示すように、この光変調素子１の特徴は、電極層５０が誘電体層６０に覆われている点にある。上記のように、電極層５０は、実線部５１、破線部５２及び接続部５３を有し、誘電体層６０はこれらの電極部の露出面を覆っている。さらに誘電体層６０は、電極パターンの露出面のみならず、電極パターンに覆われていない下地層（バッファ層４０）の露出面全体を覆っている。誘電体層６０の材料は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮ、樹脂など、もしくはその複数材料の組合せを用いることができる。特にＳｉＮや樹脂を用いた場合には、膜厚を薄くすることで応力を抑制し信頼性を向上させることができる。ここで、露出面とは、電極層５０における下地層（バッファ層４０）に覆われていない表面のことである。
　実線部５１、破線部５２及び接続部５３の上面の高さは同一であることが好ましい。実線部５１、破線部５２及び接続部５３の上面が面一であることで誘電体層６０の被覆率を高めることができる。したがって、マイクロ波の実効屈折率Ｎｍを大きくする効果を高めることができる。なお、同一には製造ばらつきによる誤差や面粗さ等による誤差は同一の範囲に含まれるものとする。
　以上のように、本実施態様によれば、電極層５０を誘電体層６０で被覆することでマイクロ波の実効屈折率Ｎｍを大きくすることができる。
　図７は、本開示の第５の実施態様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１の特徴は、マッハツェンダー光導波路２が折り返し構造を有している点にある。より具体的には、マッハツェンダー光導波路２の第１及び第２導波路部２Ａ，２Ｂは、第１直線部２Ｓ１と、第１直線部２Ｓ１の進行方向を１８０度転換する湾曲部２Ｕと、第１直線部２Ｓ１と平行に設けられた第２直線部２Ｓ２とを有している。
　光入力ポート２ｉ及び光出力ポート２ｏはともに基板１０の長手方向（Ｙ方向）の一端側に設けられている。第１直線部２Ｓ１の第１及び第２導波路部２Ａ，２Ｂは、基板１０の長手方向の一端側から他端側に向かって互いに平行に進行する。湾曲部２Ｕの第１及び第２導波路部２Ａ，２Ｂは、第１直線部２Ｓ１の進行方向を１８０度転換するため同心半円状に形成されている。第２直線部２Ｓ２の第１及び第２導波路部２Ａ，２Ｂは、基板１０の長手方向の他端側から一端側に向かって互いに平行に進行する。
　第１及び第２信号電極５Ａ，５Ｂは、マッハツェンダー光導波路２の第１直線部２Ｓ１、湾曲部２Ｕ及び第２直線部２Ｓ２に沿って連続的に構成されている。一対の信号電極を光導波路の直線部のみならず湾曲部に沿ってできるだけ長く形成することで相互作用長を長くすることができ、これにより駆動電圧を低くすることができる。光変調素子では本体の長辺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その長辺を大幅に短くでき、低駆動電圧化と小型化の両立が可能である。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２Ｕの曲率半径を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、本実施態様に適している。
　上記のように、マッハツェンダー光導波路２は第１直線部２Ｓ１、湾曲部２Ｕ及び第２直線部２Ｓ２を有しており、差動線路を構成する第１及び第２信号電極５Ａ，５Ｂは第１及び第２直線部２Ｓ１，２Ｓ２のみならず湾曲部２Ｕにも設けられている。すなわち、第１及び第２信号電極５Ａ，５Ｂを構成する実線部５１、破線部５２及び接続部５３は、第１及び第２直線部２Ｓ１，２Ｓ２のみならず湾曲部２Ｕにも設けられている。
　湾曲部２Ｕにおいて、接続部５３の幅方向は、矢印Ｄで示す実線部５１の法線方向を向いていることが好ましい。このように破線部５２のみならず接続部５３も湾曲部２Ｕの湾曲形状に合わせて形成することにより、湾曲部２Ｕにおいてもマイクロ波の実効屈折率Ｎｍの値が変化せず、光とマイクロ波との速度整合を図ることができる。
　本実施態様によれば、第１の実施態様による光変調素子の効果に加えて、光導波路の直線部のみならず湾曲部にも電界を印加することができ、光とマイクロ波との相互作用長を長くすることができ、低駆動電圧化を図ることができる。
　以上、本開示の好ましい実施態様について説明したが、本開示は、上記の実施態様に限定されることなく、本開示の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本開示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。
　本開示に係る技術には、以下の構成例が含まれるが、これに限定されるものではない。
　本開示の一実施態様による光変調素子は、基板と、基板上に配置されたリッジ部を有する光学材料膜からなり、互いに平行に設けられた第１及び第２導波路部を含む導波路と、第１及び第２導波路部上に配置されたバッファ層と、第１及び第２導波路部に沿って設けられた第１及び第２信号電極とを備え、第１及び第２信号電極の各々は、平面視で第１及び第２導波路部の外側に設けられ、進行方向に連続的に形成された実線部と、一対の実線部の内側であって第１及び第２導波路部と平面視で重なる位置に設けられ、進行方向に断続的に形成された破線部と、実線部と破線部とを接続する接続部とを有し、破線部の幅はリッジ部の幅よりも広いことを特徴とする。このように、信号電極に破線部と接続部を追加することでマイクロ波の実効屈折率Ｎｍを増大させて位相速度を低減することができ、これにより光とマイクロ波の速度整合を図ることができる。また第１及び第２導波路部を構成するリッジ部の直上に破線部を設置することで、実線部を設置するよりも一対のリッジ部間の距離を近づけてＶπＬを低減することができる。また、破線部の幅がリッジ部の幅よりも広いので、リッジ部に電界を効率的にかけることができ、ＶπＬのさらなる低減効果を得ることができる。
　破線部は上層部と下層部を有し、下層部の幅はリッジ部の幅よりも広く且つ上層部の幅よりも狭くてもよい。リッジ部の直下の破線部が下凸形状を有することで信号電極からの電界をリッジ部に集中させることができ、ＶπＬの低減効果を高めることができる。
　本開示の一実施態様による光変調素子は、バッファ層上に設けられた第１誘電体層をさらに備え、破線部の上層部は第１誘電体層上に設けられており、破線部の下層部は前記第１誘電体層に形成されたトレンチパターン内に埋め込まれていてもよい。破線部から発生する電界をリッジ部に集中させることができ、電界効率を向上させてさらに低減することができる。
　実線部の幅は破線部の幅よりも広くてもよい。実線部の幅を広くすることでマイクロ波の伝送が実線部に集中するので、マイクロ波の実効屈折率Ｎｍの過剰な増大を抑制することができる。
　接続部の進行方向の両端間の最大距離は、破線部を構成する線分パターンの長さの半分以上であってもよい。破線部を構成する一つの線分パターンに接続される接続部の間隔を離すことで、Ｎｍの過剰な増大を抑制する。Ｎｍの増大を抑えることで、電極高さが高くなるのを防ぎ、倒れにくくする。
　破線部を構成する線分パターンの各々は、複数の接続部を介して実線部に並列接続されていてもよい。接続部が１本の太い導体パターンからなる場合に比べ、接続部を複数本の細い導体パターンとすることで、ＶπＬの低減効果を高めることができる。
　一実施態様による光変調素子は、第１及び第２信号電極の露出面を覆う第２誘電体層をさらに備えていてもよい。第１及び第２信号電極を誘電体層で被覆することでマイクロ波の実効屈折率Ｎｍを増大させることができる。
　実線部、破線部及び接続部は、それぞれの上面が同一面となるように配置されていてもよい。電極が同一面にあることで、誘電体層で被覆できる範囲が広くなり、Ｎｍの増大効果を高めることができる。
　誘電体層は樹脂又はＳｉＮであってもよい。誘電率が大きい有機樹脂やＳｉＮを用いることで膜厚が薄くなり、信頼性が向上する。
　第１及び第２導波路部は、直線部と湾曲部を有し、第１及び第２信号電極の破線部は、直線部及び湾曲部の両方において第１及び第２導波路部と平面視で重なっていてもよい。これにより、湾曲部においても第１及び第２導波路部に電界が印加されるため、相互作用部が長くなり、駆動電圧が低減する。
　湾曲部において、接続部は実線部の法線方向に対してほぼ平行であってもよい。これにより、湾曲部においてＮｍの値が変化しないので、光とマイクロ波の速度整合を図ることができる。
　本開示による光変調素子における信号電極の寸法がマイクロ波の実効屈折率Ｎｍに与える影響をシミュレーションにより評価した。光変調素子の基本形状は、図５の電極構造において電極層の厚さＴ＝６μｍ、実線部の幅Ｗ１＝１０μｍ、破線部の幅Ｗ２＝６μｍ、接続部の幅ＳＨ＝８μｍ、破線部の線分パターンの長さ（破線部長Ｌａ）に対するその線分パターンに接続される複数の接続部の形成領域の最大距離（接続部領域長Ｌｄ）の比Ｌｄ／Ｌａ（百分率）＝５０％、光の実効屈折率Ｎｏ（Ｎｍ目標値）＝２．２６とした。
　図８は、接続部領域長Ｌｄを変化させたときのＮｍの変化を示すグラフであって、横軸は接続部領域長／破線部長比Ｌｄ／Ｌａ（％）、縦軸はＮｍを示している。
　図８に示すように、接続部領域長Ｌｄが相対的に長くなるほどＮｍは小さくなることが分かる。本実施例においてＮｍ＝２．２６を実現するためには、Ｌｄ／Ｌａ≒７３％にする必要があることが分かる。Ｎｍを大きくするためには接続部領域長Ｌｄを短くすることが望ましいが、接続部領域長Ｌｄが短すぎるとＮｍが約２．４と過剰に大きくなる。そのため、接続部領域長／破線部長の比率（百分率）は５０％以上であることが好ましい。
　図９は、接続部の幅ＳＨを変化させたときのＮｍの変化を示すグラフであって、横軸は接続部の幅ＳＨ（μｍ）、縦軸はＮｍをそれぞれ示している。
　図９に示すように、接続部の幅ＳＨが広くなるほどＮｍは大きくなることが分かる。本実施例においてＮｍ＝２．２６を実現するためには、ＳＨ≒５μｍにする必要があることが分かる。
　図１０は、電極層の厚さＴを変化させたときのＮｍの変化を示すグラフであって、横軸は電極層の厚さＴ（μｍ）、縦軸はＮｍをそれぞれ示している。
　図１０に示すように、電極層の厚さＴが厚くなるほどＮｍは小さくなることが分かる。Ｎｍを大きくするためには電極層の厚さＴを薄くすることが望ましい。ここで、Ｔ＝２μｍのときＮｍ＝２．５３、Ｔ＝６μｍのときＮｍ＝２．３９となることから、Ｎｍ＝２．２６とするためには電極層の厚さＴをさらに厚くする必要があることが分かる。しかし、厚い電極層を形成することは製造プロセス上困難であり、電極層の厚さを過度に厚くすると電極の倒れ込みが発生するなどの問題もある。したがって、電極層の厚さＴを厚くすることなく、接続部領域長などの他のパラメータを調整することでＮｍを調整することが望ましい。
１　　光変調素子
２　　マッハツェンダー光導波路
２Ａ　　第１導波路部
２Ｂ　　第２導波路部
２Ｃ　　入力導波路部
２Ｄ　　分波部
２Ｅ　　合波部
２Ｆ　　出力導波路部
２Ｓ１　　第１直線部
２Ｓ２　　第２直線部
２Ｕ　　湾曲部
２ｉ　　光入力ポート
２ｏ　　光出力ポート
５Ａ　　第１信号電極
５Ｂ　　第２信号電極
７　　ドライバ回路
８　　終端抵抗
１０　　基板
２０　　導波路層
２１　　リッジ部
２２　　スラブ部
３０　　保護層
４０　　バッファ層
４１　　誘電体層
５０　　電極層
５１　　実線部
５２　　破線部
５２ａ　　破線部の下層部
５２ｂ　　破線部の上層部
５３　　接続部
５６ａ，５７ａ　　第１信号電極の引き出し部
５６ｂ，５７ｂ　　第２信号電極の引き出し部
５８ａ，５９ａ　　第１信号電極の端子部
５８ｂ，５９ｂ　　第２信号電極の端子部
６０　　誘電体層

Claims (10)

  1. 　基板と、
    　前記基板上に配置されたリッジ部を有する光学材料膜からなり、互いに平行に設けられた第１及び第２導波路部と、
    　前記第１及び第２導波路部上に配置されたバッファ層と、
    　前記第１及び第２導波路部に沿って設けられた第１及び第２信号電極とを備え、
    　前記第１及び第２信号電極の各々は、
    　平面視で前記第１及び第２導波路部の外側に設けられ、進行方向に連続的に設けられた実線部と、
    　一対の前記実線部の内側であって前記第１及び第２導波路部と平面視で重なる位置に設けられ、進行方向に断続的に設けられた破線部と、
    　前記実線部と前記破線部とを接続する接続部とを有し、
    　前記破線部の幅は前記リッジ部の幅よりも広いことを特徴とする光変調素子。
  2. 　前記破線部は上層部と下層部を有し、前記下層部の幅は前記リッジ部の幅よりも広く且つ前記上層部の幅よりも狭い、請求項１に記載の光変調素子。
  3. 　前記バッファ層上に設けられた第１誘電体層をさらに備え、
    　前記破線部の前記上層部は前記第１誘電体層上に設けられており、前記破線部の前記下層部は前記第１誘電体層に設けられたトレンチパターン内に埋め込まれている、請求項２に記載の光変調素子。
  4. 　前記実線部の幅は前記破線部の幅よりも広い、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光変調素子。
  5. 　前記接続部の前記進行方向の両端間の最大距離は、前記破線部を構成する線分パターンの長さの半分以上である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光変調素子。
  6. 　前記破線部を構成する線分パターンの各々は、複数の接続部を介して前記実線部に並列接続されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光変調素子。
  7. 　前記第１及び第２信号電極の露出面を覆う第２誘電体層をさらに備える、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光変調素子。
  8. 　前記実線部、前記破線部及び前記接続部は、それぞれの上面が同一面となるように配置される、請求項７に記載の光変調素子。
  9. 　前記第２誘電体層は樹脂又はＳｉＮである、請求項７又は８に記載の光変調素子。
  10. 　前記第１及び第２導波路部は、直線部と湾曲部を有し、
    　前記第１及び第２信号電極の前記破線部は、前記直線部及び前記湾曲部の両方において前記第１及び第２導波路部と平面視で重なる、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光変調素子。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012198492A (ja) * 2011-03-08 2012-10-18 Sumitomo Osaka Cement Co Ltd 光制御素子
JP2019045792A (ja) * 2017-09-06 2019-03-22 住友電気工業株式会社 マッハツェンダ変調器、光変調装置
JP2020134874A (ja) * 2019-02-25 2020-08-31 Tdk株式会社 光変調器
US20210080796A1 (en) * 2019-09-17 2021-03-18 Lumentum Operations Llc Electrical-optical modulator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012198492A (ja) * 2011-03-08 2012-10-18 Sumitomo Osaka Cement Co Ltd 光制御素子
JP2019045792A (ja) * 2017-09-06 2019-03-22 住友電気工業株式会社 マッハツェンダ変調器、光変調装置
JP2020134874A (ja) * 2019-02-25 2020-08-31 Tdk株式会社 光変調器
US20210080796A1 (en) * 2019-09-17 2021-03-18 Lumentum Operations Llc Electrical-optical modulator

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