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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2015-99386(P2015-99386A)
(43)【公開日】2015年5月28日
(54)【発明の名称】光変調器
(51)【国際特許分類】
G02F 1/035 20060101AFI20150501BHJP
【ＦＩ】
G02F1/035
【審査請求】未請求
【請求項の数】2
【出願形態】ＯＬ
【全頁数】26
(21)【出願番号】特願2015-17571(P2015-17571)
(22)【出願日】2015年1月30日
(62)【分割の表示】特願2013-64923(P2013-64923)の分割
【原出願日】2013年3月26日
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）（出願人による申告）平成２４年度、独立行政法人情報通信研究機構、高度通信・放送研究開発委託研究／高い臨時設営性を持つ有無線両用通信技術の研究開発、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】000183266
【氏名又は名称】住友大阪セメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100171583
【弁理士】
【氏名又は名称】梅景 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100154656
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 英彦
(72)【発明者】
【氏名】市川 潤一郎
(72)【発明者】
【氏名】片岡 利夫
(72)【発明者】
【氏名】近藤 勝利
【テーマコード（参考）】
2K102
【Ｆターム（参考）】
2K102AA22
2K102BA02
2K102BB01
2K102BB04
2K102BC04
2K102BD01
2K102CA04
2K102CA18
2K102DA05
2K102DB04
2K102DD05
2K102EA03
2K102EA12
2K102EA14
2K102EA16
2K102EB16
(57)【要約】
【課題】リッジ型光導波路と、ひさし状の信号電極を有する光変調器であって、高速動作可能な光変調器を提供する。【解決手段】光変調器１００は、リッジ型光導波路５と変調電極１５とを備える。変調電極１５は、変調信号が供給される信号電極７と、第１接地電極１１と、第２接地電極１２とからなり、信号電極７は、リッジ型光導波路５の最上部の幅Ｗ５よりも広い幅を有する幅広部７Ｗを有し、第１接地電極１１は、第１方向に沿って延びるように第１面３Ａ上に設けられた中央部接地電極要素１１Ｃを有し、第２接地電極１２は、第１方向に沿って延びるように第２面３Ｂ上に設けられた中央部接地電極要素１２Ｃを有する。中央部接地電極要素１１Ｃ及び中央部接地電極要素１２Ｃは、第１貫通孔１１Ｂ及び第２貫通孔１２Ｂを有し、これらは平面視で信号電極７の幅広部７Ｗと重複する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
主面を有する基体部と、前記基体部の前記主面上に設けられ、当該主面に沿った第１方向に沿って延びるリッジ型光導波路と、当該リッジ型光導波路内を導波する光を変調するための変調電極と、前記基体部の前記主面上に設けられた第１テラス部及び第２テラス部と、を備え、
前記基体部の前記主面は、前記リッジ型光導波路が設けられた設置面と、前記第１方向と直交し、かつ、前記主面に沿った第２方向に沿って前記設置面を挟むように位置する第１面及び第２面と、を有し、
前記第１テラス部は、前記リッジ型光導波路と前記第２方向に離間するように前記第１面上に設けられており、前記第１テラス部と前記リッジ型光導波路とによって、前記第１面及び前記設置面上に、前記第１方向に沿って延びる第１凹部が規定され、
前記第２テラス部は、前記リッジ型光導波路と前記第２方向に離間するように前記第２面上に設けられており、前記第２テラス部と前記リッジ型光導波路とによって、前記第２面及び前記設置面上に、前記第１方向に沿って延びる第２凹部が規定され、
前記変調電極は、変調信号が供給される信号電極と、第１接地電極と、第２接地電極とからなり、
前記信号電極は、前記リッジ型光導波路上に前記第１方向に沿って延びるように設けられた部分であって、当該リッジ型光導波路の最上部の前記第２方向の幅よりも広い幅を有する幅広部を有し、
前記第１接地電極は、前記第１方向に沿って延びるように前記第１面上に設けられた第１接地電極要素と、前記第１接地電極要素と電気的に接続され、前記第１方向に沿って延びるように前記第１テラス部の側面から上面に亘って設けられた第１テラス上接地電極要素と、を有し、
前記第２接地電極は、前記第１方向に沿って延びるように前記第２面上に設けられた第２接地電極要素と、前記第２接地電極要素と電気的に接続され、前記第１方向に沿って延びるように前記第２テラス部の側面から上面に亘って設けられた第２テラス上接地電極要素と、を有し、
前記第１接地電極要素は、当該第１接地電極要素の前記第１方向の一部のみに設けられた少なくとも１つの第１貫通孔を有すると共に、平面視で前記幅広部と前記第２方向に離間し、
前記第２接地電極要素は、当該第２接地電極要素の前記第１方向の一部のみに設けられた少なくとも１つの第２貫通孔を有すると共に、平面視で前記幅広部と前記第２方向に離間し、
前記少なくとも１つの第１貫通孔は、平面視で前記信号電極の前記幅広部と前記第２方向に向かって対向し、
前記少なくとも１つの第２貫通孔は、平面視で前記信号電極の前記幅広部と前記第２方向に向かって対向する光変調器。
前記基体部の前記主面は、前記リッジ型光導波路が設けられた設置面と、前記第１方向と直交し、かつ、前記主面に沿った第２方向に沿って前記設置面を挟むように位置する第１面及び第２面と、を有し、
前記第１テラス部は、前記リッジ型光導波路と前記第２方向に離間するように前記第１面上に設けられており、前記第１テラス部と前記リッジ型光導波路とによって、前記第１面及び前記設置面上に、前記第１方向に沿って延びる第１凹部が規定され、
前記第２テラス部は、前記リッジ型光導波路と前記第２方向に離間するように前記第２面上に設けられており、前記第２テラス部と前記リッジ型光導波路とによって、前記第２面及び前記設置面上に、前記第１方向に沿って延びる第２凹部が規定され、
前記変調電極は、変調信号が供給される信号電極と、第１接地電極と、第２接地電極とからなり、
前記信号電極は、前記リッジ型光導波路上に前記第１方向に沿って延びるように設けられた部分であって、当該リッジ型光導波路の最上部の前記第２方向の幅よりも広い幅を有する幅広部を有し、
前記第１接地電極は、前記第１方向に沿って延びるように前記第１面上に設けられた第１接地電極要素と、前記第１接地電極要素と電気的に接続され、前記第１方向に沿って延びるように前記第１テラス部の側面から上面に亘って設けられた第１テラス上接地電極要素と、を有し、
前記第２接地電極は、前記第１方向に沿って延びるように前記第２面上に設けられた第２接地電極要素と、前記第２接地電極要素と電気的に接続され、前記第１方向に沿って延びるように前記第２テラス部の側面から上面に亘って設けられた第２テラス上接地電極要素と、を有し、
前記第１接地電極要素は、当該第１接地電極要素の前記第１方向の一部のみに設けられた少なくとも１つの第１貫通孔を有すると共に、平面視で前記幅広部と前記第２方向に離間し、
前記第２接地電極要素は、当該第２接地電極要素の前記第１方向の一部のみに設けられた少なくとも１つの第２貫通孔を有すると共に、平面視で前記幅広部と前記第２方向に離間し、
前記少なくとも１つの第１貫通孔は、平面視で前記信号電極の前記幅広部と前記第２方向に向かって対向し、
前記少なくとも１つの第２貫通孔は、平面視で前記信号電極の前記幅広部と前記第２方向に向かって対向する光変調器。
【請求項2】
前記幅広部の厚さは、２５μｍ以上、８０μｍ以下であり、
前記第１テラス部の上面上の前記第１テラス上接地電極要素の厚さは、２５μｍ以上、８０μｍ以下であり、前記第２テラス部の上面上の前記第２テラス上接地電極要素の厚さは、２５μｍ以上、８０μｍ以下である請求項１に記載の光変調器。
前記第１テラス部の上面上の前記第１テラス上接地電極要素の厚さは、２５μｍ以上、８０μｍ以下であり、前記第２テラス部の上面上の前記第２テラス上接地電極要素の厚さは、２５μｍ以上、８０μｍ以下である請求項１に記載の光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光変調器に関する。
【背景技術】
【0002】
下記の特許文献１、２及び非特許文献１、２には、リッジ型の光導波路を有する光変調器が記載されている。下記特許文献１及び非特許文献１に記載の光変調器は、リッジ型の光導波路上に設けられた、ひさし状の信号電極を有しており、下記特許文献２および非特許文献２に記載の光変調器は、キノコ状の信号電極を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開平１１−１０１９６２号公報
【特許文献2】特開平８−１２２７２２号公報
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】Makoto Minakata, “Recent Progress of 40 GHz high-speed LiNbO3optical modulator,” Proceedings of SPIE, Vol.4532, Active and Passive OpticalComponents for WDM Communication, 16 (July 30, 2001) p.16-27
【非特許文献2】R. Madabushi, “Microwave Attenuation Reduction Techniques for Wide-BandTi:LiNbO3 Optical Modulators” IEICE TRANS. ELECTRON., VOL. E81-C, NO. 8 AUGUST 1998
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献１に記載のリッジ型の光導波路を有する光変調器においては、当該文献の図７、図１１に記載されているように、光導波路上に、ひさし形状（即ち、当該光導波路の幅よりも広い幅を有する形状）の信号電極が設けられている。また、光導波路のリッジ形状部の側面には、信号電極に接しないように薄く形成された接地電極が、当該光導波路のリッジ形状部に接するように設けられている。このような構造を有する光変調器によれば、低駆動電圧、光導波路内を導波する光と信号電極に印加される変調信号との速度整合、及び、低電極損失が実現可能であることが当該文献に記載されている。
【0006】
しかしながら、特許文献１に記載されているような従来の光変調器においては、以下のような理由により、高速変調動作が難しいという問題があった。
【0007】
即ち、高速変調動作を達成するためには、インピーダンス整合を図ること、具体的には、変調電極（信号電極及び接地電極）に印加される変調信号を供給する外部の素子の出力インピーダンスと、光変調器の入力インピーダンスとを、同じ値（例えば５０Ω）に近づけることが必要である。
【0008】
しかしながら、特許文献１に記載されているような光変調器においては、ひさし形状の信号電極と、光導波路のリッジ形状部の側面に設けられた接地電極との距離が近くなるため、信号電極と接地電極との間の静電容量が大きくなる。これにより、信号電極と接地電極との間のインピーダンスが小さくなってしまう。特許文献１には、当該文献に記載されているような光変調器において最適化された設計では、特性インピーダンスが１８．４Ωであることが示されており、その結果、光変調器と、上記外部の素子との間のインピーダンス整合を図ることが難しくなってしまうため、実質的に高速変調動作を達成することが困難となってしまう。
【0009】
同様のことは、特許文献２に記載されているキノコ状にせり出した信号電極を有する光変調器おいても問題となる。特許文献２に記載されているキノコ状にせり出した信号電極を用いた構成は、速度整合や低電極損失の実現に非常に有効な構成の一つである。しかしながら、特性インピーダンスが低下する問題がある。非特許文献２には、キノコ状にせり出した信号電極を有する構成における問題が、特性インピーダンスの５０Ωからの乖離であること、及び、電極の反射特性Ｓ１１が−１０ｄＢと劣ることであることが記載されている。
【0010】
特性インピーダンスの５０Ωからの乖離に起因する反射特性の劣化の悪影響は、インピーダンス変換器やインピーダンス変換回路の変調器への組み込みにより、回避は可能である。しかしながら、駆動信号の電力が同じであっても特性インピーダンスの低い光変調器では、信号電極の作用部電極部における信号電極−接地電極間電圧が低くなってしまうという問題がある。この信号電極−接地電極間の電圧の低下は、特に、ニオブ酸リチウムによって光導波路を構成した光変調器のように電気光学効果（印加電界に応じて屈折率が変化する現象、つまりポッケルス効果および光カー効果）に基づく光変調器の場合、高効率（低消費電力）での駆動の観点からは、極めて不利である。そのため、高効率（低消費電力）での駆動のためには、特性インピーダンスの低下を避けて設計することが望ましい。
【0011】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、リッジ型光導波路と、ひさし形状又はキノコ形状の信号電極を有する光変調器であって、高速動作可能な光変調器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明は、信号電極と対向して作用する接地電極要素の一部を切り欠くことにより、電極間容量を下げ、特性インピーダンスを上昇させるという原理に基づくものである。
【0013】
即ち、上述の課題を解決するため、本発明に係る光変調器は、主面を有する基体部と、基体部の主面上に設けられ、当該主面に沿った第１方向に沿って延びるリッジ型光導波路と、当該リッジ型光導波路内を導波する光を変調するための変調電極と、を備え、基体部の主面は、リッジ型光導波路が設けられた設置面と、第１方向と直交し、かつ、主面に沿った第２方向に沿って上記設置面を挟むように位置する第１面及び第２面と、を有し、変調電極は、変調信号が供給される信号電極と、第１接地電極と、第２接地電極とからなり、信号電極は、リッジ型光導波路上に第１方向に沿って延びるように設けられた部分であって、リッジ型光導波路の最上部の第２方向の幅よりも広い幅を有する幅広部を有し、第１接地電極は、第１方向に沿って延びるように第１面上に設けられた第１接地電極要素を有し、第２接地電極は、第１方向に沿って延びるように第２面上に設けられた第２接地電極要素を有し、第１接地電極要素は、第１接地電極要素の第１方向の一部のみに設けられた少なくとも１つの第１貫通孔を有し、第２接地電極要素は、第２接地電極要素の第１方向の一部のみに設けられた少なくとも１つの第２貫通孔を有し、上記少なくとも１つの第１貫通孔は、平面視で信号電極の上記幅広部と重複する、又は、当該幅広部と第２方向に向かって対向し、上記少なくとも１つの第２貫通孔は、平面視で信号電極の上記幅広部と重複する、又は、当該幅広部と第２方向に向かって対向する。貫通孔が幅広部と対向するとは、幅広部から発する電気力線が、貫通孔の開口の周りに達して終端されている状態であって、貫通孔の有無が変調電極の回路の静電容量あるいは特性インピーダンスの値に有意な影響がある様態(貫通孔の有無により静電容量あるいは特性インピーダンスの値の相対的差が、高周波ネットワークアナライザのインピーダンス校正回路基板の一般的な精度である０．３％より大きい様態)であることを意味する。なお、幅広部から、貫通孔の開口部や貫通孔の底が直接見通せる様態で無くとも良い。
【0014】
本発明に係る光変調器においては、第１接地電極要素及び第２接地電極要素は、それぞれ、平面視で信号電極の幅広部と重複する、又は、当該幅広部と第２方向に向かって対向する第１貫通孔及び第２貫通孔を有する。そのため、第１接地電極要素及び第２接地電極要素が、それぞれ第１貫通孔及び第２貫通孔を有していない場合と比較して、信号電極と第１接地電極、第２接地電極間の容量を低下させることができるため、変調電極の特性インピーダンスを高くすることができる。その結果、本発明に係る光変調器によれば、信号電極が集中定数形電極として機能する場合には高周波駆動の妨げとなる信号電極と第１接地電極、第２接地電極間の容量を小さくすることができ、また、信号電極が進行波形電極として機能する場合は変調電極の特性インピーダンスの低下を避けることができ変調信号を供給する外部の素子と変調器とのインピーダンス整合を図り易くなるため、高速変調動作及び高効率駆動が可能となる。
【0015】
さらに、本発明に係る光変調器においては、上記少なくとも１つの第１貫通孔、及び、上記少なくとも１つの第２貫通孔は、平面視で、円形形状、楕円形状、レーストラック形状、又は、角丸矩形形状を有することが好ましい。これにより、平面視で第１接地電極要素の第１貫通孔と隣接する界面（第１接地電極要素の側面）、及び、平面視で第２凹部接地電極要素の第２貫通孔と隣接する界面（第２接地電極要素の側面）は、角部や突起部を有さない曲線形状となる。その結果、変調信号が変調電極に印加された際に当該隣接する界面において角部や突起部への過度の電界の集中が起きにくくなるため、第１及び第２貫通孔の形成に起因する変調信号の伝搬損失を抑制することができる。
【0016】
さらに、本発明に係る光変調器においては、第１接地電極要素は、複数の第１貫通孔を有し、当該複数の第１貫通孔は、第１方向に沿って順に設けられており、第２接地電極要素は、複数の第２貫通孔を有し、当該複数の第２貫通孔は、第１方向に沿って順に設けられていることが好ましい。
【0017】
これにより、信号電極が集中定数形電極として機能する場合には高周波駆動の妨げとなる電極間の容量を小さくすることができ、また、信号電極が進行波形電極として機能する場合は変調電極の特性インピーダンスをさらに高くすることができるため、変調信号を供給する外部の素子と変調器とのインピーダンス整合を、より高精度に図り易くなる。その結果、本発明に係る光変調器によれば、より高速での変調動作と効率の良い駆動が可能となる。
【0018】
さらに、本発明に係る光変調器においては、上記少なくとも１つの第１貫通孔は、平面視で、第１接地電極要素のリッジ型光導波路側の側面と離間しており、上記少なくとも１つの第２貫通孔は、平面視で、第２接地電極要素のリッジ型光導波路側の側面と離間していることが好ましい。
【0019】
これにより、平面視で第１接地電極要素の上記側面と第２接地電極要素の上記側面において、貫通孔がリッジ型光導波路側に開口するように配置されて第１接地電極要素や第２接地電極要素のリッジ型光導波路側の側面側に角部が形成されることを防止することができる。その結果、変調信号が変調電極に印加された際に当該側面において電界の集中が起きにくくなるため、貫通孔の形成に起因する変調信号の伝搬損失を抑制することができる。
【0020】
さらに、本発明に係る光変調器においては、少なくとも１つの第１貫通孔は、平面視で、第１接地電極要素のリッジ型光導波路側の側面と２０μｍ以上離間しており、少なくとも１つの第２貫通孔は、平面視で、第２接地電極要素のリッジ型光導波路側の側面と２０μｍ離間していることが好ましい。これにより、変調電極と第１、第２貫通孔との離間距離も大きくなるため、変調電極に変調信号が印加された際に、当該側面において電界の集中がさらに起きにくくなるため、変調信号の伝搬損失を一層抑制することができる。
【0021】
第１接地電極要素及び第２接地電極要素に貫通孔を設けない態様における変調信号の伝搬損失は、非特許文献１の構成の場合は、０．２ｄＢ／［ｃｍ（ＧＨｚ）１／２］程度、特許文献２の類似構成の場合０．１８ｄＢ／［ｃｍ（ＧＨｚ）１／２］程度、特許文献２の構成をリッジ型光導波路と併用した場合は、０．１５ｄＢ／［ｃｍ（ＧＨｚ）１／２］程度である。平面視での第１貫通孔とリッジ型光導波路側の側面との離間距離、及び、平面視での第２貫通孔とリッジ型光導波路側の側面との離間距離が２０μｍ程度の場合、第１貫通孔及び第２貫通孔として幅１０μｍ、長さ５０μｍの角丸長方形の貫通孔列を間隔１０μｍで第１方向に沿って第１接地電極要素及び第２接地電極要素に配置したときの変調信号の伝搬損失の悪化幅は、非特許文献１の構成の場合は、０．１ｄＢ／［ｃｍ（ＧＨｚ）１／２］程度、特許文献２の類似構成の場合０．０２ｄＢ／［ｃｍ（ＧＨｚ）１／２］程度である。上記離間距離を３０μｍ程度にすると、第１貫通孔及び第２貫通孔の形成による変調信号の伝搬損失はほとんど無視できるようになる。
【0022】
平面視での第１貫通孔とリッジ型光導波路の側面との離間距離、及び、平面視での第２貫通孔とリッジ型光導波路側の側面との離間距離が大きい場合は、第１接地電極要素及び第２接地電極要素への第１及び第２貫通孔の形成による信号電極と第１接地電極、第２接地電極間の容量を小さくする効果や変調電極の特性インピーダンスを上昇させる効果は相対的には低くなる。しかしながら、そのような態様においてさえも本発明は、非特許文献１や非特許文献２などの構成の光変調器をニオブ酸リチウムのような高い誘電率材料からなる光導波路を用いて作製する場合において、信号電極と第１接地電極、第２接地電極間容量や変調電極の特性インピーダンス調整するための実用上利用価値の高い手段を提供する。
【0023】
第１接地電極要素及び第２接地電極要素に、第１貫通孔及び第２貫通孔として幅１０μｍ、長さ５０μｍの角丸長方形の貫通孔列を間隔１０μｍで第１方向に沿って配置した場合における変調信号の特性インピーダンスの上昇幅は、非特許文献１の構成の場合は、リッジ導波路部の幅に依存性大きく依存し、光導波路幅を、この構成での現実的な値である６〜８μｍとした場合、変調信号の特性インピーダンスを約５〜１０Ω程度上昇させることが可能である。非特許文献２に類似する構成の場合には、信号電極の形状、張出した信号側面の形状大きく依存するが、変調信号の特性インピーダンスを２〜５Ω程度上昇させることが可能である。
【0024】
平面視での第１貫通孔とリッジ型光導波路の側面との離間距離、及び、平面視での第２貫通孔とリッジ型光導波路側の側面との離間距離を３０μｍ程度にすると、信号電極と第１接地電極、第２接地間の容量を小さくする効果や変調電極の特性インピーダンスを上昇させる効果は相対的にさらに低くなるが、当該特性インピーダンスの数Ωの調整は可能である一方、第１、第２貫通孔の形成による変調信号の伝搬損失がほとんど無視できるようになることから、実用上の利用価値は高い。
【0025】
さらに、本発明に係る光変調器においては、第１接地電極要素及び第２接地電極要素は、平面視で、リッジ型光導波路の光軸に対して略線対称に設けられていることが好ましい。これにより、光変調器の特性の解析計算の規模が小さくて済む、さらには、光変調器の温度変化の際の基板の応力・歪みの偏りを回避され光変調器の動作の安定性獲得が期待できる。
【0026】
第１、第２貫通孔の配置位置は非対称としても信号電極と第１接地電極、第２接地電極間の容量を小さくする効果や変調電極の特性インピーダンスを上昇させる効果は得られるが、設計の都合上、特性の解析計算の規模が小さくて済むよう対称的な配置とするほうが望ましい。第１、第２貫通孔を信号電極の中心部を対称線として配置すれば、有限要素解析や伝搬解析の計算規模は半分で済ませることができる。さらに、そのような対称的な配置により、基板の応力・歪みの非対称な偏りを分散され、光変調器の動作の安定性獲得が期待できる。また、第１、第２貫通孔の対称的な配置には、応力・歪みの設計・解析においても、解析計算の規模が小さくて済むという利点もある。
【0027】
複数列の第１、第２貫通孔を形成しても良く、その方が信号電極と第１接地電極、第２接地電極間の容量低減や変調電極の特性インピーダンスの上昇効果がより高いことは言うまでもない。ただし、第１、第２貫通孔の形成により、制御信号の伝搬損失が上昇するため、制御信号の伝搬損失特性が許容される範囲で、必要最小限の第１、第２貫通孔を形成することが望ましい。
【0028】
第１、第２貫通孔を形成するにあたっては、フォトリソ工程における線幅解像度やメッキ工程における再現製の確保の観点からも配慮をすることが望ましい。第１接地電極のリッジ導波路側の縁や第２接地電極のリッジ導波路側の縁から、リッジ導波路の幅程度と同程度かそれ以上離間した位置に第１、第２貫通孔を形成するのが望ましい。
【発明の効果】
【0029】
本発明によれば、リッジ型光導波路と、ひさし状あるいはキノコ状の信号電極を備える変調器であって、高速動作可能な光変調器が提供される。特に、非特許文献１や非特許文献２に記載されているニオブ酸リチウムからなる光導波路を用いた光変調器で顕在していた特性インピーダンス低下の問題の解決に有効である。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】第１実施形態に係る光変調器の構成を示す平面図である。
【図4】第２実施形態に係る光変調器の構成を示す平面図である。
【図6】第３実施形態に係る光変調器の構成を示す平面図である。
【図8】第４実施形態に係る光変調器の構成を示す平面図である。
【図10】第５実施形態に係る光変調器の断面図である。
【図11】第６実施形態に係る光変調器の構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0031】
以下、実施の形態に係る光変調器について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、可能な場合には同一要素には同一符号を用いる。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。
【0032】
以下に説明する本実施形態の光変調器の特徴は、信号電極と対向して作用する接地電極要素の一部を切り欠くことにより、これらの電極間の容量を下げ、特性インピーダンスを上昇させるという原理に基づくものであり、実用価値が高い光変調器の特性改善のために特に有効な実施形態が以下で説明されている。さらに、本実施形態の光変調器には、当該原理の導入の弊害である信号電極の伝搬損失を抑えるための技術も合わせて取り入れられており、産業的に価値の高い技術によって特徴付けられた光変調器となっている。
【0033】
（第１実施形態）図１は、本発明の第１実施形態に係る光変調器の構成を示す平面図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った光変調器の断面図であり、図３は、図２の断面図近傍における光変調器の斜視図である。
【0034】
図１〜図３に示すように、本実施形態の光変調器１００は、光ファイバ等によって導入される連続光である入力光ＣＬを変調して、外部に変調光ＭＬを出力する装置である。光変調器１００は、基体部３と、リッジ型光導波路５と、変調電極１５と、を備え得る。
【0035】
基体部３は、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などの電気光学効果を奏する誘電体材料から構成される板状の部材である。基体部３は、略平坦な主面３Ｓを有する。図１には、直交座標系ＲＣを示しており、主面３Ｓと平行な方向にＸ軸及びＹ軸を設定し、主面３Ｓと直交する方向にＺ軸を設定している。図２以降の各図面においても、必要に応じて図１と対応するように直交座標系ＲＣを示している。
【0036】
基体部３は、Ｙ軸方向（第１方向）に延びる長手形状を有している。基体部３の主面３Ｓは、リッジ型光導波路５が設けられた設置面３Ｅと、第１面３Ａと、第２面３Ｂと、からなる。設置面３Ｅ、第１面３Ａ、及び、第２面３Ｂは、それぞれＹ軸方向に延びる面であり、基体部３のＹ軸負方向の一端からＹ軸正方向の他端まで延びている。第１面３Ａ及び第２面３Ｂは、Ｘ軸方向（第２方向）に沿って設置面３Ｅを挟むように位置している。
【0037】
リッジ型光導波路５は、本実施形態では、主面３Ｓの設置面３Ｅの全体上に設けられている。リッジ型光導波路５は、Ｚ軸方向に突出し、Ｙ軸方向に沿って延びる形状の光導波路である。入力光ＣＬは、リッジ型光導波路５のコア部５ＡのＹ軸負方向の端面から光変調器１００内に導入され、コア部５Ａ内を当該コア部５Ａの光軸５ＡＸに沿って導波し、コア部５ＡのＹ軸正方向の端面から変調光ＭＬとして光変調器１００の外部に出力される。
【0038】
リッジ型光導波路５は、それぞれＹ軸方向に沿って延びるコア部５Ａと、クラッド部５Ｂと、バッファ層５Ｃとからなる。コア部５Ａは、クラッド部５Ｂよりも屈折率の高い材料からなる。コア部５Ａ及びクラッド部５Ｂは、それぞれ電気光学効果を奏する誘電体材料から構成される。コア部５Ａは、例えばチタン（Ｔｉ）等の金属を含有するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）から構成され、クラッド部５Ｂは、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）から構成される。バッファ層５Ｃは、コア部５Ａよりも屈折率の低い材料からなり、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の誘電体材料からなる。バッファ層５Ｃは、コア部５Ａと信号電極７との間に介在することにより、信号電極７に起因したコア部５Ａ内を導波する光の伝搬損失を低減させる。リッジ型光導波路５は、バッファ層５Ｃを有していなくてもよい。
【0039】
上述のような基体部３と基体部３上に設けられたリッジ型光導波路５とからなる構造体は、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）等の誘電体材料から構成される板状の初期基板を準備し、当該初期基板の主面近傍のコア部５Ａとなるべき領域にチタン（Ｔｉ）等の金属を拡散させ、当該主面の全体上にバッファ層５Ｃを構成する誘電体材料からなる誘電体膜を形成した後に、リッジ型光導波路５及び基体部３となるべき領域を残すように当該初期基板及び当該誘電体膜をエッチングすることにより、得ることできる。或いは、当該構造体は、基体部３を準備し、基体部３の主面３Ｓの設置面３Ｅ上にリッジ型光導波路５を形成することによっても、得ることができる。
【0040】
基体部３をＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３や光学ガラス、光学樹脂などの光学材料で構成し、リッジ型光導波路５をニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を奏する誘電体材料で構成するなど、光導波路構造３と第１制御用信号電極５を、互いに異なった材料で構成することも可能である。この構成は、基体部材料とリッジ型光導波路部の材料の貼り合わせや基体部材料上へのリッジ部導波路材料の膜形成を行った後に、リッジ型光導波路５及び基体部３となるべき領域を残すように当該初期基板及び当該誘電体膜をエッチングすることにより、得ることが出来る。この場合、光変調器に使用する入射光の波長や偏波条件において、基体部材料の屈折率は、リッジ型光導波路部材料の屈折率より小さい材料の組合せと選ぶ必要がある。また、この構成の場合、リッジ形状部５全体が光導波路のコア部として機能するため、リッジ形状部５に屈折率が高い部分５Ａを形成しなくてもよい。
【0041】
変調電極１５は、信号電極７と、第１接地電極１１と、第２接地電極１２と、を有する。変調電極１５は、ＸＹ平面に沿って延びる形状を有する電極であり、高周波において良導体である材料、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等の金属や超伝導材料から構成される。変調電極１５は、リッジ型光導波路５内を導波する入力光ＣＬを変調するために設けられている。
【0042】
信号電極７は、本実施形態では、入力側伝達部７Ｔ１と、幅広部７Ｗと、出力側伝達部７Ｔ２と、を有する。入力側伝達部７Ｔ１は、入力パッド７Ｐ１と、信号伝達部７Ｅ１と、からなる。入力パッド７Ｐ１は、例えば、基体部３の主面３Ｓのうち、Ｘ軸正側の端部近傍に設けられており、外部の素子から供給される変調信号が入力される入力部として機能する。当該変調信号には、例えば１０ＧＨｚ以上の高周波電気信号が含まれている。信号伝達部７Ｅ１の一端は、入力パッド７Ｐ１と電気的に接続されており、信号伝達部７Ｅ１は、入力パッド７Ｐ１に入力された変調信号を幅広部７Ｗまで伝達する。信号伝達部７Ｅ１の幅広部７Ｗ近傍の部分は、幅広部７Ｗに近づくにつれて、平面視（Ｚ軸方向から見た場合）の幅が幅広部７Ｗの幅に近づくように漸次増加する形状を有しており、インピーダンスの不整合による反射損失の発生を防ぐ構造となっている。
【0043】
幅広部７Ｗの一端は、信号伝達部７Ｅ１の他端に電気的に接続されている。幅広部７Ｗは、リッジ型光導波路５上にＹ軸方向に沿って延びるように設けられている。幅広部７ＷのＸ軸方向の幅Ｗ７Ｗは、リッジ型光導波路５の最上部のＸ軸方向の幅Ｗ５よりも大きい。そのため、Ｙ軸方向と直交する断面において、幅広部７Ｗは、リッジ型光導波路５に対して、図１〜図３に示すような、ひさし形状、又は、キノコ形状を有する。ここで、幅広部７Ｗが、ひさし形状を有するとは、信号電極７の幅広部７Ｗが、リッジ型光導波路５の上面から当該リッジ型光導波路５に対して第２方向に当該リッジ型光導波路５の幅Ｗ５よりも広くなるように張り出しており、リッジ型光導波路５の上面にひさしを取り付けたような断面構造であることを意味する。また、幅広部７Ｗが、キノコ形状を有するとは、信号電極７の幅広部７Ｗが、リッジ型光導波路５の上面に接する基部と、当該基部より上方の部分であって上記基部よりも幅の広い上方部分と、を有する状態、即ち、信号電極７の幅広部７Ｗが、リッジ型光導波路５に対して第２方向にせり出したオーバーハング部（上記の上方部分）を有しており、かつ、幅広部７Ｗがリッジ型光導波路５のリッジ型光導波路５ｗよりも広くなっている状態を意味し、幅広部７Ｗの断面形状がリッジ型光導波路５の上面に設けられたキノコ形状であることを意味する。
【0044】
幅広部７Ｗは、コア部５Ａ内を導波する光に変調作用を与える変調作用部として機能する。具体的には、幅広部７Ｗによってリッジ型光導波路５のコア部５Ａに電界を印加可能であり、印加される電界の強さ、コア部５Ａを構成する材料の種類、及び、コア部５Ａの誘電分極の方向等に応じてコア部５Ａの屈折率は変化する。信号電極７に変調信号が供給されると、幅広部７Ｗは当該変調信号に応じた電界をリッジ型光導波路５のコア部５Ａに印加し、コア部５Ａ内の屈折率を当該変調信号に応じて変化させる。これにより、入力光ＣＬは変調信号に応じて変調される。
【0045】
幅広部７ＷのＹ軸と直交する断面における形状は、図２に示すような、ひさし形状の一態様としての平板状に限られず、例えば、矩形状、楕円形状、又は、徐々にせり出す逆台形状に張り出す形状であっても良いし、キノコ状に張り出す形状であってもよいし、これらの中間的な形状やこれらの複合した形状等であってもよい。
【0046】
出力側伝達部７Ｔ２は、出力パッド７Ｐ２と、信号伝達部７Ｅ２と、からなる。信号伝達部７Ｅ２の一端は、幅広部７Ｗの他端に電気的に接続されており、信号伝達部７Ｅ２は、幅広部７Ｗ内を伝達した変調信号を、出力パッド７Ｐ２まで伝達する。信号伝達部７Ｅ２の幅広部７Ｗ近傍の部分は、出力パッド７Ｐ２に近づくにつれて、平面視での幅が漸次減少する形状を有しており、インピーダンスの不整合による反射損失の発生を防ぐ構造となっている。信号伝達部７Ｅ２の他端は、出力パッド７Ｐ２に電気的に接続されている。出力パッド７Ｐ２は、例えば、基体部３の主面３Ｓのうち、Ｘ軸正側の端部近傍に設けられており、変調信号が出力される出力部として機能する。出力パッド７Ｐ２は、変調信号の電気的終端である終端部（図示せず）が有する抵抗器に電気的に接続されていてもよい。
【0047】
第１接地電極１１及び第２接地電極１２は、接地電位に接続される電極である。第１接地電極１１及び第２接地電極１２は、それぞれＸＹ平面に沿って延びる形状を有する電極であり、基体部３の主面３Ｓ上に設けられている。第１接地電極１１及び第２接地電極１２は、それぞれ例えば金（Ａｕ）等の金属から構成される。
【0048】
第１接地電極１１は、一端部接地電極要素１１Ｅ１と、第１接地電極要素としての中央部接地電極要素１１Ｃと、他端部接地電極要素１１Ｅ２と、からなる。一端部接地電極要素１１Ｅ１は、第１接地電極１１のうち、Ｙ軸負側方向側の電極要素であり、中央部接地電極要素１１Ｃは、第１接地電極１１のうち、Ｙ軸方向中央部の電極要素であり、他端部接地電極要素１１Ｅ２は、第１接地電極１１のうち、Ｙ軸正側方向側の電極要素である。
【0049】
同様に、第２接地電極１２は、一端部接地電極要素１２Ｅ１と、第２接地電極要素としての中央部接地電極要素１２Ｃと、及び、他端部接地電極要素１２Ｅ２と、からなる。一端部接地電極要素１２Ｅ１は、第２接地電極１２のうち、Ｙ軸負側方向の電極要素であり、中央部接地電極要素１２Ｃは、第２接地電極１２のうち、Ｙ軸方向中央部の電極要素であり、他端部接地電極要素１２Ｅ２は、第２接地電極１２のうち、Ｙ軸正側方向の電極要素である。
【0050】
一端部接地電極要素１１Ｅ１及び一端部接地電極要素１２Ｅ１は、それぞれ入力パッド７Ｐ１の近傍から中央部接地電極要素１１Ｃ及び中央部接地電極要素１２ＣのＹ軸負側方向の一端まで延びて当該一端と電気的に接続されている。他端部接地電極要素１１Ｅ２及び他端部接地電極要素１２Ｅ２は、それぞれ出力パッド７Ｐ２の近傍から中央部接地電極要素１１Ｃ及び中央部接地電極要素１２ＣのＹ軸正側方向の他端まで延びて当該他端と電気的に接続されている。第１接地電極１１及び第２接地電極１２は、一端部接地電極要素１１Ｅ１及び一端部接地電極要素１２Ｅ１の入力パッド７Ｐ１近傍の領域において、外部の接地電位を有する要素に電気的に接続されることができ、また、他端部接地電極要素１１Ｅ２及び他端部接地電極要素１２Ｅ２の出力パッド７Ｐ２近傍の領域において、外部の接地電位を有する要素に電気的に接続されることができる。
【0051】
中央部接地電極要素１１Ｃは、Ｙ軸方向に沿って延びるように、即ち、幅広部７Ｗの延び方向に沿って延びるように基体部３の主面３Ｓの第１面３Ａ上に設けられている。本実施形態では、中央部接地電極要素１１Ｃは、基体部３の主面３Ｓ上においてリッジ型光導波路５とＸ軸方向に接している。そのため、平面視で中央部接地電極要素１１Ｃの一部は幅広部７Ｗと重複する。中央部接地電極要素１１ＣのＺ軸方向の厚さＴ１１Ｃは、リッジ型光導波路５のＺ軸方向の高さＴ５よりも低い。そのため、中央部接地電極要素１１Ｃは、幅広部７ＷとＺ軸方向に離間している。中央部接地電極要素１１Ｃの厚さＴ１１Ｃは、例えば１μｍ以上３μｍ以下であり、リッジ型光導波路５の高さＴ５は、例えば３μｍ以上１０μｍ以下とすることができる。
【0052】
中央部接地電極要素１１Ｃは、複数の第１貫通孔１１Ｂを有している。第１貫通孔１１Ｂは、中央部接地電極要素１１ＣをＺ軸方向に沿って貫通する孔である。各第１貫通孔１１Ｂは、中央部接地電極要素１１Ｃのうち、平面視で幅広部７Ｗと重複する領域に設けられている。そのため、各第１貫通孔１１Ｂは、平面視で、幅広部７Ｗと重複する。また、各第１貫通孔１１Ｂは、平面視で、中央部接地電極要素１１Ｃのリッジ型光導波路５側の側面１１ＳとＸ軸方向に離間している。また、各第１貫通孔１１Ｂは、平面視で、角部を有しない形状、例えば、円形形状、楕円形状、レーストラック形状、又は、角丸矩形形状を有する。なお、レーストラック形状とは、その外縁が、第１及び第２の円弧部と、第１及び第２の直線部とを有し、第１の円弧部の開口と第２の円弧部の開口とが向かい合うように第１及び第２の円弧部が配されており、第１の円弧部の一端と当該一端側にある第２の円弧部の一端とが第１の直線部によって接続され、第１の円弧部の他端と第２の円弧部の他端とが第２の直線部によって接続された形状をいう。複数の第１貫通孔１１Ｂは、同一の平面視形状を有していてもよいし、一部又は全部が互いに異なる平面視形状を有していてもよい。
【0053】
複数の第１貫通孔１１Ｂは、Ｙ軸方向に沿って順に周期Ｐ１１Ｂで周期的に設けられている。信号電極７と第１接地電極１１、第２接地電極１２間の容量を小さくする効果や変調電極１５の特性インピーダンスを上昇させる効果を発現させる視点からは、同じ形状の第１貫通孔１１Ｂを第一方向に沿って周期的に配置しなくともよく、例えば形状が異なる複数種類の第１貫通孔１１Ｂを配置してもよいし、複数種類の第１貫通孔１１Ｂを、離散的に、又は、信号電極７の延び方向に沿って所定の周期で配置してもよい。第１貫通孔１１Ｂを離散的に配置したり、形状の異なる複数種類の第１貫通孔１１Ｂを配置したりするよりも、同じ形状の複数の第１貫通孔１１Ｂを周期的に配置した方が、特性の解析計算の規模が小さくて済むため設計上有利であり、設計解析が容易になることから、意図しないインピーダンスの不整合による伝搬信号の損失の特性劣化を防ぎやすい。
【0054】
なお、第１貫通孔１１Ｂが周期的に設けられた構造の場合には、その構造が特定の周波数に対応したバンドパスフィルター回路として作用するため、特定の周波数信号がそのバンドパスフィルター回路に結合し、信号電極を伝搬する信号が劣化するおそれがある。その変調信号の劣化は、第１貫通孔１１Ｂが設けられた周期を変調信号の主要周波数成分の波長（バンドバスフィルター回路における、その周波数成分の波長）の１／４以下にすることで、回避することができる。
【0055】
同様に、中央部接地電極要素１２Ｃは、Ｙ軸方向に沿って延びるように、即ち、幅広部７Ｗの延び方向に沿って延びるように基体部３の主面３Ｓの第２面３Ｂ上に設けられている。本実施形態では、中央部接地電極要素１２Ｃは、基体部３の主面３Ｓ上においてリッジ型光導波路５とＸ軸方向に接している。そのため、平面視で中央部接地電極要素１２Ｃの一部は幅広部７Ｗと重複する。中央部接地電極要素１２ＣのＺ軸方向の厚さＴ１２Ｃは、リッジ型光導波路５のＺ軸方向の高さＴ５よりも低い。そのため、中央部接地電極要素１２Ｃは、幅広部７ＷとＺ軸方向に離間している。中央部接地電極要素１２Ｃの厚さＴ１２Ｃは、例えば１μｍ以上３μｍ以下である。
【0056】
中央部接地電極要素１２Ｃは、複数の第２貫通孔１２Ｂを有している。第２貫通孔１２Ｂは、中央部接地電極要素１２ＣをＺ軸方向に沿って貫通する孔である。各第２貫通孔１２Ｂは、中央部接地電極要素１２Ｃのうち、平面視で幅広部７Ｗと重複する領域に設けられている。そのため、各第２貫通孔１２Ｂは、平面視で、幅広部７Ｗと重複する。また、各第２貫通孔１２Ｂは、平面視で、中央部接地電極要素１２Ｃのリッジ型光導波路５側の側面１２ＳとＸ軸方向に離間している。各第２貫通孔１２Ｂは、平面視で、角部を有しない形状、例えば、円形形状、楕円形状、レーストラック形状、又は、角丸矩形形状を有する。
【0057】
複数の第２貫通孔１２Ｂは、Ｙ軸方向に沿って順に周期Ｐ１２Ｂで周期的に設けられている。第２貫通孔の配置の周期性、形状についての留意点は上記で説明した第１貫通孔１１Ｂの場合と同様である。さらに、第１貫通孔１１Ｂと第２貫通孔１２Ｂは、平面視で、コア部５Ａの光軸５ＡＸに対して線対称となる態様である場合、設計解析における計算規模が小さくて済むため好ましい。
【0058】
上述のような本実施形態に係る光変調器１００においては、中央部接地電極要素１１Ｃ及び中央部接地電極要素１２Ｃは、それぞれ、平面視で信号電極７の幅広部７Ｗと重複する第１貫通孔１１Ｂ及び第２貫通孔１２Ｂを有する（図１及び図２参照）。そのため、中央部接地電極要素１１Ｃ及び中央部接地電極要素１２Ｃが、それぞれ第１貫通孔１１Ｂ及び第２貫通孔１２Ｂを有していない場合と比較して、信号電極７と第１接地電極１１及び第２接地電極１２間の静電容量を低下させることができるため、変調電極１５の特性インピーダンスを高くすることができる。
【0059】
その結果、本実施形態に係る光変調器１００によれば、信号電極７が集中定数形電極として機能する場合には高周波駆動の妨げとなる信号電極７と第１接地電極１１、第２接地電極１２間の容量を小さくすることができ、また、信号電極７が進行波形電極として機能する場合は変調電極１５の特性インピーダンスの低下を避けることができ変調信号を供給する外部の素子と変調器とのインピーダンス整合を図り易くなるため、高速変調動作及び高効率駆動が可能となる。
【0060】
このように本実施形態において採用している技術は、変調電極１５の特性インピーダンスを高く設計する際や、信号電極７と第１接地電極１１、第２接地電極１２間の容量を下げる設計を行う際に有効な技術である。したがって、ニオブ酸リチウムのように比誘電率が高い材料（ニオブ酸リチウムの比誘電率には、異方性があり、当該比誘電率は２８と４５）からなる基体部３を用いて光変調器１００を作製する際に特に有効である。またＧＨｚ帯の成分をふくむような高周波制御信号、広帯域制御信号で駆動させる光変調器１００を作製する際に特に有効である。
【0061】
また、特に本実施形態に係る光変調器１００においては、各第１貫通孔１１Ｂ及び第２貫通孔１２Ｂは、平面視で、幅広部７Ｗと重複するように設けられているため（図１参照）、信号電極７と第１接地電極１１及び第２接地電極１２間の全体の静電容量は、第１貫通孔１１Ｂ及び第２貫通孔１２Ｂと貫通孔の合計面積に対応する平行平板状コンデンサの容量に相当する分低下するため、変調電極１５の特性インピーダンスをより高くすることができる。
【0062】
さらに、本実施形態に係る光変調器１００においては、各第１貫通孔１１Ｂ、及び、第２貫通孔１２Ｂは、平面視で、円形形状又は楕円形状等の角部を有しない形状を有している（図１及び図３参照）。これにより、平面視で中央部接地電極要素１１Ｃの第１貫通孔１１Ｂと隣接する界面、及び、平面視で中央部接地電極要素１２Ｃの第２貫通孔１２Ｂと隣接する界面は、角部を有さない曲線形状となる。その結果、変調信号が変調電極１５に印加された際に当該隣接する界面において電界の集中が起きにくくなるため、変調信号の伝搬損失を抑制することができる。
【0063】
さらに、本実施形態に係る光変調器１００においては、中央部接地電極要素１１Ｃは、複数の第１貫通孔１１Ｂを有し、当該複数の第１貫通孔１１Ｂは、Ｙ軸方向に沿って順に設けられており、中央部接地電極要素１２Ｃは、複数の第２貫通孔１２Ｂを有し、当該複数の第２貫通孔１２Ｂは、Ｙ軸方向に沿って順に設けられている（図１及び図３参照）。
【0064】
これにより、変調電極１５のインピーダンスをさらに高くすることができるため、変調信号を供給する外部の素子と光変調器１００とのインピーダンス整合を、より高精度に図り易くなる。その結果、本実施形態に係る光変調器１００によれば、より高速での変調動作が可能となる。
【0065】
さらに、本実施形態に係る光変調器１００においては、第１貫通孔１１Ｂは、平面視で、中央部接地電極要素１１Ｃのリッジ型光導波路５側の側面１１Ｓと離間しており、第２貫通孔１２Ｂは、平面視で、中央部接地電極要素１２Ｃのリッジ型光導波路５側の側面１２Ｓと離間している（図１参照）。
【0066】
これにより、平面視で中央部接地電極要素１１Ｃの上記側面１１Ｓと中央部接地電極要素１２Ｃの上記側面１２Ｓに角部が形成されることを防止することができる。その結果、変調信号が変調電極１５に印加された際に当該側面１１Ｓ、１２Ｓにおいて電界の集中が起きにくくなるため、変調信号の伝搬損失を抑制することができる。
【0067】
また、本実施形態に係る光変調器１００においては、中央部接地電極要素１１Ｃは、基体部３の主面３Ｓ上においてリッジ型光導波路５とＸ軸方向に接しており、中央部接地電極要素１２Ｃは、基体部３の主面３Ｓ上においてリッジ型光導波路５とＸ軸方向に接している（図１〜図３参照）。これにより、平面視での幅広部７Ｗと重複する中央部接地電極要素１１Ｃの領域及び中央部接地電極要素１２Ｃの領域が大きくなるため、幅広部７Ｗと中央部接地電極要素１１Ｃの領域及び中央部接地電極要素１２Ｃの領域との間の空隙を伝わる制御信号のパワーの割合が大きくなり変調信号の速度が上昇し、リッジ型光導波路５内を導波する光と信号電極７に印加される変調信号との速度整合が可能になると共に、中央部接地電極要素１１Ｃ及び中央部接地電極要素１２Ｃの表面積が広くなり電界の集中が避けられることから低電極損失がより容易に実現可能となる。
【0068】
これにより、従来の構成の光変調器において、ひさし状に張り出した信号電極を用いた構成の欠点であった、電極間容量の増大と特性インピーダンスの低下は、本実施形態の光変調器１００においては、中央部接地電極要素１１Ｃ及び中央部接地電極要素１２Ｃに各第１貫通孔１１Ｂ及び第２貫通孔１２Ｂを設けることで改善できる。
【0069】
また、本実施形態に係る光変調器１００においては、各第１貫通孔１１Ｂは、平面視で、中央部接地電極要素１１Ｃのリッジ型光導波路５側の側面１１ＳとＸ軸方向に２μｍ以上離間しており、各第２貫通孔１２Ｂは、平面視で、中央部接地電極要素１２Ｃのリッジ型光導波路５側の側面１２ＳとＸ軸方向に２μｍ以上離間していることが好ましい。高周波に対応する光変調器の電極材料として一般的に用いられる良導体である、金、銀や銅の、周波数１０ＧＨｚにおける表皮効果による表皮深さは、おおよそ１μｍ弱である。上述の好ましい態様においては、各第１貫通孔１１Ｂおよび各第２貫通孔１２Ｂは、平面視で、中央部接地電極要素１１Ｃ及び中央部接地電極要素１２Ｃのリッジ型光導波路５側の側面１１Ｓ及び１２Ｓから、上記表層深さ以上離間することになる。これにより、中央部接地電極要素１１Ｃ及び中央部接地電極要素１２Ｃのうち、各第１貫通孔１１Ｂおよび各第２貫通孔１２Ｂの近傍にエッジ効果によって電界が集中しても、高周波電流にとって十分な表皮深さが確保されているため、変調信号の伝搬損失の発生を抑制することができる。
【0070】
また、平面視での各第１貫通孔１１Ｂと、中央部接地電極要素１１Ｃのリッジ型光導波路５側の側面１１ＳとのＸ軸方向の離間距離は、伝搬損失の発生を抑制する観点からは特に制限されず、信号電極７と第１接地電極１１、第２接地電極１２間の容量又は変調電極１５の特性インピーダンスの設計に応じて適宜決定すればよい。当該離間距離が大きいと信号電極７と第１接地電極１１、第２接地電極１２間の容量の低下と変調電極１５の特性インピーダンスの増大の効果は小さくなる傾向にあるが、各第１貫通孔１１Ｂ及び第２貫通孔１２Ｂは、平面視で、幅広部７Ｗと重複するように設けられているため、当該効果の当該離間距離への依存性は比較的小さい。中央部接地電極要素１２Ｃのリッジ型光導波路５側の側面１２ＳとのＸ軸方向の離間距離についても同様である。したがって、信号電極７と第１接地電極１１、第２接地電極１２間の容量の低下と変調電極１５の特性インピーダンスの増大は、上記離間距離でなく主に第１貫通孔１１Ｂと第２貫通孔１２Ｂの平面視での総面積で調整することができる。
【0071】
また、本実施形態に係る光変調器１００においては、中央部接地電極要素１１Ｃ及び中央部接地電極要素１２Ｃは、平面視で、リッジ型光導波路５のコア部５Ａの光軸に対して略線対称に設けられていることが好ましい（図１参照）。これにより、特性の設計に必要な解析計算の規模が小さくて済む。さらには、第１貫通孔１１Ｂと第２貫通孔１２Ｂの不均等な配置に起因する、温度変化の際の基板の応力・歪みの偏りが回避され、光変調器の動作の安定性獲得が期待できる。
【0072】
（第２実施形態）次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態以降の各実施形態については、他の実施形態との相違点について主として説明し、他の実施形態の要素と同一の要素については、同一の符号を付すことにより、その詳細な説明を省略する場合がある。
【0073】
図４は、第２実施形態に係る光変調器の構成を示す平面図であり、図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿った光変調器の断面図である。本実施形態の光変調器２００は、第１貫通孔が設けられた位置、及び、第２貫通孔が設けられた位置において、第１実施形態の光変調器１００と相違する。
【0074】
即ち、図４及び図５に示すように、本実施形態の変調電極２１５は、第１接地電極２１１、信号電極７、及び、第２接地電極２１２を有する。そして、第１接地電極２１１が有する中央部接地電極要素２１１Ｃは、複数の第１貫通孔が形成された位置において、第１実施形態の中央部接地電極要素１１Ｃと相違する。具体的には、本実施形態の複数の第１貫通孔２１１Ｂは、中央部接地電極要素２１１Ｃのうち、平面視で幅広部７Ｗと重複しない領域に設けられている。そのため、各第１貫通孔２１１Ｂは、平面視で幅広部７ＷとＸ軸方向に対向する。
【0075】
同様に、第２接地電極２１２が有する中央部接地電極要素２１２Ｃは、複数の第２貫通孔が形成された位置において、第１実施形態の中央部接地電極要素１２Ｃと相違する。具体的には、本実施形態の複数の第２貫通孔２１２Ｂは、中央部接地電極要素２１２Ｃのうち、平面視で幅広部７Ｗと重複しない領域に設けられている。そのため、各第２貫通孔２１２Ｂは、平面視で幅広部７ＷとＸ軸方向に対向する。
【0076】
複数の第１貫通孔２１１Ｂは、第１実施形態の第１貫通孔１１Ｂと同様に、Ｙ軸方向に沿って順に周期Ｐ２１１Ｂで周期的に設けられている。信号電極７と第１接地電極１１、第２接地電極１２間の容量を小さくする効果や変調電極２１５の特性インピーダンスを上昇させる効果を発現させる視点からは、同じ形状の第１貫通孔１１Ｂを方向１に沿って周期的に配置しなくともよく、例えば形状が異なる複数種類の第１貫通孔１１Ｂを配置してもよいし、複数種類の第１貫通孔１１Ｂを、離散的に、又は、信号電極７の延び方向に沿って所定の周期で配置してもよい。第１貫通孔１１Ｂを離散的に配置したり、形状の異なる複数種類の第１貫通孔を配置したりするよりも、同じ形状の複数の第１貫通孔１１Ｂを周期的に配置した方が、特性の解析計算の規模が小さくて済むため設計上有利であり、設計解析が容易になることから、意図しないインピーダンスの不整合による伝搬信号の損失の特性劣化を防ぎやすい。
【0077】
なお、第１貫通孔１１Ｂが周期的に設けられた構造の場合には、その構造が特定の周波数に対応したバンドパスフィルター回路として作用するため、特定の周波数信号がそのバンドパスフィルター回路に結合し、信号電極を伝搬する信号が劣化するおそれがある。その変調信号の劣化は、第１貫通孔１１Ｂが設けられた周期を変調信号の主要周波数成分の波長（バンドバスフィルター回路における、その周波数成分の波長）の１／４以下にすることで、回避することができる。複数の第２貫通孔１２Ｂについても、同様である。
【0078】
本実施形態に係る光変調器２００によれば、第１実施形態の光変調器１００と同様の理由に基づき、変調信号を供給する外部の素子と光変調器２００とのインピーダンス整合を図り易くなるため、高速変調動作が可能となる。
【0079】
さらに、本実施形態の光変調器２００においては、複数の第１貫通孔２１１Ｂは、中央部接地電極要素２１１Ｃのうち、平面視で幅広部７Ｗと重複しない領域に設けられており、複数の第２貫通孔２１２Ｂは、中央部接地電極要素２１２Ｃのうち、平面視で幅広部７Ｗと重複しない領域に設けられているため（図４及び図５参照）、変調電極２１５と第１貫通孔２１１Ｂが大きく離間しているため、第１貫通孔２１１Ｂの縁においてエッジ効果が起こりにくくなっており、第１貫通孔２１１Ｂの存在に伴う変調信号の伝搬損失を低減することができる。
【0080】
ただし、変調電極２１５の断面形状が平板の、ひさし状の構造の場合、上記離間距離が大きいと信号電極７と第１接地電極２１１、第２接地電極２１２間容量の低下と変調電極２１５の特性インピーダンスの増大の効果は小さくなる。ニオブ酸リチウムで基体部及びリッジ導波路部を構成した態様において、本実施形態において速度整合と変調信号の低損失な伝搬が実現できるのは、例えば信号電極７の幅広部７Ｗの幅Ｗ７Ｗをリッジ型光導波路５の幅Ｗ５の３〜５倍程度とした際であるが、上記離間距離をリッジ導波路部の幅Ｗ５の８倍程度離すと、電極間容量の低下と特性インピーダンスの上昇の効果は、相対的に低くなる場合がある。
【0081】
一方、変調電極２１５の断面形状が、矩形状、楕円形状、逆台形状やキノコ状など、側面に相当する部分の面積が大きい構造の場合には、状況が異なる。中央部接地電極要素２１１Ｃのうち平面視で幅広部７Ｗと重複しない領域は、変調電極１５の側面部分と実質的に対向して作用する領域にあたるため、この部分に第１貫通孔２１１Ｂを形成することは、信号電極７と第１接地電極２１１、第２接地電極２１２間の容量の低減や変調電極２１５の特性インピーダンスの上昇に有効な手段である。特に、信号電極７の幅広部７Ｗの幅Ｗ７Ｗより信号電極の高さＴ６０７Ｗ（図１２参照）の方が大きい場合に効果が大きい。第１貫通孔２１１Ｂを、中央部接地電極要素２１１Ｃのうち平面視で幅広部７Ｗと重複する領域に形成しても、重複しない領域に形成しても、信号電極７と第１接地電極２１１、第２接地電極２１２間の容量の低下と変調電極２１５の特性インピーダンスの上昇の効果は得られるが、重複しない領域に形成するほうが、変調信号損失が小さい点で有利である。
【0082】
（第３実施形態）次に、本発明の第３実施形態について説明する。図６は、第３実施形態に係る光変調器の構成を示す平面図であり、図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った光変調器の断面図である。第３実施形態の光変調器３００は、第１貫通孔及び第２貫通孔の平面視形状において、第２実施形態の光変調器２００と相違する。
【0083】
即ち、図６及び図７に示すように、本実施形態の変調電極３１５は、第１接地電極３１１、信号電極７、及び、第２接地電極３１２を有する。そして、第１接地電極３１１が有する中央部接地電極要素３１１Ｃに設けられた複数の第１貫通孔３１１Ｂの平面視形状は、それぞれ、第２実施形態の第１貫通孔２１１Ｂ（図４参照）とは異なり、矩形形状等の角部を有する形状である。同様に、第２接地電極３１２が有する中央部接地電極要素３１２Ｃに設けられた複数の第２貫通孔３１２Ｂの平面視形状は、それぞれ第２実施形態の第２貫通孔２１２Ｂ（図４参照）とは異なり、矩形形状等の角部を有する形状である。
【0084】
本実施形態に係る光変調器２００によれば、第１実施形態の光変調器１００と同様の理由に基づき、変調信号を供給する外部の素子と光変調器２００とのインピーダンス整合を図り易くなるため、高速変調動作が可能となる。
【0085】
さらに、本実施形態の光変調器３００においては、複数の第１貫通孔３１１Ｂの平面視形状は、それぞれ矩形形状等の角部を有する形状であり、複数の第２貫通孔３１２Ｂの平面視形状は、それぞれ矩形形状等の角部を有する形状であるため（図６参照）、設計に必要な特性解析の計算規模の大幅な縮小が可能である。各第１貫通孔３１１Ｂ及び各第２貫通孔３１２Ｂが曲線部を含まない単純な構造であるため、これらが曲線部を含む場合に比べて、有限要素解析においては要素のサイズを細分化する必要がなく計算規模が大幅に軽減される。また、計算のモデル入力の大幅に省力化されるという効果を発揮する。
【0086】
角部を有する第１貫通孔３１１Ｂ及び第２貫通孔３１２Ｂを、中央部接地電極要素３１１Ｃ及び中央部接地電極要素３１２Ｃのうち平面視で信号電極幅広部７Ｗと重複する領域に形成する場合、第１貫通孔３１１Ｂ及び第２貫通孔３１２Ｂと信号電極７Ｗとの距離が近いため、エッジ効果の影響が相対的に増加する場合があり、信号電極７の損失が相対的に増大する可能性があるが、本実施形態のように、中央部接地電極要素３１１Ｃ及び各第２貫通孔３１２Ｂのうち平面視で信号電極幅広部７Ｗと重複しない領域に第１貫通孔３１１Ｂ及び各第２貫通孔３１２Ｂがを形成する場合は、第１貫通孔３１１Ｂ及び第２貫通孔３１２Ｂと信号電極７Ｗとの距離が大きいため、エッジ効果の影響は軽微であり、信号電極の損失は低減される。
【0087】
（第４実施形態）次に、本発明の第４実施形態について説明する。図８は、第４実施形態に係る光変調器の構成を示す平面図であり、図９は、図８のＩＸ−ＩＸ線に沿った光変調器の断面図である。第４実施形態の光変調器４００は、第１テラス部３Ｔ１と、第２テラス部３Ｔ２とをさらに備える点、及び、第１接地電極１１がテラス上接地電極要素１１Ｄをさらに有する点、及び、第２接地電極１２がテラス上接地電極要素１２Ｄをさらに有する点、において、第１実施形態の光変調器１００（図１〜図３参照）と異なる。
【0088】
第１テラス部３Ｔ１は、主面３Ｓの第１面３Ａ上に設けられたテラス状の部材であり、第２テラス部３Ｔ２は、主面３Ｓの第２面３Ｂ上に設けられたテラス状の部材である。第１テラス部３Ｔ１及び第２テラス部３Ｔ２は、リッジ型光導波路５と略同じ高さを有する。第１テラス部３Ｔ１とリッジ型光導波路５とによって、第１面３Ａ及び設置面３Ｅ上に第１凹部３Ｃ１が規定され、第２テラス部３Ｔ２とリッジ型光導波路５とによって、第２面３Ｂ及び設置面３Ｅ上に第２凹部３Ｃ２が規定される。第１凹部３Ｃ１及び第２凹部３Ｃ２は、それぞれ平面視でＹ軸方向に沿って延びる形状を有しており、本実施形態のリッジ型光導波路５の形状は、第１凹部３Ｃ１及び第２凹部３Ｃ２によって規定される。
【0089】
第１テラス部３Ｔ１及び第２テラス部３Ｔ２は、それぞれニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などの電気光学効果を奏する誘電体材料から構成され、基体部３と同一の材料から構成されてもよい。このような基体部３とリッジ型光導波路５と第１テラス部３Ｔ１と第２テラス部３Ｔ２とからなる構造体は、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）等の誘電体材料から構成される板状の初期基板を準備し、当該初期基板の主面近傍のコア部５Ａとなるべき領域にチタン（Ｔｉ）等の金属を拡散させ、当該主面の全体上にバッファ層５Ｃを構成する誘電体材料からなる誘電体膜を形成した後に、リッジ型光導波路５、基体部３、第１テラス部３Ｔ１及び第２テラス部３Ｔ２なるべき領域を残すように当該初期基板及び当該誘電体膜をエッチングすることにより、得ることできる。或いは、当該構造体は、基体部３を準備し、基体部３の主面３Ｓの設置面３Ｅ上にリッジ型光導波路５、第１面３Ａ及び第２面３Ｂ上に第１テラス部３Ｔ１及び第２テラス部３Ｔ２を形成することによっても、得ることができる。
【0090】
第１接地電極１１のテラス上接地電極要素１１Ｄは、例えば中央部接地電極要素１１Ｃと同様の金属材料からなり、当該中央部接地電極要素１１Ｃと電気的に接続されるように、第１テラス部３Ｔ１の側面及び上面に設けられている。同様に、第２接地電極１２のテラス上接地電極要素１２Ｄは、例えば中央部接地電極要素１２Ｃと同様の金属材料からなり、当該中央部接地電極要素１２Ｃと電気的に接続されるように、第２テラス部３Ｔ２の側面及び上面に設けられている。第１テラス部３Ｔ１の上面上のテラス上接地電極要素１１Ｄの厚さは、中央部接地電極要素１１Ｃの厚さよりも厚いことが好ましく、例えば１０μｍ以上、８０μｍ以下とすることができる。同様に、第２テラス部３Ｔ２の上面上のテラス上接地電極要素１２Ｄの厚さは、中央部接地電極要素１２Ｃの厚さよりも厚いことが好ましく、例えば１０μｍ以上、８０μｍ以下とすることができる。
【0091】
本実施形態に係る光変調器４００によれば、第１実施形態の光変調器１００と同様の理由に基づき、変調信号を供給する外部の素子と光変調器４００とのインピーダンス整合を図り易くなるため、高速変調動作が可能となる。
【0092】
さらに、本実施形態の光変調器４００においては、中央部接地電極要素１１Ｃと電気的に接続され、第１テラス部３Ｔ１上に設けられたテラス上接地電極要素１１Ｄと、中央部接地電極要素１２Ｃと電気的に接続され、第２テラス部３Ｔ２上に設けられたテラス上接地電極要素１２Ｄとを有するため、テラス上接地電極要素１２Ｄと信号電極７とを同じ高さ又は近接した高さに形成することが容易になるため、変調器チップをケースに実装する際のワイヤーボンディング、フリップチップボンディングや、ＧＳＧ(Ground-Signal-Ground)タイプの高周波プローブを用いた特性検査が行いやすいといったという利点がある。また、ニオブ酸リチウムを用いてリッジ型光導波路を作製する場合には、反応性イオンエッチングや機械的加工が主に使われているが、いずれの手法においても、加工部分の面積が小さい方が工程上の都合が良く、第１面３Ａおよび第２面３Ｂの形成は必要最小限にとどめるほうが望ましい。本実施形態のようにテラス部３Ｔ１や３Ｔ２に相当する部分を加工せずに残す構成は、現実的な構成である。
【0093】
（第５実施形態）次に、本発明の第５実施形態について説明する。図１０は、第５実施形態に係る光変調器の断面図であり、第４実施形態の図９に対応する図である。第５実施形態の光変調器５００は、第１接地電極の中央部接地電極要素及び第２接地電極の中央部接地電極要素の態様の点において、第４実施形態の光変調器４００（図８及び図９参照）と異なる。
【0094】
即ち、図１０に示すように、本実施形態の光変調器５００においては、第１接地電極１１が有する中央部接地電極要素５１１Ｃは、基体部３の主面３Ｓ上においてリッジ型光導波路５とＸ軸方向に離間している。同様に、本実施形態の第２接地電極１２が有する中央部接地電極要素５１２Ｃは、基体部３の主面３Ｓ上においてリッジ型光導波路５とＸ軸方向に離間している。中央部接地電極要素５１１Ｃとリッジ型光導波路５のＸ軸方向の離間距離及び中央部接地電極要素５１２Ｃとリッジ型光導波路５のＸ軸方向の離間距離は、例えば１μｍ以上、１６０μｍ以下とすることができる。中央部接地電極要素５１１Ｃ及び中央部接地電極要素５１２Ｃの一部は、平面視で幅広部７Ｗと重複している。
【0095】
本実施形態に係る光変調器５００によれば、第１実施形態の光変調器１００と同様の理由に基づき、変調信号を供給する外部の素子と光変調器５００とのインピーダンス整合を図り易くなるため、高速変調動作が可能となる。
【0096】
また、本実施形態に係る光変調器５００によれば、中央部接地電極要素５１１Ｃ及び中央部接地電極要素５１２Ｃが基体部３の主面３Ｓ上においてリッジ型光導波路５とＸ軸方向に離間しているため、信号電極７と第１接地電極５１１、第２接地電極５１２間の容量の低減させること、及び変調電極の特性インピーダンスの上昇させることが容易となるという利点がある。本実施構成は、リッジ型光導波路５及び基体部３を信号電極７と中央部接地電極要素５１１Ｃで挟んだコンデンサ、リッジ型光導波路部５及び基体部３を信号電極７と中央部接地電極要素５１２Ｃで挟んだコンデンサ、空気層を信号電極７と中央部接地電極要素５１１Ｃで挟んだコンデンサ、及び、空気層を信号電極７と中央部接地電極要素５１２Ｃで挟んだコンデンサの並列回路と等価であると簡略化して考えることができる。
【0097】
このように考えると、中央部接地電極要素５１１Ｃ及び中央部接地電極要素５１２Ｃと基体部３の主面３Ｓ上においてリッジ型光導波路５との離間距離の増加は、コンデンサ間の離間距離の増加に相当するため、信号電極７と第１接地電極５１１、第２接地電極５１２間の容量の低減及び変調電極の特性インピーダンスの上昇に直接寄与する。ただし、中央部接地電極要素５１１Ｃ及び中央部接地電極要素５１２Ｃと基体部３の主面３Ｓ上においてリッジ型光導波路５との離間距離は、光導波路部５における実効電界に直接影響し、信号電極７と接地電極要素の間に同じ電圧をかけた場合、離間距離が大きくなるほど光導波路部５における実効電界は小さくなるため、光変調器としての駆動効率が低下する。そのため、必要な駆動効率と特性インピーダンスの大きさを勘案しつつ、当該離間距離を設計する必要がある。
【0098】
（第６実施形態）次に、本発明の第６実施形態について説明する。図１１は、第６実施形態に係る光変調器の構成を示す平面図であり、図１２は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った光変調器の断面図である。第６実施形態の光変調器６００は、変調電極の態様の点において、第４実施形態の光変調器４００と相違する。
【0099】
具体的には、図１１及び図１２に示すように、本実施形態の変調電極６１５は、第１接地電極６１１、第２接地電極６１２、及び、信号電極６０７を有する。第１接地電極６１１が有する中央部接地電極要素６１１Ｃ及び第２接地電極６１２が有する中央部接地電極要素６１２Ｃは、第４実施形態の中央部接地電極要素１１Ｃ、１２Ｃ（図８及び図９参照）と異なり、平面視で変調電極６１５の信号電極６０７と重複していない。そのため、中央部接地電極要素６１１Ｃ及び中央部接地電極要素６１２Ｃに設けられた第１貫通孔６１１Ｂ及び第２貫通孔６１２Ｂも、平面視で信号電極６０７の幅広部６０７Ｗと重複していない。
【0100】
変調電極６１５は、本実施形態の幅広部として幅広部６０７Ｗを有し、第１接地電極６１１は、本実施形態のテラス上接地電極要素としてのテラス上接地電極要素６１１Ｄと、中央部接地電極要素６１１Ｃと、を有し、第２接地電極６１２は、本実施形態のテラス上接地電極要素としてのテラス上接地電極要素６１２Ｄと、中央部接地電極要素６１２Ｃと、を有する。そして、幅広部６０７Ｗ、テラス上接地電極要素６１１Ｄ、及び、テラス上接地電極要素６１２ＤのＺ軸方向の沿った厚さは、第４実施形態の幅広部７Ｗ、テラス上接地電極要素１１Ｄ、及び、テラス上接地電極要素１２ＤのＺ軸方向の沿った厚さよりも厚い。また、本実施形態においては、中央部接地電極要素６１１ＣのＺ軸方向の厚さ、及び、中央部接地電極要素６１２ＣのＺ軸方向の厚さは、それぞれ、リッジ型光導波路５の高さＴ５よりも大きい。
【0101】
信号電極６０７の幅広部６０７Ｗは、図１２に示されるような、ひさし形状を構成する矩形状でなくても良く、楕円形状や非特許文献２に示されるような、徐々にせり出し逆台形状に張り出す形状、キノコ状に張り出す形状、あるいは、これらの中間的な形状又はこれらの複合した形状であっても同様の効果が得られる。また、接地電極要素６１１Ｄの主面３Ａに設置された部分および接地電極要素６１２Ｄの主面３Ｂに設置された部分は、テラス上に設置された部分より薄くなっているが、厚い構成になっていても良い。テラス上接地電極要素６１１Ｄの第１テラス部３Ｔ１の上面におけるＺ軸方向に沿った厚さＴ６１１Ｄ、及び、テラス上接地電極要素６１２Ｄの第２テラス部３Ｔ２の上面におけるＺ軸方向に沿った厚さＴ６１２Ｄとほぼ同じ厚さとすることもできる。
【0102】
第６実施形態のように信号電極６０７の幅広部６０７Ｗ及びテラス上接地電極要素６１１Ｄ、６１２Ｄの厚さが厚い場合、変調電極の特性インピーダンスの値は、第１貫通孔６１１Ｂ及び第２貫通孔６１２Ｂの形状、サイズ、位置や数量よりも、むしろ中央部接地電極要素６１１Ｃ、６１２Ｃとリッジ型光導波路５との離間距離や、幅広部６０７Ｗの形状、特に幅広部６０７ＷのＸ軸方向に張出した側面の形状に大きく依存する。第１貫通孔６１１Ｂ及び第２貫通孔６１２Ｂの形状、サイズ、位置や数量による特性インピーダンスの調整は有効であるが、補助的なものになる。
【0103】
したがって変調電極の特性インピーダンスを大きく上昇させるには、まず、中央部接地電極要素６１１Ｃ、６１２Ｃとリッジ型光導波路５との離間距離を大きくすれば良い。しかしながら、中央部接地電極要素６１１Ｃ、６１２Ｃとリッジ型光導波路５との離間距離は、リッジ型光導波路５における電界の強度とトレードオフの関係にあり、その離間距離を大きくするとリッジ型光導波路５における電界の強度が低下してしまい、効率的な変調が実現できなくなる。そこで、中央部接地電極要素６１１Ｃ、６１２Ｃのリッジ型光導波路５との離間距離は、インピーダンスよりも変調効率を優先して設計することにより、低すぎるインピーダンス特性を、第１貫通孔６１１Ｂ及び第２貫通孔６１２Ｂの形状、サイズ、位置や数量などによって、調整補正し、所望の特性値となるように設計することにより、特性が良好な光変調器を実現できる。
【0104】
また、第６実施形態の場合、中央部接地電極要素６１１Ｃ、６１２Ｃとリッジ型光導波路５との離間距離は大きく、中央部接地電極要素６１１Ｃ、６１２Ｃに第１貫通孔６１１Ｂ及び第２貫通孔６１２Ｂを設けても、高周波制御信号の損失は小さいため、第１貫通孔６１１Ｂ及び第２貫通孔６１２Ｂに起因する他の特性への悪影響はほとんど無い。このように、高周波光変調器、広帯域光変調器の設計、作製における利点は大きい。
【0105】
幅広部６０７ＷのＺ軸方向に沿った厚さＴ６０７Ｗは、例えば２５μｍ以上、８０μｍ以下とすることができ、テラス上接地電極要素６１１Ｄの第１テラス部３Ｔ１の上面におけるＺ軸方向に沿った厚さＴ６１１Ｄ、及び、テラス上接地電極要素６１２Ｄの第２テラス部３Ｔ２の上面におけるＺ軸方向に沿った厚さＴ６１２Ｄは、例えばそれぞれ２５μｍ以上、８０μｍ以下とすることができる。これにより、幅広部６０７Ｗと中央部接地電極要素６１１Ｃ、６１２Ｃが互い対向して作用する実効的な表面積が大幅に増大されて、特定箇所への電界の集中が回避され、制御信号の伝搬損失は大幅に低減する。
【0106】
厚さＴ６０７Ｗは、例えばリッジ型光導波路５の幅Ｗ５の４倍以上、１０倍以下、又は、幅広部６０７ＷのＸ軸方向の幅Ｗの２倍以上、５倍以下とすることができ、厚さＴ６１１Ｄ及び厚さＴ６１２Ｄは、例えばそれぞれ厚さＴ６０７Ｗと同程度とすることができる。
【0107】
本実施形態に係る光変調器６００によれば、第１実施形態の光変調器１００と同様の理由に基づき、変調信号を供給する外部の素子と光変調器６００とのインピーダンス整合を図り易くなるため、高速変調動作が可能となる。特性インピーダンスの調整方法としては、補助的なものになるが、他の特性の悪化を伴わないために、実用上有効である。
【0108】
さらに、本実施形態に係る光変調器６００によれば、幅広部６０７Ｗ、テラス上接地電極要素６１１Ｄ、及び、テラス上接地電極要素６１２Ｄの厚さが他の実施形態における対応する要素の厚さよりも厚く、信号電極６０７の幅広部６０７Ｗと中央部接地電極要素６１１Ｃ、６１２Ｃが互い対向して作用する実効的な表面積が特に大きくなっているため、特定箇所への電界の集中が回避され、制御信号の伝搬損失を大幅に低減するという効果を発揮する。中央部接地電極要素６１１Ｃ、６１２Ｃの材料として信号伝搬損失の少ない金、銀、又は、銅を用いた場合、１０ＧＨｚ以上周波数においては、表皮効果により電流が集中する表皮深さが１μｍ以下となり、表皮損失が顕著となる。そのような高周波成分を含む制御信号で駆動する場合において、実効的な表面積を大きく増やすことのできる第６実施形態の光変調器６００が発揮する効果は大きい。
【0109】
また、テラス上接地電極要素６１１Ｄ、６１２Ｄと幅広部６０７Ｗとを同じ高さ形成することも容易になり、変調器チップをケースに実装する際のワイヤーボンディング、フリップチップボンディングや、ＧＳＧ(Ground-Signal-Ground)タイプの高周波プローブを用いた特性検査が行いやすい。
【0110】
本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。例えば、上述の各実施形態においては、複数の第１貫通孔１１Ｂ、２１１Ｂ、３１１Ｂ、６１１Ｂは、平面視で、中央部接地電極要素１１Ｃ、２１１Ｃ、３１１Ｃ、６１１Ｃのリッジ型光導波路５側の側面１１ＳとＸ軸方向に離間しているが（図１、図４、図６、図８及び図１１参照）、平面視で、中央部接地電極要素１１Ｃ、２１１Ｃ、３１１Ｃ、６１１Ｃのリッジ型光導波路５側の側面１１Ｓと接していてもよい。
【0111】
同様に、上述の各実施形態においては、第２貫通孔１２Ｂ、２１２Ｂ、３１２Ｂ、６１２Ｂは、平面視で、中央部接地電極要素１２Ｃ、２１２Ｃ、３１２Ｃ、６１２Ｃのリッジ型光導波路５側の側面１２ＳとＸ軸方向に離間しているが（図１、図４、図６、図８及び図１１参照）、平面視で、中央部接地電極要素１２Ｃ、２１２Ｃ、３１２Ｃ、６１１２Ｃのリッジ型光導波路５側の側面１２Ｓと接していてもよい。
【0112】
また、上述の各実施形態においては、複数の第１貫通孔１１Ｂ、２１１Ｂ、３１１Ｂ、６１１Ｂは、Ｙ軸方向に沿って順に周期的に設けられているが（図１、図４、図６、図８及び図１１参照）、非周期的に設けられていてもよい。同様に、また、上述の各実施形態においては、複数の第２貫通孔１２Ｂ、２１２Ｂ、３１２Ｂ、６１２Ｂは、Ｙ軸方向に沿って順に周期的に設けられているが（図１、図４、図６、図８及び図１１参照）、非周期的に設けられていてもよい。
【0113】
また、上述の各実施形態においては、第１接地電極１１、２１１、３１１、６１１の中央部接地電極要素１１Ｃ、２１１Ｃ、３１１Ｃ、６１１Ｃは、複数の第１貫通孔１１Ｂ、２１１Ｂ、３１１Ｂ、６１１Ｂを有しているが（図１、図４、図６、図８及び図１１参照）、１つの第１貫通孔のみを有していてもよい。同様に、上述の各実施形態においては、第２接地電極１２、２１２、３１２、６１２の中央部接地電極要素１２Ｃ、２１２Ｃ、３１２Ｃ、６１２Ｃは、複数の第２貫通孔１２Ｂ、２１２Ｂ、３１２Ｂ、６１２Ｂを有しているが（図１、図４、図６、図８及び図１１参照）、１つの第１貫通孔のみを有していてもよい。
【0114】
また、上述の各実施形態のうちの２つ又は３つ以上の特徴を組み合わせた態様も可能である。例えば、第１実施形態の光変調器１００における第１貫通孔１１Ｂ及び第２貫通孔１２Ｂの平面視形状は、第３実施形態の光変調器３００における第１貫通孔３１１Ｂ及び第２貫通孔３１２Ｂのように矩形形状等の角部を有する形状であってもよい（図１、図４、図６、図８及び図１１参照）。
【0115】
また、第１〜第４実施形態の光変調器１００、２００、３００、４００において、中央部接地電極要素１１Ｃ、２１１Ｃ、３１１Ｃ及び中央部接地電極要素１２Ｃ、２１２Ｃ、３１２Ｃは、第５実施形態の光変調器５００における中央部接地電極要素５１１Ｃ及び中央部接地電極要素５１２Ｃのように、基体部３の主面３Ｓ上においてリッジ型光導波路５とＸ軸方向に離間していてもよい（図２、図５、図７及び図９参照）。
【0116】
また、第１〜第５実施形態の光変調器１００、２００、３００、４００、５００において、中央部接地電極要素１１Ｃ、２１１Ｃ、３１１Ｃ、５１１Ｃ及び中央部接地電極要素１２Ｃ、２１２Ｃ、３１２Ｃ、５１２Ｃは、第６実施形態の中央部接地電極要素６１１Ｃ及び中央部接地電極要素６１２Ｃのように、必要とされる効果に応じて、平面視で幅広部７Ｗと重複することの有無を選択できる（図１、図４、図６、図８及び図１１参照）。
【0117】
また、上述の各実施形態の光変調器１００、２００、３００、４００、５００、６００は、１つのリッジ型光導波路５及びリッジ型光導波路５上に設けられた１つのひさし状の幅広部７Ｗ、６０７Ｗからなる１つの組を備えているが（図１、図４、図６、図８及び図１１参照）、当該組を複数有していてもよい。その場合、当該複数の組のそれぞれについて、本発明を適用することができる。例えば、マッハツェンダー型光導波路、及び、その上に設けられた本願の幅広部に対応する、ひさし状の信号電極を備える光変調器において、当該マッハツェンダー型光導波路の２つのアーム光導波路のそれぞれについて、本発明を適用することができる。
【0118】
上述の各実施形態の光変調器においては、信号電極の幅広部は、リッジ型光導波路からＸ軸方向に張り出した平板状又は矩形状の、ひさし形状を有しているが、本発明の信号電極の幅広部７Ｗは、このような形状を有するものに限られない。例えば、信号電極の幅広部は、非特許文献２に示されるような、徐々にせり出し逆台形状に張り出す形状等のキノコ形状を有するものであっても良いし、これらの中間的な形状やこれらの複合した形状であっても良い。また、上述の各実施形態の光変調器では、Ｙ軸方向と直交する断面において、信号電極の幅広部は、リッジ型光導波路に対して第２方向（Ｘ軸方向）に対称的な形状を有しているが、本発明の光変調器における信号電極の幅広部は、このような形状を有するものに限られない。例えば、当該断面において、信号電極の幅広部は、リッジ型光導波路に対して第２方向に沿ったいずれかの方向（＋Ｘ軸方向又は−Ｘ軸方向）に偏って設けられていたり、リッジ型光導波路に対して当該いずれかの方向のみに張出していたりしてもよく、例えば、リッジ型光導波路に対して第２方向に沿ったいずれかの方向（＋Ｘ軸方向又は−Ｘ軸方向）に偏ったひさし形状やリッジ型光導波路に対して第２方向に沿った張出し方が非対称なキノコ形状を有していてもよい。また、国際公開第２００５／０８９３３２号パンフレットに示されているように、所定の方向に沿って延びる２つのリッジ型光導波路を有する光変調器において、当該所定の方向に直交する断面において、信号電極の幅広部は、一方のリッジ型光導波路上から、他方のリッジ型光導波路上に亘って延びる形状を有していてもよい。信号電極がリッジ型光導波路のＸ軸方向の幅より大きな幅の幅広部を有した光変調器であればよく、上述の各実施形態に関して説明した技術は、信号電極より低い位置に接地電極が配されている構成を有する光変調器において、特に有効である。
【0119】
また、上述の各実施形態の光変調器については、進行波型の電極構成であることを前提として説明をしてきた。一般に光変調器の進行波電極の作用部の長さは長く、その電極の長さと貫通孔の大きさ・密度に応じて多数の貫通孔を形成する必要がある。重要な設計指標は、信号電極と接地電極を線路と見たときの特性インピーダンスである。一方、集中定数型の電極として駆動する光変調器の場合、形成する電極の長さは一般に短い。そのため、貫通孔の形成は、駆動周波数に対応した電極間容量に応じて、大きさ、形状、数量を適宜設計し、設置する。電極長さおよび面積が小さい場合は、設置する貫通孔の数量は少なくて済む。
【0120】
上述の各実施形態の光変調器は、直線状のリッジ型光導波路５上に直線状の信号電極を配した位相変調器であるが、本発明の光変調器は、このような構成の光変調器に限らない。本発明の光変調器は、電気光学効果（印加電界に応じて屈折率が変化する現象、つまりポッケルス効果および光カー効果）によって、材料の屈折率が変化させ、伝搬する光の位相や伝搬モードを制御するデバイスのことを差しており、伝搬光の位相やモッドの制御を組み合わせて、光の強度、位相、進行方向、モード、光パルスの制御・整形などを行うデバイスを含む。
【符号の説明】
【0121】
３・・・基体部、３Ｓ・・・基体部の主面、３Ａ・・・主面の第１面、３Ｂ・・・主面の第２面、３Ｅ・・・主面の設置面、５・・・リッジ型光導波路、７・・・信号電極、１１・・・第１接地電極、１１Ｃ・・・中央部接地電極要素（第１接地電極要素）、１２・・・第２接地電極、１２Ｃ・・・中央部接地電極要素（第２接地電極要素）、１１Ｂ・・・第１貫通孔、１２Ｂ・・・第２貫通孔、１５・・・変調電極。