特開 2025-19820 光変調器、光送受信器及び光トランシーバ

(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】P2025019820

(43)【公開日】2025-02-07

(54)【発明の名称】光変調器、光送受信器及び光トランシーバ

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/035 20060101AFI20250131BHJP

【ＦＩ】

G02F1/035

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023123655

(22)【出願日】2023-07-28

(71)【出願人】

【識別番号】309015134

【氏名又は名称】富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高林 和雅

(72)【発明者】

【氏名】三田村 宣明

【テーマコード（参考）】

2K102

【Ｆターム（参考）】

2K102AA21

2K102AA28

2K102BA02

2K102BA03

2K102BB01

2K102BB04

2K102BC04

2K102BC10

2K102BD01

2K102CA05

2K102CA20

2K102CA28

2K102DA04

2K102DB04

2K102DC04

2K102DC08

2K102DD04

2K102DD10

2K102EA02

2K102EA05

2K102EA16

2K102EA21

2K102EB11

2K102EB12

2K102EB20

2K102EB22

(57)【要約】

【課題】光変調器の動作帯域を確保しながら変調効率の向上を図る光変調器等を提供することを目的とする。
【解決手段】光変調器は、電気光学材料を含む電気光学層と、前記電気光学層の下側に配置され、前記電気光学層に比較して低い誘電率を有する材料層と、を有する。光変調器は、前記材料層の下側に配置され、前記電気光学層及び前記材料層の屈折率に比較して高い屈折率を有するコア層と、前記電気光学層に電気信号を印加する電極と、を有する。前記材料層の屈折率は、前記電気光学層の屈折率の０．８５倍以上である。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気光学材料を含む電気光学層と、
前記電気光学層の下側に配置され、前記電気光学層に比較して低い誘電率を有する材料層と、
前記材料層の下側に配置され、前記電気光学層及び前記材料層の屈折率に比較して高い屈折率を有するコア層と、
前記電気光学層に電気信号を印加する電極と、を有し、
前記材料層の屈折率は、
前記電気光学層の屈折率の０．８５倍以上であることを特徴とする光変調器。

【請求項2】

前記電気光学層の電気光学係数は、
前記材料層の電気光学係数に比較して高いことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。

【請求項3】

前記電気光学層の比誘電率は、５０に比較して高く、かつ、前記電気光学層の電気光学係数は、５０ｐｍ／Ｖに比較して高く、
前記材料層の比誘電率は、５０以下、かつ、前記材料層の電気光学係数は、５０ｐｍ／Ｖ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。

【請求項4】

前記電気光学層は、
ＢａＴｉＯ_３（ＢＴＯ）、ＰｂＬａＺｒＴｉＯ_３（ＰＬＺＴ）、ＰｂＺｒＴｉＯ_３（ＰＺＴ）の内、少なくとも何れか一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。

【請求項5】

前記電気光学層の内、少なくとも前記コア層上にある前記電気光学層上に配置されたクラッド層をさらに有し、
前記クラッド層の比誘電率は、１５以下、前記クラッド層の屈折率は、１．８以下であることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。

【請求項6】

前記電気光学層の内、少なくとも前記コア層上にある前記電気光学層上に配置されたクラッド層をさらに有し、
前記クラッド層は、
ＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３及び屈折率１．８以下の樹脂の内、少なくとも何れか一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。

【請求項7】

前記電極と前記電気光学層との間に配置された第１の材料層をさらに有し、
前記第１の材料層の屈折率は、１．８以下であることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。

【請求項8】

前記電極と前記電気光学層との間に配置された第１の材料層をさらに有し、
前記第１の材料層の比誘電率は、少なくとも８以上であることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。

【請求項9】

電気信号に応じて導波する光を変調する光変調器素子と、
受光する受信光を電気信号に変換する光受信器素子と、を有し、
前記光変調器素子は、
電気光学材料を含む電気光学層と、
前記電気光学層の下側に配置され、前記電気光学層に比較して低い誘電率を有する材料層と、
前記材料層の下側に配置され、前記電気光学層及び前記材料層の屈折率に比較して高い屈折率を有するコア層と、
前記電気光学層に電気信号を印加する電極と、を有し、
前記材料層の屈折率は、
前記電気光学層の屈折率の０．８５倍以上であることを特徴とする光送受信器。

【請求項10】

電気信号に応じて導波する光を変調する光変調器素子と、
受光する受信光を電気信号に変換する光受光器素子と、
前記光変調器素子への電気信号を生成すると共に、前記光受信器素子からの前記電気信号を取得する信号処理部と、を有し、
前記光変調器素子は、
電気光学材料を含む電気光学層と、
前記電気光学層の下側に配置され、前記電気光学層に比較して低い誘電率を有する材料層と、
前記材料層の下側に配置され、前記電気光学層及び前記材料層の屈折率に比較して高い屈折率を有するコア層と、
前記電気光学層に電気信号を印加する電極と、を有し、
前記材料層の屈折率は、
前記電気光学層の屈折率の０．８５倍以上であることを特徴とする光トランシーバ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光変調器、光送受信器及び光トランシーバに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、光通信システムの大容量化に伴って光送受信器の通信高速化や低消費電力化が求められている。特に、光送信器では、高効率の光変調器が強く求められている。そして、小型、かつ、高効率の光変調器を実現する手段として、例えば、電気光学係数の高いＰｂＬａＺｒＴｉＯ_３（ＰＬＺＴ）やＢａＴｉＯ_３（ＢＴＯ）等の強誘電体電気光学材料を用いたマッハツェンダ型（ＭＺ：Mach-Zehnder）の光変調器がある。例えば、ＰＬＺＴやＢＴＯ等の電気光学係数は、数百ｐｍ／Ｖであるため、従来、光通信用に広く使用されている、例えば、ＬｉＮｂＯ_３(ＬＮ：Lithium Niobate)の光変調器の電気光学係数の３１ｐｍ／Ｖに比較して著しく高い。従って、ＰＬＺＴやＢＴＯ等の電気光学係数は、小型で高効率な光変調器の材料に適している。

【0003】

図２２は、従来の光変調器２００の一例を示す略平面模式図である。図２２に示す光変調器２００は、入力部２０１と、分岐部２０２と、２個の平行に配置された変調部２０３と、合波部２０４と、出力部２０５とを有する。光変調器２００は、入力部２０１からの光分岐後の変調部を通過する信号光を電気信号に応じて光位相変調することにより出力部から出射する光信号の強度及び位相を変調する、マッハツェンダ型の光変調器である。分岐部２０２は、入力部２０１からの信号光を光分岐し、光分岐した信号光を各変調部２０３に出力するカプラである。

【0004】

各変調部２０３は、変調導波路２１１と、電極２１２とを有する。変調導波路２１１は、例えば、ＰＬＺＴやＢＴＯ等の電気光学（ＥＯ）材料を使用した導波路である。変調導波路２１１は、第１の変調導波路２１１Ａと、第２の変調導波路２１１Ｂとを有する。電極２１２は、信号電極２１２Ａと、第１の接地電極２１２Ｂ及び第２の接地電極２１２Ｃとを有する。第１の変調部２０３Ａは、第１の接地電極２１２Ｂと、信号電極２１２Ａと、第１の接地電極２１２Ｂと信号電極２１２Ａとの間に配置された第１の変調導波路２１１Ａとを有する。第２の変調部２０３Ｂは、第２の接地電極２１２Ｃと、信号電極２１２Ａと、第２の接地電極２１２Ｃと信号電極２１２Ａとの間に配置された第２の変調導波路２１１Ｂとを有する。

【0005】

図２３は、図２２に示すＣ－Ｃ線の略断面模式図である。図２３に示す断面部位は、光変調器２００の第１の変調部２０３Ａの断面部位である。第１の変調部２０３Ａは、図示せぬＳｉ基板と、下部クラッド層２２１と、ＥＯ層２２２と、上部クラッド層２２３と、信号電極２１２Ａと、第１の接地電極２１２Ｂとを有する。下部クラッド層２２１は、Ｓｉ基板上に配置された、例えば、ＳｉＯ_２等のバッファ層である。ＥＯ層２２２は、電気光学係数の高い、例えば、ＢＴＯやＰＬＺＴ等の強誘電体のＥＯ材料の層である。ＥＯ層２２２は、信号光が導波するように、例えば、リブ型の断面構造に加工され、第１の変調導波路２１１Ａのコア層となる。上部クラッド層２２３は、ＥＯ層２２２上に配置された、ＥＯ層２２２のリブ型の第１の変調導波路２１１Ａのコア２１１Ａ１付近上部を覆う、例えば、ＳｉＯ_２等のバッファ層である。第１の変調導波路２１１Ａのコア２１１Ａ１は、第１の接地電極２１２Ｂと信号電極２１２Ａとの間で並列に配置されている。

【0006】

第１の変調部２０３Ａは、信号電極２１２Ａからの高周波の電気信号に応じて信号電極２１２Ａから第１の接地電極２１２Ｂへの電界が発生し、電界に応じて第１の変調導波路２１１Ａの光屈折率を変化させる。第１の変調部２０３Ａは、光屈折率の変化に応じて第１の変調導波路２１１Ａを導波する信号光の位相を変調する。第１の変調部２０３Ａは、変調後の信号光を合波部２０４に出力する。

【0007】

また、第２の変調部２０３Ｂは、信号電極２１２Ａからの高周波の電気信号に応じて信号電極２１２Ａから第２の接地電極２１２Ｃへの電界が発生し、電界に応じて第２の変調導波路２１１Ｂの光屈折率を変化させる。第２の変調部２０３Ｂは、光屈折率の変化に応じて第２の変調導波路２１１Ｂを導波する信号光の位相を変調する。第２の変調導波路２０３Ｂは、変調後の信号光を合波部２０４に出力する。

【0008】

合波部２０４は、第１の変調部２０３Ａからの変調後の信号光と、第２の変調部２０３Ｂからの変調後の信号光とを合波し、合波後の信号光を出力部２０５に出力する。合波部において、第１の変調部と第２の変調部の位相の状態に応じて干渉が発生し、その結果、出力部から強度及び位相が変調された信号光が出力される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開昭６３－０４９７３２号公報

【特許文献2】特開２０２２－０３２６８７号公報

【特許文献3】米国特許第０７２８３６８９号明細書

【特許文献4】特開２００７－３３３７５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

次に光変調器２００における電気信号の伝搬特性の誘電率依存性について説明する。図２４は、ＥＯ層２２２の材料で決まる物性定数である比誘電率と特性インピーダンスとの関係の一例を示す説明図である。図２５は、ＥＯ層２２２の比誘電率と電気信号損失との関係の一例を示す説明図である。図２６は、ＥＯ層２２２の比誘電率と電気信号屈折率との関係の一例を示す説明図である。変調導波路２１１のＥＯ層２２２に使用する強誘電体のＥＯ材料は、比誘電率が数百と高い。

【0011】

つまり、ＰＬＺＴやＢＴＯ等のＥＯ層２２２の比誘電率は、従来の光変調器の導波路に使用するＬＮの比誘電率に比較して著しく高い。その結果、ＰＬＺＴやＢＴＯ等のＥＯ層２２２を使用した光変調器２００の特性インピーダンスは、図２４に示すように、ＬＮのＥＯ層を使用した光変調器の特性インピーダンスに比較して低下する。また、ＰＬＺＴやＢＴＯ等のＥＯ層２２２を使用した光変調器２００の電気信号損失は、図２５に示すようにＬＮのＥＯ層に使用した光変調器の電気信号損失に比較して増加する。更に、ＰＬＺＴやＢＴＯ等のＥＯ層２２２を使用した光変調器２００の電気信号屈折率は、図２６に示すようにＬＮのＥＯ層に使用した光変調器の電気信号屈折率に比較して増加する。

【0012】

この中でも、ＰＬＺＴやＢＴＯ等のＥＯ層２２２を使用した光変調器２００の電気信号屈折率の増加については、光の伝搬速度と電気信号の伝搬速度とのズレによる速度不整合を招く。

【0013】

具体的には、ＢＴＯやＰＬＺＴ等のＥＯ材料を使用した光導波路を導波する光の伝搬速度を規定する群屈折率は、例えば、２～２．５の範囲内となる。これに対して、ＢＴＯやＰＬＺＴ等のＥＯ材料を使用した光導波路に印加する電気信号の伝搬速度を規定する電気信号屈折率は、その比誘電率が数百と非常に高くなるため、３以上となる。そして、光の伝搬速度と電気信号の伝搬速度との間で大きく乖離することで速度不整合が発生する。その結果、光変調器２００では、例えば、光変調器２００の光応答の３ｄＢ帯域が著しく制限されてしまうことになる。

【0014】

また、速度不整合が発生する場合には、光変調器２００の導波路長を短くすることで速度不整合の影響を抑制することも考えられる。しかしながら、この場合、光変調器２００の作用長が短くなるため、光変調器２００の位相をπ変化させるのに必要な半波長電圧Ｖπが増加して光変調器２００の変調効率が劣化することになる。つまり、速度不整合が発生した場合には、高い電気光学係数の材料を用いたことによる変調効率の向上の効果が得られなくなる。

【0015】

従って、ＰＬＺＴやＢＴＯ等の高誘電率を有するＥＯ材料を光変調器２００のコア２１１Ａ１に用いる場合には、光変調器の高い３ｄＢ帯域の確保と高い変調効率（低いＶπ）との両立を図ることが困難である。

【0016】

開示の技術は、光変調器の動作帯域を確保しながら変調効率の向上を図る光変調器等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】

【0017】

本願が開示する光変調器は、１つの態様において、電気光学材料を含む電気光学層と、前記電気光学層の下側に配置され、前記電気光学層に比較して低い誘電率を有する材料層と、を有する。更に、光変調器は、前記材料層の下側に配置され、前記電気光学層及び前記材料層の屈折率に比較して高い屈折率を有するコア層と、前記電気光学層に電気信号を印加する電極と、を有する。前記材料層の屈折率は、前記電気光学層の屈折率の０．８５倍以上である。

【発明の効果】

【0018】

本願が開示する光変調器等の１つの態様によれば、光変調器の動作帯域を確保しながら変調効率の向上を図る光変調器等を提供する。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、実施例１の光変調器の一例を示す略平面模式図である。

【図2】図２は、図１に示すＡ－Ａ線の略断面模式図である。

【図3】図３は、光変調器のＥＯ層の厚さと電気信号屈折率との関係の一例を示す説明図である。

【図4】図４は、光変調器のＳｉコアの厚さと光群屈折率との関係の一例を示す説明図である。

【図5】図５は、光変調器の材料層の厚さと半波長電圧Ｖπとの関係の一例を示す説明図である。

【図6】図６は、光変調器の材料層の厚さと光群屈折率との関係の一例を示す説明図である。

【図7A】図７Ａは、Ｓｉコア基板に使用するＳＯＩ基板の一例を示す説明図である。

【図7B】図７Ｂは、ＳＯＩ基板のＳｉ薄膜化工程の一例を示す説明図である。

【図7C】図７Ｃは、Ｓｉパターニング工程の一例を示す説明図である。

【図7D】図７Ｄは、ＳｉＯ_２膜形成工程の一例を示す説明図である。

【図7E】図７Ｅは、表面平坦化研磨後のＳｉコア基板の一例を示す説明図である。

【図8A】図８Ａは、ＥＯ薄膜基板に使用するＥＯ基板の一例を示す説明図である。

【図8B】図８Ｂは、第１の貼り合わせ工程の一例を示す説明図である。

【図8C】図８Ｃは、第１の除去工程の一例を示す説明図である。

【図8D】図８Ｄは、ＥＯ薄膜基板の一例を示す説明図である。

【図9A】図９Ａは、第２の貼り合わせ工程の一例を示す説明図である。

【図9B】図９Ｂは、第２の除去工程の一例を示す説明図である。

【図9C】図９Ｃは、上部クラッド層形成工程の一例を示す説明図である。

【図9D】図９Ｄは、メタル成膜成工程の一例を示す説明図である。

【図9E】図９Ｅは、メタルパターニング工程の一例を示す説明図である。

【図10】図１０は、実施例２の光変調器の一例を示す略断面模式図である。

【図11】図１１は、光変調器の上部クラッド層の比誘電率と電気信号損失との関係の一例を示す説明図である。

【図12】図１２は、光変調器の上部クラッド層の比誘電率と電気信号屈折率との関係の一例を示す説明図である。

【図13】図１３は、光変調器の上部クラッド層の屈折率と半波長電圧Ｖπとの関係の一例を示す説明図である。

【図14】図１４は、実施例３の光変調器の一例を示す略断面模式図である。

【図15】図１５は、光変調器の第１の材料層の屈折率と光損失との関係の一例を示す説明図である。

【図16】図１６は、光変調器の第１の材料層の誘電率と半波長電圧Ｖπとの関係の一例を示す説明図である。

【図17】図１７は、実施例４のＩＱ光変調器の一例を示す略平面模式図である。

【図18】図１８は、図１７に示すＢ－Ｂ線の略断面模式図である。

【図19】図１９は、実施例５のＤＰ－ＩＱ光変調器の一例を示す略平面模式図である。

【図20】図２０は、実施例６の光送受信器の一例を示す略平面模式図である。

【図21】図２１は、光トランシーバの一例を示す説明図である。

【図22】図２２は、従来の光変調器の一例を示す略平面模式図である。

【図23】図２３は、図２２に示すＣ－Ｃ線の略断面模式図である。

【図24】図２４は、ＥＯ層の材料で決まる物性定数である比誘電率と特性インピーダンスとの関係の一例を示す説明図である。

【図25】図２５は、ＥＯ層の比誘電率と電気信号損失との関係の一例を示す説明図である。

【図26】図２６は、ＥＯ層の比誘電率と電気信号屈折率との関係の一例を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本願が開示する光変調器等の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

【実施例0021】

図１は、実施例１の光変調器１の一例を示す略平面模式図である。光変調器１は、入力部１１と、分岐部１２と、２個の変調部１３と、合波部１４と、出力部１５とを有する。光変調器１は、入力部１１からの光分岐後の信号光を電気信号に応じて光変調する、マッハツェンダ型の光変調器である。入力部１１は、入力導波路と接続し、入力導波路からの信号光を光変調器１に入力する部位である。出力部１５は、出力導波路と接続し、光変調器１からの変調後の信号光を出力導波路に出力する部位である。分岐部１２は、入力部１１からの信号光を光分岐し、光分岐した信号光を各変調部１３に出力する、例えば、１×２のＭＭＩカプラである。合波部１４は、各変調部１３からの変調後の信号光を合波し、合波後の信号光を出力部１５に出力する、例えば、２×１のＭＭＩカプラである。

【0022】

変調部１３は、第１の変調部１３Ａと、第２の変調部１３Ｂとを有する。変調部１３は、変調導波路２１と、電極２２とを有する。変調導波路２１は、例えば、Ｓiをコアとする導波路である。変調導波路２１は、第１の変調導波路２１Ａと、第２の変調導波路２１Ｂとを有する。電極２２は、信号電極２２Ａと、第１の接地電極２２Ｂ及び第２の接地電極２２Ｃとを有するＧＳＧ構成である。

【0023】

第１の変調部１３Ａは、第１の変調導波路２１Ａと、信号電極２２Ａと、第１の接地電極２２Ｂとを有し、第１の変調導波路２１Ａは、第１の接地電極２２Ｂと信号電極２２Ａとの間に配置している。第１の変調部１３Ａは、信号電極２２Ａからの高周波の電気信号に応じて信号電極２２Ａから第１の接地電極２２Ｂへの電界が発生し、電界に応じて第１の変調導波路２１Ａの光屈折率を変化させる。第１の変調部１３Ａは、光屈折率の変化に応じて第１の変調導波路２１Ａを導波する信号光を位相変調する。第１の変調部１３Ａは、変調後の信号光を合波部１４に出力する。

【0024】

第２の変調部１３Ｂは、第２の変調導波路２１Ｂと、信号電極２２Ａと、第２の接地電極２２Ｃとを有し、第２の変調導波路２１Ｂは、第２の接地電極２２Ｃと信号電極２２Ａとの間に配置している。第２の変調部１３Ｂは、信号電極２２Ａからの高周波の電気信号に応じて信号電極２２Ａから第２の接地電極２２Ｃへの電界が発生し、電界に応じて第２の変調導波路２１Ｂの光屈折率を変化させる。第２の変調部１３Ｂは、光屈折率の変化に応じて第２の変調導波路２１Ｂを導波する信号光を変調する。第２の変調部１３Ｂは、変調後の信号光を合波部１４に出力する。

【0025】

合波部１４は、第１の変調部１３Ａからの変調後の信号光と、第２の変調部１３Ｂからの変調後の信号光とを合波し、合波後の信号光を出力部１５に出力する。

【0026】

図２は、図１に示すＡ－Ａ線の略断面図である。図２に示す断面部位は、図１に示す第１の変調部１３Ａの断面部位である。第１の変調部１３Ａは、図示せぬＳｉ基板と、下部クラッド層３１と、Ｓｉコア３５と、材料層３２と、ＥＯ層３３と、上部クラッド層３４と、第１の接地電極２２Ｂと、信号電極２２Ａとを有する。下部クラッド層３１は、Ｓｉ基板上に積層される、例えば、ＳｉＯ_２のクラッド層である。Ｓｉコア３５は、下部クラッド層３１に形成された光導波路のコア層であって、例えば、第１の変調導波路２１Ａのコアである。Ｓｉコア３５は、ＥＯ層３３の下にある材料層３２の下側に当接して配置されている。

【0027】

材料層３２は、下部クラッド層３１及びＳｉコア３５の表面に積層される、例えば、Ｔａ_２Ｏ_５やアルモファスＳｉ等の層である。ＥＯ層３３は、材料層３２の表面に積層される、例えば、ＢＴＯ等のＥＯ材料の電気光学層である。上部クラッド層３４は、Ｓｉコア３５付近上に配置され、ＥＯ層３３表面を覆う、例えば、ＳｉＯ_２のクラッド層である。第１の接地電極２２Ｂ及び信号電極２２Ａは、Ｓｉコア３５を挟み、ＥＯ層３３上に配置する。ＥＯ層３３及び材料層３２は平板構造である。

【0028】

ＥＯ層３３に使用するＥＯ材料として、例えば、ＢＴＯは、形成方法にも依存するが、電気光学係数は１００～４００ｐｍ／Ｖ、比誘電率は１５０以上、屈折率は２．２程度である。材料層３２に使用するＴａ_２Ｏ_５の比誘電率は２８、屈折率は２．０５程度である。また、光変調器１に使用するＥＯ層３３の厚さは０．１５μm、材料層３２の厚さは０．０２μm、Ｓｉコア３５の幅は０．８μm、Ｓｉコア３５の厚さは０．０７μm、Ｓｉコア３５を挟む電極２２の間隔は４μmとする。材料層３２は、ＥＯ層３３に比較して低誘電率の材料で構成する。Ｓｉコア３５は、ＥＯ層３３及び材料層３２の屈折率に比較して高い屈折率を有するシリコンで構成する。材料層３２の屈折率は、ＥＯ層３３の屈折率の０．８５倍以上である。

【0029】

図３は、光変調器１のＥＯ層３３の厚さと電気信号屈折率との関係の一例を示す説明図、図４は、光変調器１のＳｉコア３５の厚さと光群屈折率との関係の一例を示す説明図である。光変調器１は、図３に示すように、ＥＯ層３３の厚さが、例えば、０．１５μm以下になると、高周波の電気信号の屈折率が約３．００以下と比較的低くなる。光変調器１は、図４に示すように、Ｓｉコア３５の厚さが、例えば、０．０７μm以上になると、光変調器１側のＳｉコア３５を伝搬する光の群屈折率も約３．００以上に高くなる。その結果、電気信号の屈折率の方が大きくなってしまうという従来の課題を解消し、光変調器１における高周波の電気信号の伝搬速度と光の伝搬速度とがほぼ同一になるため、速度不整合を改善できる。速度整合の改善の結果、光変調器１では、光変調器１の光応答のレベルの減衰量が３ｄＢ以内に抑制できる３ｄＢ帯域を６５ＧＨｚ以上の動作帯域でも実現できる。

【0030】

しかも、速度不整合を改善できるため、光変調器長を４ｍｍ程度まで長くすることが可能となる。従って、光変調器１の作用長を十分確保できる。上述のような断面構造を持つ光変調器１では、光変調器１の単位長さ当たりの半波長電圧は約０．６Ｖｃｍと高くなる。この高い変調効率と速度整合の改善による長い光変調器長とを組み合わせることで半波長電圧Ｖπは、２．０Ｖ以下と高効率な光変調器１を得ることが可能となる。

【0031】

図５は、光変調器１の材料層３２の厚さと半波長電圧Ｖπとの関係の一例を示す説明図、図６は、光変調器１の材料層３２の厚さと光群屈折率との関係の一例を示す説明図である。尚、説明の便宜上、材料層３２の材料としては、例えば、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｓｉを例示する。ＳｉＯ_２の屈折率は１．４４４、Ｔａ_２Ｏ_５の屈折率は２．０５、Ｓｉの屈折率は３．４５とする。

【0032】

光変調器１の半波長電圧Ｖπは、図５に示すように、材料層３２の厚さが厚くなるに連れて高くなる傾向にある。材料層３２の厚さが、約０．０２μmまではどの材料でも、半波長電圧Ｖπの増加量は無視できるレベルであり、また、約０．０５μmまでは、半波長電圧Ｖπを１Ｖｃｍ以下に抑制できる。従って、材料層３２の厚さは、少なくとも、０．０５μm以下に設定するのが望ましい。

【0033】

また、材料層３２の材料をＳｉＯ_２にした場合、図６に示すように、材料層３２の厚さが増加するに連れて光の群屈折率が下がる傾向にあるため、速度整合の改善の観点で光の群屈折率を上げるという目的に反してしまう。材料層３２としては、低い屈折率の材料を用いるのは好ましくなく、例えば、Ｔａ_２Ｏ_５のようにＥＯ層３３の屈折率（２．２）に近い屈折率を持つ材料、若しくは、アモルファスＳｉ等を含むＳｉのようにＥＯ層３３に比較して高い屈折率を持つ材料が好ましい。

【0034】

特に、材料層３２の材料をＳｉにした場合、材料層３２の厚さを厚くするに連れて光群屈折率を増加できるため、速度整合の改善の観点では好ましい。従って、材料層３２の屈折率は、ＥＯ層３３の屈折率とほぼ同程度、若しくは、それ以上が好ましく、少なくともＥＯ層３３の屈折率の０．８５倍に比較して高い屈折率の材料を材料層３２に使用するのが好ましい。

【0035】

また、材料層３２は、ＥＯ層３３とは異なる材料で構成し、電気光学係数及び比誘電率がＥＯ層３３に比較して低く、かつ、信号光に対する吸収係数が低い材料が好ましい。

【0036】

また、材料層３２は、Ｓｉコア３５とＥＯ層３３との間の密着性を改善する接着層としての役割を兼ね備えた材料が好ましく、例えば、Ｔａ_２Ｏ_５やアモルファスＳｉ等は屈折率の観点に加えて接着層としての観点でも適した材料である。

【0037】

尚、光変調器１のＥＯ層３３は、電気光学係数が約５０ｐｍ／Ｖ以上、かつ、比誘電率が約５０以上の電気光学材料、材料層３２は、電気光学係数及び比誘電率がＥＯ層３３に比較して低く、かつ、信号光に対する吸収係数が低い材料であれば良い。また、材料層３２は、屈折率がＥＯ層３３の屈折率の０．８５倍以上になる材料であれば良い。また、光変調器１のコア層としてＳｉコア３５を例示したが、ＥＯ層３３及び材料層３２の屈折率に比較して高い屈折率を有するコア層であれば良い。

【0038】

次に実施例１の光変調器１の製造工程について説明する。光変調器１は、例えば、Ｓｉコア３５のパターンが表面に形成されたＳｉコア基板４０Ａと、Ｓｉ基板上にＳｉＯ_２膜を挟んでＢＴＯやＰＬＺＴ等のＥＯ層３３の薄膜が形成されたＥＯ薄膜基板４５Ａとを有する。光変調器１は、Ｓｉコア基板４０ＡとＥＯ薄膜基板４５Ａとを貼り合わせてＥＯ層３３上に電極２２を形成することで構成する。

【0039】

先ずは、Ｓｉコア基板４０Ａの製造工程について説明する。図７Ａは、Ｓｉコア基板４０Ａに使用するＳＯＩ基板４０の一例を示す説明図である。ＳＯＩ基板４０は、Ｓｉ基板４１と、Ｓｉ基板４１上に積層するＢＯＸ層４２と、ＢＯＸ層４２上に積層するＳｉ層４３とを有する。Ｓｉ層４３は、シリコンフォトニクスに使用する厚さ０．２２μmのＳｉ層である。

【0040】

図７Ｂは、ＳＯＩ基板４０のＳｉ薄膜化工程の一例を示す説明図である。ＳＯＩ基板４０内のＳｉ層４３は、図７Ｂに示すようにエッチング等でＳｉ層４３を薄膜化して、Ｓｉ層４３の厚さを約０．０７μmにする。

【0041】

図７Ｃは、Ｓｉパターニング工程の一例を示す説明図である。Ｓｉ薄膜後のＳｉ層４３は、図７Ｃに示すようにパターニング化してＳｉ層４３Ａを形成する。図７Ｄは、ＳｉＯ_２膜形成工程の一例を示す説明図である。パターニング後のＳｉ層４３Ａは、図７Ｄに示すようにＳｉ層４３Ａ及びＢＯＸ層４２上にＳｉＯ_２膜４４を形成する。

【0042】

図７Ｅは、表面平坦化研磨後のＳｉコア基板４０Ａの一例を示す説明図である。ＳＯＩ基板４０は、ＳｉＯ_２膜４４をＳｉ層４３Ａの表面付近まで表面研磨して、図７Ｅに示すようにＳｉ層４３Ａを表面から露出させることで、Ｓｉコア基板４０Ａを形成することになる。

【0043】

Ｓｉコア基板４０Ａは、理想的には表面を平坦化し、Ｓｉ層４３Ａの表面と、Ｓｉ層４３Ａ両側のＳｉＯ_２膜４４の表面とが面一となる構造を例示している。しかしながら、平坦化における材料毎の目減り量の差を考慮して、Ｓｉ層４３Ａの表面に比較してＳｉＯ_２膜４４の表面の高さが低くする構造にしても良い。この場合でも、ほぼ同等の半波長電圧Ｖπや光群屈折率を得ることができる。また、ＳＯＩ基板４０のＳｉ基板４１の部分は、高周波特性の向上の観点から高抵抗率の１０００Ωｃｍ以上の基板を用いるのが好ましい。

【0044】

次に、光変調器１に使用するＥＯ薄膜基板４５Ａの製造工程について説明する。図８Ａは、ＥＯ薄膜基板４５Ａに使用するＥＯ基板４５の一例を示す説明図である。図８Ａに示すＥＯ基板４５は、Ｓｉ基板４６と、Ｓｉ基板４６上に積層された中間層４７と、中間層４７上に積層されたＥＯ層４８とを有する。ＥＯ層４８は、ＢＴＯ等の強誘電体のＥＯ材料で形成する。中間層４７は、例えば、ＺｒＯ_２、Ｐｔ、ＳｒＲｕＯ_３（ＳＲＯの何れかの層である。尚、ＥＯ層４８は、Ｓｉサブ基板４６上に直接形成した場合、強誘電体のＥＯ材料の結晶品質が劣化してしまうため、Ｓｉ基板４６上に中間層４７を介して形成している。

【0045】

図８Ｂは、第１の貼り合わせ工程の一例を示す説明図である。上部クラッド層４９Ｂを積層する支持基板４９Ａを準備する。ＥＯ基板４５を上下反転して、図８Ｂに示すように、上部クラッド層４９ＢとＥＯ基板４５内のＥＯ層４８とを接着剤で貼り合わせる。尚、ＥＯ層４８と上部クラッド層４９Ｂとの間の接合面を新たな密着層で接合しても良く、適宜変更可能である。

【0046】

また、上部クラッド層４９ＢとＥＯ基板４５内のＥＯ層４８との接合面は、例えば、ラップ研磨や化学機械研磨（ＣＭＰ）加工で平坦化するのが望ましい。また、接合する前に表面洗浄や表面活性化処理を実行するのが好ましい。表面活性化後に、上部クラッド層４９ＢとＥＯ層４８とを貼り合わせるが、必要に応じて真空雰囲気中での接合を実行しても良いし、また、接合時には適切な温度で圧力を加えるようにしても良い。

【0047】

図８Ｃは、第１の除去工程の一例を示す説明図である。次に、上部クラッド層４９Ｂに貼り合わせたＥＯ基板４５内のＳｉ基板４６、中間層４７及びＥＯ層４８の一部を除去することで、図８Ｃに示すように所定の厚さ、例えば、０．１５μmのＥＯ層４８Ａを形成する。尚、除去する方法としては、例えば、ラップ研磨や化学機械研磨（ＣＭＰ）で加工することが望ましい。

【0048】

図８Ｄは、薄膜ＥＯ基板４５Ａの一例を示す説明図である。図８Ｄに示すように、ＥＯ層４８Ａ上に材料層３２を形成することでＥＯ薄膜基板４５Ａが完成したことになる。材料層３２としては、前述の通り、その屈折率がＥＯ層４８と同程度、若しくは、それ以上の材料が好ましく、例えば、Ｔａ酸化物やＳｉ膜が好ましい。材料層３２は、Ｓｉコア基板４０ＡとＥＯ薄膜基板４５Ａとの間の密着性を確保できる。後述するように、図８ＤのようなＥＯ層および密着向上用の材料層３２を、さらにＳｉコア導波路が形成される別の基板（図７Ｄ）に貼り合わせることによって変調器導波路を形成する。このような貼り合わせによる手法では、異なる基板上に、別途結晶成長がしやすい基板上に形成された良質なＥＯ結晶膜を貼り合わせることが可能であるため、エピタキシャル成長による直接の成膜と比較して比較的簡単に任意の基板材料とＥＯ材料とを組み合わせた構造を作ることが可能となる。

【0049】

次に、Ｓｉコア基板４０ＡとＥＯ薄膜基板４５Ａとの間を接合して光変調器１を製造する方法について説明する。図９Ａは、第２の貼り合わせ工程の一例を示す説明図である。図９Ａに示すように、ＥＯ薄膜基板４５Ａを反転し、反転後のＥＯ薄膜基板４５Ａの材料層３２と、Ｓｉコア基板４０ＡのＳｉ層４３Ａとを貼り合わせる。尚、説明の便宜上、ＥＯ薄膜基板４５ＡとＳｉコア基板４０Ａとのサイズが同一であれば、ウエハ同士をそのまま張り合わせるので良い。しかしながら、両者のサイズが異なる場合は、例えば、ＥＯ薄膜基板４５Ａを所定のサイズにダイシングして個片化し、複数の個片化されたＥＯ薄膜基板４５ＡをＳｉコア基板４０Ａ上にダイ接合しても良く、適宜変更可能である。

【0050】

また、ＥＯ薄膜基板４５ＡのウエハとＳｉコア基板４０Ａのウエハとの間を接合する工程では、Ｓｉコア基板４０ＡのＳｉコア３５が露出している面と、ＥＯ薄膜基板４５Ａの材料層３２の面とを貼り合わせる。尚、貼り合わせる前には、Ｓｉコア基板４０Ａの面及びＥＯ薄膜基板４５Ａの面に対して、例えば、平坦化処理、表面洗浄、表面活性化処理を実行しても良い。また、接合時には、必要に応じて真空中での接合や、適切な温度、圧力での接合を実行しても良く、適宜変更可能である。

【0051】

図９Ｂは、第２の除去工程の一例を示す説明図である。Ｓｉコア基板４０ＡとＥＯ薄膜基板４５Ａとを貼り合わせた後、図９Ｂに示すように、ＥＯ薄膜基板４５ＡのＥＯ層３３とは反対面の支持基板４９Ａを除去する。支持基板４９Ａの除去には、例えば、ＸｅＦ_２ガスによるエッチングで他の材料とは選択的にＳｉのみを除去するような工程を用いるのが好ましい。

【0052】

図９Ｃは、上部クラッド層形成工程の一例を示す説明図である。図９Ｂに示す上部クラッド層４９Ｂの一部をエッチングしてＥＯ層３３上に上部クラッド層３４を形成することになる。ＥＯ層３３に電極２２を配置できるように上部クラッド層４９Ｂの一部を除去できる。尚、エッチングには、例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）やイオンミリング等で実行する。

【0053】

図９Ｄは、メタル層成膜工程の一例を示す説明図である。上部クラッド層３４の一部を除去した後、図９Ｄに示すように、ＥＯ層３３及び上部クラッド層３４の表面に電極２２として使用するメタル層２２Ｄを成膜する。メタル層２２Ｄは、例えば、ＥＯ層３３とのコンタクトメタルとしてのＴｉ膜２２Ｄ１と、Ｔｉ膜２２Ｄ１上に成膜されたＡｕ膜２２Ｄ２とを有する。尚、Ｔｉ膜２２Ｄ１／Ａｕ膜２２Ｄ２については、蒸着等の手法で形成し、Ａｕ膜２２Ｄ２で厚い膜をつける場合には、さらにメッキの工程を実行しても良い。尚、Ａｕ膜２２Ｄ２の代わりに、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ等の膜でも良く、適宜変更可能である。

【0054】

図９Ｅは、メタルパターニング工程の一例を示す説明図である。図９Ｄに示すメタル層２２Ｄを成膜後の上部クラッド層３４は、メタル層２２Ｄの一部を除去してＳｉコア３５付近に電界が印加できるように、図９Ｅに示すように、Ｓｉコア３５を挟む形で電極パターン２２Ｅを形成する。その結果、図１に示すように光変調器１が完成したことになる。

【0055】

実施例１の光変調器１では、電気光学材料を含むＥＯ層３３と、ＥＯ層３３の下側に配置され、ＥＯ層３３に比較して低い誘電率を有する材料層３２と、を有する。更に、光変調器１は、材料層３２の下側に配置され、ＥＯ層３３及び材料層３２の屈折率に比較して高い屈折率、例えば、３．４５の屈折率を有する、例えば、Ｓｉコア層３５と、ＥＯ層３３に電気信号を印加する電極２２と、を有する。材料層３２の屈折率は、ＥＯ層３３の屈折率の０．８５倍以上とする。つまり、高い誘電率を持つＥＯ層３３の影響で比較的高くなりやすい電気信号屈折率に対して、高い屈折率を持つＳｉコア３５の適用によって群屈折率を増加させることで、高周波の電気信号の屈折率と光の群屈折率とを近付ける。その結果、光変調器１における高周波の電気信号の伝搬速度と光の伝搬速度とがほぼ同一になるため、電気信号の伝搬速度と光の伝搬速度との間の速度不整合を改善できる。従って、光変調器１の動作帯域が制限されてしまうような事態を回避できる。しかも、光変調器１は、速度不整合を改善しているので、作用長を長くすることが可能であり、半波長電圧Ｖπを抑制できるため、光変調器１の変調効率を改善できる。

【0056】

光変調器１では、屈折率が３．４５と高い材料のＳｉコア３５を使用してＳｉコア３５を伝搬する光の群屈折率を増加させることが可能となる。また、誘電率が高いＥＯ層３３を使用して高周波の電気信号の屈折率が高くなるものの、光の群屈折率を増加させることで光の群屈折率と高周波の電気信号の屈折率とを近づけて、速度不整合を緩和する。その結果、光変調器１は、作用長を短くする必要は無く、作用長を長くできるため、変調効率の向上を図りながら、光変調器１の動作帯域を確保できる。

【0057】

また、光変調器１は、ＥＯ層３３とＳｉコア３５との間に材料層３２を配置するため、Ｓｉコア３５とＥＯ層３３との間の密着性を確保できる。そもそも、ＥＯ層３３は結晶材料であるため、エピタキシャル成長で生成するため、Ｓｉコア３５及び下部クラッド層３１上にＥＯ層３３を生成することは困難である。従って、Ｓｉコア３５及び下部クラッド層３１とＥＯ層３３との間に材料層３２を配置している。加えて、材料層３２の屈折率をＥＯ層３３の屈折率の０．８５倍以上に設定したので、材料層３２がない場合に比較して光の群屈折率を維持、若しくは増加させることが可能となる。その結果、光変調器１における高周波の電気信号の伝搬速度と光の伝搬速度との速度整合の改善の効果を損なうことなく、Ｓｉコア３５とＥＯ層３３との間の密着性を高めて安定した光変調器１の構造を実現できる。

【0058】

ＥＯ層３３の電気光学係数は、材料層３２の電気光学係数に比較して高い材料を有する。その結果、低い半波長電圧Ｖπを実現することが可能となる。

【0059】

電気光学係数が高いＥＯ層３３の比誘電率は、５０に比較して高く、かつ、ＥＯ層３３の電気光学係数は、５０ｐｍ／Ｖに比較して高く、材料層３２の比誘電率は、５０以下、かつ、材料層３２の電気光学係数は、５０ｐｍ／Ｖ以下にしている。その結果、ＥＯ層３３の高周波の電気信号の屈折率を比較的低く抑え、かつ、Ｓｉコア３５により光の群屈折率を増加できる。

【0060】

ＥＯ層３３は、ＢａＴｉＯ_３（ＢＴＯ）、ＰｂＬａＺｒＴｉＯ_３（ＰＬＺＴ）、ＰｂＺｒＴｉＯ_３（ＰＺＴ）の内、少なくとも何れか一つを含む材料を有している。材料層３２は、Ｔａ_２Ｏ_５及びＳｉの内、少なくとも何れか一つを含む材料を有している。これらの材料の高い電気光学係数により、半波長電圧Ｖπを低くすることができる。

【0061】

ＥＯ層３３の厚さは０．１～０．３μmの範囲内、Ｓｉコア３５の厚さは０．０５～０．１０μmの範囲内、材料層３２の厚さは０．００５～０．０５μm以下とする。その結果、ＥＯ層３３の高周波の電気信号の屈折率を比較的低く抑えつつ、Ｓｉコア３５により光の群屈折率を増加できる。

【0062】

尚、説明の便宜上、光変調器１のＥＯ層３３、材料層３２及び上部クラッド層３４が夫々単一の材料で構成する場合を例示した。しかしながら、例えば、誘電率・屈折率・電気光学係数がそれぞれの層において好ましいとされる範囲に入っている材料を複数組み合わせても良く、適宜変更可能である。

【0063】

光変調器１の入力部１１と接続する入力導波路とＳｉコア３５との間を接続する結合部位又は、光変調器１の出力部１５と接続する出力導波路とＳｉコア３５との間を接続する結合部位にコア厚変換部を備えても良い。コア厚変換部は、例えば、Ｓｉコア３５の厚さが０．０５～０．１０μmから０．１５μm以上の厚さに変換する構造である。コア厚変換部は、入力導波路からＳｉコア３５へのコア幅が徐々に変化するテーパ構造、若しくは、Ｓｉコア３５から出力導波路へのコア幅が徐々に変化するテーパ構造である。その結果、結合部位での結合損失を抑制できる。

【0064】

また、Ｓｉコア３５は、チャネル型導波路を例示したが、例えば、リッジ型導波路でも良く、適宜変更可能である。

【実施例0065】

図１０は、実施例２の光変調器１の略断面模式図である。尚、実施例１の光変調器１と同一の構成には同一符号を付すことで、その重複する構成及び動作の説明については省略する。図１０に示す断面部位は、光変調器１内の第１の変調部１３Ａの断面部位である。実施例２の光変調器１と実施例１の光変調器１とが異なるところは、上部クラッド層３４Ａの材料と下部クラッド層３１の材料とを異なる材料にした点にある。

【0066】

図１１は、光変調器１の上部クラッド層３４Ａの比誘電率と電気信号損失との関係の一例を示す説明図、図１２は、光変調器１の上部クラッド層３４Ａの比誘電率と電気信号屈折率との関係の一例を示す説明図である。上部クラッド層３４Ａの材料の比誘電率を高くした場合、ＥＯ層３３の比誘電率を高くした場合と同様に、図１１に示すように、電気信号損失（高周波損失）が高くなる。また、上部クラッド層３４Ａの材料の比誘電率を高くした場合、図１２に示すように、電気信号屈折率（高周波屈折率）も高くなる。そこで、上部クラッド層３４Ａの材料は、材料をＳｉＯ_２にした場合に比較して電気信号損失や電気信号屈折率を夫々１０％以下に抑えるために、比誘電率が１５以下の材料を採用することが好ましい。

【0067】

図１３は、光変調器１の上部クラッド層３４Ａの屈折率と半波長電圧Ｖπとの関係の一例を示す説明図である。上部クラッド層３４Ａの屈折率が高すぎると、ＥＯ層３３から上部クラッド層３４Ａへ光分布が広がりすぎるため、図１３に示すように、ＥＯ層３３での光変調効率の劣化（半波長電圧Ｖπの増加）を招くことになる。そこで、上部クラッド層３４Ａの材料は、１．８以下の屈折率を有する材料を採用することが好ましい。従って、ＳｉＯ_２以外の上部クラッド層３４Ａとしては、例えば、ＭｇＦ_２、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３等や屈折率１．８以下の樹脂等が好ましい。

【0068】

実施例２の光変調器１は、ＥＯ層３３上に配置する上部クラッド層３４Ａの材料を、比誘電率が１５以下、屈折率が１．８以下の材料で構成する。その結果、電気信号損失及び電気信号屈折率を抑制しながら、半波長電圧を抑制して光変調器１の変調効率の改善を図ることができる。