特開 2025-76933 光変調器素子、光送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】P2025076933

(43)【公開日】2025-05-16

(54)【発明の名称】光変調器素子、光送信器及び光トランシーバ

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/035 20060101AFI20250509BHJP

【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 2023188910

(22)【出願日】2023-11-02

(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】三田村 宣明

(72)【発明者】

【氏名】高林 和雅

【テーマコード（参考）】

2K102

【Ｆターム（参考）】

2K102AA21

2K102BA02

2K102BA03

2K102BA40

2K102BB04

2K102BC01

2K102BD01

2K102CA05

2K102DA05

2K102DB04

2K102DB05

2K102DB08

2K102DC08

2K102DD03

2K102DD05

2K102EA02

2K102EA08

2K102EA12

2K102EA17

2K102EA21

2K102EB11

2K102EB22

(57)【要約】

【課題】電気信号と信号光との速度整合を確保することで変調器の広帯域化を実現する光変調器素子等を提供する。
【解決手段】光変調器素子は、基板上に、第１の材料を含む光分岐部及び光合波部と、前記光分岐部と前記光合波部との間を接続する２本の光導波路アームと、前記２本の光導波路アーム導波路に電気信号を与える電極と、を有する。前記２本の光導波路アームの各光導波路は、前記第１の材料を含む第１の光導波路と、前記第１の材料よりも電気光学効果の高い第２の材料を含む第２の光導波路と、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間で光遷移を行う遷移部と、を有する。前記基板は、平面視で前記第２の光導波路下にある前記基板の全部又は一部が除去されたへこみ部を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上に、第１の材料を含む光分岐部及び光合波部と、前記光分岐部と前記光合波部との間を接続する２本の光導波路アームと、前記２本の光導波路アームに電気信号を与える電極と、を有する光変調器素子であって、
前記２本の光導波路アームの各光導波路は、
前記第１の材料を含む第１の光導波路と、
前記第１の材料よりも電気光学効果の高い第２の材料を含む第２の光導波路と、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間で光遷移を行う遷移部と、を有し、
前記基板は、
平面視で前記第２の光導波路下にある前記基板の全部又は一部が除去されたへこみ部を有することを特徴とする光変調器素子。

【請求項2】

前記電極は、
容量装荷型電極であることを特徴とする請求項１に記載の光変調器素子。

【請求項3】

前記第１の材料はＳｉ、前記第２の材料はＬｉＮｂＯ_３を含むことを特徴とする請求項１に記載の光変調器素子。

【請求項4】

前記へこみ部は、
前記２本の光導波路アーム下にある前記基板の全部又は一部が除去されたへこみ部であることを特徴とする請求項１に記載の光変調器素子。

【請求項5】

前記第２の光導波路の下部にある前記基板は、
前記へこみ部と、前記へこみ部以外の残留部とを有し、
前記第２の光導波路の下部にある前記基板の領域の内、前記へこみ部に占め割合は、４０％～８０％以内であることを特徴とする請求項１に記載の光変調器素子。

【請求項6】

前記第２の光導波路は、
第１の直線導波路と、
第２の直線導波路と、
前記第１の直線導波路と前記第２の直線導波路との間を接続する折り返し導波路と、を有し、
前記折り返し導波路は、
前記第１の材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の光変調器素子。

【請求項7】

前記基板上に形成されたクラッド層と、
前記クラッド層内に形成された前記第１の光導波路と、
前記クラッド層上に形成された前記第２の光導波路と、
前記クラッド層上に形成された前記電極と、
前記基板及び前記クラッド層を表裏に貫通し、前記電極と電気的に接続するビアと、
を有することを特徴とする請求項１に記載の光変調器素子。

【請求項8】

前記第２の光導波路は、
第１の直線導波路と、
第２の直線導波路と、
第３の直線導波路と、
前記第１の直線導波路と前記第２の直線導波路との間を接続する第１の折り返し導波路と、
前記第２の直線導波路と前記第３の直線導波路との間を接続する第２の折り返し導波路と、を有し、
前記第１の折り返し導波路及び前記第２の折り返し導波路は、
前記第１の材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の光変調器素子。

【請求項9】

基板上に、第１の材料を含む光分岐部及び光合波部と、前記光分岐部と前記光合波部との間を接続する２本の光導波路アームと、前記２本の光導波路アームに電気信号を与える電極と、を有する光変調器素子を含む光送信器であって、
前記２本の光導波路アームの各光導波路は、
前記第１の材料を含む第１の光導波路と、
前記第１の材料よりも電気光学効果の高い第２の材料を含む第２の光導波路と、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間で光遷移を行う遷移部と、を有し、
前記基板は、
平面視で前記第２の光導波路下にある前記基板の全部又は一部が除去されたへこみ部を有することを特徴とする光送信器。

【請求項10】

光変調器を含む光変調器素子と、
光受信器を含む光受信器素子と、
前記光変調器及び前記光受信器の信号処理を実行するプロセッサと、を有し、
前記光変調器素子は、
基板上に、第１の材料を含む光分岐部及び光合波部と、前記光分岐部と前記光合波部との間を接続する２本の光導波路アームと、前記２本の光導波路アームに電気信号を与える電極と、を有し、
前記２本の光導波路アームの各光導波路は、
前記第１の材料を含む第１の光導波路と、
前記第１の材料よりも電気光学効果の高い第２の材料を含む第２の光導波路と、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間で光遷移を行う遷移部と、を有し、
前記基板は、
平面視で前記第２の光導波路下にある前記基板の全部又は一部が除去することで形成されたへこみ部を有す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、光変調器素子、光送信器及び光トランシーバに関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、インターネットプロトコル（ＩＰ）データの通信量の急増により、光ネットワークの大容量化が求められている。加えて、空間的に光トランシーバ内部の収容効率を増やすために、光送受信器のさらなる小型化と集積化が望まれている。光送受信器に使用するシリコン（Ｓｉ）導波路は光閉じ込めが強く、曲げ半径を１０μｍ程度に低減できるため、ＳｉＰｈ（フォトニクス）素子が６４Ｇボーレートの光送信器や光受信器に適用され始めている。

【0003】

光デバイスは、ＳＯＩ(Silicon-On-Insulator)ウエハを用いて作製されたＳｉ導波路で光回路を構成しているため、ＳｉＰｈｏｔｏｎｉｃｓ素子（以下ＳｉＰｈ素子と略す）とも言われる。光デバイス内の光変調器素子と光受信器素子との間を光導波路で接続する。ＳｉＰｈ素子は、Ｓｉ電気半導体素子のプロセス技術やプロセス設備を活用し、例えば、８～１２インチといった大面積のＳｉウエハを用いて、多数の素子を一括で作製できる。また、ＳｉＰｈ素子は、Ｓｉの屈折率が３．４程度と大きく、光閉じ込めが強いために、Ｓｉ光導波路の曲げ半径が１０ｕｍ程度にできるために素子を小型化できる。従って、スケールメリットが高く、低コストであるという利点がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００３－２７０５９９号公報

【特許文献2】特開２０１５－１９１０３１号公報

【特許文献3】米国特許出願公開第２０２０／０１５２５７４号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来の光デバイス内の光変調器素子内のＸ偏波変調部及びＹ偏波変調部等のＳｉ変調器では、導波路に対して金属電極で直接電圧をかけるのではなく、不純物をドープしたＳｉ層を介して電圧を印加するため金属電極だけを用いる場合よりも電気抵抗が高い。しかも、Ｓｉ変調器内に使用する光導波路は、Ｐ／Ｎ接合構造のため容量が大きく、高周波損失が大きくなる。従って、実用的なドライバの駆動電圧（±２Ｖ又は４Ｖ以下）での駆動を前提とした場合、５０ＧＨｚ以上の広帯域化、９６Ｇボーレート以上の高速化は難しい。

【0006】

そこで、９６Ｇボーレート以上の高速化が可能とされるＬｉＮｂＯ_３（以下、単にＬＮと称する）等の電気光学効果を有する電気光学材料をＳｉＰｈ素子上に集積するという試みも学会等で多数報告されている。（例えば、Mingbo He1 et. al.”High-performance hybrid silicon and lithium niobate Mach-Zehnder modulators for 100 Gbit s-1 and beyond”, Nat. Photon. 13, 359‐364 (2019)）

【0007】

しかしながら、ＳｉＰｈ素子の基板であるＳｉの誘電率が１２程度とやや大きいため、電極を進行する高周波の電気信号の屈折率が大きくなる傾向がある。特に変調器の電極構造として、広範囲に電流が分布することで有効な電極サイズが増加するために高周波損失の低減に有利な容量装荷型の電極を用いる場合、基板屈折率の影響に加えて容量装荷電極の影響によっても電気信号の屈折率が増加する。その結果、ＬＮ導波路を伝搬する信号光の速度と比較した場合、電気信号の速度の方がやや遅くなり、速度整合の不一致のための帯域制限が起こる。従って、２００Ｇボーレートに必要とされる１００ＧＨｚ以上の広帯域化を実現するのは困難である。

【0008】

一つの側面では、電気信号と信号光との速度整合を確保することで変調器の広帯域化を実現する光変調器素子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】

【0009】

一つの態様の光変調器素子は、基板上に、第１の材料を含む光分岐部及び光合波部と、前記光分岐部と前記光合波部との間を接続する２本の光導波路アームと、前記２本の光導波路アームに電気信号を与える電極と、を有する。前記２本の光導波路アームの各光導波路は、前記第１の材料を含む第１の光導波路と、前記第１の材料よりも電気光学効果の高い第２の材料を含む第２の光導波路と、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間で光遷移を行う遷移部と、を有する。前記基板は、平面視で前記第２の光導波路下にある前記基板の全部又は一部が除去されたへこみ部を有する。

【発明の効果】

【0010】

一つの側面によれば、電気信号と信号光との速度整合を確保することで変調器の広帯域化を実現する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本実施例の光送受信器の一例を示す平面模式図である。

【図2】図２は、実施例１の子ＭＺＭの一例を示す平面模式図である。

【図3】図３は、子ＭＺＭ内の第１の遷移部の一例を示す説明図である。

【図4】図４は、図３に示すＡ－Ａ線断面の一例を示す断面模式図である。

【図5】図５は、図３に示すＢ－Ｂ線断面の一例を示す断面模式図である。

【図6】図６は、図３に示すＣ－Ｃ線断面の一例を示す断面模式図である。

【図7】図７は、子ＭＺＭの容量装荷型電極の一例を示す平面模式図である。

【図8】図８は、図２に示すＡ－Ａ線断面の一例を示す断面模式図である。

【図9】図９は、図２に示すＢ－Ｂ線断面の一例を示す断面模式図である。

【図10】図１０は、図２に示すＣ－Ｃ線断面の一例を示す断面模式図である。

【図11】図１１は、子ＭＺＭにおける基板除去幅と高周波屈折率との関係の一例を示す説明図である。

【図12】図１２は、子ＭＺＭにおけるＥＯ特性の周波数依存性の一例を示す説明図である。

【図13】図１３は、実施例２の子ＭＺＭの一例を示す断面模式図である。

【図14】図１４は、実施例２の子ＭＺＭの一例を示す断面模式図である。

【図15】図１５は、子ＭＺＭにおける基板除去幅と高周波屈折率との関係の一例を示す説明図である。

【図16】図１６は、基板除去幅毎の基板除去率と高周波屈折率との関係の一例を示す説明図である。

【図17】図１７は、子ＭＺＭの基板除去率毎のＥＯ特性の周波数依存性の一例を示す説明図である。

【図18】図１８は、実施例３の子ＭＺＭの一例を示す平面模式図である。

【図19】図１９は、図１８に示すＡ－Ａ線断面の一例を示す断面模式図である。

【図20】図２０は、図１８に示すＢ－Ｂ線断面の一例を示す断面模式図である。

【図21】図２１は、図１８に示すＣ－Ｃ線断面の一例を示す断面模式図である。

【図22】図２２は、実施例４の子ＭＺＭの一例を示す断面模式図である。

【図23】図２３は、実施例４の子ＭＺＭの一例を示す断面模式図である。

【図24】図２４は、実施例５の子ＭＺＭの一例を示す断面模式図である。

【図25】図２５は、実施例５の子ＭＺＭの一例を示す断面模式図である。

【図26】図２６は、実施例６の変調器の一例を示す平面模式図である。

【図27】図２７は、実施例７の子ＭＺＭの一例を示す断面模式図である。

【図28】図２８は、図２７に示すＡ－Ａ線断面の一例を示す断面模式図である。

【図29】図２９は、図２７に示すＢ－Ｂ線断面の一例を示す断面模式図である。

【図30】図３０は、実施例８の変調器の一例を示す平面模式図である。

【図31】図３１は、本実施例の光トランシーバの一例を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本願が開示する光デバイス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。また、以下に示す各実施例は、矛盾を起こさない範囲で適宜組み合わせても良い。

【実施例0013】

図１は、本実施例の光送受信器１の一例を示す平面模式図である。図１に示す光送受信器１は、例えば、２００ＧボーレートのＤＰ－ＱＰＳＫ（Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying：偏波多重直交位相偏移）方式の光デバイスである。光送受信器１は、光変調器素子２と、光受信器素子３とを有する。光変調器素子２及び光受信器素子３は、例えば、ＳｉＰｈ素子で構成している。光送受信器１は、局発用光導波路４と、送信用光導波路５と、受信用光導波路６と、ガラスブロック７と、第３の分岐部８と、を有する。

【0014】

局発用光導波路４は、ガラスブロック７を介して局発用光ファイバＦ１とバットジョイント接合で光接続し、局発光を伝搬する、例えば、Ｓｉ導波路である。送信用光導波路５は、ガラスブロック７を介して出力側光ファイバＦ２とバットジョイント接合で光接続し、送信光を伝搬する、例えば、Ｓｉ導波路である。受信用光導波路６は、ガラスブロック７を介して入力側光ファイバＦ３とバットジョイント接合で光接続し、受信光を伝搬する、例えば、Ｓｉ導波路である。局発用光導波路４から入射した局発光は、第３の分岐部８において２つに分岐され一方が光変調器素子２の光源として用いられ、他方が光受信器素子３の局発光として用いられる。第３の分岐部８の分岐比はアプリケーションに合わせて最適に調整されるものである。

【0015】

光受信器素子３は、ＰＢＳ(Polarization Beam Splitter)１１と、第１のＰＲ（Polarization Rotator）１２とを有する。光受信器素子３は、第１の光ハイブリッド回路１３Ａと、第２の光ハイブリッド回路１３Ｂと、第１～第４のＰＤ(Photo Diode)対１４Ａ～１４Ｄ（１４）とを有する。

【0016】

ＰＢＳ１１は、受信用光導波路６から入力した受信光を直交する２つの偏波状態、例えば、Ｘ偏波成分及びＹ偏波成分に分離する。尚、Ｘ偏波成分は水平偏波成分、Ｙ偏波成分は垂直偏波成分である。ＰＢＳ１１は、分離したＸ偏波成分を第１の光ハイブリッド回路１３Ａに出力する。更に、第１のＰＲ１２は、ＰＢＳ１１からのＹ偏波成分を９０度偏波回転し、偏波回転後のＹ偏波成分を第２の光ハイブリッド回路１３Ｂに出力する。

【0017】

第１の光ハイブリッド回路１３Ａは、受信光のＸ偏波成分に局発光を干渉させてＩ成分及びＱ成分の光信号を取得する。尚、Ｉ成分は同相軸成分、Ｑ成分は直交軸成分である。第１の光ハイブリッド回路１３Ａは、Ｘ偏波成分の内、Ｉ成分の信号光を第１のＰＤ対１４Ａに出力する。第１の光ハイブリッド回路１３Ａは、Ｘ偏波成分の内、Ｑ成分の信号光を第２のＰＤ対１４Ｂに出力する。

【0018】

第２の光ハイブリッド回路１３Ｂは、偏波回転後のＹ偏波成分に局発光を干渉させてＩ成分及びＱ成分の信号光を取得する。第２の光ハイブリッド回路１３Ｂは、Ｙ偏波成分の内、Ｉ成分の信号光を第３のＰＤ対１４Ｃに出力する。第２の光ハイブリッド回路１３Ｂは、Ｙ偏波成分の内、Ｑ成分の信号光を第４のＰＤ対１４Ｄに出力する。

【0019】

第１のＰＤ対１４Ａは、第１の光ハイブリッド回路１３ＡからのＸ偏波成分のＩ成分の信号光を電気変換して電気信号を出力する。第２のＰＤ対１４Ｂは、第１の光ハイブリッド回路１３ＡからのＸ偏波成分のＱ成分の信号光を電気変換して電気信号を出力する。

【0020】

第３のＰＤ対１４Ｃは、第２の光ハイブリッド回路１３ＢからのＹ偏波成分のＩ成分の信号光を電気変換して電気信号を出力する。第４のＰＤ対１４Ｄは、第２の光ハイブリッド回路１３ＢからのＹ偏波成分のＱ成分の信号光を電気変換して電気信号を出力する。

【0021】

光変調器素子２は、第１の分岐部２１と、Ｘ偏波変調部２２と、Ｙ偏波変調部２３と、第２のＰＲ２４と、ＰＢＣ(Polarization Beam Combiner)２５と、を有する。第１の分岐部２１は、局発光をＸ偏波変調部２２及びＹ偏波変調部２３に分岐出力する。

【0022】

Ｘ偏波変調部２２、すなわち、Ｘ偏波側の親ＭＺＭは、第２の分岐部２２Ａと、２個の子ＭＺＭ（Mach-Zehnder Modulator）２２Ｂと、２個の親ＤＣ位相シフタ２２Ｃと、第１の合波部２２Ｄと、を有する。第２の分岐部２２Ａは、第１の分岐部２１からの信号光を各子ＭＺＭ２２Ｂに分岐出力する。各子ＭＺＭ２２Ｂは、分岐部３１と、２本の光導波路アーム３２と、合波部３３と、ＲＦ電極３４とを有する。

【0023】

Ｘ偏波変調部２２内の分岐部３１は、第２の分岐部２２Ａからの信号光を２本の光導波路アーム３２に出力する。合波部３３は、２本の光導波路アーム３２を伝搬する信号光を合波し、合波後の信号光を親ＤＣ位相シフタ２２Ｃに出力する。Ｘ偏波変調部２２内の一方の子ＭＺＭ２２Ｂは、ＲＦ電極３４の高周波信号に応じて、２本の光導波路アーム３２を伝搬するＸ偏波のＩ成分の信号光を変調し、変調後のＩ成分の信号光を親ＤＣ位相シフタ２２Ｃに出力する、例えば、変調部である。更に、Ｘ偏波変調部２２内の他方の子ＭＺＭ２２Ｂは、ＲＦ電極３４の高周波信号に応じて、２本の光導波路アーム３２を伝搬するＸ偏波のＱ成分の信号光を変調し、変調後のＱ成分の信号光を親ＤＣ位相シフタ２２Ｃに出力する、例えば、変調部である。

【0024】

Ｘ偏波変調部２２内の親ＤＣ位相シフタ２２Ｃは、駆動電圧信号に応じて、一方の子ＭＺＭ２２Ｂからの変調後のＸ偏波のＩ成分の信号光の位相を調整すると共に、他方の子ＭＺＭ２２Ｂからの変調後のＸ偏波のＱ成分の信号光の位相を調整する、位相調整部である。親ＤＣ位相シフタ２２Ｃでの位相調整により、変調後のＸ偏波のＩ成分の信号光と、変調後のＸ偏波のＱ成分の信号光とを直交させることができる。親ＤＣ位相シフタ２２Ｃを通過後の、Ｘ偏波のＩ成分の信号光とＸ偏波のＱ成分の信号光は第１の合波部２２Ｄにおいて合波し、合波後のＸ偏波のＩＱ混合信号をＰＢＣ２５に出力する。

【0025】

Ｙ偏波変調部２３、すなわち、Ｙ偏波側の親ＭＺＭは、第２の分岐部２３Ａと、２個の子ＭＺＭ２３Ｂと、２個の親ＤＣ位相シフタ２３Ｃと、第１の合波部２３Ｄと、を有する。第２の分岐部２３Ａは、第１の分岐部２１からの信号光を各子ＭＺＭ２３Ｂに分岐出力する。各子ＭＺＭ２３Ｂは、分岐部３１と、２本の光導波路アーム３２と、合波部３３と、ＲＦ電極３４とを有する。

【0026】

Ｙ偏波変調部２３内の分岐部３１は、第２の分岐部２３Ａからの信号光を２本の光導波路アーム３２に出力する。合波部３３は、２本の光導波路アーム３２を伝搬する信号光を合波し、合波後の信号光を親ＤＣ位相シフタ２３Ｃに出力する。Ｙ偏波変調部２３内の一方の子ＭＺＭ２３Ｂは、ＲＦ電極３４の高周波信号に応じて、２本の光導波路アーム３２を伝搬するＹ偏波のＩ成分の信号光を変調し、変調後のＩ成分の信号光を親ＤＣ位相シフタ２３Ｃに出力する、例えば、位相変調部である。更に、Ｙ偏波変調部２３内の他方の子ＭＺＭ２３Ｂは、ＲＦ電極３４の高周波信号に応じて、２本の光導波路アーム３２を伝搬するＹ偏波のＱ成分の信号光を変調し、変調後のＱ成分の信号光を親ＤＣ位相シフタ２３Ｃに出力する、例えば、位相変調部である。

【0027】

Ｙ偏波変調部２３内の親ＤＣ位相シフタ２３Ｃは、駆動電圧信号に応じて、一方の子ＭＺＭ２３Ｂからの変調後のＹ偏波のＩ成分の信号光の位相を調整すると共に、他方の子ＭＺＭ２３Ｂからの変調後のＹ偏波のＱ成分の信号光の位相を調整する、位相調整部である。親ＤＣ位相シフタ２３Ｃでの位相調整により、変調後のＹ偏波のＩ成分の信号光と、変調後のＹ偏波のＱ成分の信号光とを直交させることができる。親ＤＣ位相シフタ２３Ｃを通過後の、Ｙ偏波のＩ成分の信号光とＹ偏波のＱ成分の信号光は第１の合波部２３Ｄにおいて合波し、合波後のＹ偏波のＩＱ混合信号を第２のＰＲ２４に出力する。

【0028】

第２のＰＲ２４は、Ｙ偏波のＩＱ混合信号を９０度の偏波回転することで偏波回転後のＹ偏波のＩＱ混合信号をＰＢＣ２５に出力する。そして、ＰＢＣ２５は、Ｘ偏波変調部２２からＸ偏波のＩＱ混合信号と第２のＰＲ２４からの偏波回転後のＹ偏波のＩＱ混合信号とを合波し、合波後のＩＱ混合信号を送信用光導波路５から出力する。

【0029】

図２は、実施例１の子ＭＺＭ２２Ｂ（２３Ｂ）の一例を示す平面模式図である。Ｘ偏波変調部２２内の子ＭＺＭ２２Ｂについて説明する。尚、Ｙ偏波変調部２３内の子ＭＺＭ２３Ｂも、Ｘ偏波変調部２２内の子ＭＺＭ２２Ｂと同一の構成であるため、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。

【0030】

子ＭＺＭ２２Ｂ（２３Ｂ）は、前述した通り、分岐部３１と、２本の光導波路アーム３２と、合波部３３と、ＲＦ電極３４と、を有する。分岐部３１は、第２の分岐部２２Ａ（２３Ａ）からの信号光を２本の光導波路アーム３２内の各第１のＳｉ導波路３２Ａに分岐出力する、例えば、Ｓｉの分岐部である。２本の光導波路アーム３２は、２本の第１のＳｉ導波路３２Ａと、２個の第１の遷移部３２Ｂと、２本のＬＮ導波路３２Ｃと、２個の第２の遷移部３２Ｄと、２本の第２のＳｉ導波路３２Ｅと、を有する２本のアームである。第１のＳｉ導波路３２Ａは、例えば、チャネル型のＳｉ導波路である。第１のＳｉ導波路３２Ａは、一端の導波路幅が先細り形状のテーパ導波路である。ＬＮ導波路３２Ｃは、例えば、リッジ型のＬＮ導波路である。第２のＳｉ導波路３２Ｅは、例えば、チャネル型のＳｉ導波路である。第２のＳｉ導波路３２Ｅは、一端の導波路幅が先細り形状のテーパ導波路である。第１のＳｉ導波路３２Ａ及び第２のＳｉ導波路３２Ｅは同一層で形成され、ＬＮ導波路３２Ｃは。第１のＳｉ導波路３２Ａ及び第２のＳｉ導波路３２Ｅと異なる層で形成される。

【0031】

第１の遷移部３２Ｂは、第１のＳｉ導波路３２ＡとＬＮ導波路３２Ｃとの間で信号光を層間で光遷移する層間遷移部である。尚、第１のＳｉ導波路３２ＡとＬＮ導波路３２Ｃとは異なる層である。ＲＦ電極３４は、２本の光導波路アーム３２内の導波路毎に並列に配置された信号電極３４Ａと、導波路毎に並列に配置された接地電極３４Ｂと、を有する。信号電極３４Ａは、ドライバ回路３５からの高周波信号を入力した場合、接地電極３４Ｂとの間に配置されるＬＮ導波路３２Ｃを伝搬する信号光を変調する。

【0032】

第２の遷移部３２Ｄは、ＬＮ導波路３２Ｃと第２のＳｉ導波路３２Ｅとの間で変調後の信号光を層間で光遷移する層間遷移部である。尚、第２のＳｉ導波路３２ＥとＬＮ導波路３２Ｃとは異なる層である。合波部３３は、各第２のＳｉ導波路３２Ｅからの変調後の信号光を合波して親ＤＣ位相シフタ２２Ｃ（２３Ｃ）に出力する、例えば、Ｓｉの合波部である。

【0033】

図３は、子ＭＺＭ２２Ｂ内の第１の遷移部３２Ｂの一例を示す説明図である。第１の遷移部３２Ｂは、Ｓｉ基板４１と、Ｓｉ基板４１上に形成されたクラッド層４２と、を有する。クラッド層４２は、Ｓｉ基板４１に比較して屈折率の低い、例えば、厚さが４μｍのＳｉＯ_２層である。クラッド層４２は、Ｓｉ基板４１上に形成された第１のクラッド層４２Ａと、第１のクラッド層４２Ａ上に形成された第２のクラッド層４２Ｂと、を有する。尚、光送受信器１も、同様、Ｓｉ基板４１と、クラッド層４２と、を有する。

【0034】

第１のクラッド層４２Ａは、例えば、ＳｉＯ_２で形成されているＳｉＯ_２層である。第２のクラッド層４２Ｂは、例えば、ＳｉＯ_２で形成されているＳｉＯ_２層である。第１のＳｉ導波路３２Ａ及び第２のＳｉ導波路３２Ｅは、Ｓｉ基板４１上の第１のクラッド層４２Ａ内に配置された下層の導波路である。ＬＮ導波路３２Ｃは、第２のクラッド層４２Ｂ上に形成された上層の導波路である。

【0035】

図４は、図３に示すＡ－Ａ線断面の一例を示す断面模式図である。図４に示す第１のＳｉ導波路３２Ａはクラッド層４２内に配置されると共に、ＬＮ導波路３２Ｃはクラッド層４２上に配置される。第１の遷移部３２Ｂは、第１のＳｉ導波路３２ＡからＬＮ導波路３２Ｃに信号光を層間遷移する。

【0036】

図５は、図３に示すＢ－Ｂ線断面の一例を示す断面模式図である。図５に示す第１のＳｉ導波路３２Ａはクラッド層４２内に配置されると共に、ＬＮ導波路３２Ｃはクラッド層４２上に配置される。第１のＳｉ導波路３２Ａは、ＬＮ導波路３２Ｃに向けて徐々に導波路幅が先細りするテーパ構造である。第１の遷移部３２Ｂは、第１のＳｉ導波路３２ＡからＬＮ導波路３２Ｃに信号光を層間遷移する。

【0037】

図６は、図３に示すＣ－Ｃ線断面の一例を示す断面模式図である。第１のＳｉ導波路３２Ａは、図３に示すＡ－Ａ線断面部分から図３に示すＣ－Ｃ線断面部分に向かって導波路幅が徐々に細くなり、図６に示すようにＣ－Ｃ線断面部分で途切れることになる。第１の遷移部３２Ｂは、第１のＳｉ導波路３２ＡからＬＮ導波路３２Ｃに向かって、第１のＳｉ導波路３２Ａに閉じ込められた信号光がＬＮ導波路３２Ｃに層間遷移する。

【0038】

尚、説明の便宜上、図４乃至図６に基づき、第１の遷移部３２Ｂについて説明したが、第２の遷移部３２Ｄについても、ほぼ同一の構成である。第２のＳｉ導波路３２Ｅは、ＬＮ導波路３２Ｃに向かって導波路幅が徐々に細くなるテーパ構造となる、例えば、チャネル型のＳｉ導波路である。第２の遷移部３２Ｄは、ＬＮ導波路３２Ｃから第２のＳｉ導波路３２Ｅに向かって、ＬＮ導波路３２Ｃに閉じ込められた信号光が第２のＳｉ導波路３２Ｅに層間遷移する。

【0039】

第１のＳｉ導波路３２Ａ及び第２のＳｉ導波路３２Ｅは同一層である。ＬＮ導波路３２Ｃは、第１のＳｉ導波路３２Ａ及び第２のＳｉ導波路３２Ｅとは異なる層である。

【0040】

図７は、子ＭＺＭ２２Ｂの容量装荷型電極の一例を示す平面模式図である。ＲＦ電極３４は、図７に示す容量装荷型電極である。ＲＦ電極３４は、信号電極３４Ａと、接地電極３４Ｂとを有する。

【0041】

信号電極３４Ａの内、ＬＮ導波路３２Ｃと並列に配置される部分は、複数のＴ字型のレールで構成する。また、接地電極３４Ｂの内、ＬＮ導波路３２Ｃと並列に配置される部分も、複数のＴ字型のレールで構成する。容量装荷型電極は、複数のＴ字型のレールで構成するため、電極の広範囲に電流が分布することで有効な電極サイズが増加するために高周波損失の低減に有利であり、広帯域化に寄与し得る。しかしながら、Ｓｉ基板４１の屈折率の影響に加えて容量装荷電極の影響によっても電気信号の屈折率が増加する。その結果、ＲＦ電極３４の電気信号とＬＮ導波路３２Ｃを伝搬する信号光との速度とを比較した場合、電気信号の方がやや遅く、速度整合の不一致によって帯域が制限されてしまうことも考えられる。

【0042】

図８は、図２に示すＡ－Ａ線断面の一例を示す断面模式図である。図８に示す２本の光導波路アーム３２は、Ｓｉ基板４１と、Ｓｉ基板４１に形成されたクラッド層４２と、クラッド層４２内に形成された第１のＳｉ導波路３２Ａと、を有する。２本の光導波路アーム３２は、クラッド層４２上に形成されたＬＮ導波路３２Ｃと、ＬＮ導波路３２Ｃに並行配置されたＲＦ電極３４とを有する。ＲＦ電極３４は、信号電極３４Ａと、接地電極３４Ｂとを有し、信号電極３４Ａと接地電極３４Ｂとの間でＬＮ導波路３２Ｃのリッジ部を挟み込んでいる。

【0043】

図９は、図２に示すＢ－Ｂ線断面の一例を示す断面模式図、図１０は、図２に示すＣ－Ｃ線断面の一例を示す断面模式図である。尚、Ｃ－Ｃ線断面は、２本の光導波路アーム３２の導波路方向の断面である。図９及び図１０に示す２本の光導波路アーム３２は、ＬＮ導波路３２Ｃの下部にあるＳｉ基板４１にへこみ部４１Ａが形成されている。尚、へこみ部４１Ａは、ＬＮ導波路３２Ｃの下部にあるＳｉ基板４１に形成する場合を例示したが、ＬＮ導波路３２Ｃの下部にあるＳｉ基板４１及び、Ｓｉ基板４１と接触するクラッド層４２の一部に形成しても良く、適宜変更可能である。へこみ部４１Ａは、Ｓｉ基板４１にドライエッチングで除去された空間である。へこみ部４１Ａの開口幅Ｗ１は基板除去幅である。

【0044】

へこみ部４１Ａは、ＬＮ導波路３２Ｃの下部全てに渡って、Ｓｉ基板４１が幅Ｗ１だけドライエッチング等の手法により除去されているが、ＬＮ導波路３２Ｃの下部には厚さ４μｍのクラッド層４２が残っている。その結果、ＬＮ導波路３２Ｃは、振動試験や衝撃試験にも十分耐えられるような高い剛性と強度が保たれる。このような構造は、メンブレン構造とも言われ、例えば、外部共振器レーザのチューナブルＳｉエタロンフィルタ等でも市場で実績があり、高い信頼性を有する。

【0045】

へこみ部４１Ａの空気の誘電率は「１」、クラッド層４２であるＳｉＯ_２層の誘電率は「４」程度、Ｓｉの誘電率は「１２」であって、へこみ部４１Ａ及びクラッド層４２の誘電率は、Ｓｉ基板４１の誘電率に比較して小さい。電気の高周波信号が感じる高周波の屈折率が低くなることを意味し、進行する高周波信号の速度が速くなる。その結果、２本の光導波路アーム３２は、ＬＮ導波路３２Ｃを伝搬する信号光の速度と高周波信号の速度とを整合できる。

【0046】

図１１は、子ＭＺＭ２２Ｂにおける基板除去幅と高周波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、従来のＳｉ基板４１のへこみ部４１Ａがない場合の基板除去幅は０μｍとする。基板除去幅が０μｍの場合、図１１に示すように、高周波信号の高周波屈折率が２．４５、ＬＮ導波路３２Ｃを伝搬する信号光の屈折率は２．２である。その結果、高周波信号の高周波屈折率は光の屈折率に比較して大きい。これに対して、本実施例のＳｉ基板４１のへこみ部４１Ａの基板除去幅が３μｍ～１２μｍの内、例えば、５μｍ～１０μｍの場合、高周波信号の高周波屈折率が約２．２程度、ＬＮ導波路３２Ｃを伝搬する信号光の屈折率とほぼ一致することになる。

【0047】

図１２は、子ＭＺＭ２２ＢにおけるＥＯ応答の周波数依存性の一例を示す説明図である。図１２に示すように、へこみ部４１Ａの基板除去幅が１０μｍの場合、基板除去幅が０μｍの場合に比較して、高周波信号に対するＥＯ応答を大幅に拡大できる。

【0048】

実施例１の子ＭＺＭ２２Ｂ（２３Ｂ）では、２本の光導波路アーム３２内のＬＮ導波路３２Ｃの下部にあるＳｉ基板４１にへこみ部４１Ａを有する。その結果、ＬＮ導波路３２Ｃを伝搬する信号光の速度と高周波信号の速度とが整合することで光変調器素子２の広帯域化を実現できる。

【0049】

尚、実施例１の子ＭＺＭ２２Ｂ（２３Ｂ）のＲＦ電極３４は、例えば、容量装荷型電極を例示したが、通常の電極を使用しても良く、適宜変更可能である。

【0050】

実施例１の子ＭＺＭ２２Ｂ（２３Ｂ）のへこみ部４１Ａは、２本の光導波路アーム３２内の１本のＬＮ導波路３２Ｃ単位で形成する場合を例示したが、２本のＬＮ導波路３２Ｃ単位で形成しても良く、その実施の形態につき、実施例２として以下に説明する。

【実施例0051】

図１３は、実施例２の子ＭＺＭ２２Ｂ１（２３Ｂ１）の一例を示す断面模式図である。図１３に示す断面模式図は、図２に示すＢ－Ｂ線断面箇所相当の断面図である。尚、実施例１の光送受信器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。実施例２の子ＭＺＭ２２Ｂ１（２３Ｂ１）と実施例１の子ＭＺＭ２２Ｂ（２３Ｂ）とが異なるところは、２本のＬＮ導波路３２Ｃ単位で、２本のＬＮ導波路３２Ｃの下部にあるＳｉ基板４１にへこみ部４１Ｂが形成されている点にある。

【0052】

図１３に示すへこみ部４１Ｂは、２本の光導波路アーム３２内の２本のＬＮ導波路３２Ｃの下部にあるＳｉ基板４１にドライエッチングで形成されている。へこみ部４１Ｂの開口幅Ｗ２は、実施例１のへこみ部４１Ａの開口幅Ｗ１に比較して広くしている。

【0053】

図１４は、実施例２の子ＭＺＭ２２Ｂ１（２３Ｂ１）の一例を示す断面模式図である。図１４に示す断面模式図は、図２に示すＣ－Ｃ線断面箇所相当の断面図である。図１４に示すへこみ部４１Ｂは、ＬＮ導波路３２Ｃの導波路方向の所定間隔でＳｉ基板４１に形成されている。

【0054】

２本のＬＮ導波路３２Ｃの下部にあるＳｉ基板４１には、へこみ部４１Ｂと、残留部４１Ｃとを有する。へこみ部４１Ｂは、２本の光導波路アーム３２の幅方向の開口幅Ｗ２と、導波路方向の開口幅Ｌａとを有する。へこみ部４１Ｂの開口幅Ｗ２は、例えば、８０μｍである。残留部４１Ｃは、へこみ部４１Ｂ間にある残留部４１Ｃの導波路方向の幅Ｌｓを有する。２本のＬＮ導波路３２Ｃの下部にある残留部４１Ｃの厚みは、例えば、４μｍである。

【0055】

２本のＬＮ導波路３２Ｃの下部には、複数の残留部４１Ｃを有するため、ＬＮ導波路３２Ｃは、例えば、振動試験や衝撃試験にも十分耐えられるような高い剛性及び強度を確保できる。

【0056】

へこみ部４１Ｂの開口幅Ｗ２が８０μｍ以上と広い場合、実施例１のように導波路方向に全てＳｉ基板４１を除去する構造（＝基板除去率１００％の構造）では高周波の屈折率が２．０以下になる。従って、光の屈折率２．２に対して高周波信号の速度が速すぎることによる速度不整合が発生することも考えられる。

【0057】

これに対して、ＬＮ導波路３２Ｃに沿った方向で一部のみＳｉ基板４１を除去する構造では、Ｓｉ基板４１を除去する割合を変えることで高周波信号の屈折率を調整し、適切な除去率にする。その結果、ＬＮ導波路３２Ｃを伝搬する信号光の速度と高周波信号の速度とを整合できる。

【0058】

図１５は、子ＭＺＭ２２Ｂにおける基板除去幅Ｗ２と高周波屈折率との関係の一例を示す説明図である。へこみ部４１Ｂの開口幅Ｗ２が４０μｍ～８０μｍの場合において、２本のＬＮ導波路３２Ｃの下部部分のＳｉ基板４１を全て除去して、基板除去率を１００％とした場合、高周波信号の屈折率が１．９、ＬＮ導波路３２Ｃを伝搬する信号光の屈折率が２．２となる。

【0059】

図１６は、基板除去幅毎の基板除去率と高周波屈折率との関係の一例を示す説明図、図１７は、子ＭＺＭ２２Ｂ１（２３Ｂ１）の基板除去率毎のＥＯ特性の周波数依存性の一例を示す説明図である。実施例２のように２本のＬＮ導波路３２Ｃの下部部分にＬａ＝３０μｍのへこみ部４１Ｂ及びＬｓ＝２０μｍの残留部４１Ｃを所定間隔で配置して基板除去率６０％とした場合、図１６に示すように、高周波信号の屈折率が約２．２となる。その結果、ＬＮ導波路３２Ｃを伝搬する信号光の屈折率と高周波信号の屈折率とがおよそ一致することになる。

【0060】

へこみ部４１Ｂの開口幅Ｗ２を４０μｍ～８０μｍとした場合でも、実施例１と同様にＥＯ応答の帯域を拡大できる。尚、アーム間隔を４０μｍ、Ｌａ／（Ｌａ＋Ｌｓ）で定義する基板除去率を１００％とした場合、アーム内のＬＮ導波路３２Ｃの下部部分のＳｉ基板４１の除去幅を変化させた場合でも、除去幅４０μｍ以上では、高周波信号の屈折率が変化しない。従って、アーム内のＬＮ導波路３２Ｃの下部部分のＳｉ基板４１の除去する幅をアーム間隔以上とし、図１６に示すように、Ｌａ／（Ｌａ＋Ｌｓ）で定義する基板除去率を４０％（０．４）～８０％（０．８）とすることが望ましい。

【0061】

尚、開口幅Ｗ２、開口幅Ｌａ、幅Ｌｓは上記の限りではなく、高周波信号の屈折率と信号光の屈折率とをおよそ一致させることで、ＥＯ帯域を拡大できるのであれば、適宜変更可能である。また、実施例２の２本のＬＮ導波路３２Ｃの下部部分のＳｉ基板４１は、へこみ部４１Ｂ及び残留部４１Ｃを等間隔に配置する場合を例示した。しかしながら、高周波信号の屈折率と信号光の屈折率とをおよそ一致させ、ＥＯ帯域を拡大できるならば、等間隔でなくても良く、適宜変更可能である。

【0062】

実施例２の子ＭＺＭ２２Ｂ１（２３Ｂ１）では、２本のＬＮ導波路３２Ｃの下部部分にあるＳｉ基板４１の一部を除去してへこみ部４１Ｂ及び残留部４１Ｃを形成する場合を例示した。しかしながら、実施例１の子ＭＺＭ２２Ｂ（２３Ｂ）の１本のＬＮ導波路３２Ｃの下部分にあるＳｉ基板４１の一部を除去してへこみ部及び残留部を形成していても良く、適宜変更可能である。

【0063】

実施例１及び２の子ＭＺＭ２２Ｂ、２２Ｂ１（２３Ｂ、２３Ｂ１）のＬＮ導波路３２Ｃでは、電気光学効果を表すポッケルス係数が３０ｐｍ／Ｖ程度と小さい。従って、ドライバの実用的な振幅電圧で駆動ができるように変調効率を上げるためには、図２に示すように、変調器アーム長が１０ｍｍ以上と長くなる。その結果、ＳｉＰｈ素子の利点であるスケールメリットが生かせない。そこで、このような事態に対処できる実施の形態につき、実施例３として以下に説明する。