特許 7145697 電気光学導波路素子及び光モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-22

(45)【発行日】2022-10-03

(54)【発明の名称】電気光学導波路素子及び光モジュール

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/035 20060101AFI20220926BHJP

【ＦＩ】

G02F1/035

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2018158479

(22)【出願日】2018-08-27

(65)【公開番号】P2020034610

(43)【公開日】2020-03-05

【審査請求日】2021-08-13

(73)【特許権者】

【識別番号】301005371

【氏名又は名称】日本ルメンタム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000154

【氏名又は名称】弁理士法人はるか国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小川 憲介

(72)【発明者】

【氏名】入江 裕紀

(72)【発明者】

【氏名】井上 宏明

(72)【発明者】

【氏名】福井 孝昌

(72)【発明者】

【氏名】田中 滋久

【審査官】山本 元彦

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０１７０８２０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００９／００６７７７１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１４／１５６４８０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２００６－５１５０８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ １／００－１／１２５

Ｇ０２Ｆ １／２１－７／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

それぞれ導電性を有し間隙を設けて対向配置された第１屈折率の下部高屈折率層及び第２屈折率の上部高屈折率層と、電気光学効果を生じる材料からなる前記第１屈折率及び前記第２屈折率より低い第３屈折率の低屈折率層で形成され前記下部高屈折率層及び前記上部高屈折率層に接触して前記間隙に設けられたスロット部とを有するスロット導波路を備え、
前記下部高屈折率層及び前記上部高屈折率層の一方は、前記スロット導波路の伝送方向に交差する幅方向に関し、前記スロット部との接触部分の両側に張り出した張り出し部を有し、
前記下部高屈折率層及び前記上部高屈折率層の他方は、前記幅方向の断面形状にて前記各張り出し部に対向する張り出し部を有し、
前記スロット導波路は、前記間隙に、前記下部高屈折率層及び前記上部高屈折率層の少なくともいずれか一つの前記張り出し部に接するクラッド層を備え、
前記クラッド層の屈折率は、前記第３屈折率より低いこと、
を特徴とする電気光学導波路素子。

【請求項2】

請求項１に記載の電気光学導波路素子において、
前記下部高屈折率層及び前記上部高屈折率層はそれぞれ前記張り出し部を有し、前記下部高屈折率層の前記張り出し部と前記上部高屈折率層の前記張り出し部とが互いに対向する部分を有すること、
を特徴とする電気光学導波路素子。

【請求項3】

請求項２に記載の電気光学導波路素子において、
前記スロット部は、当該スロット部に対応した幅を有し前記伝送方向に伸びるストリップ状の前記低屈折率層であり、
前記下部高屈折率層と前記上部高屈折率層との前記間隙は、前記スロット部との前記接触部分とその両側の前記張り出し部とで等しいこと、
を特徴とする電気光学導波路素子。

【請求項4】

請求項３に記載の電気光学導波路素子において、
前記クラッド層は、前記スロット部を構成する前記低屈折率層の両側面に接すること、
を特徴とする電気光学導波路素子。

【請求項5】

請求項２に記載の電気光学導波路素子において、
前記下部高屈折率層及び前記上部高屈折率層のそれぞれにて、前記スロット部との前記接触部分は、互いに対向して前記伝送方向に伸びるリブ型に形成されていること、
を特徴とする電気光学導波路素子。

【請求項6】

請求項５に記載の電気光学導波路素子において、
前記低屈折率層は前記スロット部より大きな幅を有すること、
を特徴とする電気光学導波路素子。

【請求項7】

請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の電気光学導波路素子において、
前記下部高屈折率層より低い電気抵抗を有し当該下部高屈折率層と電極とを電気的に接続する下部コンタクト領域と、
前記上部高屈折率層より低い電気抵抗を有し当該上部高屈折率層と電極とを電気的に接続する上部コンタクト領域と、をさらに備え、
前記下部コンタクト領域及び前記上部コンタクト領域は、前記幅方向に関し前記スロット部との間に間隔を有した位置にて、前記下部高屈折率層又は前記上部高屈折率層に接触して配置されること、
を特徴とする電気光学導波路素子。

【請求項8】

請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の電気光学導波路素子において、
前記下部高屈折率層及び前記上部高屈折率層の前記スロット部との前記接触部分は互いに平行に対向し、
前記張り出し部の前記幅方向の寸法は、電圧を印加されて前記下部高屈折率層と前記上部高屈折率層との間に生じる電界に関し、前記スロット部の前記幅方向の中央部と比較した端部での電界強度の低下率を所定の許容値とするように定められること、
を特徴とする電気光学導波路素子。

【請求項9】

請求項１から請求項８のいずれか１つに記載の電気光学導波路素子と、
前記電気光学導波路素子と光学的に接続された光源と、
前記電気光学導波路素子を透過した光を伝達する媒体と、を備えたことを特徴とする光モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スロットに電気光学効果を生じる材料を配したスロット導波路を備えた電気光学導波路素子、及びそれを用いた光モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

スロット導波路は、高屈折率媒質により狭い低屈折率領域が挟まれる構造をもつ導波路であり、サブ波長領域であるスロット部に光を強く閉じ込めることができる。

【0003】

下記特許文献１には、高屈折率媒質として２つのシリコン層を備え、それらの間に低屈折率媒質として強誘電体層が挟まれた積層構造のスロット導波路が開示されている。当該積層構造では、２つの高屈折率層とこれらに挟まれたスロット部の低屈折率層とが実質同一の幅を有し、通常の矩形導波路の断面形状と同様、各層の側面が共通の垂直面を形成する。

【0004】

下記特許文献２に開示されるスロット導波路は、それぞれ導電性を有するようにドープされた半導体材料で形成され基板上に水平に並行配置された高屈折率媒質の２つの導波路と、当該２つの導波路の間に縦方向に形成されるスロットに低屈折率媒質として挟まれたニオブ酸リチウムとを有する。当該構造では、高屈折率媒質の導波路の上面とスロットに挟まれた低屈折率媒質の上面とが共通の水平面を形成する。

【0005】

なお、下記特許文献３には、第１の導電性のシリコンからなる本体領域、当該本体領域と重なりを有した第２の導電性のシリコンからなるゲート領域、及びこれらの領域の間に接するように挿入された誘電層により構成された電気光学変調器が開示されている。ここに開示された導波路では、中央の誘電体層の厚みは非常に薄いため、スロットモードは存在せず、高屈折率領域に導波光が分布する。ちなみに、当該導波路では、中央の誘電体層の厚みが非常に薄いため、動作電圧を低減することは可能であるが、高屈折率領域を高濃度にドープしてキャリア密度を高める必要があるため、キャリアによる光吸収による光損失が増加し得る。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２９８１６１号明細書

【文献】米国特許第７９７０２４１号明細書

【文献】特表２００６－５１５０８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

高屈折率媒質間にスロット部として電気光学効果を生じる材料を配してスロット導波路を構成し、２つの高屈折率媒質に電位差を設けて発生する電界によりスロット部に屈折率の変化を起こさせる電気光学導波路素子において、一層の低電圧駆動が望まれる。

【0008】

この点に関し、平行配置した２つの高屈折率層の間のスロットに生じる導波光の電界は、光閉じ込めの端効果により、高／低屈折率層の界面と平行な方向に沿って中央部に比較して端部にて強度が低下する。よって、２つの高屈折率層と低屈折率層とが側面を揃えて積層されたスロット導波路では、ガウスの法則に基づく低屈折率層での電界増強というスロット導波路の効果が弱められてしまう。そのため、当該構成のスロット導波路を用いて導波光の位相変調を行う電気光学導波路素子は、スロット部をなす低屈折率層への導波光の閉じ込めの効果が低下し、ひいては位相変調効率を増大させて駆動電圧を低減するという効果が低下する問題を有する。また、高屈折率層に印加する変調電気信号または直流電気バイアスが生ずる電圧により低屈折率層に生じる電界も平行平板コンデンサの端効果により端部にて強度が低下することも、駆動電圧の低減に不利である。

【0009】

ここで、単一横モード導波光を保持する電気光学導波路を位相変調部とする変調素子は今日の大容量伝送に欠くべからざるデバイスである。当該素子では、単一横モード導波光のみを伝搬させるためにスロット導波路の幅が例えば、特許文献２に示されるように１ミクロンメートル（μｍ）以下に低減され得る。特に、このようにスロット導波路の幅を小さくする場合、上述の端効果の影響が相対的に高まるため、上記問題が顕著となる。

【0010】

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、位相変調効率が高く低振幅電圧で動作する電気光学導波路素子及び光モジュールを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

（１）本発明に係る電気光学導波路素子は、それぞれ導電性を有し間隙を設けて対向配置された第１屈折率の下部高屈折率層及び第２屈折率の上部高屈折率層と、電気光学効果を生じる材料からなる前記第１屈折率及び前記第２屈折率より低い第３屈折率の低屈折率層で形成され前記下部高屈折率層及び前記上部高屈折率層に接触して前記間隙に設けられたスロット部とを有するスロット導波路を備え、前記下部高屈折率層及び前記上部高屈折率層の一方は、前記スロット導波路の伝送方向に交差する幅方向に関し、前記スロット部との接触部分の両側に張り出した張り出し部を有し、前記下部高屈折率層及び前記上部高屈折率層の他方は、前記幅方向の断面形状にて前記各張り出し部に対向する部分を有する。

【0012】

（２）上記（１）に記載の電気光学導波路素子において、前記下部高屈折率層及び前記上部高屈折率層はそれぞれ前記張り出し部を有し、前記下部高屈折率層の前記張り出し部と前記上部高屈折率層の前記張り出し部とが互いに対向する部分を有する構成とすることができる。

【0013】

（３）上記（２）に記載の電気光学導波路素子において、前記スロット部は、当該スロット部に対応した幅を有し前記伝送方向に伸びるストリップ状の前記低屈折率層であり、前記下部高屈折率層と前記上部高屈折率層との前記間隙は、前記スロット部との前記接触部分とその両側の前記張り出し部とで等しい構成とすることができる。

【0014】

（４）上記（３）に記載の電気光学導波路素子において、前記張り出し部が対向する前記間隙に、前記スロット部を構成する前記低屈折率層の両側面に接して当該低屈折率層より屈折率が低いクラッド層が配置される構成とすることができる。

【0015】

（５）上記（２）に記載の電気光学導波路素子において、前記下部高屈折率層及び前記上部高屈折率層のそれぞれにて、前記スロット部との前記接触部分は、互いに対向して前記伝送方向に伸びるリブ型に形成されている構成とすることができる。

【0016】

（６）上記（５）に記載の電気光学導波路素子において、前記低屈折率層は前記スロット部より大きな幅を有し、前記張り出し部と前記低屈折率層とが対向する間隙に、当該低屈折率層より屈折率が低いクラッド層が配置される構成とすることができる。

【0017】

（７）上記（１）～（６）に記載の電気光学導波路素子において、前記下部高屈折率層より低い電気抵抗を有し当該下部高屈折率層と電極とを電気的に接続する下部コンタクト領域と、前記上部高屈折率層より低い電気抵抗を有し当該上部高屈折率層と電極とを電気的に接続する上部コンタクト領域と、をさらに備え、前記下部コンタクト領域及び前記上部コンタクト領域は、前記幅方向に関し前記スロット部との間に間隔を有した位置にて、前記下部高屈折率層又は前記上部高屈折率層に接触して配置される構成とすることができる。

【0018】

（８）上記（１）～（７）に記載の電気光学導波路素子において、前記下部高屈折率層及び前記上部高屈折率層の前記スロット部との前記接触部分は互いに平行に対向し、前記張り出し部の前記横方向の寸法は、電圧を印加されて前記下部高屈折率層と前記上部高屈折率層との間に生じる電界に関し、前記スロット部の前記幅方向の中央部と比較した端部での電界強度の低下率を所定の許容値とするように定めることができる。

【0019】

（９）本発明に係る光モジュールは、上記（１）～（８）のいずれか１つに記載の電気光学導波路素子と、前記電気光学導波路素子と光学的に接続された光源と、前記電気光学導波路素子を透過した光を伝達する媒体と、を備える。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、位相変調効率が高く低振幅電圧で動作する電気光学導波路素子及び光モジュールが得られる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る電気光学導波路素子の模式的な垂直断面図である。

【図2】本発明の第１の実施形態に係る電気光学導波路素子の模式的な垂直断面図である。

【図3】本発明の第１の実施形態に係る電気光学導波路素子の主な製造工程での模式的な垂直断面図である。

【図4】本発明の第１の実施形態に係る電気光学導波路素子の主な製造工程での模式的な垂直断面図である。

【図5】本発明の第１の実施形態に係る電気光学導波路素子の主な製造工程での模式的な垂直断面図である。

【図6】本発明の第１の実施形態に係る電気光学導波路素子の主な製造工程での模式的な垂直断面図である。

【図7】本発明の第２の実施形態に係る電気光学導波路素子の主な製造工程での模式的な垂直断面図である。

【図8】本発明の第２の実施形態に係る電気光学導波路素子の主な製造工程での模式的な垂直断面図である。

【図9】本発明の第２の実施形態に係る電気光学導波路素子の主な製造工程での模式的な垂直断面図である。

【図10】本発明の第３の実施形態に係る電気光学導波路素子の模式的な垂直断面図である。

【図11】本発明の第３の実施形態に係る電気光学導波路素子の模式的な垂直断面図である。

【図12】本発明の第４の実施形態に係る電気光学導波路素子の模式的な垂直断面図である。

【図13】本発明の第５の実施形態に係るマッハ－ツェンダー光変調器の平面レイアウトの模式図である。

【図14】本発明の第５の実施形態に係るマッハ－ツェンダー光変調器の模式的な垂直断面図である。

【図15】本発明の第６の実施形態に係るマッハ－ツェンダー光変調器の模式的な垂直断面図である。

【図16】本発明の第６の実施形態に係るマッハ－ツェンダー光変調器の変形例の模式的な垂直断面図である。

【図17】本発明の第７の実施形態に係る光モジュールの概略のブロック図である。

【図18】本発明の第７の実施形態に係る光モジュールに用いるシリコンフォトニクスチップの概略のブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。

【0023】

なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略することがある。

【0024】

［第１の実施形態］
図１は第１の実施形態に係る電気光学導波路素子２の模式的な垂直断面図であり、光の伝送方向、つまり導波路の延在方向に直交する断面を示している。

【0025】

まず、本発明の電気光学導波路素子２に関する基本的な事項について説明する。本発明の電気光学導波路素子２は平坦面を有する基板４上に導波路を形成される。当該導波路はコアとなる構造（コア部６）とそれを囲むクラッド領域８とを含む。なお、図１は模式図であり、例えば、基板４とクラッド領域８との間に存在し得る他の層などの構造は図示を省略している。以下の説明では、右手系のｘｙｚ直交座標系を採用し、ｘ軸を導波路の延在方向に直交する方向（図１にて横方向）、ｙ軸を基板４に直交する方向（図１にて縦方向）、ｚ軸を導波路の延在方向に設定する。なお、図１にてｘ軸の正の向きを右向き、ｙ軸の正の向きを上向きとする。

【0026】

コア部６は上述のスロット導波路の構造を有し、間に間隙（スロット）を設けて積層配置された２つの薄膜の高屈折率層１０，１２と、スロットに配置された低屈折率層１４（スロット部）とを有する。スロット導波路ではスロット部に導波光が強く局在する傾向がある。二次元スラブ導波路の場合、高屈折率層及び低屈折率層それぞれの膜厚（図１では垂直方向の寸法）を調整することにより、スロット部に導波光を局在させて、コア部への導波光の閉じ込めを図ることができる。この導波光の局在は、導波光の電界が高屈折率層と低屈折率層との境界面に直交する場合、すなわち、導波光の電界が図１にて垂直方向に直線偏光しているという、ＴＭ的偏波状態にある場合に発生する。

【0027】

大容量光伝送に用いる電気光学変調素子では、単一の横モード導波光のみを伝搬させる三次元導波路を用いて、消光比もしくはＱ値の高い光変調を行なう。この点に関して本発明の電気光学導波路素子はコア部のｘｙ断面における形状・構造に特徴を有する。例えば、高屈折率層が例えばスラブ型のようにｘ方向に延伸していれば、上述したスロット部における端効果が軽減される。

【0028】

具体的には、ｘ軸方向を幅方向とすると、本発明では、高屈折率層１０，１２が低屈折率層１４より大きな幅を有し、低屈折率層１４と接触する部分より側方外側に張り出した部分を有する。高屈折率層１０，１２に外部から電圧を印加することで、張り出し部２０，２２に挟まれた間隙にも電界が形成され、当該電界が低屈折率層１４の端部での導波光の電界についての端効果を抑制する働きをする。

【0029】

また、外部からの変調電気信号もしくは直流電気バイアスによる印加電圧に応じて高屈折率層１０，１２の間隙に生じる電界自体も高屈折率層１０，１２の端部にて端効果により弱まる。しかし、張り出し部２０，２２を設けて高屈折率層１０，１２の端部を低屈折率層１４の端部から離隔することで、当該端効果の影響を回避することができ、低屈折率層１４の中央部と端部とで印加される電界の強度差を低減できる。つまり、高屈折率層の端部での電界強度の減衰の影響を受けることなく、低屈折率層１４に対し水平方向に一様な強度分布の電界を印加することができる。

【0030】

なお、水平方向に関し導波光を局在させ単一の横モード導波光のみを伝搬させるには、低屈折率層の幅を制限するのがよい。

【0031】

導波光の電気光学変調を行なうには、スロット部をなす低屈折率層１４を電気光学効果を生じる材料で形成する。特に電気光学効果として例えば、ポッケルス効果、カー効果などの、外部電界に応じて屈折率が変化する効果を利用する。具体的には、高屈折率層１０，１２に高周波電気信号を印加して、低屈折率層１４の屈折率を変調する。

【0032】

高屈折率層１０，１２は導電性である必要がある。具体的には、高屈折率層１０，１２は、不純物をドープしてキャリアを生じさせた半導体材料で形成する。また、高屈折率層１０，１２には外部から電気信号を印加するために例えば、金属電極が接続される。図２は電気光学導波路素子２の模式的なｘｙ断面図である。図２は図１とはｚ軸方向の位置が異なる断面であり、高屈折率層１０，１２と金属電極との接続構造の一例を示している。高屈折率層１０，１２と、金属電極の一部をなすプラグ２４，２６との接続部分はオーミック接触とするために、高屈折率層１０，１２より低い電気抵抗を有するコンタクト領域２８，３０が設けられる。具体的には、コンタクト領域２８，３０は高屈折率層１０，１２の一部をより高濃度にドープして形成することができる。

【0033】

ここで、高屈折率層のドープ量が増えるとキャリア密度が増加し、キャリアによる光吸収が増す。よって、導波光を閉じ込めるコア部６に高ドープ領域が存在すると光損失が増大するという問題を生じ得る。この点、上述のように、高屈折率層１０，１２を水平方向に伸ばして、コア部６から離れた位置にコンタクト領域２８，３０を配置することで、光損失を低減できる。

【0034】

なお、電気光学導波路素子２では高屈折率層１０，１２と低屈折率層１４とが垂直方向に配列されることに対応して導波光の電界の向きも垂直方向である。一方、特許文献２の構成のように２つの高屈折率領域とそれに挟まれる低屈折率領域とを水平方向に配列した場合には導波光の電界の向きは水平方向となる。この場合に、電極との接続などのために高屈折率領域を水平方向に拡張すると、導波光の電界も高屈折率領域内にて水平方向に広がってスロット部の低屈折率領域に局在する導波光電界が減少し、位相変調効率が低下する。この点、本発明の電気光学導波路素子２では、高屈折率層１０の拡張方向は導波光電界と直交する方向であるので、スロット導波路による導波光のコア部６への閉じ込めの効果が損なわれず、位相変調効率を確保することができる。

【0035】

なお、以上、導波光がＴＭ偏波である場合を例として説明したが、ＴＥ偏波であっても最後に述べた導波光局在効果に関する点以外はＴＭ偏波と同様であるので、ＴＥ偏波に本発明を適用してもよい。

【0036】

以上の説明では第１の実施形態の電気光学導波路素子２に関する図１及び図２を用いたが、当該説明にて述べた内容は、以下に説明する他の実施形態についても基本的に共通である。

【0037】

以下、第１の実施形態に係る電気光学導波路素子２についての説明を続ける。

【0038】

クラッド領域８は図１に示すように下部クラッド３２、上部クラッド３４、側部クラッド３６を含む。

【0039】

低屈折率層１４が存在する水平方向の位置には、下から順に、基板４、下部クラッド３２、下部高屈折率層１０、低屈折率層１４、上部高屈折率層１２、上部クラッド３４が配置される。下部高屈折率層１０及び上部高屈折率層１２は低屈折率層１４より大きな幅を有したスラブ型である。下部高屈折率層１０及び上部高屈折率層１２の低屈折率層１４側の面は平坦で、間隙を有して互いに平行に対向配置される。低屈折率層１４は当該間隙のｘ方向の中央部に位置する。低屈折率層１４はｚ軸方向に延在したストリップ状に形成され、そのｘｙ断面は基本的に矩形であり、下面及び上面はそれぞれ下部高屈折率層１０の上面、上部高屈折率層１２の下面に接する。

【0040】

また、低屈折率層１４の水平方向両側に、低屈折率層１４の側面、下部高屈折率層１０の張り出し部２０の上面、及び上部高屈折率層１２の張り出し部２２の下面に接して側部クラッド３６が配置される。下部クラッド３２は下部高屈折率層１０の下面及び側面に接して設けられ、下部高屈折率層１０の上面と下部クラッド３２の上面とは共通の平面に形成される。当該面上に低屈折率層１４及び側部クラッド３６が積層される。また、低屈折率層１４と側部クラッド３６とは共通の厚みに形成され、それぞれの上面は共通の平面を形成する。この上に上部高屈折率層１２及び上部クラッド３４が積層される。上部クラッド３４は上部高屈折率層１２の上面及び側面に接して設けられる。

【0041】

図２に示すように、プラグ２４を設けるｚ軸方向の位置では、下部高屈折率層１０を図１よりも水平方向に延伸させ、延伸させた部分に下部コンタクト領域２８を設ける。同様に、プラグ２６を設けるｚ軸方向の位置では、上部高屈折率層１２を図１よりも水平方向に延伸させ、延伸させた部分に上部コンタクト領域３０を設ける。図２ではｚ軸方向の同じ位置に、下部高屈折率層１０に接続するプラグ２４と上部高屈折率層１２に接続するプラグ２６とを配置する例を示しており、この場合には、下部高屈折率層１０と上部高屈折率層１２とは互いに水平方向の逆向きに延伸させる。なお、プラグ２４及びプラグ２６がｚ軸方向の異なる位置に配置される場合には、それぞれのｚ座標にて下部高屈折率層１０と上部高屈折率層１２とを互いに同じ向きに延伸させることもできる。

【0042】

下部高屈折率層１０の屈折率（第１屈折率）ｎ_１、上部高屈折率層１２の屈折率（第２屈折率）ｎ_２、及び低屈折率層１４の屈折率（第３屈折率）ｎ_３は、ｎ_１＞ｎ_３、且つｎ_２＞ｎ_３に設定される。なお、ｎ_１とｎ_２とは基本的には同じに設定される。

【0043】

側部クラッド３６の屈折率は低屈折率層１４の両側で基本的に等しく設定され、当該屈折率をｎ_４とすると、ｎ_４＜ｎ_３に設定される。下部クラッド３２の屈折率ｎ_５はｎ_５＜ｎ_１に設定され、上部クラッド３４の屈折率ｎ_６はｎ_６＜ｎ_２に設定される。本実施形態では各クラッドの屈折率ｎ_４，ｎ_５，ｎ_６は実質的に等しく設定するが、これに限るわけではない。なお、偏波モードの混合を避けるには、導波モードの水平方向での対称性を維持することが望ましいが、これに限定されない。

【0044】

上述したように低屈折率層１４は電気光学材料からなる。本発明では低屈折率層１４として、配向したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３，ＬＮ，屈折率２．２３）を用いる。下部高屈折率層１０及び上部高屈折率層１２はシリコン（Ｓｉ，屈折率３．４５）、で形成する。例えば、下部高屈折率層１０はＰ型極性の導電性を有し、上部高屈折率層１２はＮ型極性の導電性を有する。コンタクト領域２８，３０の極性はそれぞれが設けられる高屈折率層１０，１２の極性と同一にする。なお、これら下部高屈折率層１０及び下部コンタクト領域２８の極性と、上部高屈折率層１２及び上部コンタクト領域３０の極性とは逆転していても電気光学導波路素子２の動作原理には影響を与えないので、作製が容易となるよう選択すればよい。下部クラッド３２、上部クラッド３４、側部クラッド３６の材料はすべてシリカ（ＳｉＯ_２，屈折率１．４５）とする。なお、使用する材料はこれらに限るものでなく、別の材料を用いてもよい。屈折率は導波モードの光波の波長に依存する。上述の屈折率の値は導波光を１．３～１．５μｍ帯とした場合の例を示したが、他の波長では別の値を選択することができる。

【0045】

本実施形態の下部高屈折率層１０及び上部高屈折率層１２はそれぞれ張り出し部を有し、下部高屈折率層１０の張り出し部２０と上部高屈折率層１２の張り出し部２２とが互いに対向する部分を有する。また、下部高屈折率層１０と上部高屈折率層１２との間隙は、低屈折率層１４との接触部分とその両側の張り出し部２０，２２とで等しい大きさである。すなわち、低屈折率層１４の厚みをｔ_ｌｏｗと表すと、張り出し部２０，２２の間隙の大きさもｔ_ｌｏｗである。ｔ_ｌｏｗは低屈折率層１４にニオブ酸リチウム（ＬＮ）に代表されるポッケルス効果を生じる誘電体を用いる場合は５０～５００ｎｍであることが好ましい。またグラフェンのような、誘電体と比較して大きな非線形カー係数を持つ材料を低屈折率層１４に用いる場合は、低屈折率層１４はｔ_ｌｏｗが０．１～５０ｎｍ程度のより薄い層であっても構わない。

【0046】

また、低屈折率層１４の水平方向の幅をｗ_ｌｏｗで表すと、水平方向の導波光閉じ込め幅は基本的にｗ_ｌｏｗで規定される。単一横モードのみを伝搬させるには、ｗ_ｌｏｗは１μｍ以下であることが好ましい。一方、低屈折率層１４の側壁荒れが引き起こす光散乱による光損失を低減するには、ｗ_ｌｏｗは４００ｎｍ以上であることが好ましい。

【0047】

また、下部高屈折率層１０の厚みｔ_ｈｉ１、上部高屈折率層１２の厚みｔ_ｈｉ２に関しては、スロット部（低屈折率層１４）への導波光閉じ込めを高める上で、好適な範囲が設定され得る。厚みｔ_ｈｉ１及びｔ_ｈｉ２が小さいと、スロット導波路の外部に導波光が浸み出して、浸み出した光が下部高屈折率層１０より下方、上部高屈折率層１２より上方の領域に広く拡がるという問題が生じ得る。これを避けるためにスロット部を厚くすると、低屈折率層１４の屈折率変調のための駆動電圧の増加が問題となり得る。よって、ｔ_ｈｉ１及びｔ_ｈｉ２の好適な範囲の下限値はこれらを考慮して定められる。一方、厚みｔ_ｈｉ１及びｔ_ｈｉ２が大きいと、導波光の大部分は下部高屈折率層１０及び上部高屈折率層１２に分布し、低屈折率層１４のモード閉じ込め係数が低下する。その結果、低屈折率層１４の電気光学効果による位相変調効率が低下し、またそれを補うためには駆動電圧の増加が必要となる。よって、ｔ_ｈｉ１及びｔ_ｈｉ２の好適な範囲の上限値はこの点を考慮して定められる。例えば、当該好適な範囲は１００～２５０ｎｍとすることができる。

【0048】

張り出し部２０，２２の横方向の寸法をｗ_ｅｘｔと表す。なお、ここで述べる張り出し部２０，２２は基本的に図１に示す断面に関する。張り出し部２０，２２を設けることで上述のように端効果を抑制又は軽減し、低屈折率層１４の屈折率変調のための駆動電圧の低減を図ることができる。ｗ_ｅｘｔはこの駆動電圧抑制の効果が得られるように設定される。

【0049】

ここで、下部高屈折率層１０及び上部高屈折率層１２の間隙端部での端効果が低屈折率層１４に及ぼす影響は、ｗ_ｅｘｔが或る程度以上となると無視できる程度に低減される。換言すると、端効果の影響を低減する効果はｗ_ｅｘｔの増加に伴い飽和する。その一方、ｗ_ｅｘｔを増加させるほど、下部高屈折率層１０及び上部高屈折率層１２に附随する寄生容量が増加して電気光学導波路素子２の高速駆動の妨げとなる。よって、ｗ_ｅｘｔは端効果の影響と寄生容量とのトレードオフを考慮して設定することができる。例えば、ｗ_ｅｘｔは、外部からの印加電圧に応じて下部高屈折率層１０と上部高屈折率層１２との間に生じる電界に関し、低屈折率層１４の幅方向の中央部と比較した端部での電界強度の低下率を所定の許容値とするように定められる。つまり、ｗ_ｅｘｔは端効果が許容されるレベルに達する程度にまでは大きくされるが、寄生容量の不要な増加を避けるためにｗ_ｅｘｔはそれを超えて大きくしないように設定することができる。

【0050】

なお、張り出し部２０，２２の幅ｗ_ｅｘｔは、導波光分布の観点からは、低屈折率層１４の幅ｗ_ｌｏｗの半分程度であればよい。また、導波光分布の対称性を維持することは偏波モードの混合を避けるうえで重要である。そのためには、張り出し部２０，２２の幅ｗ_ｅｘｔは５００ｎｍ以上延伸させておくことが好ましい。

【0051】

ｚ軸方向において図２の断面に対応する位置では、張り出し部２０，２２は図１の断面に対応する位置よりも大きな幅に形成され、プラグ２４，２６及びコンタクト領域２８，３０が設けられる位置まで延在される。

【0052】

コンタクト領域２８，３０は導波光の分布領域に近いと、コンタクト領域２８，３０中でのキャリアの光吸収による導波光のパワー減衰が無視できなくなり得る。一方、コンタクト領域２８，３０と高屈折率層の低屈折率層１４との接触部分との間の距離が長くなると、その間に存在する下部高屈折率層１０、上部高屈折率層１２での直列電気抵抗が増し、電気光学導波路素子２の高速動作を妨げる要因となる。コンタクト領域２８，３０と低屈折率層１４との水平距離はこれらを考慮して好適な範囲に設定される。例えば、コンタクト領域２８，３０の水平方向での中心点は低屈折率層１４の水平方向の中心点から１～１０μｍの位置に配置することが好ましい。

【0053】

下部高屈折率層１０、上部高屈折率層１２に接続される金属電極は上部クラッド３４の上面に設けられた部分である電極４０，４２と、上部クラッド３４に開けられた孔に埋め込まれた部分であるプラグ２４，２６とを含む。プラグ２４，２６は例えば、上部クラッド３４内に柱状に形成され、電極４０，４２とコンタクト領域２８，３０とを電気的に接続する。

【0054】

なお、プラグ２４と上部高屈折率層１２とは、寄生容量の低減という観点からは、上部高屈折率層１２の厚さｔ_ｈｉ２以上離すことが好適である。また、上部コンタクト領域３０（又はプラグ２６）と下部高屈折率層１０との寄生容量の低減という観点からは、上部コンタクト領域３０は下部高屈折率層１０と重ならない水平位置に配置することが好適である。

【0055】

なお、ここではスロット導波路を構成する下部高屈折率層１０、低屈折率層１４及び上部高屈折率層１２の積層構造を下部高屈折率層１０をＰ型、上部高屈折率層１２をＮ型とした所謂ＰＩＮ型としたが、これに限定されずＰＩＰ型、ＮＩＮ型であっても構わない。

【0056】

次に、電気光学導波路素子２の製造方法について説明する。図３～図６はそれぞれ当該製造方法における工程を説明するための電気光学導波路素子２の模式的な垂直断面図であり、図２に対応する断面を示している。

【0057】

例えば、電気光学導波路素子２は、配向したニオブ酸リチウム（ＬＮ）層を積層されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハーを用いて製造することができる。具体的には、当該ウエハーは、シリコン基板４４の表面に埋め込み酸化膜４５を形成し、当該酸化膜４５上にシリコン単結晶層を成長させてＳＯＩ層４６を形成し、さらにその表面に薄膜ＬＮ層４７をウエハー接着などにより形成した構造を有する。

【0058】

図３は当該ウエハーを用いて低屈折率層１４を形成した状態の模式的な垂直断面図である。ウエハーのシリコン基板４４が上述の基板４をなし、埋め込み酸化膜４５が下部クラッド３２を構成する。また、ＳＯＩ層４６を用いて下部高屈折率層１０が形成され、薄膜ＬＮ層４７を用いて低屈折率層１４が形成される。ＳＯＩ層４６にて下部高屈折率層１０とする領域には、Ｐ型不純物をドープして導電性を持たせる。ＳＯＩ層４６において下部高屈折率層１０の外側の領域は酸化して埋め込み酸化膜４５と一体の下部クラッド３２とする。低屈折率層１４は、薄膜ＬＮ層４７をフォトリソグラフィー技術により矩形の断面形状に加工する。具体的には、パターニングしたフォトレジストをマスクとして、薄膜ＬＮ層４７をドライエッチングして低屈折率層１４を形成することができる。

【0059】

なお、下部高屈折率層１０のキャリア濃度は１０^１７～１０^１９ｃｍ^－３であることが好ましい。１０^１９ｃｍ^－３よりも高密度になると、光損失の増大が無視できなくなり、一方、１０^１７ｃｍ^－３よりも低密度になると、直列電気抵抗が増して動作速度が低下するからである。

【0060】

図４は、側部クラッド３６を形成した状態の模式的な垂直断面図である。側部クラッド３６はシリカで形成する。薄膜ＬＮ層をパターニングして低屈折率層１４を形成した図３の状態にて基板表面にシリカを化学気相成長法（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）により堆積し、化学機械的研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）により平坦化する。その結果、図４に示すように、平坦化されたシリカ領域からなる側部クラッド３６が低屈折率層１４の両側に形成される。

【0061】

図５は、上部高屈折率層１２及び上部クラッド３４を形成した状態の模式的な垂直断面図である。上部高屈折率層１２はシリコン薄膜により形成され、上部クラッド３４はシリカにより形成される。まず、側部クラッド３６と低屈折率層１４とが平坦に形成された図４の状態にて、基板表面にＣＶＤによりシリコン薄膜を形成する。当該シリコン薄膜にはＮ型不純物をドープして導電性を持たせる。そして当該シリコン薄膜をフォトリソグラフィー技術によりパターニングして上部高屈折率層１２に対応する領域を選択的に残す。このようにして上部高屈折率層１２が形成された基板表面にシリカをＣＶＤにより堆積し、ＣＭＰにより平坦化する。この平坦化されたシリカ層が上部クラッド３４を構成する。

【0062】

図６は下部高屈折率層１０及び上部高屈折率層１２へ接続される電極の形成工程を説明する模式的な垂直断面である。図５にて平坦に形成された上部クラッド３４にドライエッチングにより図６に示すコンタクトホール５０，５２を形成する。コンタクトホール５０は下部高屈折率層１０に接続するプラグ２４を形成する位置に設けられ、上部クラッド３４及び側部クラッド３６を貫通して、下部高屈折率層１０の表面に達する。一方、コンタクトホール５２は上部高屈折率層１２に接続するプラグ２６を形成する位置に設けられ、上部クラッド３４を貫通して、上部高屈折率層１２の表面に達する。

【0063】

コンタクトホール５０，５２を介して下部高屈折率層１０及び上部高屈折率層１２にイオン注入して、コンタクトホール５０，５２の底面に高ドープ領域を形成する。当該高ドープ領域が図６に示すようにコンタクト領域２８，３０である。なお、コンタクト領域２８，３０のキャリア密度は例えば、１０^２０ｃｍ^－３以上とする。

【0064】

コンタクトホール５０，５２及びコンタクト領域２８，３０の形成後、アルミニウムをスパッタリングあるいは蒸着により堆積して、コンタクトホール５０，５２内に柱状のプラグ２４，２６を形成する。さらに、平坦化した上部クラッド３４上にアルミニウムを堆積後、フォトリソグラフィー技術により当該アルミニウムから電極４０，４２を形成する。これにより図２に示す断面構造の電気光学導波路素子２が形成される。

【0065】

なお、上述した工程にて、図１に示す構造も形成される。また、プラグ２４，２６及び電極４０，４２に用いる金属材料はアルミニウムに限るものでなく、より高周波電気抵抗の低い金、銅、コバルト、ルテニウムを用いてもよい。

【0066】

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る電気光学導波路素子２は基本的に、図１及び図２に示した第１の実施形態の電気光学導波路素子２と同様の垂直断面構造を有する。一方、第２の実施形態の電気光学導波路素子２は第１の実施形態と異なる製造方法で作成される。

【0067】

以下、第２の実施形態に係る製造方法を、図２に対応する構造を例に説明する。本実施形態では、２つのＳＯＩウエハーを貼り合わせて電気光学導波路素子２を形成する。第１のＳＯＩウエハーは、第１の実施形態で用いたものと同様であり、薄膜ＬＮ層が積層されたものを用いることができる。当該ＳＯＩウエハーを第１の実施形態と同様にして、図３に示す構造に加工する。

【0068】

図７は図３より後の工程での第１のＳＯＩウエハーの模式的な垂直断面図である。図７では、下部高屈折率層１０の表面にイオン注入により下部コンタクト領域２８が形成され、その後、第１の実施形態の図４について説明したプロセスと同様にして、シリカにより側部クラッド３６を形成する。

【0069】

図８は第２のＳＯＩウエハーの模式的な垂直断面図である。第２のＳＯＩウエハーは基本的には、薄膜ＬＮ層を有しない点を除けば第１のＳＯＩウエハーと同様の構造とすることができる。つまり、当該ウエハーは、シリコン基板６０の上に、埋め込み酸化膜６１と、当該酸化膜６１上にシリコン単結晶層を成長させて形成されたＳＯＩ層６２とを有する。図３に関して、埋め込み酸化膜４５及びＳＯＩ層４６から下部クラッド３２及び下部高屈折率層１０を形成する工程を説明したが、それと同様にして、第２のＳＯＩウエハーの埋め込み酸化膜６１及びＳＯＩ層６２から上部クラッド３４及び上部高屈折率層１２を形成することで図８の構造を得ることができる。

【0070】

図７の構造に形成された第１のＳＯＩウエハーの上に、図８の構造に形成された第２のＳＯＩウエハーを、互いの表面を向き合わせて（具体的には図７及び図８それぞれに示したｘｙｚ座標軸が互いに一致する向きに）接着する。しかる後、第２のＳＯＩウエハーのシリコン基板６０を研磨およびウェットエッチングにより除去する。図９はこの状態での模式的な垂直断面図である。

【0071】

図９の状態からさらに、図６を用いて説明した工程と基本的に同様にしてコンタクトホール５０，５２及びコンタクト領域３０が形成され、また電極４０，４２が形成されて図２に示す構造が得られる。ちなみに、コンタクトホール５０は下部コンタクト領域２８に対応する位置に形成される。

【0072】

本実施形態の製造方法では、上部高屈折率層１２を、下部高屈折率層１０と同様に、結晶性の良いＳＯＩ層で形成することができるため、第１の実施形態の効果に加え、上部高屈折率層１２の光散乱損失の低減、直列電気抵抗の低減などが可能である。すなわち、電気光学導波路素子２の光損失の低減、動作速度の向上が図られる。

【0073】

［第３の実施形態］
図１０及び図１１は第３の実施形態に係る電気光学導波路素子２Ｂの模式的な垂直断面図であり、図１及び図２と同様、ｘｙ断面を示している。また、図１０と図１１とはｚ軸方向の位置が異なる断面であり、図１０は第１の実施形態の図１に対応し、下部高屈折率層及び上部高屈折率層への電極の接続構造が配置されない位置での断面であり、一方、図１１は第１の実施形態の図２に対応し、当該電極の接続構造が配置される位置での断面である。第３の実施形態の当該断面に示される各部と第１の実施形態の断面に示される各部とで名称（又は符号のうち数字部分）が共通する部分は基本的に同じ材料で構成することができる。例えば、本実施形態の下部高屈折率層１０Ｂ、上部高屈折率層１２Ｂ、低屈折率層１４Ｂは第１の実施形態の下部高屈折率層１０、上部高屈折率層１２、低屈折率層１４とは断面形状に相違を有するので符号に“Ｂ”を付して明細書の記載上での区別の便宜を図っているが、それぞれ対応するものと同じ材料で構成することができる。

【0074】

電気光学導波路素子２Ｂにおいて、下部高屈折率層１０Ｂ及び上部高屈折率層１２Ｂは、互いに対向して伝送方向に伸びるリブ型の部分（リブ部７０，７２）を有する。また、低屈折率層１４Ｂはスラブ型に形成される。

【0075】

第１の実施形態では、低屈折率層１４をスロット部として、導波光の局在領域に対応して比較的狭い幅ｗ_ｌｏｗに形成している。一方、下部高屈折率層１０及び上部高屈折率層１２はスラブ型で、両者の間に均一な間隙を形成している。この第１の実施形態の構造では、下部高屈折率層１０及び上部高屈折率層１２において低屈折率層１４と接触する部分は、低屈折率層１４の平面形状で規定される。つまり、ｘｙ断面にて下部高屈折率層１０及び上部高屈折率層１２の低屈折率層１４との接触部分の幅は、低屈折率層１４の幅ｗ_ｌｏｗで定まる。

【0076】

これに対し、第３の実施形態では、下部高屈折率層１０Ｂ及び上部高屈折率層１２Ｂにおいてリブ部７０，７２が低屈折率層１４との接触部分となる。つまり、スラブ型の低屈折率層１４と下部高屈折率層１０Ｂ及び上部高屈折率層１２Ｂとの接触幅はリブ部７０，７２の幅ｗ_ｒｉｂで規定され、リブ部７０，７２より大きな幅に形成される低屈折率層１４のうちリブ部７０，７２に挟まれた部分が実質的にスロット導波路のスロット部となり、下部高屈折率層１０Ｂ及び上部高屈折率層１２Ｂから電界を印加されて導波光の電気光学変調に寄与する。

【0077】

第３の実施形態では、下部高屈折率層１０Ｂ及び上部高屈折率層１２Ｂのうち、リブ部７０，７２のｘ方向の両側に位置する部分が第１の実施形態で述べた張り出し部２０，２２に相当する。そして、下部高屈折率層１０Ｂ、上部高屈折率層１２Ｂに外部から電圧を印加した際に張り出し部２０，２２に挟まれた間隙に電界が形成されることで、スロット部での上述の端効果を抑制又は軽減し、屈折率変調のための駆動電圧の低減を図ることができる。

【0078】

張り出し部２０，２２と低屈折率層１４Ｂとが対向する間隙、つまりリブ部７０，７２の側方に生じる間隙には、当該低屈折率層１４Ｂより屈折率が低いクラッド層７４，７６が配置される。

【0079】

上述のように低屈折率層１４Ｂは導波光を局在させるスロット部より広い幅に形成される。例えば、低屈折率層をドライエッチングでパターニングする場合、低屈折率層の側壁荒れが発生することがある。そのような低屈折率層の側壁は導波光を散乱し、光損失が発生する可能性がある。これを回避する構成として、薄膜ＬＮ層をドライエッチングで加工することなく、スラブ形状で低屈折率層１４Ｂとして利用する構成が可能である。または、ドライエッチングで側壁が形成されるとしても、当該側壁が導波光の局在領域の外側に形成される構成とすればよい。

【0080】

そこで本実施形態では、導波光よりも大きな幅のスラブ型に低屈折率層１４Ｂを形成する一方、下部高屈折率層１０Ｂ及び上部高屈折率層１２Ｂにリブ部７０，７２を設けて、低屈折率層１４Ｂの一部のみをスロット部として利用する。この構造では、導波光モードの水平方向の閉じ込め幅はリブ部７０，７２の幅ｗ_ｒｉｂで決まる。低屈折率層１４Ｂの幅が導波光モードの水平方向の閉じ込め幅より大きいことで、側壁での散乱による光損失が回避される。ちなみにｗ_ｒｉｂを６００ｎｍ以下とすることにより、単一の横モード導波光のみが伝搬する。

【0081】

電気光学導波路素子２Ｂの製造方法に関し、第１の実施形態との相違点について述べる。本実施形態の製造方法はリブ部７０，７２及びクラッド層７４，７６を形成する点に関して第１の実施形態との基本的な違いを有する。

【0082】

下部高屈折率層１０Ｂは、ＳＯＩウエハーの表面のＳＯＩ層を用いて形成することができる。例えば、ＳＯＩ層の表面を部分的にドライエッチングして、エッチングしない部分によりリブ部７０を形成する。しかる後、ＣＶＤによるシリカ堆積およびＣＭＰによる平坦化を行って、リブ部７０の両脇のクラッド層７４を形成する。この基板表面に薄膜ＬＮ層からなる低屈折率層１４Ｂを形成する。

【0083】

上部高屈折率層１２Ｂは例えば、リブ部７２と、その上に位置し張り出し部２２を含んで広い幅を有するスラブ部とを分けて形成する。具体的には、低屈折率層１４が形成された基板表面に、リブ部７２の高さに相当する厚みのシリコン層を堆積し、フォトリソグラフィー技術によりストリップ状に加工する。このストリップ状にパターニングされたシリコン層がリブ部７２となる。シリコン層のパターニング後、ＣＶＤによるシリカ堆積およびＣＭＰによる平坦化を行ってクラッド層７６を形成する。クラッド層７６及び、リブ部７２となるシリコン層の表面にシリコン層を堆積し、フォトリソグラフィー技術により上部高屈折率層１２Ｂのスラブ部を形成する。このシリコン層からなるスラブ部は先に形成されたストリップ状のシリコン層と一体となって上部高屈折率層１２Ｂを構成する。すなわち、低屈折率層１４Ｂとの接触部分となるリブ部７２と、接触部分の上に位置しその両側に張り出し部２２を有するスラブ部とを備えた上部高屈折率層１２Ｂが形成される。

【0084】

ここで、スロット部との接触部分での下部高屈折率層１０Ｂ及び上部高屈折率層１２Ｂの厚みが大きいと、第１の実施形態にて述べたように、導波光の大部分が下部高屈折率層１０Ｂ及び上部高屈折率層１２Ｂに分布し、スロット部に閉じ込められる導波光の割合が低下して電気光学効果による位相変調効率が低下する可能性がある。この観点から、リブ部７０，７２を設けた部分での下部高屈折率層１０Ｂ及び上部高屈折率層１２Ｂそれぞれの厚みは例えば、２５０ｎｍ以下とすることができる。

【0085】

クラッド層７４，７６の厚み（又はリブ部７０，７２の高さ）に関しては、クラッド層７４，７６が薄くなると、水平方向での導波光閉じ込めが十分でなくなり、スロット部近傍に局在すべき導波光が水平方向に拡がって放射損失が増す可能性がある。この点、クラッド層７４，７６の厚みは例えば、５０ｎｍ以上とすることが望ましい。

【0086】

一方、クラッド層７４，７６の厚みが大きくすることに関しては、第１に、張り出し部２０，２２の間に形成される電界が弱くなって端効果抑制の効果が低下する可能性がある。第２に、下部高屈折率層１０Ｂ及び上部高屈折率層１２Ｂの厚みに上述したように上限が設定されるところ、リブ部７０，７２を高くするほど、スラブ部の厚みが小さくなる。その結果、例えば、リブ部７０，７２とコンタクト領域２８，３０との間の直列電気抵抗が増して電気光学導波路素子２の高周波特性が劣化する可能性がある。また、張り出し部２０，２２の抵抗増加を生じ、これが端効果を抑制する張り出し部２０，２２間の電界の働きを弱める可能性がある。よって、これらの点からクラッド層７４，７６の厚みに上限が設定され得る。例えば、クラッド層７４，７６の厚みは１００ｎｍ以下とすることが望ましい。

【0087】

［第４の実施形態］
図１２は第４の実施形態に係る電気光学導波路素子２Ｃの模式的な垂直断面図であり、ｘｙ断面を示している。図１２は図１及び図９と同様、下部高屈折率層及び上部高屈折率層への電極の接続構造が配置されない位置での断面である。一方、本実施形態においても上記各実施形態と同様の構造で、下部高屈折率層及び上部高屈折率層に電極が接続されるが図示を省略する。

【0088】

張り出し部は下部高屈折率層及び上部高屈折率層の一方だけに設けても、上述の端効果抑制の効果を奏し得る。図１２は当該構成を示している。具体的には、電気光学導波路素子２Ｃは第３の実施形態と同様、スラブ状の低屈折率層１４Ｂとリブ部７０を有した下部高屈折率層１０Ｂとを備え、一方、上部高屈折率層１２は第１の実施形態と同様のスラブ型であり、リブ部を有さない。

【0089】

つまり、本実施形態では、下部高屈折率層１０Ｂはｘ方向に関し、スロット部との接触部分となるリブ部７０と、その両側に張り出した張り出し部２０を有する。一方、上部高屈折率層１２は、ｘｙ断面の形状にて下部高屈折率層１０Ｂの両張り出し部２０に対向する部分を有するスラブ型に形成される。ここで、低屈折率層１４Ｂはｘ方向に広がっているため、上部高屈折率層１２の下面全体に接している。そのため、第１の実施形態とは異なり、本実施形態の上部高屈折率層１２は張り出し部２２を有していない。

【0090】

なお、図１２の構造とは上下を逆にして、リブ部７２を有する上部高屈折率層１２Ｂと、リブ部を有さないスラブ型の下部高屈折率層１０とを備えた構造とすることもできる。

【0091】

［第５の実施形態］
図１３はマッハ－ツェンダー（Mach-Zehnder：ＭＺ）光変調器８０の平面レイアウトの模式図である。ＭＺ光変調器８０は２つの位相変調器８１ａ，８１ｂ、１×２分波器８２、２×１合波器８３とそれらを接続する単一モード導波路８４，８５ａ，８５ｂ，８６ａ，８６ｂ，８７とを有し、これらは例えば、共通基板上に集積化して１チップのデバイスに構成できる。

【0092】

入力光は導波路８４を介して１×２分波器８２に入力され、１×２分波器８２にて２つの導波光に分波される。分波された導波光はそれぞれ位相変調器８１ａ，８１ｂに入力される。位相変調器８１ａ，８１ｂはプッシュプル型の構成とし、それぞれに入力された導波光に対して互いに逆位相で位相変調を行う。位相変調器８１ａ，８１ｂから出力された導波光は２×１合波器８３にて干渉合成され、２×１合波器８３は合波した光を出力する。

【0093】

このＭＺ光変調器８０の位相変調器８１ａ，８１ｂに、上述した本発明の各実施形態の電気光学導波路素子を適用することができる。ＭＺ光変調器８０が集積化された基板上にて位相変調器８１ａ，８１ｂはそれぞれｚ軸方向（図１３にて横方向）に延在する導波路を有し、ｘ方向に並んで配置されている。ここで、基板上の位相変調器８１ａ，８１ｂが形成された領域を便宜上、変調部８１と呼ぶことにする。図１４は本実施形態における変調部８１の模式的な垂直断面図であり、スロット導波路の高屈折率層と電極との接続構造が現れたｘｙ断面を示している。

【0094】

位相変調器８１ａ，８１ｂのスロット導波路の基本的な構造は図１及び図２を用いて説明した第１の実施形態に対応している。つまり、位相変調器８１ａ，８１ｂのスロット導波路は、第１の実施形態の電気光学導波路素子２の下部高屈折率層１０に対応する下部高屈折率層１０ａ，１０ｂを有し、同様に上部高屈折率層１２に対応する上部高屈折率層１２ａ，１２ｂ、低屈折率層１４に対応する低屈折率層１４ａ，１４ｂを有する。よって、位相変調器８１ａでは、それぞれスラブ状の下部高屈折率層１０ａ及び上部高屈折率層１２ａが互いに平坦な面を対向させて配置され、それらの間隙にストリップ状の低屈折率層１４ａが配置される。また、位相変調器８１ｂの下部高屈折率層１０ｂ、上部高屈折率層１２ｂ及び低屈折率層１４ｂも同様の構成でスロット導波路を形成する。ちなみに、下部高屈折率層１０ａと下部高屈折率層１０ｂとは電気的に分離され、また、上部高屈折率層１２ａと上部高屈折率層１２ｂとは電気的に分離される。

【0095】

ここで、位相変調器８１ａ，８１ｂを並列プッシュプル接続とするために、高屈折率層の導電型は位相変調器８１ａと位相変調器８１ｂとで逆とする。例えば、位相変調器８１ａは下部高屈折率層１０ａをＰ型極性、上部高屈折率層１２ａをＮ型極性に構成され、位相変調器８１ｂは下部高屈折率層１０ｂをＮ型極性、上部高屈折率層１２ｂをＰ型極性に構成される。

【0096】

下部高屈折率層１０ａ，１０ｂはそれぞれプラグ２４ａ，２４ｂ介して電極４０ａ，４０ｂに接続され、上部高屈折率層１２ａ，１２ｂはそれぞれプラグ２６ａ，２６ｂ介して互いに共通の電極４２に接続される。プラグ２４ａ，２４ｂは第１の実施形態のプラグ２４と基本的に同様に構成され、またプラグ２６ａ，２６ｂは第１の実施形態のプラグ２６と基本的に同様に構成される。なお、電極４０ａ，４０ｂ，４２はコプレーナ型の進行波電極を構成する。

【0097】

例えば、変調部８１は１台の単一信号出力の変調器ドライバでプッシュプル駆動される。例えば、電極４０ａ，４０ｂを接地して、電極４２に変調器ドライバから出力される交流信号を印加する。

【0098】

ＭＺ光変調器８０は、変調部８１を第１の実施形態と共通する構造の位相変調器８１ａ，８１ｂを用いて構成したことにより、第１の実施形態で述べた駆動電圧低減や光損失低減が可能である。また、これに伴い、ＭＺ光変調器８０は高い強度消光比及び位相変調Ｑ値を得ることができる。

【0099】

なお、図１４では位相変調器８１ａ，８１ｂのスロット導波路を第１の実施形態の構造とした例を示したが、これに代えて、例えば第３の実施形態など他の実施形態のスロット導波路の構造を採用することもできる。

【0100】

［第６の実施形態］
第６の実施形態は、第５の実施形態と同様、図１３の位相変調器８１ａ，８１ｂに本発明の電気光学導波路素子を適用したＭＺ光変調器８０に関する。図１５は第６の実施形態における変調部８１の模式的な垂直断面図であり、図１４と同様、スロット導波路の高屈折率層と電極との接続構造が現れたｘｙ断面を示している。また、図１５に示す位相変調器８１ａ，８１ｂのスロット導波路の基本的な構造は、第５の実施形態の図１４に示す例と同様、図１及び図２を用いて説明した第１の実施形態に対応している。

【0101】

本実施形態ではＭＺ光変調器８０を１台の差動信号出力の変調器ドライバを用いてプッシュプル駆動する。図１５に示す変調部８１はこれに対応した構造を有する。

【0102】

具体的には、電極４０ａに差動信号の一方を印加し、電極４０ｂに差動信号の他方を印加する。なお、電極４０ａ，４０ｂは例えばスロット線路のような差動進行波電極を構成する。電極４２には直流バイアス電圧を印加する。なお、電極４２は接地してもよい。

【0103】

この接続に対応して、位相変調器８１ａの下部高屈折率層１０ａと位相変調器８１ｂの下部高屈折率層１０ｂとは同じ導電極性とする。一方、位相変調器８１ａ及び位相変調器８１ｂそれぞれの上部高屈折率層１２ａ，１２ｂの導電極性は共に、下部高屈折率層１０ａ，１０ｂとは異なる極性とする。例えば、下部高屈折率層１０ａ，１０ｂはＰ型極性とし、上部高屈折率層１２ａ，１２ｂはＮ型極性とする。

【0104】

位相変調器８１ａ及び位相変調器８１ｂそれぞれの上部高屈折率層１２ａ，１２ｂは共通の導電極性であり、また直流バイアス電圧を共通に印加されるので、互いに連続していてもよい。そこで、電極との接続部分では図１５に示すように上部高屈折率層１２ａ，１２ｂを接続して、両上部高屈折率層に対するプラグ２６を共通にすることができる。なお、上部高屈折率層への電極の接続構造が配置されない位置でのｘｙ断面構造では、上部高屈折率層１２ａ，１２ｂそれぞれは、端効果を低減するのに必要な張り出し部２２を備えた形状であればよく、両者が連続している必要はない。

【0105】

また、図１５の構成とは逆に、上部高屈折率層１２ａ，１２ｂに差動信号を印加し、下部高屈折率層１０ａ，１０ｂに直流バイアス電圧を印加する構成とすることもできる。図１６は当該構成を示している。図１６は図１５と同様、変調部８１の模式的な垂直断面図であって、スロット導波路の高屈折率層と電極との接続構造が現れたｘｙ断面を示している。

【0106】

具体的には、上部高屈折率層１２ａ，１２ｂに接続される電極４２ａ，４２ｂが別々に設けられ、それらに差動信号が印加される。また、下部高屈折率層１０ａ，１０ｂは例えば、ｘ方向につなげて形成され、共通の電極４０及びプラグ２４で直流バイアス電圧を印加される。

【0107】

本実施形態においてもＭＺ光変調器８０は、変調部８１を第１の実施形態と共通する構造の位相変調器８１ａ，８１ｂを用いて構成したことにより、第１の実施形態で述べた駆動電圧低減や光損失低減が可能であり、ひいては高い強度消光比及び位相変調Ｑ値を得ることができる。

【0108】

なお、図１５及び図１６では位相変調器８１ａ，８１ｂのスロット導波路を第１の実施形態の構造とした例を示したが、これに代えて、例えば第３の実施形態など他の実施形態のスロット導波路の構造を採用することもできる。

【0109】

［第７の実施形態］
第７の実施形態は上記各実施形態のいずれかの電気光学導波路素子を備えた光モジュールである。当該光モジュールは本発明に係る電気光学導波路素子と、当該電気光学導波路素子と光学的に接続された光源と、当該電気光学導波路素子を透過した光を伝達する媒体とを備える。

【0110】

図１７は本実施形態に係る光モジュール９０の概略のブロック図である。光モジュール９０は送信機能及び受信機能を有するトランシーバであり、電気信号と光信号とを相互に変換する。光モジュール９０は、シリコンフォトニクスチップ９２、ＣＷ（Continuous Wave：連続波）光源９４、信号処理ＬＳＩ９６を同一筐体に内蔵する。

【0111】

シリコンフォトニクスチップ９２は第５又は第６の実施形態のＭＺ光変調器８０を搭載している。上述したようにＭＺ光変調器８０は本発明の電気光学導波路素子を変調部８１に用いて構成される。

【0112】

ＣＷ光源９４はキャリア（搬送波）として利用される光を発生しシリコンフォトニクスチップ９２に入力する。例えば、ＣＷ光源９４はＤＦＢレーザなどの半導体レーザで構成される。

【0113】

信号処理ＬＳＩ９６は、光信号の伝送に係る電気信号を処理する回路が構成された集積回路である。例えば、信号処理ＬＳＩ９６は、光信号の送信に関して、電気的な伝送信号から、符号化などの処理を行って光信号に対する電気的な変調信号を生成し、シリコンフォトニクスチップ９２へ出力する。また、光信号の受信に関しては、信号処理ＬＳＩ９６は光信号から抽出された電気的な復調信号をシリコンフォトニクスチップ９２から入力され、復号化や誤り訂正などの処理を行って電気的な伝送信号を生成・出力する。

【0114】

図１８はシリコンフォトニクスチップ９２の概略のブロック図である。シリコンフォトニクスチップ９２は光信号の送信機能に関して、光カプラ１００，１０１及びＭＺ光変調器８０を有し、受信機能に関して光カプラ１１０、フォトダイオード１１１及びトランスインピーダンスアンプ１１２を有する。

【0115】

光カプラ１００はＣＷ光源９４から入力される光をＭＺ光変調器８０の入力端につながる導波路に入射させる。ＭＺ光変調器８０は、信号処理ＬＳＩ９６から電気信号を入力され、当該電気信号でＣＷ光源９４からのキャリアを変調して出力する。光カプラ１０１はＭＺ光変調器８０の出力端につながる導波路と、光ファイバーなどの光伝送路とを結合する。この構成によりシリコンフォトニクスチップ９２は、変調された光信号を生成し、光伝送路へ送出する。

【0116】

一方、光カプラ１１０は光伝送路をフォトダイオード（ＰＤ）１１１につながる導波路に結合する。フォトダイオード１１１は光伝送路から受信した光信号を電流に変換する。トランスインピーダンスアンプ１１２はフォトダイオード１１１から出力される電流信号をインピーダンス変換、増幅し電圧信号として出力する。この構成によりシリコンフォトニクスチップ９２は、光信号から復調された電気信号を生成して信号処理ＬＳＩ９６へ出力する。

【0117】

光モジュール９０は、本発明に係る電気光学導波路素子を用いてＭＺ光変調器８０を構成されることにより、光変調における駆動電圧低減や光損失低減が可能である。

【0118】

なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、実施形態で説明した構成は、実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成で置き換えることができる。

【符号の説明】

【0119】

２，２Ｂ 電気光学導波路素子、４ 基板、６ コア部、８ クラッド領域、１０ 下部高屈折率層、１２ 上部高屈折率層、１４ 低屈折率層、２０，２２ 張り出し部、２４，２６ プラグ、２８ 下部コンタクト領域、３０ 上部コンタクト領域、３２ 下部クラッド、３４ 上部クラッド、３６ 側部クラッド、４０，４２ 電極、５０，５２ コンタクトホール、７０，７２ リブ部、７４，７６ クラッド層、８０ マッハ－ツェンダー光変調器、８１ 変調部、８１ａ，８１ｂ 位相変調器、８２ １×２分波器、８３ ２×１合波器、９０ 光モジュール、９２ シリコンフォトニクスチップ、９４ ＣＷ光源、９６ 信号処理ＬＳＩ、１００，１０１，１１０ 光カプラ、１１１ フォトダイオード、１１２ トランスインピーダンスアンプ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】