(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】2024-08-30
(45)【発行日】2024-09-09
(54)【発明の名称】光変調器
(51)【国際特許分類】
G02F 1/035 20060101AFI20240902BHJP
【ＦＩ】
G02F1/035
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2021563777
(86)(22)【出願日】2020-10-26
(86)【国際出願番号】 JP2020040044
(87)【国際公開番号】W WO2021117358
(87)【国際公開日】2021-06-17
【審査請求日】2023-06-27
(31)【優先権主張番号】P 2019224546
(32)【優先日】2019-12-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000003067
【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100115738
【弁理士】
【氏名又は名称】鷲頭 光宏
(74)【代理人】
【識別番号】100121681
【弁理士】
【氏名又は名称】緒方 和文
(72)【発明者】
【氏名】原 裕貴
(72)【発明者】
【氏名】岩塚 信治
【審査官】野口 晃一
(56)【参考文献】
【文献】特開２００５－１０７２２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－０５２１０３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１９／０３９２１５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１１０４４１９２８（ＣＮ，Ａ）
【文献】特開平０４－２０４５２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－１１４２２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／００３９１５１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１４－１７００４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１９１３４６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０９１７０４３８（ＵＳ，Ｂ２）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｆ １／００－１／１２５
１／２１－７／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
入力導波路と、前記入力導波路を伝搬する光を分波する分波部と、前記分波部から延びて互いに平行に設けられた第１及び第２の導波路と、前記第１及び第２の導波路を伝搬する光を合波する合波部と、前記合波部から出力される光を伝搬する出力導波路とを有するマッハツェンダー光導波路と、前記マッハツェンダー光導波路を伝搬する光の位相を制御する信号電極とを備え、
前記第１及び第２の導波路は、
前記第１の導波路の線幅よりも前記第２の導波路の線幅のほうが狭い第１の直線部と、
前記第１の直線部と平行に設けられ、前記第２の導波路の線幅よりも前記第１の導波路の線幅のほうが狭い第２の直線部と、
前記第１の直線部と前記第２の直線部とを接続する第１の湾曲部とを有し、
前記第１及び第２の直線部における前記第１及び第２の導波路の線幅は、前記第１及び第２の直線部の全長に亘って一定であり、
前記第１の湾曲部における前記第１及び第２の導波路の線幅は、前記第１の湾曲部の全長に亘って、前記第１の直線部の線幅から前記第２の直線部の線幅まで連続的に変化する光変調器。
【請求項2】
前記第１及び第２の導波路は、前記第２の直線部と平行に設けられた第３の直線部と、
前記第２の直線部と前記第３の直線部とを接続する第２の湾曲部とをさらに有し、
前記第３の直線部における前記第１及び第２の導波路の線幅は、前記第３の直線部の全長に亘って一定であり、
前記第２の湾曲部における前記第１及び第２の導波路の線幅は、前記第２の湾曲部の全長に亘って、前記第２の直線部の線幅から前記第３の直線部の線幅まで連続的に変化する、請求項１に記載の光変調器。
【請求項3】
前記マッハツェンダー光導波路は、基板上に形成されたニオブ酸リチウム膜がリッジ状に成形されたリッジ導波路である、請求項１又は２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、光変調器に関し、特に、マッハツェンダー型光変調器の導波路構造に関する。
【背景技術】
【0002】
インターネットの普及に伴い通信量は飛躍的に増大しており、光ファイバ通信の重要性が非常に高まっている。光ファイバ通信は、電気信号を光信号に変換し、光信号を光ファイバにより伝送するものであり、広帯域、低損失、ノイズに強いという特徴を有する。
【0003】
電気信号を光信号に変換する方式としては、半導体レーザによる直接変調方式と光変調器を用いた外部変調方式が知られている。直接変調は光変調器が不要で低コストであるが、高速変調には限界があり、高速で長距離の用途では外部変調方式が使われている。
【0004】
光変調器としては、ニオブ酸リチウム単結晶基板の表面付近にＴｉ（チタン）拡散により光導波路を形成したマッハツェンダー型光変調器が実用化されている（例えば特許文献１参照）。マッハツェンダー型光変調器は、１つの光源から出た光を２つに分け、異なる経路を通過させた後、再び重ね合わせて干渉を起こさせるマッハツェンダー干渉計の構造を有する光導波路（マッハツェンダー光導波路）を用いるものであり、４０Ｇｂ／ｓ以上の高速の光変調器が商用化されているが、全長が１０ｃｍ前後と長いことが大きな欠点になっている。
【0005】
これに対して、特許文献２には、ｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜を用いたマッハツェンダー型光変調器が開示されている。ニオブ酸リチウム膜を用いた光変調器は、ニオブ酸リチウム単結晶基板を用いた光変調器と比較して大幅な小型化及び低駆動電圧化が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特許第５４８８２２６号公報
【文献】特許第６４５６６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
マッハツェンダー光導波路を構成する互いに平行な２本の光導波路の線幅が例えば製造プロセス要因により非対称性を持つことがある。このとき２本の光導波路間の実効屈折率が異なることから、光の伝搬特性に波長依存性が生じる。光の伝搬特性に波長依存性が生じる場合、入出力光の動作波長が消光状態であっても入出力光に混在する動作波長以外のバックグランド光が導光状態となるため、オフ状態のときの光強度が大きくなり、消光比が悪化する。
【0008】
したがって、本発明の目的は、一対の光導波路の非対称性に起因する消光比の悪化を改善することが可能な光変調器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本願発明者らは、一対の光導波路間の実効屈折率の違いに起因する消光比の悪化を改善する方法について鋭意研究を重ねた結果、一方の光導波路の線幅のほうが広い区間の長さと他方の光導波路の線幅のほうが広い区間の長さとを実質的に等しくすることにより、一対の光導波路間の実効屈折率を等しくすることができ、これにより消光比を改善できることを見出した。
【0010】
本発明はこのような技術的知見に基づくものであり、本発明による光変調器は、入力導波路と、前記入力導波路を伝搬する光を分波する分波部と、前記分波部から延びて互いに平行に設けられた第１及び第２の導波路と、前記第１及び第２の導波路を伝搬する光を合波する合波部と、前記合波部から出力される光を伝搬する出力導波路とを有するマッハツェンダー光導波路と、前記マッハツェンダー光導波路を伝搬する光の位相を制御する信号電極とを備え、前記第１及び第２の導波路は、前記第１の導波路の線幅よりも前記第２の導波路の線幅のほうが狭い第１の区間と、前記第２の導波路の線幅よりも前記第１の導波路の線幅のほうが狭い第２の区間とを有し、前記第１の区間と前記第２の区間は、前記湾曲部において切り替わることを特徴とする。
【0011】
本発明によれば、一対の光導波路を構成する第１及び第２の導波路の非対称性に起因する消光比の悪化を改善することができる。
【0012】
本発明において、前記第１及び第２の導波路は、直線部と湾曲部とを交互に組み合わせた折り返し構造を有し、前記第１の区間と前記第２の区間は、前記湾曲部において切り替わることが好ましい。マッハツェンダー光導波路を構成する第１及び第２の導波路の線幅の大小関係の交換部を折り返し形状とすることにより、線幅を連続的に変化させることができ、これにより光損失を防止と光変調器の小型化を図ることができる。
【0013】
本発明において、前記第１及び第２の導波路は、前記湾曲部を偶数個備えていることが好ましい。これにより、マッハツェンダー光導波路を構成する第１及び第２の導波路の湾曲部における長さを互いに等しくすることができる。
【0014】
本発明において、前記第１及び第２の導波路は、互いに平行に設けられた第１乃至第３の直線部と、前記第１の直線部と前記第２の直線部とを接続する第１の湾曲部と、前記第２の直線部と前記第３の直線部とを接続する第２の湾曲部とを有し、前記第１の区間は、前記第１の直線部及び前記第３の直線部に設けられており、前記第２の区間は、前記第２の直線部に設けられており、前記第１の区間と前記第２の区間は、前記第１の湾曲部及び前記第２の湾曲部において切り替わることが好ましい。これにより、第１及び第２の導波路の対称性が高められた光変調器を実現することができる。
【0015】
本発明において、前記導波路は、基板上に形成されたニオブ酸リチウム膜がリッジ状に成形されたリッジ導波路であることが好ましい。光導波路をニオブ酸リチウム膜のリッジ導波路とすることで大きな曲率で湾曲部を形成することが可能となり、光変調器を小型化することができる。
【0016】
本発明による光変調器は、前記第１及び第２の導波路の少なくとも上面を覆うバッファ層を備え、前記信号電極は、前記バッファ層を介して前記第１の導波路の上面と対向していることが好ましい。これにより、駆動電圧が低く電気光学特性が良好な光変調器を実現することができる。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、一対の光導波路の非対称性に起因する消光比の悪化を改善することが可能な光変調器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図4】図４（ａ）乃至（ｃ）は、図１及び図２に示した光変調器の略断面図であって、（ａ）は図１及び図２のＸａ－Ｘａ線に沿った断面図、（ｂ）は図１及び図２のＸｂ－Ｘｂ線に沿った断面図、（ｃ）は図１及び図２のＸｃ－Ｘｃ線に沿った断面図である。
【図5】図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態による光変調器の構成を示す略平面図であって、（ａ）は光導波路のみを図示したものであり、（ｂ）は進行波電極を含めた光変調器の全体を図示したものである。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【0020】
【0021】
図１及び図２に示すように、本実施形態による光変調器１は、基板１０上に形成され、互いに平行に設けられた第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂを含むマッハツェンダー光導波路２と、第１の導波路５Ａと平面視で重なるように設けられた信号電極２１と、第２の導波路５Ｂと平面視で重なるように設けられた第１の接地電極２２と、信号電極２１から見て第１の接地電極２２と反対側に設けられた第２の接地電極２３とを備えている。
【0022】
マッハツェンダー光導波路２は、マッハツェンダー干渉計の構造を有する光導波路であって、光入力ポート１ｉから光出力ポート１ｏに向かって順に、一本の光導波路からなる入力導波路３と、入力導波路３を伝搬する光を分波する分波部４と、分波部４から延びる第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂからなる一対の平行導波路５と、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂを伝搬する光を合波する合波部６と、合波部６から出力される光を伝搬する一本の光導波路からなる出力導波路７とを有している。
【0023】
光入力ポート１ｉから延びる入力導波路３は、分波部４を介して第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂの一端にそれぞれ接続されており、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂの他端は合波部６を介して出力導波路７に接続されている。光入力ポート１ｉに入力された入力光Ｓｉｎは、入力導波路３を通って分波部４に入力され、分波部４で分波され、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂを進行した後に合波部６で合波され、出力導波路７を通って光出力ポート１ｏから変調光Ｓｏｕｔとして出力される。
【0024】
本実施形態において、マッハツェンダー光導波路２は、直線部と湾曲部との組み合わせにより構成されている。具体的には、マッハツェンダー光導波路２の第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂは、互いに並行に配置された第１～第３の直線部５Ｓ１～５Ｓ３と、第１の直線部５Ｓ１と第２の直線部５Ｓ２とを接続する第１の湾曲部５Ｃ１と、第２の直線部５Ｓ２と第３の直線部５Ｓ３とを接続する第２の湾曲部５Ｃ２とを有している。第１及び第２の湾曲部５Ｃ１、５Ｃ２は、光導波路の進行方向を１８０度転換する折り返し形状を有し、同心半円状に形成されている。このように、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂは、直線部と湾曲部とを交互に組み合わせた折り返し構造を有している。
【0025】
マッハツェンダー光導波路２の第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂの第１～第３の直線部５Ｓ１～５Ｓ３は基板１０の長手方向（Ｙ方向）に延びており、光入力ポート１ｉは基板１０の長手方向の一端側、光出力ポート１ｏは基板１０の長手方向の他端側に設けられている。本実施形態において、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂは、湾曲部５Ｃを偶数個備えていることが好ましい。すなわち、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂは２ｎ＋１個（ただしｎは正の整数）の直線部５Ｓと２ｎ個の湾曲部５Ｃを有することが好ましい。これにより、複数の湾曲部５Ｃにおける第１の導波路５Ａの全長と第２の導波路５Ｂの全長を等しくすることができ、第１の導波路５Ａと第２の導波路５Ｂとの対称性を高めることができる。
【0026】
以上の構成において、光入力ポート１ｉに入力された入力光Ｓｉｎは、第１の直線部５Ｓ１の一端に入力され、第１の直線部５Ｓ１の一端から他端に向かって進行し、第１の湾曲部５Ｃ１で折り返して第２の直線部５Ｓ２の一端から他端に向かって第１の直線部５Ｓ１とは逆方向に進行し、さらに第２の湾曲部５Ｃ２で折り返して第３の直線部５Ｓ３の一端から他端に向かって第１の直線部５Ｓ１と同じ方向に進行する。変調光Ｓｏｕｔは、光出力ポート１ｏから出力される。
【0027】
信号電極２１（第１の制御電極）は、第１の導波路５Ａの一部に沿って設けられており、平面視で第１の接地電極２２と第２の接地電極２３との間に位置している。第１の接地電極２２（第２の制御電極）は、第２の導波路５Ｂの一部に沿って設けられている。信号電極２１の一端はＲＦ信号入力ポートであり、信号電極２１の他端は終端抵抗２４を介して第１及び第２の接地電極２２、２３にそれぞれ接続されている。これにより、信号電極２１と第１及び第２の接地電極２２、２３はコプレーナ型進行波電極として機能する。
【0028】
信号電極２１のＲＦ信号入力ポートには電気信号（変調信号）が入力される。第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂはニオブ酸リチウムに代表される電気光学材料からなるので、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂに電界を与えることによって第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂの屈折率がそれぞれ＋Δｎ、－Δｎのように変化し、一対の光導波路間の位相差が変化する。この位相差の変化により変調された信号光が光出力ポート１ｏから出力される。第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂをそれぞれ伝搬する２つの光の位相差が大きい場合には２つの光が打ち消しあってオフ状態となり、位相差が小さい場合には２つの光の強度が強められてオン状態となる。消光比は、光変調器１のオン状態のときの光強度とオフ状態のときの光強度との比であり、オン状態のときに明るくオフのときに暗ければ消光比は大きくなり、オン状態のときに暗くオフ状態のときに明るければ消光比は小さくなる。
【0029】
ＤＣバイアスを印加するため、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂと平面視で重なる位置には一対のバイアス電極（不図示）が設けられてもよい。一対のバイアス電極の一端はＤＣバイアスの入力ポートである。一対のバイアス電極の形成領域は、信号電極２１の形成領域よりもマッハツェンダー光導波路２の光入力ポート１ｉ側に設けられてもよく、あるいは光出力ポート１ｏ側に設けられてもよい。また、バイアス電極を省略し、ＤＣバイアスを予め重畳させた変調信号をＲＦ信号入力ポートに入力することも可能である。
【0030】
本実施形態によるマッハツェンダー光導波路２の特徴は、入力導波路３から分岐して互いに平行に設けられた第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂの線幅がその長手方向の位置によって異なる点にある。
【0031】
第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂの組み合わせからなる平行導波路５は、光入力ポート１ｉ側から光出力ポート１ｏ側に向かって順に、第１の線幅一定区間ＺＡ１、第１の線幅遷移区間ＺＢ１、第２の線幅一定区間ＺＡ２、第２の線幅遷移区間ＺＢ２、第１の線幅一定区間ＺＡ１が設けられている。特に、第１の直線部５Ｓ１と第３の直線部５Ｓ３は、第１の線幅一定区間ＺＡ１を構成しており、第２の直線部５Ｓ２は、第２の線幅一定区間ＺＡ２を構成している。また第１の湾曲部５Ｃ１は、第１の線幅遷移区間ＺＢ１を構成しており、第２の湾曲部５Ｃ２は、第２の線幅遷移区間ＺＢ２を構成している。
【0032】
ここで、第１の線幅一定区間ＺＡ１（第１の区間）は、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂの線幅が一定であると共に、第１の導波路５Ａの線幅よりも第２の導波路５Ｂの線幅のほうが狭い区間である。また、第２の線幅一定区間ＺＡ２（第２の区間）は、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂの線幅が一定であると共に、第２の導波路５Ｂの線幅よりも第１の導波路５Ａの線幅のほうが狭い区間である。第１の線幅遷移区間ＺＢ１は、第１の導波路５Ａおよび第２の導波路５Ｂの線幅が変化する区間である。また、第２の線幅遷移区間ＺＢ２は、第１の導波路５Ａおよび第２の導波路５Ｂの線幅が変化する区間である。なお線幅一定区間は線幅が完全に一定である必要はなく、線幅遷移区間と比較し線幅の変化が微小である場合を含む。
【0033】
第１の線幅一定区間ＺＡ１における第１の導波路５Ａの線幅Ｗａ１，Ｗａ３は、第２の導波路５Ｂとの関係において線幅が相対的に広くなっていればよく（Ｗａ１＜Ｗｂ１、Ｗａ３＜Ｗｂ３）、第２の線幅一定区間ＺＡ２における第１の導波路５Ａの線幅Ｗａ２との関係において相対的に広くなっている必要はない。すなわち、第１の導波路５Ａの第１の線幅一定区間ＺＡ１における線幅Ｗａ１と第２の線幅一定区間ＺＡ２における線幅Ｗａ２との間にＷａ１＜Ｗａ２の関係が成立していても構わない。このような関係は、第２の導波路５Ｂにおいても当てはまる。
【0034】
第１の線幅一定区間ＺＡ１の全長（Ｌ１＋Ｌ５）は、第２の線幅一定区間ＺＡ２の全長（Ｌ３）と等しいことが好ましい。すなわち、第１の導波路５Ａにおいて第２の導波路５Ｂよりも線幅が相対的に広い部分の長さ（Ｌ１＋Ｌ５）と線幅が相対的に狭い部分の長さ（Ｌ３）は等しく、第２の導波路５Ｂにおいて第１の導波路５Ａよりも線幅が相対的に広い部分の長さ（Ｌ３）と線幅が相対的に狭い部分の長さ（Ｌ１＋Ｌ５）は等しいことが好ましい。さらに、第１及び第２の線幅遷移区間ＺＢ１，ＺＢ２における第１の導波路５Ａの全長と第２の導波路５Ｂの全長も等しいことが好ましい。ただし、光変調器に求められる消光比のレベルによっては、第１の線幅一定区間ＺＡ１と第２の線幅一定区間ＺＡ２の長さが完全に同一である必要はなく、多少異なっていてもよい。
【0035】
図３（ａ）及び（ｂ）は、一対の光導波路の非対称性の改善について説明するための模式図である。
【0036】
基板１０上の導波層１１をリッジ状に加工してＹ方向に延びる互いに平行な複数本の直線導波路を形成する場合、製造プロセス要因により直線導波路の線幅にばらつきが生じ、例えば、図３（ａ）に示すように、Ｙ方向に延びる６本の直線導波路ＳＬ１～ＳＬ６のうち、Ｘ方向の一端側（原点Ｐ０）に最も近い直線導波路ＳＬ１の線幅ＷＳＬ１が最も広く、Ｘ方向の一端側から遠ざかるほど線幅が狭くなる場合がある。すなわち、６本の直線導波路ＳＬ１～ＳＬ６の線幅ＷＳＬ１～ＷＳＬ６は、ＷＳＬ１＞ＷＳＬ２＞ＷＳＬ３＞ＷＳＬ４＞ＷＳＬ５＞ＷＳＬ６となる。この場合、これらの直線導波路から選ばれたＸ方向に隣り合う２本の直線導波路の線幅は常に異なるため、両者の実効屈折率も異なり、これにより光変調素子の消光比が悪化する。
【0037】
しかし、図３（ｂ）に示すように、直線導波路ＳＬ１の一端ｅ１１と直線導波路ＳＬ４の一端ｅ１４とを曲がり導波路ＣＬ１により接続し、直線導波路ＳＬ２の一端ｅ１２と直線導波路ＳＬ３の一端ｅ１３とを曲がり導波路ＣＬ２により接続し、直線導波路ＳＬ３の他端ｅ２３と直線導波路ＳＬ６の他端ｅ２６とを曲がり導波路ＣＬ３により接続し、直線導波路ＳＬ４の他端ｅ２４と直線導波路ＳＬ５の他端ｅ２５とを曲がり導波路ＣＬ４により接続した場合には、一本の光導波路上に線幅が相対的に広い区間と狭い区間とを混在させることができる。そして図３に示すように、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂの各々において相手方の導波路よりも線幅が相対的に広い区間の全長と線幅が相対的に狭い区間の全長を実質的に等しくすることにより、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂの非対称性を相殺することができる。したがって、一対の光導波路間の実効屈折率を揃えることができ、これにより光変調器１の消光比を改善することができる。
【0038】
図４（ａ）乃至（ｃ）は、図１及び図２に示した光変調器１の略断面図であって、（ａ）は図１及び図２のＸａ－Ｘａ線に沿った断面図、（ｂ）は図１及び図２のＸｂ－Ｘｂ線に沿った断面図、（ｃ）は図１及び図２のＸｃ－Ｘｃ線に沿った断面図である。
【0039】
図４（ａ）乃至（ｃ）に示すように、本実施形態による光変調器１は、基板１０、導波層１１、保護層１２、バッファ層１３、絶縁層１４及び電極層１５がこの順で積層された多層構造を有している。
【0040】
基板１０は例えばサファイア基板であり、基板１０の表面にはニオブ酸リチウム膜からなる導波層１１が形成されている。導波層１１はリッジ部１１ｒからなる第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂ（リッジ導波路）を有している。第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂの幅は例えば１μｍ前後とすることができる。導波層１１としては電気光学材料であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からなることが好ましい。ニオブ酸リチウムは大きな電気光学定数を有し、光変調器等の光学デバイスの構成材料として好適だからである。なお、リッジ部１１ｒの幅がＺ軸方向において均一でない場合には、その幅の平均値を線幅とする。
【0041】
保護層１２は第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂと平面視で重ならない領域に形成されている。保護層１２は、導波層１１の上面のうちリッジ部１１ｒが形成されていない領域の全面を覆っており、リッジ部１１ｒの側面も保護層１２に覆われているので、リッジ部１１ｒの側面の荒れによって生じる散乱損失を防ぐことができる。保護層１２の厚さは導波層１１のリッジ部１１ｒの高さとほぼ同じである。保護層１２の材料は特に限定されないが、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）を用いることができる。
【0042】
バッファ層１３は、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂ中を伝搬する光が信号電極２１や第１の接地電極２２に吸収されることを防ぐため、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂを構成するリッジ部１１ｒの上面を覆うように形成されている。バッファ層１３は、導波層１１より屈折率が低く、透明性が高い材料からなることが好ましい。リッジ部１１ｒの直上のバッファ層１３の厚さは０．３μｍ以上３μｍ以下であることが好ましい。バッファ層１３の膜厚は、電極の光吸収を低減するためには厚いほど良く、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂに高い電界を印加するためには薄いほど良い。電極の光吸収と電極の印加電圧はトレードオフの関係にあるため、両者のバランスを考慮して、誘電率が高く且つ屈折率が低い材料を選定することが重要である。
【0043】
本実施形態において、バッファ層１３は、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂの上面のみならず保護層１２の上面を含む下地面の全面を覆っているが、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂの上面付近だけを選択的に覆うようにパターニングされたものであってもよい。また保護層１２を省略し、導波層１１の上面全体にバッファ層１３を直接形成してもよい。
【0044】
絶縁層１４は、進行波電極の下面に段差を形成するために設けられている。絶縁層１４の第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂと重なる領域には開口（スリット）が形成されており、バッファ層１３の上面を露出させている。この開口内に電極層１５の一部が埋め込まれることにより、信号電極２１及び第１の接地電極２２の下面に段差が形成される。絶縁層１４の厚さは１μｍ以上であることが好ましい。絶縁層１４の厚さが１μｍ以上であれば、信号電極２１及び第１の接地電極２２の下面に段差を設けたことによる効果を得ることができる。
【0045】
電極層１５には、信号電極２１、第１の接地電極２２及び第２の接地電極２３が設けられている。信号電極２１（第１の制御電極）は、第１の導波路５Ａ内を進行する光を変調するために第１の導波路５Ａに対応するリッジ部１１ｒに重ねて設けられ、バッファ層１３を介して第１の導波路５Ａと対向している。第１の接地電極２２（第２の制御電極）は、第２の導波路５Ｂ内を進行する光を変調するために第２の導波路５Ｂに対応するリッジ部１１ｒに重ねて設けられ、バッファ層１３を介して第２の導波路５Ｂと対向している。第２の接地電極２３は、信号電極２１を挟んで第１の接地電極２２と反対側に設けられている。
【0046】
信号電極２１は二層構造であり、電極層１５に形成された上層部２１ａと、絶縁層１４を貫通する開口内に埋め込まれた下層部２１ｂとを有している。信号電極２１の下層部２１ｂは、信号電極２１の上層部２１ａの第１の接地電極２２寄りの端部に設けられている。そのため、信号電極２１の下層部２１ｂの下面は、上層部２１ａの下面よりも第１の接地電極２２寄りに設けられている。このような構成により、信号電極２１の下層部２１ｂの下面は、第１の導波路５Ａの上方においてバッファ層１３の上面に接しており、バッファ層１３を介して第１の導波路５Ａを覆っている。信号電極２１の上層部２１ａの下面は、下層部２１ｂの下面よりも上方に位置しており、バッファ層１３には接していない。
【0047】
第１の接地電極２２も二層構造であり、電極層１５に形成された上層部２２ａと、絶縁層１４を貫通する開口内に埋め込まれた下層部２２ｂとを有している。第１の接地電極２２の下層部２２ｂは、第１の接地電極２２の上層部２２ａの信号電極２１寄りの端部に設けられている。そのため、第１の接地電極２２の上層部２２ａの下面は、下層部２２ｂの下面よりも信号電極２１寄りに設けられている。このような構成により、第１の接地電極２２の下層部２２ｂの下面は、第２の導波路５Ｂの上方においてバッファ層１３の上面に接しており、バッファ層１３を介して第２の導波路５Ｂを覆っている。第１の接地電極２２の上層部２２ａの下面は、下層部２２ｂの下面よりも上方に位置しており、バッファ層１３には接していない。
【0048】
第２の接地電極２３は、信号電極２１を挟んで第１の接地電極２２と反対側に設けられている。第２の接地電極２３は電極層１５に設けられた導体のみからなる単層構造であるが、信号電極２１や第１の接地電極２２と同様に二層構造としてもよい。
【0049】
上記のように、製造プロセス要因により一対の光導波路の線幅に非対称性が生じ、これにより消光比が悪化する場合がある。しかし、第１の線幅一定区間ＺＡ１においては図４（ａ）及び図４（ｃ）に示すように第１の導波路５Ａの線幅Ｗａ１，Ｗａ３を第２の導波路５Ｂの線幅Ｗｂ１，Ｗｂ３よりも広くし、逆に第２の線幅一定区間ＺＡ２においては図４（ｂ）に示すように第２の導波路５Ｂの線幅Ｗｂ２を第１の導波路５Ａの線幅Ｗａ２よりも広くし、第１の線幅一定区間ＺＡ１の長さと第２の線幅一定区間ＺＡ２の長さを実質的に同一にしているので、一対の導波路の線幅の対称性を向上させて消光比を改善することができる。
【0050】
次に、導波層１１をニオブ酸リチウム膜とした場合の光変調器１の構成について詳しく説明する。
【0051】
基板１０はニオブ酸リチウム膜より屈折率が低いものであれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル膜として形成できる基板が好ましく、サファイア単結晶基板もしくはシリコン単結晶基板が特に好ましい。単結晶基板の結晶方位は特に限定されない。ニオブ酸リチウム膜はさまざまな結晶方位の単結晶基板に対して、ｃ軸配向のエピタキシャル膜として形成されやすいという性質を持っている。ｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜は３回対称の対称性を有しているので、下地の単結晶基板も同じ対称性を有していることが望ましく、サファイア単結晶基板の場合はｃ面、シリコン単結晶基板の場合は（１１１）面の基板が好ましい。
【0052】
ここで、エピタキシャル膜とは、下地の基板もしくは下地膜の結晶方位に対して、そろって配向している膜のことである。膜面内をＸ－Ｙ面とし、膜厚方向をＺ軸としたとき、結晶がＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向にともにそろって配向しているものである。例えば、第１に２θ－θＸ線回折による配向位置でのピーク強度の確認と、第２に極点の確認を行うことで、エピタキシャル膜を証明できる。
【0053】
具体的には、第１に２θ－θＸ線回折による測定を行ったとき、目的とする面以外の全てのピーク強度が目的とする面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である必要がある。例えば、ニオブ酸リチウムのｃ軸配向エピタキシャル膜では、（００Ｌ）面以外のピーク強度が、（００Ｌ）面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である。（００Ｌ）は、（００１）や（００２）などの等価な面を総称する表示である。
【0054】
第２に、極点測定において、極点が見えることが必要である。前述の第１の配向位置でのピーク強度の確認の条件においては、一方向における配向性を示しているのみであり、前述の第１の条件を得たとしても、面内において結晶配向がそろっていない場合には、特定角度位置でＸ線の強度が高まることはなく、極点は見られない。ＬｉＮｂＯ３は三方晶系の結晶構造であるため、単結晶におけるＬｉＮｂＯ３（０１４）の極点は３つとなる。ニオブ酸リチウム膜の場合、ｃ軸を中心に１８０°回転させた結晶が対称的に結合した、いわゆる双晶の状態にてエピタキシャル成長することが知られている。この場合、３つの極点が対称的に２つ結合した状態になるため、極点は６つとなる。また、（１００）面のシリコン単結晶基板上にニオブ酸リチウム膜を形成した場合は、基板が４回対称となっているため、４×３＝１２個の極点が観測される。なお、本発明では、双晶の状態にてエピタキシャル成長したニオブ酸リチウム膜もエピタキシャル膜に含める。
【0055】
ニオブ酸リチウム膜の組成はＬｉｘＮｂＡｙＯｚである。Ａは、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｏ以外の元素を表している。ｘは０．５～１．２であり、好ましくは、０．９～１．０５である。ｙは、０～０．５である。ｚは１．５～４であり、好ましくは２．５～３．５である。Ａの元素としては、Ｋ、Ｎａ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｃｅなどがあり、２種類以上の組み合わせでも良い。
【0056】
ニオブ酸リチウム膜の膜厚は２μｍ以下であることが望ましい。膜厚が２μｍよりも厚くなると、高品質な膜を形成することが困難になるからである。一方、ニオブ酸リチウム膜の膜厚が薄すぎる場合は、ニオブ酸リチウム膜における光の閉じ込めが弱くなり、基板１０やバッファ層１３に光が漏れることになる。また電界を印加したときの光導波路の実効屈折率の変化が小さくなるおそれがある。そのため、ニオブ酸リチウム膜は、使用する光の波長の１／１０程度以上の膜厚が望ましい。
【0057】
電界印加領域におけるニオブ酸リチウム膜の膜厚は１μｍ以上であることが好ましく、１．４μｍ以上であることが特に好ましい。光の波長λが光通信システムで使用される１５５０ｎｍである場合において、ニオブ酸リチウム膜の膜厚を１μｍ未満にすると半波長電圧Ｖπが急激に高くなり、半波長電圧Ｖπを実用的な電圧値である３Ｖ以下にすることが難しいからである。これは、膜厚が薄いと、ニオブ酸リチウム膜への光の閉じ込めが弱くなり、電気光学効果が実効的に小さくなるためである。一方、膜厚が１．５μｍ以上であれば、光の閉じ込めが十分に強くなるので、それ以上膜厚を厚くしてもＶπはほとんど変化しない。以上のように、ニオブ酸リチウム膜の膜厚を１μｍ以上とした場合には、駆動電圧や伝搬損失を低減することができる。
【0058】
ニオブ酸リチウム膜の形成方法としては、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などの膜形成方法を利用することが望ましい。ニオブ酸リチウムのｃ軸が基板１０の主面に垂直に配向されており、ｃ軸に平行に電界を印加することで、電界に比例して光学屈折率が変化する。単結晶基板としてサファイアを用いる場合は、サファイア単結晶基板上に直接、ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル成長させることができる。単結晶基板としてシリコンを用いる場合は、クラッド層（図示せず）を介して、ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル成長により形成する。クラッド層としては、ニオブ酸リチウム膜より屈折率が低く、エピタキシャル成長に適したものを用いる。例えば、クラッド層（図示せず）としてＹ２Ｏ３を用いると、高品質のニオブ酸リチウム膜を形成できる。
【0059】
なお、ニオブ酸リチウム膜の形成方法として、ニオブ酸リチウム単結晶基板を薄く研磨する方法やスライスする方法も知られている。この方法は、単結晶と同じ特性が得られるという利点があり、本発明に適用することが可能である。
【0060】
以上説明したように、本実施形態による光変調器１は、一本の入力導波路３から分岐して互いに平行に設けられた第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂを含むマッハツェンダー光導波路２と、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂに電界を印加する進行波電極とを備え、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂの配線区間は、第１の導波路５Ａの線幅よりも第２の導波路５Ｂの線幅のほうが広い第１の線幅一定区間ＺＡ１と、第２の導波路５Ｂの線幅よりも第１の導波路５Ａの線幅のほうが広い第２の線幅一定区間ＺＡ２と、第１の線幅一定区間ＺＡ１と第２の線幅一定区間ＺＡ２との間に設けられ、導波路の線幅が変化する線幅遷移区間ＺＢ１，ＺＢ２とを有し、第１の線幅一定区間ＺＡ１の長さと第２の線幅一定区間ＺＡ２の長さが等しいので、製造プロセス要因による一対の光導波路の非対称性を相殺することができる。したがって、入出力光の動作波長が消光状態のときに動作波長以外のバックグランド光が導光状態となることによる消光比の悪化を改善することができる。
【0061】
図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態による光変調器の構成を示す略平面図であって、（ａ）は光導波路のみを図示したものであり、（ｂ）は進行波電極を含めた光変調器の全体を図示したものである。また、図６（ａ）及び（ｂ）は、図５（ａ）及び（ｂ）に示した光変調器１の略断面図であって、（ａ）は図５（ａ）及び（ｂ）のＸａ－Ｘａ線に沿った断面図、（ｂ）は図５（ａ）及び（ｂ）のＸｂ－Ｘｂ線に沿った断面図である。
【0062】
図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態による光変調器１の特徴は、マッハツェンダー光導波路２の第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂが直線部のみで構成されている点にある。また図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、光変調器１は、基板１０、導波層１１、保護層１２、バッファ層１３、絶縁層１４及び電極層１５がこの順で積層された多層構造を有しており、この構造は第１の実施の形態と同様である。
【0063】
本実施形態において、第１の線幅一定区間ＺＡ１は、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂの線幅が一定であると共に、第１の導波路５Ａの線幅よりも第２の導波路５Ｂの線幅のほうが狭い区間である。また、第２の線幅一定区間ＺＡ２は、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂの線幅が一定であると共に、第２の導波路５Ｂの線幅よりも第１の導波路５Ａの線幅のほうが狭い区間である。第１の線幅遷移区間ＺＢ１は、第１の導波路５Ａおよび第２の導波路５Ｂの線幅が変化する区間である。また、第２の線幅遷移区間ＺＢ２は、第１の導波路５Ａおよび第２の導波路５Ｂの線幅が変化する区間である。
【0064】
第１の実施の形態と同様に、第１の線幅一定区間ＺＡ１の全長（Ｌ１＋Ｌ５）は、第２の線幅一定区間ＺＡ２の全長（Ｌ３）と等しいことが好ましい。すなわち、第１の導波路５Ａにおいて第２の導波路５Ｂよりも線幅が相対的に広い部分の長さ（Ｌ１＋Ｌ５）と線幅が相対的に狭い部分の長さ（Ｌ３）は等しく、第２の導波路５Ｂにおいて第１の導波路５Ａよりも線幅が相対的に広い部分の長さ（Ｌ３）と線幅が相対的に狭い部分の長さ（Ｌ１＋Ｌ５）は等しいことが好ましい。さらに、第１及び第２の線幅遷移区間ＺＢ１，ＺＢ２における第１の導波路５Ａの全長と第２の導波路５Ｂの全長も等しいことが好ましい。ただし、光変調器に求められる消光比のレベルによっては、第１の線幅一定区間ＺＡ１と第２の線幅一定区間ＺＡ２の長さが完全に同一である必要はなく、多少異なっていてもよい。本実施形態によれば、第１の導波路５Ａと第２の導波路５Ｂとの対称性を高めて消光比を改善することができる。
【0065】
従来の光変調器においては、マッハツェンダー光導波路２を構成する第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂのどちらか一方の線幅がその全長にわたって他方の線幅よりも僅かに広くなる場合があり、光導波路の線幅の長手方向に不均一な分布（非対称性）に起因して消光比が悪化していた。しかし、本実施形態においては、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂの各々において相手方の導波路よりも線幅が相対的に広い部分の長さと線幅が相対的に狭い部分の長さを等しくしているので、第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂ間に対称性を高めて消光比を改善することができる。
【0066】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【0067】
例えば、上記実施形態においてはシングル駆動型の光変調器を例に挙げたが、いわゆるデュアル駆動型の光変調器であってもよく、電極構造は特に限定されない。また上記実施形態においては基板１０上に単一のマッハツェンダー光変調素子を設けたシングルチャネル構造であるが、複数個のマッハツェンダー光変調素子を並べたマルチチャンネルアレイ構造を有していてもよい。
【実施例】
【0068】
マッハツェンダー光導波路２を構成する第１及び第２の導波路５Ａ，５Ｂの第１の線幅一定区間ＺＡ１と第２の線幅一定区間ＺＡ２の長さの違いが消光比に与える影響を求めた。
【0069】
第１の線幅一定区間ＺＡ１の長さがＬＡ１のときの光路長差Δｎｄ１＝５０００ｎｍ、第２の線幅一定区間ＺＡ２の長さがＬＡ２のときの光路長差Δｎｄ２＝５０００ｎｍ×ＬＡ２／ＬＡ１とするとき、マッハツェンダー光導波路全体の光路長差Δｎｄ１２＝Δｎｄ１－Δｎｄ２及び動作波長１５５０ｎｍにおける消光比（Ext ratio）とＬＡ２／ＬＡ１
との関係を図７のグラフに示す。
との関係を図７のグラフに示す。
【0070】
図７から、光変調器の消光比の仕様が２８ｄＢ以上である場合、ＬＡ２／ＬＡ１＞０．５において仕様を満足することが分かる。すなわち、線幅一定区間における光路長差Δｎｄ＝５０００ｎｍのとき、ＬＡ２／ＬＡ１＞０．５であれば所望の消光比が得られ、ＬＡ１＝ＬＡ２でなくてもよいことが分かる。
【符号の説明】
【0071】
１ 光変調器
１ｉ 光入力ポート
１ｏ 光出力ポート
２ マッハツェンダー光導波路
３ 入力導波路
４ 分波部
５ 平行導波路
５Ａ 第１の導波路
５Ｂ 第２の導波路
５Ｃ１ 第１の湾曲部
５Ｃ２ 第２の湾曲部
５Ｓ１ 第１の直線部
５Ｓ２ 第２の直線部
５Ｓ３ 第３の直線部
６ 合波部
７ 出力導波路
１０ 基板
１１ 導波層
１１ｒ リッジ部
１２ 保護層
１３ バッファ層
１４ 絶縁層
１５ 電極層
２１ 信号電極（第１の制御電極）
２１ａ 信号電極の上層部
２１ｂ 信号電極の下層部
２２ 第１の接地電極（第２の制御電極）
２２ａ 第１の接地電極の上層部
２２ｂ 第１の接地電極の下層部
２３ 第２の接地電極
２４ 終端抵抗
ＣＬ１～ＣＬ４ 曲がり導波路
ＳＬ１～ＳＬ６ 直線導波路
Ｓｉｎ 入力光
Ｓｏｕｔ 変調光（出力光）
ＺＡ１ 第１の線幅一定区間（第１の区間）
ＺＡ２ 第２の線幅一定区間（第２の区間）
ＺＢ１ 第１の線幅遷移区間
ＺＢ２ 第２の線幅遷移区間
１ｉ 光入力ポート
１ｏ 光出力ポート
２ マッハツェンダー光導波路
３ 入力導波路
４ 分波部
５ 平行導波路
５Ａ 第１の導波路
５Ｂ 第２の導波路
５Ｃ１ 第１の湾曲部
５Ｃ２ 第２の湾曲部
５Ｓ１ 第１の直線部
５Ｓ２ 第２の直線部
５Ｓ３ 第３の直線部
６ 合波部
７ 出力導波路
１０ 基板
１１ 導波層
１１ｒ リッジ部
１２ 保護層
１３ バッファ層
１４ 絶縁層
１５ 電極層
２１ 信号電極（第１の制御電極）
２１ａ 信号電極の上層部
２１ｂ 信号電極の下層部
２２ 第１の接地電極（第２の制御電極）
２２ａ 第１の接地電極の上層部
２２ｂ 第１の接地電極の下層部
２３ 第２の接地電極
２４ 終端抵抗
ＣＬ１～ＣＬ４ 曲がり導波路
ＳＬ１～ＳＬ６ 直線導波路
Ｓｉｎ 入力光
Ｓｏｕｔ 変調光（出力光）
ＺＡ１ 第１の線幅一定区間（第１の区間）
ＺＡ２ 第２の線幅一定区間（第２の区間）
ＺＢ１ 第１の線幅遷移区間
ＺＢ２ 第２の線幅遷移区間
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】