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(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】2024-11-15
(45)【発行日】2024-11-25
(54)【発明の名称】光変調素子
(51)【国際特許分類】
G02F 1/035 20060101AFI20241118BHJP
【ＦＩ】
G02F1/035
【請求項の数】
16
(21)【出願番号】P 2022500293
(86)(22)【出願日】2021-01-20
(86)【国際出願番号】 JP2021001823
(87)【国際公開番号】W WO2021161745
(87)【国際公開日】2021-08-19
【審査請求日】2023-08-08
(31)【優先権主張番号】P 2020020814
(32)【優先日】2020-02-10
(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】岩塚 信治
(72)【発明者】
【氏名】遠藤 謙二
(72)【発明者】
【氏名】原 裕貴
【審査官】山本 元彦
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１９－１７９１６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０７１２４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０１４６９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００６／００９３２６６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１９－１７４６１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－０７８７５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０１４７１５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｆ １／００－１／１２５
Ｇ０２Ｆ １／２１－７／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、前記基板上に設けられた少なくとも一つの相互作用部と、
入力部と、
終端部と、を備え、
前記相互作用部は、
前記基板上に形成された互いに隣り合う第１及び第２の光導波路と、
前記第１及び第２の光導波路と対向して設けられ、差動信号が印加される第１及び第２の信号電極とを備え、
前記相互作用部の近傍領域にはグランド電極が配置されておらず、
前記入力部と前記終端部は前記基板のエッジ近傍に備えられ、且つ前記第１及び第２の信号電極と電気的に接続され、
前記入力部及び前記終端部の少なくとも一方の近傍にはグランド電極が配置されており、
前記入力部は、前記第１の信号電極の一端と電気的に接続された第１の信号電極パッドと、前記第２の信号電極の一端と電気的に接続された第２の信号電極パッドを有し、
前記グランド電極は、前記第１の信号電極パッドに隣接する第１のグランド電極パッドと、前記第２の信号電極パッドに隣接する第２のグランド電極パッドを含み、
前記第１のグランド電極パッドと前記第２のグランド電極パッドは、前記基板上の第１の短絡パターンを介して電気的に接続されており、
前記第１の短絡パターンは、前記第１及び第２のグランド電極パッドと同じ電極層内に設けられていることを特徴とする光変調素子。
【請求項2】
前記第１の信号電極の一端は、第１の引き出し部を介して前記基板のエッジ近傍まで引き出されており前記第２の信号電極の一端は、第２の引き出し部を介して前記基板の前記エッジ近傍まで引き出されており、
前記第１の信号電極パッドは前記第１の引き出し部に接続されており、
前記第２の信号電極パッドは前記第２の引き出し部に接続されている、請求項１に記載の光変調素子。
【請求項3】
前記第１のグランド電極パッド、前記第２のグランド電極パッド及び前記第１の短絡パターンは、前記基板の前記エッジに配置されており、前記第１の信号電極パッド及び第２の信号電極パッドは、前記第１の短絡パターンよりも前記基板の内側に配置されている、請求項２に記載の光変調素子。
【請求項4】
前記終端部は、前記第１の信号電極の他端と電気的に接続された第１の終端電極パッドと、前記第２の信号電極の他端と電気的に接続された第２の終端電極パッドを有し、前記グランド電極は、前記第１の終端電極パッドに隣接する第３のグランド電極パッドと、前記第２の終端電極パッドに隣接する第４のグランド電極パッドを含み、
前記第３のグランド電極パッドと前記第４のグランド電極パッドは、前記基板上の第２の短絡パターンを介して電気的に接続されており、
前記第２の短絡パターンは、前記第３及び第４のグランド電極パッドと同じ電極層内に設けられている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光変調素子。
【請求項5】
前記第１の信号電極の他端は、第３の引き出し部を介して前記基板の前記エッジ近傍まで引き出されており、前記第２の信号電極の他端は、第４の引き出し部を介して前記基板の前記エッジ近傍まで引き出されており、
前記第１の終端電極パッドは前記第３の引き出し部に接続されており、
前記第２の終端電極パッドは前記第４の引き出し部に接続されている、請求項４に記載の光変調素子。
【請求項6】
前記第３のグランド電極パッド、前記第４のグランド電極パッド及び前記第２の短絡パターンは、前記基板の前記エッジに配置されており、前記第１の終端電極パッド及び第２の終端電極パッドは、前記第２の短絡パターンよりも前記基板の内側に配置されている、請求項５に記載の光変調素子。
【請求項7】
基板と、前記基板上に設けられた少なくとも一つの相互作用部と、
入力部と、
終端部と、を備え、
前記相互作用部は、
前記基板上に形成された互いに隣り合う第１及び第２の光導波路と、
前記第１及び第２の光導波路と対向して設けられ、差動信号が印加される第１及び第２の信号電極とを備え、
前記相互作用部の近傍領域にはグランド電極が配置されておらず、
前記入力部と前記終端部は、前記基板のエッジ近傍に備えられ、且つ前記第１及び第２の信号電極と電気的に接続され、
前記入力部及び前記終端部の少なくとも一方の近傍にはグランド電極が配置されており、
前記終端部は、前記第１の信号電極の他端に電気的に接続された第１の終端電極パッドと、前記第２の信号電極の他端に電気的に接続された第２の終端電極パッドを有し、
前記グランド電極は、前記第１の終端電極パッドに隣接する第３のグランド電極パッドと、前記第２の終端電極パッドに隣接する第４のグランド電極パッドを含み、
前記第３のグランド電極パッドと前記第４のグランド電極パッドは、前記基板上の第２の短絡パターンを介して電気的に接続されており、
前記第２の短絡パターンは、前記第３及び第４のグランド電極パッドと同じ電極層内に設けられていることを特徴とする光変調素子。
【請求項8】
前記第１の信号電極の他端は、第３の引き出し部を介して前記基板の前記エッジ近傍まで引き出されており、前記第２の信号電極の他端は、第４の引き出し部を介して前記基板の前記エッジ近傍まで引き出されており、
前記第１の終端電極パッドは前記第３の引き出し部に接続されており、
前記第２の終端電極パッドは前記第４の引き出し部に接続されている、請求項７に記載の光変調素子。
【請求項9】
前記第３のグランド電極パッド、前記第４のグランド電極パッド及び前記第２の短絡パターンは、前記基板の前記エッジに配置されており、前記第１の終端電極パッド及び第２の終端電極パッドは、前記第２の短絡パターンよりも前記基板の内側に配置されている、請求項８に記載の光変調素子。
【請求項10】
基板と、前記基板上に設けられた少なくとも一つの相互作用部と、
入力部と、
終端部と、を備え、
前記相互作用部は、
前記基板上に形成された互いに隣り合う第１及び第２の光導波路と、
前記第１及び第２の光導波路と対向して設けられ、差動信号が印加される第１及び第２の信号電極とを備え、
前記相互作用部の近傍領域にはグランド電極が配置されておらず、
前記入力部及び前記終端部は、前記基板のエッジ近傍に備えられ、且つ前記第１及び第２の信号電極と電気的に接続され、
前記入力部及び前記終端部の両方の近傍にはグランド電極が配置されており、
前記入力部は、前記第１の信号電極の一端と電気的に接続された第１の信号電極パッドと、前記第２の信号電極の一端と電気的に接続された第２の信号電極パッドを有し、
前記終端部は、前記第１の信号電極の他端と電気的に接続された第１の終端電極パッドと、前記第２の信号電極の他端と電気的に接続された第２の終端電極パッドを有し、
前記グランド電極は、前記第１の信号電極パッドに隣接する第１のグランド電極パッドと、前記第２の信号電極パッドに隣接する第２のグランド電極パッドと、前記第１の終端電極パッドに隣接する第３のグランド電極パッドと、前記第２の終端電極パッドに隣接する第４のグランド電極パッドを含み、
前記第３のグランド電極パッドは、前記基板上の第３の短絡パターンを介して前記第１のグランド電極パッドに接続されており、
前記第４のグランド電極パッドは、前記基板上の第４の短絡パターンを介して前記第２のグランド電極パッドに接続されており、
前記第３及び第４の短絡パターンは、前記第１乃至第４のグランド電極パッドと同じ電極層内に設けられていることを特徴とする光変調素子。
【請求項11】
前記第１の信号電極の一端は、第１の引き出し部を介して前記基板の前記エッジ近傍まで引き出されており前記第２の信号電極の一端は、第２の引き出し部を介して前記基板の前記エッジ近傍まで引き出されており、
前記第１の信号電極の他端は、第３の引き出し部を介して前記基板の前記エッジ近傍まで引き出されており、
前記第２の信号電極の他端は、第４の引き出し部を介して前記基板の前記エッジ近傍まで引き出されており、
前記第１の信号電極パッドは前記第１の引き出し部に接続されており、
前記第２の信号電極パッドは前記第２の引き出し部に接続されており、
前記第１の終端電極パッドは前記第３の引き出し部に接続されており、
前記第２の終端電極パッドは前記第４の引き出し部に接続されている、請求項１０に記載の光変調素子。
【請求項12】
前記第３の短絡パターンは、前記相互作用部の周りを周回するように形成されており、前記第４の短絡パターンは、前記基板の前記エッジに沿って形成されている、請求項１１に記載の光変調素子。
【請求項13】
前記第１及び第２の信号電極パッド、前記第１及び第２の終端電極パッド並びに前記第１乃至第４のグランド電極パッドは、前記基板の前記エッジに配置されている、請求項１２に記載の光変調素子。
【請求項14】
前記相互作用部の近傍領域は、前記相互作用部の中心から前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間隔の５倍以下の範囲内の領域である、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の光変調素子。
【請求項15】
前記基板は単結晶基板であり、前記第１及び第２の光導波路は、前記基板上にリッジ状に形成されたニオブ酸リチウム膜からなる、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の光変調素子。
【請求項16】
前記相互作用部は、前記第１及び第２の光導波路を含み、前記基板の主面に形成された導波層と、
少なくとも前記第１及び第２の光導波路の上面に形成されたバッファ層と、
前記第１及び第２の信号電極を含み、前記バッファ層の上面に形成された電極層を含み、
前記第１及び第２の信号電極は、前記バッファ層を挟んで前記第１及び第２の光導波路とそれぞれ対向している、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の光変調素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光変調素子に関し、特に、マッハツェンダー型光変調素子の電極構造に関する。
【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及び３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。
【0006】
特許文献２に記載された従来の光変調素子２０Ａの断面構造を図１２（ａ）に示す。サファイア基板２１上にはニオブ酸リチウム膜による一対の光導波路２２ａ，２２ｂが形成され、光導波路２２ａ、２２ｂの上部にはバッファ層２３を介して信号電極２４ａ及びグランド電極２４ｂがそれぞれ配置されている。この光変調素子２０Ａは１つの信号電極２４ａを有するいわゆるシングル駆動型であり、信号電極２４ａとグランド電極２４ｂは対称構造なので、光導波路２２ａ，２２ｂに印加される電界は大きさが等しく、符号が逆となっており、変調光の波長チャープが発生しない構造である。しかし、グランド電極２４ｂの面積が狭いため、高周波で動作しないという問題がある。
【0007】
特許文献３に記載された従来の光変調素子２０Ｂの断面構造を図１２（ｂ）に示す。ニオブ酸リチウム膜による一対の光導波路２２ａ，２２ｂの上部にはバッファ層２３を介して２つの信号電極２４ａ１，２４ａ２が配置されると共に、信号電極２４ａ１，２４ａ２と離間して３つのグランド電極２４ｃ，２４ｄ，２４ｅが配置されている。２つの信号電極２４ａ１，２４ａ２に大きさが等しく符号が逆の電圧を加えることで、一対の光導波路２２ａ，２２ｂに印加される電界は大きさが等しく、符号が逆となり、変調光の波長チャープは発生しない。また、一対の光導波路２２ａ，２２ｂに加える電圧を調整することで、チャープ量を調整可能という特徴を有している。さらに左右のグランド電極２４ｃ，２４ｄの面積が十分に確保されているので、高周波で動作可能な構造である。しかしながら、この光変調素子２０Ｂは２つの信号電極２４ａ１，２４ａ２を有するデュアル駆動型であるため、電極構造が複雑になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【文献】特許第４４８５２１８号公報
【文献】特開２００６－１９５３８３号公報
【文献】特開２０１４－６３４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
光変調素子において、現状の３２Ｇｂａｕｄから６４Ｇｂａｕｄへの高速化のためには３５ＧＨｚ以上の広帯域化が必要であり、９６Ｇｂａｕｄへの高速化のためには５０ＧＨｚ以上の広帯域化が必要である。このような広帯域化を実現するためには、(1)高周波での電極損失の低減、(2)光とマイクロ波との速度整合、(3)インピーダンス整合の３つが重要であり、(1)が特に重要である。高周波では表皮効果により電流が電極の表面近傍にしか流れず、電極損失が増加するからである。
【0010】
図１２（ｂ）に示した従来の光変調素子２０Ｂにおいて電極損失を低減するためには、信号電極の断面積を大きくすることが効果的であり、そのためには信号電極２４ａ１，２４ａ２の厚さＴを厚くするか、信号電極２４ａ１，２４ａ２の幅Ｗを広くする必要がある。
【0011】
しかしながら、信号電極２４ａ１，２４ａ２の厚さＴを厚くすると、マイクロ波の実効誘電率が低下して速度整合させることができなくなると共に、インピーダンスの低下によりインピーダンス整合が取れなくなるという問題がある。また、信号電極２４ａ１，２４ａ２の幅Ｗを広げると、マイクロ波の実効誘電率とインピーダンスは大きく変化しないものの、光導波路に印加される電界効率が悪くなり、半波長電圧が増加するという問題がある。したがって、従来の電極構造では６４Ｇｂａｕｄの高速化に対応した３５ＧＨｚ以上の広帯域化の実現が困難であった。特に、６４Ｇｂａｕｄを超える高速通信においては、５０ＧＨｚ以上の高周波における放射損失の急激な増加が問題となる。
【0012】
また光変調素子の小型化や多重化のため、複数本の光導波路を並列に配置して光導波路アレイを構成する場合、隣接チャンネル間の光導波路が近づくことにより、ＥＯ特性のリップルやクロストークノイズが増加して高周波特性が悪化しやすいという問題がある。
【0013】
したがって、本発明の目的は、５０ＧＨｚ以下の低周波において電極損失を抑制しつつ、５０ＧＨｚ以上の高周波において放射損失を抑制することが可能な光変調素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
上記課題を解決するため、本発明による光変調素子は、基板と、前記基板上に設けられた少なくとも一つの相互作用部とを備え、前記相互作用部は、前記基板上に形成された互いに隣り合う第１及び第２の光導波路と、前記第１及び第２の光導波路と対向して設けられ、差動信号が印加される第１及び第２の信号電極とを備え、前記相互作用部の近傍領域にはグランド電極が配置されておらず、前記第１及び第２の信号電極と電気的に接続された入力部及び終端部の少なくとも一方の近傍にはグランド電極が配置されていることを特徴とする。
【0015】
本発明によれば、５０ＧＨｚ以下の低周波においてリップルやクロストークノイズを低減することができるだけでなく、５０ＧＨｚ以上の高周波において放射損失を抑制することができる。したがって、６４Ｇｂａｕｄを超える高速通信が可能な光変調素子を提供することができる。
【0016】
本発明において、前記入力部は、第１及び第２の信号電極パッドを有し、前記グランド電極は、前記第１の信号電極パッドに隣接する第１のグランド電極パッドと、前記第２の信号電極パッドに隣接する第２のグランド電極パッドを含むことが好ましい。この構成により、第１及び第２の信号電極の入力部側の放射損失及び漏れ損失を低減することができる。
【0017】
本発明において、前記第１のグランド電極パッドと前記第２のグランド電極パッドは電気的に接続されていることが好ましい。この場合において、前記第１のグランド電極パッドと前記第２のグランド電極パッドは、前記基板上に設けられた第１の短絡パターンを介して電気的に接続されていてもよく、前記第１及び第２の信号電極パッドに前記差動信号を印加するドライバ回路内のグランドラインを介して電気的に接続されていてもよい。これにより、第１及び第２の信号電極の入力部側の基準電位のさらなる安定化を図ることができ、高周波特性が良好な光変調素子を実現することができる。
【0018】
本発明において、前記終端部は、第１及び第２の終端電極パッドを有し、前記グランド電極は、前記第１の終端電極パッドに隣接する第３のグランド電極パッドと、前記第２の終端電極パッドに隣接する第４のグランド電極パッドを含むことが好ましい。この構成により、第１及び第２の信号電極の終端部側の放射損失及び漏れ損失を低減することができる。
【0019】
本発明において、前記第３のグランド電極パッドと前記第４のグランド電極パッドは、前記基板上の第２の短絡パターンを介して電気的に接続されていてもよく、前記第１及び第２の終端電極パッドに接続された終端器内のグランドラインを介して電気的に接続されていてもよい。さらにまた、前記第３のグランド電極パッドは、前記基板上の第３の短絡パターンを介して前記第１のグランド電極パッドに接続されており、前記第４のグランド電極パッドは、前記基板上の第４の短絡パターンを介して前記第２のグランド電極パッドに接続されていてもよい。これにより、第１及び第２の信号電極の終端部側の基準電位の安定化を図ることができ、高周波特性が良好な光変調素子を実現することができる。
【0020】
本発明において、前記相互作用部の近傍領域は、前記相互作用部の中心から前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間隔の５倍以下の範囲内の領域であることが好ましい。相互作用部の中心から導波路間隔の５倍以下の近傍領域にグランド電極がない場合には、５０ＧＨｚ以下の低周波においてリップルやクロストークノイズを抑制することができる。
【0021】
本発明において、前記基板は単結晶基板であり、前記第１及び第２の光導波路は、前記基板上にリッジ状に形成されたニオブ酸リチウム膜からなることが好ましい。さらに、前記相互作用部は、前記第１及び第２の光導波路を含み、前記基板の主面に形成された導波層と、少なくとも前記第１及び第２の光導波路の上面に形成されたバッファ層と、前記第１及び第２の信号電極を含み、前記バッファ層の上面に形成された電極層を含み、前記第１及び第２の信号電極は、前記バッファ層を挟んで前記第１及び第２の光導波路とそれぞれ対向していることが好ましい。これにより、小型で高周波特性が良好な光変調素子を実現することができる。
【発明の効果】
【0022】
本発明によれば、５０ＧＨｚ以下の低周波において電極損失を抑制しつつ、５０ＧＨｚ以上の高周波において放射損失を抑制することが可能な光変調素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【発明を実施するための形態】
【0024】
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。
【0025】
【0026】
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、この光変調素子１Ａは、基板２上に形成され、互いに平行に設けられた第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂを有するマッハツェンダー光導波路１０と、第１の光導波路１０ａに沿って設けられた第１の信号電極７ａと、第２の光導波路１０ｂに沿って設けられた第２の信号電極７ｂと、第１の光導波路１０ａに沿って設けられた第１のバイアス電極９ａと、第２の光導波路１０ｂに沿って設けられた第２のバイアス電極９ｂとを備えている。第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂは、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂと共に、マッハツェンダー光変調素子の相互作用部ＭＺを構成している。
【0027】
マッハツェンダー光導波路１０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る。一本の入力導波路１０ｉから分波部１０ｃによって分岐した第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂを有し、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂは合波部１０ｄによって一本の出力導波路１０ｏにまとめられる。入力光Ｓｉは、分波部１０ｃで分波されて第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂをそれぞれ進行した後、合波部１０ｄで合波され、変調光Ｓｏとして出力導波路１０ｏから出力される。
【0028】
第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂは平面視で第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂと重なる線状の電極パターンであり、その両端は基板２の外周端付近まで引き出されている。すなわち、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの一端側は引き出し部７ａ１，７ｂ１を介して基板２のエッジ近傍まで引き出されており、基板２のエッジ近傍に設けられた第１及び第２の信号電極パッド７ａ３，７ｂ３と電気的に接続されている。また、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの他端側は引き出し部７ａ２，７ｂ２を介して基板２のエッジ近傍まで引き出されており、基板２のエッジ近傍に設けられた第１及び第２の終端電極パッド７ａ４，７ｂ４と電気的に接続されている。
【0029】
第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの一端側の第１及び第２の信号電極パッド７ａ３，７ｂ３は信号入力端子であり、ドライバ回路に接続される。第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの他端側の第１及び第２の終端電極パッド７ａ４，７ｂ４は、終端抵抗１２を介して互いに接続されている。これにより、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂは、差動のコプレーナ型進行波電極として機能する。
【0030】
第１及び第２のバイアス電極９ａ，９ｂは、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂに直流電圧（ＤＣバイアス）を印加するために第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂとは独立に設けられている。第１及び第２のバイアス電極９ａ，９ｂの一端９ａ１，９ｂ１はＤＣバイアスの入力端である。本実施形態において、第１及び第２のバイアス電極９ａ，９ｂの形成領域は、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの形成領域よりもマッハツェンダー光導波路１０の出力端側に設けられているが、入力端側に設けられていてもよい。また、第１及び第２のバイアス電極９ａ，９ｂを省略し、ＤＣバイアスを予め重畳させた変調信号を第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂに入力することも可能である。
【0031】
第１及び第２の信号電極パッド７ａ３，７ｂ３には、絶対値が同じで正負の異なる差動信号（変調信号）が入力される。第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂはニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料からなるので、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂに与えられる電界によって第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂ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出力導波路１０ｏから出力される。
【0032】
このように、本実施形態による光変調素子１Ａは、一対の信号電極で構成されたデュアル駆動型であるため、一対の光導波路に印加される電界の対称性を高めることができ、波長チャープを抑制することができる。
【0033】
本実施形態において、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにグランド電極は設けられていない。ここで、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺは、相互作用部ＭＺの幅方向の中心から左右に広がる第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂの間隔Ｗ０の５倍以下（Ｗ１≦５Ｗ０）の領域として定義される。またグランド電極とは、電位の基準点となる電極のことを言う。
【0034】
相互作用部ＭＺを構成する第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの近傍にはグランド電極を設けることが一般的である（図１２（ｂ）等参照）。しかし、光変調素子の小型化に伴いグランド電極の十分な幅又は面積を確保することが難しくなっており、中途半端な大きさのグランド電極は高周波特性を悪化させる要因となる。しかし、本実施形態のように相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺからグランド電極を排除した場合には、小型化しても高周波特性が悪化することがなく、相互作用部ＭＺの多重化も容易である。
【0035】
説明の便宜上、図１において第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂの間隔Ｗ０は実際よりも十分に広く描かれている。実際の導波路間隔Ｗ０は非常に狭く、５～５０μｍである。一方、第１の信号電極７ａの一端側及び他端側の引き出し部７ａ１，７ａ２及び第２の信号電極７ｂの一端側及び他端側の引き出し部７ｂ１，７ｂ２の長さは１００μｍ以上である。そのため、第１及び第２の信号電極パッド７ａ３，７ｂ３、第１及び第２のグランド電極パッド８ａ１，８ｂ１、第１及び第２の終端電極パッド７ａ４，７ｂ４、及び第３及び第４のグランド電極パッド８ａ２，８ｂ２は、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺの外側に位置し、相互作用部ＭＺから遠く離れている。
【0036】
基準電位の安定化のため、基板２の裏面側にはグランド電極が設けられていてもよい。上記のように、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにはグランド電極が設けられていないことが必要であるが、基板２の裏面側は対象外である。すなわち、基板２の裏面側における相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにはグランド電極が設けられていてもかまわない。
【0037】
一方、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺの外側に位置する第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部の近傍には第１及び第２のグランド電極パッド８ａ１，８ｂ１が設けられている。第１のグランド電極パッド８ａ１は第１の信号電極７ａの入力部を構成する第１の信号電極パッド７ａ３に隣接して設けられており、第２のグランド電極パッド８ｂ１は第２の信号電極７ｂの入力部を構成する第２の信号電極パッド７ｂ３に隣接して設けられている。
【0038】
第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部と同様に、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺの外側に位置する第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの終端部の近傍には第３及び第４のグランド電極パッド８ａ２，８ｂ２が設けられている。第３のグランド電極パッド８ａ２は第１の信号電極７ａの終端部を構成する第１の終端電極パッド７ａ４に隣接して設けられており、第４のグランド電極パッド８ｂ２は第２の信号電極７ｂの終端部を構成する第２の終端電極パッド７ｂ４に隣接して設けられている。
【0039】
本実施形態において、第１のグランド電極パッド８ａ１と第２のグランド電極パッド８ｂ１はそれらと同じ電極層内に設けられた短絡パターン８ｃ１（第１の短絡パターン）を介して電気的に接続されている。第３のグランド電極パッド８ａ２と第４のグランド電極パッド８ｂ２もそれらと同じ電極層内に設けられた短絡パターン８ｃ２（第２の短絡パターン）を介して電気的に接続されている。短絡パターン８ｃ１，８ｃ２は基板２のエッジに沿って形成されているので、第１及び第２の信号電極パッド７ａ３，７ｂ３及び第１及び第２の終端電極パッド７ａ４，７ｂ４は、基板２のエッジよりも内側に配置されている。このように、互いに近接する２つのグランド電極パッド同士を短絡することにより、グランド電極パッド上の基準電位の安定化を図ることができ、高周波特性を改善することができる。
【0040】
【0041】
図２に示すように、本実施形態による光変調素子１Ａは、基板２、導波層３、保護層４、バッファ層５、及び電極層６がこの順で積層された多層構造を有している。
【0042】
基板２は例えばサファイア基板であり、基板２の主面に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導波層３が形成されている。導波層３はリッジ部３ｒからなる第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂを有している。第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂを構成するリッジ部３ｒの幅Ｗ１０は例えば１μｍとすることができる。
【0043】
保護層４は第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂと平面視で重ならない領域に形成されている。保護層４は、導波層３の上面のうちリッジ部３ｒが形成されていない領域の全面を覆っており、リッジ部３ｒの側面も保護層４に覆われているので、リッジ部３ｒ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４の厚さは導波層３のリッジ部３ｒの高さとほぼ同じである。保護層４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。
【0044】
バッファ層５は、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂ中を伝搬する光が第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂに吸収されることを防ぐため、導波層３のリッジ部３ｒの上面に形成されるものである。バッファ層５は、導波層３よりも屈折率が小さく、透明性が高い材料からなることが好ましく、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＬａＡｌＯ３、ＬａＹＯ３、ＺｎＯ、ＨｆＯ２、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３などを用いることができる。リッジ部３ｒの上面上のバッファ層５の厚さは０．２～１μｍ程度であればよい。バッファ層５は誘電率が高い材料からなることがより好ましい。本実施形態において、バッファ層５は、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂの上面のみならず保護層４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の光導波路１０ａ，１０ｂ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４を省略し、導波層３の上面全体にバッファ層５を直接形成してもよい。
【0045】
バッファ層５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、光導波路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とは、トレードオフの関係にあるので、目的に応じて適切な膜厚を設定する必要がある。バッファ層５の誘電率は高い程、ＶπＬ（電界効率を表す指標）を低減できるので好ましく、バッファ層５の屈折率は低い程、バッファ層５を薄くできるので好ましい。通常、誘電率が高い材料は屈折率も高くなるので、両者のバランスを考慮して、誘電率が高く、かつ、屈折率が比較的低い材料を選定することが重要である。一例として、Ａｌ２Ｏ３は、比誘電率が約９、屈折率が約１．６であり、好ましい材料である。ＬａＡｌＯ３は、比誘電率が約１３、屈折率が約１．７であり、またＬａＹＯ３は、比誘電率が約１７、屈折率が約１．７であり、特に好ましい材料である。
【0046】
電極層６には、第１の信号電極７ａ及び第２の信号電極７ｂが設けられている。第１の信号電極７ａは、第１の光導波路１０ａ内を進行する光を変調するために第１の光導波路１０ａに対応するリッジ部３ｒに重ねて設けられ、バッファ層５を介して第１の光導波路１０ａと対向している。第２の信号電極７ｂは、第２の光導波路１０ｂ内を進行する光を変調するために第２の光導波路１０ｂに対応するリッジ部３ｒに重ねて設けられ、バッファ層５を介して第２の光導波路１０ｂと対向している。
【0047】
図２に示すように、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂの進行方向と直交する断面において、電極構造は左右対称である。そのため、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂから第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂにそれぞれ印加される電界の大きさをできるだけ同じにして波長チャープを低減することができる。
【0048】
導波層３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、光変調素子等の光学デバイスの構成材料として好適だからである。以下、導波層３をニオブ酸リチウム膜とした場合の本実施形態の構成について詳しく説明する。
【0049】
基板２として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させることが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。
【0050】
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、揃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軸方向にともに揃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。
【0051】
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。
【0052】
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揃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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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２やバッファ層５に光が漏れることになる。ニオブ酸リチウム膜に電界を印加しても、光導波路（１０ａ、１０ｂ）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。
【0056】
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２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（図示せず）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。
【0057】
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したりスライスしたり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。
【0058】
第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの幅Ｗ７は、リッジ状に形成されたニオブ酸リチウム膜からなる第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂのリッジ幅Ｗ１０よりも少し広い程度である。第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂからの電界を第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂに集中させるためには、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの幅Ｗ７は、第２の光導波路１０ｂのリッジ幅Ｗ１０の１．１～１５倍であることが好ましく、１．５～１０倍であることがより好ましい。なお、信号電極間隔とは、第１の信号電極７ａの幅方向中央から第２の信号電極７ｂの幅方向中央までの距離のことを言う。また導波路間隔とは、第１の光導波路１０ａの幅方向中央から第２の光導波路１０ｂの幅方向中央までの距離のことを言う。本実施形態において、信号電極間隔と導波路間隔は実質的に等しい。
【0059】
相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺの電極層６にグランド電極は設けられていない。第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂ間の電極分離領域Ｄ０や第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの外側の近傍領域Ｄ１ａ，Ｄ１ｂにグランド電極が設けられている場合には、リップルやクロストークが大きくなり、高周波特性が悪化する。このような高周波特性の悪化は、光変調素子の小型化に伴ってグランド電極の幅や面積を十分に確保することができず、基準電位が不安定になっていることが原因と考えられる。本実施形態のようにグランド電極を設けない場合には、リップルやクロストークを低減することができ、高周波特性を改善することができる。
【0060】
上述した第１乃至第４のグランド電極パッド８ａ１，８ｂ１，８ａ２，８ｂ２及び短絡パターン８ｃ１，８ｃ２は、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの信号電極パッド７ａ３，７ｂ３及び第１及び第２の終端電極パッド７ａ４，７ｂ４と共に、電極層６に設けられている。これらのグランド電極は相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺの外側に存在するので、５０ＧＨｚ以下の低周波においてリップルやクロストークの発生原因とならならず、さらに５０ＧＨｚ以上の高周波における放射損失を低減することができる。
【0061】
図３（ａ）及び（ｂ）は、光変調素子の透過損失（Ｓｄｄ２１）の周波数特性を示すグラフである。
【0062】
相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにグランド電極を配置した従来の電極構造を有する光変調素子の透過損失は、図３（ａ）のグラフＧＬ１に示すように、５０ＧＨｚ以下の低周波においてリップルやクロストークが発生する。これに対し、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺを含む基板全面からグランド電極を排除した光変調素子の場合、図３（ａ）及び図３（ｂ）のグラフＧＬ２に示すように、５０ＧＨｚ以下の低周波においてリップルやクロストークは発生しない。しかし、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部及び終端部の近傍にもグランド電極が設けられていないことから、５０ＧＨｚ以上の高周波において透過損失が大きくなる。
【0063】
一方、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにはグランド電極を設けていないが、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部及び終端部の近傍にグランド電極を設けた本発明による光変調素子の透過損失は、図３（ｂ）のグラフＧＬ３に示すように、５０ＧＨｚ以下の低周波においてリップルやクロストークが抑制されるだけでなく、５０ＧＨｚ以上の高周波において透過損失を小さくすることができる。
【0064】
以上説明したように、本実施形態による光変調素子１Ａは、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにグランド電極が設けられていないので、電極損失を低減することができ、光導波路に印加される電界効率の向上により低電圧駆動が可能な光変調素子を提供することができる。また、本実施形態による光変調素子１Ａは、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺから離れた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部及び終端部の少なくとも一方の近傍にグランド電極が設けられているので、５０ＧＨｚ以上の高周波における放射損失を低減することができる。したがって、高周波特性が良好な光変調素子を提供することができる。
【0065】
図４は、本発明の第２の実施の形態による光変調素子の構成を示す略平面図である。
【0066】
図４に示すように、この光変調素子１Ｂの特徴は、第１の信号電極７ａの入力部側の第１のグランド電極パッド８ａ１と終端部側の第３のグランド電極パッド８ａ２とが相互作用部ＭＺの周りを大きく周回する短絡パターン８ｃ３（第３の短絡パターン）を介して電気的に接続されており、また入力側の第２のグランド電極パッド８ｂ１と終端側の第４のグランド電極パッド８ｂ２とが短絡パターン８ｃ４（第４の短絡パターン）を介して電気的に接続されている点にある。また、第１及び第２の信号電極パッド７ａ３，７ｂ３は基板２のエッジに近接して配置されており、第１及び第２の終端電極パッド７ａ４，７ｂ４も基板２のエッジに近接して配置されている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。
【0067】
短絡パターン８ｃ３，８ｃ４は、第１乃至第４のグランド電極パッド８ａ１，８ｂ１，８ａ２，８ｂ２と同様に、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺの外側に配置されている。そのため、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにグランド電極は設けられていない。本実施形態によれば、第１の実施の形態と同様に、５０ＧＨｚ以上の高周波における放射損失を低減することができる。
【0068】
本実施形態において、入力部側の第１のグランド電極パッド８ａ１と第２のグランド電極パッド８ｂ１は短絡パターンを介して接続されておらず、終端部側の第３のグランド電極パッド８ａ２と第４のグランド電極パッド８ｂ２は短絡パターンを介して接続されていないが、第１の実施の形態と同様に構成することも可能である。その場合、第１及び第２の信号電極パッド７ａ３，７ｂ３及び第１及び第２の終端電極パッド７ａ４，７ｂ４は、基板２のエッジから離れて配置されることになる。
【0069】
図５は、本発明の第３の実施の形態による光変調素子の構成を示す略平面図である。
【0070】
図５に示すように、この光変調素子１Ｃの特徴は、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部側の第１のグランド電極パッド８ａ１と第２のグランド電極パッド８ｂ１とが基板２を貫通するコンタクトプラグ８ｄ１，８ｄ２及び基板２の裏面に形成された短絡パターン８ｃ５を介して電気的に接続されており、また第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの終端部側の第３のグランド電極パッド８ａ２と第４のグランド電極パッド８ｂ２とが基板２を貫通するコンタクトプラグ８ｄ３，８ｄ４及び基板２の裏面に形成された短絡パターン８ｃ６を介して電気的に接続されている点にある。短絡パターン８ｃ５と短絡パターン８ｃ６は単一のグランドパターンとして形成されてもよく、さらに基板２の裏面全体にグランドパターンが形成されてもよい。さらに、第１及び第２の信号電極パッド７ａ３，７ｂ３は基板２のエッジに近接して配置されており、第１及び第２の終端電極パッド７ａ４，７ｂ４も基板２のエッジに近接して配置されている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。
【0071】
短絡パターン８ｃ５，８ｃ６は、第１乃至第４のグランド電極パッド８ａ１，８ｂ１，８ａ２，８ｂ２と同様に、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺの外側に配置されている。そのため、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにグランド電極は設けられていない。本実施形態によれば、第１の実施の形態と同様に、５０ＧＨｚ以上の高周波における放射損失を低減することができる。
【0072】
図６は、本発明の第４の実施の形態による光変調素子の構成を示す略平面図である。
【0073】
図６に示すように、この光変調素子１Ｄの特徴は、第１のグランド電極パッド８ａ１と第２のグランド電極パッド８ｂ１とが第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部に接続されたドライバ回路２００内のグランドラインを介して電気的に接続されており、また第３のグランド電極パッド８ａ２と第４のグランド電極パッド８ｂ２とが第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの終端部に接続された終端器３００内のグランドラインを介して電気的に接続される点にある。また、第１及び第２の信号電極パッド７ａ３，７ｂ３は基板２のエッジに近接して配置されており、第１及び第２の終端電極パッド７ａ４，７ｂ４は基板２のエッジに近接して配置されている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。
【0074】
ドライバ回路２００内のグランドライン及び終端器３００内のグランドラインは、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺの外側に配置されている。そのため、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにグランド電極は設けられていない。本実施形態によれば、第１の実施の形態と同様に、５０ＧＨｚ以上の高周波における放射損失を低減することができる。
【0075】
図７は、本発明の第５の実施の形態による光変調素子の構成を示す略平面図である。
【0076】
図７に示すように、この光変調素子１Ｅは、第４の実施の形態による光変調素子１Ｄの変形例であって、図６に示したドライバ回路２００及び終端器３００が基板２上にフリップチップ実装されていることを特徴とするものである。その他の構成は第４の実施の形態と同様である。そのため、本実施形態による光変調素子１Ｅは、第４の実施の形態と同様の効果に加えて光変調素子全体の小型化を図ることができる。
【0077】
図８は、本発明の第６の実施の形態による光変調素子の構成を示す略平面図である。
【0078】
図８に示すように、この光変調素子１Ｆの特徴は、マッハツェンダー光導波路１０が直線部と湾曲部との組み合わせにより構成されている点にある。具体的には、マッハツェンダー光導波路１０は、互いに並行に配置された第１乃至第３の直線部１０ｅ１，１０ｅ２，１０ｅ３と、第１の直線部１０ｅ１と第２の直線部１０ｅ２とを繋ぐ第１の湾曲部１０ｆ１と、第２の直線部１０ｅ２と第３の直線部１０ｅ３とを繋ぐ第２の湾曲部１０ｆ２とを有している。第１及び第２の湾曲部１０ｆ１，１０ｆ２は、光導波路の進行方向を１８０度方向転換するため、同心半円状に形成されている。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。
【0079】
本実施形態において、マッハツェンダー光導波路１０の第１の直線部１０ｅ１の大部分と、第２の直線部１０ｅ２及び第１及び第２の湾曲部１０ｆ１，１０ｆ２の全体と、第３の直線部１０ｅ３の一部は、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂと共に、相互作用部ＭＺを構成している。入力光Ｓｉは、第１の直線部１０ｅ１の一端に入力され、第１の直線部１０ｅ１の一端から他端に向かって進行し、第１の湾曲部１０ｆ１で折り返して第２の直線部１０ｅ２の一端から他端に向かって第１の直線部１０ｅ１とは逆方向に進行し、さらに第２の湾曲部１０ｆ２で折り返して第３の直線部１０ｅ３の一端から他端に向かって第１の直線部１０ｅ１と同じ方向に進行する。
【0080】
マッハツェンダー光変調素子では素子長が長いことが実用上の大きな課題となっているが、図示のように光導波路を折り返すことで素子長を大幅に短くでき、小型化に対する顕著な効果が得られる。特に、ニオブ酸リチウム膜により形成された光導波路は、湾曲部の曲率半径を例えば５０μｍ程度まで小さくしても損失が小さいという特徴があり、本実施形態に適している。
【0081】
本実施形態においても、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにグランド電極は設けられていない。相互作用部ＭＺを構成する第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの近傍に中途半端な大きさのグランド電極を設けることは高周波特性を悪化させる原因となる。特に、光導波路が第１及び第２の湾曲部１０ｆ１，１０ｆ２を有し、第１及び第２の湾曲部１０ｆ１，１０ｆ２の近傍にグランド電極が設けられている場合、湾曲部において高周波信号の漏れが大きくなり、高周波特性が悪化しやすい。しかし、本実施形態のようにグランド電極を省略した場合には、グランド電極が原因で高周波特性が悪化することがなく、光変調素子の小型化及び多重化も容易である。
【0082】
本実施形態においても、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺの外側に位置する第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部及び終端部の近傍にはグランド電極が設けられている。具体的には、相互作用部ＭＺから遠く離れた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部の近傍には第１及び第２のグランド電極パッド８ａ１，８ｂ１が設けられている。第１のグランド電極パッド８ａ１は第１の信号電極７ａの入力部を構成する第１の信号電極パッド７ａ３に隣接して設けられており、第２のグランド電極パッド８ｂ１は第２の信号電極７ｂの入力部を構成する第２の信号電極パッド７ｂ３に隣接して設けられている。第１及び第２のグランド電極パッド８ａ１，８ｂ１は短絡パターン８ｃ１を介して相互に接続されている。
【0083】
第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部と同様に、相互作用部ＭＺから遠く離れた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの終端部の近傍には第３及び第４のグランド電極パッド８ａ２，８ｂ２が設けられている。第３のグランド電極パッド８ａ２は第１の信号電極７ａの終端部を構成する第１の終端電極パッド７ａ４に隣接して設けられており、第４のグランド電極パッド８ｂ２は第２の信号電極７ｂの終端部を構成する第２の終端電極パッド７ｂ４に隣接して設けられている。第３及び第４のグランド電極パッド８ａ２，８ｂ２は短絡パターン８ｃ２を介して相互に接続されている。
【0084】
以上説明したように、本実施形態による光変調素子１Ｆは、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺにグランド電極が設けられていないが、近傍領域ＮＺの外側に位置する第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部及び終端部の近傍にグランド電極が設けられているので、５０ＧＨｚ以上の高周波における放射損失を低減することができる。したがって、高周波特性が良好な光変調素子を提供することができる。
【0085】
図９は、本発明の第７の実施の形態による光変調素子の構成を示す略平面図である。
【0086】
図９に示すように、この光変調素子１Ｇの特徴は、マッハツェンダー光変調素子の２つの相互作用部を並べた２チャンネルアレイ構造を有し、第１及び第２の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２を用いて入力光Ｓｉの直交位相変調（ＱＰＳＫ）又は直交振幅変調（ｘＱＡＭ）を行う点にある。すなわち、本実施形態による光変調素子１Ｇは、第１及び第２の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２を用いて構成されたＩＱ光変調素子であり、第２の相互作用部ＭＺ２の出力側には位相シフタ１０ｇが設けられている。個々の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２の構成は、図１に示したマッハツェンダー光変調素子の単一の相互作用部ＭＺと同様である。第１及び第２の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２の一対のＲＦ信号入力端子（第１及び第２の信号電極パッド７ａ３，７ｂ３）にはそれぞれ別の差動信号が印加される。
【0087】
一本の光導波路からなる入力導波路１０ｉは、二段の分波部１０ｃによって４分割されて４本（２対）の光導波路が形成される。すなわち、第１の相互作用部ＭＺ１を構成する第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂと、第２の相互作用部ＭＺ２を構成する第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂが形成される。光導波路の出力側では、２段の合波部１０ｄを経て一本の出力導波路１０ｏにまとめられる。
【0088】
本実施形態においても、第１及び第２の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２の近傍領域ＮＺにグランド電極は設けられておらず、特に第１の相互作用部ＭＺ１の第２の信号電極７ｂと第２の相互作用部ＭＺ２の第１の信号電極７ａとの間のチャンネル間領域にもグランド電極は設けられていない。光変調素子を小型化及び多重化した場合、チャンネル間領域に十分な幅又は面積を持つグランド電極を確保することは難しく、中途半端な大きさのグランド電極はむしろ高周波特性を悪化させる原因となる。しかし、本実施形態のようにグランド電極を省略した場合には、光変調素子を小型化しても高周波特性が悪化することがなく、光変調素子の多重化も容易である。
【0089】
一方、第１及び第２の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２の近傍領域ＮＺから離れた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部及び終端部の近傍にはグランド電極が設けられている。具体的には、第１及び第２の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２から遠く離れた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部の近傍には第１及び第２のグランド電極パッド８ａ１，８ｂ１が設けられている。第１のグランド電極パッド８ａ１は第１の信号電極７ａの入力部を構成する第１の信号電極パッド７ａ３に隣接して設けられており、第２のグランド電極パッド８ｂ１は第２の信号電極７ｂの入力部を構成する第２の信号電極パッド７ｂ３に隣接して設けられている。第１及び第２のグランド電極パッド８ａ１，８ｂ１は短絡パターン８ｃ１を介して相互に接続されている。
【0090】
また、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部と同様に、第１及び第２の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２の近傍領域ＮＺから離れた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの終端部の近傍には第３及び第４のグランド電極パッド８ａ２，８ｂ２が設けられている。第３のグランド電極パッド８ａ２は第１の信号電極７ａの終端部を構成する第１の終端電極パッド７ａ４に隣接して設けられており、第４のグランド電極パッド８ｂ２は第２の信号電極７ｂの終端部を構成する第２の終端電極パッド７ｂ４に隣接して設けられている。第３及び第４のグランド電極パッド８ａ２，８ｂ２は短絡パターン８ｃ２を介して相互に接続されている。
【0091】
以上説明したように、本実施形態による光変調素子１Ｇは、第１及び第２の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２の近傍領域ＮＺにグランド電極が設けられていないが、近傍領域ＮＺの外側に位置する第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部及び終端部の近傍にグランド電極が設けられているので、５０ＧＨｚ以上の高周波における放射損失を低減することができる。したがって、高周波特性が良好な光変調素子を提供することができる。
【0092】
図１０は、本発明の第８の実施の形態による光変調素子の構成を示す略平面図である。
【0093】
図１０に示すように、この光変調素子１Ｈの特徴は、マッハツェンダー光変調素子の４つの相互作用部を並べた４チャンネルアレイ構造を有し、４つの相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２，ＭＺ３，ＭＺ４を用いて偏波多重直交位相変調（ＤＰ－ＱＰＳＫ）を行う点にある。そのため、第１及び第２の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２は第１のＩＱ変調器を構成しており、第３及び第４の相互作用部ＭＺ３，ＭＺ４は第２のＩＱ変調器を構成しており、各々の出力は偏波多重導波路１０ｈを介して出力される。個々の相互作用部ＭＺ１～ＭＺ４の構成は、図１に示した光変調素子１Ａの単一の相互作用部ＭＺと同様である。
【0094】
本実施形態においても、第１乃至第４の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２，ＭＺ３，ＭＺ４の近傍領域ＮＺにグランド電極は設けられておらず、特に異なる相互作用部に属し互いに隣り合う第２の信号電極７ｂと第１の信号電極７ａとの間のチャンネル間領域にもグランド電極は設けられていない。光変調素子を小型化及び多重化した場合、チャンネル間領域に十分な幅又は面積を持つグランド電極を確保することは難しく、中途半端な大きさのグランド電極はむしろ高周波特性を悪化させる原因となる。しかし、本実施形態のようにグランド電極を省略した場合には、光変調素子を小型化しても高周波特性が悪化することがなく、光変調素子の多重化も容易である。
【0095】
一方、第１乃至第４の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２，ＭＺ３，ＭＺ４の近傍領域ＮＺから離れた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部及び終端部の近傍にはグランド電極が設けられている。具体的には、第１乃至第４の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２，ＭＺ３，ＭＺ４から遠く離れた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部の近傍には第１及び第２のグランド電極パッド８ａ１，８ｂ１が設けられている。第１のグランド電極パッド８ａ１は第１の信号電極７ａの入力部を構成する第１の信号電極パッド７ａ３に隣接して設けられており、第２のグランド電極パッド８ｂ１は第２の信号電極７ｂの入力部を構成する第２の信号電極パッド７ｂ３に隣接して設けられている。
【0096】
また、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部と同様に、第１乃至第４の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２，ＭＺ３，ＭＺ４から遠く離れた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの終端部の近傍には第３及び第４のグランド電極パッド８ａ２，８ｂ２が設けられている。第３のグランド電極パッド８ａ２は第１の信号電極７ａの終端部を構成する第１の終端電極パッド７ａ４に隣接して設けられており、第４のグランド電極パッド８ｂ２は第２の信号電極７ｂの終端部を構成する第２の終端電極パッド７ｂ４に隣接して設けられている。第３及び第４のグランド電極パッド８ａ２，８ｂ２は短絡パターン８ｃ２を介して相互に接続されている。
【0097】
以上説明したように、本実施形態による光変調素子１Ｈは、第１乃至第４の相互作用部ＭＺ１，ＭＺ２，ＭＺ３，ＭＺ４の近傍領域ＮＺにグランド電極が設けられていないが、近傍領域ＮＺから離れた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部及び終端部の近傍にグランド電極が設けられているので、５０ＧＨｚ以上の高周波における放射損失を低減することができる。したがって、高周波特性が良好な光変調素子を提供することができる。
【0098】
図１１は、本発明の第９の実施の形態による光変調素子の構成を示す略平面図である。
【0099】
図１１に示すように、この光変調素子１Ｉの特徴は、図１０に示した４チャンネルアレイ構造の光変調素子において、第１乃至第４の相互作用部ＭＺ１～ＭＺ４が直線部と湾曲部との組み合わせにより構成されている点にある。すなわち、第６の実施の形態と第８の実施の形態の組み合わせたものである。
【0100】
本実施形態において、各チャンネルの出力は合波されず個別に出力される。そのため、マッハツェンダー光導波路１０は、第１乃至第４の出力導波路１０ｏ１，１０ｏ２，１０ｏ３，１０ｏ４を有している。
【0101】
上記のように、マルチチャンネル構造において光導波路が湾曲部を有する場合にはクロストークの問題が顕著である。しかし、信号電極近傍にグランド電極が設けられていないので、クロストークを低減することができる。
【0102】
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。
【0103】
例えば、上記実施形態においては、相互作用部ＭＺの近傍領域ＮＺから離れた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの入力部及び終端部の両方の近傍にグランド電極を設けているが、両方に設けることは必須ではなく、入力部及び終端部のどちらか一方の近傍だけにグランド電極を設けてもよい。
【0104】
また、上記実施形態においては、基板２上にエピタキシャル成長させたニオブ酸リチウム膜によって形成された一対の光導波路を有する光変調素子を挙げたが、本発明はそのような構造に限定にされず、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛などの電気光学材料により光導波路を形成したものであってもよい。ただし、ニオブ酸リチウム膜によって形成された光導波路であれば光導波路の幅を狭く形成できる一方でグランド電極のレイアウトの問題が顕著であり、本発明の効果が大きい。また、導波層３として、電気光学効果を有する半導体材料、高分子材料などを用いてもよい。
【0105】
また図１等では、信号電極を直角に曲げてなる引き出し部の構成を便宜的に示しているが、これらに限定されることなく、信号電極を円弧状に曲げてなる引き出し部などを高周波特性の観点から用いてもよい。なお、信号電極を円弧状に曲げる際の曲率は、信号電極の幅等に応じて適宜設定される。
【符号の説明】
【0106】
１Ａ～１Ｉ 光変調素子
２ 基板
３ 導波層
３ｒ リッジ部
４ 保護層
５ バッファ層
６ 電極層
７ａ 第１の信号電極
７ｂ 第２の信号電極
７ａ１，７ａ２ 第１の信号電極の引き出し部
７ａ３ 第１の信号電極パッド
７ａ４ 第１の終端電極パッド
７ｂ 第２の信号電極
７ｂ１，７ｂ２ 第２の信号電極の引き出し部
７ｂ３ 第２の信号電極パッド
７ｂ４ 第２の終端電極パッド
８ａ１ 第１のグランド電極パッド
８ｂ１ 第２のグランド電極パッド
８ａ２ 第３のグランド電極パッド
８ｂ２ 第４のグランド電極パッド
８ｃ１～８ｃ６ 短絡パターン
８ｄ１～８ｄ４ コンタクトプラグ
９ａ 第１のバイアス電極
９ａ１ 第１のバイアス電極の一端
９ｂ 第２のバイアス電極
９ｂ１ 第２のバイアス電極の一端
１０ マッハツェンダー光導波路
１０ａ 第１の光導波路
１０ｂ 第２の光導波路
１０ｃ 分波部
１０ｄ 合波部
１０ｅ１ 第１の直線部
１０ｅ２ 第２の直線部
１０ｅ３ 第３の直線部
１０ｆ１ 第１の湾曲部
１０ｆ２ 第２の湾曲部
１０ｇ 位相シフタ
１０ｉ 入力導波路
１０ｏ 出力導波路
１２ 終端抵抗
２０Ａ，２０Ｂ 光変調素子
２１ サファイア基板
２２ａ，２２ｂ 光導波路
２３ バッファ層
２４ａ，２４ａ１，２４ａ２ 信号電極
２４ｂ グランド電極
２００ ドライバ回路
３００ 終端器
Ｄ０ 電極分離領域
Ｄ１ａ，Ｄ１ｂ 近傍領域
ＭＺ 相互作用部
ＭＺ１ 第１の相互作用部
ＭＺ２ 第２の相互作用部
ＭＺ３ 第３の相互作用部
ＭＺ４ 第３の相互作用部
ＮＺ 相互作用部の近傍領域
２ 基板
３ 導波層
３ｒ リッジ部
４ 保護層
５ バッファ層
６ 電極層
７ａ 第１の信号電極
７ｂ 第２の信号電極
７ａ１，７ａ２ 第１の信号電極の引き出し部
７ａ３ 第１の信号電極パッド
７ａ４ 第１の終端電極パッド
７ｂ 第２の信号電極
７ｂ１，７ｂ２ 第２の信号電極の引き出し部
７ｂ３ 第２の信号電極パッド
７ｂ４ 第２の終端電極パッド
８ａ１ 第１のグランド電極パッド
８ｂ１ 第２のグランド電極パッド
８ａ２ 第３のグランド電極パッド
８ｂ２ 第４のグランド電極パッド
８ｃ１～８ｃ６ 短絡パターン
８ｄ１～８ｄ４ コンタクトプラグ
９ａ 第１のバイアス電極
９ａ１ 第１のバイアス電極の一端
９ｂ 第２のバイアス電極
９ｂ１ 第２のバイアス電極の一端
１０ マッハツェンダー光導波路
１０ａ 第１の光導波路
１０ｂ 第２の光導波路
１０ｃ 分波部
１０ｄ 合波部
１０ｅ１ 第１の直線部
１０ｅ２ 第２の直線部
１０ｅ３ 第３の直線部
１０ｆ１ 第１の湾曲部
１０ｆ２ 第２の湾曲部
１０ｇ 位相シフタ
１０ｉ 入力導波路
１０ｏ 出力導波路
１２ 終端抵抗
２０Ａ，２０Ｂ 光変調素子
２１ サファイア基板
２２ａ，２２ｂ 光導波路
２３ バッファ層
２４ａ，２４ａ１，２４ａ２ 信号電極
２４ｂ グランド電極
２００ ドライバ回路
３００ 終端器
Ｄ０ 電極分離領域
Ｄ１ａ，Ｄ１ｂ 近傍領域
ＭＺ 相互作用部
ＭＺ１ 第１の相互作用部
ＭＺ２ 第２の相互作用部
ＭＺ３ 第３の相互作用部
ＭＺ４ 第３の相互作用部
ＮＺ 相互作用部の近傍領域
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】