JP2006201732A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】高速で駆動電圧が低く、かつＤＣドリフトが小さく、製作の歩留まりの良い光変調器を提供する。
【解決手段】電気光学効果を有する基板（１）と、該基板に形成された光導波路（３）と、前記基板の一方の面側に形成された中心導体（４ａ）及び接地導体（４ｂ，４ｃ）からなる電極と、光の位相を変調するための相互作用光導波路（３ａ，３ｂ）を具備する光変調器において、前記基板上面の一部分に形成された第１のバッファ層（９）と、前記第１のバッファ層の上面に形成されるとともに前記基板上面まで延びて形成された導電層（１０）と、前記導電層の上面の少なくとも一部に形成された第２のバッファ層（１１）とが前記中心導体もしくは前記接地導体の少なくとも一方の下方に形成されており、前記中心導体もしくは前記接地導体の少なくとも一方と前記導電層が電気的に接触していることを特徴とする光変調器が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は光変調器に係り、特に、高速で駆動電圧が低く、かつＤＣドリフトが小さく、製作の歩留まりの良い光変調器に関する。

周知のように、光変調器において、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、リチウムナイオベート基板をＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ／ｓ、１０Ｇｂｉｔ／ｓの大容量光伝送システムに適用されている。

このようなＬＮ光変調器は、最近ではさらに４０Ｇｂｉｔ／ｓの超大容量光伝送システムにも適用が検討されており、大容量光伝送システムにおけるキーデバイスとして期待されている。

このＬＮ光変調器には、ｚ−カット基板を使用するタイプとｘ−カット基板（あるいはｙ−カット基板）を使用するタイプがある。

図１４は、第１の従来技術として、ｘ−カットＬＮ基板とコプレーナウェーブガイド （ＣＰＷ）進行波電極を使用したｘ−カット基板ＬＮ光変調器の斜視図を示す。図１５は、図１４のＡ−Ａ´における断面図である。

図中、参照符号１はｘ−カットＬＮ基板、参照符号２は１．３μｍ、あるいは１．５５μｍなど光通信において使用する波長領域では透明な厚み２００ｎｍから１μｍ程度のＳｉＯ_２バッファ層、参照符号３はｘ−カットＬＮ基板１にＴｉを蒸着後、１０５０℃で約１０時間熱拡散して形成した光導波路であり、この光導波路３はマッハツェンダ干渉系 （あるいは、マッハツェンダ光導波路）を構成している。

なお、図中、参照符号３ａ、３ｂは電気信号と光が相互作用する部位（相互作用部と言う）における光導波路（あるいは、相互作用光導波路）、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームである。

また、図中、参照符号４はＣＰＷ進行波電極であり、この４ＣＰＷ進行波電極は中心導体４ａ、接地導体４ｂ、４ｃからなっている。

また、図中、参照符号２はバッファ層であり、このバッファ層２は電気信号即ちマイクロ波の等価屈折率ｎ_ｍを光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の等価屈折率ｎ_０に近づけることにより、光変調帯域を拡大するという重要な働きをしている。

次に、このように構成されるＬＮ光変調器の動作について説明すると、このＬＮ光変調器を動作させるには、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間にＤＣバイアスとＲＦ電気信号とを印加する必要がある。

図１６に示す電圧−光出力特性において、図示実線の曲線はある状態でのＬＮ光変調器の電圧−光出力特性であり、Ｖｂはその際のＤＣバイアス電圧である。

この図１６に示すように、通常、ＤＣバイアス電圧Ｖｂは光出力特性の山と底の中点に設定される。

一般に、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間には通常５Ｖから１０ＶのＤＣバイアス電圧が印加されるが、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間のギャップが通常１０μｍから４０μｍ程度であることから、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間には数１００ｋＶ／ｍから１０００ｋＶ／ｍもの高い電界が印加されることになる。

ｘ−カットＬＮ基板１には焦電効果がないものの、このように高い電界の下では、ＳｉＯ_２などの酸化物からなるバッファ層２内に誘起された電荷が移動する結果、図１６において図示破線の曲線で示すように電圧−光出力特性が図示矢印で示す方向に変化してしまうため、ＤＣバイアス点をＶｂからＶｂ´のように設定変更する必要がある。

そして、環境温度が一定の場合におけるこのＤＣバイアス点Ｖの変化がＤＣドリフトと呼ばれている。

次に、図１７に示す図１４および図１５に示したｘ−カット基板ＬＮ光変調器の等価回路図を用いてＤＣドリフト現象について考察する。なお、図１７では、図１４および図１５に示したｘ−カット基板ＬＮ光変調器の対称性を考慮し、左半分のみについて表している。

ここで、Ｃ_Ｂ、Ｒ_Ｂはバッファ層２の等価的なキャパシタンスと抵抗、Ｃ_ＬＮ、Ｒ_ＬＮは、それぞれ、光導波路３ａを含むＬＮ基板１の等価的なキャパシタンスと抵抗を表している。

電圧が印加された瞬間における電圧の分配はバッファ層２のキャパシタンスＣ_ＢとＬＮ基板１のキャパシタンスＣ_ＬＮにより決定されるが、印加された電圧は時間が経つにつれてバッファ層２の抵抗Ｒ_Ｂと、ＬＮ基板１の抵抗Ｒ_ＬＮとにより分割される。

例えば、バッファ層２の抵抗Ｒ_ＢがＬＮ基板１の抵抗Ｒ_ＬＮよりも大きい場合には、印加した電圧の多くがバッファ層２の抵抗Ｒ_Ｂに加わるので、ｘ−カットＬＮ基板１の抵抗Ｒ_ＬＮにおける電圧降下は小さくなる。

つまり、この場合には、ＤＣバイアス電圧Ｖｂを加えても、ｘ−カットＬＮ基板１の抵抗Ｒ_ＬＮにはあまり印加されないことにより、光導波路３ａ、３ｂには大きな印加電圧は作用していないので、ＤＣバイアス電圧Ｖｂとしてはより大きな値が必要になってくることになる。これを正のＤＣドリフトと呼んでいる。

この設定変更されたＤＣバイアス点Ｖｂ´が電気制御回路により制御できる範囲を超える場合には、電気的に制御不可能となるので、このＤＣドリフトを低減することは極めて重要となる。

このＤＣドリフトを解決するために、ｚ−カットＬＮ基板については、例えば、図１８の断面図に示す構成例が第２の従来技術として特許文献１に開示されている。

ここで、参照符号５はｚ−カットＬＮ基板、参照符号６ａ、６ｂはＳｉＯ_２バッファ層、参照符号７は厚み３０ｎｍから１００ｎｍ程度のＳｉ膜からなる導電層、参照符号８ａ、８ｂは各々中心導体と接地導体に対応する。

この構成例では２本の光導波路の真上のみにバッファ層６ａ、６ｂが形成され、そのバッファ層６ａ、６ｂが導電層７で覆われている。

しかしながら、このように中心導体８ａ、接地導体８ｂ間を導電層７によって覆う場合には、ＤＣドリフトは、ｚ−カットＬＮ基板５の基板表面に垂直な方向の導電層７の抵抗と中心導体８ａと接地導体８ｂ間における導電層７の抵抗の比により単純に決定されてしまう。

しかるに、通常、中心導体８ａと接地導体８ｂ間のギャップの大きさは、進行波電極としての電気的特性、即ちマイクロ波の等価屈折率ｎ_ｍや特性インピーダンスＺから決めるべきことであるので、図１８の構成では、ＤＣドリフトの量を設計する上では自由度が少なく、一般に、上記抵抗比はＤＣドリフトを充分に抑えるには不十分である。

さらに、図１８に示した構造はｚ−カットＬＮ基板用であるのに対し、図１４や図１５に示すように、ｘ−カットＬＮ基板では中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間に光導波路３ａ、３ｂがあるので、この第２の従来技術を適用することはできない。

また、光の伝搬損失が大きな導電層を光導波路の上に直接に堆積することは、光の伝搬損失の観点からｘ−カットＬＮ基板への適用は好ましくない。

また、ＳｉやＳｉＯ_ｘからなる導電層１０の抵抗率を１０^５から１０^１３Ω・ｃｍに設定する必要があるが、具体的にこの値に設定するにはＳｉを堆積後、数１００℃の熱処理を行う必要がある。

ところが、この場合、抵抗率の制御が難しく、コストと歩留まりにおいて問題があることに加えて、導電層１０の抵抗率が設計値よりも大幅に低くなった場合には、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間において電気的ショートが発生し、素子が破壊されてしまうという問題がある。

図１９の断面図に示す構成例は、特許文献２に開示されている第３の従来技術によるｚ−カットＬＮ基板である。

この構成例は、ＳｉＯ_２バッファ層６ａ、６ｂが光導波路３ａ、３ｂをカバーするとともに、中心導体８ａと接地導体８ｂが光導波路の上方にあり、第２の従来技術の構成と同様にｚ−カットＬＮ基板についての構造である。

また、図中、参照符号１２ａ、１２ｂ、１２ｃは導電層であり、この第３の従来技術では、導電層１２ｂを形成することにより、一対の中心導体８ａと接地導体８ｂの間に複数個の絶縁箇所１３ａ、１３ｂを設けることを特徴としている。

しかしながら、この第３の従来技術では、このような導電層１２ｂを設けているために、この領域における基板表面に水平方向の抵抗は低くなり、絶縁性は１３ａ、１３ｂのギャップでほぼ決まる。

特許文献２に記載されているように、このギャップは中心導体８ａと接地導体８ｂの近傍にのみ設けられているので、このギャップにより形成される抵抗は小さく、ＤＣドリフトを抑圧するには不十分である。

さらに、この第３の従来技術を実現するには技術的に極めて難しい問題がある。この第３の従来技術を実現するための電極形成工程では、まず２０μｍから３０μｍと厚い金メッキからなる中心導体８ａと接地導体８ｂを形成した後、全面に導電層を堆積する。次に、フォトレジストを全面に塗布した後、露光・現像により中心導体８ａと接地導体８ｂの直上と直近のフォトレジストに窓を開ける。フォトレジストに開けた窓の箇所の導電層をエッチングすることにより、中心導体８ａと接地導体８ｂの直上の導電層を除去するとともに、導電層を１２ａ、１２ｂ、１２ｃと分割する。ところが、２０μｍから３０μｍもの厚みの中心導体８ａや接地導体８ｂがあると、中心導体８ａや接地導体８ｂの直上のレジストは薄く（導体のエッジ部にはフォトレジストがほとんどない箇所もある）、また中心導体８ａや接地導体８ｂと導電層が接する付近にはレジストが厚く溜まる。その結果、フォトレジストの厚みは各所で大きく異なっており、精度良くパタ−ニングすることは極めて難しく、製造の歩留まりに大きな問題があった。
特開平１−３０２３２５号公報 特開平８−１４６３６７号公報

以上のように、従来提案されているＤＣドリフト抑圧構造はｚ−カット基板ＬＮ変調器についてであり、ｘ−カット基板ＬＮ変調器についての有効なＤＣドリフト抑圧構造はまだ提案されていない。

さらに、従来提案されているｚ−カット基板のＬＮ変調器についても、特許文献１では中心導体と接地導体が導電層により導通しているので、ＤＣドリフト抑圧の効果がＬＮ基板の表面水平方向と垂直方向の幾何学的な構造で決まってしまう。

つまり、特許文献１では、マイクロ波の等価屈折率ｎ_ｍや特性インピーダンスＺを決定すべき中心導体と接地導体間のギャップの大きさによりＤＣドリフト量が決まることになり、ＤＣドリフト量の設計の自由度が少ないという問題がある。

さらに、特許文献１では、導電層の抵抗が設計値よりも低くなった場合には電気的なショートが発生し、素子を破壊してしまう、あるいは高い温度での熱処理を必要とする際の温度制御性、また歩留まりの点で問題がある。

また、特許文献２では、中心導体と接地導体の近傍にのみ電気的絶縁のための絶縁ギャップを設けているので、中心導体と接地導体間の抵抗値が小さいという問題がある。

そこで、本発明は以上のような従来技術の問題点を解消することにより、高速で駆動電圧が低く、かつＤＣドリフトが小さく、製作の歩留まりの良い光変調器を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光変調器は、
電気光学効果を有し、少なくともｘ−カット又はｙ−カットの面方位を含む基板（１）と、該基板に形成された光を導波するための光導波路（３）と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体（４ａ）及び接地導体（４ｂ，４ｃ）からなる電極と、前記光導波路が前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路（３ａ，３ｂ）を具備する光変調器において、
前記基板上面の一部分に形成された第１のバッファ層（９）と、前記第１のバッファ層の上面に形成されるとともに前記基板上面まで延びて形成された導電層（１０）と、前記導電層の上面の少なくとも一部に形成された第２のバッファ層（１１）とが前記中心導体もしくは前記接地導体の少なくとも一方の下方に形成されており、
前記中心導体もしくは前記接地導体の少なくとも一方と前記導電層が電気的に接触してしていることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項２の光変調器は、
電気光学効果を有し、少なくともｘ−カット又はｙ−カットの面方位を含む基板（１）と、該基板に形成された光を導波するための光導波路（３）と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体（４ａ）及び接地導体（４ｂ，４ｃ）からなる電極と、前記光導波路が前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路（３ａ，３ｂ）を具備する光変調器において、
前記基板上面の一部分に形成された第１のバッファ層（９）と、該第１のバッファ層の少なくとも一部と接触するように形成された導電層（１０）とが前記中心導体もしくは前記接地導体の少なくとも一方の下方に形成されており、
前記中心導体もしくは前記接地導体の少なくとも一方と前記導電層が電気的に接触していることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項３の光変調器は、請求項１または請求項２に記載の光変調器において、
前記第１のバッファ層が、前記相互作用光導波路が複数の場合には少なくともその一つの、相互作用光導波路の直上を除いて形成されていることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項４の光変調器は、請求項１乃至請求項３に記載の光変調器において、
前記中心導体の下方で、前記導電層が前記基板に電気的に接触するように形成されていることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項５の光変調器は、請求項１乃至請求項４に記載の光変調器において、
前記導電層が、前記中心導体と前記接地導体との間で隔置して形成されていることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項６の光変調器は、
電気光学効果を有し、少なくともｚ−カットの面方位を含む基板（５）と、該基板に形成された光を導波するための光導波路（３）と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体（４ａ）及び接地導体（４ｂ，４ｃ）からなる電極と、前記光導波路が前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路（３ａ，３ｂ）を具備する光変調器において、
前記基板上面の前記相互作用光導波路の直上で且つ該基板上面の一部分に形成された第１のバッファ層（９）と、前記第１のバッファ層の少なくとも一部と接触するように形成されるとともに前記基板上面まで延びて形成された導電層（１０）とが前記中心導体及び前記接地導体の少なくとも一方の下方に形成され、且つ、前記導電層が前記中心導体と前記接地導体との間で隔置して形成されており、
前記中心導体もしくは前記接地導体の少なくとも一方と前記導電層が電気的に接触していることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項７の光変調器は、請求項１乃至請求項６に記載の光変調器において、
前記中心導体（４ａ）もしくは前記接地導体（４ｂ，４ｃ）の少なくとも一方と前記導電層（１０）が第２の導電層（１４）を介して、電気的に接触していることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項８の光変調器は、請求項１乃至請求項７に記載の光変調器において、
前記導電層（１０）もしくは前記第２の導電層（１４）の少なくとも一方が半導体からなることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項９の光変調器は、請求項１乃至請求項７に記載の光変調器において、
前記導電層（１０）もしくは前記第２の導電層（１４）の少なくとも一方が金属もしくは金属酸化物の少なくとも１つからなることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１０の光変調器は、請求項１乃至請求項７に記載の光変調器において、
前記導電層（１０）もしくは前記第２の導電層（１４）の少なくとも一方が半導体と金属もしくは金属酸化物の組み合わせからなることを特徴としている。

本発明による光変調器では、中心導体と接地導体の間に光導波路が存在するｘ−カット基板、ｙ−カット基板において、中心導体と接地導体の間の抵抗を基板から中心導体あるいは接地導体などの電極までの抵抗よりも極めて大きくできるので、基板から中心導体あるいは接地導体などの電極までにおける電圧降下が非常に小さくなる。

従って、本発明の光変調器によると、中心導体と接地導体との間に印加された電圧のほとんどが基板、換言すると光導波路に有効に印加されるので、ＤＣドリフトを押さえることが可能となる。

また、本発明による光変調器の一つの態様においては、中心導体の下方に導電層を設けているので、光導波路を伝搬する光の伝搬損失を増加することなく、ＤＣドリフトを抑圧できるという効果がある。

ここで、中心導体と接地導体を完全に電気的に絶縁する構成である場合には、ＤＣドリフト抑圧の効果が著しい。

また、中心導体及び接地導体の直下に光導波路が形成されているｚ−カット基板光変調器においても、上記に述べたのと同様の効果を有するとともに、中心導体と接地導体が導電層により導通していないため、導電層の抵抗が低い場合にも電気的ショートが発生するという問題を回避することができる。

以下、本発明の実施形態について説明するが、図１４乃至図１９示した従来技術と同一番号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一番号を持つ機能部の説明を省略する。

［第１実施形態］
図１の（ａ）〜（ｆ）は、本発明による光変調器における第１実施形態の製造工程の手順（ステップ）を示す。

（ａ）第１バッファ層９の堆積
このステップでは、ｘ−カットＬＮ基板１にＴｉを熱拡散して形成した光導波路３ａ、３ｂを形成した後、ＳｉＯ_２などの第１バッファ層９を堆積する。

（ｂ）第１バッファ層９のエッチング
このステップでは、第１バッファ層９を部分的にエッチングし、窓を開ける。

（ｃ）導電層１０と第２バッファ層１１の堆積
このステップでは、エッチングしたＳｉＯ_２とエッチングにより開けられたＳｉＯ_２の窓から見えているｘ−カットＬＮ基板１の上に、ＳｉやＳｉＯ_ｘからなる導電層１０とＳｉＯ_２などからなる第２バッファ層１１を堆積する。

（ｄ）第２バッファ層１１のエッチング
このステップでは、第２バッファ層１１をエッチングし、導電層１０を部分的にむき出しにする。

（ｅ）導電層１０のエッチング
このステップでは、後述するステップで形成する中心導体４ａと接地導体間４ｂ、４ｃ間の抵抗を高めるために、光導波路３ａ、３ｂの上の導電層１０をエッチングにより除去する。

（ｆ）電極（中心導体４ａ、接地導体４ｂ、４ｃ）の形成
このステップでは、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃを形成するが、このとき、導電層１０を介して、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃをｘ−カットＬＮ基板１の表面に電気的に接触させる。

なお、本実施形態では中心導体４ａと接地導体間４ｂ、４ｃ間は、導電層１０が除去されているので、電気的に分離されており、特許文献１と異なり、高い抵抗を持つ。

また、ＳｉＯ_２などからなる第１バッファ層９と第２バッファ層１１、特に中心導体４ａの下に配置した第２バッファ層１１がマイクロ波の等価屈折率ｎ_ｍを光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の等価屈折率ｎ_０に近づけるために重要な働きをする。

さらに、中心導体４ａや接地導体４ｂ、４ｃの間にあるギャップの導体エッジ近傍にも電気信号の電界の強い領域があるが、図１８及び図１９に示した特許文献１及び２ではその領域に比誘電率が１０以上と大きなＳｉが存在し、マイクロ波の等価屈折率ｎ_ｍを有効に低減することが困難である。

一方、本実施形態では中心導体４ａや接地導体４ｂ、４ｃのエッジ近傍のギャップには比誘電率が４程度と低いＳｉＯ_２を、後述する他の実施形態ではＳｉＯ_２や比誘電率が１の空気が存在するように構成してある。

従って、本実施形態による光変調器では、マイクロ波の等価屈折率ｎ_ｍを光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の等価屈折率ｎ_０に有効に近づけることができるので、高速光変調が可能となる。

このように、本発明ではマイクロ波の等価屈折率ｎ_ｍを光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の等価屈折率ｎ_０に近づけつつ、中心導体４ａや接地導体４ｂ、４ｃと導電層１０を電気的に接触（あるいは接続）させることにより、結果的に中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃをｘ−カットＬＮ基板１に電気的に接続している。

図２は、この電気的な接続の様子（等価回路）を示している。説明を簡単にするために、図２では光変調器の構成要素としては中心導体４ａ、接地導体４ｂ、４ｃと光導波路３ａ、３ｂのみを示している。また、図に示した等価回路は対称性を考慮し、半分のみを描いている。

図中、Ｃ_Ｃ、Ｒ_Ｃはｘ−カットＬＮ基板１の表面から中心導体４ａあるいは接地導体４ｂ（または、４ｃ）を見た時のキャパシタンスと抵抗である。

一般に、ＳｉＯ_２よりもＳｉやＳｉＯ_ｘなどの導電層は抵抗が小さいため、特に、ＤＣドリフトに大きな影響を与える抵抗Ｒ_Ｃはｘ−カットＬＮ基板１の表面と中心導体４ａあるいは接地導体４ｂ（または、４ｃ）間の導電層１０の抵抗と考えてよい。

このとき、ｘ−カットＬＮ基板１の抵抗Ｒ_ＬＮと導電層１０の抵抗Ｒ_Ｃとの間に
Ｒ_ＬＮ＞＞Ｒ_Ｃ …（１）
の関係が成り立てば、第１の従来技術において説明した図１４のＳｉＯ_２バッファ層２の抵抗Ｒ_Ｂにおける電圧降下を防ぐことができる。

つまり、この場合には中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃに印加したＤＣバイアス電圧のほとんど全てをｘ−カットＬＮ基板１に印加することができるので、バッファ層内での電荷の移動がなくなり、その結果、光変調器としての駆動電圧の上昇を防ぐことができるとともに、ＤＣドリフトを著しく低減することが可能となる。

なお、導電層の抵抗Ｒ_Ｃは１０^５〜１０^１３Ω・ｃｍが好適ではあるが、本発明では特許文献１の構造と異なり、中心導体４ａと接地導体４ｂ（あるいは４ｃ）が互いに導電層で接続しないように設計できるので、これ以外の値、例えば、より小さな抵抗値でも良いという利点がある。

［第２実施形態］
図３は、本発明による光変調器の第２実施形態を示す断面図である。第１実施形態では中心導体４ａと接地導体間４ｂ、４ｃ間の導電層１０のみを除去したが、本実施形態ではさらに中心導体４ａと接地導体間４ｂ、４ｃ間の第１のバッファ層９も除去することにより、第１実施形態と比較して、中心導体４ａと接地導体間４ｂ、４ｃ間の抵抗をより高くしている。

なお、光導波路３ａ、３ｂの直上には第１のバッファ層９がないように除去することが望ましいが、製作工程の関係上、光導波路３ａ、３ｂの直上の一部に残るように第１のバッファ層９を除去しても効果がある。

従って、本発明の第２実施形態による光変調器では、ＤＣドリフトを抑圧する効果が第１実施形態による光変調器よりも一層効果的に発揮される。

［第３実施形態］
図４は、本発明による光変調器の第３実施形態を示す断面図である。本実施形態では、図３に示した第２実施形態の構成に加えて、接地導体４ｂ、４ｃに接触している導電層１０が、中心導体４ａと接地導体間４ｂ、４ｃの間において、ｘ−カットＬＮ基板１に接触している。

これにより、本発明の第３実施形態による光変調器では、図３に示した第２実施形態による光変調器よりもＤＣドリフト抑圧の効果がさらに大きい。

［第４実施形態］
図５は、本発明による光変調器の第４実施形態を示す断面図である。本実施形態では、図３に示した第２実施形態の構成に加えて、接地導体４ｂ、４ｃと導電層１０との接触面積を大きくとっているとともに、本実施形態においても、接地導体４ｂ、４ｃに接触している導電層１０が、中心導体４ａと接地導体間４ｂ、４ｃの間において、ｘ−カットＬＮ基板１に接触している。

そのため、本発明の第４実施形態による光変調器では、図３に示した第２実施形態による光変調器よりもＤＣドリフト抑圧の効果がさらに大きい。

［第５実施形態］
図６は、本発明による光変調器の第５実施形態を示す断面図である。この第５実施形態では、第２実施形態と異なり、導電層１０が第１のバッファ層９の側面に形成され、さらに延びてｘ−カットＬＮ基板１の表面に接触して形成されている。

この場合、導電層１０は光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光にとって損失媒質であるので、光導波路３ａ、３ｂを中心導体４ａからある程度離した方が良い。但し、光導波路３ａ、３ｂが中心導体４ａから離れるに従って、光変調器としての駆動電圧が上昇するので、駆動電圧と光の挿入損失の兼ね合いから導電層１０と光導波路３ａ、３ｂとの位置関係を決定する必要がある。

本発明の第５実施形態による光変調器では、中心導体４ａの下方において導電層１０とｘ−カットＬＮ基板１の電気的導通を実現しているので、光導波路３ａ、３ｂの方向への導電層１０の突き出し量は可能な限り小さくすることができる。

つまり、本発明の第５実施形態による光変調器では、中心導体４ａをｘ−カットＬＮ基板１に電気的に接続しつつ光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の伝搬損失が極力抑えることが可能となるという利点がある。

［第６実施形態］
図７は、本発明による光変調器の第６実施形態を示す断面図である。本実施形態では製造工程を工夫することにより、光導波路の相互作用部において、バッファ層として、第１のバッファ層９のみを複数使用し、第２のバッファ層を使用しなくても本発明の原理を実現できるようにしている。

上述したように、ｘ−カット基板やｙ−カット基板についての本発明の特徴である中心電極４ａの下方に導電層１０があり、かつその導電層１０がｘ−カットＬＮ基板１に接触している。

本実施形態では、導電層１０が光導波路３ａ、３ｂの方向にやや突き出してはいるが、上記の第５実施形態において述べたように、その突き出し量を極力少なくすることにより、光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の伝搬損失を抑えることができる。

［第７実施形態］
図８は、本発明による光変調器の第７実施形態を示す断面図である。本実施形態では、図７に示した第６実施形態において、中心導体４ａと接地導体間４ｂ、４ｃ間の第１バッファ層９を除去することにより、中心導体４ａと接地導体間４ｂ、４ｃ間の抵抗をより高くすることが可能となる。

従って、本発明の第７実施形態による光変調器では、第６実施形態による光変調器と比較して、ＤＣドリフトを抑圧する効果がより一層効果的である。

［第８実施形態］
図９は、本発明による光変調器の第８実施形態を示す断面図である。本実施形態でも製造工程を工夫することにより、光導波路の相互作用部において、バッファ層として、第１のバッファ層９のみを複数使用し、第２のバッファ層を使用しなくても本発明の原理を実現できるようにしている。

上述したように、ｘ−カット基板やｙ−カット基板についての本発明の特徴である中心導体４ａの下方に導電層１０があり、かつその導電層１０がｘ−カットＬＮ基板１に接触している。

本実施形態ではさらに、導電層１０が光導波路３ａ、３ｂの方にほとんど突き出さないように工夫されている。

従って、本発明の第８実施形態による光変調器では、光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の伝搬損失が増加しないという特徴がある。

なお、本発明による光変調器では、どのような形態であれ、特に、中心導体４ａの下方に導電層１０を設定し、それをｘ−カット基板やｙ−カット基板に接触させることにより、上述したような本発明の効果を実現することができる。その一例を次に示す。

［第９実施形態］
図１０は、本発明による光変調器の第９実施形態を示す断面図である。この第９実施形態では、中心導体４ａと接地導体間４ｂ、４ｃの下にある第１のバッファ層９の一部を導電層１０と置き換えることにより、本発明による光変調器の原理を具現化している。

すなわち、一般に、電界強度は中心導体４ａと接地導体間４ｂ、４ｃの導体エッジ部で高く、本実施形態ではその電界強度が高い導体エッジ部の下に比誘電率が４程度と低い第１バッファ層９があるので、より広い光変調帯域を実現できるという利点もある。

［第１０実施形態］
図１１は、本発明による光変調器の第１０実施形態を示す断面図である。この第１０実施形態では、中心導体４ａや接地導体４ｂ、４ｃに電気的に接触したＳｉやＳｉＯ_ｘなどの導電材料からなる第２の導電層１４が導電層１０の上にあり、電気的に接触している。その結果、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの下にある導電層１０との電気的接触を実現でき、本発明による光変調器の原理を具現化している。

第２の導電層１４を用いることにより、光変調器としての製作性を改善することができる。つまり、図３の第１実施形態において中心導体の幅は６μｍから１１μｍ程度と狭いので、導電層１０が中心導体の下部においてｘ−カットＬＮ基板１に接触している幅（図１の「（ｂ）第１バッファ層エッッチング工程」において、光導波路３ａと３ｂの間にあるＳｉＯ_２バッファ層９の窓の幅）はこれよりも狭く作らねばならない。しかしながら、万一、この窓の幅が中心導体４ａの幅に近くなったり、これよりも広くなると、中心導体４ａと導電層１０との電気的な接触が難しくなる可能性がある。このような場合でも、本実施形態では第２の導電層１４を介して中心導体４ａと導電層１０との電気的接触を実現できる。

このように、本発明においては中心導体４ａや接地導体４ｂ、４ｃとｘ一カットＬＮ基板１との間の電気的抵抗を下げることが目的であるので、第２の導電層１４を用いる他、その他の手段やこれ以外の他の導電材糾を用いても良いことは言うまでもない。なお、図１１の第１０実施形態において、接地導体４ｂ、４ｃは中心導体４ａよりも幅が広く、製作性が極めて良いので、接地導体４ｂ、４ｃ側の第２の導電層１４は省略しても良い。

［第１１実施形態］
図１２は、本発明による光変調器の第１１実施形態を示す断面図である。本実施形態では基板として、ｚ−カットＬＮ基板５を用いている。図中、参照符号３ａ、３ｂはｚ−カットＬＮ基板５に形成したマッハツェンダ光導波路である。

本実施形態は特許文献１の実施形態と一見類似してはいるが、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃが導電層１０により導通していないという特徴がある点で本質的に相違している。

そのため、本発明の第１１実施形態による光変調器では、導電層１０の抵抗が低い場合にも、電気的ショートの問題を解決することができる。

また、本発明の第１１実施形態による光変調器では、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間の導電層１０のギャップを小さくすると焦電効果に伴って発生する電荷を導電層１０が均一化する役割をするので、熱ドリフトを抑える効果も実現できる。

本発明による光変調器の効果を説明するために、一例として図３に示した本発明の第２実施形態と、この第２実施形態において導電層１０がない構造についてのＤＣバイアス電圧の時間変化、つまりＤＣドリフトの実際の測定結果を図１３に示す。

なお、測定時の温度はＤＣドリフトを加速させ、測定時間を短縮させるために、１１５℃としている。図１３からわかるように、本発明の構造を用いることによりＤＣドリフト電圧の変化を著しく抑えることが可能となる。

［各実施形態について］
本発明による光変調器では中心導体と接地導体が電気的に絶縁されているため、上述したようにＤＣドリフト抑圧の効果を有している。

この場合、ＣＰＷ電極は１つの中心導体と２つの接地導体からなっているが、中心導体と１つの接地導体を導電層により電気的に接続した場合には、本発明による光変調器の効果を最大限には生かすことができなくはなるが、中心導体と２つの接地導体を導電層により電気的に接続した場合に比べると効果があることは言うまでもない。

また、上記の各実施形態においては、全ての中心導体と接地導体が導電層に接触するとともに、導電層は基板に接触しており、結果的に全ての中心導体と接地導体がＬＮ基板に電気的に接続されている。

この場合、中心導体は影響が特に大きいので、導電層に電気的に接触されていることが望ましいが、例えば接地導体の１つ（あるいは２つとも）が導電層に電気的に接触されていない場合でも、完全ではないものの本発明の効果を生じさせることは可能である。あるいは、逆に接地導体が導電層に電気的に接触しているが、中心導体は導電層に電気的に接触していない場合にも、効果は薄れるものの、本発明として機能する。

なお、各実施形態としては主に、中心導体と接地導体間の第１のバッファ層、あるいは第２のバッファ層をエッチング除去した場合について説明したが、エッチング除去しなくても本発明としての効果があることは言うまでもない。

また、本発明による光変調器において用いる基板としてはＬＮ基板を例に用いて説明したが、リチウムタンタレートなど、電気光学効果を有するその他の各種基板でも良いし、半導体基板でも良い。

また、本発明による光変調器におけるバッファ層はＳｉＯ_２、導電層１０や第２の導電層１４はＳｉやＳｉＯ_ｘとして説明したが、ＳｉＮ_ｘやポリイミドなどその他の材料のバッファ層でも良いし、導電層１０や第２の導電層１４はとしては、上に述べたＳｉやＳｉＯ_ｘなどの半導体の他に、Ｔｉなどの金属やその酸化物などでも良いし、さらにはそれらの組み合わせなど、その他のいかなる材料の導電層でも良いことは言うまでもない。

なお、金属や金属酸化物はそれらの最適厚みが数１０ｎｍと比較的薄く、それらのパターンが段切れをおこす場合があるが、ＳｉやＳｉＯ_ｘのような半導体の場合にはそれらの厚みが１００ｎｍ程度と比較的厚く、パターンの段切れを起こしにくい。

しかしながら、金属や金属酸化物はエッチングやリフトオフにより容易にパターン形成ができるが、ＳｉやＳｉＯ_ｘのような半導体の場合には金属や金属酸化物ほどにはパターン形成が容易ではない。

従って、これらのメリット・デメリットと利用可能な装置との兼ね合いを考慮して、本発明による光変調器で用いる導電層の材料を選択することが重要である。

また、各実施形態を説明する際のバッファ層や導電層、あるいは光導波路の構造として中心導体の中心に左右対称として主に説明したが、勿論、左右対称でなくても良いことは言うまでもない。

さらに、進行波電極としてはＣＰＷ電極を例にとり説明したが、非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）や対称コプレーナストリップ（ＣＰＳ）などの各種進行波電極、あるいは集中定数型の電極でも良いことは言うまでもない。

また、光導波路としてはマッハツェンダ型光導波路の他に、方向性結合器や直線など、その他の光導波路でも良いことは言うまでもない。

また、以上の各実施形態においては、ｘ−カット，ｙ−カットもしくはｚ−カットの面方位、即ち、基板表面（カット面）に対して垂直な方向に結晶のｘ軸，ｙ軸もしくはｚ軸を持つ基板としたが、以上に述べた各実施形態での面方位を主たる面方位とし、これらに他の面方位が副たる面方位として混在しても良いことは言うまでもない。

図１の（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ、本発明による光変調器における第１実施形態の製造工程の手順を示す断面図である。 図２は、図１に示される本発明の第１実施形態による光変調器の電気的な接続の様子を説明するために示す等価回路図である。 図３は、本発明の第２実施形態による光変調器を示す断面図である。 図４は、本発明の第３実施形態による光変調器を示す断面図である。 図５は、本発明の第４実施形態による光変調器を示す断面図である。 図６は、本発明の第５実施形態による光変調器を示す断面図である。 図７は、本発明の第６実施形態による光変調器を示す断面図である。 図８は、本発明の第７実施形態による光変調器を示す断面図である。 図９は、本発明の第８実施形態による光変調器を示す断面図である。 図１０は、本発明の第９実施形態による光変調器を示す断面図である。 図１１は、本発明の第１０実施形態による光変調器を示す断面図である。 図１２は、本発明の第１１実施形態による光変調器を示す断面図である。 図１３は、本発明による光変調器の効果を説明するためにを示すＤＣバイアス電圧の時間変化特性曲線図である。 図１４は、第１の従来技術として、ｘ−カットＬＮ基板とコプレーナウェーブガイド （ＣＰＷ）進行波電極を使用したｘ−カット基板ＬＮ光変調器を示す斜視図である。 図１５は、図１４のＡ−Ａ´線における断面図である。 図１６は、図１４および図１５に示されるＬＮ光変調器の動作原理を説明するために示す電圧−光出力特性曲線図である。 図１７は、図１４および図１５に示されるＬＮ光変調器のＤＣドリフト現象を説明するために示す等価回路図である。 図１８は、第２の従来技術として、特許文献１に開示されているｚ−カットＬＮ基板ＬＮ光変調器を示す断面図である。 図１９は、第３の従来技術として、特許文献２に開示されているｚ−カットＬＮ基板ＬＮ光変調器を示す断面図である。

符号の説明

１：ｘ−カットＬＮ基板、
２：ＳｉＯ_２バッファ層、
３：光導波路、
３ａ、３ｂ：相互作用部の光導波路、
４：進行波電極、
４ａ：中心導体、
４ａ、４ｂ：接地導体、
５：ｚ−カットＬＮ基板、
６ａ、６ｂ：ＳｉＯ_２バッファ層、
７：導電層、
８ａ：中心導体、
８ｂ：接地導体、
９：第１バッファ層、
１０：導電層、
１１：第２バッファ層、
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ：導電層、
１３ａ、１３ｂ：絶縁ギャップ
１４：第２の導電層

Claims (10)

1. 電気光学効果を有し、少なくともｘ−カット又はｙ−カットの面方位を含む基板（１）と、該基板に形成された光を導波するための光導波路（３）と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体（４ａ）及び接地導体（４ｂ，４ｃ）からなる電極と、前記光導波路が前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路（３ａ，３ｂ）とを具備する光変調器において、
   前記基板上面の一部分に形成された第１のバッファ層（９）と、前記第１のバッファ層の上面に形成されるとともに前記基板上面まで延びて形成された導電層（１０）と、前記導電層の上面の少なくとも一部に形成された第２のバッファ層（１１）とが前記中心導体もしくは前記接地導体の少なくとも一方の下方に形成されており、
   前記中心導体もしくは前記接地導体の少なくとも一方と前記導電層が電気的に接触していることを特徴とする光変調器。
2. 電気光学効果を有し、少なくともｘ−カット又はｙ−カットの面方位を含む基板（１）と、該基板に形成された光を導波するための光導波路（３）と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体（４ａ）及び接地導体（４ｂ，４ｃ）からなる電極と、前記光導波路が前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路（３ａ，３ｂ）とを具備する光変調器において、
   前記基板上面の一部分に形成された第１のバッファ層（９）と、該第１のバッファ層の少なくとも一部と接触するように形成された導電層（１０）とが前記中心導体もしくは前記接地導体の少なくとも一方の下方に形成されており、
   前記中心導体もしくは前記接地導体の少なくとも一方と前記導電層が電気的に接触していることを特徴とする光変調器。
3. 前記第１のバッファ層が、前記相互作用光導波路が複数の場合には少なくともその一つの、相互作用光導波路の少なくとも一部の直上を除いて形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光変調器。
4. 前記中心導体の下方で、前記導電層が前記基板に電気的に接触するように形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の光変調器。
5. 前記導電層が、前記中心導体と前記接地導体との間で隔置して形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の光変調器。
6. 電気光学効果を有し、少なくともｚ−カットの面方位を含む基板（５）と、該基板に形成された光を導波するための光導波路（３）と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体（４ａ）及び接地導体（４ｂ，４ｃ）からなる電極と、前記光導波路が前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路（３ａ，３ｂ）を具備する光変調器において、
   前記基板上面の前記相互作用光導波路の直上で且つ該基板上面の一部分に形成された第１のバッファ層（９）と、前記第１のバッファ層の少なくとも一部と接触するように形成されるとともに前記基板上面まで延びて形成された導電層（１０）とが前記中心導体及び前記接地導体の少なくとも一方の下方に形成され、且つ、前記導電層が前記中心導体と前記接地導体との間で隔置して形成されており、
   前記中心導体もしくは前記接地導体の少なくとも一方と前記導電層が電気的に接触していることを特徴とする光変調器。
7. 前記中心導体（４ａ）もしくは前記接地導体（４ｂ，４ｃ）の少なくとも一方と前記導電層（１０）が第２の導電層（１４）を介して、電気的に接触していることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一に記載の光変調器。
8. 前記導電層（１０）もしくは前記第２の導電層（１４）の少なくとも一方が半導体からなることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一に記載の光変調器。
9. 前記導電層（１０）もしくは前記第２の導電層（１４）の少なくとも一方が金属もしくは金属酸化物の少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一に記載の光変調器。
10. 前記導電層（１０）もしくは前記第２の導電層（１４）の少なくとも一方が半導体と金属もしくは金属酸化物の組み合わせからなることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一に記載の光変調器。

Images