JP5117082B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は電気光学効果や熱光学効果を利用して、光導波路に入射した光を変調して光信号パルスとして出射する光変調器に関する。

代表的な光変調デバイスとして誘電体材料を用いた光変調器がある。近年、高速、大容量の光通信システムが実用化されているが、このような高速、大容量の光通信システムに組込むための高速、小型、かつ低価格の光変調器の開発が求められている。

このような要望に応える光変調器として、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、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）がある。このＬＮ光変調器は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ／ｓ、１０Ｇｂｉｔ／ｓの大容量光通信システムに適用されている。最近はさらに４０Ｇｂｉｔ／ｓの超大容量光通信システムにも適用が検討されている。

以下、従来、実用化され、又は提唱されてきたリチウムナイオベートの電気光学効果を利用した各ＬＮ光変調器の特徴を順番に説明していく。

（第１の従来技術）
図９は、ｚ−カットＬＮ基板を用いて構成した特許文献１に開示された第１の従来技術のＬＮ光変調器についての斜視図であり、図１０は図９のＡ−Ａ'線における断面図である。

ｚ−カットＬＮ基板１上に光導波路３が形成されている。この光導波路３は、金属Ｔｉを１０５０℃で約１０時間熱拡散して形成した光導波路であり、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。従って、図９の中にＩとして示した光導波路３の高周波電気信号（あるいは、ＲＦ電気信号）と光が相互作用する領域（相互作用領域、あるいは相互作用部と言う）には２本の相互作用光導波路３ａ、３ｂ、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームが形成されている。

この光導波路３の上面にＳｉＯ_２バッファ層２が形成され、このＳｉＯ_２バッファ層２の上面に進行波電極４が形成されている。進行波電極４としては、１つの中心導体４ａと２つの接地導体４ｂ、４ｃを有するコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）を用いている。なお、通常、進行波電極４はＡｕにより形成されている。５はｚ−カットＬＮ基板１を用いて製作したＬＮ変調器に特有の焦電効果に起因する温度ドリフトを抑圧するための導電層であり、通常はＳｉ導電層を用いる。なお、説明の簡単のために、図１０においては図９には図示したＳｉ導電層５を省略している。

変調用の高周波（ＲＦ）電気信号をこの光変調器の高周波電気信号給電線６を介して中心導体４ａと接地導体４ｂに供給すると、中心導体４ａと接地導体４ｂの間に電界が印加される。ｚ−カットＬＮ基板１は電気光学効果を有するので、この電界により屈折率変化を生じ、２本の相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の位相にずれが発生する。このずれがπになった場合、光導波路３のマッハツェンダ光導波路としての合波部において、高次モードを励振し、光はＯＦＦ状態になる。なお、７は高周波電気信号出力線であり、終端抵抗で置き換えても良い。

図１０からわかるように、図９に示した特許文献１の光変調器の特徴としては、１）中心導体４ａの幅Ｓを相互作用光導波路３ａ、３ｂの幅とほぼ同じ６μｍ〜１２μｍ程度としている、２）中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間のギャップＷを１５〜３０μｍと広くしている、さらに３）相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃからなる進行波電極４を構成する金属による吸収を抑えるためにのみ使用されてきたＳｉＯ_２バッファ層２の比誘電率が４〜６と比較的低いことを利用して、ＳｉＯ_２バッファ層２の厚みＤを４００ｎｍ〜１．５μｍ程度と厚くすることにより、高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率ｎ_ｍを低減して、相互作用光導波路３ａ、３ｂを導波する光の等価屈折率ｎ_ｏに近づけるとともに、特性インピーダンスをなるべく５０Ωに近づけている。また、図１０に示した第１の従来技術では、特許文献２に開示された進行波電極４の厚みＴを厚くすることによりマイクロ波等価屈折率ｎ_ｍをよりいっそう低減して、光の等価屈折率ｎ_ｏに近づけている。

こうした構造をとることにより、中心導体４ａの幅Ｓが３０μｍ程度、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間のギャップＷが６μｍ程度、ＳｉＯ_２バッファ層２の厚みＤが３００ｎｍ程度であったそれまでの構造と比べて、光変調帯域、特性インピーダンスなど光変調器としての特性が大幅に改善できた。しかしながら、光変調帯域、駆動電圧、特性インピーダンスなどについてさらに改善された特性が必要となり、次に述べる第２の従来技術として、いわゆるリッジ構造が提案された。

（第２の従来技術）
第１の従来技術をさらに高性能化するために特許文献３、特許文献４に提案されたリッジ構造を第２の従来技術として図１１、図１２に示す。ここで、８ａは中心導体４ａの下のリッジ、８ｂは接地導体４ｂの下のリッジ、８ｃは接地導体４ｃの下のリッジ、９はＳｉＯ_２バッファ層である。１０ａはリッジ８ａ、８ｂ間の空隙、１０ｂはリッジ８ａ、８ｃ間の空隙である。

また、図１２において１１ａ、１１ｂは中心導体４ａから出て接地導体４ｂ、４ｃに入る電気力線であり、相互作用光導波路３ａ、３ｂに作用してそれらの屈折率を変化させる（あるいは、相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光と相互作用するとも言える）。

この第２の従来技術ではｚ−カットＬＮ基板１に８ａや８ｂなどのリッジが形成されているため、電気力線１１ａはリッジ８ａ、８ｂ間の空隙１０ａを電気力線１１ｂはリッジ８ａ、８ｃ間の空隙１０ｂを感じる。その結果、高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率ｎ_ｍがより低減して、相互作用光導波路３ａ、３ｂを導波する光の等価屈折率ｎ_ｏに近づく、あるいは特性インピーダンスが５０Ωに向かって高くなるという利点がある。さらに、電気力線１１ａ、１１ｂには比誘電率が高い領域に閉じこもる性質があるので、相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光との相互作用の効率が高くなり、結果的に駆動電圧を低減できる。通常、リッジ８ａ、８ｂ、８ｃの高さＨとしては２〜５μｍ程度、進行波電極の厚みＴとしては６〜１８μｍ程度、ＳｉＯ_２バッファ層２の厚みとしては４００ｎｍ〜１．５μｍ程度が使用される。

この第２の従来技術により、光変調帯域、駆動電圧、特性インピーダンスなど、光変調器としての基本性能について図１０に示した第１の従来技術よりも大幅に改善された特性が実現できた。

しかしながら、この第２の従来技術でもまだ改善すべき余地がある。次にこの点について図１３、図１４を用いて議論する。高周波における駆動電圧などＬＮ光変調器の重要な特性は高周波電気信号と相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光が相互作用する相互作用部Ｉの長さＬ_ｉｎｔに強く依存する。そして、この相互作用部Ｉの長さＬ_ｉｎｔはｚ−カットＬＮ基板１の長さＬ_ＬＮにより決定される。

図１４には性能を評価する極めて簡単な目安として、相互作用部Ｉの長さＬ_ｉｎｔに対するＶπ（静的な電圧における半波長電圧）を示す。図からわかるように、相互作用部Ｉの長さＬ_ｉｎｔが長いほどＶπは低くなり、性能的に有利になると言える。このＶπと相互作用部Ｉの長さ（相互作用光導波路の長さ、あるいは相互作用長という）Ｌ_ｉｎｔはよくＶπ・Ｌ_ｉｎｔとして議論されるように性能指数として重要であり、相互作用長Ｌ_ｉｎｔは長いほど駆動電圧を低減するためにも、また設計の自由度を増すためにも有利となる。

これまでのＬＮ光変調器では相互作用部Ｉの長さＬ_ｉｎｔがパッケージの大きさやウェーハの大きさから制限を受けるため、約２０ｍｍから高々４０ｍｍと短く、この短い相互作用長がＬＮ光変調器の性能を制限していたと言っても過言ではない。
特許２１２６２１４号公報 特許２１２６８８７号公報 特許２６１２９４８号公報 特許２７２８１５０号公報

以上のように、光変調帯域、駆動電圧、特性インピーダンスなどの光変調器としての特性を大幅に改善できた第２の従来技術による光変調器もＬＮ基板の長さによりその相互作用長が制限され、その結果、高周波駆動電圧、特性インピーダンスなどの光変調器としての基本特性が決まっていた。換言すると、ＬＮ基板の長さが光変調器の特性を決定していたと言える。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、小型で、駆動電圧が低く、光変調帯域が広く、特性インピーダンスについて大幅に改善された光変調器を提供することを目的とする。

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、基板と該基板に形成された光導波路と、高周波電気信号を印加するための電極とを備え、該光導波路は、該電極に高周波電気信号を印加することにより屈折率が変化する２本の相互作用光導波路と、変調された光が出力される出力用光導波路とを含むマッハツェンダ光導波路を構成する光変調器において、前記２本の相互作用光導波路は、ターン数が１回以上の渦巻状に構成されるとともに、少なくとも２つの曲率半径の異なる曲線を挟んで配置されており、最も大きな曲率半径を有する曲線の曲率中心を中心とする円を描いた場合に、該円の中に最も小さな曲率半径を有する曲線の曲率中心が含まれていることを特徴とする。
本発明の請求項２の光変調器は、基板と該基板に形成された光導波路と、高周波電気信号を印加するための電極とを備え、該光導波路は、該電極に高周波電気信号を印加することにより屈折率が変化する２本の相互作用光導波路と、変調された光が出力される出力用光導波路とを含むマッハツェンダ光導波路を構成する光変調器において、前記２本の相互作用光導波路は、少なくとも２つの曲率半径の異なる曲線を挟んで配置されており、最も大きな曲率半径を有する曲線の曲率中心を中心とする円を描いた場合に、該円の中に最も小さな曲率半径を有する曲線の曲率中心が含まれており、前記２本の相互作用光導波路のパターンが、前記２本の相互作用光導波路についてのパターンの全体の配置の中心に対して点対称であることを特徴とする。

本発明の請求項３の光変調器は、前記２本の相互作用光導波路の屈折率が変化する部分の長さが互いに等しいことを特徴とする。

本発明の請求項４の光変調器は、前記２本の相互作用光導波路が互いに交差していることを特徴とする。

本発明の請求項５の光変調器は、前記２本の相互作用光導波路が互いに交差せず配置されていることを特徴とする。

本発明の請求項６の光変調器は、前記出力用光導波路が前記２本の相互作用光導波路と交差していることを特徴とする。

本発明の請求項７の光変調器は、前記出力用光導波路が前記２本の相互作用光導波路と交差しないように配置されていることを特徴とする。

本発明の請求項８の光変調器は、前記２本の相互作用光導波路の少なくとも一部がリッジ構造であることを特徴とする。

本発明の請求項９の光変調器は、前記２本の相互作用光導波路の近傍の少なくとも一箇所の基板が薄くなっていることを特徴とする。

本発明では、電圧を印加することにより屈折率が変化する相互作用光導波路を曲線形状により構成するので、従来にない極めて小さなチップサイズでも相互作用長を任意に設定できるばかりでなく、極めて長くすることも可能となり、光変調デバイスのモジュールとして大幅な小型化を達成できる。そして相互作用長が長くなれば駆動電圧を低減できるばかりでなく、バッファ層を厚く設定できるので、容易に高周波電気信号と光との速度を整合（速度整合）することできる、特性インピーダンスを５０Ωに近くできる、あるいは高周波電気信号の伝搬損失を小さくできるなどの利点が生じる。さらに、中心導体１４ａと接地導体１４ｂ、１４ｃとのギャップも広く設定できるので、特性インピーダンスをさらに５０Ωに近くすることが可能となる、また高周波電気信号の伝搬損失もさらに小さくできる。以上のように本発明を適用して相互作用長を長くした結果、光変調器の性能が著しく向上し、低い駆動電圧で高速な光変調が可能となる。あるいは熱光学効果を用いた場合には、極めて少ない発熱量で高効率な光変調が可能となる。

以下、本発明の実施形態について説明するが、図９から図１３に示した従来技術と同一の符号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一の符号を持つ機能部の説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１に本発明における第１の実施形態の光導波路１３を示す。１３ａ、１３ｂは高周波電気信号と光導波路を伝搬する光が相互作用するリッジ構造の相互作用光導波路であり、図１においてｚ−カットＬＮ基板１の四隅を曲線で、また各辺に対向して直線としてもよいが、説明の簡単のために大部分が曲線により形成されているとする。また、ＶＩＩは光導波路３の分岐部、ＶＩＩＩは光導波路の合波部、１３ｃは出力用光導波路である。なお、相互作用光導波路１３ａ、１３ｂの形状は例えば螺旋や楕円など、円弧以外の曲線でも良いが、ここでは説明を簡単にするために円弧とする。

ここで、相互作用領域ＩＩでは相互作用光導波路１３ａ、１３ｂが各々半径Ｒ_１の円の内側と外側に位置している。その結果、相互作用領域ＩＩでは相互作用光導波路１３ｂの方が相互作用光導波路１３ａよりも長い。そして光導波路の交差部ＩＩＩを設けているので、相互作用領域ＩＶでは相互作用光導波路１３ｂ、１３ａが各々曲率半径Ｒ_２の円の内側と外側に位置している。つまり、領域ＩＶでは相互作用光導波路１３ａの方が相互作用光導波路１３ｂよりも長くなる。

このように外側の円弧の方が内側の円弧よりも長くなるので、本実施形態では光導波路の交差部ＩＩＩを設けることにより、光導波路３の分岐部ＶＩＩから合波部ＶＩＩＩにいたるまでに相互作用光導波路１３ａ、１３ｂの全体としての長さが等しくなるように工夫している。

相互作用光導波路１３ａ、１３ｂの長さが全体として互いに異なると波長を変えた際に挿入損失が変動する、あるいはこのことと等価であるが、環境温度が変化した場合にも相互作用光導波路１３ａ、１３ｂの光学的な長さの差が変化することになり、やはり挿入損失が変動してしまう。これを避けるために、本実施形態では光導波路の交差部ＩＩＩを導入することにより相互作用光導波路１３ａ、１３ｂの光学的な長さを同じにした。そして、図１に示す本発明の第１の実施形態では出力用光導波路１３ｃが相互作用光導波路１３ａ、１３ｂと交差している。

また、相互作用領域ＩＩと相互作用領域ＩＶの円弧の中心を各々ＶとＶＩとすると、中心Ｖと中心ＶＩとは一致していても良いし、一致していなくても良い。但し、本発明では、中心を相互作用領域ＩＩの曲線の中心Ｖとして大きな方の曲率半径Ｒ_１で全周を描いた円の中に相互作用領域ＩＶの曲線の中心ＶＩが入るように規定している。こうすることにより全体の寸法を小さくすることが可能となる。

なお、螺旋や円弧以外の曲線のように相互作用光導波路１３ａ、１３ｂの位置とともに、曲率が変わる場合には一部の曲線の曲率半径、あるいは曲線の中心を用いて考えれば良い。また、ここで曲線の中心とはその曲率半径により描いた円弧（もしくは、円）の回転中心を意味している。

図２では進行波電極１４に着目して示している。ここで、１４ａは中心導体、１４ｂ、１４ｃは接地導体である。この図からわかるように、相互作用領域ＩＩ、光導波路の交差部ＩＩＩ、及び相互作用領域ＩＶにわたって、中心導体１４ａが相互作用光導波路１３ｂの上に形成されている。

次に、本実施形態により実現することのできる利点について考察する。相互作用領域ＩＩと相互作用領域ＩＶとの間にある接地導体１４ｂの幅（図２中にＧＷと表記）は、中心導体１４ａと接地導体１４ｂとのギャップ（１５〜３０μｍ）のたかだか数倍と小さいので、相互作用領域ＩＩにおける円弧の曲率半径Ｒ_１と相互作用領域ＩＶにおける円弧の曲率半径Ｒ_２とはほぼ等しい（つまり、Ｒ_１≒Ｒ_２と近似できる）。つまり、曲率半径Ｒ_１や曲率半径Ｒ_２により形成される相互作用領域が例えば３６０度の円から成っている場合、その長さ（相互作用長）はほぼ２πＲ_１と考えてよい。

図３には曲率半径Ｒ_１が４ｍｍの場合における相互作用長の全長Ｌ_totalと円のターン数との関係を示す。なお、図中には図９や図１３に示した従来技術での相互作用長の範囲（２０〜４０ｍｍ）も示している。図からわかるように、本実施形態のように円の曲率半径Ｒ_１を４ｍｍと小さくしても、１ターンで２５．１ｍｍの相互作用長となるので、本実施形態では従来技術の相互作用長はわずか０．８〜１．６ターンで実現できる。

よって、相互作用光導波路１３ａ、１３ｂが構成する円弧（あるいは、曲線）の中心角は２５０度以上、さらには図１のように３６０度以上、さらには多重のターンとすることが望ましい。そうすることによりＬＮ光変調器のチップのサイズを大きくすることなく、相互作用長を自由に設定できるとともに、相互作用長の長さを著しく長くすることも可能となる。その結果、本発明の効果を著しく発揮できる。

つまり、前述のように円を多重のターンとしても各々の円の半径はほとんど変わらないので、極めて長い相互作用長を容易に実現できる。例えば５ターンとすることにより１２０ｍｍもの長さの相互作用長を得ることが可能となる。この場合も円の曲率半径Ｒ_１は４ｍｍと小さいので、光変調器のチップのサイズも８．５ｍｍｘ８．５ｍｍ、あるいは９ｍｍｘ９ｍｍ程度と小さくて良い。

従来技術による光変調器のチップを用いて光変調器モジュールを製作するとその幅は１２〜１４ｍｍ強で長さは７５〜１００ｍｍ程度であった。従って、本発明の光変調器のチップを用いて光変調器モジュールを製作すると、従来技術による光変調器モジュールと幅はほぼ同じで、長さは１２〜１５ｍｍ程度と短くなり、従来技術による変調器のモジュールの長さと比較して約１／５〜１／７と大幅な小型化を図ることが可能となる。

さらに図３で説明したように、相互作用長が長くなれば駆動電圧に対して有利となるのでバッファ層を厚く設定できる。従って、容易に高周波電気信号と光との速度を整合（速度整合）することできる、特性インピーダンスを５０Ωに近くできる、あるいは高周波電気信号の伝搬損失を小さくできるなどの利点が生じる。その上、中心導体１４ａと接地導体１４ｂ、１４ｃとのギャップも広く設定できるので、特性インピーダンスをさらに５０Ωに近くすることが可能となる、また高周波電気信号の伝搬損失もさらに小さくできる。

以上の結果、光変調器の性能が著しく向上し、低い駆動電圧で高速な光変調が可能となる。なお、交差部ＩＩＩのように光導波路同士が交差する箇所において生じる挿入損失の増加は０．２ｄＢ、あるいはそれ以下であるので大きな問題とはならない。

なお、以上の説明においては、円弧の曲率の半径は４ｍｍとして説明したが、これは一例であってそれ以上でも良いし、逆に２ｍｍあるいは３ｍｍ程度でも良い。そして、チップサイズはわずか４ｍｍｘ４ｍｍ、あるいは６ｍｍｘ６ｍｍ程度と小さいにもかかわらず従来にない高性能なＬＮ光変調器を実現できる。

（第２の実施形態）
図４に本発明の第２の実施形態を示す。本実施形態では図１に示した第１の実施形態における光導波路の交差部ＩＩＩ、即ち相互作用光導波路１３ａ、１３ｂの長さを同じにするために設けた光導波路の交差部は存在しない。前述のように、円の外側の相互作用光導波路１３ｂは円の内側の相互作用光導波路１３ａよりも長くなる。そこで、進行波電極１４を主眼として示した図５からわかるように、領域ＩＸにおいて中心導体１４ａから出てくる電気力線が相互作用光導波路１３ｂに作用しないように、中心導体１４ａを相互作用光導波路１３ｂの直上からずらして配置している。これにより高周波電気信号と光が相互作用する長さを相互作用光導波路１３ａと１３ｂにおいて等しくしている。こうすることにより、ＬＮ光変調器としての適切なチャープ特性を確保できる。

（第３の実施形態）
図６には本発明の第３の実施形態を示す。この実施形態では、相互作用領域ＩＶの曲線の中心ＶＩと相互作用領域ＩＩの曲線の中心Ｖは一致しており、相互作用光導波路１３ａ、１３ｂの全体のパターンはこの曲線の中心ＶＩとＶに対して点対称な構造となっている。

こうすることにより、相互作用領域ＩＩと相互作用領域ＩＶにおける円弧の曲率半径Ｒ_１と相互作用領域ＩＶにおける円弧の曲率半径Ｒ_２が等しくなり（Ｒ_１＝Ｒ_２）、その結果、相互作用光導波路１３ａ、１３ｂの長さが等しくなる。

そして、相互作用光導波路１３ａ、１３ｂは互いに交差することはないので、光の挿入損失が最も低くなる。

また、この実施形態でも相互作用領域ＩＶの曲線の中心ＶＩは曲率半径Ｒ_１で全周を描いた円の中に入っている、あるいは相互作用光導波路１３ａ、１３ｂで形づくられている曲線のうち、最小の曲率半径からなる曲線の円周上の中心Ｘ、ＸＩの外側に、さらに曲線からなる相互作用光導波路１３ａ、１３ｂが存在するなどの本発明の特徴を有している。

なお、本発明の全ての実施形態について言えることであるが、出力光導波路１３ｃは相互作用光導波路１３ａ、１３ｂと図６のように交差していなくても良いし、あるいは交差していても良いことは言うまでもない。

（第４の実施形態）
図７には本発明の第４の実施形態として、図１と図２に示した本発明の第１の実施形態を用いて電気的終端の搭載法を示す。ここで、１５は光変調器モジュールの筐体である。１６は進行波電極１４に接続された電気的終端であり、１７は金属板やメタライズした絶縁体板からなる搭載板である。電気的終端１６は高周波電気信号をジュール熱に変換するので発熱する。そこで、ｚ−カットＬＮ基板１の上に搭載せずに、図７のように別体の搭載板１７を設けることにより、その熱がｚ−カットＬＮ基板１に伝わらないようにした。つまり、搭載板１７は放熱板の役割も兼ねている。なお、搭載板１７が進行波電極１４を伝搬する高周波電気信号に影響しないように、搭載板１７の裏面と進行波電極１４の上面には例えばミリオーダーと充分な距離を設けている。

（第５の実施形態）
図８には本発明の第５の実施形態として、同じく図１と図２に示した本発明の第１の実施形態を用いて電気的終端１６の別の搭載法を示す。ここで、絶縁体からなる搭載板１８に形成した電気的線路１９ａ、１９ｂ、１９ｃを介して電気的終端１６は進行波電極１４と接続されている。この方法でも、電気的終端１６において発生した熱はｚ−カットＬＮ基板１に伝わることはなく、筐体１５に放熱されている。なお、この第５の実施形態においても、搭載板１８が進行波電極１４を伝搬する高周波電気信号に影響しないように、搭載板１８の裏面と進行波電極１４の上面にはミリオーダーの充分な距離を設けている。

（各実施形態）
以上において光変調器を例にとり説明したが、本発明は光の入力、あるいは光の出力が２本以上の光導波路からなる光スイッチなど、その他の光変調デバイスにも適用可能である。また光導波路の形成法としてはＴｉ熱拡散法の他にプロトン交換法など光導波路の各種形成法を適用できるし、バッファ層としてＡｌ_２Ｏ_３等のＳｉＯ_２以外の各種材料も適用可能である。

また、ＤＣバイアス制御に使用するモニタＰＤへの放射光は例えば図１において、光導波路の合波部ＶＩＩＩから放射される２つの放射光をＬＮ基板の異なる辺から出射されるように設計しておけば、２つの放射光が互いに干渉することがないので安定したモニタリングが可能である。

また、ｚ−カットＬＮ基板について説明したが、ｘ−カット、ｙ−カット、あるいはそれらを混合したカットなどその他のカットのＬＮ基板でも良いし、リチウムタンタレート基板、さらには石英基板、半導体基板などその他の基板でも良い。

以上の実施形態としては、リッジ構造を用いて説明した。その理由は、リッジ構造は光変調器としての性能が優れているだけでなく、ミリメートルオーダーの曲率半径で曲げても挿入損失の増加が極めて小さいからである。曲率を大きくしても良いのであれば、あるいは光導波路としてある程度の強い閉じ込めがあればリッジ構造でなくても良いことは言うまでもない。また、光は螺旋や円弧を形成する曲率の外側方向に放射され易いので、曲率の外側に対応する相互作用光導波路の少なくとも一部の基板をエッチングすることにより、いわば片側だけリッジ構造としても良いことは言うまでもない。また、相互作用光導波路の大部分を曲線として説明したが、曲線と直線の組み合わせとしても良いことは言うまでもない。

電極構成としては構造が対称なＣＰＷ電極を用いた構成について説明したが、構造が非対称なＣＰＷ電極でも良いし、さらには非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）あるいは対称コプレーナストリップ（ＣＰＳ）など、その他の構成でも良い。

さらに、本発明の適用範囲は電圧を印加して屈折率を変化させる、いわゆる誘電体や半導体における電気光学効果を用いて高速で動作する光変調器のみではない。電圧を印加することにより電流を流し、基板上に形成したヒータにより発熱させて、その熱で光導波路の屈折率を変える、いわゆる熱光学効果を用いた光デバイスにも適用可能である。こうした熱光学効果を用いた光デバイスとして、例えば石英光導波路（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ： ＰＬＣ）がある。本発明を使用することにより、熱と光との相互作用長が長くなるので、低い発熱量で動作させることが可能となり、低電力化を達成できる。

以上のように、本発明により超小型化が達成できるとともに、相互作用長を長くとることが可能となるので、駆動電圧が低く、結果的に光変調帯域、特性インピーダンスなどについて大幅に改善された光変調器を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係わる光変調器を構成する光導波路の上面図 本発明の第１の実施形態に係わる光変調器を構成する電極の上面図 本発明の原理を説明する図 本発明の第２の実施形態に係わる光変調器を構成する光導波路の上面図 本発明の第２の実施形態に係わる光変調器を構成する電極の上面図 本発明の第３の実施形態に係わる光変調器を構成する光導波路の上面図 本発明の第４の実施形態に係わる光変調器を説明する図 本発明の第５の実施形態に係わる光変調器を説明する図 第１の従来技術の光変調器についての概略構成を示す斜視図 図９のＡ−Ａ'における断面図 第２の従来技術の光変調器についての概略構成を示す断面図 第２の従来技術の動作原理を説明する図 第１と第２の従来技術の光変調器における問題点を説明する図 第１と第２の従来技術の光変調器のＶπについて説明する図

符号の説明

１：ｚ−カットＬＮ基板（基板）
２、９：ＳｉＯ_２バッファ層
３、１３：マッハツェンダ光導波路（光導波路）
３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂ：相互作用光導波路
１３ｃ：出力用光導波路
４、１４：進行波電極（電極）
４ａ、１４ａ：中心導体
４ｂ、４ｃ、１４ｂ、１４ｃ：接地導体
５：Ｓｉ導電層
６：高周波（ＲＦ）電気信号給電線
７：高周波（ＲＦ）電気信号出力線
８ａ：中心導体４ａの下のリッジ
８ｂ：接地導体４ｂの下のリッジ
８ｃ：接地導体４ｃの下のリッジ
１０ａ、１０ｂ：リッジ間の空隙
１２ａ、１２ｂ：電気力線
１５：筐体
１６：電気的終端
１７、１８：搭載板
Ｒ_１、Ｒ_２：曲率半径
ＶＩ：中心

Claims (9)

1. 基板と該基板に形成された光導波路と、高周波電気信号を印加するための電極とを備え、該光導波路は、該電極に高周波電気信号を印加することにより屈折率が変化する２本の相互作用光導波路と、変調された光が出力される出力用光導波路とを含むマッハツェンダ光導波路を構成する光変調器において、
   前記２本の相互作用光導波路は、ターン数が１回以上の渦巻状に構成されるとともに、少なくとも２つの曲率半径の異なる曲線を挟んで配置されており、最も大きな曲率半径を有する曲線の曲率中心を中心とする円を描いた場合に、該円の中に最も小さな曲率半径を有する曲線の曲率中心が含まれていることを特徴とする光変調器。
2. 基板と該基板に形成された光導波路と、高周波電気信号を印加するための電極とを備え、該光導波路は、該電極に高周波電気信号を印加することにより屈折率が変化する２本の相互作用光導波路と、変調された光が出力される出力用光導波路とを含むマッハツェンダ光導波路を構成する光変調器において、
   前記２本の相互作用光導波路は、少なくとも２つの曲率半径の異なる曲線を挟んで配置されており、最も大きな曲率半径を有する曲線の曲率中心を中心とする円を描いた場合に、該円の中に最も小さな曲率半径を有する曲線の曲率中心が含まれており、
   前記２本の相互作用光導波路のパターンが、前記２本の相互作用光導波路についてのパターンの全体の配置の中心に対して点対称であることを特徴とする光変調器。
3. 前記２本の相互作用光導波路の屈折率が変化する部分の長さが互いに等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の光変調器。
4. 前記２本の相互作用光導波路が互いに交差していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光変調器。
5. 前記２本の相互作用光導波路が互いに交差せず配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光変調器。
6. 前記出力用光導波路が前記２本の相互作用光導波路と交差していることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光変調器。
7. 前記出力用光導波路が前記２本の相互作用光導波路と交差しないように配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光変調器。
8. 前記２本の相互作用光導波路の少なくとも一部がリッジ構造であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光変調器。
9. 前記２本の相互作用光導波路の近傍の少なくとも一箇所の基板が薄くなっていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光変調器。

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