CN109073920A - 光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高频特性良好并且调制光的波长啁啾减少的单驱动型的光调制器。光调制器(100)具备：包括第1和第2光波导(10a,10b)的马赫‑曾德尔光波导(10)、覆盖第1和第2光波导(10a,10b)的缓冲层(4)、以及电极层(6)，该电极层(6)具有：第1和第2接地电极(8,9)、以及在俯视时位于第1和第2接地电极(8,9)之间的信号电极(7)；信号电极(7)具有：经由缓冲层(4)而覆盖第1光波导(10a)的第1下表面(S11)；第1接地电极(8)具有：经由缓冲层(4)而覆盖第2光波导(10b)的第1下表面(S21)和位于第1下表面(S21)的上方的第2下表面(S22)；信号电极(7)和第2接地电极(9)之间的间隔(G3)大于信号电极(7)和第1接地电极(8)之间的间隔(G2)。

Description

光调制器
技术领域
本发明涉及一种用于光通信和光学测量领域的光调制器，特别是涉及一种马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)型光调制器的电极结构。
背景技术
伴随着互联网的普及，通信量飞跃性地增加，光纤通信的重要性非常高。光纤通信是将电信号转换为光信号，并通过光纤来传输光信号的通信方式，具有宽带宽、低损失、抗噪性强的特征。
作为将电信号转换为光信号的方式，已知有利用半导体激光的直接调制方式和使用了光调制器的外部调制方式。直接调制虽然不需要光调制器而且成本低，但是在高速调制方面有极限，在高速且长距离的用途中使用外部光调制方式。
作为光调制器，通过Ti(钛)扩散在铌酸锂单晶基板的表面附近形成有光波导的马赫-曾德尔型光调制器被实用化(例如，参照专利文献1)。40Gb/s以上的高速的光调制器被商用化，但存在总长长达10cm左右的大的缺点。马赫-曾德尔型光调制器是使用具有马赫-曾德尔干涉仪结构的光波导(马赫-曾德尔光波导)的光调制器。马赫-曾德尔干涉仪是将从一个光源发出的光分成两个光，通过不同路径，然后再次重叠以产生干涉的装置，应用马赫-曾德尔干涉仪的马赫-曾德尔型光调制器被用于产生各种调制光。
相对于此，在专利文献2～4中公开了使用c轴取向的铌酸锂膜的马赫-曾德尔光调制器。使用了铌酸锂膜的光调制器与使用了铌酸锂单晶基板的光调制器相比，实现了大幅度的小型化、低驱动电压化。
如专利文献1中所记载的那样，在现有的马赫-曾德尔型光调制器中，被称作“波长啁啾(Wavelength chirp)”的调制光的波长变化引起的信号波形的劣化成为问题。根据相对于平行波导的信号电极的配置的不同，施加到各平行波导的电场强度也不同，靠近信号电极的一个波导的折射率的变化量(ΔnS)高于远离电极的另一个波导的折射率的变化量(ΔnG)。因此，当信号从“0”切换到“1”或从“1”切换到“0”，使得传播平行波导的各光的相位变化的绝对值也不同的时候，发生波长啁啾，传输后的信号波形劣化。
图9(a)示出了专利文献2中记载的现有的光调制器300的截面结构。在蓝宝石基板21上形成由铌酸锂膜制成的一对光波导22a,22b，并且信号电极24a和接地电极24b经由缓冲层23分别配置在光波导22a,22b的上部。该光调制器300是具有一个信号电极24a的所谓单驱动型，信号电极24a和接地电极24b为对称结构，因此施加到光波导22a,22b的电场的大小相等，符号相反，该结构不发生调制光的波长啁啾。然而，由于接地电极24b的面积窄，存在在高频下不工作等的问题。
图9(b)示出了专利文献3中记载的现有的光调制器400的截面结构。两个信号电极24a1,24a2经由缓冲层23设置在由铌酸锂膜制成的一对光波导22a,22b的上部，并且三个接地电极24c,24d,24e离开信号电极24a1,24a2进行设置。通过向两个信号电极24a1,24a2施加大小相等且符号相反的电压，施加到这一对光波导22a,22b的电场的大小相等，符号相反，不发生调制光的波长啁啾。此外，其特征在于，通过调节施加到一对光波导22a,22b的电压，可以调节啁啾量。再者，由于左右的接地电极24c,24d的面积被充分确保，所以该结构可以在高频下工作。然而，由于该光调制器400是具有两个信号电极24a,24b的双驱动型，因此存在电极结构复杂等的问题。此外，由于需要两个高频电信号的输入连接器，并且需要相对于两个信号电极一边控制数据反转了的电信号的相位一边进行施加，所以存在驱动***的电路结构复杂化等的缺点。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4485218号公报
专利文献2：日本特开2006-195383号公报
专利文献3：日本特开2014-6348号公报
专利文献4：日本特开2015-118371号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
图9(c)示出了可以在高频下工作的单驱动型的光调制器500的截面结构。在该光调制器500中，第1和第2接地电极24b,24c分别设置在单个信号电极24a的左右，并且各接地电极的面积被充分确保，因此该结构是可在高频下工作的结构。然而，由于接地电极24b的平面尺寸大，所以电场难以集中在光波导22b，并且施加到光波导22a的电场大于施加到光波导22b的电场。因此，调制光的波长啁啾成为问题。
因此，本发明的目的在于，提供一种高频特性良好并且调制光的波长啁啾减少的单驱动型的光调制器。
解决问题的技术手段
为了解决上述问题，本发明的光调制器，其特征在于，具备：包括第1和第2光波导的马赫-曾德尔光波导、覆盖所述第1和第2光波导的缓冲层、以及电极层，该电极层具有第1和第2接地电极、以及在俯视时位于所述第1和第2接地电极之间的信号电极，所述信号电极具有经由缓冲层而覆盖所述第1光波导的第1下表面，所述第1接地电极具有经由缓冲层而覆盖所述第2光波导的第1下表面和位于所述第1下表面的上方的第2下表面，所述信号电极和所述第2接地电极之间的间隔大于所述信号电极和所述第1接地电极之间的间隔。
根据本发明，能够尽可能减小由信号电极和第1接地电极的大小的不同导致的施加到一对光波导的施加电场的大小的差，由此能够减少调制光的波长啁啾。此外，通过设置第2接地电极，可以减少放射损失且获得良好的高频特性。再者，通过使信号电极和第2接地电极的间隔大于信号电极和所述第1接地电极的间隔，能够减小第2接地电极的影响所致的施加到一对光波导的施加电场的大小的差并减少调制光的波长啁啾。
在本发明中，优选所述信号电极的所述第1下表面的宽度大于所述第1接地电极的所述第1下表面的宽度。根据该结构，能够进一步减小第2接地电极的影响所引起的施加到一对光波导的施加电场的大小的差并减少调制光的波长啁啾。
在本发明中，优选所述信号电极还具有位于所述第1下表面的上方的第2下表面。根据该结构，可以使电场集中在第1光波导并平衡分别施加到第1和第2光波导的电场。
在本发明中，优选所述信号电极的所述第1下表面的宽度和所述第1接地电极的所述第1下表面的宽度大于所述第1和第2光波导的宽度。根据该结构，可以提高相对于一对光波导的电场集中并可靠地使信号电极与第1光波导相对，并且能够可靠地使第1接地电极与第2光波导相对。
优选本发明的光调制器还具备设置在所述缓冲层和所述电极层之间的绝缘层，所述绝缘层具有分别位于所述第1和所述第2光波导的上方的第1和第2开口，所述信号电极包括形成在所述电极层的上层部和嵌入所述第1开口内的下层部，所述第1接地电极包括形成在所述电极层的上层部和嵌入所述第2开口内的下层部，所述第1接地电极的上层部的宽度大于所述第1接地电极的下层部的宽度。根据该结构，可以容易地实现具有高度不同的第1和第2下表面的电极结构。
在本发明中，优选所述信号电极的上层部的宽度大于所述信号电极的下层部的宽度，另外也优选等于所述信号电极的下层部的宽度。在任一情况下，都可以提供高频特性良好且调制光的波长啁啾减少的单驱动型的光调制器。
在本发明中，也可以去除存在于上述信号电极的下层部和上述第1接地电极的下层部之间的电极分离区域的下方的上述绝缘层的至少一部分。此外，存在于上述电极分离区域的下方的上述缓冲层的一部分也可以与上述绝缘层的一部分一起被去除。再者，本发明的光调制器也可以还具备：具有构成上述第1和第2光波导的脊部的波导层、覆盖波导层的上表面中未形成上述脊部的区域的保护层，所述缓冲层覆盖上述脊部的上表面和上述保护层的上表面，存在于上述电极隔离区域的下方的上述保护层的一部分与上述绝缘层的一部分以及上述缓冲层的一部分一起被去除。根据该结构，使行波电极的有效折射率与光的有效折射率一致而可以使速度匹配良好，并且可以实现高频特性良好的光调制器。
在本发明中，优选上述马赫-曾德尔光波导具有至少一个直线部和至少一个弯曲部，上述信号电极的上述第1下表面经由上述缓冲层而覆盖上述直线部中的上述第1光波导，上述第1接地电极的上述第1下表面经由上述缓冲层而覆盖上述直线部中的上述第2光波导。在这种情况下，优选上述直线部具有彼此平行的第1至第3直线部，上述弯曲部具有：连接上述第1直线部和上述第2直线部的第1弯曲部、连接上述第2直线部和上述第3直线部的第2弯曲部；上述信号电极的上述第1下表面经由缓冲层而覆盖上述第1至第3直线部的至少一个中的上述第1光波导，上述第1接地电极的上述第1下表面经由上述缓冲层而覆盖上述第1至第3直线部的至少一个中的上述第2光波导。根据该结构，可以折返地构成光波导，并且可以缩短元件长度。尤其使用由铌酸锂膜形成的光波导时，由于即使减小曲率半径至例如50μm左右，损失也小，因此本发明的效果显著。
在本发明中，优选上述马赫-曾德尔光波导由在基板上形成的铌酸锂膜形成，上述铌酸锂膜的c轴在相对于上述基板的主面垂直的方向上取向。在光调制器的马赫-曾德尔光波导由铌酸锂膜形成的情况下，可以形成非常薄且线宽窄的光波导，并且可以构成小型且高品质的光调制器，然而，由于光波导是薄型并且线宽也窄，所以电场集中的问题显著。但是，根据本发明，可以解决这样的问题，可以实现高频特性良好且调制光的波长啁啾减少的单驱动型的光调制器。
发明的效果
根据本发明，可以提供一种高频特性良好和调制光的波长啁啾减少的单驱动型的光调制器。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式的光调制器100的俯视图，图1(a)仅示出光波导，图1(b)示出包括行波电极的光调制器100的光调制器100的整体。
图2是沿图1(a)和图1(b)的A-A'线的光调制器100的示意性截面图。
图3是示出本发明的第2实施方式的光调制器200的结构的示意性截面图。
图4(a)是示出本发明的第3实施方式的光调制器300的结构的示意性截面图，图4(b)是示出本发明的第4实施方式的光调制器400的结构的示意性截面图。
图5是本发明的第5实施方式的光调制器500的俯视图，图5(a)仅示出光波导，图5(b)示出包括行波电极的光调制器500的整体。
图6是表示改变第1接地电极的阶差的高度T的模拟结果的例子的等电位面的图，图6(a)图示T＝0μm，图6(b)图示T＝6μm的结果。
图7是示出从图6的模拟结果获得的调制光的波长啁啾α的曲线图。
图8是示出从模拟结果获得的调制光的波长啁啾α的曲线图。
图9(a)～9(c)是示出现有的光调制器的结构的示意性截面图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的优选实施方式进行详细的说明。
图1是本发明的第1实施方式的光调制器100的俯视图，图1(a)仅示出光波导，图1(b)示出包括行波电极的光调制器100的光调制器100的整体。
如图1(a)和图1(b)所示，该光调制器100具备：马赫-曾德尔光波导10，具有形成在基板1上并彼此平行设置的第1和第2光波导10a,10b；沿第1光波导10a设置的信号电极7；沿第2光波导10b设置的第1接地电极8；从信号电极7看设置在第1接地电极8的相反侧的第2接地电极9。
马赫-曾德尔光波导10是具有马赫-曾德尔干涉仪的结构的光波导。具有从一个输入光波导10i通过分波部10c分支的第1和第2光波导10a,10b，第1和第2光波导10a,10b经由合波部10d而合到一个输出光波导10o。输入光Si通过分波部10c分波并分别行进于第1和第2光波导10a,10b，然后，在合波部10d合波，作为调制光So从输出光波导10输出。
信号电极7在俯视时位于第1和第2接地电极8,9之间。信号电极7的一端7e是信号输入端，信号电极7的另一端7g经由终端电阻12而分别连接到第1和第2接地电极8,9。由此，信号电极7与第1和第2接地电极8,9作为共面型行波电极而发挥功能。细节在后面描述，但信号电极7和第1接地电极8具有双层结构，由虚线表示的信号电极7的下层部7b与第1光波导10a在俯视时重叠，同样由虚线表示的第1接地电极8的下层部8b与第2光波导10b在俯视时重叠。
电信号(调制信号)输入到信号电极7的一端7e。由于第1和第2光波导10a,10b由铌酸锂等具有电光效应的材料构成，因此通过施加到第1和第2光波导10a,10b的电场，第1和第2光波导10a,10b的折射率分别如+Δn、-Δn那样变化，一对光波导之间的相位差发生变化。通过该相位差的变化调制的信号光从输出光波导10o输出。
这样，本实施方式的光调制器100是由一个信号电极7构成的单驱动型，因此可以充分确保第1接地电极8的面积，能够在高频下工作。此外，通过将第2接地电极9配置于夹着信号电极7而与第1接地电极8相反侧，可以减小放射损失，并且可以获得更好的高频特性。
图2是沿图1(a)和图1(b)的A-A'线的光调制器100的示意性截面图。
如图2所示，本实施方式的光调制器100具有基板1、波导层2、保护层3、缓冲层4、绝缘层5以及电极层6按此顺序层叠而成的多层结构。基板1例如是蓝宝石基板，在基板1的表面上形成有由铌酸锂膜构成的波导层2。波导层2具有由脊部2r构成的第1和第2光波导10a,10b。第1和第2光波导10a,10b的宽度W0可以是例如1μm。
保护层3形成于俯视时不与第1和第2光波导10a,10b重叠的区域中。保护层3覆盖波导层2的上表面中的未形成脊部2r的区域的整个面，脊部2r的侧面也被保护层3覆盖，因此可以防止由脊部2r的侧面的粗糙产生的散射损失。保护层3的厚度与波导层2的脊部2r的高度大致相同。保护层3的材料没有特别限制，例如可以使用氧化硅(SiO2)。
为了防止在第1和第2光波导10a,10b中传播的光被信号电极7或第1接地电极8吸收，缓冲层4形成在波导层2的脊部2r的上表面。作为缓冲层4，可以使用具有小于波导层2的折射率的折射率的材料，例如氧化硅(SiO2)或氧化铝(Al2O3)等，其厚度只要为0.2～1μm左右即可。在本实施方式中，缓冲层4不仅覆盖第1和第2光波导10a,10b的上表面，而且覆盖包括保护层3的上表面的基底面的整个面，但是也可以以仅选择性地覆盖第1和第2光波导10a,10b的上表面附近的方式图案化。
绝缘层5为了在行波电极的下表面形成阶差而设置。在绝缘层5的与第1和第2光波导10a,10b重叠的区域形成有开口(狭缝)，使缓冲层4的上表面露出。通过在该开口内嵌入电极层6的一部分，在信号电极7和第1接地电极8的下表面形成有阶差。绝缘层5的厚度T优选为1μm以上。如果绝缘层5的厚度为1μm以上，则可以获得通过在信号电极7和第1接地电极8的下表面设置阶差得到的效果。
在电极层6，设置有信号电极7、第1接地电极8以及第2接地电极9。信号电极7经由缓冲层4而与第1光波导10a相对，设置成与对应于第1光波导10a的脊部2r重叠，以调制在第1光波导10a内行进的光。第1接地电极8经由缓冲层4而与第2光波导10b相对，设置成与对应于第2光波导10b的脊部2r重叠，以调制在第2光波导10b内行进的光，第2接地电极9夹着信号电极7而设置在第1接地电极8的相反侧。
作为波导层2，只要是电光材料的话就没有特别限定，但优选由铌酸锂(LiNbO3)构成。这是因为铌酸锂具有大的电光学常数并且适合作为光调制器等的光学器件的构成材料。以下，详细说明在波导层2是铌酸锂膜的情况下的本发明的结构。
作为基板1，只要是折射率低于铌酸锂膜的基板就没有特别地限定，优选为能够使铌酸锂膜形成为外延膜的基板，优选为蓝宝石单晶基板或硅单晶基板。单晶基板的结晶取向没有特别地限定。铌酸锂膜具有相对于各种结晶方位的单晶基板容易形成为c轴取向的外延膜的性质。c轴取向的铌酸锂膜具有三次对称的对称性，因此，优选基底的单晶基板也具有相同的对称性，在蓝宝石单晶基板的情况下，优选为c面的基板；在硅单晶基板的情况下，优选为(111)面的基板。
在此，外延膜是相对于基底的基板或基底膜的结晶方位一致地取向的膜。在将膜面内设定为X-Y面，将膜厚方向设定为Z轴时，结晶随着X轴、Y轴和Z轴方向一致地取向。例如，通过首先进行利用2θ-θX射线衍射的取向位置上的峰强度的确认，其次进行极点的确认，从而可以证明外延膜。
具体来说，首先进行利用2θ-θX射线衍射的测定时，目标的面以外的全部的峰强度需要为目标的面的最大峰强度的10％以下，优选为5％以下。例如，铌酸锂的c轴取向外延膜中，(00L)面以外的峰强度为(00L)面的最大峰强度的10％以下，优选为5％以下。(00L)是对(001)或(002)等的等价的面进行总称的表示。
其次，在极点测定中需要看到极点。在上述的第1取向位置上的峰强度的确认的条件下，仅表示一个方向上的取向性，即使得到了上述的第1条件，在面内结晶取向不一致的情况下，特定角度位置上X射线的强度也不高，看不到极点。由于LiNbO3是三方晶系的结晶结构，因此，单晶中的LiNbO3 014)的极点为3个。在铌酸锂膜的情况下，已知在以c轴为中心旋转180°后的结晶对称地结合的、所谓双晶的状态下进行外延生长。在该情况下，成为3个极点对称地2个结合的状态，因此，极点成为6个。另外，在(100)面的硅单晶基板上形成了铌酸锂膜的情况下，由于基板成为四次对称，因此，观测到4×3＝12个极点。另外，在本发明中，以双晶的状态外延生长的铌酸锂膜也包含于外延膜中。
铌酸锂膜的组成为LixNbAyOz。A表示Li、Nb、O以外的元素。x为0.5～1.2，优选为0.9～1.05。y为0～0.5。z为1.5～4，优选为2.5～3.5。作为A的元素，有K、Na、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、V、Cr、Mo、W、Fe、Co、Ni、Zn、Sc、Ce等，也可以是2种以上的组合。
铌酸锂膜的膜厚优选为2μm以下。这是因为当膜厚加厚至其以上时，难以形成高质量的膜。另一方面，当铌酸锂膜的膜厚过薄时，铌酸锂膜中的光的限制变弱，光泄漏到基板或缓冲层并被导波。即使对铌酸锂膜施加电场，也有可能减小光波导(1a,1b)的有效折射率的变化。因此，铌酸锂膜优选为使用的光的波长的1/10左右以上的膜厚。
作为铌酸锂膜的形成方法，优选利用溅射法、CVD法、溶胶凝胶法等的膜形成方法。如果铌酸锂的c轴垂直于基板1的主面地取向，则通过与c轴平行地施加电场，从而光学折射率与电场成比例地变化。在作为单晶基板使用蓝宝石的情况下，可以直接在蓝宝石单晶基板上外延生长铌酸锂膜。在作为单晶基板使用硅的情况下，经由包覆层(未图示)通过外延生长形成铌酸锂膜。作为包覆层(未图示)，使用折射率低于铌酸锂膜且适于外延生长的包覆层。例如，如果作为包覆层(未图示)使用Y2O3，则可以形成高品质的铌酸锂膜。
另外，作为铌酸锂膜的形成方法，还已知有将铌酸锂单晶基板薄地研磨而切片的方法。该方法具有可以得到与单晶相同的特性的优点，可以适用于本发明。
信号电极7是双层结构，具有形成在电极层6的上层部7a和嵌入贯通绝缘层5的开口(第1开口)内的下层部7b。信号电极7的下层部7b设置在信号电极7的上层部7a的靠近第1接地电极8的端部。因此，信号电极7的下层部7b的下表面(第1下表面)S11设置成比上层部7a的下表面(第2下表面)S12更靠近第1接地电极8。通过这样的结构，信号电极7的第1下表面S11在第1光波导10a的上方与缓冲层4的上表面接触，并且经由缓冲层4而覆盖第1光波导10a。信号电极7的第2下表面S12位于第1下表面S11的上方并且不与缓冲层4接触。
信号电极7的下层部7b在X方向上的宽度(第1下表面S11的宽度)W11小于上层部7a在X方向上的宽度(信号电极7的总宽)W10。下层部7b仅形成在俯视时与第1光波导10a重叠的区域附近，不形成在其以外的区域。因此，信号电极7的第1下表面S11的宽度W11是略大于第1光波导10a的宽度W0的程度。为了使电场集中在信号电极7，优选信号电极7的第1下表面S11的宽度W11为光波导10a的宽度W0的1.1～15倍，更优选为5～10倍。
第1接地电极8也是2层结构，具有形成在电极层6的上层部8a、嵌入贯通绝缘层5的开口(第2开口)内的下层部8b。第1接地电极8的下层部8b设置在第1接地电极8的上层部8a的靠近信号电极7的端部。因此，第1接地电极8的上层部8a的下表面(第1下表面)S21设置为比下层部8b的下表面(第2下表面)S22更靠近信号电极7。通过这样的结构，第1接地电极8的第1下表面的S21在第2光波导10b的上方与缓冲层4的上表面接触，经由缓冲层4而覆盖第2光波导10b。第1接地电极8的第2下表面S22位于第1下表面S21的上方，并且不与缓冲层4接触。
第1接地电极8的下层部8b在X方向上的宽度(第2下表面S21的宽度)W21小于上层部8a在X方向上的宽度(第1接地电极8的全宽)W20。第1接地电极8的下层部8b仅形成在俯视时与第2光波导10b重叠的区域附近，不形成在其以外的区域。因此，第1接地电极8的第1下表面S21的宽度W21是略大于第2光波导10b的宽度W0的程度。因此，第1接地电极8的下层部8b在X方向上的宽度W21小于上层部8a在X方向上的宽度W22。为了使电场集中于第2光波导10b，优选第1接地电极8的第1下表面S21的宽度W21是光波导10b的宽度W0的1.1～5倍，更优选为1.5～3倍。
第2接地电极9夹着信号电极7而设置在第1接地电极8的相反侧。第2接地电极9是仅由设置在电极层6的导体构成的单层结构，但也可以与信号电极7或第1接地电极8同样，是双层结构。
第1接地电极8的上层部8a的宽度W20大于信号电极7的上层部7a的宽度W10。此外，优选第2接地电极9的宽度W30大于信号电极7的上层部7a的宽度W10。通过使第1和第2接地电极8,9的各自的面积大于信号电极7的面积，可以减小放射损失并且可以获得良好的高频特性。
在垂直地切割第1和第2光波导10a,10b的图2所示的截面结构中，信号电极7和第2接地电极9的间隔G3设定为大于信号电极7和第1接地电极8的间隔G2。另外，电极和接地电极的间隔是指两者在X方向上的最短距离。当信号电极7和第2接地电极9的间隔G3小于信号电极7和第1接地电极8的间隔G2时，由于第2接地电极9的影响，施加到一对光波导的施加电场的大小的差变大，这是波长啁啾的原因，但是，通过设定信号电极7和第2接地电极9的间隔G3大于信号电极7和第1接地电极8的间隔G2，可以减小第2接地电极9对施加到一对光波导的施加电场赋予的影响，并且能够将施加到第1和第2光波导10a,10b的施加电场调整为尽可能相同的大小而可以减少波长啁啾。
在本实施方式中，优选信号电极7的下表面S11的宽度W11大于第1接地电极8的下表面S21的宽度W21(W11>W21)。当如上所述将第2接地电极9设置在信号电极7的旁边时，通过减少放射损失可以获得良好的高频特性，但由于电极结构是不对称的，因而产生波长啁啾的问题。如果没有设置第2接地电极9，则通过将信号电极7的下层部7b的宽度W11和第1接地电极8的下层部8b的宽度W21设为相同(W11＝W21)，可以使施加到一对光波导的电场的大小大致相同。但是，如上所述，在将第2接地电极9设置在信号电极7的旁边的情况下，仅使W11＝W21，分别施加到第1和第2光波导10a,10b的电场的大小不能大致相同。然而，在使W11>W21的情况下，可以抑制第2接地电极9的影响，使分别施加到一对光波导的电场大致相同，由此可以防止波长啁啾。
如上所述，本实施方式的光调制器100中，因为第1和第2接地电极8,9的宽度W20,W30大于信号电极7的宽度W10，可以减小放射损失，获得良好的高频特性。此外，通过使第1接地电极8为两层结构，使下层部8b的第1下表面S21的宽度W21小于上层部8a的宽度W22，可以使电场集中在第2光波导10b，从而减小施加到一对光波导的电场的大小的差，并减少调制光的波长啁啾。此外，使信号电极7的下表面S11的宽度W11大于第1接地电极8的下层部8b的宽度W21，并且将信号电极7和第2接地电极9的间隔G3设定为大于信号电极7和第1接地电极8的间隔G2，可以进一步减小由于第2接地电极9的影响而引起的施加到一对光波导的电场的大小的差，可以进一步减少调制光的波长啁啾。
图3是示出本发明的第2实施方式的光调制器200的结构的示意性截面图。
如图3所示，本实施方式的光调制器200的特征在于，信号电极7的上层部7a和下层部7b是相同的宽度W10，两者都大于第1接地电极8的下层部8b的宽度W21(W10>W21)。光调制器200的其他结构与第1实施方式的光调制器100相同。因此，本实施方式也可以实现与第1实施方式相同的效果。
在图2所示的第1实施方式的光调制器100中，保护层3、缓冲层4以及绝缘层5形成在除了脊部2r、信号电极7的下层部7b以及第1接地电极8的下层部8b的整个面，但是也可以去除信号电极7和第1接地电极8之间的保护层3、缓冲层4以及绝缘层5。
图4(a)是表示本发明的第3实施方式的光调制器300的结构的示意性截面图，图4(b)是表示本发明的第4实施方式的光调制器400的结构的示意性截面图。
图4(a)所示的光调制器300是图2所示的光调制器100的第1变形例，其特征在于，存在于信号电极7的下层部7b和第1接地电极8的下层部8b之间的电极分离区域6i的下方的绝缘层5的一部分(由虚线H1包围的部分)被去除，由此缓冲层4的上表面的一部分露出。绝缘层5也可以不是在电极分离区域6i的整个区域而是在一部分的区域上被去除。
图4(b)所示的光调制器400是图2所示的光调制器100的第2变形例，其特征在于，不仅是存在于信号电极7的下层部7b和第1接地电极8的下层部8b之间的电极分离区域6i的下方的绝缘层5的一部分，而且进一步位于其下方的缓冲层4和保护层3的层叠体的一部分(由虚线H2包围的部分)也被去除，由此波导层2的上表面的一部分露出。缓冲层4和保护层3的层叠体也可以不是在电极分离区域6i的整个区域而是在一部分的区域上被去除。此外，不去除缓冲层4和保护层3这两者，也可以仅将缓冲层4与绝缘层5一起去除，使保护层3的上表面的一部分露出。
为了使光调制器获得良好的高频特性，(1)速度匹配、(2)电极的损失低、(3)阻抗匹配这三点很重要。(1)的速度匹配是指光的速度和行波电极的速度的匹配，需要使两者的有效折射率一致。光的有效折射率基本上由用于光波导的材料决定，并且不能调节。另一方面，如图4(a)和(b)所示，行波电极的有效折射率可以通过去除保护层3、缓冲层4以及绝缘层5的一部分而下降，能够进行调节。此外，可以通过附加另一层来增加有效折射率。然而，由于与有效折射率的变化同时，阻抗也发生变化，因此，实际上，需要最优化条件，以同时满足(1)速度匹配和(3)阻抗匹配。
如上所述，第3实施方式的光调制器300中，存在于信号电极7的下层部7b与第1接地电极8的下层部8b之间的电极分离区域6i的下方的绝缘层5的一部分被去除，所以可以使行波电极的有效折射率与光的有效折射率一致并改善速度匹配。此外，在第4实施方式的光调制器400中，存在于信号电极7的下层部7b和第1接地电极8的下层部8b之间的电极分离区域6i的下方的绝缘层5、缓冲层4以及保护层3的层叠体的一部分(或绝缘层5和缓冲层4的层叠体的一部分)被去除，所以，可以使行波电极的有效折射率与光的有效折射率一致并改善速度匹配。
在图1所示的第1实施方式的光调制器100中，马赫-曾德尔光波导10形成为直线状，但也可以具有弯曲部。
图5是本发明的第5实施方式的光调制器500的俯视图，图5(a)仅示出光波导，图5(b)示出包括行波电极的光调制器500的整体。
如图5(a)和图5(b)所示，本实施方式的光调制器500的特征在于马赫-曾德尔光波导10由直线部和弯曲部的组合构成。更具体而言，马赫-曾德尔光波导10具有：彼此并行地配置的第1至第3直线部10e1、10e2、10e3；连接第1直线部10e1和第2直线部10e2的第1弯曲部10f1；连接第2直线部10e2和第3直线部10e3的第2弯曲部10f2。
于是，本实施方式的光调制器500中，沿图中的A-A’线的马赫-曾德尔光波导10的直线部10e1,10e2,10e3的截面结构构成为成为图2、图3、图4(a)或图4(b)所示的截面结构。即，信号电极7的第1下表面S11经由缓冲层4覆盖第1至第3直线部10e1,10e2,10e3中的第1光波导10a，此外第1接地电极8的第1下表面S21经由缓冲层4覆盖第1至第3直线部10e1,10e2,10e3中的第2光波导10b。优选信号电极7的第1下表面S11和第1接地电极8的第1下表面S21覆盖第1至第3直线部10e1,10e2,10e3的整体，但是例如也可以仅覆盖第1直线部10e1。
在本实施方式中，输入光Si被输入到第1直线部10e1的一端并且从第1直线部10e1的一端向另一端行进，在第1弯曲部10f1折返而从第2直线部10e2的一端朝着另一端在与第1直线部10e1相反的方向上行进，再有，在第2弯曲部10f2折返而从第3直线部10e3的一端朝着另一端在与第1直线部10e1相同的方向上行进。
在光调制器中，元件长度长在实际应用中是大问题。然而，通过如图所示将光波导折返而构成，可以大大缩短元件长度并且可以获得显著的效果。特别地，由铌酸锂膜形成的光波导具有即使曲率半径减小到例如50μm左右损失也小的特征，适合于本实施方式。
如上所述，说明了本发明的优选实施方式，但是本发明不限于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内可以进行各种变更，不言而喻它们包含在本发明的范围内。
例如，在上述实施方式中，举出了具有由在基板1上外延生长的铌酸锂膜形成的一对光波导10a,10b的光调制器，但是本发明不限于这种结构，也可以是在铌酸锂单晶基板的表面附近通过Ti扩散来形成光波导的结构。然而，如果是由铌酸锂膜形成的光波导的话，则可以窄地形成光波导的宽度，所以电场集中的问题是显著的，本发明的效果大。另外，作为波导层2，也可以使用具有电光效应的半导体材料、高分子材料等。
另外，在本发明中，例示第1接地电极8和信号电极7的下表面具有两段的阶差结构，但是也可以具有三段以上的阶差结构。在这种情况下，与缓冲层4接触的面是第1下表面，不与缓冲层4接触的面全部是第2下表面。再者，也可以具有信号电极7的下层部7b或第1接地电极8的下层部8b的宽度朝向第1和第2光波导10a,10b逐渐变窄的锥形形状。
此外，在上述实施方式中，第2接地电极9不具有阶差结构，但是也可以具有阶差结构。第2接地电极9的一部分也可以嵌入形成在绝缘层5的开口内。
实施例
使第1接地电极8的下层部8b的厚度(绝缘层5的厚度)T为可变参数时的光调制器的调制光的波长啁啾α通过模拟获得。在此，由铌酸锂膜构成的波导层2的包括脊部2r的厚度(波导层2和保护层3的合计的厚度)为1.5μm，脊宽度(W0)为1μm，缓冲层4的厚度为0.9μm，缓冲层4的介电常数为13。此外，形成有信号电极7以及第1和第2接地电极8,9的电极层6的材料设定为Au，其最大厚度设定为11μm。此外，信号电极7的上层部7a的宽度W10和下层部7b的宽度W11均设定为3μm。
此外，作为可变参数的第1接地电极8的下层部8b的厚度(绝缘层5的厚度)T为0μm(无阶差)、0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm的8种方式。再者，第1接地电极8的下层部8b的宽度W21设定为3μm(其中阶差的高度为T≠0μm)。信号电极7与第1接地电极8的间隔G2设定为7μm，信号电极7与第2接地电极9的间隔G3设定为12.5μm。
图6是示出模拟结果的例子的等电位面的图，图6(a)表示T＝0μm的结果，图6(b)表示T＝6μm的结果。可知第2光波导10b中的等电位面的间隔在T＝6μm时更窄，并且电场的大小增大。
图7是示出波长啁啾α的计算结果的曲线图。如图7所示，T＝0μm是不具有阶差的现有的结构(参照图9(c))，波长啁啾α的绝对值大至0.36。此外，通过T>0μm，即，第1接地电极8具有高度不同的两种下表面，最下面与缓冲层4的上表面接触，可以减小波长啁啾α的绝对值。这主要是因为，通过增加阶差的高度T，施加到右侧的第2光波导10b的电场增大。
接着，改变信号电极7的下层部7b的宽度(第1下表面S11的宽度)W11时的光调制器的调制光的波长啁啾α通过模拟获得。在此，绝缘层5的厚度T为2μm，电极层6的厚度为4μm。第1接地电极8的下层部8b的宽度W21设定为3μm。此外，作为可变参数的信号电极7的下层部7b的宽度W11设定为3μm、4μm、5μm、6μm的四种方式。再者，信号电极7的上层部7a的宽度W10设定为15μm。
图8是示出波长啁啾α的计算结果的曲线图。如图8所示，当信号电极7的下层部7b的宽度W11改变时，波长啁啾α线性变化，当宽度W11＝约6μm时，α＝0。由于第1接地电极8的下层部8b的宽度W21是3μm，所以可知成为无啁啾的条件是信号电极7的下层部7b的宽度W11小于大于第1接地电极8的下层部8b的宽度W21。这样，通过在信号电极7上设置高度不同的第1和第2下表面S11,S12，并且调节与缓冲层4的上表面接触的信号电极7的第1下表面S11的宽度W11，施加到第1光波导10a的电场的大小被微调节，从而可知波长啁啾α可以基本上为零。
接着，如图4(a)所示，去除了存在于信号电极7和第1接地电极8之间的电极分离区域6i的下方的绝缘层5的一部分的光调制器的调制光的波长啁啾α通过模拟获得。在此，由铌酸锂膜构成的波导层2的包括脊部2r的厚度(波导层2和保护层3的合计的厚度)为1.5μm，脊宽度(W0)为1.2μm，缓冲层4的厚度为0.9μm，缓冲层4的介电常数为13。此外，形成有信号电极7与第1和第2接地电极8,9的电极层6的材料为Au，信号电极7的上层部7a和第1接地电极8的上层部8a的厚度(电极层6的厚度)为4μm。再者，信号电极7的下层部7b和第1接地电极8的下层部8b的厚度(绝缘层5的厚度)T为3μm。
信号电极7的上层部7a的宽度W10为34mm，下层部7b的宽度W11为4μm。第1接地电极8的上层部8a的宽度W20为203μm，下层部8b的宽度W21为3μm。第2接地电极9的宽度W30为200μm。信号电极7与第1接地电极8的间隔G2为8.5μm，信号电极7与第2接地电极9的间隔G3为60μm。
在上述条件下进行模拟的结果是在相互作用长度25mm时，32GHz时的半波长电压为2.5V，频带为45GHz，波长啁啾α为0.02，波长啁啾小，驱动电压低，获得了良好的频率特性。
符号的说明
1…基板；2…波导层；2r…脊部；3…保护层；4…缓冲层；5…绝缘层；6…电极层；6i…电极分离区域；7…信号电极；7a…信号电极的上层部；7b…信号电极的下层部；7e…信号电极的一端；7g…信号电极的另一端；8…第1接地电极；8a…第1接地电极的上层部；8b…第1接地电极的下层部；9…第2接地电极；10…马赫-曾德尔光波导；10a…第1光波导；10b…第2光波导；10c…分波部；10d…合波部；10e1…马赫-曾德尔光波导的第1直线部；10e2…马赫-曾德尔光波导的第2直线部；10e3…马赫-曾德尔光波导的第3直线部；10f1…马赫-曾德尔光波导的第1曲线部；10f2…马赫-曾德尔光波导的第2曲线部；10i…输入光波导；10o…输出光波导；12…终端电阻；21…蓝宝石基板；22a…第1光波导；22b…第2光波导；23…缓冲层；24a,24a1,24a2…信号电极；24b,24c,24d…接地电极；100,200,300,400,500,600,700,800…光调制器；G2…信号电极和第1接地电极的间隔；G3…信号电极和第2接地电极的间隔；S11…信号电极的第1下表面(下层部分7b的下表面)；S12…信号电极的第2下表面(上层部7a的下表面)；S21…第1接地电极的下表面(下层部8b的下表面)；S22…第2接地电极的下表面(上层部8a的下表面)；Si…输入光；So…调制光(输出光)；W0…第1和第2光波导的宽度(脊宽度)；W10…信号电极的全宽；W11…信号电极的第1下表面的宽度；W12…信号电极的第2下表面的宽度；W20…第1接地电极的全宽；W21…第1接地电极的第1下表面的宽度；W22…第1接地电极的第2下表面的宽度；W30…第2接地电极的全宽。

Claims (8)

1.一种光调制器，其特征在于，
具备：
马赫-曾德尔光波导，包括第1和第2光波导；
缓冲层，覆盖所述第1和第2光波导；以及
电极层，包含第1和第2接地电极、以及在俯视时位于所述第1和第2接地电极之间的信号电极，
所述信号电极具有经由所述缓冲层而覆盖所述第1光波导的第1下表面，
所述第1接地电极具有经由所述缓冲层而覆盖所述第1光波导的第1下表面和位于所述第1下表面的上方的第2下表面，
所述信号电极和所述第2接地电极的间隔大于所述信号电极和所述第1接地电极的间隔。
2.根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于，
所述信号电极的所述第1下表面的宽度大于所述第1接地电极的所述第1下表面的宽度。
3.根据权利要求1或2所述的光调制器，其特征在于，
所述信号电极还具有位于所述第1下表面的上方的第2下表面。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的光调制器，其特征在于，
所述信号电极的所述第1下表面的宽度和所述第1接地电极的所述第1下表面的宽度大于所述第1和第2光波导的宽度。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的光调制器，其特征在于，
还具备设置在所述缓冲层和所述电极层之间的绝缘层，
所述绝缘层具有分别位于所述第1和所述第2光波导的上方的第1和第2开口，
所述信号电极包括形成在所述电极层的上层部和嵌入所述第1开口内的下层部，
所述第1接地电极包括形成在所述电极层的上层部和嵌入所述第2开口内的下层部，
所述第1接地电极的上层部的宽度大于所述第1接地电极的下层部的宽度。
6.根据权利要求5所述的光调制器，其特征在于，
存在于所述信号电极的下层部和所述第1接地电极的下层部之间的电极分离区域的下方的所述绝缘层的至少一部分被去除。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的光调制器，其特征在于，
所述马赫-曾德尔光波导具有至少一个直线部和至少一个弯曲部，
所述信号电极的所述第1下表面经由所述缓冲层而覆盖所述直线部中的所述第1光波导，
所述第1接地电极的所述第1下表面经由所述缓冲层而覆盖所述直线部中的所述第2光波导。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的光调制器，其特征在于，
所述马赫-曾德尔光波导由形成于基板上的铌酸锂膜形成，
所述铌酸锂膜的c轴在相对于所述基板的主面垂直方向上取向。
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