CN115023642A - 光调制元件 - Google Patents

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Abstract

[技术问题]提供一种光调制元件，能够在50GHz以下的低频下抑制电极损耗，同时在50GHz以上的高频下抑制辐射损耗。[解决手段]光调制元件(1)包括基板(2)和设置在基板(2)上的至少一个相互作用部(MZ)。相互作用部(MZ)包括：形成在基板(2)上的彼此相邻的第一和第二光波导(10a、10b)，和分别与第一和第二光波导(10a、10b)对置地设置的第一和第二信号电极(7a、7b)。在相互作用部(MZ)的附近区域(NZ)没有配置接地电极，在与第一和第二信号电极(7a、7b)电连接的输入部和终端部的至少一者的附近配置有接地电极。

Description

光调制元件
技术领域
本发明涉及光调制元件，特别是涉及马赫曾德尔型光调制元件的电极结构。
背景技术
伴随因特网的普及，通信量飞速增大，光纤通信的重要性变得非常高。光纤通信是将电信号转换为光信号，通过光纤传输光信号的通信方式，具有带宽大、损耗低、抗噪性强的特征。
作为将电信号转换为光信号的方式，已知基于半导体激光器的直接调制方式和使用光调制器的外部调制方式。直接调制无需光调制器且成本低，但在高速调制方面存在极限，在高速、长距离的用途中使用的是外部调制方式。
作为光调制器，在铌酸锂单晶基板的表面附近通过Ti(钛)扩散而形成光波导的马赫曾德尔型光调制器已得到实用化(例如参照专利文献1)。马赫曾德尔型光调制器是使用了具有马赫曾德尔干涉仪——其使从一个光源发出的光分成两束通过不同的路径后再次重合而产生干涉——结构的光波导(马赫曾德尔光波导)的光调制器，40Gb/s以上的高速光调制器已经商用，但存在全长长达10cm左右的较大缺点。
对此，专利文献2和3公开了一种使用c轴取向的铌酸锂膜的马赫曾德尔型光调制器。与使用铌酸锂单晶基板的光调制器相比，使用铌酸锂膜的光调制器能实现大幅度的小型化和低驱动电压化。
图12中(a)表示专利文献2记载的现有的光调制元件20A的截面结构。在蓝宝石基板21上形成有由铌酸锂膜构成的一对光波导22a、22b，在光波导22a、22b的上部隔着缓冲层23分别配置有信号电极24a和接地电极24b。该光调制元件20A是具有一个信号电极24a的所谓的单驱动型元件，信号电极24a和接地电极24b为对称结构，因此施加在光波导22a、22b上的电场的大小相等、符号相反，是不会发生调制光的波长啁啾的结构。但是，由于接地电极24b的面积狭窄，因此存在高频下不工作的问题。
图12中(b)表示专利文献3记载的现有的光调制元件20B的截面结构。在由铌酸锂膜形成的一对光波导22a、22b的上部隔着缓冲层23配置两个信号电极24a1、24a2，并且与信号电极24a1、24a2隔开间隔地配置有3个接地电极24c、24d、24e。通过对两个信号电极24a1、24a2施加大小相等且符号相反的电压，施加在一对光波导22a、22b上的电场的大小相等、符号相反，不会发生调制光的波长啁啾。另外，具有能够通过调整一对光波导22a、22b上施加的电压来调整啁啾量的特征。进而，由于充分确保了左右接地电极24c、24d的面积，因此是能够在高频下工作的结构。但是，该光调制元件20B是具有两个信号电极24a1、24a2的双驱动型元件，因此电极结构变得复杂。
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
发明内容
发明要解决的技术问题
在光调制元件中，为了从现状的32Gbaud提速到64Gbaud需要将带宽扩宽至35GHz以上，为了提速到96Gbaud需要将带宽扩宽至50GHz以上。为了实现这种宽频带化，(1)降低高频下的电极损耗、(2)光与微波的速度匹配、(3)阻抗匹配这三项是非常重要的，并且(1)尤其重要。这是由于，在高频下，电流因趋肤效应导致仅在电极表面附近流动，电极损耗增加。
在图12中(b)所示的现有的光调制元件20B中，为了降低电极损耗，增大信号电极的截面面积是有效的，为此，需要增厚信号电极24a1、24a2的厚度T，或加宽信号电极24a1、24a2的宽度W。
但是，当增厚信号电极24a1、24a2的厚度T时，存在因微波的有效介电常数降低从而不能实现速度匹配，并且由于阻抗降低导致无法实现阻抗匹配的问题。此外，当加宽信号电极24a1、24a2的宽度W时，微波的有效介电常数和阻抗虽不大幅变化，但施加在光波导上的电场效率变差，存在半波电压增大的问题。因此，在现有的电极结构中，难以实现与64Gbaud的高速化对应的35GHz以上的宽频带化。尤其是在超过64Gbaud的高速通信中，50GHz以上高频下的辐射损耗的急剧的增加将成为问题。
另外，在为了光调制元件的小型化和复用化，将多根光波导并排配置而构成光波导阵列的情况下，由于相邻通道间的光波导接近，存在EO特性的纹波(ripple)或串扰噪声(cross talk noise)增加、高频特性恶化的问题。
从而，本发明的目的在于提供一种光调制元件，能够在50GHz以下的低频下抑制电极损耗，同时在50GHz以上的高频下抑制辐射损耗。
解决问题的技术手段
为了解决上述问题，本发明的光调制元件的特征在于，包括：基板；和设置在所述基板上的至少一个相互作用部，所述相互作用部包括：形成在所述基板上的彼此相邻的第一和第二光波导；和与所述第一和第二光波导对置地设置，且被施加差动信号的第一和第二信号电极，在所述相互作用部的附近区域没有配置接地电极，在与所述第一和第二信号电极电连接的输入部和终端部的至少一者的附近配置有接地电极。
根据本发明，不仅能够在50GHz以下的低频下降低纹波和串扰噪声，而且能够在50GHz以上的高频下抑制辐射损耗。因此，能够提供可实现超过64Gbaud的高速通信的光调制元件。
在本发明中，优选的是，所述输入部具有第一和第二信号电极焊盘，所述接地电极包括与所述第一信号电极焊盘相邻的第一接地电极焊盘和与所述第二信号电极焊盘相邻的第二接地电极焊盘。通过该结构，能够降低第一和第二信号电极的输入部侧的辐射损耗和泄露损耗。
在本发明中，优选的是，所述第一接地电极焊盘与所述第二接地电极焊盘电连接。该情况下，所述第一接地电极焊盘与所述第二接地电极焊盘可以经由设置在所述基板上的第一短路图案电连接，也可以经由对所述第一和第二信号电极焊盘施加所述差动信号的驱动电路内的接地线电连接。由此，能够实现第一和第二信号电极的输入部侧的基准电位的进一步稳定化，能够实现高频特性良好的光调制元件。
在本发明中，优选的是，所述终端部具有第一和第二终端电极焊盘，所述接地电极包括与所述第一终端电极焊盘相邻的第三接地电极焊盘和与所述第二终端电极焊盘相邻的第四接地电极焊盘。通过该结构，能够降低第一和第二信号电极的终端部侧的辐射损耗和泄露损耗。
在本发明中，所述第三接地电极焊盘与所述第四接地电极焊盘可以经由所述基板上的第二短路图案电连接，也可以经由与所述第一和第二终端电极焊盘连接的终端器内的接地线电连接。另外，还可以是，所述第三接地电极焊盘经由所述基板上的第三短路图案与所述第一接地电极焊盘连接，所述第四接地电极焊盘经由所述基板上的第四短路图案与所述第二接地电极焊盘连接。由此，能够实现第一和第二信号电极的终端部侧的基准电位的稳定化，能够实现高频特性良好的光调制元件。
在本发明中，优选的是，所述相互作用部的附近区域是从所述相互作用部的中心起的、所述第一光波导与所述第二光波导的间隔的5倍以下范围内的区域。在从相互作用部的中心起的波导间隔5倍以下的附近区域中没有接地电极的情况下，能够在50GHz以下的低频下抑制纹波和串扰噪声。
在本发明中，优选的是，所述基板是单晶基板，所述第一和第二光波导由脊状地形成在所述基板上的铌酸锂膜构成。另外，优选的是，所述相互作用部包括：波导层，其包含所述第一和第二光波导且形成在所述基板的主面；缓冲层，其至少形成在所述第一和第二光波导的上表面；和电极层，其包含所述第一和第二信号电极且形成在所述缓冲层的上表面，所述第一和第二信号电极隔着所述缓冲层与所述第一和第二光波导分别对置。由此，能够实现小型且高频特性良好的光调制元件。
发明效果
根据本发明，可提供能够在50GHz以下的低频下抑制电极损耗，同时在50GHz以上的高频下抑制辐射损耗的光调制元件。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的光调制元件的结构的概略平面图，图1中(a)仅图示了光波导，图1中(b)图示了包含行波电极的整个光调制元件。
图2是沿着图1中(a)和(b)的X1-X1线的光调制元件1A的概略截面图。
图3中(a)和(b)是表示光调制元件的透射损耗(Sdd21)的频率特性的坐标图。
图4是表示本发明的第二实施方式的光调制元件的结构的概略平面图。
图5是表示本发明的第三实施方式的光调制元件的结构的概略平面图。
图6是表示本发明的第四实施方式的光调制元件的结构的概略平面图。
图7是表示本发明的第五实施方式的光调制元件的结构的概略平面图。
图8是表示本发明的第六实施方式的光调制元件的结构的概略平面图。
图9是表示本发明的第七实施方式的光调制元件的结构的概略平面图。
图10是表示本发明的第八实施方式的光调制元件的结构的概略平面图。
图11是表示本发明的第九实施方式的光调制元件的结构的概略平面图。
图12中(a)和(b)是表示现有的光调制元件的结构的概略截面图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。
图1是表示本发明的第一实施方式的光调制元件的结构的概略平面图，图1中(a)仅图示了光波导，图1中(b)图示了包含行波电极的整个光调制元件。
如图1中(a)和(b)所示，该光调制元件1A包括：形成于基板2上，包括彼此平行地设置的第一和第二光波导10a、10b的马赫曾德尔光波导10；沿着第一光波导10a设置的第一信号电极7a；沿着第二光波导10b设置的第二信号电极7b；沿着第一光波导10a设置的第一偏置电极9a；和沿着第二光波导10b设置的第二偏置电极9b。第一和第二信号电极7a、7b与第一和第二光波导10a、10b一起构成马赫曾德尔光调制元件的相互作用部MZ。
马赫曾德尔光波导10是具有马赫曾德尔干涉仪结构的光波导。具有通过分束部10c从一根输入波导10i分束得到的第一和第二光波导10a、10b，第一和第二光波导10a、10b通过合束部10d合束成一根输出波导10o。输入光Si被分束部10c分束并在第一和第二光波导10a、10b中分别行进后，在合束部10d合束并作为调制光So从输出波导10o输出。
第一和第二信号电极7a、7b为俯视时与第一和第二光波导10a、10b重合的线状的电极图案，其两端被引出至基板2的外周端附近。即，第一和第二信号电极7a、7b的一端侧经由引出部7a1、7b1被引出至基板2的边缘附近，并与设置于基板2的边缘附近的第一和第二信号电极焊盘7a3、7b3电连接。另外，第一和第二信号电极7a、7b的另一端侧经由引出部7a2、7b2被引出至基板2的边缘附近，并与设置于基板2的边缘附近的第一和第二终端电极焊盘7a4、7b4电连接。
第一和第二信号电极7a、7b的一端侧的第一和第二信号电极焊盘7a3、7b3为信号输入端子，与驱动电路连接。第一和第二信号电极7a、7b的另一端侧的第一和第二终端电极焊盘7a4、7b4经由终端电阻12彼此连接。由此，第一和第二信号电极7a、7b作为差动的共面型行波电极发挥作用。
第一和第二偏置电极9a、9b为了对第一和第二光波导10a、10b施加直流电压(DC偏置)，被相对于第一和第二信号电极7a、7b独立地设置。第一和第二偏置电极9a、9b的一端9a1、9b1为DC偏置的输入端。在本实施方式中，第一和第二偏置电极9a、9b的形成区域相比第一和第二信号电极7a、7b的形成区域设置于马赫曾德尔光波导10的输出端侧，但也可以设置于输入端侧。另外，也可以省略第一和第二偏置电极9a、9b，将预先叠加了DC偏置的调制信输入到第一和第二信号电极7a、7b。
对第一和第二信号电极焊盘7a3、7b3输入绝对值相同但正负不同的差动信号(调制信号)。第一和第二光波导10a、10b由铌酸锂等具有电光效应的材料构成，因此，通过对第一和第二光波导10a、10b施加的电场，第一和第二光波导10a、10b的折射率分别按照+Δn、-Δn那样变化，一对光波导间的相位差发生变化。通过该相位差的变化调制后的信号光从输出波导10o被输出。
像这样，本实施方式的光调制元件1A为由一对信号电极构成的双驱动型元件，因此能够提高施加在一对光波导上的电场的对称性，能够抑制波长啁啾。
在本实施方式中，在相互作用部MZ的附近区域NZ没有设置接地电极。在此，相互作用部MZ的附近区域NZ被定义为从相互作用部MZ的宽度方向中心向左右扩展的第一和第二光波导10a、10b的间隔W0的5倍以下(W1≤5W0)的区域。另外，接地电极(GND)是指作为电位基准点的电极。
通常，接地电极被设置在构成相互作用部MZ的第一和第二信号电极7a、7b的附近(参照图12的(b)等)。但是，随着光调制元件的小型化，难以确保接地电极足够的宽度或者面积，大小不够大的接地电极是导致高频特性恶化的主要原因。但是，在如本实施方式那样将接地电极从相互作用部MZ的附近区域NZ排除的情况下，即使小型化也不会导致高频特性恶化，相互作用部MZ的复用也变得容易。
为了便于说明，在图1中，第一和第二光波导10a、10b的间隔W0标示得比实际上足够宽。实际的波导间隔W0非常窄，为5～50μm。另一方面，第一信号电极7a的一端侧和另一端侧的引出部7a1、7a2以及第二信号电极7b的一端侧和另一端侧的引出部7b1、7b2的长度为100μm以上。因此，第一和第二信号电极焊盘7a3、7b3、第一和第二接地电极焊盘8a1、8b1、第一和第二终端电极焊盘7a4、7b4以及第三和第四接地电极焊盘8a2、8b2位于相互作用部MZ的附近区域NZ的外侧，远离相互作用部MZ。
为了稳定基准电位，也可以在基板2的背面侧设置接地电极。如上述，需要不在相互作用部MZ的附近区域NZ设置接地电极，但基板2的背面侧则不受该限制。即，可以在基板2的背面侧的相互作用部MZ的附近区域NZ设置接地电极。
另一方面，在位于相互作用部MZ的附近区域NZ的外侧的第一和第二信号电极7a、7b的输入部的附近，设置有第一和第二接地电极焊盘8a1、8b1。第一接地电极焊盘8a1与构成第一信号电极7a的输入部的第一信号电极焊盘7a3相邻地设置，第二接地电极焊盘8b1与构成第二信号电极7b的输入部的第二信号电极焊盘7b3相邻地设置。
与第一和第二信号电极7a、7b的输入部同样地，在位于相互作用部MZ的附近区域NZ的外侧的第一和第二信号电极7a、7b的终端部的附近，设置有第三和第四接地电极焊盘8a2、8b2。第三接地电极焊盘8a2与构成第一信号电极7a的终端部的第一终端电极焊盘7a4相邻地设置，第四接地电极焊盘8b2与构成第二信号电极7b的终端部的第二终端电极焊盘7b4相邻地设置。
在本实施方式中，第一接地电极焊盘8a1与第二接地电极焊盘8b1经由与它们设置于相同电极层内的短路图案8c1(第一短路图案)电连接。第三接地电极焊盘8a2与第四接地电极焊盘8b2也经由与它们设置于相同电极层内的短路图案8c2(第二短路图案)电连接。短路图案8c1、8c2沿着基板2的边缘形成，因此，第一和第二信号电极焊盘7a3、7b3以及第一和第二终端电极焊盘7a4、7b4配置于比基板2的边缘靠内侧。这样，通过使彼此靠近的两个接地电极焊盘相互短路，能够实现接地电极焊盘上的基准电位的稳定化，能够改善高频特性。
图2是沿着图1中(a)和(b)的X1-X1线的光调制元件1A的概略截面图。
如图2所示，本实施方式的光调制元件1A具有由基板2、波导层3、保护层4、缓冲层5和电极层6依次层叠而得的多层结构。
基板2例如为蓝宝石基板，在基板2的主面形成有由以铌酸锂为代表的电光材料构成的波导层3。波导层3具有由脊部3r构成的第一和第二光波导10a、10b。构成第一和第二光波导10a、10b的脊部3r的宽度W10可以为例如1μm。
保护层4形成于在俯视时不与第一和第二光波导10a、10b重叠的区域。保护层4覆盖波导层3的上表面中未形成脊部3r的区域的整个面，脊部3r的侧面也被保护层4覆盖，因此能够防止因脊部3r侧面的粗糙而产生的散射损耗。保护层4的厚度与波导层3的脊部3r的高度大致相同。保护层4的材料没有特别限定，例如能够使用氧化硅(SiO2)。
缓冲层5是为了防止在第一和第二光波导10a、10b中传播的光被第一和第二信号电极7a、7b吸收而形成在波导层3的脊部3r的上表面的。缓冲层5优选由折射率比波导层3低且透明性高的材料构成，例如，能够使用Al2O3、SiO2、LaAlO3、LaYO3、ZnO、HfO2、MgO、Y2O3等。脊部3r的上表面上的缓冲层5的厚度只要为0.2～1μm左右即可。更优选缓冲层5由介电常数高的材料构成。在本实施方式中，缓冲层5不仅覆盖第一和第二光波导10a、10b的上表面，还覆盖包括保护层4的上表面的整个基底面，但也可以是，以仅选择性地覆盖第一和第二光波导10a、10b的上表面附近的方式进行图案化。另外，也可以省略保护层4，在波导层3的整个上表面直接形成缓冲层5。
为了减少电极的光吸收，缓冲层5的膜厚越厚越好，为了对光波导施加高电场，缓冲层5的膜厚越薄越好。由于电极的光吸收和电极的施加电压具有取舍(trade-off)关系，所以需要根据目的设定适当的膜厚。缓冲层5的介电常数越高，越能够降低VπL(表示电场效率的指标)故而优选，缓冲层5的折射率越低，越能够减薄缓冲层5故而优选。通常，介电常数高的材料的折射率也高，因此，考虑到两者的平衡来选择介电常数高且折射率低的材料是很重要的。作为一例，Al2O3的相对介电常数约为9，折射率约为1.6，是优选的材料。LaAlO3的相对介电常数约为13，折射率约为1.7，另外LaYO3的相对介电常数约为17，折射率约为1.7，是尤其优选的材料。
电极层6上设置有第一信号电极7a和第二信号电极7b。为了对在第一光波导10a内行进的光进行调制，第一信号电极7a与对应于第一光波导10a的脊部3r重叠地设置，隔着缓冲层5与第一光波导10a对置。为了对在第二光波导10b内行进的光进行调制，第二信号电极7b与对应于第二光波导10b的脊部3r重叠地设置，隔着缓冲层5与第二光波导10b对置。
如图2所示，在与第一和第二光波导10a、10b的行进方向正交的截面中，电极结构为左右对称。因此，能够使从第一和第二信号电极7a、7b对第一和第二光波导10a、10b分别施加的电场的大小尽可能相同，降低波长啁啾。
波导层3只要是电光材料即可，没有特别限定，但优选由铌酸锂(LiNbO3)构成。这是由于铌酸锂具有较大的电光常数，适合作为光调制元件等光学器件的构成材料。下面，对波导层3采用铌酸锂膜的情况下的本实施方式的结构进行详细说明。
基板2没有特别的限定，只要折射率比铌酸锂膜低即可，优选为能够将铌酸锂膜作为外延膜形成的基板，优选蓝宝石单晶基板或硅单晶基板。单晶基板的晶向没有特别限定。铌酸锂膜具有对于各种晶向的单晶基板容易作为c轴取向的外延膜形成的性质。c轴取向的铌酸锂膜具有三次对称的对称性，因此理想的是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c面的基板，在硅单晶基板的情况下优选(111)面的基板。
在此，外延膜是指相对于基底的基板或基底膜的晶向一致取向的膜。在令膜面内为X-Y面、膜厚方向为Z轴时，结晶沿X轴、Y轴和Z轴方向均一致取向。例如，第一步通过θ-2θ型X射线衍射进行取向位置处的峰强度的确认，第二步进行极点的确认，能够证明是外延膜。
具体而言，在第一步进行θ-2θ型X射线衍射测量时，作为目标的面(目标面)以外的全部的峰强度需要为目标面的最大峰强度的10％以下，优选为5％以下。例如，在铌酸锂的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)用于表述(001)或(002)等等价的面的统称。
在第二步的极点测量中，需要能观察到极点。在上述第一步的确认取向位置处的峰强度的条件下，仅能够表示一个方向上的取向性，即使得到上述第一步的条件，在结晶取向于面内不一致的情况下，X射线的强度在特定角度位置也不会变高，不能观察到极点。LiNbO3为三方晶系的结晶结构，因此单晶中的LiNbO3(014)的极点为三个。
已知在铌酸锂膜的情况下，在所谓的双晶——由以c轴为中心旋转180°的结晶对称结合而得——的状态下进行外延生长。在该情况下，由于是三个极点对称地二者结合的状态，因此极点为六个。另外，在铌酸锂膜形成于(100)面的硅单晶基板上的情况下，由于基板为四次对称，因此可观测到4×3＝12个极点。此外，在本发明中，双晶的状态下外延生长的铌酸锂膜也包含在外延膜中。
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，也可以为两种以上的组合。
理想的是，铌酸锂膜的膜厚为2μm以下。其原因在于，如果膜厚大于2μm将难以形成高质量的膜。另一方面，在铌酸锂膜的膜厚过薄的情况下，铌酸锂膜对光的束缚变弱，光会泄露到基板2或缓冲层5。另外，即使对铌酸锂膜施加电场，光波导(10a、10b)的有效折射率的变化也可能变小。因此，理想的是，铌酸锂膜的膜厚为所使用的光的波长的1/10程度以上。
作为铌酸锂膜的形成方法，理想的是利用溅射法、CVD法、溶胶凝胶法等膜形成方法。铌酸锂的c轴垂直于基板2的主面取向，通过与c轴平行地施加电场，光学折射率与电场成比例地变化。在使用蓝宝石作为单晶基板的情况下，能够使铌酸锂膜直接在蓝宝石单晶基板上外延生长。在使用硅作为单晶基板的情况下，隔着包覆层(未图示)通过外延生长来形成铌酸锂膜。作为包覆层(未图示)，使用折射率比铌酸锂膜低且适于外延生长的材料。例如，使用Y2O3作为包覆层(未图示)时能够形成高质量的铌酸锂膜。
此外，作为铌酸锂膜的形成方法，也已知将铌酸锂单晶基板减薄研磨或切片的方法。该方法具有可得到与单晶相同的特性的优点，能够应用于本发明中。
第一和第二信号电极7a、7b的宽度W7为比由形成为脊状的铌酸锂膜构成的第一和第二光波导10a、10b的脊宽W10略宽的程度。为了使来自第一和第二信号电极7a、7b的电场集中于第一和第二光波导10a、10b，第一和第二信号电极7a、7b的宽度W7优选为第二光波导10b的脊宽W10的1.1～15倍，更优选为1.5～10倍。此外，信号电极间隔是指从第一信号电极7a的宽度方向中央到第二信号电极7b的宽度方向中央的距离。另外，波导间隔是指从第一光波导10a的宽度方向中央到第二光波导10b的宽度方向中央的距离。在本实施方式中，信号电极间隔与波导间隔实质上相等。
在相互作用部MZ的附近区域NZ的电极层6上没有设置接地电极。在第一和第二信号电极7a、7b之间的电极分离区域D0或第一和第二信号电极7a、7b外侧的附近区域D1a、D1b设置有接地电极的情况下，纹波或串扰会变大，高频特性恶化。这种高频特性的恶化的原因可认为是，随着光调制元件的小型化，不能充分确保接地电极的宽度和面积，基准电位会变得不稳定。在如本实施方式那样不设置接地电极的情况下，能够降低纹波或串扰，能够改善高频特性。
上述的第一至第四接地电极焊盘8a1、8b1、8a2、8b2以及短路图案8c1、8c2与第一和第二信号电极7a、7b的信号电极焊盘7a3、7b3以及第一和第二终端电极焊盘7a4、7b4一起设置于电极层6。这些接地电极存在于相互作用部MZ的附近区域NZ的外侧，因此在50GHz以下的低频下不会成为导致发生纹波或串扰的原因，还能够降低50GHz以上的高频下的辐射损耗。
图3中(a)和(b)是表示光调制元件的透射损耗(Sdd21)的频率特性的坐标图。
相互作用部MZ的附近区域NZ配置有接地电极的、具有现有的电极结构的光调制元件的透射损耗如图3中(a)的曲线GL1所示，在50GHz以下的低频下产生纹波或串扰。与之相对，在从包含相互作用部MZ的附近区域NZ的基板整个面排除了接地电极的光调制元件的情况下，如图3中(a)和图3(b)的曲线GL2所示，在50GHz以下的低频下不会产生纹波或串扰。但是，由于在第一和第二信号电极7a、7b的输入部和终端部的附近均未设置接地电极，因此透射损耗在50GHz以上的高频下变大。
另一方面，相互作用部MZ的附近区域NZ没有设置接地电极、但在第一和第二信号电极7a、7b的输入部和终端部附近设置有接地电极的本发明的光调制元件的透射损耗如图3中(b)的曲线GL3所示，不仅能够在50GHz以下的低频下抑制纹波或串扰，还能够在50GHz以上的高频下减小透射损耗。
如以上所说明，本实施方式的光调制元件1A在相互作用部MZ的附近区域NZ没有设置接地电极，因此，可提供一种能够降低电极损耗、能够通过提高施加在光波导上的电场效率而使得低电压驱动成为可能的光调制元件。另外，本实施方式的光调制元件1A在离开相互作用部MZ的附近区域NZ的第一和第二信号电极7a、7b的输入部和终端部的至少一者的附近设置有接地电极，因此能够降低50GHz以上的高频下的辐射损耗。从而，能够提供高频特性良好的光调制元件。
图4是表示本发明的第二实施方式的光调制元件的结构的概略平面图。
如图4所示，该光调制元件1B的特征在于，第一信号电极7a的输入部侧的第一接地电极焊盘8a1与终端部侧的第三接地电极焊盘8a2经由在相互作用部MZ的周围绕一大圈的短路图案8c3(第三短路图案)电连接，另外，输入侧的第二接地电极焊盘8b1与终端侧的第四接地电极焊盘8b2经由短路图案8c4(第四短路图案)电连接。另外，第一和第二信号电极焊盘7a3、7b3靠近基板2的边缘配置，第一和第二终端电极焊盘7a4、7b4也靠近基板2的边缘配置。其他的结构与第一实施方式同样。
短路图案8c3、8c4与第一至第四接地电极焊盘8a1、8b1、8a2、8b2同样，配置于相互作用部MZ的附近区域NZ的外侧。因此，在相互作用部MZ的附近区域NZ未设置接地电极。根据本实施方式，与第一实施方式同样，能够降低50GHz以上的高频下的辐射损耗。
在本实施方式中，输入部侧的第一接地电极焊盘8a1与第二接地电极焊盘8b1未经由短路图案连接，终端部侧的第三接地电极焊盘8a2与第四接地电极焊盘8b2未经由短路图案连接，但也可以与第一实施方式同样地构成。在该情况下，第一和第二信号电极焊盘7a3、7b3以及第一和第二终端电极焊盘7a4、7b4离开基板2的边缘而配置。
图5是表示本发明的第三实施方式的光调制元件的结构的概略平面图。
如图5所示，该光调制元件1C的特征在于，第一和第二信号电极7a、7b的输入部侧的第一接地电极焊盘8a1与第二接地电极焊盘8b1经由贯通基板2的接触插塞8d1、8d2以及形成于基板2的背面的短路图案8c5电连接，另外，第一和第二信号电极7a、7b的终端部侧的第三接地电极焊盘8a2与第四接地电极焊盘8b2经由贯通基板2的接触插塞8d3、8d4以及形成于基板2的背面的短路图案8c6电连接。短路图案8c5和短路图案8c6可以作为单个接地图案形成，还可以在基板2的整个背面形成接地图案。另外，第一和第二信号电极焊盘7a3、7b3靠近基板2的边缘配置，第一和第二终端电极焊盘7a4、7b4也靠近基板2的边缘配置。其他的结构与第一实施方式同样。
短路图案8c5、8c6与第一至第四接地电极焊盘8a1、8b1、8a2、8b2同样，配置于相互作用部MZ的附近区域NZ的外侧。因此，在相互作用部MZ的附近区域NZ没有设置接地电极。根据本实施方式，与第一实施方式同样，能够降低50GHz以上的高频下的辐射损耗。
图6是表示本发明的第四实施方式的光调制元件的结构的概略平面图。
如图6所示，该光调制元件1D的特征在于，第一接地电极焊盘8a1与第二接地电极焊盘8b1经由与第一和第二信号电极7a、7b的输入部连接的驱动电路200内的接地线电连接，另外，第三接地电极焊盘8a2与第四接地电极焊盘8b2经由与第一和第二信号电极7a、7b的终端部连接的终端器300内的接地线电连接。另外，第一和第二信号电极焊盘7a3、7b3靠近基板2的边缘配置，第一和第二终端电极焊盘7a4、7b4靠近基板2的边缘配置。其他的结构与第一实施方式同样。
驱动电路200内的接地线和终端器300内的接地线配置于相互作用部MZ的附近区域NZ的外侧。因此，在相互作用部MZ的附近区域NZ没有设置接地电极。根据本实施方式，与第一实施方式同样，能够降低50GHz以上的高频下的辐射损耗。
图7是表示本发明的第五实施方式的光调制元件的结构的概略平面图。
如图7所示，该光调制元件1E是第四实施方式的光调制元件1D的变形例，其特征在于，将图6所示的驱动电路200和终端器300以倒装法(flip chip)安装于基板2上。其他的结构与第四实施方式同样。因此，本实施方式的光调制元件1E除了与第四实施方式同样的效果之外，还能够实现光调制元件整体的小型化。
图8是表示本发明的第六实施方式的光调制元件的结构的概略平面图。
如图8所示，该光调制元件1F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。具体而言，马赫曾德尔光波导10包括：彼此平行地配置的第一至第三直线部10e1、10e2、10e3；将第一直线部10e1和第二直线部10e2连接的第一弯曲部10f1；将第二直线部10e2和第三直线部10e3连接的第二弯曲部10f2。第一和第二弯曲部10f1、10f2将光波导的行进方向转换180度方向，因此形成为同心半圆状。其他的结构与第一实施方式同样。
在本实施方式中，马赫曾德尔光波导10的第一直线部10e1的大部分、第二直线部10e2和第一、第二弯曲部10f1、10f2的整体、第三直线部10e3的一部分与第一和第二信号电极7a、7b一起构成相互作用部MZ。输入光Si被输入到第一直线部10e1的一端，从第一直线部10e1的一端向另一端行进，在第一弯曲部10f1折返而从第二直线部10e2的一端向另一端按照与第一直线部10e1相反方向行进，进一步在第二弯曲部10f2折返而从第三直线部10e3的一端向另一端按照与第一直线部10e1相同的方向行进。
在马赫曾德尔光调制元件中，元件长度较长成为实用上的大问题，但通过如图示那样使光波导折返，能够大幅缩短元件长度，得到小型化的显著效果。尤其是，由铌酸锂膜形成的光波导具有即使将弯曲部的曲率半径缩小至例如50μm左右损耗也较小这一特征，适于本实施方式。
在本实施方式中，在相互作用部MZ的附近区域NZ也没有设置接地电极。在构成相互作用部MZ的第一和第二信号电极7a、7b的附近设置大小不够大的接地电极是导致高频特性恶化的原因。特别是在光波导具有第一和第二弯曲部10f1、10f2，且在第一和第二弯曲部10f1、10f2的附近设置有接地电极的情况下，高频信号的泄露在弯曲部变大，高频特性容易恶化。但是，在本实施方式那样省略接地电极的情况下，高频特性不会因接地电极而恶化，光调制元件的小型化和复用化也较为容易。
本实施方式中也是，在位于相互作用部MZ的附近区域NZ的外侧的第一和第二信号电极7a、7b的输入部和终端部的附近设置有接地电极。具体而言，在远离相互作用部MZ的第一和第二信号电极7a、7b的输入部的附近，设置有第一和第二接地电极焊盘8a1、8b1。第一接地电极焊盘8a1与构成第一信号电极7a的输入部的第一信号电极焊盘7a3相邻地设置，第二接地电极焊盘8b1与构成第二信号电极7b的输入部的第二信号电极焊盘7b3相邻地设置。第一和第二接地电极焊盘8a1、8b1经由短路图案8c1彼此连接。
与第一和第二信号电极7a、7b的输入部同样地，在远离相互作用部MZ的第一和第二信号电极7a、7b的终端部的附近，设置有第三和第四接地电极焊盘8a2、8b2。第三接地电极焊盘8a2与构成第一信号电极7a的终端部的第一终端电极焊盘7a4相邻地设置，第四接地电极焊盘8b2与构成第二信号电极7b的终端部的第二终端电极焊盘7b4相邻地设置。第三和第四接地电极焊盘8a2、8b2经由短路图案8c2彼此连接。
如以上所说明，本实施方式的光调制元件1F在相互作用部MZ的附近区域NZ没有设置接地电极，但在位于附近区域NZ的外侧的第一和第二信号电极7a、7b的输入部和终端部的附近设置有接地电极，因此，能够降低50GHz以上的高频下的辐射损耗。从而，能够提供高频特性良好的光调制元件。
图9是表示本发明的第七实施方式的光调制元件的结构的概略平面图。
如图9所示，该光调制元件1G的特征在于，具有由马赫曾德尔光调制元件的两个相互作用部排列而得的双通道阵列结构，使用第一和第二相互作用部MZ1、MZ2进行输入光Si的正交相位调制(QPSK)或者正交振幅调制(xQAM)。即，本实施方式的光调制元件1G为使用第一和第二相互作用部MZ1、MZ2构成的IQ光调制元件，在第二相互作用部MZ2的输出侧设置有移相器10g。各个相互作用部MZ1、MZ2的结构与图1所示的马赫曾德尔光调制元件的单个相互作用部MZ同样。对第一和第二相互作用部MZ1、MZ2的一对RF信号输入端子(第一和第二信号电极焊盘7a3、7b3)分别施加不同的差动信号。
由一根光波导构成的输入波导10i利用双级分束部10c一分为四而形成4根(2对)光波导。即，形成构成第一相互作用部MZ1的第一和第二光波导10a、10b，和构成第二相互作用部MZ2的第一和第二光波导10a、10b。在光波导的输出侧，经由双级合束部10d合束成一根输出波导10o。
本实施方式中也是，在第一和第二相互作用部MZ1、MZ2的附近区域NZ没有设置接地电极，尤其是在第一相互作用部MZ1的第二信号电极7b与第二相互作用部MZ2的第一信号电极7a之间的通道间区域也没有设置接地电极。在将光调制元件进行了小型化和复用化的情况下，在通道间区域难以确保具有足够宽度或者面积的接地电极，大小不够大的接地电极反而成为导致高频特性恶化的原因。但是，在本实施方式那样省略接地电极的情况下，即使将光调制元件小型化，高频特性也不会恶化，光调制元件的复用化也较为容易。
另一方面，在离开第一和第二相互作用部MZ1、MZ2的附近区域NZ的第一和第二信号电极7a、7b的输入部和终端部的附近设置有接地电极。具体而言，在远离第一和第二相互作用部MZ1、MZ2的第一和第二信号电极7a、7b的输入部的附近，设置有第一和第二接地电极焊盘8a1、8b1。第一接地电极焊盘8a1与构成第一信号电极7a的输入部的第一信号电极焊盘7a3相邻地设置，第二接地电极焊盘8b1与构成第二信号电极7b的输入部的第二信号电极焊盘7b3相邻地设置。第一和第二接地电极焊盘8a1、8b1经由短路图案8c1彼此连接。
另外，与第一和第二信号电极7a、7b的输入部同样地，在离开第一和第二相互作用部MZ1、MZ2的附近区域NZ的第一和第二信号电极7a、7b的终端部的附近，设置有第三和第四接地电极焊盘8a2、8b2。第三接地电极焊盘8a2与构成第一信号电极7a的终端部的第一终端电极焊盘7a4相邻地设置，第四接地电极焊盘8b2与构成第二信号电极7b的终端部的第二终端电极焊盘7b4相邻地设置。第三和第四接地电极焊盘8a2、8b2经由短路图案8c2彼此连接。
如以上所说明，本实施方式的光调制元件1G在第一和第二相互作用部MZ1、MZ2的附近区域NZ没有设置接地电极，但在位于附近区域NZ的外侧的第一和第二信号电极7a、7b的输入部和终端部的附近设置有接地电极，因此，能够降低50GHz以上的高频下的辐射损耗。从而，能够提供高频特性良好的光调制元件。
图10是表示本发明的第八实施方式的光调制元件的结构的概略平面图。
如图10所示，该光调制元件1H的特征在于，具有由马赫曾德尔光调制元件的4个相互作用部排列而得的四通道阵列结构，使用4个相互作用部MZ1、MZ2、MZ3、MZ4进行偏振复用正交相位调制(DP-QPSK)。因此，第一和第二相互作用部MZ1、MZ2构成第一IQ调制器，第三和第四相互作用部MZ3、MZ4构成第二IQ调制器，各个输出经由偏振复用波导10h输出。各个相互作用部MZ1～MZ4的结构与图1所示的光调制元件1A的单个相互作用部MZ同样。
本实施方式中也是，在第一至第四相互作用部MZ1、MZ2、MZ3、MZ4的附近区域NZ没有设置接地电极，尤其是在属于不同相互作用部且彼此相邻的第二信号电极7b与第一信号电极7a之间的通道间区域也没有设置接地电极。在将光调制元件进行了小型化和复用化的情况下，在通道间区域难以确保具有足够宽度或者面积的接地电极，大小不够大的接地电极反而成为导致高频特性恶化的原因。但是，在本实施方式那样省略接地电极的情况下，即使将光调制元件小型化，高频特性也不会恶化，光调制元件的复用化也较为容易。
另一方面，在离开第一至第四相互作用部MZ1、MZ2、MZ3、MZ4的附近区域NZ的第一和第二信号电极7a、7b的输入部和终端部的附近设置有接地电极。具体而言，在远离第一至第四相互作用部MZ1、MZ2、MZ3、MZ4的第一和第二信号电极7a、7b的输入部的附近，设置有第一和第二接地电极焊盘8a1、8b1。第一接地电极焊盘8a1与构成第一信号电极7a的输入部的第一信号电极焊盘7a3相邻地设置，第二接地电极焊盘8b1与构成第二信号电极7b的输入部的第二信号电极焊盘7b3相邻地设置。
另外，与第一和第二信号电极7a、7b的输入部同样地，在远离第一至第四相互作用部MZ1、MZ2、MZ3、MZ4的第一和第二信号电极7a、7b的终端部的附近，设置有第三和第四接地电极焊盘8a2、8b2。第三接地电极焊盘8a2与构成第一信号电极7a的终端部的第一终端电极焊盘7a4相邻地设置，第四接地电极焊盘8b2与构成第二信号电极7b的终端部的第二终端电极焊盘7b4相邻地设置。第三和第四接地电极焊盘8a2、8b2经由短路图案8c2与彼此连接。
如以上所说明，本实施方式的光调制元件1H在第一至第四相互作用部MZ1、MZ2、MZ3、MZ4的附近区域NZ没有设置接地电极，但在离开附近区域NZ的第一和第二信号电极7a、7b的输入部和终端部的附近设置有接地电极，因此，能够降低50GHz以上的高频下的辐射损耗。从而，能够提供高频特性良好的光调制元件。
图11是表示本发明的第九实施方式的光调制元件的结构的概略平面图。
如图11所示，该光调制元件1I的特征在于，在图10所示的四通道阵列结构的光调制元件中，将第一至第四相互作用部MZ1～MZ4通过直线部和弯曲部的组合而构成。即，是第六实施方式与第八实施方式组合的方式。
在本实施方式中，各通道的输出未被合束而是单独输出。因此，马赫曾德尔光波导10具有第一至第四输出波导10o1、10o2、10o3、10o4。
如上所述，在多通道结构中光波导具有弯曲部的情况下，串扰的问题较为显著。但是，由于在信号电极附近没有设置接地电极，因此能够降低串扰。
以上对本发明优选的实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述的实施方式，可以在不脱离本发明主旨的范围内进行各种变更，当然这些也包含于本发明的范围内。
例如，在上述实施方式中，在离开相互作用部MZ的附近区域NZ的第一和第二信号电极7a、7b的输入部和终端部双方的附近设置有接地电极，但并不必须设置于双方，也可以仅在输入部和终端部中的任一方的附近设置接地电极。
另外，上述实施方式中举出了具有由基板2上外延生长的铌酸锂膜形成的一对光波导的光调制元件，但本发明不限定于这种结构，也可以通过钛酸钡、钛酸锆酸铅等电光材料形成光波导。不过，通过铌酸锂膜形成的光波导能够将光波导的宽度形成得较窄，于是接地电极的布局的问题较为显著，本发明的效果较大。另外，作为波导层3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，在图1等中，为方便起见表示了将信号电极弯曲成直角而得到的引出部的结构，但不限定于这些，从高频特性的观点来看，也可以使用将信号电极弯曲成圆弧状而得到的引出部等。此外，将信号电极弯曲成圆弧状时的曲率能够根据信号电极的宽度等适当设定。
附图标记说明
1A～1I光调制元件
2基板
3波导层
3r脊部
4保护层
5缓冲层
6电极层
7a第一信号电极
7b第二信号电极
7a1、7a2第一信号电极的引出部
7a3第一信号电极焊盘
7a4第一终端电极焊盘
7b第二信号电极
7b1、7b2第二信号电极的引出部
7b3第二信号电极焊盘
7b4第二终端电极焊盘
8a1第一接地电极焊盘
8b1第二接地电极焊盘
8a2第三接地电极焊盘
8b2第四接地电极焊盘
8c1～8c6短路图案
8d1～8d4接触插塞
9a第一偏置电极
9a1第一偏置电极的一端
9b第二偏置电极
9b1第二偏置电极的一端
10马赫曾德尔光波导
10a第一光波导
10b第二光波导
10c分束部
10d合束部
10e1第一直线部
10e2第二直线部
10e3第三直线部
10f1第一弯曲部
10f2第二弯曲部
10g移相器
10i输入波导
10o输出波导
12终端电阻
20A、20B光调制元件
21蓝宝石基板
22a、22b光波导
23缓冲层
24a、24a1、24a2信号电极
24b接地电极
200驱动电路
300终端器
D0电极分离区域
D1a、D1b附近区域
MZ相互作用部
MZ1第一相互作用部
MZ2第二相互作用部
MZ3第三相互作用部
MZ4第三相互作用部
NZ相互作用部的附近区域

Claims (12)

1.一种光调制元件，其特征在于，包括：
基板；和
设置在所述基板上的至少一个相互作用部，
所述相互作用部包括：
形成在所述基板上的彼此相邻的第一和第二光波导；和
与所述第一和第二光波导对置地设置，被施加差动信号的第一和第二信号电极，
在所述相互作用部的附近区域没有配置接地电极，
在与所述第一和第二信号电极电连接的输入部和终端部的至少一者的附近配置有接地电极。
2.根据权利要求1所述的光调制元件，其中，
所述输入部具有第一和第二信号电极焊盘，
所述接地电极包括与所述第一信号电极焊盘相邻的第一接地电极焊盘和与所述第二信号电极焊盘相邻的第二接地电极焊盘。
3.根据权利要求2所述的光调制元件，其中，
所述第一接地电极焊盘与所述第二接地电极焊盘电连接。
4.根据权利要求3所述的光调制元件，其中，
所述第一接地电极焊盘与所述第二接地电极焊盘经由所述基板上的第一短路图案电连接。
5.根据权利要求2～4中任一项所述的光调制元件，其中，
所述第一接地电极焊盘与所述第二接地电极焊盘经由对所述第一和第二信号电极焊盘施加所述差动信号的驱动电路内的接地线电连接。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的光调制元件，其中，
所述终端部具有第一和第二终端电极焊盘，
所述接地电极包括与所述第一终端电极焊盘相邻的第三接地电极焊盘和与所述第二终端电极焊盘相邻的第四接地电极焊盘。
7.根据权利要求6所述的光调制元件，其中，
所述第三接地电极焊盘与所述第四接地电极焊盘经由所述基板上的第二短路图案电连接。
8.根据权利要求6或者7所述的光调制元件，其中，
所述第三接地电极焊盘经由所述基板上的第三短路图案与所述第一接地电极焊盘连接，
所述第四接地电极焊盘经由所述基板上的第四短路图案与所述第二接地电极焊盘连接。
9.根据权利要求6～8中任一项所述的光调制元件，其中，
所述第三接地电极焊盘与所述第四接地电极焊盘经由与所述第一和第二终端电极焊盘连接的终端器内的接地线电连接。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的光调制元件，其中，
所述相互作用部的附近区域是从所述相互作用部的中心起的、所述第一光波导与所述第二光波导的间隔的5倍以下范围内的区域。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的光调制元件，其中，
所述基板是单晶基板，
所述第一和第二光波导由脊状地形成在所述基板上的铌酸锂膜构成。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的光调制元件，其中，
所述相互作用部包括：
波导层，其包含所述第一和第二光波导且形成在所述基板的主面；
缓冲层，其至少形成在所述第一和第二光波导的上表面；和
电极层，其包含所述第一和第二信号电极且形成在所述缓冲层的上表面，
所述第一和第二信号电极隔着所述缓冲层与所述第一和第二光波导分别对置。
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