JP2017129834A - 光導波路素子およびこれを用いた光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】リッジ幅を狭くしてもＴＭ基本モードの伝搬損失を抑えることが可能なリッジ型光導波路素子を提供する。【解決手段】基板１と、基板１上に形成されたニオブ酸リチウム膜からなる導波層２とを備える。導波層２は、所定の厚さを有するスラブ部４と、スラブ部４から突出したリッジ部３とを有する。スラブ部４の厚さは、リッジ部３を伝搬する光の波長の０．４倍未満である。これによれば、ＴＥスラブモードの実効屈折率が十分に低下することから、ＴＭ基本モードとＴＥスラブモードとの結合が少なくなる。これにより、ＴＭ基本モードの伝搬損失を抑えることが可能となる。【選択図】図２

Description

本発明は、光通信および光計測分野において用いられる光導波路素子および光変調器に関し、特に、リッジ構造を有する光導波路素子およびこれを用いた光変調器に関する。

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。

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光変調方式が使われている。

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光変調器が実用化されている。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。

これに対して、特許文献１〜３には、サファイア単結晶基板上にエピタキシャル成長により膜厚が２μｍ以下のｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜を形成し、ニオブ酸リチウム膜をリッジ型に加工してなるリッジ型光導波路を用いたマッハツェンダ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、低駆動電圧化を実現している。

特開２０１４−６３４８号公報 特開２０１４−１４２４１１号公報 特開２０１５−１４７１６号公報

図３０は、従来のリッジ型光導波路素子４００の断面図である。光導波路素子４００は、基板１と、基板１上に形成されたニオブ酸リチウム膜からなる導波層２とを備え、導波層２はリッジ部３を有している。リッジ部３は、リッジ幅Ｗおよび厚さＴ１を有する突出部である。リッジ部３の両側に位置するスラブ部４の厚さはＴ２（＜Ｔ１）である。

従来のリッジ型光導波路素子４００では、ＴＭ基本モードの伝搬損失が高いという問題があった。従来のリッジ型光導波路においてＴＭ基本モードの伝搬損失が高くなる原因は、ＴＥ高次モードへの結合である。高次モードとは、例えば、図３０においてリッジ部３の外側に位置するスラブ部４に伝搬するモードであり、リッジ部３に拘束されない導波モードである。したがって、ＴＭ基本モードとＴＥ高次モードとの結合を抑制することにより、ＴＭモードの伝搬損失を低くすることができる。

また、従来のリッジ型光導波路素子４００では、リッジ幅Ｗを狭くするとＴＭ基本モードの伝搬損失が高くなるという問題があった。

さらに、リッジ部３の形状によっては、形状の僅かなばらつきによって伝搬損失が急激に高くなることがあった。このような場合、作製ばらつきに起因して伝搬損失が高くなるおそれがある。

したがって、本発明の目的は、ＴＭ基本モードとＴＥ高次モードとの結合を抑制することによって、ＴＭ基本モードの伝搬損失が抑えられたリッジ型の光導波路素子およびこれを用いた光変調器を提供することである。

本発明の他の目的は、リッジ幅Ｗを狭くしてもＴＭ基本モードの伝搬損失を抑えることが可能なリッジ型の光導波路素子およびこれを用いた光変調器を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、作製ばらつきの影響を受けることなく、低い伝搬損失を安定的に得ることが可能なリッジ型の光導波路素子およびこれを用いた光変調器を提供することである。

本発明者らが鋭意検討した結果、従来のリッジ型光導波路においてＴＭ基本モードの伝搬損失が高くなる原因は、ＴＭ基本モードとＴＥスラブモードが結合するためであることが分かった。ここで、ＴＭモードとは電界の主要成分が基板１の主面に対して垂直方向（図３０では縦方向）であるモードであり、ＴＥモードとは電界の主要成分が基板１の主面と平行方向（図３０では横方向）にあるモードである。基本モードとは電界の主要成分がリッジ部３の領域にあり、かつ、電界強度の極大が１点であるモードである。高次モードとは基本モード以外のモードであり、例えば、スラブモードがある。スラブモードとは電界の主要成分がスラブ部４にあるモードである。簡略のため、ＴＭモードかつ基本モードであるモードをＴＭ基本モード、ＴＥモードかつ基本モードであるモードをＴＥ基本モードと呼ぶ。また、ＴＥモードかつスラブモードであるモードをＴＥスラブモード、ＴＭモードかつスラブモードであるモードをＴＭスラブモード、と呼ぶ。なお、ｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜では、ＴＭ基本モードの電気光学効果は、ＴＥ基本モードの電気光学効果の約３倍と大きく、通常、ＴＭ基本モードを利用する。

ＴＥスラブモードへの結合を減らすためには、ＴＭ基本モードの実効屈折率よりもＴＥスラブモードの実効屈折率が低くなるよう、形状を工夫すればよい。本発明はこのような技術的知見に基づくものであり、本発明による光導波路素子は、基板と、前記基板上に形成されたニオブ酸リチウム膜からなる導波層とを備え、前記導波層は、所定の厚さを有するスラブ部と、前記スラブ部から突出したリッジ部とを有し、前記スラブ部の最大厚さは、前記リッジ部を伝搬する光の波長の０．０５倍以上、０．４倍未満であることを特徴とする。

本発明によれば、ＴＥスラブモードの実効屈折率が十分に低下することから、ＴＭ基本モードとＴＥスラブモードの結合が少なくなる。これにより、ＴＭ基本モードの伝搬損失を抑えることが可能となる。また、本発明による光導波路素子を光導波路に応用した場合、ＶπＬの値を良好な範囲とすることが可能となる。

本発明において、前記リッジ部の幅は前記波長の０．１倍以上かつ１．０倍未満であることが好ましい。これによれば、リッジ部に光を閉じこめたシングルモードの光導波路素子を提供することが可能となる。

本発明において、前記スラブ部の厚さは実質的に一定であっても構わない。これによれば、導波層の加工が複雑となることがない。

本発明において、前記リッジ部の厚さは前記リッジ部を伝搬する光の波長の０．５倍以上かつ２．０倍以下であることが好ましい。これによれば、マルチモード化を防止しつつ、リッジ部に効率よく光を閉じ込めることができる。

本発明において、前記リッジ部の側面は、傾斜角が７０°以上であることが好ましい。このことは、リッジ部の側面が必ずしも完全な垂直である必要がないことを意味し、傾斜を有している場合であっても、傾斜角が７０°以上であれば所望の特性を確保することが可能である。

本発明において、前記スラブ部は、前記リッジ部の両側に位置し、前記リッジ部から離れるにつれて膜厚が薄くなる傾斜部を含んでいても構わない。これによれば、多少の作製ばらつきが生じても伝搬損失が急激に変化することがないことから、作製ばらつきの影響を受けることなく、低い伝搬損失を安定的に得ることが可能となる。

この場合、前記傾斜部の最大膜厚は前記リッジ部を伝搬する光の波長の０．１倍以上かつ０．３７倍以下であることが好ましく、前記リッジ部の幅は前記リッジ部を伝搬する光の波長の０．３倍以上かつ１．２倍未満であることが好ましく、前記リッジ部の膜厚は前記リッジ部を伝搬する光の波長の０．５倍以上かつ２．０倍以下であることが好ましい。これらによれば、混在モード化を防止しつつ、低い伝搬損失で、リッジ部に効率よく光を閉じ込めることができる。ここで、混在モードとは、ＴＭモードとＴＥモードとが混在してしまうモードである。混在モードになると、光ファイバとの結合損失が高くなるという問題があり、また、光変調器に適用した場合は、消光比が低下し、挿入損失が増加、ＶπＬが高くなるという問題が生じてしまう。したがって、ほぼ純粋なＴＭモードを伝搬させることが必要である。

さらに、本発明による光変調器は、上述した本発明の特徴を有する光導波路素子を構成する光導波路を少なくとも一部に用いたことを特徴とする。本発明による高性能な光導波路素子を用いて光変調器を構成した場合には、挿入損失が低く、かつ、消光比が高い光変調器を実現することができる。

本発明によれば、ＴＭ基本モード（ｍ＝０モード）とＴＥ高次モード（ＴＥスラブモード、ＴＥのｍ＝１モード）の結合を抑制できることから、低伝搬損失を安定的に得ることが可能な光導波路素子およびこれを用いた光変調器を提供することが可能となる。

また、作製ばらつきの影響を受けることなく、低い伝搬損失を安定的に得ることが可能な光導波路素子およびこれを用いた光変調器を提供することが可能となる。

また、本発明による光導波路素子を用いることにより、挿入損失が低く、ＶπＬが低い光変調器を提供することが可能となる。

図１は、本発明の実施形態による光導波路素子１００の構成を示す平面図である。 図２は、図１に示した光導波路素子１００のＡ−Ａ'線の断面図であり、第１の実施形態による光導波路素子１００Ａの構造を示している。 図３は、第１の変形例による光導波路素子１０１Ａの断面図である。 図４は、第２の変形例による光導波路素子１０２Ａの断面図である。 図５は、第３の変形例による光導波路素子１０３Ａの断面図である。 図６は、本発明の実施形態によるマッハツェンダ型の光変調器２００Ａの平面図である。 図７は、図７に示した光変調器２００ＡのＢ−Ｂ'線の断面図である。 図８は、図１に示した光導波路素子１００のＡ−Ａ'線の断面図であり、第２の実施形態による光導波路素子１００Ｂの構造を示している。 図９は、リッジ部３の形状のバリエーションを示す断面図である。 図１０は、傾斜部４ｂの形状のバリエーションを示す断面図である。 図１１は、光導波路素子１００Ｂの伝搬モードの光の強度分布を示す図である。 図１２は、２段リッジ構造を有する光導波路素子３００の断面図である。 図１３は、図１２に示す光導波路素子３００の特性を示すグラフである。 図１４は、光導波路素子１００Ｂの製造方法を説明するための工程図である。 図１５は、本発明の実施形態によるマッハツェンダ型の光変調器２００Ｂの平面図であり、（ａ）は光導波路のみ図示し、（ｂ）は電極を含めた光変調器２００Ｂの全体を図示している。 図１６は、図１５（ｂ）に示すＢ−Ｂ'線に沿った断面図である。 図１７は、マルチモード干渉分岐導波路１５０の特性の一例を示すグラフである。 図１８は、変形例による光導波路素子１０１Ｂの構成を示す平面図である。 図１９は、別の例による光変調器２００Ｃの平面図であり、図１９（ａ）は光導波路のみ図示し、図１９（ｂ）は進行波電極を含めた光変調器２００Ｃの全体を図示している。 図２０は、実施例１のデータを示すグラフである。 図２１は、実施例２のデータを示すグラフである。 図２２は、実施例３のデータを示すグラフである。 図２３は、実施例４のデータを示すグラフである。 図２４は、実施例５のデータを示すグラフである。 図２５は、実施例６のデータを示すグラフである。 図２６は、実施例７のデータを示す表である。 図２７は、実施例８のデータを示す表である。 図２８は、実施例９のデータを示す表である。 図２９は、実施例１０のデータを示すグラフである。 図３０は、従来のリッジ型光導波路素子４００の断面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本発明の対象は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれると共に、その構成要素は、適宜組み合わせることが可能である。また説明図は模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係は、本実施形態の効果が得られる範囲内で実際の構造とは異なっていても良いこととする。

図１は、本発明の実施形態による光導波路素子１００の構成を示す平面図である。光導波路素子１００は光導波路１０を有し、入力側１１から入射した光は光導波路１０を伝搬した後、出力側１２から出射する。

図２は、図１に示した光導波路素子１００のＡ−Ａ'線の断面図であり、第１の実施形態による光導波路素子１００Ａの構造を示している。第１の実施形態による光導波路素子１００Ａは、基板１と、基板１上に形成された導波層２とを備え、導波層２は断面がリッジ形状（凸形状）を有するリッジ部３からなる光導波路１０を有している。リッジ部３は、リッジ幅Ｗ１および厚さＴ１を有する突出部であり、図２に示す例では、リッジ部３の側面が基板１に対してほぼ垂直である。導波層２はさらに、光導波路１０の形成領域の外側の領域であって、リッジ部３ではない厚さＴ２のスラブ部４を有している。本実施形態においては、スラブ部４が実質的に厚さの一定な平坦部のみからなる。

導波層２はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）を主成分とする。ニオブ酸リチウムは大きな電気光学定数を有し、光変調器等の光学デバイスの構成材料として最も好適である。導波層２を構成する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。

スラブ部４の厚さＴ２は、ＴＭ基本モードの実効屈折率が、ＴＥスラブモードの実効屈折率よりも大きくなるよう設定される。

具体的には、リッジ部３を伝搬する光の波長をλとした場合、
０．０５≦Ｔ２／λ＜０．４
を満たすようスラブ部４の厚さＴ２を薄くすれば、リッジ幅Ｗ１をある程度狭くしても、ＴＥスラブモードの実効屈折率をＴＭ基本モードの実効屈折率よりも小さくすることができる。ＴＥスラブモードの実効屈折率がＴＭ基本モードの実効屈折率よりも小さい場合、ＴＥスラブモードとの結合が大幅に減少することから、ＴＭ基本モードの伝搬損失が小さくなる。

本実施形態においては、スラブ部４の厚さＴ２は実質的に一定である。つまり、リッジ部３の形状は単純な１段リッジ形状である。これは、２段以上の複雑なリッジ形状を得るためには、複雑な加工作業が必要となるからである。尚、断面で見た場合にリッジ部の根元から図中の左右スラブ部へ延びるなだらかなテーパー形状が残留している構造は、後述する第２の実施形態において説明する。

また、リッジ部３のリッジ幅Ｗ１は、
０．１≦Ｗ１／λ＜１．０
であることが好ましい。リッジ幅Ｗ１が上記の条件を満たせば、光導波路素子１００Ａを実質的にシングルモードで動作させることができるとともに、リッジ部３に光を十分に閉じこめることができる。逆に、リッジ幅Ｗ１が０．１λ未満であると、リッジ部３への光の閉じこめが不十分となることがあり、リッジ幅Ｗ１が１λ以上であると、マルチモード化することがある。

尚、リッジ幅Ｗ１を狭くすると、ＴＭ基本モードの実効屈折率が低下することから、スラブ部４の厚さＴ２をより薄くする必要がある。このことは、
０．０５≦Ｔ２／λ＜０．４
の関係を満たせば、常にＴＭ基本モードの実効屈折率がＴＥスラブモードの実効屈折率を上回るわけではなく、リッジ幅Ｗ１が狭い場合にはＴ２／λの値をより小さくする必要があることを意味する。

一方、リッジ部３の厚さＴ１は、
０．５≦Ｔ１／λ≦２．０
であることが好ましく、さらに、望ましくは、
０．６≦Ｔ１／λ≦１．５
である。これは、リッジ部３が薄すぎると、導波層２への光の閉じ込めが弱くなり、光導波路として機能しなくなるおそれがあるからであり、また、リッジ部３が厚すぎると、加工が困難になるとともに、マルチモードになり易くなるためである。

基板１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。

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、そろ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軸およびＺ軸方向にともにそろ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。

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。

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そろ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。ＬｉＮｂＯ_３は三方晶系の結晶構造であるため、単結晶におけるＬｉＮｂＯ_３（０１４）の極点は３つとなる。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。

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のが望ましい。ｃ軸が単結晶基板の主面に垂直に配向されていると、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Ｙ_２Ｏ_３を用いると、高品質のニオブ酸リチウム膜を形成できる。

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。

図３は、第１の変形例による光導波路素子１０１Ａの断面図である。図３に示す光導波路素子１０１Ａは、リッジ部３の側面が基板１に対して完全な垂直ではなく、所定の傾斜角θＡを有している点において、図２に示した光導波路素子１００Ａと相違している。その他の構成は、図２に示した光導波路素子１００Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

リッジ部３がこのような台形形状を有している場合、リッジ部３の上面における幅をリッジ幅Ｗ１と定義する。傾斜角θＡはより９０°に近いことが好ましいが、少なくとも７０°以上であれば足りる。傾斜角θＡが７０°以上であれば、リッジ幅Ｗ１を適切に設計することにより、ＴＥモードが混在しない純粋なＴＭモードを得ることが可能となる。これに対し、傾斜角θＡが７０°未満であると、リッジ幅Ｗ１をどのように設定しても、ＴＥモードが混在しない純粋なＴＭモードを得ることは困難となる。

図４は、第２の変形例による光導波路素子１０２Ａの断面図である。図４に示す光導波路素子１０２Ａは、スラブ部４の幅が基板１の幅よりも狭く、これにより、基板１の一部がスラブ部４に覆われることなく露出している点において、図３に示した光導波路素子１０１Ａと相違している。その他の構成は、図３に示した光導波路素子１０１Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図４に示す第２の変形例が例示するように、本発明においてスラブ部４の幅が基板１の幅と一致していることは必須でなく、基板１の一部がスラブ部４に覆われることなく露出していても構わない。

図５は、第３の変形例による光導波路素子１０３Ａの断面図である。図５に示す光導波路素子１０３Ａは、リッジ部３の近傍においてスラブ部４の膜厚Ｔ２が若干薄くなっている点において、図３に示した光導波路素子１０１Ａと相違している。その他の構成は、図３に示した光導波路素子１０１Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

このような形状は、導波層２のエッチング条件などによって得られることがある。図５に示す第３の変形例が例示するように、本発明においてスラブ部４の厚さＴ２が完全に一定であることは必須でなく、位置によって厚さＴ２にある程度の差があっても構わない。このような場合、スラブ部４の最大厚さを厚さＴ２と定義する。

図６は、本発明の実施形態によるマッハツェンダ型の光変調器２００Ａの平面図である。光変調器２００Ａは、光導波路１０で形成されたマッハツェンダ干渉計に、電圧を印加して光導波路１０内を伝搬する光を変調するデバイスである。光導波路１０は、２本の光導波路１０ａ、１０ｂに分岐され、光導波路１０ａ、１０ｂ上には、それぞれ１本ずつ、すなわち、２本の第１電極７ａ、７ｂが設けられていて、デュアル電極構造となっている。

図７は、図６に示した光変調器２００ＡのＢ−Ｂ'線の断面図である。なお光変調器２００ＡのＡ−Ａ'線の断面図は図２に示した光導波路素子１００Ａの断面図と同じである。本実施形態では、基板１としてサファイア基板を用い、その主面に導波層２となるニオブ酸リチウム膜が形成されている。導波層２はリッジ部３からなる光導波路１０ａ、１０ｂを有している。光導波路１０ａを構成するリッジ部３上にはバッファ層５を介して第１電極７ａが形成されており、光導波路１０ｂに対応するリッジ部３上にはバッファ層５を介して第１電極７ｂが形成されている。第２電極８ａ、８ｂ、８ｃは、第１電極７ａ、７ｂを介して互いに離間して設けられており、導波層２のスラブ部４の上面と接して形成されている。誘電体層６は、バッファ層５の下面とリッジ部３の側面に接するように形成されている。

光変調器２００Ａの動作原理について説明する。図６において、２本の第１電極７ａ、７ｂと、第２電極８ａ、８ｂ、８ｃを終端抵抗９で接続して、進行波電極として機能させる。第２電極８ａ、８ｂ、８ｃを接地電極とし、２本の第１電極７ａ、７ｂに対して絶対値が同じで正負の異なる位相がずれていない、いわゆる相補信号を光変調器２００Ａの第１電極７ａ、７ｂの入力側１５ａ、１５ｂから入力する。ニオブ酸リチウム膜は電気光学効果を有しているので、光導波路１０ａ、１０ｂに与えられる電界によって光導波路（１０ａ、１０ｂ）の屈折率がそれぞれ＋Δｎ、−Δｎのように変化し、光導波路（１０ａ、１０ｂ）間の位相差が変化する。この位相差の変化により光変調器２００Ａの出射側の光導波路１０ｃから強度変調された信号光が出力側１２に出力される。

光導波路１０ａ、１０ｂ、１０ｃにおける導波層２の形状は、図２を用いて説明した形状と同じである。つまり、リッジ部３を有し、リッジ部３を伝搬する光の波長をλとした場合、
０．０５≦Ｔ２／λ＜０．４
を満たすよう、スラブ部４の厚さＴ２が薄く設定されている。これにより、ＴＭ基本モードの実効屈折率をＴＥスラブモードの実効屈折率よりも大きくすることができることから、ＴＭ基本モードの伝搬損失を低減することが可能となる。

また、スラブ部４の厚さＴ２が０．０５λ未満であると、第１電極７ａ、７ｂと第２電極８ａ、８ｂ、８ｃとの間に電圧を印加しても、リッジ部３に印加される電界が弱くなり、光を十分に変調することが困難になる。これは、ＶπＬの値が悪化することを意味する。

さらに、リッジ幅Ｗ１は、
０．１≦Ｗ１／λ＜１．０
であることが好ましい。これにより、光変調器２００Ａを実質的にシングルモードで動作させることができるとともに、リッジ部３に光を十分に閉じこめることができる。

以上説明したように、本実施形態による光導波路素子１００Ａおよび光変調器２００Ａは、スラブ部４の厚さＴ２が０．０５λ以上、０．４λ未満に設定されていることから、ＴＭ基本モードの実効屈折率をＴＥスラブモードの実効屈折率よりも大きくすることができる。これにより、ＴＥスラブモードとの結合が低減することから、ＴＭ基本モードの伝搬損失を低減することが可能となる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

図８は、図１に示した光導波路素子１００のＡ−Ａ'線の断面図であり、第２の実施形態による光導波路素子１００Ｂの構造を示している。光導波路素子１００Ｂは、スラブ部４が平坦部４ａと傾斜部４ｂを含む点において、図２に示した第１の実施形態による光導波路素子１００Ａと相違している。その他の構成は、図２に示した第１の実施形態による光導波路素子１００Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

平坦部４ａは厚さがほぼ一定である領域であり、平坦部４ａにおけるスラブ部４の膜厚はＴ３である。また、傾斜部４ｂは、リッジ部３から離れるにつれて膜厚が薄くなる部分であり、その最大膜厚はＴ２である。したがって、本実施形態においては、傾斜部４ｂの最大膜厚はＴ２がスラブ部４の最大膜厚となる。

本実施形態においては、リッジ部３の幅（リッジ幅）Ｗ１は、
０．３≦Ｗ１／λ≦１．２
であることが好ましい。リッジ幅Ｗ１が上記の条件を満たせば、傾斜部４ｂの最大膜厚Ｔ２を適切に設定することで、ＴＭモードとＴＥモードが混在する混在モードにならず、ほぼ純粋なＴＭモードとして導波させることができる。これに対し、リッジ幅Ｗ１が０．３λ未満であると、リッジ部３への光の閉じこめが不十分となり、リッジ幅Ｗ１が１．２λを超えると、ＴＥのｍ＝１モードの主成分が傾斜部４ｂではなく、リッジ部３に存在するようになり、傾斜部４ｂの最大膜厚Ｔ２を変化させても、混在モードを回避できなくなる。

また、本実施形態においても、リッジ部３の膜厚Ｔ１は、
０．５≦Ｔ１／λ≦２．０
であることが好ましく、
０．６≦Ｔ１／λ≦１．５
であることがより好ましい。これは、リッジ部３の膜厚が薄すぎると、リッジ部３への光の閉じ込めが弱くなり、光導波路として機能しなくなるおそれがあるからであり、また、リッジ部３の膜厚が厚すぎると、加工が困難になるためである。

リッジ部３の形状としては、側面が基板１に対して垂直であり、上面が基板１に対して水平であることが理想的であるが、本発明がこれに限定されるものではない。したがって、図９（ａ）に示すように、リッジ部３の角部が面取りされた形状を有していても構わないし、図９（ｂ）に示すように、リッジ部３の側面が傾斜していても構わない。図９（ａ）に示す形状のように、平面位置によってリッジ部３の膜厚Ｔ１が相違する場合は、その最大値を膜厚Ｔ１と定義する。また、図９（ａ），（ｂ）に示す形状のように、高さ位置によってリッジ部３の幅Ｗ１が相違する場合は、その平均値を幅Ｗ１と定義する。

一方、傾斜部４ｂは、リッジ部３から離れるにつれて膜厚が薄くなる領域であって、傾斜角θＢが４５°以下の領域を差す。したがって、図８に示すように、傾斜角θＢが一定であっても構わないし、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、リッジ部３から離れるにつれて傾斜角θＢが連続的又は段階的に小さくなっても構わない。傾斜角θＢが４５°を超える領域は、リッジ部３に属するものと定義する。したがって、図１０（ｂ）に示すように、リッジ部３から離れるにつれて傾斜角θＢが小さくなる形状であって、リッジ部３の近傍において傾斜角θＢが４５°を超える形状を有している場合には、傾斜角θＢが４５°となる水平位置をリッジ部３と傾斜部４ｂの境界と定義し、この部分における膜厚を傾斜部４ｂの最大膜厚Ｔ２とする。

平坦部４ａは、スラブ部４のうち膜厚がほぼ一定な領域であり、その膜厚Ｔ３は、
Ｔ３／λ＜０．３７
であることが好ましい。これによれば、リッジ幅Ｗ１をある程度狭くしても、ＴＥスラブモードの実効屈折率をＴＭ基本モードの実効屈折率よりも小さくすることができる。ＴＥスラブモードの実効屈折率がＴＭ基本モードの実効屈折率よりも小さい場合、ＴＥスラブモードとの結合が大幅に減少することから、ＴＭ基本モードの伝搬損失が小さくなる。

傾斜部４ｂの最大膜厚Ｔ２と平坦部４ａの膜厚Ｔ３との差は、
Ｔ２＞Ｔ３
であれば、特に限定されないが、
Ｔ２−Ｔ３≧０．０５μｍ
であることが望ましい。

また、傾斜部４ｂの幅Ｗ２については特に限定されないが、通常は０．５μｍ〜５０μｍの範囲である。

本実施形態による光導波路素子１００Ｂは、リッジ部３と平坦部４ａの間に傾斜部４ｂが存在するため、ＴＭのｍ＝０モードとＴＥのｍ＝１モードなどの高次モードが混在した混在モードになりやすい。混在モード化すると、消光比の低下、挿入損失の増加、ＶπＬの上昇という問題が生じる。混在モードになる原因は、ＴＭのｍ＝０モードの実効屈折率とＴＥのｍ＝１などの高次モードの実効屈折率がほぼ等しくなる条件が生じるためである。

混在モード化を防止するためには、傾斜部４ｂの最大膜厚Ｔ２を
０．１≦Ｔ２／λ≦０．３７
の範囲に設計することが好ましい。傾斜部４ｂの最大膜厚Ｔ２をこの範囲に設計すれば、ＴＭのｍ＝０モードの実効屈折率よりもＴＥのｍ＝１などの高次モードの実効屈折率が低くなることから、混在モードとならず、ほぼ純粋なＴＭモードとして導波できる。

図１１は、光導波路素子１００Ｂの導波モードの光の強度分布を示す図であり、（ａ）はｍ＝０モードの強度分布を示し、（ｂ）はｍ＝１モードの強度分布を示している。

導波モードには、電界の主要成分が縦方向であるＴＭモード、縦方向であるＴＥモードがあり、ＴＭのｍ＝０モード、ＴＥのｍ＝０モード、ＴＭのｍ＝１モード、ＴＥのｍ＝１モードの少なくとも４つの導波モードが存在している。ニオブ酸リチウム膜は複屈折材料であり、ｃ軸配向の場合、電界の縦方向の屈折率ｎｅ（異常光の屈折率）は、電界の横方向の屈折率ｎｏ（常光の屈折率）より低くなる。通常、ｍ＝０モードの実効屈折率は、ｍ＝１モードの実効屈折率より高いが、この複屈折性より、ＴＭのｍ＝０モードの実効屈折率とＴＥのｍ＝１モードの実効屈折率がほぼ等しくなり、混在モードになる場合が発生する。

図１１に示すように、本実施形態による光導波路素子１００Ｂにおいては、ＴＭのｍ＝０モードの成分についてはリッジ部３に閉じこめられ、ＴＥのｍ＝１モードの成分については傾斜部４ｂに閉じこめられていることが分かる。このように、ＴＥのｍ＝１モードの成分が狭い傾斜部４ｂに閉じこめられていることから、ＴＥのｍ＝１モードの成分が大きく広がることはない。

本発明者らの一部は、ＴＭ基本モードとＴＥスラブモードとの結合を抑制する方法について鋭意検討した結果、図１２に示す２段リッジ構造を提案し、２０１４年６月６日に日本国へ特許出願を行った（特開２０１５−２３０４６６号公報参照）。２段リッジ構造とは、膜厚Ｔ１ａである部分と、その両側に位置する膜厚Ｔ１ｂ（＜Ｔ１ａ）である部分を有する構造である。膜厚Ｔ１ａである１段目のリッジ幅はＷ１ａであり、膜厚Ｔ１ｂである２段目のリッジ幅はＷ１ｂ（＞Ｗ１ａ）である。また、スラブ部４の膜厚はＴ２（＜Ｔ１ｂ）である。図１２に示す２段リッジ構造の光導波路素子３００によれば、ＴＭ基本モードとＴＥのスラブモードの結合が抑制され、伝搬損失の低い光導波素子を実現することができる。

しかしながら、この２段リッジ構造では、図１３に示すように２段目のリッジ幅Ｗ１ｂが所定の値になると伝搬損失が急激に高くなるため、このようなリッジ幅を避けた設計を行う必要がある。しかしながら、導波層２の実際の膜厚Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ、Ｔ２には作製時にばらつきが生じるため、低い伝搬損失が得られるリッジ幅Ｗ１ｂの値も変化してしまう。このため、作製ばらつきによっては伝搬損失が高くなるおそれがあった。

これに対し、本実施形態による光導波路素子１００Ｂは、図１２に示した２段リッジ構造のように、リッジ形状の僅かな違いによって伝搬損失が急激に変化することもない。このため、製造ばらつきに起因してリッジ部３や傾斜部４ｂの形状やサイズが設計値から多少ずれたとしても、所望の特性を確保することが可能となる。

図１４は、本実施形態による光導波路素子１００Ｂの製造方法を説明するための工程図である。

まず、図１４（ａ）に示すように、基板１の表面に導波層２を形成した後、図１４（ｂ）に示すように、リッジ部３となる部分にレジストやメタルからなるマスクＭを形成する。この状態で、イオンミリングやＲＩＥなどの方法により導波層２をエッチングする。この時、基板を回転させながら斜め方向からもエッチングを行う。これにより、マスクＭ又はリッジ部３の陰となる部分のエッチング量が少なくなることから、導波層２には図１４（ｃ）に示すような傾斜部４ｂが形成される。傾斜部４ｂの形状は、エッチングの角度などによって制御することが可能である。これにより、所望の形状を有する導波層２を備えた光導波路素子１００Ｂを作製することが可能となる。

次に、本実施形態による光導波路素子１００Ｂを用いた光変調器の一例について説明する。

図１５は、本発明の実施形態によるマッハツェンダ型の光変調器２００Ｂの平面図であり、（ａ）は光導波路のみ図示し、（ｂ）は電極を含めた光変調器２００Ｂの全体を図示している。

図１５（ａ）に示すように、光変調器２００Ｂは、マルチモード干渉分岐導波路１５０ａにより、光導波路１０が２本の光導波路１０ａ、１０ｂに分岐された後、マルチモード干渉分岐導波路１５０ｂにより、光導波路１０ｃに合波するマッハツェンダ干渉計となっている。図１５（ｂ）に示すように、光導波路１０ａ、１０ｂ上には、それぞれ１本ずつ、すなわち、２本の第１電極７ａ、７ｂが設けられていて、デュアル電極構造となっている。光変調器２００Ｂは、光導波路１０で形成されたマッハツェンダ干渉計に、電圧を印加して光導波路１０内を伝搬する光を変調するデバイスである。

図１６は、図１５（ｂ）に示すＢ−Ｂ'線に沿った断面図である。なお、図１５（ａ）に示すＡ−Ａ'線に沿った断面図は、図８に示した光導波路素子１００Ｂの断面図と同じである。

本実施形態では、基板１としてサファイア基板を用い、その主面に導波層２となるニオブ酸リチウム膜が形成されている。導波層２はリッジ部３と傾斜部４ｂからなる光導波路１０ａ、１０ｂを構成している。光導波路１０ａを構成するリッジ部３上にはバッファ層１３を介して第１電極７ａが形成されており、光導波路１０ｂに対応するリッジ部３上にはバッファ層１３を介して第１電極７ｂが形成されている。第２電極８ａ、８ｂ、８ｃは、第１電極７ａ、７ｂを介して互いに離間して設けられており、導波層２のスラブ部４の上面と接して形成されている。誘電体層１４は、バッファ層１３の下面とリッジ部３の側面に接するように形成されている。

光変調器２００Ｂの動作原理について説明する。図１５（ｂ）において、２本の第１電極７ａ、７ｂと、第２電極８ａ、８ｂ、８ｃを終端抵抗９で接続して、進行波電極として機能させる。第２電極８ａ、８ｂ、８ｃを接地電極とし、２本の第１電極７ａ、７ｂに対して絶対値が同じで正負の異なる位相がずれていない、いわゆる相補信号を光変調器２００Ｂの第１電極７ａ、７ｂの入力側１５ａ、１５ｂから入力する。ニオブ酸リチウム膜は電気光学効果を有しているので、光導波路１０ａ、１０ｂに与えられる電界によって光導波路（１０ａ、１０ｂ）の屈折率がそれぞれ＋Δｎ、−Δｎのように変化し、光導波路（１０ａ、１０ｂ）間の位相差が変化する。この位相差の変化により光変調器２００Ｂの出射側の光導波路１０ｃから変調された信号光が出力側１２に出力される。

光導波路１０ａ、１０ｂ、１０ｃにおける導波層２の形状は、図８を用いて説明した形状と同じである。すなわち、リッジ部３と、リッジ部３の両側に位置し、リッジ部３から離れるにつれて膜厚が薄くなる傾斜部４ｂと、傾斜部４ｂの両側に位置し膜厚が一定な平坦部４ａとを含む。

リッジ部３を伝搬する光の波長をλとした場合、傾斜部４ｂの最大膜厚Ｔ２、リッジ部３の幅Ｗ１、リッジ部３の膜厚Ｔ１は、以下のように設定されている。
０．１≦Ｔ２／λ≦０．３７
０．３≦Ｗ１／λ≦１．２
０．５≦Ｔ１／λ≦２．０

これらにより、混在モード化を防止しつつ、低い伝搬損失で、リッジ部に効率よく光を閉じ込めることができるので、挿入損失が低く、消光比が高く、かつＶπＬが低い光変調器を実現できる。

マルチモード干渉分岐導波路１５０は、ｍ＝０モードに対する伝搬損失よりもｍ＝１モードに対する伝搬損失が大きいという特性を有している。図１７は、マルチモード干渉分岐導波路１５０の特性の一例を示すグラフであり、横軸はマルチモード干渉分岐導波路１５０の長さＬ_ＭＭＩを示し、縦軸は信号の減衰量を示している。図１７に示すように、マルチモード干渉分岐導波路１５０の長さＬ_ＭＭＩを所定の値に設計することにより、ｍ＝０モードの成分をほとんど減衰させることなく、ｍ＝１モードの成分を大きく減衰させることが可能となる。図１７に示す例では、長さＬ_ＭＭＩを約９７μｍとすればこれを実現することができる。

したがって、このようなマルチモード干渉分岐導波路１５０を用いれば、図１５（ａ）において光導波路１０から入射した光のうち、ｍ＝０モードの成分については減衰されることなく光導波路１０ａ，１０ｂに分波される一方、ｍ＝１モードの成分についてはマルチモード干渉分岐導波路１５０によって減衰され、光導波路１０ａ，１０ｂからはｍ＝１モードの成分はほとんど出力されない。このため、ＴＭのｍ＝０モードとｍ＝１モードが伝搬するマルチモードの導波路であっても、実質的にシングルモードのように取り扱うことが可能となる。

以上説明したように、本実施形態による光導波路素子１００Ｂは、リッジ部３の両側に傾斜部４ｂを有するスラブ部４が設けられていることから、作製ばらつきに起因して伝搬損失が大きく変化することがない。これにより、作製ばらつきがあっても安定に伝搬損失が低い光導波路素子を実現できる。

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。

例えば、第２の実施形態による光導波路素子１００Ｂは、スラブ部４が平坦部４ａを備えているが、本発明においてスラブ部４が平坦部４ａを備えていることは必須でない。したがって、図１８に示す変形例による光導波路素子１０１Ｂのように、平坦部４ａを削除しても構わない。このような形状であっても、図８に示した光導波路素子１００Ｂと同様の特性を得ることが可能である。

また、上記の各実施形態では、導波層２がｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜であり、ＴＭのｍ＝０モードを導波させる場合について説明したが、ｃ軸が面内に配向している場合にも本発明は有効であることを以下に説明する。

ｃ軸が面内に配向している場合は、電気光学効果が高くなるのは、ＴＥモードとなり、ＴＥのｍ＝０モードを使うことになる。ｃ軸が面内に配向している場合は、垂直配向の場合と逆になり、電界の横方向（ｃ軸に平行）の屈折率ｎｅ（異常光の屈折率）が、電界の縦方向の屈折率ｎｏ（常光の屈折率）より低くなる。結局、面内配向の場合は、垂直配向のＴＭとＴＥを逆にした場合と同じであり、本発明は有効となる。面内配向の場合は、ＴＥのｍ＝０モードの実効屈折率とＴＭのｍ＝１モードの実効屈折率がほぼ等しくなり、混在モードになる場合が発生し、傾斜部の最大膜厚、リッジ部の幅、リッジ部の膜厚を垂直配向と同様に設定することで、混在モードを回避できる。

さらに、光導波路素子１００Ａ又は１００Ｂを用いた光変調器として、図６に示した光変調器２００Ａ及び図１５に示した光変調器２００Ｂを例示したが、本発明による光導波路素子を用いた光変調器の構造がこれらに限定されるものではない。

図１９は、別の例による光変調器２００Ｃの平面図であり、図１９（ａ）は光導波路のみ図示し、図１９（ｂ）は進行波電極を含めた光変調器２００Ｃの全体を図示している。

図１９（ａ）及び（ｂ）に示すように、この光変調器２００Ｃは、基板１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型の光導波路１０と、第１の光導波路１０ａに沿って設けられた信号電極２７と、第２の光導波路１０ｂに沿って設けられた第１の接地電極２８と、信号電極２７から見て第１の接地電極２８と反対側に設けられた第２の接地電極２９とを備えている。

マッハツェンダ型の光導波路１０は、マッハツェンダ干渉計の構造を有する光導波路である。一本の入力光導波路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を介して一本の出力光導波路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として出力光導波路１０ｏから出力される。

信号電極２７は平面視で第１及び第２の接地電極２８，２９間に位置している。信号電極２７の一端２７ｅは信号入力端であり、信号電極２７の他端２７ｇは終端抵抗２２を介して第１及び第２の接地電極２８，２９にそれぞれ接続されている。これにより、信号電極２７と第１及び第２の接地電極２８，２９はコプレーナ型進行波電極として機能する。信号電極２７及び第１の接地電極２８は二層構造であり、破線で示す信号電極２７の下層部２７ｂは第１の光導波路１０ａと平面視で重なっており、同じく破線で示す第１の接地電極２８の下層部２８ｂは第２の光導波路１０ｂと平面視で重なっている。

信号電極２７の一端２７ｅには電気信号（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光導波路１０ｏから出力される。

このように、本実施形態による光変調器２００Ｃは、１つの信号電極２７で構成されたシングル駆動型であるため、第１の接地電極２８の面積を十分に確保することができ、高周波で動作可能である。また信号電極２７を挟んで第１の接地電極２８と反対側に第２の接地電極２９を配置することで放射損失を低減でき、さらに良好な高周波特性を得ることができる。

図２に示した構造を有する光導波路素子１００Ａにおいて、スラブ部４の厚さＴ２を変化させた場合にＴＥスラブモードの実効屈折率Ｎがどのように変化するか、シミュレーションした。結果を図２０に示す。ここで、Ｎｅとはニオブ酸リチウム膜の異常光に対する屈折率である。実際のＴＭ基本モードの実効屈折率は、リッジ幅Ｗなどによって屈折率Ｎｅよりも低くなるため、Ｎ／Ｎｅの値は１が閾値となるわけではない。

図２０に示すように、波長λが１５５０ｎｍである場合および６３３ｎｍである場合のいずれにおいても、スラブ部４の厚さＴ２が薄くなるにつれてＴＥスラブモードの実効屈折率Ｎが低下することが分かった。

図２に示した構造を有する光導波路素子１００Ａを実際に作製し、リッジ幅ＷとＴＭ基本モードの伝搬損失との関係を測定した。スラブ部４の厚さＴ２は、サンプル２Ａについては０．２３λとし、サンプル２Ｂについては０．７１λとした。サンプル２Ａ，２Ｂともに、リッジ部の厚さＴ１は０．９７λ、測定波長λは１．５５μｍとした。結果を図２１に示す。

図２１に示すように、Ｔ２／λ＜０．４を満たさないサンプル２Ｂでは、リッジ幅Ｗが狭くなるにつれて伝搬損失が大幅に増加し、リッジ幅Ｗ１がλ未満になると伝搬損失は１０ｄＢ／ｃｍに達した。これに対し、Ｔ２／λ＜０．４を満たすサンプル２Ａでは、リッジ幅Ｗ１を狭くしても伝搬損失が低く抑えられ、全ての計測範囲で伝搬損失が１ｄＢ／ｃｍ未満であった。

図２に示した構造を有する光導波路素子１００Ａを実際に作製し、スラブ部４の厚さＴ２とＴＭ基本モードの伝搬損失との関係を測定した。リッジ幅Ｗは、サンプル３Ａについては０．６５λとし、サンプル３Ｂについては０．９７λとし、サンプル３Ｃについては１．６１λとした。なお、サンプル３Ａ〜３Ｃともに、リッジ部の厚さＴ１は０．９７λ、測定波長λは１．５５μｍとした。結果を図２２に示す。

図２２に示すように、リッジ幅Ｗ１がλ以上であるサンプル３Ｃでは、スラブ部４の厚さＴ２に関わらず伝搬損失が小さいが、ｍ＝１モードが伝搬してしまい、マルチモード化した。これに対し、リッジ幅Ｗ１がλ未満であるサンプル３Ａ、３Ｂはシングルモードであった。但し、リッジ幅Ｗ１の狭いサンプル３Ａ、３Ｂは、スラブ部４の厚さＴ２が０．４λ以上の領域における伝搬損失が大きい。しかしながら、スラブ部４の厚さＴ２を０．４λ未満に薄くすると伝搬損失が急激に低下し、サンプル３Ｃと同等のレベルとなった。尚、伝搬損失が急激に低下するＴ２の閾値は、リッジ幅Ｗによって若干相違する。

図２に示した構造を有する光導波路素子１００Ａにおいて、リッジ幅Ｗ１を変化させた場合に実効屈折率Ｎがどのように変化するか、シミュレーションした。結果を図２３（ａ）〜（ｆ）に示す。図２３（ａ）〜（ｆ）は、Ｔ２／λの値がそれぞれ０．４２、０．３９、０．３２、０．２３、０．１３、０．０６である。尚、実効屈折率Ｎは、ＴＭ基本モードおよびＴＥスラブモードの両方について示している。リッジ部の厚さＴ１は０．９７λ、波長λは１．５５μｍとした。Ｎｅはニオブ酸リチウム膜の異常光に対する屈折率である。図２３（ａ）〜（ｆ）において、実線はＴＭ基本モードの値を示し、破線はＴＥスラブモードの値を示す。

図２３（ａ）に示すように、Ｔ２／λ＝０．４２である場合、リッジ幅Ｗ１がλ未満の領域でＴＭ基本モードの実効屈折率がＴＥスラブモードの実効屈折率を超えることはなかった。これに対し、図２３（ｂ）〜（ｆ）に示すように、Ｔ２／λ＜０．４である場合は、リッジ幅Ｗ１がλ未満の領域でリッジ幅Ｗ１を適切に選択することにより、ＴＭ基本モードの実効屈折率をＴＥスラブモードの実効屈折率よりも高くすることができた。図２３（ｂ）〜（ｆ）において×印を付しているのは、マルチモード化したことを示している。マルチモード化するリッジ幅Ｗの値は、スラブ部４の厚さＴ２によって相違する。

図２に示した構造を有する光導波路素子１００Ａにおいて、リッジ部の厚さＴ１を変化させた場合に実効屈折率Ｎがどのように変化するか、シミュレーションした。Ｔ２／λは０．２３、Ｗ１／λは０．５２、波長λは１．５５μｍとした。結果を図２４に示す。尚、実効屈折率Ｎは、ＴＭ基本モードおよびＴＥスラブモードの両方について示している。Ｎｅはニオブ酸リチウム膜の異常光に対する屈折率である。実線はＴＭ基本モードの値を示し、破線はＴＥスラブモードの値を示す。

図２４に示すように、Ｔ１が薄くなると、ＴＭ基本モードの実効屈折率は低下し、特に、Ｔ１／λ＜０．５では急激に低下し、リッジ部への閉じ込めが弱くなる。図２４では、Ｔ１／λ≧０．５において、ＴＭ基本モードの実効屈折率を、ＴＥスラブモードの実効屈折率よりも高くすることができた。

図７に示した構造を有する光変調器２００Ａを実際に作製し、スラブ部４の厚さＴ２とＶπＬとの関係を測定した。リッジ幅Ｗ１は０．５２λ、リッジ部の厚さＴ１は０．９７λ、測定波長λは１．５５μｍである。尚、Ｖπとは半波長電圧であり、光出力が最大となる電圧Ｖ１と最小となる電圧Ｖ２との差で定義され、駆動電圧を意味している。Ｌは、導波路上の電極の長さである。ＶπはＬと反比例の関係にあり、例えば、同一の値であるＶπとＬの積値について、Ｌが２倍になると、Ｖπは半分になる。そのため、ＶπとＬの積をとったＶπＬは、光変調器の性能を表す重要な指標である。光変調器は、ＶπＬが小さい低い程、小型または低駆動電圧であることを示している。結果を図２５に示す。

図２５に示すように、ＶπＬの値は、スラブ部４の厚さＴ２が小さくなるにつれて低下し、Ｔ２が０．２λ近辺で最小値となった。このことから、ＶπＬも、Ｔ２／λ＜０．４の場合に、良好な特性を示すことが分かる。Ｔ２が０．２λ以下になるとＶπＬの値は徐々に増加した。これは、スラブ部４の厚さＴ２が薄すぎると、リッジ部３に印加される電界が弱くなるためである。

図３に示した構造を有する光導波路素子１０１Ａにおいて、リッジ幅Ｗ１及び傾斜角θＡを変化させた場合に、ＴＭモードとＴＥモードが混在するか否かをシミュレーションした。Ｔ１／λは０．９７、Ｔ２／λは０．２３、波長λは１．５５μｍとした。結果を図２６に示す。図２６において、○印が付されているのは、ＴＥ成分が１％未満であり、ほぼ純粋なＴＭのｍ＝０モードが得られたことを示し、×印が付されているのは、ＴＥ成分が１％以上のＴＭモードとＴＥモードが混在したモードとなったことを示している。

図２６に示すように、傾斜角θＡが７０°以上である場合は、リッジ幅Ｗ１を適切に選択することによって、ＴＥモードの混在を防止できることが分かる。これに対し、傾斜角θＡが７０°未満である場合は、リッジ幅Ｗ１をどのように選択しても、ＴＥモードの混在を防止することはできなかった。

図８に示した構造を有する光導波路素子１００Ｂにおいて、リッジ幅Ｗ１及び傾斜部４ｂの最大膜厚Ｔ２を変化させた場合の導波モードをシミュレーションした。結果を図２７に示す。リッジ部の膜厚Ｔ１は０．９７λ、スラブ部４の平坦部４ａの膜厚Ｔ３は０．１３λ、波長λは１．５５μｍ、傾斜部４ｂの幅Ｗ２は５μｍとした。図２７において、○印と×印の意味は、図２６と同じである。

図２７に示すように、
Ｗ１／λ＝０．３９〜１．１６
Ｔ２／λ＝０．２６〜０．３５
の範囲においてリッジ幅Ｗ１及び傾斜部４ｂの最大膜厚Ｔ２を適切に選択することにより、ほぼ純粋なＴＭのｍ＝０モードが得られることが確認された。

混在モードを防止するには、
実効屈折率（ＴＭのｍ＝０モード）＞実効屈折率（ＴＥのｍ＝１モード）
であることが必要である。ｍ＝１モードは主に傾斜部に閉じ込められているので、傾斜部４ｂの最大膜厚Ｔ２を小さくすることで、ｍ＝１モードの実効屈折率を低減できる。一方、ｍ＝０モードは主にリッジ部に閉じ込められているので、Ｔ２を小さくしても、実効屈折率の変化は小さい。以上から、Ｔ２を小さくすることで、
実効屈折率（ＴＭのｍ＝０モード）＞実効屈折率（ＴＥのｍ＝１モード）
を満足できる。図２７より、Ｔ２／λ≦０．３７が、混在モードを防止するために必要である。

なお、スラブモードの実効屈折率は、ｍ＝１モードの実効屈折率より低いので、
実効屈折率（ＴＭのｍ＝０モード）＞実効屈折率（ＴＥのｍ＝１モード）
を満足していれば、自動的に、
実効屈折率（ＴＭのｍ＝０モード）＞実効屈折率（ＴＥスラブモード）
を満足している。そのため、ＴＭのｍ＝０モードが、ＴＥスラブモードに結合して、伝搬損失が高くなることはない。

図８に示した構造を有する光導波路素子１００Ｂにおいて、傾斜部４ｂの最大膜厚Ｔ２及びスラブ部４の平坦部４ａ膜厚Ｔ３を変化させた場合の導波モードをシミュレーションした。結果を図２８に示す。リッジ幅Ｗ１は０．７７λ、リッジ部３の膜厚Ｔ１は０．９７λ、波長λは１．５５μｍ、傾斜部４ｂの幅Ｗ２は５μｍとした。図２８において、○印と×印の意味は、図２６及び図２７と同じである。

図２８に示すように、
Ｔ２／λ＝０．２６〜０．３５
Ｔ３／λ＝０．０６〜０．２６
の範囲において傾斜部４ｂの最大膜厚Ｔ２及び平坦部４ａの膜厚Ｔ３を適切に選択することにより、ほぼ純粋なＴＭのｍ＝０モードが得られることが確認された。

図２８より、混在モードを防止するためには、Ｔ２を小さくすることが重要であり、Ｔ３はあまり影響しないことが分かる。Ｔ２／λ≦０．３７が、混在モードを防止するために必要である

。
実際に、Ｔ２／λ＝０．２９、Ｔ３／λ＝０．１９の光導波路素子を試作し評価した所、１ｄＢ／ｃｍ以下の低い伝搬損失が安定して得られた。また、入射光をＴＭモードの直線偏光に設定して入射した所、出射光の直線偏光度は２０ｄＢ以上であり、ＴＥモードと混在していないことが確認された。

図１５に示した構造を有する光変調器２００Ｂにおいて、傾斜部４ｂの最大膜厚Ｔ２とＶπＬとの関係をＴ２−Ｔ３の値が異なる複数のサンプルについて計算した。Ｔ２−Ｔ３の値は、０．１９λ、０．１３λ、０．０６λの３種類とした。リッジ幅Ｗ１は１．２μｍ、リッジ部の膜厚Ｔ１は１．５μｍである。尚、Ｖπとは半波長電圧であり、光出力が最大となる電圧Ｖ１と最小となる電圧Ｖ２との差で定義され、駆動電圧を意味している。Ｌは、導波路上の電極の長さである。ＶπはＬと反比例の関係にあり、例えば、同一の値であるＶπとＬの積値について、Ｌが２倍になると、Ｖπは半分になる。そのため、ＶπとＬの積をとったＶπＬは、光変調器の性能を表す重要な指標である。光変調器は、ＶπＬが小さい低い程、小型または低駆動電圧であることを示している。結果を図２９に示す。

図２９に示すように、ＶπＬの値は、傾斜部４ｂの最大膜厚Ｔ２が０．３λ近辺で最小値となった。これに対し、傾斜部４ｂの最大膜厚Ｔ２が０．３７λを超える領域では、ＶπＬの値が異常に高くなる場合がある。これは、混在モードに起因している。一方、傾斜部４ｂの最大膜厚Ｔ２が０．１λ未満の領域では、ＶπＬの最小値と比較してＶπＬの値が１５％以上高くなることが分かった。

１ 基板
２ 導波層
３ リッジ部
４ スラブ部
４ａ 平坦部
４ｂ 傾斜部
５ バッファ層
６ 誘電体層
７ａ、７ｂ 第１の電極
８ａ〜８ｃ 第２の電極
９ 終端抵抗
１０，１０ａ〜１０ｃ 光導波路
１０ｃ 分波部
１０ｄ 合波部
１０ｉ 入力光導波路
１０ｏ 出力光導波路
１１ 入力側
１２ 出力側
１３ バッファ層
１４ 誘電体層
１５ａ、１５ｂ 入力側
２２ 終端抵抗
２７ 信号電極
２７ｂ 下層部
２７ｅ 一端
２７ｇ 他端
２８，２９ 接地電極
１００，１００Ａ〜１０３Ａ，１００Ｂ，１０１Ｂ 光導波路素子
１５０，１５０ａ，１５０ｂ マルチモード干渉分岐導波路
２００Ａ〜２００Ｃ 光変調器
３００，４００ 光導波路素子
Ｍ マスク

Claims (9)

1. 基板と、
   前記基板上に形成されたニオブ酸リチウム膜からなる導波層と、を備え、
   前記導波層は、所定の厚さを有するスラブ部と、前記スラブ部から突出したリッジ部とを有し、
   前記スラブ部の最大厚さは、前記リッジ部を伝搬する光の波長の０．０５倍以上、０．４倍未満であることを特徴とする光導波路素子。
2. 前記リッジ部の幅は、前記波長の０．１倍以上かつ１．０倍未満であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
3. 前記リッジ部の厚さは、前記リッジ部を伝搬する光の波長の０．５倍以上かつ２．０倍以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路素子。
4. 前記リッジ部の側面は、傾斜角が７０°以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光導波路素子。
5. 前記スラブ部は、前記リッジ部の両側に位置し、前記リッジ部から離れるにつれて膜厚が薄くなる傾斜部を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光導波路素子。
6. 前記傾斜部の最大膜厚は、前記リッジ部を伝搬する光の波長の０．１倍以上かつ０．３７倍以下であることを特徴とする請求項５に記載の光導波路素子。
7. 前記リッジ部の幅は、前記リッジ部を伝搬する光の波長の０．３倍以上かつ１．２倍未満であることを特徴とする請求項５又は６に記載の光導波路素子。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光導波路素子を構成する光導波路を少なくとも一部に用いたことを特徴とする光変調器。
9. 前記光導波路に接続され、ｍ＝０モードに対する伝搬損失よりもｍ＝１モードに対する伝搬損失が大きいマルチモード干渉分岐導波路を備えることを特徴とする請求項８に記載の光変調器。