JP4137983B1 - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性が良く、機械的強度が強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１２と、基板に形成された光を導波するための光導波路３と、基板の一方の面側に形成され、光の位相を変調する高周波電気信号を印加するための中心導体４ａ及び接地導体４ｂからなる電極４とを有し、電極に高周波電気信号を印加することにより光の位相を変調する相互作用部３ａ、３ｂと、基板を固定する固定部２０と、少なくとも外部回路から相互作用部に高周波電気信号を印加するための入力用フィードスルー部とを具備する光変調器において、基板は少なくとも一つの別体の基板１３とともに固定部に並置されて固定されており、基板の厚みと別体の基板の厚みとから決定される誘電体共振の共振周波数が高周波電気信号の周波数よりも高くなるように、基板の厚みと別体の基板の厚みとを設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は駆動電圧が低く、かつ高速で変調が可能な光変調器の分野に属する。

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、その優れた伝送特性から２．５Ｇｂｉｔ／ｓ、１０Ｇｂｉｔ／ｓの大容量光伝送システムに適用されている。最近はさらに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、キーデバイスとして期待されている。

［第１の従来技術］
このＬＮ光変調器にはｚ−カットＬＮ基板を使用するタイプとｘ−カットＬＮ基板（あるいはｙ−カットＬＮ基板）を使用するタイプがある。ここでは、第１の従来技術としてｚ−カットＬＮ基板と２つの接地導体を有し、基本モードの伝搬に有利なコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）進行波電極を使用したｚ−カットＬＮ基板ＬＮ光変調器をとり上げ、その斜視図を図１２に示す。図１３は図１２のＡ−Ａ'線における断面図である。なお、以下の議論はｘ−カットＬＮ基板やｙ−カットＬＮ基板でも同様に成り立つ。

図中、１はｚ−カットＬＮ基板、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２００ｎｍから１μｍ程度の厚みのＳｉＯ_２バッファ層、３はｚ−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、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、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、位相変調器の場合は直線光導波路で良い。ＣＰＷ進行波電極４は中心導体４ａ、接地導体４ｂ、４ｃからなっている。また、図１３において中心導体４ａの幅は６μｍから２０μｍ程度であり、一般には１０μｍ前後が使用されている。一方、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間にはギャップ（あるいはＣＰＷのギャップ）を形成している。

この第１の従来技術では、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間にバイアス電圧（通常はＤＣバイアス電圧）と高周波電気信号（ＲＦ電気信号とも言う）を重畳して印加する。また、ＳｉＯ_２バッファ層２は高周波電気信号の等価屈折率ｎ_ｍ（あるいは、マイクロ波等価屈折率ｎ_ｍ）を光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の実効屈折率ｎ_ｏ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。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バイアス電圧とＲＦ電気信号とを印加する必要がある。

図１４に示す電圧−光出力特性はある状態でのＬＮ光変調器の電圧−光出力特性であり、Ｖ_ｂはその際のＤＣバイアス電圧である。この図１４に示すように、通常、ＤＣバイアス電圧Ｖ_ｂは光出力特性の山と底の中点に設定される。

さて、ＬＮ光変調器を光伝送システムにおいて使用する際には、金属筐体（パッケージ）にＬＮ光変調器のチップ、光ファイバ、及び電気信号用のマイクロ波コネクタを固定した光変調器モジュールとせねばならない。

図１５にはその光変調器モジュールの構造を示す。図中のいくつかの番号は図１２や図１３と共通している。なお、簡単のために、ＳｉＯ_２バッファ層２は省略している。

ここで、５は金属筐体、６ａ、６ｂは金属筐体５に固定された不図示のマイクロ波コネクタの芯線である。７ａ、７ｂはマイクロ波コネクタの芯線６ａ、６ｂの周囲に形成された空洞である。まず、ＬＮ基板１を台座（固定部）に固定するが、ここでは説明の便宜のために、図１５において金属筐体５の内部の２０を台座とする。ＣＰＷ進行波電極４とマイクロ波コネクタの芯線６ａ、６ｂを電気的に接続する。

図１５には示していないがＬＮ光導波路３へ光を入力・出力できるように光学系を設定する。次に、金属のふた８を金属筐体５に固定することにより、ＬＮ光変調器モジュールが完成する。なお、高周波電気信号の出力側（図１２と図１５を比較してわかるように、高周波電気信号の出力側は６ｂ、７ｂの側に対応する）については、終端抵抗により電気的に終端しても良く、その場合には出力側のマイクロ波コネクタの芯線６ｂと空洞７ｂは不要である。

以下、ＬＮ光変調器チップの生産性と電気的特性の観点から光変調器としての劣化要因について考える。図１６においてＬＮウェーハを１０として、またｚ−カットＬＮ光変調器のチップを１１として示した。このＬＮウェーハはオプティカルグレードという欠陥が少なくて、均一性も高く、価格が極めて高価である。

図からわかるように、従来におけるｚ−カットＬＮ光変調器のチップの横幅は２〜５ｍｍ程度もあるので、金属筐体５の台座２０への接着強度は高いものの(特に横幅が５ｍｍもあればその接着強度は極めて高い)、例えば３インチウェーハの場合約１０〜２０個程度のチップしかとれず、生産性の観点から問題があり、材料費と人件費との観点からＬＮ光変調器のコストを高める大きな要因の一つであった。

次に、電気的特性の観点から光変調器としての歩留まりを著しく劣化させるマイクロ波ディップについて述べる。図１７には、図１５においてマイクロ波コネクタの芯線６ａと金属筐体５に形成された空洞７ａの部分を拡大して示す。ここで、ＥＦはマイクロ波コネクタの芯線６ａと金属筐体５に形成された空洞７ａとの間に生じる高周波電気信号の電気力線である。

図１７からわかるように、高周波電気信号の電気力線ＥＦはマイクロ波コネクタの芯線６ａを中心とした軸対称な分布をなしている。

一方、図１８には、図１５のｚ−カットＬＮ基板１に形成された進行波電極のマイクロ波コネクタの芯線６ａとの接続部（入力用フィードスルー部と呼ぶ）のＢ−Ｂ'線における断面図を示す。ここで、ＤＥＦは中心導体４ａと接地導体４ｂの間に生じた電気力線を表している。図１８からわかるように、入力用フィードスルー部のＢ−Ｂ'において電気力線ＤＥＦは平面的な分布をなしている。

このようにマイクロ波コネクタの芯線６ａを中心とした軸対称な分布（マイクロ波コネクタの固有モードと呼ぶ）の電気力線ＥＦと、進行波電極４の中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間に生じた平面的な分布（ＣＰＷ進行波電極の固有モードと呼ぶ）の電気力線ＤＥＦにはそれらの分布形状にミスマッチがあり、高周波電気信号がマイクロ波コネクタの芯線６ａから進行波電極４の中心導体４ａと接地導体４ｂに伝搬する際に高周波電気信号に漏れる成分が生じる。

図１９にＬＮ光変調器を構成するｚ−カットＬＮ基板１の形状と寸法を示す。図のｘ方向が幅（あるいは、横幅）に、ｚ方向が厚みに、ｙ方向が長さに対応し、各々の寸法をＬ_ｘ、Ｌ_ｚ、及びＬ_ｙとする。前述の漏れた高周波電気信号成分に対しては、ｚ−カットＬＮ基板１は誘電体共振器として機能する。つまり、漏れた高周波電気信号成分はｚ−カットＬＮ基板１に共振モードを励振し、その中で共振（誘電体共振と呼ぶ）すると考えられる。

後に詳しく議論するが、特許文献１によれば、ｚ−カットＬＮ基板１における横断面である図２０における対角線ｄの長さが長いと誘電体共振のために、光伝送に障害が生じる。つまり、誘電体共振が生じると、マイクロ波コネクタの芯線６ａから進行波電極の中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃに伝搬すべき高周波電気信号のエネルギーの多くが、ｚ−カットＬＮ基板１からなる誘電体共振器の内部に共振モードを励振するのに費やされてしまい、図１２や図１３に示した相互作用光導波路３ａ、３ｂにおける光の変調に有効に活用されない。そのため、変調周波数に対する光の変調指数に激しい落ち込み（周波数ディップと呼ぶ）を生じてしまう。

ちなみに、特許文献１の考え方では、ｚ−カットＬＮ基板１の横幅（Ｌ_ｘ）を５ｍｍや６ｍｍと大きくすると、横断面における対角線の長さｄはこの横幅よりもさらに長くなり、周波数ディップは４ＧＨｚ程度に現れる。１０Ｇｂｉｔ／ｓの変調速度の場合に、この周波数ディップが１０ＧＨｚ付近やそれ以下の周波数領域に生じた場合や、４０Ｇｂｉｔ／ｓの変調速度の場合に、この周波数ディップが３０ＧＨｚ付近やそれ以下の周波数領域などに生じると、実用上極めて深刻な問題となってしまう。

［第２の従来技術］
図１６に示したように、ｚ−カットＬＮ光変調器のチップ１１における横幅のサイズが大きいと１枚のウェーハ当たりにとれるｚ−カットＬＮ光変調器のチップ１１の数が少なくなってしまった。そこで、ｚ−カットＬＮ光変調器のチップ１１の横幅を狭くした第２の従来技術を図２１に示す。こうすることにより、１枚のウェーハ当たりに数多くのチップ１１を得ることができ、プロセスにおける生産性が著しく向上する。このように、生産性の観点からはｚ−カットＬＮ光変調器のチップ１１の横幅を狭くすることは大変望ましい。

このように、ｚ−カットＬＮ光変調器のチップ１１の横幅を狭くすることにより１ウェーハ当たりの生産性の問題は解決できた。さらに、第２の従来技術により電気的特性である周波数ディップも解決できることを示す。この第２の従来技術は第１の従来技術における誘電体共振器としての共振周波数を光変調に必要な周波数領域から高周波側に外すことにより、光の変調指数における周波数ディップの影響を改善するために特許文献１に提案された技術である。ここで、図１２から図２０に示した第１の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。

図２２に図２１のｚ−カットＬＮ光変調器を構成するｚ−カットＬＮ基板１の斜視図を、図２３にその横断面図を示す。特許文献１によれば、変調指数の周波数ディップｆ_ｃは
ｆ_ｃ ＝ ｃ_０／（２ｎ・ｄ） （１）
で与えられるとのことである。ここで、ｃ_０は真空中の光速、ｎは高周波電気信号の等価屈折率、そして重要な物理量であるｄは図２２に示す横断面図において最も長くなる長さ（通常は、対角線の長さ）である。

そして、高周波電気信号の等価屈折率ｎと対角線の長さｄとの積ｎ・ｄを０．８ｍｍより大きく、１１ｍｍよりも小さくすることにより、周波数ディップを１０Ｇｂｉｔ／ｓの光伝送に支障のない高い周波数にシフトできるとしている。

我々はこの（１）式に従って、ｚ−カットＬＮ基板１を用いた光変調器を実際に設計・製作した。なお、設計に当たっては、特許文献１に従い、高周波電気信号の等価屈折率は図２３のｘ方向では６．５９、ｚ方向では５．３６とした。

この第２の従来技術の要求条件（１）式に基づいてＬＮ光変調器を設計・製作したところ、周波数ディップを光伝送に支障のない高い周波数にシフトできることを確認した。ところが、機械的強度の観点からＬＮ光変調器を歩留まり良く作ることが困難であるという重要な事実が判明した。

つまり、１例として周波数ディップｆ_ｃを４０ＧＨｚとすると、（１）式からｚ−カットＬＮ基板１の横断面図における対角線の長さｄは０．６３ｍｍとなる。そこで、ｚ−カットＬＮ基板１の厚み（Ｌ_ｚ）を０．５ｍｍと仮定すると、ｚ−カットＬＮ基板１の横幅（Ｌ_ｘ）はわずか０．３９ｍｍとなる。

通常、ｚ−カットＬＮ基板１の長さ（Ｌ_ｙ）は数十ｍｍ有るのでｚ−カットＬＮ基板１の横断面についての対角線の寸法がこのように小さくなり過ぎると、ｚ−カットＬＮ基板１の剛性が極めて弱くなってしまい、ＬＮ光変調器モジュールとしての機械的強度に著しい問題があることがわかった。

次にこのモジュール製作後の機械的強度について考察する。図２４はｚ−カットＬＮ基板１の底面の面積を変数とした場合の図１５に示した金属筐体５の台座２０への接着強度である。図からわかるように、ｚ−カットＬＮ基板１の横幅（Ｌ_ｘ）が狭くなり、その底面の面積が小さくなると、金属筐体５への接着強度が著しく劣化し、実装した後の機械的な振動・衝撃試験によりｚ−カットＬＮ基板１がはがれてしまうことがわかった。
特開平３−２５３８１４号公報

以上述べたように、ＬＮ光変調器のチップの横幅が広いと一枚のウェーハからとることのできるＬＮ光変調器のチップの総数が少なくなる。そこで、ＬＮ光変調器のチップの横幅を狭くすることにより、一枚のウェーハからとることのできるＬＮ光変調器のチップの総数を多くし、生産性を良くするとともに、かつ第２の従来技術の考え方、即ちＬＮ基板の横断面において最も長くなる長さ（通常は、対角線の長さ）をｄ、高周波電気信号の等価屈折率をｎとして、周波数ディップｆ_ｃをｆ_ｃ ＝ ｃ_０／（２ｎ・ｄ）から求め、周波数ディップｆ_ｃが充分高くなるように対角線の長さｄを設定するという考え方に基づいてＬＮ光変調器の断面構造を決定すると、ＬＮ光変調器の横断面の寸法が極めて小さくなり、ＬＮ光変調器のモジュールとしての機械的強度が劣化した。そして、特に光変調器モジュール製作後の振動・衝撃などの機械的な信頼性試験において、ＬＮ光変調器のチップそのものが光変調器の金属筐体からはがれてしまうという問題が生じた。以上のことから、一枚のウェーハからとることのできるＬＮ光変調器のチップの総数を多くしつつ、周波数ディップｆ_ｃを使用周波数領域から外し、かつＬＮ光変調器としての機械的強度、特にモジュール製作後の振動・衝撃などの機械的試験に耐えることのできるＬＮ光変調器はまだ開発されておらず、これを実現するための技術が望まれていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、生産性が良く、機械的強度が強い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、筐体内に、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光の位相を変調する高周波電気信号を印加するための中心導体及び接地導体からなる進行波電極とを有し、前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光の位相を変調する相互作用部と、前記基板を前記筐体に固定する固定部と、少なくとも外部回路から前記相互作用部に前記高周波電気信号を印加するための入力用フィードスルー部とを具備する光変調器において、さらに誘電体からなる別体の基板を前記基板の前記入力用フィードスルー部が形成された側に並置して有しており、前記別体の基板には中心導体および接地導体からなる電極パターンが形成され、前記基板に形成された前記中心導体および前記接地導体にそれぞれ電気的に接続されており、かつ、前記別体の基板の、前記基板に接する側とは反対側の端面における前記中心導体から前記高周波電気信号が入力されるようになっており、前記基板の厚みと前記別体の基板の厚みとから決定される誘電体共振の共振周波数が前記高周波電気信号の周波数よりも高くなるように、前記基板の前記厚みと前記別体の基板の前記厚みとを設定し、また、前記基板は少なくとも一つの前記別体の基板とともに前記固定部に接着固定されており、前記別体の基板が無い場合と比較して、前記基板の前記固定部への接着強度が大きいことを特徴とする。

本発明の請求項２の光変調器は、前記基板の厚みと前記別体の基板の厚みをＬｚ、前記誘電体共振の共振周波数をｆｃ、前記基板と前記別体の基板の厚み方向の共振の次数をｍ _ｚ 、前記高周波電気信号の前記基板における厚み方向の等価屈折率をｎ _ｚ 、真空中の光速をｃ _ｏ とするとき、前記誘電体共振の共振周波数に対して前記基板の厚みと前記別体の基板の厚みが、ｆｃ ＝ （ｃ _０ ／２）・ｍ _ｚ ／（ｎ _ｚ ・Ｌ _ｚ ）によって定まることを特徴とする。

本発明の請求項３の光変調器は、筐体内に、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光の位相を変調する高周波電気信号を印加するための中心導体及び接地導体からなる進行波電極とを有し、前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光の位相を変調する相互作用部と、前記基板を前記筐体に固定する固定部と、少なくとも外部回路から前記相互作用部に前記高周波電気信号を印加するための入力用フィードスルー部とを具備する光変調器において、さらに誘電体からなる別体の基板を前記基板の前記入力用フィードスルー部が形成された側に並置して有しており、前記別体の基板には中心導体および接地導体からなる電極パターンが形成され、前記基板に形成された前記中心導体および前記接地導体にそれぞれ電気的に接続されており、かつ、前記別体の基板の、前記基板に接する側とは反対側の端面における前記中心導体から前記高周波電気信号が入力されるようになっており、前記基板の厚みとその厚み方向における前記高周波電気信号の等価屈折率との積、もしくは前記別体の基板の厚みとその厚み方向における前記高周波電気信号の等価屈折率との積の少なくとも一方が０．４ｍｍより大きく、かつ１５ｍｍよりも小さくなるように、前記基板の前記厚みと前記別体の基板の前記厚みとを設定し、前記基板は少なくとも一つの前記別体の基板とともに前記固定部に接着固定されており、前記別体の基板が無い場合と比較して、前記基板の前記固定部への接着強度が大きいことを特徴とする。

本発明の請求項４の光変調器は、筐体内に、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光の位相を変調する高周波電気信号を印加するための中心導体及び接地導体からなる進行波電極とを有し、前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光の位相を変調する相互作用部と、前記基板を前記筐体に固定する固定部と、少なくとも外部回路から前記相互作用部に前記高周波電気信号を印加するための入力用フィードスルー部とを具備する光変調器において、
さらに誘電体からなる別体の基板を前記基板の前記入力用フィードスルー部が形成された側に並置して有しており、前記別体の基板には中心導体および接地導体からなる電極パターンが形成され、前記基板に形成された前記中心導体および前記接地導体にそれぞれ電気的に接続されており、かつ、前記別体の基板の、前記基板に接する側とは反対側の端面における前記中心導体から前記高周波電気信号が入力されるようになっており、前記基板の幅と前記別体の基板の幅との和が、前記基板もしくは前記別体の基板の少なくとも一方の厚みの約１．４倍以上あり、前記基板は少なくとも一つの前記別体の基板とともに前記固定部に接着固定されており、前記別体の基板が無い場合と比較して、前記基板の前記固定部への接着強度が大きいことを特徴とする。

本発明の請求項５の光変調器は、前記別体の基板が前記基板と同じ材料の誘電体からなることを特徴とする。

本発明の請求項６の光変調器は、前記別体の基板が前記基板と異なる材料の誘電体からなることを特徴とする。

本発明の請求項７の光変調器は、前記基板がオプティカルグレードのリチウムナイオベート基板でなり、前記別体の基板がＳＡＷグレードのリチウムナイオベート基板でなることを特徴とする。

本発明の請求項８の光変調器は、前記基板および前記別体の基板がそれぞれオプティカルグレードのリチウムナイオベート基板でなることを特徴とする。

本発明の請求項９の光変調器は、前記基板の側面と前記別体の基板の側面との少なくとも一部が接着手段により互いに固定されていることを特徴とする。

本発明によれば、ＬＮ光変調器のチップの横幅を狭くすることにより、高価なオプティカルグレードのウェーハから多くの細い光変調器のチップをとることができるので、オプティカルグレードのウェーハについての材料費と、時間的に長く、実際のコストの多くを占めるプロセスにおける人件費の観点から光変調器としてのコストを著しく低減し、かつＬＮ光変調器のチップと極めて安価なＳＡＷグレードＬＮ基板を機械的に一体のＬＮ基板と見なせるようにしてコストを上げることなく機械的強度を保ち、さらにその一体のＬＮ基板の厚みを薄くするとともに横幅を充分に広くすることにより、光伝送にとって有害な周波数ディップｆ_ｃを正確、確実、かつ容易に使用周波数領域よりも高い周波数にシフトできるという大きな利点がある。換言すると、第２の従来技術と異なり、本発明によれば高い機械的強度を確保しつつ、１枚のウェーハからとることのできるチップの総数と周波数ディップｆ_ｃを独立に設計できる。

以下、本発明の実施形態について説明するが、図１２から図２３に示した従来の実施形態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。また、光導波路、進行波電極、相互作用部および入力用フィードスルー部は、従来技術と同様に形成されているものとして説明するが、これに限定されるものではない。

［第１の実施形態］
本発明では、ＬＮ光変調器としてのエンジンの部分に高価なオプティカルグレードのｚ−カットＬＮ基板をその横幅が狭い形状で使用し、機械的な強度は安価な例えばＳＡＷグレードＬＮ基板を併用することにより確保する。なお、オプティカルグレードのＬＮ基板とＳＡＷグレードＬＮ基板の比誘電率は互いにほぼ等しい。そのため、後で詳しく議論するように、本発明のようにオプティカルグレードのＬＮ基板と、それとは別体のＳＡＷグレードＬＮ基板を横方向に並べて（即ち、並置して）用いると、電磁界的にはオプティカルグレードの一体のＬＮ基板と見なすことができる。

図１に本発明の第１の実施形態についてその概略図を示す。図中、１２は第１の従来技術よりも横幅を狭くしたオプティカルグレードのｚ−カットＬＮ基板である。前述のように、オプティカルグレードのｚ−カットＬＮ基板１２は欠陥が少なく、均一であるが価格が高い。１３は例えばオプティカルグレードの１／５から１／１０程度と価格が低い例えばＳＡＷグレードＬＮ基板である（以下、オプティカルグレードのｚ−カットＬＮ基板１２と区別するためにＳＡＷグレードＬＮ基板、あるいは別体の基板と呼ぶ）。なお、熱膨張係数がｚ−カットＬＮ基板１２に近くて価格が低ければＳＡＷグレードＬＮ基板に限らなくても良いことは言うまでもない。

基板の方位については、ＳＡＷグレードＬＮ基板１３もその基板の方位をｚ−カットとしておけば熱膨張係数の観点から有利である。ここで、１４はｚ−カットＬＮ基板１２とＳＡＷグレードＬＮ基板１３の側面における接触面であり、ｚ−カットＬＮ基板１２とＳＡＷグレードＬＮ基板１３の側面は接触面１４において不図示の接着剤で部分的にあるいは全体的に互いに接着されているか、機械的に密着、もしくは接触している。なお、ｚ−カットＬＮ基板１２に貼り付けるＳＡＷグレードＬＮ基板１３はオプティカルグレードではないので元々のウェーハの価格が低く、材料費の観点からコストアップにはならない。

さらに、ＳＡＷグレードＬＮ基板１３については時間的に長いプロセスは必要ではなく、単にプログラマブルのダイサーを用いてＳＡＷグレードＬＮ基板を指定された横幅で切断すれば良い。また、ｚ−カットＬＮ基板１２を金属筐体５の中の固定部である台座２０に接着した後、ＳＡＷグレードＬＮ基板１３を台座２０に接着剤で貼り付ける作業も極めて短時間でできる。従って、人件費の観点からもコストはほとんど上昇しない。

本発明においては、ｚ−カットＬＮ基板１２の横幅は狭いので、高価なオプティカルグレードのウェーハからとり得るＬＮ光変調器の数を著しく増やすことができる。ＬＮ光変調器を製作するプロセスは時間的に長いので、実際にはプロセスにおける人件費がＬＮ光変調器におけるコストの大きな割合を占めている。従って、本発明を用いて１回のプロセスで製作することのできるＬＮ光変調器の総数を大幅に増やすことができれば、プロセスにおける人件費の観点からもコストを大幅に低減できる。つまり、一枚のウェーハからとれる光変調器の総数が２倍になれば、人件費によるコストを半分にできるし、総数を３倍にできればそのコストは１／３になる。

この考え方に基づくと、これまで光導波路を形成するｚ−カットＬＮ基板１２はオプティカルグレードを前提として議論して来たが、コストを低減するためにオプティカルグレードではなくＳＡＷグレードＬＮ基板を光変調器として使用する場合にも、本発明を適用することにより、オプティカルグレードのＬＮ基板の場合と同じく人件費に関わるコストを大幅に低減できることになる。このことは本発明の全ての実施形態について言える。

本発明ではこの図１に示したｚ−カットＬＮ基板１２とＳＡＷグレードＬＮ基板１３のセットを図１５におけるｚ−カットＬＮ基板１の代わりに金属筐体５に固定し、ＬＮ光変調器モジュールとして製作する。

図２（ａ）は図１に示したｚ−カットＬＮ基板１２とＳＡＷグレードＬＮ基板１３のセットの横断面図である。ｚ−カットＬＮ基板１２とＳＡＷグレードＬＮ基板１３は接触面１４において、接着剤により接着されているので、図２（ｂ）の１５として示したほぼ一体のＬＮ基板と実質上見なすことができる。

この一体のＬＮ基板１５は下面の面積が広いので図１５に示した金属筐体５への接着強度が高い。つまり、図２（ａ）のｚ−カットＬＮ基板１２とＳＡＷグレードＬＮ基板１３の底面が金属筐体５へ接着し、かつｚ−カットＬＮ基板１２とＳＡＷグレードＬＮ基板１３は互いに接着しているので、一体のＬＮ基板１５が金属筐体５へ接着していることと等価である。

このようにして、本実施形態により、１枚のウェーハから数多くのＬＮ光変調器のチップを取り出すことにより材料費とプロセスにおける人件費のコストを大幅に低減するとともに、かつ図２１〜図２３に示した第２の従来技術が持つモジュール組み立て後の振動・衝撃試験における脆弱さを克服し、図１５や図１６に示した第１の従来技術と同等の機械的強度を実現できた。

次に、第１の従来技術において問題となっていたＬＮ光変調器における光変調指数の周波数ディップｆ_ｃについて考える。ＬＮ光変調器における光変調指数の周波数ディップｆ_ｃの原因としては、進行波電極を伝搬する高周波電気信号の高次モードと、ＬＮ基板の誘電体共振器としての共振の２つが考えられるが、ここでは本発明の全ての実施形態において、進行波電極については基本モードを励振し、伝搬させるように設計する。

よって、本発明の全ての実施形態においては、光変調指数の周波数ディップｆ_ｃは誘電体共振器としての基板の共振周波数により決定される。そして、誘電体共振器としての基板の共振周波数により決定されるこの周波数ディップｆ_ｃに対し、基板の各辺の寸法がそれらの自乗に反比例して影響を与えることを利用する。

先に述べた第２の従来技術では、図２３に示す横断面図を基にし、周波数ディップｆ_ｃを与える式として（１）式に基づいて設計し、横断面図において最も長くなる長さ、即ち対角線の長さｄを決定していた。

一方、本発明においては、誘電体共振器の原理・原則の式に立ち返って考える。本発明では、ＬＮ光変調器を駆動する際の伝送速度は１０Ｇｂｉｔ／ｓあるいは４０Ｇｂｉｔ／ｓであるので、その高周波電気信号の波長はセンチメートルオーダーあるいはミリメートルオーダーと長い。また、ｚ−カットＬＮ基板１２とＳＡＷグレードＬＮ基板１３の比誘電率はほぼ等しい。従って、ＬＮ変調器の進行波電極４を伝搬する電磁界にとっては、ｚ−カットＬＮ基板１２とＳＡＷグレードＬＮ基板１３とは分割された２つの基板としてではなく、一体のＬＮ基板１５として感じる。

つまり、図２（ｂ）に示す一体のＬＮ基板１５からなる誘電体共振器の共振周波数が周波数ディップｆ_ｃに対応すると考える。この周波数ディップｆ_ｃは、図２（ｂ）における一体のＬＮ基板１５の上面（進行波電極が形成されているｚ−カットＬＮ基板１２の基板面と同じ面側にあるＳＡＷグレードＬＮ基板１３の基板面）と下面（進行波電極が形成されている基板面と反対の基板面）に金属がある場合には
ｆ_ｃ ＝ （ｃ_０／２）・｛（ｍ_ｘ／（ｎ_ｘ・Ｌ_ｘ）） ^２＋（ｍ_ｙ／（ｎ_ｙ・Ｌ_ｙ））^２＋（ｍ_ｚ／（ｎ_ｚ・Ｌ_ｚ））^２｝^１／２ （２）
また、一体のＬＮ基板１５の上面には金属があり、下面の下方には充分に深い空隙があるとすると
ｆ_ｃ ＝ （ｃ_０／２）・｛（ｍ_ｘ／（ｎ_ｘ・Ｌ_ｘ）） ^２＋（ｍ_ｙ／（ｎ_ｙ・Ｌ_ｙ））^２＋（（ｍ_ｚ−１／２）／（ｎ_ｚ・Ｌ_ｚ））^２｝^１／２ （３）
となる。

ここで、ｍ_ｘ、ｍ_ｙ、及びｍ_ｚは共振の次数を表す自然数であり、問題となるのは最も低い次数（つまり、１）の共振周波数である。２以上のｍ_ｘ、ｍ_ｙ、及びｍ_ｚは２次以上の高次モードに対応する。ｎ_ｘ、ｎ_ｙ、及びｎ_ｚはｘ、ｙ、及びｚの各方向における高周波電気信号の等価屈折率であり、ここでは特許文献１に従い、ｎ_ｘ＝ｎ_ｙ＝６．５９、ｎ_ｚ＝５．３６とする。

また、（２）式と（３）式の比較からわかるように、ｚ−カットＬＮ基板１２の幅方向（ｘ方向）において、片方の端面に金属が有り、その反対側の端面が広い空間に接している場合には、ｍ_ｘをｍ_ｘ−１／２により置き換えれば良い。

（２）式や（３）式の中において、一体のＬＮ基板１５の横幅Ｌ_ｘ、長さＬ_ｙ、及び厚みＬ_ｚが使用されている式の形態を考え、本発明においては、第２の従来技術が主張している「横断面において最も長くなる長さ（通常は対角線の長さ）と、その方向における高周波電気信号の等価屈折率との積」ではなく、「横断面において最も短くなる辺の長さと、その方向における高周波電気信号の等価屈折率との積」をキーポイントとする。そして、本発明において、「横断面において最も短くなる辺の長さ」とは一体のＬＮ基板１５の厚みＬ_ｚとなる。

本発明では、まず、周波数ディップｆ_ｃを決定する式の中に、横断面の各辺の長さが自乗に反比例する形式で入っていることに着目し、横断面において最も長い辺の長さを意図的に長くすることにより、周波数ディップｆ_ｃに対する影響を極めて小さくする。次に、横断面において最も短くなる辺の長さである厚みＬ_ｚを意図的に小さくすることにより、最も短くなる辺の長さとその方向における高周波電気信号の等価屈折率との積で決まる周波数ディップｆ_ｃを光伝送で使用する帯域よりも充分高い周波数領域に正確、確実、容易にシフトさせる。換言すると、そのように周波数ディップｆ_ｃを高い周波数領域にシフトさせるために、横断面の寸法のうち、厚みＬ_ｚを薄くする構造を採用する。

以上のことを具体的に式を用いて説明する。（２）式と（３）式において、
Ｌ_ｚ＜＜Ｌ_ｙ、Ｌ_ｘ （４）
と仮定すると、（２）式と（３）式は各々
ｆ_ｃ ＝ （ｃ_０／２）・ｍ_ｚ／（ｎ_ｚ・Ｌ_ｚ） （５）
ｆ_ｃ ＝ （ｃ_０／２）・（ｍ_ｚ−１／２）／（ｎ_ｚ・Ｌ_ｚ） （６）
と表現でき、一体のＬＮ基板１５の最も短くなる辺の長さ（ここでは、ＬＮ基板の厚みＬ_ｚ）により周波数ディップｆ_ｃが決定できる。

ここで、（４）式が成り立つと仮定できる条件について考察する。一体のＬＮ基板１５の長さＬ_ｙは充分長いので、Ｌ_ｚ＜＜Ｌ_ｙは当然成り立っている。従って、次に、残るＬ_ｚとＬ_ｘの関係について考える。Ｌ_ｘは周波数ディップｆ_ｃの式の中にＬ_ｘの自乗に反比例する形式で入っているので、Ｌ_ｘはＬ_ｚの１．４倍以上の大きさであるとすると周波数ディップｆ_ｃに対するＬ_ｘの影響はＬ_ｚの影響の約１／２と充分小さくなり、Ｌ_ｚ＜＜Ｌ_ｘが成り立つと考えることができる。また、一体のＬＮ基板１５は等価的にその横幅Ｌ_ｘが広いと考えて良いので、光変調器としての充分な機械的強度が確保できるという利点が生じる。

なお、これまでの説明においては、ｚ−カットＬＮ基板１２の厚みと別体の基板であるＳＡＷグレードＬＮ基板１３の厚みは同じとしたが、これらは異なっていても良い。その場合に本発明として課す条件は厳密にはｚ−カットＬＮ基板１２の厚みもしくはＳＡＷグレードＬＮ基板１３の厚みの厚い方に対して課す方が望ましいが、実際には誘電体共振のモードの分布形状も関連するので、ここではｚ−カットＬＮ基板１２の厚みもしくはＳＡＷグレードＬＮ基板１３の厚みのどちらか一方について成立すれば良いとする。そして、このことは本発明の全ての実施形態について言うことができる。

なお、進行波電極４のうち不図示の外部回路から高周波電気信号を伝搬させるために、不図示のコネクタの芯線を接続する箇所をフィードスルー部というが、そのフィードスルー部の下に有限の深さの空隙がある場合がある。このように、一体のＬＮ基板１５の下方に有限の深さの空隙がある場合には、（３）式あるいは（６）式とは異なってくるものの、一体のＬＮ基板１５の比誘電率（その平方根が等価屈折率と近似できる）は高いので、空隙よりも一体のＬＮ基板１５による影響の方が大きい。従って、一体のＬＮ基板１５に着目したここでの議論の大筋は同じである。

一体のＬＮ基板１５の下方に有限の深さの空隙がある場合について、より正確に設計するには、一体のＬＮ基板１５の厚みと空隙の厚みとから決定される共振周波数が高周波電気信号よりも高くなるように、一体のＬＮ基板１５の厚みに応じて空隙の厚みを設定する。そして、この空隙には、最も比誘電率が小さな空気や比誘電率がｚ−カットＬＮ基板１２やＳＡＷグレードＬＮ基板１３など、一体のＬＮ基板１５よりも小さな媒質（低誘電率層）が充填される。

以上のように、周波数ディップｆ_ｃに関して、本発明は特許文献１として示された第２の従来技術の「横断面において最も長くなる長さ（通常は対角線）とその方向における高周波電気信号の等価屈折率との積」ではなく、その反対の「横断面において最も短くなる辺の長さとその方向における高周波電気信号の等価屈折率との積」をキーポイントと考えており、第２の従来技術とは発想が全く反対である。

具体的に説明すると、第２の従来技術によれば、周波数ディップｆ_ｃを高い周波数領域にシフトさせるためには、一体のＬＮ基板１５の横幅（Ｌ_ｘ）を狭くしないといけないことになるが、本発明では逆に一体のＬＮ基板１５の横幅（Ｌ_ｘ）を数ｍｍと広くして、かつ厚み（Ｌ_ｚ）を薄くすることより周波数ディップｆ_ｃを正確、確実、容易に、実際の光伝送で使用される伝送速度に対応する光変調周波数よりも高くする構造とする。

次に、「横断面において最も短くなる辺の長さとその方向における高周波電気信号の等価屈折率との積」についてさらに考察を進める。

一般に、周波数ディップｆ_ｃは周波数に対してシャープではなく、ある周波数帯域を持つ（言い換えると、誘電体共振器としての共振のＱ値が高くない）ので、１０Ｇｂｉｔ／ｓの光伝送を考える際には、周波数ディップｆ_ｃとしてはできれば３０％程高い１３ＧＨｚ程度には設定したいが、ここでは最低確保したい１０ＧＨｚとすると、「横断面において最も短くなる辺の長さとその方向における高周波電気信号の等価屈折率との積（（５）式や（６）式のｎ_ｚ・Ｌ_ｚ）」の大きい値については、１５ｍｍとなる。

一方、ｎ_ｚ・Ｌ_ｚの小さな方の値については、現在我々が行っているプロセスではｚ−カットＬＮ基板１の厚みＬ_ｚとして、０．３ｍｍ程度あれば何ら問題なく、０．２ｍｍ程度までなら歩留まりを確保できている。厚み方向の共振における等価屈折率ｎ_ｚは５．３６として議論して来たが、２程度まで考えられるので、その結果、「横断面において最も短くなる辺の長さとその方向における高周波電気信号の等価屈折率との積（（５）式や（６）式のｎ_ｚ・Ｌ_ｚ）」の小さな値としては約０．４ｍｍとなる。

なお、実際には、「横断面において最も短くなる辺の長さとその方向における高周波電気信号の等価屈折率との積（（５）式や（６）式のｎ_ｚ・Ｌ_ｚ）」の大きな値である１５ｍｍについても、厚み方向の基板共振の等価屈折率ｎ_ｚが２程度となっても良いし、小さな値である０．４ｍｍの場合においても厚み方向の基板共振の等価屈折率ｎ_ｚが５．３６であっても基板共振周波数を充分高くするという理屈の上では良いが、実際のＬＮ光変調器モジュールを製作する上ではｚ−カットＬＮ基板１の厚みが薄くなりすぎて製作性の観点から好ましくない。

本発明の効果を明らかにするために、実際にＬＮ光変調器を試作した。まず図１と図２（ａ）において、ｚ−カットＬＮ基板１２の横幅を１ｍｍとし、図１５の第１の従来技術において金属筐体５の台座２０に接着剤によりＬＮ光変調器を固定したように、不図示の金属筐体の台座にｚ−カットＬＮ基板１２を接着した。また、ＳＡＷグレードＬＮ基板１３の横幅を５ｍｍとし、これも接着剤により不図示の台座に接着剤により固定した。さらにＳＡＷグレードＬＮ基板１３の接触面１４に相当する基板側面に接着剤をあらかじめ塗っておき、ｚ−カットＬＮ基板１２とＳＡＷグレードＬＮ基板１３とを互いに固定した。なお、この接着剤はｚ−カットＬＮ基板１２とＳＡＷグレードＬＮ基板１３との接触面１４の上方に少々はみ出しても問題なかった。

そして、一体のＬＮ基板１５の横幅Ｌ_ｘは第２の従来技術では１０Ｇｂｉｔ／ｓの光変調でさえも許容することができない６ｍｍをあえて採用している。また、基板の厚みＬ_ｚは０．３ｍｍ、基板の長さＬ_ｙは５０ｍｍとした。

なお、ここでは説明の便宜のために、図１５における金属筐体５の内部の２０を台座と仮定して説明したが、金属筐体５の内部の２０を台座とせず、別途台座を設けて、それを金属筐体５に固定し、さらにｚ−カットＬＮ基板１２とＳＡＷグレードＬＮ基板１３を台座に固定しても良いことは言うまでもない。また、ｚ−カットＬＮ基板１２とＳＡＷグレードＬＮ基板１３に各々異なる台座を設けて、それらを金属筐体の中に固定しても良い。

このように、ｚ−カットＬＮ基板１２の横幅を例えば１ｍｍと狭くすることにより、その横幅が２〜５ｍｍであった第１の従来技術と比較して、１枚のオプティカルグレードのｚ−カットＬＮ基板のウェーハからとることのできるＬＮ光変調器のチップの総数を第１の従来技術の１０〜２０チップの２倍〜５倍、つまり４０〜５０チップへと大幅に増やすことができた。そして、ｚ−カットＬＮ基板１２の横幅を１ｍｍよりもさらに狭くすることにより、もっと多くのＬＮ光変調器のチップをとることができる。

また、製作したＬＮ光変調器の変調指数の周波数応答特性を図３に示す。本発明によるＬＮ光変調器の特性である図３においては、第２の従来技術の基板となっている式（１）から予測される周波数ディップｆ_ｃは５ＧＨｚであるが、図からわかるようにこの周波数はおろか４０ＧＨｚまでは周波数ディップｆ_ｃが観測されない。よって、第２の従来技術のように素子を極めて小さくすること無しに、変調指数の周波数ディップｆ_ｃを４０ＧＨｚ以上の高い周波数にシフトさせることが可能であることがわかる。

そして本発明の大きな特徴は周波数ディップｆ_ｃがｚ−カットＬＮ基板１２の横幅に依存せずに、ｚ−カットＬＮ基板１２やＳＡＷグレードＬＮ基板１３の厚みにのみ依存している点であり、第２の従来技術と異なり、１枚のウェーハからとることのできるチップの総数と周波数ディップｆ_ｃを独立に設計できた。

さらに、ｚ−カットＬＮ基板１２を不図示の金属筐体からの引き剥がす実験を行った結果、同じ横幅のｚ−カットＬＮ基板１からなる第１の従来技術のＬＮ光変調器と同等の強度を持っており、ＬＮ光変調器モジュール組み立て後の振動・衝撃試験も問題なくクリアした。このように、本実施形態はｚ−カットＬＮ基板１の横幅が狭い第２の従来技術のＬＮ光変調器と比べてはるかに強い機械的強度を有している。

以上のように、本発明によれば、ＬＮ光変調器のチップの横幅を狭くすることにより、高価なオプティカルグレードのウェーハから多くの細い光変調器のチップをとることができるので光変調器としてのコストを材料費と実際には大きな割合を占めるプロセスにおける人件費の観点から低減し、かつＬＮ光変調器のチップと極めて安価なＳＡＷグレードの基板を機械的に一体のＬＮ基板と見なせるようにしてコストを上げることなく機械的強度を保ち、さらにその一体のＬＮ基板の厚みを薄くするとともに横幅を充分に広くすることにより、光伝送にとって有害な周波数ディップｆ_ｃを正確、確実、かつ容易に使用周波数領域よりも高い周波数にシフトできるという大きな利点がある。

さらに、光導波路を形成するｚ−カットＬＮ基板としてＳＡＷグレードＬＮ基板を使用する場合にも、本発明を適用することにより人件費に関わるコストを大幅に低減できることになる。

また、以上の説明においては、図１５を例にとり、金属筐体５の内部の２０を台座としてｚ−カットＬＮ基板１２とＳＡＷグレードＬＮ基板１３を固定したが、これは説明の便宜のためであり、勿論、金属筐体５の内部の２０を台座とせずに別途台座を設けても良いことは言うまでもないし、ｚ−カットＬＮ基板１２とＳＡＷグレードＬＮ基板１３を一つの台座あるいは別々の台座に貼り付けた後に、金属筐体５の内部に固定しても良いことは言うまでもない。

以上の議論においては別体の基板としてＳＡＷグレードＬＮ基板１３、つまりＬＮ変調器チップと同じ材料の誘電体からなる材料を使用した。また、別体の基板としてはｘ−カット、ｙ−カット等、面方位が異なるＬＮ基板でも良いし、リチウムタンタレート基板、アルミナ基板、窒化アルミ基板、あるいはサファイア基板などのその他の誘電体基板でも良い。なお、ここで誘電体基板とは金属ではないという意味なので、本明細書においては誘電体基板という言葉は通常の誘電体基板の他にＧａＡｓ基板やＩｎＰ基板などの半導体基板も含むものとする。なお、これらのことは本発明の全ての実施形態について言える。

また、別体の基板、つまりＳＡＷグレードＬＮ基板１３としてｚ−カットＬＮ基板を用いる場合には、ＬＮ変調器チップであるｚ−カットＬＮ基板１２とＳＡＷグレードＬＮ基板１３において−ｚ面と＋ｚ面の方向を同じとすることが望ましいが、逆にすることにより焦電効果による電荷を中和することができる。

さらに、別体の基板として、例えばステンレスなどの金属からなる材料を使用し、かつｚ−カットＬＮ基板１２の幅が狭い場合には、誘電体共振の共振周波数はｚ−カットＬＮ基板１２の幅の影響も受けることになる。従って、誘電体共振の共振周波数がｚ−カットＬＮ基板１２の幅にほぼ影響されずにそれらの厚みのみに依存し、周波数ディップｆ_ｃの設定が正確、確実、かつ容易であるという本発明における重要な一つのポイントは失われるものの、ｚ−カットＬＮ基板１２を含めて、台座２０への高い接着強度を確保しつつ、１枚のウェーハからとることのできる光変調器の総数を著しく増加するという本発明の利点を生かすことができる。

［第２の実施形態］
図４に、本発明の第２の実施形態を示す。この第２の実施形態の基本構造は図１に示した第１の実施形態と同様であるが、例えばＡｕなどの金属からなる電極１６をＳＡＷグレードＬＮ基板１３に形成している。そして、電極１６は不図示のＡｕワイヤや不図示の導電性を有する接着剤などにより不図示の金属筐体にアースするか、あるいは図４のように接地導体４ｂとＡｕワイヤ１７ａ、１７ｂ、１７ｃにより電気的に接続しても良いし、さらには接地導体４ｂとＡｕワイヤ１７ａ、１７ｂ、１７ｃにより電気的に接続した後、電極１６を不図示の金属筐体にアースしても良い。ここで、金属筐体にアースしたのは、この実施形態ではＳＡＷグレードＬＮ基板１３としてｚ−カットＬＮ基板を用いたので、焦電効果について配慮したためである。なお、Ａｕワイヤ１７ａ、１７ｂ、１７ｃはそのうちの１本のみを使用しても良く、このことは本発明のその他の実施形態についても言える。

但し、この電極１６はあった方が好ましいというレベルであり、実用上なくても良い。なお、１４’はｚ−カットＬＮ基板１２とＳＡＷグレードＬＮ基板１３の側面における接触面であり、ｚ−カットＬＮ基板１２とＳＡＷグレードＬＮ基板１３の側面は接触面１４’において不図示の接着剤で部分的にあるいは全体的に互いに接着されているか、機械的に密着、もしくは接触している。なお、言うまでもないことであるが、本発明の他の実施形態と同様に、ｚ−カットＬＮ基板１２とＳＡＷグレードＬＮ基板１３は不図示の台座に底面で固定されている。

［第３の実施形態］
一般的に光導波路へ光を入出力する単一モード光ファイバの位置はほぼ決まっているので、ＬＮ変調器モジュールのパッケージである金属筐体の中においてｚ−カットＬＮ基板の幅方向の位置もほぼ決まっている。そのため、ＬＮ変調器チップであるｚ−カットＬＮ基板の幅を狭くした場合にはマイクロ波コネクタの芯線がＬＮ変調器チップに届かない、あるいはマイクロ波コネクタの芯線が長くなりすぎて電気的反射を生じてしまうなどの不具合が生じる可能性がある。

こうした場合にも本発明を適用することができる。つまり、マイクロ波コネクタとＬＮ変調器チップの間にＳＡＷグレードなどのＬＮ基板や他の材料からなる別体の基板を設け、その別体の基板に電極パターンを形成しておけば、マイクロ波コネクタとｚ−カットＬＮ基板の間の電気的な橋渡しをさせることができる。従って、マイクロ波コネクタとｚ−カットＬＮ基板の間の電気的な反射を抑圧することができる。

その適用例を図５に本発明の第３の実施形態として示す。この第３の実施形態では別体の基板であるＳＡＷグレードＬＮ基板１３’（あるいは、別体の基板１３’）に中心導体１８ａ、１８ａ’、接地導体１８ｂ、１８ｂ’、１８ｃからなる電極パターンを形成し、不図示のマイクロ波コネクタの芯線を中心導体１８ａ、１８ａ’に、また接地導体１８ｂ、１８ｂ’、１８ｃを不図示の金属筐体に接続する。ＳＡＷグレードＬＮ基板１３’に形成した電極パターンはＡｕワイヤ１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅによりｚ−カットＬＮ基板の進行波電極４と電気的に接続されている。

なお、本発明の他の実施形態と同様に、ｚ−カットＬＮ基板１２とＳＡＷグレードＬＮ基板１３’は不図示の台座に底面で固定されているが、さらにそれらが側面で互いに固定されていると機械的強度の観点から極めて有利である。但し、例えそれら同士が互いに側面で固定されていなくても、ｚ−カットＬＮ基板を不図示の台座に固定する際のガイドとしてＳＡＷグレードＬＮ基板１３’を活用できるので好都合である。

［第４の実施形態］
図６に本発明の第４の実施形態を示す。この第４の実施形態ではＳＡＷグレードＬＮ基板からなる第１の別体の基板１３’’と、同じくＳＡＷグレードＬＮ基板からなる第２の別体の基板１３’’’の２つの別体の基板を使用する。ここで、ｚ−カットＬＮ基板１２と第１の別体の基板１３’’との接触面を１４’’、ｚ−カットＬＮ基板１２と第２の別体の基板１３’’’との接触面を１４’’’とする。第１の別体の基板１３’’に形成した電極パターン１６’はＡｕワイヤ２５ａ、２５ｂ、２５ｃによりｚ−カットＬＮ基板の進行波電極４の接地導体４ｂと電気的に接続されている。第２の別体の基板１３’’’には中心導体２１ａ、２１ａ’、接地導体２１ｂ、２１ｂ’、２１ｃからなる電極パターンを形成し、不図示のマイクロ波コネクタの芯線を中心導体２１ａ、２１ａ’に、また接地導体２１ｂ、２１ｂ’、２１ｃを不図示の金属筐体に接続する。第２の別体の基板１３’’’に形成した電極パターンはＡｕワイヤ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅによりｚ−カットＬＮ基板１２の進行波電極４と電気的に接続されている。

なお、ｚ−カットＬＮ基板１２と第１の別体の基板１３’’と第２の別体の基板１３’’’とが側面で互いに固定されていると機械的強度の観点から極めて有利となるが、例えそれら同士が互いに側面で固定されていなくても、ｚ−カットＬＮ基板を不図示の台座に固定する際のガイドとして別体基板を活用できるので好都合である。

［第５の実施形態と第６の実施形態］
図７に本発明における第５の実施形態の斜視図を示す。説明を簡単にするために、進行波電極を省略している。また、光導波路もｚ−カットＬＮ基板１２の端面にのみ３として示している。図７のＣ−Ｃ´における断面図を図８に示す。３３はＳＡＷグレードＬＮ基板からなる別体の基板、３０は厚みＧの接着剤層である。なお、通常、ｚ−カットＬＮ基板１２と別体の基板３３をほぼ完全には密着させないときにも接着剤層３０の厚みは約５〜１０μｍ程度と薄いが、この第５の実施形態は３０〜５０μｍ程度さらには１００μｍと厚い場合についても含んでいる。

さて、本実施形態ではｚ−カットＬＮ基板１２と別体の基板３３の隙間全体にわたって接着剤層３０が入っているとしたが、基板の共振は不図示のコネクタの芯線から不図示の進行波電極に乗り移る際に漏れて放射された高周波電気信号により引き起こされるので、不図示のコネクタの芯線と不図示の進行波電極とを結ぶ入力用フィードスルー部で主に生じる。従ってＣ−Ｃ´は不図示の入力用フィードスルー部の付近を横断しているとし、図８はこの付近での断面図と考えて良い。

また、図９に本発明における第６の実施形態の斜視図を示す。この斜視図のＤ−Ｄ´における断面図を図１０に示す。ここで、ｚ−カットＬＮ基板１２とＳＡＷグレードＬＮ基板からなる別体の基板３３は接着剤層３０により部分的に固定されている。Ｄ−Ｄ´は第６の実施形態での不図示の入力用フィードスルー部の付近を横断しているとし、図９はこの付近での断面図と考えて良い。つまり、Ｄ−Ｄ´の断面においてｚ−カットＬＮ基板１２と別体の基板３３の間には空気層３１が入っている。

この第６の実施形態の場合にも接着剤層３０により互いに部分的に固定されたｚ−カットＬＮ基板１２と別体の基板３３はさらに不図示の筐体内部の台座に固定されているので、接着面積を広くすることができる。従って、不図示の筐体内部の台座にｚ−カットＬＮ基板１２のみを固定する場合と比較してｚ−カットＬＮ基板１２を強固に不図示の筐体内部の台座に固定することが可能となる。

図１１は図７と図８に示した本発明における第５の実施形態において接着剤層３０の厚みＧを変数とした場合について、ｚ−カットＬＮ基板１２、接着剤層３０、及び別体の基板３３からなる構造体の共振周波数を実線で、また図９と図１０に示した本発明の第６の実施形態において空気層３１の厚みＧを変数とした場合について、ｚ−カットＬＮ基板１２、空気層３１、及び別体の基板３３からなる構造体の共振周波数を破線で示す。なお、ｚ−カットＬＮ基板１２と別体の基板３３は両方とも厚みと幅が１ｍｍとした。なお、ここでは１０Ｇｂｉｔ／ｓの光伝送を想定している。

図からわかるように、本発明において接着剤層３０や空気層３１の厚みＧはＧ＝０、つまり厚みが１ｍｍで幅が２ｍｍである一体のｚ−カットＬＮ基板の場合での共振周波数とほぼ変わらず、本発明の構造を採用することにより一体のｚ−カットＬＮ基板の場合と比較して共振周波数が変化するというデメリットはない。

ｚ−カットＬＮ基板１２と別体の基板３３が一体のｚ−カットＬＮ基板からなっている場合には不図示の入力用フィードスルー部から漏れた高周波電気信号を模擬した電磁界は一体のｚ−カットＬＮ基板の幅方向にも伝搬することは明らかであるし、実際に電磁界解析により確認した。

そして、不図示の入力用フィードスルーから漏れた高周波電気信号を模擬したこの電磁界を別体の基板３３の内部に励振すると、別体の基板３３とｚ−カットＬＮ基板１２の隙間Ｇが１０〜３０μｍの場合は勿論であるが、５０μｍの場合はおろか１００μｍ、さらには２００μｍの場合においてでさえも、高周波電気信号は別体の基板３３から接着剤層３０もしくは空気層３１を突き抜けてｚ−カットＬＮ基板１２に伝搬する。

つまりｚ−カットＬＮ基板１２と別体の基板３３の隙間Ｇが図１１に図示した程度である場合には、ｚ−カットＬＮ基板１２と別体の基板３３の隙間に接着剤層３０があっても、あるいは空気層３１があっても電磁界は通り抜け、ｚ−カットＬＮ基板１２と別体の基板３３はあたかも一体のｚ−カットＬＮ基板として機能する。

このように、ｚ−カットＬＮ基板１２の幅を狭くすることにより１枚のウェーハから多くのＬＮ変調器チップを得るとともに、全体としての接着面積を大きくできるので幅の狭いＬＮ変調器チップを不図示の筐体の台座に強固に固定することを可能にするという本発明の効果を発揮しつつ、それに付随して発生する問題はないことがわかる。

［各実施形態について］
以上においては、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、高周波電気信号の出力側にもマイクロ波コネクタの芯線があるとして説明してきたが、このことは本発明においては本質的なことではなく、終端抵抗を用いて筐体パッケージの中で、電気的に終端しても良いことは言うまでもない。また、以上の説明においては電気的に接続するためにＡｕワイヤを用いるとして説明したが、Ａｕリボンでも良い。さらに筐体は金属として説明したが、本発明の考えは筐体がプラスティックなどの非金属材料からなる場合にも適用可能である。

なお、ＬＮ変調器チップの側面と別体の基板の側面とを接着する接着手段としての接着剤は紫外線硬化接着剤や熱硬化接着剤でも良いし、さらには銀ペーストなどの導電性接着剤や半田剤でも良い。

さらに、これまでの説明においては別体の基板として主にＳＡＷグレードの素材のＬＮ基板を使用するとしたが、部材費としての価格は高くなるものの別体の基板としてオプティカルグレードの素材のＬＮ基板を使用しても良いことは言うまでもない。そして、その場合においても、ＬＮ変調器チップの製作工程において多くの人件費が発生するので、１枚あたりのウェーハから数多くのＬＮ変調器チップを得ることができる本発明の効果は顕著である。

また、以上の実施形態は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軸を持つ基板にも適用可能であるし、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。

以上のように、本発明に係る光変調器は、安価で、機械的強度が高く、かつＲＦ変調性能について改善することができるという効果を有し、高速で駆動電圧が低い光変調器として有用である。

本発明の第１の実施形態に係るＬＮ光変調器の斜視図 （ａ）本発明の第１の実施形態に係るＬＮ光変調器の横断面図、及び（ｂ）本発明の第１の実施形態の原理を説明するための一体のＬＮ基板の横断面図 本発明の第１の実施形態の光変調特性を示すグラフ 本発明の第２の実施形態に係るＬＮ光変調器の斜視図 本発明の第３の実施形態に係るＬＮ光変調器の斜視図 本発明の第４の実施形態に係るＬＮ光変調器の斜視図 本発明の第５の実施形態に係るＬＮ光変調器の斜視図 図７のＣ−Ｃ'線における断面図 本発明の第６の実施形態に係るＬＮ光変調器の斜視図 図９のＤ−Ｄ'線における断面図 本発明の第５と第６の実施形態についての基板共振周波数を説明する図 第１の従来技術に係る光変調器の斜視図 図１２のＡ−Ａ'線における断面図 第１の従来技術に係る光変調器の動作を説明する図 第１の従来技術に係る光変調器モジュールの斜視図 第１の従来技術に係るＬＮのウェーハとそれに形成した光変調器チップを示す平面図 第１の従来技術に係る光変調器モジュールのマイクロ波コネクタ部における高周波電気信号の電気力線の分布を説明する図 図１５のＢ−Ｂ'線で示した入力用フィードスルー部における高周波電気信号の電気力線の分布を説明する図 第１の従来技術に係るｚ−カットＬＮ基板の斜視図 第１の従来技術に係るｚ−カットＬＮ基板の横断面図 第２の従来技術に係るＬＮのウェーハとそれに形成した光変調器チップを示す平面図 第２の従来技術に係るｚ−カットＬＮ基板の斜視図 第２の従来技術に係るｚ−カットＬＮ基板の横断面図 機械的接着強度について従来技術の問題点を説明する図

符号の説明

１、１２：ｚ−カットＬＮ基板（基板、ＬＮ基板）
２：ＳｉＯ_２バッファ層（バッファ層）
３：光導波路
３ａ、３ｂ：相互作用光導波路（光導波路、相互作用部）
４：進行波電極（電極）
４ａ：中心導体
４ｂ、４ｃ：接地導体
５：金属筐体
６ａ、６ｂ：マイクロ波コネクタの芯線
７ａ、７ｂ：マイクロ波コネクタの芯線の周囲にある空洞
８：金属のふた
１０：ＬＮウェーハ
１１：ＬＮ光変調器のチップ
１３、１３’、３３：ＳＡＷグレードＬＮ基板（別体の基板）
１３’’：ＳＡＷグレードＬＮ基板（第１の別体の基板）
１３’’’：ＳＡＷグレードＬＮ基板（第２の別体の基板）
１４、１４’、１４’’、１４’’’：接触面
１５：一体のＬＮ基板
１６：電極
１６’：電極パターン
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ：Ａｕワイヤ
１８ａ、１８ａ’、２１ａ、２１ａ’：中心導体
１８ｂ、１８ｂ’、１８ｃ、２１ｂ、２１ｂ’、２１ｃ：接地導体
２０：台座（固定部）
３０：接着剤層
３１：空気層

Claims (9)

1. 筐体内に、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光の位相を変調する高周波電気信号を印加するための中心導体及び接地導体からなる進行波電極とを有し、
   前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光の位相を変調する相互作用部と、前記基板を前記筐体に固定する固定部と、少なくとも外部回路から前記相互作用部に前記高周波電気信号を印加するための入力用フィードスルー部とを具備する光変調器において、
   さらに誘電体からなる別体の基板を前記基板の前記入力用フィードスルー部が形成された側に並置して有しており、
   前記別体の基板には中心導体および接地導体からなる電極パターンが形成され、前記基板に形成された前記中心導体および前記接地導体にそれぞれ電気的に接続されており、かつ、前記別体の基板の、前記基板に接する側とは反対側の端面における前記中心導体から前記高周波電気信号が入力されるようになっており、
   前記基板の厚みと前記別体の基板の厚みとから決定される誘電体共振の共振周波数が前記高周波電気信号の周波数よりも高くなるように、前記基板の前記厚みと前記別体の基板の前記厚みとを設定し、また、前記基板は少なくとも一つの前記別体の基板とともに前記固定部に接着固定されており、前記別体の基板が無い場合と比較して、前記基板の前記固定部への接着強度が大きいことを特徴とする光変調器。
2. 前記基板の厚みと前記別体の基板の厚みをＬｚ、前記誘電体共振の共振周波数をｆｃ、前記基板と前記別体の基板の厚み方向の共振の次数をｍ_ｚ、前記高周波電気信号の前記基板における厚み方向の等価屈折率をｎ_ｚ、真空中の光速をｃ_ｏとするとき、前記誘電体共振の共振周波数に対して前記基板の厚みと前記別体の基板の厚みが、
   ｆｃ ＝ （ｃ_０／２）・ｍ_ｚ／（ｎ_ｚ・Ｌ_ｚ）
   によって定まることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 筐体内に、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光の位相を変調する高周波電気信号を印加するための中心導体及び接地導体からなる進行波電極とを有し、
   前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光の位相を変調する相互作用部と、前記基板を前記筐体に固定する固定部と、少なくとも外部回路から前記相互作用部に前記高周波電気信号を印加するための入力用フィードスルー部とを具備する光変調器において、
   さらに誘電体からなる別体の基板を前記基板の前記入力用フィードスルー部が形成された側に並置して有しており、
   前記別体の基板には中心導体および接地導体からなる電極パターンが形成され、前記基板に形成された前記中心導体および前記接地導体にそれぞれ電気的に接続されており、かつ、前記別体の基板の、前記基板に接する側とは反対側の端面における前記中心導体から前記高周波電気信号が入力されるようになっており、
   前記基板の厚みとその厚み方向における前記高周波電気信号の等価屈折率との積、もしくは前記別体の基板の厚みとその厚み方向における前記高周波電気信号の等価屈折率との積の少なくとも一方が０．４ｍｍより大きく、かつ１５ｍｍよりも小さくなるように、前記基板の前記厚みと前記別体の基板の前記厚みとを設定し、
   前記基板は少なくとも一つの前記別体の基板とともに前記固定部に接着固定されており、前記別体の基板が無い場合と比較して、前記基板の前記固定部への接着強度が大きいことを特徴とする光変調器。
4. 筐体内に、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光の位相を変調する高周波電気信号を印加するための中心導体及び接地導体からなる進行波電極とを有し、
   前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光の位相を変調する相互作用部と、前記基板を前記筐体に固定する固定部と、少なくとも外部回路から前記相互作用部に前記高周波電気信号を印加するための入力用フィードスルー部とを具備する光変調器において、
   さらに誘電体からなる別体の基板を前記基板の前記入力用フィードスルー部が形成された側に並置して有しており、
   前記別体の基板には中心導体および接地導体からなる電極パターンが形成され、前記基板に形成された前記中心導体および前記接地導体にそれぞれ電気的に接続されており、かつ、前記別体の基板の、前記基板に接する側とは反対側の端面における前記中心導体から前記高周波電気信号が入力されるようになっており、
   前記基板の幅と前記別体の基板の幅との和が、前記基板もしくは前記別体の基板の少なくとも一方の厚みの約１．４倍以上あり、
   前記基板は少なくとも一つの前記別体の基板とともに前記固定部に接着固定されており、前記別体の基板が無い場合と比較して、前記基板の前記固定部への接着強度が大きいことを特徴とする光変調器。
5. 前記別体の基板が前記基板と同じ材料の誘電体からなることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光変調器。
6. 前記別体の基板が前記基板と異なる材料の誘電体からなることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光変調器。
7. 前記基板がオプティカルグレードのリチウムナイオベート基板でなり、前記別体の基板がＳＡＷグレードのリチウムナイオベート基板でなることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光変調器。
8. 前記基板および前記別体の基板がそれぞれオプティカルグレードのリチウムナイオベート基板でなることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光変調器。
9. 前記基板の側面と前記別体の基板の側面との少なくとも一部が接着手段により互いに固定されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の光変調器。

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