JP7302516B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、光変調器に関し、特に、マッハツェンダー型光変調器の導波路構造に関する。

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マッハツェンダー型光変調器が実用化されている（例えば特許文献１参照）。マッハツェンダー型光変調器は、１つの光源から出た光を２つに分け、異なる経路を通過させた後、再び重ね合わせて干渉を起こさせるマッハツェンダー干渉計の構造を有する光導波路（マッハツェンダー光導波路）を用いるものであり、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２には、ｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜を用いたマッハツェンダー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及び低駆動電圧化が可能である。

マッハツェンダー型光変調器に関し、例えば特許文献３には、曲がり導波路の後段にＹ字状の分岐部が設けられた構成において、曲がり導波路中で偏ったモードが分岐部に入射することで分岐比が５０％からずれて実効屈折率の差が生じ、消光比が悪化することを防止するため、曲がり導波路の始点から分岐部に至るまでの間に低屈折率部を設けることが記載されている。

特許第４４８５２１８号公報 特開２００６－１９５３８３号公報 特許第５４８８２２６号公報

マッハツェンダー光導波路を構成する互いに平行な２本の導波路部の線幅が例えば製造プロセス要因により非対称性を持つことがある。このとき２本の導波路部間の実効屈折率が異なることから、光の伝搬特性に波長依存性が生じる。光の伝搬特性に波長依存性が生じる場合、入出力光の動作波長が消光状態であっても入出力光に混在する動作波長以外のバックグランド光が導光状態となるため、オフ状態のときの光強度が大きくなり、消光比が悪化する。なお、この場合の実効屈折率は導波路中を伝搬する光の群速度により決まる。

したがって、本発明の目的は、一対の光導波路の非対称性に起因する消光比の悪化を改善することが可能な光変調器を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明による光変調器は、入力導波路部と、前記入力導波路部を伝搬する光を分波する分波部と、前記分波部から延びて互いに平行に設けられた第１及び第２導波路部と、前記第１及び第２導波路部を伝搬する光を合波する合波部と、前記合波部から出力される光を伝搬する出力導波路部とを有するマッハツェンダー光導波路と、前記マッハツェンダー光導波路を伝搬する光の位相を制御する信号電極とを備え、前記第２導波路部の線幅は前記第１導波路部の線幅よりも広く、前記第２導波路部の高さは前記第１導波路部の高さよりも低いことを特徴とする。

本発明によれば、線幅が異なることによる第１及び第２導波路部間の実効屈折率差を小さくすることができる。したがって、消光比が良好な光変調器を提供することができる。

本発明において、前記第１及び第２導波路部は、互いに平行に設けられた第１及び第２直線部と、前記第１直線部と前記第２直線部とを繋ぐ第１湾曲部とを有し、前記第２直線部の前記第２導波路部は、前記第１直線部の第２導波路部と前記第２直線部の第１導波路部との間に位置し、前記第１直線部の前記第１導波路部は、前記第１湾曲部の前記第１導波路部を介して前記第２直線部の前記第１導波路部に接続され、前記第１直線部の前記第２導波路部は、前記第１湾曲部の前記第２導波路部を介して前記第２直線部の前記第２導波路部に接続され、前記第１直線部において、前記第２導波路部の線幅は前記第１導波路部の線幅よりも広く、且つ、前記第２導波路部の高さは前記第１導波路部の高さよりも低く、前記第２直線部において、前記第１導波路部の線幅は前記第２導波路部の線幅よりも広く、且つ、前記第１導波路部の高さは前記第２導波路部の高さよりも低いことが好ましい。このように、第１及び第２導波路部を折り返し構造とすることで導波路（相互作用部）の全長を長くすることができ、低駆動電圧化と小型化の両立が可能である。また、線幅が異なることによる第１及び第２導波路部間の実効屈折率差を小さくすることができ、消光比が良好な光変調器を提供することができる。

本発明において、前記第１及び第２導波路部は、前記第１及び第２直線部と平行に設けられ、前記第２直線部から見て前記第１直線部と反対側に位置する第３直線部と、前記第２直線部と前記第３直線部とを繋ぐ第２湾曲部とをさらに有し、前記第３直線部の前記第１導波路部は、前記第２直線部の前記第１導波路部と前記第３直線部の前記第２導波路部との間に位置し、前記第２直線部の前記第１導波路部は、前記第２湾曲部の前記第１導波路部を介して前記第３直線部の前記第１導波路部に接続され、前記第２直線部の前記第２導波路部は、前記第２湾曲部の前記第２導波路部を介して前記第３直線部の前記第２導波路部に接続され、前記第３直線部において、前記第２導波路部の線幅は前記第１導波路部の線幅よりも広く、且つ、前記第２導波路部の高さは前記第１導波路部の高さよりも低いことが好ましい。この構成によれば、導波路（相互作用部）の全長をさらに長くすることができ、低駆動電圧化と小型化の両立が可能である。

本発明において、前記マッハツェンダー光導波路は、基板上のニオブ酸リチウム膜がリッジ状に形成されたリッジ導波路であることが好ましい。光変調器のマッハツェンダー光導波路をニオブ酸リチウム膜により形成する場合、曲率が小さな光導波路を形成することができ、小型で高品質な光変調器を構成することが可能である。

本発明による光変調器の製造方法は、ウェーハ上に導波層を形成する工程と、前記導波層をリッジ状に加工して複数の光導波路を形成する工程と、前記複数の光導波路に対応する複数の電極を形成する工程とを備え、前記複数の光導波路の各々は、前記ウェーハの第１方向と平行に設けられた第１及び第２導波路部を含み、前記第２導波路部が前記第２導波路部よりも前記第１方向と直交する第２方向における前記ウェーハの外周寄りに位置し、前記複数の光導波路は、第１光導波路と、前記第１光導波路よりも前記第１方向と直交する前記ウェーハの第２方向の外周側に設けられた第２光導波路とを含み、前記第２光導波路の前記第２導波路部のリッジ幅は、前記第２光導波路の前記第１導波路部のリッジ幅よりも広く、前記第２光導波路の前記第２導波路部のリッジ高さは、前記第２光導波路の前記第１導波路部のリッジ高さよりも低いことを特徴とする。この場合、前記第１光導波路の前記第２導波路部のリッジ幅は、前記第１光導波路の前記第１導波路部と等しく、前記第１光導波路の前記第２導波路部のリッジ高さは、前記第１光導波路の前記第１導波路部と等しいことが好ましい。本発明によれば、ウェーハ上の形成位置によらず、マッハツェンダー光導波路の一対の導波路間の実効屈折率差を小さく、これにより消光比が良好な光変調器を製造することができる。

本発明によれば、互いに平行な一対の光導波路の非対称性に起因する消光比の悪化を改善することが可能な光変調器を提供することができる。

図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態による光変調器の構成を示す略平面図であり、図１（ａ）は光導波路のみ図示し、図１（ｂ）は進行波電極を含めた光変調器の全体を図示している。 図２は、図１（ａ）及び（ｂ）のＸ_１－Ｘ_１'線に沿った光変調器１の略断面図である。 図３は、ウェーハ上に形成される複数の光変調器のレイアウトを示す略平面図である。 図４は、本発明の第２実施の形態による光変調器の構成を示す略平面図である。 図５は、図４のＸ_１－Ｘ_１'線に沿った光導波路パターンの略断面図である。 図６は、リッジ導波路のリッジ幅Ｗ_ridgeと実効屈折率との関係を示すグラフである。 図７は、リッジ導波路のリッジ高さＴLNと実効屈折率との関係を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態による光変調器の構成を示す略平面図であり、図１（ａ）は光導波路のみ図示し、図１（ｂ）は進行波電極を含めた光変調器の全体を図示している。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、この光変調器１は、基板１０上に形成され、互いに平行に設けられた第１及び第２導波路部２ａ，２ｂを有するマッハツェンダー光導波路２と、第１導波路部２ａに沿って設けられた第１信号電極４ａと、第２導波路部２ｂに沿って設けられた第２信号電極４ｂと、第１導波路部２ａに沿って設けられた第１バイアス電極５ａと、第２導波路部２ｂに沿って設けられた第２バイアス電極５ｂとを備えている。第１及び第２信号電極４ａ，４ｂは、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂと共にマッハツェンダー光変調器のＲＦ相互作用部３ａを構成している。また、第１及び第２バイアス電極５ａ，５ｂは、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂと共にマッハツェンダー光変調器のＤＣ相互作用部３ｂを構成している。

マッハツェンダー光導波路２は、マッハツェンダー干渉計の構造を有する光導波路であって、入力導波路部２ｉと、入力導波路部２ｉを伝搬する光を分波する分波部２ｃと、分波部２ｃから延びて互いに平行に設けられた第１及び第２導波路部２ａ，２ｂと、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂを伝搬する光を合波する合波部２ｄと、合波部２ｄから出力される光を伝搬する出力導波路部２ｏとを有している。入力導波路部２ｉに入力された入力光は、分波部２ｃで分波されて第１及び第２導波路部２ａ，２ｂをそれぞれ進行した後、合波部２ｄで合波され、出力導波路部２ｏから変調光として出力される。

第１及び第２信号電極４ａ，４ｂは第１及び第２導波路部２ａ，２ｂにＲＦ信号を印加するために設けられている。第１及び第２信号電極４ａ，４ｂは、平面視で第１及び第２導波路部２ａ，２ｂと重なる線状の電極パターンであり、その両端は基板１０の外周端付近まで引き出されている。すなわち、第１及び第２信号電極４ａ，４ｂの一端４ａ_１，４ｂ_１は基板１０のエッジ近傍まで引き出されて信号入力ポートを構成しており、信号入力ポートにはドライバ回路９ａが接続される。また、第１及び第２信号電極４ａ，４ｂの他端４ａ_２，４ｂ_２は基板１０のエッジ近傍まで引き出されると共に終端抵抗９ｂを介して互いに接続されている。これにより、第１及び第２信号電極４ａ，４ｂは、差動のコプレーナ型進行波電極として機能する。

第１及び第２バイアス電極５ａ，５ｂは、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂに直流電圧（ＤＣバイアス）を印加するために第１及び第２信号電極４ａ，４ｂとは独立に設けられている。第１及び第２バイアス電極５ａ，５ｂの一端５ａ_１，５ｂ_１は基板１０のエッジ近傍まで引き出されてＤＣバイアス入力ポートを構成しており、ＤＣバイアスポートにはバイアス回路９ｃが接続される。本実施形態において、第１及び第２バイアス電極５ａ，５ｂの形成領域は、第１及び第２信号電極４ａ，４ｂの形成領域よりもマッハツェンダー光導波路２の出力端側に設けられているが、入力端側に設けられていてもよい。また、第１及び第２バイアス電極５ａ，５ｂを省略し、ＤＣバイアスを予め重畳させた変調信号を第１及び第２信号電極４ａ，４ｂに入力することも可能である。

第１及び第２信号電極４ａ，４ｂの一端には、絶対値が同じで正負の異なる差動信号（変調信号）が入力される。第１及び第２導波路部２ａ，２ｂ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導波路部２ａ，２ｂに与えられる電界によって第１及び第２導波路部２ａ，２ｂ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導波路部２ｏから出力される。

このように、本実施形態による光変調器１は、一対の信号電極で構成されたデュアル駆動型であるため、一対の光導波路に印加される電界の対称性を高めることができ、波長チャープを抑制することができる。

図２は、図１（ａ）及び（ｂ）のＸ_１－Ｘ_１'線に沿った光変調器１の略断面図である。

図２に示すように、光変調器１は、基板１０、導波層１１、バッファ層１３、及び電極層１４がこの順で積層された多層構造を有している。

基板１０は例えばサファイア単結晶基板であり、基板１０の主面にはニオブ酸リチウムに代表される電気光学材料からなる導波層１１が形成されている。導波層１１は、突出した部分であるリッジ部１１ｒと、リッジ部１１ｒの両側に設けられた膜厚が薄い部分であるスラブ部１１ｓとを有し、リッジ部１１ｒが第１及び第２導波路部２ａ、２ｂを構成している。本実施形態において、リッジ部１１ｒの幅Ｗ_ａ，Ｗ_ｂは０．５～５μｍとすることができる。また、本実施形態において、第１導波路部２ａのリッジ部１１ｒの幅Ｗ_ａは第２導波路部２ｂのリッジ部１１ｒの幅Ｗ_ｂと異なっている。

リッジ部１１ｒは光導波路の中心となる部分であり、上方に突き出した場所を指す。この上方に突き出した場所は、左右の場所と比較して、電気光学材料膜の膜厚が厚くなっているので、実効屈折率が高くなっている。そのため、左右方向についても光を閉じ込めることができ、３次元光導波路として機能する。リッジ部１１ｒの形状は光を導波可能とする形状であればよく、リッジ部１１ｒにおける電気光学材料膜の膜厚が、左右の電気光学材料膜の膜厚より厚い凸形状であればよい。したがって、上に凸のドーム形状、三角形状などであってもよい。リッジ部１１ｒは、電気光学材料膜上にレジストなどのマスクを形成し、電気光学材料膜を選択的にエッチングしてパターニングすることにより形成することができる。リッジ部１１ｒの幅、高さ、形状等はデバイス特性が向上するように最適化する必要がある。

通常、リッジ部１１ｒの厚さは電気光学材料膜の厚さと等しい。リッジ部１１ｒの幅（リッジ幅Ｗ_ａ，Ｗ_ｂ）は、リッジ部１１ｒの上面の幅として定義される。図示のリッジ部１１ｒの側面は基板１０に対して垂直であるが、傾斜した側面である場合もあるからである。リッジ部１１ｒの側面の傾斜角度は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。このようにリッジ幅をリッジ部１１ｒの上面の幅とする場合には、リッジ部１１ｒが台形形状を有する場合でもリッジ幅を明確に定義することができる。

リッジ部１１ｒの両側に設けられたスラブ部１１ｓは、リッジ部１１ｒから左右に広がるリッジ部１１ｒよりも薄い電気光学材料膜からなる部分である。本実施形態において、スラブ部１１ｓは実質的に一定の厚さを有しているが、リッジ部１１ｒの根元付近のスラブ膜厚は安定しておらず、なだらかなテーパー形状が残留していたり、陥没していたりする場合がある。そのため、スラブ部１１ｓの厚さは、膜厚が過渡的に変化するところでの厚さではなく、リッジ部１１ｒの根元から少し離れた膜厚が安定しているところでの厚さとして定義される。第１及び第２導波路部２ａ，２ｂを構成するリッジ部１１ｒのリッジ高さＴ_ｒａ，Ｔ_ｒｂは、リッジ部１１ｒを構成する電気光学材料膜の厚さである。

本実施形態において、第２導波路部２ｂのリッジ幅Ｗ_ｂは第１導波路部２ａのリッジ幅Ｗ_ａと異なっており、特に第２導波路部２ｂのリッジ幅Ｗ_ｂは第１導波路部２ａのリッジ幅Ｗ_ａよりも広い（Ｗ_ｂ＞Ｗ_ａ）。このようなリッジ幅の違いは、後述する導波層１１の加工ばらつきによって生じるものである。第１及び第２導波路部２ａ，２ｂのリッジ高さＴ_ｒａ，Ｔ_ｒｂが等しく、さらに第１及び第２導波路部２ａ，２ｂのリッジ幅Ｗ_ａ，Ｗ_ｂが互いに異なる場合、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂ間の実効屈折率差が大きくなることにより光変調器１の消光比が悪化する。しかし、本実施形態ではリッジ幅の違いに合わせて第２導波路部２ｂのリッジ高さを第１導波路部２ａと異ならせており、特に第２導波路部２ｂのリッジ高さＴ_ｒｂを第１導波路部２ａのリッジ高さＴ_ｒａよりも低くしているので、第２導波路部２ｂの実効屈折率を第１導波路部２ａの実効屈折率に近づけることができ、光変調器の消光比の悪化を改善することができる。

バッファ層１３は、第１及び第２導波路部２ａ、２ｂ中を伝搬する光が第１及び第２信号電極４ａ，４ｂに吸収されることを防ぐため、少なくともリッジ部１１ｒの上面に形成されるものである。本実施形態においてバッファ層１３はリッジ部１１ｒの上面及び側面を含む導波層１１の全面を覆っている。バッファ層１３は、導波層１１よりも屈折率が小さく、透明性が高い材料からなることが好ましく、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＬａＡｌＯ_３、ＬａＹＯ_３、ＺｎＯ、ＨｆＯ_２、ＭｇＯ、Ｙ_２Ｏ_３などを用いることができる。リッジ部１１ｒの上面上のバッファ層１３の厚さは０．２～１μｍ程度であればよい。バッファ層１３は誘電率が高い材料からなることがより好ましい。本実施形態において、バッファ層１３は、第１及び第２導波路部２ａ、２ｂを構成するリッジ部１１ｒの上面付近だけを選択的に覆うようにパターニングされたものであってもよい。

バッファ層１３の膜厚は、電極の光吸収を低減するためには厚いほど良く、光導波路に高い電界を印加するためには薄いほど良い。電極の光吸収と電極の印加電圧とは、トレードオフの関係にあるので、目的に応じて適切な膜厚を設定する必要がある。バッファ層１３の誘電率は高い程、ＶπＬ（電界効率を表す指標）を低減できるので好ましく、バッファ層１３の屈折率は低い程、バッファ層１３を薄くできるので好ましい。通常、誘電率が高い材料は屈折率も高くなるので、両者のバランスを考慮して、誘電率が高く、かつ、屈折率が比較的低い材料を選定することが重要である。一例として、Ａｌ_２Ｏ_３は、比誘電率が約９、屈折率が約１．６であり、好ましい材料である。ＬａＡｌＯ_３は、比誘電率が約１３、屈折率が約１．７であり、またＬａＹＯ_３は、比誘電率が約１７、屈折率が約１．７であり、特に好ましい材料である。

ＲＦ相互作用部３ａのバッファ層１３はＤＣ相互作用部３ｂのバッファ層１３と異なる材料で構成されていてもよい。ＲＦ相互作用部３ａのバッファ層１３にはＲＦ相互作用部３ａの特性を最適化できるバッファ層材料、ＤＣ相互作用部３ｂのバッファ層１３にはＤＣドリフトを低減できるバッファ層材料を用いることで、各特性を最適化できる。ＤＣドリフトを低減できるバッファ層材料としては、例えば、酸化シリコンとインジウムの酸化物を含む材料を挙げることができる。

図１に示すように、ＲＦ相互作用部３ａの電極層１４は、第１信号電極４ａ及び第２信号電極４ｂを含む。第１信号電極４ａは、第１導波路部２ａ内を進行する光を変調するために第１導波路部２ａに対応するリッジ部１１ｒに重ねて設けられ、バッファ層１３を介して第１導波路部２ａと対向している。第２信号電極４ｂは、第２導波路部２ｂ内を進行する光を変調するために第２導波路部２ｂに対応するリッジ部１１ｒに重ねて設けられ、バッファ層１３を介して第２導波路部２ｂと対向している。

第１及び第２信号電極４ａ，４ｂの幅は、リッジ状に形成されたニオブ酸リチウム膜からなる第１及び第２導波路部２ａ，２ｂのリッジ幅Ｗ_ｂ，Ｗ_ａよりも少し広い程度である。第１及び第２信号電極４ａ，４ｂからの電界を第１及び第２導波路部２ａ、２ｂに集中させるためには、第１及び第２信号電極４ａ，４ｂの幅は、第２導波路部２ｂのリッジ幅Ｗ_ｂの１．１～１５倍であることが好ましく、１．５～１０倍であることがより好ましい。

第１及び第２導波路部２ａ、２ｂの進行方向と直交する断面において、電極構造は左右対称である。そのため、第１及び第２信号電極４ａ，４ｂから第１及び第２導波路部２ａ、２ｂにそれぞれ印加される電界の大きさをできるだけ同じにして波長チャープを低減することができる。なお、本発明において電極構造は特に限定されず、いわゆるシングル駆動型の電極構造であってもよく、グランド電極の有無及びレイアウトも特に限定されない。

導波層１１は電気光学材料であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）からなることが好ましい。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好適だからである。以下、導波層１１をニオブ酸リチウム膜とした場合の本実施形態の構成について詳しく説明する。

基板１０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、揃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軸及びＺ軸方向にともに揃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揃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。

ニオブ酸リチウム膜の膜厚は２μｍ以下であることが望ましい。膜厚が２μｍよりも厚くなると、高品質な膜を形成することが困難になるからである。一方、ニオブ酸リチウム膜の膜厚が薄すぎる場合は、ニオブ酸リチウム膜における光の閉じ込めが弱くなり、基板１０やバッファ層１３に光が漏れることになる。ニオブ酸リチウム膜に電界を印加しても、光導波路（２ａ、２ｂ）の実効屈折率の変化が小さくなるおそれがある。そのため、ニオブ酸リチウム膜は、使用する光の波長の１／１０程度以上の膜厚が望ましい。

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ことが望ましい。ニオブ酸リチウムのｃ軸が基板１０の主面に垂直に配向されており、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させることができる。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したりスライスしたり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。

次に、本実施形態による光変調器の製造方法について説明する。本実施形態による光変調器は、集合基板としてのウェーハ上に複数の光変調器を作製した後、個々の光変調器をダイシングにより分割することにより製造される。

図３は、ウェーハ上に形成される複数の光変調器のレイアウトを示す略平面図である。

図３に示すように、ウェーハ３０上には単一の光変調器１の形成領域であるデバイス形成領域３１がマトリックス状に設けられている。デバイス形成領域３１はＹ方向（第１方向）に細長い矩形領域であり、マッハツェンダー光導波路の長手方向はＹ方向を向いている。すなわち、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂはデバイス形成領域３１内においてＹ方向に延設されている。ウェーハ３０上の複数のデバイス形成領域３１は、Ｙ方向及びＸ方向（第２方向）に複数設けられている。本実施形態では、左側に５列、中央に７列、右側に５列のデバイス形成領域３１が設けられている。ただし、このデバイス形成領域３１のレイアウトは一例であって、ウェーハサイズ及び光変調器の大きさに基づいて適宜決定することができる。

ウェーハ３０上の各デバイス形成領域３１にマッハツェンダー光導波路を含む導波路パターンを形成する場合、ウェーハ３０の外周寄りに形成される導波路パターンに非対称性が生じることがある。具体的には、ウェーハ中央部３０Ａのデバイス形成領域３１Ａ，３１Ｂに形成される導波路パターンは、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂが同一の線幅（Ｗ_ａ＝Ｗ_ｂ）を有するように形成されるが、ウェーハ外周部３０Ｂのデバイス形成領域３１Ｃ，３１Ｄに形成される導波路パターンは、ウェーハの外周寄りに配置された第２導波路部２ｂの線幅Ｗ_ｂがウェーハの中央寄りに配置された第１導波路部２ａの線幅Ｗ_ａよりも広くなる（Ｗ_ｂ＞Ｗ_ａ）。

そこで、本実施形態においては、ウェーハ中央部３０Ａに位置するデバイス形成領域３１Ａ，３１Ｂには、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂのリッジ高さＴ_ｒａ，Ｔ_ｒｂが等しい導波路パターンを形成し、ウェーハ外周部３０Ｂのデバイス形成領域３１Ｃ，３１Ｄには、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂのリッジ高さＴ_ｒａ，Ｔ_ｒｂが互いに異なる導波路パターンを形成する。具体的には、リッジ幅が相対的に広い第２導波路部２ｂのリッジ高さＴ_ｒｂを第１導波路部２ａのリッジ高さＴ_ｒａよりも低くする。このように形成することで、互いに平行な一対の光導波路のリッジ幅のばらつきに起因する消光比の悪化を防止することができる。

以上はウェーハ中央のデバイス形成領域３１Ａよりも上方（ウェーハのＸ方向の一方の外周寄り）に形成される導波路パターンに対する条件である。デバイス形成領域３１Ａよりも下方（ウェーハのＸ方向の他方の外周寄り）に形成される導波路パターンの場合、第１導波路部２ａと第２導波路部２ｂとの関係が逆になる。すなわち、ウェーハの外周寄りに配置された第１導波路部２ａの線幅Ｗ_ａがウェーハの中央寄りに配置された第２導波路部２ｂの線幅Ｗ_ｂよりも広くなるので（Ｗ_ａ＞Ｗ_ｂ）、第１導波路部２ａのリッジ高さＴ_ｒａを低くする必要がある。

このように、本実施形態においては、マッハツェンダー光導波路２の第２導波路部２ｂのリッジ幅Ｗ_ａが第１導波路部２ａのリッジ幅Ｗ_ａよりも広く、且つ、第２導波路部２ｂのリッジ高さＴ_ｒｂが第１導波路部２ａのリッジ高さＴ_ｒａよりも低いので、ウェーハ外周部３０Ｂにおいて線幅が非対称な導波路パターンが形成されることによる消光比の悪化を改善することができる。

図４は、本発明の第２実施の形態による光変調器の構成を示す略平面図である。また図５は、図４のＸ_１－Ｘ_１線に沿った光導波路パターンの略断面図である。

図４に示すように、この光変調器１の特徴は、マッハツェンダー光導波路２が直線部と湾曲部との組み合わせにより構成されている点にある。より具体的には、マッハツェンダー光導波路２は、互いに並行に配置された第１乃至第３直線部２ｅ_１，２ｅ_２，２ｅ_３と、第１直線部２ｅ_１と第２直線部２ｅ_２とを繋ぐ第１湾曲部２ｆ_１と、第２直線部２ｅ_２と第３直線部２ｅ_３とを繋ぐ第２湾曲部２ｆ_２とを有している。第１及び第２湾曲部２ｆ_１，２ｆ_２は、光導波路の進行方向を１８０度転換するため、同心半円状に形成されている。すなわち、本実施形態によるマッハツェンダー光導波路２は２回の折り返し構造を有している。

第１及び第２信号電極４ａ，４ｂは、マッハツェンダー光導波路２の第１直線部２ｅ_１、第１湾曲部２ｆ_１、第２直線部２ｅ_２、第２湾曲部２ｆ_２、及び第３直線部２ｅ_３に沿って連続的に構成されている。信号電極を直線部のみならず湾曲部に沿ってできるだけ長く形成することで駆動電圧を低くすることができる。また、変調器では本体の長辺が長いことが実用上の大きな課題となっているが、図示のように光導波路を折り返すことでその長辺を大幅に短くでき、低駆動電圧化と小型化の両立が可能である。特に、ニオブ酸リチウム膜により形成された光導波路は、湾曲部の曲率半径を５０μｍ程度まで小さくしても損失が小さいという特徴があり、本発明に適している。

第１乃至第３直線部２ｅ_１，２ｅ_２，２ｅ_３はＹ方向に延設されており、Ｘ方向に所定の間隔を隔てて配列されている。第１乃至第３直線部２ｅ_１，２ｅ_２，２ｅ_３を構成する第１及び第２導波路部２ａ，２ｂは、基板１０のＸ方向の一端（第１直線部２ｅ_１側）から他端（第３直線部２ｅ_３側）に向かって、第１直線部２ｅ_１の第１導波路部２ａ（第１直線導波路Ｌ_１）、第１直線部２ｅ_１の第２導波路部２ｂ（第２直線導波路Ｌ_２）、第２直線部２ｅ_２の第２導波路部２ｂ（第３直線導波路Ｌ_３）、第２直線部２ｅ_２の第１導波路部２ａ（第４直線導波路Ｌ_４）、第３直線部２ｅ_３の第１導波路部２ａ（第５直線導波路Ｌ_５）、第３直線部２ｅ_３の第２導波路部２ｂ（第６直線導波路Ｌ_６）の順に配列されている。

第１直線部２ｅ_１の第１導波路部２ａ（第１直線導波路Ｌ_１）は、第１湾曲部２ｆ_１の第１導波路部（第１湾曲導波路）を介して、第２直線部２ｅ_２の第１導波路部２ａ（第４直線導波路Ｌ_４）の一端に接続されている。第１直線部２ｅ_１の第２導波路部２ｂ（第２直線導波路Ｌ_２）は、第１湾曲部２ｆ_１の第２導波路部（第２湾曲導波路）を介して、第２直線部２ｅ_２の第２導波路部２ｂ（第３直線導波路Ｌ_３）の一端に接続されている。第２直線部２ｅ_２の第２導波路部２ｂ（第３直線導波路Ｌ_３）の他端は、第２湾曲部２ｆ_２の第２導波路部（第３湾曲導波路）を介して、第３直線部２ｅ_３の第２導波路部２ｂ（第６直線導波路Ｌ_６）に接続されている。第２直線部２ｅ_２の第１導波路部２ａ（第４直線導波路Ｌ_４）の他端は、第２湾曲部２ｆ_２の第１導波路部（第４湾曲導波路）を介して、第３直線部２ｅ_３の第１導波路部２ａ（第５直線導波路Ｌ_５）に接続されている。

図５に示すように、第１乃至第３直線部２ｅ_１，２ｅ_２，２ｅ_３を構成する第１及び第２導波路部２ａ，２ｂの線幅は、基板１０のＸ方向の他端側に近い導波路ほど広くなっている。詳細には、第１直線部２ｅ_１の第１導波路部（第１直線導波路Ｌ_１）の線幅Ｗ_１ａ、第１直線部２ｅ_１の第２導波路部（第２直線導波路Ｌ_２）の線幅Ｗ_１ｂ、第２直線部２ｅ_２の第２導波路部（第３直線導波路Ｌ_３）の線幅Ｗ_２ｂ、第２直線部２ｅ_２の第１導波路部（第４直線導波路Ｌ_４）の線幅Ｗ_２ａ、第３直線部２ｅ_３の第１導波路部（第５直線導波路Ｌ_５）の線幅Ｗ_３ａ、第３直線部２ｅ_３の第２導波路部（第６直線導波路Ｌ_６）の線幅Ｗ_３ｂとするとき、第１乃至第３直線部２ｅ_１，２ｅ_２，２ｅ_３の第１及び第２導波路部２ａ，２ｂの線幅は、Ｗ_３ｂ＞Ｗ_３ａ＞Ｗ_２ａ＞Ｗ_２ｂ＞Ｗ_１ｂ＞Ｗ_１ａの関係を有している。このような線幅の違いは、導波路パターンの加工時にＸ方向の他端（ウェーハの外周エッジ）に近い導波路パターンほど加工が不十分になることによって生じるものである。

このような線幅の違いが消光比に与える影響を緩和するため、本実施形態においては、マッハツェンダー光導波路２の第１乃至第３直線部２ｅ_１，２ｅ_２，２ｅ_３を構成する第１及び第２導波路部２ａ，２ｂのリッジ高さを図示のように設定する。すなわち、第１直線部２ｅ_１では、第２導波路部２ｂが第１導波路部２ａよりもウェーハ外周側に位置し、第２導波路部２ｂのリッジ幅Ｗ_１ｂが第１導波路部２ａのリッジ幅Ｗ_１ａよりも広いので、第２導波路部２ｂのリッジ高さＴ_ｒｂを第１導波路部２ａのリッジ高さＴ_ｒａよりも低くする。また、第２直線部２ｅ_２では、第１導波路部２ａが第２導波路部２ｂよりもウェーハ外周側に位置し、第１導波路部２ａのリッジ幅Ｗ_２ａが第２導波路部２ｂのリッジ幅Ｗ_２ｂよりも広いので、第１導波路部２ａのリッジ高さＴ_ｒａを第２導波路部２ｂのリッジ高さＴ_ｒｂよりも低くする。さらに、第３直線部２ｅ_３では、第２導波路部２ｂが第１導波路部２ａよりもウェーハ外周側に位置し、第２導波路部２ｂのリッジ幅Ｗ_３ｂが第１導波路部２ａのリッジ幅Ｗ_３ａよりも広いので、第２導波路部２ｂのリッジ高さＴ_ｒｂを第１導波路部２ａのリッジ高さＴ_ｒａよりも低くする。

このように、第１乃至第３直線部２ｅ_１，２ｅ_２，２ｅ_３の各々において、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂのうち相対的に線幅が広い一方のリッジ導波路のリッジ高さを他方のリッジ導波路よりも低くすることにより、リッジ幅の違いに起因する消光比の悪化を防止することができる。

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、上記実施形態においては、一対の光導波路を有するマッハツェンダー光導波路に対して一対の信号電極を設けたデュアル駆動型の光変調器を例に挙げたが、本発明はこのような光変調器に限定されるものではなく、シングル駆動型を含む種々の光変調器を対象とすることができる。

また、上記実施形態においては、基板１０上にエピタキシャル成長させたニオブ酸リチウム膜によって形成された一対の光導波路を有する光変調器を挙げたが、本発明はそのような構造に限定にされず、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛などの電気光学材料により光導波路を形成したものであってもよい。ただし、ニオブ酸リチウム膜によって形成された光導波路であれば光導波路の幅を狭く形成して低駆動電圧化でき、また曲率半径の小さな曲がり導波路を形成しても低損失の導波路を形成することができ、本発明の効果が大きい。また、導波層１１として、電気光学効果を有する半導体材料、高分子材料などを用いてもよい。

ニオブ酸リチウム膜からなるリッジ導波路のリッジ幅Ｗ_ridgeを１．０μｍから１．４μｍまで変化させたときのリッジ導波路の実効屈折率を求めた。リッジ高さは１．４μｍとした。その結果、図６のグラフに示すように、リッジ幅Ｗ_ridgeが１．０μｍのときのリッジ導波路の実効屈折率ｎ＝２．２７１であり、リッジ幅Ｗ_ridgeが１．４μｍのときのリッジ導波路の実効屈折率ｎ＝２．２３７であり、リッジ幅Ｗ_ridgeの増加に伴って実効屈折率ｎは徐々に低下した。

また、ニオブ酸リチウム膜からなるリッジ導波路のリッジ高さＴLNを１．１μｍから１．５μｍまで変化させたときのリッジ導波路の実効屈折率を求めた。リッジ幅は１．２μｍとした。その結果、図７のグラフに示すように、リッジ高さＴLNが１．１μｍのときのリッジ導波路の実効屈折率ｎ＝２．２７９であり、リッジ高さＴLNが１．５μｍのときのリッジ導波路の実効屈折率ｎ＝２．２５１であり、リッジ高さの増加に伴って実効屈折率ｎは徐々に低下した。

次に、マッハツェンダー光導波路２の第２導波路部２ｂのリッジ幅Ｗ_ｂ＝１．２μｍとし、第１導波路部２ａのリッジ幅Ｗ_ａ＝１．０μｍとし、第１導波路部２ａのリッジ高さＴ_ｒａ＝１．５μｍとするとき、第２導波路部２ｂの光学距離ｎ_ｂＬ_ｂと第１導波路部２ａの光学距離ｎ_ａＬ_ａが等しくなる条件を求めた。Ｗ_ｂ＝１．２μｍ、Ｗ_ａ＝１．０μｍのとき、リッジ幅差異によるΔｎをΔｎ＝０，０２となる。第１導波路部２ａの光学距離ｎ_ａＬ_ａと第２導波路部２ｂの光学距離ｎ_ｂＬ_ｂを等しくする（ｎ_ａＬ_ａ＝ｎ_ｂＬ_ｂ）ためには、Ｔ_ｒａとＴ_ｒｂをリッジ高さ差異によるΔｎをΔｎ＝０．０２となるようにすればよく、図７から例えばＴ_ｒｂ＝１．１４μｍ、Ｔ_ｒａ＝１．４μｍとなる。

１ 光変調器
２ マッハツェンダー光導波路
２ａ 第１導波路部
２ｂ 第２導波路部
２ｃ 分波部
２ｄ 合波部
２ｅ_１ 第１直線部
２ｅ_２ 第２直線部
２ｅ_３ 第３直線部
２ｆ_１ 第１湾曲部
２ｆ_２ 第２湾曲部
２ｉ 入力導波路部
２ｏ 出力導波路部
３ａ ＲＦ相互作用部
３ｂ ＤＣ相互作用部
４ａ 第１信号電極
４ａ_１ 第１信号電極の一端
４ａ_２ 第１信号電極の他端
４ｂ 第２信号電極
４ｂ_１ 第２信号電極の一端
４ｂ_２ 第２信号電極の他端
５ａ 第１バイアス電極
５ｂ_１ 第１バイアス電極の一端
５ｂ 第２バイアス電極
５ｂ_１ 第２バイアス電極の一端
９ａ ドライバ回路
９ｂ 終端抵抗
９ｃ バイアス回路
１０ 基板
１１ 導波層
１１ｒ リッジ部
１１ｓ スラブ部
１３ バッファ層
１４ 電極層
３０ ウェーハ
３０Ａ ウェーハ中央部
３０Ｂ ウェーハ外周部
３１，３１Ａ～３１Ｄ デバイス形成領域

Claims (4)

1. 入力導波路部と、前記入力導波路部を伝搬する光を分波する分波部と、前記分波部から延びて互いに平行に設けられた第１及び第２導波路部と、前記第１及び第２導波路部を伝搬する光を合波する合波部と、前記合波部から出力される光を伝搬する出力導波路部とを有するマッハツェンダー光導波路と、
   前記マッハツェンダー光導波路を伝搬する光の位相を制御する信号電極とを備え、
   前記第２導波路部の線幅は前記第１導波路部の線幅よりも広く、
   前記第２導波路部の高さは前記第１導波路部の高さよりも低いことを特徴とする光変調器。
2. 前記第１及び第２導波路部は、互いに平行に設けられた第１及び第２直線部と、前記第１直線部と前記第２直線部とを繋ぐ第１湾曲部とを有し、
   前記第２直線部の前記第２導波路部は、前記第１直線部の前記第２導波路部と前記第２直線部の前記第１導波路部との間に位置し、
   前記第１直線部の前記第１導波路部は、前記第１湾曲部の前記第１導波路部を介して前記第２直線部の前記第１導波路部に接続され、
   前記第１直線部の前記第２導波路部は、前記第１湾曲部の前記第２導波路部を介して前記第２直線部の前記第２導波路部に接続され、
   前記第１直線部において、前記第２導波路部の線幅は前記第１導波路部の線幅よりも広く、且つ、前記第２導波路部の高さは前記第１導波路部の高さよりも低く、
   前記第２直線部において、前記第１導波路部の線幅は前記第２導波路部の線幅よりも広く、且つ、前記第１導波路部の高さは前記第２導波路部の高さよりも低い、請求項１に記載の光変調器。
3. 前記第１及び第２導波路部は、前記第１及び第２直線部と平行に設けられ、前記第２直線部から見て前記第１直線部と反対側に位置する第３直線部と、前記第２直線部と前記第３直線部とを繋ぐ第２湾曲部とをさらに有し、
   前記第３直線部の前記第１導波路部は、前記第２直線部の前記第１導波路部と前記第３直線部の前記第２導波路部との間に位置し、
   前記第２直線部の前記第１導波路部は、前記第２湾曲部の前記第１導波路部を介して前記第３直線部の前記第１導波路部に接続され、
   前記第２直線部の前記第２導波路部は、前記第２湾曲部の前記第２導波路部を介して前記第３直線部の前記第２導波路部に接続され、
   前記第３直線部において、前記第２導波路部の線幅は前記第１導波路部の線幅よりも広く、且つ、前記第２導波路部の高さは前記第１導波路部の高さよりも低い、請求項２に記載の光変調器。
4. 前記マッハツェンダー光導波路は、基板上のニオブ酸リチウム膜がリッジ状に形成されたリッジ導波路である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光変調器。

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