WO2019069815A1 - 光変調器 - Google Patents

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optical
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岩塚　信治
眞 遠藤
権治 佐々木
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Tdk株式会社
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    • G02F2203/21—Thermal instability, i.e. DC drift, of an optical modulator; Arrangements or methods for the reduction thereof

Definitions

  • the present invention relates to an optical modulator used in the optical communication and optical measurement fields, and more particularly to an electrode structure of a Mach-Zehnder type optical modulator.
  • Optical fiber communication converts an electrical signal into an optical signal, transmits the optical signal through an optical fiber, and is characterized by a wide band, low loss, and resistance to noise.
  • a direct modulation system using a semiconductor laser and an external modulation system using an optical modulator are known. Although direct modulation does not require an optical modulator and is low cost, high speed modulation is limited, and external modulation is used for high speed and long distance applications.
  • a Mach-Zehnder type optical modulator in which an optical waveguide is formed in the vicinity of the surface of a lithium niobate single crystal substrate by Ti (titanium) diffusion is put to practical use (see, for example, Patent Document 1).
  • a Mach-Zehnder type optical modulator has an optical waveguide having a structure of a Mach-Zehnder interferometer that divides light emitted from one light source into two, passes through different paths, and then superimposes again to cause interference (Mach-Zehnder Optical modulators (optical waveguides) are used, and high-speed optical modulators of 40 Gb / s or more are commercialized, but a long length of around 10 cm is a major drawback.
  • Patent Documents 2 and 3 disclose a Mach-Zehnder type optical modulator using a lithium niobate film with c-axis alignment.
  • An optical modulator using a lithium niobate film can be made much smaller in size and lower in driving voltage than an optical modulator using a lithium niobate single crystal substrate.
  • the voltage applied to the optical waveguide changes, which causes the phenomenon that the light emitted from the light modulator also changes.
  • the change in voltage applied to the optical waveguide is called DC drift, and it is desirable for the optical modulator to suppress DC drift as much as possible.
  • Patent Document 4 in order to suppress DC drift in a waveguide type optical device using a crystal substrate such as lithium niobate, the crystal substrate is doped with a Group 5 element such as phosphorus (P) or chlorine (Cl). Describes the immobilization of mobile ions inside and on the surface of the crystal substrate. Further, in Patent Document 5, DC drift is caused in a directional coupler type light control device in which two optical waveguides close to each other and a control electrode grounded in the vicinity are provided on a lithium niobate crystal substrate. It has been described to provide a low resistance region having a resistivity lower than that of a lithium niobate bulk crystal in the lithium niobate crystal substrate in order to reduce.
  • a Group 5 element such as phosphorus (P) or chlorine (Cl).
  • the low resistance region is a proton ion exchange in which a lithium niobate substrate is immersed in a heated acid such as benzoic acid or pyrophosphoric acid to exchange lithium ions (Li + ) in lithium niobate to protons (H + ). It can be formed by the method.
  • Patent 4485218 gazette JP, 2006-195383, A JP, 2014-6348, A Unexamined-Japanese-Patent No. 5-113513 gazette Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-66428
  • DC drift is an important issue in an optical modulator, and a device structure capable of suppressing DC drift without using a special lithium niobate crystal doped with P, Cl, etc. is desired.
  • an object of the present invention is to provide an optical modulator having a device structure that can be stably controlled over a long period of time by reducing DC drift.
  • an optical modulator includes a substrate and an electro-optical material film formed in a ridge shape on the substrate, and includes a waveguide including first and second optical waveguides adjacent to each other.
  • Layer an RF unit for applying a modulation signal to the first and second optical waveguides, and a DC unit for applying a DC bias to the first and second optical waveguides, the DC unit including at least the DC unit;
  • a buffer layer covering upper surfaces of the first and second optical waveguides, a first bias electrode facing the first optical waveguide through the buffer layer, and the first bias electrode
  • a second bias electrode, and a first DC bias voltage is applied between the first bias electrode and the second bias electrode, and at least the first bias electrode and the second bias electrode.
  • a first of the bias electrodes Below the pole separation region, and at least a portion has been removed waveguiding layer removal region of the waveguide layer is provided.
  • the present invention it is possible to prevent the movement of mobile ions by continuing to apply a DC bias between the first and second bias electrodes, thereby reducing DC drift. Therefore, it is possible to provide an optical modulator that can be stably controlled over a long period of time.
  • the DC section includes a third bias electrode facing the second optical waveguide through the buffer layer, and a fourth bias electrode provided adjacent to the third bias electrode. And a second DC bias voltage is applied between the third bias electrode and the fourth bias electrode, and a second DC bias voltage is applied between the third bias electrode and the fourth bias electrode.
  • region is provided under 2 electrode separation area
  • the second bias electrode is located on the opposite side of the third bias electrode as viewed from the first bias electrode, and the fourth bias electrode is viewed from the third bias electrode. It is preferable to be located opposite to the first bias electrode. According to this configuration, it is possible to reduce DC drift of the light modulator having a so-called dual drive electrode structure.
  • the DC portion further includes a fifth bias electrode provided between the first bias electrode and the third bias electrode, the first bias electrode and the fifth bias.
  • the waveguide layer removal region is provided below the third electrode separation region between the electrodes and below the fourth electrode separation region between the third bias electrode and the fifth bias electrode. Is preferred. According to this configuration, it is possible to reduce DC drift of the light modulator having a so-called dual drive electrode structure.
  • the second bias electrode is opposed to the second optical waveguide through the buffer layer. According to this configuration, DC bias can be applied not only to the first optical waveguide but also to the second optical waveguide.
  • the waveguide layer removal region is a region in which the waveguide layer is removed together with the buffer layer to expose the substrate.
  • the waveguide layer removal region may be a region where a portion of the substrate is further removed.
  • the waveguide layer removal region may be a region in which a part of the waveguide layer is removed together with the buffer layer, and the substrate is covered with the remainder of the waveguide layer. In either configuration, since the waveguide layer removed region is provided in the electrode separation region of the DC portion, DC drift can be reduced.
  • the DC portion further includes a protective layer formed between the waveguide layer and the buffer layer so as to cover side surfaces on both sides of the first and second optical waveguides,
  • the layer removal region is preferably a region from which the waveguide layer has been removed together with the buffer layer and the protective layer. According to this configuration, DC drift can be reduced along with the protection of the side surface of the optical waveguide.
  • the RF unit is provided adjacent to the first and second signal electrodes facing the first and second optical waveguides respectively via the buffer layer, and the first signal electrode.
  • each of the first and second optical waveguides has at least one linear portion and at least one curved portion, and the RF portion overlaps with a part of the linear portion in a plan view.
  • the DC portion is provided at a position overlapping with another portion of the linear portion in a plan view.
  • the optical waveguide can be folded back, and the element length can be shortened.
  • the effect of the present invention is remarkable because the loss is small even if the radius of curvature is reduced to, for example, about 50 ⁇ m. Therefore, it is possible to miniaturize the independent bias optical modulator in which the RF unit and the DC unit are separately configured.
  • the substrate is a single crystal substrate
  • the electro-optical material film is a lithium niobate film
  • the lithium niobate film is an epitaxial film having a thickness of 2 ⁇ m or less
  • c of the lithium niobate film Preferably, the axis is oriented in a direction perpendicular to the major surface of the substrate.
  • the optical waveguide is thin and the line width is narrow, the problem of electric field concentration is remarkable.
  • an optical modulator comprising: a substrate; and an electro-optical material film formed in a ridge shape on the substrate and including a first and second optical waveguides adjacent to each other.
  • Layer an RF unit for applying a modulation signal to the first and second optical waveguides, and a DC unit for applying a DC bias to the first and second optical waveguides, the DC unit including at least the DC unit;
  • a buffer layer covering upper surfaces of the first and second optical waveguides, a first bias electrode facing the first optical waveguide through the buffer layer, and the first bias electrode
  • a second bias electrode a first DC bias voltage is applied between the first bias electrode and the second bias electrode, and the first bias electrode and the second bias In the first electrode separation area between the electrodes
  • the minimum thickness of the waveguide layer that is characterized in that the smaller than the minimum thickness of the first of said waveguide layer between the electrode isolation region and said first optical waveguide.
  • the present invention it is possible to suppress the movement of movable ions by continuing to apply a DC bias between the first and second bias electrodes, thereby reducing DC drift. Therefore, it is possible to provide an optical modulator that can be stably controlled over a long period of time.
  • the DC section includes a third bias electrode facing the second optical waveguide through the buffer layer, and a fourth bias electrode provided adjacent to the third bias electrode. And a second DC bias voltage is applied between the third bias electrode and the fourth bias electrode, and a second DC bias voltage is applied between the third bias electrode and the fourth bias electrode.
  • the minimum thickness of the waveguide layer in the electrode separation region of No. 2 is smaller than the minimum thickness of the waveguide layer between the second electrode separation region and the second optical waveguide.
  • the second bias electrode is located on the opposite side of the third bias electrode as viewed from the first bias electrode, and the fourth bias electrode is viewed from the third bias electrode. It is preferable to be located opposite to the first bias electrode. According to this configuration, it is possible to reduce DC drift of the light modulator having a so-called dual drive electrode structure.
  • the DC portion further includes a fifth bias electrode provided between the first bias electrode and the third bias electrode, the first bias electrode and the fifth bias.
  • the minimum thickness of the waveguide layer in the third electrode separation region between the electrodes is smaller than the minimum thickness of the waveguide layer between the third electrode separation region and the first optical waveguide.
  • the minimum thickness of the waveguide layer in the fourth electrode separation region between the third bias electrode and the fifth bias electrode may be the fourth electrode separation region and the second optical waveguide. Preferably, it is smaller than the minimum thickness of the waveguiding layer in between. According to this configuration, it is possible to reduce DC drift of the light modulator having a so-called dual drive electrode structure.
  • the second bias electrode is opposed to the second optical waveguide via the buffer layer, and the minimum thickness of the waveguide layer in the first electrode separation region is the first thickness.
  • the thickness is smaller than the minimum thickness of the waveguide layer between the first electrode separation region and the second optical waveguide. According to this configuration, DC bias can be applied not only to the first optical waveguide but also to the second optical waveguide.
  • the DC portion further includes a protective layer formed between the waveguide layer and the buffer layer so as to cover side surfaces on both sides of the first and second optical waveguides, and the electrode separation In the region, the waveguide layer is preferably exposed without being covered by the buffer layer and the protective layer.
  • a protective layer formed between the waveguide layer and the buffer layer so as to cover side surfaces on both sides of the first and second optical waveguides, and the electrode separation In the region, the waveguide layer is preferably exposed without being covered by the buffer layer and the protective layer.
  • the waveguide layer preferably has a cross-sectional shape which becomes gradually thinner as it goes away from the first or second optical waveguide. According to this configuration, it is possible to easily realize the shape in which the minimum thickness of the waveguide layer in the electrode separation region is smaller than the minimum thickness of the waveguide layer between the electrode separation region and the optical waveguide. It is possible to create such a shape when processing the layer into a ridge.
  • an optical modulator having a device structure that can be stably controlled over a long period of time by reducing DC drift.
  • FIG. 1 is a plan view of an optical modulator 100 according to a first embodiment of the present invention, in which (a) shows only the optical waveguide and (b) shows the entire optical modulator 100 including traveling wave electrodes. Is illustrated.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the optical modulator 100 shown in FIG. 1, wherein (a) is a cross-sectional view of the RF unit S RF taken along the line AA 'in FIG. 1 (b); FIG. 2 is a cross-sectional view of a DC portion S DC taken along line BB ′ of FIG. 1 (b).
  • FIG. 1 is a plan view of an optical modulator 100 according to a first embodiment of the present invention, in which (a) shows only the optical waveguide and (b) shows the entire optical modulator 100 including traveling wave electrodes. Is illustrated.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the optical modulator 100 shown in FIG. 1, wherein (a) is a cross-sectional view of the RF unit S
  • FIGS. 4A and 4B are schematic cross-sectional views showing a modification of the cross-sectional structure of the DC portion S DC of the light modulator 100.
  • FIG. FIGS. 4A and 4B are schematic cross-sectional views showing a modification of the cross-sectional structure of the DC portion S DC of the light modulator 100.
  • FIG. 5A and 5B are schematic cross-sectional views showing another modification of the cross-sectional structure of the DC portion S DC of the light modulator 100.
  • FIG. FIG. 6 is a plan view of an optical modulator 200 according to a second embodiment of the present invention, particularly illustrating the entire optical modulator 200 including traveling wave electrodes.
  • 7 is a schematic cross-sectional view of the light modulator 200 shown in FIG. 6, where (a) is a cross-sectional view along the line AA 'in FIG. 6, (b) is a BB' in FIG. It is sectional drawing along a line.
  • FIG. 8 is a plan view of an optical modulator 300 according to a third embodiment of the present invention, particularly illustrating the entire optical modulator 300 including traveling wave electrodes.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the optical modulator 300 shown in FIG. 8, wherein (a) is a cross-sectional view along the line AA 'in FIG. 8, (b) is a BB' in FIG. It is sectional drawing along a line.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the first modification of the light modulator shown in FIG. 9 along the line BB ′ of FIG.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the second modification of the light modulator shown in FIG. 9 along the line BB ′ of FIG.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the third modification of the light modulator shown in FIG. 9, taken along the line BB 'in FIG. FIG.
  • FIG. 13 is a plan view of an optical modulator 400 according to a fourth embodiment of the present invention, in which (a) shows only the optical waveguide and (b) shows the entire optical modulator 400 including traveling wave electrodes. Is illustrated.
  • FIG. 14 is a graph showing the results of an accelerated test of DC drift of the optical modulator according to the comparative example and the example.
  • FIG. 1 is a plan view of an optical modulator 100 according to a first embodiment of the present invention, in which (a) shows only the optical waveguide and (b) shows the entire optical modulator 100 including traveling wave electrodes. Is illustrated.
  • this optical modulator 100 is a Mach-Zehnder optical waveguide having first and second optical waveguides 10a and 10b formed on a substrate 1 and provided parallel to each other.
  • RF section S RF including the waveguide 10 and the first and second signal electrodes 7a and 7b provided to overlap the first and second optical waveguides 10a and 10b, and the first and second optical waveguides 10a , And 10b, and a DC portion S DC including bias electrodes 9a and 9b provided so as to overlap with each other.
  • the RF unit S RF of the optical modulator 100 includes a ground electrode 8a provided adjacent to the first signal electrode 7a, a ground electrode 8b provided adjacent to the second signal electrode 7b, and the first signal electrode 7a. And a ground electrode 8c provided between the signal electrode 7a and the second signal electrode 7b. Furthermore, in the DC section of the optical modulator 100, a bias electrode 9c provided adjacent to the bias electrode 9a, a bias electrode 9d provided adjacent to the bias electrode 9b, and the bias electrode 9a and the bias electrode 9b. And a bias electrode 9e provided therebetween. The bias electrodes 9c, 9d, 9e are electrically connected to each other, and a reference potential (ground potential) is applied to these.
  • the Mach-Zehnder optical waveguide 10 is an optical waveguide having a structure of a Mach-Zehnder interferometer, and has first and second optical waveguides 10a and 10b branched by a branching unit 10c from one input optical waveguide 10i.
  • the first and second optical waveguides 10a and 10b are combined into a single output optical waveguide 10o via the coupler 10d.
  • the input light Si is demultiplexed by the demultiplexing unit 10c, travels through the first and second optical waveguides 10a and 10b, and then is multiplexed by the multiplexing unit 10d, and is output as the modulated light So from the output optical waveguide 10o Be done.
  • the first signal electrode 7a is located between the two ground electrodes 8a and 8c in plan view
  • the second signal electrode 7b is located between the two ground electrodes 8a and 8c in plan view.
  • One end 7 a 1 , 7 b 1 and the other end 7 a 2 , 7 b 2 of the first and second signal electrodes 7 a, 7 b are drawn out to one end side in the width direction of the substrate 1.
  • First and second signal electrodes 7a, one end 7a 1, 7b 1 of 7b is a signal input terminal, first and second signal electrodes 7a, and the other end 7a 2, 7b 2 of 7b via a terminating resistor 12 Connected to each other.
  • the other end 7a 2 of the first signal electrode 7a is connected to the ground electrode 8a through the first termination resistor, the other end 7b 2 of the second signal electrode 7b via the second termination resistor ground It may be connected to the electrode 8b.
  • the first and second signal electrodes 7a and 7b function as differential coplanar type traveling wave electrodes together with the ground electrodes 8a and 8b.
  • the bias electrodes 9a to 9e are provided independently of the first and second signal electrodes 7a and 7b in order to apply a DC bias to the first and second optical waveguides 10a and 10b.
  • Bias electrode 9a, one end 9a 1, 9b 1 and 9b is the input terminal of the DC bias, DC voltage source 13a, are connected respectively to 13b.
  • the one end 9a 1 of the bias electrode 9a is connected to the positive terminal of the DC voltage source 13a
  • the end 9b 1 of the bias electrode 9b is connected to the negative terminal of the DC voltage source 13b.
  • the bias electrode 9a and the bias electrodes 9c and 9e on both sides thereof function as a pair of bias electrodes (first and second bias electrodes) for applying a DC bias to the first optical waveguide 10a.
  • the bias electrode 9b and the bias electrodes 9d and 9e on both sides thereof function as a pair of bias electrodes (first and second bias electrodes) for applying a DC bias to the second optical waveguide 10a. It is also possible to omit one of the DC voltage sources 13a and 13b.
  • the formation region (DC portion S DC ) of the bias electrodes 9a to 9e is an output of the Mach-Zehnder optical waveguide 10 more than the formation regions (RF portion S RF ) of the first and second signal electrodes 7a and 7b.
  • first and second optical waveguides 10a and 10b are made of a material having an electro-optical effect such as lithium niobate, the first and second optical waveguides are generated by the electric field applied to the first and second optical waveguides 10a and 10b.
  • the refractive indexes of the waveguides 10a and 10b change as + ⁇ n and ⁇ n, respectively, and the phase difference between the pair of optical waveguides changes.
  • the signal light modulated by the change in the phase difference is output from the output optical waveguide 10o.
  • One end 9a 1 of the bias electrode 9a is positive DC bias voltage is input, to one end 9b 1 of the bias electrode 9b is negative DC bias voltage is input.
  • the DC bias is adjusted within a few volts to a few tens of volts in order to set the proper operating point for the modulation signal while following the DC drift.
  • the optical modulator 100 is a dual drive type including the pair of signal electrodes 7a and 7b, the symmetry of the electric field applied to the pair of optical waveguides can be enhanced. Wavelength chirp can be suppressed.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the optical modulator 100 shown in FIG. 1, wherein (a) is a cross-sectional view of the RF unit S RF taken along the line AA 'in FIG. 1 (b); FIG. 2 is a cross-sectional view of a DC portion S DC taken along line BB ′ of FIG. 1 (b).
  • the cross-sectional structure of the RF unit SRF of the optical modulator 100 includes the substrate 1, the waveguide layer 2, the protective layer 3, the buffer layer 4 and the electrode layer 6 in this order And have a multi-layered structure laminated.
  • the substrate 1 is, for example, a sapphire substrate, and a waveguide layer 2 made of an electro-optical material typified by lithium niobate is formed on the surface of the substrate 1.
  • the waveguide layer 2 has first and second optical waveguides 10a and 10b formed of a ridge portion 2r.
  • the ridge width W 0 of the first and second optical waveguides 10 a and 10 b can be, for example, 1 ⁇ m.
  • the distance between the first optical waveguide 10a and the second optical waveguide 10b adjacent to each other can be, for example, 14 ⁇ m.
  • the protective layer 3 is formed in a region not overlapping with the first and second optical waveguides 10a and 10b in plan view.
  • the protective layer 3 covers the entire top surface of the waveguide layer 2 in the region where the ridge portion 2 r is not formed, and the side surface of the ridge portion 2 r is also covered by the protective layer 3. Scattering loss caused by the roughening of the
  • the thickness of the protective layer 3 is substantially the same as the height of the ridge portion 2 r of the waveguide layer 2.
  • the material of the protective layer 3 is not particularly limited, for example, silicon oxide (SiO 2 ) can be used.
  • the buffer layer 4 prevents the light propagating in the first and second optical waveguides 10a and 10b from being absorbed by the first and second signal electrodes 7a and 7b.
  • the buffer layer 4 is preferably made of a material having a smaller refractive index than the waveguide layer 2 and high transparency.
  • Al 2 O 3 , SiO 2 , LaAlO 3 , LaYO 3 , ZnO, HfO 2 , MgO, Y 2 O 3 or the like can be used, and its thickness may be about 0.2 to 1 ⁇ m.
  • the buffer layer 4 is more preferably made of a material having a high dielectric constant, and it is also possible to use the same material as the protective layer 3.
  • the protective layer 3 may be omitted and the buffer layer 4 may be directly formed on the top surface of the waveguide layer 2.
  • the buffer layer 4 covers not only the upper surfaces of the first and second optical waveguides 10 a and 10 b but also the entire surface of the base surface including the upper surface of the protective layer 3. It may be patterned so as to selectively cover only the vicinity of the upper surface of the waveguides 10a and 10b.
  • the film thickness of the buffer layer 4 is preferably as thick as possible in order to reduce the light absorption of the electrode, and as thin as possible in order to apply a high electric field to the optical waveguides 10a and 10b. Since the light absorption of the electrode and the voltage applied to the electrode are in a trade-off relationship, it is necessary to set an appropriate film thickness according to the purpose. As the dielectric constant of the buffer layer 4 is higher, V ⁇ L (an index representing the electric field efficiency) can be preferably reduced, and the refractive index of the buffer layer 4 is preferably lower because the buffer layer 4 can be thinner.
  • a material having a high dielectric constant also has a high refractive index, so it is important to select a material having a high dielectric constant and a relatively low refractive index, in consideration of the balance between the two.
  • Al 2 O 3 is a preferred material with a relative dielectric constant of about 9 and a refractive index of about 1.6.
  • LaAlO 3 has a relative dielectric constant of about 13 and a refractive index of about 1.7
  • LaYO 3 has a relative dielectric constant of about 17 and a refractive index of about 1.7, which is a particularly preferred material.
  • the electrode layer 6 is provided with first and second signal electrodes 7a and 7b and ground electrodes 8a to 8c.
  • the first signal electrode 7 a is provided so as to overlap the ridge portion 2 r corresponding to the first optical waveguide 10 a in order to modulate the light traveling in the first optical waveguide 10 a, and the first signal electrode 7 a is provided via the buffer layer 4.
  • the second signal electrode 7 b is provided so as to overlap the ridge portion 2 r corresponding to the second optical waveguide 10 b in order to modulate the light traveling in the second optical waveguide 10 b, and the second signal electrode 7 b is provided via the buffer layer 4.
  • the ground electrode 8a (first ground electrode) is located on the opposite side to the second optical waveguide 10b (or the ground electrode 8c) when viewed from the first signal electrode 7a, and is adjacent to the first signal electrode 7a.
  • the ground electrode 8b (second ground electrode) is located on the opposite side to the first optical waveguide 10a (or the ground electrode 8c) when viewed from the second signal electrode 7b, and is adjacent to the second signal electrode 7b.
  • the ground electrode 8c (third ground electrode) is located between the first signal electrode 7a and the second signal electrode 7b, and is adjacent to both the first signal electrode 7a and the second signal electrode 7b. ing.
  • the width of the ground electrode 8a may be the same as or different from that of the ground electrode 8b.
  • the width of the ground electrode 8c may be different from or the same as the width of the first and second signal electrodes 7a and 7b.
  • ground electrode with respect to the direction (X direction) orthogonal to the traveling direction of the optical waveguides 10a and 10b It has a so-called GSGSG electrode structure (G: ground, S: signal meaning) arranged.
  • the electrode structure in the region sandwiched by the ground electrodes 8a and 8b is symmetrical. Therefore, it is possible to reduce the wavelength chirp by making the magnitudes of the electric fields respectively applied from the first and second signal electrodes 7a and 7b to the first and second optical waveguides 10a and 10b as equal as possible.
  • the waveguide layer 2 is not particularly limited as long as it is an electro-optical material, but is preferably made of lithium niobate (LiNbO 3 ). Lithium niobate has a large electro-optical constant and is suitable as a constituent material of an optical device such as an optical modulator.
  • LiNbO 3 lithium niobate
  • Lithium niobate has a large electro-optical constant and is suitable as a constituent material of an optical device such as an optical modulator.
  • the configuration of the present embodiment in which the waveguide layer 2 is a lithium niobate film will be described in detail.
  • the substrate 1 is not particularly limited as long as it has a lower refractive index than a lithium niobate film, but a substrate capable of forming a lithium niobate film as an epitaxial film is preferable, and a sapphire single crystal substrate or a silicon single crystal substrate is preferable. .
  • the crystal orientation of the single crystal substrate is not particularly limited. Lithium niobate films have the property of being easily formed as c-axis oriented epitaxial films on single crystal substrates of various crystal orientations.
  • the underlying single crystal substrate also have the same symmetry, and in the case of a sapphire single crystal substrate, c-plane, In the case of a silicon single crystal substrate, a substrate of (111) plane is preferable.
  • the epitaxial film is a single crystal film in which crystal orientations are aligned by crystal growth on a base single crystal substrate or a single crystal film. That is, an epitaxial film is a film having a single crystal orientation in the film thickness direction and in the film surface direction, and when the film surface direction is the XY plane and the film thickness direction is the Z axis, the crystal is All are aligned in the X-axis, Y-axis and Z-axis directions. Whether the film is an epitaxial film can be proved, for example, by confirming the peak intensity and the pole point at the alignment position in 2 ⁇ - ⁇ X-ray diffraction.
  • all peak intensities other than the target surface are 10% or less, preferably 5% or less of the maximum peak intensity of the target surface. It needs to be.
  • the peak intensity other than the (00 L) plane is 10% or less, preferably 5% or less, of the maximum peak intensity of the (00 L) plane.
  • (00L) is a display that collectively refers to equivalent surfaces such as (001) and (002).
  • the composition of the lithium niobate film is LixNbAyOz.
  • A represents an element other than Li, Nb and O.
  • x is 0.5 to 1.2, preferably 0.9 to 1.05.
  • y is 0 to 0.5.
  • z is 1.5 to 4, preferably 2.5 to 3.5.
  • elements of A K, Na, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Hf, V, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, Zn, Sc, Ce, etc. There may be a combination of two or more.
  • the film thickness of the lithium niobate film is preferably 2 ⁇ m or less. When the film thickness is larger than 2 ⁇ m, it becomes difficult to form a high quality film. On the other hand, when the film thickness of the lithium niobate film is too thin, the light confinement in the lithium niobate film becomes weak, and the light leaks to the substrate 1 and the buffer layer 4. Even when an electric field is applied to the lithium niobate film, the change in the effective refractive index of the optical waveguides (10a, 10b) may be small. Therefore, it is desirable that the lithium niobate film has a thickness of about 1/10 or more of the wavelength of light to be used.
  • a film forming method such as a sputtering method, a CVD method, or a sol-gel method.
  • the c axis of lithium niobate is oriented perpendicularly to the main surface of the substrate 1, and by applying an electric field parallel to the c axis, the optical refractive index changes in proportion to the electric field.
  • sapphire is used as the single crystal substrate
  • a lithium niobate film can be epitaxially grown directly on the sapphire single crystal substrate.
  • silicon is used as a single crystal substrate, a lithium niobate film is formed by epitaxial growth via a cladding layer (not shown).
  • the cladding layer As the cladding layer (not shown), one having a refractive index lower than that of a lithium niobate film and suitable for epitaxial growth is used.
  • a high quality lithium niobate film can be formed by using Y 2 O 3 as a cladding layer (not shown).
  • a method of forming a lithium niobate film As a method of forming a lithium niobate film, a method is also known in which a lithium niobate single crystal substrate is thinly polished or sliced. This method has the advantage of obtaining the same characteristics as a single crystal, and can be applied to the present invention.
  • bias electrodes 9a and 9b are provided instead of the first and second signal electrodes 7a and 7b, Further, instead of the ground electrodes 8a, 8b and 8c, bias electrodes 9c, 9d and 9e are provided. Furthermore, the cross-sectional structure of the DC portion S DC is different from that of the RF portion S RF in at least electrode separation regions S 1 to S 4 between the bias electrodes 9a and 9b and the bias electrodes 9c, 9d and 9e. A waveguide layer removal region D in which a portion is removed is provided. Others are the same as the cross-sectional structure of the RF unit S RF .
  • the bias electrode 9c (second bias electrode) is located on the opposite side to the bias electrode 9b (third bias electrode) when viewed from the bias electrode 9a (first bias electrode), and the bias electrode 9c (second bias electrode) Adjacent to 9a.
  • the bias electrode 9 d (fourth bias electrode) is located on the opposite side of the bias electrode 9 a (first bias electrode) as viewed from the bias electrode 9 b (second bias electrode), and is adjacent to the bias electrode 9 b There is.
  • the bias electrode 9e (fifth bias electrode) is located between the bias electrode 9a and the bias electrode 9b, and is adjacent to both the bias electrode 9a and the bias electrode 9b.
  • the waveguide layer removed region D is formed under the first electrode separation region S 1 between the bias electrode 9a and the bias electrode 9c, the bias electrode 9b and the bias electrode 9d. fourth between the third electrode beneath the isolation region S 3, the bias electrode 9b and the bias electrode 9e between the second lower electrode isolation region S 2, the bias electrode 9a and the bias electrode 9e between It is provided below the electrode isolation region S 4.
  • the waveguide layer removal region D is a region in which the buffer layer 4, the protective layer 3 and the waveguide layer 2 are removed, and thereby the upper surface of the substrate 1 is exposed.
  • the waveguide layer removal region D does not have to be formed entirely in the width direction (X direction) of the electrode separation regions S 1 to S 4 , and may be formed only in the central portion. Thereby, the state in which the side surface of the ridge portion 2r is covered by the protective layer 3 can be maintained.
  • the waveguide layer removal region D is preferably formed over the entire length of the bias electrodes 9a and 9b in the wiring direction (Y direction), but may not be completely formed over the entire length in the wiring direction.
  • FIG. 3 is a view for explaining the function of the waveguide layer removal region D, wherein (a) is a conventional structure in which the buffer layer 4, the protective layer 3 and the waveguide layer 2 are formed on the entire surface, (b) Is a conventional structure in which the buffer layer 4 and the protective layer 3 in the electrode separation region are selectively removed and the waveguide layer 2 is formed on the entire surface, and (c) is the buffer layer 4, the protective layer 3 and the waveguide Each shows the structure of the present embodiment in which layer 2 is selectively removed.
  • the buffer layer 4, a protective layer 3 and the conventional waveguide layer 2 is formed on the entire surface of the substrate 1 including the electrode separation region S 1, S 3 structure, DC drift becomes large .
  • mobile ions such as Li, Na and K in the dielectric are gradually moved by continuing to apply a DC bias between the pair of electrodes. As a result, it is considered to be accumulated in the region near the electrode, and the DC bias is canceled by the ions.
  • electrode separation region S 1 the buffer layer below the S 3 4 and the protective layer 3 is selectively removed structure, DC drift than the structure shown in FIG. 3 (a)
  • the waveguide layer 2 serves as a moving path of ions, the DC drift suppression effect is not sufficient.
  • the waveguide layer 2 below the electrode separation regions S 1 and S 3 is selectively removed together with the buffer layer 4 and the protective layer 3. Since the moving path of movable ions is divided, the movement of movable ions between the bias electrode 9a and the bias electrodes 9c and 9e can be blocked. Therefore, the effect of suppressing DC drift can be enhanced, and the lifetime of the optical modulator can be extended.
  • the optical modulator 100 does not function as an optical waveguide in the waveguide layer 2 made of a lithium niobate film because the pair of optical waveguides 10a and 10b are formed of a thin film of lithium niobate It is easy to remove parts and realize a device structure that suppresses DC drift.
  • the waveguide which is present in the RF section S RF signal electrodes 7a, 7b and the ground electrode 8a, 8b, under the electrode separation regions S 1 ⁇ S 4 between 8c Layer 2 is not removed.
  • the waveguide layer 2 is removed in the RF unit S RF , the electric field efficiency applied to the optical waveguides 10a and 10b is deteriorated to increase the half-wave voltage. Therefore, it is better to dispose the waveguide layer 2 in the electrode separation regions S 1 to S 4 (fifth to eighth electrode separation regions) of the RF portion S RF , and the removal of the waveguide layer 2 is performed to the DC portion S DC . Applies only to
  • the RF unit S RF of a conventional optical modulator The structure in which the waveguide layer 2 is provided on the entire surface including the electrode separation region is adopted, and the same structure as the RF part S RF is adopted also in the DC part S DC .
  • the DC drift reduction effect can be enhanced by removing the waveguide layer 2 in the electrode separation region of the DC portion S DC and actively adopting a structure different from the RF portion S RF. It becomes possible.
  • FIGS. 4A and 4B are schematic cross-sectional views showing a modification of the cross-sectional structure of the DC portion S DC of the light modulator 100.
  • FIG. 4A and 4B are schematic cross-sectional views showing a modification of the cross-sectional structure of the DC portion S DC of the light modulator 100.
  • the waveguide layer removed region D is not a part but all of the thickness direction (Z direction) of the waveguide layer 2 It may be one.
  • the upper surface of the substrate 1 is not exposed and is covered by the remaining portion of the waveguide layer 2.
  • the thickness of the remaining portion of the waveguide layer 2 covering the upper surface of the substrate 1 in the waveguide layer removed region D is the thickness of the waveguide layer 2 in the region other than the waveguide layer removed region D Thinner than the slab thickness). Even with such a configuration, the light modulator 100 can obtain a DC drift reduction effect.
  • the entire waveguide layer removed region D in the thickness direction (Z direction) of the waveguide layer 2 is removed, and the substrate 1 is further removed. Part (surface layer part) may be removed. Even with such a configuration, the light modulator 100 can obtain a DC drift reduction effect.
  • FIGS. 5A and 5B are schematic cross-sectional views showing another modification of the cross-sectional structure of the DC portion S DC of the light modulator 100.
  • FIG. 5A is schematic cross-sectional views showing another modification of the cross-sectional structure of the DC portion S DC of the light modulator 100.
  • the buffer layer 4 and the protective layer 3 are formed only above the pair of optical waveguides 10a and 10b, and the buffer in the other area is Layer 4 and protective layer 3 may be removed.
  • the bias electrodes 9c to 9e are formed on the top surface of the waveguide layer 2.
  • the electrode structure of the DC portion S DC of the light modulator 100 is adopted in accordance with the electrode structure of the RF portion S RF . Even with such a structure, the light modulator 100 can obtain a DC drift reduction effect.
  • the DC portion S DC of the optical modulator 100 may have a structure in which the protective layer 3 is omitted together with the RF portion S RF (not shown).
  • the buffer layer 4 is formed on the entire surface of the waveguide layer 2, and not only the top surface of the ridge portion 2 r of the waveguide layer 2 but also the side surfaces are covered with the buffer layer 4. Even with such a structure, the light modulator 100 can obtain a DC drift reduction effect.
  • the RF unit S RF that applies a modulation signal to the pair of optical waveguides 10 a and 10 b and the DC unit S DC that applies a DC bias are separately provided.
  • An independent bias system is adopted, and the DC portion S DC is adjacent to the bias electrodes 9a and 9b and the bias electrodes 9a and 9b facing the first and second optical waveguides 10a and 10b through the buffer layer 4, respectively.
  • FIG. 6 is a plan view of an optical modulator 200 according to a second embodiment of the present invention, particularly illustrating the entire optical modulator 200 including traveling wave electrodes.
  • the feature of the optical modulator 200 according to the present embodiment is that the ground electrode 8 c is not provided between the first signal electrode 7 a and the second signal electrode 7 b in plan view, and The point is that no bias electrode 9e is provided between the bias electrode 9a and the bias electrode 9b in plan view. That is, the optical modulator 200 according to the present embodiment is a so-called GSSG in which ground electrode
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the light modulator 200 shown in FIG. 6, where (a) is a cross-sectional view along the line AA 'in FIG. 6, (b) is a BB' in FIG. It is sectional drawing along a line.
  • the feature of the optical modulator 200 is that the waveguide layer removed area D is provided also below the electrode separation area S 0 between the bias electrode 9 a and the bias electrode 9 b. It is on the point. Electrode separation area waveguiding layer removal region D to lower S 2 is and that are respectively provided between the electrode separation region S 1 and the bias electrode 9b and the bias electrode 9d between the bias electrode 9a and the bias electrode 9c, As shown in FIG. 7A, the waveguide layer 2 present below the electrode separation regions S 1 and S 2 of the RF unit S RF is not removed, which is the same as the first embodiment.
  • the waveguide layer 2 below the electrode separation region S 0 is left, and only below the electrode separation regions S 1 and S 2
  • It is also possible to provide a waveguide layer removal region D on the The movable ions are moved between the bias electrode 9a (first bias electrode) and the bias electrode 9c (second bias electrode), or alternatively, the bias electrode 9b (third bias electrode) and the bias electrode 9d (fourth bias) This is because it occurs in the region between the electrodes and the electrode, and hardly occurs between the bias electrodes 9a and 9b.
  • the optical modulator 200 according to the present embodiment can exhibit the same effects as the optical modulator 100 according to the first embodiment. That is, the optical modulator 200 according to the present embodiment adopts an independent bias method in which the RF unit S RF and the DC unit S DC are separately provided, and the DC unit S DC is connected to the first and the second via the buffer layer 4.
  • It includes two bias electrodes 9a and 9b respectively facing the second optical waveguides 10a and 10b, and bias electrodes 9c and 9d provided adjacent to the two bias electrodes 9a and 9b, respectively, and the bias electrode 9a and the bias Below the electrode separation region S 1 (first electrode separation region) between the electrode 9 c and below the electrode separation region S 2 (second electrode separation region) between the bias electrode 9 b and the bias electrode 9 d Since the waveguide layer removed region D in which at least a part of the waveguide layer 2 is removed is provided together with the buffer layer 4 and the protective layer 3, the movement of movable ions is inhibited to suppress the DC drift. It is possible.
  • FIG. 8 is a plan view of an optical modulator 300 according to a third embodiment of the present invention, particularly illustrating the entire optical modulator 300 including traveling wave electrodes.
  • the feature of the optical modulator 300 according to the present embodiment is that the signal electrode 7a provided overlapping the first optical waveguide 10a and the ground electrode 8a provided on both sides of the signal electrode 7a, respectively. And 8b, and the ground electrode 8b of the RF unit S RF is provided in an overlapping manner with the second optical waveguide 10b in plan view. That is, the optical modulator 300 according to the present embodiment has a so-called GSG electrode structure in which a signal electrode and a ground electrode are provided above the pair of optical waveguides 10a and 10b, and has a single signal electrode. It is a single drive type.
  • the bias electrodes 9c and 9d are not provided on both sides of the bias electrodes 9a and 9b of the DC portion S DC .
  • the positive terminal of the DC voltage source is connected to one end 9a 1 of the bias electrode 9a, a negative terminal of the DC voltage source 13 is connected to one end 9b 1 of the bias electrode 9b.
  • the other configuration is the same as that of the first embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the optical modulator 300 shown in FIG. 8, wherein (a) is a cross-sectional view along the line AA 'in FIG. 8, (b) is a BB' in FIG. It is sectional drawing along a line.
  • the light modulator 300 according to the present embodiment can exhibit the same effect as the light modulator 100 according to the first embodiment. That is, the optical modulator 300 according to the present embodiment adopts an independent bias method in which the RF unit S RF and the DC unit S DC are separately provided, and the DC unit S DC is connected to the first via the buffer layer 4.
  • An electrode separation region S 5 between the bias electrode 9 a and the bias electrode 9 b includes a bias electrode 9 a facing the optical waveguide 10 a and a bias electrode 9 b facing the second optical waveguide 10 b via the buffer layer 4. Since the waveguide layer removed region D in which at least a part of the waveguide layer 2 is removed is provided together with the buffer layer 4 and the protective layer 3 under the fifth electrode separation region), movement of mobile ions is It is possible to prevent DC drift.
  • 10 to 12 are modified examples of the light modulator shown in FIG. 9, and are cross-sectional views taken along the line BB 'in FIG.
  • the thickness of the waveguide layer 2 (slab thickness of the waveguide layer 2) of the portion other than the ridge portion 2r gradually decreases as the distance from the ridge portion 2r increases. The point is. At a position away from the ridge portion 2 r by a certain distance or more, the thickness is constant (or zero) and does not decrease further. And by such shape of the waveguide layer 2, the minimum thickness of the waveguide layer 2 between the electrode separation region S 5 and the first optical waveguide 10 a (or the second optical waveguide 10 b) is Ta (> 0). ), when the electrode separation region S minimum thickness of the waveguiding layer 2 in the 5 and Tb ( ⁇ 0), the relationship that Ta> Tb is established.
  • the cross-sectional shape of the waveguide layer 2 as in this embodiment may be formed when the waveguide layer 2 is processed to form the ridge portion 2r, or after the ridge portion 2r is formed It may be formed by processing of.
  • Optical waveguides 10a, although 10b are connected to each other through the waveguide layer 2, since the slab thickness of the waveguide layer 2 in the electrode separation region S 5 is very thin, suppressing DC drift by preventing movement of the movable ions can do.
  • the feature of the optical modulator 300-2 shown in FIG. 11 is that, in the configuration of the DC portion S DC in FIG. 10, the buffer layer 4 and the protective layer 3 are formed only in the vicinity of the pair of optical waveguides 10a and 10b. The point is that the buffer layer 4 and the protective layer 3 in the area of (1) are removed. That is, in the configuration of FIG. 10, the electrode separation region S 5 opposite the protective layer 3 and the buffer layer 4 also are selectively removed, thinned upper surface of the waveguide layer 2 is exposed.
  • Optical waveguides 10a, although 10b are connected to each other through the waveguide layer 2, since the slab thickness of the waveguide layer 2 in the electrode separation region S 5 is very thin, suppressing DC drift by preventing movement of the movable ions can do.
  • a feature of the optical modulator 300-3 shown in FIG. 12 is that, in the configuration of the DC portion S DC in FIG. 11, the bias electrodes 9c and 9d are directly formed on the upper surface of the exposed waveguide layer 2. That is, the structure is similar to that of the light modulator 100 shown in FIG. Optical waveguides 10a, although 10b are connected to each other through the waveguide layer 2, since the slab thickness of the waveguide layer 2 in the electrode separation region S 5 is very thin, suppressing DC drift by preventing movement of the movable ions can do.
  • FIG. 13 is a plan view of an optical modulator 400 according to a fourth embodiment of the present invention, in which (a) shows only the optical waveguide and (b) shows the entire optical modulator 400 including traveling wave electrodes. Is illustrated.
  • the feature of the optical modulator 400 is that the Mach-Zehnder optical waveguide 10 is configured by a combination of a linear portion and a curved portion. More specifically, the Mach-Zehnder optical waveguide 10 includes first to third straight portions 10e 1 , 10e 2 , 10e 3 , a first straight portion 10e 1, and a second straight portion, which are disposed parallel to each other. a first curved portion 10f 1 that connects the 10e 2, has a second straight portion 10e 2 of the second curved portion 10f 2 that connects the third straight portion 10e 3.
  • An optical modulator 400 according to the present embodiment, the cross-sectional structure of the linear portions 10e 1, 10e 2, 10e 3 of the Mach-Zehnder optical waveguide 10 along the line A-A 'in the figure, for example, shown in FIG. 2 (a) and becomes cross-sectional structure, also the cross-sectional structure of the linear portion 10e 3 of the Mach-Zehnder optical waveguide 10 along the line B-B 'is configured such that the cross-sectional structure shown in example FIG. 2 (b).
  • the RF unit S RF is provided at a position overlapping with a part of the first to third linear portions 10 e 1 , 10 e 2 , 10 e 3 in a plan view, and the DC portion S DC is provided for the first to third It is provided in a portion overlapped in plan view the position of the other linear portion 10e 1, 10e 2, 10e 3 .
  • the cross-sectional structures of FIGS. 2A and 2B for example, the cross-sectional structures of FIGS. 7A and 7B or the cross-sectional structures of FIGS. 9A and 9B may be adopted.
  • the input light Si is input to a first end of the linear portion 10e 1, toward the other end progresses from the first end of the linear portion 10e 1, folded in the first bending section 10f 1 Te is the first linear portion 10e 1 toward the other end from the second end of the linear portion 10e 2 travels in the reverse direction, further the second third is folded back at the curved portion 10f 2 of the linear portion 10e 3 toward from one end to the other traveling in a first same direction as the straight portion 10e 1.
  • an optical waveguide formed of a lithium niobate film is characterized in that the loss is small even if the radius of curvature is reduced to, for example, about 50 ⁇ m, and is suitable for the present embodiment.
  • the optical modulator having the pair of optical waveguides 10a and 10b formed of the lithium niobate film epitaxially grown on the substrate 1 has been described, but the present invention is limited to such a structure
  • the optical waveguide may be formed of an electro-optical material such as barium titanate or lead zirconate titanate.
  • an optical waveguide formed of a lithium niobate film since the width of the optical waveguide can be formed narrow, the problem of electric field concentration is remarkable, and the effect of the present invention is large.
  • a semiconductor material having an electro-optical effect, a polymer material, or the like may be used as the waveguide layer 2.
  • the acceleration test of DC drift of the optical modulator according to the comparative example and the example was conducted.
  • a change in drift amount Vdrift / Vbias was determined when the DC bias Vbias was continuously applied for 24 hours at a high temperature of 140 ° C.
  • the optical modulator of Comparative Examples 1A and 1B has the cross-sectional structure of FIG. 3A, and is of a conventional structure in which a waveguide layer and a buffer layer are formed on the entire surface.
  • the buffer layer of Comparative Example 1A is an oxide La-Al-O (composition A) mainly composed of La and Al
  • the buffer layer of Comparative Example 1B is an oxide Si-In mainly composed of Si and In. It is -O (composition B).
  • the light modulators of Comparative Examples 2A and 2B have the cross-sectional structure shown in FIG. 3B, and the buffer layer between the electrodes is removed, but the waveguide layer has a conventional structure formed on the entire surface. It is.
  • the buffer layer of Comparative Example 2A is an oxide containing La and Al as the main component (Composition A)
  • the buffer layer of Comparative Example 2B is an oxide containing Si and In as the main components (Composition B).
  • the optical modulators of the embodiments 1A and 1B are optical modulators having the cross-sectional structures shown in FIGS. 2 (b) and 3 (c), with the buffer layer and the waveguide layer between the bias electrodes removed. is there.
  • the buffer layer of Example 1A is an oxide containing La and Al as the main component (composition A)
  • the buffer layer of Example 1B is an oxide containing Si and In as the main components (composition B).
  • FIG. 14 is a graph showing the results of accelerated tests of DC drift of the optical modulator according to Comparative Examples 1B, 2A, 2B and Examples 1A, 1B, where the horizontal axis is elapsed time (H) and the vertical axis is drift amount V. Each shows drift / V bias .
  • the graph is omitted.
  • Comparative Examples 1A and 1B it is understood that the drift amount is 100% immediately after the evaluation test is started, and the drift amount is saturated immediately. In Comparative Examples 1A and 1B, the time for the drift amount to reach 50% was less than one minute, and the drift amount after 24 hours was 100%.
  • Comparative Example 2A the time for the drift amount to reach 50% was about 5 minutes, and the drift amount after 24 hours was about 70%.
  • Comparative Example 2B the time for the drift amount to reach 50% was about 22 hours, and the drift amount after 24 hours was about 55%.
  • the reduction effect of DC drift was acquired by changing the buffer layer from composition A to composition B, the amount of drift after 24 hours could not be made 50% or less.
  • Example 1A the drift amount was not saturated immediately but changed gradually.
  • the time for the drift amount to reach 50% was 24 hours or later, and the drift amount after 24 hours was about 45%.
  • Example 1B the time for the drift amount to reach 50% was 24 hours or later, and the drift amount after 24 hours was about 30%.
  • the drift amount after 24 hours achieves the target 50% or less after 24 hours regardless of the composition of the buffer layer. It turned out that the reduction effect of drift is large.

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Abstract

【課題】ＤＣドリフトを小さくすることが可能なデバイス構造を有する光変調器を提供する。 【解決手段】光変調器１００は、基板１と、基板１上にリッジ状に形成された電気光学材料膜からなり、互いに隣り合う第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂを含む導波層２と、光導波路１０ａ，１０ｂに変調信号を印加するＲＦ部ＳＲＦと、光導波路１０ａ，１０ｂにＤＣバイアスを印加するＤＣ部ＳＤＣとを備えている。ＤＣ部ＳＤＣは、少なくとも光導波路１０ａ，１０ｂの上面を覆うバッファ層４と、バッファ層４を介して第１の光導波路１０ａと対向するバイアス電極９ａと、バイアス電極９ａに隣接して設けられたバイアス電極９ｃとを含み、バイアス電極９ａ，９ｃ間にはＤＣバイアス電圧が印加され、少なくともバイアス電極９ａ，９ｃ間の下方には、導波層２の少なくとも一部が除去された導波層除去領域Ｄが設けられている。

Description

光変調器
　本発明は、光通信及び光計測分野において用いられる光変調器に関し、特に、マッハツェンダー型光変調器の電極構造に関する。
　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及び３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。
　光変調器の電極に電圧を印加した直後と十分に長い時間が経過した後とでは光導波路に印加される電圧が変化し、これによって光変調器からの出射光も変化する現象がみられる。光導波路に印加される電圧の変化はＤＣドリフトと呼ばれており、光変調器ではＤＣドリフトをできるだけ抑制することが望まれている。
　特許文献４には、ニオブ酸リチウム等の結晶基板を用いた導波路型光デバイスにおいてＤＣドリフトを抑制するため、結晶基板にリン（Ｐ）等の５族元素あるいは塩素（Ｃｌ）をドーピングすることによって結晶基板の内部や表面の可動イオンを不動化することが記載されている。また特許文献５には、ニオブ酸リチウム結晶基板上に、互いに近接した２本の光導波路とその近傍に接地された制御用電極が設けられてなる方向性結合器型光制御デバイスにおいて、ＤＣドリフトを小さくするため、ニオブ酸リチウム結晶基板中にニオブ酸リチウムのバルク結晶の抵抗率よりも抵抗率の低い低抵抗領域を設けることが記載されている。低抵抗領域は、加熱された安息香酸やピロ燐酸等の酸の中にニオブ酸リチウム基板を浸漬し、ニオブ酸リチウム中のリチウムイオン（Ｌｉ+）をプロトン（Ｈ+）に交換するプロトンイオン交換法によって形成することができる。
特許第４４８５２１８号公報 特開２００６－１９５３８３号公報 特開２０１４－６３４８号公報 特開平５－１１３５１３号公報 特開平５－６６４２８号公報
　上記のようにＤＣドリフトは光変調器において重要な課題であり、ＰやＣｌなどがドーピングされた特別なニオブ酸リチウム結晶を用いることなく、ＤＣドリフトを抑制できるデバイス構造が望まれている。
　したがって、本発明は、ＤＣドリフトを小さくして長期にわたり安定的に制御可能なデバイス構造を有する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、本発明による光変調器は、基板と、前記基板上にリッジ状に形成された電気光学材料膜からなり、互いに隣り合う第１及び第２の光導波路を含む導波層と、前記第１及び第２の光導波路に変調信号を印加するＲＦ部と、前記第１及び第２の光導波路にＤＣバイアスを印加するＤＣ部とを備え、前記ＤＣ部は、少なくとも前記第１及び第２の光導波路の上面を覆うバッファ層と、前記バッファ層を介して前記第１の光導波路と対向する第１のバイアス電極と、前記第１のバイアス電極に隣接して設けられた第２のバイアス電極とを含み、前記第１のバイアス電極と前記第２のバイアス電極との間には第１のＤＣバイアス電圧が印加され、少なくとも前記第１のバイアス電極と前記第２のバイアス電極との間の第１の電極分離領域の下方には、前記導波層の少なくとも一部が除去された導波層除去領域が設けられていることを特徴とする。
　本発明によれば、第１及び第２のバイアス電極間にＤＣバイアスを印加し続けることによる可動イオンの移動を阻止することができ、これによりＤＣドリフトを小さくすることができる。したがって、長期にわたり安定的に制御可能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ＤＣ部は、前記バッファ層を介して前記第２の光導波路と対向する第３のバイアス電極と、前記第３のバイアス電極に隣接して設けられた第４のバイアス電極とをさらに含み、前記第３のバイアス電極と前記第４のバイアス電極との間には第２のＤＣバイアス電圧が印加され、前記第３のバイアス電極と前記第４のバイアス電極との間の第２の電極分離領域の下方には、前記導波層除去領域が設けられていることが好ましい。この場合において、前記第２のバイアス電極は、前記第１のバイアス電極から見て前記第３のバイアス電極と反対側に位置し、前記第４のバイアス電極は、前記第３のバイアス電極から見て前記第１のバイアス電極と反対側に位置することが好ましい。この構成によれば、いわゆるデュアル駆動型の電極構造を有する光変調器のＤＣドリフトを小さくすることができる。
　本発明において、前記ＤＣ部は、前記第１のバイアス電極と前記第３のバイアス電極との間に設けられた第５のバイアス電極をさらに含み、前記第１のバイアス電極と前記第５のバイアス電極との間の第３の電極分離領域の下方及び前記第３のバイアス電極と前記第５のバイアス電極との間の第４の電極分離領域の下方には、前記導波層除去領域が設けられていることが好ましい。この構成によれば、いわゆるデュアル駆動型の電極構造を有する光変調器のＤＣドリフトを小さくすることができる。
　本発明において、前記第２のバイアス電極は、前記バッファ層を介して前記第２の光導波路と対向していることもまた好ましい。この構成によれば、第１の光導波路のみならず第２の光導波路にもＤＣバイアスを印加することができる。
　本発明において、前記導波層除去領域は、前記バッファ層と共に前記導波層が除去されて前記基板が露出した領域であることが好ましい。この場合において、前記導波層除去領域は、前記基板の一部がさらに除去された領域であってもよい。さらに、前記導波層除去領域は、前記バッファ層と共に前記導波層の一部が除去され、前記基板が前記導波層の残部に覆われた領域であってもよい。いずれの構成であっても、ＤＣ部の電極分離領域に導波層除去領域が設けられているので、ＤＣドリフトを小さくすることができる。
　本発明において、前記ＤＣ部は、前記第１及び第２の光導波路の両側の側面を覆うように前記導波層と前記バッファ層との間に形成された保護層をさらに含み、前記導波層除去領域は、前記バッファ層及び前記保護層と共に前記導波層が除去された領域であることが好ましい。この構成によれば、光導波路の側面の保護と共にＤＣドリフトを小さくすることができる。
　本発明において、前記ＲＦ部は、前記バッファ層を介して前記第１及び第２の光導波路とそれぞれ対向する第１及び第２の信号電極と、前記第１の信号電極に隣接して設けられた第１の接地電極と、前記第２の信号電極に隣接して設けられた第２の接地電極とを含み、前記第１の信号電極と前記第１の接地電極との間の第５の電極分離領域の下方及び第２の信号電極と前記第２の接地電極との間の第６の電極分離領域の下方の前記導波層は除去されずに残留していることが好ましい。この構成によれば、ＲＦ部において所望の電界効率を確保しながらＤＣドリフトを小さくすることができる。
　本発明において、前記第１及び第２の光導波路の各々は、少なくとも一つの直線部と少なくとも一つの湾曲部とを有し、前記ＲＦ部は、前記直線部の一部と平面視で重なる位置に設けられており、前記ＤＣ部は、前記直線部の他の一部と平面視で重なる位置に設けられていることが好ましい。この構成によれば、光導波路を折り返して構成することができ、素子長を短くすることができる。特に、ニオブ酸リチウム膜により形成された光導波路を用いる場合には、曲率半径を例えば５０μｍ程度まで小さくしても損失が小さいことから、本発明の効果が顕著である。したがって、ＲＦ部とＤＣ部とを別々に構成する独立バイアス方式の光変調器の小型化を図ることができる。
　本発明において、前記基板は単結晶基板であり、前記電気光学材料膜はニオブ酸リチウム膜であり、前記ニオブ酸リチウム膜は膜厚が２μｍ以下のエピタキシャル膜であり、前記ニオブ酸リチウム膜のｃ軸は前記基板の主面に対して垂直方向に配向していることが好ましい。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、非常に薄く線幅が狭い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が、光導波路は薄型で線幅も狭いため電界集中の問題が顕著である。しかし本発明によればそのような問題を解決することができ、高周波特性が良好で変調光の波長チャープを低減でき、低電圧駆動が可能な光変調器を実現することができる。
　また、本発明の第２の側面による光変調器は、基板と、前記基板上にリッジ状に形成された電気光学材料膜からなり、互いに隣り合う第１及び第２の光導波路を含む導波層と、前記第１及び第２の光導波路に変調信号を印加するＲＦ部と、前記第１及び第２の光導波路にＤＣバイアスを印加するＤＣ部とを備え、前記ＤＣ部は、少なくとも前記第１及び第２の光導波路の上面を覆うバッファ層と、前記バッファ層を介して前記第１の光導波路と対向する第１のバイアス電極と、前記第１のバイアス電極に隣接して設けられた第２のバイアス電極とを含み、前記第１のバイアス電極と前記第２のバイアス電極との間には第１のＤＣバイアス電圧が印加され、前記第１のバイアス電極と前記第２のバイアス電極との間の第１の電極分離領域における前記導波層の最小厚さは、前記第１の電極分離領域と前記第１の光導波路との間における前記導波層の最小厚さよりも小さいことを特徴とする。
　本発明によれば、第１及び第２のバイアス電極間にＤＣバイアスを印加し続けることによる可動イオンの移動を抑制することができ、これによりＤＣドリフトを小さくすることができる。したがって、長期にわたり安定的に制御可能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ＤＣ部は、前記バッファ層を介して前記第２の光導波路と対向する第３のバイアス電極と、前記第３のバイアス電極に隣接して設けられた第４のバイアス電極とをさらに含み、前記第３のバイアス電極と前記第４のバイアス電極との間には第２のＤＣバイアス電圧が印加され、前記第３のバイアス電極と前記第４のバイアス電極との間の第２の電極分離領域における前記導波層の最小厚さは、前記第２の電極分離領域と前記第２の光導波路との間における前記導波層の最小厚さよりも小さいことが好ましい。この場合において、前記第２のバイアス電極は、前記第１のバイアス電極から見て前記第３のバイアス電極と反対側に位置し、前記第４のバイアス電極は、前記第３のバイアス電極から見て前記第１のバイアス電極と反対側に位置することが好ましい。この構成によれば、いわゆるデュアル駆動型の電極構造を有する光変調器のＤＣドリフトを小さくすることができる。
　本発明において、前記ＤＣ部は、前記第１のバイアス電極と前記第３のバイアス電極との間に設けられた第５のバイアス電極をさらに含み、前記第１のバイアス電極と前記第５のバイアス電極との間の第３の電極分離領域における前記導波層の最小厚さは、前記第３の電極分離領域と前記第１の光導波路との間における前記導波層の最小厚さよりも小さく、前記第３のバイアス電極と前記第５のバイアス電極との間の第４の電極分離領域における前記導波層の最小厚さは、前記第４の電極分離領域と前記第２の光導波路との間における前記導波層の最小厚さよりも小さいことが好ましい。この構成によれば、いわゆるデュアル駆動型の電極構造を有する光変調器のＤＣドリフトを小さくすることができる。
　本発明において、前記第２のバイアス電極は、前記バッファ層を介して前記第２の光導波路と対向しており、前記第１の電極分離領域における前記導波層の最小厚さは、前記第１の電極分離領域と前記第２の光導波路との間における前記導波層の最小厚さよりも小さいことが好ましい。この構成によれば、第１の光導波路のみならず第２の光導波路にもＤＣバイアスを印加することができる。
　本発明において、前記ＤＣ部は、前記第１及び第２の光導波路の両側の側面を覆うように前記導波層と前記バッファ層との間に形成された保護層をさらに含み、前記電極分離領域において、前記導波層は前記バッファ層及び前記保護層に覆われることなく露出していることが好ましい。このように、ＤＣ部の電極分離領域においてバッファ層及び保護層が除去されている場合には、ＤＣドリフトをさらに小さくすることができる。
　前記導波層は、前記第１又は第２の光導波路から遠ざかるにつれて徐々に薄くなる断面形状を有することが好ましい。この構成によれば、電極分離領域における導波層の最小厚さが電極分離領域と光導波路との間における導波層の最小厚さよりも小さくなる形状を容易に実現することができ、導波層をリッジ状に加工する際にそのような形状を作り込むことが可能となる。
　本発明によれば、ＤＣドリフトを小さくして長期にわたり安定的に制御可能なデバイス構造を有する光変調器を提供することができる。
図１は、本発明の第１の実施の形態による光変調器１００の平面図であり、（ａ）は光導波路のみ図示し、（ｂ）は進行波電極を含めた光変調器１００の全体を図示している。 図２は、図１に示した光変調器１００の略断面図であって、（ａ）は図１（ｂ）のＡ－Ａ'線に沿ったＲＦ部ＳＲＦの断面図、（ｂ）は図１（ｂ）のＢ－Ｂ'線に沿ったＤＣ部ＳＤＣの断面図である。 図３は、導波層除去領域Ｄの作用を説明するための図であって、（ａ）はバッファ層４、保護層３及び導波層２が全面に形成された従来構造、（ｂ）は電極分離領域のバッファ層４及び保護層３が選択的に除去され、導波層２が全面に形成された従来構造、（ｃ）は電極分離領域のバッファ層４、保護層３及び導波層２が選択的に除去された本実施形態の構造をそれぞれ示している。 図４（ａ）及び（ｂ）は、光変調器１００のＤＣ部ＳＤＣの断面構造の変形例を示す略断面図である。 図５（ａ）及び（ｂ）は、光変調器１００のＤＣ部ＳＤＣの断面構造の他の変形例を示す略断面図である。 図６は、本発明の第２の実施の形態による光変調器２００の平面図であり、特に進行波電極を含めた光変調器２００の全体を図示している。 図７は、図６に示した光変調器２００の略断面図であって、（ａ）は図６のＡ－Ａ'線に沿った断面図、（ｂ）は図６のＢ－Ｂ'線に沿った断面図である。 図８は、本発明の第３の実施の形態による光変調器３００の平面図であり、特に進行波電極を含めた光変調器３００の全体を図示している。 図９は、図８に示した光変調器３００の略断面図であって、（ａ）は図８のＡ－Ａ'線に沿った断面図、（ｂ）は図８のＢ－Ｂ'線に沿った断面図である。 図１０は、図９に示した光変調器の第１の変形例であって、図８のＢ－Ｂ'線に沿った断面図である。 図１１は、図９に示した光変調器の第２の変形例であって、図８のＢ－Ｂ'線に沿った断面図である。 図１２は、図９に示した光変調器の第３の変形例であって、図８のＢ－Ｂ'線に沿った断面図である。 図１３は、本発明の第４の実施の形態による光変調器４００の平面図であり、（ａ）は光導波路のみ図示し、（ｂ）は進行波電極を含めた光変調器４００の全体を図示している。 図１４は、比較例及び実施例による光変調器のＤＣドリフトの加速試験の結果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は、本発明の第１の実施の形態による光変調器１００の平面図であり、（ａ）は光導波路のみ図示し、（ｂ）は進行波電極を含めた光変調器１００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１００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ー光導波路１０と、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂにそれぞれ重ねて設けられた第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂを含むＲＦ部ＳＲＦと、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂにそれぞれ重ねて設けられたバイアス電極９ａ，９ｂを含むＤＣ部ＳＤＣとを備えている。また光変調器１００のＲＦ部ＳＲＦは、第１の信号電極７ａに隣接して設けられた接地電極８ａと、第２の信号電極７ｂに隣接して設けられた接地電極８ｂと、第１の信号電極７ａと第２の信号電極７ｂとの間に設けられた接地電極８ｃとを備えている。さらに光変調器１００のＤＣ部には、バイアス電極９ａに隣接して設けられたバイアス電極９ｃと、バイアス電極９ｂに隣接して設けられたバイアス電極９ｄと、バイアス電極９ａとバイアス電極９ｂとの間に設けられたバイアス電極９ｅとを備えている。バイアス電極９ｃ，９ｄ，９ｅは互いに電気的に接続されており、これらには基準電位（接地電位）が付与されている。
　マッハツェンダー光導波路１０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り、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。
　第１の信号電極７ａは平面視で２つの接地電極８ａ，８ｃ間に位置しており、第２の信号電極７ｂは平面視で２つの接地電極８ａ，８ｃ間に位置している。第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの一端７ａ１，７ｂ１及び他端７ａ２，７ｂ２は基板１の幅方向の一端側に引き出されている。第１及び第２信号電極７ａ，７ｂの一端７ａ１，７ｂ１は信号入力端であり、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの他端７ａ２，７ｂ２は終端抵抗１２を介して互いに接続されている。あるいは、第１の信号電極７ａの他端７ａ２は第１の終端抵抗を介して接地電極８ａに接続され、第２の信号電極７ｂの他端７ｂ２は第２の終端抵抗を介して接地電極８ｂに接続されてもよい。これにより、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂは、接地電極８ａ，８ｂと共に差動のコプレーナ型進行波電極として機能する。
　バイアス電極９ａ～９ｅは、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂにＤＣバイアスを印加するために第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂとは独立に設けられている。バイアス電極９ａ，９ｂの一端９ａ１，９ｂ１はＤＣバイアスの入力端であり、ＤＣ電圧源１３ａ，１３ｂにそれぞれ接続されている。詳細には、バイアス電極９ａの一端９ａ１にはＤＣ電圧源１３ａの正極端子が接続され、バイアス電極９ｂの一端９ｂ１にはＤＣ電圧源１３ｂの負極端子が接続される。そのため、バイアス電極９ａとその両側のバイアス電極９ｃ，９ｅは、第１の光導波路１０ａにＤＣバイアスを印加するための一対のバイアス電極（第１及び第２のバイアス電極）として機能する。また、バイアス電極９ｂとその両側のバイアス電極９ｄ，９ｅは、第２の光導波路１０ａにＤＣバイアスを印加するための一対のバイアス電極（第１及び第２のバイアス電極）として機能する。なおＤＣ電圧源１３ａ，１３ｂの一方を省略することも可能である。本実施形態において、バイアス電極９ａ～９ｅの形成領域（ＤＣ部ＳＤＣ）は、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの形成領域（ＲＦ部ＳＲＦ）よりもマッハツェンダー光導波路１０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。
　第１の信号電極７ａの一端７ａ１及び第２の信号電極７ｂの一端７ｂ１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。
　バイアス電極９ａの一端９ａ１には、プラスのＤＣバイアス電圧が入力され、バイアス電極９ｂの一端９ｂ１には、マイナスのＤＣバイアス電圧が入力される。ＤＣドリフトに追従しながら変調信号に対して適切な動作点を設定するため、ＤＣバイアスは数ボルトから数十ボルトの範囲内で調整される。
　このように、本実施形態による光変調器１００は、一対の信号電極７ａ，７ｂ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に示した光変調器１００の略断面図であって、（ａ）は図１（ｂ）のＡ－Ａ'線に沿ったＲＦ部ＳＲＦの断面図、（ｂ）は図１（ｂ）のＢ－Ｂ'線に沿ったＤＣ部ＳＤＣの断面図である。
　図２（ａ）に示すように、本実施形態による光変調器１００のＲＦ部ＳＲＦの断面構造は、基板１、導波層２、保護層３、バッファ層４及び電極層６がこの順で積層された多層構造を有している。基板１は例えばサファイア基板であり、基板１の表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２が形成されている。導波層２はリッジ部２ｒからなる第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂを有している。第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂのリッジ幅Ｗ０は例えば１μｍとすることができる。また、互いに隣り合う第１の光導波路１０ａと第２の光導波路１０ｂとの間隔は例えば１４μｍにすることができる。
　保護層３は第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂと平面視で重ならない領域に形成されている。保護層３は、導波層２の上面のうちリッジ部２ｒが形成されていない領域の全面を覆っており、リッジ部２ｒの側面も保護層３に覆われているので、リッジ部２ｒの側面の荒れによって生じる散乱損失を防ぐことができる。保護層３の厚さは導波層２のリッジ部２ｒの高さとほぼ同じである。保護層３の材料は特に限定されないが、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）を用いることができる。
　バッファ層４は、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂ中を伝搬する光が第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂに吸収されることを防ぐため、導波層２のリッジ部２ｒの上面に形成されるものである。バッファ層４は、導波層２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、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＬａＡｌＯ３、ＬａＹＯ３、ＺｎＯ、ＨｆＯ２、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３などを用いることができ、その厚さは０．２～１μｍ程度であればよい。バッファ層４は誘電率が高い材料からなることがより好ましく、保護層３と同じ材料を用いることも可能である。すなわち、保護層３を省略して導波層２の上面にバッファ層４を直接形成してもよい。本実施形態において、バッファ層４は、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂの上面のみならず保護層３の上面を含む下地面の全面を覆っているが、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂ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４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１０ａ、１０ｂ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４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４の屈折率は低い程、バッファ層４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、Ａｌ２Ｏ３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。ＬａＡｌＯ３は、比誘電率が約１３、屈折率が約１．７であり、またＬａＹＯ３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。
　電極層６には、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂ及び接地電極８ａ～８ｃが設けられている。第１の信号電極７ａは、第１の光導波路１０ａ内を進行する光を変調するために第１の光導波路１０ａに対応するリッジ部２ｒに重ねて設けられ、バッファ層４を介して第１の光導波路１０ａと対向している。第２の信号電極７ｂは、第２の光導波路１０ｂ内を進行する光を変調するために第２の光導波路１０ｂに対応するリッジ部２ｒに重ねて設けられ、バッファ層４を介して第２の光導波路１０ｂと対向している。
　接地電極８ａ（第１の接地電極）は、第１の信号電極７ａから見て第２の光導波路１０ｂ（或いは接地電極８ｃ）とは反対側に位置し、第１の信号電極７ａに隣接している。接地電極８ｂ（第２の接地電極）は、第２の信号電極７ｂから見て第１の光導波路１０ａ（或いは接地電極８ｃ）とは反対側に位置し、第２の信号電極７ｂに隣接している。接地電極８ｃ（第３の接地電極）は、第１の信号電極７ａと第２の信号電極７ｂとの間に位置し、第１の信号電極７ａと第２の信号電極７ｂの両方に隣接している。接地電極８ａの幅は、接地電極８ｂと同じであってもよく、異なっていてもよい。接地電極８ｃの幅は、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの幅と異なっていてもよく、同じであってもよい。このように、本実施形態による光変調器１００は、光導波路１０ａ，１０ｂの進行方向と直交する方向（Ｘ方向）に対して、接地電極｜信号電極｜接地電極｜信号電極｜接地電極の順に配列されたいわゆるＧＳＧＳＧ電極構造（Ｇはグランド、Ｓはシグナルの意味）を有している。
　第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂを垂直に切断した図示の断面構造において、接地電極８ａ，８ｂに挟まれた領域内の電極構造は左右対称である。そのため、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂから第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂ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。
　導波層２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（ＬｉＮｂＯ３）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２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、下地の単結晶基板もしくは単結晶膜上で結晶成長させることで結晶方位が揃えられた単結晶の膜のことである。すなわち、エピタキシャル膜とは、膜厚方向および膜面内方向に単一の結晶方位をもった膜であり、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。エピタキシャル膜かどうかは、例えば、２θ－θＸ線回折における配向位置でのピーク強度と極点の確認を行うことで証明することができる。
　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。ＬｉＮｂＯ３は三方晶系の結晶構造であるため、単結晶におけるＬｉＮｂＯ３（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１やバッファ層４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（１０ａ、１０ｂ）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のが望ましい。ニオブ酸リチウムのｃ軸が基板１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Ｙ２Ｏ３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。
　図２（ｂ）に示すように、光変調器１００のＤＣ部ＳＤＣには、第１及び第２の信号電極７ａ，７ｂの代わりに、２つのバイアス電極９ａ，９ｂが設けられており、また接地電極８ａ，８ｂ，８ｃの代わりに、バイアス電極９ｃ，９ｄ，９ｅが設けられている。さらに、ＤＣ部ＳＤＣの断面構造はＲＦ部ＳＲＦと異なり、バイアス電極９ａ，９ｂとバイアス電極９ｃ，９ｄ，９ｅとの間の電極分離領域Ｓ１～Ｓ４に、導波層２の少なくとも一部が除去された導波層除去領域Ｄがそれぞれ設けられている。その他はＲＦ部ＳＲＦの断面構造と同じである。
　図示のように、バイアス電極９ｃ（第２のバイアス電極）は、バイアス電極９ａ（第１のバイアス電極）から見てバイアス電極９ｂ（第３のバイアス電極）とは反対側に位置し、バイアス電極９ａに隣接している。バイアス電極９ｄ（第４のバイアス電極）は、バイアス電極９ｂ（第２のバイアス電極）から見てバイアス電極９ａ（第１のバイアス電極）とは反対側に位置し、バイアス電極９ｂに隣接している。バイアス電極９ｅ（第５のバイアス電極）は、バイアス電極９ａとバイアス電極９ｂとの間に位置し、バイアス電極９ａとバイアス電極９ｂの両方に隣接している。
　このような電極構造を有するＤＣ部ＳＤＣにおいて、導波層除去領域Ｄは、バイアス電極９ａとバイアス電極９ｃとの間の第１の電極分離領域Ｓ１の下方、バイアス電極９ｂとバイアス電極９ｄとの間の第２の電極分離領域Ｓ２の下方、バイアス電極９ａとバイアス電極９ｅとの間の第３の電極分離領域Ｓ３の下方、バイアス電極９ｂとバイアス電極９ｅとの間の第４の電極分離領域Ｓ４の下方にそれぞれ設けられている。
　本実施形態において、導波層除去領域Ｄは、バッファ層４、保護層３及び導波層２が除去され、これにより基板１の上面が露出した領域である。図示のように、電極分離領域Ｓ１～Ｓ４の幅方向（Ｘ方向）の全体に導波層除去領域Ｄが形成されている必要はなく、中央部にのみ形成されていてもよい。これにより、リッジ部２ｒの側面が保護層３に覆われた状態を維持することができる。また導波層除去領域Ｄは、バイアス電極９ａ，９ｂの配線方向（Ｙ方向）の全長にわたって形成されていることが好ましいが、配線方向の全長にわたって完全に形成されていなくてもよい。
　図３は、導波層除去領域Ｄの作用を説明するための図であって、（ａ）はバッファ層４、保護層３及び導波層２が全面に形成された従来構造、（ｂ）は電極分離領域のバッファ層４及び保護層３が選択的に除去され、導波層２が全面に形成された従来構造、（ｃ）は電極分離領域のバッファ層４、保護層３及び導波層２が選択的に除去された本実施形態の構造をそれぞれ示している。
　図３（ａ）に示すように、バッファ層４、保護層３及び導波層２が電極分離領域Ｓ１，Ｓ３を含む基板１の全面に形成された従来構造では、ＤＣドリフトが大きくなる。ＤＣドリフトの根本的な原因は明らかにされていないが、図示のように、一対の電極間にＤＣバイアスを印加し続けることで誘電体中のＬｉ、Ｎａ、Ｋなどの可動イオンが徐々に移動して電極近傍領域に蓄積してしまい、ＤＣバイアスがイオンによって打ち消されてしまうからと考えられている。
　また図３（ｂ）に示すように、電極分離領域Ｓ１，Ｓ３の下方のバッファ層４及び保護層３が選択的に除去された構造は、図３（ａ）の構造よりもＤＣドリフトを抑制する効果はあるものの、導波層２がイオンの移動経路となるため、ＤＣドリフト抑制効果が十分とは言えない。
　これに対し、図３（ｃ）に示すように、電極分離領域Ｓ１，Ｓ３の下方の導波層２がバッファ層４及び保護層３と共に選択的に除去された本実施形態の構造では、可動イオンの移動経路が分断されているので、バイアス電極９ａとバイアス電極９ｃ，９ｅとの間での可動イオンの移動を阻止することができる。したがって、ＤＣドリフトの抑制効果を高めることができ、光変調器の寿命を延ばすことができる。
　ニオブ酸リチウム結晶基板を用いた従来の光変調器では、電極分離領域の下方のバッファ層４を除去することは可能であったが、基板中のイオンの移動経路を分断することまではできず、可動イオンの移動経路を分断することは極めて困難であった。しかし、本実施形態による光変調器１００は、一対の光導波路１０ａ，１０ｂをニオブ酸リチウムの薄い膜で構成しているため、ニオブ酸リチウム膜からなる導波層２のうち光導波路として機能しない部分の除去が容易であり、ＤＣドリフトを抑制するデバイス構造を容易に実現することができる。
　ところで、図２（ａ）に示したように、ＲＦ部ＳＲＦにおいて信号電極７ａ，７ｂと接地電極８ａ，８ｂ，８ｃとの間の電極分離領域Ｓ１～Ｓ４の下方に存在する導波層２は除去されない。ＲＦ部ＳＲＦにおいて導波層２を除去してしまうと光導波路１０ａ，１０ｂに印加される電界効率が悪化して半波長電圧が高くなるためである。そのため、ＲＦ部ＳＲＦの電極分離領域Ｓ１～Ｓ４（第５～第８の電極分離領域）には導波層２を配置したほうが良く、導波層２の除去はＤＣ部ＳＤＣに対してのみ適用される。
　このように、ＲＦ部ＳＲＦにおいて電極分離領域の下方の導波層２を除去してしまうと光導波路１０ａ，１０ｂに対する電界効率が低下することから、従来の光変調器のＲＦ部ＳＲＦでは電極分離領域を含む全面に導波層２が設けられた構造が採用されており、ＤＣ部ＳＤＣでもＲＦ部ＳＲＦと同じ構造が採用されていた。しかし、本実施形態においては、ＤＣ部ＳＤＣの電極分離領域の導波層２を除去してＲＦ部ＳＲＦと異なる構造を積極的に採用することにより、ＤＣドリフトの低減効果を高めることが可能となる。
　図４（ａ）及び（ｂ）は、光変調器１００のＤＣ部ＳＤＣの断面構造の変形例を示す略断面図である。
　図４（ａ）に示すように、光変調器１００のＤＣ部ＳＤＣにおいて、導波層除去領域Ｄは導波層２の厚さ方向（Ｚ方向）の全部ではなく一部が除去されたものであってもよい。この場合、基板１の上面は露出しておらず、導波層２の残部に覆われていている。この場合、導波層除去領域Ｄにおいて基板１の上面を覆う導波層２の残部の厚さは、導波層除去領域Ｄ以外の領域における導波層２の厚さ（導波層２のスラブ厚）よりも薄い。光変調器１００はこのような構成であってもＤＣドリフトの低減効果を得ることができる。
　また図４（ｂ）に示すように、光変調器１００のＤＣ部ＳＤＣにおいて、導波層除去領域Ｄは導波層２の厚さ方向（Ｚ方向）の全部が除去され、さらに基板１の一部（表層部）が除去されていてもよい。光変調器１００はこのような構成であってもＤＣドリフトの低減効果を得ることができる。
　図５（ａ）及び（ｂ）は、光変調器１００のＤＣ部ＳＤＣの断面構造の他の変形例を示す略断面図である。
　図５（ａ）に示すように、光変調器１００のＤＣ部ＳＤＣにおいて、バッファ層４及び保護層３は、一対の光導波路１０ａ，１０ｂの上方にのみ形成され、それ以外の領域のバッファ層４及び保護層３は除去されていてもよい。この構造により、バイアス電極９ｃ～９ｅは、導波層２の上面に形成されている。この光変調器１００のＤＣ部ＳＤＣの電極構造は、ＲＦ部ＳＲＦの電極構造に合わせて採用されたものである。光変調器１００はこのような構造であってもＤＣドリフトの低減効果を得ることができる。
　また図５（ｂ）に示すように、光変調器１００のＤＣ部ＳＤＣは、不図示の及びＲＦ部ＳＲＦと共に、保護層３が省略された構造であってもよい。この場合、導波層２の全面にバッファ層４が形成され、導波層２のリッジ部２ｒの上面のみならず側面もバッファ層４に覆われることになる。光変調器１００はこのような構造であってもＤＣドリフトの低減効果を得ることができる。
　以上説明したように、本実施形態による光変調器１００は、一対の光導波路１０ａ，１０ｂに変調信号を印加するＲＦ部ＳＲＦとＤＣバイアスを印加するＤＣ部ＳＤＣとが別々に設けられた独立バイアス方式を採用し、ＤＣ部ＳＤＣは、バッファ層４を介して第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂとそれぞれ対向するバイアス電極９ａ，９ｂと、バイアス電極９ａ，９ｂに隣接して設けられたバイアス電極９ｃ，９ｄ，９ｅとを含み、互いに隣り合うバイアス電極９ａ，９ｂとバイアス電極９ｃ，９ｄ，９ｅとの間の第１～第４の電極分離領域Ｓ１～Ｓ４には、バッファ層４及び保護層３と共に導波層２の少なくとも一部が除去された導波層除去領域Ｄが設けられているので、可動イオンの移動を阻止してＤＣドリフトを抑制することができる。
　図６は、本発明の第２の実施の形態による光変調器２００の平面図であり、特に進行波電極を含めた光変調器２００の全体を図示している。
　図６に示すように、本実施形態による光変調器２００の特徴は、平面視で第１の信号電極７ａと第２の信号電極７ｂとの間に接地電極８ｃが設けられておらず、また平面視でバイアス電極９ａとバイアス電極９ｂとの間にバイアス電極９ｅが設けられていない点にある。すなわち、本実施形態による光変調器２００は、光導波路１０ａ，１０ｂの進行方向と直交する方向（Ｘ方向）に対して、接地電極｜信号電極｜信号電極｜接地電極の順に配列されたいわゆるＧＳＳＧ電極構造を有している。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。
　図７は、図６に示した光変調器２００の略断面図であって、（ａ）は図６のＡ－Ａ'線に沿った断面図、（ｂ）は図６のＢ－Ｂ'線に沿った断面図である。
　図７（ｂ）に示すように、この光変調器２００の特徴は、バイアス電極９ａとバイアス電極９ｂとの間の電極分離領域Ｓ０の下方にも導波層除去領域Ｄが設けられている点にある。バイアス電極９ａとバイアス電極９ｃとの間の電極分離領域Ｓ１及びバイアス電極９ｂとバイアス電極９ｄとの間の電極分離領域Ｓ２の下方にも導波層除去領域Ｄがそれぞれ設けられる点や、図７（ａ）に示すようにＲＦ部ＳＲＦの電極分離領域Ｓ１，Ｓ２の下方に存在する導波層２が除去されない点は、第１の実施の形態と同様である。
　図７（ｂ）の構成において、バイアス電極９ａ，９ｂとの間隔が十分に広ければ、電極分離領域Ｓ０の下方の導波層２を残し、電極分離領域Ｓ１，Ｓ２の下方にのみに導波層除去領域Ｄを設けることも可能である。可動イオンの移動はバイアス電極９ａ（第１のバイアス電極）とバイアス電極９ｃ（第２のバイアス電極）との間、あるいはバイアス電極９ｂ（第３のバイアス電極）とバイアス電極９ｄ（第４のバイアス電極）との間の電極間領域で発生し、バイアス電極９ａ，９ｂ間ではほとんど発生しないからである。また、バイアス電極９ａ，９ｃの間隔及びバイアス電極９ｂ，９ｄの間隔が十分に広ければ、電極分離領域Ｓ１及び電極分離領域Ｓ２の下方の導波層２を残し、電極分離領域Ｓ０の下方にのみ導波層除去領域Ｄを設けることも可能である。
　本実施形態による光変調器２００は、第１の実施の形態による光変調器１００と同様の効果を奏することができる。すなわち、本実施形態による光変調器２００は、ＲＦ部ＳＲＦとＤＣ部ＳＤＣとが別々に設けられた独立バイアス方式を採用し、ＤＣ部ＳＤＣは、バッファ層４を介して第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂとそれぞれ対向する２つのバイアス電極９ａ，９ｂと、２つのバイアス電極９ａ，９ｂにそれぞれ隣接して設けられたバイアス電極９ｃ，９ｄとを含み、バイアス電極９ａとバイアス電極９ｃとの間の電極分離領域Ｓ１（第１の電極分離領域）の下方及びバイアス電極９ｂとバイアス電極９ｄとの間の電極分離領域Ｓ２（第２の電極分離領域）の下方には、バッファ層４及び保護層３と共に導波層２の少なくとも一部が除去された導波層除去領域Ｄが設けられているので、可動イオンの移動を阻止してＤＣドリフトを抑制することができる。
　図８は、本発明の第３の実施の形態による光変調器３００の平面図であり、特に進行波電極を含めた光変調器３００の全体を図示している。
　図８に示すように、本実施形態による光変調器３００の特徴は、第１の光導波路１０ａに重ねて設けられた信号電極７ａと、信号電極７ａの両側にそれぞれ設けられた接地電極８ａ，８ｂとを有し、ＲＦ部ＳＲＦの接地電極８ｂは平面視で第２の光導波路１０ｂに重ねて設けられている点にある。すなわち、本実施形態による光変調器３００は、一対の光導波路１０ａ，１０ｂの上方に信号電極及び接地電極がそれぞれ設けられたいわゆるＧＳＧ電極構造を有しており、単一の信号電極を有するいわゆるシングル駆動型である。
　また本実施形態において、ＤＣ部ＳＤＣのバイアス電極９ａ，９ｂの両側にバイアス電極９ｃ，９ｄは設けられていない。ＤＣ電圧源の正極端子はバイアス電極９ａの一端９ａ１に接続され、ＤＣ電圧源１３の負極端子はバイアス電極９ｂの一端９ｂ１に接続される。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。
　図９は、図８に示した光変調器３００の略断面図であって、（ａ）は図８のＡ－Ａ'線に沿った断面図、（ｂ）は図８のＢ－Ｂ'線に沿った断面図である。
　図９（ｂ）に示すように、この光変調器３００の特徴は、ＤＣ部ＳＤＣのバイアス電極９ａとバイアス電極９ｂとの間の電極分離領域Ｓ５（電極間領域）の下方に存在する導波層２が除去されている点にある。上記のように、一対のバイアス電極９ａ，９ｂ間で発生する可動イオンの移動を阻止する必要があるからである。図９（ａ）に示すようにＲＦ部ＳＲＦの信号電極７ａと接地電極８ａ，８ｂとの間の電極分離領域Ｓ１，Ｓ５の下方に存在する導波層２が除去されない点は、第１の実施の形態と同様である。
　本実施形態による光変調器３００は、第１の実施の形態による光変調器１００と同様の効果を奏することができる。すなわち、本実施形態による光変調器３００は、ＲＦ部ＳＲＦとＤＣ部ＳＤＣとが別々に設けられた独立バイアス方式を採用し、ＤＣ部ＳＤＣは、バッファ層４を介して第１の光導波路１０ａと対向するバイアス電極９ａと、バッファ層４を介して第２の光導波路１０ｂと対向するバイアス電極９ｂとを含み、バイアス電極９ａとバイアス電極９ｂとの間の電極分離領域Ｓ５（第５の電極分離領域）の下方には、バッファ層４及び保護層３と共に導波層２の少なくとも一部が除去された導波層除去領域Ｄが設けられているので、可動イオンの移動を防止することができ、ＤＣドリフトを抑制することができる。
　図１０乃至図１２は、図９に示した光変調器の変形例であって、図８のＢ－Ｂ'線に沿った断面図である。
　図１０に示す光変調器３００－１の特徴は、図９（ｂ）のようにＤＣ部ＳＤＣのバイアス電極９ａとバイアス電極９ｂとの間の電極分離領域Ｓ５（電極間領域）の下方に存在する導波層２が除去されてないが、リッジ部２ｒ以外の部分の導波層２の厚さ（導波層２のスラブ厚）が、リッジ部２ｒから遠ざかるにつれて徐々に薄くなっている点にある。リッジ部２ｒから一定以上離れた位置では、その厚さは一定（又はゼロ）となり、それ以上は薄くならない。そして導波層２のこのような形状により、電極分離領域Ｓ５と第１の光導波路１０ａ（又は第２の光導波路１０ｂ）との間における導波層２の最小厚さをＴａ（＞０）、電極分離領域Ｓ５における導波層２の最小厚さをＴｂ（≧０）とするとき、Ｔａ＞Ｔｂという関係が成立している。
　本実施形態のような導波層２の断面形状は、リッジ部２ｒを形成するために導波層２を加工したときに形成されたものであってもよく、或いはリッジ部２ｒを形成した後の加工によって形成されたものであってもよい。光導波路１０ａ，１０ｂは導波層２を介して互いにつながっているが、電極分離領域Ｓ５において導波層２のスラブ厚が非常に薄いので、可動イオンの移動を防止してＤＣドリフトを抑制することができる。
　図１１に示す光変調器３００－２の特徴は、図１０のＤＣ部ＳＤＣの構成において、バッファ層４及び保護層３は、一対の光導波路１０ａ，１０ｂの近傍にのみ形成され、それ以外の領域のバッファ層４及び保護層３が除去されている点にある。すなわち、図１０の構成において、電極分離領域Ｓ５とは反対側の保護層３及びバッファ層４も選択的に除去されており、薄化された導波層２の上面は露出している。光導波路１０ａ，１０ｂは導波層２を介して互いにつながっているが、電極分離領域Ｓ５において導波層２のスラブ厚が非常に薄いので、可動イオンの移動を防止してＤＣドリフトを抑制することができる。
　図１２に示す光変調器３００－３の特徴は、図１１のＤＣ部ＳＤＣの構成において、露出した導波層２の上面にバイアス電極９ｃ，９ｄが直接形成されている点にある。すなわち、図５（ａ）に示した光変調器１００と類似の構造である。光導波路１０ａ，１０ｂは導波層２を介して互いにつながっているが、電極分離領域Ｓ５において導波層２のスラブ厚が非常に薄いので、可動イオンの移動を防止してＤＣドリフトを抑制することができる。
　図１３は、本発明の第４の実施の形態による光変調器４００の平面図であり、（ａ）は光導波路のみ図示し、（ｂ）は進行波電極を含めた光変調器４００の全体を図示している。
　図１３（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態による光変調器４００の特徴は、マッハツェンダー光導波路１０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１０は、互いに並行に配置された第１乃至第３の直線部１０ｅ１，１０ｅ２，１０ｅ３と、第１の直線部１０ｅ１と第２の直線部１０ｅ２とを繋ぐ第１の湾曲部１０ｆ１と、第２の直線部１０ｅ２と第３の直線部１０ｅ３とを繋ぐ第２の湾曲部１０ｆ２とを有している。
　本実施形態による光変調器４００は、図中のＡ－Ａ'線に沿ったマッハツェンダー光導波路１０の直線部１０ｅ１，１０ｅ２，１０ｅ３の断面構造が、例えば図２（ａ）に示した断面構造となり、またＢ－Ｂ'線に沿ったマッハツェンダー光導波路１０の直線部１０ｅ３の断面構造が、例えば図２（ｂ）に示した断面構造となるように構成されている。すなわち、ＲＦ部ＳＲＦは、第１～第３の直線部１０ｅ１，１０ｅ２，１０ｅ３の一部と平面視で重なる位置に設けられており、ＤＣ部ＳＤＣは、第１～第３の直線部１０ｅ１，１０ｅ２，１０ｅ３の他の一部と平面視で重なる位置に設けられている。なお図２（ａ）及び（ｂ）の断面構造の代わりに、例えば図７（ａ）及び（ｂ）の断面構造や図９（ａ）及び（ｂ）の断面構造を採用してもよい。
　本実施形態において、入力光Ｓｉは、第１の直線部１０ｅ１の一端に入力され、第１の直線部１０ｅ１の一端から他端に向かって進行し、第１の湾曲部１０ｆ１で折り返して第２の直線部１０ｅ２の一端から他端に向かって第１の直線部１０ｅ１とは逆方向に進行し、さらに第２の湾曲部１０ｆ２で折り返して第３の直線部１０ｅ３の一端から他端に向かって第１の直線部１０ｅ１と同じ方向に進行する。
　光変調器では素子長が長いことが実用上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して構成することで素子長を大幅に短くでき、顕著な効果が得られる。特に、ニオブ酸リチウム膜により形成された光導波路は、曲率半径を例えば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、本実施形態に適している。
　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、基板１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１０ａ，１０ｂ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できるため、電界集中の問題が顕著であり、本発明の効果が大きい。また、導波層２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。
　また上記実施形態は適宜組み合わせることが可能である。したがって、例えば、図５に示したいわゆるＧＳＧＳＧ電極構造や図７に示したＧＳＳＧ電極構造を有する光変調器において、リッジ部２ｒから離れるにつれて徐々に薄くなる導波層２（図１０等参照）を採用することが可能である。
　比較例及び実施例による光変調器のＤＣドリフトの加速試験を行った。加速試験では、１４０℃の高温下でＤＣバイアスＶbiasを２４時間印加し続けたときのドリフト量Ｖdrift／Ｖbiasの変化を求めた。
　比較例１Ａ、１Ｂの光変調器は、図３（ａ）の断面構造を有するものであり、導波層及びバッファ層が全面に形成された従来構造のものである。このうち、比較例１Ａのバッファ層はＬａ、Ａｌを主成分とする酸化物Ｌａ－Ａｌ－Ｏ（組成Ａ）、比較例１Ｂのバッファ層はＳｉ、Ｉｎを主成分とする酸化物Ｓｉ－Ｉｎ－Ｏ（組成Ｂ）である。
　比較例２Ａ，２Ｂの光変調器は、図３（ｂ）の断面構造を有するものであり、電極間のバッファ層を除去しているが、導波層は全面に形成された従来構造のものである。このうち、比較例２Ａのバッファ層はＬａ、Ａｌを主成分とする酸化物（組成Ａ）、比較例２Ｂのバッファ層はＳｉ、Ｉｎを主成分とする酸化物（組成Ｂ）である。
　実施例１Ａ、１Ｂの光変調器は、図２（ｂ）及び図３（ｃ）に示した断面構造を有する光変調器であり、バイアス電極間のバッファ層及び導波層を除去したものである。ここで、実施例１Ａのバッファ層はＬａ、Ａｌを主成分とする酸化物（組成Ａ）、実施例１Ｂのバッファ層はＳｉ、Ｉｎを主成分とする酸化物（組成Ｂ）である。
　図１４は、比較例１Ｂ、２Ａ、２Ｂ及び実施例１Ａ、１Ｂによる光変調器のＤＣドリフトの加速試験の結果を示すグラフであり、横軸は経過時間（Ｈ）、縦軸はドリフト量Ｖdrift／Ｖbiasをそれぞれ示している。なお比較例１Ａの結果は比較例１Ｂとほぼ同じであるためグラフは省略する。
　図１４に示すように、比較例１Ａ、１Ｂでは、評価試験を開始してすぐにドリフト量が１００％となり、ドリフト量がすぐに飽和していることが分かる。比較例１Ａ、１Ｂにおいて、ドリフト量が５０％に到達するまでの時間は１分未満であり、２４時間後のドリフト量は１００％であった。
　比較例２Ａでは、ドリフト量が５０％に到達するまでの時間は約５分であり、２４時間後のドリフト量は約７０％であった。また、比較例２Ｂでは、ドリフト量が５０％に到達するまでの時間は約２２時間であり、２４時間後のドリフト量は約５５％であった。このように、バッファ層を組成Ａから組成Ｂに変えることでＤＣドリフトの低減効果が得られたが、２４時間後のドリフト量を５０％以下にすることはできなかった。
　一方、実施例１Ａ，１Ｂでは、ドリフト量がすぐに飽和せず緩やかに変化した。実施例１Ａでは、ドリフト量が５０％に到達するまでの時間は２４時間以降であり、２４時間後のドリフト量は約４５％であった。実施例１Ｂでもドリフト量が５０％に到達するまでの時間は２４時間以降であり、２４時間後のドリフト量は約３０％であった。このように、電極分離領域の下方の導波層を除去した実施例１Ａ、１Ｂでは、バッファ層の組成にかかわらず、２４時間後のドリフト量が目標の５０％以下を達成しており、ＤＣドリフトの低減効果が大きいことが分かった。
１　　基板
２　　導波層
２ｒ　　リッジ部
３　　保護層
４　　バッファ層
６　　電極層
７ａ　　第１の信号電極
７ａ１　　第１の信号電極の一端
７ａ２　　第１の信号電極の他端
７ｂ　　第２の信号電極
７ｂ１　　第２の信号電極の一端
７ｂ２　　第２の信号電極の他端
８ａ，８ｂ，８ｃ　　接地電極
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ　　バイアス電極
９ａ１　　バイアス電極の一端
９ｂ１　　バイアス電極の一端
１０　　マッハツェンダー光導波路
１０ａ　　第１の光導波路
１０ｂ　　第２の光導波路
１０ｃ　　分波部
１０ｄ　　合波部
１０ｅ１，１０ｅ２，１０ｅ３　　直線部
１０ｆ１，１０ｆ２　　湾曲部
１０ｉ　　入力光導波路
１０ｏ　　出力光導波路
１２　　終端抵抗
１３，１３ａ，１３ｂ　　ＤＣ電圧源
１００，２００，３００，３００－１，３００－２，３００－３，４００　　光変調器
Ｄ　　導波層除去領域
Ｓ０～Ｓ５　　電極分離領域
ＳＤＣ　　ＤＣ部
ＳＲＦ　　ＲＦ部

Claims (19)

  1. 　基板と、
    　前記基板上にリッジ状に形成された電気光学材料膜からなり、互いに隣り合う第１及び第２の光導波路を含む導波層と、
    　前記第１及び第２の光導波路に変調信号を印加するＲＦ部と、
    　前記第１及び第２の光導波路にＤＣバイアスを印加するＤＣ部とを備え、
    　前記ＤＣ部は、
    　少なくとも前記第１及び第２の光導波路の上面を覆うバッファ層と、
    　前記バッファ層を介して前記第１の光導波路と対向する第１のバイアス電極と、
    　前記第１のバイアス電極に隣接して設けられた第２のバイアス電極とを含み、
    　前記第１のバイアス電極と前記第２のバイアス電極との間には第１のＤＣバイアス電圧が印加され、
    　少なくとも前記第１のバイアス電極と前記第２のバイアス電極との間の第１の電極分離領域の下方には、前記導波層の少なくとも一部が除去された導波層除去領域が設けられていることを特徴とする光変調器。
  2. 　前記ＤＣ部は、
    　前記バッファ層を介して前記第２の光導波路と対向する第３のバイアス電極と、
    　前記第３のバイアス電極に隣接して設けられた第４のバイアス電極とをさらに含み、
    　前記第３のバイアス電極と前記第４のバイアス電極との間には第２のＤＣバイアス電圧が印加され、
    　前記第３のバイアス電極と前記第４のバイアス電極との間の第２の電極分離領域の下方には、前記導波層除去領域が設けられている、請求項１に記載の光変調器。
  3. 　前記第２のバイアス電極は、前記第１のバイアス電極から見て前記第３のバイアス電極と反対側に位置し、
    　前記第４のバイアス電極は、前記第３のバイアス電極から見て前記第１のバイアス電極と反対側に位置する、請求項２に記載の光変調器。
  4. 　前記ＤＣ部は、
    　前記第１のバイアス電極と前記第３のバイアス電極との間に設けられた第５のバイアス電極をさらに含み、
    　前記第１のバイアス電極と前記第５のバイアス電極との間の第３の電極分離領域の下方及び前記第３のバイアス電極と前記第５のバイアス電極との間の第４の電極分離領域の下方には、前記導波層除去領域が設けられている、請求項３に記載の光変調器。
  5. 　前記第２のバイアス電極は、前記バッファ層を介して前記第２の光導波路と対向している、請求項１に記載の光変調器。
  6. 　前記導波層除去領域は、前記バッファ層と共に前記導波層が除去されて前記基板が露出した領域である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光変調器。
  7. 　前記導波層除去領域は、前記基板の一部がさらに除去された領域である、請求項６に記載の光変調器。
  8. 　前記導波層除去領域は、前記バッファ層と共に前記導波層の一部が除去され、前記基板が前記導波層の残部に覆われた領域である、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光変調器。
  9. 　前記ＤＣ部は、前記第１及び第２の光導波路の両側の側面を覆うように前記導波層と前記バッファ層との間に形成された保護層をさらに含み、
    　前記導波層除去領域は、前記バッファ層及び前記保護層と共に前記導波層が除去された領域である、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の光変調器。
  10. 　前記ＲＦ部は、
    　前記バッファ層を介して前記第１及び第２の光導波路とそれぞれ対向する第１及び第２の信号電極と、
    　前記第１の信号電極に隣接して設けられた第１の接地電極と、
    　前記第２の信号電極に隣接して設けられた第２の接地電極とを含み、
    　前記第１の信号電極と前記第１の接地電極との間の第５の電極分離領域の下方及び第２の信号電極と前記第２の接地電極との間の第６の電極分離領域の下方の前記導波層は除去されずに残留している、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光変調器。
  11. 　前記第１及び第２の光導波路の各々は、少なくとも一つの直線部と少なくとも一つの湾曲部とを有し、前記ＲＦ部は、前記直線部の一部と平面視で重なる位置に設けられており、前記ＤＣ部は、前記直線部の他の一部と平面視で重なる位置に設けられている、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光変調器。
  12. 　前記基板は単結晶基板であり、前記電気光学材料膜はニオブ酸リチウム膜であり、前記ニオブ酸リチウム膜は膜厚が２μｍ以下のエピタキシャル膜であり、前記ニオブ酸リチウム膜のｃ軸は前記基板の主面に対して垂直方向に配向している、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光変調器。
  13. 　基板と、
    　前記基板上にリッジ状に形成された電気光学材料膜からなり、互いに隣り合う第１及び第２の光導波路を含む導波層と、
    　前記第１及び第２の光導波路に変調信号を印加するＲＦ部と、
    　前記第１及び第２の光導波路にＤＣバイアスを印加するＤＣ部とを備え、
    　前記ＤＣ部は、
    　少なくとも前記第１及び第２の光導波路の上面を覆うバッファ層と、
    　前記バッファ層を介して前記第１の光導波路と対向する第１のバイアス電極と、
    　前記第１のバイアス電極に隣接して設けられた第２のバイアス電極とを含み、
    　前記第１のバイアス電極と前記第２のバイアス電極との間には第１のＤＣバイアス電圧が印加され、
    　前記第１のバイアス電極と前記第２のバイアス電極との間の第１の電極分離領域における前記導波層の最小厚さは、前記第１の電極分離領域と前記第１の光導波路との間における前記導波層の最小厚さよりも小さいことを特徴とする光変調器。
  14. 　前記ＤＣ部は、
    　前記バッファ層を介して前記第２の光導波路と対向する第３のバイアス電極と、
    　前記第３のバイアス電極に隣接して設けられた第４のバイアス電極とをさらに含み、
    　前記第３のバイアス電極と前記第４のバイアス電極との間には第２のＤＣバイアス電圧が印加され、
    　前記第３のバイアス電極と前記第４のバイアス電極との間の第２の電極分離領域における前記導波層の最小厚さは、前記第２の電極分離領域と前記第２の光導波路との間における前記導波層の最小厚さよりも小さい、請求項１３に記載の光変調器。
  15. 　前記第２のバイアス電極は、前記第１のバイアス電極から見て前記第３のバイアス電極と反対側に位置し、
    　前記第４のバイアス電極は、前記第３のバイアス電極から見て前記第１のバイアス電極と反対側に位置する、請求項１４に記載の光変調器。
  16. 　前記ＤＣ部は、
    　前記第１のバイアス電極と前記第３のバイアス電極との間に設けられた第５のバイアス電極をさらに含み、
    　前記第１のバイアス電極と前記第５のバイアス電極との間の第３の電極分離領域における前記導波層の最小厚さは、前記第３の電極分離領域と前記第１の光導波路との間における前記導波層の最小厚さよりも小さく、
    　前記第３のバイアス電極と前記第５のバイアス電極との間の第４の電極分離領域における前記導波層の最小厚さは、前記第４の電極分離領域と前記第２の光導波路との間における前記導波層の最小厚さよりも小さい、請求項１５に記載の光変調器。
  17. 　前記第２のバイアス電極は、前記バッファ層を介して前記第２の光導波路と対向しており、
    　前記第１の電極分離領域における前記導波層の最小厚さは、前記第１の電極分離領域と前記第２の光導波路との間における前記導波層の最小厚さよりも小さい、請求項１３に記載の光変調器。
  18. 　前記ＤＣ部は、前記第１及び第２の光導波路の両側の側面を覆うように前記導波層と前記バッファ層との間に形成された保護層をさらに含み、
    　前記電極分離領域において、前記導波層は前記バッファ層及び前記保護層に覆われることなく露出している、請求項１３乃至１７のいずれか一項に記載の光変調器。
  19. 　前記導波層は、前記第１又は第２の光導波路から遠ざかるにつれて徐々に薄くなる断面形状を有する、請求項１３乃至１８のいずれか一項に記載の光変調器。
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