(57)【要約】【課題】駆動電圧が低く、良好な変調特性を有する電気光学デバイスを提供する。【解決手段】電気光学デバイス１は、基板１０と、基板１０上にリッジ状に形成されたニオブ酸リチウム膜よりなる光導波路２と、光導波路２に電界を印加する電極３とを備えている。光導波路２は、電界が印加される電界印加領域Ｒ１に設けられ、１μｍ以上の厚さを有する変調導波路１３ａ，１３ｂと、電界印加領域Ｒ１以外の領域Ｒ２に設けられ、１６μｍ以上８０μｍ以下の曲率半径を有する曲がり導波路２Ｒを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上にリッジ状に形成されたニオブ酸リチウム膜よりなる光導波路と、
前記光導波路に電界を印加する電極とを備え、
前記光導波路は、
前記電界が印加される電界印加領域に設けられ、１μｍ以上の厚さを有する変調導波路と、
前記電界印加領域以外の領域に設けられ、１６μｍ以上８０μｍ以下の曲率半径を有する曲がり導波路を含むことを特徴とする電気光学デバイス。
【請求項２】
前記基板上にリッジ状に形成された前記ニオブ酸リチウム膜よりなり、前記曲がり導波路の近傍に配置されたダミーパターンをさらに備える、請求項１に記載の電気光学デバイス。
【請求項３】
前記曲がり導波路は、スラブ部を介して前記ダミーパターンとつながっている、請求項２に記載の電気光学デバイス。
【請求項４】
前記光導波路はマッハツェンダー光導波路を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電気光学デバイス。
【請求項５】
基板と、
前記基板上にリッジ状に形成されたニオブ酸リチウム膜よりなる光導波路と、
前記光導波路に電界を印加する電極とを備え、
前記光導波路は、
前記電界が印加される電界印加領域に設けられ、１μｍ以上の厚さを有する変調導波路と、
前記電界印加領域以外の領域に設けられた曲がり導波路を含み、
前記曲がり導波路の近傍には、前記基板上にリッジ状に形成された前記ニオブ酸リチウム膜よりなるダミーパターンが配置されていることを特徴とする電気光学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信及び光計測分野において用いられる電気光学デバイスに関し、特に光導波路の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
光変調器は代表的な電気光学デバイスの一つであり、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。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。
【０００５】
これに対して、特許文献１〜４には、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。
【０００６】
一般に、電気光学デバイスに用いられる光導波路はシングルモードで動作することが必須とされている。マルチモードの場合には、電界を印加したときの実効屈折率の変化が各モードで異なり、変調特性が大幅に悪化するからである。
【０００７】
マルチモードを抑制する方法に関し、例えば特許文献５には、マルチモードが励振されるスポット径のコアにより構成されており、高次モードの伝搬が抑制される曲率半径を有する曲がり導波路を備えた導波路素子及び導波路デバイスが記載されている。また特許文献６には、曲げ導波路における高次モードの励振そのものを防止するため、第１の幅を有する第１光導波路と、第１光導波路に接続され、曲げ部を有すると共に第１の幅よりも狭い第２の幅を有する第２光導波路と、第２の光導波路に接続され、第２の幅よりも広い第３の幅を有する第３光導波路とを備えた光半導体装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１９５３８３号公報
【特許文献２】特開２０１４−６３４８号公報
【特許文献３】特開２０１５−１１８３７１号公報
【特許文献４】特開２０１７−１２９８３４号公報
【特許文献５】特開２００３−２４０９９２号公報
【特許文献６】特開２０１０−１５１９７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ニオブ酸リチウム膜を用いた光導波路ではその膜厚をできるだけ薄くすることでシングルモードを実現できるが、光の閉じ込めが弱くなるだけでなく、駆動電圧が高くなるという問題がある。ニオブ酸リチウム膜を厚くすることで光の閉じ込めを強くして駆動電圧を低減することができるが、マルチモード光導波路となり、変調特性が悪化する。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、駆動電圧が低く、変調特性も良好な電気光学デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明による電気光学デバイスは、基板と、前記基板上にリッジ状に形成されたニオブ酸リチウム膜よりなる光導波路と、前記光導波路に電界を印加する電極とを備え、前記光導波路は、前記電界が印加される電界印加領域に設けられ、１μｍ以上の厚さを有する変調導波路と、前記電界印加領域以外の領域に設けられ、１６μｍ以上８０μｍ以下の曲率半径を有する曲がり導波路を含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、電界印加領域において駆動電圧が低い光導波路を実現することができる。また、電界印加領域以外の領域に設けられた光導波路の一部が曲がり導波路を有するので、高次モードを予め除去することができ、電界印加領域におけるマルチモード光導波路を実質的にシングルモードで動作させて変調特性を良好にすることができる。
【００１３】
本発明による電気光学デバイスは、前記基板上にリッジ状に形成された前記ニオブ酸リチウム膜よりなり、前記曲がり導波路の近傍に配置されたダミーパターンをさらに備えることが好ましい。この場合において、前記曲がり導波路は、スラブ部を介して前記ダミーパターンとつながっていることが好ましい。この構成によれば、曲がり導波路において高次モードのリークを強化することができる。
【００１４】
前記光導波路はマッハツェンダー光導波路を含むことが好ましい。この構成によれば、駆動電圧が低く、変調特性も良好なマッハツェンダー型光変調器を実現することができる。
【００１５】
また本発明による電気光学デバイスは、基板と、前記基板上にリッジ状に形成されたニオブ酸リチウム膜よりなる光導波路と、前記光導波路に電界を印加する電極とを備え、前記光導波路は、前記電界が印加される電界印加領域に設けられ、１μｍ以上の厚さを有する変調導波路と、前記電界印加領域以外の領域に設けられた曲がり導波路を含み、前記曲がり導波路の近傍には、前記基板上にリッジ状に形成された前記ニオブ酸リチウム膜よりなるダミーパターンが配置されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、電界印加領域において駆動電圧が低い光導波路を実現することができる。また、電界印加領域以外の領域に設けられた光導波路の一部が曲がり導波路を有し、さらに曲がり導波路の近傍にダミーパターンが設けられているので、高次モードを予め除去することができ、電界印加領域におけるマルチモード光導波路を実質的にシングルモードで動作させて変調特性を良好にすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、駆動電圧が低く、良好な変調特性を有する電気光学デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態による電気光学デバイスの構成を示す略平面図である。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ'線に沿った電界印加領域Ｒ１における電気光学デバイスの構造を示す略断面図である。
【図３】図３は、ニオブ酸リチウム膜の膜厚と半波長電圧Ｖπとの関係を示すグラフである。
【図４】図４（ａ）及び（ｂ）は、不要モード除去部５の構成を示す平面図である。
【図５】図５（ａ）乃至（ｃ）は、不要モード除去部のレイアウトの変形例を示す略平面図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は、不要モード除去部５を構成する曲がり導波路２Ｒが導波モードに与える影響をシミュレーションにより評価した結果を示す図である。
【図７】図７（ａ）及び（ｂ）は、曲がり導波路における基本モードＴＭ０及び１次モードＴＭ１の伝搬損失をそれぞれ示すグラフであって、横軸は曲率半径Ｒ（μｍ）、縦軸は伝搬損失（ｄＢ／ｍｍ）をそれぞれ示している。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施の形態による電気光学デバイスの構成を示す略平面図である。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態による電気光学デバイス１は光変調器であって、基板１０と、基板１０上に形成された光導波路２と、光導波路２の一部と平面視で重なるように設けられたＲＦ信号電極３とを備えている。
【００２２】
光導波路２はマッハツェンダー光導波路であって、光入力ポート２ｉから光出力ポート２ｏに向かって順に、入力導波路１１、分波部１２、第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂ、合波部１４、出力導波路１５が設けられている。光入力ポート２ｉから延びる入力導波路１１は、分波部１２を介して第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂにそれぞれ接続されており、第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂは合波部１４を介して出力導波路１５に接続されている。光入力ポート２ｉに入力された入力光Ｓｉは、分波部１２で分波されて第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂを進行した後、合波部１４で合波され、光出力ポート２ｏから変調光Ｓｏとして出力される。
【００２３】
ＲＦ信号電極３は、第１の変調導波路１３ａに沿って設けられた第１の信号電極３ａと、第２の変調導波路１３ｂに沿って設けられた第２の信号電極３ｂとを有している。第１及び第２の信号電極３ａ，３ｂの一端はＲＦ信号入力ポート３ｉであり、差動信号（変調信号）が入力される。第１及び第２の信号電極３ａ，３ｂの他端は終端抵抗３ｒを介して互いに接続されている。第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂには、第１及び第２の信号電極３ａ，３ｂから発生する電界が印加される。
【００２４】
直流バイアス電圧（ＤＣバイアス）を印加するため、第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂと平面視で重なる位置には一対のバイアス電極が設けられてもよい。一対のバイアス電極の一端はＤＣバイアスの入力ポートである。一対のバイアス電極の形成領域は、第１及び第２の信号電極３ａ，３ｂの形成領域よりも光導波路２の光入力ポート１０Ｐｉ側に設けられてもよく、あるいは光出力ポート１０Ｐｏ側に設けられてもよい。また、バイアス電極を省略し、ＤＣバイアスを予め重畳させた変調信号を第１及び第２の信号電極３ａ，３ｂに入力することも可能である。
【００２５】
本実施形態による光導波路２は、基本モードのみならず高次モードの光も伝搬可能なマルチモード光導波路である。本実施形態によるマルチモード光導波路は、厚さが１．０μｍ以上のリッジ型光導波路である。特に、第１及び第２の信号電極３ａ，３ｂと平面視で重なる電界印加領域Ｒ１内の第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂがマルチモード光導波路として構成されており、１．０μｍ以上の厚さを有することから、光の閉じ込めを強くして駆動電圧を低減することができる。ＲＦ信号電極３と共にバイアス電極が設けられる場合、電界印加領域Ｒ１はＲＦ信号電極３の形成領域のみならずバイアス電極の形成領域をさらに含む。
【００２６】
電界印加領域Ｒ１以外の領域Ｒ２に設けられた光導波路２である入力導波路１１及び出力導波路１５には、高次モードを除去する不要モード除去部５が設けられている。詳細は後述するが、不要モード除去部５は、曲率半径が小さい曲がり導波路２Ｒである。光導波路２の厚さを厚くした場合には駆動電圧を低減することができるが、導波モードがマルチモードになるため、変調特性の悪化の問題がある。しかし、電界印加領域Ｒ１以外の領域Ｒ２に不要モード除去部５を設けた場合には、高駆動電圧化の問題はなく、さらに高次モードの光を減衰させて基本モードの光だけを伝搬させることができる。したがって、電界印加領域Ｒ１内のマルチモード光導波路を実質的にシングルモードで動作させることができる。
【００２７】
図２は、図１のＡ−Ａ'線に沿った電界印加領域Ｒ１における電気光学デバイスの構造を示す略断面図である。
【００２８】
図２に示すように、本実施形態による電気光学デバイス１は、基板１０、導波層２０、保護層２１、バッファ層２２、電極層３０がこの順で積層された多層構造を有している。
【００２９】
基板１０は例えばサファイア基板であり、基板１０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２０が形成されている。導波層２０はリッジ部２０ｒからなる第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂを有している。
【００３０】
保護層２１は第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂと平面視で重ならない領域に形成されている。保護層２１は、導波層２０の上面のうちリッジ部２０ｒが形成されていない領域の全面を覆っており、リッジ部２０ｒの側面も保護層２１に覆われているので、リッジ部２０ｒ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２１の厚さは導波層２０のリッジ部２０ｒの高さとほぼ同じである。保護層２１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。
【００３１】
上記のように、第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂのリッジ厚さＴＬＮ１は１μｍ以上であることが好ましい。これにより、基本モードに加え、膜厚方向に光強度分布が２山になる１次モードが少なくとも伝搬するマルチモード光導波路となる。第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂのリッジ幅Ｗ１は、０．８〜１．４μｍであることが好ましい。
【００３２】
バッファ層２２は、第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂ中を伝搬する光が第１及び第２の信号電極３ａ，３ｂに吸収されることを防ぐため、リッジ部２０ｒの上面を覆うように形成されている。バッファ層２２は、導波層２０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る。リッジ部２０ｒの上面上のバッファ層２２の厚さは０．２〜１μｍ程度であればよい。本実施形態において、バッファ層２２は、第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂの上面のみならず保護層２１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の変調導波路１３ａ，１３ｂ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。また保護層２１を省略し、導波層２０の上面全体にバッファ層２２を直接形成してもよい。
【００３３】
バッファ層２２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、第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂ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２２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２２の屈折率は低い程、バッファ層２２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。
【００３４】
電極層３０には、第１の信号電極３ａ及び第２の信号電極３ｂが設けられている。第１の信号電極３ａは、第１の変調導波路１３ａ内を進行する光を変調するために第１の変調導波路１３ａに対応するリッジ部２０ｒに重ねて設けられ、バッファ層２２を介して第１の変調導波路１３ａと対向している。第２の信号電極３ｂは、第２の変調導波路１３ｂ内を進行する光を変調するために第２の変調導波路１３ｂに対応するリッジ部２０ｒに重ねて設けられ、バッファ層２２を介して第２の変調導波路１３ｂと対向している。
【００３５】
電極層３０には接地電極が設けられていてもよい。例えば、第１の信号電極３ａから見て第２の信号電極３ｂと反対側であって第１の信号電極３ａの近傍に第１の接地電極が設けられ、第２の信号電極３ｂから見て第１の信号電極３ａと反対側であって第２の信号電極３ｂの近傍に第２の接地電極が設けられる。さらに第１の信号電極３ａと第２の信号電極３ｂとの間に第３の接地電極を設けることも可能である。
【００３６】
導波層２０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、光変調器等の電気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２０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。
【００３７】
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。
【００３８】
ここで、エピタキシャル膜とは、下地の基板もしくは下地膜の結晶方位に対して、そろって配向している膜のことである。膜面内をＸ−Ｙ面とし、膜厚方向をＺ軸としたとき、結晶がＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向にともにそろって配向しているものである。例えば、第１に２θ−θＸ線回折による配向位置でのピーク強度の確認と、第２に極点の確認を行うことで、エピタキシャル膜を証明できる。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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２２に光が漏れることになる。またニオブ酸リチウム膜に電界を印加しても、光導波路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、電界印加領域Ｒ１におけるニオブ酸リチウム膜の膜厚は１μｍ以上であることが好ましく、１．３μｍ以上であることが特に好ましい。
【００４３】
図３は、ニオブ酸リチウム膜の膜厚と半波長電圧Ｖπとの関係を示すグラフであって、横軸はニオブ酸リチウム膜の膜厚（μｍ）、縦軸はニオブ酸リチウム膜の膜厚が１．３μｍのときの値を基準とする半波長電圧Ｖπの相対値をそれぞれ示している。
【００４４】
図３に示すように、光の波長λが光通信システムで使用される１５５０ｎｍである場合において、ニオブ酸リチウム膜の膜厚を１μｍ未満にすると半波長電圧Ｖπが急激に高くなり、半波長電圧Ｖπを実用的な電圧値である３Ｖ以下にすることが難しくなる。これは、膜厚が薄いと、ニオブ酸リチウム膜への光の閉じ込めが弱くなり、電気光学効果が実効的に小さくなるためである。一方、ニオブ酸リチウム膜の膜厚を１．０μｍ以上とした場合には、半波長電圧Ｖπを低く抑えることができ、これにより駆動電圧を低減することができる。ニオブ酸リチウム膜の膜厚が１．３μｍ以上であれば、光の閉じ込めが十分に強くなるので、それ以上膜厚を厚くしてもＶπはほとんど変化しない。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
図４（ａ）及び（ｂ）は、不要モード除去部５の構成を示す平面図である。
【００４８】
図４（ａ）に示すように、不要モード除去部５は、曲がり導波路２Ｒによって構成されている。本実施形態による曲がり導波路２Ｒは、直線導波路２Ｓ１の進路を変える第１コーナー部２Ｒ１と、Ｕターン形状を有する第２コーナー部２Ｒ２と、元の直線導波路２Ｓ１の延長線上に戻るように進路を変える第３コーナー部２Ｒ３とを有しており、第３コーナー部２Ｒ３は直線導波路２Ｓ２の延長線上に配置された直線導波路２Ｓ２に接続されている。すなわち、曲がり導波路２Ｒは、直線導波路２Ｓ１の進路から一旦逸脱した後、元の進路に戻るように構成されている。ただし曲がり導波路２Ｒの形状やコーナー部の数は特に限定されず、種々の形状を採用することができる。
【００４９】
曲がり導波路２Ｒを構成する第１〜第３コーナー部２Ｒ１〜２Ｒ３の曲率半径は１６μｍ以上８０μｍ以下であることが好ましい。曲率半径が１６μｍよりも小さい場合には基本モードＴＭ０の伝搬損失が急激に大きくなるからであり、曲率半径が８０μｍよりも大きい場合には曲がり導波路２Ｒを設けたことによる高次モードの除去効果が実質的に得られないからである。
【００５０】
図４（ｂ）に示すように、不要モード除去部５は、曲がり導波路２Ｒの近傍にダミーパターン（ダミー導波路）が設けられたものであってもよい。図示の不要モード除去部５は、曲がり導波路２Ｒの外側に沿って設けられた外側ダミーパターン４Ｒ１と、曲がり導波路２Ｒの内側に沿って設けられた内側ダミーパターン４Ｒ２とで構成されているが、外側ダミーパターン４Ｒ１だけであってもよく、内側ダミーパターン４Ｒ２だけであってもよい。
【００５１】
ダミーパターン４Ｒ１，４Ｒ２は、曲がり導波路２Ｒからの高次モードのリークを促進させるために設けられるものであり、曲がり導波路２Ｒと同様にニオブ酸リチウム膜よりなる。ダミーパターンは曲がり導波路２Ｒのできるだけ近傍に設けられることが好ましい。具体的には、曲がり導波路２Ｒとダミーパターン４Ｒ１，４Ｒ２との間隔は０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１０μｍ以下であることがさらに好ましい。これによれば、曲がり導波路２Ｒを伝搬する高次モードの光がダミーパターンに吸収されるので、曲がり導波路２Ｒから高次モードをリークさせる効果をさらに高めることができる。
【００５２】
ダミーパターン４Ｒ１，４Ｒ２は、曲がり導波路２Ｒと同様に基板１０上にリッジ状に形成されたニオブ酸リチウム膜よりなることが好ましく、特に図２において第１の変調導波路１３ａがスラブ部２０ｓを介して第２の変調導波路１３ｂとつながっているように、ダミーパターン４Ｒ１，４Ｒ２もスラブ部を介して曲がり導波路２Ｒとつながっていることが好ましい。曲がり導波路２Ｒがスラブ部を介してダミーパターン４Ｒ１，４Ｒ２とつながっている場合、曲がり導波路２Ｒを伝搬する高次モードの光はスラブ部を介してダミーパターン４Ｒ１，４Ｒ２に吸収されるので、曲がり導波路２Ｒからの高次モードをリークさせる効果をさらに高めることができる。
【００５３】
図５（ａ）乃至（ｃ）は、不要モード除去部のレイアウトの変形例を示す略平面図である。
【００５４】
図５（ａ）に示すように、不要モード除去部５は入力導波路１１上にのみ設けられてもよい。また図５（ｂ）に示すように、不要モード除去部５は出力導波路１５上にのみ設けてられてもよい。さらに図５（ｃ）に示すように、不要モード除去部５は電界印加領域Ｒ１以外の領域Ｒ２における第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂ上に設けてられてもよい。
【００５５】
このように、電界印加領域Ｒ１以外の領域Ｒ２における光導波路２に不要モード除去部５を設けた場合には、たとえ電界印加領域Ｒ１の光導波路２がマルチモード光導波路であったとしても、高次モード、特に１次モードＴＭ１の光を予め除去してマルチモード光導波路を実質的に基本モードＴＭ０で動作させることができ、変調特性の悪化を防止することができる。
【００５６】
以上説明したように、本実施形態による電気光学デバイス１は、電界印加領域Ｒ１における光導波路２が１μｍ以上の厚さを有するマルチモード光導波路として構成されているので、低駆動電圧を実現することができる。また、電界印加領域Ｒ１以外の領域Ｒ２には不要モード除去部５が設けられているので、高次モードの光を予め除去してマルチモード光導波路を実質的にシングルモードで動作させることができ、変調特性を良好にすることができる。
【００５７】
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。
【００５８】
例えば、本発明による電気光学デバイスは光変調器に限定されず、他の様々な電気光学デバイスに適用可能である。
【実施例】
【００５９】
不要モード除去部５を構成する曲がり導波路２Ｒが導波モードに与える影響をシミュレーションにより評価した。曲がり導波路（第１〜第３コーナー部）の曲率半径Ｒ＝５０μｍ、導波路の厚さＴＮＬ＝１．５μｍ、リッジ幅Ｗ１＝０．８μｍ、最大スラブ厚Ｌｓｌａｂ１＝０．４５μｍ、最小スラブ厚Ｌｓｌａｂ２＝０．２５μｍ、スラブ厚の変化幅Ｌｓｌｏｐｅ＝１．０μｍ、光の波長λ＝１．５５μｍとした。その結果を図６（ａ）〜（ｃ）に示す。
【００６０】
図６（ａ）に示すように、曲がり導波路における基本モードＴＭ０の伝搬損失は０ｄＢ／ｍｍであり、基本モードＴＭ０はリークせずに伝搬することが分かった。また図６（ｂ）に示すように、１次モードＴＭ１の伝搬損失は５７ｄＢ／ｍｍであり、１次モードＴＭ１はスラブ部を通してリークすることが分かった。さらに図６（ｃ）に示すように、２次モードＴＭ２の伝搬損失は２４１ｄＢ／ｍｍであり、２次モードは１次モードよりもリークしやすいことが分かった。
【００６１】
次に、曲がり導波路２Ｒの曲率半径が基本モードＴＭ０及び１次モードＴＭ１の伝搬特性に与える影響について考察した。曲率半径をパラメータとした点を除き、曲がり導波路の基本的な構成は上述した導波モードのシミュレーションのときと同様である。
【００６２】
図７（ａ）及び（ｂ）は、曲がり導波路における基本モードＴＭ０及び１次モードＴＭ１の伝搬損失をそれぞれ示すグラフであって、横軸は曲率半径Ｒ（μｍ）、縦軸は伝搬損失（ｄＢ／ｍｍ）をそれぞれ示している。
【００６３】
図７（ａ）に示すように、基本モードＴＭ０の伝搬損失は、曲率半径Ｒが１６μｍ未満のときに１０ｄＢ／ｍｍ以上となり、伝搬損失が急激に悪化した。すなわち、曲がり導波路の曲率半径Ｒを１６μｍ以上にする必要があることが分かった。
【００６４】
また図７（ｂ）に示すように、１次モードＴＭ１の伝搬損失は、曲率半径Ｒが８０μｍよりも大きいときに１０ｄＢ／ｍｍ未満となり、不要モード除去効果が得られなかった。すなわち、曲がり導波路の曲率半径Ｒが８０μｍ以下のときに不要モード除去効果が得られることが分かった。
【符号の説明】
【００６５】
１    電気光学デバイス
２    光導波路
２Ｒ    曲がり導波路
２Ｒ１    第１コーナー部
２Ｒ２    第２コーナー部
２Ｒ３    第３コーナー部
２Ｓ１    直線導波路
２Ｓ２    直線導波路
２ｉ    光入力ポート
２ｏ    光出力ポート
３    ＲＦ信号電極
３ａ    第１の信号電極
３ｂ    第２の信号電極
３ｉ    信号入力ポート
３ｒ    終端抵抗
４Ｒ１    外側ダミーパターン
４Ｒ２    内側ダミーパターン
５    不要モード除去部
１０    基板
１０Ｐｉ    光入力ポート
１０Ｐｏ    光出力ポート
１１    入力導波路
１２    分波部
１３ａ    第１の変調導波路
１３ｂ    第２の変調導波路
１４    合波部
１５    出力導波路
２０    導波層
２０ｒ    リッジ部
２０ｓ    スラブ部
２１    保護層
２２    バッファ層
３０    電極層
Ｒ１    電界印加領域
Ｒ２    電界印加領域以外の領域
Ｓｉ    入力光
Ｓｏ    変調光
【図１】
2020166101.tif 000003
【図２】
2020166101.tif 000004
【図３】
2020166101.tif 000005
【図４】
2020166101.tif 000006
【図５】
2020166101.tif 000007
【図６】
2020166101.tif 000008
【図７】
2020166101.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】令和2年4月23日(2020.4.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
直流バイアス電圧（ＤＣバイアス）を印加するため、第１及び第２の変調導波路１３ａ，１３ｂと平面視で重なる位置には一対のバイアス電極が設けられてもよい。一対のバイアス電極の一端はＤＣバイアスの入力ポートである。一対のバイアス電極の形成領域は、第１及び第２の信号電極３ａ，３ｂの形成領域よりも光導波路２の光入力ポート２ｉ側に設けられてもよく、あるいは光出力ポート２ｏ側に設けられてもよい。また、バイアス電極を省略し、ＤＣバイアスを予め重畳させた変調信号を第１及び第２の信号電極３ａ，３ｂに入力することも可能である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
図４（ａ）に示すように、不要モード除去部５は、曲がり導波路２Ｒによって構成されている。本実施形態による曲がり導波路２Ｒは、直線導波路２Ｓ１の進路を変える第１コーナー部２Ｒ１と、Ｕターン形状を有する第２コーナー部２Ｒ２と、元の直線導波路２Ｓ１の延長線上に戻るように進路を変える第３コーナー部２Ｒ３とを有しており、第３コーナー部２Ｒ３は直線導波路２Ｓ１の延長線上に配置された直線導波路２Ｓ２に接続されている。すなわち、曲がり導波路２Ｒは、直線導波路２Ｓ１の進路から一旦逸脱した後、元の進路に戻るように構成されている。ただし曲がり導波路２Ｒの形状やコーナー部の数は特に限定されず、種々の形状を採用することができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
不要モード除去部５を構成する曲がり導波路２Ｒが導波モードに与える影響をシミュレーションにより評価した。曲がり導波路（第１〜第３コーナー部）の曲率半径Ｒ＝５０μｍ、導波路の厚さＴＬＮ＝１．５μｍ、リッジ幅Ｗ１＝０．８μｍ、最大スラブ厚Ｌｓｌａｂ１＝０．４５μｍ、最小スラブ厚Ｌｓｌａｂ２＝０．２５μｍ、スラブ厚の変化幅Ｌｓｌｏｐｅ＝１．０μｍ、光の波長λ＝１．５５μｍとした。その結果を図６（ａ）〜（ｃ）に示す。