(57)【要約】      （修正有）【課題】小型で高速、かつ熱ドリフトに起因するＤＣバイアス電圧シフトの少ない光変調器の提供。【解決手段】電気光学効果を有する基板と、該基板上に形成された光を導波するための光導波路と、前記光導波路の上に形成されたバッファ層及び導電層と、前記光導波路に電圧を印加するための中心導体及び接地導体とを具備し、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加し、前記光導波路を導波する前記光の位相を変化させることにより前記光を変調する光変調器において、前記中心導体と前記接地導体を電気的に絶縁するように、前記中心導体と前記接地導体との間で前記導電層に１つの間隙が形成されている。【選択図】図１
2006139236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する基板と、該基板上に形成された光を導波するための光導波路と、前記光導波路の上に形成されたバッファ層及び導電層と、前記光導波路に電圧を印加するための中心導体及び接地導体とを具備し、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加し、前記光導波路を導波する前記光の位相を変化させることにより前記光を変調する光変調器において、
前記中心導体と前記接地導体を電気的に絶縁するように、前記中心導体と前記接地導体との間で前記導電層に１つの間隙が形成されていることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記中心導体と前記接地導体とが前記導電層に接触して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記中心導体と前記接地導体とは前記導電層に接触して形成されているとともに、
前記基板に誘起された電荷に起因する電界が前記光導波路にほぼ均一に印加されて温度によるバイアス電圧のドリフトを小さくすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光変調器。
【請求項４】
電気光学効果を有する基板と、該基板上に形成された光を導波するための光導波路と、前記光導波路の上に形成されたバッファ層及び導電層と、前記光導波路に電圧を印加するための中心導体及び接地導体とを具備し、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加し、前記光導波路を導波する前記光の位相を変化させることにより前記光を変調する光変調器において、
前記中心導体と前記接地導体の少なくとも一方が前記導電層に接触して形成されているとともに、
前記バッファ層が第１のバッファ層及び第２のバッファ層からなり、且つ前記導電層が第１の導電層及び第２の導電層からなり、
前記第１のバッファ層が前記基板上面の前記光導波路の直上で且つ該基板上面の一部分に形成され、前記第１の導電層が前記第１のバッファ層の少なくとも一部と接触するとともに前記基板上面まで延びて形成され、且つ、隣接する別の第１のバッファ層に形成された別の第１の導電層と所定距離離れて形成され、前記第２のバッファ層が前記基板上の前記第１のバッファ層が形成されていない部位で前記基板及び前記第１の導電層の上方に形成され、前記第２の導電層が前記第２のバッファ層及び前記第１の導電層の上面に形成されていて、
前記中心導体と前記接地導体を電気的に絶縁するように、前記中心導体と前記接地導体との間で前記第２の導電層に１つの間隙が形成されていることを特徴とする光変調器。
【請求項５】
前記基板がｚ−カットの面方位を含む基板であり、前記中心導体と前記接地導体のそれぞれの下方に前記光導波路が形成されていて、
前記１つの間隙が、前記それぞれの光導波路からほぼ等距離の位置に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の光変調器。
【請求項６】
前記基板がｚ−カットの面方位を含む基板であり、前記中心導体と前記接地導体のそれぞれの下方に前記光導波路が形成されていて、
前記１つの間隙が、前記それぞれの光導波路から等距離の位置よりも前記接地導体側の位置に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の光変調器。
【請求項７】
前記光変調器がＣＰＷ（コプレーナウェーブガイド）構造で、その下方に光導波路が形成されていない別の接地導体と前記中心導体との間で前記導電層に別の１つの間隙が形成され、
且つ、該別の１つの間隙の形成位置が前記中心導体と前記別の接地導体の中央位置よりも前記別の接地導体側の位置であることを特徴とする請求項１乃至請求項３および請求項５または請求項６のいずれか一に記載の光変調器。
【請求項８】
前記光変調器がＣＰＷ（コプレーナウェーブガイド）構造で、その下方に光導波路が形成されていない別の接地導体と前記中心導体との間で前記第２の導電層に別の１つの間隙が形成され、
且つ、該別の１つの間隙の形成位置が前記中心導体と前記別の接地導体の中央位置よりも前記別の接地導体側の位置であることを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか一に記載の光変調器。
【請求項９】
前記第２の導電層に設けられた前記１つの間隙の大きさが、複数の前記第１の導電層間の距離よりも小さいことを特徴とする請求項４乃至請求項６および請求項８のいずれか一に記載の光変調器。
【請求項１０】
前記基板がｘ−カットの面方位を含む基板であり、前記中心導体と前記接地導体との間に前記光導波路が形成されていて、該光導波路と前記接地導体との間に前記１つの間隙が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の光変調器。
【請求項１１】
電気光学効果を有する基板と、該基板上に形成された光を導波するための光導波路と、前記光導波路の上に形成されたバッファ層及び導電層と、前記光導波路に電圧を印加するための中心導体及び接地導体とを具備し、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加し、前記光導波路を導波する前記光の位相を変化させることにより前記光を変調する光変調器において、
前記中心導体と前記接地導体を電気的に絶縁するように、前記導電層が前記中心導体に電気的に接触せず、前記導電層が前記接地導体のみに電気的に接触するように形成されていることを特徴とする光変調器。
【請求項１２】
前記基板に誘起された電荷に起因する電界が前記光導波路にほぼ均一に印加されて温度によるバイアス電圧のドリフトを小さくすることを特徴とする請求項１１に記載の光変調器。
【請求項１３】
電気光学効果を有する基板と、該基板上に形成された光を導波するための光導波路と、前記光導波路の上に形成されたバッファ層及び導電層と、前記光導波路に電圧を印加するための中心導体及び接地導体とを具備し、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加し、前記光導波路を導波する前記光の位相を変化させることにより前記光を変調する光変調器において、
前記中心導体と前記接地導体を電気的に絶縁させ、且つ、前記基板に誘起された電荷に起因する電界が前記光導波路にほぼ均一に印加されて温度によるバイアス電圧のドリフトを小さくするように、的記導電層が前記接地導体に電気的に接触せず、前記導電層が前記中心導体のみに電気的に接触するように形成されていることを特徴とする光変調器。
【請求項１４】
前記導電層が半導体からなることを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか一に記載の光変調器。
【請求項１５】
前記導電層が金属もしくは金属酸化物の少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか一に記載の光変調器。
【請求項１６】
前記導電層が半導体と金属もしくは金属酸化物の組み合わせからなることを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか一に記載の光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光変調器に係り、特に、小型で高速、かつ熱ドリフトに起因するＤＣバイアス電圧のシフトの少ない強度光変調器、位相変調器あるいは偏波スクランブラーなどに好適する光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、光変調器において、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、リチウムナイオベート基板をＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した光変調デバイスである進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ／ｓ、１０Ｇｂｉｔ／ｓの大容量光伝送システムに適用されている。
【０００３】
このようなＬＮ光変調器は、最近ではさらに４０Ｇｂｉｔ／ｓの超大容量光伝送システムにも適用が検討されており、大容量光伝送システムにおけるキーデバイスとして期待されている。
【０００４】
［第１の従来技術］
図１４は、第１の従来技術によるｚ−カットＬＮ基板を用いて構成したＬＮ光変調器の構成を示す斜視図である。図１５は、図１４のＡ−Ａ´における断面図である。
【０００５】
図中、参照符号１はｚ−カットＬＮ基板、参照符号２はＳｉＯ２バッファ層、参照符号３は光導波路であり、Ｔｉを１０５０℃で約１０時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系（あるいは、マッハツェンダ光導波路）を構成している。
【０００６】
なお、図中、参照符号３ａ、３ｂは電気信号と光が相互作用する部（相互作用部と言う）における光導波路（あるいは、相互作用光導波路）、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームである。
【０００７】
また、図中、参照符号４は進行波電極であり、この進行波電極４としては、１つの中心導体４ａと２つの接地導体４ｂ、４ｃを有するコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）を用いることを想定する。
【０００８】
光導波路３を導波する光が進行波電極である金属（一般に、Ａｕを用いる）から受ける吸収損を抑えるためと、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃからなる進行波電極を導波する電気信号のマイクロ波等価屈折率（あるいは、進行波電極のマイクロ波等価屈折率）ｎｍを低減し光導波路３ａ、３ｂを導波する光の等価屈折率（あるいは、光導波路の等価屈折率）ｎ０に近づけるため、さらには特性インピーダンスをなるべく５０Ωに近づけるために、進行波電極とｚ−カットＬＮ基板１との間には、通常、４００ｎｍ〜１μｍ程度の厚いＳｉＯ２バッファ層２が堆積される。
【０００９】
図１６は、進行波電極の中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間にバイアス電圧による電界が印加された際における望ましい電気力線ＤＥＦの分布を示している。
【００１０】
この図１６からわかるように、２つの光導波路３ａ、３ｂを横切る電気力線の向きは逆向きであるため、マッハツェンダ型光導波路３では２本の光導波路を導波する光の位相をπずらすことにより、光のＯＦＦ状態を実現できる。
【００１１】
次に、図１７を用いて上記第１の従来技術によるＬＮ光変調器の問題点について考察すると、ｚ−カットＬＮ基板１は焦電効果を有しているので、基板の温度が変化するとその表面に電荷ＴＥＣが誘起される。
【００１２】
さらに、この第１の従来技術によるＬＮ光変調器では、バッファ層２に導電性がなく、進行波電極４の中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃのｚ−カットＬＮ基板１に相対向する面にｚ−カットＬＮ基板１の表面に誘起された電荷ＴＥＣの極性とは反対の極性の電荷ＥＣが外部回路を通じて誘起される。
【００１３】
その結果、ｚ−カットＬＮ基板１に誘起された電荷と進行波電極の中心導体４ａおよび接地導体４ｂ、４ｃに誘起された電荷との間に電気力線ＥＦが生じる。
【００１４】
ところが、図１７から分かるように、この電気力線ＥＦの発生の仕方はランダムであるため、ＬＮ光変調器を動作させるために中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間に印加したバイアス電圧による電気力線ＤＥＦがランダムに打ち消されてしまう。
【００１５】
通常、ＬＮ光変調器を動作させるには、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間にＤＣバイアス電圧とＲＦ電気信号とを印加する必要がある。
【００１６】
図１８に示す電圧−光出力特性において、図示実線の曲線はある状態でのＬＮ光変調器の電圧−光出力特性であり、Ｖｂはその際のＤＣバイアス電圧である。
【００１７】
この図１８に示すように、通常、ＤＣバイアス電圧Ｖｂは光出力特性の山と底の中点に設定される。
【００１８】
この第１の従来技術によるＬＮ光変調器の場合、この最適バイアス電圧Ｖｂが温度の変化によりＶｂ´へと大きく変化することになる。
【００１９】
この温度の変化によるＤＣバイアス電圧のシフトが熱ドリフトと呼ばれているものである。
【００２０】
上に述べた第１の従来技術によるＬＮ光変調器における問題点を解決するために、以下に示すような各種の従来技術が提案されている。
【００２１】
なお、以下の各種の従来技術の説明においては、図１５に示した第１の従来技術によるＬＮ光変調器と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
【００２２】
［第２の従来技術］
上に述べた第１の従来技術によるＬＮ光変調器における問題点を解決するために提案されたのが、図１９に示した第２の従来技術によるＬＮ光変調器である（特許文献１の第２実施例参照）。
【００２３】
この第２の従来技術によるＬＮ光変調器においては、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの両方に接触するように導電層５が形成されている。
【００２４】
図１９に示すように、ｚ−カットＬＮ基板１が持つ焦電効果のためにｚ−カットＬＮ基板１に誘起された電荷ＴＥＣの極性とは反対の極性の電荷ＥＣが、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃに接触した導電層５に誘起される。
【００２５】
その結果、ｚ−カットＬＮ基板１と導電層５に誘起された電荷間の電気力線ＥＦは、図１９に示すように一様となり、光導波路３ａ、３ｂをランダムな電気力線が横切ることはなくなる。
【００２６】
つまり、この第２の従来技術によるＬＮ光変調器においては、焦電効果によりｚ−カットＬＮ基板１の表面に誘起された電荷ＴＥＣと外部回路から中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃとを通じて導電層５に誘導された電荷ＥＣに起因する光の屈折率変化は２本の光導波路２において同じとなり、２本の光導波路２を導波する光の位相差は外部から加えた電圧のみによることとなり、光変調器として機能することが可能となる。なお、導電層５としては厚み１００ｎｍ程度のＳｉ膜とされている。
【００２７】
但し、この第２の従来技術によるＬＮ光変調器においては、重要な問題点が有る。一般によく知られているように、導電層５として使用されるＳｉやＳｉＯｘなどの半導体による導電膜の電気伝導度はその制御が極めて難しく、導電膜に入れる不純物や膜の堆積条件などでその導電率が簡単に２〜３桁程度は変わってしまう。
【００２８】
この導電層５の導電率が低過ぎると、この第２の従来技術によるＬＮ光変調器においては、前述した第１の従来技術によるＬＮ光変調器の場合に近くなり、第１の従来技術によるＬＮ光変調器が有していた問題点がそのまま生じてしまう。
【００２９】
逆に、この導電層５の導電率が高すぎると、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃが電気的に導通状態となることによって、電気的ショート状態となり、素子が破壊されてしまうという問題がある。
【００３０】
上述したように、適切な値の導電率を持つ導電層５を再現性よく形成することは困難であり、この第２の従来技術によるＬＮ光変調器では光変調器としての製作の再現性・歩留まりに問題がある。
【００３１】
［第３の従来技術］
図２０は、第３の従来技術によるＬＮ光変調器の断面図を示す（特許文献２参照）。この第３の従来技術によるＬＮ光変調器では、導電層６の幅を有限とすることにより導電層６を中心導体４ａのみに接触させているとともに、接地導体４ｂ、４ｃと導電層６との間に幅ｇの間隙（以降ギャップと呼ぶ）７ａ、７ｂを空け、接地導体４ａ、４ｂと導電層６との接触を避けている。
【００３２】
この第３の従来技術によるＬＮ光変調器の動作原理は以下の通りである。中心導体４ａの下方にある光導波路に印加される電界については、図２０の領域Ａと領域Ｂにおける誘起電荷からの電界の影響以外は、図１９に示した第２の従来技術によるＬＮ光変調器と同じ原理により均一な電界分布を得ることができる。
【００３３】
一方、接地導体４ｂ、４ｃについては、第２の従来技術によるＬＮ光変調器と異なり、導電層６と接触していない。換言すれば、図２０の接地導体４ｂの下方にある、すなわち領域Ａにある光導波路３ａには、第１の従来技術によるＬＮ光変調器と同様に焦電効果により誘起された電荷ＴＥＣに起因するランダムな電界が加わることになる。
【００３４】
従って、この第３の従来技術によるＬＮ光変調器を動作させるために中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間に印加した電気信号の電気力線がランダムに打ち消される結果、ＤＣバイアス電圧がシフトすることによって熱ドリフトの現象を生じるという問題が生じることが予想されるが、この第３の従来技術によるＬＮ光変調器では、それを避けるために次のような工夫がなされている。
【００３５】
まず、この問題が生じる背景について説明すると、通常、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃからなる進行波電極の厚みは数μｍ〜数１０μｍ以上と厚く形成されている。そして、この進行波電極には、一般に、としてＡｕを使用するが、アルミニウムや銅などその種類には各種のものがある。
【００３６】
このような金属の材料が用いられている進行波電極と誘電体であるｚ−カットＬＮ基板１とは互いの熱膨張係数が異なるために、温度変化に応じてｚ−カットＬＮ基板１の内部に応力が生じる。
【００３７】
なお、進行波電極として金属の材料を数μｍ以上メッキするとｚ−カットＬＮ基板に反りが生じるほど、メッキによる内部応力も大きく、このような内部応力に起因する光弾性効果のために内部電界が生じる。
【００３８】
一方、第１の従来技術において説明したように、温度が変化すると焦電効果によりｚ−カットＬＮ基板１の表面に電荷が発生し、内部電界が生じる。
【００３９】
この第３の従来技術では、導電層６と接地導体４ａ、４ｂの間に幅ｇのギャップ７ａ、７ｂを設け、その幅ｇをフォトリソグラフィーにより規定することにより、内部応力に起因する光弾性効果による内部電界と、温度変化に起因する焦電効果による内部電界を打ち消そうとするものである。
【００４０】
しかしながら、２つの内部電界をうまく打ち消すことは容易でなく、これが実現できない場合には、接地導体の下方にある光導波路には第１の従来技術と同様に、ランダムな電界が加わり、温度とともにＬＮ光変調器のＤＣバイアス電圧がシフトする温度ドリフトが発生する結果となる。
【００４１】
通常、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃからなる進行波電極は電解メッキ法で形成するが、電解メッキ液中に温度分布や電流分布があるために、メッキ時に同じ液温でかつ同じ電流を流しても、成長したメッキの粒子や電極の厚みにメッキ工程のランツーラン（ｒｕｎ−ｔｏ−ｒｕｎ）ごとの微妙な分布が生じる。
【００４２】
そのため、進行波電極を電解メッキにより形成した場合に、ｚ−カットＬＮ基板１の内部に引き起こされる内部応力はメッキをする度ごとに異なってしまうことに加えて、電解メッキ液中においては、メッキ用電極とウェーハとの間における電流や液温に分布があるとともに、液の対流のため、同じウェーハにおいてでさえもメッキの粒子や電極の厚みに微妙な分布があり、チップごとの内部応力が異なってしまう。
【００４３】
その結果、この第３の従来技術でも、熱応力に起因する光弾性効果による内部電界と温度変化に起因する焦電効果による内部電界を打ち消すための最適なギャップ７ａ、７ｂの幅ｇの決定には困難が伴う。
【００４４】
さらに、ギャップ７ａ、７ｂはフォトリソグラフィーにより実現するが、光変調器をウェーハから切り出してチップ化してしまうと、フォトリソグラフィーが困難となる。
【００４５】
さらに、進行波電極を１０μｍ以上と厚くメッキするとフォトリソグラフィーが困難となる。
【００４６】
そのために、ギャップ７ａ、７ｂの製作は進行波電極を厚くメッキする前に行う必要がある。つまり、ギャップ７ａ、７ｂは各光変調素子をウェーハから切り出す前、かつ厚くメッキする前、つまりウェーハ段階で形成する必要がある。
【００４７】
その結果、ギャップ７ａ、７ｂの形成は各変調素子の熱ドリフト特性を測定する前に行わねばならないが、ウェーハの状態では光導波路３ａ、３ｂに光を入射することができないので、熱ドリフト量は測定できない。
【００４８】
その結果、ギャップ７ａ、７ｂの幅ｇの設定が難しいとともに、各ウェーハに対して、さらには各チップに対して必ずしもうまく行くとは限らず、事実上難しく、変調素子の歩留まりを大幅に制限する結果となる。
【００４９】
さらに、メッキが厚くなるほど、基板１への応力が大きくなるため、メッキの応力の観点から進行波電極のメッキの厚みは１０〜２０μｍ程度に制限されてしまう。
【００５０】
ところが、実際のＬＮ変調器において、光変調の広帯域化に不可欠なマイクロ波と光の速度整合を達成するには、２５μｍから３０μｍ、さらにはそれ以上の厚みの進行波電極が必要な場合がある。
【００５１】
そのような場合には、この第３の従来技術は使用できず、この第３の従来技術の適用には限界がある。
【００５２】
［第４の従来技術］
図２１は、第４の従来技術によるＬＮ変調器の断面図を示す（特許文献３参照）。この第４の従来技術によるＬＮ変調器では、進行波電極として中心導体８ａと接地導体８ｂからなる対称コプレーナストリップ（ＣＰＳ）、ＳｉＯ２バッファ層９ａ、９ｂ、導電層１０ａ、１０ｂ、１０ｃを具備している。
【００５３】
また、この第４の従来技術によるＬＮ変調器では、中心導体８ａと接地導体８ｂの近くに導電層１０ａ、１０ｂ、１０ｃの切れ目であるギャップ１１ａ、１１ｂが形成されている。
【００５４】
これらのギャップ１１ａ、１１ｂは中心導体８ａと接地導体８ｂの近傍、すなわち光導波路３ａ、３ｂの近傍にあるので、図２０に示した第３の従来技術によるＬＮ変調器と同様の焦電効果に起因するランダムな電界が発生し、これらが光導波路３ａ、３ｂに作用することになる。
【００５５】
従って、この第４の従来技術によるＬＮ変調器においては、ＬＮ光変調器として動作させるために中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間に印加したバイアス電圧の電気力線がランダムに打ち消されてしまう結果、光導波路３ａ、３ｂに有効に作用しない。つまり、ＤＣバイアス電圧がシフトするという熱ドリフトの問題の解決法としては、この第４の従来技術では不十分である。
【００５６】
［第５および第６の従来技術］
図２２は、第５の従来技術によるＬＮ変調器の断面図を示すとともに、図２３は、第６の従来技術によるＬＮ変調器の断面図を示す（特許文献４参照）。これらの第５および第６の従来技術では、ｘ−カットＬＮ基板２７に光導波路２８ａ、２８ｂが形成され、バッファ層５０ａもしくは６０ａが中心導体４ａの下にのみ形成されている。
【００５７】
図中、参照符号４０ａ、４０ｂ、もしくは７０ａ、７０ｂは中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間のギャップである。
【００５８】
これらの第５および第６の従来技術では、熱ドリフトを抑圧するための導電層を使用していない。従って、温度の変化に伴う焦電効果により誘起される電荷に起因して発生するランダムな電界をなくすためには、これらの第５および第６の従来技術に示すように、接地導体４ｂ、４ｃをｘ−カットＬＮ基板２７に直接接触するように形成するとともに、接地導体４ｂ、４ｃをなるべく広く、換言すると中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間のギャップ４０ａ、４０ｂ、もしくは７０ａ、７０ｂを例えば数μｍとなるべく狭くすることが必要となる。
【００５９】
しかしながら、接地導体４ｂ、４ｃがｘ−カットＬＮ基板２７に直接接触している上に、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃのギャップが数μｍと狭い。従って、マイクロ波実効屈折率は３以上と高く、かつ特性インピーダンスは２０Ω程度と低くなり、光変調器としては極端に不利な特性となってしまう。
【００６０】
これらの第５および第６の従来技術は、いわば、温度ドリフトとマイクロ波特性を独立には設計できない構造と言える。
【特許文献１】特開昭６２−７３２０７号公報
【特許文献２】特開平１０−３０６４号公報
【特許文献３】特開平８−１４６３６７号公報
【特許文献４】特開平８−１６６５６５号公報  なお、本明細書で言及する特許文献には、上述した以外に後述する本発明の第１実施形態に類似している従来技術による光変調器を開示する特許文献５がある。
【特許文献５】特開平３−２５３８１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００６１】
以上のように、これまでに提案されている従来技術による光変調器では、中心導体と接地導体が電気的に直接に接続されていたために生じていた中心導体と接地導体間の電気的ショートの問題と構造決定や製作工程の容易性や製作の再現性・歩留まりを確保するが困難であること、あるいは導電層と接地導体間のギャップを調整する実施形態では通常必要とされる２０μｍ以上の厚い進行波電極についても、製作性・再現性・歩留まり良く、熱ドリフトを抑えるのは困難であること、さらに中心導体と接地導体の近傍にギャップを設ける実施形態では焦電効果に起因するランダムな電界がマッハツェンダ光導波路を構成する２本の光導波路にかからないようにすることは困難であり、これらの課題を解決できる光変調器の実現が熱望されている。
【００６２】
そこで、本発明は、以上のよう従来技術の問題点を解消することにより、小型で高速、かつ熱ドリフトに起因するＤＣバイアス電圧のシフトの少ない強度光変調器、位相変調器あるいは偏波スクランブラー等に好適する光変調器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００６３】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光変調器は、
電気光学効果を有する基板と、該基板上に形成された光を導波するための光導波路と、前記光導波路の上に形成されたバッファ層及び導電層と、前記光導波路に電圧を印加するための中心導体及び接地導体とを具備し、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加し、前記光導波路を導波する前記光の位相を変化させることにより前記光を変調する光変調器において、
前記中心導体と前記接地導体を電気的に絶縁するように、前記中心導体と前記接地導体との間で前記導電層に１つの間隙が形成されていることを特徴としている。
【００６４】
上記課題を解決するために、本発明の請求項２の光変調器は、請求項１に記載の光変調器において、
前記中心導体と前記接地導体とは前記導電層に接触して形成されていることを特徴としている。
【００６５】
上記課題を解決するために、本発明の請求項３の光変調器は、請求項１または請求項２に記載の光変調器において、
前記中心導体と前記接地導体とは前記導電層に接触して形成されているとともに、
前記基板に誘起された電荷に起因する電界が前記光導波路にほぼ均一に印加されて温度によるバイアス電圧のドリフトを小さくすることを特徴とする光変調器。
【００６６】
上記課題を解決するために、本発明の請求項４の光変調器は、
電気光学効果を有する基板と、該基板上に形成された光を導波するための光導波路と、前記光導波路の上に形成されたバッファ層及び導電層と、前記光導波路に電圧を印加するための中心導体及び接地導体とを具備し、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加し、前記光導波路を導波する前記光の位相を変化させることにより前記光を変調する光変調器において、
前記中心導体と前記接地導体の少なくとも一方が前記導電層に接触して形成されているとともに、
前記バッファ層が第１のバッファ層及び第２のバッファ層からなり、且つ前記導電層が第１の導電層及び第２の導電層からなり、
前記第１のバッファ層が前記基板上面の前記光導波路の直上で且つ該基板上面の一部分に形成され、前記第１の導電層が前記第１のバッファ層の少なくとも一部と接触するとともに前記基板上面まで延びて形成され、且つ、隣接する別の第１のバッファ層に形成された別の第１の導電層と所定距離離れて形成され、前記第２のバッファ層が前記基板上の前記第１のバッファ層が形成されていない部位で前記基板及び前記第１の導電層の上方に形成され、前記第２の導電層が前記第２のバッファ層及び前記第１の導電層の上面に形成されていて、
前記中心導体と前記接地導体を電気的に絶縁するように、前記中心導体と前記接地導体との間で前記第２の導電層に１つの間隙が形成されていることを特徴としている。
【００６７】
上記課題を解決するために、本発明の請求項５の光変調器は、請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の光変調器において、
前記基板がｚ−カットの面方位を含む基板であり、前記中心導体と前記接地導体のそれぞれの下方に前記光導波路が形成されていて、
前記１つの間隙が、前記それぞれの光導波路からほぼ等距離の位置に形成されていることを特徴としている。
【００６８】
上記課題を解決するために、本発明の請求項６の光変調器は、請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の光変調器において、
前記基板がｚ−カットの面方位を含む基板であり、前記中心導体と前記接地導体のそれぞれの下方に前記光導波路が形成されていて、
前記１つの間隙が、前記それぞれの光導波路から等距離の位置よりも前記接地導体側の位置に形成されていることを特徴としている。
【００６９】
上記課題を解決するために、本発明の請求項７の光変調器は、請求項１乃至請求項３および請求項５または請求項６のいずれか一に記載の光変調器において、
前記光変調器がＣＰＷ（コプレーナウェーブガイド）構造で、その下方に光導波路が形成されていない別の接地導体と前記中心導体との間で前記導電層に別の１つの間隙が形成され、
且つ、該別の１つの間隙の形成位置が前記中心導体と前記別の接地導体の中央位置よりも前記別の接地導体側の位置であることを特徴としている。
【００７０】
上記課題を解決するために、本発明の請求項８の光変調器は、請求項４乃至請求項６のいずれか一に記載の光変調器において、
前記光変調器がＣＰＷ（コプレーナウェーブガイド）構造で、その下方に光導波路が形成されていない別の接地導体と前記中心導体との間で前記第２の導電層に別の１つの間隙が形成され、
且つ、該別の１つの間隙の形成位置が前記中心導体と前記別の接地導体の中央位置よりも前記別の接地導体側の位置であることを特徴としている。
【００７１】
上記課題を解決するために、本発明の請求項９の光変調器は、請求項４乃至請求項６および請求項８のいずれか一に記載の光変調器において、
前記第２の導電層に設けられた前記１つの間隙の大きさが、複数の前記第１の導電層間の距離よりも小さいことを特徴としている。
【００７２】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１０の光変調器は、請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の光変調器において、
前記基板がｘ−カットの面方位を含む基板であり、前記中心導体と前記接地導体との間に前記光導波路が形成されていて、該光導波路と前記接地導体との間に前記１つの間隙が形成されていることを特徴としている。
【００７３】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１１の光変調器は、
電気光学効果を有する基板と、該基板上に形成された光を導波するための光導波路と、前記光導波路の上に形成されたバッファ層及び導電層と、前記光導波路に電圧を印加するための中心導体及び接地導体とを具備し、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加し、前記光導波路を導波する前記光の位相を変化させることにより前記光を変調する光変調器において、
前記中心導体と前記接地導体を電気的に絶縁するように、前記導電層が前記中心導体に電気的に接触せず、前記導電層が前記接地導体のみに電気的に接触するように形成されていることを特徴としている。
【００７４】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１２の光変調器は、請求項１１に記載の光変調器において、
前記基板に誘起された電荷に起因する電界が前記光導波路にほぼ均一に印加されて温度  によるバイアス電圧のドリフトを小さくすることを特徴としている。
【００７５】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１３の光変調器は、
電気光学効果を有する基板と、該基板上に形成された光を導波するための光導波路と、前記光導波路の上に形成されたバッファ層及び導電層と、前記光導波路に電圧を印加するための中心導体及び接地導体とを具備し、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加し、前記光導波路を導波する前記光の位相を変化させることにより前記光を変調する光変調器において、
前記中心導体と前記接地導体を電気的に絶縁させ、且つ、前記基板に誘起された電荷に起因する電界が前記光導波路にほぼ均一に印加されて温度によるバイアス電圧のドリフトを小さくするように、的記導電層が前記接地導体に電気的に接触せず、前記導電層が前記中心導体のみに電気的に接触するように形成されていることを特徴としている。
【００７６】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１４の光変調器は、請求項１乃至請求項１３のいずれか一に記載の光変調器において、
前記導電層が半導体からなることを特徴としている。
【００７７】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１５の光変調器は、請求項１乃至請求項１３のいずれか一に記載の光変調器において、
前記導電層が金属もしくは金属酸化物の少なくとも１つからなることを特徴としている。
【００７８】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１６の光変調器は、請求項１乃至請求項１３のいずれか一に記載の光変調器において、
前記導電層が半導体と金属もしくは金属酸化物の組み合わせからなることを特徴としている。
【発明の効果】
【００７９】
本発明では、電気光学効果を有する基板を用いた光変調器について、光導波路の近傍には導電層を備えるとともに、光導波路からなるべく離れて影響が少ない箇所の導電層に電気的ショートを防ぐためのギャップを導電層に設けていることにより、光導波路を形成した領域では焦電効果に起因して誘起される電荷と反対の極性を持つ電荷が外部回路から中心導体とアース導体を通じて導電層に均一に供給される。
【００８０】
そのため、本発明による光変調器では、基板と導電層の各々に誘起された電荷同士による電界は光導波路が存在する領域においてはほぼ均一となり、結果的に熱ドリフトに起因するＤＣバイアス電圧のシフトを抑圧することができる。
【００８１】
さらに、本発明による光変調器では、進行波電極を構成する中心導体と接地導体とが電気的に分離されているので、焦電効果に起因する熱ドリフトを抑圧するための導電層の導電率がたとえ高くなっても電気的ショートが生じず、設計・製作性・歩留まりの点で大きな利点が有る。
【００８２】
また、本発明による光変調器では、導電層を使用しているため、バッファ層の低い比誘電率を有効に利用することにより、進行波電極を伝搬する電気信号のマイクロ波実効屈折率を下げるとともに特性インピーダンスを一般に外部回路に近づけつつ、熱ドリフトを効果的に抑圧でき、進行波電極の電気的特性と熱ドリフト特性を独立に設計できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８３】
以下、図１乃至図１３を参照して本発明による光変調器の実施形態について詳細に説明する。なお、ここでは、本発明の実施形態について説明する際に、図１９に示した従来の第２実施形態の光変調器と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
【００８４】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態による光変調器の構成を示す断面図である。この本発明の第１実施形態では、図１９に示した第２の従来技術と同様に、中心導体４ａおよび接地導体４ｂ、４ｃと導電層１２ａ、１２ｂ、１２ｃとが接触している。導電層１２ａ、１２ｂ、１２ｃとしてはＳｉよりも導電率が低いＳｉＯｘを用いる。
【００８５】
そして、この第１実施形態では、焦電効果によりｚ−カットＬＮ基板１の表面に誘起された電荷と外部回路から導電層１２ｂに供給される電荷により形成される電界が、接地導体４ｂの直下にある光導波路３ａにとって実質上ほぼ均一となるように、導電層１２ｂを接地導体４ｂから中心導体４ａに向かって伸ばしている。
【００８６】
この結果、図２０に示したギャップ７ａがあるために接地導体４ｂのエッジには導電層が存在しない第３の従来技術や、図２１に示した接地導体８ｂのエッジ直近に導電層のギャップ１１ｂがある第４の従来技術とは異なり、この第１実施形態では、接地導体４ｂから中心導体４ａに向かって導電層１２ｂを伸ばして形成しているので、接地導体４ｂの直下の光導波路３ａには焦電効果により基板１の表面に誘起された電荷に起因するランダムな電界が作用しにくくなる。
【００８７】
さらに、この第１実施形態では、焦電効果により基板１の表面に誘起された電荷と外部回路から導電層１２ｂに供給される電荷により形成される電界が中心導体４ａの直下にある光導波路３ｂにとってほぼ均一となるように、中心導体４ａに接触して導電層１２ａを備えている。
【００８８】
なお、この第１実施形態では、焦電効果に起因して誘起される電荷が中心導体４ａの直下にある光導波路３ｂへ与える影響を小さくするために、あるいは換言すると、光導波路３ｂへのギャップ１３ｂの影響を小さくするために、ギャップ１３ｂを中心導体４ａから遠ざけ、接地導体４ｃのエッジ近辺に位置させている。
【００８９】
この場合、熱ドリフト抑圧の効果はやや薄れるが、もちろんギャップ１３ａ、１３ｂを中心導体４ａに対してｚ−ｃｕｔＬＮ基板１の基板表面に平行方向に対称に配置しても良い。
【００９０】
このように、本第１実施形態による光変調器では、光導波路３ａ、３ｂの近傍の導電層１２ａ、１２ｂをなるべく広くなるようにして形成しているので、焦電効果に起因する熱ドリフトを抑えることが可能となるばかりでなく、さらにギャップ１３ａ、１３ｂを設けているので、導電層の導電率が高くなり中心導体４ａと接地導体４ｂ間の抵抗が下がった場合にも電気的ショートが発生することがない。
【００９１】
なお、ギャップ１３ａについては、光導波路３ａ、３ｂから最も遠くに位置するという意味で、中心導体４ａと接地導体４ｂの間のほぼ中間に設定しても良いが、一般に、ｚ−カットＬＮ基板１を用いた光変調器の場合、中心導体４ａにより光導波路３ｂが受ける位相変化量は、接地導体４ｂにより光導波路３ａが受ける位相変化量の５倍程度ある。
【００９２】
従って、ギャップ１３ａを接地導体４ｂのエッジから、中心導体４ａと接地導体４ｂ間の距離の１／５程度としても良いし、さらに他の位置に設定しても良いことは言うまでもない。これは、本発明の他の実施形態についても言えることである。
【００９３】
なお、ここで、誤解を避けるために、本第１実施形態とよく似てはいるが動作原理が全く異なる図２に示す従来の光変調器（特許文献５：特開平３−２５３８１５号公報の図３）について考察する。
【００９４】
この図２に示す従来の光変調器では、進行波電極としては中心導体１４ａ、接地導体１４ｂからなる非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）を使用し、中心導体１４ａに接触した導電層１５ａと接地導体１４ｂに接触したＳｉなどの高い導電率の導電層１５ｂとの間にギャップ１６を設けている。
【００９５】
この従来の光変調器では、高周波信号である電気信号に対しては誘電体と見なせるが、ＤＣ及び低周波信号に対しては導体と見なせる位の高い導電率を有する導電層１５ａ、１５ｂを使用するとともに、ギャップ１６を極めて小さくすることにより、印加するＤＣバイアスあるいは低周波電圧を極めて細いギャップ１６にかけている。
【００９６】
従って、この従来の光変調器は、それらの電圧による電界１７がギャップ１６に集中する、換言すると、中心導体１４ａと接地導体１４ｂ間の電位差がほぼギャップ１６で発生させているので、光導波路３ａ、３ｂへの影響を小さくすることができるというものである。
【００９７】
このように、図２に示した従来の光変調器は、図１に示した本発明の第１実施形態と一見類似してはいるが、焦電効果によりｚ−カットＬＮ基板１の表面に誘起された電荷と外部回路から中心導体４ａ、４ｂ、４ｃを通じて導電層１２ａ、１２ｂ、１２ｃに供給された電荷で生成された電界に起因する光の屈折率変化を２本の光導波路２に対してほとんど同じとすることにより、２本の光導波路３ａ、３ｂを導波する光の位相差は外部から加えた電圧のみによるとする本発明の第１実施形態による光変調器とは原理が全く異なっている。
【００９８】
つまり、図１に示した本発明の第１実施形態による光変調器では、ｚ−カットＬＮ基板１の表面に発生した電荷と厚み１μｍ程度のバッファ層２の直上に誘導された反対の極性を持つ電荷とが形成する電界を均一化することが目的であるので、図２に示した従来の光変調器のギャップ１６と比較して、図１に示す本発明の第１実施形態による光変調器のギャップ１３ａ、１３ｂを広く設定することが可能である。
【００９９】
さらに、導電層の導電率についても、図２に示した従来の光変調器の構造ではＤＣバイアスあるいは低周波の電圧をギャップ１６に集中させる必要があるので、導電層１５ａ、１５ｂに高い導電率が要求される。
【０１００】
それに対し、図１に示す本発明の第１の実施形態では、焦電効果によりｚ−カットＬＮ基板１の表面に生じる電荷と反対の電荷が導電層１２ａ、１２ｂ、１２ｃにとにかく誘導されれば良いので、導電層１２ａ、１２ｂ、１２ｃの導電率がある程度低くても良い。
【０１０１】
［第２実施形態］
図３は、本発明の第２実施形態による光変調器の構成を示す断面図である。この第２実施形態では、図１に示した本発明の第１実施形態のギャップ１３ａ、１３ｂを導電層１２ａ、１２ｂ、１２ｃのみではなく、バッファ層２まで設け、バッファ層２を１８ａ、１８ｂ、１８ｃとに分割している。
【０１０２】
［第３実施形態］
図４は、本発明の第３実施形態による光変調器の構成を示す断面図である。この第３実施形態では、進行波電極として中心導体１４ａ、接地導体１４ｂを有するＡＣＰＳを用い、導電層１９ａ、１９ｂの間にギャップ２０を設けている。
【０１０３】
なお、前述のように、本発明の基本は光導波路３ａ、３ｂに均一な電界がかかるようにすることであるから、本発明の第３実施形態では、光導波路３ｂの直上の中心導体１４ａに接触する導電層１９ａは広い面積としている。
【０１０４】
［第４実施形態］
図５は、本発明の第４実施形態による光変調器の構成を示す断面図である。この第４実施形態では、図４に示した本発明の第３実施形態のギャップ２０を導電層１９ａ、１９ｂのみではなく、バッファ層２まで設けることにより、バッファ層２を４１ａ、４１ｂとに分割しているとともに、さらに、導電層４２ａ、４２ｂをｚ−カットＬＮ基板１に電気的に接触させている。
【０１０５】
これにより、本発明の第４実施形態による光変調器では、熱ドリフトと同時にＤＣドリフトも抑圧することができる。なお、導電層４２ａ、４２ｂをｚ−カットＬＮ基板１に電気的に接触させない場合には、ＤＣドリフトは生じ易いが、熱ドリフトについては抑圧することができる。
【０１０６】
［第５実施形態］
図６は、本発明の第５実施形態による光変調器の構成を示す断面図である。この第５実施形態では、第１バッファ層としてＳｉＯ２バッファ層２１ａ、２１ｂ、２１ｃを形成した後、ＤＣドリフトを抑圧するための第１の導電層２２ａ、２２ｂ、２２ｃを設けた後に、第２バッファ層２３ａ、２３ｂを設け、さらに本発明の主題である熱ドリフトを抑圧するための第２の導電層２４ａ、２４ｂ、２４ｃをギャップ２５ａ、２５ｂを介して設けている。
【０１０７】
なお、ＤＣドリフトを抑えるには、ｚ−カットＬＮ基板１の表面の抵抗を上げることが有効であり、また熱ドリフトを抑えるには光導波路３ａ、３ｂの上方に第２の導電層２４ａ、２４ｂ、２４ｃを極力広い面積で設けることにより、焦電効果による電界分布を均一にすることが有効である。
【０１０８】
そこで、熱ドリフトを抑えるための第２の導電層２４ａ、２４ｂ、２４ｃに設けたギャップ２５ａ、２５ｂは、ＤＣドリフトを抑えるための第１の導電層２２ａ、２２ｂ、２２ｃ間のギャップよりも狭く形成することが好適である。
【０１０９】
また、第２の導電層２４ａ、２４ｂ、２４ｃにギャップ２５ａ、２５ｂを設けるのと同時に、同じ程度の幅で第２のバッファ層２３ａ、２３ｂを部分的に除去してもよいことは言うまでもない。
【０１１０】
なお、熱ドリフト抑圧の効果はやや薄れるが、ギャップ２５ａ、２５ｂを、中心導体４ａに対してｚ−カットＬＮ基板１の基板表面に平行方向に対称に配置するようにしても良い。
【０１１１】
［第６実施形態］
図７は、本発明の第６実施形態による光変調器の構成を示す断面図である。この第６実施形態では、図６に示した第５実施形態において、第２バッファ層２３ａ、２３ｂと第２の導電層２４ａ、２４ｂ、２４ｃを省略するとともに、第１の導電層２２ａ、２２ｂ、２２ｃをやや広くし、第１の導電層２２ａと２２ｂに設けたギャップ２６ａと第１の導電層２２ａと２２ｃに設けたギャップ２６ｂを図６の第５実施形態の第１の導電層２２ａと２２ｂ間に設けたギャップや第１の導電層２２ａと２２ｃ間に設けたギャップよりも狭くしている。
【０１１２】
なお、この第６実施形態でも、図１に示した本発明の第１実施形態と同様に、ギャップ２６ａについては、光導波路３ａ、３ｂから最も遠くに位置するという意味で、中心導体４ａと接地導体４ｂの間のほぼ中間に設定しても良い。
【０１１３】
この場合、前述のように、ｚ−カットＬＮ基板１を用いた光変調器の場合、中心導体４ａにより光導波路３ｂが受ける位相変化量は、接地導体４ｂにより光導波路３ａが受ける位相変化量よりも大きいので、中心導体４ａと接地導体４ｂの間の中間よりも接地導体４ｂ側に近づけても良いとともに、ギャップ２６ｂは中心導体４ａと接地導体４ｃの中間よりは接地導体４ｃ側に近づけた方がより効果的である。
【０１１４】
なお、ギャップ２６ａとギャップ２６ｂは同じ大きさでなくてもよく、ギャップ２６ｂをギャップ２６ａよりも広く形成することにより、電気的ショート及びＤＣドリフトを抑制する効果がある。
【０１１５】
このような構造をとることにより、この第６実施形態による光変調器は、図６の第５実施形態による光変調器よりも特にＤＣドリフト抑圧の効果は低下するものの、光変調器をより簡単な手順により製作可能であるという特徴がある。
【０１１６】
図８は、本発明の効果を説明するために、図７に記載した本発明の第６実施形態と、この第６実施形態において導電層２２ａ、２２ｂ、２２ｃがない構造についてのＤＣバイアス電圧の温度依存性を実際に測定した結果を示す。
【０１１７】
ここで、導電層２２ａ、２２ｂ、２２ｃとしてはＳｉＯｘを用いている。この図８からわかるように、導電層２２ａ、２２ｂ、２２ｃがないと、ＤＣバイアス電圧が環境温度に大変大きく依存しているのに対し、本発明の第６実施形態のような構造をとることにより、この温度ドリフトを著しく抑圧することが可能となり、本発明の有効性を確認することができる。
【０１１８】
［第７実施形態］
図９は、本発明の第７実施形態による光変調器の構成を示す断面図である。この第７実施形態では、図７に示した第６実施形態において、第１の導電層２２ａ、２２ｂに設けたギャップ２６ａと第１の導電層２２ａ、２２ｃに設けたギャップ２６ｂを接地導体４ｂ、４ｃ側よりも中心導体４ａ側に近くなるように設けている。
【０１１９】
こうすることにより、第７実施形態による光変調器では、ギャップ２６ａと光導波路３ａとの距離が遠くなることにより、図７に示した第６実施形態による光変調器の場合よりも、接地導体４ｂとの下にある光導波路３ａへの熱ドリフトの影響を小さく抑えることができる。
【０１２０】
しかしながら、第７実施形態による光変調器では、中心導体４ａの下に設けた光導波路３ｂの熱ドリフトを抑圧する効果は小さくなるので、図７に示した第５実施形態による光変調器ほどには有効な実施形態ではない。
【０１２１】
［第８実施形態］
図１０は、本発明の第８実施形態による光変調器の構成を示す断面図である。この第８実施形態では、図１に示した第１実施形態において、導電層１２ａと導電層１２ｂとの間に設けたギャップ１３ａと、導電層１２ａと導電層１２ｃとの間に設けたギャップ１３ｂを接地導体４ｂ、４ｃ側よりも中心導体４ａ側に近くなるようにするとともに、図１中の導電層１２ａを省略した構造である。
【０１２２】
こうすることにより、この第８実施形態による光変調器は、図１に示した第１実施形態による光変調器の場合よりも、接地導体４ｂの下にある光導波路３ａへの熱ドリフトの影響は小さく抑えることができる。
【０１２３】
しかしながら、この第８実施形態による光変調器では、中心導体４ａの下に設けた光導波路３ｂの熱ドリフトを抑圧する効果は小さくなるので、図１に示した第１実施形態による光変調器ほどには有効な実施形態ではない。
【０１２４】
なお、図１０に示した構造の他、導電層１２ｂ、１２ｃを具備しつつ、中心導体４ａの直下の部分に導電層があり、かつこの導電層が導電層１２ｂ、１２ｃと絶縁されている場合も本発明の範疇に入る。
【０１２５】
［第９実施形態］
図１１は、本発明の第９実施形態による光変調器の構成を示す断面図である。この第９実施形態は、前述した図９に示される第７実施形態において、導電層２２ａを省略した構造である。
【０１２６】
この第９実施形態による光変調器の構造においても、図９に示した第７実施形態と同様に、接地導体４ｂとの下にある光導波路３ａへの熱ドリフトの影響は小さく抑えることができる。
【０１２７】
しかしながら、この第９実施形態による光変調器の構造においては、中心導体４ａの下に設けた光導波路３ｂの熱ドリフトを抑圧する効果は小さくなるので、図９に示した第７実施形態ほどには有効な実施形態ではない。
【０１２８】
なお、図１１に示した構造の他、導電層２２ｂ、２２ｃを具備しつつ、中心導体４ａの直下に導電層があり、かつこの導電層が導電層２２ｂ、２２ｃと絶縁されている場合も本発明の範疇に入る。
【０１２９】
図１０に示した第８実施形態や図１１に示した第９実施形熊では、導電層は中心導体４ａに接触せず、接地導体４ｂのみに接触させている。さて、図１に示した第１実施形態や図３に示した第２実施形態を含む本発明の各種の実施形熊において、導電層に設けたギャップを著しく接地導体側に近づける場合には、接地導体の下方にある光導波路についての温度ドリフト抑圧の効果が薄れるものの中心導体の下方にある光導波路については、温度ドリフト抑圧の効果があるので、中心導体と接地導体の間の電気的ショートを防ぐことも含め、本発明として機能する。
【０１３０】
さらに、この導電層に設けたギャップを著しく接地導体側に近づける場合には、図１０に示した第８実施形態や図１１に示した第９実施形態とは逆に、接地導体の下の導電層をなくす、つまり、接地導体を接地導体側のバッファ層の上に直接形成するようにしても良い。
【０１３１】
但し、このようにしても本発明では、図２０に示す第３の従来技術とは異なり、焦電効果による電界と熱応力による電界を打ち消し合わせるということは行わず、広い範囲を導体や導電層で覆うとともに、導電層と接地導体間のギャップは単に中心導体と接地導体の電気的ショート状態を防ぐためにのみ使用する。
【０１３２】
［第１０実施形態］
図１２は、本発明の第１０実施形態による光変調器の構成を示す断面図である。この第１０実施形態は、ｘ−カットＬＮ基板２７による光変調器に適用した場合である。図中、参照符号２８ａ、２８ｂはｘ−カットＬＮ基板２７に形成した光導波路である。
【０１３３】
なお、ｘ−カットＬＮ基板２７には焦電効果はないが、焦電効果以外の要因に起因するバイアス電圧のドリフトを抑えるために、この第１０実施形態では導電層２９ａ、２９ｂ、２９ｃを用いている。
【０１３４】
この第１０実施形態による光変調器においても、ギャップ３０ａ、３０ｂを光導波路２８ａ、２８ｂから離れた箇所に設けることにより、光導波路２８ａ、２８ｂに印加される電界を均一化するとともに、導電層２９ａ、２９ｂ、２９ｃの導電率が高くなっても電気的ショートを防ぐことができるという本発明の特徴を有している。
【０１３５】
［第１１実施形態］
図１３は、本発明の第１１実施形態による光変調器の構成を示す断面図である。この第１１実施形態は、図１２に示した本発明の第１０実施形態において、ギャップを３３ａ、３３ｂを導電層３２ａ、３２ｂ、および３２ｃのみではなく、バッファ層２にまで設け、バッファ層２をバッファ層３１ａ、３１ｂ、および３１ｃとに分割しているとともに、さらに、導電層３２ａ、３２ｂ、および３２ｃをｚ−カットＬＮ基板１に電気的に接触させている。
【０１３６】
これにより、第１１実施形態による光変調器は、ＤＣドリフトも抑圧できるとともに、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間のバッファ層をエッチング除去した本実施形態においてはバッファ層３１ａ、３１ｂ、３１ｃの間を充分に広く開けることにより、バッファ層３１ａ、３１ｂ、３１ｃやそれらの間にある空気の低い比誘電率を利用できるので、マイクロ波等価屈折率ｎｍをより低減するとともに、特性インピーダンスを外部回路により近づけることが可能となる。
【０１３７】
本実施形態では、導電層３２ａ、３２ｂ、３２ｃを用いているので、ｘ−カットＬＮ基板１の表面のほぼ全体が金属で覆われているのと同じであるので、焦電効果によるランダムな電界の発生を抑えることができ、温度ドリフトを抑圧することが可能となる。
【０１３８】
このことは、いわば、マイクロ波等価屈折率ｎｍと特性インピーダンスを温度ドリフトとは独立に設計できることを意味している。
【０１３９】
［各実施形態について］
以上における本発明の各実施形態の説明では、電気的絶縁用のバッファ層としてはＳｉＯ２膜を想定したが、これに限らずＳｉＮｘ、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ポリイミド、ＢＣＢなどその他のいかなる絶縁材料でも良い。
【０１４０】
また、導電性膜の材料として、ＳｉＯｘを想定したが、ＩＴＯなどある程度の導電性を有していればどのような材料でもよいし、Ｓｉでも使用可能であり、さらに、ＴｉやＮｉＣｒなどの金属、もしくは金属を酸化（この酸化とは金属を部分的に酸化する部分酸化も含む）して形成した金属酸化物、あるいはこれらとこれまでに述べてきたＳｉＯｘやＳｉなどの半導体との組み合わせでも良いことは言うまでもない。
【０１４１】
一般に、金属酸化物は酸化の度合いによってその導電率が大きく変化するため、適切な値の導電率を持つ導電層を再現性よく形成することは困難である。
【０１４２】
図１９に示した第２の従来技術における問題点の項において説明したように、中心導体と接地導体が導電層により電気的に接続されており、かつ酸化の度合いの制御がうまく行かずに導電層の導電率が高すぎる場合には、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃが電気的に導通状態、つまり、電気的ショート状態となり、素子が破壊されてしまうことになり、特に、金属酸化物を導電層として使用する従来技術による光変調器ではこの種の事故が多発している。
【０１４３】
ところが、本発明による光変調器では、中心導体と接地導体は導電層により接続されてはおらず、電気的に絶縁されているため、金属酸化物を導電層として使用する場合にもこうした電気的ショートに起因する素子破壊を避けることができるので、素子の製作歩留まりを著しく改善することができる。
【０１４４】
なお、金属や金属酸化物はそれらの最適厚みが数１０ｎｍと比較的薄く、それらのパターンが段切れをおこす場合があるが、ＳｉやＳｉＯｘのような半導体の場合にはそれらの厚みが１００ｎｍ程度と比較的厚く、パターンの段切れを起こしにくい。
【０１４５】
しかしながら、金属や金属酸化物はエッチングやリフトオフにより容易にパターン形成ができるが、ＳｉやＳｉＯｘのような半導体の場合には金属や金属酸化物ほどにはパターン形成が容易ではない。
【０１４６】
従って、これらのメリット・デメリットと利用可能な装置との兼ね合いを考慮して、本発明による光変調器に用いる導電層の材料を選択することが重要である。
【０１４７】
また、本発明による光変調器において、中心導体と接地導体の間のバッファ層をエッチング除去する構造の場合には、バッファ層や空気の低い比誘電率を利用することにより、マイクロ波等価屈折率ｎｍをより低減するとともに、特性インピーダンスを外部回路により近づけることができる。
【０１４８】
この場合、もし導電層を用いないとすると、温度ドリフトの発生を低減するためには中心導体と接地導体の間隔を数ミクロンと極端に小さくする必要があり、マイクロ波等価屈折率ｎｍは３以上、特性インピーダンスは２０Ω程度と光変調器としては極端に不利な特性となってしまう。
【０１４９】
ところが、本発明による光変調器では、導電層を用いているので、中心導体と接地導体の間隔、すなわちマイクロ波等価屈折率ｎｍと特性インピーダンスを温度ドリフトとは独立に設計できることになるので、進行波電極として必要な特性を満たしつつ、温度ドリフトを有効に抑えることができるという利点がある。
【０１５０】
また、本発明の各実施形態では、進行波電極の構成として１つの中心電極と広い２つの接地電極があるＣＰＷを用いて説明してきたが、各種形態の進行波電極でもよいし、マッハツェンダ光導波路を構成する２本の光導波路の各々に２つのＣＰＷや２つのＡＣＰＳの中心電極を設定する、いわゆるプッシュプル構造の進行波電極でもよい。
【０１５１】
さらに、本発明による光変調器における焦電効果に起因する動作点シフトを除去する原理は電極構造によらないので、これまでに述べた進行波電極のみならず、集中定数型電極にも適用可能である。
【０１５２】
また、本発明の各実施形態では、ｚ−カットＬＮ基板とｘ−カットＬＮ基板を主に想定して説明したが、ｙ−カットなどその他のＬＮ基板でも良いし、リチウムタンタレートなど、電気光学効果を有するその他の基板でも良いことは言うまでもない。
【０１５３】
本発明の各実施形態では、マッハツェンダ光導波路を用いる強度変調器を例にとり説明したが、マッハツェンダ光導波路の代わりに方向性結合器を用いても良いし、その他の構造でも良いとともに、高速化と低電圧化のために提案されたリッジ構造のＬＮ光変調器  （例えば、特許第２７２８１５０号）にも適用できることは言うまでもない。
【０１５４】
さらに、本発明による光変調器は、強度変調器のみならず、位相変調器や偏波スクランブラなど電気光学効果を有する基板を用いて製作した各種光変調デバイスに適用可能である。
【０１５５】
なお、本発明による光変調器は、焦電効果によって生じる電界の不均一を抑制するのに有効に作用するとともに、見かけ上焦電効果と同様に電界の不均一を生じさせる他の効果に対しても有効な抑制作用を有していることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１５６】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態による光変調器の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の本第１実施形態と類似している従来技術として、特許文献５の図３に開示されているＬＮ光変調器を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の第２実施形態による光変調器の構成を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の第３実施形態による光変調器の構成を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の第４実施形態による光変調器の構成を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の第５実施形態による光変調器の構成を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の第６実施形態による光変調器の構成を示す断面図である。
【図８】図８は、本発明の効果を説明するために、図７に記載した本発明の第６実施形態と、この第６実施形態において導電層２２ａ、２２ｂ、２２ｃがない構造についてのＤＣバイアス電圧の温度依存性を実際に測定した結果を示す図である。
【図９】図９は、本発明の第７実施形態による光変調器の構成を示す断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第８実施形態による光変調器の構成を示す断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の第９実施形態による光変調器の構成を示す断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の第１０実施形態による光変調器の構成を示す断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の第１１実施形態による光変調器の構成を示す断面図である。
【図１４】図１４は、第１の従来技術によるｚ−カットＬＮ基板を用いて構成したＬＮ光変調器の構成を示す斜視図である。
【図１５】図１５は、図１４のＡ−Ａ´における断面図である。
【図１６】図１６は、図１４および図１５の進行波電極の中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間にバイアス電圧による電界が印加された際における望ましい電気力線ＤＥＦの分布を示す図である。
【図１７】図１７は、上記第１の従来技術によるＬＮ光変調器の問題点を説明するために示す図である。
【図１８】図１８は、図１４および図１５に示されるＬＮ光変調器の動作原理を説明するために示す電圧−光出力特性曲線図である。
【図１９】図１９は、第２の従来技術として、特許文献１の第２実施例に開示されているＬＮ光変調器を示す断面図である。
【図２０】図２０は、第３の従来技術として、特許文献２に開示されているＬＮ光変調器を示す断面図である。
【図２１】図２１は、第４の従来技術として、特許文献３に開示されているＬＮ光変調器を示す断面図である。
【図２２】図２２は、第５の従来技術として、特許文献４に開示されているＬＮ変調器を示す断面図である。
【図２３】図２３は、第６の従来技術として、特許文献４に開示されているＬＮ変調器を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１５７】
１：ｚ−ｃｕｔＬＮ基板、
２：ＳｉＯ２  バッファ層、
３：光導波路、
３ａ、３ｂ：相互作用部の光導波路、
４ａ：ＣＰＷの中心導体、
４ｂ、４ｃ：ＣＰＷの接地導体、
５、６：導電層、
７ａ、７ｂ：ギャップ、
８ａ：中心導体、
８ｂ：接地導体、
９ａ、９ｂ：ＳｉＯ２  バッファ層、
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ：導電層、
１１ａ、１１ｂ：ギャップ、
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ：導電層、
１３ａ、１３ｂ：ギャップ、
１４ａ：ＡＣＰＳの中心導体、
１４ｂ：ＡＣＰＳのの接地導体、
１５ａ、１５ｂ：導電層、
１６：ギャップ、
１７：ギャップ１６に集中した電界、
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ：バッファ層、
１９ａ、１９ｂ：導電層、
２０：ギャップ、
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ：第１のバッファ層、
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ：第１の導電層、
２３ａ、２３ｂ：第２のバッファ層、
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ：第２の導電層、
２５ａ、２５ｂ：ギャップ、
２６ａ、２６ｂ：ギャップ、
２７：ｘ−ｃｕｔＬＮ基板、
２８ａ、２８ｂ：光導波路、
２９ａ、２９ｂ、２９ｃ：導電層、
３０ａ，３０ｂ、３０ｃ：ギャップ、
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ：バッファ層、
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ：導電層、
３３ａ、３３ｂ：ギャップ、
４１ａ、４１ｂ：バッファ層、
４２ａ、４２ｂ：導電層、
４０ａ、４０ｂ：ギャップ、
５０ａ、６０ａ：バッファ層、
７０ａ、７０ｂ：ギャップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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