(57)【要約】  【課題】    高速で駆動電圧が低く、かつＤＣドリフトと温度ドリフトが小さく、製作の歩留まりが良い光変調器を提供する。  【解決手段】    電気光学効果を有するＬＮ基板１と、ＬＮ基板１に形成された光を導波するための光導波路３と、光を変調するための電圧を印加する、ＬＮ基板１の一方の面側に形成された中心導体４ａおよび接地導体４ｂ、４ｃからなる進行波電極４と、光導波路３が中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃとの間に電圧を印加することにより光の位相を変調するための相互作用光導波路３ａ、３ｂとを具備する光変調器において、基板上面の少なくとも一部分に形成された第１バッファ層３１と、第１バッファ層３１の上方に形成した導電層３２と、導電層３２の少なくとも一部の上方に形成した第２バッファ層３４とを具備し、中心導体４ａが第２バッファ層３４の上方に形成されるようにする。【選択図】  図２
2006317550.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、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる電極と、前記光導波路が前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路とを具備する光変調器において、
前記基板上面の少なくとも一部分に形成された第１バッファ層と、該第１バッファ層の上方に形成した導電層と、該導電層の少なくとも一部の上方に形成した第２バッファ層とを具備し、
前記中心導体が前記第２バッファ層の上方に形成されていることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記中心導体の下方の少なくとも一部に前記導電層がない領域があ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】
ＲＦ電気信号から見たバッファ層とＤＣバイアスから見たバッファ層の厚みが異なることを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれか一に記載の光変調器。
【請求項４】
前記導電層の少なくとも一部が前記基板に電気的に接触し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５】
前記中心導体の一部と前記導電層が電気的に接触し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】
前記中心導体の一部が、相互作用部以外であることを特徴とする請求項５に記載の光変調器。
【請求項７】
前記中心導体の一部が、ＤＣバイアス供給部であることを特徴とする請求項５に記載の光変調器。
【請求項８】
前記中心導体の一部と前記導電層が電気的に分離し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９】
前記中心導体の一部が相互作用部であることを特徴とする請求項８に記載の光変調器。
【請求項１０】
前記接地導体の少なくとも一部が前記基板に電気的に接触していることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一に記載の光変調器。
【請求項１１】
前記中心導体を介して、前記導電層にＤＣバイアスを印加することを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一に記載の光変調器。
【請求項１２】
前記中心導体を介さずに、前記導電層にＤＣバイアスを印加することを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一に記載の光変調器。
【請求項１３】
前記基板がｚカットの面方位を含む基板であることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一に記載の光変調器。
【請求項１４】
前記基板がｘカットの面方位を含む基板であることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一に記載の光変調器。
【請求項１５】
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１４のいずれか一に記載の光変調器。
【請求項１６】
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１４のいずれか一に記載の光変調器。
【請求項１７】
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１４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、高速で駆動電圧が低く、かつＤＣドリフトと温度ドリフトが小さく、製作の歩留まりが良い光変調器に関する。
【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】
本発明ではＤＣドリフトと温度ドリフトを同時に抑圧することを目的としているが、まずＤＣドリフトについて考える。
【０００５】
［第１の従来技術］
図１２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１３は、図１２のＡ−Ａ’における断面図である。
【０００６】
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。
【０００７】
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位（相互作用部と言う）における光導波路（あるいは、相互作用光導波路）、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームであり、不図示のＹ分岐光導波路などによって光導波路３を分岐したものである。
【０００８】
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。
【０００９】
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４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）ｎｏ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４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。
【００１０】
このバッファ層２は電気信号即ちマイクロ波の等価屈折率ｎｍを光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の等価屈折率ｎｏに近づけることにより、光変調帯域を拡大するという重要な働きをしている。
【００１１】
次に、このように構成されるＬＮ光変調器の動作について説明すると、このＬＮ光変調器を動作させるには、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間に直流バイアス（以下、ＤＣバイアスという）と高周波電気信号（以下、ＲＦ電気信号という）とを印加する必要がある。
【００１２】
図１４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。
【００１３】
この図１４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。
【００１４】
一般に、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間には通常５Ｖから１０ＶのＤＣバイアス電圧が印加されるが、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間のギャップが通常１０μｍから４０μｍ程度であることから、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間には数１００ｋＶ／ｍから１０００ｋＶ／ｍもの高い電界が印加されることになる。
【００１５】
このように高い電界の下では、ＳｉＯ２などの酸化物からなるバッファ層２内に誘起された電荷が移動する結果、図１４において図示破線の曲線で示すように電圧−光出力特性が図示矢印で示す方向に変化してしまうため、ＤＣバイアス点をＶｂからＶｂ’のように設定変更する必要がある。
【００１６】
そして、環境温度が一定の場合におけるこのＤＣバイアス点Ｖの変化がＤＣドリフトと呼ばれている。
【００１７】
次に、図１２および図１３に示したｚ−カット基板ＬＮ光変調器の等価回路図を図１５に示す。この図１５を用いてＤＣドリフト現象について考察する。なお、図１５では、図１２および図１３に示したｚ−カット基板ＬＮ光変調器の対称性を考慮し、左半分のみについて表している。
【００１８】
ここで、ＣＢ、ＲＢはバッファ層２の等価的なキャパシタンスと抵抗、ＣＬＮ、ＲＬＮは、それぞれ、光導波路３ａを含むｚ−カットＬＮ基板１の等価的なキャパシタンスと抵抗を表している。
【００１９】
電圧が印加された瞬間における電圧の分配はバッファ層２のキャパシタンスＣＢとＬＮ基板１のキャパシタンスＣＬＮにより決定されるが、印加された電圧は時間が経つにつれてバッファ層２の抵抗ＲＢと、ＬＮ基板１の抵抗ＲＬＮとにより分割される。
【００２０】
例えば、バッファ層２の抵抗ＲＢがＬＮ基板１の抵抗ＲＬＮよりも大きい場合には、印加した電圧の多くがバッファ層２の抵抗ＲＢに加わるので、ｚ−カットＬＮ基板１の抵抗ＲＬＮにおける電圧降下は小さくなる。
【００２１】
つまり、この場合には、ＤＣバイアス電圧Ｖｂを加えても、ｚ−カットＬＮ基板１の抵抗ＲＬＮにはあまり印加されないことにより、光導波路３ａ、３ｂには大きな印加電圧は作用していないので、ＤＣバイアス電圧Ｖｂとしてはより大きな値が必要になってくることになる。これを正のＤＣドリフトと呼んでいる。
【００２２】
この設定変更されたＤＣバイアス点Ｖｂ’が電気制御回路により制御できる範囲を超える場合には電気的に制御不可能となり、ＬＮ光変調器としての寿命が尽きたことに対応する。そのため、このＤＣドリフトを低減することは信頼性上極めて重要となる。
【００２３】
［第２の従来技術］
このＤＣドリフトを解決するために、ｚ−カットＬＮ基板については、例えば、図１６の断面図に示す構成例が第２の従来技術として特許文献１に開示されている。
【００２４】
ここで、参照符号１はｚ−カットＬＮ基板、参照符号６ａ、６ｂはＳｉＯ２バッファ層、参照符号７は厚み３０ｎｍから１００ｎｍ程度のＳｉ膜からなる導電層、参照符号８ａ、８ｂは各々中心導体と接地導体に対応する。
【００２５】
この構成例では２本の光導波路の真上のみにバッファ層６ａ、６ｂが形成され、そのバッファ層６ａ、６ｂが導電層７で覆われている。
【００２６】
しかしながら、このように中心導体８ａ、接地導体８ｂ間を導電層７によって覆う場合には、ＤＣドリフトは、ｚ−カットＬＮ基板１の基板表面に垂直な方向の導電層７の抵抗と中心導体８ａと接地導体８ｂ間における導電層７の抵抗の比により単純に決定されてしまう。
【００２７】
しかるに、通常、中心導体８ａと接地導体８ｂ間のギャップの大きさは、進行波電極としての電気的特性、即ちマイクロ波の等価屈折率ｎｍや特性インピーダンスＺから決めるべきことであるので、図１６の構成では、ＤＣドリフトの量を設計する上では自由度が少なく、一般に、上記抵抗比はＤＣドリフトを充分に抑えるには不十分である。
【００２８】
また、一般によく知られているように、導電層７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。
【００２９】
また、ＳｉやＳｉＯｘからなる導電層７の抵抗率を１０７から１０１０Ω・ｃｍに設定する必要があるが、具体的にこの値に設定するにはＳｉを堆積後、数１００℃の熱処理を行う必要がある。
【００３０】
ところが、この場合、抵抗率の制御が難しく、コストと歩留まりにおいて問題があることに加えて、導電層７の抵抗率が設計値よりも大幅に低くなった場合には、中心導体８ａと接地導体８ｂ、８ｃ間において電気的ショートが発生し、素子が破壊されてしまうという大きな問題がある。
【００３１】
［第３の従来技術］
図１７の断面図に示す構成例は、特許文献２に開示されている第３の従来技術によるｚ−カット基板ＬＮ光変調器である。
【００３２】
この第３の従来技術によるＬＮ光変調器では、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）を具備している。ＳｉＯ２バッファ層９ａ、９ｂが光導波路３ａ、３ｂをカバーするとともに、中心導体８ａと接地導体８ｂが光導波路の上方にあり、第２の従来技術の構成と同様にｚ−カットＬＮ基板１についての構造である。
【００３３】
また、図中、参照符号１０ａ、１０ｂ、１０ｃは各々導電層であり、この第３の従来技術では、導電層１０ｂを形成することにより、一対の中心導体８ａと接地導体８ｂの間に複数個の絶縁箇所（間隙）１３ａ、１３ｂを設けることを特徴としている。
【００３４】
しかしながら、この第３の従来技術では導電層１０ｂが電気的に浮いているため、導電層１０ｂに誘起される電荷が中心導体８ａと接地導体８ｂに誘起される電荷に大きく影響されるという電気的な不安定性を有している。
【００３５】
さらに、この第３の従来技術を実現するには技術的に極めて難しい問題がある。この第３の従来技術を実現するための電極作製工程では、まず２０μｍから３０μｍと厚い金メッキからなる中心導体８ａと接地導体８ｂを形成した後、全面に導電層を堆積する。次に、フォトレジストを全面に塗布した後、露光・現像により中心導体８ａと接地導体８ｂの直上と直近のフォトレジストに窓を開ける。フォトレジストに開けた窓の箇所の導電層を除去するとともに、導電層を１０ａ、１０ｂ、１０ｃと分割する。ところが、２０μｍから３０μｍもの厚みの中心導体８ａと接地導体８ｂがあると、中心導体８ａと接地導体８ｂの直上のレジストは薄く（導体のエッジ部にはフォトレジストがほとんどない箇所もある）、また中心導体８ａや接地導体８ｂと導電層が接する付近にはレジストが厚く溜まる。その結果、フォトレジストの厚みは各所で大きく異なっており、特に中心導体８ａと接地導体８ｂの近傍では精度良くパターニングすることは極めて難しく、製造の歩留まりに大きな問題があった。
【００３６】
以上、環境温度が一定の場合にＤＣバイアス電圧が変化する、いわゆるＤＣドリフトについて議論したが、次に環境温度が変化した際に最適ＤＣバイアス電圧が変化する、つまり温度ドリフトについて考察する。
【００３７】
［温度ドリフトの観点からの第１の従来技術についての考察］
図１３に示した第１の従来技術において、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の分布をＤＥＦとして図１８に示している。
【００３８】
この図１８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３ａ、３ｂ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。
【００３９】
次に、図１９を用いて上記第１の従来技術によるＬＮ光変調器の温度ドリフトの問題点について考察する。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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
ところが、図１９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。
【００４３】
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。
【００４４】
図２０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。
【００４５】
この図２０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。
【００４６】
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。
【００４７】
この温度の変化によるＤＣバイアス電圧のシフトが温度ドリフトと呼ばれているものである。
【００４８】
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。
【００４９】
なお、以下における各種の従来技術の説明においては、図１３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。
【００５０】
［第４の従来技術］
上に述べた第１の従来技術によるＬＮ光変調器における温度ドリフトの問題点を解決するために提案されたＬＮ光変調器を第４の従来技術として図２１に示す（特許文献３の第２実施例参照）。
【００５１】
この第４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１１が形成されている。
【００５２】
図２１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１１に誘起される。
【００５３】
その結果、ｚ−カットＬＮ基板１と導電層１１に誘起された電荷間の電気力線ＥＦは、図２１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。
【００５４】
つまり、この第４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１１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３ａ、３ｂにおいて同じとなり、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１１としては厚み１００ｎｍ程度のＳｉ膜とされている。
【００５５】
但し、この第４の従来技術によるＬＮ光変調器には重要な問題点が有る。図１６に示した第２の従来技術において説明したように、導電層１１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。
【００５６】
この導電層１１の導電率が低過ぎると、この第４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。
【００５７】
逆に、この導電層１１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。
【００５８】
上述したように、適切な値の導電率を持つ導電層１１を再現性よく形成することは困難であり、この第４の従来技術による温度ドリフトを抑圧できる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。
【００５９】
また、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１１が形成されている。従って、図１５に示したバッファ層２の抵抗ＲＢはそのままで、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間の抵抗が下がることになり、ＤＣドリフト抑圧の効果はないどころか、ＤＣドリフトに関しては悪い方に行くことになる。
【００６０】
［第５の従来技術］
図２２は、第５の従来技術によるＬＮ光変調器の断面図を示す（特許文献４参照）。この第５の従来技術によるＬＮ光変調器では、導電層１２の幅を有限とすることにより導電層１２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１２との間に幅ｇの間隙（以下、ギャップと呼ぶ）１３ａ、１３ｂを空け、接地導体４ａ、４ｂと導電層１２との接触を避けている。
【００６１】
この第５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２２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２１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。
【００６２】
一方、接地導体４ｂ、４ｃについては、第４の従来技術によるＬＮ光変調器と異なり、導電層１２と接触していない。換言すれば、図２２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。
【００６３】
従って、この第５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温度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５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。
【００６４】
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、この進行波電極の材料としては、一般に、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。
【００６５】
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。
【００６６】
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１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。
【００６７】
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。
【００６８】
この第５の従来技術では、導電層１２と接地導体４ｂ、４ｃの間に幅ｇのギャップ１３ａ、１３ｂ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。
【００６９】
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４ｂの下方にある光導波路３ａ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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。また、各チップについての内部応力そのものの測定も困難である。
【００７２】
その結果、この第５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１３ａ、１３ｂの幅ｇの決定には困難が伴う。
【００７３】
さらに、ギャップ１３ａ、１３ｂはフォトリソグラフィーにより実現するが、ＬＮ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。
【００７４】
さらに、進行波電極を１０μｍ以上と厚くメッキすると、前述のようにフォトリソグラフィーが極めて困難となる。
【００７５】
そのために、ギャップ１３ａ、１３ｂ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１３ａ、１３ｂ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。
【００７６】
その結果、ギャップ１３ａ、１３ｂの形成は各変調素子の温度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、温度ドリフト量は測定できない。さらに、メッキをした際に生じる応力を厚いメッキをする前に前もって推定することは困難である。
【００７７】
その結果、ギャップ１３ａ、１３ｂ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。
【００７８】
さらに、メッキが厚くなるほど、ｚ−カットＬＮ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制限されてしまう。
【００７９】
ところが、実際のＬＮ光変調器において、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。
【００８０】
従って、温度ドリフト抑圧の観点からこの第５の従来技術を実際に適用することは技術的に困難である。また、ＤＣドリフト抑圧の効果は全く持っていない。
【００８１】
［温度ドリフトの観点からの第３の従来技術についての考察］
ここで、図１７に示した第３の従来技術について、温度ドリフトの観点から考察する。
【００８２】
この第３の従来技術によるＬＮ光変調器では、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、ＳｉＯ２バッファ層９ａ、９ｂ、導電層１０ａ、１０ｂ、１０ｃを具備している。
【００８３】
また、この第３の従来技術によるＬＮ光変調器では、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１３ａ、１３ｂが形成されている。
【００８４】
また、中心導体８ａと接地導体８ｂからなる進行波電極は構造が対称な対称コプレーナストリップであるため、光導波路３ａと３ｂには均等に強い電界が印加されている。
【００８５】
ギャップ１３ａ、１３ｂ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、ＬＮ光変調器として動作させるために中心導体８ａと接地導体８ｂの間に印加したバイアス電圧の電気力線が強く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、温度ドリフトの問題の解決法としては、この第３の従来技術では不十分である。
【００８６】
［第６および第７の従来技術］
図２３は第６の従来技術によるＬＮ光変調器の断面図を示すとともに、図２４は第７の従来技術によるＬＮ光変調器の断面図を示す（特許文献５参照）。これらの第６および第７の従来技術では、ｘ−カットＬＮ基板１４に光導波路１５ａ、１５ｂが形成され、バッファ層１６ａもしくは１７ａが中心導体４ａの下にのみ形成されている。
【００８７】
図中、参照符号１８ａ、１８ｂ、もしくは１９ａ、１９ｂは中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間のギャップである。
【００８８】
これらの第６および第７の従来技術では、温度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６および第７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１４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１８ａ、１８ｂ、もしくは１９ａ、１９ｂを例えば数μｍとなるべく狭くすることが必要となる。
【００８９】
しかしながら、接地導体４ｂ、４ｃ全体がｘ−カットＬＮ基板１４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、マイクロ波等価屈折率は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、ＬＮ光変調器としては極端に不利な特性となってしまう。
【００９０】
これらの第６および第７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。さらに、ＤＣドリフト抑圧の効果は全くない。
【００９１】
［第８の従来技術］
図２５に第８の従来技術を示す（特許文献６の図３参照）。
【００９２】
この図２５に示す従来のＬＮ光変調器では、進行波電極としては中心導体２０ａ、接地導体２０ｂ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２０ａに接触した導電層２１ａと接地導体２０ｂに接触したＳｉなどの高い導電率の導電層２１ｂとの間にギャップ２２を設けている。
【００９３】
この従来のＬＮ光変調器では、高周波信号であるＲＦ電気信号に対しては誘電体と見なせるが、ＤＣおよ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２１ａ、２１ｂを使用するとともに、ギャップ２２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２２にかけている。
【００９４】
従って、この従来のＬＮ光変調器は、それらの電圧による電界２３がギャップ２２に集中する、換言すると、中心導体２０ａと接地導体２０ｂ間の電位差がほぼギャップ２２で発生しているので、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。あるいは、バイアス電圧を変化させることが生じても、その電圧変化を狭いギャップ２２にかかるようにしておき、バッファ層２の中での変化を小さくしようとする試みである。
【００９５】
しかしながら、この考え方を実現するのは原理的に難しいだけでなく、図２５に示した従来のＬＮ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２２に集中させる必要があるので、導電層２１ａ、２１ｂに高い導電率が要求される。ところがあまりに高い導電率では、特性インピーダンスが下がるなど、電気信号の特性に悪影響を及ぼすという問題も生じてしまい、製造性の観点から技術的に難しいと言える。
【００９６】
【特許文献１】特開平１−３０２３２５号公報
【特許文献２】特開平８−１４６３６７号公報
【特許文献３】特開昭６２−７３２０７号公報
【特許文献４】特開平１０−３０６４号公報
【特許文献５】特開平８−１６６５６５号公報
【特許文献６】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】
【００９７】
以上のように、従来提案されているｚ−カットＬＮ基板のＬＮ光変調器について、特許文献１では中心導体８ａと接地導体８ｂが導電層７により導通しているので、ＤＣドリフト抑圧の効果がＬＮ基板１の表面水平方向と垂直方向の幾何学的な構造で決まってしまう。
【００９８】
つまり、特許文献１に示される第２の従来技術では、マイクロ波の等価屈折率ｎｍや特性インピーダンスを決定すべき中心導体８ａと接地導体８ｂ間のギャップの大きさによりＤＣドリフト量が決まることになり、ＤＣドリフト量の設計の自由度が少ないという問題がある。
【００９９】
さらに、この第２の従来技術では、導電層７の抵抗が設計値よりも低くなった場合には電気的なショートが発生し、素子を破壊してしまう、あるいは高い温度において導電層７を熱処理する際の温度制御性、また歩留まりの点で問題がある。
【０１００】
また、特許文献２に示される第３の従来技術では、電気的に浮いた導電層１０ｂがあるため、電気的な不安定性がある。また、電界の強い領域に導電層のギャップ１３ａ、１３ｂがあるため、温度ドリフト抑圧の効果が不十分である。また、中心導体８ａと接地導体８ｂに近接して導電層のギャップ１３ａ、１３ｂを形成せねばならず、実現する上で製作上極めて困難な構造と言える。
【０１０１】
特許文献３に示される第４の従来技術では、第２の従来技術と同じく、導電層１１の抵抗が設計値よりも低くなった場合の電気的なショートや高い温度での熱処理を必要とする際の温度制御性、また歩留まりの点での問題がある。また、バッファ層２の抵抗はそのままで中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間の抵抗が下がることになるので、ＤＣドリフトは全く抑圧できないどころか、悪い方向に行ってしまうという問題がある。
【０１０２】
特許文献４に示される第５の従来技術にも大きな技術的困難がある。つまり、導電層１２に設けるギャップ１３ａ、１３ｂはフォトリソグラフィーにより実現するが、ＬＮ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。特に、進行波電極を１０μｍ以上と厚くメッキすると、前述のようにフォトリソグラフィーが極めて困難となる。また各チップについて応力の測定も困難であるため、導電層１２と接地導体４ｂ、４ｃとのギャップ１３ａ、１３ｂの決定も困難である。
【０１０３】
逆に、導電層のギャップ１３ａ、１３ｂの形成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、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に行う必要がある。
【０１０４】
ウェーハ段階でギャップを形成しようとすると、ギャップの形成は各光変調素子の温度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に光を入射することができないので、温度ドリフト量は測定できない。その結果、ギャップ１３ａ、１３ｂ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、実現は事実上困難である。またＤＣドリフト抑圧の効果は全くない。
【０１０５】
特許文献５に示される第６の従来技術と第７の従来技術では、マイクロ波の等価屈折率や特性インピーダンスの観点から適用が難しい。またＤＣドリフト抑圧の効果は極めて小さい。
【０１０６】
特許文献６に示される第８の従来技術については、まずこの考え方を実現するのは原理的に難しいだけでなく、図２５に示した従来のＬＮ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２２に集中させる必要があるので、導電層２１ａ、２１ｂに高い導電率が要求される。ところがあまりに高い導電率では、特性インピーダンスが下がるなど、光変調器としての電気信号の特性に悪影響を及ぼすという問題も生じてしまい、製造性の観点から技術的に難しいと言える。
【０１０７】
以上のように、ＤＣドリフトと温度ドリフトそのものの解決法が未だ不完全であるとともに、これらの両方を解決できる光変調器の実現が熱望されている。
【０１０８】
そこで、本発明は、以上のような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ＤＣドリフトと温度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】
【０１０９】
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、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる電極と、前記光導波路が前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路とを具備する光変調器において、前記基板上面の少なくとも一部分に形成された第１のバッファ層と、該第１のバッファ層の上方に形成した導電層と、該導電層の少なくとも一部の上方に形成した第２のバッファ層とを具備し、前記中心導体が前記第２のバッファ層の上方に形成されていることを特徴とする。
【０１１０】
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、前記中心導体の下方の少なくとも一部に前記導電層がない領域があることを特徴とする。
【０１１１】
本発明の請求項３の光変調器は、請求項１乃至請求項２に記載の光変調器において、ＲＦ電気信号から見たバッファ層とＤＣバイアスから見たバッファ層の厚みが異なることを特徴とする。
【０１１２】
本発明の請求項４の光変調器は、請求項１乃至請求項３に記載の光変調器において、前記導電層の少なくとも一部が前記基板に電気的に接触（あるいは接続ともいう）していることを特徴とする。
【０１１３】
本発明の請求項５の光変調器は、請求項１乃至請求項４に記載の光変調器において、前記中心導体の一部と前記導電層が電気的に接触していることを特徴とする。
【０１１４】
本発明の請求項６の光変調器は、請求項５に記載の光変調器において、前記中心導体の一部が、相互作用部以外であることを特徴とする。
【０１１５】
本発明の請求項７の光変調器は、請求項５に記載の光変調器において、前記中心導体の一部が、ＤＣバイアス供給部であることを特徴とする。
【０１１６】
本発明の請求項８の光変調器は、請求項１乃至請求項４に記載の光変調器において、前記中心導体と前記導電層が電気的に分離していることを特徴とする。
【０１１７】
本発明の請求項９の光変調器は、請求項１乃至請求項４に記載の光変調器において、前記中心導体の一部が相互作用部であることを特徴とする。
【０１１８】
本発明の請求項１０の光変調器は、請求項１乃至請求項９に記載の光変調器において、前記接地導体の少なくとも一部が前記基板に電気的に接触していることを特徴とする。
【０１１９】
本発明の請求項１１の光変調器は、請求項１乃至請求項１０に記載の光変調器において、前記中心導体を介して、前記導電層にＤＣバイアスを印加することを特徴とする。
【０１２０】
本発明の請求項１２の光変調器は、請求項１乃至請求項１０に記載の光変調器において、前記中心導体を介さずに、前記導電層にＤＣバイアスを印加することを特徴とする。
【０１２１】
本発明の請求項１３の光変調器は、請求項１乃至請求項１２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ることを特徴とする。
【０１２２】
本発明の請求項１４の光変調器は、請求項１乃至請求項１２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ることを特徴とする。
【０１２３】
本発明の請求項１５の光変調器は、請求項１乃至請求項１４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する。
【０１２４】
本発明の請求項１６の光変調器は、請求項１乃至請求項１４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する。
【０１２５】
本発明の請求項１７の光変調器は、請求項１乃至請求項１４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する。
【発明の効果】
【０１２６】
本発明による光変調器では、ＤＣバイアスから見たバッファ層の厚みをＲＦ電気信号から見たバッファ層の厚みよりも薄くしているので、導電層と基板との間にあるバッファ層の厚みで決定されるＤＣバイアス電圧を、中心導体や接地導体と基板との間にあるバッファ層の厚みで決定されるＲＦ電気信号電圧よりも小さくすることが可能である。
【０１２７】
一般に、ＬＮ光変調器では、中心導体と接地導体間の１０μｍから３０μｍ程度のギャップに数ＶのＤＣバイアスを印加するので、中心導体と接地導体間には数１００ＫＶ／ｍという高電界が印加されている。そのため、ＬＮ基板の中の電荷も動きやすい状態となっており、よく知られているように、光変調器としての寿命は印加するＤＣバイアス電圧に大きく依存する。
【０１２８】
本発明の構造はＤＣバイアス電圧を低減できるので、寿命を著しく伸ばすことが可能となる。また、同時に温度ドリフトも抑圧できるので、信頼性の観点から極めて有利となるという効果がある。
【０１２９】
導電層を基板に電気的に接続しているので、導電層と基板との間の抵抗は小さい。また、中心導体と接地導体の間の導電層にギャップを設けているので、中心導体と接地導体の間の抵抗は大きい。つまり、導電層と基板との間の抵抗を中心導体と接地導体の間の抵抗よりも極めて小さくすることができる。その結果、基板から導電層、結果的にバッファ層における電圧降下が非常に小さくなる。
【０１３０】
従って、本発明の光変調器によると、バッファ層における電圧降下を小さくできるので、中心導体と接地導体との間に印加された電圧のほとんどが基板、換言すると光導波路に有効に印加されるので、ＤＣドリフトを抑えることが可能となる。
【０１３１】
また、広い導電層を具備しているので温度ドリフトを抑圧しつつ、中心導体と接地導体を導電層により導通させていないため、導電層の抵抗が低い場合にも電気的ショートが発生するという問題を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１３２】
以下、本発明の実施形態について説明するが、図１２乃至図２５に示した従来技術と同一の符号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一の符号を持つ機能部の説明を省略する。
【０１３３】
［第１実施形態と第２実施形態］
図１の（ａ）〜（ｇ）は、本発明による光変調器における第１実施形態の製造工程の手順（ステップ）を示す。また、図２は本発明における第１実施形態の概略の斜視図であり、図１の（ａ）〜（ｇ）は、図２のＡ−Ａ’部における断面に対応している。
【０１３４】
（ａ）第１バッファ層３１の堆積
このステップでは、ｚ−カットＬＮ基板１にＴｉを熱拡散して製作した光導波路３ａ、３ｂを形成した後、ＳｉＯ２などの第１バッファ層３１を堆積する。
【０１３５】
（ｂ）第１バッファ層３１のエッチング
このステップでは、第１バッファ層３１を部分的にエッチングし、窓を開ける。
【０１３６】
（ｃ）導電層３２の堆積
このステップでは、エッチングしたＳｉＯ２とエッチングにより開けられたＳｉＯ２の窓から見えているｚ−カットＬＮ基板１の上に、ＳｉやＳｉＯｘからなる導電層３２を堆積する。
【０１３７】
（ｄ）導電層３２のエッチング
このステップでは、後述するステップで形成する中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間の抵抗を高めるために、導電層３２をエッチングにより部分的に除去する。３３ａ、３３ｂは第１バッファ層３１ｂ、３１ｃと導電層３２ａとの間に各々形成したギャップである。
【０１３８】
（ｅ）第２バッファ層３４の堆積
このステップでは、エッチングして形成した第１バッファ層３１ａ、３１ｂ、３１ｃと、エッチングして形成した導電層３２ａの上から、ＳｉＯ２などからなる第２バッファ層３４を堆積する。
【０１３９】
（ｆ）第２バッファ層３４のエッチング
このステップでは、第２バッファ層３４をエッチングし、ｚ−カットＬＮ基板１を部分的にむき出しにする。
【０１４０】
（ｇ）電極（中心導体４ａ、接地導体４ｂ、４ｃ）の形成
このステップでは、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃを形成する。
【０１４１】
図２は本発明における第１実施形態の概略の斜視図である。高周波電気信号であるマイクロ波の出力部におけるＢ−Ｂ’部の断面図を図３に示す（一般に、ＲＦ電気信号であるマイクロ波の入出力ポートをフィードスルー部と言う）。図３からわかるように、マイクロ波出力部において中心導体４ａは導電層３２ａに電気的に接続されており、ここから中心導体４ａを通じてＤＣバイアス電圧を導電層３２ａに供給している。なお、図１や図３では中心導体４ａを対称軸として左右対称と考え、ここでは左半分に重きを置いて図示している。但し、左右対称でなくても良い。なお、後述するように、図１や図３において接地導体４ｂ、４ｃは導電層を介してｚ−カットＬＮ基板１の間に導通しても良い。
【０１４２】
中心導体４ａを中心として左右対称でも良いし、左右対称でなくても良いというのは第１実施形態のみでなく本発明のその他の実施形態にも成り立つことは言うまでもない。
【０１４３】
図４は図２のマイクロ波の出力ポートにおけるＣ−Ｃ’での断面図である。この実施形態では、ＤＣバイアスが導電層３２ａと同時に中心導体４ａにも印加されている。なお、ｚ−カットＬＮ基板１に接している導電層３２ａと中心導体４ａは同電位であるので、第２バッファ層３４ａの上下で電位差は生じない。また、出力ポートのみでなく入力ポート側も図３の構造としても良い。
【０１４４】
図５のように、図２のＣ−Ｃ’における断面において、ＤＣバイアス供給部３６を中心導体４ａと電気的に分離した構造が本発明の第２実施形態である。この場合にも、ＤＣバイアスは導電層３２ａから供給されるが、ＤＣバイアス供給部３６と中心導体４ａは電気的に分離されているので、ＤＣバイアス供給部３６にはＤＣバイアスのみが、中心導体４ａにはＲＦ電気信号のみが印加されることになる。なお、図２のマイクロ波出力ポート部において、ＤＣバイアス供給部３６を中心導体４ａから横に引き出して別途設けておけば、ＤＣバイアスを印加するのに便利である。
【０１４５】
また、図４のようにＤＣバイアスを供給する箇所が中心導体４ａと電気的につながっていても良いし、図５のようにつながっていなくても良いというのは本発明のその他の実施形態にも成り立つ。
【０１４６】
本発明のその他の実施形態と同様に、以上の実施形態では中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間は導電層３２ａの一部が除去されている。そのため、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間は電気的に分離されており、図１６に示した第２の従来技術である特許文献１や図２１に示した第４の従来技術である特許文献３と異なり、高い抵抗を持つ。なお、図１６の第２の従来技術や図２１の第４の従来技術における導電層７や１１の抵抗は１０７〜１０１０Ω・ｃｍが好適ではあるが、本発明ではこれらとは異なり、中心導体４ａと接地導体４ｂ（あるいは４ｃ）が互いに導電層で接続しないように設計できるので、これ以外の値、例えば、より小さな抵抗値でも良いという利点がある。
【０１４７】
さらに、ＳｉＯ２などからなる第１バッファ層３１ａ、３１ｂ、３１ｃと第２バッファ層３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、特に中心導体４ａの下に配置した第１バッファ層３１ａと第２バッファ層３４ａがマイクロ波の等価屈折率ｎｍを光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の等価屈折率ｎｏに近づけるために重要な働きをする。
【０１４８】
つまり、ＲＦ電気信号から見たバッファ層の厚みは第１バッファ層３１ａ、３１ｂ、３１ｃの厚みと第２バッファ層３４ａ、３４ｂ、３４ｃの厚みの和と厚い。そのため、マイクロ波の等価屈折率ｎｍを光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の等価屈折率ｎｏに近づけることが可能となるので、高速光変調を実現できる。
【０１４９】
ところが、中心導体４ａについて考えるとＤＣバイアスとして作用する際のバッファ層の厚みは第１バッファ層３１ａの厚みのみと薄いので、ＤＣバイアス電圧を下げることが可能となる。さらに、本発明のすべての実施形態では第１バッファ層３１ａ（さらに、３１ｂ、３１ｃ）の厚みを任意に設定することにより、ＤＣバイアス電圧を所望の値に設定することができる。つまり、本発明はＲＦ電気信号の電圧とＤＣバイアス電圧を互いに独立に設定できるという設計に極めて有用な特長を持つ。
【０１５０】
例えば、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃを伝搬するＲＦ電気信号と、光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の速度整合と進行波電極４の特性インピーダンスの観点から、ＲＦ電気信号としてはバッファ層の厚みが１．４μｍ必要であるとした場合にも、その厚みを第１バッファ層３１ａと第２バッファ層３４ａの比率を任意に設定可能である。実際には、第１バッファ層３１ａの厚みは光が導電層３２ａに吸収されない程度の厚みで、かつ光変調器の周波数に応じた駆動電圧を考慮して決定すれば良いことになる。
【０１５１】
一般に、ＬＮ光変調器では、中心導体と接地導体間の１０μｍから３０μｍ程度のギャップに数ＶのＤＣバイアスを印加するので、中心導体と接地導体間には数１００ＫＶ／ｍという高電界が印加されている。そのため、ＬＮ基板の中の電荷も動きやすい状態となっており、よく知られているように、光変調器としての寿命は印加するＤＣバイアス電圧に大きく依存する。本発明の構造はＤＣバイアス電圧を低減できるので、寿命を著しく伸ばすことが可能となる。
【０１５２】
換言すると、マイクロ波特性の観点からＲＦ電気信号用として必要な厚いバッファ層をＤＣバイアス用として適用する従来技術は光変調器の寿命の観点から信頼性上厳しい構造と言える。
【０１５３】
このように、本発明では高周波的には厚いバッファ層を活用することよりマイクロ波の等価屈折率ｎｍを光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の等価屈折率ｎｏに近づけつつ、ＤＣ的には薄いバッファ層とすることにより、ＤＣバイアス電圧を低減している。
【０１５４】
さらに本実施形態では導電層３２ａを用いることにより、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃをｚ−カットＬＮ基板１に電気的に接続している。次に、このことについて考える。
【０１５５】
図６は本発明の第１実施形態と第２実施形態の光とＲＦ電気信号の相互作用部における導電層３２ａと第１バッファ層３１ａのＤＣ抵抗に関する概略の等価回路である。ここで、ＲＢ１とＲＤは各々第１バッファ層３１ａと導電層３２ａの電気的抵抗である。
【０１５６】
図６からわかるように、ＲＢ１とＲＤは電気回路的に並列連結されているので、それらの合成抵抗Ｒ合は、Ｒ合＝ＲＢ１・ＲＤ／（ＲＢ１＋ＲＤ）と表される。さて、第１バッファ層３１ａは絶縁体であるＳｉＯ２などで構成されているためその抵抗ＲＢ１は大きい。一方、導電層３２ａの抵抗ＲＤは充分に小さい（ＲＢ１＞＞ＲＤ）。従って、Ｒ合≒ＲＤとなるので、合成抵抗Ｒ合は大変小さくなる。その結果、導電層３２ａと並列連結されている、第１バッファ層３１ａにおける電圧降下も無視できるほど小さくなる。
【０１５７】
なお、この考え方は接地導体４ｂ、４ｃ側にも適用できる。つまり、接地導体４ｂ、４ｃがｚ−カットＬＮ基板１に電気的に接続しており、かつ接地導体４ｂ、４ｃの各部は同電位なので、第１バッファ層３１ｂと第２バッファ層３４ｂでの電圧降下はほとんどない。
【０１５８】
光導波路３ａ、３ｂの上部にあるバッファ層での電圧降下についての以上の考察から、ＤＣバイアス電圧は光導波路３ａ、３ｂに有効に印加されることがわかる。
【０１５９】
次に、温度ドリフトについて考える。接地導体４ｂの下方にある光導波路３ａにおける位相変調の効率は中心導体４ａの下方にある光導波路３ｂにおける位相変調の効率の約１／５である。従って、接地導体４ｂ（同時に４ｃ）の近傍に数μｍと極めて狭いギャップ３３ａを設けても大きな問題は生じないことを我々は独自に実験で見出した。
【０１６０】
つまり、ギャップ３３ａと３３ｂの箇所には導電層３２ａや導体はないが、大変狭い領域にこうした導電層や導体がなくても、温度ドリフトを充分小さくできる。従って、本発明による実施形態ではＤＣドリフトと同時に温度ドリフトの抑圧も可能となる。
【０１６１】
なお、図１の（ｇ）に示したように相互作用部においても接地導体４ｂの下には第１バッファ層３１ｂと第２バッファ層３４ｂが、また接地導体４ｃの下には第１バッファ層３１ｃと第２バッファ層３４ｃがあるが、この領域の幅（図１における左右方向の長さ）は中心導体４ａと接地導体４ｂ間の距離の数倍あれば充分であることを確認している。但し、接地導体４ｂ、４ｃの一部もしくは全部がｚ−カットＬＮ基板１に直接接触しても光変調器としての高速応答特性を損なうことはないし、ＤＣドリフトを抑圧するという本発明の効果はより一層強く実現できる。このことは図３に示すフィードスルー部においても同様に成り立つ。
【０１６２】
［第３実施形態］
図７は本発明の第３実施形態である。本実施形態では接地導体４ｂ、４ｃ側にも導電層３２ｂ、３２ｃを設けている。従って、図１から図５において議論した本発明の第１および第２実施形態において、光導波路３ｂのためのＤＣバイアス電圧を従来技術の場合よりも低減することができたように、さらに光導波路３ａについてもＤＣバイアス電圧を下げることが可能となる。その結果、光変調器としてのＤＣバイアス電圧を一層低減できるとともに、ＤＣバイアス電圧についての設計の自由度が大きくなる。
【０１６３】
［第４実施形態］
図８は本発明の第４実施形態である。本実施形態では接地導体４ｂ、４ｃ側に設けた導電層３２ｂ、３２ｃがｚ−カットＬＮ基板１の上にも伸びており、導電層３２ａ、３２ｂに設けたギャップ３３ａを接地導体４ｂの下方にある光導波路３ａから離している。先に述べたように、光導波路３ａの光変調の効率は光導波路３ｂの１／５程度であるため、ギャップ３３ａが光導波路３ａの近傍にあっても温度ドリフトに与える影響は少ないが、ギャップ３３ａを光導波路３ａから離すことにより、温度ドリフトをより一層小さくすることが可能となる。
【０１６４】
［第５実施形態］
図９は本発明の第５実施形態である。本実施形態では接地導体４ｂ、４ｃがｚ−カットＬＮ基板１の上に接触している。接地導体４ｂ、４ｃがｚ−カットＬＮ基板１に接触してもマイクロ波特性に与える影響は小さいので、ＤＣドリフトや温度ドリフトを抑えつつ光変調器として動作する。
【０１６５】
［第６実施形態］
図１０は本発明の第６実施形態である。本実施形態では光導波路３ａ、３ｂの上に導電層が存在しないように構成している。つまり、中心導体４ａ側の導電層は３２ａ’、３２ａ’’とし、窓を開けている。また、接地導体４ｂ側も導電層３２ｂに窓を開けている。これにより、Ｓｉなど半導体からなる導電層が中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間に印加されるＲＦ電気信号へ与える影響をなくすことが可能となる。なお、窓はあるとはいえ、導電層３２ａ’、３２ａ’’、３２ｂからのＤＣ電界は光導波路３ａ、３ｂにある程度は作用するので、これらの導電層３２ａ’、３２ａ’’、３２ｂがない場合よりもＤＣバイアス電圧を低減できる。また、この窓は図１０の第６実施形態のように複数個でも良いし、１個のみでも良い。
【０１６６】
［第７実施形態］
図１１は本発明の第７実施形態である。本実施形態では導電層３５に設けたギャップ３３ａ、３３ｂをなくしている。その結果、温度ドリフト特性は少し改善されるものの、図１６に示した第２の従来技術と同じく、ＤＣドリフト特性は劣化する。しかしながら、ＤＣバイアスを印加するためのバッファ層は第１バッファ層３１ａ、３１ｂであるため、バッファ層の抵抗を小さくできるので、図１６に示した第２の従来技術よりはＤＣドリフト特性を改善できる。
【０１６７】
［各実施形態について］
本発明による光変調器では、ＤＣバイアスに対するバッファ層の厚みがＲＦ電気信号に対するバッファ層の厚みよりも小さいので、ＤＣバイアス電圧を低減する、さらには任意に設計できるので、ＤＣドリフトを抑圧できる。また、広い導電層を具備しているので、温度ドリフトを低減できる。
【０１６８】
ＣＰＷ電極は１つの中心導体と２つの接地導体からなっている。中心導体と２つの接地導体の間にある導電層各々にギャップを設けることにより、本発明の効果を効率良く実現できる。中心導体と１つの接地導体、あるいは中心導体と２つの接地導体を導電層により電気的に接続した場合には、本発明による光変調器の効果を最大限には生かすことができなくはなるが、ＤＣバイアスに対するバッファ層の厚みがＲＦ電気信号に対するバッファ層の厚みと等しい従来技術と比べると著しくＤＣドリフトを抑圧でき、光変調器の寿命を格段に伸ばすことが可能となる。
【０１６９】
また、本発明による光変調器において用いる基板としてはＬＮ基板を例に用いて説明したが、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各種基板でも良いし、半導体基板でも良い。
【０１７０】
また、本発明による光変調器におけるバッファ層はＳｉＯ２、導電層はＳｉやＳｉＯｘとして説明したが、ＳｉＮｘやポリイミドなどその他の材料のバッファ層でも良いし、導電層としては、上に述べたＳｉやＳｉＯｘなどの半導体の他に、Ｔｉなどの金属やその酸化物などでも良いし、さらにはそれらの組み合わせなど、その他のいかなる材料の導電層でも良いことは言うまでもない。
【０１７１】
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。
【０１７２】
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。
【０１７３】
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で用いる導電層の材料を選択することが重要である。
【０１７４】
また、先に述べたように、各実施形態を説明する際のバッファ層や導電層、あるいは光導波路の構造として中心導体の中心に左右対称として主に説明したが、勿論、左右対称でなくても良いことは言うまでもない。
【０１７５】
さらに、進行波電極としてはＣＰＷ電極を例にとり説明したが、非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）や対称コプレーナストリップ（ＣＰＳ）などの各種進行波電極、あるいは集中定数型の電極でも良いことは言うまでもない。
【０１７６】
また、光導波路としてはマッハツェンダ型光導波路の他に、方向性結合器や直線など、その他の光導波路でも良いことは言うまでもない。
【０１７７】
また、以上の各実施形態においては、ｚ−カットの面方位を持つ基板としたが、以上に述べた各実施形態での面方位を主たる面方位とし、これらに他の面方位が副たる面方位として混在しても良いことは言うまでもないし、ｘ−カットやｙ−カットの面方位を持つ基板でも良いことは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１７８】
以上のように、本発明にかかる光変調器は、ＤＣドリフトと温度ドリフトとを同時に抑圧することを可能とし、長寿命で信頼性の高い光変調器として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１７９】
【図１】（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ、本発明の光変調器における第１実施形態と第２実施形態の製造工程の手順を示す断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態と第２実施形態の斜視図であり、フィードスルー部の構造を説明する図である。
【図３】フィードスルー部の構造であり、図２におけるＢ−Ｂ’での断面図である。また、ＤＣバイアスを印加する方法を説明する図である。
【図４】フィードスルー部の構造であり、図２におけるＣ−Ｃ’での断面図である。また、ＤＣバイアスを印加する方法を説明する図である。
【図５】フィードスルー部の構造であり、図２におけるＣ−Ｃ’での断面図である。また、ＤＣバイアスを印加する方法を説明する図である。
【図６】図１に示される本発明の第１実施形態と第２実施形態による光変調器の第１バッファ層と導電層についての抵抗の観点からの略等価回路図である。
【図７】本発明の第３実施形態による光変調器を示す断面図である。
【図８】本発明の第４実施形態による光変調器を示す断面図である。
【図９】本発明の第５実施形態による光変調器を示す断面図である。
【図１０】本発明の第６実施形態による光変調器を示す断面図である。
【図１１】本発明の第７実施形態による光変調器を示す断面図である。
【図１２】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１３】図１２のＡ−Ａ’における断面図である。
【図１４】図１２および図１３に示される第１の従来技術による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１５】図１２および図１３に示されるＬＮ光変調器について電気的な接続の様子を説明するために示す等価回路図である。
【図１６】第２の従来技術として、特許文献１に開示されているＬＮ光変調器を示す断面図である。
【図１７】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１８】図１２および図１３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１９】上記第１の従来技術によるＬＮ光変調器の温度ドリフトについての問題点を説明するために示す図である。
【図２０】上記第１の従来技術によるＬＮ光変調器の温度ドリフトについての問題点を説明するために示す電圧−光出力特性曲線図である。
【図２１】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】第５の従来技術として、特許文献４に開示されているＬＮ光変調器を示す断面図である。
【図２３】第６の従来技術として、特許文献５に開示されているＬＮ光変調器を示す断面図である。
【図２４】第７の従来技術として、特許文献５に開示されているＬＮ光変調器を示す断面図である。
【図２５】第８の従来技術として、特許文献６に開示されているＬＮ光変調器を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１８０】
１：ｚ−カットＬＮ基板（ＬＮ基板）
２：ＳｉＯ２バッファ層（バッファ層）
３：光導波路
３ａ、３ｂ：相互作用部の光導波路（相互作用光導波路、光導波路）
４：進行波電極
４ａ：中心導体
４ｂ、４ｃ：接地導体
６ａ、６ｂ：ＳｉＯ２バッファ層（バッファ層）
７：導電層
８ａ：中心導体
８ｂ：接地導体
９ａ、９ｂ：ＳｉＯ２バッファ層
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１１、１２：導電層
１３ａ、１３ｂ：導電層に設けたギャップ（間隙、ギャップ）
１４：ｘ−カットＬＮ基板
１５ａ、１５ｂ：光導波路
１６ａ、１７ａ：ＳｉＯ２バッファ層（バッファ層）
１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂ：中心導体と接地導体間に設けたギャップ（ギャップ）
２０ａ：中心導体
２０ｂ：接地導体
２１ａ、２１ｂ：導電層
２２：導電層に設けたギャップ（ギャップ）
２３：電界
３１、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ：第１バッファ層
３２、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ａ’、３２ａ’’：導電層
３３ａ、３３ｂ：導電層に設けたギャップ（ギャップ）
３４、３４ａ、３４ｂ、３４ｃ：第２バッファ層
３５：導電層
３６：ＤＣバイアス供給部
【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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【図２４】
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【図２５】
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