(57)【要約】【課題】光閉じ込め効果の高い導波路構造を備えた光変調器を提供する。【解決手段】本発明の光変調器は、光伝搬方向に延びる第１領域１１０を挟んで配置された第１電極８および第２電極９を支持する第１基板１００と、光伝搬方向に延びる第２領域２１０を挟んで配置された第３電極１０および第４電極１１を支持する第２基板２００とを備えている。第２基板２００は、第２領域２１０が第１基板１００の第１領域１１０に整合するように第１基板１００に対して固定されている。第１基板１００の第１領域１１０と第２基板２００の第２領域２１０との間には、電気光学効果を有する材料から形成された光導波路１２が設けられており、光導波路１２の両側面は、第１基板１００と第２基板２００との間に位置する空気に接している。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光伝搬方向に延びる第１領域を挟んで配置された第１電極および第２電極を含む複数の電極を支持する第１基板と、
前記光伝搬方向に延びる第２領域を挟んで配置された第３電極および第４電極を含む複数の電極を支持する第２基板であって、前記第２領域が前記第１基板の前記第１領域に整合するように前記第１基板に対して固定された第２基板と、
前記第１基板の第１領域と前記第２基板の第２領域との間に位置し、電気光学効果を有する材料から形成された光導波路と、
を備え、
前記光導波路の両側面は、前記第１基板と前記第２基板との間に位置する空気に接している、光変調器。
【請求項２】
前記光導波路は、伝搬光の真空における波長の１．５倍以下の高さを有している請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記光導波路は、前記光伝搬方向に沿って屈折率が周期的に変化する少なくとも１つの周期構造部分を含んでいる、請求項１に記載の光変調器。
【請求項４】
前記光導波路における前記周期構造部分は複数であり、複数の周期構造部分の間に共振部分が形成されている、請求項３に記載の光変調器。
【請求項５】
前記光導波路は、前記第１基板の第１領域から突出するリッジおよび前記第２基板の第２領域から突出するリッジの組み合わせによって構成されている、請求項１に記載の光変調器。
【請求項６】
前記光導波路は、前記第１基板の第１領域から突出するリッジによって構成されている、請求項１に記載の光変調器。
【請求項７】
前記第２基板の第２領域には、前記光導波路に対向する凹部が形成されている、請求項６に記載の光変調器。
【請求項８】
前記第１基板には凹部が形成されている、請求項６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、光ファイバ通信などに好適に用いられる光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光変調器は、電気信号で光を変調させる装置である。例えばデジタル信号通信の場合、光出力の有無により、「１」と「０」の二値化信号を情報列として伝送することができる。光は、屈折率が周囲（クラッド部分）よりも高められた領域（コア部分）に閉じ込められて伝搬する。このように光を伝搬させる部分は「導波路」と称されている。
【０００３】
光変調器における導波路は、電気光学効果を有する材料から形成される。導波路の近傍には、電極が設けられ、伝送したい情報に応じた電気信号が外部から電極に供給される。電極により、電気信号に応じた電圧が導波路に印加され、導波路の電気光学結晶内に電界が形成される。電気光学結晶内に所望の方位の電界が形成されると、ポッケルス効果により、結晶の屈折率がわずかに変化する。屈折率が変化すると、導波路の実効光路距離が変化するため、光の位相がシフトすることになり、光の変調を実行することが可能になる。
【０００４】
導波路が分枝したマッハツェンダー干渉計型の光変調器によれば、電極に印加する電圧により、分枝導波路間に光路差を発生させ、伝搬する光を干渉させることにより、出力光をオン／オフさせることが可能である。
【０００５】
図１（ａ）は、埋め込み型導波路を示している。基板１の表面にライン状に延びるコア層２が形成されている。コア層は、チタン拡散などの金属拡散やプロトン交換などのイオン交換により形成され、その屈折率は基板１の屈折率よりも高められている。光は、屈折率の高いコア層２に集まり、伝搬していく。コア層２の周りはクラッド層として機能する。導波路内での光の閉じ込めは、コア層２とクラッド層との境界における屈折率の差により実現する。
【０００６】
図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す構成の光伝播方向に垂直な断面図である。コア層２の中心に導波光が閉じ込められている。コア層２の上面には空気とコア層２との間の相対的に大きな屈折率差が存在するが、コア層２の側面および下面には相対的に小さな屈折率差しか存在しない。屈折率差が大きいほど、導波光はコア層２内に強く閉じ込められる。電気光学結晶の代表であるニオブ酸リチウムの屈折率は２．１４であり、空気の屈折率は約１である。
【０００７】
図１（ｃ）は、リッジ型導波路を示している。基板３の上面にリッジが形成され、リッジの上部にコア層４が形成されている。図１（ｄ）の断面図に示されるように、コア層４の上面のみならず、両側面も空気と接するため、光閉じ込め効果が向上する。
【０００８】
このような導波路を用いて光変調器を作製するには、光導波路の近傍に電極を配置し、導波路のコア層内部に電界を形成する必要がある。図２（ａ）は、電極の形成が可能な３つの位置を示している。図２（ａ）に示す電極５はリッジ導波路の真上に、電極６はリッジ導波路の側面に、電極７はリッジ導波路の側方の基板表面に位置している。図２（ｂ）に示すように、電極５、６とリッジ型導波路との間には、ＳｉＯ2やサファイアなどからなるバッファ層が設けられる。これは、電極を構成する金属と導波路とが接触していると、導波光の一部が電極に吸収され、伝送損失が生じるからである。
【０００９】
特許文献１〜３および非特許文献１〜３は、種々の光導波路構造を開示している。
【特許文献１】特開２００４−１０２１６０号公報
【特許文献２】特開平６−９５０４４号公報
【特許文献３】特開平１１−１０１９６２号公報
【非特許文献１】“The LiNbO3 Electrooptic Modulator with Four-plate Electrode” S. Somkuarnpanit Micro optics Conference ２００１、 ２４−２６ October ２００１、 Osaka、 pp.１３４−１３７
【非特許文献２】“Photonic-crystal slow-light enhancement of nonlinear phase sensitivity”J.D.Joannopoulos、 J.Opt.Soc.Am.B、 Vol.１９、 No.９、 September ２００２
【非特許文献３】“Optical Filters from Photonic Band Gap Air Bridges”J.D. Joannopoulos、 Journal of Lightwave Technology、 vol.１４、 no.１１、 November １９９６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
近年、グレーティング構造やフォトニック結晶構造を備える光導波路が注目されている。このような周期構造を導波路が備えていると、導波する光を共振させ、群速度を遅くすることができる。
【００１１】
図３（ａ）は、表面レリーフを有するグレーティング導波路、図３（ｂ）および（ｃ）は、フォトニック結晶構造を有する導波路を示している。２つの周期構造部分の間に共振する部分が設けられている。この共振部分で光が共振し、群速度が低下する。導波路を伝搬する光の群速度が低下すると、僅かな屈折率差でも光の位相を大きく変化させられることが非特許文献２に開示されている。例えば、群速度が１／１０に低下すれば、光変調器の変調部分の長さを１／１０に短縮することが可能になる。
【００１２】
しかし、最近の研究によると、周期的構造を有する導波路内に光を強く閉じ込めることが重要であることがわかってきた。非特許文献３は、図３（ｂ）に示す導波路について、光閉じ込めが弱くなると、共振強度が低下することを開示している。
【００１３】
周期構造について理想的な設計がなされていても、導波路と周りの屈折率差が小さくなれば、光の共振が生じにくくなる。光変調器の動作に必要な電極を導波路の近傍に配置すると、その配置の仕方によっては、光の閉じ込めが弱くなり、周期構造内で光の共振が生じにくくなる。したがって、図３（ａ）〜（ｃ）に示すような周期構造により光導波路内に光の共振器を形成する場合、電極の存在により、光の共振効果を低下させることなく、光の共振部分に電界を効率的に形成することが強く求められる。
【００１４】
しかし、そのような周期構造の表面に金属電極を形成しようとすると、周期構造に存在する複数の凹部内に金属が堆積されることになる。これを防ぐため、バッファ層で周期構造の表面を覆うと、前述のように、リッジ導波路の周りが空気（屈折率１）でなくなる。空気よりも屈折率の高いＳｉＯ2（屈折率１．４４６）などからバッファ層が形成されていると、ニオブ酸リチウム（屈折率：２．１３８）との間で屈折率差が小さくなり、光の閉じ込めが弱くなる。
【００１５】
本発明は、上記課題を解決するためになされ、光閉じ込め効果の高い導波路構造を備える光変調器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】
【００１６】
本発明の光変調器は、光伝搬方向に延びる第１領域を挟んで配置された第１電極および第２電極を含む複数の電極を支持する第１基板と、前記光伝搬方向に延びる第２領域を挟んで配置された第３電極および第４電極を含む複数の電極を支持する第２基板であって、前記第２領域が前記第１基板の前記第１領域に整合するように前記第１基板に対して固定された第２基板と、前記第１基板の第１領域と前記第２基板の第２領域との間に位置し、電気光学効果を有する材料から形成された光導波路とを備え、前記光導波路の両側面は、前記第１基板と前記第２基板との間に位置する空気に接している。
【００１７】
好ましい実施形態において、前記光導波路は、伝搬光の真空における波長の１．５倍以下の高さを有している。
【００１８】
好ましい実施形態において、前記光導波路は、前記光伝搬方向に沿って屈折率が周期的に変化する少なくとも１つの周期構造部分を含んでいる。
【００１９】
好ましい実施形態において、前記光導波路における前記周期構造部分は複数であり、複数の周期構造部分の間に共振部分が形成されている。
【００２０】
好ましい実施形態において、前記光導波路は、前記第１基板の第１領域から突出するリッジおよび前記第２基板の第２領域から突出するリッジによって構成されている。
【００２１】
好ましい実施形態において、前記光導波路は、前記第１基板の第１領域から突出するリッジによって構成されている。
【００２２】
好ましい実施形態において、前記第２基板の第２領域には、前記光導波路に対向する凹部が形成されている。
【００２３】
好ましい実施形態において、前記第１基板には凹部が形成されている。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、光導波路の両側面が屈折率の低い空気と接触しているため、光の閉じ込め効果が高まっている。また、４つの電極が導波路の近傍に配置され、かつ、導波路の状目や側面を覆っていないため、光閉じ込め効果を阻害することなく、導波路内に強い電界を形成することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
（実施形態１）
まず、図４を参照して、本発明による光変調器の第１の実施形態を説明する。
【００２６】
図４（ａ）に示される本実施形態の光変調器は、電気光学効果を有する材料（例えばニオブ酸リチウム）から形成された２つの基板（第１基板１００および第２基板２００）を、図４（ｂ）に示すように貼り合わせることによって作製されている。
【００２７】
第１基板１００は、図４（ｂ）に示されるように、光伝搬方向（図の紙面に垂直な方向）に延びる第１領域１１０を挟んで配置された第１電極８および第２電極９を支持している。第１基板１００の第１領域１１０には、第１基板１００と同じ材料からなるリッジ部が存在している。このリッジ部は、第１基板１００の表面に形成されたプロトン交換層からなり、光導波路１２の下半分を構成する。一方、第２基板２００は、光伝搬方向に延びる第２領域２１０を挟んで配置された第３電極１０および第４電極１１を支持している。第２基板２００の第２領域２１０にも、第２基板２００と同じ材料からなるリッジ部が存在している。このリッジ部は、第２基板２００の表面に形成されたプロトン交換層からなり、光導波路１２の上半分を構成する。
【００２８】
２つの基板１００、２００を貼り合わせるとき、第２基板２００の第２領域２１０が第１基板１００の第１領域１１０に整合するように位置合わせが行われ、第１領域１１０上のリッジ部と第２領域２１０上のリッジ部とが接触し、合体することによって光導波路１２を形成する。このようにして形成される光導波路１２は、図４（ａ）に示されるように幅Ｗ、高さｄｒを有しており、その両側面は第１基板１００と第２基板２００との間に位置する空気に接している。
【００２９】
図５は、光導波路１２の周期構造を示す透過斜視図である。図５には、光導波路１２の周りに配置された４つの電極８〜１１も記載されている。図５からわかるように、光導波路１２は、等価屈折率が光伝搬方向に沿って周期的に変化する構造を備えるリッジ型導波路である。周期構造は、高屈折率領域（プロトン交換層）と、空気からなる低屈折率領域とを交互に配列することによって形成されている。光導波路１２における周期構造の中央部には、他の位置の高屈折率領域に比べて光伝搬方向サイズが大きな欠陥部分（位相シフト）が配置されており、群速度の低減に必要な共振を引き起こすことができる。光導波路１２における各部サイズの一例は、図６に示されている。光伝搬方向に沿って定義される高屈折領域の長さｌａ、低屈折領域（空気孔）の長さｌｂ、および欠陥部分の長さは、それぞれ、例えば１７７ｎｍ、３８７ｎｍ、および３５４ｎｍに設定される。この例では、光導波路１２の高さは１０００ｎｍであり、各基板１００，２００に形成されるリッジ部の高さｄｐは、いずれも５００ｎｍに設定されている。この数値例は、光導波路１２を伝搬する光の波長λが１．５５μｍのとき、一対の高屈折率領域および低屈折領域の長さが光導波路１２内の実効的な波長の４分の１に等しくなり、ブラッグ条件を満足する。また、欠陥部分の長さ（３５４ｎｍ）は、１．５５μｍの波長を有する光の欠陥部分における実効的な波長の半分に相当することになる。言い換えると、伝播する光の波長λが１．５５μｍのとき、光導波路１２における２つの周期構造部分は「ブラッグリフレクタ」として機能するとともに、その間に位置する欠陥部分は共振器として機能する。
【００３０】
なお、電極８〜１１は、図４（ｃ）の断面図に示されるように、光導波路１２の側面および上下面を覆っておらず、光導波路１２の両側面は、空気という最も屈折率の低い媒体と接している。このため、光導波路１２の内部に効率的に光を閉じ込めることが可能になる。
【００３１】
次に、本実施形態における光変調素子を製造する方法を説明する。
【００３２】
本実施形態では、まず図７（ａ）に示すように、ニオブ酸リチウムからなる第１基板１００を用意する。次に、図７（ｂ）に示すように、第１基板１００の表面に厚さ５００ｎｍ程度の高屈折率層を形成する。高屈折率層は、例えば、イオン交換または金属拡散により、第１基板１００の表面におけるニオブ酸リチウムの屈折率を局所的に増加させることにより形成され得る。また、第１基板１００の上にニオブ酸リチウムよりも屈折率の高い材料からなる薄膜（厚さ：５００ｎｍ程度）を成長させても良い。本実施形態では、第１基板１００の表面を２３０℃程度の安息香酸中に約４０分のあいだ浸漬することによりプロトン交換を行い、厚さ５００ｎｍ程度のプロトン交換層を形成する。第１基板１００の内部において、プロトン交換が行われていない部分の屈折率は２．１３８（異常軸１５５０ｎｍ波長に対する）であるが、プロトン交換層の屈折率は２．２６２に上昇する。
【００３３】
次に、光導波路１２の空気孔として機能する複数の溝（凹部）を第１基板１００の表面に形成する。溝は、第１基板１００の表面においてリッジが形成されるべき領域を横切るように配列され、その配列パターンは、光導波路１２の周期構造を規定することになる。
【００３４】
溝は、公知のフォトリソグラフィおよびエッチング技術により形成され得る。本実施形態では、まず、第１基板１００の表面にクロムなどの金属膜をスパッタリング法により堆積する。その後、金属膜上にレジストを塗布し、電子ビーム直接描画法によってレジストをパターニングする。レジストには、第１基板１００に形成する溝の形状および位置を規定する開口部を形成する。その後、塩素系ガスを用いたドライエッチングにより、レジストの開口部を介して露出する金属膜の所定部分を除去し、更に、その金属膜をマスクとして第１基板１００の露出表面をエッチングする。エッチングは、溝の深さが５００ｎｍ程度になるまで行う。この後、レジストおよび金属膜を除去することにより、図７（ｃ）に示す溝の形成工程が完了する。
【００３５】
次に、図７（ｄ）に示すように、第１基板１００の表面をエッチングすることにより、リッジを形成する。このリッジは、光導波路１２の下半分として機能する部分である。リッジは、前述の工程によって形成した複数の溝の中央部を垂直に横切るように形成される。このリッジの形成も、公知のフォトリソグラフィおよびエッチング技術により形成され得る。本実施形態では、まず、第１基板１００の表面にフォトレジストを塗布した後、フォトレジストに対する露光・現像を行うことにより、レジストマスクを形成する。このレジストマスクは、リッジを形成すべき領域（第１領域１１０に対応）を覆い、その領域（第１領域１１０に対応）の両側に幅広の開口部を有している。次に、このレジストマスクの開口部を介して露出している第１基板１００の表面を５００ｎｍ程度の深さまでエッチングすることにより、リッジの両側に幅広の溝（凹部）を形成する。この幅広の溝の深さｄｒがリッジの高さを規定する。本実施形態では、リッジの高さｄｒをプロトン交換層の厚さに一致させ、光の閉じ込め効率を高めている。リッジの幅ｗは、光がシングルモードで伝播するように、２．５μｍに設定している。
【００３６】
次に、図７（ｅ）に示すように、リッジの両側に広がる溝の底部に一対の電極８、９を形成する。電極は、リフトオフ法などにより形成され、例えば、蒸着したアルミニウムなどの金属から構成される。電極８、９は、リッジの側面および上面を覆わないように形成される。本実施形態では、電極８、９の幅を３．２５μｍに設定している。
【００３７】
同様の方法により、第２基板２００を作製し、図７（ｆ）に示すように、第１基板１００と第２基板２００とを貼り合わせる。その際、第１基板１００のリッジ（高屈折領域）の表面が、第２基板２００のリッジ（高屈折率領域）の表面と整合し、かつ、接触するように位置合わせが行われる。
【００３８】
再び図４を参照する。上記方法により、第一基板１００と第２基板２００とを貼り合わせた後、電極８〜１１をワイヤボンディングなどの方法により、外部回路と接続する。このような外部回路との接続を容易に行うためには、第１基板１００または第２基板の裏面に複数のボンディング用パッド（不図示）を形成し、これらのパッドと電極８〜１１とを配線により接続しておくことが好ましい。
【００３９】
なお、リッジの高さが不均一であると、貼り合わせ時に両基板１００、２００のリッジ間に隙間が形成されてしまう可能性がある。このため、基板１００、２００の表面は、できるだけ平坦化されていることが好ましく、本実施形態では、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）による平坦化工程および洗浄工程を行った後、貼り合わせ工程を実行する。ＣＭＰにより、プロトン交換層の厚さも薄くなってしまうが、そのことを考慮してプロトン交換層の厚さを予め大きく設定すればよい。なお、プロトン交換層の厚さは、第１基板１００における厚さと第２基板２００における厚さの合計値が６００ｎｍ以上であれば、シングルモードの伝搬が実現する。
【００４０】
２つの基板１００、２００の電気光学結晶のｃ軸は反転している。第１基板１００の＋の面と第２基板２００の−の面が接触することになるため、２つの基板１００、２００を相互に密着させ、接合させることができる。
【００４１】
貼り合わせた後、ダイシングにより、一体化した基板１００、２００の端を切り、端面を露出させる。この露出端面を研磨し、光導波路１２に光が効率良く入射できるようにする。
【００４２】
本実施形態では、２つの基板１００、２００を貼り合わせることにより、リッジ型の光導波路１２が完成する。周期構造を形成するためのエッチングは、各々の基板１００、２００の主面に対して垂直な方向に行えばよく、そのエッチングによって形成する凹凸の段差は、公知の方法でリッジ型導波路を１つの基板に形成する場合に比べて半減する。電気光学効果を有する材料は、単結晶シリコンなどの半導体材料に比べ、アスペクト比の高い周期構造をエッチングによって形成することが格段に難しいため、貼り合わせ技術は極めて有益である。貼り合わせ技術を用いると、例えば５００ｎｍの深さの２つの周期構造を重ね合わせることにより、１μｍの深さの周期構造を得ることができるからである。
【００４３】
光変調素子の４つの電極８〜１１に電圧を印加したとき、光導波路１２にどのような電界が形成されるかを有限要素法による静電界シミュレーションで検討した。シミュレーションの結果を図８に示す。
【００４４】
電極のつなぎ方や、電圧のかけ方により、集中定数型、進行波形、共振型などが考えられる。電流は高周波でも、その瞬間は、静電界として仮定してシミュレーションを行った。４つ電極があるため、その電圧のかけ方は複数ある。
【００４５】
図２に示す電極６のように、リッジの両側面に電極を形成した場合に、リッジ導波路内に形成できる電界は最も強くなる。リッジ高さが１μｍのとき、リッジの両側面の電極に１Ｖの電位が与えられる場合を考える。この場合に導波路内に形成される電界の合計強度をＥ0Ｖ／ｍとする。この電界強度を基準値として、本実施形態における導波路内の電界強度を評価する。
【００４６】
図８（ａ）、（ｃ）、（ｅ）は、それぞれ、電気力線と等電位線を示し、図８（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）は、それぞれ、電極に与えた電圧の正負を示している。いずれの例でも、各電極の幅（図面中横方向のサイズ）は３．２５μｍに設定している。
【００４７】
図８（ａ）、（ｂ）は、リッジ型光導波路の両側の第１基板１００のみに電極８、９を形成した比較例に関している。電極の個数が２つであるため、光導波路内には横方向の電界が形成される（Ｅ≫Ｅｙ）。図８（ａ）に示す電界分布は、電極８に＋１Ｖ、電極９に−１Ｖの電位を与えたときに得られる。光導波路内の電界は、横方向に０．３２Ｅ0Ｖ／ｍの大きさを有している。これは、上述した基準値Ｅ0の３２％程度の大きさでしかない。
【００４８】
図８（ｂ）に示す例では、光導波路と電極との間にバッファ層を形成する必要は無いが、光導波路内に形成される電界の強度が小さいという欠点がある。電界強度を高めるため、電極面積を広くするか印加電圧を高めると、消費電力が増大するという問題が生じるほか、複数の光変調器を近接配置した場合に、１つの光変調素子から隣接する他の光変調素子に電界が漏洩するという問題も生じるため、好ましくない。
【００４９】
図８（ｄ）および図８（ｆ）に示す構成例は、いずれも、本実施形態の光変調素子に関している。図８（ｄ）の例では、４つの電極８〜１１のうち、電極８、９には＋１Ｖの電位を与え、電極１０、１１には−１Ｖの電位を与えている。このとき、光導波路内の縦方向電界の強度は０．８Ｅ0Ｖ／ｍとなる。これは、基準値Ｅ0の８０％の大きさである。
【００５０】
本実施形態では、光導波路の真下および真上に電極が存在していないが、図８（ｄ）に示すように上側の２つの電極と下側の２つの電極の逆極性の電位を与えることにより、光導波路内に縦方向の強い電界を形成することができる。このように電圧を印加する場合、基板１００、２００の結晶光学上のＺ軸は光導波路内に形成される縦方向電界の向きと一致させることが好ましい。
【００５１】
図８（ｆ）の例では、４つの電極８〜１１のうち、電極８、１０には＋１Ｖの電位を与え、電極９、１１には−１Ｖの電位を与えている。この場合、光導波路内の横方向電界の強度は０．５Ｅ0Ｖ／ｍとなる。本実施形態では、光導波路の量側面上に電極が存在していないが、図８（ｆ）に示すように左側の２つの電極と右側の２つの電極に逆極性の電位を与えることにより、光導波路内に横方向の強い電界を形成することができる。このように電圧を印加する場合、基板１００，２００の結晶光学上のＺ軸は光導波路内に形成される横方向電界の向きと一致させることが好ましい。
【００５２】
このように本実施形態では、中空部を介して対向する平行な一対の上下電極がリッジ型光導波路の両側に対称的に配置され、これら４つの電極に囲まれた空間の中央に導波路に存在している。このような電極構成を採用することにより、光導波路の内部には局所的に充分に強い電界が形成されるとともに、電界の向きを横方向および縦方向のいずれにも設定することが可能になる。
【００５３】
基板材料としてニオブ酸リチウムを用いる場合、第１基板１００と第２基板２００との間で結晶軸を適切な方位に整合させる必要がある。さらに、導波路内に形成する電界の方向に屈折率が変化するように結晶軸を選択する。
【００５４】
本実施形態では、上下の基板１００、２００の間に形成された中空部がリッジ型光導波路の両側面と対向しているため、中空部内の空気（屈折率：約１）と光導波路の側面との間に大きな屈折率差が生じている。このため、電極がリッジ型光導波路の側面に設けられる従来例に比べ、光を光導波路内に強く閉じ込めることが可能になる。このような中空部は、リッジ型光導波路に沿って基板表面に平行に延びるため、本発明で採用する基板貼り合わせ法以外の方法では形成することが極めて困難である。
【００５５】
本実施形態では、図２（ｂ）に示すようなバッファ層をリッジ導波路の表面に設ける必要がなくなる。仮に、図２（ｂ）の構成において、バッファ層を取り除き、リッジ導波路の表面に直接に電極を形成した場合の問題点を考察する。
【００５６】
図９（ａ）は、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板の表面に形成されたコア層の上面に金属アルミニウムが堆積された構成を示している。コア層は、プロトン交換によって屈折率が高められた領域であり、その厚さは１μｍに設定している。コア層とＬＮ基板との間にある屈折率差は、０．１２４となる。
【００５７】
図９（ａ）の構造から、アルミニウム電極に光が吸収されることを考慮して、光損失を計算した結果を図９（ｂ）に示す。アルミニウム電極による単位長さあたりの吸収損失であり、横軸はコア層の厚さである。図９（ｂ）からわかるように、コア層の厚さが小さいほど、吸収損失が急激に増加する。
【００５８】
本発明における導波路はシングルモードの光を伝送するため、コア層の厚さは０．１〜５．０μｍ（本実施形態では１μｍ）に設定される。このとき、上記の結果から、損失はＴＥ基本モードで２１２ｄＢ／ｃｍ、ＴＭ基本モードで２９３００ｄＢ／ｃｍであることがわかる。
【００５９】
リッジ型光導波路の上面ではなく、２つの側面にアルミニウム電極を接触させる場合は、図９（ａ）の構造の下のＬＮ基板をアルミニウムに置き換え、ＴＥモードをＴＭモードと置き換えた場合と実質的に等価である。このような置き換えを行った場合、ＴＥモードの損失がＴＭよりも大きくなる。この損失は、コア層を薄くするほど（リッジの幅を狭くするほど）、急激に増加する。
【００６０】
本実施形態では、図４（ｂ）に示すように第１基板１００に形成したリッジの高さと第２基板２００に形成したリッジの高さが略等しいが、これらのリッジ高さの組み合わせは任意である。極端な場合、一方の基板のリッジの高さはゼロであってもよい。
【００６１】
（実施形態２）
次に、図１０（ａ）〜（ｃ）を参照して、本発明による光変調素子の第２の実施形態を説明する。
【００６２】
本実施形態の光変調素子では、第１基板１００の第１領域１１０には、最終的に形成される光導波路の高さｄｒに等しい高さのリッジが形成されている。一方、第２基板２００の第２領域２１０には、第１基板１００のリッジの上面に対向する凹部（溝）２２０が形成されている。このため、第１基板１００に第２基板２００を貼り合わせると、光導波路１２の上方に中空部（空洞）が形成されることになる。
【００６３】
前述の実施形態では、図４（ｃ）に示すように、リッジ型光導波路の両側面と空気との間に存在する屈折率差により、光導波路１２内への光の閉じ込めを行うことができるが、光導波路１２の上下方向の閉じ込めは、基板内におけるプロトン交換層と非交換領域との間の屈折率差に依存している。この屈折率差は小さいため、光導波路１２の上下方向における光閉じ込めは相対的に小さい。これを改善するには、本実施形態のように、一方の基板（本実施形態では第２基板２００）に凹部２２０を形成しておけば、貼り合わせ後に中空の溝が導波路１２の上面に接して形成されることになる。
【００６４】
第２基板２００に形成する凹部２２０の幅Ｗ’は、第１基板１００に形成するリッジの幅Ｗと同程度に設定されることが好ましい。この幅Ｗ’が広すぎると、第２基板２００上の電極１０、１１と導波路１２との間のギャップが大きくなりすぎるため、好ましくない。
【００６５】
第２基板２００に形成する凹部２２０の深さは、光導波路の閉じ込め効果を高めるという観点から、１０ｎｍ以上に設定することが好ましい。凹部２２０は導波路の電界が及ぶ領域よりも深くに形成する必要がないため、凹部２２０の好ましい深さは１０〜５００ｎｍ程度である。
【００６６】
図１１に、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｔｉｍｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ法）によるシミュレーション結果を示すグラフであり、横軸は光の波長（μｍ）、縦軸は共振部分（図６）における光の強度（単位任意）である。「空気」と記載されている曲線が、図１２（ａ）に示す光導波路についての計算結果を示している。一方、「ＳｉＯ2」と記載されている曲線は、図１２（ｂ）に示されている空気の部分がＳｉＯ2ですべて埋められた構造についての計算結果を示している。
【００６７】
光導波路の周りが空気であるかＳｉＯ2であるかに応じて実効屈折率が変化するため、光導波路内の周期構造を最適化して共振強度を計算した。図１１からわかるように、共振強度は、光導波路の周りに空気が広く存在する場合、ＳｉＯ2などの屈折率が空気よりも高い材料が存在する場合に比べて向上する。
【００６８】
なお、図１３は、図１２（ａ）に示す導波路内にシングルモードの電磁界が形成されている様子を示している。導波路の幅Ｗを変化させてシュミレーションを行ったところ、図１２（ａ）の構成によれば、導波路幅Ｗが２．５μｍ以上８μｍ以下の広い範囲でシングルモードが実現されたが、図１２（ｂ）の構成では、シングルモードは実現しなかった。
【００６９】
本実施形態では、第１基板１００のリッジによって光導波路を構成し、かつ、第２基板２００に凹部を設けているが、第１基板１００と第２基板２００とを反対に配置しても良い。すなわち、第２基板２００のリッジによって光導波路を構成し、第１基板１００に凹部を設けてもよい。
【００７０】
（実施形態３）
次に、図１４（ａ）〜（ｃ）を参照して、本発明による光変調素子の第３の実施形態を説明する。
【００７１】
本実施形態の光変調素子では、第１基板１００の第１領域１１０には、最終的に形成される光導波路の高さｄｒに等しい高さのリッジが形成されているだけではなく、裏面には深い凹部（深溝）１２０が形成され、リッジの下方における基板部分の厚さが減じられている。第２基板２００の第２領域２１０には、実施形態２における場合と同様に、第１基板１００のリッジの上面に対向する凹部（溝）２２０が形成されている。
【００７２】
第１基板１００の裏面に形成される凹部１２０の幅は、表面に形成されているリッジの幅よりも大きいことが好ましい。このような深い凹部１２０を形成するためには、リッジ下方の基板部分の厚さｄｂが０．１〜５μｍ程度になるまで第１基板１００の裏面から基板材料を除去してゆく必要がある。第１基板１００の厚さが５００μｍを超える場合、エッチングにより、このように深い凹部１２０を形成することは長時間を要することになる。このため、第１基板１００の裏面にダイヤモンドミリングを行うか、あるいは、エッチング前に第１基板１００の裏面にイオン注入による犠牲層を形成しておくことが好ましい。
【００７３】
第１基板１００の裏面に形成する凹部１２０のサイズは、第１基板１００のサイズに近くてもよい。また、形成する凹部１２０の形状も任意であり、図１４に示すように断面が台形状であることが好ましい。凹部１２０は、光導波路の周期構造を構成する凹凸に比べてアスペクト比が小さいため、第１基板１００がニオブ酸リチウムなどの結晶から形成されていても、加工が可能である。
【００７４】
リッジ下方の基板部分の厚さｄｂを６００ｎｍ以下にすれば、光閉じ込め効果が向上するため、好ましい。
【００７５】
本実施形態では、図１４（ｃ）に示すように、導波路の周りが空気に囲まれた構造（Ａｉｒ Ｂｒｉｄｇｅ構造）に近い構造が実現している。このことは、光導波路と外部との間に生じる大きな屈折率差に基づき、完全反射による強い光閉じ込めを実現することが可能になる。
【００７６】
本実施形態では、第１基板１００の裏面に凹部１２０を設けているが、第１基板１００と第２基板２００とを反対にしてもよい。ただし、基板裏面に形成する凹部は、２つの貼り合わせ基板のうち、リッジが形成される側の基板の裏面に形成する。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の光変調器は、光閉じ込め効果が高く、光ファイバ通信などに好適に用いられる。また、本発明によれば、複数の電極に与える電位により、所望の方位の屈折率を変化させることができるため、リッジ導波路を伝搬する光の偏光を変調することも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】（ａ）は、埋め込み型導波路の斜視図、（ｂ）は、（ａ）の導波路光の伝搬方向に垂直な面で切った断面図、（ｃ）は、リッジ型導波路の斜視図、（ｄ）は、（ｃ）の導波路光の伝搬方向に垂直な面で切った断面図である。
【図２】（ａ）は、図１（ｃ）のリッジ導波路に形成され得る電極の配置を示す斜視図であり、（ｂ）は、その断面図である。
【図３】（ａ）は、表面レリーフブラッググレーティング型共振器を示す斜視図であり、（ｂ）は、穴型フォトニック結晶共振器の斜視図であり、（ｃ）は、フォトニック結晶共振器の斜視図である。
【図４】（ａ）から（ｃ）は、本発明の実施形態１の光変調器を示す断面図である。
【図５】実施形態１の光変調器の構成を示す透過斜視図である。
【図６】実施形態１の光変調器の周期構造を示す図である。
【図７】（ａ）から（ｆ）は、実施形態１の光変調器の製造方法を示す斜視図である。
【図８】（ａ）、（ｃ）、（ｅ）は、リッジ導波路およひ周辺に形成される静電界分布の様子を示す図であり、（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）は、電極に与えられる電圧の正負を示す図である。
【図９】（ａ）は、アルミニウムからなる電極がコア層上に設けられた導波路構造を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の構造について得られる光伝播損失とコア層厚さとの関係を示すグラフである。
【図１０】（ａ）から（ｃ）は、本発明の実施形態２の光変調器を示す断面図である。
【図１１】波長（μｍ）と光強度（任意単位）の共振強さとの関係を示すグラフである。
【図１２】（ａ）は、実施形態２の断面構成を示す図であり、（ｂ）は、比較例の断面構成を示す図である。
【図１３】図１１（ａ）の導波路で得られるシングルモードの電界強度分布を示す図である。
【図１４】（ａ）から（ｃ）は、本発明の実施形態３の光変調器を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７９】
１  基板
２  埋め込み導波路
３  基板
４  リッジ導波路とその上表面にできたコア層
５  リッジの上表面に配置された電極
６  リッジの側面に配置された電極
７  リッジの横の基板に配置された電極
８  リッジの左上に配置する電極
９  リッジの右上に配置する電極
１０  リッジの左下に配置する電極
１１  リッジの右下に配置する電極
１２  周期構造を持つリッジ導波路
１００  第１基板
２００  第２基板
【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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