(57)【要約】【課題】光変調器の速度整合条件を満足しつつ、かつ変調効率を改善する。【解決手段】光導波路と、この光導波路を伝搬する光を変調するための電圧を印加する変調用電極とを備えており、変調用電極に信号源と終端抵抗とが接続されている光変調器を提供する。ここで、信号源の特性インピーダンスＺｉおよび終端抵抗のインピーダンスＺｌが以下の関係を満足する（Ｚｉ＜Ｚｌ）。あるいは、信号源の特性インピーダンスＺｉおよび前記変調用電極の特性インピーダンスＺｃが以下の関係を満足する（Ｚｉ＜Ｚｃ）。【選択図】             図１
2004170931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路と、この光導波路を伝搬する光を変調するための電圧を印加する変調用電極とを備えており、前記変調用電極に信号源と終端抵抗とが接続されている光変調器であって、
前記信号源の特性インピーダンスＺｉおよび前記終端抵抗のインピーダンスＺｌが以下の関係を満足することを特徴とする、光変調器。
Ｚｉ＜Ｚｌ
【請求項２】
前記変調用電極の特性インピーダンスをＺｃとしたとき、以下の関係を満足することを特徴とする、請求項１記載の光変調器。
Ｚｉ＜Ｚｃ
【請求項３】
前記変調用電極の特性インピーダンスをＺｃとしたとき、以下の関係を満足することを特徴とする、請求項１または２記載の光変調器。
Ｚｌ＜Ｚｃ
【請求項４】
光導波路と、この光導波路を伝搬する光を変調するための電圧を印加する変調用電極とを備えており、前記変調用電極に信号源と終端抵抗とが接続されている光変調器であって、
前記信号源の特性インピーダンスＺｉ、および前記変調用電極の特性インピーダンスＺｃが以下の関係を満足することを特徴とする、光変調器。
Ｚｉ＜Ｚｃ
【請求項５】
前記終端抵抗のインピーダンスをＺｌとしたとき、以下の関係を満足することを特徴とする、請求項４記載の光変調器。
Ｚｌ＜Ｚｃ
【請求項６】
Ｚｉが50Ω以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の光変調器。
【請求項７】
電気光学材料からなり、相対向する一方の主面と他方の主面とを有する光導波路基板を備えており、前記光導波路基板に前記光導波路および前記変調用電極が設けられていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の光変調器。
【請求項８】
前記光導波路基板と接合されている保持基体を備えていることを特徴とする、請求項７記載の光変調器。
【請求項９】
前記電気光学材料の誘電率よりも低い誘電率を有する低誘電率部分を備えていることを特徴とする、請求項７または８記載の光変調器。
【請求項１０】
前記光導波路基板が、第一の肉薄部分と、前記第一の肉薄部分よりも厚さの小さい第二の肉薄部分とを備えており、前記光導波路が前記第一の肉薄部分内に設けられていることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一つの請求項に記載の光変調器。
【請求項１１】
電気光学材料からなり、相対向する一方の主面と他方の主面とを備えている基板本体、この基板本体に形成されている光導波路、および前記基板本体に設けられ、前記光導波路を伝搬する光を変調するための電圧を印加する変調用電極を備えている光変調器であって、
前記変調用電極がコプレーナ型電極配置に従って設けられており、前記変調用電極における電極間ギャップが38μｍ以下であり、前記光導波路の設置領域における前記基板本体の厚さが２０μｍ以下であることを特徴とする、光変調器。
【請求項１２】
前記基板本体に接合されている保持基体を備えていることを特徴とする、請求項１１記載の光変調器。
【請求項１３】
前記電気光学材料の誘電率よりも低い誘電率を有する低誘電率部分を備えていることを特徴とする、請求項１１または１２記載の光変調器。
【請求項１４】
前記基板本体と前記保持基体とを接合する厚さ200ミクロン以下の低誘電率層を備えていることを特徴とする、請求項１２記載の光変調器。
【請求項１５】
前記保持基体が、前記基板本体の誘電率よりも小さい誘電率を有する材料で構成されたことを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか一つの請求項に記載の光変調器。
【請求項１６】
前記保持基体が、前記基板本体の線膨張係数にあわせた線膨張係数を有する材料で構成されたことを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれか一つの請求項に記載の光変調器。
【請求項１７】
前記基板本体が、前記凹部に面する第一の肉薄部分と、前記凹部に面し、前記第一の肉薄部分よりも厚さの小さい第二の肉薄部分とを備えており、前記光導波路が前記第一の肉薄部分内に設けられていることを特徴とする、請求項１１〜１６のいずれか一つの請求項に記載の光変調器。
【請求項１８】
前記変調用電極に信号源と終端抵抗とが接続されており、前記信号源の特性インピーダンスＺｉおよび前記終端抵抗のインピーダンスＺｌが以下の関係を満足することを特徴とする、請求項１１〜１７のいずれか一つの請求項に記載の光変調器。
Ｚｉ＜Ｚｌ
【請求項１９】
前記変調用電極に信号源と終端抵抗とが接続されており、前記信号源の特性インピーダンスＺｉ、および前記変調用電極の特性インピーダンスＺｃが以下の関係を満足することを特徴とする、請求項１１〜１８のいずれか一つの請求項に記載の光変調器。
Ｚｉ＜Ｚｃ
【請求項２０】
前記変調用電極に信号源と終端抵抗とが接続されており、終端抵抗のインピーダンスをＺｌとし、前記変調用電極の特性インピーダンスをＺｃとしたとき、以下の関係を満足することを特徴とする、請求項１１〜１９のいずれか一つの請求項に記載の光変調器。
Ｚｌ＜Ｚｃ
【請求項２１】
電気光学材料からなり、相対向する一方の主面と他方の主面とを備えている基板本体、この基板本体に形成されている光導波路、および前記基板本体に設けられ、前記光導波路を伝搬する光を変調するための電圧を印加する変調用電極を備えている光変調器であって、
前記変調用電極が非対称コプレーナストリップライン型電極配置に従って設けられており、前記変調用電極における電極間ギャップが19μｍ以下であり、前記光導波路の設置領域における前記基板本体の厚さが２０μｍ以下であることを特徴とする、光変調器。
【請求項２２】
前記基板本体に接合されている保持基体を備えていることを特徴とする、請求項２１記載の光変調器。
【請求項２３】
前記電気光学材料の誘電率よりも低い誘電率を有する低誘電率部分を備えていることを特徴とする、請求項２１または２２記載の光変調器。
【請求項２４】
前記基板本体と前記保持基体とを接合する厚さ200ミクロン以下の低誘電率層を備えていることを特徴とする、請求項２２記載の光変調器。
【請求項２５】
前記保持基体が、前記基板本体の誘電率よりも小さい誘電率を有する材料で構成されたことを特徴とする、請求項２２〜２４のいずれか一つの請求項に記載の光変調器。
【請求項２６】
前記保持基体が、前記基板本体の線膨張係数にあわせた材料で構成されたことを特徴とする、請求項２２〜２５のいずれか一つの請求項に記載の光変調器。
【請求項２７】
前記基板本体が、前記凹部に面する第一の肉薄部分と、前記凹部に面し、前記第一の肉薄部分よりも厚さの小さい第二の肉薄部分とを備えており、前記光導波路が前記第一の肉薄部分内に設けられていることを特徴とする、請求項２１〜２６のいずれか一つの請求項に記載の光変調器。
【請求項２８】
前記変調用電極に信号源と終端抵抗とが接続されており、前記信号源の特性インピーダンスＺｉおよび前記終端抵抗のインピーダンスＺｌが以下の関係を満足することを特徴とする、請求項２１〜２７のいずれか一つの請求項に記載の光変調器。
Ｚｉ＜Ｚｌ
【請求項２９】
前記変調用電極に信号源と終端抵抗とが接続されており、前記信号源の特性インピーダンスＺｉおよび前記変調用電極の特性インピーダンスＺｃが以下の関係を満足することを特徴とする、請求項２１〜２８のいずれか一つの請求項に記載の光変調器。
Ｚｉ＜Ｚｃ
【請求項３０】
前記変調用電極に信号源と終端抵抗とが接続されており、終端抵抗のインピーダンスをＺｌとし、前記変調用電極の特性インピーダンスをＺｃとしたとき、以下の関係を満足することを特徴とする、請求項２１〜２９のいずれか一つの請求項に記載の光変調器。
Ｚｌ＜Ｚｃ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光変調器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）を光導波路に適用した進行波形光変調器は、優れた特性を備えており、高能率で高帯域化を達成できる可能性がある。ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムは、強誘電体として非常に優れた材料であり、電気光学定数が大きく、短い光路で光の制御が可能であるという利点を有している。進行波形光変調器の変調速度を制限する要因としては、速度不整合、分散および電極損失、誘電損失などが挙げられる。
【０００３】
本出願人は、特許文献１において、進行波形光変調器の基板の光導波路の下に肉薄部分を設け、この肉薄部分の厚さを例えば１０μｍ以下に薄くすることを開示した。これによって、酸化珪素からなるバッファ層を形成することなしに高速光変調が可能であるし、駆動電圧Ｖπと電極の長さＬとの積（Ｖπ・Ｌ）を小さくできるので、有利である。
【特許文献１】特開平１０−１３３１５９号公報
【０００４】
また、特許文献２の開示によれば、進行波型光変調器において、変調用電極の終端部のインピーダンス値Ｚｌを変調用電極の特性インピーダンス値Ｚｃよりも小さくする（Ｚｌ＜Ｚｃ）ことが記載されている。
【特許文献２】特許第３０８８９８８号号公報
【発明の開示】
【０００５】
しかし、一般に１ＧＨｚを超えるような高周波帯域では、変調用電極から変調信号を加えたときの変調効率が低く、このために高い駆動電圧が必要である。このため、速度整合条件を満足しつつ、かつ高周波帯域において変調効率を改善することが求められている。
【０００６】
本発明の課題は、光変調器の速度整合条件を満足しつつ、かつ高周波帯域において変調効率を改善できるようにすることである。
【０００７】
第一の態様に係る発明は、光導波路と、この光導波路を伝搬する光を変調するための電圧を印加する変調用電極とを備えており、変調用電極に信号源と終端抵抗とが接続されている光変調器であって、信号源の特性インピーダンスＺｉおよび終端抵抗のインピーダンスＺｌが以下の関係を満足することを特徴とする、光変調器に係るものである。
Ｚｉ＜Ｚｌ
【０００８】
また、第一の態様に係る発明は、光導波路と、この光導波路を伝搬する光を変調するための電圧を印加する変調用電極とを備えており、変調用電極に信号源と終端抵抗とが接続されている光変調器であって、信号源の特性インピーダンスＺｉ、および変調用電極の特性インピーダンスＺｃが以下の関係を満足することを特徴とする、光変調器に係るものである。
Ｚｉ＜Ｚｃ
【０００９】
本発明者は、光変調装置の全体の特性インピーダンスの配分について再検討した結果、信号源の特性インピーダンスＺｉに対して、終端抵抗のインピーダンスＺｌ、あるいは変調用電極の特性インピーダンスＺｃが大きくなるように特性インピーダンスを配分することによって、光変調器の速度整合条件を満足しつつ、かつ高周波帯域において変調効率を改善できることを見いだし、本発明に到達した。
【００１０】
図１に模式的に示すように、光変調システムは、信号源、変調器電極を備える光変調器本体、および終端抵抗を有する。従来は、信号源の特性インピーダンスＺｉが５０Ωであり、変調用電極の特性インピーダンスＺｃが40-45Ω程度であり、終端抵抗のインピーダンスＺｌが50Ω程度であった。
【００１１】
しかし、本発明者は、高周波信号を処理する光変調器について変調効率をシミュレーションしたところ、例えば、３０ＧＨｚにおける変調効率をシミュレーションしてみた。この際、Ｚｃ＝Ｚｉ＝Ｚｌとした場合の変調効率を基準とする。得られた結果を表１に示す。ここから、Ｚｃ／Ｚｉ＝１．４かつＺｌ／Ｚｉ＝１．４とした場合の変調効率は３ｄＢ高くなることがわかった。これは、Ｚｃ＝Ｚｉ＝Ｚｌとした場合に比べて０．７倍の駆動電圧で駆動可能なことを意味する。
【００１２】
一方、特許文献２におけるインピーダンス配分を適用すると、信号源のインピーダンスZiと電極の特性インピーダンスZcは同じ値で、Zc>Zlとすることとなる。これは例えば、表１のシミュレーションにおいて、Zc/Zi=1、Zl/Zi=0.6とすることに相当し、この時変調効率は1.9dB低くなる。これは、Zc=Zi=Zlとした場合と比べて変調効率は逆に低くなり、駆動電圧が増加することを意味する。
【００１３】
好適な実施形態においては、光変調器がＺｌ＜Ｚｃの関係を満足する。図２の例を参照しつつ、更に説明する。
【００１４】
図２は、変調用電極の特性インピーダンスＺｃを４０Ωに設定し、終端抵抗のインピーダンスＺｌを３０、４０、５０Ωに変更したときの光応答特性の周波数変化である。従来の光変調器においては、終端抵抗のインピーダンスＺｌが変調用電極の特性インピーダンスＺｃよりも高く（Ｚｃ＜Ｚｌ）、図２の破線に示すような特性になっていた。つまり、光応答が、低周波（例えば１ＧＨｚ周辺）からいったん大きく落ち込み、次いで周波数が高くなるのにつれて単調減少していた。また、光変調器を駆動する信号源も、周波数が高くなるのにつれて利得が単調減少する傾向がある。信号源と光変調器とを合わせたときの変調特性は、光変調器の光応答の周波数特性と、信号源の利得の周波数特性との合成となる。従って、周波数が増加するのにつれて変調特性は急激に落ち込み、１ＧＨｚ以下の低周波での変調特性と高周波での変調特性との差が大きい。この結果、変調信号の歪みが大きくなるという問題があった。
【００１５】
これに対して、終端抵抗のインピーダンスＺｌよりも変調用電極の特性インピーダンスＺｃを大きくする（Ｚｌ＜Ｚｃ）ことによって、周波数変化に対する変調信号の歪みを低減できる。例えば図２において一点鎖線の例では、Ｚｌ＝３０Ω、Ｚｃ＝４０Ωであり、終端抵抗のインピーダンスＺｌを低くしている。この場合には、まず低周波領域において光応答がいったん増大し、次いで周波数増加につれて単調減少する。これに対して、信号源での利得は、周波数増加につれて単調減少する。従って、破線で示す場合に比べて、信号源での利得の減少を相殺する効果があり、全体として変調信号の歪みを低減できる。この結果、信号源および光変調器を合わせた光変調装置全体として、従来に比べてフラットな変調特性を実現でき、変調信号を歪みを抑制することが可能となる。
【００１６】
なお、図２の例では、Ｚｌ＝３０〜５０Ω、Ｚｃ＝４０Ωの例について光応答特性を示したが、他の数値条件においてもほぼ同様の結果が得られる。
以上の検討は、信号源インピーダンスZiの値に関わらず有効である。一方、特許文献２においては、一般的なZi=50Ωについてのみ示されている。しかし、前述したとおり、Zi=50ΩとしたままZlのインピーダンス値を下げれば、分圧の法則に従い信号源における入力抵抗で相対的に大きな電圧降下が起きてしまう。このために、変調電極に印加される電圧が相対的に減少し、結果として変調効率が低下し駆動電圧が増加するという欠点があった。このため、ZiはZlあるいはもしくはかつZcより小さくすることが望ましい。
【００１７】
本発明の観点からは、信号源の特性インピーダンスＺｉと終端抵抗のインピーダンスＺｌとの差は、1Ω以上であることが好ましく、3Ω以上であることが更に好ましい。
【００１８】
ただし、信号源の特性インピーダンスＺｉが小さくなると、変調器電極と信号源でのインピーダンス不整合から反射が生じ、信号源の安定性が低下する。この観点からは、ＺｉとＺｌとの差は、30Ω以下であることが好ましい。
【００１９】
本発明の観点からは、信号源の特性インピーダンスＺｉと変調用電極の特性インピーダンスＺｃとの差は、1Ω以上であることが好ましく、3Ω以上であることが更に好ましい。
【００２０】
ただし、上記の理由から、ＺｉとＺｃとの差は、３０Ω以下であることが好ましい。
【００２１】
変調特性のフラット化という観点からは、終端抵抗のインピーダンスＺｌと変調用電極の特性インピーダンスＺｃとの差は、5Ω以上であることが好ましく、10Ω以上であることが更に好ましい。
【００２２】
また、従来の進行波形光変調器においては、信号源の特性インピーダンスＺｉは通常５０Ωに規格化されていた。しかし、本発明においては、前述のように、信号源の特性インピーダンスＺｉを、変調用電極や終端抵抗のインピーダンスよりも小さくする。この際、信号源の特性インピーダンスＺｉが５０Ωであると、変調用電極の特性インピーダンスＺｃを５０Ωよりも十分に大きくすることが、材料特性および変調器の設計の観点から難しい。このため、ＺｃとＺｉとの差を十分に大きくするという観点からは、信号源の特性インピーダンスＺｉを50Ω以下とすることが好ましく、45Ω以下とすることが更に好ましい。
【００２３】
上記した第一の態様に係る発明の各実施形態は、後述する第二の態様に係る発明において採用できるものである。
【００２４】
第二の態様に係る発明は、電気光学材料からなり、相対向する一方の主面と他方の主面とを備えている基板本体、この基板本体に形成されている光導波路、および基板本体に設けられ、光導波路を伝搬する光を変調するための電圧を印加する変調用電極を備えている光変調器であって、
変調用電極がコプレーナ型電極配置に従って設けられており、変調用電極における電極間ギャップが38μｍ以下であり、光導波路の設置領域における基板本体の厚さが２０μｍ以下であることを特徴とする。
【００２５】
このように電極間ギャップを小さくし、かつ光導波路の設置領域における基板本体の厚さを２０μｍ以下とすることによって、速度整合を実現できるのと共に、光変調器の駆動電圧を著しく低減することに成功し、本発明に到達した。
【００２６】
電極間ギャップを小さくすると、光導波路に印加される電界が強くなるので、駆動電圧を低減できることは知られている。また、基板本体の厚さを小さくすることによって、速度整合を実現可能なことも知られている（特開平１０−１３３１５９号公報参照）。しかし、本発明者は、電極間ギャップを38μｍ以下とした場合に、同時に基板本体の厚さを２０μｍ以下にすることによって、駆動電圧が相乗的に顕著に低減されることを見出した。
【００２７】
好適な実施形態では、変調用電極の電極間ギャップが38μｍ以下であり、これによって駆動電圧を一層低減できる。
【００２８】
好適な実施形態においては、基板本体に接合されている保持基体を設ける。これによって、基板本体に取り扱い可能な機械的強度を付与できる。しかし、保持基体を備えた光変調器では、低誘電率材料と変調器本体に用いる電気光学材料の熱膨張差によって内部応力が発生し、この応力に起因するクラックが電気光学結晶で発生し問題となっていた。また、この内部応力は変調動作の安定性低下も引き起こしていた。
【００２９】
この内部応力について有限要素法を用いて詳細な検討を行った結果、低誘電率材料の厚さを10μmとすれば、厚さ200ミクロンの厚さの時に比べ、低誘電率層と変調器本体基板界面で生じる応力は1/5以下となり、大幅に応力を小さくすることができる事がわかった。この結果、低誘電率材料を200ミクロン以下、さらに好ましくは150μｍ以下、もっとも好ましくは110μｍ以下に薄くすることで、内部応力を大幅に小さくできることがわかった。
【００３０】
しかし、低誘電率層を薄くすると、保持基体までしみ出す電界の割合が増加し、マイクロ波実効屈折率が上昇するために、速度整合を達成できなくなり、変調帯域が低下する。
【００３１】
しかしながら、電極間ギャップを38μｍ以下に狭くすれば、電極からの電界の広がりは小さくなり、より薄い低誘電率層で速度整合が可能となる。この結果、内部応力を低減することが可能となり、歩留まりの高い状態で光変調器を製造することが可能となる。
低誘電率層の厚みを200ミクロン以上とした光変調器では、−４０℃〜＋８０℃、１０００サイクルの熱衝撃試験に対して変調器本体基板にクラックが発生しやすいという問題があった。しかし、接着層厚を200ミクロン以下とすることで、内部応力低減を図った結果、クラックの発生が減少することを確認した。例えば、接着層の厚さを２００μｍとした時、５０個作製中クラック発生はなくなり、本発明適用による信頼性の大幅な改善を確認した。
【００３２】
好適な実施形態においては、インピーダンス整合の観点からは電極間ギャップを狭くするほど基板本体の厚さを薄くする必要がある。好ましい実施形態において光導波路の設置領域における基板本体の厚さが１５μｍ以下であり、一層好ましくは１０μｍ以下である。これによって、駆動電圧が一層低減される。
【００３３】
なお、特開平１０−１３３１５９号公報の記載では、基板の厚さを１０μｍ以下とすることは、光導波路の光損失が大きくなる傾向があるので難しいとされている。しかし、本発明者が更に検討を進めたところ、機械加工を適切に行えば、厚さ１０μｍ以下であっても光損失の小さい光導波路を形成可能なことがわかってきた。そして、このように薄い基板本体に光導波路を設けることで、駆動電圧の顕著な低減を可能とした。
【００３４】
図３、図４には、基板本体（ニオブ酸リチウム基板）の厚さ、光変調器の電極間ギャップ、および半波長電圧と電極長との積（Ｖｃｍ）の関係を示す。電極間ギャップを小さくすると、半波長電圧と電極長との積が低下する。これだけでなく、基板本体の厚さが小さくなると、半波長電圧と電極長との積が低下することが分かる。
【００３５】
また、本発明は、電気光学材料からなり、相対向する一方の主面と他方の主面とを備えている基板本体、この基板本体に形成されている光導波路、および基板本体に設けられ、光導波路を伝搬する光を変調するための電圧を印加する変調用電極を備えている光変調器であって、
変調用電極が非対称コプレーナストリップライン型電極配置に従って設けられており、変調用電極における電極間ギャップが19μｍ以下であり、光導波路の設置領域における基板本体の厚さが２０μｍ以下であることを特徴とする。
【００３６】
この発明に係る光変調器は、いわゆる非対称コプレーナストリップライン型の電極配置に適用される。この発明も上記と同様の効果を示す。ただし、電極配置が非対称コプレーナストリップラインであることから、電極間ギャップの値が半分（19μｍ以下）となっている。
【００３７】
フィードスルー部でコネクタピンと接続をするために中心電極幅を広くする、かつ、もしくは、保持基板表面に導電層をもうけて電磁波をシールドして高周波特性の改善を図ると光変調器のフィードスルー部の特性インピーダンスが低下する傾向があり、このために信号源の特性インピーダンスＺｉと合わなくなる可能性がある。このため、第二の態様に係る発明においては、基板本体の直下に、基板本体を構成する電気光学材料の誘電率よりも低い誘電率を有する低誘電率部分を設けることができる。これによって、光変調器のフィードスルー部の特性インピーダンスを向上させることができる。
【００３８】
また、第一の発明の実施形態を第二の発明に適用した場合には、さらに電極間ギャップを狭くすることができるために、さらに低駆動電圧を図ることができる。以下に詳しく説明する。
【００３９】
電極間ギャップを狭くすると同時に電極のマイクロ波特性インピーダンスも低下する。このため、従来の５０Ω系でインピーダンスマッチングを前提とした変調器の適用法ではインピーダンス不整合により低周波で変調器光応答特性が大きく落ち込み、変調帯域が大幅に減少するという欠点があった。
【００４０】
前述の通り電極間ギャップを狭くするのに伴い変調器本体の基板の厚さを薄くすることで、特性インピーダンスを50Ωへ近づけることは可能である。しかし、例えば基板厚さを３μm以下とすることは、基板強度の面、及び光導波路のモードサイズが小さくなるため光ファイバーとの結合損失が増大するために難しい。すなわち、変調器電極間ギャップの実施可能な最小値は、実質的に加工が容易で利用可能な変調器本体基板厚さの最小値に制約されていた。
【００４１】
しかし、第二の発明を適用し、インピーダンス配分を最適化することで、低特性インピーダンスの光変調器においても効率のよい変調動作を行うことができるために、電気光学基板厚さの最小値に制約されることなく、さらに電極間ギャップを狭くすることが可能となる。このため、第一の発明のみを適用した場合と比べ、さらに低駆動電圧化を実現することができる。
【００４２】
第二の態様に係る発明およびその実施形態は、上述した第一の態様に係る発明の実施の際に適用可能なものである。
【００４３】
以下、第一の態様、第二の態様に係る発明に適用可能な実施形態を更に詳細に説明する。
【００４４】
図５は、第一の態様、第二の態様において利用可能な光変調器１Ａを概略的に示す断面図である。
【００４５】
光変調器１Ａは、光導波路基板１０Ａと保持基体７とを備えている。基板本体４、基体７は共に平板形状をしている。基板本体４の一方の主面４ａの上には所定の電極２Ａ、２Ｂ、２Ｃが形成されている。本例では、いわゆるコプレーナ型（Coplanar
waveguide：ＣＰＷ電極) の電極配置を採用している。本例では、隣接する電極の間に一対の光導波路３が形成されており，各光導波路３に対して略水平方向に信号電圧を印加するようになっている。各光導波路３は、平面的に見るといわゆるマッハツェンダー型の光導波路を構成しているが、この平面的パターンそれ自体は周知であるので図示省略する。本体４の他方の主面４ｂ側には凹部４ｅが形成されており、凹部４ｅに対して、２つの第二の肉薄部分４ｄと１つの第一の肉薄部分４ｆとが面している。４ｆは一対の肉薄部分４ｄによって挟まれている。各肉薄部分４ｄの外側には基部４ｇが設けられている。
【００４６】
保持基体７の一方の主面７ａが、基板本体４の他方の主面４ｂに対して、接合層５を介して接合されている。５ａ、５ｂは接着面であり、５ｃは空隙部分６への露出面である。
【００４７】
このようなデバイスによれば、デバイス全体の強度は、比較的に肉厚な保持基体７によって保持できるので、デバイス全体に取り扱い可能な強度を付与でき、かつ基板本体４の反りも生じない。これと共に、基板本体４の肉薄部４ｆの厚さｔｗは例えば２０μｍ以下と薄くできる。これによって、電極を伝搬するマイクロ波の伝搬速度を大きくすることができ、かつ前述のように駆動電圧を低減できる。
【００４８】
図６に示す進行波形光変調器１Ｂは、光導波路基板１０Ｂと保持基体７とを備えている。保持基体７は平板状であり、かつ基板本体１４も平板状である。本例では、空隙部分６内に、基板本体１４を構成する電気光学材料の誘電率よりも低い誘電率を有する低誘電率材料９が充填されている。また、基板本体１４の一方の主面１４ａの上には所定の電極２Ａ、２Ｂ、２Ｃが形成されている。基板本体１４の主面１４ｂと保持基体７とが接合層５を介して接合されている。
【００４９】
図７の光変調器１Ｃは、光導波路基板１０Ｂ、保持基体７および両者を接合する接合層１５からなる。光導波路基板１Ｂの基板本体１４は、図６の例と同様に平板状である。基板本体１４上には、コプレーナ型の電極２Ａ、２Ｂ、２Ｃが形成されている。接合層１５の主面１５ｂが基板本体１４の主面１４ｂに接触しており、主面１５ａが保持基体７の主面７ａに接触している。
【００５０】
図８の光変調器１Ｄは、光導波路基板１０Ｃと保持基体７とを備えている。保持基体７は平板状であり、かつ基板本体２４も平板状である。基板本体２４の他方の主面２４ｂは接合層５によって保持基体７に接合されている。本例では、空隙部分６内に、基板本体２４を構成する電気光学材料の誘電率よりも低い誘電率を有する低誘電率材料９が充填されている。また、基板本体２４の一方の主面２４ａの上には所定の電極２Ｄ、２Ｅが形成されており、いわゆる非対称コプレーナストリップライン（Asymmetric
coplanar strip line：Ａ−ＣＰＳ電極) 型の電極配置を採用している。隣接する電極の間に光導波路３が形成されており，光導波路３に対して略水平方向に信号電圧を印加するようになっている。基板本体１４の厚さｔｗは、第二の態様に係る発明においては２０μｍ以下とする。
【００５１】
本発明は、いわゆる独立変調型の進行波形光変調器に対しても適用可能である。
【００５２】
好適な実施形態においては、図６、図７、図８に例示するように、少なくとも基板本体の他方の主面に対して、電気光学材料の誘電率よりも低い誘電率を有する低誘電率材料９が接触するように構成する。これによって、薄い基板本体をその他方の主面側から直接に補強することができる。低誘電率材料としては、ガラス、エポキシ系あるいはアクリル系などの接着剤、あるいは半導体製造用層間絶縁体、ポリイミドを例示できる。
【００５３】
基板本体は、強誘電性の電気光学材料、好ましくは単結晶からなる。こうした結晶は、光の変調が可能であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、ＫＴＰ、ＧａＡｓ及び水晶などを例示することができる。ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶が、特に好ましい。
【００５４】
電極は、低抵抗でインピーダンス特性に優れる材料であれば特に限定されるものではなく、金、銀、銅などの材料から構成することができる。
【００５５】
保持基体によるマイクロ波の伝搬速度への影響を最小限とするという観点からは、保持基体の材質は、電気光学単結晶の誘電率よりも低い誘電率を有する材質であることが好ましい。こうした材質としては、石英ガラス等のガラスがある。
【００５６】
基板本体の表面（一方の主面）と電極との間にはバッファ層を設けることができる。バッファ層は、酸化シリコン、弗化マグネシウム、窒化珪素、及びアルミナなどの公知の材料を使用することができる。
【００５７】
光導波路は、基板本体に形成されており、好ましくは基板本体の一方の主面側に形成されている。光導波路は、基板本体の一方の主面に直接形成されたリッジ型の光導波路であってよく、基板本体の一方の主面の上に他の層を介して形成されたリッジ型の光導波路であってよく、また基板本体の内部に内拡散法やイオン交換法によって形成された光導波路、例えばチタン拡散光導波路、プロトン交換光導波路であってよい。電極は、基板本体の一方の主面側に設けられているが、基板本体の一方の主面に直接形成されていてよく、バッファ層の上に形成されていてよい。
【００５８】
基板本体においては、特に好ましくは結晶の分極軸が基板の一方の主面（表面）と略水平である。この場合には、ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶からなるＸ板あるいはＹ板が好ましい。図５〜図８には、本発明をＸ板あるいはＹ板に適用した例について示した。
【００５９】
また、他の好適な実施形態においては、結晶の分極軸が基板の一方の主面（表面）と略垂直である。この場合には、ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶からなるＺ板が好ましい。Ｚ板を使用した場合には、光導波路は電極の直下に設ける必要があり、光の伝搬損失を低減するために、基板の表面と電極との間にはバッファ層を設けることが好ましい。
【００６０】
また、好適な実施形態においては、図５に示すように、基板本体が、凹部に面する相対的に厚さの大きい第一の肉薄部分と、凹部に面する相対的に厚さの小さい第二の肉薄部分とを備えており、光導波路が第一の肉薄部分内に設けられている。
【００６１】
光導波路基板と保持基体との接合方法は特に限定されない。好適な実施形態においては、両者を接着する。この場合には、接着剤の屈折率は、基板本体を構成する電気光学材料の屈折率よりも低いことが好ましい。これに加えて、接着剤の誘電率は、基板本体を構成する電気光学材料の誘電率よりも低いことが望ましい。
【００６２】
接着剤の具体例は、前記の条件を満足する限り特に限定されないが、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料と比較的近い熱膨張係数を有するアロンセラミックスＣ（商品名、東亜合成社製）（熱膨張係数１３×１０−６／Ｋ）を例示できる。
【００６３】
また、図５〜図８の光変調器を製造するためには、基板本体の裏面と保持基体との間に接合材のシートを介在させ、接合する。好ましくは、熱硬化性、光硬化性あるいは光増粘性の樹脂接着剤からなるシートを、基板本体の裏面と保持基体との間に介在させ、シートを硬化させる。このようなシートとしては、以下を例示できる。
３００μｍ以下のフィルム樹脂が適当であり、具体的に日立化成製のＴ−２０００、日清紡製カルボジライトフィルム、ナガセケムテック製Ａ−１４００，Ａ−１５００、Ａ−１６００がある。
【００６４】
特に、図５〜図８に示すように、平板形状の保持基体２６を使用し、基板本体と保持基体とを樹脂接着剤シートによって接着する場合には、保持基体側に凹部を形成する処理が不要であるので、極めて生産性が高い。
【実施例】
【００６５】
（製造例）
図６に示す光変調器１Ｂを製造した。例えばＸカットした３インチウエハー（ＬｉＮｂＯ３単結晶）からなる基板を使用し、チタン拡散プロセスとフォトリソグラフィー法とによって、ウエハーの表面にマッハツェンダー型の光導波路３を形成する。光導波路３のサイズは、例えば１／ｅ２で１０μｍとできる。次いで、メッキプロセスにより、ＣＰＷ電極を形成した。
【００６６】
このウエハー形状の基板本体の素材の一方の主面（表面）にレジスト膜をコーティングし、ニオブ酸リチウムからなるベース基板と熱可塑性樹脂によって貼り合わせた後、変調器基板の裏面４ｂ側に横型研磨、高速ラップ、及びポリッシング（ＣＭＰ）を施して研磨処理を行なった。基板厚さは形状測定器を用いて計測し所望の基板厚に制御した。
【００６７】
次いで、基板本体４と保持基体７との間に、厚さ50μｍのエポキシ系熱硬化型樹脂からなるシートを挟み、８０℃で加熱することによってシートを熱硬化させ、接合層５を生成させ、基板本体４と保持基体７とを接着した。この際、接合層５の内側には、シートと同じエポキシ樹脂（もしくは空気）を充填した。次に、ウエハーを定盤から取り外し、有機溶剤を用いた洗浄によってステッキワックスを除去した。ウエハーをダイシングソー加工機で切断し、各光変調器チップ１Ｂに分割した。各チップの光導波路の端面を光学研磨した。
【００６８】
（シミュレーション１）
上記の光変調器１Ｂについて、有限要素法(FEM) を用いた数値計算による実施例を行った。ここで、基板本体４の厚さｔｗを13μｍとし、中心電極幅Ｗを30  μｍとし、電極間ギャップＧを40μｍとし、低誘電率材料９の厚さＴａは十分に厚くした。得られたマイクロ波特性を用いてインピーダンスZi、Zl、Zcの大小関係を変えたときの変調効率の比較を行った。計算はIEE Proceeding Optoelrctronics, Vol. 146, No2, pp.99-104, April 1999掲載のO.MitomiほかEstimation of
frequency response for high-speed LiNbO3 optical modulators  に基づいて行った。計算例では、速度整合が達成されている信号源の特性インピーダンスＺｉは50Ωとした。Ｚｉに対する終端抵抗のインピーダンスＺｌおよび変調用電極の特性インピーダンスＺｃの比率を、表１に示すように変更した。３０ＧＨｚのマイクロ波について、Ｚｉ＝Ｚｌ＝Ｚｃの場合の変調波出力を基準として、Ｚｃ／Ｚｉ、Ｚｌ／Ｚｉを、それぞれ表１に示すように変更し、Ｚｉ＝Ｚｌ＝Ｚｃの場合の変調効率に対する変調効率の変化を計算した。この結果を表１に示す。
【００６９】
【表１】
2004170931.tif 000003
【００７０】
（シミュレーション２）
上記の光変調器１Ｂについて、有限要素法(FEM) を用いた数値計算による実施例を行った。ここで、基板本体４の厚さｔｗを13μｍとし、中心電極幅Ｗを30μｍとし、電極間ギャップＧを40μｍとし、低誘電率材料９の厚さＴａは十分に厚いとした。信号源の特性インピーダンスＺｉを50Ωとし、終端抵抗のインピーダンスＺｌおよび変調用電極の特性インピーダンスＺｃを、図２に示すように変更した。そして、０〜５０ＧＨｚの範囲内で光応答特性を計算した。この結果を図２に示す。
【００７１】
（シミュレーション３）
上記の光変調器１Ｂについて、有限要素法(FEM) を用いた数値計算による実施例を行った。ここで、中心電極幅Ｗを３０μｍとし、低誘電率材料９の厚さＴａを50μｍとした。基板本体４の厚さｔｗ、電極間ギャップＧを、図３に示すように変更した。そして低周波における半波長電圧と電極長との積を計算し、結果を図３に示す。
【００７２】
（シミュレーション４）
上記の光変調器１Ｂについて、有限要素法(FEM) を用いた数値計算による実施例を行った。ここで、中心電極幅Ｗを１０μｍとし、低誘電率材料９の厚さＴａを50μｍとした。基板本体４の厚さｔｗ、電極間ギャップＧを、図４に示すように変更した。そして低周波における半波長電圧と電極長との積を計算し、結果を図４に示す。
【００７３】
以上述べたように、本発明によれば、光変調器の速度整合条件を満足しつつ、かつ高周波帯域において変調効率を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】光変調器の等価回路図である。
【図２】Ｚｌ、Ｚｃを変更したときの光応答の周波数変化を示すグラフである。
【図３】基板本体の厚さ、電極間ギャップおよび半波長電圧と電極長との積の関係を示すグラフである。
【図４】基板本体の厚さ、電極間ギャップおよび半波長電圧と電極長との積の関係を示すグラフである。
【図５】光変調器１Ａを概略的に示す断面図である。
【図６】光変調器１Ｂを概略的に示す断面図である。
【図７】光変調器１Ｃを概略的に示す断面図である。
【図８】光変調器１Ｄを概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００７５】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ  光変調器        ２Ａ、２Ｂ、２Ｃ
コプレーナ型配置電極        ２Ｄ、２Ｅ  非対称コプレーナストリップライン型配置電極        ３  光導波路        ４、１４、２４  基板本体        ４ａ、１４ａ、２４ａ  基板本体の一方の主面        ４ｂ、１４ｂ、２４ｂ  基板本体の他方の主面        ５  低誘電率材料からなる接合層      ６  空隙部分        ７  保持基体        ９  低誘電率材料        １５  低誘電率材料からなる接合層        Ｇ  電極間ギャップ        Ｗ  中心電極幅        ｔｗ  光導波路形成領域における基板本体の厚さ        Ｚｉ  信号源の特性インピーダンス        Ｚｌ  終端抵抗のインピーダンス        Ｚｃ  変調用電極の特性インピーダンス
【図１】
2004170931.tif 000004
【図２】
2004170931.tif 000005
【図３】
2004170931.tif 000006
【図４】
2004170931.tif 000007
【図５】
2004170931.tif 000008
【図６】
2004170931.tif 000009
【図７】
2004170931.tif 000010
【図８】
2004170931.tif 000011