(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基板１と、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、基板の一方の面側に形成された中心導体４ａ及び接地導体４ｂ、４ｃからなる電極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導電層３１と、第１導電層３１の上方に形成した第２導電層３２とを具備し、中心導体４ａが第２導電層３２の上方に形成される。【選択図】  図２
2007071896.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導電層と、該第１導電層の上方に形成した第２導電層とを具備し、
前記中心導体が前記第２導電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】
前記第１導電層が前記光導波路の上方に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】
前記第１導電層、前記第２導電層の少なくとも一方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２に記載の光変調器。
【請求項４】
前記第１導電層と前記第２導電層と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３に記載の光変調器。
【請求項５】
前記第２導電層の導電率が前記第１導電層の導電率と等しいことを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の光変調器。
【請求項６】
前記第１導電層の導電率が前記第２導電層の導電率よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の光変調器。
【請求項７】
前記第１導電層の導電率が前記第２導電層の導電率よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の光変調器。
【請求項８】
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４導電層と、該第４導電層の上方に形成した第１導電層と、該第１導電層の上方に形成した第２導電層とを具備し、
前記中心導体が前記第２導電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９】
前記第１導電層が前記光導波路の上方に形成されてい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】
前記第１導電層と前記第２導電層、及び前記第４導電層のうち、少なくとも２つが電気的に接触していることを特徴とする請求項８乃至請求項９に記載の光変調器。
【請求項１１】
前記第１導電層の導電率と前記第２導電層の導電率、及び前記第４導電層の導電率の少なくとも２つが等しいことを特徴とする請求項８乃至請求項１０に記載の光変調器。
【請求項１２】
前記第１導電層の導電率と前記第２導電層の導電率、及び前記第４導電層の導電率の少なくとも２つが互いに異なることを特徴とする請求項８乃至請求項１１に記載の光変調器。
【請求項１３】
前記第４導電層の厚みが前記第１導電層の厚みよりも薄いことを特徴とする請求項８乃至請求項１２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６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７は、図６のＡ−Ａ’における断面図である。
【０００６】
図中、１はｚ−カットＬＮ基板、２はＳｉＯ２バッファ層、３は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、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、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、また中心導体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を低減し相互作用光導波路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、さらに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ＳｉＯ２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を相互作用光導波路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８に示す電圧−光出力特性において、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８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との間には通常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との間には数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８において破線の曲線で示すように電圧−光出力特性が矢印で示す方向に変化してしまうため、ＤＣバイアス電圧を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バイアス電圧Ｖの変化がＤＣドリフトと呼ばれている。
【００１７】
次に、図６及び図７に示したｚ−カット基板ＬＮ光変調器の等価回路図を図９に示す。この図９を用いてＤＣドリフト現象について考察する。なお、図９では、図６及び図７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ＳｉＯ２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、相互作用光導波路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ＳｉＯ２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ＳｉＯ２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、ＳｉＯ２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、相互作用光導波路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バイアス電圧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１０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、１はｚ−カットＬＮ基板、６ａ、６ｂはＳｉＯ２バッファ層、７は厚み３０ｎｍから１００ｎｍ程度のＳｉ膜からなる導電層、８ａ、８ｂは各々中心導体と接地導体に対応する。この構成例では２本の相互作用光導波路の真上のみにＳｉＯ２バッファ層６ａ、６ｂが形成され、そのＳｉＯ２バッファ層６ａ、６ｂが導電層７で覆われている。
【００２５】
この第２の従来技術の原理と問題点、及び課題を説明するために、相互作用光導波路３ａに着目した拡大図を図１１に示す。なお、以下のことは相互作用光導波路３ｂについても同じことが言える。
【００２６】
Ｓｉのような導電層７の中においては中心導体８ａに印加したＤＣバイアス電圧による電界強度（図１１に示した導電層７の中における電界Ｅ１の大きさ）は小さい。電圧は電界と距離との積であるから、図１１に示したＳｉＯ２バッファ層６ａの厚みＤに相当する導電層７での電圧降下Ｅ１・Ｄも小さいことになる。つまり、この第２の従来技術では、ＳｉＯ２バッファ層６ａの厚みＤにおける電圧降下Ｅ１・Ｄが小さいので、ＳｉＯ２バッファ層６ａ内における電圧降下も小さいとするものである。
【００２７】
ところが、確かにその導電性のために導電層７の中での電界Ｅ１の強度は小さいが、実際にはＳｉＯ２バッファ層６ａ内において電界の強度は一定ではなく、分布している。つまり、一般に電界の接線成分は異なる媒質の境界において連続なので、図１１に示した電界Ｅ２、つまり導電層７との境界におけるＳｉＯ２バッファ層６ａの内での電界の強度も小さいが、ＳｉＯ２バッファ層６ａ内でも導電層７との境界から離れた領域では電界Ｅ３の強度が大きくなる。そのため、ＳｉＯ２バッファ層６ａの厚みＤに相当する電圧降下Ｅ３・Ｄは大きな値となり、結果的にＤＣドリフトを生じてしまう。
【００２８】
さらに、不都合なことには、電界Ｅ３が存在する領域、つまりＳｉＯ２バッファ層６ａと導電層７との境界から最も離れた領域はちょうど相互作用光導波路３ａの中心の直上である。相互作用光導波路３ａを伝搬する光の強度が最も強い領域で電圧降下が生じるので、大きなＤＣドリフトを発生してしまう。なお、わかりやすくするために、図１１では電界Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３の大小関係を矢印の長さで表現している。
【００２９】
そのため、ＳｉＯ２バッファ層６ａに起因するＤＣドリフトを抑圧するためには、ＳｉＯ２バッファ層６ａと導電層７との境界から離れた領域におけるＥ３のような電界の強度を小さくすることが不可欠となる。
【００３０】
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。
【００３１】
［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７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１２に示している。
【００３２】
この図１２からわかるように、２本の相互作用光導波路３ａ、３ｂを横切る電気力線の向きは逆向きであるため、マッハツェンダ光導波路３では２本の相互作用光導波路３ａ、３ｂを導波する光の位相をπずらすことにより、光のＯＦＦ状態を実現するのがマッハツェンダ光導波路を用いる光変調器の原理であった。
【００３３】
次に、図１３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。
【００３４】
さらに、この第１の従来技術によるＬＮ光変調器では、ＳｉＯ２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。
【００３５】
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及び接地導体４ｂ、４ｃに誘起された電荷との間に電気力線ＥＦが生じる。
【００３６】
ところが、図１３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。
【００３７】
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。
【００３８】
図１４に示す電圧−光出力特性において、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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
［温度ドリフトの観点からの第２の従来技術についての考察］
以上のように、温度ドリフトは焦電効果に起因する電荷が不均一に分布することにより生じるが、第１の従来技術と同じく、図１５に示すように第２の従来技術においても、z−カットＬＮ基板１の上には導電層７や絶縁媒質であるＳｉＯ２バッファ層６ａなどの不均質な媒質がある。その結果、焦電効果によりz−カットＬＮ基板１に誘起される電荷ＴＥＣに対応して、不均質な分布の電荷ＴＥＧが誘起されるためにＥＧで示される電気力線はランダムになる。つまり、ＳｉＯ２バッファ層６ａや導電層７の中における電界の不均一性から非常に大きな温度ドリフト特性を持つ。
【００４３】
上に述べた第１の従来技術や第２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。
【００４４】
なお、以下における各種の従来技術の説明においては、図７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。
【００４５】
［第３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３の従来技術として図１６に示す（特許文献２の第２実施例参照）。
【００４６】
この第３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。
【００４７】
図１６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。
【００４８】
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１６に示すように一様となり、相互作用光導波路３ａ、３ｂをランダムな電気力線が横切ることはなくなる。
【００４９】
つまり、この第３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本の相互作用光導波路３ａ、３ｂにおいて同じとなり、２本の相互作用光導波路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。
【００５０】
ところが、この第３の従来技術は図７に示した第１の従来技術に導電層１１を設けただけであり、ＤＣドリフトの解決の対策は施されていない。また、ＳｉＯ２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。よく知られているようにこの構造では極めて大きなＤＣドリフトが発生する。
【００５１】
［第４の従来技術］
図１７は、第４の従来技術によるＬＮ光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４ｂ、４ｃと導電層１２との接触を避けている。
【００５２】
この第４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の下方にある相互作用光導波路３ｂに印加される電界については、図１７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１６に示した第３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。
【００５３】
一方、接地導体４ｂ、４ｃについては、第３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１７の接地導体４ｂの下方にある、すなわち領域Ａにある相互作用光導波路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。
【００５４】
従って、この第４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４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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
この第４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。
【００６０】
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の下方にある相互作用光導波路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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
その結果、この第４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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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相互作用光導波路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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
従って、温度ドリフト抑圧の観点からこの第４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。
【特許文献１】特開平１−３０２３２５号公報
【特許文献２】特開昭６２−７３２０７号公報
【特許文献３】特開平１０−３０６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００７２】
特許文献１に示される第２の従来技術はＳｉＯ２バッファ層６ａ、６ｂの中での電界が不均一に分布しており、ＤＣドリフトが生じるとともに、焦電効果に起因する温度ドリフトについては誘起される電荷の分布が不均一であるため、極めて大きな温度ドリフトが生じるという問題がある。
【００７３】
特許文献２に示される第３の従来技術は、極めて大きなＤＣドリフトを発生する第１の従来技術に導電層１１を形成しただけであり、ＤＣドリフトの問題は解決されていない。また、ＳｉＯ２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。
【００７４】
特許文献３に示される第４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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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】
【００７９】
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導電層と、該第１導電層の上方に形成した第２導電層とを具備し、前記中心導体が前記第２導電層の上方に形成されていることを特徴とする。
【００８０】
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、前記第１導電層が前記光導波路の上方に形成されていることを特徴とする。
【００８１】
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、前記第１導電層、前記第２導電層の少なくとも一方が前記基板に電気的に接触していることを特徴とする。
【００８２】
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、前記第１導電層と前記第２導電層とが電気的に接触していることを特徴とする。
【００８３】
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、前記第２導電層の導電率が前記第１導電層の導電率と等しいことを特徴とする。
【００８４】
本発明の請求項６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、前記第１導電層の導電率が前記第２導電層の導電率よりも小さいことを特徴とする。
【００８５】
本発明の請求項７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、前記第１導電層の導電率が前記第２導電層の導電率よりも大きいことを特徴とする。
【００８６】
本発明の請求項８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４導電層と、該第４導電層の上方に形成した第１導電層と、該第１導電層の上方に形成した第２導電層とを具備し、前記中心導体が前記第２導電層の上方に形成されていることを特徴とする。
【００８７】
本発明の請求項９の光変調器は、請求項８に記載の光変調器において、前記第１導電層が前記光導波路の上方に形成されていることを特徴とする。
【００８８】
本発明の請求項１０の光変調器は、請求項８乃至請求項９に記載の光変調器において、前記第１導電層と前記第２導電層、及び前記第４導電層のうち、少なくとも２つが電気的に接触していることを特徴とする。
【００８９】
本発明の請求項１１の光変調器は、請求項８乃至請求項１０に記載の光変調器において、前記第１導電層の導電率と前記第２導電層の導電率、及び前記第４導電層の導電率の少なくとも２つが等しいことを特徴とする。
【００９０】
本発明の請求項１２の光変調器は、請求項８乃至請求項１１に記載の光変調器において、前記第１導電層の導電率と前記第２導電層の導電率、及び前記第４導電層の導電率の少なくとも２つが互いに異なることを特徴とする。
【００９１】
本発明の請求項１３の光変調器は、請求項８乃至請求項１２に記載の光変調器において、前記第４導電層の厚みが前記第１導電層の厚みよりも薄いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００９２】
請求項１に記載の光変調器では、基板の上面に第１導電層を形成し、その上方に第２導電層を形成する。第１導電層と第２導電層の中におけるＤＣバイアス電圧の電圧降下が小さくなるので、ＤＣドリフトを抑えることができる。また、第１導電層や第２導電層の中に誘起される電荷が均一に分布するので温度ドリフトも抑圧できる。
【００９３】
請求項２に記載の光変調器では、光のパワーが強い光導波路の上に第１導電層を形成するので、ＤＣドリフトや温度ドリフトの抑圧効果が大きい。
【００９４】
請求項３に記載の光変調器では、第１導電層と第２導電層の少なくとも一方が基板に電気的に接触しているので、ＤＣドリフトの抑圧効果が大きいし、温度ドリフトも有効に抑えることが可能となる。
【００９５】
請求項４に記載の光変調器では、第１導電層と第２導電層とが電気的に接触している。そのため、第１導電層の中の電界と、第１導電層と第２導電層の境界付近における第２導電層側の電界と等しくなりやすく、ＤＣドリフト抑圧に効果的である。さらに第１導電層と第２導電層の内部の電荷の分布が一様となるので温度ドリフトも有効に抑えることが可能となる。
【００９６】
請求項５に記載の光変調器では、第１導電層と第２導電層との導電率が等しく、第１導電層の材料をより光の吸収が小さな材料とすることにより、光導波路における光の伝搬損失の増加を抑えつつ、ＤＣドリフトと温度ドリフトを有効に抑えることが可能となる。
【００９７】
請求項６に記載の光変調器では、第１導電層の導電率が第２導電層の導電率よりも小さい。一般に、導電層におけるドーパントは光の吸収を伴うので、光導波路の直上にある第１導電層の導電率を下げることにより光導波路における光の伝搬損失の増加を抑えることが可能となる。また、第２導電層の導電率が高いので、ＤＣドリフト抑圧の効果が著しい。
【００９８】
請求項７に記載の光変調器では、前記第２導電層の導電率が前記第１導電層の導電率よりも大きいので、光の導波路を伝搬する光の伝搬損失はやや大きくなるものの、ＤＣドリフトや温度ドリフトを抑圧する効果を高めることができる。
【００９９】
請求項８に記載の光変調器では、基板と第１導電層との間に第４導電層を設けているので、ＤＣドリフトと温度ドリフトを抑圧する効果を高めることができる。
【０１００】
請求項９に記載の光変調器では、光のパワーが強い光導波路の上方に薄い第４導電層を介して、第１導電層を形成するので、ＤＣドリフトや温度ドリフトの抑圧効果が大きい。
【０１０１】
請求項１０に記載の光変調器では、第１導電層と第２導電層、及び第４導電層のうち、少なくとも２つが電気的に接触している。そのため、接触した導電層同士の内部電界の強さは等しくなりやすく、ＤＣドリフト抑圧に効果的である接触した導電層同士の内部において電荷の分布が一様となるので温度ドリフトも有効に抑えることが可能となる。
【０１０２】
請求項１１に記載の光変調器では、第１導電層と第２導電層、及び第４導電層の導電率のうち、少なくとも２つの導電率が等しい。そこで第１導電層の材料をより光の吸収が小さな材料とすることにより、光導波路における光の伝搬損失の増加を抑えつつ、ＤＣドリフトと温度ドリフトを有効に抑えることが可能となる。
【０１０３】
請求項１２に記載の光変調器では、第１導電層の導電率と第２導電層の導電率、及び第４導電層の導電率の少なくとも２つが互いに異なっている。一般に、導電層におけるドーパントは光の吸収を伴うので、光導波路の上方にある第１導電層の導電率を下げることにより光導波路における光の伝搬損失の増加を抑えることが可能となる。また、第２導電層と第４導電層の導電率を第１導電層の導電率よりも高くしておけば、ＤＣドリフト抑圧の効果が著しい。なお、第４導電層の厚みを薄くしておけば第４導電層による光の伝搬損失の増加を極めて小さく抑えることが可能となる。
【０１０４】
請求項１３に記載の光変調器では、第４導電層の厚みが薄いので、本発明として効果的となる第４導電層に高い導電率の材料を用いた場合でも、第４導電層のドーパントに起因する光の伝搬損失を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１０５】
以下、本発明の実施形態について説明するが、図６乃至図１７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。
【０１０６】
［第１実施形態］
図１の（ａ）〜（ｅ）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。
（ａ）第１導電層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、ＳｉＯｘなどの第１導電層３１を堆積する。
（ｂ）第１導電層３１のエッチング
このステップでは、第１導電層３１を部分的にエッチングし、窓を開ける。
（ｃ）第２導電層３２の堆積
このステップでは、エッチングした第１導電層３１とエッチングにより開けられた第１導電層３１の窓から見えているｚ−カットＬＮ基板１の上に、ＳｉＯｘなどからなる第２導電層３２を堆積する。
（ｄ）第３導電層３３の堆積
このステップでは、ＳｉＯｘなどからなる第２導電層３２の上から、温度ドリフトを抑圧する効果があるＳｉなどからなる第３導電層３３を堆積する。
（ｅ）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。
【０１０７】
第２の従来技術として示した図１１に対応する本発明における図、即ち印加したＤＣバイアス電圧による電界Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３を図２に示す。図１１と同じく、ここでは光導波路３ｂについてのみ議論するが、光導波路３ａについても同様の議論が成り立つ。
【０１０８】
本発明では、光導波路３ｂの上に絶縁層（バッファ層）６ａを形成した図１１の第２の従来技術とは異なり、光導波路３ｂの上には電流が流れることのできる導電層３１ａを形成する。従って、印加したＤＣバイアス電圧に従って、光導波路３ｂの上の導電層３１ａに微小な電流が流れる。その結果、図２に示すように、光導波路３ｂの上にある第１導電層３１ａの中に形成される電界Ｅ２、Ｅ３は第１導電層３１ａの中でほぼ一定で、かつ小さい。また電界Ｅ２、Ｅ３は第２導電層３２の中に形成される電界Ｅ１と同程度の大きさになるか、あるいは例え電界Ｅ１と電界Ｅ２、Ｅ３の間に差があっても、それらの差は図１１に示した第２の従来技術の場合よりは極めて小さくなる。
【０１０９】
図３は本発明の第１実施形態における焦電効果に起因する電荷の分布を表している。光導波路３ｂの上に絶縁層（バッファ層）６ａを形成した図１５に示す第２の従来技術とは異なり、焦電効果でｚ−カットＬＮ基板１に誘起される電荷ＴＥＣに対応して、第１導電層３１ａと第２導電層３２に誘起される電荷ＴＥＨの分布は一様である。そのために、極めて安定な温度特性を実現することが可能となる。
【０１１０】
なお、本実施形態のみならず本発明の他の実施形態にも言えることであるが、第１導電層３１ａの導電率と第２導電層３２の導電率は等しくても良いし、第１導電層３１ａの導電率は第２導電層３２の導電率よりも小さい場合には相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の伝搬損失が少なくなり、光の挿入損失の観点から有利となる。また逆に、第１導電層３１ａの導電率が第２導電層３２の導電率よりも大きい場合には、電荷の分布が一様となりやすいのでＤＣドリフトと温度ドリフト抑圧の効果が著しいという利点が生じる。
【０１１１】
つまり、一般に導電層におけるドーパントは光の吸収を伴うので、光導波路の直上にある第１導電層３１ａの導電率を下げることにより光導波路における光の伝搬損失の増加を抑えることが可能となる。また、第２導電層３２の導電率を高くしているので、ＤＣドリフト抑圧の効果が著しい。また、第１導電層３１ａの導電率と第２導電層３２の導電率を決定する際には、光導波路における光の伝搬損失とＤＣドリフト抑圧効果の他に、第１導電層３１ａと第２導電層３２の中での電荷の分布がなるべく一様となるようにすることにより、さらに温度ドリフト抑圧の効果を高めることができる。
【０１１２】
また、ｚ−カットＬＮ基板に形成した光導波路の上を含んで一様に別の導電層を形成した後に第１導電層３１ａと第２導電層３２を形成すると、電荷の分布が一層均一となるので、温度ドリフト抑圧の効果が著しい。なお、この別の導電層を用いる構造は本発明の第１実施形態のみならずその他の実施形態にも適用可能である。その一例を後述の第３実施形態に示す。
【０１１３】
さらに、本願の発明では、第１導電層３１ａ、３１ｂ、３１ｃと、第２導電層３２が導電性を持つことが重要である。ここでの説明ではこれらの材料としてＳｉＯｘを採用したがｘの範囲はいかなる範囲でも良い。なお、０≦ｘ＜２であれば極めて好適であることを確認している。
【０１１４】
［第２実施形態］
図４は本発明の第２実施形態である。本実施形態では図１に示した本発明の第１実施形態における第３導電層３３を備えていない。つまり、第２導電層３２に第３導電層の役割をも担わせている。なお、本発明における第２実施形態のみならず全ての実施形態において言えることであるが、中心導体４ａや接地導体４ｂ、４ｃに近づくにつれ、厚み方向に第２導電層３２の導電率を高くしても良い。
【０１１５】
［第３実施形態］
図１に示した本発明の第１実施形態を発展させた第３実施形態を図５に示す。この本発明の第３実施形態では、図１に示した第１実施形態においてｚ−カットＬＮ基板１の上に例えばＳｉＯｘなどで構成される第４導電層４０を形成している。つまり、図１に示した本発明の第１実施形態についての製造工程における「（ａ）第１導電層３１の堆積」を行う前に、ｚ−カットＬＮ基板１の上に第４導電層４０を堆積し、後は第１実施形態と同じ製造工程で製作している。なお、第４導電層４０の厚みとしては５ｎｍ程度から０．５μｍ程度までが最適と考えられるが、その他の厚みでも本発明の効果を発揮できることは言うまでもない。
【０１１６】
本実施形態ではｚ−カットＬＮ基板１の上に第４導電層４０を設けることにより電荷の分布がより一層均一となるので、温度ドリフトとＤＣドリフト抑圧の効果を高めることができる。なお、第４導電層４０の導電率が第１導電層３１の導電率よりも大きい場合にはこれらのドリフト抑圧の効果をさらに著しく発揮できることになる。
【０１１７】
またこの第３実施形態は図１に示した本発明の第１実施形態に第４導電層４０を適用した第１実施形態の発展型であるが、第４導電層４０は図４に示した本発明の第２実施形態を含め、本発明におけるその他の全ての実施形態に適用可能である。
【０１１８】
［各実施形態について］
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。
【０１１９】
また、本発明による光変調器における第１導電層はＳｉＯｘとして説明したが、これ以外の材料でも良いことは言うまでもない。また、これは第２導電層及び第４導電層についても当てはまる。さらに、第３導電層についても導電率が高ければ半導体や金属、あるいは金属の酸化物を含めＳｉ以外の各種材料を使用することが可能である。
【０１２０】
第１導電層は光導波路の上にあることが望ましいがこれに限定されるものでもない。さらに第１導電層、第２導電層は基板に接触した方がより効果的であるが、接触していなくても本発明としての効果は発揮できる。
【０１２１】
また、先に述べたように、各実施形態を説明する際の導電層や光導波路の構造として中心導体の中心に左右対称な構造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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
また、光導波路としてはマッハツェンダ光導波路の他に、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。
【０１２４】
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】
【０１２５】
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】
【０１２６】
【図１】（ａ）〜（ｅ）本発明の光変調器における第１実施形態の製造工程の手順を示す断面図
【図２】本発明の第１実施形態のＤＣドリフト抑圧の原理を説明する図
【図３】本発明の第１実施形態の温度ドリフト抑圧の原理を説明する図
【図４】本発明の第２実施形態の光変調器の断面図
【図５】本発明の第３実施形態の光変調器の断面図
【図６】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光変調器の斜視図
【図７】図６のＡ−Ａ’における断面図
【図８】第１の従来技術による光変調器の動作原理を説明する図
【図９】図６及び図７に示されるＬＮ光変調器の等価回路図
【図１０】第２の従来技術の光変調器の断面図
【図１１】第２の従来技術のＤＣドリフトについての問題点を説明する図
【図１２】第１の従来技術の温度ドリフトについての問題点を説明する図
【図１３】第１の従来技術の温度ドリフトについての問題点を説明する図
【図１４】第１の従来技術の温度ドリフトについての問題点を説明する図
【図１５】第２の従来技術の温度ドリフトについての問題点を説明する図
【図１６】第３の従来技術の光変調器の動作原理と問題点を説明する図
【図１７】第４の従来技術の光変調器の動作原理と問題点を説明する図
【符号の説明】
【０１２７】
１：ｚ−カットＬＮ基板（ＬＮ基板、基板）
２：ＳｉＯ２バッファ層（バッファ層）
３：光導波路（マッハツェンダ光導波路）
３ａ、３ｂ：相互作用光導波路（光導波路）
４：進行波電極（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
１１、１２：導電層
１３ａ、１３ｂ：導電層に設けたギャップ（間隙、ギャップ）
３１、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ：第１導電層
３２：第２導電層
３３：第３導電層
４０：第４導電層
【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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