(57)【要約】      （修正有）【課題】導波路型光素子において、速度整合とインピーダンス整合とを図りつつ、マイクロ波損失を低減し駆動電圧を低減する。【解決手段】光導波路１０４と制御電極とが形成された基板１００と、基板上に形成された誘電体層１０２とを有し、誘電体層上にはＲＦ電極１０６及びＲＦ電極１０６と並走する接地電極１０８ａ、ｂが形成されており、制御電極は、中心導体と中心導体を挟むように形成された側方導体とで構成され、且つ、中心導体と側方導体とは、それぞれ、複数のセグメントに分割されており、中心導体の各セグメントは、誘電体層に形成されたＲＦ電極１０６に対し、ＲＦ電極１０６の長さ方向に沿って異なる部分に電気的に接続されており、側方導体のそれぞれの各セグメントは、誘電体層に形成された接地電極１０８ａ、ｂのそれぞれに対し、接地電極１０８ａ、ｂの長さ方向に沿って異なる部分に電気的に接続されている。【選択図】図１
2016194544.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上に形成された光導波路と、当該光導波路を伝搬する光波を制御する制御電極と、を備える導波路型光素子であって、
前記基板の、前記制御電極が形成された面の上部に、誘電体層を有し、
前記誘電体層の、前記制御電極から遠い側の面上に、高周波信号が伝搬するＲＦ電極と、当該ＲＦ電極を所定の距離だけ隔てて前記基板の面方向において挟むように設けられた接地電極と、が形成されており、
前記制御電極は、中心導体と、当該中心導体を所定の距離だけ隔てて前記基板の面方向において挟むように形成された側方導体と、で構成され、且つ、前記中心導体と前記側方導体とは、それぞれ、前記光導波路の長さ方向に沿って電気的に互いに絶縁されるように複数のセグメントに分割されており、
前記中心導体の前記各セグメントは、前記誘電体層に形成されたＲＦ電極に対し、当該ＲＦ電極の長さ方向に沿って異なる部分に電気的に接続されており、
前記側方導体のそれぞれの前記各セグメントは、前記誘電体層に形成された接地電極のそれぞれに対し、当該接地電極の長さ方向に沿って異なる部分に電気的に接続されている、
導波路型光素子。
【請求項２】
前記中心導体の前記各セグメント及び前記側方導体の前記各セグメントの、前記光導波路の長さ方向に沿った長さは、前記ＲＦ電極に入力される高周波信号の当該ＲＦ電極における波長の１／１０以下である、
請求項１に記載の導波路型光素子。
【請求項３】
前記誘電体層の厚さは、５０μｍ以上である、
請求項１又は２に記載に記載の導波路型光素子。
【請求項４】
前記基板は、ニオブ酸リチウム基板である、
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の導波路型光素子。
【請求項５】
前記光導波路は、マッハツェンダ型の光導波路である、
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の導波路型光素子。
【請求項６】
前記光導波路は、前記中心導体により印加される電界が光波に作用する作用部を有し、
前記光導波路は、前記作用部が形成された前記基板の部分がその周囲の前記基板の部分の表面よりも高く形成されているリブ型構造の光導波路である、
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の導波路型光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路と当該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを備えた導波路型光素子に関し、特に、広い周波数帯域に亘って動作が可能な導波路型光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信や光計測の分野においては、電気光学効果を有する基板上に光導波路を形成した光変調器などの導波路型光素子が多く用いられている。導波路型光素子は、一般に、上記光導波路と、当該光導波路内を伝搬する光波を制御するための制御電極を備える。
【０００３】
このような導波路型光素子として、例えば強誘電体結晶であるニオブ酸リチウム（LiNbO3）（「ＬＮ」とも称する）を基板に用いたマッハツェンダ型光変調器が広く用いられている。マッハツェンダ型光変調器は、外部から光を導入するための入射導波路と、当該入射導波路により導入された光を２つの経路に分けて伝搬させるための分岐部と、分岐部の後段に分岐されたそれぞれの光を伝搬させる２本の並行導波路と、当該２本の並行導波路を伝搬した光を合波して外部へ出力するための出射導波路とにより構成されるマッハツェンダ型光導波路を備える。
【０００４】
また、マッハツェンダ型光変調器は、電圧を印加することで、電気光学効果を利用して、上記並行導波路内を伝搬する光波の位相を変化させて制御するための制御電極を備える。当該制御電極は、一般に、上記並行導波路の長さ方向に沿ってその上部又はその近傍に形成されたＲＦ（高周波）信号電極（以下、「ＲＦ電極」と称する）と、当該ＲＦ電極に離間して配置された接地電極と、を有するＣＰＷ（Coplanar Waveguide）型電極として構成されている。
【０００５】
特に、並行導波路を伝搬する光波をより高い周波数で制御する広帯域（マイクロ波帯域）のマッハツェンダ型光変調器の設計においては、並行導波路を伝搬する光の伝搬速度とＲＦ電極を伝搬する伝搬速度との速度整合（以下、単に「速度整合」という）と、駆動回路の出力インピーダンスに対するＲＦ電極の入力インピーダンスの整合（以下、インピーダンス整合という）と、光波の制御のためにＲＦ電極に印加すべき電圧（駆動電圧）と、をバランスさせる必要がある。
【０００６】
すなわち、広帯域マッハツェンダ型光変調器では、速度整合と、インピーダンス整合と、を行うことを必須要件として、でき得る限り駆動電圧を低減することが必要となる。
【０００７】
この駆動電圧の低減のためには、一般に、ＲＦ電極を伝搬する高周波信号が並行導波路を伝搬する光波に作用する距離（以下、作用長）（すなわち、ＲＦ電極と並行導波路とが平行に形成されている部分（作用部）の距離）、ＲＦ電極を伝搬する際の高周波電気信号の損失（以下、マイクロ波損失）と、ＲＦ電極が基板内に形成する電界が並行導波路内を伝搬する光波の光変調に有効に作用する程度（以下、変調効率）と、が考慮される。
【０００８】
また、速度整合及びインピーダンス整合については、ＣＰＷ型電極として構成されるＲＦ電極と接地電極の離間距離（以下、電極間距離）、ＲＦ電極と接地電極とが相対向して並走する距離（以下、並走距離）、ＲＦ電極と接地電極の相対向する側面の高さ（すなわち、当該側面の単位距離当たりの面積）（以下、電極高さ）、ＲＦ電極の幅（以下、電極幅）、ＬＮ基板の実効屈折率の調整（基板厚さや、低誘電率バッファ層の形成等）が考慮される。
【０００９】
従来、広帯域のマッハツェンダ型光変調器の設計においては、主に、作用長を長く（長尺化）することで駆動電圧が低減され、電極間距離を大きくすることでマイクロ波損失が低減され、上記作用長以上の並走距離の範囲で速度整合とインピーダンス整合とが図られる。このため、ＲＦ電極を伝搬する高周波信号は、ＬＮ基板の内部及び空気中に大きく浸み出しており、例えばＱＰＳＫ（四位相偏移変調、Quadrature Phase Shift Keying）光変調器のように複数のマッハツェンダ構成の光変調器が集積して用いられる構成では、隣接する光変調器のＲＦ電極間でのクロストークが発生しやすい。そのため、隣接して形成される光変調器間の距離を広げる必要があり、これがＱＰＳＫ変調器としての光素子サイズの、小型化の制限要因となっている。
【００１０】
光素子を小型化する技術として、ＬＮ基板の裏面（光導波路が形成された面に対向する面）にも接地電極を設けることで、速度整合とインピーダンス整合とを図りつつ、電極間距離を狭くして、駆動電圧を低減する光制御素子が知られている（特許文献１）。この光制御素子では、電極間距離を狭くすることで、ＲＦ電極がＬＮ基板内に形成する電界分布と光導波路を伝搬する光波の強度分布とのオーバラップ範囲を増加させる（すなわち、変調効率を増加させる）ことで、更なる駆動電圧の低減が図られる。
【００１１】
しかしながら、特許文献１の光制御素子では、電極の断面積及び表皮面積が比較的小さいためマイクロ波損失が比較的大きい。このため、長尺化による駆動電圧低減の効果は低く、さらに改善の余地がある。
【００１２】
マイクロ波損失を低減する技術として、変調効率を下げることなく速度整合とインピーダンス整合とが可能な範囲内で、ＲＦ電極を、接地電極より背の高い構成として電極断面のアスペクト比を更に大きくしたり、幅の狭い下部層と幅の広い上部層から成る（キノコ状の）多層構成とする、導波路形光デバイスが知られている（特許文献２）。
【００１３】
またＲＦ電極をより高くし、ＲＦ電極の上層部をより広くすることでマイクロ波の導体損失（表皮損失）を小さくすることができる。特性シミュレーションの上では、たとえばＲＦ電極の高さを特許文献３に示されるように９０μｍとすれば、マイクロ波の導体損失を大きくさげることができるため、電極長を長くすることができ駆動電圧を低減できることが知られている。
【００１４】
しかしながら、このような導波路形光デバイスでは、電極形成のプロセスが複雑となり、電極自体の機械的安定性が低下する。現実的なデバイスの設計では、ＲＦ電極の基部（光導波路を形成する基板に取り付く部分）の幅を光導波路幅と同程度に細くする必要があり、広い上部層を高く幅広くするには限界がある。特許文献４の図１に示されるＲＦ電極の上層部の幅、高さは、極めて現実的な設計構成であり、通信デバイスの一般的な信頼性確認試験であるTelcordia 試験の振動試験（ GR-1221  6軸20Gで20〜2000 Hzによって破壊しないことなど）にも耐えうるだけの信頼性の確保が可能であるが、ＲＦ電極の上層部の幅または高さを更に２，３割程度増加することは困難である。
【００１５】
特許文献３の図１３に示されるような構造上の補強（図１３a基部をポリマーなどの絶縁体により補強、 図１３ｂ  基部を二つ設ける）をしても、上層部の幅や高さを、５０μｍを超える構造にすることは困難である。
【００１６】
なお、作用部電極がＣＰＷ構造の場合、トレンチ部（光導波路の両側に形成された溝）の構造や角度は電界の分布に影響するため、特許文献３の図４に示されるようになだらかな斜面を有しても良いし特許文献４の図１の様にサブトレンチを有する構造にしても良い。ＣＰＷ電極の設計に応じて当業者が設計する事項である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特許第５２９８８４９号公報
【特許文献２】特開平８−１２２７２２号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２００５０２０１６８６号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００３１９４１６４号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００３０２２７６６６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上記の背景より、広帯域動作を行う導波路型光素子において、速度整合とインピーダンス整合とを適切に確保しつつ、マイクロ波損失を低減し駆動電圧を効果的に低減することのできる構成の実現が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の一の態様は、電気光学効果を有する基板上に形成された光導波路と、当該光導波路を伝搬する光波を制御する制御電極と、を備える導波路型光素子である。当該導波路型光素子は、前記基板の、前記制御電極が形成された面の上部に、誘電体層を有し、前記誘電体層の、前記制御電極から遠い側の面上に、高周波信号が伝搬するＲＦ電極と、当該ＲＦ電極を所定の距離だけ隔てて前記基板の面方向において挟むように設けられた接地電極と、が形成されており、前記制御電極は、中心導体と、当該中心導体を所定の距離だけ隔てて前記基板の面方向において挟むように形成された側方導体と、で構成され、且つ、前記中心導体と前記側方導体とは、それぞれ、前記光導波路の長さ方向に沿って電気的に互いに絶縁されるように複数のセグメントに分割されており、前記中心導体の前記各セグメントは、前記誘電体層に形成されたＲＦ電極に対し、当該ＲＦ電極の長さ方向に沿って異なる部分に電気的に接続されており、前記側方導体のそれぞれの前記各セグメントは、前記誘電体層に形成された接地電極のそれぞれに対し、当該接地電極の長さ方向に沿って異なる部分に電気的に接続されている。
本発明の他の態様によると、前記中心導体の前記各セグメント及び前記側方導体の前記各セグメントの、前記光導波路の長さ方向に沿った長さは、前記ＲＦ電極に入力される高周波信号の当該ＲＦ電極における波長の１／１０以下である。
本発明の他の態様によると、前記誘電体層の厚さは、５０μｍ以上である。
本発明の他の態様によると、前記基板は、ニオブ酸リチウム基板である。
本発明の他の態様によると、前記光導波路は、マッハツェンダ型の光導波路である。
本発明の他の態様によると、前記光導波路は、前記中心導体により印加される電界が光波に作用する作用部を有し、前記光導波路は、前記作用部が形成された前記基板の部分がその周囲の前記基板の部分の表面よりも高く形成されているリブ型構造の光導波路である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。
【図２】図１に示す導波路型光素子の基板の構成を示す図である。
【図３】図１に示す導波路型光素子の、基板上に誘電体層を形成した状態を示す図である。
【図４】図１に示す導波路型光素子の、平面Ｓに沿う断面をＡＡ方向から見た断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。
【図６】図５に示す導波路型光素子の誘電体層の構成を示す図である。
【図７】図２に示す基板と図６に示す誘電体層との接続を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００２２】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。
本導波路型光素子１０は、マッハツェンダ型光変調器であり、マッハツェンダ（ＭＺ、Mach-Zehnder）型光導波路１０４が形成された基板１００と、基板１００上に設けられた誘電体層１０２と、を有している。誘電体層１０２の図示上面には、高周波電気信号が入力される高周波（ＲＦ、Radio-Frequency）電極１０６と、誘電体層１０２の面内においてＲＦ電極１０６を所定の距離だけ離れて挟むように設けられた接地電極１０８ａ、１０８ｂと、が形成されている。これにより、ＲＦ電極１０６と、接地電極１０８ａ、１０８ｂとは、ＣＰＷ型電極を構成している。
【００２３】
高周波信号は、ＲＦ電極１０６の図示左上側の端部から入力され、図示右下側端部に向かって伝搬して、例えば当該端部に接続された終端抵抗（不図示）により終端される。
【００２４】
図２は、基板１００の構成を示す図である。
基板１００は、電気光学材料であるニオブ酸リチウム（ＬＮ）から成る基板であり、例えばＸカットのＬＮ基板である。ＭＺ型光導波路１０４は、並行導波路２００、２０２を有し、並行導波路２００、２０２に挟まれた基板１００面上の領域に、中心導体２０４が形成されている。また、並行導波路２００、２０２を挟んで中心導体２０４と対向する側に、それぞれ、中心導体２０４から所定の距離だけ離れた位置に、側方導体２０６、２０８が形成されている。これらの中心導体２０４、側方導体２０６、２０８は、並行導波路２００、２０２を伝搬する光波を制御する制御電極を構成する。より詳細には、中心導体２０４と側方導体２０６とが、並行導波路２００を伝搬する光波を制御する制御電極を構成し、中心導体２０４と側方導体２０８とが、並行導波路２０２を伝搬する光波を制御する制御電極を構成している。
【００２５】
特に、中心導体２０４、及び側方導体２０６、２０８は、それぞれ、並行導波路２００、２０２の長さ方向に沿って電気的に互いに絶縁されるように分割された複数のセグメントに分割されている。すなわち、並行導波路２００、２０２の長さ方向に沿って、中心導体２０４は中心導体セグメント２０４ａ〜２０４ｈに分割されており、側方導体２０６は側方導体セグメント２０６ａ〜２０６ｈに分割されており、側方導体２０８は側方導体セグメント２０８ａ〜２０８ｈに分割されており。
【００２６】
側方導体セグメント２０６ａ〜２０６ｈは、それぞれ、並行導波路２００を挟んで中心導体セグメント２０４ａ〜２０４ｈに対向して配置されており、側方導体セグメント２０８ａ〜２０８ｈは、それぞれ、並行導波路２０２を挟んで中心導体セグメント２０４ａ〜２０４ｈに対向して配置されている。
【００２７】
なお、ＭＺ型光導波路１０４は、例えば基板１００に金属チタン（Ｔｉ）を熱拡散する方法やリッジ状に加工する方法等、既知の種々の方法を用いて作製することができる。
【００２８】
図３は、基板１００上に誘電体層１０２を形成した中間段階の状態を示す図である。基板１００上には、所定の誘電率を有する誘電体材料で構成された誘電体層１０２が形成されている。当該誘電体としては、例えばＢｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ（ＢＣＢ）系、ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ（ＰＤＭＳ）系、ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ系などの樹脂やシリカ（二酸化ケイ素）系のゾルゲル材料など、誘電率および誘電損失であるｔａｎ δ（誘電正接）が共に小さく厚膜形成工程に適する材料を用いることができる。日立化成株式会社製のＫＩ−１０００シリーズやＭｉｃｒｏｃｈｅｍ社製のＳＵ８系などの、いわゆる厚膜感光性永久レジストなどを用いても良い。ミリ波帯における比誘電率が大きいＬＮのような材料を基板とする場合（ＬＮの比誘電率は、およそ２７〜４６で、異方性がある。）、ミリ波帯における比誘電率をεとして、
【００２９】
【数１】
2016194544.tif 000003
の材料を選択することが望ましい。
【００３０】
誘電体層１０２には、基板１００上の中心導体セグメント２０４ａ〜２０４ｈの各位置に対応する位置に、それぞれ、これらの中心導体セグメント２０４ａ〜２０４ｈと電気的に接続されるように、基板１００の表面から誘電体層１０２の表面へ向かって導体３００ａ〜３００ｈが形成されている。同様に、誘電体層１０２には、基板１００上の側方導体セグメント２０６ａ〜２０６ｈの各位置に対応する位置に、それぞれ、これらの側方導体セグメント２０６ａ〜２０６ｈと電気的に接続されるように、基板１００の表面から誘電体層１０２の表面へ向かって導体３０２ａ〜３０２ｈが形成されており、側方導体セグメント２０８ａ〜２０８ｈの各位置に対応する位置に、それぞれ、これらの側方導体セグメント２０８ａ〜２０８ｈと電気的に接続されるように、基板１００の表面から誘電体層１０２の表面へ向かって導体３０４ａ〜３０４ｈが形成されている。
【００３１】
誘電体層１０２の図示上面には、上述したように、ＣＰＷ型電極を構成するＲＦ電極１０６と、接地電極１０８ａ、１０８ｂとが、形成されている（図１）。特に、ＲＦ電極１０６は、導体３００ａ〜３００ｈと電気的に接続されるように形成されている。また、接地電極１０８ａは、導体３０２ａ〜３０２ｈと電気的に接続されるように形成され、接地電極１０８ｂは、導体３０４ａ〜３０４ｈと電気的に接続されるように形成されている。
【００３２】
すなわち、基板１００上に形成された中心導体セグメント２０４ａ〜２０４ｈは、誘電体層１０２上に形成されたＲＦ電極１０６に対し、導体３００ａ〜３００ｈを介して、当該ＲＦ電極１０６の長さ方向に沿って異なる部分に電気的に接続されている。同様に、基板１００上に形成された側方導体セグメント２０６ａ〜２０６ｈは、誘電体層１０２上に形成された接地電極１０８ａに対し、導体３０２ａ〜３０２ｈを介して、当該接地電極１０８ａの長さ方向に沿って異なる部分に電気的に接続され、基板１００上に形成された側方導体セグメント２０８ａ〜２０８ｈは、誘電体層１０２上に形成された接地電極１０８ｂに対し、導体３０４ａ〜３０４ｈを介して、当該接地電極１０８ｂの長さ方向に沿って異なる部分に電気的に接続されている。
【００３３】
図４は、図１に示す導波路型光素子１０の平面Ｓに沿う断面を、ＡＡ方向から見た断面図である。本断面図に示された中心導体セグメント２０４ｄは、並行導波路２００と２０２とで挟まれた基板１００上の領域に設けられた中心導体２０４を分割して形成されるセグメントの一部である。また、側方導体セグメント２０６ｄは、並行導波路２００を挟んで中心導体２０４と対向する側に設けられた側方導体２０６を分割して形成されるセグメントの一部であり、側方導体セグメント２０８ｄは、並行導波路２０２を挟んで中心導体２０４と対向する側に設けられた側方導体２０８を分割して形成されるセグメントの一部である。
【００３４】
そして、中心導体セグメント２０４ｄは、誘電体層１０２に形成された導体３００ｄにより、当該誘電体層１０２上に形成されたＲＦ電極１０６と電気的に接続されている。同様に、側方導体セグメント２０６ｄは、誘電体層１０２に形成された導体３０２ｄにより、当該誘電体層１０２上に形成された接地電極１０８ａと電気的に接続され、側方導体セグメント２０８ｄは、誘電体層１０２に形成された導体３０４ｄにより、当該誘電体層１０２上に形成された接地電極１０８ｂと電気的に接続されている。
【００３５】
なお、導体３００ａ〜３００ｈ、３０２ａ〜３０２ｈ、３０４ａ〜３０４ｈは、例えば誘電体層１０２を同じ誘電体材料から成る薄い層の積み重ねとして形成するものとし、当該薄い層のそれぞれを形成する際に、対応する部分に金属等の導電体を繰り返し形成させることで（いわゆるビルドアップ配線の作製手法で）作製することができる。また、配線電極が形成された別体の基板を用意し、いわゆるフリップチップ接続により作製してもよい。さらに、ガラス製や樹脂製のインターポーザーを介して制御電極層とＲＦ電極層の接続を行っても良い。
【００３６】
上記の構成を有する導波路型光素子１０は、基板１００上に形成されたＭＺ型光導波路１０４の並行導波路２００、２０２を伝搬する光波を制御するため制御電極である中心導体２０４、側方導体２０６、２０８が、それぞれ、互いに電気的に絶縁された複数のセグメントで構成され、中心導体セグメント２０４ａ〜２０４ｈ、側方導体セグメント２０６ａ〜２０６ｈ、側方導体セグメント２０８ａ〜２０８ｈは、それぞれ、導体３００ａ〜３００ｈ、３０２ａ〜３０２ｈ、３０４ａ〜３０４ｈを介して、誘電体層１０２上に形成されたＲＦ電極１０６、接地電極１０８ａ、１０８ｂに対し、これらの電極の長さ方向に沿って異なる部分に電気的に接続されている。
【００３７】
このため、中心導体セグメント２０４ａ〜２０４ｈ、側方導体セグメント２０６ａ〜２０６ｈ、側方導体セグメント２０８ａ〜２０８ｈには、それぞれ、ＣＰＷ型電極を構成するＲＦ電極１０６、接地電極１０８ａ、１０８ｂを伝搬する高周波の、ＲＦ電極１０６、接地電極１０８ａ、１０８ｂの対応する部分における電位が印加されることとなり、並行導波路２００、２０２を伝搬する光波は、ＲＦ電極１０６、接地電極１０８ａ、１０８ｂを伝搬する高周波信号によって制御されることとなる。
【００３８】
そして、ＲＦ電極１０６、接地電極１０８ａ、１０８ｂが形成される誘電体層１０２の上面と、並行導波路２００、２０２、及び中心導体セグメント２０４ａ〜２０４ｈ、側方導体セグメント２０６ａ〜２０６ｈ、側方導体セグメント２０８ａ〜２０８ｈが形成される基板１００上の面とは、誘電体層１０２の厚さ分だけ隔たっているので、ＲＦ電極１０６、接地電極１０８ａ、１０８ｂの設計と、並行導波路２００、２０２、及び中心導体セグメント２０４ａ〜２０４ｈ、側方導体セグメント２０６ａ〜２０６ｈ、側方導体セグメント２０８ａ〜２０８ｈの設計とを、ある程度、互いに独立して行うことが可能となる。
【００３９】
すなわち、速度整合、インピーダンス整合、及びマイクロ波損失等の、導波路型光素子１０の電気的な高周波特性については、ＲＦ電極１０６、接地電極１０８ａ、１０８ｂの設計（より具体的には、誘電体層１０２に用いる材料の誘電率と、ＲＦ電極１０６、接地電極１０８ａ、１０８ｂのサイズ及び配置）により所望の特性を実現することができ、一方、光変調動作に必要な駆動電圧の低減に関しては、基板１００上における並行導波路２００、２０２、及び中心導体セグメント２０４ａ〜２０４ｈ、側方導体セグメント２０６ａ〜２０６ｈ、側方導体セグメント２０８ａ〜２０８ｈのサイズや配置を定めて、変調効率を高める等により所望の特性を実現することができる。
【００４０】
その結果、従来のように高アスペクト比やキノコ状の断面を持つＲＦ電極の採用による機械的安定性の低下を招くことなく、マイクロ波損失と、速度整合及びインピーダンス整合とを両立させつつ、駆動電圧の低減を図ることが可能となる。
【００４１】
なお、誘電体層１０２の厚さは、ＲＦ電極１０６、接地電極１０８ａ、１０８ｂからの電界が基板１００に達しないように、５０μｍ以上とすることが望ましい。これにより、ＲＦ電極１０６、接地電極１０８ａ、１０８ｂを伝わるＲＦ信号の伝搬速度は、高い比誘電率の基板１００の影響が軽減され、光導波路を伝わる光の伝搬速度に合わせて、セグメント電極から制御信号を給電することでできる。
【００４２】
尚、誘電体層に形成された導体３００ａ〜３００ｈ、導体３０２ａ〜３０２ｈ、導体３０４ａ〜３０４ｈを形成せず、中心導体セグメント２０４ａ〜２０４ｈ、側方導体セグメント２０６ａ〜２０６ｈ、側方導体セグメント２０８ａ〜２０８ｈを形成すると、ＲＦ電極部を伝わるＲＦ信号の速さは、光導波路を伝わる光の伝搬速度にくらべて速くなり、誘電体層１０２の厚さと比誘電率、ＲＦ電極１０６、接地電極１０８ａ、１０８ｂの形状や間隔に依存する。中心導体セグメント２０４ａ〜２０４ｈ、側方導体セグメント２０６ａ〜２０６ｈ、側方導体セグメント２０８ａ〜２０８ｈおよび、誘電体層に形成された導体３００ａ〜３００ｈ、導体３０２ａ〜３０２ｈ、導体３０４ａ〜３０４ｈは、ＲＦ電極にインダクタが装荷されたと見なすことができる。このため各セグメント電極に給電されるＲＦ信号の光の伝搬方向に伝わる実効的速さは、中心導体セグメント２０４ａ〜２０４ｈ、側方導体セグメント２０６ａ〜２０６ｈ、側方導体セグメント２０８ａ〜２０８ｈを有さない場合のＲＦ電極を伝わる速さよりも遅くなる。
【００４３】
中心導体セグメント２０４ａ〜２０４ｈ、側方導体セグメント２０６ａ〜２０６ｈ、側方導体セグメント２０８ａ〜２０８ｈおよび、誘電体層に形成された導体３００ａ〜３００ｈ、導体３０２ａ〜３０２ｈ、導体３０４ａ〜３０４ｈの回路部の電気容量やインダクタが大きいほど、また、それらの形成頻度が高いほど、その実効的速度の低下が大きい。
【００４４】
なお、誘電体層１０２の厚さを厚くした場合（たとえば1ミリ以上）、あるいは、作用部の導体セグメント電極の設置数が少なすぎると、セグメント電極に給電される信号の光の伝搬伝搬方向に伝わる実効的速さを光導波路を伝わる光の伝搬速度に合わせられない（
【特許文献５】に記載の構成に相等）。
【００４５】
この場合、比誘電率が高くかつ誘電損失の低い材料をＲＦ電極層の近傍に設置することにより、ＲＦ信号の速度を低下させてセグメント電極に給電される信号の光の伝搬伝搬方向に伝わる実効的速さを光導波路を伝わる光の伝搬速度に合わせてもよい。ただし、製造コストおよび信頼性の確保の点では、誘電体層１０２の厚さと比誘電率、ＲＦ電極１０６、接地電極１０８ａ、１０８ｂの形状や間隔の設計、および、制御信号を中心導体セグメント２０４ａ〜２０４ｈ、側方導体セグメント２０６ａ〜２０６ｈ、側方導体セグメント２０８ａ〜２０８ｈおよび、ＲＦ電極層と作用部電極層をつなぐ導体の回路部の容量やインダクタ、設置頻度とのバランスによって、合わせることが望ましい。
【００４６】
また、中心導体セグメント２０４ａ〜２０４ｈ、側方導体セグメント２０６ａ〜２０６ｈ、側方導体セグメント２０８ａ〜２０８ｈの各セグメントの、並行導波路２００、２０２の長さ方向に沿う長さは、ＲＦ電極１０６、接地電極１０８ａ、１０８ｂを伝搬する高周波が、疑似的に中心導体セグメント２０４ａ〜２０４ｈ、側方導体セグメント２０６ａ〜２０６ｈ、側方導体セグメント２０８ａ〜２０８ｈを伝搬していると見なせる程度に短く設定される必要がある。
【００４７】
具体的には、中心導体セグメント２０４ａ〜２０４ｈ、側方導体セグメント２０６ａ〜２０６ｈ、側方導体セグメント２０８ａ〜２０８ｈの各セグメントの、並行導波路２００、２０２の長さ方向に沿う長さは、ＲＦ電極１０６に入力される高周波信号の当該ＲＦ電極１０６における波長の１／１０以下であることが望ましい。
【００４８】
なお、ＲＦ電極の材料には金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）あるいはそれらを含む合金等の導電性の良好な材料が用いられるが、これらの金属の線膨張係数は、おおむね１０−１５ｐｐｍ／℃であるのに対し、ＬＮの線膨張係数は組成や方位に依存するがおよそ２ｐｐｍ／℃と一桁近く小さい。したがって、温度変化による歪みの差は大きく、電極取り付け部に係る応力は大きくなる。ただし、基板１００の厚さを、１０μｍ程度以下とすれば、ＲＦ電極やその側方接地電極に比べて格段に小さな厚さとなり、基板１００は、ＲＦ電極やその側方接地電極の歪みに応じて歪むこととなるものの、基板１００に反りやうねりが生じても、基板１００が薄いため当該基板１００の表面と裏面の伸縮差異は小さいので、基板１００に割れは生じにくい。
【００４９】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る導波路型光素子について説明する。
第１の実施形態に係る導波路型光素子１０は、基板１００上に誘電体層１０２が形成されものとしたが、第２の実施形態の導波路型光素子では、誘電体層の部分が、基板部分とが個別に作製された後、互いに機械的及び電気的に接続されることで作製される。
【００５０】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。なお、図５並びに後述する図６及び図７において、図１、図２、図４と同一の構成要素については同一の符号を用いるものとし、上述した第１の実施形態における説明を援用するものとする。
【００５１】
本導波路型光素子５０は、第１の実施形態に係る導波路型光素子１０と同一の構成を有するが、誘電体層１０２に代えて誘電体層５０２を有する。
【００５２】
図６は、誘電体層５０２の構成を示す図である。誘電体層５０２は、基板１００とは個別に作製されるものである。誘電体層５０２は、誘電体層１０２と同様の構成を有するが、導体３００ａ〜３００ｈ、３０２ａ〜３０２ｈ、３０４ａ〜３０４ｈに代えて、誘電体層５０２の裏面（基板１００と対向する側の面）にそれぞれ矩形のパッド部を備えた導体６００ａ〜６００ｈ、６０２ａ〜６０２ｈ、６０４ａ〜６０４ｈを有する。
【００５３】
導体６００ａ〜６００ｈ、６０２ａ〜６０２ｈ、６０４ａ〜６０４ｈの各矩形パッド部には、例えばハンダバンプが形成されており、基板１００と誘電体層５０２とは、フリップチップボンディングにより、互いに機械的及び電気的に接続される。
【００５４】
図７は、基板１００と誘電体層５０２との接続を説明するため、導体６００ｄ、６０２ｄ、６０４ｄを含む誘電体層５０２の断面と、対応する基板１００の断面とを示したものである。ＲＦ電極１０６、接地電極１０８ａ、１０８ｂにそれぞれ電気的に接続された導体６００ｄ、６０２ｄ、６０４ｄの、誘電体層５０２の裏面（図示下側の面）に露出した部分には矩形のパッドが設けられており、当該矩形のパッドにハンダバンプ７００〜７０４が設けられている。
【００５５】
これにより、誘電体層５０２の図示裏面と基板１００の図示上面とを密着させ、温度を上げてハンダバンプ７００〜７０４を溶融させた後、冷却固化させることにより、導体６００ｄ、６０２ｄ、６０４ｄと、中心導体セグメント２０４ｄ、側方導体セグメント２０６ｄ、２０８ｄとがそれぞれ電気的に接続されると共に、誘電体層５０２と基板１００とが機械的に固定される。なお、このようなハンダバンプによる電気的接続と機械的固定は、導体６００ａ〜６００ｈ、６０２ａ〜６０２ｈ、６０４ａ〜６０４ｈでも行われて、導波路型光素子５０は、第１の実施形態に係る導波路型光素子１０と同様に構成されることとなる。
【００５６】
本実施形態に係る導波路型光素子５０では、基板１００と誘電体層５０２とが個別に製造されるため、第１の実施形態に係る導波路型光素子１０のように基板１００上に誘電体層１０２を形成する構成に比べて、製造時に基板１００にかかる応力を軽減することができる。このため、本実施形態に係る導波路型光素子５０は、基板１００における割れの発生を効果的に防止することができる。
【００５７】
なお、上述した第１及び第２の実施形態においては、基板１００としてＸカットのＬＮ基板を用いるものとしたが、これに限らず、ＺカットのＬＮ基板を用いてもよい。ＺカットのＬＮ基板を用いた場合には、光導波路に印加される電界が基板厚さ方向に向くように中心導体及び側方導体が配置される点が異なり、この場合においても、上述した実施形態における効果と同様の効果を奏するものとすることができる。
【００５８】
また、上述した実施形態では、基板１００の一様な表面に並行導波路２００、２０２（すなわち、中心導体２０４により印加される電界が光波に作用する作用部）が形成されるものとしたが、基板１００上における光導波路並びに中心導体及び側方導体の形状及び配置は、図示の形状及び配置に限定されるものではない。例えば、上記作用部である並行導波路２００、２０２を、リブ構造の光導波路としてもよい。すなわち、基板１００の表面を加工することにより、上記作用部である並行導波路２００、２０２が形成される基板１００の部分が、その周囲の基板１００の部分の表面よりも高く形成されているものとすることができる。このようなリブ構造の光層波路を用いることで、中心導体により発生する電界分布と光導波路を伝搬する光の強度分布との重なりを拡大して、駆動電圧を低減することが可能となり得る。
【００５９】
また、特許文献１のように作用部の電極を狭くしても良い。特許文献１に記載の作用部電極の構成では、信号電界と光電界の作用効率が高い上に、作用部電極のインピーダンスを高くすることができる。このため、当該作用部電極の構成を、上述した実施形態の基板１００上に形成される電極として用いれば、ＲＦ電極１０６から作用部電極へ分岐給電される電力は小さくなり、ＲＦ電極１０６を伝搬するＲＦ信号パワーの減衰は小さくなるので、高効率な変調効率を得ることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１０、５０・・・導波路型光素子、１００・・・基板、１０２、５０２・・・誘電体層、１０４・・・ＭＺ型光導波路、１０６・・・ＲＦ電極、１０８ａ、１０８ｂ・・・接地電極、２００、２０２・・・並行導波路、２０４・・・中心導体、２０４ａ〜２０４ｈ・・・中心導体セグメント、２０６、２０８・・・側方導体、２０６ａ〜２０６ｈ、２０８ａ〜２０８ｈ・・・側方導体セグメント、３００ａ〜３００ｈ、３０２ａ〜３０２ｈ、３０４ａ〜３０４ｈ、６００ａ〜６００ｈ、６０２ａ〜６０２ｈ、６０４ａ〜６０４ｈ・・・導体、７００、７０２、７０４・・・ハンダバンプ。
【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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