(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する材料で構成され、厚さが１５μｍ以下の基板と、
該基板の表面から高屈折率材料を基板内にドープして形成される光導波路と、
該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための制御電極とを有する光導波路素子において、
該制御電極は、該光導波路を挟んで配置される信号電極と接地電極とから構成され、
該信号電極の幅Ｗと該信号電極と該接地電極との間のギャップＧとの比Ｗ／Ｇが０．７以下であり、
該信号電極の幅Ｗは、１５μｍ以下であり、
該信号電極と接地電極との間のギャップＧは、１８μｍ以上であることを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光導波路素子において、該光導波路の端部と該端部に最も近い位置にある該制御電極の端部との距離ｄは、２μｍ以上であることを特徴とする光導波路素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路素子に関し、特に、基板の厚さが１５μｍ以下である光導波路素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光通信分野や光計測分野において、光波を制御する手段として、光スイッチや光変調器など、電気光学効果を有する基板に光導波路を形成した光導波路素子が多用されている。
光導波路素子の処理速度を高速化するには、光導波路を伝搬する光波と光波を制御する電気信号との速度整合を行なうこと、また、高速駆動が可能な電源を確保するため、光導波路素子の駆動電圧を低電圧化することなどが求められる。
【０００３】
特許文献１では、図１に示すような断面形状を有する光導波路素子に対し、薄い電極膜厚で速度整合条件と低電極伝搬損失を達成しつつ、同時に駆動電圧Ｖπ・Ｌ（Ｖπは半波長電圧，Ｌは駆動電圧が印加される電極（作用部）の長さ）を低減可能とすることが開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２１９６００号公報
【０００４】
特許文献１によると、電気光学効果を有する基板１に光導波路２を形成し、該光導波路２を伝搬する光波を制御する信号電極３と接地電極４を、図１に示すように配置した場合には、接地電極４と信号電極３とのギャップＧに対する信号電極３の幅Ｗの比率Ｗ／Ｇが０．８以上とすることにより電極伝搬損失及び低膜厚電極による速度整合の実現並びに低駆動電圧化が可能であることが開示されていた。また好ましくは、基板本体１の厚さＴが２０μｍ以下とすることにより更に上記効果が顕著となる。しかしながら、特許文献１に開示の技術を利用すると、電極の幅Ｗが大きくなる場合には、信号線路のインピーダンスが低下し、インピーダンス不整合を発生させることとなる。
【０００５】
他方、速度整合を図るため、光導波路素子の基板を薄板化することが行なわれている。一般的に、基板を薄板化すると、光の閉じ込めが強くなる。このため、基板の厚い光導波路素子と比較し、シングルモードを維持するために必要な光導波路の幅は狭くなる。即ち、基板の厚さが１００μｍ以上である場合には、シングルモードを維持する光導波路の幅は、６〜１０μｍ程度である。しかし、基板の厚さが１５μｍ以下の光導波路素子の場合には、光導波路の幅は６μｍ以下でもシングルモードで導波することが可能となる。
【０００６】
基板の厚さが１５μｍ以下となる光導波路素子において、駆動電圧を低減するためには信号電極と接地電極との距離を小さくすることが望ましい。しかしながら、電極間距離であるギャップＧを小さくすると、光導波路と電極との間が近接し、光導波路を伝搬する光波は電極に吸収又は散乱され、光伝搬損失が増加する原因ともなる。しかも、ギャップＧが小さくなると信号線路のインピーダンスもさらに低下することとなる。
また、複数の光導波路の間隔が狭くなると、方向性結合器と同様に光波の乗り移り、所謂、クロストークが発生する原因となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、電気光学効果を有する基板の厚みが１５μｍ以下の場合でも、駆動電圧Ｖπを低減し、光損失を抑制すると共に、インピーダンス整合を図ることが可能な光導波路素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電気光学効果を有する材料で構成され、厚さが１５μｍ以下の基板と、該基板の表面から高屈折率材料を基板内にドープして形成される光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための制御電極とを有する光導波路素子において、該制御電極は、該光導波路を挟んで配置される信号電極と接地電極とから構成され、該信号電極の幅Ｗと該信号電極と該接地電極との間のギャップＧとの比Ｗ／Ｇが０．７以下であり、該信号電極の幅Ｗは、１５μｍ以下であり、該信号電極と接地電極との間のギャップＧは、１８μｍ以上であることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光導波路素子において、該光導波路の端部と該端部に最も近い位置にある該制御電極の端部との距離ｄは、２μｍ以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係る発明により、電気光学効果を有する材料で構成され、厚さが１５μｍ以下の基板と、該基板の表面から高屈折率材料を基板内にドープして形成される光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための制御電極とを有する光導波路素子において、該制御電極は、該光導波路を挟んで配置される信号電極と接地電極とから構成され、該信号電極の幅Ｗと該信号電極と該接地電極との間のギャップＧとの比Ｗ／Ｇが０．７以下であるため、マイクロ波の実効屈折率を下げ、光波とマイクロ波との速度整合を図ることができ、駆動電圧の低減を図りながら、インピーダンス整合を実現することが可能となる。さらに、信号電極の幅Ｗは、１５μｍ以下であるため、インピーダンス整合をより容易に実現することが可能となる。
【００１１】
さらに請求項１に係る発明により、信号電極と接地電極との間のギャップＧは、１８μｍ以上であるため、３５〜５５Ωの好適なインピーダンスを実現することが可能となる。
【００１２】
請求項２に係る発明により、光導波路の端部と該端部に最も近い位置にある該制御電極の端部との距離ｄは、２μｍ以上であるため、電極による光波の吸収・散乱を抑制し、光損失の増加を抑えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
図２は、本発明の光導波路素子の一例を示す図である。
本発明の光導波路素子は、電気光学効果を有する材料で構成され、厚さＴが１５μｍ以下の基板１と、該基板の表面から高屈折率材料を基板内にドープして形成される光導波路２と、該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための制御電極とを有する光導波路素子において、該制御電極は、該光導波路２を挟んで配置される信号電極３と接地電極４とから構成され、該信号電極の幅Ｗと該信号電極と該接地電極との間のギャップＧとの比Ｗ／Ｇが０．７以下であることを特徴とする。
【００１４】
この構成により駆動電圧の低減を図りながら、インピーダンス整合を実現することが可能となる。しかも、光波とマイクロ波との速度整合、電極による光損失の低減、並びにクロストークの抑制にも効果的である。
【００１５】
電気光学効果を有する基板１としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、及びこれらの組み合わせが利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）結晶が好適に利用される。
【００１６】
光導波路の形成方法としては、Ｔｉなどの高屈折率材料を熱拡散法やプロトン交換法などで、基板表面から基板内にドープすることにより形成することができる。
なお、本発明における高屈折率材料とは、基板を構成する材料より高屈折率な材料を意味するだけでなく、基板内に特定材料をドープすることで、該ドープした領域の屈折率が他の領域よりも高屈折率となるものである場合には、当該特定材料も高屈折率材料に含むものである。
【００１７】
図２のように、光導波路２を伝搬する光波を変調制御するため、光導波路２を挟むように制御電極が配置される。
制御電極は、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより、基板１の表面又は裏面などに形成することが可能である。また、制御電極は、変調信号（ＡＣ信号又はＤＣ信号）を伝搬する信号電極と該信号電極の周囲に配置される接地電極から構成される。
【００１８】
本発明の光導波路素子においては、基板１と制御電極との間にＳｉＯ２などのバッファ層を形成していない。バッファ層が存在することで、光導波路を伝搬する光波が制御電極により吸収又は散乱されることを効果的に防止したり、また、制御電極から印加されるマイクロ波と光導波路内を導波する光波との速度整合にも寄与する。しかしながら、本発明では、バッファ層が存在することによる駆動電圧の増加を懸念し、電極による吸収又は散乱を光導波路と電極との配置関係で回避し、速度整合については、基板を薄板化することで補っている。
【００１９】
本発明の光導波路素子では、図２に示す光導波路の端部と該端部に最も近い位置にある該制御電極の端部との距離ｄは、２μｍ以上とすることにより、電極による光波の吸収・散乱を抑制し、光損失の増加を抑えている。距離ｄが２μｍ未満の場合には、電極による光損失の影響が顕著となる。また、距離ｄが大きくなると駆動電圧が増加する原因ともなるため、留意が必要である。
【００２０】
図２に示す光導波路素子の信号電極と接地電極とのギャップＧについては、後述するように、好適なインピーダンスの範囲である３５〜５５Ωを実現するには、１８μｍ以上とすることが好ましい。
【００２１】
次に、光導波路素子の信号電極の幅Ｗについては、本発明のように、Ｗ／Ｇを０．７以下とすることにより、ギャップＧの低下に伴うインピーダンスの低下をＷの低下によるインピーダンスの増加で補うことで、インピーダンス整合を実現している。特に、信号電極の幅Ｗを１５μｍ以下とすることにより、より効果的にインピーダンスを高めることができる。ただし、光導波路間のクロストークを防止するためには、伝搬する光波の波長の約５倍程度の距離を確保することが必要である。このため、通常、通信で使用される波長１．５μｍの光波の場合には、安全率を２０％確保して、光導波路間の距離は９μｍ以上となる。仮に、上記距離ｄを２μｍ、光導波路の幅３μｍとすると、電極の幅Ｗは２μｍ以上が必要となる。
【００２２】
光制御素子の制御電極の高さは、１５μｍ以上に設定することで、マイクロ波の実効屈折率を下げ、光波とマイクロ波との速度整合も併せて実現できる。
【実施例】
【００２３】
次に、本発明の光導波路素子について、比率Ｗ／Ｇとインピーダンス整合との関係を調べるため、図２示す光導波路素子について、以下の条件の下でシミュレーションを行った。
・基板の材料：ニオブ酸リチウム
・基板の厚さ：１５μｍ
・光導波路の幅：３μｍ
・制御電極（信号電極及び接地電極）の高さ：１８〜３０μｍ
・光導波路の位置：信号電極と接地電極との中間
・信号電極の幅Ｗ：２〜１６μｍ
・信号電極と接地電極との間のギャップＧ：１５〜２０μｍ
【００２４】
信号電極の幅Ｗ及び信号電極と接地電極との間のギャップＧとを変化させた場合の、インピーダンス値を、図３に示す。
Ｗ及びＧの単位は「μｍ」であり、図３の表の枠内の数字であるインピーダンス値の単位は「Ω」である。
枠内の数字で、「３２〜４０」と数値範囲で示したものは、下限値が制御電極の高さが３０μｍの場合のインピーダンス値であり、上限値が制御電極の高さが２０μｍの場合のインピーダンス値である。
また、枠内の数字が、単一の値として示したものは、制御電極の高さが２０μｍの場合のインピーダンス値である。
【００２５】
図３より、インピーダンス整合が可能な範囲（インピーダンス値３５〜５５Ω）は、制御電極の高さ２０〜３０μｍで変化させた場合で、比率Ｗ／Ｇが０．７以下に存在することが容易に理解される。しかも、ギャップＧが１８μｍ以上の場合には、制御電極の高さが２０〜３０μｍの範囲で変化しても、常に、好適なインピーダンス値（３５〜５５Ω）を実現することが可能である。なお、制御電極の高さが１８μｍの場合であっても、比率Ｗ／Ｇが０．７以下であり、ギャップＧが１８以上の場合には、好適なインピーダンス値を実現できることが確認されている。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明によれば、電気光学効果を有する基板の厚みが１５μｍ以下の場合でも、駆動電圧Ｖπを低減し、光損失を抑制すると共に、インピーダンス整合を図ることが可能な光導波路素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】特許文献１に開示された光導波路素子の各パラメータを示す説明図である。
【図２】本発明の光導波路素子の各パラメータを示す説明図である。
【図３】比率Ｗ／Ｇに対するインピーダンス値を示す表である。
【符号の説明】
【００２８】
１  基板
２  光導波路
３  信号電極
４  接地電極
【図１】
0005099347.tif 000002
【図２】
0005099347.tif 000003
【図３】
0005099347.tif 000004