JP5298849B2 - 光制御素子 - Google Patents

Description

本発明は、光制御素子に関し、特に、電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板と、該薄板に形成された光導波路と、該光導波路を通過する光を制御するための制御電極とを有する光制御素子に関する。

従来、光通信分野や光測定分野において、電気光学効果を有する基板上に光導波路や制御電極を形成した導波路型光変調器や導波路型光スイッチなどの各種の光制御素子が多用されている。
現在利用されている光制御素子の多くの形態は、図１（ａ）に示すような、厚さ０．５〜１ｍｍ程度の電気光学結晶基板１に、光導波路２や信号電極４及び接地電極５を形成したものである。なお、図１（ａ）はＺカット型ＬｉＮｂＯ_３基板を用いた光変調器の例であり、符号３はＳｉＯ_２膜などのバッファ層を示している。

特に、導波路型光変調器においては、光導波路内を伝搬する光波を変調制御するため、マイクロ波信号が制御電極に印加されている。このため、マイクロ波が効率的に制御電極を伝搬するためには、マイクロ波を光変調器に導入する同軸ケーブルなどの信号線路と光変調器内の制御電極とのインピーダンス整合を図る必要がある。
このため、図１（ａ）に示すように、信号電極４を接地電極５で挟み込む形状、いわゆるコプレーナ型の制御電極が利用されている。

しかしながら、コプレーナ型制御電極の場合には、基板１の電気光学効果の効率が高い方向（図１（ａ）のＺカット型ＬｉＮｂＯ_３基板の場合には、上下方向が該当する）に、効率的に外部電界が作用しないため、必要な光変調度を得るために、より大きな電圧が必要となる。具体的には、ＬｉＮｂＯ_３（以下、「ＬＮ」という）基板を利用し、光導波路に沿った電極長が１ｃｍの場合には、約１０〜１５Ｖ程度の半波長電圧が必要となる。

また、図１（ｂ）に示すように、特許文献１には、光導波路の光波の閉じ込めを改善し、制御電極が生成する電界をより効率良く光導波路に印加するために、光導波路をリッジ型導波路２０とし、信号電極４及び４１に対して、接地電極５，５１，５２をより近接配置する構成が提案されている。この構成により、ある程度の駆動電圧の低減は実現できるが、特に、高周波帯域における高速変調を実現するには、より一層の駆動電圧の低減が不可欠である。
米国特許明細書第６，５８０，８４３号

また、特許文献２には、図１（ｃ）に示すように、基板を制御電極で挟み込み、電気光学効果の効率が高い方向（図１（ｃ）のＺカット型ＬｉＮｂＯ_３基板の場合には、上下方向が該当する）に電界を印加することが提案されている。しかも、図１（ｃ）の光変調器は、電気光学効果を有する基板を分極反転し、自発分極の方向（図中の矢印方向）が異なる基板領域１０及び１１を形成すると共に、各基板領域には光導波路２が形成されており、共通の信号電極４２と接地電極５３で各光導波路に電界を印加した場合には、各光導波路を伝搬する光波には逆向きの位相変化を発生させることが可能となる。このような差動駆動により、駆動電圧をより一層低下させることが可能となる。
特許第３６３８３００号公報

しかしながら、図１（ｃ）のような電極構造では、マイクロ波の屈折率が高くなり、光導波路を伝搬する光波と変調信号であるマイクロ波との速度整合を取ることが困難となる。しかも、インピーダンスは逆に低くなるため、マイクロ波の信号線路とのインピーダンス整合を取ることも難しくなるという欠点がある。

他方、以下の特許文献３又は４においては、３０μｍ以下の厚みを有する極めて薄い基板（以下、「薄板」という）に、光導波路並びに変調電極を組み込み、該薄板より誘電率の低い他の基板を接合し、マイクロ波に対する実効屈折率を下げ、マイクロ波と光波との速度整合を図ることが行われている。
特開昭６４−１８１２１号公報 特開２００３−２１５５１９号公報

しかしながら、このような薄板を用いた光変調器に対して、図１（ａ）乃至（ｃ）のような構造の制御電極を形成した場合であっても、依然として、上述した問題は、根本的に解消されていない。図１（ｃ）のような制御電極で基板を挟み込む場合には、基板の厚みを薄くした場合、マイクロ波屈折率は下がる傾向にあるが、光波とマイクロ波との速度整合を実現するのは困難である。電極の幅にも依存するが、例えば、ＬＮの薄板を用いた場合で、実効屈折率が約５程度であり、最適値である２．１４には及ばない。他方、インピーダンスは、基板が薄くなるに従い下がる傾向となり、インピーダンス不整合が拡大する原因となる。

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、マイクロ波と光波との速度整合やマイクロ波のインピーダンス整合が実現でき、しかも、駆動電圧の低減が可能な光制御素子を提供することである。
また、駆動電圧の低減により、光制御素子の温度上昇を抑制でき安定動作が可能な光制御素子を提供することであり、さらには、コストのより安い低駆動電圧型駆動装置を利用できる光制御素子を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明では、電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板と、該薄板に形成された光導波路と、該光導波路を通過する光を制御するため、マイクロ波信号が印加される制御電極とを有する光制御素子において、該制御電極は、該薄板を挟むように配置された第１電極と第２電極とからなり、該第１電極は、少なくとも信号電極と接地電極とからなるコプレーナ型の電極を有し、該第２電極は、少なくとも接地電極を有すると共に、第１電極の信号電極と協働して該光導波路に電界を印加するよう構成されていることを特徴とする。
本発明における「コプレーナ型の電極」とは、信号電極を接地電極で挟んだものを意味し、例えば、信号電極と両側の接地電極は同じ電極間隔のものや、電極間隔が異なるもの、接地電極が片側だけのものも含むものである。また、信号電極を複数のラインで形成し、これら複数のラインを接地電極で挟むものや、さらに、複数のラインの間に接地電極を追加配置するものなども含むものである。

請求項２に係る発明では、請求項１に記載の光制御素子において、該光導波路はリッジ型光導波路であることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載の光制御素子において、該薄板と、該第１電極又は該第２電極との間にはバッファ層が形成されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、請求項１乃至３のいずれかに記載の光制御素子において、該信号電極又は該接地電極は、透明電極又は薄板側に透明電極を配置した電極のいずれかで構成されていることを特徴とする。

請求項５に係る発明では、請求項２乃至４のいずれかに記載の光制御素子において、少なくとも該リッジ型導波路の両側に配置された溝には、低誘電率膜が充填されていることを特徴とする。

請求項６に係る発明では、請求項５に記載の光制御素子において、該信号電極に給電する信号線は、該第１電極の接地電極を跨ぐあるいは潜るように配置され、該信号線と該接地電極との間には該低誘電率膜が配置されていることを特徴とする。

請求項７に係る発明では、請求項１乃至６のいずれかに記載の光制御素子において、該第２電極は、該光導波路の形状に対応した形状を有するパターン状電極であることを特徴とする。

請求項８に係る発明では、請求項１乃至７のいずれかに記載の光制御素子において、該第１電極の接地電極と該第２電極の接地電極とは、該薄板に設けられたスルーホールを介して電気的に接続されていることを特徴とする。

請求項９に係る発明では、請求項１乃至８のいずれかに記載の光制御素子において、該光導波路の少なくとも一部を含む薄板の自発分極が反転されていることを特徴とする。

請求項１０に係る発明では、請求項１乃至９のいずれかに記載の光制御素子において、該薄板は該第１電極又は該第２電極を挟むように接着層を介して支持基板に接着されていることを特徴とする。

請求項１１に係る発明では、請求項１０に記載の光制御素子において、該第２電極は該支持基板上に配置されていることを特徴とする。

請求項１２に係る発明では、請求項１乃至１１のいずれかに記載の光制御素子において、少なくとも第１電極の信号電極の幅Ｗ、高さＴ_ＥＬ、該第１電極における信号電極と接地電極との間隔Ｇ、及び光導波路がリッジ型光導波路である場合にはリッジの深さＤは、該信号電極に係る半波長電圧Ｖｐａｉが８Ｖ・ｃｍ以下、インピーダンスＺが３０Ω以上６０Ω以下、及び光とマイクロ波との屈折率差Δｎと該信号電極の電界が光導波路に作用する作用部分の長さＬとの積が１．３ｃｍ以下となるように設定されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板と、該薄板に形成された光導波路と、該光導波路を通過する光を制御するため、マイクロ波信号が印加される制御電極とを有する光制御素子において、該制御電極は、該薄板を挟むように配置された第１電極と第２電極とからなり、該第１電極は、少なくとも信号電極と接地電極とからなるコプレーナ型の電極を有し、該第２電極は、少なくとも接地電極を有すると共に、第１電極の信号電極と協働して該光導波路に電界を印加するよう構成されているため、マイクロ波と光波との速度整合やマイクロ波のインピーダンス整合が実現でき、高速動作が可能な光制御素子を提供することができる。しかも、駆動電圧の低減が可能なため、既存の廉価な駆動装置を用いて高速駆動が可能となり、駆動装置に係るコストも削減できる。

請求項２に係る発明により、光導波路はリッジ型光導波路であるため、光波の閉じ込め効率が高く、また、制御電極が形成する電界を光導波路に集中させることが可能となり、より低駆動電圧の光制御素子を実現することができる。

請求項３に係る発明により、薄板と、第１電極又は第２電極との間にはバッファ層が形成されているため、光導波路を伝搬する光波の伝搬損失を抑制しながら、制御電極を光導波路のより近傍に配置することが可能となる。

請求項４に係る発明により、信号電極又は接地電極は、透明電極又は薄板側に透明電極を配置した電極のいずれかで構成されているため、バッファ層が無い場合でも、光導波路を伝搬する光波の伝搬損失を抑制しながら、制御電極を光導波路のより近傍に配置することが可能となる。

請求項５に係る発明により、少なくともリッジ型導波路の両側に配置された溝には、低誘電率膜が充填されているため、制御電極におけるマイクロ波屈折率やインピーダンスの調整が可能となり、より適切なマイクロ波屈折率やインピーダンスを得ることができる。

請求項６に係る発明により、信号電極に給電する信号線は、第１電極の接地電極を跨ぐあるいは潜るように配置され、該信号線と該接地電極との間には該低誘電率膜が配置されているため、制御電極の配線の自由度が増し、光集積回路などの複雑な配線も可能となる。また、配線を立体化することができ、より適切なマイクロ波の屈折率やインピーダンスを得ることも可能となる。

請求項７に係る発明により、第２電極は、光導波路の形状に対応した形状を有するパターン状電極であるため、光導波路に印加される電界を、より集中させることができ、駆動電圧をより一層低減させることが可能となる。

請求項８に係る発明により、第１電極の接地電極と第２電極の接地電極とは、薄板に設けられたスルーホールを介して電気的に接続されているため、光制御素子に係る電気配線を簡略化できると共に、第１電極の接地電極と第２電極の接地電極とに発生する浮遊電荷のズレを抑制でき、より適切な電界を光導波路に印加させることが可能となる。

請求項９に係る発明により、光導波路の少なくとも一部を含む薄板の自発分極が反転されているため、光制御素子の差動駆動が、簡便な制御電極や駆動回路で容易に実現できる上、駆動電圧を低減することも可能となる。

請求項１０に係る発明により、薄板は第１電極又は第２電極を挟むように接着層を介して支持基板に接着されているため、薄板の機械的強度を補強でき、信頼性の高い光制御素子を提供するが可能となる。

請求項１１に係る発明により、第２電極は支持基板上に配置されているため、制御電極に係る配置の自由度が増し、光集積回路などの複雑な配線も可能となる。さらに、薄板に配置される制御電極の数が減少でき、薄板に加わる熱応力などにより薄板が破損する危険性を減少させることも可能となる。

請求項１２に係る発明により、少なくとも第１電極の信号電極の幅Ｗ、高さＴ_ＥＬ、該第１電極における信号電極と接地電極との間隔Ｇ、及び光導波路がリッジ型光導波路である場合にはリッジの深さＤは、該信号線路に係る半波長電圧Ｖｐａｉが８Ｖ・ｃｍ以下、インピーダンスＺが３０Ω以上６０Ω以下、及び光とマイクロ波との屈折率差Δｎと該信号電極の電界が光導波路に作用する作用部分の長さＬとの積が１．３ｃｍ以下となるように設定されているため、信号電極の幅や高さ、また、信号電極と接地電極との間隔やリッジの深さなどを調整するだけで、マイクロ波と光波との速度整合や、変調信号を入力する側のインピーダンスに対するマイクロ波のインピーダンス整合が極めて容易に実現でき、高速動作が可能な光制御素子を提供することができる。しかも、駆動電圧の低減が可能なため、既存の廉価な駆動装置を用いて高速駆動が可能となり、駆動装置に係るコストも削減できる。

従来の光制御素子の例を示す図である。 本発明の光制御素子の実施例を示す図である。 リッジ型導波路を有する光制御素子の例を示す図である。 低誘電率膜を有する光制御素子の例を示す図である。 薄板の裏面側に光導波路を形成した光制御素子の例を示す図である。 透明電極を利用した光制御素子の例を示す図である。 第２電極にパターン状電極を用いた光制御素子の例を示す図である。 分極反転を用いた光制御素子の例を示す図である。 スルーホールを利用した光制御素子の例を示す図である。 計算モデルを説明する図である。 基板の厚さに対する駆動電圧値の変化示すグラフである。 計算結果（ｔ＝２μｍ，Ｄ／ｔ＝0.2）を示す表である。 計算結果（ｔ＝２μｍ，Ｄ／ｔ＝0.4）を示す表である。 計算結果（ｔ＝２μｍ，Ｄ／ｔ＝0.6）を示す表である。 計算結果（ｔ＝２μｍ，Ｄ／ｔ＝0.8）を示す表である。 計算結果（ｔ＝４μｍ，Ｄ／ｔ＝0.2）を示す表である。 計算結果（ｔ＝４μｍ，Ｄ／ｔ＝0.4）を示す表である。 計算結果（ｔ＝４μｍ，Ｄ／ｔ＝0.6）を示す表である。 計算結果（ｔ＝４μｍ，Ｄ／ｔ＝0.8）を示す表である。 計算結果（ｔ＝６μｍ，Ｄ／ｔ＝0.2）を示す表である。 計算結果（ｔ＝６μｍ，Ｄ／ｔ＝0.4）を示す表である。 計算結果（ｔ＝６μｍ，Ｄ／ｔ＝0.6）を示す表である。 計算結果（ｔ＝６μｍ，Ｄ／ｔ＝0.8）を示す表である。 計算結果（ｔ＝８μｍ，Ｄ／ｔ＝0.2）を示す表である。 計算結果（ｔ＝８μｍ，Ｄ／ｔ＝0.4）を示す表である。 計算結果（ｔ＝８μｍ，Ｄ／ｔ＝0.6）を示す表である。 計算結果（ｔ＝８μｍ，Ｄ／ｔ＝0.8）を示す表である。 計算結果（ｔ＝２μｍ，Ｗ／ｔ＝2.2〜4.0）におけるＶｐａｉ評価を示す表である。 計算結果（ｔ＝２μｍ，Ｗ／ｔ＝2.2〜4.0）におけるＺ評価を示す表である。 計算結果（ｔ＝２μｍ，Ｗ／ｔ＝2.2〜4.0）におけるＮＭ評価を示す表である。

符号の説明

１ Ｚカット型ＬＮ結晶基板
２ 光導波路
３，３１ バッファ層
４，４１，４２，４３，４４，１４０ 信号電極
５，５１，５２，５３，５４，５５，５６，１５０ 接地電極
６ 接着層
７ 支持基板
８，８１ 低誘電率膜
９，９１，９２，９３，９４，９５，９６ 透明電極
１１ Ｘカット型ＬＮ結晶基板
２０ リッジ型導波路（リッジ部）
１００ スルーホールに形成された接続線路

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明に係る光制御素子の基本的な構成は、電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板と、該薄板に形成された光導波路と、該光導波路を通過する光を制御するための制御電極とを有する光制御素子において、該制御電極は、該薄板を挟むように配置された第１電極と第２電極とからなり、該第１電極は、少なくとも信号電極と接地電極とからなるコプレーナ型の電極を有し、該第２電極は、少なくとも接地電極を有すると共に、第１電極の信号電極と協働して該光導波路に電界を印加するよう構成されていることを特徴とする。

図２は、本発明の光制御素子に係る実施例を示す断面図であり、図２（ａ）はＺカット型ＬＮ基板（薄板）１を利用した場合を、図２（ｂ）はＸカット型ＬＮ基板（薄板）１１を利用した場合を、各々示している。本発明の光制御素子においては、薄板の厚みは１０μｍ以下が好ましい。
図２（ａ）では、薄板１に光導波路２が形成され、該薄板１を挟むように制御電極が配置されている。制御電極としては、薄板１の上側に配置された第１電極と、薄板、下側に配置された第２電極とがある。第１電極には、信号電極４と接地電極５が設けられ、また、第２電極には接地電極５４が設けられている。第１電極及び第２電極には、図示した電極以外にＤＣ電極など、必要な電極を適宜付加できることは言うまでもない。

図２（ａ）の光制御素子の特徴は、光導波路２に対して信号電極４と接地電極５による電界以外に、信号電極４と接地電極５４とによる電界が印加されることである。これにより、光導波路２をおける図の縦方向の電界を強くすることができ、駆動電圧を低減させることが可能となる。
しかも、制御電極におけるマイクロ波の屈折率及びインピーダンスは、信号電極４と接地電極５及び５４により決定されるため、例えば、最適値であるマイクロ波屈折率２．１４、インピーダンス５０Ωに設定することも可能となる。

各電極は、薄板との間にＳｉＯ_２膜などのバッファ層３又は３１を介して配置されている。バッファ層には、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防止する効果を有している。また、バッファ層の構成としては、必要に応じ、薄板１の焦電効果を緩和するため、Ｓｉ膜などを組み込むことも可能である。
なお、接地電極５又は５４と薄板１との間に存在するバッファ層は、省略することも可能であるが、薄板１の光導波路と接地電極５４との間にあるバッファ層については、薄板の厚みが薄くなるに従い、光導波路を伝搬する光波のモード径は薄板の厚みとほぼ等しくなることから、接地電極５４による光波の吸収又は散乱も発生するため、この部分のバッファ層は残しておくことが好ましい。

また、光制御素子の基板は薄板であるため、薄板１に対する第１電極と第２電極との配置を、逆にした場合でも、図１（ａ）のものと同様に、光制御素子を動作させることが可能である。

薄板１は、第２電極が形成された後に、接着層６を介して支持基板７に接合される。これにより、薄板１が１０μｍ以下の場合でも、光制御素子として十分な機械的強度を確保することが可能となる。
また、図２（ａ）では、第２電極（第１電極と第２電極との配置を逆にした場合には、第１電極）は、薄板１側に接して配置されているが、支持基板７上に第２電極（又は第１電極）を形成し、接着層を介して薄板１に接合することも可能である。

図２（ｂ）は、Ｘカット型ＬＮ基板を用いたものであり、電気光学効果の効率が高い方向は、図の横方向となる。このため、第１電極では、光導波路２を挟む位置に信号電極４と接地電極５とを配置し、第２電極では、信号電極４と接地電極５５及び５６とが形成する電界が、光導波路２に対して横方向の成分を有するように、接地電極５５及び５６の形状及び配置が決定されている。なお、後述するように、第２電極を光導波路の形状に対応してパターン状電極とすることにより、より最適な電界分布を形成することが可能となる。

薄板に使用される電気光学効果を有する結晶性基板としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料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。

光導波路の形成方法としては、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより形成することができる。また、特許文献５のように薄板１の表面に光導波路の形状に合わせてリッジを形成し、光導波路を構成することも可能である。
信号電極や接地電極などの制御電極は、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形成することが可能である。また、後述する透明電極については、ＩＴＯや赤外透明導電膜であるＩｎとＴｉの複合酸化物膜などが利用可能であり、フォトリソグラフィー法により電極パターンを形成しリフトオフ法によって形成する方法や、所定の電極パターンが残るようにマスク材を形成し、ドライエッチング、あるいはウエットエッチングにて形成する方法などが使用可能である。
特開平６−２８９３４１号公報

光制御素子を含む薄板１の製造方法は、数百μｍの厚さを有する基板に上述した光導波路を形成し、基板の裏面を研磨して、１０μｍ以下の厚みを有する薄板を作成する。その後薄板の表面に制御電極を作り込む。また、光導波路や制御電極などの作り込みを行った後に、基板の裏面を研磨することも可能である。なお、光導波路形成時の熱的衝撃や各種処理時の薄膜の取り扱いによる機械的衝撃などが加わると、薄板が破損する危険性もあるため、これらの熱的又は機械的衝撃が加わり易い工程は、基板を研磨して薄板化する前に行うことが好ましい。

支持基板７に使用される材料としては、種々のものが利用可能であり、例えば、薄板と同様の材料を使用する他に、石英、ガラス、アルミナなどのように薄板より低誘電率の材料を使用したり、薄板と異なる結晶方位を有する材料を使用することも可能である。ただし、線膨張係数が薄板と同等である材料を選定することが、温度変化に対する光制御素子の変調特性を安定させる上で好ましい。仮に、同等の材料の選定が困難である場合には、薄板と支持基板とを接合する接着剤に、薄板と同等な線膨張係数を有する材料を選定する。

薄板１と支持基板７との接合には、接着層６として、エポキシ系接着剤、熱硬化性接着剤、紫外線硬化性接着剤、半田ガラス、熱硬化性、光硬化性あるいは光増粘性の樹脂接着剤シートなど、種々の接着材料を使用することが可能である。

以下に、本発明に係る光制御素子の応用例について説明する。なお、以下の図面には、前出した部材と同じ部材を用いる場合には、可能な限り同じ符号を用い、さらに、構成の特徴を明確にするため、必要に応じ接着層や支持基板を省略して記載している。
（リッジ型導波路を有する光制御素子）
図３は、本発明の光制御素子に係る応用例であり、光導波路をリッジ型導波路で形成した例を示す。光導波路をリッジ型光導波路で形成することにより、光波の閉じ込め効率が高くなり、また、制御電極が形成する電界を光導波路に集中させることが可能となるため、より低駆動電圧の光制御素子を実現することができる。

図３（ａ）は、図２（ａ）の光制御素子の光導波路をリッジ型導波路２０としたものであり、リッジ部２０に伝搬する光波を閉じ込めている。リッジ部２０には、信号電極４と接地電極５とが形成する電界と、信号電極４と接地電極５４とが形成する電界とが集中的に印加されるため、光制御素子の駆動伝達を低減させることにも寄与する。

図３（ｂ）は、２つの光導波路２をリッジ型導波路２０とするものである。リッジ型導波路に対応して信号電極４及び４１が配置され、信号電極には互いに逆向きの信号などが印加されている。
例えば、左側のリッジ部２０についてみると、信号電極４と接地電極５とが形成する電界と、信号電極４と接地電極５４とが形成する電界と、さらには信号電極４と信号電極４１とが形成する電界とが集中的に印加される。

図３（ｃ）は、２つの光導波路２をリッジ型導波路２０とすると共に、２つの光導波路間に、接地電極５１に対応したリッジ部を形成したものである。リッジ型導波路２０に対応して信号電極４及び４１が配置され、信号電極には個々独立した信号などが印加されている。
例えば、左側のリッジ部２０についてみると、信号電極４と接地電極５とが形成する電界と、信号電極４と接地電極５４とが形成する電界と、さらには信号電極４と接地電極５１とが形成する電界とが集中的に印加される。

基板の厚さとほぼ同じ程度までリッジの深さを形成することは、現時点の製造技術では変調器としての機械的強度に課題が残るが、光導波路の閉じ込めが強くなり、信号電極により形成される電界が集中的に印加される。機械的強度を強くするためには、リッジ加工部を低誘電率膜で埋めることができる。
また、接地電極下の基板１は、電気光学効果を有する必要なく、図４又は図５に示す低誘電率膜を基板の代替に使用することもできる。これにより、接地電極部の電気光学基板を残す必要が無く作製条件が広がる。また、信号電極周辺部に低誘電率層がくるため、電極損が低下し高周波対応が可能となる。

（低誘電率膜を有する光制御素子）
図４は、本発明の光制御素子に係る応用例であり、リッジ型導波路を形成する溝や、第１電極を構成する信号電極４と接地電極５との間に低誘電率膜を配置した例を示す。このような低誘電率膜の配置により、制御電極におけるマイクロ波屈折率やインピーダンスの調整が可能となり、また、制御電極の配線の自由度を増加させることが可能となる。
低誘電率膜の材料としては、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）などが使用でき、低誘電率膜の製造方法として、塗付法などが利用できる。

図４（ａ）に示すように、リッジ型導波路２０の両側に形成される溝や、信号電極４と接地電極５との間、あるいは第１電極を覆うように低誘電率膜８を形成することができる。
また、図４（ｂ）に示すように、接地電極５を跨ぐように信号電極４の給電部４２を配置し、接地電極４と給電部４２との間には低誘電率膜８が配置される。これにより、制御電極の立体的な配線が可能となり、制御電極に係る配線設計の自由度が増加する。さらに、接地電極を信号電極の上方（薄板から離れる位置）を通過させることも可能である。

（薄板の裏面側に光導波路を形成した光制御素子）
図５は、本発明の光制御素子に係る応用例であり、光導波路２（リッジ型導波路２０）を薄板１の裏面（図の下側）に形成した例を示す。
厚みが１０μｍ以下の薄板を使用する場合には、図５（ａ）のように、光導波路２を薄板１の裏面に形成し、第１電極である信号電極４及び接地電極５を薄板の表面に、また、第２電極である接地電極５４を薄板１の裏面に形成しても、特に信号電極４と接地電極５４とが形成する電界により、リッジ部２０に電界を印加させることが可能となる。

また、図５（ｂ）は、２つの信号電極４及び４１を用いた例であり、左側のリッジ部２０に対しては、特に信号電極４と接地電極５４とが形成する電界により、また、右側のリッジ部２０に対しては、特に信号電極４１と接地電極５４とが形成する電界により、電界が印加される。
なお、各リッジ部２０を形成する溝には、必要に応じて低誘電率膜８１が形成されている。図５における低誘電率膜８１に替わり、空気層を配置し、誘電率の低い領域を形成することも可能である。

図３のような光制御素子の場合には、リッジ型導波路のリッジ部の頂上に信号電極４や４１を正確に配置することが必要であるが、図５のような光制御素子の場合には、信号電極４や４１の幅をリッジ型導波路の幅以上に設定するだけで、両者間に若干の位置ズレが発生しても、効率よくリッジ部に電界を印加することができるという利点を有している。

（透明電極を利用した光制御素子）
図６は、本発明の光制御素子に係る応用例であり、透明電極（９及び９１至９６）を電極に使用した例を示す。信号電極又は接地電極に、透明電極又は薄板側に透明電極を配置した電極のいずれかを用いることにより、バッファ層が無い場合でも、光導波路を伝搬する光波の伝搬損失を抑制しながら、制御電極を光導波路のより近傍に配置することが可能となり、駆動電圧を低減させることができる。

図６（ａ）は、第２電極の接地電極に透明電極９を使用する例であり、図６（ｂ）は第１電極に透明電極９１，９２を使用する例である。これらの場合には、図３（ａ）で示したバッファ層３１や３が不要となり、電極を光導波路に近接して配置することが可能となる。
なお、図６（ｂ）の第１電極を構成する接地電極（透明電極９１）は、電極の近傍に光導波路が無いため、通常の金属電極で形成しても良い。

図６（ｃ）及び（ｄ）は、制御電極の一部（薄板１又は１１に接する側）に、透明電極を使用する例を示すものである。透明電極は、一般的にＡｕなどの金属電極と比較して電気抵抗率が高いため、電極の電気抵抗を下げる目的で、透明電極９や９３乃至９６に接触して金属電極１４０，１５０，１５１を配置することができる。透明電極の厚さは、例えば、バッファ層と同程度の０．７μｍ相当であればよく、屈折率によってはそれ以上の３μｍ位であっても良い。
また、透明電極は、９３や９５，９６に示したようにリッジ型導波路の近傍又はリッジ型光導波路の側面に配置することも可能であり、極めて効果的に電界を導波路に作用させることが可能となる。
なお、図６（ｃ）は、Ｚカット型ＬＮ基板を用いた例であり、図６（ｄ）はＸカット型ＬＮ基板を用いた例である。

（第２電極にパターン状電極を用いた光制御素子）
図７は、本発明の光制御素子に係る応用例であり、第２電極を形成する接地電極をパターン状電極で構成した例を示す。第２電極を、光導波路の形状に対応した形状を有するパターン状電極とすることにより、光導波路に印加される電界を、より適切な形状に調整でき、駆動電圧をより一層低減させることが可能となる。

図７（ａ）は、接地電極５７を光導波路２に沿ったストリップ状の電極とし、信号電極４と接地電極５７とが形成する電界を、より光導波路２に集中するように構成している。
また、図７（ｂ）は、Ｘカット型の薄板１１を用いた例であり、第２電極を形成する接地電極５８，５９が、パターン状電極で形成されている。

（分極反転を用いた光制御素子）
図８は、本発明の光制御素子に係る応用例であり、薄板１を分極反転した例を示す。光導波路の少なくとも一部を含む薄板１の自発分極を反転させることにより、光制御素子の差動駆動が、簡便な制御電極や駆動回路で容易に実現でき、駆動電圧の低減も可能となる。

図８（ａ）は、薄板１の基板領域１２と１３とにおいて、互いに異なる向き（図中の矢印）に自発分極が揃えられている。第１電極を構成する信号電極４３は、各基板領域１２及び１３に形成された光導波路２に対して、共通の電界を印加することが可能である。各光導波路においては互いに基板の分極方向が異なるため、光導波路を伝搬する光波の位相変化が逆の状態となり、結果として、差動駆動と同様の効果を得ることができる。

図８（ｂ）は、薄板１の基板領域１２と１３との分極方向を互いに異なるように調整すると共に、リッジ型光導波路を利用した場合の例を示す。２つのリッジ型導波路２０に電界を印加する信号電極４４は共通であり、さらに、２つの信号電極４４は接続線路４５により導通されている。また、リッジ型導波路を形成する溝や、信号電極と接地電極５との間には、低誘電率膜８が形成されている。

（スルーホールを利用した光制御素子）
図９は、本発明の光制御素子に係る応用例であり、第１電極の接地電極と第２電極の接地電極との電気的接続に、スルーホールを利用した例である。第１電極の接地電極と第２電極の接地電極とを、薄板に設けられたスルーホールを介して電気的に接続することにより、光制御素子に係る電気配線を簡略化できると共に、第１電極の接地電極と第２電極の接地電極とに発生する浮遊電荷のズレを抑制でき、より適切な電界を光導波路に印加させることが可能となる。

図９（ａ）は、Ｚカット型ＬＮ薄板１を利用した例であり、第１電極の接地電極５と第２電極の接地電極５４とが、薄板１のスルーホール内に配置された接続線路１００により導通状態に維持されている。
図２乃至図８に例示した第１電極の接地電極と第２電極の接地電極とは、薄板の周囲又は外部で電気的に導通されているが、制御電極に印加される変調信号が高周波になるに従い、接地電極に誘起される浮遊電荷にタイミングのズレが生じ易くなる。このため、図９（ａ）のように、光導波路に近い場所で両者を導通することで、このタイミングのズレを抑制することが可能となる。
図９（ｂ）は、Ｘカット型ＬＮ薄板１１を用いた例について、同様にスルーホールを設けたものを示している。

本発明の光制御素子の基本的な特性を見るため、図３（ａ）のように、基板の表面側にコプレーナ電極を有し、裏面側に接地電極を配置した実施例と、図１（ａ）のように基板表面にコプレーナ電極のみを配置した従来技術例１、図１（ｃ）のように、基板の表面側と裏面側の制御電極で挟み込んだ従来技術例２とについて、基板の厚さが２〜１０μｍの範囲における駆動電圧値（Ｖ・ｃｍ）の変化を計算した。実施例については、信号電極４の高さ／基板１の厚さ＝１．２５，信号電極４の幅／基板１の厚さ＝１．５，信号電極４と接地電極５とのギャップ／基板１の厚さ＝３，リッジ部２０の高さ／基板１の厚さ＝０．８，バッファ層３及び３１の厚み０．５μｍ，接地電極５４の厚み１μｍと仮定した。従来技術１のコプレーナ電極では、信号電極４の高さ２７μｍ，幅７μｍ，信号電極と接地電極とのギャップ２５μｍ，バッファ層３の厚み０．７μｍと仮定した。また、従来技術２の対向電極のタイプでは、制御電極４２及び５３の高さ２７μｍ，幅４２μｍ，バッファ層（図１では基板の上面のみにしか形成されていないが、計算上は基板の両面にバッファ層が形成されていると仮定している。）の厚み０．７μｍと仮定している。

その計算結果を図１１に示す。図１１のグラフから、本発明の光制御素子の基本的な構造は、基板の厚さが１０μｍ以下においては、従来の光制御素子より駆動電圧が低く、優れた効果を有することが理解される。駆動電圧値（半波長電圧Ｖｐａｉ）は、１０Ｖ・ｃｍ以下であることが好ましく、より好ましくは８Ｖ・ｃｍ以下である。図１１においては、基板の厚さが１０μｍにおいて、駆動電圧値が８Ｖ・ｃｍを超えているが、上記実施例で設定した数値を再調整することにより、基板の厚さが１０μｍの場合であっても、駆動電圧値を８Ｖ・ｃｍ以下とすることが可能であることを確認している。
したがって、本発明の光制御素子においては、基板の厚さは１０μｍ以下が好ましいことが容易に理解される。
次に、本発明の光制御素子の構造を決める各種のパラメータについて計算を行った結果を説明する。

本発明の光制御素子の構成の例として、図１０に示すように、制御電極は、該薄板を挟むように配置された第１電極と第２電極とからなり、該第１電極は、少なくとも信号電極と接地電極とからなるコプレーナ型の電極構造を有し、該第２電極は、少なくとも接地電極を有すると共に、第１電極の信号電極と協働して該光導波路に電界を印加するように構成した場合に、少なくとも信号電極の幅Ｗ、高さＴ_ＥＬ、信号電極と接地電極との間隔Ｇ、及び光導波路がリッジ型光導波路である場合にはリッジの深さＤを調整することで、以下の条件を満足した光制御素子が設計できることを、有限要素法を用いて確認した。なお、光導波路としては、直線導波路または直線導波路を組み合わせたマッハツェンダー型干渉系を構成してもよい。

（信号線路の条件）
（１）信号線路における半波長電圧Ｖｐａｉが８Ｖ・ｃｍ以下
（２）インピーダンスＺが３０Ω以上６０Ω以下
（３）光とマイクロ波との屈折率差Δｎと信号線路の電界が光導波路に作用する作用部分の長さ（作用長）Ｌとの積が１．３ｃｍ以下
なお、Δｎ×Ｌ≦１．３ｃｍの場合には、光制御素子の光帯域を１０ＧＨｚ以上とすることが可能となる。

計算のモデルとしては、波長１．５５μｍの光に対し、信号線路の電界が光導波路に作用する片側の断面図が図１０に示すマッハツェンダー型干渉系を構成した、リッジ型光導波路を仮定する。基板１にはＺカット型ＬＮ、バッファ層３、３１には厚さ０．５μｍのＳｉＯ_２を、信号電極４および接地電極５には金を用いる。この時、信号電極４の幅をＷ、信号電極４と接地電極５との間隔をＧ、信号電極４や接地電極５の高さをＴ_ＥＬ、リッジ型光導波路２０のリッジの深さをＤ、そして基板１の厚さをｔとした。

基板の厚みｔが、２μｍ，４μｍ，６μｍ，８μｍの４つの場合について、シミュレーションを行い、各パラメータについては、以下の範囲で離散的に条件となる数値を設定した。
（信号電極の幅Ｗ）
信号電極の幅Ｗは、基板の厚さｔで規格化した値を用い、Ｗ／ｔが0.2，0.5，0.8，1.1，1.4，1.7，2.0となるように設定した。

（リッジの深さＤ）
リッジの深さＤは、基板の厚さｔで規格化した値を用い、Ｄ／ｔが0.2，0.4，0.6，0.8となるように設定した。
（電極の高さＴ_ＥＬ）
電極の高さＴ_ＥＬは、0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0（μｍ）となるように設定した。

（電極の間隔Ｇ）
電極の間隔Ｇは、基板の厚さｔで規格化した値を用い、Ｇ／ｔ（以下の図では「Ｇａｐ／ｔ」と表記）が1.0，2.25，3.5，4.75，6.0となるように設定した。

各パラメータに設定された数値から、半波長電圧Ｖｐａｉ（以下の図では「Ｖｐｉ」と表記）、インピーダンスＺ（以下の図では「Ｚ０」と表記）、マイクロ波屈折率ＮＭを算出し、次の条件を満足する結果については「○」を、同条件を満足しない結果については「×」を付与した。
（評価条件）
（１）Ｖｐａｉ≦８（Ｖ・ｃｍ）
（２）３０Ω≦Ｚ≦６０Ω
（３）１．５≦ＮＭ≦２．８
ただし、マイクロ波屈折率ＮＭの範囲については、作用長Ｌが２ｃｍ≦Ｌ≦６ｃｍである場合について、信号線路の条件（Δｎ×Ｌは１．３以下）を満足する条件を評価条件とした。

上記評価条件で評価した結果を、図１２乃至２７に示す。
ｔ＝２μｍの場合の結果は、図１２（Ｄ／ｔが0.2），図１３（同0.4），図１４（同0.6），及び図１５（同0.8）に示す。
ｔ＝４μｍの場合の結果は、図１６（Ｄ／ｔが0.2），図１７（同0.4），図１８（同0.6），及び図１９（同0.8）に示す。
ｔ＝６μｍの場合の結果は、図２０（Ｄ／ｔが0.2），図２１（同0.4），図２２（同0.6），及び図２３（同0.8）に示す。
ｔ＝８μｍの場合の結果は、図２４（Ｄ／ｔが0.2），図２５（同0.4），図２６（同0.6），及び図２７（同0.8）に示す。

また、上記評価条件の（１）乃至（３）の全ての条件を満足している部分に、網掛けを施している。
図１２乃至２７から、本発明の光制御素子において、上述した条件を満足する光制御素子を、信号電極の幅Ｗ、信号電極と接地電極との間隔Ｇ、信号電極や接地電極の高さをＴ_ＥＬ、リッジ型光導波路のリッジの深さＤ、そして基板の厚さｔを調整することで、容易に実現可能であることが理解される。

さらに、図１２乃至２７の結果から、各パラメータについては、以下のことも理解できる。

（信号電極幅Ｗの範囲）
基板の厚みｔが２，４，６μｍのいずれにおいても、上記評価条件を満足する部分は、Ｗ／ｔ＞０．２の範囲に存在する。
特に、ｔ＝２μｍについて、Ｗ／ｔをさらに2.2〜4.0まで変化させたデータ（図２８乃至３０参照）を見ると、Ｗ／ｔの上限値は、Ｚが上記評価条件を外れることにより規定され、Ｗ／ｔの下限値は、Ｚ又はＶｐａｉが上記評価条件を外れることにより規定される。これは、Ｗ／ｔが大きくなると、信号電極と接地電極間の容量が大きくなり、Ｚが小さくなるために、上述の条件を満足しなくなる。一方、Ｗ／ｔを小さくすると、電極間の容量が小さくなるために、Ｚが大きくなり上述の条件を満足しなくなる。また、Ｗ／ｔが小さくなり過ぎても、光導波路に光が閉じこもらなくなる。このため光導波路と信号電極が形成する電界の変調効率は低下し、Ｖｐａｉが上述の条件を満足しなくなる。

Ｗの上限値について、より詳細に検討する。
ｔ＝２μｍの場合のＷ／ｔの上限値が約4.0であり、ｔ＝６μｍの場合のＷ／ｔの上限値が約1.4であることから、図１０のモデルの場合には、Ｗ／ｔの上限値はＷ／ｔ＝−０．６５ｔ＋５．３で制限されていることが容易に理解できる。つまり、図１０に示すモデルの一例として、薄板の厚みｔと信号電極の幅Ｗとの関係Ｗ／ｔが０．２以上、−０．６５ｔ＋５．３以下で規定される範囲内にある場合には、第１電極の信号電極の高さＴ_ＥＬ、第１電極における信号電極と接地電極との間隔Ｇ、及び光導波路がリッジ型光導波路である場合にはリッジの深さＤの各パラメーターの設定自由度を大きくしながら、信号線路に係る半波長電圧Ｖｐａｉが８Ｖ・ｃｍ以下、インピーダンスＺが３０Ω以上６０Ω以下、及び光とマイクロ波との屈折率差Δｎと該信号電極の電界が光導波路に作用する作用部分の長さＬとの積が１．３ｃｍ以下となる条件を実現することが可能となる。

（リッジの深さＤの範囲）
ｔ＝４μｍのデータ（図１６〜１９参照）を見ると、Ｄの下限値は、Ｗ／ｔの上限付近又は下限付近で、制限される条件が異なっている。
ＤとＷを小さくすると光波の閉じ込め効率が下がるため、制御電極が形成する電界による変調効率は低下する。よって、Ｗの下限の境界付近では、Ｖｐａｉが上記評価条件より高くなるため、Ｄの下限値が規定される。Ｗ／ｔの上限の境界付近では、信号電極と接地電極間容量が大きくなり、Ｚが小さく、ＮＭは大きくなるため、Ｚ又はＮＭが上記評価条件を外れることにより規定されている。
なお、ｔ＝４μｍにおけるＷ／ｔ＝０．８のデータを見ると、Ｄ／ｔが大きくなるに従い、電極間容量が小さくなりＺが大きくなるため、Ｚが上記評価条件を外れる傾向にあることから、Ｚの変化によりＤの上限値が規定される可能性もある。

（電極間隔Ｇの範囲）
ｔ＝２μｍ、Ｄ／ｔ＝０．４、Ｗ／ｔ＝０．８、Ｔ_ＥＬ＝２〜３μｍのデータ（図１３参照）を見ると、Ｇの下限値は、ＮＭが上記評価条件を外れることにより規定される。また、Ｗ／ｔ＝０．８と１．１のデータを見ると、Ｇの上限値は、Ｚが上記評価条件を外れることにより規定される。Ｇの下限付近で電極間隔が狭くなるためＮＭが小さく上記評価条件を外れるためであり、反対にＧの上限付近ではＺが高くなるため上記評価条件から外れるためである。

（電極高さＴ_ＥＬの範囲）
ｔ＝４μｍ、Ｗ／ｔ＝２、Ｄ／ｔ＝０．４、０．６、０．８のデータ（図１７〜１９参照）を見ると、Ｔ_ＥＬの上限値及び下限値は、ＺまたはＮＭが上記評価条件を外れることにより規定される。Ｔ_ＥＬの上限値は、Ｔ_ＥＬが高くなるとＺが低くＮＭが小さくなり、ＺまたはＮＭの上記評価条件を外れるためである。Ｔ_ＥＬの下限値は、Ｔ_ＥＬが低くなるとＺが高くＮＭが大きくなり、ＺまたはＮＭの上記評価条件を外れるためである。

本発明に係る光制御素子によれば、マイクロ波と光波との速度整合やマイクロ波のインピーダンス整合が実現でき、しかも、駆動電圧の低減が可能な光制御素子を提供することが可能となる。
また、駆動電圧の低減により、光制御素子の温度上昇を抑制でき安定動作が可能な光制御素子を提供でき、さらには、コストのより安い低駆動電圧型駆動装置を利用できる光制御素子を提供することが可能となる。

Claims (12)

1. 電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板と、該薄板に形成された光導波路と、該光導波路を通過する光を制御するため、マイクロ波信号が印加される制御電極とを有する光制御素子において、
   該制御電極は、該薄板を挟むように配置された第１電極と第２電極とからなり、
   該第１電極は、少なくとも信号電極と接地電極とからなるコプレーナ型の電極を有し、
   該第２電極は、少なくとも接地電極を有すると共に、第１電極の信号電極と協働して該光導波路に電界を印加するよう構成されていることを特徴とする光制御素子。
2. 請求項１に記載の光制御素子において、該光導波路はリッジ型光導波路であることを特徴とする光制御素子。
3. 請求項１又は２に記載の光制御素子において、該薄板と、該第１電極又は該第２電極との間にはバッファ層が形成されていることを特徴とする光制御素子。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光制御素子において、該信号電極又は該接地電極は、透明電極又は薄板側に透明電極を配置した電極のいずれかで構成されていることを特徴とする光制御素子。
5. 請求項２乃至４のいずれかに記載の光制御素子において、少なくとも該リッジ型導波路の両側に配置された溝には、低誘電率膜が充填されていることを特徴とする光制御素子。
6. 請求項５に記載の光制御素子において、該信号電極に給電する信号線は、該第１電極の接地電極を跨ぐあるいは潜るように配置され、該信号線と該接地電極との間には該低誘電率膜が配置されていることを特徴とする光制御素子。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の光制御素子において、該第２電極は、該光導波路の形状に対応した形状を有するパターン状電極であることを特徴とする光制御素子。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の光制御素子において、該第１電極の接地電極と該第２電極の接地電極とは、該薄板に設けられたスルーホールを介して電気的に接続されていることを特徴とする光制御素子。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の光制御素子において、該光導波路の少なくとも一部を含む薄板の自発分極が反転されていることを特徴とする光制御素子。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の光制御素子において、該薄板は該第１電極又は該第２電極を挟むように接着層を介して支持基板に接着されていることを特徴とする光制御素子。
11. 請求項１０に記載の光制御素子において、該第２電極は該支持基板上に配置されていることを特徴とする光制御素子。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の光制御素子において、少なくとも第１電極の信号電極の幅Ｗ、高さＴ_ＥＬ、該第１電極における信号電極と接地電極との間隔Ｇ、及び光導波路がリッジ型光導波路である場合にはリッジの深さＤは、該信号電極に係る半波長電圧Ｖｐａｉが８Ｖ・ｃｍ以下、インピーダンスＺが３０Ω以上６０Ω以下、及び光とマイクロ波との屈折率差Δｎと該信号電極の電界が光導波路に作用する作用部分の長さＬとの積が１．３ｃｍ以下となるように設定されていることを特徴とする光制御素子。

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