JP7155848B2 - 光導波路素子および光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路素子および光導波路素子を備えた光変調器に関する。

近年、広帯域かつ低損失の光変調特性を実現し得る光導波路素子として、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）等の電気光学効果を有する結晶からなる基板に、光導波路および制御電極を設けた光導波路素子が多用されている。制御電極は信号電極と接地電極とを有し、基板内の光導波路を伝搬する光波に、信号電極と接地電極との協働によって高周波の電界を変調信号として印加するように構成されている。

上述したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）等の電気光学効果を有する結晶からなる基板は、製造時における結晶方位に対するカットの方向によって、主にＺカット型とＸカット型に種類分けされる。ここで、Ｚカット型の基板の場合、光導波路は信号電極および接地電極の直下に配置され、Ｘカット型の基板の場合、光導波路は信号電極と接地電極との間に当たる位置に配置された構造が知られている（例えば、特許文献１等）。このような各電極と光導波路との位置関係は、結晶のＺ軸方向に沿って電気力線が通過する部分において印加電界が光導波路に最も有効に作用するようにするためのものである。また、特許文献１には、信号電極の幅は光導波路の幅と同程度の１０μｍ程度であることが記載されている。

一方、基板の表面に、基板側からＣｒ・Ｎｉ・Ａｕの順に積層された３層からなる下地層を形成し、この下地層の表面に、下地層と同じ幅のＡｕによる電極を形成した光変調器の電極構造が知られている（例えば、特許文献２等）。

特開平１０－１３３１５８号公報 特開２０００－２７５５８８号公報

ところで、近年の光変調器には、より一層の高速・大容量の光通信を可能とする上でさらなる広帯域および低損失を実現することに加え、小型化が要求されている。そこで光導波路素子にあっては、信号電極の幅を大きくして断面積を広くすることは広帯域化につながり、また、信号電極と接地電極との間の間隔を狭くすることは小型化を可能とする。

しかし、特許文献１に開示されるような基板がＸカット型であり、光導波路を間に挟むように配置される電極に特許文献２に開示されるような電極を適用した場合において、信号電極の幅を増大させると、下地層が光導波路に近接する。金属は、光の波長の領域においては複素屈折率を有する物質として振る舞うため、金属からなる下地層が光導波路に近接すると光導波路を伝搬する光が下地層に吸収され、光損失を招くという問題が生じる。

そこで本発明は、信号電極の幅を増大させながら信号電極が光導波路や接地電極に実質的に近接することを抑制することができ、結果として広帯域および低損失の特性の向上と小型化が図られる光導波路素子および光導波路素子を備えた光変調器を提供することを目的としている。

本発明に係る光導波路素子は、（１）電気光学効果を有し、光波が伝搬するよう形成された光導波路を有する基板と、前記基板に形成され、前記光導波路を伝搬する光波に変調信号を印加する制御電極と、を備え、前記光導波路は、前記変調信号が印加される並行する一対の直線光導波路を有する少なくとも１つの光変調部を有し、前記制御電極は、信号電極と、前記信号電極の両側にそれぞれ配置された接地電極と、を有し、前記信号電極は、前記一対の直線光導波路の間に配置された帯状の電極本体部を有し、前記直線光導波路は、前記電極本体部と、前記接地電極との間に当たる位置に配置されている光導波路素子において、前記信号電極および前記接地電極は、それぞれ前記基板上に、前記基板の表面に形成された第２の金属層と、前記第２の金属層と前記信号電極および前記接地電極に接合する第１の金属層とを有する下地層を介して形成されており、前記信号電極における少なくとも前記電極本体部は、２０μｍ以上の幅を有し、前記電極本体部の幅をＷｓ、前記電極本体部と前記基板との間に設けられた前記下地層における前記第１の金属層の幅をＷ１、前記第２の金属層の幅をＷ２とした場合、Ｗｓ≧Ｗ１＞Ｗ２であり、
前記電極本体部に接合する前記第１の金属層は、前記基板側に露出する角部を有する横断面形状を有することを特徴とする。

この構成により、本発明に係る光導波路素子は、信号電極の電極本体部の幅が従来よりも大きい２０μｍ以上であるため、それに伴い信号電極の電極本体部の断面積を従来の信号電極よりも大きくすることができる。このため本発明の光導波路素子は、従来よりも広帯域の特性を向上させることができる。なお、信号電極の電極本体部の幅をむやみに大きくすることは光導波路素子の小型化を阻害することになる。したがって本発明では、広帯域化と小型化とをバランスよく両立させる観点から、信号電極の電極本体部の幅は３０～４０μｍ程度を好ましい範囲とする。

また、本発明に係る光導波路素子は、信号電極の電極本体部の下地層を構成する第２の金属層の幅Ｗ２が電極本体部の幅Ｗｓよりも小さいため、電極本体部の幅Ｗｓを増大させても第２の金属層が光導波路の直線光導波路に近接することを抑制することができる。このため、信号電極の電極本体部の下地層を構成する第２の金属層によって直線光導波路を伝搬する光波が吸収されることを抑制することができる。その結果、本発明に係る光導波路素子は、広帯域および低損失の特性をともに向上させることができる。

また、本発明に係る光導波路素子は、信号電極の電極本体部を隣接する接地電極に近付けても、信号電極の電極本体部の下地層を構成する第２の金属層が、隣接する接地電極に近接することを抑制することができる。このため、本発明に係る光導波路素子では、信号電極の電極本体部を隣接する接地電極に近付けることができ、その結果、光導波路素子の小型化を図ることができる。

また、本発明に係る光導波路素子は、上述のように信号電極の電極本体部が直線光導波路を伝搬する光波を吸収することを抑制することができるため、下地層と基板との間に、光波の吸収を抑制するバッファ層を必要としない構成とすることが可能である。このため、本発明に係る光導波路素子は、バッファ層を設ける場合と比べると製造コストの低減を図ることができる。

また、本発明に係る光導波路素子は、信号電極の電極本体部の幅が従来よりも大きいことにより、基板に対する信号電極の電極本体部の接合面積が従来よりも大きくなる。このため、信号電極の電極本体部が内部応力による歪み発生に起因して基板から剥離することを抑制することができる。

本発明に係る光導波路素子は、（２）前記Ｗｓ、前記Ｗ１、前記Ｗ２が、Ｗｓ＞Ｗ１＞Ｗ２であって、前記電極本体部は、前記基板側に露出する角部を有する横断面形状を有し、前記電極本体部の前記角部は、Ｒ状の横断面形状に形成されていることを特徴とする。

この構成により、本発明に係る光導波路素子は、Ｒ状の横断面形状に形成された信号電極の電極本体部の角部は、横断面形状が直角形状の場合と比べると、エッジ効果すなわち電界強度の増大に伴う電界集中が起こりにくい。このため、本発明に係る光導波路素子は、導電損失を抑制することができる。

また、本発明に係る光導波路素子は、信号電極の電極本体部の角部がＲ状の横断面形状に形成されていることにより、その電極本体部においては内部応力による歪みの発生が低減する。このため、信号電極の電極本体部が第１の金属層から剥離することを抑制することができる。

本発明に係る光導波路素子は、（３）前記Ｗｓ、前記Ｗ１、前記Ｗ２が、Ｗｓ＞Ｗ１＞Ｗ２であって、前記電極本体部は、前記基板側に露出する角部を有する横断面形状を有し、前記第１の金属層の前記角部は、Ｒ状の横断面形状に形成されていることを特徴とする。

この構成により、本発明に係る光導波路素子は、Ｒ状の横断面形状に形成された第１の金属層の角部は、横断面形状が直角形状の場合と比べると、上述のエッジ効果が起こりにくい。このため、本発明に係る光導波路素子は、導電損失を抑制することができる。

また、本発明に係る光導波路素子は、第１の金属層の角部がＲ状の横断面形状に形成されていることにより、第１の金属層から第２の金属層にわたる部分が連続的に接合したような形状に形成することができる。このため、第１の金属層においては内部応力による歪みの発生が低減し、その結果、第１の金属層が第２の金属層から剥離することを抑制することができる。

本発明に係る光導波路素子は、（４）前記Ｗｓ、前記Ｗ１、前記Ｗ２が、Ｗｓ＞Ｗ１＞Ｗ２であって、前記電極本体部は、前記基板側に露出する角部を有する横断面形状を有し、前記電極本体部の前記角部および前記第１の金属層の前記角部は、Ｒ状の横断面形状に形成されていることを特徴とする。

この構成により、本発明に係る光導波路素子は、Ｒ状の横断面形状に形成された信号電極の電極本体部の角部と第１の金属層の角部は、横断面形状が直角形状の場合と比べると、上述のエッジ効果が起こりにくい。このため、本発明に係る光導波路素子は、導電損失を抑制することができる。

また、本発明に係る光導波路素子では、信号電極の電極本体部から第１の金属層を経て第２の金属層にわたる部分が連続的に接合したような形状に形成することができる。このため、本発明に係る光導波路素子は、信号電極の電極本体部と第１の金属層においては内部応力による歪みの発生が低減する。その結果、信号電極の電極本体部が第１の金属層から剥離したり第１の金属層が第２の金属層から剥離したりすることを抑制することができる。

本発明に係る光導波路素子は、（５）前記Ｗｓ、前記Ｗ１、前記Ｗ２が、Ｗｓ＝Ｗ１＞Ｗ２であって、前記第１の金属層の前記角部は、Ｒ状の横断面形状に形成されていることを特徴とする。

この構成により、本発明に係る光導波路素子は、信号電極の電極本体部と第１の金属層の幅が同じであるため、信号電極の電極本体部の基板側の角部は露出せず、基板側に露出する角部は第１の金属層の角部のみである。そしてその第１の金属層の角部がＲ状の横断面形状に形成されている。このため、内部応力による歪み発生に起因して信号電極の電極本体部が第１の金属層から剥離することを抑制することができるとともに、第１の金属層の角部にエッジ効果が起こりにくく、導電損失を抑制することができる。

本発明に係る光導波路素子は、（６）前記Ｗｓと前記Ｗ２との差（Ｗｓ－Ｗ２）が、１～２μｍであることを特徴とする。

この構成により、本実施形態に係る光導波路素子では、信号電極の電極本体部の幅Ｗｓと第２の金属層の幅Ｗ２との幅の差が大きく相違しない。このため、信号電極の電極本体部から第２の金属層にわたる幅の変位量が僅かであり、連続的な接合形状が得られる。したがって、本発明に係る光導波路素子では、内部応力による歪み発生に起因して信号電極の電極本体部が第１の金属層から剥離したり第１の金属層が第２の金属層から剥離したりすることを抑制することができる。

また、第２の金属層の幅が信号電極の電極本体部の幅よりも僅かに小さいため、第２の金属層が基板に接合する面積を十分に確保することができる。このため、基板に対する下地層全体の接合強度を確保することができ、その結果、信号電極の電極本体部が基板から剥離することを抑制することができる。

本発明に係る光導波路素子は、（７）前記信号電極および前記接地電極は、電気抵抗率が２．４４～１．５９×１０^－８Ωｍの金属からなり、前記下地層の前記第１の金属層は、電気抵抗率が２．４４～１．５９×１０^－８Ωｍの金属からなり、前記下地層の前記第２の金属層は、電気抵抗率が２．８２×１０^－８～４．２７×１０^－７Ωｍの遷移金属からなることを特徴とする。

この構成により、本発明に係る光導波路素子では、第１の金属層は信号電極および接地電極と同種のため、信号電極および接地電極に対する第１の金属層の接合強度が高い。一方、第２の金属層は第１の金属層と基板の双方への接合強度が高く、信号電極および接地電極を基板に接合させる糊の機能を好適に果たす。このため、下地層により基板に対する信号電極および接地電極の接合強度を向上させることができる。その結果、本発明に係る光導波路素子では、信号電極および接地電極が基板から剥離することを抑制することができる。

本発明に係る光変調器は、（８）上述の本発明に係る光導波路素子と、前記光導波路素子を収納する筐体と、前記光導波路素子に光学的に接続され、前記光導波路素子の前記光導波路に光波を入力する入力側の光伝送手段および前記光導波路から光波を出力する出力側の光伝送手段と、を備えることを特徴とする。

この構成により、本発明に係る光変調器は、広帯域および低損失の特性の向上と小型化が図られる光導波路素子を備えた光変調器を提供することができる。

本発明によれば、信号電極の幅を増大させながら信号電極が光導波路や接地電極に実質的に近接することを抑制することができることから、広帯域および低損失の特性の向上と小型化が図られる光導波路素子および光導波路素子を備えた光変調器を提供することができる。

本発明の実施形態に係る光変調器の平面図である。 本発明の実施形態に係る光導波路素子の平面図である。 （ａ）は図２のIIIＡ－IIIＡ断面図であり、（ｂ）は図３（ａ）のＢ部拡大図である。 本発明の実施形態に係る光導波路素子の信号電極および接地電極を基板上に形成する工程の例を（ａ）～（ｈ）の順に示す断面図である。 本発明の実施形態に係る光導波路素子において、制御電極により光導波路の直線光導波路に電界が印加される状態を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る信号電極および下地層の断面形状を変更した変形例を示す図であって、（ａ）は変形例１、（ｂ）は変形例２、（ｃ）は変形例３、（ｄ）は変形例４を示すそれぞれ断面図である。 本発明の実施形態に係る変形例５の信号電極および下地層を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る光導波路素子および光導波路素子を備えた光変調器について、図面を参照しつつ説明する。

（実施形態）
まず、構成について説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る光変調器１は、光導波路素子１０と、光導波路素子１０を収納する筐体２０と、を備えている。また、本実施形態に係る光変調器１は、光導波路素子１０の後述する光導波路３０に光波を入力する入力側の光ファイバ８１と、光導波路３０から光波を出力する出力側の光ファイバ８２と、を備えている。入力側の光ファイバ８１は本発明の入力側の光伝送手段を構成し、出力側の光ファイバ８２は本発明の出力側の光伝送手段を構成する。

筐体２０は、ステンレス等の金属からなる直方体状の金属製ケースで構成されている。光導波路素子１０は、筐体２０内に収納され、図示せぬ蓋体が筐体２０に装着されて筐体２０内に密封されるようになっている。

図２に示すように、本実施形態に係る光導波路素子１０は、電気光学効果を有し、光波が伝搬するよう形成された光導波路３０を有する基板１１と、基板１１に形成され、光導波路３０を伝搬する光波に変調信号を印加する制御電極４０と、を備えている。

本実施形態に係る基板１１は、平面視が略長方形状の薄板で構成されている。基板１１を構成する薄板は、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）等の電気光学効果を有する材料を単独、または石英系材料と組み合わせて構成されている。とりわけ、ニオブ酸リチウムの結晶を用いたいわゆるＬＮ基板は、高い電気光学効果を示すことから好適に用いられる。

ここで、図１においてＬ、Ｗは、それぞれ光変調器１および光導波路素子１０の長手方向および幅方向を示している。以下の説明での長手方向および幅方向は、それぞれこれらＬ、Ｗで示す方向をいう。

図２に示すように、基板１１は、長手方向に延在する一対の側面１１ａ、１１ｂと、側面１１ａ、１１ｂに略直交する一対の端面１１ｃ、１１ｄと、を有する。

本実施形態に係る基板１１は、結晶のＺ軸方向が幅方向に沿って延びるＸカット型である。

本実施形態に係る光導波路３０は、並行光導波路３３を備えたマッハツェンダ型の配線構造を有する。光導波路３０は、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム等の電気光学効果を有する材料ではＴｉ等の熱拡散法やプロトン交換法等で基板１１内の表面近傍に形成されている。

図２に示すように、本実施形態に係る光導波路３０は、制御電極４０により変調信号が印加される並行する一対の直線光導波路３３ａ、３３ｂを有する光変調部３６を有する。

図２に示すように、光導波路３０は、入力側光導波路３１と、入力側光導波路３１に接続された入力側分岐光導波路３２と、入力側分岐光導波路３２と接続された並行光導波路３３と、並行光導波路３３に接続された出力側分岐光導波路３４と、出力側分岐光導波路３４に接続された出力側光導波路３５と、を有する。入力側光導波路３１、並行光導波路３３および出力側光導波路３５は、それぞれ長手方向に延在している。

入力側分岐光導波路３２は、２本の分岐光導波路３２ａ、３２ｂを有する。また、出力側分岐光導波路３４は、２本の分岐光導波路３４ａ、３４ｂを有する。

並行光導波路３３は、一対の直線光導波路３３ａ、３３ｂを有する。一方の直線光導波路３３ａは、入力側分岐光導波路３２の分岐光導波路３２ａと出力側分岐光導波路３４の分岐光導波路３４ａとに接続している。また、他方の直線光導波路３３ｂは、入力側分岐光導波路３２の分岐光導波路３２ｂと出力側分岐光導波路３４の分岐光導波路３４ｂとに接続している。

本実施形態では、上述した入力側分岐光導波路３２、並行光導波路３３および出力側分岐光導波路３４により、光変調部３６が構成されている。

本実施形態に係る制御電極４０は、信号電極５０と、信号電極５０の両側にそれぞれ配置された接地電極６０とを有する。

信号電極５０および接地電極６０は、電気抵抗率が２．４４～１．５９×１０^－８Ωｍの金属をメッキ等の方法で成膜することにより形成されている。信号電極５０および接地電極６０を構成する金属としては、例えばＡｕが好適に用いられる。

図２に示すように、信号電極５０は、上述の一対の直線光導波路３３ａ、３３ｂの間に配置された長尺な帯状の電極本体部５１と、電極本体部５１の両端にそれぞれ接続された短尺な２つの電極端部５２、５３と、を有する。

信号電極５０の電極本体部５１は、一対の直線光導波路３３ａ、３３ｂに沿って延在している。２つの電極端部５２、５３のうち、一方の電極端部５２は基板１１の側面１１ａに向かって幅方向に延在し、他方の電極端部５３は基板１１の側面１１ｂに向かって幅方向に延在している。

各電極端部５２、５３は、その末端に端子５２ａ、５３ａをそれぞれ有する。これら端子５２ａ、５３ａには、信号電極５０に変調信号を供給する図示せぬ変調信号供給手段が接続されるようになっている。

図２に示すように基板１１を平面視した場合において、電極端部５２は入力側分岐光導波路３２の分岐光導波路３２ａを横断し、電極端部５３は出力側分岐光導波路３４の分岐光導波路３４ｂを横断するように形成されている。これら電極端部５２、５３の幅は、各分岐光導波路３２ａ、３４ｂを伝搬する光波が各電極端部５２、５３によって吸収されることを抑えるため、電極本体部５１の幅よりも小さくなるように設定されている。

接地電極６０は、側面１１ａ側に配置された第１の接地電極６０Ａと、側面１１ｂ側に配置された第２の接地電極６０Ｂとを有する。

第１の接地電極６０Ａおよび第２の接地電極６０Ｂは同一の構成および形状を有する。すなわち第１の接地電極６０Ａおよび第２の接地電極６０Ｂは、それぞれ、信号電極５０の電極本体部５１に沿った長尺な帯状の電極本体部６１と、電極本体部の一端に形成された短尺な電極端部６２とを有する略Ｌ字状に形成されている。第１の接地電極６０Ａおよび第２の接地電極６０Ｂは、図２に示すように基板１１を平面視した場合において、基板１１の中心を対称中心とした点対称に形成されている。

各接地電極６０Ａ、６０Ｂにおいて、一方の接地電極６０Ａの電極端部６２は出力側光導波路３５を間に挟んで分断するように形成され、他方の接地電極６０Ｂの電極端部６２は入力側光導波路３１を間に挟んで分断するように形成されている。

図３（ａ）に示すように、上述の光導波路３０における並行光導波路３３の一方の直線光導波路３３ａは、信号電極５０の電極本体部５１と、第１の接地電極６０Ａの電極本体部６１との間に当たる位置に配置されている。また、他方の直線光導波路３３ｂは、信号電極５０の電極本体部５１と、第２の接地電極６０Ａの電極本体部６１との間に当たる位置に配置されている。

図３（ａ）に示すように、本実施形態に係る信号電極５０は、基板１１上に下地層１００を介して形成されている。下地層１００は、基板１１の表面に形成された第２の金属層１０２と、第２の金属層１０２と信号電極５０に接合する第１の金属層１０１とを有する。

また、図３（ａ）に示すように、本実施形態に係る各接地電極６０Ａ、６０Ｂは、それぞれ基板１１上に下地層２００を介して形成されている。下地層２００は、基板１１の表面に形成された第２の金属層２０２と、第２の金属層２０２と各接地電極６０Ａ、６０Ｂに接合する第１の金属層２０１とを有する。

本実施形態においては、下地層１００の第１の金属層１０１および下地層２００の第１の金属層２０１は、それぞれ、信号電極５０および各接地電極６０Ａ、６０Ｂと同様の金属であって電気抵抗率が２．４４～１．５９×１０^－８Ωｍの金属で構成されている。そのような金属としては、例えばＡｕが好適に用いられる。

また、本実施形態においては、下地層１００の第２の金属層１０２および下地層２００の第２の金属層２０２は、それぞれ、電気抵抗率が２．８２×１０^－８～４．２７×１０^－７Ωｍの遷移金属で構成されている。そのような金属としては、例えばＣｒ、Ｔｉ、Ｎｉ等が好適に用いられる。

図３（ｂ）に示すように、本実施形態においては、信号電極５０の電極本体部５１の幅をＷｓ、信号電極５０の電極本体部５１の下地層１００における第１の金属層１０１の幅をＷ１、第２の金属層１０２の幅をＷ２とした場合、Ｗｓ＞Ｗ１＞Ｗ２に設定されている。

すなわち、信号電極５０の電極本体部５１から第１の金属層１０１、第２の金属層１０２の順にそれらの幅が段階的に狭くなっている。したがって信号電極５０の電極本体部５１は、図３（ｂ）に示すように、基板１１側に露出する角部５１ａが両側に形成された横断面形状を有している。また、第１の金属層１０１は基板１１側に露出する角部１０１ａが両側に形成された横断面形状を有する。

信号電極５０の電極本体部５１の幅Ｗｓは、２０μｍ以上に設定されている。また、第１の金属層１０１の幅Ｗ１は、例えば１９μｍ以上に設定され、第２の金属層の幅Ｗ２は、例えば１８μｍ以上に設定されている。

また、信号電極５０の電極本体部５１の厚さは、４０μｍ以上に設定されている。また、第１の金属層１０１の厚さは、例えば３００Åに設定され、第２の金属層の厚さは、例えば１０００Åに設定されている。

なお、本実施形態では、信号電極５０の電極端部５２の下地層１００を構成する各金属層１０１、１０２の幅は、電極本体部５１の下地層１００と同様に段階的に幅が狭くなっていてもよく、また、電極端部５２と同じ幅であってもよい。

一方、第１の接地電極６０Ａおよび第２の接地電極６０Ｂにおける下地層２００の第１の金属層２０１および第２の金属層２０２の幅は、それぞれ第１の接地電極６０Ａおよび第２の接地電極６０Ｂの幅と同じ幅に設定されている。

ここで、上述の信号電極５０および各接地電極６０Ａ、６０Ｂを基板１１上に形成する方法の一例を、図４を参照しつつ説明する。

図４（ａ）は、光導波路３０が形成された基板１１を示し、次の図４（ｂ）の工程で、基板１１の表面に、各第２の金属層１０２、２０２を構成する金属層Ｍ２を、蒸着等の方法で形成する。次いで、図４（ｃ）に示すように、各第１の金属層１０１、２０１を構成する金属層Ｍ１を、蒸着等の方法で形成する。

次いで、図４（ｄ）に示すように、信号電極５０、第１の接地電極６０Ａおよび第２の接地電極６０Ｂの形成領域を残して金属層Ｍ１の表面にレジスト膜Ｒを形成する。次いで、図４（ｅ）に示すように、レジスト膜Ｒで覆われていない金属層Ｍ１の表面に、信号電極５０、第１の接地電極６０Ａおよび第２の接地電極６０Ｂを構成する電極金属層Ｅを、メッキ等の方法で形成する。

次いで、図４（ｆ）に示すようにレジスト膜Ｒを除去して、金属層Ｍ１を露出させる。この工程により、電極金属層Ｅは、信号電極５０、第１の接地電極６０Ａおよび第２の接地電極６０Ｂに形成される。この後、図４（ｇ）に示すように、金属層Ｍ１の露出部分をエッチングして各第１の金属層１０１、２０１を形成し、次いで図４（ｈ）に示すように金属層Ｍ２の露出部分をエッチングして各第２の金属層１０２、２０２を形成する。

図１に示すように、本実施形態に係る光変調器１においては、光導波路素子１０に、筐体２０を貫通する入力側の光ファイバ８１と出力側の光ファイバ８２が光学的に接続されている。入力側の光ファイバ８１は光導波路３０の入力側光導波路３１に接続され、出力側の光ファイバ８２は光導波路３０の出力側光導波路３５に接続されている。

本実施形態に係る光変調器１では、入力側の光ファイバ８１から光導波路素子１０の入力側光導波路３１に光波が入力されるようになっている。入力側光導波路３１に入力した光波は、入力側分岐光導波路３２により並行光導波路３３を構成する一対の直線光導波路３３ａ、３３ｂに分波し、次いで出力側分岐光導波路３４を経て出力側光導波路３５に合波するようになっている。そして出力側光導波路３５を伝搬する光波が、出力側の光ファイバ８２から出力されるようになっている。

上述のようにして光導波路３０を伝搬する光波においては、光変調部３６、すなわち入力側分岐光導波路３２、並行光導波路３３および出力側分岐光導波路３４を伝搬する間に、信号電極５０および各接地電極６０Ａ、６０Ｂから電界が印加される。これにより光変調部３６を伝搬する光波が変調されるようになっている。光波の変調方式としては、例えば強度変調や位相変調等がある。

図５は、信号電極５０の電極本体部５１から電気力線４１が基板１１内を通過して第１の接地電極６０Ａおよび第２の接地電極６０Ｂの各電極本体部６１にかかり、光導波路３０の各直線光導波路３３ａ、３３ｂに電界が印加されている状態を示している。同図に示すように本実施形態では、基板１１の結晶のＺ軸方向にほぼ沿って電気力線４１が通過する位置、すなわち信号電極５０の電極本体部５１と各接地電極６０Ａ、６０Ｂの各電極本体部６１との間に、各直線光導波路３３ａ、３３ｂがそれぞれ配置されている。このような配置により印加電界が各直線光導波路３３ａ、３３ｂに有効に作用し、これにより光変調器１の変調を効率的にできるようになっている。

次に、作用について説明する。

本実施形態に係る光導波路素子１０は、信号電極５０の電極本体部５１の幅が従来よりも大きい２０μｍ以上であるため、それに伴い電極本体部５１の断面積を従来の信号電極よりも大きくすることができる。このため本実施形態に係る光導波路素子１０は、従来よりも広帯域の特性を向上させることができる。

なお、信号電極５０電極本体部５１の幅をむやみに大きくすることは光導波路素子１０の小型化を阻害することになる。したがって本実施形態では、広帯域化と小型化とをバランスよく両立させる観点から、電極本体部５１の幅は３０～４０μｍ程度を好ましい範囲とする。

また、本実施形態に係る光導波路素子１０は、信号電極５０の電極本体部５１の下地層１００を構成する第２の金属層１０２の幅Ｗ２が電極本体部５１の幅Ｗｓよりも小さい。このため、電極本体部５１の幅Ｗｓを増大させても第２の金属層１０２が各直線光導波路３０ａ、３０ｂに近接することを抑制することができる。したがって第２の金属層１０２によって各直線光導波路３０ａ、３０ｂを伝搬する光波が吸収されることを抑制することができる。その結果、本実施形態に係る光導波路素子１０は、広帯域および低損失の特性をともに向上させることができる。

また、本実施形態に係る光導波路素子１０は、信号電極５０の電極本体部５１を隣接する各接地電極６０Ａ、６０Ｂの各電極本体部６１に近付けても、第２の金属層１０２がそれら各電極本体部６１に近接することを抑制することができる。このため、本実施形態に係る光導波路素子１０では、信号電極５０の電極本体部５１を隣接する各接地電極６０Ａ、６０Ｂの各電極本体部６１に近付けることができ、その結果、光導波路素子１０の小型化を図ることができる。

また、本実施形態に係る光導波路素子１０は、上述のように信号電極５０の電極本体部５１が各直線光導波路３３ａ、３３ｂを伝搬する光波を吸収することを抑制することができる。このため、各下地層１００、２００と基板１１との間に、光波の吸収を抑制するバッファ層を必要としない構成とすることが可能である。このため、本実施形態に係る光導波路素子１０は、バッファ層を設ける場合と比べると製造コストの低減を図ることができる。

また、本実施形態に係る光導波路素子１０は、信号電極５０の電極本体部５１の幅が従来よりも大きいことにより、基板１１に対する信号電極５０の電極本体部５１の接合面積が従来よりも大きくなる。このため、信号電極５０の電極本体部５１が内部応力による歪み発生に起因して基板１１から剥離することを抑制することができる。

また、本実施形態に係る光導波路素子１０は、信号電極５０および接地電極６０は、電気抵抗率が２．４４～１．５９×１０^－８Ωｍの金属からなる。そして、各下地層１００、２００の各第１の金属層１０１、２０１は、電気抵抗率が２．４４～１．５９×１０^－８Ωｍの金属からなり、各第２の金属層１０２、２０２は、電気抵抗率が２．８２×１０^－８～４．２７×１０^－７Ωｍの遷移金属からなる。

この構成により、各第１の金属層１０１、２０１は、それぞれ信号電極５０および接地電極６０と同種のため、信号電極５０および接地電極６０に対する接合強度が高い。一方、各第２の金属層１０２、２０２は、それぞれ各第１の金属層１０１、２０１と基板１１に対する接合強度がともに高く、信号電極５０および接地電極６０を基板１１に接合させる糊の機能を好適に果たす。このため、本実施形態に係る光導波路素子１０にあっては、下地層１００により基板１１に対する信号電極５０および接地電極６０の接合強度を向上させることができる。その結果、信号電極５０および接地電極６０が基板１１から剥離することを抑制することができる。

（変形例）
以下、上述した実施形態において信号電極５０の電極本体部５１や下地層１００の横断面形状を異ならせた光導波路素子１０の変形例を説明する。この変形例において、上述した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付してそれらの説明は省略し、相違点のみを説明する。

（変形例１）
図６（ａ）に示す変形例１では、信号電極５０の電極本体部５１の幅Ｗｓと、下地層１００における第１の金属層１０１の幅Ｗ１と、第２の金属層の幅Ｗ２との関係は、上述の実施形態と同様にＷｓ＞Ｗ１＞Ｗ２に設定されている。そしてこの変形例１では、信号電極５０の電極本体部５１の基板１１側に露出する両側の角部５１ａが、それぞれＲ状の横断面形状に形成されている。電極本体部５１の角部５１ａをＲ状に形成する方法としては、例えばエッチングで角部５１ａを選択的に浸食させる方法などが挙げられる。

この変形例１では、信号電極５０の電極本体部５１の角部５１ａは、横断面形状が直角形状の場合と比べると、エッジ効果すなわち電界強度の増大に伴う放電集中が起こりにくい。このため、この変形例１に係る光導波路素子１０は、導電損失を抑制することができる。

また、この変形例１では、信号電極５０の電極本体部５１の角部５１ａがＲ状の横断面形状に形成されていることにより、信号電極５０の電極本体部５１においては内部応力による歪みの発生が低減する。このため、信号電極５０の電極本体部５１が第１の金属層１０１から剥離することを抑制することができる。

（変形例２）
図６（ｂ）に示す変形例２では、信号電極５０の電極本体部５１の幅Ｗｓと、下地層１００における第１の金属層１０１の幅Ｗ１と、第２の金属層１０２の幅Ｗ２との関係は、上述の実施形態と同様にＷｓ＞Ｗ１＞Ｗ２に設定されている。そしてこの変形例２では、第１の金属層１０１の基板１１側に露出する両側の角部１０１ａが、それぞれＲ状の横断面形状に形成されている。第１の金属層１０１の角部１０１ａをＲ状に形成する方法としては、例えば図４（ｈ）で示した第２の金属層１０２をエッチングにより形成する工程において、角部１０１ａがＲ状に形成されるようにエッチングで浸食させる方法などが挙げられる。

この変形例２では、第１の金属層１０１の角部１０１ａは、横断面形状が直角形状の場合と比べると、上述のエッジ効果が起こりにくい。このため、この変形例２に係る光導波路素子１０は、導電損失を抑制することができる。

また、この変形例２では、第１の金属層１０１の角部１０１ａがＲ状の横断面形状に形成されていることにより、第１の金属層１０１から第２の金属層１０２にわたる部分が連続的に接合したような形状に形成することができる。このため、第１の金属層１０１においては内部応力による歪みの発生が低減し、その結果、第１の金属層１０１が第２の金属層１０２から剥離することを抑制することができる。

（変形例３）
図６（ｃ）に示す変形例３では、信号電極５０の電極本体部５１の幅Ｗｓと、下地層１００における第１の金属層１０１の幅Ｗ１と、第２の金属層１０２の幅Ｗ２との関係は、上述の実施形態と同様にＷｓ＞Ｗ１＞Ｗ２に設定されている。そしてこの変形例３では、信号電極５０の電極本体部５１の基板１１側に露出する両側の角部５１ａと、基板１１側に露出する第１の金属層１０１の両側の角部１０１ａの双方が、Ｒ状の横断面形状に形成されている。

この変形例３では、信号電極５０の電極本体部５１の角部５１ａと第１の金属層１０１の角部１０１ａの双方がＲ状の横断面形状を有するため、これら角部５１ａ、１０１ａでのエッジ効果が起こりにくい。このため、この変形例３に係る光導波路素子１０は、上述の変形例１、２と比べると、導電損失をより抑制することができる。

また、この変形例３では、信号電極５０の電極本体部５１から第１の金属層１０１を経て第２の金属層１０２にわたる部分が連続的に接合したような形状に形成することができる。このため、信号電極５０の電極本体部５１と第１の金属層１０１においては内部応力による歪みの発生が低減する。その結果、信号電極５０の電極本体部５１が第１の金属層１０１から剥離したり第１の金属層１０１が第２の金属層１０２から剥離したりすることを抑制することができる。

（変形例４）
図６（ｄ）に示す変形例４では、信号電極５０の電極本体部５１の幅Ｗｓと、下地層１００における第１の金属層１０１の幅Ｗ１と、第２の金属層１０２の幅Ｗ２との関係は、上述の実施形態と異なりＷｓ＝Ｗ１＞Ｗ２に設定されている。すなわち、信号電極５０の電極本体部５１と第１の金属層１０１の幅は同じであり、第２の金属層１０２の幅のみが、電極本体部５１および第１の金属層１０１の幅より小さいものとなっている。そしてこの変形例４では、第１の金属層１０１の基板１１側に露出する両側の角部１０１ａが、Ｒ状の横断面形状に形成されている。

この変形例４では、信号電極５０の電極本体部５１と第１の金属層１０１の幅が同じであるため、電極本体部５１の基板１１側の角部５１ａは露出せず、基板１１側に露出する角部は第１の金属層１０１の角部１０１ａのみである。そしてその第１の金属層１０１の角部１０１ａがＲ状の横断面形状に形成されている。このため、信号電極５０の電極本体部５１が内部応力による歪み発生に起因して第１の金属層１０１から剥離することを抑制することができるとともに、第１の金属層１０１の角部１０１ａにエッジ効果が起こりにくく、導電損失を抑制することができる。

（変形例５）
図７に示す変形例５では、信号電極５０の電極本体部５１の幅Ｗｓと、下地層１００における第１の金属層の幅Ｗ１と、第２の金属層の幅Ｗ２との関係は、上述の実施形態と同様にＷｓ＞Ｗ１＞Ｗ２に設定されている。そしてこの変形例５では、電極本体部５１の幅Ｗｓと第２の金属層１０２の幅Ｗ２との差（Ｗｓ－Ｗ２）が、１～２μｍ程度に設定されている。

この変形例５では、信号電極５０の電極本体部５１の幅Ｗｓと第２の金属層１０２の幅Ｗ２との幅の差が大きく相違しない。このため、電極本体部５１から第２の金属層１０２にわたる幅の変位量が僅かであり、連続的な接合形状が得られる。このため、この変形例５では、信号電極５０の電極本体部５１が内部応力による歪み発生に起因して第１の金属層１０１から剥離したり第１の金属層１０１が第２の金属層１０２から剥離したりすることを抑制することができる。

また、第２の金属層１０２の幅は電極本体部５１の幅よりも僅かに小さいものであるため、第２の金属層１０２が基板１１に接合する面積を十分に確保することができる。このため、基板１１に対する下地層１００全体の接合強度を確保することができるので、信号電極５０の電極本体部５１が基板１１から剥離することを抑制することができる。

なお、上記各実施形態の光導波路素子１０は、光変調部３６が１つであったが、本発明はこれに限定されず、入力側光導波路３１および出力側光導波路３５に対して接続される光変調部３６を２つ以上備えた構成の光導波路素子であってもよい。

本発明は、信号電極の幅を増大させながら信号電極が光導波路や接地電極に実質的に近接することを抑制することができ、結果として広帯域および低損失の特性の向上と小型化が図られる光導波路素子および光導波路素子を備えた光変調器として有用である。

１ 光変調器
１０ 光導波路素子
１１ 基板
２０ 筐体
３０ 光導波路
３３ａ、３３ｂ 直線光導波路
３６ 光変調部
４０ 制御電極
５０ 信号電極
５１ 信号電極の電極本体部
５１ａ 信号電極の電極本体部の角部
６０、６０Ａ、６０Ｂ 接地電極
６１ 接地電極の電極本体部
８１ 入力側の光ファイバ（入力側の光伝送手段）
８２ 出力側の光ファイバ（出力側の光伝送手段）
１００ 下地層
１０１ 第１の金属層
１０１ａ 第１の金属層の角部
１０２ 第２の金属層
Ｗ１ 第１の金属層の幅
Ｗ２ 第２の金属層の幅
Ｗｓ 電極本体部の幅

Claims (8)

1. 電気光学効果を有し、光波が伝搬するよう形成された光導波路を有する基板と、
   前記基板に形成され、前記光導波路を伝搬する光波に変調信号を印加する制御電極と、を備え、
   前記光導波路は、前記変調信号が印加される並行する一対の直線光導波路を有する少なくとも１つの光変調部を有し、
   前記制御電極は、信号電極と、前記信号電極の両側にそれぞれ配置された接地電極と、を有し、
   前記信号電極は、前記一対の直線光導波路の間に配置された帯状の電極本体部を有し、
   前記直線光導波路は、前記電極本体部と、前記接地電極との間に当たる位置に配置されている光導波路素子において、
   前記信号電極および前記接地電極は、それぞれ前記基板上に、前記基板の表面に形成された第２の金属層と、前記第２の金属層と前記信号電極および前記接地電極に接合する第１の金属層とを有する下地層を介して形成されており、
   前記信号電極における少なくとも前記電極本体部は、２０μｍ以上の幅を有し、
   前記電極本体部の幅をＷｓ、前記電極本体部と前記基板との間に設けられた前記下地層における前記第１の金属層の幅をＷ１、前記第２の金属層の幅をＷ２とした場合、Ｗｓ≧Ｗ１＞Ｗ２であり、
   前記電極本体部に接合する前記第１の金属層は、前記基板側に露出する角部を有する横断面形状を有することを特徴とする光導波路素子。
2. 前記Ｗｓ、前記Ｗ１、前記Ｗ２が、Ｗｓ＞Ｗ１＞Ｗ２であって、
   前記電極本体部は、前記基板側に露出する角部を有する横断面形状を有し、
   前記電極本体部の前記角部は、Ｒ状の横断面形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
3. 前記Ｗｓ、前記Ｗ１、前記Ｗ２が、Ｗｓ＞Ｗ１＞Ｗ２であって、
   前記電極本体部は、前記基板側に露出する角部を有する横断面形状を有し、
   前記第１の金属層の前記角部は、Ｒ状の横断面形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
4. 前記Ｗｓ、前記Ｗ１、前記Ｗ２が、Ｗｓ＞Ｗ１＞Ｗ２であって、
   前記電極本体部は、前記基板側に露出する角部を有する横断面形状を有し、
   前記電極本体部の前記角部および前記第１の金属層の前記角部は、Ｒ状の横断面形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
5. 前記Ｗｓ、前記Ｗ１、前記Ｗ２が、Ｗｓ＝Ｗ１＞Ｗ２であって、
   前記第１の金属層の前記角部は、Ｒ状の横断面形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
6. 前記Ｗｓと前記Ｗ２との差（Ｗｓ－Ｗ２）が、１～２μｍであることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の光導波路素子。
7. 前記信号電極および前記接地電極は、電気抵抗率が２．４４～１．５９×１０^－８Ωｍの金属からなり、
   前記下地層の前記第１の金属層は、電気抵抗率が２．４４～１．５９×１０^－８Ωｍの金属からなり、
   前記下地層の前記第２の金属層は、電気抵抗率が２．８２×１０^－８～４．２７×１０^－７Ωｍの遷移金属からなることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の光導波路素子。
8. 請求項１～７のいずれかに記載の光導波路素子と、
   前記光導波路素子を収納する筐体と、
   前記光導波路素子に光学的に接続され、前記光導波路素子の前記光導波路に光波を入力する入力側の光伝送手段および前記光導波路から光波を出力する出力側の光伝送手段と、を備えることを特徴とする光変調器。

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