【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】導波路型の光変調器は、低駆動電圧で広帯域のものが望まれるが、動作周波数がマイクロ波帯の高周波で使用されるため、変調器の電極と駆動ドライバとのインピーダンス整合が、重要となる。 本発明は、導波路型光変調器の変調用信号電極と基板の間に信号電極と基板とによって囲まれて形成されるアーチ型切欠状空洞部を設ける。 この構成によって、変調器の電極と駆動ドライバとのインピーダンスの整合を図り、
かつ低駆動電圧であり、変調帯域の広い導波路型変調器を提供する。 【０００２】 【従来の技術】図１は、従来例の変調器の断面図を示す。 ここでは、Ｘ板のLiNbO ₃基板（以下、ＬＮと言う。）１に構成したマッハツェンダ型光強度変調器について説明する。 【０００３】この様な導波路型光変調器は、ＬＮ等の大きな電気光学効果をもった基板１に、金属Tiなどを熱拡散して導波路２ａ、２ｂを形成する。 基板１に導波路２
ａ、２ｂを形成した後、基板１上に導波光を制御するための電極を形成するが、ＬＮは、Ｚ方向に電界が印加される時、最も大きな電気光学定数ｒ ₃₃を使うことができるため、Ｘ板やＹ板のＬＮの場合、信号電極３と接地電極４の間に導波路がくるように電極を設計、配設する。
（Ｚ板ＬＮの場合は、電極の下に導波路が設置される。） 【０００４】さらに、導波光の金属電極による吸収損失を防ぐため、SiO ₂などのバッファ層５をＬＮ基板と電極の間に設ける。 このバッファ層は、Ｘ板やＹ板のＬＮの場合には、電極が、導波路に直接重ならないため、設けない場合もある。 【０００５】この様な構成の導波路型光変調器の場合、
変調器の主要特性である変調帯域や駆動電圧、電極インピーダンスなどは信号電極の幅ｗと接地電極との間隔ｇ
によって大きく左右される。 【０００６】変調器を広帯域化するためには、導波路を伝搬する光の速度と信号電極を伝搬するマイクロ波の速度整合をとることが必要であるが、ＬＮ等の材料は、誘電率が非常に大きいため、導波路を伝搬する光の速度に比べてマイクロ波の速度が遅く、速度整合をとるためにはマイクロ波の実効屈折率ｎｍを光の実効屈折率ｎｏになるべく近づけるような設計を行う必要がある。 【０００７】図２は、信号電極の幅ｗとマイクロ波実効屈折率ｎｍとの関係を計算した例であるが、これから信号電極幅ｗ＝５μm とすると、マイクロ波実効屈折率ｎ
ｍを導波光の実効屈折率ｎｏと同程度の2.2 とすることが可能であることが分かる。 しかしながら、図３に示した信号電極幅ｗと駆動電圧Ｖπ・Ｌの関係から、ｗ＝５
μm の構成ではＶπ・Ｌ＝20V*cmと駆動電圧がかなり高くなってしまうことがわかる。 逆にＶπ・Ｌが最も低くなる信号電極幅ｗ＝15μm では、図２よりマイクロ波実効屈折率ｎｍが2.7 近くまで上昇してしまい、速度整合条件を満たせなくなる。 【０００８】また、図４は、信号電極幅ｗと電極インピーダンスＺの関係を計算した例であるが、これから信号電極幅ｗを増して低駆動電圧化する構成をとると、電極インピーダンスＺが40Ω以下にまで下がることがわかる。 一方、変調器を駆動するドライバのインピーダンスは、50Ωであるため、この様な構成では駆動ドライバとのインピーダンスのミスマッチにより、印加した電気信号の反射が増大してしまうという問題が発生する。 この例から明らかなように、変調帯域と駆動電圧はトレードオフの関係にあり、従来型の構成では、広帯域で、かつ駆動電圧が低くインピーダンス整合の取れた変調器の提供は困難であった。 【０００９】 【発明の目的】本発明の目的は、上記問題点を解決し、
電極インピーダンス整合のとれた低駆動電圧の高速光変調器を提供することにある。 【００１０】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、高速・大容量光ファイバー通信システムやケーブルテレビ放送（Ｃ
ＡＴＶ）などに用いられる導波路型光変調器に関するものである。 【００１１】本発明の構成における最大の特徴は、信号電極にアーチ型切欠状空洞部を設けることにある。 【００１２】電極のインピーダンスＺは、概ねＺ∝√Ｌ
／√Ｃ （Ｌ：インダクタンス、Ｃ：キャパシタンス）
という関係にあり、インダクタンス変化は、通常無視しうるため、電極のキャパシタンスＣと反比例関係にあると考えられる。 【００１３】従って、例えば、信号電極と接地電極の間隔ｇを広げることによってキャパシタンスを小さくし、
電極インピーダンスを上昇させることも出来るが、この様な構成では、導波路にかかる電界効率が低下し、変調器の駆動電圧が上昇してしまう。 電極のキャパシタンスＣは、平行平板電極的に近似すると、Ｃ＝ε・ｓ／ｄ
（ε：誘電率、ｓ：面積、ｄ：距離）という関係があり、電極が接している部分の誘電率を小さくすることによって、電極のキャパシタンスＣを小さくすることが出来る。 【００１４】そこで、本発明者等は、信号電極と基板とによって囲まれて形成される切欠状空洞部をア─チ型に形成することによって、電極間隔ｇを変えることなく、
電極のキャパシタンスを小さくする方法を考案した。 【００１５】この様な構成を採用すると、信号電極に設けた切欠状空洞部は、アーチ型であり、それによって電極が誘電率の高いＬＮから誘電率の低い空気に接している面積が増大することとなり、電極のキャパシタンスがより小さくなる。 この結果、従来の50Ωより低い値、例えば、40Ωであった電極インピーダンスを高くし、50Ω
に整合させることが可能になる。 【００１６】またこの切欠状空洞部を形成することにより、信号電極を伝搬するマイクロ波が感じる誘電率も小さくなるため、マイクロ波実効屈折率ｎｍが下がって、
光波とマイクロ波の速度整合が、より取りやすくなり、
変調器の変調帯域が広くなる効果もある。 【００１７】更に、実質的に信号電極が接している基板面積は小さいまま、信号電極幅を広げることが出来るため、駆動ドライバと電極とのインピーダンス整合をとりつつ、導波路と信号電極の距離をより近づけることが可能となり、導波光と信号電界の相互作用が一層強まることによって、変調器の駆動電圧を低くすることが出来る。 以上説明したように本発明の構成によって、信号電極幅ｗを広くして駆動電圧を低減するような電極構成においても、電極のインピーダンスＺを50Ωに整合させ、
マイクロ波実効屈折率ｎｍを速度整合条件に保つことができ、従って、低駆動電圧で、かつ広帯域の変調器を提供することが可能である。 【００１８】 【課題を解決するための手段】本発明は、電気光学効果を具えた基板と、前記基板に形成された光導波路と、前記基板上全面に形成された均一の厚さを具えたバッファ層と、前記光導波路近傍に配設された導波光を制御するための信号電極と、接地電極とを具えた導波路型光変調器において、前記信号電極の下部に前記基板の誘電率のより低い誘電率を具える低誘電率領域を形成するアーチ型切欠状空洞部を設けたことを特徴とする。 本発明は、
前記信号電極の下部に設けた切欠状空洞部を矩形としたことを特徴とする。 本発明は、前記信号電極の下部に設けた切欠状空洞部を半円形としたことを特徴とする。 本発明は、前記信号電極の下部に設けた切欠状空洞部を三角形としたことを特徴とする。 本発明は、前記基板がニオブ酸リチウム（LiNbO ₃ ）であることを特徴とする。 【００１９】 【実施例】以下、図を参照しつつ、本発明の実施例を説明する。 図５は、本発明の一実施例である。 これは、マッハツェンダ型光強度変調器の断面を示し、導波路を形成している基板１にはＬＮのＸ板を用いている。 導波路２ａ、２ｂは、ＬＮ基板上にパターニングした後、Tiを
700 Å蒸着し、1000℃で、10時間熱拡散して形成する。
基板上には、電極による光波の吸収損失を抑えるとともにマイクロ波実効屈折率を下げるため、SiO ₂バッファ層５をスパッタリング法により全面に厚さ1.1 μm に形成する。 その後、ウエハ全面にフォトレジストをスピンコートし、信号電極３下の切欠状部６がパターニングされたフォトマスクを用いて、信号電極３下に切欠状部６を形成する部分を露光・現像する。 【００２０】実施例では、アーチ型切欠状空洞部６の幅を20μm に設定した。 ここにMgO を2.0 μm 蒸着し、リフトオフして、信号電極３下の切欠状部６を形成するための被エッチング層を形成する。 更に再びフォトレジストをウエハ全面にスピンコートした後、信号電極３及び接地電極４をパターニングする。 実施例では、信号電極幅３を30μm 、両電極間隔を20μm とした。 それぞれの電極は、Auメッキにより10μm の厚さに形成した。 最後に信号電極３下のMgO を酢酸によりエッチングして除去し、切欠状部６を形成する。 【００２１】実施例では、バッファ層を介しているため、電極が基板とは直接接しない構成ではあるが、信号電極を伝搬するマイクロ波の電界分布はバッファ層下の基板に達しており、またバッファ層厚は、変更可能なプロセスパラメータで、同一のバッファ層厚であれば、電極が直接基板に接している場合と等価的に考えることが出来るため、以下の説明においては、電極と基板が直接接するものとして、実施例における作用を説明する。 【００２２】この様な構成をとると信号電極の幅が30μ
m と広いものの、アーチ型の断面形状を持つ信号電極が実質的に基板に接している幅は５μm となり、残りの20
μmはより誘電率の低い空気と接しているため、信号電極が全て基板に接している場合と比べて電極のキャパシタンスは下がり、電極インピーダンスは50Ωに近づくことになる。 【００２３】また、信号電極を伝搬するマイクロ波の感ずる誘電率も小さくなるため、マイクロ波実効屈折率ｎ
ｍが導波光との速度整合条件をより満足する様になる。
また基板に接する信号電極の幅は切欠形状をとることによって実質的に狭くなる。 このため、信号電極が、広く基板に接している場合に比べて、導波路付近での電界強度が高まり、導波光との相互作用においても有利である。 【００２４】切欠状空洞部の幅については、実施例では、20μm(信号電極幅に対して67％)としたが、信号電極幅の幅に対して10％より狭くすると、基板に接する部分が増すことによるマイクロ波の実効屈折率ｎｍの上昇が著しくなり、逆に90％より広げると電極の基板に対する付着力が低下し過ぎる事により電極が基板から、剥離するといった問題が生じるかめ、切欠状空洞部の幅は、
信号電極幅に対して、１０〜９０％程度とするのが望ましい。 また、切欠状空洞部の厚さについては、実施例では、2.0 μm(信号電極幅に対して20％) としたが、これを信号電極厚に対して80％より厚くするとマイクロ波の導体損失が、著しく増大する。 逆に1 ％より薄くすると微細加工上の問題を生ずるため、信号電極厚さに対して
1 〜80％程度とすることが望ましい。 【００２５】なお、上記実施例の信号電極は、その切欠状空洞部の断面方向の形状をアーチ型に形成したが、その形状は、半円形や三角形などでも良いことは明らかである。 【００２６】以上信号電極と基板とによって囲まれた切欠状部を形成し、信号電極の断面形状をアーチ型とすることで、電極のインピーダンスを50Ωに整合させるとともにマイクロ波実効屈折率ｎｍ及び駆動電圧の低減に効果がある。 【００２７】以上、本発明の実施例について、Ｘ板のＬ
Ｎ光強度変調器を中心に説明したが、Ｚ板、Ｙ板でも良く、また位相変調器、偏波スクランブラなどその他の導波路型光変調器に適用出来ることは言うまでもない。 また、基板としては、ＬＮの他にも電気光学効果を持つ材料であれば誘電体材料、半導体材料の区別無く使うことが出来ることは勿論である。 また本発明は、以上述べた実施例に限定されるものではない。 【００２８】 【発明の効果】以上述べたとおり、本発明によりインピーダンス整合がとれ低駆動電圧でかつ変調帯域の広い導波路型光変調器を提供することができ、高速・大容量光ファイバー通信システムやＣＡＴＶシステムなどに寄与するところ大である。

【図面の簡単な説明】 【図１】 従来の光変調器の断面を示したものである。 【図２】 信号電極幅ｗとマイクロ波実効屈折率ｎｍの関係について計算した例である。 【図３】 信号電極幅ｗと駆動電圧Ｖπ・Ｌの関係について計算した例である。 【図４】 信号電極幅ｗと電極のインピーダンスＺの関係について計算した例である。 【図５】 本発明の一実施例である。 【符号の説明】 １ 基板２ 光導波路（２ａ、２ｂ） ３ 信号電極４ 接地電極５ バッファ層６ 切欠状空洞部

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