JP2007264548A - 光変調素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】
接着層を伝搬する迷光が薄板内に再入射することを抑制すると共に、薄板と補強板との接着強度を高めた光変調素子を提供すること。
【解決手段】
電気光学効果を有する材料で形成された厚さ２０μｍ以下の薄板１と、該薄板の表面又は裏面に形成された光導波路２と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極３とを含む光変調素子において、該薄板と接着層４を介して接合される補強板５を有し、該補強板の該薄板に対向する面は、粗面１０に形成さていることを特徴とする。
好ましくは、該粗面の粗さが、該接着層内を伝搬する迷光の波長の１０分の１以上であることを特徴とする。
【選択図】図１
接着層を伝搬する迷光が薄板内に再入射することを抑制すると共に、薄板と補強板との接着強度を高めた光変調素子を提供すること。
【解決手段】
電気光学効果を有する材料で形成された厚さ２０μｍ以下の薄板１と、該薄板の表面又は裏面に形成された光導波路２と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極３とを含む光変調素子において、該薄板と接着層４を介して接合される補強板５を有し、該補強板の該薄板に対向する面は、粗面１０に形成さていることを特徴とする。
好ましくは、該粗面の粗さが、該接着層内を伝搬する迷光の波長の１０分の１以上であることを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、光変調素子に関し、特に、電気光学効果を有する材料で形成された薄板を使用する光変調素子に関する。
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変調電極を形成した導波路型光変調素子が多用されている。
特に、マルチメディアの発展に伴い情報伝達量も増加傾向にあり、光変調周波数の広帯域化が求められている。これを実現する手段として、ＬｉＮｂＯ３（以下、「ＬＮ」という。）を用いたＬＮ変調器等による外部変調方式が提供されている。しかし、ＬＮ変調器の広帯域の実現には、変調信号であるマイクロ波と光波との速度整合、及び駆動電圧の低減を図る必要がある。
特に、マルチメディアの発展に伴い情報伝達量も増加傾向にあり、光変調周波数の広帯域化が求められている。これを実現する手段として、ＬｉＮｂＯ３（以下、「ＬＮ」という。）を用いたＬＮ変調器等による外部変調方式が提供されている。しかし、ＬＮ変調器の広帯域の実現には、変調信号であるマイクロ波と光波との速度整合、及び駆動電圧の低減を図る必要がある。
前記課題の解決手段として、従来より基板の厚みを薄くすることにより、マイクロ波と光波の速度との速度整合条件を満足させ、且つ駆動電圧の低減を同時に図ることが知られている。
以下の特許文献１又は２においては、３０μｍ以下の厚みを有する薄い基板（以下、「第１基板」という。）に、光導波路並びに変調電極を組み込み、第１基板より誘電率の低い他の基板（以下、「第２基板」という。）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り且つ基板の機械的強度を維持す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
以下の特許文献１又は２においては、３０μｍ以下の厚みを有する薄い基板（以下、「第１基板」という。）に、光導波路並びに変調電極を組み込み、第１基板より誘電率の低い他の基板（以下、「第２基板」という。）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り且つ基板の機械的強度を維持することが行われている。
特許文献１又は２では、主に、第１基板にはＬｉＮｂＯ３が利用され、第２基板には、石英、ガラス、アルミナなどＬＮより低誘電率の材料が使用されている。これらの材料の組合せでは、線膨張係数の違いにより、温度変化に伴う温度ドリフトやＤＣドリフトが発生することとなる。特許文献２においては、このような不具合を除去するため、第１基板と第２基板との接合を、第１基板に近い線膨張係数を有する接着剤を利用して行うことも開示されている。
しかし、従来から製造されていたＬＮ基板を用いた変調器とＬＮ基板の厚さを薄くした変調器とを比較した場合、基板の厚みが薄くなるに従い、光導波路から放射又は漏出した光や入射用光ファイバーから光導波路以外に入射した光など（以下、「迷光」という）が基板内に閉じ込められる傾向が強くなる。これは従来のＬＮ基板は、基板の厚さ（例えば５００〜１０００μｍ）が厚いため、導波路（例えば深さ数μｍ）に影響を及ぼさない領域が十分に有り、迷光となっている光の空間分布密度（以下、「迷光密度」という。）が低くなり、その結果迷光の影響があまり問題とならなかった。しかし基板の厚さを導波路の深さ方向の距離と同じくらいにした場合、基板内における基板表面に平行な方向を伝搬する迷光密度が高くなるため、迷光が基板内を伝搬し、光導波路に再入射したり、光変調素子に接続された出射用光ファイバに入射するなどの現象が生じ、結果として出力光のＳ／Ｎ比が劣化する原因となっていた。
しかも、光変調素子に薄板を使用する場合には、薄板のみでは機械的強度は不足する関係から、上述したように第１基板の薄板と第２基板の補強板とを接着剤などで接合する必要がある。この際、接着剤の屈折率が薄板のものより低い場合には、上記迷光の閉じ込めがより顕著となる。このため、本出願人は特許文献３において、薄板の光導波路およびその近傍を除く領域に、光吸収部や高屈折率部、あるいは光ガイド部や凹部を形成し、薄板内の迷光を除去することを提案した。
特願２００５−９６４４７号（出願日：平成１７年３月２９日）
しかしながら、特許文献２のように、補強板の接着層に該薄板に対向する面を平坦化する場合には、薄板外に放出された迷光が、補強板の表面で反射し、薄板内に再入射する現象が観測され、この迷光が光導波路と再結合する問題も生じている。
本発明が解決しようとする課題は、上述した問題を解決し、接着層を伝搬する迷光が薄板内に再入射することを抑制すると共に、薄板と補強板との接着強度を高めた光変調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、電気光学効果を有する材料で形成された厚さ２０μｍ以下の薄板と、該薄板の表面又は裏面に形成された光導波路と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極とを含む光変調素子において、該薄板と接着層を介して接合される補強板を有し、該補強板の接合面は、該薄板の接合面に比べ粗面に形成さていることを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光変調素子において、該粗面の粗さが、該接着層内を伝搬する迷光の波長の１０分の１以上であることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、電気光学効果を有する材料で形成された厚さ２０μｍ以下の薄板と、該薄板の表面又は裏面に形成された光導波路と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極とを含む光変調素子において、該薄板と接着層を介して接合される補強板を有し、該補強板の接合面は、凹凸構造が形成さていることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の光変調素子において、該凹凸構造の凸部高さが、該接着層内を伝搬する迷光の波長の１０分の１以上であることを特徴とする。
請求項５に係る発明は、電気光学効果を有する材料で形成された厚さ２０μｍ以下の薄板と、該薄板の表面又は裏面に形成された光導波路と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極とを含む光変調素子において、該薄板と接着層を介して接合される補強板を有し、該補強板の接合面は、該薄板の接合面に対し傾斜した傾斜面であることを特徴とする。
請求項６に係る発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の光変調素子において、該光導波路は、該光導波路を伝搬する光波の伝搬定数が部分的に異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、電気光学効果を有する材料で形成された厚さ２０μｍ以下の薄板と、該薄板の表面又は裏面に形成された光導波路と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極とを含む光変調素子において、該薄板と接着層を介して接合される補強板を有し、該補強板の接合面は、該薄板の接合面に比べ粗面に形成さているため、薄板から接着層に入射した迷光を補強板の接合面の粗面で散乱させることが可能となり、接着層から薄板への迷光の再入射を抑制することが可能となる。しかも、補強板の接合面が粗面に形成されることにより、接着層との接触面積が増加し、薄板と補強板との接着強度を高めることも可能となる。
請求項２に係る発明により、粗面の粗さが、接着層内を伝搬する迷光の波長の１０分の１以上であるため、迷光を補強板の接合面で効率良く散乱させることが可能となる。
請求項３に係る発明により、電気光学効果を有する材料で形成された厚さ２０μｍ以下の薄板と、該薄板の表面又は裏面に形成された光導波路と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極とを含む光変調素子において、該薄板と接着層を介して接合される補強板を有し、該補強板の接合面は、凹凸構造が形成さているため、薄板から接着層に入射した迷光を補強板の接合面の凹凸構造で散乱させることが可能となり、接着層から薄板への迷光の再入射を抑制することが可能となる。しかも、補強板の接合面が凹凸構造に形成されることにより、接着層との接触面積が増加し、薄板と補強板との接着強度を高めることも可能となる。
請求項４に係る発明により、凹凸構造の凸部高さが、接着層内を伝搬する迷光の波長の１０分の１以上であるため、迷光を補強板の接合面で効率良く散乱させることが可能となる。
請求項５に係る発明により、電気光学効果を有する材料で形成された厚さ２０μｍ以下の薄板と、該薄板の表面又は裏面に形成された光導波路と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極とを含む光変調素子において、該薄板と接着層を介して接合される補強板を有し、該補強板の接合面は、該薄板の接合面に対し傾斜した傾斜面であるため、薄板から接着層に入射した迷光を、補強板の接合面の傾斜面により、薄板以外あるいは光導波路以外の方向に反射させることが可能となり、接着層から薄板や光導波路への迷光の再入射を抑制することが可能となる。しかも、補強板の接合面が傾斜面であるため、接着層との接触面積が増加し、薄板と補強板との接着強度を高めることも可能となる。
請求項６に係る発明により、光導波路は、該光導波路を伝搬する光波の伝搬定数が部分的に異なるように設定されているため、伝搬定数の調整による迷光の再結合防止効果と補強板の迷光除去効果とが相まって、迷光が光導波路に再結合することをより効果的に抑制することが可能となる。
以下、本発明について好適例を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の光変調素子に係る実施例１を示す。図１は、光変調素子の断面図であり、電気光学効果を有する材料で形成された厚さ２０μｍ以下の薄板１と、該薄板の表面に形成された光導波路２と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極３とを含む光変調素子である。なお、光導波路２は、薄板１の裏面に形成しても良い。
また、薄板１には、補強板５が接着剤４を介して接合されている。
図１は、本発明の光変調素子に係る実施例１を示す。図１は、光変調素子の断面図であり、電気光学効果を有する材料で形成された厚さ２０μｍ以下の薄板１と、該薄板の表面に形成された光導波路２と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極３とを含む光変調素子である。なお、光導波路２は、薄板１の裏面に形成しても良い。
また、薄板１には、補強板５が接着剤４を介して接合されている。
光導波路２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４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変調電極３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。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ２等のバッファ層（不図示）を設け、バッファ層の上に変調電極を形成することも可能である。
特開平６−２８９３４１号公報
信号電極や接地電極などの変調電極３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。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ２等のバッファ層（不図示）を設け、バッファ層の上に変調電極を形成することも可能である。
電気光学効果を有する材料としては、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）結晶が好適に利用される。
光変調素子を含む薄板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、２０μｍ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変調電極を作り込む。また、光導波路や変調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。
補強板５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、上記特許文献４のように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変調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、特許文献２のように薄板と補強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と補強板５との接合には、接着層４として、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤、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。
図１のような光変調素子においては、薄板に形成された光導波路の光分岐部や合波部、また、不図示の入射用光ファイバと光変調素子との接合部などから、光導波路以外の薄板内に迷光が発生する。しかも、薄板の厚みが薄く、特に厚みが２０μｍ以下に設定されている場合には、該迷光が薄板内を伝搬し光導波路や出射用光ファイバに入射するという不具合を生じ易い。特に、本発明では、薄板１から接着層に入射した光波が、再度薄板に入射し、光導波路などと再結合するのを防止することを、主眼としている。
このような接着層４を伝搬している光波が、薄板１内に再入射することを抑制するため、本発明の光変調素子では、図１に示すように、補強板５の薄板１に接合する接合面を、該薄板１の接合面（図１の薄板１の下側の面）に比べ粗面１０に形成している。
このような粗面１０を形成することにより、接着層内の迷光は該粗面で散乱され、薄板１に再入射することが抑制される。しかも、補強板の接合面が粗面に形成されることにより、接着層との接触面積が増加し、薄板と補強板との接着強度を高めることも可能となる。
なお、粗面は、図１の横方向のみだけでなく、断面図に垂直な方向にも延在している。
このような粗面１０を形成することにより、接着層内の迷光は該粗面で散乱され、薄板１に再入射することが抑制される。しかも、補強板の接合面が粗面に形成されることにより、接着層との接触面積が増加し、薄板と補強板との接着強度を高めることも可能となる。
なお、粗面は、図１の横方向のみだけでなく、断面図に垂直な方向にも延在している。
粗面１０は迷光に対する散乱面として機能する必要があるため、当該粗面の粗さｄ１は、接着層内を伝搬している迷光の波長λに対し、１０分の１（λ／１０）以上の値を有することが好ましい。
仮に、粗面の粗さがλ／１０より小さい場合には、迷光を効果的に散乱することができなくなる。
仮に、粗面の粗さがλ／１０より小さい場合には、迷光を効果的に散乱することができなくなる。
次に、本発明の光変調素子に係る実施例２について説明する。
図２は、光変調素子の実施例２を説明する図であり、図１と同様の構成の箇所には、同じ符号を用いている。
実施例２の特徴は、補強板５の薄板１に接合する接合面を、凹凸構造１１に形成している。
このような凹凸構造１１を形成することにより、接着層内の迷光は該凹凸構造で散乱され、薄板１に再入射することが抑制される。しかも、補強板の接合面が凹凸構造に形成されることにより、接着層との接触面積が増加し、薄板と補強板との接着強度を高めることも可能となる。
なお、凹凸構造は、図２の横方向のみだけでなく、断面図に垂直な方向にも延在している。
図２は、光変調素子の実施例２を説明する図であり、図１と同様の構成の箇所には、同じ符号を用いている。
実施例２の特徴は、補強板５の薄板１に接合する接合面を、凹凸構造１１に形成している。
このような凹凸構造１１を形成することにより、接着層内の迷光は該凹凸構造で散乱され、薄板１に再入射することが抑制される。しかも、補強板の接合面が凹凸構造に形成されることにより、接着層との接触面積が増加し、薄板と補強板との接着強度を高めることも可能となる。
なお、凹凸構造は、図２の横方向のみだけでなく、断面図に垂直な方向にも延在している。
凹凸構造１１も図１の粗面１０と同様に、迷光に対する散乱面として機能する必要があるため、当該凹凸構造の凸部の高さｄ２は、接着層内を伝搬している迷光の波長λに対し、１０分の１（λ／１０）以上の値を有することが好ましい。
仮に、凸部の高さがλ／１０より小さい場合には、迷光を効果的に散乱することができなくなる。
仮に、凸部の高さがλ／１０より小さい場合には、迷光を効果的に散乱することができなくなる。
次に、本発明の光変調素子に係る実施例３について説明する。
図３は、光変調素子の実施例３を説明する図であり、図１又は図２と同様の構成の箇所には、同じ符号を用いている。
実施例３の特徴は、補強板５の薄板１に接合する接合面を、薄板１、特に薄板１の接合面（図３の薄板１の下側の面）に対し傾斜した傾斜面１２を有している。
このような傾斜面１２を形成することにより、接着層内の迷光は該傾斜面１２で反射され、薄板１以外に向かう方向に迷光となり、薄板１に再入射することが抑制される。しかも、補強板の接合面が傾斜面であるため、接着層との接触面積が増加し、薄板と補強板との接着強度を高めることも可能となる。
図３は、光変調素子の実施例３を説明する図であり、図１又は図２と同様の構成の箇所には、同じ符号を用いている。
実施例３の特徴は、補強板５の薄板１に接合する接合面を、薄板１、特に薄板１の接合面（図３の薄板１の下側の面）に対し傾斜した傾斜面１２を有している。
このような傾斜面１２を形成することにより、接着層内の迷光は該傾斜面１２で反射され、薄板１以外に向かう方向に迷光となり、薄板１に再入射することが抑制される。しかも、補強板の接合面が傾斜面であるため、接着層との接触面積が増加し、薄板と補強板との接着強度を高めることも可能となる。
図３においては、傾斜面１２の形状として、光導波路２の光波の伝搬方向に対して垂直な面内で、薄板１に対して傾斜角δで傾斜したものを示しているが、本発明はこれに限定されるものでは無く、光導波路の光波の伝搬方向に対して平行な面内で、薄板１に対して傾斜するよう構成することも可能である。
また、図３に示すように、薄板１の接合面に対して一定方向のみに傾斜する傾斜面１２とするだけでなく、例えば、図３の中央から左右に進むにしたがい低くなるような山形の傾斜面とすることも可能である。
また、図３に示すように、薄板１の接合面に対して一定方向のみに傾斜する傾斜面１２とするだけでなく、例えば、図３の中央から左右に進むにしたがい低くなるような山形の傾斜面とすることも可能である。
傾斜面１２の傾斜角δの大きさとしては、補強板の接合面で反射した迷光のより多くが、薄板１あるいは光導波路２に再入射しない範囲であれば任意の値に設定することが可能である。
本発明の光変調素子に係る実施例１乃至３に示したように、本発明においては補強板５の接合面の形状が、同じ接着層を介して接合している薄板１の接合面の形状と、大きく異なっている。このため、補強板５が熱膨張により変形した場合には、補強板５からの熱応力が、薄板１の接合面に均一に付加されず、局所的に集中する可能性が危惧される。このような熱応力の集中は、光変調素子の光学特性を劣化させる原因となる。
したがって、補強板５の熱応力を緩和するため、接着層の厚みを１０μｍ以上とすることが好ましい。
したがって、補強板５の熱応力を緩和するため、接着層の厚みを１０μｍ以上とすることが好ましい。
さらに、本発明の光変調素子において、仮に、接着層から薄板内に迷光が再入射した場合であっても、特許文献５に示すような、光導波路を伝搬する光波の伝搬定数が部分的に異なるように、光導波路を設計・調整することにより、迷光と光導波路との再結合を抑制することができる。これにより、伝搬定数の調整による迷光の再結合防止効果と、実施例１乃至３による補強板の迷光除去効果とが相まって、迷光が光導波路に再結合することをより効果的に抑制することが可能となる。
伝搬定数の調整方法としては、光導波路の幅を調整する方法や、光導波路又はその近傍にＭｇＯ、ＳｉＯ２，ＴｉＯ２又はＺｎＯなどの伝搬定数を変化させる物質を拡散又は装荷する方法などがあり、これらにより、光導波路の屈折率が変化させられている。
特願２００５−１０４３０７号（出願日：平成１７年３月３１日）
伝搬定数の調整方法としては、光導波路の幅を調整する方法や、光導波路又はその近傍にＭｇＯ、ＳｉＯ２，ＴｉＯ２又はＺｎＯなどの伝搬定数を変化させる物質を拡散又は装荷する方法などがあり、これらにより、光導波路の屈折率が変化させられている。
以上説明したように、本発明によれば、接着層を伝搬する迷光が薄板内に再入射することを抑制すると共に、薄板と補強板との接着強度を高めた光変調素子を提供することが可能となる。
１ 薄板
２ 光導波路
３ 変調電極
４ 接着層
５ 補強板
１０ 粗面
１１ 凹凸構造
１２ 傾斜面
２ 光導波路
３ 変調電極
４ 接着層
５ 補強板
１０ 粗面
１１ 凹凸構造
１２ 傾斜面
Claims (6)
- 電気光学効果を有する材料で形成された厚さ２０μｍ以下の薄板と、該薄板の表面又は裏面に形成された光導波路と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極とを含む光変調素子において、
該薄板と接着層を介して接合される補強板を有し、
該補強板の接合面は、該薄板の接合面に比べ粗面に形成さていることを特徴とする光変調素子。 - 請求項１に記載の光変調素子において、該粗面の粗さが、該接着層内を伝搬する迷光の波長の１０分の１以上であることを特徴とする光変調素子。
- 電気光学効果を有する材料で形成された厚さ２０μｍ以下の薄板と、該薄板の表面又は裏面に形成された光導波路と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極とを含む光変調素子において、
該薄板と接着層を介して接合される補強板を有し、
該補強板の接合面は、凹凸構造が形成さていることを特徴とする光変調素子。 - 請求項３に記載の光変調素子において、該凹凸構造の凸部高さが、該接着層内を伝搬する迷光の波長の１０分の１以上であることを特徴とする光変調素子。
- 電気光学効果を有する材料で形成された厚さ２０μｍ以下の薄板と、該薄板の表面又は裏面に形成された光導波路と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極とを含む光変調素子において、
該薄板と接着層を介して接合される補強板を有し、
該補強板の接合面は、該薄板の接合面に対し傾斜した傾斜面であることを特徴とする光変調素子。 - 請求項１乃至５のいずれかに記載の光変調素子において、該光導波路は、該光導波路を伝搬する光波の伝搬定数が部分的に異なるように設定されていることを特徴とする光変調素子。
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