JP2007271850A

JP2007271850A - 光デバイス

Info

Publication number: JP2007271850A
Application number: JP2006096593A
Authority: JP
Inventors: Shingo Mori; 慎吾森; Kaoru Hikuma; 薫日隈; Toshio Sakane; 敏夫坂根
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP4987335B2

Abstract

【課題】光導波路を伝搬する光の強度を効率良くモニタすることが可能であり、モニタ部分の構造が簡易で実装も容易な光デバイスを提供する。
【解決手段】光導波路よりも高い屈折率を有し光導波路を伝搬する光のエバネセント成分を取り込む光導入部２０１と、取り込まれた光を反射させてその光路を基板１０１に対し略垂直な方向に変換する光路変換部２０２と、光路変換後の光を受光する光検出部２０４とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は光デバイスに係り、特に、光導波路を伝搬する光の強度をモニタできる機能を備えた光デバイスに関する。

光に信号を載せて光ファイバで伝送する光通信システムにおいて、光伝送に必要な様々な処理を光に対して施す各種の機能素子が用いられる。これら機能素子は、その出力光をモニタし、素子の動作をそのモニタ結果に基づいてフィードバック制御することで、所望の特性を精度良く得ることが可能である。

例えば、光信号に強度変調を与える機能素子として、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３；以下ＬＮと呼ぶ）等の基板上にマッハツェンダー型の光導波路と変調電極およびバイアス電極を形成した、光強度変調器が利用されている。この光強度変調器では、マッハツェンダー光導波路の合波点において、合波される２つの光波の位相差が０およびπとなる状態を基準として変調を行う必要があるが（変調動作点のバイアス調整）、この基準となる位相状態を得るため、変調後の信号光をモニタしてバイアス電極からの印加電圧を調整することが行われる。

従来、こうした光モニタを実現するものとして、特許文献１に記載されたモニタ付光導波路型素子が知られている。図４は、このモニタ付光導波路型素子の断面の概略構成を示したものである。同図において、基板１０１上に光導波路１０２が形成され、その上部（基板表面）に光導波路１０２より屈折率の高いエバネセント成分導入層２００が設けられている。光検出器２０４は、エバネセント成分導入層２００を介して光導波路１０２の上部に設置されている。

図４のモニタ付光導波路型素子では、光導波路１０２を図中Ｐ方向に伝搬する光は、その一部がエバネセント成分として光導波路１０２外にも滲み出した状態で伝搬していく。そして、このエバネセント成分はエバネセント成分導入層２００を通って光検出器２０４内部にまで滲入して、そのごく一部が光検出器２０４の受光面２０５に到達する。こうしてエバネセント成分の一部を検出することで、伝搬光のモニタリングが行われる。
特開２００１−２１５３７１号公報

しかしながら、上記のモニタ付光導波路型素子では、光検出器２０４へのエバネセント成分の進入角度が伝搬方向Ｐに対して５度程度と浅いため、滲入した光の大部分は光検出器２０４内で散逸してしまい、そのごく一部しか受光面２０５に到達することができない。その結果、光検出器２０４におけるモニタ効率（受光感度）が極めて低く、実用的な性能を得ることができないという問題があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光導波路を伝搬する光の強度を効率良くモニタすることが可能であり、モニタ部分の構造が簡易で実装も容易な光デバイスを提供することにある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、請求項１に記載の発明は、基板上に光導波路が形成された光導波路素子と、前記光導波路を伝搬する光のエバネセント成分と光学的な結合が生じるように前記基板表面に配置された光学媒質で構成され、前記結合された光を取り込んで光検出手段へと導く光導入手段と、取り込まれた光を反射させてその光路を光検出手段の受光面の方向に変換する光路変換手段と、光路変換後の光を受光する前記光検出手段と、を有することを特徴とする光デバイスである。

この発明によれば、光導波路を伝搬する光のエバネセント成分が光導入手段を構成する光学媒質に結合し、結合した光はこの媒質内を基板と平行に近い角度で進んで、光路変換手段によって光路を折り曲げられて光検出手段の受光面の方向へさらに進み、光検出手段で受光される。したがって、光導入手段に取り込まれた光の大部分は、光路変換手段を介して光検出手段により受光されることになるので、光導波路を伝搬する光のモニタリングを効率良く行うことができる。また、光検出手段は受光面を基板に向けてフェースダウンで設置できるので、実装が容易である。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光デバイスにおいて、前記光路変換手段は基板に対し所定の傾斜角を有する前記光導入手段と他の媒質との境界面であり、この境界面において光導入手段に取り込まれた光に対する全反射条件が満たされていることを特徴とする。

この発明によれば、光導入手段と結合した光は上記の境界面（光路変換手段）によって全反射されて光検出手段へ進むので、光路変換手段での光の損失が発生しない。したがって、モニタ効率が良好である。また、この境界面は光導入手段（所定の一様な光学媒質）を端面研磨するなどして形成できるので、構造が簡易であり、この部分（光導入手段と光路変換手段）の製造・実装が容易である。
なお、全反射条件が満たされているとは、光導入手段と上記他の媒質の屈折率が与えられた時、当該境界面への光線の入射角が所定の角度（臨界角）以上であることをいう。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の光デバイスにおいて、前記光導波路と前記光導入手段との間にこの光導波路よりも低屈折率のバッファ層を設け、前記光導入手段はこのバッファ層よりも高屈折率であることを特徴とする。

この発明によれば、屈折率の低いバッファ層を介してエバネセント成分が光導入手段と結合するようになるので、光導波路を伝搬する光（信号光）のうち適度な量だけをモニタ光として取り出し、信号光に対する損失の増加を抑えることが可能となる。すなわち、バッファ層の屈折率、膜厚、結合長（光導波路と接している部分の長さ）を適宜設計することで、光導入手段に取り込まれる光の量を調整することができる。

本発明によれば、光導波路を伝搬する光の強度を効率良くモニタすることが可能となる。その結果、例えば光強度変調器における変調動作点のバイアス調整を高い精度で実現することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１と図２は、本発明の一実施形態による光デバイスの構成を示したものであり、図１は光デバイスの概略的な外観図、図２は光導波路の伝搬方向（Ｐ方向）に沿った断面図である。なお、図１では簡単化のため、バッファ層（バッファ層１０３およびモニタ部バッファ層２０３）を省略して描いている。本実施形態において、光デバイスは、ＬＮ基板を用いた光導波路素子１０にモニタ部２０を実装して構成される。

光導波路素子１０は、ＬＮ基板１０１と、ＬＮ基板１０１上にチタン（Ｔｉ）の熱拡散によって形成された光導波路１０２と、光導波路１０２に変調電界を印加するための電極１０４と、光導波路１０２を伝搬する光波が電極１０４によって吸収損失を受けることを防止するための酸化シリコン（ＳｉＯ_２）のバッファ層１０３とを有している。

光導波路１０２の導波路パターンは、ここでは図１に示すように直線導波路であるとして説明するが、他の構成の導波路とすることもできる。例えば、マッハツェンダー型の光導波路でもよい。電極１０４下部の光導波路１０２には、変調電界を受け電気光学効果による屈折率変化が誘起されて、その部分を通過する光波に位相変化が与えられる。電極１０４の材質や膜厚、電極形状等の構成は、光導波路素子１０の機能、特性に応じて周知の技術を用い設計される事項であるので、ここでは詳細を省略する。

バッファ層１０３は、ＬＮ基板１０１の表面全体にわたって所定の膜厚で形成されている。その膜厚は、上記の通り電極１０４で光波の吸収損失が起きないように十分な厚さの膜厚（〜数μｍ）が選ばれる。但し、モニタ部２０を実装する部分については、後述するようにこのモニタ部２０への光の取り込み量を最適化する膜厚で形成されている（この部分のバッファ層をモニタ部バッファ層２０３と呼ぶことにする）。

モニタ部２０は、モニタリングされた光を検出する光検出器２０４と、光導波路１０２を伝搬する光のエバネセント成分を取り込み光検出器２０４へ導く光導入部２０１で構成される。

光導入部２０１は、ブロック状の光学媒質であり、その屈折率がモニタ部バッファ層２０３の屈折率よりも高い値を有する材質が選択される。例えば、本光デバイスでは上記の通りモニタ部バッファ層２０３としてＳｉＯ_２を用いているが、その屈折率ｎ_ＳｉＯ２は１．５程度であり、光導入部２０１には屈折率が３．５程度であるシリコン（Ｓｉ）が用いられる。なお、光導入部２０１内の屈折率分布は一様であるものとする（すなわち内部に光導波路は形成されておらず、光は自由伝搬するものとする）。

光導入部２０１の底面と上面は信号光の波長（例えばλ＝１．５５μｍ）程度以下の表面粗さで光学研磨されており、底面がモニタ部バッファ層２０３の表面と接するよう光導入部２０１が設置される。また、上面には光検出器２０４が受光面２０５を基板側に向けたフェースダウンで載置される。光導入部２０１の高さは、光路変換部２０２の高さよりも高いことが必要であるが、高さの上限値は特に存在しないので任意に設定してよい。

光導入部２０１の底面には、導波路伝搬方向（図２中Ｐ方向）と垂直の向きにＶ溝が形成されており、伝搬方向に対して手前側（図２では左側）の斜面が光路変換部２０２として機能する。具体的には、光導波路１０２からモニタ部バッファ層２０３を通って光導入部２０１へ進入してきたエバネセント成分は、光導入部２０１内を進入角（導波路伝搬方向Ｐとのなす角で定義する）５度程度で自由伝搬し、光路変換部２０２のＶ溝斜面に入射する。そして、この光路変換部２０２で反射されることによって、その進行方向が光検出器２０４の位置する上方（基板と垂直方向）に折り曲げられる。

したがって、光路変換部２０２（斜面）の傾斜角は、光路変換後の光の伝搬方向が上方すなわち受光面２０５を向くよう、基板面に対し４０〜４５度程度の角度とすることが望ましい。但し、光検出器２０４の受光面２０５は一定の広がりを持っているので、この受光面２０５に光路変換後の光が入射され得る傾斜角であれば十分である。すなわち、受光面２０５の開口と光導入部２０１の高さを考慮して光路変換部２０２の傾斜角を設定することができる。

また、上記形成されたＶ溝部分には、空気、または所定の接着剤が充填される。これらを充填せず真空としてもよい。但し、接着剤を用いる場合、その屈折率は光導入部２０１よりも低い屈折率とする。

このＶ溝部分に充填する媒質によっては、この媒質と光導入部２０１の境界面である光路変換部２０２において、入射してくるエバネセント成分に対して全反射条件が満たされるようにすることができる。全反射条件が満たされている場合には、入射光は１００％反射されて光検出器２０４へ入力されるので、モニタ効率を格段に向上させることができる。

例えば、光導入部２０１を上記例示したＳｉ（屈折率ｎ_Ｓｉ＝３．５）で構成し、Ｖ溝部分に空気（屈折率ｎ_ａｉｒ＝１）を充填した場合には、光路変換部２０２において全反射が生じる最小の入射角である臨界角θ_ｃは、
θ_ｃ＝ｓｉｎ^−１（ｎ_ａｉｒ／ｎ_Ｓｉ）≒１７（度）
である。したがって、上述のように光路変換部２０２の基板面に対する傾斜角を４０〜４５度としたとき、光路変換部２０２へのエバネセント成分の入射角は臨界角より大きくなるので全反射が生じ、光検出器２０４で効率的にモニタ光を捉えることができる。

本実施形態の光デバイスにおいて、光導入部２０１の下部に設けられているモニタ部バッファ層２０３は、光導入部２０１と結合され取り込まれるエバネセント成分の量を調整する役割を持っている。すなわち、仮にモニタ部バッファ層２０３が存在せず、光導波路１０２と光導入部２０１が直接接していたとすると、光導入部２０１下部の光導波路１０２では伝搬モード光の強度分布が屈折率のより高い光導入部２０１側へ片寄ることとなって、光導入部２０１と結合する光の量が増加する。しかしこれは光導波路１０２を伝搬する信号光から見れば伝搬損失が増えることを意味するので好ましくない。

一方、モニタ部バッファ層２０３（材質をＳｉＯ_２とすると屈折率はｎ_ＳｉＯ２＝１．５＜ｎ_ｅ）を設けた場合には、伝搬モード光の強度分布は屈折率の低いモニタ部バッファ層２０３によって光導入部２０１側への片寄りが抑制され、光導入部２０１へ滲み出すエバネセント成分が低減する。この効果は、モニタ部バッファ層２０３の屈折率と膜厚と結合長とを制御することで調整可能である。したがって、光モニタに必要な光量に応じてこれらのパラメータを設計することによって、信号光の伝搬損失が最小限に抑えられる。

このように本実施形態によれば、光導入部２０１へ取り込まれたエバネセント成分が、Ｖ溝の斜面（光路変換部２０２）で全反射によってその光路を基板１０１に垂直な方向に折り曲げられ、光検出器２０４に受光される。これにより、信号光から取り出したエバネセント成分を途中で散逸させることなく、モニタ光として高効率に利用することが可能である。

また、本実施形態ではさらに、光導波路１０２からエバネセント成分として光導入部２０１へ滲み出す光の量がモニタ部バッファ層２０３によって調整される。これにより、モニタリングの感度の向上と信号光の伝搬損失の低減を両立した、優れた光デバイスを実現することができる。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、光路変換部２０２で全反射条件が満たされない場合に、Ｖ溝斜面に金属膜や誘電体多層膜の反射膜を形成し、光路変換部２０２での反射率を高めるようにすることも可能である。

また、モニタ部バッファ層２０３は、光導入部２０１を基板表面に接着するための接着剤で代用することもできるし、ＳｉＯ_２等のバッファ層と接着剤との複合構造とすることもできる。但し、この接着剤は上述した光学特性を有することが必要である。
接着剤をモニタ部バッファ層２０３（若しくはその一部）に用いる場合には、光導入部２０１へ滲み出すエバネセント成分の量を調整する当該接着剤の膜厚を制御するため、光導入部２０１との間にスペーサ層を設けることが望ましい。例えば、０．１〜１μｍの所定膜厚に金（Ａｕ）薄膜を形成してスペーサ層とし、スペーサ層の無い部分に接着剤が充填されるようにする。このＡｕ薄膜は光導波路素子１０側の表面に形成されていてもよいし、光導入部２０１の底面側に形成されていてもよい。また、Ａｕ薄膜の面積を調整することで、エバネセント成分と接着剤との結合長を制御してもよい。

また、光路変換部２０２は、基板に対して所定の傾斜角を持った斜面であればＶ溝以外の構造で形成されていてもよく、例えば、ピラミッド状（四角錐状）に形成されたピットの一斜面で構成することもできる。

次に、図２および図３を参照して、本発明の一実施例を説明する。
図３は、光ＳＳＢ変調器にモニタ部を複数実装した、本発明の実施例に係る光デバイスの平面構成を示したものである。

光ＳＳＢ変調器３０は、メインマッハツェンダー光導波路３０１の両アームにそれぞれサブマッハツェンダー光導波路３０２ａ、３０２ｂを設け、これら各サブマッハツェンダー光導波路３０２ａ、３０２ｂで互いの位相差がπ／２である変調信号による強度変調を行うとともに、各マッハツェンダー光導波路にバイアス電界を印加してそれぞれの変調動作点がサブマッハツェンダー光導波路３０２ａ、３０２ｂでは位相差π、メインマッハツェンダー光導波路３０１では位相差π／２または−π／２となるように駆動を行う光変調器である。このような駆動方法によって、変調により発生するサイドバンドの片方のみを出力するＳＳＢ（Single Side Band）変調が行われる。

上記のＳＳＢ変調を精度良く行うためには、バイアス制御による変調動作点の調整を正確に行う必要がある。そこで、本実施例では、図３に示すように各マッハツェンダー光導波路の出力部直後にそれぞれモニタ部２０を設けている。

本実施例に係る光デバイスの製造方法は次の通りである。
ＬＮ基板１０１の表面にレジストを塗布し露光現像により図３の光導波路パターンを形成する。そして表面全面にチタン（Ｔｉ）を蒸着法によって膜厚８００Å堆積させ、リフトオフによって光導波路パターンの部分を残してチタンを除去する。その後、基板全体を１０００℃で１０時間加熱し、光導波路パターンのチタンを基板内部に熱拡散させる。これにより、光ＳＳＢ変調器の光導波路１０２が形成される。

さらに、ＬＮ基板１０１の表面全面に、バッファ層１０３としてＳｉＯ_２を膜厚１μｍ形成する。そして、図３に示す３箇所のモニタ部２０設置部分のバッファ層１０３を膜厚０．１〜０．５μｍとなるまでエッチングして、モニタ部バッファ層２０３を形成する。
その後、電解メッキ法により金（Ａｕ）を膜厚３０μｍ堆積させ、所定の変調電極およびバイアス電極を形成する。なお、簡単化のため図３ではこれら電極を省略している。

一方、光導入部２０１は、基板厚０．２５ｍｍのＳｉ基板にＶ溝を形成した後、所定の寸法に切り出してチップ化することによって作製する。ここでは、一辺４００μｍの正方形の形状とし、一辺３００μｍのＰＤ（フォトダイオード）チップ（光検出器２０４）が載せられるようにした。
また、Ｖ溝の形成にはダイシング加工を利用し、Ｖ溝斜面の傾斜角は４５度とした。なお、ダイシング加工の他、異方性ケミカルエッチングなどの周知技術を適用することもできる。

こうして得られた光導入部２０１のチップを、上記光ＳＳＢ変調器３０のモニタ部バッファ層２０３の上にＶ溝部を下側にして載置する。さらに光導入部２０１の上に光検出器２０４をフェースダウンで載置する。これら各部の固定には、波長１．５μｍの光に対して透明な接着剤を用いる。

以上により、モニタ部２０を各マッハツェンダー光導波路の出力部に実装した光ＳＳＢ変調器３０が完成する。この光ＳＳＢ変調器３０は、メインおよびサブマッハツェンダー光導波路３０１、３０２ａ、３０２ｂの出力を個別にモニタすることで、フィードバックによるバイアス制御を行い、高精度なＳＳＢ変調を実現できる。

本発明の一実施形態による光デバイスの外観図である。図１の光デバイスの断面構成図である。光ＳＳＢ変調器にモニタ部を実装した光デバイスの一実施例である。従来のモニタ付光導波路型素子の断面構成図である。

符号の説明

１０…光導波路素子２０…モニタ部３０…光ＳＳＢ変調器１０１…ＬＮ基板１０２…光導波路１０３…バッファ層１０４…電極２００…エバネセント成分導入層２０１…光導入部２０２…光路変換部２０３…モニタ部バッファ層２０４…光検出器２０５…受光面

Claims

基板上に光導波路が形成された光導波路素子と、
前記光導波路を伝搬する光のエバネセント成分と光学的な結合が生じるように前記基板表面に配置された光学媒質で構成され、前記結合された光を取り込んで光検出手段へと導く光導入手段と、
取り込まれた光を反射させてその光路を光検出手段の受光面の方向に変換する光路変換手段と、
光路変換後の光を受光する前記光検出手段と、
を有することを特徴とする光デバイス。
前記光路変換手段は基板に対し所定の傾斜角を有する前記光導入手段と他の媒質との境界面であり、この境界面において光導入手段に取り込まれた光に対する全反射条件が満たされている
ことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
前記光導波路と前記光導入手段との間にこの光導波路よりも低屈折率のバッファ層を設け、
前記光導入手段はこのバッファ層よりも高屈折率である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光デバイス。