JP2011102891A - Optical functional waveguide - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光機能導波路に関するものであり、例えば、ニオブ酸リチウム基板に形成される基板内光導波部分或いは基板内光導波路と異種材料からなる光導波路とを組み合わせることによって、光導波路を小型化且つ高機能化するための構成に関するものである。 The present invention relates to an optical functional waveguide. For example, the optical waveguide can be reduced in size by combining an in-substrate optical waveguide portion formed on a lithium niobate substrate or an in-substrate optical waveguide and an optical waveguide made of a different material. In addition, the present invention relates to a configuration for achieving high functionality.
従来より、電気光学結晶であるLiNbO3(ニオブ酸リチウム)基板にTi或いはプロトンを拡散して光導波路を形成し、この光導波路に電圧を印加することによって光変調器や光スイッチを構成し、この光変調器や光スイッチを光通信システムに用いている。 Conventionally, an optical waveguide is formed by diffusing Ti or protons in a LiNbO 3 (lithium niobate) substrate which is an electro-optic crystal, and a voltage is applied to the optical waveguide to constitute an optical modulator or an optical switch. This optical modulator and optical switch are used in an optical communication system.
この場合、Ti拡散LiNbO3光導波路を伝搬する光のほぼ100%がTi拡散LiNbO3光導波路中を伝搬するため、光の群速度は素子構造によらず一定である。したがって、マイクロ波が伝搬する電極形状と位置を制御することによって、マイクロ波の伝搬速度と伝搬光の群速度を一致させている。 In this case, since almost 100% of the light propagating through the Ti-diffused LiNbO 3 optical waveguide propagates through the Ti-diffused LiNbO 3 optical waveguide, the group velocity of light is constant regardless of the element structure. Therefore, by controlling the shape and position of the electrode through which the microwave propagates, the propagation velocity of the microwave and the group velocity of the propagation light are matched.
このような平坦構造のTi拡散LiNbO3光導波路は、電気光学効果を誘起するための電界を光導波路に集中して印加することが困難である。そこで、LiNbO3基板にストライプ状のリッジを構成し、このリッジを光導波路にすることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In such a Ti-diffused LiNbO 3 optical waveguide having a flat structure, it is difficult to concentrate and apply an electric field for inducing an electro-optic effect to the optical waveguide. Thus, it has been proposed to form a stripe-shaped ridge on the LiNbO 3 substrate and use this ridge as an optical waveguide (see, for example, Patent Document 1).
また、Ti拡散LiNbO3光導波路は、導波路の最小曲げ半径が5mm程度と大きいために、多段の光回路を構成することが困難である。そこで、導波路の最小曲げ半径を小さくするために、Ti拡散LiNbO3光導波路の近傍に深い溝を掘って光閉じ込め効果を強くすることが検討されている。 Further, the Ti-diffused LiNbO 3 optical waveguide has a large minimum bending radius of about 5 mm, so that it is difficult to form a multistage optical circuit. Therefore, in order to reduce the minimum bending radius of the waveguide, it has been studied to deepen a trench near the Ti-diffused LiNbO 3 optical waveguide to enhance the optical confinement effect.
しかし、LiNbO3は垂直なエッチングが非常に難しい材料であり、上述のリッジや深い溝を作製することは現実には非常に困難である。 However, LiNbO 3 is a material that is very difficult to perform vertical etching, and it is actually very difficult to produce the above-mentioned ridges and deep grooves.
そこで、後者の最小曲げに関する問題については、硫化砒素(As2S3)をTi拡散LiNbO3光導波路を形成した基板上に積層して、曲げ半径を小さくすることが提案されている(例えば、非特許文献1参照)。 Therefore, regarding the latter problem concerning the minimum bending, it has been proposed to stack arsenic sulfide (As 2 S 3 ) on a substrate on which a Ti-diffused LiNbO 3 optical waveguide is formed to reduce the bending radius (for example, Non-patent document 1).
一方、石英系光導波路においては、小型の曲げ導波路を実現するために、リッジ状の石英系光導波路上に、SiN光導波路を設けることが提案されている(例えば、非特許文献2参照)。 On the other hand, in a silica-based optical waveguide, it has been proposed to provide a SiN optical waveguide on a ridge-shaped silica-based optical waveguide in order to realize a small bending waveguide (for example, see Non-Patent Document 2). .
上述のように、LiNbO3は垂直なエッチングが非常に難しい材料であり、リッジや深い溝を作製することが困難であるため、実デバイスとしては、依然として電界を光導波路に集中して印加することができないという問題がある。 As described above, LiNbO 3 is a material that is extremely difficult to etch vertically, and it is difficult to produce ridges and deep grooves, so as an actual device, the electric field is still concentrated on the optical waveguide. There is a problem that can not be.
また、Ti拡散LiNbO3光導波路を伝搬する伝搬光の群速度と、印加するマイクロ波の伝搬速度を一致させるための手段はマイクロ波が伝搬する電極形状と位置であり、素子設計自由度が小さいという問題がある。 The means for matching the group velocity of propagating light propagating through the Ti-diffused LiNbO 3 optical waveguide with the propagation velocity of the applied microwave is the electrode shape and position through which the microwave propagates, and the degree of freedom in device design is small There is a problem.
また、上記の非特許文献1の場合は、硫化砒素は猛毒な材料であり、着火すると有毒な酸化砒素ガスが生ずるなど、実用には適さない材料である。したがって、この材料系で実際の光通信システムを構成することはできないという問題がある。
In the case of Non-Patent
さらに、上記の非特許文献2の場合には、使用する材料であるSiO2やSiNは電気光学効果を実効的に有していないので、電圧印加による光変調素子や電圧印加による光スイッチを構成することができない。即ち、このような構成を現状の光通信システムに光変調素子或いは光スイッチとして組み込むことはできないという問題がある。
Further, in the case of the above-mentioned Non-Patent
したがって、本発明は、高度な加工技術を要することなく、無害なニオブ酸リチウム基板を用いた光機能導波路を小型化且つ高機能化することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to reduce the size and increase the functionality of an optical functional waveguide that uses a harmless lithium niobate substrate without requiring advanced processing techniques.
(1)上記の課題を解決するために、本発明は、光機能導波路であって、ニオブ酸リチウム基板と、前記ニオブ酸リチウム基板の表面上に前記ニオブ酸リチウム基板とは異なった材料で形成されたストライプ状の異種材料光導波路と、前記ニオブ酸リチウム基板の前記異種材料光導波路に対向する表面側に前記異種材料光導波路中を伝搬する光が漏れ出して形成された基板内光導波部分、或いは、前記異種材料光導波路に対向する表面側に形成したTi若しくはプロトンを導入した基板内光導波路のいずれか一方と、前記異種材料光導波路と、前記基板内光導波部分或いは前記基板内光導波路のいずれか一方とに変調電圧を印加する第1の電極と第2の電極とを有する。 (1) In order to solve the above-described problems, the present invention provides an optical functional waveguide, which is made of a material different from the lithium niobate substrate on the surface of the lithium niobate substrate and the lithium niobate substrate. The formed striped dissimilar material optical waveguide and the in-substrate optical waveguide formed by leakage of light propagating through the dissimilar material optical waveguide on the surface side of the lithium niobate substrate facing the dissimilar material optical waveguide Any one of a portion or an optical waveguide in the substrate into which Ti or protons are formed, which is formed on the surface facing the different material optical waveguide, the optical waveguide portion in the substrate, or the optical waveguide portion in the substrate or in the substrate A first electrode and a second electrode for applying a modulation voltage to either one of the optical waveguides are provided.
このように、電気光学効果に優れたニオブ酸リチウム基板に形成された基板内光導波部分、或いは、異種材料光導波路に対向する表面側に形成したTi若しくはプロトンを導入した基板内光導波路のいずれか一方と、加工性に優れた異種材料光導波路とを組合せることによって、小型で且つ高速な光機能導波路を実現することができる。 As described above, either the in-substrate optical waveguide portion formed on the lithium niobate substrate having an excellent electro-optic effect or the in-substrate optical waveguide introduced with Ti or proton formed on the surface side facing the optical waveguide of the different material. On the other hand, a small-sized and high-speed optical functional waveguide can be realized by combining a dissimilar material optical waveguide excellent in processability.
(2)また、本発明は、上記(1)において、第1の電極と第2の電極の一方を前記異種材料光導波路の頂面に設け、前記第1の電極と第2の電極の他方を前記ニオブ酸リチウム基板の裏面に設ける。 (2) Further, in the above (1), the present invention provides one of the first electrode and the second electrode on the top surface of the dissimilar material optical waveguide, and the other of the first electrode and the second electrode. Is provided on the back surface of the lithium niobate substrate.
このように、第1の電極と第2の電極を配置することによって、基板内光導波部分或いは基板内光導波路に確実に変調電圧を印加することが可能になる。なお、この場合には、縦方向、即ち、Z方向に電圧を印加するのでニオブ酸リチウム基板としては、Zカットニオブ酸リチウム基板を用いることが望ましい。 Thus, by arranging the first electrode and the second electrode, it is possible to reliably apply the modulation voltage to the intra-substrate optical waveguide portion or the intra-substrate optical waveguide. In this case, since a voltage is applied in the vertical direction, that is, in the Z direction, it is desirable to use a Z-cut lithium niobate substrate as the lithium niobate substrate.
(3)また、本発明は、上記(1)において、第1の電極と第2の電極とを前記ニオブ酸リチウム基板の表面に前記異種材料光導波路を挟んで対向するように設ける。 (3) Further, in the above (1), the present invention provides the first electrode and the second electrode so as to face each other on the surface of the lithium niobate substrate with the dissimilar material optical waveguide interposed therebetween.
このように、第1の電極と第2の電極を配置することによって、ニオブ酸リチウム基板の厚さに依存することなくインピーダンスマッチングを取ることができる。なお、この場合には、横方向に電圧を印加するのでニオブ酸リチウム基板としては、横方向がZ軸となるXカットニオブ酸リチウム基板を用いることが望ましい。 As described above, by arranging the first electrode and the second electrode, impedance matching can be achieved without depending on the thickness of the lithium niobate substrate. In this case, since a voltage is applied in the lateral direction, it is desirable to use an X-cut lithium niobate substrate in which the lateral direction is the Z axis.
(4)また、本発明は、上記(1)において、第1の電極と第2の電極の一方を前記ニオブ酸リチウム基板の頂面に設け、第1の電極と第2の電極の他方を前記異種材料光導波路を挟んで対向するように設ける。
Xカットニオブ酸リチウム基板を用いる場合には、このような電極配置を採用しても良い。
(4) Further, in the above (1), the present invention provides one of the first electrode and the second electrode on the top surface of the lithium niobate substrate, and the other of the first electrode and the second electrode. The dissimilar material optical waveguides are provided so as to face each other.
When an X-cut lithium niobate substrate is used, such an electrode arrangement may be adopted.
(5)また、本発明は、上記(3)または(4)において、ニオブ酸リチウム基板に前記異種材料光導波路の両側面に沿った一対の溝が形成されているとともに、前記異種材料光導波路を挟んで対向するように設ける電極を前記溝内に設ける。 (5) Further, in the above (3) or (4), the present invention provides a lithium niobate substrate having a pair of grooves along both side surfaces of the dissimilar material optical waveguide, and the dissimilar material optical waveguide. An electrode is provided in the groove so as to be opposed to each other.
このように、ニオブ酸リチウム基板に溝を設け、異種材料光導波路を挟んで対向するように設ける電極を溝内に設けることによって、変調電圧を電気光学効果のより大きな基板内光導波部分或いは基板内光導波路に確実に印加することが可能になる。 Thus, by providing a groove in the lithium niobate substrate and providing an electrode in the groove so as to face each other with the optical waveguide of the different material interposed therebetween, an optical waveguide portion or substrate in the substrate having a greater electro-optic effect can be obtained. Application to the inner optical waveguide can be ensured.
(6)また、本発明は、光機能導波路であって、ニオブ酸リチウム基板と、前記ニオブ酸リチウム基板内にTiまたはプロトンのいずれかを導入して形成された複数のニオブ酸リチウム光導波路と、前記ニオブ酸リチウム基板の表面に前記複数のニオブ酸リチウム光導波路を光結合するように設けられた前記ニオブ酸リチウム基板とは異なった材料で形成された結合用の異種材料光導波路とを有する。 (6) The present invention also relates to an optical functional waveguide, which is a lithium niobate substrate and a plurality of lithium niobate optical waveguides formed by introducing either Ti or proton into the lithium niobate substrate. And a dissimilar material optical waveguide for coupling formed of a material different from the lithium niobate substrate provided to optically couple the plurality of lithium niobate optical waveguides on the surface of the lithium niobate substrate. Have.
このように、複数のニオブ酸リチウム光導波路を整形加工性に優れた異種材料光導波路で結合することによって、微小面積での光結合が容易になり、それによって、光機能導波路の小型化が可能になる。 In this way, by combining a plurality of lithium niobate optical waveguides with dissimilar material optical waveguides having excellent shaping workability, optical coupling in a small area becomes easy, thereby reducing the size of the optical functional waveguide. It becomes possible.
(7)また、本発明は、上記(6)において、異種材料光導波路の前記ニオブ酸リチウム光導波路と結合する側の端部を、テーパ状にする。
このように、異種材料光導波路の前記ニオブ酸リチウム光導波路と結合する側の端部をテーパ状にすることによって、テーパ端におけるビーム径を拡大することができ、それによって、光結合効率を高めることができる。
(7) Moreover, this invention makes the edge part of the side couple | bonded with the said lithium niobate optical waveguide of a different material optical waveguide in said (6) taper shape.
In this way, by making the end of the optical waveguide of the dissimilar material to be coupled with the lithium niobate optical waveguide tapered, the beam diameter at the tapered end can be enlarged, thereby increasing the optical coupling efficiency. be able to.
(8)また、本発明は、上記(7)において、異種材料光導波路の少なくとも一方の端部が、分岐導波路を構成する。
このように、異種材料光導波路の少なくとも一方の端部を分岐導波路とすることによって、分波器或いは合波器の小型化を容易に実現することができる。
(8) Further, according to the present invention, in the above (7), at least one end portion of the dissimilar material optical waveguide constitutes a branched waveguide.
Thus, by using at least one end of the different-material optical waveguide as a branching waveguide, it is possible to easily realize downsizing of the duplexer or the multiplexer.
(9)また、本発明は、上記(1)乃至(8)のいずれかにおいて、異種材料光導波路が、Si、SiON、SiN、TiO3、或いはTa2O3のいずれかからなる。
なお、異種材料光導波路として、ニオブ酸リチウムより屈折率の高い材料を用いることによって、より断面サイズの小さな光機能導波路を構成することが可能になる。
(9) Further, according to the present invention, in any one of the above (1) to (8), the dissimilar material optical waveguide is made of Si, SiON, SiN, TiO 3 , or Ta 2 O 3 .
By using a material having a refractive index higher than that of lithium niobate as the dissimilar material optical waveguide, an optical functional waveguide having a smaller cross-sectional size can be formed.
(10)また、本発明は、上記(9)において、異種材料光導波路が、互いに組成の異なる複数の光導波路要素からなる。
このように、異種材料光導波路を互いに組成の異なる複数の光導波路要素で構成することにより、屈折率の変化を段階的にすることができる。その結果、反射損失を低減することができるので、効率的な光伝送が可能になる。
(10) Further, according to the present invention, in the above (9), the different-material optical waveguide is composed of a plurality of optical waveguide elements having different compositions.
In this way, the refractive index can be changed stepwise by configuring the optical waveguide of different materials with a plurality of optical waveguide elements having different compositions. As a result, reflection loss can be reduced, and efficient optical transmission becomes possible.
(11)また、本発明は、上記(10)において、光導波路要素の少なくとも一部に、希土類元素が添加されている。
このように、光導波路要素の少なくとも一部に、Er或いはPr等の希土類元素を添加することによって利得導波路を構成することができ、それによって、マッハツェンダー型干渉素子等の更なる多機能化が可能になる。
(11) Further, according to the present invention, in the above (10), a rare earth element is added to at least a part of the optical waveguide element.
In this way, a gain waveguide can be configured by adding a rare earth element such as Er or Pr to at least a part of the optical waveguide element, thereby further increasing the functionality of the Mach-Zehnder type interference element or the like. Is possible.
開示の光機能導波路によれば、高度な加工技術を要することなく、無害なニオブ酸リチウム基板を用いて小型で且つ高機能な光機能導波路を実現することができる。 According to the disclosed optical functional waveguide, a small and highly functional optical functional waveguide can be realized by using a harmless lithium niobate substrate without requiring an advanced processing technique.
ここで、図1乃至図3を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の実施の形態の光機能導波路の構成説明図であり、図1(a)は概念的斜視図であり、図1(b)は、概念的正面図である。図に示すように、LiNbO3基板1上に誘電体膜2を介して、Si、SiON、SiN、TiO2、或いはTa2O3からなる異種材料光導波路3を形成し、この異種材料光導波路3を誘電体膜4で被覆する。なお、誘電体膜2及び誘電体膜4は電極材料のマイグレーションを防止するために設けるものであり、SiO2等の異種材料光導波路3を構成する材料と異なった材料を用いる。なお、誘電体膜2,4は必須ではない。
Here, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is an explanatory diagram of a configuration of an optical functional waveguide according to an embodiment of the present invention, FIG. 1 (a) is a conceptual perspective view, and FIG. 1 (b) is a conceptual front view. As shown, via the
この異種材料光導波路3の頂面に誘電体膜4を介して第1の電極5を形成し、一方、LiNbO3基板1の裏面に第2の電極6を設け、第1の電極5と第2の電極6との間にマイクロ波を印加する。この場合の第1の電極5と第2の電極6は、異種材料光導波路3内を伝搬するレーザ光の群速度と印加するマイクロ波の伝搬速度を一致させるように、厚さ或いは幅等の形状を設定する。
A
したがって、電圧は縦方向、即ち、Z方向に印加されるので、LiNbO3の有する電気光学効果を最大限に利用するためには、LiNbO3基板1としてZカットLiNbO3結晶を用いることが望ましい。但し、効果は劣るもののXカットLiNbO3結晶を用いることを妨げるものではない。 Accordingly, the voltage is longitudinal, i.e., because they are applied to the Z-direction, in order to take full advantage of the electro-optical effect having the LiNbO 3, it is desirable to use a Z-cut LiNbO 3 crystal as a LiNbO 3 substrate 1. However, although the effect is inferior, it does not prevent the use of the X-cut LiNbO 3 crystal.
異種材料光導波路3にレーザ光が入射すると、レーザ光の一部はLiNbO3 基板1側に漏れだしてLiNbO3基板1の異種材料光導波路3と対向する表面側が基板内光導波部分7となってレーザ光を伝搬する。この時、異種材料光導波路3内を伝搬するレーザ光の群速度は異種材料光導波路3の形状によって制御することができる。したがって、異種材料光導波路3内を伝搬するレーザ光の群速度と印加するマイクロ波の伝搬速度を一致させる場合の設計自由度が大きくなる。なお、ここでは、異種材料光導波路3中を伝搬する光が漏れ出して形成された基板内光導波部分を利用しているが、異種材料光導波路3に対向する表面側にTi若しくはプロトンを導入して基板内光導波路を形成しても良い。
When laser light is incident on the dissimilar material
なお、第1の電極5及び第2の電極6の配置は、図示した配置に限られるものではなく、第1の電極5と第2の電極6と異種材料光導波路3を挟んで対向する位置に設けても良い。或いは、第1の電極5を異種材料光導波路3の頂面に設け、2本の第2の電極6を異種材料光導波路3を挟んで対向する位置に設けてコプレーナ型伝送線路にしても良い。
The arrangement of the
また、第1の電極5と第2の電極6と異種材料光導波路3を挟んで対向する位置に設ける場合、或いは、2本の第2の電極6を異種材料光導波路3を挟んで対向する位置に設ける場合には、LiNbO3基板1の異種材料光導波路3の両側に沿って溝を設け、この溝に電極を配置しても良い。それによって、電極は基板内光導波部分7の側面に位置することになるので、電気光学効果を有する基板内光導波部分7に電界を集中して印加することが可能になる。
Further, when the
図2は、図1に示した光機能導波路とTi拡散LiNbO3導波路との結合部の概念的斜視図であり、LiNbO3基板1にTiを拡散して形成したTi拡散LiNbO3導波路8と結合する異種材料光導波路3の端部にテーパ部9を設ける。テーパ部9の長さは30μm〜500μmとする。
Figure 2 is a conceptual perspective view of a coupling portion of the optical functional waveguide and Ti diffusion LiNbO 3 waveguide shown in FIG. 1, Ti-diffused LiNbO 3 waveguide formed by diffusing Ti into the LiNbO 3 substrate 1 A tapered
このテーパ部9は、図に示すようにストライプ状導波路の幅が変化するテーパ部でも或いは厚さが変化するテーパ部でも良い。さらには、ライン&スペースパターンのライン/スペース比が徐々に小さくなる微小分割型モード変換導波路でも良い。
The
また、異種材料光導波路3を湾曲させて2本のTi拡散LiNbO3導波路8を光結合させても良い。この場合は、加工性に優れた異種材料光導波路3を用いてリッジ状の形状にしているのでより小さい曲率半径の湾曲部により2本のTi拡散LiNbO3導波路8を光結合することが可能になり、光機能導波路を小型化することができる。
Alternatively, the dissimilar material
さらには、異種材料光導波路3を複数の組成の異なった異種材料光導波路要素で構成しても良く、例えば、異種材料光導波路3をSiONで形成する場合には、Siの組成比を大きくすることによって屈折率を大きくすることができる。これにより、屈折率の変化を段階的にすることができるので、反射損失を低減することができる。
Furthermore, the different material
また、異種材料光導波路3をSiONやSiO2で構成する場合に、SiONやSiO2に希土類元素、例えば、Er(エルビウム)やPr(プラセオジウム)等をドープすることによって利得導波路を構成しても良い。
Also,
次に、図3を参照して、本発明の実施例1の光機能導波路を説明する。図3は、本発明の実施例1の光機能導波路の構成説明図であり、図3(a)は概念的斜視図であり、図3(b)は光軸に垂直な方向の概念的断面図である。ZカットLiNbO3基板11上に、例えば、CVD法により厚さが、例えば、100nmのSiO2バッファ層12を形成したのち、厚さが、400nm以下、例えば、300nmの多結晶Si層を形成する。 Next, with reference to FIG. 3, the optical functional waveguide of Example 1 of this invention is demonstrated. FIGS. 3A and 3B are configuration explanatory views of the optical functional waveguide according to the first embodiment of the present invention, FIG. 3A is a conceptual perspective view, and FIG. 3B is a conceptual view in a direction perpendicular to the optical axis. It is sectional drawing. On the Z-cut LiNbO 3 substrate 11, for example, a SiO 2 buffer layer 12 having a thickness of, for example, 100 nm is formed by a CVD method, and then a polycrystalline Si layer having a thickness of 400 nm or less, for example, 300 nm is formed. .
次いで、多結晶Si層を例えば、幅が400nm以下、300nmになるようにエッチングして断面が300nm×300nmのストライプ状のSi導波路13を形成する。次いで、再び、CVD法により厚さが、例えば、100nmのSiO2バッファ層14を形成する。次いで、Si導波路13の頂部にAu上部電極15を形成するとともに、ZカットLiNbO3基板11の裏面にAu下部電極16を形成する。
Next, the polycrystalline Si layer is etched to have a width of 400 nm or less and 300 nm, for example, to form a striped Si waveguide 13 having a cross section of 300 nm × 300 nm. Next, the SiO 2 buffer layer 14 having a thickness of, for example, 100 nm is formed again by the CVD method. Next, an Au
ここで、Au下部電極16を接地し、Au上部電極15に例えば、10GHzの高周波信号を印加することによって、高速の光位相変調器として動作する。また、Si導波路13の断面サイズは400nm角以下の300nm角であるので、レーザ光はSi導波路13中をシングルモードで伝搬することになる。
Here, the Au
なお、ZカットLiNbO3基板11の厚さを含めた入力インピーダンスは、例えば、設定した50Ωにマッチングするように、Au上部電極15とAu下部電極16の厚さを設計する。なお、光位相変調器の光軸に沿った長さは、例えば、8mmとする。
Note that the thicknesses of the Au
この実施例1においては、Si導波路13に入力したレーザ光の一部は、ZカットLiNbO3基板11側に漏れだして、ZカットLiNbO3基板11の表面の一部を基板内光導波部分17として伝搬する。したがって、Au上部電極15に印加される高周波信号は電気光学効果を有する基板内光導波部分17の部分に集中して印加されることになる。
In the first embodiment, part of the laser light input to the Si waveguide 13 leaks to the Z-cut LiNbO 3 substrate 11 side, and a part of the surface of the Z-cut LiNbO 3 substrate 11 is part of the in-substrate optical waveguide. Propagate as 17. Therefore, the high frequency signal applied to the Au
また、実施例1の光機能導波路においては、Si導波路13の形状を変化させることによって伝搬光の群速度を変えることができるので、設計自由度が増し、伝搬光とマイクロ波の速度整合が容易になる。 Further, in the optical functional waveguide of the first embodiment, the group speed of the propagating light can be changed by changing the shape of the Si waveguide 13, so that the degree of freedom in design increases and the speed matching between the propagating light and the microwave is achieved. Becomes easier.
また、この光機能導波路を各種の光機能回路と多段に接続する場合には、Si導波路を延長して曲げ導波路を形成しても良い。その場合には、Si導波路は比屈折率差を大きくすることができるので、10μm以下の曲率半径の曲げ導波路を形成することができる。 When this optical functional waveguide is connected to various optical functional circuits in multiple stages, the Si waveguide may be extended to form a bent waveguide. In that case, since the relative refractive index difference can be increased in the Si waveguide, a bending waveguide having a radius of curvature of 10 μm or less can be formed.
次に、図4を参照して、本発明の実施例2の光機能導波路を説明する。図4は、本発明の実施例2の光機能導波路の構成説明図であり、図4(a)は概念的斜視図であり、図4(b)は光軸に垂直な方向の概念的断面図である。XカットLiNbO3基板21上に、例えば、CVD法により厚さが、例えば、100nmのSiO2バッファ層22を形成したのち、厚さが、400nm以下、例えば、300nmの多結晶Si層を形成する。 Next, with reference to FIG. 4, the optical functional waveguide of Example 2 of this invention is demonstrated. 4A and 4B are configuration explanatory views of an optical functional waveguide according to a second embodiment of the present invention. FIG. 4A is a conceptual perspective view, and FIG. 4B is a conceptual view in a direction perpendicular to the optical axis. It is sectional drawing. On the X-cut LiNbO 3 substrate 21, a SiO 2 buffer layer 22 having a thickness of, for example, 100 nm is formed by, for example, a CVD method, and then a polycrystalline Si layer having a thickness of 400 nm or less, for example, 300 nm is formed. .
次いで、多結晶Si層を例えば、幅が400nm以下、300nmになるようにエッチングして断面が300nm×300nmのストライプ状のSi導波路23を形成する。次いで、再び、CVD法により厚さが、例えば、100nmのSiO2バッファ層24を形成する。次いで、Si導波路13の両側にAu電極25,26を形成する。
Next, the polycrystalline Si layer is etched to have a width of 400 nm or less and 300 nm, for example, to form a striped Si waveguide 23 having a cross section of 300 nm × 300 nm. Next, the SiO 2 buffer layer 24 having a thickness of, for example, 100 nm is formed again by the CVD method. Next,
ここで、Au電極25とAu電極26の両方に例えば、10GHzの高周波信号を印加することによって、高速の光位相変調器として動作する。この場合も、Si導波路23に入力したレーザ光の一部は、XカットLiNbO3基板21側に漏れ出して、XカットLiNbO3基板21の表面の一部を基板内光導波部分27として伝搬する。
Here, a high frequency signal of 10 GHz, for example, is applied to both the
この実施例2においては、Au電極25とAu電極26を平行に配置しているので、上述の実施例1に比べてインピーダンス整合を図るためのXカットLiNbO3基板21の厚さに対する制限が緩くなり、素子設計と作製が容易になる。
In the second embodiment, since the
次に、図5を参照して、本発明の実施例3の光機能導波路を説明する。図5は、本発明の実施例3の光機能導波路の構成説明図であり、図5(a)は概念的斜視図であり、図5(b)は光軸に垂直な方向の概念的断面図である。基本的構成は上記の実施例2と同様であり、電極配置を変えたものである。XカットLiNbO3基板21上に、例えば、CVD法により厚さが、例えば、100nmのSiO2バッファ層22を形成したのち、厚さが、400nm以下、例えば、300nmの多結晶Si層を形成する。 Next, with reference to FIG. 5, the optical functional waveguide of Example 3 of this invention is demonstrated. FIGS. 5A and 5B are configuration explanatory views of the optical functional waveguide according to the third embodiment of the present invention, FIG. 5A is a conceptual perspective view, and FIG. 5B is a conceptual view in a direction perpendicular to the optical axis. It is sectional drawing. The basic configuration is the same as that of the second embodiment, and the electrode arrangement is changed. On the X-cut LiNbO 3 substrate 21, a SiO 2 buffer layer 22 having a thickness of, for example, 100 nm is formed by, for example, a CVD method, and then a polycrystalline Si layer having a thickness of 400 nm or less, for example, 300 nm is formed. .
次いで、多結晶Si層を例えば、幅が400nm以下、300nmになるようにエッチングして断面が300nm×300nmのストライプ状のSi導波路23を形成する。次いで、再び、CVD法により厚さが、例えば、100nmのSiO2バッファ層24を形成する。 Next, the polycrystalline Si layer is etched to have a width of 400 nm or less and 300 nm, for example, to form a striped Si waveguide 23 having a cross section of 300 nm × 300 nm. Next, the SiO 2 buffer layer 24 having a thickness of, for example, 100 nm is formed again by the CVD method.
次いで、Si導波路23の頂部にAu上部電極28を形成するとともに、Si導波路23の両側にAu電極25,26を形成する。ここで、Au電極25,26の両方を接地して、Au上部電極28に例えば、10GHzの高周波信号を印加することによって、高速の光位相変調器として動作する。
Next, an Au
この実施例3においては、2つの接地電極となるAu電極25,26の間に信号電極となるAu上部電極28を配置したコプレーナ型伝送線路となり、対称な構成であるので、上述の実施例3に比べて変調光のチャーピングが少なくなる。
In the third embodiment, a coplanar transmission line is formed in which an Au
次に、図6を参照して、本発明の実施例4の光機能導波路を説明する。図6は、本発明の実施例4の光機能導波路の光軸に垂直な方向の概念的断面図である。基本的構成は上記の実施例2と同様であり、電極を配置する溝を形成したものである。XカットLiNbO3基板21に例えば、イオンミリング法を用いて例えば、幅が5μmで深さが0.5μmの溝29,30を例えば、400nmの間隔だけ離して形成する。
Next, with reference to FIG. 6, the optical functional waveguide of Example 4 of this invention is demonstrated. FIG. 6 is a conceptual cross-sectional view in a direction perpendicular to the optical axis of the optical functional waveguide according to the fourth embodiment of the present invention. The basic configuration is the same as that of the second embodiment, and a groove for arranging an electrode is formed. For example, the
次いで、例えば、CVD法により厚さが、例えば、100nmのSiO2バッファ層22を形成したのち、厚さが、400nm以下、例えば、300nmの多結晶Si層を形成する。 Next, for example, after a SiO 2 buffer layer 22 having a thickness of, for example, 100 nm is formed by a CVD method, a polycrystalline Si layer having a thickness of 400 nm or less, for example, 300 nm is formed.
次いで、溝29と溝30の間の多結晶Si層を例えば、幅が400nm以下、300nmになるようにエッチングして断面が300nm×300nmのストライプ状のSi導波路23を形成する。次いで、再び、CVD法により厚さが、例えば、100nmのSiO2バッファ層24を形成する。
Next, the polycrystalline Si layer between the
次いで、Si導波路23の両側の溝29,30の側面にAu電極25,26を形成する。ここで、Au電極25,26の両方を接地して、Au上部電極28に例えば、10GHzの高周波信号を印加することによって、高速の光位相変調器として動作する。
Next,
この実施例4においては、Si導波路23の両側に溝29,30を設け、この溝29,30の側面にAu電極25,26を形成しているので、上述の実施例2に比べて電界が基板内光導波部分27に効率的に印加されることになり、変調効率が高くなる。
In the fourth embodiment,
次に、図7を参照して、本発明の実施例5の光機能導波路を説明する。図7は、本発明の実施例5の光機能導波路の光軸に垂直な方向の概念的断面図である。基本的構成は上記の実施例3と同様であり、電極を配置する溝を形成したものである。XカットLiNbO3基板21に例えば、イオンミリング法を用いて例えば、幅が5μmで深さが0.5μmの溝29,30を例えば、400nmの間隔だけ離して形成する。
Next, with reference to FIG. 7, the optical functional waveguide of Example 5 of this invention is demonstrated. FIG. 7 is a conceptual cross-sectional view in a direction perpendicular to the optical axis of the optical functional waveguide according to the fifth embodiment of the present invention. The basic configuration is the same as that of the third embodiment, and a groove for arranging the electrode is formed. For example, the
次いで、例えば、CVD法により厚さが、例えば、100nmのSiO2バッファ層22を形成したのち、厚さが、400nm以下、例えば、300nmの多結晶Si層を形成する。 Next, for example, after a SiO 2 buffer layer 22 having a thickness of, for example, 100 nm is formed by a CVD method, a polycrystalline Si layer having a thickness of 400 nm or less, for example, 300 nm is formed.
次いで、溝29と溝30の間の多結晶Si層を例えば、幅が400nm以下、300nmになるようにエッチングして断面が300nm×300nmのストライプ状のSi導波路23を形成する。次いで、再び、CVD法により厚さが、例えば、100nmのSiO2バッファ層24を形成する。
Next, the polycrystalline Si layer between the
次いで、Si導波路23の頂部にAu上部電極28を形成するとともに、溝29,30の側面にAu電極25,26を形成する。ここで、Au電極25,26の両方を接地して、Au上部電極28に例えば、10GHzの高周波信号を印加することによって、高速の光位相変調器として動作する。
Next, an Au
この実施例5においては、Si導波路23の両側に溝29,30を設け、この溝29,30の側面にAu電極25,26を形成しているので、上述の実施例3に比べて電界が基板内光導波部分27に効率的に印加されることになり、変調効率が高くなる。
In the fifth embodiment,
次に、図8を参照して、本発明の実施例6の光機能導波路を説明する。図8は、本発明の実施例6の光機能導波路の構成説明図であり、図8(a)は90°曲げ導波路の概念的斜視図であり、図8(b)は180°曲げ導波路の概念的斜視図である。 Next, an optical functional waveguide according to Example 6 of the present invention will be described with reference to FIG. 8A and 8B are configuration explanatory views of an optical functional waveguide according to a sixth embodiment of the present invention. FIG. 8A is a conceptual perspective view of a 90 ° bent waveguide, and FIG. 8B is a 180 ° bent. It is a notional perspective view of a waveguide.
いずれの場合も、XカットLiNbO3基板31に選択的にTiを拡散して、幅が2μm〜3μmのTi拡散LiNbO3導波路321〜324を形成し、これらのTi拡散LiNbO3導波路321〜324を相互に結合するように、SiO2バッファ層33を介してSiを用いた90°曲げ導波路40或いは180°曲げ導波路42を形成したものである。また、90°曲げ導波路40或いは180°曲げ導波路42の両端には長さが30μm〜500μmのテーパ導波路部411〜414が形成されている。
In either case, selectively diffusing Ti into X-cut LiNbO 3 substrate 31, the width to form the Ti-diffused LiNbO 3 waveguide 321 to 323 4 of 2 m to 3 m, these Ti diffusion LiNbO 3 waveguide 321 to 323 4 each other to couple the is obtained by forming a 90 °
この実施例6においては、高速動作が可能で信頼性の高いTi拡散LiNbO3導波路321〜324を光位相変調器とし、比屈折率差が大きく加工が容易なSiにより小型な90°曲げ導波路40或いは180°曲げ導波路42を形成している。したがって、光位相変調器を直列、並列或いは直並列に接続して折り畳んで複雑な光変調回路や光マトリックススイッチを集積化する場合により小型化が可能になる。
In this Example 6, the high-speed operation is possible and reliable Ti diffused LiNbO 3 waveguide 321 to 323 4 and the optical phase modulator, the ratio compact 90 ° difference in refractive index by large machining is easy Si A
また、90°曲げ導波路40或いは180°曲げ導波路41の両端には長さが30μm〜500μmのテーパ導波路部411〜414を形成しているので、Ti拡散LiNbO3導波路321〜324と90°曲げ導波路40或いは180°曲げ導波路42を伝搬する光のモードを断熱的に変換することができ、光結合効率を高くすることができる。
Further, since the tapered
次に、図9を参照して、本発明の実施例7の光機能導波路を説明する。図9は、本発明の実施例7の光機能導波路の構成説明図であり、図9(a)はY型分岐導波路の概念的斜視図であり、図9(b)はマルチモード干渉型分岐導波路の概念的斜視図である。 Next, with reference to FIG. 9, the optical functional waveguide of Example 7 of this invention is demonstrated. FIG. 9 is a configuration explanatory view of an optical functional waveguide according to a seventh embodiment of the present invention, FIG. 9A is a conceptual perspective view of a Y-type branching waveguide, and FIG. 9B is multimode interference. It is a conceptual perspective view of a type | mold branch waveguide.
この場合も、XカットLiNbO3基板31に選択的にTiを拡散して、幅が2μm〜3μmのTi拡散LiNbO3導波路325〜3210を形成し、これらのTi拡散LiNbO3導波路325〜3210を相互に分波或いは合波結合するように、SiO2バッファ層33を或いはY型分岐導波路43或いはマルチモード干渉型分岐導波路44を形成したものである。また、Y型分岐導波路43或いは分岐導波路44の両端には長さが30μm〜500μmのテーパ導波路部415〜4110が形成されている。
Also in this case, Ti is selectively diffused in the X-cut LiNbO 3 substrate 31 to form Ti-diffused LiNbO 3 waveguides 32 5 to 32 10 having a width of 2 μm to 3 μm, and these Ti-diffused LiNbO 3 waveguides 32 are formed. 5-32 10 mutually to demultiplex or multiplex couple is obtained by forming the a SiO 2 buffer layer 33 or the Y-branch waveguide 43 or the multi-mode interference type branching waveguide 44. Further, tapered
この実施例7においては、高速動作が可能で信頼性の高いTi拡散LiNbO3導波路325〜3210を光位相変調器とし、比屈折率差が大きく加工が容易なSiにより加工精度の高い小型なY型分岐導波路43或いは分岐導波路44を形成している。 In Example 7, high-speed operation and high reliability Ti diffused LiNbO 3 waveguides 32 5 to 32 10 are used as optical phase modulators, and the processing accuracy is high due to Si having a large relative refractive index difference and easy processing. A small Y-shaped branching waveguide 43 or a branching waveguide 44 is formed.
即ち、従来のTi拡散LiNbO3導波路で分岐導波路を形成した場合には、拡散工程が入るために正確に1:1の比率に分岐するように作製することは困難であった。しかし、この実施例7においては、分岐路自体は加工精度に優れるSi導波路で形成しているので、分岐比を正確に1:1にすることが容易になる。 That is, when the branching waveguide is formed by the conventional Ti-diffused LiNbO 3 waveguide, it is difficult to produce the branching at a ratio of 1: 1 accurately because of the diffusion process. However, in the seventh embodiment, since the branch path itself is formed by a Si waveguide having excellent processing accuracy, it is easy to set the branch ratio to 1: 1 accurately.
特に、Si導波路をレーザトリミング等でエッチングすればより精度の高い分岐が可能になり、例えば、非常に消光比の高いマッハツェンダー型光変調器を実現することが可能になる。 In particular, if the Si waveguide is etched by laser trimming or the like, branching with higher accuracy becomes possible. For example, a Mach-Zehnder optical modulator having a very high extinction ratio can be realized.
また、この場合も、Y型分岐導波路43或いは分岐導波路44の両端には長さが30μm〜500μmのテーパ導波路部415〜4110を形成しているので、Ti拡散LiNbO3導波路325〜3210とY型分岐導波路43或いは分岐導波路44を伝搬する光のモードを断熱的に変換することができ、光結合効率を高くすることができる。
Also in this case, since the tapered
図10は、実施例6及び実施例7におけるテーパ導波路部の一例の説明図であり、図10(a)は概念的斜視図であり、図10(b)は概念的平面図であり、図10(c)は概念的側断面図である。この場合のテーパ導波路部は、長さが、例えば、30μm〜500μmであり、幅がテーパ状に変化した横方向テーパ導波路部51としている。なお、ここでは、図8における90°曲げ導波路40、180°曲げ導波路42或いは図9におけるY型分岐導波路43、マッハツェンダー型分岐導波路44の一端側をSi導波路50として図示している。
FIG. 10 is an explanatory diagram of an example of a tapered waveguide portion in Example 6 and Example 7, FIG. 10 (a) is a conceptual perspective view, and FIG. 10 (b) is a conceptual plan view. FIG. 10C is a conceptual side sectional view. In this case, the taper waveguide portion is a lateral taper waveguide portion 51 having a length of, for example, 30 μm to 500 μm and a width changed to a taper shape. Here, one end side of the 90 ° bending
図11は、実施例6及び実施例7におけるテーパ導波路部の他の一例の説明図であり、図11(a)は概念的斜視図であり、図11(b)は概念的平面図であり、図11(c)は概念的側断面図である。この場合のテーパ導波路部は、長さが、例えば、30μm〜500μmであり、厚さがテーパ状に変化した縦方向テーパ導波路部52としている。なお、ここでも、図8における90°曲げ導波路40、180°曲げ導波路42或いは図9におけるY型分岐導波路43、マッハツェンダー型分岐導波路44の一端側をSi導波路50として図示している。
FIG. 11 is an explanatory diagram of another example of the tapered waveguide portion in the sixth and seventh embodiments. FIG. 11 (a) is a conceptual perspective view, and FIG. 11 (b) is a conceptual plan view. FIG. 11 (c) is a conceptual side sectional view. In this case, the length of the tapered waveguide portion is, for example, 30 μm to 500 μm, and the thickness thereof is a longitudinal
次に、図12を参照して、本発明の実施例8の光機能導波路を説明するが、上述の実施例6或いは実施例7の光機能導波路におけるテーパ導波路部を微小分割型モード変換導波路に置き換えたものである。図12は、本発明の実施例8の光機能導波路の構成説明図であり、図12(a)は概念的斜視図であり、図12(b)は概念的平面図であり、図12(c)は概念的側断面図である。 Next, with reference to FIG. 12, an optical functional waveguide according to an eighth embodiment of the present invention will be described. The tapered waveguide portion in the optical functional waveguide according to the sixth embodiment or the seventh embodiment described above is divided into a minute division type mode. This is replaced with a conversion waveguide. 12A and 12B are configuration explanatory views of an optical functional waveguide according to an eighth embodiment of the present invention. FIG. 12A is a conceptual perspective view, FIG. 12B is a conceptual plan view, and FIG. (C) is a conceptual sectional side view.
図12(a)乃至(c)に示すように、Si光導波路50とTi拡散LiNbO3導波路32との結合部に長さが例えば、30μm〜500μmの微小分割型モード変換導波路53を設ける。この場合の微小分割型モード変換導波路53は、例えば、500nmの周期でライン&スペースのライン/スペース比を400/100から100/400へと徐々に変化させる。なお、ここでも、図8における90°曲げ導波路40、180°曲げ導波路42或いは図9におけるY型分岐導波路43、マッハツェンダー型分岐導波路44の一端側をSi導波路50として図示している。
As shown in FIGS. 12A to 12C, a minute division type
この微小分割型モード変換導波路53は、テーパ導波路に比べて設計自由度が大きいので効率的なモード変換が可能である、その結果、Ti拡散LiNbO3導波路32と各Si導波路との光結合効率を高めることができる。
Since this microdivision
次に、図13を参照して、本発明の実施例9の光機能導波路を説明する。図13は、本発明の実施例9の光機能導波路の概念的平面図であり、ここでは、マッハツェンダー型光強度変調器として説明する。XカットLiNbO3基板61上に、SiO2バッファ層62を介して、ErドープSiON導波路63,64、SiON分岐導波路65,66、SiリッチSiON導波路67〜70、及び、Si導波路71,72を集積化する。なお、図示は省略するものの、Si導波路71,72は上記の図4に示した構造の光位相変調器を構成している。なお、SiON分岐導波路65,66は上述のように、レーザトリミングにより精度の高い分岐比が得られるようにする。
Next, with reference to FIG. 13, the optical functional waveguide of Example 9 of this invention is demonstrated. FIG. 13 is a conceptual plan view of an optical functional waveguide according to a ninth embodiment of the present invention. Here, the optical functional waveguide will be described as a Mach-Zehnder optical intensity modulator. On the X-cut LiNbO 3 substrate 61, the Er-doped
ErドープSiON導波路63,64は、1.48μmの励起光を入射すると利得導波路となり、伝搬損失を補償することが可能になる。また、SiON分岐導波路65,66とSi導波路71,72との間にSiONより比屈折率の大きなSiリッチSiON導波路67〜70を設けているので、屈折率が段階的に変化している。その結果、SiON分岐導波路65,66とSi導波路71,72とを直接接続する場合に比べて接続損失を低減することができる。ここで、Si導波路71,72に実施例4と同様にマイクロ波信号を印加することによって、マッハツェンダー型光強度変調器として機能する。
The Er-doped
なお、SiONはSiより比屈折率が低いので、シングルモードのレーザ光を伝搬させる場合のSiON分岐導波路65,66やSiリッチSiON導波路67〜70の断面サイズはSi導波路71,72の断面サイズより大きくなる。したがって、SiリッチSiON導波路67〜70とSi導波路71,72との接続箇所において、SiリッチSiON導波路67〜70の断面サイズをSi導波路71,72の断面サイズに合うようにテーパ状にしても良い。
Since the relative refractive index of SiON is lower than that of Si, the cross-sectional sizes of the
1 LiNbO3基板
2 誘電体膜
3 異種材料光導波路
5 第1の電極
6 第2の電極
7 基板内光導波部分
8 Ti拡散LiNbO3導波路
9 テーパ部
11 ZカットLiNbO3基板
12,22,33,62 SiO2バッファ層
13,23 Si導波路
14,24 SiO2バッファ層
15,28 Au上部電極
16 Au下部電極
17,27 基板内光導波部分
21,31,61 XカットLiNbO3基板
25,26 Au電極
29,30 溝
32,321〜3210 Ti拡散LiNbO3導波路
40 90°曲げ導波路
411〜4110 テーパ導波路部
42 180°曲げ導波路
43 Y型分岐導波路
44 マルチモード干渉型分岐導波路
50 Si導波路
51 横方向テーパ導波路部
52 縦方向テーパ導波路部
53 微小分割型モード変換導波路
63,64 ErドープSiON導波路
65,66 SiON分岐導波路
67〜70 SiリッチSiON導波路
71,72 Si導波路
1 LiNbO 3 substrate 2
Claims (11)
前記ニオブ酸リチウム基板の表面上に前記ニオブ酸リチウム基板とは異なった材料で形成されたストライプ状の異種材料光導波路と、
前記ニオブ酸リチウム基板の前記ストライプ状の異種材料光導波路に対向する表面側に前記異種材料光導波路中を伝搬する光が漏れ出して形成される基板内光導波部分、或いは、前記異種材料光導波路に対向する表面側に形成したTi若しくはプロトンを導入した基板内光導波路のいずれか一方と、
前記異種材料光導波路と、前記基板内光導波部分或いは前記基板内光導波路のいずれか一方とに変調電圧を印加する第1の電極と第2の電極と
を有する光機能導波路。 A lithium niobate substrate;
Striped dissimilar material optical waveguide formed on the surface of the lithium niobate substrate with a material different from the lithium niobate substrate;
An in-substrate optical waveguide portion formed by leakage of light propagating through the different material optical waveguide on the surface side of the lithium niobate substrate facing the striped different material optical waveguide, or the different material optical waveguide Any one of the in-substrate optical waveguides introduced with Ti or protons formed on the surface side facing
An optical functional waveguide comprising: the dissimilar material optical waveguide; and a first electrode and a second electrode for applying a modulation voltage to either the intra-substrate optical waveguide portion or the intra-substrate optical waveguide.
前記ニオブ酸リチウム基板内にTiまたはプロトンのいずれかを導入して形成された複数のニオブ酸リチウム光導波路と、
前記ニオブ酸リチウム基板の表面に前記複数のニオブ酸リチウム光導波路を光結合するように設けられた前記ニオブ酸リチウム基板とは異なった材料で形成された結合用の異種材料光導波路と
を有する光機能導波路。 A lithium niobate substrate;
A plurality of lithium niobate optical waveguides formed by introducing either Ti or protons into the lithium niobate substrate;
Light having a different material optical waveguide for coupling formed of a material different from the lithium niobate substrate provided to optically couple the plurality of lithium niobate optical waveguides on the surface of the lithium niobate substrate Functional waveguide.
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