JP2020166159A - 光導波路素子、及び光導波路デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】光導波路素子において、光導波路を漏れ出た不要光が光導波路に再結合することに起因する性能低下を防止すること。【解決手段】光導波路が形成された光学基板と、光学基板に接合された支持基板と、を備える光導波路素子であって、支持基板のうち、光学基板との接合面には、光学基板上の光導波路に沿って当該光導波路の直下に凹部が形成され、支持基板は、その上面から少なくとも上記凹部の底面の深さまでの部分が、光学基板の基板屈折率よりも大きな屈折率を有し、上記凹部には基板屈折率より小さな屈折率を持つ物質が充填されている。【選択図】図３

Description

本発明は、例えば光変調素子などの、光導波路を用いた機能素子である光導波路素子、及びそのような光導波路素子を用いた光導波路デバイスに関する。
高速／大容量光ファイバ通信システムにおいては、導波路型の光変調器を組み込んだ光送信装置が多く用いられている。中でも、電気光学効果を有するＬｉＮｂＯ３（以下、ＬＮともいう）を基板に用いた光変調素子は、インジウムリン（ＩｎＰ）、シリコン（Ｓｉ）、あるいはガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体系材料を用いた光変調素子に比べて、光の損失が少なく且つ広帯域な光変調特性を実現し得ることから、高速／大容量光ファイバ通信システムに広く用いられている。
一方、光ファイバ通信システムにおける変調方式は、近年の伝送容量の増大化の流れを受け、ＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）やＤＰ−ＱＰＳＫ（Ｄｕａｌ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ − Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）等、多値変調や、多値変調に偏波多重を取り入れた伝送フォーマットが主流となっている。
近年のインターネットサービスの普及加速は通信トラフィックのより一層の増大を招き、光変調素子の更なる小型化、広帯域化、省電力化の検討が今も進められている。
そのような光変調素子の小型化、広帯域化、省電力化の一つの策として、例えば、リブ型導波路を用いた光変調素子（以下、リブ型光変調素子）が検討されている（例えば、特許文献１参照）。リブ型導波路は、ＬＮを用いた基板を薄く加工し、ドライエッチング等により所望のストライプ状部分（リブ）を残して他の部分を更に薄く（例えば、基板厚さ１０μｍ以下まで）加工することで、当該リブ部分の実効屈折率を他の部分より高めて光導波路としたものである。
しかしながら、基板厚さが数μｍ程度以下まで薄く加工される結果、新たな問題が発生し得る。すなわち、光変調素子などの、基板上に形成された光導波路を用いる光導波路素子においては、一般に、光入力用の光ファイバと光導波路との光結合部や、Ｙ分岐導波路等の光分岐部、及び又は光の伝搬方向が変化する曲がり導波路部において、光導波路内を伝搬する光が基板内へと漏れ出て不要光となる場合があり得る。このような不要光は、基板内を反射した後、再び光導波路に結合して雑音光となり、例えば、光変調素子においては、光変調波形の消光比が低下し得る。
そして、特に、上記のように薄く加工された基板を用いる場合には、当該基板の厚さ方向断面積の減少や基板体積の減少に伴って、基板内に一旦漏れ出た不要光が基板内を多重反射したのち再び光導波路に結合する確率が高くなり得る。また、上述のような更なる広帯域化が図られるにつれ、上記消光比にはより厳しい要求条件が課されることとなり得るため、上記不要光に起因する消光比低下等の光特性の制限は、今後大きな問題となっていくことが予想され得る。
特開２０１１−７５９１７号公報
上記背景より、例えばリブ型光変調素子のような、薄く加工された基板を用いる光導波路素子において、光導波路から漏れ出た不要光が当該光導波路に再結合することに起因する性能低下を防止することが望まれている。
本発明の一の態様は、光導波路が形成された光学基板と、前記光学基板に接合された支持基板と、を備える光導波路素子であって、前記支持基板のうち、前記光学基板との接合面には、前記光学基板上の前記光導波路に沿って、当該光導波路の直下に凹部が形成され、前記支持基板の前記接合面を含む部分の屈折率は前記光学基板の基板屈折率よりも大きく、前記凹部には、前記基板屈折率より小さな屈折率を持つ物質が充填されている。
本発明の他の態様によると、前記光学基板は、前記光導波路を伝搬する光の、前記光学基板の厚さ方向の縦方向モードフィールド径の２倍以下の厚さを有する。
本発明の他の態様によると、前記凹部は、前記光導波路の延在方向に対し直交する方向に測った溝幅が、前記光導波路を伝搬する光の、前記光学基板の面方向に測った横方向モードフィールド径以上となるように形成されている。
本発明の他の態様によると、前記光学基板と前記支持基板とは、接着層を挟んで接合されており、前記接着層は、前記光導波路を伝搬する光の、前記光学基板の厚さ方向の縦方向モードフィールド径の１／５０以下の厚さで形成されている。
本発明の他の態様によると、前記凹部は、前記光導波路を伝搬する光の、前記光学基板の厚さ方向の縦方向モードフィールド径の１／４０以上の深さで形成されている。
本発明の他の態様によると、前記光学基板には、前記光導波路に沿って配された当該光導波路を伝搬する光波を制御する信号線路が設けられており、前記凹部は、前記光導波路の延在方向に対し直交する方向に測った溝幅が、前記信号線路を構成する電極間のギャップの少なくとも一部を含むよう構成され、前記物質は、前記光学基板よりも低い誘電率を有する。
本発明の他の態様によると、前記支持基板は、互いに異なる材料で構成された複数の層を含む多層基板である。
本発明の他の態様によると、前記支持基板は、厚さ方向に屈折率が分布するよう構成されている。
本発明の他の態様によると、前記物質は、空気、窒素、樹脂、ＳｉＯＸ、Ａｌ２０３、ＭｇＦ２、ＣａＦ２の少なくとも一つを含む。
本発明の他の態様は、上記いずれかの光導波路素子と、当該光導波路素子を収容する筺体と、を有する光導波路デバイスである。
本発明によれば、例えばリブ型光変調素子のような、薄く加工された基板を用いる光導波路素子において、光導波路を漏れ出た不要光が当該光導波路に再結合することを抑制して、当該再結合に起因する性能低下を防止することができる。
本発明の第１の実施形態に係る光変調デバイスの構成を示す図である。 図１に示す光変調デバイスに用いられる光変調素子の構成を示す図である。 図２に示す光変調素子のＡＡ断面矢視図である。 図１に示す光変調器に用いることのできる光変調素子の第１の変形例を示す図である。 図１に示す光変調器に用いることのできる光変調素子の第２の変形例を示す図である。 図１に示す光変調器に用いることのできる光変調素子の第３の変形例を示す図である。 図１に示す光変調器に用いることのできる光変調素子の第４の変形例を示す図である。 図１に示す光変調器に用いることのできる光変調素子の第５の変形例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光変調デバイスの構成を示す図である。 図９に示す光変調デバイスに用いられる光変調素子の構成を示す図である。 図１０に示す光変調素子のＢＢ断面矢視図である。 本発明に係る光変調素子の他の例を示す図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施形態に係る光導波路素子は、ＬＮ基板を用いて構成される光変調素子であるが、本発明に係る光導波路素子は、これには限られない。本発明は、ＬＮ基板以外の基板を用いる光導波路素子や、光変調以外の機能を有する光導波路素子にも、同様に適応することができる。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光導波路素子および光導波路デバイスの構成を示す図である。本実施形態では、光導波路素子はマッハツェンダ光導波路を用いて光変調を行う光変調素子１０２であり、光導波路デバイスは、当該光変調素子１０２を用いた光変調デバイス１００である。
光変調デバイス１００は、筺体１０４の内部に光変調素子１０２を収容する。なお、筺体１０４は、最終的にはその開口部に板体であるカバー（不図示）が固定されて、その内部が気密封止される。
光変調デバイス１００は、筺体１０４内に光を入力するための入力光ファイバ１０６と、光変調素子１０２により変調された光を筺体１０４の外部へ導く出力光ファイバ１０８と、を有する。
光変調デバイス１００は、また、光変調素子１０２に光変調動作を行わせるための高周波電気信号を外部から受信するためのコネクタ１１０と、当該コネクタ１１０が受信した高周波電気信号を光変調素子１０２の信号電極の一端へと中継するための中継基板１１２を備える。また、光変調デバイス１００は、光変調素子１０２の信号電極の他端に接続される、所定のインピーダンスを有する終端器１１４を備える。ここで、光変調素子１０２の信号電極と、中継基板１１２及び終端器１１４と、の間は、例えば金属ワイヤ等のボンディングにより電気的に接続される。
図２は、図１に示す光変調デバイス１００の筺体１０４に収容される光導波路素子である光変調素子１０２の構成を示す図である。また、図３は、図２に示す光変調素子１０２のＡＡ断面矢視図である。
光変調素子１０２は、例えばＬＮで構成される光学基板２２０と、光学基板２２０を支持する支持基板２２２と、を有する。光学基板２２０上には、光導波路２２４（図１に示す光変調素子１０２に示された太い点線に相当）が形成されている。ここで、光学基板２２０は、例えば１〜２μｍ以下の厚さまで薄く加工されており、光導波路２２４は、当該光導波路２２４の部分が光学基板２２０の他の部分より厚く（例えば厚さ数μｍで）形成されて構成される、いわゆるリブ型光導波路である。これにより、光導波路２２４内の実効屈折率が他の部分よりも高くなり、当該光導波路２２４内に光が閉じ込められて導波される。
光導波路２２４は、例えばマッハツェンダ光導波路であり、２つの分岐部と、互いに並行に延在する２本の並行導波路２２６ａ、２２６ｂを含む。光学基板２２０上には、また、並行導波路２２６ａ、２２６ｂの屈折率を変化させて当該並行導波路２２６ａ、２２６ｂを伝搬する光波を制御する信号電極２３０が設けられている。信号電極２３０は、光導波路２２４の一部である並行導波路２２６ａ、２２６ｂに沿って配された、当該並行導波路２２６ａ、２２６ｂを伝搬する光波を制御する信号線路を構成する。
具体的には、信号電極２３０は、２つの接地電極である電極２３２、２３６と、光学基板２２０の面内において当該電極２３２、２３６に挟まれるように配置された中心電極である電極２３４と、で構成されている。ここで、光学基板２２０は、例えばＸカットのＬＮで構成されており、信号電極２３０は、並行導波路２２６ａ、２２６ｂに対し光学基板２２０の面方向に沿った電界を発生させることにより、当該並行導波路２２６ａ、２２６ｂの屈折率を変化させて、マッハツェンダ光導波路である光導波路２２４に光変調動作を行わせる。なお、図２の図示右側及び左側に示す太線矢印は、光の入射方向及び出射方向を示している。
特に、本実施形態の光導波路素子である光変調素子１０２では、支持基板２２２は、光学基板２２０の屈折率である基板屈折率ｎ１よりも大きな屈折率ｎ３を有する材料で構成されている（すなわち、ｎ３＞ｎ１）。また、支持基板２２２のうち、光学基板２２０との接合面には、光学基板２２０上の光導波路２２４に沿って、当該光導波路２２４の直下に凹部３４０が形成されている。具体的には、凹部３４０は、本実施形態では、光導波路２２４の延在方向に対し直交する方向に測った溝幅Ｗ２が、当該光導波路２２４の幅を包含する幅で形成されている（図３）。
凹部３４０の内部には、また、上記基板屈折率ｎ１よりも小さな屈折率ｎ２を持つ物質（充填物質）３５０が充填されている（すなわち、ｎ２＜ｎ１＜ｎ３）。ここで、充填物質３５０は、例えば、樹脂であるものとすることができる。
本実施形態では、支持基板２２２は、光学基板２２０を構成するＬＮの屈折率よりも大きな屈折率を持つ例えばＳｉで構成されている。また、充填物質３５０は、上記ＬＮの屈折率よりも小さな屈折率を持ち、且つ、光学基板２２０と支持基板２２２との接着にも用いることのできる樹脂で構成されている。
本実施形態では、光学基板２２０は、接着層３７０を介して支持基板２２２と接合（接着）されている。接着層３７０は、本実施形態では、充填物質３５０を構成する樹脂で構成されている。
ここで、接着層３７０の厚さＴ４は、光導波路２２４を伝搬する光が光学基板２２０から支持基板２２２へ向けて十分浸み出し得る程度に薄く構成されるものとする必要がある。
上記の構成を有する光変調素子１０２は、光学基板２２０の基板屈折率ｎ１よりも高い屈折率ｎ３をもつ支持基板２２２が光学基板２２０に接合されているので、光導波路２２４から光学基板２２０内へ漏れ出た不要光は、支持基板２２２へは容易に伝搬するが、支持基板２２２から光学基板２２０へは入射が困難となる。また、支持基板２２２には、光学基板２２０上に形成された光導波路２２４に沿って、基板屈折率ｎ１よりも小さな屈折率ｎ２をもつ充填物質３５０が充填された凹部３４０が形成されているので、光導波路２２４を伝搬する光は、屈折率の高い支持基板２２２の方向へ漏れ出ることが困難となり、光導波路２２４内に閉じ込められることとなる。
すなわち、光変調素子１０２では、光導波路２２４における導波光の閉じ込めは十分に確保されつつも、入力光ファイバ１０６との光結合部や、分岐部、及び又は曲がり導波路部等で発生した不要光は、光学基板２２０の直下にある高屈折率の支持基板２２２に向かって拡散され排除される。このため、光変調素子１０２では、光導波路２２４から光学基板２２０へ漏れ出た不要光が当該光導波路２２４に再結合するのを効果的に抑制することができる。したがって、光変調素子１０２では、不要光が光導波路２２４に再結合することによる性能悪化、例えば光変調波形における消光比の悪化を、効果的に抑制することができる。
なお、図３は、光導波路２２４の周辺の構成を示すため一例として並行導波路２２６ａの部分を取り出して示したものであり、並行導波路２２６ｂを含む光導波路２２４の他の部分も、同様に構成されているものと理解されたい。また、光結合部や分岐部の近傍のように、並行導波路２２６ａ、２２６ｂのそれぞれに対して設けられた２つの凹部３４０が光導波路２２４に沿って接近する部分では、当該凹部３４０は、互いに合体して最大Ｗ２の２倍の溝幅を持つ一つの凹部となり、２つの光導波路の間隔に応じてその溝幅がＷ２に収束していくよう構成され得る。
ここで、支持基板２２２に設ける凹部３４０の深さＴ３は、光導波路２２４を伝搬する光の波長との関係において、充填物質３５０が充填された当該凹部３４０が光導波路２２４のクラッド層として有効に機能し得る深さである必要がある。このＴ３の望ましい値の範囲は、例えば、上記と同様に上記波長と密接な関係のある光導波路２２４内の導波光のモードフィールド３６０（図３）の大きさとの関係において示すことができ、少なくとも当該モードフィールド３６０の縦方向モードフィールド径Ｔ１の１／４０以上（すなわち、Ｔ３≧Ｔ１／４０）であることが望ましい。この条件は、モードフィールド３６０がシングルモードであるかマルチモードであるかを問わない。なお、縦方向モードフィールド径Ｔ１とは、光学基板２２０の厚さ方向に測ったモードフィールド３６０の直径をいう。
また、本実施形態では、支持基板２２２に形成される凹部３４０は、その溝幅Ｗ２が、光導波路２２４の幅を包含する幅で形成されるものとしたが（図３）、原理的には、凹部３４０の溝幅Ｗ２は、上記モードフィールド３６０の横方向モードフィールド径Ｗ１以上（すなわち、Ｗ２≧Ｗ１）であればよい。これにより、凹部３４０は、モードフィールド３６０の横方向の広がりの全体をカバーして、凹部３４０内の充填物質３５０により光導波路２２４の光閉じ込め効果を十分に確保することができる。ここで、上記横方向とは、光学基板２２０の面方向をいい、横方向モードフィールド径とは、光学基板２２０の面方向に測ったモードフィールド３６０の直径をいう。
さらに、接着層の厚さＴ４は、光導波路２２４を伝搬する光の波長との関係において、光学基板２２０から支持基板２２２へ十分な光の浸み出しを確保し得る程度の厚さである必要がある。このＴ４の望ましい値の範囲は、例えば、上記と同様に上記波長と密接な関係のある光導波路２２４内の導波光のモードフィールド３６０（図３）の大きさとの関係において示すことができ、少なくとも当該モードフィールド３６０の縦方向モードフィールド径Ｔ１の１／５０以下（すなわち、Ｔ４≦Ｔ１／５０）であることが望ましい。
また、接着層の素材は、ドライ成膜法あるいはゾルゲル法などで成膜される薄膜（例えば、ＳｉＯＸ、Ａｌ２Ｏ３等の酸化物、ＭｇＦ２、ＣａＦ２等のフッ化物などの薄膜）でも、樹脂系材料のコーティング膜でも良い。
また、高屈折率の支持基板２２２を接合することによる上記不要光の排除効果は、特に、光学基板２２０の厚さＴ２が、上記導波光のモードフィールド３６０の縦方向モードフィールド径Ｔ１の２倍以下（Ｔ２≦２×Ｔ１）である場合に顕著となる。この条件は、光導波路２２４が、本実施形態のようにリッジ型導波路として作製されているか、又はリッジを設けずＴｉ等の金属拡散により光学基板２２０の表層に構成された導波路（以下、平面導波路）として作製されているかを問わない。
図４は、光導波路２２４がそのような平面導波路で構成される場合の、光変調素子１０２の第１の変形例を示す図である。ここで、図４は、図３に示す断面図に相当する。図４に示す例では、光導波路２２４が、導波光の縦方向モードフィールド径Ｔ１の約１．５倍程度の厚さＴ２を持つ光学基板４２０内に平面導波路として構成されている。光導波路２２４がこのような平面導波路で構成される場合でも、図３に示すリッジ型光導波路を用いる場合と同様に、光導波路２２４内の光閉じ込め効果を高めつつ、光学基板２２０において発生した不要光を効果的に排除することができる。
また、本実施形態では、支持基板２２２の凹部３４０に充填される充填物質３５０は樹脂であるものとしたが、これには限られない。充填物質３５０は、光学基板２２０の基板屈折率ｎ１よりも小さな屈折率ｎ２を有する限りにおいて、光変調素子１０２の通常の使用温度において固体、液体、気体のいずれの相を持つ材料であるかを問わない。例えば、充填物質３５０は、空気や窒素等の気体であってもよい。例えば、充填物質３５０は、空気、樹脂、ＳｉＯＸ、Ａｌ２Ｏ３等の酸化物、ＭｇＦ２、ＣａＦ２等のフッ化物の、少なくとも一つを含むか、またはこれらの組み合わせとすることができる。
図５は、光変調素子１０２の第２の変形例を示す図であり、充填物質３５０として気体を用いる例である。ここで、図５は、図３に示す断面図に相当する。図５に示す例では、支持基板２２２の凹部３４０には充填物質３５０として空気等の気体が充填され、凹部３４０以外の支持基板２２２と光学基板２２０との間隙部分に接着用樹脂による接着層３７０が構成されて、支持基板２２２と光学基板２２０とが接合されている。このように構成しても、充填物質３５０が基板屈折率ｎ１より小さい屈折率ｎ２を有する限りにおいて、図３の構成と同様に、光導波路２２４内の光閉じ込め効果を高めつつ、光学基板２２０において発生した不要光を効果的に排除することができる。
また、凹部３４０に充填する充填物質３５０は、単一の材料ではなく、複数の材料が組み合わされて、それぞれの材料が凹部３４０内の異なる部分に充填されていてもよい。
図６は、光変調素子１０２のそのような第３の変形例を示す図である。ここで、図６は、図３に示す断面図に相当する。図６に示す例では、充填物質３５０として空気６５２と、接着層３７０を構成する樹脂６５４とが組み合わされて用いられており、樹脂６５４は凹部３４０の内側面に沿って配され、その内側に空気６５２が充填されている。このように構成しても、充填物質３５０を構成するそれぞれの材料が基板屈折率ｎ１より小さい屈折率を有する限りにおいて、または、充填物質３５０を構成する材料のうち少なくとも光学基板２２０と接する部分に配された材料が基板屈折率ｎ１より小さい屈折率を有する限りにおいて、図３の構成と同様に、光導波路２２４内の光閉じ込め効果を高めつつ、光学基板２２０において発生した不要光を効果的に排除することができる。
なお、図６に示すような構成は、樹脂６５４を、充填物質３５０の一部および接着層３７０として用いる構成には限られない。図７は、図６と同様の構成を有する、光変調素子１０２のそのような第４の変形例を示す図である。図７に示す構成においては、凹部３４０が形成された支持基板２２２上に、スパッタリングなどの膜形成技術を用いて中間層６５６が形成されている。この中間層６５６は、図７に示すように凹部３４０の底面及び側面にのみ形成されるものとしてもよいし、凹部３４０の底面にのみ形成されるものとしてもよい。また、中間層６５６は、例えば、充填物質３５０の一部として、例えば上述した条件を有する屈折率ｎ２をもつ材料（例えばＳｉＯ２）の膜とすることができる。また、この中間層６５６は、光学基板２２０と支持基板２２２との接合材としても用いられるものとすることができる。例えば、中間層６５６と光学基板２２０との接合は、オプティカルコンタクト等による直接接合、または、光学基板２２０の裏面に設けられた他の金属等の層（不図示）との超音波加熱等による熱融着であってもよい。あるいは、凹部３４０のうち中間層６５６以外の部分に充填される充填物質３５０の深さＴ３１が、例えばＴ３について上述した同様の条件を満たし、Ｔ３１≧Ｔ１／４０であるときは、中間層６５６は、必ずしも充填物質３５０の一部を構成していなくてもよい。
さらに、光学基板２２０と支持基板２２２とは、直接接合されていてもよい。図８は、光変調素子１０２のそのような第５の変形例を示す図である。ここで、図８は、図３に示す断面図に相当する。図８に示す例では、光学基板２２０と支持基板２２２とが、接着層を介さず接するように直接接合されている。このような接合は、たとえｂ、光学基板２２０と支持基板２２２とのオプティカルコンタクト等により実現することができる。
なお、図１ないし図３に示す第１実施形態、及び図４ないし図８に示した第１実施形態の変形例では、光学基板２２０として例えばＸカットのＬＮ基板を用いて光変調素子１０２が構成されるものとしたが、これには限られない。光学基板２２０としてＺカットのＬＮ基板を用いて光変調素子が構成されるものとしてもよい。
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図９、図１０、図１１は、本発明の第２の実施形態に係る光導波路素子である光変調素子８０２、およびこれを用いた光導波路デバイスである光変調デバイス８００の構成を示す図である。
なお、図９、図１０、図１１において、図１、図２、図３における構成と同じ構成要素については、図１、図２、図３における符号と同一の符号を用いるものとし、上述した図１、図２、図３についての説明を援用するものとする。
図９に示す光変調デバイス８００は、光変調デバイス１００と同様の構成を有するが、光変調素子１０２に代えて、光変調素子８０２を用いる点が異なる。また、光変調デバイス８００は、光変調素子８０２がそれぞれ一つの中心電極を備える２つの信号電極９３０ａ、９３０ｂ（後述）を有することから、２つの中心電極のそれぞれに対応して、２つのコネクタ１１０と、２つの中継基板１１２と、２つの終端器１１４と、を有する点が、光変調デバイス１００と異なる。
図１０は、光変調素子８０２の構成を示す図である。また、図１１は、図１０に示す光変調素子８０２のＢＢ断面矢視図である。光変調素子８０２は、光変調素子１０２と同様の構成を有するが、ＸカットのＬＮ基板である光学基板２２０に代えて、ＺカットのＬＮ基板である光学基板８２０が用いられている点が異なる。また、光変調素子８０２は、光学基板８２０上に、例えばＳｉＯ２で構成されるバッファ層９６２が形成されている点が、光変調素子１０２と異なる。
また、光変調素子８０２は、ＸカットのＬＮ基板である光変調素子１０２とは異なり、光学基板８２０がＺカットのＬＮ基板である。そのため、当該並行導波路２２６ａ、２２６ｂ対し、それぞれ、光学基板８２０の厚さ方向に電界を印加するための、２つ信号電極９３０ａ、９３０ｂが設けられている。ここで、信号電極９３０ａ、９３０ｂは、それぞれ、並行導波路２２６ａ、２２６ｂに沿って配されて当該並行導波路２２６ａ、２２６ｂを伝搬する光を制御する信号線路を構成する。
具体的には、信号電極９３０ａは、並行導波路２２６ａの直上部のバッファ層９６２上に当該並行導波路２２６ａに沿って延在するように配された中心電極である電極９３４ａと、当該電極９３４ａを光学基板８２０の面方向において挟むように配された２つの接地電極である電極９３２ａ、９３６ａと、で構成されている。
また、信号電極９３０ｂは、並行導波路２２６ｂの直上部のバッファ層９６２上に当該並行導波路２２６ｂに沿って延在するように配された中心電極である電極９３４ｂと、当該電極９３４ｂを光学基板８２０の面方向において挟むように配された２つの接地電極である電極９３２ｂ、９３６ｂと、で構成されている。さらに、電極９３２ａと９３２ｂとは、光学基板８２０上で互いに接続されている。
そして、特に、光変調素子８０２では、光変調素子１０２とは異なり、支持基板２２２に、凹部３４０に代えて、凹部１０４０が設けられている。凹部１０４０は、凹部３４０と同様に、光導波路２２４に沿って当該光導波路２２４の直下に設けられている。ただし、凹部１０４０は、並行導波路２２６ａ、２２６ｂに対応する部分の構成が、凹部３４０と異なっている。
具体的には、凹部１０４０の幅Ｗ２１が、少なくとも信号電極９３０ａ、９３０ｂにより屈折率が制御される並行導波路２２６ａ、２２６ｂの長さ方向の範囲（図９に符号Ｃで示す範囲）に亘り、一の信号線路を構成する信号電極９３０ａの電極９３６ａ、９３４ａ、９３２ａの相互間のギャップｇ１ａ、ｇ２ａと、他の信号線路を構成する信号電極９３０ｂの電極９３６ｂ、９３４ｂ、９３２ｂの相互間のギャップｇ１ｂ、ｇ２ｂと、を含む幅で形成されている。
また、凹部１０４０の内部には、充填物質３５０に代えて、充填物質１０５０が充填されている。充填物質１０５０は、充填物質３５０と同様に光学基板８２０の基板屈折率ｎ１より小さい屈折率ｎ２を持つことに加えて、光学基板８２０より低い誘電率を持つ素材が用いられる。
上記の構成を有する光変調素子８０２は、支持基板２２２に設けられた凹部１０４０が、並行導波路２２６ａ、２２６ｂの直下に設けられているので、光変調素子１０２と同様に、光導波路２２４への光の閉じ込めを十分に行いつつ、光導波路２２４から光学基板８２０へ漏れ出た不要光を支持基板２２２へ排除して、当該不要光が光導波路２２４に再結合して消光比等の光学特性を悪化させるのを抑制することができる。
そして、特に、光変調素子８０２では、凹部１０４０が、信号線路を構成する電極９３２ａ等の相互間のギャップｇ１ａ、ｇ２ａ、ｇ１ｂ、ｇ２ｂを含む溝幅Ｗ２１で設けられ、その内部に光学基板８２０の誘電率よりも低い誘電率を有する充填物質１０５０が充填されている。このため、信号電極９３０ａ及び９３０ｂにおける高周波電気信号の伝搬速度を、並行導波路２２６ａ、２２６ｂにおける光の伝搬速度に近づけて両者を整合させることができる。
これにより、光変調素子８０２では、上記不要光の排除効果に加えて、上記速度整合の結果として光変調素子８０２広帯域化、及び駆動電圧の低減を図ることができる。なお、図１０、図１１に示す構成では、凹部１０４０は、ギャップｇ１ａ、ｇ２ａ、ｇ２ｂ、ｇ１ｂを全て包含する幅Ｗ２１で構成されるものとしたが、これには限られない。凹部１０４０のような凹部は、支持基板２２２のうち、信号線路を構成する信号電極９３０aおよび９３０ｂのそれぞれにおいて電界が発生する部分の少なくとも一部を含むように構成されていれば、上記速度整合の効果を得ることができる。したがって、例えば、図１１において、凹部１０４０は図示左右に分割された２つの凹部で構成されるものとし、一方の凹部がギャップｇ１ａ及び又はｇ２ａの少なくとも一部を含む幅で構成され、他方の凹部がギャップｇ２ｂおよびｇ１ｂの少なくとも一部を含む幅で構成されているものとしてもよい。
なお、本実施形態では、光学基板８２０としてＺカットのＬＮ基板を用いるものとしたが、これには限られない。光学基板８２０として、光学基板２２０と同様のＸカットのＬＮ基板を用いるものとすることができる。この場合には、光学基板８２０上には、図２示したものと同様の信号電極２３０が形成され得る。また、この場合には、図３のように、支持基板２２２のうち、信号線路を構成する信号電極２３０の電極２３４、２３２ａ間におい電界が発生する部分（電極２３４と電極２３２ａとの間のギャップ部分）の少なくとも一部に凹部３４０が形成されていれば、上記と同様の速度整合を行うものとすることができる。
また、本実施形態では、凹部１０４０は、ギャップｇ１ａ、ｇ２ａ、ｇ１ｂ、ｇ２ｂを含む幅を持つ一つの溝として形成されているが、これには限られない。例えば、凹部１０４０を、並行導波路２２６ａの直下の部分とギャップｇ１ａ、ｇ２ａとを含む幅で形成された第１の凹部と、並行導波路２２６ｂの直下の部分とギャップｇ１ｂ、ｇ２ｂとを含む幅で形成された第２の凹部と、に分けて構成してもよい。この場合には、第１の凹部および第２の凹部により、それぞれ、並行導波路２２６ａの光の伝搬速度と信号電極９３０ａの高周波電気信号の伝搬速度との速度整合、および、並行導波路２２６ｂの光の伝搬速度と信号電極９３０ｂの高周波電気信号の伝搬速度との速度整合を、個別に行うものとすることができる。
ここで、光変調素子８０２においても、光変調素子１０２について上述したＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、及びＷ１等の寸法についての望ましい条件等が適用され得る。また、光変調素子８０２における充填物質１０５０には、上述した充填物質３５０の材料、充填の態様等についての変形が適用され得る。
さらに、光変調素子８０２においても、光変調素子１０２について上述したのと同様に、光導波路２２４として、リッジ型導波路に代えて、図４に示すような平面導波路を用いるものとすることができる。
なお、本発明は上記実施形態およびその変形例の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
例えば、上述の実施形態では、支持基板２２２が一様な屈折率ものとしたが、これには限られない。支持基板２２２は、それぞれが互いに異なる材料で構成された複数の層から成る多層基板であってもよい。この場合には、支持基板２２２を構成する層のうち、光学基板２２０と接合される面を含む上部層に凹部３４０が形成されるか、又は当該上部層とその下部にある一つ又は複数の下部層とに亘って凹部３４０が形成されるものとすることができる。この場合、支持基板２２２のうち光学基板２２０と接合する面のみ及び又は当該接合する面を含む部分（例えば、上記上部層の部分）の屈折率ｎ３が、上述したｎ３についての条件、すなわち、光学基板２２０の基板屈折率ｎ１より高い屈折率を有しているものとすることができる。
あるいは、支持基板２２２は、厚さ方向に屈折率が分布するよう構成されているものとすることができる。この場合には、支持基板２２２は、光学基板２２０と接合される上面から凹部３４０の底面の深さまでの部分が、上述したｎ３についての条件、すなわち、光学基板２２０の基板屈折率ｎ１より高い屈折率を有しているものとすることができる。
すなわち、支持基板２２２は、その上面から少なくとも凹部３４０の底面の深さまでの部分（すなわち、上記上面から深さＴ３までの部分）が、光学基板２２０の基板屈折率ｎ１よりも大きな屈折率を有していればよい。
また、例えば、本実施形態では、光変調素子１０２、８０２として、一対の並行導波路２２６ａ、２２６ｂを含む単一のマッハツェンダ光導波路を構成する光導波路２２４により光変調動作が行われる光変調素子を示したが、これには、限られない。例えば、図１２に示すような、いわゆるネスト型マッハツェンダ光導波路を２つ用いて構成される、ＤＰ−ＱＰＳＫ変調を行う光変調素子１１０２を用いるものとすることができる。
光変調素子１１０２は、例えば、光学基板２２０と同様の基板屈折率ｎ１を有するＸカットのＬＮ基板である光学基板１１２０と、当該光学基板１１２０に接合された支持基板２２２とで構成されるものとすることができる。そして、支持基板２２２には、第１の実施形態における凹部３４０と同様に、光学基板１１２０上に形成された光導波路１１２４（図示太線の点線）に沿って、当該光導波路１１２４の直下の部分を含む幅で形成された凹部１１４０（図示一点鎖線に挟まれた部分）を設けるものとすることができる。
また、上述した第２の実施形態と同様に、それぞれが信号線路を構成する信号電極１１３０ａ、１１３０ｂ、１１３０ｃ、１１３０ｄにより屈折率が制御される並行導波路対１１２６ａ、１１２６ｂ、１１２６ｃ、１１２６ｄのそれぞれについて、凹部１１４０を、対応する並行導波路の直下の部分と対応する信号線路の電極間のギャップとを含む溝幅で形成して、導波光と高周波電気信号との間での速度整合を図るものとすることができる。
なお、図１２に示す光変調素子１１０２では、図示左方から光導波路１１２４に入射された光は、それぞれＱＰＳＫ変調された２つの出力光として図示右方から出力される。この２つの出力光は、従来技術に従い適切な空間光学系により偏波合成されて一つの光ビームにまとめられ、例えば光ファイバに結合されて伝送路光ファイバへと導かれる。
以上、説明したように、本実施形態に示す光導波路素子である光変調素子１０２は、光導波路２２４が形成された光学基板２２０と、当該光学基板２２０に接合された支持基板２２２と、を備える。支持基板２２２のうち、光学基板２２０との接合面には、光学基板２２０上の光導波路２２４に沿って、当該光導波路２２４の直下に凹部３４０が形成されている。また、支持基板２２２のうち上記接合面を含む部分は、光学基板２２０の基板屈折率ｎ１よりも大きな屈折率ｎ３を有する。また、凹部３４０には、基板屈折率ｎ１より小さな屈折率ｎ２を持つ物質で構成された充填物質３５０が充填されている。
この構成によれば、光導波路２２４内への光の閉じ込めを十分に確保しつつ、光導波路２２４から光学基板２２０内に漏れ出た不要光を支持基板２２２へ排除することができる。このため、上記構成では、不要光が光導波路２２４に再結合することによる、当該光導波路２２４を用いて行われる光学機能の性能悪化、例えば光導波路２２４が構成する光変調素子１０２における消光比の悪化を、効果的に抑制することができる。
また、光変調素子１０２では、光学基板２２０は、光導波路２２４を伝搬する光の、光学基板２２０の厚さ方向の縦方向モードフィールド径Ｔ１の２倍以下の厚さＴ２を有する。この構成によれば、光導波路２２４への不要光の再結合が起こりやすい、薄く加工された光学基板２２０を用いる場合にも、当該再結合を効果的に抑制して、良好な光学特性を得ることができる。
また、光変調素子１０２では、凹部３４０は、光導波路２２４の延在方向に対し直交する方向に測った溝幅Ｗ２が、光導波路２２４を伝搬する光（伝搬光）の、光学基板２２０の面方向に測った横方向モードフィールド径Ｗ１以上となるように形成されている。この構成によれば、凹部３４０により上記伝搬光のモードフィールド３６０の横方向の広がりの全体をカバーして、凹部３４０内の充填物質３５０により光学基板２２０の厚さ方向における光導波路２２４の光閉じ込めを十分に確保することができる。
また、光変調素子１０２では、光学基板２２０と支持基板２２２とは、接着層３７０を挟んで接合されている。接着層３７０は、光導波路２２４の導波光の縦方向モードフィールド径Ｔ１の１／５０以下の厚さＴ４で形成されている。この構成によれば、光学基板２２０内の不要光は、接着層３７０を容易に浸み出して透過し、支持基板２２２へ効果的に排除される。
また、光変調素子１０２では、凹部３４０は、上記縦方向モードフィールド径Ｔ１の１／４０以上の深さＴ３で形成されている。この構成によれば、充填物質３５０が充填された凹部３４０は、光導波路２２４のクラッド層として有効に機能し、光導波路２２４内への光閉じ込めを十分に行うことができる。
また、光変調素子８０２では、光学基板８２０には、光導波路２２４の一部である並行導波路２２６ａまたは２２６ｂに沿って配された、当該並行導波路２２６ａ、２２６ｂを伝搬する光波の制御を行う信号線路を構成する信号電極９３０ａ、９３０ｂが設けられている。そして、凹部３４０は、溝幅Ｗ２が、上記信号線路を構成する電極９３２ａ等の互いの間のギャップを包含するよう構成されている。また、凹部３４０内の充填物質３５０は、光学基板２２０よりも低い誘電率を有する。
この構成によれば、信号線路により光波が制御される並行導波路２２６ａ、２２６ｂにおいて、当該並行導波路２２６ａ、２２６ｂの導波光の伝搬速度と、上記信号線路の高周波電気信号の伝搬速度との整合を図ることができるので、上記光波の制御の広帯域化が容易となる。なお、この効果は、凹部３４０の溝幅Ｗ２が、信号線路を構成する電極間のギャップの少なくとも一部を含むよう構成されていれば、同様に奏することができる。
また、光変調素子１０２、８０２の支持基板２２２は、互いに異なる材料で構成された複数の層を含む多層基板であるものとすることができる。また、光変調素子１０２、８０２の支持基板２２２は、その厚さ方向に屈折率が分布するよう構成されているものとすることができる。これらの構成によれば、支持基板２２２のうち光学基板２２０と接合する面のみ及び又は当該接合する面を含む部分の屈折率ｎ３が上記条件を満たす限りにおいて、例えば、堅牢な素材で構成された層に隣接して屈折率ｎ３を持つ層を設けた多層基板を支持基板２２２としたり、例えば屈折率が上記ｎ３の条件を満たさない堅牢な素材にイオン注入やイオン拡散等によりｎ３の条件を満たす部分を形成した基板を支持基板２２２として用いることができる。このため、支持基板２２２として多くの素材を用いることができることとなり、設計の自由度が向上する。なお、支持基板２２２に屈折率ｎ３を持つ層や光学基板２２０と接合する面を含む部分を形成するのは、凹部３４０の形成前でも形成後のどちらの場合でも構わない。
また、光変調素子１０２前記充填物質３５０は、空気や窒素などの気体、樹脂、ＳｉＯＸ、Ａｌ２０３、ＭｇＦ２、ＣａＦ２の少なくとも一つを含む。この構成によれば、凹部３４０内の充填物質３５０として特別な材料を用いることなく、当該充填物質３５０を、光導波路２２４に対する有効なクラッド層として機能させることができる。
また、上述した実施形態の光導波路デバイスである光変調デバイス１００、８００は、上記いずれかの構成を有する光導波路素子である光変調素子１０２、８０２と、光導波路素子を収容する筺体１０４と、で構成されている。この構成によれば、光導波路２２４から光学基板２２０、８２０へ漏れ出た不要光を支持基板２２２へ効果的に排除して、光変調波形の消光比等の、光学特性の悪化を効果的に抑制した光導波路デバイスを実現することができる。
１００、８００…光変調デバイス、１０２、８０２、１１０２…光変調素子、１０４…筺体、１０６…入力光ファイバ、１０８…出力光ファイバ、１１０…コネクタ、１１２…中継基板、１１４…終端器、２２０、４２０、８２０、１１２０…光学基板、２２２…支持基板、２２４、１１２４…光導波路、２２６ａ、２２６ｂ…並行導波路、２３０、９３０ａ、９３０ｂ、１１３０ａ、１１３０ｂ、１１３０ｃ、１１３０ｄ…信号電極、２３２、２３４、２３６、９３２ａ、９３２ｂ、９３４ａ、９３４ｂ、９３６ａ、９３６ｂ…電極、３４０、１０４０、１１４０…凹部、３５０、１０５０…充填物質、３６０…モードフィールド、３７０、１０７０…接着層、６５２…空気、６５４…樹脂、６５６…中間層、９６２…バッファ層、１１２６ａ、１１２６ｂ、１１２６ｃ、１１２６ｄ…並行導波路対。

Claims (10)

  1. 光導波路が形成された光学基板と、
    前記光学基板に接合された支持基板と、
    を備える光導波路素子であって、
    前記支持基板のうち、前記光学基板との接合面には、前記光学基板上の前記光導波路に沿って、当該光導波路の直下に凹部が形成され、
    前記支持基板の前記接合面を含む部分の屈折率は前記光学基板の基板屈折率よりも大きく、
    前記凹部には、前記基板屈折率より小さな屈折率を持つ物質が充填されている、
    光導波路素子。
  2. 前記光学基板は、前記光導波路を伝搬する光の、前記光学基板の厚さ方向の縦方向モードフィールド径の２倍以下の厚さを有する、
    請求項１に記載の光導波路素子。
  3. 前記凹部は、前記光導波路の延在方向に対し直交する方向に測った溝幅が、前記光導波路を伝搬する光の、前記光学基板の面方向に測った横方向モードフィールド径以上となるように形成されている、
    請求項１または２に記載の光導波路素子。
  4. 前記光学基板と前記支持基板とは、接着層を挟んで接合されており、
    前記接着層は、前記光導波路を伝搬する光の、前記光学基板の厚さ方向の縦方向モードフィールド径の１／５０以下の厚さで形成されている、
    請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光導波路素子。
  5. 前記凹部は、前記光導波路を伝搬する光の、前記光学基板の厚さ方向の縦方向モードフィールド径の１／４０以上の深さで形成されている、
    請求項１ないし４のいずれか一項に記載の光導波路素子。
  6. 前記光学基板には、前記光導波路に沿って配された当該光導波路を伝搬する光波を制御する信号線路が設けられており、
    前記凹部は、前記光導波路の延在方向に対し直交する方向に測った溝幅が、前記信号線路を構成する電極間のギャップの少なくとも一部を含むよう構成され、
    前記物質は、前記光学基板よりも低い誘電率を有する、
    請求項１ないし４のいずれか一項に記載の光導波路素子。
  7. 前記支持基板は、互いに異なる材料で構成された複数の層を含む多層基板である、
    請求項１ないし６のいずれか一項に記載の光導波路素子。
  8. 前記支持基板は、厚さ方向に屈折率が分布するよう構成されている、
    請求項１ないし６のいずれか一項に記載の光導波路素子。
  9. 前記物質は、空気、窒素、樹脂、ＳｉＯＸ、Ａｌ２０３、ＭｇＦ２、ＣａＦ２の少なくとも一つを含む、
    請求項１ないし８のいずれか一項に記載の光導波路素子。
  10. 請求項１ないし９のいずれか一項に記載の光導波路素子と、
    当該光導波路素子を収容する筺体と、
    を有する光導波路デバイス。
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