JP2021043263A - 光変調装置及び光変調装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＥＯポリマの変調特性及び光学特性の劣化を安価に抑制すること。【解決手段】光変調装置は、基板と、基板の一面に形成された溝部に一対の電極を配置し、当該溝部に電気光学型材料を充填して形成されるスロット導波路と、前記スロット導波路に充填された電気光学型材料の表面を被覆する誘電体膜と、接着性を有する樹脂によって前記誘電体膜に接着され、前記スロット導波路を覆う板状部材とを有する。【選択図】図３
Description
本発明は、光変調装置及び光変調装置の製造方法に関する。
近年、例えばＩＰ（Internet Protocol）データを伝送する光通信ネットワークの伝送容量が急増しており、伝送容量の増大に対応する通信装置の開発が盛んに行われている。例えば光変調器は、高速データ伝送を実現する上で重要な要素であり、４００Ｇｂｉｔ（ギガビット）／秒（シンボルレートで６４Ｇｂａｕｄ（ギガボー）／秒）程度の高速化が望まれている。
最近では、ＬｉＮｂＯ3（ニオブ酸リチウム）よりも高い電気光学効果を有し、かつ広帯域性を有する電気光学型有機材料（ポリマ材料）を用いた光変調器が、超高速な光通信を実現可能な光変調器として期待されている。特に、近接する２本の導電性電極間に電気光学型（Electro-Optic）ポリマ材料（以下「ＥＯポリマ」という）が塗布及び充填されたスロット導波路を用いたＥＯポリマ光変調器が提案されており、駆動電圧を低減可能であるという利点から、小型低電力の超高速光変調器としての期待が大きい。ＥＯポリマについては、信頼性上の課題の１つである耐熱性が大幅に改善されてきており、実用化が検討されている。
D. Rezzonico et al., "Photostabililty studies of pi-conjugated chromophores with resonant and nonresonant light excitation for long-life polymeric telecommunication devices", J. Opt. Soc. Am. B., vol. 24, no. 9, pp. 2199-2207, 2007
しかしながら、ＥＯポリマは、大気中（すなわち、酸素に触れる状態）で光通信波長である例えば１５５０ｎｍ（ナノメートル）帯の強い光を透過させると劣化し（「光酸化現象」とも呼ばれる）、ＥＯポリマ光変調器の変調特性及び光学特性が劣化することがあるという問題がある。
この問題の対策として、ＥＯポリマ光変調器を気密封止パッケージに搭載し、ＥＯポリマが酸素に触れないようにすることも考えられるが、一般に気密封止パッケージに光集積素子を搭載する場合には、コストが増大する。すなわち、気密封止パッケージ内のＥＯポリマ光変調器は、例えば気密封止パッケージを貫通する部分がメタライズされた光ファイバによって気密封止パッケージの外部と接続されるが、気密封止パッケージ自体やメタライズされた光ファイバなどの部材が使用されるため、追加の費用が発生する。さらに、ＥＯポリマ光変調器が気密封止パッケージ内に封止される際には、例えば窒素置換された雰囲気下でシーム溶接をすることにより、気密封止パッケージの開口部が封止される。したがって、これらの追加の工程を実施するための設備が必要となり、コストの削減が困難になる。
開示の技術は、かかる点に鑑みてなされたものであって、ＥＯポリマの変調特性及び光学特性の劣化を安価に抑制することができる光変調装置及び光変調装置の製造方法を提供することを目的とする。
本願が開示する光変調装置は、１つの態様において、基板と、基板の一面に形成された溝部に一対の電極を配置し、当該溝部に電気光学型材料を充填して形成されるスロット導波路と、前記スロット導波路に充填された電気光学型材料の表面を被覆する誘電体膜と、接着性を有する樹脂によって前記誘電体膜に接着され、前記スロット導波路を覆う板状部材とを有する。
本願が開示する光変調装置及び光変調装置の製造方法の１つの態様によれば、ＥＯポリマの変調特性及び光学特性の劣化を安価に抑制することができるという効果を奏する。
以下、本願が開示する光変調装置及び光変調装置の製造方法の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
図１は、一実施の形態に係る光通信装置１００の構成を示すブロック図である。図１に示す光通信装置１００は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）１１０、ドライバ１２０、光集積素子１３０、光源１４０及びＴＩＡ（Trans Impedance Amplifier）１５０を有する。
ＤＳＰ１１０は、例えば送信データの符号化及び変調を実行し、電気信号である送信変調信号を生成する。そして、ＤＳＰ１１０は、送信変調信号をドライバ１２０へ出力する。また、ＤＳＰ１１０は、ＴＩＡ１５０から出力される受信信号を取得し、受信信号の復調及び復号を実行する。
ドライバ１２０は、送信変調信号を増幅し、光集積素子１３０へ出力する。
光集積素子１３０は、送信変調信号を用いて、光源１４０から入射する光源光を光変調し、送信データが重畳された送信光を生成する。そして、光集積素子１３０は、例えば図示しない光ファイバに送信光を出射する。また、光集積素子１３０は、例えば図示しない光ファイバから入射する受信光を取得し、光源１４０から入射する光源光を用いて、受信光を電気信号である受信信号に変換する。
光源１４０は、例えば波長可変レーザ光源であり、所望の波長の光源光を発生させる。そして、光源１４０は、例えば基板に形成された光導波路を介して、光源光を光集積素子１３０へ入射する。
ＴＩＡ１５０は、光集積素子１３０から出力される受信信号を増幅し、ＤＳＰ１１０へ出力する。
図２は、光集積素子１３０の構成を示す図である。図２に示す光集積素子１３０は、光変調部１３１、偏波回転部１３２、偏波合成部１３３、偏波分離部１３４、偏波回転部１３５、９０度ハイブリッド１３６及びフォトダイオード（Photo Diode：以下「ＰＤ」と略記する）１３７を有する。
光変調部１３１は、８本のスロット導波路からなる４つの子マッハツェンダ型干渉計と２つの親マッハツェンダ型干渉計とを有し、光源光をＤＰ−ＱＰＳＫ（Dual-Polarization Quadrature Phase Shift Keying）変調する。すなわち、光変調部１３１は、ドライバ１２０から入力される送信変調信号によって図示しない電極の電圧を変化させることにより、マッハツェンダ型干渉計の干渉条件を変化させ、光源光に送信データを重畳して変調信号光を生成する。このとき、光変調部１３１は、２つの親のマッハツェンダ型干渉計によって、それぞれ送信データが重畳された２つの変調信号光を生成する。なお、光変調部１３１の構造については、後に詳述する。
偏波回転部１３２は、２つの親マッハツェンダ型干渉計のうち一方の親マッハツェンダ型干渉計によって生成された変調信号光の偏波方向を９０度回転させる。
偏波合成部１３３は、２つの親マッハツェンダ型干渉計のうち他方の親マッハツェンダ型干渉計によって生成された変調信号光と偏波回転部１３２によって偏波方向が回転された変調信号光とを合成し、送信光を生成する。すなわち、送信光の例えば水平偏波と垂直偏波のように偏波方向が９０度異なる２つの偏波には、それぞれ異なる送信データが重畳されている。
偏波分離部１３４は、受信光の例えば水平偏波と垂直偏波のように偏波方向が９０度異なる２つの偏波を分離し、一方の偏波を偏波回転部１３５へ出力し、他方の偏波を９０度ハイブリッド１３６へ出力する。２つの偏波には、それぞれ異なるデータが重畳されている。
偏波回転部１３５は、偏波分離部１３４から出力される一方の偏波の偏波方向を９０度回転させる。すなわち、偏波回転部１３５は、受信光から得られる２つの偏波の偏波方向を同一のものにする。
９０度ハイブリッド１３６は、受信光の偏波と光源光とを干渉させ、受信光の偏波の位相状態を光強度に変換する。すなわち、９０度ハイブリッド１３６は、光源光を参照光として用い、受信光の偏波と光源光を同相及び逆相で干渉させた一組の出力光と、受信光の偏波と光源光を直交及び逆直交で干渉させた一組の出力光との合計４つの出力光を出力する。
ＰＤ１３７は、例えばＧｅ（ゲルマニウム）をドープして作製された受光素子であり、それぞれ９０度ハイブリッド１３６から出力される一組の出力光を差動受信し、受信光の偏波の同相成分及び直交成分の光強度を検出する。そして、ＰＤ１３７は、それぞれの光強度に応じた電気信号をＴＩＡ１５０へ出力する。受信光の偏波の同相成分及び直交成分に対応する電気信号は、ＴＩＡ１５０によって増幅された後、ＤＳＰ１１０によって復調処理され、各偏波に重畳されたデータが取得される。
次に、光変調部１３１の構造について、図３、４を参照しながら具体的に説明する。図３は、図２のＩ−Ｉ線における光変調部１３１の断面を示す模式図である。図３に示すように、光変調部１３１は、Ｓｉ（シリコン）基板２１０上にＳｉＯ2（シリカ）層２２０が形成され、ＳｉＯ2層２２０に８本の平行なスロット導波路２３０を有する構造である。すなわち、Ｓｉ基板２１０及びＳｉＯ2層２２０は、光変調部１３１の基板を形成し、この基板上にスロット導波路２３０が形成されている。さらに、ＳｉＯ2層２２０及びスロット導波路２３０の表面には、誘電体膜２４０が形成され、誘電体膜２４０上に酸素透過率が低い接着性の樹脂２５０によって板状部材２６０が接着されている。
図４は、スロット導波路２３０の構成を示す図である。図４に示すように、ＳｉＯ2層２２０には溝２２０ａが形成され、溝２２０ａの底面に一対の電極２３１が対向して設けられる。溝２２０ａの幅は、例えば２０〜４０μｍ程度であり、一対の電極２３１は、互いに０．１５μｍ程度離間して配置される。そして、溝２２０ａには、ＥＯポリマ２３２が充填されている。なお、図４においては、ＥＯポリマ２３２が溝２２０ａの周囲のＳｉＯ2層２２０の上面にも塗布されているが、ＥＯポリマ２３２の上面とＳｉＯ2層２２０の上面とは面一になっていても良い。ＥＯポリマ２３２としては、例えば特許文献４、５に記載された非線形光学活性コポリマを用いることが可能である。
このようなスロット導波路２３０においては、一対の電極２３１に電圧が印加されると、ＥＯポリマ２３２の屈折率が変化して光学的な光路長が変化する。そこで、２つのスロット導波路２３０を有する子マッハツェンダ型干渉計のアームに適切な電圧差を与えることにより、両アームの干渉条件が変化し光源光を光変調することができる。
図３に戻って、誘電体膜２４０は、８本のスロット導波路２３０のＥＯポリマ２３２の上面とＳｉＯ2層２２０の上面とを被覆する。すなわち、誘電体膜２４０は、８本のスロット導波路２３０が設けられる範囲よりも広範囲に形成されている。これにより、誘電体膜２４０は、大気に含まれる酸素ガスを遮断して、スロット導波路２３０のＥＯポリマ２３２が酸素ガスに触れて劣化することを抑止する。
誘電体膜２４０の膜厚は、１〜２００ｎｍ（ナノメートル）の範囲であり、好ましくは１０〜５０ｎｍの範囲である。膜厚が１ｎｍ未満であると、酸素ガスが十分に遮断されない可能性があり、膜厚が２００ｎｍを超えると、成膜に時間を要するとともに、例えば熱などによりクラックが発生することがある。
誘電体膜２４０は、例えばＡｌ（アルミニウム）酸化膜及びＳｉ（シリコン）窒化膜などのように、酸化物、窒化物又は酸化窒化物などの誘電体をＳｉＯ2層２２０及びＥＯポリマ２３２の上面に成膜したものである。他にも、誘電体膜２４０としては、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）及びＷ（タングステン）等の酸化物、窒化物又は酸化窒化物を用いることができる。ＳｉＯ2層２２０及びＥＯポリマ２３２の上面を被覆する膜が誘電体膜２４０であることにより、例えばＡｌやＡｕ（金）などの導電性の金属膜が形成される場合と比較して、寄生容量が発生することがなく、光変調部１３１の高周波特性に影響を与えることがない。
樹脂２５０は、酸素透過率が低くかつ接着性を有する樹脂であり、誘電体膜２４０の上面の８本のスロット導波路２３０が設けられる範囲よりも広範囲に塗布される。樹脂２５０としては、例えばエポキシ樹脂主剤とポリアミン系硬化剤とからなる二液性樹脂や、エチレン−ビニルアルコール共重合樹脂などを用いることができる。樹脂２５０の層の厚さは薄い方が好ましく、例えば１〜５μｍ程度の厚さである。樹脂２５０は、誘電体膜２４０の上面に塗布され、ＥＯポリマ２３２に直接接触しないため、樹脂２５０とＥＯポリマ２３２の化学反応を防止することができる。
板状部材２６０は、樹脂２５０が塗布される範囲に対応する面積を有し、酸素ガスを透過させない板状の部材である。板状部材２６０は、樹脂２５０によって誘電体膜２４０を覆うように接着される。板状部材２６０としては、例えばガラス基板やＳｉ基板を用いることが可能である。また、例えばＡｌなどを材料とする金属板を板状部材２６０とすることもできる。
このように、光変調部１３１は、ＥＯポリマ２３２が誘電体膜２４０、樹脂２５０及び板状部材２６０によって被覆されて構成されるため、ＥＯポリマ２３２が大気中の酸素に触れることがない。結果として、例えば１２ｄＢｍ程度の強い光をＥＯポリマ２３２中に透過させても光酸化現象が発生せず、ＥＯポリマ２３２の変調特性及び光学特性の劣化を抑制することができる。また、気密封止パッケージ等の高価な部材が不要であるため、安価にＥＯポリマ２３２の劣化を抑制することができる。
次に、光変調部１３１の製造方法について、図５〜７を参照して説明する。
Ｓｉ基板２１０にＳｉＯ2層２２０が形成され、ＳｉＯ2層２２０に８本の平行なスロット導波路２３０が形成されると、図５に示すように、ＳｉＯ2層２２０の及びスロット導波路２３０の上面を被覆する誘電体膜２４０が形成される。誘電体膜２４０の形成は、例えばＡｌ酸化物やＳｉ窒化物などの誘電体をターゲット材料として、例えば低温でのＲＦ（Radio Frequency）スパッタ及びイオンビームスパッタなどのスパッタにより成膜することにより行われる。なお、誘電体膜２４０は、スパッタの代わりに、真空蒸着、イオンアシスト蒸着又はイオンプレーティングなどの他の物理蒸着（ＰＶＤ：Physical Vapor Deposition）によって成膜されても良い。
誘電体膜２４０は、８本のスロット導波路２３０すべてを被覆する範囲に連続して広がるように形成される。また、誘電体膜２４０は、両端のスロット導波路２３０ａ、２３０ｂよりもＳｉＯ2層２２０の周縁部に近い領域まで被覆するように形成される。ＳｉＯ2層２２０の上面の誘電体膜２４０によって被覆されない領域は、例えば成膜時に光集積素子１３０を保持するヤトイ治具に遮蔽板などでマスクを形成し、成膜される誘電体の付着を防止することにより形成される。
誘電体膜２４０が形成されると、図６に示すように、誘電体膜２４０の上面に樹脂２５０が塗布される。すなわち、例えばエポキシ樹脂主剤とポリアミン系硬化剤とからなる二液性樹脂や、エチレン−ビニルアルコール共重合樹脂などの酸素透過率が低く接着性を有する樹脂２５０が、例えば１〜５μｍ程度の厚さの層を形成するように誘電体膜２４０の上面に塗布される。樹脂２５０は、８本のスロット導波路２３０すべてを覆う範囲に塗布される。
そして、図７に示すように、樹脂２５０に板状部材２６０を載置し、板状部材２６０が誘電体膜２４０に重ねて接着される。樹脂２５０が８本のスロット導波路２３０すべてを覆う範囲に塗布されているため、板状部材２６０も８本のスロット導波路２３０すべてを覆う面積を有し、すべてのスロット導波路２３０が誘電体膜２４０、樹脂２５０及び板状部材２６０によって覆われる。
板状部材２６０は、例えばガラス基板やＳｉ基板などの酸素ガスを透過させない部材であるため、スロット導波路２３０のＥＯポリマ２３２に到達する可能性が最も高い酸素ガスは、板状部材２６０の側方の大気中の酸素ガスである。しかしながら、両端のスロット導波路２３０ａ、２３０ｂのＥＯポリマ２３２から大気中の酸素ガスまでの間には、それぞれｄ1及びｄ2の長さの樹脂２５０及び誘電体膜２４０が介在する。このため、ＥＯポリマ２３２までの酸素透過率は非常に低く、安価な構造でＥＯポリマ２３２の光酸化現象の発生を防止することができる。換言すれば、安価にＥＯポリマ２３２の変調特性及び光学特性の劣化を抑制することができる。
上記のように構成された光変調部１３１を有する光集積素子１３０は、他の部品とともに回路基板に実装される。図８は、光集積素子１３０の実装の具体例を示す側面図である。図８に示すように、光変調部１３１に対応する部分が板状部材２６０によって覆われる光集積素子１３０は、接着剤３２０によって回路基板３１０に接着される。また、光集積素子１３０の光導波路の端面には、ガラスブロック３３０を介して光ファイバ３４０が接続されている。
図８では図示を省略したが、光集積素子１３０には複数の光ファイバ３４０が接続されていても良い。光ファイバ３４０は、光集積素子１３０から出射される送信光を伝送したり、受信光又は光源光を光集積素子１３０へ入射したりする。なお、光集積素子１３０の光導波路の端面とガラスブロック３３０とは、例えば図示しない光学接着剤によって接着されている。
このように、光集積素子１３０は、例えば気密封止パッケージ等の部材に格納することなく、安価な構造で回路基板３１０に実装することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、光変調部に形成されたＥＯポリマが充填されたスロット導波路を誘電体膜によって被覆し、誘電体膜に酸素透過率が低い接着性の樹脂によって板状部材を接着する。このため、例えば気密封止パッケージ等の高価な部材を使用することなくＥＯポリマの光酸化現象の発生を防止することができ、ＥＯポリマの変調特性及び光学特性の劣化を安価に抑制することができる。
なお、上記一実施の形態においては、ＥＯポリマ２３２を被覆する一重の誘電体膜２４０を形成するものとしたが、多重の誘電体膜を形成することも可能である。具体的には、例えば図９に示すように、誘電体膜２４０の上面に樹脂２５０を塗布した後、樹脂２５０の層を被覆する誘電体膜２４５を形成しても良い。そして、誘電体膜２４５の上面に樹脂２５５を塗布し、樹脂２５５によって板状部材２６０を接着しても良い。このように、二重の誘電体膜２４０、２４５を形成することにより、スロット導波路２３０までの酸素透過率をさらに低くすることができ、ＥＯポリマ２３２の光酸化現象を確実に防止することができる。
また、上記一実施の形態においては、光集積素子１３０の光変調部１３１において、スロット導波路２３０を誘電体膜２４０、樹脂２５０及び板状部材２６０によって覆うものとしたが、独立した光変調器に対して同様の構造を適用しても良い。
さらに、上記一実施の形態においては、ＥＯポリマ２３２の光酸化現象を防止するためにスロット導波路２３０を誘電体膜２４０、樹脂２５０及び板状部材２６０によって覆うものとしたが、ＥＯポリマ２３２とは異なる電気光学型材料の例えば湿度による劣化を防止するために、上記一実施の形態に係る光変調部１３１と同様の構造を適用しても良い。すなわち、例えばＬｉＮＯ3（硝酸リチウム）及びＢａＴｉＯ3（チタン酸バリウム）等の強誘電体材料を用いたスロット導波路を誘電体膜、樹脂及び板状部材によって覆うことにより、安価な構造で強誘電体材料の湿度による劣化を防止することができる。
１１０ ＤＳＰ
１２０ ドライバ
１３０ 光集積素子
１３１ 光変調部
１３２、１３５ 偏波回転部
１３３ 偏波合成部
１３４ 偏波分離部
１３６ ９０度ハイブリッド
１３７ ＰＤ
１４０ 光源
１５０ ＴＩＡ
２１０ Ｓｉ基板
２２０ ＳｉＯ2層
２２０ａ 溝
２３０、２３０ａ、２３０ｂ スロット導波路
２３１ 電極
２３２ ＥＯポリマ
２４０、２４５ 誘電体膜
２５０、２５５ 樹脂
２６０ 板状部材
１２０ ドライバ
１３０ 光集積素子
１３１ 光変調部
１３２、１３５ 偏波回転部
１３３ 偏波合成部
１３４ 偏波分離部
１３６ ９０度ハイブリッド
１３７ ＰＤ
１４０ 光源
１５０ ＴＩＡ
２１０ Ｓｉ基板
２２０ ＳｉＯ2層
２２０ａ 溝
２３０、２３０ａ、２３０ｂ スロット導波路
２３１ 電極
２３２ ＥＯポリマ
２４０、２４５ 誘電体膜
２５０、２５５ 樹脂
２６０ 板状部材
Claims (5)
- 基板と、
基板の一面に形成された溝部に一対の電極を配置し、当該溝部に電気光学型材料を充填して形成されるスロット導波路と、
前記スロット導波路に充填された電気光学型材料の表面を被覆する誘電体膜と、
接着性を有する樹脂によって前記誘電体膜に接着され、前記スロット導波路を覆う板状部材と
を有することを特徴とする光変調装置。 - 前記スロット導波路は、
前記溝部を電気光学型ポリマ材料によって充填して形成されることを特徴とする請求項１記載の光変調装置。 - 前記誘電体膜は、
アルミニウム又はシリコンの酸化物、窒化物又は酸化窒化物を材料として成膜されることを特徴とする請求項１記載の光変調装置。 - 前記誘電体膜は、
前記電気光学型材料の表面を被覆する第１の誘電体膜と、
前記第１の誘電体膜に塗布された樹脂の層を被覆する第２の誘電体膜とを有し、
前記板状部材は、
前記第２の誘電体膜に接着される
ことを特徴とする請求項１記載の光変調装置。 - 基板に形成された溝部に電気光学型材料が充填されたスロット導波路を形成し、
前記スロット導波路に充填された電気光学型材料の表面を誘電体膜によって被覆し、
接着性を有する樹脂を前記誘電体膜に塗布し、
前記スロット導波路を覆う板状部材を前記樹脂によって前記誘電体膜に接着する
工程を有することを特徴とする光変調装置の製造方法。
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- 2019-09-06 JP JP2019163416A patent/JP2021043263A/ja active Pending
-
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- 2020-07-31 US US16/944,591 patent/US11442298B2/en active Active
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