JP4671335B2 - 導波路型光デバイス - Google Patents

Description

本発明は、導波路型光デバイスに関し、特に、電気光学効果を有する材料で形成され、厚みが２０μｍ以下の部分を有する基板と、該基板の裏面に接着され、該基板より厚みの大きい補強板とを含む導波路型光デバイスに関する。

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器などの導波路型光デバイスが多用されている。
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を実現する必要がある。これらを実現する手段の一つとしてＬｉＮｂＯ_３（以下、「ＬＮ」という。）変調器等による外部変調方式がある。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乃至３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 特開平１０−１３３１５９号公報

他方、導波路型光デバイスには、光強度変調器、光スイッチ、可変光減衰器（ＶＯＡ）、位相変調器などが開発され、実用に供されている。例えば、ＶＯＡ素子では、マッハツェンダー干渉計を構成する片アームの分岐導波路において、該導波路の屈折率を電気光学効果、熱光学効果などで変化させ、出力光強度を調整するものである。
しかしながら、光学的異方性を持った基板を用いた場合には、入射光偏波により、印加電圧や加熱量が異なることとなる。このため、特定の偏波のみを導波させることが行われている。

特定の偏波を選択する方法としては、以下の特許文献４に示すように、図１（ａ）に示すように導波路型光デバイスの基板１の入口端面に偏光子２を貼り付ける方法や、ＬＮ基板を用いた場合には、Ｘカット板では光導波路３上に金属膜４を貼付ける方法（図１（ｂ）参照）、また、Ｚカット板では光導波路の側面にスラブを付与する方法などがある。
特開２０００−２６６９５１号公報

しかしながら、基板の厚みが２０μｍ以下となる薄板を使用する場合には、図１（ａ）のように、基板端面に精度良く偏光子を貼り付けることは困難を伴い、また、図１（ｂ）のように金属膜４を薄板の表面に貼り付ける場合には、基板と金属膜との熱膨張率の差により基板が破損する危険性が増す上、そもそも光導波路３上に金属膜を設置した場合には、特定の偏波を吸収するだけでなく他の偏波面の光波まで減衰させてしまう不具合を生じる。

また、金属膜４と基板との付着強度を上げるため、スパッタリングや真空蒸着などの真空成膜法に際し、基板を加熱しながら成膜を行うことが行われており、基板の厚みが薄い薄板においては、上述した熱膨張率差による熱応力により、容易に破損すると言う問題を生じていた。

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、厚みが２０μｍ以下の部分を含む基板を使用した導波路型光デバイスにおいて、基板の破損や金属膜などの偏光手段が基板から剥離することがなく、しかも歩留まりが良く生産性の高い導波路型光デバイスを提供することである。

上述した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厚みが２０μｍ以下の基板と、該基板の表面上に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御用電極とを有し、該基板の裏面には補強板が接合された導波路型光デバイスにおいて、該基板と該補強板との間の少なくとも一部分に、金属膜又は高屈折率膜による偏光手段を設けると共に、該偏光手段は、該補強板にのみ接合されており、該基板と該補強板との接合は、該偏光手段が形成された部分を除く領域に接合層を形成して行われ、さらに、該基板と該補強板との間には、該偏光手段が形成された部分を除く領域に、該偏光手段の厚みに対応したスペーサが配置されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、請求項１に記載の導波路型光デバイスにおいて、該偏光手段は、補強板上に成膜処理により形成されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載の導波路型光デバイスにおいて、該偏光手段の厚みは、５０〜１０００ｎｍであることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、請求項１乃至３のいずれかに記載の導波路型光デバイスにおいて、該偏光手段が形成される位置は、該光導波路が形成された部分の基板裏面に位置する領域であることを特徴とする。

請求項５に係る発明では、請求項１乃至４のいずれかに記載の導波路型光デバイスにおいて、該接合層の厚みは該偏光手段の厚みと略同一であることを特徴とする。

請求項６に係る発明では、請求項１に記載の導波路型光デバイスにおいて、該スペーサは、該補強板の表面で、該偏光手段が形成される部分を含む領域に凹部を設けることにより形成されるものであることを特徴とする。

請求項７に係る発明では、請求項１乃至６のいずれかに記載の導波路型光デバイスにおいて、該補強板の少なくとも該偏光手段が形成されている側の表面部分は、該基板より低い屈折率を有する材料で構成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、基板と補強板との間の少なくとも一部分に、金属膜又は高屈折率膜による偏光手段を設けるため、偏光手段の剥離が無く、また、基板表面に形成された制御用電極などの構成に影響されずに、必要な場所に偏光手段を配置できるなど、導波路型光デバイスに係る設計の自由度を高くすることが可能となる。しかも該基板の厚みが２０μｍ以下であるため、該基板の表面から形成された光導波路が基板裏面近傍あるいは基板裏面まで達しており、該基板の裏面に配置した偏光手段により、該光導波路を伝搬する光波の特定偏波を効果的に除去することできる。

また、請求項１に係る発明により、偏光手段は補強板にのみ接合されているため、厚みが２０μｍ以下の基板に偏光手段を接合する必要が無く、真空蒸着などの加熱処理により基板を破損することも無く、また該基板に導波路等を設けた後に実施する熱処理による偏光手段の熱による変質も回避できる。
しかも、基板と補強板との接合は、偏光手段が形成された部分を除く領域に接合層を形成して行われているため、基板と偏光手段とは接触しているが接合せず、両者の線膨張係数の差などによる熱応力が、基板と偏光手段との間に発生せず、温度特性の安定した導波路型光デバイスを提供することが可能となる。
さらに、基板と補強板との間には、偏光手段が形成された部分を除く領域に、該偏光手段の厚みに対応したスペーサが配置されているため、偏光手段の厚みが厚くなった場合でも、基板と補強板との間隔を一定に保持することが可能となる。

請求項２に係る発明により、偏光手段は、補強板上に成膜処理により形成されているため、偏光手段の形状・厚み・組成を自由に制御することができ、また、偏光手段と補強板との接着強度を高めることの可能となり、偏光機能や耐久性に優れた偏光手段を有する導波路型光デバイスを提供することができる。

請求項３に係る発明により、偏光手段の厚みは、５０〜１０００ｎｍであるため、基板と補強板を近接配置することが可能となり、補強板が基板に形成された光導波路のアンダークラッド機能を持つなど、補強板の多様な特性を発揮することができる。

請求項４に係る発明により、偏光手段が形成される位置は、光導波路が形成された部分の基板裏面に位置する領域であるため、該光導波路を伝搬する光波から特定の偏波を効率良く除去することが可能となる。

請求項５に係る発明により、上述した接合層の厚みは該偏光手段の厚みと略同一であるため、基板と補強板との間隔が一定に保持され、補強板が基板に与える各種の特性の効果が、基板全体に渡り均一とすることが可能となる。また、基板と補強板との間に偏光手段を配置しても、基板と補強板との接合において、機械的応力歪を発生することを抑制することができる。

請求項６に係る発明により、上述したスペーサは、補強板の表面で、該偏光手段が形成される部分を含む領域に凹部を設けることにより形成されるものであるため、別途、スペーサに係る部品を用意する必要が無く、補強板の表面を基板の裏面により近接させることも可能となる。また、該凹部の深さを偏光手段の厚みと略同一にすることにより、偏光手段も基板裏面に近接させることが可能となる。

請求項７に係る発明により、補強板の少なくとも該偏光手段が形成されている側の表面部分は、基板より低い屈折率を有する材料で構成されているため、補強板が基板に形成された光導波路のアンダークラッド機能を果たすことが可能となる。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明に係る導波路型光デバイスは、図２に示すように、電気光学効果を有する厚みが２０μｍ以下の基板１と、該基板の表面上に形成された光導波路２と、該光導波路３を伝搬する光波を制御するための制御用電極（不図示）とを有し、該基板１の裏面には補強１１板が接合された導波路型光デバイスにおいて、該基板１と該補強板１１との間の少なくとも一部分に、金属膜又は高屈折率膜による偏光手段１０を設けることを特徴とする。特に、偏光手段１０は、補強板１１にのみ接合されていること特徴とする。

図２の基板１と補強板１１とを接合した状態では、偏光手段１０は、光導波路３が形成された部分の基板１の裏面に位置する領域に配置されることとなり、該光導波路３を伝搬する光波から特定の偏波を効率良く除去することが可能となる。しかも、該偏光手段１０は、基板１の裏面に直接接触することとなるため、偏光手段による偏光効率をより一層高くすることも可能となる。

本発明においては、２０μｍ以下の厚みを有する基板１を使用するため、基板表面に形成された光導波路を伝搬する光波に対し、基板の裏面からでも該光波の特定偏波（特に、基板表面に垂直な方向に偏波面を有する光波）を、効率良く除去することが可能となる。

基板１を構成す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。また、基板１としてはＸカット板又はＹカット板が好適に使用可能である。

補強板１１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、基板１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基板１より低誘電率の材料を使用したり、基板１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、線膨張係数が基板１と同等である材料を選定することが、温度変化に対する導波路型光デバイスの温度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のように基板と補強板とを接合する接着剤に、基板と同等な線膨張係数を有する材料を選定する。

基板１と補強板１１との接合には、接着層として、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。基板１と補強板１１とを密着させるに加圧しながらのダイレクトボインディング（直接接合法）により、接着剤を使用せず、基板１と補強板１１とを直接貼り合わせることも可能である。

偏光手段としては、Ａｌ，Ｚｎなどの金属膜（導電性物質膜）やＴａ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5などの高屈折率膜を使用して形成することが可能である。金属膜を使用する場合には、予めフォトレジスト膜により所定のパターンの開口を形成し、該開口に蒸着する方法や、基板表面全体に蒸着後に所定領域を残して他の蒸着膜を除去する方法がある。偏光手段の厚みは、５０〜１０００ｎｍの範囲で設定することが好ましく、厚みが薄い場合には基板１と補強板１１とをダイレクトボインディングにより接合することも可能となる。また、厚みが厚い場合には、後述する接着層やスペーサを、偏光手段以外の補強板の表面に配置し、基板１と補強板１１とを接合することが好ましい。

なお、導波路型光デバイスの光導波路の形成方法としては、従来のようにＴｉなどを熱拡散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、信号電極や接地電極などの制御用電極は、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、基板表面に誘電体ＳｉＯ_２等のバッファ層を設けることも可能である。

導波路型光デバイスの製造方法の一例としては、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がも可能である。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。
他方、補強板１１の表面に真空蒸着などにより偏光手段を形成し、上記基板１と該補強板１１とを直接接合法により接合する。

図３は、本発明に係る導波路型光デバイスの他の実施例である。
図３では、ガラスなどのベース膜１３上に、金属膜又は高屈折率膜などの偏光手段１０を形成した例を示しているが、このように偏光手段の厚みが厚くなる場合には、基板１と補強板１１とを直接接合することが困難である。このため、偏光手段部分（１０及び１３）の厚みとほぼ同じ厚みを有する接着層１２を介して両者を接合することが好ましい。

また、接着層１２に替えて、スペーサを配置し、基板１と補強板１１との間隔を所定の距離に保つことも可能である。
さらに、該スペーサは必ずしも補強板１１と別部材とする必要は無く、補強板１１の表面において、偏光手段を配置する部分に凹部を形成し、該凹部以外の表面の凸部をスペーサとすることも可能である。

本発明に係る導波路型光デバイスにおいては、偏光手段を基板と補強板との間に配置するため、図４に示すように、基板表面に形成された光導波路や制御用電極などの構成に影響されずに、必要な場所（Ａ乃至Ｃ）に偏光手段を配置でき、導波路型光デバイスに係る設計の自由度を高くすることが可能となる。
図４のようなマッハツェンダー型光導波路３を使用する場合には、入射側光導波路部分Ａ、分岐導波路部分Ｂ、又は出射側光導波路部分Ｃのいずれに偏光手段を配置しても良いが、分岐導波路が合波する部分では、モード変換が発生する場合があり、偏波光のみを出力する場合には、Ｃの部分に配置することが、最も効率が良い。

次に、本発明の光変調器に係る具体的な実施例及びその試験について説明する。
（実施例）
薄板の光変調素子は、基板に厚み５００μｍのＸカット型のＬＮ基板を使用し、Ｔｉ拡散プロセスなどにより、基板表面に直線状の光導波路（幅７μｍ）を形成する。基板の裏面を、研磨機で基板の厚さが１０μｍとなるまで研磨した。
次に、同じ基板（厚み５００μｍのＸカット型のＬＮ基板）を使用し、該基板表面にし、Ａｌを厚み２００ｎｍ、光導波路に沿った長さ１ｍｍで偏光手段を形成し、偏光手段付の補強板を得た。研磨した基板と補強板とを加圧してダイレクトボインディングし、導波路型光デバイスを作成した。

（比較例）
実施例の偏光手段を形成しない以外は、実施例と同様に導波路型光デバイスを作成した。

実施例と比較例における偏波消光比を測定したところ、実施例においては１０〜１５ｄＢ、比較例においては０．５〜３ｄＢであった。
このことから、本発明の偏光手段が、縦方向の偏波面のモード光を効果的に減衰させていることが理解される。

以上説明したように、本発明によれば、厚みが２０μｍ以下の部分を含む基板を使用した導波路型光デバイスにおいて、基板の破損や金属膜などの偏光手段が基板から剥離することがなく、しかも歩留まりが良く生産性の高い導波路型光デバイスを提供することができる。

従来の導波路型光デバイスの偏光手段を示す図である。 本発明に係る導波路型光デバイスの概略を示す図である。 本発明に係る導波路型光デバイスの他の実施例を示す図である。 本発明に係る導波路型光デバイスにおける偏光手段の配置位置を示す図である。

１ 基板
２ 偏光子
３ 光導波路
４ 金属膜
１０ 偏光手段
１１ 補強板
１２ 接着層
１３ ベース膜

Claims (7)

1. 電気光学効果を有する厚みが２０μｍ以下の基板と、該基板の表面上に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御用電極とを有し、該基板の裏面には補強板が接合された導波路型光デバイスにおいて、
   該基板と該補強板との間の少なくとも一部分に、金属膜又は高屈折率膜による偏光手段を設けると共に、該偏光手段は、該補強板にのみ接合されており、
   該基板と該補強板との接合は、該偏光手段が形成された部分を除く領域に接合層を形成して行われ、
   さらに、該基板と該補強板との間には、該偏光手段が形成された部分を除く領域に、該偏光手段の厚みに対応したスペーサが配置されていることを特徴とする導波路型光デバイス。
2. 請求項１に記載の導波路型光デバイスにおいて、該偏光手段は、補強板上に成膜処理により形成されていることを特徴とする導波路型光デバイス。
3. 請求項１又は２に記載の導波路型光デバイスにおいて、該偏光手段の厚みは、５０〜１０００ｎｍであることを特徴とする導波路型光デバイス。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の導波路型光デバイスにおいて、該偏光手段が形成される位置は、該光導波路が形成された部分の基板裏面に位置する領域であることを特徴とする導波路型光デバイス。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の導波路型光デバイスにおいて、該接合層の厚みは該偏光手段の厚みと略同一であることを特徴とする導波路型光デバイス。
6. 請求項１に記載の導波路型光デバイスにおいて、該スペーサは、該補強板の表面で、該偏光手段が形成される部分を含む領域に凹部を設けることにより形成されるものであることを特徴とする導波路型光デバイス。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の導波路型光デバイスにおいて、該補強板の少なくとも該偏光手段が形成されている側の表面部分は、該基板より低い屈折率を有する材料で構成されていることを特徴とする導波路型光デバイス。

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