JP4961372B2 - Optical waveguide device - Google Patents
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Description
本発明は光導波路デバイス、特に光変調器に関する。 The present invention relates to an optical waveguide device, and more particularly to an optical modulator.
近年、光通信システムの高速大容量化が進んで1波長当り40ギガビット/秒以上の通信速度が実用になってきており、これを受けて、基幹部品である光変調器の広帯域化が求められている。進行波型光変調器は、光導波路を進行する光波と光導波路に沿って設けた電極を進行するマイクロ波とが電気光学効果による相互作用をすることで光波を変調する光変調器であり、光波とマイクロ波との速度整合をとることにより、広帯域化を図ることができる。速度整合を実現する方法として、従来、光導波路基板上に設けた低誘電率のバッファ層の上に電極を形成した構成が用いられてきたが、この構成では、光導波路に印加される電界がバッファ層の存在によって小さくなってしまうため、駆動電圧を低電圧化できないという欠点がある。 In recent years, optical communication systems have been increased in speed and capacity, and communication speeds of 40 gigabits / second or more per wavelength have been put into practical use. ing. The traveling wave type optical modulator is an optical modulator that modulates a light wave by the interaction between the light wave traveling through the optical waveguide and the microwave traveling through the electrode provided along the optical waveguide due to the electro-optic effect, By matching the speed between the light wave and the microwave, a broad band can be achieved. As a method for realizing speed matching, a configuration in which an electrode is formed on a low dielectric constant buffer layer provided on an optical waveguide substrate has been conventionally used. In this configuration, an electric field applied to the optical waveguide is not generated. Since the buffer layer becomes small due to the presence of the buffer layer, there is a drawback that the drive voltage cannot be lowered.
この欠点を改善するために、図3のような光導波路基板を薄板化した進行波型光変調器が提案されている(例えば、特許文献1参照)。図3において、光導波路104が形成された光導波路基板101は、接着剤層103により保持基板102に固着されて保持されている。光導波路基板101の厚さは30μm程度以下であり、通常のもの(例えば厚さ0.5mm)よりも薄型である。接着剤層103としては、その誘電率が光導波路基板101よりも低いものを用い、その厚さを、電極105から印加される電界の接着剤層103への漏れが大きくなるよう十分に厚く(例えば10μm〜200μm)する。このような構成では、電極105からの電界が低誘電率の接着剤層103の内部に漏れ出すことによってマイクロ波に対する等価屈折率(その値は光波に対する等価屈折率より大きい)が光導波路基板101の厚さが厚い場合と比べて小さくなる。このように等価屈折率の値の差が小さくなるので、光波とマイクロ波の速度が整合した状態に近付き、広帯域化が実現する。それとともに、この構成では光導波路基板101上にバッファ層を設けることなく速度整合が可能なので、光導波路104に印加される電界の強度が低下してしまうことがなく、駆動電圧の低電圧化も同時に実現することができる。
In order to improve this drawback, a traveling wave type optical modulator in which the optical waveguide substrate as shown in FIG. 3 is thinned has been proposed (for example, see Patent Document 1). In FIG. 3, the
また、一般に光変調器をはじめとする光導波路デバイスは、破損防止や信頼性確保などのため筐体に収納されてパッケージ化される。従来、パッケージ用筐体の材質としては、薄板化されていない光導波路基板を用いた光変調器の場合、光導波路基板と熱膨張係数が近いもの(例えば、光導波路基板がLN基板であればステンレス(SUS)製など)が使用されている。また薄板化された光導波路基板を用いた図3の光変調器の場合は、保持基板102を光導波路基板101と同材質にするとともに、パッケージ用筐体の材質としては同様に光導波路基板101及び保持基板102と熱膨張係数が近いものが使用されている(例えば、光導波路基板101がLN基板であれば、保持基板102はLN基板、パッケージ用筐体はステンレス(SUS)製など)。
ところで、近年、パッケージ用筐体の材質として低コストな樹脂製のものを採用することが検討されている。しかしながら、光導波路基板を薄板化した図3の構成を有する光変調器を樹脂製のパッケージ用筐体に取り付けてしまうと、保持基板102(例えばLN基板)とパッケージ用筐体(樹脂製)とは熱膨張係数が離れているため、環境温度が変動した際に保持基板102を介して光導波路基板101に対して応力がかかり、光変調器の特性が変化してしまうという問題がある。
By the way, in recent years, it has been studied to adopt a low-cost resin-made material for the package housing. However, if the optical modulator having the configuration of FIG. 3 in which the optical waveguide substrate is thinned is attached to the resin package housing, the holding substrate 102 (for example, LN substrate) and the package housing (resin) Since the thermal expansion coefficients are different, there is a problem that when the environmental temperature fluctuates, stress is applied to the
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、広帯域で動作し低電圧駆動が可能な光導波路デバイスを、その特性を劣化させることなく低コストに実現することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to realize an optical waveguide device that operates in a wide band and can be driven at a low voltage at a low cost without deteriorating its characteristics.
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、厚さ30μm以下の光導波路基板と、前記光導波路基板を保持する保持基板と、を有する光導波路デバイスであって、前記保持基板は、前記光導波路基板より誘電率が低い樹脂製であり、前記光導波路基板と前記保持基板は、厚さ9μm以下の接着剤層によって接着されていることを特徴とする。
また、本発明は、上記の光導波路デバイスにおいて、前記保持基板を樹脂製の筐体に取り付けたことを特徴とする。
The present invention has been made to solve the above-described problem, and is an optical waveguide device having an optical waveguide substrate having a thickness of 30 μm or less and a holding substrate that holds the optical waveguide substrate, and the holding substrate Is made of a resin having a dielectric constant lower than that of the optical waveguide substrate, and the optical waveguide substrate and the holding substrate are bonded by an adhesive layer having a thickness of 9 μm or less.
Further, the present invention is characterized in that, in the optical waveguide device described above, the holding substrate is attached to a resin casing.
上記の構成によれば、保持基板の誘電率が光導波路基板の誘電率より低いので、広帯域化と駆動電圧の低電圧化を実現することができるとともに、保持基板が樹脂製であるので、パッケージ用筐体を低コスト化のため樹脂製とした場合に保持基板とパッケージ用筐体の熱膨張係数が近くなり、光導波路基板に応力が発生し難くなる。よって、広帯域で動作し低電圧駆動が可能な光導波路デバイスを、その特性を劣化させることなく低コストに実現することができる。 According to the above configuration, since the dielectric constant of the holding substrate is lower than the dielectric constant of the optical waveguide substrate, it is possible to realize a wide band and a low driving voltage, and the holding substrate is made of resin, so that the package When the housing is made of resin for cost reduction, the thermal expansion coefficients of the holding substrate and the package housing are close to each other, and stress is hardly generated on the optical waveguide substrate. Therefore, an optical waveguide device that operates in a wide band and can be driven at a low voltage can be realized at a low cost without deteriorating its characteristics.
また、本発明は、上記の光導波路デバイスにおいて、前記接着剤層が前記光導波路基板より高誘電率の材料である場合にその厚さを1μm以下としたことを特徴とする。 In the above optical waveguide device, the present invention is characterized in that when the adhesive layer is made of a material having a higher dielectric constant than that of the optical waveguide substrate, the thickness thereof is set to 1 μm or less.
この構成によれば、接着剤層が高誘電率の材料であってもその厚さが1μm以下であるので、マイクロ波に対する等価屈折率は接着剤層が低誘電率の材料である場合と同様に小さくなり、その結果として広帯域化が可能であるとともに、接着剤層に用いる接着剤の選定の幅が広がる(低誘電率材料だけでなく高誘電率材料も使用できる)というメリットがある。 According to this configuration, even if the adhesive layer is made of a material having a high dielectric constant, the thickness thereof is 1 μm or less. Therefore, the equivalent refractive index with respect to microwaves is the same as when the adhesive layer is made of a material having a low dielectric constant. As a result, there is an advantage that a wide band can be obtained and the selection range of the adhesive used for the adhesive layer is widened (not only a low dielectric constant material but also a high dielectric constant material can be used).
本発明によれば、広帯域で動作し低電圧駆動が可能な光導波路デバイスを、その特性を劣化させることなく低コストに実現することができる。 According to the present invention, an optical waveguide device that operates in a wide band and can be driven at a low voltage can be realized at a low cost without deteriorating its characteristics.
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及び図2は、本発明の一実施形態による光導波路デバイスである進行波型の光変調器10の断面構成図と平面構成図をそれぞれ示したものである。図1の断面構成図は、図2の平面構成図のA−A’線に沿って切断した様子を表している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
1 and 2 are a cross-sectional view and a plan view, respectively, of a traveling wave type
図1,図2において、光変調器10は、マッハツェンダー光導波路15が形成された光導波路基板11と、光導波路基板11を保持する保持基板である樹脂基板12と、光導波路基板11と樹脂基板12とを接着固定する接着剤層14と、光導波路基板11上に形成された信号電極16及び接地電極17−1,17−2と、樹脂基板12を固定するパッケージ用筐体13と、を含んで構成されている。
1 and 2, an
光導波路基板11は、電気光学効果を有する母結晶からその主軸Pと基板表面Sとが平行になるように切り出されたXカットの基板であり、例えば、ニオブ酸リチウム(LN)基板、タンタル酸リチウム(LT)基板、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン(PLZT)基板、等を用いることができる。このXカットの光導波路基板11に、入力導波路15−3と分岐光導波路15−1及び15−2と出力導波路15−4とからなるマッハツェンダー光導波路15が、上記主軸Pと分岐光導波路15−1及び15−2とが垂直になるように(即ち図1において主軸Pが紙面内にくるように)して形成されている。光導波路基板11の厚さは、例えば30μm以下、好ましくは10μm以下の厚さとする。このように光導波路基板11を薄板化すると、電極16,17−1,17−2により励起されて光導波路基板11内を進行するマイクロ波に対する等価屈折率が小さくなって、分岐光導波路15−1及び15−2を進行する光波に対する等価屈折率との差が小さくなる。これにより、光波とマイクロ波との速度整合がとれた状態、あるいは速度整合に近い状態となり、光変調器10の広帯域化が実現される。
The
樹脂基板12は、上記のようにマイクロ波に対する等価屈折率を小さくする目的と、光導波路基板11を保持する目的のために用いられる樹脂製の基板である。樹脂基板12の材質には、その誘電率が光導波路基板11の誘電率よりも低い特性を有するものを用いる。このような低誘電率の樹脂材料として、例えば、アクリル樹脂(誘電率ε=2.7〜4.5)、エポキシ樹脂(誘電率ε=2.5〜6.0)、等を用いることができるが、できるだけ低誘電率の樹脂材料を用いることが望ましい。樹脂基板12の厚さは、電極16,17−1,17−2によって発生するマイクロ波の電界が樹脂基板12の内部に大きく漏れ出すように、また、光導波路基板11をしっかりと保持できるように、十分に厚く、例えば50μm以上、好ましくは0.5〜1.0mm程度とする。
The
光導波路基板11と樹脂基板12とは、接着剤層14によって接着固定されている。接着剤層14を形成する接着剤には、紫外線を照射することによって硬化する紫外線硬化型の接着剤や、加熱によって硬化する熱硬化型の接着剤を用いることができる。
The
接着剤層14は、光変調器10の信頼性を向上させる必要性から、その厚さを十分に薄く、例えば9μm以下、好ましくは1μm以下の厚さとなるように形成する。一般に接着剤層は薄く形成した方が接着強度は大きくなるので、このように接着剤層14を薄くすることにより、光導波路基板11と樹脂基板12とを信頼性の上で問題がない程度に十分な強度で接着固定することができる。また、接着剤の硬化時に、紫外線照射や加熱によってその温度が上昇しその後硬化して温度が下がり応力が発生するが、接着剤層14の厚さが薄いと発生する応力を低減することができる。
The
また、接着剤層14の厚さが熱ドリフト(測定温度−40℃〜85℃での駆動電圧の変化)に与える影響を測定したところ、次の結果を得た。
接着剤層の厚さ(μm) 熱ドリフト(V) 評価
1 0.3 ◎
5 1.5 ○
9 2.9 ○
15 4.9 ×
熱ドリフトの一般的な許容値は3.0V以下であるので、熱ドリフトが問題とならない接着剤層14の厚さは、9μm以下、更に1μm以下が好適であることが分かる。
Moreover, when the influence which the thickness of the
Adhesive layer thickness (μm) Thermal drift (V) Evaluation
1 0.3 ◎
5 1.5 ○
9 2.9 ○
15 4.9 ×
Since the general allowable value of the thermal drift is 3.0 V or less, it can be seen that the thickness of the
接着剤層14に用いる接着剤の誘電率は、接着剤層14の厚さを1μmより厚くする場合には、樹脂基板12と同様に(マイクロ波に対する等価屈折率を小さくするため)光導波路基板11の誘電率よりも低いことが必要である。これは、厚さが1μmより厚いと接着剤層14がマイクロ波の等価屈折率に与える影響が大きいからである。一方、接着剤層14の厚さを1μm以下とする場合には、接着剤層14がマイクロ波の等価屈折率に与える影響は無視できる程度となるので、接着剤層14に用いる接着剤の誘電率は光導波路基板11の誘電率より高くてもかまわない。
The dielectric constant of the adhesive used for the
パッケージ用筐体13は、破損防止や信頼性確保などのために光導波路基板11、樹脂基板12、及び各電極16,17−1,17−2からなる部分を外界から隔離して収納する部材であり、その内部底面に設けられた凸部(台座)に樹脂基板12が固定して取り付けられている。なお、図1では、パッケージ用筐体13の底面の一部と凸部のみを示している。
The
パッケージ用筐体13の材質は、光変調器10の低コスト化を図るために樹脂製とする。このとき、樹脂基板12の熱膨張係数とパッケージ用筐体13に用いる樹脂材料の熱膨張係数とが近い値を持つように、樹脂基板12とパッケージ用筐体13の樹脂材料を選ぶ。樹脂基板12とパッケージ用筐体13とが同材質であれば尚更好ましい。このようにすることで、環境温度が変動した際に光導波路基板11の内部に発生する応力を低減することができる。したがって、光変調器10の特性を劣化させることなく、パッケージ用筐体13を樹脂製とすることによる低コスト化を実現可能である。具体例として、例えば、パッケージ用筐体13の樹脂材料には、ポリカーボネイト(熱膨張係数=70×10−6/K)やノリル(熱膨張係数=2.5×10−6/K)を用いることができる。ポリカーボネイトを用いた場合には、樹脂基板12の樹脂材料には、二液性熱硬化エポキシ接着剤(熱膨張係数=63×10−6/K)を利用することができる。ノリルを用いた場合には、樹脂基板12の樹脂材料には、紫外線硬化型エポキシ接着剤(熱膨張係数=20×10−6/K)を利用することができる。
The
樹脂基板12とパッケージ用筐体13との固定方法は、本発明では特に限定されるものではなく、例えば、上記接着剤層14と同様の接着剤を用いて接着固定する方法、樹脂基板12を加熱によって粘着性が生じる材質からなるものとし、この樹脂基板12を加熱してパッケージ用筐体13に固着させる方法、樹脂基板12とパッケージ用筐体13を機械的に固定(例えばネジ止め)する方法、等を適用することができる。
The method of fixing the
マッハツェンダー光導波路15は、例えば、チタン(Ti)等の金属を光導波路基板11の内部に熱拡散させる方法、光導波路基板11内部の原子(LN基板の場合、リチウム(Li)原子)をプロトンと交換する方法、光導波路基板11をリッジ状に形成し、該リッジ部に光を導波させる方法、等を用いて作製することができる。
The Mach-Zehnder
光導波路基板11上に形成される各電極16,17−1,17−2は、光導波路基板11内にマイクロ波を進行させて分岐光導波路15−1及び15−2中を伝搬する光波を変調するための電極であり、信号電極16が分岐光導波路15−1と15−2の間に配置され、接地電極17−1及び17−2がそれぞれ分岐光導波路15−1,15−2を挟んで信号電極16と対向するようにして配置される。この配置により、分岐光導波路15−1及び15−2の内部では、マイクロ波の電界が主軸P方向の主成分を持つようになる。上述したとおり、光導波路基板11の下部に設けられた樹脂基板12によって速度整合をとる構成であるので、各電極16,17−1,17−2は光導波路基板11上に直接形成する構成としている。このため、分岐光導波路15−1及び15−2に印加されるマイクロ波の電界の強度が低下せず、駆動電圧を低電圧化できる。なお、各電極16,17−1,17−2へ入力する変調電圧は、外部の高周波電源20から供給される。
The
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。 As described above, the embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to the above, and various design changes and the like can be made without departing from the scope of the present invention. It is possible to
例えば、マッハツェンダー光導波路15や各電極16,17−1,17−2の具体的な構成は、上述したものに限られず、必要に応じて適宜、変更してもよい。
For example, the specific configurations of the Mach-Zehnder
10…光変調器 11…光導波路基板 12…樹脂基板 13…パッケージ用筐体 14…接着剤層 15…マッハツェンダー光導波路 15−1,15−2…分岐光導波路 15−3…入力導波路 15−4…出力導波路 16…信号電極 17−1,17−2…接地電極
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記光導波路基板を保持する保持基板と、
を有する光導波路デバイスであって、
前記保持基板は、前記光導波路基板より誘電率が低い樹脂製であり、
前記光導波路基板と前記保持基板は、厚さ9μm以下の接着剤層によって接着されている
ことを特徴とする光導波路デバイス。 An optical waveguide substrate having a thickness of 30 μm or less;
A holding substrate for holding the optical waveguide substrate;
An optical waveguide device comprising:
The holding substrate is made of a resin having a lower dielectric constant than the optical waveguide substrate,
The optical waveguide device, wherein the optical waveguide substrate and the holding substrate are bonded by an adhesive layer having a thickness of 9 μm or less.
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