JP7118844B2 - 光変調器、光変調器用基板、光変調器の製造方法及び光変調器用基板の製造方法 - Google Patents
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Description
実施形態に係る光変調器を説明する。まず、光変調器の構成及び各部材を説明する。その後、光変調器の動作を説明し、光変調器に用いられる光変調器用基板の製造方法及び光変調器の製造方法を説明する。
図1は、実施形態に係る光変調器を例示した斜視図である。図2は、実施形態に係る光変調器を例示した断面図であり、図1のII-II線の断面を示す。図3は、実施形態に係る光変調器用基板を例示した斜視図である。図1~図3に示すように、光変調器1は、ベース基板10、導波路基板20、電極40を含んでいる。ベース基板10及び導波路基板20を合わせて、光変調器用基板30という。以下、光変調器1を構成する各部材を説明する。
光変調器用基板30は、ベース基板10及びベース基板10上に配置された導波路基板20を含んでいる。ベース基板10は、例えば、矩形の平板状であり、平らな上面11を有している。導波路基板20は、例えば、矩形の平板状であり、ベース基板10の上面11上に配置されている。導波路基板20は、上面21にリッジ構造24を有している。ベース基板10と導波路基板20とは接合している。具体的には、導波路基板20の下面22は、ベース基板10の上面11に接合されている。例えば、ベース基板10および導波路基板20は共有結合することにより接合している。
図3に示すように、ベース基板10及び導波路基板20がニオブ酸リチウム結晶からなる場合には、ベース基板10及び導波路基板20は、所定の結晶カットの角度を有している。ニオブ酸リチウム結晶は、X軸、Y軸及びZ軸の結晶軸を有している。Z軸が光学軸である。光学軸であるZ軸と平行な偏光(Z軸と平行に電界振幅を有する光)が感受する異常光屈折率neは、2.202であり、Z軸と直交した偏光(Y軸と平行に電界振幅を有する光)が感受する常光屈折率n0は、2.286である。
本実施形態において、ベース基板10の結晶カットの角度は、例えば、57[°]~123[°]である。この場合には、異常光屈折率neは、2.202~2.226である。ベース基板10の結晶カットを、このような角度とすることにより、ベース基板10の屈折率が、導波路基板20の屈折率よりも大きくならない範囲とすることができる。よって、導波路基板20に導波光を伝搬させることができる。好ましくは、ベース基板10の結晶カットの角度は、64[°]であり、異常光屈折率neは、2.218である。この場合には、ベース基板10の上面11は、64°Y方向に直交している。
導波路基板20の結晶カットの角度は、例えば、124~132[°]である。この場合には、異常光屈折率neは、2.227~2.239である。導波路基板20の結晶カットを、このような角度とすることにより、ベース基板10の屈折率が導波路基板20の屈折率よりも大きくならない範囲で、且つ導波路基板20の電気光学定数が0[°](Z軸)よりも大きい範囲とすることができる。好ましくは、導波路基板20の結晶カットの角度は、128[°]であり、異常光屈折率neは、2.233である。この場合には、導波路基板20の上面11は、128°Y方向に直交している。
導波路基板20は、電気光学効果を有している。電気光学効果とは、例えば、ポッケルス効果等のように、光が電場および電場の影響を受けている物質と作用する時に発生する現象をいう。例えば、導波路基板20に対して電場をかけると、導波路基板20の屈折率が変化すること等である。
図2に示すように、導波路基板20は、例えば、上面21にリッジ構造24を有している。リッジ構造24は、上面21から突出した凸部が上面21においてレール状に延びた構造である。リッジ構造24以外の導波路基板20の部分をスラブ部25という。リッジ構造24の上面241及びスラブ部25の上面251は、例えば、平面である。
導波路基板20には、光変調を行うための導波路23が形成されている。すなわち、導波路23は、導波路基板20内に形成されている。導波路基板20がリッジ構造24を有している場合には、導波路23は、リッジ構造24内に形成されている。導波路23は、導波光を伝搬させる。
導波路23に電圧を印加するための電極40は、導波路23の近傍に配置されている。例えば、電極40は、リッジ構造24上に配置されている。なお、電極40は、導波路23に電圧を印加することができれば、リッジ構造24上に配置されていなくてもよく、隣り合うリッジ構造の間に配置されてもよい。
導波路基板20の一端には、導波路23に接続された入力端子26が接続されている。また、導波路基板20の他端には、導波路23に接続された出力端子27が接続されている。
次に、実施形態に係る光変調器1の動作を説明する。まず、光変調器1の動作の例として、電気信号を光信号に変換する電気-光信号の変換を説明する。その後、リッジ構造における導波路の動作シミュレーション、導波光のモード分散曲線のシミュレーション及びBPM解析シミュレーションを説明する。
光変調器1の入力端子26から入力された入力光は、Y字部24yにおいて分岐される。例えば、分岐された各入力光は、1/2となる。分岐された入力光は、平行部24pにおける2つの導波路を通過する。そして、再び、Y字部24yにおいて合流する。合流した光は、出力端子27から出力される。
図8は、実施形態に係る光変調器1において、リッジ構造24の幅W及び厚さHに対するカットオフ特性をシミュレーションする場合の解析モデルを例示した図である。図8に示すように、64°YLN基板上に、128°YLN基板が配置されているとする。64°YLN基板の異常光屈折率neは、2.218であり、128°YLN基板の異常光屈折率neは、2.233である。リッジ構造24は、128°YLN基板により形成されているとする。リッジ構造24の幅Wは、ベース基板10の上面11に平行な面内において、リッジ構造24が延びる方向に直交する方向の長さである。リッジ構造24の厚さHは、上面11に直交する方向において、導波路基板20の下面22からリッジ構造24の上面241までの長さである。リッジ構造24の上方及び側方は、屈折率が1の空気で覆われているとする。
次に、リッジ構造24における導波路23の厚さと実効屈折率との関係を導く。図11は、実施形態に係る光変調器において、導波光のモード分散曲線をシミュレーションにより求める場合の解析モデルを例示した図である。図11に示すように、下から、64°YLN基板、128°YLN基板及び空気を積層した解析モデルを用いて、導波路23となる128°YLN基板の厚さHに対する実効屈折率の関係を導く。
図14(a)及び(b)は、実施形態及び変形例に係る光変調器において、スラブ部25の厚さと出力光の強度との関係をBPM(Beam Propagation Method)解析によりシミュレーションする場合の解析モデルを例示した図である。図14(a)に示すように、本実施形態1に係る光変調器1のリッジ構造24は、幅W及び厚さHを有している。また、スラブ部25の厚さhは、ベース基板10の上面11に直交する方向において、導波路基板20の下面22とスラブ部25の上面251との間の長さである。なお、図20(b)に示すように、変形例に係る光変調器1aは、リッジ構造24a以外に、スラブ部25を有していない。この場合には、ベース基板10の上面11に直交する方向において、リッジ構造24aの下面22からベース基板10の上面11までの長さ、すなわち、ベース基板10の上面11とリッジ構造24aの下面22との間に残存する部分の厚さを-hで表す。
次に、実施形態に係る光変調器1の製造方法を説明する。まず、光変調器用基板30の製造方法を説明する。その後、光変調器用基板30を用いた光変調器1の製造方法を説明する。
図18は、実施形態に係る光変調器において、光変調器用基板30の製造方法を例示したフローチャート図である。図18のステップS11に示すように、ベース基板10を準備する。具体的には、例えば、ニオブ酸リチウムからなるベース基板10を準備する。ベース基板10の結晶カットの角度は、例えば、57[°]~123[°]であり、さらに好ましくは、64[°]である。ベース基板10の厚さは、例えば、0.35[mm]である。
次に、光変調器用基板30を用いた変調器の製造方法を説明する。図22は、実施形態に係る光変調器1の製造方法を例示したフローチャート図である。図23は、実施形態に係る光変調器1の製造方法を例示した工程図である。
本実施形態の光変調器1においては、同一の材質からなるベース基板10及び導波路基板20を用いている。よって、導波路基板20の屈折率を、ベース基板10の屈折率よりも大きくしつつ、導波路基板20とベース基板10との屈折率の差を小さくすることができる。これにより、導波路内を伝搬する光の全反射角を浅くすることができるため伝搬損失を低減することができる。また、導波路23を形成するために、チタン等の不純物が不要なので、不純物による伝搬損失を抑制することができる。
10 ベース基板
11上面
20 導波路基板
21 上面
22 下面
23 導波路
24、24a リッジ構造
24y Y字部
24p 平行部
25 スラブ部
26 入力端子
27 出力端子
30 光変調器用基板
35 切断線
40 電極
45 プリズム
46 回転ステージ
47 レーザ
50 結晶育成装置
51 坩堝
52 ヒータ
53 種結晶
54 原料
55 融液
56 結晶
57 スライスウェハー
58 ラップウェハー
59 エッチウェハー
241 上面
251 上面
Claims (15)
- 以下を含む光変調器:
ベース基板;
前記ベース基板の上面上に配置された、電気光学効果を有する導波路基板;
前記導波路基板に形成された、光変調を行うための導波路;および
前記導波路に電圧を印加するための電極、
ここで、
前記ベース基板および前記導波路基板は同一の材質からなり、
前記導波路は前記導波路基板内に形成され、
前記導波路基板の屈折率は前記ベース基板の屈折率よりも大きく、
前記ベース基板および前記導波路基板はニオブ酸リチウムからなり、
前記ベース基板の結晶カットの角度は57[°]~123[°]であり、
前記導波路基板の結晶カットの角度は124[°]~132[°]であり、
前記結晶カットの角度は、前記ベース基板及び前記導波路基板の上面に直交する方向を前記ニオブ酸リチウムの結晶軸の角度を用いて示したものであり、
前記角度は、
前記ニオブ酸リチウムの結晶軸を、X軸、Y軸及びZ軸とし、
前記ニオブ酸リチウムの光学軸を、前記Z軸とした場合に、
前記Y軸及び前記Z軸を含むYZ平面内において、+X軸方向に進むネジの回転方向に+Y軸から計った角度である。 - 前記導波路基板はリッジ構造を有し、
前記導波路は前記リッジ構造内に形成され、
前記電極は前記リッジ構造上に配置されている請求項1に記載の光変調器。 - 前記ベース基板の結晶カットの角度は64[°]であり、
前記導波路基板の結晶カットの角度は128[°]である請求項1または2に記載の光変調器。 - 前記ベース基板および前記導波路基板は共有結合している請求項1から3のいずれか1項に記載の光変調器。
- 以下を含む光変調器用基板:
第1の基板;
前記第1の基板の上面上に配置された、光変調を行うための導波路が形成される、電気光学効果を有する第2の基板、
ここで、
前記第1および第2の基板は同一の材質からなり、
前記第2の基板の屈折率は前記第1の基板の屈折率より大きく、
前記第1の基板および前記第2の基板はニオブ酸リチウムからなり、
前記第1の基板の結晶カットの角度は57[°]~123[°]であり、
前記第2の基板の結晶カットの角度は124[°]~132[°]であり、
前記結晶カットの角度は、前記第1の基板及び前記第2の基板の上面に直交する方向を前記ニオブ酸リチウムの結晶軸の角度を用いて示したものであり、
前記角度は、
前記ニオブ酸リチウムの結晶軸を、X軸、Y軸及びZ軸とし、
前記ニオブ酸リチウムの光学軸を、前記Z軸とした場合に、
前記Y軸及び前記Z軸を含むYZ平面内において、+X軸方向に進むネジの回転方向に+Y軸から計った角度である。 - 前記第1の基板の結晶カットの角度は64[°]であり、
前記第2の基板の結晶カットの角度は128[°]である請求項5に記載の光変調器用基板。 - 前記第1の基板および前記第2の基板は共有結合している請求項5または6に記載の光変調器用基板。
- 以下の工程を含む、光変調器の製造方法:
(a)第1の基板の上面上に電気光学効果を有する第2の基板を接合して形成された基板を準備する工程;
(b)前記第2の基板に、光変調を行うための導波路となるリッジ構造を形成する工程;および
(c)前記リッジ構造上に、前記導波路に対し電圧を印加するための電極を形成する工程、
ここで、
前記第1および第2の基板は同一の材質からなり、
前記第2の基板の屈折率は前記第1の基板の屈折率より大きく、
前記第1の基板および前記第2の基板はニオブ酸リチウムからなり、
前記第1の基板の結晶カットの角度は57[°]~123[°]であり、
前記第2の基板の結晶カットの角度は124[°]~132[°]であり、
前記結晶カットの角度は、前記第1の基板及び前記第2の基板の上面に直交する方向を前記ニオブ酸リチウムの結晶軸の角度を用いて示したものであり、
前記角度は、
前記ニオブ酸リチウムの結晶軸を、X軸、Y軸及びZ軸とし、
前記ニオブ酸リチウムの光学軸を、前記Z軸とした場合に、
前記Y軸及び前記Z軸を含むYZ平面内において、+X軸方向に進むネジの回転方向に+Y軸から計った角度である。 - 前記第1の基板の結晶カットの角度は64[°]であり、
前記第2の基板の結晶カットの角度は128[°]である請求項8に記載の光変調器の製造方法。 - 前記第1の基板および前記第2の基板は共有結合している請求項8または9に記載の光変調器の製造方法。
- 以下の工程を含む、光変調器用基板の製造方法:
(a)第1の基板を準備する工程;
(b)前記第1の基板よりも屈折率が大きく、かつ電気光学効果を有する第2の基板を準備する工程;および
(c)前記第1の基板の上面上に前記第2の基板を接合する工程、
ここで、
前記第1および第2の基板は同一の材質からなり、
前記第2の基板内に、光変調を行うための導波路を形成することが可能であり、
前記第1の基板および前記第2の基板はニオブ酸リチウムからなり、
前記第1の基板の結晶カットの角度は57[°]~123[°]であり、
前記第2の基板の結晶カットの角度は124[°]~132[°]であり、
前記結晶カットの角度は、前記第1の基板及び前記第2の基板の上面に直交する方向を前記ニオブ酸リチウムの結晶軸の角度を用いて示したものであり、
前記角度は、
前記ニオブ酸リチウムの結晶軸を、X軸、Y軸及びZ軸とし、
前記ニオブ酸リチウムの光学軸を、前記Z軸とした場合に、
前記Y軸及び前記Z軸を含むYZ平面内において、+X軸方向に進むネジの回転方向に+Y軸から計った角度である。 - さらに以下の工程を含む、請求項11に記載の光変調器用基板の製造方法:
(d)工程(c)の後、前記第1および第2の基板に熱処理を行う工程。 - さらに以下の工程を含む、請求項12に記載の光変調器用基板の製造方法:
(e)工程(c)の後、第2の基板を研磨する工程。 - 工程(c)の後、前記第1および第2の基板は共有結合する請求項11から13のいずれか1項に記載の光変調器用基板の製造方法。
- 前記第1の基板の結晶カットの角度は64[°]であり、
記導第2の基板の結晶カットの角度は128[°]である請求項11から14のいずれか1項に記載の光変調器用基板の製造方法。
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