JP7380389B2 - 光導波路素子及びそれを用いた光変調デバイス並びに光送信装置 - Google Patents
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Description
本発明は、光導波路素子及びそれを用いた光変調デバイス並びに光送信装置に関し、特に、光導波路を形成した基板と、該光導波路の入力部又は出力部が配置された該基板の端面に沿って該基板上に配置された補強ブロックとを備えた光導波路素子に関する。
光計測技術分野や光通信技術分野において、光変調器など、光導波路を形成した基板を用いた光導波路素子が多用されている。ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの電気光学効果を有する基板を用いた光導波路素子に、光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極を形成し、光変調素子（ＬＮチップ）が形成される。ＬＮチップは、金属等の筐体内に実装されると共に、光導波路素子の光導波路に光波を入力又は出力するため、光導波路素子の端面に光学レンズが接着固定される。
光学レンズを用いることで、入力光又は出力光と、光導波路との結合効率の良い光変調器を提供することが可能である。仮に、ＬＮチップと筐体との実装の位置がずれた場合においても、レンズの位置・角度を調整することで、挿入損失の低い構成を実現することができる。
図１は、特許文献１又は２のように、偏波合成機能を備えた光変調器の一例を示したものである。基板１に光導波路２や該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極（不図示）が形成されている。光導波路２にはマッハツェンダー型光導波路を入れ子構造に配置した２組のネスト型光導波路が用いられている。
また、図１には、光ファイバＦ１から光学レンズ１１を介して単一偏波の光波を入力し、ビームスプリッター５で２つの光波に分け、その後、光学レンズ３０を介して、光導波路２の入力部に導入される。また、光導波路２から光学レンズ４０を介して出力した２つの光波の一方は、波長板６で偏波面を回転し、当該２つの光波は偏波ビームコンバイナ７で偏波合成され、その後、光学レンズ１２を介して、光ファイバＦ２に導入される。なお、符号９１，９２は、筐体の気密性を確保するために筐体８の側面に設けられた光学窓である。
光学レンズ３０（４０）を保持する（又は光学レンズを一体成型した）光学ブロック３（４）は、基板１の端面に接着剤を使用して貼り付けられている。また、基板１の端面側の上部には該端面側の接着面積を増大して光学ブロックとの接着強度を高めると共に、基板１の端面側の機械的強度を高めるための補強ブロックが貼り付けられている。
特許文献３のように、近年では、光導波路素子を筐体内に実装した光変調デバイスにおいて、筐体の一側面から、光波の入力や出力を行うため、図２に示すように、光導波路素子の一側面に光導波路２の入力部と出力部を配置する構成が提案されている。このような光導波路素子の一側面に、光学レンズ（３１，３２）を保持する光学ブロック３が貼り付けられる。図３は、光導波路素子（基板１）に光学ブロック３を貼り付けた様子を示す図であり、図３（ａ）は側面方向から見た側面図であり、図３（ｂ）は、上方から見た平面図である。基板１の端面側の上部には補強ブロック１０が接着剤（不図示）により固定されている。さらに、基板１と補強ブロックの端面には光学ブロック３が接着剤Ａにより接着固定されている。
光学ブロックとしては、上述したような光学レンズの保持に限らず、反射部材や偏光子などの他の光学部材を一体的に保持するものがある。また、基板１と補強ブロック１０に接着固定される光学部品は、光学ブロックに限らず、スリーブ（円筒）状の保持部材やＶ溝基板に固定した光ファイバを基板１の端面に直接貼り付けるような構成も含まれる。
光導波路素子を構成する基板としてＬＮなどの強誘電体材料が使用され、補強ブロックにも基板１と線膨張係数を合わせるために、ＬＮなどの材料が使用される。これに対し、光学部品の素材としては、ガラス（有機ガラスや光学ガラスなど）やプラスチックが使用される。このため、基板や補強ブロックと光学ブロックでは、線膨張係数が、５×１０－６／℃以上異なる場合もある。
また、光導波路素子のサイズは、チップ幅が０．５～３ｍｍ程度、補強ブロックと光導波路素子の基板の厚さの合計は１～２ｍｍ程度である。特に、図１に示すような複数のマッハツェンダー構造や、図２に示すような入出力が同一端面にある折り返し構造の場合では、チップ幅が１．５ｍｍよりも大きくなり、光学ブロック３と基板１との接着面積がより大きくなるため、基板や補強ブロックと光学ブロックとの線膨張係数の差の影響を受けやすい。
光導波路素子自体や環境雰囲気が温度変化すると、上述した線膨張係数の差により、基板や補強ブロックと光学ブロックとの接合面に内部応力が発生する。発生した応力が大きい場合や温度変化の繰り返しによる応力変化で接合面が疲労劣化した場合には、光学ブロックに保持された光学部品が最適位置からずれ、損失が大きくなり、最悪の場合には、光学ブロックが光導波路素子の端面から脱落するなどの弊害を生じる。しかも、図１に示すような複数のマッハツェンダー構造や、図２に示すような入出力が同一端面にある折り返し構造の場合では、光学ブロック３と基板１や補強ブロック１０との接着面積が大きくなり、これらの問題はより顕著となる。
本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、基板や補強ブロックと光学ブロックとの接合部に発生する内部応力を減少させた光導波路素子を提供することである。また、その光導波路素子を利用した光変調デバイス及び光送信装置を提供することである。
上記課題を解決するため、本発明の光導波路素子及びそれを用いた光変調デバイス並びに光送信装置は、以下の技術的特徴を有する。
（１） 光導波路を形成した基板と、該光導波路の入力部又は出力部が配置された該基板の端面に沿って該基板上に配置された補強ブロックとを備えた光導波路素子において、該基板及び該補強ブロックの端面に接合される光学部品を有し、少なくとも該光学部品における前記接合する面に使用される材料と、該基板又は該補強ブロックに使用される材料とは、前記接合する面に平行な方向の線膨張係数が異なり、該基板に対して該補強ブロックが位置する方向を上側とした場合に、該補強ブロックの上面の位置より該光学部品の上面の位置を高く設定し、該光学部品の前記接合する部分の面積は、該基板と該補強ブロックの前記接合する部分を含む端面の面積よりも、小さくなるように設定されていることを特徴とする。
（１） 光導波路を形成した基板と、該光導波路の入力部又は出力部が配置された該基板の端面に沿って該基板上に配置された補強ブロックとを備えた光導波路素子において、該基板及び該補強ブロックの端面に接合される光学部品を有し、少なくとも該光学部品における前記接合する面に使用される材料と、該基板又は該補強ブロックに使用される材料とは、前記接合する面に平行な方向の線膨張係数が異なり、該基板に対して該補強ブロックが位置する方向を上側とした場合に、該補強ブロックの上面の位置より該光学部品の上面の位置を高く設定し、該光学部品の前記接合する部分の面積は、該基板と該補強ブロックの前記接合する部分を含む端面の面積よりも、小さくなるように設定されていることを特徴とする。
（２） 上記（１）に記載の光導波路素子において、前記接合する部分の面積を減少させるため、該光学部品の該基板又は該補強ブロックに対向する面の一部には、切欠き部が形成されていることを特徴とする。
（３） 上記（２）に記載の光導波路素子において、前記線膨張係数の差が大きい方向に対して、該光学部品に該切欠き部を形成して、当該方向に係る接合する面の長さを小さくすることを特徴とする。
（３） 上記（２）に記載の光導波路素子において、前記線膨張係数の差が大きい方向に対して、該光学部品に該切欠き部を形成して、当該方向に係る接合する面の長さを小さくすることを特徴とする。
（４） 上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光導波路素子において、該光学部品の上面の面積は、下面の面積よりも大きくなることを特徴とする。
（５） 上記（４）に記載の光導波路素子において、前記上面の面積は、直径がφ０．５ｍｍの吸着部が接触する面積より大きいことを特徴とする。
（５） 上記（４）に記載の光導波路素子において、前記上面の面積は、直径がφ０．５ｍｍの吸着部が接触する面積より大きいことを特徴とする。
（６） 上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の光導波路素子において、該光学部品の前記接合する部分の周囲には、接着剤の塗布領域を制限するための溝が形成されていることを特徴とする。
（７） 上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の光導波路素子において、前記接合する部分の形状は、周囲の角部が湾曲して形成されていることを特徴とする。
（８） 上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の光導波路素子は、該光導波路を伝搬する光波を変調する電極を備え、該光導波路素子は筐体内に収容され、該光導波路に光波を入力又は出力する光ファイバを備えることを特徴とする光変調デバイスである。
（９） 上記（８）に記載の光変調デバイスにおいて、該光導波路素子に入力する変調信号を増幅する電子回路を該筐体の内部に有することを特徴とする。
（１０） 上記（８）又は（９）に記載の光変調デバイスと、該光変調デバイスに変調動作を行わせる変調信号を出力する電子回路とを有することを特徴とする光送信装置である。
本発明は、光導波路を形成した基板と、該光導波路の入力部又は出力部が配置された該基板の端面に沿って該基板上に配置された補強ブロックとを備えた光導波路素子において、該基板及び該補強ブロックの端面に接合される光学部品を有し、少なくとも該光学部品における前記接合する面に使用される材料と、該基板又は該補強ブロックに使用される材料とは、前記接合する面に平行な方向の線膨張係数が異なり、該光学部品の前記接合する部分の面積は、該基板と該補強ブロックの前記接合する部分を含む端面の面積よりも、小さくなるように設定されているため、接合する面での接合する部分の面積を少なくすることができ、接合面に働く内部応力を減少させることが可能となる。
以下、本発明の光導波路素子について、好適例を用いて詳細に説明する。
本発明の光導波路素子は、図４～図９に示すように、光導波路を形成した基板１と、該光導波路の入力部又は出力部が配置された該基板の端面に沿って該基板上に配置された補強ブロック１０とを備えた光導波路素子において、該基板及び該補強ブロックの端面に接合される光学部品３を有し、少なくとも該光学部品における前記接合する面に使用される材料と、該基板又は該補強ブロックに使用される材料とは、前記接合する面に平行な方向の線膨張係数が異なり、該光学部品の前記接合する部分の面積は、該基板と該補強ブロックの前記接合する部分を含む端面の面積よりも、小さくなるように設定されていることを特徴とする。
本発明の光導波路素子は、図４～図９に示すように、光導波路を形成した基板１と、該光導波路の入力部又は出力部が配置された該基板の端面に沿って該基板上に配置された補強ブロック１０とを備えた光導波路素子において、該基板及び該補強ブロックの端面に接合される光学部品３を有し、少なくとも該光学部品における前記接合する面に使用される材料と、該基板又は該補強ブロックに使用される材料とは、前記接合する面に平行な方向の線膨張係数が異なり、該光学部品の前記接合する部分の面積は、該基板と該補強ブロックの前記接合する部分を含む端面の面積よりも、小さくなるように設定されていることを特徴とする。
本発明の光導波路素子に使用される基板１の材料としては、電気光学効果を有する強誘電体材料、具体的には、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）などの基板や、これらの材料による気相成長膜などが利用可能である。また、半導体材料や有機材料など種々の材料も光導波路素子の基板として利用可能である。
光導波路を形成した基板１の厚さは、変調信号のマイクロ波と光波との速度整合を図るため、１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下に設定される場合がある。このような場合には、基板１の機械的強度を補強するため、０．２～１ｍｍ厚の補強基板を、直接接合又は接着剤を介して貼り合わせることが行われる。
本発明の光導波路素子において、「光導波路を形成した基板」とは、単に１枚の基板のみを意味するのではなく、光導波路を形成した薄板（例えば、１０μｍ以下の厚み）と、該薄板を支持する補強基板との接合体をも含む概念である。
また、「光導波路を形成した基板」には、補強基板上に気相成長膜を形成し、当該膜を光導波路の形状に加工するような基板も含む。
本発明の光導波路素子において、「光導波路を形成した基板」とは、単に１枚の基板のみを意味するのではなく、光導波路を形成した薄板（例えば、１０μｍ以下の厚み）と、該薄板を支持する補強基板との接合体をも含む概念である。
また、「光導波路を形成した基板」には、補強基板上に気相成長膜を形成し、当該膜を光導波路の形状に加工するような基板も含む。
基板１に光導波路を形成する方法としては、Ｔｉなどの高屈折率材料を基板に熱拡散する方法や、プロトン交換法により高屈折率部分を形成する方法を使用することが可能である。また、光導波路以外の基板部分をエッチングする方法や、光導波路の両側に溝を形成する方法などで、基板の光導波路に対応する部分を凸状としたリブ型光導波路を形成することも可能である。さらに、リブ型光導波路と、熱拡散法などの光導波路を一緒に使用することも可能である。
基板１の端面側の上部には、基板１と同じ材料のＬＮなどを使用した補強ブロックが配置固定される。補強ブロック１０の端面（基板１の端面と同じ側の面）は、光学ブロックなどの光学部品を接着するための接合面として利用される。
光学部品は、光学レンズ、反射部材、偏光子などを保持する光学ブロックや、光ファイバの端部付近を保持するスリーブ（円筒）状の保持部材またはＶ溝基板などが含まれる。光学部品を構成する材料は、有機ガラスや光学ガラスなどのガラス材料や、プラスチック材料が使用される。
ＬＮ基板はＺ軸方向に対して線膨張係数が４．０×１０－６／℃であり、Ｘ軸（Ｙ軸）方向には、１４．０×１０－６／℃である。光学部品を例えば光学ガラス材料で構成する場合には、線膨張係数は６．４×１０－６／℃となる。ＬＮ基板に光学部品を貼り付けた場合には、ＬＮ基板の接合面にＸ軸又はＹ軸が存在する場合に、両者の線膨張係数の差が、５．０×１０－６／℃以上となり、差異が顕著となる。その結果、基板や環境等の温度変化に伴い、光学部品の位置ずれや、光学部品の剥離あるいは脱落が発生する。
また、光導波路素子を収容する金属等の筐体は、光導波路素子に使用される基板に近い線膨張係数をもつ材料が選択される。ＬＮ基板の場合にはステンレス鋼が多く用いられるが、ステンレス鋼の線膨張係数は、１７．３×１０－６／℃で光学部品との線膨張係数の差が大きくなることから、光学部品は筐体には接合されず、専ら基板１や補強ブロック１０に接合して保持されている。
本発明の光導波路素子の特徴は、図４～図９に示すように、基板１や補強ブロック１０と光学部品３とが接合する部分Ａの面積は、該基板と該補強ブロックの前記接合する面が形成する面積よりも、小さくなるように設定されていることである。
このように、接合する部分Aの面積をより小さくすることで、当該接合面に発生する内部応力の減少に寄与している。図４では、具体的な方法として、光学部品３に切欠き部Ｂ（Ｂ’）を形成し、光学部品３の接合(符号Ａ部分）に係る面積を減少させている。図４のように、切欠き部Ｂ（Ｂ’）が形成された位置は、接合面側の光学部品３の厚みを減らすように設定されている。当然、光学部品３の接合部の面積を減らすためは、切欠き部を厚み方向だけでなく、幅方向に形成することも可能である。このような切欠き部は、光学部品３の側面から切削器具を接触させて容易に加工ができるため生産性を高めるために好適である。
図５は、図４の点線Ｓにおける、光学部品３と基板１及び補強ブロック１０の接合部分の形状を示したものである。図５（ａ）は、接合部分である光学部品３の端面の形状が矩形状となっている。このような矩形状の角部では、内部応力の集中が発生し易くなる。これを抑制するため、図５（ｂ）のように、光学部品３の角部を湾曲して構成することも可能である。
光学部品３に形成する切欠き部は、図６に示すように傾斜して形成することも可能である。図６のように、光学部品の切欠き部（Ｃ，Ｃ’）に角部が形成されないように構成することで、光学部品内の内部応力の集中も抑制することが可能となる。
切欠き部を設ける位置については、線膨張係数の差が大きい方向に対して厚み（幅）が小さくなるように切り込みを行う。図４では、基板１の厚み方向の線膨張係数の差に対応するための処置を示している。また、図６は、基板１の幅方向の線膨張係数の差に対応するための処置である。
図７では、光学部品である光学ブロック３は、吸着治具Ｈ１で吸着して搬送され、接着剤を塗布した基板１や補強ブロック１０の端面に接触される。そして、加重センサー付き押圧手段Ｈ２で、光学ブロック３を基板１の方向に軽く押し、光学ブロック３を基板１等の端面の適正な位置に接合させる。このように、光学ブロックを取り扱う治具が接触する面積を確保するため、光学ブロック自体を小型化することが難しい。図７に示すように、光学部品（光学ブロック）３の上面の面積を、下面の面積よりも大きくなるように切込み部Ｄを設けている。これにより、吸着治具Ｈ１などの接触面積を、光学部品の上面側に、十分に確保しながら、光学部品と基板等との接合の面積を減少させることが可能となる。
なお、吸着治具Ｈ１による光学ブロック３の吸着部はφ０．５ｍｍからφ１．０ｍｍであるため、光学ブロック上面の面積を多く占め、光学部品のハンドリングが難しくなることもある。このため図７のように光学部品（光学ブロック）３の上面と補強ブロック１０の上面との境界で段差がないようにしてもよい。これにより吸着治具Ｈ１が補強ブロックに当たることがなくなるため光学部品の接合作業が容易になる。
また、補強ブロック１０の上面の位置より光学部品（光学ブロック）３の上面の位置を高くすると更に好ましい。この場合、光学ブロック３を張り付ける際にはみ出た接着剤が光学ブロック３の上面に進むことができなくなるため、吸着治具H1による接着剤の吸引を抑制することができ、光学部品の接合作業が更に容易になる。
上述した構成では、光学部品自体の接触面積を低下させるため、切込み部を設けているが、これに限らず、切込み部を設けなくとも、接着剤が接合する面の全体に広がらないように接着剤の量を調整して塗布することで、接合する面（基板１と補強ブロック１０によって形成される領域）よりも小さい領域（点線Ａ）で光学部品３を固定することも可能である。
接着剤の塗布領域を制限する方法としては、図８及び９に示すように、光学部品の接合する面に、接着剤の塗布領域を制限するための溝Ｅを形成することで容易に実現することが可能である。
また、接合する部分の形状（溝Ｅで囲まれる領域）は、図９（ａ）のように矩形状に限らず、図９（ｂ）のように、周囲の角部が湾曲して形成することも可能である。このように湾曲した曲線部分を用いることで、矩形状の角部に内部応力が集中するという不具合も解消される。
本発明の光導波路素子は、基板１に光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極を設け、図１又は図１０のように、筐体８内に収容される。さらに、光導波路に光波を入出力する光ファイバ（Ｆ１，Ｆ２，又はＦ）を設けることで、光変調デバイスＭＤを構成することができる。光ファイバは、図１又は図１０のように筐体８の外側に配置するだけでなく、筐体の側壁を貫通する貫通孔を介して筐体内に導入して配置固定することも可能である。
光変調デバイスＭＤに変調動作を行わせる変調信号を出力する電子回路（デジタル信号プロセッサーＤＳＰ）を、光変調デバイスＭＤに接続することにより、光送信装置ＯＴＡを構成することが可能である。光導波路素子に印加する変調信号は増幅する必要があるため、ドライバ回路ＤＲＶが使用される。ドライバ回路ＤＲＶやデジタル信号プロセッサーＤＳＰは、筐体４の外部に配置することも可能であるが、筐体４内に配置することも可能である。特に、ドライバ回路ＤＲＶを筐体内に配置することで、ドライバ回路からの変調信号の伝搬損失をより低減することが可能となる。
以上説明したように、本発明によれば、基板や補強ブロックと光学ブロックとの接合部に発生する内部応力を減少させた光導波路素子を提供することが可能となる。また、その光導波路素子を利用した光変調デバイス及び光送信装置を提供することが可能となる。
１ 基板
２ 光導波路
３ 光学ブロック（光学部品）
１０ 補強ブロック
Ａ 接合面（接着剤）
ＭＤ 光変調デバイス
ＯＴＡ 光送信装置
２ 光導波路
３ 光学ブロック（光学部品）
１０ 補強ブロック
Ａ 接合面（接着剤）
ＭＤ 光変調デバイス
ＯＴＡ 光送信装置
Claims (10)
- 光導波路を形成した基板と、該光導波路の入力部又は出力部が配置された該基板の端面に沿って該基板上に配置された補強ブロックとを備えた光導波路素子において、
該基板及び該補強ブロックの端面に接合される光学部品を有し、
少なくとも該光学部品における前記接合する面に使用される材料と、該基板又は該補強ブロックに使用される材料とは、前記接合する面に平行な方向の線膨張係数が異なり、
該基板に対して該補強ブロックが位置する方向を上側とした場合に、該補強ブロックの上面の位置より該光学部品の上面の位置を高く設定し、
該光学部品の前記接合する部分の面積は、該基板と該補強ブロックの前記接合する部分を含む端面の面積よりも、小さくなるように設定されていることを特徴とする光導波路素子。 - 請求項１に記載の光導波路素子において、前記接合する部分の面積を減少させるため、該光学部品の該基板又は該補強ブロックに対向する面の一部には、切欠き部が形成されていることを特徴とする光導波路素子。
- 請求項２に記載の光導波路素子において、前記線膨張係数の差が大きい方向に対して、該光学部品に該切欠き部を形成して、当該方向に係る接合する面の長さを小さくすることを特徴とする光導波路素子。
- 請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子において、該光学部品の上面の面積は、下面の面積よりも大きくなることを特徴とする光導波路素子。
- 請求項４に記載の光導波路素子において、前記上面の面積は、直径がφ０．５ｍｍの吸着部が接触する面積より大きいことを特徴とする光導波路素子。
- 請求項１乃至５のいずれかに記載の光導波路素子において、該光学部品の前記接合する部分の周囲には、接着剤の塗布領域を制限するための溝が形成されていることを特徴とする光導波路素子。
- 請求項１乃至６のいずれかに記載の光導波路素子において、前記接合する部分の形状は、周囲の角部が湾曲して形成されていることを特徴とする光導波路素子。
- 請求項１乃至７のいずれかに記載の光導波路素子は、該光導波路を伝搬する光波を変調する電極を備え、該光導波路素子は筐体内に収容され、該光導波路に光波を入力又は出力する光ファイバを備えることを特徴とする光変調デバイス。
- 請求項８に記載の光変調デバイスにおいて、該光導波路素子に入力する変調信号を増幅する電子回路を該筐体の内部に有することを特徴とする光変調デバイス。
- 請求項８又は９に記載の光変調デバイスと、該光変調デバイスに変調動作を行わせる変調信号を出力する電子回路とを有することを特徴とする光送信装置。
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