WO2022071377A1 - 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

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 Download PDF

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真悟 高野
優 片岡
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Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide element, an optical modulation device using the optical waveguide, and an optical transmission device, and in particular, a rib-type optical waveguide made of a material having an electro-optical effect and a reinforcing substrate supporting the optical waveguide.
  • the present invention relates to an optical waveguide element provided.
  • the bending radius of the optical waveguide is reduced by strengthening the light confinement effect of the optical waveguide.
  • the directions of the light wave incident on the optical waveguide element and the light wave emitted are 90 degrees.
  • an optical modulator suitable for miniaturization such as bending 180 degrees, can be manufactured.
  • it is effective to miniaturize the optical waveguide for example, by setting the mode field diameter (MFD) of the propagating light wave to 3 ⁇ m or less.
  • MFD mode field diameter
  • LiNbO 3 (hereinafter referred to as LN), which has an electro-optical effect, is used as an optical modulator for a long distance because it has less distortion and low optical loss when converting an electric signal into an optical signal. Since the MFD of the optical waveguide of No. 1 is about 10 ⁇ m and the bending radius is as large as several tens of mm, it is difficult to reduce the size. However, in recent years, it has become possible to make LN thin plates by improving polishing technology and bonding technology, and research and development of LN optical waveguide elements having an MFD of about 1 ⁇ m are progressing.
  • the MFD of an optical fiber is about 10 ⁇ m, and in an optical waveguide element including a fine optical waveguide having an MFD smaller than 3 ⁇ m, when the optical fiber is directly bonded to the element end surface when light is incident from the element end surface, Large insertion loss occurs.
  • the spot size of the incident light wave has a spot size of 3 ⁇ m or more
  • the MFD has a spot size of 3 ⁇ m or less
  • the emitted light wave has a spot size that expands. It is being considered to provide a transducer (SSC) in the chip.
  • SSC transducer
  • Patent Documents 1 to 3 As a general SSC, as shown in Patent Documents 1 to 3, a taper type that expands the width or thickness of the optical waveguide two-dimensionally or three-dimensionally toward the end of the optical waveguide is used.
  • the merit of this method is that the design is simple, but the widening of the optical waveguide induces multi-mode, which limits the designs that can be used and is suitable for optical modulators. not.
  • the problem to be solved by the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide an optical waveguide element that suppresses insertion loss related to coupling with an optical fiber or the like while reducing the size of the optical waveguide element. be. Furthermore, it is an object of the present invention to provide an optical modulation device and an optical transmission device using the optical waveguide element.
  • the optical waveguide element of the present invention the optical modulation device using the optical waveguide element, and the optical transmission device have the following technical features.
  • an optical waveguide element provided with a rib-type optical waveguide formed of a material having an electro-optical effect and a reinforcing substrate that supports the optical waveguide
  • one end of the optical waveguide is on the end face of the reinforcing substrate.
  • a structure made of a material having a higher refractive index than the material constituting the reinforcing substrate is provided so as to form a tapered portion whose width narrows toward the direction and to cover the tapered portion, and to cover the structure. It is characterized by arranging a coating layer made of a material having a refractive index lower than that of the material constituting the structure.
  • the tapered portion is composed of an optical waveguide having a shape of being stacked in multiple stages, and the width of the optical waveguide arranged on the upper side is the optical waveguide arranged on the lower side. It is characterized in that it is configured to be narrower than the width.
  • the coating layer is composed of an adhesive, and the coating layer is an optical waveguide substrate arranged on the upper side of the structure. It is characterized in that it functions as an adhesive layer to be joined to the reinforcing substrate side on which the waveguide and the structure are formed.
  • the thickness of the reinforcing substrate near the end surface of the reinforcing substrate is larger than the thickness of the reinforcing substrate below the tapered portion. It is characterized by being thinner.
  • the mode field diameter of the light wave propagating in the optical waveguide is smaller than 3 ⁇ m, and the optical waveguide element is connected to the optical waveguide element.
  • the mode field diameter of the optical fiber that inputs or outputs light waves is 3 ⁇ m or more.
  • the optical waveguide element according to any one of (1) to (5) above is characterized in that the optical waveguide element is housed in a housing and includes an optical fiber for inputting or outputting a light wave to the optical waveguide. It is an optical modulation device.
  • the optical waveguide element is provided with a modulation electrode for modulating the light wave propagating in the optical waveguide, and a modulation signal input to the modulation electrode of the optical waveguide element is input.
  • An optical modulation device characterized by having an electronic circuit for amplification inside the housing.
  • An optical transmission device comprising the optical modulation device according to (6) or (7) above, and an electronic circuit that outputs a modulation signal that causes the optical modulation device to perform a modulation operation.
  • the present invention is an optical waveguide element including a rib-shaped optical waveguide formed of a material having an electro-optical effect and a reinforcing substrate that supports the optical waveguide.
  • One end of the optical waveguide is an end face of the reinforcing substrate.
  • a structure made of a material having a higher refractive index than the material constituting the reinforcing substrate is provided so as to form a tapered portion whose width becomes narrower toward the surface, and to cover the tapered portion. Since the coating layer made of a material having a lower refractive index than the material constituting the structure is arranged, the MFD of the light wave can be reduced or expanded while suppressing the generation of multimode light, so that it can be used with an optical fiber or the like. It is possible to suppress the insertion loss related to coupling and provide an optical waveguide element suitable for miniaturization.
  • FIG. 7 It is a perspective view which shows an example of the optical waveguide element of this invention. It is sectional drawing in XX'of the optical waveguide element of FIG. It is a top view of the optical waveguide element of FIG. It is sectional drawing in each dotted line of FIG. It is a figure explaining the change of the rib shape by a two-step etching process. It is a figure explaining the shape of the end part of the optical waveguide which performed the two-step etching process of FIG. It is a perspective view which shows the other shape of the optical waveguide used for the optical waveguide element of this invention. It is a perspective view which shows the optical waveguide element provided with the optical waveguide of the shape shown in FIG. 7.
  • the optical waveguide element of the present invention includes a rib-type optical waveguide 10 made of a material (1) having an electro-optical effect, and a reinforcing substrate 2 that supports the optical waveguide.
  • one end of the optical waveguide constitutes a tapered portion 11 whose width narrows toward the end face of the reinforcing substrate, and the refractive index is higher than that of the material constituting the reinforcing substrate so as to cover the tapered portion. It is characterized in that a structure 3 made of a material having a high refractive index is provided, and a coating layer 4 made of a material having a refractive index lower than that of the material constituting the structure is arranged so as to cover the structure.
  • Examples of the material constituting the optical waveguide used in the optical waveguide element of the present invention include a ferroelectric material having an electro-optical effect, specifically, lithium niobate (LN) or lithium tantalate (LT), PLZT ( A substrate such as lead zirconate titanate lanthanum) or an epitaxial film made of these materials can be used. Further, various materials such as semiconductor materials and organic materials can also be used as substrates for optical waveguide elements.
  • a ferroelectric material having an electro-optical effect specifically, lithium niobate (LN) or lithium tantalate (LT), PLZT ( A substrate such as lead zirconate titanate lanthanum) or an epitaxial film made of these materials can be used.
  • various materials such as semiconductor materials and organic materials can also be used as substrates for optical waveguide elements.
  • the thickness of the optical waveguide 10 used in the present invention is extremely thin, about several ⁇ m, and a method of mechanically polishing a crystal substrate such as LN to make it thin, or a method of using an epitaxial film such as LN.
  • the epitaxial film is formed by a sputtering method, a CVD method, a solgel method, or the like according to the crystal orientation of a single crystal substrate such as a SiO 2 substrate, a sapphire single crystal substrate, or a silicon single crystal substrate. ..
  • the reinforcing substrate 2 is arranged on the back surface side of the optical waveguide 10 in order to increase the mechanical strength of the optical waveguide element.
  • the reinforcing substrate 2 may be made of a material having a lower refractive index than the waveguide layer, such as a SiO 2 substrate. It is also possible to directly bond the layer 1 constituting the optical waveguide 10 on the reinforcing substrate 2, or to use the reinforcing substrate 2 as a base for crystal growth to provide a layer constituting the optical waveguide of an epitaxial film.
  • the method of forming the rib-shaped protrusions constituting the optical waveguide can be formed by dry or wet etching the layer (for example, the LN layer) forming the optical waveguide. Further, in order to increase the refractive index of the rib portion, it is also possible to use a method of thermally diffusing a high refractive index material such as Ti at the position of the rib portion.
  • the feature of the optical waveguide element of the present invention is that, as shown in FIG.
  • This is a completely different shape from the conventional tapered shape in which the width becomes wider or the thickness becomes thicker toward the end portions of Patent Documents 1 to 3.
  • FIG. 1 or FIG. 3 exemplifies a reverse taper shape in which the width of the optical waveguide changes
  • the present invention is not limited to such a shape, and the difference in refractive index between the core portion and the clad portion sets the light wave in a single mode.
  • the structure 3 is provided with a material having a higher refractive index than the material constituting the reinforcing substrate 2 so as to cover the tapered portion having a narrowed width.
  • the refractive index of this structure is lower than the refractive index of the material constituting the optical waveguide 10.
  • an inorganic material such as glass or a resin-based material having an increased refractive index can be used. When considering the durability of SSC, it may be composed of an inorganic material.
  • the structure 3 is formed of an adhesive or a resin material such as a photoresist (permanent resist), air bubbles easily enter the vicinity of the optical waveguide 10 when the resin is applied. Therefore, it is more preferable to form an inorganic material by forming a film by a sputtering method or the like.
  • a coating layer 4 made of a material having a refractive index lower than that of the material constituting the structure is arranged so as to cover the structure 3.
  • a resin layer such as an adhesive can be used, but it may be an air layer.
  • the coating layer 4 is made of an adhesive
  • the upper reinforcing substrate 5 arranged on the upper side of the structure 3 is the reinforcing substrate (2) on which the optical waveguide 10 and the structure 3 are formed. It is also possible to function as an adhesive layer to be joined to the side.
  • the upper reinforcing substrate 5 not only enhances the mechanical strength of the end face of the optical waveguide element, but also serves as a supporting means when the optical fiber or the optical block is directly bonded to the end face. By such a support means, the optical axis of the optical fiber and the optical waveguide can be easily aligned, and the connection loss can be reduced even in the case of connection with different MFDs.
  • FIGS. 4A to 4D Each cross section from the dotted line AA'to DD' in FIG. 3 is shown in FIGS. 4A to 4D.
  • FIG. 4 The optical waveguide is gradually switched from (a) to (d), and the spot size conversion of the propagating light wave is also realized.
  • FIG. 6 as shown in FIG. 5, a resist pattern was placed on the pattern of the optical waveguide 10 once created, and the LN around the optical waveguide 10 was further removed to make the depth of the optical waveguide 10 deeper. Shows the case. In this case, the portion indicated by the shaded area is further scraped, and the width of the optical waveguide 12 becomes narrower. Since the width of the reverse taper shape also sharply narrows, the propagation loss increases.
  • the tapered portion (11, 15) is composed of the optical waveguide (10, 14) having a multi-stage stacked shape.
  • the width W1 of the optical waveguide 10 arranged on the upper side is configured to be narrower than the width W2 of the optical waveguide 14 arranged on the lower side.
  • the first time etching is performed with a resist pattern that matches the shape of the optical waveguide 10
  • the second time etching is performed with a resist pattern that matches the shape of the optical waveguide 14. ..
  • FIG. 7 (or FIG. 1), the vicinity of the tapered portion is etched until the reinforcing substrate 2 is exposed, but an extremely thin LN portion may remain.
  • the tapered portion of FIG. 8 is composed of two-stage stacked tapered portions (11, 15), but the taper portion is not limited to two stages and may be three or more stages.
  • the structure 3 is arranged so as to cover the tapered portion of the optical waveguide.
  • the structure 3 is the same as that described above.
  • the covering layer 4 and the upper reinforcing substrate 5 are arranged in the same manner as in FIG. Needless to say, it is possible to replace the covering layer 4 with an air layer.
  • FIGS. 11 (a) to 11 (d) Cross-sectional views taken along the dotted lines AA'to DD' in FIG. 10 are shown in FIGS. 11 (a) to 11 (d).
  • the MFD of the light wave propagating through the optical waveguide 10 of FIG. 11 (a) gradually changes from FIG. 11 (a) to (d), and finally with the core portion 3 as shown in FIG. 11 (d).
  • the MFD of the light wave is gradually expanded into the optical waveguide composed of the clad portions (2 and 4).
  • the propagation loss between the SSC having the shape shown in FIG. 1 and the SSC shown in FIG. 8 was compared by simulation.
  • the refractive index of each member was assumed to be 2.138 for the optical waveguide 10, 1.494 for the reinforcing substrate 2, 1.575 for the structure 3, and 1.542 for the covering layer 4.
  • the thickness of the layer 1 of the material constituting the optical waveguide of FIG. 1 was 0.2 ⁇ m
  • the thickness of the optical waveguide 10 protruding from the surface of the layer 1 was 0.6 ⁇ m
  • the width of the optical waveguide 10 was 1.3 ⁇ m. It is assumed that the width of the optical waveguide constituting the tapered portion 11 in FIG. 8 is 1.3 ⁇ m and the width of the optical waveguide constituting the tapered portion 15 is 3.0.
  • the propagation loss improved from 0.41 to 0.05 (Loss / dB) in the case of the two-stage taper section as shown in FIG. 8 as compared with the one composed of the one-stage taper section. I was able to confirm that. Further, considering the coupling loss of the optical fiber, the propagation loss of the optical wave propagating from the optical waveguide 10 to the optical fiber via the SSC portion was improved from 0.73 to 0.32 (Loss / dB).
  • the thickness of the reinforcing substrate 20 near the end surface of the reinforcing substrate is equal to the thickness of the reinforcing substrate 2 on the lower side of the tapered portion (15).
  • it can be configured thinner.
  • FIG. 13 shows a portion of the thinned reinforcing substrate 20 (a region to be cut deeper by the reinforcing substrate 2) as a shaded portion of R1 to R3.
  • the reinforcing substrate 2 is formed thinly according to the shape of the tapered portion 15 as shown in FIG. 13C. It is also possible.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view taken along the dotted line AA'of FIG. 13A, and the white cross shown in the figure of FIG. 14 is a superposition of the tip positions of the tapered portion 11 of the optical waveguide. Is. In this way, by providing a portion that makes the reinforcing substrate 2 thinner, the position of the tapered portion 11 that is the tip of the optical waveguide 10 can be adjusted to the center position of the optical waveguide having the structure 3 as the core portion. It becomes possible and the propagation loss can be reduced.
  • the MFD of the light wave propagating in the optical waveguide in the element is smaller than 3 ⁇ m (for example, about 1 ⁇ m), and the light is connected to the optical waveguide element and inputs or outputs the light wave to the optical waveguide in the element.
  • the mode field diameter of the fiber is 3 ⁇ m or more (for example, 10 ⁇ m).
  • the optical waveguide element of the present invention is provided with a modulation electrode that modulates the light wave propagating in the optical waveguide 10, and is housed in the housing 8 as shown in FIG. Further, the optical modulation device MD can be configured by providing the optical fiber F for inputting / outputting light waves to the optical waveguide. In FIG. 15, the optical fiber is introduced into the housing through a through hole penetrating the side wall of the housing and is directly bonded to the optical waveguide element.
  • the optical waveguide element and the optical fiber can also be optically connected via a spatial optical system.
  • an optical transmission device OTA by connecting an electronic circuit (digital signal processor DSP) that outputs a modulation signal that causes the optical modulation device MD to perform a modulation operation to the optical modulation device MD. Since the modulation signal applied to the optical waveguide element needs to be amplified, the driver circuit DRV is used.
  • the driver circuit DRV and the digital signal processor DSP can be arranged outside the housing 8, but can also be arranged inside the housing 8. In particular, by arranging the driver circuit DRV in the housing, it is possible to further reduce the propagation loss of the modulated signal from the driver circuit.
  • an optical waveguide element that suppresses insertion loss related to coupling with an optical fiber or the like while reducing the size of the optical waveguide element. Further, it is also possible to provide an optical modulation device and an optical transmission device using the optical waveguide element.

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Abstract

光導波路素子の小型化を図りながら、光ファイバ等との結合に係る挿入損失を抑制した光導波路素子を提供すること。　電気光学効果を有する材料（１）で形成されるリブ型の光導波路（１０）と、該光導波路を支持する補強基板（２）とを備えた光導波路素子において、該光導波路の一端は、該補強基板の端面に向かって幅が細くなるテーパー部分（１１）を構成し、該テーパー部分を覆うように、該補強基板を構成する材料より屈折率の高い材料で構成した構造体（３）を備え、該構造体を覆うように、該構造体を構成する材料より屈折率の低い材料で構成した被覆層（４）を配置したことを特徴とする。

Description

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
　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、電気光学効果を有する材料で形成されるリブ型の光導波路と、該光導波路を支持する補強基板とを備えた光導波路素子に関する。
　近年、情報通信分野における情報量の増大に伴い、長距離伝送の光通信だけでなく、都市間又はデータセンター間に用いている光通信の高速化、大容量化が望まれている。しかも、基地局のスペースによる制限もあることから、光変調器の高速化と小型化に対するニーズが高くなっている。
　特に、光変調器の小型化には、光導波路の光閉じ込め効果を強くすることで、光導波路の曲げ半径を小さくし、例えば、光導波路素子に入射する光波と出射する光波の方向を９０度又は１８０度曲げるなど、小型化に適した光変調器を作製することができる。このような光閉じ込めを強くするには、例えば、伝搬する光波のモードフィールド径（ＭＦＤ）を３μｍ以下に設定するなど、光導波路の微細化が有効である。
　電気光学効果を有するＬｉＮｂＯ３（以下、ＬＮ）は、電気信号を光信号に変換する際に、歪みが少なく、光損失が低いことから、長距離向け光変調器として用いられているが、従来の光導波路のＭＦＤは１０μｍ程度であり、曲げ半径は数１０ｍｍと大きいことから、小型化が困難であった。しかしながら、近年では、研磨技術、貼り合わせ技術の向上によりＬＮ薄板化が可能となり、ＭＦＤが１μｍ程度のＬＮ光導波路素子の研究開発が進んでいる。
　一方、光ファイバのＭＦＤは１０μｍ程度であり、３μｍよりも小さいＭＦＤを有する微細光導波路を含む光導波路素子において、素子端面より光を入射する際に、光ファイバを素子端面に直接接合した場合、大きな挿入損失が発生する。この不具合を解消するには、入射する光波に対しては、ＭＦＤが３μｍ以上のスポットサイズの光波を、ＭＦＤが３μｍ以下に絞り込み、また、出射する光波に対しては、逆に拡大するスポットサイズ変換器（ＳＳＣ）をチップ内に設けることが検討されている。
　一般的なＳＳＣは、特許文献１乃至３に示すように、光導波路の端部に向かって、二次元的または三次元的に光導波路の幅又は厚みを拡大するテーパー型が用いられる。この方法のメリットは、デザインが簡易であることが挙げられるが、光導波路を広げることで、マルチモードを誘起してしまうことから、使用可能なデザインに制限があり、光変調器には向いていない。
国際公開ＷＯ２０１２／０４２７０８号 国際公開ＷＯ２０１３／１４６８１８号 特許第６３６９０３６号公報
　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、光導波路素子の小型化を図りながら、光ファイバ等との結合に係る挿入損失を抑制した光導波路素子を提供することである。さらには、その光導波路素子を用いた光変調デバイス並びに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）　電気光学効果を有する材料で形成されるリブ型の光導波路と、該光導波路を支持する補強基板とを備えた光導波路素子において、該光導波路の一端は、該補強基板の端面に向かって幅が細くなるテーパー部分を構成し、該テーパー部分を覆うように、該補強基板を構成する材料より屈折率の高い材料で構成した構造体を備え、該構造体を覆うように、該構造体を構成する材料より屈折率の低い材料で構成した被覆層を配置したことを特徴とする。
（２）　上記（１）に記載の光導波路素子において、該テーパー部分は多段に積み重ねた形状の光導波路で構成され、上側に配置される光導波路の幅が下側に配置される光導波路の幅よりも狭くなるよう構成されていることを特徴とする。
（３）　上記（１）又は（２）に記載の光導波路素子において、該被覆層は接着剤で構成され、該被覆層は、該構造体の上側に配置される上側補強基板を、該光導波路及び該構造体が形成された該補強基板側に接合する接着層として機能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、該テーパー部分の下側の該補強基板の厚みよりも、該補強基板の端面付近の該補強基板の厚みがより薄くなっていることを特徴とする。
（５）　上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の光導波路素子において、該光導波路を伝搬する光波のモードフィールド径は、３μｍより小さく、該光導波路素子に接続され、該光導波路に光波を入力又は出力する光ファイバのモードフィールド径は、３μｍ以上であることを特徴とする。
（６）　上記（１）乃至（５）いずれかに記載の光導波路素子は、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。
（７）　上記（６）に記載の光変調デバイスにおいて、該光導波路素子は該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極を備え、該光導波路素子の変調電極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。
（８）　上記（６）又は（７）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、電気光学効果を有する材料で形成されるリブ型の光導波路と、該光導波路を支持する補強基板とを備えた光導波路素子において、該光導波路の一端は、該補強基板の端面に向かって幅が細くなるテーパー部分を構成し、該テーパー部分を覆うように、該補強基板を構成する材料より屈折率の高い材料で構成した構造体を備え、該構造体を覆うように、該構造体を構成する材料より屈折率の低い材料で構成した被覆層を配置しているので、マルチモード光の発生を抑制しながら、光波のＭＦＤを縮小又は拡大できるので、光ファイバ等との結合に係る挿入損失を抑制し、小型化に適した光導波路素子を提供することが可能となる。
本発明の光導波路素子の一例を示す斜視図である。 図１の光導波路素子のＸ－Ｘ’における断面図である。 図１の光導波路素子の平面図である。 図３の各点線における断面図である。 ２段階のエッチング工程によるリブ形状の変化を説明する図である。 図５の２段階エッチング処理を施した光導波路の端部の形状を説明する図である。 本発明の光導波路素子に使用される光導波路の他の形状を示す斜視図である。 図７に示す形状の光導波路を備えた光導波路素子を示す斜視図である。 図８の光導波路素子のＸ－Ｘ’における断面図である。 図８の光導波路素子の平面図である。 図１０の各点線における断面図である。 本発明の光導波路素子の補強基板の一部の厚みを薄くした実施例を説明する斜視図である。 補強基板の厚みを薄くする部分を説明する図である。 図１３（ａ）における点線Ａ－Ａ’における断面図である。 本発明の光変調デバイス及び光送信装置を説明する平面図である。
　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。
　なお、以下の説明では、光導波路の端部の構造は、出射部を中心に説明するが、入射部であっても同様に構成できることは言うまでもない。
　本発明の光導波路素子は、図１乃至４に示すように、電気光学効果を有する材料（１）で形成されるリブ型の光導波路１０と、該光導波路を支持する補強基板２とを備えた光導波路素子において、該光導波路の一端は、該補強基板の端面に向かって幅が細くなるテーパー部分１１を構成し、該テーパー部分を覆うように、該補強基板を構成する材料より屈折率の高い材料で構成した構造体３を備え、該構造体を覆うように、該構造体を構成する材料より屈折率の低い材料で構成した被覆層４を配置したことを特徴とする。
　本発明の光導波路素子に使用される光導波路を構成する材料としては、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）又は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）などの基板又は、これらの材料によるエピタキシャル膜などが利用可能である。また、半導体材料又は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。
　本発明で使用される光導波路１０の厚みは、数μｍ程度の極めて細いものであり、ＬＮなどの結晶基板を機械的に研磨して薄板化する方法又は、ＬＮなどのエピタキシャル膜を使用する方法がある。エピタキシャル膜の場合には、例えば、ＳｉＯ２基板、サファイア単結晶基板又はシリコン単結晶基板など、単結晶基板の結晶方位に合わせて、エピタキシャル膜を、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などで形成する。
　導波層の厚みが薄いので、光導波路素子の機械的強度を高めるため、光導波路１０の裏面側には、補強基板２が配置される。補強基板２は、ＳｉＯ２基板などのように、導波層より低屈折率の材料としてもよい。補強基板２上に光導波路１０を構成する層１を直接接合したり、補強基板２を結晶成長の土台として使用し、エピタキシャル膜の光導波路を構成する層を設けることも可能である。
　光導波路を構成するリブ型の突起の形成方法は、光導波路を形成する層（例えばＬＮ層）を、ドライ又はウェットエッチングすることで形成することができる。また、リブ部の屈折率を高めるため、リブ部の位置にＴｉなどの高屈折率材料を熱拡散する方法も併せて使用することも可能である。
　本発明の光導波路素子の特徴は、図１又は３に示すように、リブ型の光導波路１０の一端（光波の入射部又は出射部）は、補強基板２の端面に向かって幅が細くなるテーパー部分１１、所謂、「逆テーパー形状」を採用したことである。これは、従来の特許文献１乃至３の端部に向かって幅が広く又は厚みが厚くなるテーパー形状とは、全く異なる形状となっている。なお、図１又は図３では、光導波路の幅が変化する逆テーパー形状を例示したが、本発明はこのような形状に限定されず、コア部とクラッド部の屈折率差が光波をシングルモード伝搬させる上で担保可能な範囲において、例えば、厚さが徐々に薄くなるもの又は、幅が細くなると同時に厚さも薄くなるものなどを採用することも可能である。
　また、幅が絞られたテーパー部分を覆うように、補強基板２を構成する材料より屈折率の高い材料で構成した構造体３を備えている。この構造体の屈折率は、光導波路１０を構成する材料の屈折率よりも低くなっている。構造体３の材料としては、ガラスなどの無機材料又は、屈折率を高めた樹脂系材料を使用することが可能である。ＳＳＣの耐久性を考慮した場合は、無機材料で構成してもよい。
　構造体３を接着剤又はフォトレジスト（永久レジスト）などの樹脂材料で形成すると、樹脂を塗布した際に、光導波路１０の近傍に気泡が入り込みやすくなる。このため、無機材料をスパッタリング法などで成膜して構成することが、より好ましい。
　さらに、構造体３を覆うように、該構造体を構成する材料より屈折率の低い材料で構成した被覆層４を配置している。被覆層は、接着剤などの樹脂層が利用できるが、空気層であっても良い。また、図２に示すように、被覆層４を接着剤で構成し、構造体３の上側に配置される上側補強基板５を、光導波路１０及び構造体３が形成された補強基板（２）側に接合する接着層として機能させることも可能である。この上側補強基板５は、光導波路素子の端面の機械的強度を高めるととともに、当該端面に光ファイバ又は光学ブロックを直接接合する際の支持手段の役割も果たす。このような支持手段により光ファイバと光導波路の光軸合わせが容易になり、異なるＭＦＤでの接続の場合であっても接続損失の低減を図ることができる。
　図３の点線Ａ－Ａ’からＤ－Ｄ’における各断面を図４の（ａ）乃至（ｄ）に示している。これらの構成により、図４（ａ）のリブ型の光導波路１０から、図４（ｄ）の構造体３をコア部とし、補強基板２及び被覆層４をクラッドとする光導波路に、図４の（ａ）から（ｄ）へと、徐々に光導波路を切換え、伝搬する光波のスポットサイズ変換も併せて実現している。例えば、光導波路１０を伝搬する光波のＭＦＤが１μｍであるものを、シングルモードを維持しながら、図４（ｄ）の段階では、光波のＭＦＤを３μｍ程度に拡大することが可能である。
　ここで、逆テーパー形状の光導波路１１を作成するには、幅の狭い部分でエッチングマスクが剥離するのを防止するため、エッチングマスク自体を薄くする必要がある。しかし、薄くするとリブ型の光導波路を作成するのに１回のエッチング工程では困難である。このため、図５に示すように、図５（ａ）から（ｃ）のエッチング工程と図５（ｄ）から（ｆ）のエッチング工程の２段階に分けて行うことが考えられる。しかしながら、リブＲＢの深さ（高さ）は得られるが、ＬＮは斜めにエッチングされるので光導波路の幅Ｙが幅Ｚに変化し、より細くなる。図５の符号ＰＲ１及びＰＲ２はフォトレジストであり、図５（ａ）及び（ｄ）の点線は、レジストパターンで除去される境界を示している。
　図６は、図５のように、一度作成した光導波路１０のパターンの上にレジストパターンを配置し、光導波路１０の周辺のＬＮをさらに除去して、光導波路１０の深さをより深くした場合を示している。この場合には、斜線部で示した部分がさらに削られることとなり、光導波路１２の幅がより細くなる。逆テーパー形状の幅も急激に細くなるので、伝搬損失が大きくなる。
　逆テーパー形状を設計通りに維持するため、本発明の光導波路素子では、図７に示すように、テーパー部分（１１，１５）は多段に積み重ねた形状の光導波路（１０，１４）で構成され、上側に配置される光導波路１０の幅Ｗ１が下側に配置される光導波路１４の幅Ｗ２よりも狭くなるよう構成されている。
　図７のような光導波路を形成するには、１回目は、光導波路１０の形状に合わせたレジストパターンでエッチングを行い、２回目は、光導波路１４の形状に合わせたレジストパターンでエッチングを行う。なお、図７（又は図１）では、テーパー部近傍は、補強基板２が露出するまでエッチングを行っているが、極めて薄いＬＮ部分が残っていても良い。
　図８乃至図１１は、図７に示すテーパー部分の形状を採用したＳＳＣである。図８に示すように、光導波路を構成する材料であるＬＮ（１）は、光導波路から離れた部分１６は、特に取り除かず、残しておいても良い。図８のテーパー部では、２段に積み重ねテーパー部（１１，１５）で構成しているが、２段に限らず３段以上であっても良い。
　光導波路のテーパー部を覆うように、構造体３が配置される。構造体３は上述したものと同様である。さらに、図９に示すように、被覆層４、上側補強基板５が、図２と同様に配置される。当然、被覆層４を空気層で置き換えることも可能であることは言うまでもない。
　図１０の点線Ａ－Ａ’からＤ－Ｄ’における断面図を図１１（ａ）乃至（ｄ）に示している。図１１（ａ）の光導波路１０を伝搬する光波のＭＦＤは、図１１（ａ）から（ｄ）へと徐々に変化し、最終的に、図１１（ｄ）のような、コア部３とクラッド部（2及び４）からなる光導波路へと光波のＭＦＤは徐々に拡大されている。
　図１の形状のＳＳＣと図８のＳＳＣとの伝搬損失についてシミュレーションによる比較を行った。各部材の屈折率は、光導波路１０が２．１３８、補強基板２が１．４９４、構造体３が１．５７５、及び被覆層４が１．５４２と仮定した。図１の光導波路を構成する材料の層１の厚さは０．２μｍ、層１の表面から突出している光導波路１０の厚さ０．６μｍ、光導波路１０の幅１．３μｍとした。図８のテーパー部１１を構成する光導波路の幅１．３μｍ、テーパー部１５を構成する光導波路の幅３．０と仮定した。
　シミュレーションの結果、図８のように２段のテーパー部で構成する方が、１段のテーパー部で構成するものと比較し、伝搬損失が０．４１から０．０５（Ｌｏｓｓ／ｄＢ）に改善することが確認できた。また、光ファイバの結合損も考慮すると、光導波路１０からＳＳＣ部分を経て光ファイバに伝搬する光波の伝搬損失は、０．７３から０．３２（Ｌｏｓｓ／ｄＢ）に改善した。
　また、図１２及び１３に示すように、テーパー部分（１５）の下側の補強基板２の厚みよりも、補強基板の端面付近（図１２の右下側）の補強基板２０の厚みを、同等もしくは、より薄く構成することも可能である。図１３は、薄くなった補強基板２０の部分（補強基板２でより深く削る領域）をＲ１～Ｒ３の網掛け部分として示したものである。図１３（ａ）の光導波路素子の端面付近のみ、補強基板２を薄くする場合に限らず、図１３（ｃ）のように、テーパー部１５の形状に合わせて、補強基板２を薄く構成することも可能である。
　図１４は、図１３（ａ）の点線Ａ－Ａ’における断面図であり、図１４の図中に示す白抜きの十字は、光導波路のテーパー部１１の先端位置を重ね合わせて表示したものである。このように、補強基板２をより薄く構成する部分を設けることにより、光導波路１０の先端であるテーパー部分１１の位置を、構造体３をコア部とする光導波路の中心位置に調整することも可能となり伝搬損失を低減することができる。
　本発明の光導波路素子では、素子内の光導波路を伝搬する光波のＭＦＤは３μｍより小さく（例えば、１μｍ程度）、光導波路素子に接続され、素子内の光導波路に光波を入力又は出力する光ファイバのモードフィールド径は、３μｍ以上（例えば、１０μｍ）である。これにより、通常の光ファイバを使用しながら、光導波路素子内の光導波路の曲率半径を小さくでき、光導波路素子の小型化に寄与する。
　本発明の光導波路素子は、光導波路１０を伝搬する光波を変調する変調電極を設け、図１５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。図１５では、光ファイバは、筐体の側壁を貫通する貫通孔を介して筐体内に導入し、光導波路素子に直接接合されている。光導波路素子と光ファイバとは、空間光学系を介して光学的に接続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及びデジタル信号プロセッサーＤＳＰは、筐体８の外部に配置することも可能であるが、筐体８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、光導波路素子の小型化を図りながら、光ファイバ等との結合に係る挿入損失を抑制した光導波路素子を提供することが可能となる。さらには、その光導波路素子を用いた光変調デバイス並びに光送信装置を提供することも可能となる。
　１　電気光学効果を有する材料で形成される層
　２　補強基板
　３　構造体
　４　被覆層
　５　上側補強基板
　１０　光導波路
　１１，１５　テーパー部
　ＭＤ　光変調デバイス
　ＯＴＡ　光送信装置

 

Claims (8)

  1. 　電気光学効果を有する材料で形成されるリブ型の光導波路と、該光導波路を支持する補強基板とを備えた光導波路素子において、
    　該光導波路の一端は、該補強基板の端面に向かって幅が細くなるテーパー部分を構成し、
    　該テーパー部分を覆うように、該補強基板を構成する材料より屈折率の高い材料で構成した構造体を備え、
    　該構造体を覆うように、該構造体を構成する材料より屈折率の低い材料で構成した被覆層を配置したことを特徴とする光導波路素子。
  2. 　請求項１に記載の光導波路素子において、該テーパー部分は多段に積み重ねた形状の光導波路で構成され、上側に配置される光導波路の幅が下側に配置される光導波路の幅よりも狭くなるよう構成されていることを特徴とする光導波路素子。
  3. 　請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該被覆層は接着剤で構成され、該被覆層は、該構造体の上側に配置される上側補強基板を、該光導波路及び該構造体が形成された該補強基板側に接合する接着層として機能することを特徴とする光導波路素子。
  4. 　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、該テーパー部分の下側の該補強基板の厚みよりも、該補強基板の端面付近の該補強基板の厚みがより薄くなっていることを特徴とする光導波路素子。
  5. 　請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路素子において、該光導波路を伝搬する光波のモードフィールド径は、３μｍより小さく、該光導波路素子に接続され、該光導波路に光波を入力又は出力する光ファイバのモードフィールド径は、３μｍ以上であることを特徴とする光導波路素子。
  6. 　請求項１乃至５いずれかに記載の光導波路素子は、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。
  7. 　請求項６に記載の光変調デバイスにおいて、該光導波路素子は該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極を備え、該光導波路素子の変調電極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。
  8. 　請求項６又は７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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