WO2022138699A1 - 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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WO2022138699A1
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optical waveguide
optical
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有紀 釘本
優 片岡
真悟 高野
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住友大阪セメント株式会社
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    • G—PHYSICS
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    • G02F2201/063—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 integrated waveguide ridge; rib; strip loaded

Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide element, an optical modulation device using the optical waveguide device, and an optical transmission device, and in particular, an optical waveguide substrate having a rib-type optical waveguide formed of a material having an electro-optical effect, and the rib-type optical wave.
  • the present invention relates to an optical waveguide element provided with a holding member that is superposed on the optical waveguide substrate at a position where an input end or an output end of the optical waveguide is formed.
  • 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
  • the difference between the two MFDs is as much as 10 times, so that the coupling loss at the coupling portion is very large. It causes the problem of becoming large.
  • the MFD in the above needs to be 3 ⁇ m or more.
  • a spot size converter (SSC) structure is created by changing the shape of the optical waveguide near the entrance / exit part on the optical waveguide element, and the MFD is expanded to about 3 ⁇ m in the element to form a joint between the element and the optical fiber. It is also possible to attach a lens and convert up to 10 ⁇ m MFD.
  • a general SSC is a taper type in which the width or thickness of the optical waveguide is expanded two-dimensionally or three-dimensionally toward the end of the optical waveguide. The merit of this method is that the design is simple, but since expanding the optical waveguide induces multi-mode, there is a limit to the design that can be used, and it is suitable for optical waveguide elements. do not have.
  • a material different from the optical waveguide is used in the vicinity of the entrance / exit portion on the optical waveguide element, and a spot size converter (SSC) structure having a relatively small core / clad refractive index difference is formed in the entrance / exit portion on the element.
  • SSC spot size converter
  • the problem to be solved by the present invention is to solve the above-mentioned problems, to suppress the insertion loss related to the coupling with an optical fiber or the like while reducing the size of the optical waveguide element, and to achieve light resistance, heat resistance, and the like.
  • 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.
  • another optical waveguide having a larger mode field diameter than the rib-type optical waveguide is formed on the surface of the holding member facing the rib-type optical waveguide. It is formed, and the optical waveguide substrate and the holding member are joined via an adhesive layer.
  • the end portion of the rib-type optical waveguide is characterized in that the end portion is tapered toward the tip end.
  • the mode field diameter of the optical waveguide formed on the holding member is 3 ⁇ m or more.
  • the refractive index of the rib-type optical waveguide is higher than the refractive index of the core layer of the optical waveguide formed on the holding member. It is characterized by being large.
  • the adhesive layer is characterized by being made of an inorganic material.
  • the thickness of the adhesive layer is set to be the same as the height of the rib-type optical waveguide.
  • the rib-type optical waveguide is characterized in that it is formed of a crystal of lithium niobate.
  • the core layer of the optical waveguide formed on the holding member is characterized by containing SiO 2 .
  • the optical waveguide element according to any one of (1) to (9) above is housed in a housing, and is characterized by comprising an optical fiber for inputting or outputting a light wave to the optical waveguide formed in the holding member. It is an optical modulation device.
  • the optical waveguide element includes 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. It is characterized by having an electronic circuit to be amplified inside the housing.
  • An optical transmission device comprising the optical modulation device according to (10) or (11) above, and an electronic circuit that outputs a modulation signal that causes the optical modulation device to perform a modulation operation.
  • the present invention relates to an optical waveguide substrate having a rib-type optical waveguide made of a material having an electro-optical effect, and an optical waveguide substrate at a position where an input end or an output end of the rib-type optical waveguide is formed.
  • an optical waveguide element provided with a holding member that is stacked and fixed, another optical waveguide having a mode field diameter larger than that of the rib-type optical waveguide is formed on the surface of the holding member facing the optical waveguide. Since the optical waveguide substrate and the holding member are joined via an adhesive layer, an optical waveguide element having an SSC structure can be provided.
  • the manufacturing process for incorporating the SSC structure is simple and suitable for an SSC structure using an inorganic material, the light resistance or heat resistance of the SSC structure itself can be enhanced. Further, it becomes possible to provide an optical modulation device and an optical transmission device using an optical waveguide element having this excellent effect.
  • the optical waveguide element of the present invention includes an optical waveguide substrate 1 having a rib-type optical waveguide 10 made of a material having an electro-optical effect, and an input end of the rib-type optical waveguide.
  • the surface of the holding member facing the rib-shaped optical waveguide is described above.
  • Another optical waveguide 20 having a mode field diameter larger than that of the rib-type optical waveguide 20 is formed, and the optical waveguide substrate and the holding member are joined via an adhesive layer 30.
  • 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 H1 of the optical waveguide 10 used in the present invention is extremely thin, 1 ⁇ m or less, and is 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. ..
  • FIG. 4 shows an example of an optical waveguide substrate.
  • the reinforcing substrate 12 is arranged on the back surface side of the waveguide layer 11 in order to increase the mechanical strength of the optical waveguide element. Will be done.
  • the reinforcing substrate 12 may use a material having a lower refractive index than the waveguide layer 11 (optical waveguide 10), such as a SiO 2 substrate.
  • a material having a higher refractive index than the waveguide layer 11 (optical waveguide 10) such as a Si substrate is used as the material of the reinforcing substrate 12, waveguide is performed between the reinforcing substrate 12 and the waveguide layer 11 (optical waveguide 10).
  • an intermediate layer made of a material having a lower refractive index than the layer 11 (optical waveguide 10) so that the waveguide light is sufficiently confined in the waveguide layer 11 (optical waveguide 10).
  • a method of directly joining the waveguide layer 11 and the reinforcing substrate 12 or joining using an adhesive can also be used.
  • the reinforcing substrate 12 as a base for crystal growth and provide a layer constituting the optical waveguide 10 of the epitaxial film.
  • the method for forming the rib-shaped protrusions constituting the optical waveguide 10 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 main feature of the optical waveguide element of the present invention is that another optical wave having a mode field diameter larger than that of the optical waveguide 10 of the optical waveguide substrate 1 is attached to the holding member to be bonded to the optical waveguide substrate 1.
  • the waveguide 20 is provided to provide an SSC function.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a state before the optical waveguide substrate 1 and the holding member 2 are joined by the adhesive layer 30, and
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the optical waveguide 10 showing a state in which both are joined. Is.
  • FIG. 3 is a plan view of FIG.
  • FIG. 2 is a perspective view so that the arrangement relationship of the optical waveguide 10 of the optical waveguide substrate 1, the optical waveguide (core layer) 20 of the holding member 2, and the adhesive layer 30 can be clearly understood. It is drawn as shown in the figure. The same applies to (a) and (b) of FIG. 7, which will be described later, and (a) and (b) of FIG.
  • the holding member 2 is superposed and joined on the optical waveguide board along the substrate end surface where the light wave input / output portion of the optical waveguide board 1 is located.
  • This is not only to increase the mechanical strength on the end face side of the substrate, but also to facilitate joining the lens or the optical fiber to the end face of the substrate.
  • a lens or an optical fiber is joined to the positions of the white arrows A in FIGS. 2 and 3.
  • an optical waveguide element with an SSC function can be easily realized only by attaching the holding member 2 to the optical waveguide substrate 1.
  • the above-mentioned rib-shaped optical waveguide 10 is formed on the optical waveguide substrate 1 which is a part of the SSC structure, and toward the end (input end or output end) of the optical waveguide. , It has a tapered shape.
  • the shape of the end portion of the optical waveguide 10 is not limited to the tapered shape, and as described later, it is possible to have a constant width W1 ⁇ thickness H1 until the end, but in the test conducted by the inventors, it is tapered.
  • the optical coupling loss was lower in the shape of.
  • the tapered shape of FIG. 1 adopts a configuration in which both the width and the thickness of the optical waveguide 10 are gradually narrowed, but of course, a shape in which only one of them is reduced may be used.
  • the holding member 2 is formed with an optical waveguide 20 composed of a core layer (20) and a clad layer on the joint surface side with the optical waveguide substrate 1, and this has a function as an SSC.
  • the refractive index in each part if the refractive index of each part is defined as follows, the relationship of the formula 1 and / or the formula 2 holds.
  • n1 Refractive index of the rib-type optical waveguide 10 on the optical waveguide substrate 1
  • n2 ...
  • n3 ... Refractive index of the core layer of SSC formed on the holding member n4 ...
  • n1>n3> n4 (Equation 1) is satisfied.
  • n2> n2 ⁇ n3 (Equation 2), and the difference in refractive index between n2 and n3 may be about 0 to 0.05.
  • the thickness H3 of the adhesive layer may be less than 1 ⁇ m.
  • an inorganic material such as a mixture of SiO 2 and an inorganic oxide is used for the adhesive layer. If the adhesive strength is insufficient, an intermediate layer may be added. In particular, if the thickness of the intermediate layer is less than 50 nm, the refractive index of the intermediate layer is not limited to the above equation.
  • FIG. 5 is a view of the holding member 2 as viewed from the traveling direction of the light wave, and in FIG. 5A, the core layer 20 and the clad layer 21 are formed on the holding base material 22 constituting the holding member. .. In this case, the holding base material 22 also functions as a clad layer. Further, in FIG. 5B, a layer to be a clad layer 23 is formed on the holding base material 22, and a core layer 20 and a clad layer 21 are formed on the layer.
  • a rectangular parallelepiped having a constant width W2 and a constant thickness H2 is exemplified as the shape of the core layer 20, but the shape is not limited to this, and for example, the width W2 or the thickness H2 gradually expands toward the input end or the output end of the light wave. It may be.
  • Inorganic materials may be used for the holding base material, the core layer and the clad layer, and the core layer may contain SiO 2 .
  • a material having the same linear expansion coefficient as that of the reinforcing substrate 12 or a material having a linear expansion coefficient close to that of the reinforcing substrate 12 is preferable from the viewpoint of improving the temperature characteristics of the optical waveguide element.
  • the optical waveguide 10 of the optical waveguide substrate 1 has W1 ⁇ 1 ⁇ m and H1 ⁇ 1 ⁇ m, and the MFD is 1 ⁇ m or less.
  • the optical waveguide (core layer) 20 of the holding member has W2 ⁇ 3 ⁇ m and H2 ⁇ 3 ⁇ m and MFD. Is 3 ⁇ m or more.
  • FIG. 6 shows the arrangement of the rib-type optical waveguide 10 when the optical waveguide substrate 1 and the holding member 2 are overlapped with each other.
  • the position of the dotted line B is the position where the tapered shape of the optical waveguide 10 starts
  • the dotted line E is the tip position of the optical waveguide 10.
  • the position of the dotted line E may be located within the range R of the length of the optical waveguide 20 of the holding member 2.
  • the end position C of the adhesive layer 30 may protrude from the end position D of the holding member to the inside of the substrate 1.
  • the position of the dotted line B may be on the dotted line D side of the dotted line C or on the left side of the dotted line D in FIG.
  • a case where the rib-type optical waveguide 10 maintains a constant width and thickness and is terminated in the middle of the holding member 2 as shown in FIG. 7 is also shown.
  • Germanium tetrachloride (GeCl 4 ) and glass raw material gas (SiCl 4 ) are sprayed on SiO 2 glass, which is the holding base material, at an arbitrary ratio by the flame hydrolysis deposition method, and it is composed of GeO 2 and SiO 2 .
  • the glass material was formed to have a thickness of 5 ⁇ m or more, and this was used as the upper clad layer of the optical waveguide for SSC (reference numeral 23 in FIG. 5 (b)).
  • the optical waveguide substrate used was a reinforcing substrate 12 made of SiO 2 glass on which an LN thin plate 11 having a linear rib-type optical waveguide formed was bonded.
  • the rib-type optical waveguide 10 was set to 1 ⁇ m ⁇ 1 ⁇ m.
  • the MFD of this waveguide was 1 ⁇ m.
  • the shape of the optical waveguide 10 at the portion to be joined to the holding member as shown in FIGS.
  • the optical waveguide substrate a having the same shape up to the joint portion between the holding member 2 with the SSC function and the optical waveguide substrate b in which the rib-type optical waveguide 10 disappears in the joint portion.
  • three types of optical waveguide substrates c in which the rib-type optical waveguide 10 maintained the same shape up to the element end face were produced.
  • the processed optical waveguide substrate and the holding substrate are placed in the joining chamber so that the joining surfaces face each other with a predetermined interval, and the inside of the chamber is evacuated.
  • the junction surface (S1, S2) is irradiated with an Ar ion beam to activate the junction surface side of the optical waveguide substrate and the holding substrate, respectively.
  • the substrates were joined to each other by bringing both substrates into close contact with each other, and the optical waveguide substrate and the holding substrate with SSC function were integrated.
  • the rib-guided optical waveguide 10 of the optical waveguide substrate needs to disappear in the joint surface with the holding member with SSC function in order to expand the MFD.
  • the rib-type optical waveguide 10 extends to the end face of the optical waveguide element (for example, the end face that couples with the optical fiber)
  • the light waveguideing through the optical waveguide does not transfer to the SSC of the holding member and has an SSC function. Cannot be expressed (see Comparative Example 3).
  • the rib-type optical waveguide disappears in the joint surface with the holding member with SSC function, light can be transferred to the SSC structure of the holding member regardless of whether it is the tapered optical waveguide substrate a or the rectangular optical waveguide substrate b.
  • MFD can be expanded (particularly, see Examples 1 and 2).
  • the coupling loss in the portion where the light is transferred from the portion where the optical waveguide disappears to the SSC becomes large, so that the optical waveguide substrate A structure having a gradual shape change such as a may be used.
  • the rib-type optical waveguide 10 may be tapered after being joined to the holding member with SSC function, or may be tapered from the stage before joining.
  • the optical waveguide element of the present invention can be provided with an SSC structure only by joining the optical waveguide substrate and the holding member, so that the holding member is manufactured on a line different from the manufacturing line of the optical waveguide element. This makes it possible to simplify the manufacturing process and improve manufacturing efficiency. Moreover, since the material constituting the SSC structure can be composed of only an inorganic material, it has high light resistance or heat resistance.
  • the above-mentioned optical waveguide element 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.
  • the optical modulation device MD can be configured by providing the optical fiber F for inputting / outputting light waves to the optical waveguide.
  • 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 or 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.
  • the SSC structure can suppress insertion loss related to coupling with an optical fiber or the like while reducing the size of the optical waveguide element, and has high light resistance, heat resistance, or manufacturing efficiency. It becomes possible to provide an optical waveguide element having the above. Further, it becomes 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できると共に、光耐性、熱耐性、又は製造効率が高いＳＳＣ構造を有する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で形成されるリブ型の光導波路１０を有する光導波路基板１と、前記リブ型の光導波路の入力端又は出力端が形成された位置に、該光導波路基板に重ねて配置固定される保持部材２を備えた光導波路素子において、該保持部材の前記リブ型の光導波路に対向する面には、前記リブ型の光導波路よりもモードフィールド径の大きい他の光導波路２０が形成されており、該光導波路基板と該保持部材とは接着層３０を介して接合されていることを特徴とする。

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を有する光導波路基板と、前記リブ型の光導波路の入力端又は出力端が形成された位置に、該光導波路基板に重ねて配置される保持部材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、光変調器の広帯域化又は低駆動電圧化、さらには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め、導波光の曲げ損失を小さくするには、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、１μｍ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は、両者のＭＦＤは１０倍もの差があるので、結合部分での結合損が非常に大きくなるという問題を生じる。素子端部にＭＦＤを拡大させるレンズを取り付ける方法等があるが、１μｍから１０μｍへＭＦＤを１０倍程度も変換するレンズは、設計上不可能であり、レンズで変換させるためには少なくとも素子端部におけるＭＦＤは３μｍ以上である必要がある。
　光導波路素子上の入出射部付近において、光導波路の形状を変化させてスポットサイズコンバータ（ＳＳＣ）構造を作りこみ、素子内で３μｍ程度までＭＦＤを拡大し、素子と光ファイバとの結合部にはレンズを取り付け、さらに１０μｍのＭＦＤまで変換することも可能である。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、光導波路素子には向いていない。
　また、光導波路素子上の入出射部付近に、光導波路とは別の材料を用い、素子上の入出射部にコア／クラッドの屈折率差が比較的小さいスポットサイズコンバータ（ＳＳＣ）構造を作りこむことで、マルチモードの誘起を抑制しながら素子内で３μｍ程度までＭＦＤを拡大することが可能である。しかしながら、ＳＳＣ構成材料が有機物である場合には、光耐性又は熱耐性等の信頼性に課題があり、しかも、光導波路基板上で別の材料によりＳＳＣ構造を形成することになるので、工程が複雑化し、工数又は歩留にも課題があった。
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できると共に、光耐性、熱耐性、又は製造効率が高いＳＳＣ構造を有する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を有する光導波路基板と、前記リブ型の光導波路の入力端又は出力端が形成された位置に、該光導波路基板に重ねて配置固定される保持部材を備えた光導波路素子において、該保持部材の前記リブ型の光導波路に対向する面には、前記リブ型の光導波路よりもモードフィールド径の大きい他の光導波路が形成されており、該光導波路基板と該保持部材とは接着層を介して接合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、該光導波路素子を平面視した際に、前記リブ型の光導波路の端部は、該保持部材の内側に位置し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、前記リブ型の光導波路の端部は、先端に向かって先細りとなってい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、該保持部材に形成された光導波路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。
（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、前記リブ型の光導波路の屈折率は、該保持部材に形成された光導波路のコア層の屈折率よりも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、該接着層は、無機材料で構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、該接着層の厚みは、前記リブ型の光導波路の高さと同じに設定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において、前記リブ型の光導波路は、ニオブ酸リチウムの結晶で形成されていることを特徴とする。
（９）　上記（１）乃至（８）のいずれかに記載の光導波路素子において、該保持部材に形成される光導波路のコア層には、ＳｉＯ２を含んでいることを特徴とする。
（１０）　上記（１）乃至（９）いずれかに記載の光導波路素子は筐体内に収容され、該保持部材に形成された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。
（１１）　上記（１０）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。
（１２）　上記（１０）又は（１１）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を有する光導波路基板と、前記リブ型の光導波路の入力端又は出力端が形成された位置に、該光導波路基板に重ねて配置固定される保持部材を備えた光導波路素子において、該保持部材の該光導波路に対向する面には、前記リブ型の光導波路よりもモードフィールド径の大きい他の光導波路が形成されており、該光導波路基板と該保持部材とは接着層を介して接合されているので、ＳＳＣ構造を備えた光導波路素子が提供できる。しかも、当該ＳＳＣ構造を組み込む際の製造工程が簡便であり、無機材料を利用したＳＳＣ構造にも適するので、ＳＳＣ構造自体の光耐性又は熱耐性も高めることができる。さらには、この優れた効果を備えた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が可能となる。
本発明の光導波路素子の構成の概略を示す斜視図である。 本発明の光導波路素子の一例を示す、光導波路に沿った断面図である。 図２の光導波路素子を平面視した場合の各部材の配置を示す平面図である。 本発明の光導波路素子に使用される光導波路基板の例を示す図である。 本発明の光導波路素子に使用される保持部材の例を示す図である。 本発明の光導波路素子における、光導波路基板上の光導波路と保持部材等との配置関係を説明する図である。 本発明の光導波路素子の他の例を示す、（ａ）断面図、（ｂ）平面図である。 本発明の光導波路素子に対する比較例を示す、（ａ）断面図、（ｂ）平面図である。 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、出力端を中心に説明するが、入力端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３に示すように、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１０を有する光導波路基板１と、前記リブ型の光導波路の入力端又は出力端が形成された位置に、該光導波路基板に重ねて配置固定される保持部材２を備えた光導波路素子において、該保持部材の前記リブ型の光導波路に対向する面には、前記リブ型の光導波路よりもモードフィールド径の大きい他の光導波路２０が形成されており、該光導波路基板と該保持部材とは接着層３０を介して接合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Ｈ１は、１μｍ以下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。
　図４に光導波路基板の一例を示す。図４（ａ）のように、光導波路１０を含む導波層１１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、導波層１１の裏面側には、補強基板１２が配置される。補強基板１２は、ＳｉＯ２基板などのように、導波層１１（光導波路１０）より低屈折率の材料を用いてもよい。補強基板１２の材料としてＳｉ基板など導波層１１（光導波路１０）よりも高屈折率の材料を用いる場合には、補強基板１２と導波層１１（光導波路１０）の層間に、導波層１１（光導波路１０）よりも低屈折率の材料による中間層を形成し、導波光が導波層１１（光導波路１０）に十分に閉じ込められるようにすることが必要である。また、導波層１１と補強基板１２とは直接接合又は接着剤を用いて接合する方法も利用可能である。さらに、図４（ｂ）に示すように、補強基板１２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１０を構成する層を設けることも可能である。
　光導波路１０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主な特徴は、図１乃至３に示すように、光導波路基板１に貼り合わせる保持部材に、光導波路基板１の光導波路１０よりもモードフィールド径の大きい別の光導波路２０を設け、ＳＳＣ機能を付与することである。
　図１は、光導波路基板１と保持部材２とを接着層３０で接合する前の状態を示す斜視図であり、図２は、両者を接合した状態を示す、光導波路１０に沿った断面図である。図３は、図２の平面視した図であり、光導波路基板１の光導波路１０、保持部材２の光導波路（コア層）２０、さらに接着層３０の配置関係が明確にわかるように、透視図のように描かれている。後述する図７の（ａ）と（ｂ）、図８の（ａ）と（ｂ）も同様である。
　通常、光導波路基板１の光波の入出力部がある基板端面に沿って、保持部材２が光導波路基板上に重ね合わされて、接合されている。これは、基板の端面側の機械的強度を上げるだけでなく、基板端面にレンズ又は光ファイバを接合し易くするためである。なお、図２及び図３の白抜き矢印Ａの位置にレンズ又は光ファイバが接合される。
　本発明は、この保持部材にＳＳＣ構造を組み込むことにより、光導波路基板１に保持部材２を貼り合わせる作業だけで、容易にＳＳＣ機能付き光導波路素子を実現するものである。
　図１乃至３に示すように、ＳＳＣ構造の一部を担う光導波路基板１には、上述したリブ型の光導波路１０が形成され、光導波路の端部（入力端又は出力端）に向かって、先細りのテーパー形状となっている。光導波路１０の端部の形状は、テーパー形状に限らず、後述するように、終端まで一定の幅Ｗ１×厚みＨ１とすることも可能であるが、発明者らが行った試験においては、先細の形状の方が光結合損失が低くなった。図１のテーパー形状は、光導波路１０の幅と厚みの両方を徐々に狭くする構成を採用しているが、勿論、一方のみを減少させる形状でも良い。
　保持部材２には、光導波路基板１との接合面側に、コア層（２０）とクラッド層からなる光導波路２０が形成されており、これがＳＳＣとしての機能を有する。
　各部における屈折率の関係は、各部の屈折率を以下のように定義すると、式１及び／又は式２の関係が成り立つ。
　ｎ１・・・光導波路基板１上のリブ型光導波路１０の屈折率
　ｎ２・・・接着層３０の屈折率
　ｎ３・・・保持部材に形成されたＳＳＣのコア層の屈折率
　ｎ４・・・保持部材に形成されたＳＳＣのクラッド層の屈折率
　最低限の条件として、ｎ１＞ｎ３＞ｎ４（式１）が満足される。
　接着層の屈折率ｎ２については、一般にｎ１＞ｎ２≧ｎ３（式２）であり、ｎ２とｎ３との屈折率差は、０～０．０５程度としても良い。また、接着層の厚みＨ３は１μｍ未満としても良い。さらに、接着層には、ＳｉＯ２と無機酸化物の混合物などの無機材料を用いる。なお、接着強度が不足している場合は、中間層を追加しても良い。特に、中間層の厚みが５０ｎｍ未満であれば、中間層の屈折率は上式の限りではない。
　図５は、保持部材２を光波の進行方向から見た図であり、図５（ａ）では、保持部材を構成する保持母材２２上にコア層２０とクラッド層２１を形成したものである。この場合、保持母材２２もクラッド層として機能する。
　また、図５（ｂ）は、保持母材２２の上にクラッド層２３となる層を形成し、その上にコア層２０及びクラッド層２１を形成したものである。
　さらに、コア層２０の形状として幅Ｗ２及び厚みＨ２が一定の直方体を例示したが、これに限らず、例えば、幅Ｗ２又は厚みＨ２が、光波の入力端又は出力端に向かって徐々に広がる形状であっても良い。
　保持母材、コア層及びクラッド層には、無機材料が使用され、コア層には、ＳｉＯ２を含むようにしても良い。保持部材を構成する材料としては、光導波路素子の温度特性向上の観点から、補強基板１２と同一の材料、もしくは補強基板１２と近い線膨張係数を有する材料が好適である。
　光導波路基板１の光導波路１０は、Ｗ１≦１μｍ、Ｈ１≦１μｍでＭＦＤは１μｍ以下となっており、他方、保持部材の光導波路（コア層）２０は、Ｗ２≧３μｍ、Ｈ２≧３μｍでＭＦＤは３μｍ以上となっている。
　なお、保持部材の光導波路（コア層）２０の最大ＭＦＤは７μｍ程度に設定することで、光導波路基板１の光導波路１０と保持部材２の光導波路２０との光結合損失が増加するのを抑制することが可能である
　図６は、光導波路基板１と保持部材２とを重ね合わせた際のリブ型光導波路１０の配置を示したものである。点線Ｂの位置は光導波路１０の先細りのテーパー形状が始まる位置であり、点線Ｅは光導波路１０の先端位置である。最低限の条件として、点線Ｅの位置は、保持部材２の光導波路２０の長さの範囲Ｒ内に位置するようにしても良い。また、接着層３０の端部位置Ｃは、保持部材の端部位置Ｄより、基板１の内側にはみ出すようにしても良い。なお、点線Ｂの位置は、点線Ｃより点線Ｄ側であっても、点線Ｄのさらに図６の左側であっても良い。
　なお、後述する実施例では、図７に示すような、リブ型光導波路１０が一定の幅及び厚みを維持し、保持部材２の途中で終端する場合も示している。
　以下、実際に作成した光導波路素子の製造方法及び試験結果を説明する。
（保持持部材へのＳＳＣ用光導波路の形成）
　保持母材であるＳｉＯ２ガラス上に、火炎加水分解堆積法にて、任意の比率で四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ４）とガラス原料ガス（ＳｉＣｌ４）とを吹きつけ、ＧｅＯ２とＳｉＯ２からなる硝材を５μｍ以上の厚みで形成し、これをＳＳＣ用光導波路の上部クラッド層（図５（ｂ）の符号２３）とした。
　次に、同じくコア層としてＧｅＣｌ４量を変えることでクラッド層よりも屈折率が高くなるように調整した別の硝材を火炎加水分解堆積法により形成した。その後、リソグラフィ、反応性イオンエッチング等により、コア回路形成する。回路形成後に、コア上に上部クラッドと同じ方法で下部クラッド層をコア高さ以上の厚みで堆積する。そして、ＣＭＰ（化学機械研磨）等によりコア層が表面に露出するまで研磨を行い、図５の接合面Ｓ２を形成し、ＳＳＣ機能付き保持部材を得た。
　ＧｅＯ２とＳｉＯ２の比率を調整することで屈折率を変えた硝材Ａ～Ｆ（表１参照）を用いて、４種類のＳＳＣ機能付き保持部材（表２参照）を作製した。なお、それぞれのコアサイズは、シミュレーション上、シングルモード光が導波できる最大サイズにて作製した。比較用として、ＳＳＣ機能を作りこまない保持母材のみのものも準備した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
（光導波路基板の形成）
　光導波路基板は、図４（ａ）に示すように、ＳｉＯ２ガラスからなる補強基板１２上に直線のリブ型光導波路を形成したＬＮ薄板１１を貼り合わせたものを用いた。リブ型光導波路１０は、１μｍ×１μｍとした。この導波路のＭＦＤは１μｍであった。保持部材と接合する部分の光導波路１０の形状については、図１乃至３に示す通り、光導波路部分が結合端面に向かい先細形状となり、ＳＳＣ機能付き保持部材２との接合部で先細部が消失する形状にした光導波路基板ａと、図７に示すように、ＳＳＣ機能付き保持部材２との接合部までは同一形状で、接合部内でリブ型光導波路１０が消失する光導波路基板ｂと、図８に示すように、リブ型光導波路１０が素子端面まで同じ形状を保った光導波路基板ｃの３種類を作製した。
（光導波路基板とＳＳＣ機能付き保持部材との接合）
　光導波路基板における保持部材と接合する部分に、表３に示す４種類の接着層を準備した。そのうち接着層（１）～（３）の３種類の材料を０．５μｍの厚みで堆積し、ＣＭＰ等によって表面を平滑化し、図４（ｃ）に示す接合面Ｓ１を有する光導波路基板１を得た。図４（ｃ）のように、接着層３０の厚みを、リブ型の光導波路１０の高さと同じに設定することで、接合面の平滑化を担保することが可能となる。
　なお、表３の「硝材Ａ」「硝材Ｄ」については、表１の該当する硝材を火炎加水分解堆積法で形成し、「Ｔａ２０５」の接着層については、スパッタリングによって形成した。
　その後、それぞれの加工を行った光導波路基板、及び保持基板を、接合面が所定の間隔を有した状態で向かい合うように接合チャンバに入れ、チャンバ内を真空状態にする。所定の真空度に到達した後、接合面（Ｓ１，Ｓ２）にＡｒイオンビームを照射し、光導波路基板、保持基板における接合面側をそれぞれ活性化させる。その後、両基板を密着させることで基板同士を接合し、光導波路基板とＳＳＣ機能付き保持基板とを一体化させた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
（評価結果）
　上記説明の方法で試作した「ＳＳＣ機能付き保持部材」と「光導波路基板」を、表３の「接着層」を介して接合し、光導波路素子を試作した。各部材の組合せ及び光導波路素子の特性の評価結果については、表４に示す。特性評価においては、素子端面におけるＭＦＤの測定と、２０ｄＢｍの光を入れて８５℃で２０００ｈｒ保持した後のＬｏｓｓ差とで、評価した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　実施例１～７と比較例２及び３とを比較すると、ＭＦＤを拡大させるには、光導波路基板のリブ型光導波路１０はＳＳＣ機能付き保持部材との接合面内で消失する必要があることがわかる。特に、光導波路素子の端面（例えば、光ファイバとの結合を行う端面）までリブ型光導波路１０が伸びていた場合、光導波路を導波する光は保持部材のＳＳＣに乗り移らず、ＳＳＣ機能を発現させることが出来ない（比較例３参照）。
　また、リブ型光導波路はＳＳＣ機能付き保持部材との接合面内で消失すれば、先細形状の光導波路基板ａでも、矩形の光導波路基板ｂでも、保持部材のＳＳＣ構造に光を乗り移らせ、ＭＦＤを拡大させることが出来る（特に、実施例１，２参照）。
　ただし、光導波路基板ｂのような、リブ型光導波路１０の端面での形状変化の大きい構造は、光導波路が消失する部分からＳＳＣに光が乗り移る部分における結合損が大きくなるので、光導波路基板ａのような緩やかな形状変化を有する構造にしても良い。なお、光導波路基板ａの形状の場合、リブ型光導波路１０はＳＳＣ機能付き保持部材と接合してから先細形状になっても良いし、接合前の段階から先細になっていても良い。
　以上のことからも、本発明の光導波路素子は、光導波路基板と保持部材とを接合するだけで、ＳＳＣ構造を付与できるので、光導波路素子の製造ラインと別のラインで保持部材を製造ることが出来、製造工程を単純化でき製造効率を高めることが可能となる。
　しかも、ＳＳＣ構造を構成する材料は無機材料のみで構成することも可能であることから、光耐性又は熱耐性も高い。
　次に、本発明の光導波路素子を用いた光変調デバイスと光送信装置について説明する。
　上述した光導波路素子は、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９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９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又は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できると共に、光耐性、熱耐性、又は製造効率が高いＳＳＣ構造を有する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が可能となる。
　１　光導波路基板
　２　保持部材
　１０　リブ型光導波路
　２０　保持部材に形成された光導波路（コア層）
　３０　接着層
　ＭＤ　光変調デバイス
　ＯＴＡ　光送信装置

 

Claims (12)

  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を有する光導波路基板と、前記リブ型の光導波路の入力端又は出力端が形成された位置に、該光導波路基板に重ねて配置固定される保持部材を備えた光導波路素子において、
    　該保持部材の前記リブ型の光導波路に対向する面には、前記リブ型の光導波路よりもモードフィールド径の大きい他の光導波路が形成されており、
    　該光導波路基板と該保持部材とは接着層を介して接合されている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、該光導波路素子を平面視した際に、前記リブ型の光導波路の端部は、該保持部材の内側に位置し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、前記リブ型の光導波路の端部は、先端に向かって先細りとなってい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、該保持部材に形成された光導波路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。
  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、前記リブ型の光導波路の屈折率は、該保持部材に形成された光導波路のコア層の屈折率よりも大きいことを特徴とする光導波路素子。
  6. 　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、該接着層は、無機材料で構成されていることを特徴とする光導波路素子。
  7. 　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、該接着層の厚みは、前記リブ型の光導波路の高さと同じに設定されていることを特徴とする光導波路素子。
  8. 　請求項１乃至７のいずれかに記載の光導波路素子において、前記リブ型の光導波路は、ニオブ酸リチウムの結晶で形成されていることを特徴とする光導波路素子。
  9. 　請求項１乃至８のいずれかに記載の光導波路素子において、該保持部材に形成される光導波路のコア層には、ＳｉＯ２を含んでいることを特徴とする光導波路素子。
  10. 　請求項１乃至９いずれかに記載の光導波路素子は筐体内に収容され、該保持部材に形成された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。
  11. 　請求項１０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。
  12. 　請求項１０又は１１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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