WO2022210853A1 - 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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Definitions
- the present invention relates to an optical waveguide element, an optical modulation device and an optical transmitter using the same, and more particularly to an optical waveguide substrate having an optical waveguide made of a material having an electro-optical effect, and the vicinity of the end of the optical waveguide. and an optical waveguide element in which a reinforcing member disposed above the optical waveguide and the optical waveguide substrate and the reinforcing member are bonded via an adhesive layer.
- optical waveguide devices using substrates on which optical waveguides are formed are frequently used.
- an optical waveguide is formed by thermally diffusing Ti or the like in a substrate having an electro-optical effect, such as lithium niobate (LN).
- Input light is introduced from the outside or output light is led out to the outside to the optical waveguide substrate on which the optical waveguide is formed.
- an input portion of the optical waveguide is formed and an optical block such as an optical fiber or a lens is connected to the end surface of the substrate.
- Optical blocks such as optical fibers, lenses, polarized wave synthesizing means, and reflecting means are also connected to the end face of the substrate on which the output portion of the optical waveguide is formed, in order to appropriately lead out the output light.
- a reinforcing member is fixed on the substrate along the end face of the optical waveguide substrate with an adhesive.
- the optical block is joined to the two end surfaces of the optical waveguide substrate and the reinforcing member.
- the width of the optical waveguide can be narrowed to increase the light confinement effect. becomes.
- LNs are used as long-distance optical modulators because they have little distortion and little optical loss when converting electrical signals into optical signals.
- the mode field diameter (MFD) is about 10 ⁇ m
- the bending radius of the optical waveguides is as large as several tens of millimeters, making miniaturization difficult. Met.
- FIGS. As a method for strengthening the confinement of light waves in an optical waveguide, as shown in FIGS.
- the height of the convex portion formed on the substrate surface is about 50 nm, whereas the convex portion of the rib type optical waveguide is several ⁇ m.
- . 1 is a plan view of the vicinity of the end portion of the optical waveguide device
- FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line AA' in FIG. 1
- FIG. 3 is the dashed-dotted line CC' of FIG. is a cross-sectional view of.
- Reference numeral 1 denotes a substrate (thin plate or thin film) that forms the optical waveguide 10
- reference numeral 2 denotes a holding substrate that holds the substrate.
- spot size converter spot size converter
- SSC spot size converter
- a typical SSC has a tapered optical waveguide portion that expands the optical waveguide in two or three dimensions.
- Patent Documents 1 to 3 show examples of tapered waveguides.
- Tapered optical waveguides which expand the spot size by gradually enlarging the core part of the optical waveguide, have a high degree of difficulty in adjusting the refractive index of the core part and the clad part suitable for the spot size, and easily induce multimode.
- the applicant of the present invention has proposed an SSC as shown in FIGS.
- a part 12 is arranged.
- the refractive index of the block portion 12 is set lower than that of the optical waveguide 10, and the block portion 12 is surrounded by an organic material 4 having a refractive index lower than that of the block portion 12 by about 0.01 to 0.03. I'm in.
- This organic material can be composed of a cured adhesive or the like.
- the tip of the optical waveguide 10 is formed into a tapered shape 10′ while being covered with the block part 12, so that the effective refractive index in the tapered shape 10′ portion of the optical waveguide 10 is lowered and light is confined. become weak. As a result, the mode of light is shifted to the block portion 12, and an MFD larger than that of the optical waveguide 10 is realized.
- an optical block such as an optical fiber or a lens is connected to the end surface of the optical waveguide substrate (the lower side of the drawing of FIG. 1 or 4 or the right side of the drawing of FIG. 3).
- a reinforcing member 3 is provided to reinforce the substrate side when these connections are made.
- the optical waveguide substrate 1 and the reinforcing member 3 are bonded with an adhesive 4 .
- Reference numeral 30 in FIG. 1 indicates the other end surface of the reinforcing member 3 for reference, but the arrangement position of the end surface is not limited to this.
- the adhesive 4 and the air bubble B have different refractive indices, the presence of the air bubble B in the vicinity of the optical waveguide 10 causes the propagating light wave to be affected by scattering and the like, which causes light loss.
- the problem to be solved by the present invention is to solve the above-described problems, and to form a diffusion waveguide made of Ti or the like, a rib-type optical waveguide, and a convex portion such as a spot size conversion portion on an optical waveguide substrate.
- a further object of the present invention is to provide an optical modulation device and an optical transmitter using the optical waveguide element.
- an optical waveguide element, an optical modulation device using the same, and an optical transmitter according to the present invention have the following technical features.
- the reinforcing member is an optical waveguide element bonded via an adhesive layer, and is characterized in that a groove is formed on a surface of the reinforcing member facing the optical waveguide substrate.
- optical waveguide element described in (1) above is characterized in that the optical waveguide is a rib-type optical waveguide.
- the mode field diameter of the light wave propagating through the optical waveguide is changed.
- a spot size converter is provided.
- optical waveguide element according to any one of the above (1) to (3), characterized in that the groove is arranged at a position that does not overlap with the mode field diameter of the light wave propagating through the optical waveguide. optical waveguide device.
- the cross-sectional area of the groove in a plane perpendicular to the extending direction of the optical waveguide is It is characterized in that it is set to be larger than the cross-sectional area of the convex portion.
- the volume of the groove is larger than the volume of the convex portion of the optical waveguide located below the reinforcing member. It is characterized in that it is set to be large.
- the depth of the groove is greater than the height of the convex portion of the optical waveguide, or the width of the opening of the groove is It is characterized in that it is set to be larger than the width of the convex portion of the optical waveguide.
- optical waveguide element according to any one of the above (1) to (7), characterized in that the shape of the groove in a cross section perpendicular to the extending direction of the groove is polygonal.
- the grooves are arranged so as to sandwich the optical waveguide when viewed from above the reinforcing member. characterized by
- the optical waveguide element according to any one of (1) to (10) above is an optical modulation device characterized by being housed in a housing and provided with an optical fiber for inputting or outputting a light wave to or from the optical waveguide. be.
- the optical waveguide element has a modulation electrode for modulating the light wave propagating through the optical waveguide, and the modulation signal input to the modulation electrode of the optical waveguide element is It is characterized by having an electronic circuit for amplification inside the housing.
- An optical transmitter comprising the optical modulation device according to (11) or (12) above, and an electronic circuit for outputting a modulation signal for causing the optical modulation device to perform a modulation operation.
- the present invention provides an optical waveguide substrate having an optical waveguide made of a material having an electro-optic effect, a reinforcing member disposed above the optical waveguide near the end of the optical waveguide, and the optical waveguide substrate. and the reinforcing member are joined via an adhesive layer, in which a groove is formed in the surface of the reinforcing member facing the optical waveguide substrate, so that air bubbles in the adhesive can flow into the groove. Air bubbles can be collected and removed from the vicinity of the rib-type optical waveguide. This also makes it possible to reduce the optical loss of the optical waveguide element.
- FIG. 4 is a plan view of an optical waveguide device using a conventional rib-type optical waveguide; 2 is a cross-sectional view taken along the dashed line A-A' in FIG. 1; FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the dashed line C-C' in FIG. 1; FIG. FIG. 4 is a plan view of an optical waveguide device using a spot size converter; 5 is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line A-A' in FIG. 4; FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of an optical waveguide device of the present invention; FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the dashed dotted line A-A' in FIG. 6; FIG. FIG.
- FIG. 4 is a diagram for explaining Application Example 1 of grooves used in the optical waveguide device of the present invention
- FIG. 10 is a diagram illustrating application example 2 of the grooves used in the optical waveguide device of the present invention
- FIG. 10 is a diagram for explaining an application example 3 of grooves used in the optical waveguide device of the present invention
- 1 is a plan view for explaining an optical modulation device and an optical transmitter using the optical waveguide element of the present invention
- the optical waveguide element of the present invention comprises an optical waveguide substrate 1 having an optical waveguide 10 made of a material having an electro-optical effect, and an optical waveguide substrate 1 having an optical waveguide 10 near the end of the optical waveguide.
- the reinforcing member 3 faces the optical waveguide substrate 1.
- a groove 31 is formed on the surface of the substrate.
- the material 1 having an electro-optical effect used in the optical waveguide device of the present invention includes substrates such as lithium niobate (LN), lithium tantalate (LT), PLZT (lead lanthanum zirconate titanate), and these materials.
- substrates such as lithium niobate (LN), lithium tantalate (LT), PLZT (lead lanthanum zirconate titanate), and these materials.
- a vapor-phase growth film by the method can be used.
- Various materials such as semiconductor materials and organic materials can also be used as optical waveguides.
- the optical waveguide 10 As a method of forming the optical waveguide 10, there is a method of thermally diffusing Ti or the like in the LN substrate, etching the substrate 1 other than the optical waveguide, or forming grooves on both sides of the optical waveguide. It is possible to use a rib-type optical waveguide having a convex portion corresponding to the . Furthermore, it is also possible to increase the refractive index by diffusing Ti or the like on the substrate surface by a thermal diffusion method, a proton exchange method, or the like, in accordance with the rib type optical waveguide. The following description will focus on rib-type optical waveguides and SSCs, but these ideas also apply to other optical waveguides having convex portions such as Ti diffused waveguides.
- the thickness of the substrate (thin plate) on which the optical waveguide 10 is formed is set to 10 ⁇ m or less, more preferably 5 ⁇ m or less, and even more preferably 1 ⁇ m or less in order to achieve velocity matching between the microwave and the light wave of the modulated signal.
- the height of the rib type optical waveguide is set to 4 ⁇ m or less, more preferably 3 ⁇ m or less, further preferably 1 ⁇ m or less or 0.4 ⁇ m or less. It is also possible to form a vapor deposition film on the reinforcing substrate 3 and process the film into the shape of an optical waveguide.
- the substrate 1 on which the optical waveguide is formed is adhesively fixed to the holding substrate 2 by direct bonding or via an adhesive layer such as resin in order to increase the mechanical strength.
- the refractive index is lower than that of the optical waveguide or the substrate on which the optical waveguide is formed, and the thermal expansion coefficient is close to that of the optical waveguide, for example, a substrate containing an oxide layer such as crystal, glass, or sapphire. is preferably used.
- Composite substrates in which a silicon oxide layer is formed on a silicon substrate, or a silicon oxide layer is formed on an LN substrate, which are abbreviated as SOI and LNOI, can also be used.
- a spot size conversion section (SSC) block 12 similar to that in FIGS. 4 and 5 is formed.
- the present invention is not limited to these, and a tapered spot size conversion portion as disclosed in Patent Documents 1 to 3 may be used.
- the spot size conversion section has been described as a configuration in which the tip of the rib-type optical waveguide has a tapered shape with a narrower width, and the block section serving as the core section is arranged so as to surround it, but the present invention is not limited to this. Instead, the width of the tip of the rib-type optical waveguide may be gradually increased without using the block portion.
- the reinforcing member 3 is arranged above the rib-type optical waveguide 10 and the spot size conversion section (SSC).
- a material having a refractive index and a coefficient of linear expansion similar to those of the holding substrate 2 is used for the reinforcing member 3 . If the coefficients of linear expansion are the same, it is possible to reduce problems such as detachment of the reinforcing member (upper substrate) due to thermal stress, and an optical waveguide device having excellent heat resistance can be obtained.
- the adhesive 4 that joins the reinforcing member 3 and the optical waveguide substrate 1 or the holding substrate 2 it is possible to use an adhesive made of a UV curable resin, an acrylic resin, an epoxy resin, or the like.
- a feature of the optical waveguide element of the present invention is that grooves 31 are provided in the reinforcing member 3 in order to collect the air bubbles B contained in the adhesive 4 and remove them from the vicinity of the optical waveguide.
- the groove 31 corresponds to the mode field diameter ( It may be provided at a position not overlapping the MFD so as not to affect the profile of the MFD. Also, it may be provided at a position separated by 15% or more of the MFD from the end of the MFD.
- the term "optical waveguide" is a concept that includes the SSC as a part of the optical waveguide, unless a particularly limited configuration is specified.
- the size of the groove 31 must be large enough to accommodate the air bubble B in the vicinity of the optical waveguide.
- the cross-sectional area AR1 of the groove 31 in the plane perpendicular to the extending direction of the optical waveguide is the rib portion of the optical waveguide in the plane (in the case of FIG. 7, the SSC block body 12 ) is set to be larger than the cross-sectional area AR0. More precisely, it is within the range of the MFD of the light wave propagating through the rib portion from the state where bubbles are present around the rib portion, more preferably the range of positions 15% or more of the MFD away from the edge of the MFD.
- the minimum cross-sectional area of groove 31 is the cross-sectional area required to collect air bubbles so that no air bubbles are present therein.
- the size of the groove 31 is set by the cross-sectional area AR1 of the groove. It is also possible to set the width to be larger than the width of the convex portion of the wave path. Of course, these conditions can also be used in combination.
- the convex portion includes not only a convex portion such as a Ti diffused waveguide, a convex portion such as a rib type optical waveguide, and a convex portion such as an SSC block body, but also the optical waveguide substrate 1 in the adhesive layer 4. It is a concept including a convex shape change portion of the holding substrate 2 and a separate convex portion provided on the upper portion of the optical waveguide substrate 1 and the holding substrate 2 .
- the volume of the groove is made larger than the volume of the rib portion (the block body 12 in the case of SSC) of the optical waveguide located on the lower side of the reinforcing member 3.
- the minimum volume of the groove 31 is set to a volume in the range of 1 ⁇ m around the rib portion (excluding the rib portion).
- two or more grooves 31 can be provided.
- the grooves may be arranged symmetrically so as to sandwich the optical waveguide in plan view. This is also because the internal stress generated in the adhesive due to the existence of the groove is applied to the optical waveguide evenly on the left and right sides. As the number of grooves placed in the vicinity of the optical waveguide increases, the amount of air bubbles that can be accommodated in each groove also decreases. is.
- the surface of the surface 3D of the reinforcing member 3 close to the rib portion of the optical waveguide (the block body 12 of the SSC in FIG. 7) is finished smoothly so that the air bubbles can easily move.
- the surface of the surface 3E may be roughened to make it difficult for air bubbles to move. As a result, the bubbles are more efficiently accommodated in the grooves.
- the cross-sectional shape of the grooves formed in the reinforcing member 3 is not limited to a rectangular shape as shown in FIG. 7, but can also be a triangular shape 32 as shown in FIG.
- a polygonal configuration as shown in FIG. 8 since the internal stress of the adhesive may be concentrated on the corners R1 to R3, the shape of the corners R1 to R3 swells to the outside of the groove. It may be a curved surface.
- the angle ⁇ shown in FIG. 8 can be set within a range of 30 degrees to 90 degrees. Of course, it is also possible to configure the entire inner surface of the groove with a curved surface.
- FIG. 9 and 10 are application examples of the shape of the grooves, and in FIG. 9, instead of the straight grooves 31, wavy non-linear grooves may be used.
- the grooves 31 are arranged in parallel with the direction in which the optical waveguide extends, but it is also possible to incline the arrangement angle of the grooves as necessary. For example, the distance between grooves may be changed as the MFD widens.
- a locally isolated groove 34 in the reinforcing member 3 and a groove 35 extending in a direction having an angle such as perpendicular to the extending direction of the rib portion of the optical waveguide (SSC block 12) are provided. is also possible. 9 and groove 35 in FIG. 10.
- the groove 35 is formed so as to be exposed at the end surface of the reinforcing member 3, it may be a locally isolated groove like the groove 34.
- the optical waveguide element of the present invention is provided with a modulation electrode for modulating the light wave propagating through the optical waveguide 10 on the optical waveguide substrate 1, and housed in the housing CA as shown in FIG. Furthermore, by providing an optical fiber (F) for inputting and outputting light waves in the optical waveguide, the optical modulation device MD can be configured.
- the optical fiber is introduced into the housing via a through-hole passing through the side wall of the housing and directly joined 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 transmitter OTA can be configured by connecting an electronic circuit (digital signal processor DSP) that outputs a modulation signal S0 that causes the optical modulation device MD to perform a modulation operation, to the optical modulation device MD.
- a driver circuit DRV is used because the modulated signal S applied to the optical waveguide device must be amplified.
- the driver circuit DRV and the digital signal processor DSP can be arranged outside the housing CA, but can also be arranged inside the housing CA. In particular, by arranging the driver circuit DRV inside the housing, it is possible to further reduce the propagation loss of the modulated signal from the driver circuit.
- a reinforcing member can be joined. It is possible to provide an optical waveguide element with reduced optical loss by removing air bubbles in the adhesive from the vicinity of the optical waveguide or the like. Furthermore, it is possible to provide an optical modulation device and an optical transmitter using the optical waveguide element.
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Abstract
Ｔｉ等の拡散導波路、リブ型光導波路、さらにはスポットサイズ変換部などの凸状部分を光導波路基板に形成した場合でも、補強部材を接合する接着剤内の気泡を、光導波路等の近傍から除去し、光損失を低減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で形成される光導波路１０を備えた光導波路基板１と、該光導波路の端部付近で、該光導波路の上側に配置される補強部材３と、該光導波路基板１と該補強部材３とは接着層４を介して接合される光導波路素子において、該補強部材３の該光導波路基板１に対向した面に、溝３１が形成されていることを特徴とする。
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、電気光学効果を有する材料で形成される光導波路を備えた光導波路基板と、該光導波路の端部付近で、該光導波路の上側に配置される補強部材と、該光導波路基板と該補強部材とは接着層を介して接合される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。例えば、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの電気光学効果を有する基板にＴｉなどを熱拡散して光導波路が形成される。光導波路を形成した光導波路基板に対しては、外部から入力光を導入又は外部に出力光を導出することが行われる。基板上の光導波路に外部からの入力光を導入するためには、光導波路の入力部が形成され基板の端面には、光ファイバやレンズなどの光学ブロックが接続される。また、光導波路の出力部が形成された基板の端面にも、出力光を適正に導出するため、光ファイバ、レンズ、偏波合成手段、反射手段などの光学ブロックが接続される。
光導波路基板への光学ブロックの接続に際しては、光学ブロックをより強固に固定するため、光導波路基板の端面に沿って当該基板上に補強部材を接着剤で固定している。これにより光学ブロックは、光導波路基板と補強部材の２つの端面に接合されることとなる。
接着剤で光導波路基板と補強部材とを接合する際には、接着剤に含まれる気泡が、接合後も抜けず、光導波路基板上、特に光導波路上やその近傍に気泡が留まることがある。このような場合は、光導波路を伝搬する光波が気泡の傍を通過する際に散乱等で光損失が発生する原因となる。しかも、Ｔｉ等を熱拡散した光導波路では、５０ｎｍ程度の凸状部分が光導波路基板上に形成されるので、この凸状部原因で気泡が抜けづらいという現象を生じていた。
他方、近年の情報通信量の増大に伴い、長距離の都市間やデータセンター間に用いられる光通信の高速化や大容量化が望まれている。しかも、基地局のスペースの制限もあり、光変調器の高速化と小型化が必要となっている。
光変調器の小型化には、光導波路の幅を狭くする微細化を施すことで、光の閉じ込め効果を大きくすることができ、結果として、光導波路の曲げ半径を小さくし、小型化が可能となる。例えば、ＬＮは、電気信号を光信号に変換する際に、歪みが少なく、光損失が少ないことから、長距離向け光変調器として用いられる。ＬＮ光変調器の従来の光導波路、例えば、Ｔｉの熱拡散による光導波路では、モードフィールド径（ＭＦＤ）は１０μｍ程度であり、光導波路の曲げ半径は数十ｍｍと大きいので、小型化が困難であった。
光導波路の光波の閉じ込めを強くする方法として、図１乃至３に示すように、基板（１）表面に凸状部分のリブ型光導波路１０を形成することが行われている。しかしながら、上述したようにＴｉの熱拡散による光導波路では、基板表面に形成される凸状部分の高さは、５０ｎｍ程度であるが、リブ型光導波路の凸状部分は、数μｍにもなる。図１は、光導波路素子の端部付近を平面視した図であり、図２は図１の一点鎖線Ａ－Ａ’における断面図であり、図３は、図１の一点鎖線Ｃ－Ｃ’の断面図である。符号１は、光導波路10を形成する基板（薄板又は薄膜）であり、符号２は、該基板を保持する保持基板である。
近年、基板の研磨技術や基板の貼り合わせ技術が向上し、ＬＮ基板の薄板化が可能となり、光導波路のＭＦＤも３μｍ以下、１μｍ程度が研究開発されている。ＭＦＤが小さくなるに従い、光の閉じ込め効果も大きくなるので、光導波路の曲げ半径もより小さくすることができる。
しかしながら、光ファイバのＭＦＤである１０μｍφよりも小さいＭＦＤ（例えば４μｍ以下）を有する光導波路を使用する場合には、光導波路素子に設けられた光導波路の端部（素子端面）と、光ファイバとを直接接合すると、大きな結合損失が発生する。
このような不具合を解消するには、光導波路の端部にスポットサイズ変換部（スポットサイズコンバーター，ＳＳＣ）を配置することが考えらえる。一般的なＳＳＣは、二次元又は三次元に光導波路を拡大する、テーパー形状の光導波路部分を設ける構成である。参考までに、特許文献１乃至３には、テーパー型導波路の例が示されている。
光導波路のコア部を徐々に拡大することでスポットサイズを拡大するテーパー型光導波路は、スポットサイズに適したコア部とクラッド部の屈折率調整の難易度が高く、マルチモードを誘起し易いので、光導波路素子のＳＳＣとしては、使用可能なデザインに制限がある。さらに、必要なスポットサイズに変換するためには比較的長くテーパー部分を形成する必要が有り、光導波路素子の小型化が難しいという問題があった。
本出願人においては、図４乃至５に示すようなＳＳＣを提案しており、リブ型の光導波路１０の先端を幅が狭くなるテーパー形状１０’とし、それを取り囲むようにコア部となるブロック部１２を配置している。ブロック部１２の屈折率は光導波路１０の屈折率よりも低く設定されており、さらに、ブロック部１２よりも屈折率が０．０１～０．０３程度低い有機材料４で、ブロック部１２を取り囲んでいる。この有機材料は、接着剤を硬化したもの等で構成することが可能である。このＳＳＣは、ブロック部１２で覆われた状態で光導波路１０の先端をテーパー形状１０’とすることで、光導波路１０のテーパー形状１０’の部分における実効屈折率が低下し、光の閉じ込めが弱くなる。これによりブロック部１２に光のモードが移行し、光導波路１０よりも大きなＭＦＤを実現している。
さらに、光導波路基板の端面（図１又は４の図面の下側、あるいは図３の図面の右側）には、光ファイバやレンズ等の光学ブロックが接続される。これらの接続の際に、基板側を補強するため、補強部材３が設けられている。光導波路基板１と補強部材３とは、接着剤４で接合されている。図１において符号３０は、補強部材３の他方の端面を参考までに示しているが、端面の配置位置はこれに限定されない。
上述したように、Ｔｉの熱拡散による光導波路の場合には、光導波路基板と補強部材３との間では接着剤に含まれる気泡が抜けづらいという問題があった。これと同様に、補強部材３との接合面に図２のリブ型光導波路１０や図５のＳＳＣ構造のような高く突出する凸状部分がある場合には、接着剤に含まれる気泡Ｂの移動が当該突起物で堰き止められ、接着剤４の中に留まり易くなる。特に、従来のＴｉの熱拡散による光導波路（高さ５０ｎｍ程度）と比較すると、図３のリブ型光導波路の高さＨが、例えば、２．５μｍの場合は、約５０倍も高い。さらに図５のＳＳＣの高さＨは、例えば、３μｍ以上の場合、従来のリブ型光導波路よりも高くなるので、この問題は一層顕著となる。しかも、接着剤４と気泡Ｂの屈折率が異なるので、気泡Ｂが光導波路１０の近傍に存在することで、伝搬する光波が散乱等の影響を受け、光損失の原因ともなる。
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、Ｔｉ等の拡散導波路、リブ型光導波路、さらにはスポットサイズ変換部などの凸状部分を光導波路基板に形成した場合でも、補強部材を接合する接着剤内の気泡を、光導波路等の近傍から除去し、光損失を低減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と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光導波路を備えた光導波路基板と、該光導波路の端部付近で、該光導波路の上側に配置される補強部材と、該光導波路基板と該補強部材とは接着層を介して接合される光導波路素子において、該補強部材の該光導波路基板に対向した面に、溝が形成されていることを特徴とする。
（１） 電気光学効果を有する材料で形成される光導波路を備えた光導波路基板と、該光導波路の端部付近で、該光導波路の上側に配置される補強部材と、該光導波路基板と該補強部材とは接着層を介して接合される光導波路素子において、該補強部材の該光導波路基板に対向した面に、溝が形成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、該光導波路は、リブ型の光導波路であ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、該光導波路の端部には、該光導波路の一部として、該光導波路を伝搬する光波のモードフィールド径を変化するスポットサイズ変換部が配置され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、該溝は、該光導波路を伝搬する光波のモードフィールド径と重ならない位置に配置されていることを特徴とする光導波路素子。
（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、該光導波路の延在方向に対して垂直な面における該溝の断面積は、当該面における該光導波路の凸状部分の断面積よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする。
（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、該補強部材の下側に位置する該光導波路の凸状部分の体積より、該溝の体積の方がより大きくなるように設定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、該溝の深さは該光導波路の凸状部分の高さより大きく、又は該溝の開口部の幅は該光導波路の凸状部分の幅よりも大きくなるよう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、該溝の延在方向に対して垂直な断面における溝の形状は、多角形状であ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、該溝の内面の少なくとも一部には曲面が形成されていることを特徴とする。
（１０） 上記（１）乃至（９）のいずれかに記載の光導波路素子において、該補強部材の上方から平面視した際に、該溝は、該光導波路を挟むように配置されていることを特徴とする。
（１１） 上記（１）乃至（１０）いずれかに記載の光導波路素子は、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。
（１２） 上記（１１）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。
（１３） 上記（１１）又は（１２）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光導波路を備えた光導波路基板と、該光導波路の端部付近で、該光導波路の上側に配置される補強部材と、該光導波路基板と該補強部材とは接着層を介して接合される光導波路素子において、該補強部材の該光導波路基板に対向した面に、溝が形成されているので、当該溝に接着剤内の気泡を集め、リブ型光導波路の近傍から気泡を除去することができる。これにより、光導波路素子の光損失を低減させることも可能となる。
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６及び７に示すように、電気光学効果を有する材料で形成される光導波路１０を備えた光導波路基板１と、該光導波路の端部付近で、該光導波路の上側に配置される補強部材３と、該光導波路基板１と該補強部材３とは接着層４を介して接合される光導波路素子において、該補強部材３の該光導波路基板１に対向した面に、溝３１が形成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６及び７に示すように、電気光学効果を有する材料で形成される光導波路１０を備えた光導波路基板１と、該光導波路の端部付近で、該光導波路の上側に配置される補強部材３と、該光導波路基板１と該補強部材３とは接着層４を介して接合される光導波路素子において、該補強部材３の該光導波路基板１に対向した面に、溝３１が形成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電気光学効果を有する材料１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として利用可能である。
また、半導体材料や有機材料など種々の材料も光導波路として利用可能である。
光導波路１０の形成方法としては、ＬＮ基板にＴｉ等を熱拡散して形成する方法や、光導波路以外の基板１をエッチングしたり、光導波路の両側に溝を形成するなど、基板に光導波路に対応する部分を凸状としたリブ型の光導波路を利用することが可能である。さらに、リブ型の光導波路に合わせて、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより、屈折率をより高くすることも可能である。以下の説明は、リブ型光導波路やＳＳＣを中心に説明するが、これらの考え方はＴｉ拡散導波路など凸状部分を有する他の光導波路にも該当するものである。
光導波路１０を形成した基板（薄板）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、さらに好ましくは１μｍ以下に設定される。また、リブ型光導波路の高さは、４μｍ以下、より好ましくは３μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以下や０．４μｍ以下に設定される。また、補強基板３の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ことも可能である。
光導波路を形成した基板１は、機械的強度を高めるため、直接接合又は樹脂等の接着層を介して、保持基板２に接着固定される。直接接合する保持基板２としては、光導波路や光導波路を形成した基板よりも屈折率が低く、光導波路などと熱膨張率が近い材料、例えば水晶やガラス、サファイヤ等の酸化物層を含む基板が好適に利用される。ＳＯＩ、ＬＮＯＩと略されるシリコン基板上に酸化ケイ素層やＬＮ基板上に酸化ケイ素層を形成した複合基板も利用可能である。
光導波路１０の高さが１μｍ以下の場合には、図６及び７に示すように、図４及び５と同様のスポットサイズ変換部（ＳＳＣ）のブロック体１２が形成される。本発明はこれらに限定されず、特許文献１乃至３に示すようなテーパー形状のスポットサイズ変換部であっても良い。なお、ここではスポットサイズ変換部はリブ型の光導波路の先端を幅が狭くなるテーパー形状とし、それを取り囲むようにコア部となるブロック部を配置した構成として説明したが、それに限定されることはなく、ブロック部を用いずリブ型の光導波路の先端の幅を徐々に拡大した形状としてもよい。
図１乃至５で説明したように、リブ型光導波路１０やスポットサイズ変換部（ＳＳＣ）の上側には、補強部材３が配置される。補強部材３には、保持基板２と同じ程度の屈折率や線膨張係数を有する材料が利用される。線膨張係数が一致していると、補強部材（上部基板）が熱応力で外れるなど不具合を低減することが可能となり、耐熱性に優れた光導波路素子が得られる。補強部材３と光導波路基板１又は保持基板２とを接合する接着剤４には、ＵＶ硬化樹脂や、アクリル系やエポキシ系等の樹脂などによる接着剤が使用可能である。
本発明の光導波路素子の特徴は、接着剤４に含まれる気泡Ｂを集め、光導波路近傍から除去するため、補強部材３に溝３１を設けることである。溝３１は、図１乃至３に示すようなリブ型光導波路１０や、図６及び７に示すような光導波路の一部であるスポットサイズ変換部（ＳＳＣ）を伝搬する光波のモードフィールド径（ＭＦＤ）のプロファイルに影響を与えないようにＭＦＤに重ならない位置に設けても良い。また、ＭＦＤの端部よりＭＦＤの１５％以上離れた位置に設けても良い。図２のリブ型光導波路１０に適用する場合も同様である。
なお、本発明において「光導波路」とは、特に限定した構成が明記されていない場合は、ＳＳＣも光導波路の一部として含む概念である。
なお、本発明において「光導波路」とは、特に限定した構成が明記されていない場合は、ＳＳＣも光導波路の一部として含む概念である。
溝３１のサイズは、光導波路近傍の気泡Ｂを十分に収容できる程度の大きさを確保する必要がある。その一例として、光導波路の延在方向に対して垂直な面（図７の状態）における溝３１の断面積ＡＲ１は、当該面における光導波路のリブ部分（図７の場合はＳＳＣのブロック体１２）の断面積ＡＲ０よりも大きくなるように設定されている。より精確には、リブ部分の周辺に気泡が存在している状態から、リブ部分を伝搬する光波のＭＦＤの範囲内、より好ましくは、ＭＦＤの端部よりＭＦＤの１５％以上離れた位置の範囲内には気泡が存在しないように、気泡を集めるために必要な断面積が、溝３１の最低限の断面積となる。
溝３１のサイズを、溝の断面積ＡＲ１で設定したが、これに限らず、溝３１の深さを光導波路の凸状部分の高さより大きく設定したり、溝３１の開口部の幅を光導波路の凸状部分の幅よりも大きくなるように設定することも可能である。当然、これらの条件を組み合わせて用いることもできる。なお、凸状部分とはＴｉ拡散導波路などの凸状部分、リブ型光導波路などの凸状部分、ＳＳＣのブロック体などの凸状部分はもちろんのこと、接着層４内において光導波路基板１や保持基板２の凸状の形状変化部や光導波路基板１や保持基板２の上部に設けた別体の凸状部分を含む概念である。
さらに、溝３１のサイズの別の設定方法として、補強部材３の下側に位置する光導波路のリブ部分（ＳＳＣの場合はブロック体１２）の体積より、溝の体積の方がより大きくなるように設定することも可能である。また、より精確には、リブ部分の周り１μｍの範囲の体積（リブ部分を除く）を、溝３１の最低限の体積とすることである。
図７に示すように、溝３１は、２本以上設けることが可能である。特に、平面視した際に光導波路を挟むように左右対称に溝を配置しても良い。これは、溝の存在により接着剤に発生する内部応力が、光導波路に左右均等に印加されるように構成するためでもある。光導波路に近傍して配置する溝が多くなると、その分、１本当たりの溝に収容する気泡の量も少なくなるので、上述した断面積や体積は、溝の本数で案分することも可能である。
補強部材３の光導波路のリブ部分（図７のＳＳＣのブロック体１２）に近接する面３Ｄの表面は、滑らかに仕上げ、気泡が移動し易くなるように構成し、溝の内面、特に最深部の面３Ｅの表面は、粗く仕上げ、気泡が移動し難くなるように構成しても良い。これにより、より効率的に気泡が溝に収容されることとなる。
補強部材３に形成する溝の断面形状は、図７に示すように矩形状に限らず、図８に示すように三角形状３２とすることも可能である。なお、図８のように多角形状で構成する場合には、角部Ｒ１～Ｒ３に接着剤の内部応力が集中する可能性もあるので、角部Ｒ１～Ｒ３の形状は、溝の外側に膨らんだ曲面としても良い。また、図８に示す角度θは、３０度から９０度の範囲で設定することが可能である。当然、溝の内面全体を曲面で構成することも可能である。
図９及び１０は、溝の形状の応用例であり、図９では、直線的な溝３１に対して、波打つような非直線的な溝であっても良い。溝３１は、光導波路の延在する方向に並行に配置されているが、必要に応じて、溝の配置角度を傾けることも可能である。例えば、ＭＦＤが広がるのに合わせて溝間の距離も変化させても良い。
図１０のように、補強部材３の局所的に孤立した溝３４や、光導波路のリブ部分（ＳＳＣのブロック体１２）の延在方向に対し垂直など角度を持った方向に延びる溝３５を設けることも可能である。なお、図９の溝３１，３３、図１０の溝３５のように、補強部材３の端面に露出する溝を形成することで、気泡が補強部材３の外側に排出されやすくなり、より気泡の除去効果を高めることが可能となる。なお、溝３５は補強部材３の端面に露出するように形成されているが、溝３４のように局所的に孤立した溝としてもよい。
本発明の光導波路素子は、光導波路基板１に光導波路１０を伝搬する光波を変調する変調電極を設け、図１１のように、筐体ＣＡ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１１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Ｓ０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Ｓ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ＣＡの外部に配置することも可能であるが、筐体ＣＡ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、Ｔｉ等の拡散導波路、リブ型光導波路、さらにはスポットサイズ変換部などの凸状部分を光導波路基板に形成した場合でも、補強部材を接合する接着剤内の気泡を、光導波路等の近傍から除去し、光損失を低減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と光送信装置を提供することが可能となる。
１ 光導波路を形成する基板（薄板，膜体）
２ 保持基板（光導波路基板の一部）
３ 補強部材
４ 接着剤
１０ リブ型光導波路
１２ ブロック体（ＳＳＣの一部）
３１～３５ 溝
２ 保持基板（光導波路基板の一部）
３ 補強部材
４ 接着剤
１０ リブ型光導波路
１２ ブロック体（ＳＳＣの一部）
３１～３５ 溝
Claims (13)
- 電気光学効果を有する材料で形成される光導波路を備えた光導波路基板と、該光導波路の端部付近で、該光導波路の上側に配置される補強部材と、該光導波路基板と該補強部材とは接着層を介して接合される光導波路素子において、
該補強部材の該光導波路基板に対向した面に、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に記載の光導波路素子において、該光導波路は、リブ型の光導波路であることを特徴とする光導波路素子。
- 請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該光導波路の端部には、該光導波路の一部として、該光導波路を伝搬する光波のモードフィールド径を変化するスポットサイズ変換部が配置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３のいずれかに記載の光導波路素子において、該溝は、該光導波路を伝搬する光波のモードフィールド径と重ならない位置に配置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、該光導波路の延在方向に対して垂直な面における該溝の断面積は、当該面における該光導波路の凸状部分の断面積よりも大き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乃至５のいずれかに記載の光導波路素子において、該補強部材の下側に位置する該光導波路の凸状部分の体積より、該溝の体積の方がより大き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乃至６のいずれかに記載の光導波路素子において、該溝の深さは該光導波路の凸状部分の高さより大きく、又は該溝の開口部の幅は該光導波路の凸状部分の幅よりも大き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乃至７のいずれかに記載の光導波路素子において、該溝の延在方向に対して垂直な断面における溝の形状は、多角形状であることを特徴とする光導波路素子。
- 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、該溝の内面の少なくとも一部には曲面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９のいずれかに記載の光導波路素子において、該補強部材の上方から平面視した際に、該溝は、該光導波路を挟むように配置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１０のいずれかに記載の光導波路素子は、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１１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。
- 請求項１１又は１２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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2022
- 2022-03-30 WO PCT/JP2022/015880 patent/WO2022210853A1/ja active Application Filing
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