WO2023053404A1 - 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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Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide element and an optical modulation device and an optical transmitter using the same, and more particularly to an optical waveguide element having an optical waveguide formed on a substrate and a dielectric layer covering the optical waveguide.
  • optical waveguide devices such as optical modulators using substrates with an electro-optic effect are widely used.
  • optical modulators using substrates with an electro-optic effect
  • the width of the optical waveguide can be narrowed to increase the light confinement effect. becomes.
  • lithium niobate which has an electro-optical effect
  • the mode field diameter is about 10 ⁇ m and the bend radius of the optical waveguide is as large as several tens of millimeters, making miniaturization difficult.
  • the roughness of the surface of the optical waveguide greatly affects the optical loss of the light wave propagating through the optical waveguide.
  • a convex optical waveguide referred to as a rib-type optical waveguide
  • the side surface of the convex portion is likely to be roughened due to minute unevenness depending on the etching speed and etching temperature.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2002-100000 proposes to provide a dielectric layer (insulating film) covering the optical waveguide in order to solve such a problem.
  • a spot size converter spot size converter, SSC
  • SSC spot size converter
  • FIG. 1 shows an example of an optical waveguide device integrated with a plurality of Mach-Zehnder optical waveguides and equipped with an SSC disclosed in Patent Document 3.
  • the optical waveguide device is a high bandwidth coherent driver modulator (HB- CDM) can also be used.
  • a dielectric layer (insulating film) IL is arranged on the optical waveguide 2 in the optical waveguide portion including the modulating portion MP that modulates the light wave by applying a modulation signal to the optical waveguide 2 .
  • a block body (dielectric film) of SSC is used in the region indicated by SSC. It should be noted that Lin indicates incident light and Lout indicates emitted light.
  • FIG. 2 is an enlarged plan view of the portion surrounded by the dotted line frame A in FIG. 1, showing an example of the configuration of the vicinity including the SSC.
  • 3 is a cross-sectional view along the dotted line C-C' in FIG. 2
  • FIG. 4 is a cross-sectional view along the dotted line B-B' in FIG. 2
  • FIG. 5 is a cross-sectional view along the dotted line A-A' in FIG.
  • FIG. 3 shows the same structure as the optical waveguide including the modulation section MP in the optical waveguide element, and the rib-type optical waveguide 2 is formed on part of the substrate 1 .
  • a dielectric layer IL is arranged to cover the side and top surfaces of the optical waveguide 2 . Since the substrate 1 and the optical waveguide 2 are extremely thin layers, the reinforcing substrate 3 is arranged on the lower surface side of the substrate 1 in order to increase the mechanical strength.
  • the width of the optical waveguide 2 and the substrate 1 has a tapered shape that gradually narrows toward the edge of the substrate. Therefore, in FIG. 3, the rib-shaped optical waveguide 2 functions as the core portion of the optical waveguide, but in FIG. 4, the rib-shaped optical waveguide 2 and the substrate 1 play the role of the core portion. Furthermore, in FIG. 5, the dielectric layer IL also serves as a core portion, and the MFD of the optical waveguide gradually expands. Since the MFD can be made smaller by narrowing the width of the dielectric layer in this way, the size of the MFD can be controlled to a desired size, and the optical insertion loss with the optical fiber or the like can be reduced.
  • the width of the dielectric layer IL becomes narrower, and at the same time, the size of the cross-sectional area (surface area) occupied by the rib-type optical waveguide 2 and the substrate 1 also becomes smaller.
  • the width of the dielectric layer IL becomes narrower, the adhesiveness between the dielectric layer IL and the substrate 1 (optical waveguide 2) and the adhesiveness between the dielectric layer IL and the reinforcing substrate 3 are lowered. Phenomena such as peeling and cracking of the body layer IL also occur. In particular, this phenomenon is remarkable in a portion where the width of the substrate 1 (optical waveguide 2) or the dielectric layer IL is narrow, such as SSC.
  • Japanese Patent Application No. 2021-050409 filing date: March 24, 2021
  • Japanese Patent Application No. 2020-165004 (Filing date: September 30, 2020)
  • PCT/JP2021/032007 (Filing date: August 31, 2021)
  • the problem to be solved by the present invention is to solve the above-described problems, and to provide an optical waveguide element having a dielectric layer covering an optical waveguide, in which problems such as peeling and cracking of the dielectric layer are suppressed. It is to provide a wave path element.
  • 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 optical waveguide is a rib-type optical waveguide, and At least part of the side surface is characterized by a slope shape formed by a curved surface.
  • the shape of the cross section perpendicular to the propagation direction of the light wave of the rib-type optical waveguide is trapezoidal, triangular, or a shape stacked in multiple stages, and At least part of the overhanging side is formed by a curved line.
  • the optical waveguide element described in (1) or (2) above has a spot size conversion section including the rib type optical waveguide and the dielectric layer, and in the spot size conversion section, the substrate is The width of the rib-shaped optical waveguide decreases or increases toward the ends, and the dielectric layer functions as an optical waveguide.
  • the optical waveguide element described in (1) to (3) above has a spot size conversion section including the rib-type optical waveguide and the dielectric layer, and in the spot size conversion section, the substrate is The thickness of the rib-type optical waveguide is made thinner or thicker toward the end, and the dielectric layer functions as an optical waveguide.
  • the refractive index of the dielectric layer is smaller than the refractive index of the rib-type optical waveguide.
  • the optical waveguide element according to any one of the above (1) to (5) is characterized in that the optical waveguide element is housed in a housing and comprises an optical fiber for inputting or outputting a light wave to or from the optical waveguide. It is an optical modulation device that
  • 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 (6) or (7) 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 element having an optical waveguide formed on a substrate and a dielectric layer covering the optical waveguide, wherein the optical waveguide is a rib-type optical waveguide, and along the longitudinal direction of the rib-type optical waveguide, Since at least a part of the side surface is curved and has a slope shape, the contact area between the dielectric layer and the rib-type optical waveguide can be increased. It is possible to suppress the occurrence of defects such as peeling and cracking of the.
  • FIG. 1 is a plan view showing an example of an optical waveguide element having a dielectric layer covering an optical waveguide, disclosed in Patent Document 3;
  • FIG. FIG. 2 is an enlarged plan view of a portion surrounded by a dotted line frame A in FIG. 1;
  • 3 is a cross-sectional view taken along the dotted line C-C' in FIG. 2;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view along the dotted line B-B' in FIG. 2;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view along the dotted line A-A' in FIG. 2;
  • FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the dotted line A-A' in FIG. 2, showing the first embodiment according to the present invention;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the dotted line A-A' in FIG. 2, showing a second embodiment according to the present invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the dotted line B-B' in FIG. 2, showing a third embodiment according to the present invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the dotted line B-B' in FIG. 2, showing a fourth embodiment according to the present invention
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the dotted line C-C' in FIG. 2, showing a fifth embodiment according to the present invention
  • FIG. 10 is a diagram showing an application example (sixth embodiment) of the optical waveguide device of the present invention. It is a figure which shows the application example (7th Example) of the optical waveguide element of this invention. It is a figure which shows the application example (8th Example) of the optical waveguide element of this invention.
  • 1 is a plan view for explaining an optical modulation device and an optical transmitter according to the present invention; FIG.
  • the optical waveguide element of the present invention is an optical waveguide element having an optical waveguide 2 formed on a substrate 1 and a dielectric layer IL covering the optical waveguide, wherein the optical waveguide 2 is
  • the rib-type optical waveguide is characterized in that at least a part of the side surface along the longitudinal direction of the rib-type optical waveguide has a slope shape formed by curved surfaces (R1 to R9).
  • the "rib-type optical waveguide” in the present invention means a portion having a convex cross-sectional shape and functioning as an optical waveguide, as shown in FIGS.
  • the inside of the SSC, etc. may include not only the projecting portion 2 but also the substrate 1, as shown in FIGS. Further, there may be only substrate 1, as in FIGS.
  • the "rib type optical waveguide” does not include the dielectric layer IL.
  • 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 substrates thereof.
  • substrates such as lithium niobate (LN), lithium tantalate (LT), PLZT (lead lanthanum zirconate titanate), and substrates thereof.
  • Substrates with magnesium doped materials can be used.
  • Vapor deposition films made of these materials can also be used.
  • Various materials such as semiconductor materials and organic materials can also be used as optical waveguides.
  • the substrate 1 other than the optical waveguide is etched, grooves are formed on both sides of the optical waveguide, or a rib-type optical waveguide is formed on the substrate with a convex portion corresponding to the optical waveguide. It is possible to use Furthermore, it is also possible to increase the refractive index of the substrate surface by thermal diffusion of Ti or the like, proton exchange, or the like, in accordance with the rib type optical waveguide.
  • the thickness of the substrate (thin plate) 1 on which the optical waveguide 2 is formed is set to 10 ⁇ m or less, more preferably 5 ⁇ m or less, still 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 on which the optical waveguide is formed is adhesively fixed to the reinforcing substrate 3 through direct bonding or an adhesive layer such as resin as shown in FIGS. 3 to 10 in order to increase mechanical strength.
  • a material having a refractive index lower than that of the optical waveguide or the substrate on which the optical waveguide is formed and a material having a coefficient of thermal expansion close to that of the optical waveguide, such as a substrate containing an oxide layer such as crystal or glass is suitable.
  • 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.
  • the optical waveguide 2 in FIG. 2 is covered with a dielectric layer (insulating film) IL disclosed in Patent Document 1.
  • a dielectric layer (insulating film) IL disclosed in Patent Document 1.
  • the dielectric layer IL is preferably a dielectric with a refractive index greater than 1, and is set to 0.5 times or more and 0.75 times or less the refractive index of the optical waveguide 2 .
  • the thickness of the dielectric layer IL is not particularly limited, it can be formed up to a thickness of about 10 ⁇ m.
  • the optical waveguide portion including the modulating portion MP that modulates the light wave by applying a modulation signal to the optical waveguide 2
  • the optical waveguide 2 functions as a core portion and the dielectric layer functions as a cladding portion.
  • the dielectric layer IL can be formed by a sputtering method or a CVD method using an inorganic material such as SiO2 , but an organic material such as resin may also be used.
  • a photoresist containing a coupling agent can be used, and a so-called photosensitive insulating film (permanent resist), which is cured by thermal crosslinking reaction, can be used.
  • the resin it is also possible to use other materials such as polyamide resin, melamine resin, phenol resin, amino resin, and epoxy resin.
  • the dielectric layer IL is arranged across the optical waveguide 2 (on the right side of the drawing) and the spot size converter SSC (on the left side of the drawing).
  • the present invention is not limited to such an example, and it is also possible to use different dielectric layers on the optical waveguide side and the SSC side. However, if the dielectric layers have different refractive indices, light wave propagation loss is likely to occur at the boundary between the dielectric layers. It should be set to 5 or less. More preferably, the dielectric layer IL covering the optical waveguide continuously enters the spot size conversion section as a part of the dielectric layer forming the spot size conversion section from the modulation section side of the optical waveguide. More preferably, the dielectric layer of the optical waveguide on the modulation section side and part of the dielectric layer forming the spot size conversion section are simultaneously formed in the same manufacturing process.
  • the dielectric layer IL functions together with the optical waveguide 2 and the substrate 1 as part of the optical waveguide, especially as the core portion of the optical waveguide.
  • the width of the dielectric layer IL forming the SSC in FIG. 2 is tapered from the viewpoint of mode diameter conversion and light confinement. At the leftmost position in FIG. 2, the width is about 5 ⁇ m. On the other hand, in the modulation section, the width of the dielectric layer IL is 10 ⁇ m or more from the viewpoint of adhesion and the like, and therefore the lateral width of the dielectric layer IL is wider in the modulation section than in the SSC.
  • the width of the optical waveguide (protruding portion 2) and the substrate 1 are gradually changed in a tapered shape, but the present invention is not limited to this, and the thickness of the optical waveguide 2 and the substrate 1 can be gradually reduced or increased. may be used, or a combination of the two may be used.
  • the feature of the optical waveguide element of the present invention is that, as shown in FIGS. 6 to 13, at least a part of the side surface along the longitudinal direction of the rib type optical waveguide has a slope shape formed by curved surfaces (R1 to R9). be.
  • curved surfaces curved boundary line in the cross-sectional view
  • the contact area between the dielectric layer and the rib-type optical waveguide is increased, and the adhesion between the two can be enhanced.
  • the substrate 1 plays the role of a rib-type optical waveguide, and curved surfaces R1 are formed on its side surfaces.
  • the cross-sectional shape of the rib-type optical waveguide is substantially triangular.
  • the cross-sectional shape of the rib-type optical waveguide (substrate 1) is substantially trapezoidal.
  • a curved surface R2 is formed on a laterally protruding side (side) of the trapezoid.
  • the cross-sectional shape of the rib-type optical waveguide in the present invention (the cross-sectional shape perpendicular to the propagation direction of the light wave) is trapezoidal, triangular, or a shape stacked in multiple stages, and at least a portion of the laterally projecting sides are curved. It is sufficient if it is formed by
  • the third embodiment of FIG. 8 has a shape in which trapezoids are stacked, and a curved surface R3 is provided on the lower side surface of the trapezoid.
  • curved surfaces R4 and R5 are formed on the upper and lower trapezoidal side surfaces. 8 and 9 are cross sections taken along the dotted line BB' in FIG. It is also possible to form it in the wave path (convex part 2).
  • a curved surface R6 is formed on the trapezoidal side surface of the convex portion 2 (rib type optical waveguide) formed on the substrate 1.
  • a curved surface R7 is formed in a part of a plurality of steps, and as shown in FIG. A curved surface R8 is also possible.
  • FIG. 13 it is also possible to form a curved surface R9 that bulges outward.
  • a desired etching mask having a curved surface is patterned, and a dry etching method such as reactive ion etching (RIE) or a suitable etchant is used. It can be performed by a wet etching method or the like.
  • RIE reactive ion etching
  • the optical waveguide element of the present invention is provided with a modulation electrode that modulates the light wave propagating through the optical waveguide 2, and is accommodated 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 F is optically coupled to the optical waveguide within the optical waveguide element using the optical lens 4 .
  • the optical fiber may be introduced into the housing via a through-hole penetrating the side wall of the housing and directly joined to the optical waveguide element.
  • An optical transmitter OTA can be configured 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.
  • DSP digital signal processor
  • a driver circuit DRV is used because the modulated signal 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.

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Abstract

光導波路を覆う誘電体層を備えた光導波路素子において、誘電体層の剥離や割れ等の不具合の発生を抑制した光導波路素子を提供することを目的とする。　本発明の光導波路素子は、基板１に形成される光導波路２と、該光導波路を覆う誘電体層ＩＬとを有する光導波路素子において、該光導波路２はリブ型光導波路であり、該リブ型光導波路の長手方向に沿った側面の少なくとも一部は、曲面（Ｒ６）で形成されるスロープ形状であ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、基板に形成される光導波路と、該光導波路を覆う誘電体層とを有す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、電気光学効果を有する基板を用いた光変調器などの光導波路素子が多用されている。特に、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、電気光学効果を有するニオブ酸リチウム（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と大きいため、小型化が困難であった。
　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ため、光導波路の曲げ半径もより小さくすることができる。
　光導波路の幅や高さが小さくなるに従い、光導波路の表面の粗さが、光導波路を伝搬する光波の光損失に大きな影響を及ぼすこととなる。例えば、凸状の光導波路（リブ型光導波路という。）を形成する場合には、エッチング速度やエッチング温度により、凸部の側面に微小な凹凸による表面荒れが発生し易い。
　特許文献１では、このような不具合を解消するため、光導波路を覆う誘電体層（絶縁膜）を設けることが提案されている。
　一方、光ファイバのＭＦＤである１０μｍφよりも小さいＭＦＤを有する微細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、大きな挿入損失が発生する。
　このような不具合を解消するため、特許文献２では、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）を配置している。ＳＳＣの一例としては、光導波路を覆うブロック体（誘電体膜）によりＳＳＣを構成するものが提案されている。
　図１は、特許文献３に開示された、複数のマッハツェンダー型光導波路を集積し、かつＳＳＣを備えた光導波路素子の一例であり、光導波路素子は高帯域幅コヒーレントドライバ変調器（ＨＢ－ＣＤＭ）などにも利用可能である。光導波路２に変調信号を印加して光波を変調する変調部ＭＰを含む光導波路部分では、特許文献１と同様に、光導波路２に誘電体層（絶縁膜）ＩＬを配置している。また、ＳＳＣで示した領域では、特許文献２と同様に、ＳＳＣのブロック体（誘電体膜）が利用されている。なお、Ｌｉｎは入射光であり、Ｌｏｕｔは出射光を示す。
　図２は、図１の点線枠Ａの部分を拡大した平面図であり、ＳＳＣを含む近傍部分の構成の一例を示す図である。図３は図２の点線Ｃ－Ｃ’における断面図、図４は図２の点線Ｂ－Ｂ’における断面図、図５は図２の点線Ａ－Ａ’における断面図を、各々示す。
　図３は、光導波路素子内の変調部ＭＰを含む光導波路と同じ構造であり、基板１の一部にリブ型光導波路２が形成されている。そして、その光導波路２の側面や上面を覆うように誘電体層ＩＬが配置されている。基板１や光導波路２は極めて薄い層であるため、機械的強度を高めるため補強基板３が基板１の下面側に配置されている。
　光導波路２や基板１の幅は、図２に示すように、基板の端部に向かって徐々に狭くなるテーパー形状を有している。このため、図３では、リブ型光導波路２が光導波路のコア部分として機能しているが、図４では、リブ型光導波路2及び基板１がコア部分の役割を果たしている。さらに、図５においては、誘電体層ＩＬもコア部分の役割を果たし、光導波路のＭＦＤが徐々に拡大することとなる。このように、ＭＦＤは誘電体層の幅を狭くすることで小さくすることができるため、目的とするＭＦＤのサイズに制御でき、光ファイバ等との光挿入損失を低減することが可能となる。
　図３から図５に断面形状が変化するに従い、誘電体層ＩＬの幅も狭くなると同時に、リブ型光導波路２や基板１が占める断面積（表面積）の大きさも小さくなる。一般的に、誘電体層ＩＬの幅が狭くなるに従い、誘電体層ＩＬと基板１（光導波路２）との密着性や、誘電体層ＩＬと補強基板３との密着性が低下し、誘電体層ＩＬの剥離や割れなどの現象も発生する。特に、ＳＳＣなどのように、基板１（光導波路２）や誘電体層ＩＬの幅が狭い部分においては、この現象は顕著となる。
　なお、上述の説明では、基板１や光導波路２、又は誘電体層ＩＬが光導波路の端部に向かって徐々に幅が狭くなる例を説明したが、逆に徐々に幅が広くなる場合であっても、その幅自体が狭い場合には、同様に剥離などの不具合が発生する。
特願２０２１－０５０４０９号（出願日：２０２１年３月２４日） 特願２０２０－１６５００４号（出願日：２０２０年９月３０日） ＰＣＴ/ＪＰ２０２１／０３２００７（出願日：２０２１年８月３１日）
　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、光導波路を覆う誘電体層を備えた光導波路素子において、誘電体層の剥離や割れ等の不具合の発生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）　基板に形成される光導波路と、該光導波路を覆う誘電体層とを有する光導波路素子において、該光導波路はリブ型光導波路であり、該リブ型光導波路の長手方向に沿った側面の少なくとも一部は、曲面で形成されるスロープ形状であ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、該リブ型光導波路の光波の伝搬方向に垂直な断面の形状が、台形、三角形、または複数段に積み重ねた形状であり、横方向に張り出した辺の少なくとも一部は曲線で形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、該リブ型光導波路と該誘電体層とを含むスポットサイズ変換部を有し、該スポットサイズ変換部では、該基板の端部に向かって該リブ型光導波路の幅が減少または増加すると共に、該誘電体層が光導波路として機能することを特徴とする。
（４）　上記（１）乃至（３）に記載の光導波路素子において、該リブ型光導波路と該誘電体層とを含むスポットサイズ変換部を有し、該スポットサイズ変換部では、該基板の端部に向かって該リブ型光導波路の厚さを薄くするまたは厚くすると共に、該誘電体層が光導波路として機能す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、該誘電体層の屈折率は、該リブ型光導波路の屈折率よりも小さいことを特徴とする。
（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。
（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、基板に形成される光導波路と、該光導波路を覆う誘電体層とを有する光導波路素子において、該光導波路はリブ型光導波路であり、該リブ型光導波路の長手方向に沿った側面の少なくとも一部は、曲面で形成されるスロープ形状であるため、誘電体層と、リブ型光導波路との接触面積をより大きくすることができ、両者の密着性を高め、誘電体層の剥離や割れなどの不具合の発生を抑制することが可能となる。
特許文献３に開示された、光導波路を覆う誘電体層を有する光導波路素子の一例を示す平面図である。 図１の点線枠Ａの部分を拡大した平面図である。 図２の点線Ｃ－Ｃ’における断面図である。 図２の点線Ｂ－Ｂ’における断面図である。 図２の点線Ａ－Ａ’における断面図である。 図２の点線Ａ－Ａ’における断面図であり、本発明に係る第１実施例を示す図である。 図２の点線Ａ－Ａ’における断面図であり、本発明に係る第２実施例を示す図である。 図２の点線Ｂ－Ｂ’における断面図であり、本発明に係る第３実施例を示す図である。 図２の点線Ｂ－Ｂ’における断面図であり、本発明に係る第４実施例を示す図である。 図２の点線Ｃ－Ｃ’における断面図であり、本発明に係る第５実施例を示す図である。 本発明の光導波路素子の応用例（第６実施例）を示す図である。 本発明の光導波路素子の応用例（第７実施例）を示す図である。 本発明の光導波路素子の応用例（第８実施例）を示す図である。 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。
　本発明の光導波路素子は、図６乃至１３に示すように、基板１に形成される光導波路２と、該光導波路を覆う誘電体層ＩＬとを有する光導波路素子において、該光導波路２はリブ型光導波路であり、該リブ型光導波路の長手方向に沿った側面の少なくとも一部は、曲面（Ｒ１～Ｒ９）で形成されるスロープ形状であることを特徴とする。
　本発明における「リブ型光導波路」とは、図６乃至１３に示すように、凸状の断面形状を備え、光導波路として機能する部分を意味し、図１０のように、基板１から突出した部分２だけでなく、ＳＳＣなどの内部においては、図８及び９に示すように、突出部分２だけでなく基板１も含む場合もある。さらに、図６及び７のように基板１のみの場合もある。ただし、「リブ型光導波路」には誘電体層ＩＬは含まれない。
　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、これらの基板材料にマグネシウムをドープした基材が使用可能である。また、これらの材料による気相成長膜なども利用可能である。
　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２の形成方法としては、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などの熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面の屈折率をより高くすることも可能である。
　光導波路２を形成した基板（薄板）１の厚さは、変調信号のマイクロ波と光波との速度整合を図るため、１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下、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は、機械的強度を高めるため、図３乃至１０に示すように、直接接合又は樹脂等の接着層を介して、補強基板３に接着固定される。直接接合する補強基板３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。
　図２の光導波路２は、特許文献１に示す誘電体層（絶縁膜）ＩＬで覆われている。図１０に示すように、リブ型光導波路２の上面及び側面が誘電体層ＩＬで覆われている。
　誘電体層ＩＬとしては、屈折率が１より大きい誘電体であることが好ましく、光導波路２の屈折率の０．５倍以上、０．７５倍以下に設定される。誘電体層ＩＬの厚さは特に限定されないが、１０μｍ程度の厚さまで形成することが可能である。光導波路２に変調信号を印加して光波を変調する変調部ＭＰを含む光導波路部分（ＳＳＣを除く）では、光導波路２はコア部として、誘電体層はクラッド部として機能する。
　誘電体層ＩＬは、ＳｉＯ２等の無機材料を用いてスパッタ法やＣＶＤ法で形成できるが、樹脂等の有機材料を使用してもよい。樹脂では、カップリング剤（架橋剤）を含むフォトレジストが利用でき、熱によって架橋反応が進行して硬化する、所謂、感光性絶縁膜（永久レジスト）が利用できる。なお、樹脂として、ポリアミド系樹脂、メラミン系樹脂、フェノール系樹脂、アミノ系樹脂、エポキシ系樹脂など他の材料を使用することも可能である。
　図２では、誘電体層ＩＬは光導波路２（図面右側）とスポットサイズ変換部ＳＳＣ（図面左側）の間に跨って配置されている。本発明はこのような例に限らず、光導波路側とＳＳＣ側とで異なる誘電体層を使用することも可能である。ただし、誘電体層の屈折率が異なる場合は、誘電体層間の境界部分で光波の伝搬損失が発生し易くなるため、境界部分における誘電体層の屈折率差が所定値以下、例えば、０．５以下に設定されていることが望ましい。より好ましくは、光導波路を覆う誘電体層ＩＬが、光導波路の変調部側からスポットサイズ変換部を構成する誘電体層の一部としてスポットサイズ変換部の中に連続的に入り込んでいる。さらに好ましくは、変調部側の光導波路の誘電体層とスポットサイズ変換部を構成する誘電体層の一部は同じ製造プロセスで同時に形成される。
　スポットサイズ変換部ＳＳＣでは、誘電体層ＩＬは、光導波路２や基板１と一緒に、光導波路の一部、特に光導波路のコア部として機能している。
　図２のＳＳＣを構成する誘電体層ＩＬの幅は、モード径変換や光閉じ込めの観点から、幅はテーパー状に形成される。図２の左端の位置では約５μｍの幅になる。一方、変調部では密着性などの観点から、誘電体層ＩＬの幅は１０μｍ以上の幅になり、このため、誘電体層ＩＬの横幅は変調部の方がＳＳＣより広くなる。
　図２では、光導波路（凸状部分２）や基板１の幅をテーパー状に徐々に変化させたが、これに限らず、光導波路２や基板１の厚さを徐々に薄くするまたは厚くしても良いし、両者を組み合わせても良い。
　本発明の光導波路素子の特徴は、図６乃至１３示すように、リブ型光導波路の長手方向に沿った側面の少なくとも一部を曲面（Ｒ１～Ｒ９）で形成されるスロープ形状とすることである。このような曲面（断面図では境界線の曲線）を設けることで、誘電体層とリブ型光導波路との接触面積が増大し、両者の密着性を高めることができる。
　図６の第１実施例では、基板１がリブ型光導波路の役割を担い、その側面に曲面Ｒ１が形成されている。リブ型光導波路の断面形状は略三角形となっている。
　また、図７の第２実施例では、リブ型光導波路（基板１）の断面形状は略台形となっている。台形の横方向に張り出した辺（側辺）に曲面Ｒ２が形成されている。
　本発明におけるリブ型光導波路の断面形状（光波の伝搬方向に垂直な断面の形状）は、台形、三角形、または複数段に積み重ねた形状であり、横方向に張り出した辺の少なくとも一部は曲線で形成されていればよい。
　図８の第３実施例では、台形を積み重ねた形状であり、下側の台形側面に曲面Ｒ３を設けている。図９の第４実施例では、上下の台形側面に曲面Ｒ４及びＲ５を形成している。図８及び９は、図２の点線Ｂ－Ｂ’の断面であるが、このような複数の段に積み重ねた形状を、例えば、点線Ａ－Ａ’の基板１や点線Ｃ－Ｃ’の光導波路（凸状部分２）に形成することも可能である。
　図１０の第５実施例では、基板１に形成された凸状部分２（リブ型光導波路）の台形側面に曲面Ｒ６を形成している。
　さらには、図１１に示すように、複数段の一部分に曲面Ｒ７を形成したり、図１２に示すように、同じ側面でも一部を平面（断面の境界は直線）とし、他の一部を曲面Ｒ８とすることも可能である。図１３に示すように外側に膨らみを持つ曲面Ｒ９とすることも可能性である。
　図６乃至１３に示すような曲面の形成方法としては、曲面を有する所望のエッチングマスクをパターニングし、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）などのドライエッチング法や好適なエッチング液を用いたウェットエッチング法等により行うことができる。
　本発明の光導波路素子は、光導波路２を伝搬する光波を変調する変調電極を設け、図１４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１４では、光ファイバＦは光学レンズ４を用いて光導波路素子内の光導波路と光学的に結合されている。これに限らず、光ファイバを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しても良い。
　光変調デバイスＭＤに変調動作を行わせる変調信号を出力する電子回路（デジタル信号プロセッサーＤＳＰ）を、光変調デバイスＭＤに接続することにより、光送信装置ＯＴＡを構成することが可能である。光導波路素子に印加する変調信号は増幅する必要があるため、ドライバ回路ＤＲＶが使用される。ドライバ回路ＤＲＶやデジタル信号プロセッサーＤＳＰは、筐体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、光導波路を覆う誘電体層を備えた光導波路素子において、誘電体層の剥離や割れ等の不具合の発生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　光導波路
　ＩＬ　誘電体層
　ＭＰ　変調部
　ＳＳＣ　スポットサイズ変換部

Claims (8)

  1. 　基板に形成される光導波路と、該光導波路を覆う誘電体層とを有する光導波路素子において、
    　該光導波路はリブ型光導波路であり、該リブ型光導波路の長手方向に沿った側面の少なくとも一部は、曲面で形成されるスロープ形状であ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、該リブ型光導波路の光波の伝搬方向に垂直な断面の形状が、台形、三角形、または複数段に積み重ねた形状であり、横方向に張り出した辺の少なくとも一部は曲線で形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、該リブ型光導波路と該誘電体層とを含むスポットサイズ変換部を有し、該スポットサイズ変換部では、該基板の端部に向かって該リブ型光導波路の幅が減少または増加すると共に、該誘電体層が光導波路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に記載の光導波路素子において、該リブ型光導波路と該誘電体層とを含むスポットサイズ変換部を有し、該スポットサイズ変換部では、該基板の端部に向かって該リブ型光導波路の厚さを薄くするまたは厚くすると共に、該誘電体層が光導波路として機能す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、該誘電体層の屈折率は、該リブ型光導波路の屈折率よりも小さい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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