WO2024201876A1 - 光導波路素子とそれを用いた光変調デバイス並びに光送信装置 - Google Patents

光導波路素子と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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佑治 速水
優 片岡
宏佑 岡橋
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths

Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide element and an optical modulation device and optical transmission device using the same, and in particular to an optical waveguide element having a rib-type optical waveguide.
  • optical waveguide elements such as optical modulators are widely used, which form an optical waveguide on a substrate with electro-optical effects such as lithium niobate (LN) and have a modulation electrode that modulates the light waves propagating through the optical waveguide.
  • LN lithium niobate
  • driver-integrated modulators such as the High Bandwidth Coherent Driver Modulator (HB-CDM)
  • HB-CDM High Bandwidth Coherent Driver Modulator
  • a folded structure of the optical waveguide 10 is adopted in order to ensure as long as possible the electrode lengths of the modulation action part AP that applies a high frequency signal (RF signal) and the bias action part DC that applies a bias voltage for phase control, from the viewpoint of reducing the driving voltage.
  • the electrodes that apply an electric field to the optical waveguide are not shown in order to make the shape of the optical waveguide 10 easier to see. Also, although there are multiple optical waveguides in Figure 1, only a representative optical waveguide 10 is shown.
  • Fig. 2 is a cross-sectional view taken along dashed line A-A' in Fig. 1.
  • the LN substrate 1 on which the rib-type optical waveguide 10 is formed has a thickness of 10 ⁇ m or less, and in recent years, 1 ⁇ m or less, and in order to increase the mechanical strength, a holding substrate 3 such as Si is bonded via an intermediate layer 2 such as SiO2.
  • a means for reducing the radius of curvature is, for example, to increase the effective refractive index of the optical waveguide for an optical waveguide element having a rib-type optical waveguide 10. As disclosed in Patent Document 1, this can be achieved by increasing the height and width of the ribs of the optical waveguide, thereby making it possible to increase the effective refractive index.
  • the TE mode which has a large modulation efficiency (change in refractive index in response to the application of an electric field)
  • the TM mode which has a large modulation efficiency (change in refractive index in response to the application of an electric field)
  • the effective refractive index of the TE mode and the TM mode varies depending on the height and width of the rib-type optical waveguide. In particular, the effective refractive index of the TE mode depends on the width of the rib, and the effective refractive index of the TM mode depends on the height of the rib.
  • the refractive index of the TE mode and the TM mode are equal for an optical waveguide parallel to the crystal axis Z direction, but for an optical waveguide parallel to the crystal axis Y direction, the refractive index of the TE mode is smaller than that of the TM mode due to the characteristics of the material.
  • the refractive index of the material is such that the propagation speeds of the TE mode and TM mode are equal, making it easier for polarization crosstalk to occur.
  • the effective refractive index of the TE mode it is necessary to make the effective refractive index of the TE mode larger than that of the TM mode, and the width of the ribs of the optical waveguide must be larger than the height of the ribs.
  • the reason why the effective refractive index of the TE mode is not larger than that of the TM mode is that the process of making the rib width smaller than the height of the rib is difficult, and this prevents coupling of higher-order TM modes with the fundamental TE mode.
  • the rib height or width is made larger than conventional ones, problems such as increased light scattering loss, resulting in light insertion loss, and a deterioration in the extinction ratio due to the tendency for higher-order mode light to be excited within the optical waveguide can occur.
  • the problem that the present invention aims to solve is to provide an optical waveguide element that solves the problems described above, can reduce the radius of curvature of the optical waveguide, and suppresses coupling between the TE mode and the TM mode. It is also to provide an optical modulation device and an optical transmission device that use this optical waveguide element.
  • the optical waveguide element, the optical modulation device, and the optical transmission device of the present invention have the following technical features.
  • the relationship between the height and width of the rib-type optical waveguide is characterized in that the height value is smaller than the width value.
  • the optical waveguide element described in (1) above is characterized in that, in the curvature change portion, the height and width of the rib-type optical waveguide are set to become larger as the radius of curvature becomes smaller.
  • the height from the bottom surface of the substrate on which the rib-type optical waveguide is formed to the top surface of the rib of the rib-type optical waveguide is set to be constant even if the height of the rib-type optical waveguide changes.
  • An optical modulation device comprising an optical waveguide element according to any one of (1) to (4) above, a housing for accommodating the optical waveguide element, and an optical fiber for inputting and outputting light waves to and from the optical waveguide element.
  • the optical modulation device described in (5) above is characterized in that a modulation electrode that modulates the light wave propagating through the optical waveguide is provided on the substrate, and an electronic circuit that amplifies the modulation signal input to the modulation electrode is provided inside or outside the housing.
  • An optical transmission device comprising the optical modulation device described in (6) above and an electronic circuit that outputs a modulation signal that causes the optical modulation device to perform a modulation operation.
  • the rib-type optical waveguide has a straight portion and a curved portion having a constant curvature, and the straight portion and the curved portion are connected by a curvature change portion in which the curvature changes continuously.
  • the straight portion and the curved portion have different heights and widths of the rib-type optical waveguide, and the curvature change portion is formed so that the height and width of the rib-type optical waveguide change continuously from the height and width of the straight portion to the height and width of the curved portion, respectively.
  • FIG. 1 is a plan view showing an example of a conventional optical waveguide element.
  • 2 is a cross-sectional view taken along dashed line A-A' in FIG. 1 .
  • FIG. 2 is a plan view showing a part of an optical waveguide used in the optical waveguide element of the present invention.
  • 4 is a cross-sectional view taken along dashed lines B-B' and C-C' in FIG. 3.
  • 4 is a graph illustrating the state of change in (a) radius of curvature, (b) rib width, and (c) rib height in the optical waveguide of FIG. 3;
  • 10A and 10B are diagrams showing other cross-sectional shapes of the optical waveguide used in the optical waveguide element of the present invention.
  • FIG. 1 is a plan view showing an example of a conventional optical waveguide element.
  • 2 is a cross-sectional view taken along dashed line A-A' in FIG. 1 .
  • FIG. 2 is a plan view showing a part of an
  • FIG. 2 is a plan view showing an example of a folded waveguide used in the optical waveguide element of the present invention.
  • FIG. 11 is a plan view showing another example of a folded waveguide used in the optical waveguide element of the present invention.
  • the present invention is characterized in that in an optical waveguide element having a rib-type optical waveguide 10, the rib-type optical waveguide has a straight portion AR1 and a curved portion AR3 formed with a constant curvature, and the straight portion AR1 and the curved portion AR3 are connected by a curvature changing portion AR2 whose curvature changes continuously, the straight portion and the curved portion have different heights and widths of the rib-type optical waveguide, and in the curvature changing portion AR2, the height and width of the rib-type optical waveguide change continuously from the height and width of the straight portion to the height and width of the curved portion, respectively.
  • substrates with electro-optical effects such as lithium niobate (LN), lithium tantalate (LT), and PLZT (lead lanthanum zirconate titanate), vapor-grown films made from these materials, and even semiconductor materials and organic materials.
  • LN lithium niobate
  • LT lithium tantalate
  • PLZT lead lanthanum zirconate titanate
  • the optical waveguide 10 can be formed by etching the surface of the substrate other than the optical waveguide and forming grooves on both sides of the optical waveguide, thereby utilizing a rib-type optical waveguide in which the portion of the substrate corresponding to the optical waveguide is made convex.
  • a horizontal slot waveguide that forms a slot waveguide structure in the thickness direction by thinning the substrate it is possible to reduce bending loss.
  • a convex waveguide with a width or height of about 1 ⁇ m that has strong optical confinement is used.
  • the substrate 1 on which the optical waveguide is formed is thinned by grinding and polishing to a thickness of 10 ⁇ m or less, more preferably 5 ⁇ m or less, and even more preferably less than 1 ⁇ m (the lower limit of the thickness is preferably 0.3 ⁇ m or more), or a smart cut method (a method of thinning by ion implantation peeling) is used to create a thin-film substrate.
  • the height of the rib-type optical waveguide is preferably set to 1 ⁇ m or less. It is also possible to form a vapor-grown film on another substrate with a thickness of about the same as the above-mentioned substrate, and process the film into the shape of the above-mentioned optical waveguide.
  • a substrate (thin plate, thin film) 1 on which an optical waveguide is formed is adhesively fixed to a holding substrate 3 via an intermediate layer 2 in order to increase mechanical strength.
  • a composite substrate in which the thin plate, intermediate layer 2, and holding substrate 3 are integrated may be referred to as a "substrate”.
  • the support substrate 3 can be made of silicon (Si) having a thickness of 1 mm or less, glass material such as alpha quartz single crystal having a low dielectric constant, quartz crystal, sapphire, or the like.
  • the intermediate layer is made of a material with a lower dielectric constant than the substrate 1 in order to confine light in the substrate 1, to have a lower refractive index than the thin plate 1, and to achieve speed matching between the light wave and the electrical signal (microwave).
  • a material with a thermal expansion coefficient close to that of the thin plate 1 is used.
  • a silicon oxide film such as SiO2 is used with a thickness of 10 ⁇ m or less.
  • the optical waveguide element of the present invention is characterized in that the straight section AR1 and the curved section AR3 of the rib-type optical waveguide have different heights and widths, and in the curvature changing section AR2 that connects the two, the height and width of the rib-type optical waveguide are formed so that they change continuously from the height and width of the straight section AR1 to the height and width of the curved section AR3.
  • the ratio of the angles occupied by the curvature changing section AR2 and the curved waveguide AR3 with a constant curvature is 1:2 to 10 (degrees).
  • 1:2 means that the angle occupied by the bent portion of AR2 is 30 degrees, and the angle occupied by the bent portion of AR3 is 60 degrees.
  • the rib height H3 of the curved portion is greater than the rib height H1 of the straight portion
  • the rib width W3 of the curved portion is greater than the rib width W1 of the straight portion.
  • the radius of curvature of the curved portion by adopting this configuration, it is possible to reduce the radius of curvature of the curved portion by about 20%. If the radius of curvature of the curved portion is 100 ⁇ m in an optical waveguide that turns the traveling direction of light 90 degrees, it is possible to reduce the radius of curvature by 20% by this method, and it is possible to reduce the size (miniaturization) of the entire optical waveguide that turns 90 degrees by 20% in both the vertical and horizontal directions.
  • the relationship between the height and width of the rib-type optical waveguide 10 is set so that the height is always smaller than the width (rib height ⁇ rib width), thereby suppressing coupling between the TE mode and the TM mode. Furthermore, by setting the ratio of the rib width to the rib height of the rib-type optical waveguide (straight section W1/H1, curvature change section W2/H2, curved section W3/H3) to be W1/H1 ⁇ W2/H2 ⁇ W3/H3, it is possible to more reliably suppress coupling between both modes.
  • a curved waveguide (curved section or curvature change section)
  • FIG. 5 is a graph showing changes in (a) radius of curvature, (b) rib width, and (c) rib height in the straight line portion AR1, the curvature change portion AR2, and the curved portion AR3 in FIG.
  • the radius of curvature changes continuously in the curvature transformation portion AR2 (radius of curvature R2), and has a constant value of radius of curvature R3 in the curved portion.
  • the rib width is set so that the rib width W3 of the curved portion (constant curvature) AR3 is larger than the rib width W1 of the straight portion AR1.
  • the curvature conversion portion AR2 changes continuously in accordance with the change in the radius of curvature R2 so as to continuously connect the straight portion AR1 and the curved portion AR3.
  • W2 ⁇ /R2 + W1, where ⁇ is the conversion coefficient.
  • the width W2 changes inversely proportional to the radius of curvature R2.
  • the rib height is set so that the rib width H3 of the curved portion (constant curvature) AR3 is greater than the rib width H1 of the straight portion AR1.
  • the rib height changes continuously in accordance with the change in the radius of curvature R2 so as to continuously connect the straight portion AR1 and the curved portion AR3.
  • the height H2 changes inversely proportional to the radius of curvature R2.
  • the height H2 and width W2 of the rib-type optical waveguide are set to increase as the radius of curvature R2 decreases.
  • W3 0.3 to 7 ⁇ m
  • Conversion coefficient ⁇ 1 to 200 ( ⁇ m 2 )
  • Conversion coefficient ⁇ 0.2 to 20 ( ⁇ m 2 )
  • the side of the rib-shaped or slot-shaped optical waveguide is not perpendicular to the bottom surface of the LN substrate, but is shaped so as to be inclined toward the center of the optical waveguide, as shown in Figure 6.
  • the height TH from the bottom surface of the substrate 1 forming the rib-type optical waveguide 10 to the top surface of the rib of the rib-type optical waveguide is set to be constant even if the height (H1, H3) of the rib-type optical waveguide changes.
  • the thickness of the slab waveguide SB changes. This eliminates the need to change the thickness of the substrate 1 for each part of the optical waveguide, and does not complicate the manufacturing process.
  • the etching time may be adjusted depending on the location, or the height may be uniformly adjusted to the same height at first, and then a process of partially digging the substrate deeper using other means such as an electron beam or laser may be added.
  • a process of partially digging the substrate deeper using other means such as an electron beam or laser may be added.
  • the thickness of the slab waveguide SB it is possible to reduce crosstalk between adjacent optical waveguides and optical waveguide loss near the electrodes (for example, RF signal action part/DC bias action part).
  • the folded portion is formed only by the curved portion (constant curvature) AR3, and two curvature changing portions (AR2, AR4) are used to connect the two straight portions (AR1, AR5).
  • the curvature can be reduced while suppressing the optical insertion loss, and the vertical space L1 can be reduced, which is effective for miniaturizing the chip.
  • the folded portion is composed of two curved portions (AR13, AR17) and a straight portion AR15 between them.
  • a curvature change portion AR14, AR16
  • a curvature change portion AR12, AR18
  • the vertical space L2 can be adjusted by reducing the curvature and adjusting the length of the straight waveguide (AR15) while suppressing the optical insertion loss.
  • the effect of being able to adjust the vertical space L2 is that when two parallel optical waveguides are folded back without crossing as shown in FIG.
  • the vertical space of the outer optical waveguide needs to be adjusted, which is effective when adjusting the optical path length.
  • the structures of FIG. 7 and FIG. 8 are adopted in the locations of structure A and structure B, respectively, and the optical path lengths of waveguides 10A and 10B can be made equal by adjusting the lengths of X_1, X_2 and Y_1, Y_2, etc.
  • a compact optical modulation device MD can be provided by housing the optical waveguide element (substrate 1) of the present invention in a housing CA made of metal or the like and connecting the outside of the housing to the optical waveguide element with an optical fiber F.
  • a housing CA made of metal or the like
  • reference numeral 5 denotes a reinforcing member superimposed on substrate 1 along the end face of substrate 1, and is used when directly joining an optical component such as an optical fiber to the end face of substrate 1.
  • An electronic circuit that outputs a modulation signal S0 that causes the optical modulation device MD to perform a modulation operation can be connected to the optical modulation device MD to configure an optical transmission device OTA. Since the modulation signal S to be applied to the optical waveguide element needs to be amplified, a driver circuit DRV is used.
  • the driver circuit DRV and the digital signal processor DSP can be placed outside the housing CA, but can also be placed inside the housing CA. In particular, by placing the driver circuit DRV inside the housing, the propagation loss of the modulation signal from the driver circuit can be further reduced and a wider bandwidth can be achieved.
  • an optical waveguide element that can reduce the radius of curvature of the optical waveguide and suppress the coupling between the TE mode and the TM mode.
  • an optical modulation device and an optical transmission device that use an optical waveguide element having such excellent effects.

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Abstract

本発明の目的は、光導波路の曲率半径を小さくでき、ＴＥモードとＴＭモードとの結合を抑制した光導波路素子を提供することである。　本発明は、リブ型光導波路１０を有する光導波路素子において、該リブ型光導波路は、直線部分ＡＲ１と一定の曲率で構成される曲線部分ＡＲ３とを有し、かつ該直線部分ＡＲ１と該曲線部分ＡＲ３との間は曲率が連続して変化する曲率変換部分ＡＲ２で接続されており、該直線部分と該曲線部分とでは、該リブ型光導波路の高さ及び幅が異なり、該曲率変換部分ＡＲ２では、該リブ型光導波路の高さ及び幅が、該直線部分の高さ及び幅から該曲線部分の高さ及び幅に、各々連続的に変化するように形成されていることを特徴とする。

Description

光導波路素子と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、光導波路素子と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、リブ型光導波路を有する光導波路素子に関する。
　光通信分野や光計測分野において、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光導波路を形成し、光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極を備えた光変調器などの光導波路素子が多用されている。
　ＨＢ－ＣＤＭ（High Bandwidth Coherent Driver Modulator）のようなドライバ集積型変調器では、光導波路素子を駆動するドライバ回路を光導波路素子と一緒に筐体内に組み込み、さらに全体のパッケージを小型化することなどが求められている。このため、光導波路素子自体も小型化し、１μｍ程度の幅や高さを有するリブ型光導波路を形成した薄板が利用されている。
　図１に示すように、光導波路素子の中でも特にＬＮ基板１を用いる光導波路素子の小型化に関しては、低駆動電圧化の観点から、高周波信号（ＲＦ信号）を印加する変調用作用部ＡＰ及び位相制御用のバイアス電圧を印加するバイアス用作用部ＤＣの電極長を出来るだけ長く確保するため光導波路１０の折り返し構造が採用されている。なお、図１では光導波路１０の形状を見やすくするため、光導波路に電界を印加する電極は図示されていない。また、図１では光導波路は複数存在するが、代表的な光導波路１０を図示している。
　しかし、従来のリブ型光導波路の構成では、折り返し導波路の最小曲率半径がチップサイズとして小型化の律速となっていた。図１のような光導波路１０の折り返し構造を有する光導波路素子を小型化するには、折り返し導波路の曲率半径を極力小さくすることが効果的である。
　図２は、図１の一点鎖線Ａ－Ａ’における断面図である。リブ型光導波路１０が形成されるＬＮ基板１は厚みが１０μｍ以下、近年では１μｍ以下であり、機械的強度を高めるため、ＳｉＯ２等の中間層２を介して、Ｓｉなどの保持基板３が接合されている。
　曲率半径を小さくする手段としては、例えばリブ型光導波路１０を有する光導波路素子に対しては、光導波路の実効屈折率を上げることである。これには、特許文献１にも開示されているように、光導波路のリブの高さやリブの幅をより大きくすることで、実効屈折率をより高くすることが可能となる。
　しかし、光導波路を形成する基板にＸカットのＬＮ基板を用いる場合、変調効率（電界印加に対する屈折率変化）の大きいＴＥモードをリブ導波路に対して伝搬させる。この時、特許文献２に示すようにＴＥモードとＴＭモードの結合（偏波クロストーク）を抑制するため、ＴＥモードとＴＭモードの伝搬速度差を生じさせ、ＴＥモードとＴＭモードの各々の実効屈折率に差をもたせる必要がある。ＴＥモードとＴＭモードの実効屈折率は、リブ型光導波路の高さ、幅によって変化する。特に、ＴＥモードの実効屈折率はリブの幅に依存し、ＴＭモードの実効屈折率はリブの高さに依存する。
　さらに、複屈折率材料であるＬＮは、結晶軸Ｚ方向に対して平行な光導波路については、ＴＥモードとＴＭモードの屈折率は等しく、結晶軸Ｙ軸方向に対して平行な光導波路については、材料の特性によりＴＥモードの屈折率のほうがＴＭモードの屈折率より小さい。結晶軸Ｚ方向に対して平行な光導波路において、材料の屈折率はＴＥモードとＴＭモードの伝搬速度が等しいため、より偏波クロストークが発生し易い。即ち、ＴＥモードの実効屈折率をＴＭモードの実効屈折率より大きくすることが必要であり、光導波路のリブの幅をリブの高さより大きくする必要がある。尚、ＴＥモードの実効屈折率をＴＭモードの実効屈折率より大きくしない理由は、リブの幅をリブの高さより小さくするためのプロセス難易度が高く、高次のＴＭモードと基本のＴＥモードの結合を防ぐためである。
　また、リブの高さやリブの幅を、従来のものよりもより大きくすると、光散乱損失の増加による光挿入損失、および光導波路内で高次モード光が励起されやすくなるため、消光比が劣化するなどの問題が発生する。
　光散乱損失および高次モード光の励起を抑制するため、リブ型光導波路の直線部には、従来のリブの高さや従来のリブの幅の光導波路を採用し、曲線部のみリブの高さやリブの幅を大きくした光導波路を採用する場合、直線部と曲線部との境界部分では、リブの高さやリブの幅が不連続に変わるため、光の結合損失が発生する。
特開２０２１－１５７０６５号公報 特開２０２２－５６９７９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、光導波路の曲率半径を小さくでき、ＴＥモードとＴＭモードとの結合を抑制した光導波路素子を提供することである。また、この光導波路素子を用いた光変調デバイス及び光送信装置を提供することである。
　上記課題を解決するため、本発明の光導波路素子、光変調デバイス、及び光送信装置は、以下のような技術的特徴を有する。
（１）　リブ型光導波路を有する光導波路素子において、該リブ型光導波路は、直線部分と一定の曲率で構成される曲線部分とを有し、かつ該直線部分と該曲線部分との間は曲率が連続して変化する曲率変換部分で接続されており、該直線部分と該曲線部分とでは、該リブ型光導波路の高さ及び幅が異なり、該曲率変換部分では、該リブ型光導波路の高さ及び幅が、該直線部分の高さ及び幅から該曲線部分の高さ及び幅に、各々連続的に変化するように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、該リブ型光導波路の高さ及び幅の関係は、高さの値が幅の値より小さいことを特徴とする。
（３）　上記（１）に記載の光導波路素子において、該曲率変換部分では、曲率半径が小さくなるに従い、該リブ型光導波路の高さ及び幅は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。
（４）　上記（１）に記載の光導波路素子において、該リブ型光導波路を形成する基板の底面から該リブ型光導波路のリブ上面までの高さは、該リブ型光導波路の高さが変化しても一定になるように設定されていることを特徴とする。
（５）　上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の光導波路素子と、該光導波路素子を収容する筐体と、該光導波路素子に光波を入出力する光ファイバとを有することを特徴とする光変調デバイスである。
（６）　上記（５）に記載の光変調デバイスにおいて、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極を該基板に設け、該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又は外部に有することを特徴とする。
（７）　上記（６）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。
　本発明により、リブ型光導波路を有する光導波路素子において、該リブ型光導波路は、直線部分と一定の曲率で構成される曲線部分とを有し、かつ該直線部分と該曲線部分との間は曲率が連続して変化する曲率変換部分で接続されており、該直線部分と該曲線部分とでは、該リブ型光導波路の高さ及び幅が異なり、該曲率変換部分では、該リブ型光導波路の高さ及び幅が、該直線部分の高さ及び幅から該曲線部分の高さ及び幅に、各々連続的に変化するように形成されているため、光導波路の曲線部分の曲率半径を小さくでき、ＴＥモードとＴＭモードとの結合も抑制した光導波路素子を提供することが可能となる。しかも、リブの高さやリブの幅を連続的に変化させることで光損失も低減することが可能となる。また、この優れた効果を奏する光導波路素子を用いた光変調デバイス及び光送信装置も提供することが可能となる。
従来の光導波路素子の一例を示す平面図である。 図１の一点鎖線Ａ－Ａ’における断面図である。 本発明の光導波路素子に使用される光導波路の一部を示す平面図である。 図３の一点鎖線Ｂ－Ｂ’及びＣ－Ｃ’における断面図である。 図３の光導波路における（ａ）曲率半径、（ｂ）リブの幅、（ｃ）リブの高さにおける変化の状態を説明するグラフである。 本発明の光導波路素子に使用される光導波路の他の断面形状を示す図である。 本発明の光導波路素子に使用される折り返し導波路の一例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折り返し導波路の他の例を示す平面図である。 本発明の光導波路素子の一例を示す平面図である。 本発明に係る光変調デバイスと光送信装置を示す平面図である。
　以下、本発明について好適例を用いて詳細に説明する。
　本発明は、図３乃至５に示すように、リブ型光導波路１０を有する光導波路素子において、該リブ型光導波路は、直線部分ＡＲ１と一定の曲率で構成される曲線部分ＡＲ３とを有し、かつ該直線部分ＡＲ１と該曲線部分ＡＲ３との間は曲率が連続して変化する曲率変換部分ＡＲ２で接続されており、該直線部分と該曲線部分とでは、該リブ型光導波路の高さ及び幅が異なり、該曲率変換部分ＡＲ２では、該リブ型光導波路の高さ及び幅が、該直線部分の高さ及び幅から該曲線部分の高さ及び幅に、各々連続的に変化するように形成されていることを特徴とする。
　光導波路を形成する基板１としては、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）などの電気光学効果を有する基板や、これらの材料による気相成長膜、さらには、半導体材料や有機材料など種々の材料も利用可能である。
　光導波路１０の形成方法としては、光導波路以外の基板表面をエッチングし、光導波路の両側に溝を形成するなど、基板の光導波路に対応する部分を凸状としたリブ型光導波路を利用することが可能であり、基板の薄膜化により厚さ方向にスロット導波路構造を形成する水平スロット導波路を使用することにより、曲げ損失の低減が可能となる。
　また、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に高屈折率部分を形成する技術を、リブ型光導波路部分に合わせて適用することも可能である。特に、光導波路素子自体を小型化する場合や折り曲げた光導波路を使用する場合などには、光閉じ込めの強い、幅又は高さが１μｍ程度の凸状導波路を用いる。
　光導波路を形成した基板１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、更に好ましくは１μｍ未満の厚さ（厚さの下限は０．３μｍ以上が好ましい）まで研削研磨により薄板化する方法や、スマートカット法（イオン注入剥離により薄膜化する方法）等を用いて薄膜化基板を作製する。リブ型光導波路の高さは、１μｍ以下に設定することが好ましい。また、他の基板上に気相成長膜を上述の基板の厚さ程度で形成し、当該膜を上述のような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（薄板、薄膜）１は、図２に示すように、機械的強度を高めるため、中間層２を介して、保持基板３に接着固定される。本発明では、この薄板、中間層２及び保持基板３を一体化した複合基板を「基板」と称する場合もある。
　保持基板３には、１ｍｍ以下のシリコン（Ｓｉ）や誘電率の低いアルファ石英単結晶等のガラス材や水晶、サファイア等が利用可能である。
　また、中間層には、基板１に光を閉じ込めるため、また、薄板１よりも屈折率が低く、光波と電気信号（マイクロ波）との速度整合を図るため、基板１よりも誘電率の低い材料が使用される。さらに、薄板１に熱応力が加わるのを抑制するため、熱膨張率が薄板１に近い材料を使用する。具体的には、ＳｉＯ２などのＳｉ酸化膜などを厚さ１０μｍ以下で用いる。
　本発明の光導波路素子の特徴は、リブ型光導波路の直線部分ＡＲ１と曲線部分ＡＲ３とでは、リブ型光導波路の高さ及び幅が異なり、両者を接続する曲率変換部分ＡＲ２では、リブ型光導波路の高さ及び幅が、該直線部分ＡＲ１の高さ及び幅から該曲線部分ＡＲ３の高さ及び幅に、各々連続的に変化するように形成されている。例えば、９０度折り返す光導波路においては、曲率変換部ＡＲ２と曲率一定の曲導波路ＡＲ３が占める角度の比は、ＡＲ２の占める角度：ＡＲ３の占める角度＝１：２～１０（度)で構成されている。ここで１：２の意味は、ＡＲ２の曲げ部分が占める角度が３０度分であり、ＡＲ３の曲げ部分が占める角度が６０度分であることを意味している。
　本発明では、図３に示すリブ型光導波路の直線部分ＡＲ１と曲線部分ＡＲ３とでは、図３の一点鎖線Ｂ－Ｂ’の断面図（図４（ａ））と図３の一点鎖線Ｃ－Ｃ’の断面図（図４（ｂ））に示すように、曲線部分のリブの高さＨ３は直線部分のリブの高さＨ１よりも大きくし、曲線部分のリブの幅Ｗ３は直線部分のリブの幅Ｗ１よりも広くなっている。これにより、光導波路の実効屈折率は、直線部分よりも曲線部分がより大きくなっており、曲線部分の曲率半径をより小さくすることが可能となる。例えば、本構成を採用することにより、曲線部分の曲率半径を２割程度小さくすることが可能になる。仮に光の進行方向を９０度折り返す光導波路において、曲線部分の曲率半径が１００μｍである場合、本手法により曲率半径を２割小さくすることが可能であり、９０度折り返す光導波路全体に対して縦／横方向それぞれ２割のサイズダウン（小型化）を実現できる。
　また、本発明の光導波路素子では、リブ型光導波路１０の高さ及び幅の関係は、高さの値が幅の値より常に小さくなるように設定（リブの高さ＜リブの幅）されている。この結果、ＴＥモードとＴＭモードとの結合が抑制される。
　さらに、リブ型光導波路の「リブの幅とリブの高さとの比（直線部分Ｗ１／Ｈ１，曲率変換部分Ｗ２／Ｈ２，曲線部分Ｗ３／Ｈ３）についても、Ｗ１／Ｈ１＜Ｗ２／Ｈ２＜Ｗ３／Ｈ３となるように設定することで、より確実に両モード間の結合を抑制することができる。さらに、曲げ導波路（曲線部分や曲率変換部分）では、基板１の長手方向（リッジの幅の方向と重なる）の実効屈折率が高くする方が光損失を抑制できるため、リブの幅方向をリブの高さよりより大きくすることが好ましい。
　図５は、図３の直線部分ＡＲ１、曲率変換部分ＡＲ２，曲線部分ＡＲ３における（ａ）曲率半径、（ｂ）リブの幅、（ｃ）リブの高さの変化を示したグラフである。
　曲率半径は、曲率変換部分ＡＲ２（曲率半径Ｒ２）では連続的に変化し、曲線部分では曲率半径Ｒ３の一定値となる。
　また、リブの幅については、直線部分ＡＲ１のリブの幅Ｗ１よりも、曲線部分（曲率一定）ＡＲ３のリブの幅Ｗ３の方が大きくなるように設定されている。曲率変換部分ＡＲ２では、直線部分ＡＲ１と曲線部分ＡＲ３とを連続的に接続するように、曲率半径Ｒ２の変化に合わせて連続的に変化している。具体的には、Ｗ２＝α／Ｒ２＋Ｗ１で変化しており、αは変換係数である。つまり、曲率半径Ｒ２に反比例するように幅Ｗ２が変化する。曲率半径に対して、リブ幅を連続的に変化させることで、直線導波路から曲げ導波路に変換する際に、変換部の光損失を最小限に抑制することが出来る。
　また、リブの高さについては、直線部分ＡＲ１のリブの幅Ｈ１よりも、曲線部分（曲率一定）ＡＲ３のリブの幅Ｈ３の方が大きくなるように設定されている。曲率変換部分ＡＲ２では、直線部分ＡＲ１と曲線部分ＡＲ３とを連続的に接続するように、曲率半径Ｒ２の変化に合わせて連続的に変化している。具体的には、Ｈ２＝β／Ｒ２＋Ｈ１で変化しており、βは変換係数である。つまり、曲率半径Ｒ２に反比例するように高さＨ２が変化する。
　以上のように、曲率変換部分ＡＲ２では、曲率半径Ｒ２が小さくなるに従い、リブ型光導波路の高さＨ２及び幅Ｗ２はより大きくなるように設定される。曲率半径に対して、リブ高さを連続的に変化させることで、直線導波路から曲げ導波路に変換する際に、変換部の光損失を最小限に抑制することが出来る。
　図４のリブ型光導波路に適用される数値範囲としては、例えば、以下のような条件を採用することが可能である。
　・基板１（ＬＮ基板）の全体の厚みＴＨ＝０．１～１μｍ
　・直線部分のリブの高さＨ１＝０．０５～０．５μｍ
　・直線部分のリブの幅Ｗ１＝０．２～５μｍ
　・曲線部分のリブの高さＨ３＝０．０７～０．７μｍ
　・曲線部分のリブの幅Ｗ３＝０．３～７μｍ
　・変換係数α＝１～２００（μｍ２）
　・変換係数β＝０．２～２０（μｍ２）
　また、リブ形状やスロット形状の光導波路は、光導波路の形成プロセスの都合から、図６に示すように、光導波路の側面はＬＮ基板底面に対して、垂直ではなく、光導波路の中央側に倒れたような形状を有している。光導波路側面と基板底面とのなす角度θは、θ＝４５°～８５°である。なお、図６の幅Ｗについては上述したＷ１やＷ３の値が、また、高さＨについては上述したＨ１やＨ３の値が各々適用可能である。ＴＨ＝０．１～１μｍである。
　本発明の光導波路素子では、図４に示すように、リブ型光導波路１０を形成する基板１の底面から該リブ型光導波路のリブ上面までの高さＴＨは、該リブ型光導波路の高さ（Ｈ１，Ｈ３）が変化しても、一定になるように設定されている。一方、スラブ導波路ＳＢの厚みが変化している。これにより、光導波路の部分毎に基板１の厚みを変える必要が無く、製造工程が複雑化しない。また、リブの高さ（Ｈ１，Ｈ３）を変えるには、場所によってエッチング時間を調整したり、最初に一律に同じ高さに揃え、その後、電子ビームやレーザーなど他の手段で部分的に基板を深く掘るような工程を付加しても良い。また、スラブ導波路ＳＢの厚みが薄くなることにより、隣合う光導波路間のクロストーク低減や、電極近傍（例えばＲＦ信号作用部／ＤＣバイアス作用部）における光導波損失の低減が可能になる。
　次に、図７及び図８を用いて、折り返し導波路に本発明を適用した例を説明する。
　図７では、折り返し部分を曲線部分（曲率一定）ＡＲ３のみで形成し、２つの直線部分（ＡＲ１，ＡＲ５）とを接続する２つの曲率変換部分（ＡＲ２，ＡＲ４）を用いたものである。このような構成では、光挿入損失を抑制したまま、曲率を小さくし、縦方向のスペースＬ１を小さくでき、チップ小型化に有効である。
　図８では、折り返し部分を２つの曲線部分（ＡＲ１３，ＡＲ１７）とその間にある直線部分ＡＲ１５で構成するものである。当然、直線部分と曲線部分との間には曲率変換部分（ＡＲ１４，ＡＲ１６）が設けれらている。また、直線部分（ＡＲ１１，ＡＲ１９）と曲線部分（ＡＲ１３，ＡＲ１７）との間にも曲率変換部分（ＡＲ１２，ＡＲ１８）が配置される。このような構成では、光挿入損失を抑制したまま、曲率を小さくし、直線導波路（ＡＲ１５）の長さを調整することにより、縦方向のスペースＬ２を調整可能となる。特に、縦方向のスペースＬ２を調整可能な効果としては、図１に示すように、並行に配置した２本の光導波路をクロスさせないで折り返す場合、外回りの光導波路は縦方向のスペースを調整する必要があり、光路長の調整の際に有効となる。例えば、図９の折り返し導波路構造の場合、図７、図８の構造をそれぞれ構造Ａ、構造Ｂの箇所に採用し、Ｘ＿１、Ｘ＿２およびＹ＿１、Ｙ＿２等の長さを調整することにより、導波路１０Ａ、１０Ｂの光路長を等しくすることができる。
　図９に示すように、本発明の光導波路素子（基板１）を金属等の筐体ＣＡ内に収容し、筐体の外部と光導波路素子とを光ファイバＦで接続することで、コンパクトな光変調デバイスＭＤを提供することができる。当然、基板１の光導波路の入射部又は出射部に光ファイバを直接接続するだけでなく、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。なお、符号５は、基板１の端面に沿って基板１に重ね合わせた補強部材であり、光ファイバなどの光学部品を基板１の端面に直接接合する際に使用される。
　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し広帯域化が可能となる。
　以上のように、本発明によれば、光導波路の曲率半径を小さくでき、ＴＥモードとＴＭモードとの結合を抑制した光導波路素子を提供することが可能となる。また、このような優れた効果を有する光導波路素子を用いた光変調デバイス及び光送信装置を提供することができる。
　１　基板
　２　中間層
　３　保持基板
　１０　光導波路（リブ型光導波路）
　ＡＲ１　光導波路の直線部分
　ＡＲ２　光導波路の曲率変換部分
　ＡＲ３　光導波路の曲線部分（曲率一定）
 

Claims (7)

  1. 　リブ型光導波路を有する光導波路素子において、
    　該リブ型光導波路は、直線部分と一定の曲率で構成される曲線部分とを有し、かつ該直線部分と該曲線部分との間は曲率が連続して変化する曲率変換部分で接続されており、
    　該直線部分と該曲線部分とでは、該リブ型光導波路の高さ及び幅が異なり、
    　該曲率変換部分では、該リブ型光導波路の高さ及び幅が、該直線部分の高さ及び幅から該曲線部分の高さ及び幅に、各々連続的に変化するように形成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、該リブ型光導波路の高さ及び幅の関係は、高さの値が幅の値より小さいことを特徴とする光導波路素子。
  3. 　請求項１に記載の光導波路素子において、該曲率変換部分では、曲率半径が小さくなるに従い、該リブ型光導波路の高さ及び幅は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。
  4. 　請求項１に記載の光導波路素子において、該リブ型光導波路を形成する基板の底面から該リブ型光導波路のリブ上面までの高さは、該リブ型光導波路の高さが変化しても一定に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。
  5. 　請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路素子と、該光導波路素子を収容する筐体と、該光導波路素子に光波を入出力する光ファイバとを有することを特徴とする光変調デバイス。
  6. 　請求項５に記載の光変調デバイスにおいて、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極を該基板に設け、該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又は外部に有す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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