JP4868763B2

JP4868763B2 - 光変調器

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Publication number: JP4868763B2
Application number: JP2005105402A
Authority: JP
Inventors: 勝利近藤; 哲及川; 孝神力
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: US7660493B2; US20070122072A1; JP2006284961A

Description

本発明は、光変調器に関し、特に、電気光学効果を有する材料で形成され、厚みが２０μｍ以下の薄板と、該薄板の裏面に接着され、該薄板より厚みの大きい補強板とを含む光変調器に関する。

従来、光通信分野や光測定分野において、電気光学効果を有する基板上に光導波路や変調電極を形成した導波路型光変調器が多用されている。
特に、マルチメデアの発展に伴い情報伝達量も増加傾向にあり、光変調周波数の広帯域化を実現する必要がある。これらを実現するためにはＬＮ変調器等による外部変調方式が多様化されている。しかし、ＬＮ変調器の広帯域の実現には、変調信号であるマイクロ波と光波との速度整合、及び駆動電圧の低減を図る必要がある。

前記課題の解決手段として、従来より基板の厚みを薄くすることにより、マイクロ波と光波の速度との速度整合条件を満足させ、且つ駆動電圧の低減を同時に図ることが知られている。
以下の特許文献１又は２においては、３０μｍ以下の厚みを有する薄い基板（以下、「第１基板」という。）に、光導波路並びに変調電極を組み込み、第１基板より誘電率の低い他の基板（以下、「第２基板」という。）を接合し、マイクロ波に対する実効屈折率を下げ、マイクロ波と光波との速度整合を図り且つ基板の機械的強度を維持することが行われている。
特開昭６４−１８１２１号公報特開２００３−２１５５１９号公報

特許文献１又は２では、主に、第１基板にはＬｉＮｂＯ_３（以下、「ＬＮ」という。）が利用され、第２基板には、石英、ガラス、アルミナなどＬＮより低誘電率の材料が使用されている。これらの材料の組合せでは、線膨張係数の違いにより、温度変化に伴う温度ドリフトやＤＣドリフトが発生することとなる。特許文献２においては、このような不具合を除去するため、第１基板と第２基板との接合を、第１基板に近い線膨張係数を有する接着剤を利用して行うことも開示されている。

しかし、従来から製造されていたＬＮ基板を用いた変調器とＬＮ基板の厚さを薄くした変調器とを比較した場合、光ファイバと基板に形成された導波路との結合損が大きくなり、結果として光変調器の挿入損が拡大するという問題が生じた。
本発明者らは、このことに関して鋭意研究を重ね、光ファイバと基板に形成された導波路との結合損の増大の原因が、基板の厚みに起因した光の伝搬モード分布の変化であることを発見した。即ち、基板を薄くすることにより光導波路を伝搬する光波の閉じ込め、即ち横方向（薄板の厚み方向に垂直な方向）に光の閉込めが弱くなり、その結果光波の光分布が横方向に広がる現象が生じ、特に基板の厚みが２０μｍ以下となった場合、縦方向（薄板の厚み方向）の光分布と横方向の光分布の差が大きく、更に薄板の厚みが１０μｍ以下となると該光分布の差が顕著に大きくなることが判明した。

本発明が解決しようとする課題は、厚みが２０μｍ以下の薄板を用いた光変調器における光ファイバとの結合損の改善した光変調器を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明では、電気光学効果を有する材料で形成され、厚みが２０μｍ以下の薄板と、該薄板の表面又は裏面に形成された光導波路と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極とを含む光変調器において、該光導波路の入射部又は出射部における薄板形状は、薄板の幅が入射端部又は出射端部では薄板の厚みの２倍以内であり、薄板の幅が光導波路に沿って徐々に変化する形状を有することを特徴とする。なお、本発明に係る「薄板の幅」とは、基板端部における光導波路を含む端面部の幅を意味する。また、該端面部の形状がリッジ形状を有している場合にはリッジ部分の幅を意味する。
さらに、「２倍」という数値に関しては、本発明の効果が期待できる好ましい数値として明記したものであり、この２倍を若干超えた場合でも、本発明が期待する光ファイバとの結合損の改善が期待できる場合には、本発明の技術的範囲としてそのような値も含むものであることは、言うまでもない。薄板導波路の光分布の横方向の広がりが光ファイバの広がりよりも大きいときに請求項１の効果が顕著に現れる。

請求項２に係る発明では、請求項１に記載の光変調器において、前記薄板の厚みが１０μｍ以下であることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載の光変調器において、該薄板形状は、切り込み部により形成されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、電気光学効果を有する材料で形成され、厚みが２０μｍ以下の薄板と、該薄板の表面又は裏面に形成された光導波路と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極とを含む光変調器において、少なくとも該光導波路の入射部又は出射部における該薄板の端部には、該薄板と同程度の屈折率を有する補助部材を設け、該薄板と該補助部材とを含む端部の総厚みが該薄板の厚さの１．１倍以上であると共に、該補助部材の端部の幅が該端部の総厚みの２倍以内であり、該補助部材は入出射端に近付くにつれて厚さが厚くなるテーパ形状であることを特徴とする。

請求項５に係る発明では、請求項４に記載の光変調器において、該補助部材は、該薄板の上又は下に配置される、薄板と同程度の屈折率を有する外部材であることを特徴とする。

請求項６に係る発明では、請求項４又は５に記載の光変調器において、該補助部材は入出射端に近付くにつれて幅が狭くなるテーパ形状であることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、厚さが２０μｍ以下の薄板における光導波路の入射部又は出射部における薄板形状は、薄板の幅が入射端部又は出射端部では薄板の厚みの２倍以内であるため、入射端部又は出射端部における横方向の光分布の広がりを抑制することが可能となり、光ファイバとの結合損を低下させることができる。また、光導波路を伝搬する光の分布形状を損失無く連続的に変化させるため、薄板の幅や厚みは、光導波路に沿って連続的に変化するよう構成することが好ましい。

さらに、請求項１に係る発明により、光導波路の入射部又は出射部における薄板の幅は、光導波路に沿って徐々に変化する形状を有するため、入射端部又は出射端部における光分布の損失を抑制させることが可能となり、光ファイバとの結合損を低下させることができる。
また、光導波路の入射部又は出射部における薄板の幅が最も狭くなるように、光導波路に沿って徐々に変化する形状にした場合、入射端部又は出射端部における光分布の損失をさらに抑制させることが可能となり、光ファイバとの結合損を低下させることができる。

請求項２に係る発明により、薄板の厚みが１０μｍ以下の場合には、薄板の横方向と縦方向との光の閉じ込めの差が顕著となり、横方向に拡散した光分布となるため、請求項１に記載の発明の構成を組み込むことにより、より効果的に光の横方向への拡散を抑制し、光ファイバとの結合損を改善することが可能となる。

請求項３に係る発明により、薄板形状は、切り込み部により形成されているため、製造が容易である。また、薄板から除去する部分が少ないため、薄板に与える機械的衝撃が少なく薄板の損傷を防止でき、薄板の機械的強度の低下も抑制することが可能となる。

請求項４に係る発明により、少なくとも光導波路の入射部又は出射部における薄板の端部には、該薄板と同程度の屈折率を有する補助部材を設け、該薄板と該補助部材とを含む端部の総厚みが該薄板の厚さに比べ、１．１倍以上としたため、横方向に拡散する光分布が厚み方向にも広がることができ、結果として横方向の光分布の広がりの抑制が可能となる。
また、補助部材の幅を端部の総厚みの２倍以内としたことにより、入射端部又は出射端部における横方向の光分布の広がりを抑制することが可能となり、光ファイバとの結合損を低下させることができる。

さらに、請求項４に係る発明により、該補助部材は、入出射端に近付くにつれ厚みが厚くなるテーパ形状であるため、入出射部の光分布を損失無く、連続的に変化させることが可能となり、光ファイバとの結合損を低下させることができる。

請求項５に係る発明により、該光導波路の入射部又は出射部における薄板の上又は下に、薄板と同程度の屈折率を有する外部材を配置したため、複雑な基板加工が不必要となり、加工時の割れや加工コストの低減が実現できる。

請求項６に係る発明により、該補助部材は、入出射端に近付くにつれて幅が狭くなるテーパ形状としたため、入出射部の光分布を損失無く、連続的に変化させることが可能となり、光ファイバとの結合損を低下させることができる。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
図１は、従来の薄板を利用した光変調器の一部を示す図である。薄板１には、不図示の光導波路や変調電極などが形成され、補強板２は基板1に対し接着剤等により接合されている。薄板の厚みｄ１を１０μｍに設定する場合、光変調器に光波が入射又は出射する端部である、光導波路の入射端部又は出射端部においては、図１に示すように光波の光分布３は、縦方向の幅ｒ１は約８〜９μｍ程度であり、横方向の幅ｒ２は約１０〜１３μｍとなることが、本発明者らにより見出され、本発明をなすに至ったものである。

図２は、本発明に係る光変調器の概略図である。電気光学効果を有する材料で形成された薄板１０には、図２のように薄板の表面に光導波路４が形成され、併せて、該光導波路４を通過する光波を変調するため、不図示の変調電極（信号電極や接地電極等）が薄板表面に形成されている。なお、光導波路は、薄板の裏面に形成することも可能である。

光導波路の形成方法としては、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形成することができる。また、特許文献３のように薄板１の表面に光導波路の形状に合わせてリッジを形成し、光導波路を構成することも可能である。
信号電極や接地電極などの変調電極は、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ_２等のバッファ層（不図示）を設け、バッファ層の上に変調電極を形成することも可能である。

電気光学効果を有する材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料及びこれらの組み合わせが利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）結晶が好適に利用される。

光変調素子を含む薄板の製造方法は、数百μｍの厚さを有する基板に上述した光導波路を形成し、基板の裏面を研磨して、２０μｍ以下の厚みを有する薄板を作成する。その後薄板の表面に変調電極を作り込む。また、光導波路や変調電極などの作り込みを行った後に、基板の裏面を研磨することがも可能である。なお、光導波路形成時の熱的衝撃や各種処理時の薄膜の取り扱いによる機械的衝撃などが加わると、薄板が破損する危険性もあるため、これらの熱的又は機械的衝撃が加わり易い工程は、基板を研磨して薄板化する前に行うことが好ましい。

補強板に使用される材料としては、種々のものが利用可能であり、例えば、薄板と同様の材料を使用する他に、石英、ガラス、アルミナなどのように薄板より低誘電率の材料を使用したり、下記特許文献３のように薄板と異なる結晶方位を有する材料を使用することも可能である。ただし、線膨張係数が薄板と同等である材料を選定することが、温度変化に対する光変調器の変調特性を安定させる上で好ましい。仮に、同等の材料の選定が困難である場合には、特許文献２のように薄板と補強板とを接合する接着剤に、薄板と同等な線膨張係数を有する材料を選定する。
特開平６−２８９３４１号公報

薄板１と補強板３との接合には、接着層として、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、半田ガラス、熱硬化性、光硬化性あるいは光増粘性の樹脂接着剤シートなど、種々の接着材料を使用することが可能である。

図２の光変調器には、入射用光ファイバ６及び出射用光ファイバ７が接続されている。光ファイバの接続には、各光ファイバ６，７を挿入可能な円筒状のキャピラリ５を使用し、接着剤により、光変調器に直接固定されている。

図３は、図２に示す光変調器の入射部又は出射部の拡大図である。本発明の特徴は、光導波路の入射部又は出射部における薄板形状において、薄板の幅ｄ２が入射端部又は出射端部では薄板の厚みｄ１とほぼ同じであり、光導波路に沿って徐々に広くなる形状を有することである。具体的には、図３に示すように、薄板１０の一部を切除することにより、光導波路の端部における薄板の幅ｄ２を、光ファイバの光分布の大きさとほぼ同じとし、光導波路４に沿って、薄板の幅が徐々に広くなるよう設定し、楔状部１１を形成する。図３のような薄板１０の形状を形成する方法としては、ダイシングソーなどによる機械的な切断や、化学的なエッチングにより除去することができる。

図３の薄板１０の形状により、光変調器の入射端部又は出射端部での光分布は、１２に示すように、横方向の光分布が抑圧され縦横比が１に近づく分布となる。
なお、本発明における薄板の幅ｄ２と薄板の厚みｄ１との関係において、幅ｄ２は薄板の厚みｄ１の２倍以内であることが好ましい。ただし、この「２倍」とは、２倍より大きいものを排除するものではなく、２倍より若干大きい場合でも、薄板の幅を狭くすることにより、結果として薄板の横方向の光閉じ込めが強くなり、横方向の光分布が縦方向のものに近づくこととなる構成を含むという意味である。

図３の実施例に代わる他の応用例としては、図４に示すように、薄板２０に切り込み部２１を形成し、光導波路４の入射部又は出射部における横方向の光閉じ込めを強化することも可能である。このような切り込み部２１は、ダイシングソーによる切削により容易に形成することができる。２２は、端部における光分布状態を示したものである。また、必要に応じて、切り込み部２１に遮光部材を充填することも可能である。

特に、図３のように切除部が大きくなると、薄板に与える機械的衝撃も大きく、薄板に損傷が発生しやすくなる上、薄板の機械的強度の低下する可能性が高くなる。これに対し、図４のような切り込み部２１の場合は、薄板に加わる負荷も少なく、場合によっては、薄板を補強板に接合した後、切り込み部を形成することも可能であり、薄板の損傷等を抑制することができる。また、図８に示すように、薄板５０の一部を切除して（切除部５２）、基板端部５１における薄板の幅ｄ２を所定の値に形成することも可能である。

次に、本発明に係る光変調器の他の実施例を、図５に示す。
図５では、光導波路の入射部又は出射部における薄板３０の上下に、薄板と同程度の屈折率を有する補助部材３２，３３を外部材として配置している。補助部材は、該薄板と同程度以下の厚さに形成された板状部材を該薄板の光の入出力部の上下にダイレクトボデングにより接合したり、又は該薄板の光の入出力部の上下に積層させてもよい。補助部材３２，３３を外部材として配置することなく、基板自体を図５の外観となるように加工してもよい。
この構成により、入射部又は出射部における薄板の縦方向の光閉じ込めを緩和し、さらに、入射端部又は出射端部における横方向の光分布を縦方向と同様に形成することが可能となる。３４は、端部における光分布状態を示したものである。

本発明においては、少なくとも光導波路の入射部又は出射部における基板端部の厚さｄ３を、変調電極形成部分の基板の厚さｄ０（図５では、基板３０の厚みは一様としている。）に比べ、１．１倍以上とすることが好ましい。この構成により、横方向に拡散する光分布が厚み方向にも広がることができ、結果として横方向の光分布の広がりの抑制が可能となる。

さらに、図６に示すように、薄板３０の上下に、入出射端に近付くにつれて厚くなるテーパ形状を有する補助部材３２’，３３’を配置することも可能である。この構成により、上記図５の効果に加え、入出射部の光分布を損失無く、連続的に変化させることが可能となり、光ファイバとの結合損をより一層低下させることができる。
また、図７のように、薄板４０の入出射端に近付くにつれて、薄板４０の厚みがテーパ上形状に連続的に変化するように、基板自体を加工し、基板端部４１を形成することも可能である。

さらに、図３に示す薄板の横方向の幅を狭める構成と、図５に示す薄板の上下に外部材を配置する又は薄板の縦方向の厚みを厚くする構成とを組合せ、光導波路の入射部又は出射部における該薄板の幅と薄板および外部材の総厚みを調整し、横方向の閉じ込めと縦方向の光閉じ込めの強さを任意に調整することが可能となり、光ファイバとの結合損をより低下させることが可能となる。

次に、本発明の光変調器に係る具体的な実施例及びその試験について説明する。

（実施例１）
薄板の光変調素子は、基板に厚み５００μｍのＸカット型のＬＮ基板を使用し、Ｔｉ拡散プロセスなどにより、基板表面に光導波路を形成する。基板の裏面を、研磨機で基板の厚さが１０μｍとなるまで研磨し、基板裏面と補強基板を紫外線硬化性接着剤を用いて接合する。その後、ドライエッチング装置を用いて、図３に示すように入射部の幅ｄ２が１０μｍ、長さ２ｍｍ、光導波路となす角度０．５°となる楔状部１１を加工した。次に、メッキプロセスで高さ１４μｍの変調電極を形成し、光変調器を作製した。

（比較例１）
実施例１の薄板ドライエッチングプロセスを行わずに、光変調器を作成した。

（実施例２）
薄板の光変調素子は、基板に厚み５００μｍのＸカット型のＬＮ基板を使用し、Ｔｉ拡散プロセスなどにより、基板表面に光導波路を形成する。基板の裏面を、研磨機で基板の厚さが７μｍとなるまで研磨し、基板裏面と補強基板を紫外線硬化性接着剤を用いて接合する。その後、基板表面に高屈折率膜をテーパ状(幅１ｍｍ×奥行き２ｍｍ×端面膜厚３μｍ)に部分成膜した。

（比較例２）
実施例２の薄板高屈折率成膜プロセスを行わずに、光変調器を作成した。

（試験方法）
実施例１，２及び比較例１，２の各光変調器素子に、光ファイバを接続した。次に、光ファイバと光変調器との結合損の相対値を、光パワメータにより計測した。計測結果を、表１に示す。

表１の結果から、比較例１及び２と比較し、実施例１及び２のいずれにおいても、光ファイバとの結合損が改善されていることが理解される。

以上説明したように、本発明によれば、厚みが２０μｍ以下の薄板を用いた光変調器における光ファイバとの結合損の改善した光変調器を提供することが可能となる。

従来の光変調器の入射部又は出射部を示す図である。本発明に係る光変調器の概略図である。図２の光変調器の入射部又は出射部を示す図である。切り込み部を有する光変調器の入射部又は出射部を示す図である。本発明に係る光変調器の他の実施例を示す図である。図５の補助部材をテーパ状とした光変調器の入射部又は出射部を示す図である。テーパ状の突出部を設けた光変調器の入射部又は出射部を示す図である。基板の一部を切除して突出部を形成した光変調器の入射部又は出射部を示す図である。

１，１０，２０，３０，４０，５０薄板
２，３１補強板
３，１２，２２，３４光分布状態
４光導波路
５キャピラリ
６，７光ファイバ
１１楔状部
２１切り込み部
３２，３３補助部材
ｄ２入射部又は出射部における薄板の幅又は基板端部（補助部材）の幅

Claims

電気光学効果を有する材料で形成され、厚みが２０μｍ以下の薄板と、該薄板の表面又は裏面に形成された光導波路と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極とを含む光変調器において、
該光導波路の入射部又は出射部における薄板形状は、薄板の幅が入射端部又は出射端部では薄板の厚みの２倍以内であり、薄板の幅が光導波路に沿って徐々に変化する形状を有することを特徴とする光変調器。
請求項１に記載の光変調器において、前記薄板の厚みが１０μｍ以下であることを特徴とする光変調器。
請求項１又は２に記載の光変調器において、該薄板形状は、切り込み部により形成されていることを特徴とする光変調器。
電気光学効果を有する材料で形成され、厚みが２０μｍ以下の薄板と、該薄板の表面又は裏面に形成された光導波路と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極とを含む光変調器において、
少なくとも該光導波路の入射部又は出射部における該薄板の端部には、該薄板と同程度の屈折率を有する補助部材を設け、該薄板と該補助部材とを含む端部の総厚みが該薄板の厚さの１．１倍以上であると共に、該補助部材の端部の幅が該端部の総厚みの２倍以内であり、
該補助部材は入出射端に近付くにつれて厚さが厚くなるテーパ形状であることを特徴とする光変調器。
請求項４に記載の光変調器において、該補助部材は、該薄板の上又は下に配置される、薄板と同程度の屈折率を有する外部材であることを特徴とする光変調器。
請求項４又は５に記載の光変調器において、該補助部材は入出射端に近付くにつれて幅が狭くなるテーパ形状であることを特徴とする光変調器。