JP7484631B2 - 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

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、さらには光導波路素子の製造方法に関する。

次世代の光ファイバー通信で用いられる光変調器は、多値変調に利用されるため、小型で低光損失かつ長期安定性を有することが必要になる。光変調器などの小型化を実現する上で、低駆動電圧化のために光と電界の重なり効率を向上させた、薄板構造の光変調器が提案されている。（特許文献１参照）

従来の薄板構造の光変調器は、図１及び２に示すように、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）等の基板１を２０μｍ以下の厚みに薄板化すると共に、該基板１に光導波路１０を形成している。図１は、光変調器を構成する光導波素子の平面図であり、変調電極等の電極は、簡略化のため省略している。図２は、図１の側面図である。薄板となる基板１は、接着層３を介して保持基板２に接合されている。Ｌｉｎは入射光、Ｌｏｕｔは出射光を示す。

ＨＢ－ＣＤＭ（Ｈｉｇｈ Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ－Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｄｒｉｖｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）などの集積型ＬＮ光変調器として用いるためには、光導波路素子の小型化が必須となり、駆動電圧低減のため、光導波路の断面構造も更に小型化しなければならない。そのため、図３に示すように、新規の薄板構造の光変調器は、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）等の基板１を２μｍ以下の厚みに薄板化する必要があり、熱膨張係数の大きく異なる接着層を介さず、保持基板２に直接接合することが求められる。

基板１の厚みを２μｍ以下とすると、光導波路１０の光モードフィールド径は１μｍ程度であり、光ファイバーの光モードフィールド径の１０μｍと比較し、両者の差異が大きくなる。このため、入射部や出射部における光導波路素子と光ファイバーとの接続部における光損失は、従来の薄板構造（厚さ１０μｍ程度）の光変調器は片端で０．５ｄＢ程度であったが、新規の薄板構造の光変調器は片端で１４ｄＢ以上と大幅に増加する。

光ファイバーとの結合による光損失を低減するため、半導体材料を用いた光変調器の場合には、図４又は図５のように、入射部と出射部に水平方向のテーパ光導波路（図４の符号１１参照）や、垂直方向のテーパ光導波路（図５の符号１２参照）を設けて光モードフィールド径（ＭＦＤ）を変換する方法が提案されている。（非特許文献１参照）

しかし、これらの水平方向又は垂直方向のテーパ光導波路でＭＦＤを拡大させることは作製プロセスが複雑であることが大きな問題となっている。一方、図６に示すように、薄板構造の入射部と出射部に有機材料からなる光導波路１３を設けて光モードフィールド径を変換する場合、作製プロセスは比較的容易になるが、有機材料の光耐久性などの長期安定性が問題になる。

特許第５４９４４００号公報

内田泰芳ほか，"２．５％Δ石英系ＰＬＣを用いた低接続損失可能なバーティカルスポットサイズ変換器（ＳＳＣ）の開発"，古河電工時報，第１２５号，ｐｐ．１－５，２０１０．

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、小型かつ低光損失で長期安定性を有する光導波路素子を提供することである。さらには、その光導波路素子を用いた光変調デバイス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、さらには光導波路素子の製造方法は、以下の技術的特徴を有する。
（１） 第一の基板の上面側に埋め込み型の光導波路Ａが形成され、前記第一の基板の端部には、該光導波路Ａへ光波を入射する入射部又は該光導波路Ａから光波を出射する出射部を有しており、基板の厚みが２μｍ以下の第二の基板にリブ型の光導波路Ｂが形成され、前記第一の基板の上面に前記第二の基板が直接接合され、該入射部又は該出射部において、前記第一の基板の端部と前記第二の基板の端部とが揃って配置され、前記第一の基板の上面に前記第二の基板を配置した状態を平面視した場合に、該光導波路Ａと該光導波路Ｂの一部が少なくとも重なっており、該光導波路Ａを伝搬する光波が該光導波路Ｂに、又は該光導波路Ｂを伝搬する光波が該光導波路Aに移動するように構成され、前記第二の基板には該光導波路Ｂを伝搬する光波を変調する光変調部を有しており、該光導波路Ａの少なくとも一部には、２μｍ以上、５μｍ以下の範囲の光モードフィールド径を変換する変換部を有することを特徴とする光導波路素子である。

（２） 上記（１）に記載の光導波路素子において、該光導波路Ａの屈折率は、前記第二の基板及び該光導波路Ｂの屈折率よりも小さいことを特徴とする。
（３） 上記（１）又は（２）に記載の光導波路素子において、前記第一の基板又は前記第二の基板のいずれかには、位相調整用電極が設けら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、該光導波路Ａ又は該光導波路Ｂのいずれかには、光波の進行方向が１８０度回転する曲げ部が形成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が筐体内に収容され、該筐体には該光導波路Ａに光波を入力又は出力する光ファイバーを備え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、該光ファイバーの光モードフィールド径が１０μｍであることを特徴とする。

（７） 上記（５）又は（６）に記載の光変調デバイスにおいて、該光導波路素子の該光変調部は変調電極を備え、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に有することを特徴とする。

（８） 上記（５）乃至（７）のいずれか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。
（９） 上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の光導波路素子の製造方法において、該光導波路Ａは、イオン注入、イオン交換、又は超短パルスレーザーのいずれかで形成されることを特徴とする光導波路素子の製造方法である。

本発明は、第一の基板に光導波路Ａが形成され、前記第一の基板の端部には、該光導波路Ａへ光波を入射する入射部又は該光導波路Ａから光波を出射する出射部を有しており、第二の基板に光導波路Ｂが形成され、前記第二の基板には該光導波路Ｂを伝搬する光波を変調する光変調部を有しており、該光導波路Ａの少なくとも一部には、光モードフィールド径を変換する変換部を有するため、光変調部を有する第二の基板の優れた特性を維持しながら、第二の基板とは異なる第一の基板に変換部を形成でき、小型かつ低光損失で長期安定性を有する光導波路素子を提供することが可能となる。

従来の光導波路素子の平面図である。 図１の光導波路素子の側面図（光導波路に沿った断面図。以下同じ。）である。 接着層を設けない光導波路素子の側面図である。 半導体基板を使用した光導波路素子の一例を示す平面図である。 半導体基板を使用した光導波路素子の他の例を示す側面図である。 光導波路の端部に有機材料を使用した光導波路素子の例を示す側面図である。 本発明の光導波路素子の第１の実施例を示す側面図である。 図７の光導波路素子の平面図である。 図７の一点鎖線Ａ－Ａ’における断面図である 変換部のモードフィールド径を変化させた際の結合効率の変化を示す図である。 本発明の光導波路素子の第２の実施例を示す側面図である。 本発明の光導波路素子の第３の実施例を示す平面図である。 本発明の光導波路素子の第４の実施例を示す平面図である。 本発明の光導波路素子の第５の実施例を示す平面図である。 本発明の光変調デバイス及び光送信装置を説明する平面図である。

以下、本発明の光導波路素子について、好適例を用いて詳細に説明する。
本発明の光導波路素子は、図７及び８に示すよう、第一の基板（２）に光導波路Ａ（２０）が形成され、前記第一の基板の端部には、該光導波路Ａへ光波を入射する入射部又は該光導波路Ａから光波を出射する出射部を有しており、第二の基板（１）に光導波路Ｂ（１０）が形成され、前記第二の基板には該光導波路Ｂを伝搬する光波を変調する光変調部を有しており、該光導波路Ａ（２０）の少なくとも一部には、光モードフィールド径を変換する変換部（２０）を有することを特徴とする光導波路素子である。

本発明の光導波路素子に使用される第二の基板の材料１は、電気光学効果を有する材料で構成され、特に、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。

光導波路１０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、光導波路の屈折率をより高くすることも可能である。

光導波路１０を形成した第二の基板（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、２μｍ以下に設定される。また、リブ型光導波路の高さは、１μｍ以下、より好ましくは０．４μｍ以下に設定される。また、保持基板である第一の基板２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第二の基板１には、機械的強度を高めるため、保持基板として第一の基板２が、樹脂層（接着層）を介さず、直接接合されている。第一の基板２としては、第二の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（「ガラス材料」という。）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。

本発明の光導波路素子の特徴は、図７及び図８に示すように、第一の基板（例えば、ガラス基板）の端部に埋め込み型の光導波路Ａ（２０）を形成していることを特徴とする。光導波路Ａの一部又は全部は、伝搬する光波の光モードフィールド径を変化させる変換部として機能している。そして、一例としては、光導波路Ａを形成した第一の基板に第二の基板（例えば、ＬＮ基板）を直接接合した後、第二の基板を２μｍ以下まで研磨して薄板化し、ドライもしくはウェットによるエッチング法で第二の基板にリブ型の光型導波路Ｂ（１０）を形成することができる。

図９は、図８の一点鎖線Ａ－Ａ’における断面図を示している。リブ型光導波路（１０）を形成する場合に、光導波路の幅ｓ１は０．２～２．０μｍ、高さｔ１は０．２～２．０μｍの範囲で設定される。また、光導波路と隣接する基板の突起部（エッチングされずに残った基板部分）までの距離ｓ２は５．０～５０．０μｍ、第二の基板１の厚さは０．５～２．０μｍに設定される。

第一の基板（ガラス基板）の光導波路Ａで光モードフィールド径を変換することにより、光ファイバーの光モードフィールド径（１０μｍ）と光変調部を有するＬＮ基板の光モードフィールド径（１μｍ）の急激な変化による光損失の増大を防ぐことが可能になる。なお、リブ型光導波路（１０）の出射側端部はテーパ構造にすることで第一の基板に形成された光導波路へのモード移行が円滑になる。

図１０に、第二の基板の光モードフィールド径ｗ２を０．５μｍ、１．０μｍ、２．０μｍとした場合における、第一の基板の光モードフィールド径ｗ１を１．０μｍ～１０．０μｍを介して、光モードフィールド径１０μｍの光ファイバーに結合する際の効率を示す。ここでは、ここで、光モードフィールド径は縦方向と横方向の光モードフィールド径の平均として、簡易的に光モードフィールド径の差異で計算している。また、各グラフはピーク値を基準に規格化している。

第一の基板（ガラス基板）の光導波路Ａ（２０）、特に変換部で、光モードフィールド径をｗ１が２μｍ以上、５μｍ以下の領域を含むようにすることにより、結合効率の著しい低下を防ぐことができ、光損失の低減に繋がる。さらに、急峻な光モードフィールド径の変化は光損失の増大に繋がるため、光導波路Ａのｗ１及び光導波路Ｂのｗ２を緩やかに変化することで更なる光損失の低減が見込まれる。

また、光結合効率の観点から光導波路Ａ（２０）のｗ１は光導波路Ｂ（１０）のｗ２よりも大きく、かつ光導波路Ａ及び光導波路Ｂは、第一の基板を平面視した場合、少なくとも重なっていることが望ましい。ただし、各光導波路のエバネッセント波を利用する場合は、互いに光結合する範囲において、光導波路Ａ及び光導波路Ｂは重なっていなくてもよい。また、光導波路Ａ（２０）の屈折率ｎ1は光導波路Ｂ（１０）の屈折率ｎ2よりも小さいことが望ましい。

第一の基板（ガラス基板）に埋め込み型の光導波路Ａを形成する方法として、イオン交換、イオン注入、超短パルスレーザー描画が挙げられる。例えば、イオン交換の場合、ソーダガラスなどのガラス基板にチタンなどの金属膜でマスクパターンを形成し、３００～４００℃の硝酸カリウム溶融液に浸漬すると、金属膜の開口部分のみが選択的にイオン交換されて光導波路が形成される。浸漬温度、時間、印可電圧などの条件などにより、屈折率を０．０１～０．１程度高くすることが可能である。Ｋ、Ａｇ、Ｔｌなどをイオン交換に用いることが出来る。このような構成はニオブ酸リチウムにチタンを熱拡散させた光導波路よりも屈折率差を大きくすることが出来る。またガラス基板の光モードフィールド径を光ファイバーの光モードフィールド径（１０μｍ）よりも小さくすることが可能である。このため基板の光モードフィールド径を、上述した２μｍ以上、５μｍ以下の領域にすることが可能となるため光ファイバーとの結合効率の著しい低下を防ぐことができる。

イオン交換後、金属マスクをウェットエッチングで除去すれば、第一の基板の一面に光導波路を形成することが出来る。ガラス基板の表面を研磨した後、ＬＮ基板と直接接合した後、ＬＮ基板を２μｍ以下まで研磨する。ＬＮ基板にドライエッチングによるリブ型導波路を形成した後、めっき法による金電極を形成する。

イオン注入の場合、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐなどのイオンをガラス基板に注入して、３００～９００℃で熱処理をすることにより、光導波路が形成される。注入するイオンの種類、ドーズ量、熱処理などの条件により、イオン注入箇所の屈折率を０．０５程度高くすることが可能である。イオン注入の場合は、イオン交換同様、ＬＮ基板と直接接合する前に第一の基板（ガラス基板）に埋め込み型の光導波路を形成する必要がある。

超短パルスレーザーの場合、フェムト秒レーザーの集光照射によって、ガラス内部に構造変化が誘起されることにより、屈折率が変化して光導波路が形成される。パルス幅、繰り返し周波数、パルスエネルギーなどの条件により、レーザー光の焦点付近の屈折率を０．０１程度高くすることが可能である。通常のシリカガラスを構成するケイ素および酸素のネットワークは６員環あるいは５員環が支配的であるが、超短パルスレーザーを照射した箇所のネットワークは員環の数が減少し、３員環、４員環の数が増加する。言い換えると、フェムト秒レーザーの集光照射によって形成された光導波路における、シリカガラス中のケイ素および酸素からなる３員環もしくは４員環の含有率は、当該光導波路が形成された基板のその他の部分における含有率よりも大きくなる。３員環、４員環が増加した光導波路は員環の変化がないその他の部分に比べ、密度が向上し、機械的強度が増加する。

超短パルスレーザーで光導波路を形成した場合、光導波路はレーザー光の焦点に限定されるため、光変調部を有するＬＮ基板の光導波路とガラス基板に形成された光導波路を３次元的に接続することも可能となり、より低損失な光導波路素子の提供が可能になる。

図１１は、本発明の光導波路素子の他の実施例を示す図である。図１１に示すように、第一の基板（ガラス基板）（２）に形成された光導波路（２２）と第二の基板（ＬＮ基板）（１）に形成された光導波路（１０）との間を３次元的に接続する接続光導波路（２１）を設けることを特徴とする。光モードフィールド径を変化させる変換部は、接続光導波路（２１）又は光導波路（２２）の何れであっても良い。また、必要に応じて、光導波路（２２）の接続光導波路（２１）とは反対側の端部に変換部を別途形成することも可能である。なお、光導波路（２２）や接続光導波路（２１）は超短パルスレーザーや上述したイオン交換、イオン注入により形成することも可能である。特に、図１１のように接続光導波路（２１）を第一の基板（ガラス基板）（２）の厚さ方向に向かって３次元的に形成する場合、光の低損失化及び機械的強度の観点から、少なくとも接続光導波路（２１）は超短パルスレーザーで形成し３員環、４員環を増加することが望ましい。また、接続光導波路（２１）の屈折率は光導波路（１０）側から光導波路（２２）側にかけて徐々に高くなるように形成してもよい。

これらの技術を組み合わせることにより、図１２乃至１４に示すような様々な光導波路素子を構成することが可能である。図１２は、光の入出射部のみ（光導波路（２０）の部分）で光損失の低減を図る構造である。図１３は、光の入出射部、１８０°の折り曲げ部（Ｒ２）、曲げ部から出射部に繋がる直線部を第一の基板に形成し、光損失の低減を図る構造である。図１４は、光変調部を除く、光の入出射部、１８０°の折り曲げ部、直線部に加えてマッハツェンダーの分岐部までも第一の基板に形成し、光損失の低減を図る構造となっている。

図１２乃至１４に記載された符号ＭＥは、進行波型の変調電極であり、符号ＢＥは位相調整用のバイアス電極である。位相調整用電極ＢＥを第二の基板（ＬＮ基板）に設ける場合は、ＤＣバイアス電極で構成される。図１４に示すように、電極ＢＥを第一の基板（ガラス基板）に設ける場合は、熱光学効果を用いた加熱電極となる。なお、図１２乃至１４における入射部（Ｌｉｎ）と出射部（Ｌｏｕｔ）はそれぞれを入れ替えてもよい。この場合、変調電極やバイアス電極の位置などは適宜変更される。ただし、入射側の光導波路の伝送距離が長い場合、光の偏波状態は保持されていることが望ましい。

本発明の光導波路素子は、光導波路１０を伝搬する光波を変調する変調電極を設け、図１５のように、筐体８内に収容される。さらに、光導波路に光波を入出力する光ファイバー（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１５では、光ファイバーは、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ーとは、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。符号５は、光導波路素子の端面近傍を保護すると共に、光導波路素子と光ファイバー又は光学ブロック等との接合を確実するために使用される補強部材である。

光変調デバイスＭＤに変調動作を行わせる変調信号を出力する電子回路（デジタル信号プロセッサーＤＳＰ）を、光変調デバイスＭＤに接続することにより、光送信装置ＯＴＡを構成することが可能である。光導波路素子に印加する変調信号は増幅する必要があるため、ドライバ回路ＤＲＶが使用される。ドライバ回路ＤＲＶやデジタル信号プロセッサーＤＳＰは、筐体８の外部に配置することも可能であるが、筐体８内に配置することも可能である。特に、ドライバ回路ＤＲＶを筐体内に配置することで、ドライバ回路からの変調信号の伝搬損失をより低減することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、小型かつ低光損失で長期安定性を有する光導波路素子を提供することが可能となる。さらには、その光導波路素子を用いた光変調デバイスと光送信装置を提供することが可能となる。

１ 第二の基板
２ 第一の基板
１０ 光導波路Ｂ
２０ 光導波路Ａ（一部又は全部に光モードフィールド径の変換部を含む）

Claims (9)

1. 第一の基板の上面側に埋め込み型の光導波路Ａが形成され、
   前記第一の基板の端部には、該光導波路Ａへ光波を入射する入射部又は該光導波路Ａから光波を出射する出射部を有しており、
   基板の厚みが２μｍ以下の第二の基板にリブ型の光導波路Ｂが形成され、
   前記第一の基板の上面に前記第二の基板が直接接合され、該入射部又は該出射部において、前記第一の基板の端部と前記第二の基板の端部とが揃って配置され、
   前記第一の基板の上面に前記第二の基板を配置した状態を平面視した場合に、該光導波路Ａと該光導波路Ｂの一部が少なくとも重なっており、該光導波路Ａを伝搬する光波が該光導波路Ｂに、又は該光導波路Ｂを伝搬する光波が該光導波路Ａに移動するように構成され、
   前記第二の基板には該光導波路Ｂを伝搬する光波を変調する光変調部を有しており、
   該光導波路Ａの少なくとも一部には、２μｍ以上、５μｍ以下の範囲の光モードフィールド径を変換する変換部を有することを特徴とする光導波路素子。
2. 請求項１に記載の光導波路素子において、該光導波路Ａの屈折率は、前記第二の基板及び該光導波路Ｂの屈折率よりも小さいことを特徴とする光導波路素子。
3. 請求項１又は２に記載の光導波路素子において、前記第一の基板又は前記第二の基板のいずれかには、位相調整用電極が設けられていることを特徴とする光導波路素子。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子において、該光導波路Ａ又は該光導波路Ｂのいずれかには、光波の進行方向が１８０度回転する曲げ部が形成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が筐体内に収容され、該筐体には該光導波路Ａに光波を入力又は出力する光ファイバーを備え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、該光ファイバーの光モードフィールド径が１０μｍであることを特徴とする光変調デバイス。
7. 請求項５又は６に記載の光変調デバイスにおいて、該光導波路素子の該光変調部は変調電極を備え、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に有することを特徴とする光変調デバイス。
8. 請求項５乃至７のいずれか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。
9. 請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路素子の製造方法において、該光導波路Ａは、イオン注入、イオン交換、又は超短パルスレーザーのいずれかで形成されることを特徴とする光導波路素子の製造方法。

Images