JP7670153B2

JP7670153B2 - 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

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Publication number: JP7670153B2
Application number: JP2023550961A
Authority: JP
Inventors: 章太郎平田; 慎吾高野
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2025-04-30
Anticipated expiration: 2041-09-30
Also published as: JPWO2023053404A1; WO2023053404A1; US20240231134A1; CN116830024A

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、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、該リブ型光導波路と該誘電体層とを含むスポットサイズ変換部が、該光導波路の端部に形成され、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すると共に、該リブ型光導波路の厚さが薄くなり、これに伴い、該誘電体層が光導波路として機能し、該スポットサイズ変換部の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。
（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、該基板は、該リブ型光導波路を形成した薄板と該薄板に接合する補強基板とから構成され、該スポットサイズ変換部では、該誘電体層の該薄板を覆う部分以外は該補強基板と接しており、該スロープ形状は、該リブ型光導波路を含む該薄板に形成されていることを特徴とする。

（５）上記（１）乃至（４）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。

（６）上記（５）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。

（７）上記（５）又は（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、ＳｉＯ_２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：ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）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

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、
該リブ型光導波路と該誘電体層とを含むスポットサイズ変換部が、該光導波路の端部に形成され、
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すると共に、該リブ型光導波路の厚さが薄くなり、これに伴い、該誘電体層が光導波路として機能し、
該スポットサイズ変換部の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。
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。
請求項１又は２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。
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、
該基板は、該リブ型光導波路を形成した薄板と該薄板に接合する補強基板とから構成され、
該スポットサイズ変換部では、該誘電体層の該薄板を覆う部分以外は該補強基板と接しており、
該スロープ形状は、該リブ型光導波路を含む該薄板に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４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。
請求項５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５又は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。