WO2020202608A1 - 光導波路素子、及び光導波路デバイス - Google Patents
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- G02B2006/12142—Modulator
Definitions
- the present invention relates to an optical waveguide element which is a functional element using an optical waveguide, for example, an optical modulation element, and an optical waveguide device using such an optical waveguide element.
- the light modulation element using LiNbO 3 (hereinafter, also referred to as LN) having an electro-optical effect as a substrate uses a semiconductor material such as indium phosphide (InP), silicon (Si), or gallium arsenide (GaAs). It is widely used in high-speed / large-capacity optical fiber communication systems because it has less light loss and can realize wide-band optical modulation characteristics as compared with the conventional light modulation elements.
- the modulation method in the optical fiber communication system has received the trend of increasing transmission capacity in recent years, and has many values such as QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) and DP-QPSK (Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying). Transmission formats that incorporate phase shift keying into multi-value modulation are the mainstream.
- an optical modulation element using a rib type waveguide (hereinafter, rib type light modulation element) is being studied (for example, , Patent Document 1).
- rib type light modulation element for example, , Patent Document 1
- a substrate using LN is thinly processed, and other portions are further thinned (for example, to a substrate thickness of 10 ⁇ m or less) while leaving a desired striped portion (rib) by dry etching or the like. Therefore, the effective refractive index of the rib portion is made higher than that of the other portions to form an optical waveguide.
- an optical waveguide element such as an optical modulation element that uses an optical waveguide formed on a substrate
- an optical coupling portion between an optical fiber for optical input and an optical waveguide, an optical branch of a Y-branch waveguide, or the like is used.
- the light propagating in the optical waveguide may leak into the substrate and become unnecessary light.
- unnecessary light is reflected in the substrate and then combined with the optical waveguide again to become noise light.
- the extinction ratio of the light modulation waveform may decrease.
- One aspect of the present invention is an optical waveguide element including an optical substrate on which an optical waveguide is formed and a support substrate bonded to the optical substrate, and the support substrate is joined to the optical substrate.
- a recess is formed on the surface directly below the optical waveguide along the optical waveguide on the optical substrate, and the refractive index of the portion of the support substrate including the joint surface is higher than the substrate refractive index of the optical substrate.
- the recess is large and is filled with a substance having a refractive index smaller than that of the substrate.
- the optical substrate has a thickness of light propagating through the optical waveguide to be less than twice the diameter of the longitudinal mode field in the thickness direction of the optical substrate.
- the groove width measured in the direction orthogonal to the extending direction of the optical waveguide is measured in the plane direction of the optical substrate of the light propagating in the optical waveguide. It is formed so as to be equal to or larger than the lateral mode field diameter.
- the optical substrate and the support substrate are joined with an adhesive layer interposed therebetween, and the adhesive layer is the thickness direction of the optical substrate of light propagating through the optical waveguide. It is formed with a thickness of 1/50 or less of the vertical mode field diameter of.
- the recess is formed at a depth of 1/40 or more of the vertical mode field diameter in the thickness direction of the optical substrate of the light propagating through the optical waveguide.
- the optical substrate is provided with a signal line for controlling a light wave propagating along the optical waveguide arranged along the optical waveguide, and the recess is formed in the optical waveguide.
- the groove width measured in the direction orthogonal to the extending direction is configured to include at least a part of the gap between the electrodes constituting the signal line, and the substance has a lower dielectric constant than the optical substrate.
- the support substrate is a multilayer substrate including a plurality of layers made of different materials.
- the support substrate is configured so that the refractive index is distributed in the thickness direction.
- the substance comprises air, nitrogen, resin, SiO X, at least one of Al 2 0 3, MgF 2, CaF 2.
- Another aspect of the present invention is an optical waveguide device having any of the above optical waveguide elements and a housing for accommodating the optical waveguide element.
- this specification shall include all the contents of the Japanese patent application / Japanese Patent Application No. 2019-06762 filed on March 29, 2019.
- an optical waveguide element using a thinly processed substrate for example, a rib-type light modulation element
- a thinly processed substrate for example, a rib-type light modulation element
- FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical modulation device according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a light modulation element used in the light modulation device shown in FIG.
- FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA of the light modulation element shown in FIG.
- FIG. 4 is a diagram showing a first modification of the light modulation element that can be used in the light modulator shown in FIG.
- FIG. 5 is a diagram showing a second modification of the light modulation element that can be used in the light modulator shown in FIG.
- FIG. 6 is a diagram showing a third modification example of the light modulation element that can be used in the light modulator shown in FIG. FIG.
- FIG. 7 is a diagram showing a fourth modification of the light modulation element that can be used in the light modulator shown in FIG.
- FIG. 8 is a diagram showing a fifth modification of the light modulation element that can be used in the light modulator shown in FIG.
- FIG. 9 is a diagram showing a configuration of an optical modulation device according to a second embodiment of the present invention.
- FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a light modulation element used in the light modulation device shown in FIG.
- FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line BB of the light modulation element shown in FIG.
- FIG. 12 is a diagram showing another example of the light modulation element according to the present invention.
- the optical waveguide element according to the embodiment shown below is a light modulation element configured by using an LN substrate, but the optical waveguide element according to the present invention is not limited to this.
- the present invention can be similarly applied to an optical waveguide element using a substrate other than the LN substrate and an optical waveguide element having a function other than optical modulation.
- FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical waveguide element and an optical waveguide device according to the first embodiment of the present invention.
- the optical waveguide element is an optical modulation element 102 that performs optical modulation using the Machzenda optical waveguide
- the optical waveguide device is an optical modulation device 100 that uses the optical modulation element 102.
- the light modulation device 100 accommodates the light modulation element 102 inside the housing 104.
- a cover (not shown), which is a plate body, is fixed to the opening of the housing 104, and the inside thereof is airtightly sealed.
- the light modulation device 100 includes an input optical fiber 106 for inputting light into the housing 104, and an output optical fiber 108 for guiding the light modulated by the light modulation element 102 to the outside of the housing 104.
- the light modulation device 100 also has a connector 110 for receiving a high frequency electric signal for causing the light modulation element 102 to perform an optical modulation operation from the outside, and a high frequency electric signal received by the connector 110 for the light modulation element 102.
- a relay board 112 for relaying to one end of the signal electrode is provided.
- the light modulation device 100 includes a terminator 114 having a predetermined impedance connected to the other end of the signal electrode of the light modulation element 102.
- the signal electrode of the light modulation element 102 and the relay board 112 and the terminator 114 are electrically connected by bonding, for example, a metal wire.
- FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a light modulation element 102 which is an optical waveguide element housed in a housing 104 of the light modulation device 100 shown in FIG.
- FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA of the light modulation element 102 shown in FIG.
- the light modulation element 102 includes, for example, an optical substrate 220 composed of LN and a support substrate 222 that supports the optical substrate 220.
- An optical waveguide 224 (corresponding to the thick dotted line shown in the light modulation element 102 shown in FIG. 1) is formed on the optical substrate 220.
- the optical substrate 220 is thinly processed to a thickness of, for example, 1 to 2 ⁇ m or less, and in the optical waveguide 224, the portion of the optical waveguide 224 is thicker than the other portion of the optical substrate 220 (for example, at a thickness of several ⁇ m).
- the optical waveguide 224 is, for example, a Machzenda optical waveguide, which includes two branch portions and two parallel waveguides 226a and 226b extending in parallel with each other.
- a signal electrode 230 is also provided on the optical substrate 220 to control the light wave propagating in the parallel waveguide 226a and 226b by changing the refractive index of the parallel waveguides 226a and 226b.
- the signal electrode 230 constitutes a signal line that controls light waves propagating along the parallel waveguides 226a and 226b, which are arranged along the parallel waveguides 226a and 226b that are part of the optical waveguide 224.
- the signal electrode 230 includes two ground electrodes, electrodes 232 and 236, and an electrode 234, which is a center electrode arranged so as to be sandwiched between the electrodes 232 and 236 in the plane of the optical substrate 220. It is composed of.
- the optical substrate 220 is composed of, for example, an X-cut LN, and the signal electrode 230 generates an electric field along the plane direction of the optical substrate 220 with respect to the parallel waveguides 226a and 226b, thereby causing the parallel waveguide 220.
- the refractive index of the waveguides 226a and 226b is changed to cause the optical waveguide 224, which is a Machzenda optical waveguide, to perform an optical modulation operation.
- the thick arrows on the right and left sides of FIG. 2 indicate the incident direction and the emitted direction of the light.
- the support substrate 222 is made of a material having a refractive index n3 larger than the substrate refractive index n1 which is the refractive index of the optical substrate 220 (that is,). , N3> n1).
- a recess 340 is formed on the joint surface with the optical substrate 220 along the optical waveguide 224 on the optical substrate 220, directly below the optical waveguide 224.
- the recess 340 is formed so that the groove width W2 measured in the direction orthogonal to the extending direction of the optical waveguide 224 includes the width of the optical waveguide 224. Figure 3).
- the inside of the recess 340 is also filled with a substance (filling substance) 350 having a refractive index n2 smaller than the substrate refractive index n1 (that is, n2 ⁇ n1 ⁇ n3).
- the filling substance 350 can be, for example, a resin.
- the support substrate 222 is made of, for example, Si having a refractive index larger than that of the LN constituting the optical substrate 220.
- the filling substance 350 is made of a resin having a refractive index smaller than that of the LN and which can be used for adhesion between the optical substrate 220 and the support substrate 222.
- the optical substrate 220 is bonded (adhered) to the support substrate 222 via the adhesive layer 370.
- the adhesive layer 370 is made of the resin constituting the packing material 350.
- the thickness T4 of the adhesive layer 370 needs to be thin enough so that the light propagating in the optical waveguide 224 can sufficiently seep out from the optical substrate 220 toward the support substrate 222.
- the optical waveguide 224 is inserted into the optical substrate 220.
- the leaked unnecessary light easily propagates to the support substrate 222, but it becomes difficult for the leaked unnecessary light to enter the optical substrate 220 from the support substrate 222.
- the support substrate 222 is formed with a recess 340 filled with a filling substance 350 having a refractive index n2 smaller than the refractive index n1 of the substrate along the optical waveguide 224 formed on the optical substrate 220. , The light propagating in the optical waveguide 224 is difficult to leak in the direction of the support substrate 222 having a high refractive index, and is confined in the optical waveguide 224.
- FIG. 3 shows the portion of the parallel waveguide 226a taken out as an example to show the configuration around the optical waveguide 224, and the other parts of the optical waveguide 224 including the parallel waveguide 226b are similarly shown. Please understand that it is composed. Further, in a portion where the two recesses 340 provided for each of the parallel waveguides 226a and 226b approach each other along the optical waveguide 224, such as in the vicinity of the optical coupling portion and the branch portion, the recesses 340 are located on each other. It can be combined into one recess having a groove width twice the maximum W2, and the groove width can be configured to converge to W2 according to the distance between the two optical waveguides.
- the depth T3 of the recess 340 provided in the support substrate 222 is such that the recess 340 filled with the filling substance 350 is effective as a clad layer of the optical waveguide 224 in relation to the wavelength of the light propagating in the optical waveguide 224. It needs to be deep enough to work.
- the range of desirable values of T3 can be shown, for example, in relation to the size of the mode field 360 (FIG. 3) of the waveguide light in the optical waveguide 224, which is closely related to the wavelength as described above, and at least. It is desirable that the vertical mode field diameter T1 of the mode field 360 is 1/40 or more (that is, T3 ⁇ T1 / 40). This condition does not matter whether the mode field 360 is in single mode or multimode.
- the vertical mode field diameter T1 refers to the diameter of the mode field 360 measured in the thickness direction of the optical substrate 220.
- the recess 340 formed in the support substrate 222 is formed so that the groove width W2 includes the width of the optical waveguide 224 (FIG. 3), but in principle.
- the groove width W2 of the recess 340 may be a lateral mode field diameter W1 or more (that is, W2 ⁇ W1) of the mode field 360.
- the recess 340 covers the entire lateral spread of the mode field 360, and the filling material 350 in the recess 340 can sufficiently secure the light confinement effect of the optical waveguide 224.
- the lateral direction means the surface direction of the optical substrate 220
- the lateral mode field diameter means the diameter of the mode field 360 measured in the surface direction of the optical substrate 220.
- the thickness T4 of the adhesive layer needs to be thick enough to ensure sufficient light seepage from the optical substrate 220 to the support substrate 222 in relation to the wavelength of the light propagating through the optical waveguide 224.
- the range of desirable values of T4 can be shown, for example, in relation to the size of the mode field 360 (FIG. 3) of the waveguide light in the optical waveguide 224, which is closely related to the wavelength as described above, and at least. It is desirable that the vertical mode field diameter T1 of the mode field 360 is 1/50 or less (that is, T4 ⁇ T1 / 50).
- the material of the adhesive layer is a thin film formed by a dry film forming method or a sol-gel method (for example, a thin film such as an oxide such as SiO X or Al 2 O 3 or a fluoride such as MgF 2 or CaF 2 ).
- a coating film made of a resin material may be used.
- the effect of eliminating unnecessary light by joining the support substrate 222 having a high refractive index is that the thickness T2 of the optical substrate 220 is twice the vertical mode field diameter T1 of the mode field 360 of the waveguide light. It becomes remarkable when the following (T2 ⁇ 2 ⁇ T1).
- This condition is that the optical waveguide 224 is manufactured as a ridge type waveguide as in the present embodiment, or is formed on the surface layer of the optical substrate 220 by metal diffusion such as Ti without providing a ridge (hereinafter, It does not matter whether it is manufactured as a planar waveguide).
- FIG. 4 is a diagram showing a first modification example of the light modulation element 102 when the optical waveguide 224 is composed of such a planar waveguide.
- FIG. 4 corresponds to the cross-sectional view shown in FIG.
- the optical waveguide 224 is configured as a planar waveguide in the optical substrate 420 having a thickness T2 of about 1.5 times the vertical mode field diameter T1 of the waveguide light.
- T2 thickness of the vertical mode field diameter
- the filling substance 350 filled in the recess 340 of the support substrate 222 is assumed to be a resin, but the present invention is not limited to this.
- the packing material 350 is a material having a solid, liquid, or gas phase at the normal operating temperature of the light modulation element 102 as long as it has a refractive index n2 smaller than the substrate refractive index n1 of the optical substrate 220. It doesn't matter.
- the filling substance 350 may be a gas such as air or nitrogen.
- the filler 350 may contain, or be a combination of, air, a resin, an oxide such as SiO X , Al 2 O 3 , and a fluoride such as MgF 2 , CaF 2. ..
- FIG. 5 is a diagram showing a second modification of the light modulation element 102, which is an example of using a gas as the packing material 350.
- FIG. 5 corresponds to the cross-sectional view shown in FIG.
- the recess 340 of the support substrate 222 is filled with a gas such as air as a filling substance 350, and the gap portion between the support substrate 222 and the optical substrate 220 other than the recess 340 is an adhesive layer 370 made of an adhesive resin. Is configured, and the support substrate 222 and the optical substrate 220 are bonded to each other.
- the optical substrate 220 has an effect of confining light in the optical waveguide 224, as in the configuration of FIG. The generated unnecessary light can be effectively eliminated.
- the filling substance 350 to be filled in the recess 340 may not be a single material, but a plurality of materials may be combined and each material may be filled in a different portion in the recess 340.
- FIG. 6 is a diagram showing such a third modification of the light modulation element 102.
- FIG. 6 corresponds to the cross-sectional view shown in FIG.
- air 652 and the resin 654 constituting the adhesive layer 370 are used in combination as the filling substance 350, and the resin 654 is arranged along the inner surface of the recess 340 and inside the recess 340. It is filled with air 652.
- each material constituting the filler 350 has a refractive index smaller than the refractive index n1 of the substrate, or at least in a portion of the material constituting the filler 350 that is in contact with the optical substrate 220.
- the unnecessary light generated in the optical substrate 220 is effectively reduced while enhancing the light confinement effect in the optical waveguide 224, as in the configuration of FIG. Can be excluded.
- FIG. 6 is not limited to the configuration in which the resin 654 is used as a part of the filling substance 350 and the adhesive layer 370.
- FIG. 7 is a diagram showing such a fourth modification of the light modulation element 102 having the same configuration as that of FIG.
- an intermediate layer 656 is formed on the support substrate 222 on which the recess 340 is formed by using a film forming technique such as sputtering.
- the intermediate layer 656 may be formed only on the bottom surface and the side surface of the recess 340, or may be formed only on the bottom surface of the recess 340.
- the intermediate layer 656 can be, for example, a film of a material having a refractive index n2 having the above-mentioned conditions (for example, SiO 2 ) as a part of the packing material 350.
- the intermediate layer 656 can also be used as a bonding material between the optical substrate 220 and the support substrate 222.
- the intermediate layer 656 and the optical substrate 220 are directly bonded by optical contact or the like, or heat by ultrasonic heating or the like with another metal or other layer (not shown) provided on the back surface of the optical substrate 220. It may be fused.
- the intermediate layer 656 it does not necessarily form a part of the filling material 350.
- FIG. 8 is a diagram showing such a fifth modification of the light modulation element 102.
- FIG. 8 corresponds to the cross-sectional view shown in FIG.
- the optical substrate 220 and the support substrate 222 are directly bonded so as to be in contact with each other without an adhesive layer. Such bonding can be realized even by b, optical contact between the optical substrate 220 and the support substrate 222, or the like.
- the light modulation element 102 uses, for example, an X-cut LN substrate as the optical substrate 220. It is supposed to be composed, but it is not limited to this.
- the light modulation element may be configured by using a Z-cut LN substrate as the optical substrate 220.
- 9, 10, and 11 are diagrams showing the configurations of the light modulation element 802, which is an optical waveguide element according to the second embodiment of the present invention, and the light modulation device 800, which is an optical waveguide device using the same. is there.
- FIG. 9, FIG. 10, and FIG. 11 the same reference numerals as those in FIGS. 1, 2 and 3 are used for the same components as those in FIGS. 1, 2 and 3, as described above. The explanations of FIGS. 1, 2 and 3 shall be incorporated.
- the light modulation device 800 shown in FIG. 9 has the same configuration as the light modulation device 100, except that the light modulation element 802 is used instead of the light modulation element 102. Further, in the light modulation device 800, since the light modulation element 802 has two signal electrodes 930a and 930b (described later) each having one center electrode, the two connectors 110 correspond to each of the two center electrodes. It differs from the light modulation device 100 in that it has two relay boards 112 and two terminators 114.
- FIG. 10 is a diagram showing the configuration of the light modulation element 802.
- FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line BB of the light modulation element 802 shown in FIG.
- the light modulation element 802 has the same configuration as the light modulation element 102, except that the optical substrate 820, which is a Z-cut LN substrate, is used instead of the optical substrate 220, which is an X-cut LN substrate. ..
- the light modulation element 802 is different from the light modulation element 102 in that, for example, a buffer layer 962 made of SiO 2 is formed on the optical substrate 820.
- the light modulation element 802 is different from the light modulation element 102 which is an X-cut LN substrate, and the optical substrate 820 is a Z-cut LN substrate. Therefore, two signal electrodes 930a and 930b for applying an electric field in the thickness direction of the optical substrate 820 are provided for the parallel waveguides 226a and 226b, respectively.
- the signal electrodes 930a and 930b are arranged along the parallel waveguides 226a and 226b, respectively, and form a signal line for controlling the light propagating in the parallel waveguides 226a and 226b, respectively.
- the signal electrode 930a is an electrode 934a which is a central electrode arranged so as to extend along the parallel waveguide 226a on the buffer layer 962 immediately above the parallel waveguide 226a, and the electrode 934a. It is composed of electrodes 932a and 936a, which are two ground electrodes arranged so as to sandwich the optical substrate 820 in the plane direction.
- the signal electrode 930b has an electrode 934b, which is a center electrode arranged so as to extend along the parallel waveguide 226b on the buffer layer 962 immediately above the parallel waveguide 226b, and the electrode 934b as an optical substrate. It is composed of electrodes 932b and 936b, which are two ground electrodes arranged so as to be sandwiched in the plane direction of 820. Further, the electrodes 932a and 932b are connected to each other on the optical substrate 820.
- the support substrate 222 is provided with a recess 1040 instead of the recess 340.
- the recess 1040 is provided along the optical waveguide 224 and directly below the optical waveguide 224.
- the configuration of the portion of the recess 1040 corresponding to the parallel waveguides 226a and 226b is different from that of the recess 340.
- the width W21 of the recess 1040 extends at least over a range in the length direction of the parallel waveguides 226a and 226b whose refractive index is controlled by the signal electrodes 930a and 930b (the range indicated by reference numeral C in FIG. 9).
- the inside of the recess 1040 is filled with the filling substance 1050 instead of the filling substance 350.
- the packing material 1050 a material having a refractive index n2 smaller than the substrate refractive index n1 of the optical substrate 820 and a dielectric constant lower than that of the optical substrate 820 is used as in the filling material 350.
- the optical waveguide 224 is similarly connected to the light modulation element 102. While sufficiently confining the light, the unnecessary light leaked from the optical waveguide 224 to the optical substrate 820 is eliminated to the support substrate 222, and the unnecessary light is recombined with the optical waveguide 224 to obtain optical characteristics such as an extinction ratio. It can be suppressed from getting worse.
- the recess 1040 is provided with a groove width W21 including gaps g1a, g2a, g1b, and g2b between the electrodes 932a and the like constituting the signal line, and the optical substrate 820 is provided inside the recess 1040.
- the packing material 1050 having a dielectric constant lower than the dielectric constant is filled. Therefore, the propagation speed of the high-frequency electric signal at the signal electrodes 930a and 930b can be brought close to the propagation speed of light at the parallel waveguides 226a and 226b to match the two.
- the light modulation element 802 in addition to the effect of eliminating unnecessary light, the light modulation element 802 can be widened and the drive voltage can be reduced as a result of the speed matching.
- the recess 1040 is configured to have a width W21 including all the gaps g1a, g2a, g2b, and g1b, but the present invention is not limited to this. If the recess such as the recess 1040 is configured to include at least a part of the support substrate 222 where an electric field is generated at each of the signal electrodes 930a and 930b constituting the signal line, the speed matching is performed. The effect can be obtained. Therefore, for example, in FIG.
- the recess 1040 is composed of two recesses divided into the left and right sides in the drawing, one recess having a width including at least a part of the gap g1a and / or g2a, and the other recess. May be configured with a width that includes at least a portion of the gaps g2b and g1b.
- a Z-cut LN substrate is used as the optical substrate 820, but the present invention is not limited to this.
- an X-cut LN substrate similar to the optical substrate 220 can be used.
- a signal electrode 230 similar to that shown in FIG. 2 may be formed on the optical substrate 820.
- a portion of the support substrate 222 in which an electric field is generated between the electrodes 234 and 232a of the signal electrode 230 constituting the signal line (gap between the electrode 234 and the electrode 232a). If the recess 340 is formed in at least a part of the portion), the same speed matching as described above can be performed.
- the recess 1040 is formed as one groove having a width including the gaps g1a, g2a, g1b, and g2b, but is not limited to this.
- the recess 1040 is formed with a width including a portion directly below the parallel waveguide 226a and gaps g1a and g2a, and a width including a portion directly below the parallel waveguide 226b and gaps g1b and g2b. It may be divided into a second recess formed by the above.
- the first recess and the second recess match the speed of the light propagation velocity of the parallel waveguide 226a with the propagation velocity of the high-frequency electric signal of the signal electrode 930a, respectively, and the parallel waveguide 226b.
- the velocity matching between the propagation velocity of light and the propagation velocity of the high-frequency electric signal of the signal electrode 930b can be performed individually.
- the above-mentioned T1, T2, T3, T4, W1 and the like can be applied to the light modulation element 102.
- the above-mentioned modification of the material of the filling substance 350, the filling mode, and the like can be applied to the filling substance 1050 in the light modulation element 802.
- a planar waveguide as shown in FIG. 4 may be used instead of the ridge type waveguide. it can.
- the present invention is not limited to the configuration of the above-described embodiment and its modifications, and can be implemented in various embodiments without departing from the gist thereof.
- the support substrate 222 has a uniform refractive index, but the present invention is not limited to this.
- the support substrate 222 may be a multilayer substrate composed of a plurality of layers, each of which is made of a different material.
- the recess 340 is formed in the upper layer including the surface to be joined to the optical substrate 220, or one or more of the upper layer and the lower portion thereof. Recesses 340 can be formed over the lower layer.
- the refractive index n3 of only the surface of the support substrate 222 that joins with the optical substrate 220 and / or the portion including the joining surface (for example, the portion of the upper layer) is the condition for n3 described above, that is, optical. It can be assumed that the substrate 220 has a refractive index higher than the substrate refractive index n1.
- the support substrate 222 may be configured so that the refractive index is distributed in the thickness direction.
- the support substrate 222 has a portion from the upper surface to which the optical substrate 220 is joined to the depth of the bottom surface of the recess 340, which is higher than the above-mentioned condition for n3, that is, the refractive index n1 of the optical substrate 220. It can be assumed to have a rate.
- the portion of the support substrate 222 from the upper surface to at least the depth of the bottom surface of the recess 340 has a refractive index larger than the substrate refractive index n1 of the optical substrate 220. You just have to do it.
- the light modulation element in which the light modulation operation is performed by the optical waveguide 224 constituting a single Machzenda optical waveguide including a pair of parallel waveguides 226a and 226b is used.
- the light modulation element 1102 that performs DP-QPSK modulation which is configured by using two so-called nested Machzenda optical waveguides as shown in FIG. 12, can be used.
- the light modulation element 1102 is composed of, for example, an optical substrate 1120 which is an X-cut LN substrate having a substrate refractive index n1 similar to that of the optical substrate 220, and a support substrate 222 bonded to the optical substrate 1120. can do. Then, in the support substrate 222, a portion directly below the optical waveguide 1124 is provided along the optical waveguide 1124 (dotted line of the thick line in the figure) formed on the optical substrate 1120, similarly to the recess 340 in the first embodiment. A recess 1140 (a portion sandwiched between the alternate long and short dash lines in the figure) formed with a width including the width can be provided.
- each of the parallel waveguide pairs 1126a, 1126b, 1126c, and 1126d whose refractive index is controlled by the signal electrodes 1130a, 1130b, 1130c, and 1130d, each of which constitutes a signal line.
- the recess 1140 is formed with a groove width including a portion directly below the corresponding parallel waveguide and a gap between the electrodes of the corresponding signal line to achieve speed matching between the waveguide light and the high-frequency electric signal. Can be.
- the light incident on the optical waveguide 1124 from the left side of the drawing is output from the right side of the drawing as two QPSK-modulated output lights.
- the two output lights are polarized and synthesized by an appropriate spatial optical system according to the prior art, combined into one optical beam, combined with, for example, an optical fiber, and guided to a transmission line optical fiber.
- the light modulation element 102 which is the optical waveguide element shown in the present embodiment, includes an optical substrate 220 on which the optical waveguide 224 is formed and a support substrate 222 bonded to the optical substrate 220. ..
- a recess 340 is formed on the joint surface with the optical substrate 220 along the optical waveguide 224 on the optical substrate 220 and directly below the optical waveguide 224.
- the portion of the support substrate 222 including the joint surface has a refractive index n3 larger than the substrate refractive index n1 of the optical substrate 220.
- the recess 340 is filled with a filling substance 350 composed of a substance having a refractive index n2 smaller than the substrate refractive index n1.
- the optical substrate 220 has a thickness T2 of light propagating through the optical waveguide 224, which is not twice as thick as the vertical mode field diameter T1 in the thickness direction of the optical substrate 220. According to this configuration, even when a thinly processed optical substrate 220, which is likely to cause recombination of unnecessary light to the optical waveguide 224, is used, the recombination is effectively suppressed and good optical characteristics are obtained. be able to.
- the recess 340 is the surface of the optical substrate 220 on which the groove width W2 measured in the direction orthogonal to the extending direction of the optical waveguide 224 is the light (propagating light) propagating through the optical waveguide 224. It is formed so that the lateral mode field diameter measured in the direction is W1 or more. According to this configuration, the recess 340 covers the entire lateral spread of the mode field 360 of the propagating light, and the filling material 350 in the recess 340 confinees the optical waveguide 224 in the thickness direction of the optical substrate 220. Can be sufficiently secured.
- the optical substrate 220 and the support substrate 222 are joined with an adhesive layer 370 interposed therebetween.
- the adhesive layer 370 is formed with a thickness T4 of 1/50 or less of the vertical mode field diameter T1 of the waveguide light of the optical waveguide 224. According to this configuration, the unnecessary light in the optical substrate 220 easily exudes and is transmitted through the adhesive layer 370, and is effectively eliminated to the support substrate 222.
- the recess 340 is formed at a depth T3 of 1/40 or more of the vertical mode field diameter T1. According to this configuration, the recess 340 filled with the filling substance 350 effectively functions as a clad layer of the optical waveguide 224, and light can be sufficiently confined in the optical waveguide 224.
- the optical substrate 820 controls the light wave propagating along the parallel waveguide 226a or 226b which is a part of the optical waveguide 224 and propagates in the parallel waveguide 226a and 226b.
- Signal electrodes 930a and 930b constituting the signal line are provided.
- the recess 340 is configured such that the groove width W2 includes a gap between the electrodes 932a and the like constituting the signal line. Further, the filling substance 350 in the recess 340 has a dielectric constant lower than that of the optical substrate 220.
- the propagation speed of the waveguide light of the parallel waveguides 226a and 226b is matched with the propagation speed of the high frequency electric signal of the signal line. Therefore, it becomes easy to widen the band of the control of the light wave. It should be noted that this effect can be similarly exerted as long as the groove width W2 of the recess 340 is configured to include at least a part of the gap between the electrodes constituting the signal line.
- the support substrate 222 of the light modulation elements 102 and 802 can be a multilayer substrate including a plurality of layers made of different materials. Further, the support substrate 222 of the light modulation elements 102 and 802 may be configured so that the refractive index is distributed in the thickness direction thereof. According to these configurations, as long as the refractive index n3 of only the surface of the support substrate 222 to be bonded to the optical substrate 220 and the portion including the bonded surface satisfies the above conditions, for example, it is made of a robust material.
- a multilayer substrate having a layer having a refractive index of n3 adjacent to the layer is used as a support substrate 222, or for example, a robust material having a refractive index that does not satisfy the above-mentioned n3 condition is satisfied with n3 by ion implantation or ion diffusion.
- the substrate on which the portion is formed can be used as the support substrate 222. Therefore, many materials can be used as the support substrate 222, and the degree of freedom in design is improved.
- the support substrate 222 may be formed with a layer having a refractive index n3 or a portion including a surface to be joined with the optical substrate 220 either before or after the concave portion 340 is formed.
- the optical modulation device 102 wherein the filler material 350 comprises a gas such as air or nitrogen, a resin, SiO X, at least one of Al 2 0 3, MgF 2, CaF 2.
- the filling material 350 can function as an effective clad layer for the optical waveguide 224 without using a special material as the filling material 350 in the recess 340.
- the light modulation devices 100 and 800 which are the optical waveguide devices of the above-described embodiment include the light modulation elements 102 and 802 which are the optical waveguide elements having any of the above configurations, the housing 104 which accommodates the optical waveguide element, and the housing 104. It is composed of. According to this configuration, unnecessary light leaking from the optical waveguide 224 to the optical substrates 220 and 820 is effectively eliminated to the support substrate 222, effectively deteriorating optical characteristics such as the extinction ratio of the optical modulation waveform. A suppressed optical waveguide device can be realized.
- Optical modulation device 100, 800 ... Optical modulation device, 102, 802, 1102 ... Optical modulation element, 104 ... Housing, 106 ... Input optical fiber, 108 ... Output optical fiber, 110 ... Connector, 112 ... Relay board, 114 ... Terminator, 220, 420, 820, 1120 ... Optical substrate 222 ... Support substrate 224, 1124 ... Optical waveguide 226a, 226b ... Parallel waveguide, 230, 930a, 930b, 1130a, 1130b, 1130c, 1130d ... Signal electrode, 232, 234, 236, 932a, 932b, 934a, 934b, 936a, 936b ...
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Abstract
光導波路素子において、光導波路を漏れ出た不要光が光導波路に再結合することに起因する性能低下が防止される。 光導波路が形成された光学基板と、光学基板に接合された支持基板と、を備える光導波路素子であって、支持基板のうち、光学基板との接合面には、光学基板上の光導波路に沿って当該光導波路の直下に凹部が形成され、支持基板は、その上面から少なくとも上記凹部の底面の深さまでの部分が、光学基板の基板屈折率よりも大きな屈折率を有し、上記凹部には基板屈折率より小さな屈折率を持つ物質が充填されている。
Description
本発明は、例えば光変調素子などの、光導波路を用いた機能素子である光導波路素子、及びそのような光導波路素子を用いた光導波路デバイスに関する。
高速/大容量光ファイバ通信システムにおいては、導波路型の光変調器を組み込んだ光送信装置が多く用いられている。中でも、電気光学効果を有するLiNbO3(以下、LNともいう)を基板に用いた光変調素子は、インジウムリン(InP)、シリコン(Si)、あるいはガリウム砒素(GaAs)などの半導体系材料を用いた光変調素子に比べて、光の損失が少なく且つ広帯域な光変調特性を実現し得ることから、高速/大容量光ファイバ通信システムに広く用いられている。
一方、光ファイバ通信システムにおける変調方式は、近年の伝送容量の増大化の流れを受け、QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)やDP-QPSK(Dual Polarization - Quadrature Phase Shift Keying)等、多値変調や、多値変調に偏波多重を取り入れた伝送フォーマットが主流となっている。
近年のインターネットサービスの普及加速は通信トラフィックのより一層の増大を招き、光変調素子の更なる小型化、広帯域化、省電力化の検討が今も進められている。
そのような光変調素子の小型化、広帯域化、省電力化の一つの策として、例えば、リブ型導波路を用いた光変調素子(以下、リブ型光変調素子)が検討されている(例えば、特許文献1参照)。リブ型導波路は、LNを用いた基板を薄く加工し、ドライエッチング等により所望のストライプ状部分(リブ)を残して他の部分を更に薄く(例えば、基板厚さ10μm以下まで)加工することで、当該リブ部分の実効屈折率を他の部分より高めて光導波路としたものである。
しかしながら、基板厚さが数μm程度以下まで薄く加工される結果、新たな問題が発生し得る。すなわち、光変調素子などの、基板上に形成された光導波路を用いる光導波路素子においては、一般に、光入力用の光ファイバと光導波路との光結合部や、Y分岐導波路等の光分岐部、及び又は光の伝搬方向が変化する曲がり導波路部において、光導波路内を伝搬する光が基板内へと漏れ出て不要光となる場合があり得る。このような不要光は、基板内を反射した後、再び光導波路に結合して雑音光となり、例えば、光変調素子においては、光変調波形の消光比が低下し得る。
そして、特に、上記のように薄く加工された基板を用いる場合には、当該基板の厚さ方向断面積の減少や基板体積の減少に伴って、基板内に一旦漏れ出た不要光が基板内を多重反射したのち再び光導波路に結合する確率が高くなり得る。また、上述のような更なる広帯域化が図られるにつれ、上記消光比にはより厳しい要求条件が課されることとなり得るため、上記不要光に起因する消光比低下等の光特性の制限は、今後大きな問題となっていくことが予想され得る。
上記背景より、例えばリブ型光変調素子のような、薄く加工された基板を用いる光導波路素子において、光導波路から漏れ出た不要光が当該光導波路に再結合することに起因する性能低下を防止することが望まれている。
本発明の一の態様は、光導波路が形成された光学基板と、前記光学基板に接合された支持基板と、を備える光導波路素子であって、前記支持基板のうち、前記光学基板との接合面には、前記光学基板上の前記光導波路に沿って、当該光導波路の直下に凹部が形成され、前記支持基板の前記接合面を含む部分の屈折率は前記光学基板の基板屈折率よりも大きく、前記凹部には、前記基板屈折率より小さな屈折率を持つ物質が充填されている。
本発明の他の態様によると、前記光学基板は、前記光導波路を伝搬する光の、前記光学基板の厚さ方向の縦方向モードフィールド径の2倍以下の厚さを有する。
本発明の他の態様によると、前記凹部は、前記光導波路の延在方向に対し直交する方向に測った溝幅が、前記光導波路を伝搬する光の、前記光学基板の面方向に測った横方向モードフィールド径以上となるように形成されている。
本発明の他の態様によると、前記光学基板と前記支持基板とは、接着層を挟んで接合されており、前記接着層は、前記光導波路を伝搬する光の、前記光学基板の厚さ方向の縦方向モードフィールド径の1/50以下の厚さで形成されている。
本発明の他の態様によると、前記凹部は、前記光導波路を伝搬する光の、前記光学基板の厚さ方向の縦方向モードフィールド径の1/40以上の深さで形成されている。
本発明の他の態様によると、前記光学基板には、前記光導波路に沿って配された当該光導波路を伝搬する光波を制御する信号線路が設けられており、前記凹部は、前記光導波路の延在方向に対し直交する方向に測った溝幅が、前記信号線路を構成する電極間のギャップの少なくとも一部を含むよう構成され、前記物質は、前記光学基板よりも低い誘電率を有する。
本発明の他の態様によると、前記支持基板は、互いに異なる材料で構成された複数の層を含む多層基板である。
本発明の他の態様によると、前記支持基板は、厚さ方向に屈折率が分布するよう構成されている。
本発明の他の態様によると、前記物質は、空気、窒素、樹脂、SiOX、Al203、MgF2、CaF2の少なくとも一つを含む。
本発明の他の態様は、上記いずれかの光導波路素子と、当該光導波路素子を収容する筺体と、を有する光導波路デバイスである。
なお、この明細書には、2019年3月29日に出願された日本国特許出願・特願2019-067620号の全ての内容が含まれるものとする。
本発明の他の態様によると、前記光学基板は、前記光導波路を伝搬する光の、前記光学基板の厚さ方向の縦方向モードフィールド径の2倍以下の厚さを有する。
本発明の他の態様によると、前記凹部は、前記光導波路の延在方向に対し直交する方向に測った溝幅が、前記光導波路を伝搬する光の、前記光学基板の面方向に測った横方向モードフィールド径以上となるように形成されている。
本発明の他の態様によると、前記光学基板と前記支持基板とは、接着層を挟んで接合されており、前記接着層は、前記光導波路を伝搬する光の、前記光学基板の厚さ方向の縦方向モードフィールド径の1/50以下の厚さで形成されている。
本発明の他の態様によると、前記凹部は、前記光導波路を伝搬する光の、前記光学基板の厚さ方向の縦方向モードフィールド径の1/40以上の深さで形成されている。
本発明の他の態様によると、前記光学基板には、前記光導波路に沿って配された当該光導波路を伝搬する光波を制御する信号線路が設けられており、前記凹部は、前記光導波路の延在方向に対し直交する方向に測った溝幅が、前記信号線路を構成する電極間のギャップの少なくとも一部を含むよう構成され、前記物質は、前記光学基板よりも低い誘電率を有する。
本発明の他の態様によると、前記支持基板は、互いに異なる材料で構成された複数の層を含む多層基板である。
本発明の他の態様によると、前記支持基板は、厚さ方向に屈折率が分布するよう構成されている。
本発明の他の態様によると、前記物質は、空気、窒素、樹脂、SiOX、Al203、MgF2、CaF2の少なくとも一つを含む。
本発明の他の態様は、上記いずれかの光導波路素子と、当該光導波路素子を収容する筺体と、を有する光導波路デバイスである。
なお、この明細書には、2019年3月29日に出願された日本国特許出願・特願2019-067620号の全ての内容が含まれるものとする。
本発明によれば、例えばリブ型光変調素子のような、薄く加工された基板を用いる光導波路素子において、光導波路を漏れ出た不要光が当該光導波路に再結合することを抑制して、当該再結合に起因する性能低下を防止することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施形態に係る光導波路素子は、LN基板を用いて構成される光変調素子であるが、本発明に係る光導波路素子は、これには限られない。本発明は、LN基板以外の基板を用いる光導波路素子や、光変調以外の機能を有する光導波路素子にも、同様に適応することができる。
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態に係る光導波路素子および光導波路デバイスの構成を示す図である。本実施形態では、光導波路素子はマッハツェンダ光導波路を用いて光変調を行う光変調素子102であり、光導波路デバイスは、当該光変調素子102を用いた光変調デバイス100である。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る光導波路素子および光導波路デバイスの構成を示す図である。本実施形態では、光導波路素子はマッハツェンダ光導波路を用いて光変調を行う光変調素子102であり、光導波路デバイスは、当該光変調素子102を用いた光変調デバイス100である。
光変調デバイス100は、筺体104の内部に光変調素子102を収容する。なお、筺体104は、最終的にはその開口部に板体であるカバー(不図示)が固定されて、その内部が気密封止される。
光変調デバイス100は、筺体104内に光を入力するための入力光ファイバ106と、光変調素子102により変調された光を筺体104の外部へ導く出力光ファイバ108と、を有する。
光変調デバイス100は、また、光変調素子102に光変調動作を行わせるための高周波電気信号を外部から受信するためのコネクタ110と、当該コネクタ110が受信した高周波電気信号を光変調素子102の信号電極の一端へと中継するための中継基板112を備える。また、光変調デバイス100は、光変調素子102の信号電極の他端に接続される、所定のインピーダンスを有する終端器114を備える。ここで、光変調素子102の信号電極と、中継基板112及び終端器114と、の間は、例えば金属ワイヤ等のボンディングにより電気的に接続される。
図2は、図1に示す光変調デバイス100の筺体104に収容される光導波路素子である光変調素子102の構成を示す図である。また、図3は、図2に示す光変調素子102のAA断面矢視図である。
光変調素子102は、例えばLNで構成される光学基板220と、光学基板220を支持する支持基板222と、を有する。光学基板220上には、光導波路224(図1に示す光変調素子102に示された太い点線に相当)が形成されている。ここで、光学基板220は、例えば1~2μm以下の厚さまで薄く加工されており、光導波路224は、当該光導波路224の部分が光学基板220の他の部分より厚く(例えば厚さ数μmで)形成されて構成される、いわゆるリブ型光導波路である。これにより、光導波路224内の実効屈折率が他の部分よりも高くなり、当該光導波路224内に光が閉じ込められて導波される。
光導波路224は、例えばマッハツェンダ光導波路であり、2つの分岐部と、互いに並行に延在する2本の並行導波路226a、226bを含む。光学基板220上には、また、並行導波路226a、226bの屈折率を変化させて当該並行導波路226a、226bを伝搬する光波を制御する信号電極230が設けられている。信号電極230は、光導波路224の一部である並行導波路226a、226bに沿って配された、当該並行導波路226a、226bを伝搬する光波を制御する信号線路を構成する。
具体的には、信号電極230は、2つの接地電極である電極232、236と、光学基板220の面内において当該電極232、236に挟まれるように配置された中心電極である電極234と、で構成されている。ここで、光学基板220は、例えばXカットのLNで構成されており、信号電極230は、並行導波路226a、226bに対し光学基板220の面方向に沿った電界を発生させることにより、当該並行導波路226a、226bの屈折率を変化させて、マッハツェンダ光導波路である光導波路224に光変調動作を行わせる。なお、図2の図示右側及び左側に示す太線矢印は、光の入射方向及び出射方向を示している。
特に、本実施形態の光導波路素子である光変調素子102では、支持基板222は、光学基板220の屈折率である基板屈折率n1よりも大きな屈折率n3を有する材料で構成されている(すなわち、n3>n1)。また、支持基板222のうち、光学基板220との接合面には、光学基板220上の光導波路224に沿って、当該光導波路224の直下に凹部340が形成されている。具体的には、凹部340は、本実施形態では、光導波路224の延在方向に対し直交する方向に測った溝幅W2が、当該光導波路224の幅を包含する幅で形成されている(図3)。
凹部340の内部には、また、上記基板屈折率n1よりも小さな屈折率n2を持つ物質(充填物質)350が充填されている(すなわち、n2<n1<n3)。ここで、充填物質350は、例えば、樹脂であるものとすることができる。
本実施形態では、支持基板222は、光学基板220を構成するLNの屈折率よりも大きな屈折率を持つ例えばSiで構成されている。また、充填物質350は、上記LNの屈折率よりも小さな屈折率を持ち、且つ、光学基板220と支持基板222との接着にも用いることのできる樹脂で構成されている。
本実施形態では、光学基板220は、接着層370を介して支持基板222と接合(接着)されている。接着層370は、本実施形態では、充填物質350を構成する樹脂で構成されている。
ここで、接着層370の厚さT4は、光導波路224を伝搬する光が光学基板220から支持基板222へ向けて十分浸み出し得る程度に薄く構成されるものとする必要がある。
上記の構成を有する光変調素子102は、光学基板220の基板屈折率n1よりも高い屈折率n3をもつ支持基板222が光学基板220に接合されているので、光導波路224から光学基板220内へ漏れ出た不要光は、支持基板222へは容易に伝搬するが、支持基板222から光学基板220へは入射が困難となる。また、支持基板222には、光学基板220上に形成された光導波路224に沿って、基板屈折率n1よりも小さな屈折率n2をもつ充填物質350が充填された凹部340が形成されているので、光導波路224を伝搬する光は、屈折率の高い支持基板222の方向へ漏れ出ることが困難となり、光導波路224内に閉じ込められることとなる。
すなわち、光変調素子102では、光導波路224における導波光の閉じ込めは十分に確保されつつも、入力光ファイバ106との光結合部や、分岐部、及び又は曲がり導波路部等で発生した不要光は、光学基板220の直下にある高屈折率の支持基板222に向かって拡散され排除される。このため、光変調素子102では、光導波路224から光学基板220へ漏れ出た不要光が当該光導波路224に再結合するのを効果的に抑制することができる。したがって、光変調素子102では、不要光が光導波路224に再結合することによる性能悪化、例えば光変調波形における消光比の悪化を、効果的に抑制することができる。
なお、図3は、光導波路224の周辺の構成を示すため一例として並行導波路226aの部分を取り出して示したものであり、並行導波路226bを含む光導波路224の他の部分も、同様に構成されているものと理解されたい。また、光結合部や分岐部の近傍のように、並行導波路226a、226bのそれぞれに対して設けられた2つの凹部340が光導波路224に沿って接近する部分では、当該凹部340は、互いに合体して最大W2の2倍の溝幅を持つ一つの凹部となり、2つの光導波路の間隔に応じてその溝幅がW2に収束していくよう構成され得る。
ここで、支持基板222に設ける凹部340の深さT3は、光導波路224を伝搬する光の波長との関係において、充填物質350が充填された当該凹部340が光導波路224のクラッド層として有効に機能し得る深さである必要がある。このT3の望ましい値の範囲は、例えば、上記と同様に上記波長と密接な関係のある光導波路224内の導波光のモードフィールド360(図3)の大きさとの関係において示すことができ、少なくとも当該モードフィールド360の縦方向モードフィールド径T1の1/40以上(すなわち、T3≧T1/40)であることが望ましい。この条件は、モードフィールド360がシングルモードであるかマルチモードであるかを問わない。なお、縦方向モードフィールド径T1とは、光学基板220の厚さ方向に測ったモードフィールド360の直径をいう。
また、本実施形態では、支持基板222に形成される凹部340は、その溝幅W2が、光導波路224の幅を包含する幅で形成されるものとしたが(図3)、原理的には、凹部340の溝幅W2は、上記モードフィールド360の横方向モードフィールド径W1以上(すなわち、W2≧W1)であればよい。これにより、凹部340は、モードフィールド360の横方向の広がりの全体をカバーして、凹部340内の充填物質350により光導波路224の光閉じ込め効果を十分に確保することができる。ここで、上記横方向とは、光学基板220の面方向をいい、横方向モードフィールド径とは、光学基板220の面方向に測ったモードフィールド360の直径をいう。
さらに、接着層の厚さT4は、光導波路224を伝搬する光の波長との関係において、光学基板220から支持基板222へ十分な光の浸み出しを確保し得る程度の厚さである必要がある。このT4の望ましい値の範囲は、例えば、上記と同様に上記波長と密接な関係のある光導波路224内の導波光のモードフィールド360(図3)の大きさとの関係において示すことができ、少なくとも当該モードフィールド360の縦方向モードフィールド径T1の1/50以下(すなわち、T4≦T1/50)であることが望ましい。
また、接着層の素材は、ドライ成膜法あるいはゾルゲル法などで成膜される薄膜(例えば、SiOX、Al2O3等の酸化物、MgF2、CaF2等のフッ化物などの薄膜)でも、樹脂系材料のコーティング膜でも良い。
また、高屈折率の支持基板222を接合することによる上記不要光の排除効果は、特に、光学基板220の厚さT2が、上記導波光のモードフィールド360の縦方向モードフィールド径T1の2倍以下(T2≦2×T1)である場合に顕著となる。この条件は、光導波路224が、本実施形態のようにリッジ型導波路として作製されているか、又はリッジを設けずTi等の金属拡散により光学基板220の表層に構成された導波路(以下、平面導波路)として作製されているかを問わない。
図4は、光導波路224がそのような平面導波路で構成される場合の、光変調素子102の第1の変形例を示す図である。ここで、図4は、図3に示す断面図に相当する。図4に示す例では、光導波路224が、導波光の縦方向モードフィールド径T1の約1.5倍程度の厚さT2を持つ光学基板420内に平面導波路として構成されている。光導波路224がこのような平面導波路で構成される場合でも、図3に示すリッジ型光導波路を用いる場合と同様に、光導波路224内の光閉じ込め効果を高めつつ、光学基板220において発生した不要光を効果的に排除することができる。
また、本実施形態では、支持基板222の凹部340に充填される充填物質350は樹脂であるものとしたが、これには限られない。充填物質350は、光学基板220の基板屈折率n1よりも小さな屈折率n2を有する限りにおいて、光変調素子102の通常の使用温度において固体、液体、気体のいずれの相を持つ材料であるかを問わない。例えば、充填物質350は、空気や窒素等の気体であってもよい。例えば、充填物質350は、空気、樹脂、SiOX、Al2O3等の酸化物、MgF2、CaF2等のフッ化物の、少なくとも一つを含むか、またはこれらの組み合わせとすることができる。
図5は、光変調素子102の第2の変形例を示す図であり、充填物質350として気体を用いる例である。ここで、図5は、図3に示す断面図に相当する。図5に示す例では、支持基板222の凹部340には充填物質350として空気等の気体が充填され、凹部340以外の支持基板222と光学基板220との間隙部分に接着用樹脂による接着層370が構成されて、支持基板222と光学基板220とが接合されている。このように構成しても、充填物質350が基板屈折率n1より小さい屈折率n2を有する限りにおいて、図3の構成と同様に、光導波路224内の光閉じ込め効果を高めつつ、光学基板220において発生した不要光を効果的に排除することができる。
また、凹部340に充填する充填物質350は、単一の材料ではなく、複数の材料が組み合わされて、それぞれの材料が凹部340内の異なる部分に充填されていてもよい。
図6は、光変調素子102のそのような第3の変形例を示す図である。ここで、図6は、図3に示す断面図に相当する。図6に示す例では、充填物質350として空気652と、接着層370を構成する樹脂654とが組み合わされて用いられており、樹脂654は凹部340の内側面に沿って配され、その内側に空気652が充填されている。このように構成しても、充填物質350を構成するそれぞれの材料が基板屈折率n1より小さい屈折率を有する限りにおいて、または、充填物質350を構成する材料のうち少なくとも光学基板220と接する部分に配された材料が基板屈折率n1より小さい屈折率を有する限りにおいて、図3の構成と同様に、光導波路224内の光閉じ込め効果を高めつつ、光学基板220において発生した不要光を効果的に排除することができる。
なお、図6に示すような構成は、樹脂654を、充填物質350の一部および接着層370として用いる構成には限られない。図7は、図6と同様の構成を有する、光変調素子102のそのような第4の変形例を示す図である。図7に示す構成においては、凹部340が形成された支持基板222上に、スパッタリングなどの膜形成技術を用いて中間層656が形成されている。この中間層656は、図7に示すように凹部340の底面及び側面にのみ形成されるものとしてもよいし、凹部340の底面にのみ形成されるものとしてもよい。また、中間層656は、例えば、充填物質350の一部として、例えば上述した条件を有する屈折率n2をもつ材料(例えばSiO2)の膜とすることができる。また、この中間層656は、光学基板220と支持基板222との接合材としても用いられるものとすることができる。例えば、中間層656と光学基板220との接合は、オプティカルコンタクト等による直接接合、または、光学基板220の裏面に設けられた他の金属等の層(不図示)との超音波加熱等による熱融着であってもよい。あるいは、凹部340のうち中間層656以外の部分に充填される充填物質350の深さT31が、例えばT3について上述した同様の条件を満たし、T31≧T1/40であるときは、中間層656は、必ずしも充填物質350の一部を構成していなくてもよい。
さらに、光学基板220と支持基板222とは、直接接合されていてもよい。図8は、光変調素子102のそのような第5の変形例を示す図である。ここで、図8は、図3に示す断面図に相当する。図8に示す例では、光学基板220と支持基板222とが、接着層を介さず接するように直接接合されている。このような接合は、たとえb、光学基板220と支持基板222とのオプティカルコンタクト等により実現することができる。
なお、図1ないし図3に示す第1実施形態、及び図4ないし図8に示した第1実施形態の変形例では、光学基板220として例えばXカットのLN基板を用いて光変調素子102が構成されるものとしたが、これには限られない。光学基板220としてZカットのLN基板を用いて光変調素子が構成されるものとしてもよい。
<第2実施形態>
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図9、図10、図11は、本発明の第2の実施形態に係る光導波路素子である光変調素子802、およびこれを用いた光導波路デバイスである光変調デバイス800の構成を示す図である。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図9、図10、図11は、本発明の第2の実施形態に係る光導波路素子である光変調素子802、およびこれを用いた光導波路デバイスである光変調デバイス800の構成を示す図である。
なお、図9、図10、図11において、図1、図2、図3における構成と同じ構成要素については、図1、図2、図3における符号と同一の符号を用いるものとし、上述した図1、図2、図3についての説明を援用するものとする。
図9に示す光変調デバイス800は、光変調デバイス100と同様の構成を有するが、光変調素子102に代えて、光変調素子802を用いる点が異なる。また、光変調デバイス800は、光変調素子802がそれぞれ一つの中心電極を備える2つの信号電極930a、930b(後述)を有することから、2つの中心電極のそれぞれに対応して、2つのコネクタ110と、2つの中継基板112と、2つの終端器114と、を有する点が、光変調デバイス100と異なる。
図10は、光変調素子802の構成を示す図である。また、図11は、図10に示す光変調素子802のBB断面矢視図である。光変調素子802は、光変調素子102と同様の構成を有するが、XカットのLN基板である光学基板220に代えて、ZカットのLN基板である光学基板820が用いられている点が異なる。また、光変調素子802は、光学基板820上に、例えばSiO2で構成されるバッファ層962が形成されている点が、光変調素子102と異なる。
また、光変調素子802は、XカットのLN基板である光変調素子102とは異なり、光学基板820がZカットのLN基板である。そのため、当該並行導波路226a、226b対し、それぞれ、光学基板820の厚さ方向に電界を印加するための、2つ信号電極930a、930bが設けられている。ここで、信号電極930a、930bは、それぞれ、並行導波路226a、226bに沿って配されて当該並行導波路226a、226bを伝搬する光を制御する信号線路を構成する。
具体的には、信号電極930aは、並行導波路226aの直上部のバッファ層962上に当該並行導波路226aに沿って延在するように配された中心電極である電極934aと、当該電極934aを光学基板820の面方向において挟むように配された2つの接地電極である電極932a、936aと、で構成されている。
また、信号電極930bは、並行導波路226bの直上部のバッファ層962上に当該並行導波路226bに沿って延在するように配された中心電極である電極934bと、当該電極934bを光学基板820の面方向において挟むように配された2つの接地電極である電極932b、936bと、で構成されている。さらに、電極932aと932bとは、光学基板820上で互いに接続されている。
そして、特に、光変調素子802では、光変調素子102とは異なり、支持基板222に、凹部340に代えて、凹部1040が設けられている。凹部1040は、凹部340と同様に、光導波路224に沿って当該光導波路224の直下に設けられている。ただし、凹部1040は、並行導波路226a、226bに対応する部分の構成が、凹部340と異なっている。
具体的には、凹部1040の幅W21が、少なくとも信号電極930a、930bにより屈折率が制御される並行導波路226a、226bの長さ方向の範囲(図9に符号Cで示す範囲)に亘り、一の信号線路を構成する信号電極930aの電極936a、934a、932aの相互間のギャップg1a、g2aと、他の信号線路を構成する信号電極930bの電極936b、934b、932bの相互間のギャップg1b、g2bと、を含む幅で形成されている。
また、凹部1040の内部には、充填物質350に代えて、充填物質1050が充填されている。充填物質1050は、充填物質350と同様に光学基板820の基板屈折率n1より小さい屈折率n2を持つことに加えて、光学基板820より低い誘電率を持つ素材が用いられる。
上記の構成を有する光変調素子802は、支持基板222に設けられた凹部1040が、並行導波路226a、226bの直下に設けられているので、光変調素子102と同様に、光導波路224への光の閉じ込めを十分に行いつつ、光導波路224から光学基板820へ漏れ出た不要光を支持基板222へ排除して、当該不要光が光導波路224に再結合して消光比等の光学特性を悪化させるのを抑制することができる。
そして、特に、光変調素子802では、凹部1040が、信号線路を構成する電極932a等の相互間のギャップg1a、g2a、g1b、g2bを含む溝幅W21で設けられ、その内部に光学基板820の誘電率よりも低い誘電率を有する充填物質1050が充填されている。このため、信号電極930a及び930bにおける高周波電気信号の伝搬速度を、並行導波路226a、226bにおける光の伝搬速度に近づけて両者を整合させることができる。
これにより、光変調素子802では、上記不要光の排除効果に加えて、上記速度整合の結果として光変調素子802広帯域化、及び駆動電圧の低減を図ることができる。なお、図10、図11に示す構成では、凹部1040は、ギャップg1a、g2a、g2b、g1bを全て包含する幅W21で構成されるものとしたが、これには限られない。凹部1040のような凹部は、支持基板222のうち、信号線路を構成する信号電極930aおよび930bのそれぞれにおいて電界が発生する部分の少なくとも一部を含むように構成されていれば、上記速度整合の効果を得ることができる。したがって、例えば、図11において、凹部1040は図示左右に分割された2つの凹部で構成されるものとし、一方の凹部がギャップg1a及び又はg2aの少なくとも一部を含む幅で構成され、他方の凹部がギャップg2bおよびg1bの少なくとも一部を含む幅で構成されているものとしてもよい。
なお、本実施形態では、光学基板820としてZカットのLN基板を用いるものとしたが、これには限られない。光学基板820として、光学基板220と同様のXカットのLN基板を用いるものとすることができる。この場合には、光学基板820上には、図2示したものと同様の信号電極230が形成され得る。また、この場合には、図3のように、支持基板222のうち、信号線路を構成する信号電極230の電極234、232a間におい電界が発生する部分(電極234と電極232aとの間のギャップ部分)の少なくとも一部に凹部340が形成されていれば、上記と同様の速度整合を行うものとすることができる。
また、本実施形態では、凹部1040は、ギャップg1a、g2a、g1b、g2bを含む幅を持つ一つの溝として形成されているが、これには限られない。例えば、凹部1040を、並行導波路226aの直下の部分とギャップg1a、g2aとを含む幅で形成された第1の凹部と、並行導波路226bの直下の部分とギャップg1b、g2bとを含む幅で形成された第2の凹部と、に分けて構成してもよい。この場合には、第1の凹部および第2の凹部により、それぞれ、並行導波路226aの光の伝搬速度と信号電極930aの高周波電気信号の伝搬速度との速度整合、および、並行導波路226bの光の伝搬速度と信号電極930bの高周波電気信号の伝搬速度との速度整合を、個別に行うものとすることができる。
ここで、光変調素子802においても、光変調素子102について上述したT1、T2、T3、T4、及びW1等の寸法についての望ましい条件等が適用され得る。また、光変調素子802における充填物質1050には、上述した充填物質350の材料、充填の態様等についての変形が適用され得る。
さらに、光変調素子802においても、光変調素子102について上述したのと同様に、光導波路224として、リッジ型導波路に代えて、図4に示すような平面導波路を用いるものとすることができる。
なお、本発明は上記実施形態およびその変形例の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
例えば、上述の実施形態では、支持基板222が一様な屈折率ものとしたが、これには限られない。支持基板222は、それぞれが互いに異なる材料で構成された複数の層から成る多層基板であってもよい。この場合には、支持基板222を構成する層のうち、光学基板220と接合される面を含む上部層に凹部340が形成されるか、又は当該上部層とその下部にある一つ又は複数の下部層とに亘って凹部340が形成されるものとすることができる。この場合、支持基板222のうち光学基板220と接合する面のみ及び又は当該接合する面を含む部分(例えば、上記上部層の部分)の屈折率n3が、上述したn3についての条件、すなわち、光学基板220の基板屈折率n1より高い屈折率を有しているものとすることができる。
あるいは、支持基板222は、厚さ方向に屈折率が分布するよう構成されているものとすることができる。この場合には、支持基板222は、光学基板220と接合される上面から凹部340の底面の深さまでの部分が、上述したn3についての条件、すなわち、光学基板220の基板屈折率n1より高い屈折率を有しているものとすることができる。
すなわち、支持基板222は、その上面から少なくとも凹部340の底面の深さまでの部分(すなわち、上記上面から深さT3までの部分)が、光学基板220の基板屈折率n1よりも大きな屈折率を有していればよい。
また、例えば、本実施形態では、光変調素子102、802として、一対の並行導波路226a、226bを含む単一のマッハツェンダ光導波路を構成する光導波路224により光変調動作が行われる光変調素子を示したが、これには、限られない。例えば、図12に示すような、いわゆるネスト型マッハツェンダ光導波路を2つ用いて構成される、DP-QPSK変調を行う光変調素子1102を用いるものとすることができる。
光変調素子1102は、例えば、光学基板220と同様の基板屈折率n1を有するXカットのLN基板である光学基板1120と、当該光学基板1120に接合された支持基板222とで構成されるものとすることができる。そして、支持基板222には、第1の実施形態における凹部340と同様に、光学基板1120上に形成された光導波路1124(図示太線の点線)に沿って、当該光導波路1124の直下の部分を含む幅で形成された凹部1140(図示一点鎖線に挟まれた部分)を設けるものとすることができる。
また、上述した第2の実施形態と同様に、それぞれが信号線路を構成する信号電極1130a、1130b、1130c、1130dにより屈折率が制御される並行導波路対1126a、1126b、1126c、1126dのそれぞれについて、凹部1140を、対応する並行導波路の直下の部分と対応する信号線路の電極間のギャップとを含む溝幅で形成して、導波光と高周波電気信号との間での速度整合を図るものとすることができる。
なお、図12に示す光変調素子1102では、図示左方から光導波路1124に入射された光は、それぞれQPSK変調された2つの出力光として図示右方から出力される。この2つの出力光は、従来技術に従い適切な空間光学系により偏波合成されて一つの光ビームにまとめられ、例えば光ファイバに結合されて伝送路光ファイバへと導かれる。
以上、説明したように、本実施形態に示す光導波路素子である光変調素子102は、光導波路224が形成された光学基板220と、当該光学基板220に接合された支持基板222と、を備える。支持基板222のうち、光学基板220との接合面には、光学基板220上の光導波路224に沿って、当該光導波路224の直下に凹部340が形成されている。また、支持基板222のうち上記接合面を含む部分は、光学基板220の基板屈折率n1よりも大きな屈折率n3を有する。また、凹部340には、基板屈折率n1より小さな屈折率n2を持つ物質で構成された充填物質350が充填されている。
この構成によれば、光導波路224内への光の閉じ込めを十分に確保しつつ、光導波路224から光学基板220内に漏れ出た不要光を支持基板222へ排除することができる。このため、上記構成では、不要光が光導波路224に再結合することによる、当該光導波路224を用いて行われる光学機能の性能悪化、例えば光導波路224が構成する光変調素子102における消光比の悪化を、効果的に抑制することができる。
また、光変調素子102では、光学基板220は、光導波路224を伝搬する光の、光学基板220の厚さ方向の縦方向モードフィールド径T1の2倍以下の厚さT2を有する。この構成によれば、光導波路224への不要光の再結合が起こりやすい、薄く加工された光学基板220を用いる場合にも、当該再結合を効果的に抑制して、良好な光学特性を得ることができる。
また、光変調素子102では、凹部340は、光導波路224の延在方向に対し直交する方向に測った溝幅W2が、光導波路224を伝搬する光(伝搬光)の、光学基板220の面方向に測った横方向モードフィールド径W1以上となるように形成されている。この構成によれば、凹部340により上記伝搬光のモードフィールド360の横方向の広がりの全体をカバーして、凹部340内の充填物質350により光学基板220の厚さ方向における光導波路224の光閉じ込めを十分に確保することができる。
また、光変調素子102では、光学基板220と支持基板222とは、接着層370を挟んで接合されている。接着層370は、光導波路224の導波光の縦方向モードフィールド径T1の1/50以下の厚さT4で形成されている。この構成によれば、光学基板220内の不要光は、接着層370を容易に浸み出して透過し、支持基板222へ効果的に排除される。
また、光変調素子102では、凹部340は、上記縦方向モードフィールド径T1の1/40以上の深さT3で形成されている。この構成によれば、充填物質350が充填された凹部340は、光導波路224のクラッド層として有効に機能し、光導波路224内への光閉じ込めを十分に行うことができる。
また、光変調素子802では、光学基板820には、光導波路224の一部である並行導波路226aまたは226bに沿って配された、当該並行導波路226a、226bを伝搬する光波の制御を行う信号線路を構成する信号電極930a、930bが設けられている。そして、凹部340は、溝幅W2が、上記信号線路を構成する電極932a等の互いの間のギャップを包含するよう構成されている。また、凹部340内の充填物質350は、光学基板220よりも低い誘電率を有する。
この構成によれば、信号線路により光波が制御される並行導波路226a、226bにおいて、当該並行導波路226a、226bの導波光の伝搬速度と、上記信号線路の高周波電気信号の伝搬速度との整合を図ることができるので、上記光波の制御の広帯域化が容易となる。なお、この効果は、凹部340の溝幅W2が、信号線路を構成する電極間のギャップの少なくとも一部を含むよう構成されていれば、同様に奏することができる。
また、光変調素子102、802の支持基板222は、互いに異なる材料で構成された複数の層を含む多層基板であるものとすることができる。また、光変調素子102、802の支持基板222は、その厚さ方向に屈折率が分布するよう構成されているものとすることができる。これらの構成によれば、支持基板222のうち光学基板220と接合する面のみ及び又は当該接合する面を含む部分の屈折率n3が上記条件を満たす限りにおいて、例えば、堅牢な素材で構成された層に隣接して屈折率n3を持つ層を設けた多層基板を支持基板222としたり、例えば屈折率が上記n3の条件を満たさない堅牢な素材にイオン注入やイオン拡散等によりn3の条件を満たす部分を形成した基板を支持基板222として用いることができる。このため、支持基板222として多くの素材を用いることができることとなり、設計の自由度が向上する。なお、支持基板222に屈折率n3を持つ層や光学基板220と接合する面を含む部分を形成するのは、凹部340の形成前でも形成後のどちらの場合でも構わない。
また、光変調素子102前記充填物質350は、空気や窒素などの気体、樹脂、SiOX、Al203、MgF2、CaF2の少なくとも一つを含む。この構成によれば、凹部340内の充填物質350として特別な材料を用いることなく、当該充填物質350を、光導波路224に対する有効なクラッド層として機能させることができる。
また、上述した実施形態の光導波路デバイスである光変調デバイス100、800は、上記いずれかの構成を有する光導波路素子である光変調素子102、802と、光導波路素子を収容する筺体104と、で構成されている。この構成によれば、光導波路224から光学基板220、820へ漏れ出た不要光を支持基板222へ効果的に排除して、光変調波形の消光比等の、光学特性の悪化を効果的に抑制した光導波路デバイスを実現することができる。
100、800…光変調デバイス、102、802、1102…光変調素子、104…筺体、106…入力光ファイバ、108…出力光ファイバ、110…コネクタ、112…中継基板、114…終端器、220、420、820、1120…光学基板、222…支持基板、224、1124…光導波路、226a、226b…並行導波路、230、930a、930b、1130a、1130b、1130c、1130d…信号電極、232、234、236、932a、932b、934a、934b、936a、936b…電極、340、1040、1140…凹部、350、1050…充填物質、360…モードフィールド、370、1070…接着層、652…空気、654…樹脂、656…中間層、962…バッファ層、1126a、1126b、1126c、1126d…並行導波路対。
Claims (10)
- 光導波路が形成された光学基板と、
前記光学基板に接合された支持基板と、
を備える光導波路素子であって、
前記支持基板のうち、前記光学基板との接合面には、前記光学基板上の前記光導波路に沿って、当該光導波路の直下に凹部が形成され、
前記支持基板の前記接合面を含む部分の屈折率は前記光学基板の基板屈折率よりも大きく、
前記凹部には、前記基板屈折率より小さな屈折率を持つ物質が充填されている、
光導波路素子。 - 前記光学基板は、前記光導波路を伝搬する光の、前記光学基板の厚さ方向の縦方向モードフィールド径の2倍以下の厚さを有する、
請求項1に記載の光導波路素子。 - 前記凹部は、前記光導波路の延在方向に対し直交する方向に測った溝幅が、前記光導波路を伝搬する光の、前記光学基板の面方向に測った横方向モードフィールド径以上となるように形成されている、
請求項1または2に記載の光導波路素子。 - 前記光学基板と前記支持基板とは、接着層を挟んで接合されており、
前記接着層は、前記光導波路を伝搬する光の、前記光学基板の厚さ方向の縦方向モードフィールド径の1/50以下の厚さで形成されている、
請求項1ないし3のいずれか一項に記載の光導波路素子。 - 前記凹部は、前記光導波路を伝搬する光の、前記光学基板の厚さ方向の縦方向モードフィールド径の1/40以上の深さで形成されている、
請求項1ないし4のいずれか一項に記載の光導波路素子。 - 前記光学基板には、前記光導波路に沿って配された当該光導波路を伝搬する光波を制御する信号線路が設けられており、
前記凹部は、前記光導波路の延在方向に対し直交する方向に測った溝幅が、前記信号線路を構成する電極間のギャップの少なくとも一部を含むよう構成され、
前記物質は、前記光学基板よりも低い誘電率を有する、
請求項1ないし4のいずれか一項に記載の光導波路素子。 - 前記支持基板は、互いに異なる材料で構成された複数の層を含む多層基板である、
請求項1ないし6のいずれか一項に記載の光導波路素子。 - 前記支持基板は、厚さ方向に屈折率が分布するよう構成されている、
請求項1ないし6のいずれか一項に記載の光導波路素子。 - 前記物質は、空気、窒素、樹脂、SiOX、Al203、MgF2、CaF2の少なくとも一つを含む、
請求項1ないし8のいずれか一項に記載の光導波路素子。 - 請求項1ないし9のいずれか一項に記載の光導波路素子と、
当該光導波路素子を収容する筺体と、
を有する光導波路デバイス。
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Legal Events
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---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 19922335 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 19922335 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |