光波导元件及使用其的光调制器件和光发送装置

技术领域

本发明涉及光波导元件及使用其的光调制器件和光发送装置，尤其涉及具备肋型的光波导和支承该光波导的加强基板的光波导元件。

背景技术

在光测量技术领域或光通信技术领域中，多使用利用了具有电光效应的基板的光调制器等光波导元件。特别是，随着近年来的信息通信量的增大，期望在长距离的城市间或数据中心间使用的光通信的高速化和大容量化。而且，还存在基站的空间的限制，需要光调制器的高速化和小型化。

对于光调制器的小型化，通过实施使光波导的宽度变窄的微细化，能够增大光的封闭效果，作为结果，能够减小光波导的弯曲半径，实现小型化。例如，具有电光效应的铌酸锂(LN)由于在将电信号转换为光信号时变形少、光损失少，所以被用作面向长距离的光调制器。在LN光调制器的现有的光波导中，模场直径(MFD)为10μm左右，光波导的弯曲半径大到几十mm，因此难以小型化。

近年来，基板的研磨技术和基板的贴合技术提升，能够实现LN基板的薄板化，光波导的MFD也研究开发为3μm以下、1μm左右。随着MFD变小，光的封闭效果也变大，因此能够使光波导的弯曲半径也更小。

另一方面，在使用具有比光纤的MFD即

为了消除这样的不良情况，考虑在光波导的端部配置光斑尺寸转换部(光斑尺寸转换器，SSC)。一般的SSC设置二维或三维地扩大光波导的锥形形状的光波导部分。作为参考，在专利文献1至3中示出了锥形波导的示例。

在光斑尺寸随着光波导的芯部的扩大而扩大的锥形波导中，适于光斑尺寸的芯部和包层部的折射率调整的难易度高，容易引起多模，因此作为光波导元件的SSC，在能够使用的设计上存在限制。而且，为了转换为必要的光斑尺寸，需要形成相对较长的锥形部分，存在难以实现光波导元件的小型化的问题。

而且，本申请人对如图1至图3所示的SSC进行了研究，将肋型的光波导10的前端形成为宽度变窄的锥形形状12，并以包围该锥形形状12的方式配置作为芯部的块部2。块部2的折射率设定得比光波导10的折射率低，而且，用折射率比块部2低0.01～0.03左右的有机材料(5)包围块体。该有机材料可以由使粘接剂固化而成的材料等构成。该SSC在被块部2覆盖的状态下成为光波导10的锥形形状12，从而光波导10的有效折射率降低，光的封闭变弱，由此光模向块部2转移，实现了比光波导10大的MFD。

图2示出了图1中的虚线A-A’和B-B’处的剖视图，图3示出了图1的虚线C-C’处的剖视图。标号1是铌酸锂等具有电光效应的材料的薄板(膜体)，光波导10形成于将该薄板局部去除而残留的肋部。标号3是支承包含光波导10的薄板1的加强基板。

标号4是在光波导元件的端面连接光纤或光学模块时成为加强部件的上部基板。标号5是将加强基板3与上部基板4接合的粘接剂固化而成的有机固化物。另外，标号11是薄板1的一部分，表示在形成光波导的锥部12时的蚀刻中残留的部分。

在专利文献1至3或图1至3所示的SSC中，不仅存在肋型的光波导，还存在厚度比该光波导大且从加强基板3的表面向上侧大幅突出的专利文献3的锥部或图2的块部2等。这样，对于从加强基板3的表面大幅突出的部分，在粘贴上部基板4时，由于该突出部分的存在，难以将该上部基板相对于加强基板3的表面平行地粘贴。而且，当为了接合而从上侧按压上部基板4时，还会产生按压力集中于该突起部分，使该突起部分破损等不良情况。另外，如果不平行地粘贴上部基板4而导致粘接层厚度变得不均匀，则还会产生MFD变得不均匀、或因热应力而使上部基板4脱落等不良情况。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2006-284961号公报

专利文献2：日本特开2007-264487号公报

专利文献3：国际公开WO2012/042708号

发明内容

发明所要解决的课题

本发明所要解决的课题是解决如上所述的问题，提供一种光波导元件，即使在光波导的端部设置有光斑尺寸转换部的情况下，也能够将上部基板相对于加强基板平行地粘贴，防止使该光斑尺寸转换部破损的情况，通过使粘接层厚度均匀化而使MFD稳定化，进而使热应力均匀化，抑制上部基板的剥离。而且，还提供一种使用了该光波导元件的光调制器件和光发送装置。

用于解决课题的技术方案

为了解决上述课题，本发明的光波导元件及使用其的光调制器件和光发送装置具有以下的技术特征。

(1)一种光波导元件，具备：肋型的光波导，由具有电光效应的材料形成；及加强基板，支承所述光波导，所述光波导元件的特征在于，在所述光波导的一端具备光斑尺寸转换部，该光斑尺寸转换部改变在所述光波导中传播的光波的模场直径，所述光波导元件具备结构体，该结构体以隔着所述光斑尺寸转换部的方式从该光斑尺寸转换部分离配置，并且配置在所述加强基板上，所述光斑尺寸转换部和配置在所述结构体的上侧的上部基板，所述结构体的高度设定为所述光斑尺寸转换部的最大的高度以上。

(2)根据上述(1)所述的光波导元件，其特征在于，在所述光斑尺寸转换部、所述结构体和所述上部基板所形成的空间填充有粘接剂。

(3)根据上述(2)所述的光波导元件，其特征在于，在所述结构体的与所述上部基板相对的面形成有使所述粘接剂沿横向流动的槽。

(4)根据上述(2)或(3)所述的光波导元件，其特征在于，在所述光波导的远离所述光斑尺寸转换部的方向上配置有用于抑制所述粘接剂流出的粘接剂流出防止单元。

(5)根据上述(4)所述的光波导元件，其特征在于，从所述粘接剂流出防止单元到与所述光斑尺寸转换部相反的一侧的所述光波导的表面被与所述粘接剂流出防止单元相同的材料覆盖。

(6)根据上述(4)或(5)中所述的光波导元件，其特征在于，所述粘接剂流出防止单元的材料的折射率比构成所述肋型的光波导的材料的折射率低。

(7)一种光调制器件，其特征在于，在壳体内收容上述(1)至(6)中任一项所述的光波导元件，所述光调制器件具备向所述光波导输入或输出光波的光纤。

(8)根据上述(7)所述的光调制器件，其特征在于，所述光波导元件具备用于对在所述光波导中传播的光波进行调制的调制电极，在所述壳体的内部具有对向所述光波导元件的调制电极输出的调制信号进行放大的电子电路。

(9)一种光发送装置，其特征在于，具有：上述(7)或(8)所述的光调制器件；及电子电路，输出使所述光调制器件进行调制动作的调制信号。

发明效果

本发明提供一种光波导元件，具备：肋型的光波导，由具有电光效应的材料形成；及加强基板，支承所述光波导，其中，在所述光波导的一端具备光斑尺寸转换部，该光斑尺寸转换部改变在所述光波导中传播的光波的模场直径，所述光波导元件具备结构体，该结构体以隔着所述光斑尺寸转换部的方式从该光斑尺寸转换部分离配置，并且配置在所述加强基板上，所述光斑尺寸转换部和配置在所述结构体的上侧的上部基板，所述结构体的高度设定为所述光斑尺寸转换部的最大的高度以上，因此结构体能够将上部基板相对于加强基板平行地支承，而且，还能够抑制上部基板与光斑尺寸转换部接触的情况。

附图说明

图1是表示光波导元件所使用的光斑尺寸转换部的一例的俯视图。

图2是图1的虚线A-A’和B-B’处的剖视图。

图3是图1的虚线C-C’处的剖视图。

图4是表示本发明的光波导元件所涉及的第一实施例的俯视图。

图5是图4的虚线A-A’和B-B’处的剖视图。

图6是表示本发明的光波导元件所涉及的第二实施例的俯视图。

图7是图6的虚线A-A’和B-B’处的剖视图。

图8是表示本发明的光波导元件所涉及的第三实施例的俯视图。

图9是图6的虚线C-C’处的剖视图。

图10是说明本发明的光调制器件和光发送装置的俯视图。

具体实施方式

以下，使用优选例对本发明的光波导元件进行详细说明。

如图4和图5所示，本发明的光波导元件具备：肋型的光波导10，由具有电光效应的材料形成；及加强基板3，支承所述光波导，其特征在于，在所述光波导的一端具备光斑尺寸转换部2，该光斑尺寸转换部2改变在所述光波导中传播的光波的模场直径，所述光波导元件具备结构体S，该结构体S以隔着所述光斑尺寸转换部的方式从该光斑尺寸转换部分离配置，并且配置在所述加强基板3上，所述光斑尺寸转换部2和配置在所述结构体S的上侧的上部基板4，所述结构体S的高度设定为所述光斑尺寸转换部2的最大的高度以上。

本发明的光波导元件所使用的具有电光效应的材料1可以使用铌酸锂(LN)或钽酸锂(LT)、PLZT(锆钛酸铅镧)等基板、或由这些材料形成的气相生长膜等。

另外，半导体材料或有机材料等各种材料也能够用作光波导。

作为光波导10的形成方法，可以使用对光波导以外的基板1进行蚀刻或在光波导的两侧形成槽等在基板上使与光波导对应的部分成为凸状的肋型的光波导。而且，还可以与肋型的光波导相匹配地，通过热扩散法或质子交换法等使Ti等扩散到基板表面，从而进一步提高折射率。

为了实现调制信号的微波与光波的速度匹配，形成有光波导10的基板(薄板)的厚度设定为10μm以下，更优选设定为5μm以下，进一步优选设定为1μm以下。另外，肋型光波导的高度设定为4μm以下，更优选设定为3μm以下，进一步优选设定为1μm以下或0.4μm以下。另外，也可以在加强基板3之上形成气相生长膜，并将该膜加工成光波导的形状。

为了提高机械强度，形成有光波导的基板通过直接接合或树脂等粘接层而粘接固定于加强基板3。作为直接接合的加强基板3，优选使用包含与光波导和形成有光波导的基板相比折射率较低且热膨胀率与光波导等接近的材料、例如水晶或玻璃等氧化物层的基板。也可以使用在简称为SOI、LNOI的硅基板上形成氧化硅层或在LN基板上形成氧化硅层而成的复合基板。

图4和图5是说明本发明的光波导元件的第一实施例的图，图4是俯视图，图5是图4的虚线A-A’处的剖视图(a)和虚线B-B’的剖视图(b)。

在图4和图5中，示出了使用与图1至图3相同的光斑尺寸转换部(块体2)的例子，但本发明并不限定于此，也可以是如专利文献1至3所示的锥形形状的光斑尺寸转换部。

本发明的光波导元件的特征在于，如图4或5所示，在光波导的一端配置光斑尺寸转换部，并以隔着该光斑尺寸转换部(块体2)的方式具备结构体S。该结构体S具有比光波导10低的折射率，而且为块体2的折射率以下，更优选地，具有比有机固化物5低的折射率。另外，结构体S的折射率也可以是与块体2同等的折射率，但是在该情况下，需要在块体2与结构体S之间配置具有低折射率的材料。另一方面，在设为比块体2低的折射率的情况下，也可以是与有机固化物5或加强基板3相同程度的折射率。结构体S可以使用紫外线(UV)固化树脂。而且，也可以是热塑性树脂或热固性树脂等树脂，作为一例，包含聚酰胺类树脂、三聚氰胺类树脂、酚醛类树脂、氨基类树脂、环氧类树脂等，作为低折射率材料，也可以包含橡胶材料或氧化硅化合物。另外，结构体S例如是永久抗蚀剂。将以热固化型的树脂为材料的光致抗蚀剂涂布在加强基板3上，通过在利用通常的普通光刻工艺进行图案形成后使光致抗蚀剂热固化，由此能够配设结构体S。

在光斑尺寸转换部和结构体S的上侧配置上部基板4。上部基板使用具有与加强基板3相同程度的折射率和线膨胀系数的材料。如果线膨胀系数一致，则能够减少上部基板因热应力而脱落等不良情况，由此能够得到耐热性优异的光波导元件。将上部基板4与加强基板3接合的粘接剂可以使用UV固化树脂、或者基于丙烯酸类或环氧类等树脂等的粘接剂。

本发明的光波导元件的特征在于，使结构体S的高度H高于光斑尺寸转换部的最大高度，由此抑制由上部基板4引起的光斑尺寸转换部(块体2)的损伤。

图6和图7是表示本发明的光波导元件所涉及的第二实施例的图。第二实施例的特征在于，在结构体S的上表面(与上部基板相对的面)设置凸状部S1，并在相邻的凸状部之间形成槽。该槽有助于效率地排出处于加强基板3与上部基板4之间的多余的粘接剂。因此，能够将加强基板3或结构体S与上部基板4之间的间隔维持为更均匀的厚度。

特别是在将有机固化物5作为光斑尺寸转换部(SSC)的芯部的一部分的情况下，通过使有机固化物所形成的层的厚度恒定，不仅能够使光波的MFD的尺寸稳定化，还能够实现不易产生多模的SSC。

图7所示的结构体S(到突起部S1的上表面为止)的厚度H还依赖于光斑尺寸转换部的高度，但在将粘接剂用作芯部的一部分的情况下，设定为1μm～3.5μm的范围。另外，突起部S1在结构体S的上表面的整个面积中所占的面积被设定为10％至60％左右的范围。这是因为需要将突起部的机械强度提高一定程度，并且如果槽等的间隙变得过窄，则会产生空气无法进入并排出等不良情况。若结构体的突起部S1的上表面的面积变大，则在贴合上部基板时，结构体与盖的接触面处的摩擦力变高，盖被固定，对工艺作业性产生不良影响。

图8和图9是表示本发明的光波导元件所涉及的第三实施例的图。第三实施例的特征在于，在光波导10的远离光斑尺寸转换部(块体2)的方向上配置有用于抑制粘接剂(5)流出的粘接剂流出防止单元EB。

若粘接剂(5)以覆盖光波导10的表面的方式在光波导元件内扩展，则需要将构成光调制器时所需的光检测器等的设置场所设置于比SSC部远的场所，因此产生不能小型化等问题。另外，由于粘接剂附着于光波导的未设计的部分，所以传播的光波的一部分漏出，或者不能进行与光波导的弯曲对应的光的封闭，传播损失变大。

构成粘接剂流出防止单元EB的材料的折射率需要比构成光波导10的材料的折射率低，特别是也可以使用与结构体S相同的材料，利用形成结构体S的工艺来形成粘接剂流出防止单元。

而且，在从粘接剂流出防止单元EB到光斑尺寸转换部(块体2)侧或与块体2相反的一侧的光波导10的表面，形成有由与粘接剂流出防止单元EB相同的材料覆盖的覆盖部CO。这样的覆盖部起到填埋光波导10的粗糙表面的作用，并且通过将光波导10的周边的材料依次配置为覆盖层CO、粘接剂流出防止单元EB、块体2，抑制了急剧的折射率变化，由此也有助于传播损失的降低。

本发明的光波导元件设有对在光波导10中传播的光波进行调制的调制电极，并且如图10所示，收容在壳体8内。而且，通过设置向光波导输入输出光波的光纤(F)，能够构成光调制器件MD。在图10中，光纤经由贯通壳体的侧壁的贯通孔导入到壳体内，与光波导元件直接接合。光波导元件与光纤也可以经由空间光学系统进行光学连接。

通过将输出使光调制器件MD进行调制动作的调制信号的电子电路(数字信号处理器DSP)与光调制器件MD连接，能够构成光发送装置OTA。施加于光波导元件的调制信号需要放大，因此使用驱动电路DRV。驱动电路DRV或数字信号处理器DSP可以配置在壳体8的外部，但也可以配置在壳体8内。特别是，通过将驱动电路DRV配置在壳体内，能够进一步降低来自驱动电路的调制信号的传输损失。

产业上的可利用性

如以上所说明的那样，根据本发明，提供一种光波导元件，即使在光波导的端部设置有光斑尺寸转换部的情况下，也能够将上部基板相对于加强基板平行地粘贴，防止使该光斑尺寸转换部破损的情况，通过使粘接层厚度均匀化而使MFD稳定化，进而使热应力均匀化，抑制上部基板的剥离。而且，还能够提供一种使用了该光波导元件的光调制器件和光发送装置。

标号说明

1形成光波导的基板(薄板、膜体)

2构成光斑尺寸转换部的块体

3 加强基板

4 上部基板

5 粘接剂

10 光波导

S 结构体

S1 突起部

EB 粘接剂流出防止单元

CO 覆盖部