(57)【要約】光変調素子１は、一対の溝２ｂ、２ｃおよびこれらの溝の間の突起部２ｄを有する支持基板２、電気光学結晶からなり、マルチモード伝搬するチャンネル型光導波路が形成されているリッジ部６、リッジ部６の一方の側に形成されており、電気光学結晶からなる第一の側板部３Ａ、リッジ部の他方の側に形成されており、電気光学結晶からなる第二の側板部３Ｂ、第一の側板部３Ａと支持基板２とを接着する第一の接着層４Ａ、第二の側板部３Ｂと支持基板２とを接着する第二の接着層４Ｂ、およびリッジ部６と突起部２ｄとを接着する第三の接着層４Ｃを備える。本素子１は、更に、リッジ部の第一の溝８Ａ側の側面６ｂ、第一の側板部３Ａの側面３ｂおよび第一の側板部の上面３ｃに設けられている第一の電極７Ａ、および、リッジ部６の第二の溝側の側面６ｃ、第二の溝２ｃ、第二の側板部３Ｂの側面３ｂおよび第二の側板部３Ｂの上面３ｃに設けられている第二の電極７Ｂを備えている。第一の電極７Ａと第二の電極７Ｂとの間に印加される変調電圧によってチャンネル型光導波路を伝搬する光を変調する。
2012124830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の溝、第二の溝およびこれらの溝の間の突起部を有する支持基板、
電気光学結晶からなり、マルチモード光を伝搬させるチャンネル型光導波路が形成されているリッジ部、
前記リッジ部の一方の側に形成されており、電気光学結晶からなる第一の側板部、
前記リッジ部の他方の側に形成されており、電気光学結晶からなる第二の側板部、
前記第一の側板部と前記支持基板とを接着する第一の接着層、
前記第二の側板部と前記支持基板とを接着する第二の接着層、
前記リッジ部と前記突起部とを接着する第三の接着層、
前記リッジ部の前記第一の溝側の側面、前記第一の溝、前記第一の側板部の側面および前記第一の側板部の上面に設けられている第一の電極、および
前記リッジ部の前記第二の溝側の側面、前記第二の溝、前記第二の側板部の側面および前記第二の側板部の上面に設けられている第二の電極を備えており、前記第一の電極と前記第二の電極との間に印加される変調電圧によって前記チャンネル型光導波路を伝搬する光を変調することを特徴とする、光変調素子。
【請求項２】
前記リッジ部の厚さが２５μｍ以上、１５０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１記載の光変調素子。
【請求項３】
前記リッジ部の上面、前記第一の側面および前記第二の側面を被覆するバッファ層を備えており、前記バッファ層が前記第一の電極および前記第二の電極と前記リッジ部との間に挟まれていることを特徴とする、請求項１または２記載の光変調素子。
【請求項４】
フローサイトメトリー用の光源であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の光変調素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フローサイトメトリー用光源に適した光変調素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
生体細胞分析や加工分野において、レーザを利用した検査装置や加工装置の製品開発が活発化している。その一例として、フローサイトメトリー（ｆｌｏｗ  ｃｙｔｏｍｅｔｒｙ）がある。フローサイトメトリーは生体内の細胞を流体中に分散させ、その流体を細く流して、個々の細胞を光学的に分析する手法である。フローサイトメトリーに用いられる装置をフローサイトメーター（ｆｌｏｗ  ｃｙｔｏｍｅｔｅｒｓ）と呼ばれる。
フローサイトメータは、レーザー光を細胞に当て、光線に僅かにずれた方向（光線と同軸上では光源の強い光によって飽和してしまう）の前方散乱（Ｆｏｒｗａｒｄ  Ｓｃａｔｔｅｒ＝ＦＳＣと略す）と、光線と直角の方向の側方散乱ＳＳＣ（Ｓｉｄｅ  Ｓｃａｔｔｅｒ）を検出する。また細胞を蛍光物質で標識し、レーザー光によって生じた蛍光を検出する。細胞の場合、ＦＳＣからは細胞の大きさが、ＳＳＣからは細胞内の複雑さ（核の形、細胞内小器官、膜構造などに由来）を分析できる。各検出器の組み合わせ、蛍光物質や免疫染色により非常に多様な分析が可能である。近年では複数の光線と検出器を装備した装置が市販されており（光線４種、検出器１４種など）、複数の抗体を用いることでより同時に高度な分析できるようになっている。またセルソーターを標準装備した装置もあり、シースの流路を切り換えることで高精度かつ高速で目標粒子を分取できる。市販の装置では最大４種類の集団に分出でき、理論的には１秒当り９０，０００個の粒子を処理できる。
レーザは、従来、大型で操作の複雑な水冷のガスレーザーが使用されてきたが、レーザー技術と高感度なフローセル検出系の発展により、コンパクトで簡便な、寿命の長い空冷レーザーが主流となっている。具体的に、空冷アルゴンレーザー（４８８ｎｍ）、空冷ヘリウムネオンレーザー（６３３ｎｍ）、空冷ヘリウムカドミニウムレーザー（３２５ｎｍ）などが使用されている。さらに最近では、よりコンパクトで低消費電力な半導体レーザーや波長変換素子を利用した全固体レーザー（光励起半導体レーザー）も使用されている。
フローサイトメータでは、レーザ光は流体に照射されるまで光ファイバで伝送されることがある。使用されるレーザは、光強度が数１０ｍＷから１００ｍＷを超える場合もあり、全波長足し合わせると、３００ｍＷ以上となる。またスポット形状は数１０μｍ以上と大きく、光ファイバは数１０μｍ以上のマルチモードファイバが使用される。この場合、個々の細胞を正確に測定するために、レーザ光のスポット形状が変動することなく安定である必要がある。このためレーザ光のスポット形状や光強度を安定にするため、強度や位相を変調する光制御素子が使用される場合がある。
リッジ型光導波路を用いた光変調素子としては、例えば特開２００２−２５０９４９、特開２００５−２２１８９４、特開昭６３−４９７３２が出願されている。
特開２００２−２５０９４９の光変調素子では、リッジ型光導波路を支持基板上に接着している。
特開２００５−２２１８９４記載の光変調素子は、二次非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有する第１基板２１と、第２基板２２とを熱処理による拡散接着によって貼り合わせる第１工程と、第１基板２１を、光導波路を形成するための所定の厚さに研磨する第２工程と、第１基板２１と第３基板２３とを熱処理による拡散接着によって貼り合わせる第３工程とを備えている。さらに、リッジ導波路として、第一基板、第三基板、および第二基板の一部を切削した構造を開示している。
特開昭６３−４９７３２記載の光変調素子は、電気光学結晶であるｘ−ｃｕｔＬＮ基板にリッジ導波路を形成し、その側面に電極が形成されている。
なお、光変調器のドリフト対策として、ＳｉＯ２バッファ層を用いることが特許番号１７８９１７７に記載されている。
【発明の開示】
【０００３】
従来の変調素子でも、特開昭６３−４９７３２のように、リッジ部の両方の側面上にそれぞれ変調電極を設け、一対の変調電極から、リッジ部内を伝搬する光に変調電圧を印加するものがある。本発明者は、例えばフローサイトメトリー用途の光変調素子を開発している過程で、特開２００２−２５０９４９記載のような光導波路構造を用い、かつ特開昭６３−４９７３２記載のように、リッジ部の両側面上にそれぞれ変調用電極を形成することを試みてみた。
ところが、この結果として、光変調に必要な駆動電圧（半波長電圧）の経時的な変動が非常に大きく、使用できないことが判明してきた。
例えばフローサイトメトリーの分野で光変調素子を使用する場合には、レーザ光のパワー強度が大きく、例えば３００ｍＷ以上となる。また、短波長のレーザ光が要求されることが多く、波長は例えば７００ｎｍ以下となる。このように、光強度を上昇させたり、波長を短くすると、駆動電圧の変動が著しく大きくなった。
本発明の課題は、リッジ型光導波路に光を伝搬しながら変調を加える光変調素子において、光強度を大きくしたり、光の波長を短くしても、発熱による光導波路破損を防ぎ、かつ駆動電圧の変動を抑制できるような構造を提供することである。
本発明にかかる光変調素子は、第一の溝、第二の溝およびこれらの溝の間の突起部を有する支持基板を備え、電気光学結晶からなり、マルチモード伝搬するチャンネル型光導波路が形成されているリッジ部を備える。本素子は、更にリッジ部の一方の側に形成されている電気光学結晶からなる第一の側板部、リッジ部の他方の側に形成されている電気光学結晶からなる第二の側板部、第一の側板部と支持基板とを接着する第一の接着層、第二の側板部と支持基板とを接着する第二の接着層、およびリッジ部と突起部とを接着する第三の接着層を備えている。本素子は、更に、リッジ部の第一の溝側の側面、第一の溝、第一の側板部の側面および第一の側板部の上面に設けられている第一の電極、および、リッジ部の第二の溝側の側面、第二の溝、第二の側板部の側面および第二の側板部の上面に設けられている第二の電極を備えている。第一の電極と第二の電極との間に印加される変調電圧によってチャンネル型光導波路を伝搬する光の位相を変調する。
本発明者は、例えば特開昭６３−４９７３２記載のようにリッジ部を一対の変調電極ではさむ形態では、光強度が高くなったり、光波長が短くなったときに、駆動電圧の顕著な変動が生ずる原因について検討した。この結果、経時的にリッジ部の温度が上昇し、光伝搬特性が変化し、また焦電効果により電気光学結晶基板の表面電荷の状態が変動することを見いだした。
この温度変化が急激であると、この表面電荷による内部電界が絶縁破壊しきい値を超え導波路破損が発生する。
本発明者は、この発見に基づき、まず支持基板側にも溝を形成し、リッジ部の側面だけでなく、溝に面する支持基板表面にも変調電極を伸ばし、更に側板部の溝に面する表面から側板部の上面にまで変調電極を伸ばした。このように，溝の形成と共に、変調電極をリッジ部の側面全体にわたって形成し、その溝および側板部の側面および上面にわたって延設することで、光の伝搬によってリッジ部周辺に発生する熱を伝搬させ、放熱を促進した。この結果として、光強度が高くなったり、光波長が短くなったときにも、駆動電圧の顕著な変動を抑制できることを見いだし、本発明に到達した。
さらに、本願構造はリッジ部の電気光学結晶の上下左右に低屈折率材料が配置されるので強い光閉じ込め構造となり対称性のよいモード形状が得られる。これによって、光の波長が変化してもモード形状が変化しにくく、安定となる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、本発明の一実施形態に係る光変調素子１を模式的に示す斜視図である。
図２は、図１の光変調素子を模式的に示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
支持基板２の上面２ａ側には第一の溝２ｂと第二の溝２ｃとが形成されており、一対の溝２ｂと２ｃとの間に突起２ｄが形成されている。突起２ｄ上には、電気光学結晶からなるリッジ部６の底面６ｄが第三の接着層４Ｃによって接着されている。本例では、リッジ部６の上面６ａ、第一の側面６ｂ、第二の側面６ｃにそれぞれバッファ層５Ｄが形成されており、またリッジ部６の底面６ｄ上にバッファ層５Ｅが形成されている。
第一の溝２ｂの外側では、支持基板２の表面２ａ上に、電気光学結晶からなる第一の側板部３Ａの底面３ａが第一の接着層４Ａによって接着されている。本例では、側板部３Ａの底面３ａ上にはバッファ層５Ｂが形成されており、側面３ｂ上にはバッファ層５Ｃが形成されており、上面３ｃ上にはバッファ層５Ａが形成されている。また、第二の溝２ｃの外側では、支持基板２の表面２ａ上に、電気光学結晶からなる第二の側板部３Ｂの底面３ａが第二の接着層４Ｂによって接着されている。本例では、側板部３Ｂの底面３ａ上にはバッファ層５Ｂが形成されており、側面３ｂ上にはバッファ層５Ｃが形成されており、上面３ｃ上にはバッファ層５Ａが形成されている。
そして、側板部３Ａの上面３ｃ、リッジ溝８Ａ側の側面３ｂ、溝２ｂ、およびリッジ部６の側面６ｂ上にわたって、第一の変調電極７Ａが形成されている。すなわち、変調電極７Ａは、リッジ部６へと電圧を印加する電圧印加部７ｄだけでなく、電圧印加部に接続された導電膜７ｃ、７ｂ、７ａを備えており、導電膜７ａは側板部３の上面３ｃ上に伸びている。また、側板部３Ｂの上面３ｃ、リッジ溝８Ｂ側の側面３ｂ、溝２ｃ、およびリッジ部６の側面６ｃ上にわたって、第二の変調電極７Ｂが形成されている。すなわち、変調電極７Ｂは、リッジ部６へと電圧を印加する電圧印加部７ｄだけでなく、電圧印加部に接続された導電膜７ｃ、７ｂ、７ａを備えており、導電膜７ａは側板部３Ｂの上面３ｃ上に伸びている。
本発明では、伝搬光をマルチモード伝搬しており、伝搬光の光強度を大きくできる。そして、リッジ部６を形成するためのリッジ溝８Ａ、８Ｂは、基板厚Ｔｗｇよりも深く、溝２ｂ、２ｃが支持基板２まで到達している。このように，リッジ溝を支持基板２まで延伸するのと共に、変調電極をリッジ部６の側面、支持基板の溝２ａ、２ｂ、各側板部の側面３ｂおよび上面２ｃにわたって延設することで、光の伝搬によってリッジ部周辺に発生する熱を伝搬させ、放熱を促進した。この結果として、光強度が高くなったり、光波長が短くなったときにも、駆動電圧の顕著な変動を抑制できる。
本発明においては、支持基板２に一対の溝２ｂ、２ｃおよびこれらの溝の間の突起部２ｄを設ける。
支持基板の材質は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸リチウムカリウム、石英ガラスなどのガラスや水晶、Ｓｉなどを例示することができる。
支持基板に溝２ｂ、２ｃを形成するための加工方法は限定されず、機械加工、イオンミリング、ドライエッチング、レーザーアブレーションなどの方法を用いることができる。
本発明では、伝搬光の波長およびリッジ部６の高さを調節することで、チャンネル型光導波路に光をマルチモード伝搬させる。これによって、光の集中を抑制し、比較的大きな光強度の光を伝搬させることができる。この観点からは、リッジ部６の厚さＴｗｇが２５μｍ以上、１５０μｍ以下であることが好ましい。
リッジ部６の幅Ｗｒは、２０μｍ〜１００μｍとすることが好ましく、２５μｍへ９０μｍとすることが更に好ましい。ただし、リッジ部６の幅Ｗｒは、リッジ部６の上面６ａの両縁部の間の間隔である。
リッジ部、第一の側板部、第二の側板部の材質は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸リチウムカリウムを例示でき、同じ材質であることが好ましい。また、ＭｇＯなどのドーピングがなされていてもよく、コングルエント組成、ストイキオメトリ組成であってよい。
第一の接着層、第二の接着層、第三の接着層の各屈折率と、リッジ部や側板部の材質との屈折率との差は、それぞれ、各接着層の屈折率の１０％以上であることが好ましく、２０％以上であることが更に好ましい。また、各接着層の厚みは、光の閉じ込めという観点で、０．１μｍ以上が好ましく、また薄板研磨加工後の基板厚バラツキの低減という観点で、３μｍ以下が好ましい
第一の接着層、第二の接着層、第三の接着層の材質は、無機接着剤であってよく、有機接着剤であってよく、無機接着剤と有機接着剤との組み合わせであってよい。
有機接着剤の具体例は特に限定されないが、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料と比較的近い熱膨張係数を有するアロンセラミックスＣ（商品名、東亜合成社製）（熱膨張係数１３×１０−６／Ｋ）を例示できる。
また無機接着剤としては、低誘電率で接着温度（作業温度）が約６００℃以下のものが好ましい。また、加工の際に十分な接着強度が得られるものが好ましい。具体的には、酸化珪素、酸化鉛、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ホウ素等の組成を単体もしくは複数組み合わせたガラスが好ましい。また、他の無機接着剤としては、例えば五酸化タンタル、酸化チタン、五酸化ニオブ、酸化亜鉛がある。
無機接着層の形成方法は特に限定されず、スパッタ法、蒸着法、スピンコート法、ゾルゲル法などがある。また、接着剤のシートを介在させ、接着することができる。好ましくは、熱硬化性、光硬化性あるいは光増粘性の樹脂接着剤からなるシートを、電気光学材料層の裏面と支持基板２との間に介在させ、シートを硬化させる。このようなシートとしては、３００μｍ以下のフィルム樹脂が適当である。
本発明では、第一の電極が、リッジ部の第一の溝側の側面、第一の溝、第一の側板部の側面および第一の側板部の上面に設けられており、第二の電極が、リッジ部の第二の溝側の側面、第二の溝、第二の側板部の側面および第二の側板部の上面に設けられている。ここで、第一の電極、第二の電極は、それぞれ、内部で電気的に接続されている必要があるが、各面のすべてを被覆している必要はなく、部分的に電極によって被覆されていない領域があってもよい。
各電極の材質は、所望の導電性が得られれば、特に限定されず、例えば金、銀、銅、アルミニウム、カーボン、モリブデンを例示できる。
好適な実施形態においては、リッジ部の上面、第一の側面および第二の側面を被覆するバッファ層を備えており、バッファ層が第一の電極および第二の電極とリッジ部との間に挟まれている。このバッファ層は、各電極による光の吸収損失を低減し、光のリッジ部内への閉じ込めを強くすると共に、光ファイバと同じように対称性の優れたスポット形状を有する光導波路が実現できる。
このため、リッジ部６の材質の屈折率とバッファ層の屈折率との差は、バッファ層の材質の屈折率の１０％以上であることが好ましく、２０％以上であることが更に好ましい。また、バッファ層の厚みは、光の閉じ込めという観点で０．１μｍ以上が好ましく、半波長電圧の増加という観点で１μｍ以下が好ましい。
バッファ層の材質としては、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５が好ましい。
リッジ溝８Ａ、８Ｂの深さ（Ｔｗｇ＋Ｔｓｐ）からリッジ部６の高さＴｗｇを引いた値（Ｔｓｐ）は、駆動電圧の変動抑制という観点からは、２０μｍ以上が好ましく、３０μｍ以上が更に好ましい。
また、リッジ部６の上面エッジと側板部７Ａ（７Ｂ）の上面エッジとの間隔（Ｗｓ）は、駆動電圧の変動抑制という観点からは、３０μｍ以上が好ましく、４５μｍ以上が更に好ましい。また、Ｗｓの上限もとくにないが、加工し易さの観点からは、３００μｍ以下が好ましい。
また、（Ｔｗｇ＋Ｔｓｐ）／５≦Ｗｓの関係を満足することによって、やはり溝内空間への放熱を促進し、駆動電圧の変動を抑制する上で効果的である。
チャンネル型光導波路を伝搬する光強度が３００ｍＷ以上のときに、本発明はとくに効果的である。また、チャンネル型光導波路を伝搬する光の波長が５５０ｎｍ以下の光が伝搬するときに、本発明は特に効果的である。
本発明の光変調素子は、光の特性に変調を加えるものであれば限定されず、光強度変調器、光位相変調器であってよい。光強度変調器は、マッハツェンダー型光導波路を利用した光振幅変調器であってよい。光位相変調器とは、入射光に対して位相変調を加え、出射光から位相変調信号を取り出すものを意味する。
【実施例】
【０００６】
（実施例１）
図１、図２を参照しつつ説明した前記素子を作製し、光変調特性を試験した。
具体的には、厚さ５００μｍのＭｇＯ５％ｍｏｌドープのｘ板ニオブ酸リチウム単結晶基板の上面に、スパッタにてＳｉＯ２からなるバッファ層を、厚さ０．５μｍ成膜した。次いで、ＭｇＯ５％ｍｏｌドープのｘ板ニオブ酸リチウム単結晶基板の成膜面を下にして、厚さ１ｍｍのノンドープｘ板ニオブ酸リチウム基板２に対して、樹脂接着剤によって貼り合わせた。次に、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の表面を厚さ７０μｍとなるまで研削、研磨で加工した。その後、ダイシングソーにてＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板側から研削加工し、深さ１００μｍの溝２ｂ、２ｃを形成し、幅３５μｍ、高さ７０μｍのリッジ部６を形成した。さらにＳｉＯ２からなるバッファ層を厚さ０．５μｍで成膜し、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ（厚み０．５μｍ）の順番で導電膜７Ａ、７Ｂを成膜し、ＳｉＯ２バッファ層と導電膜をリソグラフィーによりリッジ導波路部側面、リッジ溝底面、両脇の側面リッジの側面および表面にパターニングし、図１、図２に示す位相変調素子１を作製した。
次に、ダイシングソーにて幅３ｍｍ、長さ１０ｍｍにチップ切断を行い、チップ端面を光学研磨した。また、コア径５０μｍのＧＩファイバにより位相変調素子を光学的にＵＶ硬化樹脂にて接続した。最後に両脇の側面部表面の電極部に外部回路と導通をとるためにワイヤボンドした。側面リッジの表面の電極幅は片側で１．２ｍｍであった（両側で２．４ｍｍ）
ここで、各部分の寸法は以下のとおりである。
Ｗｒ：          ３５μｍ
Ｗｓ：          ２００μｍ
Ｔｗｇ：        ７０μｍ
Ｔｓｐ：        ３０μｍ
本位相変調器の電極長は９．５ｍｍで半波長電圧は１０Ｖであった。本素子に波長４０５ｎｍの光５０ｍＷ、波長５３２ｎｍの光１５０ｍＷ、波長６３２ｎｍの光１５０ｍＷを導波路素子に入力し変調特性を測定した。各光は光導波路をマルチモード伝搬している。変調特性を評価するためにマッハツェンダー干渉系をファイバで構成し、片方のアームには本変調素子を、もう片方には何も挿入せず、その強度変調光の変動を観測した。本変調素子に１ｋＨｚ、±１０Ｖで変調させたところ、各波長においてバイアス点の変動は５０％に抑えられた、また２０素子試験を行ったが、導波路破損はなく光挿入損失の変動もなかった。
（比較例１）
実施例１と同様にして光変調素子を作製し、光変調特性を測定した。
ただし、実施例１とは異なり、第一の電極については、リッジ部６の側面６ｂ上の電極７ｄおよび溝２ｂ上の導電膜７ｃを形成し、側板部３Ａの側面３ｂ上、上面３ｃ上には形成しなかった。また、第二の電極については、リッジ部６の側面６ｃ上の電極７ｄおよび溝２ｃ上の導電膜７ｃを形成し、側板部３Ｂの側面３ｂ上、上面３ｃ上には形成しなかった。
本位相変調器の電極長は９．５ｍｍで半波長電圧は１０Ｖであった。本素子に波長４０５ｎｍの光５０ｍＷ、波長５３２ｎｍの光１５０ｍＷ、波長６３２ｎｍの光１５０ｍＷを導波路素子に入力し、変調特性を測定した。各光は光導波路をマルチモード伝搬している。変調特性を評価するためにマッハツェンダー干渉系をファイバで構成し、片方のアームには本変調素子を、もう片方には何も挿入せず、その強度変調光の変動を観測した。本変調素子に１ｋＨｚ、±１０Ｖで変調させたところ、各波長において光強度が連続的に瞬時に変動し、バイアス点の変動は１００％以上変動した、また２０素子試験を行ったが、２素子について導波路破損し、光挿入損失が２ｄＢ劣化した。
本発明の特定の実施形態を説明してきたけれども、本発明はこれら特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の範囲から離れることなく、種々の変更や改変を行いながら実施できる。
【図１】
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【図２】
2012124830.tif 000004
【国際調査報告】
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