(57)【要約】【課題】光導波路素子に対して入出射用の光ファイバを略９０°の位置関係となるように接続し、光導波路素子を含む装置全体の小型化を可能とする光導波路素子を提供すること。【解決手段】電気光学効果を有する基板１０と、該基板上に形成された光導波路１１とを有する光導波路素子において、該光導波路１１と光ファイバ２２とを光学的に結合するためのＧＲＩＮレンズ２０を有し、該ＧＲＩＮレンズの側面を該光導波路の端部が位置する基板の側面２に対向して配置すると共に、該ＧＲＩＮレンズの端面を該光ファイバに対向して配置したことを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する基板と、該基板上に形成された光導波路とを有する光導波路素子において、
該光導波路と光ファイバとを光学的に結合するためのＧＲＩＮレンズを有し、
該ＧＲＩＮレンズの側面を該光導波路の端部が位置する基板の側面に対向して配置すると共に、該ＧＲＩＮレンズの端面を該光ファイバに対向して配置したことを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光導波路素子において、該ＧＲＩＮレンズは、該光導波路に入射又は出射する光をＧＲＩＮレンズの光軸方向に反射するための反射面が形成されていることを特徴とする光導波路素子。
【請求項３】
請求項２に記載の光導波路素子において、該反射面には、反射部材が設けられていることを特徴とする光導波路素子。
【請求項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ＧＲＩＮレンズの側面は、鏡面研磨されていることを特徴とする光導波路素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路素子において、該光導波路の端部が位置する基板の側面は、該光導波路の光軸に垂直な面に対して傾斜して形成されていることを特徴とする光導波路素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気光学効果を有する基板上に光導波路を形成した光導波路素子に関し、特に、電気光学効果を有する基板と光ファイバとの接続構造に特徴を有する光導波路素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の高速、大容量の情報通信に係る需要の高まり対応して、光通信の高密度波長多重（ＤＷＤＭ）化が進展している。このため、光変調器などの光導波路素子を多数組み合わせて利用する必要があり、特に、これら光導波路素子本体や該本体に光ファイバを接続した状態を小型化することにより、装置全体の肥大化を防止し、全体をコンパクトにすることが求められている。
【０００３】
従来の光変調器モジュール（光変調器本体及びこれに付随する部品を金属ケース内に収容し、取り扱い易く構成したもの）は、光変調器を構成する光導波路素子内の光導波路と、これに接続される入出射用の光ファイバが略一直線上にある。このため、光変調器モジュールを装置ボックス内に収納させる場合には、図１のように、光変調器モジュール１のケースの長さＬに該ケースから伸びる光ファイバ３の最小曲げ長（図１のＲ分）を加算した空間長（厳密には、ケースから伸びる光ファイバを保持するための保持部材４，５の長さｌ１、ｌ２も加算した空間長）を必要とする。
【０００４】
このため、光変調器モジュールの収納スペースを削減するためには、図２のように光変調器モジュールから延出している入射用光ファイバと出射用光ファイバの角度を任意に設定し、例えば９０°に曲げ、光ファイバの最小曲げ長（Ｒ分）のスペースを削減する必要がある。
なお、図１及び２に示す６は、マイクロ波の信号電圧を入力するための端子や光変調器モジュール１内に収容された受光素子からの検出信号を出力するための端子などを示している。また、光変調器と光ファイバの接続に係る光損失を低下させるため、図１及び２に示すように２°程度の傾斜を持たせた接続方法が利用されている。
【０００５】
図２に示すように、入出射用の光ファイバを９０°曲げるためには、（１）光変調器モジュール１のケース内で光ファイバを９０°曲げる方法（特開平７−２９４７８１号公報）や、（２）光導波路素子からの入射光又は出射光をプリズムなどの反射部材を用いて光軸を９０°に曲げる方法（特開２００１−２４２３３８号公報）などが提案されている。
【０００６】
しかしながら、方法（１）に対しては、ケース内部において９０°に曲げられた光ファイバなどの導波路部材を収容するスペースを別途確保することが必要となるため、ケース自体の長さＬ’が長くなる。しかも、曲率半径を小さくするためには、高屈折率導波路部材を用いて、導波光の閉じ込めを強くする必要があるが、導波光のモードパターンが小さくなり、外部の光ファイバに該導波路を結合した際に導波光の接合損失が大きくなる。
また、方法（２）に対しては、反射部材の収容スペースを確保するため方法（１）と同様にケース自体の長さＬ’が長くなる上、光学部品の数も増し、光学的な位置調整など製造工程も煩雑化し、製造が難しくなる。しかも、光学部品間の物理的距離も大きくなるため温度特性が劣化するという欠点を有している。
【０００７】
さらに、本件出願人による特願２００２−２８５７２１号（出願日：平成１４年９月３０日）においては、図３に示すような光導波路素子の基板側面に反射手段１２を形成する方法が記載されている。
図３において、１０は電気光学効果を有する基板、１１は該基板上に形成された光導波路、１３は光ファイバを示す。該光導波路を出射した光は、基板内を１４のように伝播し、光ファイバ１３に入射するよう構成されている。
【０００８】
図３のような、基板側面を利用した伝播光の折り返し構造は、光導波路素子を含む装置全体の小型化を可能とするなどの多くの利点を有する反面、光の伝播特性は、反射手段が形成された基板側面の加工精度に大きく依存するという問題を有している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上述した問題を解決し、光導波路素子に対して入出射用の光ファイバを略９０°の位置関係となるように接続し、光導波路素子を含む装置全体の小型化を可能とする光導波路素子を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明では、電気光学効果を有する基板と、該基板上に形成された光導波路とを有する光導波路素子において、該光導波路と光ファイバとを光学的に結合するためのＧＲＩＮレンズを有し、該ＧＲＩＮレンズの側面を該光導波路の端部が位置する基板の側面に対向して配置すると共に、該ＧＲＩＮレンズの端面を該光ファイバに対向して配置したことを特徴とする。
【００１１】
請求項１に係る発明により、光導波路素子の光導波路から出射又は入射する光を略９０°に折り曲げる際に、屈折率などの光学的特性が光ファイバと近い性質を有するＧＲＩＮレンズを用いているため、光ファイバとの接続において、導波光の損失を抑制することが可能となる。
また、ＧＲＩＮレンズを用いているため、光導波路素子の基板や光ファイバと密着させることも可能であり、温度特性の改善も達成することが可能となる。
【００１２】
また、請求項２に係る発明では、請求項１に記載の光導波路素子において、該ＧＲＩＮレンズは、該光導波路に入射又は出射する光をＧＲＩＮレンズの光軸方向に反射するための反射面が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に係る発明により、ＧＲＩＮレンズに設けた反射面により導波光を反射させ、かつＧＲＩＮレンズによる集束機能を利用して、光導波路素子の導波路や光ファイバに導波光を入射させることが可能となるため、導波光の伝播損失を抑制できる。
しかも、該反射面を鏡面状とし、導波光を全反射させることで、導波光の伝播損失をより低減させることも可能である。
【００１４】
また、請求項３に係る発明では、請求項２に記載の光導波路素子において、該反射面には、反射部材が設けられていることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に係る発明により、反射膜などの反射部材を設けることにより、導波光の反射効率を高めることが可能となる。また、ＧＲＩＮレンズの光軸に対する反射面の角度を設定する際の自由度が増加するため、多様な装置設計が可能となる。
【００１６】
また、請求項４に係る発明では、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ＧＲＩＮレンズの側面は、鏡面研磨されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項４に係る発明により、ＧＲＩＮレンズの側面が鏡面研磨されているため、基板側面の光導波路との光学的な結合特性が向上すると共に、該基板側面との密着性も改善される。
【００１８】
また、請求項５に係る発明では、請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路素子において、該光導波路の端部が位置する基板の側面は、該光導波路の光軸に垂直な面に対して傾斜して形成されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項５に係る発明により、光導波路の端部の基板側面が傾斜しているため、基板とＧＲＩＮレンズとの接合部において、光導波路の端部から出射する導波光が、該基板側面で反射し、光導波路方向に戻るのを防止することが可能となる。また、この基板側面の傾斜は、基板とＧＲＩＮレンズとの屈折率の差により、該接合部において導波光が屈折しても、ＧＲＩＮレンズの反射面と連携して、基板の光導波路上及びＧＲＩＮレンズの光軸上を導波光が常に伝播可能となるため、結果として光損失を抑制する効果がある。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
なお、以下の実施例では、光導波路素子として光変調器を用いたものを例示するが、本発明は、光変調器に限らず、光電界センサシステム用の電界センサ素子などにも適用することが可能である。また、光変調器モジュール内には、光導波路素子のみでなく、半導体レーザーなどの光源や受光素子など各種の光学部品又は電子部品をモジュール化することも可能である。
【００２１】
光導波路素子を構成する基板としては、電気光学効果を有する材料、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３；以下、ＬＮという）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料から構成され、特に、光導波路デバイスとして構成しやすく、かつ異方性が大きいという理由から、ＬｉＮｂＯ３結晶、ＬｉＴａＯ３結晶、又はＬｉＮｂＯ３及びＬｉＴａＯ３からなる固溶体結晶を用いることが好ましい。本実施例では、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）を用いた例を中心に説明する。
【００２２】
光導波路素子を製造する方法としては、ＬＮ基板上にＴｉを熱拡散させて光導波路を形成し、次に、光導波路中の光の伝搬損失を低減させるために、ＬＮ基板上に誘電体ＳｉＯ２等のバッファ層を設け、さらにその上にＴｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより数十μｍの高さの変調電極及び接地電極を構成する。電極の形成方法としては、上記のようにバッファ層を介して間接的に電極を形成する方法や、基板の一部又は全体に渡りバッファ層を設けずに、ＬＮ基板上に電極を直接形成する方法がある。
一般に、一枚のＬＮウェハに複数の光導波路素子を作り込み、最後に個々の光導波路素子のチップに切り離すことにより、光導波路素子チップが製造される。
【００２３】
光導波路素子チップは、通常、モジュール化されて利用され、具体的には、光導波路素子チップを金属ケース内に収容すると共に、光導波路素子チップ本体から金属ケースの外部へは、光波の入出力のための光ファイバー及び信号電極等への通電用の導線が、各々導出されている。
【００２４】
図４は、本発明の特徴である光導波路素子チップ１０とＧＲＩＮレンズ２０、及び光ファイバ２２との接続関係を示す図である。
チップ１０の表面には、光導波路１１が形成され、チップ基板の側面にはＧＲＩＮレンズ２０が配置されている。また、ＧＲＩＮレンズの端面には、光ファイバ２２がキャピラリ２１を用いて接続されている。
ＧＲＩＮレンズとは、グレーテッドインデックスレンズの略称であり、当該技術分野において一般的に用いられている名称である。
ＧＲＩＮレンズは、光ファイバと同様な光学的特性（屈折率、屈折率分布など）を有するため、両者を結合する際の光損失を、例えば、０．２ｄＢ程度まで抑制することが可能である。
【００２５】
ＧＲＩＮレンズ２０の製造方法を、図５に示す。
図５（ａ）は加工前のＧＲＩＮレンズを示し、図５（ｂ）は加工後のものを示す。また、各図の右側はＧＲＩＮレンズの端面形状、左側はＧＲＩＮレンズの側断面図である。さらに、図５（ａ）の実線２６は、ＧＲＩＮレンズの光軸方向（一点鎖線）に進む光波の進路を示している。
本発明に係るＧＲＩＮレンズの製造方法は、図５（ａ）に示す円柱状のＧＲＩＮレンズ２５を、その側面及び端面を鏡面研磨することにより作製する。
図５（ｂ）は研磨後のＧＲＩＮレンズであり、２５は、ＧＲＩＮレンズの光軸に対して平行に研磨することにより形成した側面であり、２３は、該側面から入射又は出射する光をＧＲＩＮレンズの光軸方向（一点鎖線）方向に折り曲げるための反射面である。折り曲げられた光波の進路を実線２４に示す。
【００２６】
ＧＲＩＮレンズの反射面２３、側面２５の形成位置は、ＧＲＩＮレンズ内を通過する光波の焦点２７及び２８が、図５（ｂ）に示すようにＧＲＩＮレンズの端面及び側面に位置するように設定する。
ただし、ＧＲＩＮレンズ２０と光ファイバ２２とは、通常２０μｍ程度離間してキャピラリ２１を介して接合されているため、予め光ファイバや光導波路素子チップとの接続を考慮して、上述の光波の焦点２７と２８とが、光ファイバの端面と及び光導波路素子チップの光導波路端部とに、各々位置するよう設定することも可能である。
【００２７】
反射面２３の角度は、基本的には任意であるが、可能な限り端面の焦点２７における光波のモードパターンと、側面上の焦点２８でのモードパターンとを同形にするように、略４５°とすることが望ましい。
さらに、反射面２３による光波の反射は、全反射となるように反射面の角度を設定することも望ましい。
また、反射面の反射効率を向上させるために、多層反射膜や金属膜を反射面２３上に形成することも可能である。
【００２８】
図４に示すように、光導波路素子チップ１０の基板側面２は、光導波路１１に垂直な面から角度５°だけ傾斜するように形成されている。傾斜角度は、この値に限られないが、基板上の光導波路１１を導波する光波が、基板側面において反射し、該光導波路１１中を逆行することがなく、また、光導波路１１の屈折率とＧＲＩＮレンズの屈折率との差により、導波光が両者の接合面で曲がる場合であっても、ＧＲＩＮレンズの反射面と連携して、基板の光導波路上及びＧＲＩＮレンズの光軸上を、導波光が常に伝播することを可能とするよう設定されている。
例えば、光導波路の屈折率が２．２、ＧＲＩＮレンズの側面近傍の屈折率が１．６の場合には、上記傾斜角度が５°の場合、ＧＲＩＮレンズの反射面２３のレンズ光軸に対する角度は略４１°に設定される。
【００２９】
光導波路素子チップ１０とＧＲＩＮレンズ２０との接合には、紫外線硬化型接着剤などの光透過性の高い接着剤を用いて、密着接合することが望ましい。
さらに、ＧＲＩＮレンズ２０と光ファイバ２２との結合においては、光ファイバを接合補強部材であるキャピラリに挿入し、該キャピラリと光ファイバとの端面又はＧＲＩＮレンズの端面に接着剤を塗布し、光ファイバとＧＲＩＮレンズとを位置決めした後に、紫外線を照射して硬化・接合する。
なお、上述の接合に際しては、例えば、光導波路素子チップ側又は光ファイバ側から参照光を入射し、光導波路とＧＲＩＮレンズそして光ファイバを通過して他方の端面から出射する該参照光を、別途設けた受光素子で検出することにより、該検出光量が最大値となる位置で、これらの光学部品の位置決めを行う。
【００３０】
光導波路素子チップ１０とＧＲＩＮレンズ２０との固定角度は、図４に示すように、該素子チップの表面に対してＧＲＩＮレンズ２０の光軸が並行となるように固定するものに限らず、例えば、該表面とＧＲＩＮレンズの光軸が垂直となる場合など、任意の角度で両者を固定することが可能である。
これにより、光導波路素子と光ファイバの位置関係に関し自由度が増加するため、光導波路素子を含む装置設計が行い易くなる。
【００３１】
本発明に係る光導波路素子において光損失を概算すると、ＧＲＩＮレンズと光ファイバの結合損失が、０．２ｄＢ程度、光導波路と光ファイバのモードパターンの差異による結合損失が、１．１ｄＢ程度、光導波路とＧＲＩＮレンズとの境界で生じるフレネル反射損失が、０．２ｄＢ程度であり、全体でも光損失が１．５ｄＢ位となる。
なお、本発明は上記説明に限らず、光導波路素子に関し当該技術分野において周知の技術を付加することも可能であることは、言うまでもない。
【００３２】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の光導波路素子により、光導波路素子に対して入出射用の光ファイバを略９０°の位置関係となるように接続可能となり、光導波路素子を含む装置全体を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光変調器モジュールの構造を示す図
【図２】本発明の光変調器モジュールの構造を示す図
【図３】従来の光導波路素子チップと光ファイバとの接続を示す図
【図４】本発明の光導波路素子チップと光ファイバとの接続を示す斜視図
【図５】ＧＲＩＮレンズの加工方法を説明する図
【符号の説明】
１  光変調器モジュール
２，３，１３  光ファイバ
１０  光導波路素子チップ
２０，２５  ＧＲＩＮレンズ
２１  キャピラリ
２２  光ファイバ
２３  反射面
２５  側面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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