(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及びその製造方法を提供すること。【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、該光導波路の端部が位置する基板の側面に形成された反射手段１２と、該光導波路と離間して該基板に接続された光ファイバ１３とを設け、該反射手段と該光ファイバとの間を伝播する光波１４は、該光導波路以外の基板内を伝播することを特徴とする。【選択図】図３
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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、
該光導波路の端部が位置する基板の側面に形成された反射手段と、該光導波路と離間して該基板に接続された光ファイバとを設け、該反射手段と該光ファイバとの間を伝播する光波は、該光導波路以外の基板内を伝播する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、該光ファイバは、該反射手段が形成された側面以外の基板の他の側面、若しくは該基板の下面にに接続することを特徴とする光導波路素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該光導波路以外の基板内部を伝播する光波の伝播距離は、２００μｍ以内であ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、該反射手段の法線方向と該反射手段に接触する光導波路の光軸との形成する角度は、該光導波路を通過する光波が全反射する角度以上であ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、該反射手段は、反射膜を有することを特徴とする光導波路素子。
【請求項６】
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、該反射手段が該光導波路側からの光波を透過光と反射光とに分離し、該透過光を該基板外に設けた受光素子に入射させることを特徴とする光導波路素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の光導波路素子の製造方法において、該光導波路以外の基板内を伝播する光波の光強度を検知しながら、該基板と該光ファイバとの接続位置を決定することを特徴とする光導波路素子の製造方法。
【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及びその製造方法に関し、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及びその製造方法に関する。
【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ー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ー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。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、製造が難しくなるという欠点を有している。
【０００７】
【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及びその製造方法を提供することである。
【０００８】
【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、該光導波路の端部が位置する基板の側面に形成された反射手段と、該光導波路と離間して該基板に接続された光ファイバとを設け、該反射手段と該光ファイバとの間を伝播する光波は、該光導波路以外の基板内を伝播することを特徴とする。
【０００９】
請求項１に係る発明により、光導波路が形成された基板の側面に反射手段を設け、該反射手段からの反射光又は反射手段への入射光は、基板内部を伝播して光ファイバと光学的に結合されているため、従来のように光軸を９０°に曲げるためのプリズムなどの反射部材を必要とせず、しかも、基板に光ファイバを接続するだけの簡単な構成で、光導波路素子の小型化を達成することが可能となる。
【００１０】
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、該光ファイバは、該反射手段が形成された側面以外の基板の他の側面、若しくは該基板の下面にに接続することを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る発明により、反射手段からの反射光又は反射手段への入射光は基板内部を伝播するため、基板に対する光ファイバの接続方法として、基板の側面又は下面が利用でき、光導波路素子を含む装置全体の設計に関する自由度が格段に向上する。
【００１２】
また、請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該光導波路以外の基板内部を伝播する光波の伝播距離は、２００μｍ以内であることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に係る発明により、光導波路以外の基板内部を伝播する光波の伝播距離を２００μｍ以内とすることにより、光導波路と光ファイバとの光学的結合損失を３ｄＢ以下に抑えることが可能ととなると共に、特に１００μｍ以内とすることで同損失を１ｄＢ以下とすることも可能となる。
【００１４】
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、該反射手段の法線方向と該反射手段に接触する光導波路の光軸との形成する角度は、該光導波路を通過する光波が全反射する角度以上であることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に係る発明により、該反射手段による光波の反射が全反射となるため、光波の光量損失を抑制でき、より効果的な光伝播を達成することが可能となる。
【００１６】
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、該反射手段は、反射膜を有することを特徴とする。
【００１７】
請求項５に係る発明により、反射手段に反射膜を設けることで、光波の反射効率を高めることが可能ととなると共に、反射手段の基板に対する角度設定の自由度が増し、装置設計が行ない易くなる。
【００１８】
また、請求項６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、該反射手段が該光導波路側からの光波を透過光と反射光とに分離し、該透過光を該基板外に設けた受光素子に入射させることを特徴とする。
【００１９】
請求項６に係る発明により、光導波路から出射する光波を、反射手段により透過光と反射光に分離するため、透過光の光軸上に受光素子を配置するだけで、容易に光変調器などの光導波路素子の出力光をモニタすることが可能となる。
【００２０】
また、請求項７に係る発明では、請求項１乃至６のいずれかに記載の光導波路素子の製造方法において、該光導波路以外の基板内を伝播する光波の光強度を検知しながら、該基板と該光ファイバとの接続位置を決定することを特徴とする。
【００２１】
請求項７に係る発明により、基板内を伝播する光波の光強度を検知しながら、基板と光ファイバとの接続位置を決定するため、両部材の光学的結合効率をより高めることが可能となり、光損失の少ない光導波路素子を提供することができる。
しかも、前記反射手段と光ファイバとの間に導波路を設ける場合には、反射手段と該導波路との角度調整が極めて難しく、伝播する光波の消光比が劣化する原因ともなる。本発明では、このような導波路を形成しないため、製造が容易であり、光波の消光比の劣化も抑制可能となる。
【００２２】
【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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、次いで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や、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して、間接的に当該電極を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。
【００２５】
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。
【００２６】
図３は、本発明の特徴である光導波路素子チップ１０と光ファイバ１３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反射手段である反射面１２が設けられている。
該反射面の形状としては、反射面を鏡面状に研磨し、光導波路１１を伝播する光波の反射効率を向上するように構成される。また、反射面表面に金属あるいは誘電体の多層膜などによる反射膜を設けることも可能である。
さらに、光導波路１１と反射面１２とが形成する角度Θ（光導波路から反射面に入射する光波についてみると、角度Θは９０°から光波の入射角を引いた値となる）を、光波の入射角が全反射となるように設定することにより、反射面１２の外側に透過する光波を抑制し、光伝播損失を低下させることが可能となる。
なお、後述する光導波路以外の基板内を伝播する光波１４が、反射面１２に入射する場合には、同様に、光波１４の反射面１２に対する入射角を全反射となるように構成することで、同様の効果が期待できる。
【００２７】
また、反射面１２で反射した光波１４（光ファイバ１３が入射用の場合は、光波１４は反射面１２に入射する光波となる。以下の説明では、内容の理解を容易にするため、光導波路１１から光ファイバ１３へ光波が出射する場合を中心に説明する。）は、光導波路が形成されていない基板の内部を伝播し、基板の他の側面１５から光ファイバ１３に向けて出射する。
基板側面１５は、光波１４の外部に出射する角度ηが、光導波路１１に対して略９０°となるように設定される。
【００２８】
次に、基板内部を伝播する光波の伝播距離Ｓの適正値について説明する。
ビーム径ｗ１、波長λの光ビームが、屈折率ｎの媒体中を距離ｌだけ伝播する場合、伝播後のビーム径ｗ２は、次式で表される。
ｗ２＝ｗ１×（１＋（λ・ｌ／（ｎπｗ１２）２）１／２・・・・（１）
また、本発明のように反射手段を介する光波の反射状態は、光波の伝播モード系が異なる２つの導波路ｗ３，ｗ４の結合と考えられ、この際の結合効率Ａは、光軸のズレ、角度のズレが無い理想状態と仮定すると、次式で表される。
Ａ＝４／（ｗ３／ｗ４＋ｗ４／ｗ３）２・・・・（２）
電気光学効果を有する基板として、ＬＮ基板を利用した場合を想定すると、ｎ＝２．１５、ｗ１＝９μｍ（ＷＧのモード系）、λ＝１５５０ｎｍを式（１）、（２）に代入し、ｌ＝０．０５，０．１，０．１５，０．２の場合のｗ２及び光ファイバとの結合効率Ａを求める。ただし、光ファイバのモード系は１０μｍとする。
各条件における算出結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１の結果により、光波の伝播距離Ｓが０．２ｍｍ以下の場合には、結合損失を３ｄＢ以下に抑制でき、よし好ましくは、０．１ｍｍ以下とすることにより、結合損失を１ｄＢ以下に抑制することが可能となる。また、結合損失が１ｄＢとなる伝播距離Ｓは、約１３５μｍである。
本発明の特徴は、光波が基板内を約１００μｍ程度伝播した場合でも、光ビーム径の広がりがある程度抑制されていることに着目した点にある。通常、空気中における光ビームの伝播では、０．１ｍｍの伝播距離に対し、上記と同様の条件では、ｗ２は２３．７μｍとなり、結合損失は−２．９２ｄＢにもなる。同様に、伝播距離が０．２ｍｍの場合は、ｗ２は４４．７７μｍとなり、結合損失は−７．４５ｄＢにもなる。
したがって、従来のように、光波を光導波路から空気中に一度出射させ、その光をプリズムなどを介して、光ファイバに入射させる構成では、光導波路から光ファイバまでの伝播距離を０．１ｍｍ未満とする必要がある。このような構成は、実際上困難であり、別途レンズ等の結像部材を必要とする。
これに対して、本発明のように基板内を光波に伝播させる場合は、図３のように基板側面１５に光ファイバを直接接続することが可能であり、伝播距離Ｓを２００μｍ以内に構成することも、基板側面１２及び１５のカッティング位置を調整することにより、容易に確保することが可能である。
【００３１】
図４は、本発明に係る光導波路素子の斜視図であり、各符号は図３と同様の内容を意味する。なお、チップ１０の表面には、光ファイバ１３との接合を補強するための補強部材１６が設けられている。
また、光ファイバ１３の先端の形状については、図３に示すように光軸に垂直の面とするだけでなく、曲面又は傾斜面とすることにより、基板側面１５との接続角度に応じて適したものを選択することができる。
【００３２】
他の実施例としては、図５に示すように、反射手段１２の位置関係を、光波がチップ面の下方に進むように構成することも可能である。このことにより、チップ及び光ファイバの位置関係を多様に設定することができ、装置設計の自由度が向上する。
なお、図５においては、図示を分かり易くする関係から、光ファイバ１３の位置をチップ１０から離間して配置しているが、実際は、チップ１０に密着して接続される。
【００３３】
本発明の応用として、反射手段により光波を透過光と反射光に分離して、該透過光を、別途設けられた受光素子に入射させ、光波の光量をモニタするように構成することも可能である。
また、チップ１０と光ファイバ１３との接続に際しては、チップ側又は接続する光ファイバ側のいずれかより光ビームを入射し、他端において該光ビームの出射光量をモニタすることにより、受光量が最大となる最適位置において両者を接続することが好ましい。該接続に際しては、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ることができる。
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。
【００３４】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の光導波路素子及びその製造方法により、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し、光導波路素子を含む装置全体を小型化することが可能となる。
【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】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】本発明の他の実施例である光導波路素子チップと光ファイバとの接続を示す図
【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
１１　光導波路
１２　反射手段
１６　補強部材
【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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