(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニオブ酸リチウムで形成されると共に、厚みが２０μｍ以下の基板と、該基板に形成された複数の光導波路と、前記複数の光導波路を伝播する光波の少なくとも一部を変調するための変調電極とを有する変調用基板を備えた光変調器において、
ポリマーで形成されると共に、該変調用基板の外部の光導波路のコア部を構成するポリマー導波路を有し、
該ポリマー導波路は、該変調用基板に形成された前記複数の光導波路を互いに接続する分岐部又は合波部を備え、
該ポリマー導波路と該変調用基板とを接続する部分では、他の材料を介さずに直接接続されていることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
請求項１に記載の光変調器において、該変調用基板と該ポリマー導波路は、樹脂層を介して補強基板に接合されており、該樹脂層の屈折率は該ポリマー導波路の屈折率よりも低く設定されていることを特徴とする光変調器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光変調器において、該ポリマー導波路と該変調用基板とを接続する部分では、該ポリマー導波路の高さが該変調用基板の厚みと同じに設定されていることを特徴とする光変調器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器において、該ポリマー導波路を覆う保護膜を有し、該保護膜の屈折率は該ポリマー導波路の屈折率よりも低く設定されていることを特徴する光変調器。
【請求項５】
請求項２に記載の光変調器において、該ポリマー導波路の端部と光ファイバーとの接合位置には、該ポリマー導波路又は該樹脂層の一部を除去した溝が形成され、該溝に該光ファイバーの端部が配置されていることを特徴とする光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変調器に関し、特に、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）で形成した基板に光導波路と変調電極とを備えた変調用基板と、ポリマーで形成される光導波路を備えたポリマー導波路とを組み合わせた光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ニオブ酸リチウム（ＬＮ）で形成された基板に光導波路を備えた光変調器（導波路型ＬＮ変調器）は、波長チャープが小さく、位相・強度変調が可能であることから、多値変調器として用いられている（特許文献１参照）。このＬＮ変調器の性能を表す特性として、駆動電圧（Ｖπ）や変調帯域がある。駆動電圧が小さく、変調帯域が大きいほど、ＬＮ変調器の特性は、良好である。しかしながら、駆動電圧と変調帯域は、通常、トレードオフの関係にあることから、駆動電圧を固定して、変調帯域を伸ばすことは、困難である（特許文献２参照）。
【０００３】
近年、位相・強度を変調させた多値変調方式が主流になっている（非特許文献１，２参照）。位相を操作するには、マッハツェンダー型導波路（ＭＺ構造）を複数個配置する必要がある。例えば、４値ＰＳＫ変調器の場合は３個のＭＺ構造、偏波多重４値ＰＳＫ変調器の場合６個のＭＺ構造が必要になる。
【０００４】
また、４値ＰＳＫ変調器では入力光を４分岐にする必要がある。分離された各導波路は、ＭＺ構造の作用部において位相変調が加えられる。この位相変調電極は、各ＭＺ構造に対し、コプレーナ構造が適用されている。４値ＰＳＫ変調器のＭＺ構造間の接地電極（ＧＮＤ電極）の幅は、各ＭＺ構造の電気信号のクロストークやＧＮＤ電極の接地機能を考慮すると、少なくとも２００μｍ以上必要になる。
【０００５】
このため、光４分岐部の初段のＹ分岐の分離間隔は１００μｍ以上になる。光変調器を小型化するためには、Ｙ分岐の長さを短くする必要がある。一方、変調電極が形成する電界が光導波路に作用する作用領域の長さを短くすることも可能であるが、短くすると駆動電圧を増加させる必要があり、安価なドライバを用いることができない。このため、作用領域の長さを短くするよりは、Ｙ分岐の長さを短くすることが検討されている（非特許文献１，２及び特許文献３参照）。
【０００６】
ＬＮを用いた多値変調器の小型化においては、Ｙ分岐部を短くする必要がある。しかし、従来のＬｉＮｂＯ３で形成された基板にＴｉ拡散光導波路を設けた場合には、コア・クラッド間の屈折率差を大きくすることができない（非特許文献３参照）ため、Ｙ分岐部の曲げ導波路を短くすることができない。この問題を解消するため、Ｙ分岐部が形成される基板部分に、石英ガラスによるＰＬＣ（プレーナ光波回路）を適用することが提案されている。しかし、ＰＬＣとＬＮの接続は、複数の導波路（アレイ）同士のアライメントにおいて、全ての光導波路の結合損失を、同時に同一にすることが困難であること、光接続箇所が多く（光ファイバーとＰＬＣ間、ＰＬＣとＬＮチップ間）なることから、信頼性上の問題が生じる。
【０００７】
しかも、ＰＬＣとＬＮ基板との位置合わせ（光軸調整）には、光導波路の入力側から参照光を入射させ、出力側から出力される参照光をモニタしながら、両者の位置あわせを行う、所謂、アクティブアライメントが不可欠であり、調整作業の負担が大きくなるという問題も生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−１８５９７７号公報
【特許文献２】特公平７−５０２６５号公報
【特許文献３】特許第３８００５９４号公報
【特許文献４】特許第４６９１４８１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】村田浩一，外１名，「デジタルコヒーレント方式用光集積回路技術の現状と将来展望」，Optronics, No.7, pp113−120，2012年
【非特許文献２】杉山昌樹，「位相変調方式の要となるＬＮ変調器」，Optronics, No.3, pp107−111，2011年
【非特許文献３】皆方 誠，「ＬｉＮｂＯ３光導波路デバイス」，電子情報通信学会論文誌C-I, Vol.J77-C-I, No.5, pp194−205，1994年5月
【非特許文献４】古田洋介，外３名，「ＬｉＮｂＯ３結晶中へのＴｉ拡散」，レーザー研究,２１巻,９号, pp981-986，1993年9月
【非特許文献５】江田和生，外７名，「圧電材料の直接接合」，信学技報，US95-24, EMD95-20, CPM95-32，1995年7月
【非特許文献６】Hideki Takagi,et al.,"Room-temperature bonding of lithium niobate and silicon wafers by argon-beam surface activation",Applied Physics Letters,Vol.74, No.16, pp2387-2389,19 April 1999
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、光導波路の結合損失を抑制し、小型化が可能な光変調器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明は以下のような技術的特徴を有する。
（１）  ニオブ酸リチウムで形成されると共に、厚みが２０μｍ以下の基板と、該基板に形成された複数の光導波路と、前記複数の光導波路を伝播する光波の少なくとも一部を変調するための変調電極とを有する変調用基板を備えた光変調器において、ポリマーで形成されると共に、該変調用基板の外部の光導波路のコア部を構成するポリマー導波路を有し、該ポリマー導波路は、該変調用基板に形成された前記複数の光導波路を互いに接続する分岐部又は合波部を備え、該ポリマー導波路と該変調用基板とを接続する部分では、他の材料を介さずに直接接続されていることを特徴とする。
【００１２】
（２）  上記（１）に記載の光変調器において、該変調用基板と該ポリマー導波路は、樹脂層を介して補強基板に接合されており、該樹脂層の屈折率は該ポリマー導波路の屈折率よりも低く設定されていることを特徴とする。
【００１３】
（３）  上記（１）又は（２）に記載の光変調器において、該ポリマー導波路と該変調用基板とを接続する部分では、該ポリマー導波路の高さが該変調用基板の厚みと同じに設定されていることを特徴とする。
【００１４】
（４）  上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光変調器において、該ポリマー導波路を覆う保護膜を有し、該保護膜の屈折率は該ポリマー導波路の屈折率よりも低く設定されていることを特徴する。
【００１５】
（５）  上記（２）に記載の光変調器において、該ポリマー導波路の端部と光ファイバーとの接合位置には、該ポリマー導波路又は該樹脂層の一部を除去した溝が形成され、該溝に該光ファイバーの端部が配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のように、ニオブ酸リチウムで形成されると共に、厚みが２０μｍ以下の基板と、該基板に形成された複数の光導波路と、前記複数の光導波路を伝播する光波の少なくとも一部を変調するための変調電極とを有する変調用基板を備えた光変調器において、ポリマーで形成されると共に、該変調用基板の外部の光導波路のコア部を構成するポリマー導波路を有し、該ポリマー導波路は、該変調用基板に形成された前記複数の光導波路を互いに接続する分岐部又は合波部を備え、該ポリマー導波路と該変調用基板とを接続する部分では、他の材料を介さずに直接接続されているため、ポリマー導波路で形成される光導波路は、曲げを大きくできるため、ＬＮ基板などと比較し、Ｙ分岐で同じ分離間隔を得る場合でも、Ｙ分岐の長さ（光軸方向の長さ）を短くすることができ、光変調器の小型化を実現できる。
【００１７】
しかも、ポリマー導波路の高さを変調用基板の厚みと同じに設定することで、ポリマー導波路と変調用基板に形成された光導波路との結合損失を抑制することも可能となる。特に、ニオブ酸リチウム基板は２０μｍ以下の厚みであるため、基板の熱膨張によるサイズの変化も少なく、ポリマー導波路との線膨張係数の差によるサイズや位置変化の影響も抑制される。
【００１８】
また、変調用基板とポリマー導波路は、樹脂層を介して補強基板に接合されており、該樹脂層の屈折率は該ポリマー導波路の屈折率よりも低く設定されているため、樹脂層がポリマー導波路のクラッドとして機能する他、ポリマー導波路から漏れた光波が、薄いＬＮ基板よりも樹脂層や補強基板に逃げるため、従来のＹ分岐を内包した薄いＬＮ基板を用いた光変調器よりも、漏光による特性劣化を小さくすることも可能となる。
【００１９】
さらに、変調用基板とポリマー導波路との接続部分は、他の材料を介さずに直接接続されているため、変調用基板に形成された光導波路とポリマー導波路との結合損失をより一層抑制することが可能となる。特に、両者を繋ぐ接着層が不要となるため、環境温度変化に伴う内部応力が両者の接触面に加わらず、形状変化や内部応力による屈折率変化が抑制され、結合損失がより一層抑制される。
【００２０】
また、ポリマー導波路を覆う保護膜を有し、該保護膜の屈折率は該ポリマー導波路の屈折率よりも低く設定されているため、保護膜がポリマー導波路を外部環境からの物理的・化学的刺激から保護するだけでなく、保護膜がポリマー導波路のクラッドとして機能する上、ポリマー導波路を伝播する光波が、ポリマー導波路の外部に漏出することを抑制することも可能となる。
【００２１】
ポリマー導波路の端部と光ファイバーとの接合位置には、該ポリマー導波路又は該樹脂層の一部を除去した溝が形成され、該溝に該光ファイバーの端部が配置されているため、光変調器と光ファイバーとの光軸調整を簡便かつ精確に行うことが可能となる。溝という目印を使った位置合わせ、所謂、パッシブアライメントを行うことができ、従来のようなアクティブアライメントが不要となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る光変調器の概略を説明する図であり、特に、ＬＮ基板とポリマー導波路のコア部分の高さが同一となる様子を示した図である。
【図２】本発明に係る光変調器の製造プロセスの工程（ａ）〜（ｃ）を説明する図である。
【図３】本発明に係る光変調器の製造プロセスの工程（ｄ）〜（ｅ）を説明する図である。
【図４】本発明に係る光変調器の製造プロセスの工程（ｆ）〜（ｇ）を説明する図である。
【図５】ＰＤ−ＱＰＳＫ変調器を用いた従来例（ａ）と本発明（ｂ）を説明する図である。
【図６】ＰＤ−ＱＰＳＫ変調器の応用例を説明する図である。
【図７】本発明に係る光変調器と光ファイバーとの接続を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の光変調器について、好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、図１に示すように、ニオブ酸リチウムで形成されると共に、厚みが２０μｍ以下の基板１と、該基板に形成された複数の光導波路１０と、前記複数の光導波路を伝播する光波の少なくとも一部を変調するための変調電極（不図示）とを有する変調用基板１を備えた光変調器において、ポリマーで形成されると共に、該変調用基板の外部の光導波路のコア部を構成するポリマー導波路２１を有し、該ポリマー導波路は、該変調用基板に形成された前記複数の光導波路１０を互いに接続する分岐部又は合波部を備え、該ポリマー導波路と該変調用基板とを接続する部分Ａでは、他の材料を介さずに直接接続されていることを特徴とする。
【００２４】
本発明に係る光変調器の特徴は、光導波路の一部をポリマー導波路で形成していることである。ポリマー導波路は、ニオブ酸リチウムに形成する光導波路、特に、Ｔｉ熱拡散導波路と比較し、コアとクラッドとの屈折率差を大きくすることができる。このため、光導波路の曲げを大きくできるため、ＬＮ基板などと比較し、Ｙ分岐で同じ分離間隔を得る場合でも、Ｙ分岐の長さ（光軸方向の長さ）を短くすることができ、光変調器の小型化を実現できる。
【００２５】
さらに、本発明に係る光変調器では、図１の符号Ａの点線部分に示すように、ポリマー導波路２１の高さを変調用基板１の厚みと同じに設定している。この構成により、ポリマー導波路２１と変調用基板１に形成された光導波路１０との結合損失をより一層抑制することも可能となる。特に、ニオブ酸リチウムで形成される変調用基板１は２０μｍ以下の厚みであるため、基板１の熱膨張によるサイズの変化も少なく、ポリマー導波路２１との線膨張係数の差によるサイズ変化や位置変化による影響も小さい。
【００２６】
図１の光変調器では、変調用基板１とポリマー導波路２１は、樹脂層４を介して補強基板３に接合されている。これにより、２０μｍ以下の厚みである変調用基板１の機械的強度不足を補い、ポリマー導波路２１を支持することが可能になる。特に、樹脂層４の屈折率はポリマー導波路２１の屈折率よりも低く設定することが好ましい。この場合は、樹脂層４がポリマー導波路２１のクラッドの一部として機能することが可能となる。また、ポリマー導波路２１を伝播する光波が、補強基板３の側に漏出することも抑制できる。
【００２７】
変調用基板１とポリマー導波路２１との接続部分（符号Ａの部分）は、他の材料を介さずに直接接続されている。これは、従来のＰＬＣとＬＮ基板のような両者を接合する接着層が、本発明の光変調器では不要となることを意味している。接着層という異なる材料が介在しないため、変調用基板に形成された光導波路とポリマー導波路との結合損失をより一層抑制することが可能となる。しかも、両者が接着剤を介さないで接着されているため、接着剤の環境温度変化に伴う内部応力の影響を受けないため、ポリマー導波路の形状変化や内部応力が加わることによるポリマー導波路等の屈折率変化も抑制される。
【００２８】
また、後述するように、ポリマー導波路２１を覆う保護膜を設けることが可能である。この際は、保護膜の屈折率をポリマー導波路２１の屈折率よりも低く設定することで、保護膜がポリマー導波路を外部環境からの物理的・化学的刺激から保護するだけでなく、保護膜がポリマー導波路のクラッドとして機能する上、ポリマー導波路を伝播する光波が、ポリマー導波路の外部に漏出することを抑制することも可能となる。
【００２９】
本発明の光変調器に使用されるポリマー導波路の材料としては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリシラン、サイトップ（商品名cytop，旭硝子株式会社製，透明フッ素樹脂）等が好適に使用可能である。
【００３０】
保護膜に使用される材料としては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリシラン、サイトップ（商品名cytop，旭硝子株式会社製，透明フッ素樹脂）等が好適に使用可能である。ただし、ポリマー導波路のコア部よりも低屈折率となるように、屈折率を調整することが必要である。
【００３１】
補強基板としては、変調用基板と線膨張係数が近い材料を使用することが好ましく、例えば、ＬＮや石英ガラス、ＢＫ７などが利用可能である。また、変調用基板と補強基板とを接合する樹脂層の材料としては、作業性等を加味すると、アクリル等の光硬化接着剤などが好適に使用可能である。
【００３２】
次に、図２〜４を用いて、本発明の光変調器の製造方法の一例を説明する。
ＬＮ基板上にＴｉ拡散導波路を、特許文献３に記載されている方法等で形成する。形成されたＴｉ拡散導波路は、表面に凹凸が形成されているため（非特許文献４参照）、ＬＮウェハ表面（０．１〜０．２μｍ程度）を研磨等で、平坦化処理を行う。図２（ａ）に示すように、光導波路１０を設けたＬＮ基板１を、Ｓｉウェハ等の保持基板１００の表面に直接接合する（非特許文献５，６参照）。
【００３３】
図２（ａ）のＳｉウェハ１００とＬＮ基板１の導波路端面間を樹脂２０（ポリマー導波路のコアを形成する材料）で充填する（図２（ｂ）参照）。次に、図２（ｃ）に示すように、ＬＮ基板１と樹脂２０とを２０μｍ以下、例えば、１０μｍ程度の厚さまで、研削・研磨する。
【００３４】
１０μｍ程度の厚さのＬＮ基板１と樹脂２を保持するため、図３（ｄ）に示すように、低屈折率の接着剤（樹脂層）４を介して、補強基板３を接着する。その後、保持基板であるＳｉウェハ１００を水酸化カリウム等で除去することによって、図３（ｅ）に示すような、ＬＮ基板１と樹脂２の表面の高さが揃った状態を実現することができる。
【００３５】
ＬＮ基板１のＴｉ拡散導波路１０を基準にして、ＲＩＥ（reactive ion etting）等を用いて、樹脂２（ポリマー導波路のコア部となる層）を光導波路２１の形状にパターン形成を行う（図４（ｆ）参照）。
【００３６】
その後、図４（ｇ）に示すように、後工程（電極形成、実装等）を考慮して、保護膜５（クラッド層）を付加することも可能である。変調電極は、図３（ｅ）のＬＮ基板１の表面を露出した状態以降であれば、いつでも形成可能であるが、形成したポリマー導波路を保護するためにも、保護膜５を形成した後に、変調電極を形成することが好ましい。
【００３７】
本発明の光変調器に形成された各光導波路は、ＬＮ基板１を構成するウェハを基準に、全て、光接続（位置合わせ）されており（パッシブアライメントが可能）、大量生産が可能となる。しかも、光導波路同士を接着剤を用いずに接続することができるため、信頼性を担保することが可能である。例えば、接合部間に接着剤等の介在物がないため、温度変化による接着剤の軟化等による特性劣化も生じない。
【００３８】
本発明の光変調器の特徴である小型化について説明する。前述したように、ＤＱＰＳＫ（Differentiaol Quadrature Phase Shift Keying）変調器やＰＤ−ＱＰＳＫ（Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying）変調器は、光導波路の４光分岐部や８光分岐部を構成するために、２分岐回路を２段や３段と設けることが必要になる。しかも、各分岐後導波路間隔は１００μｍ以上を確保することが必要であり、並列するマッハツェンダー型導波路の数に比例して、図５（ａ）に示すＬＮ基板１１の図の縦方向の高さが大きくなる。これに伴い、光分岐部に必要な長さ（図の横方向の長さ）も長くなり、光変調器のＬＮ基板１１の横方向（光伝播方向）の長さＬは、より一層長くなる。図５及び図６は、ＰＤ−ＱＰＳＫ変調器の例を示している。ＬＮ基板１１に形成した光導波路１２は、２段の分岐部を経て、４つのマッハツェンダー型光導波路に接続されている。ＬＮ基板１１から出射する２つの光波の一方は、Ｘ偏波として出力され、他方は、偏波回転素子６を経て、Ｙ偏波となる。２つの光波は偏波合成手段７で合波され、出力される。
【００３９】
他方、高速変調などに対応するため、駆動電圧を低く維持するには、電極長（光（光導波路）と電場の相互作用長）を一定値以上で確保する必要がある。このため、光変調器の小型化し、光波の伝播方向の長さＬを短くするには、光分岐回路を短くしなければならない。しかし、Ｔｉ拡散導波路の屈折率差は、固溶限界の関係上、大きくするには限界があり、その結果、コア・クラッド間の屈折率差を大きくできず、光導波路の曲げを急峻にすることが困難であった。
【００４０】
本発明では、図５（ｂ）に示すように、光分岐回路をポリマー導波路２４で構成している。符号２３の網掛け領域は、ポリマー導波路２４の形成領域を示している。ポリマー導波路は、ＬＮ基板に形成したＴｉ熱拡散導波路と比較し、コア・クラッド間の屈折率差を大きくすることができるため、光導波路をより急峻に曲げることが可能になる。これにより、図５（ｂ）のＬＮ基板１３とポリマー導波路形成領域２３とを接続した長さＬ’は、図５（ａ）の従来のものより、格段に短くなり、光変調器の小型化を実現することが可能である。また、図５（ｂ）のように、光導波路の曲げ部分や分岐部分をポリマー導波路に置き換えることによって、光が漏れうる箇所を減らすことが可能になる。仮に、ポリマー導波路から漏れた光は、バルク構造であるため、光変調器の光学特性への影響は軽微である。
【００４１】
図６は、ＰＤ−ＱＰＳＫ変調器の入射側だけでなく、出射側の光分岐回路をポリマー導波路２８で置き換えた例を示している。これにより、図５（ｂ）の例よりも、より一層小型化することが可能になる。なお、符号１５はＬＮ基板であり、１６はＴｉ熱拡散導波路、２６，２８はポリマー導波路であり、２５，２７はポリマー導波路の形成領域である。図６のように、光分岐回路の大半をポリマー導波路で形成する場合には、光導波路を伝播する光波の位相を制御するには、熱光学効果（ＴＯ効果）等が用いられる。また、電圧制御を行いたい場合は、ＬＮ基板側に移相器を設置してもよい。
【００４２】
なお、図１（図４（ｆ））では、ポリマー導波路は、光導波路部分のみを残して、ポリマー導波路を形成する樹脂を除去しているが、光導波路部分のみを凸状に形成し、接着層（樹脂層４）上の光導波路部分２１以外にもポリマー導波路に使用される樹脂を残しても良い。また、光導波路は、光導波路に沿って溝を形成するリッジ形状の導波路とすることも可能である。
【００４３】
次に、本発明の光変調器と光ファイバーとをパッシブアライメントで位置合わせする方法について説明する。図７（ａ）に示すように、光変調器の入出射部分の材料２をポリマーにした場合、ファイバー接続部に溝８を形成することができる。溝は、図７（ｂ）のようにポリマー導波路２１を形成する際に、同時に形成することも可能である。通常の光ファイバーの素線径は１２５μｍであるため、難加工性のＬＮ基板上にＶ溝を６３μｍも加工することは困難であるが、ポリマーは、酸素を用いたＲＩＥを用いることで、容易にＶ溝を形成することができる。しかも、ポリマー導波路を形成する樹脂２だけでなく、補強基板との接着層４を形成する樹脂も併せて加工できるため、図７（ａ）及び（ｂ）の溝８を容易に形成することが可能である。
【００４４】
溝８を形成した後、図７（ｃ）に示すように、該溝に光ファイバーの先端を配置することで、光ファイバー９と光変調器の基板（チップ）との光接続をパッシブアライメントで行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上説明したように、本発明によれば、光導波路の結合損失を抑制し、小型化が可能な光変調器を提供することが可能となる。
【符号の説明】
【００４６】
１，１１，１３，１５  ＬＮ基板
２，２０  ポリマー導波路を形成する樹脂層
３  補強基板
４  接着層（樹脂層）
５  保護層
６  偏波回転手段
７  偏波合成手段
８  溝（Ｖ溝）
９  光ファイバー
１０，１２，１４，１６  ＬＮ基板に形成した光導波路
２１，２４，２６，２８  ポリマー導波路（コア部）
２３，２５，２７  ポリマー導波路の形成領域
１００  保持基板
【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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【図６】
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【図７】
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