光導波路デバイス
【課題】熱膨張係数の差に起因して光導波路基板の内部に発生する応力を低減することのできる光導波路デバイスを提供する。
【解決手段】厚さ３０μｍ以下の光導波路基板１１と、光導波路基板１１を保持し光導波路基板１１より誘電率が低い液晶ポリマ基板１２と、を有し、光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２が接着剤層１４によって接着された光導波路デバイス１０であって、光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２の熱膨張係数はそれぞれ基板面内に異方性を有し、光導波路基板１１の異方性の軸方向と液晶ポリマ基板１２の異方性の軸方向が揃うように、光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２の相対的向きが調整されている。
【解決手段】厚さ３０μｍ以下の光導波路基板１１と、光導波路基板１１を保持し光導波路基板１１より誘電率が低い液晶ポリマ基板１２と、を有し、光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２が接着剤層１４によって接着された光導波路デバイス１０であって、光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２の熱膨張係数はそれぞれ基板面内に異方性を有し、光導波路基板１１の異方性の軸方向と液晶ポリマ基板１２の異方性の軸方向が揃うように、光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２の相対的向きが調整されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路デバイス、特に光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信システムの高速大容量化が進んで１波長当り４０ギガビット／秒以上の通信速度が実用になってきており、これを受けて、基幹部品である光変調器の広帯域化が求められている。進行波型光変調器は、光導波路を進行する光波と光導波路に沿って設けた電極を進行するマイクロ波とが電気光学効果による相互作用をすることで光波を変調する光変調器であり、光波とマイクロ波との速度整合をとることにより、広帯域化を図ることができる。速度整合を実現する方法として、従来、光導波路基板上に設けた低誘電率のバッファ層の上に電極を形成した構成が用いられてきたが、この構成では、光導波路に印加される電界がバッファ層の存在によって小さくなってしまうため、駆動電圧を低電圧化できないという欠点がある。
【０００３】
この欠点を改善するために、図５のような光導波路基板を薄板化した進行波型光変調器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図５において、光導波路１０４が形成された光導波路基板１０１は、接着剤層１０３により保持基板１０２に固着されて保持されている。光導波路基板１０１の厚さは１０μｍ程度以下であり、通常のもの（例えば厚さ０．５ｍｍ）よりも薄型である。接着剤層１０３としては、その誘電率が光導波路基板１０１よりも低いものを用い、その厚さを、電極１０５から印加される電界の接着剤層１０３への漏れが大きくなるよう十分に厚く（例えば１０μｍ〜２００μｍ）する。このような構成では、電極１０５からの電界が低誘電率の接着剤層１０３の内部に漏れ出すことによってマイクロ波に対する等価屈折率（その値は光波に対する等価屈折率より大きい）が光導波路基板１０１の厚さが厚い場合と比べて小さくなる。このように等価屈折率の値の差が小さくなるので、光波とマイクロ波の速度が整合した状態に近付き、広帯域化が実現する。それとともに、この構成では光導波路基板１０１上にバッファ層を設けることなく速度整合が可能なので、光導波路１０４に印加される電界の強度が低下してしまうことがなく、駆動電圧の低電圧化も同時に実現することができる。
【０００４】
しかしながら、図５の構成とした場合、接着剤層１０３の厚さが厚いため次のような点が問題になる。第１に、接着剤層が厚いとその接着強度が低下してしまう。第２に、接着剤の硬化時に紫外線照射や加熱によってその温度が上昇し、その後硬化して温度が下がると応力が発生するが、接着剤層が厚いと発生する応力も大きくなってしまう。第３に、接着剤層を厚く形成することは、基板の平行出しや接着剤の液だれ防止など製造上難しい工程を含むため、コスト高になってしまう。
【０００５】
こうした問題に対処するための技術として、特許文献２，３に示されるような樹脂基板を用いた構造が提案されている。当該構造によれば、厚い接着層を用いずに済むため、貼り合せ時の平行出しが行いやすく、さらに、硬化時の接着剤の収縮の影響が小さい、といった工程上や特性上のメリットがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２１５５１９号公報
【特許文献２】特開２００９−２１０６３３号公報
【特許文献３】特開２００９−２１０６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
樹脂基板を用いた特許文献２，３の構造において、樹脂基板の熱膨張係数（線膨張係数。以下同様）は光導波路基板の熱膨張係数に近い値であることが、製造工程上もデバイスの特性上も望ましい。ここで、一般に、樹脂の熱膨張係数は等方性であるのに対して、光導波路基板には熱膨張係数が異方性を持つものが用いられることもある。例えば、後述するＬＮ基板の場合、熱膨張係数はＺ軸方向が２ｐｐｍ／℃、Ｘ方向やＹ方向が１６ｐｐｍ／℃である。そのため、ＺカットではなくＸカットやＹカットのＬＮ基板を用いた場合には、基板面内に大きな異方性が存在することになり、基板面内の各方向においてこのＬＮ基板と樹脂基板の熱膨張係数を合わせることが不可能である。
このようなことから、従来の光導波路デバイスは、光導波路基板の内部に熱膨張係数の差に起因する応力が発生し、デバイス特性が劣化してしまうおそれがあった。また、この応力は、光導波路基板と樹脂基板の間の接着剤層を薄くすることにより低減することはできるものの、完全にゼロにすることは難しい。このため、光導波路基板と樹脂基板を貼り合わせる（接着する）工程において一定の割合で不良品（初期動作点シフトやひび割れ等）が発生してしまう。そしてこのような不良品の発生は、光導波路基板が薄型になるにつれて顕著となる。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱膨張係数の差に起因して光導波路基板の内部に発生する応力を低減することのできる光導波路デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の光導波路デバイスは、厚さ３０μｍ以下の光導波路基板と、前記光導波路基板を保持する保持基板と、を有し、前記光導波路基板と前記保持基板が接着剤層によって接着された光導波路デバイスであって、前記保持基板は、前記光導波路基板より誘電率が低い液晶ポリマからなる基板であり、前記光導波路基板と前記保持基板の熱膨張係数はそれぞれ基板面内に異方性を有し、前記光導波路基板の前記異方性の軸方向と前記保持基板の前記異方性の軸方向が揃うように、前記光導波路基板と前記保持基板の相対的向きが調整されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、上記の光導波路デバイスにおいて、前記光導波路基板の前記異方性の軸方向のうち熱膨張係数の大きい方の軸と小さい方の軸が、それぞれ前記保持基板の前記異方性の軸方向のうち熱膨張係数の大きい方の軸と小さい方の軸と一致するように、前記光導波路基板と前記保持基板の相対的向きが調整されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、上記の光導波路デバイスにおいて、前記保持基板を樹脂製の筐体に取り付けたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、上記の光導波路デバイスにおいて、前記液晶ポリマからなる保持基板の前記筐体と接する側の熱膨張係数が前記筐体の熱膨張係数とほぼ等しいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、熱膨張係数の差に起因して光導波路基板の内部に発生する応力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態による進行波型の光変調器の断面構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による進行波型の光変調器の平面構成図である。
【図３】本発明の第２の実施形態による進行波型の光変調器の断面構成図である。
【図４】本発明の第２の実施形態による進行波型の光変調器の平面構成図である。
【図５】従来の進行波型の光変調器の断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
【００１６】
（第１の実施形態）
図１及び図２は、本発明の第１の実施形態による光導波路デバイスである進行波型の光変調器１０の断面構成図と平面構成図をそれぞれ示したものである。図１の断面構成図は、図２の平面構成図のＡ−Ａ’線に沿って切断した様子を表している。
【００１７】
図１，図２において、光変調器１０は、マッハツェンダー光導波路１５が形成された光導波路基板１１と、光導波路基板１１を保持する保持基板１３と、光導波路基板１１と保持基板１３との間に介挿された液晶ポリマ基板１２と、光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２とを接着固定する接着剤層１４と、光導波路基板１１上に形成された信号電極１６及び接地電極１７−１，１７−２と、を含んで構成されている。
【００１８】
光導波路基板１１は、電気光学効果を有する母結晶からその主軸Ｐと基板表面Ｓとが平行になるように切り出されたＸカットの基板であり、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板やタンタル酸リチウム（ＬＴ）基板等を用いることができる。このＸカットの光導波路基板１１に、入力導波路１５−３と分岐光導波路１５−１及び１５−２と出力導波路１５−４とからなるマッハツェンダー光導波路１５が、上記主軸Ｐと分岐光導波路１５−１及び１５−２とが垂直になるように（即ち図１において主軸Ｐが紙面内にくるように）して形成されている。光導波路基板１１の厚さは、例えば３０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下の厚さとする。このように光導波路基板１１を薄板化すると、電極１６，１７−１，１７−２により励起されて光導波路基板１１内を進行するマイクロ波に対する等価屈折率が小さくなって、分岐光導波路１５−１及び１５−２を進行する光波に対する等価屈折率との差が小さくなる。これにより、光波とマイクロ波との速度整合がとれた状態、あるいは速度差が小さい状態となり、光変調器１０の広帯域化が実現される。
【００１９】
以下では、光導波路基板１１にＬＮ基板を用いるものとする。ＬＮ基板の熱膨張係数（線膨張係数。以下同様）は、Ｚ軸（主軸Ｐ）方向が２ｐｐｍ／℃、Ｘ方向（図の上下方向、つまり基板面に垂直な方向）やＹ方向（図の紙面垂直方向、つまり導波路の伝搬方向）が１６ｐｐｍ／℃である。
【００２０】
液晶ポリマ基板１２は、その誘電率（実部）が光導波路基板１１の誘電率よりも低い特性を持った樹脂製の基板であり、上記のようにマイクロ波に対する等価屈折率を小さくするために用いられる。なお、マイクロ波の損失を抑えるため、複素誘電率の虚部が小さいことが好ましい。
【００２１】
ここで、液晶ポリマは、その成形時における樹脂の流動方向とそれに垂直な方向とで熱膨張係数が異なり、この２つの方向の熱膨張係数は、樹脂流し込みの速度や流し込み口の形状などにより制御することが可能である。理想的には、液晶ポリマ基板１２の各軸方向の熱膨張係数が、光導波路基板１１の各軸方向の熱膨張係数と同等の値であることが望ましいが、現状、そのような物性の液晶ポリマは存在しない。そのため、本実施形態では、液晶ポリマ基板１２の直交する２軸方向の熱膨張係数は、光導波路基板１１の直交する２軸方向（Ｚ軸とＸ軸の２軸、または、Ｚ軸とＹ軸の２軸）の熱膨張係数の比と近い値を持つように調整されている。具体例として、光導波路基板１１（ＬＮ基板）が上述の熱膨張係数（比の値は８）を有しているとすると、液晶ポリマ基板１２の熱膨張係数は、ポリフェニリンサルファイド系の樹脂（誘電率＝４．６）を用いて、成形時の樹脂流動方向が７ｐｐｍ／℃、これと垂直な方向が６０ｐｐｍ／℃となるように、調整されている。そして、液晶ポリマ基板１２は、熱膨張係数が７ｐｐｍ／℃の方向が光導波路基板１１（ＬＮ基板）のＺ軸（主軸Ｐ）方向に沿い、熱膨張係数が６０ｐｐｍ／℃の方向が光導波路基板１１（ＬＮ基板）のＸ軸方向またはＹ軸方向に沿うように、光導波路基板１１に対する相対的な向きが設定されている。これにより、熱膨張係数の差に起因して光導波路基板１１の内部に発生する応力を低減でき、温度変化にともなう特性の安定性を向上することができる。
なお、液晶ポリマ基板１２の２軸方向の熱膨張係数の比は光導波路基板１１の２軸方向の熱膨張係数の比に完全に合わせなくてもよく、実用上問題のない特性が得られる範囲で、熱膨張係数の比の差が存在していてもよい。
光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２の熱膨張係数の差は小さいことが望ましいが、熱膨張係数の２軸の異方性の方向を一致させる（揃える）ことが最も重要である。そして、２軸のうち、熱膨張係数が大きい方の軸方向において、光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２の熱膨張係数の差を小さくすることがより望ましい。
【００２２】
液晶ポリマ基板１２の厚さは、電極１６，１７−１，１７−２によって発生するマイクロ波の電界が液晶ポリマ基板１２の内部に大きく漏れ出すように、十分に厚く、例えば５０μｍ以上の厚さとする。これにより、マイクロ波に対する等価屈折率を小さくすることができる。なお、厚さの上限については特に制限はない。また、液晶ポリマは、その成形条件によっては板厚の方向において熱膨張係数に若干の分布が見られることもあるが、液晶ポリマ基板１２全体として見たときの熱膨張係数の異方性が光導波路基板１１と近ければ、液晶ポリマ基板１２内部に局所的な熱膨張係数の分布があってもデバイスの特性上問題はない。
【００２３】
光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２とは、接着剤層１４によって接着固定されている。接着剤層１４を形成する接着剤には、紫外線を照射することによって硬化する紫外線硬化型の接着剤や、加熱によって硬化する熱硬化型の接着剤を用いることができる。
【００２４】
接着剤層１４は、光変調器１０の信頼性を向上させる必要性から、その厚さを十分に薄くすることが望ましく、例えば２０μｍ以下、好ましくは９μｍ以下、より好ましくは１μｍ以下の厚さとなるように形成する。厚さが３０μｍを超えると、前述したように貼り合せ時の平行出しが困難になる。また、一般に接着剤層は薄く形成した方が接着強度は大きくなるので、このように接着剤層１４を薄くすることにより、光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２とを信頼性の上で問題がない程度に十分な強度で接着固定することができる。また、接着剤の硬化時に、紫外線照射や加熱によってその温度が上昇しその後硬化して温度が下がり応力が発生するが、接着剤層１４の厚さが薄く、熱膨張係数の２軸の異方性の方向が一致していれば、発生する応力を低減することができ、貼り合わせ時の歩留まりを向上することが可能である。なお、接着にあたっては、光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２は、接着強度が十分に発現するよう、適切な方法で洗浄や表面処理をしておくことが望ましい。
【００２５】
接着剤層１４の厚さが熱ドリフト（測定温度−４０℃〜８５℃での駆動電圧の変化）に与える影響を測定したところ、次の結果を得た。この評価に使用した液晶ポリマ基板１２の熱膨張係数は、Ｚ軸方向が７ｐｐｍ／℃、Ｘ方向とＹ方向が６０ｐｐｍ／℃である。
接着剤層の厚さ（μｍ） 熱ドリフト（Ｖ）
１ ０．３
２ ０．５
３ ０．４
４ ０．１
５ ０．４
一方、液晶ポリマ基板１２に代えてアクリル系樹脂基板（誘電率＝４．０）を採用した構造（特許文献２，３）のデバイスについて同様の測定を行ったところ、次の結果を得た。
接着剤層の厚さ（μｍ） 熱ドリフト（Ｖ）
３ ２．１
４ ２．９
５ ３．０
熱ドリフトの一般的な許容値は３．０Ｖ以下である。従来の樹脂基板（アクリル系）を用いても許容範囲内の特性は得られるが、液晶ポリマ基板１２を用いた構造の方が良好な特性を得られることが分かる。
【００２６】
保持基板１３は、液晶ポリマ基板１２を介して光導波路基板１１を保持する基板であり、光導波路基板１１をしっかりと保持できるようにするため、その厚さは十分に厚く、例えば２００μｍ以上、好ましくは０．５〜１．０ｍｍ程度とする。保持基板１３の材質には、環境温度が変動した際に光導波路基板１１の内部に応力が発生しないよう、あるいは発生する応力が低減されるよう、その熱膨張係数が光導波路基板１１の熱膨張係数と近い材質のものを使用する。光導波路基板１１と保持基板１３とが同材質であれば尚更好ましい。例えば、光導波路基板１１がＬＮ基板である場合には、保持基板１３の材質として、石英やアルミナ、光導波路基板１１と結晶方位が同じＬＮ基板を利用することができる。
【００２７】
液晶ポリマ基板１２と保持基板１３との固定方法は、本発明では特に限定されるものではなく、例えば、接着剤層１４と同様の接着剤を用いて接着固定する方法、液晶ポリマ基板１２を加熱によって粘着性が生じる材質からなるものとし、この液晶ポリマ基板１２を加熱して保持基板１３に固着させる方法、液晶ポリマ基板１２と保持基板１３を機械的に固定（例えばネジ止め）する方法、等を適用することができる。
【００２８】
マッハツェンダー光導波路１５は、例えば、チタン（Ｔｉ）等の金属を光導波路基板１１の内部に熱拡散させる方法、光導波路基板１１内部の原子（ＬＮ基板の場合、リチウム（Ｌｉ）原子）をプロトンと交換する方法、光導波路基板１１をリッジ状に形成し、該リッジ部に光を導波させる方法、等を用いて作製することができる。
【００２９】
光導波路基板１１上に形成される各電極１６，１７−１，１７−２は、光導波路基板１１内にマイクロ波を進行させて分岐光導波路１５−１及び１５−２中を伝搬する光波を変調するための電極であり、信号電極１６が分岐光導波路１５−１と１５−２の間に配置され、接地電極１７−１及び１７−２がそれぞれ分岐光導波路１５−１，１５−２を挟んで信号電極１６と対向するようにして配置される。この配置により、分岐光導波路１５−１及び１５−２の内部では、マイクロ波の電界が主軸Ｐ方向の主成分を持つようになる。上述したとおり、光導波路基板１１の下部に設けられた液晶ポリマ基板１２によって速度整合をとる構成であるので、各電極１６，１７−１，１７−２は光導波路基板１１上に直接形成する構成としている。このため、分岐光導波路１５−１及び１５−２に印加されるマイクロ波の電界の強度が低下せず、駆動電圧を低電圧化できる。なお、各電極１６，１７−１，１７−２へ入力する変調電圧は、外部の高周波電源３０から供給される。
【００３０】
（第２の実施形態）
図３及び図４は、本発明の第２の実施形態による光導波路デバイスである進行波型の光変調器２０の断面構成図と平面構成図をそれぞれ示したものである。図３の断面構成図は、図４の平面構成図のＡ−Ａ’線に沿って切断した様子を表している。
【００３１】
図３，図４において、光変調器２０は、マッハツェンダー光導波路２５が形成された光導波路基板２１と、光導波路基板２１を保持する保持基板である液晶ポリマ基板２２と、光導波路基板２１と液晶ポリマ基板２２とを接着固定する接着剤層２４と、光導波路基板２１上に形成された信号電極２６及び接地電極２７−１，２７−２と、液晶ポリマ基板２２を固定するパッケージ用筐体２３と、を含んで構成されている。
【００３２】
光導波路基板２１は、電気光学効果を有する母結晶からその主軸Ｐと基板表面Ｓとが平行になるように切り出されたＸカットの基板であり、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板やタンタル酸リチウム（ＬＴ）基板等を用いることができる。このＸカットの光導波路基板２１に、入力導波路２５−３と分岐光導波路２５−１及び２５−２と出力導波路２５−４とからなるマッハツェンダー光導波路２５が、上記主軸Ｐと分岐光導波路２５−１及び２５−２とが垂直になるように（即ち図３において主軸Ｐが紙面内にくるように）して形成されている。光導波路基板２１の厚さは、例えば３０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下の厚さとする。このように光導波路基板２１を薄板化すると、電極２６，２７−１，２７−２により励起されて光導波路基板２１内を進行するマイクロ波に対する等価屈折率が小さくなって、分岐光導波路２５−１及び２５−２を進行する光波に対する等価屈折率との差が小さくなる。これにより、光波とマイクロ波との速度整合がとれた状態、あるいは速度差が小さい状態となり、光変調器２０の広帯域化が実現される。
【００３３】
以下では、光導波路基板２１にＬＮ基板を用いるものとする。ＬＮ基板の熱膨張係数は、Ｚ軸（主軸Ｐ）方向が２ｐｐｍ／℃、Ｘ方向（図の上下方向、つまり基板面に垂直な方向）やＹ方向（図の紙面垂直方向、つまり導波路の伝搬方向）が１６ｐｐｍ／℃である。
【００３４】
液晶ポリマ基板２２は、上記のようにマイクロ波に対する等価屈折率を小さくする目的と、光導波路基板２１を保持する目的のために用いられる基板である。液晶ポリマ基板２２の材質には、その誘電率（実部）が光導波路基板２１の誘電率よりも低い特性を有するものを用いる。なお、マイクロ波の損失を抑えるため、複素誘電率の虚部が小さいことが好ましい。
【００３５】
ここで、液晶ポリマは、その成形時における樹脂の流動方向とそれに垂直な方向とで熱膨張係数が異なり、この２つの方向の熱膨張係数は、樹脂流し込みの速度や流し込み口の形状などにより制御することが可能である。理想的には、液晶ポリマ基板１２の各軸方向の熱膨張係数が、光導波路基板１１の各軸方向の熱膨張係数と同等の値であることが望ましいが、現状、そのような物性の液晶ポリマは存在しない。そのため、本実施形態では、液晶ポリマ基板２２の直交する２軸方向の熱膨張係数は、光導波路基板２１の直交する２軸方向（Ｚ軸とＸ軸の２軸、または、Ｚ軸とＹ軸の２軸）の熱膨張係数の比と近い値を持つように調整されている。具体例として、光導波路基板２１（ＬＮ基板）が上述の熱膨張係数（比の値は８）を有しているとすると、液晶ポリマ基板２２の熱膨張係数は、ポリフェニリンサルファイド系の樹脂を用いて、成形時の樹脂流動方向が７ｐｐｍ／℃、これと垂直な方向が６０ｐｐｍ／℃となるように、調整されている。そして、液晶ポリマ基板２２は、熱膨張係数が７ｐｐｍ／℃の方向が光導波路基板２１（ＬＮ基板）のＺ軸（主軸Ｐ）方向に沿い、熱膨張係数が６０ｐｐｍ／℃の方向が光導波路基板２１（ＬＮ基板）のＸ軸方向またはＹ軸方向に沿うように、光導波路基板２１に対する相対的な向きが設定されている。これにより、熱膨張係数の差に起因して光導波路基板２１の内部に発生する応力を低減でき、温度変化にともなう特性の安定性を向上することができる。
なお、液晶ポリマ基板２２の２軸方向の熱膨張係数の比は光導波路基板２１の２軸方向の熱膨張係数の比に完全に合わせなくてもよく、実用上問題のない特性が得られる範囲で、熱膨張係数の比の差が存在していてもよい。
光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２の熱膨張係数の差は小さいことが望ましいが、熱膨張係数の２軸の異方性の方向を一致させる（揃える）ことが最も重要である。そして、２軸のうち、熱膨張係数が大きい方の軸方向において、光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２の熱膨張係数の差を小さくすることがより望ましい。
【００３６】
液晶ポリマ基板２２の厚さは、電極２６，２７−１，２７−２によって発生するマイクロ波の電界が液晶ポリマ基板２２の内部に大きく漏れ出すように、また、光導波路基板２１をしっかりと保持できるように、十分に厚く、例えば５０μｍ以上、好ましくは０．５〜１．０ｍｍ程度とする。なお、厚さの上限については特に制限はない。また、液晶ポリマは、その成形条件によっては板厚の方向において熱膨張係数に若干の分布が見られることもあるが、液晶ポリマ基板２２全体として見たときの熱膨張係数の異方性が光導波路基板２１と近ければ、液晶ポリマ基板２２内部に局所的な熱膨張係数の分布があってもデバイスの特性上問題はない。
【００３７】
光導波路基板２１と液晶ポリマ基板２２とは、接着剤層２４によって接着固定されている。接着剤層２４を形成する接着剤には、紫外線を照射することによって硬化する紫外線硬化型の接着剤や、加熱によって硬化する熱硬化型の接着剤を用いることができる。
【００３８】
接着剤層２４は、光変調器２０の信頼性を向上させる必要性から、その厚さを十分に薄くすることが望ましく、例えば２０μｍ以下、好ましくは９μｍ以下、より好ましくは１μｍ以下の厚さとなるように形成する。厚さが３０μｍを超えると、前述したように貼り合せ時の平行出しが困難になる。また、一般に接着剤層は薄く形成した方が接着強度は大きくなるので、このように接着剤層２４を薄くすることにより、光導波路基板２１と液晶ポリマ基板２２とを信頼性の上で問題がない程度に十分な強度で接着固定することができる。また、接着剤の硬化時に、紫外線照射や加熱によってその温度が上昇しその後硬化して温度が下がり応力が発生するが、接着剤層２４の厚さが薄いと発生する応力を低減することができる。なお、接着にあたっては、光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２は、接着強度が十分に発現するよう、適切な方法で洗浄や表面処理をしておくことが望ましい。
【００３９】
接着剤層２４に用いる接着剤の誘電率は、接着剤層２４の厚さを１μｍより厚くする場合には、液晶ポリマ基板２２と同様に（マイクロ波に対する等価屈折率を小さくするため）光導波路基板２１の誘電率よりも低いことが必要である。これは、厚さが１μｍより厚いと接着剤層２４がマイクロ波の等価屈折率に与える影響が大きいからである。一方、接着剤層２４の厚さを１μｍ以下とする場合には、接着剤層２４がマイクロ波の等価屈折率に与える影響は無視できる程度となるので、接着剤層２４に用いる接着剤の誘電率は光導波路基板２１の誘電率より高くてもかまわない。
【００４０】
パッケージ用筐体２３は、破損防止や信頼性確保などのために光導波路基板２１、液晶ポリマ基板２２、及び各電極２６，２７−１，２７−２からなる部分を外界から隔離して収納する部材であり、その内部底面に設けられた凸部（台座）に液晶ポリマ基板２２が固定して取り付けられている。なお、図３では、パッケージ用筐体２３の底面の一部と凸部のみを示している。
【００４１】
パッケージ用筐体２３の材質は、光変調器２０の低コスト化を図るために樹脂製とする。このとき、液晶ポリマ基板２２のパッケージ用筐体２３側の熱膨張係数とパッケージ用筐体２３に用いる樹脂材料の熱膨張係数とが近い値を持つように、パッケージ用筐体２３の樹脂材料と液晶ポリマ基板２２の成形条件を選ぶ。上述したように、液晶ポリマ基板２２は光導波路基板２１側の熱膨張係数が異方性を持つように成形する必要があるが、成形条件を制御することにより、熱膨張係数を板厚方向に変化させることも可能であり、熱膨張係数が光導波路基板２１側では異方性を有し、パッケージ用筐体２３側では等方性を有するような液晶ポリマ基板２２も作製可能である。このようにすることで、環境温度が変動した際に光導波路基板２１の内部に発生する応力を低減することができる。したがって、光変調器２０の特性を劣化させることなく、パッケージ用筐体２３を樹脂製とすることによる低コスト化を実現可能である。
【００４２】
具体例として、例えば、パッケージ用筐体２３の樹脂材料には、ポリカーボネイト（熱膨張係数＝７０ｐｐｍ／℃）やノリル（熱膨張係数＝２．５ｐｐｍ／℃）を用いることができる。ポリカーボネイトを用いた場合には、液晶ポリマ基板２２の材料には、二液性熱硬化エポキシ接着剤（熱膨張係数＝６３×１０−６／Ｋ）を利用することができる。ノリルを用いた場合には、液晶ポリマ基板２２の樹脂材料には、紫外線硬化型エポキシ接着剤（熱膨張係数＝２０×１０−６／Ｋ）を利用することができる。
【００４３】
液晶ポリマ基板２２とパッケージ用筐体２３との固定方法は、本発明では特に限定されるものではなく、例えば、上記接着剤層２４と同様の接着剤を用いて接着固定する方法、液晶ポリマ基板２２を加熱によって粘着性が生じる材質からなるものとし、この液晶ポリマ基板２２を加熱してパッケージ用筐体２３に固着させる方法、液晶ポリマ基板２２とパッケージ用筐体２３を機械的に固定（例えばネジ止め）する方法、等を適用することができる。
【００４４】
マッハツェンダー光導波路２５は、例えば、チタン（Ｔｉ）等の金属を光導波路基板２１の内部に熱拡散させる方法、光導波路基板２１内部の原子（ＬＮ基板の場合、リチウム（Ｌｉ）原子）をプロトンと交換する方法、光導波路基板２１をリッジ状に形成し、該リッジ部に光を導波させる方法、等を用いて作製することができる。
【００４５】
光導波路基板２１上に形成される各電極２６，２７−１，２７−２は、光導波路基板２１内にマイクロ波を進行させて分岐光導波路２５−１及び２５−２中を伝搬する光波を変調するための電極であり、信号電極２６が分岐光導波路２５−１と２５−２の間に配置され、接地電極２７−１及び２７−２がそれぞれ分岐光導波路２５−１，２５−２を挟んで信号電極２６と対向するようにして配置される。この配置により、分岐光導波路２５−１及び２５−２の内部では、マイクロ波の電界が主軸Ｐ方向の主成分を持つようになる。上述したとおり、光導波路基板２１の下部に設けられた液晶ポリマ基板２２によって速度整合をとる構成であるので、各電極２６，２７−１，２７−２は光導波路基板２１上に直接形成する構成としている。このため、分岐光導波路２５−１及び２５−２に印加されるマイクロ波の電界の強度が低下せず、駆動電圧を低電圧化できる。なお、各電極２６，２７−１，２７−２へ入力する変調電圧は、外部の高周波電源３０から供給される。
【００４６】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、マッハツェンダー光導波路１５，２５や各電極１６，１７−１，１７−２，２６，２７−１，２７−２の具体的な構成は、上述したものに限られず、必要に応じて適宜、変更してもよい。
また、液晶ポリマ基板１２，２２について、誘電率が光導波路基板１１，２１より低いこと及び複素誘電率の虚部が低いことをデバイス特性確保の要件としたが、熱膨張係数や機械的強度の調整のために、適宜フィラーや骨材を混合して誘電率や複素誘電率を上昇させても、デバイスの特性低下が実用的範囲内におさまるのであれば、差し支えない。
【符号の説明】
【００４７】
１０，２０…光変調器 １１，２１…光導波路基板 １２，２２…液晶ポリマ基板 １３…保持基板 ２３…パッケージ用筐体 １４，２４…接着剤層 １５，２５…マッハツェンダー光導波路 １５−１，１５−２，２５−１，２５−２…分岐光導波路 １５−３，２５−３…入力導波路 １５−４，２５−４…出力導波路 １６，２６…信号電極 １７−１，１７−２，２７−１，２７−２…接地電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路デバイス、特に光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信システムの高速大容量化が進んで１波長当り４０ギガビット／秒以上の通信速度が実用になってきており、これを受けて、基幹部品である光変調器の広帯域化が求められている。進行波型光変調器は、光導波路を進行する光波と光導波路に沿って設けた電極を進行するマイクロ波とが電気光学効果による相互作用をすることで光波を変調する光変調器であり、光波とマイクロ波との速度整合をとることにより、広帯域化を図ることができる。速度整合を実現する方法として、従来、光導波路基板上に設けた低誘電率のバッファ層の上に電極を形成した構成が用いられてきたが、この構成では、光導波路に印加される電界がバッファ層の存在によって小さくなってしまうため、駆動電圧を低電圧化できないという欠点がある。
【０００３】
この欠点を改善するために、図５のような光導波路基板を薄板化した進行波型光変調器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図５において、光導波路１０４が形成された光導波路基板１０１は、接着剤層１０３により保持基板１０２に固着されて保持されている。光導波路基板１０１の厚さは１０μｍ程度以下であり、通常のもの（例えば厚さ０．５ｍｍ）よりも薄型である。接着剤層１０３としては、その誘電率が光導波路基板１０１よりも低いものを用い、その厚さを、電極１０５から印加される電界の接着剤層１０３への漏れが大きくなるよう十分に厚く（例えば１０μｍ〜２００μｍ）する。このような構成では、電極１０５からの電界が低誘電率の接着剤層１０３の内部に漏れ出すことによってマイクロ波に対する等価屈折率（その値は光波に対する等価屈折率より大きい）が光導波路基板１０１の厚さが厚い場合と比べて小さくなる。このように等価屈折率の値の差が小さくなるので、光波とマイクロ波の速度が整合した状態に近付き、広帯域化が実現する。それとともに、この構成では光導波路基板１０１上にバッファ層を設けることなく速度整合が可能なので、光導波路１０４に印加される電界の強度が低下してしまうことがなく、駆動電圧の低電圧化も同時に実現することができる。
【０００４】
しかしながら、図５の構成とした場合、接着剤層１０３の厚さが厚いため次のような点が問題になる。第１に、接着剤層が厚いとその接着強度が低下してしまう。第２に、接着剤の硬化時に紫外線照射や加熱によってその温度が上昇し、その後硬化して温度が下がると応力が発生するが、接着剤層が厚いと発生する応力も大きくなってしまう。第３に、接着剤層を厚く形成することは、基板の平行出しや接着剤の液だれ防止など製造上難しい工程を含むため、コスト高になってしまう。
【０００５】
こうした問題に対処するための技術として、特許文献２，３に示されるような樹脂基板を用いた構造が提案されている。当該構造によれば、厚い接着層を用いずに済むため、貼り合せ時の平行出しが行いやすく、さらに、硬化時の接着剤の収縮の影響が小さい、といった工程上や特性上のメリットがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２１５５１９号公報
【特許文献２】特開２００９−２１０６３３号公報
【特許文献３】特開２００９−２１０６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
樹脂基板を用いた特許文献２，３の構造において、樹脂基板の熱膨張係数（線膨張係数。以下同様）は光導波路基板の熱膨張係数に近い値であることが、製造工程上もデバイスの特性上も望ましい。ここで、一般に、樹脂の熱膨張係数は等方性であるのに対して、光導波路基板には熱膨張係数が異方性を持つものが用いられることもある。例えば、後述するＬＮ基板の場合、熱膨張係数はＺ軸方向が２ｐｐｍ／℃、Ｘ方向やＹ方向が１６ｐｐｍ／℃である。そのため、ＺカットではなくＸカットやＹカットのＬＮ基板を用いた場合には、基板面内に大きな異方性が存在することになり、基板面内の各方向においてこのＬＮ基板と樹脂基板の熱膨張係数を合わせることが不可能である。
このようなことから、従来の光導波路デバイスは、光導波路基板の内部に熱膨張係数の差に起因する応力が発生し、デバイス特性が劣化してしまうおそれがあった。また、この応力は、光導波路基板と樹脂基板の間の接着剤層を薄くすることにより低減することはできるものの、完全にゼロにすることは難しい。このため、光導波路基板と樹脂基板を貼り合わせる（接着する）工程において一定の割合で不良品（初期動作点シフトやひび割れ等）が発生してしまう。そしてこのような不良品の発生は、光導波路基板が薄型になるにつれて顕著となる。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱膨張係数の差に起因して光導波路基板の内部に発生する応力を低減することのできる光導波路デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の光導波路デバイスは、厚さ３０μｍ以下の光導波路基板と、前記光導波路基板を保持する保持基板と、を有し、前記光導波路基板と前記保持基板が接着剤層によって接着された光導波路デバイスであって、前記保持基板は、前記光導波路基板より誘電率が低い液晶ポリマからなる基板であり、前記光導波路基板と前記保持基板の熱膨張係数はそれぞれ基板面内に異方性を有し、前記光導波路基板の前記異方性の軸方向と前記保持基板の前記異方性の軸方向が揃うように、前記光導波路基板と前記保持基板の相対的向きが調整されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、上記の光導波路デバイスにおいて、前記光導波路基板の前記異方性の軸方向のうち熱膨張係数の大きい方の軸と小さい方の軸が、それぞれ前記保持基板の前記異方性の軸方向のうち熱膨張係数の大きい方の軸と小さい方の軸と一致するように、前記光導波路基板と前記保持基板の相対的向きが調整されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、上記の光導波路デバイスにおいて、前記保持基板を樹脂製の筐体に取り付けたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、上記の光導波路デバイスにおいて、前記液晶ポリマからなる保持基板の前記筐体と接する側の熱膨張係数が前記筐体の熱膨張係数とほぼ等しいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、熱膨張係数の差に起因して光導波路基板の内部に発生する応力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態による進行波型の光変調器の断面構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による進行波型の光変調器の平面構成図である。
【図３】本発明の第２の実施形態による進行波型の光変調器の断面構成図である。
【図４】本発明の第２の実施形態による進行波型の光変調器の平面構成図である。
【図５】従来の進行波型の光変調器の断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
【００１６】
（第１の実施形態）
図１及び図２は、本発明の第１の実施形態による光導波路デバイスである進行波型の光変調器１０の断面構成図と平面構成図をそれぞれ示したものである。図１の断面構成図は、図２の平面構成図のＡ−Ａ’線に沿って切断した様子を表している。
【００１７】
図１，図２において、光変調器１０は、マッハツェンダー光導波路１５が形成された光導波路基板１１と、光導波路基板１１を保持する保持基板１３と、光導波路基板１１と保持基板１３との間に介挿された液晶ポリマ基板１２と、光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２とを接着固定する接着剤層１４と、光導波路基板１１上に形成された信号電極１６及び接地電極１７−１，１７−２と、を含んで構成されている。
【００１８】
光導波路基板１１は、電気光学効果を有する母結晶からその主軸Ｐと基板表面Ｓとが平行になるように切り出されたＸカットの基板であり、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板やタンタル酸リチウム（ＬＴ）基板等を用いることができる。このＸカットの光導波路基板１１に、入力導波路１５−３と分岐光導波路１５−１及び１５−２と出力導波路１５−４とからなるマッハツェンダー光導波路１５が、上記主軸Ｐと分岐光導波路１５−１及び１５−２とが垂直になるように（即ち図１において主軸Ｐが紙面内にくるように）して形成されている。光導波路基板１１の厚さは、例えば３０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下の厚さとする。このように光導波路基板１１を薄板化すると、電極１６，１７−１，１７−２により励起されて光導波路基板１１内を進行するマイクロ波に対する等価屈折率が小さくなって、分岐光導波路１５−１及び１５−２を進行する光波に対する等価屈折率との差が小さくなる。これにより、光波とマイクロ波との速度整合がとれた状態、あるいは速度差が小さい状態となり、光変調器１０の広帯域化が実現される。
【００１９】
以下では、光導波路基板１１にＬＮ基板を用いるものとする。ＬＮ基板の熱膨張係数（線膨張係数。以下同様）は、Ｚ軸（主軸Ｐ）方向が２ｐｐｍ／℃、Ｘ方向（図の上下方向、つまり基板面に垂直な方向）やＹ方向（図の紙面垂直方向、つまり導波路の伝搬方向）が１６ｐｐｍ／℃である。
【００２０】
液晶ポリマ基板１２は、その誘電率（実部）が光導波路基板１１の誘電率よりも低い特性を持った樹脂製の基板であり、上記のようにマイクロ波に対する等価屈折率を小さくするために用いられる。なお、マイクロ波の損失を抑えるため、複素誘電率の虚部が小さいことが好ましい。
【００２１】
ここで、液晶ポリマは、その成形時における樹脂の流動方向とそれに垂直な方向とで熱膨張係数が異なり、この２つの方向の熱膨張係数は、樹脂流し込みの速度や流し込み口の形状などにより制御することが可能である。理想的には、液晶ポリマ基板１２の各軸方向の熱膨張係数が、光導波路基板１１の各軸方向の熱膨張係数と同等の値であることが望ましいが、現状、そのような物性の液晶ポリマは存在しない。そのため、本実施形態では、液晶ポリマ基板１２の直交する２軸方向の熱膨張係数は、光導波路基板１１の直交する２軸方向（Ｚ軸とＸ軸の２軸、または、Ｚ軸とＹ軸の２軸）の熱膨張係数の比と近い値を持つように調整されている。具体例として、光導波路基板１１（ＬＮ基板）が上述の熱膨張係数（比の値は８）を有しているとすると、液晶ポリマ基板１２の熱膨張係数は、ポリフェニリンサルファイド系の樹脂（誘電率＝４．６）を用いて、成形時の樹脂流動方向が７ｐｐｍ／℃、これと垂直な方向が６０ｐｐｍ／℃となるように、調整されている。そして、液晶ポリマ基板１２は、熱膨張係数が７ｐｐｍ／℃の方向が光導波路基板１１（ＬＮ基板）のＺ軸（主軸Ｐ）方向に沿い、熱膨張係数が６０ｐｐｍ／℃の方向が光導波路基板１１（ＬＮ基板）のＸ軸方向またはＹ軸方向に沿うように、光導波路基板１１に対する相対的な向きが設定されている。これにより、熱膨張係数の差に起因して光導波路基板１１の内部に発生する応力を低減でき、温度変化にともなう特性の安定性を向上することができる。
なお、液晶ポリマ基板１２の２軸方向の熱膨張係数の比は光導波路基板１１の２軸方向の熱膨張係数の比に完全に合わせなくてもよく、実用上問題のない特性が得られる範囲で、熱膨張係数の比の差が存在していてもよい。
光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２の熱膨張係数の差は小さいことが望ましいが、熱膨張係数の２軸の異方性の方向を一致させる（揃える）ことが最も重要である。そして、２軸のうち、熱膨張係数が大きい方の軸方向において、光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２の熱膨張係数の差を小さくすることがより望ましい。
【００２２】
液晶ポリマ基板１２の厚さは、電極１６，１７−１，１７−２によって発生するマイクロ波の電界が液晶ポリマ基板１２の内部に大きく漏れ出すように、十分に厚く、例えば５０μｍ以上の厚さとする。これにより、マイクロ波に対する等価屈折率を小さくすることができる。なお、厚さの上限については特に制限はない。また、液晶ポリマは、その成形条件によっては板厚の方向において熱膨張係数に若干の分布が見られることもあるが、液晶ポリマ基板１２全体として見たときの熱膨張係数の異方性が光導波路基板１１と近ければ、液晶ポリマ基板１２内部に局所的な熱膨張係数の分布があってもデバイスの特性上問題はない。
【００２３】
光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２とは、接着剤層１４によって接着固定されている。接着剤層１４を形成する接着剤には、紫外線を照射することによって硬化する紫外線硬化型の接着剤や、加熱によって硬化する熱硬化型の接着剤を用いることができる。
【００２４】
接着剤層１４は、光変調器１０の信頼性を向上させる必要性から、その厚さを十分に薄くすることが望ましく、例えば２０μｍ以下、好ましくは９μｍ以下、より好ましくは１μｍ以下の厚さとなるように形成する。厚さが３０μｍを超えると、前述したように貼り合せ時の平行出しが困難になる。また、一般に接着剤層は薄く形成した方が接着強度は大きくなるので、このように接着剤層１４を薄くすることにより、光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２とを信頼性の上で問題がない程度に十分な強度で接着固定することができる。また、接着剤の硬化時に、紫外線照射や加熱によってその温度が上昇しその後硬化して温度が下がり応力が発生するが、接着剤層１４の厚さが薄く、熱膨張係数の２軸の異方性の方向が一致していれば、発生する応力を低減することができ、貼り合わせ時の歩留まりを向上することが可能である。なお、接着にあたっては、光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２は、接着強度が十分に発現するよう、適切な方法で洗浄や表面処理をしておくことが望ましい。
【００２５】
接着剤層１４の厚さが熱ドリフト（測定温度−４０℃〜８５℃での駆動電圧の変化）に与える影響を測定したところ、次の結果を得た。この評価に使用した液晶ポリマ基板１２の熱膨張係数は、Ｚ軸方向が７ｐｐｍ／℃、Ｘ方向とＹ方向が６０ｐｐｍ／℃である。
接着剤層の厚さ（μｍ） 熱ドリフト（Ｖ）
１ ０．３
２ ０．５
３ ０．４
４ ０．１
５ ０．４
一方、液晶ポリマ基板１２に代えてアクリル系樹脂基板（誘電率＝４．０）を採用した構造（特許文献２，３）のデバイスについて同様の測定を行ったところ、次の結果を得た。
接着剤層の厚さ（μｍ） 熱ドリフト（Ｖ）
３ ２．１
４ ２．９
５ ３．０
熱ドリフトの一般的な許容値は３．０Ｖ以下である。従来の樹脂基板（アクリル系）を用いても許容範囲内の特性は得られるが、液晶ポリマ基板１２を用いた構造の方が良好な特性を得られることが分かる。
【００２６】
保持基板１３は、液晶ポリマ基板１２を介して光導波路基板１１を保持する基板であり、光導波路基板１１をしっかりと保持できるようにするため、その厚さは十分に厚く、例えば２００μｍ以上、好ましくは０．５〜１．０ｍｍ程度とする。保持基板１３の材質には、環境温度が変動した際に光導波路基板１１の内部に応力が発生しないよう、あるいは発生する応力が低減されるよう、その熱膨張係数が光導波路基板１１の熱膨張係数と近い材質のものを使用する。光導波路基板１１と保持基板１３とが同材質であれば尚更好ましい。例えば、光導波路基板１１がＬＮ基板である場合には、保持基板１３の材質として、石英やアルミナ、光導波路基板１１と結晶方位が同じＬＮ基板を利用することができる。
【００２７】
液晶ポリマ基板１２と保持基板１３との固定方法は、本発明では特に限定されるものではなく、例えば、接着剤層１４と同様の接着剤を用いて接着固定する方法、液晶ポリマ基板１２を加熱によって粘着性が生じる材質からなるものとし、この液晶ポリマ基板１２を加熱して保持基板１３に固着させる方法、液晶ポリマ基板１２と保持基板１３を機械的に固定（例えばネジ止め）する方法、等を適用することができる。
【００２８】
マッハツェンダー光導波路１５は、例えば、チタン（Ｔｉ）等の金属を光導波路基板１１の内部に熱拡散させる方法、光導波路基板１１内部の原子（ＬＮ基板の場合、リチウム（Ｌｉ）原子）をプロトンと交換する方法、光導波路基板１１をリッジ状に形成し、該リッジ部に光を導波させる方法、等を用いて作製することができる。
【００２９】
光導波路基板１１上に形成される各電極１６，１７−１，１７−２は、光導波路基板１１内にマイクロ波を進行させて分岐光導波路１５−１及び１５−２中を伝搬する光波を変調するための電極であり、信号電極１６が分岐光導波路１５−１と１５−２の間に配置され、接地電極１７−１及び１７−２がそれぞれ分岐光導波路１５−１，１５−２を挟んで信号電極１６と対向するようにして配置される。この配置により、分岐光導波路１５−１及び１５−２の内部では、マイクロ波の電界が主軸Ｐ方向の主成分を持つようになる。上述したとおり、光導波路基板１１の下部に設けられた液晶ポリマ基板１２によって速度整合をとる構成であるので、各電極１６，１７−１，１７−２は光導波路基板１１上に直接形成する構成としている。このため、分岐光導波路１５−１及び１５−２に印加されるマイクロ波の電界の強度が低下せず、駆動電圧を低電圧化できる。なお、各電極１６，１７−１，１７−２へ入力する変調電圧は、外部の高周波電源３０から供給される。
【００３０】
（第２の実施形態）
図３及び図４は、本発明の第２の実施形態による光導波路デバイスである進行波型の光変調器２０の断面構成図と平面構成図をそれぞれ示したものである。図３の断面構成図は、図４の平面構成図のＡ−Ａ’線に沿って切断した様子を表している。
【００３１】
図３，図４において、光変調器２０は、マッハツェンダー光導波路２５が形成された光導波路基板２１と、光導波路基板２１を保持する保持基板である液晶ポリマ基板２２と、光導波路基板２１と液晶ポリマ基板２２とを接着固定する接着剤層２４と、光導波路基板２１上に形成された信号電極２６及び接地電極２７−１，２７−２と、液晶ポリマ基板２２を固定するパッケージ用筐体２３と、を含んで構成されている。
【００３２】
光導波路基板２１は、電気光学効果を有する母結晶からその主軸Ｐと基板表面Ｓとが平行になるように切り出されたＸカットの基板であり、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板やタンタル酸リチウム（ＬＴ）基板等を用いることができる。このＸカットの光導波路基板２１に、入力導波路２５−３と分岐光導波路２５−１及び２５−２と出力導波路２５−４とからなるマッハツェンダー光導波路２５が、上記主軸Ｐと分岐光導波路２５−１及び２５−２とが垂直になるように（即ち図３において主軸Ｐが紙面内にくるように）して形成されている。光導波路基板２１の厚さは、例えば３０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下の厚さとする。このように光導波路基板２１を薄板化すると、電極２６，２７−１，２７−２により励起されて光導波路基板２１内を進行するマイクロ波に対する等価屈折率が小さくなって、分岐光導波路２５−１及び２５−２を進行する光波に対する等価屈折率との差が小さくなる。これにより、光波とマイクロ波との速度整合がとれた状態、あるいは速度差が小さい状態となり、光変調器２０の広帯域化が実現される。
【００３３】
以下では、光導波路基板２１にＬＮ基板を用いるものとする。ＬＮ基板の熱膨張係数は、Ｚ軸（主軸Ｐ）方向が２ｐｐｍ／℃、Ｘ方向（図の上下方向、つまり基板面に垂直な方向）やＹ方向（図の紙面垂直方向、つまり導波路の伝搬方向）が１６ｐｐｍ／℃である。
【００３４】
液晶ポリマ基板２２は、上記のようにマイクロ波に対する等価屈折率を小さくする目的と、光導波路基板２１を保持する目的のために用いられる基板である。液晶ポリマ基板２２の材質には、その誘電率（実部）が光導波路基板２１の誘電率よりも低い特性を有するものを用いる。なお、マイクロ波の損失を抑えるため、複素誘電率の虚部が小さいことが好ましい。
【００３５】
ここで、液晶ポリマは、その成形時における樹脂の流動方向とそれに垂直な方向とで熱膨張係数が異なり、この２つの方向の熱膨張係数は、樹脂流し込みの速度や流し込み口の形状などにより制御することが可能である。理想的には、液晶ポリマ基板１２の各軸方向の熱膨張係数が、光導波路基板１１の各軸方向の熱膨張係数と同等の値であることが望ましいが、現状、そのような物性の液晶ポリマは存在しない。そのため、本実施形態では、液晶ポリマ基板２２の直交する２軸方向の熱膨張係数は、光導波路基板２１の直交する２軸方向（Ｚ軸とＸ軸の２軸、または、Ｚ軸とＹ軸の２軸）の熱膨張係数の比と近い値を持つように調整されている。具体例として、光導波路基板２１（ＬＮ基板）が上述の熱膨張係数（比の値は８）を有しているとすると、液晶ポリマ基板２２の熱膨張係数は、ポリフェニリンサルファイド系の樹脂を用いて、成形時の樹脂流動方向が７ｐｐｍ／℃、これと垂直な方向が６０ｐｐｍ／℃となるように、調整されている。そして、液晶ポリマ基板２２は、熱膨張係数が７ｐｐｍ／℃の方向が光導波路基板２１（ＬＮ基板）のＺ軸（主軸Ｐ）方向に沿い、熱膨張係数が６０ｐｐｍ／℃の方向が光導波路基板２１（ＬＮ基板）のＸ軸方向またはＹ軸方向に沿うように、光導波路基板２１に対する相対的な向きが設定されている。これにより、熱膨張係数の差に起因して光導波路基板２１の内部に発生する応力を低減でき、温度変化にともなう特性の安定性を向上することができる。
なお、液晶ポリマ基板２２の２軸方向の熱膨張係数の比は光導波路基板２１の２軸方向の熱膨張係数の比に完全に合わせなくてもよく、実用上問題のない特性が得られる範囲で、熱膨張係数の比の差が存在していてもよい。
光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２の熱膨張係数の差は小さいことが望ましいが、熱膨張係数の２軸の異方性の方向を一致させる（揃える）ことが最も重要である。そして、２軸のうち、熱膨張係数が大きい方の軸方向において、光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２の熱膨張係数の差を小さくすることがより望ましい。
【００３６】
液晶ポリマ基板２２の厚さは、電極２６，２７−１，２７−２によって発生するマイクロ波の電界が液晶ポリマ基板２２の内部に大きく漏れ出すように、また、光導波路基板２１をしっかりと保持できるように、十分に厚く、例えば５０μｍ以上、好ましくは０．５〜１．０ｍｍ程度とする。なお、厚さの上限については特に制限はない。また、液晶ポリマは、その成形条件によっては板厚の方向において熱膨張係数に若干の分布が見られることもあるが、液晶ポリマ基板２２全体として見たときの熱膨張係数の異方性が光導波路基板２１と近ければ、液晶ポリマ基板２２内部に局所的な熱膨張係数の分布があってもデバイスの特性上問題はない。
【００３７】
光導波路基板２１と液晶ポリマ基板２２とは、接着剤層２４によって接着固定されている。接着剤層２４を形成する接着剤には、紫外線を照射することによって硬化する紫外線硬化型の接着剤や、加熱によって硬化する熱硬化型の接着剤を用いることができる。
【００３８】
接着剤層２４は、光変調器２０の信頼性を向上させる必要性から、その厚さを十分に薄くすることが望ましく、例えば２０μｍ以下、好ましくは９μｍ以下、より好ましくは１μｍ以下の厚さとなるように形成する。厚さが３０μｍを超えると、前述したように貼り合せ時の平行出しが困難になる。また、一般に接着剤層は薄く形成した方が接着強度は大きくなるので、このように接着剤層２４を薄くすることにより、光導波路基板２１と液晶ポリマ基板２２とを信頼性の上で問題がない程度に十分な強度で接着固定することができる。また、接着剤の硬化時に、紫外線照射や加熱によってその温度が上昇しその後硬化して温度が下がり応力が発生するが、接着剤層２４の厚さが薄いと発生する応力を低減することができる。なお、接着にあたっては、光導波路基板１１と液晶ポリマ基板１２は、接着強度が十分に発現するよう、適切な方法で洗浄や表面処理をしておくことが望ましい。
【００３９】
接着剤層２４に用いる接着剤の誘電率は、接着剤層２４の厚さを１μｍより厚くする場合には、液晶ポリマ基板２２と同様に（マイクロ波に対する等価屈折率を小さくするため）光導波路基板２１の誘電率よりも低いことが必要である。これは、厚さが１μｍより厚いと接着剤層２４がマイクロ波の等価屈折率に与える影響が大きいからである。一方、接着剤層２４の厚さを１μｍ以下とする場合には、接着剤層２４がマイクロ波の等価屈折率に与える影響は無視できる程度となるので、接着剤層２４に用いる接着剤の誘電率は光導波路基板２１の誘電率より高くてもかまわない。
【００４０】
パッケージ用筐体２３は、破損防止や信頼性確保などのために光導波路基板２１、液晶ポリマ基板２２、及び各電極２６，２７−１，２７−２からなる部分を外界から隔離して収納する部材であり、その内部底面に設けられた凸部（台座）に液晶ポリマ基板２２が固定して取り付けられている。なお、図３では、パッケージ用筐体２３の底面の一部と凸部のみを示している。
【００４１】
パッケージ用筐体２３の材質は、光変調器２０の低コスト化を図るために樹脂製とする。このとき、液晶ポリマ基板２２のパッケージ用筐体２３側の熱膨張係数とパッケージ用筐体２３に用いる樹脂材料の熱膨張係数とが近い値を持つように、パッケージ用筐体２３の樹脂材料と液晶ポリマ基板２２の成形条件を選ぶ。上述したように、液晶ポリマ基板２２は光導波路基板２１側の熱膨張係数が異方性を持つように成形する必要があるが、成形条件を制御することにより、熱膨張係数を板厚方向に変化させることも可能であり、熱膨張係数が光導波路基板２１側では異方性を有し、パッケージ用筐体２３側では等方性を有するような液晶ポリマ基板２２も作製可能である。このようにすることで、環境温度が変動した際に光導波路基板２１の内部に発生する応力を低減することができる。したがって、光変調器２０の特性を劣化させることなく、パッケージ用筐体２３を樹脂製とすることによる低コスト化を実現可能である。
【００４２】
具体例として、例えば、パッケージ用筐体２３の樹脂材料には、ポリカーボネイト（熱膨張係数＝７０ｐｐｍ／℃）やノリル（熱膨張係数＝２．５ｐｐｍ／℃）を用いることができる。ポリカーボネイトを用いた場合には、液晶ポリマ基板２２の材料には、二液性熱硬化エポキシ接着剤（熱膨張係数＝６３×１０−６／Ｋ）を利用することができる。ノリルを用いた場合には、液晶ポリマ基板２２の樹脂材料には、紫外線硬化型エポキシ接着剤（熱膨張係数＝２０×１０−６／Ｋ）を利用することができる。
【００４３】
液晶ポリマ基板２２とパッケージ用筐体２３との固定方法は、本発明では特に限定されるものではなく、例えば、上記接着剤層２４と同様の接着剤を用いて接着固定する方法、液晶ポリマ基板２２を加熱によって粘着性が生じる材質からなるものとし、この液晶ポリマ基板２２を加熱してパッケージ用筐体２３に固着させる方法、液晶ポリマ基板２２とパッケージ用筐体２３を機械的に固定（例えばネジ止め）する方法、等を適用することができる。
【００４４】
マッハツェンダー光導波路２５は、例えば、チタン（Ｔｉ）等の金属を光導波路基板２１の内部に熱拡散させる方法、光導波路基板２１内部の原子（ＬＮ基板の場合、リチウム（Ｌｉ）原子）をプロトンと交換する方法、光導波路基板２１をリッジ状に形成し、該リッジ部に光を導波させる方法、等を用いて作製することができる。
【００４５】
光導波路基板２１上に形成される各電極２６，２７−１，２７−２は、光導波路基板２１内にマイクロ波を進行させて分岐光導波路２５−１及び２５−２中を伝搬する光波を変調するための電極であり、信号電極２６が分岐光導波路２５−１と２５−２の間に配置され、接地電極２７−１及び２７−２がそれぞれ分岐光導波路２５−１，２５−２を挟んで信号電極２６と対向するようにして配置される。この配置により、分岐光導波路２５−１及び２５−２の内部では、マイクロ波の電界が主軸Ｐ方向の主成分を持つようになる。上述したとおり、光導波路基板２１の下部に設けられた液晶ポリマ基板２２によって速度整合をとる構成であるので、各電極２６，２７−１，２７−２は光導波路基板２１上に直接形成する構成としている。このため、分岐光導波路２５−１及び２５−２に印加されるマイクロ波の電界の強度が低下せず、駆動電圧を低電圧化できる。なお、各電極２６，２７−１，２７−２へ入力する変調電圧は、外部の高周波電源３０から供給される。
【００４６】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、マッハツェンダー光導波路１５，２５や各電極１６，１７−１，１７−２，２６，２７−１，２７−２の具体的な構成は、上述したものに限られず、必要に応じて適宜、変更してもよい。
また、液晶ポリマ基板１２，２２について、誘電率が光導波路基板１１，２１より低いこと及び複素誘電率の虚部が低いことをデバイス特性確保の要件としたが、熱膨張係数や機械的強度の調整のために、適宜フィラーや骨材を混合して誘電率や複素誘電率を上昇させても、デバイスの特性低下が実用的範囲内におさまるのであれば、差し支えない。
【符号の説明】
【００４７】
１０，２０…光変調器 １１，２１…光導波路基板 １２，２２…液晶ポリマ基板 １３…保持基板 ２３…パッケージ用筐体 １４，２４…接着剤層 １５，２５…マッハツェンダー光導波路 １５−１，１５−２，２５−１，２５−２…分岐光導波路 １５−３，２５−３…入力導波路 １５−４，２５−４…出力導波路 １６，２６…信号電極 １７−１，１７−２，２７−１，２７−２…接地電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ３０μｍ以下の光導波路基板と、
前記光導波路基板を保持する保持基板と、
を有し、前記光導波路基板と前記保持基板が接着剤層によって接着された光導波路デバイスであって、
前記保持基板は、前記光導波路基板より誘電率が低い液晶ポリマからなる基板であり、
前記光導波路基板と前記保持基板の熱膨張係数はそれぞれ基板面内に異方性を有し、前記光導波路基板の前記異方性の軸方向と前記保持基板の前記異方性の軸方向が揃うように、前記光導波路基板と前記保持基板の相対的向きが調整されている
ことを特徴とする光導波路デバイス。
【請求項２】
前記光導波路基板の前記異方性の軸方向のうち熱膨張係数の大きい方の軸と小さい方の軸が、それぞれ前記保持基板の前記異方性の軸方向のうち熱膨張係数の大きい方の軸と小さい方の軸と一致するように、前記光導波路基板と前記保持基板の相対的向きが調整されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
【請求項３】
前記保持基板を樹脂製の筐体に取り付けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光導波路デバイス。
【請求項４】
前記液晶ポリマからなる保持基板の前記筐体と接する側の熱膨張係数が前記筐体の熱膨張係数とほぼ等しいことを特徴とする請求項３に記載の光導波路デバイス。
【請求項１】
厚さ３０μｍ以下の光導波路基板と、
前記光導波路基板を保持する保持基板と、
を有し、前記光導波路基板と前記保持基板が接着剤層によって接着された光導波路デバイスであって、
前記保持基板は、前記光導波路基板より誘電率が低い液晶ポリマからなる基板であり、
前記光導波路基板と前記保持基板の熱膨張係数はそれぞれ基板面内に異方性を有し、前記光導波路基板の前記異方性の軸方向と前記保持基板の前記異方性の軸方向が揃うように、前記光導波路基板と前記保持基板の相対的向きが調整されている
ことを特徴とする光導波路デバイス。
【請求項２】
前記光導波路基板の前記異方性の軸方向のうち熱膨張係数の大きい方の軸と小さい方の軸が、それぞれ前記保持基板の前記異方性の軸方向のうち熱膨張係数の大きい方の軸と小さい方の軸と一致するように、前記光導波路基板と前記保持基板の相対的向きが調整されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
【請求項３】
前記保持基板を樹脂製の筐体に取り付けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光導波路デバイス。
【請求項４】
前記液晶ポリマからなる保持基板の前記筐体と接する側の熱膨張係数が前記筐体の熱膨張係数とほぼ等しいことを特徴とする請求項３に記載の光導波路デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２３４０３７（Ｐ２０１２−２３４０３７Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０２３９１（Ｐ２０１１−１０２３９１）
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（０００１８３２６６）住友大阪セメント株式会社 (1,342)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（０００１８３２６６）住友大阪セメント株式会社 (1,342)
【Ｆターム（参考）】
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