光機能素子及びその製造方法
【課題】製造を容易にし、歩留まりを向上させることができる光機能素子を提供する。
【解決手段】光源としての発光素子１２と、光導波路２０が形成された誘電体基板１４と、光を電気に変換する受光素子１６と、を備えて、発光素子１２からの光を外部電気信号によって変調し、その変調された光を受光素子１６により電気信号として出力する。光導波路２０は、誘電体基板１４の表面１４ａに形成された、入力導波路部分２０ａと、該入力導波路部分２０ａから分かれ外部電気信号によって変調を受ける分岐導波路部分２０ｂ、２０ｃと、該変調部分に繋がる出力導波路部分２０ｄとからなる。光導波路２０は、複数組の光導波路２０Ａ，２０Ｂが誘電体基板１４に形成されており、各組の２つの分岐導波路部分２０ｂ、２０ｃの設計長さの差異が互いに異なるように設計される。発光素子１２及び受光素子１６は、上記複数組の光導波路の中で選択され、所望のバイヤス位相差を発生させることができる光導波路に結合するように配置される。
【解決手段】光源としての発光素子１２と、光導波路２０が形成された誘電体基板１４と、光を電気に変換する受光素子１６と、を備えて、発光素子１２からの光を外部電気信号によって変調し、その変調された光を受光素子１６により電気信号として出力する。光導波路２０は、誘電体基板１４の表面１４ａに形成された、入力導波路部分２０ａと、該入力導波路部分２０ａから分かれ外部電気信号によって変調を受ける分岐導波路部分２０ｂ、２０ｃと、該変調部分に繋がる出力導波路部分２０ｄとからなる。光導波路２０は、複数組の光導波路２０Ａ，２０Ｂが誘電体基板１４に形成されており、各組の２つの分岐導波路部分２０ｂ、２０ｃの設計長さの差異が互いに異なるように設計される。発光素子１２及び受光素子１６は、上記複数組の光導波路の中で選択され、所望のバイヤス位相差を発生させることができる光導波路に結合するように配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源としての発光素子と、光導波路が形成された誘電体基板と、光を電気に変換する受光素子と、を備えて、光源からの光を外部電気信号によって変調し、その変調された光を受光素子により電気信号として出力する光機能素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の変調機能を持つ光機能素子としては、特許文献１または２に記載されたものが知られており、これらの特許文献に記載された構成は概ね図２３に示すものとなっている。
【０００３】
図において、１１２は光源としての発光素子、１１４は誘電体基板、１１６は受光素子であり、誘電体基板１１４上には、光導波路１２０が形成されて、光導波路１２０は、例えば、マッハツェンダ型の光干渉器を構成しており、発光素子１１２と受光素子１１６は、光導波路１２０の両側に対向するように配置されている。
【０００４】
そして、発光素子１１２から出力された光は集光レンズ１２２によって集光されて、誘電体基板１１４の端面から光導波路１２０の一端へと入射される。光導波路１２０において、２つの分岐導波路部分に分岐され、外部電気信号によって、一方の分岐導波路部分において、または両方の分岐導波路部分において逆の変調を受けた後、再び合波されて、光導波路１２０の他端から出射し、集光レンズ１２４によって集光されて、受光素子１１６によって受光される。
【０００５】
所望のバイヤス位相差をつけて、変調の感度を高めるために、２つの分岐導波路部分は所定の長さの差異を持つように設計される。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２７４２７号公報
【特許文献２】特開２００３−１３１１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記長さの差異は数十ｎｍ程度の非常に僅かな差であるために、前記所望のバイヤス位相差を得るために要求される加工精度は非常に高く、製造が困難で歩留まりが悪い、という問題がある。
【０００８】
本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、その目的は、製造を容易にし、歩留まりを向上させることができる光機能素子及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、光源としての発光素子と、光導波路が形成された誘電体基板と、光を電気に変換する受光素子と、を備えて、前記光導波路は、前記誘電体基板にそれぞれ形成された、入力導波路部分と、該入力導波路部分から分かれた２つの分岐導波路部分と、該分岐導波路部分が合流した出力導波路部分とからなり、前記発光素子からの光を、前記外部電気信号によって分岐導波路部分の少なくともいずれか一方において変調し、その変調された光を前記受光素子により電気信号として出力する光機能素子において、
前記光導波路は、複数の組が前記誘電体基板に形成されており、各組の２つの分岐導波路部分の設計長さの差異が組ごとで異なるように設計されており、
前記発光素子及び前記受光素子は、上記複数組形成された光導波路の中のうちの選択された光導波路に結合するように配置されることを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のものにおいて、ある組の２つの分岐導波路部分の設計長さの差異が、使用する光の波長λに対して１／４λに相当する長さであるのに対して、別の組の２つの分岐導波路部分の設計長さの差異が０であることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の前記複数組の光導波路が、前記誘電体基板の表面にそれぞれ形成され、前記発光素子は、該誘電体基板の裏面側から前記表面に対して直交する方向に沿って前記入力導波路部分の始端に向けて光を出射するものであり、
前記入力導波路部分の前記始端には、前記表面に対して直交する方向からの光を入力導波路部分に向ける変向手段が設けられることを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、光源としての発光素子と、光導波路が形成された誘電体基板と、光を電気に変換する受光素子と、を備えて、前記発光素子からの光を外部電気信号によって変調し、その変調された光を前記受光素子により電気信号として出力する光機能素子の製造方法において、
同一の誘電体基板に、入力導波路部分と、該入力導波路部分から分かれた２つの分岐導波路部分と、該分岐導波路部分が合流した出力導波路部分とからなる光導波路を、複数組形成し、その際に、各組の２つの分岐導波路部分の設計長さの差異が互いに異なるようにし、各組の前記入力導波路部分の始端が近接するようにし、
発光素子からの光をすべての組の前記入力導波路部分の始端に向けて出射して、すべての光導波路に光を伝搬させると共に、各組の前記分岐導波路部分に順次、周波数ｆ０の変調信号を印加し前記出力導波路部分の終端に到達した光を受光素子で受光し、該受光素子で変換された電気信号から周波数ｆ０成分と周波数２ｆ０成分とを検波し、周波数ｆ０成分が周波数２ｆ０成分に対して最も優勢となる組を選択し、
選択された光導波路に対して発光素子の最終位置決めを行い、発光素子からの光が選択された光導波路に結合されて、選択された光導波路にのみ光が伝搬されるようにし、且つ外部電気信号を選択された光導波路に印加するようにする、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の方法において、前記複数組の光導波路を、前記誘電体基板の表面にそれぞれ形成し、前記発光素子に、誘電体基板の裏面側から前記表面に対して直交する方向に沿って前記入力導波路部分の始端に向けて光を出射させるようにし、
前記入力導波路部分の前記始端には、前記表面に対して直交する方向からの光を入力導波路部分に向ける変向手段を設けることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
少なくとも一方が外部電気信号により変調を受ける２つの分岐導波路部分において所望のバイヤス位相差が発生するように、２つの分岐導波路部分の長さの差異を設計通りに作製することは非常に困難であるが、２つの分岐導波路部分の設計長さの差異が異なる複数組の光導波路を同じ誘電体基板に同時に作製することによって、製造誤差があっても、いずれかの光導波路の２つの分岐導波路部分の差異を、バイヤス位相差が所望の位相差またはそれに近い位相差となるようにすることができるため、その所望の位相差となる光導波路を選択して使用することで、歩留りを向上させることができる。
【００１５】
また、請求項３及び５記載の発明によれば、発光素子からの光点の位置を誘電体基板の表面内における位置として視覚的に捉えることができるので、その光点の位置を前記入力導波路部分の始端に合わせることによって、容易に発光素子の最終位置決めを行うことができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の光機能素子の全体斜視図であり、図２はその破断斜視図、図３は平面図、図４は縦断面図である。
【００１７】
図において、光機能素子１０は、光源としての発光素子１２と、光導波路が形成された誘電体基板１４と、光を電気に変換する受光素子１６と、を備えている。
【００１８】
発光素子１２は、発光ダイオード、レーザを用いることができ、その中でも、スーパールミネセントダイオード、面発光レーザなどを使用することができる。受光素子１６は、フォトダイオードを用いることができる。
【００１９】
誘電体基板１４は、電気光学効果を持つ誘電体結晶、例えばニオブ酸リチウムから構成され、ｘカットで、その表面１４ａにｙ軸方向に沿ってチタン拡散又はアニールドプロトン交換により約５μｍ程度の幅のシングルモードの光導波路２０が形成される。
【００２０】
光導波路２０は、誘電体基板１４の板面に平行な平面である表面１４ａに互いにほぼ平行に形成された２組の光導波路２０Ａ、２０Ｂからなる。各光導波路２０Ａ，２０Ｂは、それぞれ１つの入力導波路部分２０ａと、該入力導波路部分２０ａからＹ分岐により分かれ変調部分を構成する２つの分岐導波路部分２０ｂ、２０ｃと、２つの分岐導波路部分２０ｂ、２０ｃがＹ分岐により合流された１つの出力導波路部分２０ｄとからなる。
【００２１】
光導波路２０Ａと光導波路２０Ｂは、ほぼ同一の構成を成しているが、光導波路２０Ａの分岐導波路部分２０ｂ、２０ｃの長さが、使用する光の光導波路内での波長λに対して１／４λ分だけ互いに異なるように設計されているのに対して、光導波路２０Ｂの分岐導波路部分２０ｂ、２０ｃは同じ長さ、即ち差異が０となるように設計されている。
【００２２】
２つの分岐導波路部分２０ｂ、２０ｃは変調部分を構成しており、各分岐導波路部分２０ｂ、２０ｃを挟み、一対の電極２２、２４が形成されている。
【００２３】
各光導波路２０Ａ、２０Ｂの入力導波路部分２０ａは一部折曲し、それらの始端が、互いに接近するように配置される。同様に、各光導波路２０Ａ、２０Ｂの出力導波路部分２０ｂは一部折曲し、それらの終端が、互いに接近するように配置される。
【００２４】
誘電体基板１４の表面１４ａには、各光導波路２０Ａ、２０Ｂの入力導波路部分２０ａに直交するようにして、表面１４ａに対して４５度の傾斜角度をなす斜面を持つ断面Ｖ字状の切り込み１４ｃが形成され、出力導波路部分２０ｄに直交するようにして、表面１４ａに対して４５度の傾斜角度をなす斜面を持つ断面Ｖ字状の切り込み１４ｄが形成される。この切り込み１４ｃ、１４ｄは、誘電体基板１４として切り出す前のウエハに対するダイシング作業で複数の誘電体基板１４に渡り一括して形成することが可能である。
【００２５】
Ｖ字状の切り込み１４ｃの入力導波路部分２０ａと接する側の傾斜角度４５度の斜面（入力導波路部分２０ａの始端となる）には、図５に示したように、反射膜が付着されて、変向手段を構成するミラー２６が形成される。ミラー２６は、各光導波路２０Ａ、２０Ｂの入力導波路部分２０ａ毎に形成しても、または全光導波路２０Ａ、２０Ｂの入力導波路部分２０ａに渡り形成してもよい。
【００２６】
同様に、Ｖ字状の切り込み１４ｄの出力導波路部分２０ｄと接する側の傾斜角度４５度の斜面（出力導波路部分２０ｄの終端となる）には、反射膜が付着されて、第２変向手段を構成するミラー２８が形成される。ミラー２８は、各光導波路２０Ａ、２０Ｂの出力導波路部分２０ｄ毎に形成しても、または全光導波路２０Ａ、２０Ｂの出力導波路部分２０ｄに渡り形成してもよい。
【００２７】
それぞれの反射膜は金蒸着により形成することができ、反射膜を形成した後、Ｖ字状の切り込みは、誘電体基板１４と屈折率が等しいか近似する屈折率を持つ物質で充填されるとよい。但し、図面においては、この充填物質は図示省略とする。変向手段としてのミラー２６、２８としては、反射膜から構成する他に、図６に示すような４５度の傾斜溝に挿入したマイクロミラーで構成することも可能である。または、光導波路部分２０ａ、２０ｄの端部の傾斜面自体で大きな反射率がある場合には、それ自体を変向手段として、別個の反射膜等の手段は省略可能である。
【００２８】
誘電体基板１４の裏面１４ｂ側には、全面的に反射防止膜（ＡＲコート）が付着されているとよい。反射防止膜は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２膜から構成することができ、この膜の形成は誘電体基板１４として切り出す前のウエハに対して一括して形成することが可能である。
【００２９】
そして、誘電体基板１４の裏面側には、発光素子１２及び受光素子１６を支持するための取付板３０が設けられる。取付板３０は、放熱性のよいセラミックス又は金属で構成することができる。取付板３０には、図４に示すように、前記切り込み１４ｃ、１４ｄとその長手方向が一致する縦孔３０ａ、３０ｂが形成されている。
【００３０】
縦孔３０ａには、発光素子１２を保持するとともに誘電体基板１４に固着される高剛性の例えば金属製の筒状ホルダ３２が取り付けられる。筒状ホルダ３２は、縦孔３０ａの形状に合致した内断面形状をなしている。筒状ホルダ３２の上端にはフランジ３２ａが形成されており、フランジ３２ａが誘電体基板１４の下面に取り付けられて、誘電体基板１４に固着される。
【００３１】
フランジ３２ａの表面の一部には図７及び図８に示したように、環状溝３２ｂが形成されており、環状溝３２ｂ内には紫外線硬化樹脂が充填されており、該紫外線硬化樹脂を接着材として筒状ホルダ３２と誘電体基板１４とが接着される。紫外線硬化樹脂が紫外線の照射を受けて硬化した時に収縮することで、フランジ３２ａの環状溝３２ｂ以外の部分が、誘電体基板１４に対して接触して、フランジ面で誘電体基板１４を保持することができる。また、紫外線硬化樹脂が硬化する前に、該樹脂が筒状ホルダ３２の内側に浸み出すことを防ぐために、筒状ホルダ３２のフランジ３２ａの内周面の境界部分にＯリング、高表面張力材、などの水密保護部材３３（図８）を設けてもよい。こうして、環状溝３２ｂによって円周方向に亘り筒状ホルダ３２と誘電体基板１４とが接着されるために、誘電体基板１４の前記平面内の２軸方向において確実に固着を図ることができる。尚、環状溝３２ｂとする代わりに、図９に示したような、円周方向に等間隔で形成された複数の径方向溝３２ｃとすることも可能である。また、溝３２ｂ、３２ｃに紫外線硬化樹脂を充填する代わりに、フランジ面を誘電体基板１４に半田溶接することも可能である。尚、フランジ３２ａが全周に亘り誘電体基板１４に固着される必要はなく、図７（ｂ）に示すように、フランジ３２ａの一部は誘電体基板１４からはみ出すようになっていてもよい。
【００３２】
発光素子１２は、筒状ホルダ３２にレーザ溶接等により図１０に示すように、周方向に等間隔（通常１２０度間隔で３点）で溶接されて、誘電体基板１４の表面１４ａ及び裏面１４ｂに直交する方向に沿って前記複数組の光導波路２０Ａ、２０Ｂのうちの選択された光導波路の入力導波路部分２０ａの始端に向けて光を出射するようになっている。発光素子１２は、ＣＡＮタイプ、チップタイプのいずれのタイプのものも利用可能であるが、この図示例のようにＣＡＮタイプとすることによって、発光素子自体の気密性を図ることができ、別途の気密構造は不要となる。
【００３３】
発光素子１２と入力導波路部分２０ａの始端との間には集光レンズ３４が設けられる。集光レンズ３４によって、発光素子１２からの光を高効率で光導波路２０に結合させることができる。集光レンズ３４は、発光素子１２と別に筒状ホルダ３２の内周面に取り付けられてもよいが、ＣＡＮタイプの発光素子１２と一体になったものでも良く、または誘電体基板１４の裏面１４ｂに一体に固着されたものであってもよい。
【００３４】
図４に戻り、取付板３０の縦孔３０ｂには、受光素子１６を保持するとともに誘電体基板１４を支持する高剛性の金属製の筒状ホルダ３８が取り付けられる。筒状ホルダ３８の上端にはフランジ３８ａが形成されており、フランジ３８ａは誘電体基板１４の裏面１４ｂを支持している。但し、筒状ホルダ３８のフランジ３８ａは裏面１４ｂと接触するだけとなっており、裏面１４ｂに固定されない。これによって、誘電体基板１４をその一端にある筒状ホルダ３２によってのみ拘束し、温度変化・振動等による誘電体基板１４の応力の発生を防ぐ。但し、フランジ３８ａと裏面１４ｂとの間には、肉薄の弾性シートまたはコーティング３９が介挿されるとよい。
【００３５】
受光素子１６は、筒状ホルダ３８にレーザ溶接等により周方向に等間隔（通常１２０度間隔で３点）で溶接されて、誘電体基板１４の表面１４ａ及び裏面１４ｂに直交する方向に沿って前記複数組の光導波路２０Ａ、２０Ｂのうちの選択された光導波路の出力導波路部分２０ｄの終端からミラー２８を反射して伝搬した光を受光するようになっている。出力導波路部分２０ｄの終端と受光素子１６との間には集光レンズ４０が設けられる。発光素子１２と同様に、受光素子１６は、ＣＡＮタイプ、チップタイプのいずれのタイプのものも利用可能であるが、この図示例のようにＣＡＮタイプとすることによって、発光素子自体の気密性を図ることができ、別途の気密構造は不要となる。
【００３６】
集光レンズ４０は、受光素子１６と別に筒状ホルダ３８の内周面に取り付けられてもよいが、ＣＡＮタイプの受光素子１６と一体になったものでもよい。集光レンズ４０によって、光導波路２０からの光を高効率で受光素子１６に結合させることができる。
【００３７】
尚、筒状ホルダ３８を誘電体基板１４に直接的又は間接的に接触させる代わりに、図１４に示すように、離間させて、取付板３０と誘電体基板１４との間に弾性部材４１を介挿させることでもよい。弾性部材としてはＲＴＶゴム、テフロン（登録商標）等から構成することができる。
【００３８】
以下、２組の光導波路２０Ａ、２０Ｂのうち使用する光導波路をどのように選択するかについて説明する。
【００３９】
変調部分において、２つの分岐導波路部分２０ｂ、２０ｃの長さは、好ましくは１／４λ程度の長さの差異を設けることにより、９０度の所望のバイヤス位相差をつけて、変調の感度を高くすることが理想的である。よって、理想的に製造されていれば、光導波路２０Ａを選択することになる。しかしながら、数十ｎｍ程度の精度の加工は非常に困難であり、作製プロセス時の種々の要因により、設計通りに製造されないおそれがある。この実施形態では、変調部分である分岐導波路部分における１／４λと０の差異を持つ光導波路２０Ａ，２０Ｂを同じ誘電体基板１４上に同時に形成しているので、実際値が設計値からずれていても、その影響は同様に全ての光導波路に及ぶと考えられるから、いずれかの光導波路２０Ａ、２０Ｂのバイヤス位相差が所望の位相差またはそれに近いものとなっていることが期待できる。よって、実際のバイヤス位相差が所望の位相差となっている光導波路を選択する。
【００４０】
そのために、まず、発光素子１２を固着する前の段階で、発光素子１２を少し、誘電体基板１４から離してピントをずらすようにして、拡散光を２つの入力導波路部分２０ａ、２０ａの始端に照射し、弱いながらも両方の光導波路２０Ａ、２０Ｂに光が入るようにする。そして、それぞれの光導波路２０Ａ、２０Ｂの変調部分に順番に変調信号（周波数ｆ０）を印加する（図２０（ａ）、（ｂ））。この変調された光を受光素子１６で受光して、ｆ０成分と２ｆ０成分とを検波し、ｆ０成分と２ｆ０成分の割合から、バイヤス位相を判別する。バイヤス位相が９０度であればｆ０成分が優勢となり（図２０（ｃ））、バイヤス位相が０度であれば２ｆ０成分が優勢となる（図２０（ｄ））。図２０の例では、光導波路２０Ａを選択することになる。
【００４１】
光導波路２０が選択されると、発光素子１２の精密アライメント調整を行う。このとき、発光素子１２と筒状ホルダ３２の内周面との間のクリアランスを利用して、発光素子１２を調整する。
【００４２】
従来の構成のように、誘電体基板１４の端面から光を入射する構成であると、光導波路に結合されたかどうかの確認が視覚的手段によってできず、調整が困難であるという問題があるが、本実施形態では、誘電体基板１４の裏面側に発光素子１２が配置されているので、誘電体基板１４の表面側から発光素子１２からの光を視覚的に確認することで行うことができ、その調整を容易に行うことができる。
【００４３】
また、発光素子１２の発光面の集光レンズ３４により形成される像の面積が小さい（１０μｍ以下）ので確実に光導波路２０Ａ、２０Ｂの入力導波路部分２０ａの始端へ光を伝搬させることは通常困難であるが、誘電体基板１４の表面側から発光素子１２からの光を視覚的に確認することで行うことができるので、その調整も容易である。
【００４４】
調整作業をさらに容易にするため、図１１に示すように、誘電体基板１４の表面に各光導波路２０Ａ,２０Ｂに対応してマーク１４ｍをそれぞれ形成することもできる。このマーク１４ｍは、基板作製プロセスで同時に形成することが可能であり、Ｃｒ等でパターンニングするとよい。マーク１４ｍの位置は、ミラー２６の近傍で所定距離、所定の方向に離れた位置に決められる。
【００４５】
調整作業においては、誘電体基板１４の表面上方に設置したＣＣＤカメラにより、発光素子１２からの光が誘電体基板１４に当たった光点の位置を撮像し、筒状ホルダ３２内での発光素子１２の位置を調整する。ミラー２６に当たった光点を表面側から撮像することはできないので、まず、光点がマーク１４ｍに一致するように発光素子１２の表面１４ａに平行な面内の位置及び／または該平行な面に対する発光素子１２の傾きを調整し、且つマーク１４ｍの所でピントを結ぶように発光素子１２の上下位置を粗調整する。そして、図１２に示すように、光点がマーク１４ｍに一致してピントが合ったならば、発光素子１２の位置を前記マーク１４ｍから所定距離、所定の方向に移動させることで、ミラー２６の位置にくるように調整する。そして、位置決めされた状態で、前記レーザ溶接により、発光素子１２を筒状ホルダ３２に固着する。
【００４６】
マーク１４ｍの位置はミラー２６近傍の任意の位置とすることができるが、図１３に示すように光導波路２０を横切るように設けられてもよい。これによって、マーク１４ｍに沿って光導波路２０へと光点を移動させた後、光導波路２０に沿った方向に所定距離、移動させることで、光点をミラー２６の位置にくるように調整することができる。
【００４７】
受光素子１６の受光面は、発光素子１２の発光面に比較して大きい（１００μｍ以上）ので、発光素子１２の調整程の精密さは要求されない。そのため、選択された光導波路２０Ａ、２０Ｂの出力導波路部分２０ｄの終端に合致するように、発光素子１２と同様に受光素子１６を位置決めしてもよいが、単に、２つの光導波路２０Ａ、２０Ｂの出力導波路部分２０ｄの中点付近に整列するように受光素子１６を筒状ホルダ３８に固着することで十分である。
【００４８】
誘電体基板１４には、その表面１４ａの切り込み１４ｃ、１４ｄよりも外側に、それぞれ切り込み１４ｃ、１４ｄと平行な断面Ｖ字状の迷光防止用切り込み１４ｇ、１４ｈが形成され、裏面１４ｂには、図１５に示すように、前記切り込み１４ｃ、１４ｄと直交する方向に延びる断面Ｖ字状またはＵ字状の迷光防止用切り込み１４ｉ、１４ｊが形成されている。
【００４９】
以上のように構成される光機能素子１０においては、発光素子１２から誘電体基板１４の表面１４ａ及び裏面１４ｂに直交する方向に出射される光が集光レンズ３４によってミラー２６に集光され、ミラー２６で９０度変向されて、選択された光導波路２０の入力導波路部分２０ａを伝搬した後、分岐導波路部分２０ｂ、２０ｃに分岐される。
【００５０】
電極２２、２４に外部電気信号が入力されることにより、分岐導波路部分２０ｂ、２０ｃを伝搬する光に対して電気光学効果による屈折率の変化により互いに反対のプッシュプル位相変調がなされ、これらの変調された光が合波されて出力導波路部分２０ｄに出力されるようになっている。合波により、変調信号に応じた信号が出力されることになる。
【００５１】
出力導波路部分２０ｄを伝搬した光は、ミラー２８によって誘電体基板１４と直交する方向に変向されて、集光レンズ４０で集光されて、受光素子１６で受光されて電気信号に変換される。
【００５２】
このようにこの実施形態においては、複数組形成された光導波路のうち、所望のバイヤス位相差を発生させることができる光導波路を選択することで、簡単に光機能素子を製造することができ、歩留りを向上させることができる。尚、以上の例では、２組の光導波路を形成したが、分岐導波路部分の差異が異なる長さである３組以上の光導波路を形成することも可能であり、その設計差異の長さも任意の長さが可能である。しかしながら、最低限として、この例のように互いの分岐導波路部分の差異の差異がλ／４の２組の光導波路を形成すれば、いずれか一方が所望のバイヤス位相差に近いものとなることが期待できる。
【００５３】
その他、この実施形態では次の効果を奏することができる。
・発光素子１２から出射された光が９０度変向して、光導波路２０を伝搬し、光導波路２０の変調部分を経た光が９０度変向して受光素子１６に受光されており、出射方向と受光方向が１８０度異なるために、迷光を極力防ぐことができる。迷光防止用切り込み１４ｉ、１４ｊ、１４ｇ、１４ｈによって迷光をさらに防ぐことができる。
集光レンズ３４、４０によって、光の拡散を防ぐことにより、より一層迷光を防ぐことができ、発光素子と光導波路、及び光導波路と発光素子との間の結合効率を高めることができる。
【００５４】
・また、この実施形態においては、発光素子１２と誘電体基板１４との位置調整を表面側から視覚的にモニタリングすることができるので、高速且つ容易に、また必要に応じて自動的に調整作業を行うことができる。発光素子１２の光点を一致させるべきマーク１４ｍによって調整をより一層容易に行うことができる。上記に説明したように発光素子１２の位置を調整する代わりに、誘電体基板１４の位置を調整することとしてもよい。
・また、この実施形態においては、発光素子１２と受光素子１６としてＣＡＮタイプを使用することにより、素子の気密性を持たせることができる。
・また、この実施形態においては、誘電体基板１４の裏面から光を入射しており、誘電体基板１４の端面から光を入射する必要がないために、ウエハのダイシングによる切り出しによって粗面となった誘電体基板１４の端面を研磨する必要がない。
【００５５】
次に、図１６は、本発明の第２実施形態を表す図である。この例では、受光素子１６を誘電体基板１４の表面１４ａ側に配置しており、受光素子１６は、誘電体基板１４の表面１４ａ側に半田バンプ４２によって固着される。この構成によれば、受光素子１６としてベアチップタイプのものも使用することができるようになる。誘電体基板１４の表面１４ａには切り込み１４ｄ’が形成され、該切り込み１４ｄ’は、一方の面が表面１４ａに対して直交する面となり、他方の面が表面１４ａに対して４５度の角度となっている。そして、傾斜角度が４５度となった斜面には好ましくは反射膜が付着されて、第２変向手段を構成するミラー２８となっている。
【００５６】
または、図１７に示すように、切り込み１４ｄ’を形成する代わりに、誘電体基板１４の端面を４５度角度に傾斜させても良く、さらには、この出力導波路部分２０ｄの終端となる傾斜面にミラー２８となる反射膜を付着してもよい。
【００５７】
この例においても、第１実施形態と同様の作用・効果が得られる。この場合には、受光素子１６としてベアチップタイプも好適に使用することができ、縦孔３０ｂ、筒状ホルダ３８を省略することが可能である。受光素子１６については、その受光面が発光素子１２の発光面よりも大きく、調整が困難でないために、この例の構成でも、調整は容易に行うことができる。
【００５８】
図１８は、本発明の第３実施形態を表す図である。この例では、発光素子１２及び受光素子１６を誘電体基板１４の表面１４ａ側に配置しており、発光素子１２と受光素子１６は、誘電体基板１４の表側に半田バンプ４２によって固着される。この構成によれば、受光素子１２、１６としてベアチップタイプのものも使用することができるようになる。
【００５９】
誘電体基板１４の表面１４ａには切り込み１４ｃ’が形成され、該切り込み１４ｃ’は、一方の面が表面１４ａに対して直交する面となり、他方の面が表面１４ａに対して４５度の角度となっている。そして、傾斜角度が４５度となった斜面には好ましくは反射膜が付着されて、変向手段を構成するミラー２６となっている。また、切り込み１４ｄ’が形成され、該切り込み１４ｄ’は、一方の面が表面１４ａに対して直交する面となり、他方の面が表面１４ａに対して４５度の角度となっている。そして、傾斜角度が４５度となった斜面には好ましくは反射膜が付着されて、第２変向手段を構成するミラー２８となっている。
【００６０】
この例の場合には、発光素子１２及び受光素子１６と光導波路２０とが密接するので、レンズ３４、４０を不要とすることができる。
【００６１】
または、図１９に示すように、取付部品５０，５０を介して発光素子１２、１６を誘電体基板１４に取り付けることも可能である。
【００６２】
この例においても、第１実施形態と同じ効果を奏することができる。この例においては、表面１４ａ側から光点を捉えての発光素子１２の調整はできないが、発光素子１２及び受光素子１６がチップタイプであるので、その取り付けが容易であり、発光素子１２及び受光素子１６を誘電体基板１４の表面１４ａ側に貼り合わせることで、容易に行うことができる。さらには、発光素子１２及び受光素子１６を誘電体基板１４と併せて全体として平面基板とすることができるので取扱が容易となる。
【００６３】
図２１は本発明の第４実施形態を表す斜視図である。
誘電体基板１４は、ｚ軸方向に熱起電力が働く（焦電効果）ので、これを避けるために、誘電体基板１４の両側面を短絡する必要がある。そのための対策として、図２１に示すように誘電体基板１４の表面１４ａの光導波路２０の両側にさらに、金属パターン（例えば金パターン）１４ｎ、１４ｎを形成し、これらの金属パターン１４ｎ、１４ｎを光導波路２０に影響の出ない細いパターンで接続するか、またはワイヤーで接続するとよい。さらには、図２２に示すように、誘電体基板１４の両側面に導電性塗料１４ｏを金属パターン１４ｎに接触するように塗布するとよい。これによって、図４または図１４に示したような片持ちで誘電体基板１４を支持している場合にも誘電体基板１４の両側面の短絡を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の光機能素子の全体斜視図である。
【図２】図１の破断斜視図である。
【図３】図１の平面図（説明のため縦横の縮尺比は図１と変えている）である。
【図４】図１の縦断面図である。
【図５】（ａ）は入力導波路部分の始端付近または出力導波路部分の終端付近の拡大斜視図、（ｂ）は入力導波路部分の始端の拡大断面図である。
【図６】入力導波路部分の始端付近の他の例を表す拡大断面図である。
【図７】筒状ホルダと誘電体基板（仮想線で示す）との関係を示す平面図である。
【図８】筒状ホルダと誘電体基板の固着状態を示す部分断面図である。
【図９】筒状ホルダの他の例を表す部分斜視図である。
【図１０】発光素子と筒状ホルダとの固着状態を示す底面図である。
【図１１】発光素子の調整を表す説明斜視図である。
【図１２】マークと光点の拡大平面図である。
【図１３】別のマークと光導波路と光点の関係を表す拡大平面図である。
【図１４】変形例を表す縦断面図である。
【図１５】誘電体基板の裏面側の斜視図である。
【図１６】本発明の第２実施形態を表す縦断面図である。
【図１７】本発明の第２実施形態の変形例を表す縦断面図である。
【図１８】本発明の第３実施形態を表す縦断面図である。
【図１９】本発明の第３実施形態の変形例を表す縦断面図である。
【図２０】２つの光導波路による変調信号と出力信号の関係を表す波形図である。
【図２１】本発明の第４実施形態を表す誘電体基板の斜視図である。
【図２２】本発明の第４実施形態を表す誘電体基板の斜視図である。
【図２３】従来の光機能素子を表す平面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０ 光機能素子
１２ 発光素子
１４ 誘電体基板
１４ａ 表面
１４ｂ 裏面
１６ 受光素子
２０、２０Ａ、２０Ｂ 光導波路
２０ａ 入力導波路部分
２０ｂ 分岐導波路部分
２０ｃ 分岐導波路部分
２０ｄ 出力導波路部分
２６ ミラー（変向手段）
２８ ミラー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源としての発光素子と、光導波路が形成された誘電体基板と、光を電気に変換する受光素子と、を備えて、光源からの光を外部電気信号によって変調し、その変調された光を受光素子により電気信号として出力する光機能素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の変調機能を持つ光機能素子としては、特許文献１または２に記載されたものが知られており、これらの特許文献に記載された構成は概ね図２３に示すものとなっている。
【０００３】
図において、１１２は光源としての発光素子、１１４は誘電体基板、１１６は受光素子であり、誘電体基板１１４上には、光導波路１２０が形成されて、光導波路１２０は、例えば、マッハツェンダ型の光干渉器を構成しており、発光素子１１２と受光素子１１６は、光導波路１２０の両側に対向するように配置されている。
【０００４】
そして、発光素子１１２から出力された光は集光レンズ１２２によって集光されて、誘電体基板１１４の端面から光導波路１２０の一端へと入射される。光導波路１２０において、２つの分岐導波路部分に分岐され、外部電気信号によって、一方の分岐導波路部分において、または両方の分岐導波路部分において逆の変調を受けた後、再び合波されて、光導波路１２０の他端から出射し、集光レンズ１２４によって集光されて、受光素子１１６によって受光される。
【０００５】
所望のバイヤス位相差をつけて、変調の感度を高めるために、２つの分岐導波路部分は所定の長さの差異を持つように設計される。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２７４２７号公報
【特許文献２】特開２００３−１３１１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記長さの差異は数十ｎｍ程度の非常に僅かな差であるために、前記所望のバイヤス位相差を得るために要求される加工精度は非常に高く、製造が困難で歩留まりが悪い、という問題がある。
【０００８】
本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、その目的は、製造を容易にし、歩留まりを向上させることができる光機能素子及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、光源としての発光素子と、光導波路が形成された誘電体基板と、光を電気に変換する受光素子と、を備えて、前記光導波路は、前記誘電体基板にそれぞれ形成された、入力導波路部分と、該入力導波路部分から分かれた２つの分岐導波路部分と、該分岐導波路部分が合流した出力導波路部分とからなり、前記発光素子からの光を、前記外部電気信号によって分岐導波路部分の少なくともいずれか一方において変調し、その変調された光を前記受光素子により電気信号として出力する光機能素子において、
前記光導波路は、複数の組が前記誘電体基板に形成されており、各組の２つの分岐導波路部分の設計長さの差異が組ごとで異なるように設計されており、
前記発光素子及び前記受光素子は、上記複数組形成された光導波路の中のうちの選択された光導波路に結合するように配置されることを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のものにおいて、ある組の２つの分岐導波路部分の設計長さの差異が、使用する光の波長λに対して１／４λに相当する長さであるのに対して、別の組の２つの分岐導波路部分の設計長さの差異が０であることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の前記複数組の光導波路が、前記誘電体基板の表面にそれぞれ形成され、前記発光素子は、該誘電体基板の裏面側から前記表面に対して直交する方向に沿って前記入力導波路部分の始端に向けて光を出射するものであり、
前記入力導波路部分の前記始端には、前記表面に対して直交する方向からの光を入力導波路部分に向ける変向手段が設けられることを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、光源としての発光素子と、光導波路が形成された誘電体基板と、光を電気に変換する受光素子と、を備えて、前記発光素子からの光を外部電気信号によって変調し、その変調された光を前記受光素子により電気信号として出力する光機能素子の製造方法において、
同一の誘電体基板に、入力導波路部分と、該入力導波路部分から分かれた２つの分岐導波路部分と、該分岐導波路部分が合流した出力導波路部分とからなる光導波路を、複数組形成し、その際に、各組の２つの分岐導波路部分の設計長さの差異が互いに異なるようにし、各組の前記入力導波路部分の始端が近接するようにし、
発光素子からの光をすべての組の前記入力導波路部分の始端に向けて出射して、すべての光導波路に光を伝搬させると共に、各組の前記分岐導波路部分に順次、周波数ｆ０の変調信号を印加し前記出力導波路部分の終端に到達した光を受光素子で受光し、該受光素子で変換された電気信号から周波数ｆ０成分と周波数２ｆ０成分とを検波し、周波数ｆ０成分が周波数２ｆ０成分に対して最も優勢となる組を選択し、
選択された光導波路に対して発光素子の最終位置決めを行い、発光素子からの光が選択された光導波路に結合されて、選択された光導波路にのみ光が伝搬されるようにし、且つ外部電気信号を選択された光導波路に印加するようにする、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の方法において、前記複数組の光導波路を、前記誘電体基板の表面にそれぞれ形成し、前記発光素子に、誘電体基板の裏面側から前記表面に対して直交する方向に沿って前記入力導波路部分の始端に向けて光を出射させるようにし、
前記入力導波路部分の前記始端には、前記表面に対して直交する方向からの光を入力導波路部分に向ける変向手段を設けることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
少なくとも一方が外部電気信号により変調を受ける２つの分岐導波路部分において所望のバイヤス位相差が発生するように、２つの分岐導波路部分の長さの差異を設計通りに作製することは非常に困難であるが、２つの分岐導波路部分の設計長さの差異が異なる複数組の光導波路を同じ誘電体基板に同時に作製することによって、製造誤差があっても、いずれかの光導波路の２つの分岐導波路部分の差異を、バイヤス位相差が所望の位相差またはそれに近い位相差となるようにすることができるため、その所望の位相差となる光導波路を選択して使用することで、歩留りを向上させることができる。
【００１５】
また、請求項３及び５記載の発明によれば、発光素子からの光点の位置を誘電体基板の表面内における位置として視覚的に捉えることができるので、その光点の位置を前記入力導波路部分の始端に合わせることによって、容易に発光素子の最終位置決めを行うことができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の光機能素子の全体斜視図であり、図２はその破断斜視図、図３は平面図、図４は縦断面図である。
【００１７】
図において、光機能素子１０は、光源としての発光素子１２と、光導波路が形成された誘電体基板１４と、光を電気に変換する受光素子１６と、を備えている。
【００１８】
発光素子１２は、発光ダイオード、レーザを用いることができ、その中でも、スーパールミネセントダイオード、面発光レーザなどを使用することができる。受光素子１６は、フォトダイオードを用いることができる。
【００１９】
誘電体基板１４は、電気光学効果を持つ誘電体結晶、例えばニオブ酸リチウムから構成され、ｘカットで、その表面１４ａにｙ軸方向に沿ってチタン拡散又はアニールドプロトン交換により約５μｍ程度の幅のシングルモードの光導波路２０が形成される。
【００２０】
光導波路２０は、誘電体基板１４の板面に平行な平面である表面１４ａに互いにほぼ平行に形成された２組の光導波路２０Ａ、２０Ｂからなる。各光導波路２０Ａ，２０Ｂは、それぞれ１つの入力導波路部分２０ａと、該入力導波路部分２０ａからＹ分岐により分かれ変調部分を構成する２つの分岐導波路部分２０ｂ、２０ｃと、２つの分岐導波路部分２０ｂ、２０ｃがＹ分岐により合流された１つの出力導波路部分２０ｄとからなる。
【００２１】
光導波路２０Ａと光導波路２０Ｂは、ほぼ同一の構成を成しているが、光導波路２０Ａの分岐導波路部分２０ｂ、２０ｃの長さが、使用する光の光導波路内での波長λに対して１／４λ分だけ互いに異なるように設計されているのに対して、光導波路２０Ｂの分岐導波路部分２０ｂ、２０ｃは同じ長さ、即ち差異が０となるように設計されている。
【００２２】
２つの分岐導波路部分２０ｂ、２０ｃは変調部分を構成しており、各分岐導波路部分２０ｂ、２０ｃを挟み、一対の電極２２、２４が形成されている。
【００２３】
各光導波路２０Ａ、２０Ｂの入力導波路部分２０ａは一部折曲し、それらの始端が、互いに接近するように配置される。同様に、各光導波路２０Ａ、２０Ｂの出力導波路部分２０ｂは一部折曲し、それらの終端が、互いに接近するように配置される。
【００２４】
誘電体基板１４の表面１４ａには、各光導波路２０Ａ、２０Ｂの入力導波路部分２０ａに直交するようにして、表面１４ａに対して４５度の傾斜角度をなす斜面を持つ断面Ｖ字状の切り込み１４ｃが形成され、出力導波路部分２０ｄに直交するようにして、表面１４ａに対して４５度の傾斜角度をなす斜面を持つ断面Ｖ字状の切り込み１４ｄが形成される。この切り込み１４ｃ、１４ｄは、誘電体基板１４として切り出す前のウエハに対するダイシング作業で複数の誘電体基板１４に渡り一括して形成することが可能である。
【００２５】
Ｖ字状の切り込み１４ｃの入力導波路部分２０ａと接する側の傾斜角度４５度の斜面（入力導波路部分２０ａの始端となる）には、図５に示したように、反射膜が付着されて、変向手段を構成するミラー２６が形成される。ミラー２６は、各光導波路２０Ａ、２０Ｂの入力導波路部分２０ａ毎に形成しても、または全光導波路２０Ａ、２０Ｂの入力導波路部分２０ａに渡り形成してもよい。
【００２６】
同様に、Ｖ字状の切り込み１４ｄの出力導波路部分２０ｄと接する側の傾斜角度４５度の斜面（出力導波路部分２０ｄの終端となる）には、反射膜が付着されて、第２変向手段を構成するミラー２８が形成される。ミラー２８は、各光導波路２０Ａ、２０Ｂの出力導波路部分２０ｄ毎に形成しても、または全光導波路２０Ａ、２０Ｂの出力導波路部分２０ｄに渡り形成してもよい。
【００２７】
それぞれの反射膜は金蒸着により形成することができ、反射膜を形成した後、Ｖ字状の切り込みは、誘電体基板１４と屈折率が等しいか近似する屈折率を持つ物質で充填されるとよい。但し、図面においては、この充填物質は図示省略とする。変向手段としてのミラー２６、２８としては、反射膜から構成する他に、図６に示すような４５度の傾斜溝に挿入したマイクロミラーで構成することも可能である。または、光導波路部分２０ａ、２０ｄの端部の傾斜面自体で大きな反射率がある場合には、それ自体を変向手段として、別個の反射膜等の手段は省略可能である。
【００２８】
誘電体基板１４の裏面１４ｂ側には、全面的に反射防止膜（ＡＲコート）が付着されているとよい。反射防止膜は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２膜から構成することができ、この膜の形成は誘電体基板１４として切り出す前のウエハに対して一括して形成することが可能である。
【００２９】
そして、誘電体基板１４の裏面側には、発光素子１２及び受光素子１６を支持するための取付板３０が設けられる。取付板３０は、放熱性のよいセラミックス又は金属で構成することができる。取付板３０には、図４に示すように、前記切り込み１４ｃ、１４ｄとその長手方向が一致する縦孔３０ａ、３０ｂが形成されている。
【００３０】
縦孔３０ａには、発光素子１２を保持するとともに誘電体基板１４に固着される高剛性の例えば金属製の筒状ホルダ３２が取り付けられる。筒状ホルダ３２は、縦孔３０ａの形状に合致した内断面形状をなしている。筒状ホルダ３２の上端にはフランジ３２ａが形成されており、フランジ３２ａが誘電体基板１４の下面に取り付けられて、誘電体基板１４に固着される。
【００３１】
フランジ３２ａの表面の一部には図７及び図８に示したように、環状溝３２ｂが形成されており、環状溝３２ｂ内には紫外線硬化樹脂が充填されており、該紫外線硬化樹脂を接着材として筒状ホルダ３２と誘電体基板１４とが接着される。紫外線硬化樹脂が紫外線の照射を受けて硬化した時に収縮することで、フランジ３２ａの環状溝３２ｂ以外の部分が、誘電体基板１４に対して接触して、フランジ面で誘電体基板１４を保持することができる。また、紫外線硬化樹脂が硬化する前に、該樹脂が筒状ホルダ３２の内側に浸み出すことを防ぐために、筒状ホルダ３２のフランジ３２ａの内周面の境界部分にＯリング、高表面張力材、などの水密保護部材３３（図８）を設けてもよい。こうして、環状溝３２ｂによって円周方向に亘り筒状ホルダ３２と誘電体基板１４とが接着されるために、誘電体基板１４の前記平面内の２軸方向において確実に固着を図ることができる。尚、環状溝３２ｂとする代わりに、図９に示したような、円周方向に等間隔で形成された複数の径方向溝３２ｃとすることも可能である。また、溝３２ｂ、３２ｃに紫外線硬化樹脂を充填する代わりに、フランジ面を誘電体基板１４に半田溶接することも可能である。尚、フランジ３２ａが全周に亘り誘電体基板１４に固着される必要はなく、図７（ｂ）に示すように、フランジ３２ａの一部は誘電体基板１４からはみ出すようになっていてもよい。
【００３２】
発光素子１２は、筒状ホルダ３２にレーザ溶接等により図１０に示すように、周方向に等間隔（通常１２０度間隔で３点）で溶接されて、誘電体基板１４の表面１４ａ及び裏面１４ｂに直交する方向に沿って前記複数組の光導波路２０Ａ、２０Ｂのうちの選択された光導波路の入力導波路部分２０ａの始端に向けて光を出射するようになっている。発光素子１２は、ＣＡＮタイプ、チップタイプのいずれのタイプのものも利用可能であるが、この図示例のようにＣＡＮタイプとすることによって、発光素子自体の気密性を図ることができ、別途の気密構造は不要となる。
【００３３】
発光素子１２と入力導波路部分２０ａの始端との間には集光レンズ３４が設けられる。集光レンズ３４によって、発光素子１２からの光を高効率で光導波路２０に結合させることができる。集光レンズ３４は、発光素子１２と別に筒状ホルダ３２の内周面に取り付けられてもよいが、ＣＡＮタイプの発光素子１２と一体になったものでも良く、または誘電体基板１４の裏面１４ｂに一体に固着されたものであってもよい。
【００３４】
図４に戻り、取付板３０の縦孔３０ｂには、受光素子１６を保持するとともに誘電体基板１４を支持する高剛性の金属製の筒状ホルダ３８が取り付けられる。筒状ホルダ３８の上端にはフランジ３８ａが形成されており、フランジ３８ａは誘電体基板１４の裏面１４ｂを支持している。但し、筒状ホルダ３８のフランジ３８ａは裏面１４ｂと接触するだけとなっており、裏面１４ｂに固定されない。これによって、誘電体基板１４をその一端にある筒状ホルダ３２によってのみ拘束し、温度変化・振動等による誘電体基板１４の応力の発生を防ぐ。但し、フランジ３８ａと裏面１４ｂとの間には、肉薄の弾性シートまたはコーティング３９が介挿されるとよい。
【００３５】
受光素子１６は、筒状ホルダ３８にレーザ溶接等により周方向に等間隔（通常１２０度間隔で３点）で溶接されて、誘電体基板１４の表面１４ａ及び裏面１４ｂに直交する方向に沿って前記複数組の光導波路２０Ａ、２０Ｂのうちの選択された光導波路の出力導波路部分２０ｄの終端からミラー２８を反射して伝搬した光を受光するようになっている。出力導波路部分２０ｄの終端と受光素子１６との間には集光レンズ４０が設けられる。発光素子１２と同様に、受光素子１６は、ＣＡＮタイプ、チップタイプのいずれのタイプのものも利用可能であるが、この図示例のようにＣＡＮタイプとすることによって、発光素子自体の気密性を図ることができ、別途の気密構造は不要となる。
【００３６】
集光レンズ４０は、受光素子１６と別に筒状ホルダ３８の内周面に取り付けられてもよいが、ＣＡＮタイプの受光素子１６と一体になったものでもよい。集光レンズ４０によって、光導波路２０からの光を高効率で受光素子１６に結合させることができる。
【００３７】
尚、筒状ホルダ３８を誘電体基板１４に直接的又は間接的に接触させる代わりに、図１４に示すように、離間させて、取付板３０と誘電体基板１４との間に弾性部材４１を介挿させることでもよい。弾性部材としてはＲＴＶゴム、テフロン（登録商標）等から構成することができる。
【００３８】
以下、２組の光導波路２０Ａ、２０Ｂのうち使用する光導波路をどのように選択するかについて説明する。
【００３９】
変調部分において、２つの分岐導波路部分２０ｂ、２０ｃの長さは、好ましくは１／４λ程度の長さの差異を設けることにより、９０度の所望のバイヤス位相差をつけて、変調の感度を高くすることが理想的である。よって、理想的に製造されていれば、光導波路２０Ａを選択することになる。しかしながら、数十ｎｍ程度の精度の加工は非常に困難であり、作製プロセス時の種々の要因により、設計通りに製造されないおそれがある。この実施形態では、変調部分である分岐導波路部分における１／４λと０の差異を持つ光導波路２０Ａ，２０Ｂを同じ誘電体基板１４上に同時に形成しているので、実際値が設計値からずれていても、その影響は同様に全ての光導波路に及ぶと考えられるから、いずれかの光導波路２０Ａ、２０Ｂのバイヤス位相差が所望の位相差またはそれに近いものとなっていることが期待できる。よって、実際のバイヤス位相差が所望の位相差となっている光導波路を選択する。
【００４０】
そのために、まず、発光素子１２を固着する前の段階で、発光素子１２を少し、誘電体基板１４から離してピントをずらすようにして、拡散光を２つの入力導波路部分２０ａ、２０ａの始端に照射し、弱いながらも両方の光導波路２０Ａ、２０Ｂに光が入るようにする。そして、それぞれの光導波路２０Ａ、２０Ｂの変調部分に順番に変調信号（周波数ｆ０）を印加する（図２０（ａ）、（ｂ））。この変調された光を受光素子１６で受光して、ｆ０成分と２ｆ０成分とを検波し、ｆ０成分と２ｆ０成分の割合から、バイヤス位相を判別する。バイヤス位相が９０度であればｆ０成分が優勢となり（図２０（ｃ））、バイヤス位相が０度であれば２ｆ０成分が優勢となる（図２０（ｄ））。図２０の例では、光導波路２０Ａを選択することになる。
【００４１】
光導波路２０が選択されると、発光素子１２の精密アライメント調整を行う。このとき、発光素子１２と筒状ホルダ３２の内周面との間のクリアランスを利用して、発光素子１２を調整する。
【００４２】
従来の構成のように、誘電体基板１４の端面から光を入射する構成であると、光導波路に結合されたかどうかの確認が視覚的手段によってできず、調整が困難であるという問題があるが、本実施形態では、誘電体基板１４の裏面側に発光素子１２が配置されているので、誘電体基板１４の表面側から発光素子１２からの光を視覚的に確認することで行うことができ、その調整を容易に行うことができる。
【００４３】
また、発光素子１２の発光面の集光レンズ３４により形成される像の面積が小さい（１０μｍ以下）ので確実に光導波路２０Ａ、２０Ｂの入力導波路部分２０ａの始端へ光を伝搬させることは通常困難であるが、誘電体基板１４の表面側から発光素子１２からの光を視覚的に確認することで行うことができるので、その調整も容易である。
【００４４】
調整作業をさらに容易にするため、図１１に示すように、誘電体基板１４の表面に各光導波路２０Ａ,２０Ｂに対応してマーク１４ｍをそれぞれ形成することもできる。このマーク１４ｍは、基板作製プロセスで同時に形成することが可能であり、Ｃｒ等でパターンニングするとよい。マーク１４ｍの位置は、ミラー２６の近傍で所定距離、所定の方向に離れた位置に決められる。
【００４５】
調整作業においては、誘電体基板１４の表面上方に設置したＣＣＤカメラにより、発光素子１２からの光が誘電体基板１４に当たった光点の位置を撮像し、筒状ホルダ３２内での発光素子１２の位置を調整する。ミラー２６に当たった光点を表面側から撮像することはできないので、まず、光点がマーク１４ｍに一致するように発光素子１２の表面１４ａに平行な面内の位置及び／または該平行な面に対する発光素子１２の傾きを調整し、且つマーク１４ｍの所でピントを結ぶように発光素子１２の上下位置を粗調整する。そして、図１２に示すように、光点がマーク１４ｍに一致してピントが合ったならば、発光素子１２の位置を前記マーク１４ｍから所定距離、所定の方向に移動させることで、ミラー２６の位置にくるように調整する。そして、位置決めされた状態で、前記レーザ溶接により、発光素子１２を筒状ホルダ３２に固着する。
【００４６】
マーク１４ｍの位置はミラー２６近傍の任意の位置とすることができるが、図１３に示すように光導波路２０を横切るように設けられてもよい。これによって、マーク１４ｍに沿って光導波路２０へと光点を移動させた後、光導波路２０に沿った方向に所定距離、移動させることで、光点をミラー２６の位置にくるように調整することができる。
【００４７】
受光素子１６の受光面は、発光素子１２の発光面に比較して大きい（１００μｍ以上）ので、発光素子１２の調整程の精密さは要求されない。そのため、選択された光導波路２０Ａ、２０Ｂの出力導波路部分２０ｄの終端に合致するように、発光素子１２と同様に受光素子１６を位置決めしてもよいが、単に、２つの光導波路２０Ａ、２０Ｂの出力導波路部分２０ｄの中点付近に整列するように受光素子１６を筒状ホルダ３８に固着することで十分である。
【００４８】
誘電体基板１４には、その表面１４ａの切り込み１４ｃ、１４ｄよりも外側に、それぞれ切り込み１４ｃ、１４ｄと平行な断面Ｖ字状の迷光防止用切り込み１４ｇ、１４ｈが形成され、裏面１４ｂには、図１５に示すように、前記切り込み１４ｃ、１４ｄと直交する方向に延びる断面Ｖ字状またはＵ字状の迷光防止用切り込み１４ｉ、１４ｊが形成されている。
【００４９】
以上のように構成される光機能素子１０においては、発光素子１２から誘電体基板１４の表面１４ａ及び裏面１４ｂに直交する方向に出射される光が集光レンズ３４によってミラー２６に集光され、ミラー２６で９０度変向されて、選択された光導波路２０の入力導波路部分２０ａを伝搬した後、分岐導波路部分２０ｂ、２０ｃに分岐される。
【００５０】
電極２２、２４に外部電気信号が入力されることにより、分岐導波路部分２０ｂ、２０ｃを伝搬する光に対して電気光学効果による屈折率の変化により互いに反対のプッシュプル位相変調がなされ、これらの変調された光が合波されて出力導波路部分２０ｄに出力されるようになっている。合波により、変調信号に応じた信号が出力されることになる。
【００５１】
出力導波路部分２０ｄを伝搬した光は、ミラー２８によって誘電体基板１４と直交する方向に変向されて、集光レンズ４０で集光されて、受光素子１６で受光されて電気信号に変換される。
【００５２】
このようにこの実施形態においては、複数組形成された光導波路のうち、所望のバイヤス位相差を発生させることができる光導波路を選択することで、簡単に光機能素子を製造することができ、歩留りを向上させることができる。尚、以上の例では、２組の光導波路を形成したが、分岐導波路部分の差異が異なる長さである３組以上の光導波路を形成することも可能であり、その設計差異の長さも任意の長さが可能である。しかしながら、最低限として、この例のように互いの分岐導波路部分の差異の差異がλ／４の２組の光導波路を形成すれば、いずれか一方が所望のバイヤス位相差に近いものとなることが期待できる。
【００５３】
その他、この実施形態では次の効果を奏することができる。
・発光素子１２から出射された光が９０度変向して、光導波路２０を伝搬し、光導波路２０の変調部分を経た光が９０度変向して受光素子１６に受光されており、出射方向と受光方向が１８０度異なるために、迷光を極力防ぐことができる。迷光防止用切り込み１４ｉ、１４ｊ、１４ｇ、１４ｈによって迷光をさらに防ぐことができる。
集光レンズ３４、４０によって、光の拡散を防ぐことにより、より一層迷光を防ぐことができ、発光素子と光導波路、及び光導波路と発光素子との間の結合効率を高めることができる。
【００５４】
・また、この実施形態においては、発光素子１２と誘電体基板１４との位置調整を表面側から視覚的にモニタリングすることができるので、高速且つ容易に、また必要に応じて自動的に調整作業を行うことができる。発光素子１２の光点を一致させるべきマーク１４ｍによって調整をより一層容易に行うことができる。上記に説明したように発光素子１２の位置を調整する代わりに、誘電体基板１４の位置を調整することとしてもよい。
・また、この実施形態においては、発光素子１２と受光素子１６としてＣＡＮタイプを使用することにより、素子の気密性を持たせることができる。
・また、この実施形態においては、誘電体基板１４の裏面から光を入射しており、誘電体基板１４の端面から光を入射する必要がないために、ウエハのダイシングによる切り出しによって粗面となった誘電体基板１４の端面を研磨する必要がない。
【００５５】
次に、図１６は、本発明の第２実施形態を表す図である。この例では、受光素子１６を誘電体基板１４の表面１４ａ側に配置しており、受光素子１６は、誘電体基板１４の表面１４ａ側に半田バンプ４２によって固着される。この構成によれば、受光素子１６としてベアチップタイプのものも使用することができるようになる。誘電体基板１４の表面１４ａには切り込み１４ｄ’が形成され、該切り込み１４ｄ’は、一方の面が表面１４ａに対して直交する面となり、他方の面が表面１４ａに対して４５度の角度となっている。そして、傾斜角度が４５度となった斜面には好ましくは反射膜が付着されて、第２変向手段を構成するミラー２８となっている。
【００５６】
または、図１７に示すように、切り込み１４ｄ’を形成する代わりに、誘電体基板１４の端面を４５度角度に傾斜させても良く、さらには、この出力導波路部分２０ｄの終端となる傾斜面にミラー２８となる反射膜を付着してもよい。
【００５７】
この例においても、第１実施形態と同様の作用・効果が得られる。この場合には、受光素子１６としてベアチップタイプも好適に使用することができ、縦孔３０ｂ、筒状ホルダ３８を省略することが可能である。受光素子１６については、その受光面が発光素子１２の発光面よりも大きく、調整が困難でないために、この例の構成でも、調整は容易に行うことができる。
【００５８】
図１８は、本発明の第３実施形態を表す図である。この例では、発光素子１２及び受光素子１６を誘電体基板１４の表面１４ａ側に配置しており、発光素子１２と受光素子１６は、誘電体基板１４の表側に半田バンプ４２によって固着される。この構成によれば、受光素子１２、１６としてベアチップタイプのものも使用することができるようになる。
【００５９】
誘電体基板１４の表面１４ａには切り込み１４ｃ’が形成され、該切り込み１４ｃ’は、一方の面が表面１４ａに対して直交する面となり、他方の面が表面１４ａに対して４５度の角度となっている。そして、傾斜角度が４５度となった斜面には好ましくは反射膜が付着されて、変向手段を構成するミラー２６となっている。また、切り込み１４ｄ’が形成され、該切り込み１４ｄ’は、一方の面が表面１４ａに対して直交する面となり、他方の面が表面１４ａに対して４５度の角度となっている。そして、傾斜角度が４５度となった斜面には好ましくは反射膜が付着されて、第２変向手段を構成するミラー２８となっている。
【００６０】
この例の場合には、発光素子１２及び受光素子１６と光導波路２０とが密接するので、レンズ３４、４０を不要とすることができる。
【００６１】
または、図１９に示すように、取付部品５０，５０を介して発光素子１２、１６を誘電体基板１４に取り付けることも可能である。
【００６２】
この例においても、第１実施形態と同じ効果を奏することができる。この例においては、表面１４ａ側から光点を捉えての発光素子１２の調整はできないが、発光素子１２及び受光素子１６がチップタイプであるので、その取り付けが容易であり、発光素子１２及び受光素子１６を誘電体基板１４の表面１４ａ側に貼り合わせることで、容易に行うことができる。さらには、発光素子１２及び受光素子１６を誘電体基板１４と併せて全体として平面基板とすることができるので取扱が容易となる。
【００６３】
図２１は本発明の第４実施形態を表す斜視図である。
誘電体基板１４は、ｚ軸方向に熱起電力が働く（焦電効果）ので、これを避けるために、誘電体基板１４の両側面を短絡する必要がある。そのための対策として、図２１に示すように誘電体基板１４の表面１４ａの光導波路２０の両側にさらに、金属パターン（例えば金パターン）１４ｎ、１４ｎを形成し、これらの金属パターン１４ｎ、１４ｎを光導波路２０に影響の出ない細いパターンで接続するか、またはワイヤーで接続するとよい。さらには、図２２に示すように、誘電体基板１４の両側面に導電性塗料１４ｏを金属パターン１４ｎに接触するように塗布するとよい。これによって、図４または図１４に示したような片持ちで誘電体基板１４を支持している場合にも誘電体基板１４の両側面の短絡を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の光機能素子の全体斜視図である。
【図２】図１の破断斜視図である。
【図３】図１の平面図（説明のため縦横の縮尺比は図１と変えている）である。
【図４】図１の縦断面図である。
【図５】（ａ）は入力導波路部分の始端付近または出力導波路部分の終端付近の拡大斜視図、（ｂ）は入力導波路部分の始端の拡大断面図である。
【図６】入力導波路部分の始端付近の他の例を表す拡大断面図である。
【図７】筒状ホルダと誘電体基板（仮想線で示す）との関係を示す平面図である。
【図８】筒状ホルダと誘電体基板の固着状態を示す部分断面図である。
【図９】筒状ホルダの他の例を表す部分斜視図である。
【図１０】発光素子と筒状ホルダとの固着状態を示す底面図である。
【図１１】発光素子の調整を表す説明斜視図である。
【図１２】マークと光点の拡大平面図である。
【図１３】別のマークと光導波路と光点の関係を表す拡大平面図である。
【図１４】変形例を表す縦断面図である。
【図１５】誘電体基板の裏面側の斜視図である。
【図１６】本発明の第２実施形態を表す縦断面図である。
【図１７】本発明の第２実施形態の変形例を表す縦断面図である。
【図１８】本発明の第３実施形態を表す縦断面図である。
【図１９】本発明の第３実施形態の変形例を表す縦断面図である。
【図２０】２つの光導波路による変調信号と出力信号の関係を表す波形図である。
【図２１】本発明の第４実施形態を表す誘電体基板の斜視図である。
【図２２】本発明の第４実施形態を表す誘電体基板の斜視図である。
【図２３】従来の光機能素子を表す平面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０ 光機能素子
１２ 発光素子
１４ 誘電体基板
１４ａ 表面
１４ｂ 裏面
１６ 受光素子
２０、２０Ａ、２０Ｂ 光導波路
２０ａ 入力導波路部分
２０ｂ 分岐導波路部分
２０ｃ 分岐導波路部分
２０ｄ 出力導波路部分
２６ ミラー（変向手段）
２８ ミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源としての発光素子と、光導波路が形成された誘電体基板と、光を電気に変換する受光素子と、を備えて、前記光導波路は、前記誘電体基板にそれぞれ形成された、入力導波路部分と、該入力導波路部分から分かれた２つの分岐導波路部分と、該分岐導波路部分が合流した出力導波路部分とからなり、前記発光素子からの光を、前記外部電気信号によって分岐導波路部分の少なくともいずれか一方において変調し、その変調された光を前記受光素子により電気信号として出力する光機能素子において、
前記光導波路は、複数の組が前記誘電体基板に形成されており、各組の２つの分岐導波路部分の設計長さの差異が組ごとで異なるように設計されており、
前記発光素子及び前記受光素子は、上記複数組形成された光導波路の中のうちの選択された光導波路に結合するように配置されることを特徴とする光機能素子。
【請求項２】
ある組の２つの分岐導波路部分の設計長さの差異が、使用する光の波長λに対して１／４λに相当する長さであるのに対して、別の組の２つの分岐導波路部分の設計長さの差異が０であることを特徴とする請求項１記載の光機能素子。
【請求項３】
前記複数組の光導波路は、前記誘電体基板の表面にそれぞれ形成され、前記発光素子は、該誘電体基板の裏面側から前記表面に対して直交する方向に沿って前記入力導波路部分の始端に向けて光を出射するものであり、
前記入力導波路部分の前記始端には、前記表面に対して直交する方向からの光を入力導波路部分に向ける変向手段が設けられることを特徴とする請求項１または２記載の光機能素子。
【請求項４】
光源としての発光素子と、光導波路が形成された誘電体基板と、光を電気に変換する受光素子と、を備えて、前記発光素子からの光を外部電気信号によって変調し、その変調された光を前記受光素子により電気信号として出力する光機能素子の製造方法において、
同一の誘電体基板に、入力導波路部分と、該入力導波路部分から分かれた２つの分岐導波路部分と、該分岐導波路部分が合流した出力導波路部分とからなる光導波路を、複数組形成し、その際に、各組の２つの分岐導波路部分の設計長さの差異が互いに異なるようにし、各組の前記入力導波路部分の始端が近接するようにし、
発光素子からの光をすべての組の前記入力導波路部分の始端に向けて出射して、すべての光導波路に光を伝搬させると共に、各組の前記分岐導波路部分に順次、周波数ｆ０の変調信号を印加し前記出力導波路部分の終端に到達した光を受光素子で受光し、該受光素子で変換された電気信号から周波数ｆ０成分と周波数２ｆ０成分とを検波し、周波数ｆ０成分が周波数２ｆ０成分に対して最も優勢となる組を選択し、
選択された光導波路に対して発光素子の最終位置決めを行い、発光素子からの光が選択された光導波路に結合されて、選択された光導波路にのみ光が伝搬されるようにし、且つ外部電気信号を選択された光導波路に印加するようにする、ことを特徴とする光機能素子の製造方法。
【請求項５】
前記複数組の光導波路を、前記誘電体基板の表面にそれぞれ形成し、前記発光素子に、誘電体基板の裏面側から前記表面に対して直交する方向に沿って前記入力導波路部分の始端に向けて光を出射させるようにし、
前記入力導波路部分の前記始端には、前記表面に対して直交する方向からの光を入力導波路部分に向ける変向手段を設けることを特徴とする請求項４記載の光機能素子の製造方法。
【請求項１】
光源としての発光素子と、光導波路が形成された誘電体基板と、光を電気に変換する受光素子と、を備えて、前記光導波路は、前記誘電体基板にそれぞれ形成された、入力導波路部分と、該入力導波路部分から分かれた２つの分岐導波路部分と、該分岐導波路部分が合流した出力導波路部分とからなり、前記発光素子からの光を、前記外部電気信号によって分岐導波路部分の少なくともいずれか一方において変調し、その変調された光を前記受光素子により電気信号として出力する光機能素子において、
前記光導波路は、複数の組が前記誘電体基板に形成されており、各組の２つの分岐導波路部分の設計長さの差異が組ごとで異なるように設計されており、
前記発光素子及び前記受光素子は、上記複数組形成された光導波路の中のうちの選択された光導波路に結合するように配置されることを特徴とする光機能素子。
【請求項２】
ある組の２つの分岐導波路部分の設計長さの差異が、使用する光の波長λに対して１／４λに相当する長さであるのに対して、別の組の２つの分岐導波路部分の設計長さの差異が０であることを特徴とする請求項１記載の光機能素子。
【請求項３】
前記複数組の光導波路は、前記誘電体基板の表面にそれぞれ形成され、前記発光素子は、該誘電体基板の裏面側から前記表面に対して直交する方向に沿って前記入力導波路部分の始端に向けて光を出射するものであり、
前記入力導波路部分の前記始端には、前記表面に対して直交する方向からの光を入力導波路部分に向ける変向手段が設けられることを特徴とする請求項１または２記載の光機能素子。
【請求項４】
光源としての発光素子と、光導波路が形成された誘電体基板と、光を電気に変換する受光素子と、を備えて、前記発光素子からの光を外部電気信号によって変調し、その変調された光を前記受光素子により電気信号として出力する光機能素子の製造方法において、
同一の誘電体基板に、入力導波路部分と、該入力導波路部分から分かれた２つの分岐導波路部分と、該分岐導波路部分が合流した出力導波路部分とからなる光導波路を、複数組形成し、その際に、各組の２つの分岐導波路部分の設計長さの差異が互いに異なるようにし、各組の前記入力導波路部分の始端が近接するようにし、
発光素子からの光をすべての組の前記入力導波路部分の始端に向けて出射して、すべての光導波路に光を伝搬させると共に、各組の前記分岐導波路部分に順次、周波数ｆ０の変調信号を印加し前記出力導波路部分の終端に到達した光を受光素子で受光し、該受光素子で変換された電気信号から周波数ｆ０成分と周波数２ｆ０成分とを検波し、周波数ｆ０成分が周波数２ｆ０成分に対して最も優勢となる組を選択し、
選択された光導波路に対して発光素子の最終位置決めを行い、発光素子からの光が選択された光導波路に結合されて、選択された光導波路にのみ光が伝搬されるようにし、且つ外部電気信号を選択された光導波路に印加するようにする、ことを特徴とする光機能素子の製造方法。
【請求項５】
前記複数組の光導波路を、前記誘電体基板の表面にそれぞれ形成し、前記発光素子に、誘電体基板の裏面側から前記表面に対して直交する方向に沿って前記入力導波路部分の始端に向けて光を出射させるようにし、
前記入力導波路部分の前記始端には、前記表面に対して直交する方向からの光を入力導波路部分に向ける変向手段を設けることを特徴とする請求項４記載の光機能素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２００９−１９２９５５（Ｐ２００９−１９２９５５Ａ）
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３５３３５（Ｐ２００８−３５３３５）
【出願日】平成２０年２月１５日（２００８．２．１５）
【出願人】（０００００３３８８）東京計器株式会社 (103)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１５日（２００８．２．１５）
【出願人】（０００００３３８８）東京計器株式会社 (103)
【Ｆターム（参考）】
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