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JP7468280B2 - Optical waveguide element, optical modulation device using the same, and optical transmission device - Google Patents

Optical waveguide element, optical modulation device using the same, and optical transmission device Download PDF

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JP7468280B2 JP2020165004A JP2020165004A JP7468280B2 JP 7468280 B2 JP7468280 B2 JP 7468280B2 JP 2020165004 A JP2020165004 A JP 2020165004A JP 2020165004 A JP2020165004 A JP 2020165004A JP 7468280 B2 JP7468280 B2 JP 7468280B2
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Description

本発明は、光導波路素子及びそれを用いた光変調デバイス並びに光送信装置に関し、特に、リブ型の光導波路と、該光導波路を支持する補強基板とを備えた光導波路素子に関する。 The present invention relates to an optical waveguide element and an optical modulation device and optical transmission device using the same, and in particular to an optical waveguide element having a rib-type optical waveguide and a reinforcing substrate that supports the optical waveguide.

光計測技術分野や光通信技術分野において、電気光学効果を有する基板を用いた光変調器などの光導波路素子が多用されている。特に、近年の情報通信量の増大に伴い、長距離の都市間やデータセンター間に用いられる光通信の高速化や大容量化が望まれている。しかも、基地局のスペースの制限もあり、光変調器の高速化と小型化が必要となっている。 In the fields of optical measurement technology and optical communication technology, optical waveguide elements such as optical modulators using substrates with electro-optical effects are widely used. In particular, with the increase in the amount of information and communication traffic in recent years, there is a demand for faster and larger capacity optical communication between long distance cities and data centers. Furthermore, there are space limitations at base stations, making it necessary to increase the speed and size of optical modulators.

光変調器の小型化には、光導波路の幅を狭くする微細化を施すことで、光の閉じ込め効果を大きくすることができ、結果として、光導波路の曲げ半径を小さくし、小型化が可能となる。例えば、電気光学効果を有するニオブ酸リチウム(LN)は、電気信号を光信号に変換する際に、歪みが少なく、光損失が少ないことから、長距離向け光変調器として用いられる。LN光変調器の従来の光導波路では、モードフィールド径(MFD)は10μm程度であり、光導波路の曲げ半径は数十mmと大きいため、小型化が困難であった。 To miniaturize an optical modulator, the optical waveguide can be made narrower to increase the light confinement effect, which in turn reduces the bending radius of the optical waveguide and enables miniaturization. For example, lithium niobate (LN), which has an electro-optic effect, is used as an optical modulator for long distances because it has little distortion and little optical loss when converting an electrical signal into an optical signal. In conventional optical waveguides in LN optical modulators, the mode field diameter (MFD) is about 10 μm, and the bending radius of the optical waveguide is large, at several tens of mm, making miniaturization difficult.

近年、基板の研磨技術や基板の貼り合わせ技術が向上し、LN基板の薄板化が可能となり、光導波路のMFDも3μm以下、1μm程度が研究開発されている。MFDが小さくなるに従い、光の閉じ込め効果も大きくなるため、光導波路の曲げ半径もより小さくすることができる。 In recent years, improvements in substrate polishing and bonding technologies have made it possible to make LN substrates thinner, and research and development is underway to reduce the MFD of optical waveguides to 3 μm or less, around 1 μm. As the MFD becomes smaller, the light confinement effect also increases, allowing the bending radius of the optical waveguide to be made smaller.

一方、光ファイバのMFDである10μmφよりも小さいMFDを有する微細光導波路を使用する場合には、光導波路素子に設けられた光導波路の端部(素子端面)と、光ファイバとを直接接合すると、大きな挿入損失が発生する。 On the other hand, when using a fine optical waveguide with an MFD smaller than 10 μmφ, which is the MFD of optical fiber, directly joining the end of the optical waveguide (element end face) provided in the optical waveguide element to the optical fiber generates a large insertion loss.

このような不具合を解消するには、光導波路の端部にスポットサイズ変換部(スポットサイズコンバーター,SSC)を配置することが考えらえる。一般的なSSCは、二次元又は三次元に光導波路を拡大する、テーパー形状の光導波路部分を設けることである。参考までに、特許文献1乃至3には、テーパー型導波路の例が示されている。 To solve this problem, it is possible to place a spot size converter (SSC) at the end of the optical waveguide. A typical SSC provides a tapered optical waveguide section that expands the optical waveguide in two or three dimensions. For reference, Patent Documents 1 to 3 show examples of tapered waveguides.

光導波路のコア部の拡大に伴いスポットサイズが拡大するテーパー型導波路は、スポットサイズに適したコア部とクラッド部の屈折率調整の難易度が高く、マルチモードを誘起し易いため、光導波路素子のSSCとしては、使用可能なデザインに制限がある。さらに、必要なスポットサイズに変換するためには比較的長くテーパー部分を形成する必要が有り、光導波路素子の小型化が難しい課題があった。 Tapered waveguides, in which the spot size increases as the core of the optical waveguide expands, are difficult to adjust the refractive index of the core and cladding to suit the spot size, and are prone to inducing multimodes, so there are limitations to the designs that can be used as SSCs for optical waveguide elements. Furthermore, a relatively long tapered section must be formed to convert to the required spot size, making it difficult to miniaturize optical waveguide elements.

さらに、本出願人においては、図1乃至3に示すようなSSCを検討しているが、リブ型の光導波路10の先端を幅が狭くなるテーパー形状12とし、それを取り囲むようにコア部となるブロック部2を配置している。ブロック部2の屈折率は光導波路10の屈折率よりも低く設定されており、さらに、ブロック部2よりも屈折率が0.01~0.03程度低い有機材料(5)で、ブロック体を取り囲んでいる。この有機材料は、接着剤を硬化したもの等で構成することが可能である。このSSCは、ブロック部2で覆われた状態で光導波路10のテーパー形状12となることで、光導波路10の実効屈折率が低下し、光の閉じ込めが弱くなることで、ブロック部2に光のモードが移行し、光導波路10よりも大きなMFDを実現している。 Furthermore, the applicant is considering an SSC as shown in Figures 1 to 3, in which the tip of the rib-type optical waveguide 10 is tapered 12 with a narrowing width, and a block portion 2 is arranged to surround it, which serves as the core portion. The refractive index of the block portion 2 is set lower than that of the optical waveguide 10, and the block body is surrounded by an organic material (5) whose refractive index is about 0.01 to 0.03 lower than that of the block portion 2. This organic material can be made of a hardened adhesive, etc. This SSC has a tapered shape 12 of the optical waveguide 10 when covered with the block portion 2, which reduces the effective refractive index of the optical waveguide 10 and weakens the light confinement, allowing the optical mode to transfer to the block portion 2, realizing a larger MFD than the optical waveguide 10.

図1の点線A-A’及びB-B’における断面図を図2に示し、図1の点線C-C’における断面図を図3に示している。符号1は、ニオブ酸リチウムなど電気光学効果を有する材料の薄板(膜体)であり、光導波路10は、当該薄板を局所的に除去して残ったリブ部に形成されている。符号3は、光導波路10を含む薄板1を支持する補強基板である。 Figure 2 shows cross-sectional views taken along dotted lines A-A' and B-B' in Figure 1, and Figure 3 shows a cross-sectional view taken along dotted line C-C' in Figure 1. Reference numeral 1 denotes a thin plate (film) made of a material having an electro-optic effect, such as lithium niobate, and optical waveguide 10 is formed in the rib portion that remains after the thin plate is locally removed. Reference numeral 3 denotes a reinforcing substrate that supports thin plate 1 including optical waveguide 10.

符号4は、光導波路素子の端面に光ファイバや光学ブロックを接続する際の補強部材となる上部基板である。符号5は、補強基板3と上部基板4とを接合する接着剤が硬化した有機硬化物である。また、符号11は、薄板1の一部であり、光導波路のテーパー部12を形成する際のエッチングで残留した部分を示している。 Reference numeral 4 denotes an upper substrate that serves as a reinforcing member when connecting an optical fiber or an optical block to the end face of the optical waveguide element. Reference numeral 5 denotes an organic cured product formed by curing the adhesive that bonds the reinforcing substrate 3 and the upper substrate 4. Reference numeral 11 denotes a part of the thin plate 1, which is a portion that remains after etching when forming the tapered portion 12 of the optical waveguide.

特許文献1乃至3や図1乃至3に示すSSCにおいては、リブ型の光導波路だけでなく、該光導波路よりも厚みが大きく、補強基板3の表面から上側に大きく突出する特許文献3のテーパー部や図2のブロック部2などが存在する。このように、補強基板3の表面から大きく突出した部分は、上部基板4を貼り付ける際に、当該突出部分の存在が、該上部基板を補強基板3の表面に対して平行に貼り合わせることを難しくする。しかも、上部基板4を接合のため上側から押し付けると、押圧力が当該突起部分に集中し、当該突起部分を破損するなどの不具合も生じる。また、上部基板4を平行に貼れず接着層厚が不均一になると、MFDが不均一になったり、熱応力により上部基板4が外れたりするなどの不具合も生じる。 In the SSCs shown in Patent Documents 1 to 3 and Figures 1 to 3, not only is there a rib-type optical waveguide, but there is also a tapered portion in Patent Document 3 and a block portion 2 in Figure 2 that are thicker than the optical waveguide and protrude upward from the surface of the reinforcing substrate 3. In this way, when the upper substrate 4 is attached, the presence of the protruding portion makes it difficult to attach the upper substrate parallel to the surface of the reinforcing substrate 3. Furthermore, when the upper substrate 4 is pressed from above for bonding, the pressing force is concentrated on the protruding portion, causing problems such as damage to the protruding portion. Furthermore, if the upper substrate 4 cannot be attached parallel to the surface and the thickness of the adhesive layer becomes uneven, problems such as uneven MFD and the upper substrate 4 coming off due to thermal stress may occur.

特開2006-284961号公報JP 2006-284961 A 特開2007-264487号公報JP 2007-264487 A 国際公開WO2012/042708号International Publication No. WO2012/042708

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、光導波路の端部にスポットサイズ変換部を設けた場合でも、上部基板を補強基板に対して平行に貼り付け、該スポットサイズ変換部を破損することを防止し、接着層厚を均一化することによりMFDが安定化され、更には、熱応力が均一化され上部基板の剥がれを抑制した光導波路素子を提供することである。さらには、その光導波路素子を用いた光変調デバイスと光送信装置を提供することである。 The problem that the present invention aims to solve is to provide an optical waveguide element that solves the problems described above, in which even when a spot size conversion section is provided at the end of the optical waveguide, the upper substrate is attached parallel to the reinforcing substrate, the spot size conversion section is prevented from being damaged, the MFD is stabilized by making the adhesive layer thickness uniform, and further, the thermal stress is made uniform, suppressing peeling of the upper substrate. Furthermore, the present invention aims to provide an optical modulation device and an optical transmission device that use this optical waveguide element.

上記課題を解決するため、本発明の光導波路素子及びそれを用いた光変調デバイス並びに光送信装置は、以下の技術的特徴を有する。
(1) 電気光学効果を有する材料で形成されるリブ型の光導波路と、該光導波路を支持する補強基板とを備えた光導波路素子において、該光導波路の一端には、該光導波路を伝搬する光波のモードフィールド径を変化するスポットサイズ変換部を備え、該スポットサイズ変換部は、コア部となるブロック部と、該ブロック部を取り囲み該ブロック部を構成する材料よりも屈折率が低い有機硬化物で構成され、該スポットサイズ変換部を挟むように、該スポットサイズ変換部から離間して配置されると共に、該補強基板上に配置される構造体を備え、さらに、該スポットサイズ変換部と該構造体の上側に配置される上部基板を有し該有機硬化物は、該ブロック部と該構造体及び該上部基板が形成された空間に充填された接着剤で形成され、該構造体の高さは、該スポットサイズ変換部の最大の高さ以上となるように設定されていると共に、該構造体の該上部基板に対向する面には、該ブロック部から離れる方向に該接着剤を流す溝が形成されていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the optical waveguide element and the optical modulation device and optical transmission device using the same according to the present invention have the following technical features.
(1) An optical waveguide element including a rib-type optical waveguide formed of a material having an electro-optic effect and a reinforcing substrate supporting the optical waveguide, the optical waveguide having a spot size conversion section at one end thereof for changing a mode field diameter of a light wave propagating through the optical waveguide, the spot size conversion section being composed of a block section serving as a core section and an organic cured material surrounding the block section and having a lower refractive index than a material constituting the block section, the spot size conversion section being composed of structures disposed on the reinforcing substrate and spaced apart from the spot size conversion section so as to sandwich the spot size conversion section, the optical waveguide element further including an upper substrate disposed above the spot size conversion section and the structure, the organic cured material being formed of an adhesive filled in a space in which the block section, the structure, and the upper substrate are formed , the height of the structure being set to be equal to or greater than the maximum height of the spot size conversion section, and a groove being formed on a surface of the structure facing the upper substrate for allowing the adhesive to flow in a direction away from the block section .

(2) 上記(1)に記載の光導波路素子において、該構造体の該上部基板に対向する面は、複数の突起部と該突起部の周り形成される該溝で構成され、該突起部が該面に占める面積は、10%から60%の範囲に設定されることを特徴とする。 (2) In the optical waveguide element described in (1) above, the surface of the structure facing the upper substrate is composed of a plurality of protrusions and the grooves formed around the protrusions, and the area of the surface occupied by the protrusions is set in the range of 10% to 60% .

(3) 上記(1)又は(2)に記載の光導波路素子において、該構造体の高さは、1μmから3.5μmの範囲に設定されることを特徴とする。 (3) In the optical waveguide element according to (1) or (2) above, the height of the structures is set in the range of 1 μm to 3.5 μm .

(4) 上記(1)乃至(3)のいずれかに記載の光導波路素子において、該スポットサイズ変換部から該光導波路の方向に、該接着剤が流出するのを抑制するための接着剤流出防止手段が配置されていることを特徴とする。 (4) The optical waveguide element according to any one of (1) to (3) above , further comprising an adhesive outflow prevention means arranged in a direction from the spot size conversion portion to the optical waveguide to prevent the adhesive from outflowing.

(5) 上記(4)に記載の光導波路素子において、該接着剤流出防止手段から該スポットサイズ変換部と反対側に位置する該光導波路の表面には、該接着剤流出防止手段と同じ材料で被覆した被覆部を有することを特徴とする。 (5) The optical waveguide element according to (4) above, further characterized in that a surface of the optical waveguide located on the opposite side of the adhesive outflow prevention means to the spot size conversion section has a covering section that is covered with the same material as the adhesive outflow prevention means.

(6) 上記(4)又は(5)のいずれかに記載の光導波路素子において、該接着剤流出防止手段の材料の屈折率は、前記リブ型の光導波路を構成する材料の屈折率よりも低いことを特徴とする。 (6) In the optical waveguide element described in either (4) or (5) above, the refractive index of the material of the adhesive outflow prevention means is lower than the refractive index of the material constituting the rib-shaped optical waveguide.

(7) 上記(1)乃至(6)いずれかに記載の光導波路素子は、該光導波路素子は筐体内に収容され、該光導波路に光波を入力又は出力する光ファイバを備えることを特徴とする光変調デバイスである。 (7) The optical waveguide element described in any one of (1) to (6) above is an optical modulation device that is housed in a housing and includes an optical fiber that inputs or outputs light waves to the optical waveguide.

(8) 上記(7)に記載の光変調デバイスにおいて、該光導波路素子は該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極を備え、該光導波路素子の変調電極に入力する変調信号を増幅する電子回路を該筐体の内部に有することを特徴とする。 (8) In the optical modulation device described in (7) above, the optical waveguide element is provided with a modulation electrode for modulating the light wave propagating through the optical waveguide, and the housing includes an electronic circuit for amplifying the modulation signal input to the modulation electrode of the optical waveguide element.

(9) 上記(7)又は(8)に記載の光変調デバイスと、該光変調デバイスに変調動作を行わせる変調信号を出力する電子回路とを有することを特徴とする光送信装置である。 (9) An optical transmission device comprising the optical modulation device described in (7) or (8) above and an electronic circuit that outputs a modulation signal that causes the optical modulation device to perform a modulation operation.

本発明は、電気光学効果を有する材料で形成されるリブ型の光導波路と、該光導波路を支持する補強基板とを備えた光導波路素子において、該光導波路の一端には、該光導波路を伝搬する光波のモードフィールド径を変化するスポットサイズ変換部を備え、該スポットサイズ変換部は、コア部となるブロック部と、該ブロック部を取り囲み該ブロック部を構成する材料よりも屈折率が低い有機硬化物で構成され、該スポットサイズ変換部を挟むように、該スポットサイズ変換部から離間して配置されると共に、該補強基板上に配置される構造体を備え、さらに、該スポットサイズ変換部と該構造体の上側に配置される上部基板を有し該有機硬化物は、該ブロック部と該構造体及び該上部基板が形成された空間に充填された接着剤で形成され、該構造体の高さは、該スポットサイズ変換部の最大の高さ以上となるように設定されていると共に、該構造体の該上部基板に対向する面には、該ブロック部から離れる方向に該接着剤を流す溝が形成されているため、構造体が上部基板を補強基板に対して平行に支持することができ、さらに、上部基板がスポットサイズ変換部に接触することも抑制することが可能となる。 The present invention provides an optical waveguide element including a rib-type optical waveguide formed of a material having an electro-optic effect, and a reinforcing substrate supporting the optical waveguide, the optical waveguide having a spot size conversion section at one end thereof for changing a mode field diameter of a light wave propagating through the optical waveguide , the spot size conversion section being composed of a block section serving as a core section, and an organic cured material surrounding the block section and having a lower refractive index than a material constituting the block section, the spot size conversion section being arranged at a distance from the spot size conversion section and being arranged on the reinforcing substrate so as to sandwich the spot size conversion section, and further including an upper substrate arranged above the spot size conversion section and the structure, the organic cured material being formed of an adhesive which is filled in a space in which the block section, the structure, and the upper substrate are formed , the height of the structure being set to be equal to or greater than the maximum height of the spot size conversion section, and a groove for flowing the adhesive in a direction away from the block section being formed on a surface of the structure facing the upper substrate, the structure being capable of supporting the upper substrate parallel to the reinforcing substrate, and further making it possible to prevent the upper substrate from contacting the spot size conversion section.

光導波路素子に使用されるスポットサイズ変換部の一例を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing an example of a spot size converter used in an optical waveguide element. 図1の点線A-A’及びB-B’における断面図である。2 is a cross-sectional view taken along dotted lines A-A' and B-B' in FIG. 1. 図1の点線C-C’における断面図である。This is a cross-sectional view taken along dotted line C-C' in Figure 1. 本発明の光導波路素子に係る第1の実施例を示す平面図である。1 is a plan view showing a first embodiment of an optical waveguide element according to the present invention; 図4の点線A-A’及びB-B’における断面図である。5 is a cross-sectional view taken along dotted lines A-A' and B-B' in FIG. 4. 本発明の光導波路素子に係る第2の実施例を示す平面図である。FIG. 4 is a plan view showing a second embodiment of the optical waveguide element of the present invention. 図6の点線A-A’及びB-B’における断面図である。7 is a cross-sectional view taken along dotted lines A-A' and B-B' in FIG. 6. 本発明の光導波路素子に係る第3の実施例を示す平面図である。FIG. 11 is a plan view showing a third embodiment of the optical waveguide element of the present invention. 図6の点線C-C’における断面図である。This is a cross-sectional view taken along dotted line C-C' in Figure 6. 本発明の光変調デバイス及び光送信装置を説明する平面図である。1 is a plan view illustrating an optical modulation device and an optical transmission device according to the present invention;

以下、本発明の光導波路素子について、好適例を用いて詳細に説明する。
本発明の光導波路素子は、図4及び5に示すよう、電気光学効果を有する材料で形成されるリブ型の光導波路10と、該光導波路を支持する補強基板3とを備えた光導波路素子において、該光導波路の一端には、該光導波路を伝搬する光波のモードフィールド径を変化するスポットサイズ変換部2を備え、該スポットサイズ変換部を挟むように、該スポットサイズ変換部から離間して配置されると共に、該補強基板3上に配置される構造体Sを備え、該スポットサイズ変換部2と該構造体Sの上側に配置される上部基板4と、該構造体Sの高さHは、該スポットサイズ変換部2の最大の高さ以上となるように設定されていることを特徴とする。
The optical waveguide element of the present invention will be described in detail below using preferred examples.
As shown in Figures 4 and 5, the optical waveguide element of the present invention is an optical waveguide element comprising a rib-type optical waveguide 10 formed of a material having an electro-optical effect, and a reinforcing substrate 3 supporting the optical waveguide, wherein one end of the optical waveguide is provided with a spot size conversion section 2 that changes the mode field diameter of the light waves propagating through the optical waveguide, and a structure S is provided on the reinforcing substrate 3 and arranged at a distance from the spot size conversion section so as to sandwich the spot size conversion section, and wherein an upper substrate 4 is arranged above the spot size conversion section 2 and the structure S, and the height H of the structure S is set to be equal to or greater than the maximum height of the spot size conversion section 2.

本発明の光導波路素子に使用される電気光学効果を有する材料1は、ニオブ酸リチウム(LN)やタンタル酸リチウム(LT)、PLZT(ジルコン酸チタン酸鉛ランタン)などの基板や、これらの材料による気相成長膜などが利用可能である。
また、半導体材料や有機材料など種々の材料も光導波路として利用可能である。
The material 1 having an electro-optic effect used in the optical waveguide element of the present invention can be a substrate such as lithium niobate (LN), lithium tantalate (LT), or PLZT (lead lanthanum zirconate titanate), or a vapor-grown film made of these materials.
Additionally, various materials such as semiconductor materials and organic materials can also be used as optical waveguides.

光導波路10の形成方法としては、光導波路以外の基板1をエッチングしたり、光導波路の両側に溝を形成するなど、基板に光導波路に対応する部分を凸状としたリブ型の光導波路を利用することが可能である。さらに、リブ型の光導波路に合わせて、Tiなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより、屈折率をより高くすることも可能である。 The optical waveguide 10 can be formed by etching the substrate 1 other than the optical waveguide, or by forming grooves on both sides of the optical waveguide, and by using a rib-type optical waveguide in which the portion of the substrate corresponding to the optical waveguide is convex. Furthermore, in accordance with the rib-type optical waveguide, it is also possible to increase the refractive index by diffusing Ti or the like onto the substrate surface by thermal diffusion or proton exchange.

光導波路10を形成した基板(薄板)の厚さは、変調信号のマイクロ波と光波との速度整合を図るため、10μm以下、より好ましくは5μm以下、さらに好ましくは1μm以下に設定される。また、リブ型光導波路の高さは、4μm以下、より好ましくは3μm以下、さらに好ましくは1μm以下や0.4μm以下に設定される。また、補強基板3の上に気相成長膜を形成し、当該膜を光導波路の形状に加工することも可能である。 The thickness of the substrate (thin plate) on which the optical waveguide 10 is formed is set to 10 μm or less, more preferably 5 μm or less, and even more preferably 1 μm or less, in order to achieve speed matching between the microwave and light waves of the modulated signal. The height of the rib-type optical waveguide is set to 4 μm or less, more preferably 3 μm or less, and even more preferably 1 μm or less or 0.4 μm or less. It is also possible to form a vapor-grown film on the reinforcing substrate 3 and process the film into the shape of the optical waveguide.

光導波路を形成した基板は、機械的強度を高めるため、直接接合又は樹脂等の接着層を介して、補強基板3に接着固定される。直接接合する補強基板3としては、光導波路や光導波路を形成した基板よりも屈折率が低く、光導波路などと熱膨張率が近い材料、例えば水晶やガラス等の酸化物層を含む基板が好適に利用される。SOI、LNOIと略されるシリコン基板上に酸化ケイ素層やLN基板上に酸化ケイ素層を形成した複合基板も利用可能である。 The substrate on which the optical waveguide is formed is bonded to the reinforcing substrate 3 by direct bonding or via an adhesive layer such as resin to increase mechanical strength. As the reinforcing substrate 3 to be directly bonded, a substrate containing an oxide layer such as quartz or glass, which has a material with a lower refractive index than the optical waveguide or the substrate on which the optical waveguide is formed and a thermal expansion coefficient close to that of the optical waveguide, is preferably used. Composite substrates, abbreviated as SOI or LNOI, in which a silicon oxide layer is formed on a silicon substrate or a silicon oxide layer is formed on an LN substrate, can also be used.

図4及び5は、本発明の光導波路素子の第1の実施例を説明する図であり、図4は平面図、図5は、図4の点線A-A’における断面図(a)と、点線B-B’における断面図(b)である。 Figures 4 and 5 are diagrams for explaining a first embodiment of the optical waveguide element of the present invention, where Figure 4 is a plan view, and Figure 5 is a cross-sectional view (a) taken along dotted line A-A' in Figure 4, and a cross-sectional view (b) taken along dotted line B-B'.

図4及び5では、図1乃至3と同様のスポットサイズ変換部(ブロック体2)を用いた例を示しているが、本発明はこれらに限定されず、特許文献1乃至3に示すようなテーパー形状のスポットサイズ変換部であっても良い。 Figures 4 and 5 show an example using a spot size conversion unit (block body 2) similar to those in Figures 1 to 3, but the present invention is not limited to these, and a tapered spot size conversion unit as shown in Patent Documents 1 to 3 may also be used.

本発明の光導波路素子の特徴は、図4又は5に示すように、光導波路の一端にスポットサイズ変換部を配置し、当該スポットサイズ変換部(ブロック体2)を挟むように、構造体Sを備えることである。この構造体Sは、光導波路10よりも低い屈折率を持ち、さらにはブロック体2の屈折率以下であり、より好ましくは、有機硬化物5よりも低い屈折率を有する。また、構造体Sの屈折率は、ブロック体2と同等の屈折率でもよいが、その場合にはブロック体2と構造体Sとの間に、低屈折率を有する材料を配置する必要がある。一方、ブロック体2よりも低い屈折率とした場合は、有機硬化物5や補強基板3と同じ程度の屈折率であっても良い。構造体Sには、紫外線(UV)硬化樹脂が利用可能である。さらに、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂等の樹脂であり、一例として、ポリアミド系樹脂、メラミン系樹脂、フェノール系樹脂、アミノ系樹脂、エポキシ系樹脂等を含み、低屈折率材として、ラバー材や酸化ケイ素化合物を含むことも可能である。また、構造体Sは、例えば永久レジストである。熱硬化型の樹脂を材料とするフォトレジストを補強基板3上に塗布し、通常の一般的なフォトリソグラフィプロセスによってパターニングを行った後に熱硬化させることにより、構造体Sを配設することができる。 The optical waveguide element of the present invention is characterized in that, as shown in FIG. 4 or 5, a spot size conversion section is disposed at one end of the optical waveguide, and the structure S is provided so as to sandwich the spot size conversion section (block body 2). This structure S has a refractive index lower than that of the optical waveguide 10, and is equal to or lower than that of the block body 2, and more preferably has a refractive index lower than that of the organic cured material 5. The refractive index of the structure S may be the same as that of the block body 2, but in that case, a material having a low refractive index must be disposed between the block body 2 and the structure S. On the other hand, if the refractive index is lower than that of the block body 2, the refractive index may be the same as that of the organic cured material 5 or the reinforcing substrate 3. For the structure S, an ultraviolet (UV) curable resin can be used. Furthermore, the resin may be a thermoplastic resin or a thermosetting resin, and examples of the resin include polyamide resin, melamine resin, phenol resin, amino resin, epoxy resin, etc., and it is also possible to include a rubber material or a silicon oxide compound as a low refractive index material. For the structure S, for example, a permanent resist. The structure S can be arranged by applying a photoresist made of a thermosetting resin onto the reinforcing substrate 3, patterning it using a typical photolithography process, and then thermally curing it.

スポットサイズ変換部や構造体Sの上側には、上部基板4が配置される。上部基板には、補強基板3と同じ程度の屈折率や線膨張係数を有する材料が利用される。線膨張係数が一致していると、上部基板が熱応力で外れるなど不具合を低減することが可能となり、耐熱性に優れた光導波路素子が得られる。上部基板4と補強基板3とを接合する接着剤には、UV硬化樹脂や、アクリル系やエポキシ系等の樹脂などによる接着剤が使用可能である。 The upper substrate 4 is placed above the spot size conversion section and the structure S. The upper substrate is made of a material with the same refractive index and linear expansion coefficient as the reinforcing substrate 3. If the linear expansion coefficients match, it is possible to reduce defects such as the upper substrate coming off due to thermal stress, and an optical waveguide element with excellent heat resistance is obtained. The adhesive that bonds the upper substrate 4 and the reinforcing substrate 3 can be a UV-curable resin or an adhesive made of an acrylic or epoxy resin.

本発明の光導波路素子の特徴は、構造体Sの高さHをスポットサイズ変換部の最大高さよりも高くし、上部基板4によるスポットサイズ変換部(ブロック体2)の破損を抑制することである。 The optical waveguide element of the present invention is characterized in that the height H of the structure S is made greater than the maximum height of the spot size conversion section, thereby preventing damage to the spot size conversion section (block body 2) by the upper substrate 4.

図6及び7は、本発明の光導波路素子に係る第2の実施例を示す図である。第2の実施例の特徴は、構造体Sの上面(上部基板に対向する面)に、凸状部S1を設け、隣接する凸状部の間に溝を形成することである。この溝は、補強基板3と上部基板4との間にある余分な接着剤を効率的に排出することに寄与する。そのため、補強基板3又は構造体Sと上部基板4との間隔をより均一な厚さに維持することができる。 Figures 6 and 7 are diagrams showing a second embodiment of the optical waveguide element of the present invention. The second embodiment is characterized in that a convex portion S1 is provided on the upper surface (the surface facing the upper substrate) of the structure S, and a groove is formed between adjacent convex portions. This groove contributes to efficiently discharging excess adhesive between the reinforcing substrate 3 and the upper substrate 4. Therefore, the distance between the reinforcing substrate 3 or structure S and the upper substrate 4 can be maintained at a more uniform thickness.

特に、有機硬化物5をスポットサイズ変換部(SSC)のコア部の一部とする場合には、有機硬化物が形成する層の厚みが一定となることにより、光波のMFDのサイズを安定化できるだけでなく、マルチモードが発生し難いSSCを実現することが可能となる。 In particular, when the organic cured material 5 is used as part of the core of the spot size conversion section (SSC), the thickness of the layer formed by the organic cured material becomes constant, which not only stabilizes the size of the MFD of the light wave but also makes it possible to realize an SSC that is less likely to generate multimodes.

図7に示す構造体S(突起部S1の上面まで)の厚さHは、スポットサイズ変換部の高さにも依存するが、接着剤をコア部の一部として利用する場合は、1μm~3.5μmの範囲が設定される。また、構造体Sの上面の全面積に占める突起部S1の面積は、10%から60%程度の範囲に設定される。これは、突起部の機械的強度をある程度高くする必要があることと、溝等の隙間が狭くなり過ぎると、空気が入り込み排出できないなどの不具合を生じるためである。構造体の突起部S1の上面の面積が大きくなると上部基板を貼り合わせる際に、構造体とリッドとの接触面における摩擦力が高くなりリッドが固着化され、プロセス作業性に悪影響を及ぼす。 The thickness H of the structure S (up to the top surface of the protrusion S1) shown in FIG. 7 depends on the height of the spot size conversion section, but is set in the range of 1 μm to 3.5 μm when adhesive is used as part of the core section. The area of the protrusion S1 relative to the total area of the top surface of the structure S is set in the range of about 10% to 60%. This is because the mechanical strength of the protrusion needs to be increased to a certain extent, and if the gap in the groove or the like becomes too narrow, problems such as air getting in and being unable to be exhausted occur. If the area of the top surface of the protrusion S1 of the structure becomes large, the frictional force at the contact surface between the structure and the lid increases when the upper substrate is bonded, causing the lid to stick, which has a negative effect on process workability.

図8及び9は、本発明の光導波路素子に係る第3の実施例を示す図である。第3の実施例の特徴は、光導波路10のスポットサイズ変換部(ブロック体2)から離れる方向に、接着剤(5)が流出するのを抑制するための接着剤流出防止手段EBが配置されていることである。 Figures 8 and 9 are diagrams showing a third embodiment of the optical waveguide element of the present invention. The third embodiment is characterized in that an adhesive outflow prevention means EB is arranged to prevent the adhesive (5) from outflowing in a direction away from the spot size conversion portion (block body 2) of the optical waveguide 10.

接着剤(5)が、光導波路10の表面を覆うように光導波路素子内に広がると、光変調器を構成する場合に必要な光検出器などの設置する場所をSSC部よりも離れた場所に設ける必要が生じるため、小型化ができないなどの問題が生じる。また、光導波路の設計にない部分に接着剤が付着することで伝搬する光波の一部が漏出したり、光導波路の曲げに対応する光の閉じ込めが出来ず伝搬損失が大きくなる。 If the adhesive (5) spreads inside the optical waveguide element so as to cover the surface of the optical waveguide 10, it becomes necessary to locate the photodetector and other components required for constructing an optical modulator at a location farther away from the SSC section, which creates problems such as making it impossible to miniaturize the device. In addition, if the adhesive adheres to a part of the optical waveguide that is not designed, some of the propagating light waves may leak out, or the light may not be confined in a way that corresponds to the bending of the optical waveguide, resulting in large propagation losses.

接着剤流出防止手段EBを構成する材料の屈折率は、光導波路10を構成する材料の屈折率よりも低いことが必要であり、特に、構造体Sと同じ材料を使用し、構造体Sを形成するプロセスを利用して接着剤流出防止手段を形成することも可能である。 The refractive index of the material constituting the adhesive outflow prevention means EB must be lower than the refractive index of the material constituting the optical waveguide 10, and in particular, it is possible to form the adhesive outflow prevention means using the same material as the structure S and utilizing the process for forming the structure S.

さらに、接着剤流出防止手段EBからスポットサイズ変換部(ブロック体2)側又はブロック体2と反対側の光導波路10の表面には、接着剤流出防止手段EBと同じ材料で被覆する被覆部COが形成されている。このような被覆部は、光導波路10の荒れた表面を埋める役割を果たすと共に、光導波路10の周辺の材料を被覆層CO、接着剤流出防止手段EB、ブロック体2と順番に配置することにより、急激な屈折率変化を抑制することからも伝搬損失の低減に寄与する。 Furthermore, a covering portion CO made of the same material as the adhesive outflow prevention means EB is formed on the surface of the optical waveguide 10 on the side of the spot size conversion section (block body 2) or the side opposite the block body 2 from the adhesive outflow prevention means EB. This covering portion serves to fill in the rough surface of the optical waveguide 10, and by arranging the materials around the optical waveguide 10 in the order of covering layer CO, adhesive outflow prevention means EB, and block body 2, it also contributes to reducing propagation loss by suppressing sudden changes in refractive index.

本発明の光導波路素子は、光導波路10を伝搬する光波を変調する変調電極を設け、図10のように、筐体8内に収容される。さらに、光導波路に光波を入出力する光ファイバ(F)を設けることで、光変調デバイスMDを構成することができる。図10では、光ファイバは、筐体の側壁を貫通する貫通孔を介して筐体内に導入し、光導波路素子に直接接合されている。光導波路素子と光ファイバとは、空間光学系を介して光学的に接続することも可能である。 The optical waveguide element of the present invention is provided with a modulation electrode that modulates the light waves propagating through the optical waveguide 10, and is housed in a housing 8 as shown in FIG. 10. Furthermore, an optical modulation device MD can be constructed by providing an optical fiber (F) that inputs and outputs light waves to the optical waveguide. In FIG. 10, the optical fiber is introduced into the housing through a through hole that penetrates the side wall of the housing, and is directly bonded to the optical waveguide element. The optical waveguide element and the optical fiber can also be optically connected via a spatial optical system.

光変調デバイスMDに変調動作を行わせる変調信号を出力する電子回路(デジタル信号プロセッサーDSP)を、光変調デバイスMDに接続することにより、光送信装置OTAを構成することが可能である。光導波路素子に印加する変調信号は増幅する必要があるため、ドライバ回路DRVが使用される。ドライバ回路DRVやデジタル信号プロセッサーDSPは、筐体8の外部に配置することも可能であるが、筐体8内に配置することも可能である。特に、ドライバ回路DRVを筐体内に配置することで、ドライバ回路からの変調信号の伝搬損失をより低減することが可能となる。 The optical transmitter OTA can be configured by connecting an electronic circuit (digital signal processor DSP) that outputs a modulation signal that causes the optical modulation device MD to perform a modulation operation to the optical modulation device MD. Since the modulation signal applied to the optical waveguide element needs to be amplified, a driver circuit DRV is used. The driver circuit DRV and digital signal processor DSP can be placed outside the housing 8, but they can also be placed inside the housing 8. In particular, by placing the driver circuit DRV inside the housing, it is possible to further reduce the propagation loss of the modulation signal from the driver circuit.

以上説明したように、本発明によれば、光導波路の端部にスポットサイズ変換部を設けた場合でも、上部基板を補強基板に対して平行に貼り付け、該スポットサイズ変換部を破損することを防止し、接着層厚を均一化することによりMFDが安定化され、更には、熱応力が均一化され上部基板の剥がれを抑制した光導波路素子を提供することが可能となる。さらには、その光導波路素子を用いた光変調デバイスと光送信装置を提供することが可能となる。 As described above, according to the present invention, even when a spot size conversion section is provided at the end of the optical waveguide, the upper substrate is attached parallel to the reinforcing substrate, preventing damage to the spot size conversion section, and the MFD is stabilized by making the adhesive layer thickness uniform. Furthermore, it is possible to provide an optical waveguide element in which thermal stress is uniformized and peeling of the upper substrate is suppressed. Furthermore, it is possible to provide an optical modulation device and an optical transmission device using this optical waveguide element.

1 光導波路を形成する基板(薄板,膜体)
2 スポットサイズ変換部を構成するブロック体
3 補強基板
4 上部基板
5 接着剤
10 光導波路
S 構造体
S1 突起部
EB 接着剤流出防止手段
CO 被覆部

1. Substrate (thin plate, film) on which the optical waveguide is formed
2 Block body constituting spot size conversion section 3 Reinforcement substrate 4 Upper substrate 5 Adhesive 10 Optical waveguide S Structure S1 Projection EB Adhesive outflow prevention means CO Covering section

Claims (9)

電気光学効果を有する材料で形成されるリブ型の光導波路と、該光導波路を支持する補強基板とを備えた光導波路素子において、
該光導波路の一端には、該光導波路を伝搬する光波のモードフィールド径を変化するスポットサイズ変換部を備え、
該スポットサイズ変換部は、コア部となるブロック部と、該ブロック部を取り囲み該ブロック部を構成する材料よりも屈折率が低い有機硬化物で構成され、
該スポットサイズ変換部を挟むように、該スポットサイズ変換部から離間して配置されると共に、該補強基板上に配置される構造体を備え、
さらに、該スポットサイズ変換部と該構造体の上側に配置される上部基板を有し
該有機硬化物は、該ブロック部と該構造体及び該上部基板が形成された空間に充填された接着剤で形成され、
該構造体の高さは、該スポットサイズ変換部の最大の高さ以上となるように設定されていると共に、該構造体の該上部基板に対向する面には、該ブロック部から離れる方向に該接着剤を流す溝が形成されていることを特徴とする光導波路素子。
An optical waveguide element including a rib-type optical waveguide formed of a material having an electro-optic effect and a reinforcing substrate supporting the optical waveguide,
a spot size conversion unit that changes a mode field diameter of a light wave propagating through the optical waveguide at one end of the optical waveguide;
the spot size conversion portion is composed of a block portion that serves as a core portion and an organic cured material that surrounds the block portion and has a refractive index lower than that of a material that constitutes the block portion;
a structure disposed on the reinforcing substrate and spaced apart from the spot size conversion portion so as to sandwich the spot size conversion portion;
Further, the spot size conversion unit and the structure have an upper substrate disposed above the structure,
the organic cured material is formed of an adhesive that fills a space in which the block portion, the structure, and the upper substrate are formed;
An optical waveguide element characterized in that the height of the structure is set to be equal to or greater than the maximum height of the spot size conversion portion, and a groove is formed on the surface of the structure facing the upper substrate to allow the adhesive to flow in a direction away from the block portion .
請求項1に記載の光導波路素子において、該構造体の該上部基板に対向する面は、複数の突起部と該突起部の周り形成される該溝で構成され、該突起部が該面に占める面積は、10%から60%の範囲に設定されることを特徴とする光導波路素子。 2. The optical waveguide element according to claim 1, wherein the surface of the structure facing the upper substrate is composed of a plurality of protrusions and the grooves formed around the protrusions, and the area of the surface occupied by the protrusions is set in the range of 10% to 60% . 請求項1又は2に記載の光導波路素子において、該構造体の高さは、1μmから3.5μmの範囲に設定されることを特徴とする光導波路素子。 3. The optical waveguide element according to claim 1 , wherein the height of said structures is set in the range of 1 [mu]m to 3.5 [mu]m . 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、該スポットサイズ変換部から該光導波路の方向に、該接着剤が流出するのを抑制するための接着剤流出防止手段が配置されていることを特徴とする光導波路素子。 4. The optical waveguide element according to claim 1 , further comprising an adhesive outflow prevention means arranged in a direction from the spot size conversion portion to the optical waveguide to suppress outflow of the adhesive. 請求項4に記載の光導波路素子において、該接着剤流出防止手段から該スポットサイズ変換部と反対側に位置する該光導波路の表面には、該接着剤流出防止手段と同じ材料で被覆した被覆部を有することを特徴とする光導波路素子。 5. The optical waveguide element according to claim 4, further comprising a covering portion on a surface of the optical waveguide located on the opposite side of the adhesive outflow prevention means from the spot size conversion portion, the covering portion being made of the same material as the adhesive outflow prevention means. 請求項4又は5のいずれかに記載の光導波路素子において、該接着剤流出防止手段の材料の屈折率は、前記リブ型の光導波路を構成する材料の屈折率よりも低いことを特徴とする光導波路素子。 The optical waveguide element according to claim 4 or 5, characterized in that the refractive index of the material of the adhesive outflow prevention means is lower than the refractive index of the material constituting the rib-shaped optical waveguide. 請求項1乃至6いずれかに記載の光導波路素子は、該光導波路素子は筐体内に収容され、該光導波路に光波を入力又は出力する光ファイバを備えることを特徴とする光変調デバイス。 The optical waveguide element according to any one of claims 1 to 6 is an optical modulation device, characterized in that the optical waveguide element is housed in a housing and has an optical fiber that inputs or outputs light waves to the optical waveguide. 請求項7に記載の光変調デバイスにおいて、該光導波路素子は該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極を備え、該光導波路素子の変調電極に入力する変調信号を増幅する電子回路を該筐体の内部に有することを特徴とする光変調デバイス。 The optical modulation device according to claim 7, characterized in that the optical waveguide element has a modulation electrode for modulating the light wave propagating through the optical waveguide, and an electronic circuit for amplifying the modulation signal input to the modulation electrode of the optical waveguide element is provided inside the housing. 請求項7又は8に記載の光変調デバイスと、該光変調デバイスに変調動作を行わせる変調信号を出力する電子回路とを有することを特徴とする光送信装置。 An optical transmitter comprising the optical modulation device according to claim 7 or 8, and an electronic circuit that outputs a modulation signal that causes the optical modulation device to perform a modulation operation.
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