CN103430084A - 光调制元件 - Google Patents

Abstract

本发明的光调制元件包括：具有一对沟槽以及在这些沟槽之间的突起部支撑基板；由电光晶体构成且形成有进行多模传播的沟道型光波导的脊部；形成在脊部的一侧且由电光晶体构成；形成在脊部的另一侧且由电光晶体构成；用于粘接第一侧板部和支撑基板的第一粘接层；用于粘接第二侧板部和支撑基板的第二粘接层；以及用于粘接脊部和突起部的第三粘接层。本元件还具备：第一电极，设置在脊部的第一沟槽侧的侧面、第一侧板部的侧面以及第一侧板部上面；第二电极，设置在脊部的第二沟槽侧的侧面、第二沟槽、第二侧板部的侧面以及第二侧板部的上面。通过施加于第一电极和第二电极之间的调制电压来对在沟道型光波导中传播的光进行调制。

Description

光调制元件

技术领域

本发明涉及一种适合于流式细胞术用光源的光调制元件。

背景技术

在生物细胞分析和加工领域中，正积极进行着利用激光器的检查装置和加工装置的产品开发。其中一例就是流式细胞术（flowcytometry）。流式细胞术是一种将生物体内的细胞分散于流体中并使该流体细流并对各个细胞进行光学分析的方法。将用于流式细胞术的装置称之为流式细胞仪（flow cytometers）。

流式细胞仪用于检测在用激光照射细胞的时候从光线稍微偏离的方向（在与光线同轴的位置上被光源的强光所饱和）的前散射（ForwardScatter，简称为FSC）、和与光线成直角方向的侧散射SSC（SideScatter）。另外，用荧光物质对细胞做标记，并用激光检测所产生的荧光。就细胞而言，从FSC能够分析细胞的大小，而从SSC能够分析细胞内部的复杂程度（从核的形状、细胞内的小器官、膜结构等）。利用各检测器的组合、荧光物质、免疫染色可以进行非常多的各种各样的分析。近年来，在市场上销售装备了多个光线和检测器的装置（4种光线、14种检测器等），该装置通过使用多个抗体能够同时进行高度分析。另外，也有以细胞分类器作为标准设备的装置，其能够通过切换鞘流流道来以高精度且高速分配目标粒子。用市售的装置最大能够分类出4种集团，理论上每秒能够处理90,000个粒子。

就激光器而言，以前一直使用大型的操作复杂的水冷式气体激光器，但随着激光器技术和高感度流动池（flow cell）检测系统的发展，小型、简便且寿命长的空冷激光器成为主流。具体而言，使用空冷氩激光器（488nm）、空冷氦氖激光器（633nm）以及空冷氦镉激光器（325nm）等。进而，最近也使用更小型化的低消耗功率的半导体激光器、或使用采用了波长变换元件的全固体激光器（光激发半导体激光器）。

在流式细胞仪中，有时激光照射至流体为止用光纤来传送。就所使用的激光器而言，有时光强度从数十mW甚至超过100mW，若将所有的波长合计，则达到300mW以上。另外，光纤点（spot）的形状较大，大小为数十μm以上；光纤使用数十μm以上的多模光纤。此时，为了准确地测定各个细胞，需要激光的光纤点的形状稳定而不发生变化。因此为了使激光的光纤点的形状和光强度稳定，有时使用调制强度和相位的光控制元件。

作为使用脊形光波导的光调制元件，已提出专利申请的例如有特开2002-250949、特开2005-221894以及特开昭63-49732。

在特开2002-250949的光调制元件中，将脊形光波导粘接于支撑基板上。

特开2005-221894中记载的光调制元件由具备二阶非线性光学效应的材料构成，并包括：第一工序，通过对具有周期性极化反转结构的第一基板21和第二基板22实施基于热处理的扩散粘接来实现粘贴；第二工序，将第一基板21研磨成规定厚度，该厚度是适合形成光波导的厚度；第三工序，通过对第一基板21和第三基板23实施基于热处理的扩散粘接来实现粘贴。进而，作为脊形波导公开了切削了第一基板、第三基板以及第二基板的一部分的结构。

特开昭63-49732中记载的光调制元件在作为电光晶体的x-cutLN基板上形成脊形波导，并在其侧面形成有电极。

此外，作为光调制器的漂移（drift）对策，在专利号1789177中记载了使用SiO₂缓冲层的技术。

发明内容

在现有的调制元件当中，存在如下调制元件：如特开昭63-49732所示那样，在脊部的两侧面上分别设置调制电极，并用一对调制电极对向脊部内传播的光施加调制电压。本发明人在开发例如用于流式细胞术的光调制元件的过程中，尝试了采用特开2002-250949中记载的光波导结构，并如特开昭63-49732中记载那样在脊部的两侧面上分别形成调制用电极的方法。

然而，其结果是，对光调制所必要的驱动电压（半波长电压）随时间经过的变化非常大，因此判断为不能使用此方法。

例如，当在流式细胞术领域中使用光调制元件时，激光功率强度较大，例如达到300mW以上。另外，要求短波长激光的情况较多，波长例如在700nm以下。如此，当提高光强度或缩短波长时，驱动电压的变化非常明显。

本发明的课题在于，提供一种在向脊形光波导传播光的同时实施调制的光调制元件中，即使提高光强度或缩短光波长也能够防止由发热引起的光波导的破损，且能够抑制驱动电压变化的结构。

本发明的光调制元件具备具有第一沟槽、第二沟槽以及这些沟槽之间的突起部的支撑基板，并具备由电光晶体构成且形成有进行多模传播的沟道型光波导的脊部。本元件还具备：第一侧板部，形成在脊部的一侧且由电光晶体构成；第二侧板部，形成在脊部的另一侧且由电光晶体构成；第一粘接层，用于粘接第一侧板部和支撑基板；第二粘接层，用于粘接第二侧板部和支撑基板；第三粘接层，用于粘接脊部和突起部。本元件还具备：第一电极，设置在脊部的第一沟槽侧的侧面、第一沟槽、第一侧板部的侧面以及第一侧板部的上面；第二电极，设置在脊部的第二沟槽侧的侧面、第二沟槽、第二侧板部的侧面以及第二侧板部的上面。通过施加于第一电极和第二电极之间的调制电压来对在沟道型光波导中传播的光的相位进行调制。

本发明人对以下原因进行了研究：例如在特开昭63-49732中记载那样，用一对调制电极来夹持脊部的方案中，当光强度变高或光波长变短时，驱动电压发生明显的变化。其结果发现：随着时间的经过，脊部的温度上升，且光传播特性发生变化；另外由于热电效应而使电光晶体衬底的表面电荷状态发生变化。

如果该温度变化急剧，则基于该表面电荷的内部电场超过绝缘破坏临界值，从而发生波导破损。

本发明人基于该发现，首先在支撑基板侧也形成沟槽，并使调制电极不仅在脊部侧面延伸而且在面对于沟槽的支撑基板表面上也延伸，进而使调制基板从面对于侧板部沟槽的表面延伸至侧板部上面。如此，除了形成沟槽外，将调制电极形成在脊部的侧面整体上，并将其遍及该沟槽和侧板部侧面以及上面而延伸设置，由此传播由光传播而在脊部周围产生的热量，从而促进放热。其结果发现：即使在光强度变高或光波长变短的情况下，也能够抑制驱动电压的明显变化。由此实现了本发明。

进而，在本申请结构中，由于在脊部的电光晶体的上下左右配置有低折射率材料，因此呈较强的光封闭结构，并得到对称性优异的振形（mode shape）。由此，即使光波长变化，振形也不易发生变化，呈稳定状态。

附图说明

图1是示意性表示本发明一实施方案的光调制元件1的立体图。

图2是示意性表示图1的光调制元件的主要部分的剖面图。

具体实施方案

在支撑基板2的上面2a侧形成有第一沟槽2b和第二沟槽2c，并在一对沟槽2b和2c之间形成有突起2d。由电光晶体构成的脊部6的底面6d通过第三粘接层4C粘接在突起2d上。在本例中，在脊部6的上面6a、第一侧面6b、第二侧面6c上分别形成有缓冲层5D，而在脊部6的底面6d上形成有缓冲层5E。

在第一沟槽2b的外侧，由电光晶体构成的第一侧板部3A的底面3a通过第一粘接层4A粘接在支撑基板2的表面2a上。在本例中，在侧板部3A的底面3a上形成有缓冲层5B，在侧面3b上形成有缓冲层5C，在上面3c上形成有缓冲层5A。另外，在第二沟槽2c的外侧，由电光晶体构成的第二侧板部3B的底面3a通过第二粘接层4B粘接在支撑基板2的表面2a上。在本例中，在侧板部3B的底面3a上形成有缓冲层5B，在侧面3b上形成有缓冲层5C，在上面3c上形成有缓冲层5A。

另外，第一调制电极7A遍及侧板部3A的上面3c、脊形沟槽8A侧的侧面3b、沟槽2b以及脊部6的侧面6b上而形成。即，调制电极7A不仅具有用于向脊部6施加电压的电压施加部7d，还具有与电压施加部相连接的导电膜7c、7b、7a，而导电膜7a在侧板部3的上面3c上延伸。另外，第二调制电极7B遍及侧板部3B的上面3c、脊形沟槽8B侧的侧面3b、沟槽2c以及脊部6的侧面6c上而形成。即，调制电极7B不仅具有用于向脊部6施加电压的电压施加部7d，还具有与电压施加部相连接的导电膜7c、7b、7a，而导电膜7a在侧板部3B的上面3c上延伸。

在本发明中，对传播光进行多模传播，能够增大传播光的光强度。另外，用于形成脊部6的脊形沟槽8A、8B的深度大于基板厚度Twg，从而使沟槽2b、2c到达至支撑基板2。如此，将脊形沟槽延伸至支撑基板2，并且使调制电极遍及脊部6的侧面、支撑基板的沟槽2a、2b、各侧板部的侧面3b以及上面2c而延伸设置，由此传播由光的传播而在脊部周围产生的热量，促进放热。其结果是，即使在光强度变大或光波长变短的情况下也能够抑制驱动电压的明显变化。

在本发明中，在支撑基板2设置一对沟槽2b、2c和这些沟槽之间的突起部2d。

支撑基板的材质能够例举铌酸锂、钽酸锂晶体、铌酸锂－钽酸锂晶体固溶体、铌酸钾锂、石英玻璃等玻璃、水晶以及Si等。

对在支撑基板上形成沟槽2b、2c的加工方法无特别限定，能够采用机械加工、离子铣削、干法刻蚀、激光消融等方法。

在本发明中，通过调节传播光的波长和脊部6的高度来向沟道型光波导以多模传播的方式传播光。由此，能够抑制光的聚集，并能够传播具有较大光强度的光。从该观点考虑，则优选使脊部6的厚度Twg在25μm以上且150μm以下。

优选脊部6的宽度Wr在20μm-100μm，更优选在25μm-90μm。而脊部6的幅Wr是脊部6的上面6a两边部之间的间隔。

脊部、第一侧板部和第二侧板部的材质能够例举铌酸锂、钽酸锂晶体、铌酸锂－钽酸锂晶体固溶体以及铌酸钾锂，并优选采用相同材质。另外，掺杂MgO等也可，也可以采用共熔组成、化学计量组成。

优选第一粘接层、第二粘接层以及第三粘接层的各折射率、与脊部、侧板部的材质的折射率之差分别在各粘接层的折射率的10%以上，更优选在20%以上。另外，从封闭光的观点考虑，则各粘接层的厚度优选在0.1μm以上，另外，从降低薄板研磨加工后的基板厚度不均匀情况的观点考虑，则各粘接层的厚度优选在3μm以下。

第一粘接层、第二粘接层以及第三粘接层的材质可以是无机粘接剂，也可以是有机粘接剂，也可以是无机粘接剂和有机粘接剂的组合。

对有机粘接剂的具体例无特别限定，可以例举环氧类粘接剂、热固化粘接剂、紫外线固化粘接剂、热膨胀系数较接近于铌酸锂等具有电光效应的材料的alone ceramic C（商品名，东亚合成社制造）（热膨胀系数为13×10^-6／K）。

另外，无机粘接剂优选使用具有低介电常数且粘接温度（操作温度）大致在600℃以下的粘接剂。另外，优选使用在加工的时候能够得到充分的粘接强度的粘接剂。具体而言，优选使用氧化硅、氧化铅、氧化铝、氧化镁、氧化钙、氧化硼等成分的单体或组合这些成分中多个成分的玻璃。另外，作为其他的无机粘接剂，例如有五氧化二钽、二氧化钛、五氧化铌、氧化锌。

对无机粘接层的形成方法无特别限定，可以采用溅射法，蒸镀法、旋涂法、溶胶-凝胶法等。另外，可以通过设置粘接剂薄片来进行粘接。优选地，将由具有热固化性、光固化性或光增粘性的树脂粘接剂构成的薄片设置在电光材料层的内侧面和支撑基板2之间，并固化薄片。300μm以下树脂薄膜适合用作这种薄片。

在本发明中，第一电极设置于脊部的第一沟槽侧的侧面、第一沟槽、第一侧板部的侧面以及第一侧板部的上面，而第二电极设置于脊部的第二沟槽侧的侧面、第二沟槽、第二侧板部的侧面以及第二侧板部的上面。在此，要求第一电极和第二电极分别在内部处于电连接状态，但不必覆盖各面的整个面，局部存在不被电极覆盖的区域也可。

就各电极的材质而言，只要能得到所期望的导电性，就无特别限定，可以例举如金、银、铜、铝、碳以及钼。

在优选的实施方案中，具有覆盖脊部的上面、第一侧面以及第二侧面的缓冲层，且缓冲层夹在第一电极及第二电极和脊部之间。该缓冲层减少由各电极引起的光吸收损失，并强化光向脊部内的封闭，从而能够实现光波导，该光波导与光纤一样具有对称性优异的光纤点形状。

因此，脊部6材质的折射率和缓冲层的折射率之差优选在缓冲层材质的折射率的10%以上，更优选在20%以上。另外，从封闭光的观点考虑，则缓冲层的厚度优选在0.1μm以上；从增加半波长电压的观点考虑，则缓冲层的厚度优选在1μm以下。

缓冲层的材质优选采用SiO₂、Ta₂O₅。

从抑制驱动电压的变化的观点考虑，则脊形沟槽8A、8B的深度（Twg＋Tsp）减去脊部6的高度Twg的值（Tsp）优选在20μm以上，更优选在30μm以上。

另外，从抑制驱动电压的变化的观点考虑，则脊部6的上面边缘和侧板部7A（7B）的上面边缘之间的间隔（Ws）优选在30μm以上，更优选在45μm以上。另外，虽对Ws的上限并无特别限定，但从加工简便的观点考虑，优选在300μm以下。

另外，通过满足（Twg+Tsp）／5≦Ws的关系，促进向沟槽内空间的放热，对抑制驱动电压的变化很有效。

当在沟道型光波导中传播的光强度在300mW以上时，本发明尤其有效。另外，当在沟道型光波导中传播的光波长在550nm以下时，本发明尤其有效。

本发明的光调制元件只要是调制光特性的元件就无特别限定，可以是光强度调制器、光相位调制器。光强度调制器可以是利用马赫曾德尔（Mach-Zehnder）式光波导的光振幅调制器。光相位调制器是指，对入射光进行相位调制并从出射光取出相位调制信号的调制器。

实施例

（实施例1）

制造参照图1和图2说明的所述元件，并试验了光调制特性。

具体而言，在厚度为500μm且掺杂5%molMgO（氧化镁）的x板铌酸锂单晶基板的上面，使用溅射机形成了由SiO₂形成的厚度为0.5μm的膜作为缓冲层。接着，将掺杂5%molMgO的x板铌酸锂单晶基板的膜形成面朝下，并将其用树脂粘接剂粘贴在厚度为1mm的未掺杂5%mol MgO的x板铌酸锂基板2。接着，对掺MgO铌酸锂基板表面进行磨削、研磨加工，直至厚度变为70μm。其后，使用钻石轮划片机从掺MgO铌酸锂基板侧开始进行磨削加工，由此形成深度为100μm的沟槽2b、2c，并形成了宽度为35μm、高度为70μm的脊部6。进而形成由SiO₂形成的厚度为0.5μm的膜作为缓冲层，并按照Ni、Cr、Au（厚度为0.5μm）的顺序形成膜作为导电膜7A、7B，并且在脊形波导部侧面、脊形沟槽底面、两旁的侧面脊部的侧面以及表面上，通过平板印刷术形成图案作为SiO₂缓冲层和导电膜，从而制造出图1和图2所示的相位调制元件1。

接着，使用钻石轮划片机进行切断以变成宽度3mm、长度10mm的片状物，并对片状物的端面进行光学研磨。另外，使用光纤芯直径为50μm的GI光纤，用UV固化树脂对相位调制元件进行光学连接。最后，在两旁的侧面部表面的电极部实施了引线接合以实现与外部电路的导通。侧面脊部表面的电极宽度在单侧1.2mm（两侧共为2.4mm）。

在此，各部分的尺寸如下。

本相位调制器的电极长度为9.5mm，半波长电压为10V。在本元件中，向波导元件输入波长为405nm的光50mW，波长为532nm的光150mW，波长为632nm的光150mW，并测定了调制特性。各光以多模传播的方式在光波导中传播。为了评价调制特性，用光纤构成马赫曾德尔干涉仪，在单侧的臂上插入本调制元件，而在另一侧臂上什么都不插入，之后观测了其强度调制光的变化。使本调制元件在1kHz、±10V的条件下进行调制的结果是，在各波长中偏压点（bias point）的变动控制为50%，另外对20个元件进行了试验，结果未出现波导破损的情况和光插入损失的变化。

（比较例1）

以与实施例1相同的方法制造了光调制元件，并测定了光调制特性。

不过，与实施例1不同地，在第一电极中，形成了脊部6侧面6b上的电极7d和沟槽2b上的导电膜7c，而在侧板部3A的侧面3b和上面3c上未形成导电膜。另外，在第二电极中，形成了脊部6侧面6c上的电极7d和沟槽2c上的导电膜7c，而在侧板部3B侧面3b和上面3c上未形成导电膜。

本相位调制器的电极长度为9.5mm，半波长电压为10V。在本元件中，向波导元件输入波长为405nm的光50mW，波长为532nm光的150mW，波长为632nm光的150mW，并测定了调制特性。各光以多模传播的方式在光波导中传播。为了评价调制特性，用光纤构成马赫曾德尔干涉仪，在单侧的臂上插入本调制元件，而在另一侧臂上什么都不插入，之后观测了其强度调制光的变化。使本调制元件在1kHz、±10V的条件下进行调制的结果是，在各波长中光强度连续地发生瞬时的变化，而且偏压点的变动在100%以上，另外，对20个元件进行了试验，两个元件出现波导破损，光插入损失劣化2dB。

以上说明了本发明特定的实施方案，但本发明并不限定于这些特定的实施方案，在不脱离权利要求书范围的情况下，可以进行种种变更和改变。

Claims (4)

1.一种光调制元件，其特征在于，具备：

支撑基板，具有第一沟槽、第二沟槽以及这些沟槽之间的突起部，

脊部，由电光晶体构成且形成有用于传播多模光的沟道型光波导，

第一侧板部，形成在所述脊部的一侧且由电光晶体构成，

第二侧板部，形成在所述脊部的另一侧且由电光晶体构成，

第一粘接层，用于粘接所述第一侧板部和所述支撑基板，

第二粘接层，用于粘接所述第二侧板部和所述支撑基板，

第三粘接层，用于粘接所述脊部和所述突起部，

第一电极，设置在所述脊部的所述第一沟槽侧的侧面、所述第一沟槽、所述第一侧板部的侧面以及所述第一侧板部的上面，以及

第二电极，设置在所述脊部的所述第二沟槽侧的侧面、所述第二沟槽、所述第二侧板部的侧面以及所述第二侧板部的上面；

通过施加于所述第一电极和所述第二电极之间的调制电压来对在所述沟道型光波导中传播的光进行调制。

2.权利要求1所述的光调制元件，其特征在于，所述脊部的厚度在25μm以上且150μm以下。

3.权利要求1或2所述的光调制元件，其特征在于，所述光调制元件具备覆盖所述脊部上面、所述第一侧面以及所述第二侧面的缓冲层，而所述缓冲层夹在所述第一电极以及所述第二电极和所述脊部之间。

4.权利要求1-3中任一项所述的光调制元件，其特征在于，所述光调制元件是流式细胞术用光源。

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