JP2011209629A - 導波路型偏光子 - Google Patents

Abstract

【課題】
特別な製造工程を用いることなく、光導波路自体に偏光子作用を安定的に付加することが可能な導波路型偏光子を提供すること。
【解決手段】
Ｚカット型のニオブ酸リチウム基板１と、該基板上にリッジ構造の光導波路が形成された導波路型偏光子において、該リッジ構造の幅は、該光導波路を伝播する光波の常光の光分布が変化するリッジ幅であり、かつ、該光波の異常光の光分布が変化しないリッジ幅であり、該リッジ構造の角度は９０°よりも小さく、該リッジ構造の側面に、膜厚が０≦ｎ・ｔ／λ≦０．３７４２の条件（ただし、ｎは屈折率，ｔは膜厚，λは光波の波長であり、膜厚、波長の単位はμｍである。）を満足する低屈折率膜３が形成され、該低屈折率膜の上に、膜厚が０．０８９≦ｎ・ｔ／λの条件を満足する高屈折率膜４が形成されて、異常光透過偏光子機能を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、導波路型偏光子に関し、特に、Ｚカット型のニオブ酸リチウム基板上にリッジ構造の光導波路を形成した導波路型偏光子に関する。

光通信や光情報処理の技術分野においては、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの電気光学効果を有する基板を利用した光導波路素子が利用されている。例えば、ＬＮ光変調器として、導波路形状がマッハ・ツェンダー（ＭＺ）構造を有するものがある。ＭＺ構造の変調器は、印加電圧によって、光のｏｎ／ｏｆｆを制御している。具体的には、ＭＺ構造導波路の出力導波路がシングルモード導波路であること、印加電圧によって光の伝播速度が変化することによる基本モード・励起モード制御によって、光のｏｎ／ｏｆｆを可能にしている。

このようなＬＮ光変調器の特性に、Ｖπ、光帯域がある。Ｖπとは、光をｏｎからｏｆｆにするときに必要な印加電圧であり、光帯域とは、ｏｎ／ｏｆｆが動作する周波数である。Ｖπが小さく、光帯域が大きいほど、ＬＮ光変調器の特性としては良好である。

Ｖπを低減するためには、バッファ層の厚さを薄くして、電極と光の距離を近くする必要がある。一方、光帯域の広帯域化には、電極中の電流が一箇所に集中しないように、バッファ層の厚さを厚くする必要がある。そのため、Ｖπと光帯域には、一定の相反則が成り立つ。Ｖπの低減、光帯域の広帯域化を両立させるために、Ｚカット型のＬＮ基板に対しては、リッジ構造が用いられている。

他方、近年、タンデム型光変調器等の強度・位相を変調させる方式が主流になっている。強度・位相を操作するには、ＭＺ構造の光導波路を複数個配置する必要がある。特に、Ｚカット型ＬＮ基板を用いたＤＱＰＳＫ変調器の場合、電極が６個必要となる。そのため、変調電極が、ＬＮ光変調器チップの表面の大部分を占めることになり、付加的な特性を提供する部材を集積化することが困難となる。

また、結晶としてのＬＮは、電気光学効果に異方性を持つことから、ＬＮ光変調器に特定偏波の光を入射して用いられる。ＬＮ光変調器の場合、入射光偏波を異常光（ｎｅ）にすることが一般的である。しかしながら、商用で用いられているＴｉ拡散を施したリッジ構造の光導波路は、異常光（ｎｅ）、常光（ｎｏ）両方を導波することから、常光（ｎｏ）を除去する必要がある。

Ｚカット型のＬＮ基板にＴｉ拡散をした光導波路に対する異常光（ｎｅ）パス偏光子としては、非特許文献１に開示されているような、チップとファイバの接続部にフィルム状の偏光子を貼り付ける方法や、特許文献１や非特許文献２乃至４に開示されているような、Ｔｉ拡散の光導波路上に低屈折率膜や高屈折率膜等を形成する方法などがある。

しかしながら、これらの異常光（ｎｅ）パス偏光子には、以下のようなデメリットがある。
（１）チップとファイバ間（導波路間）に偏光子を貼るため、光損失が大きい。また、各チップごとに貼り付けるため、生産性が悪い。
（２）Ｖπと光帯域の関係上、偏光子部分の薄膜形成と電極下部の薄膜形成を別々に形成する必要があり、生産性が悪い。また、偏光子の領域が必要であるため、ＬＮチップが大きくなる。

特許第２６１３９４２号公報

住友大阪セメントテクニカルレポート１９９６年，ｐｐ２４ Electronics Letters ,Vol.24 ,No.4 ,pp229 (1988) Optics Letters ,Vol.16 ,No.10 ,pp717 (1991) Chinese Optics Letters ,Vol.2 ,No.2 ,pp89 (2004) 電子情報通信学会論文誌 C-Ｉ Vol.J77-C-Ｉ ,No.5 ,pp194 (1994) 藪哲郎，「光導波路解析入門」（森北出版）

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、特別な製造工程を用いることなく、光導波路自体に偏光子作用を安定的に付加することが可能な導波路型偏光子を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、Ｚカット型のニオブ酸リチウム基板と、該基板上にリッジ構造の光導波路が形成された導波路型偏光子において、該リッジ構造の幅は、該光導波路を伝播する光波の常光の光分布が変化するリッジ幅であり、かつ、該光波の異常光の光分布が変化しないリッジ幅であり、該リッジ構造の角度は９０°よりも小さく、該リッジ構造の側面に、膜厚が０≦ｎ・ｔ／λ≦０．３７４２の条件（ただし、ｎは屈折率，ｔは膜厚，λは光波の波長であり、膜厚、波長の単位はμｍである。）を満足する低屈折率膜が形成され、該低屈折率膜の上に、膜厚が０．０８９≦ｎ・ｔ／λの条件を満足する高屈折率膜が形成されて、異常光透過偏光子機能を有することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の導波路型偏光子において、該低屈折率膜の膜厚が、０．０９３５≦ｎ・ｔ／λ≦０．３７４２の条件を満足することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の導波路型偏光子において、該低屈折率膜の主成分は、ＳｉＯ_２であり、ＳｉＯ_２膜中に不純物を混入させて屈折率を制御した膜体であることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、Ｚカット型のニオブ酸リチウム基板と、該基板上にリッジ構造の光導波路が形成された導波路型偏光子において、該リッジ構造の幅は、該光導波路を伝播する光波の常光の光分布が変化するリッジ幅であり、かつ、該光波の異常光の光分布が変化しないリッジ幅であり、該リッジ構造の角度は９０°よりも小さく、該リッジ構造の側面に、膜厚が０≦ｎ・ｔ／λ≦０．３７４２の条件（ただし、ｎは屈折率，ｔは膜厚，λは光波の波長である。）を満足する低屈折率膜が形成され、該低屈折率膜の上に、膜厚が０．０８９≦ｎ・ｔ／λの条件を満足する高屈折率膜が形成されて、異常光透過偏光子機能を有するため、リッジ幅、低屈折率膜や高屈折率膜の膜厚を調整することで、製造工程を複雑化せず、容易に異常光透過偏光子機能を、光導波路、例えば、変調電極の電界が印加される作用部などに付与することが可能となる。

請求項２に係る発明により、低屈折率膜の膜厚が、０．０９３５≦ｎ・ｔ／λ≦０．３７４２の条件を満足するため、常に一定の厚さ以上の低屈折率膜を形成できるため、製造時の誤差も低減させることが可能となり、より安定した性能を発揮することができる。

請求項３に係る発明により、低屈折率膜の主成分は、ＳｉＯ_２であり、ＳｉＯ_２膜中に不純物を混入させて屈折率を制御した膜体であるため、特殊な装置を用いることなく、低屈折率膜の屈折率制御が可能となり、装置固有のカバレッジ性を回避することが可能となる。

本発明の導波路型偏光子の断面図である。 光導波路の作用部における断面図である。 従来の偏光子の例を示す断面図である。 図３におけるＳｉ膜厚と実効屈折率との関係を示すグラフである。 リッジ幅と実効屈折率との関係を示すグラフである。 リッジ構造の導波路を伝搬する常光の状態を説明する図である。 本発明の実施例１に関する測定結果を示すグラフである。 本発明の実施例２の構造を説明する図である。 本発明の実施例２に関する測定結果を示すグラフである。

以下、本発明の導波路型偏光子について、好適例を用いて詳細に説明する。
図１に示すように、本発明の導波路型偏光子は、Ｚカット型のニオブ酸リチウム基板１と、該基板上にリッジ構造の光導波路が形成された導波路型偏光子において、該リッジ構造の幅ｗは、該光導波路を伝播する光波の常光の光分布が変化するリッジ幅であり、かつ、該光波の異常光の光分布が変化しないリッジ幅であり、該リッジ構造の角度θは９０°よりも小さく、該リッジ構造の側面に、膜厚が０≦ｎ・ｔ／λ≦０．３７４２の条件（ただし、ｎは屈折率，ｔは膜厚，λは光波の波長であり、膜厚、波長の単位はμｍである。）を満足する低屈折率膜３が形成され、該低屈折率膜の上に、膜厚が０．０８９≦ｎ・ｔ／λの条件を満足する高屈折率膜４が形成されて、異常光透過偏光子機能を有することを特徴とする。

光導波路の形成方法としては、Ｔｉを熱拡散した光導波路２を形成したニオブ酸リチウム（ＬＮ）ウェハに対し、光導波路２の横にトレンチを形成することでリッジ構造の光導波路を作製する。Ｔｉの拡散工程は、非特許文献５に記載されている既知の技術を用いる。また、トレンチ作製は、レジスト、金属（Ｔｉ、Ｎｉ等）を遮蔽マスクとして、ＬＮ基板をウェット又はドライエッチングする方法や、エキシマ等によるレーザ加工・サンドブラスト等が利用可能である。

上記ウェハに対し、従来技術の方法（Ｔｉ拡散の光導波路上に低屈折率膜や高屈折率膜等を形成する方法）で偏光子を作製する場合、偏光子形成領域以外にも、バッファ層（ＢＦ層）（ＳｉＯ_２）、電荷分散層（Ｓｉ）を形成する。光学素子の設計上の目的によってＶπ、光帯域が決まるため、ＢＦ層膜厚、電荷分散層膜厚は、その目的に合わせた膜厚になる。一般的なＬＮ光変調器のＢＦ層は、ＳｉＯ_２又はＳｉＯ_２に不純物を微量添加した膜が用いられている。そのため、ＢＦ層を形成後、ＬＮ基板とＢＦ層の付着力の増加させたり、膜応力を緩和させるために、熱処理を行う。このため、ＢＦ層や電荷分散層を形成する前に偏光子を形成すると、ＢＦ層の熱処理時に、偏光子が酸化したり、膜の体積変化によって偏光子が剥がれてしまう不具合が発生する。このため、必要な部分、例えば、変調電極の電界が作用する光導波路部分（以下、「作用部」という。）にＢＦ層、電荷分散層を形成した後、上述した従来技術の偏光子を形成する必要がある。

本発明の導波路型偏光子は、ＢＦ層や電荷分散層の形成と偏光子の形成とを同時に行うものであり、膜のカバレッジ（リッジ側面の膜厚／リッジ上面の膜厚）が低い成膜装置（蒸着、スパッタ装置等）を用いることで作製可能である。まず、はじめに、上記リッジ導波路が形成されたウェハをカバレッジが低い装置を用いてＢＦ層を成膜後、熱処理を行う。

図２は、作用部におけるＢＦ層（低屈折率膜）と電荷分散層（高屈折率膜）と形成下断面図であり、符号５は変調電極の一部である、信号電極を図示している。

本発明の導波路型偏光子を製造する際に、カバレッジが低い装置を用いるため、リッジ上面のＢＦ層膜厚が０．７μｍであった場合でも、リッジ側面の膜厚は、０．４μｍ以下になる。カバレッジは、装置の形状、仕様、ウェハの配置等によって異なるが、目安として、蒸着装置〜０、スパッタ装置〜０．５である。

一般的に、リッジ上面のＢＦ層膜厚は、主信号光（異常光（ｎｅ））が電荷分散膜、金属膜（電極）によって減衰しない膜厚が必要であり、０．４μｍ以上必要である。つまり、０．４μｍ付近を境に主信号光の減衰がはじまる。次に、半導体・高屈折率膜（Ｓｉ等）の電荷分散膜を形成することによって、異常光（ｎｅ）を透過させる偏光子が形成される。

図３は、従来の偏光子の構造を示す図である。導波路２上にＳｉ膜（高屈折率膜）４を形成している。文献によっては、ＳｉＯ_２膜３がない場合がある。非特許文献６に記載されているように、Ｓｉ膜厚が厚くなるにつれて、Ｓｉ膜が導波路として機能する。

偏光子として機能する要因は、Ｓｉ膜を厚くしていくと、ＴＥモードが先に伝播モードになる（図４のグラフ参照。図４は、Ｚカット型のＬＮ基板上にＳｉＯ_２膜（ｎ＝１．４５，Ｓｉ膜（ｎ＝３．４７）を堆積したときの、Ｓｉ膜厚に対する実効屈折率の関係を示すグラフである。）。Ｓｉ膜厚をＴＥ光で伝播モード(０．０３μm以上)、ＴＭ光でｌｅａｋｙ（漏出）モード(０．１１μm以下)になるように調整することで、Ｔｉ拡散による導波路の常光をＳｉ膜４のＴＥモード光に移行・拡散させることができる。この時、Ｔｉ拡散導波路の異常光は、Ｓｉ膜のＴＭモード光と結合することができないため（つまり、ＴＭモードでは、Ｓｉの伝播モードがないため）、Ｔｉ拡散導波路を透過することができ、異常光透過偏光子が形成される。導波路のコア厚に対するＴＥモードとＴＭモードに関する記述は、非特許文献６に記載されている。

一方、リッジ構造のＴｉ拡散した光導波路の側面にＳｉＯ_２膜・Ｓｉ膜を形成した場合、光のモード分布が偏波によって変化しないとすると、同じ理由で常光透過偏光子を形成することができる。

現実的なリッジ構造の形状には、図１のようにリッジ角度θがある。ＬＮ光変調器の特性であるＶπは、ＬＮ基板のリッジ角度θによって変化し、リッジ角度が垂直に近づくにつれ小さくなる。しかしながら、リッジ角度が７０°以上の場合、Ｖπにあまり寄与しないことと（非特許文献５参照）、また、リッジ角度を垂直にすることは困難であることから、一般的には、θ＝７０〜８０°である。

Ｚカット型のＬＮ基板を用いて、Ｔｉ拡散の光導波路を形成した場合、Ｔｉの密度に対する屈折率変化量は、常光と異常光で異なることから、常光のモード分布は大きく、異常光のモード分布は小さくなる。そのため、リッジ構造でない状態からリッジ幅を狭くしていくと、光モード分布は、ＴＥモード光が先に変化する。

光分布の変化に伴い、光がリッジ部分の外に染みだすため、実効屈折率（＝真空中の光の速度／導波光の速度）が小さくなるり、実効屈折率と光分布に相関が得られる。Ｔｉ拡散導波路のリッジ幅と実効屈折率の関係を図５のグラフに示す。グラフ（ａ）は、１５５０ｎｍのＴＭモードに関するリッジ幅と実効屈折率との関係を示し、グラフ（ｂ）は、１５５０ｎｍのＴＥモードに関するリッジ幅と実効屈折率との関係を示している。リッジ幅が狭くなると、実効屈折率がＬＮ基板屈折率よりも小さい値をとる。これは、伝播光がリッジ外部に染みだす結果、実効屈折率が基板屈折率よりも低い領域が存在するためである。各偏波によって、実効屈折率が基板屈折率よりも低くなるリッジ幅の場所が異なることから、以下の条件を満足する領域が存在する。
常光実効屈折率＜ＬＮ基板屈折率＜異常光実効屈折率

ところで、リッジ側面にＳｉ膜を形成することで、常光透過偏光子が形成可能となる。つまり、リッジ構造のＴｉ拡散導波路では、リッジ幅を狭くすると、先に常光がリッジ外部に光を漏れ出し、Ｓｉ膜に光を結合しようとする。リッジ角度が９０°の場合、常光は、側面Ｓｉ膜に対しＴＭモードである。よって、側面Ｓｉ膜厚が片偏波のみ導波させるとき、Ｔｉ拡散導波路の常光は、側面Ｓｉ膜と結合・放射することができない。

しかしながら、リッジ角度が９０°よりも小さい場合、Ｔｉ拡散導波路の常光は、側面Ｓｉ膜に対しＴＭモードとＴＥモードが混合した状態になる。よって、側面Ｓｉ膜厚が片偏波のみ導波させるときでも、リッジ構造でない場合に比べると効果は小さいが、Ｔｉ拡散導波路の常光は、側面Ｓｉ膜と結合・放射することができる。図６は、常光が側面のＳｉ膜に結合・放射する説明図であり、図６（ａ）は、リッジ構造でＴｉ拡散導波路に常光１０が伝搬している状態を示し、図６（ｂ）は（ａ）の常光１０を、リッジ側面を１つの軸とする直交座標系に展開したものであり、リッジ側面に平行な成分がＳｉ膜に結合・放射される。図では、右側のリッジ側面を基準としたが、左側のリッジ側面を基準としても良い。

上面Ｓｉ膜厚を固定した場合、側面Ｓｉの膜厚は、成膜装置固有のカバレッジで規定される。そして、側面ＳｉＯ_２膜が変化した場合、側面ＳｉＯ_２膜厚の製造誤差が直接、偏光子特性に寄与する（図４参照）。この製造誤差を軽減するためには、ＢＦ層の厚さを０．１μｍ以上にすることで、側面ＳｉＯ_２膜厚が偏光子特性に及ぼす影響を軽減できる。

しかしながら、上面ＳｉＯ_２膜厚は、ＬＮ光変調器の特性で規定されること、カバレッジは装置固有（カバレッジを変えることが困難）であることから、偏光子の特性を維持するためには、ＳｉＯ_２の屈折率を変える必要がある。低屈折率膜の屈折率変更方法としては、ＴｉＯ_２、Ｉｎ_２Ｏ_３，ＳｎＯ_２等の不純物をＳｉＯ_２に適量添加させることで可能となる。

以上の条件をまとめると、以下の３つの条件を満足することが必要である。
（条件１）偏光子作用を生じさせるためには、
・リッジ角が９０°よりも小さく、
・リッジ構造Ｔｉ拡散導波路の実効屈折率が、
常光実効屈折率＜ＬＮ基板屈折率＜異常光実効屈折率
を満たす領域で、
・リッジ側面に高屈折率膜を０．０４μｍ以上形成すること。
（条件２）リッジ側面と側面高屈折率膜の間に０．１〜０．４μｍの低屈折率膜があることで、偏光作用の製造依存性が小さくなること。
（条件３）カバレッジが変化しない装置でも、低屈折率膜に不純物添加することで屈折率を変化させ、条件２を満たせること。

ただし、上記膜厚は、高屈折率膜の屈折率：３．４７、低屈折率膜の屈折率：１．４５として行った。そのため、上記膜厚を規格化した場合、「高屈折率膜を０．０４μｍ以上」は、「ｎ・ｔ／λが０．０８９以上」に、「側面高屈折率膜の間に０．１〜０．４μｍ程度」は「ｎ・ｔ／λが０．０９３５〜０．３７４２程度」という条件となる。ただし、ｎは屈折率，ｔは膜厚，λは光の波長を示している。また、リッジ構造Ｔｉ拡散導波路の実効屈折率が、「常光実効屈折率＜ＬＮ基板屈折率＜異常光実効屈折率」を直接確認することは、実際的には困難である。そのため、常光成分の光分布が変化し、異常光成分の光分布が変化していないと判断する境界は、本発明に係る構成の形状に対し、偏光子としての機能が確認できる場合となる。

Ｚカット型のＬＮ基板上に、Ｔｉ（幅７．０μｍ、厚さ７５ｎｍ）のパターンを、通常のフォトリソグラフィーや蒸着装置を用いて形成した。上記Ｔｉをウェハに熱拡散（温度１０００℃、１４時間）させた。その後、Ｔｉ拡散導波路の脇にトレンチを形成するため、レジストをエッチングマスクとしてドライエッチングを行い、トレンチ深さ５．０μｍ、リッジ幅８．０μｍリッジ角度７５°を形成した。その後、低屈折率膜として、マグネトロンスパッタ装置でＳｉＯ_２膜（平坦部膜厚０．６μｍ，リッジ側面０．３μｍ）を形成し、アニール処理（６００℃，５時間）を行った。そして、高屈折率膜として、マグネトロンスパッタ装置でアモルファスＳｉ膜（平坦部膜厚１００ｎｍ，リッジ側面５０ｎｍ）を形成した。その後、長さ４０ｍｍのサンプルに切断した。サンプルの偏光子としての効果を確認するため、各偏波に対する光損失を測定した結果、通信波長帯域において、−１０ｄＢ以上の偏光子機能（ＴＭ挿入損失−ＴＥ挿入損失）を確認できた。

図７のグラフは、実施例１のサンプルの測定結果を示すグラフである。ＴＭモード（異常光）の挿入損失は、波長依存性が無く、−５ｄＢであった。一方、ＴＥモード（常光）の挿入損失は、低屈折率膜の厚さ０．３μｍと厚かったため、短波長側では光損失が小さいが、長波長側では−３０ｄＢ以上となっている。

実施例１記載の内容と同様の方法で、図８に示すように、トレンチがＴｉ拡散導波路の片側のみに形成された場合の効果を確認した。その結果を図９のグラフに示す。図９でも、実施例１と同様に、ＴＥモード（常光）の挿入損失は、短波長側では光損失が小さいが、長波長側では−３０ｄＢ以上となっている。

以上説明したように、本発明によれば、特別な製造工程を用いることなく、光導波路自体に偏光子作用を安定的に付加することが可能な導波路型偏光子を提供することが可能となる。

１ 基板
２ 光導波路
３ 低屈折率膜
４ 高屈折率膜

Claims (3)

1. Ｚカット型のニオブ酸リチウム基板と、該基板上にリッジ構造の光導波路が形成された導波路型偏光子において、
   該リッジ構造の幅は、該光導波路を伝播する光波の常光の光分布が変化するリッジ幅であり、かつ、該光波の異常光の光分布が変化しないリッジ幅であり、
   該リッジ構造の角度は９０°よりも小さく、
   該リッジ構造の側面に、膜厚が０≦ｎ・ｔ／λ≦０．３７４２の条件（ただし、ｎは屈折率，ｔは膜厚，λは光波の波長であり、膜厚、波長の単位はμｍである。）を満足する低屈折率膜が形成され、
   該低屈折率膜の上に、膜厚が０．０８９≦ｎ・ｔ／λの条件を満足する高屈折率膜が形成されて、
   異常光透過偏光子機能を有することを特徴とする導波路型偏光子。
2. 請求項１に記載の導波路型偏光子において、該低屈折率膜の膜厚が、０．０９３５≦ｎ・ｔ／λ≦０．３７４２の条件を満足することを特徴とする導波路型偏光子。
3. 請求項１又は２に記載の導波路型偏光子において、該低屈折率膜の主成分は、ＳｉＯ_２であり、ＳｉＯ_２膜中に不純物を混入させて屈折率を制御した膜体であることを特徴とする導波路型偏光子。

Images