JP2012078375A

JP2012078375A - 光導波路素子

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Publication number: JP2012078375A
Application number: JP2010220489A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Ichioka; 雅之市岡; Junichiro Ichikawa; 潤一郎市川
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-04-19

Abstract

【課題】
駆動電圧のより一層の低減が可能な光導波路素子を提供すること。また、駆動電圧の低減により、光導波路素子の小型化や利用する駆動装置の低コスト化を図ること。
【解決手段】
厚みが１０μｍ以下の電気光学効果を有する薄板１と、該薄板に少なくとも一つのリッジ型光導波路が形成された光導波路素子において、該薄板の該リッジ型光導波路が形成された面の反対面上であって、該リッジ型光導波路の下部に該当する部分に、該薄板より屈折率の高い高屈折率膜１０を配置し、該高屈折率膜の幅が、該リッジ型光導波路の幅と同じか、又は当該幅より狭く構成されていることを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、光導波路素子に関し、特に、厚みが１０μｍ以下の電気光学効果を有する薄板にリッジ型光導波路が形成された光導波路素子に関する。

長距離光ファイバー通信や特殊光計測、光制御などに用いられる広帯域光変調器など、高速の電気光学デバイスが開発されている。特に、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）など電気光学効果を有する基板を用いた光変調器やスイッチなどの光導波路素子が多用されている。

本出願人は、特許文献１において、ＬＮ光変調器の駆動電圧を画期的に低減するための構成について開示を行った。この発明は、ＬＮ基板に用いた光変調器において、マイクロ波と光波との速度整合やマイクロ波のインピーダンス整合が実現でき、しかも、駆動電圧の大幅な低減が可能な技術である。特に、光導波路をリッジ型にした場合の光変調器では、駆動電圧低減に対する効果は大きい。駆動電圧の低減は、光導波路素子自体の小型化や、コストのより安い低駆動電圧型の駆動装置を利用できるなどの利点がある。

特許文献１で示したリッジ型光導波路を用いた光導波路素子は、従来の光変調器に比べて、電極からの電界の印加の効率が高く、画期的な低電圧駆動が可能である。しかしながら、図１に示すリッジ型光導波路において、光導波路を伝搬する光のモードを調べたところ、図２に示すように、リッジ底部側（接着層側）で広がることが判明した。このため、リッジ上部に比べ電界効率（外部電界と伝搬光の強度分布の重ね合わせ積分）がやや小さくなる。

このため、リッジ下部側の光の横方向の閉じこめを強くし、光を伝搬する範囲を狭くすることにより、電界効率（外部電界と伝搬光の強度分布の重ね合わせ積分）は改善され、さらなる駆動電圧の低減が可能となる。例えば、リッジ導波路の形状を完全な矩形にする、あるいは、トレンチを深くして（リッジを高くして）光の閉込を強くすることによっても、電界効率は改善される。

しかしながら、リッジの形成は、基板材料の特性に大きく依存し、ＬＮの場合、その晶癖や異方性のため完全な矩形化は困難である。また、トレンチ深さの変更は光の伝搬条件を大きく変え、仮に深くした場合には、図３のグラフが示すように、マルチモード導波路となりやすく、デバイスの制御性、安定性が損なわれることとなる。図４は、図３の計算モデルとなるリッジ型導波路の断面図である。

国際公開ＷＯ２００７／１１４３６７号

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、駆動電圧のより一層の低減が可能な光導波路素子を提供することである。また、駆動電圧の低減により、光導波路素子の小型化や利用する駆動装置の低コスト化を図ることである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、厚みが１０μｍ以下の電気光学効果を有する薄板と、該薄板に少なくとも一つのリッジ型光導波路が形成された光導波路素子において、該薄板の該リッジ型光導波路が形成された面の反対面上であって、該リッジ型光導波路の下部に該当する部分に、該薄板より屈折率の高い高屈折率膜を配置し、該高屈折率膜の幅が、該リッジ型光導波路の幅と同じか、又は当該幅より狭く構成されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光導波路素子において、該高屈折率膜の厚さThkは、次式を満足するように設定されていることを特徴とする。
（式） Thk＜0.1×Wr×D×Ns／（Wc×Nc）
（ただし、リッジ型光導波路における屈折率Ns、幅Wr、及び高さ（トレンチ深さ）D、高屈折率膜における屈折率Nc、ストリップライン幅Wcとする。）

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該リッジ光型導波路を伝搬する光を制御するための制御電極を有し、該制御電極が該薄板を挟むように配置された第一電極と第二電極とで構成されており、該第一電極は少なくとも信号電極と接地電極とからなるコプレーナー型の電極であり、該第二電極は、少なくとも接地電極を有すると共に、第一電極の信号電極と協働して該リッジ型光導波路に電界を印加することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、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、該薄板は支持基板に接着剤を介して接着固定されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、厚みが１０μｍ以下の電気光学効果を有する薄板と、該薄板に少なくとも一つのリッジ型光導波路が形成された光導波路素子において、該薄板の該リッジ型光導波路が形成された面の反対面上であって、該リッジ型光導波路の下部に該当する部分に、該薄板より屈折率の高い高屈折率膜を配置し、該高屈折率膜の幅が、該リッジ型光導波路の幅と同じか、又は当該幅より狭く構成されているため、該高屈折率膜により該リッジ型光導波路を伝搬する光のモード形状を調整でき、特に、リッジ下部側の光の横方向の閉じこめが強くなり、リッジ型光導波路の下部側での光波の広がりを抑制できる。このため、光が伝搬する範囲を狭くでき、電界効率（外部電界と伝搬光の強度分布の重ね合わせ積分）は改善され、さらなる駆動電圧の低減が可能となる。

請求項２に係る発明により、高屈折率膜の厚さThkは、式「Thk＜0.1×Wr×D×Ns／（Wc×Nc）（ただし、リッジ型光導波路における屈折率Ns、幅Wr、及び高さ（トレンチ深さ）D、高屈折率膜における屈折率Nc、ストリップライン幅Wcとする。）」を満足するように設定されているため、伝搬する光波のマルチモード化を抑制し、デバイスの制御性及び安定性の劣化を抑制することが可能となる。

請求項３に係る発明により、リッジ光型導波路を伝搬する光を制御するための制御電極を有し、該制御電極が該薄板を挟むように配置された第一電極と第二電極とで構成されており、該第一電極は少なくとも信号電極と接地電極とからなるコプレーナー型の電極であり、該第二電極は、少なくとも接地電極を有すると共に、第一電極の信号電極と協働して該リッジ型光導波路に電界を印加するため、光導波路に効率的に電界を印加することが可能となり、駆動電圧を低減できる。

請求項４に係る発明により、薄板は支持基板に接着剤を介して接着固定されているため、光導波路素子の機械的強度を高めると共に、薄板の利点であるマイクロ波と光波との速度整合やマイクロ波のインピーダンス整合も維持することが可能となる。

薄板を用いたリッジ型光導波路の断面構造を示す図である。図１におけるリッジ型光導波路の伝搬光の強度分布（計算値）を示す図である。リッジ型光導波路の形状による伝搬モードの変化を示すグラフである。図３の伝搬モードを計算するモデルとなるリッジ型光導波路の断面図である。従来の薄板を用いたリッジ型光導波路に制御電極を配置した状態を示す図である。本発明の光導波路素子の断面構造を示す図である。本発明の光導波路素子におけるリッジ型光導波路の伝搬光の強度分布（計算値）を示す図である。本発明の光導波路素子のモデル構造を示す断面図である。

以下、本発明の光導波路素子について、詳細に説明する。
本発明の光導波路素子は、厚みが１０μｍ以下の電気光学効果を有する薄板と、該薄板に少なくとも一つのリッジ型光導波路が形成された光導波路素子において、該薄板の該リッジ型光導波路が形成された面の反対面上であって、該リッジ型光導波路の下部に該当する部分に、該薄板より屈折率の高い高屈折率膜を配置し、該高屈折率膜の幅が、該リッジ型光導波路の幅と同じか、又は当該幅より狭く構成されていることを特徴とする。

薄板に使用される電気光学効果を有する結晶性基板としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料及びこれらの組み合わせが利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）結晶が好適に利用される。

本発明の光導波路素子では、光導波路をリッジ型に形成している。光導波路となる基板部分を残すように、その他の部分を機械的に切削したり、化学的にエッチングを施すことで除去する。また、光導波路の両側に溝を形成することも可能である。また、リッジ型光導波路の光導波路部分に、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、光導波路の屈折率を薄板の屈折率より高くなるよう構成することも可能である。

信号電極や接地電極などの制御電極は、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。また、各電極は、薄板との間にＳｉＯ_２膜などのバッファ層を介して配置されている。バッファ層には、光導波路を伝搬する光波が、制御電極により吸収又は散乱されることを防止する効果を有している。また、バッファ層の構成としては、必要に応じ、薄板の焦電効果を緩和するため、Ｓｉ膜などを組み込むことも可能である。

図５は、特許文献１に開示した従来の光導波路素子の断面構造であり、電気光学効果を有する薄板１にリッジ型光導波路（中央部分）を形成し、薄板の上下にバッファ層２及び３を設け、薄板１の上側には信号電極５とそれを挟む接地電極４によって構成される第一電極が配置される。また、薄板１の下側には接地電極７となる第二電極が配置される。さらに、薄板１の下側には、接着剤８を介して支持基板９が接着されている。なお、符号６は空気層を示している。

本発明の光導波路素子は、図６に示すように、図５の光導波路素子から駆動電圧をさらに低減するために、リッジ型光導波路の下側に高屈折率膜１０を配置し、伝搬する光のモード形状を最適に調整している。これにより、リッジ型光導波路の光の閉じこめが強化されるため、制御電極が生成する電界をより効率良く光導波路に印加することが可能となり、結果として駆動電圧の低減を実現することができる。

光導波路素子を含む薄板１の製造方法は、数百μｍの厚さを有する基板に上述した光導波路を形成し、基板の裏面を研磨して、１０μｍ以下の厚みを有する薄板を作成する。その後薄板の表面に制御電極を作り込む。また、光導波路や制御電極などの作り込みを行った後に、基板の裏面を研磨することも可能である。なお、光導波路形成時の熱的衝撃や各種処理時の薄膜の取り扱いによる機械的衝撃などが加わると、薄板が破損する危険性もあるため、これらの熱的又は機械的衝撃が加わり易い工程は、基板を研磨して薄板化する前に行うことが好ましい。

支持基板９に使用される材料としては、種々のものが利用可能であり、例えば、薄板と同様の材料を使用する他に、石英、ガラス、アルミナなどのように薄板より低誘電率の材料を使用したり、薄板と異なる結晶方位を有する材料を使用することも可能である。ただし、線膨張係数が薄板と同等である材料を選定することが、温度変化に対する光制御素子の変調特性を安定させる上で好ましい。仮に、同等の材料の選定が困難である場合には、薄板と支持基板とを接合する接着剤に、薄板と同等な線膨張係数を有する材料を選定する。

薄板１と支持基板９との接合には、接着剤８として、エポキシ系接着剤、熱硬化性接着剤、紫外線硬化性接着剤、半田ガラス、熱硬化性、光硬化性あるいは光増粘性の樹脂接着剤シートなど、種々の接着材料を使用することが可能である。

図５の従来構造では、リッジの底面側での光の閉じこめが弱く、リッジ型光導波路の上面側に比較して電界の印加効率が低くなっていたが、図６のように、リッジ型光導波路の下部側（接着剤層側）に光導波路基板材料よりも屈折率の高い透明材料の薄膜１０をストリップ状に形成し、リッジ型光導波路の下部側の光の横方向の閉じこめを強化している。これにより、図７に示すように、リッジ型光導波路の下部側で光のモード幅が小さくなり、電界効率（外部電界と伝搬光の強度分布の重ね合わせ積分）が改善され、さらなる駆動電圧の低減が可能となる。

図６に示す光導波路素子では、リッジ型光導波路の一方に、第一電極となるコプレーナー型電極５，４を、他方に第二電極となる埋込電極７が、バッファ層２，３を介してリッジ型光導波路の上下に形成されている。ここでは、導波路基板にリッジ加工した側の面に、コプレーナー型電極を形成し、加工しない面に埋込電極を形成し、支持基板９に接着されている形態を示してある。しかしながら、導波路基板の天地はどちらでも、かまわない。また、コプレーナー型電極の形成する面についても、導波路基板のリッジ加工面側であっても、加工しない面であってもかまわない。

本発明の説明において、リッジ（リッジ型光導波路）の下部側とは、導波路基板にリッジ加工する際の、加工を開始する面と反対の側の面ことを言う。リッジの形成、高屈折率膜の形成の順序は、問わない。また、導波路基板のリッジ下部側、リッジ導波路の下に位置する箇所にストリップ状の高屈折率クラッドを形成する。この際、ストリップの幅は、リッジの下部の幅よりも細く形成する。このストリップパターンは、リッジ導波路のクラッド層に位置するが、導波路のコアとなるリッジ部分より屈折率が高く、このパターン部分の光密度が高くなる。そのため、この膜の導入により、トレンチ下部に浸み出す量を低減でき、リッジ部およびリッジ下部に光を強く閉じ込めることができる。

図６などでは、説明を簡略化するため、光変調器の例について示しているが、本発明の光導波路素子は、光スイッチなど他の導波路型電気光学デバイスにも有効で技術である。例えば、光導波路の構成を交差型にする、あるいは、方向性結合器をからなるマッハツェンダー型にすることで、本構成を光スイッチに適用することができる。

高屈折率膜１０を形成する高屈折率材料は、デバイスを使用する波長で、伝搬損失が小さな、透明な物質を用いる。光導波路を伝搬する光の波長において、吸収損失、散乱損失が少なく、概ね透明で、屈折率が基板と同程度かそれ以上の材質（ｎ＞２．２，伝搬光の波長を１．５５μｍとすると、ＬＮ基板の屈折率は、結晶の方位により異なるが、ほぼ２．２である。）である場合、良好に作用する。ニオブ酸リチウムの導波路基板には、ＴｉＯ_２膜やＴａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５膜などの誘電体やＳｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等の半導体材料を用いることができる。ＥＯポリマーを導波路基板とする場合には、高屈折率樹脂を用いることができる。

高屈折率膜は、材料に適した形成方法で、図６のように光導波路を構成する基板１に直接形成する。ニオブ酸リチウムの導波路基板にＴｉＯ_２膜やＴａ_２Ｏ_５膜を形成する場合、スパッタ法、ＣＶＤ法、パルスレーザー堆積法などを用いることができる。ポリマー基板上に樹脂を形成する場合には、スピン塗布法などの使用も可能である。

本発明の光導波路素子におけるリッジ型光導波路の幅は、２〜８μｍであり、ストリップライン状の高屈折率膜の形成には、一般の加工技術を用いることができる。ニオブ酸リチウムの導波路基板上へのＴｉＯ_２膜やＴａ_２Ｏ_５膜の形成の場合、リフトオフ法やケミカルエッチング法、ドライエッチング法などを用いることができる。樹脂の場合には、材料によっては市販の感光性樹脂を用いてもよい。

高屈折率膜の膜厚は厚いほど、導波路の光閉じこめを強くする効果があるが、導波路基板の厚さ、リッジ導波路の幅、高さに対して、厚くしすぎると、リッジ導波路の伝搬モードがマルチモード化し、デバイスの特性、制御性が悪化する。

図８のモデルを用いて説明すると、光の安定伝搬を妨げない高屈折率膜の膜厚Thkの上限は、導波路基板の厚さｔ、リッジ導波路の幅Wr、高さ（トレンチ深さ）Dおよび、材料の屈折率に依存する。ここで、高屈折率クラッド材料の屈折率Nc、ストリップライン幅Wc、膜厚Thkとし、リッジ導波路は、使用波長はシングルモードで安定して伝搬しているものとする。高屈折率膜の膜厚Thkは、次式を満足するように設定することで、リッジ下部での光閉じこめが改善され、伝搬光は安定して伝搬する。
（式） Thk＜0.1×Wr×D×Ns／（Wc×Nc）
なお、Nsは導波路基板の屈折率である。このような範囲の膜厚に設定することで、高屈折率膜のボリュームは、マイクロ波がリッジ型光導波路部分に対して微小であり、膜の導入によるインピーダンスの変化やマイクロ波の速度への影響は軽微となる。

図６に示すように、導波路基板１と第二電極である下部電極７との間に形成する下部バッファ層３は、下部電極７による伝搬光の損失を回避するためのクラッド層として機能し、高屈折率膜１０を覆うように形成する。下部バッファ層３として必要な厚さは、下部バッファ層の屈折率に依存するが、導波路基板がＬＮで下部バッファ層にＳｉＯ_２膜を使用する場合には、０．５μｍ程度の厚さが必要である。バッファ層をこれ以下の厚さでの形成した場合には、デバイスの使用上差し支えない範囲の光の損失である場合に問題ない。

また、高屈折率膜１０として、下部バッファ層３の屈折率Ｎｂより高いが、導波路基板１より低い屈折率の材料を用いた場合には、リッジ型光導波路の下部側での光の閉じ込めを強め、駆動電圧を低減する効果がある程度認められるが、上述したような基板１より高い屈折率の膜体を用いた場合と比べて、その効果は低い。

本発明の光導波路素子は、リッジ型光導波路の下部側での光の閉じ込めを強め、駆動電圧の低減を図ることが可能であり、デバイスとしての消費電力も低下することが可能となる。しかも、低コストな駆動装置が使用でき、コスト削減にも貢献する。さらに、光導波路素子自体を小型化することが可能であり、デバイスのサイズダウンを図り、集積度の改善も期待できる。また、サイズダウンによる１枚のウェハ基板からのデバイス取れ数も増加でき、更なるコストダウンを実現できる。

本発明の光導波路素子として、マッハツェンダー型光変調器を製作し、従来例（高屈折率膜なし）と特性の比較を行った。
基板は、ＬＮ基板を利用し、高屈折率膜として、Ｓｉをスパッタ法にて成膜した。膜厚は、１５０ｎｍであり、膜の幅は、上部のリッジ幅（Ｗ）と同じに設定した。
表１に、高屈折率膜の有無の違いによる、駆動電圧（半波長電圧）の結果を示す。ただし、リッジ導波路形状のＴは基板の厚み、Ｗはリッジ型導波路の幅、Ｄはリッジの高さを示し、各々の単位はμｍである。また、表１の＊印は、当該リッジ型導波路が、強閉じ込めのマルチモード導波路であることを示している。

表１の結果から、本発明の光導波路素子のように、高屈折率膜を配置する場合には、駆動電圧を低減が期待できることが、容易に判断される。

以上説明したように、本発明によれば、駆動電圧のより一層の低減が可能な光導波路素子を提供することが可能となる。また、駆動電圧の低減により、光導波路素子の小型化や利用する駆動装置の低コスト化を図ることも期待できる。

１電気光学効果を有する基板（薄板）
２，３バッファ層
４接地電極（第一電極）
５信号電極（第一電極）
６空気層
７接地電極（第二電極）
８接着剤層
９支持基板
１０高屈折率膜

Claims

厚みが１０μｍ以下の電気光学効果を有する薄板と、該薄板に少なくとも一つのリッジ型光導波路が形成された光導波路素子において、
該薄板の該リッジ型光導波路が形成された面の反対面上であって、該リッジ型光導波路の下部に該当する部分に、該薄板より屈折率の高い高屈折率膜を配置し、
該高屈折率膜の幅が、該リッジ型光導波路の幅と同じか、又は当該幅より狭く構成されていることを特徴とする光導波路素子。
請求項１に記載の光導波路素子において、該高屈折率膜の厚さThkは、次式を満足するように設定されていることを特徴とする光導波路素子。
（式） Thk＜0.1×Wr×D×Ns／（Wc×Nc）
（ただし、リッジ型光導波路における屈折率Ns、幅Wr、及び高さ（トレンチ深さ）D、高屈折率膜における屈折率Nc、ストリップライン幅Wcとする。）
請求項１又は２に記載の光導波路素子において、
該リッジ光型導波路を伝搬する光を制御するための制御電極を有し、
該制御電極が該薄板を挟むように配置された第一電極と第二電極とで構成されており、
該第一電極は少なくとも信号電極と接地電極とからなるコプレーナー型の電極であり、
該第二電極は、少なくとも接地電極を有すると共に、第一電極の信号電極と協働して該リッジ型光導波路に電界を印加することを特徴とする光導波路素子。
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、該薄板は支持基板に接着剤を介して接着固定されていることを特徴とする光導波路素子。