JP2015197506A - 光導波路素子 - Google Patents

Abstract

【課題】コア層を上下方向から挟む一対のクラッド層それぞれの厚みを制御することにより、光導波路素子間での駆動電圧のバラツキを抑制する光導波路素子を提供する。
【解決手段】本発明の光導波路素子２１は、基板２上に形成された下部クラッド層２２と、下部クラッド層２２上に形成された電気光学効果を有する樹脂からなるコア層１２と、下部クラッド層２２上かつコア層１２を挟むように形成された信号電極１４及び接地電極１５と、コア層１２、信号電極１４及び接地電極１５を覆うように形成された上部クラッド層２３とを備え、上部クラッド層２３の厚みは１０μｍ以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路素子に関し、更に詳しくは、電気光学効果を有する樹脂（ＥＯポリマー）を光導波路であるコア層に用いた光導波路素子における、光導波路を伝搬する光波と変調電極を伝搬するマイクロ波との相互作用を向上させることが可能であり、変調効率を向上させることが可能な光導波路素子に関するものである。

従来、ポリマー材料を基板に用いた光デバイスとしては、変調電極をマイクロストリップ構造としたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、このマイクロストリップ構造とは別に、光導波路を伝搬する光波と変調電極を伝搬するマイクロ波との相互作用を向上させた構造として、変調電極を埋め込みコプレーナ構造（Ｉｎ−ｐｌａｎｅ ＣＰＷ）としたものが提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。
一般に、ポリマー材料を用いた光デバイスでは、シリコン等の基板上に下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層が積層されており、光導波路は、リブ型の構造となっている。コア層は電気光学効果を有する樹脂（ＥＯポリマー）により構成されており、このコア層に電圧を印加することにより配向制御がされた構造になっている。
なお、このようなリブ型構造の場合、下部クラッド層および上部クラッド層の厚みは２〜６μｍ程度、コア層の厚みは０．１〜２μｍ程度である。

図５は、従来の変調電極をマイクロストリップ構造とした光導波路素子の一例を示す断面図であり、説明を分かり易くするために、それぞれの構成要素の寸法を実際と異ならせている。
図において、符号１は光導波路素子であり、シリコン等からなる基板２上に、金属メッキ等で形成された導電性材料からなる接地電極３が形成され、この接地電極３上にはドライエッチング等により加工された絶縁性材料からなる下部クラッド層（第１のクラッド層）４が形成され、この下部クラッド層４上にスピンコータ等により電気光学効果を有する樹脂（ＥＯポリマー）からなるコア層５が形成され、このコア層５の一部（図では２箇所）には下に向けて突出するリブ型の光導波路６が形成されている。

そして、このコア層５上にはドライエッチング等によりエッチング加工された絶縁性材料からなる上部クラッド層（第２のクラッド層）７が設けられ、この上部クラッド層７上かつ光導波路６の直上には金属メッキ等で形成された導電性材料からなる信号電極（電極層）８が設けられている。
このコア層５を構成しているＥＯポリマーは、ポーリングにより配向制御がなされている。

図６は、従来の変調電極を埋め込みコプレーナ構造とした光導波路素子の一例を示す断面図であり、上記の光導波路素子１と同様、説明を分かり易くするために、それぞれの構成要素の寸法を実際と異ならせている。
この光導波路素子１１は、上記の光導波路素子１とは、シリコン等からなる基板２上に直接下部クラッド層４が形成され、この下部クラッド層４上に、この下部クラッド層４の長手方向に沿ってスピンコータ等により電気光学効果を有する樹脂（ＥＯポリマー）からなるコア層１２、１２が形成され、これらのコア層１２の一部には、下に向けて突出するリブ型の光導波路１３が形成され、下部クラッド層４上かつコア層１２を両側から挟むように金属メッキ等で形成された導電性材料からなる信号電極（電極層）１４及び接地電極（電極層）１５が設けられている点が異なる。

特開２００９−１４５４７５号公報 特開２００７−２５３７０号公報 特表平１０−５０４６６４号公報

ところで、変調電極をマイクロストリップ構造とした光導波路素子の場合、クラッド層の厚みを厚くすると、光導波路を伝搬する光波に実効的に掛る電界値が小さくなり、その結果、駆動電圧が増大するという問題点があった。
そこで、この問題点を解決するために、変調電極を上下のクラッド層の間に埋め込んだ埋め込みコプレーナ構造（Ｉｎ−ｐｌａｎｅ ＣＰＷ）を有する光導波路素子が提案されている。
このような光導波路素子は、変調電極がマイクロストリップ構造の場合と比べて、光波が伝搬する光導波路に直接的に電界を掛けることが可能であることから、マクロストリップ構造の変調電極よりも高効率な変調が可能であるという優れた点がある。

しかしながら、このような構成の光導波路素子においても、製品間での駆動電圧のバラツキが大きいという問題点があった。また、製品間での駆動電圧のバラツキを抑制するためには、クラッド層の厚みをサブミクロンの単位で制御する必要があるが、クラッド層の厚みをサブミクロンの単位で制御することは困難であるという問題点があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、コア層を上下方向から挟む一対のクラッド層それぞれの厚みをサブミクロンで制御することなく、光導波路素子間での駆動電圧のバラツキを抑制する光導波路素子を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、基板上に形成された第１のクラッド層と、この第１のクラッド層上に形成された電気光学効果を有する材料からなるコア層と、この第１のクラッド層上かつコア層を挟むように形成された電極層と、このコア層及び電極層を覆うように形成された第２のクラッド層とを備えた光導波路素子において、第２のクラッド層の厚みを１０μｍ以上とすれば、クラッド層を作製する際に、クラッド層の厚みをサブミクロンの単位で制御する必要がなく、光導波路素子間での駆動電圧のバラツキを抑制することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の光導波路素子は、基板上に形成された第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に形成された電気光学効果を有する材料からなるコア層と、前記第１のクラッド層上かつ前記コア層を挟むように形成された電極層と、前記コア層及び前記電極層を覆うように形成された第２のクラッド層とを備えた光導波路素子において、前記第２のクラッド層の厚みは１０μｍ以上であることを特徴とする。

前記第２のクラッド層の厚みは１５μｍ以上であることが好ましい。
前記第１のクラッド層の厚みは１０μｍ以上であることが好ましい。
前記第２のクラッド層の厚みは前記第１のクラッド層の厚みよりも厚いことが好ましい。
前記材料は、樹脂からなることが好ましい。

本発明の光導波路素子によれば、第２のクラッド層の厚みを１０μｍ以上に制御することで、クラッド層の厚みをサブミクロンの単位で制御する必要がなく、光導波路素子間での駆動電圧のバラツキを抑制することができる。

本発明の第１の実施形態の光導波路素子を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態の光導波路素子を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態の光導波路素子の下部クラッド層の厚みと規格化電圧との関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態の光導波路素子の上部クラッド層の厚みと規格化電圧との関係を示す図である。 従来の変調電極をマイクロストリップ構造とした光導波路素子の一例を示す断面図である。 従来の変調電極を埋め込みコプレーナ構造とした光導波路素子の一例を示す断面図である。

本発明の光導波路素子を実施するための形態について説明する。
なお、以下の実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態の変調電極を埋め込みコプレーナ構造とした光導波路素子２１を示す断面図であり、上記の光導波路素子１、１１と同様、説明を分かり易くするために、それぞれの構成要素の寸法を実際と異ならせている。２つの光導波路６はマッハツェンダー型光導波路において２分岐した光導波路を示している。
また、上記の光導波路素子１、１１と同一の構成要素には同一の符号を付してある。

この光導波路素子２１は、矩形板状のシリコン等からなる基板２の表面（一主面）上に下部クラッド層（第１のクラッド層）２２が形成され、この下部クラッド層２２上に、この下部クラッド層２２の長手方向に沿ってスピンコータ等により電気光学効果を有する樹脂（ＥＯポリマー）からなるコア層１２、１２が形成され、これらのコア層１２の一部には、下に向けて突出するリブ１３が形成され、下部クラッド層２２上かつコア層１２を両側から挟むように金属メッキ等で形成された導電性材料からなる信号電極（電極層）１４及び接地電極（電極層）１５が形成され、これらコア層１２、１２、信号電極１４及び接地電極１５を覆うように上部クラッド層（第２のクラッド層）２３が形成されている。

ここで、コア層１２を構成する電気光学効果を有する樹脂（ＥＯポリマー）としては、例えば、ポリメチルメタクリレート等のアクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、フェノール系樹脂、ポリキノリン系樹脂、ポリキノキサリン系樹脂、ポリベンゾオキサゾール系樹脂、ポリベンゾチアゾール系樹脂、ポリベンゾイミダゾール系樹脂等が挙げられる。
また、上記ポリマーには、必要に応じて無機微粒子や他の成分などを添加して、ポリマーの屈折率や機械特性等を調整することが可能である。

信号電極１４及び接地電極１５を構成する導電性材料としては、金またはその合金、白金またはその合金、銀またはその合金、銅またはその合金、アルミニウムまたはその合金等が挙げられる。これらの金属またはその合金を信号電極１４及び接地電極１５に適用する場合、信号電極１４と接地電極１５とを同一の導電性材料で構成してもよく、異なる導電性材料で構成してもよい。

下部クラッド層２２及び上部クラッド層２３を構成する材料としては、光導波路素子２１の高周波特性を確保し、かつ光導波路１３に光波を良好に閉じ込めることができる点から、誘電率が低く、コア層に用いられる材料より屈折率が低い材料、例えば、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂が好ましい。

この上部クラッド層２３の厚みｔ１は、光導波路素子２１の機械的特性や光導波路としての機能を満足する範囲内であればよく、１０μｍ以上であることが好ましく、１５μｍ以上であることがより好ましい。
ここで、上部クラッド層２３の厚みｔ１を１０μｍ以上と限定したのは、厚みｔ１が１０μｍ未満であると、上部クラッド層２３の厚みをサブミクロンの単位で制御することが難しくなり、よって、上部クラッド層２３の厚みの精度が低下するので好ましくないからである。

また、下部クラッド層２２の厚みｔ２は、光導波路素子２１の機械的特性や光導波路としての機能を満足する範囲内であればよいが、１０μｍ以上とすることで下部クラッド層２２の厚みｔ２のバラツキによって発生する駆動電圧のバラツキを抑制することができる。これは、下部クラッド層２２の厚みｔ２を１０μｍ以上とすることで下部クラッド層２２の厚みｔ２の変化に対する駆動電圧の変化が緩やかになるからである。
このようにすることで、サブミクロンの高精度な膜厚制御をすることなく駆動電圧性のバラツキが少ない光導波路素子２１を作製することが可能となる。

また、これら上部クラッド層２３及び下部クラッド層２２では、上部クラッド層２３の厚みは、下部クラッド層２２の厚みよりも厚いことが好ましい。
一般に、上部クラッド層２３及び下部クラッド層２２の厚みは、設計や製造の容易性から同程度の厚みとすることがある。しかしながら、上部クラッド層２３の厚みを、下部クラッド層２２の厚みより厚くすることで、より駆動電圧を低減することができる。
ここで、より大きな駆動電圧の低減を実現するためには、上部クラッド層２３の厚みを１０〜２０μｍとすることが好ましい。

このように、上部クラッド層２３の厚みを１０μｍ以上、好ましくは１５μｍ以上、下部クラッド層２２の厚みを１０μｍ以上とし、さらに、上部クラッド層２３の厚みを下部クラッド層２２の厚みよりも厚くすることで、従来の変調電極を埋め込みコプレーナ構造とした光導波路素子と比べて、駆動電圧を低減することができる。
また、上部クラッド層２３及び下部クラッド層２２それぞれの厚みをサブミクロン程度の厚みで制御する必要がないので、これら上部クラッド層２３及び下部クラッド層２２を再現性良く作製することが可能である。

以上説明したように、本実施形態の光導波路素子２１によれば、コア層１２、信号電極１４及び接地電極１５を覆うように形成された上部クラッド層２３の厚みを１０μｍ以上としたので、上部クラッド層２３の厚みを制御することで、従来の変調電極を埋め込みコプレーナ構造とした光導波路素子と比べて、駆動電圧を低減することができる。
また、上部クラッド層２３の厚みｔ１を１０μｍ以上に制御することで、下部クラッド層２２の厚みｔ２のバラツキによって発生する駆動電圧のバラツキを抑制することができる。

［第２の実施形態］
図２は、本発明の第２の実施形態の変調電極を埋め込みコプレーナ構造とした光導波路素子３１を示す断面図であり、上記の光導波路素子２１と同様、説明を分かり易くするために、それぞれの構成要素の寸法を実際と異ならせている。２つの光導波路３２はマッハツェンダー型光導波路において２分岐した光導波路を示している。
また、上記の光導波路素子２１と同一の構成要素には同一の符号を付してある。

本実施形態の光導波路素子３１が、第１の実施形態の光導波路素子２１と異なる点は、第１の実施形態の光導波路素子２１では、コア層１２の一部に下に向けて突出するリブ１３を形成したのに対し、本実施形態の光導波路素子３１では、コア層１２の一部に上に向けて突出するリブ３２を形成した点であり、これ以外の構成要素については、第１の実施形態の光導波路素子２１と全く同様である。

本実施形態の光導波路素子３１においても、第１の実施形態の光導波路素子２１と同様の作用・効果を奏することができる。

以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。

［実施例１］
図３は、上部クラッド層２３と下部クラッド層２２の厚みがそれぞれ４μｍの場合の駆動電圧Ｖπを基準にして規格化（規格化駆動電圧Ｖπ）した場合の下部クラッド層２２の厚みと規格化駆動電圧Ｖπとの関係を示す図である。
ここでは、光導波路素子２１について、上部クラッド層２３の厚みを２μｍ、４μｍ、５μｍ、７．５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍの７通りに変化させた場合に、それぞれの厚みの上部クラッド層２３に対して下部クラッド層２２の厚みを２μｍ、４μｍ、５μｍ、７．５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍの７通りに変化させた場合の、下部クラッド層２２の厚みと規格化駆動電圧Ｖπとの関係を示している。

図４は、上部クラッド層２３と下部クラッド層２２の厚みがそれぞれ４μｍの場合の駆動電圧Ｖπを基準にして規格化（規格化駆動電圧Ｖπ）した場合の上部クラッド層２３の厚みと規格化駆動電圧Ｖπとの関係を示す図である。
ここでは、光導波路素子２１について、下部クラッド層２２の厚みを２μｍ、４μｍ、５μｍ、７．５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍの７通りに変化させた場合に、それぞれの厚みの下部クラッド層２２に対して上部クラッド層２３の厚みを２μｍ、４μｍ、５μｍ、７．５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍの７通りに変化させた場合の、上部クラッド層２３の厚みと規格化駆動電圧Ｖπとの関係を示している。

図３によれば、上部クラッド層２３の厚みを一定にした場合には、下部クラッド層２２の厚みが増加するにしたがって、規格化駆動電圧Ｖπが上昇するものの、下部クラッド層２２の厚みの変化に対する規格化駆動電圧Ｖπの変動が小さくなることが分かる。
特に、下部クラッド層２２の厚みが１０μｍ以上では、下部クラッド層２２の厚みの変化に対する規格化駆動電圧Ｖπの変動が非常に小さく、下部クラッド層２２の厚みをサブミクロンで制御する必要がなくなり、よって、光導波路素子の作製が容易となることが分かる。

図４によれば、下部クラッド層２２の厚みを一定にした場合には、上部クラッド層２３の厚みが増加するにしたがって、規格化駆動電圧Ｖπが低減し、さらに、上部クラッド層２３の厚みの変化に対する規格化駆動電圧Ｖπの変動も小さくなることが分かる。
特に、上部クラッド層２３の厚みが１０μｍ以上では、上部クラッド層２３の厚みの変化に対する規格化駆動電圧Ｖπの変動が非常に小さく、上部クラッド層２３の厚みをサブミクロンで制御する必要がなくなり、よって、光導波路素子の作製が容易となることが分かる。

また、上部クラッド層の厚みが１５μｍ以上の場合には、上部クラッド層２３の厚みの変化に対する規格化駆動電圧Ｖπの変動が更に小さくなるので、上部クラッド層２３の厚みの制御が更に容易となることが分かる。

さらに、図４には、簡易な構成である上部クラッド層２３の厚みと下部クラッド層２２の厚みが同一の場合の特性曲線も示してある。この図４から分かるように、上部クラッド層２３の厚みが下部クラッド層２２の厚みより厚い方が、より規格化駆動電圧Ｖπを低減することができることが分かる。この場合、上部クラッド層２３の厚みを１０〜２０μｍの範囲に制御することで、一般的な構成である上部クラッド層２３の厚みと下部クラッド層２２の厚みが同じ場合の光導波路素子と比較して、より大きな規格化駆動電圧Ｖπの低減を実現することができることが分かる。

尚、ここでは光導波路の構成をマッハツェンダー型光導波路として説明してきたが、本発明はこれに限定されることはない。光導波路を両側から挟むように信号電極及び接地電極を形成した構成であれば、光導波路が１つもしくは、３つ以上の構成においても適用することができる。

本発明の光導波路素子は、基板上に形成された第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に形成された電気光学効果を有する樹脂からなるコア層と、前記第１のクラッド層上かつ前記コア層を挟むように形成された電極層と、前記コア層及び前記電極層を覆うように形成された第２のクラッド層とを備えた光導波路素子において、前記第２のクラッド層の厚みを１０μｍ以上としたことにより、クラッド層の厚みをサブミクロンの単位で制御する必要がなく、光導波路素子間での駆動電圧のバラツキを抑制することができるものであるから、光伝送技術に用いられる光導波路素子に対してはもちろんのこと、高周波化、高集積化が求められる光デバイスにおいても、設計の自由度を高めることができ、その工業的価値は大きい。

２１ 光導波路素子
２ 基板
１２ コア層
１３ 下に向けて突出するリブ
１４ 信号電極（電極層）
１５ 接地電極（電極層）
２２ 下部クラッド層（第１のクラッド層）
２３ 上部クラッド層（第２のクラッド層）
３１ 光導波路素子
３２ 上に向けて突出するリブ

Claims (5)

1. 基板上に形成された第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に形成された電気光学効果を有する材料からなるコア層と、前記第１のクラッド層上かつ前記コア層を挟むように形成された電極層と、前記コア層及び前記電極層を覆うように形成された第２のクラッド層とを備えた光導波路素子において、
   前記第２のクラッド層の厚みは１０μｍ以上であることを特徴とする光導波路素子。
2. 前記第２のクラッド層の厚みは１５μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の光導波路素子。
3. 前記第１のクラッド層の厚みは１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２記載の光導波路素子。
4. 前記第２のクラッド層の厚みは前記第１のクラッド層の厚みよりも厚いことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の光導波路素子。
5. 前記材料は、樹脂からなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の光導波路素子。

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