JP2022032687A - 光導波路デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】狭い電極間隔と高いインピーダンスを同時に得ることができること。【解決手段】薄膜ＬＮ光変調器１００は、基板１２０上に、中間層１２１、Ｘｃｕｔニオブ酸リチウムの薄膜ＬＮ層１２２、バッファ層１２３が積層され、薄膜ＬＮ層１２２に光導波路１２２ａが形成され、駆動電圧印加用の電極１１１を有する。中間層１２１は、ＤＣドリフトを抑制するための第１中間層１２１ａと基板１２０との間に、第１中間層１２１ａよりも誘電率の低い第２中間層１２１ｂを設ける。これにより、電極１１１からみた全体的な誘電率を下げることができ、狭い電極１１１の間隔においてインピーダンスを高めることができ、周辺回路と容易かつ高効率に接続できる。【選択図】図２
Description
本発明は、光変調器等の光導波路デバイスに関する。
光通信の高速化のためには、高性能な光デバイスが必要不可欠である。光デバイスのうち、従来のＬＮ光変調器は、ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ3（以下ＬＮと称す）基板を用いることで、挿入損失や伝送特性の面で優れた特性を得ることができる。ＬＮ基板上にはチタン（Ｔｉ）拡散による光導波路が形成されている。このようなＬＮ基板を用いる従来のＬＮ光変調器（以下、Ｂｕｌｋ ＬＮ変調器と称す）は、光フィールドが大きくこれに応じて電極間隔も広いため、インピーダンスを周辺回路の基準インピーダンス（５０Ω）に設計することが容易である。
近年、光デバイスの小型化の需要が高まっており、光送受信器に用いるＬＮ光変調器についても小型化が検討されている。ＬＮ光変調器を小型化するものとして、薄膜ＬＮを用いた薄膜ＬＮ光変調器がある。薄膜ＬＮ光変調器は、マッハツェンダー干渉計構造からなり、基板上に、中間層、薄膜ＬＮ、バッファ層、電極の各層を設けた構造からなる。
薄膜ＬＮ光変調器に関連する技術としては、例えば、保持基板上に液晶ポリマ基板が設けられ、液晶ポリマ基板の上に接着剤層を介して光導波路のＬＮ基板を接着し、光導波路基板と保持基板の熱膨張係数の２軸の異方性の方向を揃えて接着部にかかる応力を低減した構造が開示されている。また、電気光学結晶基板と低誘電率基板との間に、低屈折率層とアモルファス層を設けることで、接着層を不要にした複合基板が開示されている。また、支持体上に電気光学材料からなる光導波路本体を接合層で接合した構造が開示されている（例えば、下記特許文献１～３参照。）。
また、例えば、中間層を、元素の周期表の第３～第１８族に相当する金属元素からなる材料を含むことで、ＤＣドリフト特性の安定化を図る技術が開示されている（例えば、下記特許文献４，５参照。）。
薄膜ＬＮ光変調器は、ＬＮ光変調器に比べて光フィールドが小さく、これに応じて電極間隔も狭いため、インピーダンスが周辺回路のインピーダンスより低くなってしまう。インピーダンスのミスマッチは、薄膜ＬＮ光変調器と周辺回路との高効率な接続を妨げる。周辺回路は、例えば、電極が接続される中継基板や終端基板、ドライバＩＣ等である。
ここで、電極間隔を広げることでインピーダンスを高めることができるが、電界効率は低下する。また、中間層を厚くすることでインピーダンスを高めることができるが、ＬＮ特有の問題であるＤＣドリフトを抑制するための中間層材料は製造プロセス上、厚膜化が困難である。従来技術では、薄膜ＬＮ光変調器は２０Ω程度までしか上げることができず、周辺回路との接続に特別な整合回路が必要であった。
一つの側面では、本発明は、狭い電極間隔と高いインピーダンスを同時に得ることができる光導波路デバイスが提供できることを目的とする。
一つの実施態様によれば、基板上に、中間層、Ｘｃｕｔニオブ酸リチウムの薄膜ＬＮ層、バッファ層が積層され、前記薄膜ＬＮ層に光導波路が形成され、駆動用の電極を有する光導波路デバイスにおいて、前記中間層は、上層の第１中間層と、下層の第２中間層からなり、前記第２中間層の誘電率が前記第１中間層の誘電率よりも小さい光導波路デバイスが提案される。
一態様によれば、狭い電極間隔と高いインピーダンスを同時に得ることができるようになる。
以下に、図面を参照して、本発明にかかる光導波路デバイスの実施の形態を詳細に説明する。実施の形態では、光導波路デバイスとして薄膜ＬＮ光変調器を例に説明する。薄膜ＬＮ光変調器は、光伝送の光送信部に設けられ、入力される電気信号を光信号に変換して光送信する。
（薄膜ＬＮ光変調器の構成例）
図１は、実施の形態にかかる薄膜ＬＮ光変調器を示す平面図、図２は、実施の形態にかかる薄膜ＬＮ光変調器の断面図である。図２は、図１のＡ－Ａ’線断面図を示す。実施の形態では、光導波路デバイスとして薄膜ＬＮ光変調器１００を例に説明する。
図１は、実施の形態にかかる薄膜ＬＮ光変調器を示す平面図、図２は、実施の形態にかかる薄膜ＬＮ光変調器の断面図である。図２は、図１のＡ－Ａ’線断面図を示す。実施の形態では、光導波路デバイスとして薄膜ＬＮ光変調器１００を例に説明する。
以下に説明する薄膜ＬＮ光変調器１００は、マッハツェンダー形の光変調器であり、電気光学効果を有する光導波路で形成されたマッハツェンダー干渉計に電圧を印加することで、光導波路内を伝搬する光を変調する。
光導波路１０１は、２本の光導波路１０２，１０３に分岐された後、光導波路１０４に結合される。分岐された光導波路１０２，１０３側部には、それぞれ電極１１１（１１１ａ～１１１ｃ）が設けられる。
電極１１１の電圧Ｖが０のとき、光導波路１０１への入力光は２分岐されて各光導波路１０２，１０３を進み、光導波路１０４に結合され出力される。また、電極１１１に電圧Ｖπの印加時には光導波路１０２，１０３には逆向きの電界が発生し、光導波路１０２，１０３の屈折率変化により進行する光に位相差が生じる。位相差がπとなる電圧の場合、二つの光は干渉して打ち消し合うが、印加電圧を０－Ｖπで変化させることで、強度変調を行った光出力を得ることができる。
図２に示すように、薄膜ＬＮ光変調器１００は、基板１２０上に、中間層１２１、薄膜ＬＮ層１２２、バッファ層１２３が積層された構造である。基板１２０には、例えばＬＮ、Ｓｉ、ＳｉＯ2等を用いることができる。薄膜ＬＮ層１２２には、結晶方位がＸｃｕｔのニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）を用い、エッチングすることで、リッジ型光導波路を形成する。凸状のリッジ部分は、光が進行する光導波路１２２ａとして機能する。図２に示す光導波路１２２ａは、図１に示した光導波路１０２に相当する。
薄膜ＬＮ層１２２には、Ｘｃｕｔのニオブ酸リチウムを用いる。これにより、光導波路１２２ａの上下方向に電界を印加する必要がなく、光導波路１２２ａの側部に電極１１１を配置して、横方向からの電解印加により微小領域（光導波路１２２ａ）への光閉じ込めができる。また、光導波路１２２ａと電極１１１との間隔を狭めることで電界効率を改善できる。
中間層１２１と、バッファ層１２３は、薄膜ＬＮ層１２２に形成される光導波路１２２ａへの光の閉じ込めを強めるために設けられる。これら中間層１２１とバッファ層１２３は、薄膜ＬＮ層１２２より屈折率が小さい材質、例えばＳｉＯ2などが用いられる。
積層構造を製作する手法としては、ウェハの直接接合を用いてもよい。この場合、張り合わせるための接着剤層が必要であれば、どの層間に接着剤層を有してもよい。
図２に示す構成例では、薄膜ＬＮ層１２２上に所定の厚さのバッファ層１２３を積層する。この際、バッファ層１２３は、光導波路１２２ａのリッジ部分の凸形状に沿う形で、光導波路１２２ａの上部および側部に一定な厚さで形成される。この際、バッファ層１２３のうち、光導波路１２２ａから所定距離離れた両側部には、光導波路１２２ａの凸形状に応じた凹部１２３ａが形成される。電極１１１は、この凹部１２３ａ上に配置される。電極１１１は、例えば金（Ａｕ）等の蒸着により形成できる。
ここで、薄膜ＬＮ光変調器１００は、進行波電極型光変調器であり、広帯域動作を実現するために光と電気それぞれの群屈折率（進行速度相当）Ｎｍを合わせる必要がある。ここで、光の群屈折率は電気に比べて調整が困難である。
また、薄膜ＬＮ光変調器１００と周辺回路（中継基板、終端基板、ドライバＩＣ等）を高効率に接続するためには特性インピーダンスＺ０を合わせる必要がある。ここで、周辺回路の特性インピーダンスは光変調器に比べて調整が困難である。
このため、発明者らは、上記課題に対して下記の施策を試みた。
（１）薄膜ＬＮ光変調器１００特有の課題であるＤＣドリフトを抑制するために中間層１２１に元素の周期表の第３～第１８族の金属元素からなる材料を用いることで中間層１２１の誘電率が上がる。
（１）薄膜ＬＮ光変調器１００特有の課題であるＤＣドリフトを抑制するために中間層１２１に元素の周期表の第３～第１８族の金属元素からなる材料を用いることで中間層１２１の誘電率が上がる。
薄膜ＬＮ光変調器１００では、電極１１１に印加した電圧が、印加した瞬間と、十分時間が経過した後で変化するＤＣドリフトと呼ばれる現象が起こる。電圧の変化は、薄膜ＬＮ光変調器１００が出力する出射光の変化として現れるため、ＤＣドリフトの抑制は薄膜ＬＮ光変調器１００の動作安定化に必要不可欠である。ＤＣドリフト量は、印加電圧に比例するため、一般的に印加電圧に対するパーセントで表現されている。
（２）中間層１２１の誘電率が上がることで電気の群屈折率Ｎｍが上がる。しかし、電気の群屈折率Ｎｍと光のＮｍとずれが生じる。
（３）電気の群屈折率Ｎｍを下げるために電極１１１の厚さを厚くすると、特性インピーダンスＺ０が下がる。しかし、薄膜ＬＮ光変調器１００周辺回路のＺ０とずれが生じる。
（４）基板１２０の誘電率は中間層１２１より高いため、電極１１１から見て全体的な誘電率が下がるように中間層１２１を厚くする。しかし、ＤＣドリフトを抑制するための中間層１２１の材料は厚膜化が困難である。
このため、実施の形態では、中間層１２１を複数の層で形成した。図２の構成例では、上部の第１中間層１２１ａを厚さＴ１で形成し、下部の第２中間層１２１ｂを厚さＴ２で形成している（Ｔ１＜Ｔ２）。第１中間層１２１ａは、ＤＣドリフト抑制のために設けられ、第２中間層１２１ｂは、中間層１２１全体の厚膜化のために設けられる。
ここで、第１中間層１２１ａは、ＤＣドリフト抑制のために以下の実施例ａ～実施例ｊの材料で構成できる。
実施例ａでは、第１中間層１２１ａに元素の周期表の第３～第１８族の金属元素からなる材料を用いる。実施例ｂでは、第１中間層１２１ａに酸化シリコンとインジウムの酸化物を含む材料を用いる。実施例ｃでは、第１中間層１２１ａに酸化シリコンとチタンの酸化物を含む材料を用いる。実施例ｄでは、第１中間層１２１ａに酸化シリコンと錫の酸化物を含む材料を用いる。実施例ｅでは、第１中間層１２１ａに酸化シリコンとゲルマニウムの酸化物を含む材料を用いる。実施例ｆでは、第１中間層１２１ａに酸化シリコンと亜鉛の酸化物を含む材料を用いる。実施例ｇでは、第１中間層１２１ａとして、上記実施例ｂ～ｆの材料に加えて、さらに他の金属または半導体元素の酸化物を含む材料を用いる。実施例ｈでは、第１中間層１２１ａに元素の周期表の第３～第１８族の金属元素の１種以上の酸化物と、酸化シリコンとの混合物または化合物を用いる。実施例ｉでは、第１中間層１２１ａにシリコンを除く半導体元素の１種以上の酸化物と、酸化シリコンとの混合物または化合物を用いる。実施例ｊでは、第１中間層１２１ａに元素の周期表の第３～第１８族の金属元素と、シリコンを除く半導体元素のそれぞれ１種以上で構成される酸化物と酸化シリコンとの混合物または化合物を用いる。
このように、第１中間層１２１ａを実施例ａ～ｊのいずれかの材料で構成することで、薄膜ＬＮ光変調器１００のＤＣドリフトを抑制できる。
そして、実施の形態では、第１中間層１２１ａの誘電率ε１よりも、第２中間層１２１ｂの誘電率ε２を小さく設定する（ε１＞ε２）。
中間層１２１（第１中間層１２１ａ）と、基板１２０との間に、中間層１２１（第１中間層１２１ａ）よりも誘電率の低い誘電体層（第２中間層１２１ｂ）を設けることで、電極１１１から見た全体的な誘電率を下げることができる。
これにより、実施の形態の薄膜ＬＮ光変調器１００は、光フィールドが小さいことに対応した狭い電極間隔と、高いインピーダンスを同時に得ることができ、周辺回路と高効率な接続を行うことができるようになる。また、ＤＣドリフトを抑制するための中間層を厚膜化することなく、実際に製造可能な厚さにすることができる。
図３は、実施の形態にかかる２層化した中間層による層厚低減を示す図表である。縦軸は総中間層厚を示す。薄膜ＬＮ光変調器１００の基準インピーダンスＺ０、群屈折率Ｎｍ、電極１１１の間隔を固定する。
従来の単一層（誘電率ε１＝ε２に相当）の中間層では、総中間層として１４μｍを超える層厚が必要である。この厚さは製造困難である。また中間層に必要な層厚を形成できず、薄膜ＬＮ光変調器１００の特性インピーダンスＺ０が２０Ω程度しか得られなかった。そして、周辺回路の基準の特性インピーダンスＺ０（５０Ω）に対しずれが生じ、特別な外部の整合回路等が必要となる。
これに対し、実施の形態では、第１中間層１２１ａの誘電率ε１と第２中間層１２１ｂの誘電率ε２をε１＞ε２に設定することで、第１中間層１２１ａの厚さＴ１は２μｍ、第２中間層１２１ｂの厚さＴ２は６μｍ（総中間層厚は８μｍ）で形成できた。
図表のΔεは、実施の形態の構成（ε１－ε２＝２）により得られる総中間層厚の低減量であり、実施の形態によれば、中間層１２１を実際に製造可能な厚さにできる。
（中間層の層厚を変更した他の構成例）
図４は、実施の形態にかかる薄膜ＬＮ光変調器の中間層の層厚を変えた構成例の断面図である。上述したように、第１中間層１２１ａの誘電率よりも第２中間層１２１ｂの誘電率を小さくした条件において、第１中間層１２１ａと第２中間層１２１ｂの層厚は変更できる。
図４は、実施の形態にかかる薄膜ＬＮ光変調器の中間層の層厚を変えた構成例の断面図である。上述したように、第１中間層１２１ａの誘電率よりも第２中間層１２１ｂの誘電率を小さくした条件において、第１中間層１２１ａと第２中間層１２１ｂの層厚は変更できる。
図４（ａ）に示す構成例では、第１中間層１２１ａの厚さＴ１と、第２中間層１２１ｂの厚さＴ２をほぼ同じ厚さ（Ｔ１＝Ｔ２）にしたものである。図４（ｂ）に示す構成例では、第１中間層１２１ａの厚さＴ１の方が、第２中間層１２１ｂの厚さＴ２よりも厚く（Ｔ１＞Ｔ２）形成したものである。第１中間層１２１ａの誘電率よりも第２中間層１２１ｂの誘電率を小さくした条件下において、第１中間層１２１ａと第２中間層１２１ｂは、それぞれが実際に製造可能な厚さの範囲の所定厚さとすることができる。
図５は、実施の形態にかかる薄膜ＬＮ光変調器の他の構成例の断面図である。上述した構成例では、薄膜ＬＮ層１２２には、Ｘｃｕｔのニオブ酸リチウムを用いることで、光導波路１２２ａを側部の電極１１１で挟み、横方向に電界を印加するＸｃｕｔＬＮの構成例を示した。図５には、薄膜ＬＮ層１２２として、Ｚｃｕｔのニオブ酸リチウムを用いた場合の薄膜ＬＮ光変調器１００を示す。この場合、電極１１１は、光導波路１２２ａの上に形成して縦方向に電界を印加するＺｃｕｔＬＮを構成できる。
図５に示すＺｃｕｔＬＮ型の薄膜ＬＮ光変調器１００においても、狭い電極間隔と、高いインピーダンスを同時に得ることができるようになる。
図６は、実施の形態にかかる薄膜ＬＮ光変調器の他の構成例の断面図である。図６に示す構成例では、電界効率を改善するために、電極１１１の底面をバッファ層１２３の表面の位置よりも低い位置に設けたものである。図６に示す構成例では、光導波路１２２ａの周辺は、バッファ層１２３として所定の厚さを残したまま、電極１１１を形成する部分の位置を下げる。
図６（ａ）の構成例では、バッファ層１２３のうち電極１１１を設ける部分（凹部１２３ａ）をエッチングする。電極１１１は、光導波路１２２ａを中心として所定距離離れた両側部に設けられる。バッファ層１２３のエッチングにより、電極１１１を設ける部分のバッファ層１２３には、段差部１２３ｂが形成される。
そして、バッファ層１２３の段差部１２３ｂ上に電極１１１を形成する。これにより、段差部１２３ｂに設けられる電極１１１の底部１１１ｂの高さ方向の位置は、エッチング前のバッファ層１２３の凹部１２３ａの位置より高さｈ１分だけ低い位置となる。
そして、バッファ層１２３の段差部１２３ｂ部分に電極１１１を設けることで、光導波路１２２ａに対して電極１１１を距離（幅）ｗ１を有しつつ、できるだけ近づけることができる。幅ｗ１は、薄膜ＬＮ層１２２上にバッファ層１２３を積層した際の所定の厚さに対応しており、光導波路１２２ａへの光の閉じ込めの作用を有する。
このように、電極１１１を形成する部分のバッファ層１２３に段差部１２３ｂを形成することで、光導波路１２２ａを中心としたバッファ層１２３の厚さ自体を確保しつつ、光導波路１２２ａに対して電極１１１を近づけて配置できるようになる。これにより、散乱損失が小さく、電界効率が高い薄膜ＬＮ光変調器１００を実現できるようになる。
図６（ｂ）～図６（ｄ）に示す構成例では、図６（ａ）よりもそれぞれエッチング量を増やしている。図６（ｂ）の構成例では、電極１１１を設ける部分（凹部１２３ａ）のバッファ層１２３全体をエッチングする。そして、薄膜ＬＮ層１２２（段差部１２２ｂ）上に電極１１１を蒸着等により形成する。
これにより、段差部１２２ｂに設けられる電極１１１の底部１１１ｂの高さ方向の位置は、エッチング前のバッファ層１２３の凹部１２３ａの位置より高さｈ２分だけ低い位置となる。そして、薄膜ＬＮ層１２２の段差部１２２ｂ部分に電極１１１の底面１１１ｂを位置して設けることにより、光導波路１２２ａに対し、電極１１１は距離（幅）ｗ１を有しつつ、できるだけ近づけることができる。
図６（ｃ）の構成例では、電極１１１を設ける部分（凹部１２３ａ）のバッファ層１２３全体をエッチングする。加えて、薄膜ＬＮ層１２２の全体、さらには第１中間層１２１ａも所定量エッチングし、第１中間層１２１ａ部分に段差部１２１ａｂを形成している。そして、第１中間層１２１ａの段差部１２１ａｂ上に電極１１１を形成する。
これにより、段差部１２１ａｂに設けられる電極１１１の底部１１１ｂの高さ方向の位置は、エッチング前のバッファ層１２３の凹部１２３ａの位置より高さｈ３分だけ低い位置となる。そして、第１中間層１２１ａの段差部１２１ａｂ部分に底面１１１ｂが位置する電極１１１を設けることで、光導波路１２２ａに対し、電極１１１は距離（幅）ｗ１を有しつつ、できるだけ近づけることができる。
図６（ｄ）の構成例では、電極１１１を設ける部分（凹部１２３ａ）のバッファ層１２３全体をエッチングする。加えて、薄膜ＬＮ層１２２と第１中間層１２１ａの全体、さらには第２中間層１２１ｂも所定量エッチングし、第２中間層１２１ｂ部分に段差部１２１ｂｂを形成している。そして、第２中間層１２１ｂの段差部１２１ｂｂ上に電極１１１を形成する。
これにより、段差部１２１ｂｂに設けられる電極１１１の底部１１１ｂの高さ方向の位置は、エッチング前のバッファ層１２３の凹部１２３ａの位置より高さｈ４分だけ低い位置となる。そして、第２中間層１２１ｂの段差部１２１ｂｂ部分に底面１１１ｂが位置する電極１１１を設けることで、光導波路１２２ａに対し、電極１１１を距離（幅）ｗ１を有しつつ、できるだけ近づけることができる。
図６（ａ）の構成例よりも図６（ｂ）の構成例の方がエッチング量が多く、図６（ｂ）の構成例よりも図６（ｃ）の構成例の方がエッチング量が多く、図６（ｃ）の構成例よりも図６（ｄ）の構成例の方がエッチング量が多くなる。エッチング量が多いほど電界効率は向上するが、プロセス難度も上がるため、必要な電界効率等の特性と、製造の容易性を考慮して最適な構造を選択すればよい。
図６（ａ）～（ｄ）に示した各構成例の各薄膜ＬＮ光変調器１００によれば、光導波路１２２ａの散乱損失が小さく、電界効率が高い薄膜ＬＮ光変調器１００を実現できるようになる。
ここで、図６に示した高さｈ１～ｈ４を有して、電極１１１の底面１１１ｂの位置をバッファ層１２３の表面（段差部１２３ａ）の位置よりも低い位置とすることで、インピーダンスが低下する。これに対応して、電極１１１の底面１１１ｂの位置をバッファ層１２３の表面（段差部１２３ａ）に位置させた場合よりも、中間層１２１（第２中間層１２１ｂ）の厚さを厚く形成すればよい。これにより、薄膜ＬＮ光変調器１００は、狭い電極間隔と、高いインピーダンスを同時に得ることができるようになる。
図７は、実施の形態にかかる薄膜ＬＮ光変調器の他の構成例の断面図である。図６を用いて説明した構成例では、電極１１１の側壁がバッファ層１２３に接している例を説明した。
しかしながら、実際には、製造上の公差等により、電極１１１の側壁がバッファ層１２３から離れて設けられることがある。例えば、エッチング時にバッファ層１２３上に設けるマスクの開口、あるいは電極１１１の形成時にバッファ層１２３上に設けるマスクの開口、の配置位置のずれや開口径の誤差等により、電極１１１の側壁と、バッファ層１２３の側壁には隙間が生じることがある。図７は、電極１１１の側壁がバッファ層１２３から離れた場合の各構成例を示している。また、図７の構成例では、エッチング量をｈ３とし、電極１１１の底面１１１ｂを第１中間層１２１ａの段差部１２１ａｂに位置させた構成例を示す（図６（ｃ）相当）。
図７（ａ）に示すように、薄膜ＬＮ層１２２上に所定の厚さのバッファ層１２３を積層する。この際、バッファ層１２３は、光導波路１２２ａの凸状のリッジ部分に応じて表面側に凹部１２３ａが形成される。この後、電極１１１を設ける部分のバッファ層１２３と薄膜ＬＮ層１２２と、第１中間層１２１ａの一部をエッチングする。
このエッチング時、光導波路１２２ａ部分を中心として、段差部１２１ａｂまでのバッファ層１２３部分（幅ｗ２）をマスクし、段差部１２１ａｂ部分のマスクに開口を設ける。そして、マスクの開口部分からバッファ層１２３部分を所定深さエッチングする。これにより、電極１１１を設ける部分には、バッファ層１２３～第１中間層１２１ａの一部までがエッチングされ、第１中間層１２１ａに段差部１２１ａｂが形成される。
そして、第１中間層１２１ａの段差部１２１ａｂ上に電極１１１を形成する。電極１１１の形成時においても、光導波路１２２ａ部分を中心として、段差部１２１ａｂまでのバッファ層１２３部分（幅ｗ２）をマスクし、段差部１２１ａｂ部分のマスクに開口を設ける。そして、マスクの開口部分から電極１１１を蒸着形成する。
ここで、エッチング時にバッファ層１２３上に設けるマスクの開口、あるいは電極１１１の形成時にバッファ層１２３上に設けるマスクの開口、の配置位置のずれや開口径の誤差により、電極１１１の側壁と、バッファ層１２３の側壁には隙間ｗ３が生じる。この隙間ｗ３は、例えば、バッファ層１２３のエッチング時のマスクの開口径よりも電極１１１形成時のマスクの開口径が広い場合に生じる。
このように電極１１１の側壁と、バッファ層１２３の側壁に隙間ｗ３が生じた場合においても、段差部１２１ａｂの高さ方向の位置は、エッチング前の凹部１２３ａの位置より高さｈ３分だけ低い位置となる。そして、第１中間層１２１ａの段差部１２１ａｂ部分に電極１１１の底部１１１ｂを設けることで、光導波路１２２ａに対して電極１１１が距離（幅）ｗ１を有しつつ、できるだけ近づけることができる。幅ｗ１は、薄膜ＬＮ層１２２上にバッファ層１２３を積層した際の所定の厚さに対応しており、光導波路１２２ａへの光の閉じ込めの作用を有する。
これにより、電極１１１の側壁と、バッファ層１２３の側壁に隙間ｗ３を有した場合であっても、光導波路１２２ａを中心としたバッファ層１２３の厚さ自体を確保しつつ、光導波路１２２ａに対して電極１１１を近づけて配置できるようになる。
また、図７（ａ）の構成例とは逆に、製造上の公差等により、電極１１１の一部（側壁）が段差部１２１ａｂよりも内側に位置し、隙間ｗ３相当がなくなることもある。例えば、エッチング時にバッファ層１２３上に設けるマスクの開口、あるいは電極１１１の形成時にバッファ層１２３上に設けるマスクの開口、の配置位置のずれや開口径の誤差等が生じたとする。これにより、電極１１１の一部（側壁）がバッファ層１２３の凹部１２３ａ部分に位置することがある。
図７（ｂ）は、電極１１１の一部（中央側の側壁）がバッファ層１２３の凹部１２３ａ上に乗り上がる形で形成された場合の構成例を示している。
図７（ｂ）に示すように、薄膜ＬＮ層１２２上に所定の厚さのバッファ層１２３を積層する。この際、バッファ層１２３は、光導波路１２２ａの凸状のリッジ部分に応じて表面側に凹部１２３ａが形成される。この後、バッファ層１２３のうち電極１１１を設ける部分（凹部１２３ａ）をエッチングする。このエッチング時、光導波路１２２ａ部分を中心として、段差部１２３ｂまでのバッファ層１２３部分（幅ｗ２）をマスクし、段差部１２１ａｂ部分のマスクに開口を設ける。そして、マスクの開口部分からバッファ層１２３部分をエッチングする。このエッチングにより、電極１１１を設けた部分の第１中間層１２１ａには段差部１２１ａｂが形成される。
そして、第１中間層１２１ａの段差部１２１ａｂ上に電極１１１を形成する。電極１１１の形成時においても、光導波路１２２ａ部分を中心として、段差部１２１ａｂまでのバッファ層１２３部分（幅ｗ２）をマスクし、段差部１２１ａｂ部分のマスクに開口を設ける。そして、マスクの開口部分から電極１１１を蒸着形成する。
ここで、エッチング時にバッファ層１２３上に設けるマスクの開口、あるいは電極１１１の形成時にバッファ層１２３上に設けるマスクの開口、の配置位置のずれや開口径の誤差により、電極１１１の側壁の一部がバッファ層１２３の凹部１２３ａに位置する。電極１１１は凹部１２３ａ上に幅ｗ４（重なり量に相当）を有して乗り上がる形で位置する。この幅ｗ４は、例えば、バッファ層１２３のエッチング時のマスクの開口径よりも電極１１１形成時のマスクの開口径が狭い場合に生じる。
このように電極１１１の側壁がバッファ層１２３の凹部１２３ａ部分に位置した場合においても、段差部１２１ａｂの高さ方向の位置は、エッチング前のバッファ層１２３の凹部１２３ａの位置より高さｈ３分だけ低い位置となる。そして、第１中間層１２１ａの段差部１２１ａｂ部分に電極１１１を設けることで、光導波路１２２ａに対して電極１１１を距離（幅）ｗ１を有し、できるだけ近づけることができる。幅ｗ１は、薄膜ＬＮ層１２２上にバッファ層１２３を積層した際の所定の厚さに対応しており、光導波路１２２ａへの光の閉じ込めの作用を有する。
このように、電極１１１の側壁がバッファ層１２３の凹部１２３ａ上に幅ｗ４を有して重なって位置した場合であっても、光導波路１２２ａを中心としたバッファ層１２３の厚さ自体を確保できる。加えて、光導波路１２２ａに対して電極１１１を近づけて配置できるようになる。
図７（ａ），（ｂ）に示した各構成例の各薄膜ＬＮ光変調器１００においても、光導波路１２２ａの散乱損失が小さく、電界効率が高い薄膜ＬＮ光変調器１００を実現できるようになる。また、狭い電極間隔と、高いインピーダンスを同時に得ることができるようになる。
また、図７（ａ），（ｂ）には、いずれもエッチング量をｈ３（図６（ｃ）対応）の構成例を示した。これに限らず、エッチング量は、図６（ａ）のｈ１～図６（ｄ）のｈ４の各構成例で設定できる。いずれのエッチング量ｈ１～ｈ４においても、光導波路１２２ａに対し、電極１１１を距離（幅）ｗ１を有しつつ、できるだけ近づけることができる。
以上説明したように、薄膜ＬＮ光変調器１００は、基板上に、中間層、Ｘｃｕｔニオブ酸リチウムの薄膜ＬＮ層、バッファ層が積層され、前記薄膜ＬＮ層に光導波路が形成され、駆動用の電極を有する。中間層を設けることで、ＤＣドリフトを改善し、上層の第１中間層と、下層の第２中間層からなる。そして、ＤＣドリフトを抑制するための第１中間層と基板との間に、第１中間層よりも誘電率の低い第２中間層１２１ｂを設ける。これにより、電極１１１からみた全体的な誘電率を下げることができ、狭い電極の間隔のままでインピーダンスを高めることができ、周辺回路と容易かつ高効率に接続できるようになる。
また、薄膜ＬＮ光変調器１００は、第１中間層の厚さよりも第２中間層の厚さが厚い場合、第１中間層の厚さと第２中間層の厚さがほぼ同じ厚さ、第１中間層の厚さよりも第２中間層の厚さが薄い場合、とすることができる。これらは第２中間層の誘電率が第１中間層の誘電率よりも小さい条件で、得られるインピーダンスに応じて厚さを適宜選択すればよい。
また、薄膜ＬＮ光変調器１００の第１中間層は、元素の周期表の第３～第１８族の金属元素からなる材料、酸化シリコンとインジウムの酸化物を含む材料、酸化シリコンとチタンの酸化物を含む材料、酸化シリコンと錫の酸化物を含む材料、酸化シリコンとゲルマニウムの酸化物を含む材料、酸化シリコンと亜鉛の酸化物を含む材料を用いることができる。また、これらいずれかの材料に加えて、さらに他の金属または半導体元素の酸化物を含む材料を用いることもできる。さらには、第１中間層は、元素の周期表の第３～第１８族の金属元素の１種以上の酸化物と、酸化シリコンとの混合物または化合物、シリコンを除く半導体元素の１種以上の酸化物と、酸化シリコンとの混合物または化合物、元素の周期表の第３～第１８族の金属元素と、シリコンを除く半導体元素のそれぞれ１種以上で構成される酸化物と酸化シリコンとの混合物または化合物、のいずれかによりなることとしてもよい。これらの材料を適宜選択することでＤＣドリフトを効果的に抑制できるようになる。
また、薄膜ＬＮ光変調器１００は、薄膜ＬＮ層がＸｃｕｔニオブ酸リチウムからなり、光導波路の側部に電極が配置され、光導波路の横方向から電界を印加するＸｃｕｔＬＮ変調器として構成できる。また、薄膜ＬＮ層がＺｃｕｔニオブ酸リチウムからなり、光導波路の上部に電極が配置され、光導波路の縦方向から電界を印加するＺｃｕｔＬＮ変調器として構成できる。そして、いずれにおいても、狭い電極間隔と、高いインピーダンスを同時に得ることができるようになる。
また、薄膜ＬＮ光変調器１００は、電極の底面をバッファ層の表面の位置よりも低い位置に設けることで、電極をできるだけ光導波路に近づける構成にできる。例えば、電極の底面は、バッファ層の内部の所定深さ位置の段差部上に設ける構成、薄膜ＬＮ層の段差部上に設ける構成、第１中間層の段差部上に設ける構成、第２中間層の段差部上に設ける構成、のいずれかとすることができる。これにより、光導波路の上部および側壁に対し所定厚さを有するバッファ層で光導波路への光の閉じ込めができ散乱損失を低減できるとともに、電極を光導波路にできるだけ近づけることができ、電界効率を向上できるようになる。
これらにより、実施の形態によれば、２層化した中間層により、狭い電極間隔においてインピーダンスを高めることができ、周辺回路と容易かつ高効率に接続できるようになる。
また、上述した実施の形態ではリッジ型の光導波路を例に説明したが、これに限らない。例えば、バッファ層内部にＸｃｕｔニオブ酸リチウムからなり断面が矩形コアの光導波路が形成された構成とすることもでき、この構成においても上記同様の作用効果を得ることができる。
上述した実施の形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）基板上に、中間層、Ｘｃｕｔニオブ酸リチウムの薄膜ＬＮ層、バッファ層が積層され、前記薄膜ＬＮ層に光導波路が形成され、駆動用の電極を有する光導波路デバイスにおいて、
前記中間層は、上層の第１中間層と、下層の第２中間層からなり、前記第２中間層の誘電率が前記第１中間層の誘電率よりも小さいことを特徴とする光導波路デバイス。
前記中間層は、上層の第１中間層と、下層の第２中間層からなり、前記第２中間層の誘電率が前記第１中間層の誘電率よりも小さいことを特徴とする光導波路デバイス。
（付記２）前記第１中間層は、元素の周期表の第３～第１８族の金属元素からなる材料によりなることを特徴とする付記１に記載の光導波路デバイス。
（付記３）前記第１中間層は、酸化シリコンとインジウムの酸化物を含む材料によりなることを特徴とする付記１に記載の光導波路デバイス。
（付記４）前記第１中間層は、酸化シリコンとチタンの酸化物を含む材料によりなることを特徴とする付記１に記載の光導波路デバイス。
（付記５）前記第１中間層は、酸化シリコンと錫の酸化物を含む材料によりなることを特徴とする付記１に記載の光導波路デバイス。
（付記６）前記第１中間層は、酸化シリコンとゲルマニウムの酸化物を含む材料によりなることを特徴とする付記１に記載の光導波路デバイス。
（付記７）前記第１中間層は、酸化シリコンと亜鉛の酸化物を含む材料によりなることを特徴とする付記１に記載の光導波路デバイス。
（付記８）前記第１中間層は、付記３～７のいずれかの材料に加えて、さらに他の金属または半導体元素の酸化物を含む材料によりなることを特徴とする付記３～７のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
（付記９）前記第１中間層は、元素の周期表の第３～第１８族の金属元素の１種以上の酸化物と、酸化シリコンとの混合物または化合物によりなることを特徴とする付記１に記載の光導波路デバイス。
（付記１０）前記第１中間層は、シリコンを除く半導体元素の１種以上の酸化物と、酸化シリコンとの混合物または化合物によりなることを特徴とする付記１に記載の光導波路デバイス。
（付記１１）前記第１中間層は、元素の周期表の第３～第１８族の金属元素と、シリコンを除く半導体元素のそれぞれ１種以上で構成される酸化物と酸化シリコンとの混合物または化合物によりなることを特徴とする付記１に記載の光導波路デバイス。
（付記１２）前記薄膜ＬＮ層は、Ｘｃｕｔニオブ酸リチウムからなり、
前記光導波路の側部に前記電極が配置され、前記光導波路の横方向から電界を印加することを特徴とする付記１～１１のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
前記光導波路の側部に前記電極が配置され、前記光導波路の横方向から電界を印加することを特徴とする付記１～１１のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
（付記１３）前記薄膜ＬＮ層は、Ｚｃｕｔニオブ酸リチウムからなり、
前記光導波路の上部に前記電極が配置され、前記光導波路の縦方向から電界を印加することを特徴とする付記１～１１のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
前記光導波路の上部に前記電極が配置され、前記光導波路の縦方向から電界を印加することを特徴とする付記１～１１のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
（付記１４）前記電極の底面は、前記バッファ層の表面の位置よりも低い位置に設けられたことを特徴とする付記１～１３のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
（付記１５）前記電極の底面は、前記バッファ層の内部の所定深さ位置の段差部上に設けられたことを特徴とする付記１～１３のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
（付記１６）前記電極の底面は、前記薄膜ＬＮ層の段差部上に設けられたことを特徴とする付記１～１３のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
（付記１７）前記電極の底面は、前記第１中間層の段差部上に設けられたことを特徴とする付記１～１３のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
（付記１８）前記電極の底面は、前記第２中間層の段差部上に設けられたことを特徴とする付記１～１３のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
（付記１９）基板上に所定の誘電率の第２中間層を積層し、
前記第２中間層上に、当該第２の中間層の誘電率よりも大きい誘電率の第１中間層を積層し、
前記第１中間層上に、ニオブ酸リチウムの薄膜ＬＮ層を積層し、
前記薄膜ＬＮ層に光導波路を形成し、
前記光導波路を含む前記薄膜ＬＮ層上にバッファ層を積層し、
前記光導波路に対する電界を印加する電極を設ける、
ことを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
前記第２中間層上に、当該第２の中間層の誘電率よりも大きい誘電率の第１中間層を積層し、
前記第１中間層上に、ニオブ酸リチウムの薄膜ＬＮ層を積層し、
前記薄膜ＬＮ層に光導波路を形成し、
前記光導波路を含む前記薄膜ＬＮ層上にバッファ層を積層し、
前記光導波路に対する電界を印加する電極を設ける、
ことを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
１００ 薄膜ＬＮ光変調器
１０１～１０４，１２２ａ 光導波路
１１１ 電極
１１１ｂ 底面（電極）
１２０ 基板
１２１ 中間層
１２１ａ 第１中間層
１２１ｂ 第２中間層
１２１ａｂ，１２１ｂｂ，１２２ｂ，１２３ｂ 段差部
１２２ 薄膜ＬＮ層
１２３ バッファ層
１２３ａ 凹部
１０１～１０４，１２２ａ 光導波路
１１１ 電極
１１１ｂ 底面（電極）
１２０ 基板
１２１ 中間層
１２１ａ 第１中間層
１２１ｂ 第２中間層
１２１ａｂ，１２１ｂｂ，１２２ｂ，１２３ｂ 段差部
１２２ 薄膜ＬＮ層
１２３ バッファ層
１２３ａ 凹部
Claims (18)
- 基板上に、中間層、Ｘｃｕｔニオブ酸リチウムの薄膜ＬＮ層、バッファ層が積層され、前記薄膜ＬＮ層に光導波路が形成され、駆動用の電極を有する光導波路デバイスにおいて、
前記中間層は、上層の第１中間層と、下層の第２中間層からなり、前記第２中間層の誘電率が前記第１中間層の誘電率よりも小さいことを特徴とする光導波路デバイス。 - 前記第１中間層は、元素の周期表の第３～第１８族の金属元素からなる材料によりなることを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
- 前記第１中間層は、酸化シリコンとインジウムの酸化物を含む材料によりなることを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
- 前記第１中間層は、酸化シリコンとチタンの酸化物を含む材料によりなることを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
- 前記第１中間層は、酸化シリコンと錫の酸化物を含む材料によりなることを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
- 前記第１中間層は、酸化シリコンとゲルマニウムの酸化物を含む材料によりなることを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
- 前記第１中間層は、酸化シリコンと亜鉛の酸化物を含む材料によりなることを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
- 前記第１中間層は、請求項３～７のいずれかの材料に加えて、さらに他の金属または半導体元素の酸化物を含む材料によりなることを特徴とする請求項３～７のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
- 前記第１中間層は、元素の周期表の第３～第１８族の金属元素の１種以上の酸化物と、酸化シリコンとの混合物または化合物によりなることを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
- 前記第１中間層は、シリコンを除く半導体元素の１種以上の酸化物と、酸化シリコンとの混合物または化合物によりなることを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
- 前記第１中間層は、元素の周期表の第３～第１８族の金属元素と、シリコンを除く半導体元素のそれぞれ１種以上で構成される酸化物と酸化シリコンとの混合物または化合物によりなることを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
- 前記薄膜ＬＮ層は、Ｘｃｕｔニオブ酸リチウムからなり、
前記光導波路の側部に前記電極が配置され、前記光導波路の横方向から電界を印加することを特徴とする請求項１～１１のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。 - 前記薄膜ＬＮ層は、Ｚｃｕｔニオブ酸リチウムからなり、
前記光導波路の上部に前記電極が配置され、前記光導波路の縦方向から電界を印加することを特徴とする請求項１～１１のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。 - 前記電極の底面は、前記バッファ層の表面の位置よりも低い位置に設けられたことを特徴とする請求項１～１３のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
- 前記電極の底面は、前記バッファ層の内部の所定深さ位置の段差部上に設けられたことを特徴とする請求項１～１３のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
- 前記電極の底面は、前記薄膜ＬＮ層の段差部上に設けられたことを特徴とする請求項１～１３のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
- 前記電極の底面は、前記第１中間層の段差部上に設けられたことを特徴とする請求項１～１３のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
- 前記電極の底面は、前記第２中間層の段差部上に設けられたことを特徴とする請求項１～１３のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
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