JP4649511B2 - 光導波路デバイス - Google Patents
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Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路デバイスに関し、特に光通信及び光信号処理等の技術分野において用いて好適の、光導波路デバイスに関するものである。
【０００２】
誘電体結晶又は強誘電体結晶は、電場を印加すると電気光学効果により屈折率が変化することが知られている。従来より、この効果を利用して、光変調器、光偏向素子、光スイッチなど様々な光学素子が開発されている。ここで、電気光学効果による屈折率変化Δnは以下の式（１）で表される。
【０００３】
【数１】
【０００４】
ここで、ｎは強誘電体の屈折率、Ｅは加える電圧、ｒは電気光学係数である。光変調器を例にとると、一般的に材料としてLiNbO3がよく用いられる。このLiNbO3の電気光学係数は30pm/Vであり、電気光学材料の中ではそれほど大きな値ではない。SBN（Sr0.75Ba0.25Nb2O6）や、PLZT（Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x/4O3）などは、電気光学係数の大きな誘電体材料として知られている。
【０００５】
図８に代表的な誘電体材料と電気光学係数との関係を示す。尚、図８中において、BNNはBa2NaNbO5であり、BSTNはBa1-xSrxTiyNb2-yO6である。より電気光学係数の大きな材料で光導波路を構成できれば、低電圧な光デバイスを構成することができ、光デバイスとしての消費電力削減を期待できる。
ここで、上述のごときSBNなどの高い電気光学効果を示す材料で光デバイスを作るためには、光導波路の形成が大きな課題となる。即ち、LiNbO3では、Tiなどの金属を熱拡散することで低損失な光導波路が形成できることが知られているが、SBNやPLZTなどの材料では金属が拡散しづらく、この方法では伝搬損失が大きくなり、低損失な光導波路を形成することは容易ではない。
【０００６】
これに対し、下記の非特許文献１には、光導波路形成方法として、応力印加型の導波路が記されている。この非特許文献１に記載された導波路は、次のように形成される。まず、光弾性効果を有する強誘電体基板上に熱膨張係数の異なる応力膜を高温で成膜する。このとき、基板には基板と応力膜の熱膨張係数の差により一様に応力が発生する。次に、応力膜をエッチングによりパターニングすることで、応力膜のエッジに応力が発生し、基板に歪が加わる。強誘電体のもつ光弾性効果により屈折率が変化し光導波路が形成される。
【０００７】
すなわち、上述の非特許文献１に記載された技術においては、例えば図９に示すように、基板１０１上に膜としてパターニングされた応力層１０２が形成されてなる光デバイス１００について記載されている。この光デバイス１００においては、応力層１０２のエッジに生じた応力σｔにより、基板１０１における応力層１０２間の領域１０３に歪みが生じる。そして、この歪みが生じた領域１０３は光弾性効果により屈折率が変化するので、この領域１０３を、光弾性効果による光導波路（応力光導波路）１０３Ａとして構成することができるのである。
【０００８】
その他、本願発明に関連する公知技術としては、特許文献１〜３に記載されたものもある。特許文献１においては、応力印加用のＡｕパターンについて記載され、特許文献２には、基板と光導波路層をなすコアおよびクラッドの層との間に、熱膨張率差による歪みを緩和するための中間層を設ける技術について記載されている。更に、特許文献３には、素子分離パターンの伸び縮みを相殺するために、シリコン基板の両面に応力付与膜を形成する技術について記載されている。
【非特許文献１】
O. Eknoyan. et al.,"Strain induced optical waveguides in lithium niobate, lithium tantalate, and barium titanate", Appl.Phys.Lett., vol60, No.4, 27 January 1992, p407-409
【特許文献１】
特開平２−５０２８号公報
【特許文献２】
特開２００３−２４８１３０号公報
【特許文献３】
特開平６−５３３１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述の非特許文献１に記載されている応力印加型導波路では、拡散のように不純物を加えているわけではないので、透明であれば結晶構造によらず伝搬損失が小さくなる反面、基板１０１に与えられる応力を強めることが困難である。即ち、上述の図９の応力膜１０２の構成では、通信波長帯である1300-1600nmにおいて、伝搬光を十分に閉じ込めることができるような屈折率差を持つ（High-Δな）光導波路を形成するために必要な応力を基板１０１に与えることが困難であるという課題がある。
【００１０】
たとえば、応力層１０２の膜厚ｔを厚くしたり、応力層１０２の成膜温度を高く設定したりすることで、基板１０１に与えられる応力を強めることが考えられるが、応力層１０２の膜厚ｔを厚くする場合には、応力層１０２自身が基板１０１からはがれやすくなるため、光デバイスとしての構成の安定性を確保することが困難である。又、応力層１０２の成膜温度を高く設定する場合、この成膜温度の設定は高いほど、与えられる応力が大きくなるが、光デバイスとしての構成の安定性を確保するための成膜温度においては、基板に十分な応力を与えられるようにすることは困難である。
【００１１】
このような光の閉じ込めが弱い導波路は、光のモードフィールドを大きくするため入出力端において光ファイバとの結合損も大きくなる。又、電気光学効果を利用しようとした場合には電界の印加効率が減少するという課題も招来することになる。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、基板に生じさせる応力を従来技術よりも大きくすることができるようにすることを目的とする。
【００１２】
また、光弾性効果を用いた応力光導波路の低損失化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このため、本発明の光導波路デバイスは、光弾性効果を有する基板と、該基板における第１面に形成されて、該基板内の一部領域に該光弾性効果による屈折率変化を誘起する応力を生じさせるパターンを有する第１応力層と、該第１応力層によって生じた応力によって該基板内の該一部領域に形成された光導波路と、該基板における該第１面を表面とする場合に該基板の裏面である第２面に形成されて、該光導波路の屈折率変化を誘起する応力を強める第２応力層と、をそなえて構成されたことを特徴としている。
【００１４】
この場合においては、好ましくは、該光導波路は、該基板における他の領域よりも屈折率が高くなるように屈折率変化が誘起されるように構成してもよい。
さらに、該基板を、光弾性係数が正の値を持つ材質で構成するとともに、該第１応力層および該第２応力層を、該基板に対して伸張応力を生じさせるように構成することもできる。この場合においては、該第１応力層および該第２応力層を、該基板よりも熱膨張係数が小さい材質で構成してもよい。
【００１５】
また、該基板を、光弾性係数が負の値を持つ材質で構成するとともに、該第１応力層および該第２応力層を、該基板に対して収縮応力を生じさせるように構成することができる。この場合においては、該第１応力層および該第２応力層を、該基板よりも熱膨張係数が大きい材質で構成してもよい。
さらに、該基板は電気光学効果を有する強誘電体とすることができる。
【００１６】
また、好ましくは、該第１応力膜の熱膨張係数および該基板の熱膨張係数の大小関係と、該第２応力膜の熱膨張係数および該基板の熱膨張係数の大小関係と、を同じ大小関係にあることとする。
【発明の効果】
【００１７】
このように、本発明によれば、基板における一部領域での屈折率変化を大きくさせることができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態にかかる光導波路デバイスを示す模式的正視図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）はともに本発明の一実施形態にかかる光導波路デバイスの製造工程を説明するための図である。
【図３】本発明の一実施形態の変形例にかかる光導波路デバイスを示す模式的正視図である。
【図４】基板として適用される各材料の電気光学定数，光弾性係数および熱膨張係数について示す図である。
【図５】第１，第２応力層として適用される各材料の熱膨張係数値について示す図である。
【図６】（ａ），（ｂ）はともに本実施形態の作用効果について従来技術と対比して説明するための図である。
【図７】（ａ），（ｂ）はともに本実施形態の作用効果について従来技術と対比して説明するための図である。
【図８】代表的な誘電体材料と電気光学係数との関係を示す図である。
【図９】従来技術を示す図である。
【符号の説明】
【００１９】
１，１０１ 基板
２ 第１応力層
３ 第２応力層
４ 基板領域（一部領域）
４Ａ 光導波路
１０ 光導波路デバイス
１００ 光デバイス
１０２ 応力層
１０３ 領域
１０３Ａ 光導波路
【００２０】
以下、図面を参照することにより、本発明の実施の形態を説明する。なお、実施の形態は以下に示す実施例の形態に限るものではない。又、上述の本願発明の目的のほか、他の技術的課題，その技術的課題を解決する手段及びその作用効果についても、以下の実施の形態による開示によって明らかとなるものである。
〔ａ〕本発明の一実施形態の説明
図１は本発明の一実施形態にかかる光導波路デバイス１０を示す模式的正視図である。この図１に示す光導波路デバイス１０は、光弾性効果を有する強誘電体基板１をそなえるとともに、基板１における第１面（図１中の符号Ａ参照）に形成された第１応力層２と、基板１における第１面Ａの裏面である第２面（図１中の符号Ｂ参照）に形成された第２応力層３と、をそなえて構成されている。
【００２１】
ここで、第１応力層２は、前述の図９に示すものと同様に、基板１内の一部領域４に光弾性効果による屈折率変化を誘起する応力σ１を生じさせるためのパターンを有して形成されている。即ち、この図１中における第１面Ａ上の左右端に形成された第１応力層２によって、この左右端の第１応力層２に挟まれた箇所における基板領域４に応力σ１が与えられて、歪みが生じるようになっている。そして、この歪みが生じた領域４は、光弾性効果により屈折率変化が誘起されて、他の基板領域に比べて高い屈折率を有するようになっている。
【００２２】
これにより、この高屈折率分布を有する領域４に光が入射されると、入射した光はこの領域４内に閉じ込められて伝搬されるようになっている。従って、光導波路デバイス１０においては、第１応力層２から与えられた応力σ１により歪みが生じた一部の基板領域（一部領域）４を光導波路４Ａとして構成することができる。換言すれば、第１応力層２のパターンによって挟まれる基板領域をもとに光導波路４Ａのパターンを構成することができるようになっている。
【００２３】
また、第２面Ｂに形成される第２応力層３は、第１応力層２とは異なり基板１の第２面Ｂに一様に形成されたものであり、第１応力層２によって基板１に生じる応力に起因した形状変形をもとに戻すような応力を基板１に生じさせるものである。即ち、第１応力層２が基板１に生じさせる応力と同じ向きの応力を基板１に発生させるように構成される。具体的には、第１応力層２が伸張層であり、伸張応力を基板１に生じさせている場合には、第２応力層３についても伸張層とし、伸張応力を基板１に生じさせるように構成され、第１応力層２が収縮層であり、収縮応力を基板１に生じさせている場合には、第２応力層３についても収縮層とし、収縮応力を基板１に生じさせるように構成される。
【００２４】
すなわち、この第２応力層３によって基板１に生じさせている応力によって、第１応力層２により生じている応力によって歪んだ基板１の形状変化を元の状態となるようにすることができる。これにより、第１応力層２のみを形成している場合よりも、光導波路４Ａを構成する基板領域４に与えられる応力を増大させることができるようになっている。
すなわち、第１応力層２によって基板１に生じる応力により基板１に歪みが生じると、たわみ等による形状変化が発生する。この形状変化によって、第１応力層２によって基板１で生じる応力も形状変化が生じていない状態に比べれば減少することになる。これに対し、第２面Ｂに第２応力層３を形成することで、第１応力層２からの応力による基板１の形状変化分を元に戻すようになっている。これにより、基板１の形状変化がなければ第１応力層２から本来与えることができる大きさの応力を基板１に与えることができるので、結果として光導波路４Ａを構成する基板領域４に与えられる応力を増大させることができるのである。
【００２５】
そして、基板１自身の形状を原形に戻しながらも、基板領域４が受ける応力を増大させているので、基板領域４に生じる歪みも増大し、屈折率変化についても大きくなる。これにより、光導波路４Ａとしての光を伝搬する際の光の閉じ込め効果を高めることができる。
ここで、上述の光導波路デバイス１０は、例えば図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、基板１に第１，第２応力層２，３が形成されることで製造されるようになっている。
【００２６】
まず、図２（ａ）に示すように、基板１の第１面Ａに一様な表面応力層２′を高温で成層する。次に、図２（ｂ）に示すように、成層した表面応力層２′を、形成すべき光導波路４Ａのパターンに従ってエッチング等のプロセスによって除去する。これにより、基板１には第１応力層２が形成されるとともに、この第１応力層２によって（第１応力層２のエッジ部分から）基板１で生じる応力σ１によって、応力導波路４Ａが形成される。図２（ｂ）においては、上述の応力σ１によって、光導波路４Ａの部分には収縮力が作用している。
【００２７】
そして、図２（ｃ）に示すように、基板１の第１面Ａの裏面である第２面Ｂに、一様な第２応力層３を高温で成層する。ここで、第２応力層３は、基板１の第２面Ｂを伸張し、表面を収縮するような作用を持つ応力を基板１に生じさせる。従って第１面Ａの第１応力層２のある部分は応力が打ち消しあうことになるが、第１応力層２が形成されていない光導波路４Ａの部分で受けている収縮力は強くなるため、基板領域４での屈折率変化を大きくすることができる。
【００２８】
また、第１，第２応力層２，３はともに、基板１自身が持つ光弾性係数の極性によって定まる同じ向きの応力が生じるように構成される。基板１が正の光弾性係数値を有する材質からなる場合においては、図１，図２（ｃ）に示すように、第１，第２応力層２，３として基板１に伸張応力が生じるようにするため、第１，第２応力層２，３として基板１よりも熱膨張係数値が小さい値の材質を適用する。
【００２９】
これにより、第１，第２応力層２，３を成層する時の高温状態から常温状態へ冷却される過程において、第１，第２応力層２，３が自己収縮する力よりも基板１が自己収縮する力が大きくなる。従って、基板１における第１応力層２の内側エッジの箇所から光導波路４Ａの形成箇所に相当する箇所に向かう応力σ１（第１応力層２から見れば基板１が伸張する応力：伸張応力）が作用して、基板領域４に屈折率変化を生じさせる歪みを起こさせる。
【００３０】
ここで、基板１の熱膨張係数をαs、第１応力層２の熱膨張係数をαfとする。第１応力層２を温度T (℃)で、t (μm)の厚みで基板１上に形成する。室温（常温）T0に戻すと、基板１には熱膨張係数差により応力σthが発生する。ここでσthは以下の式（２）で表される。
【００３１】
【数２】
【００３２】
ここで、ΔT=(T-T0)、Efは応力層のヤング率、νfは応力層のポアソン比である。尚、Ef、νfの値については、第１応力層２の材質によって定まる値である。また、一般的に応力層として薄膜を形成した時に基板に働く応力σ（図中においてはσ１）は、σ=σint+σthで表される。ここでσintは真性応力と呼ばれ、熱によらない成膜時の応力であり、σthは上述のごとき熱膨張係数差により生じる応力である。
【００３３】
そして、第１応力層２を、図２（ｂ）に示すように形成領域が分かれるようにパターニングすると、第１応力層２の各形成領域にはさまれた、即ち応力層２が形成されていない領域３に歪みＳが発生する。歪みＳと応力σとの関係は、基板の弾性定数から弾性方程式を解くことにより導出することができる。ここで、σが正のときには発生する歪みＳは負となり、σが負のときには発生する歪みは正となる。
【００３４】
そして、光弾性効果を持つ基板１に歪Ｓが加わると屈折率変化が起きるが、光弾性効果による屈折率変化Δｎは次の式（３）で表される。
【００３５】
【数３】
【００３６】
ここでＳは基板に加わる歪、pは光弾性係数である。例えば、基板１が正の光弾性定数値を有する材質からなる場合には、第１，第２応力層２，３として、基板１の熱膨張係数値αsよりも小さい熱膨張係数値αfとなる材質を選択し（αs＞αf）、基板１に伸張応力σ１（正の値を有する応力）が生じるようにする（図１参照）。これにより、基板領域４に生じる歪Ｓを負の値とすることで、式（３）における屈折率を上昇させ（Δｎが正となって）、光導波路４が形成できることになる。
【００３７】
これに対し、基板１が負の光弾性係数値（ｐ＜０）を有する材質からなる場合には、第１，第２応力層２，３として、基板１の熱膨張係数値αsよりも大きい熱膨張係数値αfとなる材質を選択し（αs＜αf）、基板１に収縮応力（負の符号を有する応力）σ１１が生じるようにする。これにより、歪Ｓを正とすることで、式（３）における屈折率が上昇して（Δｎが正となって）光導波路４が形成できることになる。
【００３８】
この場合においては、第１，第２応力層２，３を成層する時の高温状態から常温状態へ冷却される過程において、基板１が自己収縮する力よりも第１，第２応力層２，３が自己収縮する力が大きくなる。従って、基板１における第１応力層２の内側エッジの箇所から基板１の外側箇所に向かう応力σ１１（第１応力層２から見れば基板１が収縮する応力：収縮応力）が作用して、基板領域４に屈折率変化を生じさせる歪みを起こさせる。
【００３９】
また、この図３の場合においては、上述の応力σ１１によって、光導波路４Ａの部分には伸張力が作用している。そして、この場合においても、第２応力層３によって、第１面Ａの第１応力層２のある部分は応力が打ち消しあうことになるが、第１応力層２が形成されていない光導波路４Ａの部分で受けている伸張力は強くなるため、基板領域４での屈折率変化を大きくすることができる。
【００４０】
図４は、基板１として適用される各材料の電気光学定数ｒ（pm/V），光弾性係数ｐおよび熱膨張係数（１/℃）について示す図であり、図５は、第１，第２応力層２，３として適用される各材料の熱膨張係数値について示す図である。
たとえば、基板１にZ-cut LiNbO3を用いる場合には、図４に示すように、このLiNbO3は熱膨張係数αが〜15 ppmであり、光弾性係数が正（プラス）の極性を有している。このような特性を持つ基板１においては、第１，第２応力層２，３の材質としては、例えば図５に示すように、SiO2やSiN等の、熱膨張係数が基板１よりも小さい値（それぞれ0.55ppm、2.5ppm）を持つものを選択して、成層時の高温状態から常温となった際に、正の応力（伸張応力）σ１が基板１に生じるようにする（図１参照）。
【００４１】
また、基板１にGaAsを用いる場合には、図４に示すように、このGaAsは熱膨張係数αが〜6.9ppmであり、光弾性係数が負（マイナス）の極性を有している。このような特性を持つ基板１においては、第１，第２応力層２，３の材質としては、例えばAlやポリイミド等の、熱膨張係数が基板１よりも大きい値（それぞれ27ppm、50ppm）を持つものを選択して、成層時の高温状態から常温となった際に、負の応力（収縮応力）σ１１が基板１に生じるようにする。
【００４２】
上述のごとく構成された光導波路デバイス１０においては、基板１の第１面Ａに第１応力層２が形成されるとともに、第１面Ａの裏面である第２面Ｂに、第１応力層２と同様の線膨張係数の特性を有する第２応力層３が一様に形成されているので、第１応力層２の形成に起因して基板１に生じる応力（図１のσ１または図３のσ１１参照）を大きくすることができ、基板１内における第１応力層２が形成されていない第１面Ａ側の基板領域４での屈折率変化を大きくさせている。これにより、基板領域４を光導波路４Ａとして光を入射させた場合に、伝搬する光の閉じ込め効果を高めることができるようになる。
【００４３】
本願発明にかかる光の閉じ込め効果についての検証のため、図６（ａ）に示すような、本実施形態にかかる光導波路デバイス１０を作製するとともに、図７（ａ）に示すような、第２応力層３を形成しない光デバイス１００を作製した。これらの図６（ａ），図７（ａ）に示す光導波路デバイス１０，光デバイス１００は、それぞれ前述の図１，図９と同様の構成を有しており、図中、同一の符号は同様の部分を示している。
【００４４】
ここで、図６（ａ），図７（ａ）に示す光導波路デバイス１０，光デバイス１００において、基板１，１０１としては、ともに1mm厚のZ-cut LiNbO3を用い、応力層２，１０２として、それぞれ5μｍのSiO2層を300℃の条件で成層した。尚、パターンの開口部径はともに10μｍとしている（図中においては、「μｍ」を「ｕｍ」と表記している）。
このようにして作製された光導波路デバイス１０，光デバイス１００における光導波路４Ａ，１０３Ａに、波長1310nmの光を伝搬させた場合の光のNＦＰ(ニアフィールドパターン)を、それぞれ図６（ｂ），図７（ｂ）に示す。ここで、図７（ａ）に示す従来技術にかかる光デバイス１００においては、図７（ｂ）に示すように、縦２７μｍ×横２７μｍ程度の径で光が拡がっているのに対し、図６（ａ）に示す本実施形態にかかる光導波路デバイス１０においては、光の拡がりは、図６（ｂ）に示すように縦１５μｍ×横２０μｍ程度の径に抑えられている。
【００４５】
すなわち、図６（ａ）に示すように、第２応力層３を形成することで、基板領域４の応力が増加し、光のNFPが小さくなっていることが分かる。NFPの径より応力を逆算すると、本発明適用により応力がおよそ1.5倍程度強くなっていることが分かる。これは10μｍの光ファイバとの結合損失で損失が半減 (3dBダウン) したことになる。高いＥＯ係数を持つ材料においても、同様の光弾性効果が存在するため、今回のLiNbO3での試作と同様の効果を得ることができるものである。
【００４６】
このように、本実施形態にかかる光導波路デバイス１０によれば、基板１における第１面Ａの裏面である第２面Ｂに形成された第２応力層３により、第１応力層２によって基板１に生じる応力に起因した形状変形をもとに戻すような応力を基板１に生じさせているので、第１応力層２の形成に起因して基板１に生じる応力（図１のσ１または図３のσ１１参照）を大きくすることができ、基板１内における第１応力層２が形成されていない第１面Ａ側の基板領域４での屈折率変化を大きくさせることができる利点があり、ひいては、基板領域４を光導波路４Ａとして光を入射させた場合に、伝搬する光の閉じ込め効果を高め、低損失化を図ることができる利点もある。
【００４７】
そして、本発明によれば、前述の図８に示すようなＳＢＮ等の電気光学定数の高い材質の基板にも低損失の光導波路を形成することができるようになり、光導波路デバイスとしての消費電力を大いに低減させることが可能になる。
なお、前述の実施の形態において、第1応力層およびまたは第２応力層にさらに別な層を成層することも可能である。
【００４８】
〔ｂ〕その他
なお、上述した実施形態にかかわらず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
また、上述した実施形態の開示により、本発明の光導波路デバイスを製造することは可能である。
【０００１】
本発明は、光導波路デバイスに関し、特に光通信及び光信号処理等の技術分野において用いて好適の、光導波路デバイスに関するものである。
【０００２】
誘電体結晶又は強誘電体結晶は、電場を印加すると電気光学効果により屈折率が変化することが知られている。従来より、この効果を利用して、光変調器、光偏向素子、光スイッチなど様々な光学素子が開発されている。ここで、電気光学効果による屈折率変化Δnは以下の式（１）で表される。
【０００３】
【数１】
【０００４】
ここで、ｎは強誘電体の屈折率、Ｅは加える電圧、ｒは電気光学係数である。光変調器を例にとると、一般的に材料としてLiNbO3がよく用いられる。このLiNbO3の電気光学係数は30pm/Vであり、電気光学材料の中ではそれほど大きな値ではない。SBN（Sr0.75Ba0.25Nb2O6）や、PLZT（Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x/4O3）などは、電気光学係数の大きな誘電体材料として知られている。
【０００５】
図８に代表的な誘電体材料と電気光学係数との関係を示す。尚、図８中において、BNNはBa2NaNbO5であり、BSTNはBa1-xSrxTiyNb2-yO6である。より電気光学係数の大きな材料で光導波路を構成できれば、低電圧な光デバイスを構成することができ、光デバイスとしての消費電力削減を期待できる。
ここで、上述のごときSBNなどの高い電気光学効果を示す材料で光デバイスを作るためには、光導波路の形成が大きな課題となる。即ち、LiNbO3では、Tiなどの金属を熱拡散することで低損失な光導波路が形成できることが知られているが、SBNやPLZTなどの材料では金属が拡散しづらく、この方法では伝搬損失が大きくなり、低損失な光導波路を形成することは容易ではない。
【０００６】
これに対し、下記の非特許文献１には、光導波路形成方法として、応力印加型の導波路が記されている。この非特許文献１に記載された導波路は、次のように形成される。まず、光弾性効果を有する強誘電体基板上に熱膨張係数の異なる応力膜を高温で成膜する。このとき、基板には基板と応力膜の熱膨張係数の差により一様に応力が発生する。次に、応力膜をエッチングによりパターニングすることで、応力膜のエッジに応力が発生し、基板に歪が加わる。強誘電体のもつ光弾性効果により屈折率が変化し光導波路が形成される。
【０００７】
すなわち、上述の非特許文献１に記載された技術においては、例えば図９に示すように、基板１０１上に膜としてパターニングされた応力層１０２が形成されてなる光デバイス１００について記載されている。この光デバイス１００においては、応力層１０２のエッジに生じた応力σｔにより、基板１０１における応力層１０２間の領域１０３に歪みが生じる。そして、この歪みが生じた領域１０３は光弾性効果により屈折率が変化するので、この領域１０３を、光弾性効果による光導波路（応力光導波路）１０３Ａとして構成することができるのである。
【０００８】
その他、本願発明に関連する公知技術としては、特許文献１〜３に記載されたものもある。特許文献１においては、応力印加用のＡｕパターンについて記載され、特許文献２には、基板と光導波路層をなすコアおよびクラッドの層との間に、熱膨張率差による歪みを緩和するための中間層を設ける技術について記載されている。更に、特許文献３には、素子分離パターンの伸び縮みを相殺するために、シリコン基板の両面に応力付与膜を形成する技術について記載されている。
【非特許文献１】
O. Eknoyan. et al.,"Strain induced optical waveguides in lithium niobate, lithium tantalate, and barium titanate", Appl.Phys.Lett., vol60, No.4, 27 January 1992, p407-409
【特許文献１】
特開平２−５０２８号公報
【特許文献２】
特開２００３−２４８１３０号公報
【特許文献３】
特開平６−５３３１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述の非特許文献１に記載されている応力印加型導波路では、拡散のように不純物を加えているわけではないので、透明であれば結晶構造によらず伝搬損失が小さくなる反面、基板１０１に与えられる応力を強めることが困難である。即ち、上述の図９の応力膜１０２の構成では、通信波長帯である1300-1600nmにおいて、伝搬光を十分に閉じ込めることができるような屈折率差を持つ（High-Δな）光導波路を形成するために必要な応力を基板１０１に与えることが困難であるという課題がある。
【００１０】
たとえば、応力層１０２の膜厚ｔを厚くしたり、応力層１０２の成膜温度を高く設定したりすることで、基板１０１に与えられる応力を強めることが考えられるが、応力層１０２の膜厚ｔを厚くする場合には、応力層１０２自身が基板１０１からはがれやすくなるため、光デバイスとしての構成の安定性を確保することが困難である。又、応力層１０２の成膜温度を高く設定する場合、この成膜温度の設定は高いほど、与えられる応力が大きくなるが、光デバイスとしての構成の安定性を確保するための成膜温度においては、基板に十分な応力を与えられるようにすることは困難である。
【００１１】
このような光の閉じ込めが弱い導波路は、光のモードフィールドを大きくするため入出力端において光ファイバとの結合損も大きくなる。又、電気光学効果を利用しようとした場合には電界の印加効率が減少するという課題も招来することになる。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、基板に生じさせる応力を従来技術よりも大きくすることができるようにすることを目的とする。
【００１２】
また、光弾性効果を用いた応力光導波路の低損失化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このため、本発明の光導波路デバイスは、光弾性効果を有する基板と、該基板における第１面に形成されて、該基板内の一部領域に該光弾性効果による屈折率変化を誘起する応力を生じさせるパターンを有する第１応力層と、該第１応力層によって生じた応力によって該基板内の該一部領域に形成された光導波路と、該基板における該第１面を表面とする場合に該基板の裏面である第２面に形成されて、該光導波路の屈折率変化を誘起する応力を強める第２応力層と、をそなえて構成されたことを特徴としている。
【００１４】
この場合においては、好ましくは、該光導波路は、該基板における他の領域よりも屈折率が高くなるように屈折率変化が誘起されるように構成してもよい。
さらに、該基板を、光弾性係数が正の値を持つ材質で構成するとともに、該第１応力層および該第２応力層を、該基板に対して伸張応力を生じさせるように構成することもできる。この場合においては、該第１応力層および該第２応力層を、該基板よりも熱膨張係数が小さい材質で構成してもよい。
【００１５】
また、該基板を、光弾性係数が負の値を持つ材質で構成するとともに、該第１応力層および該第２応力層を、該基板に対して収縮応力を生じさせるように構成することができる。この場合においては、該第１応力層および該第２応力層を、該基板よりも熱膨張係数が大きい材質で構成してもよい。
さらに、該基板は電気光学効果を有する強誘電体とすることができる。
【００１６】
また、好ましくは、該第１応力膜の熱膨張係数および該基板の熱膨張係数の大小関係と、該第２応力膜の熱膨張係数および該基板の熱膨張係数の大小関係と、を同じ大小関係にあることとする。
【発明の効果】
【００１７】
このように、本発明によれば、基板における一部領域での屈折率変化を大きくさせることができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態にかかる光導波路デバイスを示す模式的正視図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）はともに本発明の一実施形態にかかる光導波路デバイスの製造工程を説明するための図である。
【図３】本発明の一実施形態の変形例にかかる光導波路デバイスを示す模式的正視図である。
【図４】基板として適用される各材料の電気光学定数，光弾性係数および熱膨張係数について示す図である。
【図５】第１，第２応力層として適用される各材料の熱膨張係数値について示す図である。
【図６】（ａ），（ｂ）はともに本実施形態の作用効果について従来技術と対比して説明するための図である。
【図７】（ａ），（ｂ）はともに本実施形態の作用効果について従来技術と対比して説明するための図である。
【図８】代表的な誘電体材料と電気光学係数との関係を示す図である。
【図９】従来技術を示す図である。
【符号の説明】
【００１９】
１，１０１ 基板
２ 第１応力層
３ 第２応力層
４ 基板領域（一部領域）
４Ａ 光導波路
１０ 光導波路デバイス
１００ 光デバイス
１０２ 応力層
１０３ 領域
１０３Ａ 光導波路
【００２０】
以下、図面を参照することにより、本発明の実施の形態を説明する。なお、実施の形態は以下に示す実施例の形態に限るものではない。又、上述の本願発明の目的のほか、他の技術的課題，その技術的課題を解決する手段及びその作用効果についても、以下の実施の形態による開示によって明らかとなるものである。
〔ａ〕本発明の一実施形態の説明
図１は本発明の一実施形態にかかる光導波路デバイス１０を示す模式的正視図である。この図１に示す光導波路デバイス１０は、光弾性効果を有する強誘電体基板１をそなえるとともに、基板１における第１面（図１中の符号Ａ参照）に形成された第１応力層２と、基板１における第１面Ａの裏面である第２面（図１中の符号Ｂ参照）に形成された第２応力層３と、をそなえて構成されている。
【００２１】
ここで、第１応力層２は、前述の図９に示すものと同様に、基板１内の一部領域４に光弾性効果による屈折率変化を誘起する応力σ１を生じさせるためのパターンを有して形成されている。即ち、この図１中における第１面Ａ上の左右端に形成された第１応力層２によって、この左右端の第１応力層２に挟まれた箇所における基板領域４に応力σ１が与えられて、歪みが生じるようになっている。そして、この歪みが生じた領域４は、光弾性効果により屈折率変化が誘起されて、他の基板領域に比べて高い屈折率を有するようになっている。
【００２２】
これにより、この高屈折率分布を有する領域４に光が入射されると、入射した光はこの領域４内に閉じ込められて伝搬されるようになっている。従って、光導波路デバイス１０においては、第１応力層２から与えられた応力σ１により歪みが生じた一部の基板領域（一部領域）４を光導波路４Ａとして構成することができる。換言すれば、第１応力層２のパターンによって挟まれる基板領域をもとに光導波路４Ａのパターンを構成することができるようになっている。
【００２３】
また、第２面Ｂに形成される第２応力層３は、第１応力層２とは異なり基板１の第２面Ｂに一様に形成されたものであり、第１応力層２によって基板１に生じる応力に起因した形状変形をもとに戻すような応力を基板１に生じさせるものである。即ち、第１応力層２が基板１に生じさせる応力と同じ向きの応力を基板１に発生させるように構成される。具体的には、第１応力層２が伸張層であり、伸張応力を基板１に生じさせている場合には、第２応力層３についても伸張層とし、伸張応力を基板１に生じさせるように構成され、第１応力層２が収縮層であり、収縮応力を基板１に生じさせている場合には、第２応力層３についても収縮層とし、収縮応力を基板１に生じさせるように構成される。
【００２４】
すなわち、この第２応力層３によって基板１に生じさせている応力によって、第１応力層２により生じている応力によって歪んだ基板１の形状変化を元の状態となるようにすることができる。これにより、第１応力層２のみを形成している場合よりも、光導波路４Ａを構成する基板領域４に与えられる応力を増大させることができるようになっている。
すなわち、第１応力層２によって基板１に生じる応力により基板１に歪みが生じると、たわみ等による形状変化が発生する。この形状変化によって、第１応力層２によって基板１で生じる応力も形状変化が生じていない状態に比べれば減少することになる。これに対し、第２面Ｂに第２応力層３を形成することで、第１応力層２からの応力による基板１の形状変化分を元に戻すようになっている。これにより、基板１の形状変化がなければ第１応力層２から本来与えることができる大きさの応力を基板１に与えることができるので、結果として光導波路４Ａを構成する基板領域４に与えられる応力を増大させることができるのである。
【００２５】
そして、基板１自身の形状を原形に戻しながらも、基板領域４が受ける応力を増大させているので、基板領域４に生じる歪みも増大し、屈折率変化についても大きくなる。これにより、光導波路４Ａとしての光を伝搬する際の光の閉じ込め効果を高めることができる。
ここで、上述の光導波路デバイス１０は、例えば図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、基板１に第１，第２応力層２，３が形成されることで製造されるようになっている。
【００２６】
まず、図２（ａ）に示すように、基板１の第１面Ａに一様な表面応力層２′を高温で成層する。次に、図２（ｂ）に示すように、成層した表面応力層２′を、形成すべき光導波路４Ａのパターンに従ってエッチング等のプロセスによって除去する。これにより、基板１には第１応力層２が形成されるとともに、この第１応力層２によって（第１応力層２のエッジ部分から）基板１で生じる応力σ１によって、応力導波路４Ａが形成される。図２（ｂ）においては、上述の応力σ１によって、光導波路４Ａの部分には収縮力が作用している。
【００２７】
そして、図２（ｃ）に示すように、基板１の第１面Ａの裏面である第２面Ｂに、一様な第２応力層３を高温で成層する。ここで、第２応力層３は、基板１の第２面Ｂを伸張し、表面を収縮するような作用を持つ応力を基板１に生じさせる。従って第１面Ａの第１応力層２のある部分は応力が打ち消しあうことになるが、第１応力層２が形成されていない光導波路４Ａの部分で受けている収縮力は強くなるため、基板領域４での屈折率変化を大きくすることができる。
【００２８】
また、第１，第２応力層２，３はともに、基板１自身が持つ光弾性係数の極性によって定まる同じ向きの応力が生じるように構成される。基板１が正の光弾性係数値を有する材質からなる場合においては、図１，図２（ｃ）に示すように、第１，第２応力層２，３として基板１に伸張応力が生じるようにするため、第１，第２応力層２，３として基板１よりも熱膨張係数値が小さい値の材質を適用する。
【００２９】
これにより、第１，第２応力層２，３を成層する時の高温状態から常温状態へ冷却される過程において、第１，第２応力層２，３が自己収縮する力よりも基板１が自己収縮する力が大きくなる。従って、基板１における第１応力層２の内側エッジの箇所から光導波路４Ａの形成箇所に相当する箇所に向かう応力σ１（第１応力層２から見れば基板１が伸張する応力：伸張応力）が作用して、基板領域４に屈折率変化を生じさせる歪みを起こさせる。
【００３０】
ここで、基板１の熱膨張係数をαs、第１応力層２の熱膨張係数をαfとする。第１応力層２を温度T (℃)で、t (μm)の厚みで基板１上に形成する。室温（常温）T0に戻すと、基板１には熱膨張係数差により応力σthが発生する。ここでσthは以下の式（２）で表される。
【００３１】
【数２】
【００３２】
ここで、ΔT=(T-T0)、Efは応力層のヤング率、νfは応力層のポアソン比である。尚、Ef、νfの値については、第１応力層２の材質によって定まる値である。また、一般的に応力層として薄膜を形成した時に基板に働く応力σ（図中においてはσ１）は、σ=σint+σthで表される。ここでσintは真性応力と呼ばれ、熱によらない成膜時の応力であり、σthは上述のごとき熱膨張係数差により生じる応力である。
【００３３】
そして、第１応力層２を、図２（ｂ）に示すように形成領域が分かれるようにパターニングすると、第１応力層２の各形成領域にはさまれた、即ち応力層２が形成されていない領域３に歪みＳが発生する。歪みＳと応力σとの関係は、基板の弾性定数から弾性方程式を解くことにより導出することができる。ここで、σが正のときには発生する歪みＳは負となり、σが負のときには発生する歪みは正となる。
【００３４】
そして、光弾性効果を持つ基板１に歪Ｓが加わると屈折率変化が起きるが、光弾性効果による屈折率変化Δｎは次の式（３）で表される。
【００３５】
【数３】
【００３６】
ここでＳは基板に加わる歪、pは光弾性係数である。例えば、基板１が正の光弾性定数値を有する材質からなる場合には、第１，第２応力層２，３として、基板１の熱膨張係数値αsよりも小さい熱膨張係数値αfとなる材質を選択し（αs＞αf）、基板１に伸張応力σ１（正の値を有する応力）が生じるようにする（図１参照）。これにより、基板領域４に生じる歪Ｓを負の値とすることで、式（３）における屈折率を上昇させ（Δｎが正となって）、光導波路４が形成できることになる。
【００３７】
これに対し、基板１が負の光弾性係数値（ｐ＜０）を有する材質からなる場合には、第１，第２応力層２，３として、基板１の熱膨張係数値αsよりも大きい熱膨張係数値αfとなる材質を選択し（αs＜αf）、基板１に収縮応力（負の符号を有する応力）σ１１が生じるようにする。これにより、歪Ｓを正とすることで、式（３）における屈折率が上昇して（Δｎが正となって）光導波路４が形成できることになる。
【００３８】
この場合においては、第１，第２応力層２，３を成層する時の高温状態から常温状態へ冷却される過程において、基板１が自己収縮する力よりも第１，第２応力層２，３が自己収縮する力が大きくなる。従って、基板１における第１応力層２の内側エッジの箇所から基板１の外側箇所に向かう応力σ１１（第１応力層２から見れば基板１が収縮する応力：収縮応力）が作用して、基板領域４に屈折率変化を生じさせる歪みを起こさせる。
【００３９】
また、この図３の場合においては、上述の応力σ１１によって、光導波路４Ａの部分には伸張力が作用している。そして、この場合においても、第２応力層３によって、第１面Ａの第１応力層２のある部分は応力が打ち消しあうことになるが、第１応力層２が形成されていない光導波路４Ａの部分で受けている伸張力は強くなるため、基板領域４での屈折率変化を大きくすることができる。
【００４０】
図４は、基板１として適用される各材料の電気光学定数ｒ（pm/V），光弾性係数ｐおよび熱膨張係数（１/℃）について示す図であり、図５は、第１，第２応力層２，３として適用される各材料の熱膨張係数値について示す図である。
たとえば、基板１にZ-cut LiNbO3を用いる場合には、図４に示すように、このLiNbO3は熱膨張係数αが〜15 ppmであり、光弾性係数が正（プラス）の極性を有している。このような特性を持つ基板１においては、第１，第２応力層２，３の材質としては、例えば図５に示すように、SiO2やSiN等の、熱膨張係数が基板１よりも小さい値（それぞれ0.55ppm、2.5ppm）を持つものを選択して、成層時の高温状態から常温となった際に、正の応力（伸張応力）σ１が基板１に生じるようにする（図１参照）。
【００４１】
また、基板１にGaAsを用いる場合には、図４に示すように、このGaAsは熱膨張係数αが〜6.9ppmであり、光弾性係数が負（マイナス）の極性を有している。このような特性を持つ基板１においては、第１，第２応力層２，３の材質としては、例えばAlやポリイミド等の、熱膨張係数が基板１よりも大きい値（それぞれ27ppm、50ppm）を持つものを選択して、成層時の高温状態から常温となった際に、負の応力（収縮応力）σ１１が基板１に生じるようにする。
【００４２】
上述のごとく構成された光導波路デバイス１０においては、基板１の第１面Ａに第１応力層２が形成されるとともに、第１面Ａの裏面である第２面Ｂに、第１応力層２と同様の線膨張係数の特性を有する第２応力層３が一様に形成されているので、第１応力層２の形成に起因して基板１に生じる応力（図１のσ１または図３のσ１１参照）を大きくすることができ、基板１内における第１応力層２が形成されていない第１面Ａ側の基板領域４での屈折率変化を大きくさせている。これにより、基板領域４を光導波路４Ａとして光を入射させた場合に、伝搬する光の閉じ込め効果を高めることができるようになる。
【００４３】
本願発明にかかる光の閉じ込め効果についての検証のため、図６（ａ）に示すような、本実施形態にかかる光導波路デバイス１０を作製するとともに、図７（ａ）に示すような、第２応力層３を形成しない光デバイス１００を作製した。これらの図６（ａ），図７（ａ）に示す光導波路デバイス１０，光デバイス１００は、それぞれ前述の図１，図９と同様の構成を有しており、図中、同一の符号は同様の部分を示している。
【００４４】
ここで、図６（ａ），図７（ａ）に示す光導波路デバイス１０，光デバイス１００において、基板１，１０１としては、ともに1mm厚のZ-cut LiNbO3を用い、応力層２，１０２として、それぞれ5μｍのSiO2層を300℃の条件で成層した。尚、パターンの開口部径はともに10μｍとしている（図中においては、「μｍ」を「ｕｍ」と表記している）。
このようにして作製された光導波路デバイス１０，光デバイス１００における光導波路４Ａ，１０３Ａに、波長1310nmの光を伝搬させた場合の光のNＦＰ(ニアフィールドパターン)を、それぞれ図６（ｂ），図７（ｂ）に示す。ここで、図７（ａ）に示す従来技術にかかる光デバイス１００においては、図７（ｂ）に示すように、縦２７μｍ×横２７μｍ程度の径で光が拡がっているのに対し、図６（ａ）に示す本実施形態にかかる光導波路デバイス１０においては、光の拡がりは、図６（ｂ）に示すように縦１５μｍ×横２０μｍ程度の径に抑えられている。
【００４５】
すなわち、図６（ａ）に示すように、第２応力層３を形成することで、基板領域４の応力が増加し、光のNFPが小さくなっていることが分かる。NFPの径より応力を逆算すると、本発明適用により応力がおよそ1.5倍程度強くなっていることが分かる。これは10μｍの光ファイバとの結合損失で損失が半減 (3dBダウン) したことになる。高いＥＯ係数を持つ材料においても、同様の光弾性効果が存在するため、今回のLiNbO3での試作と同様の効果を得ることができるものである。
【００４６】
このように、本実施形態にかかる光導波路デバイス１０によれば、基板１における第１面Ａの裏面である第２面Ｂに形成された第２応力層３により、第１応力層２によって基板１に生じる応力に起因した形状変形をもとに戻すような応力を基板１に生じさせているので、第１応力層２の形成に起因して基板１に生じる応力（図１のσ１または図３のσ１１参照）を大きくすることができ、基板１内における第１応力層２が形成されていない第１面Ａ側の基板領域４での屈折率変化を大きくさせることができる利点があり、ひいては、基板領域４を光導波路４Ａとして光を入射させた場合に、伝搬する光の閉じ込め効果を高め、低損失化を図ることができる利点もある。
【００４７】
そして、本発明によれば、前述の図８に示すようなＳＢＮ等の電気光学定数の高い材質の基板にも低損失の光導波路を形成することができるようになり、光導波路デバイスとしての消費電力を大いに低減させることが可能になる。
なお、前述の実施の形態において、第1応力層およびまたは第２応力層にさらに別な層を成層することも可能である。
【００４８】
〔ｂ〕その他
なお、上述した実施形態にかかわらず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
また、上述した実施形態の開示により、本発明の光導波路デバイスを製造することは可能である。
Claims (8)
- 光弾性効果を有する基板と、
該基板における第１面に形成されて、該基板内の一部領域に該光弾性効果による屈折率変化を誘起する応力を生じさせるパターンを有する第１応力層と、
該第１応力層によって生じた応力によって該基板内の該一部領域に形成された光導波路と、
該基板における該第１面を表面とする場合に該基板の裏面である第２面に形成されて、該光導波路の屈折率変化を誘起する応力を強める第２応力層と、
をそなえて構成されたことを特徴とする、光導波路デバイス。 - 該光導波路は、該基板における他の領域よりも屈折率が高くなるように屈折率変化が誘起されていることを特徴とする、請求項１記載の光導波路デバイス。
- 該基板が、光弾性係数が正の値を持つ材質で構成されるとともに、
該第１応力層および該第２応力層が、該基板に対して伸張応力を生じさせるように構成されたことを特徴とする、請求項１または２に記載の光導波路デバイス。 - 該第１応力層および該第２応力層が、該基板よりも熱膨張係数が小さい材質で構成されていることを特徴とする、請求項３記載の光導波路デバイス。
- 該基板が、光弾性係数が負の値を持つ材質で構成されるとともに、
該第１応力層および該第２応力層が、該基板に対して収縮応力を生じさせるように構成されたことを特徴とする、請求項１または２に記載の光導波路デバイス。 - 該第１応力層および該第２応力層が、該基板よりも熱膨張係数が大きい材質で構成されていることを特徴とする、請求項５記載の光導波路デバイス。
- 該基板は電気光学効果を有する強誘電体であることを特徴とする、請求項１または２に記載の光導波路デバイス。
- 該第１応力膜の熱膨張係数および該基板の熱膨張係数の大小関係と、該第２応力膜の熱膨張係数および該基板の熱膨張係数の大小関係とは、同じ大小関係にあることを特徴とする、請求項１または２に記載の光導波路デバイス。
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