JP4782213B2

JP4782213B2 - 光導波路デバイス

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Publication number: JP4782213B2
Application number: JP2009069094A
Authority: JP
Inventors: 正明須藤; 勝利近藤; 潤一郎市川
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: JP2010224064A; US8265443B2; CN101840026B; US20100239218A1; CN101840026A

Description

本発明は、光導波路デバイスに関するものであり、特に、誘電体基板に高屈折率材料を熱拡散して形成される拡散導波路と、該拡散導波路の上方に配置され、該拡散導波路を伝搬する光波の一部を受光する受光素子とを有する光導波路デバイスに関するものである。

光導波路を有する光変調器などの光導波路デバイスでは、光導波路を伝搬する光波の一部を直接モニタ（「同相モニタ方式」という。）したり、光導波路の合波部などの光導波路から放出される放射モード光をモニタすることが行われている。例えば、光変調器の出力光を一定出力の状態に維持するため、光変調器の出力光をモニタし、出力光の変化に対応して、光変調器に印加する変調電圧や直流バイアスなどの大きさを制御している。

マッハツェンダー型光導波路を有する光変調器において、変調器のバイアス点のモニタ用途で従来使用されてきた光合波部から放射される放射モード光をモニタする方式は、信号光の損失が抑制されるという利点があるものの、次のような欠点を有している。（１）信号光とモニタ光とが逆相となりかつ位相差はπからずれが生じること、（２）効率良く放射モード光を取り出すためには構造が複雑化し、基板上に受光素子を配置することが難しく、小型化やコストダウンが難しい、さらには、（３）複数の光変調部を配置した多段型光変調器の場合には、最終段の光合波部以外では放射モード光を正確にモニタすることが難しい。

これに対し、光導波路を伝搬する光波の一部を直接モニタする、同相モニタ方式の場合には、信号光との位相差が無い上、多段型光変調器でも最終段の光合波部以外でも光変調部の信号光をモニタすることが可能である。

同相モニタ方式の例としては、特許文献１のように、光導波路の一部に切れ込みを入れミラーとし反射光を受光する方法、特許文献２のように、Ｓ字光導波路で放射光を発生させ該放射光を受光する方法、特許文献３のように、光導波路に円錐状等の穴を形成し該穴に高屈折率材料を充填し、光波を光導波路の上方に導出し受光する方法などがある。

これらの方法では、導波光から取り出した光を原理的にすべて受光することができないため、受光素子で受光できる光パワーが弱く、導波光の損失も大きい、すなわち過剰損失が大きいという問題を生じる。

他方、エバネセント結合型の受光素子が提案されている。これは、光導波路（実効屈折率ｎｆ）よりも屈折率の高い受光素子（受光素子を構成する高屈折率基板，屈折率ｎｐ）を光導波路に近づけて配置することで、エバネセント波は導波路に対して角度ｓｉｎ^−１（ｎｆ／ｎｐ）で受光素子に入射する。入射光の光路上に受光素子の受光部を配置することで、エバネセント波を検出することができる。

エバネセント結合型の受光素子の利点は、受光素子の設計により、過剰損失を理論上０％で受光させることできる。受光感度（受光素子での受光パワー÷導波路を伝搬する光パワー）は、光導波路と接している部分の長さ、及び光導波路と受光素子とのギャップで決まる。従って、受光素子の形状が決まっているとするならば、光導波路と受光部（受光素子）とのギャップを調整することで受光パワーを調整することができる。

エバネセント結合型の受光素子の例としては、特許文献４に示すように、半導体導波路デバイスを用いたものが提案されている。半導体導波路デバイスでは、光導波路や受光素子を結晶成長により形成するため、各層の厚さを精度良く制御できると共に、構造の再現性よく作成でき、安定した受光パワーを確保できる。

これに対し、誘電体基板に形成した拡散導波路でエバネセント結合型の受光素子を実現するには、受光素子を、接着剤を利用して、あるいは直接接合により、光導波路表面に貼り付けることが考えられる。しかしながら、前述のとおり受光感度は、光導波路と光を吸い上げるための高屈折率材料である受光素子とのギャップによって決まる。このため、受光感度を安定に保つには、高精度なギャップ調整が不可欠である。しかも、拡散導波路の場合は、光導波路の表面は盛り上がっており、平らでは無い。このため、拡散導波路と受光素子とのギャップ制御は一層困難なものとなっている。また、信頼性を確保して充分な強度で受光素子を誘電体基板に接着するには、ある程度の接着剤の厚みと面積が必要である。

特開２００６−４７８９４号公報特開平５−２２４０４４号公報特開平１１−１９４２３７号公報特開２００５−１２９６２８号公報

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、誘電体基板に形成された拡散導波路に対しても、受光素子を精度よく配置し、エバネセント結合型の受光素子を実現可能な光導波路デバイス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、誘電体基板と、該誘電体基板に高屈折率材料を熱拡散して形成される、該誘電体基板よりも盛り上がっている拡散導波路と、該拡散導波路の上方に配置され、該拡散導波路を伝搬する光波の一部を受光する受光素子とを有する光導波路デバイスにおいて、該受光素子を該誘電体基板上に支持するための台座の少なくとも一部を、該拡散導波路を形成する際に、同じ高屈折率材料を該拡散導波路の近傍に所定パターンで配置し、熱拡散することにより、該誘電体基板よりも盛り上がり、該拡散導波路の表面の盛り上がりとほぼ同じ高さを有する凸部を形成し、該受光素子と該誘電体基板とを接着材で固定することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光導波路デバイスにおいて、該誘電体基板はニオブ酸リチウム、該高屈折率材料はチタンであ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に記載の光導波路デバイスにおいて、該所定パターンは、該拡散導波路の少なくとも一方側では、隙間を設けて配置される島状パターンであり、該受光素子を該誘電体基板に接着する接着剤が該隙間から排出又は導入されるよう構成されてい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デバイスにおいて、該所定パターンは、該受光素子の下部と接する台座部分の総面積が、受光素子の下部の全体面積の６０％以下であることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路デバイスにおいて、高屈折材料で形成した台座上、又は該受光素子の該台座への対向面のいずれか、もしくは両方に導波路と受光素子下面とのギャップを調整するための膜体が配置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、誘電体基板と、該誘電体基板に高屈折率材料を熱拡散して形成される、該誘電体基板よりも盛り上がっている拡散導波路と、該拡散導波路の上方に配置され、該拡散導波路を伝搬する光波の一部を受光する受光素子とを有する光導波路デバイスにおいて、該受光素子を該誘電体基板上に支持するための台座の少なくとも一部を、該拡散導波路を形成する際に、同じ高屈折率材料を該拡散導波路の近傍に所定パターンで配置し、熱拡散することにより、該誘電体基板よりも盛り上がり、該拡散導波路の表面の盛り上がりとほぼ同じ高さを有する凸部を形成し、該受光素子と該誘電体基板とを接着材で固定するため、台座の高さを拡散導波路の表面の盛り上がりに対して同じ高さに正確に制御でき、拡散導波路に対して受光素子を精度よく配置することが可能となる。これにより、拡散導波路を用いた光導波路デバイスでも、エバネセント結合型の受光素子を実現することができる。

請求項２に係る発明により、誘電体基板はニオブ酸リチウム、高屈折率材料はチタンであるため、光変調器などの光導波路デバイスで一般に利用されている材料を用いて、エバネセント結合型の受光素子を実現することができる。

請求項３に係る発明により、台座に係る所定パターンは、拡散導波路の少なくとも一方側では、隙間を設けて配置される島状パターンであり、受光素子を誘電体基板に接着する接着剤が該隙間から排出又は導入されるよう構成されているため、接着剤が台座と受光素子との間に介在することを抑制でき、接着剤の厚みで拡散導波路と受光素子とのギャップが変動することを防止できる。このため、拡散導波路に対して受光素子を精度よく配置することが可能となる。

請求項４に係る発明により、台座に係る所定パターンは、受光素子の下部と接する台座部分の総面積が、受光素子の下部の全体面積の６０％以下であるため、十分な受光感度を確保しながら、受光素子と誘電体基板との間に必要な接着面積も確保でき、十分な機械強度で両者を接着することもできる。

請求項５に係る発明により、高屈折材料で形成した台座上、又は該受光素子の該台座への対向面のいずれか、もしくは両方に導波路と受光素子下面とのギャップを調整するための膜体が配置されているため、拡散導波路の形成と同時に作成した台座の高さで不足する高さを、他の膜体が精度よく補い、拡散導波路と受光素子とのギャップを正確に制御することが可能となる。

本発明に係る光導波路デバイスの概略を示す平面図である。図１における矢印Ａ−Ａ'における断面図であり、本発明の第１の実施例を示す図である。図１における矢印Ａ−Ａ'における断面図であり、本発明の第２の実施例を示す図である。図１における矢印Ａ−Ａ’における断面図であり、本発明の第３の実施例を示す図である。本発明に係る光導波路デバイスにおける、拡散導波路と受光素子とのギャップ等を説明する図である。

以下、本発明の光導波路デバイスについて詳細に説明する。
図１に本発明に係る光導波路デバイスの平面図を、図２に図１における矢印Ａ−Ａ'における断面図であり、本発明の第１の実施例を示す。

本発明に係る光導波路デバイスは、誘電体基板１と、該誘電体基板に高屈折率材料を熱拡散して形成される拡散導波路２と、該拡散導波路の上方に配置され、該拡散導波路を伝搬する光波の一部を受光する受光素子４とを有する光導波路デバイスにおいて、該受光素子を該誘電体基板上に支持するための台座（３，５）の少なくとも一部（３）を、該拡散導波路を形成する際に、同じ高屈折率材料を該拡散導波路の近傍に所定パターンで配置し、熱拡散することにより形成すること特徴とする。

光導波路デバイスに利用される誘電体基板としては、ニオブ酸リチウムやニオブ酸タンタルなどが好適に利用可能である。また、拡散導波路を形成する高屈折率材料としては、Ｔｉが好適に利用できる。

本発明では、拡散導波路を形成する際に、受光素子を支持する台座の全て又は一部を形成している。これらの形成方法としては、誘電体基板の表面にフォトマスクパターンを形成し、Ｔｉをスパッタして、図１に示すような光導波路２と台座３に対応するパターンを形成する。次に、フォトマスクパターンを除去した後に、約１０００℃の高温でＴｉを熱拡散させ、拡散導波路２や台座３を形成する。

台座３の高さは、拡散導波路２の表面の盛り上がりとほぼ同じ高さであり、この台座を利用することで、拡散導波路に対して受光素子を精度よく配置することが可能となる。台座３のみの高さでは、拡散導波路２の表面と受光素子４とのギャップが殆どない状態となり、取り出す光パワーが強すぎる（損失が大きすぎる）可能性がある。このような場合には、図２に示すように、高さ調整のための膜体５を、Ｔｉ拡散の台座３の上に形成する。なお、受光素子４では、受光部４０が高屈折率材料の基板４２の所定位置に配置されている。

この場合、膜体にはＳｉＯ_２を用いている。ＳｉＯ_２はバッファ層として電極の下に付ける膜体として一般的に使われており、それと同じ装置で形成できるため好都合である。膜体の材料は何でもよいが、拡散導波路の部分を膜体が覆わないように導波路部分を覆うようにパターニングするか、もしくは、パターニングを行なわない場合低屈折率の膜体とし、光導波路の光に影響を与えないようにする必要がある。前者については、当然、台座３の上にさらにＴｉ膜を形成し、台座３の高さを拡散導波路２よりも高くする方法も可能であるが、その場合、熱拡散による高さ変動を考慮に入れる必要がある。

台座３の所定パターンは、拡散導波路の少なくとも一方側では、隙間を設けて配置される島状パターンであることが好ましい。図１では、拡散導波路の両側に島状パターンを形成している。受光素子を誘電体基板に接着する際には、受光素子と誘電体基板との間に接着剤７を介在させ、特に、島状パターンの隙間から不要な接着剤を排出し、受光素子４と台座（３，５）との間には接着剤が存在せず、拡散導波路に対して受光素子を精度よく配置することが可能となる。

また台座部分の総面積は、受光素子の下部の面積の６０％以下に抑えることで、十分な受光感度を確保しつつ、隙間部分に流れ込んだ接着剤により、受光素子と誘電体基板との間で必要な接着面積を確保でき、十分な機械強度で接着することができる。

拡散導波路と受光素子との間に接着剤を介在させる方法としては、拡散導波路２上に接着剤を塗布し、受光素子４を配置する方法だけでなく、台座上に受光素子を配置し、受光素子と誘電体基板との隙間が有する毛細管現象を利用して、両者の隙間に接着剤を導入する方法もある。

次に、図３を用いて、拡散導波路と受光素子とのギャップを調整する他の実施例について説明する。図３は、図１における矢印Ａ−Ａ'における断面図であり、本発明の第２の実施例を示す図である。

第２の実施例では、受光素子４の台座３への対向面に、低屈折率材料の膜体６として、窒化物膜を形成している。図３では、膜体にパターニングをしていないため、使用する膜体は低屈折率の膜体である必要がある。台座３及び膜体６が協働して、拡散導波路２の表面と受光素子４とのギャップを形成している。なお、符号８で示す空間には、図２と同様に接着剤を配置することが可能である。

次に、図４を用いて、拡散導波路と受光素子とのギャップを調整する他の実施例について説明する。図４は、図１における矢印Ａ−Ａ'における断面図であり、本発明の第３の実施例を示す図である。

第３の実施例では、受光素子が高屈折率材料４２と受光部４０から構成され、該高屈折率材料４２には、拡散導波路２に対向する部分には凹部が形成されている。この構成により、拡散導波路２と高屈折率材料４２との間隔を所定の距離に保持することができる。なお、符号８で示す空間には、図２と同様に接着剤を配置することが可能である。

図５は、本発明に係る光導波路デバイスにおける、拡散導波路と受光素子とのギャップ等を説明する図である。符号ｄは、拡散導波路２の表面と受光素子４の表面との距離を示す。通常、距離ｄを適正な間隔に維持することが必要であるが、受光素子４の表面層４１が低屈折率膜で、高屈折率膜が符号４２の層に配置される場合には、拡散導波路２と層４２との距離ｈが光波の吸い上げ状態を決定する重要な要素となる。モニタ用途で数％の光を受光したい場合には、受光部の拡散導波路に沿った長さが１０００μｍ以下とすると、距離ｈは２０００〜２５００Åの範囲であり、この範囲より小さいと拡散導波路中を伝搬する光波の多くを吸い上げ過ぎ、光損失が大きくなる。また、この範囲より大きい場合には、受光パワーが小さくなり、適正なモニタが困難となる。

また、拡散導波路２と台座３との距離ｓは、拡散導波路を伝搬する光波が台座３の方に引き寄せられない程度に、両者を離間する必要があるため、５０μｍ以上の距離を確保することが好ましい。

以上のように、本発明に係る光導波路デバイスによれば、誘電体基板に形成された拡散導波路に対しても、受光素子を精度よく配置し、エバネセント結合型の受光素子を実現可能な光導波路デバイスを提供することが可能となる。

１誘電体基板
２拡散導波路
３台座
４受光素子
５，６膜体
７接着材
４０受光部
４２高屈折率材料基板

Claims

誘電体基板と、該誘電体基板に高屈折率材料を熱拡散して形成される、該誘電体基板よりも盛り上がっている拡散導波路と、該拡散導波路の上方に配置され、該拡散導波路を伝搬する光波の一部を受光する受光素子とを有する光導波路デバイスにおいて、
該受光素子を該誘電体基板上に支持するための台座の少なくとも一部を、該拡散導波路を形成する際に、同じ高屈折率材料を該拡散導波路の近傍に所定パターンで配置し、熱拡散することにより、該誘電体基板よりも盛り上がり、該拡散導波路の表面の盛り上がりとほぼ同じ高さを有する凸部を形成し、該受光素子と該誘電体基板とを接着材で固定することを特徴とする光導波路デバイス。
請求項１に記載の光導波路デバイスにおいて、該誘電体基板はニオブ酸リチウム、該高屈折率材料はチタンであることを特徴とする光導波路デバイス。
請求項１又は２に記載の光導波路デバイスにおいて、該所定パターンは、該拡散導波路の少なくとも一方側では、隙間を設けて配置される島状パターンであり、該受光素子を該誘電体基板に接着する接着剤が該隙間から排出又は導入されるよう構成されていることを特徴とする光導波路デバイス。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路デバイスにおいて、該所定パターンは、該受光素子の下部と接する台座部分の総面積が、受光素子の下部の全体面積の６０％以下であることを特徴とする光導波路デバイス。
請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路デバイスにおいて、高屈折材料で形成した台座上、又は該受光素子の該台座への対向面のいずれか、もしくは両方に導波路と受光素子下面とのギャップを調整するための膜体が配置されていることを特徴とする光導波路デバイス。