JP4847176B2

JP4847176B2 - 光制御素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP4847176B2
Application number: JP2006092292A
Authority: JP
Inventors: 勝利近藤; 勇貴金原; 太山本; 潤一郎市川
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: CN101410750A; EP2006732A4; EP2006732A9; CN101410750B; US7831122B2; US20090116802A1; EP2006732B1; EP2006732A2; WO2007111083A1; TW200741269A; TWI431348B; JP2007264487A

Description

本発明は、光制御素子及びその製造方法に関し、特に、リッジ型導波路を有する光制御素子及びその製造方法に関する。

従来、光通信分野や光計測分野において、光変調器や光スイッチ、偏波器など種々の光制御素子が実用化されている。光制御素子に形成される光導波路には、Ｔｉなどの不純物を熱拡散したものの他に、基板の表面に凸状の畝を形成したリッジ型導波路などがある。

近年においては、光制御素子の駆動電圧の低減や、高周波応答性の改善のため、光制御素子を構成する基板の薄板化や光制御素子内の光回路の小型化などが進んでいる。光回路の小型化は、光回路を構成する光導波路の断面積の減少をもたらし、以下のような問題を生じている。
（１）光導波路構造の製造上の許容値が小さくなり、マルチモード導波路になる場合がある。
（２）上記（１）の影響で、従来のシングルモード光ファイバと光制御素子（光回路）との結合損失が増加し、光信号の再現性が劣化する原因となる。

図１は、基板の表面に凸状の畝とその両側に凹部（以下「トレンチ」という。）を形成しリッジ型導波路を有する光制御素子の断面の概略図であり、基板１に接着層２を介して補強板３を接着した構成を有している。４はリッジ型の光導波路を示している。
図１のリッジ型導波路の形状により、光導波路の伝播モードが変化する。具体的には、光導波路４の幅Ｗ及び高さＤ、さらに基板の厚みＨの条件により、図２に示すように、光導波路の伝播モードがシングルモード領域とマルチモード領域に分かれる。
なお、図２は、トレンチがないリッジ型導波路をモデルとし、導波路４の側面の傾斜角θ＝７０°、伝播光波は波長λ＝１．５５μｍでＴＭモード波とし、基板の屈折率を２．１、基板上面側の屈折率を空気と同じ１．０、下面側の屈折率をＳｉＯ_２と同じ１．４５と仮定した。

図２によれば、基板の厚みＨが薄くなると、横軸（ｒ＝（Ｈ＝Ｄ）／Ｈ）の値が減少し、縦軸（Ｗ／Ｈ）の値が増加することとなるため、全体的にシングルモードからマルチモードに伝播モードが遷移することが容易に理解される。
他方、特許文献１に開示されているように、光導波路の脇にスラブ導波路を形成する方法を用いることにより、シングルモード導波路の許容値は大きくなる。しかしながら、図２に示したような、光回路の小型化に伴う伝播モードのマルチモード化は、トレンチを有するリッジ型導波路を有する光制御素子でも同様であり、基板が薄板化、特に１０μｍ以下の場合には、シングルモードを実現するためのトレンチの幅（図１のＴ）は、１μｍ程度以下に設定する必要がある。
特開２００４―２１９７５１号公報

また、薄板を用いたリッジ型導波路の場合には、基板と空気又は接着層（バッファ層）との屈折率差Δｎが大きいため、シングルモードを維持するためには光導波路断面積自体を小さくする必要がある。光導波路断面積を小さくすると、従来無視することができた光導波路の幅やトレンチの深さに係る作成誤差が無視できなくなる。仮に、マルチモードの光導波路となった場合には、Ｓ／Ｎ比や光挿入損失が劣化することとなる。また、リッジ型導波路がＹ分岐部を有する場合には、形状の再現性が満足されないと、同様に、Ｓ／Ｎ比や光挿入損失が劣化することとなる。さらに、光導波路の入出射部でシングルモードの条件を満足していても、形状が少し異なるだけで、光挿入損失が大きく変化する原因となる。

一方、リッジ型導波路の製造に際しては、電気光学効果を有する基板に、光導波路のパターンに対応したマスクを施し、ウェット・エッチングやドライ・エッチングなどで、基板の一部を除去したり、ダイシングソーなどの機械加工により溝などを形成することが行われている。しかしながら、リッジ型導波路のトレンチを従来のウェット又はドライ・エッチングで形成すると、図３（ａ）に示すように、基板１上に配置されたマスク１０の下部がアンダーカット１１されたり、図３（ｂ）に示すように、局所的な異常形状１２を発生する。これらの形状の光導波路では、リーキーモード（光が伝播しないモード。その他に、導波路の形状に凹凸があるため光が散乱する状態を意味する。）、マルチモード導波路となり、シングルモード導波路の作成は困難となる。また、機械的加工では溝の幅が約２μｍ程度が限界であり、特に、１０μｍ以下の薄板に対して機械加工を行うことは基板の破損の原因となる。
したがって、薄板を利用した光制御素子においては、Ｓ／Ｎ比や光挿入損失の劣化を抑制するには、リッジ型導波路のトレンチの加工精度は０．１μｍ以下の高精度が必要となるが、従来のエッチングや機械的加工では十分な精度を得ることが困難である。

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、リッジ型導波路を有する光制御素子において、光制御素子内部で仮に伝播モードがマルチモードとなった場合でも、シングルモード光のみを取出すことができ、Ｓ／Ｎ比や光挿入損失の劣化などを抑制した光制御素子を提供することであり、特に、基板の厚みが１０μｍ以下の薄板であっても、同様の作用効果を有する光制御素子を精度良く安定的に製造し提供可能とすることである。

請求項１に係る発明では、光導波路が形成された基板を有する光制御素子において、該基板が厚さは１０μｍ以下の薄板であり、少なくとも該光導波路の入射部又は出射部ではリッジ型導波路が形成され、該リッジ型導波路の両側にトレンチを備え、該リッジ型導波路の一部には、トレンチの幅又は深さを連続的に変化させることによって光導波路の光伝播モードをシングルモードとマルチモードとの間で連続的に変化させるテーパー導波部を有し、かつ、該入射部又は該出射部の端部側では光導波路の光伝播モードがシングルモードとなっていることを特徴とする。
なお、本発明の「テーパー導波路」とは、リッジ型導波路を形成するトレンチの幅が連続的に増加又は減少することによりリッジ部分の導波路の幅が連続的に増加又は減少するものや、リッジ部分の幅は変化しなくても、トレンチの深さが連続的に深く又は浅くなるものを含むものである。

請求項２に係る発明では、請求項１に記載の光制御素子において、該テーパー導波部が、該光導波路の中心を通る縦断面に対し略対称形状になっていることを特徴とする。
本発明における「略対称形状」とは、テーパー導波路を伝播したシングルモードの光波が高次モード光に変換したり、対称型光素子との結合損失が増大したりしない程度に対称な形状となっていることを意味する。

請求項３に係る発明では、請求項１に記載の光制御素子において、該テーパー導波部が、該光導波路の中心を通る縦断面に対し非対称形状になっていることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、請求項１乃至３のいずれかに記載の光制御素子において、該基板が非線形光学効果、電気光学効果、焦電効果または圧電効果を有することを特徴とする。

請求項５に係る発明では、請求項４に記載の光制御素子において、該基板がＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３またはＫＴｉＯＰＯ_４であることを特徴とする。

請求項６に係る発明では、請求項１乃至５のいずれかに記載の光制御素子において、該リブ型導波路の少なくとも一部は、集束イオンビーム又はレーザビーム加工の少なくともいずれかを用いて形成されていることを特徴とする。

請求項７に係る発明では、請求項１乃至５のいずれかに記載の光制御素子において、該リブ型導波路は、エッチング又は機械加工により一次加工した後、集束イオンビーム又はレーザビーム加工の少なくともいずれかにより仕上げ加工が行われていることを特徴とする。

請求項８に係る発明では、請求項７に記載の光制御素子を製造する光制御素子の製造方法において、該光制御素子に光を導入し、該導入した光を計測しながら仕上げ加工をおこなうことを特徴とする。

請求項１に係る発明により、光制御素子を構成する基板が厚さは１０μｍ以下の薄板であっても、リッジ型導波路の両側にトレンチを形成し、しかも、該トレンチの幅又は深さを連続的に変化させることによって光導波路の光伝播モードをシングルモードとマルチモードとの間で連続的に変化させるテーパー導波部を形成することで、光制御素子内部で仮に伝播モードがマルチモードとなった場合でも、シングルモード光のみを取出すことができ、Ｓ／Ｎ比や光挿入損失の劣化などを抑制した光制御素子を提供することが可能となる。

さらに、該入射部又は該出射部の端部側では光導波路の光伝播モードがシングルモードとなっているため、光導波路と光学的に結合される光ファイバとの結合損失を低減できると共に、仮に光導波路の内部（入射部及び出射部を除く部分）がマルチモード導波路であっても、光導波路内にはシングルモードの光波しか伝播していないため、Ｓ／Ｎ比や光挿入損失の劣化などを抑制した光制御素子を提供することが可能となる。

請求項２に係る発明により、テーパー導波部が、光導波路の中心を通る縦断面に対し略対称形状になっているため、光ファイバやレンズなどの対照型の光素子と当該光制御素子とを結合する際に、結合効率を上げることが可能となる。

請求項３に係る発明により、テーパー導波部が、光導波路の中心を通る縦断面に対し非対称形状になっているため、特定の高次モードを励振させることができ、モード分散位相整合型波長変換素子において変換効率の高い導波路を形成することが可能となる。例えば、パラメトリックダウンコンバージョンにおいて、基本波の高次モードを励振し、ダウンコンバート光の基本モードとのオーバーラップを改善し、変換効率を高めることが可能であるなど、光第二次高調波発生デバイス、和（差）周波数発生デバイス、光パラメトリック増幅器・発振器などの多様な二次非線形型の光制御素子を提供することができる。

請求項４に係る発明により、基板が非線形光学効果、電気光学効果、焦電効果または圧電効果を有するため、波長変換素子、ＥＯデバイス、電界センサなど多様な用途の光制御素子を提供することが可能となる。

請求項５に係る発明により、基板がＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３またはＫＴｉＯＰＯ_４であるため、光導波特性又は電界等による変調特性の優れた多様な光制御素子を提供することが可能となる。

請求項６に係る発明により、リッジ型導波路の少なくとも一部は、集束イオンビーム又はレーザビーム加工の少なくともいずれかを用いて形成されているため、サブミクロンオーダーの精度で、リブ型導波路の溝を形成することが可能となる。これにより、薄板を用いた光制御素子において、シングルモード導波路を有する光制御素子を精度良くかつ安定的に製造することが可能となる。

請求項７に係る発明により、リッジ型導波路は、エッチング又は機械加工により一次加工した後、集束イオンビーム（ＦＩＢ）又はレーザビーム（ＬＢ）加工の少なくともいずれかにより仕上げ加工が行われているため、光制御素子に必要な全ての溝などをＦＩＢやＬＢで製造する場合と比較し、製造コストを低減できると共に、製造時間を短縮することも可能となる。

請求項８に係る発明により、光制御素子の製造方法において、ＦＩＢ又はＬＢを用いた仕上げ加工に際しては、該光制御素子に光を導入し、該導入した光を計測しながら仕上げ加工をおこなうため、各光制御素子に要求される特性に応じたリッジ型導波路を形成することができ、極めて優れた光制御素子を提供することが可能となる。特に、ＦＩＢやＬＢの出力を調整することで、計測時間に合わせた加工ができ、しかも加工精度がサブミクロンの精度であるため、トレンチ深さや幅、リッジ部分の側面の傾斜角などを意図した状態に仕上げることも可能となる。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明に係る光制御素子は、光導波路が形成された基板を有する光制御素子において、該基板が厚さは１０μｍ以下の薄板であり、少なくとも該光導波路の入射部又は出射部ではリッジ型導波路が形成され、該リッジ型導波路の両側にトレンチを備え、該リッジ型導波路の一部には、トレンチの幅又は深さを連続的に変化させることによって光導波路の光伝播モードをシングルモードとマルチモードとの間で連続的に変化させるテーパー導波部を有し、かつ、該入射部又は該出射部の端部側では光導波路の光伝播モードがシングルモードとなっていることを特徴とする。

図４は、本発明に係る光制御素子の一例を示したものであり、基板１にリッジ型導波路を形成したものである。リブ型導波路は、２つの溝（トレンチ）２０により形成されている。
図４（ｂ）は、図４（ａ）の矢印Ｘ−Ｘにおける断面図を示すものであり、基板１の端部側（領域Ａ）と基板の内部側（領域Ｃ）とでは、溝の深さが異なっている。

溝が浅い領域Ａでは、伝播モードがシングルモードであり、溝が深い領域Ｃではマルチモードとなっている。伝播モードは図２に示すものと同様に、リッジ型導波路の形状を調整することで、容易に変換が可能であるため、光制御素子の用途に応じて必要な導波路形状への変換を、ＦＩＢやＬＢを用いて容易に実現することができる。

例えば、図４が光制御素子への光の入射部、又は光制御素子からの光の出射部である場合には、光制御素子に接続される光ファイバはシングルモードの光学素子が利用でき、光挿入損失の劣化を抑制することが可能となる。また、領域Ｃではマルチモードの導波路となるが光の閉じ込めが良好に行われ、領域Ａのシングルモードの導波路を通過したシングルモードの光に対し変調等を行うため、Ｓ／Ｎ比の劣化が抑制でき、変調効率や信号の再現性の高い光制御素子を提供することが可能となる。
しかも、シングルモード導波路を光制御素子の入射部や出射部に設けることで、光制御素子と光ファイバとの結合の際に、従来の自動調芯装置を用いることが可能となるなど、極めて優れた効果を奏するものである。

また、領域Ｂは、「テーパー導波路」を形成する部分を示し、領域Ａから領域Ｃとの間で、溝の深さが連続的に変化している。このため、シングルモード導波路からマルチモード導波路への変換や、マルチモード導波路からシングルモード導波路への変換を円滑に行うことができ、光の伝播損失を極力抑制することも可能となる。
テーパー導波部が、光導波路の中心を通る縦断面に対し略対称形状となっている場合には、高次モードの光波が励振されマルチモード光となることを抑制でき、シングルモードの光波を安定して伝播することが可能となる。

他方、テーパー導波路における２つのトレンチの深さを、互いに差異が生ずるように変化させ、光導波路の中心を通る縦断面に対し非対称形状となるように設定することで、特定の高次モードを励振させることができ、モード分散位相整合型波長変換素子において変換効率の高い導波路を形成することが可能となる。

光制御素子に使用される基板としては、非線形光学効果、電気光学効果、焦電効果または圧電効果を有するものが好ましく、これらを利用することで、波長変換素子、ＥＯデバイス、電界センサなど多様な用途の光制御素子を提供することが可能となる。
また、基板材料として、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３またはＫＴｉＯＰＯ_４を用いることにより、光導波特性又は電界等による変調特性の優れた多様な光制御素子を提供することも可能となる。

ところで、１０μｍ以下の基板を用いて上述したシングルモードのリッジ型導波路を形成するためには、サブミクロンオーダーの加工精度を有する加工方法を使用する必要がある。このため、本発明では、リッジ型導波路の少なくとも一部については、集束イオンビーム（ＦＩＢ）またはレーザビームの少なくとも一方を用いて加工を行う。
ＦＩＢは、細く絞ったガリウムなどのイオンビームを、対象物に照射し、対象物表面の原子・分子をスパッタリングすることによって、対象物表面を加工するものである。しかも、市販されているＦＩＢ加工装置には、ＳＩＭ（走査型イオン顕微鏡：Scanning Ion Microscopy)が付加されており、ＳＩＭ像を見ながら加工個所を決定できるため、極めて高精度な加工が可能となるものである。

また、レーザビーム（ＬＢ）を用いても同様にサブミクロンオーダーの加工が可能であり、加工する基板の種類や加工する場所の形状に応じて、ＦＩＢとＬＢとを使い分けることができる。また、両者を共に使用することも可能である。

さらに、光制御素子に設ける溝を、全てＦＩＢ又はＬＢを用いて形成することも可能であるが、溝の形成部分が多い場合には、製造時間が長時間となり、製造コストの増加の原因となる。このため、伝播モードがマルチモードとなっても良い箇所には、ウェット・エッチング又はドライ・エッチング、あるいはダイシングソーなどで溝を形成し、その後、ＦＩＢ又はＬＢを用いて加工することにより、製造時間や製造コストを抑制することができる。

また、ＦＩＢやＬＢは、溝の形成のみに使用するだけで無く、例えば、リッジ型導波路の側面の角度を調整するために用いたり、エッチングやダイシングソーなどで一次加工した基板表面（局所異常形状など）を、ＦＩＢ等によりトリミングして滑らかに形成するなど、種々の応用が可能である。これにより、リッジ部分の側面や溝の内面の荒れを少なくし、光波の散乱などを防止でき伝播損失の少ない光制御素子を実現することが可能となる。

特に、ＦＩＢやＬＢによる二次加工時には、一次加工で形成された光制御素子の光導波路を利用し、該光導波路に光を入射させ、光制御素子から出射する光波をモニタ計測しながら、二次加工を行うことも可能である。これにより、より最適な特性を有する光制御素子を製造することが可能となる。なお、必要に応じて、光制御素子に組み込まれた光回路を動作させながら二次加工を施し、より光制御素子の動作環境に近い状態で加工することもできる。さらには、二次加工に使用するＬＢと光制御素子に入射する光波の波長を異ならせ、モニタ光に加工用のＬＢが入射しても容易に波長分離して計測できるようにすることで、より高い加工精度を維持することも可能である。

次に、図５は、本発明に係る光制御素子の一部を示す他の実施例であり、電気光学効果を有する基板１にリッジ型導波路を形成したものである。リッジ型導波路は、２つの溝３０により形成されている。
図５では、基板１の端部側（領域Ａ）と基板の内部側（領域Ｂ）とでは、溝の幅が異なっており、結果としてリッジ部分の光導波路の幅が変化している。

基板１の厚みが１０μｍ以下の薄板を用いる場合には、領域Ａの光導波路３１をシングルモード導波路とするために、溝３０又は３２の幅を１μｍ以下に設定する必要がある。このため、領域Ａ又はＢについてはＦＩＢ又はＬＢを用いて加工し、領域Ｃについては、必要に応じて従来のエッチングやダイシングソーなどを用いて加工する。また、領域Ａと領域Ｂとの間で伝播モードが変化する場合には、両者間の形状を連続的に変化させるため、溝３０又は３２の幅も連続的に変化させることが好ましい。

図５では、テーパー導波部となる領域Ｂの形状が、光導波路の中心を通る縦断面（一点鎖線Ｙを通り基板１に垂直な面）に対し略対称形状になっている。このため、光ファイバやレンズなどの対照型の光素子と当該光制御素子とを結合する際に、結合効率を上げることが可能となる。また、テーパー導波部における高次モード光の発生を抑制することが可能となる。

他方、図６では、テーパー導波部となる領域Ｂの形状が、光導波路の中心を通る縦断面（一点鎖線Ｙを通り基板１に垂直な面）に対し非対称形状になっているため、マルチモード光を励振させたり、モード分散位相整合型波長変換素子において変換効率の高い導波路を形成することなどが可能となる。なお、４１はリッジ部分の光導波路であり、４０又は４２は溝を示している。

以上説明したように、本発明によれば、リッジ型導波路を有する光制御素子において、光制御素子内部で仮に伝播モードがマルチモードとなった場合でも、シングルモード光のみを取出すことができ、Ｓ／Ｎ比や光挿入損失の劣化などを抑制した光制御素子を提供することができ、特に、基板の厚みが１０μｍ以下の薄板であっても、同様の作用効果を有する光制御素子を精度良く安定的に製造し提供することが可能となる。

リッジ型導波路を有する光制御素子の断面図である。リッジ型導波路の形状と伝播モードとの関係を示すグラフである。従来のエッチング加工で溝を形成した場合の基板の断面の様子を示す図である。本発明に係る光制御素子の実施例を示す図である。本発明に係る光制御素子の他の実施例（テーパー導波路が対称形状）を示す図である。本発明に係る光制御素子の他の実施例（テーパー導波路が非対称形状）を示す図である。

１基板
２接着層
３補強板
４，２１，３１，４１導波路
５，２０，３０，３２，４０，４２溝
６スラブ導波路
１０マスク
１１アンダーカット
１２局所異常形状

Claims

光導波路が形成された基板を有する光制御素子において、
該基板が厚さは１０μｍ以下の薄板であり、
少なくとも該光導波路の入射部又は出射部ではリッジ型導波路が形成され、
該リッジ型導波路の両側にトレンチを備え、
該リッジ型導波路の一部には、トレンチの幅又は深さを連続的に変化させることによって光導波路の光伝播モードをシングルモードとマルチモードとの間で連続的に変化させるテーパー導波部を有し、かつ、該入射部又は該出射部の端部側では光導波路の光伝播モードがシングルモードとなっていることを特徴とする光制御素子。
請求項１に記載の光制御素子において、該テーパー導波部が、該光導波路の中心を通る縦断面に対し略対称形状になっていることを特徴とする光制御素子。
請求項１に記載の光制御素子において、該テーパー導波部が、該光導波路の中心を通る縦断面に対し非対称形状になっていることを特徴とする光制御素子。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光制御素子において、該基板が非線形光学効果、電気光学効果、焦電効果または圧電効果を有することを特徴とする光制御素子。
請求項４に記載の光制御素子において、該基板がＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３またはＫＴｉＯＰＯ_４であることを特徴とする光制御素子。
請求項１乃至５のいずれかに記載の光制御素子において、該リッジ型導波路の少なくとも一部は、集束イオンビーム又はレーザビーム加工の少なくともいずれかを用いて形成されていることを特徴とする光制御素子。
請求項１乃至５のいずれかに記載の光制御素子において、該リッジ型導波路は、エッチング又は機械加工により一次加工した後、集束イオンビーム又はレーザビーム加工の少なくともいずれかにより仕上げ加工が行われていることを特徴とする光制御素子。
請求項７に記載の光制御素子を製造する光制御素子の製造方法において、
該光制御素子に光を導入し、
該導入した光を計測しながら仕上げ加工をおこなうことを特徴とする光制御素子の製造方法。