JP4875918B2 - 光導波路素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路素子及びその製造方法に関し、特に、表面に光波が導波される光導波路を形成した基板と、該基板の端部に少なくとも該光導波路の一部を覆うように配設したブロックとを備えた光導波路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などのように基板表面に光導波路を有する光導波路素子が実用化されている。例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３。以下「ＬＮ」という。）などの電気光学効果を有する強誘電体基板上に、Ｔｉ等の異種元素を熱拡散して、屈折率を局所的に上昇させ導波路を形成し、これに信号波電極を組合わせて構成した導波路型光変調器は、高速通信システムの中核を成すデバイスである。

ＬＮ等の強誘電体結晶は、一般的に大きな光学異方性（屈折率の結晶軸依存性）を有するため、特定の結晶軸方向に沿って形成された導波路を伝搬する光波の偏光方向に依存して、伝搬光が感じる屈折率が異なりその伝搬速度が変わるため、結果的に、変調器の駆動電圧や消光比などの特性が大きく変化する。このため変調器の特性を安定させ、かつより高性能なものとするため、変調器の導波路に入射する光波は、一方向に揃えられていることが好ましい。

このため、以下の特許文献１のように、ＬＮ基板に形成した光導波路の一部を覆うようにＺｎＬＮ基板（ＬＮ結晶にＺｎを添加したもの）などの光誘引部材を貼付け、光導波路を伝搬する光波から特定偏波モード光を除去することが行われている。
特開平１０−６８８３０号公報

他方、光導波路素子への光ファイバの接続には、光ファイバを保持するキャピラリを光導波路素子の基板に接着している。光導波路素子の光導波路は基板表面に形成されているため、基板にキャピラリを接着しただけでは、キャピラリの端部の約半分の面積しか基板に接合していないため、十分な機械的強度を得ることができない。この問題を解消するため、光導波路素子の入射部又は出射部において、基板上に補強板を接合し、該補強板ともキャピラリが接着することで、光導波路素子と光ファイバとの接合強度を高めることが行われている。

ところで、光誘引部材や補強板などのブロックをＬＮ基板などに接合する際には、接着剤を介して両者を接合することも可能であるが、耐熱性や耐久性が低く、接着剤が光導波路を伝搬する光波に影響を与え、光損失などの原因となる場合も有る。このため、基板とブロックとを直接接合することが行なわれている。直接接合とは、接合する２つの部材を結晶構造が同一の物質で構成し、両者を接合する面内の結晶方位を合わせるように密着させ、必要に応じ加熱することで、密着界面での固相熱拡散により、結晶同士を接合させることが可能となるものである。

しかしながら、直接接合で基板とブロックとを接合するには、両者の接合面をサブミクロン（１０〜２０ｎｍ程度）の精度で平滑化することが必要であり、特に、光導波路をＴｉ等の熱拡散により形成した光導波路素子では、１０ｎｍ程度の凹凸が存在し、光導波路素子の基板表面を研磨することが不可欠である。しかも、光導波路素子は、３〜４インチ径のウェハ基板を用いて作成され、ウェハ自体にも１０〜５０μｍ程度の反りが存在している。

したがって、ウェハ基板全体をサブミクロンの精度で平坦化することは困難であり、仮に局所的に研磨加工を施した場合でも、基板上の研磨領域とそれ以外の領域との境界において段差が発生し、光導波路を伝搬する光波がそこで散乱される原因ともなる。

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、光導波路の特性を劣化させること無く、基板表面にブロックを直接接合でき、しかも、低コストで量産性に優れた光導波路素子及びその製造方法を提供することである。

請求項１に係る発明では、表面に光波が導波される光導波路と該光導波路に電界を印加するための電極とを形成した、電気光学効果を有する強誘電体基板と、該基板の端部に少なくとも該光導波路の一部を覆うように配設したブロックとを備えた光導波路素子において、該基板と該ブロックとは、結晶構造が同一の物質で構成し、両者を接合する面内の結晶方位を合わせるように密着させる直接接合されており、該基板と該ブロックとの接合面では、該基板の端部を局所的に研磨し、該基板側の接合面が、該基板の端面に向かって斜めに研磨されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、請求項１に記載の光導波路素子において、該基板の端部は、該光導波路素子の入射部又は出射部であることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、請求項２に記載の光導波路素子において、該光導波路に対する該基板の研磨面の勾配は１／１０００から１／１００００であ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導波路素子において、該基板は、屈折率異方性を有する結晶基板であり、該ブロックは、該基板の持つ屈折率異方性と比較して、該光導波路を伝搬する特定方向の直線偏光の光が感じる屈折率が高く、該特定方向と異なる他の方向の直線偏光の光が感じる屈折率が同じか低く、該基板と同じ結晶構造を有する材料であることを特徴とする。

請求項５に係る発明では、請求項４に記載の光導波路素子において、該基板はニオブ酸リチウムであり、該光導波路はＴｉ拡散により形成され、さらに、該ブロックはＺｎ，Ｎｉ，Ｃｏ又はＭｇの少なくとも一つを含むニオブ酸リチウム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導波路素子の製造方法において、ウェハ状の基板に、光導波路及び該光導波路に電界を印加するための電極を備えた、複数の光導波路素子の作り込みを行った後、該光導波路素子の端部を斜めに研磨し、該ブロックを該端部に直接接合し、その後、個別の光導波路素子に切断・分離することを特徴とする。

請求項１に係る発明により、表面に光波が導波される光導波路と該光導波路に電界を印加するための電極とを形成した、電気光学効果を有する強誘電体基板と、該基板の端部に少なくとも該光導波路の一部を覆うように配設したブロックとを備えた光導波路素子において、該基板と該ブロックとは、結晶構造が同一の物質で構成し、両者を接合する面内の結晶方位を合わせるように密着させる直接接合されており、該基板と該ブロックとの接合面では、該基板の端部を局所的に研磨し、該基板側の接合面が、該基板の端面に向かって斜めに研磨されているため、研磨により光導波路形成時の凹凸を除去できるだけで無く、研磨される領域も局所的であり、かつ光導波路を伝搬する光波が散乱するのも抑制できるため、光導波路の特性を劣化させること無く、基板表面にブロックを直接接合でき、しかも、低コストで量産性に優れた光導波路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、上記基板の端部は、光導波路素子の入射部又は出射部であるため、光ファイバとの接合時には、該ブロックを補強板として利用できるだけでなく、光導波路の光モード対称性を改善し、光ファイバとの結合効率を向上させることも可能となる。

請求項３に係る発明により、光導波路に対する該基板の研磨面の勾配は１／１０００から１／１００００であるため、光導波路を伝搬する光波が研磨面により反射するのを防止できると共に、光導波路の伝搬損失を抑制することも可能となる。

請求項４に係る発明により、基板は、屈折率異方性を有する結晶基板であり、ブロックは、該基板の持つ屈折率異方性と比較して、該光導波路を伝搬する特定方向の直線偏光の光が感じる屈折率が高く、該特定方向と異なる他の方向の直線偏光の光が感じる屈折率が同じか低く、該基板と同じ結晶構造を有する材料であるため、ブロックは光誘引部材として機能できると共に、基板とブロックとを直接接合することも可能となる。

請求項５に係る発明により、基板はニオブ酸リチウムであり、光導波路はＴｉ拡散により形成され、さらに、ブロックはＺｎ，Ｎｉ，Ｃｏ又はＭｇの少なくとも一つを含むニオブ酸リチウムであるため、ＬＮ基板を用いた光導波路素子においても、光導波路の特性を劣化させること無く、基板表面にブロックを直接接合でき、しかも、低コストで量産性に優れた光導波路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、光導波路素子の製造方法において、ウェハ状の基板に、光導波路及び該光導波路に電界を印加するための電極を備えた、複数の光導波路素子の作り込みを行った後、該光導波路素子の端部を斜めに研磨し、該ブロックを該端部に直接接合し、その後、個別の光導波路素子に切断・分離するため、ブロックを接合した光導波路素子を低コストで量産することが可能となる。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る光導波路素子の一部を示す図である。
本発明の光導波路素子は、表面に光波が導波される光導波路２を形成した基板１と、該基板１の端部に少なくとも該光導波路２の一部を覆うように配設したブロック４とを備えており、特に、基板１とブロック４とは直接接合されると共に、該基板１における該ブロックの接合面１０は、該基板の端面に向かって斜め（勾配δ）に研磨されていることを特徴としている。

ブロック４を接合する基板１の端部は、図１に示すように、光導波路素子の入射部又は出射部であることが好ましい。これは、光導波路素子と光ファイバとの接合時には、該ブロック４を補強板として利用できるためである。また、図１の矢印Ａにおける光導波路２を伝搬する光波の光モード形状２０は、図２（ａ）に示すように基板表面に平行な方向に偏平な形状をしている。しかし、ブロックとの接合部分を伝搬することにより、光波の光モード形状は、図１の矢印Ｂにおける光モード形状２１を示す図２（ｂ）のように、縦方向にも延び、光モード対称性が改善したものとなる。このため、光ファイバとの結合効率が向上し、より好ましい光導波路素子を提供することが可能となる。

研磨面１０の勾配δについては、１／１０００から１／１００００であることが好ましく、これにより、光導波路を伝搬する光波が研磨面により反射するのを防止できると共に、光導波路の伝搬損失や消光比の劣化を抑制することも可能となる。実際に試作したところ、過剰損失が約１ｄＢ以下であり、消光比が２５ｄＢ以上の光導波路素子が得られている。

基板に接合するブロックについては、単に補強板としての機能を期待する場合には、光導波路素子を構成する基板と同じ材料をブロックとして用いることも可能であるが、特許文献１に示すように、光誘引部材としての機能を期待する場合には、ブロックとして、光導波路素子の基板の持つ屈折率異方性と比較して特定方向の屈折率が高く、他の方向の屈折率が同じか低く、該基板と同じ結晶構造を有する材料を使用することが好ましい。
このような材料としては、光導波路素子の基板にＬＮ基板を用いる場合には、ＬＮ結晶にＺｎ，Ｎｉ，Ｃｏ又はＭｇの少なくとも一つを含有させたものを用いることが可能である。

光導波路素子を構成する材料や構造については、特に限定されるものではないが、例えば、光変調器や光スイッチなどで多用されている電気光学効果を有する基板である、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどは、好適に利用可能である。
また、基板に形成する光導波路は、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより形成することができる。

さらに、必要に応じて、基板表面などには、信号電極や接地電極などの制御電極３を設けることも可能であり、これらは、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。またさらに、光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ_２等のバッファ層を設けることも可能である。

なお、ＬＮ基板は、一般の光導波路素子に多用されており、一定の品質のものが安価に入手することができ、また、ＬＮ基板にＴｉの熱拡散で光導波路を形成する技術も十分に確立されていることなどを総合的に考慮すると、本発明の光導波路素子としては、基板にニオブ酸リチウムを用い、光導波路はＴｉ拡散により形成し、さらには、ブロックとしてＺｎを含むニオブ酸リチウム（以下、「ＺｎＬＮ」という。）を使用することが、より好ましい。

次に、本発明の光導波路素子の製造方法について説明する。なお、以下では、ＬＮ基板を用いる例を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。
（１）光導波路の形成
ＬＮ結晶で構成されたウェハ基板上に、光導波路のパターンでＴｉを基板表面に付着させ、加熱処理によりＴｉを基板内に熱拡散し、光導波路を形成する。
（２）電極等の形成
ウェハ基板にＴｉ・Ａｕの電極パターンを形成し、メッキ方法によりＡｕ電極を形成する。電極を形成する前に、ＳｉＯ_２膜などのバッファ層を光導波路上に形成することも可能である。バッファ層の形成方法は、スパッタリング法や蒸着法を用いることが可能である。

（３）基板の研磨
ウェハ基板上の一部、特にブロックを接合させる領域を、斜めに浅く研磨する。研磨方法としては、研磨シートやラッピングモップなどを用いて研磨を行う。研磨工程は、ウェハ基板上に光導波路や電極など、光導波路素子に必要な部材を全て組み込んでから行うことも可能であるが、基本的には、光導波路の形成工程以降であれば、どの段階で行っても良い。

（４）基板とブロックとの接合
ウェハ基板及びブロックとなるＺｎＬＮとを、硫酸過水などで洗浄し、乾燥後、常温で両者を直接接合する。接合後、８０℃以上に加熱し、接合強度を強化することも可能である。
なお、光導波路素子を構成する基板とブロックとの接合は、ウェハ基板の段階で行うことも可能であるが、必要に応じて、ウェハ基板から切り出された光導波路素子のチップに対して、ブロックのチップを接合することも可能である。

（５）光導波路素子の分離
ウェハ基板には、複数の光導波路素子が組み込まれているため、ウェハ基板を切断し、個別の光導波路素子に分離する。必要に応じ、光導波路素子の入射部又は出射部に相当する切断面を研磨し、光ファイバとの光結合性を向上させる研磨処理を行っても良い。

以上説明したように、本発明によれば、光導波路の特性を劣化させること無く、基板表面にブロックを直接接合でき、しかも、低コストで量産性に優れた光導波路素子及びその製造方法を提供することが可能となる。

本発明に係る光導波路素子の一部を示す図である。 図１の光導波路素子を伝搬する光波の光モード形状の様子を示す図である。

符号の説明

１ 基板
２ 光導波路
３ 電極
４ ブロック
１０ 接合面（研磨面）
２０，２１ 光モード形状

Claims (6)

1. 表面に光波が導波される光導波路と該光導波路に電界を印加するための電極とを形成した、電気光学効果を有する強誘電体基板と、該基板の端部に少なくとも該光導波路の一部を覆うように配設したブロックとを備えた光導波路素子において、
   該基板と該ブロックとは、結晶構造が同一の物質で構成し、両者を接合する面内の結晶方位を合わせるように密着させる直接接合されており、
   該基板と該ブロックとの接合面では、該基板の端部を局所的に研磨し、
   該基板側の接合面が、該基板の端面に向かって斜めに研磨されていることを特徴とする光導波路素子。
2. 請求項１に記載の光導波路素子において、該基板の端部は、該光導波路素子の入射部又は出射部であることを特徴とする光導波路素子。
3. 請求項２に記載の光導波路素子において、該光導波路に対する該基板の研磨面の勾配は１／１０００から１／１００００であることを特徴とする光導波路素子。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子において、該基板は、屈折率異方性を有する結晶基板であり、該ブロックは、該基板の持つ屈折率異方性と比較して、該光導波路を伝搬する特定方向の直線偏光の光が感じる屈折率が高く、該特定方向と異なる他の方向の直線偏光の光が感じる屈折率が同じか低く、該基板と同じ結晶構造を有する材料であることを特徴とする光導波路素子。
5. 請求項４に記載の光導波路素子において、該基板はニオブ酸リチウムであり、該光導波路はＴｉ拡散により形成され、さらに、該ブロックはＺｎ，Ｎｉ，Ｃｏ又はＭｇの少なくとも一つを含むニオブ酸リチウムであることを特徴とする光導波路素子。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の光導波路素子の製造方法において、ウェハ状の基板に、光導波路及び該光導波路に電界を印加するための電極を備えた、複数の光導波路素子の作り込みを行った後、該光導波路素子の端部を斜めに研磨し、該ブロックを該端部に直接接合し、その後、個別の光導波路素子に切断・分離することを特徴とする光導波路素子の製造方法。

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