JP5582868B2 - 光デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ光の発振波長を変化させる波長変換素子などの光素子を備えた光デバイスに関し、とくに、波長変換素子の温度特性補正手段を備えた光デバイスに関する。
青色、緑色などの短波長レーザ光源は、レーザ・プロジェクタや高密度光記憶装置などの分野で幅広く開発が進められている。この短波長レーザ光源は、半導体レーザが発振する基本波の赤外光を二次高調波に変換する波長変換素子によって、青色または緑色などのレーザ光を出力するものである。ここで用いられる波長変換素子は、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)などを主成分として作られるが、高調波の変換効率には温度依存性があり、温度変動によって変換効率が大きく変化する特性を有している。
図12(a)は、波長変換素子の環境温度に対する高調波出力の変化の一例を示すグラフである。このグラフで理解できるように、波長変換素子は環境温度が低い領域で出力が低下し、また、環境温度が高い領域でも出力が低下する。このように、波長変換素子が出力する高調波は、温度に対して大きく変化するので、効率の良い変換を実現し、且つ、安定した高調波のレーザ光を得るには、波長変換素子の温度特性を補正するための温度調整手段が不可欠である。この波長変換素子を所定の温度に調整するために、波長変換素子にヒータを搭載したレーザ光源が知られている(例えば、特許文献1参照)。
図12(b)は、特許文献1で開示された短波長レーザ光源の一例である。図12(b)において、101はシリコン基板であり、110は0.8μm帯の半導体レーザであり、120は波長変換素子である。半導体レーザ110の活性層111から基本波112が出力し、波長変換素子120の導波路121に入射して、二次高調波である青色レーザ光130が出力する。シリコン基板101が波長変換素子120と接する面の一部は、エッチングによって溝102が形成されている。
また、波長変換素子120の下部、すなわち、導波路121の近傍には、Ti膜による薄膜ヒータ122が形成されている。この薄膜ヒータ122に通電することで、波長変換素子120の温度を所定の温度に保つことが出来る。また、薄膜ヒータ122は、シリコン基板101の溝102によってシリコン基板101と接しないので、薄膜ヒータ122の熱がシリコン基板101に伝達し難い構造となっている。これにより、波長変換素子120が所定の温度に保たれ、レーザ光の出力が安定することが示されている。
また、波長変換素子の温度調整のためのヒータを波長変換素子に形成するのではなく、基板上にヒータを形成し、ハンダパターンまたは高熱伝導性の接着剤によって基板と半導体レーザとを接合して、ヒータで発生した熱を半導体レーザに伝える構成が知られている(例えば、特許文献2参照)。この特許文献2のレーザ光源は、基板の絶縁膜上に薄膜ヒータを形成し、その薄膜ヒータの上にハンダパターンを形成して可変波長領域を含んだ半導体レーザチップをマウントする構造である。これにより、基板上の薄膜ヒータに通電することで、ヒータからの熱がハンダパターンを介して半導体レーザチップに伝達され、可変波長領域の温度を調整できることが示されている。
特開平6―338650号公報(第5頁、第5図) 特開2003−17793号公報(第3頁、第1図)
しかしながら、特許文献1に記載の構成では、波長変換素子上に薄膜ヒータを形成するので、波長変換素子の製造工程の中に薄膜ヒータを形成する工程が加わり、製造工程が増えて工数も増加する問題がある。また、波長変換素子上に形成された薄膜ヒータに通電するための配線や電極を、波長変換素子側とシリコン基板側の両方に設ける必要があり、レーザ光源として構造が複雑で、電極の接触不良などの問題が生じやすい。
また、特許文献2に記載の構成では、基板と半導体レーザチップとをハンダによって接合するが、ヒータで発生した熱を効率良く半導体レーザチップに伝えるために、ハンダが均一に塗布された状態で半導体レーザチップを接合するのが難しい問題がある。また、ハンダによる接合は、当然のことながら加熱してハンダを溶解する必要があるが、加熱によって基板や半導体レーザチップにダメージを与える危険性があり、また、加熱による接合は、基板と半導体レーザチップの位置ずれが起きやすい問題もある。
本発明の目的は上記課題を解決し、レーザ光の発振波長を変化させる波長変換素子を備えた光デバイスにおいて、波長変換素子の温度調整を簡単な構造で効率よく高精度に実現する光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に、本発明の光デバイスは、下記記載の構成を採用する。
本発明の光デバイスは、基板上に導波路を有する波長変換素子が搭載された光デバイスにおいて、基板上に形成されたヒータと、Auからなり、基板と波長変換素子とを接合するとともに、ヒータで発生した熱を波長変換素子に伝えるマイクロバンプと、を備え、波長変換素子は、導波路が基板と空気層を介した状態で、基板に搭載されたことを特徴とする。
さらに、本発明の光デバイスは、前述した構成に加えて、ヒータの上方にマイクロバンプを形成したことを特徴とする。
さらに、本発明の光デバイスは、前述した構成に加えて、マイクロバンプは、導波路の下方以外の領域に形成されたことを特徴とする。
さらに、本発明の光デバイスは、前述した構成に加えて、ヒータは、導波路の下方以外の領域に形成されたことを特徴とする。
さらに、本発明の光デバイスは、前述した構成に加えて、ヒータが設けられた領域と他の領域との熱の伝導を防ぐ溝部または貫通部を基板に設けたことを特徴とする。
さらに、本発明の光デバイスは、前述した構成に加えて、ヒータが設けられた領域と他の領域との熱の伝導を防ぐ溝部または貫通部を光素子に設けたことを特徴とする。
本発明の光デバイスによれば、ヒータで発生した熱を光素子としての波長変換素子に伝えて加熱することにより、波長変換素子の温度制御(温度管理)を行うことができる。また、熱伝導性に優れたAuからなるマイクロバンプで基板と波長変換素子とを接合することにより、このマイクロバンプによってヒータで発生した熱を波長変換素子に効率よく伝達することが可能となる。
また、基板上にヒータを形成することで、ヒータへの通電は基板から直接行うことが出来る。これにより、光素子としての波長変換素子と基板とを電気的に接続する必要がなく、光デバイスの構造が簡単で製造工程も簡略化できる。また、基板上のヒータは、基板を製造する半導体プロセスで形成できるので、ヒータのために新たな製造工程を設ける必要が無い。
また、導波路の下方以外の領域にマイクロバンプとヒータを形成することで、導波路にマイクロバンプが接触するなどして生じる導波路の性能低下を防止することが出来る。
また、ヒータが設けられた領域と他の領域との熱の伝導を防ぐ溝部または貫通部を基板に設けることで、ヒータが設けられた領域と他の領域との熱の伝導を防ぎ、所望の領域を効率的に加熱することが可能となる。さらに、波長変換素子の導波路の近傍にヒータを設けることで、波長変換素子の加熱を効率的に高精度で行うことが可能となる。
本発明の第1の実施形態の光デバイスを説明する断面図である。 本発明の第1の実施形態の光デバイスを説明する上面図である。 本発明の光デバイスの外観を模式的に示す外観図である。 本発明の第1の実施形態のマイクロバンプを説明する説明図である。 本発明の第1の実施形態の波長変換素子の詳細構造の一例を説明する断面図である。 本発明の第1の実施形態の分散型ヒータ構造の一例を説明する上面図である。 本発明の第1の実施形態のヒータの内部構造の一例を説明する拡大側面図である。 本発明の第2の実施形態の光デバイスを説明する断面図である。 本発明の参考形態の光デバイスを説明する断面図と上面図である。 本発明の第4の実施形態の光デバイスを説明する断面図と上面図である。 本発明の第5の実施形態の光デバイスを説明する断面図である。 波長変換素子の温度依存性を示すグラフと、従来のレーザ光源を説明する長手方向の断面図である。
以下図面に基づいて本発明の第1から第5の実施形態を詳述する。
[各実施形態の特徴]
第1の実施形態の特徴は、光素子としてリッジ型波長変換素子を搭載し、この波長変換
素子の温度調整を行うヒータが、波長変換素子の導波路を挟んで2列配置されていることである。また、第2の実施形態の特徴は、光素子としてプロトン交換型波長変換素子を搭載し、この波長変換素子の温度調整を行うヒータが、波長変換素子の導波路を挟んで2列配置されていることである。
また、第3の実施形態の特徴は、光素子として導波路が埋め込まれた波長変換素子を搭載し、この波長変換素子の温度調整を行うヒータが、導波路の直下に配置されていることである。また、第4の実施形態の特徴は、光素子としてリッジ型波長変換素子を搭載し、この波長変換素子の温度調整を行うヒータが、波長変換素子の導波路を挟んで2列配置され、さらに、ヒータが設けられた領域と他の領域との熱の伝導を防ぐ目的でシリコン基板に溝部が形成されていることである。また、第5の実施形態の特徴は、第4の実施形態の構成に、さらに、波長変換素子側にもシリコン基板の溝部に対向して溝部が形成されていることである。
[光デバイスの全体構成の説明:図3]
まず、それぞれの実施形態を説明する前に、本発明の光デバイスの全体構成の概要を図3を用いて説明する。図3は本発明の光デバイスの外観を模式的に示した外観図である。図3において、1は本発明の光デバイスである。光デバイス1は、板状のシリコン基板10と、このシリコン基板10上に接合される光素子としての波長変換素子20、及びレーザ光を出射する半導体レーザ3によって構成される。
4は金属部材であり、光デバイス1を支持するパッケージ材であるが、ここでは便宜上、板状の金属部材として示している。この金属部材4は、シリコン基板10を固着して光デバイス1の全体を機械的に保護すると共に、光デバイス1の放熱手段としての機能も備えている。
[光デバイスの動作説明:図3]
次に光デバイス1の動作の概要を説明する。図3において、半導体レーザ3はシリコン基板10から図示しない手段によって駆動電流の供給を受けると、赤外光の基本波(図示せず)を出射する。波長変換素子20は、半導体レーザ3からの赤外光を導波路22(破線で示す)に入射し、導波路22の内部で高調波光に変換して緑色光、または青色光のレーザ光L1を導波路22の出射口22aから出射する。
具体的な例としては、半導体レーザ3が波長1064nmの赤外光を発振して、波長変換素子20が波長532nmの緑色のレーザ光に変換する。または、半導体レーザ3が波長860nmの赤外光を発振して、波長変換素子20が波長430nmの青色のレーザ光に変換する。これにより、本発明の光デバイスは、レーザ光を光源とする小型プロジェクターなどの光源装置などに利用することが出来る。なお、図3で示す光デバイス1の外観図は、後述する本発明の第1〜第5の実施形態のすべてに適応するものである。
[第1の実施形態の構成の概略説明:図1、図2]
第1の実施形態の光デバイスの構成を図1と図2を用いて説明する。図1は、前述した図3の光デバイス1を切断線A−A´での断面を模式的に示した第1の実施形態の断面図である。なお、金属部材4の図示は省略している。図2は、図3の光デバイス1のシリコン基板10と波長変換素子20を模式的に示した第1の実施形態の上面図であり、半導体レーザ3とマイクロバンプ30a、30b等の図示は省略している。なお、図2はシリコン基板10と波長変換素子20の位置関係が明確になるように透視図として記述している。
図1において、第1の実施形態である光デバイス1の波長変換素子20は、主成分がLiNbO3であるSHG結晶のリッジ型構造の波長変換素子である。波長変換素子20の下部には、波長変換素子20の長手方向に沿って二つの凹部21a、21bが形成され、この凹部21a、21bの間の凸部21cに導波路22が形成される。この導波路22は、二つの凹部21a、21bの間に形成されるので周囲の三面が空気層となり、この周囲の空気層との屈折率差を利用して光を閉じこめることが出来る。この導波路22は、前述したように、半導体レーザ3(図3参照)からの基本波を入射し、高調波に変換して出射する機能を備えている。また、波長変換素子20の下部の凹部21a、21b以外の二つの平面部20a、20bは、Au薄膜23a、23bが形成されている。
また、シリコン基板10の上部の前述した波長変換素子20の平面部20a、20bに対向する位置には、熱伝導性に優れたAu(金)で成るマイクロバンプ30a、30bがそれぞれ形成される。これにより、シリコン基板10上のマイクロバンプ30a、30bと、波長変換素子20の下部のAu膜23a、23bが常温活性化接合してシリコン基板10と波長変換素子20は接合される。このように、波長変換素子20は導波路22をシリコン基板10側に向けた状態で、すなわち、導波路22がシリコン基板10に近接した状態で波長変換素子20は、シリコン基板10に搭載される。
また、マイクロバンプ30a、30bのそれぞれの直下に位置するシリコン基板10の表面近傍には、波長変換素子20の温度調整手段であるヒータ40a、40bが形成される。すなわち、ヒータ40a、40bの上方に近接して、それぞれマイクロバンプ30a、30bが形成され、これによって、ヒータ40a、40bとマイクロバンプ30a、30bは、波長変換素子20の導波路22の近傍に配置されることになる。なお、導波路22の直下にはヒータ40a、40bとマイクロバンプ30a、30bは形成されず、導波路22の下方以外の領域に形成される。
この構造によって、ヒータ40a、40bが通電されることで発生する熱は、熱伝導性に優れたマイクロバンプ30a、30bを介して、矢印B1で示すルートで波長変換素子20の導波路22近傍に伝達され、導波路22を効率よく加熱し温度調整することが出来る。なお、マイクロバンプ30a、30bと、ヒータ40a、40bの詳細は後述する。
次に図2の上面図によって、第1の実施形態の波長変換素子20の導波路22と、シリコン基板10上の2列のヒータ40a、40bの位置関係を説明する。図2において、導波路22は、波長変換素子20の長手方向の一方の端部から他方の端部まで形成され、図面において上側の導波路22の端部の出射口22aから、高調波のレーザ光L1が出射される。
また、2列のヒータ40a、40bは、導波路22の近傍に導波路22を挟むように、導波路22の両側に沿って形成される。これにより、ヒータ40a、40bによって導波路22の全体が均一に加熱されて温度調整することが出来る。また、ヒータ40a、40bは、配線パターン40c、40dによって並列接続されて、シリコン基板10上の電極40e、40fに接続される。これにより、外部から電極40e、40fに電圧を印加して所定の電流を供給することで、ヒータ40a、40bを加熱して、波長変換素子20の導波路22を温度調整することが出来る。
このように、第1の実施形態は、シリコン基板10と波長変換素子20をAuのマイクロバンプによって常温活性化接合するので、加熱する必要がなく、製造工程を簡略化することが出来る。また、導波路22を挟んで2列のヒータ40a、40bを設けており、このヒータ40a、40bに近接した上方にAuのマイクロバンプ30a、30bを配置しているので、ヒータ40a、40bが発生する熱をマイクロバンプ30a、30bを介し
て効率良く導波路22に伝達でき、波長変換素子20の導波路22の温度調整(温度管理)を行うことが出来る。
また、第1の実施形態は、図1で示すように、波長変換素子20の平面部20a、20bの直下にマイクロバンプ30a、30bとヒータ40a、40bを形成し、導波路22の直下にはマイクロバンプとヒータを配置しない構成を採用している。この理由は三つあり、第1の理由として、波長変換素子20の導波路22は、周囲の領域(空気層)との屈折率差を利用して内部に光を閉じ込めているが、導波路22に金属が直接接触すると、導波路22は周囲との屈折率差が変化して設計通りに光を閉じ込めることが出来なくなり、導波路22の性能が低下する問題がある。
また、第2の理由として、Auのマイクロバンプによってシリコン基板10と波長変換素子20を常温活性化接合する場合、シリコン基板10と波長変換素子20に大きな圧力(5〜10kgf/mm2)を印加する必要があるが、導波路22の直下にマイクロバンプがあると、マイクロバンプを介して導波路22に応力が加わり、導波路22の結晶がひずんで、導波路22の波長変換効率が低下する問題がある。
また、第3の理由として、半導体レーザ3から出射される赤外光のうち、導波路22に結合しなかった光が、導波路22に接触または直下のマイクロバンプに当たると、マイクロバンプに熱が発生する。この熱が導波路22に伝わると導波路22の温度分布に影響を与えて、波長変換素子20の変換効率を低下させる原因となる。このように、波長変換素子20の導波路22に接触または直下に金属であるマイクロバンプが形成されていると、複数の要因で導波路22に悪影響を及ぼし、波長変換素子20の性能が低下する問題がある。
このため、第1の実施形態は、この問題を解決するために、導波路22に接触または直下にマイクロバンプとヒータを配置せず、導波路22から離れた下方以外の領域にマイクロバンプ30a、30bとヒータ40a、40bを形成している。
これにより、導波路22にマイクロバンプが直接接触していないので、導波路22と周囲の屈折率差が変化することがなく、設計通りに光を閉じ込めることが出来るので、導波路22の性能低下は生じない。また、シリコン基板10と波長変換素子20が常温活性化接合するために大きな圧力を印加されても、導波路22の直下にはマイクロバンプがないので、導波路22に応力が加わらず、波長変換効率が低下する恐れはない。また、導波路22に接触または直下にマイクロバンプが形成されていないので、半導体レーザ3から出射される赤外光のうち、導波路22に結合しなかった光があっても、マイクロバンプは導波路22から離れているために、光がマイクロバンプに当たることがなく、波長変換素子20に悪影響を及ぼすことはない。
なお、図示しないが、シリコン基板10にヒータ40a、40bを駆動するためのヒータ駆動回路が内蔵されている場合は、外部に接続する電極40e、40fは不要であり、ヒータ40a、40bの両端は、内蔵のヒータ駆動回路に接続される。また、シリコン基板10はヒータ駆動回路だけでなく、半導体レーザ3(図3参照)を駆動する回路や、他の様々な回路を内蔵することができる。
[第1の実施形態のマイクロバンプ接合の説明:図4]
次に、第1の実施形態のシリコン基板10と波長変換素子20とを接合するマイクロバンプを図4を用いて説明する。図4(a)はシリコン基板10と波長変換素子20が、マイクロバンプによって接合されることを説明する斜視図であり、図4(b)はシリコン基板10と波長変換素子20が、マイクロバンプによって接合されることを説明する側面図
である。
図4(a)と図4(b)において、シリコン基板10の上面には、Au薄膜上にAuで成る円柱状のマイクロバンプ30を多数形成する。一方、波長変換素子20の下面、すなわち、シリコン基板10に接合される面には、Au薄膜23が形成される。この状態で、シリコン基板10に波長変換素子20を載せて加熱することなく加圧すると、Auが活性化して常温でシリコン基板10と波長変換素子20は接合する(常温活性化接合)。なお、一例としてマイクロバンプ30の直径は、5μm程度、高さは1μm程度である。
このように、Auのマイクロバンプによる接合は加熱が必要ないので、製造工程を簡略化できる。また、加熱によってシリコン基板10と波長変換素子20が位置ずれを起こす心配がなく、シリコン基板10と波長変換素子20を高精度に接合することが出来る。また、Auのマイクロバンプ30の熱伝導率は約320W/(m・K)であって、熱が非常に伝わりやすいので、シリコン基板10に形成されたヒータ40a、40b(図1参照)からの熱は、効率よく波長変換素子20に伝達される。
[第1の実施形態の波長変換素子の詳細な説明:図5]
次に、第1の実施形態の波長変換素子20の詳細な構成の一例を図5を用いて説明する。図5は図3の光デバイス1を切断線A−A´での断面を模式的に示した波長変換素子20とマイクロバンプ30a、30bの断面図、及び導波路22周辺の波長変換素子20の拡大断面図である。図5において、波長変換素子20の下部には、前述したように、二つの凹部21a、21bが形成され、その凹部21a、21bの間に導波路22が形成され、また、波長変換素子20の下部の平面部20a、20bには、Au薄膜23a、23bと、シリコン基板10(図1参照)を接合するマイクロバンプ30a、30bが形成されている。
ここで、波長変換素子20は拡大断面図で示すように積層構造を有しており、導波路22を含む波長変換素子20の最下部の層は波長変換層24であり、MgOドープLiNbO3などで構成される。波長変換層24の上部は、クラッド層25が形成され、このクラッド層25は波長変換層24よりも屈折率が小さいSiO2またはSiNOx(酸窒化シリコン)などで構成される。クラッド層25の上部は、透明電極膜層26が形成され、ITO、InTiOx、SnO、ZnOなどで構成される。透明電極膜層26の上部は、ベース基板27であり、LiNbO3、またはSiなどで構成される。なお、導波路22の形成に影響がなければ、層の順序はこの形に限らない。
ここで、波長変換に関わる波長変換層24とベース基板27は、クラッド層25によって熱的に絶縁された構造であるので、波長変換素子20の下部のマイクロバンプ30a、30bからの熱は、波長変換層24を通って導波路22に伝達されるが(実線矢印B1)、ベース基板27には伝達され難い構造である(破線矢印B2)。すなわち、クラッド層25のSiO2は、熱伝導率が約1W/(m・K)と小さいので、シリコン基板10のヒータ40a、40b(図1参照)からの熱を遮断し、ベース基板27に熱を逃がさないからである。
また、透明電極膜層26は、導波路22に光の波長を変換するための周期分極反転構造を形成されるためのポーリング用電極である。この透明電極膜層26は、赤外線を吸収しない熱反射膜の役割も果たしている。このように、波長変換素子20は積層構造を有しているので、ヒータ40a、40b(図1参照)からの熱が波長変換層24に流れやすくなり、波長変換に関わる波長変換層24だけを効率よく加熱することが出来る。
[第1の実施形態の分割型ヒータ構造の説明:図6]
次に、第1の実施形態のシリコン基板10に形成されるヒータが複数に分割した構造の一例を図6を用いて説明する。図6は図3の光デバイス1のシリコン基板10と波長変換素子20を模式的に示した上面図であり、半導体レーザとマイクロバンプ等の図示は省略している。なお、図6は、シリコン基板10と波長変換素子20の位置関係が明確になるように、透視図として記述している。
図6において、波長変換素子20は、図2と同様に導波路22が形成され、図示しない半導体レーザからの基本波を高調波に変換して、図面において上側の導波路22の端部の出射口22aから、レーザ光L1が出射される。
一方、シリコン基板10に形成される2列のヒータは、導波路22の近傍に導波路22を挟むように、導波路22の両側に沿って形成されるが、このヒータは図示するように、シリコン基板10の長手方向に複数個に分割して形成される。すなわち、導波路22の出射口22aに近い順からヒータ41aと41b、ヒータ42aと42b、ヒータ43aと43b、ヒータ44aと44b、ヒータ45aと45bのように、2列を一組とした5組のヒータが長手方向に並んで形成される。なお、以降の説明においてヒータ全体を示す場合は、ヒータ41〜45と記述する。
このヒータ41〜45は、個別の電極と共通電極が接続されて、外部からの通電によって個別に加熱することが出来る。すなわち、ヒータ41aと41bは並列接続されて、一方の端子が電極41cに接続され、他方の端子は共通電極46に接続される。同様に、他の組のヒータ42〜45も、それぞれ一方の端子が電極42c〜45cに接続され、他方の端子は共通電極46に接続される。
このように、ヒータ41〜45が分割されて個別に通電できる構成なので、各ゾーンの状況に応じて独立した温度調整を行うことが出来る。たとえば、レーザ光L1が出射される出射口22aに近いヒータ41aと41bは外部に近いので、外気の温度が低い場合は、ヒータ41aと41bへの電流を大きくして加熱量を増やし、そのゾーンの導波路22を加熱する。また、図面上最下部のヒータ45aと45bは、外気から最も離れているので、ヒータ45aと45bへの電流を小さくして加熱量を減らすなどの制御を行い、状況に応じた精密な温度調整をゾーンごとに実施することが出来る。
なお、ヒータの分割数は、図6においては5組としているが、限定されるものではなく、分割数は状況に応じて任意に設定することが出来る。また、図6において、19a〜19fは、シリコン基板10に形成される溝部であるが、この説明は後述する。
また、図6で説明した分割型ヒータ構造は、後述する実施形態2−5でも同様に適用可能である。
[第1の実施形態のシリコン基板のヒータの内部構造の説明:図7]
次に、第1の実施形態のシリコン基板10上に形成されるヒータの内部構造の一例を図7を用いて説明する。図7は、前述の図6で示したシリコン基板10と波長変換素子20を矢印Cの方向から見たヒータ45b周辺の拡大側面図である。なお、図7ではヒータの内部構造を分割のヒータ45bを例として説明するが、他の分割ヒータや図2で示したヒータ40a、40bについても同様な構造を有している。
図7において、ヒータ45bはシリコン基板10の表面近傍に形成される。すなわち、シリコン基板10の表面には、まず、絶縁膜11が形成される。次に、この絶縁膜11の表面にヒータ45bが形成され、このヒータ45bは絶縁膜12によって覆われる。ヒータ45bの両端には、外部と接続するための電極45cと共通電極46が形成されて、ヒ
ータ45bと電気的に接続される。そして、絶縁膜12の上には、ヒータ45bを保護するための保護膜13が形成される。
絶縁膜11、12や保護膜13は、酸化シリコンやシリコンガラスなどの材料が使用される。また、ヒータ45bとしては、半導体プロセスで作ることが出来る拡散抵抗、多結晶シリコン抵抗、金属配線による抵抗などが使用される。金属配線は、Al、SiドープAl、Si−CuドープAlなどが用いられる。
ここで、電極45cと共通電極46間に所定の電圧を印加すると、ヒータ45bに電流が流れてジュール熱が発生し、ヒータ45bの周辺部が加熱される。ここで、図示するように、ヒータ45bの上方にマイクロバンプ30bが配置されているので、ヒータ45bからの熱は、マイクロバンプ30bに効率よく伝達されて、波長変換素子20を加熱することが出来る。このように、ヒータ45bは、シリコン基板10の表面のどこにでも、半導体プロセスで形成できるので、省スペースであると共に、加熱したい目的箇所の直下に配置できるので、効率的な加熱が可能である。
なお、図4〜図7で示したマイクロバンプの構造、波長変換素子の詳細な構造、分割型ヒータ、及び、ヒータの内部構造は、第1の実施形態だけではなく、後述する第2〜第5の実施形態の光デバイスのすべてに適応することが出来る。
[第1の実施形態における加熱シミュレーションの説明]
次に、本発明者は本発明の効果を明らかにするために、第1の実施形態に基づいたヒータによる加熱シミュレーションを実施したので、その結果を説明する。シミュレーションの条件として、図1で示す光デバイス1の導波路22を中心として図面上の右半分の波長変換素子20、シリコン基板10、マイクロバンプ30b、ヒータ40bを用いてシミュレーションを行った。
各要素の条件は、波長変換素子20は材質:LiNbO3(MgO Dope)、熱伝導率:3.9W/(m・K)。リッジ形状:深さ2μm、幅8μm。導波路22の形状:2μm×2μm。マイクロバンプ30bは、材質:Au、形状:直径5μm、熱伝導率:398W/(m・K)。シリコン基板10は、熱伝導率:163W/(m・K)。ヒータ40bは、サイズ:20μm×0.5μm×10μm、発熱量:5mW。
上記の条件によるシミュレーション結果としては、ヒータ40bによる加熱によって、導波路22周辺は、31〜32℃の温度に加熱される結果を得ることが出来た。これにより、Auのマイクロバンプ30a、30bを介して、ヒータ40a、40bの熱は、効率よく波長変換素子20の導波路22周辺に伝達されることが理解できる。
なお、図1では、ヒータ40a、40bがマイクロバンプ30a、30bの下方に形成される例を示したが、これとは別に、ヒータ40a、40bとマイクロバンプ30a、30bとがずれて形成されても良い。以下の実施形態2−5でも同様に、ヒータ40a、40bとマイクロバンプ30a、30bとがずれて形成されても良い。
[第2の実施形態の構成の概略説明:図8]
次に、第2の実施形態の光デバイスの構成の概略を図8を用いて説明する。なお、第2の実施形態の光デバイスの基本構造は第1の実施形態の光デバイス1と同様であるので、同一要素には同一番号を付し重複する説明は一部省略するが、第2の実施形態の波長変換素子については、導波路を形成する方式が第1の実施形態と異なるので符号を変えて説明する。
図8は前述の図3で示した光デバイス1を切断線A−A´での断面を模式的に示した第2の実施形態の断面図であり、金属部材4は省略している。また、第2の実施形態の上面図は、第1の実施形態の上面図である図2と同様であるので、図示は省略する。
図8において、第2の実施形態の光デバイス1の波長変換素子50は、主成分がLiNbO3であるSHG結晶のプロトン交換型の波長変換素子である。この波長変換素子50の下部の略中央には、プロトン交換法によって導波路51が形成される。この導波路51は、前述したように、半導体レーザ3(図3参照)からの基本波を入射して、高調波に変換して出射する機能を備えている。また、波長変換素子50の下部平面の導波路51の下方以外の領域、すなわち、図面上、導波路51の下方左右の領域には、導波路51を挟むようにして、それぞれAu薄膜23a、23bが形成されている。
また、シリコン基板10の上部の前述した波長変換素子50のAu薄膜23a、23bに対向する位置には、Auで成るマイクロバンプ30a、30bがそれぞれ形成される。これにより、シリコン基板10のマイクロバンプ30a、30bと、波長変換素子50の下部のAu膜23a、23bが常温活性化接合してシリコン基板10と波長変換素子50は接合される。これにより、導波路51がシリコン基板10に近接した状態で波長変換素子50は、シリコン基板10に搭載される。
また、マイクロバンプ30a、30bのそれぞれの直下に位置するシリコン基板10の表面近傍には、波長変換素子50の温度調整を行うヒータ40a、40bが、導波路51を挟むようにして2列配置される。すなわち、第1の実施形態と同様に、ヒータ40a、40bの上方に近接して、それぞれマイクロバンプ30a、30bが形成されるので、ヒータ40a、40bとマイクロバンプ30a、30bは、波長変換素子50の導波路51の近傍に配置されることになる。
この構造によって、ヒータ40a、40bが通電されることで発生する熱は、マイクロバンプ30a、30bを介して、矢印B3で示すルートで波長変換素子50の導波路51近傍に伝達され、導波路51を効率よく加熱し温度調整することが出来る。また図示しないが、波長変換素子50が前述の第1の実施形態と同様に積層構造を有していれば、ヒータ40a、40bからの熱は、波長変換層だけを効率よく加熱することが出来る。
このように、第2の実施形態は、波長変換素子50がプロトン交換法によって導波路51を形成しているが、第1の実施形態と同様に、導波路51を挟んで2列のヒータ40a、40bを設けており、このヒータ40a、40bに近接した上方にAuのマイクロバンプ30a、30bを配置しているので、ヒータ40a、40bが発生する熱をマイクロバンプ30a、30bを介して効率良く導波路51に伝達し温度調整を行うことが出来る。また、導波路51の直下には、マイクロバンプ30a、30bとヒータ40a、40bを配置せず、導波路51の下方以外の領域に配置しているので、第1の実施形態と同様に、導波路51にマイクロバンプが接触するなどして生じる導波路の性能低下を防止することが出来る。
参考形態 の構成の概略説明:図9]
次に、参考形態の光デバイスの構成の概略を図9を用いて説明する。なお、参考形態の光デバイスの基本構造は第1の実施形態と同様であるので、同一要素には同一番号を付し重複する説明は一部省略するが、参考形態の波長変換素子については、導波路を形成する方式が第1の実施形態と異なるので符号を変えて説明する。
図9(a)は第1の実施形態と同様に、前述の図3の光デバイス1を切断線A−A´での断面を模式的に示した参考形態の断面図であり、金属部材4は省略している。また、図9(b)は、図3の光デバイス1を模式的に示した参考形態の上面図であり、半導体レーザと電極類は省略している。なお、図9(b)は各要素の位置関係が明確になるように透視図として記述している。
図9(a)において、参考形態の光デバイス1の波長変換素子60は、主成分がLiNbO3であるSHG結晶の導波路埋め込み型の波長変換素子である。この波長変換素子60は、第1に実施形態で示したリッジ型の波長変換素子20(図1参照)の下部に、図示しないが所定の厚みのクラッド層を形成して製造することが出来る。これにより、導波路61は、波長変換素子60の内部に埋め込まれて形成される。また、波長変換素子60の下部平面全体に、Au薄膜23が形成される。
また、シリコン基板10の上部の前述した波長変換素子60のAu薄膜23に対向する位置には、Auで成るマイクロバンプ30が形成される。これにより、シリコン基板10上のマイクロバンプ30と、波長変換素子60の下部のAu薄膜23が常温活性化接合してシリコン基板10と波長変換素子60は接合される。ここで、前述したように、導波路61は、波長変換素子60の内部に埋め込まれているので、Au薄膜23とマイクロバンプ30が波長変換素子60の下部全面を覆って、導波路61の直下にAu薄膜23とマイクロバンプ30が形成されても、導波路61は金属膜に直接接触することがないので、導波路61の性能が低下する心配はない。
また、マイクロバンプ30の直下に位置するシリコン基板10の表面近傍には、波長変換素子60の温度調整を行うヒータ40が1列配置される。このヒータ40は、マイクロバンプ30に近接し、また、波長変換素子60に埋め込まれた導波路61の真下に位置するように配置される。すなわち、ヒータ40とマイクロバンプ30は、波長変換素子60の導波路61の直下に近接して配置されることになる。
この構造によって、ヒータ40が通電されることで発生する熱は、マイクロバンプ30を介して、矢印B4で示すルートで波長変換素子60の導波路61に伝達され、導波路61を効率よく加熱し温度調整することが出来る。
すなわち、参考形態の波長変換素子60は、導波路61が内部に埋め込まれているので、波長変換素子60とシリコン基板10を接合するマイクロバンプ30は、導波路61を避けて配置する必要がなく、導波路61の直下にマイクロバンプ30を形成することが出来る。そして、シリコン基板10のヒータ40は、マイクロバンプ30に近接して導波路61の直下に配置出来るので、ヒータ40からの熱は、最短ルート(矢印B4)で導波路61に達することができ、効率よく導波路61の加熱を実現することが出来る。
次に図9(b)の上面図によって、波長変換素子60の導波路61と、シリコン基板10のヒータ40の位置関係を説明する。図9(b)において、導波路61は、波長変換素子60の長手方向の一方の端部から他方の端部まで形成され、図面において導波路61の右端の出射口61aから、高調波のレーザ光L1が出射される。
また、ヒータ40は、導波路61の直下に導波路61の長手方向に沿って形成される。これにより、ヒータ40によって導波路61の全体が均一に加熱されて温度調整することが出来る。また、ヒータ40には配線パターンや電極が接続されるが、第1の実施形態(
図2)と同様であるので、図示は省略する。なお、本参考形態では、ヒータ40は1列であるが、これは、ヒータ40を導波路61の直下に配置できるので、1列のヒータ構成で十分に導波路61を加熱出来るからである。また、ヒータ40は、前述の図6のような分割型のヒータでもよい。
このように、参考形態の光デバイス1は、埋め込み型の波長変換素子60を用いることで、導波路61の直下にマイクロバンプ30とヒータ40を配置しているので、ヒータ40からの熱を最短ルートでマイクロバンプ30を介して効率良く伝達し、導波路61の温度調整を行うことが出来る。また、導波路61は、波長変換素子60の内部に埋め込まれているので、マイクロバンプ30が導波路61の直下に位置しても、導波路61とAu薄膜23及びマイクロバンプ30が接触しないので、導波路61の性能を低下させることがなく、高性能の光デバイスを提供することが出来る。
[第4の実施形態の構成の概略説明:図10]
次に、第4の実施形態の光デバイスの構成の概略を図10を用いて説明する。なお、第4の実施形態の光デバイスの基本構造は第1の実施形態と同様であるので、同一要素には同一番号を付し重複する説明は一部省略する。図10(a)は第1の実施形態と同様に、図3の光デバイス1を切断線A−A´での断面を模式的に示した第4の実施形態の断面図であり、金属部材4は省略している。また、図10(b)は、図3の光デバイス1を模式的に示した第4の実施形態の上面図であり、半導体レーザと電極類は省略している。なお、図10(b)は各要素の位置関係が明確になるように透視図として記述している。
図10(a)において、波長変換素子20は、第1の実施形態(図1参照)と同様に、リッジ型構造の波長変換素子である。波長変換素子20の下部には、二つの凹部21a、21bが形成され、その凹部21a、21bの間の凸部21cに導波路22が形成される。また、波長変換素子20の下部の凹部21a、21b以外の二つの平面部20a、20bは、Au薄膜23a、23bが形成されている。
また、シリコン基板10の上部の前述した波長変換素子20の平面部20a、20bに対向する位置には、Auで成るマイクロバンプ30a、30bがそれぞれ形成される。これにより、シリコン基板10のマイクロバンプ30a、30bと、波長変換素子20の下部のAu膜23a、23bが常温活性化接合してシリコン基板10と波長変換素子20は接合される。
また、マイクロバンプ30a、30bのそれぞれの直下に位置するシリコン基板10の表面近傍には、波長変換素子20の温度調整を行うヒータ40a、40bが形成される。
すなわち、ヒータ40a、40bの上方に近接して、それぞれマイクロバンプ30a、30bが形成され、これによって、ヒータ40a、40bとマイクロバンプ30a、30bは、波長変換素子20の導波路22の近傍に配置されることになる。
また、ヒータ40a、40bのそれぞれの外側のシリコン基板10の表面に、溝部19aと19bが形成される。すなわち、ヒータ40aの外側領域に、ヒータ40aに沿って溝部19aが形成され、また、ヒータ40bの外側領域に、ヒータ40bに沿って溝部19bが形成される。溝部19a、19bは、一例として幅が約30μmであり、深さが約200μmである。この溝部19a、19bは、ヒータ40a、40bが設けられた領域と、他の領域との熱の伝導(拡散)を防ぐ目的で形成される。
図10(b)の上面図は、導波路22とヒータ40a、40bと溝部19a、19bの位置関係を明確に示している。すなわち、図10(b)において、波長変換素子20の導波路22は、波長変換素子20の長手方向の一方の端部から他方の端部まで形成され、図面において導波路22の右端の出射口22aから、高調波のレーザ光L1が出射される。また、2列のヒータ40a、40bは、導波路22の近傍に導波路22を挟むように、導
波路22の両側に沿って形成される。また、2列の溝部19a、19bは、2列のヒータ40a、40bの外側に近接して、ヒータ40a、40bを挟むように長手方向に沿って形成される。
この構造によって、ヒータ40a、40bからの熱は、近接して形成されている溝部19a、19bによって拡散が妨げられるので(図10(a)の破線矢印B6方向)、加熱の目的部位である導波路22近傍に集中して伝達される(図10(a)の実線矢印B5方向)。
[第4の実施形態における加熱シミュレーションの説明]
次に、第4の実施形態の特徴であるシリコン基板10に形成される溝部の効果を明らかにするために、第4の実施形態に基づいたヒータによる加熱シミュレーションの結果を説明する。シミュレーションの条件としては、前述の第1の実施形態に基づいたシミュレーションの条件と同一であるが、第4の実施形態におけるシミュレーションとして、シリコン基板10に、幅30μm、深さ200μmの溝部19b(図10(a)参照)が形成されている条件を付加してシミュレーションを実施した。
上記の条件による第4の実施形態におけるシミュレーション結果としては、ヒータ40bによる加熱によって、導波路22付近は、41〜43℃程度の温度に加熱される結果を得ることが出来た。これにより、第1の実施形態(溝部なし)のシミュレーション結果よりも、第4の実施形態(溝部あり)のシミュレーション結果の方が、導波路22付近の温度は約10℃上昇することになる。この結果、第4の実施形態に設けられるシリコン基板10の溝部19a、19bは、ヒータからの発熱の拡散防止に大きな効果があることを確認することが出来た。
このように、第4の実施形態は、シリコン基板10上に、ヒータが設けられた領域と、他の領域との熱の伝導を防ぐ目的で溝部19a、19bが形成されているので、ヒータ40a、40bからの発熱が拡散することを防いで、効率よく導波路22の温度調整を行うことが出来る。また、ヒータ40a、40bからの発熱がシリコン基板10に拡散し難いので、ヒータの熱がシリコン基板10上に形成される半導体回路(図示せず)に悪影響を及ぼすことを防ぐことが出来る。なお、溝部はシリコン基板10の一部を貫通する貫通部であっても良い。
なお、前述の図6で示したように、導波路22を温度調整するヒータが分割型である場合は、一方のヒータ41a〜45a側の溝部は、図示するように、ヒータ41a〜45aに沿って連続した溝部19aを形成し、他方のヒータ41b〜45b側の溝部は、配線パターンを避けて、図示するように分割した溝部19b〜19fを形成すると良い。
[第5の実施形態の構成の概略説明:図11]
次に、第5の実施形態の光デバイスの構成の概略を図11を用いて説明する。なお、第5の実施形態の光デバイスの基本構造は第1の実施形態と同様であるので、同一要素には同一番号を付し重複する説明は一部省略する。図11は第1の実施形態と同様に、図3の光デバイス1を切断線A−A´での断面を模式的に示した第5の実施形態の断面図であり、金属部材4は省略している。また、本実施形態の上面図は、第4の実施形態の上面図(図10(b)参照)と同様であるので図示は省略する。
図11において、波長変換素子20は、第1の実施形態(図1参照)と同様に、リッジ型構造の波長変換素子である。波長変換素子20の下部には、導波路22が形成される。また、波長変換素子20の下部の二つの平面部20a、20bは、Au薄膜23a、23
bが形成されている。
また、シリコン基板10の上部の前述した波長変換素子20の平面部20a、20bに対向する位置には、Auで成るマイクロバンプ30a、30bがそれぞれ形成される。これにより、シリコン基板10のマイクロバンプ30a、30bと、波長変換素子20の下部のAu膜23a、23bが常温活性化接合してシリコン基板10と波長変換素子20は接合される。
また、マイクロバンプ30a、30bのそれぞれの直下に位置するシリコン基板10の表面近傍には、波長変換素子20の温度調整を行うヒータ40a、40bが形成される。
すなわち、ヒータ40a、40bの上方に近接して、それぞれマイクロバンプ30a、30bが形成され、これによって、ヒータ40a、40bとマイクロバンプ30a、30bは、波長変換素子20の導波路22の近傍に配置されることになる。
また、ヒータ40a、40bのそれぞれの外側のシリコン基板10の表面に、第4の実施形態と同様に溝部19aと19bが形成される。すなわち、ヒータ40aの外側領域に、ヒータ40aに沿って溝部19aが形成され、また、ヒータ40bの外側領域に、ヒータ40bに沿って溝部19bが形成される。
また、シリコン基板10の2列の溝部19a、19bにほぼ対向する位置の波長変換素子20の下部にも、二つの溝部28a、28bが形成されている。すなわち、波長変換素子20の溝部28a、28bは、シリコン基板10の溝部19a、19bと同様に、ヒータが設けられた領域と、他の領域との熱の伝導を防ぐために、ヒータ40a、40bの長手方向に沿って形成されている。これにより、シリコン基板10の溝部19a、19bと、波長変換素子20の溝部28a、28bは、それぞれ対向して形成され、また、各溝部が形成される領域には、マイクロバンプ30a、30bは形成されない。
この構造によって、ヒータ40a、40bからの熱は、波長変換素子20の領域での拡散が抑制されるので(破線矢印B7方向)、加熱の目的部位である導波路22近傍にさらに集中して伝達される(実線矢印B8方向)。
このように、第5の実施形態は、シリコン基板10と波長変換素子20の両方に、ヒータが設けられた領域と、他の領域との熱の伝導を防ぐ目的で溝部が形成されているので、ヒータからの発熱が拡散することを防いで、効率よく波長変換素子20の導波路22の温度調整を行うことが出来る。なお、溝部28a、28bは波長変換素子20の一部を貫通する貫通部であっても良い。
また、第4と第5の実施形態はリッジ型の波長変換素子であるが、溝部を有する光デバイスはこれに限定されず、第2の実施形態(プロトン交換型の波長変換素子)や、第3の実施形態(導波路埋め込み型の波長変換素子)の光デバイスに、同様な溝部を形成して熱の伝導を防ぐようにして良い。
本発明の光デバイスは、青色、緑色などの短波長レーザ光源として、レーザ・プロジェクタや高密度光記憶装置などの分野で幅広く利用することが出来る。
1 光デバイス
3 半導体レーザ
4 金属部材
10 シリコン基板
11、12 絶縁膜
13 保護膜
19a〜19f、28a、28b 溝部
20、50、60 波長変換素子
20a、20b 平面部
21a、21b 凹部
21c 凸部
22、51、61 導波路
22a、61a 出射口
23、23a、23b Au薄膜
24 波長変換層
25 クラッド層
26 透明電極膜層
27 ベース基板
30、30a、30b マイクロバンプ
40、40a、40b、41a〜45a、41b〜45b ヒータ
40c、40d 配線パターン
40e、40f、41c〜45c 電極
46 共通電極
L1 レーザ光

Claims (6)

  1. 基板上に導波路を有する波長変換素子が搭載された光デバイスにおいて、
    前記基板上に形成されたヒータと、
    Auからなり、前記基板と前記波長変換素子とを接合するとともに、前記ヒータで発生した熱を前記波長変換素子に伝えるマイクロバンプと、を備え、
    前記波長変換素子は、前記導波路が前記基板と空気層を介した状態で、前記基板に搭載された
    ことを特徴とする光デバイス。
  2. 前記ヒータの上方に前記マイクロバンプを形成した
    ことを特徴とする請求項1に記載の光デバイス。
  3. 前記マイクロバンプは、前記導波路の下方以外の領域に形成された
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の光デバイス。
  4. 前記ヒータは、前記導波路の下方以外の領域に形成された
    ことを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載の光デバイス。
  5. 前記ヒータが設けられた領域と他の領域との熱の伝導を防ぐ溝部または貫通部を前記基板に設けた
    ことを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載の光デバイス。
  6. 前記ヒータが設けられた領域と他の領域との熱の伝導を防ぐ溝部または貫通部を前記波長変換素子に設けた
    ことを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載の光デバイス。
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