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。
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。
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。
［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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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３のいずれか一項に記載の光デバイス。 - 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４のいずれか一項に記載の光デバイス。 - 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５のいずれか一項に記載の光デバイス。
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