JP6379703B2 - 光導波路型偏光子 - Google Patents

Description

本発明は、光通信、光計測分野において用いられる光導波路型偏光子に関し、特に、リッジ構造を有する光導波路型偏光子に関する。

インターネットの普及に伴い通信量は飛躍的に増大しており、光ファイバ通信の重要性が非常に高まっている。光ファイバ通信は、電気信号を光信号に変換し、光信号を光ファイバにより伝送するものであり、広帯域、低損失、ノイズに強いという特徴を有する。

電気信号を光信号に変換する方式としては、半導体レーザによる直接変調方式と光変調器を用いた外部変調方式が知られている。直接変調は光変調器が不要で低コストであるが、高速変調には限界があり、高速で長距離の用途では外部光変調方式が使われている。

光変調器としては、ニオブ酸リチウム単結晶基板の表面付近にＴｉ（チタン）拡散により光導波路を形成した光変調器が実用化されている。４０Ｇｂ／ｓ以上の高速の光変調器が商用化されているが、全長が１０ｃｍ前後と長いことが大きな欠点になっている。

これに対して、特許文献１では、サファイア単結晶基板上にエピタキシャル成長によりｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜を形成し、そのニオブ酸リチウム膜を光導波路として用いたマッハツェンダ型光変調器が開示されている。

ｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜を用いたマッハツェンダ型光変調器にあっては、基板面に対して垂直な偏波面を有するＴＭモードの光についての単位電界当たりの位相変化が最も大きいので、ＴＭモードを用いるのが一般的である。この場合、ＴＥモードについての単位電界当たりの位相変化はＴＭモードに対するそれよりも小さいので、入射光にＴＥモードの光の成分が含まれていると所要の変調動作がなされなくなる。具体的には光強度変調において出力光をオン・オフする場合に、オフとなるべきときにＴＥモードが漏れ出して消光比が著しく低下する。

上記問題を解決するため、特許文献２には光変調器の前段に光導波路型偏光子を設けた構成が開示されている。光導波路型偏光子は、ＺカットＬｉＮｂＯ_３からなる導波路基板にＴｉを熱拡散させて光導波路を形成し、この光導波路の両側に金属層を形成したものである。光導波路型偏光子にＴＥモード成分およびＴＭモード成分を入射したとき、金属層の複素屈折率によってＴＥモードに対する光吸収作用が生じ、出力光はＴＭモードのみとなるので、光変調器の前段においてＴＥモードを除去することができる。したがって、光変調器の消光比を高めることができる。

特開２００６−１９５３８３号公報 特開平４−１５６４２３号公報

しかしながら、特許文献２に記載された従来の光導波路型偏光子は、光導波路をＴｉの熱拡散により形成する必要があり、また偏光子としての機能を持たせるために埋め込み型の光導波路の両側に金属膜を埋め込む必要があり、加工が面倒である。

また、特許文献１で示されている埋め込み型の光導波路においてシングルモードの条件を満足するためには、非常に微細な導波路にする必要があり、作製が困難である。例えば、波長１５５０ｎｍにおいてシングルモード条件を満足する光導波路のサイズは、高さが１μｍの場合、幅を１μｍ以下と大変狭くしなければならない。

そこで、本発明者は、埋め込み型ではなく、作製が容易なリッジ型光導波路について検討を進めた。そして、リッジ型光導波路に偏光子機能を持たせるために、側面に金属膜を配置して偏光子特性を評価したところ、十分な特性が得られないという課題が見つかった。

本発明は、上記の点を考慮してなされたもので、リッジ型光導波路において、ＴＭモードを透過させ、ＴＥモードを消光することが可能な高特性の偏光子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明による光導波路型偏光子は、基板と、前記基板上に形成された導波層とを備え、前記導波層は、断面がリッジ形状を有するリッジ部からなる導波路を有し、前記リッジ部は、第１のリッジ幅および第１の厚さを有する第１の部分と、前記第１のリッジ幅よりも広く前記基板の幅よりも狭い第２のリッジ幅および第２の厚さを有する第２の部分との組み合わせからなり、前記第２の部分の上面に前記第１の部分が形成された２段のリッジ構造であり、前記第２の部分の側面に光吸収膜が形成されており、前記第２の部分の上面および前記第１の部分の上面および側面に前記光吸収膜が形成されていないことを特徴とする。

本発明によれば、リッジ型光導波路を用いて構成され、ＴＭモードを透過し、ＴＥモードを消光する高性能な偏光子を提供することができる。特に、本発明による偏光子は２段のリッジ構造を有することから、ＴＭモードの伝搬損失が低く、実質的にシングルモードで動作する２段リッジ構造の光導波路と連続的に形成された偏光子を容易に製造することができる。

本発明において、前記導波層は、前記導波路の形成領域以外の領域に設けられ、前記第２の厚さよりも薄い第３の厚さを有する第３の部分をさらに有し、前記第３の厚さは、前記リッジ部の最大厚さの０．２倍以下であることが好ましい。この構成によれば、偏光子において、ＴＥモードの所望の光吸収性能を確保することができる。

本発明による光導波路型偏光子は、前記第２の部分の上面および前記第１の部分の上面および側面を覆う誘電体層をさらに有することが好ましい。この構成によれば、リッジ部の形成工程で用いた第２のリッジ幅のマスクをそのまま誘電体層として用いることができ、このようにすることで第２の部分の上面への光吸収膜の付着を確実に防止することができる。したがって、高性能な偏光子を確実に提供することができる。

本発明において、前記導波層は、ニオブ酸リチウム膜からなることが好ましく、前記ニオブ酸リチウム膜のｃ軸は基板面に対して垂直に配向されていることが好ましい。この構成によれば、ＴＥモードを消光し、ＴＭモードの光を導波させることができる。

本発明によれば、リッジ型光導波路において、ＴＭモードを透過、ＴＥモードを消光する、高特性の偏光子を提供できる。

本発明の第１の実施形態による光導波路型偏光子の平面図である。 本発明の第１の実施形態による光導波路型偏光子の断面図である。 本発明の第２の実施形態による光導波路型偏光子の断面図である。 本発明の第３の実施形態による光導波路型偏光子の断面図である。 比較例による光導波路型偏光子の断面図である。 ＴＭモードおよびＴＥモードの伝搬損失の計算結果を示すグラフである。 ＴＥ損失／ＴＭ損失の計算結果を示すグラフである。 ＴＥ損失／ＴＭ損失の計算結果を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明の対象は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれると共に、その構成要素は、適宜組み合わせることが可能である。また説明図は模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係は、本実施形態の効果が得られる範囲内で実際の構造とは異なっていても良いこととする。

図１は、第１の実施形態による光導波路型偏光子１００の構成を示す平面図である。光導波路型偏光子１００は光導波路１０を有し、入力側１１から入射した光は光導波路１０を伝搬した後、出力側１２から出射する。その際、ＴＭモードの光は透過し、ＴＥモードの光は消光するので、出力側１２からはＴＭモードの光だけが得られる。

図２は、図１に示した光導波路型偏光子１００のＡ−Ａ´線の断面図である。光導波路型偏光子１００は、基板１と、基板１上に形成された導波層２とを備え、導波層２は断面がリッジ形状（凸形状）を有するリッジ部３からなる光導波路１０を有している。リッジ部３は、リッジ幅Ｗ１および厚さＴ１を有する導波層２の第１の部分２Ａと、第１の部分２Ａの下方に配置されリッジ幅Ｗ２および厚さＴ２を有する導波層２の第２の部分２Ｂとの組み合わせからなる２段のリッジ構造となっている。ここで、基板１の幅をＷ０とするとき、Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ０である。

第２の部分２Ｂの側面には光吸収膜４が形成されている。光吸収膜４としては、光吸収性の高い材料であればよく、金属材料を用いることができるが、光変調器の電極材料として好適な材料を用いることが好ましく、金（Ａｕ）を用いることが特に好ましい。本実施形態において、光吸収膜４はリッジ部３の両側の基板１の露出面にも形成されているが、この部分の光吸収膜４は必ずしも必要ではない。少なくとも導波層２の第２の部分２Ｂの側面に光吸収膜４が設けられていることにより、ＴＥモードの光を消光することができる。

光吸収膜４は導波層２の第２の部分２Ｂの上面および第１の部分２Ａの上面および側面には形成されていない。本実施形態において、導波層２の第２の部分２Ｂの上面および第１の部分２Ａの上面および側面は、光吸収膜４に覆われていない露出面である。

導波層２はＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＩｎＰ、Ｓｉ、誘電膜、ポリマーなど屈折率が基板より大きければ限定されない。特にニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）薄膜からなることが好ましい。ニオブ酸リチウムは大きな電気光学定数を有し、光変調器等の光学デバイスの構成材料として好適だからである。以下、導波層２をニオブ酸リチウム膜とした場合の本発明の構成について詳しく説明する。

基板１としてはニオブ酸リチウム膜より屈折率が低いものであれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル膜として形成させることができる基板が好ましく、サファイア単結晶基板もしくはシリコン単結晶基板が好ましい。単結晶基板の結晶方位は特に限定されない。ニオブ酸リチウム膜はさまざまな結晶方位の単結晶基板に対して、ｃ軸配向のエピタキシャル膜として形成されやすいという性質を持っている。ｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜は３回対称の対称性を有しているので、下地の単結晶基板も同じ対称性を有していることが望ましく、サファイア単結晶基板の場合はｃ面、シリコン単結晶基板の場合は（１１１）面の基板が好ましい。

ここで、エピタキシャル膜とは、下地の基板もしくは下地膜の結晶方位に対して、そろって配向している膜のことである。膜面内をＸ−Ｙ面とし、膜厚方向をＺ軸としたとき、結晶がＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向にともにそろって配向しているものである。例えば、第１に２θ−θＸ線回折による配向位置でのピーク強度の確認と、第２に極点の確認を行うことで、エピタキシャル膜を証明できる。

具体的には、第１に２θ−θＸ線回折による測定を行ったとき、目的とする面以外の全てのピーク強度が目的とする面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である必要がある。例えば、ニオブ酸リチウムのｃ軸配向エピタキシャル膜では、（００Ｌ）面以外のピーク強度が、（００Ｌ）面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である。（００Ｌ）は、（００１）や（００２）などの等価な面を総称する表示である。

第２に、極点測定において、極点が見えることが必要である。前述の第１の配向位置でのピーク強度の確認の条件においては、一方向における配向性を示しているのみであり、前述の第１の条件を得たとしても、面内において結晶配向がそろっていない場合には、特定角度位置でＸ線の強度が高まることはなく、極点は見られない。ＬｉＮｂＯ_３は三方晶系の結晶構造であるため、単結晶におけるＬｉＮｂＯ_３（０１４）の極点は３つとなる。ニオブ酸リチウム膜の場合、ｃ軸を中心に１８０°回転させた結晶が対称的に結合した、いわゆる双晶の状態にてエピタキシャル成長することが知られている。この場合、３つの極点が対称的に２つ結合した状態になるため、極点は６つとなる。また、（１００）面のシリコン単結晶基板上にニオブ酸リチウム膜を形成した場合は、基板が４回対称となっているため、４ｘ３＝１２個の極点が観測される。なお、本発明では、双晶の状態にてエピタキシャル成長したニオブ酸リチウム膜もエピタキシャル膜に含める。

ニオブ酸リチウム膜の組成はＬｉｘＮｂＡｙＯｚである。Ａは、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｏ以外の元素を表している。ｘは０．５〜１．２であり、好ましくは、０．９〜１．０５である。ｙは、０〜０．５である。ｚは１．５〜４であり、好ましくは２．５〜３．５である。Ａの元素としては、Ｋ、Ｎａ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｃｅなどがあり、２種類以上の組み合わせでも良い。

ニオブ酸リチウム膜の膜厚は２μｍ以下であることが望ましい。これ以上、膜厚が厚くなると、高品質な膜を形成するのが困難になるからである。ニオブ酸リチウム膜の膜厚が薄すぎる場合は、ニオブ酸リチウム膜における光の閉じ込めが弱くなり、基板やバッファ層に光が漏れて導波することになる。ニオブ酸リチウム膜に電界を印加しても、光導波路（１ａ、１ｂ）の実効屈折率の変化が小さくなるおそれがある。そのため、ニオブ酸リチウム膜は、使用する光の波長の１／１０程度以上の膜厚が望ましい。

ニオブ酸リチウム膜の形成方法としては、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などの膜形成方法を利用するのが望ましい。ｃ軸が単結晶基板の主面に垂直に配向されており、ｃ軸に平行に電界を印加することで、電界に比例して光学屈折率が変化する。単結晶基板としてサファイアを用いる場合は、サファイア単結晶基板上に直接、ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル成長できる。単結晶基板としてシリコンを用いる場合は、クラッド層（図示せず）を介して、ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル成長により形成する。クラッド層（図示せず）としては、ニオブ酸リチウム膜より屈折率が低く、エピタキシャル成長に適したものを用いる。例えば、クラッド層（図示せず）としてＹ_２Ｏ_３を用いると、高品質のニオブ酸リチウム膜を形成できる。

なお、ニオブ酸リチウム膜の形成方法として、ニオブ酸リチウム単結晶基板を薄く研磨する方法もある。この方法は、成膜による工法に比べ量産性には劣るが、単結晶と同じ特性が得られるという利点がある。

リッジ部３の形状は光を導波可能とする形状であればよく、リッジ部３におけるニオブ酸リチウム膜の膜厚が、光の進行方向と直交する左右のニオブ酸リチウム膜の膜厚より厚ければよい。上に凸の半円形状、三角形状などであっても良い。

以上説明したように、本実施形態による光導波路型偏光子１００は、リッジ部３を構成する導波層２の第２の部分２Ｂの側面に光吸収膜４が形成されており、第２の部分２Ｂの上面、第１の部分２Ａの上面および側面には光吸収膜４が形成されていないので、ＴＭモードを透過し、ＴＥモードを消光する高性能な偏光子を提供することができる。特に、光導本実施形態による光導波路型偏光子１００は２段のリッジ構造を有することから、ＴＭモードの伝搬損失が低く、実質的にシングルモードで動作する２段リッジ構造の光導波路と連続的に形成された偏光子を容易に製造することができる。

図３は、第２の実施形態による光導波路型偏光子２００の構造を示す断面図である。この光導波路型偏光子２００は、光導波路１０の形成領域の外側の領域であって、第２の部分２Ｂに隣接するリッジ部３ではない第３の部分２Ｃを有しており、第３の部分２Ｃの厚さＴ３は第２の部分２Ｂの厚さＴ２よりも薄い。特に限定されないが、第３の部分２Ｃの幅は基板１の幅Ｗ０と等しい。その他の構成は第１の実施形態による光導波路型偏光子１００と同様である。

第３の部分２Ｃの厚さＴ３は、リッジ部２の最大厚さ、すなわち第１の部分２Ａと第２の部分２Ｂの合計厚さＴ１＋Ｔ２の０．２倍以下であることが好ましい。厚さＴ３がリッジ部２の最大厚さの０．２倍よりも厚くなると第２の部分２Ｂの側面に形成されるべき光吸収膜４の面積が小さくなり、光吸収が不十分となり、偏光子としての機能を発揮することができないからである。

以上説明した本実施形態による光導波路型偏光子２００は、第１の実施形態による光導波路型偏光子１００と同様の効果を奏することができる。すなわち、ＴＭモードを透過し、ＴＥモードを消光することができ、ＴＭモードの伝搬損失が低く、実質的にシングルモードで動作する２段リッジ構造の光導波路と連続的に形成することができる高性能な偏光子を提供することができる。

図４は、第３の実施形態による光導波路型偏光子３００の構造を示す断面図である。この光導波路型偏光子３００は、リッジ幅Ｗ２を有する第２の部分２Ｂの上面に誘電体層５を配置した構造となっている。第２の部分２Ｂの上面、第１の部分２Ａの上面および第１の部分２Ａの側面は誘電体層５に覆われており、これらの面には光吸収膜４は形成されていない。その代わりに、誘電体層５の側面および上面は光吸収膜４に覆われている。

誘電体層５には、リッジ部３の形成工程で用いたリッジ幅Ｗ２のマスクをそのまま用いることができる。詳細には、リッジ幅Ｗ１を有する第１のマスクを用いて第１の部分２Ａを加工し、第１のマスクを除去した後、リッジ幅Ｗ２を有する第２のマスクを用いて第２の部分２Ｂを加工する。その後、第２の部分２Ｂの上面全体を覆う第２のマスクをそのまま誘電体層５として用い、その後、全面に光吸収膜４を成膜する。このようにすることで、第２の部分２Ｂの上面への光吸収膜４の付着を確実に防止することができる。

以上説明したように、本実施形態による光導波路型偏光子３００は、誘電体層５が設けられ、これにより第２の部分２Ｂの上面に光吸収膜４が形成されないので、第１の実施形態による発明の効果に加えて、高性能で信頼性の高い偏光子を確実に提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

光導波路型偏光子の導波層２に形成された光吸収膜４と伝搬損失との関係を評価した。図５は、比較例による光導波路型偏光子の断面図である。図５の光導波路型偏光子４００は、導波層２の第２の部分２Ｂの上面にも光吸収膜４が形成されており、この光吸収膜４の長さをｄｘとする。ｄｘ＝０のときの光導波路型偏光子４００は、図２に示した第１の実施形態による光導波路型偏光子１００に相当する。

ここで、基板１はサファイア単結晶、導波層２はｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜、光吸収膜４はＣｒおよびＡｕをこの順で形成した２層の金属膜、第１の部分２Ａの厚さＴ１＝０．４μｍ、第２の部分２Ｂの厚さＴ２＝１．１μｍ、第１の部分２Ａのリッジ幅Ｗ１＝２．５μｍ、第２の部分２Ｂの幅Ｗ２＝４μｍとした。ＴＭモードおよびＴＥモードの伝搬損失を計算した結果を図６に示す。

図６は、導波層２の第２の部分２Ｂの上面に形成された光吸収膜４の長さｄｘと光の伝搬損失との関係を示すグラフである。ｄｘ＝０μｍの場合は、ＴＭモードの伝搬損失は０．７ｄＢ／ｍｍ、ＴＥモードの伝搬損失は３０．４ｄＢ／ｍｍであり、例えば、伝搬路の長さを１ｍｍとするとき、ＴＭモードおよびＴＥモードの損失はそれぞれ０．７ｄＢおよび３０．４ｄＢとなり、偏光子として高特性が得られている。

一方、第２の部分２Ｂの上面に光吸収膜４がある場合は、ＴＭモードの伝搬損失が増加してしまい、偏光子特性が劣化してしまう。具体的には、ｄｘ＝０．１μｍ、０．２μｍ、０．３μｍのときのＴＭモードの伝搬損失はそれぞれ２．２ｄＢ／ｍｍ、１７．０ｄＢ／ｍｍ、７５．８ｄＢ／ｍｍとなり、伝搬損失の増加が著しい。

偏光子においてはＴＥ損失/ＴＭ損失が高いことが重要である。図７は、光吸収膜４の長さｄｘを変化させた場合のＴＥ損失／ＴＭ損失の計算結果を示すグラフである。実施形態に相当するｄｘ＝０μｍのときのＴＥ損失／ＴＭ損失は４４．４と高く、良好な結果となったが、ｄｘの増加とともに急激に劣化してしまうことが分かった。

以上説明したように、リッジ幅Ｗ２の上面に光吸収膜４を配置しないことで高特性の偏光子が得られることが分かった。

次に、図３に示した光導波路型偏光子２００において、導波層２の第３の部分２Ｃの厚さＴ３をパラメータとしたときの伝搬損失を評価した。ここで、基板１はサファイア単結晶、導波層２はｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜、光吸収膜４はＣｒおよびＡｕをこの順で形成した２層の金属膜、第１の部分２Ａの厚さＴ１＝０．４μｍ、第２の部分２Ｂの厚さＴ２＝１．１μｍ、第１の部分２Ａのリッジ幅Ｗ１＝２．５μｍ、第２の部分２Ｂの幅Ｗ２＝４μｍとした。なお第３の部分２Ｃの厚さＴ３＝０のときの光導波路型偏光子３００は、図２に示した第１の実施形態の光導波路型偏光子１００に相当する。

図８は、厚さＴ３を変化させた場合のＴＥ損失/ＴＭ損失の計算結果を示すグラフである。Ｔ３≦０．３μｍでは、ＴＥ損失/ＴＭ損失≧２０であり、良好な結果となった。第１の部分２Ａ及び第２の部分２Ｂの合計厚さＴ１＋Ｔ２は１．５μｍであり、厚さＴ１＋Ｔ２との相対的な関係を考慮すれば、Ｔ３／（Ｔ１＋Ｔ２）≦０．２であることが望ましいと考えられる。

１ 基板
２ 導波層
２Ａ 導波層の第１の部分
２Ｂ 導波層の第２の部分
２Ｃ 導波層の第３の部分
３ リッジ部
４ 光吸収膜
５ 誘電体層
１０ 光導波路
１１ 入力側
１２ 出力側
１００〜４００ 光導波路型偏光子

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板上に形成された導波層とを備え、
   前記導波層は、断面がリッジ形状を有するリッジ部からなる導波路を有し、
   前記リッジ部は、第１のリッジ幅および第１の厚さを有する第１の部分と、前記第１のリッジ幅よりも広く前記基板の幅よりも狭い第２のリッジ幅および第２の厚さを有する第２の部分との組み合わせからなり、前記第２の部分の上面に前記第１の部分が形成された２段のリッジ構造であり、
   前記第２の部分の側面に光吸収膜が形成されており、前記第２の部分の上面および前記第１の部分の上面および側面に前記光吸収膜が形成されていないことを特徴とする光導波路型偏光子。
2. 前記導波層は、
   前記導波路の形成領域以外の領域に設けられ、前記第２の厚さよりも薄い第３の厚さを有する第３の部分をさらに有し、
   前記第３の厚さは、前記リッジ部の最大厚さの０．２倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路型偏光子。
3. 前記第２の部分の上面および前記第１の部分の上面および側面を覆う誘電体層をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路型偏光子。
4. 前記導波層は、ニオブ酸リチウム膜からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光導波路型偏光子。
5. 前記ニオブ酸リチウム膜のｃ軸は基板面に対して垂直に配向されていることを特徴とする請求項４に記載の光導波路型偏光子。