JP7118844B2 - 光変調器、光変調器用基板、光変調器の製造方法及び光変調器用基板の製造方法 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 平成３０年２月２０日 平成２９年度 山梨大学工学部電気電子工学科卒業論文発表会にて発表

本発明は、光変調器、光変調器用基板、光変調器の製造方法及び光変調器用基板の製造方法に関し、例えば、光通信に使用する光変調器、光変調器用基板、光変調器の製造方法及び光変調器用基板の製造方法に関する。

特許文献１には光導波路素子およびこれを用いた光変調器が開示されている。

特開２０１７－１２９８３４号公報

導波路として機能するチタン拡散層は、チタン等の不純物を含んでいるため、不純物による導波光の伝搬損失を抑制することが困難である。また、チタン等の金属を熱拡散させるために、例えば、１０００［℃］以上の高温で、長時間の熱処理を必要とする。そのような高温の熱処理を長時間行うと、導波光の伝搬を損失させるような不純物が導入される恐れもある。

サファイア基板等にニオブ酸リチウム層をエピタキシャル成長させた異種接合構造を有する光変調器は、基板と、ニオブ酸リチウム層との屈折率差が大きい場合には、伝搬損失の低減が困難な場合がある。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

一実施の形態にかかる光変調器は、ベース基板；前記ベース基板上に配置された、電気光学効果を有する導波路基板；前記導波路基板に形成された、光変調を行うための導波路；および前記導波路に電圧を印加するための電極を含む。ここで、前記ベース基板および前記導波路基板は同一の材質からなり、前記導波路は前記導波路基板内に形成され、前記導波路基板の屈折率は前記ベース基板の屈折率よりも大きい。

一実施の形態にかかる光変調器用基板は、第１の基板；前記第１の基板上に配置された、光変調を行うための導波路が形成される、電気光学効果を有する第２の基板を含む。ここで、前記第１および第２の基板は同一の材質からなり、前記第２の基板の屈折率は前記第1の基板の屈折率より大きい。

一実施の形態にかかる光変調器の製造方法は、（ａ）第１の基板上に電気光学効果を有する第２の基板を接合して形成された基板を準備する工程；（ｂ）前記第２の基板に、光変調を行うための導波路となるリッジ構造を形成する工程；および（ｃ）前記リッジ構造上に、前記導波路に対し電圧を印加するための電極を形成する工程を含む。ここで、前記第１および第２の基板は同一の材質からなり、前記第２の基板の屈折率は前記第１の基板の屈折率より大きい。

一実施の形態にかかる光変調器用基板の製造方法は、（ａ）第１の基板を準備する工程；（ｂ）前記第１の基板よりも屈折率が大きく、かつ電気光学効果を有する第２の基板を準備する工程；および（ｃ）前記第１の基板上に前記第２の基板を接合する工程を含む。ここで、前記第１および第２の基板は同一の材質からなり、前記第２の基板内に、光変調を行うための導波路を形成することが可能である。

前記一実施の形態によれば、伝搬損失を低減させることができる光変調器、光変調器用基板、光変調器の製造方法及び光変調器用基板の製造方法を提供する。

実施形態に係る光変調器を例示した斜視図である。 実施形態に係る光変調器を例示した断面図であり、図１のＩＩ－ＩＩ線の断面を示す。 実施形態に係る光変調器用基板を例示した斜視図である。 ニオブ酸リチウム結晶の基板の異常光屈折率ｎ_ｅを例示した図であり、横軸は、結晶カットの角度を示し、縦軸は異常光屈折率ｎ_ｅを示す。 Ｙカットニオブ酸リチウム結晶の基板の電気光学定数を例示したグラフであり、横軸は、Ｚ軸とのなす角度を示し、縦軸は、電気光学定数を示す。 実施形態に係る光変調器において、ベース基板上に配置された導波路基板の屈折率を例示したグラフであり、横軸は、導波路基板の厚さを示し、縦軸は、異常光屈折率ｎ_ｅの実効屈折率を示す。 実施形態に係る光変調器において、ウェハー状の光変調器用基板を例示した上面図である。 実施形態に係る光変調器において、リッジ構造の幅及び厚さに対するカットオフ特性をシミュレーションする場合の解析モデルを例示した図である。 実施形態に係る光変調器において、リッジ構造の幅及び厚さに対するカットオフ特性をシミュレーションにより求めた結果を例示したグラフであり、横軸は、リッジ構造の幅を示し、縦軸は、リッジ構造の厚さを示す。 実施形態に係る光変調器において、リッジ構造の幅及び厚さに対するカットオフ特性をシミュレーションにより求めた結果を例示したグラフであり、横軸は、リッジ構造の幅を示し、縦軸は、リッジ構造の厚さを示す。 実施形態に係る光変調器において、導波光のモード分散曲線をシミュレーションにより求める場合の解析モデルを例示した図である。 実施形態に係る光変調器において、導波光のモード分散曲線を例示したグラフであり、横軸は、導波路の厚さを示し、縦軸は実効屈折率を示す。 実施形態に係る光変調器において、導波光のモード分散曲線を例示したグラフであり、横軸は、導波路の厚さを示し、縦軸は実効屈折率を示す。 （ａ）及び（ｂ）は、実施形態及び変形例に係る光変調器において、スラブ部の厚さと出力光の強度との関係をＢＰＭ解析によりシミュレーションする場合の解析モデルを例示した図である。 実施形態に係る光変調器において、スラブ部の厚さと出力光の強度との関係をシミュレーションした結果を例示したグラフであり、横軸は、スラブ部の厚さを示し、縦軸は、規格化した出力光の強度を示す。 （ａ）～（ｃ）は、実施形態に係る光変調器において、電界分布をシミュレーションした結果を例示した図であり、（ａ）は、スラブ部の厚さが１．０［μｍ］の領域１の場合を示し、（ｂ）は、スラブ部の厚さが３．０［μｍ］の領域２の場合を示し、（ｃ）は、スラブ部の厚さが－１．５［μｍ］の領域３の場合を示す。 実施形態に係る光変調器において、領域１の場合における電界分布のシミュレーション結果を例示した斜視図である。 実施形態に係る光変調器において、光変調器用基板の製造方法を例示したフローチャート図である。 実施形態に係る光変調器において、ベース基板及び導波路基板に用いられる結晶を育成する結晶育成装置を例示した図である。 （ａ）～（ｅ）は、実施形態に係る光変調器において、ベース基板及び導波路基板に用いられる結晶の育成方法を例示した図である。 （ａ）～（ｅ）は、実施形態に係る光変調器において、ベース基板及び導波路基板の加工方法を例示した図である。 実施形態に係る光変調器の製造方法を例示したフローチャート図である。 実施形態に係る光変調器の製造方法を例示した工程図である。

説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

（実施形態）
実施形態に係る光変調器を説明する。まず、光変調器の構成及び各部材を説明する。その後、光変調器の動作を説明し、光変調器に用いられる光変調器用基板の製造方法及び光変調器の製造方法を説明する。

＜光変調器の構成＞
図１は、実施形態に係る光変調器を例示した斜視図である。図２は、実施形態に係る光変調器を例示した断面図であり、図１のＩＩ－ＩＩ線の断面を示す。図３は、実施形態に係る光変調器用基板を例示した斜視図である。図１～図３に示すように、光変調器１は、ベース基板１０、導波路基板２０、電極４０を含んでいる。ベース基板１０及び導波路基板２０を合わせて、光変調器用基板３０という。以下、光変調器１を構成する各部材を説明する。

＜光変調器用基板＞
光変調器用基板３０は、ベース基板１０及びベース基板１０上に配置された導波路基板２０を含んでいる。ベース基板１０は、例えば、矩形の平板状であり、平らな上面１１を有している。導波路基板２０は、例えば、矩形の平板状であり、ベース基板１０の上面１１上に配置されている。導波路基板２０は、上面２１にリッジ構造２４を有している。ベース基板１０と導波路基板２０とは接合している。具体的には、導波路基板２０の下面２２は、ベース基板１０の上面１１に接合されている。例えば、ベース基板１０および導波路基板２０は共有結合することにより接合している。

ベース基板１０および導波路基板２０は同一の材質からなるのが好ましい。例えば、ベース基板１０及び導波路基板２０は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）からなる。なお、ベース基板１０上に導波路基板２０を配置させることができれば、ベース基板１０及び導波路基板２０の形状は、矩形に限らない。また、ベース基板１０及び導波路基板２０の材質は、ニオブ酸リチウムに限らず、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）等でもよい。

ここで、ベース基板１０および導波路基板２０は同一の材質からなるとは、ベース基板１０および導波路基板２０が同一の材質を含み、なおかつ、同一の材質以外の不可避的な他の材質を含んでもよいことを意味する。また、ベース基板１０及び導波路基板２０は、ニオブ酸リチウムからなるとは、ベース基板１０及び導波路基板２０がニオブ酸リチウムを含み、なおかつ、ニオブ酸リチウム以外の不可避的な材質を含んでもよいことを意味する。

＜ニオブ酸リチウム結晶：結晶カット＞
図３に示すように、ベース基板１０及び導波路基板２０がニオブ酸リチウム結晶からなる場合には、ベース基板１０及び導波路基板２０は、所定の結晶カットの角度を有している。ニオブ酸リチウム結晶は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の結晶軸を有している。Ｚ軸が光学軸である。光学軸であるＺ軸と平行な偏光（Ｚ軸と平行に電界振幅を有する光）が感受する異常光屈折率ｎ_ｅは、２．２０２であり、Ｚ軸と直交した偏光（Ｙ軸と平行に電界振幅を有する光）が感受する常光屈折率ｎ_０は、２．２８６である。

Ｙ軸及びＺ軸を含むＹＺ平面内において、＋Ｙ軸とのなす角度θが６４［°］の方向を、６４°Ｙ方向と呼ぶ。なお、角度θは、ＹＺ平面内において、＋Ｘ軸方向に進むネジの回転方向に＋Ｙ軸から計った角度とする。また、６４°Ｙ方向に直交した面が切断面となるように切断したニオブ酸リチウム結晶の基板を６４°ＹＬＮ基板と呼ぶ。すなわち、６４°ＹＬＮ基板の結晶カットの角度は６４［°］であり、６４°ＹＬＮ基板の上面に直交する方向は６４°Ｙ方向である。

同様に、ＹＺ平面内において、＋Ｙ軸とのなす角度θが１２８［°］の方向を、１２８°Ｙ方向と呼び、１２８°Ｙ方向に直交した面が切断面となるように切断したニオブ酸リチウム結晶の基板を１２８°ＹＬＮ基板と呼ぶ。すなわち、１２８°ＹＬＮ基板の結晶カットの角度は１２８［°］であり、１２８°ＹＬＮ基板の上面に直交する方向は、１２８°Ｙ方向である。

さらに言えば、Ｙ軸方向に直交した面が切断面となるように切断したニオブ酸リチウム結晶の基板をＹカットＬＮ基板といい、ＹカットＬＮ基板の上面に直交する方向は、Ｙ軸方向である。Ｚ軸方向に直交した面が切断面となるように切断したニオブ酸リチウム結晶の基板をＺカットＬＮ基板といい、ＺカットＬＮ基板の上面に直交する方向は、Ｚ軸方向である。

図４は、ニオブ酸リチウム結晶の基板の異常光屈折率ｎ_ｅを例示した図であり、横軸は、結晶カットの角度を示し、縦軸は異常光屈折率ｎ_ｅを示す。すなわち、縦軸はその結晶カット基板の上面に直交する方向と平行な偏光が感受する屈折率を示している。図４に示すように、ニオブ酸リチウム結晶の基板の異常光屈折率ｎ_ｅは、結晶カットの角度が０［°］の場合に、２．２８６であり、Ｙ軸の常光屈折率ｎ_０を示す。ニオブ酸リチウム結晶の基板の異常光屈折率ｎ_ｅは、結晶カットの角度が０～９０［°］の間では、角度が大きくなるほど小さくなる。例えば、結晶カットの角度が６４［°］の場合には、異常光屈折率ｎ_ｅは、２．２１８である。なお、異常光屈折率ｎ_ｅを単に、屈折率ともいう。

結晶カットの角度が９０［°］の場合には、異常光屈折率ｎ_ｅは、２．２０２である。ニオブ酸リチウム結晶の基板の屈折率は、結晶カットの角度が９０～１８０［°］の間では、結晶カットの角度が大きくなるほど大きくなる。結晶カットの角度が１２８［°］の場合には、異常光屈折率ｎ_ｅは、２．２３３である。

＜ベース基板：結晶カット及び屈折率＞
本実施形態において、ベース基板１０の結晶カットの角度は、例えば、５７［°］～１２３［°］である。この場合には、異常光屈折率ｎ_ｅは、２．２０２～２．２２６である。ベース基板１０の結晶カットを、このような角度とすることにより、ベース基板１０の屈折率が、導波路基板２０の屈折率よりも大きくならない範囲とすることができる。よって、導波路基板２０に導波光を伝搬させることができる。好ましくは、ベース基板１０の結晶カットの角度は、６４［°］であり、異常光屈折率ｎ_ｅは、２．２１８である。この場合には、ベース基板１０の上面１１は、６４°Ｙ方向に直交している。

＜導波路基板：結晶カット及び屈折率＞
導波路基板２０の結晶カットの角度は、例えば、１２４～１３２［°］である。この場合には、異常光屈折率ｎ_ｅは、２．２２７～２．２３９である。導波路基板２０の結晶カットを、このような角度とすることにより、ベース基板１０の屈折率が導波路基板２０の屈折率よりも大きくならない範囲で、且つ導波路基板２０の電気光学定数が０［°］（Ｚ軸）よりも大きい範囲とすることができる。好ましくは、導波路基板２０の結晶カットの角度は、１２８［°］であり、異常光屈折率ｎ_ｅは、２．２３３である。この場合には、導波路基板２０の上面１１は、１２８°Ｙ方向に直交している。

このように、ベース基板１０および導波路基板２０の結晶カットの角度は異なっている。そして、導波路基板２０の屈折率はベース基板１０の屈折率よりも大きい。

＜導波路基板：電気光学定数＞
導波路基板２０は、電気光学効果を有している。電気光学効果とは、例えば、ポッケルス効果等のように、光が電場および電場の影響を受けている物質と作用する時に発生する現象をいう。例えば、導波路基板２０に対して電場をかけると、導波路基板２０の屈折率が変化すること等である。

図５は、Ｙカットニオブ酸リチウム結晶の基板の電気光学定数を例示したグラフであり、横軸は、Ｚ軸とのなす角度を示し、縦軸は、電気光学定数を示す。一般的に、非線形光学部材の電気光学定数は、結晶の方位によって変化する。例えば、Ｚ軸とのなす角度が０［°］、すなわち、Ｚ軸方向の電気光学定数ｒ_３３（３０．８）は大きい。図５に示すように、Ｙカットニオブ酸リチウム結晶の基板の場合には、電気光学定数ｒ^Ｓ _３３は、＋Ｚ軸とのなす角度が２０～４５［°］の場合に、３２．５～３４［ｐｍ／Ｖ］という高い値を示している。特に、＋Ｚ軸とのなす角度が３８［°］の場合には、３３．５８という高い値を示している。＋Ｚ軸とのなす角度が２０～４５［°］の場合とは、＋Ｙ軸とのなす角度が１１０～１３５［°］の場合に相当する。また、＋Ｚ軸とのなす角度が３８［°］の場合とは、＋Ｙ軸とのなす角度が１２８［°］の場合に相当する。本実施形態に係る導波路基板２０の結晶カットの角度は、電気光学定数が０［°］（Ｚ軸）よりも大きい範囲で、且つ、導波路基板２０の屈折率が、ベース基板１０の屈折率よりも大きい範囲となっている。

図６は、実施形態に係る光変調器１において、ベース基板１０上に配置された導波路基板２０の屈折率を例示したグラフであり、横軸は、導波路基板２０の厚さを示し、縦軸は、異常光屈折率ｎ_ｅの実効屈折率（導波する光が感受する屈折率）を示す。図６には、プリズムカプラ法の模式図も示している。ベース基板１０は、６４°ＹＬＮ基板である。導波路基板２０は、１２８°ＹＬＮ基板である。実線は０次モードＴＭ_０及び１次モードＴＭ_１のシミュレーション結果を示す。黒丸は、厚さが２．５［μｍ］の導波路基板２０を用いた測定値を示す。測定は、プリズムカプラ法を用いている。プリズムカプラ法は、導波路基板２０の実効屈折率を、プリズム４５を介して測定する方法である。具体的には、回転ステージ４６上に配置させた光変調器用基板３０における導波路基板２０側にプリズム４５を配置させ、Ｈｅ－Ｎｅレーザ４７を照射させながら入射角を変化させることにより、光が導波する時の実効屈折率を測定する。

図６に示すように、導波路基板２０内に、０次モードＴＭ_０及び１次モードＴＭ_１が確認される。このように、光変調器用基板３０は、プレーナ光導波路として機能することを確認することができる。よって、同種接合構造をチャネル光導波路に適用させることにより、低損失な導波路とすることができる。

＜導波路基板：リッジ構造＞
図２に示すように、導波路基板２０は、例えば、上面２１にリッジ構造２４を有している。リッジ構造２４は、上面２１から突出した凸部が上面２１においてレール状に延びた構造である。リッジ構造２４以外の導波路基板２０の部分をスラブ部２５という。リッジ構造２４の上面２４１及びスラブ部２５の上面２５１は、例えば、平面である。

図７は、実施形態に係る光変調器１において、ウェハー状の光変調器用基板３０を例示した上面図である。図７に示すように、ウェハー状の光変調器用基板３０は、ウェハー状のベース基板１０上に配置されたウェハー状の導波路基板２０を含んでいる。導波路基板２０の上面２１には、複数のリッジ構造２４が形成されている。ウェハー状の光変調器用基板３０は、所定の工程を経て、切断線３５により複数のチップ状の光変調器用基板３０に切断される。

なお、単に、変調器用導基板３０という場合には、ウェハー状の光変調器用基板３０及びチップ状の光変調器用基板３０の両方を示している。どちらか特定する場合には、ウェハー状の光変調器用基板３０またはチップ状の光変調器用基板３０と区別する。ベース基板１０及び導波路基板２０も同様に、区別する場合には、ウェハー状またはチップ状を付加する。

上面２１側から見て、導波路基板２０の上面２１には、一方向に延びたリッジ構造２４がＹ字状に分岐したＹ字部２４ｙと、一方向に延びた２つのリッジ構造２４が平行に並ぶ平行部２４ｐとを含んでいる。

＜導波路＞
導波路基板２０には、光変調を行うための導波路２３が形成されている。すなわち、導波路２３は、導波路基板２０内に形成されている。導波路基板２０がリッジ構造２４を有している場合には、導波路２３は、リッジ構造２４内に形成されている。導波路２３は、導波光を伝搬させる。

＜電極＞
導波路２３に電圧を印加するための電極４０は、導波路２３の近傍に配置されている。例えば、電極４０は、リッジ構造２４上に配置されている。なお、電極４０は、導波路２３に電圧を印加することができれば、リッジ構造２４上に配置されていなくてもよく、隣り合うリッジ構造の間に配置されてもよい。

＜その他＞
導波路基板２０の一端には、導波路２３に接続された入力端子２６が接続されている。また、導波路基板２０の他端には、導波路２３に接続された出力端子２７が接続されている。

＜動作＞
次に、実施形態に係る光変調器１の動作を説明する。まず、光変調器１の動作の例として、電気信号を光信号に変換する電気－光信号の変換を説明する。その後、リッジ構造における導波路の動作シミュレーション、導波光のモード分散曲線のシミュレーション及びＢＰＭ解析シミュレーションを説明する。

＜電気－光信号の変換＞
光変調器１の入力端子２６から入力された入力光は、Ｙ字部２４ｙにおいて分岐される。例えば、分岐された各入力光は、１／２となる。分岐された入力光は、平行部２４ｐにおける２つの導波路を通過する。そして、再び、Ｙ字部２４ｙにおいて合流する。合流した光は、出力端子２７から出力される。

平行部２４ｐにおける２つの導波路２３上にはそれぞれ電極４０が配置されている。一方の導波路２３上の電極４０と、他方の導波路２３上の電極４０との間の電極間電圧が、例えば、所定の電圧Ｖ_０の場合には、２つの導波路２３に位相差が生じないようにする。具体的には、屈折率を変化させて、２つの導波路２３に位相差が生じないようにする。そうすると、出力側のＹ字部２４ｙにおいて合流した光は足し合って１になる。一方、電極間電圧が、例えば、所定の電圧Ｖ_１の場合には、２つの導波路２３に位相差が生じるようにする。具体的には、電圧Ｖ_１により屈折率を変化させて、２つの導波路２３に１８０［°］の位相差が生じるようにする。そうすると、出力側のＹ字部２４ｙにおいて合流した光は互いに打ち消しあう。これにより、出力端子２７から出力される光は０になる。

例えば、電極間電圧を、電圧Ｖ_０及び電圧Ｖ_１を用いて変化させると、出力端子２７から出力される出力光を、０及び１のパルス信号とすることができる。これにより、光変調器１は、入力光を用いて、電気信号を光信号に変換することができる。

＜リッジ構造における導波路の動作シミュレーション＞
図８は、実施形態に係る光変調器１において、リッジ構造２４の幅Ｗ及び厚さＨに対するカットオフ特性をシミュレーションする場合の解析モデルを例示した図である。図８に示すように、６４°ＹＬＮ基板上に、１２８°ＹＬＮ基板が配置されているとする。６４°ＹＬＮ基板の異常光屈折率ｎ_ｅは、２．２１８であり、１２８°ＹＬＮ基板の異常光屈折率ｎ_ｅは、２．２３３である。リッジ構造２４は、１２８°ＹＬＮ基板により形成されているとする。リッジ構造２４の幅Ｗは、ベース基板１０の上面１１に平行な面内において、リッジ構造２４が延びる方向に直交する方向の長さである。リッジ構造２４の厚さＨは、上面１１に直交する方向において、導波路基板２０の下面２２からリッジ構造２４の上面２４１までの長さである。リッジ構造２４の上方及び側方は、屈折率が１の空気で覆われているとする。

図９及び図１０は、実施形態に係る光変調器１において、リッジ構造２４の幅Ｗ及び厚さＨに対するカットオフ特性をシミュレーションにより求めた結果を例示したグラフであり、横軸は、リッジ構造２４の幅Ｗを示し、縦軸は、リッジ構造２４の厚さＨを示す。シミュレーションに用いた導波光の波長λは、図９では、０．６３３［μｍ］であり、図１０では、１．５５［μｍ］である。

図９に示すように、導波光の波長λが０．６３３［μｍ］の場合には、斜線部分において、０次モードＴＭ_０のみがシングルモード伝搬する。伝搬条件としては、リッジ構造２４の幅Ｗが２．０［μｍ］であり、厚さＴが２．０［μｍ］であることが好ましい。図１０に示すように、導波光の波長λが１．５５［μｍ］の場合には、伝搬条件としては、リッジ構造２４の幅Ｗが５．０［μｍ］であり、厚さＴが５．０［μｍ］であることが好ましい。

＜導波光のモード分散曲線のシミュレーション＞
次に、リッジ構造２４における導波路２３の厚さと実効屈折率との関係を導く。図１１は、実施形態に係る光変調器において、導波光のモード分散曲線をシミュレーションにより求める場合の解析モデルを例示した図である。図１１に示すように、下から、６４°ＹＬＮ基板、１２８°ＹＬＮ基板及び空気を積層した解析モデルを用いて、導波路２３となる１２８°ＹＬＮ基板の厚さＨに対する実効屈折率の関係を導く。

図１２及び図１３は、実施形態に係る光変調器１において、導波光のモード分散曲線を例示したグラフであり、横軸は、導波路２３の厚さＨを示し、縦軸は実効屈折率を示す。導波光の波長λは、図１２では、０．６３３［μｍ］であり、図１３では、１．５５［μｍ］である。

図１２に示すように、導波光の波長λが０．６３３［μｍ］の場合には、導波路２３として機能する１２８°ＹＬＮ基板の厚さＨが０．６［μｍ］よりも小さいと、０次モードＴＭ_０は伝搬せず、カットオフとなっている。また、厚さＨが１．８［μｍ］より大きくなると、１次モードＴＭ_１が発生している。図１３に示すように、導波光の波長λが１．５５［μｍ］の場合には、導波路２３として機能する１２８°ＹＬＮ基板の厚さが１．５［μｍ］よりも小さいと、０次モードＴＭ_０は伝搬せず、カットオフとなっている。また、厚さＨが４．５［μｍ］より大きくなると、１次モードＴＭ_１が発生している。

＜ＢＰＭ解析シミュレーション＞
図１４（ａ）及び（ｂ）は、実施形態及び変形例に係る光変調器において、スラブ部２５の厚さと出力光の強度との関係をＢＰＭ（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）解析によりシミュレーションする場合の解析モデルを例示した図である。図１４（ａ）に示すように、本実施形態１に係る光変調器１のリッジ構造２４は、幅Ｗ及び厚さＨを有している。また、スラブ部２５の厚さｈは、ベース基板１０の上面１１に直交する方向において、導波路基板２０の下面２２とスラブ部２５の上面２５１との間の長さである。なお、図２０（ｂ）に示すように、変形例に係る光変調器１ａは、リッジ構造２４ａ以外に、スラブ部２５を有していない。この場合には、ベース基板１０の上面１１に直交する方向において、リッジ構造２４ａの下面２２からベース基板１０の上面１１までの長さ、すなわち、ベース基板１０の上面１１とリッジ構造２４ａの下面２２との間に残存する部分の厚さを－ｈで表す。

図１５は、実施形態に係る光変調器１において、スラブ部２５の厚さｈと出力光の強度との関係をシミュレーションした結果を例示したグラフであり、横軸は、スラブ部２５の厚さｈを示し、縦軸は、規格化した出力光の強度を示す。導波光の波長λは、１．５５［μｍ］である。リッジ構造２４の幅Ｗを５［μｍ］とし、厚さＨを５［μｍ］とする。

図１５に示すように、スラブ部２５の厚さｈが、０～１．５［μｍ］の領域１では、規格化した出力光の強度は、１または１に近い値になっている。厚さｈ＝０において、規格化した光出力の強度は１であり、図１５において、最も大きい。領域１では、スラブ部２５の厚さは、カットオフする範囲の厚さを示している。よって、スラブ部２５に漏洩する導波光を低減することができる。これにより、導波光は、リッジ構造２４内を伝搬するので、出力光の強度を大きくすることができる。

スラブ部２５の厚さｈが１．５～５［μｍ］の領域２では、スラブ部２５の厚さｈが大きくなるほど、規格化した出力光の強度は、小さい。領域２では、スラブ部２５の厚さｈは、カットオフする範囲の厚さよりも大きい。このため、導波光は、スラブ部２５に漏洩する。よって、出力光の強度が小さくなる。スラブ部２５の厚さｈが０より小さい０～－２．５［μｍ］の領域３では、規格化した出力光の強度は、０．８程度に低くなっている。

このように、リッジ構造２４を形成するためのエッチング後に、スラブ部２５を厚さｈだけ残す構造にすることが好ましい。そして、厚さｈをカットオフする範囲の厚さにすることが好ましい。厚さｈが０［μｍ］の場合には、最大値を示すが、領域３にずれる恐れがある。よって、厚さｈは、０よりも大きい厚さｈであって、カットオフする範囲の厚さにすることが好ましい。

図１６（ａ）～（ｃ）は、実施形態に係る光変調器１において、電界分布をシミュレーションした結果を例示した図であり、（ａ）は、スラブ部２５の厚さｈが１．０［μｍ］の領域１の場合を示し、（ｂ）は、厚さｈが３．０［μｍ］の領域２の場合を示し、（ｃ）は、厚さｈが－１．５［μｍ］の領域３の場合を示す。図１７は、実施形態に係る光変調器１において、領域１の場合における電界分布のシミュレーション結果を例示した斜視図である。用いた導波光の波長λは、１．５５［μｍ］であり、ベース基板１０の幅は、２０［μｍ］であり、導波路２３の長さは、２０００［μｍ］である。

図１６（ａ）及び図１７に示すように、領域１の場合には、導波路２３に電界が集中しているので、導波路２３以外への導波光の漏洩が少ない。よって、導波光の伝搬損失を低減することができる。

一方、図１６（ｂ）に示すように、領域２の場合には、導波路２３からスラブ部２５へ導波光が漏洩するため、導波路２３の電界が低くなっている。よって、導波光の伝搬損失を低減することができない。図１６（ｃ）に示すように、領域３の場合には、導波路２３における電界分布が一様でなく、導波光の伝搬が不安定となっている。よって、領域１の場合、すなわち、スラブ部２５の厚さｈが０よりも大きい厚さｈであって、カットオフする厚さが好ましい。

＜製造方法＞
次に、実施形態に係る光変調器１の製造方法を説明する。まず、光変調器用基板３０の製造方法を説明する。その後、光変調器用基板３０を用いた光変調器１の製造方法を説明する。

＜光変調器用基板の製造方法＞
図１８は、実施形態に係る光変調器において、光変調器用基板３０の製造方法を例示したフローチャート図である。図１８のステップＳ１１に示すように、ベース基板１０を準備する。具体的には、例えば、ニオブ酸リチウムからなるベース基板１０を準備する。ベース基板１０の結晶カットの角度は、例えば、５７［°］～１２３［°］であり、さらに好ましくは、６４［°］である。ベース基板１０の厚さは、例えば、０．３５［ｍｍ］である。

次に、ステップＳ１２に示すように、導波路基板２０を準備する。具体的には、例えば、ニオブ酸リチウムからなる導波路基板２０を準備する。このように、ベース基板１０及び導波路基板２０を同一の材質から構成してもよい。導波路基板２０の結晶カットの角度は、例えば、１２４～１３２［°］であり、好ましくは、１２８［°］である。よって、ベース基板１０および導波路基板２０の結晶カットの角度は異なっている。

導波路基板２０の屈折率を、ベース基板１０の屈折率よりもが大きくする。例えば、ベース基板１０および導波路基板２０の結晶カットの角度が異なるようにすることで、導波路基板２０の屈折率をベース基板１０よりも大きくする。また、電気光学効果を有する導波路基板２０を準備する。よって、導波路基板２０内に、光変調を行うための導波路を形成することが可能である。導波路基板２０の厚さは、例えば、０．２［ｍｍ］である。

図１９は、実施形態に係る光変調器において、ベース基板１０及び導波路基板２０に用いられる結晶を育成する結晶育成装置を例示した図である。図１９に示すように、ベース基板１０及び導波路基板２０に用いられる結晶は、結晶育成装置５０によって形成される。結晶育成装置５０は、例えば、チョクラルスキー法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法、ＣＺ法という。）を用いて結晶を育成する。結晶育成装置５０は、坩堝５１、ヒータ５２、種結晶５３を備えている。坩堝５１は、育成する結晶の原料５４を収容する。ヒータ５２は、坩堝５１に収容された原料５４を溶融させ、融液５５を形成させる。種結晶５３は、融液５５から結晶５６を育成するための基になるものである。

図２０（ａ）～（ｅ）は、実施形態に係る光変調器１において、ベース基板１０及び導波路基板２０に用いられる結晶の育成方法を例示した図である。図２０（ａ）に示すように、坩堝５１内にベース基板１０の原料５４を投入する。そして、ヒータ５２を用いて坩堝５１を加熱する。これにより、坩堝５１内に投入された原料５４を溶融させ、融液５５を形成する。

次に、図２０（ｂ）に示すように、坩堝５１内において形成された融液５５に種結晶５３を接触させる。例えば、種結晶５３として、６４°Ｙ方向に直交した面を有する結晶を用いる。そして、６４°Ｙ方向に直交した面を融液５５の上面に接触させる。これにより、６４°Ｙ方向に延びたインゴット結晶を育成することができる。また、種結晶として、１２８°Ｙ方向に直交した面を有する結晶を用いる。そして、１２８°Ｙ方向に直交した面を融液５５の上面に接触させる。これにより、１２８°Ｙ方向に延びたインゴット結晶を育成することができる。

なお、種結晶は、６４°Ｙ方向に直交した面及び１２８°Ｙ方向に直交した面を有する結晶に限らない。また、育成するインゴット結晶も、６４°Ｙ方向及び１２８°Ｙ方向に延びたものに限らない。これら以外の方向に延びたインゴット結晶から、６４°ＹＬＮ基板及び１２８°ＹＬＮ基板を切断してもよい。しかしながら、その場合には、基板に用いられない部分が多くなるので、６４°Ｙ方向及び１２８°Ｙ方向に延びたインゴット結晶を育成することが望ましい。

次に、図２０（ｃ）に示すように、種結晶５３を回転させながら、ゆっくりと上昇させる。また、引上げ速度等を制御することにより、所望の直径になるようにする。例えば、インゴットの直径がφ４［ｉｎｃｈ］より大きくする。次に、図２０（ｄ）に示すように、所望の直径を維持しながら、融液５５から結晶５６を引き上げる。

次に、図２０（ｅ）に示すように、所望の長さになったら結晶５６を融液５５から離す。これにより、種結晶５３と同一方位の単結晶を得ることができる。

図２１（ａ）～（ｅ）は、実施形態に係る光変調器において、ベース基板１０及び導波路基板２０の加工方法を例示した図である。図２１（ａ）に示すように、インゴット状の結晶５６の直径が均一になるように、結晶５６の外周を研削する。そして、例えば、ワイヤーソーを用いて、厚さが１［ｍｍ］以下のウェハー状になるように、結晶５６をスライスする。

これにより、図２１（ｂ）に示すように、スライスウェハー５７が形成される。次に、図２１（ｃ）に示すように、スライスウェハー５７の両面を平行に整えながら、所定の厚さになるように、ラッピングを行う。これにより、ラップウェハー５８が形成される。次に、図２１（ｄ）に示すように、機械加工による加工変質層を除去するために化学的なエッチングを行う。これにより、エッチウェハー５９が形成される。

次に、図２１（ｅ）に示すように、ウェハー表面の凹凸をならし、平坦度の高い鏡面にするため、例えば、コロイダルシリカ砥粒を用いてメカノケミカル研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ、ＣＭＰという。）を行う。次に、洗浄及び検査を行い、ウェハーが製造される。このようにして、ベース基板１０及び導波路基板２０を準備する。

次に、図１８のステップＳ１３に示すように、ベース基板１０上に導波路基板２０を接合する。例えば、ベース基板１０の上面１１と、導波路基板２０の下面２２とが対向するように位置を合わせる。そして、ベース基板１０の上面１１と、導波路基板２０の下面とを重ね合わせて接合させる。接合させた後、ベース基板１０および導波路基板２０は共有結合してもよい。接合させる際には、ベース基板１０及び導波路基板２０は、低真空中で行われるのが望ましい。また、ベース基板１０の上面１１と、導波路基板２０の下面２２とを重ね合わせて後で、導波路基板２０をベース基板１０に押し付けてもよい。

次に、図１８のステップＳ１４に示すように、ベース基板１０及び導波路基板２０に熱処理を行う。例えば、接合させたベース基板１０及び導波路基板２０に、１００～１５０［℃］の温度において、８［時間］程度の熱処理を行ってもよい。これにより、接合強度を向上させることができる。なお、熱処理温度及び熱処理時間は、ベース基板１０及び導波路基板２０の特性に合わせて最適化する。また、接合させた基板同士の剥がれを防止するためにエッジトリミングを行ってもよい。

次に、図１８のステップＳ１５に示すように、導波路基板２０を研磨する。具体的には、導波路基板２０の上面２１を研削して、導波路基板２０を所定の厚さにする。例えば、導波光が伝播するように、２．５［μｍ］または５［μｍ］等の厚さにする。そして、導波路基板２０の上面２１をＣＭＰにより研磨を行い平坦にする。このようにして、光変調器用基板３０を製造することができる。

＜光変調器の製造方法＞
次に、光変調器用基板３０を用いた変調器の製造方法を説明する。図２２は、実施形態に係る光変調器１の製造方法を例示したフローチャート図である。図２３は、実施形態に係る光変調器１の製造方法を例示した工程図である。

図２２のステップＳ２１及び図２３（ａ）に示すように、光変調器用基板３０を準備する。具体的には、ベース基板１０上に電気光学効果を有する導波路基板２０を接合して形成された光変調器用基板３０を準備する。なお、図２３（ｂ）に示すように、光変調器用基板３０は、ベース基板１０上に導波路基板２０を接合した後に、導波路基板２０の上面２１を研磨したものでもよい。

次に、図２２のステップＳ２２及び図２３（ｃ）に示すように、リッジ構造２４を形成する。具体的には、導波路基板２０に、光変調を行うための導波路２３となるリッジ構造２４を形成する。例えば、導波路基板２０上にリッジ構造２４のパターンが形成されたマスクを配置させてエッチングを行うことにより、リッジ構造２４を形成する。エッチングは、例えば、イオンミリングにより行ってもよい。リッジ構造２４を形成する際には、導波路２３を導波光が伝搬するような幅Ｗ及び厚さＨにする。例えば、シミュレーションにより、リッジ構造２４の幅Ｗ及び厚さＨを最適化する。例えば、リッジ構造２４の幅Ｗを５［μｍ］、厚さＨを５［μｍ］としてもよい。

次に、図２２のステップＳ２３及び図２３の（ｄ）に示すように、光変調器用基板３０を切断する。具体的には、切断線３５に沿ってウェハー状の光変調器用基板３０を切断する。次に、図２２のステップＳ２４に示すように、光変調器用基板３０の端面を研磨する。具体的には、切断されたチップ状の光変調器用基板３０の端面を研磨し、入力端子２６及び出力端子２７と、導波路２３とが接続できるようにする。

次に、図２２のステップＳ２５に示すように、電極４０を形成する。具体的には、例えば、リッジ構造２４上に、導波路２３に対し電圧を印加するための電極４０を形成する。その後、電極４０への配線、入力端子２６及び出力端子２７の形成等、所定の工程を経て、光変調器１が製造される。

次に、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態の光変調器１においては、同一の材質からなるベース基板１０及び導波路基板２０を用いている。よって、導波路基板２０の屈折率を、ベース基板１０の屈折率よりも大きくしつつ、導波路基板２０とベース基板１０との屈折率の差を小さくすることができる。これにより、導波路内を伝搬する光の全反射角を浅くすることができるため伝搬損失を低減することができる。また、導波路２３を形成するために、チタン等の不純物が不要なので、不純物による伝搬損失を抑制することができる。

また、導波路基板２０における大きな電気光学定数を使用することができ、低駆動電圧化することができる。例えば、導波路基板２０として、１２８°ＹＬＮ基板（ｒ_３３＝３３．６×１０^－１２［ｍ／Ｖ］）を用いることにより、Ｚカット基板（ｒ_３３＝３０．８×１０^－１２［ｍ／Ｖ］）に比べ、効率を９％も向上させることができる。さらに、ベース基板１０として同一の材質からなる６４°ＹＬＮ基板を用いることで、ベース基板１０からの電気光学効果も受けることが期待できるためより大きな電気光学効果が得られる。

また、導波路２３をリッジ構造２４内に形成することにより、シングルモードＴＭ_０の導波光を伝搬させることができる。例えば、リッジ構造２４の幅Ｗ及び厚さＨを制御することにより、出力光の強度を大きくすることができる。また、導波路２３以外の部分への導波光の漏洩を抑制することができる。

ベース基板１０および導波路基板２０の結晶カットの角度を異ならせることにより、導波路基板２０の屈折率をベース基板１０の屈折率よりも大きくすることができる。よって、所望の屈折率にすることができ、電気光学定数を所望の値にすることができる。

ベース基板１０及び導波路基板２０を接合させることにより、導波路２３を形成することができる。よって、チタン等を拡散させる高温で長時間の熱処理を不要とすることができ、導波光の伝搬を損失させるような不純物の導入を抑制することができる。また、高温で長時間の熱処理にかかる製造コストを低減することができる。また、導波路基板２０をベース基板１０上にエピタキシャル成長する必要がないので、エピタキシャル成長にかかる製造コストを不要とすることができる。

ベース基板１０及び導波路基板２０を共有結合させることにより、接合強度を大きくすることができる。さらに、ベース基板１０及び導波路基板２０を同一の材質を用いることにより接合時の応力歪を最小にでき、基板の反りや割れが発生しないより強固な接合が可能になる。よって、導波路基板２０の上面２１の研磨及びリッジ構造の加工等を精度よく行うことができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

１、１ａ 光変調器
１０ ベース基板
１１上面
２０ 導波路基板
２１ 上面
２２ 下面
２３ 導波路
２４、２４ａ リッジ構造
２４ｙ Ｙ字部
２４ｐ 平行部
２５ スラブ部
２６ 入力端子
２７ 出力端子
３０ 光変調器用基板
３５ 切断線
４０ 電極
４５ プリズム
４６ 回転ステージ
４７ レーザ
５０ 結晶育成装置
５１ 坩堝
５２ ヒータ
５３ 種結晶
５４ 原料
５５ 融液
５６ 結晶
５７ スライスウェハー
５８ ラップウェハー
５９ エッチウェハー
２４１ 上面
２５１ 上面

Claims (15)

1. 以下を含む光変調器：
   ベース基板；
   前記ベース基板の上面上に配置された、電気光学効果を有する導波路基板；
   前記導波路基板に形成された、光変調を行うための導波路；および
   前記導波路に電圧を印加するための電極、
   ここで、
   前記ベース基板および前記導波路基板は同一の材質からなり、
   前記導波路は前記導波路基板内に形成され、
   前記導波路基板の屈折率は前記ベース基板の屈折率よりも大きく、
   前記ベース基板および前記導波路基板はニオブ酸リチウムからなり、
   前記ベース基板の結晶カットの角度は５７［°］～１２３［°］であり、
   前記導波路基板の結晶カットの角度は１２４［°］～１３２［°］であり、
   前記結晶カットの角度は、前記ベース基板及び前記導波路基板の上面に直交する方向を前記ニオブ酸リチウムの結晶軸の角度を用いて示したものであり、
   前記角度は、
   前記ニオブ酸リチウムの結晶軸を、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸とし、
   前記ニオブ酸リチウムの光学軸を、前記Ｚ軸とした場合に、
   前記Ｙ軸及び前記Ｚ軸を含むＹＺ平面内において、＋Ｘ軸方向に進むネジの回転方向に＋Ｙ軸から計った角度である。
2. 前記導波路基板はリッジ構造を有し、
   前記導波路は前記リッジ構造内に形成され、
   前記電極は前記リッジ構造上に配置されている請求項１に記載の光変調器。
3. 前記ベース基板の結晶カットの角度は６４［°］であり、
   前記導波路基板の結晶カットの角度は１２８［°］である請求項１または２に記載の光変調器。
4. 前記ベース基板および前記導波路基板は共有結合している請求項１から３のいずれか１項に記載の光変調器。
5. 以下を含む光変調器用基板：
   第１の基板；
   前記第１の基板の上面上に配置された、光変調を行うための導波路が形成される、電気光学効果を有する第２の基板、
   ここで、
   前記第１および第２の基板は同一の材質からなり、
   前記第２の基板の屈折率は前記第1の基板の屈折率より大きく、
   前記第１の基板および前記第２の基板はニオブ酸リチウムからなり、
   前記第１の基板の結晶カットの角度は５７［°］～１２３［°］であり、
   前記第２の基板の結晶カットの角度は１２４［°］～１３２［°］であり、
   前記結晶カットの角度は、前記第１の基板及び前記第２の基板の上面に直交する方向を前記ニオブ酸リチウムの結晶軸の角度を用いて示したものであり、
   前記角度は、
   前記ニオブ酸リチウムの結晶軸を、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸とし、
   前記ニオブ酸リチウムの光学軸を、前記Ｚ軸とした場合に、
   前記Ｙ軸及び前記Ｚ軸を含むＹＺ平面内において、＋Ｘ軸方向に進むネジの回転方向に＋Ｙ軸から計った角度である。
6. 前記第１の基板の結晶カットの角度は６４［°］であり、
   前記第２の基板の結晶カットの角度は１２８［°］である請求項５に記載の光変調器用基板。
7. 前記第１の基板および前記第２の基板は共有結合している請求項５または６に記載の光変調器用基板。
8. 以下の工程を含む、光変調器の製造方法：
   （ａ）第１の基板の上面上に電気光学効果を有する第２の基板を接合して形成された基板を準備する工程；
   （ｂ）前記第２の基板に、光変調を行うための導波路となるリッジ構造を形成する工程；および
   （ｃ）前記リッジ構造上に、前記導波路に対し電圧を印加するための電極を形成する工程、
   ここで、
   前記第１および第２の基板は同一の材質からなり、
   前記第２の基板の屈折率は前記第１の基板の屈折率より大きく、
   前記第１の基板および前記第２の基板はニオブ酸リチウムからなり、
   前記第１の基板の結晶カットの角度は５７［°］～１２３［°］であり、
   前記第２の基板の結晶カットの角度は１２４［°］～１３２［°］であり、
   前記結晶カットの角度は、前記第１の基板及び前記第２の基板の上面に直交する方向を前記ニオブ酸リチウムの結晶軸の角度を用いて示したものであり、
   前記角度は、
   前記ニオブ酸リチウムの結晶軸を、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸とし、
   前記ニオブ酸リチウムの光学軸を、前記Ｚ軸とした場合に、
   前記Ｙ軸及び前記Ｚ軸を含むＹＺ平面内において、＋Ｘ軸方向に進むネジの回転方向に＋Ｙ軸から計った角度である。
9. 前記第１の基板の結晶カットの角度は６４［°］であり、
   前記第２の基板の結晶カットの角度は１２８［°］である請求項８に記載の光変調器の製造方法。
10. 前記第１の基板および前記第２の基板は共有結合している請求項８または９に記載の光変調器の製造方法。
11. 以下の工程を含む、光変調器用基板の製造方法：
    （ａ）第１の基板を準備する工程；
    （ｂ）前記第１の基板よりも屈折率が大きく、かつ電気光学効果を有する第２の基板を準備する工程；および
    （ｃ）前記第１の基板の上面上に前記第２の基板を接合する工程、
    ここで、
    前記第１および第２の基板は同一の材質からなり、
    前記第２の基板内に、光変調を行うための導波路を形成することが可能であり、
    前記第１の基板および前記第２の基板はニオブ酸リチウムからなり、
    前記第１の基板の結晶カットの角度は５７［°］～１２３［°］であり、
    前記第２の基板の結晶カットの角度は１２４［°］～１３２［°］であり、
    前記結晶カットの角度は、前記第１の基板及び前記第２の基板の上面に直交する方向を前記ニオブ酸リチウムの結晶軸の角度を用いて示したものであり、
    前記角度は、
    前記ニオブ酸リチウムの結晶軸を、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸とし、
    前記ニオブ酸リチウムの光学軸を、前記Ｚ軸とした場合に、
    前記Ｙ軸及び前記Ｚ軸を含むＹＺ平面内において、＋Ｘ軸方向に進むネジの回転方向に＋Ｙ軸から計った角度である。
12. さらに以下の工程を含む、請求項１１に記載の光変調器用基板の製造方法：
    （ｄ）工程（ｃ）の後、前記第１および第２の基板に熱処理を行う工程。
13. さらに以下の工程を含む、請求項１２に記載の光変調器用基板の製造方法：
    （ｅ）工程（ｃ）の後、第２の基板を研磨する工程。
14. 工程（ｃ）の後、前記第１および第２の基板は共有結合する請求項１１から１３のいずれか１項に記載の光変調器用基板の製造方法。
15. 前記第１の基板の結晶カットの角度は６４［°］であり、
    記導第２の基板の結晶カットの角度は１２８［°］である請求項１１から１４のいずれか１項に記載の光変調器用基板の製造方法。

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