JP7205317B2 - 光導波路素子及びその製造方法 - Google Patents

光導波路素子及びその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP7205317B2
JP7205317B2 JP2019046138A JP2019046138A JP7205317B2 JP 7205317 B2 JP7205317 B2 JP 7205317B2 JP 2019046138 A JP2019046138 A JP 2019046138A JP 2019046138 A JP2019046138 A JP 2019046138A JP 7205317 B2 JP7205317 B2 JP 7205317B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical waveguide
substrate
dielectric film
refractive index
film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2019046138A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2020148896A (ja
Inventor
裕治 山根
徳一 宮崎
優 片岡
秀樹 一明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Osaka Cement Co Ltd filed Critical Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority to JP2019046138A priority Critical patent/JP7205317B2/ja
Priority to CN201911169995.3A priority patent/CN111694172A/zh
Priority to CN201922058161.7U priority patent/CN210776087U/zh
Priority to US16/697,219 priority patent/US11215754B2/en
Publication of JP2020148896A publication Critical patent/JP2020148896A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7205317B2 publication Critical patent/JP7205317B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
    • G02F1/035—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/14—Mode converters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29346—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by wave or beam interference
    • G02B6/29361—Interference filters, e.g. multilayer coatings, thin film filters, dichroic splitters or mirrors based on multilayers, WDM filters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
    • G02B6/305—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device and having an integrated mode-size expanding section, e.g. tapered waveguide
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12035—Materials
    • G02B2006/1204—Lithium niobate (LiNbO3)
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
    • G02B6/134—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by substitution by dopant atoms
    • G02B6/1342—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by substitution by dopant atoms using diffusion

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)

Description

本発明は、光導波路素子及びその製造方法に関し、特に、基板の一面に光導波路を形成した光導波路素子及びその製造方法に関する。
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、基板の少なくとも一面に光導波路を形成した光導波路素子が利用されている。変調周波数の広帯域化などのニーズに応えるため、多値変調器などのように、一つの基板に形成される光導波路に複数の光変調部分を組み込むことが行われており、光波を分岐又は合波する頻度が増え、光導波路素子全体での低損失化が求められている。
光変調部分が増えるということは、光導波路のパターン形状が複雑化するだけでなく、光変調部分に配置される信号電極などの制御電極の数も増え、制御電極に繋がる配線パターンも複雑化する。そのため、Ｘカット型の電気光学基板を用いた光導波路素子では、光導波路上に配置される交差部分の信号電極の幅を狭窄化させて、光損失を低く抑える方法が提案されている（特許文献１参照）。
また、光導波路素子の低損失化には、光入出力部における結合損失の低減も求められている。ニオブ酸リチウム（ＬＮ）の基板にＴｉを熱拡散して光導波路を形成した光導波路素子では、チタン熱拡散に起因して、光導波路のモードフィールド径（ＭＦＤ）が非対称になる。他方、対称なモードフィールド径を持つ光ファイバと光導波素子との光学的結合では、ＭＦＤの形状のミスマッチにより、一つの光入出射部あたり約０．７ｄＢの結合損失が発生する。
光導波路素子における光導波路のモードフィールド径の非対称性を要因とした、光ファイバとの結合損失を低減するため、特許文献２では、光導波路の光入出力部において、ＬＮ基板と同一の材料であるＬＮ膜を基板上にスパッタ成膜する方法が提案されている。具体的には、ＬＮ基板上に光導波路のパターンにＴｉ膜を蒸着し、その後、光導波路の入出力部に相当する部分には、Ｔｉ膜を含むＬＮ基板上にＬＮ膜をスパッタ法などで形成する。その後、ＴｉをＬＮ基板やＬＮ膜内に熱拡散させて光導波路を形成する。これにより、光入出力部でのモードフィールド径の非対称性を緩和させて、光ファイバとの結合損失を低減させるものである。
しかし、ＬＮ膜のような非晶質なスパッタ膜とＬＮ基板のような結晶では、Ｔｉの熱拡散速度は異なるため、モードフィールド径の非対称性を緩和することは困難である。また、特許文献２では、ＬＮ膜の厚みをテーパ形状に形成して徐々にモードフィールド径を変化させることが提案されている。しかしながら、Ｔｉが熱拡散する範囲よりも厚いＬＮ膜ではＴｉの熱拡散の形状は同じであるが、厚みが連続して変化しているテーパ部では、ＬＮ膜の厚みによってＴｉの熱拡散形状が大きく異なる。具体的には、ＬＮ膜の厚みがＴｉの熱拡散する範囲よりも薄い部分では、ＬＮ膜の厚さまで熱拡散したＴｉは、厚さ方向に垂直な横方向に重点的に拡散が発生する。このため、テーパ部の光導波路の断面形状は歪な非対称形状となり易く、テーパ部を設けることは、むしろ光伝搬損失が増大する要因となる。
特許第６１０７８６８号公報 特公平６－４４０８６号公報
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、光導波路素子の光導波路におけるモードフィールド径の非対称性を緩和し、光導波路素子と光ファイバとの結合損失を低減可能な光導波路素子及びその製造方法を提供することである。
上述した課題を解決するための手段は、以下のとおりである。
（１） 基板の一面にＴｉ拡散による光導波路が形成され、該基板の端部には、該光導波路へ光を入射する入射部又は該光導波路から光を出射する出射部が配置され、該入射部又は該出射部の少なくとも一方とその近傍の光導波路上に誘電体膜が形成された光導波路素子において、該誘電体膜は、該基板の屈折率より高い屈折率をもつ第１の材料の誘電体膜と、該基板の屈折率よりも低い屈折率をもつ第２の材料の誘電体膜とを含む誘電体膜が、互に積層されており、該誘電体膜の平均屈折率をｎ、該基板の屈折率をｎｓとしたときに、ｎ／ｎｓが０．９７０以上、１．００３以下であり、該誘電体膜の厚さが０．５μｍ以上であることを特徴とする。
（２） 上記（１）に記載の光導波路素子において、該光導波路を形成するチタン膜の幅は、６μｍ以下であることを特徴とする。
（３） 上記（１）又は（２）に記載の光導波路素子において、該基板の厚みが２０μｍ以下であることを特徴とする。
（４） 上記（３）に記載の光導波路素子において、該基板が樹脂層を介して補強基板に接合されていることを特徴とする。
（５） 上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の光導波路素子において、該誘電体膜は、該光導波路が該端部から離れるに従い、徐々に膜厚が減少する部分を有することを特徴とする。
（６） 上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の光導波路素子において、該基板がニオブ酸リチウムであり、該誘電体膜がニオブ、タンタル、シリコン、チタン、ジルコニア、イットリア、テルル、ハフニウム、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、ゲルマニウムの内、少なくとも一つ以上の元素を含有する酸化膜もしくは窒化膜で構成されていることを特徴とする。
（７） 上記（６）に記載の光導波路素子において、該誘電体膜の第１の材料又は第２の材料の少なくとも一つの材料の線膨張係数が、ニオブ酸リチウムのａ軸とｃ軸の線膨張係数の間の値であることを特徴とする。
（８） 基板の一面にＴｉ拡散による光導波路が形成された光導波路素子の製造方法において、該光導波路を形成した後に、該光導波路へ光を入射する入射部又は該光導波路から光を出射する出射部の少なくとも一方とその近傍の光導波路上に、誘電体膜を形成すると共に、該誘電体膜は、該基板の屈折率より高い屈折率をもつ第１の材料の誘電体膜と、該基板の屈折率よりも低い屈折率をもつ第２の材料の誘電体膜とを含む誘電体膜が、互に積層されており、該誘電体膜の平均屈折率をｎ、該基板の屈折率をｎｓとしたときに、ｎ／ｎｓが０．９７０以上、１．００３以下であり、該誘電体膜の厚さが０．５μｍ以上であることを特徴とする。
本発明は、基板の一面に光導波路が形成され、該基板の端部には、該光導波路へ光を入射する入射部又は該光導波路から光を出射する出射部が配置され、該入射部又は該出射部の少なくとも一方とその近傍の光導波路上に誘電体膜が形成された光導波路素子において、該誘電体膜は、該基板の屈折率より高い屈折率をもつ第１の材料の誘電体膜と、該基板の屈折率よりも低い屈折率をもつ第２の材料の誘電体膜とを含む誘電体膜が、互に積層されているため、入射部又は出射部におけるモードフィールド径の非対称性を緩和することが可能となる。その結果、光導波路素子と光ファイバとの結合損失を低減することができる。
本発明に係る光導波路素子の一例を示す図（光導波路素子の一端面の図）である。 本発明に係る光導波路素子の一例を示す平面図である。 図２の点線Ａ－Ａ’における断面図である。 本発明に係る光導波路素子の他の例を示す図（光導波路素子の一端面の図）である。 誘電体膜を形成していない場合のＭＦＤを示す図である。 誘電体膜を形成した場合のＭＦＤを示す図である。 光導波路幅（Ｔｉ幅）に対するＭＦＤの対称性の変化を示すグラフである。 規格化屈折率（ｎ／ｎｓ）に対する結合損失の変化を示すグラフである。 五酸化タンタルと五酸化ニオブとの組成比率に対する規格化屈折率の変化示すグラフである。 ２種類の材料の組合せに関し、組成比率に対する規格化屈折率の変化を示すグラフである。 基板ウェハにおける誘電体膜の配置例を示す図である。 誘電体膜のひび割れ状態を示す写真である。
以下、本発明の光導波路素子及びその製造方法について、詳細に説明する。
まず、特許文献２に示されるような従来例の問題は、上述したように、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板の上にＬＮ膜を積層し、ＬＮ基板とＬＮ膜の両方に対してＴｉの熱拡散を行っているが、両者の熱拡散速度が異なるため、非対称なモードフィールド径が十分緩和できないことである。しかも、ＬＮ膜のテーパ部分では、光導波路の断面形状が歪な非対称形状となり易く、特に光伝搬損失も大きくなる。
これに対し、本発明者らは、図１～３に示すように、ＬＮ基板のＴｉ拡散による光導波路において、光入出力部を含む光導波路上にＬＮに近い屈折率を有する誘電体膜（従来は空気あるいは低屈折率（ｎ＜１．６）の接着層が存在）を形成することにより、モードフィールド径の非対称性が緩和されることを確認した。このため、光導波路の形成プロセスであるＴｉの熱拡散を実施した後、光導波路を含むＬＮ基板上にＬＮ膜を積層する方法を検討した。また、ＬＮ基板上に配置する誘電体膜は、通常、ＬＮ基板と同一もしくはＬＮ基板よりも低い屈折率を有する膜であることが必要であり、基板と同一材料であるＬＮの膜が誘電体膜の第一候補に挙げられる。しかしながら、ＬＮは異方性を有する材料であり、ＬＮ基板のＴｉ拡散による光導波路は、異常光を利用している。このような光導波路上に、通常の蒸着膜やスパッタ膜を形成しても、異方性結晶のように光の偏光方向によって屈折率の異なる膜を形成することが出来ないため、光導波路のモードフィールド径の非対称性を緩和する効果は得られない。基板上にＬＮ膜を配置する方法として、エピタキシャル膜を形成する方法や同一のＬＮ基板を直接接合する方法は有効であるが、技術的な難易度も高いため、生産性が劣ることとなる。
後に詳述するように、本発明者らは、光ファイバとの結合損失低減のためには、誘電体膜の特徴として、Ｔｉの熱拡散による光導波路上に配置する誘電体膜の屈折率ｎを、ＬＮ基板の屈折率（ｎｓ＝２．１３８）で規格化した屈折率ｎ／ｎｓを０．９７０～１．００３として、厚さ０．５μｍ以上で形成することが必要になることを見出した。
しかしながら、ＬＮ基板の屈折率よりも低く、かつ近い屈折率を有する材料として、酸化タンタル、窒化シリコン、酸化亜鉛などが挙げられるが、モードフィールド径の非対称緩和に効果のある、規格化屈折率ｎ／ｎｓを計算した結果、これらの膜を形成しても、好ましい範囲である０．９７０～１．００３にすることは出来ないことが判明した。
また、窒化シリコン膜は窒化率で屈折率が変化することが知られており、窒素ガスを導入する反応性スパッタで、所望の規格化屈折率を有する誘電体膜の形成を検討した。ところが、図４に示すように、光導波路が形成されている基板の厚みが２０μｍ以下であり、その基板が接着層である樹脂層を介して補強基板に接合されている構造を有する際には、誘電体膜の形成を行う場合に、当該樹脂層が存在するため、成膜時の温度を十分に高くすることが出来ない。そのため、膜強度が不十分であり、形成後に膜割れや膜剥がれの問題が生じた。
そこで、ＬＮの基板屈折率よりも高い屈折率を持つ第１の材料と低い屈折率を持つ第２の材料を組み合わせた積層構造の誘電体膜について検討した。誘電体膜としては、ニオブ、タンタル、シリコン、チタン、ジルコニア、イットリア、テルル、ハフニウム、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、ゲルマニウムの内、少なくとも一つ以上の元素を含有する酸化膜もしくは窒化膜が利用可能である。
例えば、ＬＮ基板の基板屈折率よりも高い屈折率を有する材料である、シリコン、酸化チタン、酸化ニオブのいずれかと、ＬＮ基板の基板屈折率よりも低い屈折率を有する材料である、酸化タンタル、酸化亜鉛、酸化シリコン、酸化マグネシウム、窒化シリコンのいずれかを、同時にスパッタすればよい。また、両者の材料を混合したターゲットを作製してスパッタしてもよい。さらに、屈折率に対する組成変化の影響を考慮した場合、両者の屈折率差の少ない酸化ニオブと酸化タンタルの組み合わせが、特に好ましい。実際に、酸化ニオブと酸化タンタルを同時にスパッタし、ターゲット毎に入力する高周波パワーを調整することにより、所望の規格化屈折率の範囲に入る誘電体膜が形成できることを確認した。
化学気相成長（ＣＶＤ）やイオンプレーティング蒸着などの他の成膜方法により、所望の規格化屈折率範囲の誘電体膜を形成することも可能である。しかしながら、光導波路が形成されている基板の厚みが２０μｍ以下であり、その基板が接着層である樹脂層を介して補強基板に接合されている構造の場合は、樹脂層への影響を抑制し、十分な膜強度を有する誘電体膜の形成が可能となる低温プロセスのスパッタ法がより好ましい。
誘電体膜の形状としては、図３（図２の点線Ａ－Ａ’における断面図）に示すように、光導波路が基板の端部から離れるに従い、徐々に誘電体膜の膜厚が減少する部分（テーパ部）を有することが好ましい。これにより、モードフィールド径を徐々に変化させることができ、光伝搬損失の発生を抑制することが可能となる。特許文献２の場合は、テーパ部により光伝搬損失がむしろ増大していたが、本発明の構成においては、当該テーパ部による特性の改善が期待できる。本発明において、誘電体膜の膜厚の急激な変化による光伝搬損失の増大を回避するには、テーパ部の傾斜角θは最大１°以下であることが好ましい。
（確認試験）
本発明の光導波路素子の製造プロセスの条件を確認するため、以下の試験を行った。
ＬＮ基板として、市販の直径４インチ、厚さ０．５ｍｍのニオブ酸リチウムウェハ（Ｘ板、品質：オプティカルグレード）を用いた。
ＬＮ基板上に形成するチタン膜のパターン幅を３．０μｍ，３．５μｍ，４．０μｍ，４．５μｍ，５．０μｍ，５．５μｍ，６．０μｍ，７．０μｍ，及び８．０μｍとし、Ｔｉ膜の高さを１０００Åに設定した。
ＬＮ基板上でチタンを熱拡散させるため、電気炉内の温度を１０００℃に設定し、拡散時間として１５時間を設けた。
誘電体膜の形成には、多元同時マグネトロンスパッタ装置を用いて、五酸化タンタル（純度４Ｎ）と五酸化ニオブ（純度３Ｎ）をスパッタ材料にした。プロセスガスとして、アルゴンを８．２ｓｃｃｍ、酸素を１．０ｓｃｃｍを導入して、五酸化タンタルに３２０Ｗ、五酸化ニオブに５００Ｗの高周波パワーを加えてスパッタを行った。
ターゲットと対向して配置されているウェハが装置内で回転しており、ターゲット上を通過する度に成膜されるため、誘電体膜は積層構造の酸化膜で構成されている。
図２に示すように、ＬＮチップの光入射部と光出射部に限定して誘電体膜を形成するために、ＬＮウェハ表面をマスクした。
また、急激なＭＦＤ変動による光損失の増加を防ぐため、光導波路の進行方向に対する誘電体膜の膜厚を緩やかに変化させている（図３のテーパ部参照）。
チタン膜の幅５μｍにおいて、誘電体膜を形成していない場合のＭＦＤを図５、誘電体膜を形成した場合のＭＦＤを図６に示す。図５と図６とを比較すると、ＬＮ基板にＴｉの熱拡散で形成した光導波路上に誘電体膜を設けることで、モードフィールド径の非対称性が緩和していることが確認できた。
チタン膜のパターン幅は、光学顕微鏡（オリンパス（株）社製，ＭＸ５０）に自動線幅測定システム（（株）フローベル社製，ＴＡＲＣＹ ＬＳ２００）を取り付け、熱拡散前のＬＮ基板のチタン膜のパターン幅を測定した。
熱拡散後のパターン幅も本システムで測定可能であり、熱拡散前後でパターン幅に大きな差異は生じなかった。
ＭＦＤは、高機能型ニアフィールドパターン（ＮＦＰ）計測光学系（シナジーオプトシステムズ社製，Ｍ－Ｓｃｏｐｅ ｔｙｐｅ Ｓ）を用いて、波長１５５０ｎｍで測定した。
各チタン幅に対する縦方向におけるＭＦＤの対称性を図７のグラフに示す。ここで、縦方向におけるＭＦＤの対称性σｙ（＋）／σｙ（－）は、ＭＦＤの光強度分布の最大値から基板表面に垂直な方向（縦方向）のおける上方向（＋）と下方向（－）におけるモードフィールドの幅（最大値の１／ｅ２となる強度）であり、σｙ（＋）／σｙ（－）が１に近いほど対称性が高いことを表す。
図７を参照すると、誘電体膜が有る場合は、誘電体膜が無い場合と比較して、縦方向におけるＭＦＤの対称性σｙ（＋）／σｙ（－）が１に近づいており、非対称性が緩和されていることを確認した。特に、光閉じ込めの弱いチタン幅６μｍ以下の光導波路において、非対称性が大幅に改善している。また、本発明に係る誘電体膜を光導波路の曲がり部に適用した場合でも、放射損失の低減効果が期待される。
結合損失と屈折率依存性を計算した結果を図８のグラフ（グラフ中の凡例は、誘電体膜の膜厚を意味している。）に示す。誘電体膜の規格化屈折率を０．９７０～１．００３に設定することで、結合損失が効果的に抑制されていることが理解される。しかも、誘電体膜の膜厚については、１～４μｍのいずれにおいても改善が見られ、より詳細に分析したところ、モードフィールド径の非対称性の緩和は不十分であるが膜厚を０．５μｍ以上に設定することで、結合損失の低減に寄与することが確認されている。特に、規格化屈折率０．９８１～１．００１、膜厚１μｍ以上である場合が十分なモードフィールド径の非対称性の緩和が得られ結合損失の大幅な低減に繋がるため好ましい。一方、誘電体膜の規格化屈折率が基板の屈折率よりも大きくなると結合損失が増加し、光導波路の規格化屈折率１．００５付近で誘電体膜が無い場合よりも結合損失が悪化することが理解できる。
形成した屈折率と誘電体膜の五酸化タンタルと五酸化ニオブの組成比率の関係を図９のグラフに示す。図９の横軸は、組成比率が０の場合は、五酸化タンタルが１００％、組成比率が１の場合は五酸化ニオブが１００％であることを意味する。誘電体膜の規格化屈折率０．９７０～１．００３にする場合は五酸化タンタルに対する五酸化ニオブの割合を５～６０％にすることが好ましく、誘電体膜の規格化屈折率を０．９８１～１．００１にする場合は五酸化タンタルに対する五酸化ニオブの割合を２０～６０％にすることが好ましい。
誘電体膜の候補となる材料の屈折率と熱膨張係数を表１に示す。
屈折率に対する組成変化の影響を考慮した場合、酸化ニオブと酸化タンタルのように屈折率差の少ない材料を組み合わせることが好ましい（図９）。
また、図１０に、誘電体膜の規格化屈折率（ｎ／ｎｓ）を０．９７０～１．００３の範囲内に設定可能な材料の組合せの例と、組合せ材料毎の組成比率による規格化屈折率の変化を示す。
Figure 0007205317000001
異常光を利用するＬＮチタン拡散光導波路においては、屈折率２．２０の酸化ニオブと屈折率２．１１の酸化ジルコニウム（イットリア安定化ジルコニアを含む）の組み合わせが、屈折率に対する組成変動の影響は最も少ない。
しかし、酸化ジルコニウムは高強度で破壊靭性も高いため、スパッタによる成膜速度が遅いことがプロセス上の課題になる。
次に、屈折率２．２０の酸化ニオブと屈折率２．０８の酸化テルルの組み合わせが挙げられるが、ＸカットのＬＮウェハにおいて、光入射部と光出射部に誘電体膜を形成する場合（図１１）、結晶ｃ軸（ｎｅ）方向の熱膨張係数７．５（×１０－６／℃）に近づけることが望ましい。また、結晶ａ軸（ｎｏ）方向(図１１のウェハ面に垂直な方向）の熱膨張係数１５．０（×１０－６／℃）も考慮し、誘電体膜の第１の材料又は第２の材料の少なくとも一つの材料の線膨張係数が、基板のａ軸とｃ軸の線膨張係数の間の値であることが望ましい。
酸化ニオブと酸化テルルの熱膨張係数はそれぞれ１４．３、１５．０（×１０－６／℃）であるため、ＺカットのＬＮウェハには好ましいが、ＸカットのＬＮウェハにはあまり好ましくはない。ＸカットのＬＮウェハにおいて、熱膨張係数３．３（×１０－６／℃）程度の窒化シリコン膜を形成した場合、図１２に示すように熱膨張係数の異なるｃ軸方向に膜割れが生じた。ＸカットのＬＮウェハを用いる場合、酸化ニオブと屈折率差の少ない酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、酸化亜鉛を組み合わせることが屈折率制御および熱膨張係数の整合を図る上で好ましい。特に、光導波路が形成されているＸカットのＬＮ基板の厚みが２０μｍ以下であり、その基板が樹脂層を介して補強基板に接合されている構造に対して膜形成を行う場合、膜質の安定性が高い酸化タンタルを膜応力の弱い酸化ニオブと組み合わせることが好ましい。
以上の説明では、基板材料としてニオブ酸リチウム（ＬＮ）を中心に説明したが、それ以外に、タンタル酸リチウム、ジルコン酸チタン酸ランタン（ＰＬＺＴ）などの結晶材料や、ＩｎＰなどの半導体基板を用いることも可能である。
また、光導波路の形成方法としては、ニオブ酸リチウム基板（ＬＮ基板）上にチタン（Ｔｉ）などの高屈折率物質を熱拡散する方法だけでなく、プロトン交換法などにより形成される場合にも、本発明が適用できることは言うまでもない。
以上説明したように、本発明によれば、光導波路素子の光導波路におけるモードフィールド径の非対称性を緩和し、光導波路素子と光ファイバとの結合損失を低減可能な光導波路素子及びその製造方法を提供することができる。

Claims (8)

  1. 基板の一面にＴｉ拡散による光導波路が形成され、
    該基板の端部には、該光導波路へ光を入射する入射部又は該光導波路から光を出射する出射部が配置され、
    該入射部又は該出射部の少なくとも一方とその近傍の光導波路上に誘電体膜が形成された光導波路素子において、
    該誘電体膜は、該基板の屈折率より高い屈折率をもつ第１の材料の誘電体膜と、該基板の屈折率よりも低い屈折率をもつ第２の材料の誘電体膜とを含む誘電体膜が、互に積層されており、
    該誘電体膜の平均屈折率をｎ、該基板の屈折率をｎｓとしたときに、ｎ／ｎｓが０．９７０以上、１．００３以下であり、
    該誘電体膜の厚さが０．５μｍ以上であ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、該光導波路を形成するチタン膜の幅は、６μｍ以下であることを特徴とする光導波路素子。
  3. 請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該基板の厚みが２０μｍ以下であることを特徴とする光導波路素子。
  4. 請求項３に記載の光導波路素子において、該基板が樹脂層を介して補強基板に接合されていることを特徴とする光導波路素子。
  5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路素子において、該誘電体膜は、該光導波路が該端部から離れるに従い、徐々に膜厚が減少する部分を有す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において、該基板がニオブ酸リチウムであり、該誘電体膜がニオブ、タンタル、シリコン、チタン、ジルコニア、イットリア、テルル、ハフニウム、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、ゲルマニウムの内、少なくとも一つ以上の元素を含有する酸化膜もしくは窒化膜で構成されていることを特徴とする光導波路素子。
  7. 請求項６に記載の光導波路素子において、該誘電体膜の第１の材料又は第２の材料の少なくとも一つの材料の線膨張係数が、ニオブ酸リチウムのａ軸とｃ軸の線膨張係数の間の値であることを特徴とする光導波路素子。
  8. 基板の一面にＴｉ拡散による光導波路が形成された光導波路素子の製造方法において、
    該光導波路を形成した後に、該光導波路へ光を入射する入射部又は該光導波路から光を出射する出射部の少なくとも一方とその近傍の光導波路上に、誘電体膜を形成すると共に、
    該誘電体膜は、該基板の屈折率より高い屈折率をもつ第１の材料の誘電体膜と、該基板の屈折率よりも低い屈折率をもつ第２の材料の誘電体膜とを含む誘電体膜が、互に積層されており、
    該誘電体膜の平均屈折率をｎ、該基板の屈折率をｎｓとしたときに、ｎ／ｎｓが０．９７０以上、１．００３以下であり、
    該誘電体膜の厚さが０．５μｍ以上であることを特徴とする光導波路素子の製造方法。
JP2019046138A 2019-03-13 2019-03-13 光導波路素子及びその製造方法 Active JP7205317B2 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019046138A JP7205317B2 (ja) 2019-03-13 2019-03-13 光導波路素子及びその製造方法
CN201911169995.3A CN111694172A (zh) 2019-03-13 2019-11-26 光波导元件及其制造方法
CN201922058161.7U CN210776087U (zh) 2019-03-13 2019-11-26 光波导元件
US16/697,219 US11215754B2 (en) 2019-03-13 2019-11-27 Optical waveguide element and manufacturing method therefor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019046138A JP7205317B2 (ja) 2019-03-13 2019-03-13 光導波路素子及びその製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2020148896A JP2020148896A (ja) 2020-09-17
JP7205317B2 true JP7205317B2 (ja) 2023-01-17

Family

ID=71040352

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019046138A Active JP7205317B2 (ja) 2019-03-13 2019-03-13 光導波路素子及びその製造方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11215754B2 (ja)
JP (1) JP7205317B2 (ja)
CN (2) CN210776087U (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7205317B2 (ja) * 2019-03-13 2023-01-17 住友大阪セメント株式会社 光導波路素子及びその製造方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030077060A1 (en) 2001-10-23 2003-04-24 Datong Chen Planar lightwave circuit optical waveguide having a circular cross section
JP2005189347A (ja) 2003-12-24 2005-07-14 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 波長変換素子およびその製造方法
JP2005227731A (ja) 2004-02-16 2005-08-25 Omron Corp 光導波路
JP2005340516A (ja) 2004-05-27 2005-12-08 Nec Corp 光増幅器用平面型光導波路
JP2006284961A (ja) 2005-03-31 2006-10-19 Sumitomo Osaka Cement Co Ltd 光変調器
JP2007271694A (ja) 2006-03-30 2007-10-18 Sumitomo Osaka Cement Co Ltd 光導波路素子及びその製造方法
JP2015075568A (ja) 2013-10-08 2015-04-20 日本碍子株式会社 光学部品
WO2018020641A1 (ja) 2016-07-28 2018-02-01 三菱電機株式会社 平面導波路型レーザ装置

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0644086B2 (ja) * 1984-12-06 1994-06-08 日本電気株式会社 光制御素子の製造方法
JPH03252610A (ja) * 1990-03-02 1991-11-11 Sumitomo Electric Ind Ltd 光導波路の製造方法
JPH0644086A (ja) 1992-04-23 1994-02-18 Nec Corp タイムアウトイベント出力制御方式
JPH06107868A (ja) 1992-09-25 1994-04-19 Toyobo Co Ltd ポリオレフィン樹脂フイルム
JP3907762B2 (ja) * 1995-12-28 2007-04-18 松下電器産業株式会社 光波長変換素子、短波長光発生装置および光ピックアップ
EP0784362B1 (en) * 1996-01-12 2003-03-26 Corning O.T.I. S.p.A. Rare-earth doped lithium niobate DBR laser
US20020154387A1 (en) * 2001-04-20 2002-10-24 Kenji Mori Gain equalizer, collimator with gain equalizer and method of manufacturing gain equalizer
JP2003066257A (ja) * 2001-08-28 2003-03-05 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光導波路型素子及びその製造方法
JP2012078473A (ja) * 2010-09-30 2012-04-19 Sumitomo Osaka Cement Co Ltd 光導波路素子
JP6056800B2 (ja) * 2014-03-31 2017-01-11 住友大阪セメント株式会社 光変調器
JP6107868B2 (ja) 2015-03-31 2017-04-05 住友大阪セメント株式会社 光導波路素子
JP7047469B2 (ja) * 2018-03-05 2022-04-05 住友大阪セメント株式会社 光変調器
JP7205317B2 (ja) * 2019-03-13 2023-01-17 住友大阪セメント株式会社 光導波路素子及びその製造方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030077060A1 (en) 2001-10-23 2003-04-24 Datong Chen Planar lightwave circuit optical waveguide having a circular cross section
JP2005189347A (ja) 2003-12-24 2005-07-14 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 波長変換素子およびその製造方法
JP2005227731A (ja) 2004-02-16 2005-08-25 Omron Corp 光導波路
JP2005340516A (ja) 2004-05-27 2005-12-08 Nec Corp 光増幅器用平面型光導波路
JP2006284961A (ja) 2005-03-31 2006-10-19 Sumitomo Osaka Cement Co Ltd 光変調器
JP2007271694A (ja) 2006-03-30 2007-10-18 Sumitomo Osaka Cement Co Ltd 光導波路素子及びその製造方法
JP2015075568A (ja) 2013-10-08 2015-04-20 日本碍子株式会社 光学部品
WO2018020641A1 (ja) 2016-07-28 2018-02-01 三菱電機株式会社 平面導波路型レーザ装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN111694172A (zh) 2020-09-22
US11215754B2 (en) 2022-01-04
JP2020148896A (ja) 2020-09-17
US20200292752A1 (en) 2020-09-17
CN210776087U (zh) 2020-06-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Miyazawa Growth of LiNbO3 single‐crystal film for optical waveguides
Posadas et al. Thick BaTiO3 epitaxial films integrated on Si by RF sputtering for electro-optic modulators in Si photonics
WO2005019913A1 (ja) 光導波路デバイスおよび進行波形光変調器
US10649246B2 (en) Dielectric thin film-applied substrate and optical modulation element using the same
TW202123459A (zh) 用於形成穩定化正方晶鈦酸鋇之方法及系統
US8224143B2 (en) Substrate structure and manufacturing method
JP7205317B2 (ja) 光導波路素子及びその製造方法
JP3810678B2 (ja) 光導波路装置及びその製造方法
JPH06289341A (ja) 光導波路素子とその製造方法
JP4665162B2 (ja) 光学素子及びその製造方法
JP4023677B2 (ja) ＬｉＮｂＯ３配向性薄膜形成方法
JP3090176B2 (ja) 反り変形を有する光位相調整された光導波路型光素子チップ
Abel Electro-optic photonic devices based on epitaxial barium titanate thin films on silicon
JP2006284962A (ja) 光学素子
JP2002372693A (ja) 光学デバイス
JP3486957B2 (ja) 配向性材料および表面弾性波素子
JP2002196297A (ja) 光導波路素子
KR100439960B1 (ko) 열확산법을 이용한리드마그네슘니오베이트-리드티타네이트 광도파로 및 그의제조방법
Wessels Thin film ferroelectrics for guided wave devices
JPS59147322A (ja) 光変調素子
JP3344442B2 (ja) 配向性材料および表面弾性波素子
Chen et al. Preparation conditions investigation on high-quality lithium niobate thin films on SiO2 substrates
JPS6037504A (ja) 光導波路の製造方法
JP2001100163A (ja) 光導波路素子及び光導波路素子の位相制御方法
Onoe et al. Second-Harmonic Generation of Blue Light in Epitaxial K3Li2-xNb5+ xO15+ 2x Waveguides on K3Li2-x (Nb0. 98Ta0. 02) 5+ xO15+ 2x Substrates by Metalorganic Chemical Vapor Deposition

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210823

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20220427

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220531

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220728

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20221129

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20221212

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7205317

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150