JP7428051B2 - 光導波路素子とそれを用いた光変調デバイス及び光送信装置 - Google Patents
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Description
本発明は、光導波路素子とそれを用いた光変調デバイス及び光送信装置に関し、特に、電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板と、該薄板に光導波路を形成し、さらに該薄板を支持する補強基板を備えた光導波路素子に関する。
光計測技術分野や光通信技術分野において、電気光学効果を有する基板を用いた光変調器などの光導波路素子が多用されている。また、周波数応答特性を広帯域化するためや、駆動電圧を低減するため、基板の厚みを１０μｍ程度かそれ以下まで薄く構成し、変調信号であるマイクロ波の実効屈折率を下げ、マイクロ波と光波との速度整合を図り、さらには電界効率の向上を図ることが行われている。
１０μｍ以下の薄板を用いる場合は、薄板自体の機械的強度が弱く、特許文献１に示すように、薄板を支持する補強基板を接着固定することが行われている。
しかしながら、基板の厚み１０μｍ以下の薄板は、靭性が損なわれ非常に脆くなるため、補強基板によって補強されていた場合においても、薄板のみにクラックが発生して光導波路を損ない、光損失が増大する問題が生じていた。特に、光導波路を形成したウェハ基板から、各光導波路素子用のチップを切り出す際には、薄板自体に機械的負荷が掛り、薄板が容易に破損するという問題を生じていた。
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、薄板の破損、特に、光導波路の破損を防止した光導波路素子とそれを用いた光変調デバイス及び光送信装置を提供することである。
上記課題を解決するため、本発明の光導波路素子は、以下の技術的特徴を有する。
（１） 電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板と、該薄板には光導波路が形成されており、さらに、該薄板を支持する補強基板を備えた光導波路素子において、該薄板は、平面視した形状が長方形であり、該薄板の外周と該光導波路との間の少なくとも一部に、該薄板を構成する元素と異なる元素であって、基板中に熱拡散できる元素が該薄板内に配置された異種元素層が形成され、該薄板の各長辺から該光導波路を横切ると共に、該薄板の各長辺と該光導波路との間に位置する、該薄板の劈開によって割れ易い全ての面のそれぞれに対し、該異種元素層の形成領域を該薄板の劈開によって割れ易い面が横切る長さにおける該薄板の短辺方向の成分の長さの総和は、該薄板の短辺方向の幅の５％以上であることを特徴とする。
なお、本明細書において、「劈開によって割れ易い面」を単に「劈開面」と称する場合もある。
（１） 電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板と、該薄板には光導波路が形成されており、さらに、該薄板を支持する補強基板を備えた光導波路素子において、該薄板は、平面視した形状が長方形であり、該薄板の外周と該光導波路との間の少なくとも一部に、該薄板を構成する元素と異なる元素であって、基板中に熱拡散できる元素が該薄板内に配置された異種元素層が形成され、該薄板の各長辺から該光導波路を横切ると共に、該薄板の各長辺と該光導波路との間に位置する、該薄板の劈開によって割れ易い全ての面のそれぞれに対し、該異種元素層の形成領域を該薄板の劈開によって割れ易い面が横切る長さにおける該薄板の短辺方向の成分の長さの総和は、該薄板の短辺方向の幅の５％以上であることを特徴とする。
なお、本明細書において、「劈開によって割れ易い面」を単に「劈開面」と称する場合もある。
（２） 上記（１）に記載の光導波路素子において、該異種元素層の厚みは、該薄板の厚みの半分以上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、該異種元素層は、チタンが拡散して形成されてい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、該光導波路は高屈折率材料を拡散させた拡散導波路であり、該異種元素層と該光導波路は該薄板の同じ面に形成され、該薄板の表面から該異種元素層の最も高い部分までの厚みは、該光導波路の最も高い部分までの厚みより厚くなるように設定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、該薄板に電極が形成され、該電極と該異種元素層とは離間して形成されてい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と、該光導波路素子を収容する筐体と、該光導波路に光波を該筐体の外部から入力又は出力する光ファイバとを有することを特徴とする光変調デバイスである。
（７） 上記（６）に記載の光変調デバイスにおいて、該光導波路素子に入力する変調信号を増幅する電子回路を該筐体の内部に有することを特徴とする。
（８） 上記（６）又は（７）に記載の光変調デバイスと、該光変調デバイスに変調動作を行わせる変調信号を出力する電子回路とを有することを特徴とする光送信装置である。
本発明は、電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板と、該薄板には光導波路が形成されており、さらに、該薄板を支持する補強基板を備えた光導波路素子において、該薄板は、平面視した形状が長方形であり、該薄板の外周と該光導波路との間の少なくとも一部に、該薄板を構成する元素と異なる元素であって、基板中に熱拡散できる元素が該薄板内に配置された異種元素層が形成され、該薄板の各長辺から該光導波路を横切ると共に、該薄板の各長辺と該光導波路との間に位置する、該薄板の劈開によって割れ易い全ての面のそれぞれに対し、該異種元素層の形成領域を該薄板の劈開によって割れ易い面が横切る長さにおける該薄板の短辺方向の成分の長さの総和は、該薄板の短辺方向の幅の５％以上であるため、薄板の外周から光導波路に向かって、該薄板の劈開面に沿って亀裂が入った場合でも、該異種元素層により該亀裂の進行が阻止され、光導波路が破損することを抑制することが可能となる。
以下、本発明の光導波路素子とそれを用いた光変調デバイス及び光送信装置について、好適例を用いて詳細に説明する。
本発明の光導波路素子は、図１～図６に示すように、電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板１と、該薄板には光導波路２（ＷＧ）が形成されており、さらに、該薄板を支持する補強基板５を備えた光導波路素子において、該薄板１は、平面視した形状が長方形であり、該薄板の外周と該光導波路２との間の少なくとも一部に、該薄板を構成する元素と異なる元素であって、基板中に熱拡散できる元素が該薄板内に配置された異種元素層３が形成され、該薄板の各長辺から該光導波路を横切ると共に、該薄板の各長辺と該光導波路との間に位置する、該薄板の劈開によって割れ易い全ての面のそれぞれに対し、該異種元素層の形成領域を該薄板の劈開によって割れ易い面が横切る長さにおける該薄板の短辺方向の成分の長さの総和は、該薄板の短辺方向の幅の５％以上であることを特徴とする。
本発明の光導波路素子は、図１～図６に示すように、電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板１と、該薄板には光導波路２（ＷＧ）が形成されており、さらに、該薄板を支持する補強基板５を備えた光導波路素子において、該薄板１は、平面視した形状が長方形であり、該薄板の外周と該光導波路２との間の少なくとも一部に、該薄板を構成する元素と異なる元素であって、基板中に熱拡散できる元素が該薄板内に配置された異種元素層３が形成され、該薄板の各長辺から該光導波路を横切ると共に、該薄板の各長辺と該光導波路との間に位置する、該薄板の劈開によって割れ易い全ての面のそれぞれに対し、該異種元素層の形成領域を該薄板の劈開によって割れ易い面が横切る長さにおける該薄板の短辺方向の成分の長さの総和は、該薄板の短辺方向の幅の５％以上であることを特徴とする。
本発明の光導波路素子に使用される基板１としては、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）などの電気光学効果を有する基板が利用可能である。特に、劈開面がウエハの表面に沿って形成されるＸ板のＬＮ基板に対しては、本発明を効果的に適用することが可能である。
基板１に形成する光導波路は、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより形成することができる。また、基板１における光導波路以外の部分をエッチングしたり、光導波路の両側に溝を形成するなど、光導波路に対応する部分の基板を凸状としたリブ形状の導波路を利用することも可能である。
基板１の厚さは、変調信号のマイクロ波と光波との速度整合を図るため、１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下に設定される。基板１の機械的強度を高めるため、図２に示すように、基板（薄板）１の裏面側に樹脂等の接着層４を介して、補強基板５が基板１に接着固定されている。補強基板５には、基板１と同じＬＮ基板など、基板１と熱膨張係数の近い材料が使用される。さらに、基板（薄板）１と補強基板５を接着層４を用いずに、直接接合する場合では、基板１の厚さは１μｍ以下、好ましくは０．７μｍ以下に設定することが可能である。
本発明の光導波路素子の特徴は、図１、図３～図６に示すように、薄板１の外周と光導波路２との間の少なくとも一部に、該薄板を構成する元素と異なる元素が該薄板内に配置された異種元素層３が形成されていることである。異種元素層を構成する材料としては、Ｔｉ、ＭｇＯ又はＺｎなど熱拡散によって基板中に異種元素層を形成できる材料が好適に利用可能である。
異種元素層３では、電気光学効果を有する結晶基板に熱拡散によって異種元素が固溶している。これにより、転位の運動が抑制され、材料が強化(固溶強化)する。また、異種元素層３の存在により、製造工程における熱応力や切断応力による薄板でのクラック（亀裂）の発生を抑制することができる。さらに、異種元素を拡散することで、ＬＮなどが有する劈開面が局所的に乱されるため、クラックが入った場合においてもそれが劈開方向に延伸せず、光導波路を損傷することを防ぐことができる。
図１、図３～図６は、光導波路素子を平面視した際の異種元素層の形成パターンを例示したものである。図１は、薄板１の外周から光導波路２までの間で、広い範囲に異種元素層３を配置したものである。図３は、亀裂が発生し易い薄板１の外周近傍を中心に、異種元素層３を配置したものである。図４は、薄板１の長辺に沿って異種元素層３を配置し、例えば、長辺に沿ってチップを切断する際に発生し易い亀裂の影響を抑制したものである。
図５及び図６は異種元素層３を離散的に配置したものであり、薄板１に発生する劈開面Ａの進行方向に沿って、異種元素層３の一部が必ず存在するように、異種元素層３が形成されている。
異種元素層３の配置パターンは、図５の領域ＡＲ１に示すように、一定のピッチで規則的に配置ものだけでなく、領域ＡＲ２に示すように、異種元素層３で特に保護したい場所に絞って、不規則なパターンで配置することも可能である。さらに、劈開面Ａの方向に導波路が無い場合は、領域ＡＲ３のように、異種元素層を省略することも可能である。
異種元素層３は、薄板１の劈開面Ａに沿った長さが長いほど、亀裂の進行を効果的に阻止することが可能である。図７は、劈開面Ａに沿って離散的に配置される異種元素層を図示したものである。本発明では、劈開面が異種元素層を横切る長さ（Ｌ１、Ｌ２）における薄板の短辺方向の成分の長さの総和が、後述するように、薄板の短辺方向の幅の５％以上になる場合に、劈開面に沿った亀裂に進行を、ある程度、効果的に抑制することができる。
図２に示すように、異種元素層３と光導波路２との間隔Ｇは、光導波路を伝搬する光波が、異種元素層の存在により、散乱・吸収されないようにするため、光導波路を伝播している光波のモードフィールド径（ＭＦＤ）以上に設定することが好ましい。
また、異種元素層３の厚みについては、薄板１の厚さ方向に関して、劈開面が発生する、所謂、異種元素層が形成されていない部分の厚みと比較し、異種元素層３の厚みの方が同じかそれ以上である場合には、劈開面での亀裂の発生を効果的に抑制することが可能となる。このため、薄板の厚みｔ０の半分以上の厚みに、異種元素層３の厚みｔ１を設定することが好ましい。当然、異種元素層３を、薄板１の厚さ方向全体に形成することが、より好ましい。
図８は、各種の光導波路ＷＧに対して、異種元素層３を配置した例を示したものである。図８（ａ）は、図２と同様に、拡散導波路ＷＧと同じ面に、異種元素層３を配置している。本構成において、異種元素層３でチタンを使用する場合には、光導波路のチタン熱拡散と同時に異種元素層３を形成することが可能である。ただし、光導波路の部分よりも異種元素層の機械的強度を高く設定するため、熱拡散前に薄板表面に形成するチタンの量（単位面積当たりのチタンの配置量）を光導波路よりも異種元素層の方を多くし、実質的に異種元素層の厚みを光導波路よりも厚くしてもよい。図８（ｆ）に示すように、この場合、異種元素層３や光導波路ＷＧの上面は、薄板表面より盛上がる凸状となり、この凸状部分の高さは、異種元素層の方が光導波路よりも符号Δで示す分だけ高くなる。なお、光導波路と異種元素層とでは、熱拡散する元素が異なる場合であっても、異種元素層の高さを光導波路の高さより高く設定する方が、より安定的に亀裂の光導波路への到達を抑制することができる。
図８（ｂ）に示すように、光導波路ＷＧを形成する面と異種元素層３を形成する面とを、薄板１の異なる面（互いに対向する面）に設定することも可能である。薄板の厚みが１０μｍ以下、特に５μｍ以下の場合には、一方の面から熱拡散した元素が、反対側の面の近傍まで到達させることが容易になるため、より均一性の高い異種元素層を形成することができる。図８（ｂ）のように、異なる面に光導波路と異種元素層を形成した場合であっても、十分な亀裂の抑制効果が得られる。
図８（ｃ）及び（ｄ）は、光導波路ＷＧとしてリブ型光導波路を形成した場合を示している。この場合も、図８（ａ）及び（ｂ）と同様に、異種元素層３を光導波路ＷＧと同じ面又は異なる面（互いに対向する面）に形成することも可能である。さらに、図８（ｅ）に示すように、薄板１の裏面の全体に渡り異種元素層３を形成することも可能である。この場合は、異種元素層３の形成領域が薄板全体に及ぶため、一様に薄板の機械的強度を高めることができる。なお、光導波路ＷＧの構成として、リブ型導波路の凸部にＴｉ等の拡散導波路を合わせて形成することも可能である。
光変調器などの光導波路素子では、光導波路を伝搬する光波を変調したり、バイアス点を制御するために、信号電極、接地電極又はＤＣバイアス電極などの制御電極を、光導波路の上側や近傍に設置する。このような電極を薄板上に設けると、電極の熱膨張係数と薄板、特に異種元素層の熱膨張係数との差が大きい場合には、異種元素層の形成領域での電極の剥離や、異種元素層の形成領域での内部応力が高くなり、最悪の場合は異種元素層の部分で基板が破損することとなる。このため、異種元素層の形成領域と電極の形成領域とは離間するように配置することが好ましい。なお、本発明は、上述したような電極の剥離や基板の破損が発生しない範囲で、異種元素層の上に電極を形成することを妨げるものではない。
図９～１１は、ウェハ状態における異種元素層の形成領域のパターンを示したものである。ウェハ１０は、薄板に加工する前後の何れの状態であっても良い。熱拡散する際の熱応力でウェハが破損することを抑制するためには、薄板に加工する前に、光導波路や異種元素層を形成することが好ましい。
図９では、光導波路素子を構成するチップ部分（Ｃ１，Ｃ２）のみに異種元素層３を形成し、ウェハ１０の周辺部から発生した亀裂がチップ部分の内部に進行するのを抑制している。図１０では、異種元素層をウェハ全体に広げ、ウェハ全体での亀裂の発生・進行を抑制している。さらに、図１１では、光導波路素子を構成するチップ部分（Ｃ１，Ｃ２）を最終的にウェハ１０から切り出すことを容易にするため、各チップ部分（Ｃ１，Ｃ２）を取り囲む近傍領域３０には、異種元素層３の形成を行わず、ウェハの切断を容易にしている。
本発明の効果を検証するため、以下に示す試験を行ない、亀裂（クラック）の発生率を計測した。
ＬＮ基板（ウェハ）上に全面Ｔｉを成膜した後、フォトリソグラフィにより光導波路及び異種元素層部分を形成し、加熱によって光導波路及び異種元素層をＬＮ基板中に熱拡散させた。その後、光導波路素子（チップ）を切り出し、切り出したチップの数に対する光導波路まで亀裂が達しているものの数の割合を、「亀裂発生率」として数値化した。
なお、いずれの光導波路基板も次の数値で作製し、薄板化した光導波路基板は、厚さ３０μｍの接着剤を介し厚さ５００μｍの補強基板に接合する構成とした。
薄板の厚みｔ０＝１０μｍ、異種元素層の厚みｔ１＝１０μｍ、チップ（長方形）の短辺方向の幅Ｗ０＝２０００μｍ、光導波路のＭＦＤ＝φ１０μｍ。
ＬＮ基板（ウェハ）上に全面Ｔｉを成膜した後、フォトリソグラフィにより光導波路及び異種元素層部分を形成し、加熱によって光導波路及び異種元素層をＬＮ基板中に熱拡散させた。その後、光導波路素子（チップ）を切り出し、切り出したチップの数に対する光導波路まで亀裂が達しているものの数の割合を、「亀裂発生率」として数値化した。
なお、いずれの光導波路基板も次の数値で作製し、薄板化した光導波路基板は、厚さ３０μｍの接着剤を介し厚さ５００μｍの補強基板に接合する構成とした。
薄板の厚みｔ０＝１０μｍ、異種元素層の厚みｔ１＝１０μｍ、チップ（長方形）の短辺方向の幅Ｗ０＝２０００μｍ、光導波路のＭＦＤ＝φ１０μｍ。
実施例１では、図１に示した異種元素層の形成領域のパターンを使用し、光導波路と異種元素層との間隔（ギャップ）Ｇは３０μｍに設定した。
実施例２では、図３に示した異種元素層の形成領域のパターンを使用し、薄板の周囲に沿って形成する異種元素層の幅を１００μｍの幅で形成した。
実施例３では、図４に示すパターンを使用し、異種元素層の幅Ｗ１は１００μｍの幅で形成した。
実施例４では、図５に示すパターンを使用し、薄板の長辺に沿った異種元素層の幅は１００μｍとし、隣接する異種元素層との間隔を５０μｍとなるように設定した。なお、Ｘカットの薄板の劈開面の角度θは６０度である。
比較例１では、異種元素層を全く形成しなかった。
比較例２では、図４に示すパターンを使用し、異種元素層の幅Ｗ１は２０μｍの幅で形成した。
試験結果を表１に示す。
実施例２では、図３に示した異種元素層の形成領域のパターンを使用し、薄板の周囲に沿って形成する異種元素層の幅を１００μｍの幅で形成した。
実施例３では、図４に示すパターンを使用し、異種元素層の幅Ｗ１は１００μｍの幅で形成した。
実施例４では、図５に示すパターンを使用し、薄板の長辺に沿った異種元素層の幅は１００μｍとし、隣接する異種元素層との間隔を５０μｍとなるように設定した。なお、Ｘカットの薄板の劈開面の角度θは６０度である。
比較例１では、異種元素層を全く形成しなかった。
比較例２では、図４に示すパターンを使用し、異種元素層の幅Ｗ１は２０μｍの幅で形成した。
試験結果を表１に示す。
表１の結果より、実施例１～４に示すように、異種元素層を薄板の周辺部に形成した場合には、比較例１に示すような従来１０％前後発生していた亀裂発生率を、半分以下程度に抑制することが可能となる。特に、実施例３と比較例２とを対比すると、異種元素層の幅がチップの短辺方向の幅に対して５％以上の場合は、より効果的に亀裂の発生・進行を抑制することが確認できた。
さらに、本発明では、上述した光導波路素子を用いて、光変調デバイスや光送信装置を構成することも可能である。図１２に示すように、本発明の光導波路素子の基板１を金属等の筐体ＳＨ内に収容し、筐体の外部と光導波路素子１とを光ファイバＦで接続することで、コンパクトな光変調デバイスＭＤを提供することができる。当然、基板１の光導波路の入射部又は出射部と光ファイバとを空間光学系で光学的に接続するだけでなく、光ファイバを基板１に直接接続することも可能である。
光変調デバイスＭＤに変調動作を行わせる変調信号Ｓｏを出力する電子回路（デジタル信号プロセッサーＤＳＰ）を、光変調デバイスＭＤに接続することにより、光送信装置ＯＴＡを構成することが可能である。光制御素子に印加する変調信号ＳはＤＳＰの出力信号Ｓｏを増幅する必要があるため、ドライバ回路ＤＲＶが使用される。ドライバ回路ＤＲＶやデジタル信号プロセッサーＤＳＰは、筐体ＳＨの外部に配置することも可能であるが、筐体ＳＨ内に配置することも可能である。特に、ドライバ回路ＤＲＶを筐体内に配置することで、ドライバ回路からの変調信号の伝搬損失をより低減することが可能となる。
以上説明したように、本発明によれば、薄板の破損、特に、光導波路の破損を防止した光導波路素子を提供することが可能となる。
１ 電気光学効果を有する基板（薄板）
２ 光導波路
３ 異種元素層
４ 接着層
５ 補強基板
ＭＤ 光変調デバイス
ＯＴＡ 光送信装置
ＳＨ 筐体
２ 光導波路
３ 異種元素層
４ 接着層
５ 補強基板
ＭＤ 光変調デバイス
ＯＴＡ 光送信装置
ＳＨ 筐体
Claims (8)
- 電気光学効果を有し、厚みが１０μｍ以下の薄板と、該薄板には光導波路が形成されており、さらに、該薄板を支持する補強基板を備えた光導波路素子において、
該薄板は、平面視した形状が長方形であり、
該薄板の外周と該光導波路との間の少なくとも一部に、該薄板を構成する元素と異なる元素であって、基板中に熱拡散できる元素が該薄板内に配置された異種元素層が形成され、
該薄板の各長辺から該光導波路を横切ると共に、該薄板の各長辺と該光導波路との間に位置する、該薄板の劈開によって割れ易い全ての面のそれぞれに対し、該異種元素層の形成領域を該薄板の劈開によって割れ易い面が横切る長さにおける該薄板の短辺方向の成分の長さの総和は、該薄板の短辺方向の幅の５％以上であることを特徴とする光導波路素子。 - 請求項１に記載の光導波路素子において、該異種元素層の厚みは、該薄板の厚みの半分以上であることを特徴とする光導波路素子。
- 請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該異種元素層は、チタンが拡散して形成されていることを特徴とする光導波路素子。
- 請求項３に記載の光導波路素子において、該光導波路は高屈折率材料を拡散させた拡散導波路であり、該異種元素層と該光導波路は該薄板の同じ面に形成され、該薄板の表面から該異種元素層の最も高い部分までの厚みは、該光導波路の最も高い部分までの厚みより厚くなるように設定されていることを特徴とする光導波路素子。
- 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、該薄板に電極が形成され、該電極と該異種元素層とは離間して形成されていることを特徴とする光導波路素子。
- 請求項１乃至５のいずれかに記載の光導波路素子と、該光導波路素子を収容する筐体と、該光導波路に光波を該筐体の外部から入力又は出力する光ファイバとを有することを特徴とする光変調デバイス。
- 請求項６に記載の光変調デバイスにおいて、該光導波路素子に入力する変調信号を増幅する電子回路を該筐体の内部に有することを特徴とする光変調デバイス。
- 請求項６又は７に記載の光変調デバイスと、該光変調デバイスに変調動作を行わせる変調信号を出力する電子回路とを有することを特徴とする光送信装置。
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