JPWO2011065384A1 - 光デバイス - Google Patents

Abstract

光デバイス（２０）は、光導波路（８）が形成された光素子（６）が基板（２）に接合されたものであり、光素子（６）の基板（２）と向かい合う面に、光導波路（８）と、光導波路（８）を加熱する薄膜ヒータ（４）とが形成され、光素子（６）と基板（２）とは、金属材料からなる第１の接合部（１２）と第２の接合部（１４）により接合され、第１の接合部（１２）と第２の接合部（１４）を介して、薄膜ヒータ（４）と基板（２）上の配線とが導通接続したことを特徴とする。このような構成とすることにより、導通接続のための配線を別途設ける必要がなくなり、光素子６上の余分な領域を無くして小型化を可能し、製造工程を簡略化することが可能となる。

Description

本発明は、光導波路が形成された光素子が基板上に接合された光デバイスに関する。

光素子等に形成された光導波路は、光導波路部分とその周辺との屈折率差を用いて、光導波路内に光を閉じ込め、光を必要な場所へ導くための構造体である。光導波路に用いられる材料は屈折率が大きく、温度による熱膨張や熱光学効果によってサイズや屈折率等の特性が変化してしまうことがある。そのため光導波路の温度を一定に保つための対策が採られていることが一般的である。

光導波路が形成された光素子、特に第二高調波発生素子においては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃：ＬＮ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃：ＬＴ）などの結晶材料が使われており、さらにこの結晶内に波長変換機能を持たせるために分極反転が施されている。このデバイスはレーザダイオード（ＬＤ）との組み合わせで使われることが多い。分極反転周期は変換する波長に応じて決まり、この分極反転周期が温度の影響でずれてしまうと波長の変換効率が低下してしまう。

このため、光導波路の温度を一定にするように温度制御の手段が採られている。例えば下記特許文献１に明示されているように、光導波路上に薄膜ヒータを形成してこの薄膜ヒータで光導波路を加熱することにより、周囲の環境によらず光導波路の温度が一定になるように制御し、第２高調波発生素子の波長の変換効率の低下を防ぐものである。

特開平１１−３２６９６６号公報（第６頁、図１）

しかし、上述した従来技術では、以下のような問題がある。一般的に薄膜ヒータは光素子上に形成された導電膜からなり、この導電膜へ電流を流して光導波路を加熱することで温度制御が行われる。よって、薄膜ヒータへ電流を供給するために、光素子上に電極を形成し、この電極と導通接続するための配線を別途設ける必要がある。

また、光素子は基板等に実装されて使用される。このため、実装するための領域を光素子上に設ける必要がある。以上より、従来技術では、高価な結晶材料を使用している光素子の面積が大きくなってしまう問題がある。また従来技術では、光素子の実装、薄膜ヒータの導通接続のための工程が複雑であるという問題がある。

そこで、本発明は上記課題を解決し、光素子上の余分な領域を無くして小型化を可能とするとともに、製造工程を簡略化することを可能とする光デバイスを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明の光デバイスは下記記載の構成を採用するものである。

本発明の光デバイスは、光導波路が形成された光素子が基板に接合された光デバイスにおいて、光素子の基板と向かい合う面に、光導波路と、光導波路を加熱する薄膜ヒータとが形成され、光素子と基板とは、金属材料からなる第１の接合部と第２の接合部により接合され、第１の接合部と第２の接合部を介して、薄膜ヒータと基板上の配線とが導通接続される。また、第１の接合部と第２の接合部は、光導波路を挟んで位置させる。この第１と第２の接合部が、光デバイスと基板間との接合箇所になるとともに、薄膜ヒータへ電流を供給するための電気的接続点になる。

さらに本発明の光デバイスは、前述した構成に加えて、薄膜ヒータの上に形成された第１の電極および第２の電極と、基板上に形成された第１の金属配線および第２の金属配線と、を備え、第１の電極と第１の金属配線とが接合して第１の接合部を形成し、第２の電極と第２の金属配線とが接合して第２の接合部を形成することを特徴とする。

さらに本発明の光デバイスは、前述した構成に加えて、複数の第１の電極と、複数の第２の電極と、複数の第１の金属配線と、複数の第２の金属配線と、を備え、各第１の電極と各第１の金属配線とがそれぞれ接合して、第１の接合部を形成し、各第２の電極と各第２の金属配線とがそれぞれ接合して、第２の接合部を形成することを特徴とする。

さらに本発明の光デバイスは、前述した構成に加えて、光素子に複数の薄膜ヒータが形成され、各薄膜ヒータ上に、いずれかの第１の電極およびいずれかの第２の電極が形成されたことを特徴とする。第１の接合部と第２の接合部がそれぞれ１箇所では、薄膜ヒータへの電流供給が２箇所になってしまう。そのため薄膜ヒータ全体への電流供給になり、所望の場所への電流供給はできない。しかし接合部が複数あり、外部の所定の位置から電流を供給することで所望の位置での温度制御が可能となる。

さらに本発明の光デバイスは、前述した構成に加えて、本発明における光デバイスの第１の接合部と第２の接合部を形成する金属材料は、Ａｕであることを特徴とする。接続部がＡｕとＡｕ間の金属間接合であるため、電気的な導通が可能となる。

さらに本発明の光デバイスは、前述した構成に加えて、本発明における光デバイスの第１の接合部と第２の接合部はマイクロバンプ構造を有することを特徴とする。このマイクロバンプ構造にすることにより、面での接触ではなく、点での接触になるため、接合時に金属間接合に必要な金属の清浄面が出しやすいので、接合が容易になる。

さらに本発明の光デバイスは、前述した構成に加えて、基板と光素子とが、接合部により表面活性化接合で接合されたことを特徴とする。このマイクロバンプ面と、対向する面をプラズマで活性化することで接合がなされるため、Ａｕ−Ｓｎ間の接合のように熱を印加しての接合方法ではなく、低温での接合が可能となる。

さらに本発明の光デバイスは、前述した構成に加えて、本発明における光デバイスの薄膜ヒータは透明電極で形成されたことを特徴とする。薄膜ヒータとしての機能だけで考えれば、透明電極である必要性はない。しかし薄膜ヒータの近傍に光を導波させる導波路があるため、ここにレーザのような強力な光が照射された場合、この薄膜ヒータが光に対して透明でないと、光のエネルギーを吸収してしまい、損傷を受ける可能性がある。

さらに本発明の光デバイスは、前述した構成に加えて、本発明における光デバイスの薄膜ヒータは、酸化インジウム（ＩＴＯ）、または酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズやこれらに不純物をドープした膜で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、本発明の光デバイスにおける光素子は、光導波路を導波する光を波長変換する波長変換素子であることを特徴とする。例えば一例を挙げると、近赤外領域の波長のレーザ光を用い、波長変換素子として第２高調波発生（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子を用いる場合もある。

さらに、本発明の光デバイスは、前記基板には、レーザダイオードと、前記レーザダイオードから出射された光を導波する光導波路と、前記光導波路を導波する光を波長変換する波長変換素子と、ファイバーブラッググレーティングとが前記光導波路の光軸方向に沿って設けられ、熱伝導性の良好な材質からなり、前記基板が搭載されるベース基板を備え、前記ベース基板は、一端側に位置する前記レーザダイオードが搭載された基板に接合されるとともに、前記波長変換素子から前記ファイバーブラッググレーティングまでの間には、前記基板との間に空間部が形成され、他端側に位置する前記ファイバーブラッググレーティングの端部が熱伝導性の良好な支持台を用いて前記基板を支持することを特徴とする。このように、レーザダイオードが位置する部分の基板だけをベース基板に接合することにより、レーザダイオードの熱をベース基板に効率的に放熱できる。また波長変換素子およびファイバーブラッググレーティング下部には空間部が形成されており、レーザダイオードの熱の影響を受けにくい。

さらに、本発明の光デバイスは、前記波長変換素子に設けられた前記第１の電極および前記第２の電極は、前記光導波路を挟み、前記波長変換素子の端部位置にそれぞれ位置することを特徴とする。この構成によれば、中央の光導波路に対する熱抵抗を増やすことができる。

さらに、本発明の光デバイスは、前記基板には、前記第１の金属配線と、複数の前記第２の金属配線が設けられる部分に、所定高さの酸化膜を形成し、前記基板と前記波長変換素子との間の空間高さを高くしたことを特徴とする。この構成によれば、基板と光素子との間の空間の高さを高くでき、熱伝導性を低くできる。

さらに、本発明の光デバイスは、前記基板には、前記第１の金属配線と、複数の前記第２の金属配線が設けられる部分に、基板の材料をポーラス状に加工した箇所を設け、熱伝導性を低くしたことを特徴とする。

さらに、本発明の光デバイスは、前記第１の電極および前記第２の電極を前記光導波路に沿って分割して複数設け、分割された前記第１の電極間、および前記第２の電極間には、前記第１の電極および前記第２の電極と同じ材質からなり、かつ前記第１の電極および前記第２の電極と電気的に絶縁された侵入防止壁を設け、前記侵入防止壁により、前記波長変換素子を前記基板に固着する際の接着剤の内部への侵入を防止したことを特徴とする。この構成によれば、第１の電極および第２の電極を分割することにより基板との接合面積が減少するが、接着剤を用いて光素子を接着でき、侵入防止壁はこの接着剤の内部への侵入を防止する。

さらに、本発明の光デバイスは、前記基板の下面には、貫通しない複数の溝を形成したことを特徴とする。この構成によれば、複数の溝により基板の熱抵抗を高くすることができる。

さらに、本発明の光デバイスは、前記基板の下面には、当該基板の縁部を残して凹部を開口形成したことを特徴とする。この構成によれば、複数の溝により基板の熱抵抗を高くすることができる。

さらに、本発明の光デバイスは、前記波長変換素子は、前記光導波路に沿って平行に設けられるヒータと、前記第１の電極および前記第２の電極から前記ヒータに接続される導出部を有し、前記第１の電極と前記第２の電極と前記導出部は同一の材質によりなり、前記第１の電極と前記第２の電極を前記基板の前記第１の金属配線および前記第２の金属配線との接合に用いるとともに、前記ヒータの電極として兼用することを特徴とする。この構成によれば、光導波路に沿ってヒータを設けることにより光導波路を温度制御でき、ヒータの電極を個別に導出する必要がない。

本発明は、基板と光素子とを金属材料からなる接合部により接合し、かつ、この接合部を介して薄膜ヒータを導通接続させることにより、導通接続のための配線を別途設ける必要がなくなり、光素子上の余分な領域を無くして小型化を可能にし、製造工程を簡略化することが可能となる。

図１は、本発明の実施例１の光デバイスの構成を示す説明図である。 図２は、本発明の実施例２の光デバイスの構成を示す説明図である。 図３は、本発明の実施例３の光デバイスの構成を示す説明図である。 図４は、本発明の実施例４の光デバイスの構成を示す正面図である。 図５は、本発明の実施例４の他の光デバイスの構成を示す正面図である。 図６は、本発明の実施例４の他の光デバイスの構成を示す正面図である。 図７−１は、波長変換素子と基板との接合構造を示す側面図である。 図７−２は、波長変換素子と基板との接合構造を示す側面図である。 図７−３は、波長変換素子と基板との接合構造を示す側面図である。 図８−１は、本発明の実施例５の光デバイスの構成を示す側面図である。 図８−２は、図８−１に示した光デバイスの上面図である。 図８−３は、実施例５の他の光デバイスの構成を示す側面図である。 図９−１は、実施例６の光デバイスの構成を示す正面図である。 図９−２は、実施例６の他の光デバイスの構成を示す正面図である。 図９−３は、実施例６の他の光デバイスの構成を示す正面図である。 図１０−１は、ヒータの構造を説明する平面図である。 図１０−２は、ヒータの構造を説明する側面図である。 図１０−３は、分極反転用の電極を示す側面図である。 図１１−１は、分割された複数の電極を介してヒータの印加電圧を検知する説明図である。 図１１−２は、分割された複数の電極を介してヒータの印加電圧を検知する説明図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて具体的に説明する。

［実施例１：図１］
まず、本発明の実施例１の光デバイスの構成について説明する。図１は、本発明の実施例１の光デバイス２０の構成を示す説明図である。図１（ａ）は光デバイス２０の断面図である。図１（ｂ）は光デバイス２０の平面図であり、図１（ａ）の下方から見た状態を示す。説明のため、図１（ｂ）では光デバイス２０を構成する一部の部材のみを示す。また、図１（ａ）は、図１（ｂ）のＡ−Ａ’で示す箇所の断面を示す。

図１に示すように、本発明の実施例１の光デバイス２０は、光を導波するための光導波路８が形成された光素子６が基板２に接合された構成を備える。以下、それぞれの構成について詳細に説明する。

図１に示すように、光導波路８は光素子６の基板２と向かい合う面に形成される。光導波路８について、一例として、光素子６がＬｉＮｂＯ₃（ニオブ酸リチウム、ＬＮ：Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ）により形成された場合について述べる。この場合、プロトンエクスチェンジ（ＰＥ：Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ）法という方法が用いられることが多い。

この場合、予めＰＥ法を施したい位置（光導波路が形成される箇所）を開口した状態で、ＬｉＮｂＯ₃からなる光素子をピロ燐酸中に浸漬させることで、ＬｉＮｂＯ₃中のＬｉとピロ燐酸中のプロトン間でイオン交換を行う。その後でアニール処理を行うことで、光学特性を安定化させる。このイオン交換領域の形状は、開口幅やアニール処理時間等で制御される。このように形成した光導波路８は、周囲のＬｉＮｂＯ₃に比べて屈折率が高くなり、光を導波しやすくなる。

また、この光素子６が波長変換素子である場合には、光導波路８には基本波として素子の一端から入射される光の波長を変換するために、分極反転領域が形成されている。分極反転領域とは、光素子６を構成するＬｉＮｂＯ₃の分極状態を、ある特定の周期で互いに１８０°異なる領域を形成したものをいう。この周期は波長変換素子として、使用する波長や使用する温度環境などによって設計され、約数μｍの周期で形成されている。この領域を形成するためには、自発分極に対して１８０°異なる方向に分極反転させる。分極反転をさせる方法にはいくつかあるが、代表的なところでは高電界を印加して、分極方向を反転させる高電界印加法がある。

また図１に示すように、光導波路８が形成されている面に、薄膜ヒータ４として透明導電膜が形成される。この薄膜ヒータ４を形成する透明導電膜として、一例として酸化インジウム（ＩＴＯ）膜を用いることができる。ここで薄膜ヒータ４を、光導波路８を導波する光に対して透明な導電膜で形成することにより、レーザ等の強い光が光導波路８を導波して、この強い光により薄膜ヒータ４が照射された場合であっても、この光が吸収されることによる薄膜ヒータ４の損傷を抑えることができる。薄膜ヒータ４を形成する透明導電膜として、酸化インジウム（ＩＴＯ）膜とは別に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ、またはこれらに不純物をドープした膜でも同様の効果が期待できる。

さらに図１に示すように、薄膜ヒータ４の上に、導波路８に対して一方の側に位置する第１の電極１０ａと他の側に位置する第２の電極１０ｂとが形成される。また、基板２上に第１の金属配線１６ａおよび第２の金属配線１６ｂが形成される。第１の金属配線１６ａおよび第２の金属配線１６ｂは、光素子６に形成された第１の電極１０ａ、第２の電極１０ｂに応じた位置にマイクロバンプ１８が形成されている。

光素子６に形成された第１の電極１０ａおよび第２の電極１０ｂと、基板２上に形成された第１の金属配線１６ａおよび第２の金属配線１６ｂとは、それぞれ例えば金（Ａｕ）を材料として形成される。この金（Ａｕ）を材料として形成された第１の電極１０ａおよび第２の電極１０ｂと、第１の金属配線１６ａおよび第２の金属配線１６ｂとは、例えば、常温活性化接合により接合される。

この常温活性化接合は、第１の金属配線１６ａおよび第２の金属配線１６ｂ上のマイクロバンプ１８と、第１の電極１０ａおよび第２の電極１０ｂの表面をアルゴン（Ａｒ）プラズマに曝すことで活性化させ、低温で圧力をかけることで、マイクロバンプ１８が潰れて清浄面が露出し、各マイクロバンプ１８と第１の電極１０ａおよび第２の電極１０ｂとを金属間接合させる接合方法である。ここで図１に示すように、導波路８に対して一方の側に位置する第１の電極１０ａと第１の金属配線１６ａとで第１の接合部１２をなし、導波路８に対して他方の側に位置する第２の電極１０ｂと第２の金属配線１６ｂとで第２の接合部１４をなす。この第１の接合部１２と第２の接合部１４により、光素子６は基板２に接合された状態となる。このとき、第１の接合部１２と第２の接合部１４は導波路８の直下には位置しておらず、導波路８の両側部に位置しているため、常温活性化接合時に導波路８に加重が加わることを避けることができる。

また、第１の金属配線１６ａは、第１の接合部１２を介して薄膜ヒータ４と電気的に接続され、第２の金属配線１６ｂは、第２の接合部１２を介して薄膜ヒータ４と電気的に接続されている。よって、第１の金属配線１６ａと第２の金属配線１６ｂとの間に電流を流すことにより、図１（ｂ）の印加電流２７に示すように薄膜ヒータ４に電流が流れて発熱し、この熱が光導波路８に伝わり光導波路８が加熱され、温度制御が可能となる。

上述したように本発明の実施例１の光デバイス２０は、基板２と光素子６とを金属材料からなる第１の接合部１２および第２の接合部１４により接合し、かつ、これらの接合部を介して薄膜ヒータ４を導通接続させるものである。これにより、本発明の実施例１の光デバイス２０は、導通接続のための配線を別途設ける必要がなくなり、光素子６上の余分な領域を無くして小型化を可能とするとともに、製造工程を簡略化することを可能とするものである。

［実施例２：図２］
次に、本発明の実施例２の光デバイスの構成について説明する。図２は、本発明の実施例２の光デバイス３０の構成を示す説明図である。図２（ａ）は光デバイス３０の断面図である。図２（ｂ）は光デバイス３０の平面図であり、図２（ａ）の下方から見た状態を示す。説明のため、図２（ｂ）では光デバイス３０を構成する一部の部材のみを示す。また、図２（ａ）は、図２（ｂ）のＢ−Ｂ’で示す箇所の断面を示す。

図２において、実施例１と同一の構成部材には同一の番号を付して、重複する説明は省略する。本発明の実施例２の光デバイス３０は、光を導波するための光導波路８が形成された光素子６が基板２に接合された構成を備える。実施例２の光デバイス３０は、光素子６に形成された電極と、基板２上に形成された金属配線とが、実施例１の光デバイス２０と異なるものである。

実施例２の光デバイス３０は、基板２上に、複数の第１の金属配線（図２（ｂ）に示す例では、第１の金属配線１６ａ１、１６ａ２、１６ａ３）が形成される。また、光デバイス３０は、基板２上に、複数の第２の金属配線（図２（ｂ）に示す例では、第２の金属配線１６ｂ１、１６ｂ２、１６ｂ３）が形成される。

また図２に示すように、光デバイス３０は、光素子６の薄膜ヒータ４上に、複数の第１の電極（図２（ｂ）に示す例では、第１の電極１０ａ１、１０ａ２、１０ａ３）が形成される。さらに光デバイス３０は、光素子６の薄膜ヒータ４上に、複数の第２の電極（図２（ｂ）に示す例では、第２の電極１０ｂ１、１０ｂ２、１０ｂ３）が形成される。

第１の金属配線１６ａ１、１６ａ２、１６ａ３および第２の金属配線１６ｂ１、１６ｂ２、１６ｂ３は、光素子６に形成され第１の電極１０ａ１、１０ａ２、１０ａ３および第２の電極１０ｂ１、１０ｂ２、１０ｂ３に応じた位置にマイクロバンプ１８が形成されている。

第１の電極１０ａ１、１０ａ２、１０ａ３、第２の電極１０ｂ１、１０ｂ２、１０ｂ３、第１の金属配線１６ａ１、１６ａ２、１６ａ３および第２の金属配線１６ｂ１、１６ｂ２、１６ｂ３は、例えば金（Ａｕ）を材料として形成され、常温活性化接合により、図２に示すように接合される。第１の電極１０ａ１、１０ａ２、１０ａ３と第１の金属配線１６ａ１、１６ａ２、１６ａ３とで第１の接合部１２をなし、第２の電極１０ｂ１、１０ｂ２、１０ｂ３と第１の金属配線１６ｂ１、１６ｂ２、１６ｂ３とで第２の接合部１４をなす。この第１の接合部１２と第２の接合部１４により、光素子６は基板２に接合された状態となる。

また、第１の金属配線１６ａ１、１６ａ２、１６ａ３は、それぞれ第１の接合部１２を介して薄膜ヒータ４と電気的に接続され、第２の金属配線１６ｂ１、１６ｂ２、１６ｂ３は、それぞれ第２の接合部１４を介して薄膜ヒータ４と電気的に接続されている。このように構成されていることにより、実施例２の光デバイス３０では、光導波路８の部分的な加熱が可能になる。

例えば、図２（ｂ）に示すように、第１の金属配線１６ａ１と第２の金属配線１６ｂ１間に印加電流２８ａを流すことで、薄膜ヒータ４の領域２２が発熱し、光導波路８のこの領域が重点的に加熱される。同様に、第１の金属配線１６ａ２と第２の金属配線１６ｂ２間に印加電流２８ｂを流すことで光導波路８の領域２４が重点的に加熱され、第１の金属配線１６ａ３と第２の金属配線１６ｂ３間に印加電流２８ｃを流すことで光導波路８の領域２６が重点的に加熱される。

また、全ての第１の金属配線１６ａ１、１６ａ２、１６ａ３と全ての第２の金属配線１６ｂ１、１６ｂ２、１６ｂ３の間に印加電流２８ａを流すことで、光導波路８の全ての領域を加熱することができる。さらに、隣り合う金属配線どうしではなく、斜めに位置する金属配線どうし、例えば、第１の金属配線１６ａ１と第２の金属配線１６ｂ２の間に電流を流し、光導波路８の所定の領域を加熱してもよい。このように、実施例２の光デバイス３０は、電流を流す金属配線の選択、組み合わせにより、光導波路８の部分的な加熱を最適に行うことが可能になる。

図１および図２に示すように、光導波路８が基板２と向かい合う側に位置し、この導波路８の上に薄膜ヒータ４が形成されることにより、光導波路８が基板２と反対側に形成される構成と比較して、薄膜ヒータ４による光導波路８の加熱による温度制御の効果を大きくすることができる。また、光導波路８が基板２と向かい合う側に位置することにより、基板２の上面を基準として光素子の高さを調整することができる。よって、レーザダイオード等の他の発光素子との光結合において、発光素子との高さ調整を容易に行うことが可能となる。

［実施例３：図３］
次に、本発明の実施例３の光デバイスの構成について説明する。図３は、本発明の実施例３の光デバイス４０の構成を示す説明図である。実施例３の光デバイス４０の断面図は、図２（ａ）に示す実施例２の光デバイス３０の断面図と同じになるので、省略する。図３は光デバイス４０の平面図であり、光デバイス４０を構成する一部の部材のみを示す。

図３において、実施例１、２と同一の構成部材には同一の番号を付して、重複する説明は省略する。実施例３の光デバイス４０は、光を導波するための光導波路８が形成された光素子６が基板２に接合された構成を備える。実施例３の光デバイス４０は、光素子６上に形成された薄膜ヒータ４の形状が、実施例２の光デバイス３０と異なるものである。

実施例３の光デバイス４０は、基板２上に、複数の薄膜ヒータ（図３に示す例では、薄膜ヒータ４ａ、４ｂ、４ｃ）が形成される。各薄膜ヒータ４ａ、４ｂ、４ｃ上にそれぞれ、第１の接合部１２を形成するいずれかの第１の電極１０ａと、第２の接合部１４を形成するいずれかの第２の電極１０ｂとが形成される。図３に示す例では、薄膜ヒータ４ａ上に第１の電極１０ａ１と第２の電極１０ｂ１とが形成され、薄膜ヒータ４ｂ上に第１の電極１０ａ２と第２の電極１０ｂ２とが形成され、薄膜ヒータ４ｃ上に第１の電極１０ａ３と第２の電極１０ｂ３とが形成される。

以上より、第１の金属配線１６ａ１は、第１の接合部１２を介して薄膜ヒータ４ａと電気的に接続され、第２の金属配線１６ｂ１は、第２の接合部１４を介して薄膜ヒータ４ａと電気的に接続される。同様に、第１の金属配線１６ａ２は、第１の接合部１２を介して薄膜ヒータ４ｂと電気的に接続され、第２の金属配線１６ｂ２は、第２の接合部１４を介して薄膜ヒータ４ｂと電気的に接続される。また、第１の金属配線１６ａ３は、第１の接合部１２を介して薄膜ヒータ４ｃと電気的に接続され、第２の金属配線１６ｂ３は、第２の接合部１４を介して薄膜ヒータ４ｃと電気的に接続される。

このような構成を備える光デバイス４０において、例えば、図３に示すように、第１の金属配線１６ａ１と第２の金属配線１６ｂ１間に電流を流すことで、薄膜ヒータ４の領域２２のみに印加電流２８ａが流れて発熱し、光導波路８のこの領域のみが加熱される。同様に、第１の金属配線１６ａ２と第２の金属配線１６ｂ２間に電流を流すことで、薄膜ヒータ４の領域２４のみに印加電流２８ｂが流れて発熱し、光導波路８のこの領域のみが加熱される。さらに、第１の金属配線１６ａ３と第２の金属配線１６ｂ３間に電流を流すことで、薄膜ヒータ４の領域２６のみに印加電流２８ｃが流れて発熱し、光導波路８の領域２６のみが加熱される。

また、全ての第１の金属配線１６ａ１、１６ａ２、１６ａ３と全ての第２の金属配線１６ｂ１、１６ｂ２、１６ｂ３の間に印加電流２８ａを流すことで、光導波路８の全ての領域を加熱することができる。このように、実施例３の光デバイス４０は、複数の薄膜ヒータ４ａ，４ｂ、４ｃが形成され、各薄膜ヒータ４ａ、４ｂ、４ｃがそれぞれ異なる第１の金属配線１６ａおよび第２の金属配線１６ｂに接続されることにより、実施例２の光デバイス３０と比較して、光導波路８の部分的な加熱を確実に行うことが可能となる。

上述した各実施形態の説明では、ＰＥ法により形成された光導波路の例を示したが、異なる光導波路の形成方法を用いても同様の効果が期待できる。例えば一例としてはリッジ型光導波路がある。これは、ＰＥ法のように、ＬｉＮｂＯ₃の一部を高屈折率化するのではなく、ＬｉＮｂＯ₃自体を加工して光導波路を作成し、ＬｉＮｂＯ₃と周辺の空気との屈折率差を利用して光を導波する構造になっている。

［実施例４−１：図４］
次に、本発明の実施例４の光デバイスの構成について説明する。図４は、本発明の実施例４の光デバイス５０の構成を示す正面図である。実施例４では、光素子の温度制御の構造について説明する。基板２上には複数の光素子としてレーザダイオード（ＬＤ）５１、波長変換素子（ＰＰＬＮ）５２、ファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）５３が搭載されている。図示のように、波長変換素子５２の下部には上述した薄膜ヒータ４が設けられている。基板２は、例えばシリコン（Ｓｉ）からなる。この基板２は、熱伝導特性の良好な金属製のベース基板５５上に設けられている。

図４に示す温度制御は、
１）波長変換素子５２の波長と、ＦＢＧ５３の変換波長をそろえるために、基板２上の光素子を温度一定にする。
２）ＬＤ５１からの発熱は、外部に放熱して外部環境温度＋５℃に抑える。
３）波長変換素子５２の部分の薄膜ヒータ４により、最高環境温度＋５℃まで常時加熱する。

このため、ベース基板５５は、基板２との接合に工夫を施している。まず、ＬＤ５１が搭載された基板２の部分は、ＬＤ５１の長さＬ１にわたってベース基板５５に接合させる。また、ＬＤ５１から先の部分、すなわち、波長変換素子５２とＦＢＧ５３が設けられた基板２の部分は、長さＬ２にわたってベース基板５５との間に空間部５６を形成して断熱する。具体的には、ベース基板５５に研削などで凹部５５ａを形成し、基板２と接合する箇所を設けない。ＦＢＧ５３の端部には、熱伝導性の良好な支持台５７を設け、この支持台５７でＦＢＧ５３を支持する。ただし、この支持台５７は、熱制御の設計に応じて熱伝導性を有するものに限らず、断熱性を有するものを用いてもよい。

上記の構造によれば、ＬＤ５１の発熱は、基板２からベース基板５５に直接放熱されるか、基板２上の長さ方向にしか伝わらなくなる。このため、ＬＤ５１の発熱のうち、基板２の長さ方向（図中水平方向）の温度は、図示のように温度勾配を有する。例えば、環境温度が４０℃のとき、ＬＤ５１は放熱により４５℃に制御したとする。このとき、ＬＤ５１からの熱が基板２の長さ方向に伝わり、少しずつ温度が下がる。また、薄膜ヒータ４により、波長変換素子５２の部分が４５℃になるように常時加熱制御され、温度勾配を補償する。

上記の温度制御の構造によれば、ベース基板５５に凹部５５ａを形成するだけの簡単な構造で基板２上の複数の光素子（ＬＤ５１、波長変換素子５２、ＦＢＧ５３）を予め定めた温度で一定に保持できる。

［実施例４−２：図５］
次に、本発明の実施例４の他の光デバイスの構成について説明する。図５は、本発明の実施例４の他の光デバイス５０の構成を示す正面図である。図５に示す光デバイスの構造は、図４と同様であり、温度制御が異なる。

図５に示す温度制御では、
１）ＬＤ５１からの発熱は、外部に放熱して外部環境温度＋５℃に抑える。
２）波長変換素子５２、およびＦＢＧ５３の温度は、ＬＤ＋５℃と同じになるように制御する。
３）ただし、ＦＢＧ５３の波長と、波長変換素子５２の変換波長が一致するように、薄膜ヒータ４により波長変換素子５２を補正加熱する。加熱だけでＦＢＧ５３の波長と、波長変換素子５２の変換波長が一致するように、予めＦＢＧ５３の波長を選択する。

上記の温度制御の構造によれば、ベース基板５５に凹部５５ａを形成するだけの簡単な構造で基板２上の複数の光素子（ＬＤ５１、波長変換素子５２、ＦＢＧ５３）を一定温度に保持できる。また、外部環境温度に応じて光デバイス５０の温度を変化させることができる。

［実施例４−３：図６、図７−１〜図７−３］
次に、本発明の実施例４の他の光デバイスの構成について説明する。図６は、本発明の実施例４の他の光デバイス５０Ａの構成を示す正面図である。図６に示す構造では、ＬＤ５１の発熱は、できるだけ外部に放熱するようにする。図６の構造において、図５に示した構造と異なる点は、波長変換素子５２とＦＢＧ５３の下部に上述した薄膜ヒータ４を設ける。また、ベース基板５５の下面前面は、環境温度にある放熱器５８に接合する。このため、ＬＤ５１からの発熱は、基板２を介して放熱器５８に放熱し、放熱器５８を介して外部環境に放熱する。

また、図７−１〜図７−３は、それぞれ波長変換素子５２と基板２との接合構造を示す側面図である。これらの図に示すように、波長変換素子５２の直下と基板２との間に空間部を形成して断熱する。これら図７−１〜図７−３に示す構造により、波長変換素子５２を高温で一定温度に保つようにする。

図７−１に示す構造では、第１の電極１０ａと第１の金属配線１６ａ（第２の電極１０ｂと第２の金属配線１６ｂ）の高さＨ１分の空間部７１が形成される。図７−２に示す構造では、基板２には第１の金属配線１６ａ、第２の金属配線１６ｂが形成される箇所に酸化膜７２をそれぞれ形成する。これにより、酸化膜７２の高さ分だけ空間部７１の高さＨ２を高く形成できる。図７−３に示す構造では、第１の金属配線１６ａと、第２の金属配線１６ｂとの間の基板２にエッチング等により凹部７４を形成し、この凹部７４の凹み分だけ空間部７１の高さＨ３を高く形成できる。これらの構造により、空間部７１の高さを高くでき、基板２（ＬＤ５１）から断熱できるようになる。

［実施例５：図８−１〜図８−３］
次に、本発明の実施例５の光デバイスの構成について図８−１〜図８−３を用いて説明する。実施例５では、波長変換素子５２について、側部（光導波路８を中央とした両側部）への熱抵抗Ｒｗを増やす構成としている。これら図８−１〜図８−３に示す構造により、波長変換素子５２を高温で一定温度に保つようにする。

図８−１は、本発明の実施例５の光デバイス８０の構成を示す側面図である。図示のように、光デバイスの固定部である第１の電極１０ａと、第２の電極１０ｂとを波長変換素子５２の両端部に配置し、第１の電極１０ａと、第２の電極１０ｂとの間の距離Ｌを長くする。また、波長変換素子５２の高さＨを低く形成する。これにより、中心に設けられた光導波路８部分との熱抵抗を増加させ、光導波路８部分を熱的に絶縁させる。

図８−２は、図８−１に示した光デバイス８０の上面図である。図示のように、基板２に対する波長変換素子５２の接合部分を分割する。すなわち、第１の電極１０ａと、第２の電極１０ｂを上面から見て光導波路８の長さ方向に沿った方向に部分的に形成する。図示の例では、第１の電極１０ａと、第２の電極１０ｂを矩形状に形成して光導波路８の長さ方向でそれぞれ分離させ、基板２側の第１の金属配線１６ａと、第２の金属配線１６ｂにそれぞれ接続する。第１の電極１０ａと、第２の電極１０ｂを分割することにより、基板２に対して熱伝導する箇所である接合部の面積を減らす。

上記の構造によれば、基板２に対する第１の電極１０ａと、第２の電極１０ｂの接合面積が減少するため、低熱伝導性の接着剤８１を用い、波長変換素子５２の両端を長さ方向にわたって基板２に接着させる。これにより、基板２に対する波長変換素子５２の固定強度を補うことができる。また、第１の電極１０ａと、第２の電極１０ｂは、波長変換素子５２の長さ方向で分割されているが、分割された複数の第１の電極１０ａ（複数の第２の電極１０ｂ）の間にはそれぞれ、これら第１の電極１０ａと、第２の電極１０ｂと同じ金属材料（Ａｕ）によりなる侵入防止壁８２を設ける。侵入防止壁８２自体は各々を電気的に絶縁した状態で第１の電極１０ａと、第２の電極１０ｂと同時にエッチング等により形成する。この侵入防止壁８２を設けることにより、接着剤８１の内部（図８−２に示す光導波路８方向）への侵入を防止できる。この侵入防止壁８２は、熱影響を与えないようにできるだけ幅Ｗを薄く形成する。

実施例５の変形例としては、図８−１，図８−２に示した構造に加えて、図７−２に示した酸化膜７２を設け、波長変換素子５２と基板２との間の高さを高く、熱抵抗を増やす構成としてもよい。

図８−３は、実施例５の他の光デバイス８０の構成を示す側面図である。この図に示す構成では、シリコンからなる基板２の上面側にシリコンをポーラス状に微結晶化させたナノクリスタル部８３を所定高さＨ（１０μｍ程度）形成する。このナノクリスタル部８３上に第１の金属配線１６ａと、第２の金属配線１６ｂが形成される。このナノクリスタル部８３により、熱抵抗を増やすことができる。

［実施例６：図９−１〜図９−３］
次に、本発明の実施例６の光デバイス９０の構成について図９−１〜図９−３を用いて説明する。実施例６では、基板２の長さ方向（光導波路８の光軸方向）の熱抵抗ＲＬを増やす構成としている。図９−１は、実施例６の光デバイス９０の構成を示す正面図である。図９−１に示す構造では、図６で説明したと同様に、ＬＤ５１が搭載された基板２の部分は、ＬＤ５１の長さＬ１にわたってベース基板５５に接合させる。また、ＬＤ５１から先の部分、すなわち、波長変換素子５２とＦＢＧ５３が設けられた基板２の部分は、長さＬ２にわたってベース基板５５との間に空間部５６を形成して断熱する。ＦＢＧ５３の端部には、熱伝導性の良好な支持台５７を設け、支持台５７でＦＢＧ５３を支持する。また、基板２の端部位置のベース基板５５には、熱絶縁性材質からなる支持部材９１を設け、基板２の端部を支持する。そして、基板２はエッチング等で薄く形成する。ＬＤ５１部分は基板２からベース基板５５を介して放熱器５８に直接放熱する。ただし、この支持部材９１は、熱制御の設計に応じて熱伝導性を有するものに限らず、断熱性を有するものを用いてもよい。

図９−２は、実施例６の他の光デバイス９０の構成を示す正面図である。便宜上、基板２分だけを図示している。この基板２の下面には、複数の溝９２を開口形成する。この溝９２は、基板２の強度を維持するために基板２の上部までは貫通させずに設ける。溝９２の開口は丸あるいは四角等任意の形状にできる。

図９−３は、実施例６の他の光デバイス９０の構成を示す正面図である。この基板２の下面には、凹部９３を開口形成する。この凹部９３は、基板２の強度を維持するために基板の縁部を残し内部をくり抜いて設ける。以上説明した図９−１〜図９−３に示す構成により、基板２の熱抵抗を高くでき、波長変換素子５２を高温で一定温度に保つことができる。

［実施例７：図１０−１、図１０−２］
次に、本発明の実施例７の光デバイス１００の構成について説明する。実施例７では、ヒータで光導波路８の直近を加熱する構成について説明する。図１０−１は、ヒータの構造を説明する平面図、図１０−２は、ヒータの構造を説明する側面図である。Ａｕからなる第１の電極１０ａと、第２の電極１０ｂは複数に分割して設ける（図８−２参照）。そして、この複数の第１の電極１０ａ側からはそれぞれ光導波路８に向けて同じＡｕからなる導出部１０１ａを設け、導出部１０１ａの先端には、光導波路８に沿って平行にＡｕからなるヒータ１０２ａを設ける。同様に、複数の第２の電極１０ｂ側からはそれぞれ光導波路８に向けてＡｕからなる導出部１０１ｂを設け、導出部１０１ｂの先端には、光導波路８に沿って平行にＡｕからなるヒータ１０２ｂを設ける。

上記構成では、光導波路８を凸形状のリッジ部分に設ける構成としたが、光導波路８は、リッジ構造部分に設けるに限らない。上記構成ではリッジ部分の両側部の凹部の位置まで導出部１０１ａ、１０１ｂを延ばして形成するため、ヒータ１０２ａ、１０２ｂを光導波路８に近づけて配置でき、ヒータ１０２ａ、１０２ｂで光導波路８を直接加熱できるようになった。

上記構成では、波長変換素子５２の電極である第１の電極１０ａ、第２の電極１０ｂをヒータ１０２ａ、１０２ｂの電極として共用する構成であり、電極の材質でヒータ１０２ａ、１０２ｂを構成し、光導波路８を直近で効率的に加熱でき、光導波路８を一定に温度制御できる。また、第１の電極１０ａ、第２の電極１０ｂ、導出部１０１ａ、１０１ｂ、ヒータ１０２ａ、１０２ｂを同一の材質（例えばＡｕ）で容易にパターン形成できるようになり、また、接合する電極と同一の材質でヒータの機能を兼用することができ、ヒータ１０２ａ、１０２ｂの電極を個別に導出する必要がない。

このパターン形成時に、パターンのサイズを調整して例えば５Ｖ等のパルス幅変調制御に適した抵抗値にすることができる。上記のＡｕ薄膜によるヒータ１０２ａ、１０２ｂの特性として、例えば、長さＬ＝１ｍｍ、断面積Ａ＝２μｍ×０．５μｍとしたとき、ヒータ抵抗Ｒ＝ρＬ／Ａ＝２３．５Ω、Ａｕの抵抗比ρ＝２．３５×１０^-8Ωｍ、Ｌ＝１×１０^-3ｍ、Ａ＝２×０．５×１０^-12ｍ²となる。これにより、パルス幅変調として５Ｖを印加するとき、２３５ｍＡで、１．０６Ｗとなるので、導出部１０１ａ、１０１ｂの長さは２ｍｍ程度とすればよい。

また、図１０−３は、分極反転用の電極を示す側面図である。図示のように、分極反転用の電極１０５の幅は、波長変換素子５２の全幅に設けるのではなく、光導波路８のリッジ部分に対応して所定幅Ｗ１を有して設ける。分極反転用の電極１０５は、ＩＴＯ膜で形成する。１０６は接着層である。これにより、ＩＴＯ膜による分極反転用の電極１０５部分での熱伝導を減らすことができる。

次に、図１１−１、図１１−２は、それぞれ分割された複数の電極を介してヒータの印加電圧を検知する説明図である。上述した複数の第１の電極１０ａ、第２の電極１０ｂを用いてブロック的に温度制御が行えるが、この際の電極間の印加電圧は、図示のような一般的な４端子法により正確に検出することができる。複数の第１の電極１０ａを例に説明する。例えば、図１１−１に示すように、ヒータ１０２ａ２（Ｒ２）の印加電圧を検出する際には、このヒータ１０２ａ２の一対の第１の電極１０ａ２、１０ａ３により電圧Ｖを検出する。この際、これら一対の電極１０ａ２、１０ａ３の両隣１０ａ１と、１０ａ４から電流を供給すればよい。同様に、図１１−２に示すように、ヒータ１０２ａ３（Ｒ３）の印加電圧を検出する際には、このヒータ１０２ａ３の一対の第１の電極１０ａ３、１０ａ４により電圧Ｖを検出する。この際、これら一対の電極１０ａ３、１０ａ４の両隣１０ａ２と、１０ａ５から電流を供給すればよい。

この発明による光デバイスは、光を導波するための導波路を持ち、最小の実装面積で実装と温度制御の両方の機能を兼ね備えた素子であるため、実装と温度制御を必要とする他の素子への適用が可能であり、そのサイズを小型化する構造である。

２ 基板
４、４ａ、４ｂ、４ｃ 薄膜ヒータ
６ 光素子
８ 光導波路
１０ａ、１０ａ１、１０ａ２、１０ａ３ 第１の電極
１０ｂ、１０ｂ１、１０ｂ２、１０ｂ３ 第２の電極
１２ 第１の接合部
１４ 第２の接合部
１６ａ、１６ａ１、１６ａ２、１６ａ３ 第１の金属配線
１６ｂ、１６ｂ１、１６ｂ２、１６ｂ３ 第２の金属配線
１８ マイクロバンプ
２０、３０、４０ 光デバイス
２２、２４、２６ 領域
２７、２８ａ、２８ｂ、２８ｃ 印加電流
５１ レーザダイオード（ＬＤ）
５２ 波長変換素子
５３ ファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）
５５ ベース基板
５５ａ 凹部
５６ 空間部
５７ 支持台
５８ 放熱器
１０１ａ、１０１ｂ 導出部
１０２ａ、１０２ｂ ヒータ

Claims (18)

1. 光導波路が形成された光素子が基板に接合された光デバイスにおいて、
   前記光素子の前記基板と向かい合う面に、前記光導波路と、前記光導波路を加熱する薄膜ヒータとが形成され、
   前記光素子と前記基板とは、金属材料からなる第１の接合部と第２の接合部により接合され、
   前記第１の接合部と前記第２の接合部を介して、前記薄膜ヒータと前記基板上の配線とが導通接続され、
   前記第１の接合部と前記第２の接合部は、前記光導波路を挟んで位置することを特徴とする光デバイス。
2. 前記薄膜ヒータの上に形成された第１の電極および第２の電極と、
   前記基板上に形成された第１の金属配線および第２の金属配線と、を備え、
   前記第１の電極と前記第１の金属配線とが接合して前記第１の接合部を形成し、
   前記第２の電極と前記第２の金属配線とが接合して前記第２の接合部を形成することを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
3. 複数の前記第１の電極と、複数の前記第２の電極と、複数の前記第１の金属配線と、複数の前記第２の金属配線と、を備え、
   前記各第１の電極と前記各第１の金属配線とがそれぞれ接合して、前記第１の接合部を形成し、
   前記各第２の電極と前記各第２の金属配線とがそれぞれ接合して、前記第２の接合部を形成することを特徴とする請求項２に記載の光デバイス。
4. 前記光素子に複数の前記薄膜ヒータが形成され、
   前記各薄膜ヒータ上に、いずれかの前記第１の電極およびいずれかの前記第２の電極が形成されたことを特徴とする請求項２に記載の光デバイス。
5. 前記金属材料はＡｕであることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
6. 前記接合部はマイクロバンプ構造を有することを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
7. 前記基板と前記光素子とは、前記接合部により表面活性化接合で接合されたことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
8. 前記薄膜ヒータは透明電極で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
9. 前記薄膜ヒータは、酸化インジウム（ＩＴＯ）、または酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズやこれらに不純物をドープした膜で形成されたことを特徴とする請求項８に記載の光デバイス。
10. 前記光素子は、前記光導波路を導波する光を波長変換する波長変換素子であることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
11. 前記基板には、レーザダイオードと、前記レーザダイオードから出射された光を導波する光導波路と、前記光導波路を導波する光を波長変換する波長変換素子と、ファイバーブラッググレーティングとが前記光導波路の光軸方向に沿って設けられ、
    熱伝導性の良好な材質からなり、前記基板が搭載されるベース基板を備え、
    前記ベース基板は、一端側に位置する前記レーザダイオードが搭載された基板に接合されるとともに、前記波長変換素子から前記ファイバーブラッググレーティングまでの間には、前記基板との間に空間部が形成され、他端側に位置する前記ファイバーブラッググレーティングの端部が熱伝導性の良好な支持台を用いて前記基板を支持することを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
12. 前記波長変換素子に設けられた第１の電極および第２の電極は、前記光導波路を挟み、前記波長変換素子の端部位置にそれぞれ位置することを特徴とする請求項１０に記載の光デバイス。
13. 前記基板には、前記第１の金属配線と、複数の前記第２の金属配線が設けられる部分に、所定高さの酸化膜を形成し、前記基板と前記波長変換素子との間の空間高さを高くしたことを特徴とする請求項２に記載の光デバイス。
14. 前記基板には、前記第１の金属配線と、複数の前記第２の金属配線が設けられる部分に、基板の材料をポーラス状に加工した箇所を設け、熱伝導性を低くしたことを特徴とする請求項２に記載の光デバイス。
15. 前記第１の電極および前記第２の電極を前記光導波路に沿って分割して複数設け、
    分割された前記第１の電極間、および前記第２の電極間には、前記第１の電極および前記第２の電極と同じ材質からなり、かつ前記第１の電極および前記第２の電極と電気的に絶縁された侵入防止壁を設け、
    前記侵入防止壁により、前記波長変換素子を前記基板に固着する際の接着剤の内部への侵入を防止したことを特徴とする請求項１３に記載の光デバイス。
16. 前記基板の下面には、貫通しない複数の溝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。
17. 前記基板の下面には、当該基板の縁部を残して凹部を開口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。
18. 前記波長変換素子は、
    前記光導波路に沿って平行に設けられるヒータと、
    第１の電極および第２の電極から前記ヒータに接続される導出部を有し、
    前記第１の電極と前記第２の電極と前記導出部は同一の材質によりなり、前記第１の電極と前記第２の電極を前記基板の第１の金属配線および第２の金属配線との接合に用いるとともに、前記ヒータの電極として兼用することを特徴とする請求項１１に記載の光デバイス。

Images