WO2020202606A1 - 光導波路素子 - Google Patents

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    • G02F2202/20—LiNbO3, LiTaO3

Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide element, and more particularly to an optical waveguide element in which an optical waveguide is formed on a substrate.
  • optical waveguide elements such as optical modulators in which an optical waveguide is formed on a substrate having an electro-optical effect such as lithium niobate (LN) are often used.
  • LN lithium niobate
  • the substrate constituting the optical waveguide element a thin plate of 30 ⁇ m or less, more preferably 20 ⁇ m or less, it becomes easy to match the speed between the microwave which is the modulation signal and the light wave propagating in the optical waveguide, and the electric field efficiency is improved. To do. It is also advantageous for miniaturization of the optical waveguide element in the optical waveguide design.
  • the thinned board is joined to the holding board in order to increase the mechanical strength.
  • a material having a low refractive index and a low dielectric constant different from that of the substrate can be used in consideration of the electric field efficiency and the characteristics of the optical waveguide.
  • the optical waveguide element using a thin plate is very fragile because the substrate itself is thin, and it is difficult to handle during manufacturing.
  • a holding jig such as a wafer tweezers
  • a processing process such as polishing or joining for thinning a plate
  • a process of adhering a photomask and performing patterning by photolithography etc.
  • an external force is applied to the substrate.
  • minute cracks generated on the outer periphery or a part of the in-plane of the wafer may grow due to factors such as temperature change and film stress in the subsequent manufacturing process, and the entire element in the wafer may become defective.
  • an optical substrate having a cleavage plane in the plane direction for example, an X-plate LN substrate, has a larger problem because cracks extend along the cleavage plane.
  • the material used for the thin plate which is a substrate having an electro-optical effect, and the material used for the holding substrate are different, even after being made into chips, as the environmental temperature changes when mounting on a housing or the like, Internal stress is generated due to the difference in the coefficient of linear expansion between the two, resulting in easy breakage of the thin plate.
  • the optical waveguide provided on the substrate is formed by using the ridge structure, a thin recess is formed in the substrate, and the mechanical strength of the thin plate is further lowered.
  • the problem to be solved by the present invention is to solve the above-mentioned problems, prevent damage to the substrate, and provide an optical waveguide element with improved productivity.
  • the optical waveguide element of the present invention has the following technical features.
  • An optical waveguide element in which an optical waveguide is formed on a substrate is characterized in that a groove portion is formed at least in a part of the substrate along the outer periphery of the substrate.
  • optical waveguide element according to (1) above is characterized in that the optical waveguide is formed by a ridge structure provided on the surface of a substrate.
  • the convex portion of the substrate is located inside the substrate with respect to the groove portion and the convex portion of the substrate forming the groove portion is the substrate. It is characterized in that it also serves as an optical waveguide for removing unnecessary light propagating in the inside.
  • the convex portion of the substrate which is located inside the substrate and forms the groove portion. It is characterized in that an electrode layer is formed on at least a part of the surface.
  • the thickness of the substrate is 20 ⁇ m or less.
  • a groove portion is formed at least in a part of the substrate along the outer periphery of the substrate, so that a crack occurs from the outer peripheral side of the substrate.
  • the groove portion can prevent the progress of cracks inside the substrate, it is possible to prevent the substrate from being damaged and to provide an optical waveguide element with improved productivity.
  • the optical waveguide element of the present invention is an optical waveguide element in which an optical waveguide (24, 23) is formed on a substrate 1, and the optical waveguide element of the present invention is at least along the outer circumference 10 of the substrate 1. It is characterized in that a groove portion 3 is partially formed.
  • a substrate having an electro-optical effect such as lithium niobate (LN), a semiconductor substrate, or the like can be used.
  • the present invention can be effectively applied to an X-plate LN substrate in which the cleavage plane is formed along the surface of the wafer.
  • the optical waveguide formed on the substrate 1 one in which a metal such as Ti is thermally diffused on the LN substrate or one in which the surface of the substrate is processed by dry etching or the like to form a ridge structure can be used.
  • the optical waveguide element (element chip) and the wafer tend to be locally fragile, so that the present invention can be effectively applied.
  • the optical waveguide element of the present invention can be suitably applied to a substrate 1 in which the substrate 1 is easily damaged, the thickness of the substrate 1 is thin, and the optical waveguide has a ridge structure.
  • the thickness of the substrate 1 is set to 20 ⁇ m or less, more preferably 10 ⁇ m or less in order to match the speed of the microwave and the light wave of the modulated signal.
  • the thickness of the substrate at the convex portion is set to 5 ⁇ m or less and the thickness of the substrate at the concave portion is set to 3 ⁇ m or less from the light propagation characteristics in the optical waveguide.
  • FIG. 1 is a plan view showing an example of the optical waveguide element of the present invention.
  • the main portion 2 of the optical waveguide element such as an optical waveguide
  • a control electrode such as a modulation electrode and a DC bias electrode
  • 2A and 2B are views showing an example of an optical waveguide formed in the main portion 2 of FIG. 1
  • FIG. 2A is a single Mach-Zehnder type optical waveguide 20
  • FIG. 2B is a plurality of Mach-Zehnder type optical waveguides.
  • This is a nested optical waveguide 21 in which an optical waveguide is incorporated in a nested manner.
  • An optical waveguide such as a DP-QPSK modulator incorporating even more Mach-Zehnder-type optical waveguides may be used.
  • FIG. 3 is a diagram showing a cross section of a part of the substrate in the alternate long and short dash line BB'in FIG. 1, and a part of the optical waveguide formed in the main part is indicated by reference numerals 23 and 24.
  • the optical waveguide is formed with a ridge structure.
  • a recess is formed on the surface of the substrate 1 so as to surround the optical waveguide, leaving the optical waveguides (23, 24). Then, the region of the convex portion 32 extends to the region on the outside where the optical waveguide is not formed.
  • a feature of the present invention is that a groove portion 3 is formed in a part of the substrate along the outer circumference 10 of the substrate 1.
  • the groove portion 3 can be formed by a processing process such as dry etching, similar to the ridge structure.
  • convex portions (31, 32) are formed on the substrate 1 on both sides or one side of the groove portion 3.
  • the groove 3 can be formed except for the input portion and the output portion of the light wave of the optical waveguide. For example, when the element chip is viewed in a plan view, the long side is near the long side of the rectangular element chip. It is also possible to form a groove along.
  • a holding substrate made of a glass material, LN, or the like is arranged and fixed on the lower side of the substrate 1. Further, if necessary, the substrate 1 is joined to the holding substrate via an adhesive layer such as resin.
  • the main part 2 of the optical waveguide element is protected from damage and can function as the optical waveguide element.
  • the convex portion 32 of the substrate which is located inside the substrate 1 with respect to the groove portion 3 and forms the groove portion 3, removes unnecessary light formed in the vicinity of the outer periphery of the substrate as shown in Patent Document 1. It is also possible to function as a slab waveguide for this purpose. Corresponding to the pattern shape of the slab waveguide, the convex portion 32 is processed into a ridge structure.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the optical waveguide element of the present invention.
  • the outer end of the convex portion 31'close to the outer circumference 10 is arranged away from the outer circumference 10.
  • the groove portion 3 is formed in a region along the outer circumference excluding the main portion, but is limited to, for example, the corner portion of the substrate or the vicinity of the portion that grips the substrate 1 during manufacturing. It is also possible to form part 3.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a third embodiment of the optical waveguide element of the present invention.
  • the mechanical strength of the groove portion 3' is higher than that of the optical waveguide portion. It can be lowered, more easily damaged, and as a result, the optical waveguide can be protected.
  • the optical waveguide element of the present invention is not limited to those in which the depth of the groove portion 3 (3') is deeper than the depth of the recess of the ridge structure constituting the optical waveguide. Even if the depth of the groove portion is shallower than the recess of the ridge structure of the optical waveguide, if the mechanical strength is even slightly lower than the portion where the crack is generated and spreads, it is possible to suppress the expansion of the crack. ..
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a fourth embodiment of the optical waveguide element of the present invention.
  • the electrode layer E3 is formed on the surface of at least a part of the convex portion 32 of the substrate forming the groove portion 3 while being located inside the substrate 1 with respect to the groove portion 3. In this way, by providing the electrode layer on the substrate portion where it is desired to maintain high mechanical strength, it is possible to more effectively prevent cracks from advancing inside the substrate.
  • the electrode layer E3'formed in close contact with the substrate makes it difficult for the cracks in the substrate to proceed, so that the expansion of cracks is further increased. It is suppressed.
  • FIG. 8 is a plan view showing a wafer state including the optical waveguide element of the present invention.
  • a plurality of optical waveguide elements (element chips) are formed on the wafer W.
  • a groove portion 3 is formed for each optical waveguide element. Further, it is also possible to provide another groove portion 4 on the outside of these plurality of optical waveguide elements.
  • FIG. 8A when a crack occurs near the outer periphery of the wafer W (see the x mark), even if the crack progresses as shown by the solid arrow, the groove portion 4 causes the groove portion 4 to move inward of the groove portion 4. It is possible to prevent the progress of cracks in the wafer and protect the optical waveguide element arranged inside the groove portion 4. Further, as shown in FIG. 8B, even when a crack occurs in a part of the optical waveguide element, the groove portion 3 makes it possible to prevent the progress of the crack in the other optical waveguide element.
  • Substrate with electro-optical effect 2 Main part of optical waveguide element 23,24 Optical waveguide (ridge structure) 3,3'Groove part 31,32 Convex part (board) E1 to E3 electrode layer

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Abstract

基板の破損を防止し、生産性を向上した光導波路素子を提供すること。　基板１に光導波路（２４，２３）を形成した光導波路素子において、該基板１の外周１０に沿って、少なくとも該基板の一部に溝部分３が形成されていることを特徴とする。

Description

光導波路素子
　本発明は、光導波路素子に関し、特に、基板に光導波路を形成した光導波路素子に関する。
　光通信分野や光計測分野において、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの電気光学効果を有する基板に光導波路を形成した光変調器などの光導波路素子が多用されている。光導波路素子を構成する基板は、３０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下の薄板とすることにより、変調信号であるマイクロ波と光導波路を伝搬する光波との速度整合が取り易くなり、電界効率が向上する。また、光導波路設計において光導波路素子の小型化にも有利となる。
　薄板化した基板は、機械強度を増すために、保持基板に接合される。その場合、電界効率や光導波路の特性を考慮し、基板とは異なる低屈折率・低誘電率の材料を使用することができる。その他にも、基板と同じあるいは高屈折率材料の基板に、低屈折率の樹脂層で接着したり、表面に低屈折率層を形成した基板に直接接合することも可能である。
　薄板を利用した光導波路素子は、基板自体が薄いため非常に割れやすく、製造時の取り扱いが難しい。例えば、素子のウエハ製造工程内には、ウエハピンセット等の保持ジグとの接触や、薄板化のために研磨や接合といった加工工程、フォトマスクを密着させてフォトリソグラフィーによりパターニングをおこなう工程などのように、基板に外力がかかる作業が存在する。それらにより、ウエハの外周あるいは面内の一部に発生した微小なクラックが、その後の製造工程内の温度変化や膜応力といった要因で成長し、ウエハ内の素子全体が不良となる場合もある。
　またそれ以外にも、１枚のウェハに複数形成された光導波路素子（素子チップ）を切断して分離する場合には、基板に加わる衝撃によりクラック（基板割れ）が発生し、隣接する他の素子まで破損してしまう場合もある。特に面方向に劈開面を有する光学基板、例えばＸ板のＬＮ基板などでは、劈開面に沿ってクラックが延伸するため、より大きな問題となる。
　さらに、電気光学効果を有する基板である薄板に使用される材料と、保持基板に使用される材料が異なることから、チップ化した後も筐体等に実装するときの環境温度の変化に伴い、両者の線膨張係数の差により内部応力が生じ、薄板が容易に破損する結果となる。しかも、基板に設ける光導波路をリッジ構造を用いて形成する場合には、基板に厚みの薄い凹部が形成されることとなり、薄板の機械的強度がより一層低下することとなる。
特許第６２９９１７０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、基板の破損を防止し、生産性を向上した光導波路素子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）　基板に光導波路を形成した光導波路素子において、該基板の外周に沿って、少なくとも該基板の一部に溝部分が形成されてい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、該光導波路は、基板表面に設けたリッジ構造で形成されてい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、該溝部分よりも該基板の内側に位置すると共に、該溝部分を形成している該基板の凸部が、該基板内を伝搬する不要光を除去するための光導波路を兼ねていることを特徴とする。
（４）　上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光導波路素子において、該溝部分よりも該基板の内側に位置すると共に、該溝部分を形成している該基板の凸部の少なくとも一部の表面に電極層が形成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、該基板の厚みは、２０μｍ以下であることを特徴とする。
　本発明は、基板に光導波路を形成した光導波路素子において、該基板の外周に沿って、少なくとも該基板の一部に溝部分が形成されているため、基板の外周側から亀裂が発生した場合でも、該溝部分で基板内側への亀裂の進行を阻止することができるため、基板の破損を防止し、生産性を向上した光導波路素子を提供することが可能となる。
本発明の光導波路素子の例を示す平面図である。 図１の光導波路素子に設けられる光導波路の例を示す平面図である。 本発明の光導波路素子の第１の実施例を示す断面図である。 本発明の光導波路素子の第２の実施例を示す断面図である。 本発明の光導波路素子の第３の実施例を示す断面図である。 本発明の光導波路素子の第４の実施例を示す断面図である。 図６の第４の実施例の応用例を示す断面図である。 本発明の光導波路素子を含むウエハ状態を示す平面図である。（ａ）は外周付近にクラックが発生した場合、（ｂ）はウエハ内部でクラックが発生した場合を示す。
　以下、本発明の光導波路素子について、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及び図３に示すように、基板１に光導波路（２４，２３）を形成した光導波路素子において、該基板１の外周１０に沿って、少なくとも該基板の一部に溝部分３が形成されてい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）などの電気光学効果を有する基板や、半導体基板などが利用可能である。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、ＬＮ基板にＴｉなどの金属を熱拡散したものや、基板表面をドライエッチング等で加工処理し、リッジ構造を形成したものが利用可能である。特に、リッジ構造で形成した場合は、光導波路素子（素子チップ）やウエハが局所的に脆弱になり易いため、本発明を効果的に適用することが可能である。
　さらに、本発明の光導波路素子は、基板１が破損し易い、基板１の厚みが薄く、光導波路がリッジ構造のものに、好適に適用することが可能である。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、２０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下に設定される。特に、リッジ構造では、光導波路における光の伝搬特性から、凸部での基板の厚みを５μｍ以下、凹部での基板の厚みを３μｍ以下に設定する。
　図１は、本発明の光導波路素子の例を示す平面図である。基板１の中程には、光導波路や変調電極やＤＣバイアス電極などの制御電極など、光導波路素子の主要部２が配置されている。図２は、図１の主要部２に形成される光導波路の例を示す図であり、図２（ａ）は一つのマッハツェンダー型光導波路２０、図２（ｂ）は複数のマッハツェンダー型光導波路を入れ子型に組み込んだネスト型光導波路２１である。さらにより多くのマッハツェンダー型光導波路を組み込んだＤＰ－ＱＰＳＫ変調器などの光導波路であっても良い。
　図３は、図１の一点鎖線Ｂ－Ｂ’における基板の一部の断面を示した図であり、主要部に形成される光導波路の一部を符号２３，２４で示している。光導波路はリッジ構造で形成されている。基板１の表面には、光導波路（２３，２４）を残して、該光導波路を取り囲むように凹部が形成されている。そして、その外側の光導波路が形成されていない領域には、凸部３２の領域が広がっている。
　本発明の特徴は、基板１の外周１０に沿って、基板の一部に溝部分３が形成されていることである。溝部分３は、リッジ構造と同じように、ドライエッチングなどの加工処理で形成することが可能である。当該溝部分３を形成することにより、溝部分３の両側又は片側には、基板１に凸部（３１，３２）が形成される。溝３は、光導波路の光波の入力部や出力部を除いて、形成することが可能であり、例えば、素子チップを平面視した際に、長方形の素子チップの長辺の近傍で該長辺に沿って、溝を形成することも可能である。
　図３では省略されているが、基板１の下側には、ガラス材料やＬＮなどで形成される保持基板が配置固定される。また、必要に応じて、基板１は、樹脂等の接着層を介して、保持基板に接合される。
　この溝部分３の存在により、図１のように、基板１の外周から亀裂Ａが入ってきても、溝部分３で亀裂の進行が止められ、それ以降、点線矢印のように基板１の内側に亀裂が進行することはない。このため、光導波路素子の主要部２は破損から守られ、光導波路素子として機能することが可能となる。
　溝部分３よりも基板１の内側に位置すると共に、該溝部分３を形成している基板の凸部３２は、特許文献１に示すような、基板の外周近傍に形成される不要光を除去するためのスラブ導波路として機能させることも可能である。スラブ導波路のパターン形状に対応し、凸部３２はリッジ構造に加工される。
　図４は、本発明の光導波路素子の第２の実施例を示す断面図である。図４では、外周１０に近い凸部３１’の外側端部を外周１０より離して配置している。このような構成により、基板１の外周に沿った厚みの薄い部分は容易に破損されるが、凸部３１’と凸部３２により二段階で、内部に亀裂が入るのを防止することが可能となる。
　図１では、溝部分３は、主要部を除く、外周に沿った領域に形成されているが、例えば、基板の角部や、製造時に基板１を把持する部分の近傍に限定して、溝部分３を形成することも可能である。
　図５は、本発明の光導波路素子の第３の実施例を示す断面図である。溝部分３’の深さＨを、光導波路（２３，２４）を構成する部分の凹部の深さｈより深く形成することで、光導波路部分よりも溝部分３’の方の機械的強度を下げ、より破損し易くし、結果として、光導波路を保護することが可能となる。なお、本発明の光導波路素子は、溝部分３（３’）の深さが、光導波路を構成するリッジ構造の凹部の深さよりも深いものに限定されない。仮に、溝部分の深さが光導波路のリッジ構造の凹部より浅くても、亀裂が発生して広がっていく部分より少しでも機械的強度が低ければ、亀裂の拡大を抑制することが可能となる。
　図６は、本発明の光導波路素子の第４の実施例を示す断面図である。溝部分３よりも基板１の内側に位置すると共に、溝部分３を形成している基板の凸部３２の少なくとも一部の表面に電極層Ｅ３が形成されている。このように、機械的強度を高く保持したい基板部分に電極層を設けることで、亀裂が基板内側に進むのをより効果的に防ぐことが可能となる。
　また、図７に示すように、電極層Ｅ３’を溝部分３を含む領域に拡大して配置することも可能である。この場合には溝部分３で亀裂の拡大を抑制することが可能なことに加えて、基板に密着して形成された電極層Ｅ３’により基板の亀裂が進みにくくなるため、亀裂の拡大がさらに抑制される。電極層Ｅ３’により、幾分、溝部分３が配置されている場所の機械的強度が高くなるが、基板１の溝部分３が形成されていない部分（光導波路のリッジ構造も形成されていない部分）よりは、溝部分３の場所の機械的強度が低くなるため、亀裂の拡大を抑制することが可能となる。
　図８は、本発明の光導波路素子を含むウエハ状態を示す平面図である。ウエハＷには、複数の光導波路素子（素子チップ）が形成されている。各光導波路素子毎には、溝部分３が形成されている。さらに、これらの複数の光導波路素子の外側に、別の溝部分４を設けることも可能である。図８（ａ）に示すように、ウエハＷの外周付近にクラックが発生した場合（×印参照）、実線矢印のように亀裂が進行しても、溝部分４により、溝部分４の内側への亀裂の進行を阻止し、溝部分４の内側に配置される光導波路素子を保護することが可能となる。また、図８（ｂ）に示すように、一部の光導波路素子に亀裂が発生した場合でも、溝部分３により、他の光導波路素子への亀裂の進行を阻止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、基板の破損を防止し、生産性を向上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
　２　光導波路素子の主要部
　２３，２４　光導波路（リッジ構造）
　３，３’　溝部分
　３１，３２　凸部（基板）
　Ｅ１～Ｅ３　電極層

Claims (5)

  1. 　基板に光導波路を形成した光導波路素子において、
    　該基板の外周に沿って、少なくとも該基板の一部に溝部分が形成されてい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、該光導波路は、基板表面に設けたリッジ構造で形成されてい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、該溝部分よりも該基板の内側に位置すると共に、該溝部分を形成している該基板の凸部が、該基板内を伝搬する不要光を除去するための光導波路を兼ねていることを特徴とする光導波路素子。
  4. 　請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子において、該溝部分よりも該基板の内側に位置すると共に、該溝部分を形成している該基板の凸部の少なくとも一部の表面に電極層が形成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、該基板の厚みは、２０μｍ以下であることを特徴とする光導波路素子。
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