WO2023100343A1 - 光導波路装置、量子演算装置及び光導波路装置の製造方法 - Google Patents
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- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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- 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
Definitions
- the present disclosure relates to an optical waveguide device, a quantum arithmetic device, and a method for manufacturing an optical waveguide device.
- separation may occur between the optical waveguide substrate and the optical waveguide layer.
- An object of the present disclosure is to provide an optical waveguide device, a quantum arithmetic device, and a method of manufacturing an optical waveguide device that can suppress separation between the optical waveguide substrate and the optical waveguide layer.
- an optical waveguide substrate having a first surface and an optical waveguide layer provided on the first surface are provided, and the optical waveguide substrate is exposed on the first surface. and a linearly extending first region, and second regions exposed on the first surface and positioned on both sides of the first region in a plan view, wherein the optical waveguide layer includes the first region a second thermal expansion coefficient of the second region is smaller than a first thermal expansion coefficient of the first region, and a third thermal expansion coefficient of the optical waveguide layer is greater than the first thermal expansion coefficient
- An optical waveguide device having a coefficient of expansion smaller than that is provided.
- delamination between the optical waveguide substrate and the optical waveguide layer can be suppressed.
- FIG. 1 is a perspective view showing the optical waveguide device according to the first embodiment.
- FIG. 2 is a cross-sectional view (part 1) showing the optical waveguide device according to the first embodiment.
- FIG. 3 is a cross-sectional view (part 2) showing the optical waveguide device according to the first embodiment.
- FIG. 4 is a cross-sectional view showing an optical waveguide device according to the first reference example.
- FIG. 5 is a diagram showing deformation of the optical waveguide substrate and the optical waveguide layer in the first reference example.
- FIG. 6 is a diagram showing deformation of the optical waveguide substrate and the optical waveguide layer in the first embodiment.
- FIG. 7 is a cross-sectional view showing an optical waveguide device according to a second reference example.
- FIG. 1 is a perspective view showing the optical waveguide device according to the first embodiment.
- FIG. 2 is a cross-sectional view (part 1) showing the optical waveguide device according to the first embodiment.
- FIG. 3 is a cross-sectional view (part 2)
- FIG. 8 is a cross-sectional view showing an optical waveguide device according to a third reference example.
- FIG. 9 is a cross-sectional view (Part 1) showing the first manufacturing method of the optical waveguide device according to the first embodiment.
- FIG. 10 is a cross-sectional view (Part 2) showing the first method for manufacturing the optical waveguide device according to the first embodiment.
- FIG. 11 is a cross-sectional view (No. 3) showing the first manufacturing method of the optical waveguide device according to the first embodiment.
- FIG. 12 is a cross-sectional view (No. 4) showing the first method for manufacturing the optical waveguide device according to the first embodiment.
- 13A and 13B are cross-sectional views (part 1) showing the second method for manufacturing the optical waveguide device according to the first embodiment.
- FIG. 14 is a cross-sectional view (part 2) showing the second manufacturing method of the optical waveguide device according to the first embodiment.
- FIG. 15 is a cross-sectional view (No. 3) showing the second manufacturing method of the optical waveguide device according to the first embodiment.
- FIG. 16 is a cross-sectional view (No. 4) showing the second manufacturing method of the optical waveguide device according to the first embodiment.
- FIG. 17 is a cross-sectional view (No. 5) showing the second manufacturing method of the optical waveguide device according to the first embodiment.
- FIG. 18 is a top view showing the optical waveguide device according to the second embodiment.
- FIG. 19 is a cross-sectional view showing an optical waveguide device according to the second embodiment.
- FIG. 20 is a top view showing an optical waveguide device according to a modification of the second embodiment.
- FIG. 21 is a cross-sectional view showing an optical waveguide device according to the third embodiment.
- FIG. 22 is a cross-sectional view showing an optical waveguide device according to a fourth embodiment.
- FIG. 23 is a cross-sectional view showing an optical waveguide device according to the fifth embodiment.
- FIG. 24 is a cross-sectional view showing an optical waveguide device according to the sixth embodiment.
- FIG. 25 is a cross-sectional view showing an optical waveguide device according to the seventh embodiment.
- FIG. 26 is a cross-sectional view showing an optical waveguide device according to the eighth embodiment.
- FIG. 27 is a cross-sectional view showing an optical waveguide device according to the ninth embodiment.
- FIG. 28 is a diagram showing a quantum computer according to the tenth embodiment.
- the X1-X2 direction, the Y1-Y2 direction, and the Z1-Z2 direction are mutually orthogonal directions.
- a plane including the X1-X2 direction and the Y1-Y2 direction is referred to as the XY plane
- a plane including the Y1-Y2 direction and the Z1-Z2 direction is referred to as the YZ plane
- a plane including the Z1-Z2 direction and the X1-X2 direction. is described as the ZX plane.
- the Y1-Y2 direction is the vertical direction
- the Y1 side is the upper side
- the Y2 side is the lower side.
- the term “planar view” refers to viewing the object from the Y1 side
- the term “planar shape” refers to the shape of the object viewed from the Y1 side.
- the first embodiment relates to an optical waveguide device.
- the optical waveguide device according to the first embodiment is used, for example, in a quantum computing device such as a quantum computer.
- FIG. 1 is a perspective view showing the optical waveguide device according to the first embodiment.
- 2 and 3 are cross-sectional views showing the optical waveguide device according to the first embodiment.
- the optical waveguide device 1 has an optical waveguide substrate 100 and an optical waveguide layer 150.
- the optical waveguide substrate 100 has a first surface 100A on the Y1 side.
- the first surface 100A is parallel to the ZX plane.
- the optical waveguide layer 150 is provided on the first surface 100A.
- the optical waveguide substrate 100 has a first region 101 and a second region 102 .
- the first region 101 and the second region 102 are exposed on the first surface 100A.
- the first region 101 extends linearly.
- the first region 101 extends parallel to the Z1-Z2 direction, for example.
- the second regions 102 are positioned on both sides of the first region 101 in plan view, that is, when viewed from a direction perpendicular to the first surface 100A. That is, the first region 101 is sandwiched between two second regions 102 in the X1-X2 direction.
- An optical waveguide layer 150 is provided on the first region 101 .
- the optical waveguide substrate 100 has a substrate 110 and a stress relaxation material 120 .
- the coefficient of thermal expansion of substrate 110 is greater than that of optical waveguide layer 150 .
- the thermal expansion coefficient of the stress relaxation material 120 is smaller than that of the substrate 110 .
- optical waveguide layer 150 includes diamond.
- the optical waveguide layer 150 may be a diamond layer.
- substrate 110 includes sapphire ( Al2O3 ).
- Substrate 110 may be a sapphire substrate.
- stress relief material 120 includes diamond.
- the stress relief material 120 may be a diamond material. Diamond has a coefficient of thermal expansion of 0.8 ⁇ 10 ⁇ 6 /K and sapphire has a coefficient of thermal expansion of 8.0 ⁇ 10 ⁇ 6 /K.
- the substrate 110 includes a first region 101 and a second region 102, with a convex portion 111 formed in the first region 101 and a concave portion 112 formed in the second region .
- a stress relief material 120 is provided in each recess 112 .
- the Y1-side surface of the convex portion 111 and the Y1-side surface of the stress relaxation member 120 are flush with each other, and these surfaces constitute the first surface 100A. That is, the first surface 100A includes the Y1 side surface of the protrusion 111 and the Y1 side surface of the stress relaxation material 120 .
- the depth of the convex portion 111 and the depth of the concave portion 112 are, for example, about 100 nm to 1000 nm.
- the first region 101 functions as an optical waveguide.
- the refractive index of the portion of the optical waveguide substrate 100 functioning as an optical waveguide is lower than the refractive index of the optical waveguide layer 150 .
- the optical waveguide layer 150 includes a color center 151, for example.
- the end of the optical waveguide layer 150 closer to the detector (not shown) than the color center 151, which is the Z1 side in this embodiment, may have a shape whose height decreases toward the tip. In this case, it is easy to obtain good light propagation efficiency between the optical waveguide layer 150 and the first region 101 of the optical waveguide substrate 100 .
- the optical waveguide device 1 according to the first embodiment is used after being cooled to an extremely low temperature of 4K or less, for example. Therefore, the optical waveguide substrate 100 and the optical waveguide layer 150 thermally contract during use, and thermally expand when returned to room temperature after use.
- a substrate 110 is formed with a convex portion 111 and a concave portion 112 and a stress relaxation member 120 is provided in the concave portion 112 . Therefore, the coefficient of thermal expansion of the second region 102 is smaller than the coefficient of thermal expansion of the first region 101 . Also, the thermal expansion coefficient of the optical waveguide layer 150 is smaller than that of the first region 101 .
- FIG. 4 is a cross-sectional view showing an optical waveguide device according to the first reference example.
- the optical waveguide substrate 100 is composed of a substrate 110X.
- the material of substrate 110X is the same as the material of substrate 110.
- FIG. Other configurations are the same as those of the first embodiment.
- FIG. 5 is a diagram showing deformation of the optical waveguide substrate and the optical waveguide layer in the first reference example.
- FIG. 6 is a diagram showing deformation of the optical waveguide substrate and the optical waveguide layer in the first embodiment.
- the arrows in FIGS. 5 and 6 schematically indicate the magnitude of deformation, and the longer the arrow, the greater the deformation.
- the optical waveguide layer 150 and the stress relaxation material 120 are made of diamond, and the substrates 110 and 110X are sapphire substrates.
- the dimension of the optical waveguide layer 150 in the X1-X2 direction is 0.2 ⁇ m
- the dimension of the optical waveguide substrate 100 in the X1-X2 direction is 5.0 mm
- the optical waveguide layer 150 is an optical waveguide in the X1-X2 direction. Assume that it is arranged at the center of the substrate 100 .
- the entire first surface 100A is composed of the substrate 110X. Therefore, when cooled from room temperature to 4 K, the amount of thermal shrinkage of the optical waveguide layer 150 is only 0.05 nm, while the amount of thermal shrinkage of the first surface 100A is 12 ⁇ m, and the first surface 100A is the optical waveguide. It heat shrinks to 240,000 times the size of the layer 150 . For this reason, as shown in FIG. 5, a large difference in thermal deformation occurs near the interface between the optical waveguide layer 150 and the optical waveguide substrate 100, and in particular, stress near the end of the optical waveguide layer 150 in the X1-X2 direction. is concentrated.
- the first surface 100A in the first region 101 is formed by the substrate 110, but the first surface 100A in the second region 102 is formed by the stress relaxation material 120. Configured. Therefore, even when cooled from room temperature to 4K, the portion of the first surface 100A that thermally shrinks more than the optical waveguide layer 150 is only the portion within the first region 101 . Therefore, as shown in FIG. 6, the difference in thermal deformation occurring near the interface between the optical waveguide layer 150 and the optical waveguide substrate 100 is small.
- peeling between the optical waveguide substrate 100 and the optical waveguide layer 150 can be suppressed as compared with the first reference example.
- FIG. 7 is a cross-sectional view showing an optical waveguide device according to a second reference example.
- FIG. 8 is a cross-sectional view showing an optical waveguide device according to a third reference example.
- the optical waveguide substrate 100 is composed of only the substrate 110, and the optical waveguide substrate 100 does not include the stress relaxation material 120.
- Other configurations are the same as those of the first embodiment.
- the stress relaxation member 120 is not provided, a large stress is concentrated in the vicinity of the base 113Y of the projection 111 due to temperature change, and there is a possibility that defects such as cracks may occur in the substrate 110 .
- the optical waveguide substrate 100 has a substrate 110X and a diamond layer 120Z.
- the diamond layer 120Z is provided on the substrate 110X, and the entire first surface 100A is composed of the diamond layer 120Z.
- the optical waveguide layer 150 and the diamond layer 120Z are integrally formed. Other configurations are the same as those of the first embodiment.
- the optical waveguide layer 150 and the diamond layer 120Z and the substrate 110X, which are integrally formed can be suppressed.
- a large stress is concentrated in the vicinity of the root 113Z of the optical waveguide layer 150, and there is a possibility that defects such as cracks may occur in the diamond layer 120Z.
- the diamond layer 120Z is provided, the optical confinement effect is lowered, and coupling loss occurs in the optical coupling between the optical waveguide layer 150 and the optical waveguide included in the optical waveguide substrate 100.
- 9 to 12 are cross-sectional views showing the first manufacturing method of the optical waveguide device 1 according to the first embodiment.
- 13 to 17 are cross-sectional views showing the second manufacturing method of the optical waveguide device 1 according to the first embodiment.
- a substrate having a flat Y1 side is prepared and processed to obtain a substrate 110 having projections 111 and recesses 112 .
- etching is performed for processing the substrate.
- a diamond layer 160 that will later become the optical waveguide layer 150 and the stress relaxation material 120 is formed on the substrate 110 with a thickness greater than the height of the projections 111 .
- the diamond layer 160 can be formed by chemical vapor deposition (CVD), for example.
- the diamond layer 160 is polished until the projections 111 are exposed.
- an optical waveguide substrate 100 having a first surface 100A is obtained.
- the optical waveguide substrate 100 has a substrate 110 and a stress relaxation material 120 .
- the Y1 side surface of the substrate 110 and the Y1 side surface of the stress relaxation member 120 are flush with each other and included in the first surface 100A.
- an optical waveguide layer 150 including a color center 151 is provided on the convex portion 111, and the optical waveguide layer 150 and the substrate 110 are bonded to each other.
- the optical waveguide layer 150 and the substrate 110 can be bonded by intermolecular forces.
- optical waveguide device 1 according to the first embodiment can be manufactured.
- a mask 171 is formed over a region of the diamond layer 160 intended to be the optical waveguide layer 150 .
- a resist pattern is formed.
- the portion of the diamond layer 160 exposed from the mask 171 is dry-etched to form the stress relaxation material 120 from the diamond layer 160 .
- an optical waveguide substrate 100 having a first surface 100A is obtained.
- the optical waveguide substrate 100 has a substrate 110 and a stress relaxation material 120 .
- the Y1 side surface of the substrate 110 and the Y1 side surface of the stress relaxation member 120 are flush with each other and included in the first surface 100A.
- the mask 171 is removed.
- a mask 172 is formed on the stress relaxation material 120 to cover the Y1 side surface of the stress relaxation material 120 and expose the Y1 side surface of the diamond layer 160 .
- the thickness of the mask 172 is approximately the same as the thickness of the optical waveguide layer 150 to be formed.
- a resist pattern is formed.
- Mask 172 may be a hard mask of silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN), or a metal.
- the portion of the diamond layer 160 exposed from the mask 172 is dry-etched to form the optical waveguide layer 150 from the diamond layer 160 .
- the mask 172 is removed.
- a color center 151 is formed in the optical waveguide layer 150 by ion implantation or the like.
- optical waveguide device 1 according to the first embodiment can be manufactured.
- FIG. 18 is a top view showing the optical waveguide device according to the second embodiment.
- FIG. 19 is a cross-sectional view showing an optical waveguide device according to the second embodiment.
- the optical waveguide device 2 has an optical waveguide substrate 200 instead of the optical waveguide substrate 100.
- the optical waveguide substrate 200 has a first surface 200A on the Y1 side.
- the first surface 200A is parallel to the ZX plane.
- the optical waveguide layer 150 is provided on the first surface 200A.
- the first region 101 and the second region 102 of the optical waveguide substrate 200 are exposed on the first surface 200A.
- the optical waveguide substrate 200 has a substrate 210 and a stress relaxation material 220 .
- the coefficient of thermal expansion of substrate 210 is greater than that of optical waveguide layer 150 .
- the thermal expansion coefficient of the stress relaxation material 220 is smaller than that of the substrate 210 .
- substrate 210 includes sapphire.
- substrate 210 may be a sapphire substrate.
- stress relief material 220 includes diamond.
- the stress relief material 220 may be a diamond material.
- a substrate 210 includes a first region 101 and a second region 102.
- a convex portion 211 is formed in the first region 101 and a plurality of concave portions 212 are formed in the second region 102.
- the plurality of recesses 212 are arranged in a square lattice.
- the shape of the recess 212 is cylindrical.
- the cross-sectional shape of the recess 212 is rectangular.
- a stress relief material 220 is provided in each recess 212 .
- the Y1 side surface of the convex portion 211 and the Y1 side surface of the stress relaxation member 220 are flush with each other, and these surfaces constitute the first surface 200A.
- the first surface 200A includes the Y1 side surface of the protrusion 211 and the Y1 side surface of the stress relaxation material 220 .
- the depth of the convex portion 211 and the depth of the concave portion 212 are, for example, about 100 nm to 1000 nm.
- optical waveguide substrate 200 and the optical waveguide layer 150 can be suppressed.
- the second region 102 functions as a photonic crystal depending on the arrangement of the plurality of recesses 212 and the stress relaxation material 220 .
- the recess 212 has a cylindrical shape with a diameter of about 50 nm to 500 nm and a depth of about 100 nm to 1000 nm.
- the period in the Z2 direction is approximately 100 nm to 500 nm.
- the optical waveguide device 2 according to the second embodiment can be manufactured by a method similar to that of the first embodiment.
- FIG. 20 is a top view showing an optical waveguide device according to a modification of the second embodiment.
- FIG. 21 is a cross-sectional view showing an optical waveguide device according to the third embodiment.
- recesses 312 are formed in the substrate 210 instead of the recesses 212 .
- the shape of the concave portion 312 is a conical cylinder whose diameter becomes smaller toward the Y2 side.
- the cross-sectional shape of the recess 312 is triangular.
- a stress relief material 220 is provided in each recess 312 .
- the optical waveguide device 3 according to the third embodiment can also be manufactured by the same method as in the first embodiment.
- FIG. 22 is a cross-sectional view showing an optical waveguide device according to a fourth embodiment.
- a concave portion 412 is formed in the substrate 210 instead of the concave portion 212 .
- the shape of the concave portion 412 is an isosceles truncated cone cylindrical shape whose diameter becomes smaller toward the Y2 side.
- the cross-sectional shape of the concave portion 312 is an isosceles trapezoidal shape.
- a stress relief material 220 is provided in each recess 412 .
- the optical waveguide device 4 according to the fourth embodiment can also be manufactured by the same method as in the first embodiment.
- the width of the projections 111 and 211 (the dimension in the X1-X2 direction) and the width of the optical waveguide layer 150 (the dimension in the X1-X2 direction) need not be equal.
- the width of the protrusions 111 and 211 may be 150% or less of the width of the optical waveguide layer 150 .
- the width of the protrusions 111 and 211 is preferably 130% or less, more preferably 120% or less, still more preferably 110% or less of the width of the optical waveguide layer 150 .
- the width of the protrusions 111 and 211 may be 70% or more of the width of the optical waveguide layer 150 .
- the width of the protrusions 111 and 211 is preferably 75% or more, more preferably 80% or more, still more preferably 85% or more of the width of the optical waveguide layer 150 .
- materials for the substrate and the stress relaxation material are not particularly limited.
- the material of the substrate is sapphire, diamond, silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon carbide (SiC), or aluminum nitride (AlN) can be used as the material of the stress relaxation material.
- the material of the substrate is silicon carbide, diamond or silicon nitride can be used as the material of the stress relaxation material.
- the thermal expansion coefficient of silicon nitride is 2.8 ⁇ 10 ⁇ 6 /K
- the thermal expansion coefficient of silicon carbide is 3.7 ⁇ 10 ⁇ 6 /K
- the thermal expansion coefficient of aluminum nitride is 4.6 ⁇ 10 -6 /K.
- the optical waveguide substrate may have a plurality of first regions, and a plurality of optical waveguide layers may be provided on the optical waveguide substrate.
- FIG. 23 is a cross-sectional view showing an optical waveguide device according to the fifth embodiment.
- the optical waveguide device 5 has an optical waveguide substrate 500 instead of the optical waveguide substrate 100 .
- the optical waveguide substrate 500 has a substrate 510 and a stress relaxation material 520 .
- the coefficient of thermal expansion of substrate 510 is greater than that of optical waveguide layer 150 .
- the thermal expansion coefficient of the stress relaxation material 520 is smaller than that of the substrate 510 .
- substrate 510 includes sapphire.
- substrate 510 may be a sapphire substrate.
- stress relief material 520 includes diamond.
- the stress relief material 520 may be a diamond material.
- a substrate 510 includes a first region 101 and a second region 102 , a convex portion 511 is formed in the first region 101 and a concave portion 512 and a concave portion 212 are formed in the second region 102 .
- the recesses 512 are formed on the X1 side and the X2 side of the optical waveguide layer 150 .
- the recess 212 is formed on the Z1 side and the Z2 side of the recess 512 .
- a stress relief material 520 is provided in each recess 512 .
- the stress relieving material 520 may be provided in the recess 212 as well, or the stress relieving material 520 may not be provided in the recess 212 .
- the fifth embodiment like the first embodiment, separation between the optical waveguide substrate 500 and the optical waveguide layer 150 can be suppressed.
- FIG. 24 is a cross-sectional view showing an optical waveguide device according to the sixth embodiment.
- the optical waveguide device 6 has an optical waveguide substrate 600 instead of the optical waveguide substrate 100 .
- the optical waveguide substrate 600 has a substrate 610 and a stress relaxation material 620 .
- the coefficient of thermal expansion of substrate 610 is greater than that of optical waveguide layer 150 .
- the coefficient of thermal expansion of the stress relieving material 620 is smaller than that of the substrate 610 .
- substrate 610 includes sapphire.
- substrate 610 may be a sapphire substrate.
- stress relief material 620 includes diamond.
- the stress relief material 620 may be a diamond material.
- a substrate 610 includes a first region 101 and a second region 102 , a convex portion 611 is formed in the first region 101 and a concave portion 612 and a concave portion 212 are formed in the second region 102 .
- the recesses 612 are formed on the X1 side and the X2 side of the optical waveguide layer 150 .
- the recesses 612 have a rectangular planar shape extending in the Z1-Z2 direction in plan view, and are arranged side by side in the X1-X2 direction.
- the recess 212 is formed on the Z1 side and the Z2 side of the recess 612 .
- a stress relief material 620 is provided within each recess 612 .
- the stress relieving material 620 may be provided in the recess 212 as well, or the stress relieving material 620 may not be provided in the recess 212 .
- separation between the optical waveguide substrate 600 and the optical waveguide layer 150 can be suppressed.
- FIG. 25 is a cross-sectional view showing an optical waveguide device according to the seventh embodiment.
- the optical waveguide device 7 has an optical waveguide substrate 700 instead of the optical waveguide substrate 200 .
- the optical waveguide substrate 700 has a substrate 710 and a stress relaxation material 220 .
- the coefficient of thermal expansion of substrate 710 is greater than that of optical waveguide layer 150 .
- the thermal expansion coefficient of the stress relaxation material 220 is smaller than that of the substrate 710 .
- substrate 710 includes sapphire.
- substrate 710 may be a sapphire substrate.
- stress relief material 220 includes diamond.
- the stress relief material 220 may be a diamond material.
- a substrate 710 includes a first region 101 and a second region 102.
- a convex portion 711 is formed in the first region 101 and a concave portion 212 is formed in the second region .
- the recesses 212 are formed on the X1 side and the X2 side of the optical waveguide layer 150 .
- a stress relief material 220 is provided in each recess 212 .
- a convex portion 711 may also be formed in a region on the Z1 side and a region on the Z2 side of the optical waveguide layer 150 in the second region 102 . In this case, light can be confined within the first region 101 by, for example, making the refractive index of the convex portion 711 different between the first region 101 and the second region 102 .
- the seventh embodiment like the first embodiment, separation between the optical waveguide substrate 700 and the optical waveguide layer 150 can be suppressed.
- the recess 312 or the recess 412 may be formed instead of the recess 212.
- FIG. 26 is a cross-sectional view showing an optical waveguide device according to the eighth embodiment.
- the optical waveguide device 8 has an optical waveguide substrate 800 instead of the optical waveguide substrate 500 .
- the optical waveguide substrate 800 has a substrate 810 and a stress relaxation material 520 .
- the coefficient of thermal expansion of substrate 810 is greater than that of optical waveguide layer 150 .
- the thermal expansion coefficient of the stress relaxation material 520 is smaller than that of the substrate 810 .
- substrate 810 includes sapphire.
- substrate 810 may be a sapphire substrate.
- stress relief material 520 includes diamond.
- the stress relief material 520 may be a diamond material.
- a substrate 810 includes a first region 101 and a second region 102 , with a convex portion 811 formed in the first region 101 and a concave portion 512 formed in the second region 102 .
- the recesses 512 are formed on the X1 side and the X2 side of the optical waveguide layer 150 .
- a stress relief material 520 is provided in each recess 512 .
- a convex portion 811 may also be formed in a region on the Z1 side and a region on the Z2 side of the optical waveguide layer 150 in the second region 102 . In this case, light can be confined within the first region 101 by, for example, making the refractive index of the convex portion 811 different between the first region 101 and the second region 102 .
- optical waveguide substrate 800 and the optical waveguide layer 150 can be suppressed.
- FIG. 27 is a cross-sectional view showing an optical waveguide device according to the ninth embodiment.
- the optical waveguide device 9 has an optical waveguide substrate 900 instead of the optical waveguide substrate 600 .
- the optical waveguide substrate 900 has a substrate 910 and a stress relaxation material 620 .
- the coefficient of thermal expansion of substrate 910 is greater than that of optical waveguide layer 150 .
- the thermal expansion coefficient of the stress relaxation material 620 is smaller than that of the substrate 910 .
- substrate 910 includes sapphire.
- substrate 910 may be a sapphire substrate.
- stress relief material 620 includes diamond.
- the stress relief material 620 may be a diamond material.
- a substrate 910 includes a first region 101 and a second region 102 , with a convex portion 911 formed in the first region 101 and a concave portion 612 formed in the second region 102 .
- the recesses 612 are formed on the X1 side and the X2 side of the optical waveguide layer 150 .
- the recesses 612 have a rectangular planar shape extending in the Z1-Z2 direction in plan view, and are arranged side by side in the X1-X2 direction.
- a stress relief material 620 is provided within each recess 612 .
- Projections 911 may also be formed in a region on the Z1 side and a region on the Z2 side of the optical waveguide layer 150 in the second region 102 . In this case, light can be confined in the first region 101 by, for example, making the refractive index of the convex portion 911 different between the first region 101 and the second region 102 .
- the ninth embodiment like the first embodiment, separation between the optical waveguide substrate 600 and the optical waveguide layer 150 can be suppressed.
- FIG. 28 is a diagram showing a quantum computer according to the tenth embodiment.
- the quantum computer 10 has a general-purpose computer 1001, a control unit 1002, and a quantum device 1003.
- Control unit 1002 controls quantum device 1003 based on a control signal from general-purpose computer 1001 .
- the controller 1002 and quantum device 1003 are housed in a cryostat 1004 .
- the quantum computer 10 can perform stable quantum operations.
- Optical waveguide device 10 Quantum computer 100, 200, 500, 600, 700, 800, 900: Optical waveguide substrate 100A, 200A: First surface 101 : first region 102: second region 110, 210, 510, 610, 710, 810, 910: substrate 111, 211, 511, 611, 711, 811, 911: convex portion 112, 212, 312, 412, 512, 612 concave portion 120, 220, 520, 620: stress relaxation material 150: optical waveguide layer 151: color center
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Abstract
光導波路装置(1)は、第1面(100A)を有する光導波路基板(100)と、前記第1面(100A)の上に設けられた光導波路層(150)と、を有し、前記光導波路基板(100)は、前記第1面(100A)に露出し、線状に延びる第1領域(101)と、前記第1面(100A)に露出し、平面視で前記第1領域(101)の両側に位置する第2領域(102)と、を有し、前記光導波路層(150)は、前記第1領域(101)の上に設けられており、前記第2領域(102)の第2熱膨張係数は、前記第1領域(101)の第1熱膨張係数よりも小さく、前記光導波路層(150)の第3熱膨張係数は、前記第1熱膨張係数よりも小さい。
Description
本開示は、光導波路装置、量子演算装置及び光導波路装置の製造方法に関する。
ダイヤモンド層中のカラーセンターを用いた量子デバイスについて検討が行われている。また、カラーセンターにおける発光を検出器まで伝搬するために、ダイヤモンドから構成された光導波路層と、サファイア等のダイヤモンドよりも屈折率が低い材料から構成された光導波路基板とが接合された光導波路装置についても検討が行われている。
従来の光導波路装置では、光導波路基板と光導波路層との間で剥離が生じるおそれがある。
本開示の目的は、光導波路基板と光導波路層との間での剥離を抑制することができる光導波路装置、量子演算装置及び光導波路装置の製造方法を提供することにある。
本開示の一形態によれば、第1面を有する光導波路基板と、前記第1面の上に設けられた光導波路層と、を有し、前記光導波路基板は、前記第1面に露出し、線状に延びる第1領域と、前記第1面に露出し、平面視で前記第1領域の両側に位置する第2領域と、を有し、前記光導波路層は、前記第1領域の上に設けられており、前記第2領域の第2熱膨張係数は、前記第1領域の第1熱膨張係数よりも小さく、前記光導波路層の第3熱膨張係数は、前記第1熱膨張係数よりも小さい光導波路装置が提供される。
本開示によれば、光導波路基板と光導波路層との間での剥離を抑制することができる。
以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。本開示においては、X1-X2方向、Y1-Y2方向、Z1-Z2方向を相互に直交する方向とする。X1-X2方向及びY1-Y2方向を含む面をXY面と記載し、Y1-Y2方向及びZ1-Z2方向を含む面をYZ面と記載し、Z1-Z2方向及びX1-X2方向を含む面をZX面と記載する。なお、便宜上、Y1-Y2方向を上下方向とし、Y1側を上側、Y2側を下側とする。また、平面視とは、Y1側から対象物を視ることをいい、平面形状とは、対象物をY1側から視た形状のことをいう。
(第1実施形態)
まず、第1実施形態について説明する。第1実施形態は光導波路装置に関する。第1実施形態に係る光導波路装置は、例えば量子コンピュータ等の量子演算装置に用いられる。図1は、第1実施形態に係る光導波路装置を示す斜視図である。図2及び図3は、第1実施形態に係る光導波路装置を示す断面図である。
まず、第1実施形態について説明する。第1実施形態は光導波路装置に関する。第1実施形態に係る光導波路装置は、例えば量子コンピュータ等の量子演算装置に用いられる。図1は、第1実施形態に係る光導波路装置を示す斜視図である。図2及び図3は、第1実施形態に係る光導波路装置を示す断面図である。
図1~図3に示すように、第1実施形態に係る光導波路装置1は、光導波路基板100と、光導波路層150とを有する。光導波路基板100は、Y1側に第1面100Aを有する。第1面100AはZX面に平行である。光導波路層150は第1面100Aの上に設けられている。
光導波路基板100は、第1領域101と、第2領域102とを有する。第1領域101及び第2領域102は第1面100Aに露出する。第1領域101は線状に延びる。第1領域101は、例えばZ1-Z2方向に平行に延びる。第2領域102は、平面視で、すなわち第1面100Aに垂直な方向から見たときに、第1領域101の両側に位置する。つまり、X1-X2方向で第1領域101は2つの第2領域102に挟まれている。光導波路層150は第1領域101の上に設けられている。
光導波路基板100は、基板110と、応力緩和材120とを有する。基板110の熱膨張係数は、光導波路層150の熱膨張係数よりも大きい。また、応力緩和材120の熱膨張係数は、基板110の熱膨張係数よりも小さい。例えば、光導波路層150はダイヤモンドを含む。光導波路層150がダイヤモンド層であってもよい。例えば、基板110はサファイア(Al2O3)を含む。基板110がサファイア基板であってもよい。例えば、応力緩和材120はダイヤモンドを含む。応力緩和材120がダイヤモンド材であってもよい。ダイヤモンドの熱膨張係数は0.8×10-6/Kであり、サファイアの熱膨張係数は8.0×10-6/Kである。
基板110は第1領域101及び第2領域102を含んでおり、第1領域101に凸部111が形成され、第2領域102に凹部112が形成されている。各凹部112内に応力緩和材120が設けられている。凸部111のY1側の面と、応力緩和材120のY1側の面とが面一になっており、これらの面が第1面100Aを構成する。つまり、第1面100Aは、凸部111のY1側の面と、応力緩和材120のY1側の面とを含む。凸部111の深さ及び凹部112の深さは、例えば100nm~1000nm程度である。
光導波路基板100においては、第1領域101が光導波路として機能する。例えば、光導波路基板100の光導波路として機能する部分の屈折率は、光導波路層150の屈折率よりも低い。
光導波路層150は、例えばカラーセンター151を含む。光導波路層150のカラーセンター151よりも検出器(図示せず)側、本実施形態ではZ1側の端部が、先端ほど高さが小さくなる形状を有していてもよい。この場合、光導波路層150と、光導波路基板100の第1領域101との間で良好な光伝搬効率を得やすい。
第1実施形態に係る光導波路装置1は、例えば4K以下の極低温に冷却されて使用される。このため、使用時に光導波路基板100及び光導波路層150が熱収縮し、使用後に室温に戻されると熱膨張する。本実施形態では、基板110に凸部111及び凹部112が形成され、凹部112内に応力緩和材120が設けられている。従って、第2領域102の熱膨張係数が第1領域101の熱膨張係数よりも小さい。また、光導波路層150の熱膨張係数が第1領域101の熱膨張係数よりも小さい。これにより、第2領域102の熱膨張係数と光導波路層150の熱膨張係数との差を、第1領域101の熱膨張係数と光導波路層150の熱膨張係数との差よりも小さくし、光導波路基板100全体として光導波路層150と間で生じる応力を小さくできる。このため、光導波路基板100と光導波路層150との間で剥離を抑制することができる。
ここで、参考例と比較しながら、第1実施形態の効果について更に説明する。図4は、第1参考例に係る光導波路装置を示す断面図である。
第1参考例に係る光導波路装置1Xでは、図4に示すように、光導波路基板100が、基板110Xから構成される。基板110Xの材料は基板110の材料と同一である。他の構成は第1実施形態と同様である。
図5は、第1参考例における光導波路基板及び光導波路層の変形を示す図である。図6は、第1実施形態における光導波路基板及び光導波路層の変形を示す図である。図5及び図6中の矢印は変形の大きさを模式的に示し、矢印が長いほど、大きな変形が生じることを示す。
例えば、光導波路層150及び応力緩和材120がダイヤモンドから構成され、基板110及び110Xがサファイア基板であるとする。また、光導波路層150のX1-X2方向の寸法が0.2μmであり、光導波路基板100のX1-X2方向の寸法が5.0mmであり、X1-X2方向で光導波路層150が光導波路基板100の中心に配置されているとする。
第1参考例では、第1面100Aの全体が基板110Xにより構成される。従って、室温から4Kまで冷却されると、光導波路層150の熱収縮量は僅かに0.05nmであるのに対し、第1面100Aの熱収縮量は12μmとなり、第1面100Aは光導波路層150の24万倍の大きさで熱収縮する。このため、図5に示すように、光導波路層150と光導波路基板100との界面近傍に大きな熱変形の相違が生じ、特に、光導波路層150のX1-X2方向の端部の近傍に応力が集中する。
一方、第1実施形態では、第1面100Aのうち、第1領域101内の第1面100Aは基板110により構成されるが、第2領域102内の第1面100Aは応力緩和材120により構成される。従って、室温から4Kまで冷却されたとしても、第1面100Aのうちで光導波路層150よりも大きく熱収縮する部分は第1領域101内の部分のみである。このため、図6に示すように、光導波路層150と光導波路基板100との界面近傍に生じる熱変形の相違は小さい。
従って、第1実施形態によれば、第1参考例と比較して光導波路基板100と光導波路層150との間での剥離を抑制することができる。
次に、第2参考例及び第3参考例について説明する。図7は、第2参考例に係る光導波路装置を示す断面図である。図8は、第3参考例に係る光導波路装置を示す断面図である。
第2参考例に係る光導波路装置1Yでは、図7に示すように、光導波路基板100が、基板110のみから構成され、光導波路基板100に応力緩和材120が含まれない。他の構成は第1実施形態と同様である。
このような第2参考例によれば、第1実施形態と同様に、光導波路基板100と光導波路層150との間での剥離を抑制することができる。しかしながら、応力緩和材120が設けられていないため、温度変化に伴って凸部111の根元113Yの近傍に大きな応力が集中し、基板110に亀裂等の欠陥が生じるおそれがある。
第3参考例に係る光導波路装置1Zでは、図8に示すように、光導波路基板100が、基板110Xと、ダイヤモンド層120Zとを有する。ダイヤモンド層120Zは基板110Xの上に設けられており、第1面100Aの全体がダイヤモンド層120Zにより構成される。光導波路層150及びダイヤモンド層120Zが一体的に構成されている。他の構成は第1実施形態と同様である。
このような第3参考例によれば、一体的に構成された光導波路層150及びダイヤモンド層120Zと基板110Xとの間での剥離を抑制することができる。しかしながら、光導波路層150の根元113Zの近傍に大きな応力が集中し、ダイヤモンド層120Zに亀裂等の欠陥が生じるおそれがある。また、ダイヤモンド層120Zが設けられているため、光閉じ込め効果が低下し、光導波路層150と光導波路基板100に含まれる光導波路との間の光結合において、結合損失が生じてしまう。
次に、第1実施形態に係る光導波路装置1の2種類の製造方法について説明する。図9~図12は、第1実施形態に係る光導波路装置1の第1製造方法を示す断面図である。図13~図17は、第1実施形態に係る光導波路装置1の第2製造方法を示す断面図である。
第1製造方法では、まず、図9に示すように、Y1側が平坦な基板を準備し、この基板を加工することにより、凸部111及び凹部112を備えた基板110を得る。基板の加工としては、例えばエッチングを行う。
次いで、図10に示すように、後に光導波路層150及び応力緩和材120となるダイヤモンド層160を、凸部111の高さよりも大きい厚さで基板110の上に形成する。ダイヤモンド層160は、例えば化学気相成長(chemical vapor deposition:CVD)法等により形成することができる。
その後、図11に示すように、凸部111が露出するまでダイヤモンド層160を研磨する。この結果、第1面100Aを備えた光導波路基板100が得られる。光導波路基板100は、基板110及び応力緩和材120を有する。基板110のY1側の面及び応力緩和材120のY1側の面は互いに面一であり、第1面100Aに含まれる。
続いて、図12に示すように、カラーセンター151を含む光導波路層150を凸部111の上に設け、光導波路層150と基板110とを互いに接合する。例えば、光導波路層150と基板110とは分子間力により接合することができる。
このようにして、第1実施形態に係る光導波路装置1を製造することができる。
第2製造方法では、まず、第1製造方法と同様にして、ダイヤモンド層160の形成までの処理を行う(図10参照)。次いで、図13に示すように、ダイヤモンド層160の光導波路層150とする予定の領域の上にマスク171を形成する。マスク171としては、例えばレジストパターンを形成する。
その後、図14に示すように、ダイヤモンド層160のマスク171から露出した部分のドライエッチングを行い、ダイヤモンド層160から応力緩和材120を形成する。この結果、第1面100Aを備えた光導波路基板100が得られる。光導波路基板100は、基板110及び応力緩和材120を有する。基板110のY1側の面及び応力緩和材120のY1側の面は互いに面一であり、第1面100Aに含まれる。
続いて、図15に示すように、マスク171を除去する。次いで、応力緩和材120のY1側の面を覆い、ダイヤモンド層160のY1側の面を露出するマスク172を応力緩和材120の上に形成する。マスク172の厚さは、形成しようとする光導波路層150の厚さと同程度とする。マスク172としては、例えばレジストパターンを形成する。マスク172として、酸化ケイ素(SiO2)、窒化ケイ素(SiN)又は金属のハードマスクを形成してもよい。
その後、図16に示すように、ダイヤモンド層160のマスク172から露出した部分のドライエッチングを行い、ダイヤモンド層160から光導波路層150を形成する。
続いて、図17に示すように、マスク172を除去する。次いで、イオン注入等により、光導波路層150中にカラーセンター151を形成する。
このようにして、第1実施形態に係る光導波路装置1を製造することができる。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態は、主として光導波路基板の構成の点で第1実施形態と相違する。図18は、第2実施形態に係る光導波路装置を示す上面図である。図19は、第2実施形態に係る光導波路装置を示す断面図である。
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態は、主として光導波路基板の構成の点で第1実施形態と相違する。図18は、第2実施形態に係る光導波路装置を示す上面図である。図19は、第2実施形態に係る光導波路装置を示す断面図である。
図18及び図19に示すように、第2実施形態に係る光導波路装置2は、光導波路基板100に代えて光導波路基板200を有する。光導波路基板200は、Y1側に第1面200Aを有する。第1面200AはZX面に平行である。光導波路層150は第1面200Aの上に設けられている。光導波路基板200の第1領域101及び第2領域102は第1面200Aに露出する。
光導波路基板200は、基板210と、応力緩和材220とを有する。基板210の熱膨張係数は、光導波路層150の熱膨張係数よりも大きい。また、応力緩和材220の熱膨張係数は、基板210の熱膨張係数よりも小さい。例えば、基板210はサファイアを含む。基板210がサファイア基板であってもよい。例えば、応力緩和材220はダイヤモンドを含む。応力緩和材220がダイヤモンド材であってもよい。
基板210は第1領域101及び第2領域102を含んでおり、第1領域101に凸部211が形成され、第2領域102に複数の凹部212が形成されている。平面視で、複数の凹部212は四角格子状に配置されている。凹部212の形状は円筒状である。凹部212の断面形状は矩形状である。各凹部212内に応力緩和材220が設けられている。凸部211のY1側の面と、応力緩和材220のY1側の面とが面一になっており、これらの面が第1面200Aを構成する。つまり、第1面200Aは、凸部211のY1側の面と、応力緩和材220のY1側の面とを含む。凸部211の深さ及び凹部212の深さは、例えば100nm~1000nm程度である。
他の構成は第1実施形態と同様である。
第2実施形態によっても第1実施形態と同様に、光導波路基板200と光導波路層150との間での剥離を抑制することができる。
また、第2実施形態では、複数の凹部212及び応力緩和材220の配列によっては、第2領域102がフォトニック結晶として機能する。第2領域102がフォトニック結晶として機能する場合、例えば、凹部212の形状は直径が50nm~500nm程度、深さが100nm~1000nm程度の円筒形状であり、凹部212のX1-X2方向及びZ1-Z2方向の周期は100nm~500nm程度である。
第2実施形態に係る光導波路装置2は、第1実施形態と同様の方法で製造することができる。
なお、図20に示すように、平面視で、複数の凹部212が三角格子状に配置され、各凹部212内に応力緩和材220が設けられていてもよい。図20は、第2実施形態の変形例に係る光導波路装置を示す上面図である。
また、複数の凹部212のうち、光導波路層150よりもZ1側に位置するもの、及び光導波路層150よりもZ2側に位置するものの内側には、応力緩和材220が設けられていなくてもよい。
(第3実施形態)
次に、第3実施形態について説明する。第3実施形態は、主として凹部の断面形状の点で第2実施形態と相違する。図21は、第3実施形態に係る光導波路装置を示す断面図である。
次に、第3実施形態について説明する。第3実施形態は、主として凹部の断面形状の点で第2実施形態と相違する。図21は、第3実施形態に係る光導波路装置を示す断面図である。
図21に示すように、第3実施形態に係る光導波路装置3では、基板210に、凹部212に代えて凹部312が形成されている。凹部312の形状は、Y2側ほど直径が小さくなる円錐筒状である。凹部312の断面形状は三角形状である。各凹部312内に応力緩和材220が設けられている。
他の構成は第2実施形態と同様である。
第3実施形態によっても第2実施形態と同様の効果を得ることができる。
第3実施形態に係る光導波路装置3も、第1実施形態と同様の方法で製造することができる。
(第4実施形態)
次に、第4実施形態について説明する。第4実施形態は、主として凹部の断面形状の点で第2実施形態と相違する。図22は、第4実施形態に係る光導波路装置を示す断面図である。
次に、第4実施形態について説明する。第4実施形態は、主として凹部の断面形状の点で第2実施形態と相違する。図22は、第4実施形態に係る光導波路装置を示す断面図である。
図22に示すように、第4実施形態に係る光導波路装置4は、基板210に、凹部212に代えて凹部412が形成されている。凹部412の形状は、Y2側ほど直径が小さくなる等脚円錐台筒状である。凹部312の断面形状は等脚台形状である。各凹部412内に応力緩和材220が設けられている。
他の構成は第2実施形態と同様である。
第4実施形態によっても第2実施形態と同様の効果を得ることができる。
第4実施形態に係る光導波路装置4も、第1実施形態と同様の方法で製造することができる。
凸部111、211の幅(X1-X2方向の寸法)と光導波路層150の幅(X1-X2方向の寸法)とが等しい必要はない。例えば、凸部111、211の幅が光導波路層150の幅の寸法の150%以下であってもよい。凸部111、211の幅は光導波路層150の幅の、好ましくは130%以下であり、より好ましくは120%以下であり、更に好ましくは110%以下である。また、凸部111、211の幅が光導波路層150の幅の70%以上であってもよい。凸部111、211の幅は光導波路層150の幅の、好ましくは75%以上であり、より好ましくは80%以上であり、更に好ましくは85%以上である。
なお、本開示において、基板及び応力緩和材の材料は特に限定されない。例えば、基板の材料がサファイアである場合、応力緩和材の材料として、ダイヤモンド、窒化ケイ素(Si3N4)、炭化ケイ素(SiC)又は窒化アルミニウム(AlN)を用いることができる。また、基板の材料が炭化ケイ素である場合、応力緩和材の材料として、ダイヤモンド又は窒化ケイ素を用いることができる。窒化ケイ素の熱膨張係数は2.8×10-6/Kであり、炭化ケイ素の熱膨張係数は3.7×10-6/Kであり、窒化アルミニウムの熱膨張係数は4.6×10-6/Kである。
また、光導波路基板が複数の第1領域を有し、光導波路基板の上に複数の光導波路層が設けられていてもよい。
(第5実施形態)
次に、第5実施形態について説明する。第5実施形態は、主として基板の構成の点で第1実施形態等と相違する。図23は、第5実施形態に係る光導波路装置を示す断面図である。
次に、第5実施形態について説明する。第5実施形態は、主として基板の構成の点で第1実施形態等と相違する。図23は、第5実施形態に係る光導波路装置を示す断面図である。
図23に示すように、第5実施形態に係る光導波路装置5は、光導波路基板100に代えて光導波路基板500を有する。光導波路基板500は、基板510と、応力緩和材520とを有する。基板510の熱膨張係数は、光導波路層150の熱膨張係数よりも大きい。また、応力緩和材520の熱膨張係数は、基板510の熱膨張係数よりも小さい。例えば、基板510はサファイアを含む。基板510がサファイア基板であってもよい。例えば、応力緩和材520はダイヤモンドを含む。応力緩和材520がダイヤモンド材であってもよい。
基板510は第1領域101及び第2領域102を含んでおり、第1領域101に凸部511が形成され、第2領域102に凹部512及び凹部212が形成されている。凹部512は、光導波路層150のX1側と、X2側とに形成されている。凹部212は、凹部512のZ1側と、Z2側とに形成されている。各凹部512内に応力緩和材520が設けられている。凹部212内にも応力緩和材520が設けられていてもよく、凹部212内に応力緩和材520が設けられていなくてもよい。
他の構成は第1実施形態と同様である。
第5実施形態によっても第1実施形態と同様に、光導波路基板500と光導波路層150との間での剥離を抑制することができる。
(第6実施形態)
次に、第6実施形態について説明する。第6実施形態は、主として基板の構成の点で第1実施形態等と相違する。図24は、第6実施形態に係る光導波路装置を示す断面図である。
次に、第6実施形態について説明する。第6実施形態は、主として基板の構成の点で第1実施形態等と相違する。図24は、第6実施形態に係る光導波路装置を示す断面図である。
図24に示すように、第6実施形態に係る光導波路装置6は、光導波路基板100に代えて光導波路基板600を有する。光導波路基板600は、基板610と、応力緩和材620とを有する。基板610の熱膨張係数は、光導波路層150の熱膨張係数よりも大きい。また、応力緩和材620の熱膨張係数は、基板610の熱膨張係数よりも小さい。例えば、基板610はサファイアを含む。基板610がサファイア基板であってもよい。例えば、応力緩和材620はダイヤモンドを含む。応力緩和材620がダイヤモンド材であってもよい。
基板610は第1領域101及び第2領域102を含んでおり、第1領域101に凸部611が形成され、第2領域102に凹部612及び凹部212が形成されている。凹部612は、光導波路層150のX1側と、X2側とに形成されている。凹部612は、平面視でZ1-Z2方向に延びる矩形状の平面形状を有し、X1-X2方向に複数並んで配置されている。凹部212は、凹部612のZ1側と、Z2側とに形成されている。各凹部612内に応力緩和材620が設けられている。凹部212内にも応力緩和材620が設けられていてもよく、凹部212内に応力緩和材620が設けられていなくてもよい。
他の構成は第1実施形態と同様である。
第6実施形態によっても第1実施形態と同様に、光導波路基板600と光導波路層150との間での剥離を抑制することができる。
(第7実施形態)
次に、第7実施形態について説明する。第7実施形態は、主として基板の構成の点で第2実施形態等と相違する。図25は、第7実施形態に係る光導波路装置を示す断面図である。
次に、第7実施形態について説明する。第7実施形態は、主として基板の構成の点で第2実施形態等と相違する。図25は、第7実施形態に係る光導波路装置を示す断面図である。
図25に示すように、第7実施形態に係る光導波路装置7は、光導波路基板200に代えて光導波路基板700を有する。光導波路基板700は、基板710と、応力緩和材220とを有する。基板710の熱膨張係数は、光導波路層150の熱膨張係数よりも大きい。また、応力緩和材220の熱膨張係数は、基板710の熱膨張係数よりも小さい。例えば、基板710はサファイアを含む。基板710がサファイア基板であってもよい。例えば、応力緩和材220はダイヤモンドを含む。応力緩和材220がダイヤモンド材であってもよい。
基板710は第1領域101及び第2領域102を含んでおり、第1領域101に凸部711が形成され、第2領域102に凹部212が形成されている。凹部212は、光導波路層150のX1側と、X2側とに形成されている。各凹部212内に応力緩和材220が設けられている。第2領域102の光導波路層150よりもZ1側の領域と、Z2側の領域とにも凸部711が形成されていてよい。この場合、例えば、第1領域101と第2領域102との間で凸部711の屈折率を相違させることで、第1領域101内に光を閉じ込めることができる。
他の構成は第2実施形態と同様である。
第7実施形態によっても第1実施形態と同様に、光導波路基板700と光導波路層150との間での剥離を抑制することができる。
第5~第7実施形態において、凹部212に代えて凹部312又は凹部412が形成されていてもよい。
(第8実施形態)
次に、第8実施形態について説明する。第8実施形態は、主として基板の構成の点で第5実施形態等と相違する。図26は、第8実施形態に係る光導波路装置を示す断面図である。
次に、第8実施形態について説明する。第8実施形態は、主として基板の構成の点で第5実施形態等と相違する。図26は、第8実施形態に係る光導波路装置を示す断面図である。
図26に示すように、第8実施形態に係る光導波路装置8は、光導波路基板500に代えて光導波路基板800を有する。光導波路基板800は、基板810と、応力緩和材520とを有する。基板810の熱膨張係数は、光導波路層150の熱膨張係数よりも大きい。また、応力緩和材520の熱膨張係数は、基板810の熱膨張係数よりも小さい。例えば、基板810はサファイアを含む。基板810がサファイア基板であってもよい。例えば、応力緩和材520はダイヤモンドを含む。応力緩和材520がダイヤモンド材であってもよい。
基板810は第1領域101及び第2領域102を含んでおり、第1領域101に凸部811が形成され、第2領域102に凹部512が形成されている。凹部512は、光導波路層150のX1側と、X2側とに形成されている。各凹部512内に応力緩和材520が設けられている。第2領域102の光導波路層150よりもZ1側の領域と、Z2側の領域とにも凸部811が形成されていてよい。この場合、例えば、第1領域101と第2領域102との間で凸部811の屈折率を相違させることで、第1領域101内に光を閉じ込めることができる。
他の構成は第5実施形態と同様である。
第8実施形態によっても第1実施形態と同様に、光導波路基板800と光導波路層150との間での剥離を抑制することができる。
(第9実施形態)
次に、第9実施形態について説明する。第9実施形態は、主として基板の構成の点で第6実施形態等と相違する。図27は、第9実施形態に係る光導波路装置を示す断面図である。
次に、第9実施形態について説明する。第9実施形態は、主として基板の構成の点で第6実施形態等と相違する。図27は、第9実施形態に係る光導波路装置を示す断面図である。
図27に示すように、第9実施形態に係る光導波路装置9は、光導波路基板600に代えて光導波路基板900を有する。光導波路基板900は、基板910と、応力緩和材620とを有する。基板910の熱膨張係数は、光導波路層150の熱膨張係数よりも大きい。また、応力緩和材620の熱膨張係数は、基板910の熱膨張係数よりも小さい。例えば、基板910はサファイアを含む。基板910がサファイア基板であってもよい。例えば、応力緩和材620はダイヤモンドを含む。応力緩和材620がダイヤモンド材であってもよい。
基板910は第1領域101及び第2領域102を含んでおり、第1領域101に凸部911が形成され、第2領域102に凹部612が形成されている。凹部612は、光導波路層150のX1側と、X2側とに形成されている。凹部612は、平面視でZ1-Z2方向に延びる矩形状の平面形状を有し、X1-X2方向に複数並んで配置されている。各凹部612内に応力緩和材620が設けられている。第2領域102の光導波路層150よりもZ1側の領域と、Z2側の領域とにも凸部911が形成されていてよい。この場合、例えば、第1領域101と第2領域102との間で凸部911の屈折率を相違させることで、第1領域101内に光を閉じ込めることができる。
他の構成は第6実施形態と同様である。
第9実施形態によっても第1実施形態と同様に、光導波路基板600と光導波路層150との間での剥離を抑制することができる。
(第10実施形態)
次に、第10実施形態について説明する。第10実施形態は、量子コンピュータに関する。図28は、第10実施形態に係る量子コンピュータを示す図である。
次に、第10実施形態について説明する。第10実施形態は、量子コンピュータに関する。図28は、第10実施形態に係る量子コンピュータを示す図である。
第10実施形態に係る量子コンピュータ10は、汎用コンピュータ1001と、制御部1002と、量子デバイス1003とを有する。制御部1002は、汎用コンピュータ1001からの制御信号に基づいて量子デバイス1003を制御する。量子デバイス1003としては、第1~第9実施形態のいずれかに係る光導波路装置を含む量子デバイスが用いられる。制御部1002及び量子デバイス1003はクリオスタット1004に収納される。
量子コンピュータ10により、安定した量子演算を行うことが可能である。
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
1、2、3、4、5、6、7、8、9:光導波路装置
10:量子コンピュータ
100、200、500、600、700、800、900:光導波路基板
100A、200A:第1面
101:第1領域
102:第2領域
110、210、510、610、710、810、910:基板
111、211、511、611、711、811、911:凸部
112、212、312、412、512、612凹部
120、220、520、620:応力緩和材
150:光導波路層
151:カラーセンター
10:量子コンピュータ
100、200、500、600、700、800、900:光導波路基板
100A、200A:第1面
101:第1領域
102:第2領域
110、210、510、610、710、810、910:基板
111、211、511、611、711、811、911:凸部
112、212、312、412、512、612凹部
120、220、520、620:応力緩和材
150:光導波路層
151:カラーセンター
Claims (14)
- 第1面を有する光導波路基板と、
前記第1面の上に設けられた光導波路層と、
を有し、
前記光導波路基板は、
前記第1面に露出し、線状に延びる第1領域と、
前記第1面に露出し、平面視で前記第1領域の両側に位置する第2領域と、
を有し、
前記光導波路層は、前記第1領域の上に設けられており、
前記第2領域の第2熱膨張係数は、前記第1領域の第1熱膨張係数よりも小さく、
前記光導波路層の第3熱膨張係数は、前記第1熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする光導波路装置。 - 前記光導波路基板は、
前記第1領域に凸部が形成され、前記第2領域に凹部が形成され、前記第1熱膨張係数を有する第1部材と、
前記凹部内に設けられ、前記第2熱膨張係数を有する第2部材と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の光導波路装置。 - 前記第2領域に複数の前記凹部が形成され、
前記第2部材は、前記凹部の各々内に設けられていることを特徴とする請求項2に記載の光導波路装置。 - 前記第2部材がフォトニック結晶を有することを特徴とする請求項3に記載の光導波路装置。
- 前記第2部材は前記光導波路層の材料と同一であることを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載の光導波路装置。
- 前記第2部材はダイヤモンドを含むことを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1項に記載の光導波路装置。
- 前記第1部材はサファイア又は炭化ケイ素であることを特徴とする請求項2乃至6のいずれか1項に記載の光導波路装置。
- 前記光導波路層の屈折率は、前記第1領域の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の光導波路装置。
- 前記光導波路層はダイヤモンドを含むことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の光導波路装置。
- 前記光導波路層はカラーセンターを含むことを特徴とする請求項9に記載の光導波路装置。
- 請求項1乃至10のいずれか1項に記載の光導波路装置を含むことを特徴とする量子演算装置。
- 線状に延びる第1領域に凸部を有し、平面視で前記第1領域の両側に位置する第2領域に凹部を有し、第1熱膨張係数を備えた第1部材を含む基板を得る工程と、
前記凹部内に、第2熱膨張係数を備えた第2部材を形成する工程と、
前記凸部の上に光導波路層を設ける工程と、
を有し、
前記第2領域の第2熱膨張係数は、前記第1領域の第1熱膨張係数よりも小さく、
前記光導波路層の第3熱膨張係数は、前記第1熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする光導波路装置の製造方法。 - 前記第2部材を形成した後に、前記光導波路層を設けることを特徴とする請求項12に記載の光導波路装置の製造方法。
- 前記第2部材及び前記光導波路層を同時に形成することを特徴とする請求項12に記載の光導波路装置の製造方法。
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