WO2023188195A1 - 光導波路素子及びそれを用いた光変調デバイス並びに光送信装置 - Google Patents

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optical
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modulation
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宏佑 岡橋
真悟 高野
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住友大阪セメント株式会社
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 

Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide element, an optical modulation device using the same, and an optical transmitter, and particularly relates to an optical waveguide element having an optical waveguide substrate formed with an optical waveguide and a reinforcing substrate disposed below the optical waveguide substrate. It relates to a wave path element.
  • optical waveguide elements such as optical modulators that use optical waveguide substrates on which optical waveguides are formed are often used.
  • an optical waveguide is formed on a substrate having an electro-optic effect such as lithium niobate (LN), and an electrode for applying an electric field to the optical waveguide is formed on the substrate.
  • LN lithium niobate
  • Patent Documents 1 and 2 propose a configuration in which buffer layers (B1, B2) are arranged above and below the substrate 1 so as to sandwich the optical waveguide substrate 1, as shown in FIG.
  • buffer layers B1, B2
  • a reinforcing substrate 11 is disposed to reinforce the mechanical strength of the optical waveguide substrate. It has the effect of suppressing losses.
  • the upper buffer layer B2 prevents light waves propagating through the optical waveguide 10 from being absorbed by electrodes disposed on the optical waveguide substrate, and scattering of light waves propagating through the optical waveguide due to surface roughness of the optical waveguide 10. It is a protective film that functions to suppress
  • Optical waveguide elements and optical modulation devices are required to be miniaturized, and the means to achieve this are to set the height and width of the optical waveguide to about 1 ⁇ m or less to strengthen optical confinement, and to It has been proposed to arrange the wave paths in a bent manner.
  • the refractive index of the reinforcing substrate is higher than that of the optical waveguide substrate, so light absorption Losses increase. Therefore, it is necessary to set the thickness of the lower buffer layer to about 2 to 3 ⁇ m.
  • Patent Document 1 when a dense SiO 2 film of 2 ⁇ m is formed as a buffer layer on the LN substrate 1, internal stress due to expansion and contraction of the buffer layer due to temperature changes occurs. As a result, the LN substrate 1 is peeled off.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide an optical waveguide element that solves the above-mentioned problems, prevents peeling of the optical waveguide substrate, and suppresses propagation loss of light waves in the optical waveguide.
  • Another object of the present invention is to provide an optical modulation device and an optical transmitter using the optical waveguide element.
  • an optical waveguide element of the present invention an optical modulation device using the same, and an optical transmitter have the following technical features.
  • the optical waveguide element having an optical waveguide substrate on which an optical waveguide is formed and a reinforcing substrate disposed below the optical waveguide substrate, the optical waveguide element is disposed between the optical waveguide substrate and the reinforcing substrate, and both and an upper buffer layer disposed above and in contact with the optical waveguide substrate, the thickness of the upper buffer layer being equal to that of the lower buffer layer. It is characterized by being formed thinner than the thickness.
  • the thickness of the lower buffer layer is set in the range of 1 ⁇ m to 10 ⁇ m, and the thickness of the upper buffer layer is set in the range of 0.1 to 5 ⁇ m. It is characterized by being
  • the density of the lower buffer layer is higher than the density of the upper buffer layer.
  • the upper buffer layer and the lower buffer layer include silicon oxide, magnesium fluoride, calcium fluoride, silicon oxide, and three groups of the periodic table.
  • the refractive index of the upper buffer layer and the lower buffer layer is lower than the refractive index of the optical waveguide substrate.
  • the optical waveguide element according to (1) or (2) above is an optical waveguide element that is housed in a housing and includes an optical fiber that inputs or outputs light waves to or from the optical waveguide. It is a modulation device.
  • the optical waveguide element is provided with a modulation electrode for modulating the light wave propagating through the optical waveguide, and the modulation signal input to the modulation electrode of the optical waveguide element is It is characterized by having an amplifying electronic circuit inside the housing.
  • An optical transmitter comprising the optical modulation device according to (7) above and an electronic circuit that outputs a modulation signal that causes the optical modulation device to perform a modulation operation.
  • the present invention provides an optical waveguide element having an optical waveguide substrate on which an optical waveguide is formed, and a reinforcing substrate disposed below the optical waveguide substrate, which is disposed between the optical waveguide substrate and the reinforcing substrate, A lower buffer layer that joins the two, and an upper buffer layer that is placed above the optical waveguide substrate and in contact with the optical waveguide substrate, and the thickness of the upper buffer layer is equal to the thickness of the lower buffer layer. Since it is formed thinner than the thickness of the upper buffer layer, it is possible to suppress the generation of stress in the upper buffer layer and to suppress damage to the substrate such as peeling of the optical waveguide substrate. Moreover, as a buffer layer, it is also possible to generate propagation loss in the optical waveguide. Furthermore, by using an optical waveguide element with such excellent characteristics, it is also possible to provide an optical modulation device and an optical transmitter that have similar effects.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a conventional optical waveguide element.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an optical waveguide element of the present invention.
  • 1 is a diagram showing an example of a manufacturing process of an optical waveguide device of the present invention.
  • 4 is a diagram showing a continuation of the manufacturing process of FIG. 3.
  • FIG. 1 is a plan view illustrating an optical modulation device and an optical transmitter according to the present invention.
  • An optical waveguide device of the present invention includes an optical waveguide substrate 1 on which an optical waveguide 10 is formed, and a reinforcing substrate 11 disposed below the optical waveguide substrate. a lower buffer layer B1 disposed between and bonding the two, and an upper buffer layer B2 disposed above the optical waveguide substrate and in contact with the optical waveguide substrate, the upper buffer layer The thickness d2 is thinner than the thickness d1 of the lower buffer layer (d2 ⁇ d1).
  • a substrate having an electro-optic effect can be used, and specifically, lithium niobate (LN), lithium tantalate (LT), PLZT (zirconate) can be used.
  • a substrate such as lead lanthanum titanate (lead lanthanum titanate) or a base material obtained by doping these substrate materials with MgO or the like can be used.
  • semiconductor substrates and the like can also be used.
  • the optical waveguide 10 can be formed by etching the substrate 1 other than the optical waveguide, or by forming grooves on both sides of the optical waveguide. It is possible to use it. Furthermore, it is also possible to make the refractive index higher by diffusing Ti or the like onto the substrate surface using a thermal diffusion method, a proton exchange method, etc. in accordance with the rib-type optical waveguide. It is also possible to form an optical waveguide by forming a high refractive index region in which Ti or the like is thermally diffused on the substrate 1, but this is difficult to improve optical confinement in a fine optical waveguide with a width and height of about 1 ⁇ m. , a rib type optical waveguide is more preferable.
  • the thickness of the substrate (thin plate) 1 on which the optical waveguide 10 is formed is set to 10 ⁇ m or less, more preferably 5 ⁇ m or less, and even more preferably 1 ⁇ m or less in order to achieve speed matching between the microwave and light wave of the modulation signal. Further, the height of the rib type optical waveguide is set to 4 ⁇ m or less, more preferably 3 ⁇ m or less, and even more preferably 1 ⁇ m or less or 0.4 ⁇ m or less.
  • a reinforcing substrate 11 is bonded to the lower side of the optical waveguide substrate 1 via a lower buffer layer B1, as shown in FIG. There is.
  • the lower buffer layer B1 and the reinforcing substrate 11 are bonded and fixed directly or via an adhesive layer such as resin.
  • the reinforcing substrate to be directly bonded preferably has a refractive index lower than that of the optical waveguide or the substrate on which the optical waveguide is formed, but is not limited thereto.
  • a material having a coefficient of thermal expansion close to that of the optical waveguide for example, a substrate containing an oxide layer of crystal, glass, etc. is preferably used.
  • LN substrate a composite substrate in which a silicon oxide layer is formed on a silicon substrate, abbreviated as SOI or LNOI, or a composite substrate in which a silicon oxide layer is formed on an LN substrate.
  • the material used for the buffer layer is preferably a material with a lower refractive index and higher transparency than the optical waveguide substrate 1, such as LN, such as SiO 2 , Al 2 O 3 , MgF, La 2 O 3 , ZnO, MgO. , CaF 2 , Y 2 O 3 and the like can be used.
  • LN such as SiO 2 , Al 2 O 3 , MgF, La 2 O 3 , ZnO, MgO. , CaF 2 , Y 2 O 3 and the like can be used.
  • a mixture of silicon oxide and an oxide of one or more elements selected from metal elements of Groups 3 to 8, Groups 1b and 2b of the periodic table, and semiconductor elements other than silicon, or a mixture of silicon oxide and Oxides with one or more elements selected from the metal elements and semiconductor elements can also be used.
  • the electrical resistivity of the buffer layer is increased to 10 8 ⁇ cm or more. , 10 16 ⁇ cm or less.
  • the buffer layer has such electrical resistivity, as described in Patent Document 1 or 2, it becomes possible to suppress pyroelectric effects such as DC drift phenomenon of the LN substrate.
  • the upper buffer layer and the lower buffer layer may be made of the same material or may be made of different materials.
  • the feature of the buffer layer applied to the optical waveguide device of the present invention is that, as shown in FIG. 2, the thickness d2 of the upper buffer layer B2 is thinner than the thickness d1 of the lower buffer layer B1 (d2 ⁇ d1). That's true.
  • the lower buffer layer B1 is required to suppress absorption loss of light waves propagating through the optical waveguide, and since it is directly bonded to the reinforcing substrate through the buffer layer, a configuration that increases bonding strength is required. It will be done.
  • the surface roughness of the optical waveguide is repaired by dry etching etc. when forming the optical waveguide, and the scattering of propagating light is suppressed.
  • the goal is to suppress the absorption of light waves.
  • the upper buffer layer B2 relieves stress on the optical waveguide substrate 1 (10), and in particular suppresses internal stress from being applied to the convex portion (10) of the rib-type waveguide substrate as shown in FIG.
  • the purpose is to prevent damage to the substrate 1 (optical waveguide 10) and peeling of the substrate 1.
  • the thickness d1 of the lower buffer layer B1 is set in a range of 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, more preferably 1 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less.
  • the thickness d2 of the upper buffer layer B2 is set in a range of 0.1 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less, more preferably 0.1 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less. In particular, considering the stability of the manufacturing process, it is preferable to set the thickness to 0.1 ⁇ m or more.
  • the buffer layer is formed by various methods such as vapor phase growth such as CVD, sputtering, and vacuum deposition.
  • vapor phase growth such as CVD, sputtering, and vacuum deposition.
  • the density of the film is higher than that of a vacuum-deposited film.
  • the density of the lower buffer layer B1 is set higher than the density of the upper buffer layer B2.
  • each buffer layer by setting the upper buffer layer to approximately the same level as that of the optical waveguide substrate 1, it is possible to alleviate the influence of stress on the upper buffer layer. Furthermore, since the lower buffer layer also plays the role of joining the optical waveguide substrate and the reinforcing member, it is preferable to set the coefficient of linear expansion to a value between the coefficients of both.
  • a resin film covering the optical waveguide may be used in order to suppress propagation loss due to surface roughness of the rib-type optical waveguide.
  • the resin film is made of a permanent resist film or the like, and a material with a lower refractive index than that of the optical waveguide is used.
  • a layer for example, SiO 2 etc.
  • the lower buffer layer B1 is formed by sputtering or the like on a layer that will become the optical waveguide substrate 1 (for example, an LN layer).
  • the second step (STEP2) the lower surface of the layer that will become the lower buffer layer B1 and the upper surface of the reinforcing substrate 11 are directly bonded by a direct bonding method.
  • the direct bonding method is a suitable method for bonding dissimilar materials.
  • a plasma activated bonding method or a FAB (Fast Atom Beam) method can be used as appropriate.
  • the upper side of the substrate 1 is polished and processed to have an appropriate thickness.
  • the optical waveguide (10) is formed on the substrate 1 by removing the portion other than the rib portion 10, for example, by dry etching or the like.
  • the upper buffer layer B2 is formed on the substrate 1 by, for example, vacuum evaporation.
  • electrodes 2 are formed, for example, on the upper buffer layer B2.
  • the optical waveguide element of the present invention is applied to an optical modulation device or an optical transmitter.
  • an optical modulation device using the optical waveguide element shown in FIG. The present invention can also be applied to optical waveguide elements that integrate type optical waveguides, junction devices with optical path elements made of other materials such as silicon, and devices for sensor applications.
  • the present invention is applicable to a High Bandwidth-Coherent Driver Modulator (HB-CDM).
  • HB-CDM High Bandwidth-Coherent Driver Modulator
  • the optical waveguide element includes an optical waveguide 10 formed on an optical waveguide substrate 1, a modulation electrode (not shown) that modulates a light wave propagating through the optical waveguide 10, and a housing. It is housed within the body CA. Furthermore, by providing an optical fiber (F) for inputting and outputting light waves to the optical waveguide, the optical modulation device MD can be configured.
  • the optical fiber F is optically coupled to the optical waveguide 10 within the optical waveguide element using an optical block equipped with an optical lens, a lens barrel, or the like.
  • the present invention is not limited to this, and the optical fiber can be introduced into the housing through a through hole penetrating the side wall of the housing, and an optical component or board and the optical fiber can be directly joined, or a lens function can be added to the end of the optical fiber.
  • the optical fiber may be optically coupled to the optical waveguide within the optical waveguide element. Further, in order to stably bond the optical fiber or the optical block, it is also possible to arrange the reinforcing member 3 in an overlapping manner along the end surface of the optical waveguide substrate 1.
  • a driver circuit DRV is used to amplify the modulation signal.
  • the driver circuit DRV and the digital signal processor DSP can be placed outside the case CA, but they can also be placed inside the case CA. In particular, by arranging the driver circuit DRV within the housing, it becomes possible to further reduce the propagation loss of the modulated signal from the driver circuit.
  • an optical waveguide element in which peeling of the optical waveguide substrate is prevented and propagation loss of light waves in the optical waveguide is suppressed. Furthermore, it is possible to provide an optical modulation device and an optical transmitter using the optical waveguide element.

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Abstract

本発明の目的は、光導波路基板の剥離を防止し、光導波路の光波の伝搬損失を抑制した光導波路素子を提供することである。　本発明の光導波路素子は、光導波路１０を形成した光導波路基板１と、該光導波路基板の下側に配置される補強基板１１とを有する光導波路素子において、該光導波路基板と該補強基板との間に配置され、両者を接合する下側バッファ層Ｂ１と、該光導波路基板の上側に配置され、該光導波路基板と接して配置される上側バッファ層Ｂ２とを備え、該上側バッファ層の厚みｄ２は、該下側バッファ層の厚みｄ１よりも薄く（ｄ２＜ｄ１）形成されていることを特徴とする。

Description

光導波路素子及びそれを用いた光変調デバイス並びに光送信装置
　本発明は、光導波路素子及びそれを用いた光変調デバイス並びに光送信装置に関し、特に、光導波路を形成した光導波路基板と、該光導波路基板の下側に配置される補強基板とを有する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、光導波路を形成した光導波路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。一般的な光導波路素子では、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの電気光学効果を有する基板に光導波路を形成し、該光導波路に電界を印加する電極を基板上に形成している。
　特許文献１及び２には、図１に示すように、光導波路基板１を挟むように、基板１の上下にバッファ層（Ｂ１，Ｂ２）を配置する構成が提案されている。特に、下側バッファ層Ｂ１は、光導波路基板が数μｍ以下の薄板になった場合、光導波路基板の機械的強度を補強するため補強基板１１が配置されるが、該補強基板での光吸収損失を抑制する効果を奏する。
　また、上側バッファ層Ｂ２は、光導波路基板上に配置される電極によって光導波路１０を伝搬する光波が吸収されたり、光導波路１０の表面の粗さにより光導波路を伝搬する光波が散乱するのを抑制するために機能する保護膜である。
　光導波路素子や光変調デバイスには、装置自体の小型化が要求されており、これを実現する手段として、光導波路の高さや幅を１μｍ以下程度に設定し、光閉じ込めを強くすると共に、光導波路を曲げて配置することが提案されている。
　特許文献１では、数μｍ以下の薄い光導波路基板を用いる場合に、バッファ層による基板への応力で基板１へのダメージや特性劣化を防止すため、上側バッファ層Ｂ２と下側バッファ層Ｂ１とを同一材料で構成し、同一な膜厚（ｄ２＝ｄ１）に設定することが開示されている。
　しかし、補強基板１１に、ＳｉやＳＯＩ（酸化ケイ素上にシリコン層が形成された基板，Silicon on Insulator）などを用いた場合には、補強基板の屈折率が光導波路基板より高くなるため光吸収損失が増大する。このため、下側バッファ層の厚みは２～３μｍ程度に設定することが必要となる。
　さらに、特許文献１に開示されているように、ＬＮの基板１の上に、バッファ層として、２μｍの緻密なＳｉＯ２膜を形成すると、バッファ層の温度変化による膨張や収縮に起因する内部応力によりＬＮ基板１が剥離する。
特開２０２１－１０５６５０号公報 特開２０２１－１７３７９２号公報
　本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、光導波路基板の剥離を防止し、光導波路の光波の伝搬損失を抑制した光導波路素子を提供することである。さらには、その光導波路素子を用いた光変調デバイスと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及びそれを用いた光変調デバイス並びに光送信装置は、以下の技術的特徴を有する。
（１）　光導波路を形成した光導波路基板と、該光導波路基板の下側に配置される補強基板とを有する光導波路素子において、該光導波路基板と該補強基板との間に配置され、両者を接合する下側バッファ層と、該光導波路基板の上側に配置され、該光導波路基板と接して配置される上側バッファ層とを備え、該上側バッファ層の厚みは、該下側バッファ層の厚みよりも薄く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、該下側バッファ層の厚みは、１μｍ～１０μｍの範囲に設定され、該上側バッファ層の厚みは、０．１～５μｍの範囲に設定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、該下側バッファ層の密度は、該上側バッファ層の密度よりも高いことを特徴とする。
（４）　上記（１）又は（２）に記載の光導波路素子において、該上側バッファ層及び該下側バッファ層は、酸化シリコン、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、酸化シリコンと周期律表の三～八族、一ｂ族及び二ｂ族の金属元素やシリコンを除く半導体元素から選ばれる１種又はそれ以上の元素の酸化物との混合物、あるいはシリコンと該金属元素及び該半導体元素から選ばれる１種又はそれ以上の元素との酸化物を含む透明絶縁膜であることを特徴とする。
（５）　上記（１）又は（２）に記載の光導波路素子において、該上側バッファ層及び該下側バッファ層の屈折率は、該光導波路基板の屈折率よりも低いことを特徴とする。
（６）　上記（１）又は（２）に記載の光導波路素子において、該上側バッファ層及び該下側バッファ層の電気抵抗率は、１０８Ωｃｍ以上、１０１６Ωｃｍ以下であることを特徴とする。
（７）　上記（１）又は（２）に記載の光導波路素子は、該光導波路素子は筐体内に収容され、該光導波路に光波を入力又は出力する光ファイバを備えることを特徴とする光変調デバイスである。
（８）　上記（７）に記載の光変調デバイスにおいて、該光導波路素子は該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極を備え、該光導波路素子の変調電極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。
（９）　上記（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、光導波路を形成した光導波路基板と、該光導波路基板の下側に配置される補強基板とを有する光導波路素子において、該光導波路基板と該補強基板との間に配置され、両者を接合する下側バッファ層と、該光導波路基板の上側に配置され、該光導波路基板と接して配置される上側バッファ層とを備え、該上側バッファ層の厚みは、該下側バッファ層の厚みよりも薄く形成されているため、上側バッファ層の応力発生を抑制し、光導波路基板の剥離など、基板への損傷を抑制することが可能となる。しかも、バッファ層として光導波路の伝搬損失の発生も併せて実現することができる。
　さらに、このような優れた特性を備えた光導波路素子を用いることで、同様の効果を奏する光変調デバイスや光送信装置も提供が可能となる。
従来の光導波路素子の一例を示す断面図である。 本発明の光導波路素子の一例を示す断面図である。 本発明の光導波路素子の製造プロセスの一例を示す図である。 図３の製造プロセスの続きを示す図である。 本発明の光変調デバイス及び光送信装置を説明する平面図である。
　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の一例を示す断面図を図２に示す。
　本発明の光導波路素子は、光導波路１０を形成した光導波路基板１と、該光導波路基板の下側に配置される補強基板１１とを有する光導波路素子において、該光導波路基板と該補強基板との間に配置され、両者を接合する下側バッファ層Ｂ１と、該光導波路基板の上側に配置され、該光導波路基板と接して配置される上側バッファ層Ｂ２とを備え、該上側バッファ層の厚みｄ２は、該下側バッファ層の厚みｄ１よりも薄く（ｄ２＜ｄ１）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光導波路基板１としては、電気光学効果を有する基板が利用でき、具体的には、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）などの基板や、これらの基板材料にＭｇＯなどをドープした基材が使用可能である。また、これらの材料をスパッタ法、蒸着法、又はＣＶＤ法などの気相成長法を利用して膜形成することも可能である。さらに、半導体基板なども利用可能である。
　光導波路１０の形成方法としては、光導波路以外の基板１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、基板に光導波路に対応する部分を凸状としたリブ型の光導波路を利用することが可能である。さらに、リブ型の光導波路に合わせて、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、屈折率をより高くすることも可能である。また、基板１にＴｉなどを熱拡散した高屈折率領域を形成して光導波路を形成することも可能であるが、１μｍ程度の幅や高さの微細な光導波路で光閉じ込めを高める上では、リブ型光導波路がより好ましい。
　光導波路１０を形成した基板（薄板）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、さらに好ましくは１μｍ以下に設定される。また、リブ型光導波路の高さは、４μｍ以下、より好ましくは３μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以下や０．４μｍ以下に設定される。
　光導波路を形成した光導波路基板１は、機械的強度を高めるため、図２に示すように、光導波路基板１の下側に、下側バッファ層Ｂ１を介して、補強基板１１が接合されている。下側バッファ層Ｂ１と補強基板１１とは、直接接合又は樹脂等の接着層を介して接着固定される。直接接合する補強基板としては、光導波路や光導波路を形成した基板よりも屈折率が低くいことが好ましが、これに限定されるものではない。また、補強基板は、光導波路などと熱膨張率が近い材料、例えば水晶やガラス等の酸化物層を含む基板が好適に利用される。さらに、光導波路基板と同じＬＮ基板や、ＳＯＩ、ＬＮＯＩと略されるシリコン基板上に酸化ケイ素層を形成した複合基板やＬＮ基板上に酸化ケイ素層を形成した複合基板を利用することも可能である。
　バッファ層に使用する材料は、ＬＮなどの光導波路基板１よりも屈折率が低く、透明性が高い材料が好ましく、例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ、Ｌａ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＭｇＯ，ＣａＦ２，Ｙ２Ｏ３などが利用可能である。
　また、酸化シリコンと周期律表の三～八族、一ｂ族及び二ｂ族の金属元素やシリコンを除く半導体元素から選ばれる１種又はそれ以上の元素の酸化物との混合物、あるいはシリコンと該金属元素及び該半導体元素から選ばれる１種又はそれ以上の元素との酸化物も利用可能である。具体的には、インジウム、チタン、亜鉛、スズ、クロム、アルミニウム、ゲルマニウムなどの金属等の酸化物を少なくとも１つ以上を酸化シリコンにドープすることで、バッファ層の電気抵抗率を１０８Ωｃｍ以上、１０１６Ωｃｍ以下に設定することが好ましい。
　このような電気抵抗率をバッファ層が有することで、特許文献１又は２にも記載されているように、ＤＣドリフト現象などＬＮ基板などの焦電効果を抑制することが可能となる。
　本発明の光導波路素子では、上側バッファ層と下側バッファ層とは同じ材料で構成しても、異なる材料で構成しても良い。
　本発明の光導波路素子に適用されるバッファ層の特徴は、図２に示すように、上側バッファ層Ｂ２の厚みｄ２は、下側バッファ層Ｂ１の厚みｄ１よりも薄く（ｄ２＜ｄ１）構成することである。
　下側バッファ層Ｂ１には、光導波路を伝搬する光波の吸収損失を抑制することが求められ、また、当該バッファ層を介して補強基板と直接接合を行うため、接合強度を高くする構成が求められる。
　上側バッファ層Ｂ２には、光導波路を形成する際のドライエッチングなどによる光導波路の表面の粗さを補修し、伝搬光の散乱を抑制することや、上側バッファ層の上に配置される電極による光波の吸収を抑制することである。さらに、本発明では、上側バッファ層Ｂ２による光導波路基板１（１０）への応力緩和、特に、図２のようなリブ型導波路基板の凸状部分（１０）に内部応力が加わるのを抑制し、基板１（光導波路１０）への損傷や基板１の剥離を防止することである。
　上述の効果を奏するため、例えば、下側バッファ層Ｂ１の厚みｄ１は、１μｍ以上、１０μｍ以下、より好ましくは、１μｍ以上、３μｍ以下の範囲に設定される。また、上側バッファ層Ｂ２の厚みｄ２は、０．１μｍ以上、５μｍ以下、より好ましくは、０．１μｍ以上、３μｍ以下の範囲に設定される。特に、製造プロセスの安定性を考慮すると、０．１μｍ以上の厚みに設定することが好ましい。
　バッファ層は、ＣＶＤなどの気相成長や、スパッタリング、真空蒸着などの種々の方法で膜形成される。気相成長やスパッタリングで膜を形成する場合には、真空蒸着膜と比較し、膜体の密度が高くなる。本発明では、下側バッファ層Ｂ１の密度は、上側バッファ層Ｂ２の密度よりも高く設定している。下側バッファ層の密度を高くすることで、下側バッファ層と補強基板、又は下側バッファ層と光導波路基板との接合強度を高め、ＬＮなどの光導波路基板を薄板化する研磨時に基板自体が剥離するなどの不具合を抑制することができる。また、上側バッファ層の密度を低くすることで、上側バッファ層の応力緩和をより促すことが可能となる。
　各バッファ層の線膨張率については、上側バッファ層は、光導波路基板１とほぼ同じ程度に設定することで、上側バッファ層の応力の影響を緩和することが可能となる。また、下側バッファ層は、光導波路基板と補強部材とを接合する役割も担うことから、両者の線膨張率の間の値に設定することが好ましい。
　また、上側バッファ層を構成する材料として、リブ型光導波路の表面の粗さによる伝搬損失を抑制するため、光導波路を覆う樹脂膜を利用しても良い。樹脂膜は永久レジスト膜などで構成し、光導波路より低屈折率の材料が利用される。
　次に、図３及び４を参照しながら、本発明の光導波路素子の製造工程について説明する。
　第１ステップ（ＳＴＥＰ１）において、光導波路基板１となる層（例えばＬＮ層）に対して下側バッファ層Ｂ１となる層（例えばＳｉＯ２等）をスパッタリング等で形成する。
　第２ステップ（ＳＴＥＰ２）において、下面バッファ層Ｂ１となる層の下面および補強基板１１の上面を直接接合法により直接接合する。なお、直接接合法は、異種材料を接合するために好適な手法である。直接接合法は、特許文献１に示すように、プラズマ活性化接合法やＦＡＢ（Fast Atom Beam：高速原子ビーム）方式を適宜使用することが可能である。
　第３ステップ（ＳＴＥＰ３）において、基板１の上側を研磨し、適切な厚さとなるよう加工する。
　第４ステップ（ＳＴＥＰ４）において、例えばドライエッチング等によりリブ部１０以外の部分を除去して、光導波路（１０）を基板１に形成する。
　第５ステップ（ＳＴＥＰ５）において、例えば真空蒸着等により基板１の上に上側バッファ層Ｂ２を成膜する。
　第６ステップ（ＳＴＥＰ６）において、例えば上側バッファ層Ｂ２の上に電極２（例えば、信号電極および接地電極、ＤＣバイアス電極等）を形成する。
　次に、本発明の光導波路素子を、光変調デバイスや光送信装置に適用した例について説明する。以下では、図２で示す光導波路素子を利用した光変調デバイスについて説明するが、本発明はこれに限らず、光位相変調器、偏波合成機能を備えた光変調器やより多くのマッハツェンダー型光導波路を集積した光導波路素子、シリコンなど他材料で構成した光道路素子との接合デバイス、センサ用途のデバイスなどにも適用可能である。さらに、広帯域幅コヒーレントドライバ変調器（ＨＢ－ＣＤＭ：High Bandwidth-Coherent Driver Modulator）に適用可能であることは言うまでもない。
　図５に示すように、光導波路素子は、光導波路基板１に形成された光導波路１０と、該光導波路１０を伝搬する光波を変調する変調電極（不図示）とを有しており、筐体ＣＡ内に収容される。さらに、光導波路に光波を入出力する光ファイバ（Ｆ）を設けることで、光変調デバイスＭＤを構成することができる。図５では、光ファイバＦは、光学レンズを備えた光学ブロックやレンズ鏡筒などを用いて光導波路素子内の光導波路１０と光学的に結合されている。これに限らず、光ファイバを筐体の側壁を貫通する貫通孔を介して筐体内に導入し、光学部品又は基板と、光ファイバとを直接接合したり、または光ファイバ端部にレンズ機能を有した光ファイバを光導波路素子内の光導波路と光学的に結合しても良い。また、光ファイバや光学ブロックとの接合を安定的に行うため、光導波路基板１の端面に沿って補強部材３を重ねて配置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。光導波路素子に印加する変調信号Ｓを得るためには、デジタル信号プロセッサーＤＳＰから出力される変調信号Ｓｏを増幅する必要がある。このため、図５では、ドライバ回路ＤＲＶを使用し、変調信号を増幅している。ドライバ回路ＤＲＶやデジタル信号プロセッサーＤＳＰは、筐体ＣＡの外部に配置することも可能であるが、筐体ＣＡ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、光導波路基板の剥離を防止し、光導波路の光波の伝搬損失を抑制した光導波路素子を提供することが可能となる。さらには、その光導波路素子を用いた光変調デバイスと光送信装置を提供することができる。
　１　光導波路を形成する基板（薄板，膜体）
　１０　光導波路
　１１　補強基板
　Ｂ１　下側バッファ層
　Ｂ２　上側バッファ層
　Ｆ　光ファイバ
　ＣＡ　筐体
　ＭＤ　光変調デバイス
　ＤＲＶ　ドライバ回路
　ＤＳＰ　デジタル信号プロセッサー
　ＯＴＡ　光送信装置

Claims (9)

  1. 　光導波路を形成した光導波路基板と、該光導波路基板の下側に配置される補強基板とを有する光導波路素子において、
    　該光導波路基板と該補強基板との間に配置され、両者を接合する下側バッファ層と、
    　該光導波路基板の上側に配置され、該光導波路基板と接して配置される上側バッファ層とを備え、
    　該上側バッファ層の厚みは、該下側バッファ層の厚みよりも薄く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、該下側バッファ層の厚みは、１μｍ～１０μｍの範囲に設定され、該上側バッファ層の厚みは、０．１～５μｍの範囲に設定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、該下側バッファ層の密度は、該上側バッファ層の密度よりも高いことを特徴とする光導波路素子。
  4. 　請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該上側バッファ層及び該下側バッファ層は、酸化シリコン、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、酸化シリコンと周期律表の三～八族、一ｂ族及び二ｂ族の金属元素やシリコンを除く半導体元素から選ばれる１種又はそれ以上の元素の酸化物との混合物、あるいはシリコンと該金属元素及び該半導体元素から選ばれる１種又はそれ以上の元素との酸化物を含む透明絶縁膜であることを特徴とする光導波路素子。
  5. 　請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該上側バッファ層及び該下側バッファ層の屈折率は、該光導波路基板の屈折率よりも低いことを特徴とする光導波路素子。
  6. 　請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該上側バッファ層及び該下側バッファ層の電気抵抗率は、１０８Ωｃｍ以上、１０１６Ωｃｍ以下であることを特徴とする光導波路素子。
  7. 　請求項１又は２に記載の光導波路素子は、
    　該光導波路素子は筐体内に収容され、
    　該光導波路に光波を入力又は出力する光ファイバを備えることを特徴とする光変調デバイス。
  8. 　請求項７に記載の光変調デバイスにおいて、
    　該光導波路素子は該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極を備え、
    　該光導波路素子の変調電極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。
  9. 　請求項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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