JP2021173792A - 光導波路デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】ＤＣドリフト特性を改善して長期信頼性が得られる光導波路デバイスを提供できること。【解決手段】薄膜ＬＮ光変調器１００は、基板１２０上に、中間層１２１、Ｘｃｕｔニオブ酸リチウム基板の薄膜ＬＮ層１２２、バッファ層１２３が積層され、薄膜ＬＮ層１２２に光導波路１２２ａが形成され、光導波路１２２ａの近傍、例えば光導波路１２２ａの両側部に配置された電極１１１を有する。中間層１２１と、バッファ層１２３の材料に元素の周期表の第３〜第１８族の金属元素を用いる。これにより、電極に電圧印加後の負のドリフトの状態を長くすることが可能になり、ＤＣドリフト特性を大幅に改善でき、薄膜ＬＮ光変調器１００の長期信頼性が得られるようになる。【選択図】図１
Description
本発明は、光変調器等の光導波路デバイスに関する。
光通信の高速化のためには、高性能な光デバイスが必要不可欠である。光デバイスのうち、従来のＬＮ光変調器は、ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ3（以下ＬＮと称す）基板を用いることで、挿入損失や伝送特性の面で優れた特性を得ることができる。ＬＮ基板上にはチタン（Ｔｉ）拡散による光導波路が形成されている。このようなＬＮ基板を用いる従来のＬＮ光変調器（Ｂｕｌｋ ＬＮ変調器）は、広く用いられているが、サイズが大型化している。
近年、光デバイスの小型化の需要が高まっており、光送受信器に用いるＬＮ光変調器についても小型化が検討されている。ＬＮ光変調器を小型化するものとして、薄膜ＬＮを用いた薄膜ＬＮ光変調器がある。薄膜ＬＮ光変調器は、マッハツェンダー干渉計構造からなり、基板上に、中間層、薄膜ＬＮ、バッファ層、電極の各層を設けた構造からなる。
Ｂｕｌｋ ＬＮ光変調器関連の技術として、例えば、バッファ層を互いに接合する上下の２層とし、下層を酸化物もしくは酸化物でないインジウムをドーパントとして含むドーパント混合バッファ層を用いる。また、上層を周期律表の三から八族あるいは一ｂ族と二ｂ族（以下、元素の周期表の第３〜第１８族と称す）に属する金属元素もしくはその酸化物、及びＳｉ以外の半導体元素もしくはその酸化物のいずれをも含まないドーパント非混合バッファ層を用いる。これにより、ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）ドリフト特性の安定化を図る技術が開示されている（例えば、下記特許文献１参照。）。また、非導電層（バッファ層相当）を、酸化シリコンとインジウムの酸化物とチタンの酸化物とを含み（元素の周期表の第３〜第１８族に相当）、チタン酸化物モル濃度とインジウム酸化物モル濃度との比が１．２以上である材料により構成することで、ＤＣドリフト特性の安定化を図る技術が開示されている（例えば、下記特許文献２参照。）。また、例えば、バッファ層を、元素の周期表の第３〜第１８族に相当する金属元素の１種類以上の酸化物と酸化シリコンとの混合物又は化合物を用いることで、ＤＣドリフト特性の安定化を図る技術が開示されている（例えば、下記特許文献３参照。）。また、バッファ層が二酸化ケイ素と、元素の周期表の第３〜第１８族に相当する金属元素およびシリコン以外の半導体元素からなる群から選択される少なくとも１つの元素酸化物の混合物から形成され、ＤＣドリフト特性の安定化を図る技術が開示されている（例えば、下記特許文献４参照。）。
また、薄膜ＬＮ光変調器関連技術として、例えば、電気光学効果を有する薄板（薄膜ＬＮに相当）に光導波路を有し、薄板を挟む上下にバッファ層を介して制御電極を設けることで、インピーダンス整合等を図る技術が開示されている（例えば、下記特許文献５，６参照。）。また、単結晶Ｓｉ基板上に、エピタキシャル成長によりバッファ層、クラッド層、電気光学層（薄膜ＬＮに相当）、バッファ層、電極を積層形成することで、結晶性が良好で薄膜形成できる技術が開示されている（例えば、下記特許文献７参照。）。
光変調器は、電極から光導波路に印加される電圧を正確に制御する必要がある。ＬＮ光変調器では電圧を印加した瞬間と、十分に時間が経過した後とで光導波路に印加される電圧が変化する、所謂ＤＣドリフトが生じる。従来技術では、Ｂｕｌｋ ＬＮ光変調器については、ＤＣドリフトを抑制するため、バッファ層にＤＣドリフト抑制用の材料を用いた構成が記載されている。しかし、薄膜ＬＮ光変調器では、基板上に、中間層、薄膜ＬＮ層、バッファ層、電極が積層された構造であり、バッファ層にＤＣドリフト抑制用の材料を用いただけではＤＣドリフトを抑制することができない。
一つの側面では、本発明は、ＤＣドリフトを抑制して長期信頼性が得られる薄膜ＬＮ光変調器の提供を目的とする。
一つの実施態様によれば、基板上に、中間層、ニオブ酸リチウムの薄膜ＬＮ層、バッファ層が積層され、前記薄膜ＬＮ層に光導波路が形成され、前記光導波路の近傍に電極を有する光導波路デバイスにおいて、前記中間層と、前記バッファ層は、元素の周期表の第３〜第１８族の金属元素の同じ材料によりなる光導波路デバイスが提案される。
一態様によれば、ＤＣドリフトを抑制して長期信頼性が得られる光導波路デバイスを提供することが可能になる。
以下に、図面を参照して、本発明にかかる光導波路デバイスの実施の形態を詳細に説明する。実施の形態では、光導波路デバイスとして薄膜ＬＮ光変調器を例に説明する。薄膜ＬＮ光変調器は、光伝送の光送信部に設けられ、入力される電気信号を光信号に変換して光送信する。
（実施の形態１−薄膜ＬＮ光変調器の構成例）
図１は、実施の形態１にかかる薄膜ＬＮ光変調器を示す図である。図１（ａ）は、薄膜ＬＮ光変調器１００の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図を示す。
図１は、実施の形態１にかかる薄膜ＬＮ光変調器を示す図である。図１（ａ）は、薄膜ＬＮ光変調器１００の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図を示す。
以下に説明する薄膜ＬＮ光変調器１００は、マッハツェンダー形の光変調器であり、電気光学効果を有する光導波路で形成されたマッハツェンダー干渉計に電圧を印加することで、光導波路内を伝搬する光を変調する。
図１（ａ）に示すように、光導波路１０１は、２本の光導波路１０２，１０３に分岐された後、光導波路１０４に結合される。分岐された光導波路１０２，１０３の近傍、例えば、光導波路１０２，１０３の側部には、それぞれ電極１１１（１１１ａ〜１１１ｃ）が設けられる。
電極１１１の電圧Ｖが０のとき、光導波路１０１への入力光は２分岐されて各光導波路１０２，１０３を進み、光導波路１０４に結合され出力される。また、電極１１１に電圧Ｖπの印加時には光導波路１０２，１０３には逆向きの電界が発生し、光導波路１０２，１０３の屈折率変化により進行する光に位相差が生じる。位相差がπとなる電圧の場合、二つの光は干渉して打ち消し合うが、印加電圧を０−Ｖπで変化させることで、強度変調を行った光出力を得ることができる。
図１（ｂ）に示すように、薄膜ＬＮ光変調器１００は、基板１２０上に、中間層１２１、薄膜ＬＮ層１２２、バッファ層１２３が積層された構造である。基板１２０には、例えばＬＮ、Ｓｉ、ＳｉＯ2等を用いることができる。薄膜ＬＮ層１２２には、結晶方位がＸｃｕｔのニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）を用い、エッチングすることで、リッジ型光導波路を形成する。凸状のリッジ部分は、光が進行する光導波路１２２ａとして機能する。図１（ｂ）に示す光導波路１２２ａは、図１（ａ）に示した光導波路１０２に相当する。
薄膜ＬＮ層１２２には、例えば、ニオブ酸リチウムを用いる。薄膜ＬＮ層１２２は、Ｚｃｕｔのニオブ酸リチウム、あるいはＸＣｕｔのニオブ酸リチウムを用いることができる。実施の形態１では、例えば、ＸＣｕｔのニオブ酸リチウムを用いる構成とする。これにより、光導波路１２２ａの上下方向に電界を印加する必要がなく、光導波路１２２ａの側部に電極１１１を配置して微小領域（光導波路１２２ａ）への光閉じ込めができる。また、光導波路１２２ａと電極１１１との間隔を狭めることで電界効率を改善できる、という薄膜ＬＮの利点を最大限活かすことができる。
実施の形態１の薄膜ＬＮ光変調器１００は、薄膜ＬＮ１２２に対し、下層に中間層１２１を設け、上層にバッファ層１２３を設ける。これら中間層１２１と、バッファ層１２３は、薄膜ＬＮ層１２２に形成される光導波路１２２ａへの光の閉じ込めを強めるために設けられる。これら中間層１２１とバッファ層１２３は、薄膜ＬＮ層１２２より屈折率が小さい材質、例えばＳｉＯ2などが用いられる。
積層構造を製作する手法としては、ウェハの直接接合を用いてもよい。この場合、張り合わせるための接着剤層が必要であれば、どの層間に接着剤層を有してもよい。
そして、実施の形態１では、中間層１２１とバッファ層１２３に同じ材料を用いる。これら中間層１２１とバッファ層１２３に用いる材料例を実施例１〜実施例８に示す。
実施例１では、中間層１２１とバッファ層１２３が酸化シリコンとインジウムの酸化物を含む材料を用いる。実施例２では、中間層１２１とバッファ層１２３が酸化シリコンとチタンの酸化物を含む材料を用いる。実施例３では、中間層１２１とバッファ層１２３に酸化シリコンと錫の酸化物を含む材料を用いる。実施例４では、中間層１２１とバッファ層１２３に酸化シリコンとゲルマニウムの酸化物を含む材料を用いる。実施例５では、中間層１２１とバッファ層１２３に酸化シリコンと亜鉛の酸化物を含む材料を用いる。実施例６では、中間層１２１とバッファ層１２３に元素の周期表の第３〜第１８族の金属元素の１種以上の酸化物と酸化シリコンとの混合物または化合物を用いる。実施例７では、中間層１２１とバッファ層１２３にシリコンを除く半導体元素の１種以上の酸化物と酸化シリコンとの混合物または化合物を用いる。実施例８では、中間層１２１とバッファ層１２３に元素の周期表の第３〜第１８族の金属元素とシリコンを除く半導体元素のそれぞれ１種以上で構成される酸化物と酸化シリコンとの混合物または化合物を用いる。
このように、中間層１２１とバッファ層１２３に同じ材料を用いた実施例１〜８のいずれにおいても、薄膜ＬＮ光変調器１００のＤＣドリフトを抑制することができる。
図２は、実施の形態１にかかる薄膜ＬＮ光変調器のＤＣドリフト特性を示す図表である。横軸は、薄膜ＬＮ光変調器１００に電圧を印加後の経過時間であり、縦軸はＤＣドリフト量（％）である。図中実線は実施の形態１（実施例１）のＤＣドリフト特性を示す。図中点線には中間層１２１とバッファ層１２３が異なる材料の場合のＤＣドリフト特性を示す（例えば、上記特許文献５相当の中間層１２１が酸化ジルコニウム、バッファ層１２３がシリカあるいはアルミナの場合）。
薄膜ＬＮ光変調器１００では、電極１１１に印加した電圧が、印加した瞬間と、十分時間が経過した後で変化するＤＣドリフトと呼ばれる現象が起こる。電圧の変化は、薄膜ＬＮ光変調器１００が出力する出射光の変化として現れるため、ＤＣドリフトの抑制は薄膜ＬＮ光変調器１００の動作安定化に必要不可欠である。ＤＣドリフト量は、印加電圧に比例するため、一般的に印加電圧に対するパーセントで表現されている。
ここで、電極１１１に印加するＤＣ電圧をＶDC，時刻ｔにおける印加電圧をＶ（ｔ），印加した瞬間の電圧をＶ（０）とすると、ドリフト量は下記式（１）で表される。
｛Ｖ（ｔ）−Ｖ（０）｝／ＶDC …（１）
｛Ｖ（ｔ）−Ｖ（０）｝／ＶDC …（１）
正のドリフト１００％となると、どんなに大きな電圧をかけても制御が不可能な状態になる。そのため、負のドリフトの状態が長いほど薄膜ＬＮ光変調器１００の長期信頼性を確保することができる。図２において、バッファ層１２１と中間層１２３の材料を同じにした以外の条件（基板１２０，薄膜ＬＮ１２２，電極１１１）は同一とした。
そして、図２には、実施の形態１で説明した、バッファ層１２１と中間層１２３に元素の周期表の第３〜第１８族の金属元素の同じ材料を用いることで、負のドリフトの状態を長くすることが可能になることが示されている。実施例１〜実施例８に示した材料のいずれを選択するかは、材料コストおよび所望するＤＣドリフト特性に応じて適宜選択すればよい。実施例１〜実施例８のいずれにおいても図２に示す負のドリフト状態が得られた。
このように、実施の形態１によれば、薄膜ＬＮ光変調器１００のバッファ層１２１と中間層１２３に元素の周期表の第３〜第１８族の金属元素の同じ材料を用いることで、負のドリフトの状態を長くすることが可能になり、ＤＣドリフト特性を大幅に改善できる。これにより、薄膜ＬＮ光変調器１００の長期信頼性を確保することができるようになる。
（実施の形態２−薄膜ＬＮ光変調器の他の構成例）
次に、図３〜図７を用いて実施の形態２にかかる薄膜ＬＮ光変調器１００の他の構成例を説明する。以下の構成例では、実施の形態１で説明した、バッファ層１２１と中間層１２３に元素の周期表の第３〜第１８族の金属元素に同じ材質を用いることを前提としている。これにより、上記説明した薄膜ＬＮ光変調器１００の一つの特性であるＤＣドリフトの抑制に加え、散乱損失の低減および電界効率の特性向上を図る。
次に、図３〜図７を用いて実施の形態２にかかる薄膜ＬＮ光変調器１００の他の構成例を説明する。以下の構成例では、実施の形態１で説明した、バッファ層１２１と中間層１２３に元素の周期表の第３〜第１８族の金属元素に同じ材質を用いることを前提としている。これにより、上記説明した薄膜ＬＮ光変調器１００の一つの特性であるＤＣドリフトの抑制に加え、散乱損失の低減および電界効率の特性向上を図る。
ここで、散乱損失と電界効率のトレードオフについて説明しておく。薄膜ＬＮ光変調器１００では、光導波路１２２ａへの光波の閉じ込めが強いため、空気とバッファ層の境界が光導波路１２２ａに近いと、光導波路１２２ａの側壁荒れによる散乱損失が発生する。側壁荒れは、リッジ形状部を凸状に形成する際、この凸状部分の側壁に多数生じる微小なバリに相当する。そして、リッジ形状部を覆い形成する際、バッファ層１２３の側壁部分にも同様の側壁荒れが生じる。
側壁荒れによる散乱損失を低減するためには、バッファ層１２３を厚くする必要がある。その一方、薄膜ＬＮ光変調器１００の電界効率は、電極１１１と光導波路１２２ａの距離が近いほど高くなるため、電界効率を上げて薄膜ＬＮ光変調器１００を小型化するためには、バッファ層１２３を薄くする必要がある。このように、薄膜ＬＮ光変調器１００では、バッファ層１２３の厚さについて、散乱損失の低減と電界効率の改善（小型化）のトレードオフが課題となっている。
また、薄膜ＬＮ層１２２にＺｃｕｔを用いた薄膜ＬＮ光変調器の場合、上下方向に電界を印加する必要があり、例えば、Ｘｃｕｔを用いた場合と比較して単純に電極間隔を狭めることで電界効率を改善することが難しい。この課題に対応して、実施の形態２においても、薄膜ＬＮ層１２２についてもＸｃｕｔのニオブ酸リチウムを用いる。なお、実施の形態２においても各部（基板１２０、中間層１２１、薄膜ＬＮ層１２２、電極１１１）の材質等の構成は、実施の形態１と同様である。
そして、実施の形態２の各種構成例では、光導波路１２２ａの周辺は、バッファ層１２３として所定の厚さを残したまま、電極１１１を形成する位置を下げる。
図３は、実施の形態２にかかる薄膜ＬＮ光変調器の構成例の断面図である。図３は、図１のＡ−Ａ’線断面に相当する。図３（ａ）の構成例では、薄膜ＬＮ層１２２上に所定の厚さのバッファ層１２３を積層する。この際、バッファ層１２３は、光導波路１２２ａのリッジ部分の凸形状に沿う形で、光導波路１２２ａの上部および側部に一定な厚さで形成される。この際、バッファ層１２３のうち、光導波路１２２ａから所定距離離れた両側部には、光導波路１２２ａの凸形状に応じた凹部１２３ａが形成される。
この後、バッファ層１２３のうち電極１１１を設ける部分（凹部１２３ａ）をエッチングする。電極１１１は、光導波路１２２ａを中心として所定距離離れた両側部に設けられる。バッファ層１２３のエッチングにより、電極１１１を設ける部分のバッファ層１２３には、段差部１２３ｂが形成される。
そして、バッファ層１２３の段差部１２３ｂ上に電極１１１を形成する。電極１１１は、例えば金（Ａｕ）等の蒸着により形成できる。これにより、段差部１２３ｂの高さ方向の位置は、エッチング前のバッファ層１２３の凹部１２３ａの位置より高さｈ１分だけ低い位置となる。
そして、バッファ層１２３の段差部１２３ｂ部分に電極１１１を設けることで、光導波路１２２ａに対して電極１１１を距離（幅）ｗ１を有し、できるだけ近づけることができる。幅ｗ１は、薄膜ＬＮ層１２２上にバッファ層１２３を積層した際の所定の厚さに対応しており、光導波路１２２ａへの光の閉じ込めの作用を有する。
このように、電極１１１を形成する部分のバッファ層１２３に段差部１２３ｂを形成することで、光導波路１２２ａを中心としたバッファ層１２３の厚さ自体を確保しつつ、光導波路１２２ａに対して電極１１１を近づけて配置できるようになる。
これにより、バッファ層の厚さに関するトレードオフを解消して散乱損失が小さく、電界効率が高い薄膜ＬＮ光変調器１００を実現できるようになる。
図３（ｂ），図３（ｃ）に示す構成例では、図３（ａ）よりもそれぞれエッチング量を増やしている。図３（ｂ）の構成例では、電極１１１を設ける部分（凹部１２３ａ）のバッファ層１２３全体をエッチングする。加えて、薄膜ＬＮ層１２２部分も所定量エッチングし、薄膜ＬＮ層１２２部分に段差部１２２ｂを形成している。そして、薄膜ＬＮ層１２２の段差部１２２ｂ上に電極１１１を蒸着等により形成する。
これにより、段差部１２２ｂの高さ方向の位置は、エッチング前のバッファ層１２３の凹部１２３ａの位置より高さｈ２分だけ低い位置となる。そして、薄膜ＬＮ層１２２の段差部１２２ｂ部分に電極１１１の底面１１１ｂを設けることにより、光導波路１２２ａに対し、電極１１１を距離（幅）ｗ１を有しつつ、できるだけ近づけることができる。
図３（ｃ）の構成例では、電極１１１を設ける部分（凹部１２３ａ）のバッファ層１２３全体をエッチングする。加えて、薄膜ＬＮ層１２２の全体、さらには中間層１２１も所定量エッチングし、中間層１２１部分に段差部１２１ｂを形成している。そして、中間層１２１の段差部１２１ｂ上に電極１１１を形成する。
これにより、段差部１２１ｂの高さ方向の位置は、エッチング前のバッファ層１２３の凹部１２３ａの位置より高さｈ３分だけ低い位置となる。そして、中間層１２１の段差部１２１ｂ部分に底面１１１ｂが位置する電極１１１を設けることで、光導波路１２２ａに対し、電極１１１を距離（幅）ｗ１を有しつつ、できるだけ近づけることができる。
図３（ａ）の構成例よりも図３（ｂ）の構成例の方がエッチング量が多く、図３（ｂ）の構成例よりも図３（ｃ）の構成例の方がエッチング量が多くなる。エッチング量が多いほど電界効率は向上するが、プロセス難度も上がるため、必要な電界効率等の特性と、製造の容易性を考慮して最適な構造を選択すればよい。
図４は、実施の形態２にかかる薄膜ＬＮ光変調器の他の構成例の断面図である。図４においても、図１のＡ−Ａ’線断面に相当する。図３を用いて説明した構成例では、電極１１１の側壁がバッファ層１２３に接している例を説明した。
しかしながら、実際には、製造上の公差等により、電極１１１の側壁がバッファ層１２３から離れて設けられることがある。例えば、エッチング時にバッファ層１２３上に設けるマスクの開口、あるいは電極１１１の形成時にバッファ層１２３上に設けるマスクの開口、の配置位置のズレや開口径の誤差等により、電極１１１の側壁と、バッファ層１２３の側壁には隙間が生じることがある。図４は、電極１１１の側壁がバッファ層１２３から離れた場合の構成例を示している。
図４（ａ）の構成例では、薄膜ＬＮ層１２２上に所定の厚さのバッファ層１２３を積層する。この際、バッファ層１２３は、光導波路１２２ａの凸状のリッジ部分に応じて表面側に凹部１２３ａが形成される。この後、バッファ層１２３のうち電極１１１を設ける部分（凹部１２３ａ）をエッチングする。
このエッチング時、光導波路１２２ａ部分を中心として、段差部１２３ｂまでのバッファ層１２３部分（幅ｗ２）をマスクし、段差部１２３ｂ部分のマスクに開口を設ける。そして、マスクの開口部分からバッファ層１２３部分をエッチングする。このエッチングにより、バッファ層１２３には電極１１１を設ける部分に段差部１２３ｂが形成される。
そして、バッファ層１２３の段差部１２３ｂ上に電極１１１を形成する。電極１１１の形成時においても、光導波路１２２ａ部分を中心として、段差部１２３ｂまでのバッファ層１２３部分（幅ｗ２）をマスクし、段差部１２３ｂ部分のマスクに開口を設ける。そして、マスクの開口部分から電極１１１を蒸着形成する。
ここで、エッチング時にバッファ層１２３上に設けるマスクの開口、あるいは電極１１１の形成時にバッファ層１２３上に設けるマスクの開口、の配置位置のズレや開口径の誤差により、電極１１１の側壁と、バッファ層１２３の側壁には隙間ｗ３が生じる。この隙間ｗ３は、例えば、バッファ層１２３のエッチング時のマスクの開口径よりも電極１１１形成時のマスクの開口径が広い場合に生じる。
このように電極１１１の側壁と、バッファ層１２３の側壁に隙間ｗ３が生じた場合においても、段差部１２３ｂの高さ方向の位置は、エッチング前のバッファ層１２３の凹部１２３ａの位置より高さｈ１分だけ低い位置となる。そして、バッファ層１２３の段差部１２３ｂ部分に電極１１１を設けることで、光導波路１２２ａに対して電極１１１が距離（幅）ｗ１を有し、できるだけ近づけることができる。幅ｗ１は、薄膜ＬＮ層１２２上にバッファ層１２３を積層した際の所定の厚さに対応しており、光導波路１２２ａへの光の閉じ込めの作用を有する。
このように、電極１１１を形成する部分のバッファ層１２３に段差部１２３ｂを形成する。これにより、電極１１１の側壁と、バッファ層１２３の側壁に隙間ｗ３を有した場合であっても、光導波路１２２ａを中心としたバッファ層１２３の厚さ自体を確保しつつ、光導波路１２２ａに対して電極１１１を近づけて配置できるようになる。
これにより、バッファ層の厚さに関するトレードオフを解消して散乱損失が小さく、電界効率が高い薄膜ＬＮ光変調器１００を実現できるようになる。
図４（ｂ），図４（ｃ）に示す構成例では、図４（ａ）の構成例よりもそれぞれエッチング量を増やしている。図４（ｂ）の構成例では、電極１１１を設ける部分（凹部１２３ａ）のバッファ層１２３全体をエッチングする。加えて、薄膜ＬＮ層１２２部分も所定量エッチングし、薄膜ＬＮ層１２２部分に段差部１２２ｂを形成している。そして、薄膜ＬＮ層１２２の段差部１２２ｂ上に電極１１１を蒸着等により形成する。ここで、図４（ａ）と同様にマスクの位置ズレや開口径の誤差等により、電極１１１の側壁と、薄膜ＬＮ層１２２およびバッファ層１２３の側壁との間には、隙間ｗ３が形成される。
このように電極１１１の側壁と、薄膜ＬＮ層１２２およびバッファ層１２３の側壁との間に隙間ｗ３が生じた場合においても、段差部１２２ｂの高さ方向の位置は、エッチング前のバッファ層１２３の凹部１２３ａの位置より高さｈ２分だけ低い位置となる。そして、薄膜ＬＮ層１２２の段差部１２２ｂ部分に底面１１１ｂが位置する電極１１１を設けることで、光導波路１２２ａに対し、電極１１１を距離（幅）ｗ１を有しつつ、できるだけ近づけることができる。
図４（ｃ）の構成例では、電極１１１を設ける部分（凹部１２３ａ）のバッファ層１２３全体をエッチングする。加えて、薄膜ＬＮ層１２２の全体、さらには中間層１２１も所定量エッチングし、中間層１２１部分に段差部１２１ｂを形成している。そして、中間層１２１の段差部１２１ｂ上に電極１１１を形成する。ここで、図４（ａ）と同様にマスクの位置ズレや開口径の誤差等により、電極１１１の側壁と、中間層１２１、薄膜ＬＮ層１２２、バッファ層１２３の側壁と、の間には、隙間ｗ３が形成される。
このように、電極１１１の側壁と、中間層１２１、薄膜ＬＮ層１２２、バッファ層１２３の側壁と、の間に隙間ｗ３が生じたとする。この場合においても、段差部１２１ｂの高さ方向の位置は、エッチング前のバッファ層１２３の凹部１２３ａの位置より高さｈ３分だけ低い位置となる。そして、中間層１２１の段差部１２１ｂ部分に底面１１１ｂが位置する電極１１１を設けることで、光導波路１２２ａに対し、電極１１１を距離（幅）ｗ１を有しつつ、できるだけ近づけることができる。
図４（ａ）の構成例よりも図４（ｂ）の構成例の方がエッチング量が多く、図４（ｂ）の構成例よりも図４（ｃ）の構成例の方がエッチング量が多くなる。エッチング量が多いほど電界効率は向上するが、プロセス難度も上がるため、必要な電界効率等の特性と、製造の容易性を考慮して最適な構造を選択すればよい。
図５は、実施の形態２にかかる薄膜ＬＮ光変調器の他の構成例の断面図である。図５においても、図１のＡ−Ａ’線断面に相当する。図４を用いて説明した構成例では、電極１１１の側壁がバッファ層１２３から隙間ｗ３を有して離れる例を説明した。
図４で説明した例とは逆に、製造上の公差等により、電極１１１の一部（側壁）がバッファ層１２３の段差部１２３ｂよりも内側に位置し、隙間ｗ３相当がなくなることもある。例えば、エッチング時にバッファ層１２３上に設けるマスクの開口、あるいは電極１１１の形成時にバッファ層１２３上に設けるマスクの開口、の配置位置のズレや開口径の誤差等が生じたとする。これにより、電極１１１の一部（側壁）がバッファ層１２３の凹部１２３ａ部分に位置することがある。図５は、電極１１１の一部（中央側の側壁）がバッファ層１２３の凹部１２３ａ上に乗り上がる形で形成された場合の構成例を示している。
図５（ａ）の構成例では、薄膜ＬＮ層１２２上に所定の厚さのバッファ層１２３を積層する。この際、バッファ層１２３は、光導波路１２２ａの凸状のリッジ部分に応じて表面側に凹部１２３ａが形成される。この後、バッファ層１２３のうち電極１１１を設ける部分（凹部１２３ａ）をエッチングする。このエッチング時、光導波路１２２ａ部分を中心として、段差部１２３ｂまでのバッファ層１２３部分（幅ｗ２）をマスクし、段差部１２３ｂ部分のマスクに開口を設ける。そして、マスクの開口部分からバッファ層１２３部分をエッチングする。このエッチングにより、バッファ層１２３には電極１１１を設ける部分に段差部１２３ｂが形成される。
そして、バッファ層１２３の段差部１２３ｂ上に電極１１１を形成する。電極１１１の形成時においても、光導波路１２２ａ部分を中心として、段差部１２３ｂまでのバッファ層１２３部分（幅ｗ２）をマスクし、段差部１２３ｂ部分のマスクに開口を設ける。そして、マスクの開口部分から電極１１１を蒸着形成する。
ここで、エッチング時にバッファ層１２３上に設けるマスクの開口、あるいは電極１１１の形成時にバッファ層１２３上に設けるマスクの開口、の配置位置のズレや開口径の誤差により、電極１１１の側壁の一部がバッファ層１２３の凹部１２３ａに位置する。電極１１１は凹部１２３ａ上に幅ｗ４（重なり量に相当）を有して乗り上がる形で位置する。この幅ｗ４は、例えば、バッファ層１２３のエッチング時のマスクの開口径よりも電極１１１形成時のマスクの開口径が狭い場合に生じる。
このように電極１１１の側壁がバッファ層１２３の凹部１２３ａ部分に位置した場合においても、段差部１２３ｂの高さ方向の位置は、エッチング前のバッファ層１２３の凹部１２３ａの位置より高さｈ１分だけ低い位置となる。そして、バッファ層１２３の段差部１２３ｂ部分に電極１１１を設けることで、光導波路１２２ａに対して電極１１１を距離（幅）ｗ１を有し、できるだけ近づけることができる。幅ｗ１は、薄膜ＬＮ層１２２上にバッファ層１２３を積層した際の所定の厚さに対応しており、光導波路１２２ａへの光の閉じ込めの作用を有する。
このように、電極１１１を形成する部分のバッファ層１２３に段差部１２３ｂを形成する。これにより、電極１１１の側壁がバッファ層１２３の凹部１２３ａ上に幅ｗ４を有して位置した場合であっても、光導波路１２２ａを中心としたバッファ層１２３の厚さ自体を確保しつつ、光導波路１２２ａに対して電極１１１を近づけて配置できるようになる。
これにより、バッファ層の厚さに関するトレードオフを解消して散乱損失が小さく、電界効率が高い薄膜ＬＮ光変調器１００を実現できるようになる。
図５（ｂ），図５（ｃ）に示す構成例では、図５（ａ）の構成例よりもそれぞれエッチング量を増やしている。図５（ｂ）の構成例では、電極１１１を設ける部分（凹部１２３ａ）のバッファ層１２３全体をエッチングする。加えて、薄膜ＬＮ層１２２部分も所定量エッチングし、薄膜ＬＮ層１２２部分に段差部１２２ｂを形成している。そして、薄膜ＬＮ層１２２の段差部１２２ｂ上に電極１１１を蒸着等により形成する。ここで、図５（ａ）と同様にマスクの位置ズレや開口径の誤差等により、電極１１１の側壁が薄膜ＬＮ層１２２上のバッファ層１２３の凹部１２３ａに幅ｗ４を有して乗り上がる形で位置する。
このように電極１１１の側壁が薄膜ＬＮ層１２２上のバッファ層１２３の凹部１２３ａに幅ｗ４を有して位置した場合においても、段差部１２２ｂの高さ方向の位置は、エッチング前のバッファ層１２３の凹部１２３ａの位置より高さｈ２分だけ低い位置となる。そして、薄膜ＬＮ層１２２の段差部１２２ｂ部分に底面１１１ｂが位置する電極１１１を設けることで、光導波路１２２ａに対し、電極１１１を距離（幅）ｗ１を有しつつ、できるだけ近づけることができる。
図５（ｃ）の構成例では、電極１１１を設ける部分（凹部１２３ａ）のバッファ層１２３全体をエッチングする。加えて、薄膜ＬＮ層１２２全体、さらには中間層１２１も所定量エッチングし、中間層１２１部分に段差部１２１ｂを形成している。そして、中間層１２１の段差部１２１ｂ上に電極１１１を形成する。ここで、図５（ａ）と同様にマスクの位置ズレや開口径の誤差等により、電極１１１の側壁が、中間層１２１および薄膜ＬＮ層１２２上のバッファ層１２３の凹部１２３ａに幅ｗ４を有して位置する。
このように、電極１１１の側壁がバッファ層１２３の凹部１２３ａに幅ｗ４を有して位置した場合においても、段差部１２１ｂの高さ方向の位置は、エッチング前のバッファ層１２３の凹部１２３ａの位置より高さｈ３分だけ低い位置となる。そして、中間層１２１の段差部１２１ｂ部分に底面１１１ｂが位置する電極１１１を設けることで、光導波路１２２ａに対し、電極１１１が距離（幅）ｗ１を有しつつ、できるだけ近づけることができる。
図５（ａ）の構成例よりも図５（ｂ）の構成例の方がエッチング量が多く、図５（ｂ）の構成例よりも図５（ｃ）の構成例の方がエッチング量が多くなる。エッチング量が多いほど電界効率は向上するが、プロセス難度も上がるため、必要な電界効率等の特性と、製造の容易性を考慮して最適な構造を選択すればよい。
図６は、実施の形態２にかかる薄膜ＬＮ光変調器の他の構成例の製造工程図である。図６の構成例では、バッファ層１２３に凹部１２３ａを設けず、バッファ層１２３を平坦化してから電極１１１を形成する構成例である。
図６（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ製造工程を示す。初めに、図６（ａ）に示すように、基板１２０上に、中間層１２１、薄膜ＬＮ層１２２を積層する。薄膜ＬＮ層１２２は、エッチングにより、凸状（リッジ部分）の光導波路１２２ａを形成する。この後、凸状の光導波路１２２ａを含む薄膜ＬＮ層１２２の表面全面にバッファ層１２３を形成する。この際、バッファ層１２３は、光導波路１２２ａの凸状のリッジ部分に応じて表面側に凹部１２３ａが形成される。
つぎに、図６（ｂ）に示すように、バッファ層１２３の表面を凹部１２３ａの高さｈ４分だけ削ることで、バッファ層１２３の表面を平坦化する。このバッファ層１２３の平坦化の処理は、例えば、光導波路１２２ａに対する電界の印加状況に応じて平坦化した方が良好な電界印加となる場合に行う。
その後、図６（ｃ）に示すように、バッファ層１２３のうち電極１１１を設ける部分を高さｈ１分だけエッチングする。このエッチングにより、バッファ層１２３には電極１１１を設ける部分に段差部１２３ｂが形成される。そして、バッファ層１２３の段差部１２３ｂ上に電極１１１を形成する。
これにより、段差部１２３ｂの高さ方向の位置は、バッファ層１２３の表面の位置より高さｈ１分だけ低い位置となる。そして、バッファ層１２３の段差部１２３ｂ部分に電極１１１を設けることで、光導波路１２２ａに対して電極１１１が距離（幅）ｗ１を有し、できるだけ近づけることができる。幅ｗ１は、薄膜ＬＮ層１２２上にバッファ層１２３を積層した際の所定の厚さに対応しており、光導波路１２２ａへの光の閉じ込めの作用を有する。
このように、電極１１１を形成する部分のバッファ層１２３に段差部１２３ｂを形成することで、光導波路１２２ａを中心としたバッファ層１２３の厚さ自体を確保しつつ、光導波路１２２ａに対して電極１１１を近づけて配置できるようになる。
これにより、バッファ層の厚さに関するトレードオフを解消して散乱損失が小さく、電界効率が高い薄膜ＬＮ光変調器１００を実現できるようになる。
また、バッファ層１２３の表面を平坦化処理する場合においても、上述したように、電極１１１を設ける部分のバッファ層１２３に対するエッチングの量は高さｈ１の位置とするに限らない。例えば、高さｈ２、あるいは高さｈ３の位置まで深くしてもよい（図３（ｂ），（ｃ）等参照）。
図７は、実施の形態２と対比用の薄膜ＬＮ光変調器の構成例の断面図である。図７において、実施の形態２と同様の構成部には同じ符号を付してある。対比用の薄膜ＬＮ光変調器７００では、バッファ層１２３の凹部１２３ａ上に電極１１１を配置している。
図７（ａ）には、バッファ層１２３の厚さを比較的厚い所定の厚さｈ５とした場合を示す（実施の形態１の図１（ｂ）の積層構造相当）。この場合、バッファ層１２３は、光導波路１２２ａのリッジ部分の凸形状に沿う形で、光導波路１２２ａの上部および側部にこの一定な厚さｈ５で形成される。この際、光導波路１２２ａから離れた箇所のバッファ層１２３には、表面側に凹部１２３ａが形成される。
このため、光導波路１２２ａと電極１１１との間の距離（幅）ｗ１１は、実施の形態２で説明したｗ１よりも広い（長い）距離となる。これにより、図７（ａ）の構造とした薄膜ＬＮ光変調器７００では、実施の形態２に比べて電界効率が低くなり、光変調器が大型化する。
一方、図７（ｂ）に示すように、バッファ層１２３の厚さを比較的薄い所定の厚さｈ６としたとする。この場合、バッファ層１２３は、光導波路１２２ａのリッジ部分の凸形状に沿う形で、光導波路１２２ａの上部および側部にこの一定な厚さｈ６で形成される。
この場合、光導波路１２２ａの形成時に生じた側壁荒れに対応して、バッファ層１２３の側壁部分にも同様の側壁荒れが生じる。ここで、バッファ層１２３を薄く形成した場合には、光導波路１２２ａへの光の閉じ込めが弱くなり、また、バッファ層１２３の側壁荒れにより散乱損失が発生する。これにより、図７（ｂ）の構造とした薄膜ＬＮ光変調器７００では、実施の形態２に比べて散乱損失が増加する。
これに対し、実施の形態２では、光導波路１２２ａを覆う部分のバッファ層１２３の厚さとして所定の厚さを確保しつつ、電極１１１を設ける箇所のバッファ層１２３に段差部１２３ｂを設けることとした。これにより、電極１１１を光導波路１２２ａに近づけることができる。そして、所定厚さのバッファ層１２３により散乱損失を低減でき、かつ、光導波路１２２ａに電極１１１を近づけて配置することで電界効率を向上できるようになる。
このように、実施の形態２では、単純にバッファ層を厚くして側壁荒れによる散乱損失を低減するものではなく、また、単に光導波路に電極を近づけるものではない構成としている。実施の形態２のように、光導波路の上部および側壁には、所定厚さを有するバッファ層を設けることで光導波路への光の閉じ込めができ散乱損失を低減できる。加えて、電極の底面を、バッファ層の表面の位置よりも低い位置に設けることで、電極を光導波路にできるだけ近づけることができ、電界効率を向上できるようになる。このように、実施の形態２によれば、実施の形態１で説明した中間層とバッファ層に同じ材料を用いることによるＤＣドリフトの抑制に加えて、散乱損失の低減と電界効率の改善のトレードオフを解決し、散乱損失が小さくかつ電界効率を改善できるようになる。これにより、薄膜ＬＮ光変調器をより小型化でき総合特性を改善でき、薄膜ＬＮ光変調器の長期信頼性を確保できるようになる。
以上説明したように、薄膜ＬＮ光変調器１００は、基板上に、中間層、ニオブ酸リチウムの薄膜ＬＮ層、バッファ層が積層され、薄膜ＬＮ層に光導波路が形成され、光導波路の近傍に配置された電極を有する。そして、中間層と、バッファ層を同一の材料とする。例えば、中間層１２１とバッファ層１２３に元素の周期表の第３〜第１８族の金属元素を用いる。また、前記中間層と、前記バッファ層に元素の周期表の第３〜第１８族の金属元素の１種以上の酸化物と酸化シリコンとの混合物または化合物を用いてもよい。また、中間層１２１とバッファ層１２３にシリコンを除く半導体元素の１種以上の酸化物と酸化シリコンとの混合物または化合物を用いてもよい。また、中間層１２１とバッファ層１２３に元素の周期表の第３〜第１８族の金属元素とシリコンを除く半導体元素のそれぞれ１種以上で構成される酸化物と酸化シリコンとの混合物または化合物を用いてもよい。これにより、電極に電圧印加後の負のドリフトの状態を長くすることが可能になり、ＤＣドリフト特性を大幅に改善できる。これにより、薄膜ＬＮ光変調器１００の長期信頼性を確保することができるようになる。
そして、薄膜ＬＮ光変調器１００は、薄膜ＬＮ層にＸｃｕｔニオブ酸リチウムからなる材料を用いてもよい。これにより、光導波路の上下方向に電界を印加する必要がなく、光導波路の側部に電極を配置して微小領域（光導波路）への光閉じ込めができる。また、光導波路と電極との間隔を狭めることで電界効率を改善できる、という薄膜ＬＮの利点を最大限活かすことができるようになる。
さらに、上記に加えて、薄膜ＬＮ光変調器１００は、電極の底面を、バッファ層の表面の位置よりも低い位置に設けてもよい。電極の底面は、バッファ層の内部の所定深さｈ１位置の段差部上に設けてもよい。また、電極の底面は、バッファ層の表面から薄膜ＬＮ層の内部に達する所定深さｈ２位置の段差部上に設けてもよい。また、電極の底面は、バッファ層の表面から中間層の内部に達する所定深さｈ３位置の段差部上に設けてもよい。これら各深さ位置は、電極を設ける部分のエッチング量を変えることで容易に得ることができる。これにより、光導波路の上部および側壁に対し所定厚さを有するバッファ層により、光導波路への光の閉じ込めができ散乱損失を低減できるとともに、電極を光導波路にできるだけ近づけることができ、電界効率を向上できるようになる。
また、薄膜ＬＮ光変調器１００は、薄膜ＬＮ層に形成される光導波路のリッジ形状に対応して、薄膜ＬＮ層に積層するバッファ層に生じる凹部を平坦化してもよい。例えば、エッチングにより凹部を削り、バッファ層の表面を平坦化できる。この平坦化は、例えば、光導波路に対する電界の印加状況に応じて平坦化した方が良好な電界印加となる場合に行うことができる。
上述した実施の形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）基板上に、中間層、ニオブ酸リチウムの薄膜ＬＮ層、バッファ層が積層され、前記薄膜ＬＮ層に光導波路が形成され、前記光導波路の近傍に電極を有する光導波路デバイスにおいて、
前記中間層と、前記バッファ層は、元素の周期表の第３〜第１８族の金属元素の同じ材料によりなることを特徴とする光導波路デバイス。
前記中間層と、前記バッファ層は、元素の周期表の第３〜第１８族の金属元素の同じ材料によりなることを特徴とする光導波路デバイス。
（付記２）前記中間層と、前記バッファ層は、酸化シリコンとインジウムの酸化物を含むことを特徴とする付記１に記載の光導波路デバイス。
（付記３）前記中間層と、前記バッファ層は、酸化シリコンとチタンの酸化物を含むことを特徴とする付記１に記載の光導波路デバイス。
（付記４）前記中間層と、前記バッファ層は、酸化シリコンと錫の酸化物を含むことを特徴とする付記１に記載の光導波路デバイス。
（付記５）前記中間層と、前記バッファ層は、酸化シリコンとゲルマニウムの酸化物を含むことを特徴とする付記１に記載の光導波路デバイス。
（付記６）前記中間層と、前記バッファ層は、酸化シリコンと亜鉛の酸化物を含むことを特徴とする付記１に記載の光導波路デバイス。
（付記７）前記中間層と、前記バッファ層は、さらに他の金属または半導体元素の酸化物を含むことを特徴とする付記２〜６のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
（付記８）前記中間層と、前記バッファ層は、元素の周期表の第３〜第１８族の金属元素の１種以上の酸化物と、酸化シリコンとの混合物または化合物によりなることを特徴とする付記１に記載の光導波路デバイス。
（付記９）前記中間層と、前記バッファ層は、シリコンを除く半導体元素の１種以上の酸化物と、酸化シリコンとの混合物または化合物によりなることを特徴とする付記１に記載の光導波路デバイス。
（付記１０）前記中間層と、前記バッファ層は、元素の周期表の第３〜第１８族の金属元素と、シリコンを除く半導体元素のそれぞれ１種以上で構成される酸化物と酸化シリコンとの混合物または化合物によりなることを特徴とする付記１に記載の光導波路デバイス。
（付記１１）前記薄膜ＬＮ層は、Ｘｃｕｔニオブ酸リチウムからなることを特徴とする付記１〜１０のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
（付記１２）さらに、前記電極の底面が、前記バッファ層の表面の位置よりも低い位置に設けられたことを特徴とする付記１〜１１のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
（付記１３）前記電極の底面は、前記バッファ層の内部の所定深さ位置の段差部上に設けられたことを特徴とする付記１２に記載の光導波路デバイス。
（付記１４）前記電極の底面は、前記バッファ層の表面から前記薄膜ＬＮ層の内部に達する所定深さ位置の段差部上に設けられたことを特徴とする付記１２に記載の光導波路デバイス。
（付記１５）前記電極の底面は、前記バッファ層の表面から前記中間層の内部に達する所定深さ位置の段差部上に設けられたことを特徴とする付記１２に記載の光導波路デバイス。
（付記１６）前記薄膜ＬＮ層に形成される前記光導波路の形状に対応して、前記薄膜ＬＮ層に積層する前記バッファ層に生じる凹部が平坦化されたことを特徴とする付記１２〜１５のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
１００ 薄膜ＬＮ光変調器
１０１〜１０４，１２２ａ 光導波路
１１１ 電極
１１１ｂ 底面（電極）
１２０ 基板
１２１ 中間層
１２１ｂ，１２２ｂ，１２３ｂ 段差部
１２２ 薄膜ＬＮ層
１２３ バッファ層
１２３ａ 凹部
１０１〜１０４，１２２ａ 光導波路
１１１ 電極
１１１ｂ 底面（電極）
１２０ 基板
１２１ 中間層
１２１ｂ，１２２ｂ，１２３ｂ 段差部
１２２ 薄膜ＬＮ層
１２３ バッファ層
１２３ａ 凹部
Claims (12)
- 基板上に、中間層、ニオブ酸リチウムの薄膜ＬＮ層、バッファ層が積層され、前記薄膜ＬＮ層に光導波路が形成され、前記光導波路の近傍に電極を有する光導波路デバイスにおいて、
前記中間層と、前記バッファ層は、元素の周期表の第３〜第１８族の金属元素の同じ材料によりなることを特徴とする光導波路デバイス。 - 前記中間層と、前記バッファ層は、酸化シリコンとインジウムの酸化物を含むことを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
- 前記中間層と、前記バッファ層は、酸化シリコンとチタンの酸化物を含むことを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
- 前記中間層と、前記バッファ層は、酸化シリコンと錫の酸化物を含むことを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
- 前記中間層と、前記バッファ層は、酸化シリコンとゲルマニウムの酸化物を含むことを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
- 前記中間層と、前記バッファ層は、酸化シリコンと亜鉛の酸化物を含むことを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
- 前記中間層と、前記バッファ層は、さらに他の金属または半導体元素の酸化物を含むことを特徴とする請求項２〜６のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
- 前記中間層と、前記バッファ層は、元素の周期表の第３〜第１８族の金属元素の１種以上の酸化物と、酸化シリコンとの混合物または化合物によりなることを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
- 前記中間層と、前記バッファ層は、シリコンを除く半導体元素の１種以上の酸化物と、酸化シリコンとの混合物または化合物によりなることを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
- 前記中間層と、前記バッファ層は、元素の周期表の第３〜第１８族の金属元素と、シリコンを除く半導体元素のそれぞれ１種以上で構成される酸化物と酸化シリコンとの混合物または化合物によりなることを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
- 前記薄膜ＬＮ層は、Ｘｃｕｔニオブ酸リチウムからなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
- さらに、前記電極の底面が、前記バッファ層の表面の位置よりも低い位置に設けられたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
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