JP2022155578A - 光学デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、光学デバイスに関するものである。【解決手段】光学デバイスは、基板と、基板に形成された光導波路とを備え、基板に、光導波路と隣接して凸部が形成される。本発明によれば、光の伝播損失の更なる抑制を図ることができる、信頼性がより高い光学デバイスを提供することができる。【選択図】図２
Description
本発明は、光通信または光学計測の分野で使用される光学デバイスに関するものである。
インターネットの普及に伴い、通信量が急激に増加し、光ファイバー通信の重要性が非常に高まっている。光ファイバー通信は電気信号を光信号に変換し、光ファイバーにより光信号を伝送するものであり、広帯域、低損失、ノイズに強いという特徴を有する。
電気信号を光信号に変換する方式としては、半導体レーザを利用した直接変調方式と光変調器を使用した外部変調方式が知られている。直接変調は光変調器を必要とせずかつ低コストであるが、高速変調には限界があり、高速かつ長距離の応用においては、外部変調方式を採用している。
光変調器としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３、以下「ＬＮ」と称する）からなる光導波路を使用した光変調器は、高速、低損失、制御光波形の歪みが少ないというメリットがあるが、半導体光学デバイスと比べて、駆動電圧が高く、サイズが大きいというデメリットがある。
上記デメリットを克服するため、サファイア基板上に薄膜技術を応用して形成されたＬＮ膜を利用した光導波路により、従来と比べて、大幅な小型化及び低駆動電圧化の光学デバイスが実現される（特許文献１、２参照）ことが知られている。このような光学デバイスにおいて、光導波路内で伝送される光が側面にリークすることによる光の伝播損失が大きくなるという問題が存在している。光導波路内で伝送される光の横方向の閉じ込みを高めるために、特許文献３に光導波路の横方向の近辺側に溝部を形成することにより閉じ込めが強い光導波路を実現することができることが開示されている。
しかし、光の伝播損失の更なる抑制を図ることができる、信頼性がより高い光学デバイスが望まれる。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、光の伝播損失の更なる抑制を図ることができる、信頼性がより高い光学デバイスを提供することを目的としている。
本発明者らは光の伝播損失のメカニズムについて繰り返し研究した結果、当業者がこれまで発見していない全く新しい課題を見出した。即ち、上記の薄膜技術を利用した光学デバイスにおいて、ＬＮ膜が製造工程において薬液または純水や、アニール処理における気体または酸素気流に晒されること、レジストの剥離工程においてはウェハを液体に入れて振動させること、及び液体中に吊るされることなどの状況が存在し、これらの状況下で、ＬＮ膜はいずれも外部応力を受けることになり、このようなプロセス上の応力を受けたＬＮ膜は応力集中によって光導波路に欠損が発生し、さらに光導波路の欠損により、光導波路中で伝播される光の伝播損失が起きることになる。即ち、本発明者らは、光の伝播損失を引き起こす主な要因として、特許文献３に示された光の側面へのリーク以外に、上記プロセス上の応力集中もあることを新たに見出した。そして、上記全く新しい課題に基づいて、本発明者らはＬＮ膜の構造についてより深く研究を行った結果、光導波路と隣接して凸部を形成することにより、その凸部を利用して応力を分散させるという、ＬＮ膜の分野でこれまで考えられなかった全く新しい構造を見出し、本発明の完成に至った。
即ち、本発明の一側面に係る光学デバイスは、基板と、前記基板に形成された光導波路とを備え、前記基板に、前記光導波路と隣接して凸部が形成されていることを特徴としている。
当該光学デバイスにおいて、基板に光導波路と隣接して形成される凸部によって、当該凸部を利用して応力を分散させることができ、これにより、応力集中に起因する光導波路の破損を防ぐことができ、さらに、光の伝播損失の更なる抑制及び信頼性の更なる向上を図ることができる。
また、上記の本発明の一側面に係る光学デバイスにおいて、前記凸部において、山の左右の裾の傾きが異なることが好ましい。このように、応力をより効果的に分散させて光導波路の破損の発生を防止することができる。
また、上記の本発明の一側面に係る光学デバイスにおいて、前記凸部は、光の伝送方向に垂直する断面において、第１の辺及び第２の辺が交差して形成されていることが好ましい。
また、上記の本発明の一側面に係る光学デバイスにおいて、前記第１の辺及び前記第２の辺の少なくとも一方が前記基板の上面に対して傾斜していることが好ましい。
また、上記の本発明の一側面に係る光学デバイスにおいて、前記第１の辺及び前記第２の辺の両方が前記基板の上面に対して傾斜しており、前記第１の辺の傾きと前記第２の辺の傾きとが異なることが好ましい。
また、上記の本発明の一側面に係る光学デバイスにおいて、前記第２の辺は、前記基板に対して平行または前記第２の辺よりも前記光導波路側に位置する前記第１の辺よりも、傾きが小さいことが好ましい。このように、応力をより効果的に分散させて光導波路の破損の発生を防止することができる。
また、上記の本発明の一側面に係る光学デバイスにおいて、前記凸部の山は、前記光導波路の側面から前記光導波路の高さの４０～１５０％の距離だけ離間していることが好ましい。このように、応力をより効果的に分散させて光導波路の破損の発生を防止することができる。
また、上記の本発明の一側面に係る光学デバイスにおいて、前記凸部の山の高さは、前記光導波路の高さの５～１００％であることが好ましい。このように、応力をより効果的に分散させて光導波路の破損の発生を防止することができる。
また、上記の本発明の一側面に係る光学デバイスにおいて、前記光導波路は、ＬｉＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ３からなる膜であることが好ましい。
また、上記の本発明の一側面に係る光学デバイスにおいて、前記光導波路は、ＬｉＮｂＯ３に、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕから選ばれる少なくとも一種の元素がドーピングされている膜であることが好ましい。
また、上記の本発明の一側面に係る光学デバイスにおいて、前記光導波路はエピタキシャル膜であることが好ましい。
また、上記の本発明の一側面に係る光学デバイスにおいて、前記エピタキシャル膜は、前記基板と交差する方向に配向されていることが好ましい。
本発明の他の側面に係る光変調器は、基板と、前記基板に形成された光導波路とを備え、前記基板に、前記光導波路と隣接して凸部が形成されていることを特徴としている。
本発明によれば、光の伝播損失の更なる抑制を図ることができる、信頼性がより高い光学デバイスを提供することができる。
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態について詳しく説明する。ここで、図面の説明において、同じまたは同等な要素に対して同じ符号を割り当て、重複する説明を省略する。
（第１の実施形態）
図１（ａ）と図１（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る光変調器の上面図であり、図１（ａ）に光導波路のみを示し、図１（ｂ）に進行波電極を含む光変調器の全体を示す。図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、光学デバイスとしての光変調器１００は、基板１に形成され互いに平行して設置される第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂを有するマッハツェンダー光導波路１０と、第１の光導波路１０ａに沿って設置された第１の信号電極２０ａと、第２の光導波路１０ｂに沿って設置された第２の信号電極２０ｂと、第１の光導波路１０ａに沿って設置された第１のバイアス電極３０ａと、第２の光導波路１０ｂに沿って設置された第２のバイアス電極３０ｂとを有する。第１の信号電極２０ａ及び第２の信号電極２０ｂは第１の光導波路１０ａ及び第２の光導波路１０ｂと共に、マッハツェンダー光変調器のＲＦ相互作用部４０を構成する。第１のバイアス電極３０ａ及び第２のバイアス電極３０ｂは第１の光導波路１０ａ及び第２の光導波路１０ｂと共に、マッハツェンダー光変調器のＤＣ相互作用部５０を構成する。
図１（ａ）と図１（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る光変調器の上面図であり、図１（ａ）に光導波路のみを示し、図１（ｂ）に進行波電極を含む光変調器の全体を示す。図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、光学デバイスとしての光変調器１００は、基板１に形成され互いに平行して設置される第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂを有するマッハツェンダー光導波路１０と、第１の光導波路１０ａに沿って設置された第１の信号電極２０ａと、第２の光導波路１０ｂに沿って設置された第２の信号電極２０ｂと、第１の光導波路１０ａに沿って設置された第１のバイアス電極３０ａと、第２の光導波路１０ｂに沿って設置された第２のバイアス電極３０ｂとを有する。第１の信号電極２０ａ及び第２の信号電極２０ｂは第１の光導波路１０ａ及び第２の光導波路１０ｂと共に、マッハツェンダー光変調器のＲＦ相互作用部４０を構成する。第１のバイアス電極３０ａ及び第２のバイアス電極３０ｂは第１の光導波路１０ａ及び第２の光導波路１０ｂと共に、マッハツェンダー光変調器のＤＣ相互作用部５０を構成する。
マッハツェンダー光導波路１０はマッハツェンダー干渉計の構造を有する光導波路である。一本の入力光導波路１０ｉから分波部１０ｃにより分岐した第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂを有し、第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂは合波部１０ｄを介して一本の出力光導波路１０ｏにまとめられる。入力光Ｓｉは分波部１０ｃで分波されて第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂに沿って第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂをそれぞれ進行した後、合波部１０ｄで合波され、変調光Ｓｏとして、出力光導波路１０ｏから出力される。
第１及び第２の信号電極２０ａ、２０ｂは上面図に第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂと重なる線状の電極パターンであり、かつその両端が基板１の端面付近に設置される電極パットまで延びる。即ち、第１の信号電極２０ａと第２の信号電極２０ｂの一端２０ａ１、２０ｂ１が基板１の端面付近に設置される電極パットに引き出されて信号入力ポートを形成し、かつ駆動回路６０ａは信号入力ポートに接続されている。また、第１の信号電極２０ａと第２の信号電極２０ｂの他端２０ａ２、２０ｂ２が基板１の端面付近に設置される電極パットまで引き出され、端末抵抗器６０ｂを介して互いに接続されている。これにより、第１及び第２の信号電極信号２０ａ、２０ｂは差分共面進行波電極として機能する。
第１及び第２のバイアス電極３０ａ、３０ｂは、ＤＣ電圧（ＤＣバイアス）を第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂに印加するように、第１及び第２の信号電極信号２０ａ、２０ｂと独立している。第１のバイアス電極３０ａ及び第２のバイアス電極３０ｂの一端３０ａ１、３０ｂ１を基板１の端面付近に設置される電極パットまで引き出されてＤＣバイアス入力ポートを形成し、かつバイアス回路６０ｃはＤＣバイアスポートに接続されている。本実施形態において、第１のバイアス電極３０ａと第２のバイアス電極３０ｂの形成区域は、第１の信号電極２０ａと第２の信号電極２０ｂの形成区域よりもマッハツェンダー光導波路１０の出力端側に設けられているが、入力端側に設けられていてもよい。
上記のように、第１及び第２の信号電極信号２０ａ、２０ｂはＲＦ信号を第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂに印加し、かつ第１及び第２のバイアス電極３０ａ、３０ｂはＤＣバイアスを第１の光導波路１０ａと第２の光導波路１０ｂに印加している。
同じ絶対値を有するが、正負が異なる差分信号（変調信号）は第１及び第２の信号電極２０ａ、２０ｂの一端に入力される。第１の光導波路１０ａと第２の光導波路１０ｂは例えばニオブ酸リチウムという電気光学効果を有する材料からなるため、第１の光導波路１０ａと第２の光導波路１０ｂに印加される電場により、第１の光導波路１０ａ及び第２の光導波路１０ｂの屈折率が例えばそれぞれ＋Δｎ及び－Δｎのように変化し、一対の光導波路の間の位相差が変化する。当該位相差の変化により変調された信号光は出力導波路１０ｏから出力される。
本実施形態では、第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂは、ＬｉＮｂＯ３からなる膜であるが、これに限定されず、第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂは、ＬｉＴａＯ３からなる膜であってもよく、ＬｉＮｂＯ３に、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕから選ばれる少なくとも一種の元素がドーピングされている膜であってもよい。
本実施形態では、第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂは、エピタキシャル膜である。エピタキシャル膜は、下記の基板１と交差する方向に配向されていることが好ましい。
図２は本発明の第１の実施形態に係る光変調器のＡ－Ａ’線断面図である。図２に示すように、光変調器１００は基板１、導波層２、バッファ層３及び電極層４がこの順に積層してなる多層構造を有する。基板１は例えばサファイア基板である。基板１の表面には、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３、以下「ＬＮ」と称する）に代表される電気光学材料からなる導波層２が形成される。導波層２はリッジ部２ｒからなる光導波路１０ｂを有する。図２において、光導波路１０ｂのみを図示したが、光導波路１０ａ及び光導波路１０ａと隣接して形成された凸部などの構造はいずれも光導波路１０ｂと同じであるため、ここでそれらの図示および説明を省略する。
また、基板１に、光導波路１０ｂに沿って凸部５が形成されている。凸部５は、光導波路１０ｂと隣接して基板１に形成されている。
凸部５とは、その周辺よりも高くして山状になっていても、その周辺を掘り下げて山状になっている場合のどちらでもよい。最終的にできたものはその断面において光導波路の高さに対応して、高すぎず、また、その山のピークは光導波路から遠すぎない位置に配置されることが好ましい。
本実施形態では、凸部５において、山Ｐの左右の裾の傾きが異なる。具体的に、凸部５は、光の伝送方向に垂直する断面（即ち、図２に示す断面）において、基板１の上表面Ｓに対してそれぞれ異なる傾きで傾斜する第１の辺Ｌ１および第２の辺Ｌ２が交差して形成される。第１の辺Ｌ１と第２の辺Ｌ２は凸部５の山Ｐで交わり、第１の辺Ｌ１は基板１の上表面Ｓまで延び、第２の辺Ｌ２は基板１の上表面Ｓまで延びる。
本実施形態では、第１の辺Ｌ１と第２の辺Ｌ２の交差によって得られる凸部５は、尖がった山になるが、これに限定されず、山の頂上は丸い場合と、平坦になっている場合もある。
本実施形態では、第１の辺Ｌ１及び第２の辺Ｌ２の双方が基板１の上面Ｓに対して傾斜しているが、これに限定されず、第１の辺Ｌ１及び第２の辺Ｌ２の少なくとも一方が基板１の上面に対して傾斜すればよく、例えば、第１の辺Ｌ１が基板１の上面Ｓに対して傾斜し、第２の辺Ｌ２が基板１に対して平行であってもよい。
該光変調器において、基板に光導波路と隣接して形成される凸部によって、当該凸部を利用して応力を分散させることができ、これにより、応力集中に起因する光導波路の破損を防ぐことができ、さらに、光の伝播損失の更なる抑制及び信頼性の更なる向上を図ることができる。
また、本実施形態において、第１の辺Ｌ１の傾きと第２の辺Ｌ２の傾きが異なるが、これに限定されず、第１の辺Ｌ１の傾きと第２の辺Ｌ２の傾きは同じであってもよい。
また、第１の辺Ｌ１の傾きと第２の辺Ｌ２の傾きが異なる場合、第２の辺Ｌ２は、第２の辺Ｌ２よりも光導波路側に位置する第１の辺Ｌ１よりも、傾きが小さいことが好ましい。このように、応力をより効果的に分散させて光導波路の破損の発生を防止することができる。
また、本実施形態において、凸部５の山Ｐは、光導波路１０ｂの側面Ｓ１から光導波路１０ｂの高さｈの４０～１５０％の距離ｔだけ離間していることが好ましい。このように、応力をより効果的に分散させて光導波路の破損の発生を防止することができる。なお、光導波路１０ｂの高さｈは、底からの立ち上がり高さである。底とは、基板１の光導波路１０ｂを形成する側とは反対側の面から計測し最短の距離にあたる点を底とする。
また、一例として、特に限定されるわけではないが、ｔは０．１～３μｍで設計すればよく、ｈは０．０１～２μｍの範囲内で設計すればよい。
また、本実施形態において、凸部５の山Ｐの高さｈ１は、光導波路１０ｂの高さｈの５～１００％であることが好ましい。このように、応力をより効果的に分散させて光導波路の破損の発生を防止することができる。
バッファ層３は光導波路１０ａ、１０ｂ中で伝送される光が電極２０ａ、２０ｂに吸収されることを防ぐため、導波層２の上表面のうちリッジ部２ｒが形成されていない区域の全面、及び、リッジ部２ｒの側面と上表面を覆うように、基板１に形成された層である。バッファ層３は光導波路と電極との間の中間層としての役割を果たせばよく、かつ、バッファ層３の材料が非金属であれば、幅広く選択できる。例えば、バッファ層３は、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物などの絶縁材料からなるセラミック層を使用してもよい。バッファ層３の材料は結晶性の材料であってよく、非晶質の材料でもよい。バッファ層３は、屈折率が導波層２より低くかつ透明性が高い材料より構成されることが好ましく、例えばＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＬａＡｌＯ３、ＬａＹＯ３、ＺｎＯ、ＨｆＯ２、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３等を使用してよい。光導波路に形成されるバッファ層３の厚みは０．２～１．２μｍ程度であってよい。本実施形態において、バッファ層３は光導波路１０ａ、１０ｂの上表面だけでなく、導波層２の上表面のうちリッジ部２ｒが形成されていない区域の全面、及びリッジ部２ｒの側面を覆うが、バッファ層３は少なくとも導波層２のリッジ部２ｒの上表面に形成すればよく、バッファ層３は光導波路１０ａ、１０ｂの上表面付近だけを選択的に覆うようにパターニングされてもよい。
電極による光吸収を低減するために、バッファ層３の膜厚は厚いほどよく、光導波路１０ａ、１０ｂに高い電場を加えるためには、バッファ層３の膜厚は薄いほどよい。電極の光吸収と電極の印加電極はいわゆる「トレードオフ」関係にあるため、目的に応じて適切な膜厚を設定する必要がある。バッファ層３の誘電率が高いほどＶπ（Ｖ）（電場効率を表す指標）を減らすことができるため好ましく、バッファ層３の屈折率が低いほど、バッファ層３を薄くすることができるため好ましい。通常、誘電率が高い材料の屈折率も高く、両者のバランスを考慮して、誘電率が高くかつ屈折率が比較的低い材料の選定が重要である。一例として、Ａｌ２Ｏ３の比誘電率は約９であり、かつ屈折率は約１．６であるため、好ましい材料である。ＬａＡｌＯ３の比誘電率は約１３であり、かつ屈折率は約１．７であり、また、ＬａＹＯ３の比誘電率は約１７であり、かつ屈折率は約１．７であるため、特に好ましい材料である。
電極層４はバッファ層３に設置されている。電極層４には、第１及び第２の信号電極２０ａ、２０ｂ、及び第１及び第２のバイアス電極３０ａ、３０ｂが設置されている。第１及び第２の信号電極２０ａ、２０ｂ、及び第１及び第２のバイアス電極３０ａ、３０ｂはそれぞれ第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂに対応するリッジ部２ｒと重ねて設置されており、バッファ層３を介して第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂと対向している。図２において、光導波路１０ｂに対応するリッジ部２ｒと重ねて設置されバッファ層３を介して光導波路１０ｂと対向する電極２０ｂのみを図示した。
導波層２は電気光学材料であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からなることが好ましい。これはニオブ酸リチウムが大きな電気光学定数を有し、光変調器などの光学デバイスの構成材料に適したためである。以下、導波層２をニオブ酸リチウム膜とした場合の本実施形態の構造について詳しく説明する。
基板１としてはニオブ酸リチウム膜より屈折率が低いものであれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル膜として形成させることができる基板が好ましく、サファイア単結晶基板もしくはシリコン単結晶基板が好ましい。単結晶基板の結晶方位は特に限定されない。ニオブ酸リチウム膜はさまざまな結晶方位の単結晶基板に対して、ｃ軸配向のエピタキシャル膜として形成されやすいという性質を持っている。ｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜は３回対称の対称性を有しているので、下地の単結晶基板も同じ対称性を有していることが望ましく、サファイア単結晶基板の場合はｃ面、シリコン単結晶基板の場合は（１１１）面の基板が好ましい。
ここで、エピタキシャル膜とは、下地の基板もしくは下地膜の結晶方位に対して、そろって配向している膜のことである。膜面内をＸ－Ｙ面とし、膜厚方向をＺ軸としたとき、結晶がＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向にともにそろって配向しているものである。例えば、第１に２θ－θＸ線回折による配向位置でのピーク強度の確認と、第２に極点の確認を行うことで、エピタキシャル膜を証明できる。
具体的には、第１に２θ－θＸ線回折による測定を行ったとき、目的とする面以外の全てのピーク強度が目的とする面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である必要がある。例えば、ニオブ酸リチウムのｃ軸配向エピタキシャル膜では、（００Ｌ）面以外のピーク強度が、（００Ｌ）面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である。（００Ｌ）は、（００１）や（００２）などの等価な面を総称する表示である。
第２に、極点測定において、極点が見えることが必要である。前述の第１の配向位置でのピーク強度の確認の条件においては、一方向における配向性を示しているのみであり、前述の第１の条件を得たとしても、面内において結晶配向がそろっていない場合には、特定角度位置でＸ線の強度が高まることはなく、極点は見られない。ＬｉＮｂＯ３は三方晶系の結晶構造であるため、単結晶におけるＬｉＮｂＯ３（０１４）の極点は３つとなる。ニオブ酸リチウム膜の場合、ｃ軸を中心に１８０°回転させた結晶が対称的に結合した、いわゆる双晶の状態にてエピタキシャル成長することが知られている。この場合、３つの極点が対称的に２つ結合した状態になるため、極点は６つとなる。また、（１００）面のシリコン単結晶基板上にニオブ酸リチウム膜を形成した場合は、基板が４回対称となっているため、４×３＝１２個の極点が観測される。なお、本発明では、双晶の状態にてエピタキシャル成長したニオブ酸リチウム膜もエピタキシャル膜に含める。
ニオブ酸リチウム膜の組成はＬｉｘＮｂＡｙＯｚである。Ａは、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｏ以外の元素を表している。ｘは０．５～１．２であり、好ましくは、０．９～１．０５である。ｙは、０～０．５である。ｚは１．５～４であり、好ましくは２．５～３．５である。Ａの元素としては、Ｋ、Ｎａ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｃｅなどがあり、２種類以上の組み合わせでも良い。
ニオブ酸リチウム膜の膜厚は２μｍ以下であることが望ましい。膜厚が２μｍよりも厚くなると、高品質な膜を形成することが困難になるからである。一方、ニオブ酸リチウム膜の膜厚が薄すぎる場合は、ニオブ酸リチウム膜における光の閉じ込めが弱くなり、基板１やバッファ層４に光が漏れることになる。ニオブ酸リチウム膜に電界を印加しても、第１及び第２の光導波路１０ａ、１０ｂの実効屈折率の変化が小さくなるおそれがある。そのため、ニオブ酸リチウム膜は、使用する光の波長の１／１０程度以上の膜厚が望ましい。
ニオブ酸リチウム膜の形成方法としては、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などの膜形成方法を利用するのが望ましい。ニオブ酸リチウムのｃ軸が基板１の主面に垂直に配向されており、ｃ軸に平行に電界を印加することで、電界に比例して光学屈折率が変化する。単結晶基板としてサファイアを用いる場合は、サファイア単結晶基板上に直接、ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル成長させることができる。単結晶基板としてシリコンを用いる場合は、クラッド層（図示せず）を介して、ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル成長により形成する。クラッド層（図示せず）としては、ニオブ酸リチウム膜より屈折率が低く、エピタキシャル成長に適したものを用いる。例えば、クラッド層（図示せず）としてＹ２Ｏ３を用いると、高品質のニオブ酸リチウム膜を形成できる。
なお、ニオブ酸リチウム膜の形成方法として、ニオブ酸リチウム単結晶基板を薄く研磨したりスライスしたりする方法も知られている。この方法は、単結晶と同じ特性が得られるという利点があり、本発明に適用することが可能である。
（第１の実施形態の変形例）
図３は本発明の第１の実施形態の変形例に係る図２に対応する断面図である。第１の実施形態において、同じ材料で構成されたバッファ層３でリッジ部２ｒの上表面と側面を覆う例を示したが、これに限定されず、図３に示すように、リッジ部２ｒの上表面を覆うバッファ層の材料とリッジ部２ｒの側面を覆うバッファ層の材料は異なってもよい。
図３は本発明の第１の実施形態の変形例に係る図２に対応する断面図である。第１の実施形態において、同じ材料で構成されたバッファ層３でリッジ部２ｒの上表面と側面を覆う例を示したが、これに限定されず、図３に示すように、リッジ部２ｒの上表面を覆うバッファ層の材料とリッジ部２ｒの側面を覆うバッファ層の材料は異なってもよい。
即ち、図３に示すように、本変形例に係るバッファ層３’は第１のバッファ層３１と第２のバッファ層３２を有する。第１のバッファ層３１はリッジ部２ｒの間かつ導波路層２の上表面の上に形成される。第２のバッファ層３２は第１のバッファ層３１の上表面とリッジ部２ｒの上表面上に形成される。第１のバッファ層３１の材料と第２のバッファ層３２の材料は互いに異なる。このように、第１のバッファ層の材料を第２のバッファ層の材料と異なるようにすることで、光の伝播損失の更なる抑制及び信頼性の更なる向上をより効果的に図ることができる。
実施例
上記の実施形態のように凸部が形成される実施例１～１１の光導波路を備える光変調器凸部、及び凸部が形成されていない比較例１の従来の光導波路を備える光変調器をそれぞれ作成し、それらの光導波路の故障率を測定し、その結果を表１に示した。表１では、凸部５の山Ｐの光導波路１０ｂの側面Ｓ１からの距離ｔと光導波路１０ｂの高さｈとの比を「ｔ／ｈ」としており、凸部５の山Ｐの高さｈ１と光導波路１０ｂの高さｈとの比を「ｈ１／ｈ」としており、凸部５の山Ｐの高さｈ１と凸部５の山Ｐの光導波路１０ｂの側面Ｓ１からの距離ｔとの比を「ｈ１／ｔ」としている。また、表１中のｔ／ｈとｈ１／ｈで示した比は、％（百分率）で表記し、光導波路故障率も％で表記している。
上記の実施形態のように凸部が形成される実施例１～１１の光導波路を備える光変調器凸部、及び凸部が形成されていない比較例１の従来の光導波路を備える光変調器をそれぞれ作成し、それらの光導波路の故障率を測定し、その結果を表１に示した。表１では、凸部５の山Ｐの光導波路１０ｂの側面Ｓ１からの距離ｔと光導波路１０ｂの高さｈとの比を「ｔ／ｈ」としており、凸部５の山Ｐの高さｈ１と光導波路１０ｂの高さｈとの比を「ｈ１／ｈ」としており、凸部５の山Ｐの高さｈ１と凸部５の山Ｐの光導波路１０ｂの側面Ｓ１からの距離ｔとの比を「ｈ１／ｔ」としている。また、表１中のｔ／ｈとｈ１／ｈで示した比は、％（百分率）で表記し、光導波路故障率も％で表記している。
上記の表１からわかるように、基板に光導波路と隣接して凸部を形成することで、当該凸部を利用して応力を分散させることができ、これにより、応力集中による光導波路の破損を防止し光導波路の故障率を下げることができ、さらに、光の伝播損失の更なる抑制及び信頼性の更なる向上をより効果的に図ることができる。特に表１の結果からｈ１とｔとの比は、ｈ１／ｔ＝０．０５～１．１７が好ましい。より好ましくは０．０８～０．７、更に好ましくは０．２７～０．７、最も好ましくは０．４５～０．７で設計するのが良い。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限られず、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で、様々な変更を実施してもよく、これらも本発明の範囲内に含まれていることは勿論である。
例えば、上記の実施形態において、基板１にエピタキシャル成長したニオブ酸リチウム膜からなる一対の光導波路１０ａ、１０ｂを備える光変調器を例示したが、本発明はこのような構造に限られず、チタン酸バリウム、ジルコンチタン酸鉛などの電気光学材料で光導波路を形成した光変調器であってもよい。また、導波層２として、電気光学効果を有する半導体材料、高分子材料などを使用してもよい。
また、上記の実施形態において、一対の光導波路１０ａ、１０ｂを示したが、光通信または光学計測の機能を奏するものであれば、１本の光導波路のみを有してもよく、あるいは、３本以上の光導波路を有してもよい。
また、上記の実施形態において、本発明を電極（第１及び第２の信号電極２０ａ、２０ｂ、及び第１及び第２のバイアス電極３０ａ、３０ｂ）を有する光変調器に応用した例を示したが、電極は必須ではなく、基板に光導波路と隣接して凸部が形成された構造であれば、勿論、本発明は電極を備えないデバイスに応用してもよい。
また、上記の実施形態において、図面上、リッジ部２ｒは、垂直に形成されたものを図示したが、それに限らず、リッジ部２ｒは、オーバーハングしている形状や逆台系形状であってもよく、リッジ部２ｒの側面に凹凸があっても構わない。リッジ部２ｒの側面に薄膜パターニング形成によるナノメートルオーダー微細な凹凸や、筋状の凹凸があることが好ましい。
特にバッファ層を形成する場合には凹凸がある方が、その密着性向上による信頼性向上が得られるため好ましい。
本発明を応用できる具体的な例としては、光スイッチ、光共振器、光分岐回路、センサー素子、ミリ波発生器など、光通信または光学計測の機能を実現できる任意の光学デバイスを挙げることができる。
１
２
１ 基板
２ 導波層
２ｒ リッジ部
３、３’ バッファ層
４ 電極層
５ 凸部
１０ マッハツェンダー光導波路
１０ａ 第１の光導波路
１０ｂ 第２の光導波路
１０ｃ 分波部
１０ｄ 合波部
１０ｉ 入力光導波路
１０ｏ 出力光導波路
２０ａ 第１の信号電極
２０ａ１ 一端
２０ａ２ 他端
２０ｂ 第２の信号電極
２０ｂ１ 一端
２０ｂ２ 他端
３０ａ 第１のバイアス電極
３０ａ１ 一端
３０ｂ 第２のバイアス電極
３０ｂ１ 一端
３１ 第１のバッファ層
３２ 第２のバッファ層
４０ ＲＦ相互作用部
５０ ＤＣ相互作用部
６０ａ 駆動回路
６０ｂ 端末抵抗器
６０ｃ バイアス回路
１００ 光変調器
２
１ 基板
２ 導波層
２ｒ リッジ部
３、３’ バッファ層
４ 電極層
５ 凸部
１０ マッハツェンダー光導波路
１０ａ 第１の光導波路
１０ｂ 第２の光導波路
１０ｃ 分波部
１０ｄ 合波部
１０ｉ 入力光導波路
１０ｏ 出力光導波路
２０ａ 第１の信号電極
２０ａ１ 一端
２０ａ２ 他端
２０ｂ 第２の信号電極
２０ｂ１ 一端
２０ｂ２ 他端
３０ａ 第１のバイアス電極
３０ａ１ 一端
３０ｂ 第２のバイアス電極
３０ｂ１ 一端
３１ 第１のバッファ層
３２ 第２のバッファ層
４０ ＲＦ相互作用部
５０ ＤＣ相互作用部
６０ａ 駆動回路
６０ｂ 端末抵抗器
６０ｃ バイアス回路
１００ 光変調器
Claims (13)
- 基板と、前記基板に形成された光導波路とを備え、
前記基板に、前記光導波路と隣接して凸部が形成されていることを特徴とする光学デバイス。 - 前記凸部において、山の左右の裾の傾きが異なることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
- 前記凸部は、光の伝送方向に垂直する断面において、第１の辺及び第２の辺が交差して形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学デバイス。
- 前記第１の辺及び前記第２の辺の少なくとも一方が前記基板の上面に対して傾斜していることを特徴とする請求項３に記載の光学デバイス。
- 前記第１の辺及び前記第２の辺の両方が前記基板の上面に対して傾斜しており、
前記第１の辺の傾きと前記第２の辺の傾きとが異なることを特徴とする請求項３に記載の光学デバイス。 - 前記第２の辺は、前記基板に対して平行または前記第２の辺よりも前記光導波路側に位置する前記第１の辺よりも、傾きが小さいことを特徴とする請求項３に記載の光学デバイス。
- 前記凸部の山は、前記光導波路の側面から前記光導波路の高さの４０～１５０％の距離だけ離間していることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の光学デバイス。
- 前記凸部の山の高さは、前記光導波路の高さの５～１００％であることを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載の光学デバイス。
- 前記光導波路は、ＬｉＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ３からなる膜であることを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の光学デバイス。
- 前記光導波路は、ＬｉＮｂＯ３に、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕから選ばれる少なくとも一種の元素がドーピングされている膜であることを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の光学デバイス。
- 前記光導波路はエピタキシャル膜であることを特徴とする請求項１～１０のいずれか一項に記載の光学デバイス。
- 前記エピタキシャル膜は、前記基板と交差する方向に配向されていることを特徴とする請求項１１に記載の光学デバイス。
- 基板と、前記基板に形成された光導波路とを備え、
前記基板に、前記光導波路と隣接して凸部が形成されていることを特徴とする光変調器。
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