JP7419806B2 - 光導波路素子および光変調器 - Google Patents
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Description
本発明は、光通信分野および光計測分野で用いられる光導波路素子および光変調器に関する。本発明は、特に、電気光学効果を有する基板に光導波路および電極等が設けられた光導波路素子、および、当該光導波路素子をパッケージングした光変調器に関する。
近年、光通信分野や光計測分野において、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：以下ＬＮと記載）等の電気光学効果を有する基板上に光導波路を形成した光導波路素子が使用されている。また、光導波路素子に形成された光導波路内を伝搬する光波を変調するために、光導波路素子に電極等が設けられた光変調器が使用されている。
また、光変調周波数の広帯域化を実現するために、変調信号であるマイクロ波と光波との速度整合を図ることが重要である。このため、基板の厚さを薄くする基板の薄板化を行うことによって、マイクロ波と光波との速度整合を図るとともに、駆動電圧の低減を図る試みが行われている。
下記の特許文献１には、単結晶の第１の基板と、リッジ型導波路のコアが形成された電気光学媒質からなる第２の基板と、リッジ型導波路の上部に直接接合法によって接合されたオーバークラッド層とを備えた光学素子が開示されている。特許文献１に開示されている光学素子によれば、導波路を構成する第１および第２の基板と熱膨張係数の値が近似する単結晶のオーバークラッド層を備えることで、オーバークラッド層の形成に伴う応力歪みの発生を抑制しながら、導波モードの形状の対称性を向上させることができる。
下記の特許文献２および３には、ＳｉＯ２バッファ層にインジウムやチタン等の酸化物を添加することで、ＤＣドリフト特性を改善できることが開示されている。
厚さが数μｍ以下の薄板リブ型の光導波路構造を有する光変調器では、電極による光吸収を抑制するために、薄板の厚さとほぼ同じ膜厚のバッファ層をスパッタや真空蒸着法によって形成する必要がある。しかしながら、ウェハは従来よりも厚さが薄いため、応力に対して敏感である。また、ウェハには、例えば電気光学効果を有するＬＮが用いられるのに対し、バッファ層にはＳｉＯ２等が用いられる。
ウェハ（基板）の材料とバッファ層の材料とは、熱膨張率（線膨張率）が異なっている。これにより、ウェハプロセスにおいてバッファ層を成膜する際やウェハまたはチップを加熱する際に、ウェハ（基板）とバッファ層との熱膨張率の差によって、バッファ層とウェハ（基板）とが接触する面に応力（内部応力または残留応力）が生じる。その結果、バッファ層による基板への応力によって基板がダメージを受け、基板にひび割れ等が発生してしまうという問題がある。
また、基板はＬＮ等の電気光学効果を有する材料で作られており、電気を印加して屈折率を変化させることで光変調が行われる。しかしながら、バッファ層による基板への応力が生じると、光弾性効果によって基板の屈折率が変化してしまい、光波の伝搬速度が変化してしまうという問題がある。その結果、例えばマッハツェンダー構造を有する光変調器では、マッハツェンダー構造における合波の際に位相差が生じてしまい、バイアス電圧の変動等の特性劣化が発生してしまうという問題がある。
図８を参照しながら、バッファ層による基板への応力が生じた場合の問題について説明する。図８には、次世代の光変調器に用いられる光導波路素子の断面構造が模式的に図示されている。図８に示す断面構造では、補強基板１０１の上にＬＮからなる基板１０２が形成され、さらに基板１０２の上にバッファ層１０３が形成されている状態が示されている。
今までのリブ型構造の光導波路素子では、基板はバッファ層の厚さ（例えば、０．５～１．０μｍ）に対して十分に厚いため、バッファ層の材料と基板の材料との間に熱膨張率差があった場合でも、当該熱膨張率差に起因する応力の影響を受けにくかった。
これに対して、次世代の光変調器に用いられる光導波路素子では、図８に示すように、基板１０２がバッファ層１０３と同等の膜厚（例えば、１．０μｍ程度）に薄板化されている。薄板化された基板１０２は、バッファ層１０３による応力に敏感になっている。その結果、ウェハプロセスにおいてバッファ層１０３を成膜する際や加熱する際には、図８のように、バッファ層１０３の材料と基板１０２の材料との間に熱膨張率差に起因する応力の影響を受けて基板１０２が変形してしまい（例えば、基板１０２が反ってしまう）、基板１０２がダメージを受けてひび割れたり、基板１０２の特性が劣化したりする等の問題が生じてしまう。
特許文献１の開示技術は、バッファ層による基板への応力によって生じる問題を考慮して、バッファ層を形成せずにオーバークラッド層を直接接合法により接合させた構成を採用している。バッファ層は、基板表面の上に装荷される電極による光吸収を抑制するために形成される層であり、伝搬損失を効率良く低減させるために従来より広く用いられている。しかしながら、特許文献１の開示技術のようにバッファ層を形成しない構成を採用した場合には、バッファ層が果たしていた役割を別段の創意工夫で補わなければならないという問題や、光導波路素子の設計や作製工程等を大きく変更しなければならないという問題が新たに生じてしまう。
本発明は、上記の課題を解決するため、バッファ層による基板への応力の影響を低減させることで、当該応力に起因して生じ得る基板に対するダメージや基板の特性劣化を防ぐことを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明に係る光導波路素子および光変調器は以下のような技術的特徴を有する。
（１） 本発明に係る光導波路素子は、上記の目的を達成するため、電気光学効果を有する基板と、前記基板に形成された光導波路と、前記基板上に設けられた第１バッファ層と、前記基板下に設けられた第２バッファ層と、前記第２バッファ層の下に配置される補強基板と、を備える光導波路素子であって、前記第１バッファ層および前記第２バッファ層が略同一の材料からなるとともに略同一の厚さを有し、前記第１バッファ層および前記第２バッファ層がそれぞれ前記基板の上面および下面に接触するように形成されており、前記基板の厚さが、２．０μｍ以下であり、前記第１バッファ層および前記第２バッファ層のそれぞれの厚さが、０．３μｍ以上であり２．０μｍ以下であり、前記第２バッファ層の下面と前記補強基板の上面とが界面層または接着層により直接接合されていることを特徴とする。
この構成により、第１バッファ層により基板の上面に生じる応力と同程度の応力を、第２バッファ層により基板の下面に生じさせることができ、基板の上面および下面における応力のバランスを均一化することができる。その結果、基板の上面および下面における応力の偏りが緩和されて基板の変形を防ぐことができ、基板に対するダメージや基板の特性劣化を防ぐことができる。
また、この構成により、第１バッファ層および第２バッファ層の厚さをコントロールすることで適切なＤＣドリフト特性を得ることができ、光導波路における光の伝搬を効率良く行うことができる。具体的には、厚さが２．０μｍ以下の基板において、第１バッファ層および第２バッファ層の厚さを０．３μｍ以上および２．０μｍ以下の範囲とすることで、適切なＤＣドリフト量を安定して得ることができる。
また、この構成により、第２バッファ層と補強基板とを適切かつ確実に接合することができる。
また、この構成により、第２バッファ層と補強基板とを接着層を介して適切かつ確実に接合することができる。
また、この構成により、第１バッファ層および第２バッファ層の厚さをコントロールすることで適切なＤＣドリフト特性を得ることができ、光導波路における光の伝搬を効率良く行うことができる。具体的には、厚さが２．０μｍ以下の基板において、第１バッファ層および第２バッファ層の厚さを０．３μｍ以上および２．０μｍ以下の範囲とすることで、適切なＤＣドリフト量を安定して得ることができる。
また、この構成により、第２バッファ層と補強基板とを適切かつ確実に接合することができる。
また、この構成により、第２バッファ層と補強基板とを接着層を介して適切かつ確実に接合することができる。
（２） 上記（１）に記載の光導波路素子において、前記第１バッファ層および前記第２バッファ層はそれぞれ、酸化シリコンと周期律表の三～八族、一ｂ族および二ｂ族の金属元素およびシリコンを除く半導体元素から選ばれる１種またはそれ以上の元素の酸化物の少なくとも１種との混合物、またはシリコンと前記金属元素および半導体元素から選ばれる１種またはそれ以上の元素との酸化物の透明絶縁膜からなることを特徴とする。
この構成により、例えばインジウムやチタン等の金属酸化物が添加された第１バッファ層および第２バッファ層を基板の上下に配置することで、添加された金属酸化物によって時間の経過に伴うＤＣドリフトの増加を平坦化でき、長期に渡ってＤＣドリフト特性を改善することができる。
（３） 上記（１）または（２）のに記載の光導波路素子において、前記第１バッファ層および前記第２バッファ層の材料は、電気光学効果を有する前記基板の材料よりも屈折率が低いことを特徴とする。
この構成により、基板の上下を基板より屈折率の低い材料とすることで、基板に形成される光導波路内に伝搬光を閉じ込める効果を増大させて、伝搬損失を効率良く低減させることができる。
（４） 上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の光導波路素子において、前記第１バッファ層および前記第２バッファ層の材料は、電気抵抗率が１０８Ωｃｍ以上であり、１０１６Ωｃｍ以下であることを特徴とする。
この構成により、第１バッファ層および第２バッファ層の材料の電気抵抗率をコントロールすることで適切なＤＣドリフト特性を得ることができ、光導波路における光の伝搬を効率良く行うことができる。具体的には、第１バッファ層および第２バッファ層の抵抗値を１０８Ωｃｍ以上および１０１６Ωｃｍの以下の範囲とすることで、適切なＤＣドリフト量を安定して得ることができる。
（５） 上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の光導波路素子において、前記界面層が、前記第２バッファ層の下面と前記補強基板の上面のそれぞれの面の分子鎖が互いに絡み相溶した状態となっている層であることを特徴とする。
この構成により、第２バッファ層と補強基板とを、プラズマ活性化接合法を用いて形成した接着層を介して適切かつ確実に接合することができる。
（６） 上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の光導波路素子において、前記接着層の厚さが１０～５００ｎｍであることを特徴とする。
この構成により、第２バッファ層と補強基板とを、ＦＡＢ方式を用いて形成した極めて薄い接着層を介して適切かつ確実に接合することができる。さらに、接着層の上に第２バッファ層が形成されることで、接着層による光導波路中の光吸収を第２バッファ層によって防ぐことができる。
（７） 上記（１）から（６）のいずれか１つに記載の光導波路素子において、前記第１バッファ層により前記基板の上面に生じる応力と同程度の応力を前記第２バッファ層により前記基板の下面に生じさせることを特徴とする。
この構成により、第１バッファ層により基板の上面に生じる応力と同程度の応力を、第２バッファ層により基板の下面に生じさせることができ、基板の上面および下面における応力のバランスを均一化することができる。その結果、基板の上面および下面における応力の偏りが緩和されて基板の変形を防ぐことができ、基板に対するダメージや基板の特性劣化を防ぐことができる。
（８） 上記（１）から（７）のいずれか１つに記載の光導波路素子において、前記基板上に突設されたリブ部が前記光導波路として用いられることを特徴とする。
この構成により、リブ型の光導波路構造による基板の薄板化に伴って応力の影響が大きくなる場合であっても、基板の上面および下面における応力のバランスを均一化することができる。その結果、基板の上面および下面における応力の偏りが緩和されて基板の変形を防ぐことができ、基板に対するダメージや基板の特性劣化を防ぐことができる。
（９） 上記（１）から（８）のいずれか１つに記載の光導波路素子において、複数のマッハツェンダー部により前記光導波路が形成されていることを特徴とする。
この構成により、様々な変調方式に対応した光信号を生成することが可能な複数のマッハツェンダー型光導波路構造を有する光導波路素子において、基板の上面および下面における応力のバランスを均一化することができる。その結果、基板の上面および下面における応力の偏りが緩和されて基板の変形を防ぐことができ、基板に対するダメージや基板の特性劣化を防ぐことができる。
（１０） 本発明に係る光変調器は、上記の目的を達成するため、上記（１）から（９）のいずれか１つに記載の光導波路素子を構成する光導波路を少なくとも一部に用いたことを特徴とする。
この構成により、基板の上面および下面における応力のバランスを均一化することができる。その結果、基板の上面および下面における応力の偏りが緩和されて基板の変形を防ぐことができ、基板に対するダメージや基板の特性劣化を防ぐことができる光変調器が実現される。
本発明によれば、光導波路素子および光変調器において、バッファ層による基板への応力の影響を低減させることで、当該応力に起因して生じ得る基板に対するダメージや基板の特性劣化を防ぐことができる。
以下、本発明の実施の形態における光導波路素子および光変調器について説明する。
図１は、本発明の実施の形態において、光導波路素子１を構成する基板５上に形成された光導波路１０の一例を説明するための平面図である。なお、図１では、光導波路素子１の幅方向が紙面の上下方向となり、光導波路素子１の長手方向が紙面の左右方向となり、光導波路素子１の厚さ方向が紙面に垂直な方向となるように、光導波路素子１が図示されている。
図１に示す光導波路素子１は、複数のマッハツェンダー型光導波路が集積された光導波路素子１である。複数のマッハツェンダー型光導波路が組み合わされた光導波路は、ネスト型光導波路とも呼ばれる。複数のマッハツェンダー型光導波路が集積された光導波路素子１は、様々な変調方式に対応した光信号を生成することができる。図１には一例として、複数のマッハツェンダー型光導波路が集積された光導波路素子１が図示されているが、本発明はこの構造に限定されるものではなく、例えば単一のマッハツェンダー型光導波路を有する光導波路素子１であってもよい。
図１に示すように、本発明の実施の形態における光導波路素子１は、電気光学効果を有する材料で形成された基板５上に形成された光導波路１０を備える。図１に示す光導波路素子１は、外部から光信号が導入される入射導波路を分岐する第１分岐部２ａ、第１分岐部２ａで分岐された光導波路１０を更に分岐する第２分岐部２ｂ、第２分岐部２ｂで分岐された光導波路１０を更に分岐する第３分岐部２ｃを備えており、３段階の分岐を経て合計８本の並行導波路が形成されている。第１～第３分岐部２ａ～２ｃは光カプラ等により実現される。
各並行導波路を伝搬する光波の位相は、例えば領域Ｄ１において調整される。領域Ｄ１には金属製の変調電極（図１には不図示）が形成され、変調電極から各並行導波路に印加される電界によって屈折率を変化させ、光波の伝搬速度を調整することができる。
各並行導波路を伝搬した光波は、上記の第１～第３分岐部２ａ～２ｃの各々に対応する第１～第３合成部３ａ～３ｃにおいて合波された後、出射導波路から外部へ出力される。具体的には、図１に示す光導波路素子１は、第３分岐部２ｃで分岐された並行導波路を合成する第３合成部３ｃ、第２分岐部２ｂで分岐された光導波路１０を合成する第２合成部３ｂ、第１分岐部２ａで分岐された光導波路１０を合成する第１合成部３ａを備えており、３段階の合成を経て出射導波路から光信号が出力される。第１～第３分岐部２ａ～２ｃと同様に、第１～第３合成部３ａ～３ｃも光カプラ等により実現される。
なお、図１に示す光導波路素子１の光導波路１０は一例であり、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、図７を参照しながら後述する光変調器２００の光導波路素子２０２のように、光導波路素子２０２から２本の光信号が出力され、偏波合成部２２８によって偏波合成される構成であってもよい。
また、光導波路１０には、動作点を設定するためのバイアス電圧が印加される。バイアス電圧は、位相変調後の光波に対して、例えば領域Ｄ２に形成されたバイアス電極によって印加される。
図２は、本発明の実施の形態における光導波路素子１の断面構造の第１の例を示す図であり、図１の線分Ｐ－Ｐの矢視断面図である。なお、図２では、光導波路素子１の厚さ方向が紙面の上下方向となり、光導波路素子１の幅方向が紙面の左右方向となり、光導波路素子１の長手方向が紙面に垂直な方向となるように、光導波路素子１が図示されている。
図２の断面構造に示すように、光導波路素子１は、補強基板７の上に下面バッファ層（第２バッファ層）９ｂが設けられており、下面バッファ層９ｂの上に基板５が設けられており、さらに基板５の上に上面バッファ層（第１バッファ層）９ａが設けられた構造を有している。
基板５は、電気光学効果を有する材料により形成されている。従来の基板は厚さが８～１０μｍ程度であるのに対し、本発明の実施の形態における基板５は、例えば厚さが２．０μｍ以下、好適には１．０μｍ以下の極めて薄い薄板を用いることが可能である。このように基板５の厚さを極めて薄くすることで（例えば従来の約１／１０の厚さ）、駆動電圧の更なる低減化を実現することが可能となる。基板５には、電気光学効果を有する材料として、例えばＬＮを用いることが可能であるが、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）やジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）等が用いられてもよい。
基板５上にはリブ部６が設けられている。リブ部６は、基板５の表面に対して突設されており、光波を閉じ込める作用を有することから光導波路１０として利用される。従来の拡散型の光導波路構造では光を閉じ込める作用が弱く、曲線部等で光導波路１０からの伝搬光の漏れが生じてしまうことがある。これに対して、リブ型の光導波路構造を採用した場合には、光を閉じ込める作用が強化され、光導波路１０を曲げて折り返し構造とすることができ、光導波路素子１の短尺化を実現することが可能となる。リブ部６の高さは、例えば基板５の表面から２．０μｍ以下、好適には１．０μｍ以下である。
以下、リブ型基板の寸法についてより詳細に説明する。本発明の実施の形態におけるリブ型基板において、例えば、リブ部６を含めた基板５の厚さＡの最大値は４．０μｍ、リブ部６の幅Ｂの最大値は４．０μｍ、リブ部６の高さＣの最大値は２．０μｍであり、厚さＡと幅Ｂとの比率は１：１である。リブ部６や基板５等は設計上小さければ小さいほど良いため、上記の厚さＡ、幅Ｂ、高さＣの最小値は、製造プロセスにおける最小化の限界値となる。また、光の閉じ込めの観点からも、光のシングルモード条件が維持される範囲内の寸法であれば、厚さＡおよび幅Ｂの各々の寸法は小さければ小さいほど光が閉じ込められるため好ましい。
図２には一例として、基板５上にリブ部６が形成されたリブ型基板を有する光導波路素子１が図示されている。ただし、本発明では、光導波路１０としてリブ部６が形成されたリブ型基板を有する構造とすることが好適であるが、これに限定されるものではなく、例えば金属の熱拡散により基板５内に光導波路１０が形成された光導波路素子１が用いられてもよい。
補強基板７は、極めて薄い基板５の強度を補い、下面バッファ層９ｂ、基板５、上面バッファ層９ａ、さらには基板５上に形成される電極等を安定して支持可能とする部材である。補強基板７は、後述するように、下面バッファ層９ｂと直接接合法によって直接接合される。補強基板７の材料には、例えば基板５の材料（例えばＬＮ）より誘電率の低い材料、または、基板５と同一の材料（例えばＬＮ）を用いることが可能である。
また、基板５上には上面バッファ層９ａが設けられている。本発明の実施の形態における上面バッファ層９ａは基板５と同等の厚さを有しており、例えば厚さが２．０μｍ以下、好適には１．０μｍ以下である。上面バッファ層９ａに用いられる材料は、特に限定されるものではないが、ＬＮより屈折率が低く、光透過性に優れた材料であることが好ましい。上面バッファ層９ａに用いられる材料は、バッファ層として一般的に用いられている材料であってもよく、例えばＳｉＯ２や、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ３、Ｌａ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＨｆＯ２、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ｙ２Ｏ３等を用いることができる。
従来の基板の厚さは８．０～１０．０μｍであったのに対し、本発明の実施の形態では、上述したようにリブ型基板の厚さを２．０μｍ以下と極めて薄くすることができ、マイクロ波と光波との速度整合や駆動電圧の更なる低減化を図ることが可能となる。ただし、このように極めて薄い基板５は、応力に対して特に敏感である。
また上述したように、基板５には例えばＬＮが用いられるのに対し、基板の上に設けられる上面バッファ層９ａには例えばＳｉＯ２が用いられるが、基板５の材料であるＬＮおよび上面バッファ層９ａの材料であるＳｉＯ２は、熱膨張率が異なっている。これにより、特に温度変化を伴うウェハプロセスにおいて、上面バッファ層９ａを成膜する際やウェハ（基板５）またはチップを加熱する際に、基板５と上面バッファ層９ａとの熱膨張率の差によって、上面バッファ層９ａと基板５とが接触する面に応力（内部応力または残留応力）が生じる。
その結果、上面バッファ層９ａの材料と基板５の材料との間に熱膨張率差に起因する応力の影響を受けて、基板５が変形してしまうという問題や、バイアス電圧の変動等の特性劣化が発生してしまうという問題がある。
このような問題に対処するため、本発明の実施の形態における光導波路素子１では、図２に示すように、補強基板７と基板５との間に下面バッファ層９ｂが設けられている。本発明の実施の形態における下面バッファ層９ｂは上面バッファ層９ａと略同一の厚さを有しており、例えば厚さが２．０μｍ以下、好適には１．０μｍ以下である。また、下面バッファ層９ｂには、上面バッファ層９ａと略同一の材料が用いられる。
また、上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂが略同一の厚さを有するとは、上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂが同一またはほぼ同じ膜厚を有することを意味する。具体的には、本発明では、製造時のプロセスばらつきに起因する誤差を含んで、上面バッファ層９ａと下面バッファ層９ｂとの厚さの差が上面バッファ層９ａまたは下面バッファ層９ｂの厚さに対して±２０％以内である場合に、上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂが略同一の厚さを有すると定義する。
上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂが略同一の材料からなるとは、上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂが同一の材料またはほぼ同じ材質を有する材料からなることを意味する。具体的には、本発明では、製造時のプロセスばらつきに起因する誤差を含んで、上面バッファ層９ａと下面バッファ層９ｂとの電気抵抗率の差が上面バッファ層９ａまたは下面バッファ層９ｂの電気抵抗率に対して±２０％以内であり、かつ、上面バッファ層９ａと下面バッファ層９ｂとの屈折率の差が上面バッファ層９ａまたは下面バッファ層９ｂの屈折率に対して±２０％以内である場合に、上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂが略同一の材料からなると定義する。
なお、膜厚の測定、電気抵抗率の測定、屈折率の測定に係る方法は、特に限定されるものではなく、通常の方法で各パラメータを測定することができる。例えば、膜厚については、多数枚のウェハにダミーウェハを仕込んで構成されたバッチに対して、一般的な触針式段差系を用いて膜厚を測定することができる。電気抵抗率については、ダミーウェハを含む上記バッチに対して、水銀プローブ法を用いたＩＶ測定（電流電圧測定）を行い、その測定結果から電気抵抗率を算出することができる。屈折率の測定については、ダミーウェハを含む上記バッチに対して、プリズムカプラ（例えば、測定波長：１５５０ｎｍ）を用いて屈折率を測定することができる。
本発明の実施の形態における光導波路素子１では、略同一の材料からなり略同一の厚さを有する上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂが形成されている。また、上面バッファ層９ａは基板５の上面に接触し、下面バッファ層９ｂは基板５の下面に接触するように形成されている。このように、上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂが基板５を挟み込む構造とすることで、上面バッファ層９ａにより基板５の上面に生じる応力と同程度の応力を、下面バッファ層９ｂにより基板５の下面にも生じさせることができ、基板５の上面および下面における応力のバランスを均一化することができる。その結果、基板５の上面および下面における応力の偏りが緩和されて基板５の変形を防ぐことができ、基板５に対するダメージや基板の特性劣化を防ぐことができる。
なお、基板５の上に設けられるバッファ層（上面バッファ層９ａ）に、例えばインジウムやチタン等の金属酸化物を添加することで、添加された金属酸化物によって時間の経過に伴うＤＣドリフトの増加を平坦化でき、長期に渡ってＤＣドリフト特性を改善することができることが知られている（特許文献２および特許文献３を参照）。この技術を応用して、上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂの両方に金属酸化物を添加して、ドリフト特性をより改善させてもよい。
より詳細には、上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂの両方が、酸化シリコンと周期律表の三～八族、一ｂ族および二ｂ族の金属元素およびシリコンを除く半導体元素から選ばれる１種またはそれ以上の元素の酸化物の少なくとも１種との混合物、またはシリコンと前記金属元素および半導体元素から選ばれる１種またはそれ以上の元素との酸化物の透明絶縁膜によって形成されてもよい。具体的には、上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂには、例えば、インジウム、チタン、亜鉛、スズ、クロム、アルミニウム、ゲルマニウム等の金属酸化物をＳｉＯ２に添加（ドープ）した材料が用いられる。
なお、上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂに添加される添加物の元素種は、上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂで同一であってもよく、異なっていてもよい。本発明に係る上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂは略同一の材料からなり、上述したように、製造時のプロセスばらつきに起因する誤差を含んで、上面バッファ層９ａと下面バッファ層９ｂとの電気抵抗率の差が上面バッファ層９ａまたは下面バッファ層９ｂの電気抵抗率に対して±２０％以内であり、かつ、上面バッファ層９ａと下面バッファ層９ｂとの屈折率の差が上面バッファ層９ａまたは下面バッファ層９ｂの屈折率に対して±２０％以内であればよい。この条件を満たすことができるものであれば、上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂのそれぞれに添加される添加物は異なっていてもよい。
また、基板５の上に設けられるバッファ層（上面バッファ層９ａ）の材料として適切な電気抵抗率を有する材料を用いることで、バッファ層による光吸収を抑制できることや、正のＤＣドリフトの発生を抑制できることが知られている（例えば、特許文献３を参照）。この技術を応用して、上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂの両方の材料として、適切な電気抵抗率を有する材料を用いてもよい。
より詳細には、上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂの材料として、電気抵抗率が１０８Ωｃｍ以上であり、１０１６Ωｃｍ以下である材料を用いてもよい。上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂに用いられる材料の電気抵抗率を１０８Ωｃｍ以上とすることで、上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂによる光吸収を防ぐことができるようになる。また、上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂに用いられる材料の電気抵抗率を１０１６Ωｃｍ以下とすることで、時間経過の初期において負のＤＣドリフト量を安定して得ることができるようになる。
また、上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂの材料として、電気光学効果を有する基板５の材料（例えばＬＮ）よりも屈折率が低い材料を用いてもよい。基板５の上下に配置される上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂを基板５より屈折率の低い材料とすることで、基板５に形成される光導波路１０内に伝搬光を閉じ込める効果を増大させて、伝搬損失を効率良く低減させることができる。
また、上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂの厚さをコントロールすることで、適切なＤＣドリフト特性を得て、光導波路１０における光の伝搬を効率良く行えるようにしてもよい。具体的には、上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂの厚さを０．３μｍ以上および２．０μｍ以下の範囲とすることで、適切なＤＣドリフト量を安定して得ることができるようになる。
次に、変調電極が形成される位相変調部における断面構造について説明する。
図３は、本発明の実施の形態における光導波路素子１の断面構造の第２の例を示す図であり、基板５上に変調電極が形成された状態を示す図である。図３は、図１の線分Ｑ－Ｑの矢視断面図である。なお、図３では、光導波路素子１の厚さ方向が紙面の上下方向となり、光導波路素子１の幅方向が紙面の左右方向となり、光導波路素子１の長手方向が紙面に垂直な方向となるように、光導波路素子１が図示されている。
図３には、基板５上に変調電極（信号電極Ｓおよび接地電極Ｇ）が形成され、基板５のリブ部６を光導波路１０として用いるように構成された光導波路素子１の断面構造が示されている。図３に示す基板５は、光導波路１０の間に信号電極Ｓが配置された構造を有している。
変調電極である信号電極Ｓおよび接地電極Ｇは、例えば、上面バッファ層９ａ上にＴｉ／Ａｕを蒸着した後、フォトリソグラフィプロセスによって電極のパターニングを行うことで形成される。変調電極は適切な金属であればよく、また、上面バッファ層９ａ上に変調電極を形成する方法も特に限定されるものではない。変調電極の厚さは、例えば２０μｍ以上である。なお、本明細書では説明および図示を省略するが、バッファ層９ａ上に変調電極を形成する場合には、上面バッファ層９ａと変調電極との間にＳｉ等からなる帯電防止用の導電膜層を形成してもよい。
信号電極Ｓは、光導波路１０に電界を印加するための電極であり、例えば、光導波路１０と並行して延在するように配置されている。不図示であるが、信号電極Ｓは信号源および終端抵抗に接続されており、信号源から高周波電気信号が供給されて終端抵抗で終端されるようになっている。
接地電極Ｇは、基準電位点に接続された電極であり、例えば、信号電極Ｓと同様に光導波路１０と並行して延在するように配置されている。信号電極Ｓと接地電極Ｇとは離隔して設けられており、信号電極Ｓと接地電極Ｇとの間に電界が形成される。信号電極Ｓおよび接地電極Ｇは、例えばコプレーナ線路を構成している。
信号電極Ｓと接地電極Ｇとの間に形成される電界は、リブ部６内に形成された光導波路１０に印加される。信号源から供給する電気信号を制御して電界強度を調整することで、光導波路１０内を伝搬する光波が適切に変調されるようになっている。
図３に示すように、上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂが基板５を挟み込む構造とすることで、基板５の上面および下面における応力のバランスを均一化することができる。その結果、基板５の上面および下面における応力の偏りが緩和されて基板５の変形を防ぐことができ、基板５に対するダメージや基板の特性劣化を防ぐことができる。
図４は、本発明の実施の形態における光導波路素子１の断面構造の第３の例を示す図であり、基板５上に変調電極が形成された状態を示す図である。図４は、図１の線分Ｑ－Ｑの矢視断面図である。なお、図４では、光導波路素子１の厚さ方向が紙面の上下方向となり、光導波路素子１の幅方向が紙面の左右方向となり、光導波路素子１の長手方向が紙面に垂直な方向となるように、光導波路素子１が図示されている。
図４には、基板５上に変調電極（信号電極Ｓおよび接地電極Ｇ）が形成され、基板５のリブ部６を光導波路１０として用いるように構成された光導波路素子１の断面構造が示されている。図４に示す基板５は、光導波路１０の上に信号電極Ｓが配置された構造を有している。
上述した図３と同様、図４に示すように、上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂが基板５を挟み込む構造とすることで、基板５の上面および下面における応力のバランスを均一化することができる。その結果、基板５の上面および下面における応力の偏りが緩和されて基板５の変形を防ぐことができ、基板５に対するダメージや基板の特性劣化を防ぐことができる。
図３および図４の断面構造を例に挙げて説明したように、本発明は、光導波路１０の間に信号電極Ｓが配置された構造を有する基板５、および、光導波路１０の上に信号電極Ｓが配置された構造を有する基板５のいずれに対しても、基板５の上面および下面における応力の偏りを緩和することができる。また、下面バッファ層９ｂは、変調電極（信号電極Ｓおよび接地電極Ｇ）の位置や光導波路１０の位置によらず、基板５の下面全面にわたって配置することができる。
次に、図５を参照しながら、本発明の実施の形態における光導波路素子１の製造工程について説明する。なお、図５には、図３の断面構造を有する光導波路素子１の製造工程が一例として図示されている。
第１ステップにおいて、基板５となる層（例えばＬＮ層）に対して下面バッファ層９ｂとなる層（例えばＳｉＯ２等）を形成する。図５（ａ）に第１ステップ後の状態を示す。
第２ステップにおいて、下面バッファ層９ｂとなる層の下面および補強基板７の上面を直接接合法により直接接合する。図５（ｂ）に第２ステップ後の状態を示す。
第３ステップにおいて、基板５となる電気光学効果を有する材料からなる層を適切な厚さとなるよう加工する。図５（ｃ）に第３ステップ後の状態を示す。
第４ステップにおいて、例えばドライエッチング等によりリブ部６以外の部分を除去して、リブ部６を備えた基板５を形成する。図５（ｄ）に第４ステップ後の状態を示す。
第５ステップにおいて、例えばスパッタ等により基板５の上に上面バッファ層９ａを成膜する。図５（ｅ）に第５ステップ後の状態を示す。
第６ステップにおいて、例えば上面バッファ層９ａの上に電極（例えば、信号電極および接地電極）を形成する。図５（ｆ）に第６ステップ後の状態を示す。
なお、上記の第２ステップで用いられている直接接合法は、異種材料を接合するために好適な手法である。バッファ層９ｂとなる層と補強基板７とは異なる材料で構成されているが、直接接合法を用いることで、両者を適切かつ確実に接合することができる。
直接接合法は、プラズマ活性化接合法と、ＦＡＢ（Ｆａｓｔ Ａｔｏｍ Ｂｅａｍ：高速原子ビーム）方式の２つの方式に大別される。
プラズマ活性化接合法は、プラズマ等によって接合させる２つの面を親水処理して接合性を向上させた後、２つの面同士を重ね合わせることで直接接合を行う方式である。プラズマ活性化接合法を用いた場合、バッファ層９ｂとなる層および補強基板７のそれぞれの面の分子鎖が互いに絡み相溶した界面層（結合層）が形成される。
一方、ＦＡＢ方式は、接合させる２つの面のそれぞれに薄いＳｉ層や金属酸化物層を形成し、２つの面のそれぞれに常温下で中性子原子ビームを照射して活性化させた後、２つの面同士を貼り合わせることで直接接合を行う方式である。ＦＡＢ方式を用いた場合、バッファ層９ｂとなる層と補強基板７との間には、薄いＳｉ層や金属酸化物層等の接着層が形成される。
ＦＡＢ方式を用いてバッファ層９ｂと補強基板７とを直接接合した場合には、図６に示すように、バッファ層９ｂと補強基板７との間に１０～５００ｎｍ程度の極めて薄い接着層２０が形成される。接着層２０には、Ｓｉ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、ＳｉＯ２等が用いられる。
図６は、本発明の実施の形態における光導波路素子の断面構造の第４の例を示す図であり、図１の線分Ｐ－Ｐの矢視断面図である。なお、図６は、図２と同様の視点から見た断面構造を図示したものである。なお、図６では、光導波路素子１の厚さ方向が紙面の上下方向となり、光導波路素子１の幅方向が紙面の左右方向となり、光導波路素子１の長手方向が紙面に垂直な方向となるように、光導波路素子１が図示されている。
接着層２０として用いることができる材料の中には光吸収性が高いものもある。しかしながら、接着層２０と基板５との間には下面バッファ層９ｂが存在し、下面バッファ層９ｂによって、接着層２０による光吸収を抑えることができる。換言すると、ＦＡＢ方式を用いてバッファ層９ｂと補強基板７とを直接接合した場合には、下面バッファ層９ｂは、基板５の上面および下面における応力の偏りを緩和する役割を果たすとともに、接着層２０による伝搬光の吸収を抑える役割も同時に果たす。
本実施の形態では、基板５上にリブ部６が形成されたリブ型基板を一例に挙げて説明している。しかしながら上述したように、本発明は、リブ型基板に限定されず、例えば金属の熱拡散により基板５内に光導波路１０が形成される基板に対しても適用することができる。拡散型光導波路を有する基板においても同様に、上面バッファ層９ａおよび下面バッファ層９ｂが基板５を挟み込む構造とすることで、基板５の上面および下面における応力の偏りを緩和することができる。
また、本実施の形態では、１つの信号電極Ｓの両側に接地電極Ｇが１つずつ配置されたコプレーナ線路構造を一例に挙げて説明している。しかしながら、本発明はこのようなコプレーナ線路構造に限定されず、例えば、並行する２つの信号電極Ｓの両側に接地電極Ｇが１つずつ配置された差動線路を有するコプレーナ線路構造が採用されてもよい。
本発明は、本実施の形態で説明した光導波路素子を構成する光導波路を少なくとも一部に用いた光変調器を提供することができる。
図７は、本発明の実施の形態に係る光変調器２００の構成の一例を示す平面図である。図７に示す光変調器２００は、光導波路素子２０２と、光導波路素子２０２を収容する筐体２０４と、光導波路素子２０２に光を入射するための入力光ファイバ２０８と、光導波路素子２０２から出力される光を筐体２０４の外部へ導く出力光ファイバ２１０とを備える。なお、図７に示す光変調器２００の構成は一例にすぎず、本発明は、この構成に限定されるものではない。任意の構成を有する光変調器に対して、本発明に係る特徴を有する光導波路素子を組み込むことが可能である。
図７に示す光変調器２００は、長手方向一端部（図面左側）に入力光ファイバ２０８を備え、長手方向他端部（図面右側）に出力光ファイバ２１０を備えているが、光変調器２００における光の入力位置および出力位置は任意に設定可能である。
光導波路素子２０２は、例えば、基板上に設けられた光導波路２０６と、光導波路２０６内を伝搬する光波を変調するために基板上に形成された複数の電極２１２ａ～２１２ｄとを有する。光導波路素子２０２は、例えば図７に示すように、複数のマッハツェンダー型光導波路が組み合わされた光導波路２０６を有する。
図７に示す光変調器２００は、一例として、光導波路素子２０２から２つの光が出力されて偏波合成部２２８により偏波合成された光を、出力光ファイバ２１０を介して筐体２０４の外部へ出力するように構成されている。ただし、本発明に係る光変調器２００は、このような構成に限定されるものではない。例えば、上述した図１に示す光導波路素子１のように、第１合成部３ａを備えて出射導波路から１つの光信号を出力する構成であってもよい。
また、光導波路素子２０２も上述した光導波路素子１と同様に、略同一の材料からなり略同一の厚さを有する上面バッファ層および下面バッファ層がそれぞれ基板の上面および下面に接触するように形成された構成を有する。この構成により、上面バッファ層および下面バッファ層が基板を挟み込み、基板の上面および下面における応力バランスの均一化が実現される。
筐体２０４は、光導波路素子２０２が固定されるケースおよびカバーにより構成されている。カバーは、ケース全体を覆うように配置され、これにより、筐体２０４の内部が気密封止される。なお、筐体２０４内にドライバや受光素子（ＰＤ：Photo Detector）等の電子部品が収容されてもよい。
筐体２０４のケースには、高周波信号を入力するための導体である複数のリードピン２４０ａ～２４０ｄが設けられている。リードピン２４０ａ～２４０ｄは、中継基板２１８を介して、光導波路素子２０２のマッハツェンダ型光導波路に設けられた複数の電極２１２ａ～２１２ｄのそれぞれの一端が接続されている。また、複数の電極２１２ａ～２１２ｄのそれぞれの他端は、インピーダンス素子である終端基板２５０により終端されている。なお、図７では詳細な構成について図示省略しているが、複数の電極２１２ａ～２１２ｄは信号電極Ｓおよび接地電極Ｇを含み、光導波路２０６を伝搬する光波を変調できるようになっている。
以上説明したように、本発明によれば、略同一の材料からなり略同一の厚さを有する上面バッファ層および下面バッファ層がそれぞれ基板の上面および下面に接触するように形成された構成を有する光導波路素子を含んだ光変調器を提供することができる。
本発明は、上記の実施の形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例および設計変更等をその技術的範囲内に包含するものである。
本発明は、バッファ層による基板への応力の影響を低減させることで、当該応力に起因して生じ得る基板に対するダメージや基板の特性劣化を防ぐことができる光導波路素子および光変調器を提供するものであり、光通信分野や光計測分野等に適用可能である。
１、２０２ 光導波路素子
２ａ～２ｃ 分岐部
３ａ～３ｃ 合成部
５、１０２ 基板
６ リブ部
７、１０１ 補強基板
９ａ 上面バッファ層（第１バッファ層）
９ｂ 下面バッファ層（第２バッファ層）
１０、２０６ 光導波路
２０ 接着層
１０３ バッファ層
２００ 光変調器
２０４ 筐体
２０８ 入力光ファイバ
２１０ 出力光ファイバ
２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ、２１２ｄ 電極
２１８ 中継基板
２２８ 偏波合成部
２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃ、２４０ｄ リードピン
２５０ 終端基板
Ｇ 接地電極
Ｓ 信号電極
２ａ～２ｃ 分岐部
３ａ～３ｃ 合成部
５、１０２ 基板
６ リブ部
７、１０１ 補強基板
９ａ 上面バッファ層（第１バッファ層）
９ｂ 下面バッファ層（第２バッファ層）
１０、２０６ 光導波路
２０ 接着層
１０３ バッファ層
２００ 光変調器
２０４ 筐体
２０８ 入力光ファイバ
２１０ 出力光ファイバ
２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ、２１２ｄ 電極
２１８ 中継基板
２２８ 偏波合成部
２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃ、２４０ｄ リードピン
２５０ 終端基板
Ｇ 接地電極
Ｓ 信号電極
Claims (10)
- 電気光学効果を有する基板と、
前記基板に形成された光導波路と、
前記基板上に設けられた第１バッファ層と、
前記基板下に設けられた第２バッファ層と、
前記第２バッファ層の下に配置される補強基板と、を備える光導波路素子であって、
前記第１バッファ層および前記第２バッファ層が略同一の材料からなるとともに略同一の厚さを有し、前記第１バッファ層および前記第２バッファ層がそれぞれ前記基板の上面および下面に接触するように形成されており、
前記基板の厚さが、２．０μｍ以下であり、
前記第１バッファ層および前記第２バッファ層のそれぞれの厚さが、０．３μｍ以上であり２．０μｍ以下であり、
前記第２バッファ層の下面と前記補強基板の上面とが界面層または接着層により直接接合されていることを特徴とする光導波路素子。 - 前記第１バッファ層および前記第２バッファ層はそれぞれ、酸化シリコンと周期律表の三～八族、一ｂ族および二ｂ族の金属元素およびシリコンを除く半導体元素から選ばれる１種またはそれ以上の元素の酸化物の少なくとも１種との混合物、またはシリコンと前記金属元素および半導体元素から選ばれる１種またはそれ以上の元素との酸化物の透明絶縁膜からなることを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
- 前記第１バッファ層および前記第２バッファ層の材料は、電気光学効果を有する前記基板の材料よりも屈折率が低いことを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路素子。
- 前記第１バッファ層および前記第２バッファ層の材料は、電気抵抗率が１０８Ωｃｍ以上であり、１０１６Ωｃｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光導波路素子。
- 前記界面層が、前記第２バッファ層の下面と前記補強基板の上面のそれぞれの面の分子鎖が互いに絡み相溶した状態となっている層であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光導波路素子。
- 前記接着層の厚さが１０～５００ｎｍであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光導波路素子。
- 前記第１バッファ層により前記基板の上面に生じる応力と同程度の応力を前記第２バッファ層により前記基板の下面に生じさせることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の光導波路素子。
- 前記基板上に突設されたリブ部が前記光導波路として用いられることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の光導波路素子。
- 複数のマッハツェンダー部により前記光導波路が形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の光導波路素子。
- 請求項１から９のいずれか一項に記載の光導波路素子を構成する光導波路を少なくとも一部に用いたことを特徴とする光変調器。
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