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JP2024142673A - 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

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 Download PDF

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Abstract

【課題】ＳｉＮ導波路やＴＦＬＮのリブ型光導波路のように、屈折率差が少なくなった場合でも両者間の光移行を低損失で行うことが可能な光導波路素子を提供すること。【解決手段】本発明の光導波路素子は、第１光導波路１０と、該第１光導波路１０を覆い、該第１光導波路より屈折率の低い材料で構成される低屈折率層１１とを有する第１基板１と、該第１基板１に接合されると共に、電気光学効果を有する材料で構成され、第２光導波路であるリブ型光導波路２０を有する第２基板２とを有し、該第１光導波路１０と該第２光導波路２０とは互いに光学的に結合した部分を有する光導波路素子において、該光導波路素子を平面視した際に、該第１光導波路と該第２基板とが重なる境界部には、該第２基板に凸部２３が形成され、該凸部２３における該第２基板２の厚みは、該第２光導波路２０における該第２基板２の厚みより薄く構成されていることを特徴とする。【選択図】図７

Description

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、第１光導波路を形成した第１基板と、第２光導波路であるリブ型光導波路を形成した第２基板とを接合し、該第１光導波路と該第２光導波路とを互いに光学的に結合した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する。
近年、光通信用などの光導波路素子を作成する際に、光導波路にＳｉ導波路を用いることが行われている（非特許文献１参照）。Ｓｉ導波路は、ＣＭＯＳプロセスを用いるため、スケーラビリティがあり、低コスト化に優れていること、またＧｅ／Ｓｉによる受光素子を組み込むことも可能である。一方、デメリットとして、可視光域で使用できないこと、位相変調もＳｉ導波路に電流を流して行うなど変調制御が難しい。
このため、代替技術として窒化シリコン（ＳｉＮ）やＴｈｉｎ Ｆｉｌｍ ＬｉＮｂＯ３（ＴＦＬＮ，薄膜ＬＮ）を光導波路コアとした新規のプラットフォームが検討されている（非特許文献２，３参照）。光機能の集積のためには、光源、位相変調、受信、光合分波（パワー合分岐、波長合分離、偏波合流分離等）が必須となる。これらの構成に最適な材料はそれぞれ異なるため、異種材料を集積化させる方法が発展してきた。
異種材料接合においては、エピタキシャルを用いて形成することもできる。近年、表面を平坦化させた材料を接合させる直接接合法を用いることで、エピタキシャル成長できない材料の組み合わせを用いた光機能集積が実現されている。その中で、窒化シリコン（ＳｉＮ）導波路とＴＦＬＮを集積させることで、光合分波と位相変調を集積化させた素子が開発されている。
非特許文献４では、ＴＦＬＮ上にＳｉＮ導波路を形成することで、ＬＮを導波路に加工することなく、位相変調を実現している。モノリジックＴＦＬＮ変調器（非特許文献２参照）と比較すると、この方法は、光導波路の光閉込めが弱いため、曲げ半径は数百μｍ程度と大きく、駆動電圧（Ｖπ）も大きい。しかし、難加工性（ドライエッチングが難しい）材料であるＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）を加工しないで、加工が容易なＳｉＮを加工することで、生産性を確保している。
一方、Ｓｉを用いた光変調器の位相変調部分をＬＮなどの電気光学効果を利用した位相変調に置き換えることで、従来のＬＮと同様な位相変調とＳｉ導波路の易加工性・量産性・小型化を両立させることが提案されている（非特許文献５参照）。Ｓｉの屈折率は約３．４５で、ＬＮの約２．１４よりもかなり高い。Ｓｉ導波路の寸法を大きくさせると光導波路として光閉じ込め効果がより高くなり、光分布がＳｉ導波路内のみに偏在させることができ、Ｓｉ導波路近傍にある他の材料の構造変化による光散乱等の影響を受け難くなる。その結果、Ｓｉ導波路を含む基板上に配置されたＴＦＬＮ基板の端部における光損失を抑制することができる。
図１は、Ｓｉ導波路などの第1光導波路１０を含む第１基板1の上に、第２光導波路２０を含むＴＦＬＮなどの第２基板２を重ねて配置した例を示している平面図である。図１の一点鎖線Ａ－Ａ、Ｂ－Ｂ、Ｃ－Ｃにおける断面図を図２の（ａ）～（ｃ）に示す。なお、第１光導波路１０はコア部であり、該光導波路を構成する材料より低屈折率な材料で構成された低屈折率層１１（クラッド部）で覆われている。また、機械的強度を維持するため、第１光導波路は必要に応じて保持基板１２によって支持されている。第２光導波路２０は、第２基板の一部をその周りより高くしたリブ型光導波路が用いられる。
図１のように光導波路素子を平面視した際に、第１光導波路１０と第２基板２とが重なる境界部（第２基板のエッジ部）では、第１光導波路の幅を広げた部分１００を設け、光閉じ込め効果を高め、第２基板２のエッジ部の影響による光損失を抑制するよう構成している。
また、Ｓｉ導波路とＴＦＬＮ導波路との間の光移行は、高屈折率側のＳｉ導波路の断面寸法を小さくすることで、光分布を拡大させ、ＴＦＬＮ導波路へ光波を移行させる。その結果、Ｓｉ導波路とＴＦＬＮ導波路との間の光移行は低損失にすることができる（非特許文献６参照）。このため、第２基板の下側に入り込んだ第１光導波路１０１は、図１に示すように、第２光導波路２０と重なる位置で、光導波路の幅をテーパー状に狭く構成している。
Ｓｉ導波路の問題点は、１．１μｍ以下の波長では不透明であるため、使用出来ないこと、また、２光子吸収などの現象も生じるため、高強度な光を入力できないことである。
このため、ＳｉＮ導波路とＴＦＬＮを組合せることで、可視域まで使用可能で、ＬＮ光変調器で使用される電界強度の変化による位相変調を行うことができる光導波路素子を提供可能となる。当然、ＳｉＮのドライエッチング加工技術も確立されているため、Ｓｉ導波路と同様に生産性も高い。
しかしながら、ＳｉＮの屈折率は約２．００であり、ＬＮの屈折率（約２．１４）にも近い。このため、ＴＦＬＮのエッジ部で第１光導波路であるＳｉＮ導波路の寸法を大きくしてもＴＦＬＮの影響を受けることになる。また、第１光導波路であるＳｉＮ導波路と第２光導波路であるＴＦＬＮのリブ型光導波路２０との間の光移行についても、Ｓｉ導波路に使用する構造を単純に適用することは難しい。例えば、リブ型光導波路２０の周囲をできるだけ除去して薄くしたり、第２基板２の幅寸法を狭くすることも考えられるが、高い加工精度が必要であり、製造に係るコスト増大や歩留まりの低下を招く。
しかも、図２（ｃ）に示すような、第１基板１の上で第２基板であるＴＦＬＮにリブ型光導波路２０を形成するには、図３（ａ）に示すように、第１基板１に第２基板２を接合した後、図３（ｂ）のように、第２光導波路を形成する位置や、第１基板１のエッチングされたくない部分を覆うようにレジストパターンＰＲ１が形成される。
特に、第１光導波路が近傍に配置されたＴＦＬＮのエッジ部では、レジスト材料がエッジ部に覆い被さる（オーバーハング）ように配置されている。仮に、第１光導波路であるＳｉ導波路やＳｉＮ導波路の一部がエッチングで損傷すると大きな光損失となる。
この結果、図３（ｃ）に示すように、ＴＦＬＮのエッジ部にはリブ型光導波路２０と同じ高さの凸部２２が形成されることとなる。図４は、平面視した図であり、凸部２２は第１光導波路１０（１００）との境界部を含む第２基板２のエッジ部に形成される。図５は、図４の一点鎖線Ｄ－Ｄにおける断面図である。
凸部２２の影響は、第１光導波路がＳｉ導波路の場合には、光導波路の幅を広げた部分１００の構成により、光閉じ込め効果を高め光損失を抑制することが可能であるが、第１光導波路がＳｉＮ導波路の場合は、幅を広げた部分１００のみの構成では、この問題を解消することが難しい。
Yikai Su, etc.,"Silicon Photonic Platform for Passive Waveguide Devices: Materials, Fabrication, and Applications", Advanced Materials Technologies. 1901153 (2020) Abdul Rahim, etc.,"Expanding the Silicon Photonics Portfolio With Silicom Nitride Photonic Integrated Circuits",Journal of Lightwave Technology, Vol.35, No.4, pp639(Feb. 15,2017) Mian Zhang, etc.,"Integrated Lithium Niobate Electro-optic Modulators: When performance meets scalability",Optica, Vol.8, No.5, pp652(2021) Sean Nelan, etc.,"Ultra-high Extinction Dual-output Thin-film Lithium Niobate Intensity Modulator", arXiv:2207.02608v1 (Jul. 6,2022) Shihao Sun, etc.,"Hybrid Silicon and Lithium Niobate Modulator", IEEE Jounal of selected topics in Quantum Electronics, Vol.27, No.3, pp3300112(May/June 2021) Peter O. Weigel, etc.,"Bonded Thin Film Lithium Niobate Modulator on a Silicon Photonics Platform Exceeding 100 GHz 3-dB Electrical Modulation Bandwidth", Optics Express, Vol.26, No.18, pp.23728(Sep. 3,2018)
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、ＳｉＮ導波路やＴＦＬＮのリブ型光導波路のように、両者の屈折率差が少なくなった場合でも両者間の光移行を低損失で行うことが可能な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） 第１光導波路と、該第１光導波路を覆い、該第１光導波路より屈折率の低い材料で構成される低屈折率層とを有する第１基板と、該第１基板に接合されると共に、電気光学効果を有する材料で構成され、第２光導波路であるリブ型光導波路を有する第２基板とを有し、該第１光導波路と該第２光導波路とは互いに光学的に結合した部分を有する光導波路素子において、該光導波路素子を平面視した際に、該第１光導波路と該第２基板とが重なる境界部には、該第２基板に凸部が形成され、該凸部における該第２基板の厚みは、該第２光導波路における該第２基板の厚みより薄く構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、該凸部における該第１光導波路の光波の伝搬方向の長さは、２μｍ以下であることを特徴とする。
（３） 上記（１）に記載の光導波路素子において、該境界部における該第１光導波路の幅は、該境界部の前段又は後段に位置する該第１光導波路の幅よりも広くなるように設定されていることを特徴とする。
（４） 上記（１）に記載の光導波路素子において、該第１光導波路と該第２光導波路との間の屈折率の差は０．８以下であることを特徴とする。
（５） 上記（４）に記載の光導波路素子において、該第１光導波路はＳｉＮで構成され、該第２基板はニオブ酸リチウムで構成されることを特徴とする。
（６） 上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の光導波路素子は筐体内に収容され、該第１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。
（７） 上記（６）に記載の光変調デバイスにおいて、該第２基板には、該第２光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極を有し、該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。
（８） 上記（７）に記載の光変調デバイスと、該光変調デバイスに光波を入力する光源と、該光変調デバイスに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、第１光導波路と、該第１光導波路を覆い、該第１光導波路より屈折率の低い材料で構成される低屈折率層とを有する第１基板と、該第１基板に接合されると共に、電気光学効果を有する材料で構成され、第２光導波路であるリブ型光導波路を有する第２基板とを有し、該第１光導波路と該第２光導波路とは互いに光学的に結合した部分を有する光導波路素子において、該光導波路素子を平面視した際に、該第１光導波路と該第２基板とが重なる境界部には、該第２基板に凸部が形成され、該凸部における該第２基板の厚みは、該第２光導波路における該第２基板の厚みより薄く構成されているため、第２基板のエッジ部により発生する第１光導波路の光損失を抑制することが可能となる。これにより、ＳｉＮ導波路やＴＦＬＮのリブ型光導波路のように、両者の屈折率差が少なくなった場合でも両者間の光移行を低損失で行うことが可能な光導波路素子を提供することができ、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可能となる。
光導波路素子の一例を示す平面図である。 図１の光導波路素子の断面図である。（ａ）は一点鎖線Ａ－Ａにおける断面図、（ｂ）は一点鎖線Ｂ－Ｂにおける断面図、（ｃ）は一点鎖線Ｃ－Ｃにおける断面図である。 光導波路素子の製造プロセスの一部を示す図であり、特に、第２基板２に凸部２２が形成される様子を示すものである。 図３（ｃ）に示す光導波路素子の平面図である。 図４の一点鎖線Ｄ－Ｄにおける断面図である。 本発明の光導波路素子の一例を示す平面図である。 図６の一点鎖線Ｄ－Ｄにおける断面図である。 本発明の光導波路素子に係る製造プロセスの一部（その１）を示す図である。 本発明の光導波路素子に係る製造プロセスの一部（その２）を示す図である。 本発明の光導波路素子における、二つの光導波路を光学的に結合させる例を説明する図である。 光の伝搬方向における二つの光導波路での実効屈折率変化の一例を示す図である。 ＳｉＮ導波路の上側にＴＦＬＮを装荷した場合のシミュレーションモデルを説明する図である。 ＳｉＮ導波路の幅とＴＦＬＮの厚みとの関係を示すグラフである。 ＳｉＮ導波路の高さ（厚み）を一定とした場合のＳｉＮ導波路とＴＦＬＮとの間隔とＴＦＬＮの厚みの変化による重なり積分（Ｌｏｓｓ）の変化を示す図である。 ＳｉＮ導波路とリブ型光導波路（ＴＦＬＮ）との間の光移行のシミュレーションモデルを説明する図である。 波長変化における光ロスの変化を示すグラフである。 ＴＦＬＮのエッジ部の凸部の影響を評価するシミュレーションモデルを説明する図である。 ＴＦＬＮの凸部の影響を示す図である。 複数の光導波路素子（チップ）を構成するウェハを用いた製造プロセスの一部を説明する図である。 光変調器の作用部に第２基板（ＴＦＬＮ）を使用する光導波路素子の製造プロセスの一部を説明する図である。 本発明の光送信装置の一例を示す図である。
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。
図６及び７に示すように、本発明の光導波路素子は、第１光導波路１０と、該第１光導波路１０を覆い、該第１光導波路より屈折率の低い材料で構成される低屈折率層１１とを有する第１基板１と、該第１基板１に接合されると共に、電気光学効果を有する材料で構成され、第２光導波路であるリブ型光導波路２０を有する第２基板２とを有し、該第１光導波路１０と該第２光導波路２０とは互いに光学的に結合した部分を有する光導波路素子において、該光導波路素子を平面視した際に、該第１光導波路と該第２基板とが重なる境界部には、該第２基板に凸部２３が形成され、該凸部２３における該第２基板２の厚みは、該第２光導波路２０における該第２基板２の厚みより薄く構成されていることを特徴とする。
本発明の光導波路素子では、第１光導波路としてはＳｉＮ導波路を、第２基板としてＴＦＬＮを中心に説明するが、本発明はこれらの材料に限定されるものではない。例えば第１光導波路としてＳｉ導波路を用いることも可能である。ただし、本発明の光導波路素子は、第１光導波路に使用する材料と、第２光導波路に使用する材料の屈折率差が少ない場合にはより好適に用いることが可能である。例えば、ＳｉＮの屈折率が１．５～２．０の範囲であり、ＬＮの屈折率が２．１～２．３であることを考慮すると、屈折率差が０．８以下の場合には本発明を用いることがより好ましい。以下では、ＳｉＮを用いる場合を中心に説明するが、純粋なＳｉＮの場合、密度によっては屈折率を１．５～２．０に調整することは可能であるが、密度が粗い膜は水分が混入して屈折率等が変化し易い。このため、本発明におけるＳｉＮには、組成を調整できる酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）を含むことも可能である。
図６は、本発明の光導波路素子の一例を示す平面図であり、図７は、図６の一点鎖線Ｄ－Ｄにおける断面図である。第１光導波路１０をＳｉＮ導波路で形成する場合は、第１光導波路（コア部）にＳｉＮを配置し、その周囲を覆うように、コア部のＳｉＮよりも低屈折率な材料でクラッド部を形成する。第１基板１は、例えば、ＳｉＮで光導波路のコア部を形成し、ＳｉＯ２でコア部１０を覆うクラッド部１１を形成する。このクラッド部１１を低屈折率層と呼ぶ。
本発明では、第１光導波路１０を含む基板を第１基板１と呼ぶが、第１基板には、第１光導波路１０とそれを覆う低屈折率層１１だけでなく、基板全体の機械的強度を高めるための保持基板１２を含むことができる。保持基板としては、ＳｉやＳｉＯ２を用いることができる。
第１基板１に接合する第２基板２には、電気光学効果を有する材料であるニオブ酸リチウム（ＬＮ）、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）などの薄板が利用される。以下ではＴＦＬＮを中心に説明する。
第２基板２の表面には、第２光導波路としてリブ型光導波路２０が形成されている。第１光導波路１０と第２光導波路とは、図６に示すように平面視した際に互いに重なる部分を有し、当該部分を利用して第１光導波路と第２光導波路との間で光波の移行を行うよう構成されている。重なり部分の形状については後に詳述する。
本発明の光導波路素子の特徴として、図６に示すように、光導波路素子を平面視した際に、第１光導波路１０と第２基板２とが重なる境界部には、該第２基板２に凸部２３が形成されることである。そして、図７に示すように、該凸部２３における第２基板２の厚みは、第２光導波路２０における該第２基板２の厚みより薄く構成されていることである。なお、図６では、凸部２３の形成部分は第１光導波路１０の近傍の第２基板のエッジ部のみに形成しているが、これに限らず、例えば、図１０に示すように第２基板のエッジ部全体に凸部２３を形成することが可能である。
本発明の光導波路素子では、凸部２３により第１光導波路１０を伝搬する光波が散乱させることを抑制するため、該凸部２３の高さを低くする。少なくとも第２光導波路２０の高さよりも低く設定することで光損失の発生を抑制している。また、第１光導波路１０の一部で、凸部２３の下側に配置される部分については、他の部分よりも実効屈折率を上げ、光閉じ込めを強くすることで、凸部による光波の散乱を低減させることが可能となる。具体的には、図６の符号１００で示すように、光導波路の幅を広く設定している。本明細書では、第１光導波路を符号１０で示し、第２基板のエッジ部付近で幅広となる部分を符号１００で、第２基板の下側に位置する第１光導波路の部分を符号１０１で示している。
さらに、凸部２３の形状については、凸部２３における第１光導波路１０の光波の伝搬方向の長さは、２μｍ以下とすることが好ましい。このような範囲に設定することで光損失を一層抑制することが可能となる。詳細については後述する。
次に、図８及び図９を用いて、本発明の光導波路素子に係る製造プロセスを説明する。なお、以下の光導波路素子は、ＳｉＮ導波路とＴＦＬＮを用いたものである。
（ＳＴＥＰ１）
図８（ａ）の下側に図示するＳｉＮ導波路を含む第１基板１を準備する。ＳｉＮ１０１が低屈折率層１１で覆われ、保持基板１２により支持されている。
（ＳＴＥＰ２）
第２基板２として約０．５μｍ厚程度のＴＦＬＮを準備する。ＴＦＬＮは、保持部材２５にリリース層２４を介して張り付けられている。具体的なリリース層の材料としてＷＯｘ等が挙げられる。
（ＳＴＥＰ３）
ＳｉＮ導波路（第１基板）とＴＦＬＮ（第２基板）を接合する（図８（ａ）及び（ｂ）参照）。接合方法は、直接接合でも樹脂接着でもよいが、図８（ｂ）では、直接接合として記載している。直接接合については、非特許文献６にも記載されている。
（ＳＴＥＰ４）
リリース層２４を適切な薬液等でサイドエッチングを行う（図８（ｃ）参照）。ＷＯｘを薬液でサイドエッチングする場合、エッチング液はアンモニア水と過酸化水素水混合液等が妥当である。またドライエッチングにてサイドエッチングを行う場合、エッチングガスとしてＳＦ６、ＸｅＦ２等のフッ素系ガスを用いることもできる。この時、サイドエッチング量は任意であるが、リリース層２４の厚さ以上が望ましい。
（ＳＴＥＰ５）
上述したサンプルに適当な加工抑制膜ＰＲ２を形成する（図９（ｄ）参照）。膜形成に必要な事項は、ステップカバレッジ性を有する成膜方法が求められる。具体的には、スパッタ成膜であり、「ステップカバレッジ＝最薄部膜厚／平坦部膜厚」（平坦部の膜厚に対する最も薄い部分の膜厚の比）を０．５程度に設定する。通常、真空蒸着のステップカバレッジは０近傍であるが、成膜時圧力を上げることでステップカバレッジを上げることができる。後述するドライエッツング耐性が高い材料を成膜に使用する場合は、ステップカバレッジが０．５よりも小さい方が好ましい。
加工抑制膜ＰＲ２に使用する材料には、ＴＦＬＮ加工時に適当な選択比が得られること、リリース層をサイドエッチングする時に、同時に除去されない材料であることが挙げられる。具体的には、リリース層がＷＯｘの場合、Ｃｒ等が好適に用いられる。また、ＴＦＬＮ加工後、加工抑制膜を残したまま商品化することも可能である。この場合、膜材料として、光吸収が起きないこと、屈折率がＳｉＮやＬＮよりも低いことが追加条件となる。具体的な加工抑制膜の材料として、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＨｆＯ２、ＧｅＯ２等が可能である。ただし、ＴＦＬＮのドライエッチング条件によって加工抑制膜の材質は異なるため、上記材料に限定されるものではない。加工抑制膜ＰＲ２の厚さは、ＴＦＬＮ導波路形成時の加工でＳｉＮ導波路（ＳｉＮ）のみでなく、ＳｉＮをコア部とし、クラッド部として機能する低屈折率層１１の一部を含む範囲の内側まで加工されない厚さが必要である。ＴＦＬＮのエッジ部の上部の加工抑制膜ＰＲ２の厚さは付いていればよく、ＴＦＬＮ導波路形成後にＴＦＬＮの基板２が露出している状態が好ましい。
（ＳＴＥＰ６）
リリース層２４を適切な薬液等で除去し、保持部材を剥離する（図９（ｅ）参照）。ＳＴＥＰ４で用いた薬液にて剥離することも可能である。
（ＳＴＥＰ７）
ＳｉＮ導波路１０１を含む基板（１０１，１１，１２）にＴＦＬＮを接合した基板「ＴＦＬＮ付きＳｉＮ導波路基板」にレジストを塗布し、レジストパターンＰＲ３を形成する。パターンの位置合わせは、ＳｉＮ導波路１０１に対して行う。ここで、レジストＰＲ３は、ＴＦＬＮ（第２基板２）の外周部を覆い被さる（オーバーハング）必要がない。レジストＰＲ３は、ＴＦＬＮを保護するレジストであり、ＴＦＬＮにリブ型光導波路２０を形成するためのレジストである（図９（ｆ）参照）。例えば、図３（ｂ）のようにオーバーハングした場合には、レジストＰＲ３の下に位置する第２基板の厚みが、リブ型光導波路２０における第２基板の厚みと同じとなる。これでは、本発明の光導波路素子の特徴である、第２基板のエッジ部の凸部の高さをリブ型光導波路よりも低くすることが困難となる。
（ＳＴＥＰ８）
レジストパターンＰＲ３をマスクとして、ＴＦＬＮをドライエッチングすることで、ＴＦＬＮにリブ型光導波路２０を形成する（図９（ｇ）参照）。ＴＦＬＮのエッジ部の加工抑制膜ＰＲ２の膜厚はＳｉＮ導波路上の膜厚よりも薄いため、ＴＦＬＮ導波路形成後にＬＮが露出することがある。この状態は、「ＴＦＬＮリブ型光導波路２０の厚み」＞「ＴＦＬＮの凸部２３の厚み」＞「ＴＦＬＮ加工部分２１の厚み」の大小関係を形成し、光導波路の光損失を抑制する観点からも望ましい状態となる。
図１０（ａ）は、上述した製造プロセスで作成した光導波路素子の一部を示す平面図である。ＴＦＬＮの凸部２３の外側には、加工抑制膜ＰＲ２が残った状態となっている。また、凸部２３の厚みは、リブ型光導波路２０の厚みよりも薄く、主に加工される加工部２１よりも厚くなる。さらに、光閉じ込めが弱いＳｉＮ導波路１０を用いた場合であっても、ＴＦＬＮのエッジ部近傍で光が散乱することは、Ｓｉ導波路と同じである。そのため、ＳｉＮ導波路１０の一部には、光閉じ込めが強い導波路幅（１００）が用いられる。
ＳｉＮ導波路１０からＴＦＬＮのリブ型光導波路２０への光移行は、ＳｉＮ導波路幅を連続的に狭めるテーパー状１０Ａとすることで実効屈折率を低下させ、他方のＴＦＬＮのリブ型光導波路２０は逆に連続的に広げるテーパー状２０Ａとすることで実効屈折率を上げている。そして両者の実効屈折率が同等になることで、光移行が行われる。
図１０（ｂ）の実施例では、製造トレランスを考慮した構造となっており、ＳｉＮ導波路１０とリブ型光導波路２０との相互の位置関係が図面の左右方向に若干ズレた場合でも安定的な光移行を可能としている。具体的な光導波路の幅の変化を図１１に示す。図１１のように、ＴＦＬＮのリブ型光導波路２０のテーパ部２０Ｂで、ＳｉＮ導波路１０は実効屈折率が変化しない一定幅の光導波路１０Ｂであり、各導波路の実効屈折率を交差させることで、低損失光移行と製造トレランスを確保することができる。
以下では、ＳｉＮ導波路とＴＦＬＮのリブ型光導波路との間で低損失な光移行を実現するための、具体的な設計条件について説明する。
まず、図１２（ａ）に示すように、ＳｉＮ導波路１０に途中からＴＦＬＮ２を装荷させた構造を考える。ＳｉＮ導波路に光を入射した時、ＴＦＬＮ２のエッジ部で屈折率が急激に変化するため、光が散乱する。この時のロスは、図１２（ｂ）と図１２（ｃ）の屈折分布によって導波する光の重なり積分にて算出することができる。
ＳｉＮ導波路厚さ（ｈ）を０．５μｍと固定し、ＳｉＮ導波路幅（ｗ）、ＳｉＮ導波路とＴＦＬＮの間隔（ｄ）及びＴＦＬＮの厚さ（ｔ）を以下の数値範囲で変化するパラメータとして、ＴＦＬＮ装荷による光損失を計算した結果が図１３である。ただし、波長１．５５μｍ、ＴＥモードにて計算した。
ｗ＝０．４～１．６μｍ
ｄ＝０．１～０．５μｍ
ｔ＝０．０５～０．２５μｍ
図１３から、ＳｉＮ導波路とＴＦＬＮとの間隔ｄが大きいほど、ＳｉＮ導波路とＴＦＬＮの相互作用が小さくなるため光損失は小さくなる。同様に、ＴＦＬＮの厚さｔが小さくなるほど光損失は小さくなる。注目すべき点は、ＳｉＮ導波路幅ｗを大きくしていくと光損失が低下し、１．２μｍ以上になると、一定値になることである。
このため、ＳｉＮ導波路幅ｗを１．４μｍと固定して、ｔとｄをパラメータとしたときの光損失（重なり積分）の等高線を図１４に示す。
ＴＦＬＮ装荷による光損失を０．１ｄＢ以下と規定した場合、図１４の０．１ｄＢのラインを直線で近似すると、以下の関係式が成り立つ。
ｔ≦０．２９ｄ＋０．０７２
ただし、ＳｉＮ膜は、非量論比組成（ＳｉＮｘ，ｘ≠１．３３）にしたり、密度を変えることで、屈折率を変えることができる。さらに、ＬＮも非量論比組成が可能であるだけでなく、不純物ドープ（Ｍｇ，Ｚｎ等）によって屈折率調整が可能である。そのため、上記式が成り立つ条件は、ＳｉＮ膜が量論比組成で、ＬＮは一致溶融組成でのみ正しい。
次に、ＴＦＬＮにリブ構造を付加した状態を考える。ＳｉＮ導波路１０とＴＦＬＮのリブ型光導波路２０の光接続に方向性結合器を用いた場合について説明する。
シミュレーションした構造の斜視図を図１５（ａ）に示す。図１５（ｂ）は、この構造の平面図であり、各導波路の寸法記号も記載している。ＳｉＮ導波路の光入射部の幅ＳｉＮ＿ｗ１＝０．８μｍを固定し、装荷されたＴＦＬＮのエッジ部でのＳｉＮ導波路幅をＳｉＮ＿ｗ２＝１．４μｍと太くする。これは、ＴＦＬＮエッジでの光損失を抑制するためである。ＴＦＬＮ装荷の内側でのＳｉＮ導波路幅をＳｉＮ＿ｗ３まで細くすることで、ＳｉＮ導波路を伝搬している光がＴＦＬＮの影響を受ける状態にする。
上部のＴＦＬＮのリブ型光導波路２０については、ＳｉＮ導波路１０（１０１）と相互作用する領域の長さをＤＣ＿Ｌとし、リブ導波路の幅をＬＮ＿ｗ１とした。その後、リブ型光導波路２０の幅をＬＮ＿ｗ２＝１．０μｍまで太くすることで、光を導波路内に閉じ込めた。図１５（ｂ）の一点鎖線Ｅ－ＥとＦ－Ｆにおける断面図を、それぞれ図１５（ｃ）及び（ｄ）に示す。ＳｉＮ導波路の厚さｈ＝０．５μｍと固定されており、上部クラッド層厚さをｄとした。ＴＦＬＮの厚さＬＮ＿ｔ＝０．５μｍは、リブ構造コア部の厚さに対応している。
また、リブ構造に加工された箇所のＴＦＬＮの残存厚さは、ｔである。
この構造で、ＳｉＮ＿ｗ３＝１．０μｍ、ＬＮ＿ｗ１＝０．７５μｍ、ｄ＝０．３μｍ、ｔ＝０．１μｍと固定し、ＤＣ＿Ｌをパラメータとして計算した結果を図１６（ａ）に示す。計算の際に使用したパラメータを表１に示す。
Figure 2024142673000002
図１６（ａ）の縦軸は、出射光量（ＴＦＬＮのリブ型光導波路からの出射光の光量）を入射光量（ＳｉＮ導波路への入射光の光量）で割った値である。結合長ＤＣ＿Ｌ＝８．０μｍにすることで、透過率が９５％（０．２ｄＢ）になることが判った。参考として、結合長ＤＣ＿Ｌ＝８．０μｍの時の波長依存性（１５００～１６００ｎｍ）を図１６（ｂ）に示す。
さらに、ＴＦＬＮのエッジ部に凸部が形成された場合を考える。シミュレーションした構造の斜視図を図１７（ａ）に、平面図を図１７（ｂ）に、平面図の一点鎖線Ｇ－Ｇにおける断面図を図１７（ｃ）に各々示す。図１５で使用した寸法記号は、図１７でも同じであり、相違点は、ＴＦＬＮのエッジ部の凸部２３だけ異なる。この凸部は、図１７（ｃ）に記載されているように、光が伝搬する方向の長さＬＮ＿Ｌと厚さＬＮ＿ｈで記述している。
この構造で、図１５で使用したパラメータ（表１）を固定し、ＬＮ＿ｈとＬＮ＿Ｌをパラメータとして光損失計算を行った結果を図１８に示す。光損失の上限を０．５ｄＢとした場合、ＬＮ＿ｈ＜０．１７μｍ又はＬＮ＿Ｌ＜１．２μｍとなる。さらに、光損失の上限が１．０ｄＢの場合、ＬＮ＿ｈ＜０．２１μｍ又はＬＮ＿Ｌ＜２．０μｍとなる。つまり、凸部２３におけるＳｉＮ導波路の光波の伝搬方向の長さは、２μｍ以下であることが好ましい。
以上では、チップレベルでＳｉＮ導波路とＴＦＬＮの接合を説明していた。本発明に使用する製造プロセスは、ウェハレベルでも実現可能であることを説明する。なお、以下の各ステップの番号は、図８及び９の製造工程のステップの番号とも関連している。
（ＳＴＥＰ１）
ＳｉＮ導波路を含む基板を準備する。
（ＳＴＥＰ２－１）
図１９（ａ）のように、リリース層２４を付けたＴＦＬＮ２を準備する。
（ＳＴＥＰ２－２）
図１９（ｂ）のように、ＴＦＬＮのエッジとなる箇所に貫通穴を形成する。ＭＥＭＳで使用されるＳｉ深堀加工や、レーザ加工等が好適である。
（ＳＴＥＰ２－３）
図１９（ｃ）のように、ＴＦＬＮ２を支持している保持部材２５の不要な個所を適当な方法（ドライエッチング、レーザ加工、ダイサー等の機械加工）で除去する。
（ＳＴＥＰ３）
図１９（ｄ）のように、上記ウェハを洗浄後、ＳｉＮ導波路付きウェハと貼り合わせる。この時、ＴＦＬＮのエッジをＳｉＮ導波路の幅が広い箇所（図６の符号１００参照）に来るように調整する。
（ＳＴＥＰ４）
図１９（ｅ）のように、貫通穴を介してリリース層２４のサイドエッチングを行う。
（ＳＴＥＰ５）
加工抑制膜ＰＲ２を成膜する。（図９（ｄ）参照）
（ＳＴＥＰ６）
リリース層２４を完全に剥離させる。（図９（ｅ）参照）
（ＳＴＥＰ７，８）
難加工材ＰＲ３を成膜し、リブ型光導波路２０、凸部２３などの加工を行う（図９（ｆ）及び（ｇ）参照）。その後電極形成を行う。
上述した製造プロセスによれば、ウェハレベルでも本発明の光導波路素子が製造可能であることが理解される。
次に、本発明の光導波路素子を光変調器として用いる際に、マッハツェンダー型光導波路の作用部（電極の電界が光導波路に作用する部分）にのみＴＦＬＮを用いる方法を説明する。
（ＳＴＥＰ１）
図２０（ａ）のように、ＳｉＮ導波路１０を準備する。
（ＳＴＥＰ２，３）
図２０（ｂ）のように、ＴＦＬＮ２を付けた基板（保持部材やリリース層を含む。「ＴＦＬＮ付基板」という。）をＳｉＮ導波路１０を形成した基板（低屈折率層１１を含む）に張り合わせる。この時、ＳｉＮ導波路の幅が太い箇所１００の長さが、「ＴＦＬＮ付基板の寸法」と「張り合わせ精度」に対する製造トレランスになる。
（ＳＴＥＰ４，５，６）
リリース層をサイドエッチングし、図２０（ｃ）のように、加工抑制膜ＰＲ２を成膜する。リリース層を除去し、保持部材を剥離する。
（ＳＴＥＰ７）
図２０（ｄ）のように、レジスト（難加工材）ＰＲ３をパターニングする。パターニング時の位置合わせは、リブ型光導波路の形成位置やＳｉＮ導波路が形成されている基板で保護すべき部分に対し実施する。
（ＳＴＥＰ８）
図２０（ｅ）のように、ＴＦＬＮを加工し、加工抑制膜ＰＲ２や難加工材ＰＲ３を除去する。ＭＺ構造の上下に陥没部ＲＣが形成された状態を記載しているが、この箇所は、導波路がないので加工されても問題がない。
その後、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、広帯域幅コヒーレントドライバ変調器（ＨＢ－ＣＤＭ：High Bandwidth-Coherent Driver Modulator）の一例を用いて説明するが、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い又はより少ない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導波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。
図２１に示すように、光導波路素子は、ＳｉＮ導波路１０やリブ型光導波路２０で構成される光導波路と、リブ型光導波路２０を伝搬する光波を変調する変調電極などの制御電極（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２１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、偏波合波部ＯＢなどを用いて光導波路素子内のＳｉＮ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、ＳｉＮ導波路を含む基板（低屈折率層１１を含む）の端面に沿って補強部材（不図示）を重ねて配置することも可能である。偏波合成部ＯＢは、非特許文献３に記載されている導波路構造をＳｉＮ導波路に適用することで空間系を導波路に置き換えることができ、製造・部材コストを抑制することができる。
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２１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。
光変調デバイスＭＤへの入力光Ｌ１は、光送信装置ＯＴＡの外部から供給されても良いが、図２１に示すように半導体レーザー（ＬＤ）を光源とすることも可能である。光変調デバイスＭＤで変調された出力光Ｌ２は、光ファイバＦにより外部に出力される。
以上説明したように、本発明によれば、ＳｉＮ導波路やＴＦＬＮのリブ型光導波路のように、両者の屈折率差が少なくなった場合でも両者間の光移行を低損失で行うことが可能な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 第１基板
１０ 第１光導波路（ＳｉＮ）
１１ 低屈折率層
１２ 保持基板
２ 第２基板（ＴＦＬＮ）
２０ 第２光導波路（リブ型光導波路）
２３ 凸部
２４ リリース層
２５ 保持部材
Ｆ 光ファイバ
ＬＤ 光源
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 (8)

  1. 第１光導波路と、該第１光導波路を覆い、該第１光導波路より屈折率の低い材料で構成される低屈折率層とを有する第１基板と、
    該第１基板に接合されると共に、電気光学効果を有する材料で構成され、第２光導波路であるリブ型光導波路を有する第２基板とを有し、
    該第１光導波路と該第２光導波路とは互いに光学的に結合した部分を有する光導波路素子において、
    該光導波路素子を平面視した際に、該第１光導波路と該第２基板とが重なる境界部には、該第２基板に凸部が形成され、該凸部における該第２基板の厚みは、該第２光導波路における該第２基板の厚みより薄く構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、該凸部における該第１光導波路の光波の伝搬方向の長さは、２μｍ以下であることを特徴とする光導波路素子。
  3. 請求項１に記載の光導波路素子において、該境界部における該第１光導波路の幅は、該境界部の前段又は後段に位置する該第１光導波路の幅よりも広くなるように設定されていることを特徴とする光導波路素子。
  4. 請求項１に記載の光導波路素子において、該第１光導波路と該第２光導波路との間の屈折率の差は０．８以下であることを特徴とする光導波路素子。
  5. 請求項４に記載の光導波路素子において、該第１光導波路はＳｉＮで構成され、該第２基板はニオブ酸リチウムで構成されることを特徴とする光導波路素子。
  6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の光導波路素子は筐体内に収容され、
    該第１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。
  7. 請求項６に記載の光変調デバイスにおいて、
    該第２基板には、該第２光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極を有し、
    該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。
  8. 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光波を入力する光源と、
    該光変調デバイスに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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