特開 2021-105649 光導波路素子および光変調器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2021-105649(P2021-105649A)

(43)【公開日】2021年7月26日

(54)【発明の名称】光導波路素子および光変調器

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/035 20060101AFI20210625BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/035

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2019-236028(P2019-236028)

(22)【出願日】2019年12月26日

(71)【出願人】

【識別番号】000183266

【氏名又は名称】住友大阪セメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100140501

【弁理士】

【氏名又は名称】有我 栄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100072604

【弁理士】

【氏名又は名称】有我 軍一郎

(72)【発明者】

【氏名】岡橋 宏佑

【テーマコード（参考）】

2K102

【Ｆターム（参考）】

2K102AA21

2K102BA03

2K102BB01

2K102BB04

2K102BC04

2K102BD01

2K102CA23

2K102CA28

2K102DA05

2K102DB05

2K102DC08

2K102DD01

2K102DD05

2K102EA02

2K102EA12

2K102EB11

2K102EB30

(57)【要約】

【課題】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。
【解決手段】光導波路素子１は、電気光学効果を有する基板５と、基板５に形成された光導波路１０と、基板５上に設けられたバッファ層９とを備えており、基板５とバッファ層９との間に、バッファ層９による基板５への応力の影響を低減させることができる樹脂８が配設されていることを特徴とする。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

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バッファ層と、を備える光導波路素子であって、
前記基板と前記バッファ層との間に樹脂が配設されていることを特徴とする光導波路素子。

【請求項2】

前記樹脂が、変調電極が形成される領域とは異なる前記バッファ層上の領域の直下の一部または全面に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。

【請求項3】

前記樹脂の厚さが１．０μｍ以上である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。

【請求項4】

前記樹脂が、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のいずれか一方であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光導波路素子。

【請求項5】

前記基板の厚さが４．０μｍ以下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。

【請求項6】

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５のいずれか一項に記載の光導波路素子。

【請求項7】

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６のいずれか一項に記載の光導波路素子。

【請求項8】

請求項１から７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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

下記の特許文献１には、電気光学効果の媒体として有機材料からなるコア層を有し、コア層とクラッド層との間のコア層の周囲に応力緩和層が形成されている有機導波路型光変調器が開示されている。特許文献１に開示されている光変調器によれば、コア層とクラッド層の材料の熱膨張係数の差により生じる応力を緩和することができる。

【0005】

下記の特許文献２には、電気光学効果を有する基板と、基板に形成された２本の光導波路と、基板を保持する台座とを具備し、基板と台座を接着する接着層が２本の光導波路から遠い位置に配置された光変調器が開示されている。特許文献２に開示されている光変調器によれば、台座と基板との熱膨張係数の差に起因して発生する２本の光導波路間における応力複屈折率の差を小さくすることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００６−２４３３７６号公報

【特許文献2】特開２０１０−１８１４５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

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ＳｉＯ_２等が用いられる。

【0008】

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。

【0009】

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導波路素子では、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。

【0010】

特許文献１の開示技術は、有機材料からなるコア層の周囲に応力緩和層を形成して、コア層とクラッド層との間における応力を緩和するものであり、バッファ層による基板への応力を緩和するものではない。

【0011】

また、特許文献２の開示技術は、基板と台座とを接着する接着層に関して、２本の光導波路間における応力複屈折率の差を小さくするために、２本の光導波路から遠い位置に接着層を配置するものであり、バッファ層による基板への応力を緩和するものではない。

【0012】

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。

【課題を解決するための手段】

【0013】

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。

【0014】

（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バッファ層と、を備える光導波路素子であって、前記基板と前記バッファ層との間に樹脂が配設されていることを特徴とする。

【0015】

この構成により、基板とバッファ層との間に配設された樹脂によって、バッファ層による基板への応力を低減させることができる。樹脂はバッファ層に用いられるＳｉＯ_２等の材料と比べて剛性の低い材料（樹脂のヤング率：おおよそ１〜２ＧＰａ）であり、基板とバッファ層との間に熱膨張率差があっても、熱膨張率差により生じる応力を緩和する緩衝材としての役割を果たす。その結果、樹脂の配設によって、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。

【0016】

（２） 上記（１）に記載の光導波路素子において、前記樹脂が、変調電極が形成される領域とは異なる前記バッファ層上の領域の直下の一部または全面に配設されていることを特徴とする。

【0017】

この構成により、変調電極から光導波路への電界の印加を妨げることがない領域であって、変調電極からの電界が光導波路へ適切に印加できる領域に樹脂を配設することができる。

【0018】

（３） 上記（１）または（２）に記載の光導波路素子において、前記樹脂の厚さが１．０μｍ以上であることを特徴とする。

【0019】

この構成により、バッファ層による基板への応力を確実に低減させることができる厚さの樹脂を配設して、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。

【0020】

（２） 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、前記樹脂が、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のいずれか一方であることを特徴とする。

【0021】

この構成により、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のいずれか一方を材料とするフォトレジストを用いて、バッファ層による基板への応力を低減させることができ、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。特に、フォトリソグラフィプロセスによって基板上に樹脂を形成することができ、樹脂のパターン形状や厚さ等を精度良く容易にコントロールすることができる。

【0022】

（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、前記基板の厚さが４．０μｍ以下であることを特徴とする。

【0023】

この構成により、基板の薄板化に伴って基板に生じる応力の影響が大きくなる場合であっても、基板とバッファ層との間に配設された樹脂によって、バッファ層による基板への応力を低減させることができ、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。

【0024】

（６） 上記（１）から（５）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。

【0025】

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、基板とバッファ層との間に配設された樹脂によって、バッファ層による基板への応力を低減させることができ、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。

【0026】

（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、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。

【0027】

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、基板とバッファ層との間に配設された樹脂によって、バッファ層による基板への応力を低減させることができ、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。

【0028】

（８） 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（７）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。

【0029】

この構成により、基板とバッファ層との間に配設された樹脂によって、バッファ層による基板への応力を低減させ、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。

【発明の効果】

【0030】

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。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】本発明の実施の形態において、光導波路素子を構成する基板上に形成された光導波路の一例を説明するための平面図である。

【図2】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。

【図3】本発明の実施の形態における光導波路素子を模式的に示す平面図であり、図１の領域Ｒにおける樹脂の配設パターンの一例を模式的に示す図である。

【図4】本発明の実施の形態における光導波路素子の一例を模式的に示す平面図であり、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、図１の領域Ｒにおける樹脂の配設パターンの派生例を示す図である。

【図5】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２の例を示す図であり、基板上に変調電極が形成された状態を示す図である。

【図6】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３の例を示す図であり、基板上に変調電極が形成された状態を示す図である。

【図7】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、基板上に変調電極が形成された状態を示す図である。

【図8】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５の例を示す図であり、基板上に変調電極が形成された状態を示す図である。

【図9】本発明の実施の形態に係る光変調器の構成の一例を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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、このような構成に限定されるものではない。例えば、図９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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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の上に基板５が設けられており、さらに基板５の上にバッファ層９が設けられた構造を有している。

【0042】

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（ＬｉＴａＯ_３）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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

補強基板７は、極めて薄い基板５の強度を補い、基板５やバッファ層９、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、例えば、基板５の裏側に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。

【0047】

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。

【0048】

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、基板５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。

【0049】

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、基板５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。接着層２０には、Ｓｉ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、ＳｉＯ_２等が用いられる。

【0050】

また、基板５上にはバッファ層９が設けられている。本発明の実施の形態におけるバッファ層９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。バッファ層９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。バッファ層９に用いられる材料として、一般的にバッファ層９に用いられているＳｉＯ_２や、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＨｆＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＦ_２、Ｙ_２Ｏ_３等を用いることができる。

【0051】

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。

【0052】

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、バッファ層９には例えばＳｉＯ_２が用いられるが、基板５の材料であるＬＮおよびバッファ層９の材料であるＳｉＯ_２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、バッファ層９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とバッファ層９との熱膨張率の差によって、バッファ層９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。

【0053】

その結果、バッファ層９による基板５への応力によって基板５がダメージを受け、基板５にひび割れ等が発生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。

【0054】

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、基板５とバッファ層９との間に樹脂８が配設されている。樹脂８は、その粘弾性特性により基板５とバッファ層９との間で応力を緩和する応力緩和層としての役割を果たす。樹脂８は剛性の低い材料（樹脂のヤング率：おおよそ１〜２ＧＰａ）であり、基板５とバッファ層９との間の熱膨張率の差により生じる応力を緩和する緩衝材としての役割を果たすことができる。樹脂８は、応力緩和に十分な厚さとする必要があり、例えば１．０μｍ以上とすることが望ましい。

【0055】

樹脂８は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂等の樹脂であり、一例として、ポリアミド系樹脂、メラミン系樹脂、フェノール系樹脂、アミノ系樹脂、エポキシ系樹脂等を含む。

【0056】

また、樹脂８は、例えば永久レジストであり、熱硬化型の樹脂を材料とするフォトレジストである。光導波路素子の製造工程において、スピンコートにより基板５上に樹脂８を塗布し、通常の一般的なフォトリソグラフィプロセスによってパターニングを行った後に熱硬化させることにより、基板５上に樹脂８を配設することができる。

【0057】

フォトリソグラフィプロセスによるパターニングは、従来のスパッタ成膜と比較して微細なパターン形状を高精度で形成することが可能であり、本発明の実施の形態における基板５上の樹脂形成に好適である。また、従来のスパッタ成膜で形成されるバッファ層は膜厚が薄かったが、一方、スピンコートによって樹脂８を塗布した場合には、１．０μｍ以上の膜厚であれば自在に膜厚をコントロールすることが可能であり、本発明の実施の形態における基板５上の樹脂形成に好適である。

【0058】

基板５上に樹脂８を配設してから、その上にバッファ層９をスパッタ等で成膜する場合、あらかじめ基板５上に形成された樹脂８が応力緩和層としての役割を果たし、その結果、バッファ層９による基板５への応力が緩和され、基板のひび割れやドリフト等の特性劣化を防ぐことができる。また、ウェハプロセスにおいてウェハ（基板５）を加熱する際に、基板５とバッファ層９との熱膨張率差による応力を樹脂８が緩和するため、ウェハプロセス中での基板のひび割れ等を防ぐことができる。さらに、スパッタ成膜等によりバッファ層９を成膜する場合には基板５の表面がプラズマにさらされるが、基板５の表面に樹脂８が配設されていることにより、基板５の表面がプラズマにさらされる面積を小さくすることができる。その結果、基板５の材料であるＬＮにおける酸素欠損等の発生を抑えて、ドリフト等の特性劣化を防ぐことができる。

【0059】

なお、後述するように、樹脂８は、変調電極（信号電極Ｓおよび接地電極Ｇ）が形成される領域とは異なるバッファ層上の領域の直下の一部または全面に配設されることが望ましい。すなわち、樹脂８は、変調電極が形成されるバッファ層９上の領域の直下には配設されないようにすることが望ましい。これにより、変調電極から光導波路１０への電界の印加を妨げない位置に樹脂８を配設することができ、変調電極から光導波路１０へ適切に電界を印加することができるようになる。

【0060】

図３は、本発明の実施の形態における光導波路素子１を模式的に示す平面図であり、図１の領域Ｒにおける樹脂８の配設パターンの一例を模式的に示す図である。なお、図３では、光導波路素子１の長手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３に示す配設パターンは、図１の領域Ｒを上から俯瞰した場合の図であり、バッファ層９の下に配設されている樹脂８の位置を模式的に表したものである。

【0061】

図３に示す配設パターンでは、樹脂８は光導波路素子１の長手方向（光導波路１０の延在方向）に沿って配設されている一方、変調電極が形成されるバッファ層９上の領域の直下には配設されていない。この配置パターンによれば、バッファ層９による基板５への応力を樹脂８により緩和することができ、かつ、変調電極から光導波路１０への電界印加を妨げることなく光波の変調作用に干渉しない位置に樹脂８を配設することができる。

【0062】

なお、図３に示す樹脂８の配設パターン以外に、例えば図４（ａ）〜（ｄ）に示すような配設パターンを採用することも可能である。

【0063】

図４（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態における光導波路素子１の一例を模式的に示す平面図であり、図１の領域Ｒにおける樹脂８の配設パターンの派生例を模式的に示す図である。なお、図４（ａ）〜（ｄ）では、光導波路素子１の長手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３に示す配設パターンと同様に、図４（ａ）〜（ｄ）に示す配設パターンも図１の領域Ｒを上から俯瞰した場合の図であり、バッファ層９の下に配設されている樹脂８の位置を模式的に表したものである。

【0064】

図４（ａ）に示す配設パターンは、図３に示す配設パターンの樹脂８が光導波路素子１の長手方向に対して分割された状態（長手方向に対して４つの樹脂８のセルに分割）を表している。図４（ｂ）に示す配設パターンは、図４（ａ）に示す配設パターンの樹脂８が、さらに光導波路素子１の幅方向に対して分割された状態（幅方向に対して４つの樹脂８のセルに分割）を表している。図４（ｃ）に示す配設パターンは、図３に示す配設パターンの樹脂８が光導波路素子１の幅方向に対して分割された状態（幅方向に対して４つの樹脂８のセルに分割）を表している。図４（ｄ）に示す配設パターンは、樹脂８が格子状に配設された状態を表している。

【0065】

図４（ａ）〜（ｄ）のいずれの配設パターンにおいても、バッファ層９による基板５への応力を樹脂８により緩和することができ、かつ、変調電極から光導波路１０への電界印加を妨げることなく光波の変調作用に干渉しない位置に樹脂８を配設することができる。図３および図４（ａ）〜（ｄ）の樹脂８の配設パターンはあくまでも一例であり、バッファ層９による基板５への応力緩和を達成できるものであれば、任意の配設パターンを採用することができる。

【0066】

図２、図３および図４（ａ）〜（ｄ）は、バッファ層９上に電極が形成されていない領域（例えば、図１の領域Ｒ）に樹脂８が配設されている状態を示している。一方、バッファ層９上には電極が形成される領域（例えば、図１の領域Ｄ１および領域Ｄ２）が存在している。このような領域においては、電極が形成されていない領域の下に樹脂８が配設されることが望ましい。特に光波の位相変調を行う位相変調部（領域Ｄ１）においては、変調電極が形成されていない領域の下に樹脂８を配設することが望ましい。

【0067】

また、樹脂８とバッファ層９との間の密着性は、基板５とバッファ層９との間の密着性および基板５と樹脂８との間の密着性に比べて弱くなってしまうため、樹脂８とバッファ層９との接触面積を低減させた任意のパターンを採用することができる。ただし、樹脂８とバッファ層９との接触面積を低減させると、バッファ層９による基板５への応力を緩和する作用が小さくなってしまう。このことから、バッファ層９による基板５への応力を緩和するとともに、バッファ層９が基板５から剥離しない程度に密着性を維持することができる樹脂８の配設パターンを採用することが望ましい。図４（ａ）〜（ｄ）のいずれの配設パターンは、基板５、樹脂８、バッファ層９のそれぞれの密着性を考慮した配設パターンである。これらの配設パターンでは、基板５とバッファ層９とが接触する密着性の高い部分がバランス良く配置されるように樹脂８が配設されている。

【0068】

以下、いくつかの例を挙げながら、変調電極が形成される位相変調部における樹脂８の好適な配設位置について説明する。

【0069】

図５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５は、図１の線分Ｑ−Ｑの矢視断面図である。なお、図５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。

【0070】

図５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５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。

【0071】

変調電極である信号電極Ｓおよび接地電極Ｇは、例えば、バッファ層９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、バッファ層９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９上に変調電極を形成する場合には、バッファ層９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。

【0072】

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。

【0073】

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。

【0074】

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。

【0075】

図５に示すように、位相変調部では、信号電極Ｓおよび接地電極Ｇの直下に樹脂８を配設しないようにしている。このように樹脂８の配設位置を配慮することで、図５に示す断面構造では、図５の両端（信号電極Ｇから遠い位置であって、接地電極Ｇの形成位置の外側）に樹脂８が配設されている。これにより、バッファ層９による基板５への応力を緩和することができる。

【0076】

図６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６は、図１の線分Ｑ−Ｑの矢視断面図である。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。

【0077】

図６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６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。

【0078】

図５の断面構造と図６の断面構造とを比較した場合、図５の断面構造では中央付近に１つの信号電極Ｓが配置された構成となっている一方、図６の断面構造では、中央付近に２つに分割された信号電極Ｓが配置された構成となっている。図５の中央付近の信号電極Ｓの幅方向の寸法は、２本の光導波路１０の幅方向の寸法に応じて大きくなってしまう場合がある。これに対し、図６の断面構造では、図５の中央付近の信号電極Ｓにスリットを入れることで２つの信号電極Ｓに分けられている。

【0079】

光変調器では、線路伝送中の外部ノイズ等の影響を抑制したり、低電圧での動作を可能としたりするために、ＤＳＰ（デジタル信号処理回路：Digital Signal Processor）やドライバ素子の出力に差動出力構成が用いられることがある。図６に示す断面構造のように、こうした差動出力構成における差動の電気信号を利用することができる、いわゆる「ＧＳＳＧ型」の電極構造を採用することが可能である。

【0080】

図６の２つの信号電極Ｓとバッファ層９との接触面積は、図５の信号電極Ｓと基板５との接触面積よりも小さいので、２つの信号電極Ｓの間に樹脂８を配設することが可能な領域を確保することができる。このように、図６に示す構成によれば、図５に示す構成では樹脂８を配設することができなかった２つの光導波路１０の間（幅方向中央部）に樹脂８を配設することができる。したがって、図６に示す構成は、図５に示す構成と比べて、バッファ層９による基板５への応力をより緩和することができる構成となっている。

【0081】

図７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４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７は、図１の線分Ｑ−Ｑの矢視断面図である。なお、図７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。

【0082】

図７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７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。

【0083】

図７に示すように、位相変調部では、信号電極Ｓおよび接地電極Ｇの直下に樹脂８を配設しないようにしている。このように樹脂８の配設位置を配慮することで、図７に示す断面構造では、信号電極Ｓと接地電極Ｇと間に樹脂８が配設されている。これにより、バッファ層９による基板５への応力を緩和することができる。

【0084】

図８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５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８は、図１の線分Ｑ−Ｑの矢視断面図である。なお、図８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。

【0085】

図８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８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。

【0086】

図７の断面構造と図８の断面構造とを比較した場合、図７の断面構造では中央付近に１つの接地電極Ｇが配置された構成となっている一方、図８の断面構造では、中央付近に２つに分割された接地電極Ｇが配置された構成となっている。図７の中央付近の接地電極Ｇの幅方向の寸法は、２本の光導波路１０の幅方向の寸法に応じて大きくなってしまう場合がある。これに対し、図８の断面構造では、図７の中央付近の接地電極Ｇにスリットを入れることで２つの接地電極Ｇに分けられている。

【0087】

図８の２つの接地電極Ｇとバッファ層９との接触面積は、図７の接地電極Ｇと基板５との接触面積よりも小さく、２つの接地電極Ｇの間に樹脂８を配設することが可能な領域を確保することができる。このように、図８に示す構成によれば、図７に示す構成では樹脂８を配設することができなかった２つの光導波路１０の間（幅方向中央部）に樹脂８を配設することができる。したがって、図８に示す構成は、図７に示す構成と比べて、バッファ層９による基板５への応力をより緩和することができる構成となっている。

【0088】

図５〜図８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、バッファ層９による基板５への応力を緩和することができる。

【0089】

図５〜図８の断面構造は、図３および図４（ａ）〜（ｄ）の配設パターンを含む任意の配設パターンを適用することができる。すなわち、本発明では、光導波路１０に電界を効率的に印加できるように配慮された位置であれば、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、任意の形状および任意のサイズの樹脂８を配設することができ、バッファ層９による基板５への応力を緩和することができる。

【0090】

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、図３および図４（ａ）〜（ｄ）の配設パターンを含む任意の配設パターンで樹脂８を配設することが可能である。

【0091】

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。

【0092】

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。

【0093】

図９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９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９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。

【0094】

図９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を備える。ただし、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。

【0095】

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９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。

【0096】

図９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。

【0097】

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、基板とバッファ層との間に、樹脂が任意の配置パターンで配設された構成を有する。この構成により、基板とバッファ層との間に配設された樹脂によって、バッファ層による基板への応力低減が実現される。

【0098】

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。

【0099】

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９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。

【0100】

以上説明したように、本発明によれば、基板とバッファ層との間に樹脂が任意の配置パターンで配設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。

【0101】

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。

【産業上の利用可能性】

【0102】

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。

【符号の説明】

【0103】

１、２０２ 光導波路素子
２ａ〜２ｃ 分岐部
３ａ〜３ｃ 合成部
５ 基板
６ リブ部
７ 補強基板
８ 樹脂
９ バッファ層
１０、２０６ 光導波路
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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】