JP7526583B2 - 光導波路デバイスおよび光導波路デバイスの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、光変調器等の光導波路デバイスおよび光導波路デバイスの製造方法に関する。
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（以下、Ｂｕｌｋ ＬＮ変調器と称す）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。
薄膜ＬＮ光変調器に関連する技術としては、例えば、単結晶基板の主面上にエピタキシャル成長によりニオブ酸リチウム膜（ｃ軸は単結晶基板の主面に垂直方向に配向）を形成したものがある。このニオブ酸リチウム膜に凸状のリッジ形状部を形成することで光導波路とし、リッジ形状部にバッファ層と、電極を積層形成してなる光変調器がある。バッファ層はリッジ形状部の凸に応じた段差を有して被膜することでリッジ形状部の破損を低減させている（例えば、下記特許文献１～３参照。）。特許文献２は特許文献１に対応する米国出願であり、特許文献３は特許文献１の優先権主張の基礎出願である。
しかしながら、従来の薄膜ＬＮ光変調器では、光導波路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に近いと、光導波路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、バッファ層を厚くする必要がある。その一方、光変調器の電界効率は電極と光導波路の距離が近いほど高くなるため、電界効率を上げて光変調器を小型化するためには、バッファ層を薄くする必要がある。このように、従来の薄膜ＬＮ光変調器では、バッファ層の厚さについて、散乱損失の低減と電界効率の改善（小型化）のトレードオフが問題となり、散乱損失が小さくかつ電界効率を改善した小型な薄膜ＬＮ光変調器を実現できなかった。
また、特許文献１～３に記載の技術は、Ｚｃｕｔ薄膜ＬＮ光変調器の実現に関する。しかし、薄膜ＬＮにＺｃｕｔを用いた薄膜ＬＮ光変調器では、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。
一つの側面では、本発明は、散乱損失が小さく、かつ電界効率が高い光導波路デバイスが提供できることを目的とする。
一つの実施態様によれば、基板上に、バッファ層が積層され、前記バッファ層内部にＸｃｕｔニオブ酸リチウムからなる矩形コアの光導波路が形成され、前記光導波路を中心とした両側部に配置された電極を有し、前記バッファ層は、前記光導波路の上部および側壁に所定厚さを有し、前記電極の底面が設けられる部分は、少なくとも所定厚さの前記バッファ層の表面の位置よりも低い位置とした光導波路デバイスおよび光導波路デバイスの製造方法が提案される。
一態様によれば、散乱損失が小さく、かつ電界効率が高い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および薄膜ＬＮ光導波路デバイスの製造方法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。
（薄膜ＬＮ光変調器の構成例）
図１は、実施の形態にかかる薄膜ＬＮ光変調器を示す平面図、図２は、実施の形態にかかる薄膜ＬＮ光変調器の断面図である。図２は、図１のＡ－Ａ’線断面図を示す。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１００を例に説明する。
図１は、実施の形態にかかる薄膜ＬＮ光変調器を示す平面図、図２は、実施の形態にかかる薄膜ＬＮ光変調器の断面図である。図２は、図１のＡ－Ａ’線断面図を示す。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１００を例に説明する。
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。
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２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２に示す光導波路１２２ａは、図１に示した光導波路１０２に相当する。
実施の形態では、薄膜ＬＮ層１２２としてＸｃｕｔのニオブ酸リチウムを用いる。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構造としている。
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。
実施の形態では、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２（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２（ｂ），図２（ｃ）に示す構成例では、図２（ａ）よりもそれぞれエッチング量を増やしている。図２（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を位置して設けることにより、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２（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２（ａ）の構成例よりも図２（ｂ）の構成例の方がエッチング量が多く、図２（ｂ）の構成例よりも図２（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３は、実施の形態にかかる薄膜ＬＮ光変調器の他の構成例の断面図である。図３においても、図１のＡ－Ａ線断面に相当する。図２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３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３（ｂ），図３（ｃ）に示す構成例では、図３（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。ここで、図３（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。ここで、図３（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から隙間ｗ３を有して離れる例を説明した。
図３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４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に示す構成例は、光導波路１２２ａを矩形コア（チャネルタイプ）としたものである。図５に示す薄膜ＬＮ光変調器１００は、基板１２０上に、バッファ層１２３を積層し、このバッファ層１２３の内部に断面が矩形状の光導波路１２２ａを形成する。バッファ層１２３は、光導波路１２２ａへの光の閉じ込めを強める。
そして、バッファ層１２３は、光導波路１２２ａの矩形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、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、矩形コアの光導波路１２２ａを有する薄膜ＬＮ光変調器１００の構成例においても、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、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。
このような矩形コアの光導波路１２２ａを有する薄膜ＬＮ光変調器１００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。バッファ層１２３の厚さの範囲内でより深い位置、例えば、高さｈ２、あるいは高さｈ３に相当する位置まで深くしてもよい（図２（ｂ），（ｃ）等に相当）。また、マスクを用いた際の電極１１１の位置誤差により、電極１１１の位置がバッファ層１２３の凹部１２３ａに対して隙間ｗ３が形成される場合（図３に相当）がある。また、電極１１１の位置がバッファ層１２３の凹部１２３ａ部分に位置する場合（図４に相当）がある。これらいずれにおいても、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、矩形コアの光導波路１２２ａを有する薄膜ＬＮ光変調器１００においても、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６は、実施の形態にかかる薄膜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２（ｂ），（ｃ）等参照）。
（従来技術との対比）
図７は、実施の形態と対比用の従来の薄膜ＬＮ光変調器の構成例の断面図である。図７において、実施の形態と同様の構成部には同じ符号を付してある。従来の薄膜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は、実施の形態と対比用の従来の薄膜ＬＮ光変調器の構成例の断面図である。図７において、実施の形態と同様の構成部には同じ符号を付してある。従来の薄膜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。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）の構造の従来の薄膜ＬＮ光変調器７００では、実施の形態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）の構造の従来の薄膜ＬＮ光変調器７００では、実施の形態に比べて散乱損失が増加する。
このような従来技術に対し、実施の形態では、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。
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、Ｘｃｕｔ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層にリッジ形状の光導波路が形成され、光導波路を中心とした両側部に配置された電極を有する。そして、電極の底面が、バッファ層の表面の位置よりも低い位置に設ける。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、電極の底面を、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、電極の底面を、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。
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。
また、薄膜ＬＮ光変調器１００は、基板上に、バッファ層が積層され、バッファ層内部にＸｃｕｔニオブ酸リチウムからなる矩形コアの光導波路と、光導波路を中心とした両側部に配置された電極を有する構成としてもよい。この場合においても、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。
そして、実施の形態では、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。実施の形態では、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、実施の形態によれば、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でき、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るようになる。
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、Ｘｃｕｔ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層にリッジ形状の光導波路が形成された光導波路デバイスにおいて、
前記光導波路を中心とした両側部に配置された電極を有し、
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光導波路デバイス。
前記光導波路を中心とした両側部に配置された電極を有し、
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光導波路デバイス。
（付記２）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１に記載の光導波路デバイス。
（付記３）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１に記載の光導波路デバイス。
（付記４）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１に記載の光導波路デバイス。
（付記５）前記薄膜ＬＮ層に形成される前記光導波路の前記リッジ形状に対応して、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１～４のいずれか一つに記載の光導波路デバイス。
（付記６）基板上に、バッファ層が積層され、前記バッファ層内部にＸｃｕｔニオブ酸リチウムからなる矩形コアの光導波路が形成された光導波路デバイスにおいて、
前記光導波路を中心とした両側部に配置された電極を有し、
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光導波路デバイス。
前記光導波路を中心とした両側部に配置された電極を有し、
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光導波路デバイス。
（付記７）基板上に中間層を積層し、
前記中間層上にＸｃｕｔニオブ酸リチウムの薄膜ＬＮ層を積層し、
前記薄膜ＬＮ層にリッジ形状の光導波路を形成し、
前記光導波路を含む前記薄膜ＬＮ層上にバッファ層を積層し、
前記光導波路を中心とした両側部に電極を形成する、光導波路デバイスの製造方法において、
前記電極の底面を、前記バッファ層の表面の位置よりも低い位置に設けることを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
前記中間層上にＸｃｕｔニオブ酸リチウムの薄膜ＬＮ層を積層し、
前記薄膜ＬＮ層にリッジ形状の光導波路を形成し、
前記光導波路を含む前記薄膜ＬＮ層上にバッファ層を積層し、
前記光導波路を中心とした両側部に電極を形成する、光導波路デバイスの製造方法において、
前記電極の底面を、前記バッファ層の表面の位置よりも低い位置に設けることを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
（付記８）前記電極の底面は、前記バッファ層を所定深さ削った位置の段差部上に設けることを特徴とする付記７に記載の光導波路デバイスの製造方法。
（付記９）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削った位置の段差部上に設けることを特徴とする付記７に記載の光導波路デバイスの製造方法。
（付記１０）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削った位置の段差部上に設けることを特徴とする付記７に記載の光導波路デバイスの製造方法。
（付記１１）基板上に、バッファ層を積層し、
前記バッファ層内部にＸｃｕｔニオブ酸リチウムからなる矩形コアの光導波路を形成し、
前記光導波路を中心とした両側部に電極を形成する、光導波路デバイスの製造方法において、
前記電極の底面を、前記バッファ層の表面の位置よりも低い位置に設けることを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
前記バッファ層内部にＸｃｕｔニオブ酸リチウムからなる矩形コアの光導波路を形成し、
前記光導波路を中心とした両側部に電極を形成する、光導波路デバイスの製造方法において、
前記電極の底面を、前記バッファ層の表面の位置よりも低い位置に設けることを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
（付記１２）前記光導波路の形状に対応して、前記バッファ層に生じる凹部を削り、前記バッファ層の表面を平坦化したことを特徴とする付記７～１１のいずれか一つに記載の光導波路デバイスの製造方法。
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 (4)
- 基板上に、バッファ層が積層され、前記バッファ層内部にＸｃｕｔニオブ酸リチウムからなる矩形コアの光導波路が形成された光導波路デバイスにおいて、
前記光導波路を中心とした両側部に配置された電極を有し、
前記バッファ層は、前記光導波路の上部および側壁に所定厚さを有し、前記電極の底面が設けられる部分は、少なくとも所定厚さの前記バッファ層の表面の位置よりも低い位置としたことを特徴とする光導波路デバイス。 - 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請求項１に記載の光導波路デバイス。
- 基板上に、バッファ層を積層し、
前記バッファ層内部にＸｃｕｔニオブ酸リチウムからなる矩形コアの光導波路を形成し、
前記光導波路を中心とした両側部に電極を形成する、光導波路デバイスの製造方法において、
前記バッファ層は、前記光導波路の上部および側壁に所定厚さを有し、前記電極の底面が設けられる部分は、少なくとも所定厚さの前記バッファ層の表面の位置よりも低い位置としたことを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。 - 前記光導波路の形状に対応して、前記バッファ層に生じる凹部を削り、前記バッファ層の表面を平坦化したことを特徴とする請求項３に記載の光導波路デバイスの製造方法。
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