(57)【要約】【課題】  広帯域での動作が可能であると共に、温度ドリフト現象及びＤＣドリフト現象の発生を抑制した光導波路デバイスを提供すること。【解決手段】   電気光学効果を有する基板１に、光導波路２と電極（ＳＥ，ＧＥ）とを有する光導波路デバイスにおいて、該基板１の厚さは、３０μｍ以下であり、該基板を接着層４を介して保持する保持基板５を備え、該接着層は、該基板の誘電率より低い誘電率を持つ活性エネルギー線硬化型樹脂からなる材料であり、かつ、ガラス転移温度が該光導波路デバイスの動作保証温度の上限値以上の材料で構成されていることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波を変調するために該基板に形成された電極とを有する光導波路デバイスにおいて、
該基板の厚さは、３０μｍ以下であり、
該基板を接着層を介して保持する保持基板を備え、
該接着層は、該基板の誘電率より低い誘電率を持つ活性エネルギー線硬化型樹脂からなる材料であり、かつ、ガラス転移温度が該光導波路デバイスの動作保証温度の上限値以上の材料で構成されていることを特徴とする光導波路デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の光導波路デバイスにおいて、該動作保証温度の上限値は８５℃であることを特徴とする光導波路デバイス。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光導波路デバイスにおいて、該保持基板は、電気光学効果を有する基板と同じ材質で形成されていることを特徴とする光導波路デバイス。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路デバイスにおいて、該接着層の厚みは３０μｍ以上、１００μｍ以下の範囲に設定されていることを特徴とする光導波路デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路デバイスに関し、特に、電気光学効果を有する基板に光導波路及び進行波型電極を形成し、接着層を介して該基板を保持基板に保持させた光導波路デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光通信分野や光測定分野において、基板上に光導波路や変調電極を形成した光導波路デバイスが多用されている。特に、マルチメディアの発展に伴い情報伝達量も増加傾向にあり、光導波路デバイスにおける光変調周波数の広帯域化が求められている。
【０００３】
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３、以下、「ＬＮ」という。）などの電気光学効果を有する基板を利用したＬＮ変調器のように、外部変調方式の光導波路デバイスは、広帯域化を実現する手段として注目されている。
【０００４】
光導波路デバイスでの広帯域の実現には、変調信号であるマイクロ波と光波との速度整合を図る必要がある。このため、従来より基板の厚みを薄くすることにより、マイクロ波と光波の速度との速度整合条件を満足させることが知られている。
【０００５】
以下の特許文献１においては、３０μｍ以下の厚みを有する薄い基板（以下、「第１基
板」という。）に、光導波路と変調電極を組み込み、第１基板より誘電率の低い他の基板（以下、「第２基板」という。）を接合することが開示されている。この構成により、マイクロ波に対する実効屈折率を下げ、マイクロ波と光波との速度整合を図り、且つ基板の機械的強度を維持することが行われている。
【０００６】
特許文献１では、主に、第１基板には（以下、「ＬＮ」という。）が利用され、第２基板には、石英、ガラス、アルミナなどのように、ＬＮより低誘電率の材料が使用されている。しかしながら、これらの材料の組合せでは、第１基板と第２基板の線膨張係数差に起因する温度ドリフトや、層間での応力破壊等が問題になる。
【０００７】
また、特許文献２及び３では、第２基板の代わりに低誘電率の接着剤や接着シートを用いて、第１基板と導波路保持のための第３基板を接合する方法も開示されている。この場合において、接着層に用いる材料は第１基板と線膨張係数の近いものを選定し、残留応力の低減を行っている。しかしながら、線膨張係数が完全に一致した接着剤の選定は困難である上、ガラスフリットなどの無機系接着剤や、熱硬化型樹脂系接着剤は硬化に１００℃以上（無機系材料に至っては５００℃以上）の高温加熱工程が必要であるため、線膨張係数差と冷却温度変化量（高温加熱状態から常温状態までの温度変化量）との積が歪として発生し残留応力となり、期待した効果が得られないこともあった。
【０００８】
他にも、マイクロ波に対する実効屈折率を下げるために、接着層は、マイクロ波が第３基板を感じない程度に十分厚くする必要がある。その厚みは３０μｍを超え、一般的に用いる単純な接着用途としての接着剤厚みよりも厚くしなければならない。
【０００９】
特許文献１や２、及び３に挙げたような、従来よりも第一基板の厚みを薄くした光変調器においては、上述の温度ドリフトの問題に加え、光変調器に電圧を印加した際にバイアス点が動いてしまう、ＤＣドリフトの問題も発生する。これらは、光導波路デバイスの帯電や歪、電極間の汚染など様々な原因が挙げられ、複層基板ではない単層基板で構成される光変調器にも起こり得る現象ではあるものの、異種材料を複層接合しなければならない等の理由から、第一基板を薄くした光変調器に特に発生しやすい問題である。
【００１０】
また、図１のような構造の基板を用いたマッハツエンダー型変調器においては、複数のネスト構造を有した光導波路を配置し、集積化することで、広帯域化を進めている。集積化により、バイアス電極のサイズは小さくせざるを得なくなるため、バイアス電極に印加する電圧は必然的に高くなり、ＤＣドリフト発生はより顕著になる。
【００１１】
光変調器などの光導波路デバイスに求められる動作環境温度は、通常、−１０℃〜７５℃程度である。また、保存温度は−４０℃〜８５℃程度である。光変調器は、この温度範囲にて動作する保証がなされている。「Ｔｅｌｃｏｒｄｉａ」規格の「ＧＲ−３２６−ＣＯＲＥ」には、「Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｇｅ  Ａｒｅ  Ｔｅｓｔ：８５℃」や「Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｃｙｃｌｅ  Ｔｅｓｔ：−４０〜７５℃」が示されている。したがって、変調素子に用いる材料においては、同温度範囲においての物性変化が小さいことが求められるため、同温度範囲で材料間の線膨張係数が近いものを選定することで、温度変化による熱膨張差を抑える設計をしている。
【００１２】
しかしながら、本発明者が研究分析を行った結果、特許文献２のような構成における光導波路デバイスにおいては、第３基板を接合する第２基板代替の接着剤の線膨張係数を第１基板に近づけた場合においても、さらに、硬化に高温工程の不要な紫外線硬化接着剤やラッカー接着剤、あるいは粘着層の付いた低誘電率フィルム等を用いた場合においても、温度ドリフトやＤＣドリフト等の不具合の発生を完全に抑制することができないことが判明した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開昭６４−１８１２１号公報
【特許文献２】特開２００３−２１５５１９号公報
【特許文献３】特開２０１２−０７３３２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
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、広帯域での動作が可能であると共に、温度ドリフト現象及びＤＣドリフト現象の発生を抑制した光導波路デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述した課題を解決するための手段は、以下のとおりである。
（１）  電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波を変調するために該基板に形成された電極とを有する光導波路デバイスにおいて、該基板の厚さは、３０μｍ以下であり、該基板を接着層を介して保持する保持基板を備え、該接着層は、該基板の誘電率より低い誘電率を持つ活性エネルギー線硬化型樹脂からなる材料であり、かつ、ガラス転移温度が該光導波路デバイスの動作保証温度の上限値以上の材料で構成されていることを特徴とする。
【００１６】
（２）  上記（１）に記載の光導波路デバイスにおいて、該動作保証温度の上限値は８５℃であることを特徴とする。
【００１７】
（３）  上記（１）又は（２）に記載の光導波路デバイスにおいて、該保持基板は、電気光学効果を有する基板と同じ材質で形成されていることを特徴とする。
【００１８】
（４）  上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光導波路デバイスにおいて、該接着層の厚みは３０μｍ以上、１００μｍ以下の範囲に設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波を変調するために該基板に形成された電極とを有する光導波路デバイスにおいて、該基板の厚さは、３０μｍ以下であり、該基板を接着層を介して保持する保持基板を備え、該接着剤は、該基板の誘電率より低い誘電率を持つ活性エネルギー線硬化型樹脂からなる材料であり、かつ、ガラス転移温度が該光導波路デバイスの動作保証温度の上限値以上の材料で構成されているため、広帯域で動作し低電圧駆動が可能であると共に、温度ドリフト現象やＤＣドリフト現象の発生を抑制した光導波路デバイスを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る光導波路デバイスの一例を示す平面図である。
【図２】図１の点線Ａにおける断面図である。
【図３】図１の点線Ｂにおける断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明者による更なる研究の結果、温度ドリフトやＤＣドリフトの発生原因が光導波路を形成した基板と接着層とを構成する各材料の線膨張係数差による応力だけに起因するものではないことが判明したが、さらに、その原因の一つは、接着剤における接着剤のガラス転移温度（Ｔｇ）を超える動作環境があり、接着剤のＴｇを境に、温度ドリフトとＤＣドリフトはそれぞれ異なる要因により発生していることを突き止めた。
すなわち、温度ドリフトは、接着材料のＴｇを境にした急激な線膨張係数の変化に起因して発生し、ＤＣドリフトは、接着剤分子鎖の極性基の分極／脱分極発生に起因して発生することが分かった。
【００２２】
以下、本発明の光導波路デバイスについて、詳細に説明する。
図１は、本発明の光導波路デバイスの一実施形態であり、ネスト型光導波路を組み込んだ光導波路デバイスの平面図である。
【００２３】
入力光信号は、方向性結合器、多モード光干渉素子（ＭＭＩ）、Ｙ字型の１×２カプラ等の分波器により、２つの光導波路に分岐される。図１に示すように、これら分岐された光導波路には、信号電極（Ｓｉｇｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）と接地電極（Ｇｒｏｕｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）が配置され、高周波の変調信号を信号電極に印加することによって、変調信号に応じた位相変化が与えられる。これらの電極を総称してＲＦ電極と呼称する。なお、光導波路において、ＲＦ電極が形成する電界により光導波路を伝播する光波の位相が変調を受ける部分を、変調導波路部とする。
【００２４】
各光導波路で変調を受けた光信号は、図１のバイアス電極（Ｂｉａｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）にＤＣ電圧を印加することによって所定の動作点となるように位相調整がされた後に、方向性結合器、ＭＭＩ、Ｙ字型の１×２カプラ等の対称合成器等により合成されて、出力光信号として出力される。なお、光導波路において、ＤＣバイアス電極で所定の位相調整が行われる部分をバイアス調整部とする。図１ではバイアス調整部をＲＦ電極と同様にバイアス電極と接地電極から構成された場合を図示したが、２つの電位を持つ差動電極を用いて位相調整される場合もある。
【００２５】
図２は、図１の変調導波路部にあたる点線Ａにおける断面の構成図を示したものである。また、図３は、図１のバイアス調整部にあたる点線Ｂにおける断面の構成図を示したものである。
【００２６】
図２及び図３に示すように、本発明では、電気光学効果を有する基板１と、該基板に形成された光導波路２と、該光導波路を伝播する光波を制御（変調や位相調整）するために該基板に形成された電極（図２の変調用のＲＦ電極を構成する信号電極ＳＥと接地電極ＧＥ。図３の位相調整用のバイアス電極を構成するバイアス電極ＢＥと接地電極ＧＥ）とを有する光導波路デバイスにおいて、該基板１の厚さＴ１は、３０μｍ以下であり、該基板を接着層４を介して保持する保持基板５を備え、該接着層は、該基板の誘電率より低い誘電率を持つ活性エネルギー線硬化型樹脂からなる材料であり、かつ、ガラス転移温度が該光導波路デバイスの動作保証温度の上限値以上の材料で構成されていることを特徴とする。
【００２７】
本発明における「動作保証温度」とは、光導波路デバイスに求められる「動作環境温度」や「保存温度」を重ね合わせた範囲の温度である。現在、光変調器などの光導波路デバイスに求められる「動作環境温度」は−１０℃〜７５℃であり、「保存温度」は−４０℃〜８５℃であることから、動作保証温度とは、−４０〜８５℃を意味する。
【００２８】
このため、動作保証温度の上限値は８５℃となり、接着層を構成する材料のガラス転移温度（Ｔｇ）も８５℃よりも高いことが要求される。そして、接着層の材料のＴｇが動作保証温度の上限値を超えているため、接着剤分子鎖の極性基は光導波路デバイスの動作保証温度範囲内では凍結されているため、温度ドリフト現象やＤＣドリフト現象が発生するのを抑制することができる。
【００２９】
図２に示す基板１は、電気光学効果を有する材料である必要がある。電気光学効果を有する材料として、例えば、タンタル酸リチウム（ＬＴ）基板、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）基板、ＥＯポリマー、ＩｎＰなどの半導体基板等が用いられる。
【００３０】
光導波路２の形成方法としては、電気光学効果を有する基板１上にチタン（Ｔｉ）などの高屈折率物質を熱拡散する熱拡散法や、プロトン交換法などにより形成できる。
光導波路を伝搬する光波を変調するＲＦ電極及び、光導波路の位相を調整するバイアス電極は、Ｔｉ／Ａｕなどの下地金属の上に、Ａｕなどの導電性金属をメッキ法で形成する。
【００３１】
基板１として、母結晶からその主軸と基板表面とが平行になるように切り出されたＸカットのニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板を用いた例について説明する。この基板１に、光導波路２が、前記主軸と光導波路２とが垂直になるように（図１においては、左右方向が主軸となる。）して形成されている。基板１の厚さは、例えば３０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下の厚さとする。このように基板１を薄板化し、基板１の下側を基板１より低い誘電率の層とすることで、図２の信号電極ＳＥにより励起されて基板１内を進行するマイクロ波に対する等価屈折率が小さくなり、光導波路２を進行する光波に対する等価屈折率との差が小さくなる。これにより、光波とマイクロ波との速度整合がとれた状態、あるいは速度整合に近い状態となり、光変調素子の高帯域化が実現される。さらに、その結果、電極と基板の間に速度整合のための厚いバッファ層が不要となり、さらに薄板構造によって導波路近傍に電極による電界が集中するため駆動電圧の低電圧化も併せて実現することができる。
なお、ここではＸカットの基板での構成を例示したが、電極下に導波路が配置されたＺカットの基板を用いた変調器においても本願の効果は発現できる。
【００３２】
また、接着層の厚みを３０μｍ以上で構成する場合には、保持基板５は電気光学効果を有する基板１と同じ材質で形成することもでき、基板１と保持基板５との線膨張係数の差による応力発生を低減することも可能となる。
【００３３】
接着層４は、上述したように、マイクロ波に対する等価屈折率を小さくするため、接着層に使用する材料は、その誘電率が基板１の誘電率よりも低い特性を持った接着性材料である。次に、接着層４には、ガラス転移温度（Ｔｇ）が、動作保証温度の上限値以上、例えば、８５℃より大きい材料とすることが必要である。接着層のＴｇが８５℃より小さい場合、光変調器が置かれる環境の熱変化がＴｇを超えると、接着剤の線膨張係数は急激に大きくなり、層間における応力が大きくなるため、この温度を挟んで使用した場合には温度ドリフト現象が発生する。
【００３４】
同じように、接着層のＴｇが８５℃より小さい場合、光変調器が置かれる環境の熱変化がＴｇを超えると、接着剤中の分子鎖の運動が活発になり、極性基が接着剤中で運動し、ＤＣ印加により分極反応、もしくは加熱により脱分極反応が発生し、基板１の方への一部の電荷移動が起こり、ＤＣドリフト現象が発生する。
【００３５】
また、図３におけるバイアス電極ＢＥは、ＤＣ印加された場合、電界７は基板１に形成された光導波路２だけではなく、接着層４にも分布する。接着層４に電界が分布した場合には、前述の通り、接着層に用いた接着剤分子鎖の極性基の分極反応が発生する。分極反応は、電界が接着層４に広く分布するほど起こりやすくなり、ＤＣドリフト現象がより顕著となる。この観点から、電極間に発生する電界分布を広く分布させてしまうことは好ましくなく、バイアス電極と接地電極間の距離Ｗ３は基板１の厚さＴ１の３倍以下であることが望ましい。
【００３６】
本発明に使用される接着層は、低誘電率と高Ｔｇの特徴を有し活性エネルギー線硬化型樹脂が望ましい。この系の樹脂は紫外線や電子線などの活性エネルギー線照射により重合が行われ、無機材料や熱硬化樹脂のような高温硬化工程が不要であるため、硬化時における材料線膨張係数差による歪が発生しにくいことから、光導波路デバイスの温度ドリフトを防ぐことが出来る。活性エネルギー線硬化型樹脂は、ラジカル重合タイプとカチオン重合タイプがあり、ラジカル重合タイプの具体例としては、分子内にアクリロイル基を持つアクリレート樹脂系と不飽和ポリエステル等が挙げられ、重合開始剤としてベンゾイル誘導体、ベンジルケタール、α−ヒドロキシアセトフェノン、α−アセトアミノフェノン、アシルフォスフィンオキサイド、Ｏ−アシルオキシム、ベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ジエチル誘導体、チオキサントン等が配合される。カチオン重合タイプの具体例としては、各種エポキシ化合物やビニルエーテル、オキセタン等が挙げられ、重合開始剤として、ヨードニウム塩系化合物、スルホニウム塩系化合物等が配合される。
【００３７】
上記のような活性エネルギー線硬化型樹脂においては、樹脂骨格や分子量、官能基数を制御しやすく、高架橋密度の接着層を作りやすいアクリレート系樹脂（誘電率ｃ＝２．７〜４．５）やエポキシ系樹脂（誘電率ｃ＝３．３〜４．４）等を好適に用いることができる。また、線膨張係数、硬度、屈折率、誘電率等の調整の為に、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、ＳｎおよびＳｂなどの元素、またはその化合物からなる無機微粒子を添加することも可能である。
【００３８】
本発明に適切な接着層の材料を特定するため、以下の試験を行った。
接着層の安定性を評価する指標として、「接着剤脱分極温度測定」と「デバイスドリフト測定」とを行った。
【００３９】
（接着剤脱分極温度測定）
８５℃を基準にして、Ｔｇがそれを上回る接着剤と下回る接着剤を、合計４種類を準備した。使用した材料の材料名、Ｔｇ等は、以下の表１に示す。
各接着剤を金属板の上に、硬化膜の厚さが約１５μｍになるように成膜し硬化させたものを用い、熱刺激電流測定装置リガク社製ＴＳ−ＰＯＬＡＲにより脱分極温度の測定を行った。
【００４０】
試験方法では、最初に、８５℃、Ｖｐ＝６０Ｖ、ｔｐ＝３０ｍｉｎの条件で電圧印加し、極性基を分極及び電荷卜ラップした状態に置き、２５℃まで冷却する。次に、Ｈｅ雰囲気において電界をかけない状態で−１０℃〜１００℃まで昇温速度５Ｋ／ｍｉｎで昇温しながら電流値を測定し、変化があった温度について脱分極が発生したと判断した。
【００４１】
（デバイスドリフト測定）
上述した脱分極温度を測定した接着剤を用い、図１の構造の光導波路デバイスをそれぞれ作製し、８５℃までの温度ドリフト及びＤＣドリフト（バイアス電圧４Ｖを与えた時の駆動電圧の変化）に与える影響を測定したところ、表１の結果を得た。
【００４２】
【表１】
2020166047.tif 000003
【００４３】
表１の結果からも明らかなように、動作保証温度の上限値の一例である８５℃に対して、Ｔｇが８５℃より高い接着層を用いた実施例１及び２は、Ｔｇが８５℃以下の比較例１及び２と比較して温度ドリフト現象及びＤＣドリフト現象が抑制できることが理解される。
【００４４】
また、Ｔｇは８５℃以上であるものの、活性エネルギー線硬化ではなく、高温の熱処理で硬化させた材料を用いた比較例３は、接着剤分子鎖の極性基の分極／脱分極発生は抑制されてＤＣドリフト現象は抑制出来たものの、熱処理により発生した、基板と接着層間における線膨張係数差と冷却温度変化量（高温加熱状態から常温状態までの温度変化量）による残留応力により温度ドリフト現象は改善出来なかったと想定される。
【００４５】
これらの結果から、ＤＣドリフト現象と温度ドリフト現象の両方を抑制するためには、本発明を使用することが効果的であると言える。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
以上説明したように、本発明によれば、広帯域での動作が可能であると共に、温度ドリフト現象及びＤＣドリフト現象の発生を抑制した光導波路デバイスを提供することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１  電気光学効果を有する基板
２  光導波路
４  接着層
５  保持基板
７  電界
ＢＥ  バイアス電極
ＧＥ  接地電極
ＳＥ  信号電極
【図１】
2020166047.tif 000004
【図２】
2020166047.tif 000005
【図３】
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