(57)【要約】      （修正有）【課題】光伝送損失の少ない機能性光素子をＳｉ基板に集積する。【解決手段】シリコン細線光導波路１２ａ，１２ｂと、シリコン細線光導波路に対して光結合可能な距離だけ離間してシリコン細線光導波路と一直線上に設けられたＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４とを備える。このＬｉＮｂＯ３細線光導波路は周期的分極反転構造２６を有し、シリコン細線導波路１２ａより入射する基本光の波長を変換し、変換光をシリコン細線導波路１２ｂより出射する。【選択図】図１
2010078647.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン細線光導波路と、
該シリコン細線光導波路に対して光結合可能な距離だけ離間して該シリコン細線光導波路と一直線上に設けられたＬｉＮｂＯ３細線光導波路とを備えるハイブリッド集積光回路。
【請求項２】
第１主面と該第１主面に対向する第２主面とを有していて前記第１主面上に、ＳｉＯ２をクラッドとする入力用及び出力用光導波路を前記シリコン細線光導波路として備える第１基板と、
第３主面と該第３主面に対向する第４主面とを有していて、前記第３主面側に、前記ＬｉＮｂＯ３細線光導波路を有する機能性光素子を備える、ＬｉＮｂＯ３を材料とする第２基板とを備えていて、
前記第２基板は、前記第１基板の前記入力用及び出力用光導波路の間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド集積光回路。
【請求項３】
前記機能性光素子が、自発分極の向きが反転するドメインが光伝播方向に、該光伝播方向を直角に横切って並列された周期的分極反転構造中に設けられた前記ＬｉＮｂＯ３細線光導波路を備えた波長変換素子であることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド集積光回路。
【請求項４】
前記ＬｉＮｂＯ３細線光導波路が、コアの一部が前記第３主面に露出した半埋め込み型光導波路であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のハイブリッド集積光回路。
【請求項５】
前記ＬｉＮｂＯ３細線光導波路が、リッジ形光導波路であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のハイブリッド集積光回路。
【請求項６】
前記第１基板は、前記入力用及び出力用光導波路の間の前記第１主面の領域に前記第２基板の前記第３主面側の部分を収容する凹部が形成されており、
該凹部の外側の前記クラッドは、１個以上の第１アライメントマークを有しており、
前記第２基板は、前記第３主面上に１個以上の凸状の第２アライメントマークを有し、かつ、該第２アライメントマークが前記凹部の底面に接するように、前記凹部内に貼接されており、
前記入力用及び出力用光導波路とＬｉＮｂＯ３細線光導波路とを互いに光結合可能な状態にするために、前記凹部において前記第２基板が、
（１）前記第１及び第２アライメントマークの相対的位置関係により前記第１主面に平行な面内で位置決めされており、及び
（２）前記第２アライメントマークの前記第３主面から測った高さにより前記第１主面に垂直な方向において位置決めされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のハイブリッド集積光回路。
【請求項７】
請求項６に記載のハイブリッド集積光回路の製造方法であって、
前記第１基板に、前記入力用及び出力用光導波路と、前記第１アライメントマークと、前記凹部とを形成する第１工程と、
前記第２基板に、前記第３主面から測った高さが予め定められた高さに調整された前記第２アライメントマークと、前記機能性光素子とを形成する第２工程と、
（１）前記第２アライメントマークが前記凹部の底面に接触するように当該凹部内に設置し、かつ、（２）前記第１及び第２アライメントマークの相対的位置関係を、画像処理により決めて、該決められた相対的位置関係を保持した状態で、前記第２基板を前記凹部内に貼接することによって、前記入力用及び出力用光導波路とＬｉＮｂＯ３細線光導波路とを互いに光結合できる状態に設定する第３工程と、
を含むことを特徴とするハイブリッド集積光回路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、Ｓｉ製の光導波路と、ＬｉＮｂＯ３製の機能性光素子とを組み合わせたハイブリッド集積光回路及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
消費電力の低減や信号遅延などの点において限界に近づきつつある金属配線に代わって、光配線をＬＳＩ（large scale integration）に導入する研究が盛んになされている。ＬＳＩ内における光配線を考えた場合、Ｓｉを用いることが製造上最も有効であると思われる。
【０００３】
しかしながら、Ｓｉは電流注入で発光しない上に、物性上、非線形光学効果も期待できない。従って、発光、変調又は波長変換等の能動的な機能をＳｉ製光導波路に持たせることは困難である。
【０００４】
この困難を解決するため、例えば、Ｓｉ製光導波路が形成されたＳｉ基板上にＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）膜で光導波路を作成し、マッハツェンダ変調器を作成する技術が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】横山新，「ＬＳＩにおける光配線技術」，応用物理，第７６巻，第１１号，２００７，ｐ．１２３８−１２４５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、非特許文献１に開示された技術では、ＢＳＴ膜を用いているために、光伝送損失が大きくなるという問題点があった。
【０００６】
この課題の解決を図るために、発明者は鋭意検討の結果、Ｓｉ細線光導波路と、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路とを組み合わせた構造にすれば、上述した光伝送損失を少なくできることに想到した。
【０００７】
さらに、このような組合せ構造にすると、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路に機能性光素子を組み込むことができ、Ｓｉ基板に機能性光素子を集積したハイブリッド集積光回路を提供できることに想到した。
【０００８】
この発明は、上述した問題点を解決するためになされたものである。従って、この発明の目的は、従来よりも光伝送損失の少ない機能性光素子をＳｉ基板に集積したハイブリッド集積光回路及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
従って、この発明のハイブリッド集積光回路は、シリコン細線光導波路と、シリコン細線光導波路に対して光結合可能な距離だけ離間してシリコン細線光導波路と一直線上に設けられたＬｉＮｂＯ３細線光導波路とを備えることを特徴とする。
【００１０】
この発明の一実施形態によれば、ハイブリッド集積光回路において、第１主面と第１主面に対向する第２主面とを有していて第１主面上に、ＳｉＯ２をクラッドとする入力用及び出力用光導波路をシリコン細線光導波路として備える第１基板と、第３主面と第３主面に対向する第４主面とを有していて、第３主面側に、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路を有する機能性光素子を備える、ＬｉＮｂＯ３を材料とする第２基板とを備えていて、第２基板は、第１基板の入力用及び出力用光導波路の間に配置されていることが好ましい。
【００１１】
また、他の実施形態によれば、機能性光素子が、自発分極の向きが反転するドメインが光伝播方向に、光伝播方向を直角に横切って並列された周期的分極反転構造中に設けられたＬｉＮｂＯ３細線光導波路を備えた波長変換素子であることが好ましい。
【００１２】
また、さらに他の実施形態によれば、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路が、コアの一部が第３主面に露出した半埋め込み型光導波路であることが好ましい。
【００１３】
また、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路が、リッジ形光導波路であることが好ましい。
【００１４】
また、さらに他の実施形態によれば、このハイブリッド集積光回路において、第１基板は、入力用及び出力用光導波路の間の第１主面の領域に第２基板の第３主面側の部分を収容する凹部が形成されており、凹部の外側のクラッドは、１個以上の第１アライメントマークを有しており、第２基板は、第３主面上に１個以上の凸状の第２アライメントマークを有し、かつ、第２アライメントマークが凹部の底面に接するように凹部内に貼接されており、入力用及び出力用光導波路とＬｉＮｂＯ３細線光導波路とが互いに光結合可能な状態にするために、凹部において第２基板が、（１）第１及び第２アライメントマークの相対的位置関係により第１主面に平行な面内で位置決めされており、及び（２）第２アライメントマークの第３主面から測った高さにより第１主面に垂直な方向において位置決めされていることが好ましい。
【００１５】
また、この発明のハイブリッド集積光回路の製造方法は、第１基板に、入力用及び出力用光導波路と、第１アライメントマークと、前記凹部とを形成する第１工程と、第２基板に、第３主面から測った高さが予め定められた高さに調整された第２アライメントマークと、機能性光素子とを形成する第２工程と、（１）第２アライメントマークが凹部の底面に接触するように凹部内に設置し、かつ、（２）第１及び第２アライメントマークの相対的位置関係を、画像処理により決めて、該決められた相対的位置関係を保持した状態で、第２基板を凹部内に貼接することによって、入力用及び出力用光導波路とＬｉＮｂＯ３細線光導波路とを互いに光結合できる状態に設定するする第３工程とを備えている。
【発明の効果】
【００１６】
上述した構成のハイブリッド集積光回路及びその製造方法によれば、従来よりも光伝送損失の少ない機能性光素子をＳｉ基板に集積したハイブリッド集積光回路が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図は、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示したものにすぎない。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施の形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。
【００１８】
（構造）
図１〜図４を参照して、この実施の形態のハイブリッド集積光回路の構造について説明する。図１は、ハイブリッド集積光回路の概略的な構造を示す斜視図である。図２は、図１のＩ−Ｉ線に沿って取った断面図である。図３は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って取った断面図である。図４は、図１に示すハイブリッド集積光回路の平面図である。
【００１９】
以下、ハイブリッド集積光回路１０の構成要素について順に説明する。
【００２０】
ハイブリッド集積光回路１０は、シリコン細線光導波路１２ａ，１２ｂと、シリコン細線光導波路１２ａ，１２ｂに対して光結合可能な距離だけ離間してシリコン細線光導波路１２ａ，１２ｂと一直線上に設けられたＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４とを備えている。
【００２１】
シリコン細線光導波路及びＬｉＮｂＯ３細線光導波路の「細線」とは、光の伝播方向に直交する方向の導波路幅が狭く制限されていて、光の伝播方向が平面的に広がらない構造の光導波路を意味する。
【００２２】
シリコン細線光導波路の構造自体は従来公知であって、この光導波路には機能性光素子を組み込めないことも知られている。
【００２３】
一方、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路の構造自体は従来公知であるが、この光導波路の場合には、それ自体を光スイッチや波長変換素子等といった光機能を有する構造として作り込めることも知られている。
【００２４】
従って、上述したように、シリコン細線光導波路とＬｉＮｂＯ３細線光導波路とを一直線上に配列したハイブリッド構造とし、かつ、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路に機能性光素子を組み込んだ構造のハイブリッド集積光回路とすれば、シリコン細線光導波路では達成できなかった光導波路以外の光機能を備え、しかも光伝送損失の少ないハイブリッド集積光回路を実現できる。
【００２５】
なお、光導波路に光機能素子を組み込むとは、光導波路自体を光機能素子として作り込むか、或いは、導波路と協働する光機能構造を光導波路とは別に作り込んで、光導波路とそれ以外の光機能とを同時に機能させることを意味する。
【００２６】
次に、ハイブリッド集積光回路１０としては、シリコン細線光導波路１２ａ，１２ｂが形成された第１基板１６と、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４が形成された第２基板１８とを含んで構成される例について説明する。
【００２７】
第１基板１６は、第１主面１６ａと、この第１主面１６ａに対向する第２主面１６ｂとを有している。そして、第１主面１６ａ上にＳｉＯ２をクラッド２０とするシリコン細線光導波路としての入力用及び出力用光導波路１２ａ及び１２ｂが備えられている。
【００２８】
第１基板１６は、矩形状の平行平板であり、好ましくは例えばＳｉを材料とする。クラッド２０は、第１基板１６の第１主面１６ａに、好ましくは例えば約５μｍの厚みで、積層されている。
【００２９】
第１基板１６に設けられた入力用及び出力用光導波路１２ａ及び１２ｂは、光伝播方向に沿った長尺な直方体状に形成されており、それぞれクラッド２０内に、第１基板１６の第１主面１６ａと平行に埋め込まれている。なお、入力用及び出力用光導波路１２ａ及び１２ｂは、光伝播方向に沿って、同一直線上に延在している。
【００３０】
さらに、この第１基板１６には、入力用及び出力用光導波路１２ａ及び１２ｂの間の第１主面１６ａ側の領域に、凹部１７が形成されている。この凹部１７は、第１主面１６ａから第２主面１６ｂに向けて形成されていて、クラッド２０の厚み（第１基板１６の第１主面１６ａに垂直に測った長さ）よりも深さが浅い直方体状の穴である。凹部１７の底面１７ａは、第１基板１６の第１主面１６ａと平行に延在している。この凹部１７内には、後述する、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４を有する第２基板１８が収納される。なお、凹部の深さは、好ましくは例えば約４μｍとするのがよい。
【００３１】
入力用光導波路１２ａは、入力端１２ａＩＮと出力端１２ａＯＵＴとを備えている（図３及び図４参照）。入力端１２ａＩＮは、第１基板１６の一方の側面、すなわち一方の端面に露出しており、外部から光が入力される。出力端１２ａＯＵＴは、後述する凹部１７の側面に露出しており、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４に対して光を出力する。
【００３２】
同様に、出力用光導波路１２ｂは、入力端１２ｂＩＮと出力端１２ｂＯＵＴとを備えている。入力端１２ｂＩＮは、後述する凹部１７の側面に露出しており、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４から波長変換された光が入力される。出力端１２ｂＯＵＴは、第１基板１６の他方の側面、すなわち他方の端面に露出しており、外部に波長変換された光を出力する。
【００３３】
なお、入力用及び出力用光導波路１２ａ及び１２ｂの光伝播方向に垂直に切断した横断面は、好ましくは例えば、高さ２μｍ及び幅２μｍの正方形状とする。
【００３４】
また、第１基板１６の第１主面１６ａの上側の、凹部１７の外側に位置するクラッド２０の内部には、４個の第１アライメントマーク２２１〜２２４が埋め込まれている（図１及び図４参照）。第１アライメントマーク２２１〜２２４は、この実施形態では、それぞれ凸状に、すなわち、例えば正方形状の平行平板として、形成されている。
【００３５】
詳しくは製造方法の項で後述するが、この実施の形態によれば、第１アライメントマーク２２１〜２２４は、入力用及び出力用光導波路１２ａ及び１２ｂと同じ材料から、同時に形成される。従って、第１アライメントマーク２２１〜２２４はシリコン製であるとともに、入力用及び出力用光導波路１２ａ及び１２ｂと同じ厚みを有している。
【００３６】
この第１アライメントマーク２２１〜２２４は、後述する第２アライメントマーク２６１〜２６４と協働して、入力用及び出力用光導波路１２ａ及び１２ｂとＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４との間の位置合わせに用いられる。
【００３７】
この目的のために、第１アライメントマーク２２１〜２２４は、以下の条件を満たすようにクラッド２０の内部に配置されている。
（１）第１アライメントマーク２２１〜２２４のそれぞれの中心を結んでできる図形が長方形Ｒ１であること。
（２）長方形Ｒ１の中心と凹部１７の輪郭がなす長方形の中心とが一致すること。
（３）長方形Ｒ１の２本の長辺と、入力用及び出力用光導波路１２ａ及び１２ｂの間を結ぶ直線とが平行であり、かつ長方形Ｒ１の２本の短辺と入力用及び出力用光導波路１２ａ及び１２ｂの間を結ぶ直線、すなわち光伝播方向とが直交すること。
【００３８】
次に第２基板１８について説明する。
【００３９】
第２基板１８は、第３主面１８ａと、この第３主面１８ａに対向する第４主面１８ｂとを有している。そして、この実施の形態では、一例として、第３主面１８ａ側に、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４を有する機能性光素子を備えている。そして、第２基板１８は、第１基板１６の入力用及び出力用光導波路１２ａ及び１２ｂの間の領域、すなわち凹部１７内に配置されている。また、第２基板１８は、第３主面１８ａ上に４個の第２アライメントマーク２６１〜２６４を有している（図１及び図４参照）。
【００４０】
第２基板１８は、第３主面１８ａが第１基板１６の凹部１７の底面１７ａと対向するように凹部１７内に収納されている。図示例からも理解できるように、第２基板１８は、その第３主面１８ａ側の部分を、すなわち第３主面１８ａを下にして、及び第４主面１８ｂを上にして、凹部１７内に収納されている。
【００４１】
この実施の形態では、後述する第２アライメントマーク２６１〜２６４が凹部１７の底面１７ａに接触するように、凹部１７内に貼接されている。なお、第２基板１８の凹部１７内への貼接のための接着剤には、好ましくは例えば、クラッド２０と同材料（ＳｉＯ２）を主成分とするガラスフリットが用いられる。
【００４２】
第２基板１８は、好ましくは例えば、非線形光学結晶であるＬｉＮｂＯ３の材料で形成する。
【００４３】
第２基板１８は、第１基板１６よりも小型である矩形状の平行平板である。より詳細には、第２基板１８の平面形状は、凹部１７の平面形状よりも僅かに小さく形成されている。その理由は、第２基板１８の側面すなわち端面と、この第２基板１８が収納される凹部１７の側面とを、光結合可能な若干の距離だけ離間して対向させるためであり、さらには、後述するように、第２基板１８に設けられたＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４の位置合わせのためでもある。
【００４４】
また、第２基板１８の厚み（第３主面１８ａに垂直に測った長さ）は、好ましくは例えば約５００μｍであり、凹部１７の深さよりも大きい。その結果、凹部１７内に第２基板１８が収納されたときに、第２基板１８が、第１基板１６のクラッド２０の表面（上面）２０ａから突出する。
【００４５】
第２基板１８には、好ましくは例えば、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４を兼ねた、機能性素子としての波長変換素子２４が形成されている。より詳細には、第２基板１８は、ＬｉＮｂＯ３結晶の自発分極の向きが反転するドメインｄ，ｄ，・・・が光伝播方向を直角に横切って並列された周期的分極反転構造２６と、この周期的分極反転構造２６に直交して設けられたＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４とを有している。
【００４６】
その結果、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４に入力された所定波長の光は、後述する擬似位相整合効果により波長変換されて、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４から出力される。なお、波長変換の詳細については後述する。
【００４７】
ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４は、入力端１４ＩＮと出力端１４ＯＵＴとを有する直線状に延在する光導波路であり、従来公知の後述するＴｉ拡散法により第２基板１８に形成されている。その結果、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４は、コアの一部が第３主面１８ａに露出した半埋め込み型光導波路として形成されている。
【００４８】
ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４は、第１基板１６の第１主面１６ａ内のＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４と直交する方向、すなわち水平方向、及び第１主面１６ａに垂直な方向の両方向に関して、入力用及び出力用光導波路１２ａ及び１２ｂと一直線をなして配置されている。
【００４９】
すなわち、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４の入力端１４ＩＮは、光結合可能な距離だけ離間して入力用光導波路１２ａの出力端１２ａＯＵＴと対向している。これにより、出力端１２ａＯＵＴから、入力端１４ＩＮを介して、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４に波長変換されるべき光が結合される。
【００５０】
同様に、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４の出力端１４ＯＵＴは、光結合可能な距離だけ離間して出力用光導波路１２ｂの入力端１２ｂＩＮと対向している。これにより、出力端１４ＯＵＴから、入力端１２ｂＩＮを介して、出力用光導波路１２ｂに波長変換された光が結合される。
【００５１】
なお、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４の光伝播方向に垂直に切断した横断面は、好ましくは例えば、高さ３μｍ及び幅４μｍの略半円状とする。
【００５２】
第２アライメントマーク２６１〜２６４は、好ましくは例えば、正方形状で所定の厚みＤを有する金属膜で形成されていて、第３主面１８ａの４つの角部付近にそれぞれ突出して配置されている（図１及び図４参照）。これら第２アライメントマーク２６１〜２６４は、第１アライメントマーク２２１〜２２４との位置合わせのために用いられる。
【００５３】
この目的のために、第２アライメントマーク２６１〜２６４は、以下の条件を満たすように第３主面１８ａ上に配置されている。
（１）第２アライメントマーク２６１〜２６４のそれぞれの中心を結んでできる図形が長方形Ｒ２であること。
（２）長方形Ｒ２の中心とＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４の中心とが一致すること。
（３）長方形Ｒ２の２本の長辺と、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４がなす直線とが平行であり、かつ長方形Ｒ２の２本の短辺とＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４がなす直線とが直交すること。
【００５４】
また、さらに、第２アライメントマーク２６１〜２６４の厚みＤ、すなわち、凹部１７の底面１７ａから測ったＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４までの高さが、凹部１７の底面１７ａから測ったシリコン細線光導波路１２の高さと等しくなるように、すなわち両光導波路の中心点が一致するように、予め設定されている。従って、これら第２アライメントマーク２６１〜２６４は、台座の役目を果たしている。
【００５５】
（第２基板の位置決めについて）
次に、第２基板１８の凹部１７内での配置、すなわち位置決めについて詳細に説明する。
【００５６】
第２基板１８は、第１及び第２アライメントマーク２２１〜２２４及び２６１〜２６４の相対的位置関係により第１主面１６ａに平行な面内で位置決めされている。
【００５７】
すなわち、第２基板１８は、好ましくは例えば、第１基板１６との相対的位置関係が以下の条件を満たすように、凹部１７内に配置されている。
（１）長方形Ｒ１（第１アライメントマーク２２１〜２２４）と長方形Ｒ２（第２アライメントマーク２６１〜２６４）の対応する辺同士（短辺同士及び長辺同士）が平行であること。
（２）（１）の条件を満たした上で、長方形Ｒ１の短辺の中点２点と、長方形Ｒ２の短辺の中点２点とが一直線上に位置すること。
【００５８】
第２基板１８をこれらの条件を満たすように配置することにより、第１主面１６ａに平行な面内において、シリコン細線光導波路１２とＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４とが一直線状をなすように配置される。
【００５９】
さらに、第２基板１８は、第１主面１６ａに垂直な方向においては、第２アライメントマーク２６１〜２６４の第３主面１８ａから測った高さにより位置決めされている。
【００６０】
すなわち、凹部１７の深さ、シリコン細線光導波路１２のクラッド２０上面２０ａから測った位置、及び第２基板１８の厚みの各値は、設計段階で予め決められている。よって、これらの値から、第２アライメントマーク２６１〜２６４の厚みを決定でき、その厚みＤとなるように第２アライメントマーク２６１〜２６４を形成することにより、シリコン細線光導波路１２とＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４の高さを、第２アライメントマーク２６１〜２６４を台座として使用することにより一致させることができる。
【００６１】
なお、位置決めの精度であるが、シリコン細線光導波路１２とＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４とが上述した横断面寸法を有する場合、高さ方向（すなわち上下方向）及び水平方向（すなわち左右方向）に関して、±１μｍ以内であることが好ましい。第１及び第２基板１６及び１８をこの精度で位置決めすることができれば、シリコン細線光導波路１２とＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４の接続部における光の損失を０．５ｄＢ以下に抑えることができる。
【００６２】
（動作）
次に、主に図１を参照して、この実施の形態のハイブリッド集積光回路１０の動作について説明する。
【００６３】
外部からの入力光すなわち波長変換されるべき光（以下、「基本光」と称する。）は、入力端１２ａＩＮから入力用光導波路１２ａに入力され、出力端１２ａＯＵＴから出力される。
【００６４】
ところで、入力用光導波路１２ａはＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４と一直線上に配置されているとともに、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４の入力端１４ＩＮは、出力端１２ａＯＵＴに対して光結合可能な距離だけ離間して配置されている。その結果、出力端１２ａＯＵＴから出力された基本光は、入力端１４ＩＮからＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４、つまり機能性素子としての波長変換素子２４に入力する。
【００６５】
ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４を伝播する過程で、基本光は、波長変換を受け、波長変換された光、すなわち変換光となる。
【００６６】
より詳細には、波長変換素子２４において、周期的分極反転構造２６が擬似位相整合条件を満たしている場合には、波長λ１の基本光は、波長λ２（≠λ１）の変換光へと波長変換される。
【００６７】
ここで、擬似位相整合条件についてより詳細に説明する。
【００６８】
周期的分極反転構造２６のドメインｄ，ｄ，・・・の周期をΛとし、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４における基本光の等価屈折率をＮ１とし、及びＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４における変換光の等価屈折率をＮ２とする。
【００６９】
このとき、下記の（１）式を満たすようにドメインｄ，ｄ，・・・の周期Λを決定することにより、擬似位相整合条件が満足される。
【００７０】
Ｎ２−Ｎ１＝λ１×Λ／２・・・（１）
その結果、波長変換素子２４を伝播する過程で、基本光は、波長λ２＝λ１／２の変換光へと変換される。
【００７１】
この変換光は、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４を光伝播方向に沿って伝播し、出力端１４ＯＵＴから出力される。
【００７２】
ところで、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４は、出力用光導波路１２ｂと一直線上に配置されているとともに、出力端１４ＯＵＴは、出力用光導波路１２ｂの入力端１２ａＩＮに対して光結合可能な距離だけ離間して配置されている。
【００７３】
その結果、出力端１４ＯＵＴからから出力された変換光は、入力端１２ｂＩＮから出力用光導波路１２ｂに入力し、出力用光導波路１２ｂを伝播して、出力端１２ｂＯＵＴから外部へと出力される。
【００７４】
（製造方法）
次に、図５〜図１２を参照して、この実施の形態のハイブリッド集積光回路１０の製造方法について説明する。
【００７５】
この実施の形態のハイブリッド集積光回路１０の製造工程は、その詳細は後述するが、大きく分けて以下の３段階の工程を有する。
【００７６】
（Ａ）第１工程（第１基板１６の作成）
第１基板１６に、入力用及び出力用光導波路１２ａ及び１２ｂと、第１アライメントマーク２２１〜２２４と、凹部１７とを形成する。この入力用及び出力用光導波路１２ａ及び１２ｂ、第１アライメントマーク２２１〜２２４及び凹部１７の形成は、従来周知の技術を用いて、設計通りに形成すればよい。また、形成の工程順も適切に設定すればよい。
【００７７】
（Ｂ）第２工程（第２基板１８の作成）
第２基板１８に、第３主面１８ａから測った高さが予め定められた高さに調整された第２アライメントマーク２６１〜２６４と、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４とを形成する。この場合、上述の第１基板１６に関する各寸法情報は、予め知られているので、これら寸法を用いて、第２基板１８に形成する第２アライメントマーク２６１〜２６４及びＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４の各寸法を決めて、その寸法通りに従来周知の方法でこれらを形成すればよい。
【００７８】
（Ｃ）第３工程（第１基板１６と第２基板１８の結合）
第２アライメントマーク２６１〜２６４が凹部１７の底面１７ａに接触するように凹部１７内に設置し、かつ、（２）第１及び第２アライメントマーク２２１〜２２４及び２６１〜２６４の相対的位置関係を、画像処理により決定し、決定された相対的位置関係を保持した状態で、第２基板１８を凹部１７内に貼接することによって、入力用及び出力用光導波路１２ａ及び１２ｂとＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４とを互いに光結合できる状態に設定する。
【００７９】
以下、これらの工程について順に詳述する。
【００８０】
（Ａ）第１工程（第１基板１６の作成）
（Ａ−１）ＳＯＩ基板の準備
図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、まず、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板５０を準備する。なお、図５（Ａ）は、製造途上の第１基板１６の断面図であり、図５（Ｂ）は、製造途上の第１基板１６の平面図である。
【００８１】
このＳＯＩ基板５０は、第１基板１６としてのシリコン基板上に、クラッド２０としてのＳｉＯ２層５２と、Ｓｉ層５４とが順に積層された積層構造を有している。
【００８２】
（Ａ−２）シリコン細線光導波路の作成
次に、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、このＳＯＩ基板５０を加工して、シリコン細線光導波路１２ａ及び１２ｂと第１アライメントマーク２２１〜２２４とを形成する。なお、図６（Ａ）は、製造途上の第１基板１６の断面図であり、図６（Ｂ）は、製造途上の第１基板１６の平面図である。
【００８３】
より詳細には、従来公知のフォトリソグラフィ及びエッチングにより、Ｓｉ層５４の不要なＳｉ層５４を除去して、ＳｉＯ２層５２上に、シリコン細線光導波路１２ａ及び１２ｂと第１アライメントマーク２２１〜２２４を残存形成する。
【００８４】
なお、不要なＳｉ層５４のエッチングは、例えば、ＨＣｌガス及びＣ２Ｆ６ガスの混合ガスをエッチングガスとするＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｉｏｎ  ｅｔｃｈｉｎｇ）法で行ってもよいし、又はＫＯＨを用いたウエットエッチングで行ってもよい。
【００８５】
（Ａ−３）クラッド２０の作成
次に、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、上述したシリコン細線光導波路１２ａ及び１２ｂと第１アライメントマーク２２１〜２２４を埋め込むように、クラッド２０としてのＳｉＯ２膜を第１基板１６の第１主面１６ａ側の全面に形成する。なお、図７（Ａ）は、製造途上の第１基板１６の断面図であり、図７（Ｂ）は、製造途上の第１基板１６の平面図である。
【００８６】
具体的には、ＦＨＤ（Ｆｌａｍｅ  Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法や、ＣＶＤ法により、クラッド２０としてのＳｉＯ２を形成する。
【００８７】
（Ａ−４）凹部１７の作成
次に、図８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、従来公知のフォトリソグラフィ及びエッチングにより、第２基板１８を収納するための凹部１７を形成する。なお、図８（Ａ）は、製造途上の第１基板１６の断面図であり、図８（Ｂ）は、製造途上の第１基板１６の平面図である。
【００８８】
より詳細には、ＣＨＦ３ガスをエッチングガスとして用いたＲＩＥ法によるドライエッチングや、ＨＦ（フッ化水素）をエッチング液として用いたウエットエッチングによりクラッド２０をエッチングして、凹部１７を形成する。
【００８９】
これにより、入力用及び出力用光導波路１２ａ及び１２ｂと、第１アライメントマーク２２１〜２２４と、凹部１７とが形成された第１基板１６が得られる。
【００９０】
（Ｂ）第２工程（第２基板１８の作成）
続いて、図９（Ａ）〜図１１（Ｂ）を参照して、第２工程について説明する。なお、これらの図は、製造途上における第２基板１８の側面図である。
【００９１】
（Ｂ−１）周期的分極反転構造２６の作成
図９（Ａ）に示すように、ＭｇＯが５ｍｏｌ％添加されたＺ板のＬｉＮｂＯ３基板５６を準備する。そして、従来公知のフォトリソグラフィにより、第１主面５６ａに対して、ラインアンドスペースのレジストパターン５８を形成した前駆基板６０を得る。
【００９２】
続いて、図９（Ｂ）に示すように、電極６２ａ及び６２ｂを備えた絶縁容器６４に前駆基板６０を配置し、絶縁容器６４と前駆基板６０との間の接合部に、後述する液体電極６６が漏れ出さないようにＯリング６７をセットする。尚、図９（Ｂ）では絶縁容器６４は、前駆基板６０の側面が見えるように断面図として示している。
【００９３】
そして、絶縁容器６４の内部に液体電極６６としての、例えば塩化リチウム水溶液を充填する。この上で、電極６２ａをプラスとし、及び電極６２ｂをマイナスとして、所定の電圧を前駆基板６０に対して、約１時間にわたって印加する。
【００９４】
なお、この所定の電圧は、ＭｇＯを５ｍｏｌ％含むＺ板のＬｉＮｂＯ３基板５６の抗電界が約４．５ｋＶ／ｍｍであることを考慮すると、ＬｉＮｂＯ３基板５６の自然分極を反転させるためには、約５ｋＶ／ｍｍ以上であることが望ましい。
【００９５】
その後、前駆基板６０を絶縁容器６４から取り出して、公知の方法によりレジストパターン５８を除去することにより、図９（Ｃ）に示すように、周期的分極反転構造２６が形成されたＬｉＮｂＯ３基板６８が得られる。
【００９６】
（Ｂ−２）ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４の形成
続いて、図１０（Ａ）〜図１１（Ｂ）に示すように、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４及び第２アライメントマーク２６１〜２６４を、ＬｉＮｂＯ３基板６８に形成する。
【００９７】
まず図１０（Ａ）に示すように、ＬｉＮｂＯ３基板６８の表面６８ａに、公知のリフトオフ法により、拡散窓７０及び第２アライメントマーク前駆体７２，７２が形成された第１金属膜７４を形成する。
【００９８】
ここで、第１金属膜７４としては、この後の工程で行われる熱処理により、ＬｉＮｂＯ３基板６８内部に拡散しない金属を材料とすることが好ましい。具体的には、第１金属膜７４としては、電子ビーム蒸着法で形成された、厚みが約２００ｎｍのＣｒ膜を用いることが好ましい。
【００９９】
続いて、図１０（Ｂ）に示すように、ＬｉＮｂＯ３基板６８の表面６８ａ（第３主面１８ａに対応）側の全面を覆うように、拡散源としての第２金属膜７６を形成する。
【０１００】
ここで、第２金属膜７６としては、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４の導波路定数を考慮した材料を用いることが好ましい。具体的には、第２金属膜７６として厚みが１６５ｎｍの電子ビーム蒸着法により形成されたＴｉを用いることが好ましい。
【０１０１】
発明者らの実験によれば、第２金属膜７６として、この厚みのＴｉを用いることにより、光の損失率が１ｄＢ／ｃｍ以下にまで低減されたＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４が得られることが分かっている。
【０１０２】
これにより、図１０（Ｂ）に示すような、ＬｉＮｂＯ３基板７８が得られる。
【０１０３】
なお、第１及び第２金属膜７４及び７６の合計の膜厚は、第２アライメントマーク２６１〜２６４の厚みＤに相当するものである。従って、第１及び第２金属膜７４及び７６の膜厚は、第３工程における第１及び第２基板１６及び１８の厚み方向の位置合わせを考慮して、第３主面１８ａから測った高さ（厚み）を予め定められた高さに調整する必要がある。
【０１０４】
続いて、図１０（Ｃ）に示すように、ＬｉＮｂＯ３基板７８に対して熱処理を施し、拡散源としての第２金属膜７６に含まれる金属をＬｉＮｂＯ３基板７８中に拡散させ、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４を形成する。より詳細には、ＬｉＮｂＯ３基板７８に対して、約１０５０℃の温度で、７時間にわたり熱処理を施す。
【０１０５】
これにより、ＴｉがＬｉＮｂＯ３基板７８内部に拡散した部分のＬｉＮｂＯ３基板７８の屈折率が上昇して、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４を有するＬｉＮｂＯ３基板８０が形成される。
【０１０６】
（Ｂ−３）第２アライメントマーク２６１〜２６４の形成
続いて、図１１（Ａ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、第２アライメントマーク２６１〜２６４に対応する第２アライメントマーク前駆体７２及び第２金属膜７６からなる金属膜構造体の表面にのみフォトレジスト８２，８２を塗布する。これにより、ＬｉＮｂＯ３基板８４を形成する。
【０１０７】
そして、図１１（Ｂ）に示したように、ＬｉＮｂＯ３基板８４をウエットエッチングすることにより、フォトレジスト８２，８２が塗布されていない金属膜構造体のみが除去されたＬｉＮｂＯ３基板８６が得られる。
【０１０８】
（Ｂ−４）ダイシング
次に、第２アライメントマーク２６１〜２６４に対応する金属膜構造体上に残存するフォトレジスト８２、８２を除去して、第２アライメントマーク２６１〜２６４を完成する。
【０１０９】
最後に、この第２アライメントマーク２６１〜２６４を基準にして、ＬｉＮｂＯ３基板８６を第１基板１７の凹部１７の形状に合わせてダイシングする。ダイシングには、公知のダイサーを用いることができる。
【０１１０】
このようにして、第３主面１８ａから測った高さが予め定められた高さに調整された第２アライメントマーク２６１〜２６４と、ＬｉＮｂＯ３細線光道破路１４とが形成された第２基板１８が得られる。
【０１１１】
（Ｃ）第３工程（第１基板１６と第２基板１８の結合）
最後に第１基板１６の凹部１７に、第２基板１８を位置決めして収納する。図１２（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、より具体的に説明する。ここで、図１２（Ａ）は、第１主面１６ａに垂直な面内における位置決めの説明に供する断面図である。図１２（Ｂ）は、第１主面１６ａに水平な面内における位置決めの説明に供する平面図である。
【０１１２】
まず、第１基板１６において凹部１７の内部に、接着剤としてのガラスフリット７７を塗布する。その後に、凹部１７内に、第２基板１８を、第２アライメントマーク２６１〜２６４が凹部１７の底面１７ａに接触するように凹部１７内に配置する。
【０１１３】
上述したように、第２アライメントマーク２６１〜２６４の厚みＤは、第３主面１８ａから測った高さ（厚み）Ｄが予め定められた高さに調整してある。よって、第２アライメントマーク２６１〜２６４が凹部１７の底面１７ａに接触するように配置することで、第１基板１６の第１主面１６ａに垂直な方向の位置決めは完了する。
【０１１４】
続いて、第１基板１６の第１主面１６ａに平行な面内における位置決めを行う。この位置決めは、半導体分野の位置決めに従来使用されている画像処理装置を用いて行うことができる。しかし、この実施の形態では位置決めのための設定条件は、以下の設定条件とするのが好適であり、これらの条件を満たすように、第２基板１８の凹部１７内での位置を調整する。
（１）長方形Ｒ１と長方形Ｒ２の対応する辺Ｒ１１及びＲ２１、辺Ｒ１２及びＲ２２、辺Ｒ１３及びＲ２３、辺Ｒ１４及びＲ２４同士を平行とすること。
（２）（１）を満たした上で、長方形Ｒ１の短辺の中点と、長方形Ｒ２の短辺の中点、すなわち点Ｐ１及びＰ２と点Ｐ３及びＰ４とを一直線上に配置させること。
【０１１５】
これにより、既に説明したとおり、シリコン細線光導波路１２ａ及び１２ｂと、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４とは、第１基板１６の第１主面１６ａに平行な面内においても、垂直な方向においても、一直線上に配置される。
【０１１６】
なお、第２基板１８の材料であるＬｉＮｂＯ３結晶は、可視光に対して透明であるので、画像処理装置は、第２アライメントマーク２６１〜２６４を第２基板１８越しに確認することができる。
【０１１７】
このようにして、第２基板１８の位置決めが完了したら、ガラスフリット７７を、例えば、４００℃の温度で４５分間焼成して取り除き、ハイブリッド集積光回路１０を得る。
【０１１８】
（効果）
この実施の形態のハイブリッド集積光回路１０は、シリコン細線光導波路１２と組み合わせる光導波路として、光の伝送損失が少ないＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４を用いているので、集積光回路全体としての伝送損失を小さく抑えることができる。その上、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４に光機能素子を組み込むことができるので、シリコン細線導波路１２を作成した基板をベースとしてＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４に光機能素子を組み込んだ光機能回路を作り込んだ小型のハイブリッド集積光回路を得ることができる。
【０１１９】
また、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４が、Ｔｉ拡散により形成されているので、ＴＭ偏波及びＴＥ偏波の両モードの伝播が可能であり、光の利用効率が高い。
【０１２０】
さらに、このハイブリッド集積光回路の製造に際し、第１基板１６の第１主面１６ａに垂直な方向に関しては、第２アライメントマーク２６１〜２６４の高さを調整することにより位置合わせを行い、及び、第１基板１６の第１主面１６ａに平行な方向に関しては、画像処理技術を用いて位置合わせを行っている。その結果、非常に高い精度で、シリコン細線光導波路１２ａ及び１２ｂとＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４との位置を合わせることができる。これにより、特に、シリコン細線光導波路１２ａ及び１２ｂとＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４との光の結合部（出力端１２ａＯＵＴと入力端１４ＩＮ、及び出力端１４ＯＵＴと入力端１２ｂＩＮ）における光の損失を低減することができる。
【０１２１】
（変形例等）
（１）この実施の形態では、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４をＴｉ拡散法で作成した場合について説明した。しかし、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４は、従来公知のプロトン交換法により作成してもよい。
【０１２２】
発明者の評価によれば、このように構成することによっても光の伝送損失が１ｄＢ／ｃｍ以下の低損失なＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４が得られることが分かっている。
【０１２３】
この構成によれば、Ｔｉ拡散法では必須であったＴｉ拡散後の熱処理の工程を省略することが可能となる。つまり、ハイブリッド集積光回路１０の製造工程を１工程減らすことが可能となり、製造コストを削減することができる。
【０１２４】
（２）この実施の形態では、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４として、コアの一部が第３主面１８ａに露出した半埋め込み型光導波路を用いた場合について説明した。しかし、図１３に示すように、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４’は、リッジ形光導波路であってもよい。
【０１２５】
このように構成することにより、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４’においては、ＬｉＮｂＯ３がコアであり、及びガラスフリットの材料であるＳｉＯ２をコアとみなすことができる。
【０１２６】
その結果、第１基板１６の第１主面１６ａに平行な方向において、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４’は、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４に比べて光の閉じ込め能力が高くなる。
【０１２７】
具体的には、コアもクラッドもＬｉＮｂＯ３製であるＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４において、コアとクラッドとの屈折率差は０．０１程度であるのに対し、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４’では、コアとクラッドとの屈折率差が約０．７５となる。
【０１２８】
これにより、入力用及び出力用光導波路１２ａ及び１２ｂを伝播する光と、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４’を伝播する光のスポットサイズが同程度となる。従って、入力用及び出力用光導波路１２ａ及び１２ｂとＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４’との接続部における光の接続損失を、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４の場合に比較してより小さくすることができる。
【０１２９】
さらに、波長変換素子２４における波長変換効率は、光パワー密度の２乗に比例することが知られているので、光の閉じ込め能力が高いリッジ形のＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４’では、ＬｉＮｂＯ３細線光導波路１４に比べて、より波長変換効率が大きくなることが期待される。
【０１３０】
（３）上述した変形例（１）と（２）とを組み合わせたハイブリッド集積光回路も本発明の範囲内に含まれる。
【０１３１】
（４）この実施の形態では、機能性光素子として、波長変換素子２４を採用した場合について説明した。しかし、機能性光素子としては、例えば、光スイッチ、波長フィルタ、変調器等の他の機能性光素子を形成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】ハイブリッド集積光回路の概略的な構造を示す斜視図である。
【図２】図１のＩ−Ｉ線に沿って取った断面図である。
【図３】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って取った断面図である。
【図４】図１の平面図である。
【図５】（Ａ）は、製造途上の第１基板の断面図であり、（Ｂ）は、製造途上の第１基板の平面図である。
【図６】（Ａ）は、製造途上の第１基板の断面図であり、（Ｂ）は、製造途上の第１基板の平面図である。
【図７】（Ａ）は、製造途上の第１基板の断面図であり、（Ｂ）は、製造途上の第１基板の平面図である。
【図８】（Ａ）は、製造途上の第１基板の断面図であり、（Ｂ）は、製造途上の第１基板の平面図である。
【図９】（Ａ）〜（Ｃ）は、製造途上における第２基板の側面図である。
【図１０】（Ａ）〜（Ｃ）は、製造途上における第２基板の側面図である。
【図１１】（Ａ）及び（Ｂ）は、製造途上における第２基板の側面図である。
【図１２】（Ａ）は、第１主面に垂直な面内における位置決めの説明に供する断面図である。（Ｂ）は、第１主面に水平な面内における位置決めの説明に供する平面図である。
【図１３】この実施の形態のハイブリッド集積光回路の変形例の説明に供する断面図である。
【符号の説明】
【０１３３】
１０  ハイブリッド集積光回路
１２ａ  入力用光導波路（シリコン細線光導波路）
１２ａＩＮ，１２ｂＩＮ，１４ＩＮ  入力端
１２ａＯＵＴ，１２ｂＯＵＴ，１４ＯＵＴ  出力端
１２ｂ  出力用光導波路（シリコン細線光導波路）
１４，１４’  ＬｉＮｂＯ３細線光導波路
１６  第１基板
１６ａ  第１主面
１６ｂ  第２主面
１７  凹部
１７ａ  底面
１８  第２基板
１８ａ  第３主面
１８ｂ  第４主面
２０  クラッド
２４  波長変換素子
２６  周期的分極反転構造
５０  ＳＯＩ基板
５２  ＳｉＯ２層
５４  Ｓｉ層
５６，６８，７８，８０，８４，８６  ＬｉＮｂＯ３基板
５８  レジストパターン
６０  前駆基板
６２ａ，６２ｂ  電極
６４  絶縁容器
６６  液体電極
６７  Ｏリング
７０  拡散窓
７２  第２アライメントマーク前駆体
７４  第１金属膜
７６  第２金属膜
８２  フォトレジスト
２２１〜２２４  第１アライメントマーク
２６１〜２６４  第２アライメントマーク
【図１】
2010078647.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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