(57)【要約】【課題】従来の多層の光導波路は樹脂材料を積層することで構成されていたため電気光学定数の大きな光学結晶材料の利用は不可能であった。【解決手段】光学研磨された第１の基板１０１と、第２の基板１０２とを接合してなり、第１の基板の接合面側にリッジ１０３を有する第１の導波路１０５と、第１の基板の接合面とは反対の面側にリッジ１０４を有する第２の導波路１０６と、を備えたもので、電気光学定数の大きな光学結晶材料の利用が可能であり、また導波路に直接電界印加が可能となり、従来の構造に比べて、変調速度、変調電圧、小型化を大幅に改善できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学研磨された第１の基板と、第２の基板とを接合してなり、前記第１の基板と、前記第２の基板との接合面側にリッジを有する第１の導波路と、前記第１の基板と、前記第２の基板との接合面とは反対の面側にリッジを有する第２の導波路とを備えた光導波路。
【請求項２】
第１の基板と第２の基板とは、直接接合により接合されている請求項１記載の光導波路。
【請求項３】
第１の基板が、光学結晶材料である請求項１に記載の光導波路。
【請求項４】
第１の基板が、電気光学効果を有する請求項１記載の光導波路。
【請求項５】
第１の導波路と第２の導波路とは、少なくとも一部が交差または近接している請求項１記載の光導波路。
【請求項６】
交差または近接しているリッジ導波路部分に電界をかけるための電極を備えた請求項５記載の光導波路。
【請求項７】
交差または近接しているリッジ導波路部分において、第１の導波路もしくは第２の導波路のリッジ頂部と、第１の基板の前記リッジ頂部とは反対側に、リッジ導波路部分に電界をかけるための電極を備えた請求項６記載の光導波路。
【請求項８】
交差または近接しているリッジ導波路部分に薄膜ヒータを備えた請求項５記載の光導波路。
【請求項９】
第１の導波路のリッジ部および第２の導波路のリッジ部とは反対の側にギャップ層を備え、このギャップ層に第１の基板より屈折率の低い材料が充填されている請求項１記載の光導波路。
【請求項１０】
第１の導波路のリッジ部および第２の導波路のリッジ部とは反対の側にギャップ層を備え、このギャップ層に液晶材料が充填され、この液晶材料に電界をかけるための電極を備えた請求項１記載の光導波路。
【請求項１１】
リッジ導波路の構造が、導波光がシングルモードで伝搬可能である請求項１記載の光導波路。
【請求項１２】
光学研磨された第１の基板の、第１の面にリッジを形成して第１の導波路を設ける工程と、前記第１の基板の第１の面と、第２の基板とを接合する工程と、前記第２の基板を保持して前記第１の基板を所定の厚さに研磨する工程と、前記第１の基板の研磨した面にリッジを形成して第２の導波路を設ける工程と、を備えた光導波路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光通信システム等に用いられる光導波路およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信分野、ＬＳＩ等の電気回路間の高速インターフェースを実現する光配線等の分野において、光導波路の多重化、多層化が検討されている。また、光導波路を用いた光集積回路の集積度の向上を目的として、光導波路の多層配線が検討されている。従来の技術としてはポリマー系の光導波路を形成した膜を多層化することで多層の光配線を実現している。また、この光導波路とマイクロリングを多数組み合わせることで、フィルター特性の狭帯域化、マイクロリングにヒータを形成することで、リング共振器の共振条件を制御し、フィルター波長の可変を実現している。
【０００３】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１が知られている。
【特許文献１】特開２００１−２２８３４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、多層導波路の材料は、一層ずつ導波路構造を形成していくため、各層の導波路形成時にそれぞれ、平坦化プロセスが必要となり、プロセス工程が複雑になるという課題があった。さらに、材料としては、平坦化工程の容易なポリマー材料等に限られているため、機能性デバイスを実現するには、熱光学効果しか利用できず、デバイスの高速化、多様化が難しいという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記従来の課題を解決するために本発明は、光学研磨された第１の基板と、第２の基板とを接合してなり、第１の基板の、第２の基板との接合面側にリッジを有する第１の導波路と、第１の基板の、第２の基板との接合面とは反対の面側にリッジを有する第２の導波路とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、プロセスの簡素化、高集積化を可能にするものであり、さらに、ポリマー材料に限られず、機能性を有する結晶材料の利用が可能となる構造を持つため、電気光学効果、磁気光学効果、音響光学効果、非線形光学効果等の光との相互作用を持った結晶を利用することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明について説明する。
【０００８】
図１において、ＬｉＮｂＯ3からなる第１の光学基板１０１と、ＬｉＮｂＯ3からなる第２の基板１０２は、接合部１０９で直接接合されている。第１の基板にはギャップ部１１０が形成されており、第１の基板１０１の、第２の基板１０２側にリッジ１０３を持つ第１の導波路１０５、およびその反対側にリッジ１０４を持つ第２の導波路１０６が設けられている。ギャップ部１１０により導波路の深さ方向の閉じ込めを実現し、リッジ構造により幅方向の閉じ込めを実現している。リッジ導波路を第１の基板１０１の表面と裏面に形成することで、第１の基板に２層の導波路構造を実現している。ここで第１の基板１０１の厚さを約５μｍ、第２の基板１０２の厚さを約３００μｍ、第１の導波路１０５および第２の導波路１０６のリッジ幅を約５μｍ、リッジ高さを約１μｍ、導波路高さを約３μｍとする。このようにすることにより、波長約１μｍの光に対する導波路が得られる。
【０００９】
次に製造方法について説明する。図２（ａ）のように、ＬｉＮｂＯ3からなる厚さ約３００μｍの第１の基板２０１の第１の面２０２に、フォトレジストでパターニングした後、ドライエッチング装置によりギャップ部２０３およびリッジ２０４を形成する。次に図２（ｂ）のように、第１の基板２０１の第１の面を厚さ約３００μｍのＬｉＮｂＯ3からなる第２の基板２０５の表面に直接接合する。次に、第１の基板を厚さ約５μｍになるように研磨することにより図２（ｃ）のようになる。次に、第１の基板の研磨面にドライエッチングによりリッジ２０６を形成し、図２（ｄ）のように、第１のリッジ導波路２０７および第２のリッジ導波路２０８を形成することができる。直接接合を用いることで、高精度で、強固な接合が可能となる。このため、研磨により第１の基板の厚みを高い精度で研磨できる。これによって導波路構造が高精度で、高い再現性をもって形成できるため、導波路の伝搬定数、導波特性の制御性が大幅に向上する。さらに、直接接合を利用することで、任意材料の導波路化が可能となる。従来のポリマー材料に限らず、機能性を有する光学結晶を用いた多層導波路化が可能となる。ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＫＴＰ等の単結晶材料を用いた多層導波路が実現できる。
【００１０】
なお、接合は直接接合に限られるものではなく、接合面に金等の層を形成し、金属接合を行うものや、厚み精度が得られれば、接着剤を用いた接合であってもかまわない。
【００１１】
このようにすることにより、従来Ｎ層の導波路構造を実現するには、Ｎ回の平坦化プロセスが必要であった。これに対して、本構成では、一層の表面と裏面に導波路構造の実現が可能であるため、平坦化プロセスはＮ／２回に削減できる。このため、プロセスの簡素化が実現できる。
【００１２】
本発明の構成におけるもう一つのメリットは、基板の両面に配置する導波路間の結合および結合の制御が容易にできる点である。第１の基板の表面と裏面に形成した第１の導波路と第２の導波路とは、異なる導波路パターンをとることで、２層導波路を実現できる。さらに、第１の導波路と第２の導波路とを近接することで、導波路間の光結合が可能となる。さらに、図１に示すように、導波路と、導波路が近接した部分に設けた電極を組み合わせることで光結合をスイッチングすることが可能となる。
【００１３】
また本発明の構成の特徴として、導波路が基板の表面と裏面に形成されているため、従来の同一表面に形成した場合に比べて、導波路間距離をより隣接して設計できるという利点がある。即ち、通常一方の面に形成した導波路の場合、導波路の幅以下には導波路を近接することは不可能である。これに対し、上面と裏面に形成した導波路の場合、２つの導波路の一部が重なった状態にまで近接できる。このため、導波路間の結合係数を大幅に増大でき短距離での導波路間結合が可能となり、素子の小型化を実現できる。さらに、第１のＬｉＮｂＯ3等の電気光学特性を有する単結晶基板を用いることにより、図１に示したように、導波路に電極１０７、１０８を形成し、この間に電圧を印加することにより、電気光学効果を利用した屈折率変化を用いて、導波路間の結合を高速でスイッチングできるという利点もある。
【００１４】
また、上記電極を形成した部分に、薄膜ヒータを形成することにより、熱による制御を可能とすることができる。
【００１５】
さらに、図１に示した第１の基板の上にさらに導波路を多層に重ねることで、多層の光配線を実現できる。
【００１６】
さらに、ギャップ層へは、第１の基板より低い屈折率の材料を充填することで、導波路の強度を高めることができる。またギャップ部１１０に液晶材料を注入してクラッド層とすることで、電界印加によって導波路のクラッド部の屈折率を変えることで、導波路の実効屈折率を制御できるため、導波路スイッチに利用できる。
【００１７】
図３は本発明の他の構成である。第１の基板３０１にＺ板のＬｉＮｂＯ3を用い、第１の導波路のリッジ頂部に電極３０３、および第１の基板３０１のリッジとは反対側に電極３０４を形成し、この電極間に電圧を印加することで、リッジ導波路３０５の屈折率を制御して導波路間のスイッチングを行っている。導波路の上下から電界を印加することで、電極間距離の大幅な低減が可能となり、印加電界と導波光とのオーバラップも十分とれる。このため、低電圧駆動の光スイッチを実現できるという効果が得られる。
【００１８】
なお、第１の基板と第２の基板とは同じ材料を用いる必要はなく、シリコン基板やガラス、石英等の材料を第２の基板として利用することにより、加工性、温度特性等の向上が実現できる。直接接合を利用することで、高精度の接合が実現できるため、任意に基板を用いた導波路化が可能となる。従来、導波路に必要な屈折率変化を実現できなかった材料でも加工により導波路化が可能となる。
【００１９】
また、図４に示したマイクロリング共振器への応用も可能である。本発明の構成を利用することで、ＬｉＮｂＯ3のような機能性結晶を用いたマイクロリング共振器が実現できる。第１の基板４０１にＬｉＮｂＯ3基板を、第２の基板４０２にＬｉＮｂＯ3を用いている。第１の基板と第２の基板は直接接合により接合されている。リッジ導波路４０４およびリング共振器４０５の直下にはギャップ部４０３を備えている。表面にリング導波路、裏面に直行する光導波路を形成し、直交する光導波路をリング共振器で結ぶことで、導波路間の結合を制御することができる。さらにリング共振器の表面と裏面に電極４０６と電極４０７を形成し、リング共振器の共振周波数を変調することで、導波路間の結合をスイッチングすることが可能となる。従来のマイクロチャンネル共振器は樹脂材料を積層することで構成されていた。これに対して、本発明の構成では、電気光学定数の大きなＬｉＮｂＯ3材料を用いて、直接接合した基板に直線導波路およびマイクロチャンネル共振器を形成している。直線導波路はギャップ内に形成したリッジ構造からなり、リング共振器は、基板表面に形成したリッジ構造とリッジ底面のギャップ構造からなる。リング共振器の表面と裏面に電極を形成することで、共振周波数を変調でき導波路間の結合をスイッチングできる。本発明の構造は、導波路を積層構造できる点、電気光学定数の大きな光学結晶材料の利用が可能な点、導波路に直接電界印加が可能な点で、従来の構造に比べて、変調速度、変調電圧、小型化を大幅に改善できた。
【００２０】
光導波路を伝搬する導波光を導波路間で結合させ、かつ結合状態を電極等により制御するには、導波路を伝搬する光がシングルモード伝搬していることが望ましい。シングルモード条件を満足する導波路の形状は導波路を伝搬する光の波長に依存するが、例えば光の波長が１μｍ〜２μｍ程度であれば、導波路の表面から裏面までの厚みは４〜１０μｍ程度であることが望ましい。また光の波長が１μｍ以下の場合は導波路の厚みは２〜５μｍ程度である。また導波路厚みの伝搬方向のバラツキは±５％以下、できれば±２％以下の精度が要求される。この様な高精度な膜厚を大面積に渡り形成するには、第１の基板と第２の基板の接合精度、接合部の厚みのバラツキを±０．１μｍ以下に抑える必要があり、本発明のように直接接合を用いることが望ましい。
【００２１】
また、光学結晶としては、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＤＡＳＴ、ＭｇドーブＬｉＮｂＯ3、水晶、ＫＴａＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＫＴｉＯＰＯ4など電気光学効果の大きな材料が利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明は、光導波路の高集積化およびプロセスの簡素化を実現するものであり、産業上有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１における光導波路の構造を示す図
【図２】本発明の実施の形態１における光導波路の製造方法を説明する図
【図３】本発明の実施の形態１における光導波路の構造を示す図
【図４】本発明の実施の形態１における光導波路の構造を示す図
【図５】従来例における光導波路の構成を示す断面図
【符号の説明】
【００２４】
１  入力側光導波路
２  出力側光導波路
３ａ、３ｂ  リング共振器
１１  入力バス
１２  スルーバス
２１  ＤＲＯＰバス
２２  ＡＤＤバス
１０１  第１の基板
１０２  第２の基板
１０３、１０４  リッジ
１０５  第１の導波路
１０６  第２の導波路
１０７、１０８  電極
１０９  接合部
１１０  ギャップ部
２０１  第１の基板
２０２  第１の面
２０３  ギャップ部
２０４  リッジ
２０５  第２の基板
２０６  リッジ
２０７  第１の導波路
２０８  第２の導波路
３０１  第１の基板
３０２  第２の基板
３０３、３０４  電極
３０５  リッジ導波路
４０１  第１の基板
４０２  第２の基板
４０３  ギャップ部
４０４  リッジ導波路
４０５  リング共振器
４０６、４０７  電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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