(57)【要約】【課題】  モニタ光としてエバネセント波を利用する光導波路デバイス及びその製造方法において、汚染物質の除去が容易であり、あるいは、再汚染を抑制することが可能な光導波路デバイス及びその製造方法を提供すること。【解決手段】  焦電性又は圧電性を有する材料で構成された基板１と、該基板の一部形成された光導波路２とを有する光導波路デバイスにおいて、該光導波路を跨ぐように配置される受光素子３と、該受光素子と該光導波路との距離を調整するために、該基板上に形成された台座４とを備え、該台座は、膜体で構成され、少なくとも該受光素子に面した表面材料が、光触媒物質、導電性物質又は半導体物質のいずれかで形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】
焦電性又は圧電性を有する材料で構成された基板と、該基板の一部形成された光導波路とを有する光導波路デバイスにおいて、
該光導波路を跨ぐように配置される受光素子と、
該受光素子と該光導波路との距離を調整するために、該基板上に形成された台座とを備え、
該台座は、膜体で構成され、少なくとも該受光素子に面した表面材料が、光触媒物質、導電性物質又は半導体物質のいずれか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２】
請求項１に記載の光導波路デバイスにおいて、該受光素子と該基板とは、該受光素子を構成する材料の屈折率よりも低い屈折率を有する接着剤で接合されてい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、該台座は、該台座を構成する材料が屈折率が２．３以下の透明な材料であり、該光導波路を覆うように配置され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、該台座は、隙間を有する島状パターンを有していることを特徴とする光導波路デバイス。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路デバイスにおいて、該表面材料は、ＴｉＯ２又はＩＴＯの少なくともいずれかを用いることを特徴とする光導波路デバイス。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光導波路デバイスの製造方法において、該基板上に該受光素子を実装する前に、該台座の表面に、光洗浄、イオナイザブローのいずれかを実施することを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路デバイス及びその製造方法に関するものであり、特に、誘電体基板に高屈折率材料を熱拡散して形成される拡散導波路と、該拡散導波路の上方に配置され、該拡散導波路を伝搬する光波の一部を受光する受光素子とを有する光導波路デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光導波路を有する光変調器などの光導波路デバイスでは、光導波路を伝搬する光波の一部をモニタするため、光導波路に近接して受光素子（Photo Detector，ＰＤ）を配置することが行われている。光導波路からモニタ光を取出す方法の一つとして、特許文献１に示すように、エバネセント波を利用する方法がある。
【０００３】
エバネセント波を利用するには、受光素子への光取出し効率は、光導波路と受光素子との構造が決まっていれば、受光素子の底面から光導波路までの間隔(ギャップ）ｓに依存する。このため、光導波路と受光素子との間隔を、エバネセント波として結合できる領域にまで接近させて配置することが必要であり、当該間隔の調整には高精度な組み立て技術が必要となる。一例として、エバネセント波は、導波路表面から離れるにつれて指数関数的に減衰し、電界振幅が導波路境界から１／ｅとなる浸み出し深さをｄとすると、浸み出し深さｄは、式（１）で表現される。式（１）のγｃは、さらに、式（２）で表現される。
【０００４】
【数１】
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【０００５】
【数２】
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【０００６】
式（２）の各文字、κ、Ｎ、ｎｃはそれぞれ真空中の波数、導波光の実効屈折率、クラッド屈折率である。ここで、波長１．５５μｍ、Ｎ＝２．２、ｎｃ＝１．５とすると、式（１）のｄは、約０．１６μｍとなる。このため、モニタ光の受光感度の再現性を得るには、受光素子の光導波路からの距離ｓは、１０ｎｍ程度の精度で合わせる必要がある。
【０００７】
モニタ光としてエバネセント波を利用した場合の実用性を評価するため、光導波路と受光素子との間隔を調整して、受光素子の感度及び受光素子が検出したＯＮ／ＯＦＦ消光比を、図１に示す。モニタポート付きベクトル型変調器の試作には、ギャップ調整用の膜としてＳｉＯ２を用いた。また、図１は、ＣバンドおよびＬバンドにおける感度および消光比の波長依存性の特性評価例である。
【０００８】
図１を見ると、感度は５％以内の変動であり、ほとんど波長依存性が見られない。また、ＯＮ／ＯＦＦ消光比は２０ｄＢを超えており良好である。例えば、光変調器などの変調電極に印加するバイアス電圧をモニタし制御するために必要な信号の感度（モニタＰＤ出力信号［Ａ］／信号光強度［Ｗ］）が得られている。また、信号光とモニタ光は同相で位相差がなく、正確なバイアスモニタが可能であり、実用性が高い構成であることが容易に理解される。
【０００９】
ところで、特許文献１では、光導波路と受光素子との間隔を高精度に調整するため、光導波路を形成する際に利用する高屈折率材料を、光導波路が形成された基板上に受光素子を支持するための台座の一部に使用することを提案している。
【００１０】
ところで、光導波路と受光素子チップとの間に、ゴミや付着物などの汚染物質があると接着時の間隔（ギャップ）の再現が悪化し、特性（モニタ信号取出効率）の再現性が得られない。例えば、数１００ｎｍ微小なゴミや付着物などあると、モニタ信号が全く得られなくなるなど、致命的な問題となる。
【００１１】
このため、受光素子チップを接着する際に、光導波路と受光素子チップとの間のゴミや付着物など汚染物質の除去を行っている。汚染物質の除去方法としては、導波路基板のスクラブ洗浄、超音波洗浄、紫外線アッシング、大気圧プラズマ洗浄、イオナイザーブローなどが有効である。しかしながら、光導波路デバイスの基板としてＬｉＮｂＯ３などの焦電性や圧電性を有する材料を用いた場合には、洗浄後の温度変化や外部からの圧力によって生じた静電気により、容易にゴミを引き付け易く、洗浄後に再び汚染されるといった問題があり、光導波路デバイスの製造上の歩留まり大きく低下する原因となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特願２００９−６９０９４号（２００９年３月１９日出願）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
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、モニタ光としてエバネセント波を利用する光導波路デバイス及びその製造方法において、汚染物質の除去が容易であり、あるいは、再汚染を抑制することが可能な光導波路デバイス及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、焦電性又は圧電性を有する材料で構成された基板と、該基板の一部形成された光導波路とを有する光導波路デバイスにおいて、該光導波路を跨ぐように配置される受光素子と、該受光素子と該光導波路との距離を調整するために、該基板上に形成された台座とを備え、該台座は、膜体で構成され、少なくとも該受光素子に面した表面材料が、光触媒物質、導電性物質又は半導体物質のいずれかで形成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光導波路デバイスにおいて、該受光素子と該基板とは、該受光素子を構成する材料の屈折率よりも低い屈折率を有する接着剤で接合されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光導波路デバイスにおいて、該台座は、該台座を構成する材料が屈折率が２．３以下の透明な材料であり、該光導波路を覆うように配置されることを特徴とする。
【００１７】
請求項４に係る発明は、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、該台座は、隙間を有する島状パターンを有していることを特徴とする。
【００１８】
請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路デバイスにおいて、該表面材料は、ＴｉＯ２又はＩＴＯの少なくともいずれかを用いることを特徴とする。
【００１９】
請求項６に係る発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の光導波路デバイスの製造方法において、該基板上に該受光素子を実装する前に、該台座の表面に、光洗浄、イオナイザブローのいずれかを実施することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に係る発明により、焦電性又は圧電性を有する材料で構成された基板と、該基板の一部形成された光導波路とを有する光導波路デバイスにおいて、該光導波路を跨ぐように配置される受光素子と、該受光素子と該光導波路との距離を調整するために、該基板上に形成された台座とを備え、該台座は、膜体で構成され、少なくとも該受光素子に面した表面材料が、光触媒物質、導電性物質又は半導体物質のいずれかで形成されているため、汚染物質の除去を容易に行うことが可能となる。具体的には、光触媒物質の光触媒効果により、受光素子を接着する前に光を照射することで、光洗浄を実施することができる。また、導電性物質や半導体物質により、静電気による汚染物質の付着力を弱め、イオナイザブローなどにより容易に付着した汚染物質を除去することが可能となる。また、導電性物質や半導体物質の場合には、表面の帯電を抑制でき、汚染物質の再付着も抑制できる。
【００２１】
請求項２に係る発明により、受光素子と基板とは、該受光素子を構成する材料の屈折率よりも低い屈折率を有する接着剤で接合されているため、エバネセント波を効率良く受光素子に導入することが可能となる。
【００２２】
請求項３に係る発明により、台座は、該台座を構成する材料が屈折率が２．３以下の透明な材料であり、該光導波路を覆うように配置されるため、光導波路に対する台座の配置が容易であり、台座による光損失の発生も抑制することが可能となる。
【００２３】
請求項４に係る発明により、台座は、隙間を有する島状パターンを有しているため、接着剤を使用した際に、基板と受光素子との間から当該隙間を介して、容易に接着剤が流出又は流入でき、接着剤の厚みムラを抑制することができ、基板に形成された光導波路と受光素子との間隔を適正に調整することが可能となる。
【００２４】
請求項５に係る発明により、台座の表面材料は、ＴｉＯ２又はＩＴＯの少なくともいずれかを用いるため、汚染物質の除去効果が高く、また、汚染物質の再付着を抑制でき、製造歩留まりの高い光導波路デバイスを提供することが可能となる。
【００２５】
請求項６に係る発明により、基板上に該受光素子を実装する前に、該台座の表面に、光洗浄、イオナイザブローのいずれかを実施するため、台座の構成と相まって、汚染物質の除去効率をより高くすることができ、製造歩留まりの高い光導波路デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】エバネセント波をモニタ光とした場合の受光素子の感度及び消光比の波長依存性を示すグラフである。
【図２】本発明の光導波路デバイスを示す概略図であり、光伝搬方向に平行な方向の断面図である。
【図３】本発明の光導波路デバイスの第１の実施例であり、図２における矢印Ａ−Ａにおける断面図を示す図である。
【図４】本発明の光導波路デバイスの第２の実施例であり、図２における矢印Ａ−Ａにおける断面図を示す図である。
【図５】本発明の光導波路デバイスにおける台座の応用例を示す図である。
【図６】本発明の光導波路デバイスにおける台座の構造の一例を示す図である。
【図７】本発明の光導波路デバイスにおける台座の構造の他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の光導波路デバイスについて、好適例を用いて詳細に説明する。図２は、本発明の光導波路デバイスを示す概略図であり、光伝搬方向に平行方向の断面図である。図３又は図４は、図１の矢印Ａ−Ａにおける断面図であり、図３は本発明の第１の実施例、図４は本発明の第２の実施例を示す。
【００２８】
本発明は、図２に示すように、焦電性又は圧電性を有する材料で構成された基板１と、該基板の一部形成された光導波路２とを有する光導波路デバイスにおいて、該光導波路２を跨ぐように配置される受光素子３と、該受光素子３と該光導波路２との距離を調整するために、該基板上に形成された台座４とを備え、該台座４は、膜体で構成され、少なくとも該受光素子に面した表面材料が、光触媒物質、導電性物質又は半導体物質のいずれかで形成されていることを特徴とする。
【００２９】
本発明における「少なくとも受光素子に面した表面材料」とは、台座全体が一つの材料で形成されている場合は当該台座の構成材料を意味し、台座が図６又は７のように複数の膜体で構成されている場合には、受光素子に対向する台座部分を構成する材料を意味する。
【００３０】
焦電性又は圧電性を有する材料で構成された基板１としては、特に、ＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ３又はＰＬＺＴのいずれかの単結晶が好適に利用可能である。これらの材料は、光変調器など電気光学デバイスの基板として利用され、これらのデバイスには基板上に光導波路も形成されるため、光導波路を伝搬する光波をモニタする手段として、本発明が効果的に適用することが可能である。焦電性又は圧電性を有する材料で構成された基板を用いた場合には、本発明の課題である汚染物質の除去や汚染物質の再付着防止が求められるため、モニタ手段である受光素子を基板に設置する際の汚染物質対策が、特に、重要となっている。
【００３１】
基板に形成する光導波路は、ＬｉＮｂＯ３基板（ＬＮ基板）上にチタン（Ｔｉ）などの高屈折率物質を熱拡散することにより形成される。また、光導波路となる部分の両側に溝を形成したリブ型光導波路や光導波路部分を凸状としたリッジ型導波路も利用可能である。本発明の光導波路デバイスでは、受光素子を支持する台座を基板上に形成するため、Ｔｉなどの熱拡散やリブ型光導波路がより好適に利用可能である。
【００３２】
受光素子の横幅（図３の符号３の部分の横幅）は、１００μｍ〜３ｍｍ程度であり、台座部分の大きさも、受光素子の横幅の約半分から数倍程度の範囲で形成される。基板上に形成する台座部分は、光触媒物質、導電性物質又は半導体物質のいずれかのみで形成することができる。また、台座部分は、単一の膜体で構成しても、複数の膜体で構成しても良い。重要なのは、受光素子に対向する台座部分には、必ず、光触媒物質、導電性物質又は半導体物質のいずれかで表面を被覆することである。したがって、台座部分にＳｉＯ２膜を形成し、又は、特許文献１に示すようにＴｉ熱拡散で台座を形成し、その後にこれら台座部分の表面を、光触媒物質、導電性物質又は半導体物質のいずれかで被覆することも可能である。
【００３３】
より具体的には、図３のように台座４を上述した光触媒物質等の一つの材料による膜体で形成する構造や、図６のように台座を複数の膜体（４２，４３）で構成し、受光素子３に面した表面材料４２のみを光触媒物質等で形成する構造や、さらには、図７に示すように、受光素子３に対向する台座部分４４のみを光触媒物質等で形成する構造などが採用可能である。図６や図７では、膜体４３，４５としては、光触媒物質等に限らず、ＳｉＯ２膜なども利用が可能である。特に、図７のように、台座の表面部分において、導電性物質又は半導体物質で構成する部分４４とＳｉＯ２膜などの絶縁性物質で構成する部分４５とを混在させることで、汚染物質を積極的に符号４５の表面部分に集め、受光素子に対向する部分４４からは、汚染物質を引き離すよう構成することも可能である。
【００３４】
台座部分の表面を光触媒物質で覆う場合には、光触媒上やその近傍に付着した汚染物質の分解、除去が光照射（光洗浄）によって可能であり、受光素子と光導波路を形成した基板との間の間隔を、数１０ｎｍオーダーで高精度に、再現性良く調整することが可能となる。
【００３５】
また、台座部分の表面に導電性物質や半導体物質を用いた場合には、光導波路を形成した基板に発生する焦電気、圧電気による静電気で引きつけられた汚染物質などは、主に台座部分に付着する。これは、焦電、圧電による電位は、台座を形成した部分も、形成していない部分もほぼ同じであるが、台座部分は、高絶縁体である基板より電荷移動が容易であり、基板付近を浮遊する汚染物質を引きつけやすくなるためである。導電性物質や半導体物質からなる台座部分に付着した汚染物質は、絶縁部に付着した汚染物質に比べて、イオナイザーブローガン処理で除去しやすく、受光素子と光導波路を形成した基板との間の間隔を、数１０ｎｍオーダーで高精度に、再現性良く調整することが可能となる。
【００３６】
ＴｉＯ２、ＩＴＯなどは、光触媒機能と半導体機能を兼ね備えており、本発明に利用される台座部分の表面材料として特に適している。これらの物質を用いれば、汚染物質は優先的に台座部分に補足され、イオナイザーブローガン等で除去し易いだけではなく、光洗浄による分解除去の効果も期待できる。
【００３７】
台座部分の膜体の形成は、光触媒物質、導電性物質、半導体物質のいずれの材料を用いた場合においても、一般的な半導体製造プロセスによって形成することができる。例えば、ＬＮ基板に光導波路を形成した後、スパッタリング法や蒸着法などを利用して、所定の膜厚の膜体材料をＬＮ基板表面に形成する（薄膜形成工程）。また、台座の形成には、リフトオフ法やドライエッチング法を利用して、パターン形成を行うことができる。例えば、フォトレジストをもちいたリフトオフ法を用い、後述する各種パターンの台座を形成することができる。
【００３８】
受光素子３と基板１とは、該受光素子３を構成する材料の屈折率（ｎ＝３．５程度）よりも低い屈折率を有する接着剤５を利用している。接着剤としては、特に限定されないが、例えば、熱硬化性接着剤など有機系接着剤が好適に利用される。このような低屈折率の接着剤を使用しているため、接着剤層に入射したエバネセント波を、効率良く受光素子３に導入することが可能となる。
【００３９】
次に、図２の矢印Ａ−Ａにおける断面図について説明する。本発明の光導波路デバイスに係る第１の実施例では、図３に示すように、光導波路２を挟み、かつ、光導波路２と接触しないように、台座部分４が配置されている。なお、符号３１は、受光素子の受光部を示す。
【００４０】
導電性物質として金属膜（屈折率ｎ＞１０）や半導体膜（ｎ＝３．５程度）を用いる場合、光導波路に接触してこのよう膜体を配置すると、光導波路を伝搬する光を吸収減衰させたり、光屈折装荷膜として導波路構造が変化するなどして光の損失を生じさせることとなる。その光の損失量は、光導波路上に設置する膜体の長さとともに指数関数的に増加する。したがって、金属膜や半導体膜を用いる場合には、図３の構造のように光導波路の上部には設置しないことが望ましい。当然、実用デバイスとして許容される程度の光損失の範囲内で、光導波路上に金属膜や半導体膜の台座を形成することは可能である。
【００４１】
図５は、台座の形状の応用例を示す。台座は、隙間を有する島状パターン４２を有しているため、接着剤を使用した際に、基板１と受光素子３との間から当該隙間を介して、容易に接着剤が流出又は流入でき、接着剤の厚みムラを抑制することができ、基板に形成された光導波路と受光素子との間隔を適正に調整することが可能となる。島状パターンは、受光素子３を座りよく設置できる構造であればよく、図５のような長方形のアレー配列に縛られない。
【００４２】
次に、図４に示す第２の実施例について説明する。図４は、光導波路２を覆うように台座４を形成している。例えば、連続した一つの膜体で構成しても良いし、図５で示した島状パターンを変形して、各島部分が光導波路を覆うように構成することも可能である。ただし、このような台座の配置を行うためには、上述した光損失を抑制する必要があるため、光導波路を伝搬する光の波長において、吸収損失が少なく透明であり、屈折率が基板と同程度かそれ以下の材質（ｎ＜２．３）であることが好ましい。このような膜体としては、基板がＬＮ基板の場合には、ＴｉＯ２やＩＴＯなどの材料は、好適に利用可能である。
【００４３】
図２乃至図４を用いて、本発明の光導波路デバイスの動作を説明する。光導波路２を伝搬する光波Ｌは、光導波路２と受光素子３との間隔が適切に設定されている場合には、エバネセント波Ｅを受光素子側に取り込むことが可能となり、該エバネセント波Ｅが、図３の接着剤層５のみや、図４の台座４及び接着剤層５を通過して、受光素子３の受光部３１に入射する。
【００４４】
本発明の光導波路デバイスに関する製造方法としては、汚染物質の除去効果や再付着防止効果を効率良く発揮させるため、光導波路デバイスの製造方法において、台座を形成した基板上に受光素子を実装する前に、該台座の表面に、光洗浄、イオナイザブローのいずれかを実施することが好ましい。台座の構成と相まって、汚染物質の除去効率をより高くすることができ、製造歩留まりの高い光導波路デバイスを提供することができる。
【００４５】
本発明の説明に際しては、説明の簡単化のため、光導波路パターンとして直線導波路を最小にしているが、当然、他のパターンの光導波路とすることもできる。例えば、光導波路をマッハツェンダー型にすることで、本発明を光強度変調器などの光導波路デバイスに適用することができる。また、光導波路上への受光素子の実装によるモニタ方法は、ＤＱＰＳＫ、ＤＰ−ＱＰＳＫや１６ＱＡＭ変調器など、複雑な導波路構造を有する集積型光変調器に利用可能であり、特に、各マッハツェンダー型導波路部分（ＭＺＩ）のバイアス状態を個別にモニタする場合などに、利用できる。
【００４６】
本発明の光導波路デバイスの製造方法における特性再現性の改善、あるいは、生産歩留りの改善を調べるため、以下の条件で製造試験を行った。
ＬＮ基板上に、Ｔｉ熱拡散による光導波路を形成した後、図５に示す島状パターンの台座を、表１に示す組成材料、成膜方法を形成した。膜厚は共に、１１０ｎｍとした。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
台座を形成した基板について、次の３つの洗浄を行い、接着剤（屈折率ｎ＝１．５６）を用いて基板と受光素子を貼り付けて、光導波路デバイスを完成させた。
（１）大気圧プラズマアッシャー
（２）イオナイザブロー  １０秒
（３）ＵＶ光洗浄（ＵＶ  １００ｍｗ／ｃｍ  ６０秒）
【００４９】
完成した光導波路デバイスの光導波路に試験光を導波させ、受光素子が試験光のエバネセント波を適切に検出できるかどうかで、良品・不良品を判断した。判断結果を表１に示す。表１の結果より、ＳｉＯ２膜を利用した場合と比較し、本発明のＩＴＯ膜の方が、製造上の歩留まりが格段に改善していることが、容易に理解できる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上説明したように、本発明によれば、モニタ光としてエバネセント波を利用する光導波路デバイス及びその製造方法において、汚染物質の除去が容易であり、あるいは、再汚染を抑制することが可能な光導波路デバイス及びその製造方法を提供することが可能となる。
【符号の説明】
【００５１】
１  基板
２  光導波路
３  受光素子（チップ）
４，４１〜４５  台座
５  接着剤
３１  受光素子の受光部
【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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【図６】
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【図７】
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