(57)【要約】【課題】  光導波路基板は、支持基板、少なくとも一対のリッジ溝が形成された光学材料部および支持基板と光学材料部との間に設けられたクラッドを備える。光学材料部が、リッジ溝の間に形成されているコア、およびリッジ溝下に設けられている肉薄部を備える。光学材料部の主面から見たときにコアが湾曲する湾曲部分を含んでおり、コアの幅が１．５μｍ以下であり、光学材料部の厚さが０．８μｍ以上、２μｍ以下であり、肉薄部の厚さが０．０５μｍ以上、０．４μｍ以下であり、湾曲部分の曲率半径が１００μｍ以下である。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板、少なくとも一対のリッジ溝が形成された光学材料部および前記支持基板と前記光学材料部との間に設けられたクラッドを備えている光導波路基板であって、
前記光学材料部が、前記リッジ溝の間に形成されているコア、および前記リッジ溝下に設けられている肉薄部を備えており、
前記コアが湾曲する湾曲部分を含んでおり、前記コアの幅が１．５μｍ以下であり、前記コアの厚さが０．５μｍ以上、２．０μｍ以下であり、前記肉薄部の厚さが０．０５μｍ以上、０．４μｍ以下であり、前記湾曲部分の曲率半径が１００μｍ以下であることを特徴とする、光導波路基板。
【請求項２】
前記光学材料部が前記コアから見て各リッジ溝の外側に延在部を備えていることを特徴とする、請求項１記載の光導波路基板。
【請求項３】
前記湾曲部分中にオフセット部分が設けられていることを特徴とする、請求項１または２記載の光導波路基板。
【請求項４】
前記コアの屈折率と前記クラッドの屈折率との差が０．２５以上であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の光導波路基板。
【請求項５】
前記光学材料部に形成されたブラッググレーティングを備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の光導波路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湾曲部分における伝搬損失が低減された光導波路基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
いわゆるリッジ型光導波路や埋め込み型光導波路を形成した光導波路基板においては、光導波路を湾曲させることによって進路を変更することが望まれることがある。しかし、光導波路の湾曲部分の曲率半径が小さくなり、曲げがきつくなると、光の伝搬損失が大きくなるので、曲率半径の大きさには限界があった。【０００３】
非特許文献１、２および特許文献１は、曲がり光導波路の曲がり損失を低減するために、直線導波路と、一様な曲げ半径の曲線導波路とを、各導波路の中心軸をずらして接続する（オフセット接続）方法が開示されている。また、これらの文献の記載では、石英系ガラス、ニオブ酸リチウムやＩｎＰなどの半導体に形成した光導波路においてオフセット接続を実施している。しかし、光導波路の湾曲部分の曲率半径は１ｍｍ以上である。【０００４】
さらに非特許文献３は、シリコンフォトニクスの屈折率の高いコアを利用した構造が開示されている。この場合、シリコン上にクラッドとして屈折率１．４５のＳｉＯ２を形成し、その上にコアとして屈折率３．８のＳｉを形成し、オーバークラッドとして屈折率１．４５のＳｉＯ２を形成した埋め込み型導波路を利用している。コアとクラッドの屈折率差△ｎは２以上あり、コアの断面は０．３μｍ×０．３μｍとなっている。これはコアとクラッドの屈折率差が大きいために横モードをシングルモードとするために、このような寸法になっている。【０００５】
シリコンフォトニクスは、デバイス製造について超微細な半導体パターニング技術が必要なることや半導体レーザや光ファイバを接続する場合に結合損失が大きくなるという課題がある。さらに、シリコンの吸収により、波長１μｍ帯以下の波長では使用できないということも課題となっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】電子情報通信学会論文誌  C. Vol. J92-C No.4 pp.119-129  『光集積回路用低損失InP光導波路の検討』
【非特許文献２】ＮＴＴジャーナル  ２００５．５  『次世代ＰＬＣを支える導波路作製技術』
【非特許文献３】ＯＫＩテクニカルレビュー  2010年、第216号、Vol．77、No.1、p.4-7
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2010-151973
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献２では、いわゆるハイメサ型の光導波路構造を利用し、かつオフセット技術を利用することによって、湾曲部分の曲率半径を２５０μｍとすることが可能であるとの記載がある。【０００９】
しかし、最近は、光導波路素子を更に小型化することが望まれてきている。特に、光導波路の湾曲部分の曲率半径を１００μｍ以下とすることが必要になってきた。しかし、光導波路基板のチャネル型光導波路において、このような曲がり半径を実現することは困難である。【００１０】
本発明の課題は、チャネル型光導波路の湾曲部分を含む光導波路基板において、湾曲部分の曲率半径を１００μｍ以下とできるような構造の光導波路基板を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、支持基板、少なくとも一対のリッジ溝が形成された光学材料部および前記支持基板と前記光学材料部との間に設けられたクラッドを備えている光導波路基板であって、
前記光学材料部が、前記リッジ溝の間に形成されているコア、および前記リッジ溝下に設けられている肉薄部を備えており、
前記コアが湾曲する湾曲部分を含んでおり、前記コアの幅が１．５μｍ以下であり、前記コアの厚さが０．８μｍ以上、２．０μｍ以下であり、前記肉薄部の厚さが０．０５μｍ以上、０．４μｍ以下であり、前記湾曲部分の曲率半径が１００μｍ以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
光導波路の湾曲部分の曲率半径を小さくするためには、その光導波路における光の閉じ込めを強くすることが必要である。従って、これまで、いわゆる埋め込み型の光導波路やハイメサ型の光導波路が検討されてきた。【００１３】
一方、本発明者は、光学材料部にリッジ溝を形成することによってリッジ型光導波路を形成することを試みてきた。その過程で、リッジ型光導波路を形成するためのリッジ溝を深くし、リッジ溝下に残す肉薄部の厚さを小さくし、その効果を検証してみた。【００１４】
すると、意外なことに、湾曲部分の曲率半径を小さくした場合には、リッジ型光導波路を用いた場合の伝搬損失が、埋め込み型光導波路を用いた場合の伝搬損失と比べて同等以下となることを見いだした。【００１５】
この理由は明確ではないが、リッジ溝の切り込み深さを大きくして肉薄部を十分に薄くした場合には、光強度分布が埋め込み型光導波路の光強度分布に近づいてくるようである。これに加えて、埋め込み型光導波路の場合には、その横断面の外形が全面にわたって加工されているのであり、このために光導波路の外形輪郭の全体にわたって微細な歪みが残っており、湾曲部分の曲率半径を小さくした場合に顕在化し、伝搬損失が大きくなったものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る光導波路基板１を示す模式図である。
【図２】参考例に係る光導波路基板１０を示す模式図である。
【図３】湾曲部分を含む光導波路のパターンの一例を示す。
【図４】湾曲部分を含む光導波路のパターンの一例を示す。
【図５】実施例１における伝搬損失を示すグラフである。
【図６】実施例２における伝搬損失を示すグラフである。
【図７】実施例３における伝搬損失を示すグラフである。
【図８】比較例１における伝搬損失を示すグラフである。
【図９】比較例２における伝搬損失を示すグラフである。
【図１０】比較例３における伝搬損失を示すグラフである。
【図１１】比較例４における伝搬損失を示すグラフである。
【図１２】実施例４における伝搬損失を示すグラフである。
【図１３】比較例５における伝搬損失を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の光導波路素子の種類は、特に限定はないが、受動型の光導波路基板であってよく、波長変換素子、光変調器、光フィルタ、光アイソレータ、等の光導波路デバイスであってよい。
【００１８】
図１の光導波路基板１では、支持基板２上にクラッド層３が形成されており、クラッド層３上に光学材料部４が形成されている。光学材料部４の上面側にはリッジ溝６が形成されており、一対のリッジ溝６の間にリッジ部（コア）４ｃが形成されている。各リッジ溝とクラッド層３との間には肉薄部４ｂが残留しており、各肉薄部４ｂの外側にはそれぞれ延在部４ａが形成されている。なお、本例では、光学材料部４の上面がオーバークラッド層５によって被覆されている。
【００１９】
本発明では、コア４ｃの幅Ｗを１．５μｍ以下と小さくすることによって、コアにおける水平方向の閉じ込めを強くする。この観点からは、コアの幅Ｗは、１．２μｍ以下が更に好ましい。また、コア幅Ｗは、０．２μｍ以上とすることが好ましく、これによって加工歪みによる伝搬損失劣化を抑制でき伝搬光量を増やすことができる。この観点からは、コア幅Ｗは、０．３５μｍ以上とすることが更に好ましい。
【００２０】
なお、コア幅Ｗは、コアを上面４ｄに垂直な方向から見たときのエッジ間の間隔とする。
【００２１】
また、コア４の厚さＴｓは０．５μｍ以上、２．０μｍ以下とする。コア４の厚さをこの範囲とすることによって、湾曲部分における伝搬損失低減効果が顕著となる。これは湾曲部においてマルチモードが励振されないためで、こうした観点からは、コアの厚さは、０．８μｍ以上とすることが好ましい。また、コアの厚さは、１．８μｍ以下とすることが好ましく、また、１．５μｍ以上とすることが更に好ましい。
なお、コアの厚さとは、コアの上面と底面との間の間隔を意味するものとする。
【００２２】
また、肉薄部４ｂの厚さＴは０．０５μｍ以上、０．４μｍ以下とする。これを０．４μｍ以下とすることによって、湾曲部分における伝搬損失を顕著に低減できることを見いだした。この観点からは、肉薄部の厚さは０．３５μｍ以下が更に好ましい。
【００２３】
また、肉薄部の厚さＴが小さすぎると、埋め込み型光導波路に近くなるが、加工歪みによる影響が現れ易くなり、湾曲部分における伝搬損失がかえって上昇し易くなる。こうした観点から、肉薄部の厚さを０．０５μｍ以上とするが、０．１μｍ以上とすることが更に好ましい。
なお、リッジ高さＴｒは、コア厚さＴｓと肉薄部厚さＴとの差である。
【００２４】
曲がり導波路を利用して光路を曲げる場合には、曲がり半径をできるだけ小さくすることが好ましい。一般的に、導波路の最小曲率半径付近の領域においては、高次のモードはカットオフになるために基本モードのみが伝搬可能である。これは高次モードの実効屈折率が基本モードのそれよりも小さいために、閉じ込めが弱いことから生じる現象である。
【００２５】
本願構造は、高次モードの伝搬損失を大きく低減することができる。このための好適範囲は曲率半径が１００μｍ以下であり、更には７０μｍ以下であり、特には５０μｍ以下である。また、前記曲率半径の最小値は特にないが、伝搬損失の低減という観点からは、５μｍ以上が好ましく、１０μｍ以上が更に好ましい。
【００２６】
図２は参考例の光導波路基板１０を示す。
本例では、支持基板２上にクラッド層３が形成されており、クラッド層３上にコア７および延在部８が形成されている。コアと延在部との間の溝９はアンダークラッド層３まで切り込まれており、肉薄部は除去されている。本例では、コア７がオーバークラッド５Ｂによって被覆されており、延在部８がオーバークラッド層５Ａによって被覆されている。
【００２７】
支持基板の具体的材質は特に限定されず，ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶、Si、アルミナ、窒化アルミ、サファイアなどを例示することができる。
【００２８】
クラッドの屈折率は、光学材料部の屈折率よりも低いことが好ましく、その屈折率差は０．２５以上が好ましく、０．５以上が更に好ましい。
【００２９】
前記の屈折率差が同じあっても、光導波路の実効屈折率が大きいほど、曲率半径を小さくすることができる。このことから、コアの屈折率は大きいほど、曲率半径を小さくすることができる。この観点から光学材料部の材質の屈折率は、１．７以上であることが好ましく、１．９以上であることが更に好ましい。しかし、コアの屈折率が大きすぎると、シングルモードを得るための断面寸法が小さくなり光スポット径が小さくなるので、半導体レーザや光ファイバとの結合損失が大きくなる。この観点から光学材料部の材質の屈折率は、３．５以下であることが好ましく、３以下が更に好ましい。
こうした観点からは、ガリウム砒素、ニオブ酸リチウム単結晶、酸化タンタル、酸化亜鉛および酸化アルミナを好ましく例示できる。
【００３０】
クラッドの材質の屈折率は、１．６９以下であることが好ましく、１．５５以下であることが更に好ましい。こうした観点からは、ＳｉＯ２、ポリイミド、ＳｉＯ２系ガラス、ＭｇＦを好ましく例示できる。
【００３１】
光学材料部中には、光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させてもよく、この場合、マグネシウムが特に好ましい。また結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。
【００３２】
光導波路基板に接着層を更に設ける場合には、その材質は、無機接着剤であってよく、有機接着剤であってよく、無機接着剤と有機接着剤との組み合わせであってよい。この場合、接着層がクラッドとして機能してもよい。
【００３３】
また、光学材料部は、支持基体上に薄膜形成法によって成膜して形成してもよい。こうした薄膜形成法としては、スパッタ、蒸着、ＣＶＤを例示できる。この場合には、光学材料部は支持基体に直接形成されており、上述した接着層は存在しない。
【００３４】
曲がり損失を低減するために、モード形状が外周方向に変形するモード変換損が発生する。これを改善するために曲がり導波路の接続部においてリッジ導波路の幅方向に軸ずれさせる（オフセットさせる）構造であってよい。
【００３５】
例えば図３においては、光導波路は、幅の相対的に大きい入射部１１ａ、テーパ部１１ｂ、直進部１１ｃ、湾曲部分１１ｄ、１１ｅ、直進部１１ｆを備えており、全体として９０度湾曲している。直進部１１ｃと湾曲部分１１ｄとの間にオフセット１２Ａ（Ｏｆｆｓｅｔ１）があり、湾曲部分１１ｄと１１ｅとの間にオフセット１２Ｄ（Ｏｆｆｓｅｔ２）があり、湾曲部分１１ｅと直進部１１ｆとの間にオフセット１２Ｃ（Ｏｆｆｓｅｔ３）がある。図面に矢印で示すオフセット方向を正としている。
このようなオフセットを組み合わせることによって、湾曲部分における伝搬損失が更に低減されるようにする。
【００３６】
リッジ型の光導波路は、例えば外周刃による切削加工やレーザアブレーション加工することによって物理的に加工し、成形することによって得られる。
【００３７】
ブラッググレーティングは以下のようにして物理的、あるいは化学的なエッチングにより、光導波路に形成することができる。
具体例として、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属膜を高屈折率基板に成膜し、フォトリソグラフィーにより周期的に窓を形成しエッチング用マスクを形成する。その後、反応性イオンエッチングなどのドライエッチング装置で周期的なグレーティング溝を形成する。最後に金属マスクを除去することにより形成できる。
【実施例】
【００３８】
（実施例１）
図１、図３、図４に示すような形態の光導波路基板を作製した。
ただし、光導波路構造は図１に示すようなものとし、平面的パターンは図４に示す光導波路基板２０とした。【００３９】
図４においては、基板２１に光導波路２２が形成されている。光導波路２２は、コア幅の大きい入射部２３ａ、伝搬方向に向かってコア幅が小さくなるテーパ部２３ｂ、コア幅が相対的に小さい直進部２３ｃを備える。そして直進部２３ｃを伝搬した光は、二つの反対方向に向かって湾曲する湾曲部分２３ｄ、２３ｅを通過してそれぞれ光路を変更し、次いで直進部２３ｆ、伝搬方向に向かってコア幅が大きくなるテーパ部２３ｇ、コア幅の相対的に大きい出射部２３ｈを通過し、基板外に出射する。
ここで、各湾曲部分２３ｄ、２３ｅの詳細は図３に示すような形態とした。【００４０】
具体的には、石英からなる支持基板２にスパッタ装置にてアンダークラッド層３になるＳｉＯ２層を１μｍ成膜し、またその上に光学材料部（層）４となるＴａ２Ｏ５を１．２μｍ成膜して光学材料部を形成した。【００４１】
次に、光学材料部４上にＴｉを成膜して、ステッパ装置により光導波路パターンを作製した。その後、このＴｉパターンをマスクにしてフッ素系の反応性イオンエッチングによりリッジ溝６をエッチングして光導波路を形成した。【００４２】
最後に、オーバークラッド層５となるＳｉＯ２層をリッジ導波路を覆うように０．５μｍスパッタにて成膜した。その後、ダイシング装置にてアセンブリをバー状に切断し、半導体レーザと波長変換素子を実装する端面を光学研磨し、この端面を光学研磨し、両端面に０．１％のARコートを形成し、最後にチップ切断を行い曲がり導波路素子を作製した。素子サイズは幅１mm×長さ８mmとした。【００４３】
光導波路基板の光挿入損失測定は、波長８３０nmの半導体レーザを使用して測定した。光導波路にＴＥモードの光を入力して光挿入損失を測定した。光源と入力部、および出力部と光検出素子と結合損失は別の測定にてそれぞれ１．５ｄＢと算出したので、光挿入損失からこれらを差し引いた数値を伝搬損失として図５にまとめた。
ＴＭモードについても同時に評価を行ったが、同様の結果となり偏光による曲がり損失の影響はなかった。【００４４】
光導波路の寸法は、それぞれ下記のように設定した。
入射部２３ａ、２３ｈにおけるコア幅：３μｍ
湾曲部分におけるコア幅Ｗ：０．５μｍ
湾曲部分におけるオフセット：OFFSET１＝０μｍ、OFFSET２＝０μｍ、OFFSET３＝０μｍ
コアの厚さＴｓ：１．２μｍ
リッジ溝深さＴｒ＝１．０μｍ
肉薄部の厚さ：０．２μｍ
テーパ部２３ｂ、２３ｇの長さ：１００μｍ
湾曲部分における曲率半径： ５μｍ〜１００μｍ（５μｍ間隔）
その結果を伝搬損失を図５に示す。【００４５】
（実施例２）
実施例１と同様に光導波路素子を作製した。ただし、湾曲部分におけるコア幅Ｗは１．０μｍ、１．５μｍ、２．０μｍに変更した。また、湾曲部分における曲率半径は  １０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、１００μｍとした。
伝搬損失を実施例１と同じように評価し、その結果を図６に示す。【００４６】
（実施例３）
実施例１と同様にして光導波路基板を作製した。ただし、湾曲部分におけるコア幅Ｗは０．５μｍ、１．０μｍ、１．５μｍ、２．０μｍに変更した。また、湾曲部分における曲率半径は１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、１００μｍとした。湾曲部分におけるオフセットはOFFSET１＝０．１５μｍ、OFFSET２＝０、OFFSET３＝−０．１５μｍとした。
これら以外のパラメータは実施例１と同じとした。
伝搬損失を実施例１と同じように評価し、その結果を図７に示す。【００４７】
（比較例１）
実施例１と同様にして光導波路基板を作製した。ただし、湾曲部分におけるコア幅Ｗは０．５μｍに変更した。また、リッジ溝の深さは０．６μｍとし、肉薄部の厚さも０．６μｍと大きくした。湾曲部分におけるオフセットはゼロとした。
これら以外のパラメータは実施例１と同じとした。
伝搬損失を実施例１と同じように評価し、その結果を図８に示す。【００４８】
（比較例２）
比較例１と同様に光導波路基板を作製した。ただし、湾曲部分におけるオフセットはOFFSET１＝０．１５μｍ、OFFSET２＝０、OFFSET３＝−０．１５μｍとした。これら以外のパラメータは比較例１と同じとした。
伝搬損失を実施例１と同じように評価し、その結果を図９に示す。【００４９】
（比較例３）
実施例１と同様にして光導波路基板を作製した。
ただし、実施例１と異なり、リッジ溝の深さ１．２μｍとなるまで加工を続けることにより、肉薄部を消失させ、図２に示す横断面形状とした。したがって、パラメーターは以下のとおりとなる。【００５０】
入射部２３ａ、２３ｈにおけるコア幅：３μｍ
湾曲部分におけるコア幅Ｗ：０．５μｍ
湾曲部分におけるオフセット：  なし
コアの厚さＴｓ：１．２μｍ
リッジ溝深さＴｒ＝１．２μｍ
肉薄部の厚さ：０．０μｍ
テーパ部の長さ：１００μｍ
湾曲部分における曲率半径： 実施例２と同じように変更。
伝搬損失を実施例２と同じように評価し、その結果を図１０に示す。【００５１】
実施例２と比較して、本結果は、損失が０．４〜０．５ｄＢ大きい結果となった。この理由として、比較例は光閉じ込めの効果大きく、マルチモードの影響で曲がり導波路内でシングルモードからマルチモードへ結合し放射して損失が大きくなる、あるいは、リッジ溝深さが深いことによりリッジ側面のラフネスの影響で過剰損失が大きくなると考えられる。【００５２】
（比較例４）
比較例３と同様にして光導波路基板を作製した。
ただし、湾曲部分におけるコア幅は０．５μｍとし、湾曲部分におけるオフセットはOFFSET１＝０．１５μｍ、OFFSET２＝０、OFFSET３＝−０．１５μｍとした。
これら以外のパラメータは比較例３と同じとした。
伝搬損失は実施例２と同じように評価し、その結果を図１１に示す。【００５３】
実施例２と比較して本結果は、損失が０．４〜０．５ｄＢ大きい結果となった。この理由として、比較例は光閉じ込めの効果大きく、マルチモードの影響で曲がり導波路内でシングルモードからマルチモードへ結合し放射して損失が大きくなる、あるいは、リッジ溝深さが深いことによりリッジ側面のラフネスの影響で過剰損失が大きくなると考えられる。【００５４】
（実施例４）
実施例１と同様にして光導波路基板を作製した。ただし、以下のパラメーターを変更した。
湾曲部分におけるコア幅Ｗ：０．５μｍ
リッジ溝の深さ：０．８μｍ
肉薄部の厚さ：  ０．４μｍ
湾曲部分におけるオフセット：  ０．０ｍｍ
伝搬損失を実施例１と同じように評価し、その結果を図１２に示す。【００５５】
（比較例５）
実施例１と同様にして光導波路基板を作製した。ただし、以下のパラメーターを変更した。
湾曲部分におけるコア幅Ｗ：０．５μｍ
リッジ溝の深さ：０．７μｍ
肉薄部の厚さ：  ０．５μｍ
湾曲部分におけるオフセット：  ０．０ｍｍ
伝搬損失を実施例１と同じように評価し、その結果を図１３に示す。
【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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【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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【国際調査報告】
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