(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶基板と、
該結晶基板に形成された光導波路と、
該光導波路の少なくとも一部分に隣接させて前記結晶基板に形成されたアモルファス領域と、
を含んで構成され、
該光導波路が、前記結晶基板表面から離れて基板内部を通る三次元曲げ導波路を有し、
該アモルファス領域が、少なくとも前記三次元曲げ導波路の外周側に隣接形成される光デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の光デバイスであって、
前記光導波路は、少なくとも部分的に曲げ導波路を有し、
前記アモルファス領域は、前記曲げ導波路の外周側に隣接させて形成されている光デバイス。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の光デバイスであって、
前記結晶基板がニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）基板である光デバイス。
【請求項４】
光導波路を形成した結晶基板における前記光導波路と隣接した部分に超短パルスレーザを照射し、当該隣接部分にアモルファス領域を形成する工程
を含み、
該光導波路が、前記結晶基板表面から離れて基板内部を通る三次元曲げ導波路を有し、
該アモルファス領域が、少なくとも前記三次元曲げ導波路の外周側に隣接形成される光デバイスの製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の光デバイスの製造方法であって、
前記超短パルスレーザの照射パワーが、前記結晶基板の結晶の屈折率上昇を誘起するパワーよりも大きく且つ前記結晶のアブレーションを生じるパワーよりは小さい、光デバイスの製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の光デバイスの製造方法であって、
前記結晶基板がニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）基板であり、
前記超短パルスレーザがフェムト秒レーザである、光デバイスの製造方法。
【請求項７】
請求項６記載の光デバイスの製造方法であって、
前記フェムト秒レーザの照射パワーが０．５ｍＷ〜２．０ｍＷである、光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、基板に集積した光導波路を有する光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信技術において、伝送装置の小型化に対する要求が近年ますます高まってきている。この要求に応えるためには、これまで複数の個別光デバイスを接続することで実現していた機能を１基板に集積したり（ワンチップ化）、１個の光デバイスのサイズをさらに小型化することが必要である。このような小型集積化の重要な技術として、光デバイス中の光導波路に曲げ導波路を採用することがあげられ、最近では三次元の曲げ導波路（すなわち、デバイスの深さ方向にも曲げる）も研究され始めている。
【０００３】
曲げ導波路を基板に設計する場合、その曲率半径をできるだけ小さくすることが小型化にとって有効であることは明らかである。しかし一方で、曲率半径が小さくなればなるほど光損失（放射損失）が増え、当該光導波路を有する光デバイスの性能低下につながるので、注意しなくてはならない。このような光損失低減のための技術が、特許文献１〜３に開示されている。
【０００４】
特許文献１は、曲げ導波路を基板上のリッジ（山稜）構造とすることにより導波路側部に空気層を配置し、当該空気層をクラッドとして利用する技術を開示している。また、特許文献２，３は、外拡散やイオン交換を使用して、光導波路に対するクラッド領域を導波路側部の基板表層に形成する技術を開示している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−０９４４４０号公報
【特許文献２】特許第２８４７８４４号公報
【特許文献３】特許第２８５５６７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１〜３に開示の技術はいずれも、基板表面から離れて基板内部を通る三次元曲げ導波路に適用することができない、という改善点をもっている。すなわち、基板内部に埋め込まれる曲げ導波路を特許文献１のリッジ構造にすることはできないし、特許文献２，３で使用している外拡散やイオン交換では、基板表面から離れた基板内部にクラッド領域を形成することができない。
【０００７】
本発明は、このような課題に着目したもので、基板内部に形成される光導波路であっても、その曲げ導波路に対してクラッドを備えることの可能な光デバイスの構造とその製造方法を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するためにここで提案する光デバイスは、結晶基板と、該結晶基板に形成された光導波路と、該光導波路の少なくとも一部分に隣接させて前記結晶基板に形成されたアモルファス領域と、を含んで構成される。
【０００９】
また、このような光デバイスの製造方法として、光導波路を形成した結晶基板における前記光導波路と隣接した部分に超短パルスレーザを照射し、当該隣接部分にアモルファス領域を形成する工程を含む製造方法を提案する。
【発明の効果】
【００１０】
この提案に係る光デバイスは、光導波路に隣接するアモルファス領域を備えている。結晶基板中にアモルファス化した部分を形成すると、そのアモルファス化部分の屈折率は他の部分より低下することが知られている。一方、結晶基板中の光導波路は他の部分より屈折率を高くした部分なので、光導波路に隣接させてアモルファス領域を形成すると、両者の屈折率差は大きくなる。すなわち、アモルファス領域を光導波路のクラッドとして利用することができる。
【００１１】
このようなアモルファス領域は、超短パルスレーザの照射により結晶基板内に形成することができるため、光導波路が基板表面から離れた基板内部に形成される場合であっても、レーザの焦点位置を調整することにより、基板内部の光導波路に沿ってアモルファス領域を形成することができる。すなわち、アモルファス領域は、基板表面から離れた基板内部であっても必要箇所に形成することができるので、三次元曲げ導波路に対してもクラッドを備えることの可能な光デバイスの構造とその製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１に、第１実施形態に係る光デバイスの平面図（Ａ）及びそのＡ−Ａ線断面図（Ｂ）を示している。
【００１３】
第１実施形態に係る光デバイス１は、結晶基板としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）基板（以下、ＬＮ基板）２を使用してあり、その基板表面２ａから離れた基板内部に、光導波路３が埋め込み形成されている。この光導波路３は、途中に二箇所の曲げ導波路３ａ，３ｂを有するＳ字カーブ状の平面形状として形成されている。
【００１４】
このような光導波路３に対し、第１実施形態においては、その曲げ導波路３ａ，３ｂを挟み込むように、曲げ導波路３ａ，３ｂの内周側及び外周側の両方に隣接させてアモルファス領域４，５が形成されている。すなわち、一方のアモルファス領域４は、曲げ導波路３ａの外周側から曲げ導波路３ｂの内周側にかけて、また、他方のアモルファス領域５は、曲げ導波路３ａの内周側から曲げ導波路３ｂの外周側にかけて、それぞれ連続的に形成されている。ただし、曲げ導波路３ａ，３ｂに対するクラッドは、少なくともカーブの外周側にあれば必要最小限の機能を得られるので、図２に示すように、曲げ導波路３ａ，３ｂの外周側に隣接させたアモルファス領域１４，１５が形成されているだけでもよい。
【００１５】
ＬＮ基板２における光導波路３は、基板表層に形成されるものであれば、上記の特許文献１に示されるようなチタン（Ｔｉ）の熱拡散で形成することができるが、本実施形態のように基板内部に形成するものである場合は、超短パルスレーザの照射によって形成することができる。例えばフェムト秒レーザを結晶基板に照射することで、その焦点位置において物性変化を誘起し、該物性変化部位の屈折率を増大させて光導波路とする技術が、次の論文１〜４に開示されている。このようなフェムト秒レーザの照射により形成される光導波路３は、ＬＮ基板２のその他の部分よりも屈折率が高くなった部分である。
【００１６】
［論文１］"Femtosecond Laser Inscription of Low Insertion Loss Waveguides in Z-Cut Lithium Niobate", Henry T. Bookey et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 19(12), 892-489(2007)
［論文２］"Efficient frequency doubling in femtosecond laser-written waveguides in lithium niobate", Jonas Burghoff et al., Appl. Phys. Lett. 89, 081108(2006)
［論文３］"Optical waveguide fabrication in z-cut lithium niobate (LiNbO３) using femtosecond pulses in the low repetition rate regime", R. R. Thomson et al., Appl. Phys. Lett. 88, 111109(2006)
［論文４］"Microstructure in Lithium Niobate by Use of Focused Femtosecond Laser Pulses", Li Gui et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 16(5), 1337-1339(2004)
【００１７】
これに対し、例えばニオブ酸リチウムの場合、アモルファス化することにより、結晶状態のときに比べて屈折率が０．１ほど減少することが、次の論文５に報告されている。
【００１８】
［論文５］"RF Sputtering of LiNbO３ Thin Films", G. H. Hewig et al., Thin Solid Films 88, 67-74(1982)
【００１９】
したがって、例えば屈折率２．２のＬＮ基板２において、アモルファス領域４，５，１４，１５の屈折率は２．１（＝２．２−０．１）となり、ＬＮ基板２の屈折率よりも４．５％減少して、光導波路３との屈折率差が大きくなる。つまり、アモルファス領域４，５，１４，１５がクラッドとして機能し、曲げ導波路３ａ，３ｂにおける光損失を低減することができる。これにより、曲げ導波路の曲率半径を従来よりさらに小さくすることが可能となり、光デバイスの小型化に貢献する。
【００２０】
図３と図４に、その他の例として、光デバイスの第３及び第４実施形態を示している。
【００２１】
図３の第３実施形態に係る光デバイス２１は、結晶基板としてのＬＮ基板２２において、光の入射端面と同じ端面に折り返したＵ字状平面形状の光導波路２３を備えている。この光導波路２３における曲げ導波路２３ａの部分に対し、その外周側に隣接させて、アモルファス領域２４が形成されている。このように、アモルファス領域２４をクラッドとして光導波路２３を折り返すことができるので、光デバイス２１の長さを縮めて小型化を図ることができる。光導波路２３は、第１及び第２実施形態と同じく基板表面２２ａから離れた基板内部に埋め込み形成されたもので、例えば上述のようにフェムト秒レーザの照射により形成することができる。なお、図３（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図を示している。
【００２２】
図４の第４実施形態に係る光デバイス３１は、結晶基板としてのＬＮ基板３２に、平面形状がＳ字カーブ状の二本の光導波路３３，３４を、交差させて形成したものである。一方の光導波路３３は、基板表面３２ａに沿って形成されており、他方の光導波路３４は、一方の光導波路３３を避けるように、交差部分で基板表面３２ａから離れて基板内部へアーチ状に潜り込んでいる。なお、図４（Ａ）が平面図、図４（Ｂ）が側面図、図４（Ｃ）がＡ−Ａ線断面図である。
【００２３】
一方の光導波路３３は、第２実施形態と同様のもので、二箇所の曲げ導波路３３ａ，３３ｂの外周側に隣接させて、アモルファス領域３５，３６がクラッドとして形成されている。このような光導波路３３は、上述のチタン熱拡散、あるいは、フェムト秒レーザ照射により形成することができる。
【００２４】
他方の光導波路３４は、交差のために基板内部へ潜り込みつつカーブする三次元の曲げ導波路３４ａ，３４ｂを有する。すなわち、曲げ導波路３４ａ，３４ｂは、ＬＮ基板３２の水平方向にカーブしつつ、ＬＮ基板３２の垂直方向（厚さ方向）にもカーブする。このような光導波路３４は、上述のフェムト秒レーザ照射により形成するのがよい。当該曲げ導波路３４ａ，３４ｂに対し、その水平及び垂直方向の各外周側に隣接させて、アモルファス領域３７，３８，３９が形成されている。アモルファス領域３７，３８は、曲げ導波路３４ａ，３４ｂ中の基板内部へ潜り込み始める部分において外周側となる上方及び側方に形成され、アモルファス領域３９は、曲げ導波路３４ａ，３４ｂ中の、一方の光導波路３３を跨ぐアーチ状の部分において、外周側となる下方に形成されている。
【００２５】
以上の各実施形態に係る光デバイスは、例えばマッハ−ツェンダ型の光変調器、あるいは、光スイッチとして応用することができる。
【００２６】
上記各実施形態におけるアモルファス領域は、超短パルスレーザ、例えばフェムト秒レーザの照射により形成することができる。すなわち、図５に示すように、フェムト秒レーザをレンズに通して焦点位置を調整し、ＬＮ基板内の光導波路隣接部分に照射することで形成可能である。フェムト秒レーザは、アモルファス化する領域を走査するように連続的に移動させる。このときの照射パワーについて、図６に説明図を示している。
【００２７】
上述のように、フェムト秒レーザは光導波路を形成するためにも使用されるが、この場合の照射パワーは、０．１ないし０．２ｍＷ程度で、ＬＮ基板の屈折率を増大させるように働く。また一方、フェムト秒レーザによって、光伝搬層に沿うボイド（空乏）を形成する技術が特開２００４−０２９２８６号公報に開示されている。これは、物性変化としてアブレーション（ablation）をＬＮ基板に誘起するもので、この場合のフェムト秒レーザの照射パワーは、２ｍＷを越える値となる。これらに対し、フェムト秒レーザの照射パワーが０．４〜２．０ｍＷの範囲では、ＬＮ基板にアモルファス化が誘起され、ＬＮ基板の屈折率を減少させるけれども、アブレーションを起こすには至らない。つまり、ＬＮ基板に照射するフェムト秒レーザの照射パワーを上げていくと、屈折率増→アモルファス化（屈折率減）→アブレーションの順にＬＮ基板の物性が変化する。このうちのアモルファス化のパワー範囲を利用することにより、フェムト秒レーザの照射でアモルファス領域を形成することができる。ＬＮ基板にアブレーションを起こしてしまうと、そのボイドで光の散乱が増えることが懸念されるので、アモルファス領域を利用する。
【００２８】
具体例として、ＬＮ基板において、基板表面から４０〜７０μｍの位置にアモルファス領域を形成するフェムト秒レーザの照射条件は、パルス幅：８０〜１００フェムト秒、照射パワー：０．５〜２．０ｍＷ、パルス繰り返し周波数：１００〜１０００Ｈｚである。
【００２９】
このように、ＬＮ基板におけるアモルファス領域は、フェムト秒レーザの照射によって形成することができるので、三次元曲げ導波路に対しても隣接部分に形成可能で、三次元曲げ導波路の採用による光デバイスの小型化に貢献する。なお、ＬＮ基板について具体的に説明しているが、レーザ照射によりアモルファス化し、該アモルファス領域の屈折率が減少する結晶であれば、同様に適用することができる。
【００３０】
図７に、アモルファス領域を隣接形成していない光導波路（Ａ）と、アモルファス領域を隣接形成してある光導波路（Ｂ）と、について、ビーム伝搬法（ＢＰＭ：Beam Propagation Method）による光導波シミュレーションを行った結果を示す。両光導波路は、ＬＮ基板中に形成され、基板の厚さ方向へ（図中上から下へ）Ｓ字カーブした曲げ導波路を中間に有している。（Ｂ）の光導波路は、その曲げ導波路の上下にアモルファス領域が隣接形成されている。曲げ導波路の曲率半径は０．５ｍｍ、入射光波長は１５５０ｎｍとし、図中左から右へ伝搬するものとして計算した。
【００３１】
図示のように、アモルファス領域の無い（Ａ）の光導波路は、曲げ導波路にさしかかったところで入射光が散乱してしまって、出射端まで達しない。一方、アモルファス領域の有る（Ｂ）の光導波路は、曲げ導波路での散乱が抑制され、出射端まで光が到達している。このように、光導波路に隣接させてアモルファス領域を形成することにより、曲げ導波路での光損失を抑制することが可能となる。
【００３２】
以上の実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
【００３３】
（付記１）  結晶基板と、
該結晶基板に形成された光導波路と、
該光導波路の少なくとも一部分に隣接させて前記結晶基板に形成されたアモルファス領域と、
を含んで構成される光デバイス。
【００３４】
（付記２）  付記１記載の光デバイスであって、
前記光導波路は、少なくとも部分的に曲げ導波路を有し、
前記アモルファス領域は、前記曲げ導波路の外周側に隣接させて形成されている光デバイス。
【００３５】
（付記３）  付記１又は付記２記載の光デバイスであって、
前記結晶基板がＬＮ基板である光デバイス。
【００３６】
（付記４）  付記１〜３のいずれかに記載の光デバイスを含んで構成される光変調器。
【００３７】
（付記５）  付記１〜３のいずれかに記載の光デバイスを含んで構成される光スイッチ。
【００３８】
（付記６）  光導波路を形成した結晶基板における前記光導波路と隣接した部分に超短パルスレーザを照射し、当該隣接部分にアモルファス領域を形成する工程を含む光デバイスの製造方法。
【００３９】
（付記７）  付記６記載の光デバイスの製造方法であって、
前記超短パルスレーザの照射パワーが、前記結晶基板の結晶の屈折率上昇を誘起するパワーよりも大きく且つ前記結晶のアブレーションを生じるパワーよりは小さい、光デバイスの製造方法。
【００４０】
（付記８）  付記７記載の光デバイスの製造方法であって、
前記結晶基板ＬＮ基板であり、
前記超短パルスレーザがフェムト秒レーザである、光デバイスの製造方法。
【００４１】
（付記９）  付記８記載の光デバイスの製造方法であって、
前記フェムト秒レーザの照射パワーが０．５ｍＷ〜２．０ｍＷである、光デバイスの製造方法。
【００４２】
（付記１０）  付記７〜９のいずれかに記載の光デバイスの製造方法であって、
前記結晶基板の結晶の屈折率上昇を誘起する照射パワーで前記超短パルスレーザを照射することにより、光導波路を形成する工程を含む光デバイスの製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】第１実施形態に係る光デバイスの平面図と断面図。
【図２】第２実施形態に係る光デバイスの平面図。
【図３】第３実施形態に係る光デバイスの平面図と断面図。
【図４】第４実施形態に係る光デバイスの平面図、側面図、断面図。
【図５】アモルファス領域形成方法の説明図。
【図６】アモルファス化に使用するフェムト秒レーザの照射パワーに関する説明図。
【図７】ビーム伝搬法による光導波シミュレーションの結果を示す図。
【符号の説明】
【００４４】
１，２１，３１  光デバイス
２，２２，３２  結晶基板（ＬＮ基板）
３，２３，３３，３４  光導波路
３ａ，３ｂ，２３ａ，３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ  曲げ導波路
４，５，１４，１５，２４，３５，３６，３７，３８，３９  アモルファス領域
【図１】
0005320840.tif 000002
【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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