JP2000241639A - 光導波路素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い特性を有し、パターニングされたエピタ
キシャル酸化物薄膜光導波路を備えた光導波路素子を提
供すること、また前記の光導波路素子のパターニングを
精度よくまた生産性よく行うことができる光導波路素子
の製造方法を提供すること。 【解決手段】 単結晶状あるいはエピタキシャル状のス
ラブ型酸化物光導波路の表面に、加熱によって屈折率が
前記スラブ型酸化物光導波路と同じエピタキシャル状酸
化物薄膜光導波路となるアモルファス状薄膜を形成した
後、このアモルファス状薄膜をエッチングによって凸型
形状にパターニングし、次いで、パターニングされたア
モルファス状薄膜を加熱して固相エピタキシャル成長さ
せることにより、前記スラブ型酸化物光導波路と同じ屈
折率を有するパターニングされたエピタキシャル状酸化
物薄膜光導波路を形成することを特徴とする光導波路素
子の製造方法、および光導波路素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高い特性を有する
エピタキシャル酸化物薄膜光導波路に良好な特性を有す
るチャンネル光導波路やグレーティングなどの微細パタ
ーンを容易に設ける方法を提供し、各種のスイッチング
素子、変調素子、フィルター素子、偏向素子、グレーテ
ィング素子あるいは光増幅素子などの光導波路素子全般
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】プレーナ導波路材料としては石英などの
ガラス、LiNbO₃などの酸化物強誘電体または電気光学材
料、Y₃Ga₅O₁₂などの磁気光学材料、PMMAなどのポリマ
ー、またはGaAs系の化合物半導体が用いられる。これら
のうち、例えば、良好な音響光学効果または電気光学効
果を有する材料はLiNbO₃などの酸化物強誘電体材料であ
り、これらの効果を利用して実際に作製された素子はほ
とんどがLiNbO₃である。強誘電体としてはLiNbO₃のほか
にBaTiO₃、PbTiO₃、Pb_1-x La_x(Zr_yTi_1-y)_1-x/4O₃ (xお
よびyの値によりPZT、PLT、PLZT)、Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃、
KNbO₃、LiTaO₃、Sr_xBa_1-xNb₂O₆、Pb_xBa_1-xNb₂O₆、Bi₄Ti
₃O₁₂、Pb₂KNb₅O₁₅、K₃Li₂Nb₅O₁₅など多くの材料があ
り、これらのうち多くの材料はLiNbO₃よりも良好な特性
を有している。特に、Pb_1-x La_x(Zr_yTi_1-y)_1-x/4O₃はLi
NbO₃よりも非常に高い電気光学係数を有する材料として
知られ、LiNbO₃単結晶の電気光学係数が30.9 pm/Vであ
るのに対し、PLZT(8/65/35: x=8%, y=65%, 1-y=35%)セ
ラミックスの電気光学係数は612 pm/Vが得られている。
LiNbO₃よりも良好な特性を有している強誘電体が多いに
もかかわらず実際に作製された素子がほとんどLiNbO₃や
LiTaO₃を用いているのは、単結晶成長技術とそのウエハ
へのTi拡散やプロトン交換による光導波路技術の確立し
たLiNbO₃やLiT aO₃以外は薄膜のエピタキシャル成長を
行わなければならず、従来の気相成長では実用レベルの
品質の薄膜光導波路が作製できなかったことがある。こ
れに対して本発明者らは、実用レベルの品質の薄膜光導
波路作製に関して固相エピタキシャル成長技術により実
用レベルの品質の薄膜光導波路を作製する方法を発明し
(特開平7-78508)、上記の実用レベルの品質の光導波路
が作製できなかった問題を解決した。

【０００３】しかし、エピタキシャル薄膜光導波路が作
製できてもチャンネル光導波路やグレーティングなどの
良好な微細パターンを作製する技術がなかったことが、
実際に作製された素子がほとんどLiNbO₃やLiTaO₃を用い
ているもうひとつの大きな理由である。すなわち、LiNb
O₃などにおいてはTi拡散やプロトン交換技術を応用した
三次元（チャンネル）光導波路やグレーティングの作製
法が西原、春名、栖原、光集積回路、オーム社 (1993)
pp. 195〜230.にも示されているが、それら以外の材
料、特にPb_1-x La_x(Zr_yTi_1-y)_1-x/4O₃においては他元素
を拡散したりイオン交換をする方法は知られていない。
また、LiNbO₃やL iTaO₃において単結晶ウエハにTi拡散
やプロトン交換によって光導波路を作製するために、チ
ャンネル光導波路の実効屈折率をそのまわりの実効屈折
率より十分に高くできず、屈折率差を大きくできないた
め、Ｓ字型チャンネル光導波路の曲率を大きくする必要
も生じ、マトリックス光スイッチのサイズが大きくなる
ことも課題である。一方、石英光導波路などでは、反応
性イオン・エッチングによりチャンネル光導波路などを
作製する方法が河内、NTT R&D、43 (1994) 1273.などに
示されているが、単結晶状のエピタキシャル強誘電体薄
膜光導波路に散乱損失の原因となる表面荒れを与えず、
かつ、薄膜光導波路と同種の酸化物である基板などにダ
メージを与えずに選択的にエッチングすることは困難で
ある。このため、損失の少ないチャンネル光導波路がエ
ピタキシャル強誘電体薄膜光導波路に作製された報告例
は見られなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
に鑑みなされたもので、その目的は、高い特性を有し各
種スイッチング素子、変調素子、フィルター素子、偏向
素子、グレーティング素子あるいは光増幅素子など広範
囲の光導波路素子となる、パターニングされたエピタキ
シャル酸化物薄膜光導波路を備えた光導波路素子を提供
すること、また前記の光導波路素子のパターニングを精
度よくまた生産性よく行うことができる光導波路素子の
製造方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、以下の光導
波路素子およびその製造方法を提供することにより解決
される。 （１）単結晶基板表面に、凹型形状または凸型形状のパ
ターニングを有するエピタキシャル状酸化物バッファ層
と、前記酸化物バッファ層よりも大きい屈折率を有する
パターニングされたエピタキシャル状酸化物薄膜光導波
路とを順次設けたことを特徴とする光導波路素子。

【０００６】従来、エピタキシャル状酸化物から構成さ
れ、チャンネル光導波路やグレーティングなどの微細な
パターンを有する光導波路素子は得られなかったが、本
発明によりパターニングされたエピタキシャル状酸化物
薄膜光導波路を備えた光導波路素子が実現することにな
った。 （２）結晶基板表面に、凹型形状または凸型形状のパタ
ーニングを有するエピタキシャル状酸化物バッファ層と
前記酸化物バッファ層よりも大きい屈折率を有するパタ
ーニングされたエピタキシャル状酸化物薄膜光導波路を
設け、さらにこの上に凹型形状または凸型形状のパター
ニングを有し前記酸化物薄膜光導波路より小さい屈折率
を有するエピタキシャル状酸化物クラッド層と、前記酸
化物クラッド層より大きい屈折率を有するパターニング
されたエピタキシャル状酸化物薄膜光導波路との組み合
わせを１つ以上設けることを特徴とする光導波路素子。

【０００７】上記（１）および（２）の光導波路素子に
おいて、最表面層の酸化物薄膜光導波路の上に該光導波
路より小さい屈折率を有するエピタキシャル状酸化物ク
ラッド層を設けることが好ましい。

【０００８】また、上記（１）および（２）の光導波路
素子において、前記パターニングされたエピタキシャル
状酸化物薄膜光導波路が電気光学効果を有する強誘電体
であることが好ましい。

【０００９】また、上記（１）および（２）の光導波路
素子において、前記パターニングされたエピタキシャル
状酸化物薄膜光導波路としては、チャンネル型光導波路
やグレーティングを有する光導波路を挙げることができ
る。 （３）単結晶基板表面に、加熱によってエピタキシャル
状酸化物バッファ層となるアモルファス状薄膜を形成し
た後、このアモルファス状薄膜をエッチングによって凹
型形状または凸型形状にパターニングし、さらにエピタ
キシャル成長後の屈折率が前記エピタキシャル状酸化物
バッファ層より大きい酸化物薄膜光導波路となるアモル
ファス状薄膜を形成し、その後加熱して固相エピタキシ
ャル成長させることにより、パターニングされたエピタ
キシャル状酸化物バッファ層とエピタキシャル状酸化物
薄膜光導波路を形成することを特徴とする光導波路素子
の製造方法。 （４）単結晶基板表面に、加熱によってエピタキシャル
状酸化物バッファ層となるアモルファス状薄膜を形成し
た後、このアモルファス状薄膜をエッチングによって凹
型形状または凸型形状にパターニングし、次いで加熱す
ることにより固相エピタキシャル成長させてエピタキシ
ャル状酸化物バッファ層を形成し、その後前記酸化物バ
ッファ層より大きい屈折率を有する酸化物薄膜光導波路
を固相エピタキシャル成長させることにより、パターニ
ングされたエピタキシャル状酸化物薄膜光導波路を形成
することを特徴とする光導波路素子の製造方法。

【００１０】本発明の上記の（３）および（４）の光導
波路素子の製造方法は、アモルファス状薄膜をエッチン
グによってパターニングするため、パターニング速度が
速く、その制御性も良好である。したがって、本発明の
製造法により、チャンネル光導波路やグレーティングな
どの微細パターンを効率よく形成することができ、優れ
た特性を有する光導波路素子が生産性よく得られる。ま
た、本発明ではパターニングされたアモルファス薄膜を
固相エピタキシャル成長させるために、散乱による光損
失が小さい極めて平滑なエッジ、側壁、表面を有するパ
ターニングされた酸化物薄膜光導波路が得られる。従来
法では、エピタキシャル状酸化物から構成され、チャン
ネル光導波路やグレーティングなどの微細パターンを有
する光導波路素子を形成することは困難であったが、本
発明の製造方法により初めて可能となったものである。 （５）単結晶基板表面に、凹型形状または凸型形状にパ
ターニングしたエピタキシャル状酸化物バッファ層と前
記酸化物バッファ層より大きい屈折率を有するパターニ
ングされたエピタキシャル状酸化物薄膜光導波路を形成
した後、 １）前記酸化物薄膜光導波路より小さい屈折率を有する
エピタキシャル状酸化物クラッド層を固相エピタキシャ
ル成長させ、その上に加熱によってエピタキシャル状酸
化物クラッド層となるアモルファス状薄膜を形成した後
このアモルファス状薄膜をエッチングによって凹型形状
または凸型形状にパターニングする工程と、 ２）次いで、さらにその上に加熱によって前記酸化物ク
ラッド層よりも大きい屈折率を有する酸化物薄膜光導波
路となるアモルファス状薄膜を形成し、その後加熱して
固相エピタキシャル成長させることにより、パターニン
グされたエピタキシャル状酸化物クラッド層とエピタキ
シャル状酸化物薄膜光導波路を形成する工程、の１）お
よび２）の工程の組み合わせを１回以上行うことを特徴
とする光導波路素子の製造方法。 （６）単結晶基板表面に、凹型形状または凸型形状にパ
ターニングしたエピタキシャル状酸化物バッファ層と前
記酸化物バッファ層より大きい屈折率を有するパターニ
ングされたエピタキシャル状酸化物薄膜光導波路を形成
した後、 １）前記酸化物薄膜光導波路より小さい屈折率を有する
エピタキシャル状酸化物クラッド層をエピタキシャル成
長させ、その上に加熱によってエピタキシャル状酸化物
クラッド層となるアモルファス状薄膜を形成した後この
アモルファス状薄膜をエッチングによって凹型形状また
は凸型形状にパターニングし、その後加熱して固相エピ
タキシャル成長させることによりエピタキシャル状酸化
物クラッド層を形成する工程と、 ２）さらにその上に前記酸化物クラッド層よりも大きい
屈折率を有する酸化物薄膜光導波路を固相エピタキシャ
ル成長させることによりパターニングされたエピタキシ
ャル状酸化物薄膜光導波路とを形成する工程、の１）お
よび２）の工程の組み合わせを１回以上行うことを特徴
とする光導波路素子の製造方法。

【００１１】上記（３）ないし（６）の光導波路素子の
製造方法において、最表面層の酸化物薄膜光導波路の上
に、さらに該光導波路より小さい屈折率を有するエピタ
キシャル状酸化物クラッド層を設けることが好ましい。

【００１２】上記（３）ないし（６）の光導波路素子の
製造方法において、前記単結晶基板表面にあらかじめ酸
化物バッファ層をエピタキシャル成長させた後、加熱に
よってエピタキシャル状酸化物バッファ層となるアモル
ファス状薄膜を形成することが好ましい。

【００１３】上記（３）ないし（６）の光導波路素子の
製造方法において、前記パターニングされた酸化物薄膜
光導波路が電気光学効果を有する強誘電体であることが
好ましい。

【００１４】上記（３）ないし（６）の光導波路素子の
製造方法において、前記パターニングされた酸化物薄膜
光導波路としては、チャンネル型光導波路やグレーティ
ングを有する光導波路を挙げることができる。

【００１５】上記（３）ないし（６）の光導波路素子の
製造方法において、前記固相エピタキシャル成長が、金
属有機化合物溶液の塗布工程と、加熱によるアモルファ
ス化工程と、加熱による結晶化工程より構成されること
が好ましい。

【００１６】上記（３）ないし（６）の光導波路素子の
製造方法において、前記エッチングがウエット・エッチ
ングであることが好ましい。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明者らはチャンネル光導波路
やグレーティングを有する光導波路などの微細パターン
の製造方法として薄膜のエピタキシャル成長を利用した
プロセスを鋭意検討した結果、単結晶状あるいはエピタ
キシャル状の表面に設けたエピタキシャル薄膜となるア
モルファス薄膜をウエット・エッチングした後に固相エ
ピタキシャル成長する方法、特に金属有機化合物溶液の
塗布工程と、加熱によるアモルファス化工程と、加熱に
よる結晶化工程より構成される固相エピタキシャル成長
を利用し、エピタキシャル薄膜となるアモルファス薄膜
をウエット・エッチングした後に固相エピタキシャル成
長する方法によって、側壁および表面が平滑で散乱損失
の少ないチャンネル光導波路やグレーティングを有する
光導波路などの微細パターンを有する光導波路素子を形
成することが可能となることが分かった。本発明におい
ては、単結晶基板表面あるいはあらかじめ酸化物バッフ
ァ層をエピタキシャル成長した単結晶基板表面に、加熱
によって酸化物バッファ層となるアモルファス薄膜を作
製した後、このアモルファス状薄膜をエッチングによっ
て凹型形状または凸型形状にパターンニングし、さらに
その表面に加熱によって酸化物バッファ層よりも大きい
屈折率を有する酸化物薄膜光導波路となるアモルファス
薄膜を作製し、加熱することによってパターンニングさ
れた酸化物薄膜光導波路を固相エピタキシャル成長す
る。あるいは、前記酸化物バッファ層となるアモルファ
ス薄膜を凹型形状または凸型形状にパターンをエッチン
グした後、このアモルファス薄膜を加熱することによっ
て固相エピタキシャル成長し、その後に酸化物バッファ
層よりも大きい屈折率を有する酸化物薄膜光導波路をエ
ピタキシャル成長し、パターンニングされた酸化物光導
波路を形成する。また、必要に応じてパターンニングさ
れた酸化物薄膜光導波路を固相エピタキシャル成長した
後、クラッド層を形成する。さらに、同様の方法を繰り
返すによって３次元的に光導波路素子を積層することが
できる。

【００１８】本発明の光導波路素子の製造方法は、基板
上にあらかじめ酸化物バッファ層をエピタキシャル成長
させた後、あるいはこのように基板上に酸化物バッファ
層をエピタキシャル成長させず、基板上に直接、加熱に
よってエピタキシャル状酸化物バッファ層層となるアモ
ルファス状薄膜を形成し、次いで、１）前記アモルファ
ス状薄膜をエッチングにより凹型形状または凸型形状に
パターニングし、その後エピタキシャル成長後の屈折率
が前記エピタキシャル状酸化物バッファ層より大きい酸
化物薄膜光導波路となるアモルファス状薄膜を形成し、
その後加熱して固相エピタキシャル成長させることによ
り、パターニングされたエピタキシャル状酸化物バッフ
ァ層とエピタキシャル状酸化物薄膜光導波路を形成する
か、あるいは２）前記パターニングしたアモルファス状
薄膜を加熱することにより固相エピタキシャル成長させ
てエピタキシャル状酸化物バッファ層を形成し、その後
前記酸化物バッファ層より大きい屈折率を有する酸化物
薄膜光導波路を固相エピタキシャル成長させることによ
り、パターニングされたエピタキシャル状酸化物薄膜光
導波路を形成することを特徴とする。

【００１９】図１および図２に、前記の方法により作製
することができる直線状のチャンネル型光導波路を形成
した光導波路素子の一例が示す。図１はその断面図を、
また図２はその斜視図を示す。図中１は基板、２は凹型
形状にパターニングされたエピタキシャル状のバッファ
層、３はパターニングされたエピタキシャル状のスラブ
型酸化物光導波路、４はチャンネル光導波路、５はその
エッジ部、また６は入射端をそれぞれ示す。（なお、以
下の図において、同じ数字で表される各層は同じものを
さすので、説明を省略することがある。）この例は、単
結晶基板表面にあらかじめ酸化物バッファ層をエピタキ
シャル成長させた後、加熱によってエピタキシャル状酸
化物バッファ層となるアモルファス状薄膜を形成し、次
にエッチングを行って凹型形状にパターニングする工程
を含む方法で作製される光導波路素子である。

【００２０】図３は、本発明の他の態様の光導波路素子
を示すもので、基板の上に加熱によりエピタキシャル状
の酸化物バッファ層となるアモルファス状薄膜を形成し
た後、エッチングにより凹型形状にパターニングする方
法で光導波路素子を製造する例を示すものである。

【００２１】本発明において、単結晶状あるいはエピタ
キシャル状のパターニングされた酸化物薄膜光導波路と
して用いることが可能な材料は、ABO₃型のペロブスカイ
ト型強誘電体または電気光学材料では正方晶、三方晶、
斜方晶または擬立方晶系として例えばBaTiO₃、PbTiO₃、
Pb_1-x La_x(Zr_yTi_1-y)_1-x/4O₃ (0<x<0.3、0<y<1.0、xお
よびyの値によりPZT、PLT、PLZT)、Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃、
KNbO₃など、六方晶または三方晶系として例えばLiNb
O₃、LiTaO₃などに代表される強誘電体およびそれにTi拡
散またはプロトン交換を行った強誘電体、タングステン
ブロンズ型ではSr _xBa_1-xNb₂O₆、Pb_xBa_1-xNb₂O₆など、ま
たこのほかに、Bi₄Ti₃O₁₂、Pb₂KNb₅O₁₅、K ₃Li₂Nb₅O₁₅、
さらに以上の置換誘導体などより選ばれる。またこれら
にEr、Nd、Prなどをドープした光増幅材料より選ばれ
る。磁気光学材料ではY₃Al₅O₁₂、Y₃Fe ₅O₁₂、Y₃Ga₅O₁₂な
どや,これらにEr、Nd、Prなどをドープした光増幅材料
より選ばれるがこれらに限られるわけではない。

【００２２】本発明のエピタキシャル状酸化物薄膜光導
波路は、電気光学効果を有する強誘電体であることが好
ましい。

【００２３】また、本発明はさらに酸化物薄膜光導波路
の下にエピタキシャル状のバッファ層を、および／また
は酸化物薄膜光導波路の上にエピタキシャル状のクラッ
ド層を設けた光導波路の製造方法にも関するものである
が、前記バッファ層およびクラッド層に用いることがで
きる材料としては、上記の酸化物薄膜光導波路に用いる
のと同様の材料を挙げることができる。

【００２４】また、本発明におけるパターニング、すな
わちチャンネル光導波路やグレーティングを有する光導
波路などの微細パターンとしては、直線型、S字型、Ｙ分
岐型、Ｘ交差型、あるいはそれらの組み合わせのチャン
ネル光導波路があげられ、一般的に適用される埋め込み
型、リッジ型、リブ型のいずれかの方式を用いることが
できるが、本発明では薄膜光導波路に凸を設けたチャン
ネル光導波路構造、薄膜光導波路に凸を設けた後にクラ
ッド層を設けるチャンネル光導波路構造が容易に作製で
きる。チャンネルの幅と高さあるいは深さも薄膜の積層
によるため、例えばマッハツェンダ干渉スイッチ、方向
性結合スイッチ、全反射型スイッチ、ブラッグ反射型ス
イッチ、あるいはデジタル型スイッチなどのスイッチン
グ方式、曲がりチャンネル導波路の曲率、導波路の材
料、および作製プロセスによって最適な値を選択するこ
とが容易である。また、湾曲方向の異なるＳ字型チャン
ネル光導波路間や、Ｓ字型チャンネル光導波路と直線型
チャンネル光導波路との間には必要に応じてオフセット
を設けることによって、光伝搬損失を低下させることが
できる。

【００２５】図７、８、１１、１２に、本発明における
チャンネル型光導波路の形状（パターニング）の例を示
すもので、図７はＳ字型を、図８はＹ字型を、図１１は
１×８スプリッター型を、図１２は方向性結合器型をそ
れぞれ示す。また、図１３は、図１２の方向性結合器型
のチャンネル型光導波路を有する光導波路素子の断面図
を示しており、図中１０は酸化物クラッド層を示す。
図１４は、スラブ型酸化物光導波路の端部にグレーティ
ング型結合器１１を設けた光導波路素子を示すもので、
図１５は、その断面図を示す。

【００２６】本発明はまた、エピタキシャル状の酸化物
薄膜光導波路の上に、エピタキシャル状の酸化物クラッ
ド層を設けることが好ましい。前記の図１３には酸化物
クラッド層を設けた光導波路素子が示されているまた、
本発明におけるエピタキシャル状の酸化物バッファ層お
よび酸化物クラッド層も同様にアモルファス状薄膜のエ
ピタキシャル成長によって形成することができる。

【００２７】前記のエピタキシャル成長に供されるアモ
ルファス状薄膜は、電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸着、
イオン・プレーティング、Rf-マグネトロン・スパッタ
リング、イオン・ビーム・スパッタリング、レーザー・
アブレーション、MBE、CVD、プラズマCVD、MOCVDなどよ
り選ばれる気相成長法、またはゾルゲル法、MOD法など
のウエット・プロセスによって作製することができる。

【００２８】こうして作製されたアモルファス状薄膜
は、加熱工程によって下地表面から固相エピタキシャル
成長を行わせることができる。

【００２９】これらのエピタキシャル成長による薄膜形
成法のうち、ゾルゲル法やMOD法などのウエット・プロ
セスにより金属アルコキシドや有機金属塩などの金属有
機化合物の溶液を基板に塗布した後、アモルファス薄膜
形成工程を経て、加熱により前記アモルファス薄膜を固
相エピタキシャル成長させる方法は、各種気相成長法と
比較して設備コストが低く、基板面内での均一性が良い
だけでなく、前記バッファ層、薄膜光導波路、およびク
ラッド層の構造制御にとって重要な屈折率の制御が、バ
ッファ層、薄膜光導波路、およびクラッド層に必用な屈
折率を有する薄膜組成に応じて金属有機化合物前駆体の
組成を配合するだけで容易に、再現性良く実現できる。
また、光伝搬損失も低いバッファ層、薄膜光導波路、お
よびクラッド層の形成が可能である。さらに、この方法
によってエピタキシャル状薄膜を作製する工程には、ア
モルファス薄膜を形成する工程が含まれているため、本
発明のパターニングに最も適している。

【００３０】前記のエピタキシャル成長による薄膜形成
法に用いる有機金属化合物は、各種の金属と、有機化合
物、望ましくは常圧での沸点が80℃以上である有機化合
物との反応生成物である金属アルコキシドまたは金属塩
より選ばれるがこれに限られるわけではない。金属アル
コキシド化合物の有機配位子としては、R₁O-またはR₂OR
₃O- より選ばれる(式中、R₁およびR₂は脂肪族炭化水素
基を表し、R₃はエーテル結合を有してもよい2価の脂肪
族炭化水素基を表す)。 これらの原料は所定の組成にて
望ましくは常圧での沸点が80℃以上であるアルコール
類、ジケトン類、ケトン酸類、アルキルエステル類、オ
キシ酸類、オキシケトン類、及び酢酸などより選ばれた
溶媒と反応され、または溶媒中に溶解されたのち、基板
への塗布をされる。これら有機金属化合物は加水分解を
した後に塗布をすることも可能であるが、エピタキシャ
ル強誘電体薄膜を得るためには加水分解をしないことが
望ましい。

【００３１】さらに、これらの反応工程は、乾燥した窒
素やアルゴン雰囲気中にて行うことが得られる薄膜の品
質の点より望ましい。金属アルコキシド化合物はR₁OHま
たはR₂OR₃OHで表される有機溶媒中で蒸留や還流によっ
て合成することができ、 R₁およびR₂の脂肪族炭化水素
基としては、炭素数1〜4のアルキル基が好ましく、R
₃は、炭素数2〜4のアルキレン基、炭素数2〜4のアルキ
レン基がエーテル結合によって結合している全炭素数4
〜8の2価の基が好ましい。沸点が80℃以上である溶媒と
しては具体的には、金属アルコキシドのアルコール交換
反応が容易な例えば(CH₃)₂CHOH (沸点82.3℃)、C H₃(C₂
H₅)CHOH (沸点99.5℃)、(CH₃)₂CHCH₂OH (沸点108℃)、C
₄H₉OH (沸点117.7℃)、(CH₃)₂CHC₂H₄OH (沸点130.5
℃)、CH₃OCH₂CH₂OH(沸点124.5℃)、C₂H₅OCH₂CH₂OH (沸
点135℃)、C₄H₉OCH₂CH₂OH (沸点171℃)などのアルコー
ル類が最も望ましが、これらに限定されるものではなく
C₂H₅OH (沸点78.3℃)なども使用可能である。

【００３２】この金属有機化合物溶液の塗布と加熱を利
用した固相エピタキシャル成長では段差のある表面を平
坦化する効果があるので、この方法を使用した製造方法
によって作製される光導波路素子は極めて平坦な表面を
有している。

【００３３】上記のごとき有機金属化合物を用いてエピ
タキシャル状のスラブ型酸化物光導波路および酸化物薄
膜光導波路、ならびにエピタキシャル状のバッファ層お
よびクラッド層を形成する方法を以下に詳細に説明す
る。

【００３４】有機金属化合物の溶液を単結晶基板上にス
ピンコート法、ディッピング法、スプレー法、スクリー
ン印刷法、インクジェット法より選ばれた方法にて塗布
する。これらの塗布の工程は、乾燥した窒素やアルゴン
雰囲気中にて行うことが得られる薄膜の品質の点より望
ましい。この後、必要に応じて、前処理として酸素を含
む雰囲気中、望ましくは酸素中にて、0.1〜1000℃/秒の
昇温速度、望ましくは1〜100℃/秒の昇温速度で基板を
加熱し、100℃〜500℃、望ましくは200℃〜400℃の結晶
化の起こらない温度範囲で塗布層を熱分解することによ
りアモルファス状の薄膜を形成する。

【００３５】さらに、酸素を含む雰囲気中、望ましくは
酸素中にて、1〜500℃/秒の昇温速度、望ましくは10〜1
00℃/秒の昇温速度で高速加熱し、500℃〜1200℃、望ま
しくは600℃〜900℃の温度範囲で強誘電体薄膜を基板表
面より固相エピタキシャル成長させる。このエピタキシ
ャル結晶化においては、上記の温度にて1秒間から24時
間、望ましくは10秒間から12時間の加熱を行う。これら
の酸素雰囲気としては少なくとも一定時間乾燥した酸素
雰囲気を用いることが得られる薄膜の品質の点より望ま
しいが、必要に応じて加湿することも可能である。これ
らのエピタキシャル結晶化工程において、一層の膜厚が
10 nmから1000 nm、望ましくは膜厚10nmから200 nmの強
誘電体薄膜層を単結晶基板上に固相エピタキシャル成長
することを一回以上行う。それぞれのエピタキシャル成
長の後には0.01〜100℃/秒の冷却速度で冷却を行なう。

【００３６】パターニングされるアモルファス状薄膜を
作製する場合には、上記と同様のアモルファス状薄膜の
形成を１回以上行って所望の膜厚のアモルファス状薄膜
の形成を行う。一層の膜厚が10 nmから1000 nm、望まし
くは膜厚10 nmから200 nmとなるように、スラブ型酸化
物光導波路の上にアモルファス状薄膜を形成し、それぞ
れのアモルファス状薄膜の形成の後には冷却を行う。

【００３７】本発明では単結晶状あるいはエピタキシャ
ル状のスラブ型酸化物光導波路の表面に、加熱によって
酸化物となるアモルファス状薄膜を形成した後、このア
モルファス状薄膜をエッチングによってパターニングす
るため、エッチング速度が速く、エッチストップも容易
であり制御性が良く、ウエット・エッチングおよびドラ
イ・エッチングを用いることができる。

【００３８】本発明のようにアモルファス状薄膜をパタ
ーニングするのではなく、多結晶薄膜をエッチングによ
ってパターニングした場合では、ランダムな結晶粒によ
る凹凸でエッジ、側壁、表面などが粗れてしまうのに対
し、本発明ではパターニングされたアモルファス薄膜を
固相エピタキシャル成長させるために、散乱による光損
失が小さい極めて平滑なエッジ、側壁、表面が得られ
る。多結晶薄膜をエッチングによってパターニングした
場合では、ランダムな結晶粒による凹凸でエッジ、側
壁、表面などが粗れてしまい、散乱による光損失が極め
て大きくなる。これは、多結晶薄膜はランダムな結晶粒
を有するために、図５の光導波路の表面の図に示すよう
にスラブ型光導波路3とチャンネル型光導波路4の境界の
エッジ部5（図１参照）に露出した各結晶粒のサイズも
ランダムとなることと、エッジ部に露出した各結晶粒の
表面エネルギーが不均一なために粒界に溝が生じること
とによって、エッジ部5に凹凸が生じるためと考えられ
る。

【００３９】一方、本発明による方法でパターニングさ
れたアモルファス薄膜を固相エピタキシャル成長させる
場合には、散乱による光損失が小さい極めて平滑なエッ
ジ、側壁、および表面が得られる。エッジ部5の凹凸ま
たはうねりとしては0.1 μｍ以下が容易に得られる。こ
のため、光ファイバーから波長1.3 μｍのレーザー光を
入射端面6へ導入した場合のスラブ型薄膜光導波路の光
伝搬損失を差引いたチャンネル型に加工したことによる
光伝搬損失は、無視できるレベルと小さい。これは、ア
モルファスを結晶化したエピタキシャル薄膜は３次元的
に配列した微細な結晶粒を有するために、図６に示すよ
うにエッジ部5に露出した各結晶粒のサイズも均一とな
ることと、エッジ部5に露出した各結晶粒の表面エネル
ギーも均一なために粒界に溝が生じないこととによっ
て、エッジ部5が極めて平滑になるものと考えられる。

【００４０】本発明の製造方法において使用しうる具体
的なエッチング方法としては、まずアモルファス状薄膜
表面にフォトレジスト、あるいは電子線レジストを塗布
した後、露光、現像、エッチング、レジスト剥離をする
ことによる方法によってこのアモルファス薄膜をパター
ニングする。エッチングはHCl、HNO₃、HF、H₂SO₄、H₃PO
₄、C₂H₂O₂、NH₄Fなどの水溶液やその混合水溶液による
ウエット・エッチング、CCl₄、CCl₂F₂、CHClFCF₃など
や、それらのO₂との混合ガスによるリアクティブ・イオ
ン・エッチング、またはイオンビーム.エチングなどの
ドライ・エッチングなどが有効であるが、アモルファス
薄膜をエッチングできるためウエット・エッチングによ
って短時間で、容易に、精度良くエッチングすることが
可能である。。

【００４１】さらに、ウェットエッチングの場合、エッ
チングの深さと幅を独立に制御することができるため、
光導波路を理想形状に精度よく加工することができる。
すなわち、深さ方向のエッチングはアモルファス状薄膜
の下のエピタキシャル膜によってストップされて終了
し、また幅方向のエッチングはマスク下のアモルファス
状薄膜がアンダーエッチまたはサイドエッチされるため
エッチング時間を調節することにより制御することがで
きる。

【００４２】図４には、本発明においてウェットエッチ
ングを行った場合のエッチングの状態を示す図であり、
図中２ａは加熱によりエピタキシャル状酸化物バッファ
層となるアモルファス状薄膜を示し、８はフォトマスク
を示す。この図には、ウェットエッチングの際、アンダ
ーエッチまたはサイドエッチされる状態が表されてい
る。

【００４３】また、本発明は、凸型形状のパターンを有
するエピタキシャル状の酸化物バッファ層と前記酸化物
バッファ層よりも大きい屈折率を有するパターニングさ
れたエピタキシャル状酸化物薄膜光導波路とを順次設け
た光導波路素子をも含むものであり、その一例として図
１６にはこのような構成を有するグレーティングを備え
た光導波路素子の断面が示されている。

【００４４】また、本発明の光導波路素子および光導波
路素子の製造方法においては、酸化物バッファ層の上に
酸化物薄膜光導波路とクラッド層を複数設けることがで
き、例えば図１７には、酸化物バッファ層の上に酸化物
薄膜光導波路とクラッド層をそれぞれ２層設けた光導波
路素子が示されている。

【００４５】スラブ型酸化物光導波路の上に酸化物薄膜
光導波路と酸化物クラッド層を複数設けるには、例えば
以下の方法を採用することができる。すなわち、単結晶
基板表面に、凹型形状または凸型形状にパターニングし
たエピタキシャル状酸化物バッファ層と前記酸化物バッ
ファ層より大きい屈折率を有するパターニングされたエ
ピタキシャル状酸化物薄膜光導波路を形成した後、
（１）前記酸化物薄膜光導波路より小さい屈折率を有す
るエピタキシャル状酸化物クラッド層を固相エピタキシ
ャル成長させ、その上に加熱によってエピタキシャル状
酸化物クラッド層となるアモルファス状薄膜を形成した
後このアモルファス状薄膜をエッチングによって凹型形
状または凸型形状にパターニングする工程と、（２）次
いで、さらにその上に加熱によって前記酸化物クラッド
層よりも大きい屈折率を有する酸化物薄膜光導波路とな
るアモルファス状薄膜を形成し、その後加熱して固相エ
ピタキシャル成長させることにより、パターニングされ
たエピタキシャル状酸化物クラッド層とエピタキシャル
状酸化物薄膜光導波路を形成する工程、の（１）および
（２）の工程の組み合わせを１回以上行うことにより光
導波路素子を製造する方法のほかに、単結晶基板表面
に、凹型形状または凸型形状にパターニングしたエピタ
キシャル状酸化物バッファ層と前記酸化物より大きい屈
折率を有するパターニングされたエピタキシャル状酸化
物薄膜光導波路を形成した後、（１）前記酸化物薄膜光
導波路より小さい屈折率を有するエピタキシャル状酸化
物クラッド層をエピタキシャル成長させ、その上に加熱
によってエピタキシャル状酸化物クラッド層となるアモ
ルファス状薄膜を形成した後このアモルファス状薄膜を
エッチングによって凹型形状または凸型形状にパターニ
ングし、その後加熱して固相エピタキシャル成長させる
ことによりエピタキシャル状酸化物クラッド層を形成す
る工程と、（２）さらにその上に前記酸化物クラッド層
よりも大きい屈折率を有する酸化物薄膜光導波路を固相
エピタキシャル成長させることによりパターニングされ
たエピタキシャル状酸化物薄膜光導波路とを形成する工
程、の（１）および（２）の工程の組み合わせを１回以
上行うことにより光導波路素子を製造する方法を挙げる
ことができる。

【００４６】本発明における光導波路素子は、上記のよ
うに最外層にクラッド層を設けない構造のものも、また
クラッド層を設ける構造のものも可能であるが、最外層
にクラッド層を設ける方が、上部電極を設けた場合に生
ずる光損失の低減の点からみて好ましい。

【００４７】また本発明における光導波路素子は、上記
のように基板とスラブ型酸化物光導波路の間にバッファ
層を設けない構造のものも、またバッファ層を設ける構
造のものも可能であるが、半導体基板を用いる場合や光
導波路より高い屈折率を有する基板を用いる場合には、
光損失の低減の点からみて、バッファ層を設ける方が好
ましい。

【００４８】

【実施例】以下に、本発明を実施例を用いてさらに詳細
に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるも
のではない。 実施例１ この例では、図1および図２で示される、基板1の上に凹
部をパターニングされたエピタキシャル状の酸化物バッ
ファ層２、このバッファ層の上に形成したパターニング
された酸化物薄膜光導波路を順次設けた光導波路素子の
製造方法について説明する。

【００４９】以下に、上記の構造を有する光導波路素子
の製造方法について詳細に説明する。 （１）パターニングされたバッファ層用アモルファス状
薄膜の形成 無水酢酸鉛 Pb(CH₃COO)₂、ジルコニウム・イソプロポキ
シド Zr(O-i-C₃H₇)₄、およびチタン・イソプロポキシド
Ti(O-i-C₃H₇)₄を出発原料として、2-メトキシエタノー
ルに溶解し、蒸留と還流を行い、最終的にPb濃度で0.6
M の、モード・フィールド径を拡大するためにエピタキ
シャル成長後の屈折率が2.415の組成のPZTバッファ層用
前駆体溶液を得た。

【００５０】次に、この前駆体溶液を洗浄、エッチング
および乾燥を行った波長1.3 μｍでの屈折率が2.31のSr
TiO₃ (100)単結晶基板上へスピンコーティングを行っ
た。これをO₂雰囲気中で昇温して350℃にて保持し、次
いで650℃にて保持の後、冷却することを繰り返すこと
により、屈折率が2.415で1200 nmの膜厚のPZTバッファ
層を固相エピタキシャル成長させた。

【００５１】次に、前記と同じPZTバッファ層用前駆体
溶液をエピタキシャルPZTバッファ層上へスピンコーテ
ィングを行い、O₂雰囲気中で昇温して350℃にて保持の
後、冷却することを繰り返すことにより、230 nmの膜厚
のアモルファスPZT層を形成した。

【００５２】次に、前記アモルファスPZT層の上にフォ
トレジストをスピンコートし、プリベークの後、露光
し、さらに現像を行うことにより、チャンネル幅3.5 μ
ｍの開口を有するレジスト・パターンを形成した。続い
て、ポストベークの後、HCl水溶液でアモルファスPZT薄
膜をエッチングした。図４に示すように深さ方向のエッ
チングはエッチング溶液がエピタキシャルPZTバッファ
層２に到達することによってストップし、幅方向、すな
わちチャンネル幅の制御はマスク下でアンダー・エッチ
ングがされるために、チャンネル幅はエッチング時間に
よって制御することができた。チャンネル幅の制御はレ
ジスト・パターンよりも広い5.0 μｍとなる時間でエッ
チングをストップさせることによって行った。本実施例
においては、エッチング速度は0.1 μｍ/minから0.5 μ
ｍ/min程度の範囲の速度を採用した。このエッチングプ
ロセスによって、深さ230 nm、幅5.0 μｍの凹型形状の
溝が形成された。 （２）パターニングされたバッファ層および酸化物薄膜
光導波路の形成 上記のパターニングされたバッファ層用アモルファス状
薄膜の上に、エピタキシャル成長後の屈折率が2.477と
なるようなPZT光導波路層用前駆体溶液をスピンコーテ
ィングし、次いでO₂雰囲気中で昇温して350℃にて保持
の後、冷却することにより230 nmの膜厚のアモルファス
状PZT薄膜を形成した。この後前記のアモルファス状バ
ッファ層と前記230 nmの膜厚のアモルファス状PZT薄膜
を、650℃に加熱することによって、直線パターンを有
するバッファ層と光導波路層の固相エピタキシャル成長
を行わせた。

【００５３】さらに、前記エピタキシャル成長表面に、
前記と同じエピタキシャル成長後の屈折率が2.477とな
るようなPZT光導波路層用前駆体溶液をスピンコーティ
ングし、その後O₂雰囲気中で昇温して350℃にて保持
し、次いで650℃にて保持の後冷却することを繰り返す
ことにより、1140 nmの膜厚のPZT光導波路層3を固相エ
ピタキシャル成長させた。この結果、凹部が形成されて
いない部分のPZT光導波路層３の厚さは1370nmである
が、凹部が形成されている部分は平坦化効果によってチ
ャンネルＰＺＴ光導波路層４の厚さは１６００ｎｍが得
られた。

【００５４】このようにして作製されたチャンネル型光
導波路素子の結晶学的関係は、単一配向のPZT (100) 薄
膜光導波路 // PZT (100)バッファ層 // SrTiO₃ (100)
基板、面内方位PZT [001] 薄膜光導波路 // PZT [001]
バッファ層 // SrTiO₃ [001]基板 の構造を有してい
た。

【００５５】また上記のようにエッチングの際の深さと
幅が独立に制御できるため、チャンネル光導波路4を理
想形状に精度良く加工することができた。さらに、チャ
ンネル型光導波路４のエッジ、側壁、表面に粗れは観察
されず、きわめてシャープな形状のチャンネル型光導波
路が形成された。また、上記のようにして製造された光
導波路素子の表面は極めて平坦であった。 実施例２ 本実施例においては、実施例１の直線状チャンネル型光
導波路に代え、図７に示すようなチャンネル型光導波路
が形成される他は、実施例１で製造された光導波路素子
と同じ層構成、すなわちSrTiO₃ [001]基板（屈折率、
２．３１）、エピタキシャル状PZTバッファ層（屈折率
２．４１５、膜厚１４３０nm）、およびエピタキシャル
状PZT光導波路（屈折率２．４７７、膜厚１３７０ｎ
ｍ）を有する光導波路素子を作製した。この例の製造方
法においてはまず、実施例１におけるアモルファス状PZ
T薄膜のエッチング工程までを同様に行った。ただし、
実施例１のエッチング工程においてフォトレジストの開
口パターンが、線幅３．５μｍのＳ字型のものを用い
て、アモルファス状PZT薄膜を、図７に示すような放射
損失が無視できるレベルとなる、曲率9 mmのＳ字型形状
にエッチングを行った。

【００５６】膜厚230 nmのアモルファス状バッファ層を
上記のようにエッチングした後、直ちに加熱を行い、凹
型形状のＳ字型パターンを有するPZTバッファ層の固相
エピタキシャル成長を行った。その後こうして作製され
たエピタキシャル状バッファ層の表面に、屈折率が2.47
7の組成のPZT光導波路層3を1370 nmの膜厚で固相エピ
タキシャル成長させた。

【００５７】本実施例のＳ字型チャンネル光導波路の場
合にもエッチングの際の深さと幅が独立に制御できるた
め、チャンネル光導波路4を理想形状に精度良く加工す
ることができた。さらに、チャンネル型光導波路４のエ
ッジ、側壁、表面に粗れは観察されず、散乱による光損
失が小さいチャンネル型光導波路が形成された。エッジ
部の凹凸またはうねりとしては0.1 μｍ以下が容易に得
られた。このため、光ファイバーから波長1.3 μｍのレ
ーザー光を導入した場合のスラブ型薄膜光導波路の光伝
搬損失を差引いたチャンネル型に加工したことによる光
伝搬損失は、無視できるレベルと小さい。また、上記の
ようにして製造された光導波路素子の表面は極めて平坦
であった。 実施例3 本実施例においては、実施例１の直線状チャンネル型光
導波路に代え、図８に示すようなチャンネル型光導波路
が形成される他は、実施例１で製造された光導波路素子
と同じ層構成、すなわちSrTiO₃ [001]基板（屈折率、
２．３１）、エピタキシャル状PZTバッファ層（屈折率
２．４１５、膜厚１４３０nm）、およびエピタキシャル
状PZ T光導波路（屈折率２．４７７、膜厚１３７０nm）
を有する光導波路素子を作製した。この例の製造方法に
おいてはまず、実施例１におけるアモルファス状PZT薄
膜のエッチング工程までを同様に行った。ただし、実施
例１のエッチング工程において、図９の点線で示すよう
なＹ字型で、線幅が３．５μｍである開口パターンを有
するフォトレジストを用いて、アモルファス状PZT薄膜
を、図８に示すようなＹ字型形状にエッチングを行っ
た。図８で示されるようなＹ字形状がパターニングされ
た。

【００５８】エッチング工程の後、直ちに加熱を行い、
凹型形状のＹ字型パターンを有するPZTバッファ層の固
相エピタキシャル成長を行った。その後こうして作製さ
れたエピタキシャル状バッファ層の表面に、屈折率が2.
477の組成のPZT光導波路層3を1370 nmの膜厚で固相エピ
タキシャル成長させた。

【００５９】本実施例では、図９の点線で示すようなＹ
分岐部９がなまった形状のフォトレジスト・パターンか
らも、Ｙ分岐部９が理想形状の鋭角部にエッチングする
ことができる。本実施例においても、チャンネルの深さ
とチャンネルの幅は独立に制御できるため、Ｙ分岐部９
の交差部の鋭角部を理想形状に精度良く加工でき、図８
のような直線部分の線幅5 μｍ、Ｙ分岐部9の開き角度
0.5度のチャンネル光導波路4を加工することができた。

【００６０】Ｙ分岐におけるチャンネル導波路の交差部
の鋭角部9は、理想的にはチャンネル間の角度が1度未満
で幅が次第に狭くなりゼロになる形状であるが、このよ
うな理想的なＹ分岐形状をフォトリソグラフィによるパ
ターニング工程によって製作することは、分解能に限界
があるため困難である。したがって、従来の方法によっ
ては、図１０に示すように、Ｙ分岐部が鋭角ではなく、
チャンネル間距離が1.5 μｍ程度に切った形状の、すな
わちＹ分岐部9がなまった形状のチャンネル型光導波路
の形成に甘んじざるをえなかった。

【００６１】しかし、本実施例のようなプロセスによっ
てＹ分岐部9がなまった形状のマスクから、理想形状の
Ｙ分岐チャンネル光導波路が作製可能となったために、
得られる光導波路素子のＹ分岐部での放射損失が小さ
く、極めて平滑なエッジ、側壁、および表面が得られる
ため散乱による光損失も小さい。また、エッジ部5の凹
凸またはうねりとしては0.1 μｍ以下が容易に得られ
る。このため、光ファイバーから波長1.3 μｍのレーザ
ー光を導入した場合のスラブ型薄膜光導波路の光伝搬損
失を差引いたチャンネル型に加工したことによる光伝搬
損失は、無視できるレベルと小さい。また、上記のよう
にして製造された光導波路素子の表面は極めて平坦であ
った。 実施例4 本実施例においては、図1１に示すような直線型チャン
ネル光導波路、Ｙ分岐型光導波路、および放射損失が無
視できるレベルとなる曲率9 mmのＳ字型チャンネルから
なる1×8スプリッターを形成する他は実施例１と同様に
して光導波路素子を作製した。すなわち、エッチング工
程において、図１１のような線幅3.5 μｍの1×8スプリ
ッター状の開口パターンを有するフォトレジストを用い
てHCl水溶液によるウエット・エッチングを行う他は、
同様のプロセスを実施し、基板、バッファ層、および酸
化物薄膜光導波路がそれぞれ、実施例１と同じ屈折率、
膜厚を有する光導波路素子を作製した。

【００６２】本実施例においても、エッチングの深さと
幅が独立に制御できるため、線幅5.0 μｍの1×8スプリ
ッター状のPZTチャンネル光導波路4を理想形状に精度良
く加工することができた。

【００６３】また、本実施例の1×8スプリッター状のチ
ャンネル光導波路の場合にも全体に渡って散乱による光
損失が小さい極めて平滑なエッジ、側壁、および表面が
得られた。エッジ部5の凹凸またはうねりとしては0.1
μｍ以下が容易に得られた。このため、光ファイバーか
ら波長1.3 μｍのレーザー光を導入した場合のスラブ型
薄膜光導波路の光伝搬損失を差引いたチャンネル型に加
工したことによる光伝搬損失は、無視できるレベルと小
さい。このため、全長15 mm程度と小型の1×8スプリッ
ターが構成可能となる。 実施例5 この例では、実施例１と同様にして、図１２のような方
向性結合器型の3 dBカプラーをを有し、断面構造が図１
２で示されるような光導波路素子を作製した。

【００６４】波長1.3 μｍでの屈折率が2.31のSrTiO₃
(100)単結晶基板上へ、屈折率2.396で膜厚が2000 nmのP
ZTバッファ層を650℃でエピタキシャル成長させた。さ
らにエピタキシャル成長後の屈折率が2.396で膜厚が500
nmのアモルファスPZTバッファ層を350℃で形成の後、
図１２のような3 dBカプラー状の開口パターンを有する
フォトレジストによるマスクを用いてHCl水溶液による
ウエット・エッチングを行った。このパターニングされ
たアモルファス薄膜を650℃に加熱することによって固
相エピタキシャル成長させてエピタキシャル状バッファ
層を形成した。この後、屈折率2.420のPLZT薄膜光導波路
を2000 nmの膜厚で750℃で固相エピタキシャル成長させ
ることによって、方向性結合器型の3 dBカプラー状のPL
ZTチャンネル光導波路層の形成を行った。その後、屈折
率2.396の組成のPZTクラッド層10を2000 nmの膜厚に650
℃で固相エピタキシャル成長させた。図１３のような断
面構造を有する光導波路素子が形成された。

【００６５】本実施例で作製された光導波路素子の結晶
学的関係は単一配向のPZT (100)クラッド層 // PLZT (1
00) 薄膜光導波路 // PZT (100)バッファ層 // SrTiO₃
(100)基板、面内方位PZT [001]クラッド層 // PLZT [00
1] 薄膜光導波路 // PZT [001]バッファ層 // SrTiO₃
[001]基板 の構造を有していた。

【００６６】また、本実施例のチャンネル光導波路の場
合にも全体に渡って散乱による光損失が小さい極めて平
滑なエッジ、側壁、および表面が得られた。エッジ部5
の凹凸またはうねりとしては0.1 μｍ以下が容易に得ら
れた。このため、光ファイバーから波長1.3 μｍのレー
ザー光を入射端面6へ導入した場合のスラブ型薄膜光導
波路の光伝搬損失を差引いたチャンネル型に加工したこ
とによる光伝搬損失は、無視できるレベルと小さい。 実施例6 本実施例においては、図１４に示すようなスラブ型導波
路の端部にグレーティング型結合器を設けた光導波路素
子を説明する。図１５にはその断面図が示されている。
図１４および図１５中、１１はグレーティングを示す。

【００６７】SrTiO₃ (100)単結晶基板１の上へ、PZTバ
ッファ層をRfスパッタリングによって650℃でエピタキ
シャル成長させる。次に、エピタキシャル成長後の屈折
率が前記PZTバッファ層と同様の組成のアモルファスPZT
薄膜をRfスパッタリングによって室温で形成の後、グレ
ーティング状の開口パターンを有する電子線レジストに
よるマスクを用いてHCl水溶液によるウエット・エッチ
ングを行う。このエッチングの後、650℃で加熱するこ
とによって固相エピタキシャル成長を行わせ、図１５で
示す断面形状を有するバッファ層２を形成する。さら
に、この上にPLZT層をRfスパッタリングによって700℃
でエピタキシャル成長させることによりPLZT光導波路層
３を形成する。

【００６８】上記の工程を経て、グレーティング１１を
導波路中に有するスラブ型PLZT光導波路素子が作製でき
る。 実施例７ 本実施例においてはスラブ型導波路内にグレーティング
を設けた光導波路素子を説明する。本実施例では図１６
の断面図を用いて説明すると、Al₂O₃基板単結晶基板1の
上へ、LiTaO₃前駆体溶液を用いてLiTaO₃バッファ層2を7
00℃で固相エピタキシャル成長させた後、エピタキシャ
ル成長後の屈折率が前記LiTaO₃バッファ層と同様のアモ
ルファスLiTaO₃薄膜を300℃で形成する。次に、グレー
ティング状のパターンを有する電子線レジストによるマ
スクを用いてリアクティブ・イオン・エッチングを行
う。このエッチングの後、700℃に加熱することによっ
てLiTaO₃薄膜の固相エピタキシャル成長を行い、図１６
で示す凸型の断面形状を有するバッファ層２を形成す
る。その後、エピタキシャル成長後の屈折率がとなるLi
NbO₃前駆体溶液を用いて700℃で固相エピタキシャル成
長させることによりLiNbO₃光導波路層３を作製できる。

【００６９】上記の工程を経て、グレーティング１１を
導波路中に有するスラブ型LiNbO₃薄膜光導波路素子が作
製できる。 実施例８ 本実施例においては、実施例５と同様のプロセスを繰り
返すことによって、図１７に示す断面形状を有する、３
次元的に光導波路を積層した光導波路素子を作製する。

【００７０】波長1.3 μｍでの屈折率が2.31のSrTiO₃
(100)単結晶基板上へ、屈折率2.396のPZTバッファ層を
エピタキシャル成長させた。さらにエピタキシャル成長
後の屈折率が2.396のアモルファスPZTバッファ層を形成
の後、チャンネル光導波路状の開口パターンを有するフ
ォトレジストによるマスクを用いてHCl水溶液によるウ
エット・エッチングを行う。このパターニングされたア
モルファス薄膜を加熱することによって固相エピタキシ
ャル成長させた後、屈折率2.420のPLZT薄膜光導波路3を
固相エピタキシャル成長させる。さらに、屈折率2.396
のPZTクラッド層10を固相エピタキシャル成長させる。
次に、エピタキシャル成長後の屈折率が2.396のアモル
ファスPZTクラッド層を形成の後、チャンネル光導波路
状の開口パターンを有するフォトレジストによるマスク
を用いてHCl水溶液によるウエット・エッチングを行
う。このパターニングされたアモルファス薄膜を加熱す
ることによって固相エピタキシャル成長させた後、屈折
率2.420のPLZT薄膜光導波路３を固相エピタキシャル成
長させ、さらに屈折率2.396のPZTクラッド層１０を固相
エピタキシャル成長させる。

【００７１】以上の工程により、図１７のような断面構
造を有するチャンネル型光導波路が積層された素子が形
成される。

【００７２】

【発明の効果】本発明の製造方法においては単結晶状あ
るいはエピタキシャル状のスラブ型酸化物光導波路の表
面に、加熱によってエピタキシャル状薄膜となるアモル
ファス状薄膜を形成した後、このアモルファス状薄膜を
エッチングによってパターニングするため、パターニン
グ速度が速く、エッチストップも容易であり制御性が良
い。したがって、本発明の製造法により、チャンネル光
導波路やグレーティングなどの微細パターンを効率よく
形成することができ、優れた特性を有する光導波路素子
が生産性よく得られる。また、本発明ではパターニング
されたアモルファス薄膜を固相エピタキシャル成長させ
るために、散乱による光損失が小さい極めて平滑なエッ
ジ、側壁、表面を有するパターニングされた酸化物薄膜
光導波路が得られる。従来法では、エピタキシャル状酸
化物から構成され、チャンネル光導波路やグレーティン
グなどの微細パターンを有する光導波路素子を形成する
ことは困難であったが、本発明の製造方法により初めて
可能となったものである。

【００７３】したがって、本発明の製造法により、高機
能な各種のスイッチング素子、変調素子、フィルター素
子、偏向素子、グレーティング素子あるいは光増幅素子
などの広範囲な用途の光導波路素子を高生産性で提供可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光導波路素子の一例の断面を示す。

【図２】図１の光導波路素子の斜視図である。

【図３】本発明の光導波路素子の他の態様を示す図であ
る。

【図４】本発明において、エピタキシャル・バッファ層
上のアモルファス・バッファ層がエッチングされる状態
を示す概念図である。

【図５】多結晶膜にパターニングを行った場合にエッジ
に生じる凹凸を示す概念図である。

【図６】アモルファス薄膜にパターニングを行った後エ
ピタキシャル成長させた場合のエッジを示す概念図であ
る。

【図７】Ｓ字型チャンネル光導波路を示す図である。

【図８】Ｙ分岐型チャンネル光導波路を示す図である。

【図９】Ｙ分岐型チャンネル光導波路のパターニング方
法を説明する図である。

【図１０】従来の方法によって作製したＹ分岐型チャン
ネル光導波路を示す図である。

【図１１】光導波路型の1×8スプリッターを示す図であ
る。

【図１２】方向性結合器型の3 dBカプラーを示す図であ
る。

【図１３】図１２の光導波路素子の断面図である。

【図１４】グレーティングを設けた光導波路素子を示す
斜視図である。

【図１５】図１４のグレーティングを設けた光導波路素
子の断面を示す図である。

【図１６】凸型形状のパターンを有する酸化物バッファ
層を備えた本発明の光導波路素子を示す。

【図１７】３次元的にチャンネル光導波路を積層した光
導波路素子の断面を示す図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ バッファ層 ３ 光導波路 ４ チャンネル光導波路 ５ エッジ部 ６ 入射端 ７ クラッド層 ８ マスク ９ Ｙ分岐部 １０ クラッド層 １１ グレーティング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長ケ部 英資 神奈川県足柄上郡中井町境430グリーンテ クなかい 富士ゼロックス株式会社内 Ｆターム(参考） 2H047 KA04 KA12 KA13 LA01 LA12 PA02 PA06 PA21 PA24 PA30 QA03 RA08 TA31 TA36 TA37

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単結晶基板表面に、凹型形状または凸型
   形状のパターンを有するエピタキシャル状酸化物バッフ
   ァ層と、前記酸化物バッファ層よりも大きい屈折率を有
   するパターニングされたエピタキシャル状酸化物薄膜光
   導波路とを順次設けたことを特徴とする光導波路素子。
2. 【請求項２】 結晶基板表面に、凹型形状または凸型形
   状のパターンを有するエピタキシャル状酸化物バッファ
   層と前記酸化物バッファ層よりも大きい屈折率を有する
   パターニングされたエピタキシャル状酸化物薄膜光導波
   路を設け、さらにこの上に凹型形状または凸型形状のパ
   ターンを有し前記酸化物薄膜光導波路より小さい屈折率
   を有するエピタキシャル状酸化物クラッド層と、前記酸
   化物クラッド層より大きい屈折率を有するパターニング
   されたエピタキシャル状酸化物薄膜光導波路との組み合
   わせを１つ以上設けることを特徴とする光導波路素子。
3. 【請求項３】 最表面層の酸化物薄膜光導波路の上に該
   光導波路より小さい屈折率を有するエピタキシャル状酸
   化物クラッド層を設けることを特徴とする請求項１また
   は請求項２に記載の光導波路素子。
4. 【請求項４】 前記パターニングされたエピタキシャル
   状酸化物薄膜光導波路が電気光学効果を有する強誘電体
   であることを特徴とする請求項1ないし請求項３のいず
   れか１項に記載の光導波路素子。
5. 【請求項５】 前記パターニングされたエピタキシャル
   状酸化物薄膜光導波路が、チャンネル型光導波路である
   ことを特徴とする請求項1ないし請求項４いずれか１項
   に記載の光導波路素子。
6. 【請求項６】 前記パターニングされたエピタキシャル
   状酸化物薄膜光導波路が、グレーティングを有する光導
   波路であることを特徴とする請求項1ないし請求項４の
   いずれか１項に記載の光導波路素子。
7. 【請求項７】 単結晶基板表面に、加熱によってエピタ
   キシャル状酸化物バッファ層となるアモルファス状薄膜
   を形成した後、このアモルファス状薄膜をエッチングに
   よって凹型形状または凸型形状にパターニングし、さら
   にエピタキシャル成長後の屈折率が前記エピタキシャル
   状酸化物バッファ層より大きい酸化物薄膜光導波路とな
   るアモルファス状薄膜を形成し、その後加熱して固相エ
   ピタキシャル成長させることにより、パターニングされ
   たエピタキシャル状酸化物バッファ層とエピタキシャル
   状酸化物薄膜光導波路を形成することを特徴とする光導
   波路素子の製造方法。
8. 【請求項８】 単結晶基板表面に、加熱によってエピタ
   キシャル状酸化物バッファ層となるアモルファス状薄膜
   を形成した後、このアモルファス状薄膜をエッチングに
   よって凹型形状または凸型形状にパターニングし、次い
   で加熱することにより固相エピタキシャル成長させてエ
   ピタキシャル状酸化物バッファ層を形成し、その後前記
   酸化物バッファ層より大きい屈折率を有する酸化物薄膜
   光導波路を固相エピタキシャル成長させることにより、
   パターニングされたエピタキシャル状酸化物薄膜光導波
   路を形成することを特徴とする光導波路素子の製造方
   法。
9. 【請求項９】 単結晶基板表面に、凹型形状または凸型
   形状にパターニングしたエピタキシャル状酸化物バッフ
   ァ層と前記酸化物バッファ層より大きい屈折率を有する
   パターニングされたエピタキシャル状酸化物薄膜光導波
   路を形成した後、（１）前記酸化物薄膜光導波路より小
   さい屈折率を有するエピタキシャル状酸化物クラッド層
   を固相エピタキシャル成長させ、その上に加熱によって
   エピタキシャル状酸化物クラッド層となるアモルファス
   状薄膜を形成した後このアモルファス状薄膜をエッチン
   グによって凹型形状または凸型形状にパターニングする
   工程と、（２）次いで、さらにその上に加熱によって前
   記酸化物クラッド層よりも大きい屈折率を有する酸化物
   薄膜光導波路となるアモルファス状薄膜を形成し、その
   後加熱して固相エピタキシャル成長させることにより、
   パターニングされたエピタキシャル状酸化物クラッド層
   とエピタキシャル状酸化物薄膜光導波路を形成する工
   程、の（１）および（２）の工程の組み合わせを１回以
   上行うことを特徴とする光導波路素子の製造方法。
10. 【請求項１０】 単結晶基板表面に、凹型形状または凸
    型形状にパターニングしたエピタキシャル状酸化物バッ
    ファ層と前記酸化物より大きい屈折率を有するパターニ
    ングされたエピタキシャル状酸化物薄膜光導波路を形成
    した後、（１）前記酸化物薄膜光導波路より小さい屈折
    率を有するエピタキシャル状酸化物クラッド層をエピタ
    キシャル成長させ、その上に加熱によってエピタキシャ
    ル状酸化物クラッド層となるアモルファス状薄膜を形成
    した後このアモルファス状薄膜をエッチングによって凹
    型形状または凸型形状にパターニングし、その後加熱し
    て固相エピタキシャル成長させることによりエピタキシ
    ャル状酸化物クラッド層を形成する工程と、（２）さら
    にその上に前記酸化物クラッド層よりも大きい屈折率を
    有する酸化物薄膜光導波路を固相エピタキシャル成長さ
    せることによりパターニングされたエピタキシャル状酸
    化物薄膜光導波路とを形成する工程、の（１）および
    （２）の工程の組み合わせを１回以上行うことを特徴と
    する光導波路素子の製造方法。
11. 【請求項１１】 最表面層の酸化物薄膜光導波路の上
    に、さらに該光導波路より小さい屈折率を有するエピタ
    キシャル状酸化物クラッド層を固相エピタキシャル成長
    により形成することを特徴とする請求項７ないし請求項
    １０のいずれか１項に記載の光導波路素子の製造方法。
12. 【請求項１２】 前記単結晶基板表面にあらかじめ酸化
    物バッファ層をエピタキシャル成長させた後、加熱によ
    ってエピタキシャル状酸化物バッファ層となるアモルフ
    ァス状薄膜を形成することを特徴とする請求項７ないし
    請求項１１のいずれか１項に記載の光導波路素子の製造
    方法。
13. 【請求項１３】 前記パターニングされた酸化物薄膜光
    導波路が電気光学効果を有する強誘電体であることを特
    徴とする請求項７ないし請求項１２のいずれか１項に記
    載の光導波路素子の製造方法。
14. 【請求項１４】 前記パターニングされた酸化物薄膜光
    導波路が、チャンネル型光導波路であることを特徴とす
    る請求項７ないし請求項１３のいずれか１項に記載の光
    導波路素子の製造方法。
15. 【請求項１５】 前記パターニングされた酸化物薄膜光
    導波路が、グレーティングを有する光導波路であること
    を特徴とする請求項７ないし請求項１４のいずれか１項
    に記載の光導波路素子の製造方法。
16. 【請求項１６】 前記固相エピタキシャル成長が、金属
    有機化合物溶液の塗布工程と、加熱によるアモルファス
    化工程と、加熱による結晶化工程より構成されることを
    特徴とする請求項７ないし請求項１５のいずれか１項に
    記載の光導波路素子の製造方法。
17. 【請求項１７】 前記エッチングがウエット・エッチン
    グであることを特徴とする請求項７ないし請求項１６の
    いずれか１項に記載の光導波路素子の製造方法。