JP2001174771A - 音響光学モード変換素子等に用いる導波路構造及びその製作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】光導波路の長手方向位置による複屈折特性のば
らつきを、できる限り小さく抑え、それによって、その
光導波路構造を用いた光集積デバイスの総合性能を改善
し得るようにした光導波路構造及びその製作方法を提供
する。 【解決手段】動作波長領域を示す波長ウインドウが１５
３０ｎｍ〜１５６５ｎｍであるときには、導波路のカッ
トオフ波長が１６５０ｎｍ以下になるように光導波路の
寸法を選定する。かかる光導波路を用いた音響光学モー
ド変換素子は、優れた変換特性を有するものとなる。従
って高さ寸法及び幅寸法の小さな光導波路を用いること
で、その光導波路を使用した音響光学デバイスは、優れ
た性能を有するものとなる。

Description

【発明の詳細な説明】発明の分野 本発明は、広くは、基板に形成する光導波路に関するも
のであり、この光導波路は、その光導波路における準Ｔ
Ｅモードの屈折率ｎ_eff,TE、及び準ＴＭモードの屈折率
ｎ_eff,TMを、基板それ自体の屈折率と僅かに異ならせる
ことによって形成するものである。更に、本発明は、こ
の種の複屈折性光導波路を主要構成要素とする、例え
ば、音響光学モード変換素子、音響光学スイッチ、音響
光学フィルタ等の、光集積デバイスに関するものであ
る。本発明は、光導波路構造及びその製作方法を提供す
ることを目的としており、これら光導波路構造及び製作
方法は、光導波路の長手方向位置による複屈折特性のば
らつきを、できる限り小さく抑え、それによって、その
光導波路構造を用いた光集積デバイスの総合性能を改善
し得るようにしたものである。

【０００１】発明の背景 本発明の光導波路構造は、特定の種類の光導波路だけに
限定されるものではない。即ち、本発明は、例えば、拡
散型導波路ないし埋込型導波路と呼ばれる導波路（図１
ａ）、レイズドストライプ型導波路（図１ｂ）、リブ型
導波路ないし光ストリップラインと呼ばれる導波路（図
１ｃ）、一般的なチャネル型導波路（図１ｄ）、それに
リッジ型導波路（図１ｅ）などに適用可能である。

【０００２】更に、本発明の光導波路構造は、特定の延
在形態の光導波路だけに限定されることもなく、直線形
導波路の形態とすることもでき、曲線形導波路の形態と
することもできる。曲線形導波路として形成するのは、
例えば、Ｙジャンクションや偏光ビームスプリッタに用
いる場合などである。このような延在形態に関する基本
的な幾つかの構造を図２に示した。図２ａはＹジャンク
ション、図２ｂはＷＤＭデバイス、図２ｃはスター形結
合器、図２ｄは偏光ビーム結合器である。

【０００３】図１ａの拡散型チャネル形導波路は、例え
ば、基板材料としてＬｉＮｂＯ₃を使用し、それにチタ
ンを拡散させることで導波路を形成することができる。
図１に示した種々の導波路を製作する際の製作プロセス
上の欠陥（例えば、チタンストライプの寸法のばらつき
や、拡散プロセスでの温度勾配のばらつき）が存在する
ため、導波路の実効複屈折特性を示す値は、表面に幾つ
もの光集積デバイスを製作する１枚のウェーハ上で位置
によってばらついて（変動して）おり、また、その特性
を示す値の平均値は、個々のウェーハごとに異なって
（ばらついて）いる。個々の光要素（例えば、直線形導
波路や曲線形導波路等の要素）の性能も、また、それよ
り更に複雑な、音響光学モード変換素子等の光集積デバ
イスの性能も、導波路の複屈折特性のばらつきに非常に
大きく影響される。これは、音響光学デバイスの総合性
能並びに再現性の良否が、製作プロセスの一様性及び再
現性に大きく依存するということに他ならない。

【０００４】複屈折特性を有するということは、本質的
に、（準）ＴＥモードと（準）ＴＭモードとで、実効屈
折率（即ち、伝搬定数）が異なるということであり、従
って複屈折特性のばらつきを小さく抑えねばならないと
いう条件は、それらモードの間の伝搬定数の差、即ち屈
折率の差Δｎを、光導波路の長手方向位置によって変動
することがないように、できるだけ一定に維持せねばな
らないということである。

【０００５】複屈折特性のばらつきは、単なる１本の導
波路に対してさえ、有害な影響を及ぼすものである。更
に、光集積デバイスや分散型光通信システムでは、ＴＥ
モードの入力偏光をＴＭモードの偏光へ変換することが
しばしば必要になり、このようなモード変換は、例え
ば、電気光学結合器や、音響光学モード変換素子等によ
って行われる。音響光学モード変換素子というデバイス
は、複屈折性光導波路を使用したデバイスであり、この
光導波路の複屈折特性がその長手方向位置によってばら
ついていると、それによってこのデバイスの性能が著し
く悪化する。

【０００６】以下に図３を参照して、基本的な音響光学
モード変換素子における複屈折特性のばらつきの有害な
影響について説明する。例えば、ＬｉＮｂＯ₃に形成し
た音響光学集積デバイスの動作原理は、ＬｉＮｂＯ₃結
晶の夫々の複屈折主軸の方向に偏光した共伝搬する２種
類の光波である「ＴＭ」モードと「ＴＥ」モードとの間
で、波長選択性を有する偏光変換が行われることに基づ
いたものである。これら互いに直交する２つの偏光モー
ドが誘電テンソルの非対角成分によって結合すると、そ
れら偏光モードの間でエネルギ交換が行われる。このエ
ネルギ交換が行われるのは、例えば、電気光学効果や光
弾性効果によるものであり、それについて以下に説明す
る。ＬｉＮｂＯ₃ように、光弾性と圧電性とを共に備え
た材料では、その表面波が、即ち弾性波である「レーリ
ー波」が、結合のための理想的な手段となる。なぜなら
ば、表面波は、その周波数とエネルギ強度との両方が調
節容易だからである。

【０００７】図３に示したのは、直線形単一モード光導
波路であり、この光導波路の幅寸法は一般的な値であ
り、例えば７μｍとする。この光導波路が、幅寸法が約
１００μｍの単一モード音響導波路（これはｘカット、
ｙ伝搬の、ＬｉＮｂＯ₃結晶である）に埋込まれて形成
されている。これら光導波路と音響クラッディングとの
両方とも、チタン拡散によって形成されている。また、
金属層で適当な形状に構成された交互配置形のトランス
デューサが、結晶の上面の、音響導波路の始点位置に形
成されている。この交互配置形トランスデューサの電極
にＲＦ駆動信号を印加すると、音響波が発生する。この
音響波が相互作用領域を伝搬することによって、上述の
２つの偏光モードの間で、モード結合が生じる。変換帯
域を所定の帯域に限定するには、相互作用領域の長さＬ
を所定長さに制限すればよく、それには吸音体を用いれ
ばよい。

【０００８】エネルギ変換が発生するための基本条件
は、２つの偏光モードの間で位相整合が成立することで
あり、この条件は、結合波の式を解くことによって得ら
れる。１００％の変換効率を得るには、実効屈折率が互
いに異なった２つの偏光モード（即ち、ＴＥモードとＴ
Ｍモード）の間の位相差を、連続的に補償する必要があ
り、換言するならば、相互作用領域の全長に亘って、相
互作用が完全に同期している状態を実現しなければなら
ない。相互作用を同期させるには、基本的に、その空間
周期を適切に選定することで「ＴＥ」モードと「ＴＭ」
モードとを結合させることができるようにした「音響ブ
ラッグ格子」を用いればよい。これによって得られる結
合作用は、次の

【式１】で与えられる。

【０００９】

【式１】

【００１０】この

【式１】において、ｎ_eff,TM及びｎ_eff,TEは、（準）Ｔ
Ｅモードの実効屈折率及び（準）ＴＭモードの実効屈折
率であり、β_TM及びβ_TEは、（真空中の）波長がλであ
るときの伝搬定数であり、Ａ_acは、音響波の波長（即
ち、例えば周期的な電界や「音響ブラッグ格子」のよう
な波の形の表面形状などによって誘起される、誘電テン
ソルの摂動の周期）である。一般的に、λ＝１５３０〜
１５７０ｎｍのときには、Ａ_acは、約２０〜２１μｍに
なる。また、伝搬定数（波数Ｋ _ac）は、次の

【式２】で与えられる。

【００１１】

【式２】

【００１２】この

【式２】において、Ａ_acは音響波の波長、ｆ_acは音響波
の周波数、ｖ_acは音響波の速度である。これは位相整合
の（従って、波長依存性を有する）プロセスである。そ
して、導波路の複屈折特性のばらつきは、位相整合に対
して大きな影響を及ぼし、ひいては、変換特性スペクト
ルに悪影響を及ぼす。更に、複屈折特性のばらつきは、
導波路が長いほど、位相整合に対してより有害なものと
なる。

【００１３】ある光波の波長が位相整合条件を満たさな
い場合に、それが理想的な位相整合条件からどれ程外れ
ているかを表す偏位δは、次の

【式３】で与えられる。

【００１４】

【式３】

【００１５】この

【式３】において、Δｎ_effは、導波される２つの導波
モードの間の実効屈折率の差である。音響波の周波数ｆ
_acが一定であるならば、偏位δの値は、光波の波長λと
Δｎ_effとの関数になる。δ＝０の場合にだけ、完全な
位相整合が成立し、１００％のエネルギ変換が可能にな
る。ＬｉＮｂＯ₃のように強い複屈折特性を有する材料
では（ＬｉＮｂＯ₃ではΔｎ_eff＝０．０７２である）、
位相の不整合の度合いを表すδの値は、波長に対する依
存性が比較的強い関数となる。従って、ＬｉＮｂＯ
₃は、狭帯域の変換特性を有する光部品を製作するのに
適した材料である。ただし、完全な位相整合が成立する
か否かは、ｎ_eff,TE及びｎ _eff,TMのばらつき（従って、
Δｎ_effのばらつき）の有無にかかっている。相互作用
の位相整合が成立している場合に、変換効率ηは、次の

【式４】で与えられる。

【００１６】

【式４】

【００１７】この

【式４】において、係数γは、結合度に影響を及ぼす材
料定数（光弾性係数及び圧電係数）を含めた係数であ
り、Ｐ_acは音響波のエネルギ強度であり、Ｌは音響光学
モード変換素子の長さである。この

【式４】から明らかなように、結合度が一定のデバイス
では、変換効率ηは、（ｓｉｎｘ／ｘ）²の形の特性曲
線を有するものとなる（例えば、結合度に重み付けする
ことのできる音響方向性結合器などでは、正規曲線の形
の特性曲線を有するものもある、従って、ここで結合度
が一定であるとしたのは、１つの具体例を挙げたにすぎ
ない）。

【００１８】図４は、幅寸法が７．０μｍ、長さが６０
ｍｍ、そして高さ寸法が１２５０Å（１Åは１０^-10ｍ
である）の拡散型光導波路を備えた「結合度一定型」の
ＬｉＮｂＯ₃音響光学モード変換素子の、変換効率計測
実験における典型的な実験結果を示したグラフである。
尚、光導波路の幅寸法及び高さ寸法の値は、拡散処理の
実施前の段階での値である。図４のグラフには、多くの
サイドローブが出現しており、従ってその曲線形状は、
（ｓｉｎｘ／ｘ）²という形の関数に近似した形状とは
なっていない。これは光導波路の複屈折特性に強いばら
つきがあるためである。

【００１９】図５は、長さが６ｃｍの音響光学モード変
換素子（これは、図４のデバイスと同じものである）の
位相整合周波数が、その長手方向位置によってどのよう
に変動しているかを示したグラフであり、１５３６ｎｍ
の波長の光を用いたときの値を示したものである。位相
整合周波数の値は、複屈折特性を表す実効屈折率の差の
値に比例する（即ち、Δｎ_eff＝λ×ｆ_ac／ｖ_acであ
り、上述のデバイスではＬｉＮｂＯ₃を使用しているた
め、ｖ_ac＝３７８０ｍ／ｓである）。図５から明らかな
ように、このデバイスに使用している光導波路は、その
長手方向位置によって位相整合周波数が一定せずに変動
しており、そのことから、複屈折特性のばらつきが大き
いことが分かる。このような試験結果を得るには、例え
ばパルスプロービング法を用いればよく、パルスプロー
ビング法について記載した文献としては、例えば、Ｌ．
Ｂ．Ａｒｏｎｓｏｎ、Ｇ．Ｒａｎｋｅｎ、Ｔ．Ｒ．Ｒａ
ｎｇａｎａｔｈ、及びＤ．Ｗ．Ｄｏｌｆｉによる共著
“Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｐｕｌｓｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅ
ｎｔｓ ｏｆ Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｔｕｎａ
ｂｌｅ Ｆｉｌｔｅｒ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ”（ＩＰ
Ｒ‘９５， ＤＡＮＡＰＯＩＮＴ， ｐｏｓｔ−ｄｅａ
ｄｌｉｎｅ ｐａｐｅｒ ＃６−２に所収）がある。以
上の結果から明らかなように、例えば、音響光学チュー
ナブル２×２波長空間スイッチ（図６）や、音響光学集
積フィルタ（図７）をはじめとする、音響光学モード変
換素子を用いた様々な光集積デバイスの性能を向上させ
るためには、その変換効率の特性曲線（例えば図４に例
示した曲線）を、理想的な曲線にできるだけ近付けるこ
とを目指せばよい。このことは、結合度一定とするので
あれば、変換効率の特性を、（ｓｉｎｘ／ｘ）²の形の
特性にするということを意味している。更に、これを達
成するには、光導波路の長手方向位置による複屈折特性
のばらつき（変動）を、できるだけ小さく抑えるように
すればよい。

【００２０】従来技術の説明 音響光学集積フィルタにおけるサイドローブ非対称性の
原因を研究した文献としては、Ｄ．Ａ．Ｓｍｉｔｈ、
Ａ．ｄ‘Ａｌｅｓｓａｎｄｒｏ、Ｊ．Ｅ．Ｂａｒａｎ、
及びＨ．Ｈｅｒｒｍａｎｎによる共著“Ｓｏｕｒｃｅ
ｏｆ Ｓｉｄｅｌｏｂｅ Ａｓｙｍｍｅｔｒｙ ｉｎ
Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ
Ｆｉｌｔｅｒｓ“（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ
ｌｅｔｔｅｒｓ、第６２巻（１９９３年刊）、第８１４
頁〜第８１６頁に所収）がある。同文献には、音響光学
フィルタの光導波路についての実験結果が示されてお
り、その光導波路は、幅寸法が８μｍ、厚さが８００Å
のＴｉストライプに対して、白金るつぼ内において、空
気雰囲気中で、温度１０５０℃で、９．２５時間かけて
拡散処理を施して形成したものである。また、音響導波
路の幅寸法は１２０μｍであり、この音響導波路は、幅
寸法が２５０μｍ、厚さが１６００ÅのＴｉストライプ
のクラッディング領域を、温度１０５０℃で、３０時間
かけて拡散処理して形成したものである。同文献によれ
ば、波長多重した光チャネルどうしの間のクロストーク
を引き起こすサイドローブ非対称性の発生原因に対して
影響を及ぼすのは、導波路の実効複屈折特性における規
則的な偶数次の変動であり、この変動はデバイスの中心
点からの距離の関数であるとされている。同文献は更
に、近似的シミュレーションの結果を提示しており、こ
の近似的シミュレーションは、Ｔｉストライプの厚さ、
幅寸法、それに拡散温度における不均一が、典型的なサ
イドローブ非対称性に対してどのように影響するかを示
している。同文献の結論は次の通りである。即ち、内在
するΔｎの変動（ばらつき）の原因として最も可能性の
高いものは、デバイス製作に関連した幾つかのパラメー
タの、長手方向位置による規則的な変動であり、それら
パラメータとしては、例えば、導波路の幅寸法、層の厚
さ、それに拡散温度等がある。更に次のことも判明して
おり、それは、サイドローブ非対称性の原因として、音
響波速度の分布特性の規則的な変動も考えられるという
ことである。また、サイドローブを抑制するための改善
策として、光導波路の幅寸法に対して補償のための構造
的バイアスを導入することによって、ビート長さの非一
様性の影響を打ち消すということが示唆されている。

【００２１】１９９５年４月３日から同月６日にかけ
て、オランダ国、デルフト市において第７回ヨーロッパ
光集積デバイス会議が開催され、同会議の議事録とし
て、ＥＣＩＯ‘９５ ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ（ｐｏｓ
ｔ−ｄｅａｄｌｉｎｅ ｐａｐｅｒｓ）が刊行された。
同議事録の第２１頁〜第２４頁に、Ｓ．Ｓｃｈｍｉｄ、
Ｍ．Ｓｏｔｔｏｃｏｒｎｏ、Ａ．Ａｐｐｌｅｙａｒｄ、
及びＳ．Ｂｏｓｓｏによる共著“ＦＵＬＬ ＷＡＦＥＲ
ＳＣＡＬＥ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＡＣＯ
ＵＳＴＯ−ＯＰＴＩＣ ２ｘ２ ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ
ＳＥＬＥＣＴＩＶＥ ＳＰＡＣＥ ＳＷＩＴＣＨＥＳ
ＯＮ ＬｉＮｂＯ₃”が収載されている。同文献に
は、音響光学モード変換素子に用いる光導波路の製作例
が報告されており、その報告によれば、厚さが約１００
０Å、幅寸法が約７μｍのチタンストライプに対して、
温度１０３０℃で、９時間かけて拡散処理を施すことで
光導波路を製作している。また、同文献によれば、音響
光学モード変換素子に２つの偏光モードの光波を同時に
入射させたときには、帯域除去性能の低下が認められ、
その原因は、製作上の誤差によって僅かながら複屈折特
性の不均一性が発生したことによるものであり、その結
果として、２５ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ程度の、位相整合周
波数の変動（ばらつき）が生じたと述べられている。

【００２２】ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇ
ｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第１３巻、第３
号（１９９５年３月刊）には、その第３４６頁〜第３７
４頁に、Ｈ．Ｈｅｒｒｍａｎｎ、Ｕ．Ｒｕｓｔ、及び
Ｋ．Ｓｃｈａｅｆｅｒによる論文“ＴＡＰＥＲＥＤ Ａ
ＣＯＵＳＴＩＣＡＬ ＤＩＲＥＣＴＩＯＮＡＬ ＣＯＵ
ＰＬＥＲＳ ＦＯＲ ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＡＣＯＵ
ＳＴＯ−ＯＰＴＩＣＡＬＭＯＤＥ ＣＯＮＶＥＲＴＥＲ
Ｓ ＷＩＴＨ ＷＥＩＧＨＴＥＤ ＣＯＵＰＬＩＮＧ”
が収載されており、同論文には、光集積デバイスとして
構成した偏光依存性を持たない光波長フィルタを、テー
パ形音響方向性結合器に用いるということが記載されて
いる。このフィルタの光導波路は、幅が７μｍのＴｉス
トライプに拡散処理を施して形成したものであり、典型
的な具体例として、温度１０３０℃で、９時間かけて拡
散処理を施すという例が記載されている。同論文の報告
によれば、光導波路の寸法に関するパラメータ、並びに
製作プロセスに関するパラメータを、それらの値とすれ
ば、λ＝１．５５μｍの近傍のスペクトル領域において
ＴＥ偏光とＴＭ偏光とが共に単一モードとなる光導波路
が得られるとのことである。同論文に開示されているモ
ード変換素子の変換特性には、僅かな非対称性が出現し
ており、実際に、最大ピーク部の左側のメインサイドロ
ーブの高さが、右側のサメインイドローブの高さより
１．３ｄＢ高くなっている。同論文によれば、この非対
称性は、光導波路の形成位置において、音響波の偶数次
及び奇数次のモードが完全には等しくならないという事
実によって説明されるとのことである。従って同文献で
は、非対称性の原因が、デバイスの長手方向位置による
音響波ベクトルのばらつき、即ち、位相整合条件のばら
つきにあるとは見ていない。同論文は、非均質性の問題
に対処し得るならば、サイドローブを十分に抑制した音
響光学モード変換素子を製作し得るはずであると結論し
ている。しかしながら同文献には、音響光学モード変換
素子に用いる光導波路の設計基準は提示されていない。
“Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ”（Ｇｉａｎ
ｃａｒｉｏ Ｐｒａｔｉ編、スプリンガー社、１９９７
年刊）の第４５８頁〜第４７２頁に収載されている、
Ｓ．Ｍｏｒａｓｃａ、Ｄ．Ｓｃａｒａｎｏ、及びＳ．Ｓ
ｃｈｍｉｄによる共著“ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ
ＬｉＮｂＯ₃ ＡＣＯＵＳＴＯ−ＯＰＴＩＣＡＬ ＴＵ
ＮＡＢＬＥ ＳＷＩＴＣＨＥＳ ＡＮＤ ＦＩＬＴＥＲ
Ｓ ＩＮ ＷＤＭ ＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮ ＮＥＴ
ＷＯＲＫＳ ＡＴ ＨＩＧＨ ＢＩＴＲＡＴＥＳ”に
は、音響光学チューナブルスイッチ及び音響光学チュー
ナブルフィルタの基本的な物理的特性及び動作原理につ
いての要約書が開示されている。幅寸法が約１００μｍ
の単一モード音響導波路の中に、直線形単一モード光導
波路を埋込んで、約１５５０ｎｍの動作波長を得てお
り、その光導波路の幅寸法の典型的な値は７μｍであ
る。それら光導波路と音響クラッディングとのいずれも
がチタン拡散によって形成されており、また、アルミニ
ウム層で構成した適当なピッチを有する交互配置形のト
ランスデューサが、結晶の上面の、音響導波路の始点位
置に形成されている。同文献には、光導波路の複屈折特
性のばらつきが原因となって、位相不整合が発生すると
いうことが記載されている。しかしながら、光導波路の
長手方向位置による複屈折特性のばらつきを小さく抑え
るために、また、製作プロセスに関連したパラメータの
変動に対する依存性の小さな複屈折特性を得るために、
光導波路に関連したパラメータ並びに製作プロセスに関
連したパラメータをどのように定めればよいかについて
の設計基準は、同文献には示されていない。

【００２３】米国特許公報ＵＳ５４５２３１４号（Ａｒ
ｏｎｓｏｎ）には、光導波路の両側に一対の電極を備え
た音響光学チューナブルフィルタ（ＡＯＴＦ）が記載さ
れている。同米国特許公報によれば、相互作用領域の長
さを５０ｍｍとしたシングルセクション形のＡＯＴＦの
試験が行われた。幅寸法を夫々、５μｍ、６μｍ、及び
７μｍとした導波路を、チタン拡散によって形成してい
る。チタン層の厚さは１０７５Åとし、水蒸気を含有す
るＯ₂雰囲気中で、１０５０℃で、６時間かけて拡散処
理を施した。フィルタの試験は、１．５５ミクロンの波
長のＤＦＢを使用して行い、その結果、ＴＭモードに対
して非常に大きな損失を発生させることができると判明
した。同米国特許公報は、基板に拡散によって形成した
光導波路のカットオフ値については開示していない。更
に、同米国特許公報のデバイスは音響導波路を備えてい
ないため、上述の参考文献の幾つかに開示されているよ
うな光導波路に加えて音響導波路をも備えたデバイスに
おける光導波路の伝搬条件（特に、カットオフ波長）に
ついての詳細情報は、同米国特許公報には提示されてい
ない。

【００２４】本出願人が確認したところによれば、音響
導波路を備えていない場合には、その光導波路の伝搬条
件が、また特にそのカットオフ波長が、音響導波路を備
えたデバイスの場合とは大きく異なったものとなる。

【００２５】更に、光導波路の長手方向位置による複屈
折特性のばらつきがどの程度のものとなるかは、その光
導波路を形成するために用いる製作方法のいかんにも影
響される。図８は、拡散型導波路を形成するための従来
の方法の１つを示したものであり、この種の方法は、例
えば“Ｇｕｉｄｅｄ−ｗａｖｅ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒ
ｏｎｉｃｓ”（Ｔｈｅｏｄｏｒ Ｔａｍｉｒ編、Ｓｐｒ
ｉｎｇｅｒ社、１９９０年刊）の第１４６頁〜第１４９
頁に、その概要が記載されている。図８に示した方法
は、拡散型導波路を形成するための、いわゆる「リフト
オフ法」である。基板１は、例えばＬｉＮｂＯ₃製の基
板である。この基板１にポリシング処理を施した後に、
洗浄処理を施し、更にその基板１にフォトレジストを塗
布する。フォトレジスト２は、デュアル・トーン・タイ
プのレジストであり、このフォトレジスト２のうち、紫
外光による第１回露光工程において露光されなかった部
分が現像液で溶解されて除去される。この第１回露光工
程では、所望形状の導波路パターン４を形成したクロム
製マスク３を、フォトレジスト２に密着させて、紫外光
でフォトレジスト２を露光する。続いて、そのフォトレ
ジスト２にベーキング処理（ｂａｋｉｎｇ ｓｔｅｐ）
を施す。このベーキング処理は、基板１を加熱して、約
１２０℃の温度に約２１０秒間維持することによって行
い、フォトレジスト特性を反転する。続いて、そのフォ
トレジスト２に対する紫外光による第２回露光工程を実
行し、このときにはマスク３を使用しない。この第２回
露光工程によってフォトレジスト特性が反転し、現像プ
ロセスでは、ネガティブ・フォトレジストとしての性質
を示すようになる。図８ｂに示したように、現像プロセ
スを実行すると、二度の露光がなされたフォトレジスト
２の一部が除去されて、導波路パターンに対応した形状
の窓部がフォトレジスト２に形成される。続いて、図８
ｃに示したように、以上の構造の全面にチタン層５を形
成する。これは、ＲＦスパッタリング、電子ビームデポ
ジション、または抵抗加熱エベイポレータなどによって
行うことができる。図８ｃから明らかなように、チタン
層５は、基板１の露出部分と、フォトレジスト２の表面
との両方に亘って形成される。続いて、以上の構造の全
体をフォトレジスト溶解液に浸漬すると、それによっ
て、チタン層のうちの不要部分が、フォトレジストと共
に除去されるため、図８ｄに示したように、所望形状の
チタンストリップ５が基板１上に残される。この図８ｃ
から図８ｄにかけてのプロセスが「リフトオフ工程」と
呼ばれているものである。続いて、以上の構造の全体を
加熱して、チタンストリップ５を基板１の中へ拡散させ
るようにする。これによって、図８ｅに示したように、
拡散型導波路６が形成される。

【００２６】デュアル・トーン・フォトレジスト２を使
用した場合には、常に、図８ｂに示したようにアンダー
カット即ち負勾配が発生する。しかも、このアンダーカ
ットの大きさを制御するための、結果が予測可能な制御
方法は存在していない。またチタンストリップ５の幅寸
法は、通常、その予期値（目標値）であるクロム製マス
クパターン４の幅寸法より、約０．５μｍ〜２μｍ程度
大きくなることが確認された。例えば、マスクパターン
４の幅寸法が７μｍである場合には、実際に形成される
チタンストリップの幅寸法は、最大で８．５μｍにもな
ることがあり、しかも実際にどれほどの大きさになるか
の予測は不可能である。そして、チタンストリップの幅
寸法のばらつきは、それを拡散させて形成する導波路６
の幅寸法のばらつきをもたらすため、実際に形成される
導波路６のパラメータも予期した値からずれてしまい、
しかもそのずれが実際にどれ程の大きさになるかの予測
は不可能である。更に、本出願人は実験によって次のこ
とも認識した。それは、導波路の幅寸法は、導波路の長
手方向位置によってばらついて（変動して）おり、その
ばらつきの大きさ（変動量）は±０．５μｍの範囲内の
ものであるが、実際にどれほどの大きさになるかは、予
測不可能だということである。従って、本出願人が確認
したところによれば、拡散型導波路を形成するためのリ
フトオフ法は、導波路のパラメータを高い精度を持って
制御することが不可能だということである。更に、常光
線屈折率及び異常光線屈折率の屈折率変動は、実際のチ
タン濃度に影響されるため、リフトオフ法を用いた場合
に、屈折率の変動を制御するための、結果を高い精度を
持って予測し得るような制御方法も存在していない。

【００２７】以上に言及した従来技術に関する諸文献に
は、音響光学モード変換素子の背景技術並びに実験結果
が記載されているが、複屈折特性の変動（ばらつき）を
改善し、それによって位相整合のばらつきを改善するこ
とを可能にするための設計基準は提示されていない。そ
れら諸文献によって確認されていることは、単に、複屈
折特性の規則的または不規則的な変動が、音響光学モー
ド変換素子を用いたあらゆる種類の光集積デバイスの総
合性能に対して、悪影響を及ぼすということである。ま
た同様に、位相不整合の影響がどれ程の大きさになるか
を決める要因の１つに、使用している光導波路に内在す
る複屈折特性の変動（ばらつき）の大きさがあるという
ことも確認されている。しかしながら、この点に関して
光導波路を改善することを可能にするための設計基準は
記載されていない。

【００２８】更に、以上に言及した従来技術に関する諸
文献には、チタン拡散型導波路の製作のための従来の
「リフトオフ」製作法が記載されているにすぎない。一
方、本出願人が確認したところによれば、リフトオフ法
を使用する限り、導波路のパラメータを、音響光学モー
ド変換素子に用いるのに適した程度にまで制御すること
は不可能である。

【００２９】発明の概要 従って、発明の目的は、音響光学モード変換素子等に使
用するための光導波路であって、その長手方向位置によ
る複屈折特性のばらつきが小さく、製作プロセスに関す
るパラメータの変動に対する感受性の小さな光導波路を
提供することにある。

【００３０】これに関して、本発明者らが直面した課題
は、音響光学モード変換素子と、音響光学モード変換素
子等に用いる複屈折性光導波路と、それらを製作するた
めの製作方法とに関して、設計パラメータのばらつきを
小さく抑え得るようにし、また特に、複屈折特性のばら
つきを小さく抑え得るようにすることであった。

【００３１】この課題は、請求項１、請求項２０に記載
した音響光学モード変換素子によって解決される。また
この課題は、請求項１７、請求項１８、請求項２１に記
載した光導波路によって解決される。またこの課題は、
請求項９または請求項１９に記載した方法によって解決
される。

【００３２】本発明は、導波路を製作するための、制御
が可能で均質性を保持することのできる新規な製作方法
を提供すると共に、製作プロセスのばらつきが導波路の
複屈折特性に影響を及ぼすという問題を、適切な設計基
準を提示することによって解決するものであり、その設
計基準は、１つまたは幾つかの製作パラメータ（例え
ば、導波路ストライプの幅寸法、その厚さ、拡散温度
等）にばらつきが生じた場合であっても、そのばらつき
に対する導波管の複屈折特性の感受性を低下させること
のできるような製作パラメータ集合を示すものである。

【００３３】本発明者らが発見したところによれば、１
枚のウェーハ上の均質性に関する製作パラメータのばら
つきと、ウェーハどうしの間の均質性に関する製作パラ
メータのばらつきとのいずれについても、導波路が細い
ほど、製作パラメータのばらつきに対するその導波路の
感受性は小さくなる。更に、本発明者らが発見したとこ
ろによれば、導波路の幅寸法をこれまで一般的であった
７．０μｍから４．０μｍへ縮小することによって、異
なったウェーハの間のＴｉストライプの厚さのばらつき
に起因する、その導波路の複屈折特性のばらつきの典型
的な大きさを、約３分の１〜約４分の１にすることがで
きる。

【００３４】即ち、本発明者らが認識したところによれ
ば、「幅寸法の小さな」導波路や、「深さ寸法の小さ
な」導波路は、「幅寸法の大きな」導波路や、「深さ寸
法の大きな」導波路と比べて、複屈折特性のばらつきが
小さくなる。このことは、基板に形成した音響導波路を
備えた音響光学モード変換素子に用いる光導波路は、そ
の正規化周波数（即ち、その光導波路内を伝搬するＴＥ
単一モード及びＴＭ単一モードの正規化周波数）を、そ
の光導波路のカットオフ周波数にできるだけ近付けるの
がよいということを意味している。

【００３５】更に、使用する導波路の種類（チャネル形
か、リッジ形か、或いはストライプ形の導波路か）によ
らず、動作波長領域を、１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍの
波長領域とする場合には、それらモードのカットオフ波
長のうちの短い方のカットオフ波長が、１６５０ｎｍ以
下で、１５７０ｎｍ以上になるように、導波路パラメー
タ及び製作パラメータを選定するのがよいということも
発見した。

【００３６】更に、本発明者らが発見したところによれ
ば、伝搬定数をカットオフ波長に近付けることによっ
て、製作パラメータのばらつきに対する導波路の複屈折
特性の感受性を低下させることができ、導波路の複屈折
特性の許容誤差を増大させることができる。

【００３７】拡散処理を施す前のＴｉストライプの高さ
寸法は１０５０Å〜１２５０Åの範囲内とすることが好
ましく、またその幅寸法は４．０μｍ〜５．５μｍの範
囲内とすることが好ましい。このような寸法のＴｉスト
ライプに拡散処理を施して形成した光導波路を音響光学
デバイスに用いることによって、その変換特性を改善す
ることができる。

【００３８】更に、本発明者らが発見したところによれ
ば、ＬｉＮｂＯ₃音響光学モード変換素子を製作すると
き、ないしは、そのような変換素子に用いる光導波路を
製作するときには、以上に述べたような細いＴｉストラ
イプに拡散処理を施す際の拡散温度を比較的高温とする
（例えば、通常の１０３０℃ではなく１０６０℃とす
る）のがよく、それによって、導波路のＴｉ濃度を上昇
させることができ、その結果、複屈折特性のばらつきの
小さな導波路が得られる。

【００３９】更に、本発明者らが発見したところによれ
ば、従来のリフトオフ法に代えて、ネガティブフォトレ
ジストを使用したＲＩＥエッチング法を実行することに
よって、アンダーカットという問題を回避することがで
き、それによって、導波路の幅寸法を更に高精度で制御
することが可能になる。これは、伝搬定数をカットオフ
の近傍に設定した、即ち、正規化周波数をカットオフの
近傍に設定した、細い導波路にとっては特に重要なこと
であり、なぜならば、そのような導波路では、導波路パ
ラメータに小さなばらつきが発生しただけで、導波路が
カットオフに突入してしまうおそれがあるからである。

【００４０】本発明のその他の有利な実施の形態並びに
改善点は、従属請求項に記載した通りである。これより
添付図面を参照しつつ、本発明を、その有利な実施の形
態に即して説明して行く。

【００４１】本発明にかかる導波路の基本的説明 光導波路の複屈折特性のばらつきを小さく抑えることを
はじめとする本発明の様々な利点は、その光導波路を音
響光学モード変換素子に使用した場合に即して説明する
と、最もよく説明し得るものであるため、以下にその場
合について説明する。

【００４２】図９は、種々の導波路について実験を行っ
て得た、導波路の幅寸法（拡散処理を施す前の寸法）に
対する変換周波数ｆの値をプロットしたグラフである。
この図９に特性を示した拡散型導波路は、図１ａに示し
た拡散型導波路と同一構成のものである。図９における
興味深いパラメータは、導波路の深さ寸法（高さ寸法）
の変化量Δτに対する変換周波数の変化量Δｆであり、
ここでτは、チャネル形導波路の高さ寸法（拡散処理を
施す前の寸法）である。図９から分かるように、Δｆ／
Δτの値は、導波路の幅寸法が小さいほど小さく、また
導波路の高さ寸法が小さいほど小さい。例えば、幅寸法
が７μｍの導波路のΔｆ／Δτの値が１５ｋＨｚ／Åで
あるのに対して、幅寸法が４．０μｍの導波路では、こ
の比の値が３．５ｋＨｚ／Åとなっている。右側の縦軸
の目盛りは、複屈折特性を示す値（即ち、ｎ_eff,TEとｎ
_eff,TMとの差であるΔｎ_effの値）を示している。

【００４３】図９において、直線Ａは、波長λ＝１６０
０ｎｍとしたときの、光導波路のカットオフ周波数を示
したものである。いうまでもなく、波長が一定であれ
ば、導波路を細くするほど、基本モードの周波数はカッ
トオフ条件に近付く。しかしながら、カットオフ境界の
近傍における曲線の勾配変化から明らかなように、比の
値Δｆ／Δωは、カットオフ境界に近付くほど小さくな
る。このことから、普遍的な関係を導き出すことがで
き、それは、伝搬させる光波の目標波長が与えられたな
らば（また、導波路とそれを囲繞している媒体との間の
屈折率の差が与えられたならば）、その目標波長におけ
る、基本モード（これは唯一のモードである）の伝搬定
数が、カットオフ条件にできるだけ近い値となるように
すればよいということである。

【００４４】このように複屈折特性のばらつきを抑制す
ることによって得られる利点は、図１０及び図１１から
明らかである。図１０及び図１１は、夫々、導波路の幅
寸法の変化量に対する変換周波数の変化量の比の値Δｆ
／Δｗと、導波路の高さ寸法の変化量に対する変換周波
数の変化量の比の値Δｆ／Δτとを、いずれも導波路の
幅寸法ｗに対してプロットしたグラフである。図１０及
び図１１において、導波路の幅寸法ｗが小さくなるほ
ど、変化量の比の値Δｆ／Δｗ及びΔｆ／Δτのいずれ
も絶対値が小さくなっている。また、導波路の高さ寸法
が小さくなるほど（例えば、τ＝１０５０Å）、変化量
の比の値Δｆ／Δｗ及びΔｆ／Δτのいずれも絶対値が
小さくなっていることも見て取れる。変換周波数の値を
チタン層の厚さで微分した値であるΔｆ／Δτ（図１
０）は、導波路の幅寸法ｗに強く影響されることが分か
る。図１０からは更に、幅寸法が７μｍの導波路（この
幅寸法は拡散処理を施す前の寸法である）では、Δｆ／
Δτが、−１５ｋＨｚ／Åであり、幅寸法が４μｍの導
波路では、Δｆ／Δτが、−５ｋＨｚ／Åであることが
見て取れ、これらの値は、図９の中に既に記入してある
通りである。従って、図１０の導波路では、幅寸法の小
さな方が、チタン層の厚さの不均一（製作方法に原因す
るばらつき即ち変動）に対する感受性が約３分の１とな
っている。

【００４５】一方、図１０から分かるように、導波路
を、比較的薄い（高さ寸法の小さい）チタン層から形成
することで、導波路の幅寸法の不均一に対する感受性を
低下させることができる。実際の製作プロセスにおいて
発生するばらつきの大きさを考慮した簡単な推定を行っ
たところ、厚さ１０５０Åのチタン層から形成した幅寸
法４μｍの導波路は、厚さ１２５０Åのチタン層から形
成した幅寸法７μｍの導波路と比べて、通常の製作寸法
誤差に対する感受性が、約４分の１ないし約５分の１に
なることが判明した。また、チタン層の厚さと導波路の
幅寸法との最も好ましい組合せは、１２５０Å／４．１
μｍであった。その他の好ましい組合せの値としては、
１０５０Å／５．２μｍや、１１５０Å／４．５μｍが
あった。

【００４６】図１２及び図１３は、図４及び図５と同様
のグラフであり（これらのグラフでは、導波路の長手方
向位置による複屈折特性のばらつきを表す値δ（Δｎ）
が、δ（Δｎ）＝３．３×１０^-4であるときに、Δｆ≒
８００ｋＨｚとなっている）、これらのグラフからは、
音響光学モード変換素子の導波路の寸法を１０５０Å／
４．５μｍとすることによって優れた効果が得られるこ
とが明らかである。特に図１２は、優れたサイドローブ
抑制効果が得られることを示している（実際に理論推定
値と非常によく合っている）。また、図１３は、音響光
学モード変換素子の長手方向位置による変換周波数のば
らつきが、僅か１００ｋＨｚ程度の、非常に小さなもの
であることを示している。既述のごとく、変換周波数の
ばらつきの大きさは、複屈折特性のばらつきの大きさを
表す基本的な指標値であり、従って図１１ｂは、複屈折
特性のばらつきが非常に小さなものである（δ（Δｎ）
≒０．４×１０^-4である）ことを示している。

【００４７】本発明者らが明確に認識していることは、
細い導波路ほど（それがリブ形導波路であるか、チャネ
ル形導波路であるか、或いは更にその他の形式の導波路
であるかにかかわらず）、太く導波能力の大きな導波路
より性能の優れた導波路になるということである。図９
〜図１２から導かれた条件は、「導波路の幅寸法を小さ
く」すること、及び「導波路の高さ寸法を小さく」する
ことであるが、これらの条件に従えば必然的に、その導
波路の光波導波能力は小さくなるため、結局、導波路の
寸法の最適化（即ち、小型化）は、基本モードの「カッ
トオフ波長」によって制約されることになる。従って、
伝搬定数を「カットオフに近付ける」ための「導波路寸
法（導波路パラメータ）の選択基準」は、基本モードの
カットオフ波長に関係した式で表される。導波路を用い
て構成する素子を、１５３０ｎｍから１５６５ｎｍまで
の波長ウィンドウ内で動作可能にするためには、音響光
学モード変換素子の導波路の寸法としてこれまで一般的
に採用されている寸法（上掲の従来技術の文献によれ
ば、幅寸法が７μｍ〜８μｍである）では、ＴＥ偏光及
びＴＭ偏光のいずれのカットオフ波長も１７５０ｎｍを
超えた値を取る。本発明において「最適化した導波路パ
ラメータ」というとき、それは、ＴＭ基本モードのカッ
トオフ波長とＴＥ基本モードのカットオフ波長のうちい
ずれか短い方のカットオフ波長を、信号波長の上限値に
できるだけ近付けることを意味するが、ただし、１５７
０ｎｍより長く、１６５０ｎｍより短い波長とすること
が好ましい。尚、この波長範囲は、直線形導波路にとっ
て良好な範囲である。曲線形導波路では、カットオフ境
界値に維持するのがよく、なぜならば、導波路が曲線形
であることによってカットオフ波長が短くなるため、そ
の短くなった分を、導波路の幅寸法を大きくすることで
補償する必要があるからである（例えば、直線形導波路
の幅寸法を５．５μｍとするのが適当であるならば、半
径Ｒｃ＝１３０ｍｍの曲線形導波路の幅寸法は約６．５
μｍとするのが適当である。

【００４８】カットオフを計測するための方法及び装置 以上の説明では、カットオフ波長が、本発明にかかる光
導波路の仕様を定める際の指針となる設計基準であるこ
とを明らかにした。しかしながら、拡散濃度分布形状
（即ち、基板中に実際に形成された導波路の寸法）を実
際に計測することは不可能であり、従って、実際に形成
された導波路のパラメータに基づいてカットオフ波長を
算出することは不可能である。それゆえ、カットオフ波
長は、導波路パラメータに基づいて計算によって求める
のではなく、直接に計測して求めるようにしており、そ
れには、例えば図１４に示したような装置を使用すれば
よい。

【００４９】図１４において、広帯域光源Ｓから出射し
た光はモノクロメーターＭへ入射する。モノクロメータ
ＭにはステッピングモーターＳＭが装備されており、こ
れによって、モノクロメーターＭからの出力光を、所定
波長領域内でチューニングできるようにしてある。ステ
ッピングモーターＳＭは制御手段ＰＣによって制御され
ている。モノクロメーターから出射した光は偏光板Ｐを
通過することによって、ＴＥ偏光またはＴＭ偏光とな
り、それが基板１に形成されている導波路へ入射する。
検出器Ｄで光強度を計測しており、また、チョッパＣＨ
を制御しているロックイン増幅器ＬＡが、受光強度（振
幅）を示す信号を、制御手段ＰＣへ供給するようにして
いる。この種の装置は、光ファイバ用の計測装置とし
て、例えば光ファイバの屈曲特性を調べる目的などに、
従来から使用されているものである（これについては、
例えば、“Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｃｏｍｍｕｎｉｃ
ａｔｉｏｎｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ”、第２版（ＣＳＥＬ
Ｔ技術スタッフ著、Ｆ．Ｔｏｓｃｏ編、ＴＰＲ Ｂｌｕ
ｅ−Ｒｉｄｇｅ Ｓｕｍｍｉｔ社（米国、ペンシルベニ
ア州）によって１９９０年に刊行）の、第３９０頁〜第
３９４頁を参照されたい）。

【００５０】図１５は、直線形導波路における基本モー
ドの、典型的な減衰特性曲線を示したグラフである。減
衰度ｄＢは、入力光強度と出力光強度との間の比の対数
である。導波路の高さ寸法／幅寸法（拡散処理を施す前
の寸法）が、ある値に選定されているとき、減衰曲線
は、それら選定値に応じたある波長から、急激に上昇す
る。カットオフ波長は、減衰度が略々一定の領域におけ
る減衰度レベルから、その減衰度が１デシベル上昇した
点の波長（真空中で計測した波長）であると定義され、
減衰特性曲線が急激に上昇し始める点に対応した波長で
ある。カットオフ波長は、ＴＭ基本モードとＴＥ基本モ
ードとでは異なっている。図１５に試験結果を示した導
波路では、それら２つの偏光の間の減衰度の差が、即
ち、偏光依存損失（ＰＤＬ）が、比較的大きな値となっ
ている。しかしながら、好適な導波路は、１５３０〜１
５６５ｎｍの波長領域の全域において、ＰＤＬが０．５
デシベル以下のものであり、これがＰＤＬの好ましい値
である。本質的に、減衰度が急激に上昇し始めるという
ことは、基本モードの導波が不可能になったことを示す
ものであり、従って、カットオフに突入したことを表し
ている。曲線形導波路でも基本的に同じことがいえる
が、ただし、曲線部分では、ドーパントのストライプの
幅寸法（拡散処理を施す前の寸法）をより大きくする必
要がある。本発明者らが確認したところによれば、例え
ば、幅寸法が６．５μｍの曲線形導波路（半径Ｒｃ＝１
３０ｍｍ）のカットオフ波長は、幅寸法が５．５μｍの
直線形導波路のカットオフ波長より短い。

【００５１】図１６は、図１５と同様の計測結果を示す
グラフであるが、ただし、導波路パラメータをある特定
の値に選定して、より広い波長領域に亘って計測を行っ
ており、減衰特性曲線の急激な上昇が２箇所に出現して
いる。それらのうちの１つは、１次モードのカットオフ
領域に対応しており、もう１つは、基本モードのカット
オフ領域に対応している。このグラフに示された、基本
モードのカットオフ領域と１次モードのカットオフ領域
との間の領域が、単一モード領域である。

【００５２】図１７、図１８、図１９は、Ｔｉストライ
プの幅寸法及び厚さ（拡散処理を施す前の幅寸法及び厚
さ）を様々に設定したときの、様々な次数のモードのカ
ットオフ波長（図１５に関して説明した定義に従ったカ
ットオフ波長）の測定結果を示したグラフである。図１
７、図１８、図１９には、更に、スレショルド値である
１５５０ｎｍを併せて示してある。図１７について説明
すると、これは、Ｔｉストライプの厚さを１０５０Åと
したときの値を示しており、この場合、最も短いカット
オフ波長は、ＴＭモードの、単一モード領域のカットオ
フ波長である。Ｔｉストライプの幅を５．２μｍにする
と、カットオフ波長は１６００ｎｍになる。

【００５３】図１８、図１９は、Ｔｉストライプの厚さ
を異なった値としたときの値を示しており、以上と同様
の考察を行うことで、以下の値が好適値であることが分
かる。

【００５４】 １０５０Å： ５．２μｍ（５．５μｍ） １１５０Å： ４．５μｍ（４．８μｍ） １２５０Å： ４．１μｍ（４．４μｍ） 先に記した（即ち、括弧の外の）値は、３つの具体例に
おける「理想値」であり、一方、括弧内の値は、製作プ
ロセスのばらつきを考慮に入れて許容誤差を大きめに取
ったときの値である。一般的に、製作許容誤差及び計測
許容誤差のために、カットオフ波長の計測値λｍａｘ＝
１６００ｎｍが変動するが、好適な導波路は、カットオ
フ波長を１５７０ｎｍ〜１６５０ｎｍとすることによっ
て得られる。この関係は、導波路の形態の如何にかかわ
らず、一般的に成り立つものである。図１７、図１８、
図１９の値を、図９に関連して既に説明した必要条件と
比較すると、図１７、図１８、図１９に示された値で
は、複屈折特性のばらつきが小さくなり、モードが単一
モードとなり、しかもその単一モード領域が所定のカッ
トオフ波長の近傍に存在することが分かる。従って、拡
散処理を施す前のＴｉストライプの値として、上記のよ
うな一般的なＴｉストライプの厚さ及び幅寸法の値を用
いるならば、伝搬定数や基本モードの正規化周波数が、
カットオフ条件にに近い値となる光導波路を設計するこ
とができる。

【００５５】例えば、伝搬波長の領域を示す波長ウィン
ドウが１５５０ｎｍの近傍に設定されている場合に、減
衰特性曲線の形状が、その波長ウィンドウで示された動
作波長範囲の全域に亘って十分に平坦な形状となるよう
にするには、その波長ウィンドウの上限波長（即ち、有
効伝搬波長の上限値）が、以上に説明した方法に関して
定義したカットオフ波長から３０ｎｍ以上離れるよう
に、導波路パラメータを選定することが好ましい。ただ
し、波長ウィンドウの上限波長が、カットオフ波長か
ら、必ずしも３０ｎｍ以上離れていなければならない訳
ではない。３０ｎｍ以上離れていない場合には、伝搬モ
ードの波長がカットオフ波長に近付くと導波能力が低下
するが、その場合であっても、複屈折特性のばらつきは
大幅に改善される（図９参照）。

【００５６】一方、複屈折特性のばらつきを小さく抑え
るには、波長ウィンドウの上限波長がカットオフ波長か
ら８５ｎｍ以上離れないようにすることが好ましい。音
響光学モード変換素子の光導波路として、上述の導波路
パラメータを有する（即ち、上述のカットオフ波長条件
を満足する）光導波路を用いることによって、制作中に
製作パラメータが変動しても、複屈折特性に大きなばら
つきが発生しなくなるため、変換周波数の安定性が改善
される。即ち、光導波路が上述の条件を満足していれ
ば、製作中に導波路パラメータの小さなばらつきが発生
したとしても、総合的な複屈折特性のばらつきは、太い
導波路（幅寸法及び深さ寸法の大きな導波路）の場合ほ
ど大きくはならない。

【００５７】複屈折特性のばらつきが、導波路パラメー
タに影響されにくくなるという優れた効果は、実効複屈
折特性が、材料の固有の複屈折特性（ＬｉＮｂＯ₃の場
合には、Δｎ_eff＝０．０７２である）と、殆ど導波路
の寸法によって決まる導波路に固有の複屈折特性との組
合せであるということからも、直感的に理解することが
できる。

【００５８】図２０は、ＬｉＮｂＯ₃基板の、非ドープ
領域及びＴｉドープ領域の典型的な屈折率を示した図で
ある（ＬｉＮｂＯ₃のカットは、ｘカットであり、Ｔｉ
ドープの深さは１２００Åである）。拡散の結果として
得られる屈折率分布を表す特性曲線の形状は、実際には
矩形ではなく、その拡散特性に応じた形状となり、例え
ば、正規曲線に似た形状になることもある。このＴｉ拡
散によってもたらされる常光線屈折率ｎ_oの上昇量は、
異常光線屈折率ｎ_eの上昇量より小さい。そして、導波
路の「幅寸法が大きい」ほど、また「深さ寸法が大き
い」ほど、実効複屈折特性に対するＴｉ拡散の寄与度は
大きい。

【００５９】導波路の寸法は、例えば製作プロセスにお
ける不均一（Ｔｉストライプの幅寸法、そのチタン層の
厚さ、それに拡散温度等のばらつき）のために、局所的
変動（即ち、ばらつき）を生じており、そのような導波
路の寸法の局所的な変動は全て、導波路の複屈折特性の
局所的変動をもたらし、従って、位相整合条件（ブラッ
グ条件）を変動させる。導波路の寸法変動量の絶対値が
同じであれば、総合的な複屈折特性に対する導波路の複
屈折特性の寄与度が「小さい」ほど、総合的な複屈折特
性への影響が小さくなる。

【００６０】従って、導波が強力に行われない光波（そ
の伝搬定数がカットオフに非常に近いモードの光波）
は、導波が強力に行われる光波と比べて、実効屈折率に
関する限り、導波路の寸法変化に対する感受性が小さ
く、このことは図９〜図１２から明らかである。

【００６１】単一モード複屈折性導波路の製作方法 これより図２１を参照して、本発明にかかる光導波路の
製作方法について説明して行く。

【００６２】図２１ａにおいて、基板１の表面にＴｉ金
属層７を形成し、この基板１の好ましい材料はＬｉＮｂ
Ｏ₃である。Ｔｉ金属層７の表面に標準的なポジティブ
フォトレジスト８を塗布する。導波路パターン４を有す
るマスクを使用して、ポジティブフォトレジストの露光
を行い、続いて、一般的な現像処理手段を用いて現像処
理を施すことで、ポジティブフォトレジスト８のうちの
露光された部分を除去し、これによって、図２１ｂに示
した構造が得られる。

【００６３】図２１ｂにおいて、ドライエッチング法
（例えば反応性イオンエッチング法）を用いてチタン層
のエッチングを行い、チタン層のうちの、残されたフォ
トレジスト８によって覆われていない部分を除去する。
これによって図２１ｃに示した構造が得られる。図２１
ｃに示したように、非常に精度の高いドライエッチング
法によって（例えば反応性イオンエッチング法（ＲＩ
Ｅ）を用いる）、アンダーエッチングも、またアンダー
カットも、殆ど発生しないため、基板１上のＴｉ層の寸
法は、マスクパターン４によって規定される目標寸法に
略々等しく維持される。続いて、残りのフォトレジスト
８を除去すると、図２１ｄに示した構造が得られる。従
来の技法を用いた場合と同様に、拡散処理を実施するこ
とで、Ｔｉストライプ７を基板１の中へ拡散させ、それ
によって、図２１ｅに示した光導波路６が得られる。
尚、本発明にかかる方法、導波路、及びデバイスは、金
属層７をＴｉで形成するものに限定されない。例えばこ
の層７を、酸化チタン等の非金属層とすることも可能で
ある。

【００６４】ドライエッチング法は、エッチング液剤を
使用しないエッチング法である。ドライエッチング法に
は、イオン衝撃法（イオンの衝撃によってエッチング作
用が得られる）や、化学物理エッチング法（エッチング
作用の一部はイオン衝撃によって得られ、また一部は化
学作用によって得られる）がある。イオン衝撃法の具体
例としては、スパッタエッチング法や、イオンミリング
法がある。化学物理エッチング法に該当する技法には、
プラズマ分離型プラズマエッチング法（ｄｏｗｎｓｔｒ
ｅａｍ ｐｌａｓｍａ ｒｅａｃｔｏｒ ｅｔｃｈｉｎ
ｇ）、電子サイクロトロン共鳴エッチング法、それに反
応性イオンエッチング法などがある。反応性イオンエッ
チング法は、例えば、ＣＦ₄、ＳＦ₆、ＣＨＦ₃、等のフ
ッ素系ガスを使用して実施することもでき、また、ＣＬ
₂やＳｉＣｌ₄などの塩素系ガスを用いて実施することも
できる。図２１ｂのＴｉ層の然るべき部分をエッチング
によって除去するためには、以上に列挙したドライエッ
チング法のいずれを使用することも可能である。図２１
ｂで使用する好ましいドライエッチング法は、反応性イ
オンエッチング法であり、このエッチング法では、イオ
ン化ガスから成るエッチャント（プラズマ）が、機械的
作用（イオン衝撃）と化学作用との両方を発揮すること
でエッチング作用をもたらす。

【００６５】ここで重要な点は、図２１の方法によれ
ば、基板１上に形成されるＴｉストライプの、拡散処理
を施す前の段階での幅寸法を、高度の再現性並びに高度
の精度をもって目標値に一致させ得るということであ
る。従って、例えば、導波路の幅寸法を、図１７、図１
８、及び図１９を参照して説明した寸法に選択すれば、
図２１の方法を用いることで、その選択した導波路の幅
寸法が、再現性をもって、しかも高い精度で、確実に得
られるようになる。いうまでもなく、導波路の幅寸法以
外の、例えば拡散温度や拡散時間等のパラメータも、実
際の導波路の寸法に影響する。しかしながら、導波路の
寸法は最も重要なパラメータであるため、幅寸法の精度
及び再現性の改善は、実際のデバイスにとって非常に重
要なことである。

【００６６】以上の説明は、拡散型光導波路の特性のう
ち、複屈折特性のばらつきだけを考慮したものであった
が、図２１の製作方法は、いかなる種類の拡散型導波路
を形成する際にも、一般的に適用可能なものであり、本
発明は、例えばＬｉＮｂＯ３のように複屈折性材料で製
作した特定の基板材料を使用することに限定されるもの
ではない。

【００６７】図２１の製作方法は、拡散処理を施す前の
ストライプの幅寸法を高精度で制御することを必要とす
るいかなる種類の拡散型導波路（または光導波路を用い
た光部品）の形成にも有利に適用し得るものである。い
うまでもなく、この製作方法は、音響光学デバイスに用
いられている導波路のように、導波路の寸法を高精度で
制御することを必要とする光導波路を製作する場合に特
に有利なものであり、なぜならば、光導波路では、その
導波路の寸法に小さなばらつきがあるだけで、カットオ
フが発生するおそれがある上に、一般的にその導波路が
マルチモードの性質を発生するおそれもあるからであ
る。

【００６８】カットオフ波長及び製作方法に関連した以
上の教示はいずれも、単に音響光学デバイスに該当する
のみならず、光導波路を備えたその他の光部品にも一般
的に該当する教示である。

【００６９】例えば、複屈折性材料基板上に形成する導
波路偏光スプリッタや、平面基板上に形成する微弱波結
合器などは、本発明を適用することで大きな利点が得ら
れるものである。これら光部品は、音響光学デバイスに
用いられるばかりでなく、例えば、２出力マッハツェン
ダ干渉素子や電気光学スイッチにも用いられるものであ
る。

【００７０】図２１の方法の精度を図８の方法と比較す
るために、本発明者らが確認したところによれば、リフ
トオフ法による典型的な加工誤差が、Δｗ＝±０．５μ
ｍ及びΔτ＝±５０Åであったのに対して、好適な実施
の形態にかかる反応性イオンエッチング法による典型的
な加工誤差は、Δｗ＝±０．１ミクロン及びΔτ＝±３
０Åであった。

【００７１】拡散型導波路の単一モード特性 図２２ａ及び図２２ｂは、ｘカットのＬｉＮｂＯ₃基板
に形成した拡散型導波路のカットオフ領域を、幅寸法及
び厚さに対して示したグラフである。それらのグラフか
ら分かるように、拡散時間を同じ９時間とした場合に、
拡散温度を僅かに上昇させてＴ_diff＝１０６０℃とする
ことで、基本モードであるＴＥ₀₀モードとＴＭ₀₀モード
とのいずれのカットオフ領域も、幅寸法及び厚さという
導波路パラメータに関して小さな値の方へ移動する。

【００７２】これは、まさに、光導波路の複屈折特性の
ばらつきを小さく抑えるために目指していることに他な
らない。即ち、拡散温度Ｔ_diffを１０３０℃より高い温
度に設定することで、具体的には、Ｔ_diff＝１０６０℃
とすることで、導波路をできるだけ細く（即ち、厚さ及
び幅寸法を小さく）して、総合的な複屈折特性に対する
導波路の複屈折特性の影響を低下させるという条件が達
成される。

【００７３】図２２ａ及び図２２ｂは、カットオフ条件
の算出値を示したものであるが、実験によって確認され
ているところによれば、一般的に、導波路の実際の導波
能力は、モデルに基づいて予測した導波能力よりも小さ
くなる。そのため、計算に使用するＴｉ層の厚さの値
を、実験値より小さな値とすることで、実験結果と計算
結果とを適切に一致させることができ、その際に、計算
に使用するＴｉ層の厚さの値を実験値の約７０％にする
のが適当である。こうすることで、拡散型導波路のパラ
メータを、理論的な設計値に対応させることができる。

【００７４】複屈折特性のばらつきと製作パラメータ 図２３、図２４、及び図２５は、実効複屈折特性の値
を、Ｔｉストライプの幅寸法、Ｔｉ層の厚さ、及び拡散
温度の夫々で微分した微分値を示した図である。それら
微分値は、Ｔｉストライプの幅寸法とＴｉ層の厚さとの
関数として地形図と同様のダイアグラムの形で示してあ
り、拡散時間が９時間で、拡散温度が１０３０℃（上側
の図）と１０６０℃（下側の図）の場合について示した
ものである。図中の網掛けした部分が単一モード領域を
表している。

【００７５】Ｔｉストライプの幅寸法が変動したとき
の、複屈折特性のばらつきは、拡散温度が１０６０℃の
場合よりも、１０３０℃の場合の方が強く出る。Ｔｉス
トライプの幅寸法を小さくしてＴｉ層の厚さを増すと、
Ｔｉストライプの幅寸法を大きくしてＴｉ層の厚さを小
さくした場合と比べて、微分値は約４ないし約５倍にな
る。微分値の絶対値は、いずれも１０^-4μｍ^-1程度とな
っている。従って、複屈折特性のばらつきを、１０^-5よ
り小さくするためには、Ｔｉストライプの幅寸法のばら
つきをΔｗ＜０．１μｍとしなければならない。

【００７６】図２４は、Ｔｉ層の厚さの値で微分した微
分値を示したグラフである。この微分値は−２×１０^-5
ｎｍ^-1〜−１×１０⁴ｎｍ^-1の範囲内で変化している。
拡散温度を１０６０℃とした場合には、１０３０℃とし
た場合と比べて、微分値の絶対値が僅かに小さくなって
いる。ストライプの幅寸法が大きいほど、微分値の絶対
値が大きくなっている。複屈折特性のばらつきを１０^-5
より小さく抑えるためには、Ｔｉ層の厚さのばらつき
が、約０．２ｎｍを超えないようにすればよい。

【００７７】図２５は、導波路の複屈折特性に対する、
拡散温度のばらつきの影響の大きさを示している。拡散
温度が１０３０℃の場合と１０６０℃の場合とで、それ
ほどの差違は認められない。ただし、Ｔｉ層の厚さが小
さいほど、微分値は小さくなっている。

【００７８】製作パラメータであるストライプの幅寸法
ｗ、Ｔｉ層の厚さτ、及び拡散温度Ｔ_diffの各々は、互
いに独立であるが、ただし、製作プロセスにおいて、常
に発生するものであり、複屈折特性のばらつきの平均値

【００７９】

【外１】

【００８０】にオーバーラインを付したもので表す）
は、以下の

【式５】で定義される。

【００８１】

【式５】

【００８２】この

【式５】において、ΔＷ、Δτ、及びΔＴ_diffは、夫
々、基板の材料及び導波路の材料を不変（ＬｉＮｂＯ₃
及びＴｉ）としたときの、ストライプの幅寸法のばらつ
き、層の厚さのばらつき、それに拡散温度のばらつきで
ある。これらパラメータの値は、製作プロセス及び使用
する装置に影響されるものであるため、それらの値を知
るためには、実際に計測しなければならない。

【００８３】図２６は、ストライプの幅寸法及び層の厚
さに対する複屈折特性のばらつきの平均値を示した図で
ある。この値を算出するために、ストライプの幅寸法の
ばらつきはΔＷ＝０．１μｍであるものと仮定し、Ｔｉ
層の厚さのばらつきはΔτ＝１ｎｍであるものと仮定し
た。また、拡散温度のばらつきは無視するものとした。
導波路が単一モードである領域では、複屈折特性のばら
つき｛δ（Δｎ）｝の平均値は、最大と最小で２倍の開
きがある。図２６から分かるように、最適化した導波路
パラメータは、ストライプの幅寸法が小さく、Ｔｉ濃度
が低い導波路である。拡散温度が１０６０℃の場合を考
察すると、約１．４倍という顕著な改善がなされること
が分かる（７×１０^-5の曲線、及び５×１０^-5の曲線を
参照されたい）。

【００８４】図２３〜図２６から、次のことが分かる。
即ち、音響光学モード変換素子に用いる光導波路は、比
較的高い拡散温度で拡散処理を施すのがよく、好適な拡
散温度はＴ_diff＝１０６０℃であり、また、単一モード
伝搬が可能なように、導波路の幅寸法及び厚さを小さく
するのがよい。なぜならば、導波路の幅寸法を最小に
し、また厚さを最小にするとき、複屈折特性のばらつき
を最も小さくすることができるからである。

【００８５】具体例 以下に、図２７〜図３２、図３３、及び図３４を参照し
て、幾つかの実験例について説明する。

【００８６】モード変換素子は、幅寸法が１００μｍの
直線形音響導波路に光導波路を埋込んで構成したもので
ある。図２８に示したように１枚のウェーハ上に構成す
る複数の構造の夫々において、光導波路の幅寸法、即
ち、光導波路を製作するために使用するマスクのストラ
イプの幅寸法を、Ｗ＝４．０μｍから、Ｗ＝１０．０μ
ｍまで、０．５μｍきざみで変化させた（図２７におい
て「ｘ」は、製造する基板の番号を表している）。更
に、音響光学モード変換素子に備えた音響導波路は既述
のごとく直線形であるが、光導波路はどのサンプルにお
いてもテーパ形とした。このテーパ形の構造は、光導波
路の幅寸法が、相互作用領域の一端から他端へかけて、
４．５μｍから７．５μｍへ変化するようにしたもので
ある。複屈折特性のばらつきを評価するための方法とし
ては、従来技術の文献について言及した際に説明したパ
ルス・プロービング法を用いた。

【００８７】図２９〜図３２は、相互作用領域における
位置である導波路の長手方向位置に対する複屈折特性の
ばらつき（変動）の計測結果を示したグラフである。図
２９〜図３２から明らかなように、ストライプの幅寸法
を小さくするほど、複屈折特性のばらつき（変動）が小
さくなる。一般的に、幅寸法が７μｍの導波路では、幅
寸法が５．５μｍの構造の導波路と比べて、複屈折特性
のばらつきの大きさが約３倍になっている（相互作用領
域の長さＺが長くなるほど、複屈折特性のばらつきの大
きさが小さくなって行くという規則的な傾向があるよう
に見える。このことは、図２９及び図３０に示したサン
プルＵ１−０及びＵ１−７について非常に顕著であ
る）。

【００８８】不均質性の原因を明らかにするために、更
なる研究を行う必要がある。拡散処理を施す前に、ウェ
ーハ上の、ストライプの幅寸法のばらつきと、層の厚さ
のばらつきとを計測した。その結果を図３３及び図３４
に示した。図３３は、幅寸法の目標値を６μｍとした光
導波路を形成するためのＴｉストライプの幅寸法を、結
合領域（相互作用領域）の長手方向位置ｚに対してプロ
ットしたグラフである。Ｔｉストライプの幅寸法は、位
置ｚによって、約７．１μｍ〜約８．２μｍの範囲内で
ばらついて（変動して）おり、規則的な傾向は認められ
ない。

【００８９】図３４は、層の厚さのばらつき（変動）を
示したグラフである。このグラフから明らかなように、
相互作用領域における長手方向位置による層の厚さのば
らつきの大きさは、かなりの大きさである。一方、相互
作用領域におけるストライプの幅寸法のばらつきの大き
さの絶対値は、約０．８μｍである。以上のようにして
実行した研究の結果からは、ストライプの幅寸法のばら
つきが約０．８μｍであれば、それに対応して、約４×
１０^-4の大きさの複屈折特性のばらつきが生じることが
分かる。また、相互作用領域における長手方向位置によ
る層の厚さのばらつきの大きさは約１０ｎｍであり、層
の厚さのばらつきがこの大きさであれば、それによって
約４×１０^-4の大きさの複屈折特性のばらつきが生じ
る。従って、層の厚さのばらつきと、ストライプの幅寸
法のばらつきとでは、複屈折特性の不均質性に対する寄
与の大きさが同程度である。

【００９０】先に説明したように、音響光学モード変換
素子に用いるのに適した複屈折性光導波路は、その伝搬
定数を、できるだけカットオフに近付けた光導波路であ
る。導波路の（拡散処理を施す前の）幅寸法の好適範囲
は、４μｍ〜７μｍであり、４μｍ〜５．５μｍとすれ
ば更に好ましく、その際の層の厚さの好適範囲は１０５
０Å〜１２５０Åであり、１０５０Å〜１１５０Åとす
れば更に好ましい。光導波路の動作波長領域を、１５３
０ｎｍ〜１５６５ｎｍとする場合には、そのような仕様
とするためには、光導波路のカットオフ波長を、１６５
０ｎｍ以下で、１５７０ｎｍ以上にする必要があり、約
１６００ｎｍとすることが好ましい。光導波路の動作波
長領域を、これとは異なった波長領域に定める場合に
も、同様の考えに従えばよい。

【００９１】以上に例示した具体的な値は、Ｔｉドープ
によって形成した光導波路と、ＬｉＮｂＯ₃基板との間
の屈折率の差に対して適合する値である。屈折率の差が
これとは異なる場合や、動作波長ウィンドウの領域が以
上に例示したものと異なる場合には、使用する層の厚さ
の値及びストライプの幅寸法の値を、別の値にすること
になる。それら値は、当業者であれば、実験を行って決
定することができ、即ち、単一モード特性が維持される
ように、しかもそれと同時に、単一モードの正規化周波
数（即ち、ＴＥ基本モード及びＴＭ基本モードの伝搬定
数）ができるだけカットオフ波長に近付くように導波路
の幅寸法及びさを最適化するように、それら値を定めれ
ばよい。

【００９２】従って、本発明は、以上に例示した値や材
料に限定されるものではなく、その他の導波路でも、同
様の効果が得られるものである。即ち、カットオフ波長
の近傍で基本モードを導波するようにした導波路は、そ
の導波路の複屈折特性の、総合複屈折特性への寄与が小
さい。従って、幅寸法及び厚さをできるだけ小さくする
ことで、即ち、伝搬定数をできるだけカットオフに近付
けることで、複屈折特性のばらつきを、常に、製作パラ
メータから小さな影響しか受けないようにすることがで
きる。

【００９３】産業上の利用可能性 以上説明したように、本発明にかかる光導波路は、製作
パラメータである光導波路の厚さ、光導波路の幅寸法、
それに拡散温度等のばらつきに対する複屈折特性の安定
性が格段に改善されている。かかる光導波路は、図６に
示したような音響光学チューナブル２×２波長空間スイ
ッチ、図３に示したような基本的な音響光学モード変換
素子、それに、図７に示したような音響光学フィルタに
用いる場合に、極めて有利なものである。音響光学効果
を利用したこれらデバイスはいずれも、かかる光導波路
を用いることで、製作パラメータのばらつき（変動）に
よって生じる変換周波数の変動が、小さく抑えられるよ
うになる。そして、光導波路の長手方向による複屈折特
性のばらつきが小さければ、位相整合条件がより良好に
満足されるようになる。

【００９４】従って、その製作プロセスのばらつきにつ
いて、光導波路の幅寸法及び厚さを小さくすることによ
って、複屈折特性のばらつきを小さく抑え得るというこ
とを認識したのは、本発明が最初である。更に、より高
温の拡散温度で拡散処理を行うことによって光導波路を
更に安定させ得ることを認識したのも、本発明が最初で
ある。

【００９５】以上に本発明を、音響光学モード変換素子
に使用される複屈折性基板に形成した拡散型導波路を例
に取って説明したが、本明細書に開示した教示は、あら
ゆる種類の導波路（複屈折性、等方性、または異方性の
導波路）、並びにそれら導波路を使用したあらゆる種類
の光部品に、広く一般的に適用し得るものであることを
理解されたい。即ち、導波路の寸法を、伝搬定数がカッ
トオフに近い値になるように選定することで、製作パラ
メータのばらつき（変動）が導波路の性能に及ぼす影響
（例えば、複屈折特性のばらつき）を小さくすることが
できる。

【００９６】本発明は、以上に説明した実施の形態に限
定されるものではない。以上に説明した実施の形態は、
現時点で本発明の最良の実施の形態であると考えられる
ものであるが、ただし、本発明の原理を包括的に説明す
るために提示したものにすぎない。本発明は、請求項に
記載した本発明の範囲内で、以上には説明しなかったそ
の他の形態で実施することも可能である。特に、本発明
は、複数の請求項に記載された夫々の特徴の組合せを含
む形態で実施することも可能である。請求項、明細書中
の説明、及び図面中で使用している参照番号は、本発明
の理解を助けるための説明的目的で使用しているもので
あり、保護の範囲を限定するものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用可能な、光集積技術に用いられる
典型的な幾つかの導波路構造を示した図である。

【図２】図１の導波路構造を用いて製作される、幾つか
の光集積部品を示した概念図である。

【図３】モード変換素子の基本構造を示した図である。

【図４】高さ寸法が１２５０Å、幅寸法が７．０μｍ、
長さが６０ｍｍの光導波路を用いた従来の音響光学モー
ド変換素子の、典型的な変換特性の例を示したグラフで
ある。

【図５】音響光学モード変換素子の長手方向位置による
複屈折特性のばらつきの典型例を示している、図４の音
響光学モード変換素子の長手方向位置による位相整合周
波数（最大≒１００％位相整合）を表した等周波数線図
である。

【図６】入力部に偏光ビームスプリッタを使用し、出力
部に偏光ビームコンバイナを使用した、音響光学チュー
ナブル２×２波長空間スイッチを示した図である。

【図７】音響光学フィルタの構成を示した図である。

【図８】図８ａ〜図８ｅは、拡散型導波路を形成するた
めの従来の「リフトオフ」製作法を説明した図である。

【図９】図９は変換周波数が導波路の幅寸法にどのよう
に影響されるかを示したグラフであり、グラフ中にカッ
トオフ波長を表示した。

【図１０】図１０は導波路の幅寸法に対する変換周波数
の相対変化量Δｆ／Δｗを示したグラフである。

【図１１】層の厚さに対する変換周波数の相対変化量Δ
ｆ／Δτを示したグラフである。

【図１２】図１２は、本発明にかかる光導波路（長さＬ
＝６０ｍｍ）を用いた音響光学モード変換素子の、周波
数に対する変換効率ηを示したグラフである。

【図１３】図１３は、図１２の音響光学デバイスの長手
方向位置による位相整合周波数のばらつきを示したグラ
フである（中央値≒１００％位相整合である）。

【図１４】図１４は、光導波路のカットオフ波長を計測
するための計測装置を示した図である。

【図１５】図１５は、図１４の装置によって計測された
ＴＥ基本モード世及びＴＭ基本モードの減衰特性曲線を
示したグラフである。

【図１６】図１６は、図１４の装置によって計測された
基本モード及び１次モードの減衰スペクトルを示したグ
ラフである。

【図１７】図１７は、Ｔｉストライプの厚さ及び幅寸法
を様々な値に設定して計測したカットオフ波長の計測値
を示したグラフである。

【図１８】図１８は、Ｔｉストライプの厚さ及び幅寸法
を様々な値に設定して計測したカットオフ波長の計測値
を示したグラフである。

【図１９】図１９は、Ｔｉストライプの厚さ及び幅寸法
を様々な値に設定して計測したカットオフ波長の計測値
を示したグラフである。

【図２０】図２０は、ＬｉＮｂＯ₃の非ドープ領域とＴ
ｉドープ領域の夫々の屈折率の典型的な値を示したグラ
フである。

【図２１】本発明にかかる拡散型導波路を形成するため
の方法を説明した図である。

【図２２】図２２ａ及び図２２ｂは、導波路の厚さ、導
波路の幅寸法、及び拡散温度に対するカットオフ条件の
依存性を示したグラフである。

【図２３】図２３は、導波路パラメータに対する実効複
屈折特性のばらつきの大きさを示したグラフである。

【図２４】図２４は、導波路パラメータに対する実効複
屈折特性のばらつきの大きさを示したグラフである。

【図２５】図２５は、導波路パラメータに対する実効複
屈折特性のばらつきの大きさを示したグラフである。

【図２６】図２６は、導波路パラメータに対する実効複
屈折特性のばらつきの大きさを示したグラフである。

【図２７】図２７は、本発明にかかる光導波路及び音響
光学デバイスを形成したウェーハの具体例を示した図で
ある。

【図２８】図２８は、本発明にかかる光導波路及び音響
光学デバイスを形成したウェーハの具体例を示した図で
ある。

【図２９】図２９は、図２７に示したサンプルに形成さ
れている幾つかの導波路の、長手方向位置による複屈折
特性のばらつきの計測値を示したグラフである。

【図３０】図３０は、図２７に示したサンプルに形成さ
れている幾つかの導波路の、長手方向位置による複屈折
特性のばらつきの計測値を示したグラフである。

【図３１】図３１は、図２７に示したサンプルに形成さ
れている幾つかの導波路の、長手方向位置による複屈折
特性のばらつきの計測値を示したグラフである。

【図３２】図３２は、図２７に示したサンプルに形成さ
れている幾つかの導波路の、長手方向位置による複屈折
特性のばらつきの計測値を示したグラフである。

【図３３】図３３は、導波路の長手方向位置による、そ
の導波路の幅寸法及び厚さのばらつきを示したグラフで
ある。

【図３４】図３４は、導波路の長手方向位置による、そ
の導波路の幅寸法及び厚さのばらつきを示したグラフで
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 501029700 Ｖｉａｌｅ Ｓａｒｃａ，222，Ｉ− 20126，Ｍｉｌａｎｏ，Ｉｔａｌｙ (72)発明者 ハラルト・ヘルマン ドイツ連邦共和国デー−33102 パデルボ ルン，エルレンヴェーク ３ (72)発明者 サルヴァトーレ・モラスカ イタリア共和国 イティ−22100 コモ, ヴィア・ミラノ 162 (72)発明者 シュテファン・シュミド イタリア共和国ミラノ，イティ−20052 モンツァ，ヴィア・カルロ・ポルタ 19 ／４ Ｆターム(参考） 2H079 AA04 BA02 CA08 DA03 EA03 EA05 HA11 2K002 AB04 BA12 CA03 DA06 EA04 FA24 HA10

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）複屈折性基板（１）と、 （ｂ）前記基板（１）に設けた少なくとも１つの光導波
   路（６）と、 （ｃ）前記光導波路（６）と略々同一線上に位置するよ
   うに前記基板（１）に設けた音響導波路と、 （ｄ）トランスデューサと、 を備えた音響光学モード変換素子において、 （ｄ）前記少なくとも１つの光導波路の導波路パラメー
   タを、前記光導波路におけるＴＥ基本モードのカットオ
   フ波長（λ_cTE）とＴＭ基本モードのカットオフ波長
   （λ_cTM）とのいずれか短い方のカットオフ波長が１６
   ５０ｎｍより小さいように選定した、 ことを特徴とする音響光学モード変換素子。
2. 【請求項２】 前記光導波路（６）が、拡散型の、チャ
   ネル形導波路またはリブ形導波路であることを特徴とす
   る請求項１記載の音響光学モード変換素子。
3. 【請求項３】 前記導波路パラメータが、拡散処理を施
   す前の導波路材料のストライプ（８）の高さ寸法（τ）
   及び幅寸法（ｗ）を少なくとも含んでいることを特徴と
   する請求項２記載の音響光学モード変換素子。
4. 【請求項４】 前記ストライプの高さ寸法が１０５０×
   １０^-10ｍ〜１２５０×１０^-10ｍの範囲内にあり、前記
   ストライプの幅寸法が４．０μｍ〜５．５μｍの範囲内
   にあることを特徴とする請求項３記載の音響光学モード
   変換素子。
5. 【請求項５】 前記ストライプの高さ寸法と幅寸法との
   組が、１０５０×１０^-10ｍ／５．２μｍ、１１５０×
   １０^-10ｍ／４．５μｍ、または、１２５０×１０^-10ｍ
   ／４．１μｍであることを特徴とする請求項３記載の音
   響光学モード変換素子。
6. 【請求項６】 前記ストライプの幅寸法（ｗ）が、該ス
   トライプの高さ寸法（τ）より大きいことを特徴とする
   請求項３記載の音響光学モード変換素子。
7. 【請求項７】 基板材料がＬｉＮｂＯ₃であることを特
   徴とする請求項１記載の音響光学モード変換素子。
8. 【請求項８】 導波路材料がＴｉであることを特徴とす
   る請求項１記載の音響光学モード変換素子。
9. 【請求項９】 （ａ）複屈折性基板（１）を用意するス
   テップと、 （ｂ）前記基板に音響導波路を形成するステップと、 （ｃ１）前記基板（１）中へ拡散させる導波路材料
   （７）を選択するステップと、 （ｃ２）前記導波路材料の前記ストライプを前記基板
   （１）中へ拡散させて、前記光導波路を、前記光導波路
   （６）に対して略々同一線上に形成するステップと、 （ｄ）前記基板（１）の主表面にトランスデューサを形
   成するステップと、を含んでいる、少なくとも１つの拡
   散型チャネル形光導波路を備えた音響光学モード変換素
   子の製作方法において、 （ｅ）所定拡散パラメータを用いて、所定寸法の導波路
   材料のストライプを、前記複屈折性基板（１）中に拡散
   させることによって、前記拡散型光導波路を形成し、 （ｆ）拡散処理を施す前の前記ストライプの前記所定寸
   法と、前記所定拡散パラメータとを、拡散処理を施した
   後の前記光導波路におけるＴＥ基本モードのカットオフ
   波長（λ_cTE）とＴＭ基本モードのカットオフ波長（λ
   _cTM）とのいずれか短い方のカットオフ波長が１６５０
   ｎｍより小さくなるように選定する、ことを特徴とする
   方法。
10. 【請求項１０】 基板材料をＬｉＮｂＯ₃とし、導波路
    材料をＴｉとすることを特徴とする請求項９記載の方
    法。
11. 【請求項１１】 前記ストライプの高さ寸法を１０５０
    ×１０^-10ｍ〜１２５０×１０^-10ｍの範囲内とし、前記
    ストライプの幅寸法を４．０μｍ〜５．５μｍの範囲内
    とすることを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 【請求項１２】 前記ストライプの高さ寸法と幅寸法と
    の組を、１０５０×１０^-10ｍ／５．２μｍ、１１５０
    ×１０^-10ｍ／４．５μｍ、または、１２５０×１０^-10
    ｍ／４．１μｍとすることを特徴とする請求項１１記載
    の方法。
13. 【請求項１３】 所定拡散温度を１０６０℃とすること
    を特徴とする請求項１０記載の方法。
14. 【請求項１４】 所定拡散時間を９時間とし、拡散温度
    を１０３０℃〜１０６０℃の範囲内とすることを特徴と
    する請求項１０記載の方法。
15. 【請求項１５】 入力偏光ビームスプリッタと、出力偏
    光ビームスプリッタと、それら入力偏光ビームスプリッ
    タと出力偏光ビームスプリッタとの間に配設された請求
    項１乃至８の何れか１項記載の音響光学モード変換素子
    とを備えたことを特徴とする２×２音響光学チューナブ
    ルスイッチ。
16. 【請求項１６】 請求項１乃至８の何れか１項記載の音
    響光学モード変換素子を備えたことを特徴とする音響光
    学チューナブルフィルタ。
17. 【請求項１７】 基板に形成した音響導波路を備える音
    響光学モード変換素子の拡散型導波路等として用いる光
    導波路（６）において、 導波路パラメータ（Δｎ、ｗ、τ）を、前記光導波路に
    おけるＴＥ基本モードのカットオフ波長（λ_cTE）とＴ
    Ｍ基本モードのカットオフ波長（λ_cTM）とのいずれか
    短い方のカットオフ波長が１６５０ｎｍより小さくなる
    ように選定したことを特徴とする光導波路。
18. 【請求項１８】 基板に形成した音響導波路を備える音
    響光学モード変換素子等に用いる、複屈折性基板（１）
    に拡散形成した光導波路（６）において、 前記基板中へ拡散させる導波路材料ストライプの、その
    拡散処理を施す前のパラメータ（Δｎ、ｗ、τ）を、前
    記基板中へ拡散させる拡散処理を施した後の前記光導波
    路におけるＴＥ基本モードのカットオフ波長（λ_cTE）
    とＴＭ基本モードのカットオフ波長（λ_cTM）とのいず
    れか短い方のカットオフ波長が１６５０ｎｍより小さく
    なるように選定したことを特徴とする光導波路。
19. 【請求項１９】 複屈折性基板に形成した音響導波路を
    備える音響光学モード変換素子等に用いる光導波路の製
    作方法であって、 （ａ）前記複屈折性基板（１）を用意するステップと、 （ｂ）前記基板（１）中へ拡散させる導波路材料（７）
    を選択するステップと、 （ｃ）前記導波路材料のストライプ（７）を前記基板
    （１）中へ拡散させて、前記基板（１）に前記光導波路
    を形成するステップと、 を含んでいる方法において、 （ｄ）所定拡散パラメータを用いて、所定寸法の導波路
    材料のストライプを、前記基板（１）中へ拡散させるこ
    とによって、前記拡散型導波路（６）を形成し、 （ｆ）拡散処理を施す前の前記ストライプの前記所定寸
    法と、前記所定拡散パラメータとを、拡散処理を施した
    後の前記光導波路におけるＴＥ基本モードのカットオフ
    波長（λ_cTE）とＴＭ基本モードのカットオフ波長（λ
    _cTM）とのいずれか短い方のカットオフ波長が１６５０
    ｎｍより小さくなるように選定する、 ことを特徴とする方法。
20. 【請求項２０】 基板（１）と、前記基板に設けた音響
    導波路と、トランスデューサと、所定寸法の導波路材料
    のストライプ（７）を前記基板（１）中へ拡散させるこ
    とによって形成した少なくとも１つの光導波路とを備え
    た音響光学モード変換素子において、 拡散処理を施す前の前記ストライプの前記所定寸法と、
    前記所定拡散パラメータとを、拡散処理を施した後の前
    記光導波路におけるＴＥ基本モードのカットオフ波長
    （λ_cTE）とＴＭ基本モードのカットオフ波長（λ_cTM）
    とのいずれか短い方のカットオフ波長が１６５０ｎｍよ
    り小さくなるように選定したことを特徴とする音響光学
    モード変換素子。
21. 【請求項２１】 基板に形成した音響導波路を備える音
    響光学モード変換素子等に用いる、所定寸法の導波路材
    料のストライプ（７）を前記基板（１）中へ拡散させて
    形成した複屈折性光導波路において、 拡散処理を施す前の前記ストライプの前記所定寸法と、
    所定拡散パラメータとを、拡散処理を施した後の前記光
    導波路におけるＴＥ基本モードのカットオフ波長（λ
    _cTE）とＴＭ基本モードのカットオフ波長（λ_cTM）との
    いずれか短い方のカットオフ波長が１６５０ｎｍより小
    さくなるように選定したことを特徴とする複屈折性光導
    波路。
22. 【請求項２２】 前記光導波路（６）の入力光対出力光
    の減衰度が、該減衰度が実質的に一定である波長領域に
    おける減衰度から１ｄＢ上昇した点の波長をもって、前
    記基本モードの前記カットオフ波長であると定義するこ
    とを特徴とする請求項１または２０記載の音響光学モー
    ド変換素子。
23. 【請求項２３】 前記光導波路（６）の入力光対出力光
    の減衰度が、該減衰度が実質的に一定である波長領域に
    おける減衰度から１ｄＢ上昇した点の波長をもって、前
    記基本モードの前記カットオフ波長であると定義するこ
    とを特徴とする請求項１７、１８、または２１記載の光
    導波路。
24. 【請求項２４】 前記光導波路（６）の入力光対出力光
    の減衰度が、該減衰度が実質的に一定である波長領域に
    おける減衰度から１ｄＢ上昇した点の波長をもって、前
    記基本モードの前記カットオフ波長であると定義するこ
    とを特徴とする請求項９または１９記載の方法。