JP2001264561A - 光導波路素子、光導波路素子の製造方法、光偏向素子、及び光スイッチ素子 - Google Patents

光導波路素子、光導波路素子の製造方法、光偏向素子、及び光スイッチ素子

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JP2001264561A
JP2001264561A JP2000073042A JP2000073042A JP2001264561A JP 2001264561 A JP2001264561 A JP 2001264561A JP 2000073042 A JP2000073042 A JP 2000073042A JP 2000073042 A JP2000073042 A JP 2000073042A JP 2001264561 A JP2001264561 A JP 2001264561A
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optical waveguide
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thin film
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waveguide layer
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Keiichi Nashimoto
恵一 梨本
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Fuji Xerox Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】高い結合効率で光ファイバと結合することがで
きる光導波路素子及び、その製造方法を提供する。 【解決手段】単結晶基板１の上に形成されたバッファ層
２、及びバッファ層２上に形成された光導波路層３を備
え、バッファ層２には、凹部が形成され、光導波路層３
がこの凹部に嵌合するように設けられて、チャンネル光
導波路４が形成されている。光導波路層３の光入射側及
び光出射側の上面には、光導波路層３より小さい屈折率
を有し、端面に向かって厚さがテーパ状に増加するクラ
ッド層６が単結晶基板１と同じ幅で設けられ、このよう
にクラッド層６を設けることにより、モードフィールド
径を拡大することが可能であり、光ファイバと光導波路
素子との結合損失を大幅に低減することができる。ま
た、クラッド層６の厚さを端面に向かってテーパ状に増
加させることにより、徐々にモードフィールド径を絞る
ことができ、光導波路内での光伝播損失も低減すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路素子、光
導波路素子の製造方法、光偏向素子、及び光スイッチ素
子に関し、特に、高い結合効率で光ファイバと結合する
ことができる光導波路素子及びその光導波路素子の製造
方法と、本発明の光導波路素子を適用した光偏向素子及
び光スイッチ素子とに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、プレーナ型光導波路の材料として
は、石英などのガラス、ＬｉＮｂＯ3などの酸化物強誘
電体や電気光学材料、Ｙ3Ｇａ5Ｏ12などの磁気光学材
料、ＰＭＭＡなどのポリマー、及びＧａＡｓ系の化合物
半導体が用いられている。酸化物強誘電体材料はこれら
の中でも特に良好な音響光学効果及び電気光学効果を発
揮することが知られているが、実際に作製された音響光
学素子や電気光学素子のほとんどがＬｉＮｂＯ3を用い
ている。
【０００３】酸化物強誘電体材料としては、ＬｉＮｂＯ
3、ＢａＴｉＯ3、ＰｂＴｉＯ3、Ｐｂ1-xＬａx（ＺｒyＴ
ｉ1-y）1-x/4Ｏ3（ｘおよびｙの値によりＰＺＴ、ＰＬ
Ｔ、ＰＬＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3、ＫＮｂ
Ｏ3、ＬｉＴａＯ3、ＳｒxＢａ 1-xＮｂ2Ｏ6、ＰｂxＢａ
1-xＮｂ2Ｏ6、Ｂｉ4Ｔｉ3Ｏ12、Ｐｂ2ＫＮｂ5Ｏ15、Ｋ3
Ｌｉ2Ｎｂ5Ｏ15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、Ｐｂ1-xＬａx（ＺｒyＴｉ1-y）1-x/4Ｏ3はＬ
ｉＮｂＯ3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３
０．９ｐｍ／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６１２ｐｍ／Ｖと大きい。
【０００４】このように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
製された素子のほとんどがＬｉＮｂＯ3やＬｉＴａＯ3を
用いているのは、ＬｉＮｂＯ3やＬｉＴａＯ3について
は、単結晶成長技術とウエハへのＴｉ拡散やプロトン交
換による光導波路形成技術とが確立されているのに対
し、ＬｉＮｂＯ3やＬｉＴａＯ3以外の材料については、
薄膜をエピタキシャル成長により形成しなければなら
ず、従来の気相成長では実用レベルの品質の薄膜光導波
路を作製することができないためである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、上記の
問題点を解決するため、実用レベルの品質の薄膜光導波
路を作製することができる固相エピタキシャル成長技術
について提案している（特開平７−７８５０８号公報）
が、エピタキシャル成長により形成された薄膜光導波路
は、シングルモード化の要請や駆動電圧低減の要請など
により、光ファイバのモードフィールド径と比較して薄
い厚さとしなくてはならない場合が多く、光ファイバと
の結合損失が大きくなる、という問題があった。
【０００６】従来、半導体光導波路や石英系導波路につ
いては、特開平９−６１６５２号公報や特開平５−１８
２９４８号公報等に、テーパ型の光導波路を光ファイバ
との接続位置に設けて、光導波路と光ファイバとの結合
損失を低減する技術が提案されている。
【０００７】しかしながら、エピタキシャル成長により
形成した酸化物薄膜光導波路に良好な微細パターンを作
製する技術がなく、光導波路をテーパ形状に作製するこ
とが困難であった。例えば、ＬｉＮｂＯ3単結晶ウエハ
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（１９９
３）ｐｐ．１９５〜２３０．にも示されているが、それ
ら以外の材料、特にＰｂ1-xＬａx（ＺｒyＴｉ1 -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、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。ま
た、エピタキシャル成長により形成した酸化物薄膜光導
波路をテーパ形状にするだけでは、導波モードがマルチ
モード化するのを防止することが難しい、という問題も
ある。
【０００８】従って、本発明の目的は、高い結合効率で
光ファイバと結合することができる光導波路素子を提供
することにある。また、本発明の他の目的は、高い結合
効率で光ファイバと結合することができる光導波路素子
を、精度良く製造する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。また、本発明のさらに他の
目的は、本発明の光導波路素子を適用することにより、
高い結合効率で光ファイバと結合することができる光ス
イッチ素子及び光偏向素子を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の光導波路素子は、光導波路を備えた光導
波路層と、前記光導波路層表面の前記光導波路の入射端
部及び出射端部の少なくとも一方の上方に設けられ、前
記光導波路層よりも小さい屈折率を有し、且つ端部に向
かってテーパ状に厚さが増加するクラッド層と、を含ん
で構成したことを特徴とする。
【００１０】請求項２の光導波路素子は、光導波路を備
えた光導波路層と、前記光導波路層表面に設けられ、前
記光導波路層よりも小さい屈折率を有し、且つ、前記光
導波路の入射端部及び出射端部の少なくとも一方の上方
において端部に向かってテーパ状に厚さが増加するクラ
ッド層と、を含んで構成したことを特徴とする。
【００１１】請求項３の光導波路素子は、請求項１また
は２に記載の光導波路素子において、前記光導波路をチ
ャンネル光導波路で構成したことを特徴とする。
【００１２】請求項４の光導波路素子は、請求項３に記
載の光導波路素子において、前記チャンネル光導波路の
入射端部及び出射端部の少なくとも一方の幅を端部に向
かって増加させたことを特徴とする。
【００１３】請求項５の光導波路素子は、請求項１乃至
４のいずれか１項に記載の光導波路素子において、前記
光導波路層と前記クラッド層との屈折率差を０．０００
１以上０．０５以下としたことを特徴とする。
【００１４】請求項６の光導波路素子は、請求項１乃至
５のいずれか１項に記載の光導波路素子において、前記
光導波路層の入射端部及び出射端部の少なくとも一方の
厚さを端部以外の部分より減少させたことを特徴とす
る。
【００１５】請求項７の光導波路素子は、請求項１乃至
６のいずれか１項に記載の光導波路素子において、前記
光導波路層及び前記クラッド層の少なくとも一方を、エ
ピタキシャル成長させた酸化物から構成したことを特徴
とする。
【００１６】請求項８の光導波路素子は、請求項１乃至
７のいずれか１項に記載の光導波路素子において、前記
光導波路層及び前記クラッド層の少なくとも一方を、電
気光学効果を有する強誘電体から構成したことを特徴と
する。
【００１７】請求項９の光導波路素子は、請求項１乃至
８のいずれか１項に記載の光導波路素子において、前記
光導波路層及び前記クラッド層の少なくとも一方を、Ｐ
ｂ1- xＬａx（ＺｒyＴｉ1-y）1-x/4Ｏ3（０＜ｘ＜０．
３、０＜ｙ＜１．０）から構成したことを特徴とする。
【００１８】請求項１０の光導波路素子は、請求項１乃
至９のいずれか１項に記載の光導波路素子において、前
記光導波路層を該光導波路層よりも小さい屈折率を有す
るバッファ層を介して設けたことを特徴とする。
【００１９】請求項１１の光導波路素子は、請求項１乃
至１０のいずれか１項に記載の光導波路素子において、
不純物元素をドープしたＳｒＴｉＯ3基板を用いて構成
したことを特徴とする。
【００２０】請求項１２の光導波路素子の製造方法は、
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光導波路素子
を製造する光導波路素子の製造方法であって、光導波路
を備えた光導波路層表面に、該光導波路層よりも小さい
屈折率を有するアモルファス薄膜を形成し、該アモルフ
ァス薄膜を、前記光導波路の入射端部及び出射端部の少
なくとも一方の上方において、端部に向かって厚さが増
加するテーパ状部が残存するように整形し、該整形され
たアモルファス薄膜を、加熱により固相エピタキシャル
成長してクラッド層を形成し、光導波路素子を製造する
ことを特徴とする。
【００２１】請求項１３の光導波路素子の製造方法は、
請求項１２に記載の光導波路素子の製造方法において、
前記アモルファス薄膜上に特定の開口パターンを有する
レジスト膜を形成し、該レジスト膜を用いてアモルファ
ス薄膜をエッチングすることによりテーパ状部が残存す
るように整形することを特徴とする。
【００２２】請求項１４の光導波路素子の製造方法は、
請求項１３に記載の光導波路素子の製造方法において、
前記アモルファス薄膜と前記レジスト膜との間に、該ア
モルファス薄膜より被エッチング速度の速いテーパ形成
促進層を設けてエッチングを行うことを特徴とする。
【００２３】請求項１５の光導波路素子の製造方法は、
請求項１３または１４に記載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
ることを特徴とする。
【００２４】請求項１６の光導波路素子の製造方法は、
請求項３乃至１１のいずれか１項に記載の光導波路素子
を製造する光導波路素子の製造方法であって、単結晶基
板表面に形成されたアモルファス薄膜を所定のチャンネ
ルパターンに整形し、整形後のアモルファス薄膜を固相
エピタキシャル成長してバッファ層を形成し、該バッフ
ァ層上に光導波路層を固相エピタキシャル成長してチャ
ンネル光導波路を形成する光導波路形成工程と、前記光
導波路を備えた光導波路層表面に、該光導波路層よりも
小さい屈折率を有するアモルファス薄膜を形成し、該ア
モルファス薄膜を、前記光導波路の入射端部及び出射端
部の少なくとも一方の上方において、端部に向かって厚
さが増加するテーパ状部が残存するように整形し、該整
形されたアモルファス薄膜を、加熱により固相エピタキ
シャル成長してクラッド層を形成するクラッド層形成工
程と、を含む光導波路素子の製造方法。
【００２５】請求項１７の光導波路素子の製造方法は、
請求項１２乃至１６のいずれか１項に記載の光導波路素
子の製造方法において、前記固相エピタキシャル成長
を、金属有機化合物溶液を塗布する塗布工程、塗布膜を
加熱してアモルファス化するアモルファス化工程、及び
アモルファス薄膜を加熱により結晶化する結晶化工程に
より行うことを特徴とする。
【００２６】請求項１８の光偏向素子は、下部電極とな
る導電性または半導電性の単結晶基板上、または表面に
下部電極となる導電性または半導電性の単結晶薄膜が形
成された基板上に設けられたエピタキシャルまたは単一
配向性の電気光学効果を有する光導波路層と、前記光導
波路層上に配置され、前記単結晶基板または単結晶薄膜
との間に、印加された電圧に応じて屈折率が変化すると
共に前記光導波路層を伝搬する光ビームを印加された電
圧に応じて偏向するための領域を形成する光ビーム制御
用電極と、前記光導波路層表面の光導波路の入射端部及
び出射端部の少なくとも一方の上方に設けられ、前記光
導波路層よりも小さい屈折率を有し、且つ端部に向かっ
てテーパ状に厚さが増加するクラッド層と、を含んで構
成したことを特徴とする。
【００２７】請求項１９の光スイッチ素子は、下部電極
となる導電性または半導電性の単結晶基板上、または表
面に下部電極となる導電性または半導電性の単結晶薄膜
が形成された基板上に設けられたエピタキシャルまたは
単一配向性の電気光学効果を有する光導波路層と、該光
導波路層内に形成された少なくとも１つの分岐部を有す
る光導波路と、該分岐部の分岐枝に各々対応して設けら
れた上部電極と、前記光導波路層表面の光導波路の入射
端部及び出射端部の少なくとも一方の上方に設けられ、
前記光導波路層よりも小さい屈折率を有し、且つ端部に
向かってテーパ状に厚さが増加するクラッド層と、を含
んで構成したことを特徴とする。
【００２８】以上の通り、請求項１の光導波路素子に
は、光導波路層表面の光導波路の入射端部及び出射端部
の少なくとも一方の上方に、光導波路層よりも小さい屈
折率を有し、且つ端部に向かってテーパ状に厚さが増加
するクラッド層が設けられており、また、請求項２の光
導波路素子には、光導波路層表面に設けられ、光導波路
層よりも小さい屈折率を有し、且つ、光導波路の入射端
部及び出射端部の少なくとも一方の上方において端部に
向かってテーパ状に厚さが増加するクラッド層が設けら
れている。
【００２９】このように、光導波路層よりも小さい屈折
率を有するクラッド層を光導波路上に設けることによ
り、光導波路中のモードフィールド径を拡大することが
でき、光ファイバと光導波路素子との結合損失を大幅に
低減できる。また、クラッド層の形状を、光導波路の入
射端部及び出射端部の少なくとも一方の上方において端
部に向かってテーパ状に厚さが増加する形状とすること
により、光導波路素子中での光伝搬損失も無視できるレ
ベルまで低減することができる。
【００３０】また、請求項１２の光導波路素子の製造方
法では、上記のクラッド層を、まず、光導波路を備えた
光導波路層表面に、光導波路層よりも小さい屈折率を有
するアモルファス薄膜を形成し、次に、このアモルファ
ス薄膜を、光導波路の入射端部及び出射端部の少なくと
も一方の上方において端部に向かって厚さが増加するテ
ーパ状部が残存するように整形し、整形されたアモルフ
ァス薄膜を加熱により固相エピタキシャル成長してテー
パ状に形成するので、固相エピタキシャル成長した薄膜
を整形する場合に比べて、クラッド層の整形が容易であ
り、精度良く光導波路素子を製造することができる。
【００３１】また、請求項１６の光導波路素子の製造方
法では、請求項１２の光導波路素子の製造方法と同様に
してクラッド層を形成する外に、単結晶基板表面に形成
されたアモルファス薄膜を所定のチャンネルパターンに
整形し、整形後のアモルファス薄膜を固相エピタキシャ
ル成長してバッファ層を形成し、このバッファ層上に光
導波路層を固相エピタキシャル成長してチャンネル光導
波路を形成するので、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の微細パターンを有する
光導波路素子を製造することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態について詳細に説明する。 （第１の実施の形態）本発明の第１の実施の形態に係る
光導波路素子について説明する。図１（Ａ）及び（Ｂ）
に示すように、第１の実施の形態に係る光導波路素子
は、単結晶基板１の上に形成されたバッファ層２、及び
バッファ層２上に形成された光導波路層３を備えてい
る。バッファ層２には、単結晶基板１の長手方向に沿っ
て凹部が形成されており、この凹部の幅は、入射端部及
び出射端部において端面に向かってテーパ状に増加して
いる。そして、光導波路層３がこの凹部に嵌合するよう
に設けられて、チャンネル光導波路４が形成されてい
る。
【００３３】チャンネル光導波路４の直線部のチャンネ
ル幅は、例えば５μｍとすることができる。チャンネル
幅が５μｍのチャンネル光導波路４のモードフィールド
径は、基板面内方向が６．２μｍ、基板面垂直方向が
２．２μｍとなり、モードフィールド径が９．５μｍの
シングルモード光ファイバとの結合損失は４．２ｄＢと
なる。この直線部の両端に接続されたテーパ部の幅は、
直線部のチャンネル幅より１μｍから１０μｍ程度の範
囲で増加させることが望ましく、例えば、長さ１０００
μｍの間に幅が５μｍから８μｍまで広がるテーパ形状
とすることができる。なお、テーパ部の端部に、加工し
ろとなる直線状のチャンネル光導波路がさらに接続され
ていてもよい。
【００３４】光導波路層３の光入射側及び光出射側の上
面には、光導波路層３より小さい屈折率を有し、端面に
向かって厚さがテーパ状に増加するクラッド層６が単結
晶基板１と同じ幅で設けられている。このように光導波
路層３に対して屈折率をわずかに低下させたクラッド層
６を光導波路層３上へ設けることにより、モードフィー
ルド径を拡大することが可能であり、光ファイバと光導
波路素子との結合損失を大幅に低減することができる。
また、クラッド層６の厚さを端面に向かってテーパ状に
増加させることにより、徐々にモードフィールド径を拡
大することができ、光導波路内での光伝搬損失も低減す
ることができる。
【００３５】光導波路層３とクラッド層６との屈折率差
は、０．０００１以上、０．０５以下であることが好ま
しい。屈折率差が０．０００１より小さいと光導波路層
の導波モードがマルチモードとなりシングルモード光フ
ァイバとの結合損失が増加する。一方、屈折率差が０．
０５より大きいとモードフィールド径の拡大がほとんど
見られなくなる。
【００３６】図２に、スラブ型光導波路を設けた光導波
路層３において、クラッド層６の屈折率とモードフィー
ルド径との関係を解析した例を示す。図２から、クラッ
ド層６の屈折率が光導波路層３の屈折率２．４６８に近
づくに従ってモードフィールド径が２．４２０程度から
徐々に拡大し、屈折率が２．４５８程度になるとモード
フィールド径が急激に拡大することが分かる。従って、
光導波路層３とクラッド層６との屈折率差を０．０５以
下とする場合には、拡大したモードフィールド径を得る
ことができる。
【００３７】また、図３に、幅８μｍのチャンネル光導
波路４を設けた光導波路層３において、クラッド層６の
最も厚い部分の厚さを５μｍとし、その上部は空気層と
した場合のクラッド層６の屈折率とモードフィールド径
との関係を解析した例を示す。クラッド層６の屈折率が
増加するに従って、モードフィールド径が徐々に拡大す
るが、クラッド層の屈折率が２．４６６程度になるとモ
ードフィールド径の拡大が頭打ちになることが分かる。
従って、光導波路層３とクラッド層６との屈折率差を
０．００１以上とする場合に、拡大したモードフィール
ド径を得ることができる。
【００３８】この拡大されたモードフィールド径が一定
値に漸近する領域、即ち、光導波路層３とクラッド層６
との屈折率差が０．００１より小さい領域では、光導波
路層３への光閉じ込めは非常に弱くなり、導波モード
は、光導波路層４内でのシングルモードではなく、光導
波路層４からクラッド層６に渡る領域でのマルチモード
へ変化することもある。このように導波モードがマルチ
モードになるとシングルモード光ファイバとの結合損失
が大きくなり好ましくない。従って、導波モードをシン
グルモードに保つためにも、光導波路層３とクラッド層
６との屈折率差を０．００１以上とすることが好まし
い。
【００３９】図４は、クラッド層の厚さを５μｍとし、
その上部を空気層とした場合のクラッド層の屈折率と結
合損失の関係を解析した例を示しており、いずれの屈折
率の場合も、結合損失はクラッド層がない場合の４．２
ｄＢに対して大幅に低減されているが、特にクラッド層
の屈折率が２．４６６程度で光導波路層とクラッド層と
の屈折率差が０．００２となる領域で、結合損失が０．
９５ｄＢと最小になることが分かる。
【００４０】また、クラッド層６のテーパ長は、放射損
失及びテーパサイズとのバランスの観点から、５０μｍ
〜５０００μｍの範囲が好ましく、２００μｍ〜２００
０μｍの範囲がより好ましい。テーパの最も厚い部分の
厚さ、即ち、クラッド層の端面の厚さ（以下、「端面厚
さ」という）は、所望のモードフィールド径に応じて１
μｍ〜１０μｍの範囲から適宜選択することができる。
【００４１】図５に、屈折率２．４６５のクラッド層６
の端面厚さと結合損失との関係を解析した例を示す。ク
ラッド層６の端面厚さが厚いほど結合損失が低減され、
端面厚さが７μｍ程度で結合損失が０．５６ｄＢと最小
になるが、端面厚さが５μｍ以下で結合損失が１ｄＢよ
り小さくなるので、作製に要する時間等を考慮して、適
当な端面厚さを選択することができる。
【００４２】図６に、光導波路層上にクラッド層を設け
ない場合のモードプロファイルのシミュレーション結果
を示し、図７に、光導波路層上に端面厚さが５μｍのク
ラッド層を設けた場合のモードプロファイルのシミュレ
ーション結果を示す。なお、モードプロファイルのシミ
ュレーションは、Finite Diffinition Methodで行っ
た。このシミュレーション結果からも、光導波路層３上
にクラッド層６を設けることにより、モードフィールド
径が拡大することが分かる。なお、図中、３は光導波路
層、６はクラッド層、及び８は空気層である。
【００４３】次に、本実施の形態の光導波路素子の製造
方法の概略について説明する。本実施の形態の光導波路
素子は、単結晶基板１上にバッファ層２を形成し、バッ
ファ層２を所定形状にパターンニングし、パターンニン
グ後のバッファ層２上に光導波路層３を形成してチャン
ネル光導波路４を形成し、光導波路層３上にクラッド層
６を形成して製造することができる。
【００４４】本実施の形態では、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、
塗布膜を加熱によりアモルファス化し、得られたアモル
ファス薄膜をさらに加熱して結晶化する固相エピタキシ
ャル成長方法により、バッファ層、光導波路層、及びク
ラッド層の各層を形成することができる。
【００４５】例えば、クラッド層６は、光導波路層３の
表面に、ウエット・プロセスによりアモルファス薄膜か
らなるクラッド層（以下、「アモルファス・クラッド
層」と称する）を作製した後、このアモルファス・クラ
ッド層を厚さが変化するテーパ状にエッチングし、さら
に加熱によってテーパ状に形成されたアモルファス・ク
ラッド層を、固相エピタキシャル成長することより形成
することができる。
【００４６】また、チャンネル光導波路４は、単結晶基
板１上にウエット・プロセスにより形成したアモルファ
ス薄膜からなるバッファ層（以下、「アモルファス・バ
ッファ層」と称する）を所定形状にパターンニングし、
パターンニング後のアモルファス・バッファ層を固相エ
ピタキシャル成長し、エピタキシャル成長後のバッファ
層２上に光導波路層３を形成することにより形成するこ
とができる。
【００４７】このように、アモルファス薄膜を形成後に
これを固相エピタキシャル成長させると、散乱による光
損失が小さい極めて平滑な薄膜を形成することができ
る。特に、パターンニングされたエピタキシャル薄膜を
作製する場合には、アモルファス薄膜とした状態でパタ
ーンニングを行い、パターン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ことにより、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
を得ることができる。また、この固相エピタキシャル成
長方法には、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ことに加え、金属有機化
合物前駆体の配合組成により薄膜の屈折率を容易に制御
することができるという利点もある。
【００４８】金属有機化合物は、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
金属塩より選択されるが、これに限定されるわけではな
い。金属アルコキシド化合物の有機配位子は、Ｒ1Ｏ−
またはＲ2ＯＲ3Ｏ−より選択される（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）。
【００４９】原料となる金属や有機化合物は、所定の組
成にて、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
酸などより選択された溶媒（望ましくは常圧での沸点が
８０℃以上である溶媒）と反応され、または溶媒中に溶
解された後、単結晶基板に塗布される。前記の金属有機
化合物は、加水分解した後に塗布をすることも可能であ
るが、良好な特性のエピタキシャル強誘電体薄膜を得る
ためには、加水分解しない方が好ましい。また、得られ
る薄膜の品質の点より、これらの反応は、乾燥した窒素
やアルゴン雰囲気中で行うことが好ましい。
【００５０】金属アルコキシド化合物は、金属を含む、
Ｒ1ＯＨまたはＲ2ＯＲ3ＯＨで表される有機溶媒中で蒸
留や還流を行うことにより合成することができる。Ｒ1
およびＲ2は脂肪族炭化水素基を表し、Ｒ1およびＲ2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。
【００５１】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
℃）、ＣＨ3（Ｃ2Ｈ5）ＣＨＯＨ（沸点９９．５℃）、
（ＣＨ3）2ＣＨＣＨ2ＯＨ（沸点１０８℃）、Ｃ4Ｈ9Ｏ
Ｈ（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。
【００５２】この金属有機化合物を含む溶液を、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。得られる薄膜の品質の点より、乾燥
した窒素やアルゴン雰囲気中にて塗布することが好まし
い。
【００５３】金属有機化合物を含む溶液を、塗布した
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
昇温し、１００℃〜５００℃（望ましくは２００℃〜４
００℃）の結晶化の起こらない温度範囲で基板を加熱す
ることにより、塗布層を熱分解してアモルファス薄膜を
形成する。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
１０〜１００℃／秒の昇温速度）で昇温し、５００℃〜
１２００℃（望ましくは６００℃〜９００℃）の温度範
囲で加熱して、アモルファス状の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。この固相エピタ
キシャル結晶化工程においては、上記の温度範囲におい
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。また、酸素雰囲気としては、得られる
薄膜の品質の点より、一定時間乾燥した酸素雰囲気を用
いることが好ましいが、必要に応じて加湿してもよい。
【００５４】また、１回の固相エピタキシャル成長によ
り形成される薄膜の厚さは、１０ｎｍから１０００ｎ
ｍ、望ましくは厚さ１０ｎｍから２００ｎｍであり、上
記固相エピタキシャル成長を繰り返し行い、所望の厚さ
の薄膜を得ることができる。なお、固相エピタキシャル
成長を繰り返し行う場合には、それぞれのエピタキシャ
ル成長後に、０．０１〜１００℃／秒の冷却速度で冷却
を行なうことが望ましい。
【００５５】本実施の形態では、アモルファス薄膜をエ
ッチングによりパターンニングする。アモルファス薄膜
のエッチングは、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い。具体的には、アモルファ
ス薄膜の表面に、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
剥離を順に行うことにより、アモルファス薄膜をパター
ンニングする。
【００５６】エッチングは、ＨＣｌ、ＨＮＯ3、ＨＦ、
Ｈ2ＳＯ4、Ｈ3ＰＯ4、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、ＣＣｌ
4、ＣＣｌ2Ｆ2、ＣＨＣｌＦＣＦ3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・エッチングなどのドライ・エッチン
グのいずれにより行ってもよいが、短時間で、容易に、
精度良く加工することが可能である点で、ウエット・エ
ッチングにより行うことが好ましい。
【００５７】次に、ＮｂドープＳｒＴｉＯ3からなる単
結晶基板１上に、ＰＬＺＴバッファ層２、ＰＺＴ薄膜光
導波路３、ＰＺＴクラッド層６が形成された第１の実施
の形態に係る光導波路素子を製造する、具体的な製造方
法について説明する。
【００５８】まず、図８（Ａ）に示すように、波長１．
３μｍでの屈折率が２．３０８のＮｂドープＳｒＴｉＯ
3（１００）単結晶基板１の上へ、屈折率が２．４３２
の組成のＰＬＺＴバッファ層２Ａを、固相エピタキシャ
ル成長により１４００ｎｍの厚さで形成する。
【００５９】無水酢酸鉛 Ｐｂ（ＣＨ3ＣＯＯ）2、ラン
タン・イソプロポキシド Ｌａ（Ｏ−ｉ−Ｃ3Ｈ7）3、
ジルコニウム・イソプロポキシド Ｚｒ（Ｏ−ｉ−Ｃ3
Ｈ7）4、およびチタン・イソプロポキシド Ｔｉ（Ｏ−
ｉ−Ｃ3Ｈ7）4を出発原料として用い、これら出発原料
を２−メトキシエタノールに溶解した後、この溶液につ
いて蒸留と還流とを行い、最終的にＰｂ濃度を０．６Ｍ
として、屈折率が２．４３２の組成のＰＬＺＴバッファ
層を形成するための前駆体溶液を調整した。次に、洗
浄、エッチング、及び乾燥を行ったＮｂドープＳｒＴｉ
Ｏ3（１００）単結晶基板１の表面に、この前駆体溶液
をスピンコーティングする。コーティング後の単結晶基
板を、Ｏ2雰囲気中で昇温して３５０℃にて保持し、さ
らに８００℃にて保持した後、冷却する。これらコーテ
ィング、昇温、及び冷却を繰り返すことにより、１４０
０ｎｍの厚さのＰＬＺＴバッファ層２Ａが固相エピタキ
シャル成長される。
【００６０】次に、図８（Ｂ）に示すように、ＰＬＺＴ
バッファ層２Ａ上に、屈折率が２．４３２の組成のアモ
ルファスＰＬＺＴバッファ層２Ｂを５００ｎｍの厚さで
形成してパターンニングし、パターンニング後に固相エ
ピタキシャル成長してＰＬＺＴバッファ層２Ｂを形成す
る。
【００６１】ＰＬＺＴバッファ層２Ａの表面に、ＰＬＺ
Ｔバッファ層２Ａの形成に用いたのと同じ前駆体溶液を
スピンコーティングする。コーティング後の単結晶基板
を、Ｏ2雰囲気中で昇温して３５０℃にて保持した後、
冷却する。これらコーティング、昇温、及び冷却を繰り
返すことにより、５００ｎｍの厚さのアモルファス状の
ＰＬＺＴバッファ層２Ｂが形成される。
【００６２】得られたアモルファス状のＰＬＺＴバッフ
ァ層２Ｂの表面に、幅４μｍの直線部の両端にテーパ部
が接続された開口パターンを有するフォトレジストを形
成する。このフォトレジストをマスクとして用いて、Ｈ
Ｃｌ水溶液によるウエット・エッチングを行い、アモル
ファス・ＰＬＺＴバッファ層２Ｂに凹型形状の直線状パ
ターンを形成する。深さ方向のエッチングは、エピタキ
シャル・ＰＬＺＴバッファ層２Ａの表面でストップす
る。幅方向のエッチングは、マスク下のアモルファス・
ＰＬＺＴバッファ層２Ｂがアンダー・エッチまたはサイ
ド・エッチされるため、エッチング時間により制御する
ことができる。例えば、０．１μｍ／分から０．５μｍ
／分程度のエッチング速度でエッチングを行い、高さ５
００ｎｍ、直線チャンネル部の幅５．０μｍの凹型形状
の溝を形成することができる。凹型形状の溝が形成され
たアモルファス・ＰＬＺＴバッファ層２Ｂを、固相エピ
タキシャル成長させて、ＰＬＺＴバッファ層２Ｂを得
る。
【００６３】次に、図８（Ｃ）に示すように、ＰＬＺＴ
バッファ層２Ｂ上に、屈折率が２．４６８の組成のＰＺ
Ｔ光導波路層３を２２００ｎｍの厚さで固相エピタキシ
ャル成長させる。
【００６４】ＰＬＺＴバッファ層用の前駆体溶液と同様
にして、屈折率が２．４６８の組成のＰＺＴ光導波路層
３を形成するためのＰＺＴ光導波路層用の前駆体溶液を
調整し、ＰＬＺＴバッファ層２Ｂの表面に、この前駆体
溶液をスピンコーティングする。コーティング後の単結
晶基板を、Ｏ2雰囲気中で昇温して３５０℃にて保持
し、さらに８００℃にて保持した後、冷却する。これら
コーティング、昇温、及び冷却を繰り返すことにより、
２２００ｎｍの厚さのＰＺＴ光導波路層３が固相エピタ
キシャル成長される。
【００６５】次に、図８（Ｄ）〜（Ｆ）に示すようにし
て、ＰＺＴ光導波路層３上に、屈折率が２．４６６の組
成のＰＺＴクラッド層６をテーパ状に形成する。
【００６６】図８（Ｄ）に示すように、ＰＬＺＴバッフ
ァ層用の前駆体溶液と同様にして、屈折率が２．４６６
の組成のＰＺＴクラッド層６を形成するためのＰＺＴク
ラッド層用の前駆体溶液を調整し、ＰＺＴ光導波路層３
の表面に、この前駆体溶液をスピンコーティングする。
コーティング後の単結晶基板を、Ｏ2雰囲気中で昇温し
て３５０℃にて保持した後、冷却する。これらコーティ
ング、昇温、及び冷却を繰り返すことにより、２５００
ｎｍの厚さのアモルファス・ＰＺＴクラッド層６Ａａを
形成する。このアモルファス・ＰＺＴクラッド層６Ａａ
の表面に、アモルファス・ＰＺＴクラッド層６Ａａの作
製に用いた前駆体溶液と同じ前駆体溶液をスピンコーテ
ィングする。コーティング後の単結晶基板を、Ｏ2雰囲
気中で昇温して２５０℃にて保持した後、冷却して、２
００ｎｍの厚さのアモルファス・ＰＺＴクラッド層６Ａ
ｂを形成する。より低温でアモルファス化されたこのア
モルファス・ＰＺＴクラッド層６Ａｂは、アモルファス
・ＰＺＴクラッド層６Ａａよりもエッチングされ易く、
上層側からエッチングが進むので、サイドエッチ効果に
よるテーパ形成促進層として役割を果たす。その後、基
板両端から３０００μｍを除いた部分に開口パターンを
有するフォトレジスト１０を形成し、図８（Ｅ）に示す
ように、フォトレジスト１０によるマスクを用いてＨＣ
ｌ水溶液によるウエット・エッチングを行うと、アモル
ファス・ＰＺＴクラッド層６Ａａ及び６Ａｂの一部がサ
イドエッチされる。
【００６７】図８（Ｆ）に示すように、一部がサイドエ
ッチされたアモルファス・ＰＺＴクラッド層６Ａａ及び
６Ａｂの表面に、アモルファス・ＰＺＴクラッド層６Ａ
ａの作製に用いた前駆体溶液と同じ前駆体溶液をスピン
コーティングする。コーティング後の単結晶基板を、Ｏ
2雰囲気中で昇温して２５０℃にて保持した後、冷却す
る。これらコーティング、昇温、及び冷却を繰り返すこ
とにより、さらに２５００ｎｍの厚さのアモルファス・
ＰＺＴクラッド層６Ｂａを形成する。そして、基板両端
から２０００μｍを除いた部分に開口パターンを有する
フォトレジスト１１を形成する。
【００６８】そして、図８（Ｇ）に示すように、フォト
レジスト１１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とにより、ＰＺＴクラッ
ド層６Ｂａがエッチングされて、アモルファス・ＰＺＴ
クラッド層６Ａａ、６Ａｂ、及び６Ｂａが全体としてテ
ーパ状に形成される。
【００６９】図８（Ｈ）に示すように、テーパ状に形成
されたアモルファス・ＰＺＴクラッド層６Ａａ、６Ａ
ｂ、及び６Ｂａは、固相エピタキシャル成長されて一体
化し、さらに切断と研磨を行うことによって、端面厚さ
５μｍ、長さ１０００μｍのテーパ型クラッド層６が形
成され、光導波路素子が完成する。
【００７０】なお、得られた光導波路素子は、結晶学的
関係が、単一配向のＰＺＴ（１００）クラッド層／／Ｐ
ＺＴ（１００）薄膜光導波路／／ＰＬＺＴ（１００）バ
ッファ層／／ＮｂドープＳｒＴｉＯ3（１００）基板で
あり、面内方位が、「ＰＺＴ［００１］クラッド層／／
ＰＺＴ［００１］薄膜光導波路／／ＰＬＺＴ［００１］
バッファ層／／ＮｂドープＳｒＴｉＯ3［００１］基板
である構造を有している。
【００７１】図９に示すように、本実施の形態の光導波
路素子の入出射端へシングルモード光ファイバ１２を配
置し、光ファイバ間の挿入損失を求め、そこからチャン
ネル光導波路による光伝搬損失を差し引くことによっ
て、光導波路と光ファイバとの結合損失を測定したとこ
ろ、結合損失は１．１ｄＢであり、テーパ型クラッド層
がない場合の４．２ｄＢと比較して、大幅に結合損失が
低減できることを確認した。
【００７２】また、本実施の形態では、アモルファス薄
膜をエッチングによりテーパ状に整形した後に固相エピ
タキシャル成長させてクラッド層を形成するので、エピ
タキシャル成長後の薄膜をエッチングするよりエッチン
グが容易であり、所望の形状のクラッド層を精度良く形
成することができる。
【００７３】また、本実施の形態では、パターンニング
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
てチャンネル光導波路を形成するので、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、チャンネルのエッジ部の凹凸またはうねりは容易
に０．１μｍ以下とすることができる。このため、光フ
ァイバから波長１．３μｍのレーザー光を入射端面へ導
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
いた損失、即ちチャンネル型に加工したことに起因する
光伝搬損失は非常に小さくなる。
【００７４】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、エッジ部に露出した各結晶粒のサイズも均一
となること、及びエッジ部に露出した各結晶粒の表面エ
ネルギーも均一なために、溝を形成するような粒界が生
じないことによって、エッジ部が極めて平滑になるため
であると考えられる。また、アモルファス・バッファ層
とアモルファス光導波路層を積層した後に固相エピタキ
シャル成長する場合には、さらに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。これは、バッファ層と光導波路層との間で連続的に
結晶成長が起こることが寄与していると考えられる。 （第２の実施の形態）本発明の第２の実施の形態に係る
光導波路素子について説明する。図１０（Ａ）及び
（Ｂ）に示すように、第２の実施の形態に係る光導波路
素子は、光導波路層の厚さを入射端部及び出射端部にお
いて薄くした点と、光導波路層の上面全面にクラッド層
を設けた点以外は、第１の実施の形態と同様の構造であ
るため、同一部分については同じ符号を付して説明を省
略する。
【００７５】光導波路層３の上面全面には、光導波路層
３より小さい屈折率を有するクラッド層６が設けられて
いる。このクラッド層６は、光導波路層３の光入射側の
上方において、端面に向かって厚さがテーパ状に増加し
ており、光導波路層３の光出射側の上方において、端面
に向かって厚さがテーパ状に増加している。また、光導
波路層３は、クラッド層６がテーパ状に増加する部分の
下方において、厚さがテーパ状に減少している。クラッ
ド層６がテーパ状に増加する部分の下方において、光導
波路層の厚さは、非テーパ部の光導波路層の１／２程度
の厚さとするのが好ましい。
【００７６】次に、ＮｂドープＳｒＴｉＯ3からなる単
結晶基板１上に、ＰＬＺＴバッファ層２、ＰＺＴ薄膜光
導波路３、ＰＺＴクラッド層６が形成された第２の実施
の形態に係る光導波路素子を製造する、具体的な製造方
法について簡単に説明する。なお、各工程の詳細は、第
１の実施の形態と同様である。
【００７７】まず、図１１（Ａ）に示すように、波長
１．３μｍでの屈折率が２．３０８のＮｂドープＳｒＴ
ｉＯ3（１００）単結晶基板１の上へ、屈折率が２．４
１４の組成のＰＬＺＴバッファ層２Ａを、固相エピタキ
シャル成長により１２００ｎｍの厚さで形成する。
【００７８】次に、図１１（Ｂ）に示すように、ＰＺＴ
バッファ層２Ａ上に、屈折率が２．４１４の組成のアモ
ルファス・ＰＺＴバッファ層２Ｂを３００ｎｍの厚さで
形成して、直線部の両端にテーパ部が接続された開口パ
ターンを有するフォトレジストによるマスクを用いてＨ
Ｃｌ水溶液によるウエット・エッチングを行うことによ
り、アモルファス・ＰＺＴバッファ層２Ｂに凹型形状の
直線状パターンを形成する。そして、パターンニング後
のアモルファス・ＰＺＴバッファ層２Ｂを固相エピタキ
シャル成長して、ＰＺＴバッファ層２Ｂを形成する。そ
して、図１１（Ｃ）に示すように、ＰＺＴバッファ層２
Ｂの表面に、屈折率が２．４６８の組成のＰＺＴ光導波
路層３Ａを３００ｎｍの厚さで固相エピタキシャル成長
させる。
【００７９】次に、図１１（Ｄ）に示すように、ＰＺＴ
光導波路層３Ａの表面に、エピタキシャル成長後の屈折
率が２．４６８の組成のアモルファス・ＰＺＴ光導波路
層３Ｂを８００ｎｍの厚さで形成し、フォトレジスト１
３をマスクに用いたエッチングにより、アモルファス・
ＰＺＴ光導波路層３Ｂの基板両端近傍の３０００μｍの
部分をテーパ形状に形成した後、固相エピタキシャル成
長して、ＰＺＴ光導波路層３Ｂとする。その後、図１１
（Ｅ）に示すように、ＰＺＴ光導波路層３ＡまたはＰＺ
Ｔ光導波路層３Ｂの表面に、屈折率が２．４６８の組成
のＰＺＴ光導波路層３Ｃを５００ｎｍの厚さで固相エピ
タキシャル成長させる。なお、ＰＺＴ光導波路層３Ａ〜
３Ｃは固相エピタキシャル成長させることにより一体化
してＰＺＴ光導波路層３となる。
【００８０】次に、図１１（Ｆ）に示すように、ＰＺＴ
光導波路層３の表面に、エピタキシャル成長後の屈折率
が２．４７７の組成のアモルファス・ＰＺＴクラッド層
６Ａを１０００ｎｍの厚さで形成し、基板両端から約３
０００μｍを除いた部分に開口パターンを有するフォト
レジスト１４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とにより、アモルファス
・ＰＺＴクラッド層をテーパ状に形成する。テーパを形
成した後、固相エピタキシャル成長を行いＰＺＴクラッ
ド層６Ａとする。図１１（Ｇ）に示すように、フォトレ
ジスト１５によるマスクを用いたエッチングにより、同
様にして、ＰＺＴ光導波路層３またはＰＺＴクラッド層
６Ａの表面に、ＰＺＴクラッド層６Ｂを形成し、図１１
（Ｈ）に示すように、ＰＺＴクラッド層６ＢまたはＰＺ
Ｔ光導波路層３Ｃの表面に、屈折率が２．４７７の組成
のＰＺＴクラッド層６Ｃを１０００ｎｍの厚さで、固相
エピタキシャル成長させる。なお、ＰＺＴクラッド層６
Ａ〜６Ｃは固相エピタキシャル成長させることにより一
体化してＰＺＴクラッド層６となる。その後、切断と研
磨を行うことにより、厚さが１０００ｎｍから３０００
ｎｍへ変化し、長さ１０００μｍのテーパ型クラッド層
６が形成され、光導波路素子が完成する。なお、光導波
路層の厚さは、クラッド層のテーパ部の下方では８００
ｎｍ、それ以外の部分では１６００ｎｍである。
【００８１】本実施の形態の光導波路素子の入出射端へ
シングルモード光ファイバを配置し、光ファイバ間の挿
入損失を求め、そこからチャンネル光導波路による光伝
搬損失を差し引くことによって、光導波路と光ファイバ
との結合損失を測定したところ、結合損失は１．０ｄＢ
であり、テーパ型クラッド層がない場合の４．２ｄＢと
比較して大幅に結合損失が低減できることを確認した。
【００８２】また、本実施の形態では、クラッド層のテ
ーパ部の下方において光導波路層の厚さを薄くしている
ので、光導波路層とクラッド層の屈折率差が０．０１１
と第１の実施の形態の場合（屈折率差０．００２）より
も大きくても、モードフィールドの拡大が容易であり、
大幅に結合損失が低減できる。
【００８３】また、本実施の形態では、アモルファス薄
膜をエッチングによりテーパ状に整形した後に固相エピ
タキシャル成長させてクラッド層を形成するので、エピ
タキシャル成長後の薄膜をエッチングするよりエッチン
グが容易であり、所望の形状のクラッド層を精度良く形
成することができる。
【００８４】また、本実施の形態では、パターンニング
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
てチャンネル光導波路を形成するので、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。チャンネルのエッジ部の凹凸またはうねりは容
易に０．１μｍ以下とすることができる。このため、光
ファイバから波長１．３μｍのレーザー光を入射端面へ
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非常に小さくなる。 （第３の実施の形態）次に、本発明の第３の実施の形態
に係る光スイッチ素子について説明する。図１２に示す
ように、第３の実施の形態の光スイッチ素子は、下部電
極としての導電性の単結晶基板１の上に形成されたバッ
ファ層２、及びバッファ層２上に形成された光導波路層
３を備えている。バッファ層２には、単結晶基板１の長
手方向に沿って設けられ、Ｙ分岐部１６を有する凹部が
形成されており、入射端部及び出射端部において凹部の
幅が端面に向かってテーパ状に増加している。光導波路
層３がこの凹部に嵌合するように設けられ、チャンネル
光導波路４が形成されている。
【００８５】光導波路層３の光入射側及び光出射側の上
面には、光導波路層３より小さい屈折率を有し、端面に
向かって厚さがテーパ状に増加するクラッド層６が単結
晶基板１と同じ幅で設けられている。クラッド層６の光
伝搬方向下流側には、チャンネル光導波路４のＹ分岐部
１６の上方に位置するように、分岐した各チャンネル光
導波路に対応して、各チャンネル光導波路を伝搬する光
ビームを制御するための制御電極としての上部電極１７
Ａ、１７Ｂが形成されている。
【００８６】なお、チャンネル光導波路の幅、及びクラ
ッド層の厚さと長さについては、第１の実施の形態と同
様である。
【００８７】この光スイッチの入射端面および出射端面
にシングルモード光ファイバを配置し、配置した光ファ
イバから波長１．３μｍのレーザ光を本実施の形態の光
スイッチの入射端面へ導入すると、Ｙ分岐部１６で同じ
強度で二つのチャンネルに分岐され、出射端面の２つの
ポートに接続された２本の光ファイバへ等しい強度で分
配された。次に、下部電極としての導電性の単結晶基板
１と２つの上部電極１７Ａ、１７Ｂの内の一方の電極と
の間に所定の電圧を印加した場合には、電圧の印加され
た側の光導波路の屈折率が低下するため、入射端面から
導入されたレーザ光は、Ｙ分岐部１６で、電圧が印加さ
れておらず屈折率が低下していないチャンネルを選択
し、デジタル型スイッチとして光ファイバ経路の切り替
えがなされる。
【００８８】本実施の形態の光スイッチ素子において
も、その入出射端へシングルモード光ファイバを配置
し、光ファイバ間の挿入損失を求め、そこからチャンネ
ル光導波路による光伝搬損失を差し引くことによって、
光導波路と光ファイバとの結合損失を測定したところ、
結合損失は１．０ｄＢであり、テーパ型クラッド層がな
い場合の４．２ｄＢと比較して大幅に結合損失が低減で
きることを確認した。 （第４の実施の形態）次に、本発明の第４の実施の形態
に係る光偏向素子について説明する。図１３に示すよう
に、第４の実施の形態の光偏向素子は、下部電極として
の導電性の単結晶基板１の上に形成された光導波路層３
を備えている。光導波路層３の光入射側の上面には、光
導波路層３より小さい屈折率を有し、端面に向かって厚
さがテーパ状に増加するクラッド層６が単結晶基板１と
同じ幅で設けられている。このクラッド層６の光伝搬方
向下流側には、底辺が光伝搬方向に直交しかつ光入射側
に位置するように、光導波路内光ビーム制御用電極であ
る直角三角形状の上部電極１８が形成されている。この
上部電極１８の光伝搬方向下流側には、出射光ビーム制
御用の透明電極である四角形状の透明上部電極１９が形
成されている。この透明上部電極１９の上面には、透明
上部電極１９の入射側の一部分が露出するように、透明
上部電極１９の面積より大きな底面を有し、所定屈折率
を有する出射用直角プリズム２０が固定されている。な
お、クラッド層の厚さと長さについては、第１の実施の
形態と同様である。
【００８９】この光偏向素子では、上部電極１８と導電
性の単結晶基板１との間に電圧が印加されると、両電極
に挟まれた部分に周囲の領域と屈折率が異なるプリズム
領域が形成され、このプリズム領域により光ビームが偏
向される。また、透明上部電極１９と導電性の単結晶基
板１との間に電圧が印加されると、両電極に挟まれた部
分に周囲の領域と屈折率が異なる領域が形成され、この
領域により光ビームが偏向されて、所定の出射角度で出
射用直角プリズム２０から光ビームが出射する。
【００９０】本実施の形態の光偏向素子においても、そ
の入出射端へシングルモード光ファイバを配置し、光フ
ァイバ間の挿入損失を求め、そこからチャンネル光導波
路による光伝搬損失を差し引くことによって、光導波路
と光ファイバとの結合損失を測定したところ、結合損失
は１．０ｄＢであり、テーパ型クラッド層がない場合の
４．２ｄＢと比較して大幅に結合損失が低減できること
を確認した。
【００９１】上記第１〜第４の実施の形態おいては、図
１４（Ａ）で示すように、上側に凸の曲線を描いて、ク
ラッド層が端面に向かって厚さがテーパ状に増加する例
について説明したが、図１４（Ｂ）で示すように、下側
に凸の曲線を描いて増加するものでもよく、図１４
（Ｃ）で示すように、直線的に増加するものでもよい。
また、端面厚さがクラッド層の最大厚さになればよく、
図１４（Ｄ）で示すように、端部の所定範囲では一定の
厚さになっていてもよい。
【００９２】上記第１〜第３の実施の形態おいては、所
定パターンのチャンネル光導波路を設ける例について説
明したが、チャンネル光導波路の微細パターンには、直
線型、Ｓ字型、Ｙ分岐型、Ｘ交差型、またはそれらの組
み合わせ等があり、目的に応じて所望のパターンのチャ
ンネル光導波路を設けることができる。また、本実施の
形態おいては、入射端および出射端へ向けて増加するチ
ャンネル幅を有するように構成したが、チャンネル幅を
増加させずに直線のままとすることも可能である。
【００９３】上記第１〜第３の実施の形態においては、
バッファ層に凹部を設けたチャンネル光導波路構造を形
成する例について説明したが、例えば、図１５に示すよ
うに、光導波路層に凸部を設けたチャンネル光導波路構
造や、図１６に示すように、口型に形成されたチャンネ
ル光導波路構造であってもよく、埋め込み型、リッジ
型、リブ型等のチャンネル光導波路構造を用いることが
できる。また、チャンネルの幅、高さ、及び深さは、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できる。な
お、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、光伝搬損失を低下させるために、必要に応
じてオフセットを設けることが好ましい。
【００９４】上記第１及び第２の実施の形態おいては、
単結晶基板としてＮｂドープＳｒＴｉＯ3を用いる例に
ついて説明したが、ＳｒＴｉＯ3、ＮｂドープＳｒＴｉ
Ｏ3、ＬａドープＳｒＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3、ＢａＺｒ
Ｏ3、ＬａＡｌＯ3、ＺｒＯ2、Ｙ2Ｏ３８％−ＺｒＯ2、
ＭｇＯ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、Ａ
ｌ2Ｏ3、ＺｎＯ、ＡｌドープＺｎＯ、Ｉｎ2Ｏ3、ＲｕＯ
2、ＢａＰｂＯ3、ＳｒＲｕＯ3、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x、Ｓ
ｒＶＯ3、ＬａＮｉＯ3、Ｌａ0.5Ｓｒ0.5ＣｏＯ3、Ｚｎ
Ｇａ2Ｏ4、ＣｄＧａ2Ｏ4、ＣｄＧａ2Ｏ4、Ｍｇ2Ｔｉ
Ｏ4、ＭｇＴｉ2Ｏ4などの酸化物より選ばれる単結晶基
板のいずれも用いることができる。この中でも、ＳｒＴ
ｉＯ3、ＮｂドープＳｒＴｉＯ3、及びＬａドープＳｒＴ
ｉＯ3などの少なくともＳｒＴｉＯ3よりなる酸化物基板
が好ましい。
【００９５】上記第１及び第２の実施の形態おいては、
ＰＺＴからなる光導波路層を設ける例について説明した
が、光導波路層を構成する材料としては、ＡＢＯ3型の
ペロブスカイト型強誘電体や種々の電気光学材料を用い
ることができる。正方晶、三方晶、斜方晶または擬立方
晶系の材料としては、例えばＢａＴｉＯ3、ＰｂＴｉ
Ｏ3、Ｐｂ1-xＬａx（ＺｒyＴｉ1-y）1-x/4Ｏ3（０＜ｘ
＜０．３、０＜ｙ＜１．０、ｘおよびｙの値によりＰＺ
Ｔ、ＰＬＴ、ＰＬＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）
Ｏ3、ＫＮｂＯ3などが挙げられる。六方晶または三方晶
系の材料としては、例えばＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3な
どに代表される強誘電体及びこれらにＴｉ拡散またはプ
ロトン交換を行った強誘電体が挙げられる。タングステ
ンブロンズ型の材料としては、ＳｒxＢａ1-xＮｂ2Ｏ6、
ＰｂｘＢａ1-xＮｂ2Ｏ6などがあげれ、またこのほか
に、Ｂｉ4Ｔｉ3Ｏ12、Ｐｂ2ＫＮｂ5Ｏ15、Ｋ3Ｌｉ2Ｎｂ
5Ｏ15、さらに以上の置換誘導体などが挙げられる。磁
気光学材料としては、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12、Ｙ3Ｆｅ5Ｏ12、Ｙ
3Ｇａ5Ｏ12などや、これらにＥｒ、Ｎｄ、Ｐｒなどをド
ープした光増幅材料等が挙げられる。なお、光導波路層
を構成する材料は、以上例示した材料に限定されるわけ
ではない。
【００９６】上記第１及び第２の実施の形態において
は、単結晶基板上に形成したアモルファス・バッファ層
を所定形状にパターンニングし、パターンニング後のア
モルファス・バッファ層を固相エピタキシャル成長し、
エピタキシャル成長後のエピタキシャル・バッファ層上
に光導波路層を形成してチャンネル光導波路を形成する
例について説明したが、他の方法によりチャンネル光導
波路を形成してもよい。例えば、単結晶基板上にエピタ
キシャル・バッファ層を形成し、所定形状にパターンニ
ングした後に、パターンニング後のエピタキシャル・バ
ッファ層上に光導波路層を形成してチャンネル光導波路
を形成するようにしてもよい。
【００９７】上記第１及び第２の実施の形態において
は、ゾルゲル法やＭＯＤ法などのウエット・プロセスに
よりアモルファス薄膜を形成する例について説明した
が、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・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・プロセスによりアモルファス薄膜を形
成してもよい。
【００９８】上記第３及び第４の実施の形態において
は、本発明を光偏向素子及び光スイッチ素子に適用した
例について説明したが、光変調素子、光フィルター素子
等、光導波路素子全般に適用することができる。
【００９９】
【発明の効果】本発明の光導波路素子、光スイッチ素
子、及び光偏向素子は、光導波路層よりも小さい屈折率
を有するクラッド層を光導波路上に設けたことにより、
光導波路中のモードフィールド径を拡大することがで
き、光ファイバと光導波路素子との結合損失を大幅に低
減できるほか、クラッド層の形状を、光導波路の入射端
部及び出射端部の少なくとも一方の上方において端部に
向かってテーパ状に厚さが増加する形状としたことによ
り、光導波路素子中での光伝搬損失を低減することがで
きるので、高い結合効率で光ファイバと結合することが
できる、という効果を奏する。
【０１００】また、本発明の光導波路素子の製造方法
は、アモルファス薄膜を整形した後に固相エピタキシャ
ル成長してテーパ状のクラッド層を形成するので、固相
エピタキシャル成長した薄膜を整形する場合に比べて、
クラッド層の整形が容易であり、高い結合効率で光ファ
イバと結合することができる光導波路素子を精度良く製
造することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は第１の実施の形態に係る光導波路素子
の構成を示す斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の側面図で
ある。
【図２】クラッド層の屈折率とモードフィールド径との
関係を示すグラフである。
【図３】クラッド層の屈折率とモードフィールド径との
関係を示すグラフである。
【図４】クラッド層の屈折率と結合損失との関係を示す
線図である。
【図５】クラッド層の厚さと結合損失との関係を示す線
図である。
【図６】クラッド層を設けない場合のモードプロファイ
ルを示す線図である。
【図７】クラッド層を設けた場合のモードプロファイル
を示す線図である。
【図８】（Ａ）〜（Ｈ）は各々第１の実施の形態に係る
光導波路素子の製造工程を示す側面図である。
【図９】第１の実施の形態に係る光導波路素子が光ファ
イバと結合された状態を示す斜視図である。
【図１０】（Ａ）は第２の実施の形態に係る光導波路素
子の構成を示す斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の側面図
である。
【図１１】（Ａ）〜（Ｈ）は各々第２の実施の形態に係
る光導波路素子の製造工程を示す側面図である。
【図１２】第３の実施の形態に係る光スイッチ素子の構
成を示す斜視図である。
【図１３】第４の実施の形態に係る光偏向素子の構成を
示す斜視図である。
【図１４】（Ａ）〜（Ｄ）はテーパ構造のバリエーショ
ンを示す図である。
【図１５】第１の実施の形態に係る光導波路素子の変形
例を示す斜視図である。
【図１６】第１の実施の形態に係る光導波路素子の他の
変形例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 単結晶基板 ２ バッファ層 ３ 光導波路層 ４ チャンネル光導波路 ６ クラッド層 ８ 空気層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｆ 1/295 Ｇ０２Ｂ 6/12 Ｍ 1/313 Ｎ Ｊ Ｆターム(参考） 2H047 KA04 KA13 KA15 NA02 PA01 PA24 QA01 QA04 TA32 TA43 2H079 AA02 AA12 CA05 DA03 DA04 EA05 EA32 2K002 AB04 AB07 AB08 BA06 CA02 CA22 DA05 DA08 EA05 EA15 FA02 HA02

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光導波路を備えた光導波路層と、 前記光導波路層表面の前記光導波路の入射端部及び出射
    端部の少なくとも一方の上方に設けられ、前記光導波路
    層よりも小さい屈折率を有し、且つ端部に向かってテー
    パ状に厚さが増加するクラッド層と、 を含む光導波路素子。
  2. 【請求項２】光導波路を備えた光導波路層と、 前記光導波路層表面に設けられ、前記光導波路層よりも
    小さい屈折率を有し、且つ、前記光導波路の入射端部及
    び出射端部の少なくとも一方の上方において端部に向か
    ってテーパ状に厚さが増加するクラッド層と、 を含む光導波路素子。
  3. 【請求項３】前記光導波路をチャンネル光導波路で構成
    した請求項１または２に記載の光導波路素子。
  4. 【請求項４】前記チャンネル光導波路の入射端部及び出
    射端部の少なくとも一方の幅を端部に向かって増加させ
    た請求項３に記載の光導波路素子。
  5. 【請求項５】前記光導波路層と前記クラッド層との屈折
    率差を０．０００１以上０．０５以下とした請求項１乃
    至４のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  6. 【請求項６】前記光導波路層の入射端部及び出射端部の
    少なくとも一方の厚さを端部以外の部分より減少させた
    請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  7. 【請求項７】前記光導波路層及び前記クラッド層の少な
    くとも一方を、エピタキシャル成長させた酸化物から構
    成した請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光導波路
    素子。
  8. 【請求項８】前記光導波路層及び前記クラッド層の少な
    くとも一方を、電気光学効果を有する強誘電体から構成
    した請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光導波路素
    子。
  9. 【請求項９】前記光導波路層及び前記クラッド層の少な
    くとも一方を、Ｐｂ 1-xＬａx（ＺｒyＴｉ1-y）1-x/4Ｏ3
    （０＜ｘ＜０．３、０＜ｙ＜１．０）から構成した請求
    項１乃至８のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  10. 【請求項１０】前記光導波路層を該光導波路層よりも小
    さい屈折率を有するバッファ層を介して設けた請求項１
    乃至９のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  11. 【請求項１１】不純物元素をドープしたＳｒＴｉＯ3基
    板を用いて構成した請求項１乃至１０のいずれか１項に
    記載の光導波路素子。
  12. 【請求項１２】請求項１乃至１１のいずれか１項に記載
    の光導波路素子を製造する光導波路素子の製造方法であ
    って、 光導波路を備えた光導波路層表面に、該光導波路層より
    も小さい屈折率を有するアモルファス薄膜を形成し、 該アモルファス薄膜を、前記光導波路の入射端部及び出
    射端部の少なくとも一方の上方において、端部に向かっ
    て厚さが増加するテーパ状部が残存するように整形し、 該整形されたアモルファス薄膜を、加熱により固相エピ
    タキシャル成長してクラッド層を形成し、 光導波路素子を製造する光導波路素子の製造方法。
  13. 【請求項１３】前記アモルファス薄膜上に特定の開口パ
    ターンを有するレジスト膜を形成し、該レジスト膜を用
    いてアモルファス薄膜をエッチングすることによりテー
    パ状部が残存するように整形する請求項１２に記載の光
    導波路素子の製造方法。
  14. 【請求項１４】前記アモルファス薄膜と前記レジスト膜
    との間に、該アモルファス薄膜より被エッチング速度の
    速いテーパ形成促進層を設けてエッチングを行う請求項
    １３に記載の光導波路素子の製造方法。
  15. 【請求項１５】前記エッチングがウエット・エッチング
    である請求項１３または１４に記載の光導波路素子の製
    造方法。
  16. 【請求項１６】請求項３乃至１１のいずれか１項に記載
    の光導波路素子を製造する光導波路素子の製造方法であ
    って、 単結晶基板表面に形成されたアモルファス薄膜を所定の
    チャンネルパターンに整形し、整形後のアモルファス薄
    膜を固相エピタキシャル成長してバッファ層を形成し、
    該バッファ層上に光導波路層を固相エピタキシャル成長
    してチャンネル光導波路を形成する光導波路形成工程
    と、 前記光導波路を備えた光導波路層表面に、該光導波路層
    よりも小さい屈折率を有するアモルファス薄膜を形成
    し、該アモルファス薄膜を、前記光導波路の入射端部及
    び出射端部の少なくとも一方の上方において、端部に向
    かって厚さが増加するテーパ状部が残存するように整形
    し、該整形されたアモルファス薄膜を、加熱により固相
    エピタキシャル成長してクラッド層を形成するクラッド
    層形成工程と、 を含む光導波路素子の製造方法。
  17. 【請求項１７】前記固相エピタキシャル成長を、金属有
    機化合物溶液を塗布する塗布工程、塗布膜を加熱してア
    モルファス化するアモルファス化工程、及びアモルファ
    ス薄膜を加熱により結晶化する結晶化工程により行う請
    求項１２乃至１６のいずれか１項に記載の光導波路素子
    の製造方法。
  18. 【請求項１８】下部電極となる導電性または半導電性の
    単結晶基板上、または表面に下部電極となる導電性また
    は半導電性の単結晶薄膜が形成された基板上に設けられ
    たエピタキシャルまたは単一配向性の電気光学効果を有
    する光導波路層と、 前記光導波路層上に配置され、前記単結晶基板または単
    結晶薄膜との間に、印加された電圧に応じて屈折率が変
    化すると共に前記光導波路層を伝搬する光ビームを印加
    された電圧に応じて偏向するための領域を形成する光ビ
    ーム制御用電極と、 前記光導波路層表面の光導波路の入射端部及び出射端部
    の少なくとも一方の上方に設けられ、前記光導波路層よ
    りも小さい屈折率を有し、且つ端部に向かってテーパ状
    に厚さが増加するクラッド層と、 を含む光偏向素子。
  19. 【請求項１９】 下部電極となる導電性または半導電性
    の単結晶基板上、または表面に下部電極となる導電性ま
    たは半導電性の単結晶薄膜が形成された基板上に設けら
    れたエピタキシャルまたは単一配向性の電気光学効果を
    有する光導波路層と、 該光導波路層内に形成された少なくとも１つの分岐部を
    有する光導波路と、 該分岐部の分岐枝に各々対応して設けられた上部電極
    と、 前記光導波路層表面の光導波路の入射端部及び出射端部
    の少なくとも一方の上方に設けられ、前記光導波路層よ
    りも小さい屈折率を有し、且つ端部に向かってテーパ状
    に厚さが増加するクラッド層と、 を含む光スイッチ素子。
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