JP3875385B2 - 光導波路素子及び光導波路素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路素子及び光導波路の製造方法に関し、特に、ＬｉＮｂＯ3 基板にＴｉの拡散による光導波路（Ｔｉ拡散型ＬｉＮｂＯ3 導波路）が形成された光導波路素子及び光導波路素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、光導波路は、放射を一定領域に閉じ込め、そのエネルギの流れを経路の軸に平行に案内して伝搬させる機能を有する。そのため、現在では、光ファイバケーブルで代表される光の導波線路を光導波路に変えることによって、光学部品の小型化を図るようにしている。
【０００３】
前記光導波路としては、例えばＧａＡｓ系、ＩｎＰ系の半導体導波路、Ｓｉ上に酸化膜を形成したり、ガラス基板を用いる誘電体（ガラス）導波路、ＬｉＮｂＯ3 やＬｉＴａＯ3 結晶で構成した強誘電体結晶導波路がある。
【０００４】
特に、光導波路型変調器等のように、光導波路を伝送する光ビームに電極を通じて情報を乗せるような光学素子としては、優れた電気光学特性を有するＬｉＮｂＯ3 結晶にＴｉを拡散させたＴｉ拡散型ＬｉＮｂＯ3 導波路が用いられる。
【０００５】
このＴｉ拡散型ＬｉＮｂＯ3 導波路は、通常、図１３に示すように、ＬｉＮｂＯ3 基板１００上に厚さ数１００Åの金属Ｔｉ膜１０２を形成し、１０００℃程度の温度で４〜１０時間の熱拡散を経て作製される。
【０００６】
そして、前記Ｔｉ拡散型ＬｉＮｂＯ3 導波路は、図１４に示すように、熱拡散によって生じるＬｉＮｂＯ3 基板１００上のＴｉ拡散部分における段差１０４が小さく、しかも、該段差１０４の表面がなめらかであることが、特性上、良いとされ、段差１０４の表面に起伏のある（一般に表面荒れと称している）ものは、光ビームの伝搬損失を増大させるため、好ましくないと考えられていた。
【０００７】
そこで、従来では、前記表面荒れを防止するために、Ｔｉ拡散中に水蒸気を導入したり、Ｌｉを含む粉末（例えばＬｉＮｂＯ3 の粉末）を拡散炉内に配置したりすることが行われている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光導波路の損失は、前記伝搬損失と光ファイバの光モードとの結合損失との組合せで決定される。ここで、前記結合損失とは、光導波路を伝送する光ビームのモード形状（光導波路における光軸と直交する面についての光ビームの形状）と光ファイバを伝送する光ビームのモード形状（光ファイバにおける光軸と直交する面についてのコア形状）との比で表され、この比が１よりも大きいあるいは小さくなるほど結合損失は大きくなる。
【０００９】
前記ＬｉＮｂＯ3 基板１００の表面形状がなめらかな光導波路は、図１４に示すように、Ｔｉ拡散部分における段差１０４の高さ分布が均一となっており、また、Ｔｉの拡散分布についての光軸と直交する面の形状、即ち、光導波路を伝搬する光ビームのモード形状ＢＳはほぼ円形とされている。これは、表面がなめらかであることによって、Ｔｉの拡散がほぼ等方的に行われるからと考えられる。
【００１０】
前記光導波路は、光の振動面（偏波面）をランダムに変えて伝搬させる一般的な光ファイバに対する結合損失は小さいのであるが、前記偏波面を一定の方向に保ちながら光ビームを伝搬させる偏波面保存ファイバ（polarization-maintaining fiber）の中で、光ビームのモード形状が円形でない光ファイバに対する結合損失は大きくなる。特に、光ビームのモード形状におけるアスペクト比が１でない光ファイバ、例えばコア形状が楕円形状の光ファイバに対する結合損失は非常に大きなものとなる。
【００１１】
偏波面保存ファイバを用いて光学部品を作製する場合においては、該光学部品の光学特性（デバイス特性）に前記結合損失が大きく影響するため、多少の伝搬損失を犠牲にしてでも結合損失を小さくする必要がある。
【００１２】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、光ビームのモード形状が楕円状の光ファイバに対する結合損失を小さくすることができ、光学素子の損失不良をなくすことができる光導波路素子及び光導波路素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明の他の目的は、光導波路変調器等の光学部品に使用される偏波面保存ファイバに対する結合損失を小さくすることができ、前記光導波路変調器等を搭載した光学電子機器の性能向上を実現させることができる光導波路素子及び光導波路素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明に係る光導波路素子は、ＬｉＮｂＯ3 基板にＴｉの拡散による光導波路が形成された光導波路素子において、前記ＬｉＮｂＯ 3 基板上にＴｉ膜の酸化による段差が形成され、前記段差にＴｉの拡散による光導波路が形成され、前記段差の少なくとも側端部分が、前記段差の中央部分よりも盛り上がっていることを特徴とする。
【００１５】
これにより、ＬｉＮｂＯ3 基板のうち、Ｔｉ拡散部分における段差の高さ分布は不均一となる。具体的には、Ｔｉ拡散部分の段差における少なくとも一方の側端部分が中央部分よりも盛り上がった状態とされ、この場合、Ｔｉの拡散分布が前記盛り上がり部分の存在によって異方的となり、Ｔｉの拡散分布についての光軸と直交する面の形状、即ち、光導波路を伝搬する光ビームのアスペクト比を変えることが可能となる。
【００１６】
しかも、前記側端部分の盛り上がりを制御したり、Ｔｉ拡散源であるＴｉ膜の幅を適宜選定することによって、所望のアスペクト比を有するモード形状を得ることができる。
【００１７】
このように、本発明に係る光導波路素子においては、光ビームのアスペクト比の変わった光ファイバに対する結合損失を小さくすることができ、光学素子の損失不良をなくすことができる。これは、光学素子の歩留まりの向上につながり、光学素子を搭載した光学電子機器等の生産性の向上に寄与させることができる。
【００１８】
そして、第１の本発明において、前記Ｔｉの拡散分布が、前記光導波路に光学的に結合される偏波面保存ファイバとほぼ同じアスペクト比を有していてもよい。この場合、前記偏波面保存ファイバのコア断面形状が楕円形状であってもよい。
【００１９】
これにより、光導波路変調器等の光学部品に使用される偏波面保存ファイバに対する結合損失を小さくすることができ、前記光導波路変調器等を搭載した光学電子機器の性能向上を実現させることができる。
【００２０】
次に、第２の本発明に係る光導波路素子の製造方法は、ＬｉＮｂＯ3 基板上にＴｉ膜を形成する膜形成工程と、前記Ｔｉ膜が形成された前記ＬｉＮｂＯ3 基板を熱処理して、前記ＬｉＮｂＯ3 基板にＴｉを拡散させる熱拡散工程を含み、前記ＬｉＮｂＯ3 基板への前記Ｔｉの拡散が完了する前に前記熱拡散工程を終了することによって、前記ＬｉＮｂＯ 3 基板上にＴｉ膜の酸化による段差が形成され、前記段差にＴｉの拡散による光導波路が形成され、前記段差の少なくとも側端部分が、前記段差の中央部分よりも盛り上がっている光導波路素子を作製することを特徴とする。
【００２１】
これにより、ＴｉのＬｉＮｂＯ3 基板への拡散を途中で止めるような状態で光導波路が形成されることになる。この場合、光導波路の中央にＴｉの拡散残りができる程度で拡散工程が終了することとなるため、光導波路の中央における表面屈折率を上げることができ、ＬｉＮｂＯ3 基板と光導波路の屈折率差を大きくとることができる。
【００２２】
その結果、Ｔｉの拡散分布についての光軸と直交する面の形状、即ち、光導波路を伝搬する光ビームの基板方向のモード形状を小さくすることが可能となり、しかも、Ｔｉの拡散源であるＴｉ膜の幅を適宜選定したり、熱拡散工程の終了時点を適宜選定することによって、所望のアスペクト比を有するモード形状を得ることができ、偏波面保存ファイバの光ビームのモード形状に光導波路の光ビームのモード形状をより近づけることができる。
【００２３】
このように、本発明に係る光導波路素子の製造方法においては、光ビームのアスペクト比の異なる光ファイバに対する結合損失を小さくすることができ、光学素子の損失不良をなくすことができる。これは、光学素子の歩留まりの向上につながり、光学素子を搭載した光学電子機器等の生産性の向上に寄与させることができる。また、光導波路変調器等の光学部品に使用される偏波面保存ファイバに対する結合損失を小さくすることができ、前記光導波路変調器等を搭載した光学電子機器の性能向上を実現させることができる。
【００２４】
そして、第２の本発明において、前記熱拡散工程の終了時点の決定を、拡散時間を制御することによって行うようにしてもよい。この場合、熱処理雰囲気の温度を制御しながら行ってもよい。
【００２５】
特に、前記熱処理を酸化雰囲気で行う場合においては、前記熱拡散工程の終了を、前記Ｔｉ膜の酸化に伴う高さ方向への成長期間内であって、かつ、前記Ｔｉ膜の側端部分における成長高さが、該Ｔｉ膜の中央部分の成長高さよりも高い時点とすることが好ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光導波路素子及び光導波路素子の製造方法を例えばクローズドループ方式の位相変調形光ファイバジャイロに搭載される光ＩＣチップに適用した実施の形態例（以下、実施の形態に係る光ＩＣチップと記す）を図１〜図１２を参照しながら説明する。
【００２７】
本実施の形態に係る光導波路素子が搭載される光ファイバジャイロは、図１に示すように、長尺の光ファイバ１０（断面楕円形状のコアを有する偏波面保存ファイバ）が所定ターン巻回されてなるファイバコイル１２と、光源１４から導出された光ファイバ１６と光検出器１８に通じる光ファイバ２０とを光学的に結合するカプラ２２と、前記ファイバコイル１２と前記カプラ２２間に配された光ＩＣチップ２４を有している。この光ＩＣチップ２４は、例えばＬｉＮｂＯ3 基板２６に所定形状の光導波路２８（例えば、Ｙ字光導波路）が形成されて構成され、該光導波路２８上には位相変調器３０と偏光子３２とがマウントされている。上記光源１４としては、例えばスーパルミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を用いることができる。
【００２８】
この場合、ファイバコイル１２から導出された光ファイバ１０の２つの端部は、光ＩＣチップ２４との接合方向を規制する第１のアレイ３４に固着され、また、カプラ２２から導出された光ファイバの１つの端部（光源１４から導出された光ファイバ１６の端部）は、光ＩＣチップ２４との接合方向を規制する第２のアレイ３６に固着され、これら第１及び第２のアレイ３４及び３６を通じて上記各光ファイバ１０及び１６のそれぞれの端部が光ＩＣチップ２４と光学的に結合されるようになっている。
【００２９】
具体的には、図２Ａに示すように、上記第１のアレイ３４は、一主面に少なくとも一方の端面に向かって延びる２本の例えばＶ字溝（図示せず）が形成された基板３４Ａと、該基板３４Ａの前記Ｖ字溝を塞ぐための蓋基板３４Ｂとで構成されている。上記２本のＶ字溝は、その間隔が光ＩＣチップ２４の光導波路２８における２本の分岐路の光軸に合致する間隔と同じにされている。
【００３０】
前記第１のアレイ３４を組み立てる場合は、まず、上記基板３４ＡのＶ字溝に光ファイバ１０の２本の端部を這わせた後、光ファイバ１０の偏波保存面を光導波路２８を伝搬する光の偏波面の方向に合わせる（例えばコア断面の長軸方向を例えば水平方向に合わせる）。その後、上方から蓋基板３４Ｂを被せて接着剤にて両者を接着し、上記第１のアレイ３４の端面中、光ファイバ１０の自由端側の端面３４ａを研磨することによって光ファイバ１０への第１のアレイ３４の固着作業が終了する。
【００３１】
第２のアレイ３６は、一主面に少なくとも一方の端面に向かって延びる１本のＶ字溝（図示せず）が形成された基板３６Ａと、該基板３６Ａの前記Ｖ字溝を塞ぐための蓋基板３６Ｂとで構成されている。そして、この第２のアレイ３６を組み立てる場合は、まず、上記基板３６ＡのＶ字溝に光ファイバ１６の１本の端部を這わせた後、光ファイバ１６の偏波保存面を光導波路２８を伝搬する光の偏波面の方向に合わせる（例えばコア断面の長軸方向を例えば水平方向に合わせる）。その後、その上方から蓋基板３６Ｂを被せて接着剤にて接着し、第２のアレイ３６の端面中、光ファイバ１６の自由端側の端面３６ａを研磨することによって光ファイバ１６への第２のアレイ３６の固着作業が終了する。
【００３２】
一方、光ＩＣチップ２４は、以下のようにして作製される。即ち、まず、例えばウェーハ（例えば、ＬｉＮｂＯ3 基板２６）の一主面（機能面）に、所定形状の光導波路２８（図１参照）を形成すると同時に、該光導波路２８上に偏光子３２及び位相変調器３０（図１参照）を形成して１枚のウェーハ上に多数の光ＩＣパターンを形成する。
【００３３】
その後、数個の光ＩＣパターンを１組として、ウェーハから組単位に光ＩＣパターンを切り出す（切断工程）。その後、各組の端面、特に上記第１及び第２のアレイ３４及び３６が接合される端面ａ及びｂ（図２Ａ参照）を研磨処理する（研磨工程）。その後、各組から各々光ＩＣパターンを切断して多数の光ＩＣチップ２４に分離する（チップ切断工程）。個々に分離された一つの光ＩＣチップ２４が光ファイバジャイロの光集積回路として使用されることとなる。
【００３４】
そして、図２Ａに示すように、１つの光ＩＣチップ２４に対して、すでに光ファイバ１０及び１６が固着された第１及び第２のアレイ３４及び３６がそれぞれ接合される。光ＩＣチップ２４の両端面ａ及びｂのうち、偏光子３２近傍の端面ａに第２のアレイ３６が、位相変調器３０近傍の端面ｂに第１のアレイ３４が光軸を合わせてそれぞれ接合される。
【００３５】
各アレイ３４及び３６の接合においては、光出力が最も強くなるようにＸＹＺの直交３軸方向と２芯の回転方向の光軸調整がとられながら接合（この場合、接着剤による接着）が行われる。
【００３６】
このようにして、図１に示すように、光ＩＣチップ２４を搭載した光ファイバジャイロが作製されることになる。
【００３７】
ここで、図３〜図７の製造工程図を参照しながら光ＩＣチップ２４の製造方法、特に光ＩＣパターンの製造方法についての一具体例を説明する。この図３〜図７で示す製造工程図は、光ＩＣチップ２４のうち、偏光子３２（図１参照）が形成されている領域Ｚ１と、位相変調器３０（同じく図１参照）が形成されている領域Ｚ２と、アライメントマーク（図１では図示せず）が形成されている領域Ｚ３の製造過程を示すものである。
【００３８】
まず、図３Ａに示すように、ＬｉＮｂＯ3 基板２６を洗浄処理する。
【００３９】
その後、図３Ｂ示すように、ＬｉＮｂＯ3 基板２６上にフォトレジストを塗布してフォトレジスト膜５０とする。
【００４０】
その後、図３Ｃに示すように、フォトレジスト膜５０を露光、現像処理して、後に光導波路が形成される部分とアライメントマークが形成される部分に開口（窓を含む）５０ａを形成する。
【００４１】
次に、図４Ａに示すように、フォトレジスト膜５０の開口５０ａを含む全面にＴｉ膜５２を形成する。
【００４２】
その後、図４Ｂに示すように、ＬｉＮｂＯ3 基板２６上のフォトレジスト膜５０をリフトオフ処理して、該フォトレジスト膜５０上に形成されていたＴｉ膜５２をフォトレジスト膜５０と共に除去する。この時点で、光導波路が形成される部分とアライメントマークが形成される部分のみにＴｉ膜５２が残される。
【００４３】
その後、図４Ｃに示すように、ＬｉＮｂＯ3 基板２６を熱拡散炉に投入して、熱処理を行う。この熱処理にてＴｉ膜５２が酸化されることによって、ＬｉＮｂＯ3 基板２６内にＴｉが拡散され、ＬｉＮｂＯ3 基板２６にＴｉの拡散による光導波路２８が形成されると同時に、アライメントマークとなる部分にＴｉ拡散領域５４が形成される。
【００４４】
その後、図５Ａに示すように、前記Ｔｉ拡散領域５４上にＣｒ層５６を形成する。このＣｒ層５６の形成によってアライメントマークが可視化され、位置決めのための光学的検出が可能となる。
【００４５】
その後、図５Ｂに示すように、光導波路２８上のうち、後に偏光子が形成される部分に、偏光子のバッファ層となる酸化物膜５８を形成する。
【００４６】
その後、図５Ｃに示すように、前記酸化物膜５８上に、Ａｌ膜６０を形成する。
【００４７】
その後、図６Ａに示すように、ＬｉＮｂＯ3 基板２６上にフォトレジストを塗布し、フォトレジスト膜６２とする。
【００４８】
その後、図６Ｂに示すように、フォトレジスト膜６２を露光、現像処理して、後に位相変調器３０の電極が形成される部分に開口（窓を含む）６２ａを形成する。
【００４９】
次に、図７Ａに示すように、フォトレジスト膜６２の開口６２ａを含む全面に、多層構造の電極膜６４を形成する。
【００５０】
その後、図７Ｂに示すように、ＬｉＮｂＯ3 基板２６上のフォトレジスト膜６２をリフトオフ処理して、該フォトレジスト膜６２上に形成されていた電極膜６４をフォトレジスト膜６２と共に除去する。
【００５１】
この時点で、光導波路２８上に酸化物膜５８とＡｌ膜６０との積層膜による偏光子が形成され、分岐された光導波路２８の両側に電極膜６４による電極が形成される。
【００５２】
そして、本実施の形態に係る光ＩＣチップ２４においては、図４Ｃに示すＴｉ膜５２の熱拡散処理後におけるＬｉＮｂＯ3 基板２６の形状、特に光軸と直交する面の形状を以下のようにしている。
【００５３】
即ち、図８に示すように、ＬｉＮｂＯ3 基板２６の表面のうち、Ｔｉ拡散部分に対応する表面に段差８０（Ｔｉ膜５２の酸化反応に伴う段差）を有し、かつ、該段差８０の両方の側端部分８０ａの高さＴｓを中央部分８０ｂの高さＴｃよりも高くして、前記側端部分８０ａが中央部分８０ｂよりも盛り上がった形状にしている。
【００５４】
本実施の形態では、前記形状とするために、次に示すような処理を行うようにしている。
【００５５】
まず、図３Ａ〜図４Ｂに示す工程を経て、ＬｉＮｂＯ3 基板２６上にＴｉ膜５２を選択的に形成した後（図９Ａ参照）、図４Ｃに示す工程にてＴｉのＬｉＮｂＯ3 基板２６への熱拡散処理が行われるが、このとき、酸化雰囲気で行われることから、図９Ｂに示すように、ＬｉＮｂＯ3 基板２６上のＴｉ膜５２は、その酸化反応によって、酸化チタン（ＴｉＯ2 ）に変化していき、この酸化反応によって生じる段差８０は、時間の経過に伴って高さ方向に成長していくことになる。
【００５６】
前記段差８０の高さ方向への成長は、段差８０の側端部分８０ａと中央部分８０ｂとでは、その成長の進度が異なることが実験によって判明した。その実験結果を図１０に示す。図１０Ａは、実験に使用したサンプルの断面図であり、該サンプルは、本実施の形態に係る光ＩＣチップ２４と同様に、ＬｉＮｂＯ3 基板２６上にＴｉ膜５２を同じ蒸着条件で形成するようにしている。そして、Ｔｉ膜５２の側端部分をＡ位置、中央部分をＢ位置として定義し、Ｔｉ膜５２の酸化に伴う成長度合い（成長幅）をΔＴと定義した。また、図１０Ｂにおいて、Ａ位置の特性を実線ａで示し、Ｂ位置の特性を実線ｂで示す。
【００５７】
理論的には、中央部分８０ｂは上方からの酸化反応のみであるが、側端部分８０ａは上方からの酸化反応と横方向からの酸化反応の少なくとも２方向からの酸化反応が進むため、高さ方向の成長速度が中央部分８０ｂよりも速くなると考えられる。
【００５８】
高さ方向への成長の度合い（成長幅）は、Ｔｉ膜５２の厚み等によってその最大値が決定され、成長幅ΔＴが一旦最大値に達すると、その後は、時間の経過に伴って段差８０の高さは徐々に低くなっている。これは、成長幅ΔＴが一旦最大値に達した時点においてＴｉ膜５２の酸化反応が終了し、その後は、ＬｉＮｂＯ3 基板２６へのＴｉ拡散のみが進行するからと考えられる。この高さ（成長幅）ΔＴの時間に伴う減少は、Ｔｉの拡散が終了した時点で飽和する。
【００５９】
そして、図１０Ｂの特性図において、熱拡散開始時点ｔ０から中央部分８０ｂが最大値に達する時点ｔ３までの時間は、Ｔｉ膜５２の酸化反応が進行している時間であり（この時間内においても、ＬｉＮｂＯ3 基板２６へのＴｉ拡散が進行している）、特に、側端部分８０ａは、酸化反応の進度が中央部分８０ｂよりも速いため、その最大値に達するまでの時間は、中央部分８０ｂが最大値に達する時間よりも短い。
【００６０】
前記側端部分８０ａが最大値に達した時点ｔ１において、該側端部分８０ａの酸化反応が終了し、その後は、ＴｉのＬｉＮｂＯ3 基板２６への拡散によって徐々にその高さＴｓが減少していく。図９Ｃに段差８０の側端部分８０ａが最大値に達した時点ｔ１での段差８０の形状を示し、図９Ｄ〜図９Ｆに高さが徐々に減少していく状態の段差８０の形状を示す。
【００６１】
この側端部分８０ａの高さＴｓの減少過程における段差形状の移り変わりは、まず、側端部分８０ａが最大値に達した時点ｔ１（図９Ｃ参照）から、図９Ｄに示す形状を経た後、時点ｔ２において、側端部分８０ａの高さＴｓと中央部分８０ｂの高さＴｃとが一致し（図９Ｅ参照）、次の時点ｔ３において、中央部分８０ｂが最大値に達する。この時点ｔ３では、側端部分８０ａの高さＴｓよりも中央部分８０ｂの高さＴｃの方が大きくなっている。その後は、中央部分８０ｂもＴｉのＬｉＮｂＯ3 基板２６への拡散によってその高さＴｃが減少し始め、時点ｔ４以降においては、側端部分８０ａの高さＴｓと中央部分８０ｂの高さＴｃはほぼ同じになり（図９Ｆ参照）、この段階では、段差８０の表面は非常になめらかな状態となっている。
【００６２】
そして、本実施の形態においては、Ｔｉ膜５２の酸化反応期間内（時点ｔ０〜時点ｔ３）のうち、段差８０の側端部分８０ａが最大値に達した時点ｔ１から該側端部分８０ａの高さＴｓと中央部分８０ｂの高さＴｃとが一致する時点ｔ２までの任意の時点（図９Ｄ参照）にて熱拡散処理を強制的に終了させる。即ち、ＬｉＮｂＯ3 基板２６へのＴｉの拡散が完了する前に熱拡散工程を終了させる。
【００６３】
拡散終了時点の決定は、時間制御にて容易に行うことができるが、その他の方法としては、拡散時間を一定、例えば、従来と同じ時間（図１０Ｂの時間軸で示すと、例えば時点ｔ４までの時間）に設定しておく代わりに、拡散炉内の温度を低く設定して、時点ｔ４において、前記時点ｔ１から時点ｔ２までの間に生じる現象と同じ現象を起こさせるようにしてもよい。
【００６４】
このように、本実施の形態に係る光ＩＣチップ２４においては、ＬｉＮｂＯ3 基板２６のＴｉ拡散部分（２８、５４）に対応する表面に形成された段差８０（Ｔｉ膜５２の酸化反応によって形成された段差）の側端部分８０ａを中央部分８０ｂよりも盛り上がった形状にしたので、前記Ｔｉ拡散部分における段差８０の高さ分布が不均一となり、Ｔｉの拡散分布は、前記盛り上がり部分（側端部分８０ａ）の存在によって異方的となる。その結果、図８に示すように、Ｔｉの拡散分布についての光軸と直交する面の形状、即ち、光導波路２８を伝搬する光ビームの基板方向のモード形状ＢＳを小さくすることが可能となる。
【００６５】
しかも、前記側端部分８０ａの盛り上がりを制御したり、Ｔｉ拡散源であるＴｉ膜５２の幅を適宜選定することによって、所望のアスペクト比を有するモード形状ＢＳを得ることができる。
【００６６】
従って、本実施の形態に係る光ＩＣチップ２４においては、光ビームのアスペクト比の異なる光ファイバに対する結合損失を小さくすることができ、光学素子の損失不良をなくすことができる。これは、光ＩＣチップ２４の歩留まりの向上につながり、光ＩＣチップ２４を搭載した光ファイバジャイロ等の光学電子機器の生産性の向上に寄与させることができる。
【００６７】
特に、本実施の形態においては、光ＩＣチップ２４の製造方法において、ＬｉＮｂＯ3 基板２６へのＴｉの拡散が完了する前に熱拡散工程を終了するようにしている。これにより、ＴｉのＬｉＮｂＯ3 基板２６への拡散を途中で止めるような状態で光導波路２８が形成されることとなって、光導波路２８の中央にＴｉの拡散残りができる程度で拡散工程が終了することとなるため、光導波路２８の中央における表面屈折率を上げることができ、ＬｉＮｂＯ3 基板２６と光導波路２８の屈折率差を大きくとることができる。
【００６８】
また、上述のように、熱拡散の終了を制御することによって、図８に示すように、ＬｉＮｂＯ3 基板２６のＴｉ拡散部分に対応する表面に形成された段差８０の側端部分８０ａを中央部分８０ｂよりも盛り上がった形状にすることができ、Ｔｉの拡散分布を異方的にすることができる。
【００６９】
本実施の形態においては、段差８０の側端部分８０ａを盛り上げるようにしているため、Ｔｉの拡散分布の形状（光軸に直交する面の形状）に、当該光ＩＣチップ２４に光学的に結合される偏波面保存ファイバとほぼ同じアスペクト比を持たせることができる。
【００７０】
更に、ＬｉＮｂＯ3 基板２６上に形成されるＴｉ膜５２の幅や厚みＴを適宜選択することにより、光導波路２８を伝搬する光ビームのモード形状ＢＳを、例えば短軸３μｍ（縦）×長軸５μｍ（横）の断面楕円形のコアを有する偏波面保存ファイバを伝搬する光ビームのモード形状とほぼ同じ形状にすることができ、該偏波面保存ファイバとの結合損失を大幅に減少させることができる。本実施の形態では、前記光導波路２８を伝搬する光ビームのモード形状ＢＳを、前記偏波面保存ファイバを伝搬する光ビームのモード形状に対し、±５％程度の誤差範囲でほぼ同じにすることが可能である。
【００７１】
また、本実施の形態に係る光ＩＣチップ２４の製造方法においては、図４Ｃに示す熱拡散処理において、Ｔｉ拡散が完了する前に熱拡散処理を強制的に終了させて、段差８０の側端部分８０ａを中央部分８０ｂよりも盛り上げた形状にしているが、この形状は、アライメントマークが形成される部分の段差においても同様に形成される。
【００７２】
いままでは、図１１に示すように、アライメントマークＡＭが形成される部分の段差８０もその表面がなめらかに形成されていたことから、光学的にアライメントマークＡＭを検出するためには、ＬｉＮｂＯ3 基板２６やフォトレジスト膜８２等と比べて光反射率の高い材料、例えばＣｒ膜などの金属膜８４を形成する必要があったが、本実施の形態に係る光ＩＣチップ２４のように、即ち、例えば図１２に示すように、段差８０の側端部分８０ａが盛り上がり形状とされていれば、光学的にその輪郭が明瞭に検出されるため、前記アライメントマーク用の金属膜８４を形成する必要がなくなり、前記金属膜８４を形成するためのマスク作製工程、洗浄や乾燥処理等を含む金属膜８４の成膜工程等を省略することができ、製造工程の簡略化並びに工数の削減を図ることができる。
【００７３】
前記実施の形態では、光ファイバジャイロに使用される光ＩＣチップ２４に適用した場合を示したが、その他、光通信の送受信モジュール、光ディスク（コンパクトディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、光磁気ディスク等の円盤状記録媒体）の光ヘッド、光計算機用の演算素子、広帯域波長可変レーザ等において使用される光導波路素子にも適用することができる。
【００７４】
なお、この発明は上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る光導波路素子によれば、ＬｉＮｂＯ3 基板にＴｉの拡散による光導波路が形成された光導波路素子において、前記光導波路の少なくとも一方の側端部分を前記光導波路の中央部分よりも盛り上げるようにしている。
【００７６】
このため、光ビームのアスペクト比の異なる光ファイバに対する結合損失を小さくすることができ、光学素子の損失不良をなくすことができるという効果を得ることができると共に、光導波路変調器等の光学部品に使用される偏波面保存ファイバに対する結合損失を小さくすることができ、前記光導波路変調器等を搭載した光学電子機器の性能向上を実現させることができるという効果が達成される。
【００７７】
また、本発明に係る光導波路素子の製造方法によれば、ＬｉＮｂＯ3 基板上にＴｉ膜を形成する膜形成工程と、前記Ｔｉ膜が形成された前記ＬｉＮｂＯ3 基板を熱処理して、ＬｉＮｂＯ3 基板にＴｉを拡散させる熱拡散工程を含み、前記ＬｉＮｂＯ3 基板への前記Ｔｉの拡散が完了する前に前記熱拡散工程を終了することを特徴としている。
【００７８】
このため、光ビームのアスペクト比の異なる光ファイバに対する結合損失を小さくすることができ、光学素子の損失不良をなくすことができるという効果を得ることができると共に、光導波路変調器等の光学部品に使用される偏波面保存ファイバに対する結合損失を小さくすることができ、前記光導波路変調器等を搭載した光学電子機器の性能向上を実現させることができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光導波路素子及び光導波路素子の製造方法を例えばクローズドループ方式の位相変調形光ファイバジャイロに搭載される光ＩＣチップに適用した実施の形態例（以下、実施の形態に係る光ＩＣチップと記す）が搭載される光ファイバジャイロを示す構成図である。
【図２】図２Ａは本実施の形態に係る光ＩＣチップと第１及び第２のアレイとの位置合わせ工程を示す説明図であり、図２Ｂは本実施の形態に係る光ＩＣチップと第１及び第２のアレイとの光軸調整と接着工程を示す説明図である。
【図３】図３ＡはＬｉＮｂＯ3 基板の洗浄処理を示す工程図であり、図３Ｂはフォトレジスト膜の形成処理を示す工程図であり、図３Ｃはフォトレジスト膜に対する露光現像処理を示す工程図である。
【図４】図４ＡはＴｉ膜の形成処理を示す工程図であり、図４ＢはＴｉ膜に対するリフトオフを示す工程図であり、図４ＣはＴｉ膜の熱拡散処理を示す工程図である。
【図５】図５ＡはＣｒ膜の形成・パターニング処理を示す工程図であり、図５Ｂは酸化物膜の形成・パターニング処理を示す工程図であり、図５ＣはＡｌ膜の形成・パターニング処理を示す工程図である。
【図６】図６Ａはフォトレジスト膜の形成処理を示す工程図であり、図６Ｂはフォトレジスト膜に対する露光現像処理を示す工程図である。
【図７】図７Ａは電極膜の形成処理を示す工程図であり、図７Ｂは電極膜のパターニング処理を示す工程図である。
【図８】本実施の形態に係る光ＩＣチップにおいて、特にＴｉ拡散部分における段差の光軸に直交する面の断面形状を拡大して示す断面図である。
【図９】図９ＡはＬｉＮｂＯ3 基板上にＴｉ膜を形成した状態を示す断面図であり、図９Ｂは前記Ｔｉ膜の酸化反応に伴って段差が高さ方向に成長する段階を示す断面図である。図９Ｃは段差の側端部分が高さ方向の最大値に到達した段階を示す断面図であり、図９Ｄは段差の側端部分の高さが徐々に減少していく状態を示す断面図であり、図９Ｅは段差の側端部分の高さと中央部分の高さとが一時的に一致した状態を示す断面図であり、図９ＦはＴｉ拡散が完全に終了した段階を示す断面図である。
【図１０】図１０Ａは一つの実験例（Ｔｉ膜の酸化反応によって生じる段差の高さ方向への成長度合いをみた実験例）に使用したサンプルを示す断面図であり、図１０Ｂは前記実験例の実験結果を示す特性図である。
【図１１】一般的なアライメントマークの可視化処理（金属膜の形成処理）を示す断面図である。
【図１２】本実施の形態に係る光ＩＣチップの製造方法において、アライメントマークの可視化のための金属膜の形成処理を省略した状態を示す断面図である。
【図１３】Ｔｉ拡散型ＬｉＮｂＯ3 導波路の作製過程、特にＬｉＮｂＯ3 基板上にＴｉ膜を形成した状態を示す断面図である。
【図１４】従来の光導波路における光ビームのモード形状を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…光ファイバ １２…ファイバコイル
１４…光源 １６…光ファイバ
２４…光ＩＣチップ ２６…ＬｉＮｂＯ3 基板
２８…光導波路 ３０…位相変調器
３２…偏光子 ３４…第１のアレイ
３６…第２のアレイ ５２…Ｔｉ膜
５６…Ｃｒ層 ５８…酸化物膜
６０…Ａｌ膜 ６４…電極膜
８０…段差 ８０ａ…側端部分
８０ｂ…中央部分 ＡＭ…アライメントマーク
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路素子及び光導波路の製造方法に関し、特に、ＬｉＮｂＯ3 基板にＴｉの拡散による光導波路（Ｔｉ拡散型ＬｉＮｂＯ3 導波路）が形成された光導波路素子及び光導波路素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、光導波路は、放射を一定領域に閉じ込め、そのエネルギの流れを経路の軸に平行に案内して伝搬させる機能を有する。そのため、現在では、光ファイバケーブルで代表される光の導波線路を光導波路に変えることによって、光学部品の小型化を図るようにしている。
【０００３】
前記光導波路としては、例えばＧａＡｓ系、ＩｎＰ系の半導体導波路、Ｓｉ上に酸化膜を形成したり、ガラス基板を用いる誘電体（ガラス）導波路、ＬｉＮｂＯ3 やＬｉＴａＯ3 結晶で構成した強誘電体結晶導波路がある。
【０００４】
特に、光導波路型変調器等のように、光導波路を伝送する光ビームに電極を通じて情報を乗せるような光学素子としては、優れた電気光学特性を有するＬｉＮｂＯ3 結晶にＴｉを拡散させたＴｉ拡散型ＬｉＮｂＯ3 導波路が用いられる。
【０００５】
このＴｉ拡散型ＬｉＮｂＯ3 導波路は、通常、図１３に示すように、ＬｉＮｂＯ3 基板１００上に厚さ数１００Åの金属Ｔｉ膜１０２を形成し、１０００℃程度の温度で４〜１０時間の熱拡散を経て作製される。
【０００６】
そして、前記Ｔｉ拡散型ＬｉＮｂＯ3 導波路は、図１４に示すように、熱拡散によって生じるＬｉＮｂＯ3 基板１００上のＴｉ拡散部分における段差１０４が小さく、しかも、該段差１０４の表面がなめらかであることが、特性上、良いとされ、段差１０４の表面に起伏のある（一般に表面荒れと称している）ものは、光ビームの伝搬損失を増大させるため、好ましくないと考えられていた。
【０００７】
そこで、従来では、前記表面荒れを防止するために、Ｔｉ拡散中に水蒸気を導入したり、Ｌｉを含む粉末（例えばＬｉＮｂＯ3 の粉末）を拡散炉内に配置したりすることが行われている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光導波路の損失は、前記伝搬損失と光ファイバの光モードとの結合損失との組合せで決定される。ここで、前記結合損失とは、光導波路を伝送する光ビームのモード形状（光導波路における光軸と直交する面についての光ビームの形状）と光ファイバを伝送する光ビームのモード形状（光ファイバにおける光軸と直交する面についてのコア形状）との比で表され、この比が１よりも大きいあるいは小さくなるほど結合損失は大きくなる。
【０００９】
前記ＬｉＮｂＯ3 基板１００の表面形状がなめらかな光導波路は、図１４に示すように、Ｔｉ拡散部分における段差１０４の高さ分布が均一となっており、また、Ｔｉの拡散分布についての光軸と直交する面の形状、即ち、光導波路を伝搬する光ビームのモード形状ＢＳはほぼ円形とされている。これは、表面がなめらかであることによって、Ｔｉの拡散がほぼ等方的に行われるからと考えられる。
【００１０】
前記光導波路は、光の振動面（偏波面）をランダムに変えて伝搬させる一般的な光ファイバに対する結合損失は小さいのであるが、前記偏波面を一定の方向に保ちながら光ビームを伝搬させる偏波面保存ファイバ（polarization-maintaining fiber）の中で、光ビームのモード形状が円形でない光ファイバに対する結合損失は大きくなる。特に、光ビームのモード形状におけるアスペクト比が１でない光ファイバ、例えばコア形状が楕円形状の光ファイバに対する結合損失は非常に大きなものとなる。
【００１１】
偏波面保存ファイバを用いて光学部品を作製する場合においては、該光学部品の光学特性（デバイス特性）に前記結合損失が大きく影響するため、多少の伝搬損失を犠牲にしてでも結合損失を小さくする必要がある。
【００１２】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、光ビームのモード形状が楕円状の光ファイバに対する結合損失を小さくすることができ、光学素子の損失不良をなくすことができる光導波路素子及び光導波路素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明の他の目的は、光導波路変調器等の光学部品に使用される偏波面保存ファイバに対する結合損失を小さくすることができ、前記光導波路変調器等を搭載した光学電子機器の性能向上を実現させることができる光導波路素子及び光導波路素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明に係る光導波路素子は、ＬｉＮｂＯ3 基板にＴｉの拡散による光導波路が形成された光導波路素子において、前記ＬｉＮｂＯ 3 基板上にＴｉ膜の酸化による段差が形成され、前記段差にＴｉの拡散による光導波路が形成され、前記段差の少なくとも側端部分が、前記段差の中央部分よりも盛り上がっていることを特徴とする。
【００１５】
これにより、ＬｉＮｂＯ3 基板のうち、Ｔｉ拡散部分における段差の高さ分布は不均一となる。具体的には、Ｔｉ拡散部分の段差における少なくとも一方の側端部分が中央部分よりも盛り上がった状態とされ、この場合、Ｔｉの拡散分布が前記盛り上がり部分の存在によって異方的となり、Ｔｉの拡散分布についての光軸と直交する面の形状、即ち、光導波路を伝搬する光ビームのアスペクト比を変えることが可能となる。
【００１６】
しかも、前記側端部分の盛り上がりを制御したり、Ｔｉ拡散源であるＴｉ膜の幅を適宜選定することによって、所望のアスペクト比を有するモード形状を得ることができる。
【００１７】
このように、本発明に係る光導波路素子においては、光ビームのアスペクト比の変わった光ファイバに対する結合損失を小さくすることができ、光学素子の損失不良をなくすことができる。これは、光学素子の歩留まりの向上につながり、光学素子を搭載した光学電子機器等の生産性の向上に寄与させることができる。
【００１８】
そして、第１の本発明において、前記Ｔｉの拡散分布が、前記光導波路に光学的に結合される偏波面保存ファイバとほぼ同じアスペクト比を有していてもよい。この場合、前記偏波面保存ファイバのコア断面形状が楕円形状であってもよい。
【００１９】
これにより、光導波路変調器等の光学部品に使用される偏波面保存ファイバに対する結合損失を小さくすることができ、前記光導波路変調器等を搭載した光学電子機器の性能向上を実現させることができる。
【００２０】
次に、第２の本発明に係る光導波路素子の製造方法は、ＬｉＮｂＯ3 基板上にＴｉ膜を形成する膜形成工程と、前記Ｔｉ膜が形成された前記ＬｉＮｂＯ3 基板を熱処理して、前記ＬｉＮｂＯ3 基板にＴｉを拡散させる熱拡散工程を含み、前記ＬｉＮｂＯ3 基板への前記Ｔｉの拡散が完了する前に前記熱拡散工程を終了することによって、前記ＬｉＮｂＯ 3 基板上にＴｉ膜の酸化による段差が形成され、前記段差にＴｉの拡散による光導波路が形成され、前記段差の少なくとも側端部分が、前記段差の中央部分よりも盛り上がっている光導波路素子を作製することを特徴とする。
【００２１】
これにより、ＴｉのＬｉＮｂＯ3 基板への拡散を途中で止めるような状態で光導波路が形成されることになる。この場合、光導波路の中央にＴｉの拡散残りができる程度で拡散工程が終了することとなるため、光導波路の中央における表面屈折率を上げることができ、ＬｉＮｂＯ3 基板と光導波路の屈折率差を大きくとることができる。
【００２２】
その結果、Ｔｉの拡散分布についての光軸と直交する面の形状、即ち、光導波路を伝搬する光ビームの基板方向のモード形状を小さくすることが可能となり、しかも、Ｔｉの拡散源であるＴｉ膜の幅を適宜選定したり、熱拡散工程の終了時点を適宜選定することによって、所望のアスペクト比を有するモード形状を得ることができ、偏波面保存ファイバの光ビームのモード形状に光導波路の光ビームのモード形状をより近づけることができる。
【００２３】
このように、本発明に係る光導波路素子の製造方法においては、光ビームのアスペクト比の異なる光ファイバに対する結合損失を小さくすることができ、光学素子の損失不良をなくすことができる。これは、光学素子の歩留まりの向上につながり、光学素子を搭載した光学電子機器等の生産性の向上に寄与させることができる。また、光導波路変調器等の光学部品に使用される偏波面保存ファイバに対する結合損失を小さくすることができ、前記光導波路変調器等を搭載した光学電子機器の性能向上を実現させることができる。
【００２４】
そして、第２の本発明において、前記熱拡散工程の終了時点の決定を、拡散時間を制御することによって行うようにしてもよい。この場合、熱処理雰囲気の温度を制御しながら行ってもよい。
【００２５】
特に、前記熱処理を酸化雰囲気で行う場合においては、前記熱拡散工程の終了を、前記Ｔｉ膜の酸化に伴う高さ方向への成長期間内であって、かつ、前記Ｔｉ膜の側端部分における成長高さが、該Ｔｉ膜の中央部分の成長高さよりも高い時点とすることが好ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光導波路素子及び光導波路素子の製造方法を例えばクローズドループ方式の位相変調形光ファイバジャイロに搭載される光ＩＣチップに適用した実施の形態例（以下、実施の形態に係る光ＩＣチップと記す）を図１〜図１２を参照しながら説明する。
【００２７】
本実施の形態に係る光導波路素子が搭載される光ファイバジャイロは、図１に示すように、長尺の光ファイバ１０（断面楕円形状のコアを有する偏波面保存ファイバ）が所定ターン巻回されてなるファイバコイル１２と、光源１４から導出された光ファイバ１６と光検出器１８に通じる光ファイバ２０とを光学的に結合するカプラ２２と、前記ファイバコイル１２と前記カプラ２２間に配された光ＩＣチップ２４を有している。この光ＩＣチップ２４は、例えばＬｉＮｂＯ3 基板２６に所定形状の光導波路２８（例えば、Ｙ字光導波路）が形成されて構成され、該光導波路２８上には位相変調器３０と偏光子３２とがマウントされている。上記光源１４としては、例えばスーパルミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を用いることができる。
【００２８】
この場合、ファイバコイル１２から導出された光ファイバ１０の２つの端部は、光ＩＣチップ２４との接合方向を規制する第１のアレイ３４に固着され、また、カプラ２２から導出された光ファイバの１つの端部（光源１４から導出された光ファイバ１６の端部）は、光ＩＣチップ２４との接合方向を規制する第２のアレイ３６に固着され、これら第１及び第２のアレイ３４及び３６を通じて上記各光ファイバ１０及び１６のそれぞれの端部が光ＩＣチップ２４と光学的に結合されるようになっている。
【００２９】
具体的には、図２Ａに示すように、上記第１のアレイ３４は、一主面に少なくとも一方の端面に向かって延びる２本の例えばＶ字溝（図示せず）が形成された基板３４Ａと、該基板３４Ａの前記Ｖ字溝を塞ぐための蓋基板３４Ｂとで構成されている。上記２本のＶ字溝は、その間隔が光ＩＣチップ２４の光導波路２８における２本の分岐路の光軸に合致する間隔と同じにされている。
【００３０】
前記第１のアレイ３４を組み立てる場合は、まず、上記基板３４ＡのＶ字溝に光ファイバ１０の２本の端部を這わせた後、光ファイバ１０の偏波保存面を光導波路２８を伝搬する光の偏波面の方向に合わせる（例えばコア断面の長軸方向を例えば水平方向に合わせる）。その後、上方から蓋基板３４Ｂを被せて接着剤にて両者を接着し、上記第１のアレイ３４の端面中、光ファイバ１０の自由端側の端面３４ａを研磨することによって光ファイバ１０への第１のアレイ３４の固着作業が終了する。
【００３１】
第２のアレイ３６は、一主面に少なくとも一方の端面に向かって延びる１本のＶ字溝（図示せず）が形成された基板３６Ａと、該基板３６Ａの前記Ｖ字溝を塞ぐための蓋基板３６Ｂとで構成されている。そして、この第２のアレイ３６を組み立てる場合は、まず、上記基板３６ＡのＶ字溝に光ファイバ１６の１本の端部を這わせた後、光ファイバ１６の偏波保存面を光導波路２８を伝搬する光の偏波面の方向に合わせる（例えばコア断面の長軸方向を例えば水平方向に合わせる）。その後、その上方から蓋基板３６Ｂを被せて接着剤にて接着し、第２のアレイ３６の端面中、光ファイバ１６の自由端側の端面３６ａを研磨することによって光ファイバ１６への第２のアレイ３６の固着作業が終了する。
【００３２】
一方、光ＩＣチップ２４は、以下のようにして作製される。即ち、まず、例えばウェーハ（例えば、ＬｉＮｂＯ3 基板２６）の一主面（機能面）に、所定形状の光導波路２８（図１参照）を形成すると同時に、該光導波路２８上に偏光子３２及び位相変調器３０（図１参照）を形成して１枚のウェーハ上に多数の光ＩＣパターンを形成する。
【００３３】
その後、数個の光ＩＣパターンを１組として、ウェーハから組単位に光ＩＣパターンを切り出す（切断工程）。その後、各組の端面、特に上記第１及び第２のアレイ３４及び３６が接合される端面ａ及びｂ（図２Ａ参照）を研磨処理する（研磨工程）。その後、各組から各々光ＩＣパターンを切断して多数の光ＩＣチップ２４に分離する（チップ切断工程）。個々に分離された一つの光ＩＣチップ２４が光ファイバジャイロの光集積回路として使用されることとなる。
【００３４】
そして、図２Ａに示すように、１つの光ＩＣチップ２４に対して、すでに光ファイバ１０及び１６が固着された第１及び第２のアレイ３４及び３６がそれぞれ接合される。光ＩＣチップ２４の両端面ａ及びｂのうち、偏光子３２近傍の端面ａに第２のアレイ３６が、位相変調器３０近傍の端面ｂに第１のアレイ３４が光軸を合わせてそれぞれ接合される。
【００３５】
各アレイ３４及び３６の接合においては、光出力が最も強くなるようにＸＹＺの直交３軸方向と２芯の回転方向の光軸調整がとられながら接合（この場合、接着剤による接着）が行われる。
【００３６】
このようにして、図１に示すように、光ＩＣチップ２４を搭載した光ファイバジャイロが作製されることになる。
【００３７】
ここで、図３〜図７の製造工程図を参照しながら光ＩＣチップ２４の製造方法、特に光ＩＣパターンの製造方法についての一具体例を説明する。この図３〜図７で示す製造工程図は、光ＩＣチップ２４のうち、偏光子３２（図１参照）が形成されている領域Ｚ１と、位相変調器３０（同じく図１参照）が形成されている領域Ｚ２と、アライメントマーク（図１では図示せず）が形成されている領域Ｚ３の製造過程を示すものである。
【００３８】
まず、図３Ａに示すように、ＬｉＮｂＯ3 基板２６を洗浄処理する。
【００３９】
その後、図３Ｂ示すように、ＬｉＮｂＯ3 基板２６上にフォトレジストを塗布してフォトレジスト膜５０とする。
【００４０】
その後、図３Ｃに示すように、フォトレジスト膜５０を露光、現像処理して、後に光導波路が形成される部分とアライメントマークが形成される部分に開口（窓を含む）５０ａを形成する。
【００４１】
次に、図４Ａに示すように、フォトレジスト膜５０の開口５０ａを含む全面にＴｉ膜５２を形成する。
【００４２】
その後、図４Ｂに示すように、ＬｉＮｂＯ3 基板２６上のフォトレジスト膜５０をリフトオフ処理して、該フォトレジスト膜５０上に形成されていたＴｉ膜５２をフォトレジスト膜５０と共に除去する。この時点で、光導波路が形成される部分とアライメントマークが形成される部分のみにＴｉ膜５２が残される。
【００４３】
その後、図４Ｃに示すように、ＬｉＮｂＯ3 基板２６を熱拡散炉に投入して、熱処理を行う。この熱処理にてＴｉ膜５２が酸化されることによって、ＬｉＮｂＯ3 基板２６内にＴｉが拡散され、ＬｉＮｂＯ3 基板２６にＴｉの拡散による光導波路２８が形成されると同時に、アライメントマークとなる部分にＴｉ拡散領域５４が形成される。
【００４４】
その後、図５Ａに示すように、前記Ｔｉ拡散領域５４上にＣｒ層５６を形成する。このＣｒ層５６の形成によってアライメントマークが可視化され、位置決めのための光学的検出が可能となる。
【００４５】
その後、図５Ｂに示すように、光導波路２８上のうち、後に偏光子が形成される部分に、偏光子のバッファ層となる酸化物膜５８を形成する。
【００４６】
その後、図５Ｃに示すように、前記酸化物膜５８上に、Ａｌ膜６０を形成する。
【００４７】
その後、図６Ａに示すように、ＬｉＮｂＯ3 基板２６上にフォトレジストを塗布し、フォトレジスト膜６２とする。
【００４８】
その後、図６Ｂに示すように、フォトレジスト膜６２を露光、現像処理して、後に位相変調器３０の電極が形成される部分に開口（窓を含む）６２ａを形成する。
【００４９】
次に、図７Ａに示すように、フォトレジスト膜６２の開口６２ａを含む全面に、多層構造の電極膜６４を形成する。
【００５０】
その後、図７Ｂに示すように、ＬｉＮｂＯ3 基板２６上のフォトレジスト膜６２をリフトオフ処理して、該フォトレジスト膜６２上に形成されていた電極膜６４をフォトレジスト膜６２と共に除去する。
【００５１】
この時点で、光導波路２８上に酸化物膜５８とＡｌ膜６０との積層膜による偏光子が形成され、分岐された光導波路２８の両側に電極膜６４による電極が形成される。
【００５２】
そして、本実施の形態に係る光ＩＣチップ２４においては、図４Ｃに示すＴｉ膜５２の熱拡散処理後におけるＬｉＮｂＯ3 基板２６の形状、特に光軸と直交する面の形状を以下のようにしている。
【００５３】
即ち、図８に示すように、ＬｉＮｂＯ3 基板２６の表面のうち、Ｔｉ拡散部分に対応する表面に段差８０（Ｔｉ膜５２の酸化反応に伴う段差）を有し、かつ、該段差８０の両方の側端部分８０ａの高さＴｓを中央部分８０ｂの高さＴｃよりも高くして、前記側端部分８０ａが中央部分８０ｂよりも盛り上がった形状にしている。
【００５４】
本実施の形態では、前記形状とするために、次に示すような処理を行うようにしている。
【００５５】
まず、図３Ａ〜図４Ｂに示す工程を経て、ＬｉＮｂＯ3 基板２６上にＴｉ膜５２を選択的に形成した後（図９Ａ参照）、図４Ｃに示す工程にてＴｉのＬｉＮｂＯ3 基板２６への熱拡散処理が行われるが、このとき、酸化雰囲気で行われることから、図９Ｂに示すように、ＬｉＮｂＯ3 基板２６上のＴｉ膜５２は、その酸化反応によって、酸化チタン（ＴｉＯ2 ）に変化していき、この酸化反応によって生じる段差８０は、時間の経過に伴って高さ方向に成長していくことになる。
【００５６】
前記段差８０の高さ方向への成長は、段差８０の側端部分８０ａと中央部分８０ｂとでは、その成長の進度が異なることが実験によって判明した。その実験結果を図１０に示す。図１０Ａは、実験に使用したサンプルの断面図であり、該サンプルは、本実施の形態に係る光ＩＣチップ２４と同様に、ＬｉＮｂＯ3 基板２６上にＴｉ膜５２を同じ蒸着条件で形成するようにしている。そして、Ｔｉ膜５２の側端部分をＡ位置、中央部分をＢ位置として定義し、Ｔｉ膜５２の酸化に伴う成長度合い（成長幅）をΔＴと定義した。また、図１０Ｂにおいて、Ａ位置の特性を実線ａで示し、Ｂ位置の特性を実線ｂで示す。
【００５７】
理論的には、中央部分８０ｂは上方からの酸化反応のみであるが、側端部分８０ａは上方からの酸化反応と横方向からの酸化反応の少なくとも２方向からの酸化反応が進むため、高さ方向の成長速度が中央部分８０ｂよりも速くなると考えられる。
【００５８】
高さ方向への成長の度合い（成長幅）は、Ｔｉ膜５２の厚み等によってその最大値が決定され、成長幅ΔＴが一旦最大値に達すると、その後は、時間の経過に伴って段差８０の高さは徐々に低くなっている。これは、成長幅ΔＴが一旦最大値に達した時点においてＴｉ膜５２の酸化反応が終了し、その後は、ＬｉＮｂＯ3 基板２６へのＴｉ拡散のみが進行するからと考えられる。この高さ（成長幅）ΔＴの時間に伴う減少は、Ｔｉの拡散が終了した時点で飽和する。
【００５９】
そして、図１０Ｂの特性図において、熱拡散開始時点ｔ０から中央部分８０ｂが最大値に達する時点ｔ３までの時間は、Ｔｉ膜５２の酸化反応が進行している時間であり（この時間内においても、ＬｉＮｂＯ3 基板２６へのＴｉ拡散が進行している）、特に、側端部分８０ａは、酸化反応の進度が中央部分８０ｂよりも速いため、その最大値に達するまでの時間は、中央部分８０ｂが最大値に達する時間よりも短い。
【００６０】
前記側端部分８０ａが最大値に達した時点ｔ１において、該側端部分８０ａの酸化反応が終了し、その後は、ＴｉのＬｉＮｂＯ3 基板２６への拡散によって徐々にその高さＴｓが減少していく。図９Ｃに段差８０の側端部分８０ａが最大値に達した時点ｔ１での段差８０の形状を示し、図９Ｄ〜図９Ｆに高さが徐々に減少していく状態の段差８０の形状を示す。
【００６１】
この側端部分８０ａの高さＴｓの減少過程における段差形状の移り変わりは、まず、側端部分８０ａが最大値に達した時点ｔ１（図９Ｃ参照）から、図９Ｄに示す形状を経た後、時点ｔ２において、側端部分８０ａの高さＴｓと中央部分８０ｂの高さＴｃとが一致し（図９Ｅ参照）、次の時点ｔ３において、中央部分８０ｂが最大値に達する。この時点ｔ３では、側端部分８０ａの高さＴｓよりも中央部分８０ｂの高さＴｃの方が大きくなっている。その後は、中央部分８０ｂもＴｉのＬｉＮｂＯ3 基板２６への拡散によってその高さＴｃが減少し始め、時点ｔ４以降においては、側端部分８０ａの高さＴｓと中央部分８０ｂの高さＴｃはほぼ同じになり（図９Ｆ参照）、この段階では、段差８０の表面は非常になめらかな状態となっている。
【００６２】
そして、本実施の形態においては、Ｔｉ膜５２の酸化反応期間内（時点ｔ０〜時点ｔ３）のうち、段差８０の側端部分８０ａが最大値に達した時点ｔ１から該側端部分８０ａの高さＴｓと中央部分８０ｂの高さＴｃとが一致する時点ｔ２までの任意の時点（図９Ｄ参照）にて熱拡散処理を強制的に終了させる。即ち、ＬｉＮｂＯ3 基板２６へのＴｉの拡散が完了する前に熱拡散工程を終了させる。
【００６３】
拡散終了時点の決定は、時間制御にて容易に行うことができるが、その他の方法としては、拡散時間を一定、例えば、従来と同じ時間（図１０Ｂの時間軸で示すと、例えば時点ｔ４までの時間）に設定しておく代わりに、拡散炉内の温度を低く設定して、時点ｔ４において、前記時点ｔ１から時点ｔ２までの間に生じる現象と同じ現象を起こさせるようにしてもよい。
【００６４】
このように、本実施の形態に係る光ＩＣチップ２４においては、ＬｉＮｂＯ3 基板２６のＴｉ拡散部分（２８、５４）に対応する表面に形成された段差８０（Ｔｉ膜５２の酸化反応によって形成された段差）の側端部分８０ａを中央部分８０ｂよりも盛り上がった形状にしたので、前記Ｔｉ拡散部分における段差８０の高さ分布が不均一となり、Ｔｉの拡散分布は、前記盛り上がり部分（側端部分８０ａ）の存在によって異方的となる。その結果、図８に示すように、Ｔｉの拡散分布についての光軸と直交する面の形状、即ち、光導波路２８を伝搬する光ビームの基板方向のモード形状ＢＳを小さくすることが可能となる。
【００６５】
しかも、前記側端部分８０ａの盛り上がりを制御したり、Ｔｉ拡散源であるＴｉ膜５２の幅を適宜選定することによって、所望のアスペクト比を有するモード形状ＢＳを得ることができる。
【００６６】
従って、本実施の形態に係る光ＩＣチップ２４においては、光ビームのアスペクト比の異なる光ファイバに対する結合損失を小さくすることができ、光学素子の損失不良をなくすことができる。これは、光ＩＣチップ２４の歩留まりの向上につながり、光ＩＣチップ２４を搭載した光ファイバジャイロ等の光学電子機器の生産性の向上に寄与させることができる。
【００６７】
特に、本実施の形態においては、光ＩＣチップ２４の製造方法において、ＬｉＮｂＯ3 基板２６へのＴｉの拡散が完了する前に熱拡散工程を終了するようにしている。これにより、ＴｉのＬｉＮｂＯ3 基板２６への拡散を途中で止めるような状態で光導波路２８が形成されることとなって、光導波路２８の中央にＴｉの拡散残りができる程度で拡散工程が終了することとなるため、光導波路２８の中央における表面屈折率を上げることができ、ＬｉＮｂＯ3 基板２６と光導波路２８の屈折率差を大きくとることができる。
【００６８】
また、上述のように、熱拡散の終了を制御することによって、図８に示すように、ＬｉＮｂＯ3 基板２６のＴｉ拡散部分に対応する表面に形成された段差８０の側端部分８０ａを中央部分８０ｂよりも盛り上がった形状にすることができ、Ｔｉの拡散分布を異方的にすることができる。
【００６９】
本実施の形態においては、段差８０の側端部分８０ａを盛り上げるようにしているため、Ｔｉの拡散分布の形状（光軸に直交する面の形状）に、当該光ＩＣチップ２４に光学的に結合される偏波面保存ファイバとほぼ同じアスペクト比を持たせることができる。
【００７０】
更に、ＬｉＮｂＯ3 基板２６上に形成されるＴｉ膜５２の幅や厚みＴを適宜選択することにより、光導波路２８を伝搬する光ビームのモード形状ＢＳを、例えば短軸３μｍ（縦）×長軸５μｍ（横）の断面楕円形のコアを有する偏波面保存ファイバを伝搬する光ビームのモード形状とほぼ同じ形状にすることができ、該偏波面保存ファイバとの結合損失を大幅に減少させることができる。本実施の形態では、前記光導波路２８を伝搬する光ビームのモード形状ＢＳを、前記偏波面保存ファイバを伝搬する光ビームのモード形状に対し、±５％程度の誤差範囲でほぼ同じにすることが可能である。
【００７１】
また、本実施の形態に係る光ＩＣチップ２４の製造方法においては、図４Ｃに示す熱拡散処理において、Ｔｉ拡散が完了する前に熱拡散処理を強制的に終了させて、段差８０の側端部分８０ａを中央部分８０ｂよりも盛り上げた形状にしているが、この形状は、アライメントマークが形成される部分の段差においても同様に形成される。
【００７２】
いままでは、図１１に示すように、アライメントマークＡＭが形成される部分の段差８０もその表面がなめらかに形成されていたことから、光学的にアライメントマークＡＭを検出するためには、ＬｉＮｂＯ3 基板２６やフォトレジスト膜８２等と比べて光反射率の高い材料、例えばＣｒ膜などの金属膜８４を形成する必要があったが、本実施の形態に係る光ＩＣチップ２４のように、即ち、例えば図１２に示すように、段差８０の側端部分８０ａが盛り上がり形状とされていれば、光学的にその輪郭が明瞭に検出されるため、前記アライメントマーク用の金属膜８４を形成する必要がなくなり、前記金属膜８４を形成するためのマスク作製工程、洗浄や乾燥処理等を含む金属膜８４の成膜工程等を省略することができ、製造工程の簡略化並びに工数の削減を図ることができる。
【００７３】
前記実施の形態では、光ファイバジャイロに使用される光ＩＣチップ２４に適用した場合を示したが、その他、光通信の送受信モジュール、光ディスク（コンパクトディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、光磁気ディスク等の円盤状記録媒体）の光ヘッド、光計算機用の演算素子、広帯域波長可変レーザ等において使用される光導波路素子にも適用することができる。
【００７４】
なお、この発明は上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る光導波路素子によれば、ＬｉＮｂＯ3 基板にＴｉの拡散による光導波路が形成された光導波路素子において、前記光導波路の少なくとも一方の側端部分を前記光導波路の中央部分よりも盛り上げるようにしている。
【００７６】
このため、光ビームのアスペクト比の異なる光ファイバに対する結合損失を小さくすることができ、光学素子の損失不良をなくすことができるという効果を得ることができると共に、光導波路変調器等の光学部品に使用される偏波面保存ファイバに対する結合損失を小さくすることができ、前記光導波路変調器等を搭載した光学電子機器の性能向上を実現させることができるという効果が達成される。
【００７７】
また、本発明に係る光導波路素子の製造方法によれば、ＬｉＮｂＯ3 基板上にＴｉ膜を形成する膜形成工程と、前記Ｔｉ膜が形成された前記ＬｉＮｂＯ3 基板を熱処理して、ＬｉＮｂＯ3 基板にＴｉを拡散させる熱拡散工程を含み、前記ＬｉＮｂＯ3 基板への前記Ｔｉの拡散が完了する前に前記熱拡散工程を終了することを特徴としている。
【００７８】
このため、光ビームのアスペクト比の異なる光ファイバに対する結合損失を小さくすることができ、光学素子の損失不良をなくすことができるという効果を得ることができると共に、光導波路変調器等の光学部品に使用される偏波面保存ファイバに対する結合損失を小さくすることができ、前記光導波路変調器等を搭載した光学電子機器の性能向上を実現させることができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光導波路素子及び光導波路素子の製造方法を例えばクローズドループ方式の位相変調形光ファイバジャイロに搭載される光ＩＣチップに適用した実施の形態例（以下、実施の形態に係る光ＩＣチップと記す）が搭載される光ファイバジャイロを示す構成図である。
【図２】図２Ａは本実施の形態に係る光ＩＣチップと第１及び第２のアレイとの位置合わせ工程を示す説明図であり、図２Ｂは本実施の形態に係る光ＩＣチップと第１及び第２のアレイとの光軸調整と接着工程を示す説明図である。
【図３】図３ＡはＬｉＮｂＯ3 基板の洗浄処理を示す工程図であり、図３Ｂはフォトレジスト膜の形成処理を示す工程図であり、図３Ｃはフォトレジスト膜に対する露光現像処理を示す工程図である。
【図４】図４ＡはＴｉ膜の形成処理を示す工程図であり、図４ＢはＴｉ膜に対するリフトオフを示す工程図であり、図４ＣはＴｉ膜の熱拡散処理を示す工程図である。
【図５】図５ＡはＣｒ膜の形成・パターニング処理を示す工程図であり、図５Ｂは酸化物膜の形成・パターニング処理を示す工程図であり、図５ＣはＡｌ膜の形成・パターニング処理を示す工程図である。
【図６】図６Ａはフォトレジスト膜の形成処理を示す工程図であり、図６Ｂはフォトレジスト膜に対する露光現像処理を示す工程図である。
【図７】図７Ａは電極膜の形成処理を示す工程図であり、図７Ｂは電極膜のパターニング処理を示す工程図である。
【図８】本実施の形態に係る光ＩＣチップにおいて、特にＴｉ拡散部分における段差の光軸に直交する面の断面形状を拡大して示す断面図である。
【図９】図９ＡはＬｉＮｂＯ3 基板上にＴｉ膜を形成した状態を示す断面図であり、図９Ｂは前記Ｔｉ膜の酸化反応に伴って段差が高さ方向に成長する段階を示す断面図である。図９Ｃは段差の側端部分が高さ方向の最大値に到達した段階を示す断面図であり、図９Ｄは段差の側端部分の高さが徐々に減少していく状態を示す断面図であり、図９Ｅは段差の側端部分の高さと中央部分の高さとが一時的に一致した状態を示す断面図であり、図９ＦはＴｉ拡散が完全に終了した段階を示す断面図である。
【図１０】図１０Ａは一つの実験例（Ｔｉ膜の酸化反応によって生じる段差の高さ方向への成長度合いをみた実験例）に使用したサンプルを示す断面図であり、図１０Ｂは前記実験例の実験結果を示す特性図である。
【図１１】一般的なアライメントマークの可視化処理（金属膜の形成処理）を示す断面図である。
【図１２】本実施の形態に係る光ＩＣチップの製造方法において、アライメントマークの可視化のための金属膜の形成処理を省略した状態を示す断面図である。
【図１３】Ｔｉ拡散型ＬｉＮｂＯ3 導波路の作製過程、特にＬｉＮｂＯ3 基板上にＴｉ膜を形成した状態を示す断面図である。
【図１４】従来の光導波路における光ビームのモード形状を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…光ファイバ １２…ファイバコイル
１４…光源 １６…光ファイバ
２４…光ＩＣチップ ２６…ＬｉＮｂＯ3 基板
２８…光導波路 ３０…位相変調器
３２…偏光子 ３４…第１のアレイ
３６…第２のアレイ ５２…Ｔｉ膜
５６…Ｃｒ層 ５８…酸化物膜
６０…Ａｌ膜 ６４…電極膜
８０…段差 ８０ａ…側端部分
８０ｂ…中央部分 ＡＭ…アライメントマーク
Claims (7)
- ＬｉＮｂＯ3 基板にＴｉの拡散による光導波路が形成された光導波路素子において、
前記ＬｉＮｂＯ 3 基板上にＴｉ膜の酸化による段差が形成され、
前記段差にＴｉの拡散による光導波路が形成され、
前記段差の少なくとも側端部分が、前記段差の中央部分よりも盛り上がっていることを特徴とする光導波路素子。 - 請求項１記載の光導波路素子において、
前記Ｔｉの拡散分布が、前記光導波路に光学的に結合される偏波面保存ファイバとほぼ同じアスペクト比を有することを特徴とする光導波路素子。 - 請求項２記載の光導波路素子において、前記偏波面保存ファイバのコア断面形状が楕円形状であることを特徴とする光導波路素子。
- ＬｉＮｂＯ3 基板上にＴｉ膜を形成する膜形成工程と、
前記Ｔｉ膜が形成された前記ＬｉＮｂＯ3 基板を熱処理して、前記ＬｉＮｂＯ3 基板にＴｉを拡散させる熱拡散工程を含み、
前記ＬｉＮｂＯ3 基板への前記Ｔｉの拡散が完了する前に前記熱拡散工程を終了することによって、
前記ＬｉＮｂＯ 3 基板上にＴｉ膜の酸化による段差が形成され、
前記段差にＴｉの拡散による光導波路が形成され、
前記段差の少なくとも側端部分が、前記段差の中央部分よりも盛り上がっている光導波路素子を作製することを特徴とする光導波路素子の製造方法。 - 請求項４記載の光導波路素子の製造方法において、
前記熱拡散工程の終了は、拡散時間を制御することによって行われることを特徴とする光導波路素子の製造方法。 - 請求項４又は５記載の光導波路素子の製造方法において、
前記熱拡散工程の終了は、熱処理雰囲気の温度を制御することによって行われることを特徴とする光導波路素子の製造方法。 - 請求項４記載の光導波路素子の製造方法において、
前記熱処理が酸化雰囲気で行われ、
前記熱拡散工程の終了は、前記Ｔｉ膜の酸化に伴う高さ方向への成長期間内であって、かつ、前記Ｔｉ膜の側端部分における成長高さが、該Ｔｉ膜の中央部分の成長高さよりも高い時点であることを特徴とする光導波路素子の製造方法。
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