JP4249144B2 - 導波路作製方法および光導波路 - Google Patents

Description

本発明は、導波路作製方法および光導波路に関し、より詳細には、ＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）結晶材料を用いた光導波路を精度よく作製するための導波路作製方法および光導波路に関する。

ＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１、以下ＫＴＮという）は、二次の非線形光学効果を有する誘電体材料として知られている。ＫＴＮの光学非線形定数は１２００〜８０００ｐｍ／Ｖであり、例えば、ＬｉＮｂ０_３の有する光学非線形定数の３１ｐｍ／Ｖに比して著しく大きい。従って、ＫＴＮ結晶を用いた波長変換素子など、光デバイスへの応用が期待されている。

図１に、従来のＫＴＮを用いた光導波路の作製方法を示す（例えば、特許文献１参照）。ＫＴａ_ｘ’Ｎｂ_１−ｘ’Ｏ_３（０≦ｘ’≦１）結晶材料からなる基板１に（図１（ａ））、ＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）からなる下部クラッド層２を、ＬＰＥ（Liquid Phase Epitaxy）法により形成する（図１（ｂ））。同様に、コア層３をＬＰＥ法により形成する（図１（ｃ））。その後、マスク４によるパターニング加工を行い（図１（ｄ））、ドライエッチング法により、導波路となるコアリッジ５ａ〜５ｃを形成する（図１（ｅ））。最後に、基板全体を覆う上部クラッド層６をＬＰＥ法により形成する（図１（ｆ））。

ここで、コアリッジとクラッドの屈折率制御は、ＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３結晶の組成ｘを変えることにより行う。具体的には、コアリッジとクラッドの比屈折率差を、０．５％程度になるように制御する。これにより、コアリッジに入射された光は、クラッドに漏れることなく、伝搬される。

特開２００３−３５８３１号公報

しかしながら、ドライエッチング法により、導波路となるコアリッジを形成すると、コアの光の伝搬方向に対して垂直の断面形状が、四角形にならず、台形になりやすい。断面形状が台形になると、四角形の場合と較べて、光の透過率が不均一になるという問題があった。

また、ドライエッチングによる加工歪が加わることにより、コアリッジにクラックなどの欠陥が発生するという問題もあった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、欠陥や歪みのないコアを形成して、光透過率の良好な光導波路を作製するための導波路作製方法および光導波路を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ＫＴａ_ｘ’Ｎｂ_１−ｘ’Ｏ_３（０≦ｘ’≦１）結晶材料からなる基板上に、ＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）結晶材料からなる薄膜を形成して光導波路を作製する導波路作製方法において、前記基板上に、ＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）結晶材料からなるクラッド層を形成する工程と、前記クラッド層に前記光導波路のコアのパターンに応じたマスクを形成し、前記コアを埋め込むための溝を形成する工程と、選択エピタキシャル成長により前記溝にコアを形成する工程と、選択エピタキシャル成長により前記コアの上に上部クラッドを形成する工程とを備え、前記マスクの材料は、白金、金のいずれかであり、前記光導波路に電界を加えるための電極として用いることを特徴とする。

請求項２に記載の方法は、請求項１に記載の前記ＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）結晶材料に、添加不純物として周期率表Ｉａ、ＩＩａ族の１または複数種を含むことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、ＫＴａ_ｘ’Ｎｂ_１−ｘ’Ｏ_３（０≦ｘ’≦１）結晶材料からなる基板上に、ＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）結晶材料からなる薄膜を形成した光導波路において、前記基板上に、ＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）結晶材料からなるクラッド層と、該クラッド層に埋設された前記光導波路のコアと、前記クラッド層の上に形成された前記コアのパターンに応じた電極であって、白金、金のいずれかの材料からなり、前記光導波路に電界を加えるための電極とを備え、前記電極は、前記コアを埋め込むために溝を形成し、選択エピタキシャル成長により前記溝に前記コアと上部クラッドとを形成する際にマスクとして用いられたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の前記ＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）結晶材料に、添加不純物として周期率表Ｉａ、ＩＩａ族の１または複数種を含むことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、クラッド層にコアを埋め込むための溝を形成し、選択エピタキシャル成長により、溝の中にコアと上部クラッドとを形成することにより、欠陥や歪みのないコアを形成することができ、光透過率の良好な光導波路を作製することが可能となる。

また、本発明によれば、選択エピタキシャル成長の際に用いるマスクを、光導波路に電界を加えるための電極として用いるので、ＫＴＮ結晶を用いた波長変換素子などの光デバイスの作製工程が簡略化され、歩留まりを向上させることが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明の実施形態においては、ＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３薄膜にコアを埋め込むための溝を形成しておき、選択エピタキシャル成長により、溝の中にコアとクラッドとを形成する。選択エピタキシャル成長の際に用いるマスクは、光導波路に電界を加えるための電極として用いる。

図２に、本発明の一実施形態にかかるＫＴＮを用いた光導波路の作製方法を示す。ＫＴａ_ｘ’Ｎｂ_１−ｘ’Ｏ_３（０≦ｘ’≦１）結晶材料からなる基板１１に（図２（ａ））、ＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）からなるクラッド層１２を、ＬＰＥ法により形成する（図２（ｂ））。クラッド層１２は、従来の方法における上部クラッド層と下部クラッド層とを兼ねるので、その分の膜厚を確保する。次に、このウエハ表面にマスク１３を形成し、パターニング加工を行う（図２（ｃ））。マスク材料は、この後の選択エピタキシャル成長にも用いるので、例えば、白金、金などの耐熱、耐蝕性のある材料を用いる。

パターニングされたマスクに従って、ウエットエッチング法またはドライエッチング法により、溝１４を形成する。（図２（ｄ））。溝１４の幅は、コアの幅に等しく、溝１４の深さは、コアと従来の方法における上部クラッド層とを形成できるだけの深さとする。

パターニング加工に用いたマスク１３をそのまま利用して、選択エピタキシャル成長により、溝１４の中にコア１５を形成する（図２（ｅ））。所定の厚さのコアが形成されたら、引き続きクラッド層１２と同じ組成の材料を、上部クラッド１６として成長させる（図２（ｆ））。

マスク１３に用いた白金、金などの材料は、光導波路に電界を加えるための電極として利用する。例えば、マスク１３ａからマスク１３ｂに直流電圧を印加すれば、コア１５ａには、基板１１と平行に電界が印加される。また、白金、金などの材料は、有機レジストを用いたマスクプロセスによって加工すれば、所望の電極形状に形成することができる。

なお、光導波路に電界を印加する必要がなければ、硝酸と塩酸の混酸により、マスク１３を除去して光導波路を完成させることもできる（図２（ｇ））。

選択エピタキシャル成長は、ＬＰＥ法に限らず、ＣＶＤ（Chemical Vapor Depression）法を用いても構わない。この方法によれば、ドライエッチングによる加工歪が加わることなく、コアの断面形状が四角形の導波路構造を、一連の成長工程で作製することができる。また、断面形状が均一で、加工歪みもないために、光の透過率が均一となる。さらに、パターニング工程を、選択エピタキシャル成長の前に１回行うだけである。従来の方法では、エピタキシャル成長工程の間に、マスクの剥離、洗浄の工程が必要である。従って、本実施形態によれば、成長中の結晶品質の安定度が高い。

本実施形態において、ＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）結晶材料に、添加不純物として周期率表Ｉａ族、例えばリチウム、またはＩＩａ族の１または複数種を含むこともできる。

（実施例）
以下に本発明の実施例を、図２を参照しながら具体的に説明する。なお、本実施例は一つの例示であって、本発明の精神を逸脱しない範囲で種々の変更あるいは改良を行いうることは言うまでもない。

最初に、３０ｍｍ角のＫＴａ_ｘ’Ｎｂ_１−ｘ’Ｏ_３（ｘ’＝０．８２）結晶材料からなる基板１１に（図２（ａ））、ＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３（ｘ＝０．８２）からなるクラッド層１２を、ＬＰＥ法により１８μｍの厚さに形成する（図２（ｂ））。次に、このウエハ表面に、５０μｍの厚さの白金のマスク１３を蒸着する。コアの幅５μｍ、長さ５ｍｍをカバーできるようにパターニング加工を行う（図２（ｃ））。

パターニングされたマスクに従って、フッ酸と硝酸の混酸によりウエットエッチングを行い、深さ１２μｍの溝１４を形成する。（図２（ｄ））。選択エピタキシャル成長により、溝１４の中に導波路となるコア１５を形成する（図２（ｅ））。コア１５は、ＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３（ｘ＝０．７３）からなる材料で、厚さの６μｍに形成する。コアとクラッドの比屈折率差は、０．５％になる。引き続きＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３（ｘ＝０．８２）からなる上部クラッド１６を、厚さの６μｍに成長させる（図２（ｆ））。

最後にＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）による外観観察、光歪検査器による残留歪検査を行う。波長１．５５μｍの光透過率は、９５％となり、欠陥や歪みのない良好な光導波路を作製することができる。

従来のＫＴＮを用いた光導波路の作製方法を示す図である。 本発明の一実施形態にかかるＫＴＮを用いた光導波路の作製方法を示す図である。

符号の説明

１，１１ 基板
２ 下部クラッド層
３ コア層
４，１３ マスク
５ コアリッジ
６ 上部クラッド層
１２ クラッド層
１４ 溝
１５ コア
１６ 上部クラッド

Claims (4)

1. ＫＴａ_ｘ’Ｎｂ_１−ｘ’Ｏ_３（０≦ｘ’≦１）結晶材料からなる基板上に、ＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）結晶材料からなる薄膜を形成して光導波路を作製する導波路作製方法において、
   前記基板上に、ＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）結晶材料からなるクラッド層を形成する工程と、
   前記クラッド層に前記光導波路のコアのパターンに応じたマスクを形成し、前記コアを埋め込むための溝を形成する工程と、
   選択エピタキシャル成長により前記溝にコアを形成する工程と、
   選択エピタキシャル成長により前記コアの上に上部クラッドを形成する工程とを備え、
   前記マスクの材料は、白金、金のいずれかであり、前記光導波路に電界を加えるための電極として用いることを特徴とする導波路作製方法。
2. 前記ＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）結晶材料に、添加不純物として周期率表Ｉａ、ＩＩａ族の１または複数種を含むことを特徴とする請求項１に記載の導波路作製方法。
3. ＫＴａ_ｘ’Ｎｂ_１−ｘ’Ｏ_３（０≦ｘ’≦１）結晶材料からなる基板上に、ＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）結晶材料からなる薄膜を形成した光導波路において、
   前記基板上に、ＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）結晶材料からなるクラッド層と、
   該クラッド層に埋設された前記光導波路のコアと、
   前記クラッド層の上に形成された前記コアのパターンに応じた電極であって、白金、金のいずれかの材料からなり、前記光導波路に電界を加えるための電極とを備え、
   前記電極は、前記コアを埋め込むために溝を形成し、選択エピタキシャル成長により前記溝に前記コアと上部クラッドとを形成する際にマスクとして用いられたことを特徴とする光導波路。
4. 前記ＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）結晶材料に、添加不純物として周期率表Ｉａ、ＩＩａ族の１または複数種を含むことを特徴とする請求項３に記載の光導波路。

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