JPH05281430A - ガーネット導波路の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低損失のガーネット導波路を形成する製法を
提供する。 【構成】 一般式Ｒ₃ Ｆｅ₅ Ｏ₁₂で示される磁性ガーネ
ット膜、又は置換型ガーネット膜で形成される導波路の
形成方法において、基板上に対となる２本のリッジを形
成する工程、それらの上に下部クラッド層となるガーネ
ット単結晶膜を成長させる工程、２本のリッジの中間に
ある溝に導波部を形成させる工程、及びこれらの上に上
部クラッド層を形成する工程の各工程を包含するガーネ
ット導波路の形成方法。 【効果】 ガーネット膜を用いたデバイスの作製が容易
になり、産業上の利点が大きい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガーネット膜を用いた
導波路例えば導波型アイソレータや導波型光増幅器等の
導波路部分の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガーネット膜を用いて光ファイバ
等との接続が容易な５μｍ□程度の導波部断面を有する
導波路デバイスを作製する場合、ガーネットの化学的安
定性、高硬度であること及び形成温度の高さ〜９００℃
により、滑らかな側壁面を有する低損失のガーネット導
波路の形成が著しく困難であった。まずガーネットが化
学的に安定であることから、低損失の石英系導波路の加
工に用いられている反応性イオンエッチングを利用しよ
うとしても、ガーネットを構成する元素を昇華させて除
去しうるだけの昇華性を提供できる反応性ガスがない。
一般に用いられているフルオロカーボン系のガスや塩素
を用いても格段の効果は認められない。溶液による化学
的エッチングを用いる場合、ガーネットを溶解しうるの
は、熱リン酸及び臭化水素酸しか知られていない。熱リ
ン酸あるいは臭化水素酸を用いれば、ガーネットの加工
は一応可能であるが、等方的なエッチングであるため、
深さ方向のエッチング以外に側面からのエッチングいわ
ゆるサイドエッチが同時に進行するため、導波路幅の制
御性が著しく悪くなり、高さ５μｍのリッジを形成しよ
うとすると、サイドからのエッチングがおよそ３μｍほ
ど生じるため、パターン上部での幅を５μｍにしようと
すると、およそ１１μｍ幅のマスクをあらかじめ形成し
ておく必要がある。しかも、溶液の温度だけでなく溶液
に溶け出した物質の濃度によって、エッチング速度が激
しく変化するため、加工寸法の制御が著しく困難であっ
た。ガーネットの形成温度は〜９００℃と高温であるた
め、あらかじめパターニングを行うための有機又は無機
のレジストステンシルを形成しておいて、その後ガーネ
ット膜を成長させ、最後にレジストステンシルを溶解し
て不要な箇所を取去るという、いわゆるリフトオフ法を
適用することはできない。そこで、従来は導波路デバイ
ス向けにガーネット膜を加工するのに、エッチング速度
の制御性に優れサイドエッチングが生じないアルゴンや
塩素を用いたイオンビームエッチングを適用してきた。
イオンビームエッチングは、イオン源により加速された
イオンを衝突させることにより、イオンが衝突した部分
を構成する物質を物理的に叩き出す、いわゆるスパッタ
リングによりエッチングを行うものである。

【０００３】従来のイオンビームエッチングにおける問
題点に次のものがある。図２に、従来の方法の工程を模
式的に示す。すなわち、図２は従来のガーネット膜の加
工方法を示す工程図であり、符号１は基板、例えばガド
リニウムガリウムガーネット等、４はクラッド層となる
イットリウム鉄ガーネット等の膜、９はクラッド上に全
面に形成された、加工前の導波層となるガーネット膜、
１０は導波部を加工するためのマスク、１１はイオンビ
ーム、１２は導波部、１３は導波部側壁の凹凸を意味す
る。図２に示すように、基板（例えばガドリニウムガリ
ウムガーネット結晶）上に成長したガーネット膜（例え
ばイットリウム鉄ガーネットＹＩＧ）の上に必要な部分
を保護するためのマスク材をフォトレジスト等により１
〜８μｍの厚さに形成する（図２ａの工程）。続いて、
イオンビームエッチング装置内に基板を持ち込み、アル
ゴン、酸素、窒素あるいは塩素イオン等を基板に照射す
ることにより、ガーネット膜を掘り下げる（図２ｂ）。
この時、ガーネット膜を化学的に除去できないため、物
理的に叩き出されたガーネットの再付着等により、導波
路側壁が斜めに傾斜し、しかも傾斜した導波路部分の外
周部が直接イオンビームにさらされることに伴い、導波
路側壁の凹凸が極めて大きくなるのが避けられなかった
（図２ｃ）。側壁の凹凸は、散乱損失を大きくする主た
る要因であり、このような従来技術においては、導波路
の散乱損失を低減化することが極めて困難であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図２に示す、従来の磁
性ガーネット膜加工方法では、散乱損失の小さいガーネ
ット導波路を形成することは困難であった。本発明の目
的は、この問題点を解決した低損失の導波路を形成する
方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明を概説すれば、本
発明は、ガーネット導波路の形成方法に関する発明であ
って、一般式Ｒ₃ Ｆｅ₅ Ｏ₁₂で示される磁性ガーネット
膜、又は該ガーネットの酸素以外の構成元素の一部を等
価な価数を有する一種以上の元素で置き換えた置換型ガ
ーネット膜で形成される導波路の形成方法において、導
波路を形成する前工程として、一本の導波路に対してあ
らかじめガーネット結晶基板上に対となる２本のリッジ
を形成する工程、該２本のリッジを形成したガーネット
結晶基板上に下部クラッド層となるガーネット単結晶膜
を成長させる工程、２本のリッジの中間領域に自然に形
成される下部クラッド層となるガーネット単結晶面より
なる溝に、選択的に導波部となるガーネット単結晶膜を
形成させる工程、及び該導波部となるガーネット単結晶
膜と該下部クラッド層となるガーネット単結晶膜の上に
上部クラッド層となるガーネット単結晶膜を成長させる
工程の各工程を包含することを特徴とする。

【０００６】前記のような目的を達成するために、本発
明では、まずガーネット導波路の導波部分を形成するた
めの溝部をあらかじめ形成するために、１本の導波路に
対して対となる２本のリッジを物理的エッチング等の手
法を用いてガーネット単結晶膜上に形成し、そのリッジ
の上に下部クラッドとなるガーネット単結晶膜を成長さ
せる。この下部クラッド層の成長に際して、２本のリッ
ジの中間領域に自然にかつ再現性良く結晶面で構成され
る溝が形成される。しかる後、この溝部以外を白金ある
いはイリジウム等のマスクで覆って導波部となるべき、
クラッド層よりわずかに屈折率を大きくしたガーネット
単結晶膜を成長させると、溝部にのみ選択的に成長させ
ることができる。あるいは、マスクを介さずにガーネッ
ト単結晶膜を形成し、その後溝部のみをマスクで覆って
エッチングすることにより溝部にのみ導波部を残すこと
も可能である。この導波部は、当然に滑らかな結晶面で
囲まれることになる。最後に上部クラッド層となるガー
ネット単結晶膜を成長すれば、埋め込み型のガーネット
導波路が完成する。もって、滑らかな結晶面で囲まれた
導波部を有する低損失の埋め込み型ガーネット導波路を
提供できる。

【０００７】上記方法において、リッジを形成する具体
的方法は、例えば特願平３−２６５４７６号明細書に記
載されている。すなわち、ガーネット結晶基板上に、リ
ッジとなる材料、例えばＹＩＧ等を数μｍ以上の膜とな
るように、例えば液相エピタキシャル成長法（ＬＰＥ
法）で形成し、その上にフォトレジト、その上に金属薄
膜を形成し、次いでこの金属薄膜をリッジ面の形にフォ
トレジストマスクを介してアルゴンイオンビームエッチ
ング等により加工し、次いでチタン薄膜下部のフォトレ
ジストを例えば酸素プラズマで加工し、これをマスクと
して用いて前記ＹＩＧ等をリッジの形状に、例えばアル
ゴンイオンビームエッチングにより加工し、残存するフ
ォトレジストを酸素プラズマ等によりアッシングして取
去れば、ＹＩＧ等からなるリッジが形成される。

【０００８】次にこのリッジの上に下部クラッドとなる
膜を形成するが、最終的にこの下部クラッド層が薄膜で
ある場合には、下部クラッドとなる膜を形成する前に、
前記したリッジの側壁を平滑化しておくことが好まし
い。この平滑化は、例えば特願平３−２６５５０３号明
細書に記載のように、リッジを形成した基板を、リン
酸、臭化水素酸あるいはリン酸と同等の効果を有するリ
ン酸トリ−ｎ−ブチル、リン酸トリクレシル、リン酸ト
リフェニルの中から選ばれる一種以上の有機溶媒を含む
溶液中、好ましくは熱リン酸溶液中で浸漬処理すればよ
い。

【０００９】前記した白金あるいはイリジウム等のマス
クを形成する方法は、従来公知の方法でよく、例えば電
子ビーム蒸着法又はスパッタリング法等がある。これら
の選択的に導波部を成長させるためのマスク材として
は、高融点の材料であれば、ほとんどの材料が使用可能
であり、これを特定する必要はない。

【００１０】

【実施例】以下に本発明の具体的実施例について説明す
るが、本発明はこれら実施例に限定されない。

【００１１】実施例１ 図１は、本発明によるガーネット導波路の形成方法の一
例を示す工程図であり、図１において、符号１及び４は
図２と同義、２は約５μｍの高さの基板上に形成された
対のリッジ、３はリッジ側壁の凹凸、５は導波部を形成
するための溝部、６は溝部にのみ導波部を成長させるた
めの、白金等のマスク、７は選択的に成長した導波部ガ
ーネット、８は４と同様の上部クラッド部となるガーネ
ット膜である。まず、ガドリニウムガリウムガーネット
｛ＧＧＧ基板（１１０）方向｝上の導波路を形成する部
分上に、幅４μｍ、高さ５μｍの直線状リッジをその中
心から中心までの距離が１０μｍとなるように、ＹＩＧ
層をアルゴンイオンビームエッチング法により、〔２１
１〕方向に２本形成した（図１Ａ）。図１Ａに見られる
ように、リッジの側壁には、やや凹凸がある。次に、下
部クラッド層となるべきやや屈折率が導波部より小さく
制御された膜をＬＰＥ法により、約５μｍの厚さに形成
した（図１Ｂ）。図１Ｂに見られるように、２本のリッ
ジの中央部に、自然に溝が形成されるが、この溝の側面
及び底面は、ＹＩＧの結晶面でできており、極めて滑ら
かな面となっていた。なお、この溝部を構成する結晶面
は、（２１０）、（３２１）面の対称面であった。エピ
タキシャル成長前の基板にやや凹凸が存在してもこのよ
うに溝部は滑らかなものとなる。次に溝部以外を覆うよ
うに、白金でなるマスク材を電子ビーム蒸着法又はスパ
ッタリング法によって形成した後、下部クラッド層に比
較してやや屈折率を大きく制御した導波部となるべきＹ
ＩＧ膜をＬＰＥ成長法により、約４μｍの厚さに形成し
た。この際、ガーネット膜は白金で覆われていない部分
すなわち溝部にのみ選択的に成長する（図１Ｃ）。当然
に、この導波部は、ＹＩＧの結晶面で囲まれており、そ
れらの面は、導波方向に対して凹凸のない滑らかな面と
なっている。その後、白金マスクをイオンビームエッチ
ング等の手法により除去し、最後に、上部クラッド層を
前述の下部クラッド層と同様の方法で形成して埋め込み
型のＹＩＧ膜導波路を形成した（図１Ｅ）。この導波路
は線幅約４μｍであった。この導波路の伝搬損失を測定
したところ、０．２ｄＢ／cm以下の低損失であり、極め
て滑らかな側壁及び底面を有する導波路が形成されてい
ることが分かった。

【００１２】その後、ＬＰＥ法によりイットリウムの一
部をランタンに、鉄の一部をガリウムに置換した導波路
層を形成して導波損失を調べたところ、〜０．２ｄＢ／
cmの低損失導波路であった。

【００１３】なお、本方法により、線幅１μｍの導波路
まで伝搬損失の測定が可能であり、その値は〜１．２ｄ
Ｂ／cmであった。また、その実際のパターン幅は導波路
の底面で０．７μｍ、上部で１．１μｍであった。この
ことから、本方法が、導波路のパターン幅の制御性に優
れていることが確認できた。

【００１４】実施例２ 実施例１で示したガーネット導波路形成方法を用いて、
ＹＩＧのイットリウムの一部をビスマスあるいは希土類
元素に、鉄の一部あるいは全部をガリウムあるいはアル
ミに置換したガーネット膜で導波路を形成して、上部ク
ラッド層まで形成した後、線幅３μｍの導波路について
導波損失の測定を行った。この際、基板そのものを加工
して２本の対となるリッジを形成した後、熱リン酸によ
りリッジの側壁の平滑化を行った。また、導波層の溝部
への選択成長に対して、マスク材として白金の代りにイ
リジウムを使用した。結果を下記表１に示す。

【００１５】

【表１】 表１ 各ガーネット膜導波路の損失 イットリウムを置換する元素 導波損失（ｄＢ／cm） ビスマス ＜０．３ ランタン ＜０．３ ガドリニウム ＜０．２ ルテチウム ＜０．２

【００１６】表１から分かるように、本発明による導波
路形成法により、各種磁性ガーネット膜で十分低損失の
導波路を形成できる。

【００１７】また、希土類の中でセリウム、プラセオジ
ム、ネオジム、サマリウム、ユーロピウム、テルビウ
ム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウ
ム、イッテルビウムが適宜混合された原料を用いて作製
したガーネット膜についても、０．３ｄＢ／cm以下の低
損失を得た。なお、鉄の一部を置換していないガーネッ
ト膜についても損失が０．４ｄＢ／cm以下であろうこと
は容易に類推できる。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
容易に低損失の導波路を形成でき、ガーネット膜を用い
たデバイスの作製が容易になり、産業上の利点が大きい
ものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるガーネット導波路の形成方法の一
例を示す工程図である。

【図２】従来のガーネット導波路の形成方法を示す工程
図である。

【符号の説明】

１：基板、２：約５μｍの高さの基板上に形成された対
のリッジ、３：リッジ側壁の凹凸、４：クラッド層とな
るイットリウム鉄ガーネット等の膜、５：導波部を形成
するための溝部、６：溝部にのみ導波部を成長させるた
めの、白金等のマスク、７：選択的に成長した導波部ガ
ーネット、８：４と同様の上部クラッド部となるガーネ
ット膜、９：クラッド上に全面に形成された、加工前の
導波層となるガーネット膜、１０：導波部を加工するた
めのマスク、１１：イオンビーム、１２：導波部、１
３：導波部側壁の凹凸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渋川 篤 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一般式Ｒ₃ Ｆｅ₅ Ｏ₁₂で示される磁性ガ
   ーネット膜、又は該ガーネットの酸素以外の構成元素の
   一部を等価な価数を有する一種以上の元素で置き換えた
   置換型ガーネット膜で形成される導波路の形成方法にお
   いて、導波路を形成する前工程として、一本の導波路に
   対してあらかじめガーネット結晶基板上に対となる２本
   のリッジを形成する工程、該２本のリッジを形成したガ
   ーネット結晶基板上に下部クラッド層となるガーネット
   単結晶膜を成長させる工程、２本のリッジの中間領域に
   自然に形成される下部クラッド層となるガーネット単結
   晶面よりなる溝に、選択的に導波部となるガーネット単
   結晶膜を形成させる工程、及び該導波部となるガーネッ
   ト単結晶膜と該下部クラッド層となるガーネット単結晶
   膜の上に上部クラッド層となるガーネット単結晶膜を成
   長させる工程の各工程を包含することを特徴とするガー
   ネット導波路の形成方法。