WO2014129508A1

WO2014129508A1 - 光導波路素子及び光導波路素子の製造方法

Info

Publication number: WO2014129508A1
Application number: PCT/JP2014/053943
Authority: WO
Inventors: 市川　潤一郎; 勝利近藤
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2014-08-28
Anticipated expiration: 2015-08-21
Also published as: US9348156B2; JP6015749B2; CN105074545B; JPWO2014129508A1; CN105074545A; US20160004105A1

Abstract

　本発明の一側面に係る光導波路素子の製造方法は、基板の抗電界を下げる不純物をドープすることによって、第１方向に延びる光導波路を基板に形成する光導波路形成工程と、光導波路を含む第１リッジ部及び第１リッジ部と交差する第２リッジ部を形成するリッジ形成工程と、基板のうち、第２リッジ部によって区分される一方の領域に電圧を印加することにより、領域の分極方向を反転する分極処理工程と、を備える。

Description

光導波路素子及び光導波路素子の製造方法

　本発明は、光導波路素子及び光導波路素子の製造方法に関する。

　電気光学効果を奏する基板と、基板に設けられた光導波路と、を備える光導波路素子がある。例えば、特許文献１及び非特許文献１に記載の光変調素子では、光導波路が設けられた基板の一部を分極反転させることにより、光帯域の拡大を図っている。また、特許文献２に記載の集積型光変調素子では、光導波路が設けられた基板の一部を分極反転させることにより、チャープ及びスキューのない高精度の光信号の発生を図っている。一方、動作電圧の低減及び帯域の拡大を図るために光導波路を含む部分をリッジ構造とする光変調素子が知られており、広く使われている。

特開２００５－２８４１２９号公報特開２００８－１１６８６５号公報特開２００５－２７５１２１号公報

Ｊａｎｎｅｒ，　Ｄａｖｉｄｅ，　Ｍｉｃｈｅｌｅ　Ｂｅｌｍｏｎｔｅ，　ａｎｄ　Ｖａｌｅｒｉｏ　Ｐｒｕｎｅｒｉ．　"Ｔａｉｌｏｒｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃ　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ａｎｄ　Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ＬｉＮｂＯ３　Ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ　ｂｙ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．"　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　２５．９　（２００７）：　２４０２－２４０９．Ｓｃｈｒｅｉｂｅｒ，　Ｇ．，　ｅｔ　ａｌ．　"Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｃａｓｃａｄｅｄ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｉｎ　ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ　ｐｏｌｅｄ　Ｔｉ：　ＬｉＮｂＯ３　ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ　ｕｓｉｎｇ　ｐｕｌｓｅｄ　ａｎｄ　ｃｗ　ｐｕｍｐｉｎｇ．"　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｂ　７３．５－６　（２００１）：　５０１－５０４．Ｊａｎｎｅｒ，　Ｄ．，　ｅｔ　ａｌ．　"Ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｆｒｅｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ－ｆｉｅｌｄ　ｐｏｌｉｎｇ　ｏｆ　Ｔｉ　ｉｎｄｉｆｆｕｓｅｄ　ｚ－ｃｕｔ　ＬｉＮｂＯ３　ｗａｆｅｒ　ｗｉｔｈ　ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．"　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ａ　９１．２　（２００８）：　３１９－３２１．宮澤信太郎，　ａｎｄ　栗村直．　分極反転デバイスの基礎と応用，　オプトロニクス社．　ＩＳＢＮ４－９０２３１２－１１－５，　２００５

　上述の両課題である動作電圧の低減及び帯域の拡大を解決するためには、分極反転構造及びリッジ構造をともに備える光変調素子が考えられる。このような光変調素子を作製するために、例えば、光導波路を有するリッジ部を備える基板において、リッジ部及びリッジ部以外の平坦部（トレンチ部の底面）に跨がる領域の強誘電分極方向を反転する必要がある。リッジ状の部分のみを反転した構成でも、特許文献１の効能を実現することはできるが、平坦部（トレンチ底部）も含めて分極反転し、分極壁をリッジ状の光導波路部から遠ざけた位置に形成することが望ましい。この理由として、分極反転工程においてリッジの幅に相当する精細な形状制御が必要であること、反転面積が小さいので、反転面積をモニタ制御するための電流量のモニタに対してより高感度及び高精度が要求されること、強誘電体結晶の分極壁では応力及びトラップ電荷の密度が大きいので、屈折率が不均一となりやすく、光の散乱による伝搬光の損失及び不要偏波成分の発生が生じやすいこと、温度変化に光導波路基板の歪み及び捻れが大きくなり、干渉計型の光デバイスでは安定性の劣化を招くこと、などがある。この場合、リッジ部と平坦部とでは基板の厚さが異なるので、分極反転工程において基板に高電圧を印加した際に、リッジ部における電界の強度は、平坦部における電界の強度よりも小さくなる。このため、分極反転のための電圧の調整が複雑化し、所望の領域を超えて意図しない領域の分極方向が反転されるおそれがある。その結果、光変調素子における光制御の帯域拡大幅、並びに、光信号の品質及び精度が低下するおそれがある。

　なお、光導波路がリッジ構造でなく平坦な構造の場合、分極反転の制御を正確に行う方法が、非特許文献２及び非特許文献３に示されている。Ｔｉなどの不純物拡散工程の際に形成させる薄い分極反転層を研磨などで除去する方法（非特許文献２）、または、分極反転層が形成されない不純物拡散工程の条件を用いる（非特許文献３）ことが有効であり、マイクロメートル以下の精度で分極反転壁の位置を制御した例が報告されている。Ｔｉなどの不純物拡散によって光導波路を形成した基板の分極反転域の精密な制御において、薄い分極反転層の存在が本質的な阻害要因であるのか、薄い分極反転層の存在ではなく微小な分極反転域の存在が支配的な阻害要因なのか、不純物を拡散した部分の抗電界の低下及び微小な分極反転域の存在が支配的な阻害要因なのか、いまだ科学的な結論は出ていないが、非特許文献２及び非特許文献３の手法が制御性改善に一定の効果があることは事実である。

　しかしながら、リッジ構造の光導波路を形成した場合、上記に示した方法を用いても、今なお、分極反転域の制御を正確に行うことが難しい。特許文献３には、光導波路が形成されている面の反対側にリッジ部の高さよりも深い溝を形成して、分極反転領域の制御を行う方法が開示されている。リッジ型導波路のような表面の比較的小さな凹凸構造及び基板の厚さの不均一性に関わりなく、裏面に形成した深い溝の形状に対応した分極反転域を得るという、強引な方法である。特許文献１の構成のデバイス及び特許文献２の構成のデバイスを作成する際に極めて有効な方法であるが、非特許文献１と同様に、基板の加工プロセスが必要である。

　本発明は、基板の分極反転処理の精度を向上可能な構造を有す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。

　本発明の一側面に係る光導波路素子の製造方法は、基板の抗電界を下げる不純物をドープすることによって、第１方向に延びる光導波路を基板に形成する光導波路形成工程と、光導波路を含む第１リッジ部及び第１リッジ部と交差する第２リッジ部を形成するリッジ形成工程と、基板のうち、第２リッジ部によって区分される一方の領域に電圧を印加することにより、一方の領域の分極方向を反転する分極処理工程と、を備える。

　この光導波路素子の製造方法によれば、基板の抗電界を下げる不純物をドープして光導波路を形成し、光導波路を含む第１リッジ部及び第１リッジ部に交差する第２リッジ部を形成している。そして、第２リッジ部によって区分される基板の一方の領域に分極反転処理のために高電圧を印加した場合、一方の領域のうちの第１リッジ部以外の部分に生じる電界が、第２リッジ部に生じる電界よりも大きくなる。このため、基板の抗電界が、第２リッジ部に生じる電界よりも大きく、一方の領域のうちの第１リッジ部以外の部分に生じる電界よりも小さくなるように電圧を調整することによって、分極方向が反転される領域を第２リッジ部により制限することができ、第２リッジ部を超えた部分の分極反転を防ぐことが可能となる。また、第１リッジ部には、基板の抗電界を下げる不純物が含まれるので、一方の領域の第１リッジ部の分極方向を反転することが可能となる。その結果、基板の分極反転処理の精度を向上することが可能となる。

　本発明の他の側面に係る光導波路素子の製造方法では、リッジ形成工程において、第２リッジ部の高さが基板の平坦度より大きくなるように、第２リッジ部を形成してもよい。基板の平坦度は、基板の厚さの不均一性のことであり、裏面を基準とした基板の厚さの最大値と最小値との差である。この平坦度が第２リッジ部の高さよりも大きい場合、第２リッジ部の高さよりも大きい高さを有する部分が一方の領域に含まれる可能性がある。この部分の分極方向を反転させるために電圧を大きくすると、第２リッジ部における電界が大きくなって、第２リッジ部を超えて分極方向の反転が行われるおそれがある。このため、第２リッジ部の高さが基板の平坦度より大きくなるようにすることで、第２リッジ部による分極反転の制御の確実性を向上することが可能となる。その結果、分極反転処理の精度をさらに向上することが可能となる。

　本発明の他の側面に係る光導波路素子の製造方法では、分極処理工程において、液体電極を用いて領域に電圧を印加してもよい。この場合、基板と液体電極との接触を確実に行うことができ、基板に印加される電圧の均一性を向上できる。その結果、分極反転処理の精度をさらに向上することが可能となる。

　本発明の他の側面に係る光導波路素子の製造方法では、リッジ形成工程において、第１リッジ部と交差する第３リッジ部をさらに形成し、分極処理工程において、基板のうち、第２リッジ部と第３リッジ部とに挟まれる領域に電圧を印加することにより、領域の分極方向を反転してもよい。これによれば、第２リッジ部と第３リッジ部とに挟まれる領域に電圧を印加した場合、挟まれる領域のうちの第１リッジ部以外の部分に生じる電界が、第２リッジ部及び第３リッジ部に生じる電界よりも大きくなる。このため、基板の抗電界が、第２リッジ部及び第３リッジ部に生じる電界よりも大きく、挟まれる領域のうちの第１リッジ部以外の部分に生じる電界よりも小さくなるように電圧を調整することによって、分極方向が反転される領域を第２リッジ部及び第３リッジ部により制限することができ、第２リッジ部及び第３リッジ部を超えた部分の分極反転を防ぐことが可能となる。また、第１リッジ部には、基板の抗電界を下げる不純物が含まれるので、一方の領域の第１リッジ部の分極方向を反転することが可能となる。その結果、基板の分極反転処理の精度を向上することが可能となる。

　本発明の一側面に係る光導波路素子は、第１方向に延びる第１リッジ部と、第１リッジ部と交差する第２リッジ部と、を有する基板を備える。第１リッジ部は、第１方向に延びる光導波路を有している。光導波路は、基板の抗電界を下げる不純物を含んでいる。基板は、第１方向に沿って順に配置された第１領域及び第２領域を有している。第１領域の分極方向は、第２領域の分極方向と反対である。第２リッジ部は、第１領域と第２領域との境界上に設けられている。

　この光導波路素子によれば、基板は、第１方向に延びる第１リッジ部と、第１リッジ部に交差する第２リッジ部と、を有するとともに、第１方向に沿って順に配置された第１領域及び第２領域を有している。この第２領域の分極方向を反転するために第２領域に電圧を印加した場合、第２領域のうち第１リッジ部以外の部分に生じる電界が、第２リッジ部に生じる電界よりも大きくなる。このため、基板の抗電界が第２リッジ部に生じる電界よりも大きく、第１リッジ部以外の部分に生じる電界よりも小さくなるように電圧を調整することによって、第２領域の分極反転を第２リッジ部により制限することができ、第２リッジ部を超えた部分の分極反転を防ぐことが可能となる。また、第１リッジ部には、基板の抗電界を下げる不純物を含む光導波路を有しているので、第２領域の第１リッジ部の分極方向を反転することが可能となる。

　本発明の他の側面に係る光導波路素子では、第２リッジ部の高さは、前記基板の平坦度より大きくてもよい。基板の平坦度が第２リッジ部の高さよりも大きい場合、第２リッジ部の高さよりも大きい高さを有する部分が第２領域に含まれる可能性がある。この部分の分極方向を反転させるために電圧を大きくすると、第２リッジ部における電界が大きくなって、第２リッジ部を超えて分極方向の反転が行われるおそれがある。このため、第２リッジ部の高さが基板の平坦度より大きくなるようにすることで、第２リッジ部による分極反転の制御の確実性を向上することが可能となる。その結果、分極反転処理の精度をさらに向上することが可能となる。

　デバイスの省電力化が重要視される現在、駆動電圧の低減に効果の高いリッジ型導波路が特に有効であり、本技術の産業的価値は高い。また、ニオブ酸リチウムを基板とする場合には、高さ５－６μｍ程度のリッジが適しており、基板の厚さの不均一性を５μｍ以下、好ましくは２μｍ以下に抑えることが望ましい。ＳＡＷデバイス用単結晶の国際規格よりも厳しい厚さの均一性（非特許文献４のＴａｂｌｅ　２）が求められるが、不均一性が２μm以下の基板は入手可能であるので、本技術は実現性が高い。

　本発明によれば、基板の分極反転処理の精度を向上できる。

一実施形態に係る光導波路素子の構成を概略的に示す斜視図である。図１の光導波路素子の製造方法の一例を示す工程図である。図２のリッジ形成工程における基板の構成を概略的に示す平面図である。図２の分極処理工程で用いられる分極反転装置の構成を概略的に示す図である。図４の分極反転装置における基板のマスキング方法の一例を概略的に示す図である。比較例の基板におけるトレンチ部周辺を概略的に示す拡大図である。図４の分極反転装置における基板のマスキング方法の第１変形例を概略的に示す図である。図４の分極反転装置における基板のマスキング方法の第２変形例を概略的に示す図である。図４の分極反転装置における基板のマスキング方法の第３変形例を概略的に示す図である。図４の分極反転装置における基板のマスキング方法の第４変形例を概略的に示す図である。

　以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

　図１は、一実施形態に係る光導波路素子の構成を概略的に示す図である。図１に示されるように、光導波路素子１は、例えば光変調素子であって、基板１０と、信号電極２０と、を備えている。

　基板１０は、一方向（以下、「方向Ａ（第１方向）」という。）に沿って延びる板状部材であって、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３、以下「ＬＮ」という。）などの電気光学効果を奏する誘電体材料（強誘電体）から構成されている。基板１０の方向Ａに沿った長さは例えば１０～１５０ｍｍ程度、基板１０の方向Ａと直交する方向（以下、「方向Ｂ」という。）に沿った長さは例えば０．１～３ｍｍ程度、基板１０の厚さは例えば０．２～１ｍｍ程度である。基板１０は、方向Ａにおける両端面である端面１０ａ及び端面１０ｂと、方向Ｂにおける両端面である側端面１０ｃ及び側端面１０ｄと、を有している。

　基板１０は、第１領域１０ｅと、第２領域１０ｆと、第３領域１０ｇと、を有している。第１領域１０ｅ、第２領域１０ｆ及び第３領域１０ｇは、方向Ａに沿って順に配置されている。第１領域１０ｅでは、誘電体材料の結晶軸方向Ｚは、例えば基板１０の主面１０ｍの法線軸ＮＶ方向と反対方向に向いている。第２領域１０ｆでは、誘電体材料の結晶軸方向Ｚは、例えば基板１０の主面１０ｍの法線軸ＮＶ方向に向いている。第３領域１０ｇでは、誘電体材料の結晶軸方向Ｚは、例えば基板１０の主面１０ｍの法線軸ＮＶ方向と反対方向に向いている。ここで、誘電体の分極方向は、結晶軸方向Ｚと同じ方向に向いている。すなわち、第１領域１０ｅの分極方向は、第２領域１０ｆの分極方向と反対であり、第１領域１０ｅの分極方向は、第３領域１０ｇの分極方向と同じである。

　基板１０は、リッジ部１１（第１リッジ部）と、リッジ部１２（第２リッジ部）と、リッジ部１３（第３リッジ部）と、トレンチ部１４と、を有している。リッジ部１１は、主面１０ｍに設けられ、端面１０ａから端面１０ｂまで方向Ａに沿って延びている。リッジ部１１の方向Ａと直交する断面形状は、台形状を呈している。リッジ部１１の頂部の幅は、例えば９μｍ程度である。リッジ部１１の底部の幅は、例えば１２μｍ程度である。リッジ部１１の高さは、例えば６μｍ程度である。リッジ部１１における基板１０の厚さＴｒ１は、例えば１ｍｍ程度である。リッジ部１１は、光導波路１１ａを含んでいる。光導波路１１ａは、直線型の光導波路であって、端面１０ａから端面１０ｂまで方向Ａに沿って延びている。光導波路１１ａは、基板１０にチタン等の不純物がドープされて成る。

　リッジ部１２は、第１領域１０ｅと第２領域１０ｆとの境界面であるドメインウォールＤ１上に設けられ、側端面１０ｃから側端面１０ｄまで方向Ｂに沿って延びている。ドメインウォールＤ１は、リッジ部１２の両側面のうち第２領域１０ｆ側の側面１２ａに位置し、側面１２ａから基板１０の裏面１０ｎまで延びている。リッジ部１２の方向Ｂと直交する断面形状は、台形状を呈している。リッジ部１２の頂部の幅は、例えば９～２０μｍ程度である。リッジ部１２の底部の幅は、例えばリッジ形状が台形であって底角が７５度であった場合には１２～２３μｍ程度である。リッジ部１２の高さは、例えば６μｍ程度である。リッジ部１２における基板１０の厚さＴｒ２は、例えば１ｍｍ程度である。

　リッジ部１３は、第２領域１０ｆと第３領域１０ｇとの境界面であるドメインウォールＤ２上に設けられ、側端面１０ｃから側端面１０ｄまで方向Ｂに沿って延びている。ドメインウォールＤ２は、リッジ部１３の両側面のうち第２領域１０ｆ側の側面１３ａに位置し、側面１３ａから基板１０の裏面１０ｎまで延びている。リッジ部１３の方向Ｂと直交する断面形状は、台形状を呈している。リッジ部１３の頂部の幅は、例えば９～２０μｍ程度である。リッジ部１３の底部の幅は、例えばリッジ形状が台形であって底角が７５度であった場合には１２～２３μｍ程度である。リッジ部１３の高さは、例えば６μｍ程度である。リッジ部１３における基板１０の厚さＴｒ３は、例えば１ｍｍ程度である。

　なお、加工前のウェハは、その厚さが不均一である場合がある。この場合、リッジ部１２及びリッジ部１３の高さは、ウェハの平坦度（ＴＴＶ；Total　Thickness　Variation）よりも大きくしてもよい。ここで、ウェハの平坦度とは、ウェハ裏面を基準面として厚さ方向に測定した高さのウェハ全面における最大値と最小値との差である。

　トレンチ部１４は、リッジ部１２及びリッジ部１３に挟まれた部分であって、リッジ部１１によって側端面１０ｃ側と側端面１０ｄ側とに分断されている。トレンチ部１４における基板１０の厚さＴｔは、例えばリッジ部１２における基板１０の厚さＴｒ２からリッジ部１２の高さを減じた厚さとすればよい。

　信号電極２０は、外部から供給される電気信号である変調信号を伝送し、変調信号に応じた電界を光導波路１１ａに印加するための長尺の部材である。信号電極２０は、例えば金（Ａｕ）から構成されている。信号電極２０は、第１部分２０ａと、第２部分２０ｂと、第３部分２０ｃと、第４部分２０ｄと、を有している。

　第１部分２０ａは、基板１０の第１領域１０ｅにおける主面１０ｍ上に設けられている。第１部分２０ａは、基板１０の側端面１０ｃからリッジ部１１まで方向Ｂに延びている。第１部分２０ａの一端は、変調信号を供給するための外部回路に電気的に接続される。第２部分２０ｂは、第１領域１０ｅにおけるリッジ部１１上に設けられ、第１部分２０ａの他端からドメインウォールＤ１まで方向Ａに延びている。第２部分２０ｂの一端は第１部分２０ａの他端に接続されている。

　第３部分２０ｃは、第２領域１０ｆにおけるリッジ部１１上に設けられ、ドメインウォールＤ１からドメインウォールＤ２まで方向Ａに延びている。第３部分２０ｃの一端は第２部分２０ｂの他端に接続されている。第２部分２０ｂ及び第３部分２０ｃは、変調信号により形成される電界を光導波路１１ａに印加する作用部として機能する。第４部分２０ｄは、リッジ部１３上に設けられ、第３部分２０ｃの他端から側端面１０ｃまで方向Ｂと反対方向に延びている。第４部分２０ｄの一端は第３部分２０ｃの他端に接続され、第４部分２０ｄの他端は終端回路に電気的に接続されている。

　なお、光導波路素子１は、バッファ層（不図示）をさらに備えてもよい。バッファ層は、基板１０上に設けられ、リッジ部１１においてはリッジ部１１と信号電極２０との間に位置している。バッファ層は、光導波路１１ａを伝搬する光の信号電極２０による吸収を低減するために設けられる。バッファ層は、例えばシリコン酸化物（例えばＳｉＯ_２）等によって構成されている。

　以上のように構成された光導波路素子１では、端面１０ａから光導波路１１ａに入力光が入力される。入力光は、光導波路１１ａを伝搬する。このとき、信号電極２０により伝送される変調信号によって形成される電界が光導波路１１ａに印加されることによって、光導波路１１ａの屈折率が変化する。光導波路１１ａを伝搬する光は、光導波路１１ａの屈折率変化に応じて変調される。変調された光は、変調光として端面１０ｂから出力される。

　ここで、第１領域１０ｅにおける誘電体材料の結晶軸方向Ｚは、基板１０の主面１０ｍの法線軸ＮＶ方向と反対方向に向いている。第２領域１０ｆにおける誘電体材料の結晶軸方向Ｚは、基板１０の主面１０ｍの法線軸ＮＶ方向に向いている。このため、第１領域１０ｅにおいては、低周波の誘導位相量は、第２部分２０ｂの長さに比例して増加し、高周波の誘導位相量は、第２部分２０ｂの長さが大きくなるに従い緩やかに増加する。一方、第２領域１０ｆにおいては、低周波及び高周波の誘導位相量の変化量はそれぞれ、第１領域１０ｅにおける低周波及び高周波の誘導位相量の変化量と同じであるが、低周波及び高周波の誘導位相量の変化の方向は、第１領域１０ｅにおける低周波及び高周波の誘導位相量の変化の方向と反対である。すなわち、第２領域１０ｆにおいては、低周波の誘導位相量は、第２部分２０ｂの長さに比例して減少し、高周波の誘導位相量は、第２部分２０ｂの長さが大きくなるに従い緩やかに減少する。このため、低周波の誘導位相量と高周波の誘導位相量との差が低減され、光周波数応答特性が平坦化される。その結果、広帯域化が可能となる。

　次に、図１及び図２を参照して、光導波路素子１の製造方法の一例について説明する。図２は、光導波路素子１の製造方法の一例を示す工程図である。図２に示されるように、光導波路素子１の製造方法は、光導波路形成工程Ｓ０１と、リッジ形成工程Ｓ０２と、分極処理工程Ｓ０３と、バッファ層形成工程Ｓ０４と、熱処理工程Ｓ０５と、電極形成工程Ｓ０６と、を備えている。

　光導波路形成工程Ｓ０１では、基板１０（ウェハ）の主面１０ｍに光導波路１１ａを形成する。例えば、基板１０の主面１０ｍ上において、光導波路１１ａが形成される部分に不純物をドープすることによって、光導波路１１ａを形成する。例えば、光導波路１１ａが形成される部分に不純物を蒸着し、蒸着した不純物を熱拡散することによって、不純物をドープする。ドープされる不純物は、基板１０に含まれる誘電体材料の抗電界Ｅｃ（分極反転電界ともいう。）を下げる不純物であればよく、例えばチタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）等である。抗電界Ｅｃとは、誘電体の自発分極の分極方向が反転する電界である。例えば、光導波路用として市販されているＬＮ結晶の抗電界Ｅｃは、約２１ｋＶ／ｍｍであるが、チタンをドープしたＬＮ結晶の抗電界Ｅｃｔは、ＬＮ結晶の抗電界Ｅｃよりも小さいため反転しやすい。

　リッジ形成工程Ｓ０２では、光導波路形成工程Ｓ０１において光導波路１１ａが形成された基板１０の主面１０ｍに、リッジ部１１、リッジ部１２及びリッジ部１３を形成する。具体的に説明すると、リッジ形成工程Ｓ０２では、まず、例えばフォトリソグラフィにより、リッジ部１１、リッジ部１２及びリッジ部１３に対応する主面１０ｍ上の領域を覆うようにして、マスクＭを形成する。

　図３は、リッジ形成工程Ｓ０２において、マスクＭが形成された基板１０の構成を概略的に示す平面図である。図３に示されるように、マスクＭは、基板１０の主面１０ｍ上において、リッジ部１１、リッジ部１２及びリッジ部１３が形成される部分を覆うように形成される。そして、マスクＭをエッチングマスクとして用いて、ドライエッチング、ウェットエッチング等により基板１０の主面１０ｍを化学的に除去することによって、リッジ部１１、リッジ部１２及びリッジ部１３を形成する。なお、サンドブラスト及び切削加工等により基板１０の主面１０ｍを機械的に除去することにより、リッジ部１１、リッジ部１２及びリッジ部１３を形成してもよい。リッジ部１１、リッジ部１２及びリッジ部１３の形成後、マスクＭを除去する。

　分極処理工程Ｓ０３では、分極反転装置３を用いて、基板１０の所望の領域の分極方向を反転する。図４に示されるように、分極反転装置３は、挟持部材３１と、封止部材３２と、液体電極３３と、液体電極３４と、高電圧電源３５と、ポラライザ３６と、アナライザ３７と、を備えている。挟持部材３１は、基板５０を挟持するための一対の板状部材であって、例えばアクリル板等の透明な樹脂板である。封止部材３２は、例えば環状の樹脂材（Ｏリング）である。液体電極３３及び液体電極３４は、導電性の液体であって、例えば塩化リチウム（ＬｉＣｌ）水溶液である。ポラライザ３６及びアナライザ３７は、クロスニコル像観察用の偏光板である。

　高電圧電源３５は、高電圧を供給するための装置である。高電圧電源３５は、制御装置４１と、信号発生器４２と、高電圧アンプ４３と、電流モニタ４４と、を備えている。制御装置４１は、例えばＰＣ（Personal　Computer）であって、電流モニタ４４によってモニタされた電流に応じて信号発生器４２に制御信号を送信する。信号発生器４２は、例えばパルスジェネレータであって、制御装置４１から出力された制御信号に応じて、数Ｖの電圧を有するパルス信号を出力する。高電圧アンプ４３は、電圧を増幅する回路であって、信号発生器４２から出力されたパルス信号の電圧を増幅する。高電圧アンプ４３は、増幅したパルス信号を液体電極３４に出力し、液体電極３３及び液体電極３４間に高電圧Ｖを印加する。電流モニタ４４は、基板１０に流れた電流をモニタする。

　以上のように構成された分極反転装置３では、一対の挟持部材３１によって、封止部材３２を介して基板５０が挟持されるとともに、基板５０の一方面と挟持部材３１との間に液体電極３３が充填され、基板５０の他方面と挟持部材３１との間に液体電極３４が充填される。そして、高電圧電源３５は、制御装置４１からの制御信号に基づいて、信号発生器４２により信号を発生し、高電圧アンプ４３を介して、液体電極３３及び液体電極３４の間に高電圧Ｖを印加する。そして、制御装置４１は、電流モニタ４４によってモニタされた電流を時間積分した電荷量が、反転させる領域の面積に応じて定められる値に達したことを検出すると、信号発生器４２に信号の出力を停止させる。なお、挟持部材３１に挟持された基板５０は、所望の領域に対して抗電界Ｅｃを超える電界を印加するためにマスキングされた基板１０である。

　図５は、分極反転装置３における基板１０のマスキング方法の一例を概略的に示す図である。図５に示されるように、基板５０は、基板１０と、基板１０の主面１０ｍに設けられたマスク層５１と、を備えている。マスク層５１は、絶縁性を有し、例えば絶縁性樹脂から構成されている。マスク層５１は、基板１０の端面１０ａからリッジ部１２の頂面までの部分と、端面１０ｂからリッジ部１３の頂面までの部分と、を覆うように主面１０ｍに設けられている。マスク層５１は、主面１０ｍのうちリッジ部１２の頂面とリッジ部１３の頂面とに挟まれた部分の上に開口５１ａを有している。マスク層５１は、例えばスピンコートまたはフォトリソグラフィにより形成され得る。

　分極反転装置３を用いた分極反転原理について説明する。なお、厚さＴｒ１、厚さＴｒ２及び厚さＴｒ３がいずれも厚さＴｒとして説明している。この分極反転装置３では、液体電極３３及び液体電極３４間に電圧Ｖが供給される。このとき、マスク層５１の開口５１ａを介して、基板１０に電圧Ｖが印加される。リッジ部１２及びリッジ部１３における電界Ｅｒは、リッジ部１２及びリッジ部１３における基板１０の厚さＴｒで電圧Ｖを割った値（Ｖ／Ｔｒ）である。また、トレンチ部１４における電界Ｅｔは、トレンチ部１４における基板１０の厚さＴｔで電圧Ｖを割った値（Ｖ／Ｔｔ）である。

　そして、基板１０の抗電界Ｅｃが電界Ｅｒと電界Ｅｔとの間（Ｅｒ＜Ｅｃ＜Ｅｔ）になるように電圧Ｖが調整される。なお、リッジ部１１における電界は、平均的には電界Ｅｒと等しくなる。しかしながら、リッジ部１１にはチタン等の不純物がドープされているので、リッジ部１１における抗電界Ｅｃｔは、抗電界Ｅｃよりも小さいため、電界Ｅｒによって分極反転が可能となる。また、マスク層５１が設けられた位置での電界Ｅｐは、電界Ｅｒよりも小さい。このため、基板１０のうちリッジ部１２及びリッジ部１３に挟まれた領域の分極方向が反転し、第２領域１０ｆが形成される。

　図２に戻って、バッファ層形成工程Ｓ０４では、基板１０の主面１０ｍ上にリッジ部１１、リッジ部１２及びリッジ部１３を形成した後、光導波路１１ａを覆うように、基板１０の主面１０ｍにバッファ層を形成する。主面１０ｍ全体を覆うように、基板１０の主面１０ｍにバッファ層を形成してもよい。真空蒸着法、イオンアシスト真空蒸着法、スパッタリング法、及び、ＣＶＤ（chemical　vapor　deposition）法等の汎用的な薄膜堆積方法によって、バッファ層を形成する。バッファ層は、例えばシリコン酸化物（ＳｉＯ_２）またはアルミニウム酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）等によって構成されている。

　熱処理工程Ｓ０５では、バッファ層形成工程Ｓ０４において形成されたバッファ層の酸素欠損を補填するために、バッファ層に熱処理を施す。この熱処理は、酸素含有雰囲気中において、約６００度程度の温度において行われる。

　電極形成工程Ｓ０６では、バッファ層上に信号電極２０を形成する。具体的に説明すると、フォトリソグラフィにより、バッファ層上にレジストパターンを形成する。このレジストパターンは、信号電極２０のための開口を有する。次に、レジストパターンをマスクとして例えばメッキ法を用いて、バッファ層上に信号電極２０を形成する。電極形成工程Ｓ０６において、バッファ層上に接地電極を形成してもよい。信号電極２０の形成後、レジストパターンを除去する。

　以上のようにして、光導波路素子１が作製される。なお、バッファ層形成工程Ｓ０４及び熱処理工程Ｓ０５は、リッジ形成工程Ｓ０２と分極処理工程Ｓ０３との間に行われてもよく、バッファ層を設けない場合には省略されてもよい。

　上述の光導波路素子１の製造方法によれば、基板１０の抗電界Ｅｃを下げる不純物を基板１０にドープして方向Ａに延びる光導波路１１ａを形成し、光導波路１１ａを含む方向Ａに延びるリッジ部１１及びリッジ部１１に交差するリッジ部１２及びリッジ部１３を形成している。そして、基板１０のうち、リッジ部１２及びリッジ部１３に挟まれる領域（リッジ部１２によって区分される一方の領域）に電圧Ｖを印加している。このとき、トレンチ部１４に生じる電界Ｅｔが、リッジ部１２及びリッジ部１３に生じる電界Ｅｒよりも大きくなる。このため、基板１０の抗電界Ｅｃがリッジ部１２及びリッジ部１３に生じる電界Ｅｒよりも大きく、トレンチ部１４に生じる電界Ｅｔよりも小さくなるように電圧Ｖを調整することによって、分極方向が反転される第２領域１０ｆの広がりをリッジ部１２及びリッジ部１３により制限することができる。

　すなわち、第２領域１０ｆは、方向Ａの反対方向において、リッジ部１２の側面１２ａまで広がって形成されるが、リッジ部１２を超えて形成されない。また、第２領域１０ｆは、方向Ａにおいて、リッジ部１３の側面１３ａまで広がって形成されるが、リッジ部１３を超えて形成されない。このように、リッジ部１２及びリッジ部１３を超えて分極反転されることを防ぐことができる。また、リッジ部１１には、基板１０の抗電界Ｅｃを下げる不純物が含まれるので、リッジ部１２及びリッジ部１３に挟まれるリッジ部１１の分極方向を反転することが可能となる。その結果、基板１０の分極反転処理の精度を向上することが可能となる。

　本来、リッジ部１１における電界Ｅｒは基板の抗電界Ｅｃを超えていないので、リッジ部１１、または基板裏面のリッジ部１１に対向する位置に分極反転核が発生し、基板１０を貫通して反転領域が成長していくことはない。しかし、Ｔｉのような不純物を拡散したリッジ部分では、上記の条件で分極反転処理を行えば、トレンチ部１４の分極反転部とつながった形状で分極方位が反転し、一方、不純物を拡散していないリッジ部１２及びリッジ部１３では、電界Ｅｒが基板の抗電界Ｅｃを超えない限り分極方位が反転しないことが、再現性良く観察される。

　リッジ部１１の分極反転を安定的に再現性良く反転を行える条件では、以下の現象が起きていると推定できる。抗電界Ｅｃに近い電界が印加されたリッジ部１１の表面では、多数の微小な分極反転核が発生する。不純物の含まれる部分の抗電界は、基板材料本来の抗電界Ｅｃよりも小さいので、微小な分極反転核は不純物であるＴｉの拡散距離と同程度（一般的な光ファイバ通信用波長１５５０ｎｍの光導波路の場合、深さは３～４μｍ）の深さまでは成長し得るものの、基板１０を貫通して成長していくには至らない。一方、トレンチ部１４では、電界Ｅｔが抗電界Ｅｃを超えているので、多数箇所で分極反転核が発生し、核が基板を貫通することを経て、分極反転域の成長と反転部分の面積の拡大とが進む。分極反転壁がリッジ部１１の斜面に達すると、新たな分極反転核の発生と貫通による分極反転域の拡大とは止まる、または大きく抑制されると考えられる。しかしながら、電界Ｅｔが抗電界Ｅｃ以下であっても分極反転壁の移動は起こり得るので、リッジ部１１において数μｍ程度に成長した分極反転域と、トレンチ部１４において成長拡大してきた分極反転部と、の合区（マージ）が起こり得る。さらに、リッジ部１１における新たな分極反転核の発生、数μｍ程度への成長、そしてマージが繰り返されれば、トレンチ部１４において成長拡大してきた分極反転部の面積の拡大は続き、最終的にはリッジ部１１全体を含めて一体となった分極反転域が形成される。なお、抗電界以下の電界であっても、微小な分極反転核が形成されること及び分極壁が移動することは、非特許文献４の３．１．４節「選択的核生成」に解説されている。

　不純物が拡散していないリッジ部１２及びリッジ部１３においても、表面に微小な分極反転核が形成されて、分極壁及び微小な核が移動していると考えられる。このため、リッジ部１２，１３においても、徐々にではあるが分極反転が進んでいると思われる。しかしながら、リッジ部１２，１３において形成される分極反転領域がごく小さいので、トレンチ部１４において成長拡大してきた分極反転部のリッジ部１２，１３に向かう成長は、リッジ部１１に向かう成長に比べて極めて遅い。したがって、リッジ部１２，１３に向かう反転域の拡大は進まないと見なしても、実工程管理上の問題は無い。

　また、液体電極３３，３４を用いて、リッジ部１２及びリッジ部１３に挟まれる領域に電圧Ｖを印加している。このため、基板１０と液体電極３３，３４との接触を確実に行うことができ、基板１０に印加される電圧の均一性を向上できる。その結果、分極反転処理の精度をさらに向上することが可能となる。

　なお、本発明の一態様に係る光導波路素子及び光導波路素子の製造方法は上記実施形態に限定されない。例えば、光導波路素子１は、光変調素子に限られず、光スイッチ、偏波コントローラ等であってもよい。その場合、分極反転を形成する形状によって、リッジ部１２及びリッジ部１３は適宜変更してもよい。伝搬光の光路を切替える光スイッチの場合、及び、２つの光を合波干渉させるマッハツエンダー光変調器などの場合、光導波路が直線状の部分だけでは構成できず、斜行させたり屈曲させた光導波路部が必要となるが、その部分がリッジ導波路の場合、例えば、リッジ部１２及びリッジ部１３は方向Ａに垂直でなくてもよく傾斜させてもよい。また、分極反転させる領域が端面１０ａ、端面１０ｂ、側端面１０ｃ及び側端面１０ｄを含まない、すなわち、基板１０内で閉じている場合、その分極反転させる領域を囲むようにリッジ部を設けてもよい。また、光導波路素子１が方向Ａに延びる複数の光導波路を有する構成では、方向Ｂと交差するリッジ部を設け、光導波路間で分極方向が異なるように領域を分けてもよい。

　また、光導波路１１ａは、マッハツェンダ（Mach-Zehnder）型の光導波路であってもよく、光導波路素子１の変調方式に応じた構造を有してもよい。

　基板１０は、第１領域１０ｅ及び第２領域１０ｆを有し、第３領域１０ｇを有しなくてもよい。この場合、光導波路素子１は、リッジ部１３を有しなくてもよい。このように、基板１０が方向Ａに沿って順に配列された２以上の複数の領域を有していればよく、領域の数は限定されない。また、隣り合う領域の分極方向は互いに反対であって、基板１０は、隣り合う領域のドメインウォール（境界面）上に設けられたリッジ部を有していればよい。

　また、リッジ形成工程Ｓ０２において、光導波路１１ａが形成された基板１０の平坦度を測定し、リッジ部１２及びリッジ部１３の高さが基板１０の平坦度よりも大きくなるように、リッジ部１２及びリッジ部１３を形成するとよい。

　図６を用いて、基板の平坦度が分極反転に及ぼす影響を説明する。図６は、比較例の基板におけるトレンチ部周辺を概略的に示す拡大図である。図６に示されるように、比較例の基板１１０では、裏面１１０ｎが膨らんでおり、リッジ部１１２及びリッジ部１１３の高さが基板１１０の平坦度よりも小さい。すなわち、トレンチ部１１４における基板１１０の厚さＴｔは、リッジ部１１２及びリッジ部１１３における基板１１０の厚さＴｒよりも大きい。ここで、トレンチ部１１４の分極方向を反転させるために、電圧Ｖを大きくして、トレンチ部１１４の電界Ｅｔ（＝Ｖ／Ｔｔ）を基板１１０の抗電界Ｅｃよりも大きくする。比較例の基板１１０では、トレンチ部１１４における基板１１０の厚さＴｔは、リッジ部１１２及びリッジ部１１３における基板１１０の厚さＴｒよりも大きいので、リッジ部１１２及びリッジ部１１３における電界Ｅｒ（＝Ｖ／Ｔｒ）は、基板１１０の抗電界Ｅｃよりも大きくなる。このため、リッジ部１１２及びリッジ部１１３の分極方向が反転され、さらにリッジ部１１２及びリッジ部１１３を超えて分極反転されるおそれがある。

　これに対し、図５に示されるように、基板１０では、リッジ部１２及びリッジ部１３の高さは基板１０の平坦度よりも大きい。すなわち、リッジ部１２及びリッジ部１３における基板１０の厚さＴｒは、トレンチ部１４における基板１０の厚さＴｔよりも大きい。ここで、トレンチ部１４の分極方向を反転させるために、電圧Ｖを大きくして、トレンチ部１４の電界Ｅｔを基板１０の抗電界Ｅｃよりも大きくする。このとき、基板１０では、リッジ部１２及びリッジ部１３における基板１０の厚さＴｒは、トレンチ部１４における基板１０の厚さＴｔよりも大きいので、基板１０の抗電界Ｅｃが電界Ｅｒと電界Ｅｔとの間（Ｅｒ＜Ｅｃ＜Ｅｔ）になるように電圧Ｖを調整することができる。このため、リッジ部１２及びリッジ部１３によって、分極反転される基板１０の範囲を制限することができる。このように、基板１０では、リッジ部１２及びリッジ部１３による分極反転の制御の確実性を向上することが可能となる。その結果、分極反転処理の精度をさらに向上することが可能となる。

　また、分極反転装置３における基板１０のマスキング方法は、上述の方法に限定されない。以下に、基板１０のマスキング方法の変形例について説明する。

（第１変形例）
　図７は、分極反転装置３における基板１０のマスキング方法の第１変形例を概略的に示す図である。図７に示されるように、基板５０は、マスク層５１に代えてマスク層５２を備えている点で、図５の基板５０と相違する。すなわち、図７の基板５０では、マスク層５２は、基板１０の裏面１０ｎのうち基板１０の端面１０ａからリッジ部１２に対向する位置までの部分と、端面１０ｂからリッジ部１３に対向する位置までの部分と、を覆うように裏面１０ｎに設けられている。マスク層５２は、裏面１０ｎのうちリッジ部１２に対向する位置とリッジ部１３に対向する位置とに挟まれた部分の上に開口５２ａを有している。マスク層５２は、絶縁性を有し、例えば絶縁性樹脂から構成されている。マスク層５２は、例えばスピンコートまたはフォトリソグラフィにより形成され得る。

　この分極反転装置３においても、図５の分極反転装置３と同様にして、基板１０の所望の領域の分極方向を反転することができる。また、フォトリソグラフィなどで形成される絶縁性樹脂（マスク層５２）がリッジ部１１、リッジ部１２及びリッジ部１３により散乱されることがないので、分極反転の境界（ドメインウォールＤ１及びドメインウォールＤ２）がシャープに精度よく形成できる。

（第２変形例）
　図８は、分極反転装置３における基板１０のマスキング方法の第２変形例を概略的に示す図である。図８に示されるように、基板５０は、金属膜５３がさらに設けられている点で、図７の基板５０と相違する。すなわち、図８の基板５０では、金属膜５３は、封止部材３２に囲まれた範囲において、マスク層５２上に設けられている。金属膜５３は、開口５２ａにおいて基板１０の裏面１０ｎに設けられ、基板１０と接触を成している。金属膜５３は、導電性を有し、例えばクロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）等から構成されている。金属膜５３は、例えばリフトオフ法により形成され得る。

　この分極反転装置３においても、図５の分極反転装置３と同様にして、基板１０の所望の領域の分極方向を反転することができる。また、金属膜５３を用いることにより、印加される電界の均一性を向上することができる。

（第３変形例）
　図９は、分極反転装置３における基板１０のマスキング方法の第３変形例を概略的に示す図である。図９に示されるように、分極反転装置３は、挟持部材３１、封止部材３２、液体電極３３及び液体電極３４を備えていない点で、図５、図７、図８の分極反転装置３と相違する。基板５０は、マスク層５１に代えて、金属膜５４及び金属膜５５を備えている点で図５の基板５０と相違する。すなわち、図９の基板５０では、基板１０の主面１０ｍのうち、リッジ部１２とリッジ部１３とに挟まれた部分に金属膜５４が設けられ、基板１０の裏面１０ｎのうち金属膜５４に対向する部分を覆うように金属膜５５が設けられている。金属膜５４及び金属膜５５は、導電性を有し、例えばＣｒ、Ａｌ、Ａｕ等から構成されている。金属膜５４及び金属膜５５は、例えばリフトオフ法により形成され得る。

　この分極反転装置３においても、図５の分極反転装置３と同様にして、基板１０の所望の領域の分極方向を反転することができる。また、金属膜５４及び金属膜５５を用いることにより、印加される電界の均一性を向上することができる。また、液体電極３３及び液体電極３４の液漏れ等が生じることがなく、簡単に分極反転を行うことが可能となる。

（第４変形例）
　図１０は、分極反転装置３における基板１０のマスキング方法の第４変形例を概略的に示す図である。図１０に示されるように、分極反転装置３は、挟持部材３１、封止部材３２、液体電極３３及び液体電極３４を備えていない点で、図５、図７、図８の分極反転装置３と相違する。基板５０は、さらに金属膜５４を備えている点で、図８の基板５０と相違する。

　この分極反転装置３においても、図５の分極反転装置３と同様にして、基板１０の所望の領域の分極方向を反転することができる。また、液体電極３３及び液体電極３４の液漏れ等が生じることがなく、簡単に分極反転を行うことが可能となる。

　１…光導波路素子、１０…基板、１０ｅ…第１領域、１０ｆ…第２領域、１１…リッジ部（第１リッジ部）、１２…リッジ部（第２リッジ部）、１３…リッジ部（第３リッジ部）、３３，３４…液体電極、１１ａ…光導波路、Ａ…方向（第１方向）、Ｄ１…ドメインウォール（境界）、Ｅｃ…抗電界。

Claims

　基板の抗電界を下げる不純物をドープすることによって、第１方向に延びる光導波路を前記基板に形成する光導波路形成工程と、
　前記光導波路を含む第１リッジ部及び前記第１リッジ部と交差する第２リッジ部を形成するリッジ形成工程と、
　前記基板のうち、前記第２リッジ部によって区分される一方の領域に電圧を印加することにより、前記領域の分極方向を反転する分極処理工程と、
を備える光導波路素子の製造方法。
　前記リッジ形成工程において、前記第２リッジ部の高さが前記基板の平坦度より大きくなるように、前記第２リッジ部を形成する、請求項１に記載の光導波路素子の製造方法。
　前記分極処理工程において、液体電極を用いて前記領域に電圧を印加する、請求項１または請求項２に記載の光導波路素子の製造方法。
　前記リッジ形成工程において、前記第１リッジ部と交差する第３リッジ部をさらに形成し、
　前記分極処理工程において、前記基板のうち、前記第２リッジ部と前記第３リッジ部とに挟まれる領域に電圧を印加することにより、前記領域の分極方向を反転する、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の光導波路素子の製造方法。
　第１方向に延びる第１リッジ部と、前記第１リッジ部と交差する第２リッジ部と、を有する基板を備え、
　前記第１リッジ部は、前記第１方向に延びる光導波路を有し、
　前記光導波路は、前記基板の抗電界を下げる不純物を含んでおり、
　前記基板は、前記第１方向に沿って順に配置された第１領域及び第２領域を有し、
　前記第１領域の分極方向は、前記第２領域の分極方向と反対であり、
　前記第２リッジ部は、前記第１領域と前記第２領域との境界上に設けられている、光導波路素子。
　前記第２リッジ部の高さは、前記基板の平坦度より大きい、請求項５に記載の光導波路素子。