(57)【要約】リング状光導波路と入出力光導波路を有し、リング状光導波路の共振波長を変化させる光デバイスであって、導波する波長における屈折率を制御する屈折率制御部が、リング状光導波路の一部分に具備され、屈折率制御部が、屈折率制御部以外のリング状光導波路の部分を構成する光学材料と異なる符号の熱光学効果をもつ光学材料で形成されている。
2009113469.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振構造の光導波路を有する光デバイスであって、前記光導波路の少なくとも一部分を構成する第一の部分のコア層が、光の進行方向に沿って前記第１の部分に連続した第二の部分のコア層に接続されており、前記第一の部分のコア層の少なくとも一部分を構成する第１光学材料と前記第二の部分のコア層の少なくとも一部分を構成する第２の光学材料が、互いに相異なる符号の熱光学効果をもつことを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の光デバイスにおいて、前記第１光学材料及び前記第２光学材料が無機光学材料であることを特徴とする光デバイス。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光デバイスにおいて、前記第一の部分の導波路と前記第二の部分の導波路の少なくとも一部分の実効的長さ、屈折率、及び構造の内の少なくとも１種を温度変化による共振波長の変動を補償する関係を有するように構成したことを特徴とする光デバイス。
【請求項４】
請求項１から３の内のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、導波する波長における屈折率を制御する屈折率制御部が、前記光導波路の前記第一の部分に具備され、前記屈折率制御部は前記第１の光学材料を有し、前記屈折率制御部の光導波路の方向に連続した当該屈折率制御部以外の前記光導波路の前記第２の部分の少なくとも一部分は、前記第２光学材料を有していることを特徴とする光デバイス。
【請求項５】
請求項１から４の内のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、前記光導波路がリング状光導波路であり、当該光デバイスは、更に、入出力光導波路を有し、かつ前記リング状光導波路の共振特性を利用する光デバイスであることを特徴とする光デバイス。
【請求項６】
請求項４または５に記載の光デバイスにおいて、前記屈折率制御部の第１の光学材料が電気光学材料で形成されていることを特徴とする光デバイス。
【請求項７】
請求項４から６の内のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、前記屈折率制御部が前記第１の光学材料として、ジルコン酸チタン酸鉛を含む材料、またはランタンが添加されたジルコン酸チタン酸鉛を含む材料を含むことを特徴とする光デバイス。
【請求項８】
請求項５から７の内のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、前記屈折率制御部以外の前記リング状光導波路の少なくとも一部分が、ＴｉＯ２、及びＰｂＭｏＯ４から選ばれる材料で形成されていることを特徴とする光デバイス。
【請求項９】
請求項４から８のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、前記屈折率制御部に電界を形成する電極を有し、この電極に電気信号を印加することで光を制御する光変調器または光スイッチとして動作することを特徴とする光デバイス。
【請求項１０】
請求項１から９の内のいずれか一項に記載の光デバイスを第１のデバイスとして搭載した基板上に、第２の光デバイスを有することを特徴とする光集積デバイス。
【請求項１１】
請求項１０に記載の光集積デバイスにおいて、前記第２の光デバイスが、レーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光スイッチ、及び光フィルターのいずれかであることを特徴とする光集積デバイス。
【請求項１２】
請求項１から９の内のいずれか一項に記載の光デバイスと、電子回路とを基板上に有することを特徴とする光集積デバイス。
【請求項１３】
請求項４から９の内のいずれかに記載の光デバイスの製造方法であって、前記屈折率制御部の少なくとも一部が、光学材料をエアロゾルデポジション法で堆積させることにより形成されることを特徴とする光デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信、光配線、光ストレージ等に用いられる光デバイス、これを備えた光集積デバイス、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電界と物質の相互作用により屈折率が変化する電気光学効果は、その高速性、電圧駆動であることによる低消費電力性、構造の単純性から、光変調器に応用されている。
ＬｉＮｂＯ３を用いた光変調器は、単結晶ＬｉＮｂＯ３基板上にＴｉ拡散法によりマッハツエンダー型導波路を形成したものに電極を組み合わせて形成されている。この光変調器は、電圧を印加することで、導波路の屈折率を変化させ、光信号のＯＮ／ＯＦＦを行うことができる。しかし、この変調器は、単結晶基板を用いる必要があることから高価である。また、ＬｉＮｂＯ３の電気光学効果が小さく、プレナー電極構造であることから長い導波路が必要になり、素子サイズがｃｍ台と非常に大きい。
透明セラミックスであるＰｂ１−ｘＬａｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）Ｏ３（ＰＬＺＴ）は、現行の光変調器に用いられているＬｉＮｂＯ３単結晶より二桁近く電気光学係数が大きい。それゆえ、ＰＬＺＴを用いることで、光素子の小型化及びそれによる低コスト化、低消費電力化、および高速化が期待でき、これまでゾルゲル法によるＰＬＺＴの薄膜化の検討がなされてきている（非特許文献１、非特許文献２）。
今後に期待される革新的な技術として、光とエレクトロニクスの１チップ上の集積を可能とするシリコンフォトニックデバイスが研究されている。これを実現することでＣＰＵ、メモリー等のＬＳＩと光スイッチ等の能動光学素子とを同一基板上に形成することができ、ＬＳＩの高速化が可能となる。また、ＬＳＩ形成技術を光通信デバイスの製造プロセスに適用できることから、光デバイスの低価格化が可能となる。
しかし、シリコンが間接遷移型の半導体のため、レーザー等の発光素子をシリコン基板上に直接形成することは困難である。このため、電気信号を光信号に変換する光変調器をシリコン基板上に形成することが重要になる。このＬＳＩ光配線用の光変調器は、ＬＳＩの動作条件で駆動できる低電圧、低消費電力で、小型であることが求められている。
この要求を満足する光変調器として、シリコンで構成されたリング共振器型が研究されている（非特許文献３）。シリコン・リング型共振器は、光の導波層にキャリアを注入することで屈折率を変化させ、共振波長を変化させることで変調動作を行う。
【非特許文献１】Ｋ．Ｄ．Ｐｒｅｓｔｏｎ  ａｎｄ  Ｇ．Ｈ．Ｈａｅｒｔｌｉｎｇ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６０（１９９２）２８３１．
【非特許文献２】Ｋ．Ｎａｓｈｉｍｏｔｏ，Ｋ．Ｈａｇａ，Ｍ．Ｗａｔａｎａｂｅ，Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ  ａｎｄ  Ｅ．Ｏｓａｋａｂｅ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７５（１９９９）１０５４．
【非特許文献３】Ａ．Ｌｉｕ，Ｌ．Ｌｉａｏ，Ｄ．Ｒｕｂｉｎ，Ｈ．Ｎｇｕｙｅｎ，Ｂ．Ｃｉｆｔｃｉｏｇｌｕ，Ｙ．Ｃｈｅｔｒｉｔ，Ｎ．Ｉｚｈａｋｙ，Ｍ．Ｐａｎｉｃｃｉａ：Ｏｐｔ．Ｅｘｐ．，１５（２００７）６６０．
【非特許文献４】Ｙａｓｕｏ  Ｋｏｋｕｂｕｎ，Ｓｈｉｇｅｒｕ  Ｙｏｎｅｄａ，ａｎｄ  Ｓｈｉｎｎｏｓｕｋｅ  Ｍａｔｓｕｕｒａ：ＩＥＩＣＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｖｏｌ．Ｅ８１−Ｃ，Ｎｏ．８（１９９８）１１８７．
【非特許文献５】Ｈ．Ｔａｎｏｂｅ，Ｙ．Ｋｏｎｄｏ，Ｈ．Ｙａｓａｋａ  ａｎｄ  Ｙ．Ｙｏｓｈｉｋｕｎｉ：ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．８，Ｎｏ．１１，（１９９６）１４８９．
【非特許文献６】Ｙ．Ｉｎｏｕｅ，Ａ．Ｋａｎｅｋｏ，Ｆ．Ｈａｎａｗａ，Ｈ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｋ．Ｈａｔｔｏｒｉ  ａｎｄ  Ｓ．Ｓｕｍｉｄａ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．２３，（１９９７）１９４５．
【発明の開示】
【０００３】
ＬＳＩ光配線用の光変調器としては、ＬＳＩの動作条件で駆動できる低電圧、低消費電力であり、小型であるリング共振器型が最も適していると考えられている。リング共振器の動作原理は次のようになる。リング共振器の共振波長に対応した波長のレーザー光（ＣＷ光）を、リング共振器に入射させる。入射波長が共振波長と一致した場合、入射光はリング導波路で共振するため、入出力光導波路の出力側に出射する光量は非常に小さくなる。次に、導波する波長における屈折率を制御する屈折率制御部に電気信号を作用させることで、共振波長を変化させる。このとき共振波長とレーザー光の波長は一致しないため、出力光量は増加する。このようにしてリング共振器は変調動作を行う。しかし、デバイス温度の変動によりリング導波路の共振波長が変化するため、リング共振器の変調動作が不安定になる。
これは、温度変動による屈折率の変化、すなわち熱光学効果により、リングの光路長によって定まる共鳴波長が変動するためである。この共鳴波長が温度により変動すると、消光比の低下を引き起こし、デバイスとしての機能を著しく低下させてしまう。このため、光通信分野では、変調器にペルチェ素子等の温度保持機構を付加している。それゆえ、リング共振器を用いる変調器には、高価、大型で、かつ消費電力が大きいといった課題がある。
このリング共振器の課題を解決するために、温度無依存型のリング共振器構造として、コア材料とクラッド材料の屈折率の温度係数、ｄｎ／ｄＴ、を逆符号にする構造が提案されている（非特許文献４）。ここでは、コア材料であるＴｉＯ２−ＳｉＯ２のｄｎ／ｄＴは正であり、クラッド材料として用いているＰＭＭＡ−ＴＦＭＡのｄｎ／ｄＴは負である。このように、温度による屈折率変化を補償する構造がとられている。
しかし、コア材料とクラッド材料の熱光学効果の符合を変えることで、温度補償するためにはクラッドに多くの導波光を染み出させる必要がある。染み出し光が多い導波路は必然的に光閉じ込めの弱い導波路となり、リング径を小さくすると放射損が大きくなる。このため、リング共振器は、小型化が困難で、集積化が難しく、また、変調に必要な電力が大きくなり、高速化ができない。
また、温度無依存型の光デバイスの構成として、マッハツエンダー型導波路の光フィルターで、実効屈折率の熱光学効果が異なる材料からなり長さが異なる二本の導波路からなる構造が提案されている（非特許文献５）。しかし、この構造はマッハツエンダー型では有効だが、共振型では有効ではない。
さらに、温度無依存型の光デバイスの構成として、ａｒｒａｙｅｄ−ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｇｒａｔｉｎｇ（ＡＷＧ）で、ａｒｒａｙｅｄ−ｗａｖｅｇｕｉｄｅの一部にグルーブを設け、そこにａｒｒａｙｅｄ−ｗａｖｅｇｕｉｄｅを構成するシリカとは屈折率の熱光学効果が逆符号のシリコーンを充填する構造が提案されている（非特許文献６）。この構造では、導波路の曲率半径が小さなリング構造では、導波損失が大きくなってしまう。
本発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであって、温度による特性変動が小さな共振型光デバイス、特に小型、低消費電力で、高速な安価な光デバイスを提供することを目的とする。また、本発明は、この光デバイスを備えた光集積デバイスを提供することをもう一つの目的とする。
本発明の一形態によれば、共振構造の光導波路を有する光デバイスであって、光導波路の少なくとも一部を構成する第一の部分のコア層が、光の進行方向に沿って第１の部分に連続する第二の部分のコア層に接続されており、第１の部分のコア層の少なくとも一部分を構成する光学材料と第２の部分のコア層の少なくとも一部分を構成する第２の光学材料が、互いに異なる符号の熱光学効果をもつ光デバイスが提供される。
また、本発明の他の形態によれば、リング状光導波路と入出力光導波路を有し、リング状光導波路の共振波長を変化させる光デバイスであって、導波する波長における屈折率を制御する屈折率制御部が、リング状光導波路の一部分に具備され、屈折率制御部が、該屈折率制御部以外のリング状光導波路の部分に用いられる光学材料の熱光学効果と異なる符号の熱光学効果をもつ光学材料を含む光デバイスが提供される。
また本発明の更に他の形態によれば、上記光デバイスの製造方法であって、前記屈折率制御部の少なくとも一部が、光学材料をエアロゾルデポジション法で堆積させる工程を含む光デバイスの製造方法が提供される。
本発明によれば、温度による特性変動が小さな共振型光デバイス、特に、低消費電力で安価な光デバイスが得られ、また、この光デバイスを備えた光集積デバイスが得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、本発明による一実施の形態に係るリング共鳴型変調器の模式図である。
図２Ａは、リング共鳴型変調器のＰＬＺＴコア部を持つ屈折率制御部のＴＥ基本モードにおける電界分布の計算結果を示す図であり、図２Ｂはその幅方向の電界分布を示すグラフである。
図３Ａは、リング共鳴型変調器のＴｉＯ２コア部を持つ光導波路のＴＥ基本モードの計算結果を示す図であり、図３Ｂはその幅方向の電界分布を示すグラフである。
図４は、リング共鳴型変調器の透過光量の波長スペクトルの計算結果を示す図である。
図５は、本発明による実施例の光デバイスの屈折率制御部を示す断面模式図である。
図６は、本発明による実施例で用いた成膜装置の概略図である。
図７は、本発明による実施例の光デバイスの屈折率制御部以外のリング状導波路の光導波路部を示す断面模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本発明による一実施の形態による光デバイスは、リング状光導波路と入出力光導波路を有し、リング状光導波路の共振波長を変化させる光デバイスであって、導波する波長における屈折率を制御する屈折率制御部が、前記リング状光導波路の一部分に具備される。そして、このリング状光導波路において、その屈折率制御部のコア部を構成する光学材料の熱光学効果が、その屈折率制御部以外の部分のコア部を構成する光学材料の熱光学効果と符号が異なっている。このように、リング状光導波路において屈折率制御部と他の光導波路部分のコア部を互いに異なる材料で形成することにより、温度による特性変動が小さく、低消費電力で安価な光変調器が実現される。
以下に、シミュレーションを行った本実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施の形態によるリング共鳴型変調器の模式図である。リング共鳴型変調器１０は、入出力光導波路１と、長円形のリング状光導波路２とを備えている。リング状光導波路２は、屈折率制御が可能な部分である屈折率制御部３と、屈折率制御部３以外の光導波路部４とを備えている。
入出力光導波路１はその中心にコア層からなる第１のコア部１１とその周囲に設けられたクラッド部１４を有している。
導波光は一端部１１ａから入力され、他端部１１ｂから出力される。リング状光導波路２の屈折率制御が可能な部分である屈折率制御部３の中心には、コア層からなる第２のコア部１２が設けられ、その周囲はクラッド部１４が設けられている。また、屈折率制御部３以外の光導波路部４の中心には、コア層からなる第３のコア部１３が設けられ、その周囲もクラッド部１４で覆われている。
屈折率制御部３の第２のコア部１２の屈折率の温度係数は、リング状光導波路２の屈折率制御部３以外の部分である光導波路部４の第３のコア部１３の温度係数と逆符合になっている。
リング状光導波路２の第３のコア部１３は、入出力光導波路１の第１のコア部１１を構成する材料と同じ材料から形成されている。
有限要素法を用い、屈折率制御部３及びリング状光導波路２の光導波路部４のそれぞれについてＴＥ基本モードの計算を行った。屈折率制御部３の第２のコア部１２は電気光学材料であるＰＬＺＴ（（Ｐｂ０．９５Ｌａ０．０５）（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３）、屈折率制御部３以外の第３のコア部１３は、酸化チタンＴｉＯ２、コア部１２及び１３の周囲のクラッド部１４はＳｉＯ２とした。
下記表１に、計算に用いた各材料の屈折率の温度依存を示す。ＰＬＺＴの屈折率の温度係数、ｄｎ／ｄＴ、は、正であり、ＴｉＯ２のｄｎ／ｄＴは負であって、符号が互いに異なっている。
【表１】
2009113469.tif 000003
図２Ａ及び図２Ｂは、屈折率制御部３のＴＥ基本モードにおける電界分布の計算結果である。波長は１５５０ｎｍとした。図２Ａは、ＰＬＺＴコアを、高さを３００ｎｍ、幅を７００ｎｍのチャネル型導波路としたときの電界分布を示している。また、図２Ｂは幅方向の電界分布を示す図である。このときの実効屈折率ｎｅｆｆとして、１．７８０１１６が得られた。
図３Ａ及び図３Ｂは、リング状光導波路２の光導波路部４のＴＥ基本モードにおける電界分布の計算結果である。波長は同じく１５５０ｎｍとした。図３Ａは、ＴｉＯ２コアを、高さを４００ｎｍ、幅を８００ｎｍのチャネル型導波路としたときの電界分布を、図３Ｂは幅方向の電界分布をそれぞれ示す。このときの実効屈折率ｎｅｆｆは１．７５３２７６であった。なお、単一モード条件と実効屈折率整合の観点でＰＬＺＴコア断面をＴｉＯ２コアより小さくしている。
次に、リング半径を１０μｍとした場合の導波特性の計算結果について説明する。ＰＬＺＴ部の損失は５ｄＢ／ｍｍ、ＴｉＯ２部の損失は１ｄＢ／ｍｍを仮定し、温度依存性がなくなるよう、ＰＬＺＴ部とＴｉＯ２部の導波路長をそれぞれ２９．４８μｍ、５３．３４μｍに調整した。方向性結合器の結合比は、共振が最も強くなるよう（いわゆるｃｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）に調整した。
下記表２は、仮定した損失とパワー透過率の計算結果を示している。
【表２】
2009113469.tif 000004
図４は本発明のリング共鳴型変調器１０の透過光量の波長スペクトルの計算結果を示す図である。図４において、実線２１は屈折率制御部３であるＰＬＺＴ導波路への印加電圧０Ｖの透過光量スペクトル、破線２２は５Ｖ印加時の透過光量スペクトルである。透過光量の単位はｄＢである。電気光学材料であるＰＬＺＴの印加電圧による屈折率変化量、ｄｎ／ｄＶ、は、導波路と電極構造から２×１０−４Ｖ−１とした。０Ｖ時に１５５２．５ｎｍであった共鳴波長が、５Ｖの電圧印加により０．２ｎｍ程度、高波長側にシフトしていることが分かる。この結果は、電圧５Ｖで、損失＝１ｄＢ、消光比＝１８ｄＢの変調が可能なことを示している。また、室温（２０℃）についての計算結果と、１００℃についての計算結果は、ほぼ一致することが判明した。
以上、説明したように、リング状光導波路２と入出力光導波路１を有し、リング状光導波路２の共振波長を変化させる光デバイスにおいて、導波する波長における屈折率を制御する屈折率制御部３が、リング状光導波路２の一部分に具備され、屈折率制御部３のコア部が、屈折率制御部３以外のリング状光導波路の光導波路部４のコア部を構成する光学材料の熱光学効果と異なる符号の熱光学効果をもつ光学材料で形成されることで、温度による特性変動が小さく、低電圧駆動のリング共鳴型変調器１０が実現可能であることが明らかである。この結果を利用することで、高い性能の光デバイス、光集積デバイスを安価に形成することができる。
ここでは、リング状光導波路２の計算結果について示したが、他の共振型光導波路デバイス、たとえばファブリペロー型光導波路デバイスにおいても同様な効果が得られることは明らかである。
また、チャネル構造のリング導波路の計算結果について示したが、リッジ構造、逆リッジ構造等の異なる導波路構造においても同様の効果が得られることは、明らかである。
上記構成を有する本実施の形態における光デバイスにおいて、リング状光導波路２の屈折率制御部３のコア部は、当該リング状光導波路２の屈折率制御部３以外の光導波路部４のコア部と熱光学効果の符号の異なる光学材料で形成されている。この屈折率制御部３のコア部に用いる光学材料は、電圧等による屈折率可変性が大きく、熱光学効果が小さいことが望ましい。消光比等の動作特性を重視した場合、屈折率可変性が大きいことが重要となるが、その場合、屈折率化変性が大きく熱光学効果が十分小さい材料を選択することが困難になる。屈折率制御部３のコア部に、屈折率変化性は大きいが熱光学効果はそれほど小さくない光学材料を用いる場合であっても、屈折率制御部３以外のリング状光導波路の光導波路部４のコア部に、屈折率制御部３を構成する光学材料の熱光学効果とは異なる符号の熱光学効果をもつ光学材料を用いることで、温度による特性変動が小さく、消光比の大きな光デバイスを形成することが可能になる。
また、リング状光導波路２において、屈折率制御部３と屈折率制御部３以外のリング状光導波路２の光導波路部４の実効的長さ、屈折率や構造を、温度変化による共振波長の変動を補償する関係にすることができる。これにより、温度による特性変動が小さく、消光比の大きな光デバイスを形成することが可能になる。
リング状導波路２において、屈折率制御部３と他の光導波路部４との光路長の比（屈折率制御部３／他の光導波路部４）は、十分な消光比等の動作特性を得る点から、１／１０以上が好ましく、１／８以上がより好ましく、１／７以上がさらに好ましい。一方、温度による特性変動を十分に小さく抑える点から、屈折率制御部３と他の光導波路部４との光路長の比は、１／０．５以下であることが好ましく、１／０．８以下であることがより好ましく、１／１以下であることがさらに好ましい。
また、リング状導波路２において、屈折率制御部３のコア部と他の光導波路部４のコア部との屈折率の温度係数、ｄｎ／ｄＴ、の比（屈折率制御部３／他の光導波路部４）は、温度による特性変動を十分に小さく抑える点から、符号が異なるとともにその絶対値が１／１０以上、１０以下が好ましく、１／８以上、８以下がより好ましく、１／７以上、７以下がさらに好ましい。
屈折率制御部３のコア部は、電気光学材料で形成することができる。これにより、高速で低消費電力の光変調器等の光デバイスを形成することができる。この電気光学材料としては、ジルコン酸チタン酸鉛、またはランタンが添加されたジルコン酸チタン酸鉛が挙げられる。この電気光学材料として、Ｐｂ１−ｘＬａｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）Ｏ３（０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１）で表されるジルコン酸チタン酸鉛を好適に用いることができる（ｘ＝０のとき「ＰＺＴ」、０＜ｘのとき「ＰＬＺＴ」）。このような材料を用いることにより、小型で低電圧駆動の光変調器等の能動素子、デバイスの形成が可能となる。
リング状光導波路２における屈折率制御部３以外の光導波路部４のコア部は、ＴｉＯ２、ＰｂＭｏＯ４から選ばれる材料で形成することができる。いずれの材料も負の屈折率の温度係数、ｄｎ／ｄＴを有している。また、リング状光導波路２の屈折率制御部３とリング状光導波路２の他の光導波路部４および入出力導波路１のコア部の屈折率の差は小さいほうが、変調器等の光デバイスの特性上望ましい。屈折率制御部３のコア部を、例えば屈折率２．２〜２．５の電気光学材料で形成した場合、屈折率制御部３以外のリング状導波路２の光導波路部４のコア部の屈折率も同様の屈折率を有することが望ましい。上記の光学材料を用いることで、高い性能の光デバイスが形成可能となる。
以上説明した本発明による一実施の形態では、リング状光導波路２に電界を形成する電極を設け、この電極に電気信号を印加することで光を制御する光変調器または光スイッチとして動作させることができる。これにより、高速応答可能で、小型化もしくは低消費電力化が可能な光変調器、光スイッチを提供することができる。
また、本発明による一実施の形態では、上述した光デバイス（第１の光デバイス）と、他の光デバイス（第２の光デバイス）とを同一基板上に有する光集積デバイスを提供できる。第２のデバイスとしては、レーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光スイッチ、光フィルターのいずれかを適用することができる。基板としては、シリコン基板を使用することができる。
また、本発明による一実施の形態では、上記の光デバイスと電子回路とを同一基板上に有する光集積デバイスを提供できる。この基板としては、シリコン基板を使用することができる。
本発明の一実施の形態による光学デバイスの製造においては、屈折率制御部３のコア部を構成する光学材料を、エアロゾルデポジション法で堆積させることができる。このような製造方法を用いることで、Ｓｉ等の任意の基板上に、温度による特性変動が小さく、低電圧駆動の光変調器等の光デバイス、及びこの光デバイスを備えた光集積デバイスを実現することができる。
【実施例】
【０００６】
以下、本発明による一実施例を挙げてさらに説明する。
図５は、本発明の実施例による光デバイスの屈折率制御部３を示す断面模式図である。本実施例では導波路構造として逆リッジ型構造を採用した。この光デバイスの平面模式図は図１と同様である。
屈折率制御部３とリング状光導波路の他の光導波路部４との光路長の比は３：５とした。リング状導波路２の周回長は８００μｍである。
シリコン基板３１上に、ＳｉＯ２層３２を形成し、金属下部電極として、Ｔｉ層３３、Ａｕ層３４、Ｔｉ層３５を、ＤＣマグネトロンスパッタ法で形成した。  その上に、下部透明電極層３６としてＩＴＯ層をＤＣマグネトロンスパッタ法（スパッタガス：Ａｒガス）により形成した。
次に、クラッド層１４１としてＳｒＴｉＯ３層を成膜した。次いで、このＳｒＴｉＯ３層（クラッド層１４１）を、イオンミリング法でエッチングした。
次に、ＳｉＯ２層３７２、３７３を形成した。
次に、凹構造を形成し、この凹構造を埋め込むようにエアロゾルデポジション法によりコア層（コア部１２）を形成した。具体的な成膜方法は後に説明する。次いで、６００℃で３０分、大気中でアニール後、表面研磨を行い、コア層の平坦化を行った。
その上に、上部クラッド層１４２としてＳｒＴｉＯ３を膜厚に形成し、次いで上部透明電極層３８としてＩＴＯ層を形成した。その後に、金属上部電極として、Ｔｉ層３９、Ａｕ層４１を形成した。上部クラッド層１４２、上部透明電極層３８、金属上部電極３９、４１の形成方法は、前記の下部側の構造の形成方法と同じである。
次に、上記のエアロゾルデポジション法によるコア層の形成方法ついて説明する。
図６は、本実施例で用いた成膜装置５０の概略図である。
酸素ガスを内蔵するガスボンベ５１は搬送管を介してガラスボトル５２に接続されている。ガラスボトル５２内に粉末原料５３を入れ、排気管５４を介してガラスボトル５２内を２０Ｔｏｒｒ（２．６７ｋＰａ）程度の真空に排気した後、キャリアガスとして酸素をその流量を制御しながら導入する。ガラスボトル５２を加振器５５により振動させることで、気体中に原料粉末の微粒子を分散させたエアロゾルを発生させ、キャリアガスにより搬送管５６を介して、成膜チャンバー５７に搬送する。成膜チャンバー５７は、真空ポンプ５８により所定の真空度に排気される。ノズル５９から基板２０に粉末を吹き付けることで、薄膜を形成する。
成膜条件は、次の通りである。キャリアガスは酸素とし、ノズルからの吐出物（粉末）の基板表面への入射角を３０度、ガス流量は１２１／分、成膜速度は０．５μｍ／分、加振器５５の振動数は１６６ｒｐｍである。基板２０にはコア形成前のシリコン基板を用いた。電気光学効果の大きな酸化物であるランタン添加ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＬＺＴ）系粉末を成膜材料とした。ＰＬＺＴの組成は、（Ｐｂ０．９５Ｌａ０．０５）（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３である。原料粉末の平均粒径は、０．５μｍとした。ＰＬＺＴの膜厚は２μｍである。成膜材料のＰＬＺＴ系粉末はペロブスカイト型結晶構造を持つ強誘電体の組成であり、一次の大きな電気光学係数を持つ光デバイスに好適な組成である。
図７は、本実施例の光デバイスの屈折率制御部３以外のリング状導波路２の光導波路部４を示す断面模式図である。この部分には、前述の図５に示した屈折率制御部３に対して、コアの材料が異なり、また、電極が設けられていない。なお、図５で説明したものと同じ名称の部分には、図５と同じ参照符号を付してある。
シリコン基板３１上にＳｉＯ２層３２を形成した後、ＳｉＯ２層３７１を形成した。
次に、クラッド層１４１としてＳｒＴｉＯ３層を成膜した。
その上に、第１のコア層１２１として、ＴｉＯ２層を成膜した。
次に、ＳｒＴｉＯ３層（クラッド層１４１）とＴｉＯ２層（第１のコア層１２１）を、イオンミリング法でエッチングした。
次に、ＳｉＯ２層３７２，３７３を形成した。
第２のコア層として、ＴｉＯ２層１２２を成膜した。その上に上部クラッド層１４２としてＳｒＴｉＯ３を形成した。
なお、図５に示す構造（屈折率制御部３）と図７に示す構造（屈折率制御部３以外のリング状光導波路２の光導波路部４）の上記製造過程において、ＳｉＯ２層３２、クラッド層１４１、上部クラッド層１４２は、同一のシリコン基板３１上で同時に形成され、電極層等のその他の層の形成は、一方の構造の領域をマスクした状態で他方の構造の領域に対して行なわれた。
以上のようにして作製したリング型変調器に、波長１．５５μｍのＣＷ光を入力し、バイアス電圧として３．５Ｖ印加した状態で３Ｖｐｐで変調したところ、１０ＧＨｚの高周波までの変調が可能であった。そのときの消光比は４ｄＢであった。
また、作製したリング変調器の温度を６０℃に加熱し、同様の測定を行ったが、バイアス電圧として３Ｖ印加した状態で３Ｖｐｐで変調したところ、１０ＧＨｚの高周波までの変調が可能であった。そのときの消光比は３．５ｄＢであった。
以上の通り、リング状光導波路と入出力光導波路を有する光デバイスにおいて、屈折率制御部のコア部に光学吸収の大きな電気光学材料を用いながら、高速、小型で温度による特性変動が小さく低電圧駆動の光変調器が製造できた。
本実施例は、屈折率制御部のコア材料としてＰＬＺＴを用いたが、これに限定されるものではなく、ジルコン酸チタン酸鉛、チタン酸バリウム、ストロンチウム添加チタン酸バリウム、ＫＴＮ等の電気光学材料が使用できる。また、リング状導波路の他の部分のコア材料としては、ＴｉＯ２の他、ＰｂＭｏＯ４等の光導波路形成用の材料を使用できる。
また、屈折率制御部の電気光学材料の成膜にエアロゾルデポジション法を用いることで、レーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、光フィルター等の別種の光学素子を予め形成した基板に対して、あるいは、ＣＰＵ、メモリー等の電子素子で構成される集積回路が予め形成されている基板に対して、本発明による光学素子を作製することが容易になる。
このような製造方法は、本発明による光デバイスと、他のデバイス又は集積回路を備えた種々の光集積デバイスの作製に応用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０００７】
以上の説明の通り、本発明に係る光デバイスは、光通信、光配線、光ストレージ等に用いられる光デバイス、これを備えた光集積デバイス、及びその製造方法に適用される。
この出願は、２００８年３月１３日に出願された日本出願特願２００８−０６４１８６号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【図１】
2009113469.tif 000005
【図２Ａ】
2009113469.tif 000006
【図２Ｂ】
2009113469.tif 000007
【図３Ａ】
2009113469.tif 000008
【図３Ｂ】
2009113469.tif 000009
【図４】
2009113469.tif 000010
【図５】
2009113469.tif 000011
【図６】
2009113469.tif 000012
【図７】
2009113469.tif 000013
【国際調査報告】
2009113469.tif 000014
2009113469.tif 000015
2009113469.tif 000016
2009113469.tif 000017