(57)【要約】【課題】従来よりも容易に高速な光変調器を製造する。【解決手段】サファイア基板１の上に、ＥＣＲスパッタ法によりＣ軸配向のＬｉＮｂＯ3薄膜１１を成膜し、その後このＬｉＮｂＯ3薄膜１１をエッチングすることにより、サファイア基板１の上に光導波路２ａ，２ｂを形成する。さらに、光導波路２ａ，２ｂを覆うようにＳｉＯ2バッファ層３を形成し、このＳｉＯ2バッファ層３を介して光導波路２ａ，２ｂの直上に電極４ａ，４ｂを形成する。【選択図】  図３
2006195383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、この基板よりも高屈折率の材料からなる光導波路とを備える光変調器の製造方法において、
前記基板の上にＣ軸配向のＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜を成膜するステップと、
前記ＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜をエッチングし、前記基板の上に前記光導波路を形成するステップと
を備えることを特徴とする光変調器の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の光変調器の製造方法において、
前記光導波路の直上に電極を形成するステップを更に備えることを特徴とする光変調器の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光変調器の製造方法において、
前記基板は、サファイアＣ面基板またはサファイアＡ面基板であることを特徴とする光変調器の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の光変調器の製造方法において、
前記ＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜を成膜するステップは、前記基板の温度を４００℃から６００℃に保った状態で成膜を行うことを特徴とする光変調器の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の光変調器の製造方法において、
前記ＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜を成膜するステップは、電子サイクロトロン共鳴プラズマを用いたスパッタ法により成膜することを特徴とする光変調器の製造方法。
【請求項６】
基板と、この基板よりも高屈折率の材料からなる光導波路とを備える光変調器において、
この光導波路は、Ｃ軸配向のＬｉＮｂＯ3結晶からなり、前記基板の上に形成されていることを特徴とする光変調器。
【請求項７】
請求項６に記載の光変調器において、
前記光導波路の直上に配置され、前記光導波路に電界を印加する電極を更に備えることを特徴とする光変調器。
【請求項８】
請求項６または７に記載の光変調器において、
前記基板は、サファイアＣ面基板またはサファイアＡ面基板であることを特徴とする光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変調器およびその製造方法に関し、特に、光導波路をＬｉＮｂＯ3（ニオブ酸リチウム）結晶で形成した光変調器およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信では、光に信号を担わせるための変調が必要である。この光変調の方法には、直接変調、内部変調および外部変調がある。このうち、内部変調および外部変調では、光変調器が必要となる。光変調器は、変調信号（通常は電気信号）に応じた物理的変化を光導波路内で起こし、光の強度、位相、周波数などを変調するデバイスであり、ＬｉＮｂＯ3結晶を用いたものが多く用いられている。
【０００３】
図９は、ＬｉＮｂＯ3結晶を用いた従来の光変調器の一構成例を示す平面図である。また、図１０は、この光変調器のＸ−Ｘ′線方向の断面図である。
この光変調器は、入力された光信号を二分岐し、片方の光信号に対して電気光学効果を用いて位相差を与えた後、合波、干渉させることにより、光信号の変調を行うマッハツェンダー（Mach-Zehnder）型光変調器である。
【０００４】
この光変調器は、ＬｉＮｂＯ3バルク結晶基板１０１に形成された光導波路１０２と、電極１０４ａ，１０４ｂとを有している。
光導波路１０２は、ＴｉやＺｎなどの金属原子が拡散したＬｉＮｂＯ3結晶からなり、電気光学効果により印加電界に比例して屈折率が変化する。光導波路１０２はまた、１本の導波路が一旦２本の直線導波路１０２ａ，１０２ｂに分岐した後で、再び１本の導波路に合流する構成をしている。
基板１０１はＸカット基板であり、交流電源１０５に接続されたホット電極１０４ａが、２つの直線導波路１０２ａ，１０２ｂの間に配置され、接地されたグラウンド電極１０４ｂが、２つの直線導波路１０２ａ，１０２ｂの外側に配置されている。このような電極構成により、基板１０１のＺ方向に効率よく電界が形成される。
【０００５】
交流電源１０５よりホット電極１０４ａに変調電圧を印加すると、図１０に点線で示すように２つの直線導波路１０２ａ，１０２ｂには互いに逆向きの電界が印加される。したがって、電気光学効果による屈折率変化の符号が、２つの直線導波路１０２ａ，１０２ｂにおいて逆向きになる。例えば、一方の直線導波路１０２ａの屈折率は大きくなり、他方の直線導波路１０２ｂの屈折率は小さくなる。その結果、光導波路１０２を伝播する信号光は、一方の直線導波路１０２ａでは位相が進み、他方の直線導波路１０２ｂでは位相が遅れることになる。これらの信号光を合波、干渉させることにより、信号光の強度を変調することができる。
【０００６】
この光変調器を製造する際には、ＴｉやＺｎなどの金属原子を基板１０１の表面に蒸着した後、基板１０１を加熱して結晶中に金属原子を熱拡散させることにより、基板１０１よりも高屈折率の光導波路１０２（１０２ａ，１０２ｂ）を形成していた（例えば、非特許文献１を参照）。
【０００７】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【非特許文献１】富士通ジャーナル vol.52, pp.345-352
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年の光通信速度の高速化に伴い、より高速な光変調器が求められるようになった。光変調器の動作速度は、変調電圧の印加で誘起される電気光学効果により信号光が変調される領域の断面積に依存する。したがって、いかに狭い領域に光を閉じ込めるかがデバイス性能に直結する。
しかし、従来の方法で形成された光導波路１０２（１０２ａ，１０２ｂ）は、拡散した金属原子が外周部にも拡がり、光導波路１０２（１０２ａ，１０２ｂ）内外の境界が不明確であった。このため、必ずしも光の閉じ込め効果が十分ではなかった。
そこで、より高速化を目指して、バルク単結晶を研磨やエッチングして薄くする試みが行われてきたが、加工の困難さゆえに光変調器の動作速度に限界があった。
【０００９】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、従来よりも容易に高速な光変調器を製造できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的を達成するために、本発明に係る光変調器の製造方法は、ＬｉＮｂＯ3結晶よりも低屈折率の基板の上にＣ軸配向のＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜を成膜するステップと、ＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜をエッチングし、基板の上に光導波路を形成するステップとを備えることを特徴とする。
また、光導波路の直上に電極を形成するステップを更に備えていてもよい。
【００１１】
基板としては、サファイアＣ面基板またはサファイアＡ面基板を用いることができる。
また、ＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜の成膜は、基板の温度を４００℃から６００℃に保った状態で行なうことができる。
ＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜の成膜はまた、電子サイクロトロン共鳴プラズマを用いたスパッタ法により行うことができる。
【００１２】
本発明に係る光変調器は、基板と、この基板よりも高屈折率の材料からなる光導波路とを備え、この光導波路は、Ｃ軸配向のＬｉＮｂＯ3結晶からなり、基板の上に形成されていることを特徴とする。
また、光導波路の直上に配置され、光導波路に電界を印加する電極を更に備えていてもよい。
また、基板としては、サファイアＣ面基板またはサファイアＡ面基板を用いることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、基板の上にＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜を成膜し、この薄膜をエッチングすることにより、基板の上に光導波路を形成する。エッチングにより基板面に垂直な光導波路の側壁を加工するため、基板面に平行な方向については、光の閉じ込められる領域がシャープに規定される。
また、ＬｉＮｂＯ3よりも低屈折率の材料からなる基板を用いることにより、基板の主面に垂直な方向についても、光を閉じ込めることができる。特に、ＬｉＮｂＯ3との屈折率差が大きいサファイアからなる基板を用いることにより、縦方向について強く光を閉じ込めることができる。
したがって、本発明によれば、光導波路の断面積を調節することにより、狭い領域に光を閉じ込めることができるので、光変調器の高速化が可能である。
【００１４】
また、基板の上に成膜するＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜から光導波路を形成するので、バルク単結晶の研磨やエッチングを行なう従来の方法よりも、手間やコストをかけずに、光を閉じ込める領域の厚みを薄くすることが可能となる。
【００１５】
また、光導波路の直上に電極を形成することにより、光変調器の素子面積を低減できる。その結果、複数の光変調器を一枚の基板上に集積することが可能となる。
【００１６】
また、電子サイクロトロン共鳴（electron-cyclotron-resonance：ＥＣＲ）プラズマを用いたスパッタ法（ＥＣＲスパッタ法）によりＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜を成膜することにより、サファイアＣ面基板またはサファイアＡ面基板の何れにもＣ軸配向のＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜を成膜できる。また、ＥＣＲスパッタ法は、液相エピタキシー法やゾルゲル法に比べて膜厚の制御性がよく、ナノメーターオーダーの設計寸法に対応できる。したがって、非常に薄い光導波路を有する光変調器を製造することが可能となる。
また、基板の温度を４００℃−６００℃に保った状態で成膜を行うことにより、ＥＣＲスパッタ法を用いてサファイア基板の上に高品質のＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜を成膜できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照し、本発明の一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係る光変調器の構成を示す平面図である。また、図２は、この光変調器のII−II′線方向の断面図である。
この光変調器は、電気光学効果を用いたマッハツェンダー型光変調器であり、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板１の上に形成された光導波路２と、ＳｉＯ2バッファ層３と、電極４ａ，４ｂを有している。
【００１８】
ここで、光導波路２は、Ｃ軸配向のＬｉＮｂＯ3結晶からなり、配向の方向に一致した方向に電界を印加すると、電気光学効果により印加電界に比例して屈折率が変化する。光導波路２はまた、１本の導波路が一旦２本の直線導波路２ａ，２ｂに分岐した後で、再び１本の導波路に合流する構成をしている。この光導波路２は、従来とは異なり、サファイア基板１の上に凸型に形成されている。その断面形状は、図２に示すように略矩形をしている。
ＳｉＯ2バッファ層３は、光導波路２を覆うように、サファイア基板１の全域に形成されている。
電極４ａ，４ｂは、ＳｉＯ2バッファ層３を介して、それぞれ直線導波路２ａ，２ｂの直上に形成されている。電極４ａは、交流電源５に接続されており、「ホット電極」という。電極４ｂは、接地されており、「グラウンド電極」という。
【００１９】
交流電源５よりホット電極４ａに変調電圧を印加すると、２つの電極４ａ，４ｂ間に生じる電界により、ホット電極４ａの下の直線導波路２ａの屈折率が変化するが、グラウンド電極４ｂの下の直線導波路２ｂの屈折率は変化しない。その結果、ホット電極４ａの下の直線導波路２ａに分岐した信号光と、グラウンド電極４ｂの下の直線導波路２ｂに分岐した信号光との間で位相差が生じる。これらの信号光を合波、干渉させることにより、信号光の強度を変調することができる。
なお、直線導波路２ａ，２ｂと電極４ａ，４ｂとの間にＳｉＯ2バッファ層３を設けることにより、直線導波路２ａ，２ｂを伝播する信号光の減衰を抑制することができる。
【００２０】
次に、図３を参照し、本実施の形態に係る光変調器の製造方法について説明する。図３は、光変調器を製造する際の主要な工程を示す図である。
まず、サファイア基板１を用意する（図３（Ａ））。サファイア基板１は、ＬｉＮｂＯ3と格子定数が若干異なるものの、類似した結晶格子の原子配列をしており、後述するＬｉＮｂＯ3薄膜の成膜に適している。ＬｉＮｂＯ3薄膜の成膜には、サファイアＣ面基板またはサファイアＡ面基板を用いることができる。
このサファイア基板１の上に、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１を成膜する（図３（Ｂ））。この成膜では、ＬｉＮｂＯ3からなるターゲットを備えたＥＣＲスパッタ装置を使用し、サファイア基板１を４００℃−６００℃に加熱しＥＣＲスパッタすることにより、Ｃ軸配向のＬｉＮｂＯ3をエピタキシャル成長させる。詳細は後述する。
【００２１】
ついで、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１の上にエッチング用のメタルマスクを形成する。具体的には、まずＬｉＮｂＯ3薄膜１１の上にタンタル（Ｔａ）などの金属膜１２を成膜し、その上にレジスト１３を塗布する（図３（Ｃ））。そしてレジスト１３をリソグラフィによりパタニングしてレジストパタン１３ａ，１３ｂを形成し（図３（Ｄ））、続いて金属膜１２をエッチングしてメタルマスク１２ａ，１２ｂを形成する（図３（Ｅ））。
【００２２】
ついで、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１をドライエッチングする。これにより、メタルマスク３３ａ，３３ｂによって覆われていないＬｉＮｂＯ3薄膜１１の露出部分が除去される。エッチングガスとしては、例えばＣＨＦ3，ＣＦ4を用いることができる。これらのガスを用いると、ＬｉＮｂＯ3とサファイアとでエッチレートが大きく異なるため、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１とサファイア基板１との界面でエッチングが停止する。これにより、シャープな矩形断面を有する凸型の光導波路２（直線導波路２ａ，２ｂを含む）が得られる（図３（Ｆ））。
【００２３】
メタルマスク１２ａ，１２ｂを除去してから（図３（Ｇ））、サファイア基板１の全域にＳｉＯ2を堆積し、信号光の減衰を防ぐためのＳｉＯ2バッファ層３を形成する（図３（Ｈ））。
ついで、直線導波路２ａ，２ｂの直上に電極４ａ，４ｂを形成する。具体的には、まずＳｉＯ2バッファ層３の上にレジスト１４を塗布する（図３（Ｉ））。パタニングと現像とにより、直線導波路２ａ，２ｂの直上に、ＳｉＯ2バッファ層３が露出する開口部１４ａ，１４ｂを形成する（図３（Ｊ））。この状態で、サファイア基板１の全域に金属膜１５を成膜する（図３（Ｋ））。この後、レジスト１４をリフトオフすると、ＳｉＯ2バッファ層３を介した直線導波路２ａ，２ｂの直上にそれぞれ電極４ａ，４ｂが形成される（図３（Ｌ））。
【００２４】
以上の処理により、サファイア基板１の上に凸型の光導波路２（直線導波路２ａ，２ｂを含む）が形成され、光導波路２を覆うようにサファイア基板１の上にＳｉＯ2バッファ層３が形成され、ＳｉＯ2バッファ層３を介して直線導波路２ａ，２ｂの直上にそれぞれ電極４ａ，４ｂが形成されたマッハツェンダー型光変調器が完成する。
【００２５】
以上のように、本実施の形態では、エッチングによりサファイア基板１の表面に垂直な光導波路２の側壁を加工するため、基板の表面に平行な方向については、光の閉じ込められる領域がシャープに規定される。光導波路２を形成するＬｉＮｂＯ3とサファイア基板１とは屈折率差が大きいので、サファイア基板１の表面に垂直な方向についても、強く光を閉じ込めることができる。したがって、光導波路２の断面積を調節することにより、狭い領域に光を閉じ込めることができるので、光変調器の高速化が可能である。
【００２６】
また、サファイア基板１の上に成膜するＬｉＮｂＯ3薄膜１１から光導波路２を形成するので、バルク単結晶の研磨やエッチングを行なう従来の方法よりも、手間やコストをかけずに、光を閉じ込める光導波路の厚みを薄くすることができる。したがって、従来よりも容易に光変調器の高速化が可能となる。
また、電界は電圧／距離で与えられるので、光導波路の厚みを薄くすることにより、光変調器を低電圧で駆動できるという効果も得られる。
【００２７】
また、本実施の形態では、直線導波路２ａ，２ｂの直上に電極４ａ，４ｂを形成する。これにより、光変調器の素子面積を低減でき、複数の光変調器を一枚のサファイア基板１上に集積することが可能となる。
【００２８】
次に、サファイア基板１上へのＬｉＮｂＯ3薄膜１１の成膜について、さらに説明する。
まず、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１の成膜に使用されるＥＣＲスパッタ装置について説明する。図４は、ＥＣＲスパッタ装置の構成を示す図である。
このＥＣＲスパッタ装置は、プラズマの生成が行われるプラズマ生成室２１と、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１の成膜が行われる処理室１２とを有する。プラズマ生成室２１と成膜室２２とは、開口部２３を介して連通している。
【００２９】
プラズマ生成室２１には、アルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスを導入する不活性ガス導入部２４が設けられ、成膜室２２には、酸素（Ｏ2）などの反応性ガスを導入する反応性ガス導入部２５が設けられている。また、成膜室２２には排気口２６を介して真空ポンプ（図示せず）が接続され、真空ポンプにより成膜室２２およびプラズマ生成室２１の内部が真空排気される。
【００３０】
成膜室２２には、サファイア基板１が固定される基板ホルダ２７が設けられている。基板ホルダ２７には、サファイア基板１を加熱するヒータ（図示せず）が内蔵されている。また、プラズマ生成室２１で生成されたプラズマを成膜室２２に導入する開口部２３には、ＬｉＮｂＯ3からなるリング状のターゲット２８が配置されている。ターゲット２８には、マッチングユニット２９を介して高周波電源３０が接続されている。
【００３１】
プラズマ生成室２１の上部には真空導波管３１が接続され、この真空導波管３１には石英窓３２を介して導波管３３が接続されている。導波管３３には、ＥＣＲ条件を満たす周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波３４を発生させるマイクロ波発振器（図示せず）が接続されている。また、プラズマ生成室２１の周囲および上部には、ＥＣＲ条件を満たす磁束密度８７．５ｍＴの磁場をプラズマ生成室２１内に形成する電磁コイル３５，３６が設けられている。
【００３２】
このＥＣＲスパッタ装置は、例えば以下のように動作する。
サファイア基板１を基板ホルダ２７の上に固定し、所定の温度に加熱する。
成膜室２２およびプラズマ生成室２１の内部を真空排気した後、不活性ガス導入部２４からプラズマ生成室２１にアルゴンガスを、また反応性ガス導入部２５から成膜室２２に酸素ガスをそれぞれ所定の流量で導入し、プラズマ生成室２１の内部を例えば１０-3Ｐａ台の圧力にする。
【００３３】
この状態で、磁気コイル３５，３６によりプラズマ生成室２１内に８７．５ｎＴの磁場を形成するとともに、導波管３３，石英窓３２を介してプラズマ生成室２１内に２．４５ＧＨｚのマイクロ波３４を導入することにより、アルゴンガスが電離しプラズマが生成される。このプラズマは、電磁コイル３５，３６の発散磁場により、プラズマ生成室２１から成膜室２２に導入される。
【００３４】
プラズマ生成室２１と成膜室２２との間の開口部２３に配置されたターゲット２８に、高周波電源３０により例えば１３．５６ＭＨｚ、５００Ｗの高周波電力を印加すると、ターゲット２８にアルゴン粒子が衝突してスパッタリング現象を起こし、ターゲット２８からＬｉ、Ｎｂなどのスパッタ粒子が飛び出す。これらのスパッタ粒子は、プラズマ生成室２１から導入されたプラズマ、および、このプラズマにより活性化した酸素ラジカルとともにサファイア基板１の表面に到達し、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１を形成する。
【００３５】
図５は、サファイアＣ面基板の上に基板温度５３０℃、酸素分圧５×１０-3Ｐａの条件の下、ＥＣＲスパッタ法で成膜したＬｉＮｂＯ3薄膜１１の試料のＸ線回折スペクトルを示す図である。基板からの＜０００６＞、＜０００１２＞回折ピーク以外に、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１からの＜０００６＞、＜０００１２＞回折ピークだけが観測され、ＬｉＮｂＯ3がＣ軸配向していることを示している。
一方、図６は、サファイアＡ面基板の上に基板温度５３０℃、酸素分圧５×１０-3Ｐａの条件の下、ＥＣＲスパッタ法で成膜したＬｉＮｂＯ3薄膜１１の試料のＸ線回折スペクトルを示す図である。基板からの＜１１２０＞、＜２２４０＞回折ピーク以外に、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１からの＜０００６＞、＜０００１２＞回折ピークだけが観測され、やはりＬｉＮｂＯ3がＣ軸配向していることを示している。
【００３６】
このようにＥＣＲスパッタ中に結晶化するような成長を行うと、サファイア基板１の面方位によらず、Ｃ軸配向したＬｉＮｂＯ3薄膜１１が得られる。これはＥＣＲスパッタ法を適用することにより得られる効果であって、この成長モードは「ＥＣＲモード」と呼ぶに相応しいものである。その機構は以下のように説明できる。
【００３７】
ＥＣＲプラズマによるガスの励起確率は非常に高いので、成膜室２２に導入された酸素ガスからは多くの酸素ラジカルが生成される。ダーゲット２８からのＬｉやＮｂなどのスパッタ粒子の数に対して酸素ラジカルの生成量が十分な量であると、酸素原子がすばやく成長中の表面を被覆することが可能である。また、ＥＣＲプラズマの照射により、原子の成長表面における拡散が著しく促進される。これらの効果が相まって、金属原子の層と酸素原子の層とがＣ軸方向に交互に積層したＯ−Ｌｉ−Ｏ−Ｎｂ−Ｏの構造が優先的に形成される。このようにして得られた結晶は、Ｃ軸配向のＬｉＮｂＯ3薄膜である。この成長機構が意味するように、酸素の被覆層が基板の原子配列をマスクするため、基板表面が原子レベルで平坦でありさえすれば、表面の原子配列にあまり影響されず、Ｃ軸方向へ優先配向したＬｉＮｂＯ3薄膜が得られる。
【００３８】
図７は、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１からの＜０００６＞回折ピーク強度と成膜時の温度との関係を示す図である。図中の「○」はサファイアＡ面、「●」はサファイアＣ面に対するものである。
結晶化は３００℃付近から始まり、４００℃を超えるとほぼ完全に結晶になっており、結晶性は温度にあまり依存しないことを示している。６００℃以上の温度で成膜すると、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１中のＬｉ原子の欠陥生成が顕著になると同時に、サファイア基板１とＬｉＮｂＯ3薄膜１１の熱膨張係数の違いから、成膜後に室温へ戻す過程でＬｉＮｂＯ3薄膜１１内にクラックが生じる。よって、４５０℃から６００℃までが最適成膜温度である。
【００３９】
図８は、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１の＜０００６＞回折ピーク強度および屈折率と酸素流量との関係を示す図である。図中の「○」は回折ピーク強度、「●」は屈折率である。
酸素流量を変化させると、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１の組成が変る。酸素流量が０．５−２．３ｓｃｃｍの間では、回折ピーク強度はほぼ一定であるが、屈折率は大きく変化している。具体的には、酸素流量を１．７ｓｃｃｍより減らしていくと、屈折率が急激に高くなる。その理由は、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１中に含まれる酸素欠陥が増大し、光吸収が強くなり、Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇの関係により高屈折率化するからである。したがって、このＬｉＮｂＯ3薄膜１１を光導波路に応用するには、屈折率が下がりきった点に対応する酸素流量よりも高い酸素流量の下で成膜する必要がある。しかし、酸素流量を増やすと、今度はパイロクロア相（ＬｉＮｂ3Ｏ8）の形成が支配的になるため、＜０００６＞回折ピーク強度が減少し、結晶性が劣化する。よって、酸素流量には最適値が存在し、図８においては１．７−２．３ｓｃｃｍがそれに当たる。なお、「ｓｃｃｍ」は流量の単位であり、０℃・１気圧の気体が１分間に１ｃｍ3流れることを表す。
このような酸素流量に対するＬｉＮｂＯ3薄膜１１の組成変化の特性は、定性的には普遍的なものであるが、定量的には排気速度、ガス導入部２４，２５の構造、プラズマ密度などに依存するため、最適酸素流量は個々の装置に特有な値になる。
【００４０】
以上で述べたように、本実施の形態では、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１の成膜にＥＣＲスパッタ法を用いている。ＬｉＮｂＯ3薄膜１１の成膜法には、ＥＣＲスパッタ法の他に、液相エピタキシー、レーザーアブレーション法、ゾルゲル法などがある。
液相エピタキシー法は、基板とＬｉＮｂＯ3薄膜の格子定数がほぼ完全に一致していないと、良質な結晶が成長しない。このため、基板としてはＺカットのＬｉＴａＯ3基板が主に用いられる。しかし、ＬｉＮｂＯ3とＬＩＴａＯ3の屈折率差はごく僅かであるため、断面積の小さなＬｉＮｂＯ3導波路中に強く光を閉じ込めるという目的には不向きである。
レーザーアブレーション法は、成膜できる領域が狭く、光変調器の生産には使えない。
ゾルゲル法は、結晶性が劣る。
【００４１】
これに対し、ＥＣＲスパッタ法は、ＬｉＮｂＯ3と格子定数が若干異なるサファイア基板１にも適用できる。したがって、ＬｉＮｂＯ3とサファイア基板１との大きな屈折率差により、断面積の小さなＬｉＮｂＯ3導波路中に強く光を閉じ込めることが可能となる。
また、上述した条件の下でＥＣＲスパッタを行うことにより、広範囲に高品質のＬｉＮｂＯ3薄膜１１を成膜できる。したがって、ＥＣＲスパッタ法は光変調器の生産に適していると言える。
さらに、ＥＣＲスパッタ法は、液相エピタキシー法やゾルゲル法に比べて膜厚の制御性がよく、ナノメーターオーダーの設計寸法にも対応できる。したがって、非常に薄いＬｉＮｂＯ3導波路を有する光変調器を製造することも可能となる。
【００４２】
なお、本実施の形態では、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１を成膜する基板としてサファイア基板１を例に挙げたが、他の材料からなる基板を用いることもできる。ただし、基板の屈折率がＬｉＮｂＯ3の屈折率よりも小さいことが必要である。ヘテロ界面を有する高屈折率光導波路においては、一般に基板との屈折率差が大きいほど、光を有効に閉じ込められる。
また、本実施の形態では、マッハツェンダー型光変調器を例にして説明を行ったが、他の光変調器にも応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施の形態に係る光変調器の構成を示す平面図である。
【図２】図１に示す光変調器のII−II′線方向の断面図である。
【図３】光変調器を製造する際の主要な工程を示す図である。
【図４】ＥＣＲスパッタ装置の構成を示す図である。
【図５】サファイアＣ面基板の上にＥＣＲスパッタ法で成膜したＬｉＮｂＯ3薄膜の試料のＸ線回折スペクトルを示す図である。
【図６】サファイアＡ面基板の上にＥＣＲスパッタ法で成膜したＬｉＮｂＯ3薄膜の試料のＸ線回折スペクトルを示す図である。
【図７】ＬｉＮｂＯ3薄膜からの＜０００６＞回折ピーク強度と成膜時の温度との関係を示す図である。
【図８】ＬｉＮｂＯ3薄膜の＜０００６＞回折ピーク強度および屈折率と酸素流量との関係を示す図である。
【図９】ＬｉＮｂＯ3結晶を用いた従来の光変調器の一構成例を示す平面図である。
【図１０】図９に示す光変調器のＸ−Ｘ′線方向の断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…サファイア基板、２…光導波路、２ａ，２ｂ…直線導波路、３…ＳｉＯ2バッファ層、４ａ…ホット電極、４ｂ…グラウンド電極、５…交流電源、１１…ＬｉＮｂＯ3薄膜、１２…金属膜、１２ａ，１２ｂ…メタルマスク、１３…レジスト、１３ａ，１３ｂ…レジストパタン、１４…レジスト、１４ａ，１４ｂ…開口部、１５…金属膜、２１…プラズマ生成室、２２…成膜室、２３…開口部、２４…不活性ガス導入部、２５…反応性ガス導入部、２６…排気口、２７…基板ホルダ、２８…ターゲット、２９…マッチングユニット、３０…高周波電源、３１…真空導波管、３２…石英窓、３３…導波管、３４…マイクロ波、３５，３６…電磁コイル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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