(57)【要約】【課題】Ｓｉ基板等の任意の基板上に形成した高速、小型で低電圧駆動の光変調器等の光学素子、光集積デバイスを提供する。【解決手段】基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成され、電気光学材料よりなる導波層を有する光導波路構造とを有する光学素子であって、前記下部電極が金属導電層と透明導電層よりなり、前記透明導電層が前記光導波路構造と接していることを特徴としている。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成され、電気光学材料よりなる導波層を含む光導波路構造とを有する光学素子であって、前記下部電極が金属導電層と透明導電層よりなり、前記透明導電層が前記光導波路構造と接していることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を接合させ成形体を形成し、前記成形体よりなる電気光学材料の導波層を有する光導波路構造とを有する光学素子であって、前記下部電極が金属導電層と透明導電層よりなり、前記透明導電層が前記光導波路構造と接していることを特徴とする光学素子。
【請求項３】
請求項１または２の光学素子において、前記光導波路構造がコア層と、該コア層の上下に形成された上部クラッド層及び下部クラッド層とからなることを特徴とした光学素子。
【請求項４】
請求項１，２または３の光学素子において、前記光導波路層構造上に上部電極が、前記下部電極と対向するように形成されていることを特徴とした光学素子。
【請求項５】
請求項４の光学素子において、前記上部電極が、金属導電層と透明導電層よりなり、前記透明導電層が前記光導波路構造と接していることを特徴とする光学素子。
【請求項６】
請求項１，２，３，４または５の光学素子において、透明電極層がＩＴＯ，ＩＺＯ，ＺｎＯのいずれか、もしくは複数を主成分とすることを特徴とする光学素子。
【請求項７】
請求項１，２，３，４または５の光学素子において、下部電極を構成する金属材料が金、銀、銅、Ｉｒ，Ｒｕ，Ｗ，Ｍｏのいずれか、もしくは複数を主成分とする金属層からなることを特徴とする光学素子。
【請求項８】
請求項１，２，３，４または５の光学素子が、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であることを特徴とする光学素子。
【請求項９】
基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成され、電気光学材料よりなる導波層を有する光導波路構造とを有する第１の光学素子と第２の光学素子の少なくとも１つを基板上に集積する光集積デバイスであって、前記下部電極が金属導電層と透明導電層よりなり、前記透明導電層が前記光導波路構造と接していることを特徴とする光集積デバイス。
【請求項１０】
基板と、基板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を接合させ成形体を形成し、前記成形体よりなる電気光学材料の導波層を有する光導波路構造とを有する第１の光学素子と第２の光学素子の少なくとも１つを基板上に集積する光集積デバイスであって、前記下部電極が金属導電層と透明導電層よりなり、前記透明導電層が前記光導波路構造と接していることを特徴とする光集積デバイス。
【請求項１１】
請求項９または１０の光集積デバイスにおいて、前記第２の光学素子は、レーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光スイッチまたは光フィルターのいずれか一つであることを特徴とする光集積デバイス。
【請求項１２】
基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成され、電気光学材料よりなる導波層を有する光導波路構造とを有する光学素子と電子回路の少なくとも１つを基板上に集積する光集積デバイスであって、前記下部電極が金属導電層と透明導電層よりなり、前記透明導電層が前記光導波路構造と接していることを特徴とする光集積デバイス。
【請求項１３】
基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を接合させ成形体を形成し、前記成形体よりなる電気光学材料の導波層を有する光導波路構造とを有する光学素子と電子回路の少なくとも１つを基板上に集積する光集積デバイスであって、前記下部電極が金属導電層と透明導電層よりなり、前記透明導電層が前記光導波路構造と接していることを特徴とする光集積デバイス。
【請求項１４】
請求項１２または１３の光集積デバイスにおいて、前記電子回路は、中央処理装置またはメモリーであることを特徴とする光集積デバイス。
【請求項１５】
請求項１，２，９，１０，１２または１３の光学素子または光集積デバイスにおいて、前記電気光学材料が、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主な成分であることを特徴とする光学素子または光集積デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信、光配線、光ストレージに用いられる光学素子、それを集積した光集積デバイスに関する。
【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を用いた光変調器では、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、電極を組み合わせることで光変調器を形成している。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をおこなうことができる。しかし、単結晶基板を用いる必要があることから高価であること、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導波路の長さが必要になり、素子サイズがｃｍ台と非常に大きいという欠点がある。
【０００３】
透明セラミックスであるＰｂ１−ｘＬａｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）１−ｘ／４Ｏ３（＝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ことから、光素子の小型化による低コスト化、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薄膜化の検討がなされてきている（非特許文献１ならびに非特許文献２参照）。しかし、光の透過率が高く電気光学効果の大きな薄膜を形成するためには、エピタキシャル成長をさせる必要があり、下地材料として単結晶基板が必要になることからシリコン系導波路等の他基板上の形成が困難であること、光学素子に必要な膜厚をゾルゲル法で形成するためには長時間の成膜プロセスを必要とすることから高価になるという欠点があった。
【０００４】
ＬｉＮｂＯ３、ＰＬＺＴ等の電気光学材料はいずれも強誘電性材料であり、その特性はそれぞれの化合物に特有の結晶構造を形成した場合に発現する。このため電気光学材料を光学素子として利用するためには、それ自身の単結晶基板を用いるか、単結晶基板上に電気光学材料をエピタキシャル成長させることが、必須と考えられてきた。特許文献１では、単結晶基板上に高品質な光導波路層の形成するために、基板上に格子整合層を形成し、その上部に光導波路層を形成する技術が開示されている。また、特許文献２では、酸化マグネシウム基板上に高品質な光導波路層の形成するために、基板上に応力緩和層を形成し、その上部に光導波路層を形成する技術が開示されている。
【０００５】
今後、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ナノフォトニックデバイスの実現が大きな革新技術として求められている。これを実現するためにはＣＰＵ、メモリー等のＬＳＩと光スイッチ等の能動光学素子を同一基板上に形成する技術が必要であり、シリコンや石英基板上にＰＬＺＴ等の電気光学材料を、高い結晶性で成膜する技術が求められている。異種基板上への電気光学素子を形成する技術として、薄層化したバルク電気光学材料を直接接合する技術が知られており、電気光学素子の導波特性を確保するために単層もしくは多層構造の中間層を設けることが報告されている（特許文献３参照）。
【０００６】
一方、酸化物の新たな膜形成技術として、常温衝撃固化現象を利用したエアロゾルデポジション（ＡＤ法）が開発されている。ＡＤ法は超微粒子材料の衝突付着現象を利用している。従来の薄膜形成法に比べ高い成膜速度と低いプロセス温度の実現が期待されている（非特許文献３）。また、ＡＤ法は、膜特性が下地層に依存しないことから、基板を自由に選択することができる。
【０００７】
特許文献４に開示されている技術はＡＤ法の形成方法であり、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃を負荷して粉砕して前記超微粒子脆性材料同士及び前記超微粒子脆性材料と前記基板とを接合させることを特徴としている。これにより、超微粒子相互の接合を実現し、熱を加えることなく、高密度、高強度の膜が形成される。
【０００８】
特許文献５に開示されている技術はＡＤ法により形成された構造物に関するものであり、構造物は結晶配向性がない多結晶体であり、ガラス層からなる粒界層が実質的にないことを特徴としている。
【０００９】
このＡＤ法を用いた透明度の高い電気光学材料の薄膜成形に関する検討がなされている（非特許文献４参照）。それによると、光学素子の基本特性である、ＡＤ膜の透過損失は、成形体を形成する微粒子、及び屈折率を異にする非成形体微粒子のレイリー散乱によることが明らかにされている。
【００１０】
特許文献６に開示されている技術はＡＤ法による光学素子、光集積デバイス、光情報伝搬システム及びその製造法に関するものであり、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させる衝撃固化現象により成形体を形成した光学素子であって、前記光学素子に含有されるポア（空孔）、異相等の屈折率が成形体の主たる構成体と異なる部分の平均半径ｄ（ｎｍ）と前記成形体を伝搬する光の波長λ（ｎｍ）の間にｄ６／λ４＜４×１０−５ｎｍ２の関係があることを特徴としている。さらに、光学素子として、基板上に形成された下部電極と、この下部電極上に超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させる衝撃固化現象により形成された成型体よりなる導波路と、この導波路上に形成された上部電極とからなる構造が開示されている。
【００１１】
また、光導波路中の光伝播損失を増加させることなく、スイッチング電圧を低減することを目的として、光導波路層の上に形成される制御用電極として、二層構造の透明電極を用いるものがある（特許文献７参照）。特許文献７には、制御用電極の電気抵抗を低減し、動作速度を向上させるために制御電極の上部に金属層を設けることも記載されている。
【００１２】
【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】Jun Akedo and Maxim Lebedev: Jpn. J. Appl. Phys. 38 (1999) 5397.
【非特許文献４】Masafumi Nakada, Keishi Ohashi and Jun Akedo: J. of Crys. Growth, 275(2005)e1275.
【特許文献１】特開２００４−１４４９３５号公報
【特許文献２】特開２００３−１７７２６２号公報
【特許文献３】特開２００４−１４５２６１号公報
【特許文献４】特開２００１−３１８０号公報
【特許文献５】特開２００２−２３５１８１号公報
【特許文献６】特開２００５−１８１９９５号公報
【特許文献７】特開２００３−２１８５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
電気光学効果を利用した高速、小型で低電圧駆動の光変調器をＳｉ基板等の任意の基板上に形成するためには、基板上に形成した任意の下部電極上に電気光学材料からなるコア層を有する光導波路層を形成し、光導波路層を下部、上部電極で挟み込む構造を実現することが有効である。この構造をとることで、電界を導波路に有効に作用させることができ、光学素子の小型化もしくは低消費電力化が可能となる。これらの電極材料には、電気抵抗の小さな金属材料を用いることが、光学素子の高速動作を可能にすることから望ましい。しかし、金等の金属材料からなる下部電極上に電気光学材料膜からなる光導波路層を形成する場合、導波損失を低減するためにクラッド層を厚くすると、電気光学材料からなるコア層に作用する電界は低減し、駆動電圧が高くなるという課題がある。
【００１４】
なお、特許文献７に記載された導波路型光制御デバイスは、単結晶基板上に光導波路を形成するものであり、下部電極に金属材料を用いた場合に生じる上記問題点及びその問題点を解決する手段について全く開示も示唆もしていない。
【００１５】
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、任意の基板上に形成された高速、小型で低電圧駆動の光変調器等の光学素子を提供することを目的とする。また、その光学素子を用いた光集積デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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、任意の基板上に金属導電層と透明導電層からなる下部電極を形成し、透明電極層上に電気光学材料からなるコア層を有する光導波路層を形成することで、導波損失が小さく、低電圧駆動の光変調器が実現可能であるという発見からなされたものである。
【００１７】
即ち、本発明の第１の要旨に係る光学素子は、基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成され、電気光学材料よりなる導波層を有する光導波路構造とを有する光学素子であって、前記下部電極が金属導電層と透明導電層よりなり、前記透明導電層が前記光導波路構造と接していることを特徴としている。
【００１８】
下部電極を金属導電層と透明導電層の二層にすることで、導波損失が小さく、低電圧駆動の光変調器等の光学素子を実現することができる。
【００１９】
本発明の第２の要旨に係る光学素子は、基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を接合させ成形体を形成し、前記成形体よりなる電気光学材料の導波層を有する光導波路構造とを有する光学素子であって、前記下部電極が金属導電層と透明導電層よりなり、前記透明導電層が前記光導波路構造と接していることを特徴としている。
【００２０】
このような成形体を用いることで、Ｓｉ等の任意の基板上に、導波損失が小さく、低電圧駆動の光変調器等の光学素子を実現することができる。
【００２１】
本発明の第３の要旨に係る光学素子は、第１または第２の要旨に係る光学素子において、前記光導波路構造がコア層と、該コア層の上下に形成された上部クラッド層及び下部クラッド層とからなることを特徴としている。コア層の上下にクラッド層を形成することで、導波光をコア層に閉じ込めることができ、導波損失を小さくすることが可能になる。
【００２２】
本発明の第４の要旨に係る光学素子は、第１、第２または第３の要旨に係る光学素子において、前期光導波路層上に上部電極が、前記下部電極と対向するように形成されていることを特徴としている。下部、上部電極で挟み込む構造をとることで小型化もしくは低消費電力化が可能な光変調器、光スイッチ等の光学素子を形成することができる。
【００２３】
本発明の第５の要旨に係る光学素子は、第４の要旨に係る光学素子において、前記上部電極が、金属導電層と透明導電層よりなり、前記透明導電層が前記光導波路構造と接していることを特徴としている。上部電極層を金属導電層と透明導電層の二層とし、透明導電層を光導波路構造と接するようにすることで、導波損失を低減することが可能になる。
【００２４】
本発明の第６の要旨に係る光学素子は、第１乃至第５の要旨のいずれかに係る光学素子において、透明電極層がＩＴＯ，ＩＺＯ，ＺｎＯのいずれか、もしくは複数を主成分とすることを特徴としている。ＩＴＯ，ＩＺＯ，ＺｎＯのいずれも、光学吸収が小さく電気抵抗の低い材料であり、本発明の透明電極材料に適している。
【００２５】
本発明の第７の要旨に係る光学素子は、第１乃至第５の要旨のいずれかに係る光学素子において、下部電極を構成する金属材料が金、銀、銅、Ｉｒ，Ｒｕ，Ｗ，Ｍｏのいずれか、もしくは複数を主成分とする金属層からなることを特徴としている。金、銀、銅、Ｉｒ，Ｒｕ，Ｗ，Ｍｏはいずれも電気抵抗が低く、光学素子の下部電極に適している。
【００２６】
本発明の第８の要旨に係る光学素子は、第１乃至第５の要旨のいずれかに係る光学素子が、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であることを特徴としている。本発明により高速応答可能で、下部、上部電極で挟み込む構造をとることで小型化もしくは低消費電力化が可能な光変調器、光スイッチを形成することができる。
【００２７】
本発明の第９の要旨に係る光集積デバイスは、基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成され、電気光学材料よりなる導波層を有する光導波路構造とを有する第１の光学素子と第２の光学素子の少なくとも１つを基板上に集積する光集積デバイスであって、前記下部電極が金属導電層と透明導電層よりなり、前記透明導電層が前記光導波路構造と接していることを特徴としている。こうすることで、複数の光学素子を集積化できる。
【００２８】
本発明の第１０の要旨に係る光集積デバイスは、基板と、基板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を接合させ成形体を形成し、前記成形体よりなる電気光学材料の導波層を有する光導波路構造とを有する第１の光学素子と第２の光学素子の少なくとも１つを基板上に集積する光集積デバイスであって、前記下部電極が金属導電層と透明導電層よりなり、前記透明導電層が前記光導波路構造と接していることを特徴としている。本発明では、製造プロセスが異なるために困難であった複数の光学素子の集積化を、どのような下地材料上でも室温で形成可能な衝撃固化現象により形成することで可能にしている。
【００２９】
本発明の第１１の要旨に係る光集積デバイスは、第９または第１０の要旨に係る光集積デバイスにおいて、前記第２の光学素子は、レーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光スイッチまたは光フィルターのいずれか一つであることを特徴とする。
【００３０】
本発明の第１２の要旨に係る光集積デバイスは、基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成され、電気光学材料よりなる導波層を有する光導波路構造とを有する光学素子と電子回路の少なくとも１つを基板上に集積する光集積デバイスであって、前記下部電極が金属導電層と透明導電層よりなり、前記透明導電層が前記光導波路構造と接していることを特徴とする。本発明により、光学素子と電子回路の同一基板上での集積化が可能となる。
【００３１】
本発明の第１３の要旨に係る光集積デバイスは、基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を接合させ成形体を形成し、前記成形体よりなる電気光学材料の導波層を有する光導波路構造とを有する光学素子と電子回路の少なくとも１つを基板上に集積する光集積デバイスであって、前記下部電極が金属導電層と透明導電層よりなり、前記透明導電層が前記光導波路構造と接していることを特徴としている。本発明では、製造プロセスが異なるために困難であった光学素子と電子回路の同一基板上での集積化を、どのような下地材料上でも室温で形成可能な衝撃固化現象により形成することで可能にしている。
【００３２】
本発明の第１４の要旨に係る光集積デバイスは、第１２または第１３の要旨に係る光集積デバイスにおいて、前記電子回路は、中央処理装置またはメモリーであることを特徴とする。
【００３３】
本発明の第１５の要旨に係る光学素子または光集積デバイスは、第１，２，９，１０，１２または１３の光学素子または光集積デバイスにおいて、前記電気光学材料が、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主な成分であることを特徴としている。これにより、小型で低電圧駆動の光変調器等の能動素子、デバイスが可能となる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明により、任意の基板上に金属導電層と透明導電層からなる下部電極を形成し、透明電極層上に電気光学材料からなるコア層を有する光導波路層を形成することで、導波損失が小さく、低電圧駆動の光変調器等の光学素子が実現可能となり、それにより高い性能の光学素子、および光集積デバイスを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、図を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３６】
まず、下部電極層が金属層単層である場合と、透明電極層単層である場合について説明し、それぞれの問題点を明らかにする。
【００３７】
図１（１）は、金属層単層を下部電極１１とし、その上に下部クラッド層１２、コア層１３、上部クラッド層１４が形成され、その上部に上部金属電極層１５が形成されたリッジ型導波路の断面構造の模式図である。この構造における電界パタンを図１（２）に、導波損失を図１（３）にそれぞれ示す。計算にはビーム伝播法を用い、波長１．５５μｍで計算した。下部クラッド層と上部クラッド層の屈折率は２．２とし、膜厚は下部クラッド層が１．５μｍ、上部クラッド層が１μｍとした。コア層の膜厚は１μｍ、屈折率は２．４である。クラッド層としてＳｉＴｉＯ３を、コア層としてＰＺＴを想定している。この場合の導波損失は０．１４ｍｍ／ｄＢであり、光デバイスとして用いるには適当な値である。これは、クラッド層が充分厚いため、コア層からクラッド層に広がった電磁界が、光学吸収の大きな金属電極により吸収されないためである。
【００３８】
図２は、図１（１）の構造の導波路でマッハツエンダー型変調器を構成した場合の消光特性の計算結果を示すグラフである。クラッド層の誘電率を１００、コア層の誘電率を５００とした。横軸は印加電圧、縦軸は光出力である。電圧が印加される変調部の長さを１ｍｍとしている。３ｄＢの消光比を取るためには、８Ｖのバイアス電圧を印加し、５Ｖｐｐの電圧で駆動する必要がある。駆動電圧５Ｖｐｐは、大きな値でこれを低減する必要がある。駆動電圧が大きな理由はクラッド層の誘電率が低く、そこで電圧降下が起こるためである。従って、クラッド層の厚さを薄くすることが、駆動電圧の低減には必要である。
【００３９】
図３（１）は、クラッド層の屈折率を小さくし、層厚を薄くした場合の電界パタン、図３（２）は、その場合の導波損失を示す図である。計算にはビーム伝播法を用いた。下部クラッド層と上部クラッド層の膜厚はともに０．５μｍ、屈折率は２．０５とした。ＳｒＴｉＯ３の屈折率は成膜方法を制御することで、ある程度のコントロールは可能である。コア層の膜厚は１μｍ、屈折率は２．４である。図１の構造と比較して、クラッド層の屈折率を低くし、コア層に電磁界を閉じ込めることで、クラッド層の厚さを薄くしている。しかし、この場合の導波損失は５．４ｍｍ／ｄＢであり、光デバイスとして用いるには大きすぎる値である。これは、コア層から広がった電磁界が、光学吸収の大きな金属電極により吸収されてしまうためである。
【００４０】
図４は、透明電極材料であるＩＴＯを下部電極兼下部クラッド層４１とし、コア層をＰＬＺＴ４２、その上部にＩＴＯからなる上部クラッド層兼上部電極層４３が形成された場合の逆リッジ型導波路の断面構造の模式図である。下部電極兼下部クラッド層４１とＰＬＺＴ４２との間には、部分的にＳｉＯ２層４４が設けられている。リッジ高さは０．５μｍ、リッジ幅は２μｍとした。このときの導波損失のＩＴＯ層の消衰係数ｋ依存性は、下記の表１のようになる。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
表１より、消衰係数ｋの増加に伴い導波損失は増加することが分かる。透明電極であるＩＴＯでは、消衰係数ｋが増加すると電気抵抗が減少する関係がある。これは、ＩＴＯの電気特性がフリーキャリアにより規定されており、フリーキャリアの増加により電気抵抗は低下するが、光学吸収も増加することによる。
【００４３】
図５にＩＴＯの電気抵抗と消衰係数ｋの関係を示す。実験に用いた試料はスパッタ法で作製し、成膜条件を変えることで、電気特性を変化させている。計算にはドルーデ（Drude）モデルを用いている。導波損失が十分小さい消衰係数ｋ＝０．００２における電気抵抗は０．０２Ω・ｃｍであり、電極として用いるには抵抗が高すぎ、高速駆動は困難である。従って、透明電極であるＩＴＯをクラッド層と兼用で用いる構造は変調機構造として適していない。
【００４４】
以上のように、下部電極として金属層単層を用いる場合や、透明電極を下部電極兼クラッド層として用いる場合には、駆動電圧が高いまたは導波損失が大きいという問題点がある。
【００４５】
次に、本発明の一実施の形態に係る光学素子について説明する。
【００４６】
図６（１）は、金属電極６１上に透明電極ＩＴＯ層６２を積層した二層膜を下部電極とし、その上に下部クラッド層６３、コア層６４、上部クラッド層６５が形成され、その上部に上部金属電極層６６が形成されたリッジ型導波路の断面構造の模式図である。この構造における電界パタンを図６（２）に、導波損失を図６（３）にそれぞれ示す。計算にはビーム伝播法を用いた。ＩＴＯの膜厚は０．３μｍ、屈折率ｎは１．７、消衰係数ｋは０．０３である。下部クラッド層と上部クラッド層の膜厚はともに０．５μｍ、屈折率は２．０５、とした。コア層の膜厚は１μｍ、屈折率は２．４である。図３の場合の構造と比較すると、下部金属電極層と下部クラッド層との間に透明電極ＩＴＯ層６２が挿入されている点で異なっている。透明電極ＩＴＯ層６２の挿入により導波損失は５．４ｍｍ／ｄＢから０．７９ｄＢ／ｍｍに劇的に低減することができた。これは、コア層から広がった電磁界が、下部クラッド層６３と透明電極ＩＴＯ層６２に閉じこまり、光学吸収の大きな金属電極６１に吸収されなくなるためである。
【００４７】
図７（１）は、金属層７１上に透明電極ＩＴＯ層７２を積層した二層膜を下部電極とし、その上に下部クラッド層７３、コア層７４、上部クラッド層７５が形成され、その上部に透明電極ＩＴＯ層７６と金属電極層７７の二層膜が上部電極として形成されたリッジ型導波路の断面構造の模式図である。この構造における電界パタンを図７（２）に、導波損失を図７（３）に示す。計算にはビーム伝播法を用いた。ＩＴＯの膜厚は下部、上部電極ともに０．３μｍ、屈折率ｎは１．７、消衰係数ｋは０．０３である。下部クラッド層と上部クラッド層の膜厚はともに０．５μｍ、屈折率は２．０５、とした。コア層の膜厚は１μｍ、屈折率は２．４である。図６の構造と比較すると、金属電極層７７と上部クラッド層７５の間に透明電極ＩＴＯ層７６が挿入されている点で異なっている。透明電極ＩＴＯ層７６の挿入により導波損失は０．７９ｍｍ／ｄＢから０．４３ｄＢ／ｍｍにほぼ半減することができた。これは、コア層７４から広がった電磁界が、上部クラッド層７５と透明電極ＩＴＯ層７６に閉じこまり、光学吸収の大きな金属電極７７に吸収されなくなるためである。
【００４８】
図８は、図７（１）の構造を持つ導波路でマッハツエンダー型変調器を構成した場合の消光特性の計算結果である。クラッド層の誘電率を１００、コア層の誘電率を５００とした。横軸は印加電圧、縦軸は光出力である。電圧が印加される変調部の長さを１ｍｍとしている。３ｄＢの消光比を取るためには、３Ｖのバイアス電圧を印加し、２Ｖｐｐの電圧で駆動すればよい。金属電極層とクラッド層の間に透明電極を挿入することで、低誘電率のクラッド層を薄くしながら、導波損失が小さく、低電圧駆動の光変調器が実現できる。
【００４９】
以上、説明したように金属導電層と透明導電層からなる下部電極を形成し、透明電極層上に電気光学材料からなる導波層を有する光導波路層を形成することで、導波損失が小さく、低電圧駆動の光変調器、光スイッチが実現可能である。この結果を適用することで高い性能の光学素子、光集積デバイスを安価に形成することができる。
【００５０】
なお、上記実施の形態では、透明電極としてＩＴＯを用いる場合について説明したが、ＩＴＯに代えてＩＺＯやＺｎＯを用いることができる。また、ＩＴＯ、ＩＺＯ及びＺｎＯのうちの２つまたは３つを組み合わせることもできる。
【００５１】
また、下部電極を構成する金属材料としては、金、銀、銅、Ｉｒ，Ｒｕ，Ｗ，Ｍｏのいずれか、またはこれらのうちの２以上からなる合金あるいは積層膜とすることができる。
【実施例１】
【００５２】
以下、本発明の原理を含めて実施例を詳細に説明する。
【００５３】
図９は、本実施例の光学素子の断面構造の模式図である。シリコン基板９１上に、ＳｉＯ２層９２を１μｍ熱酸化により形成した。金属下部電極としてＴｉ層（膜厚１０ｎｍ）９３、Ａｕ層（膜厚１μｍ）９４、Ｔｉ層（膜厚１０ｎｍ）９５を形成した。Ｔｉ層９３、９５はＤＣマグネトロンスパッタ法で、Ａｕ層９４はメッキ法で形成した。その上部に透明電極としてＩＴＯ層９６をＤＣマグネトロンスパッタ法により、Ａｒガスをスパッタガスとして０．３μｍ形成した。さらに、クラッド層としてＳｉＴｉＯ３層９７をＲＦマグネトロンスパッタ法で、基板温度３００℃、スパッタガスＡｒ＋Ｏ２で成膜した。膜厚は０．５μｍである。逆リッジ構造を形成するために３μｍ幅のレジスト形成を行い、ＳｒＴｉＯ３層をイオンミリング法でエッチングした。次に、ＳｉＯ２層９８を熱ＣＶＤ法で膜厚１．５μｍで形成した。コア層を埋め込むための凹構造を形成するために、１５μｍ幅のレジストの抜きを作り、反応性イオンエッチングでエッチングした。形成した１μｍ深さの凹構造にＡＤ法によりコア層９９を形成した。成膜方法等は、あとで詳しく説明する。６００℃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。その上部に上部クラッド層９１０としてＳｒＴｉＯ３を膜厚０．５μｍで形成し、さらに透明電極ＩＴＯ層９１１を膜厚０．３μｍで成膜した。さらに、金属上部電極としてＴｉ層（膜厚１０ｎｍ）９１２、Ａｕ層（膜厚１μｍ）９１３を形成した。上部クラッド層９１０、上部透明電極ＩＴＯ層９１１、Ｔｉ層９１２及びＡｕ層９１３の形成方法は、下部構造の場合と同じである。金属上部電極の一部は下部電極と接続しており、グランデッド・コプレーナ構造になっている。
【００５４】
次に本実施例で用いたＡＤ法の成膜方法について詳しく説明する。図１０は、本発明で用いた成膜装置の概略図である。酸素ガスを内蔵するガスボンベ１０１は搬送管を介してガラスボトル１０２に接続されている。ガラスボトル１０２内に粉末原料１０３を入れ、排気管１０４を介して２０Ｔｏｒｒ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１０２を加振器１０５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１０６を介して、成膜チャンバー１０７に搬送する。成膜チャンバー１０７は真空ポンプ１０８により所定の真空度に排気される。ノズル１０９から基板１０１０に粉末を吹き付けることで、薄膜を形成する。
【００５５】
成膜条件は、次のようになる。キャリアガスは酸素とし、ノズル１０９と基板１０１０の入射角を３０度、ガス流量は１２ｌ／分、成膜速度は０．５μｍ／分、加振器の振動数は２００ｒｐｍである。基板１０１０にはガラスを用いた。電気光学効果の大きな酸化物であるジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）系粉末を成膜材料とした。ＰＺＴの組成は、Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３においてｘ＝０．３である。透明度を高めるためにＭｎを０．５ａｔ％添加している。原料粉末の平均粒径は、０．７μｍとした。膜厚は３μｍである。成膜材料のＰＺＴ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学デバイスの適応が可能な組成である。
【００５６】
作製した光学素子でマッハツエンダー型変調器を構成した。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、２Ｖｐｐで変調したところ５ＧＨｚの高周波までの変調が可能であった。
【００５７】
以上より、下部電極を金属電極と透明電極の二層化することで、導波損失が小さく、低電圧駆動の光変調器等の光学素子が実現可能となった。
【００５８】
本実施例は、電気光学材料であるＰＺＴに関しているが、材料系はそれに限定されるものではなく、ランタンが添加された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等の電気光学材料や、ＳｉＯ２、窒化珪素等の光導波路形成材料にも同様の効果がある。
【実施例２】
【００５９】
本実施例の光学素子は、リング型変調器である。図１１は、本発明の光変調器の断面構造の模式図である。シリコン基板１１１上に、ＳｉＯ２層１１２を１μｍ熱酸化により形成した。金属下部電極としてＴｉ層（膜厚１０ｎｍ）１１３、Ａｕ層（膜厚０．４μｍ）１１４、Ｔｉ層（膜厚１０ｎｍ）１１５を形成した。Ｔｉ層１１３，１１５、Ａｕ層１１４はともにＤＣマグネトロンスパッタ法で形成した。その上部に透明電極としてＩＴＯ層１１６をＤＣマグネトロンスパッタ法により、Ａｒガスをスパッタガスとして０．３μｍ形成した。さらに、クラッド層としてＳｉＴｉＯ３層１１７をＲＦマグネトロンスパッタ法で、基板温度３００℃、スパッタガスＡｒ＋Ｏ２で成膜した。膜厚は０．５μｍである。逆リッジ構造を形成するために１．８μｍ幅のレジスト形成を行い、ＳｒＴｉＯ３層をイオンミリング法でエッチングした。次に、ＳｉＯ２層１１８を熱ＣＶＤ法で膜厚２μｍ形成した。コア層を埋め込むための凹構造を形成するために、１．８μｍ幅のレジストの抜きを作り、反応性イオンエッチングでエッチングした。さらに３μｍ幅の溝を同様の手法で形成した。形成した１μｍ深さの凹構造にＡＤ法によるコア層１１９を形成した。成膜方法等は、実施例１と同じである。６００℃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。その上部に上部クラッド層１１１０としてＳｒＴｉＯ３を膜厚０．５μｍ形成し、さらに透明電極ＩＴＯ層１１１１を膜厚０．３μｍ成膜した。さらに、金属上部電極としてＴｉ層（膜厚１０ｎｍ）１１１２、Ａｕ層（膜厚０．４μｍ）１１１３を形成した。上部クラッド１１１０、上部透明電極ＩＴＯ層１１１１、Ｔｉ層１１１２及びＡｕ層１１１３の形成方法は、下部構造の場合と同じである。
【００６０】
作製した光学素子でリング型変調器を構成した。波長１．５５μｍのＣＷ光を入力し、バイアス電圧として２Ｖ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。
【００６１】
ＡＤ層の特性が下地層の結晶性に本質的に依存しないという利点は、例えば、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、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、さらに、これらの基板上に本発明にかかる光学素子を作製して、全体として、本発明の光学素子で構成される光デバイスと、他のデバイスを集積した光集積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】
【００６２】
本発明により、任意の基板上に金属導電層と透明導電層からなる下部電極を形成し、透明電極層上に電気光学材料からなるコア層を有する光導波路層を形成することで、導波損失が小さく、低電圧駆動の光変調器等の光学素子が実現可能となり、それにより高い性能の光学素子及び光集積デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】（１）はリッジ型導波路の断面構造の断面図、（２）はその電界分布を示す図、（３）は導波損失計算結果を示す図である。
【図２】図１のリッジ型導波路でマッハツエンダー型変調器を構成した場合の消光特性の計算結果を示すグラフである。
【図３】（１）はリッジ型導波路の断面構造の電界分布を示す図、（２）は導波損失計算結果を示す図である。
【図４】逆リッジ型導波路の断面構造の模式図である。
【図５】透明電極ＩＴＯ層の電気抵抗と消衰係数ｋの関係を示すグラフである。
【図６】（１）は本発明の一実施の形態に係るリッジ型導波路の断面構造の模式図、（２）はその電界分布を示す図、（３）は導波損失計算結果を示す図である。
【図７】（１）は本発明の他の実施の形態に係るリッジ型導波路の断面構造の模式図、（２）はその電界分布を示す図、（３）は導波損失計算結果を示す図である。
【図８】図７（１）の導波路でマッハツエンダー型変調器を構成した場合の消光特性の計算結果を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例１の光学素子の断面構造の模式図である。
【図１０】図９の光学素子の作製に用いられる成膜装置の概略図である。
【図１１】本発明の実施例２の光学素子の断面構造の模式図である。
【符号の説明】
【００６４】
１１    下部電極
１２    下部クラッド層
１３    コア層
１４    上部クラッド層
１５    上部金属電極層
４１    下部電極兼下部クラッド層
４２    ＰＬＺＴ
４３    上部クラッド層兼上部電極層
４４    ＳｉＯ２層
６１    金属電極
６２    透明電極ＩＴＯ層
６３    下部クラッド層
６４    コア層
６５    上部クラッド層
６６    上部金属電極層
７１    金属層
７２    透明電極ＩＴＯ層
７３    下部クラッド層
７４    コア層
７５    上部クラッド層
７６    透明電極ＩＴＯ層
７７    金属電極層
９１    シリコン基板
９２    ＳｉＯ２層
９３    Ｔｉ層
９４    Ａｕ層
９５    Ｔｉ層
９６    ＩＴＯ層
９７    ＳｉＴｉＯ３層
９８    ＳｉＯ２層
９９    コア層
９１０    上部クラッド層
９１１    透明電極ＩＴＯ層
９１２    Ｔｉ層
９１３    Ａｕ層
１０１    ガスボンベ
１０２    ガラスボトル
１０３    粉末原料
１０４    排気管
１０５    加振器
１０６    搬送管
１０７    成膜チャンバー
１０８    真空ポンプ
１０９    ノズル
１０１０    基板
１１１    シリコン基板
１１２    ＳｉＯ２層
１１３    Ｔｉ層
１１４    Ａｕ層
１１５    Ｔｉ層
１１６    ＩＴＯ層
１１７    ＳｉＴｉＯ３層
１１８    ＳｉＯ２層
１１９    コア層
１１１０    上部クラッド層
１１１１    透明電極ＩＴＯ層
１１１２    Ｔｉ層
１１１３    Ａｕ層
【図１】
2008281896.tif 000004
【図２】
2008281896.tif 000005
【図３】
2008281896.tif 000006
【図４】
2008281896.tif 000007
【図５】
2008281896.tif 000008
【図６】
2008281896.tif 000009
【図７】
2008281896.tif 000010
【図８】
2008281896.tif 000011
【図９】
2008281896.tif 000012
【図１０】
2008281896.tif 000013
【図１１】
2008281896.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成19年6月13日(2007.6.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
図１（１）は、金属層単層を下部電極１１とし、その上に下部クラッド層１２、コア層１３、上部クラッド層１４が形成され、その上部に上部金属電極層１５が形成されたリッジ型導波路の断面構造の模式図である。この構造における電界パタンを図１（２）に、導波損失を図１（３）にそれぞれ示す。計算にはビーム伝播法を用い、波長１．５５μｍで計算した。下部クラッド層と上部クラッド層の屈折率は２．２とし、膜厚は下部クラッド層が１．５μｍ、上部クラッド層が１μｍとした。コア層の膜厚は１μｍ、屈折率は２．４である。クラッド層としてＳｒＴｉＯ３を、コア層としてＰＺＴを想定している。この場合の導波損失は０．１４ｍｍ／ｄＢであり、光デバイスとして用いるには適当な値である。これは、クラッド層が充分厚いため、コア層からクラッド層に広がった電磁界が、光学吸収の大きな金属電極により吸収されないためである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
図９は、本実施例の光学素子の断面構造の模式図である。シリコン基板９１上に、ＳｉＯ２層９２を１μｍ熱酸化により形成した。金属下部電極としてＴｉ層（膜厚１０ｎｍ）９３、Ａｕ層（膜厚１μｍ）９４、Ｔｉ層（膜厚１０ｎｍ）９５を形成した。Ｔｉ層９３、９５はＤＣマグネトロンスパッタ法で、Ａｕ層９４はメッキ法で形成した。その上部に透明電極としてＩＴＯ層９６をＤＣマグネトロンスパッタ法により、Ａｒガスをスパッタガスとして０．３μｍ形成した。さらに、クラッド層としてＳｒＴｉＯ３層９７をＲＦマグネトロンスパッタ法で、基板温度３００℃、スパッタガスＡｒ＋Ｏ２で成膜した。膜厚は０．５μｍである。逆リッジ構造を形成するために３μｍ幅のレジスト形成を行い、ＳｒＴｉＯ３層をイオンミリング法でエッチングした。次に、ＳｉＯ２層９８を熱ＣＶＤ法で膜厚１．５μｍで形成した。コア層を埋め込むための凹構造を形成するために、１５μｍ幅のレジストの抜きを作り、反応性イオンエッチングでエッチングした。形成した１μｍ深さの凹構造にＡＤ法によりコア層９９を形成した。成膜方法等は、あとで詳しく説明する。６００℃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。その上部に上部クラッド層９１０としてＳｒＴｉＯ３を膜厚０．５μｍで形成し、さらに透明電極ＩＴＯ層９１１を膜厚０．３μｍで成膜した。さらに、金属上部電極としてＴｉ層（膜厚１０ｎｍ）９１２、Ａｕ層（膜厚１μｍ）９１３を形成した。上部クラッド層９１０、上部透明電極ＩＴＯ層９１１、Ｔｉ層９１２及びＡｕ層９１３の形成方法は、下部構造の場合と同じである。金属上部電極の一部は下部電極と接続しており、グランデッド・コプレーナ構造になっている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
本実施例の光学素子は、リング型変調器である。図１１は、本発明の光変調器の断面構造の模式図である。シリコン基板１１１上に、ＳｉＯ２層１１２を１μｍ熱酸化により形成した。金属下部電極としてＴｉ層（膜厚１０ｎｍ）１１３、Ａｕ層（膜厚０．４μｍ）１１４、Ｔｉ層（膜厚１０ｎｍ）１１５を形成した。Ｔｉ層１１３，１１５、Ａｕ層１１４はともにＤＣマグネトロンスパッタ法で形成した。その上部に透明電極としてＩＴＯ層１１６をＤＣマグネトロンスパッタ法により、Ａｒガスをスパッタガスとして０．３μｍ形成した。さらに、クラッド層としてＳｒＴｉＯ３層１１７をＲＦマグネトロンスパッタ法で、基板温度３００℃、スパッタガスＡｒ＋Ｏ２で成膜した。膜厚は０．５μｍである。逆リッジ構造を形成するために１．８μｍ幅のレジスト形成を行い、ＳｒＴｉＯ３層をイオンミリング法でエッチングした。次に、ＳｉＯ２層１１８を熱ＣＶＤ法で膜厚２μｍ形成した。コア層を埋め込むための凹構造を形成するために、１．８μｍ幅のレジストの抜きを作り、反応性イオンエッチングでエッチングした。さらに３μｍ幅の溝を同様の手法で形成した。形成した１μｍ深さの凹構造にＡＤ法によるコア層１１９を形成した。成膜方法等は、実施例１と同じである。６００℃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。その上部に上部クラッド層１１１０としてＳｒＴｉＯ３を膜厚０．５μｍ形成し、さらに透明電極ＩＴＯ層１１１１を膜厚０．３μｍ成膜した。さらに、金属上部電極としてＴｉ層（膜厚１０ｎｍ）１１１２、Ａｕ層（膜厚０．４μｍ）１１１３を形成した。上部クラッド１１１０、上部透明電極ＩＴＯ層１１１１、Ｔｉ層１１１２及びＡｕ層１１１３の形成方法は、下部構造の場合と同じである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６４】
１１    下部電極
１２    下部クラッド層
１３    コア層
１４    上部クラッド層
１５    上部金属電極層
４１    下部電極兼下部クラッド層
４２    ＰＬＺＴ
４３    上部クラッド層兼上部電極層
４４    ＳｉＯ２層
６１    金属電極
６２    透明電極ＩＴＯ層
６３    下部クラッド層
６４    コア層
６５    上部クラッド層
６６    上部金属電極層
７１    金属層
７２    透明電極ＩＴＯ層
７３    下部クラッド層
７４    コア層
７５    上部クラッド層
７６    透明電極ＩＴＯ層
７７    金属電極層
９１    シリコン基板
９２    ＳｉＯ２層
９３    Ｔｉ層
９４    Ａｕ層
９５    Ｔｉ層
９６    ＩＴＯ層
９７    ＳｒＴｉＯ３層
９８    ＳｉＯ２層
９９    コア層
９１０    上部クラッド層
９１１    透明電極ＩＴＯ層
９１２    Ｔｉ層
９１３    Ａｕ層
１０１    ガスボンベ
１０２    ガラスボトル
１０３    粉末原料
１０４    排気管
１０５    加振器
１０６    搬送管
１０７    成膜チャンバー
１０８    真空ポンプ
１０９    ノズル
１０１０    基板
１１１    シリコン基板
１１２    ＳｉＯ２層
１１３    Ｔｉ層
１１４    Ａｕ層
１１５    Ｔｉ層
１１６    ＩＴＯ層
１１７    ＳｒＴｉＯ３層
１１８    ＳｉＯ２層
１１９    コア層
１１１０    上部クラッド層
１１１１    透明電極ＩＴＯ層
１１１２    Ｔｉ層
１１１３    Ａｕ層