(57)【要約】【課題】導波損失が小さく、低電圧駆動の光デバイスを提供する。【解決手段】リング状光導波路と入出力光導波路を有し、この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、前記リング状光導波路において、前記屈折率制御部以外の部分が、前記屈折率制御部を構成する光学材料の吸収係数より低い吸収係数をもつ光学材料で形成されている光デバイス。【選択図】図１
2013164615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リング状光導波路と入出力光導波路を有し、前記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、
前記屈折率制御部が電気光学材料で形成され、前記リング状光導波路に電界を形成する電極が該屈折率制御部に設けられ、該電極に電気信号を印加することで光を制御する構造を備え、
前記リング状光導波路において、前記屈折率制御部以外の部分が、前記屈折率制御部を構成する電気光学材料の吸収係数より低い吸収係数をもつ光学材料で形成されて該リング状光導波路の導波損失が低減され消光比が増加する構造を備えた、光デバイス。
【請求項２】
前記屈折率制御部が、該屈折率制御部以外の前記リング状光導波路の部分を構成する光学材料の複素屈折率と異なる複素屈折率をもつ光学材料で形成されている、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
前記リング状光導波路において、前記屈折率制御部以外の部分が、前記入出力光導波路を構成する光学材料の複素屈折率と同じ複素屈折率をもつ光学材料で形成されている、請求項１又は２に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記屈折率制御部が、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で形成されている、請求項１から３のいずれかに記載の光学デバイス。
【請求項５】
前記リング状光導波路において、前記屈折率制御部以外の部分が、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＳｒＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3から選ばれる材料で形成されている、請求項１から４のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の第１の光デバイスと、他の第２の光デバイスとを基板上に有する光集積デバイス。
【請求項７】
第２のデバイスが、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、光フィルターのいずれかである、請求項６に記載の光集積デバイス。
【請求項８】
請求項１から５のいずれかに記載の光デバイスと電子回路とを基板上に有する光集積デバイス。
【請求項９】
請求項１から５のいずれかに記載の光デバイスの製造方法であって、前記屈折率制御部を構成する光学材料が、エアロゾルデポジション法で形成されることを特徴とする光デバイスの製造方法。
【請求項１０】
請求項１から５のいずれかに記載の光デバイスの製造方法であって、
シリコン基板上に絶縁層を形成する工程と、
リング状光導波路の屈折率制御部を形成する領域に下部電極層を形成する工程と、
下部クラッド層を形成する工程と、
前記屈折率制御部を形成する領域には、前記下部クラッド層上にエアロゾルデポジション法により第１の光学材料からなる第１のコア層を形成し、前記リング状光導波路の該屈折率制御部以外の部分を形成する領域には、前記下部クラッド層上に、第１の光学材料の複素屈折率と異なる複素屈折率をもつ第２の光学材料からなり、第１のコア層と接続する第２のコア層を形成する工程と、
前記リング状光導波路を構成する第１のコア層および第２のコア層上に上部クラッド層を形成する工程と、
前記上部クラッド層上に、前記下部電極層と対向するように上部電極層を形成する工程と、を有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。
【０００３】
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り、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問題がある。
【０００４】
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、非特許文献２）。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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、共鳴波長を変化させることで変調動作を行う。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【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.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
光配線システムを低コストで形成するためには、低コストの外部光源を用いることが重要になる。波長が８００ｎｍ程度の面発光レーザーは、一般的に光通信に用いられている波長１．５μｍの端面発光レーザーよりも低価格であり、高集積が可能である。したがって、この面発光レーザーをシリコンフォトニクスに適用することができれば、大幅にコストを低減することができる。しかし、シリコンは、波長が８００ｎｍでは不透明であることから光変調器への適用は困難である。光変調器材料として電気光学係数の大きなＰＬＺＴ等を用いたリング共振器型変調器の実現が期待されるが、電気光学係数の大きなＰＬＺＴ等の材料も波長が８００ｎｍでは光学吸収が大きくなり、通常のリング共振器型変調器では光の損失が大きくなるという課題がある。
【００１０】
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、導波損失が小さく、低電圧駆動の光デバイスを提供することを目的とする。また、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目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、リング状光導波路と入出力光導波路を有し、前記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、
前記屈折率制御部が、該屈折率制御部以外の前記リング状光導波路の部分を構成する光学材料の複素屈折率と異なる複素屈折率をもつ光学材料で形成されている光デバイスが提供される。
【００１２】
また本発明によれば、上記の光デバイスの製造方法であって、前記屈折率制御部を構成する光学材料が、エアロゾルデポジション法で形成されることを特徴とする光デバイスの製造方法を提供することができる。
【００１３】
また本発明によれば、上記の光デバイスの製造方法であって、
シリコン基板上に絶縁層を形成する工程と、
リング状光導波路の屈折率制御部を形成する領域に下部電極層を形成する工程と、
下部クラッド層を形成する工程と、
前記屈折率制御部を形成する領域には、前記下部クラッド層上にエアロゾルデポジション法により第１の光学材料からなる第１のコア層を形成し、前記リング状光導波路の該屈折率制御部以外の部分を形成する領域には、前記下部クラッド層上に、第１の光学材料の複素屈折率と異なる複素屈折率をもつ第２の光学材料からなり、第１のコア層と接続する第２のコア層を形成する工程と、
前記リング状光導波路を構成する第１のコア層および第２のコア層上に上部クラッド層を形成する工程と、
前記上部クラッド層上に、前記下部電極層と対向するように上部電極層を形成する工程と、を有する光デバイスの製造方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、導波損失が小さく、低電圧駆動の光デバイスを提供でき、また、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ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による一実施例のリング共鳴型変調器の模式図。
【図２】シミュレーションに用いたリング共鳴型変調器の模式図。
【図３】光学材料が一様なＰＬＺＴのリング状導波路の波長と透過率の関係を示す図。
【図４】光学材料が一様なシリコンのリング状導波路の波長と透過率の関係を示す図。
【図５】光学材料が一様なＰＬＺＴのリング状導波路型光変調器の印加電圧と透過率の関係を示す図。
【図６】本発明による実施例のリング状導波路型光変調器の印加電圧と透過率の関係を示す図。
【図７】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。
【図８】本発明による実施例で用いた成膜装置の概略図。
【図９】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部を示す断面模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明による一実施形態の光デバイスは、リング状光導波路と入出力光導波路を有し、このリング状光導波路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、その屈折率制御部を構成する光学材料の複素屈折率が、その屈折率制御部以外の部分を構成する光学材料の複素屈折率と異なっている。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とを異なる材料で形成することにより、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。
【００１７】
以下に、シミュレーションを行った本実施形態を説明する。
【００１８】
図１は、本発明による一実施形態のリング共鳴型変調器の模式図である。１１は入出力光導波路であり、導波光はａから入力し、ｂに出力する。１２はリング状光導波路である。１３（点線で囲まれた部分）は入出力光導波路１１とリング状光導波路１２との光学的結合部である。１４は、リング状光導波路１２の屈折率制御が可能な部分（屈折率制御部）である。この屈折率制御部１４の複素屈折率の虚数項、つまり光学吸収は、リング状光導波路１２の屈折率制御部以外の部分よりも大きい。リング状光導波路１２において屈折率制御部以外の部分は、入出力光導波路１１を構成する材料の複素屈折率と同じ複素屈折率をもつ材料から形成されている。リング状光導波路１２における点線部は、屈折率制御部１４と他の部分との接合部を示す。
【００１９】
この構造について伝達関数を用い、透過率ｂ／ａのシミュレーションを行った。シミュレーションでは、リング状光導波路１２において、屈折率制御部１４と他の部分との接合部での反射を考慮している。
【００２０】
図２は、本シミュレーションに用いた変調器の模式図である。２は電極部であり、この部分に電圧を印加した場合の透過率変化のシミュレーションを行った。リング周回長を０．８ｍｍ、電極周囲長を０．４ｍｍとした。
【００２１】
次に伝達関数を用いた透過率ｂ／ａのシミュレーション方法について説明する。
【００２２】
次式は、図１の入出力光導波路１１と、屈折率制御部１４を含むリング状光導波路１２がすべて同じ材料で構成された場合の伝達関数である。
【００２３】
【数１】
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【００２４】
ここで、αは吸収係数、βは伝搬定数、Ｌはリング周回長、Ｋは結合定数、ｊは虚数単位である。このｂ／ａの絶対値の二乗が透過率となる。光変調器の動作のシミュレーションでは、電圧印加時の伝搬定数の変化を電気光学係数から計算し、透過率の変化としている。
【００２５】
リング状光導波路１２において、屈折率制御部１４と他の部分との間で伝搬定数と吸収係数が異なる本実施形態（図１）の場合、リング状光導波路１２における屈折率制御部１４と他の部分との接合部で反射が生じるため伝達関数は格段に複雑になるが、同様の方法でシミュレーション可能である。
【００２６】
表１に、ＰＬＺＴ（（Ｐｂ0.95Ｌａ0.05）（Ｚｒ0.3Ｔｉ0.7）Ｏ3）とシリコンの吸収係数（損失係数）の波長依存性を示す。この吸収係数の単位は１／ｍｍである。ＰＬＺＴの吸収係数はエアロゾルデポジション法で形成した薄膜の値であり、シリコンの吸収係数はバルク結晶の値である。いずれの薄膜においても、波長１５５０ｎｍに対して波長８５０ｎｍでの吸収係数が大きくなることが分かる。これは、いずれもバンド構造に起因する光学吸収による。
【００２７】
【表１】
2013164615.tif 000004
【００２８】
図３に、光学材料が一様なＰＬＺＴのリング状導波路の波長と透過率の関係を、上記の方法でシミュレーションした結果を示す。縦軸は透過率を表し、横軸は共鳴波長からの波長の変化を表している。共鳴波長は１５５０ｎｍ、８５０ｎｍである。波長１５５０ｎｍでは、透過率の共鳴による変化は大きいが、波長８５０ｎｍでは変化は小さく、その共鳴の鋭さを表すＱ値も小さくなっている。これは波長８５０ｎｍで吸収係数が７倍になることによる。
【００２９】
図４に、光学材料が一様なシリコンのリング状導波路の波長と透過率の関係を波長８５０ｎｍで計算した結果を示す。シリコンのリング状導波路では共鳴による透過率の変化は起こらないことがわかる。これはシリコンの吸収係数が波長８５０ｎｍでは非常に大きいことによる。したがって、シリコンでは波長８５０ｎｍにおけるリング状共振器型光変調器は形成できないことになる。
【００３０】
図５は、光学材料が一様なＰＬＺＴのリング状導波路型光変調器の印加電圧と透過率の関係を示す。波長１５５０ｎｍと８５０ｎｍについてシミュレーションした。波長１５５０ｎｍでは、挿入損失５ｄＢで、消光比８ｄＢが、３Ｖｐｐという小さな電圧で得られているが、波長８５０ｎｍでは、挿入損失１１ｄＢで、消光比３ｄＢと大幅に性能が低下してしまう。これに入出力導波路の長さを１ｍｍとして、その損失を加えると、挿入損失は２６ｄＢとなり、特性を改善しなければ変調器としての使用は不可能になる。
【００３１】
図６は、特性を改善した本発明による一実施例のリング状導波路型光変調器の印加電圧と透過率の関係を示す。波長は８５０ｎｍで、そのときの光学定数はそれぞれ、リング状光導波路の屈折率制御部ではｎ＝２．５、α＝３．５（１／ｍｍ）とし、リング状光導波路の他の部分と入出力導波路ではｎ＝２．５、α＝０とした。リング状光導波路の屈折率制御部は、光学材料としてＰＬＺＴとし、リング状光導波路の他の部分と入出力導波路はスパッタ法によるＴｉＯ2を想定した。リング状光導波路の屈折率制御部とリング状光導波路の他の部分との光路長の比は１：１である。挿入損失７ｄＢで、印加電圧３Ｖｐｐにおける消光比は７ｄＢと、大幅に性能の改善が可能になった。この特性の改善は、吸収係数が小さな材料で、リング状光導波路の屈折率制御部以外の部分と入出力導波路を構成したことによる。
【００３２】
リング状光導波路の屈折率制御部とリング状光導波路の他の部分との光路長の比を、１：３とした場合、１：７とした場合の挿入損失と消光比の計算結果を、上記結果ととともに表２にまとめる。
【００３３】
【表２】
2013164615.tif 000005
【００３４】
表２に示すように屈折率制御部の割合を小さくすることで消光比は若干低下するが、電極長を短くすることができ、電気容量の低減による高速化、低消費電力化が可能となる。
【００３５】
次に、表３に、リング状光導波路の屈折率制御部と、リング状光導波路の他の部分及び入出力導波路との間での屈折率が異なる場合のシミュレーション結果を示す。リング状光導波路の屈折率制御部ではｎ＝２．５、α＝３．５（１／ｍｍ）とした。リング状光導波路の他の部分と入出力導波路では、屈折率を２．５から１．５まで変化させ、吸収係数はα＝０とした。リング状光導波路の屈折率制御部とリング状光導波路の他の部分との光路長の比は１：１で固定している。波長は８５０ｎｍ付近である。
【００３６】
【表３】
2013164615.tif 000006
【００３７】
表３に示すように、屈折率差が増大することで消光比は低下するが、その低下量はそれほど大きくない。これは、リング状光導波路の屈折率制御部とリング状光導波路の他の部分との屈折率差が１．０の場合でも、接合部の反射率は６％程度であり、共鳴状態に大きな影響を与えないためと考えられる。
【００３８】
以上、説明したように、リング状光導波路と入出力光導波路を有し、このリング状光導波路の共振波長を変化させる光デバイスにおいて、前記リング状光導波路の一部分に、導波する波長における屈折率を制御する屈折率制御部を設け、この屈折率制御部を構成する光学材料の複素屈折率が当該リング状光導波路の他の部分を構成する光学材料の複素屈折率と異なる構成とすることで、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ことが明らかである。この結果を適用することで、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。
【００３９】
上記構成を有する本実施形態の光デバイスにおいて、リング状光導波路の屈折率制御部は、当該リング状光導波路の屈折率制御部以外の部分と異なる光学材料で形成されている。この屈折率制御部に用いる光学材料は、電圧等による屈折率可変性と透明性の両方が大きいことが望ましい。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且つ透明度が十分な材料を選択することが困難になる。屈折率制御部に、屈折率変化性は大きいが透明度はそれほど高くない光学材料を用いる場合であっても、屈折率制御部以外のリング状光導波路の部分に、屈折率制御部を構成する光学材料の複素屈折率とは異なる複素屈折率をもつ光学材料を用いることで、透過損失が小さく、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。
【００４０】
また、前記リング状光導波路における前記屈折率制御部以外の部分を、前記屈折率制御部を構成する光学材料の吸収係数より低い吸収係数をもつ光学材料で形成することができる。これにより、透過損失が小さく、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。
【００４１】
前記リング状導波路において、屈折率制御部と他の部分との光路長の比（屈折率制御部／他の部分）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、十分に透過損失を抑える点、電極を設ける場合は電極長を短くする点から、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。
【００４２】
前記屈折率制御部は、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。この電気化学材料として、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。
【００４３】
前記リング状光導波路における屈折率制御部以外の部分は、ＴｉＯ2，Ｔａ2Ｏ5、ＳｒＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3から選ばれる材料で形成することができる。表３に示したように、前記リング状光導波路の屈折率制御部と当該リング状光導波路の他の部分および入出力導波路と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、当該屈折率制御部以外のリング状導波路の部分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。
【００４４】
本発明による一実施形態では、図２に示すように、前記リング状光導波路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。
【００４５】
本発明による一実施形態では、上記の第１の光デバイスと、他の第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。この基板としては、シリコン基板を適用することができる。
【００４６】
本発明による一実施形態では、上記の光学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、シリコン基板を適用することができる。
【００４７】
本発明の一実施形態による光学デバイスの製造においては、前記屈折率制御部を構成する光学材料を、エアロゾルデポジション法で形成することができる。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、導波損失が小さく、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】
【００４８】
以下、本発明による一実施例を挙げてさらに説明する。
【００４９】
図７は、本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。この構造の平面模式図は図１と同様であり、上部電極構造の平面模式図は図２と同様である。
【００５０】
屈折率制御部とリング状光導波路の他の部分との光路長の比は１：１とした。
【００５１】
シリコン基板７１上に、ＳｉＯ2層７２（膜厚１μｍ）を熱酸化により形成した。金属下部電極として、Ｔｉ層（膜厚１０ｎｍ）７３、Ａｕ層（膜厚１μｍ）７４、Ｔｉ層（膜厚１０ｎｍ）７５を、ＴｉはＤＣマグネトロンスパッタ法で、Ａｕはメッキ法で形成した。その上に、下部透明電極層７６としてＩＴＯ層（膜厚０．３μｍ）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。
【００５２】
次に、クラッド層７７としてＳｒＴｉＯ3層（膜厚０．５μｍ）をＲＦマグネトロンスパッタ法（基板温度：３００℃、スパッタガス：Ａｒ＋Ｏ2）により成膜した。次いで、このＳｒＴｉＯ3層（クラッド層７７）を、逆リッジ構造を形成するために３μｍ幅のレジストを形成した後、イオンミリング法でエッチングした。
【００５３】
次に、ＳｉＯ2層７８を熱ＣＶＤ法で膜厚１．５μｍに形成した。
【００５４】
次に、３μｍ幅のレジストの抜きを形成した後、反応性イオンエッチングを行って、幅３μｍ、深さ１μｍの凹構造を形成した。次に、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７９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。
【００５５】
その上に、上部クラッド層７１０としてＳｒＴｉＯ3を膜厚０．５μｍに形成し、次いで上部透明電極層７１１としてＩＴＯ層（膜厚０．３μｍ）を形成した。その後に、金属上部電極として、Ｔｉ層（膜厚１０ｎｍ）７１２、Ａｕ層（膜厚１μｍ）７１３を形成した。上部クラッド層７１０、上部透明電極層７１１、金属上部電極７１２、７１３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。
【００５６】
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。
【００５７】
図８は、本実施例で用いた成膜装置の概略図である。
【００５８】
酸素ガスを内蔵するガスボンベ８１は搬送管を介してガラスボトル８２に接続されている。ガラスボトル８２内に粉末原料８３を入れ、排気管８４を介してガラスボトル８２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８２を加振器８５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８６を介して、成膜チャンバー８７に搬送する。成膜チャンバー８７は、真空ポンプ８８により所定の真空度に排気される。ノズル８９から基板８１０に粉末を吹き付けることで、薄膜を形成する。
【００５９】
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１２ｌ／分、成膜速度は０．５μｍ／分、加振器の振動数は２００ｒｐｍである。基板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、０．７μｍとした。ＰＬＺＴの膜厚は３μｍ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。
【００６０】
図９は、本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部分を示す断面模式図である。この部分には、前述の図７に示した屈折率制御部に対して、コアの材料が異なり、また、電極が設けられていない。
【００６１】
シリコン基板９１（７１）上にＳｉＯ2層９２（７２）（膜厚１μｍ）を熱酸化により形成した後、ＳｉＯ2層９３を熱ＣＶＤ法で膜厚１．３２μｍに形成した。
【００６２】
次に、クラッド層９４（７７）としてＳｒＴｉＯ3層（膜厚０．５μｍ）をＲＦマグネトロンスパッタ法（基板温度：３００℃、スパッタガス：Ａｒ＋Ｏ2）により成膜した。
【００６３】
その上に、第１のコア層９５として、ＴｉＯ2層（膜厚０．５μｍ）をＲＦマグネトロンスパッタ法（基板温度：室温、スパッタガス：Ａｒ＋Ｏ2）により成膜した。
【００６４】
次に、ＳｒＴｉＯ3層（クラッド層）９４とＴｉＯ2層（第１のコア層）９５を、逆リッジ構造を形成するために３μｍ幅のレジストを形成した後、イオンミリング法でエッチングした。
【００６５】
次に、ＳｉＯ2層９６をリフトオフ法により熱ＣＶＤ法で膜厚１．０μｍに形成した。
【００６６】
第２のコア層として、ＴｉＯ2層９７（膜厚１．０μｍ）をＲＦマグネトロンスパッタ法（基板温度：室温、スパッタガス：Ａｒ＋Ｏ2）により成膜した。その上に上部クラッド層９８（７１０）としてＳｒＴｉＯ3を膜厚０．５μｍに形成した。
【００６７】
なお、図７に示す構造（屈折率制御部）と図９に示す構造（屈折率制御部以外のリング状光導波路の部分）の上記製造過程において、ＳｉＯ2層７２とＳｉＯ2層９２、クラッド層７７とクラッド層９４、上部クラッド層７１０と上部クラッド層９８は、シリコン基板（７１、９１）上に同時に形成し、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形成した。
【００６８】
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。
【００６９】
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、小型で低電圧駆動の光変調器が製造できた。
【００７０】
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適用できる。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、Ｔａ2Ｏ5、ＳｒＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3、ＳｉＯ2、窒化珪素等の光導波路形成用の材料を適用できる。
【００７１】
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。
【符号の説明】
【００７２】
１１    入出力光導波路
１２    リング状光導波路
１３    入出力光導波路とリング状光導波路の光学的結合部
１４    リング状光導波路の屈折率制御部
２      電極部
７１    シリコン基板
７２    ＳｉＯ2層
７３    Ｔｉ層
７４    Ａｕ層
７５    Ｔｉ層
７６    下部透明電極層
７７    クラッド層
７８    ＳｉＯ2層
７９    コア層
７１０  上部クラッド層
７１１  上部透明電極層
７１２  Ｔｉ層
７１３  Ａｕ層
８１    ガスボンベ
８２    ガラスボトル
８３    粉末原料
８４    排気管
８５    加振器
８６    搬送管
８７    成膜チャンバー
８８    真空ポンプ
８９    ノズル
８１０  基板
９１    シリコン基板
９２    ＳｉＯ2層
９３    ＳｉＯ2層
９４    クラッド層
９５    コア層
９６    ＳｉＯ2層
９７    第二のコア層
９８    上部クラッド層
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図２】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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