(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長変換、および、光変調の少なくとも一方を行う光調整構造を有する光デバイスであって、
結晶基板と、
前記結晶基板とは異なる材質の結晶体と
を備え、
前記結晶基板と前記結晶体とが一体化されていて、
前記結晶基板は、導波路を有し、
前記結晶体は、前記光調整構造と、前記導波路と光学的に結合するさらなる導波路とを有し、
前記光調整構造は、分極反転構造である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、前記結晶基板がシリコン基板であることを特徴とする光デバイス。
【請求項３】
請求項１から２のいずれかに記載の光デバイスにおいて、前記光調整構造を構成する結晶体は、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、ＫＮｂＯ３、および、ＬｉＮｂ（１−ｘ）ＴａＸＯ３（０≦ｘ≦１）からなる群から選択されることを特徴とする光デバイス。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の光デバイスにおいて、前記導波路が前記結晶基板内に形成してあ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のいずれかに記載の光デバイスにおいて、前記導波路に前記光調整構造へと導波される光を供給する光源と、この光源の動作を制御する電子回路とを有することを特徴とする光デバイス。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の光デバイスにおいて、前記光調整構造に電界を印加して、前記光変調の度合いを変化させる電界印加構造が設けられていることを特徴とする光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光デバイスに関し、より詳細には、非線形光学材料とシリコン基板とを組み合わせた光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
データ伝送速度の高速化にともない、さらなる高速化、小型化および低コスト化が期待される、シリコン基板上に光部品を集積化した光デバイスが研究されている。
【０００３】
このような光デバイスとして、シリコン導波路を用いた波長変換の技術が報告されている（例えば、非特許文献１を参照。）。非特許文献１によれば、シリコン導波路を用い、コヒーレントアンチストークスラマン散乱（ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ａｎｔｉ−Ｓｔｏｋｅｓ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＣＡＲＳ）によるデジタル信号（１５４２ｎｍ）からアナログ変調信号（１３２８ｎｍ）への波長変換が報告されている。しかしながら、その変換効率は１．３７×１０−５と極めて小さく、実用には値しない。したがって、シリコン基板に集積可能な波長変換素子、その他の光機能を実現する素子があれば望ましい。
【非特許文献１】Ｖ．  Ｒａｇｈｕｎａｔｈａｎら，  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．，  Ｖｏｌ．  ８５，  ｐｐ．  ３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、光機能を実現するシリコン基板上に集積化された光デバイスおよびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明１は、波長変換、および、光変調の少なくとも一方を行う光調整構造を有する光デバイスであって、結晶基板と、前記結晶基板とは異なる材質の結晶体とを備え、前記結晶基板と前記結晶体とが一体化されていて、前記結晶基板は、導波路を有し、前記結晶体は、前記光調整構造と、前記導波路と光学的に結合するさらなる導波路とを有し、前記光調整構造は、分極反転構造であることを特徴とする。
発明２は、発明１に記載の光デバイスにおいて、前記結晶基板がシリコン基板であることを特徴とする。
発明３は、発明１から２のいずれかに記載の光デバイスにおいて、前記光調整構造を構成する結晶体は、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、ＫＮｂＯ３、および、ＬｉＮｂ（１−ｘ）ＴａＸＯ３（０≦ｘ≦１）からなる群から選択されることを特徴とする。
発明４は、発明１から３のいずれかに記載の光デバイスにおいて、前記導波路が前記結晶基板内に形成してあることを特徴とする。
発明５は、発明１から４のいずれかに記載の光デバイスにおいて、前記導波路に前記光調整構造へと導波される光を供給する光源と、この光源の動作を制御する電子回路とを有することを特徴とする。
発明６は、発明１から５のいずれかに記載の光デバイスにおいて、前記光調整構造に電界を印加して、前記光変調の度合いを変化させる電界印加構造が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明による光学通信技術により信号伝達を行い所定の機能を発揮させる光デバイスは、シリコン基板表面の光信号系に該当する箇所に単結晶薄膜が設置されており、単結晶薄膜が分極反転構造を有していることを特徴とする。これにより、シリコン基板上においても単結晶薄膜の有する非線形光学定数を利用した光機能を発現させることができる。
【０００７】
さらに、本発明による光デバイスは、シリコン基板と単結晶薄膜とが導波路を介して光学的に結合しているので、既存のシリコン電子デバイスと、単結晶薄膜による非線形光学を利用した光通信の高速伝送技術とを合わせることができる。この結果、既存のシリコン電子デバイスの高速化、大容量化を可能にする。このような光デバイスには、単結晶薄膜に加えて、その他の電子部品（例えば、電子回路、光源、レンズ、フィルタ等）も同一のシリコン基板上に搭載できるので、小型化を可能にする。また、本発明による光デバイスを用いれば、回路内配線、素子間配線、ボード間配線が可能となるので、データ伝送の高速化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図中、同様の要素には同一の参照符号を付し、重複して説明するのを避ける。実施の形態に先立って、本発明の基本構成を説明する。本願発明者は、単結晶薄膜が貼り合わされたシリコン基板における光機能の発現、ならびに、単結晶薄膜とシリコン基板とを導波路を介して光学的に結合することによるシリコンハイブリッドの実現を鋭意工夫により達成した。
【０００９】
（基本構成）
図１は、本発明による光デバイスの模式図を示す。
【００１０】
光デバイス１００には、シリコン基板（結晶基板）１００上に単結晶薄膜（結晶体）１２０が一体化されている。
【００１１】
単結晶薄膜１２０は、非線形光学効果を発現可能な非線形光学単結晶である。好ましくは、単結晶薄膜１２０は、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、ＫＮｂＯ３、および、ＬｉＮｂ（１−ｘ）ＴａＸＯ３（０≦ｘ≦１）からなる群から選択される。これらの材料は、非線形光学効果を発現可能な非線形光学単結晶として入手可能である。特に、ＬｉＴａＯ３およびＬｉＮｂＯ３は、非線形光学定数が大きい材料であるため有望である。なお、ＬｉＴａＯ３およびＬｉＮｂＯ３は、ノンドープ、または、Ｍｇ、Ｚｎ、ＩｎおよびＳｃからなる群から選択される元素をドープした、コングルエント組成および実質的に定比組成のいずれをも意図する。これらのドーパントは、光損傷を低減することができるため好ましい。また、ＬｉＴａＯ３およびＬｉＮｂＯ３は、Ｔｉまたはプロトンを拡散したコングルエント組成および実質的に定比組成のいずれをも意図する。Ｔｉまたはプロトンを拡散したＬｉＴａＯ３およびＬｉＮｂＯ３は、導波路として好ましい。
【００１２】
また、本明細書において、実質的に「定比組成である」とは、Ｌｉ２Ｏ／（Ｎｂ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）のモル分率が完全に０．５０ではないものの、コングルエント組成よりも化学量論比に近い組成（Ｌｉ２Ｏ／（Ｎｂ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）のモル分率＝０．４９５〜０．５）を有しており、そのことに起因するデバイスの特性の低下が通常のデバイスの設計において問題にならない程度であることをいう。同様に、ＬｉＴａＯ３において、実質的に「定比組成である」とは、Ｌｉ２Ｏ／（Ｔａ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）のモル分率が完全に０．５０ではないものの、コングルエント組成よりも化学両論比に近い組成（Ｌｉ２Ｏ／（Ｔａ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）のモル分率＝０．４９５〜０．５）を有しており、そのことに起因するデバイスの特性の低下が通常のデバイスの設計において問題にならない程度であることをいう。特に、実質的に定比組成のＬｉＴａＯ３およびＬｉＮｂＯ３の抗電界は、コングルエント組成のＬｉＴａＯ３およびＬｉＮｂＯ３のそれに比べて小さく、後述する分極反転構造を形成しやすいため、好ましい。中でも、実質的に定比組成のＬｉＴａＯ３の吸収端は２５６ｎｍであり、紫外領域まで透明であるため、紫外領域の光を発振する光デバイスに有利である。
【００１３】
単結晶薄膜１２０は、分極反転構造（光調整構造）１３０と、導波路１４０とを有する。図１では、単結晶薄膜１２０は、周期分極反転構造を有する例を示すが、分極反転構造１３０はこれに限定されない。例えば、レンズ状の分極反転構造であってもよい。また、単結晶薄膜１２０がマッハツェンダー導波路型の形状を有し、その一方の分岐導波路全体が分極反転した分極反転構造であってもよいし、あるいは、分岐導波路ともに互い違いとなる周期分極反転構造を有してもよい。分極反転構造１３０が周期分極反転構造である場合、その周期は、単結晶薄膜１２０に入力される入力光１６０が擬似位相整合条件を満たすように設定される。当業者であれば、このような設定は、入力光１６０の波長、単結晶薄膜１２０の材料等に応じて、適宜設定可能である。
【００１４】
導波路１４０は、分極反転構造１３０を導波した光１７０をシリコン基板１１０内へと導波するよう、テーパ状である。なお、図１では、導波路１４０のテーパ状は、光１７０の進行方向に導波路１４０の厚さは一定で幅が先細となっているが、これに限定されない。例えば、導波路１４０のテーパ状を、光１７０の進行方向に導波路１４０の幅は一定で厚さが薄くなっていてもよい（図示せず）。
【００１５】
このような単結晶薄膜１２０は、例えば、数μｍの厚さである。この厚さは、単結晶薄膜１２０が、光を導波させ非線形光学効果を発現するに十分な厚さであるとともに、上述の分極反転構造１３０を容易に形成可能な厚さである。
【００１６】
このような厚さの単結晶薄膜１２０は、物理的気相成長法または化学的気相成長法などによる薄膜成長によって得ることも考えられるが、シリコン基板上へエピタキシャル成長した良質な単結晶薄膜を得るのは困難なことから、チョクラルスキー法等による単結晶育成によって得られる。このような観点から、すでに単結晶育成技術（例えば、登録３５５１２４２参照）が確立し、良質な単結晶が得られるＬｉＴａＯ３およびＬｉＮｂＯ３が、好ましい。
【００１７】
シリコン基板１１０は、市販で入手可能な任意のシリコン基板である。シリコン基板１１０の厚さは、例えば、５００μｍである。シリコン基板１１０には、導波路１４０に光学的に結合した導波路１５０が形成されている。導波路１５０の導波路１４０と光学的に結合する部位はテーパ状である。
【００１８】
図１では、シリコン基板１１０と単結晶薄膜１２０との水平方向のサイズを同じサイズで示したが、これに限定されない。本発明による光デバイス１００は、シリコン基板１１０上に単結晶薄膜１２０に加えて、他の要素（例えば、光源、電子回路、レンズ、フィルタ、電極等）を集積化してもよい。
【００１９】
次に、このような光デバイスの動作の一例について説明する。
【００２０】
図１の光デバイス１００は、上述したようにシリコン基板１１０上に周期分極反転構造１３０を有する単結晶薄膜１２０が配置されており、これにより波長変換を達成できる。
【００２１】
入力光１６０は、光デバイス１００の単結晶薄膜１２０に入力する。入力光１６０は、単結晶薄膜１２０を導波するにつれて、単結晶薄膜１２０内に形成された周期分極反転構造１３０による擬似位相整合条件を満たし、入力光１６０の波長とは異なる波長の出力光１７０に変換される。変換された出力光１７０は、導波路１４０を導波し、次いで、導波路１５０へと進み、シリコン基板１１０を進行し、光デバイス１００から出射する。導波路１４０および導波路１５０のテーパ状の重なり部分は、光学的に結合しており、導波路１４０から出力光１７０が出射される際に、光の損失が低減される。その結果、全体として、低損失な光デバイス１００が提供される。単結晶薄膜１２０の周期分極反転構造１３０を利用した波長変換は、和周波、差周波、第２高調波、パラメトリック発振等任意である。
【００２２】
図２は、本発明による別の光デバイスの模式図を示す。
【００２３】
図２の光デバイス２００は、導波路２１０が図１の光デバイス１００の導波路１４０と異なる以外は同一である。光デバイス２００の導波路２１０は、セグメントから構成されている。各セグメントは、導波路１５０と光学的に結合する領域に向かって先細となっている。このようなセグメント状導波路２１０もまた、図１の導波路１４０と同様に、分極反転構造１３０を導波した光１７０をシリコン基板１１０内へと導波するよう機能する。
【００２４】
図３は、本発明によるさらに別の光デバイスの模式図を示す。
【００２５】
図３の光デバイス３００は、導波路３１０が図１の光デバイス１００の導波路１４０と異なる以外は同一である。光デバイス３００の導波路３１０は、フォトニク結晶から構成されている。このようなフォトニック結晶状導波路３１０もまた、図１の導波路１４０と同様に、分極反転構造１３０を導波した光１７０をシリコン基板１１０内へと導波するよう機能する。
【００２６】
次に、このような光デバイス１００、２００、３００の製造プロセスを説明する。本発明の光デバイス１００、２００、３００は、シリコン基板１１０（図１）に導波路１５０を形成するか、または、導波路１５０が形成されたシリコン基板１１０を用いる。
【００２７】
図４は、本発明による光デバイス１００、２００、３００の製造プロセスを示すフローチャートである。
【００２８】
ステップＳ４１０：導波路１５０が形成されたシリコン基板１１０（図１）に貼り合わされた単結晶薄膜１２０（図１）に分極反転構造に対応するレジストをパターニングする。単結晶薄膜１２０は、シリコン基板１１０に対して分極面が表面となるように貼り合わされている。例えば、単結晶薄膜１２０がＬｉＮｂＯ３である場合、Ｚ面（より詳細には、＋Ｚ面）が表面となるように、シリコン基板１１０に貼り合わされる。
【００２９】
レジストは、フォトレジストである。フォトリソグラフィ法により、分極反転構造に対応するレジストを形成し、パターニングする。分極反転構造が周期分極反転構造の場合には、周期状のレジストパターンとなる。
【００３０】
ステップＳ４２０：レジストがパターニングされた単結晶薄膜１２０上に第１の電極を、単結晶薄膜１２０と対向するシリコン基板１１０上に第２の電極を付与する。このような電極の付与は、スパッタ等の物理的気相成長法により行われる。電極は、例えば、Ｃｒである。
【００３１】
ステップＳ４３０：第１の電極と第２の電極との間に電界を印加する。これにより、レジストが形成されていない単結晶薄膜１２０の領域のみが分極反転する。
【００３２】
ステップＳ４４０：単結晶薄膜１２０の所定の領域をエッチングする。このようなエッチングはドライエッチングにより行われる。なお、所定の領域とは、例えば、シリコン基板上で光を導波させたい領域以外の領域である。これにより、導波路１４０、２１０、３１０が形成される。
【００３３】
以上のステップＳ４１０〜Ｓ４４０によって、光デバイス１００、２００、３００が形成される。以上説明してきたように、本発明者は、シリコン基板上にシリコン基板とは異種材料である単結晶薄膜を貼り合わせにより配置し、これらを光学的に結合させることで、光機能を発現させることに成功した。通常、シリコン基板を用いる半導体技術において、シリコン基板の格子定数とマッチングするように異種材料およびその配置方法を選択することが必要とされるため、本発明におけるシリコン基板と単結晶薄膜との組み合わせ、および、貼り合わせは、極めて新規な発想であり、実験により初めてその効果が確認された。
【００３４】
光デバイス１００、２００、３００では、導波路１４０、２１０、３１０は、単結晶薄膜１２０の一部として説明してきた。導波路１４０、２１０、３１０を単結晶薄膜１２０とは異なる材料を用いてもよいが、製造プロセスの簡略化、光デバイスの簡素化および性能の観点から、単結晶薄膜１２０の一部とすることが好ましい。
【００３５】
また、光デバイス１００、２００、３００では、入力光１６０が単結晶薄膜１２０を導波し、出力光１７０に波長変換され、導波路１４０、２１０、３１０から導波路１５０へと導波する例を示したが、これに限定されない。例えば、入力光が、導波路１５０から導波路１４０、２１０、３１０へと導波し、次いで、単結晶薄膜１２０へと進行後、出力光に波長変換されて出射するように、光デバイス１００、２００、３００を用いてもよい。
【００３６】
このような選択は、導波路１５０を導波する光の波長によって決定できる。これは、波長１．１μｍ未満の光がシリコン基板に吸収されるためである。例えば、分極反転構造１３０において波長１．１μｍ以上の波長を有する光に変換させる場合には、光デバイス１００（２００、３００）の構成を採用でき、波長１．１μｍ以上の波長を有する光を分極反転構造１３０において波長１．１μｍ未満の波長を有する光に変換させる場合には、上述の入力光が、導波路１５０から導波路１４０（２１０、３１０）へと導波する構成を採用できる。
【００３７】
さらに、デバイス１００、２００、３００では、単結晶薄膜１２０とシリコン基板１１０との光学的結合部位を１つとして説明してきたが、シリコン基板１１０内を導波した光を単結晶薄膜１２０へと導波させるために、さらなる光学的結合部位を設けてもよい。
【００３８】
次に、図１の光デバイス１００に基づくさらなる応用例について説明する。
【００３９】
（実施の形態１）
図５は、本発明による別の光デバイス５００の模式図である。
【００４０】
光デバイス５００は、差周波を利用した光通信用波長変換（例えば、ＣバンドからＬバンドへの波長変換）を実現するデバイスである。光デバイス５００は、シリコン基板１１０と、単結晶薄膜１２０と、導波路１４０と、導波路１５０と、光源部５１０と、導波路５２０と、電子回路５３０とを備える。
【００４１】
シリコン基板１１０とそれに貼り合わされた単結晶薄膜１２０、および、光学的に結合した導波路１４０と導波路１５０は、図１を参照して説明した光デバイス１００と同様である。図５では、単結晶薄膜１２０は、ＭｇをドープしたＬｉＮｂＯ３であり、１６〜１７μｍの周期を有する周期分極反転構造を有する。単結晶薄膜１２０の長手方向の長さ（導波路長）は１２ｍｍであり、短手方向の長さは１０μｍであり、単結晶薄膜１２０の厚さは４μｍである。なお、単結晶薄膜１２０の仕様はこれに限定されない。
【００４２】
光源部５１０は、第１の光源５４０と第２の光源５５０とをさらに含む。第１の光源５４０は、Ｃバンド光に相当する１．５５μｍ帯の波長の光を出射する半導体レーザである。第２の光源５５０は、ポンプ光であり０．７８μｍ帯の波長の光を出射する半導体レーザである。第１の光源５４０および第２の光源５５０には、既存の半導体レーザが適用される。
【００４３】
導波路５２０は、光源部５１０および単結晶薄膜１２０と光結合しており、光源部５１０からの光を単結晶薄膜１２０へと導波させる。このような導波路５２０は、単結晶薄膜１２０と同じ材料であってもよいし、異なっていてもよいが、同じ材料の方が製造プロセスを簡略化できるので好ましい。
【００４４】
電子回路５３０は、光源部５１０の動作を制御する。例えば、電子回路５３０は、光源部５１０の第１の光源５４０と第２の光源５５０とのレーザ光の出射のタイミングを制御する。これにより、最終的に光デバイス５００から出射されるＣバンド光およびＬバンド光のオン／オフのタイミングが制御される。
【００４５】
次に、このような光デバイス５００の動作を説明する。
【００４６】
電子回路５３０は、所定のタイミングで光源部５１０の第１の光源５４０と第２の光源５５０とのレーザ光の出射のタイミングを制御する。電子回路５３０が、第１の光源５４０および第２の光源５５０の両方を駆動すると、第１の光源５４０および第２の光源５５０は、それぞれ、Ｃバンド光およびポンプ光を出射する。Ｃバンド光およびポンプ光は、導波路５２０を導波し、単結晶薄膜１２０に入射する。Ｃバンド光およびポンプ光は、単結晶薄膜１２０の周期分極反転構造を導波するにつれて、擬似位相整合条件を満たし、Ｃバンド光およびポンプ光の差周波に相当するＬバンド光（１．５８μｍ）に変換される。変換されたＬバンド光は、導波路１４０および導波路１５０を導波し、シリコン基板１１０内へと進行する。これにより、Ｓｉ回路への入出力が可能となるので、既存の回路（例えば、受光素子）を適宜利用することができる。
【００４７】
なお、光デバイス５００は、差周波発生の例を示したが、これに限定されない。光デバイス５００を周期分極反転構造の周期を変更することによって、和周波発生、第２高調波発生等に用いてもよい。例えば、第２高調波発生の場合、光デバイス５００において、光源部５１０は１つの光源で足り得る。
【００４８】
（実施の形態２）
図６は、本発明によるさらに別の光デバイス６００の模式図である。
【００４９】
光デバイス６００は、マッハツェンダー導波路型光変調器を実現するデバイスである。光デバイス６００は、シリコン基板１１０と、単結晶薄膜１２０と、導波路１４０、１５０と、電子回路５３０と、一対の電極６１０、６２０とを備える。導波路１４０と導波路１５０とは、図１を参照して説明したように、光学的に結合している。
【００５０】
シリコン基板１１０に貼り合わされた単結晶薄膜１２０は、マッハツェンダー導波路型の形状を有し、分岐導波路６３０および６４０を有する。分岐導波路６３０は分極反転構造を有する。例えば、単結晶薄膜１２０は、ＬｉＮｂＯ３である。分岐導波路６３０および６４０の自発分極の向きは、互いに逆向きである。
【００５１】
一対の電極６１０、６２０は、単結晶薄膜１２０の分岐導波路６３０、６４０それぞれに同じ向きで同じ大きさの電界が印加されるように配置されている。一対の電極６１０、６２０は、例えば、ＴｉまたはＡｕである。
【００５２】
電子回路５３０は、一対の電極６１０、６２０に電力を供給し、単結晶薄膜１２０の分岐導波路６３０、６４０それぞれへの電界の印加を制御する。なお、一対の電極６１０、６２０と、電子回路５３０とをまとめて、電界印加構造と呼ぶ。
【００５３】
次に、このような光デバイス６００の動作を説明する。
【００５４】
光デバイス６００に入力光６５０が入力される。入力光６５０は、単結晶薄膜１２０を導波し、分岐導波路６３０、６４０で２等分され、入力光６６０、６７０となる。
【００５５】
電子回路５３０は、一対の電極６１０、６２０に、例えば、「１００１０」のデジタル信号を送り、分岐導波路６３０、６４０それぞれに電界を印加するように制御する。デジタル信号に基づいて、分岐導波路６３０、６４０には、「Ｖ１→Ｖ０→Ｖ０→Ｖ１→Ｖ０」の電界が印加される。ここで、Ｖ１は、電界を印加した状態であり、Ｖ０は、電界を印加しない状態である。
【００５６】
分岐導波路６３０、６４０に電界Ｖ１が印加されると、分岐導波路６３０、６４０はそれぞれ逆向きの自発分極を有するので、分岐導波路６３０、６４０で誘起される屈折率変化は逆符号となる。その結果、分岐導波路６３０を導波する入力光６６０の位相は、−π／２ずれ、分岐導波路６４０を導波する入力光６７０の位相は、＋π／２ずれる。２等分された入力光６６０、６７０の位相差の合計は、πとなる。
【００５７】
２等分され、互いに位相がπ／２ずれた入力光６６０、６７０は、分岐導波路６３０および６４０が結合する点において、合流する。ここで、合流した際に、入力光６６０、６７０は、位相差πのために、互いに打ち消しあって、出力０となる。
【００５８】
一方、分岐導波路６３０、６４０に電界Ｖ０が印加されると（電界が印加されない状態の場合）、分岐導波路６３０、６４０それぞれを導波する入力光６６０、６７０の位相差は生じない。したがって、２等分された入力光６６０、６７０は、分岐導波路６３０、６４０が結合する点において、合流し、出力１となり、出力光６８０を出力する。出力光６８０は、光学的に結合した導波路１４０と、導波路１５０とを進行し、シリコン基板１１０内を進み、Ｓｉ回路への入出力を可能にする。
【００５９】
以上により、光デバイス６００は、「０１１０１」の光のパルスを生成する。光デバイス６００によれば、単結晶薄膜１２０の一部である分岐導波路６３０が分極反転構造を有することにより、分岐導波路６３０、６４０の両方に同じ電界を印加することにより、同じ変調作用を得ることができるので、駆動電圧を１／２にできる。また、電界を印加するための電極も一対で十分であるため、製造プロセスを簡略化できる。
【００６０】
また、図６では、分岐導波路６３０と６４０との自発分極の向きが反転する例を示したが、これに限定されない。例えば、分岐導波路６３０、６４０それぞれに周期分極反転構造を形成し、それらが互い違い（すなわち市松模様）となるように配置してもよい。これにより、擬似位相整合技術と組み合わせ、高周波領域において高効率動作可能な光変調器を実現できる。
【００６１】
シリコン基板１１０上において波長変換機能（実施の形態１）および光変調機能（実施の形態２）を発現できるので、光デバイス５００と光デバイス６００とを、１枚のシリコン基板１１０上に形成し、組み合わせてもよい。この場合には、電子回路５３０は、光源部５１０のレーザ光の出射のタイミングに加えて、分岐導波路６３０、６４０それぞれへの電界を印加するように制御してもよい。
【００６２】
このように、本発明による光デバイス１００、２００、３００、５００、６００は、シリコン基板上において分極反転構造を利用した光機能（すなわち、非線形光学効果）を発現する。さらに、光デバイス１００、２００、３００、５００、６００において、シリコン基板と単結晶薄膜とが導波路を介して光学的に結合しているので、シリコン電子デバイスに上述の光機能を利用した光通信の高速伝送技術を取り込むことができる。このような光デバイス１００、２００、３００、５００、６００は、回路間配線、素子間配線およびボード間配線に好適であり、小型化・低コスト化を可能にする。
【００６３】
次に、具体的な実施例を用いて本発明の方法を説明するが、本発明を実施例に限定するものではないことを理解されたい。
【実施例】
【００６４】
単結晶薄膜としてＺカットのＭｇをドープしたＬｉＮｂＯ３（以降では単にＬＮと呼ぶ）が貼り合わされた０．５ｍｍ厚のシリコン基板（直径３インチ）を用い、光デバイスを製造した。ＬＮの厚さは、４μｍであった。
【００６５】
ＬＮの＋Ｚ面上に周期分極反転構造に対応するレジスト（フォトレジスト）をフォトリソグラフィ法によりパターニングした（図４のステップＳ４１０）。周期分極反転構造の周期は、それぞれ、周期１６．６μｍ、１６．８μｍおよび１７．０μｍの３種類であった。フォトレジストによりパターニングされたＬＮ上に第１の電極としてＣｒを、フォトレジストに対向する面のシリコン基板上に第２の電極としてＣｒをスパッタにより蒸着した（図４のステップＳ４２０）。Ｃｒの膜厚は、１０００Åであった。次いで、シリコン基板を長手方向に１５ｍｍ長片に切断し、チップ形状を得た。
【００６６】
第１の電極と第２の電極との間に電界を印加し、周期分極反転構造を形成した（図４のステップＳ４３０）。電界の印加条件は、温度１２０℃において４３．６ｋＶ／ｍｍのパルス電圧で３０パルスあった。
【００６７】
次いで、幅３．５〜１２．０μｍ、掘り込み深さ３μｍの導波路長１１．９ｍｍとなるように、電子サイクロトロン共鳴反応性イオンビームエッチングを用いて、ドライエッチングを行った（図４のステップＳ４４０）。エッチングガスは、ＡｒおよびＣ２Ｆ６混合ガスであった。これにより、種々の導波路幅を有するリッジ型導波路が集積化された光デバイスを得た。
【００６８】
得られた光デバイスの表面を、微分干渉顕微鏡を用いて観察した。観察結果から周期分極反転構造の分極反転比（反転幅／反転周期）を求めた。観察結果および分極反転比を図７および図８に示す。
【００６９】
図７は、光デバイスの表面形態および分極反転比を示す図である。
【００７０】
図７（Ａ）は、光デバイスの表面形態を示す。領域７１０、７２０および７３０は、それぞれ、周期１６．６μｍ、１６．８μｍおよび１７．０μｍの周期分極反転構造である。図７（Ｂ）の分極反転比から、導波路長（長手方向）全体にわたって、ほぼ分極反転比０．５の均一な周期分極反転構造が得られたことを確認した。
【００７１】
図８は、光デバイスの表面形態の別の図である。
【００７２】
図８は、図７（Ａ）の領域７１０の一部の拡大図である。濃淡によって示されるように、周期分極反転構造が均一に形成されていることを確認した。
【００７３】
次に、得られた光デバイスの光機能（非線形光学効果）の発現について調べた。
【００７４】
図９は、実験系の模式図である。
【００７５】
実験系９００は、光源９１０と、偏波コントローラ９２０と、コリメータレンズ９３０、９５０と、集光レンズ９４０と、検出器９５０とを含む。光源９１０は、１．５５μｍ帯の波長可変レーザまたは０．７８μｍのチタンサファイアレーザを用いた。コリメータレンズ９３０、９５０の開口数ＮＡは、０．５２であった。集光レンズ９４０の開口数ＮＡは０．４０であった。図中、光デバイス９７０は、本実施例で製造された光デバイスを指す。このような実験系９００を用いて、変換効率の基本波長依存性および導波路の挿入損失を調べた。それぞれの結果を図１０および図１１に示す。
【００７６】
図１０は、変換効率の基本波長依存性を示す図である。
【００７７】
実験系９００において光源９１０として１．５５μｍ帯の波長可変レーザを用い、基本波長を１．５６３μｍから１．５６９μｍまで変化させた。各基本波長を有する基本波を、導波路幅１２．０μｍおよび分極反転周期１６．８μｍの光デバイス９７０に入力し、第２高調波を発生させ、変換効率を測定した。図１０から、１５６５．９ｎｍにおいてＳＨＧ規格化変換効率は、約１２０％／Ｗであった。この値は、実用サイズの導波路長３ｃｍにおいて１２００％／ＷのＳＨＧ規格化変換効率に相当し、Ｃ−Ｌコンバータ等の実用に際して十分な値であった。
【００７８】
図１１は、導波路の挿入損失を示す図である。
【００７９】
実験系９００において光源９１０は、１．５５０μｍの波長可変レーザ、および、０．７８μｍのチタンサファイアレーザを用い、それぞれの導波路挿入損失を、分極反転周期１６．８μｍおよび種々の導波路幅を有する光デバイスについて測定した。
【００８０】
図中、１．５５０μｍの波長可変レーザの結果を▲印で、０．７８μｍのチタンサファイアレーザの結果を○印で示す。１．７７ｄＢ（＠１．５５０μｍ、導波路幅１２．０μｍ）および２．６５ｄＢ（＠０．７８μｍ、導波路幅1１．０μｍ）という低い損失が得られた。これらの値は、従来のデバイスと同等またはそれ以下であり、実用可能な値であることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
以上説明してきたように、本発明によれば、シリコン基板上において、分極反転構造を有する単結晶薄膜を用いることにより、光機能を発現することができる。さらにシリコン基板と単結晶薄膜とが導波路を介して光学的に結合されているので、シリコン電子デバイスのデータ伝送速度の高速化、デバイスの小型化、低コスト化が可能になる。従来の光デバイスの機能に加えて、本発明による光機能（非線形光学効果）を搭載できるので、全光スイッチ等新規なデバイスの構築が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明による光デバイスの模式図
【図２】本発明による別の光デバイスの模式図
【図３】本発明によるさらに別の光デバイスの模式図
【図４】本発明による光デバイス１００、２００、３００の製造プロセスを示すフローチャート
【図５】本発明による別の光デバイス５００の模式図
【図６】本発明によるさらに別の光デバイス６００の模式図
【図７】光デバイスの表面形態および分極反転比を示す図
【図８】光デバイスの表面形態の別の図
【図９】実験系の模式図
【図１０】変換効率の基本波長依存性を示す図
【図１１】導波路の挿入損失を示す図
【符号の説明】
【００８３】
１００、２００、３００、５００、６００  光デバイス
１１０  シリコン基板
１２０  単結晶薄膜
１３０  分極反転構造
１４０、１５０、２１０、３１０、５２０  導波路
１６０、６５０、６６０、６７０  入力光
１７０、６８０  出力光
５１０  光源部
５３０  電子回路
５４０  第１の光源
５５０  第２の光源
６１０、６２０  一対の電極
６３０、６４０  分岐導波路
【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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【図１１】
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