光学素子、光学集積デバイス及びその製造方法
【課題】 衝撃固化現象による成形体に形成された導波路を有する光学素子及びその光学素子を含む光集積デバイスを提供する。
【解決手段】 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接合させて形成した成形体の光吸収端を、局所加熱により制御し、導波路を形成する。
【解決手段】 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接合させて形成した成形体の光吸収端を、局所加熱により制御し、導波路を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子、光学集積デバイス及びその製造方法に関し、特に、光通信、光配線、あるいは光ストレージに用いられる光学素子とそれを集積した光集積デバイス及びそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信や光ストレージの普及に伴い、それを構成する光学素子の需要が増大している。特に光通信においては、波長多重伝送の実用化に伴い、光ファイバーを中心としたいわゆる基幹系から、メトロ、アクセス系への利用が加速している。このため、光信号のアド・ドロップ等に用いられる光学素子もバルク材を組み合わせたものから、薄膜の光学材料を用いた小型で集積化しやすい平面導波路を利用したものへと変化してきている。
【０００３】
光信号の変調やスイッチングのように光を能動的に制御するためには、電気や熱等の外部入力信号と光学素子を形成する材料の相互作用による物理効果を用いる必要がある。シリコン系の平面導波路では、方向性結合器にヒータを付加し、熱光学効果を利用する光スイッチや、ＭＥＭＳ（Micro ElectroMechanical System）との組み合わせによるスイッチ等が知られているが、いずれも応答速度がμsレベルと遅いこと、さらに熱光学効果を利用した光スイッチでは消費電力が大きいこと、ＭＥＭＳ型では構造が複雑になり高価であるという欠点を有する。
【０００４】
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い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。
【０００５】
透明セラミックスであるチタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ：Ｐｂ１−ｘＬａｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）１−ｘ／４Ｏ３）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。
【０００６】
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。
【０００７】
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と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。
【０００８】
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（例えば、非特許文献３参照。）。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。
【０００９】
特許文献１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または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。
【００１０】
特許文献２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。
【００１１】
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（例えば、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。
【００１２】
特許文献３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）との間にｄ６／λ４＜４×１０−５ｎｍ２の関係があることを特徴としている。
【００１３】
【非特許文献１】K. D. Preston and G. H. Haertling、““Comparison of electro-optic lead-lanthanum zirconate titanate films on crystalline and glass substrates”、Appl. Phys. Lett. 60 (1992) 2831.
【非特許文献２】K. Nashimoto, K. Haga, M. Watanabe, S. Nakamura and E. Osakabe、“Patterning of (Pb,La)(Zr,Ti)O3 waveguides for fabricating micro-optics using wet etching and solid-phase epitaxy”、Appl. Phys. Lett. 75 (1999) 1054.
【非特許文献３】Jun Akedo and Maxim Lebedev、“Microstructure and Electrical Properties of Lead Zirconate Titanate (Pb(Zr52/Ti48)O3) Thick Films Deposited by Aerosol Deposition Method”、Jpn. J. Appl. Phys. 38 (1999) 5397.
【非特許文献４】Masafumi Nakada, Keishi Ohashi and Jun Akedo、“Optical and electro-optical properties of Pb(Zr,Ti)O3 and (Pb,La)(Zr,Ti)O3 films prepared by aerosol deposition method”、J. of Crys. Growth, 275(2005) e1275.
【特許文献１】特開２００１−３１８０号公報
【特許文献２】特開２００２−２３５１８１号公報
【特許文献３】特開２００５−１８１９９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ＡＤ法による電気光学材料膜を光変調器等の光学素子に適用するためには、光学素子を伝播させる光をコアと呼ばれる光導波部に閉じ込め、閉じ込めた部に電界を作用させ、光の位相等を制御する必要がある。このためには、光の導波しない部分であるクラッド部よりも光導波部の等価屈折率を高くし、光が広がらないようにすることが重要である。それを実現するためには、電気光学材料膜を光の波長サイズに加工し等価屈折率を上げる方法と、Ｔｉ拡散等による電気光学材料膜の屈折率を高める方法が用いられてきている。また、光学素子の作製では、このコア部の光の伝播による損失を極力小さくする必要がある。
【００１５】
ＬｉＮｂＯ３やＰＬＺＴを加工するためには、エッチングを行う必要があるが、反応性エッチングが適用できないため、側壁の荒れによる導波損失の増加、側壁のダメージによるＥＯ特性の低下、基板、下地層等でのエッチング停止の困難性、等の問題がある。また、Ｔｉ等の添加は、ＡＤ法による電気光学材料膜組成変化や結晶粒成長を引き起こし、ＥＯ特性の低減や光の透過損失を増加させるため、適用は困難である。
【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、ＡＤ法による成形体に導波損失の少ない導波部を形成した光学素子を提供することを目的とする。また、ＡＤ法による成形体よりなる光学素子を用いた光集積デバイス、並びにその製造方法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】
【００１７】
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、常温衝撃固化現象を利用したＡＤ法により形成した酸化物電気光学材料は、膜形成時の衝撃により生じる局所構造の乱れによりバンド端の電子状態が乱れ、通常の成膜方法で作製した配向膜よりも吸収端が長波長側にシフトするという発見に基づいてなされたものである。また、アニールにより局所構造の乱れは回復し、それにより吸収端は配向膜と同程度に回復することを見出している。さらに、この吸収端の変化によりＡＤ法により形成した酸化物電気光学材料の屈折率は変化し、それを利用することで、光の導波部の形成が可能となる。
【００１８】
本発明による請求項１の光学素子は、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接合させて形成した成形体を含み、前記成形体に光吸収端が波長λａである第１の部分と光吸収端が波長λｂである第２の部分とが存在し、λaとλbの間にλa＜λbの関係があることを特徴としている。
【００１９】
成形体にλa＜λbの関係にある第１及び第２の部分を形成することで、第１の部分の屈折率を第２の部分の屈折率より高くすることができる。これにより、波長フィルター、光導波路等の光学素子をＡＤ膜で形成することが可能である。
【００２０】
本発明による請求項２の光学素子は、請求項１の光学素子において、成形体の第１の部分が導波路のコア部、第２の部分がクラッド部であることを特徴とする。
【００２１】
コア部の屈折率をクラッド部よりも高くすることができるので、光学素子の導波光をコア部に閉じ込めることが、ＡＤ膜で可能である。また、導波路形成にエッチングによるパターニングが必要ないため、導波損失の少ない導波部を形成することが可能である。
【００２２】
本発明における請求項３の光学素子では、請求項1または２に記載の光学素子において、前記基板上に形成された下部電極と、この下部電極上に形成された前記成形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を有することを特徴とする。
【００２３】
本発明の光学素子は下部電極上に導波路等を形成するが、衝撃固化現象を使って形成することで、導波路特性が下電極材料の種類や構造に依存しない。それゆえ、下部電極を自由に選択でき、光学設計から最適な構造が選択できる。
【００２４】
上述した光学素子に用いられる超微粒子脆性材料には、マンガンが添加されてよい。マンガンを超微粒子脆性材料に添加することで、成形体の光学吸収を低減することができ、導波損失の少ない導波部を持つ光学素子が得られる。また、超微粒子脆性材料として、電気光学材料を用いてよい。電気光学材料を用いることにより、光学素子を光変調器等の能動素子、デバイスとすることができる。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を主成分とするものがある。これらの電気光学材料を用いることにより、光学素子を小型で低電圧駆動の光変調器等の能動素子、デバイスとすることが可能となる。
【００２５】
本発明における請求項７，８，９の光集積デバイスでは、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接合させた成形体を含む第１の光学素子と、レーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、光フィルター等の第２の光学素子の少なくとも１つとを基板上に集積させた光集積デバイスであって、前記成形体に光吸収端が波長λａである第１の部分と光吸収端が波長λｂである第２の部分とが存在し、λaとλbの間にλa＜λbの関係があることを特徴としている。前記第１の部分は導波路のコア部、前記第２の部分は導波路のクラッド部として用いられる。
【００２６】
本発明では、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を利用して少なくとも一方の光学素子を形成するようにしたことで、製造プロセスが異なるために困難であった複数種の光学素子の集積化が可能である。また、λa＜λbの関係を実現することで、コア部の屈折率をクラッド部よりも高くすることが可能である。また、導波路形成にエッチングによるパターニングが必要ないため、導波損失の少ない導波部を光集積デバイスに形成することができる。
【００２７】
本発明における請求項１０，１１，１２の光集積デバイスでは、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接合させた成形体よりなる光学素子と、中央処理装置またはメモリー等の電子回路の少なくとも１つとを基板上に集積する光集積デバイスであって、前記成形体に光吸収端が波長λａである第１の部分と光吸収端が波長λｂである第２の部分とが存在し、λaとλbの間にλa＜λbの関係があることを特徴とする。第１の部分は導波路のコア部、第２の部分はクラッド部として用いられる。
【００２８】
本発明では、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を利用して光学素子を形成するようにしたことで、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が可能である。また、λa＜λbの関係を実現したことで、コア部の屈折率をクラッド部よりも高くすることが可能である。また、導波路形成にエッチングによるパターニングが必要ないため、導波損失の少ない導波部を光集積デバイスに形成することができる。
【００２９】
本発明における請求項１３の光集積デバイスでは、成形体を形成する超微粒子脆性材料にマンガンが添加されていることを特徴とする。マンガンを超微粒子脆性材料に添加することで、形成させた成形体の光学吸収を低減することができ、導波損失の少ない導波部を有する光学素子を含む光集積デバイスを得ることができる。
【００３０】
請求項１４は、本発明の光集積デバイスに用いられる超微粒子脆性材料が電気光学材料であることを特徴とする。これにより、（第１の）光学素子を光変調器等の能動素子、デバイスとすることが可能となる。
【００３１】
請求項１５は、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を主な成分としていることを特徴とする。これにより、（第１の）光学素子を、小型で低電圧駆動の光変調器等の能動素子、デバイスとすることが可能となる。
【００３２】
本発明における請求項１６の光学素子の製造方法は、基板上に超微粒子脆性材料を供給するととも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て成形体を形成する工程と、前記成形体に光吸収端が互いに異なる２つの部分を形成する工程とを含む光学素子の製造方法であって、前記２つの部分を形成する工程が前記成形体を局所加熱する工程であることを特徴とする。この製造方法により局所的に屈折率の高い部分を任意に形成することができ、自由度の高い光学素子の設計が可能になる。
【００３３】
本発明における請求項１７の光学素子の製造方法では、前記局所加熱に光線を用いることを特徴としている。これにより熱源として用いる光の波長程度の微細な導波路等の形成が可能である。
【００３４】
本発明における請求項１８の光学素子の製造方法では、前記局所過熱が前記２つの部分の一方に対応する領域を覆う遮光部を形成した後、前記光線を照射することで行われることを特徴とする。遮光部をフォトレジスト等の微細加工技術でウエハー全面に形成し、広い面積に加熱用の光線を照射することで、多数のデバイスを同時に（高いスループットで）製造することが可能になる。
【００３５】
本発明における請求項１９の光学素子の製造方法では、前記遮光部が、当該光学素子の電極であることを特徴としている。光学素子の電極を遮光部に使うことで、その光学素子の作製プロセスを簡略化することができ、安価な光学素子ひいては安価な光集積デバイスを提供することができる。
【００３６】
本発明における請求項２０，２１の製造方法では、請求項１６乃至１９のいずれか一つに記載の成形体の製造方法において、前記成形体の形成が常温衝撃固化現象によるものであることを特徴としている。常温衝撃固化現象を用いることで、室温で任意の基板上に成形体の形成が可能である。常温衝撃固化現象による膜形成法の中でも、エアロゾルデポジション法は、成形体の製造方法として適している。
【００３７】
請求項１６乃至２１に記載された光学素子の製造方法は、基板として、他の光学素子又は電子回路が形成された基板を用いることができ、光集積デバイスの製造に利用できる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明により、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た成形体の屈折率の制御が高い自由度で可能となり、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】
【００３９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００４０】
図1はＡＤ法で形成されたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜の透過率スペクトルの一例である。アニール前のＡＤ−ＰＺＴ膜の透過率は、３８０ｎｍ付近から現れるのに対し、アニール後のＡＤ−ＰＺＴ膜の透過率は、３５０ｎｍ付近から出現する。これらのＡＤ−ＰＺＴ膜の透過率と反射率スペクトルを用いＯＪＬモデルにより算出した消衰係数の波長依存性を図２に示す（なお、ＯＪＬモデルはS.K.O’Leary, S.R.Johnson, P.K.Lim, J. Appl. Phys, Vol.82, No.7, 1. Oct. (1997)に解説されている。）。
【００４１】
図２を見ると、アニール前後で消衰係数の波長依存性は変化しており、アニールによるバンド構造の変化が予想される。ＯＪＬモデルのパラメータより算出したアニール前のＡＤ膜のバンドギャップは３．１ｅＶであり、これはゾルゲル法により形成したエピタキシャル膜で報告されている値（３．４ｅＶ）よりも小さい値である。ＸＡＦＳ（X-ray absorption fine structure：Ｘ線吸収微細構造）測定では、ＡＤ−as-deposited膜において局所構造の乱れが観測されていることから、バンド構造の変化の要因としてAD膜形成時に生じる局所構造の乱れが考えられる。この局所構造の乱れが、バンド端の電子状態の乱れを生じさせ、バンドギャップの減少、ひいては光吸収端の長波長側へのシフトを生じさせたものと考えられる。
【００４２】
一方、アニール膜のバンドギャップは３．４ｅＶであり、これはゾルゲル法により形成したエピタキシャル膜で報告されている値とほぼ同等である。Ｘ線吸収微細構造分光による測定では、アニールによりＡＤ−ＰＺＴ膜の局所構造の乱れは回復することが観測されている。この乱れの回復により、バンドギャップが、ゾルゲル法により形成したエピタキシャル膜と同程度になったものと考えられる。
【００４３】
図３にアニール前後のＡＤ−ＰＺＴ膜の屈折率の波長依存性を示す。全波長域でアニール後の屈折率はアニール前を上回っており、３％以上の屈折率差が得られている。これは、ＡＤ−ＰＺＴ膜の膜形成時の衝撃により生じる局所構造の乱れによるバンド端の電子状態の乱れと、アニールによる局所構造の乱れの回復とが、光吸収端の変化を通して屈折率の変化に反映されたことを示している。
【００４４】
以上のことから、ＡＤ膜では、光吸収端をアニール等で制御することで屈折率をコントロールできることがわかる。本発明は、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超微粒子脆性材料を接合させて形成した成形体（ＡＤ膜）に、局所的アニールを行うことで、光吸収端が波長λａである第１の部分と光吸収端が波長λｂ（＞λa）である第２の部分とを形成する。第１の部分が光導波路のコア部となり、第２の部分がクラッド部となるように、局所的アニールを行うことで、ＡＤ膜に光導波路を形成する。こうして、本発明は、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を可能にする。
【実施例１】
【００４５】
図４は、本実施例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４０は搬送管４５−１を介してガラスボトル４１に接続されている。ガラスボトル４１内に粉末原料（超微粒子脆性材料）４２を入れ、排気管４３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、流量を制御しながら導入する。ガラスボトル４１を加振器４４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４５−２を介して、成膜チャンバー４６に搬送する。成膜チャンバー４６は真空ポンプ４７により所定の真空度に排気される。ノズル４８から基板４９に粉末を吹き付けることで、薄膜を形成する。
【００４６】
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４８と基板４９の入射角を１０度、ガス流量は１２リットル／分、成膜速度は０．５μm／分、加振器４４の振動数は２５０ｒｐｍである。基板４９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（粉末原料４２）とした。ＰＺＴの組成は、Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３においてｘ＝０．３である。原料粉末の平均粒径は、０．７μｍとした。膜厚は３ミクロンである。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。
【００４７】
本実施例により得られたＰＺＴ膜の透過率スペクトルを、アニールの前後で測定した。アニール条件は、大気中で６００℃、３０分の条件で行った。その結果を示したものが図１である。前述したように、図１からＰＺＴ膜の光吸収端が、アニール前後で変化していることがわかる。
【００４８】
また、前述したように、これらの透過率スペクトルと反射率スペクトルを解析した結果より、ＰＺＴ膜の光吸収端をアニール等で制御することで屈折率をコントロールできることは明らかである。
【００４９】
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を用いた場合にも同様の効果がある。
【実施例２】
【００５０】
本実施例では、超微粒子脆性材料としてＰＺＴ系を用いＡＤ法で薄膜形成した光学素子の光学吸収が、超微粒子脆性材料にマンガンを添加することで低減可能であることを説明する。成膜装置と実験条件は実施例１と同一である。
【００５１】
Ｐｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３＋Ｍｎを原料粉末とした。Ｍｎ添加量は０．５ａｔ％である。Ｐｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３単体から作製したＡＤ膜では、可視から近赤外の広い波長域で１０％程度の光学吸収があったが、Ｍｎを添加することで、この光学吸収をほぼ０％にすることができた。このマンガン添加により、光学素子に生じた導波損失を大幅に改善することができた。
【実施例３】
【００５２】
次に、本光学素子を用いた光変調器の実施例について図５（ａ）及び（ｂ）を用いて説明する。
【００５３】
ガラス基板上５０に窒化酸化ケイ素のコアのマッハツエンダー型導波路の入力部５１−１及び出力部５１−２を形成した。成膜にＣＶＤ法を用い、コア形状の形成は反応性エッチングを用いた。また、クラッド層５２には酸化ケイ素を用いた。
【００５４】
マッハツエンダー型導波路の中央部５３には窒化酸化ケイ素のコアは形成されておらず、ＡＤ法によりＰｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３５４を２μｍ成膜した。成膜条件は実施例１と同一である。その後、Ｐｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３表面を研磨により平坦化し、リフトオフ法で金属電極５５を３箇所形成した。電極にはＴｉ／Ａｕ層を用い、スパッタ法で形成した。次に赤外ランプにより赤外光を１０分間照射し、Ｐｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３の局所加熱を行い、コア層５６を形成した。コア層５６は、入力部５１−１及び出力部５１−２とともにマッハツエンダー型導波路を形成する。
【００５５】
波長１．５５μmの光を先球ファイバーにより、形成した光変調器に導入し、電極に１２Vの電圧を印加することで、１０ｄＢの変調度を得ることができた。本実施例の光変調器の伝搬損失の波長依存性を測定したところ、波長１．５５μmで、導波損失が６ｄＢ以下となり、実用可能であった。
【００５６】
本実施例では、金属電極を遮光部として利用するので、製造工程が簡略化され、コストを低減することができる。
【００５７】
本発明による光学素子はエッチングによるＰＺＴの導波路形成を行わないことから、伝播損失を低くできるという有効性がある。
【００５８】
また、本発明の光学素子は基板や下地層にかかわりなく形成が可能であるため、レーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、光フィルター等の光学素子をあらかじめ形成した基板や、ＣＰＵ、メモリー等の電子回路を形成した基板上に、光学素子を形成し、光集積デバイスを作成することができる。
【実施例４】
【００５９】
次に、本光学素子を用いた光変調器の実施例について説明する。まず、ガラス基板上にＩＴＯ膜を下部電極として、スパッタ法により１８０ｎｍ成膜した。マグネトロンスパッタ法を用い、室温で、アルゴンガスにより成膜した。ＩＴＯ下部電極上に、Ｐｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３を２μｍ成膜した。成膜条件は実施例１と同一である。その後、Ｐｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３表面を研磨により平坦化し、リフトオフ法で金属遮光部を形成した。金属遮光部にはアルミを用い、スパッタ法で形成した。次に赤外ランプにより赤外光を１０分間照射し、Ｐｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３の局所加熱を行い、コア層を形成した。アルミ遮光部をエッチャントにより除去したのち、コア層上にＩＴＯ電極／Ａｕ電極をスパッタ法で成膜し、上部電極とした。波長１．５５μmの光を先球ファイバーにより、形成した光変調器に導入し、電極に８Ｖの電圧を印加することで、1２ｄＢの変調度を得ることができた。
【００６０】
本実施例の光学素子における導波路形状をかえることで、光スイッチを形成することもできる。
【００６１】
本発明による光学素子は下地材料に特性が依存しないため、ＩＴＯのような結晶構造が異なる多結晶体の上の形成が可能となるという有効性がある。
【００６２】
また、本発明の光学素子は基板や下地層にかかわりなく形成が可能であるため、レーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、光フィルター等の光学素子をあらかじめ形成した基板や、CPU、メモリー等の電子回路を形成した基板上に、光学素子を形成し、光集積デバイスを作成することができる。
【実施例５】
【００６３】
図６は、本発明の実施例５の光情報伝搬システムの構成図である。
【００６４】
レーザー６１から出射された連続光は、マイクロレンズ６２で集光され、光変調器６３に入射する。光変調器６３は、実施例３と同一のプロセスで形成されたマッハツエンダー型の導波路の入力部６４−１及び出力部６４−２と、それらの間に形成されたＰｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３からなるＡＤ膜（図示せず）と、前記入力部６４−１及び出力部６４−２とともにマッハツエンダー型導波路を形成するようＡＤ膜に形成されたコア部と、コア部上に形成された電極６５を有する。この光変調器６３の作成は、レーザーがあらかじめ形成された基板上に行った。電極６５は、変調信号発生回路６６と電気的に接続されており、電圧駆動による高周波信号の供給を受ける。この電圧により導波路の屈折率が変化し、光信号を変調できる。光変調器により変調された光信号は、光電気変換器６７により、電気信号に変換される。
【００６５】
本実施例の光情報伝搬システムに５００ＭＨｚの信号を入力し、Ｓ／Ｎの波長依存性を測定したところ、Ｓ／Ｎが１５ｄＢ以上となり、実用可能であった。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】Ｐｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３のアニール前後の透過率スペクトルを示す図である。
【図２】Ｐｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３のアニール前後の消衰係数の波長依存性を示す図である。
【図３】Ｐｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３のアニール前後の屈折率の波長依存性を示す図である。
【図４】本発明の実施例１に係わる成膜装置を説明する図である。
【図５】本発明の実施例３の光変調器を説明する図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図６】本発明の実施例５の光情報伝搬システムを説明する図である。
【符号の説明】
【００６７】
４０ ガスボンベ
４１ ガラスボトル
４２ 粉末原料
４３ 排気管
４４ 加振器
４５−１，４５−２ 搬送管
４６ 成膜チャンバー
４７ 真空ポンプ
４８ ノズル
４９ 基板
５０ ガラス基板
５１−１ マッハツエンダー型導波路の入力部
５１−２ マッハツエンダー型導波路の出力部
５２ クラッド
５３ マッハツエンダー型導波路の中央部
５４ ＡＤ法によるＰｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３膜
５５ 金属電極
５６ Ｐｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３からなるコア
６１ レーザー
６２ マイクロレンズ
６３ 光変調器
６４−１ マッハツエンダー型導波路の入力部
６４−２ マッハツエンダー型導波路の出力部
６５ 電極
６６ 変調信号発生回路
６７ 光電気変換器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子、光学集積デバイス及びその製造方法に関し、特に、光通信、光配線、あるいは光ストレージに用いられる光学素子とそれを集積した光集積デバイス及びそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信や光ストレージの普及に伴い、それを構成する光学素子の需要が増大している。特に光通信においては、波長多重伝送の実用化に伴い、光ファイバーを中心としたいわゆる基幹系から、メトロ、アクセス系への利用が加速している。このため、光信号のアド・ドロップ等に用いられる光学素子もバルク材を組み合わせたものから、薄膜の光学材料を用いた小型で集積化しやすい平面導波路を利用したものへと変化してきている。
【０００３】
光信号の変調やスイッチングのように光を能動的に制御するためには、電気や熱等の外部入力信号と光学素子を形成する材料の相互作用による物理効果を用いる必要がある。シリコン系の平面導波路では、方向性結合器にヒータを付加し、熱光学効果を利用する光スイッチや、ＭＥＭＳ（Micro ElectroMechanical System）との組み合わせによるスイッチ等が知られているが、いずれも応答速度がμsレベルと遅いこと、さらに熱光学効果を利用した光スイッチでは消費電力が大きいこと、ＭＥＭＳ型では構造が複雑になり高価であるという欠点を有する。
【０００４】
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い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。
【０００５】
透明セラミックスであるチタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ：Ｐｂ１−ｘＬａｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）１−ｘ／４Ｏ３）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。
【０００６】
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。
【０００７】
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と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。
【０００８】
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（例えば、非特許文献３参照。）。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。
【０００９】
特許文献１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または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。
【００１０】
特許文献２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。
【００１１】
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（例えば、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。
【００１２】
特許文献３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）との間にｄ６／λ４＜４×１０−５ｎｍ２の関係があることを特徴としている。
【００１３】
【非特許文献１】K. D. Preston and G. H. Haertling、““Comparison of electro-optic lead-lanthanum zirconate titanate films on crystalline and glass substrates”、Appl. Phys. Lett. 60 (1992) 2831.
【非特許文献２】K. Nashimoto, K. Haga, M. Watanabe, S. Nakamura and E. Osakabe、“Patterning of (Pb,La)(Zr,Ti)O3 waveguides for fabricating micro-optics using wet etching and solid-phase epitaxy”、Appl. Phys. Lett. 75 (1999) 1054.
【非特許文献３】Jun Akedo and Maxim Lebedev、“Microstructure and Electrical Properties of Lead Zirconate Titanate (Pb(Zr52/Ti48)O3) Thick Films Deposited by Aerosol Deposition Method”、Jpn. J. Appl. Phys. 38 (1999) 5397.
【非特許文献４】Masafumi Nakada, Keishi Ohashi and Jun Akedo、“Optical and electro-optical properties of Pb(Zr,Ti)O3 and (Pb,La)(Zr,Ti)O3 films prepared by aerosol deposition method”、J. of Crys. Growth, 275(2005) e1275.
【特許文献１】特開２００１−３１８０号公報
【特許文献２】特開２００２−２３５１８１号公報
【特許文献３】特開２００５−１８１９９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ＡＤ法による電気光学材料膜を光変調器等の光学素子に適用するためには、光学素子を伝播させる光をコアと呼ばれる光導波部に閉じ込め、閉じ込めた部に電界を作用させ、光の位相等を制御する必要がある。このためには、光の導波しない部分であるクラッド部よりも光導波部の等価屈折率を高くし、光が広がらないようにすることが重要である。それを実現するためには、電気光学材料膜を光の波長サイズに加工し等価屈折率を上げる方法と、Ｔｉ拡散等による電気光学材料膜の屈折率を高める方法が用いられてきている。また、光学素子の作製では、このコア部の光の伝播による損失を極力小さくする必要がある。
【００１５】
ＬｉＮｂＯ３やＰＬＺＴを加工するためには、エッチングを行う必要があるが、反応性エッチングが適用できないため、側壁の荒れによる導波損失の増加、側壁のダメージによるＥＯ特性の低下、基板、下地層等でのエッチング停止の困難性、等の問題がある。また、Ｔｉ等の添加は、ＡＤ法による電気光学材料膜組成変化や結晶粒成長を引き起こし、ＥＯ特性の低減や光の透過損失を増加させるため、適用は困難である。
【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、ＡＤ法による成形体に導波損失の少ない導波部を形成した光学素子を提供することを目的とする。また、ＡＤ法による成形体よりなる光学素子を用いた光集積デバイス、並びにその製造方法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】
【００１７】
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、常温衝撃固化現象を利用したＡＤ法により形成した酸化物電気光学材料は、膜形成時の衝撃により生じる局所構造の乱れによりバンド端の電子状態が乱れ、通常の成膜方法で作製した配向膜よりも吸収端が長波長側にシフトするという発見に基づいてなされたものである。また、アニールにより局所構造の乱れは回復し、それにより吸収端は配向膜と同程度に回復することを見出している。さらに、この吸収端の変化によりＡＤ法により形成した酸化物電気光学材料の屈折率は変化し、それを利用することで、光の導波部の形成が可能となる。
【００１８】
本発明による請求項１の光学素子は、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接合させて形成した成形体を含み、前記成形体に光吸収端が波長λａである第１の部分と光吸収端が波長λｂである第２の部分とが存在し、λaとλbの間にλa＜λbの関係があることを特徴としている。
【００１９】
成形体にλa＜λbの関係にある第１及び第２の部分を形成することで、第１の部分の屈折率を第２の部分の屈折率より高くすることができる。これにより、波長フィルター、光導波路等の光学素子をＡＤ膜で形成することが可能である。
【００２０】
本発明による請求項２の光学素子は、請求項１の光学素子において、成形体の第１の部分が導波路のコア部、第２の部分がクラッド部であることを特徴とする。
【００２１】
コア部の屈折率をクラッド部よりも高くすることができるので、光学素子の導波光をコア部に閉じ込めることが、ＡＤ膜で可能である。また、導波路形成にエッチングによるパターニングが必要ないため、導波損失の少ない導波部を形成することが可能である。
【００２２】
本発明における請求項３の光学素子では、請求項1または２に記載の光学素子において、前記基板上に形成された下部電極と、この下部電極上に形成された前記成形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を有することを特徴とする。
【００２３】
本発明の光学素子は下部電極上に導波路等を形成するが、衝撃固化現象を使って形成することで、導波路特性が下電極材料の種類や構造に依存しない。それゆえ、下部電極を自由に選択でき、光学設計から最適な構造が選択できる。
【００２４】
上述した光学素子に用いられる超微粒子脆性材料には、マンガンが添加されてよい。マンガンを超微粒子脆性材料に添加することで、成形体の光学吸収を低減することができ、導波損失の少ない導波部を持つ光学素子が得られる。また、超微粒子脆性材料として、電気光学材料を用いてよい。電気光学材料を用いることにより、光学素子を光変調器等の能動素子、デバイスとすることができる。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を主成分とするものがある。これらの電気光学材料を用いることにより、光学素子を小型で低電圧駆動の光変調器等の能動素子、デバイスとすることが可能となる。
【００２５】
本発明における請求項７，８，９の光集積デバイスでは、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接合させた成形体を含む第１の光学素子と、レーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、光フィルター等の第２の光学素子の少なくとも１つとを基板上に集積させた光集積デバイスであって、前記成形体に光吸収端が波長λａである第１の部分と光吸収端が波長λｂである第２の部分とが存在し、λaとλbの間にλa＜λbの関係があることを特徴としている。前記第１の部分は導波路のコア部、前記第２の部分は導波路のクラッド部として用いられる。
【００２６】
本発明では、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を利用して少なくとも一方の光学素子を形成するようにしたことで、製造プロセスが異なるために困難であった複数種の光学素子の集積化が可能である。また、λa＜λbの関係を実現することで、コア部の屈折率をクラッド部よりも高くすることが可能である。また、導波路形成にエッチングによるパターニングが必要ないため、導波損失の少ない導波部を光集積デバイスに形成することができる。
【００２７】
本発明における請求項１０，１１，１２の光集積デバイスでは、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接合させた成形体よりなる光学素子と、中央処理装置またはメモリー等の電子回路の少なくとも１つとを基板上に集積する光集積デバイスであって、前記成形体に光吸収端が波長λａである第１の部分と光吸収端が波長λｂである第２の部分とが存在し、λaとλbの間にλa＜λbの関係があることを特徴とする。第１の部分は導波路のコア部、第２の部分はクラッド部として用いられる。
【００２８】
本発明では、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を利用して光学素子を形成するようにしたことで、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が可能である。また、λa＜λbの関係を実現したことで、コア部の屈折率をクラッド部よりも高くすることが可能である。また、導波路形成にエッチングによるパターニングが必要ないため、導波損失の少ない導波部を光集積デバイスに形成することができる。
【００２９】
本発明における請求項１３の光集積デバイスでは、成形体を形成する超微粒子脆性材料にマンガンが添加されていることを特徴とする。マンガンを超微粒子脆性材料に添加することで、形成させた成形体の光学吸収を低減することができ、導波損失の少ない導波部を有する光学素子を含む光集積デバイスを得ることができる。
【００３０】
請求項１４は、本発明の光集積デバイスに用いられる超微粒子脆性材料が電気光学材料であることを特徴とする。これにより、（第１の）光学素子を光変調器等の能動素子、デバイスとすることが可能となる。
【００３１】
請求項１５は、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を主な成分としていることを特徴とする。これにより、（第１の）光学素子を、小型で低電圧駆動の光変調器等の能動素子、デバイスとすることが可能となる。
【００３２】
本発明における請求項１６の光学素子の製造方法は、基板上に超微粒子脆性材料を供給するととも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て成形体を形成する工程と、前記成形体に光吸収端が互いに異なる２つの部分を形成する工程とを含む光学素子の製造方法であって、前記２つの部分を形成する工程が前記成形体を局所加熱する工程であることを特徴とする。この製造方法により局所的に屈折率の高い部分を任意に形成することができ、自由度の高い光学素子の設計が可能になる。
【００３３】
本発明における請求項１７の光学素子の製造方法では、前記局所加熱に光線を用いることを特徴としている。これにより熱源として用いる光の波長程度の微細な導波路等の形成が可能である。
【００３４】
本発明における請求項１８の光学素子の製造方法では、前記局所過熱が前記２つの部分の一方に対応する領域を覆う遮光部を形成した後、前記光線を照射することで行われることを特徴とする。遮光部をフォトレジスト等の微細加工技術でウエハー全面に形成し、広い面積に加熱用の光線を照射することで、多数のデバイスを同時に（高いスループットで）製造することが可能になる。
【００３５】
本発明における請求項１９の光学素子の製造方法では、前記遮光部が、当該光学素子の電極であることを特徴としている。光学素子の電極を遮光部に使うことで、その光学素子の作製プロセスを簡略化することができ、安価な光学素子ひいては安価な光集積デバイスを提供することができる。
【００３６】
本発明における請求項２０，２１の製造方法では、請求項１６乃至１９のいずれか一つに記載の成形体の製造方法において、前記成形体の形成が常温衝撃固化現象によるものであることを特徴としている。常温衝撃固化現象を用いることで、室温で任意の基板上に成形体の形成が可能である。常温衝撃固化現象による膜形成法の中でも、エアロゾルデポジション法は、成形体の製造方法として適している。
【００３７】
請求項１６乃至２１に記載された光学素子の製造方法は、基板として、他の光学素子又は電子回路が形成された基板を用いることができ、光集積デバイスの製造に利用できる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明により、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た成形体の屈折率の制御が高い自由度で可能となり、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】
【００３９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００４０】
図1はＡＤ法で形成されたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜の透過率スペクトルの一例である。アニール前のＡＤ−ＰＺＴ膜の透過率は、３８０ｎｍ付近から現れるのに対し、アニール後のＡＤ−ＰＺＴ膜の透過率は、３５０ｎｍ付近から出現する。これらのＡＤ−ＰＺＴ膜の透過率と反射率スペクトルを用いＯＪＬモデルにより算出した消衰係数の波長依存性を図２に示す（なお、ＯＪＬモデルはS.K.O’Leary, S.R.Johnson, P.K.Lim, J. Appl. Phys, Vol.82, No.7, 1. Oct. (1997)に解説されている。）。
【００４１】
図２を見ると、アニール前後で消衰係数の波長依存性は変化しており、アニールによるバンド構造の変化が予想される。ＯＪＬモデルのパラメータより算出したアニール前のＡＤ膜のバンドギャップは３．１ｅＶであり、これはゾルゲル法により形成したエピタキシャル膜で報告されている値（３．４ｅＶ）よりも小さい値である。ＸＡＦＳ（X-ray absorption fine structure：Ｘ線吸収微細構造）測定では、ＡＤ−as-deposited膜において局所構造の乱れが観測されていることから、バンド構造の変化の要因としてAD膜形成時に生じる局所構造の乱れが考えられる。この局所構造の乱れが、バンド端の電子状態の乱れを生じさせ、バンドギャップの減少、ひいては光吸収端の長波長側へのシフトを生じさせたものと考えられる。
【００４２】
一方、アニール膜のバンドギャップは３．４ｅＶであり、これはゾルゲル法により形成したエピタキシャル膜で報告されている値とほぼ同等である。Ｘ線吸収微細構造分光による測定では、アニールによりＡＤ−ＰＺＴ膜の局所構造の乱れは回復することが観測されている。この乱れの回復により、バンドギャップが、ゾルゲル法により形成したエピタキシャル膜と同程度になったものと考えられる。
【００４３】
図３にアニール前後のＡＤ−ＰＺＴ膜の屈折率の波長依存性を示す。全波長域でアニール後の屈折率はアニール前を上回っており、３％以上の屈折率差が得られている。これは、ＡＤ−ＰＺＴ膜の膜形成時の衝撃により生じる局所構造の乱れによるバンド端の電子状態の乱れと、アニールによる局所構造の乱れの回復とが、光吸収端の変化を通して屈折率の変化に反映されたことを示している。
【００４４】
以上のことから、ＡＤ膜では、光吸収端をアニール等で制御することで屈折率をコントロールできることがわかる。本発明は、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超微粒子脆性材料を接合させて形成した成形体（ＡＤ膜）に、局所的アニールを行うことで、光吸収端が波長λａである第１の部分と光吸収端が波長λｂ（＞λa）である第２の部分とを形成する。第１の部分が光導波路のコア部となり、第２の部分がクラッド部となるように、局所的アニールを行うことで、ＡＤ膜に光導波路を形成する。こうして、本発明は、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を可能にする。
【実施例１】
【００４５】
図４は、本実施例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４０は搬送管４５−１を介してガラスボトル４１に接続されている。ガラスボトル４１内に粉末原料（超微粒子脆性材料）４２を入れ、排気管４３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、流量を制御しながら導入する。ガラスボトル４１を加振器４４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４５−２を介して、成膜チャンバー４６に搬送する。成膜チャンバー４６は真空ポンプ４７により所定の真空度に排気される。ノズル４８から基板４９に粉末を吹き付けることで、薄膜を形成する。
【００４６】
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４８と基板４９の入射角を１０度、ガス流量は１２リットル／分、成膜速度は０．５μm／分、加振器４４の振動数は２５０ｒｐｍである。基板４９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（粉末原料４２）とした。ＰＺＴの組成は、Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３においてｘ＝０．３である。原料粉末の平均粒径は、０．７μｍとした。膜厚は３ミクロンである。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。
【００４７】
本実施例により得られたＰＺＴ膜の透過率スペクトルを、アニールの前後で測定した。アニール条件は、大気中で６００℃、３０分の条件で行った。その結果を示したものが図１である。前述したように、図１からＰＺＴ膜の光吸収端が、アニール前後で変化していることがわかる。
【００４８】
また、前述したように、これらの透過率スペクトルと反射率スペクトルを解析した結果より、ＰＺＴ膜の光吸収端をアニール等で制御することで屈折率をコントロールできることは明らかである。
【００４９】
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を用いた場合にも同様の効果がある。
【実施例２】
【００５０】
本実施例では、超微粒子脆性材料としてＰＺＴ系を用いＡＤ法で薄膜形成した光学素子の光学吸収が、超微粒子脆性材料にマンガンを添加することで低減可能であることを説明する。成膜装置と実験条件は実施例１と同一である。
【００５１】
Ｐｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３＋Ｍｎを原料粉末とした。Ｍｎ添加量は０．５ａｔ％である。Ｐｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３単体から作製したＡＤ膜では、可視から近赤外の広い波長域で１０％程度の光学吸収があったが、Ｍｎを添加することで、この光学吸収をほぼ０％にすることができた。このマンガン添加により、光学素子に生じた導波損失を大幅に改善することができた。
【実施例３】
【００５２】
次に、本光学素子を用いた光変調器の実施例について図５（ａ）及び（ｂ）を用いて説明する。
【００５３】
ガラス基板上５０に窒化酸化ケイ素のコアのマッハツエンダー型導波路の入力部５１−１及び出力部５１−２を形成した。成膜にＣＶＤ法を用い、コア形状の形成は反応性エッチングを用いた。また、クラッド層５２には酸化ケイ素を用いた。
【００５４】
マッハツエンダー型導波路の中央部５３には窒化酸化ケイ素のコアは形成されておらず、ＡＤ法によりＰｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３５４を２μｍ成膜した。成膜条件は実施例１と同一である。その後、Ｐｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３表面を研磨により平坦化し、リフトオフ法で金属電極５５を３箇所形成した。電極にはＴｉ／Ａｕ層を用い、スパッタ法で形成した。次に赤外ランプにより赤外光を１０分間照射し、Ｐｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３の局所加熱を行い、コア層５６を形成した。コア層５６は、入力部５１−１及び出力部５１−２とともにマッハツエンダー型導波路を形成する。
【００５５】
波長１．５５μmの光を先球ファイバーにより、形成した光変調器に導入し、電極に１２Vの電圧を印加することで、１０ｄＢの変調度を得ることができた。本実施例の光変調器の伝搬損失の波長依存性を測定したところ、波長１．５５μmで、導波損失が６ｄＢ以下となり、実用可能であった。
【００５６】
本実施例では、金属電極を遮光部として利用するので、製造工程が簡略化され、コストを低減することができる。
【００５７】
本発明による光学素子はエッチングによるＰＺＴの導波路形成を行わないことから、伝播損失を低くできるという有効性がある。
【００５８】
また、本発明の光学素子は基板や下地層にかかわりなく形成が可能であるため、レーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、光フィルター等の光学素子をあらかじめ形成した基板や、ＣＰＵ、メモリー等の電子回路を形成した基板上に、光学素子を形成し、光集積デバイスを作成することができる。
【実施例４】
【００５９】
次に、本光学素子を用いた光変調器の実施例について説明する。まず、ガラス基板上にＩＴＯ膜を下部電極として、スパッタ法により１８０ｎｍ成膜した。マグネトロンスパッタ法を用い、室温で、アルゴンガスにより成膜した。ＩＴＯ下部電極上に、Ｐｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３を２μｍ成膜した。成膜条件は実施例１と同一である。その後、Ｐｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３表面を研磨により平坦化し、リフトオフ法で金属遮光部を形成した。金属遮光部にはアルミを用い、スパッタ法で形成した。次に赤外ランプにより赤外光を１０分間照射し、Ｐｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３の局所加熱を行い、コア層を形成した。アルミ遮光部をエッチャントにより除去したのち、コア層上にＩＴＯ電極／Ａｕ電極をスパッタ法で成膜し、上部電極とした。波長１．５５μmの光を先球ファイバーにより、形成した光変調器に導入し、電極に８Ｖの電圧を印加することで、1２ｄＢの変調度を得ることができた。
【００６０】
本実施例の光学素子における導波路形状をかえることで、光スイッチを形成することもできる。
【００６１】
本発明による光学素子は下地材料に特性が依存しないため、ＩＴＯのような結晶構造が異なる多結晶体の上の形成が可能となるという有効性がある。
【００６２】
また、本発明の光学素子は基板や下地層にかかわりなく形成が可能であるため、レーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、光フィルター等の光学素子をあらかじめ形成した基板や、CPU、メモリー等の電子回路を形成した基板上に、光学素子を形成し、光集積デバイスを作成することができる。
【実施例５】
【００６３】
図６は、本発明の実施例５の光情報伝搬システムの構成図である。
【００６４】
レーザー６１から出射された連続光は、マイクロレンズ６２で集光され、光変調器６３に入射する。光変調器６３は、実施例３と同一のプロセスで形成されたマッハツエンダー型の導波路の入力部６４−１及び出力部６４−２と、それらの間に形成されたＰｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３からなるＡＤ膜（図示せず）と、前記入力部６４−１及び出力部６４−２とともにマッハツエンダー型導波路を形成するようＡＤ膜に形成されたコア部と、コア部上に形成された電極６５を有する。この光変調器６３の作成は、レーザーがあらかじめ形成された基板上に行った。電極６５は、変調信号発生回路６６と電気的に接続されており、電圧駆動による高周波信号の供給を受ける。この電圧により導波路の屈折率が変化し、光信号を変調できる。光変調器により変調された光信号は、光電気変換器６７により、電気信号に変換される。
【００６５】
本実施例の光情報伝搬システムに５００ＭＨｚの信号を入力し、Ｓ／Ｎの波長依存性を測定したところ、Ｓ／Ｎが１５ｄＢ以上となり、実用可能であった。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】Ｐｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３のアニール前後の透過率スペクトルを示す図である。
【図２】Ｐｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３のアニール前後の消衰係数の波長依存性を示す図である。
【図３】Ｐｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３のアニール前後の屈折率の波長依存性を示す図である。
【図４】本発明の実施例１に係わる成膜装置を説明する図である。
【図５】本発明の実施例３の光変調器を説明する図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図６】本発明の実施例５の光情報伝搬システムを説明する図である。
【符号の説明】
【００６７】
４０ ガスボンベ
４１ ガラスボトル
４２ 粉末原料
４３ 排気管
４４ 加振器
４５−１，４５−２ 搬送管
４６ 成膜チャンバー
４７ 真空ポンプ
４８ ノズル
４９ 基板
５０ ガラス基板
５１−１ マッハツエンダー型導波路の入力部
５１−２ マッハツエンダー型導波路の出力部
５２ クラッド
５３ マッハツエンダー型導波路の中央部
５４ ＡＤ法によるＰｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３膜
５５ 金属電極
５６ Ｐｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３からなるコア
６１ レーザー
６２ マイクロレンズ
６３ 光変調器
６４−１ マッハツエンダー型導波路の入力部
６４−２ マッハツエンダー型導波路の出力部
６５ 電極
６６ 変調信号発生回路
６７ 光電気変換器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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接合させて形成した成形体を含み、前記成形体に光吸収端が波長λａである第１の部分と光吸収端が波長λｂである第２の部分とが存在し、λaとλbの間にλa＜λbの関係があることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
請求項１に記載された光学素子において、前記第１の部分が導波路のコア部、前記第２の部分が前記導波路のクラッド部であ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に記載の光学素子において、前記基板上に形成された下部電極と、この下部電極上に形成された前記成形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を有することを特徴とする光学素子。
【請求項４】
請求項１，２または３に記載の光学素子において、前記超微粒子脆性材料にマンガンが添加されていることを特徴とする光学素子
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一つに記載の光学素子において、前記超微粒子脆性材料が、電気光学材料であることを特徴とする光学素子。
【請求項６】
請求項５に記載の光学素子において、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を主な成分としていることを特徴とする光学素子。
【請求項７】
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接合させて形成した成形体を含む第１の光学素子と、該第１の光学素子とは異なる第２の光学素子とを前記基板上に集積させた光集積デバイスであって、前記成形体に光吸収端が波長λａである第１の部分と光吸収端が波長λｂである第２の部分とが存在し、λaとλbの間にλa＜λbの関係があることを特徴とする光集積デバイス。
【請求項８】
請求項７に記載された光集積デバイスにおいて、前記第１の部分が導波路のコア部、前記第２の部分が前記導波路のクラッド部であることを特徴とする光集積デバイス。
【請求項９】
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請求項７または８に記載の光集積デバイス。
【請求項１０】
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接合させて形成した成形体を含む光学素子と、電子回路とを基板上に集積させた光集積デバイスであって、前記成形体に光吸収端が波長λａである第１の部分と光吸収端が波長λｂである第２の部分とが存在し、λaとλbの間にλa＜λbの関係があることを特徴とする光集積デバイス。
【請求項１１】
請求項１０に記載された光集積デバイスにおいて、前記第１の部分が導波路のコア部、前記第２の部分が前記導波路のクラッド部であることを特徴とする光集積デバイス。
【請求項１２】
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請求項１０または１１に記載の光集積デバイス。
【請求項１３】
請求項７乃至１２のいずれか一つに記載の光集積デバイスにおいて、前記超微粒子脆性材料にマンガンが添加され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７乃至１３のいずれか一つに記載の光集積デバイスにおいて、前記超微粒子脆性材料が、電気光学材料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１４に記載の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を主な成分としていることを特徴とする光集積デバイス。
【請求項１６】
基板上に超微粒子脆性材料を供給するととも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て成形体を形成する工程と、
前記成形体に光吸収端が互いに異なる２つの部分を形成する工程と、を含む光学素子の製造方法であって、
前記２つの部分を形成する工程が前記成形体を局所加熱する工程であることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の光学素子の製造方法において、前記局所加熱が、光線を用いて行われることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の光学素子の製造方法において、前記局所過熱が前記２つの部分の一方に対応する領域を覆う遮光部を形成した後、前記光線を照射することで行われることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の光学素子の製造方法において、前記遮光部が、当該光学素子の電極であることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２０】
請求項１６乃至１９のいずれか一つに記載の光学素子の製造方法において、前記成形体の形成が常温衝撃固化現象によるものであることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の光学素子の製造方法において、前記成形体の形成がエアロゾルデポジション法を用いて行われることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２２】
請求項１６乃至２１のいずれか一つに記載された光学素子の製造方法において、
前記基板として、当該光学素子とは異なる他の光学素子又は電子回路が形成された基板を用いることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項１】
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接合させて形成した成形体を含み、前記成形体に光吸収端が波長λａである第１の部分と光吸収端が波長λｂである第２の部分とが存在し、λaとλbの間にλa＜λbの関係があることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
請求項１に記載された光学素子において、前記第１の部分が導波路のコア部、前記第２の部分が前記導波路のクラッド部であ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に記載の光学素子において、前記基板上に形成された下部電極と、この下部電極上に形成された前記成形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を有することを特徴とする光学素子。
【請求項４】
請求項１，２または３に記載の光学素子において、前記超微粒子脆性材料にマンガンが添加されていることを特徴とする光学素子
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一つに記載の光学素子において、前記超微粒子脆性材料が、電気光学材料であることを特徴とする光学素子。
【請求項６】
請求項５に記載の光学素子において、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を主な成分としていることを特徴とする光学素子。
【請求項７】
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接合させて形成した成形体を含む第１の光学素子と、該第１の光学素子とは異なる第２の光学素子とを前記基板上に集積させた光集積デバイスであって、前記成形体に光吸収端が波長λａである第１の部分と光吸収端が波長λｂである第２の部分とが存在し、λaとλbの間にλa＜λbの関係があることを特徴とする光集積デバイス。
【請求項８】
請求項７に記載された光集積デバイスにおいて、前記第１の部分が導波路のコア部、前記第２の部分が前記導波路のクラッド部であることを特徴とする光集積デバイス。
【請求項９】
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請求項７または８に記載の光集積デバイス。
【請求項１０】
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接合させて形成した成形体を含む光学素子と、電子回路とを基板上に集積させた光集積デバイスであって、前記成形体に光吸収端が波長λａである第１の部分と光吸収端が波長λｂである第２の部分とが存在し、λaとλbの間にλa＜λbの関係があることを特徴とする光集積デバイス。
【請求項１１】
請求項１０に記載された光集積デバイスにおいて、前記第１の部分が導波路のコア部、前記第２の部分が前記導波路のクラッド部であることを特徴とする光集積デバイス。
【請求項１２】
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請求項１０または１１に記載の光集積デバイス。
【請求項１３】
請求項７乃至１２のいずれか一つに記載の光集積デバイスにおいて、前記超微粒子脆性材料にマンガンが添加され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７乃至１３のいずれか一つに記載の光集積デバイスにおいて、前記超微粒子脆性材料が、電気光学材料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１４に記載の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を主な成分としていることを特徴とする光集積デバイス。
【請求項１６】
基板上に超微粒子脆性材料を供給するととも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て成形体を形成する工程と、
前記成形体に光吸収端が互いに異なる２つの部分を形成する工程と、を含む光学素子の製造方法であって、
前記２つの部分を形成する工程が前記成形体を局所加熱する工程であることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の光学素子の製造方法において、前記局所加熱が、光線を用いて行われることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の光学素子の製造方法において、前記局所過熱が前記２つの部分の一方に対応する領域を覆う遮光部を形成した後、前記光線を照射することで行われることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の光学素子の製造方法において、前記遮光部が、当該光学素子の電極であることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２０】
請求項１６乃至１９のいずれか一つに記載の光学素子の製造方法において、前記成形体の形成が常温衝撃固化現象によるものであることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の光学素子の製造方法において、前記成形体の形成がエアロゾルデポジション法を用いて行われることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２２】
請求項１６乃至２１のいずれか一つに記載された光学素子の製造方法において、
前記基板として、当該光学素子とは異なる他の光学素子又は電子回路が形成された基板を用いることを特徴とする光学素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−２９８８９５（Ｐ２００７−２９８８９５Ａ）
【公開日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１２８７７４（Ｐ２００６−１２８７７４）
【出願日】平成１８年５月８日（２００６．５．８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１７年度新エネルギー・産業技術総合開発機構「ナノレベル電子セラミック材料低温成形・集積化技術」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月８日（２００６．５．８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１７年度新エネルギー・産業技術総合開発機構「ナノレベル電子セラミック材料低温成形・集積化技術」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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