JP2002244168A

JP2002244168A - 光スイッチの設計方法及び光スイッチ

Info

Publication number: JP2002244168A
Application number: JP2001045645A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Nashimoto; 恵一梨本
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2001-02-21
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2002-08-28

Abstract

(57)【要約】【課題】ＰＬＺＴで構成されたエピタキシャルまたは単
一配向性のチャンネル光導波路を備えた光スイッチを製
造するに際し、放射損失を損なうことなく、曲率半径の
小さなチャンネルを含む光スイッチを設計するための光
スイッチの設計方法を提供する。【解決手段】単結晶基板上に、Ｐｂ_1-xＬａ_x（Ｚｒ_yＴ
ｉ_1-y）_1-x/4Ｏ₃（０＜ｘ＜０．３、０＜ｙ＜１．０）
で構成されたエピタキシャルまたは単一配向性のチャン
ネル光導波路が形成された光スイッチを設計する際に、
チャンネル光導波路が曲率半径７０ｍｍ以下のチャンネ
ルを含む場合には、該チャンネルの曲率半径に応じて、
放射損失が１ｄＢ以下となるように、チャンネル光導波
路とその周囲との実効屈折率差を求め、この実効屈折率
差に基づいて光スイッチを設計する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバ等の光
経路切り替えや光論理回路に利用可能な光スイッチの設
計方法及び光スイッチに関し、詳しくは、電気光学効果
を有するＰＬＺＴで構成されたエピタキシャルなチャン
ネル光導波路を有する光スイッチであって、曲率半径の
小さなチャンネルを含む光スイッチを設計する光スイッ
チの設計方法、及びその設計方法に従って得られた光ス
イッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信ネットワークは個別にノード間を
結ぶポイント間の光通信から、ポイント間で光波長レベ
ルによって信号を分岐、挿入するＡＤＭ（Add-Drop Mul
tiplexing）を行う光通信、さらに複数のノード間を電
気信号に変換することなく光信号のままで結ぶ光通信に
発展しようとしている。このため、これに必要な光分岐
結合器、光合分波器、光スイッチ等の各種光部品の開発
が重要になっているが、その中でも複数の光スイッチ
（または光ゲート）を用いたマトリクス光スイッチは複
数の光ファイバー間を需要に応じて切り替えたり、ネッ
トワークが故障した際に迂回路を確保するために切り替
えたりと、各種光部品の中でも、最も重要な部品の一つ
である。

【０００３】光スイッチの形態としては、バルク型と光
導波路型等に分けることができる。バルク型光スイッチ
は、プリズム、ミラー、ファイバ等を機械的に可動させ
て光路を切り換えるもので、波長依存性が少なく、比較
的低損失という利点があるが、スイッチング速度が遅
く、小型化が困難であるためマトリックス化に不向きで
あることに加え、組立調整工程が煩雑であるため量産に
は適さず高価格である、という問題点がある。一方、光
導波路型光スイッチは、スイッチング速度が速く、小型
化及び集積化に適しており、量産性にも優れている。こ
のため、光導波路型マトリックス光スイッチについて、
非常に多くの検討が行われている。

【０００４】また、光導波路型光スイッチは、形態上、
大きく２種類に分けることが可能である。第１の形態
は、入力ポートと出力ポートとを接続する分岐型チャン
ネル光導波路を、ある原理の光スイッチまたは光ゲート
を複数組み合わせて切り替えるものである。第２の形態
は、入力ポートと出力ポートとの間に光偏向器を設けて
入力ポートの光を出力ポートへ向けて偏向するものであ
る。これらの中では、設計に対する柔軟性、光の損失の
少なさ等から、第１の形態の光導波路型光スイッチにつ
いて、最も多く検討が行われている。

【０００５】光導波路型光スイッチは、一般に、ＬｉＮ
ｂＯ₃、化合物半導体、石英、あるいはポリマーにチャ
ンネル光導波路を形成し、各経路の交差部などに電気的
に光の進行方向を制御するための光スイッチ、あるいは
電気的に光の進行を開閉して制御する光ゲートを設けた
ものである。

【０００６】石英、あるいはポリマーを用いた光導波路
型光スイッチは、コア・サイズを光ファイバのモード・
フィールド径と同程度にでき、光ファイバからの光結合
効率が良好であるために挿入損失が小さいという特長が
あるが、光導波路表面に設けられたヒータに電流を流
し、熱光学効果により屈折率を変化させて光の進行方向
を切り替えるために、応答が遅いという問題がある。例
えば、T. Watanabe et al., J. Lightwave Tech. 16 (1
998) 1049.には、応答が６ｍｓにも及ぶことが示されい
る。また、ヒータによる加熱方式をとるために、１つの
電極だけで数百ｍＷもの消費電力を必要とすることもあ
り、利用分野が限られてしまうという問題がある。

【０００７】ポリマーを用いた光導波路型光スイッチの
１つに、有機非線形光学材料を用いた光導波路型光スイ
ッチがある。一般に、有機非線形光学材料で構成された
光導波路は、ポリマー中に有機非線形分子をドープして
作製するか、あるいはポリマーの側鎖または主鎖に非線
形構造を付与し、電場印加によってポーリングを行った
電場配向ポリマーとして作製する。例えば、この電場配
向ポリマーで構成された光導波路を上下電極でサンドイ
ッチ状に挟んだ構造によって、低電圧で駆動可能な光ス
イッチを構成できる可能性があるが、戒能, O plus E,
186 (1995) 98.などに示されているように、電場配向ポ
リマーは酸化物強誘電体材料と比較して温度安定性など
の問題があり、実用に足る素子の開発は進んでいないの
が現状である。

【０００８】化合物半導体または量子井戸を用いた光導
波路型光スイッチの場合には、高速化が可能であり、光
導波路コアの上下から電圧を印加できるために駆動電圧
の低下も期待できるが、小泉等、光学、24 (1995) 324.
にも示されているように、コア・サイズが小さく、光フ
ァイバからの光結合効率が悪いために挿入損失が大きく
なるという問題があり、各種の努力がなされている。そ
の他にも、電場印加によるスイッチングと同時に光吸収
が生じるためにスイッチング特性が劣化しまうという問
題、ウエハサイズが限られているために大規模なマトリ
ックス光スイッチを構成しにくいなどの問題があった。

【０００９】最も代表的な光スイッチ材料であり酸化物
強誘電体の一つであるＬｉＮｂＯ₃の場合には、光スイ
ッチの電極に電圧を印加すると電気光学効果により屈析
率が変化することによって高速に光の状態が変わり、ど
の状態を設定するかによって光の進行方向が変化する。
これにより、各光スイッチでは２つの入力端からの光を
それぞれ２つの出力端へ選択的に出力することが可能で
ある。従って、各段で光の進行方向を適切に設定すれ
ば、入力ポートからの光を所望の出力ポートヘ送ること
ができる。

【００１０】また、ＬｉＮｂＯ₃を用いる光スイッチで
は、単結晶ウエハにＴｉ拡散型光導波路やプロトン交換
型光導波路を作製するが、コア・サイズを光ファイバー
のモード・フィールド径と同程度にでき、光ファイバか
らの光結合効率が良好であるために、挿入損失が小さく
実用レベルの光スイッチとして知られている。

【００１１】しかしながら、光導波路表面にコプレーナ
型の電極を配置して電圧を印加する構成であるために、
電極間距離が大きくなるとともに電場プロファイルが理
想的にならず、例えば、H. Okayama and M. Kawahara,
Electron. Lett.29 (1993) 765.に示されているよう
に、偏波無依存とするためには駆動電圧が４０ボルトと
高くなる。また、駆動電圧をそれ以上極端に高くしない
ためには４ｍｍ以上の電極長が必要である。また、単結
晶ウエハにＴｉ拡散やプロトン交換によって光導波路を
作製するために、チャンネル光導波路の実効屈折率をそ
のまわりの実効屈折率より十分に高くできず、屈折率差
を大きくできないことに加えて、制御も容易ではない。
このため、Ｓ字型チャンネル光導波路の曲率半径を５０
ｍｍと大きくする必要も生じ、H. Okayama等の例では、
８×８のマトリックス光スイッチのサイズは７０ｍｍ程
度と大きくなっている。

【００１２】なお、これら光スイッチの光経路の切り替
え原理としては、２本の光導波路を近接配置した方向性
結合器に電界を加えて光の経路を制御する方法、入力光
を方向性結合器にて２つに分離し、それぞれの経路を通
る光の間に電界により生じさせた屈折率で位相差をつけ
出口側の方向性結合器での干渉状態を制御して出力端を
切り替えるマッハツェンダー型の方法、Ｘ交差部での光
モード間の干渉を制御することで光の経路を切り替える
方法、Ｙ分岐部または非対称Ｘ交差部において、光モー
ドの横方向の分布を電界により生じさせた屈折率で制卸
して光の経路を切り替えるデジタル型と呼ばれる方法、
Ｘ交差部に電極を設けて屈折率を制御することによって
全反射またはブラッグ反射させて光の経路を切り替える
方法などがあり、例えば、上述のH. Okayama and M. Ka
wahara, Electron. Lett.29 (1993) 765.や、特開平７
−３１８９８６号公報、特公平６−５３５０号公報など
に示されている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】以上の通り、ＬｉＮｂ
Ｏ₃、化合物半導体、石英、あるいはポリマーのいずれ
の材料を用いた場合においても、光スイッチ・サイズ、
駆動電圧（あるいは駆動電流または消費電力）、スイッ
チング速度、挿入損失、及び温度安定性の問題を同時に
満足する光導波路型マトリクス光スイッチを得ることが
できなかった。

【００１４】これらの問題を解決するために、本発明者
は、特開２０００−３０５１１７号等に、電気光学効果
を有する酸化物強誘電体であるＰＬＺＴ：Ｐｂ_1-xＬａ_x
（Ｚｒ_yＴｉ_1-y）_1-x/4Ｏ₃（０＜ｘ＜０．３、０＜ｙ＜
１．０）で構成されたエピタキシャルまたは単一配向性
のチャンネル光導波路を用いた光スイッチを提案してい
る。この光スイッチは、高速駆動が可能で温度安定性に
優れ、駆動電圧が低く、挿入損失も小さいが、エピタキ
シャルまたは単一配向性の薄膜光導波路を形成するため
の基板サイズが制限される。このためマトリックス光ス
イッチのチップサイズを小さくする必要がある。

【００１５】しかしながら、大規模なマトリックス光ス
イッチを作製するためにチャンネル光導波路の曲率半径
を小さくすると、放射損失が大きくなる、という問題が
あった。

【００１６】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、本発明の目的は、ＰＬＺＴで構成されたエピタキ
シャルまたは単一配向性のチャンネル光導波路を備えた
光スイッチを製造するに際し、放射損失を損なうことな
く、曲率半径の小さなチャンネルを含むコンパクトな光
スイッチを設計するための光スイッチの設計方法を提供
することにある。また、本発明の他の目的は、ＰＬＺＴ
で構成されたエピタキシャルまたは単一配向性のチャン
ネル光導波路を備えた光スイッチであって、放射損失が
少なく、曲率半径の小さなチャンネルを含むコンパクト
な光スイッチを提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、単結晶基板上に、Ｐｂ
_1-xＬａ_x（Ｚｒ_yＴｉ_1-y）_1-x/4Ｏ₃（０＜ｘ＜０．３、
０＜ｙ＜１．０）で構成されたエピタキシャルまたは単
一配向性のチャンネル光導波路が形成された光スイッチ
を設計する、光スイッチの設計方法であって、前記チャ
ンネル光導波路が曲率半径７０ｍｍ以下のチャンネルを
含む場合に、該チャンネルの曲率半径に応じて、放射損
失が１ｄＢ以下となるようにチャンネル光導波路とその
周囲との実効屈折率差を求め、該実効屈折率差に基づい
て光スイッチを設計することを特徴とする。

【００１８】請求項２に記載の発明は、単結晶基板上
に、Ｐｂ_1-xＬａ_x（Ｚｒ_yＴｉ_1-y）_1- _x/4Ｏ₃（０＜ｘ＜
０．３、０＜ｙ＜１．０）で構成されたエピタキシャル
または単一配向性のチャンネル光導波路が形成された光
スイッチであって、前記チャンネル光導波路が曲率半径
７０ｍｍ以下のチャンネルを含み、該チャンネルの曲率
半径に応じて、チャンネル光導波路とその周囲との実効
屈折率差が、放射損失が１ｄＢ以下となるように決定さ
れていることを特徴とする。この光スイッチにおいて
は、実効屈折率差を０．１％以上とすることが好まし
い。

【００１９】ＬｉＮｂＯ₃などの一般的な電気光学効果
を有するチャンネル光導波路を備えた光スイッチは、チ
ャンネルの曲率半径が７０ｍｍ以下では、チャンネル光
導波路とその周囲との実効屈折率差の変動により放射損
失が大幅に変化する。

【００２０】一方、ＰＬＺＴで構成されたエピタキシャ
ルまたは単一配向性のチャンネル光導波路を備えた光ス
イッチでは、基板上へのＰＬＺＴ薄膜のエピタキシャル
成長によりバッファ層や光導波路層を形成すると共に、
フォトリソグラフィとエッチングとによりチャンネル光
導波路を形成するので、各種形状のチャンネル光導波路
を精度良く形成することができ、チャンネルの曲率半径
に応じて、実効屈折率差を正確に制御することができ
る、という特徴を有している。

【００２１】本発明の光スイッチの設計方法では、上記
特徴に基づき、放射損失が０．１ｄＢ以下となるよう
に、チャンネルの曲率半径に応じて実効屈折率差を求
め、この実効屈折率差が得られるように光スイッチを設
計するので、放射損失が無視できるレベルの光スイッチ
を確実に得ることができる。これにより、放射損失が少
なく、曲率半径の小さなチャンネルを含むコンパクトな
光スイッチを得ることができ、ひいては大規模なマトリ
ックス光スイッチを構成することができる。

【００２２】なお、本発明において「単一配向性」と
は、少なくともθ−２θＸ線回折パターンによって結晶
方位が一方向に単一配向している、即ち、ランダム配向
面が単一配向面の回折強度の１％以下であると同定され
るものを意味する。また、Ｐｂ _1-xＬａ_x（Ｚｒ_yＴ
ｉ_1-y）_1-x/4Ｏ₃（０＜ｘ＜０．３、０＜ｙ＜１．０）
は、ｘ及びｙの値によりＰＺＴ、ＰＬＴ、またはＰＬＺ
Ｔと称される。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態を詳細に説明する。（第１の実施の形態）図１は、第１の実施の形態に係る
Ｙ分岐型の１×２光スイッチの平面図であり、図２は、
そのＹ分岐部における断面図である。図１に示すよう
に、この光スイッチは、入射端面１４と出射端面１５と
を有し、入射端面１４には１つの入射ポート１６が設け
られ、出射端面１５には２つの出射ポート１７及び１８
が設けられている。これら入射ポート１６と出射ポート
１７、１８とは、Ｓ字型チャンネル光導波路１０と直線
状チャンネル光導波路１１とによりＹ分岐部９で接合さ
れている。

【００２４】また、図２に示すように、この光スイッチ
では、下部電極となるＮｂドープＳｒＴｉＯ₃（１０
０）単結晶半導体からなる基板３上に、波長１．５５μ
ｍでの屈折率（以下、屈折率という場合は、波長１．５
５μｍでの屈折率を意味する）が２．３９５の組成のＰ
ＺＴからなるエピタキシャルまたは単一配向性のバッフ
ァ層４が積層されている。バッファ層４の表面には溝部
２０が設けられており、この溝部２０を埋めるように、
バッファ層４上に屈折率が２．４５０の組成のＰＺＴよ
りなるエビタキシャルまたは単一配向性の光導波路層６
が積層されて、上述したチャンネル光導波路１０、１１
が形成されている。

【００２５】光導波路層６上には、Ｙ分岐部９に電圧を
印加するための、Ａｕ薄膜とＩＴＯ薄膜とからなる上部
電極１２、１３が設けられている。上部電極１２，１３
は、制御回路Ｃに接続された駆動回路Ｄを介して、電源
Ｓに接続されており、下部電極となる基板３、及び電源
Ｓは接地されている。なお、以下の実施形態において
は、駆動回路Ｍ、制御回路Ｃ、及び電源Ｓの図示は省略
する。

【００２６】本実施の形態では、Ｙ分岐部９の開き角度
は０．２度、Ｓ字型チャンネル光導波路１０の曲率半径
は１４ｍｍ、直線状チャンネル光導波路１１の間隔は１
２５μｍである。また、各チャンネルの深さは０．４０
μｍであり、各チャンネルの幅は５．０μｍである。

【００２７】次に、上記材料で構成された光スイッチに
おいて、放射損失を無視できるレベルまで減少させるこ
とができる、チャンネル光導波路とその周囲との実効屈
折率差Δｎを求める。図３に、上記の光スイッチにおけ
る、放射損失が１ｄＢとなる場合の実効屈折率差Δｎ及
びＳ字型チャンネル光導波路の曲率半径の関係（実線で
示す）、及び放射損失が１０ｄＢとなる場合の実効屈折
率差Δｎ及びＳ字型チャンネル光導波路の曲率半径の関
係（点線で示す）を示す。

【００２８】図から分かるように、Ｓ字型チャンネル光
導波路の曲率半径が７０ｍｍ以下では、実効屈折率差Δ
ｎの変動により放射損失が大幅に変化し、実効屈折率差
Δｎを少し増加することで、放射損失を無視できるレベ
ルまで減少させることができる。例えば、Ｓ字型チャン
ネル光導波路の曲率半径を７０ｍｍとすると、実効屈折
率差０．１０％では放射損失は１．０ｄＢであるが、実
効屈折率差０．１２％では放射損失は０．１ｄＢと無視
できるレベルまで減少する。

【００２９】本実施の形態の光スイッチでは、Ｓ字型チ
ャンネル光導波路の曲率半径は１４ｍｍであるため、チ
ャンネル光導波路とその周囲との実効屈折率差を０．２
％以上とすることにより、放射損失を０．１ｄＢ以下と
することができる。

【００３０】ここで、チャンネル光導波路とその周囲と
の実効屈折率差Δｎの算出方法を説明する。まず、バッ
ファ層の屈折率と、光導波路層の上層（本実施の形態で
は、空気層）の屈折率と、チャンネル光導波路を取り囲
むスラブ状光導波路の膜厚及び屈折率とを用いて、スラ
ブ部分の実効屈折率をモード分散方程式から計算する。
次に、バッファ層の屈折率と、光導波路層の上層の屈折
率と、チャンネル光導波路の膜厚及び屈折率とを用い
て、チャンネル光導波路の実効屈折率をモード分散方程
式から計算する。そして、両実効屈折率の差をスラブ状
光導波路の実効屈折率で除して、実効屈折率差Δｎが算
出される。また、プリズム・カップリングの方法により
測定したスラブ部分及びチャンネル光導波路の実効屈折
率から、実効屈折率差Δｎを算出してもよい。

【００３１】従って、放射損失を無視できるレベルまで
減少させることができる、チャンネル光導波路とその周
囲との実効屈折率差が求められれば、バッファ層の屈折
率、光導波路層の上層の屈折率、チャンネル光導波路を
取り囲むスラブ部分の膜厚及び屈折率、及びチャンネル
光導波路の膜厚及び屈折率のいずれかを適宜変更して、
実効屈折率差をその値にすることができる。

【００３２】以上の通り、本実施の形態では、ＰＬＺＴ
で構成されたエピタキシャルまたは単一配向性のチャン
ネル光導波路を備えた光スイッチでは、基板上へのＰＬ
ＺＴ薄膜のエピタキシャル成長によりバッファ層や光導
波路層を形成すると共に、フォトリソグラフィとエッチ
ングとによりチャンネル光導波路を形成するので、各種
形状のチャンネル光導波路を精度良く形成することがで
き、チャンネルの曲率半径に応じて、実効屈折率差を正
確に制御することができる、という特徴に基づき、放射
損失が０．１ｄＢ以下となるように、Ｓ字型チャンネル
光導波路の曲率半径に応じて実効屈折率差Δｎを求め、
この実効屈折率差が得られるように光スイッチを設計す
るので、放射損失が無視できるレベルの光スイッチを得
ることができる。

【００３３】また、得られた光スイッチは、高効率の電
気光学効果を有するＰＬＺＴで構成されたエピタキシャ
ルまたは単一配向性のチャンネル光導波路を備えている
ので、従来の光スイッチに比べ駆動電圧が低く、スイッ
チング速度が速く、温度安定性に優れ、挿入損失も小さ
い。

【００３４】次に、本実施の形態に係る光スイッチの実
施例について説明する。

【００３５】まず、無水酢酸鉛Ｐｂ（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂、
ジルコニウム・イソプロポキシドＺｒ（Ｏ−i-Ｃ₃Ｈ₇）
₄、及びチタン・イソプロポキシドＴｉ（Ｏ−i-Ｃ
₃Ｈ₇）₄を出発原料として、バッファ層の組成に応じて
各々所定量を２−メトキシエタノールに溶解し、蒸留と
還流を行い、最終的にＰｂ濃度で０．６Ｍのバッファ層
用前駆体溶液を得た。

【００３６】このバッファ層用前駆体溶液を、洗浄、エ
ッチング、乾燥を予め行ったＮｂドープＳｒＴｉＯ
₃（１００）単結晶基板上へスピンコーティングし、Ｏ₂
雰囲気中で昇温して３５０℃にて保持し、さらに７５０
℃にて保持の後、冷却した。これを繰り返すことにより
固相エピタキシャル成長を行い、屈折率が２．３９５の
組成のＰＺＴエピタキシャル薄膜を２．６μｍの膜厚で
形成した。

【００３７】次に、前記バッファ層用前駆体溶液を、こ
のＰＺＴエピタキシャル薄膜上へスピンコーティング
し、Ｏ₂雰囲気中で昇温して３５０℃にて保持した後、
冷却した。これを繰り返すことにより、ＰＺＴアモルフ
ァス薄膜を０．４μｍの膜厚で形成した。次に、フォト
レジストをスピンコートし、プリベークの後、露光し、
現像を行うことにより、チャンネル光導波路に対応する
開口を有するレジスト・パターンを形成した。ポストベ
ークの後、ＨＣｌ水溶液でＰＺＴアモルファス薄膜の一
部をウエット・エッチングにより除去した。

【００３８】以上のようにして、ＰＺＴアモルファス薄
膜を加工して、開き角度０．２度のＹ分岐部、曲率半径
１４ｍｍのＳ字型チャンネル光導波路、及び間隔１２５
μｍの直線状チャンネル光導波路の各々に対応する、深
さ０．４μｍ、幅５．０μｍの凹型形状の溝部（トレン
チ）を形成した。次に、リムーバによってレジストを剥
離した後、加工後のＰＺＴアモルファス薄膜の固相エピ
タキシャル成長を行い、先に形成したＰＺＴエピタキシ
ャル薄膜と一体化させ、表面に凹型形状の溝部が形成さ
れたＰＺＴエピタキシャル・バッファ層を形成した。

【００３９】更に、ＰＺＴエピタキシャル・バッファ層
の表面に、バッファ層用前駆体溶液と同様にして調製し
た光導波路層用前駆体溶液をスピンコーティングし、Ｏ
₂雰囲気中で昇温して３５０℃にて保持し、さらに７５
０℃にて保持の後、冷却した。これを繰り返すことによ
り固相エピタキシャル成長を行い、屈折率が２．４５０
の組成のＰＺＴエビタキシャル光導波路層を２．２μｍ
の膜厚で形成した。

【００４０】以上のプロセスによって、周囲との実効屈
折率差が０．２％のチャンネル光導波路が形成された。

【００４１】Ｙ分岐部のＰＺＴエピタキシャル光導波路
層上に、スパッタリング法によって膜厚２００ｎｍのＡ
ｌと膜厚２００ｎｍのＩＴＯからなる積層薄膜を成膜し
た後、リフト・オフ法によって、幅５．０μｍ、長さ
３．０ｍｍの形状の上部電極を形成して、シングル・モ
ードの１×２光スイッチを作製した。なお、入射端面及
び出射端面は、研磨によって形成した。

【００４２】積層した各層の結晶学的関係は、単一配向
ＰＺＴ（１００）光導波路層／／ＰＺＴ（１００）バッ
ファ層／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ₃（１００）基板、及び、
面内方位ＰＺＴ［００１］光導波路層／／ＰＺＴ［００
１］バッファ層／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ₃［００１］基板
となった。

【００４３】ＰＺＴ光導波路層の電気光学係数ｒ＝５０
ｐｍ／Ｖが得られた。ＰＺＴバッファ層の比誘電率６０
０、及びＰＺＴ光導波路層の比誘電率９００より求めら
れるＰＺＴ光導波路層の実効電圧は４７％となり、バッ
ファ層を介しているにも拘らず、高い効率で電圧を印加
することが可能である。

【００４４】この光スイッチの入射端面及び出射端面に
シングル・モード光ファイバを配置し、配置した光ファ
イバから波長１．５５μｍのレーザ光を入射端面の入射
ポートへ導入すると、Ｙ分岐部で３ｄＢ（５０％）の強
度で２つのチャンネルに分岐され、出射端面の出射ポー
ト及びの２本の光ファイバへ等しい強度で分配された。
これに対し、下部ＮｂドープＳｒＴｉＯ₃基板電極と２
つの上部電極のうちの一方の電極との間に５Ｖの電圧を
印加した場合には、電圧の印加された側の光導波路の屈
折率が低下するため、入射端面から導入されたレーザ光
は、Ｙ分岐部で電圧が印加されておらず屈折率が低下し
ていないチャンネルを選択し、デジタル型スイッチにお
いて光ファイバ経路の切り替えがなされた。

【００４５】また、本実施例の１×２光スイッチは、曲
率半径１４ｍｍのＳ字型チャンネル光導波路を含んで全
長１０ｍｍ程度と小型化されたにも拘らず、放射損失が
０．１ｄＢ以下であり、従来の方法で１×２光スイッチ
を構成した場合と比べると、駆動電圧が５Ｖと従来の１
０分の１程度で済み、スイッチング周波数５０ＭＨｚ以
上、クロストーク２０ｄＢ以下、挿入損失３ｄＢ以下で
あり、偏波無依存と特性も良好であった。

【００４６】（第２の実施の形態）図４は、第２の実施
の形態に係る１×８光スイッチの平面図であり、図５
は、その分岐部の拡大図である。図４に示すように、こ
の１×８光スイッチは、第１の実施形態に係る１×２光
スイッチを３段に組み合わせたシングル・モードのデジ
タル型１×８光スイッチであり、光スイッチの積層構造
及び積層材料は、第１の実施の形態の光スイッチと同様
である。また、Ｓ字型チャンネル光導波路の曲率半径も
１４ｍｍと第１の実施の形態の光スイッチと同様である
ため、チャンネル光導波路とその周囲との実効屈折率差
を０．２％以上とすることにより、放射損失を０．１ｄ
Ｂ以下とすることができる。

【００４７】以上の通り、本実施の形態では、第１の実
施の形態と同様に、ＰＬＺＴで構成されたエピタキシャ
ルまたは単一配向性のチャンネル光導波路を備えた光ス
イッチの上記特徴に基づき、放射損失が０．１ｄＢ以下
となるように、Ｓ字型チャンネル光導波路の曲率半径に
応じて実効屈折率差Δｎを求め、この実効屈折率差が得
られるように光スイッチを設計するので、放射損失が無
視できるレベルの光スイッチを得ることができる。

【００４８】また、得られた光スイッチは、高効率の電
気光学効果を有するＰＬＺＴで構成されたエピタキシャ
ルまたは単一配向性のチャンネル光導波路を備えている
ので、従来の光スイッチに比べ駆動電圧が低く、スイッ
チング速度が速く、温度安定性に優れ、挿入損失も小さ
い。

【００４９】次に、第２の実施の形態に係る光スイッチ
の実施例について説明する。

【００５０】バッファ層の組成に応じて調整したバッフ
ァ層用前駆体溶液を、洗浄、エッチング、乾燥を予め行
ったＮｂドープＳｒＴｉＯ₃（１００）単結晶基板上へ
スピンコーティングし、Ｏ₂雰囲気中で昇温して３５０
℃にて保持し、さらに７５０℃にて保持の後、冷却し
た。これを繰り返すことにより固相エピタキシャル成長
を行い、屈折率が２．３９５の組成のＰＺＴエピタキシ
ャル薄膜を２．６μｍの膜厚で形成した。

【００５１】次に、このＰＺＴエピタキシャル薄膜上
へ、前記バッファ層用前駆体溶液をスピンコーティング
し、Ｏ₂雰囲気中で昇温して３５０℃にて保持した後、
冷却した。これを繰り返すことにより、ＰＺＴアモルフ
ァス薄膜を０．４μｍの膜厚で形成した。次に、フォト
レジストをスピンコートし、プリベークの後、露光し、
現像を行うことにより、チャンネル光導波路に対応する
開口を有するレジスト・パターンを形成した。ポストベ
ークの後、ＨＣｌ水溶液でＰＺＴアモルファス薄膜の一
部をウエット・エッチングにより除去した。

【００５２】以上のようにして、ＰＺＴアモルファス薄
膜を加工して、開き角度０．２度のＹ分岐部、曲率半径
１４ｍｍのＳ字型チャンネル光導波路、及び間隔２５０
μｍの直線状チャンネル光導波路の各々に対応する、深
さ０．４μｍ、幅５．０μｍの凹型形状の溝部を形成し
た。次に、リムーバによってレジストを剥離した後、加
工後のＰＺＴアモルファス薄膜の固相エピタキシャル成
長を行い、先に形成したＰＺＴエピタキシャル薄膜と一
体化させ、表面に凹型形状の溝部が形成されたＰＺＴエ
ピタキシャル・バッファ層を形成した。

【００５３】更に、ＰＺＴエピタキシャル・バッファ層
の表面に、バッファ層用前駆体溶液と同様にして調製し
た光導波路層用前駆体溶液をスピンコーティングし、Ｏ
₂雰囲気中で昇温して３５０℃にて保持し、さらに７５
０℃にて保持の後、冷却した。これを繰り返すことによ
り固相エピタキシャル成長を行い、屈折率が２．４５０
の組成のＰＺＴエビタキシャル光導波路層を２．２μｍ
の膜厚で形成した。

【００５４】以上のプロセスによって、周囲との実効屈
折率差が０．２％のチャンネル光導波路が形成された。

【００５５】Ｙ分岐部のＰＺＴエピタキシャル光導波路
層上に、スパッタリング法によって膜厚２００ｎｍのＡ
ｌと膜厚２００ｎｍのＩＴＯからなる積層薄膜を成膜し
た後、リフト・オフ法によって、幅５．０μｍ、長さ
３．０ｍｍの形状の上部電極を各１×２光スイッチごと
に形成して、１×２光スイッチを３段にしたシングル・
モードのデジタル型１×８光スイッチを作製した。

【００５６】この光スイッチの入射端面に１本のシング
ル・モード光ファイバを配置し、出射端面には２５０μ
ｍ間隔で８本のシングル・モード光ファイバを配置し
た。入射端面に配置した光ファイバから波長１．５５μ
ｍのレーザ光を本実施の形態の１×８光スイッチの入射
ポートへ導入すると、各Ｙ分岐部で３ｄＢ（５０％）の
強度で２つのチャンネルに分岐され、出射端面の出射ポ
ートの８本の光ファイバへ等しい強度で分配される。

【００５７】これに対し、３段に設けられた各１×２光
スイッチについて、下部ＮｂドープＳｒＴｉＯ₃基板電
極と各１×２光スイッチに設けられた２つ上部電極のう
ちの１つの電極との間に５Ｖの電圧を印加した場合に
は、電圧の印加された側の光導波路の屈折率が低下する
ため、入射端面から導入されたレーザ光は、各１×２光
スイッチで電圧の印加されていない、即ち屈折率の低下
のないチャンネルを選択し、デジタル型スイッチにおい
て光ファイバ経路の切り替えがなされる。

【００５８】また、本実施例の１×８光スイッチは、曲
率半径１４ｍｍのＳ字型チャンネル光導波路を含んで全
長２４ｍｍ程度と小型化されたにも拘らず、放射損失が
０．１ｄＢ以下であり、従来の方法で１×８光スイッチ
を構成した場合と比べると、駆動電圧が５Ｖと従来の１
０分の１程度で済み、スイッチング周波数５０ＭＨｚ以
上、クロストーク２０ｄＢ以下、挿入損失４ｄＢ以下で
あり、偏波無依存と特性も良好であった。

【００５９】（第３の実施の形態）第３の実施の形態に
係る光スイッチは、図６に示すように、第１の実施の形
態に係る光スイッチと同様の原理のＹ分岐型の１×２光
スイッチ１１２個をツリー状に配列した、デジタル型の
完全非閉塞型８×８光スイッチである。この光スイッチ
の積層構造及び積層材料は、第１の実施の形態の光スイ
ッチと同様であるが、各チャンネルの深さは０．５０μ
ｍ、Ｓ字型チャンネル光導波路の曲率半径は９ｍｍとさ
れている。

【００６０】第１の実施の形態と同様に、図３に示す関
係に基づいて、放射損失を無視できるレベルまで減少さ
せることができるチャンネル光導波路とその周囲との実
効屈折率差Δｎを求めることができる。本実施の形態の
光スイッチでは、Ｓ字型チャンネル光導波路の曲率半径
は９ｍｍであるため、チャンネル光導波路とその周囲と
の実効屈折率差を０．２６％以上とすることにより、放
射損失を０．１ｄＢ以下とすることができる。

【００６１】以上の通り、本実施の形態では、第１の実
施の形態と同様に、ＰＬＺＴで構成されたエピタキシャ
ルまたは単一配向性のチャンネル光導波路を備えた光ス
イッチの上記特徴に基づき、放射損失が０．１ｄＢ以下
となるように、Ｓ字型チャンネル光導波路の曲率半径に
応じて実効屈折率差Δｎを求め、この実効屈折率差が得
られるように光スイッチを設計するので、放射損失が無
視できるレベルの光スイッチを得ることができる。

【００６２】また、得られた光スイッチは、高効率の電
気光学効果を有するＰＬＺＴで構成されたエピタキシャ
ルまたは単一配向性のチャンネル光導波路を備えている
ので、従来の光スイッチに比べ駆動電圧が低く、スイッ
チング速度が速く、温度安定性に優れ、挿入損失も小さ
い。

【００６３】次に、第３の実施の形態に係る光スイッチ
の実施例について説明する。

【００６４】バッファ層の組成に応じて調整したバッフ
ァ層用前駆体溶液を、洗浄、エッチング、乾燥を予め行
ったＮｂドープＳｒＴｉＯ₃（１００）単結晶基板上へ
スピンコーティングし、Ｏ₂雰囲気中で昇温して３５０
℃にて保持し、さらに７５０℃にて保持の後、冷却し
た。これを繰り返すことにより固相エピタキシャル成長
を行い、屈折率が２．３９５の組成のＰＺＴエピタキシ
ャル薄膜を２．６μｍの膜厚で形成した。

【００６５】次に、このＰＺＴエピタキシャル薄膜上
へ、前記バッファ層用前駆体溶液をスピンコーティング
し、Ｏ₂雰囲気中で昇温して３５０℃にて保持した後、
冷却した。これを繰り返すことにより、ＰＺＴアモルフ
ァス薄膜を０．５μｍの膜厚で形成した。次に、フォト
レジストをスピンコートし、プリベークの後、露光し、
現像を行うことにより、チャンネル光導波路に対応する
開口を有するレジスト・パターンを形成した。ポストベ
ークの後、ＨＣｌ水溶液でＰＺＴアモルファス薄膜の一
部をウエット・エッチングにより除去した。

【００６６】以上のようにして、ＰＺＴアモルファス薄
膜を加工して、開き角度０．２度のＹ分岐部、曲率半径
９ｍｍのＳ字型チャンネル光導波路、及び直線状チャン
ネル光導波路の各々に対応する、深さ０．５μｍ、幅
５．０μｍの凹型形状の溝部を形成した。次に、リムー
バによってレジストを剥離した後、加工後のＰＺＴアモ
ルファス薄膜の固相エピタキシャル成長を行い、先に形
成したＰＺＴエピタキシャル薄膜と一体化させ、表面に
凹型形状の溝部が形成されたＰＺＴエピタキシャル・バ
ッファ層を形成した。

【００６７】更に、ＰＺＴエピタキシャル・バッファ層
の表面に、バッファ層用前駆体溶液と同様にして調製し
た光導波路層用前駆体溶液をスピンコーティングし、Ｏ
₂雰囲気中で昇温して３５０℃にて保持し、さらに７５
０℃にて保持の後、冷却した。これを繰り返すことによ
り固相エピタキシャル成長を行い、屈折率が２．４５０
の組成のＰＺＴエビタキシャル光導波路層を２．２μｍ
の膜厚で形成した。

【００６８】以上のプロセスによって、周囲との実効屈
折率差が０．３％のチャンネル光導波路が形成された。

【００６９】Ｙ分岐部のＰＺＴエピタキシャル光導波路
層上に、スパッタリング法によって膜厚２００ｎｍのＡ
ｌと膜厚２００ｎｍのＩＴＯからなる積層薄膜を成膜し
た後、リフト・オフ法によって、幅５．０μｍ、長さ
２．５ｍｍの形状の上部電極を各１×２光スイッチごと
に形成して、１×２光スイッチを６段にしたシングル・
モードのデジタル型８×８光スイッチを作製した。

【００７０】この光スイッチの入射端面に８本のシング
ル・モード光ファイバを配置し、出射端面にも８本のシ
ングル・モード光ファイバを配置した。入射端面に配置
した光ファイバから波長１．５５μｍのレーザ光を本実
施の形態の８×８光スイッチの入射ポートへ導入する
と、各Ｙ分岐部で３ｄＢ（５０％）の強度で２つのチャ
ンネルに分岐され、出射端面の出射ポートの８本の光フ
ァイバへ等しい強度で分配される。

【００７１】これに対し、６段に設けられた各１×２光
スイッチについて、下部ＮｂドープＳｒＴｉＯ₃基板電
極と各１×２光スイッチに設けられた２つ上部電極のう
ちの１つの電極との間に５Ｖの電圧を印加した場合に
は、電圧の印加された側の光導波路の屈折率が低下する
ため、入射端面から導入されたレーザ光は、各１×２光
スイッチで電圧の印加されていない、即ち屈折率の低下
のないチャンネルを選択し、デジタル型スイッチにおい
て光ファイバ経路の切り替えがなされる。

【００７２】また、本実施例の８×８光スイッチは、曲
率半径９ｍｍのＳ字型チャンネル光導波路を含んで全長
３８ｍｍ程度と小型化されたにも拘らず、放射損失が
０．１ｄＢ以下であり、従来の方法で８×８光スイッチ
を構成した場合と比べると、駆動電圧が５Ｖと従来の１
０分の１程度で済み、スイッチング周波数５０ＭＨｚ以
上、クロストーク４０ｄＢ以下、挿入損失５ｄＢ以下で
あり、偏波無依存と特性も良好であった。

【００７３】（第４の実施形態）第４の実施の形態に係
る光スイッチは、第１の実施の形態に係る光スイッチと
同様の原理のＹ分岐型の１×２光スイッチをツリー状に
配列した、デジタル型の完全非閉塞型４×４光スイッチ
である。

【００７４】この光スイッチの積層構造は、第１の実施
の形態の光スイッチと同様であるが、各チャンネルの深
さは０．１５μｍ、Ｓ字型チャンネル光導波路の曲率半
径は７０ｍｍとされている。また、この光スイッチは、
屈折率が２．２５０の組成のＰＬＺＴからなるエピタキ
シャルまたは単一配向性のバッファ層と、屈折率が２．
４５０の組成のＰＬＺＴよりなるエビタキシャルまたは
単一配向性の光導波路層と、を備えている。

【００７５】次に、上記材料で構成された光スイッチに
おいて、放射損失が１ｄＢとなる場合の実効屈折率差Δ
ｎ及びＳ字型チャンネル光導波路の曲率半径の関係を調
べ、上記材料で構成された光スイッチにおいて、放射損
失を無視できるレベルまで減少させることができる、チ
ャンネル光導波路とその周囲との実効屈折率差Δｎを求
めると、本実施の形態の光スイッチでは、Ｓ字型チャン
ネル光導波路の曲率半径は７０ｍｍであり、チャンネル
光導波路とその周囲との実効屈折率差を０．１％以上と
することにより、放射損失を０．１ｄＢ以下とすること
ができることが分かった。

【００７６】以上の通り、本実施の形態では、第１の実
施の形態と同様に、ＰＬＺＴで構成されたエピタキシャ
ルまたは単一配向性のチャンネル光導波路を備えた光ス
イッチの上記特徴に基づき、放射損失が０．１ｄＢ以下
となるように、Ｓ字型チャンネル光導波路の曲率半径に
応じて実効屈折率差Δｎを求め、この実効屈折率差が得
られるように光スイッチを設計するので、放射損失が無
視できるレベルの光スイッチを得ることができる。

【００７７】また、得られた光スイッチは、高効率の電
気光学効果を有するＰＬＺＴで構成されたエピタキシャ
ルまたは単一配向性のチャンネル光導波路を備えている
ので、従来の光スイッチに比べ駆動電圧が低く、スイッ
チング速度が速く、温度安定性に優れ、挿入損失も小さ
い。

【００７８】次に、本実施の形態に係る光スイッチの実
施例について説明する。

【００７９】バッファ層の組成に応じて調整したバッフ
ァ層用前駆体溶液を、洗浄、エッチング、乾燥を予め行
ったＮｂドープＳｒＴｉＯ₃（１００）単結晶基板上へ
スピンコーティングし、Ｏ₂雰囲気中で昇温して３５０
℃にて保持し、さらに７５０℃にて保持の後、冷却し
た。これを繰り返すことにより固相エピタキシャル成長
を行い、屈折率が２．２５０の組成のＰＬＺＴエピタキ
シャル薄膜を２．０μｍの膜厚で形成した。

【００８０】次に、前記バッファ層用前駆体溶液を、Ｐ
ＬＺＴエピタキシャル薄膜上へスピンコーティングし、
Ｏ₂雰囲気中で昇温して３５０℃にて保持した後、冷却
した。これを繰り返すことにより、ＰＺＴアモルファス
薄膜を０．１５μｍの膜厚で形成した。次に、フォトレ
ジストをスピンコートし、プリベークの後、露光し、現
像を行うことにより、チャンネル光導波路に対応する開
口を有するレジスト・パターンを形成した。ポストベー
クの後、ＨＣｌ水溶液でＰＺＴアモルファス薄膜の一部
をウエット・エッチングにより除去した。

【００８１】以上のようにして、ＰＺＴアモルファス薄
膜を加工して、開き角度０．２度のＹ分岐部、曲率半径
７０ｍｍのＳ字型チャンネル光導波路、及び直線状チャ
ンネル光導波路の各々に対応する、深さ０．１５μｍ、
幅５．０μｍの凹型形状の溝部を形成した。次に、リム
ーバによってレジストを剥離した後、加工後のＰＺＴア
モルファス薄膜の固相エピタキシャル成長を行い、先に
形成したＰＺＴエピタキシャル薄膜と一体化させ、表面
に凹型形状の溝部が形成されたＰＺＴエピタキシャル・
バッファ層を形成した。

【００８２】更に、ＰＺＴエピタキシャル・バッファ層
の表面に、ＰＺＴバッファ層用前駆体溶液と同様にして
調製したＰＺＴ光導波路層用前駆体溶液をスピンコーテ
ィングし、Ｏ₂雰囲気中で昇温して３５０℃にて保持
し、さらに７５０℃にて保持の後、冷却した。これを繰
り返すことにより固相エピタキシャル成長を行い、屈折
率が２．４５０の組成のＰＬＺＴエビタキシャル光導波
路層を２．２μｍの膜厚で形成した。

【００８３】以上のプロセスによって、周囲との実効屈
折率差が０．１％のチャンネル光導波路が形成された。

【００８４】Ｙ分岐部のＰＺＴエピタキシャル光導波路
層上に、スパッタリング法によって膜厚２００ｎｍのＡ
ｌと膜厚２００ｎｍのＩＴＯからなる積層薄膜を成膜し
た後、リフト・オフ法によって、幅５μｍ、長さ６．０
ｍｍの形状の上部電極を各１×２光スイッチごとに形成
して、１×２光スイッチを４段にしたシングル・モード
のデジタル型４×４光スイッチを作製した。

【００８５】この光スイッチの入射端面に４本のシング
ル・モード光ファイバを配置し、出射端面にも４本のシ
ングル・モード光ファイバを配置した。入射端面に配置
した光ファイバから波長１．５５μｍのレーザ光を入射
端面の入射ポートへ導入すると、Ｙ分岐部で３ｄＢ（５
０％）の強度で２つのチャンネルに分岐され、出射端面
の出射ポート及びの２本の光ファイバへ等しい強度で分
配された。これに対し、下部ＮｂドープＳｒＴｉＯ₃基
板電極と２つの上部電極のうちの一方の電極との間に５
Ｖの電圧を印加した場合には、電圧の印加された側の光
導波路の屈折率が低下するため、入射端面から導入され
たレーザ光は、Ｙ分岐部で電圧が印加されておらず屈折
率が低下していないチャンネルを選択し、デジタル型ス
イッチにおいて光ファイバ経路の切り替えがなされた。

【００８６】また、本実施例の４×４光スイッチは、曲
率半径７０ｍｍのＳ字型チャンネル光導波路を含んで全
長４４ｍｍ程度と２インチ基板に納まるように小型化さ
れたにも拘らず、放射損失が０．１ｄＢ以下であり、従
来の方法で４×４光スイッチを構成した場合と比べる
と、駆動電圧が５Ｖと従来の１０分の１程度で済み、ス
イッチング周波数２０ＭＨｚ以上、クロストーク４０ｄ
Ｂ以下、挿入損失５ｄＢ以下であり、偏波無依存と特性
も良好であった。

【００８７】以上、本発明の光スイッチの設計方法及び
その設計方法に基づき作製された光スイッチの具体的な
実施の形態を示したが、本発明はこれらに限定されるも
のではなく、以下に述べる通り、他の材料を用いて作製
されていてもよく、他の薄膜形成方法を使用して作製さ
れていてもよい。また、その構造も、本発明の効果を損
なわない範囲で、適宜、変更されていてもよい。

【００８８】本発明において下部電極として用いること
ができる基板は、導電性または半導電性の単結晶基板、
あるいはエピタキシャルまたは単一配向性の導電性また
は半導電性の薄膜を表面に設けた基板である。

【００８９】導電性または半導電性の基板材料として
は、ＮｂやＬａなどをドープしたＳｒＴｉＯ₃、Ａｌを
ドープしたＺｎＯ、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＲｕＯ₂、ＢａＰｂＯ₃、
ＳｒＲｕＯ₃、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x、ＳｒＶＯ₃、ＬａＮ
ｉＯ₃、Ｌａ_0.5Ｓｒ_0.5ＣｏＯ₃、ＺｎＧａ₂Ｏ₄、ＣｄＧ
ａ₂Ｏ₄、ＣｄＧａ₂Ｏ₄、Ｍｇ₂ＴｉＯ₄、ＭｇＴｉ₂Ｏ₄な
どの酸化物、Ｓｉ，Ｇｅ，ダイヤモンドなどの単体半導
体、ＡｌＡｓ，ＡｌＳｂ，ＡｌＰ，ＧａＡｓ，ＧａＳ
ｂ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＡｌＧａＰ，ＡｌＬ
ｎＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＡｓＳｂ，Ｇ
ａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＳｂ，ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＡｓＳ
ｂなどのIII−Ｖ族系の化合物半導体、ＺｎＳ，ＺｎＳ
ｅ，ＺｎＴｅ，ＣａＳｅ，Ｃｄｔｅ，ＨｇＳｅ，ＨｇＴ
ｅ，ＣｄＳなどのII−VI族系の化合物半導体、Ｐｄ、Ｐ
ｔ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇなどの金属等を用いることができ
る。この中でも、上部に配置する酸化物強誘電体からな
る光導波路層の膜質にとって有利であることから、基板
材料には酸化物を用いることが好ましい。

【００９０】これらの導電性または半導電性の単結晶基
板、あるいは導電性または半導電性のエピタキシャルま
たは単一配向性の薄膜は、光導波路層を構成する酸化物
強誘電体の結晶構造、及び偏向速度、スイッチング速
度、または変調速度によって必要とされるキャリア・モ
ビリティに応じて選ばれることが望ましい。

【００９１】また、強誘電体材料の比誘電率は数１０か
ら数１０００であるが、このような強誘電体材料からな
る光導波路素子でも１ｋＨｚ以上の応答を示すために
は、基板の抵抗率を１０⁴Ω・ｃｍ以下とするのが好ま
しく、ＲＣ時定数、及び電圧降下の点から１０²Ω・ｃ
ｍ以下とするのがより好ましい。

【００９２】エピタキシャルまたは単一配向性の導電性
または半導電性の薄膜を基板表面に設ける場合、基板と
して用いることが可能な材料としては、ＳｒＴｉＯ₃、
ＢａＴｉＯ₃、ＢａＺｒＯ₃、ＬａＡｌＯ₃、ＺｒＯ₂、Ｙ
₂Ｏ₃８％−ＺｒＯ₂、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、ＬｉＮｂ
Ｏ₃、ＬｉＴａＯ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｎＯなどの酸化物、Ｓ
ｉ，Ｇｅ，ダイヤモンドなどの単体半導体、ＡｌＡｓ，
ＡｌＳｂ，ＡｌＰ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＰ，Ｉｎ
Ａｓ，ＩｎＳｂ，ＡｌＧａＰ，ＡｌＬｎＰ，ＡｌＧａＡ
ｓ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＡｓＳｂ，ＧａＩｎＡｓ，Ｇａ
ＩｎＳｂ，ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＡｓＳｂなどのIII−Ｖ
族系の化合物半導体、ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，Ｃ
ａＳｅ，Ｃｄｔｅ，ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅ，ＣｄＳなどの
II−VI族系の化合物半導体などを用いることができる。
導電性または半導電性の薄膜を表面に設ける場合でも、
上部に配置する酸化物強誘電体からなる光導波路層の膜
質にとって有利であることから、基板材料には酸化物を
用いることが好ましい。

【００９３】導電性基板と光導波路層の間にバッファ層
が存在すると、上下電極間に印加した電圧は光導波路層
とバッファ層のそれぞれの容量に従って分配され、光導
波路層に印加できる実効電圧は低下する。しかし、一定
の膜厚を有する高誘電率のバッファ層を用いることによ
り、高い実効電圧を光導波路層に印加することが可能と
なる。このためバッファ層には、光導波路層材料よりも
小さい屈折率を有し、かつ、バッファ層の比誘電率と光
導波路層の比誘電率の比が０．００２以上、望ましくは
０．００６以上であり、かつ、バッファ層自身のの比誘
電率が８以上となる酸化物を選択することが好ましい。

【００９４】また、バッファ層材料は、光導波路表面や
光導波路中の粒界などによる散乱に起因する光伝播損失
を実用レベルに低減するために、導電性基板材料と光導
波路材料とのエピタキシ関係を保持できることが必要で
ある。このエピタキシ関係を保持できる条件としては、
バッファ層材料が導電性基板材料と光導波路層材料の結
晶構造に類似で、格子定数の差が１０％以下であること
が望ましいが、エピタキシ関係を保持できれば、必ずし
もこの関係に従わなくとも良い。

【００９５】本発明で用いるバッファ層材料としては、
具体的には、ＡＢＯ₃型のペロブスカイト型酸化物で
は、正方晶、斜方晶または擬立方晶系として、例えば、
ＳｒＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃、（Ｓｒ_1-xＢａ_x）ＴｉＯ₃
（０＜ｘ＜１．０）、ＰｂＴｉＯ₃、Ｐｂ_1-xＬａ_x（Ｚ
ｒ_yＴｉ_1-y）_1-x/4Ｏ₃（０＜ｘ＜０．３、０＜ｙ＜１．
０、ｘ及びｙの値によりＰＺＴ、ＰＬＴ、ＰＬＺＴと称
される）、Ｐｂ（Ｍｇ_1/ ₃Ｎｂ_2/3）Ｏ₃、ＫＮｂＯ₃な
ど、六方晶系として例えばＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃な
どに代表される強誘電体、タングステンブロンズ型酸化
物ではＳｒ_xＢａ_1- _xＮｂ₂Ｏ₆、Ｐｂ_xＢａ_1-xＮｂ₂Ｏ₆な
ど、またこの他に、Ｂｉ₄Ｔｉ₃Ｏ₁₂、Ｐｂ₂ＫＮｂ
₅Ｏ₁₅、Ｋ₃Ｌｉ₂Ｎｂ₅Ｏ₁₅、ＺｎＯ、さらに以上の化合
物の置換誘導体より選ばれる。

【００９６】光導波路層には、高い電気光学係数を有
し、バッファ層材料よりも大きい屈折率を有する酸化物
強誘電体材料が選択される。本発明で用いる光導波路層
材料としては、具体的にはＡＢＯ₃型のペロブスカイト
型では正方晶、斜方晶または擬立方晶系として例えばＢ
ａＴｉＯ₃、ＰｂＴｉＯ₃、Ｐｂ_1-xＬａ_x（Ｚｒ_yＴ
ｉ_1-y）_1-x/4Ｏ₃（ｘ及びｙの値によりＰＺＴ、ＰＬ
Ｔ、ＰＬＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃、ＫＮｂ
Ｏ₃など、六方晶系として例えばＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａ
Ｏ ₃などに代表される強誘電体、タングステンブロンズ
型ではＳｒ_xＢａ_1-xＮｂ₂Ｏ ₆、Ｐｂ_xＢａ_1-xＮｂ₂Ｏ₆な
ど、またこのほかに、Ｂｉ₄Ｔｉ₃Ｏ₁₂、Ｐｂ₂ＫＮｂ ₅Ｏ
₁₅、Ｋ₃Ｌｉ₂Ｎｂ₅Ｏ₁₅、さらに以上の置換誘導体など
より選ばれる。

【００９７】バッファ層の膜厚と光導波路層の膜厚との
比は、伝搬損失を１ｄＢ／ｃｍ以下に低減するために
は、少なくとも０．１以上であることが好ましく、ＴＥ
₀のシングルモードでの動作を前提とする際には、０．
５以上とすることがより好ましい。また、同時に、バッ
ファ層の膜厚が１０ｎｍ以上であることが好ましい。光
導波路層の膜厚は、通常０．１μｍから１０μｍの間に
設定されるが、これは目的によって適当に選択すること
ができる。

【００９８】光導波路層の表面に、上部電極の光吸収に
よる伝搬損失を低減するためのクラッド層を設けること
ができる。例えば、図７に示すように、下部電極となる
単結晶基板３上に、表面に溝部２０が設けられたＰＺＴ
からなるエピタキシャルまたは単一配向性のバッファ層
４、ＰＺＴよりなるエビタキシャルまたは単一配向性の
光導波路層６、及びＰＺＴよりなるエビタキシャルまた
は単一配向性のクラッド層７を、この順に積層し、この
クラッド層７の表面に、Ｙ分岐部９に電圧を印加するた
めの上部電極１２、１３を設けてもよい。

【００９９】クラッド層を設ける場合には、クラッド層
材料にはバッファ層と同様のものを用いることができ
る。すなわち、光導波路層材料よりも小さい屈折率を有
し、かつクラッド層の比誘電率と前記光導波路の比誘電
率の比が０．００２以上、望ましくはクラッド層の比誘
電率と前記光導波路の比誘電率の比が０．００６以上で
あり、かつクラッド層の比誘電率が８以上である材料が
選ばれる。

【０１００】クラッド層材料については、光導波路層に
対してエピタキシ関係を保持できることは必ずしも必要
ではなく、多結晶薄膜でも良いが、光導波路材料とのエ
ピタキシ関係を保持する場合には、均一な界面を得るこ
とができ好ましい。エピタキシ関係を保持できる条件と
しては、クラッド層材料が光導波路層材料の結晶構造に
類似で、格子常数の差が１０％以下であることが望まし
いが、エピタキシ関係を保持できれば、必ずしもこの関
係に従わなくとも良い。

【０１０１】本発明で用いるクラッド層材料としては、
具体的には、ＡＢＯ₃型のペロブスカイト型酸化物で
は、正方晶、斜方晶または擬立方晶系として例えばＳｒ
ＴｉＯ ₃、ＢａＴｉＯ₃、（Ｓｒ_1-xＢａ_x）ＴｉＯ₃、Ｐ
ｂＴｉＯ₃、Ｐｂ_1-xＬａ_x（Ｚｒ _yＴｉ_1-y）_1-x/4Ｏ₃、
Ｐｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃、ＫＮｂＯ₃など、六方晶系
として例えばＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃などに代表され
る強誘電体、タングステンブロンズ型酸化物ではＳｒ_x
Ｂａ_1-xＮｂ₂Ｏ₆、Ｐｂ_xＢａ_1-xＮｂ₂Ｏ₆など、またこ
のほかに、Ｂｉ₄Ｔｉ₃Ｏ₁₂、Ｐｂ₂ＫＮｂ₅Ｏ₁₅、Ｋ₃Ｌ
ｉ₂Ｎｂ₅Ｏ₁₅、ＺｎＯさらに以上の化合物の置換誘導体
より選ばれる。

【０１０２】クラッド層の膜厚と光導波路層の膜厚との
比は、バッファ層と同様、少なくとも０．１以上である
ことが好ましく、０．５以上とすることがより好まし
い。また、同時に、クラッド層の膜厚が１０ｎｍ以上で
あることが好ましい。

【０１０３】下部電極基板、バッファ層、光導波路層、
クラッド層の材料の組み合わせとしては上記の条件を満
たす各種のものが可能であるが、その中でも、ドープし
たＳｒＴｉＯ₃単結晶半導体基板またはドープしたＳｒ
ＴｉＯ₃半導体薄膜を下部電極として設けた基板を用い
るのが好ましく、この基板材料に対して、同様のペロブ
スカイト構造を有し、格子常数の差も小さいために良好
なエピタキシャル成長が可能であり、これら基板材料の
屈折率（２．３９９）よりも屈折率が大きく、かつ、高
い電気光学係数を有し、組成比（すなわちＰｂ，Ｌａ，
Ｚｒ，Ｔｉの比）を変化させるだけで屈折率を大きく変
化させることが可能であるために、バッファ層、光導波
路層、クラッド層の各層の材料には、Ｐｂ_1-xＬａ_x（Ｚ
ｒ_yＴｉ_1-y）_1-x/4Ｏ₃を用いることが最も有効である。

【０１０４】上部電極には、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、
Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐ
ｔ、Ａｕなどの各種金属や合金、ＡｌドープＺｎＯ、Ｉ
ｎ₂Ｏ₃、ＩＴＯ、ＲｕＯ₂、ＢａＰｂＯ₃、ＳｒＲｕ
Ｏ₃、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x、ＳｒＶＯ ₃、ＬａＮｉＯ₃、Ｌ
ａ_0.5Ｓｒ_0.5ＣｏＯ₃、ＺｎＧａ₂Ｏ₄、ＣｄＧａ₂Ｏ₄、
ＣｄＧａ₂Ｏ₄、Ｍｇ₂ＴｉＯ₄、ＭｇＴｉ₂Ｏ₄などの酸化
物を用いることが可能である。クラッド層を用いる場合
には微細加工が容易な金属電極を用いることが望まし
く、クラッド層を用いない場合には酸化物電極、望まし
くは透明酸化物電極を用いることが有効である。また、
動作時間に伴って疲労やＤＣドリフトなどが生じる場合
には酸化物を用いることが有効である。

【０１０５】チャンネル光導波路を有する光スイッチ
は、その光経路の切り替え原理により、マッハツェンダ
干渉型スイッチ、方向性結合型スイッチ、全反射型スイ
ッチ、ブラッグ反射型スイッチ、及びデジタル型スイッ
チに分類される。本発明の光スイッチの設計方法は、こ
れら総てのタイプの光スイッチに適用することができ
る。

【０１０６】例えば、シングル・モードのマッハツェン
ダ干渉型の２×２光スイッチ（図９）や、シングル・モ
ードの方向性結合器型の２×２光スイッチ（図１０）に
も適用することができる。これらの光スイッチでは、下
部電極となる単結晶基板上にバッファ層４が積層され、
バッファ層４の表面には溝部２０が設けられている。こ
の溝部２０を埋めるようにバッファ層４上に光導波路層
６が積層されて、チャンネル光導波路（点線で示す）が
形成されている。光導波路層６上には、チャンネル光導
波路へ電圧を印加するための上部電極１２、１３が設け
られている。また、全反射型のスイッチ（図１１）にも
適用することができる。この光スイッチは、Ｘ交差型の
チャンネル１９を含むチャンネル光導波路を備えてお
り、Ｘ交差型のチャンネル上には、チャンネル光導波路
へ電圧を印加するための上部電極８が設けられている。

【０１０７】種々の光スイッチの中でも、デジタル型ス
イッチが、一定の電圧で光経路が切り替わった後、それ
以上の電圧を印加してもその状態を保持し、複数の動作
点が発生しないこと、動作電圧のトレランスに優れるこ
と、偏波無依存化が可能であること、波長依存性が小さ
いことなどの点から最も望ましい。

【０１０８】また、本発明の光スイッチは、例えば図８
に示すように、光導波路層の上方に凸状に形成されたチ
ャンネル光導波路を有する光スイッチとして構成するこ
とができる。この光スイッチでは、下部電極となる単結
晶基板３上に、ＰＺＴからなるエピタキシャルまたは単
一配向性のバッファ層４が積層されている。バッファ層
４上には、ＰＺＴよりなるエビタキシャルまたは単一配
向性の光導波路層６が積層され、この光導波路層６の表
面に凸部２１を設けることにより、チャンネル光導波路
が形成されている。そして、光導波路層６の表面に設け
られた凸部２１上には、Ｙ分岐部９に電圧を印加するた
めの上部電極８が設けられている。

【０１０９】チャンネル光導波路は、分岐型、交差型、
方向性結合型、マッハツェンダ干渉型、Ｓ字型、直線
型、及びＸ交差型のいずれでもよい。また、複数のタイ
プを組み合わせたチャンネル光導波路でもよい。また、
チャンネル光導波路は、埋め込み型、リッジ型、リブ型
のいずれの構造でもよいが、本発明では、基板上への薄
膜の積層によりバッファ層や光導波路層を形成するた
め、作製の容易さを考慮すると、光導波路層に凸部を設
けたチャンネル光導波路構造、光導波路層に凸部を設け
た後にクラッド層を設けるチャンネル光導波路構造、あ
るいはバッファ層に凹部を設けた後に光導波路層を設け
たチャンネル光導波路構造が好ましい。

【０１１０】本発明では、基板上への薄膜の積層により
バッファ層及び光導波路層を形成するため、チャンネル
光導波路の幅、高さ、及び深さを、容易に最適化するこ
とができる。また、湾曲方向の異なるＳ字型チャンネル
光導波路間や、Ｓ字型チャンネル光導波路と直線型チャ
ンネル光導波路との間には、必要に応じてオフセットを
設けることが好ましい。オフセットを設けることによっ
て、光伝搬損失を低下させることができる。

【０１１１】前記のバッファ層、光導波路層、クラッド
層の形成方法としては、電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸
着、イオン・プレーティング、Ｒｆ−マグネトロン・ス
パッタリング、イオン・ビーム・スパッタリング、レー
ザー・アブレーション、ＭＢＥ（分子線エピタキシ）、
ＣＶＤ（化学気相蒸着法）、プラズマＣＶＤ、ＭＯＣＶ
Ｄ（有機金属化学気相蒸着法）などより選ばれる気相エ
ピタキシャル成長法、上記気相成長によってアモルファ
ス薄膜を形成した後にこのアモルファス薄膜を加熱・結
晶化することによる固相エピタキシャル成長法、また
は、ゾルゲル法、ＭＯＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などのウエット・プロセス
により作製されたアモルファス薄膜の加熱・結晶化によ
る固相エピタキシャル成長法等の薄膜形成方法を用いる
ことができる。

【０１１２】この中でも、導波路品質及び導波路パター
ンニングの点より、固相エピタキシャル成長法によって
各層を形成することが望ましい。特に、ゾルゲル法やＭ
ＯＤ法などのウエット・プロセスにより、金属アルコキ
シドや有機金属塩などの有機金属化合物の溶液を基板に
塗布し、加熱することによってアモルファス薄膜を形成
した後に、このアモルファス薄膜を加熱・結晶化するこ
とによる固相エピタキシャル成長は、各種気相成長法と
比較して設備コストが低く、基板面内での均一性が良い
だけでなく、バッファ層、光導波路層、及びクラッド層
を形成する上で重要な屈折率の制御が、有機金属化合物
前駆体の配合組成を変えるだけで容易に、再現性良く実
現でき、光伝搬損失も低いバッファ層、光導波路層、及
びクラッド層の成長が可能であり、アモルファス薄膜の
形成工程を含むために、パターンニングにも最も適して
いる。

【０１１３】ウエット・プロセスに用いられる有機金属
化合物は、各種の金属と、有機化合物、望ましくは常圧
での沸点が８０℃以上である有機化合物との反応生成物
であり、代表的なものとして、金属アルコキシド、金属
塩が挙げられるが、これに限定されるわけではない。金
属アルコキシド化合物の有機配位子としては、Ｒ¹Ｏ−
またはＲ²ＯＲ³Ｏ−より選ばれる（式中、Ｒ¹及びＲ²は
脂肪族炭化水素基を表し、Ｒ³はエーテル結合を有して
もよい２価の脂肪族炭化水素基を表す）。このような金
属アルコキシド化合物は、金属を入れた、Ｒ¹ＯＨまた
はＲ²ＯＲ³ＯＨで表される有機溶媒中で、蒸留や還流を
行うことによって合成することができ、Ｒ¹及びＲ²の脂
肪族炭化水素基としては、炭素数１〜４のアルキル基が
好ましく、Ｒ³は、炭素数２〜４のアルキレン基、炭素
数２〜４のアルキレン基がエーテル結合によって結合し
ている全炭素数４〜８の２価の基が好ましい。

【０１１４】ウエット・プロセスでは、これらの有機金
属化合物は所定の組成にて溶媒と反応させられた後（ま
たは、溶媒中に溶解させられた後）、基板へ塗布され
る。有機金属化合物は加水分解をした後に塗布をするこ
とも可能であるが、エピタキシャル強誘電体薄膜を得る
ためには加水分解をさせないことが望ましい。さらに、
溶媒との反応または溶媒への溶解は、乾燥した窒素やア
ルゴン雰囲気中にて行うことが、得られる薄膜の品質の
点より望ましい。

【０１１５】溶媒は、常圧での沸点が８０℃以上である
アルコール類、ジケトン類、ケトン酸類、アルキルエス
テル類、オキシ酸類、オキシケトン類、及び酢酸などよ
り選択されることが好ましい。沸点が８０℃以上である
溶媒としては、具体的には、金属アルコキシドのアルコ
ール交換反応が容易なものが好ましく、例えば、（ＣＨ
₃）₂ＣＨＯＨ（沸点８２．３℃）、ＣＨ₃（Ｃ₂Ｈ₅）Ｃ
ＨＯＨ（沸点９９．５℃）、（ＣＨ₃）₂ＣＨＣＨ₂ＯＨ
（沸点１０８℃）、Ｃ₄Ｈ₉ＯＨ（沸点１１７．７℃）、
（ＣＨ₃）₂ＣＨＣ₂Ｈ₄ＯＨ（沸点１３０．５℃）、ＣＨ
₃ＯＣＨ₂ＣＨ₂ＯＨ（沸点１２４．５℃）、Ｃ₂Ｈ₅ＯＣ
Ｈ₂ＣＨ₂ＯＨ（沸点１３５℃）、Ｃ₄Ｈ₉ＯＣＨ₂ＣＨ₂Ｏ
Ｈ（沸点１７１℃）などのアルコール類が最も好ましい
が、これらに限定されるものではなく、Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ（沸
点７８．３℃）なども使用可能である。

【０１１６】有機金属化合物の溶液を単結晶基板上に塗
布する方法としては、スピンコート法、ディッピング
法、スプレー法、スクリーン印刷法、インクジェット法
等が挙げられる。これらの塗布工程は、乾燥した窒素や
アルゴン雰囲気中にて行うことが得られる薄膜の品質の
点より望ましい。

【０１１７】塗布後、必要に応じて、前処理として酸素
を含む雰囲気中、望ましくは酸素中にて、０．１〜１０
００℃／秒の昇温速度、望ましくは１〜１００℃／秒の
昇温速度で基板を加熱し、１００℃〜５００℃、望まし
くは２００℃〜４００℃の結晶化の起こらない温度範囲
で塗布層を熱分解することによりアモルファス状の薄膜
を形成する。さらに、酸素を含む雰囲気中、望ましくは
酸素中にて、１〜５００℃／秒の昇温速度、望ましくは
１０〜１００℃／秒の昇温速度で高速加熱し、５００℃
〜１２００℃、望ましくは６００℃〜９００℃の温度範
囲で加熱することにより、強誘電体薄膜を基板表面より
固相エピタキシャル成長させる。

【０１１８】このエピタキシャル結晶化においては、上
記の温度にて１秒間から２４時間、望ましくは１０秒間
から１２時間の加熱を行う。これらの酸素雰囲気として
は少なくとも一定時間乾燥した酸素雰囲気を用いること
が得られる薄膜の品質の点より望ましいが、必要に応じ
て加湿することも可能である。これらのエピタキシャル
結晶化工程においては、１回に１層の膜厚が１０ｎｍ〜
１０００ｎｍ、望ましくは１０ｎｍ〜２００ｎｍの強誘
電体薄膜を固相エピタキシャル成長することが好まし
く、膜厚さが厚い場合には数回に分けて固相エピタキシ
ャル成長を行うことが好ましい。それぞれのエピタキシ
ャル成長の後には０．０１〜１００℃／秒の冷却速度で
冷却を行なうことが好ましい。

【０１１９】上部電極は、電子ビーム蒸着、フラッシュ
蒸着、イオン・プレーティング、Ｒｆ−マグネトロン・
スパッタリング、イオン・ビーム・スパッタリング、レ
ーザー・アブレーション、ＭＢＥ、ＣＶＤ、プラズマＣ
ＶＤ、ＭＯＣＶＤなどより選ばれる気相成長法、また
は、ゾルゲル法、ＭＯＤ法などのウエット・プロセスに
より作製される。なお、上部電極の形状は、光スイッチ
の形態に応じて適宜選択され、上部電極のパターンニン
グは、ウエット・エッチング、ドライ・エッチング、及
びリフトオフから選択される方法によって行うことが可
能である。

【０１２０】チャンネル光導波路間のパターンニング
は、ウエット・エッチング、ドライ・エッチング、及び
リフト・オフから選択される方法によって行うことが可
能である。固相エピタキシャル成長法を利用して、エピ
タキシャル薄膜表面のアモルファス薄膜をエッチングす
る場合においては、各層の組成や結晶性の相違を利用し
たエッチストップが容易であり、アモルファス薄膜表面
にフォトレジスト、あるいは電子線レジストを塗布した
後、露光、エッチングすることによって、エピタキシャ
ル薄膜表面にあるアモルファス薄膜のみをパターンニン
グできる。

【０１２１】エッチングは、ＨＣｌ、ＨＮＯ₃、ＨＦ、
Ｈ₂ＳＯ₄、Ｈ₃ＰＯ₄、Ｃ₂Ｈ₂Ｏ₂、ＮＨ₄Ｆなどの水溶液
やその混合水溶液によるウエット・エッチング、ＣＣｌ
₄、ＣＣｌ₂Ｆ₂、ＣＨＣｌＦＣＦ₃などや、それらのＯ₂
との混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチン
グ、またはイオンビーム・エッチングなどのドライ・エ
ッチングなどが使用できるが、ウエット・エッチングに
よって速いエッチング速度で、容易にエッチングするこ
とが可能である。

【０１２２】即ち、エピタキシャル薄膜表面にアモルフ
ァス薄膜を形成する、固相エピタキシャル成長という手
法を採用するため、ウエット・エッチングと組み合わせ
た場合には、早いエッチング速度で、容易にエッチング
することが可能であると共に、チャンネルの深さ方向の
エッチングはエピタキシャル層表面でストップするが、
チャンネルの幅方向のエッチングはマスク下のアモルフ
ァス層がアンダー・エッチまたはサイド・エッチされる
ため、深さと幅とを別々に制御することができ好まし
い。

【０１２３】具体的には、以下の〜の方法により光
導波路層を形成するのが好ましい。

【０１２４】単結晶半導体の下部電極基板上へエピタ
キシャル・バッファ層を固相エピタキシャル成長後、エ
ピタキシャル・バッファ層となるアモルファス薄膜を形
成し、該アモルファス薄膜にウエット・エッチングによ
ってチャンネル形状の凹部を形成し、加熱による固相エ
ピタキシャル成長を行い、さらにその上部に光導波路層
を固相エピタキシャル成長する方法、下部電極基板上へエピタキシャル・バッファ層を固相
エピタキシャル成長後、エピタキシャル・バッファ層と
なるアモルファス薄膜を形成し、該アモルファス薄膜に
ウエット・エッチングによってチャンネル形状の凹部を
形成し、その上部に光導波路層となるアモルファス薄膜
を形成し、さらに加熱による固相エピタキシャル成長を
行う方法、下部電極基板上へエピタキシャル・バッファ層を固相
エピタキシャル成長後、エピタキシャル光導波路層を固
相エピタキシャル成長し、エピタキシャル光導波路層と
なるアモルファス薄膜を形成し、該アモルファス薄膜に
ウエット・エッチングによってチャンネル形状の凸部を
形成した後、加熱による固相エピタキシャル成長を行う
方法、上記した及びの光導波路層の形成方法は、Ｙ
分岐または非対称Ｘ交差におけるチャンネル光導波路の
交差部の鋭角部を理想形状に制御性良く加工でき、特に
デジタル型光スイッチの作製に好適である。また、の
光導波路層の形成方法は、チャンネル形状の凹部が形成
されたアモルファス・バッファ層とアモルファス・光導
波路層とを同時に固相エピタキシャル成長するため、バ
ッファ層の凹部が高温で酸素等に曝される時間が少なく
平滑な面が得られるため特に好ましい。

【０１２５】なお、入出射のための端面加工は、研磨、
研削、へき開、エッチングから選択される方法によって
行うことが可能である。

【０１２６】以上の通り、従来の電気光学効果を有する
チャンネル光導波路を備えた光スイッチは、チャンネル
の曲率半径が７０ｍｍ以下では、チャンネル光導波路と
その周囲との実効屈折率差の変動により放射損失が大幅
に変化する。一方、ＰＬＺＴで構成されたエピタキシャ
ルまたは単一配向性のチャンネル光導波路を備えた光ス
イッチでは、基板上へのＰＬＺＴ薄膜のエピタキシャル
成長によりバッファ層や光導波路層を形成すると共に、
フォトリソグラフィとエッチングとによりチャンネル光
導波路を形成するので、各種形状のチャンネル光導波路
を精度良く形成することができ、チャンネルの曲率半径
に応じて、実効屈折率差を正確に制御することができ
る、という特徴を有している。

【０１２７】本発明の光スイッチの設計方法では、上記
特徴に基づき、放射損失が０．１ｄＢ以下となるよう
に、チャンネルの曲率半径に応じて実効屈折率差を求
め、この実効屈折率差が得られるように光スイッチを設
計するので、放射損失が無視できるレベルの光スイッチ
を確実に得ることができる。これにより、放射損失が少
なく、曲率半径の小さなチャンネルを含むコンパクトな
光スイッチを得ることができ、ひいては大規模なマトリ
ックス光スイッチを構成することができる。

【０１２８】また、本発明の光スイッチは、高効率の電
気光学効果を有するＰＬＺＴで構成されたエピタキシャ
ルまたは単一配向性のチャンネル光導波路を備えている
ので、従来の光スイッチに比べ駆動電圧が低く、高速ス
イッチングが可能で、温度安定性に優れ、クロストーク
及び挿入損失が小さい。

【０１２９】

【発明の効果】本発明の光スイッチの設計方法によれ
ば、ＰＬＺＴで構成されたエピタキシャルまたは単一配
向性のチャンネル光導波路を備えた光スイッチを製造す
るに際し、放射損失を損なうことなく、曲率半径の小さ
なチャンネルを含むコンパクトな光スイッチを設計する
ことができる。

【０１３０】また、本発明によれば、ＰＬＺＴで構成さ
れたエピタキシャルまたは単一配向性のチャンネル光導
波路を備えた光スイッチであって、放射損失が少なく、
曲率半径の小さなチャンネルを含むコンパクトな光スイ
ッチが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＹ分岐型の１
×２光スイッチの平面図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態に係るＹ分岐型の１
×２光スイッチの断面図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態に係る光スイッチに
おける実効屈折率差及びＳ字型チャンネル光導波路の曲
率半径の関係を示す線図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態に係る１×８光スイ
ッチの平面図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態に係る１×８光スイ
ッチの分岐部の拡大図である。

【図６】本発明の第３の実施の形態にかかる８×８光ス
イッチの平面図である。

【図７】クラッド層を備えた光スイッチの断面図であ
る。

【図８】凸型チャンネル光導波路を備えた光スイッチの
断面図である。

【図９】マッハツェング干渉スイッチの平面図である。

【図１０】方向性結合器型スイッチの平面図である。

【図１１】全反射型スイッチの平面図である。

【符号の説明】

３基板４バッファ層６光導波路層７クラッド層８、１２、１３上部電極９Ｙ分岐部１０Ｓ字型チャンネル光導波路１１直線型チャンネル光導波路１４入射端面１５出射端面１６入射ポート１７、１８出射ポート１９Ｘ交差部２０溝部２１凸部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶基板上に、Ｐｂ_1-xＬａ_x（Ｚｒ_yＴ
ｉ_1-y）_1-x/4Ｏ₃（０＜ｘ＜０．３、０＜ｙ＜１．０）
で構成されたエピタキシャルまたは単一配向性のチャン
ネル光導波路が形成された光スイッチを設計する、光ス
イッチの設計方法であって、前記チャンネル光導波路が曲率半径７０ｍｍ以下のチャ
ンネルを含む場合に、該チャンネルの曲率半径に応じ
て、放射損失が１ｄＢ以下となるようにチャンネル光導
波路とその周囲との実効屈折率差を求め、該実効屈折率
差に基づいて光スイッチを設計する光スイッチの設計方
法。
【請求項２】単結晶基板上に、Ｐｂ_1-xＬａ_x（Ｚｒ_yＴ
ｉ_1-y）_1-x/4Ｏ₃（０＜ｘ＜０．３、０＜ｙ＜１．０）
で構成されたエピタキシャルまたは単一配向性のチャン
ネル光導波路が形成された光スイッチであって、前記チャンネル光導波路が曲率半径７０ｍｍ以下のチャ
ンネルを含み、該チャンネルの曲率半径に応じて、チャ
ンネル光導波路とその周囲との実効屈折率差が、放射損
失が１ｄＢ以下となるように決定されている光スイッ
チ。
【請求項３】前記実効屈折率差を０．１％以上とした請
求項３に記載の光スイッチ。