JP2000047271A - 光導波路素子およびその作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、低駆動電圧特性と低伝搬損失特性を
同時に解決できる光導波路素子構造およびその作製方法
を提供することを目的とする。 【解決手段】膜厚３００ｎｍのＳｒＴｉＯ_３バッファ層
４および膜厚３００ｎｍのＳｒＴｉＯ_３クラッド層３を
有するプリズム型ＥＯ偏向素子へ、レーザ光源９で６３
３ｎｍの波長のレーザ・ビーム６を生成し、レンズ１０
でこれを幅１ｍｍにコリメートした後、ＰＺＴ薄膜光導
波路１へ入射プリズム５を介して導入する。入射したレ
ーザ・ビーム６は下部ＮｂドープＳｒＴｉＯ_３基板電極
２とプリズム型上部Ａｌ電極７の間に電圧を印加するこ
とによりプリズム電極下の部分とそれ以外の部分におい
て異なる屈折率が発生し、レーザ・ビームが偏向され
る。偏向されたレーザ・ビーム６は端面からの出射ビー
ム８として出射される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路と、この
光導波路内に入射されたレーザ・ビームを電気光学効果
によって偏向、スイッチング、あるいは変調するための
電極が備えられた光導波路素子およびその作製方法に関
する。本発明は特に、レーザ・プリンタ、デジタル複写
機、ファクシミリ用の光偏向素子、光通信や光コンピュ
ータ用の光スイッチおよび光変調素子、光ディスク用の
ピックアップなどを含むオプト・エレクトロニクス全般
に適用可能な光導波路素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ・ビーム・プリンタ、デジタル複
写機、ファクシミリなどに用いられるレーザ・ビーム光
偏向装置として、気体レーザや半導体レーザからのビー
ムをを偏向するポリゴンミラーと呼ばれる回転多面鏡
と、その回転多面鏡により反射されたレーザ・ビームを
感光体などの結像面上において、等速度直線運動の状態
に集光するｆθレンズとで構成されたものが代表的に用
いられている。このようなポリゴンミラーを用いる光偏
向装置はポリゴンミラーをモータによって高速回転させ
るために耐久性に問題があるとともに騒音が発生し、ま
た光走査速度がモータの回転数によって制限される問題
がある。

【０００３】一方、固体型のレーザ・ビーム光偏向装置
としては、音響光学効果を利用した光偏向素子があり、
なかでも光導波路型素子が期待されている。この光導波
路素子はポリゴンミラーを用いたレーザ・ビーム光走査
装置の欠点を解決するレーザ・ビーム光走査素子とし
て、プリンタなどへの応用が検討されている。この光導
波路型の光偏向素子は、ＬｉＮｂＯ_３やＺｎＯなどより
なる光導波路と、この光導波路内にレーザ光ビームをカ
ップリング（入射）させる手段を有し、さらに光導波路
中の光ビームを音響光学効果により偏向するための表面
弾性波を励起するくし形の電極と偏向された光ビームを
光導波路中よりアウトプットするための手段が備えられ
たものであり、このほかに必要に応じて薄膜レンズなど
が素子へ付加される。しかしながら、音響光学効果を利
用した光偏向素子は一般に偏向速度限界によるレーザ偏
向速度の上限の問題があり、レーザ・プリンタ、デジタ
ル複写機、ファクシミリなどの画像形成装置への応用に
は限界が存在する。

【０００４】これに対して、音響光学効果と比較して変
調速度の速い電気光学効果を有する酸化物強誘電体材料
を用いた、例えば「A.Yariv,Optical Electronics,4th
ed.(New York,Rinehart and Winston,1991)３３６〜３
３９頁」等に解説されたプリズム型光偏向素子が知られ
ている。このような、素子としてはセラミックや単結晶
を用いたバルク素子があるが、寸法が大きく、また、駆
動電圧がかなり高いために実用的な偏向角度を得ること
ができなかった。また、Ｔｉ拡散型光導波路やプロトン
交換型光導波路を作製したＬｉＮｂＯ_３単結晶ウエハー
を用いてカスケード型にプリズムを配したプリズム型ド
メイン反転光偏向素子またはプリズム型電極光偏向素子
が「Q.Chen,et al.,J.Lightwave Tech.vol.12(1994)１
４０１頁」（文献１）や特開平１−２４８１４１号公報
などに示されている。しかし、ＬｉＮｂＯ_３単結晶ウエ
ハの厚さである０．５ｍｍ程度の電極間隔が必要となる
ために依然として駆動電圧が高く、上記の文献１では±
６００Ｖの駆動電圧でもわずか０．２度程度の偏向角度
しか得られておらず、実用的な偏向角度を得ることはで
きないという問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】これに対して、本発明
者達は導電性基板上に設けられた電気光学効果を有する
酸化物光導波路と、この光導波路内に光ビームを入射さ
せる光源を有し、光導波路上には光導波路よりも小さい
屈折率を有する酸化物電極、あるいは光導波路よりも小
さい屈折率を有するクラッド層を介して電極が設けら
れ、さらに光導波路中の光ビームを電気光学効果によっ
て偏向するための電極が備えられた薄膜光導波路を用
い、駆動電圧の問題を解決したプリズム型光偏向素子を
発明し、これを特開平９−５７９７号公報に開示した。

【０００６】しかし、光導波路を伝搬するレーザ光の電
磁界分布は基板への染みだしが起こる。実用的な抵抗率
を有する基板の吸収係数は大きく、多くの場合には染み
だし成分は導電性基板中のキャリアによって強く吸収さ
れるため、薄膜光導波路中の伝搬損失は光導波路自体の
散乱による損失に加えて、吸収により数十ｄＢ／ｃｍと
なり、実用には不十分であるという問題があった。ま
た、上部電極に酸化物を用いた場合には透明性が十分で
ないためにやはり伝搬損失が増加したり、金属と比べて
微細加工が容易でないなどの問題があった。

【０００７】一般に、コプレーナ型電極配置を有する素
子において、光導波路上の金属電極と光導波路間にはＳ
ｉＯ_２によるクラッド層が挿入され、金属電極への電磁
界の染みだしを防ぎ、伝搬光の吸収を回避する方法がと
られている。そこで、それと同様にクラッド層を導入
し、金属電極を用いると金属電極への電磁界の染みだし
を防ぎ、伝搬光の吸収を回避することが可能となるが、
電気光学効果を有する酸化物光導波路材料の比誘電率は
数十から数千におよび、ＳｉＯ_２の比誘電率３．９と比
べると極めて大きく、さらに、上記の導電性基板上の薄
膜光導波路構造においては等価回路として直列コンデン
サを形成するため、薄膜光導波路にかかる実効電圧は印
加電圧に対して数％以下にしかならず、結局駆動電圧の
大幅な増加を招くこととなってしまう問題があった。

【０００８】一方、シリコン基板上にスピネル層を形成
し、その上にＰＬＺＴバッファ層と、さらにその上にバ
ッファ層よりも屈折率の大きいＰＬＺＴ光導波路層を設
けた構造により低電圧で駆動する素子を提供する方法が
特公平６−７０６９３号公報に示されている。しかし、
スピネル層の比誘電率はＰＬＺＴ薄膜の２０００近くに
達する比誘電率と比較して８程度と小さいため、スピネ
ル層を１０ｎｍ程度の極薄膜にしなければ駆動電圧が大
幅に増加してしまうという問題を生じる。また、このよ
うな極薄膜スピネル層の上にＰＬＺＴ薄膜を成長させる
とＰＬＺＴ薄膜の結晶性の低下やＰｂのＳｉ基板への拡
散などが起こる問題も生じる。さらに、シリコンの屈折
率が３．４５と大きいため、屈折率が２．６前後である
ＰＬＺＴによって光導波路層とそれより低い屈折率を有
するバッファ層の構造を設けても、屈折率が１．７５で
あるスピネル層を１０ｎｍより１桁以上厚くしなければ
光はシリコン基板にリークし、実際にはＰＬＺＴ光導波
路層における光減衰が極めて大きくなってしまう問題も
生じる。

【０００９】そのほかに、シリコン基板上にスピネルや
ＭｇＯなどのエピタキシャル層を形成し、その上にＲｕ
Ｏ_２、ＯｓＯ_２、ＩｒＯ_２、ＲｅＯ_３などのエピタキシ
ャル導電性酸化物層と、さらにその上にＰＬＺＴなどの
光導波路層を設けた構造も特公平６−８８８７５号公報
に示されている。しかし、この構造ではスピネルやＭｇ
Ｏなどの層と導電性酸化物層の格子整合性、および導電
性酸化物層とＰＬＺＴなどの光導波路層の格子整合性が
低く、散乱による光伝搬損失を少なくすることが可能な
結晶性を有するエピタキシャル薄膜の成長が困難である
という問題を生じる。また、ＲｕＯ_２、ＯｓＯ_２、Ｉｒ
Ｏ_２、ＲｅＯ_３などのエピタキシャル導電性酸化物はい
ずれも不透明であるために、光導波路品質の結晶性を有
するエピタキシャル成長が達成されても実際には光伝搬
損失が極めて大きくなる問題がある。従って、低駆動電
圧特性と低光伝播損失特性とを両立する構造が必要であ
った。

【００１０】本発明の目的は、光導波路素子において、
低駆動電圧特性と低伝搬損失特性を同時に解決できる構
造およびその作製方法を提供することにある。また、本
発明の目的は、光導波路素子を各種の偏向素子、スイッ
チング素子、あるいは変調素子へ利用可能とすることで
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、導電性
または半導電性の下部電極となる単結晶基板と、単結晶
基板表面に形成されたエピタキシャルまたは単一配向性
のバッファ層と、バッファ層上に形成されたエピタキシ
ャルまたは単一配向性の強誘電体薄膜の光導波路と、光
導波路上に形成されたクラッド層と、クラッド層上に形
成された上部電極となる金属薄膜とを備えたことを特徴
とする光導波路素子によって達成される。本発明の光導
波路素子は上部電極と下部電極との間に電圧を印加する
ことにより、光導波路に入射する光ビームを変調、スイ
ッチング、または偏向することができる。ここで、単一
配向性とは、薄膜のＸ線回折パターンにおいて基板面に
平行な特定の結晶面の強度が他の結晶面の強度に対して
１％以下である場合を指し、エピタキシャルとは単一配
向性の薄膜がさらに基板の面内方向にも単一配向性を有
している場合を指す。

【００１２】本発明の光導波路素子において、下部電極
基板として導電性または半導電性の単結晶基板、あるい
は基板とバッファ層の間に設けた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として用いる
ことが可能な材料は、ＮｂなどをドープしたＳｒＴｉＯ
_３、ＡｌドープＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＲｕＯ_２、ＢａＰ
ｂＯ_３、ＳｒＲｕＯ_３、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ、Ｓｒ
ＶＯ_３、ＬａＮｉＯ_３、Ｌａ_０．５Ｓｒ_０．５Ｃｏ
Ｏ_３、ＺｎＧａ_２Ｏ_４、ＣｄＧａ_２Ｏ_４、ＣｄＧａ _２Ｏ
_４、Ｍｇ_２ＴｉＯ_４、ＭｇＴｉ_２Ｏ_４などの酸化物、Ｓ
ｉ、Ｇｅ、ダイア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系の化合物半導体、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、Ｃ
ａＳｅ、Ｃｄｔｅ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＣｄＳなどの
ＩＩ−ＶＩ系の化合物半導体、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａ
ｕ、Ａｇなどの金属などを用いることができる。

【００１３】このうち、下部電極の上部に配置する酸化
物薄膜光導波路の膜質を考えると、下部電極には酸化物
を用いることが望ましい。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、強誘電体薄膜の
結晶構造、および偏向速度、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。また、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、抵抗率とし
ては１０^８Ω・ｃｍ以下、望ましくは１０^６Ω・ｃｍ以
下がＲＣ時定数の点より有効である。しかし、電圧降下
が無視できる程度の抵抗率であれば下部電極として利用
可能である。屈折率としては、通常の光導波路材料より
も高い、例えば３．４５と大きな屈折率を有するシリコ
ン基板を用いる場合には、基板への光のリークを阻止す
るためにバッファ層の膜厚をかなり厚くする必要が生じ
るため、光導波路材料よりも低い屈折率を有することが
バッファ層の厚さを低減し、低電圧駆動化するために望
ましい。

【００１４】基板と光導波路との間に設けた導電性また
は半導電性のエピタキシャルまたは単一配向性の薄膜の
基板として用いることが可能な材料は、ＳｒＴｉＯ_３、
ＢａＴｉＯ_３、ＢａＺｒＯ_３、ＬａＡｌＯ_３、Ｚｒ
Ｏ_２、Ｙ_２Ｏ_３８％−ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ
_４、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＯ
などの酸化物、Ｓｉ、Ｇｅ、ダイア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系の化合物半導体、ＺｎＳ、ＺｎＳ
ｅ、ＺｎＴｅ、ＣａＳｅ、Ｃｄｔｅ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴ
ｅ、ＣｄＳなどのＩＩ−ＶＩ系の化合物半導体などを用
いることができる。このうち、基板の上部に配置する酸
化物薄膜光導波路の膜質にとって有利な材料は酸化物で
ある。

【００１５】バッファ層は薄膜光導波路材料よりも小さ
い屈折率を有し、かつバッファ層の比誘電率と光導波路
の比誘電率の比が０．００２以上、望ましくはバッファ
層の比誘電率と光導波路の比誘電率の比が０．００６以
上であり、かつバッファ層の比誘電率が８以上である材
料が選ばれる。また、バッファ層材料は導電性基板材料
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、必ずしもこの関係に従わなくともエ
ピタキシ関係を保持できればよい。

【００１６】具体的には、ＡＢＯ_３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ＳｒＴｉＯ_３、ＢａＴｉＯ_３、（Ｓｒ_１−ｘＢａ
_ｘ）ＴｉＯ_３（０＜ｘ＜１．０）、ＰｂＴｉＯ_３、Ｐｂ
_１−ｘＬａ_ｘ（Ｚｒ_ｙＴｉ_{１ −ｙ}）_{１−ｘ／４}Ｏ_３（０
＜ｘ＜０．３、０＜ｙ＜１．０、ｘおよびｙの値により
ＰＺＴ、ＰＬＴ、ＰＬＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ
_２／３）Ｏ_３、ＫＮｂＯ _３など、六方晶系として例えば
ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３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−ｘＮｂ_２Ｏ_６、Ｐｂ _ｘＢａ_１−ｘＮｂ_２Ｏ_６など、
またこのほかに、Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２、Ｐｂ_２ＫＮｂ_５
Ｏ_１５、Ｋ_３Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ_１５、ＺｎＯさらに以上の
置換誘導体より選ばれる。バッファ層の膜厚と光導波路
の膜厚の比は０．１以上、望ましくは０．５以上であ
り、かつバッファ層の膜厚が１０ｎｍ以上であることが
有効である。

【００１７】薄膜光導波路材料としては酸化物から選択
され、具体的にはＡＢＯ_３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ＢａＴｉＯ
_３、ＰｂＴｉＯ_３、Ｐｂ_１−ｘＬａ_ｘ（Ｚｒ_ｙＴｉ
_１−ｙ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３（ｘおよびｙの値によりＰＺ
Ｔ、ＰＬＴ、ＰＬＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎ
ｂ_２／３）Ｏ _３、ＫＮｂＯ_３など、六方晶系として例え
ばＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_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−ｘＮｂ
_２Ｏ_６、Ｐｂ_ｘＢａ_１−ｘＮｂ_２Ｏ_６など、またこのほ
かに、Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２、Ｐｂ_２ＫＮｂ_５Ｏ_１５、Ｋ
_３Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ_１５、さらに以上の置換誘導体などよ
り選ばれる。薄膜光導波路の膜厚は通常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。

【００１８】クラッド層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、薄膜光導波路材料よりも
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。クラッド層材料については
光導波路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、均一な界面
を得る必要がある場合には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、クラッド層材料が薄膜光
導波路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、必ずしもこの関係に従わ
なくともエピタキシ関係を保持できれば良い。

【００１９】具体的には、ＡＢＯ_３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ＳｒＴｉＯ_３、ＢａＴｉＯ_３、（Ｓｒ_１−ｘＢａ
_ｘ）ＴｉＯ_３（０＜ｘ＜１．０）、ＰｂＴｉＯ_３、Ｐｂ
_１−ｘＬａ_ｘ（Ｚｒ_ｙＴｉ_{１ −ｙ）１−ｘ／４}Ｏ_３（０
＜ｘ＜０．３、０＜ｙ＜１．０、ｘおよびｙの値により
ＰＺＴ、ＰＬＴ、ＰＬＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ
_２／３）Ｏ_３、ＫＮｂＯ _３など、六方晶系として例えば
ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３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−ｘＮｂ_２Ｏ_６、Ｐｂ _ｘＢａ_１−ｘＮｂ_２Ｏ_６など、
またこのほかに、Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２、Ｐｂ_２ＫＮｂ_５
Ｏ_１５、Ｋ_３Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ_１５、ＺｎＯさらに以上の
置換誘導体より選ばれる。クラッド層の膜厚と前記光導
波路の膜厚の比は０．１以上、望ましくは０．５以上で
あり、かつクラッド層の膜厚が１０ｎｍ以上であること
が有効である。

【００２０】上部電極はＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃ
ｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、
Ａｕなどの各種金属電極や合金を用いることが可能であ
る。前記のクラッド層、薄膜光導波路、およびバッファ
層は、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・アブレーショ
ン、ＭＢＥ、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、ＭＯＣＶＤなど
より選ばれる気相成長法およびゾルゲル法、ＭＯＤ法な
どのウエット・プロセスにより作製された薄膜の固相成
長法によって作製される。

【００２１】このうちゾルゲル法やＭＯＤ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
どの金属有機化合物の溶液を基板に塗布し、さらに焼成
することによってバッファ層、薄膜光導波路、およびク
ラッド層を固相エピタキシャル成長することが最も有効
である。これらの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、および
クラッド層の構造制御にとって重要な屈折率の制御が、
バッファ層、光導波路層、およびクラッド層に必用な屈
折率を有する薄膜組成に応じて金属有機化合物前駆体の
組成を配合するだけで容易に、再現性良く実現でき、さ
らに光伝搬損失も低いバッファ層、光導波路層、および
クラッド層の成長が可能である。

【００２２】ゾルゲル法やＭＯＤ法などを用いた固相エ
ピタキシャル成長において、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°Ｃ
以上である有機化合物との反応生成物である金属アルコ
キシドまたは金属塩より選ばれるがこれに限られるわけ
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、Ｒ_１Ｏ−またはＲ_２ＯＲ_３Ｏ−より選ばれる（式
中、Ｒ_１およびＲ_２は脂肪族炭化水素基を表し、Ｒ_３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）。これらの原料は所定の組成にて望ましくは常圧
での沸点が８０°Ｃ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ばれた溶媒と反応さ
れ、または溶媒中に溶解されたのち、基板への塗布をさ
れる。これら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しないことが望ましい。さ
らに、これらの反応工程は、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。

【００２３】金属アルコキシド化合物はＲ_１ＯＨまたは
Ｒ_２ＯＲ_３ＯＨで表される有機溶媒中で蒸留や還流によ
って合成することができ、Ｒ_１およびＲ_２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、Ｒ_３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。沸点が８０°Ｃ
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例えば（ＣＨ_３） _２ＣＨ
ＯＨ（沸点８２．３°Ｃ）、ＣＨ_３（Ｃ_２Ｈ_５）ＣＨＯ
Ｈ（沸点９９．５°Ｃ）、（ＣＨ_３）_２ＣＨＣＨ_２ＯＨ
（沸点１０８°Ｃ）、Ｃ_４Ｈ_９ＯＨ（沸点１１７．７°
Ｃ）、（ＣＨ_３）_２ＣＨＣ_２Ｈ_４ＯＨ（沸点１３０．５
°Ｃ）、ＣＨ_３ＯＣＨ_２ＣＨ_２ＯＨ（沸点１２４．５°
Ｃ）、Ｃ_２Ｈ_５ＯＣＨ_２ＣＨ_２ＯＨ（沸点１３５°
Ｃ）、Ｃ_４Ｈ_９ＯＣＨ_２ＣＨ_２ＯＨ（沸点１７１°Ｃ）
などのアルコール類が最も望ましいが、これらに限定さ
れるものではなくＣ_２Ｈ_５ＯＨ（沸点７８．３°Ｃ）な
ども使用可能である。

【００２４】この溶液を単結晶基板上にスピンコート
法、ディッピング法、スプレー法、スクリーン印刷法、
インクジェット法より選ばれた方法にて塗布する。これ
らの塗布の工程は、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。

【００２５】この後、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°Ｃ／秒の昇温速度、望ましくは１〜１００°Ｃ／
秒の昇温速度で基板を加熱し、１００°Ｃ〜５００°
Ｃ、望ましくは２００°Ｃ〜４００°Ｃ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、１０〜５００°Ｃ／秒の昇
温速度、望ましくは２０〜１００°Ｃ／秒の昇温速度で
高速加熱し、６５０°Ｃ〜１２００°Ｃ、望ましくは７
００°Ｃ〜９００°Ｃの温度範囲で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。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２
４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、一
層の膜厚が１０ｎｍから１０００ｎｍ、望ましくは膜厚
５０ｎｍから２００ｎｍの強誘電体薄膜層を単結晶基板
上に固相エピタキシャル成長することを一回以上行う。
それぞれのエピタキシャル成長の後には０．０１〜１０
０°Ｃ／秒の冷却速度で冷却を行なう。

【００２６】次に、本発明の光導波路素子の基本原理に
ついて図１乃至図１３を用いて詳細に説明する。本発明
の光導波路素子に用いられるスラブ型光導波路の一般的
な形態を図１および図２に示す。ここで、光は導波路１
１をｚ方向に進行する。導波路１１はｎ _１、ε_１で示さ
れる屈折率・比誘電率を有しており、ｎ_２、ε_２で示さ
れる屈折率および比誘電率を有する媒質１２及びｎ_３、
ε_３で示される屈折率および比誘電率を有する媒質１３
に挟まれている。また、図１において、ｘ方向はこれら
の媒質１２、１３、および光導波路１１の表面に垂直な
方向であり、ｙ方向はｘ方向およびｚ方向と垂直な方向
と定義する。図２に示すように、媒質１３と光導波路１
１との境界の座標をｘ＝０とし、光導波路１１の厚さを
ｄと仮定する。

【００２７】このときに、ｚ方向にｅｘｐｊ［ωｔ−β
ｚ］で伝搬する光波の波動方程式は次のようになる。

【００２８】 δ^２（Ｅ_ｚ，Ｈ_ｚ）／δ_ｘ ^２＋δ^２（Ｅ_ｚ，Ｈ_ｚ）／δ_ｙ ^２＋χ_ｉ ^２（Ｅ_ｚ， Ｈ_ｚ）／δ_ｚ ^２＝０ ・・・［１］ （χ_ｉ ^２＝ｋ_ｉ ^２−β^２、ｋ_ｉ ^２＝ω^２μ_０ε_ｉ＝ｋ_０ ^２ｎ_ｉ ^２、ｉ＝１，２ ，３） ここで、ωは光波の角周波数、μ_０は真空の透磁率、ｊ
は虚数、βは伝搬定数である。

【００２９】ｙ方向に電磁界が一様であるとすれば、ｅ
ｘｐｊ［ωｔ−βｚ］を省いて、Ｅ _ｚ，Ｈ_ｚ∝Ｆ（ｘ）
とおくことによって、［１］式は次のような波動方程式
となる。 ｄ^２Ｆ（ｘ）／ｄ_ｙ ^２＋χ_ｉ ^２Ｆ（ｘ）＝０ ・・・［２］

【００３０】従って、すべての電磁界成分は指数関数ま
たは三角関数で表されることになり、一方向に一様な電
磁界はＴＥモード（Ｅ_ｚ＝０）とＴＭモード（Ｈ_ｚ＝
０）として表され、電磁界成分は次のようになる。

【００３１】ここで、ＴＥモードについて、媒質１２の
領域（以下、ＩＩ領域という）および媒質１３の領域
（以下、ＩＩＩ領域という）での電界は、｜ｘ｜＝∞で
０でなければならないから、 ＩＩＩ領域：Ｅ_ｙ３＝Ｅ_３ｅｘｐ（−γ_３ｘ）、ｘ＞０ ・・・［３］ Ｉ領域：Ｅ_ｙ１＝Ｅ_１ｃｏｓ（ｋ_ｘｘ＋φ_３）、−ｄ＜ｘ＜０ ・・ ・［４］ ＩＩ領域：Ｅ_ｙ２＝Ｅ_２ｅｘｐ｛γ_２（ｘ＋ｄ）｝、ｘ＜−ｄ ・・・ ［５］ となり、電界は基板へ染みだすことがわかる。なお、光
導波路１１の領域がＩ領域である。ここで、 γ_３＝ｋ_０（Ｎ^２−ｎ_３ ^２）^０．５ ・・・［６］ ｋ_ｘ＝ｋ_０（ｎ_１ ^２−Ｎ^２）^０．５ ・・・［７］ γ_２＝ｋ_０（Ｎ^２−ｎ_２ ^２）^０．５ ・・・［８］ また、ｘ＝０において電界成分Ｅ_ｙとＨ_ｚが連続である
境界条件より、 Ｅ_３＝Ｅ_１ｃｏｓφ_３ ・・・［９］ ｔａｎφ_３＝γ_３／ｋ_ｘ ・・・［１０］ ｘ＝−ｄにおいても同様であるから境界条件を適用し
て、 Ｅ_２＝Ｅ_１ｃｏｓ（ｋ_ｘｄ−φ_３） ・・・［１１］ ｔａｎ（ｋ_ｘｄ−φ_３）＝γ_２／ｋ_ｘ ・・・［１２］ これらの関係より、

【００３２】ｋ_ｘｄ＝（ｍ＋１）π−ｔａｎ^−１（ｋ_ｘ
／γ_２）−ｔａｎ^−１（ｋ_ｘ／γ_３） ・・・［１
３］

【００３３】ここで、ｍはモード・ナンバー（ｍ＝０，
１，２，．．．．．）である。このような解析的方法に
よって電磁界分布を求める以外に、ＦＤＭ(Finite Diff
erence Method)によって電磁界分布を求めることもでき
る。

【００３４】ここで、図３は抵抗率０．０５Ω・ｃｍ、
吸収係数α＝１７４を有する、ＮｂドープＳｒＴｉＯ_３
導電性基板上（ｎ_２＝２．４０）に６００ｎｍの厚さの
ＰＺＴ（５２／４８）薄膜光導波路（ｎ_１＝２．５６）
が設けられた構造における、波長６３３ｎｍでのＴＥ_０
モードの強度分布の模式図を示す。計算値は全光強度の
３．６％が基板（図１における媒質１２に相当するも
の）へ染みだすことを示した。この際、基板の光吸収に
より光導波路中の光伝搬にともない基板へ染みだした成
分が吸収され、伝搬損失となる。光強度は式［３］、
［４］、［５］で表される振幅の２乗であり、基板中の
強度の割合Ｉ_ｓ／Ｉ_０はＩ、ＩＩ、ＩＩＩの各領域の積
分値の和に対するＩＩの領域の積分値として次のように
なる。

【００３５】

【数１】

【００３６】このとき光導波路表面や光導波路中の粒界
などによる散乱、および光導波路自身の吸収による損失
に加えて、基板吸収によって生じる伝搬損失は次のよう
に表される。 −１０・ｌｏｇ（Ｉ／Ｉ_ｉｎ）＝（１０^{−α・δ・ｚ}） ・・・［１５］

【００３７】この伝搬損失は光導波路の膜厚に依存し、
光導波路膜厚が厚いほうが電界の光導波路中での閉じ込
めが強くなり、基板へ染みだす割合が少なくなるために
伝搬損失は図４に示すように小さくなる。

【００３８】ここで図５を用いて本発明の原理を定性的
に説明する。図５に示すように、染みだしの生じている
基板の領域の厚さ分を吸収のないノンドープＳｒＴｉＯ
_３バッファ層１４で置き換えればＮｂドープＳｒＴｉＯ
_３導電性基板による吸収はなくなり、伝搬損失の低減が
可能となる。このときの光導波路１１、バッファ層１
４、基板１２の材料、物理特性、および厚さを表１に示
す。

【００３９】

【表１】

【００４０】バッファ層がこのように薄膜光導波路と導
電性基板の隔離層として機能するためには、一般に、バ
ッファ層材料の屈折率が薄膜光導波路材料の屈折率より
も小さいことが必要である。また、バッファ層材料は導
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、必ずしもこの関係に従
わなくともエピタキシ関係を保持できる場合がある。表
１のノンドープＳｒＴｉＯ_３バッファ層の例では、Ｎｂ
ドープＳｒＴｉＯ_３導電性基板とＰＺＴ（５２／４８）
薄膜光導波路と同様のペロブスカイト構造を有し、格子
常数の差はＮｂドープＳｒＴｉＯ_３導電性基板に対して
は０％、ＰＺＴ（５２／４８）薄膜光導波路に対しては
３％を有する。

【００４１】図５及び表１によって説明される構造にお
けるバッファ層膜厚と基板吸収による伝搬損失の関係を
図６に示す。これによれば、バッファ層膜厚がゼロの
（バッファ層がない）場合の伝搬損失は６２．９ｄＢ／
ｃｍにもなるが、膜厚３００ｎｍの膜厚のバッファ層を
光導波路と基板との間に挿入すると伝搬損失はわずか
０．６ｄＢ／ｃｍにまで低減できることが示される。

【００４２】図７には各波長におけるＰＺＴ（５２／４
８）薄膜光導波路／ノンドープＳｒＴｉＯ_３バッファ層
／ＮｂドープＳｒＴｉＯ_３基板構造における、基板吸収
による伝搬損失が１ｄＢ／ｃｍとなる光導波路膜厚とバ
ッファ層膜厚の関係を示す。この図からわかるように、
一般に、波長が長いほうが屈折率の波長分散による低下
と実効屈折率の低下とにより電界の光導波路中での閉じ
込めが弱くなり、基板への染みだしが多くなる。しか
し、バッファ層の膜厚を適切に選択することによって伝
搬損失を小さくすることができることがわかる。バッフ
ァ層と光導波路の膜厚比は伝搬損失を１ｄＢ／ｃｍ以下
に低減するために少なくとも０．１以上が必要である。
また、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以上とすることが適切である。バッファ層と
光導波路の膜厚比の上限としては、光導波路のＴＥ_０モ
ードのカットオフ膜厚において最大となり、一般に１０
程度となる。

【００４３】次に、図８はＮｂ０．００５％ドープＳｒ
ＴｉＯ_３透明導電性基板１２上（ｎ２＝２．４０）に６
００ｎｍの厚さのＰＺＴ（５２／４８）薄膜光導波路１
１（ｎ１＝２．５６）が設けられ、さらにその上に上部
Ａｌ電極１７が設けられた構造における、波長６３３ｎ
ｍにおけるＴＥ_０モードの強度分布の模式図を示す。こ
の際、薄膜光導波路中の光の振動数がＡｌ電極のプラズ
マ振動数を越えると、光伝搬にともないＡｌ電極１７中
へ染みだした成分がＡｌ中のキャリアによって強く吸収
され、伝搬損失となる。このとき光導波路表面や光導波
路中の粒界などによる散乱、および光導波路自身の吸収
による損失に加えて、金属電極吸収によって生じる伝搬
損失は光導波路１１の膜厚に依存し、光導波路膜厚が厚
いほうが電界の光導波路中での閉じ込めが強くなり、基
板へ染みだす割合が少なくなるために伝搬損失は図９に
示すように小さくなる。

【００４４】しかし、この染みだしの起こる領域を図１
０および表２のように吸収のないＳｒＴｉＯ_３クラッド
層１３で置き換えれば上部Ａｌ電極１７による吸収はな
くなり、伝搬損失の低減が可能となる。クラッド層１３
がこのように薄膜光導波路１１と金属電極１７の隔離層
として機能するためには、一般に、クラッド層材料の屈
折率が薄膜光導波路材料の屈折率よりも小さいことが必
要である。

【００４５】

【表２】

【００４６】一方、導電性基板と薄膜光導波路の間にバ
ッファ層が存在すると、上下電極間に印加した電圧は薄
膜光導波路とバッファ層のそれぞれの容量に従って分配
され、薄膜光導波路に実際に印加される実効電圧は低下
する。図１１に光導波路／バッファ層／基板の等価回路
を示す。この等価回路は薄膜光導波路の容量Ｃ_ｗとバッ
ファ層の容量Ｃ_ｂからなる直列回路で表され、これらの
容量と等価回路全体の容量Ｃ_０との関係は次のようにな
る。 １／Ｃ_０＝１／Ｃ_ｗ＋１／Ｃ_ｂ＝（Ｃ_ｗ＋Ｃ_ｂ）／（Ｃ_ｗ・Ｃ_ｂ） ・・ ・［１６］ 電荷Ｑは同じなので、 Ｑ＝Ｃ_０Ｖ_０＝Ｃ_ｗＶ_ｗ ・・・［１７］ （（Ｃ_ｗ・Ｃ_ｂ）／（Ｃ_ｗ＋Ｃ_ｂ））・Ｖ_０＝Ｃ_ｗＶ_ｗ ・・・［１８］ 従って、薄膜光導波路に印加される実効電圧Ｖ_ｗは、薄
膜光導波路の比誘電率をε_ｗ、膜厚をｄ_ｗ、バッファ層
の比誘電率をε_ｂ、膜厚をｄ_ｂとすると次式のようにな
る。

【００４７】 Ｖ_ｗ＝（Ｃ_ｂ／（Ｃ_ｗ＋Ｃ_ｂ））・Ｖ_０＝（ε_ｂｄ_ｗ／（ε_ｗｄ_ｂ＋ε_ｂｄ_ｗ ））・Ｖ_０ ・・・［１９］

【００４８】ＮｂドープＳｒＴｉＯ_３基板上（ε_ｓ＝３
００）に６００ｎｍの厚さのＰＺＴ薄膜光導波路（ε_ｗ
＝９００）が設けられた場合に、基板と同じ屈折率と比
誘電率を有する３００ｎｍの厚さのＳｒＴｉＯ_３バッフ
ァ層（ε_ｂ＝３００）を設けた場合には、

【００４９】 Ｖ_ｗ＝ε_ｂｄ_ｗ／（ε_ｗｄ_ｂ＋ε_ｂｄ_ｗ）・Ｖ_０＝３００×６００／（９００ ×３００＋３００×６００）・Ｖ_０＝０．４０Ｖ_０

【００５０】と印加電圧Ｖ_０の４０％を実効電圧Ｖ_ｗと
して光導波路に印加可能となる。［１９］式は、さらに
下記のように変形できる。

【００５１】 Ｖ_ｗ／Ｖ_０＝（ε_ｂ／ε_ｗ）／｛（ｄ_ｂ／ｄ_ｗ）＋（ε_ｂ／ε_ｗ）｝＝１／｛ （ｄ_ｂ／ｄ_ｗ）／（ε_ｂ／ε_ｗ）＋１｝

【００５２】 １／（Ｖ_ｗ／Ｖ_０）＝（ｄ_ｂ／ｄ_ｗ）／（ε_ｂ／ε_ｗ）＋１ ε_ｂ／ε_ｗ＝（ｄ_ｂ／ｄ_ｗ）／｛１／（Ｖ_ｗ／Ｖ_０）−１｝ ・・・［２ ０］

【００５３】ｄ_ｂ／ｄ_ｗとε_ｂ／ε_ｗの関係を０．０２
≦Ｖ_ｗ／Ｖ_０≦０．４及び０．４≦Ｖ_ｗ／Ｖ_０≦０．９
の範囲の値についてそれぞれ図１２および図１３に示
す。本発明においてはｄ_ｂ／ｄ_ｗは０．１以上であるの
で、Ｖ_ｗ／Ｖ_０が０．０２以上の値となるε_ｂ／ε_ｗは
図９より０．００２以上となる。また、Ｖ_ｗ／Ｖ_０が
０．１以上となることが望ましいとすれば、ε_ｂ／ε_ｗ
としては０．００６以上が望ましいことになる。ε_ｂ／
ε_ｗの上限としては、バッファ層と薄膜光導波路に用い
ることができる材料の組合せで決まり、１０程度とな
る。光導波路を構成する材料の比誘電率は４０００に達
するものがあるため、ε_ｂ／ε_ｗとして０．００２以上
という条件を具備すべきことを考慮すると、バッファ層
の比誘電率ε_ｂは８以上の値を有することが望ましい。

【００５４】バッファ層と薄膜光導波路に用いることが
できる材料の組合せは、実効電圧が印加電圧の１％以下
となる条件では、導電性基板上に電気光学効果を有する
エピタキシャル光導波路を設け、駆動電圧を大幅に低減
する目的に対し有効ではなくなる。すなわち、実効電圧
が印加電圧の２％以下となる条件ではバッファ層を有す
る膜厚１．０μｍの光導波路素子へ印加する電圧は、バ
ッファ層がなく、拡散光導波路を有する厚さ５０．０μ
ｍのウエハー素子へ印加する電圧と等しくなり、このよ
うな厚さ５０．０μｍまでのウエハーは研磨などによっ
て加工可能であるため、導電性基板上に電気光学効果を
有するエピタキシャル光導波路を設けるメリットがなく
なる。以上の原理はクラッド層についてもまったく同様
である。

【００５５】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態による
光導波路素子を図１４および図１５を用いて説明する。
図１４は本実施の形態による光導波路素子の上面図であ
り、図１５はその側面図である。本実施の形態において
は表３に示すように抵抗率が０．０５Ω・ｃｍ、吸収係
数１７４のＮｂ０．５％ドープＳｒＴｉＯ_３（１００）
単結晶導電性の下部電極基板２上へ、膜厚３００ｎｍの
エピタキシャルＳｒＴｉＯ_３バッファ層４を成長させ、
次に膜厚９００ｎｍのエピタキシャルＰＺＴ（５２／４
８）薄膜光導波路１を成長させ、次に膜厚３００ｎｍの
ＳｒＴｉＯ_３クラッド層３を成長させ、さらにプリズム
型電極７を形成することによってプリズム型偏向素子を
作製した。

【００５６】

【表３】

【００５７】ＳｒＴｉＯ_３バッファ層４はＳｒ／Ｔｉ比
を１．０以上にしたＳｒＴｉＯ_３ターゲットを用いＲｆ
スパッタリングにより成長させた。成長条件はＲｆパワ
ー５０Ｗ、Ｏ_２／Ａｒ比＝４／６、圧力＝７．５ｍＴｏ
ｒｒ、ターゲット−基板間距離＝５０ｍｍ、基板温度は
５５０°Ｃとした。膜厚３００ｎｍのＳｒＴｉＯ_３バッ
ファ層４を成長させた後、ＰＺＴ（５２／４８）光導波
路層１をゾルゲル法を用いた固相エピタキシャル成長に
よって作製した。まず、無水酢酸鉛Ｐｂ（ＣＨ _３ＣＯ
Ｏ）_２、ジルコニウム・イソプロポキシドＺｒ（Ｏ−ｉ
−Ｃ_３Ｈ_７）_４、およびチタン・イソプロポキシドＴｉ
（Ｏ−ｉ−Ｃ_３Ｈ_７）_４を出発原料として、２−メトキ
シエタノールに溶解し、６時間の蒸留を行ったのち１８
時間の還流を行い、最終的にＰｂ濃度で０．６ＭのＰＺ
Ｔ（５２／４８）用前駆体溶液を得た。さらに、この前
駆体溶液をＳｒＴｉＯ_３バッファ層を有するＮｂドープ
ＳｒＴｉＯ_３基板へスピンコーティングを行った。

【００５８】以上の操作はすべてＮ_２雰囲気中にて行っ
た。次に、加湿Ｏ_２雰囲気中で２０°Ｃ／ｓｅｃにて昇
温して３５０°Ｃにて保持の後、６５０°Ｃに保持し、
最後に電気炉の電源を切り冷却した。これにより膜厚１
００ｎｍの第一層目のＰＺＴ薄膜を固相エピタキシャル
成長した。これをさらに８回繰り返すことにより総膜厚
９００ｎｍのエピタキシャルＰＺＴ薄膜が得られた。結
晶学的関係は単一配向のＰＺＴ（１００）／／ＳｒＴｉ
Ｏ_３（１００）／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ_３（１００）、面
内方位ＰＺＴ［００１］／／ＳｒＴｉＯ_３［００１］／
／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ_３［００１］の構造が得られた。

【００５９】このＰＺＴ薄膜光導波路１のポーリングを
行った後、ＳｒＴｉＯ_３クラッド層をゾルゲル法によっ
て作製した。まず、Ｓｒ（ＯＣ_２Ｈ_５）_２とＴｉ（Ｏ−
ｉ−Ｃ_３Ｈ_７）_４を２−メトキシエタノールに溶解し、
この溶液を撹はんしつつ２時間蒸留し、さらに２２時間
の還流を行い複合金属アルコキシドＳｒＴｉ（ＯＣ_２Ｈ
_４ＯＣ_２Ｈ_５）_６の溶液を得た。この溶液の一部に、Ｓ
ｒまたはＴｉとのモル比が１：２となる水および１：
０．２となるアンモニア触媒を加え１００°Ｃで３時間
撹拌した後、０．６Ｍになるように調合した。この溶液
をＰＺＴ薄膜光導波路を成長させたＮｂドープＳｒＴｉ
Ｏ_３基板上にスピンコートし、続いて２０°Ｃ／秒の速
度にて加熱し３００°Ｃで２分間および５５０°Ｃで保
持した。この塗布と熱処理の操作を３回繰り返し、膜厚
約３００ｎｍのＳｒＴｉＯ_３クラッド層を得た。ＳｒＴ
ｉＯ_３クラッド層上にはスパッタリング法によって成膜
した膜厚１００ｎｍのＡｌ薄膜による１５個の底辺２０
０μｍ、高さ１０００μｍのプリズム形上部電極アレイ
をリフト・オフ法によって形成し、プリズム型ＥＯ偏向
素子を作製した。また、ＮｂドープＳｒＴｉＯ_３基板へ
のオーミック・コンタクトはＩｎによって得た。

【００６０】ここで、一般に電気光学効果を有する材料
に電場を加えると、対称心のない結晶構造における電場
による屈折率変化は次のようになり、 Δｎ＝ｎ^０−ｎ＝−ａＥ−ｂＥ^２− ・・・［２１］ このうち一次の項はポッケルス（Ｐｏｃｋｅｌｓ）効果
と呼ばれ、一般に次のように示され、 Δｎ＝−１／２ｒｎ^３Ｅ ・・・［２２］ 二次の項がカー（Ｋｅｒｒ）効果と呼ばれ、一般に次の
ように示される。 Δｎ＝−１／２Ｒｎ^３Ｅ^２ ・・・［２３］

【００６１】実際には、電場を大きくしていくと一次の
電気光学効果であるＰｏｃｋｅｌｓ効果に次第に二次の
電気光学効果であるＫｅｒｒ効果が重畳する形で屈折率
変化が起こる。このような電気光学効果を用いる際は、
対称心のない結晶構造を持ち高い係数を持つ強誘電体を
用いることとなり、前述した例のような酸化物強誘電体
が代表的である。このような強誘電体に局所電場を印加
するとのようにその部分の屈折率の低下が起こる。

【００６２】本実施の形態においては、三角形のプリズ
ム型電極７が図１４および図１５に示される位置に配置
され、距離ｄを隔てて設けられた下部電極であるＮｂド
ープＳｒＴｉＯ_３（１００）基板と上部電極であるＩＴ
Ｏ電極との間に電圧Ｖが印加されると、 Δｎ＝−１／２・ｒ・ｎ^３・（Ｖ／ｄ） ・・・［２４］ の屈折率変化が生じ、プリズムの長さをＬ、幅をＷとす
ると

【００６３】 θ＝−Δｎ×Ｌ／Ｗ＝１／２・ｒ・ｎ^３・（Ｖ／ｄ）・（Ｌ／Ｗ） ・・ ・［２５］

【００６４】の偏向が生じる。なお、二次の電気光学効
果であるＫｅｒｒ効果を有する強誘電体を用いたプリズ
ム型光偏向素子において次のようになる。 θ＝１／２・Ｒ・ｎ^３・（Ｖ／ｄ）^２・（Ｌ／Ｗ） ・・・［２６］

【００６５】まず、光導波路特性の評価を行なうため、
プリズム・カップリングによって６３３ｎｍのレーザ光
を本実施の形態による光導波路素子のＰＺＴ薄膜光導波
路１に導入し、光伝搬方向のＴＥ_０モードの散乱光強度
分布を光ファイバによって測定した。散乱光強度の対数
と光伝搬距離の関係の傾きより、光伝搬損失を求めたと
ころ、本実施の形態による光導波路素子の膜厚３００ｎ
ｍのＳｒＴｉＯ_３クラッド層４を有するＰＺＴ光導波路
１の光伝搬損失は４．１ｄＢ／ｃｍであり、実用レベル
に入る特性を示した。

【００６６】一方、本実施の形態による光導波路素子の
ＳｒＴｉＯ_３バッファ層のみをＮｂドープＳｒＴｉＯ_３
基板上へ成長した状態で膜厚３００ｎｍのＳｒＴｉＯ_３
バッファ層の比誘電率を測定したところ予想よりも若干
低い値である２５０を示した。また、ＳｒＴｉＯ_３クラ
ッド層のみをＮｂドープＳｒＴｉＯ_３基板上へ直接成膜
した状態で膜厚３００ｎｍのＳｒＴｉＯ_３クラッド層の
比誘電率を測定したところやはり２５０を示した。一
方、ＮｂドープＳｒＴｉＯ_３基板上へ直接成長したＰＺ
Ｔ薄膜光導波路において測定した比誘電率は９００であ
った。従って、式［１９］より求められるＰＺＴ薄膜光
導波路の実効電圧は３３％となった。また、Ｎｂドープ
ＳｒＴｉＯ_３基板上へ直接成長したＰＺＴ薄膜光導波路
において電気光学係数、および屈折率を測定した結果、
ｒ＝５０ｐｍ／Ｖ、およびｎ＝２．５６であった。

【００６７】本実施の形態による光導波路素子の膜厚３
００ｎｍのＳｒＴｉＯ_３バッファ層４および膜厚３００
ｎｍのＳｒＴｉＯ_３クラッド層３を有するプリズム型Ｅ
Ｏ偏向素子へ、レーザ光源９で６３３ｎｍの波長のレー
ザ・ビーム６を生成し、レンズ１０でこれを幅１ｍｍに
コリメートした後、ＰＺＴ薄膜光導波路１へ入射プリズ
ム５を介して導入した。入射したレーザ・ビーム６は下
部ＮｂドープＳｒＴｉＯ_３基板電極２とプリズム型上部
Ａｌ電極７の間に電圧を印加することによりプリズム電
極下の部分とそれ以外の部分において異なる屈折率が発
生し、レーザ・ビームが偏向された。偏向の後、偏向さ
れたレーザ・ビーム６は端面からの出射ビーム８として
出射された。投影面上でのレーザ・スポット位置の変位
より偏向角度を求めると、５０Ｖ印加、すなわち実効電
圧１６．５Ｖで２．１５度の偏向が確認された。先に求
めたｒ＝５０ｐｍ／Ｖ、およびｎ＝２．５６と、設計値
となるｄ＝９００ｎｍ、Ｗ＝２００μｍ、Ｌ＝１０００
μｍより実効電圧１６．５Ｖでの偏向角度を逆に求める
と実測とほぼ同じ２．２０度となった。

【００６８】以上のように、バッファ層と光導波路の膜
厚比が０．１以上の領域では伝搬損失が実用的な範囲に
入り、本発明の実施の形態による光導波路素子は有効に
機能することが証明された。

【００６９】次に本実施の形態に対する第１の比較例の
説明をする。本比較例においては第１の実施の形態と同
様に吸収係数１７４のＮｂ０．５％ドープＳｒＴｉＯ_３
（１００）単結晶導電性の下部電極基板上へ、膜厚９０
０ｎｍのエピタキシャルＰＺＴ（５２／４８）薄膜光導
波路を直接成長させた。

【００７０】ＰＺＴ（５２／４８）光導波路層は第１の
実施の形態と同様にゾルゲル法を用いた固相エピタキシ
ャル成長によって総膜厚９００ｎｍのエピタキシャルＰ
ＺＴ薄膜を作製した。結晶学的関係は単一配向のＰＺＴ
（１００）／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ_３（１００）、面内方
位ＰＺＴ［００１］／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ_３［００１］
の構造が得られた。しかし、プリズム・カップリングに
よって６３３ｎｍのレーザ光を本比較例のＰＺＴ薄膜光
導波路に導入し、ＴＥ_０モードの伝搬損失測定を行った
所、減衰が大きく伝搬損失は求めることができなかっ
た。

【００７１】次に本実施の形態に対する第２の比較例の
説明をする。本比較例においては第１の実施の形態と同
様の抵抗率が０．０５Ω・ｃｍ、吸収係数１７４のＮｂ
０．５％ドープＳｒＴｉＯ_３（１００）単結晶導電性の
下部電極基板上へ、膜厚１２ｎｍのエピタキシャルＳｒ
ＴｉＯ_３バッファ層を成長させ、次に膜厚９００ｎｍの
エピタキシャルＰＺＴ（５２／４８）薄膜光導波路を成
長させた。

【００７２】ＳｒＴｉＯ_３バッファ層は化学量論組成の
ＳｒＴｉＯ_３ターゲットを用いＲｆスパッタリングによ
り基板温度４５０°Ｃで成長させた。膜厚１２ｎｍのＳ
ｒＴｉＯ_３バッファ層を成長させた後、ＰＺＴ（５２／
４８）光導波路層も第１の実施の形態と同様にゾルゲル
法を用いた固相エピタキシャル成長によって総膜厚９０
０ｎｍのエピタキシャルＰＺＴ薄膜を得た。結晶学的関
係は単一配向のＰＺＴ（１００）／／ＳｒＴｉＯ_３（１
００）／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ_３（１００）、面内方位Ｐ
ＺＴ［００１］／／ＳｒＴｉＯ_３［００１］／／Ｎｂ−
ＳｒＴｉＯ_３［００１］の構造が得られた。しかし、プ
リズム・カップリングによって６３３ｎｍのレーザ光を
本比較例のＰＺＴ薄膜光導波路に導入し、ＴＥ_０モード
の伝搬損失を測定した所、４２ｄＢ／ｃｍとバッファ層
の挿入効果はほとんど見られなかった。このようにシュ
ミレーションから予想されるように、バッファ層を挿入
してもバッファ層と光導波路の膜厚比が０．１未満の領
域では実用レベルの伝搬損失は得られないことがわか
る。

【００７３】次に本実施の形態に対する第３の比較例の
説明をする。本比較例においてはＮｂ０．００５％ドー
プＳｒＴｉＯ_３（１００）単結晶透明導電性の下部電極
基板上へ、膜厚９００ｎｍのエピタキシャルＰＺＴ（５
２／４８）薄膜光導波路を成長させ、さらに第１の実施
の形態と同様のプリズム型Ａｌ上部電極を形成すること
によってプリズム型ＥＯ偏向素子を作製した。ＰＺＴ
（５２／４８）光導波路層は第１の実施の形態と同様に
してゾルゲル法を用いた固相エピタキシャル成長によっ
て、総膜厚９００ｎｍのエピタキシャルＰＺＴ薄膜を作
製した。ＰＺＴ薄膜光導波路上には第１の実施の形態と
同様にして膜厚１００ｎｍのＡｌ薄膜による１５個の底
辺２００μｍ、高さ１０００μｍのプリズム形上部電極
アレイを形成し、プリズム型ＥＯ偏向素子を作製した。
また、ＮｂドープＳｒＴｉＯ_３基板へのオーミック・コ
ンタクトはＩｎによって得た。プリズム・カップリング
によって６３３ｎｍのレーザ光を本比較例のＰＺＴ薄膜
光導波路に導入し、ＴＥ_０モードの伝搬損失測定を行っ
た所、光導波路の散乱による損失の他にＡｌ上部電極に
よる吸収の影響が生じ、１１．２ｄＢ／ｃｍと比較的大
きな伝搬損失を示した。

【００７４】次に本実施の形態に対する第４の比較例の
説明をする。本比較例においては第１の実施の形態と同
様にＮｂ０．００５％ドープＳｒＴｉＯ_３（１００）単
結晶透明導電性の下部電極基板上へ、膜厚９００ｎｍの
エピタキシャルＰＺＴ（５２／４８）薄膜光導波路を成
長させ、その上に屈折率が１．４６、比誘電率が３．９
である膜厚３００ｎｍのＳｉＯ_２クラッド層を成長さ
せ、さらに第１の実施の形態と同様のプリズム型Ａｌ上
部電極を形成することによってプリズム型ＥＯ偏向素子
を作製した。

【００７５】ＰＺＴ（５２／４８）光導波路層は第１の
実施の形態と同様にしてゾルゲル法を用いた固相エピタ
キシャル成長によって、総膜厚９００ｎｍのエピタキシ
ャルＰＺＴ薄膜を作製した。その後、ＳｉＯ_２クラッド
層はゾルゲル法を用いて形成した。この場合、プリズム
・カップリングによって６３３ｎｍのレーザ光を本比較
例のＰＺＴ薄膜光導波路に導入し、ＴＥ_０モードの伝搬
損失測定を行った所、Ａｌ上部電極による吸収の影響が
低減され、４．８ｄＢ／ｃｍと良好な伝搬損失を示し
た。しかし、式［１９］より求められるＰＺＴ薄膜光導
波路の実効電圧は、ＰＺＴ（５２／４８）薄膜光導波路
の膜厚９００ｎｍ、比誘電率９００、およびＳｉＯ_２ク
ラッド層の膜厚３００ｎｍ、比誘電率３．９よりわずか
１．３％となり、１００Ｖを印加しても実効電圧は１．
３Ｖにしかならないことがわかった。

【００７６】次に、本発明の第２の実施の形態による光
導波路素子について説明する。本実施の形態においては
第１の実施の形態とほぼ同様に表４に示すように抵抗率
が０．０５ Ω・ｃｍ、吸収係数１７４のＮｂ０．５％
ドープＳｒＴｉＯ_３（１００）単結晶導電性の下部電極
基板上へ、膜厚５００ｎｍのエピタキシャルＰＬＺＴ
（９／６５／３５）バッファ層を成長させ、次に膜厚１
０００ｎｍのエピタキシャルＰＺＴ（５２／４８）薄膜
光導波路を成長させ、さらに膜厚５００ｎｍのエピタキ
シャルＰＬＺＴ（９／６５／３５）クラッド層を成長さ
せ、最後にプリズム型Ａｕ上部電極を形成することによ
ってプリズム型ＥＯ偏向素子を作製した。

【００７７】

【表４】

【００７８】ＰＬＺＴ（９／６５／３５）バッファ層、
ＰＺＴ（５２／４８）薄膜光導波路、およびＰＬＺＴ
（９／６５／３５）クラッド層は、第１の実施の形態と
同様にゾルゲル法を用いた固相エピタキシャル成長によ
ってＰＬＺＴ（９／６５／３５）バッファ層の積層の
後、ＰＺＴ（５２／４８）薄膜光導波路、およびＰＬＺ
Ｔ（９／６５／３５）クラッド層を積層することによっ
て得た。結晶学的関係は単一配向のＰＬＺＴ（１００）
／／ＰＺＴ（１００）／／ＰＬＺＴ（１００）／／Ｎｂ
−ＳｒＴｉＯ_３（１００）、面内方位ＰＬＺＴ［００
１］／／ＰＺＴ［００１］／／ＰＬＺＴ［００１］／／
Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ_３［００１］の構造が得られた。ＰＺ
Ｔ薄膜光導波路上にはＡｕ薄膜による１５個の底辺１０
０μｍ、高さ１０００μｍのプリズム形上部電極アレイ
を形成し、プリズム型ＥＯ偏向素子を作製した。また、
ＮｂドープＳｒＴｉＯ_３基板へのオーミック・コンタク
トはＩｎによって得た。

【００７９】プリズム・カップリングによって６３３ｎ
ｍのレーザ光を本実施の形態のＰＺＴ薄膜光導波路に導
入し、ＴＥ_０モードの伝搬損失を測定した所、３．８ｄ
Ｂ／ｃｍと良好な値を示した。また、ＰＬＺＴバッファ
層の比誘電率測定値１９００と、ＰＺＴ薄膜光導波路の
比誘電率測定値９００より、式［１９］より求められる
ＰＬＺＴ薄膜光導波路の実効電圧は６８％となった。ま
た、ＰＺＴ薄膜光導波路の電気光学係数、および屈折率
を測定した結果、ｒ＝５０ｐｍ／Ｖ、およびｎ＝２．５
６であった。第１の実施の形態と同様に本実施の形態の
プリズム型ＥＯ偏向素子へ６３３ｎｍの波長のレーザ・
ビームを幅１ｍｍにコリメートした後、ＰＬＺＴ薄膜光
導波路へプリズムを介して導入し、下部ＮｂドープＳｒ
ＴｉＯ_３基板電極と上部プリズムＡｕ電極間に電圧を印
加することにより導入されたレーザ・ビームが偏向され
た。偏向の後、偏向されたレーザ・ビームは端面から出
射され、投影面上でのレーザ・スポット位置の変位より
偏向角度を求めると、５Ｖ印加、すなわち実効電圧３．
４Ｖで０．８３度の偏向が確認された。先に求めた＝５
０ｐｍ／Ｖ、およびｎ＝２．５６と、設計値となるｄ＝
１０００ｎｍ、Ｗ＝１００μｍ、Ｌ＝１０００μｍより
実効電圧３．４Ｖでの偏向角度を逆に求めると実測とほ
ぼ同じ０．８２度となった。

【００８０】次に、本発明の第３の実施の形態による光
導波路素子について説明する。本実施の形態においては
第１の実施の形態と同様に表５に示すように、Ｌａ１．
０％ドープＳｒＴｉＯ_３（１００）単結晶導電性の下部
電極基板上へ、膜厚５００ｎｍのエピタキシャルＳｒ
_０．６０Ｂａ_０．４０Ｎｂ_２Ｏ_６バッファ層を成長さ
せ、次に膜厚１０００ｎｍのエピタキシャルＳｒ
_０．７５Ｂａ_０．２５Ｎｂ_２Ｏ_６薄膜光導波路を成長さ
せ、さらに膜厚５００ｎｍのエピタキシャルＳｒ
_０．６０Ｂａ_０．４０Ｎｂ_２Ｏ_６クラッド層を成長させ
た。

【００８１】

【表５】

【００８２】Ｓｒ_０．６０Ｂａ_０．４０Ｎｂ_２Ｏ_６バッ
ファ層、Ｓｒ_０．７５Ｂａ_０．２５Ｎｂ_２Ｏ_６薄膜光導
波路、およびＳｒ_０．６０Ｂａ_０．４０Ｎｂ_２Ｏ_６クラ
ッド層は、ターゲット表面をＵＶレーザー・パルスによ
り瞬間的に加熱し蒸着を行うエキシマ・レーザー・デポ
ジション法によって、Ｏ_２雰囲気、基板温度７００°Ｃ
で成長した。結晶学的関係は単一配向のＳｒ_０．６０Ｂ
ａ_０．４０Ｎｂ_２Ｏ_６（１００）／／Ｓｒ_０．７５Ｂａ
_０．２５Ｎｂ_２Ｏ_６（１００）／／Ｓｒ_{０．６ ０}Ｂａ
_０．４０Ｎｂ_２Ｏ_６（１００）／／Ｌａ−ＳｒＴｉＯ_３
（１００）の構造が得られた。プリズム・カップリング
によって６３３ｎｍのレーザ光を本実施の形態によるＳ
ｒ_０．７５Ｂａ_０．２５Ｎｂ_２Ｏ_６薄膜光導波路に導入
し、ＴＥ_０モードの伝搬損失を測定したところ、５．２
ｄＢ／ｃｍと良好な値を示した。

【００８３】上記第１乃至第３の実施の形態と同様に酸
化物導電性基板上に必要に応じてバッファ層を配し、そ
の上に薄膜光導波路とクラッド層を設けた構造の他の実
施の形態として表６から表１２に示すが、このような構
造はこれらに限られるものではない。また、以上の実施
の形態ではプリズム型ＥＯ偏向素子を示したが、本発明
の思想は言うまでもなくブラッグ反射型スイッチ、全反
射型スイッチ、方向性結合スイッチ、マッハツェンダ干
渉スイッチ、位相変調素子、モード変換素子、波長フィ
ルター素子などＥＯ効果を用いるすべての光導波路素子
において同様に適応可能であり、これらの薄膜光導波路
素子においても同じく低駆動電圧特性と低伝搬損失特性
を同時に解決できる構造が提供される。

【００８４】

【表６】

【００８５】

【表７】

【００８６】

【表８】

【００８７】

【表９】

【００８８】

【表１０】

【００８９】

【表１１】

【００９０】

【表１２】

【００９１】次に、本発明の第４の実施の形態による光
導波路素子について説明する。本実施の形態においては
表１３に示すように低抵抗のｎ型ＧａＡｓ（１００）半
導体単結晶の下部電極基板上へ、膜厚１０００ｎｍのエ
ピタキシャルＭｇＯバッファ層を成長させ、次に膜厚１
０００ｎｍのエピタキシャルＰＺＴ薄膜光導波路、およ
びＭｇＯクラッド層を成長させた。

【００９２】

【表１３】

【００９３】ＧａＡｓ基板へのエピタキシャル層の形成
を、ターゲット表面をＵＶレーザ・パルスにより瞬間的
に加熱し蒸着を行うエキシマ・レーザ・デポジション法
によって行った。レーザはＸｅＣｌエキシマ・レーザー
（波長３０８ｎｍ）を用い、パルス周期４Ｈｚ、パルス
長１７ｎｓ、エネルギ１３０ｍＪ（ターゲット表面での
エネルギ密度１．３Ｊ／ｃｍ２）の条件とした。ターゲ
ットと基板の距離は５０ｍｍである。ターゲットはＢａ
ＴｉＯ_３、またＭｇＯは波長３０８ｎｍに吸収を持たな
いために金属Ｍｇを用いた。ＭｇＯは１０ｅＶ以上の高
い結合エネルギを持っているため、Ｏ_２を成膜中に導入
することによってＭｇは容易に酸化される。

【００９４】ＧａＡｓ基板は溶剤洗浄の後、Ｈ_２ＳＯ_４
系の溶液にてエッチングを行った。さらにこの基板を脱
イオン水とエタノールでリンスし、最後に窒素流下でエ
タノールによるスピン乾燥を行った。スピン乾燥後に基
板をただちにデポジション・チャンバに導入し、一定温
度、バックグラウンド圧力３×１０^−７Ｔｏｒｒにて加
熱を行ってＧａＡｓ表面の不動体層の脱離（昇華）を図
り、続いてＭｇＯの成膜を３５０°Ｃで行った。ＭｇＯ
とＧａＡｓとの結晶学的関係は格子不整が２５．５％と
なるにもかかわらず、ＭｇＯとＧａＡｓの結晶方位の関
係はＭｇＯ（１００）／／ＧａＡｓ（１００）、面内方
位ＭｇＯ［００１］／／ＧａＡｓ［００１］であること
がわかった。ＭｇＯと半導体の界面を高分解能透過型電
子顕微鏡にて観察すると、ＭｇＯ−ＧａＡｓ界面ではＭ
ｇＯ：ＧａＡｓ＝４：３の格子整合による二次元超格子
が形成されており、界面には二次層などの生成はなく急
峻な界面であった。さらに、７００°ＣにてＢａＴｉＯ
_３をエピタキシャル成長し、ＢａＴｉＯ_３（１００）／
／ＭｇＯ（１００）／／ＧａＡｓ（１００）、ＢａＴｉ
Ｏ_３［００１］／／ＭｇＯ［００１］／／ＧａＡｓ［０
０１］となる光導波路構造を得た。

【００９５】本実施の形態と同様に半導体Ｓｉ基板上に
ＳｒＴｉＯ_３バッファ層を配し、その上にＰＺＴ薄膜光
導波路とＳｒＴｉＯ_３クラッド層を設けた構造の他の実
施の形態を表１４に示すが、このような構造はこれらに
限られるものではない。

【００９６】

【表１４】

【００９７】次に、本発明の第５の実施の形態による光
導波路素子について説明する。本実施の形態においては
表１５に示すようにＭｇＯ単結晶基板上へ、まず膜厚１
００ｎｍのエピタキシャルＰｔ導電層を成長させ、次に
膜厚３００ｎｍのＳｒＴｉＯ _３バッファ層、次に膜厚１
０００ｎｍのエピタキシャルＰＺＴ（５２／４８）薄膜
光導波路、さらに次に膜厚３００ｎｍのＳｒＴｉＯ_３ク
ラッド層を成長させた。

【００９８】

【表１５】

【００９９】Ｐｔ導電層およびＳｒＴｉＯ_３バッファ層
はＲｆスパッタリングにより成長させた。Ｐｔ導電層を
Ｐｔをターゲットを用いてＡｒ雰囲気、基板温度４００
°Ｃでエピタキシャル成長した後、ＳｒＴｉＯ_３バッフ
ァ層をＳｒ／Ｔｉ比を１．０以上にしたＳｒＴｉＯ_３タ
ーゲットを用いてＯ_２／Ａｒ雰囲気、基板温度５００°
Ｃでエピタキシャル成長した。ＰＺＴ薄膜光導波路は、
第１の実施の形態と同様にゾルゲル法を用いた固相エピ
タキシャル成長によって得た。結晶学的関係は単一配向
のＰＺＴ（１００）／／ＳｒＴｉＯ_３（１００）／／Ｐ
ｔ（１００）／／ＭｇＯ（１００）、面内方位ＰＺＴ
［００１］／／ＳｒＴｉＯ_３［００１］／／Ｐｔ［００
１］／／ＭｇＯ［００１］の光導波路構造が得られた。

【０１００】次に、本発明の第６の実施の形態による光
導波路素子について説明する。本実施の形態においては
表１６に示すようにＳｒＴｉＯ_３単結晶基板上へ、下部
電極として膜厚１００ｎｍのエピタキシャルＳｒＲｕＯ
_３導電層を成長させ、次に膜厚５００ｎｍのＰＬＺＴ
（９／６５／３５）バッファ層を成長させ、膜厚１００
０ｎｍのエピタキシャルＰＺＴ（５２／４８）薄膜光導
波路を成長させ、さらに膜厚５００ｎｍのエピタキシャ
ルＰＬＺＴ（９／６５／３５）クラッド層を成長させ
た。

【０１０１】

【表１６】

【０１０２】ＳｒＲｕＯ_３導電層はＲｆスパッタリング
により成長させた。ＳｒＲｕＯ_３導電層をＳｒＲｕＯ_３
ターゲットを用いてＡｒとＯ_２混合雰囲気、基板温度６
００°Ｃでエピタキシャル成長した後、ＰＬＺＴバッフ
ァ層、ＰＺＴ薄膜光導波路、およびＰＬＺＴクラッド層
は、第２の実施の形態と同様にゾルゲル法を用いた固相
エピタキシャル成長によって得た。結晶学的関係は単一
配向のＰＬＺＴ（１００）／／ＰＺＴ（１００）／／Ｐ
ＬＺＴ（１００）／／ＳｒＲｕＯ_３（１００）／／Ｓｒ
ＴｉＯ_３（１００）の構造が得られた。プリズム・カッ
プリングによって６３３ｎｍのレーザ光を本実施の形態
によるＰＺＴ（５２／４８）薄膜光導波路に導入し、Ｔ
Ｅ_０モードの伝搬損失を測定したところ、３．３ｄＢ／
ｃｍと良好な値を示した。

【０１０３】次に、本発明の第７の実施の形態による光
導波路素子について説明する。本実施の形態においては
表１７に示すようにＳｒＴｉＯ_３単結晶基板上へ、下部
電極として膜厚１００ｎｍのＳｒＲｕＯ_３導電層を成長
させ、次に膜厚５００ｎｍのエピタキシャルＳｒ
_０．６０Ｂａ_０．４０Ｎｂ_２Ｏ_６バッファ層を成長さ
せ、次に、膜厚１０００ｎｍのエピタキシャルＳｒ
_０．７５Ｂａ_０．２５Ｎｂ_２Ｏ_６薄膜光導波路を成長さ
せ、さらに膜厚５００ｎｍのエピタキシャルＳｒ
_０．６０Ｂａ_０．４０Ｎｂ_２Ｏ_６クラッド層を成長させ
た。

【０１０４】

【表１７】

【０１０５】ＳｒＲｕＯ_３導電層、Ｓｒ_０．６０Ｂａ
_０．４０Ｎｂ_２Ｏ_６バッファ層、Ｓｒ _０．７５Ｂａ
_０．２５Ｎｂ_２Ｏ_６薄膜光導波路、Ｓｒ_０．６０Ｂａ
_０．４０Ｎｂ _２Ｏ_６クラッド層の各層はＲｆスパッタリ
ングにより成長させた。ＳｒＲｕＯ_３導電層をＳｒＲｕ
Ｏ_３ターゲットを用いてＡｒとＯ_２混合雰囲気、基板温
度６００°Ｃでエピタキシャル成長した後、Ｓｒ
_０．６０Ｂａ_０．４０Ｎｂ_２Ｏ_６バッファ層、Ｓｒ
_０．７５Ｂａ_０．２５Ｎｂ_２Ｏ_６薄膜光導波路、Ｓｒ
_０．６０Ｂａ _０．４０Ｎｂ_２Ｏ_６クラッド層は、Ｏ_２雰
囲気、基板温度７００°Ｃで成長した。結晶学的関係は
単一配向のＳｒ_０．６０Ｂａ_０．４０Ｎｂ_２Ｏ_６（１０
０）／／Ｓｒ_０．７５Ｂａ_０．２５Ｎｂ_２Ｏ_６（１０
０）／／Ｓｒ_０．６０Ｂａ_{０．４ ０}Ｎｂ_２Ｏ_６（１０
０）／／ＳｒＲｕＯ_３（１００）／／ＳｒＴｉＯ_３（１
００）の構造が得られた。プリズム・カップリングによ
って６３３ｎｍのレーザ光を本実施の形態によるＳｒ
_０．７５Ｂａ_０．２５Ｎｂ_２Ｏ_６薄膜光導波路に導入
し、ＴＥ_０モードの伝搬損失を測定したところ、４．６
ｄＢ／ｃｍと良好な値を示した。

【０１０６】上記実施の形態と同様に基板上に導電層と
必要に応じてバッファ層を配し、その上に薄膜光導波路
とクラッド層を設けた構造の他の実施の形態による光導
波路素子の光導波路、バッファ層、クラッド層、導電性
基板の材料、物理特性の諸値を表１８から表２５に示す
が、このような構造はこれらに限られるものではない。

【０１０７】

【表１８】

【０１０８】

【表１９】

【０１０９】

【表２０】

【０１１０】

【表２１】

【０１１１】

【表２２】

【０１１２】

【表２３】

【０１１３】

【表２４】

【０１１４】

【表２５】

【０１１５】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、低駆動電
圧特性と低伝搬損失特性を同時に解決できる電気光学効
果を有する薄膜光導波路素子およびその作製方法が実現
できる。本発明の光導波路素子は各種の偏向素子、スイ
ッチング素子、あるいは変調素子などを含む電気光学効
果を利用する光導波路素子全般へ利用可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光導波路の原理図である。

【図２】光導波路における電磁界分布の原理図である。

【図３】光導波路における電界分布の原理図である。

【図４】吸収係数が１７４のＳｒＴｉＯ_３基板上のＰＺ
Ｔ光導波路の伝搬損失と膜厚の関係を示す図である。

【図５】バッファ層を有する光導波路における電界分布
の原理図である。

【図６】吸収係数が１７４のＳｒＴｉＯ_３基板上の膜厚
６００ｎｍのＰＺＴ光導波路の伝搬損失とＳｒＴｉＯ_３
バッファ層の膜厚の関係を示す図である。

【図７】吸収係数が１７４のＳｒＴｉＯ_３基板による吸
収伝搬損失が１ｄＢ／ｃｍとなるＰＺＴ光導波路の膜厚
とＳｒＴｉＯ_３バッファ層の膜厚の関係を示す図であ
る。

【図８】表面にＡｌ電極を有する光導波路における電界
分布の原理図である。

【図９】表面にＡｌ電極を有するＰＺＴ光導波路の伝搬
損失と膜厚の関係を示す図である。

【図１０】クラッド層を有する光導波路における電界分
布の原理図である。

【図１１】光導波路／バッファ層／基板の等価回路を示
す図である。

【図１２】実効電圧が０．０２〜０．４の範囲のクラッ
ド層膜厚／光導波路膜厚対クラッド層誘電率／光導波路
誘電率の関係を示す図である。

【図１３】実効電圧が０．４〜０．９の範囲のクラッド
層膜厚／光導波路膜厚対クラッド層誘電率／光導波路誘
電率の関係を示す図である。

【図１４】本発明の第１の実施の形態による光導波路素
子のＥＯプリズム型偏向素子の上面図である。

【図１５】本発明の第１の実施の形態による光導波路素
子のＥＯプリズム型偏向素子の側面図である。

【符号の説明】

１ 薄膜光導波路 ２ 導電性基板 ３ クラッド層 ４ バッファ層 ５ 入射プリズム ６ 入射ビーム ７ プリズム電極 ８ 出射ビーム ９ レーザ光源 １０ レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森山 弘朗 神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーン テクなかい 富士ゼロックス株式会社内 (72)発明者 中村 滋年 神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーン テクなかい 富士ゼロックス株式会社内 (72)発明者 長ケ部 英資 神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーン テクなかい 富士ゼロックス株式会社内 (72)発明者 森川 尚 神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーン テクなかい 富士ゼロックス株式会社内 Ｆターム(参考） 2K002 AA01 AA02 AA03 AB04 AB07 BA06 CA03 DA05 EA11 EA16 EB04 EB05 EB11 FA08 FA30 GA07 HA03

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】導電性または半導電性の下部電極となる単
   結晶基板と、 前記単結晶基板表面に形成されたエピタキシャルまたは
   単一配向性のバッファ層と、 前記バッファ層上に形成されたエピタキシャルまたは単
   一配向性の強誘電体薄膜の光導波路と、 前記光導波路上に形成されたクラッド層と、 前記クラッド層上に形成された上部電極となる金属薄膜
   とを備えたことを特徴とする光導波路素子。
2. 【請求項２】請求項１記載の光導波路素子において、 前記バッファ層は、前記光導波路よりも小さい屈折率を
   有する酸化物であることを特徴とする光導波路素子。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載の光導波路素子に
   おいて、 前記バッファ層の比誘電率と前記光導波路の比誘電率の
   比は、０．００２以上であることを特徴とする光導波路
   素子。
4. 【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波
   路素子において、 前記バッファ層の比誘電率は、８以上であることを特徴
   とする光導波路素子。
5. 【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波
   路素子において、 前記バッファ層の膜厚と前記光導波路の膜厚の比は、
   ０．１以上であることを特徴とする光導波路素子。
6. 【請求項６】請求項１乃至５のいずれかに記載の光導波
   路素子において、 前記バッファ層の膜厚は、１０ｎｍ以上であることを特
   徴とする光導波路素子。
7. 【請求項７】請求項１乃至６のいずれかに記載の光導波
   路素子において、 前記クラッド層は、前記光導波路よりも小さい屈折率を
   有する酸化物であることを特徴とする光導波路素子。
8. 【請求項８】請求項１乃至７のいずれかに記載の光導波
   路素子において、 前記クラッド層の比誘電率と前記光導波路の比誘電率の
   比は、０．００２以上であることを特徴とする光導波路
   素子。
9. 【請求項９】請求項１乃至８のいずれかに記載の光導波
   路素子において、 前記クラッド層の比誘電率は、８以上であることを特徴
   とする光導波路素子。
10. 【請求項１０】請求項１乃至９のいずれかに記載の光導
    波路素子において、 前記クラッド層の膜厚と前記光導波路の膜厚の比は、
    ０．１以上であることを特徴とする光導波路素子。
11. 【請求項１１】請求項１乃至１０のいずれかに記載の光
    導波路素子において、 前記クラッド層の膜厚は、１０ｎｍ以上であることを特
    徴とする光導波路素子。
12. 【請求項１２】請求項１乃至１１のいずれかに記載の光
    導波路素子において、 前記単結晶基板は、その表面に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を有しているこ
    とを特徴とする光導波路素子。
13. 【請求項１３】請求項１乃至１２のいずれかに記載の光
    導波路素子において、 前記下部電極の材料が酸化物であることを特徴とする光
    導波路素子。
14. 【請求項１４】請求項１乃至１３のいずれかに記載の光
    導波路素子において、 前記単結晶基板の抵抗率が１０^８Ω・ｃｍ以下であるこ
    とを特徴とする光導波路素子。
15. 【請求項１５】請求項１乃至１４のいずれかに記載の光
    導波路素子において、 前記単結晶基板の屈折率は、前記光導波路よりも小さい
    ことを特徴とする光導波路素子。
16. 【請求項１６】請求項１乃至１５のいずれかに記載の光
    導波路素子において、 前記光導波路は、酸化物であることを特徴とする光導波
    路素子。
17. 【請求項１７】請求項１乃至１６のいずれかに記載の光
    導波路素子において、 前記上部電極と前記下部電極との間に電圧を印加するこ
    とにより、前記光導波路に入射する光ビームを変調、ス
    イッチング、または偏向することを特徴とする光導波路
    素子。
18. 【請求項１８】請求項１乃至１７のいずれかに記載の光
    導波路素子の作製方法において、 酸化物である前記バッファ層、酸化物である前記光導波
    路、および前記クラッド層は、前記単結晶基板上に金属
    有機化合物を塗布して焼成し、固相エピタキシャル成長
    させて形成することを特徴とする光導波路素子の作製方
    法。