JP2000047272A - 光導波路素子およびその作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低駆動電圧特性と低伝搬損失特性を同時に解
決できる構造を有する光導波路素子およびその作製方法
を提供すること。 【解決手段】 導電性または半導電性の下部電極２と、
下部電極２上に設けられたエピタキシャルまたは単一配
向性のバッファ層４と、バッファ層４上に設けられたエ
ピタキシャルまたは単一配向性の光導波路１と、光導波
路１上に設けられた導電性薄膜または半導電性薄膜の上
部電極７とを具備する光導波路素子による。本発明の光
導波路素子は上部電極７と下部電極２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。

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・プリンター、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
ューター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およびその作製方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ・ビーム・プリンター、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ー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ー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、プリンター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・プリンター、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)１４
０１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±６
００Ｖ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、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ＳｉＯ_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。しかし、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。

【０００７】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。

【０００８】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。

【０００９】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。

【００１０】

【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、下部電極上に設けられた
エピタキシャルまたは単一配向性のバッファ層と、バッ
ファ層上に設けられたエピタキシャルまたは単一配向性
の薄膜光導波路と、光導波路上に設けられた導電性薄膜
または半導電性薄膜の上部電極と、を具備する光導波路
素子によって達成できる。また、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。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】上部電極はＰｔ、Ａｌ、Ｃｒなどの各種金
属電極や、光導波路よりも小さい屈折率を有するＩＴＯ
やＡｌドープＺｎＯなどの透明酸化物電極を用いること
が可能である。また、光導波路と上部電極との間には光
導波路よりも小さい屈折率を有するクラッド層を設ける
場合には、上部電極は任意の材料を用いることができる
が駆動電圧の増加を招くのでＩＴＯなどの透明酸化物電
極を用いることが望ましい。

【００１８】バッファ層および薄膜光導波路は電子ビー
ム蒸着、フラッシュ蒸着、イオン・プレーティング、Ｒ
ｆ−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、Ｃ
ＶＤ、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。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と薄膜光導波路を固相エピタ
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、
バッファ層と光導波路層の構造制御にとって重要な屈折
率の制御が、バッファ層および光導波路層に必用な屈折
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と光導波路層の成長が可
能である。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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１０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。

【００２４】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。

【００２５】 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。

【００２６】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］

【００２７】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。

【００２８】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）での電磁界は、｜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、電磁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、

【００２９】 ｋ_ｘｄ＝（ｍ＋１）π−ｔａｎ^−１（ｋ_ｘ／γ_２）−ｔａｎ^−１（ｋ_ｘ／γ_３ ） ・・・［１３］

【００３０】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 Dif
ference Method)によって電磁界分布を求めることもで
きる。

【００３１】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。

【００３２】

【数１】

【００３３】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］

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】

【表１】

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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８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。

【００４１】 Ｖ_ｗ＝（Ｃ_ｂ／（Ｃ_ｗ＋Ｃ_ｂ））・Ｖ_０＝（ε_ｂｄ_ｗ／（ε_ｗｄ_ｂ＋ε_ｂｄ_ｗ ））・Ｖ_０ ・・・［１９］

【００４２】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、

【００４３】Ｖ_ｗ＝ε_ｂｄ_ｗ／（ε_ｗｄ_ｂ＋ε_ｂｄ_ｗ）
・Ｖ_０＝３００×６００／（９００×３００＋３００×
６００）・Ｖ_０＝０．４０Ｖ_０

【００４４】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。

【００４５】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｝

【００４６】 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］

【００４７】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９及び図１０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。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５０．０μｍ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。

【００４８】

【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１１、図１２を用いて説明する。図１
１は本実施の形態による光導波路素子の上面図であり、
図１２はその側面図である。本実施の形態においては表
２に示すように抵抗率が０．０５Ω・ｃｍ、吸収係数１
７４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１３０ｎｍ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（５２／４８）
薄膜光導波路１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。

【００４９】

【表２】

【００５０】ＳｒＴｉＯ_３バッファ層４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
より成長させた。成長条件はＲｆパワー５０Ｗ、Ｏ_２／
Ａｒ比＝４／６、圧力＝７．５ｍＴｏｒｒ、ターゲット
−基板間距離＝５０ｍｍ、基板温度は４５０°Ｃとし
た。膜厚１３０ｎｍ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_３ＣＯＯ）_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ＰＺＴ
（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Ｓ
ｒＴｉＯ_３基板へスピンコーティングを行った。

【００５１】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。Ｐ
ＺＴ（１００）面によるロッキングカーブ半値幅は２．
０５°となった。このＰＺＴ薄膜光導波路１のポーリン
グを行った後、ＰＺＴ薄膜光導波路１上には膜厚１００
ｎｍのＲｆスパッタリング法によって成膜したＩＴＯ薄
膜による１５個の底辺１００μｍ、高さ２００μｍのプ
リズム形上部電極アレイ７をリフト・オフ法によって形
成し、プリズム型ＥＯ（エレクトロ・オプティック）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。

【００５２】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− ・・・［２
１］ 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］

【００５３】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。

【００５４】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１１および図１２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

【００５５】 θ＝−Δｎ×Ｌ／Ｗ＝１／２・ｒ・ｎ^３・（Ｖ／ｄ）・（Ｌ／Ｗ） ・・ ・［２５］

【００５６】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］

【００５７】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
分布を光ファイバーによって測定した。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１３０
ｎｍのＳｒＴｉＯ_３バッファ層４上のＰＺＴ光導波路１
の光伝搬損失は１６ｄＢ／ｃｍであり、実用レベルに入
る特性を示した。これに対して、吸収のないノンドープ
ＳｒＴｉＯ_３基板上への成長条件を変化させることによ
ってロックキングカーブ半値幅０．５４°および２．０
１°のＰＺＴ薄膜光導波路を直接成長し、ＰＺＴ薄膜光
導波路の散乱および吸収による光伝搬損失を求めると、
半値幅０．５４°のＰＺＴ薄膜光導波路は４ｄＢ／ｃ
ｍ、半値幅２．０１°のＰＺＴ薄膜光導波路は１３ｄＢ
／ｃｍであった。従って、本実施の形態による光導波路
素子のロックキングカーブ半値幅２．０５°のＰＺＴ薄
膜光導波路自身の散乱および吸収による伝搬損失は１３
ｄＢ／ｃｍと考えられ、先の式［１４］および［１５］
に基づくシミュレーションによって求めた基板吸収によ
る伝搬損失に加え合わせると、本実施の形態による光導
波路素子の膜厚１３０ｎｍのＳｒＴｉＯ_３バッファ層上
のＰＺＴ光導波路の光伝搬損失は１６ｄＢ／ｃｍとな
り、シミュレーションによって求めた基板吸収による伝
搬損失の傾向と本実施の形態による光導波路素子の実測
値が図１３に示すように一致することが分かった。

【００５８】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１３０ｎｍのＳｒＴｉＯ_３
バッファ層の比誘電率を測定したところ予想していた値
である３００よりも低い値である６５を示した。この差
異を調べるため組成を分析したところＳｒ／Ｔｉ比は
０．６／１．０と化学量論組成より大幅にずれが生じて
いることが判明した。一方、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。

【００５９】本実施の形態による光導波路素子の膜厚１
３０ｎｍのＳｒＴｉＯ_３バッファ層を有するプリズム型
ＥＯ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ＩＴＯ上部プ
リズム電極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、１００Ｖ印加、すなわち実
効電圧３３Ｖで１．７０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＝１００μｍ、Ｌ＝２００μ
ｍより実効電圧３３Ｖでの偏向角度を逆に求めると実測
とほぼ同じ１．７６度となった。

【００６０】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。

【００６１】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。このときの、バッファ層と光導波路の膜厚比
は約０．０１４である。

【００６２】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バッファ層を成長の後、ＰＺＴ（５２／４
８）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９００
ｎｍ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（１０
０）／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ_３（１００）、面内方位ＰＺ
Ｔ［００１］／／ＳｒＴｉＯ_３［００１］／／Ｎｂ−Ｓ
ｒＴｉＯ_３［００１］の構造が得られた。ＰＺＴ（１０
０）面によるロッキングカーブ半値幅は１．６９°とな
った。

【００６３】プリズム・カップリングによって６３３ｎ
ｍのレーザ光を本比較例による光導波路素子の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
たところ、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。これに対して、吸収のないノン
ドープＳｒＴｉＯ_３基板上へ直接成長したロックキング
カーブ半値幅２．０１°のＰＺＴ薄膜光導波路の散乱お
よび吸収による光伝搬損失が１６ｄＢ／ｃｍ程度である
ため、本比較例による光導波路素子のロックキングカー
ブ半値幅１．６９°のＰＺＴ薄膜光導波路自身の散乱お
よび吸収による伝搬損失もほぼ１３ｄＢ／ｃｍと考えら
れ、シミュレーションによって求めた膜厚１２ｎｍのＳ
ｒＴｉＯ_３バッファ層上のＰＺＴ光導波路の基板吸収に
よる伝搬損失２２ｄＢ／ｃｍに加え合わせると、本比較
例のＰＺＴ光導波路の光伝搬損失は３５ｄＢ／ｃｍとな
り、実測値とほぼ一致する。このようなシミュレーショ
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。

【００６４】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。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。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−Ｓ
ｒＴｉＯ_３［００１］の構造が得られた。成長条件はＰ
ＺＴ（１００）面によるロッキングカーブ半値幅が１．
９６°となるように調整した。

【００６５】プリズム・カップリングによって６３３ｎ
ｍのレーザ光を本比較例のＰＺＴ薄膜光導波路に導入
し、ＴＥ０モードの伝搬損失測定を行ったところ、減衰
が大きく伝搬損失は求めることができなかった。ロック
キングカーブ半値幅が１．９６°であることより、ＰＺ
Ｔ薄膜光導波路自体の光伝搬損失は１６ｄＢ／ｃｍ程度
と考えられ、また、基板吸収による光伝搬損失はシュミ
レーションによると２２ｄＢ／ｃｍであることより、本
比較例のＰＺＴ薄膜光導波路の伝搬損失は３８ｄＢ／ｃ
ｍ以上と考えられる。

【００６６】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第１の実施の形態と同
様に抵抗率が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、屈折率が１．４６、比誘電率が３．
９である膜厚３００ｎｍのＳｉＯ_２バッファ層を成長さ
せ、次に膜厚９００ｎｍのＰＺＴ（５２／４８）薄膜光
導波路を成長させた。

【００６７】ＳｉＯ_２バッファ層はゾルゲル法を用いて
形成した。膜厚３００ｎｍのＳｉＯ _２バッファ層を成長
の後、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て総膜厚９００ｎｍのＰ
ＺＴ薄膜を得た。ＳｉＯ_２バッファ層は非晶質であるた
め導電性基板と光導波路とのエピタキシ関係を保持でき
ず、結晶学的関係はランダムであった。

【００６８】プリズム・カップリングによって６３３ｎ
ｍのレーザ光を本比較例による光導波路素子のＰＺＴ薄
膜光導波路に導入し、伝搬損失を測定したところ、散乱
が激しいため光伝搬が全く見られなかった。式［１９］
より求められるＰＺＴ薄膜光導波路の実効電圧は、ＰＺ
Ｔ（５２／４８）薄膜光導波路の膜厚９００ｎｍ、比誘
電率９００、およびＳｉＯ_２バッファ層の膜厚３００ｎ
ｍ、比誘電率３．９よりわずか１．３％となり、第１の
実施の形態による光導波路素子のように１００Ｖを印加
しても実効電圧は１．３Ｖにしかならない。

【００６９】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の実施の形態と同様に抵抗率が０．０５Ω・ｃｍ、
吸収係数１７４のＮｂ０．５％ドープＳｒＴｉＯ_３（１
００）単結晶導電性の下部電極基板上へ、膜厚３００ｎ
ｍのエピタキシャルＳｒＴｉＯ_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、さらにプリズム型電
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。

【００７０】ＳｒＴｉＯ_３バッファ層は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、基板温度６００°Ｃで成長させ
た。膜厚３００ｎｍのＳｒＴｉＯ_３バッファ層を成長の
後、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ＰＺＴ薄膜を得た。結晶学的関係は単一配向の
ＰＺＴ（１００）／／ＳｒＴｉＯ_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。ＰＺＴ（１００）面に
よるロッキングカーブ半値幅は０．５１°となった。こ
のＰＺＴ薄膜光導波路のポーリングを行った後、ＰＺＴ
薄膜光導波路上には膜厚１００ｎｍのＩＴＯ薄膜による
１５個の底辺１００μｍ、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。

【００７１】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による光導波路素子のＰＺ
Ｔ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、３．８ｄＢ／ｃｍと良好な値を示した。
これに対して、吸収のないノンドープＳｒＴｉＯ_３基板
上へ直接成長したロックキングカーブ半値幅０．５４°
のＰＺＴ薄膜光導波路の散乱および吸収による光伝搬損
失が４ｄＢ／ｃｍ程度であるため、本実施の形態による
光導波路素子のロックキングカーブ半値幅０．５１°の
ＰＺＴ薄膜光導波路自身の散乱および吸収による伝搬損
失もほぼ４ｄＢ／ｃｍと考えられ、図１３のシミュレー
ションによって求めた膜厚３００ｎｍのＳｒＴｉＯ_３バ
ッファ層上のＰＺＴ光導波路の基板吸収による伝搬損失
０．１５ｄＢ／ｃｍに加え合わせると、本実施の形態に
よる光導波路素子のＰＺＴ光導波路の光伝搬損失は４．
１５ｄＢ／ｃｍとなり、実測値とほぼ一致することが分
かった。

【００７２】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通りの３０
０を示した。一方、第１の実施の形態と同様にＮｂドー
プＳｒＴｉＯ_３基板上へ直接成長したＰＺＴ薄膜光導波
路において比誘電率を測定した結果、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５０％となった。また、ＮｂドープＳｒＴ
ｉＯ_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＝５
０ｐｍ／Ｖ、およびｎ＝２．５６であった。

【００７３】第１の実施の形態と同様に本実施の形態に
よる光導波路素子のプリズム型ＥＯ偏向素子へ６３３ｎ
ｍの波長のレーザ・ビームを幅１ｍｍにコリメートした
後、ＰＺＴ薄膜光導波路へプリズムを介して導入し、下
部ＮｂドープＳｒＴｉＯ_３基板電極とＩＴＯ上部プリズ
ム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、２０Ｖ印加、
すなわち実効電圧１０Ｖで２．６１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＝１００μｍ、Ｌ
＝１０００μｍより実効電圧１０Ｖでの偏向角度を逆に
求めると実測とほぼ同じ２．６７度となった。

【００７４】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の実施の形態とほぼ同様に表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
板上へ、膜厚３００ｎｍのエピタキシャルＳｒＴｉＯ _３
バッファ層を成長させ、次に膜厚９００ｎｍのエピタキ
シャルＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜光導波路を成長
させ、さらにプリズム型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】

【表３】

【００７６】ＳｒＴｉＯ_３バッファ層は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、基板温度６００°Ｃで成長させ
た。膜厚３００ｎｍのＳｒＴｉＯ_３バッファ層を成長の
後、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ＰＬＺＴ薄膜を得た。結晶学的関係は単一配向
のＰＬＺＴ（１００）／／ＳｒＴｉＯ_３（１００）／／
Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ_３（１００）、面内方位ＰＬＺＴ［０
０１］／／ＳｒＴｉＯ_３［００１］／／Ｎｂ−ＳｒＴｉ
Ｏ_３［００１］の構造が得られた。ＰＬＺＴ薄膜光導波
路上には膜厚１００ｎｍのＩＴＯ薄膜による１５個の底
辺１００μｍ、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。

【００７７】プリズム・カップリングによって７８０ｎ
ｍのレーザ光を本実施の形態による光導波路素子のＰＬ
ＺＴ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、１．７ｄＢ／ｃｍと良好な値を示し
た。また、ＳｒＴｉＯ_３バッファ層の比誘電率測定値３
００と、ＰＬＺＴ薄膜光導波路の比誘電率測定値１９０
０より、式［１９］より求められるＰＬＺＴ薄膜光導波
路の実効電圧は３２％となった。また、ＰＬＺＴ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、
二次の係数Ｒ＝３×１０^−１６ｍ^２／Ｖ^２、およびｎ＝
２．４９であった。

【００７８】第１の実施の形態と同様に本実施の形態に
よる光導波路素子のプリズム型ＥＯ偏向素子へ６３３ｎ
ｍ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ＳｒＴｉＯ_３基板電極とＩＴＯ上部プリ
ズム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１．６Ｖで４．２３度の偏向が確認さ
れた。先に求めたＲ＝３×１０^−１６ｍ^２／Ｖ^２、およ
びｎ＝２．４９と、設計値となるｄ＝９００ｎｍ、Ｗ＝
１００μｍ、Ｌ＝１０００μｍより実効電圧１．６Ｖで
の偏向角度を逆に求めると実測とほぼ同じ４．１９度と
なった。

【００７９】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
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０．０５Ω・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、さらにプリズム型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。

【００８０】

【表４】

【００８１】ＰＬＺＴ（９／６５／３５）バッファ層お
よびＰＺＴ（５２／４８）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ＰＬＺＴ（９／６５／３５）バッファ層の
積層の後、ＰＺＴ（５２／４８）薄膜光導波路を積層す
ることによって得た。結晶学的関係は単一配向のＰＺＴ
（１００）／／ＰＬＺＴ（１００）／／Ｎｂ−ＳｒＴｉ
Ｏ_３（１００）、面内方位ＰＺＴ［００１］／／ＰＬＺ
Ｔ［００１］／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ_３［００１］の構造
が得られた。ＰＺＴ薄膜光導波路上には膜厚１００ｎｍ
のＩＴＯ薄膜による１５個の底辺１００μｍ、高さ１０
００μｍ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ＳｒＴ
ｉＯ_３基板へのオーミック・コンタクトはＩｎによって
得た。

【００８２】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による光導波路素子のＰＺ
Ｔ薄膜光導波路に導入し、ＴＥ０モードの伝搬損失を測
定したところ、５．５ｄＢ／ｃｍという良好な値を示し
た。また、ＰＬＺＴバッファ層の比誘電率測定値１９０
０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８１％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＝５
０ｐｍ／Ｖ、およびｎ＝２．５６であった。

【００８３】第１の実施の形態と同様に本実施の形態に
よる光導波路素子のプリズム型ＥＯ偏向素子へ６３３ｎ
ｍ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ＳｒＴｉＯ_３基板電極とＩＴＯ上部プリ
ズム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４．５Ｖで０．９６度の偏向が確認さ
れた。先に求めた＝５０ｐｍ／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４．５Ｖでの偏向角度を
逆に求めると実測とほぼ同じ１．０８度となった。

【００８４】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
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
せた。

【００８５】

【表５】

【００８６】Ｓｒ_０．６０Ｂａ_０．４０Ｎｂ_２Ｏ_６バッ
ファ層およびＳｒ_０．７５Ｂａ_{０． ２５}Ｎｂ_２Ｏ_６薄膜
光導波路は、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_{０．７ ５}
Ｂａ_０．２５Ｎｂ_２Ｏ_６（１００）／／Ｓｒ_０．６０Ｂ
ａ_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
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、６．
６ｄＢ／ｃｍと良好な値を示した。

【００８７】上記第１の実施の形態乃至第５の実施の形
態による光導波路素子と同様に酸化物導電性基板上にバ
ッファ層を配し、その上に薄膜光導波路を設けた構造の
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、導電性基板の材料、物理特性の諸値を表６乃至表
１１に示す。

【００８８】

【表６】

【００８９】

【表７】

【００９０】

【表８】

【００９１】

【表９】

【００９２】

【表１０】

【００９３】

【表１１】

【００９４】なお、本発明の光導波路素子の構造はこれ
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。

【００９５】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１２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薄膜光導波路を成長
させた。

【００９６】

【表１２】

【００９７】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
（波長３０８ｎｍ）を用い、パルス周期４Ｈｚ、パルス
長１７ｎｓ、エネルギー１３０ｍＪ（ターゲット表面で
のエネルギー密度１．３Ｊ／ｃｍ^２）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
ＢａＴｉＯ_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ーを持っているため、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。

【００９８】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・チャンバーに導入し、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。Ｍｇ
Ｏ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
ＭｇＯ：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ＢａＴｉ
Ｏ_３をエピタキシャル成長し、ＢａＴｉＯ_３（１００）
／／ＭｇＯ（１００）／／ＧａＡｓ（１００）、ＢａＴ
ｉＯ_３［００１］／／ＭｇＯ［００１］／／ＧａＡｓ
［００１］となる光導波路構造を得た。

【００９９】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、導電性基板の材料、物理特
性の諸値を表１３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。

【０１００】

【表１３】

【０１０１】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１４に示すようにＭｇＯ単結晶基板上へ、膜厚１００
ｎｍ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バッファ層を成長させ、さら
に膜厚１０００ｎｍのエピタキシャルＰＺＴ（５２／４
８）薄膜光導波路を成長させた。

【０１０２】

【表１４】

【０１０３】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。

【０１０４】次に、本発明の第８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、さらに膜厚
１０００ｎｍのエピタキシャルＰＺＴ（５２／４８）薄
膜光導波路を成長させた。

【０１０５】

【表１５】

【０１０６】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
を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、ＰＬＺＴバッ
ファ層およびＰＺＴ薄膜光導波路は、第４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（１０
０）／／ＰＬＺＴ（１００）／／ＳｒＲｕＯ_３（１０
０）／／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ＰＺＴ（５２／４８）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、
３．７ｄＢ／ｃｍと良好な値を示した。

【０１０７】次に、本発明の第９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
せた。

【０１０８】

【表１６】

【０１０９】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ＳｒＲ
ｕＯ_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バッファ層およびＳｒ
_０．７５Ｂａ_０．２５Ｎｂ_２Ｏ_６薄膜光導波路は、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_０．７５Ｂａ_０．２５Ｎｂ_２Ｏ_６（１
００）／／Ｓｒ_０．６０Ｂａ_０．４０Ｎｂ_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、５．５
ｄＢ／ｃｍと良好な値を示した。

【０１１０】上記実施の形態と同様に基板上に導電層と
バッファ層を配し、その上に薄膜光導波路を設けた構造
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、導電性基板の材料、物理特性の諸値を表１７乃
至表２４に示す。

【０１１１】

【表１７】

【０１１２】

【表１８】

【０１１３】

【表１９】

【０１１４】

【表２０】

【０１１５】

【表２１】

【０１１６】

【表２２】

【０１１７】

【表２３】

【０１１８】

【表２４】

【０１１９】なお、本発明の対象となる構造はこれらに
限られるものではなく、本明細書に現れた技術的な思想
から当業者ならば予測できる光導波路素子の構造すべて
に及ぶものである。

【０１２０】

【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】本発明の光導波路素子の原理を説明するための
図である。

【図２】本発明の光導波路素子における電磁界分布を示
す図である。

【図３】本発明の光導波路素子における電界分布を示す
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
を示す図である。

【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基板上による
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】光導波路／バッファ層／基板の等価回路を示す
図である。

【図９】実効電圧と印加電圧の比が０．０２〜０．４の
範囲のバッファ層膜厚／光導波路膜厚対バッファ層誘電
率／光導波路誘電率の関係を示す図である。

【図１０】実効電圧と印加電圧の比が０．４〜０．９の
範囲のバッファ層膜厚／光導波路膜厚対バッファ層誘電
率／光導波路誘電率の関係を示す図である。

【図１１】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１２】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。

【図１３】吸収係数が１７４のＳｒＴｉＯ_３基板上の膜
厚９００ｎｍ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。

【符号の説明】

１ 薄膜光導波路 ２ 導電性基板 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 Ｆターム(参考） 2H047 AA02 CC03 DD02 EE06 GG03 GG07 HH08 2K002 AB03 AB04 AB09 BA06 CA02 CA03 CA22 CA25 DA05 EB04 EB09 FA02 HA02

Claims (16)

【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、 前記下部電極上に設けら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設けられたエピタキシャルまたは単
   一配向性の薄膜光導波路と、 前記光導波路上に設けられた導電性薄膜または半導電性
   薄膜の上部電極と、 を具備する光導波路素子。
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、 前記下部電極は、単結晶基板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６のいずれかに記載の光導波
   路素子において、 前記下部電極は、単結晶基板上に形成されたエピタキシ
   ャルまたは単一配向性の薄膜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、 前記下部電極は、酸化物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、 前記下部電極の抵抗率は、１０^８Ω・ｃｍ以下であるこ
    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、 前記下部電極の屈折率は、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。
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。
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、 前記光導波路は、強誘電体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、 前記上部電極は、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。
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。
16. 【請求項１６】請求項１乃至１５のいずれかに記載の光
    導波路素子の作製方法において、 酸化物である前記バッファ層および前記光導波路は、前
    記下部電極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。