JP2000056343A - 光導波路素子およびその製造方法 - 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を提供すること。 【解決手段】不純物元素を０．０１重量％から５．０重
量％ドープした導電性または半導電性の下部電極となる
ＳｒＴｉＯ_３単結晶基板２と、単結晶基板２表面に設け
られたエピタキシャルまたは単一配向性の酸化物バッフ
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電気光学効果を有する酸化物薄膜光
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とを備えた光導波路素子に
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エピタキシャルまたは
単一配向性の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フリー・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Ｓｉ
Ｏ_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、ＳｉＯ_２を導電性基板と酸化物光導
波路との間に設けると、ＳｉＯ_２がアモルファスである
ためにエピタキシャルまたは単一配向性の電気光学効果
を有する酸化物光導波路を作製できなくなる問題があっ
た。さらに、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】また、化合物半導体であるｉ−ＧａＡｓ導
波路において、ｉ−ＧａＡｓ導波路とｎ−ＡｌＧａＡｓ
下部クラッド層との間にｉ−ＡｌＧａＡｓクラッド層が
挿入され、ｎ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層への電磁界
の染みだしを防ぐことにより、ｎ−ＡｌＧａＡｓ下部ク
ラッド層のフリー・キャリアによる吸収を回避する方法
が文献(K. Hamamoto, et al., Electron. Lett. Vol. 2
8 (1992) 441)に示されている。しかし、化合物半導体
とは全く異なる材料であり、エピタキシャル成長が容易
ではなく、比誘電率は数十から数千におよぶ電気光学効
果を有する酸化物光導波路において同様の構造を設ける
方法は知られていなかった。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
ば駆動電圧は大幅に増加してしまう問題と、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Ｐ
ＬＺＴ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、そして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とがあった。

【０００８】このため、本発明者らは導電性基板上に高
誘電率のエピタキシャルまたは単一配向性のバッファ層
を設け、その上にエピタキシャルまたは単一配向性の電
気光学効果を有する酸化物薄膜光導波路を設け、さらに
その上に電極を設けた構造を発明してこれを特許出願し
（特願平９−２１２５０５号）、低駆動電圧特性と低光
伝播損失特性とを両立することを可能にしたが、基板、
バッファ層、光導波路の各材料の組み合わせによってそ
れらの特性が大きく影響し、適切な組み合わせを見出す
ことがさらに必要であった。

【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、不純物
元素を０．０１重量％から５．０重量％ドープした導電
性または半導電性の下部電極となるＳｒＴｉＯ_３単結晶
基板と、単結晶基板表面に設けられたエピタキシャルま
たは単一配向性の酸化物バッファ層と、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電気光学
効果を有する酸化物薄膜光導波路と、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備
えたことを特徴と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。つまり本発明の光導波路素子は、不純物元素
を０．０１重量％から５．０重量％ドープすることによ
って導電性または半導電性としたＳｒＴｉＯ_３単結晶基
板、あるいは不純物元素を０．０５重量％から５．０重
量％ドープすることによって導電性または半導電性とし
たエピタキシャルまたは単一配向性のＳｒＴｉＯ_３薄膜
を表面に有する単結晶基板上へ作製されたエピタキシャ
ルまたは単一配向性の高誘電率バッファ層と、さらにそ
の上に作製されたエピタキシャルまたは単一配向性の電
気光学効果を有する光導波路と、光導波路上の導電性ま
たは半導電性の上部電極が設けられ、下部電極となる導
電性または半導電性の基板あるいは薄膜と上部電極間に
電圧を印加することにより異なる屈折率をもつ部分を発
生させてレーザー・ビームを電圧に応じて偏向、スイッ
チング、または変調する。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
基板としてドープしたＳｒＴｉＯ_３単結晶半導体基板、
あるいはエピタキシャルまたは単一配向性のドープした
ＳｒＴｉＯ_３半導体薄膜の不純物ドーパントとして用い
ることが可能な元素は、ＳｒＴｉＯ_３のＳｒサイトある
いはＴｉサイトを置換することが可能なイオン半径を有
し、かつＳｒあるいはＴｉと原子価が異なる元素であれ
ば良いが、望ましくはＳｒサイトに対しては酸素イオン
に対して１２配位をとることが可能なＳｃ、Ｌｕ、Ｙ
ｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｙ、Ｄｙ、Ｔｂ、Ｂｉ、Ｇｄ、
Ｎａ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｚｎ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｉ
ｎ、Ｋ、Ｔｌ、Ｒｂ、Ｃｓなど、Ｔｉサイトに対しては
酸素イオンに対して６配位をとることが可能なＡｌ、Ａ
ｓ、Ｖ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔａ、Ｒｈ、
Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｂｉ、Ｒｕ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｓｎ、Ｐ
ｕ、Ｎｐ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｕ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｐａ、Ｈｏ、
Ｙ、Ｄｙ、Ｔｂ、Ｔｌ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｐｍ、Ａ
ｍ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｔｈ、Ａｃなどが挙げら
れ、さらに望ましくは周期率表のＩＩＩ族の元素である
Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅ
ｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌ
ｕ、Ａｃ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、またはＶ族の元素である
Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｐａ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉより選ばれ、
さらに望ましくはＬａまたはＮｂを用いることができ
る。

【００１２】ドーピングを行ったＳｒＴｉＯ_３半導体の
抵抗率としては１０^４Ω・ｃｍ以下、望ましくは１０^２
Ω・ｃｍ以下がＲＣ時定数、および電圧降下の点から有
効である。このため、不純物ドーパントの量としては
０．０１重量％から５．０重量％ドープ、望ましくは
０．１重量％から１．０重量％ドープが有効である。
０．０１重量％よりも少なくドープしたＳｒＴｉＯ_３単
結晶基板は抵抗率を１０^４Ω・ｃｍ以下にすることが難
しく、５．０重量％よりも多くドープしたＳｒＴｉＯ _３
単結晶基板を用いることは、結晶性の低下やドーパント
の均一性などの点で困難となる。ＳｒＴｉＯ_３半導体の
屈折率は、波長０．６３３ｕｍで２．４０程度、波長
１．３ｕｍで２．３１程度と、３．４５程度の大きな屈
折率を有するシリコン基板などと異なって通常のバッフ
ァ層や光導波路材料よりも屈折率が低いため、基板への
光のリークを阻止するためのバッファ層の膜厚を低減し
易く、低電圧駆動化するために望ましい。

【００１３】基板と光導波路の間に設けた不純物元素を
０．０１重量％から５．０重量％ドープしたエピタキシ
ャルまたは単一配向性のＳｒＴｉＯ_３半導体薄膜の基板
として用いることが可能な材料は、ＳｒＴｉＯ_３、Ｂａ
ＴｉＯ_３、ＢａＺｒＯ_３、ＬａＡｌＯ_３、ＺｒＯ_２、Ｙ
_２Ｏ_３８％−ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４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、ＧａＳｂ、Ｉ
ｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＬｎＰ、
ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＩｎ
Ａｓ、ＧａＩｎＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓＳｂなど
のＩＩＩ−Ｖ系の化合物半導体、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ｚ
ｎＴｅ、ＣａＳｅ、Ｃｄｔｅ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、Ｃ
ｄＳなどのＩＩ−ＶＩ系の化合物半導体などを用いるこ
とができるが、ＳｒＴｉＯ_３を用いることが上部に配置
する酸化物薄膜光導波路の膜質にとって有利なことが多
い。

【００１４】バッファ層は望ましくは基板材料よりも大
きい屈折率を有し、また、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前記光導
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前記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良い。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、三方晶、斜方晶または擬立方晶系として例えばＳｒ
ＴｉＯ_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、Ｐ
ＬＴ、ＰＬＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）
Ｏ_３、ＫＮｂＯ_３など、六方晶系として例えばＬｉＮｂ
Ｏ_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_５Ｏ_１５、Ｋ_３
Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ_１５、ＺｎＯさらに以上の置換誘導体よ
り選ばれる。しかし、ドープしたＳｒＴｉＯ_３単結晶半
導体基板またはドープしたＳｒＴｉＯ_３半導体薄膜に対
して同様のペロブスカイト構造を有し、これらに対する
格子常数の差が小さく、これらの屈折率２．３９９より
も屈折率が大きいＰｂ_１−ｘＬａ_ｘ（Ｚｒ_ｙＴ
ｉ_１−ｙ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３を用いることが最も望まし
い。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、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。

【００１５】薄膜光導波路材料としては電気光学効果を
有する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、三方晶、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、Ｐ
ｂ（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_２Ｋ
Ｎｂ_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。しかし、バッファ層を介
すもののドープしたＳｒＴｉＯ_３単結晶半導体基板また
はドープしたＳｒＴｉＯ_３半導体薄膜に対して同様のペ
ロブスカイト構造を有し、これらに対する格子常数の差
が小さく、これらの屈折率２．３９９よりも屈折率が大
きく、かつ高い電気光学係数を有するＰｂ_１−ｘＬａ_ｘ
（Ｚｒ_ｙＴｉ_１−ｙ）_{１− ｘ／４}Ｏ_３を用いることが最
も望ましい。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。バッファ層と薄膜光導波路層
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、ドープしたＳｒＴｉＯ_３単結晶半
導体基板またはドープしたＳｒＴｉＯ_３半導体薄膜に対
して同様のペロブスカイト構造を有し、これらに対する
格子常数の差が小さく、これらの屈折率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、すなわちＰｂ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｔｉの比を変化させる
だけでそれぞれの層として利用可能なＰｂ_１−ｘＬａ_ｘ
（Ｚｒ _ｙＴｉ_１−ｙ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３を用いることが最
も有効である。

【００１６】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、ＡｌドープＺｎＯ、Ｉ
ｎ_２Ｏ _３、ＲｕＯ_２、ＢａＰｂＯ_３、ＳｒＲｕＯ_３、Ｙ
Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ、ＳｒＶＯ_３、ＬａＮｉＯ_３、Ｌ
ａ_０．５Ｓｒ_０．５ＣｏＯ_３、ＺｎＧａ_２Ｏ_４、ＣｄＧ
ａ_２Ｏ_４、ＣｄＧａ_２Ｏ_４、Ｍｇ_２ＴｉＯ_４、ＭｇＴｉ
_２Ｏ_４などの酸化物を用いることが可能であるが、伝播
損失を低減するためにＩＴＯまたはＡｌドープＺｎＯな
どのなどの透明酸化物電極を用いることが望ましい。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。

【００１７】前記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、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、Ｍ
ＢＥ、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。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前記バッファ層と前記薄膜光導
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。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℃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℃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。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℃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）_２ＣＨＯ
Ｈ（沸点８２．３℃）、ＣＨ_３（Ｃ_２Ｈ_５）ＣＨＯＨ
（沸点９９．５℃）、（ＣＨ_３）_２ＣＨＣＨ_２ＯＨ（沸
点１０８℃）、Ｃ_４Ｈ_９ＯＨ（沸点１１７．７℃）、
（ＣＨ_３）_２ＣＨＣ_２Ｈ_４ＯＨ（沸点１３０．５℃）、
ＣＨ_３ＯＣＨ_２ＣＨ_２ＯＨ（沸点１２４．５℃）、Ｃ_２
Ｈ_５ＯＣＨ_２ＣＨ_２ＯＨ（沸点１３５℃）、Ｃ_４Ｈ_９Ｏ
ＣＨ_２ＣＨ_２ＯＨ（沸点１７１℃）などのアルコール類
が最も望ましが、これらに限定されるものではなくＣ_２
Ｈ_５ＯＨ（沸点７８．３℃）なども使用可能である。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。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、０．１〜１０００℃／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、１０
０℃〜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、１０〜５００℃／
秒の昇温速度、望ましくは２０〜１００℃／秒の昇温速
度で高速加熱し、６５０℃〜１２００℃、望ましくは７
００℃〜９００℃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、一層の膜
厚が１０ｎｍから１０００ｎｍ、望ましくは膜厚５０ｎ
ｍ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０．０１〜１００Ｃ／
秒の冷却速度で冷却を行なう。

【００１８】以上の構造を具備する光導波路素子は下部
電極となる導電性または半導電性の基板あるいは薄膜と
上部電極間に電圧を印加することにより異なる屈折率を
もつ部分を発生させてレーザー・ビームを電圧に応じて
偏向、スイッチング、または変調する。そのような素子
はさらに具体的には、プリズム型偏向素子、マッハツェ
ンダ干渉スイッチ、方向性結合スイッチ、全反射型スイ
ッチ、ブラッグ反射型スイッチ、デジタル型スイッチ、
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が対象となり、
本発明よって低駆動電圧特性と低伝搬損失特性を同時に
満足できる光導波路素子が提供される。

【００１９】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。図１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（ｎ_２＝２．４
０）１２上に６００ｎｍの厚さのＰＺＴ（５２／４８）
薄膜光導波路（ｎ_１＝２．５６）１１が設けられ、その
上に媒質１３が設けられた構造における、波長６３３ｎ
ｍ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％が基板へ染みだすことを示した。
この際、基板１２の光吸収により光導波路１１中の光伝
搬にともない基板１２へ染みだした成分が吸収され、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、基板吸収によって生じる伝搬損失が生じ
る。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２に示すように小さくなる。

【００２０】しかし、この染みだしている領域の厚さ分
を図３および表１に示すように吸収の少ないノンドープ
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１２による吸収はなくなり、伝
搬損失の低減が可能となる。

【００２１】

【表１】

【００２２】バッファ層１４がこのように薄膜光導波路
１１と導電性基板１２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、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は、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。また、光導波路材料は高い電気光学係数を有す
ることが望ましく、導電性基板材料は低い抵抗率を有す
ることが望ましい。

【００２３】このような関係を満たすバッファ層材料お
よび光導波路材料と導電性基板材料の組み合わせとして
は、バッファ層材料および光導波路材料としてＰｂ
_１−ｘＬａ_ｘ（Ｚｒ_ｙＴｉ_１−ｙ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３、基
板としては不純物元素をドープすることによって導電性
または半導電性としたＳｒＴｉＯ_３単結晶基板が最も適
切であることが数多くの材料の鋭意検討によってわかっ
た。ＳｒＴｉＯ_３は電気光学効果を有する酸化物材料で
あるぺロブスカイト構造を有し、不純物のドープによっ
て半導体化し、さらに良好な単結晶を作製することが可
能な材料である。Ｐｂ_１−ｘＬａ_ｘ（Ｚｒ_ｙＴ
ｉ_１−ｙ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３は不純物をドープしたＳｒＴ
ｉＯ_３単結晶半導体基板またはドープしたＳｒＴｉＯ_３
半導体薄膜に対して同様のペロブスカイト構造を有し、
これらに対する格子常数の差が小さく、これらの屈折率
２．３９９よりも屈折率が大きく、かつ高い電気光学係
数を有する材料である。不純物ドープＳｒＴｉＯ_３導電
性基板と例えばＰＺＴ（５２／４８）の格子常数の差は
３％と極めて小さい。

【００２４】上記の構造（表１）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４に示す。バッ
ファ層膜厚ゼロすなわちバッファ層がない場合伝搬損失
は６２．９ｄＢ／ｃｍにもなるが、膜厚３００ｎｍの膜
厚のバッファ層を挿入すると伝搬損失はわずか０．６ｄ
Ｂ／ｃｍにまで低減できる。また、図５には各波長にお
けるＰＺＴ（５２／４８）薄膜光導波路／ノンドープＳ
ｒＴｉＯ_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。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が、この図５
の例の様に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。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。

【００２５】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、薄膜光導波路に印加できる実効電圧は低下する。
図６は等価回路であり、薄膜光導波路１１の容量Ｃ_ｗと
バッファ層１４の容量Ｃ_ｂからなる直列回路で表され、
容量の関係は次のようになる。

【００２６】 １／Ｃ_０＝１／Ｃ_ｗ＋１／Ｃ_ｂ＝（Ｃ_ｗ＋Ｃｂ）／（Ｃ_ｗ・Ｃ_ｂ） ・・・ ［１］ または、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、ε_０を真空
の誘電率で８．８５４×１０^−１４（Ｆ／ｃｍ）、Ｓを
電極面積とすると次式のようになる。

【００２７】 １／Ｃ_０＝１／Ｃ_ｗ＋１／Ｃ_ｂ＝（ε_ｗｄ_ｂ＋ε_ｂｄ_ｗ）／（ε_０ε_ｗε_ｂ・Ｓ ） ・・・［１’］ 電荷は同じなので、 Ｑ＝Ｃ_０Ｖ_０＝Ｃ_ｗＶ_ｗ ・・・［２］ （Ｃ_ｗ・Ｃ_ｂ）／（Ｃ_ｗ＋Ｃ_ｂ）×Ｖ_０＝Ｃ_ｗＶ_ｗ ・・・［３］ 従って、薄膜光導波路に印加される実効電圧は、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。 Ｖ_ｗ＝Ｃ_ｂ／（Ｃ_ｗ＋Ｃ_ｂ）×Ｖ_０＝ε_ｂｄ_ｗ／（ε_ｗｄ_ｂ＋ε_ｂｄ_ｗ）×Ｖ_０ ・・・［４］

【００２８】先の、ＮｂドープＳｒＴｉＯ_３基板上（ε
_ｓ＝３００）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、 Ｖ_ｗ＝ε_ｂｄ_ｗ／（ε_ｗｄ_ｂ＋ε_ｂｄ_ｗ）×Ｖ_０＝３０
０×６００／（９００×３００＋３００×６００）×Ｖ
_０＝０．４０×Ｖ_０ と印加電圧の４０％を実効電圧として光導波路に印加可
能となる。

【００２９】［４］式は、さらに下記のように変形でき
る。 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｝ 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｝ ・・・［５］

【００３０】ｄ_ｂ／ｄ_ｗとε_ｂ／ε_ｗの関係を各Ｖ_ｗ／
Ｖ_０の値について図７および図８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、すなわち実効電圧が印加電圧の２％
以上となるε_ｂ／ε_ｗとして０．００２以上の領域、望
ましくはＶ_ｗ／Ｖ_０が０．１以上の値、すなわち実効電
圧が印加電圧の１０％以上となるε_ｂ／ε_ｗとして０．
００６以上の領域となる。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。バッファ層の比誘電
率は、光導波路の比誘電率として４０００近くの材料が
あるため、ε_ｂ／ε_ｗとして０．００２以上を確保でき
る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。

【００３１】さらに、薄膜光導波路素子が基板と上部電
極で挟まれた構造での偏向速度、スイッチング速度、あ
るいは変調速度を次式のＲＣ時定数で決まる周波数応答
の３ｄｂポイントｆで基板の抵抗率の許容範囲を検討す
る。なお、実際には駆動系のインピーダンスが加わり、
ＲＣ時定数はさらに大きくなる。

【００３２】 ｆ＝１／（２π・Ｒ・Ｃ） ＝１／（２π・ρｄ_ｓ／Ｓ×ε_０ε_ｒＳ／ｄ_ｗ） ＝１／（２π・ρ・ε_０ε_ｒ×ｄ_ｓ／ｄ_ｗ） ・・・［６］ または、 ｆ＝１／（２π・Ｒ・Ｃ_０） ＝１／（２π・ρｄ_ｓ／Ｓ×(ε_０ε_ｗε_ｂ・Ｓ）／（ε_ｗｄ_ｂ＋ε_ｂｄ_ｗ） ） ・・・［６’］

【００３３】ここで、Ｒは基板の抵抗、ρは基板の抵抗
率、ｄ_ｓは基板の厚さ、Ｃは光導波路の静電容量、ε_ｒ
は比誘電率、ｄ_ｗは光導波路の厚さである。基板の厚さ
は５０μｍ程度が薄さの限界であるためｄ_ｓを５０μ
ｍ、光導波路の厚さは一般に１μｍ程度であるためｄ_ｗ
を１μｍとした場合の抵抗率と周波数応答の関係を図９
に示す。強誘電体材料の比誘電率は数１０から数１００
０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
率は１０^４Ω・ｃｍ以下が必要になる。光導波路素子の
応答が１ｋＨｚ以下である場合は機械的素子の応答速度
のレベルであり、本来高速である電気光学効果を用いた
素子の意義がなくなる。

【００３４】また、偏向、スイッチング、あるいは変調
のための電圧を薄膜光導波路素子が基板と上部電極で挟
まれた構造へ印加した場合、多くの場合、薄膜光導波路
には１０^−７Ａ／ｃｍ^２以上のリーク電流が流れる。こ
のため基板抵抗が大きいと基板での電圧降下が著しくな
り薄膜光導波路にかかる電圧が低下する。基板での電圧
降下ΔＶは次式の関係で検討する。 ΔＶ＝ＩＲ＝ｊ・Ｓ×ρ・ｄ_ｓ／Ｓ＝ｊ×ρ・ｄ_ｓ ・・・［７］

【００３５】ここで、Ｉはリーク電流、ｊはリーク電流
密度、Ｒは基板の抵抗、ρは基板の抵抗率、ｄ_ｓは基板
の厚さ、Ｓは電極面積である。基板の厚さは５００μｍ
程度以下であるためｄ_ｓを５００μｍとした場合の抵抗
率と電圧降下の関係を図１０に示す。導電性基板上薄膜
光導波路素子構造においては低電圧駆動が可能であるた
め、駆動電圧は少なくとも１００Ｖ以下、多くの場合１
０Ｖ以下となる。このような駆動電圧に対して基板での
電圧降下ΔＶが無視できる領域となる１％以下、すなわ
ち駆動電圧が１０Ｖの場合にリーク電流密度が１０^−４
Ａ／ｃｍ^２程度でも電圧降下が０．１Ｖ以下とするため
には基板の抵抗率は１０^４Ω・ｃｍ以下が必要となるこ
とがわかる。しかし、これらのリーク電流密度は定常状
態における電流密度であり、光導波路の充放電の瞬間に
おける電流密度はもっと大きいため、望ましくは抵抗率
は１０^２Ω・ｃｍ以下が必要となる。

【００３６】このような抵抗値の要求を満足できる不純
物元素をドープすることによって導電性または半導電性
としたＳｒＴｉＯ_３材料は、不純物元素を０．０１重量
％から５．０重量％ドープしたＳｒＴｉＯ_３である。
０．０１重量％よりも少なくドープしたＳｒＴｉＯ_３は
抵抗率を１０^４Ω・ｃｍ以下にすることが難しく、５．
０重量％よりも多くドープしたＳｒＴｉＯ_３は、結晶性
の低下やドーパントの均一性などの点で使用が困難とな
る。

【００３７】

【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および図１２を用いて説明する。
図１１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５００ｎｍの
エピタキシャルＰＬＺＴ（９／６５／３５）バッファ層
４を成長させ、次に膜厚１０００ｎｍ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ＥＯ偏向素
子を作製した。ＰＬＺＴ光導波路層はゾルゲル法を用い
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、ランタン・イソプロ
ポキシドＬａ（Ｏ−ｉ−Ｃ_３Ｈ_７）_３、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ＰＬＺＴ用前駆体溶液を得
た。さらに、この前駆体溶液をＮｂドープＳｒＴｉＯ_３
基板へスピンコーティングを行った。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℃／ｓｅｃにて昇温して３５０℃にて保持の後、７
５０℃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１００ｎｍの第一層目のＰＬＺＴ薄膜を
固相エピタキシャル成長した。これをさらに４回繰り返
すことにより総膜厚５００ｎｍのエピタキシャルＰＬＺ
Ｔバッファ層が得られた。ＰＺＴ光導波路層は同様にし
て作製したＰＺＴ用前駆体溶液をＰＬＺＴバッファ層表
面へスピンコーティングを行い、加湿Ｏ_２雰囲気中で２
０℃／ｓｅｃにて昇温して３５０℃にて保持の後、６５
０℃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１００ｎｍ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９回繰り返すこ
とにより総膜厚１０００ ｎｍのエピタキシャルＰＺＴ
薄膜光導波路が得られた。

【００３８】

【表２】

【００３９】結晶学的関係は単一配向のＰＺＴ（１０
０）／／ＰＬＺＴ（１００）／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ
_３（１００）、面内方位ＰＺＴ［００１］／／ＰＬＺＴ
［００１］／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ_３［００１］の構造が
得られた。ＰＺＴ薄膜光導波路上にはＲｆスパッタリン
グによる膜厚１００ｎｍのＩＴＯ薄膜による底辺１００
μｍ、高さ１０００μｍのプリズム形上部電極をリフト
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。

【００４０】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、その部分の屈折率の低下が起こる。
本実施の形態においては、上面三角形の電極が図１１よ
び図１２のプリズム電極７の位置に配置され、距離ｄの
下部電極であるＮｂドープＳｒＴｉＯ_３基板２と上部電
極であるＩＴＯ電極７との間に電圧Ｖが印加されると、 Δｎ＝−１／２・ｒ・ｎ^３・（Ｖ／ｄ） ・・・［８］ 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 θ＝−Δｎ×Ｌ／Ｗ＝１／２・ｒ・ｎ^３・（Ｖ／ｄ）・（Ｌ／Ｗ） ・・・ ［９］ の偏向が生じる。なお、二次の電気光学効果であるＫｅ
ｒｒ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） ・・・［１０］

【００４１】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
を本実施の形態のＰＺＴ薄膜光導波路に導入し、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、５．２ｄＢ／
ｃｍと良好な値を示した。また、ＮｂドープＳｒＴｉＯ
_３基板上へそれぞれ直接成長した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［４］より求められるＰＺＴ
薄膜光導波路の実効電圧は８１％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＝２．５６であった。

【００４２】本実施の形態のプリズム型ＥＯ偏向素子へ
レーザ光源９からの６３３ｎｍの波長のレーザー・ビー
ムをレンズ１０で幅１００μｍにコリメートした後、Ｐ
ＺＴ薄膜光導波路１へプリズム５を介して導入し、下部
ＮｂドープＳｒＴｉＯ_３基板電極２とＩＴＯ上部プリズ
ム電極７間に電圧を印加することにより、導入されたレ
ーザー・ビーム６が偏向された。偏向の後、偏向された
レーザー・ビーム８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１．０８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＝１
００μｍ、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同じ１．０８度となっ
た。

【００４３】偏向速度を測定すると周波数応答は８．８
ＭＨｚを示した。本実施の形態のＮｂドープＳｒＴｉＯ
_３基板上へ成長した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９
００、および式［１’］より合成容量を求め、さらに式
［６’］よりＲＣ時定数に測定系の抵抗５０Ωを考慮す
ることによって決まる周波数応答と求めると９．０ＭＨ
ｚと、実測値にほぼ一致した。また、リーク電流密度は
１×１０^−７Ａ／ｃｍ^２であり、式［７］より求められ
る基板での電圧降下ΔＶは３×１０^−１０Ｖと無視でき
るレベルであった。以上のように、本実施の形態は有効
に機能した。

【００４４】次に本実施の形態に対する第１の比較例を
説明する。本比較例においては抵抗率が５×１０^４Ω・
ｃｍ、厚さが５００μｍのＮｂ０．００５％ドープＳｒ
ＴｉＯ_３（１００）単結晶導電性の下部電極基板上へ、
第１の実施の形態と同様にして膜厚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１０００ｎｍのエピタキシャルＰＺＴ
（５２／４８）薄膜光導波路を成長させ、さらに第１の
実施の形態と同様のプリズム型電極を形成することによ
ってＥＯ偏向素子を作製した。

【００４５】第１の実施の形態と同様にして光伝搬損失
を求めたところ、本比較例のＰＺＴ光導波路の光伝搬損
失は５．１ｄＢ／ｃｍと、実用レベルに入る特性を示し
た。次に、第１の実施の形態と同様にして本比較例のプ
リズム型ＥＯ偏向素子へ６３３ｎｍの波長のレーザー・
ビームを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
プリズム電極の間に電圧を印加することにより、レーザ
ー・ビームを偏向した。端面から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、５Ｖ印加で０．９７度の偏向が確認された。

【００４６】一方、偏向速度を測定すると周波数応答は
１００Ｈｚと非常に遅い値を示した。本実施の形態のＮ
ｂドープＳｒＴｉＯ_３基板上へ成長した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より合成容量を求め、さらにＲ
Ｃ時定数に測定系の抵抗５０Ωを考慮することによって
決まる周波数応答と求めると９９Ｈｚと、実測値にほぼ
一致した。また、リーク電流密度４×１０^−７Ａ／ｃｍ
^２より求められる基板での電圧降下ΔＶは１×１０^−３
Ｖと第１の実施の形態に比較してかなり大きかった。

【００４７】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
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ＰＺＴ（５２／４８）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
のプリズム型電極を形成することによってＥＯ偏向素子
を作製した。

【００４８】

【表３】

【００４９】ＳｒＴｉＯ_３バッファ層はＲｆスパッタリ
ングにより成長させた。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］／／Ｎ
ｂ−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
プリズム形上部電極を形成した。

【００５０】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、３．６ｄ
Ｂ／ｃｍと良好な値を示した。一方、本実施の形態のＳ
ｒＴｉＯ_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３００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、ＰＺ
Ｔ薄膜光導波路の実効電圧の見積もりは５０％となっ
た。

【００５１】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の波長のレーザー
・ビームをプリズムを介してＰＺＴ薄膜光導波路へ導入
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レーザー・
ビームが偏向された。偏向されたレーザー・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２．５８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＝１０００
μｍ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。

【００５２】偏向速度を測定すると周波数応答は１２．
０ＭＨｚを示した。本実施の形態のＮｂドープＳｒＴｉ
Ｏ_３基板上へ成長したＳｒＴｉＯ_３バッファ層の比誘電
率測定値３００と、ＰＺＴ薄膜光導波路の比誘電率測定
値９００より合成容量を求め、さらにＲＣ時定数に測定
系の抵抗５０Ωを考慮することによって決まる周波数応
答と求めると１３．１ＭＨｚと、実測値にほぼ一致し
た。また、リーク電流密度２×１０^−７Ａ／ｃｍ^２より
求められる基板での電圧降下ΔＶは５×１０^{−１ ０}Ｖと
無視できるレベルであった。

【００５３】次に本実施の形態に対する第２の比較例を
説明する。本比較例においては第２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。

【００５４】ＳｒＴｉＯ_３バッファ層はＲｆスパッタリ
ングにより成長させた。膜厚１２ｎｍのＳｒＴｉＯ_３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Ｐ
ＺＴ（１００）／／ＳｒＴｉＯ_３（１００）／／Ｎｂ−
ＳｒＴｉＯ_３（１００）、面内方位ＰＺＴ［００１］／
／ＳｒＴｉＯ_３［００１］／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ_３［０
０１］の構造が得られた。

【００５５】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、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ず、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０．０５以下の
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
った。

【００５６】次に本実施の形態に対する第３の比較例を
説明する。本比較例においては第２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９００ｎｍのエピタキシャルＰ
ＺＴ（５２／４８）薄膜光導波路を直接成長させた。Ｐ
ＺＴ（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（１０
０）／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ_３（１００）、面内方位ＰＺ
Ｔ［００１］／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ_３［００１］の構造
が得られた。

【００５７】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、ＴＥ_０モードの伝搬損失測定を行った所、Ｎｂドー
プＳｒＴｉＯ_３基板による吸収減衰が大きく伝搬損失は
求めることができなかった。

【００５８】次に本実施の形態に対する第４の比較例を
説明する。本比較例においては第２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。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２
の実施の形態と同様にゾルゲル法を用いて総膜厚９００
ｎｍのＰＺＴ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。

【００５９】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、伝搬損失を測定した所、散乱が激しいため光伝搬が
全く見られなかった。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９００ｎ
ｍ、比誘電率９００、およびＳｉＯ_２バッファ層の膜厚
３００ｎｍ、比誘電率３．９よりわずか１．３％とな
り、第１の実施の形態のように１００Ｖを印加しても実
効電圧は１．３Ｖにしかならないことがわかった。

【００６０】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４に示すように抵抗率
が３０Ω・ｃｍのＮｂ０．０５％ドープＳｒＴｉＯ
_３（１００）単結晶導電性の下部電極基板上へ、膜厚３
００ｎｍ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、さらに第
１の実施の形態と同様のプリズム型電極を形成すること
によってＥＯ偏向素子を作製した。

【００６１】

【表４】

【００６２】ＳｒＴｉＯ_３バッファ層はＲｆスパッタリ
ングにより膜厚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（１０
０）／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ_３（１００）、面内方位ＰＬ
ＺＴ［００１］／／ＳｒＴｉＯ_３［００１］／／Ｎｂ−
ＳｒＴｉＯ_３［００１］の構造が得られた。ＰＬＺＴ薄
膜光導波路上には膜厚２００ｎｍのＩＴＯ薄膜によるプ
リズム形上部電極を形成した。

【００６３】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のＰＬＺＴ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、２．９
ｄＢ／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３００と、ＰＬＺＴ薄膜光導
波路の比誘電率測定値１９００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、ＰＬ
ＺＴ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。

【００６４】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の波長のレーザー
・ビームをプリズムを介してＰＬＺＴ薄膜光導波路へ導
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レーザー
・ビームが偏向された。偏向されたレーザー・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４．２０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＝１００μ
ｍ、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。

【００６５】偏向速度を測定すると周波数応答は１８０
ｋＨｚを示した。本実施の形態のＮｂドープＳｒＴｉＯ
_３基板上へ成長したＳｒＴｉＯ_３バッファ層の比誘電率
測定値３００と、ＰＬＺＴ薄膜光導波路の比誘電率測定
値１９００より合成容量を求め、さらにＲＣ時定数に測
定系の抵抗５０Ωを考慮することによって決まる周波数
応答と求めると１７４ｋＨｚと、実測値にほぼ一致し
た。また、リーク電流密度９×１０^−８Ａ／ｃｍ^２より
求められる基板での電圧降下ΔＶは１×１０^−７Ｖと無
視できるレベルであった。

【００６６】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５に示すように抵抗率
が０．００２Ω・ｃｍの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５
００ｎｍ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１０００ｎｍのエピタ
キシャルＰＺＴ（５２／４８）薄膜光導波路を成長さ
せ、さらに第１の実施の形態と同様のプリズム型電極を
形成することによってＥＯ偏向素子を作製した。

【００６７】

【表５】

【００６８】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２００ｎｍ
のＡｌ２．０％ドープＺｎＯ薄膜による底辺１００μ
ｍ、高さ１０００μｍのプリズム形上部電極を形成し、
プリズム型ＥＯ偏向素子を作製した。

【００６９】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、５．５ｄ
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より求められるＰＬＺＴ薄膜光導
波路の実効電圧は８１％となった。

【００７０】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の波長のレーザー
・ビームをプリズムを介してＰＺＴ薄膜光導波路へ導入
し、下部ＮｂドープＳｒＴｉＯ_３基板電極とＡｌドープ
ＺｎＯ上部プリズム電極間に電圧を印加することにより
レーザー・ビームが偏向された。偏向されたレーザー・
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１．１０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。

【００７１】偏向速度を測定すると周波数応答は７．７
ＭＨｚを示した。本実施の形態のＬａドープＳｒＴｉＯ
_３基板上へ成長した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９
００、より合成容量を求め、さらにＲＣ時定数に測定系
の抵抗５０Ωを考慮することによって決まる周波数応答
と求めると７．７ＭＨｚと、実測値に一致した。また、
リーク電流密度は３×１０^−７Ａ／ｃｍ^２であり、基板
での電圧降下ΔＶは３×１０^−１１Ｖと無視できるレベ
ルであった。

【００７２】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。第１の実施の形態とほぼ
同様に表６に示すようにＬａ０．１％ドープＳｒＴｉＯ
_３（１００）単結晶導電性の下部電極基板上へ、膜厚５
００ｎｍのエピタキシャルＰＺＴ（８５／１５）バッフ
ァ層を成長させ、次に膜厚１０００ｎｍのエピタキシャ
ルＰＺＴ（５２／４８）薄膜光導波路を成長させ、さら
に薄膜光導波路のパターンニングによるチャンネルの形
成と電極の設置によってマッハツェンダ干渉スイッチを
作製することができる。

【００７３】

【表６】

【００７４】ＰＺＴ（８５／１５）バッファ層およびＰ
ＺＴ（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ＰＺＴ（８５／１５）バッファ層の積層の後、Ｐ
ＺＴ（５２／４８）薄膜光導波路を積層することによっ
て得られる。結晶学的関係は単一配向のＰＺＴ（１０
０）／／ＰＺＴ（１００）／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ_３（１
００）、面内方位ＰＺＴ［００１］／／ＰＺＴ［００
１］／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ_３［００１］の構造が得ら
れ、低伝搬損失で低駆動電圧である良好な光導波路特性
およびスイッチング特性を有する光導波路構造を得るこ
とができる。

【００７５】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。第５の実施の形態と同様
に表６に示すようにＬａ０．１％ドープＳｒＴｉＯ
_３（１００）単結晶導電性の下部電極基板上へ、膜厚５
００ｎｍのエピタキシャルＰＺＴ（８５／１５）バッフ
ァ層を成長させ、次に膜厚１０００ｎｍのエピタキシャ
ルＰＺＴ（５２／４８）薄膜光導波路を成長させ、さら
に薄膜光導波路のパターンニングによるチャンネルの形
成と電極の設置によって方向性結合スイッチを作製する
ことができ、低伝搬損失で低駆動電圧である良好な光導
波路特性およびスイッチング特性を有する光導波路構造
を得ることができる。

【００７６】なお、第１乃至第６の実施の形態と同様に
不純物元素をドープすることによって導電性または半導
電性としたＳｒＴｉＯ_３単結晶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
態を表７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。

【００７７】

【表７】

【００７８】

【表８】

【００７９】

【表９】

【００８０】

【表１０】

【００８１】

【表１１】

【００８２】

【表１２】

【００８３】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。表１３に示すようにＭｇ
Ｏ単結晶基板上へ、膜厚２００ｎｍのエピタキシャルＮ
ｂ０．５％ドープＳｒＴｉＯ_３（１００）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、次に膜厚１０００ｎｍのエピタキシャルＰＺ
Ｔ（５２／４８）薄膜光導波路を成長させ、さらに薄膜
光導波路のパターンニングによるチャンネルの形成とＸ
交差部への電極の設置によって全反射型スイッチを作製
することができる。

【００８４】

【表１３】

【００８５】導電層，バッファ層、導波路層の各層はタ
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
よって成長させることができる。結晶学的関係は単一配
向のＰＺＴ（１００）／／ＳｒＴｉＯ_３（１００）／／
Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ_３（１００）／／ＭｇＯ（１００）の
関係を有し、低伝搬損失で低駆動電圧である良好な光導
波路特性およびスイッチング特性を有する光導波路構造
を得ることができる。

【００８６】本実施の形態と同様に基板上に不純物元素
をドープすることによって導電性または半導電性とした
ＳｒＴｉＯ_３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。

【００８７】

【表１４】

【００８８】また、以上の実施の形態ではプリズム型偏
向素子、マッハツェンダ干渉スイッチ、方向性結合スイ
ッチ、および全反射型スイッチを示したが、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、デジタル
型スイッチ、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。

【００８９】

【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における電界分布を示す
図である。

【図２】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３】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４】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５】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６】光導波路／バッファ層／基板の等価回路を示す
図である。

【図７】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８】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９】基板の抵抗率とＲＣ時定数による駆動周波数の
関係を示す図である。

【図１０】基板の抵抗率と電圧降下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。

【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 (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

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】不純物元素を０．０１重量％から５．０重
   量％ドープした導電性または半導電性の下部電極となる
   ＳｒＴｉＯ_３単結晶基板と、 前記単結晶基板表面に設けられたエピタキシャルまたは
   単一配向性の酸化物バッファ層と、 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
   一配向性の電気光学効果を有する酸化物薄膜光導波路
   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、 前記単結晶半導体基板は、表面に不純物元素を０．０１
   重量％から５．０重量％ドープしたエピタキシャルまた
   は単一配向性のＳｒＴｉＯ_３半導体薄膜を有しているこ
   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、 前記不純物元素は、ＩＩＩ族またはＶ族の元素であるこ
   とを特徴とする光導波路素子。
4. 【請求項４】請求項３記載の光導波路素子において、 前記不純物元素は、Ｎｂ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３記載の光導波路素子において、 前記不純物元素は、Ｌａ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、 前記単結晶半導体基板の抵抗率は、１０^４Ω・ｃｍ以下
   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。
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、 前記バッファ層は、Ｐｂ_１−ｘＬａ_ｘ（Ｚｒ_ｙＴｉ
   _１−ｙ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３（０＜ｘ＜０．３、０＜ｙ＜
   １．０）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、 前記薄膜光導波路は、酸化物強誘電体であることを特徴
   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、 前記強誘電体薄膜光導波路は、Ｐｂ_１−ｘＬａ_ｘ（Ｚｒ
    _ｙＴｉ_１−ｙ）_{１−ｘ ／４}Ｏ_３（０＜ｘ＜０．３、０＜
    ｙ＜１．０）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、 前記上部電極は、前記光導波路よりも小さい屈折率を有
    する透明導電性酸化物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１１記載の光導波路素子におい
    て、 前記上部電極は、ＩＴＯ（インジウムすず酸化物）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１１記載の光導波路素子におい
    て、 前記上部電極は、ＡｌドープＺｎＯ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。
15. 【請求項１５】請求項１４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プリズム
    型偏向、マッハツェンダ干渉スイッチング、方向性結合
    スイッチング、全反射型スイッチング、ブラッグ反射型
    スイッチング、デジタル型スイッチング、位相変調、モ
    ード変換、または波長フィルタリングすることを特徴と
    する光導波路素子。
16. 【請求項１６】酸化物バッファ層と酸化物薄膜光導波路
    とを有する光導波路素子の製造方法において、 前記酸化物バッファ層及び前記酸化物薄膜光導波路は、
    金属有機化合物を塗布した後、焼成による固相エピタキ
    シャル成長により形成することを特徴とする光導波路素
    子の製造方法。