JP2001091976A - Light deflection device - Google Patents

Light deflection device

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JP2001091976A
JP2001091976A JP26711099A JP26711099A JP2001091976A JP 2001091976 A JP2001091976 A JP 2001091976A JP 26711099 A JP26711099 A JP 26711099A JP 26711099 A JP26711099 A JP 26711099A JP 2001091976 A JP2001091976 A JP 2001091976A
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JP
Japan
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optical waveguide
light beam
electrode
prism
thin film
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Pending
Application number
JP26711099A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takashi Morikawa
尚 森川
Keiichi Nashimoto
恵一 梨本
Shigetoshi Nakamura
滋年 中村
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Fujifilm Business Innovation Corp
Original Assignee
Fuji Xerox Co Ltd
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Publication date
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Publication of JP2001091976A publication Critical patent/JP2001091976A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To two-dimensionally deflect a light beam with low driving voltage and a high utilization factor of the light by utilizing a small-sized optical waveguide element which uses only one substrate and does not necessitate optical axis control. SOLUTION: The device is provided with a thin film optical waveguide 3 arranged on a conductive single crystal substrate 1 and having an epitaxial electro optical effect. An electrode 5 for controlling the light beam in the optical waveguide is arranged on the optical waveguide 3. A light emitting prism 9 for emitting the light beam in the optical waveguide 3 is arranged on the more downstream light beam side of the optical waveguide 3 than the position where the electrode 5 for controlling the light beam in the optical waveguide is arranged. A buffer layer is arranged between the single crystal substrate 1 and the optical waveguide 3. An upper side electrode 5 is arranged between the optical waveguide 3 and the electrode 5 for controlling the light beam in the optical waveguide.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光偏向素子に係
り、特に、光導波路内に入射された光ビームを2次元偏
向することが可能な光導波路素子に関する。この光偏向
素子は、レーザー・プリンター、デジタル複写機、ファ
クシミリ、ディスプレイ、光インターコネクション、バ
ーコードリーダ、グリフコードリーダ、光ディスク用の
ピックアップ、表面検査用光スキャナー、表面形状想定
用光スキャナー等を含むオプト・エレクトロニクス全般
に亘って使用することができる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical deflecting element, and more particularly, to an optical deflecting element capable of two-dimensionally deflecting a light beam incident on an optical waveguide. This light deflection element includes a laser printer, a digital copier, a facsimile, a display, an optical interconnection, a barcode reader, a glyph code reader, a pickup for an optical disk, a surface inspection optical scanner, a surface shape estimation optical scanner, and the like. It can be used throughout optoelectronics.

【0002】[0002]

【従来の技術】レーザー・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ー・ビ
ーム光偏向装置として、気体レーザーや半導体レーザー
からのビーム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ー・
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
る光偏向装置は大型であるだけでなく、ポリゴンミラー
をモーターによって機械的に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するという問題があ
る。また、ガルバノミラ−やカンチレバ−ミラ−には偏
向精度の問題も発生する。
2. Description of the Related Art As a laser beam light deflector used in laser beam printers, digital copiers, facsimile machines, etc., a rotating polygon mirror called a polygon mirror for deflecting a beam from a gas laser or a semiconductor laser, and its rotation. Laser reflected by polygon mirror
A lens composed of an fθ lens that condenses a beam in a state of linear movement at a constant velocity on an image forming surface such as a photoconductor is typically used. The light deflecting device using such a polygon mirror is not only large in size, but also has a problem in that the polygon mirror is mechanically rotated at a high speed by a motor, so that there is a problem in durability and noise is generated. In addition, the galvanomirror and cantilever mirror have a problem of deflection accuracy.

【0003】一方、固体型の電気的なレーザー・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、なかでもバルク型の音響光学素子と比較して
小型の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ー・ビーム光走査
装置の欠点を解決するレーザー・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、LiNbO3やZnOなどよりなる光
導波路と、この光導波路内にレーザー光ビームを入射さ
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
般に回折効率が数十%であるために光利用効率が低下し
たり0次光を処理しなければならない問題、数百MHzの
周波数を制御するための電源が高価で大型である問題な
どがあり、レーザー・プリンター、デジタル複写機、フ
ァクシミリ、ディスプレイ、光インターコネクション、
バーコードリーダ、グリフコードリーダ、光ディスク用
のピックアップなどへの応用は困難であった。
On the other hand, as a solid-state electric laser beam light deflector, there is a light deflector utilizing an acousto-optic effect. Among them, an optical waveguide type deflector which is smaller than a bulk type acousto-optical device is known. Is expected. This optical waveguide device is being studied for application to a printer or the like as a laser beam light scanning device that solves the drawbacks of a laser beam light scanning device using a polygon mirror. Optical deflection element of the optical waveguide type deflection, an optical waveguide including, for example, LiNbO 3 and ZnO, have a means for entering the laser beam into the optical waveguide, further a light beam in the optical waveguide by acousto-optic effect It has a comb-shaped electrode for exciting surface acoustic waves and means for outputting the deflected light beam from the optical waveguide. Is added to
However, the light deflection element using the acousto-optic effect generally has a diffraction efficiency of several tens of percent, so that the light utilization efficiency is reduced or the zero-order light must be processed. Power supplies are expensive and large, such as laser printers, digital copiers, facsimiles, displays, optical interconnections,
Application to bar code readers, glyph code readers, optical disk pickups, and the like has been difficult.

【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
を用いた文献A. Yariv, Optical Electronics, 4th ed.
(New York, Rinehart and Winston, 1991) pp. 336〜3
39.等にも解説されている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、大きさが大きく、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LiNbO3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
文献Q. Chen, et al., J. Lightwave Tech. vol. 12 (1
994) 1401.や特開平1-248141などに示されている。しか
し、LiNbO3単結晶ウエハーの厚さである0.5 mm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、
前記文献では±600 V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。また、特開平2-3118
27には光導波路の実効屈折率を電気光学効果によって変
化させ、プリズム結合器からの出射角度を変化させる方
法が示されている。しかし、開示された構成はプリズム
結合器が設けられた光導波路部分の屈折率を変化させる
電極配置ではないために実際には出射角度を変化させる
ことができず、また仮に出射角度を変化させることがで
きたとしても電極が光導波路表面に設けられた構造であ
るため電極間隔が大きくなり、上記の文献の例と同様に
実用的な偏向角度を得ることはできない。
On the other hand, A. Yariv, Optical Electronics, 4th ed., Which uses an oxide ferroelectric material having an electro-optical effect having a higher modulation speed than the acousto-optical effect.
(New York, Rinehart and Winston, 1991) pp. 336-3
There is known a prism type light deflecting element described in 39. As such an element, there is a bulk element using a ceramic or a single crystal. However, since the size is large and the driving voltage is considerably high, a practical deflection angle cannot be obtained. Also, a prism-type domain-inverted light deflector or a prism-type electrode light deflector using a cascade-type prism using a LiNbO 3 single-crystal wafer on which a Ti diffusion type optical waveguide or a proton exchange type optical waveguide is manufactured is described in Q. Chen. , et al., J. Lightwave Tech. vol. 12 (1
994) 1401. and Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-248141. However, since the electrode spacing of about 0.5 mm, which is the thickness of the LiNbO 3 single crystal wafer, is required, the driving voltage is still high,
In the above document, a deflection angle of only about 0.2 degrees is obtained even with a driving voltage of ± 600 V, and there is a problem that a practical deflection angle cannot be obtained. Also, JP-A 2-3118
27 shows a method of changing the effective refractive index of the optical waveguide by an electro-optic effect to change the exit angle from the prism coupler. However, since the disclosed configuration is not an electrode arrangement that changes the refractive index of the optical waveguide portion provided with the prism coupler, it is not possible to actually change the emission angle, and temporarily change the emission angle. Even if this is achieved, the electrode spacing is increased because the electrodes are provided on the surface of the optical waveguide, and a practical deflection angle cannot be obtained as in the case of the above-mentioned document.

【0005】これに対して、本発明者は導電性基板上に
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たプリズム型光偏向素子を発明し
(特開平9-5797)、上記の駆動電圧の問題を解決した。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
吸収係数は大きい場合が多く、染みだし成分が導電性基
板中のフリー・キャリアによって強く吸収され、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、実用的には光利
用効率が不十分である場合が生じる問題があった。
On the other hand, the present inventor has proposed an oxide optical waveguide provided on a conductive substrate and having an epitaxial or unidirectional electro-optic effect, and a light source for inputting a light beam into the optical waveguide. Invented is a prism type optical deflection element using a thin film optical waveguide having electrodes for deflecting a light beam in the optical waveguide by an electro-optic effect.
(Japanese Unexamined Patent Publication No. 9-5797) solved the problem of the drive voltage described above. However, the electromagnetic field distribution of the laser light propagating through the optical waveguide leaks into the substrate. In many cases, the absorption coefficient of a substrate having a practical resistivity is large, and the exudation component is strongly absorbed by free carriers in the conductive substrate, and the propagation loss in the thin-film optical waveguide is reduced by the scattering of the optical waveguide itself. In addition, the absorption becomes several tens of dB / cm due to absorption, and there is a problem that light utilization efficiency may be insufficient in practice.

【0006】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
O2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、SiO2を導電性基板と酸化物光導波路と
の間に設けると、SiO2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ぶためSiO2の比誘電率3.9と比
べると極めて大きく、また、上記の導電性基板上薄膜光
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という問題があった。
また、化合物半導体であるi-GaAs導波路において、i-Ga
As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とら
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。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FN97−00386
(平成9年7月22日提出)、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。
Generally, in a device having a coplanar electrode arrangement, a metal electrode on an optical waveguide and a silicon
A method has been adopted in which a cladding layer of O 2 is inserted to prevent seepage of an electromagnetic field into a metal electrode and to avoid absorption of propagating light. However, when SiO 2 is provided between the conductive substrate and the oxide optical waveguide, there is a problem that an oxide optical waveguide having an electro-optical effect of epitaxial or single orientation cannot be produced because SiO 2 is amorphous. there were. Furthermore, the relative permittivity of the oxide optical waveguide material having an electro-optic effect ranges from several tens to several thousands, which is extremely large as compared with the relative permittivity of SiO 2 of 3.9, and the above-described thin film optical waveguide structure on a conductive substrate. In the above, since a series capacitor is formed as an equivalent circuit, the effective voltage applied to the thin-film optical waveguide is only a few% or less with respect to the applied voltage, and there is a problem that a large increase in the driving voltage is eventually caused. .
Further, in an i-GaAs waveguide which is a compound semiconductor, i-Ga
An i-AlGaAs cladding layer is inserted between the As waveguide and the n-AlGaAs lower cladding layer to prevent the electromagnetic field from seeping into the n-AlGaAs lower cladding layer, thereby freeing the n-AlGaAs lower cladding layer. A method of avoiding absorption by carriers has been adopted. However, it is a material completely different from a compound semiconductor, epitaxial growth is not easy, and the relative dielectric constant has no known method of providing a similar structure in an oxide optical waveguide having an electro-optic effect ranging from tens to thousands. Was. For this reason, the present inventors provided a high dielectric constant epitaxial or unidirectional buffer layer on a conductive substrate, and formed an oxide thin film optical waveguide having an epitaxial or unidirectional electro-optical effect thereon. And a structure in which an electrode is further provided thereon is invented by FN97-00386.
(Submitted on July 22, 1997), it is possible to achieve both low drive voltage characteristics and low light propagation loss characteristics.

【0007】しかし、以上のいずれの光偏向方式も光の
一次元偏向を行うだけであり、二次元偏向を行うには2
つの偏向手段を組み合わせる必要があるため、少なくと
も光軸調整が必要になったり、装置構成が複雑になる問
題があった。例えば、特開平9-5797に示した方法を用い
て二次元偏向をするためにポリゴンミラー、ガルバノミ
ラ−、カンチレバ−ミラ−、バルク型の音響光学素子、
あるいはバルク型の電気光学素子と組み合わせることが
考えられるが、結局それぞれの従来の問題が発生するこ
ととなる。従って、ひとつの光導波路素子によって2次
元偏向を行うことが不可欠である。
However, any of the above-described light deflection systems only performs one-dimensional deflection of light.
Since it is necessary to combine two deflecting means, there has been a problem that at least optical axis adjustment is required and the device configuration is complicated. For example, in order to perform two-dimensional deflection using the method shown in JP-A-9-5797, a polygon mirror, a galvano mirror, a cantilever mirror, a bulk type acousto-optical element,
Alternatively, a combination with a bulk-type electro-optical element can be considered, but each conventional problem eventually occurs. Therefore, it is essential to perform two-dimensional deflection by one optical waveguide element.

【0008】このような二次元偏向素子としては、特開
昭62-238537に基板面内での偏向角度と出射部での出射
角度をそれぞれ変化させるためのふたつの表面弾性波に
よる音響光学効果による手段を組み合わせた2次元偏向
可能な光導波路素子が示されているが、音響光学偏向の
回折効率が数十%であるために光利用効率が低下したり
複数次の光を処理しなければならない問題、数百MHzの
周波数を制御するための駆動回路が高価で大型である問
題などは依然として解決できていない。また、特開昭58
-130327には表面弾性波による音響光学効果によって基
板面内での偏向を行い、出射用グレーティング部に電圧
を印加することによって電気光学効果によって出射角度
を変化させる2次元偏向素子が示されている。しかし、
音響光学偏向の従来の問題は残されたままである。ま
た、グレーティング部の屈折率を制御する電極が光導波
路表面に設けられた構造であるため電極間隔が大きくな
り、100Vを印加しても出射角度変化は0.04 mrad(0.002
度)程度と先の文献および特許の例と同様に実用的な偏
向角度を得ることはできない問題があり、またグレーテ
ィング部でも結局回折を用いるために、光利用効率が低
下したり0次光や複数次の光を処理しなければならない
問題もあった。
Such a two-dimensional deflecting element is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-238537 by the acousto-optic effect of two surface acoustic waves for changing the deflection angle in the substrate plane and the output angle at the output unit. Although a two-dimensionally deflectable optical waveguide element is shown as a combination of the means, the diffraction efficiency of the acousto-optic deflection is several tens of percent, so that the light utilization efficiency is reduced or multi-order light must be processed. The problem, such as the expensive and large driving circuit for controlling the frequency of several hundred MHz, has not been solved yet. In addition, Japanese Patent Application Laid-Open
-130327 shows a two-dimensional deflecting element that deflects in the plane of the substrate by the acousto-optic effect of surface acoustic waves and changes the emission angle by the electro-optic effect by applying a voltage to the output grating. . But,
The conventional problems of acousto-optic deflection remain. In addition, since the electrode for controlling the refractive index of the grating section is provided on the surface of the optical waveguide, the electrode interval becomes large, and even when 100 V is applied, the change of the emission angle is 0.04 mrad (0.002 mrad).
Degree) and there is a problem that it is not possible to obtain a practical deflection angle as in the examples of the above-mentioned literature and patents. Further, since diffraction is eventually used also in the grating part, the light use efficiency is reduced and the zero-order light and There was also a problem that multiple-order light had to be processed.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記事実に
鑑み成されたもので、ひとつの基板を用いた光導波路素
子によって、光軸調整を必要とせず小型で、低駆動電
圧、高光利用効率に光ビームを2次元偏向することが可
能な光導波路素子を提案することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and has a small size, low driving voltage, and high light utilization without the need for optical axis adjustment by an optical waveguide element using one substrate. It is an object of the present invention to propose an optical waveguide device capable of efficiently deflecting a light beam two-dimensionally.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため請求
項1記載の発明は、下部電極となる導電性または半導電
性の単結晶基板上、または表面に下部電極となる導電性
または半導電性のエピタキシャル又は単一配向性薄膜が
形成された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光導波路と、前記光導
波路上に配置され、前記単結晶基板またはエピタキシャ
ル又は単一配向性薄膜との間に、印加された電圧に応じ
て屈折率が変化すると共に前記光導波路を伝搬する光ビ
ームを印加された電圧に応じて第1の方向に偏向するた
めの領域を形成する光導波路内光ビーム制御用電極と、
前記光導波路内の光ビームを前記第1の方向と交差する
第2の方向に出射する出射用プリズムと、前記光導波路
の温度を変化させ、かつ、該温度に応じて、前記出射用
プリズムから出射される光ビームを前記第2の方向に偏
向する出射光ビーム制御用の温度制御手段と、を備えて
いる。
According to the first aspect of the present invention, there is provided a conductive or semiconductive single-crystal substrate serving as a lower electrode or a conductive or semiconductive substrate serving as a lower electrode on a surface thereof. An optical waveguide having an electro-optical effect of epitaxial or mono-orientation provided on a substrate on which an epitaxial or uni-oriented thin film is formed, and disposed on the optical waveguide, the single-crystal substrate or epitaxial or A region for changing a refractive index according to an applied voltage and deflecting a light beam propagating through the optical waveguide in a first direction according to an applied voltage is formed between the thin film and a single orientation thin film. An electrode for controlling a light beam in the optical waveguide to be formed;
An emission prism that emits a light beam in the optical waveguide in a second direction that intersects the first direction, and changes the temperature of the optical waveguide, and, according to the temperature, from the emission prism. Temperature control means for controlling the emitted light beam to deflect the emitted light beam in the second direction.

【0011】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。
Here, the single orientation refers to a case where the intensity of a specific crystal plane parallel to the substrate surface in the X-ray diffraction pattern of the thin film is 1% or less with respect to the intensity of other crystal planes.
Epitaxial refers to a case where a thin film having a single orientation has a single orientation in the in-plane direction of the substrate.

【0012】光導波路内光ビーム制御用電極と単結晶基
板、またはエピタキシャル又は単一配向性薄膜との間に
電圧が印加されると、印加された電圧に応じて屈折率が
変化する領域が形成される。このように、該領域は、印
加された電圧に応じて屈折率が変化するので、光導波路
を伝搬する光ビームを印加された電圧に応じて第1の方
向に偏向することができる。
When a voltage is applied between the light beam controlling electrode in the optical waveguide and the single crystal substrate or the epitaxial or unidirectional thin film, a region where the refractive index changes according to the applied voltage is formed. Is done. As described above, since the refractive index of the region changes according to the applied voltage, the light beam propagating through the optical waveguide can be deflected in the first direction according to the applied voltage.

【0013】また、出射光ビーム制御用の温度制御手段
は、光導波路の温度を変化させ、かつ、該温度に応じ
て、出射用プリズムから出射される光ビームを第2の方
向に偏向する。
The temperature control means for controlling the output light beam changes the temperature of the optical waveguide, and deflects the light beam emitted from the output prism in the second direction according to the temperature.

【0014】よって、本発明は、以上のように光ビーム
の2次元偏向を行うことができる。
Thus, the present invention can perform two-dimensional deflection of a light beam as described above.

【0015】ところで、本発明は、上記のように、単一
の単結晶基板または単結晶薄膜が形成された基板に、出
射用プリズム及び温度制御手段を備えて2次元偏向を行
うことができるので、光軸調整を不用とすると共に高光
利用効率に光ビームを2次元偏向することができる。
According to the present invention, as described above, two-dimensional deflection can be performed on a single single-crystal substrate or a substrate on which a single-crystal thin film is formed by providing an exit prism and a temperature control means. The optical beam can be two-dimensionally deflected with high light use efficiency while eliminating the need for optical axis adjustment.

【0016】また、上記基板に光導波路を配置するの
で、電圧が印加される長さを短くすることができ、よっ
て、小型でかつ低駆動電圧に光ビームを2次元偏向する
ことができる。
Further, since the optical waveguide is arranged on the substrate, the length to which the voltage is applied can be shortened, so that the light beam can be two-dimensionally deflected to a small size and a low driving voltage.

【0017】ここで、出射光ビーム制御用の温度制御手
段は、光導波路よりも小さい屈折率を有するクラッド層
を介して出射用プリズム近傍の光導波路上に配置された
抵抗体や出射用プリズム底面近傍の側面に配置された抵
抗体としてもよい。これによって、温度制御する必要が
ある最小の領域である出射用プリズム底面近傍のみの温
度を制御することができ、第2の方向への偏向のための
反応時間を速くすることができる。
Here, the temperature control means for controlling the output light beam includes a resistor or a bottom surface of the output prism disposed on the optical waveguide near the output prism via a cladding layer having a smaller refractive index than the optical waveguide. It may be a resistor disposed on a nearby side surface. This makes it possible to control the temperature only in the vicinity of the bottom surface of the exit prism, which is the minimum area where the temperature needs to be controlled, and to shorten the reaction time for the deflection in the second direction.

【0018】なお、印加された電圧に応じて屈折率が変
化する領域を形成するためには、光導波路内光ビーム制
御用電極が、互いに平行でない二辺を持つ三角形状パタ
ーンを有し、電圧を印加することにより該三角形状パタ
ーンに対応する異なる屈折率を有する領域を発生させる
ようにしてもよく、光導波路が、互いに平行でない二辺
を持つ三角形状の分極ドメイン反転領域を有し、光導波
路内光ビーム制御用電極に電圧を印加することにより三
角形状の分極ドメイン反転領域とそれ以外の領域におい
て異なる屈折率を発生させるようにしてもよい。
In order to form a region in which the refractive index changes in accordance with the applied voltage, the light beam controlling electrode in the optical waveguide has a triangular pattern having two sides that are not parallel to each other. May be applied to generate regions having different refractive indices corresponding to the triangular pattern, wherein the optical waveguide has a triangular polarization domain inversion region having two sides that are not parallel to each other, and By applying a voltage to the in-waveguide light beam control electrode, different refractive indices may be generated in the triangular polarization domain inversion region and other regions.

【0019】ここで、上記基板には、光導波路よりも小
さい屈折率を有すること、導電性であること、及び、光
導波路との結晶格子がマッチしていることの3つの条件
を満たすことが望ましい。
Here, the substrate satisfies the three conditions of having a refractive index smaller than that of the optical waveguide, being conductive, and matching the crystal lattice with the optical waveguide. desirable.

【0020】このため、単結晶基板の表面に、光導波路
よりも小さい屈折率を有し、エピタキシャルまたは単一
配向性の導電性または半導電性の酸化物を設けるように
してもよく、更に該単結晶基板又はエピタキシャル、ま
たは単一配向性薄膜が、光導波路よりも小さい屈折率を
有する透明酸化物であれば、光の利用効率が向上し、尚
よい。
For this reason, the surface of the single crystal substrate may be provided with an epitaxial or unidirectional conductive or semiconductive oxide having a lower refractive index than the optical waveguide. If the single-crystal substrate or the epitaxial or single-oriented thin film is a transparent oxide having a refractive index smaller than that of the optical waveguide, light utilization efficiency is improved, and it is more preferable.

【0021】ところで、光導波路を、エピタキシャルま
たは単一配向性の前記光導波路よりも小さい屈折率を有
するバッファ層を介して単結晶基板上又は単結晶薄膜に
設けるようにしてもよい。よって、光損失を少なくする
ことができ、高光利用効率を図ることができると共に、
光導波路内の実効電圧を大きくすることができる。
The optical waveguide may be provided on a single-crystal substrate or a single-crystal thin film via a buffer layer having a refractive index smaller than that of the epitaxial or mono-oriented optical waveguide. Therefore, light loss can be reduced, and high light use efficiency can be achieved.
The effective voltage in the optical waveguide can be increased.

【0022】また、光導波路の表面に、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ようにしても
よい。これにより、光導波路にゴミなどが直接付着して
光利用効率が低下することを防止するだけでなく、光導
波路表面での光散乱による光損失を低減させ、光の利用
効率を向上させることができる。
Further, a cladding layer having a smaller refractive index than the optical waveguide may be provided on the surface of the optical waveguide. This prevents not only the dust from directly adhering to the optical waveguide and lowering the light utilization efficiency, but also reduces the light loss due to light scattering on the surface of the optical waveguide and improves the light utilization efficiency. it can.

【0023】なお、光導波路は、酸化物強誘電体として
もよい。
The optical waveguide may be an oxide ferroelectric.

【0024】次に、本発明の各要素を更に詳細に説明す
る。
Next, each element of the present invention will be described in more detail.

【0025】本発明において、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、あるいは基板と光導波
路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単結晶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SrTiO3、AlドープZnO、I
n2O3、RuO2、BaPbO3、SrRuO3、YBa2Cu3O7-x、SrVO3、La
NiO3、La0.5Sr0.5CoO3、ZnGa2O4、CdGa2O4、CdGa2O4、M
g2TiO4、MgTi2O4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, In
P, InAs, InSb, AlGaP, AlLnP, AlGaAs, AlInAs, AlAsS
b, GaInAs, GaInSb, GaAsSb, InAsSbなどのIII-V系の化
合物半導体、ZnS, ZnSe, ZnTe, CaSe, Cdte, HgSe, HgT
e, 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が、酸化物
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。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単結晶薄膜は、前記
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、
抵抗率としては108 Ω・cm以下、望ましくは106Ω・cm
以下がRC時定数の点より有効であるが、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。
In the present invention, a conductive or semiconductive single-crystal substrate as a lower electrode substrate, or a conductive or semiconductive epitaxial or single-oriented single-crystal thin film provided between the substrate and the optical waveguide. Materials that can be used are SrTiO 3 doped with Nb, Al-doped ZnO, I
n 2 O 3, RuO 2, BaPbO 3, SrRuO 3, YBa 2 Cu 3 O 7-x, SrVO 3, La
NiO 3 , La 0.5 Sr 0.5 CoO 3 , ZnGa 2 O 4 , CdGa 2 O 4 , CdGa 2 O 4 , M
oxides such as g 2 TiO 4 and MgTi 2 O 4 , simple semiconductors such as Si, Ge, and diamond, AlAs, AlSb, AlP, GaAs, GaSb, In
P, InAs, InSb, AlGaP, AlLnP, AlGaAs, AlInAs, AlAsS
III-V based compound semiconductors such as b, GaInAs, GaInSb, GaAsSb, InAsSb, ZnS, ZnSe, ZnTe, CaSe, Cdte, HgSe, HgT
e, CdS and other II-VI based compound semiconductors, Pd, Pt, Al, A
Although metals such as u and Ag can be used, it is often advantageous to use an oxide for the film quality of the oxide thin film optical waveguide disposed on the top. These conductive or semi-conductive single-crystal substrates, or conductive or semi-conductive epitaxial or single-oriented single-crystal thin film, the crystal structure of the ferroelectric thin film, and deflection speed, switching speed, or It is desirable to select according to the carrier mobility required by the modulation rate. Also,
The resistivity is 10 8 Ωcm or less, preferably 10 6 Ωcm
The following is effective in terms of the RC time constant, but if the resistivity is such that the voltage drop is negligible, it can be used as the lower electrode. When using a silicon substrate having a higher refractive index than a normal optical waveguide material, for example, a high refractive index of 3.45, the thickness of the buffer layer is considerably increased to prevent light leakage to the substrate. Need arises,
It is desirable for the buffer layer to have a lower refractive index than that of the optical waveguide material in order to reduce the thickness of the buffer layer and drive at a low voltage.

【0026】基板と光導波路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、SrTiO3、BaTiO3
BaZrO3、LaAlO3、ZrO2、Y2O38%-ZrO2、MgO、MgAl2O4、L
iNbO3、LiTaO3、Al2O3、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,
GaSb, InP, InAs, InSb, AlGaP, AlLnP, AlGaAs, AlIn
As, AlAsSb, GaInAs,GaInSb, GaAsSb, InAsSbなどのIII
-V系の化合物半導体、ZnS, ZnSe, ZnTe, CaSe, Cdte, H
gSe, HgTe, CdSなどのII-VI系の化合物半導体などを用
いることができるが、酸化物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。
Materials that can be used as a substrate for a conductive or semiconductive epitaxial or unidirectional thin film provided between the substrate and the optical waveguide include SrTiO 3 , BaTiO 3 ,
BaZrO 3, LaAlO 3, ZrO 2 , Y 2 O 3 8% -ZrO 2, MgO, MgAl 2 O 4, L
Oxides such as iNbO 3 , LiTaO 3 , Al 2 O 3 , and ZnO, simple semiconductors such as Si, Ge, and diamond, AlAs, AlSb, AlP, GaAs,
GaSb, InP, InAs, InSb, AlGaP, AlLnP, AlGaAs, AlIn
III such as As, AlAsSb, GaInAs, GaInSb, GaAsSb, InAsSb
-V compound semiconductor, ZnS, ZnSe, ZnTe, CaSe, Cdte, H
II-VI compound semiconductors such as gSe, HgTe, and CdS can be used, but the use of an oxide is often advantageous for the film quality of the oxide thin film optical waveguide disposed at the top.

【0027】バッファ層を用いる場合には薄膜光導波路
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、格子定数の差が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、ABO3型のペロブスカイト型酸化物では、正方晶、斜
方晶または擬立方晶系として例えばSrTiO3、BaTiO3、(S
r1-xBax)TiO3 (0<x<100) 、PbTiO3、Pb1-xLax(ZryT
i1-y)1-x/4O3 (0<x<30、0<y<100、xおよびyの値によりP
ZT、PLT、PLZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、KNbO3など、六方
晶系として例えばLiNbO3、LiTaO3などに代表される強誘
電体、タングステンブロンズ型酸化物ではSrxBa1-xNb2O
6、PbxBa1-xNb2O6など、またこのほかに、Bi4Ti3O12、P
b2KNb5O15、K3Li2Nb5O1 5、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10 nm以上であることが有効である。
When a buffer layer is used, the buffer layer has a refractive index smaller than that of the thin-film optical waveguide material, and the ratio between the relative dielectric constant of the buffer layer and the relative dielectric constant of the optical waveguide is 0.002 or more, preferably the ratio of the buffer layer. The ratio of the relative permittivity of the optical waveguide to the permittivity is 0.006 or more, and the relative permittivity of the buffer layer is 8
The above materials are selected. Further, the buffer layer material needs to be able to maintain the epitaxy relationship between the conductive substrate material and the optical waveguide material. The condition for maintaining this epitaxy relationship is that the buffer layer material is similar to the crystal structure of the conductive substrate material and the optical waveguide material, and the difference in lattice constant is 10%.
The following is desirable, but it is sufficient if the epitaxy relationship can be maintained without necessarily following this relationship. Specifically, in an ABO 3 type perovskite type oxide, for example, SrTiO 3 , BaTiO 3 , (S
r 1-x Ba x) TiO 3 (0 <x <100), PbTiO 3, Pb 1-x La x (Zr y T
i 1-y ) 1-x / 4 O 3 (0 <x <30, 0 <y <100, P depending on the values of x and y
ZT, PLT, PLZT), Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , KNbO 3 etc., as a hexagonal system, for example, ferroelectrics represented by LiNbO 3 , LiTaO 3 etc., tungsten bronze type oxide Sr x Ba 1-x Nb 2 O
6 , Pb x Ba 1-x Nb 2 O 6, etc., and also Bi 4 Ti 3 O 12 , P
b 2 KNb 5 O 15, selected from K 3 Li 2 Nb 5 O 1 5, ZnO further more substituted derivatives. It is effective that the ratio of the thickness of the buffer layer to the thickness of the optical waveguide is 0.1 or more, preferably 0.5 or more, and the thickness of the buffer layer is 10 nm or more.

【0028】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ABO3型のペロブスカイト型では正方
晶、斜方晶または擬立方晶系として例えばBaTiO3、PbTi
O3、Pb 1-x Lax(ZryTi1-y)1-x/4O3 (xおよびyの値により
PZT、PLT、PLZT)、Pb(Mg1/3Nb2 /3)O3、KNbO3など、六方
晶系として例えばLiNbO3、LiTaO3などに代表される強誘
電体、タングステンブロンズ型ではSrxBa1-xNb2O6、Pbx
Ba1-xNb2O6など、またこのほかに、Bi4Ti3O12、Pb2KNb5
O15、K3Li2Nb5O15、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0.1 μmから10 μm
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。
As the material of the thin film optical waveguide, an oxide is selected.
And specifically ABOThreeSquare perovskite type
BaTiO3 as a crystal, orthorhombic or pseudocubicThree, PbTi
OThree, Pb 1-xLax(ZryTi1-y)1-x / 4OThree (depending on the values of x and y
PZT, PLT, PLZT), Pb (Mg1/3NbTwo / 3) OThree, KNbOThreeEtc.
For example, LiNbO as a crystal systemThree, LiTaOThreeForcing
Sr for conductor and tungsten bronze typexBa1-xNbTwoO6, Pbx
Ba1-xNbTwoO6In addition to this, BiFourTiThreeO12, PbTwoKNbFive
OFifteen, KThreeLiTwoNbFiveOFifteen, Selected from the above substituted derivatives, etc.
Devour. Thickness of thin-film optical waveguide is typically 0.1 μm to 10 μm
It is set during the
Can be

【0029】クラッド層を用いる場合にはバッファ層と
同様のものを用いることができる。すなわち、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。具体
的には、ABO3型のペロブスカイト型酸化物では、正方
晶、斜方晶または擬立方晶系として例えばSrTiO3、BaTi
O3、(Sr1-xBax)TiO3 (0<x<100) 、PbTiO3、Pb1-xLax(Zr
yTi1-y)1-x/4O3 (0<x<30、0<y<100、xおよびyの値によ
りPZT、PLT、PLZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、KNbO3など、六
方晶系として例えばLiNbO3、LiTaO3などに代表される強
誘電体、タングステンブロンズ型酸化物ではSr xBa1-xNb
2O6、PbxBa1-xNb2O6など、またこのほかに、Bi4Ti
3O12、Pb2KNb5O15、K 3Li2Nb5O15、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10 nm以上であることが有効であ
る。
When a cladding layer is used, a buffer layer
Similar ones can be used. That is, the thin-film light guide
It has a smaller refractive index than the waveguide material and the cladding layer
The relative permittivity and the relative permittivity of the optical waveguide is 0.002 or more,
Preferably, the relative dielectric constant of the cladding layer and the relative dielectric constant of the optical waveguide are derived.
The electrical conductivity ratio is 0.006 or more, and the relative dielectric constant of the cladding layer
Materials with a rate of 8 or more are selected. Clad layer material
In addition, it is possible to maintain the epitaxy relationship with the optical waveguide.
Is not always necessary and may be a polycrystalline thin film.
If it is necessary to obtain a good interface,
It is necessary to be able to maintain taxi relations. This epita
The condition that can maintain the xy relationship is that the cladding layer material is
Similar to the crystal structure of the thin film optical waveguide material, the difference between the lattice constants
It is desirable to be 10% or less, but this relationship is not necessarily
It suffices if the epitaxy relationship can be maintained without obeying it. Concrete
ABOThreeSquare perovskite oxide
SrTiO as a crystal, orthorhombic or pseudo-cubicThree, BaTi
OThree, (Sr1-xBax) TiOThree (0 <x <100), PbTiOThree, Pb1-xLax(Zr
yTi1-y)1-x / 4OThree (0 <x <30, 0 <y <100, depending on x and y values
PZT, PLT, PLZT), Pb (Mg1/3Nb2/3) OThree, KNbOThreeEtc., six
LiNbO for example as a tetragonal systemThree, LiTaOThreeStrong represented by
Sr for dielectric, tungsten bronze oxide xBa1-xNb
TwoO6, PbxBa1-xNbTwoO6In addition to this, BiFourTi
ThreeO12, PbTwoKNbFiveOFifteen, K ThreeLiTwoNbFiveOFifteen, ZnO and more substitution
Selected from derivatives. The thickness of the cladding layer and the optical waveguide
The film thickness ratio is 0.1 or more, preferably 0.5 or more, and
It is effective that the thickness of the cladding layer is 10 nm or more.
You.

【0030】光導波路内光ビーム制御用電極は、Al、T
i、Cr、Ni、Cu、Pd、Ag、In、Sn、Ta、W、Ir、Pt、Auな
どの各種金属または合金や、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
間には前記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や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。前記光導波路内光ビーム制御用電極は、互いに平
行でない二辺を持つプリズム形状パターンを有し、電圧
を印加することにより電極パターンに対応する異なる屈
折率を有する領域を発生させることができる。前記光導
波路が互いに平行でない二辺を持つプリズム形状の分極
ドメイン反転領域を有する場合には、光導波路内光ビー
ム制御用電極に電圧を印加することによりプリズム形状
の分極ドメイン反転領域とそれ以外の領域において異な
る屈折率を発生させることができる。
The electrodes for controlling the light beam in the optical waveguide are Al, T
Various metals or alloys such as i, Cr, Ni, Cu, Pd, Ag, In, Sn, Ta, W, Ir, Pt, and Au, and transparent materials such as ITO and Al-doped ZnO that have a smaller refractive index than the optical waveguide Oxide electrodes can be used. When a cladding layer having a smaller refractive index than that of the optical waveguide is provided between the optical waveguide and the upper electrode, any material can be used for the upper electrode, but the drive voltage is increased. It is desirable to use a transparent oxide electrode such as Al or Zn-doped ZnO. The electrode for controlling a light beam in the optical waveguide has a prism-shaped pattern having two sides that are not parallel to each other. By applying a voltage, regions having different refractive indices corresponding to the electrode pattern can be generated. When the optical waveguide has a prism-shaped polarization domain inversion region having two sides that are not parallel to each other, a prism-shaped polarization domain inversion region is applied by applying a voltage to a light beam control electrode in the optical waveguide. Different refractive indices can be generated in the regions.

【0031】出射用プリズムは光導波路よりも高い屈折
率を有するものを光導波路材料および光の波長に応じて
用いることができるが、多くの場合にはルチル(Ti
O2)、GaP、GaAs、あるいは屈折率ガラスから選択する
ことができる。プリズムの底角の角度、または斜面の底
面に対する角度は光導波路の屈折率、光導波路の電気光
学効果による屈折率変化、プリズムの屈折率によって適
切に設定することができる。
As the exit prism, a prism having a higher refractive index than the optical waveguide can be used according to the optical waveguide material and the wavelength of light.
It can be selected from O 2 ), GaP, GaAs or refractive index glass. The angle of the bottom angle of the prism or the angle of the inclined surface with respect to the bottom surface can be appropriately set according to the refractive index of the optical waveguide, a change in the refractive index of the optical waveguide due to the electro-optic effect, and the refractive index of the prism.

【0032】薄膜光導波路には入射光ビームの制御など
の目的により、薄膜レンズを設けるこことができる。レ
ンズ部の実効屈折率を薄膜光導波路部よりも大きくし、
モード・インデックス方式の円形や瞳形の凸レンズ、フ
レネル方式、あるいはグレーティング方式のレンズを設
けることが可能であり、例えば薄膜光導波路よりも大き
い屈折率を有するレンズ形状の強誘電体薄膜を作製した
後、薄膜光導波路をその上部に作製することにより形成
することができる。
The thin-film optical waveguide can be provided with a thin-film lens for the purpose of controlling the incident light beam. Make the effective refractive index of the lens part larger than that of the thin film optical waveguide part,
It is possible to provide a mode index type circular or pupil type convex lens, a Fresnel type or a grating type lens, for example, after manufacturing a lens-shaped ferroelectric thin film having a refractive index larger than that of a thin film optical waveguide. , By forming a thin-film optical waveguide thereover.

【0033】前記のクラッド層、薄膜光導波路、バッフ
ァ層、およびレンズ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
ー・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。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、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、薄膜
光導波路、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、薄膜光導波路、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、
薄膜光導波路、およびクラッド層の成長が可能である。
The clad layer, the thin film optical waveguide, the buffer layer, and the lens layer are formed by electron beam evaporation, flash evaporation, ion plating, Rf-magnetron sputtering, ion beam sputtering, laser ablation, MBE, CVD. It is produced by a vapor phase growth method selected from plasma CVD, MOCVD and the like, and a solid phase growth method of a thin film produced by a wet process such as a sol-gel method and a MOD method. A solution of a metal organic compound such as a metal alkoxide or an organic metal salt is applied to a substrate by a wet process such as a sol-gel method or a MOD method,
It is most effective to further bake the buffer layer, the thin film optical waveguide, and the cladding layer by solid phase epitaxial growth by baking. These solid-phase epitaxial growth methods have lower equipment costs and better uniformity on the substrate surface than various vapor-phase growth methods, and are important for controlling the structure of the buffer layer, the thin-film optical waveguide, and the cladding layer. Control of the refractive index can be easily realized with good reproducibility simply by blending the composition of the metal organic compound precursor according to the composition of the thin film having the necessary refractive index for the buffer layer, the thin film optical waveguide, and the cladding layer. Buffer layer with low light propagation loss,
Growth of thin-film optical waveguides and cladding layers is possible.

【0034】出射光ビーム制御用の温度制御手段として
は、熱伝対等によるフィードバック回路を備えた金属抵
抗体、セラミックヒーター、ペルチェ素子等を用いて光
導波路素子の基板側から温度制御を行う方法もあるが、
応答速度が熱伝導と熱容量に大きな影響を受けるため、
光導波路側から行う方が好ましい。光導波路側から温度
制御を行う方法としては、薄膜光導波路材料上あるいは
クラッド層材料上の出射プリズム近傍に発熱抵抗体を設
けるか、あるいは出射プリズムの低面近傍の側面に発熱
抵抗体を設けることにより温度制御を行う方法がある。
このような薄膜抵抗体としてはCu-Mn合金、Cu-Ni合金、
Ni-Cr-Al合金、Fe-Cr合金、Ni-Cr合金、白金、モリブデ
ン、タングステン等の金属材料、Ir-O、Ru-O、Ru-Ti-
O、Ta-Si-O、Ti-Si-O、Ba-Ru-O、Cr-Si-O、Ti-C-Si-O、
Nb-Si-O、ITO等の酸化物、Ta-Si-C、Ta-Si、Ta-N、ポリ
シリコン等の使用が可能である。しかし、発熱抵抗体が
導波光の波長領域で透明でない場合、クラッド層を介さ
ずに発熱抵抗体を直接形成すると発熱抵抗体の光吸収に
よって伝播損失が悪化するため、部分的にクラッド層を
設け発熱抵抗体を形成することが好ましい。このような
クラッド層としては、SiO2、SiC、SiON、SiN、La-SiO
N、B-P-Si、TaO等のサーマルヘッド用のオーバーグレー
ズ材料が熱履歴に対する耐性に優れ使用可能である。発
熱抵抗体やクラッド層の形成はスパッタリング、電子ビ
ーム蒸着、CVD、PCVT、MOD法を用いて、メタルマスクや
フォトレジストによりパターニングを行うことにより形
成できる。特にMOD法を用いればスクリーン印刷による
塗布工程と焼成工程を繰り返すことにより、クラッド層
と発熱抵抗体を低コストで形成可能である。
As the temperature control means for controlling the emitted light beam, a method of controlling the temperature from the substrate side of the optical waveguide element using a metal resistor, a ceramic heater, a Peltier element or the like provided with a feedback circuit using a thermocouple or the like is also available. There is
Since the response speed is greatly affected by heat conduction and heat capacity,
It is preferable to carry out from the optical waveguide side. As a method of controlling the temperature from the optical waveguide side, a heating resistor is provided near the exit prism on the thin film optical waveguide material or the cladding layer material, or a heating resistor is provided on the side surface near the lower surface of the exit prism. Temperature control.
Such thin film resistors include Cu-Mn alloy, Cu-Ni alloy,
Ni-Cr-Al alloy, Fe-Cr alloy, Ni-Cr alloy, metal materials such as platinum, molybdenum, tungsten, Ir-O, Ru-O, Ru-Ti-
O, Ta-Si-O, Ti-Si-O, Ba-Ru-O, Cr-Si-O, Ti-C-Si-O,
Oxides such as Nb-Si-O and ITO, Ta-Si-C, Ta-Si, Ta-N, and polysilicon can be used. However, when the heating resistor is not transparent in the wavelength region of the guided light, if the heating resistor is directly formed without the interposition of the cladding layer, the propagation loss deteriorates due to light absorption of the heating resistor. It is preferable to form a heating resistor. Such cladding layers include SiO 2 , SiC, SiON, SiN, La-SiO
Overglaze materials for thermal heads, such as N, BP-Si, and TaO, can be used because they have excellent resistance to thermal history. The heating resistor and the clad layer can be formed by patterning with a metal mask or a photoresist using sputtering, electron beam evaporation, CVD, PCVT, or MOD. In particular, if the MOD method is used, the cladding layer and the heating resistor can be formed at low cost by repeating the application step and the baking step by screen printing.

【0035】[0035]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態を詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0036】図1に示すように、本実施の形態に係る光
偏向素子は、導電性または半導電性の単結晶基板1上へ
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
効果を有する薄膜状の光導波路3を備えている。該光導
波路3上には光導波路内光ビーム制御用電極5が設置さ
れている。また、図4に示すように、光導波路3上の光
導波路内光ビーム制御用電極5が配置されている位置よ
り光ビーム下流側には、光導波路3内の光ビームを出射
する出射用プリズム9が配置されている。
As shown in FIG. 1, an optical deflecting element according to this embodiment is a thin film having an epitaxial or unidirectional electro-optic effect provided on a conductive or semiconductive single crystal substrate 1. An optical waveguide 3 is provided. An electrode 5 for controlling a light beam in the optical waveguide is provided on the optical waveguide 3. Further, as shown in FIG. 4, an emission prism for emitting the light beam in the optical waveguide 3 is located downstream of the position on the optical waveguide 3 where the electrode 5 for controlling the light beam in the optical waveguide is disposed. 9 are arranged.

【0037】なお、単結晶基板1と光導波路3との間に
は、バッファ層2が配置され、光導波路3と光導波路内
光ビーム制御用電極5との間には、上部電極5が配置さ
れている。
The buffer layer 2 is disposed between the single crystal substrate 1 and the optical waveguide 3, and the upper electrode 5 is disposed between the optical waveguide 3 and the light beam controlling electrode 5 in the optical waveguide. Have been.

【0038】単結晶基板1上に設けられた光導波路3に
光が導入されると、全光強度の一部が基板へ染み出し、
基板の透明性が低い場合には基板へ染みだした成分が吸
収され、光伝搬にともない伝搬損失となる。しかし、本
実施の形態では、透明導電性基板を用いることができな
い場合に鑑み、図1のようにこの染みだしている領域の
厚さ分を吸収のないバッファ層2で置き換え、導電性基
板1による吸収を無くし、伝搬損失の低減を可能として
いる。バッファ層2がこのように薄膜光導波路3と導電
性基板1の隔離層として機能するためには、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
不可欠である。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。
When light is introduced into the optical waveguide 3 provided on the single crystal substrate 1, a part of the total light intensity seeps into the substrate,
When the transparency of the substrate is low, the component that seeps into the substrate is absorbed, resulting in a propagation loss accompanying light propagation. However, in the present embodiment, in consideration of the case where a transparent conductive substrate cannot be used, as shown in FIG. , Thereby reducing the propagation loss. In order for the buffer layer 2 to function as an isolation layer between the thin-film optical waveguide 3 and the conductive substrate 1, it is necessary that the refractive index of the buffer layer material is smaller than the refractive index of the thin-film optical waveguide material. In addition, in order to reduce the light propagation loss due to scattering due to the optical waveguide surface and grain boundaries in the optical waveguide to a practical level, the buffer layer material must be able to maintain the epitaxy relationship between the conductive substrate material and the optical waveguide material. Is essential. Also, the optical waveguide material desirably has a high electro-optic coefficient, and the conductive substrate material desirably has a low resistivity.

【0039】バッファ層2と光導波路3の膜厚比は伝搬
損失を1 dB/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、TE0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。
The thickness ratio between the buffer layer 2 and the optical waveguide 3 needs to be at least 0.1 or more in order to reduce the propagation loss to 1 dB / cm or less. Further, when assuming operation in the single mode TE 0 is appropriate to 0.5 or more.

【0040】次に、薄膜光導波路3の上に上部金属電極
5が設けられた際、薄膜光導波路中の光の振動数が金属
電極のプラズマ振動数を越えると、光伝搬にともない金
属電極中へ染みだした成分が金属中のキャリアによって
強く吸収され、伝搬損失となる。しかし、本実施の形態
では、図1のように、この染みだしの起こる領域を吸収
の小さいクラッド層4で置き換え、上部金属電極5による
吸収を無くし、伝搬損失の低減を可能としている。クラ
ッド層4がこのように薄膜光導波路3と金属電極5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。上部電極5として透明導電性薄膜を用い
ることができる場合には、このようなクラッド層4を用
いなくとも伝搬損失は生じない。
Next, when the upper metal electrode 5 is provided on the thin-film optical waveguide 3 and the frequency of light in the thin-film optical waveguide exceeds the plasma frequency of the metal electrode, the metal electrode 5 The exuded component is strongly absorbed by the carrier in the metal, resulting in propagation loss. However, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the region in which this seeping occurs is replaced by the cladding layer 4 having low absorption, thereby eliminating absorption by the upper metal electrode 5 and reducing propagation loss. In order for the cladding layer 4 to function as an isolation layer between the thin-film optical waveguide 3 and the metal electrode 5, it is generally necessary that the refractive index of the cladding layer material is smaller than the refractive index of the thin-film optical waveguide material. If a transparent conductive thin film can be used as the upper electrode 5, no propagation loss occurs even without using such a cladding layer 4.

【0041】一方、導電性基板1と薄膜光導波路3の間
にバッファ層2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。しかし、本実施の形態では、一定の膜厚を有する
高誘電率のバッファ層2を用いることにより、高い実効
電圧を薄膜光導波路に印加することを可能としている。
例えば、全印加電圧をV0、薄膜光導波路の比誘電率をε
w、膜厚をdw、バッファ層の比誘電率をεb、膜厚をdb
すると、薄膜光導波路3に印加される実効電圧Vwは次式
のようになる。
On the other hand, when the buffer layer 2 exists between the conductive substrate 1 and the thin-film optical waveguide 3, the voltage applied between the upper and lower electrodes is distributed according to the respective capacities of the thin-film optical waveguide and the buffer layer. The effective voltage that can be applied decreases. However, in the present embodiment, a high effective voltage can be applied to the thin-film optical waveguide by using the buffer layer 2 having a constant thickness and a high dielectric constant.
For example, the total applied voltage is V 0 and the relative permittivity of the thin-film optical waveguide is ε.
w, the film thickness d w, the epsilon b dielectric constant of the buffer layer, the thickness and d b, the effective voltage V w applied to the thin-film optical waveguide 3 is expressed as follows.

【0042】 Vw=Cb/(Cw+Cb)×V0bdw/(εwdbbdw)×V0 [1] バッファ層2の比誘電率は、光導波路3の比誘電率とし
て4000近くの材料があるため、εbwとして0.002以
上、すなわち実効電圧が印加電圧の2%以上を確保でき
る8以上の値を有することが望ましい。以上は原理はク
ラッド層4についてもまったく同様である。
V w = C b / (C w + C b ) × V 0 = ε b d w / (ε w d b + ε b d w ) × V 0 [1] The relative permittivity of the buffer layer 2 is Since the relative permittivity of the optical waveguide 3 is close to 4000, it is desirable that ε b / ε w has a value of 0.002 or more, that is, an effective voltage of 8 or more that can secure 2% or more of the applied voltage. The above principle is exactly the same for the cladding layer 4.

【0043】以上のように、下部電極となる透明性を有
する導電性または半導電性の単結晶基板1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3を設け、さらにその上に透明性を有する
上部電極5を設けるか、下部電極となる導電性または半
導電性の単結晶基板1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2を設け、その上にバッフ
ァ層2よりも大きい屈折率を持ち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
3を設け、その上には必要に応じて光導波路3よりも小
さい屈折率を持つ高誘電率のクラッド層4を設け、さら
にその上に上部電極5を設けることにより、酸化物強誘
電体材料でも光導波路3を上下電極でサンドイッチ状に
挟んだ構造を可能とし、低光伝搬損失特性を損なうこと
なく低駆動電圧とすることが可能となる。
As described above, the oxide thin film optical waveguide 3 having the electro-optical effect of the epitaxial or single orientation is provided on the transparent or conductive single-crystal substrate 1 serving as the lower electrode. Further, a transparent upper electrode 5 is provided thereon, or a high dielectric constant epitaxial or unidirectional buffer layer 2 is provided on a conductive or semiconductive single crystal substrate 1 serving as a lower electrode. An oxide thin-film optical waveguide 3 having a refractive index higher than that of the buffer layer 2 and having an epitaxial or unidirectional electro-optic effect is provided thereon, and a refractive index smaller than that of the optical waveguide 3 is provided thereon, if necessary. By providing a cladding layer 4 having a high dielectric constant and an upper electrode 5 thereon, a structure in which the optical waveguide 3 is sandwiched between upper and lower electrodes even with an oxide ferroelectric material is possible. And, it is possible to lower the driving voltage without impairing the low optical propagation loss characteristic.

【0044】ここで、図1において上部電極5をプリズム
形(三角形状)とし、バッファ層2、薄膜光導波路3、
および必要に応じてクラッド層4を介して距離dの位置に
ある下部電極である基板1との間に電圧Vが印加される
と、薄膜光導波路3が一次の電気光学効果であるPockels
効果を有する場合には、上部電極5と基板1とで挟まれた
領域とそれ以外の領域において次式に従った屈折率変化
が生じる。なお、rは、薄膜光導波路3のPockels効果を
有する場合の定数である。
Here, in FIG. 1, the upper electrode 5 has a prism shape (triangular shape), and the buffer layer 2, the thin film optical waveguide 3,
When a voltage V is applied between the lower electrode and the substrate 1 located at a distance d via the cladding layer 4 as needed, the thin-film optical waveguide 3 has a primary electro-optical effect.
In the case where an effect is obtained, a change in the refractive index according to the following equation occurs in a region sandwiched between the upper electrode 5 and the substrate 1 and in other regions. Note that r is a constant when the thin-film optical waveguide 3 has the Pockels effect.

【0045】 Δn=1/2・r・n3・(V/d) [2] 薄膜光導波路3が二次の電気光学効果であるKerr効果を
有する場合には次式に従った屈折率変化が生じる。な
お、Rは、薄膜光導波路3のKerr効果を有する場合の定数
である。
Δn = 1/2 · r · n 3 · (V / d) [2] When the thin-film optical waveguide 3 has the Kerr effect, which is a secondary electro-optic effect, the refractive index change according to the following equation Occurs. R is a constant when the thin-film optical waveguide 3 has the Kerr effect.

【0046】 Δn=1/2・R・n3・(V/d) 2 [3] これらの際、図2に示すようにプリズム形状の上部電極5
の光ビームの進行方向の長さをL、幅(底辺)をWとする
と、この電極部分を通過後の光ビーム8は次式に従った
偏向角θの偏向が生じる。
Δn = 1/2 · R · n 3 · (V / d) 2 [3] In these cases, as shown in FIG.
Assuming that the length of the light beam in the traveling direction is L and the width (base) is W, the light beam 8 after passing through this electrode portion is deflected by the deflection angle θ according to the following equation.

【0047】θ=Δn×L/W [4] このように上部電極5としてプリズム型の電極を設ける
と光ビーム6の偏向が得られ、偏向状態では未偏向成分
がなく、また散乱光も極めて少ないために挿入損失やク
ロストークの問題も解決できる。なお、上部電極5とし
てプリズム型電極を設けることに代えて、薄膜光導波路
3が互いに平行でない二辺を持つプリズム形状の分極ド
メイン反転領域を有する場合には、光導波路内光ビーム
制御用の上部電極5に電圧を印加することによりプリズ
ム形状の分極ドメイン反転領域とそれ以外の領域におい
て異なる屈折率を発生させることができ、同様にレーザ
光の偏向が得られる。
Θ = Δn × L / W [4] When the prism type electrode is provided as the upper electrode 5, the light beam 6 can be deflected. In the deflected state, there is no undeflected component and the scattered light is extremely small. Since the number is small, the problems of insertion loss and crosstalk can be solved. Note that, instead of providing a prism-shaped electrode as the upper electrode 5, a thin-film optical waveguide is used.
In the case where 3 has a prism-shaped polarization domain inversion region having two sides that are not parallel to each other, a voltage is applied to the upper electrode 5 for controlling a light beam in the optical waveguide to thereby form a prism-shaped polarization domain inversion region and other regions. In this region, a different refractive index can be generated, and the deflection of the laser beam can be obtained similarly.

【0048】一方、図3に示すように、底角α、屈折率n
pの出射用プリズム9を実効屈折率Nの薄膜光導波路3表面
に設けると、初期の素子温度をT0とすると次式に従って
角度γ0で出射される。
On the other hand, as shown in FIG. 3, the base angle α and the refractive index n
When the emission prism 9 of p is provided on the surface of the thin-film optical waveguide 3 having the effective refractive index N, the light is emitted at an angle γ 0 according to the following equation, where the initial element temperature is T 0 .

【0049】 γ0=cos-1[np(T0)×sin[sin-1 (N(T0)/np(T0))-α]]-α [5] この際、後述するヒータ等の温度制御手段により、薄膜
光導波路3の温度をT1に変化させると、薄膜光導波路3
の実効屈折率と出射用プリズムの屈折率はそれぞれ温度
変化により変化し、この屈折率変化により光ビーム8の
出射角度は次式のように変化する。
Γ 0 = cos −1 [n p (T 0 ) × sin [sin −1 (N (T 0 ) / n p (T 0 )) − α]] − α [5] the temperature control means such as a heater, varying the temperature of the thin-film optical waveguide 3 to T 1, the thin-film optical waveguide 3
The effective refractive index of the light beam and the refractive index of the emission prism change with a change in temperature, and the emission angle of the light beam 8 changes according to the following equation.

【0050】 γ1=cos-1[np(T1)×sin[sin-1 (N(T1)/np(T1))-α]]-α [6] すなわち、上記プリズム電極による偏向方向と垂直方向
に次式に従った偏向が可能となる。
Γ 1 = cos −1 [n p (T 1 ) × sin [sin −1 (N (T 1 ) / n p (T 1 )) − α]] − α [6] That is, the prism electrode In the direction perpendicular to the deflection direction according to the following equation.

【0051】 θ=γ01 [7] 以上より、本実施の形態では、光ビームの2次元偏向が
可能となる。このように、本実施の形態では、単一の基
板を用いた光導波路素子によって、光軸調整を必要とせ
ず小型で、低駆動電圧、高光利用効率に光ビームを2次
元偏向することが可能な光導波路素子を提供可能とな
り、レーザー・プリンター、デジタル複写機、ファクシ
ミリ、ディスプレイ、光インターコネクション、バーコ
ードリーダ、グリフコードリーダ、光ディスク用のピッ
クアップ、表面検査用光スキャナー、表面形状想定用光
スキャナーなどを含むオプト・エレクトロニクス全般へ
利用可能となる。
Θ = γ 01 [7] As described above, in the present embodiment, two-dimensional deflection of the light beam is possible. As described above, in the present embodiment, the optical waveguide element using a single substrate enables the light beam to be two-dimensionally deflected with low driving voltage and high light use efficiency without the need for optical axis adjustment. Laser printers, digital copiers, facsimiles, displays, optical interconnections, bar code readers, glyph code readers, optical disk pickups, surface inspection optical scanners, surface shape estimation optical scanners It can be used for all opto-electronics including those.

【0052】[0052]

【実施例】[実施例1]本実施例においては、図4に示
すように、不透明であるが低抵抗のNbドープSrTiO3(10
0)単結晶の下部電極基板1上へ、膜厚400 nmのエピタキ
シャルPZT(95/5)バッファ層を成長させ、次に膜厚1000
nmのエピタキシャルPLZT(9/65/35)薄膜光導波路3を成
長させ、さらに光導波路内光ビーム制御用のプリズム型
ITO電極5を形成し、入射用端面と出射用プリズム9を
設け、基板下面にヒーター10を設けることによって、
2次元偏向素子を作製した。
[Embodiment 1] In this embodiment, as shown in FIG. 4, an opaque but low-resistance Nb-doped SrTiO 3 (10
0) A 400 nm-thick epitaxial PZT (95/5) buffer layer is grown on the single crystal lower electrode substrate 1,
nm epitaxial PLZT (9/65/35) thin film optical waveguide 3 is grown, and a prism type for controlling the light beam in the optical waveguide
By forming the ITO electrode 5, providing the incident end face and the exit prism 9, and providing the heater 10 on the lower surface of the substrate,
A two-dimensional deflection element was manufactured.

【0053】バッファ層および光導波路3は固相エピタ
キシャル成長によって作製した。濃度0.6 M のPZT(95/
5)用前駆体溶液を10 mm角のNbドープSrTiO3基板へスピ
ンコーティングを行い、O2雰囲気中で10℃/secにて昇温
して350℃にて保持の後、100℃/secにて昇温して750℃
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100 nm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3回繰り返すことにより総
膜厚400 nmのエピタキシャルPZTバッファ層が得られ
た。次に、濃度で0.6 M のPLZT(9/65/35)用前駆体溶液
をバッファ層を有するNbドープSrTiO3基板へスピンコー
ティングを行い、バッファ層と同様O2雰囲気中で10℃/s
ecにて昇温して350℃にて保持の後、100℃/secにて昇温
して750℃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100 nm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9回繰り返すこ
とにより総膜厚1000 nmのエピタキシャルPLZT薄膜光導
波路が得られた。結晶学的関係は単一配向のPLZT(100)
// PZT(100) // Nb-SrTiO3(100)、面内方位PLZT[001] /
/PZT[001] // Nb-SrTiO3[001] の構造が得られた。PLZT
薄膜光導波路上にはスパッタリングによる膜厚200 nmの
ITO薄膜による底辺100μm、高さ1000μmの光導波路内光
ビーム制御用プリズム形電極5をリフトオフ法によって
形成した。さらに、端面を研磨することによって光ビー
ム入射部を形成し、また、薄膜光導波路上部には底角の
角度が60度、底辺が5 mmのルチル・プリズム9を固定
し、さらに20mm×70mm×0.35mmのシリコンヒーター10上
に基板を固定することにより、2次元偏向素子を作製し
た。
The buffer layer and the optical waveguide 3 were manufactured by solid phase epitaxial growth. 0.6 M PZT (95 /
5) The precursor solution is spin-coated on a 10 mm square Nb-doped SrTiO 3 substrate, heated in an O 2 atmosphere at 10 ° C./sec and maintained at 350 ° C., and then heated to 100 ° C./sec. 750 ℃
And finally the electric furnace was turned off to cool. As a result, a first-layer PZT thin film having a thickness of 100 nm was grown by solid phase epitaxial growth. By repeating this three more times, an epitaxial PZT buffer layer having a total thickness of 400 nm was obtained. Next, a 0.6 M concentration of a precursor solution for PLZT (9/65/35) was spin-coated on a Nb-doped SrTiO 3 substrate having a buffer layer, and the same as the buffer layer at 10 ° C./s in an O 2 atmosphere.
After the temperature was raised at ec and maintained at 350 ° C., the temperature was raised at 100 ° C./sec and maintained at 750 ° C. Finally, the electric furnace was turned off and cooled. As a result, a first-layer PLZT thin film having a thickness of 100 nm was grown by solid phase epitaxial growth. By repeating this process nine more times, an epitaxial PLZT thin film optical waveguide with a total film thickness of 1000 nm was obtained. Crystallographic relationship is PLZT (100) with single orientation
// PZT (100) // Nb-SrTiO 3 (100), in-plane orientation PLZT [001] /
/ PZT [001] // Nb-SrTiO 3 [001] structure was obtained. PLZT
On the thin film optical waveguide, a 200 nm thick film is formed by sputtering.
A prism-shaped electrode 5 for controlling a light beam in an optical waveguide having a base of 100 μm and a height of 1000 μm made of an ITO thin film was formed by a lift-off method. Furthermore, a light beam incident portion is formed by polishing the end face, and a rutile prism 9 having a base angle of 60 degrees and a base of 5 mm is fixed to the upper part of the thin-film optical waveguide, and further a 20 mm × 70 mm × A two-dimensional deflection element was manufactured by fixing the substrate on a 0.35 mm silicon heater 10.

【0054】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633 nmのレーザ光を本
実施例のPLZT薄膜光導波路に導入し、TE0モードの光伝
搬損失を求めたところ5dB/cmと実用レベルに入る特性を
示した。また、本実施例のPZTバッファ層およびPLZT薄
膜光導波路の比誘電率を測定したところ、それぞれ400
と900であり、先の式[1]より求められるPLZT薄膜光導波
路の実効電圧は53%となった。
First, in order to evaluate the characteristics of the optical waveguide,
By a prism coupling to introduce a laser beam of 633 nm in PLZT thin film optical waveguide of the present embodiment, showing characteristics entering the 5 dB / cm with a practical level it was determined for light propagation loss of the TE 0 mode. The relative dielectric constants of the PZT buffer layer and the PLZT thin-film optical waveguide of the present example were measured.
And 900, and the effective voltage of the PLZT thin-film optical waveguide obtained from the above equation [1] is 53%.

【0055】本実施例の2次元偏向素子のPLZT薄膜光導
波路3へ入射用端面から幅100μmにコリメートした波長6
33 nmのレーザー・ビーム6を導入した。入射したレーザ
ー・ビームは光導波路内光ビーム制御用のプリズム型電
極5と下部NbドープSrTiO3基板電極1との間に電圧を印加
することにより電極下部分とそれ以外の部分において異
なる屈折率が発生し、レーザー・ビームが偏向された。
投影面上でのレーザ・スポット位置の変位より偏向角度
を求めた電圧と偏向角度の関係を図5に示す。バッファ
層と薄膜光導波路3の誘電特性の差異によって薄膜光導
波路への電圧分配が電圧依存性を示すため、偏向特性も
5V以下では電圧依存性を示したが、5V以上では[4]式に
従った一次の電気光学効果を示し、20Vでの偏向角度は5
0 mrad(2.9度)、実効電気光学係数は約60 pm/Vであっ
た。また、応答速度は約10 MHzが得られた。さらに、シ
リコンヒーター10により加熱することにより、光導波路
3とルチル・プリズム9の屈折率が変化し、この屈折率変
化により出射用プリズム9からの出射光ビーム8はプリ
ズム電極への電圧印可による偏向方向と直交する方向へ
偏向した。温度と偏向角度の関係を図6に示す。偏向角
度は温度に対してほぼ一次で変化し、25℃から90℃への
昇温で24mrad(1.3度)偏向し、応答速度は約4Hzが得
られた。このようにして出射した光ビーム7は電圧と温
度に応じて光ビーム8のように2次元に偏向された。 [実施例2]本実施例においては実施例1と同様にして不
透明であるが低抵抗のNbドープSrTiO3(100)単結晶の下
部電極基板上へ、膜厚400 nmのエピタキシャルPZT(85/1
5)バッファ層を成長させ、次に膜厚1000 nmのエピタキ
シャルPZT(52/48)薄膜光導波路を成長させ、さらに光導
波路内光ビーム制御用のプリズム型ITO電極を形成し、
入射用端面と出射用プリズムを設け、基板下面にヒータ
ーを設けることによって図4のような2次元偏向素子を作
製した。
The wavelength 6 collimated to a width of 100 μm from the incident end face to the PLZT thin-film optical waveguide 3 of the two-dimensional deflecting element of this embodiment.
A 33 nm laser beam 6 was introduced. The applied laser beam is applied with a voltage between the prism-shaped electrode 5 for controlling the light beam in the optical waveguide and the lower Nb-doped SrTiO 3 substrate electrode 1 so that different refractive indices are present in the lower part of the electrode and other parts. Occurred and the laser beam was deflected.
FIG. 5 shows the relationship between the deflection angle and the voltage obtained by determining the deflection angle from the displacement of the laser spot position on the projection plane. Since the voltage distribution to the thin-film optical waveguide shows voltage dependence due to the difference in the dielectric properties of the buffer layer and the thin-film optical waveguide 3, the deflection characteristics are also low.
At 5 V or less, voltage dependence was exhibited, but at 5 V or more, a first-order electro-optic effect according to equation [4] was exhibited, and the deflection angle at 20 V was 5
At 0 mrad (2.9 degrees), the effective electro-optic coefficient was about 60 pm / V. The response speed was about 10 MHz. Further, by heating with the silicon heater 10, the optical waveguide
3 and the refractive index of the rutile prism 9 changed, and the light beam 8 emitted from the emission prism 9 was deflected in a direction orthogonal to the deflection direction by applying a voltage to the prism electrode due to the change in the refractive index. FIG. 6 shows the relationship between the temperature and the deflection angle. The deflection angle varied almost linearly with temperature, and was deflected by 24 mrad (1.3 degrees) when the temperature was increased from 25 ° C. to 90 ° C., and a response speed of about 4 Hz was obtained. The light beam 7 thus emitted was two-dimensionally deflected like the light beam 8 according to the voltage and the temperature. [Embodiment 2] In this embodiment, an opaque but low-resistance Nb-doped SrTiO 3 (100) single-crystal lower electrode substrate was formed on a 400 nm-thick epitaxial PZT (85/85 1
5) grow a buffer layer, then grow a 1000 nm thick epitaxial PZT (52/48) thin film optical waveguide, and further form a prismatic ITO electrode for controlling the light beam in the optical waveguide,
A two-dimensional deflection element as shown in FIG. 4 was manufactured by providing an incident end face and an exit prism and providing a heater on the lower surface of the substrate.

【0056】バッファ層および光導波路は実施例1と同
様にして固相エピタキシャル成長によって作製した。ま
ず、PZT (85/15)用前駆体溶液を10 mm角のNbドープSrTi
O3基板へスピンコーティングを行い、電気炉を用いてO2
雰囲気で焼成を行なうことにより膜厚100 nm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3回繰り返すことにより総膜厚400 nmのエピタキシャ
ルPZTバッファ層が得られた。次に、PZT(52/48)用前駆
体溶液をバッファ層を有するNbドープSrTiO3基板へスピ
ンコーティングを行い、電気炉を用いてO2雰囲気で焼成
を行なうことにより、膜厚100 nm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。結晶学的関係は単一配向のPZT(10
0) // PZT(100) // Nb-SrTiO3(100)、面内方位PZT[001]
// PZT[001] // Nb-SrTiO3[001] の構造が得られた。P
ZT薄膜光導波路上にはスパッタリングによる膜厚200 nm
のITO薄膜による底辺100μm、高さ1000μmの光導波路内
光ビーム制御用プリズム形電極5をリフトオフ法によっ
て形成した。さらに、端面を研磨することによって光ビ
ーム入射部を形成し、また、薄膜光導波路上部には底角
の角度が60度、底辺が5 mmのルチル・プリズム9を固定
し、さらに20mm×70mm×0.35mmのシリコンヒーター10上
に基板を固定することにより、2次元偏向素子を作製し
た。
The buffer layer and the optical waveguide were produced by solid phase epitaxial growth in the same manner as in Example 1. First, a precursor solution for PZT (85/15) was filled with 10 mm square Nb-doped SrTi
Spin coating is performed on the O 3 substrate, and the O 2
By firing in an atmosphere, a 100 nm-thick first-layer PZT thin film was grown by solid phase epitaxial growth. By repeating this three more times, an epitaxial PZT buffer layer having a total thickness of 400 nm was obtained. Next, the precursor solution for PZT (52/48) is spin-coated on an Nb-doped SrTiO 3 substrate having a buffer layer, and baked in an O 2 atmosphere using an electric furnace, so that a 100 nm-thick The first PZT thin film was grown by solid phase epitaxial growth. By repeating this process nine more times, an epitaxial PZT thin film optical waveguide with a total film thickness of 1000 nm was obtained. The crystallographic relationship is that of unidirectional PZT (10
0) // PZT (100) // Nb-SrTiO 3 (100), in-plane orientation PZT [001]
// PZT [001] // A structure of Nb-SrTiO 3 [001] was obtained. P
200 nm film thickness by sputtering on ZT thin film optical waveguide
A prism-shaped electrode 5 for controlling a light beam in an optical waveguide having a base of 100 μm and a height of 1000 μm made of an ITO thin film was formed by a lift-off method. Furthermore, a light beam incident portion is formed by polishing the end face, and a rutile prism 9 having a base angle of 60 degrees and a base of 5 mm is fixed to the upper part of the thin-film optical waveguide, and further a 20 mm × 70 mm × A two-dimensional deflection element was manufactured by fixing the substrate on a 0.35 mm silicon heater 10.

【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633 nmのレーザ光を本
実施例のPZT薄膜光導波路に導入しTE0モードの光伝搬損
失を求めたところ、光伝搬損失は4 dB/cmと実用レベル
に入る特性を示した。また、本実施例のPZTバッファ層
およびPLZT薄膜光導波路の比誘電率を測定したところ、
それぞれ400と600であり、先の式[1]より求められるPLZ
T薄膜光導波路の実効電圧は63%となった。
First, in order to evaluate the optical waveguide characteristics,
Was determined the introduced light propagation loss of the TE 0 mode laser beam of 633 nm in PZT thin film optical waveguide of the present embodiment by a prism coupling, optical propagation loss indicates the characteristic entering the practical level with 4 dB / cm Was. Also, when the relative permittivity of the PZT buffer layer and the PLZT thin film optical waveguide of the present example was measured,
PLZ is 400 and 600 respectively, which is obtained from the above equation [1]
The effective voltage of the T thin film optical waveguide was 63%.

【0058】本実施例の2次元偏向素子のPZT薄膜光導波
路3へ入射用端面から幅100μmにコリメートした波長633
nmのレーザー・ビーム6を導入した。入射したレーザー
・ビームは光導波路内光ビーム制御用のプリズム型電極
5と下部NbドープSrTiO3基板電極1との間に電圧を印加す
ることにより電極下部分とそれ以外の部分において異な
る屈折率が発生し、レーザー・ビームが偏向された。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
求めた電圧と偏向角度の関係は図7に示すように[4]式に
従った一次の電気光学効果を示し、20Vでの偏向角度は6
0 mrad (3.4度)、実効電気光学係数は約50 pm/Vであっ
た。また、応答速度は約10 MHzが得られ、100Vを印加し
た場合は300 mrad (17.2度)の偏向が得られた。
The wavelength 633 collimated into the PZT thin-film optical waveguide 3 of the two-dimensional deflection element of this embodiment to a width of 100 μm from the incident end face.
A laser beam 6 of nm was introduced. The incident laser beam is a prism-shaped electrode for controlling the light beam in the optical waveguide
By applying a voltage between 5 and the lower Nb-doped SrTiO 3 substrate electrode 1, different refractive indices were generated in the lower part and the other part of the electrode, and the laser beam was deflected. The relationship between the voltage and the deflection angle obtained from the displacement of the laser spot position on the projection surface shows the primary electro-optic effect according to equation [4] as shown in Fig. 7, and the deflection angle at 20V Is 6
At 0 mrad (3.4 degrees), the effective electro-optic coefficient was about 50 pm / V. A response speed of about 10 MHz was obtained, and a deflection of 300 mrad (17.2 degrees) was obtained when 100 V was applied.

【0059】さらに、シリコンヒーター10により加熱す
ることにより、光導波路3とルチル・プリズム9の屈折率
が変化し、この屈折率変化により出射用プリズム9から
の出射光ビーム7はプリズム電極への電圧印可による偏
向方向と直交する方向へ偏向した。本実施例では底角の
角度が60度の出射用プリズムを用いたため、図8に示
すような温度と偏向角度の特性を得ることができ、25℃
から90℃への昇温で20mrad(1.1度)偏向し、応答速度
は約4Hzが得られた。このようにして出射した光ビーム7
は電圧と温度に応じて光ビーム8のように2次元に偏向さ
れた。 [比較例 1]本比較例においては絶縁性で厚さ500μmの
SrTiO3(100)単結晶基板上へ、膜厚1000 nmのエピタキシ
ャルPZT(52/48)薄膜光導波路を成長させ、さらに光導波
路内光ビーム制御用のプリズム型ITO電極を形成し、入
射用端面と出射用プリズムを設け、基板下面にヒーター
を設けることによって図4のような2次元偏向素子を作製
した。
Further, by heating with the silicon heater 10, the refractive indexes of the optical waveguide 3 and the rutile prism 9 are changed, and the light beam 7 emitted from the emitting prism 9 is changed by the voltage change to the prism electrode. It was deflected in the direction perpendicular to the direction of deflection by application. In the present embodiment, since the exit prism having a base angle of 60 degrees is used, characteristics of temperature and deflection angle as shown in FIG.
The deflection was 20 mrad (1.1 degrees) when the temperature was raised from 90 to 90 ° C, and the response speed was about 4 Hz. Light beam 7 emitted in this manner
Was deflected two-dimensionally like a light beam 8 according to voltage and temperature. [Comparative Example 1] In this comparative example, an insulating and 500 μm thick
An epitaxial PZT (52/48) thin film optical waveguide with a thickness of 1000 nm is grown on a SrTiO 3 (100) single crystal substrate, and a prismatic ITO electrode for controlling the light beam in the optical waveguide is formed. A two-dimensional deflection element as shown in FIG. 4 was produced by providing a light emitting prism and a heater on the lower surface of the substrate.

【0060】光導波路は実施例1と同様にして固相エピ
タキシャル成長によって作製し、結晶学的関係は単一配
向のPZT(100) // SrTiO3(100)、面内方位PZT[001] // S
rTiO 3[001] の構造が得られた。PZT薄膜光導波路上には
スパッタリングによる膜厚200 nmのITO薄膜による底辺1
00μm、高さ1000μmの光導波路内光ビーム制御用プリズ
ム形電極5をリフトオフ法によって形成した。SrTiO3
板裏面にはIn電極を蒸着した。さらに、端面を研磨する
ことによって光ビーム入射部を形成し、また、薄膜光導
波路上部には底角の角度が60度、底辺が5 mmのルチル・
プリズム9を固定し、さらに20mm×70mm×0.35mmのシリ
コンヒーター10上に基板を固定することにより、2次元
偏向素子を作製した。
The optical waveguide is a solid phase epitaxy in the same manner as in the first embodiment.
Manufactured by axial growth, crystallographic relationship
PZT (100) // SrTiOThree(100), in-plane orientation PZT [001] // S
rTiO ThreeThe structure of [001] was obtained. On the PZT thin film optical waveguide
Bottom 1 of 200 nm ITO thin film by sputtering
A prism for controlling the light beam in an optical waveguide of 00 μm and height of 1000 μm
The electrode 5 was formed by a lift-off method. SrTiOThreeBase
An In electrode was deposited on the back surface of the plate. In addition, polishing the end face
Forming a light beam entrance,
In the upper part of the wave path, rutile with a base angle of 60 degrees and a base of 5 mm
Fix the prism 9 and add a 20 mm × 70 mm × 0.35 mm
By fixing the substrate on the conheater 10, two-dimensional
A deflection element was manufactured.

【0061】本比較例のSrTiO3基板の比誘電率は250、P
ZT薄膜光導波路の比誘電率は600であった。SrTiO3(100)
単結晶基板の厚さは500μm、PZT(52/48)薄膜光導波路の
膜厚は1000 nmであるため、先の式[1]より求めたPZT薄
膜光導波路の実効電圧はわずか0.1%となった。本比較例
の2次元偏向素子のPZT薄膜光導波路3へ入射用端面から
幅100μmにコリメートした波長633 nmのレーザー・ビー
ム6を導入した。入射したレーザー・ビームは光導波路
内光ビーム制御用のプリズム型電極5とSrTiO 3基板裏面
のIn電極1との間に電圧を印加したが、20Vでもわずか0.
1 mradの偏向しか観察できなかった。一方、シリコンヒ
ーター10により加熱することにより、光導波路3とルチ
ル・プリズム9の屈折率が変化し、この屈折率変化によ
り出射用プリズム9からの出射光は実施例2と同様にプリ
ズム電極への電圧印可による偏向方向と直交する方向へ
偏向し、25℃から90℃への昇温で18mrad(1.0度)偏向
した。このように本比較例では、電圧印加による偏向角
が小さいため実用的ではなく、さらに温度変化による偏
向角との差が大きいため、シリンドリカルレンズ等を用
いた拡大光学系を用いても良好な2次元偏向は行なえな
い。 [実施例3]本発明の他の実施例としてSrTiO3(100)単結
晶基板上へ、下部電極となる膜厚200 nmのSrRuO3導電性
薄膜をエピタキシャル成長し、膜厚1600 nm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1000
nmのエピタキシャルPZT(52/48)薄膜光導波路を成長さ
せ、さらに光導波路内光ビーム制御用のプリズム型ITO
電極5をリフトオフ法によって形成し、入射用端面と出
射用プリズムを設け、基板下面にヒーターを設けること
によって図4のような2次元偏向素子を作製した。
SrTiO of this comparative exampleThreeThe relative permittivity of the substrate is 250, P
The relative permittivity of the ZT thin film optical waveguide was 600. SrTiOThree(100)
The thickness of the single crystal substrate is 500 μm, and that of the PZT (52/48) thin film optical waveguide
Since the film thickness is 1000 nm, the PZT thin film obtained from the above equation [1] is used.
The effective voltage of the film optical waveguide was only 0.1%. Comparative example
Of the two-dimensional deflection element of PZT thin-film optical waveguide 3 from the incident end face
Laser beam of 633 nm wavelength collimated to a width of 100 μm
System 6 was introduced. The incident laser beam is an optical waveguide
Prism type electrode 5 and SrTiO for internal light beam control ThreeSubstrate back
A voltage was applied between the In electrode 1 and the 0 V at 20 V.
Only a 1 mrad deflection could be observed. On the other hand,
Heating by the heater 10 makes the optical waveguide 3
The refractive index of the prism 9 changes.
The light emitted from the exit prism 9 is pre-
In the direction perpendicular to the direction of deflection by applying a voltage to the
Deflected, 18mrad (1.0 degree) deflection at 25 ° C to 90 ° C
did. Thus, in this comparative example, the deflection angle due to the voltage application
Is not practical because it is small.
Use a cylindrical lens, etc., because of a large difference from the direction angle.
Good two-dimensional deflection cannot be performed even with a magnifying optical system
No. Embodiment 3 Another embodiment of the present invention is SrTiO.Three(100)
SrRuO with a thickness of 200 nm to serve as a lower electrode on a crystalline substrateThreeConductivity
Epitaxial growth of 1600 nm thick by growing a thin film epitaxially
Grow a Char PZT (85/15) buffer layer, then 1000
 nm epitaxial PZT (52/48) thin film optical waveguides grown
And a prismatic ITO for controlling the light beam in the optical waveguide
The electrode 5 is formed by a lift-off method,
Provide a projection prism and a heater on the lower surface of the substrate
Thus, a two-dimensional deflection element as shown in FIG. 4 was manufactured.

【0062】SrRuO3導電性薄膜はスパッタリングによっ
てエピタキシャル成長することができる。バッファ層お
よび光導波路は実施例1と同様にして固相エピタキシャ
ル成長によって作製できる。結晶学的関係は単一配向の
PZT (100) // PZT(100) // SrRuO3(100) // SrTiO3 (10
0)の構造が得られる。PZT薄膜光導波路上にはスパッタ
リングによる膜厚200 nmのITO薄膜による底辺200μm、
高さ2000μmの光導波路内光ビーム制御用プリズム形電
極5をリフトオフ法によって形成する。さらに、端面を
研磨することによって光ビーム入射部を形成し、また、
薄膜光導波路上部には底角の角度が60度、底辺が5 mmの
ルチル・プリズム9を固定し、さらにシリコンヒーター1
0上に基板を固定することにより、2次元偏向素子を作製
した。
The SrRuO 3 conductive thin film can be epitaxially grown by sputtering. The buffer layer and the optical waveguide can be manufactured by solid phase epitaxial growth in the same manner as in the first embodiment. The crystallographic relationship is unidirectional
PZT (100) // PZT (100) // SrRuO 3 (100) // SrTiO 3 (10
0) is obtained. On the PZT thin film optical waveguide, a 200 μm thick ITO thin film with 200 nm
A prism electrode 5 for controlling a light beam in an optical waveguide having a height of 2000 μm is formed by a lift-off method. Furthermore, the light beam incidence part is formed by polishing the end face,
A rutile prism 9 with a base angle of 60 degrees and a base of 5 mm is fixed above the thin-film optical waveguide.
A two-dimensional deflection element was manufactured by fixing the substrate on the substrate.

【0063】本実施例の2次元偏向素子においては、PZT
薄膜光導波路端面から入射したコリメートされたレーザ
・ビーム6は、光導波路内光ビーム制御用のプリズム型
電極5と下部SrRuO3導電性薄膜との間に電圧を印加する
ことにより偏向される。さらに、シリコンヒーター10に
より加熱することにより、光導波路3とルチル・プリズ
ム9の屈折率が変化し、この屈折率変化により出射用プ
リズム9からの出射光は実施例2と同様にプリズム電極へ
の電圧印可による偏向方向と直交する方向へ偏向する。
プリズム電極への20Vの印可で偏向角度は50 mrad (2.9
度)、応答速度は約10 MHzが得られた。また、シリコン
ヒーター10での加熱による25℃から90℃への昇温で24
mrad(1.3度)偏向し、応答速度は約4Hzが得られた。以
上のようにして2次元偏向素子を構成することができ
る。 [実施例4]本実施例においては、図9に示すように、
実施例1と同様にして不透明であるが低抵抗のNbドープS
rTiO3(100)単結晶の下部電極基板1上へ、膜厚400 nmの
エピタキシャルPZT (95/5)バッファ層を成長させ、次に
モードインデックスレンズとなるレンズ形状のエピタキ
シャルPZT(30/70)薄膜を形成し、次に膜厚1000 nmのエ
ピタキシャルPLZT(9/65/35)薄膜光導波路3を成長さ
せ、さらに光導波路内光ビーム制御用のプリズム型ITO
電極5を形成し、半導体レーザ・ダイオード14と入射
用端面、および出射用プリズム9を設け、基板下面にヒ
ーターを設けることによって、2次元偏向素子を作製し
た。
In the two-dimensional deflection element of this embodiment, the PZT
The collimated laser beam 6 incident from the end surface of the thin film optical waveguide is deflected by applying a voltage between the prism type electrode 5 for controlling the light beam in the optical waveguide and the lower SrRuO 3 conductive thin film. Further, by heating with the silicon heater 10, the refractive index of the optical waveguide 3 and the rutile prism 9 changes, and the light emitted from the emission prism 9 is applied to the prism electrode as in the second embodiment due to the change in the refractive index. The light is deflected in a direction perpendicular to the direction of the voltage application.
The deflection angle is 50 mrad (2.9
Degree), the response speed was about 10 MHz. Further, the temperature is raised from 25 ° C. to 90 ° C. by heating with the silicon heater 10 to 24
Deflected by mrad (1.3 degrees), the response speed was about 4 Hz. A two-dimensional deflection element can be configured as described above. Embodiment 4 In this embodiment, as shown in FIG.
Opaque but low-resistance Nb-doped S as in Example 1.
A 400 nm-thick epitaxial PZT (95/5) buffer layer is grown on the lower electrode substrate 1 of rTiO 3 (100) single crystal, and then a lens-shaped epitaxial PZT (30/70) to be a mode index lens A thin film is formed, and then an epitaxial PLZT (9/65/35) thin film optical waveguide 3 having a thickness of 1000 nm is grown, and a prismatic ITO for controlling a light beam in the optical waveguide is further formed.
The two-dimensional deflection element was manufactured by forming the electrode 5, providing the semiconductor laser diode 14, the incident end face, and the emitting prism 9, and providing a heater on the lower surface of the substrate.

【0064】バッファ層、レンズ層、および薄膜光導波
路は実施例1と同様にして固相エピタキシャル成長によ
って作製した。まず、実施例1と同様にNbドープSrTiO3
基板へPZT(95/5)用前駆体溶液のスピンコートと電気炉
での焼成を4回繰り返すことにより総膜厚400 nmのエピ
タキシャルPZTバッファ層が得られた。次にバッファ層
を作製したNbドープSrTiO3基板へのPZT(30/70)前駆体溶
液のスピンコートし、350℃での焼成を8回繰り返すこと
によりアモルファスPZT(30/70)薄膜を得た。次に、ネガ
電子線レジストを用いて開口径400μmの瞳形レンズ形状
に電子線露光し、レジスト・パターンを形成した。次に
HCl水溶液でアモルファスPZT(30/70)薄膜をエッチング
することによって瞳形レンズ形状のアモルファスPZT(30
/70)薄膜を形成し、レジスト剥離した後、固相エピタキ
シャル成長を行い、膜厚800 nmのエピタキシャルPZT(30
/70)レンズ層11を形成した。最後に、実施例と同様にPL
ZT(9/65/35) 用前駆体溶液のスピンコートと電気炉での
焼成を10回繰り返すことにより総膜厚1000 nmのエピタ
キシャルPLZT薄膜光導波路をレンズ層11を有するバッフ
ァ層上に得た。結晶学的関係は単一配向のPLZT(100)薄
膜光導波路 // PZT(100)レンズ層 // PZT(100)バッファ
層 // Nb-SrTiO3(100)基板、面内方位PLZT[001]薄膜光
導波路 // PZT[001]レンズ層 // PZT [001]バッファ層
// Nb-SrTiO3[001]基板 の構造が得られた。PLZT薄膜光
導波路上にはスパッタリングによる膜厚200 nmのITO薄
膜による底辺200μm、高さ2000μmの光導波路内光ビー
ム制御用プリズム形電極5をリフトオフ法によって形成
した。また、光導波路層上にスピンオングラス用ガラス
ペーストをスクリーン印刷法により塗布・焼成を行なっ
て厚さ1μmの層間絶縁層12を形成した後、この上にオク
チル酸ルテニウムおよびチタン酸テトラ-n-ブチルから
なる抵抗体形成用のペーストを同じくスクリーン印刷法
により塗布・焼成することにより、幅0.1mm、長さ2mm、
厚さ0.1μmのRu-Ti系の抵抗体膜13をMOD法により形成し
た。さらに、端面を研磨することによって光ビーム入射
部を形成した後、半導体レーザ14を設置し、上部には底
角の角度が60度、底辺が2 mmのルチル・プリズム9を固
定し2次元偏向素子を作製した。
The buffer layer, the lens layer, and the thin film optical waveguide were manufactured by solid phase epitaxial growth in the same manner as in Example 1. First, similarly to Example 1, Nb-doped SrTiO 3
The substrate was spin-coated with a precursor solution for PZT (95/5) and baked in an electric furnace four times to obtain an epitaxial PZT buffer layer with a total thickness of 400 nm. Next, a PZT (30/70) precursor solution was spin-coated on the Nb-doped SrTiO 3 substrate on which the buffer layer was formed, and baking at 350 ° C. was repeated eight times to obtain an amorphous PZT (30/70) thin film. . Next, using a negative electron beam resist, electron beam exposure was performed to form a pupil-shaped lens having an aperture diameter of 400 μm to form a resist pattern. next
By etching the amorphous PZT (30/70) thin film with aqueous HCl, the pupil-shaped amorphous PZT (30
/ 70) After forming a thin film and stripping the resist, solid phase epitaxial growth was performed, and an 800 nm-thick epitaxial PZT (30
/ 70) The lens layer 11 was formed. Finally, as in the example, PL
By repeating the spin coating of the precursor solution for ZT (9/65/35) and firing in an electric furnace 10 times, an epitaxial PLZT thin film optical waveguide with a total film thickness of 1000 nm was obtained on the buffer layer having the lens layer 11. . The crystallographic relationship is a single orientation PLZT (100) thin film optical waveguide // PZT (100) lens layer // PZT (100) buffer layer // Nb-SrTiO 3 (100) substrate, in-plane orientation PLZT [001] Thin film optical waveguide // PZT [001] lens layer // PZT [001] buffer layer
// The structure of Nb-SrTiO 3 [001] substrate was obtained. On the PLZT thin-film optical waveguide, a prism-shaped electrode 5 for controlling the light beam in the optical waveguide having a base of 200 μm and a height of 2000 μm was formed by an ITO thin film having a thickness of 200 nm by sputtering by a lift-off method. Further, a glass paste for spin-on-glass is applied and baked on the optical waveguide layer by a screen printing method to form an interlayer insulating layer 12 having a thickness of 1 μm, and then ruthenium octylate and tetra-n-butyl titanate are formed thereon. By applying and baking a paste for forming a resistor consisting of the same by screen printing, a width of 0.1 mm, a length of 2 mm,
A 0.1 μm-thick Ru—Ti-based resistor film 13 was formed by the MOD method. Furthermore, after forming the light beam incident part by polishing the end face, the semiconductor laser 14 is installed, and a rutile prism 9 with a base angle of 60 degrees and a base of 2 mm is fixed on the upper part, and two-dimensional deflection is performed. An element was manufactured.

【0065】本実施例の2次元偏向素子においては、PLZ
T薄膜光導波路3へ入射用端面に設けられた半導体レーザ
12から入射したレーザ光は薄膜レンズ11によって幅200
μmにコリメートされる。そのコリメートされたレーザ
ー・ビームは、光導波路内光ビーム制御用のプリズム型
電極5と下部NbドープSrTiO3基板電極1との間に電圧を印
加することにより偏向される。さらに、出射用プリズム
9直前に、クラッド層12を介して、PLZT薄膜光導波路3
に設けられた出射光ビーム制御用の発熱抵抗体(請求項
2の抵抗体に対応)13に電圧を印加することにより、出
射用プリズム9からの出射角度が変化する。プリズム型
電極5への20V印加での偏向角度は50 mrad (2.9度)、応
答速度は約10 MHzが得られた。また、抵抗体13への20
V, 2msecのパルス電圧の印加により18mrad(1.0度)偏
向し、デューティー比を30%とすることにより応答速度
は約160Hzが得られた。以上のように、薄膜レンズ11
を設けることにより半導体レーザを実装した2次元偏向
素子を作製でき、また同時に薄膜導波路上に抵抗体を作
製することにより応答速度を改善した2次元偏向素子を
作製できる。 [実施例5]本発明の他の実施例として、図10に示す
ように、実施例2よりもNbドープ量を低減し透明性と導
電性を付与したNbドープSrTiO3(100)単結晶の下部電極
基板上へ、膜厚1000 nmのエピタキシャルPZT(52/48)薄
膜光導波路を成長させ、さらに光導波路内光ビーム制御
用のプリズム型AlドープZnO電極を形成し、入射用プリ
ズムを設け、さらにスパッタリングによってプリズム底
面近傍の側面にNb-SiO 2抵抗体膜13を形成した出射用プ
リズムを設けることによって、2次元偏向素子を作製し
た。
In the two-dimensional deflection element of this embodiment, the PLZ
Semiconductor laser provided on the end face for incidence on T thin-film optical waveguide 3.
The laser beam incident from 12 has a width of 200
Collimated to μm. Its collimated laser
The beam is a prism type for controlling the light beam in the optical waveguide.
Electrode 5 and lower Nb-doped SrTiOThreeApply a voltage between the substrate electrode 1
Is deflected by the addition. Furthermore, the exit prism
Immediately before, via the cladding layer 12, the PLZT thin-film optical waveguide 3
A heating resistor for controlling the emitted light beam provided in the
By applying a voltage to 13),
The emission angle from the projection prism 9 changes. Prism type
The deflection angle when applying 20 V to the electrode 5 was 50 mrad (2.9 degrees).
The response speed was about 10 MHz. Also, 20 to the resistor 13
V, 18mrad (1.0 degree) deviation by applying 2msec pulse voltage
Response speed by setting the duty ratio to 30%
About 160Hz was obtained. As described above, the thin-film lens 11
Two-dimensional deflection with semiconductor laser mounted
A device can be manufactured, and at the same time, a resistor is formed on the thin film waveguide.
2D deflection element with improved response speed
Can be made. Embodiment 5 FIG. 10 shows another embodiment of the present invention.
As described above, the Nb doping amount was reduced compared to Example
Nb-doped SrTiO with electrical conductivityThree(100) Single crystal lower electrode
1000nm thick epitaxial PZT (52/48) thin on the substrate
Growing a film optical waveguide and controlling the light beam in the optical waveguide
Prism-type Al-doped ZnO electrode for
The prism bottom is formed by sputtering.
Nb-SiO on the side near the surface TwoThe emission plate on which the resistor film 13 is formed
By creating a rhythm, a two-dimensional deflection element
Was.

【0066】PZT(52/48)薄膜光導波路はRfマグネトロン
・スパッタリングによってエピタキシャル成長できる。
結晶学的関係は単一配向のPZT(100)薄膜光導波路 // Nb
-SrTiO3(100)基板の構造が得られる。PZT薄膜光導波路
上にはスパッタリングによる膜厚200 nmのAlドープZnO
薄膜による底辺100μm、高さ2000μmの光導波路内光ビ
ーム制御用プリズム形電極5をリフトオフ法によって形
成できる。さらに、底角の角度が60度、底辺が2 mmのル
チル・プリズム9を固定することによって光ビーム入射
部を形成し、また、出射光ビーム制御用抵抗体(請求項
3の抵抗体に対応)13を形成した底角の角度が60度、
底辺が2 mmのルチル・プリズム9を固定することにより2
次元偏向素子を作製できる。
The PZT (52/48) thin film optical waveguide can be epitaxially grown by Rf magnetron sputtering.
Crystallographic relationship is unidirectional PZT (100) thin film optical waveguide // Nb
The structure of the -SrTiO 3 (100) substrate is obtained. 200 nm thick Al-doped ZnO by sputtering on PZT thin film optical waveguide
A prism-shaped electrode 5 for controlling a light beam in an optical waveguide having a base of 100 μm and a height of 2000 μm made of a thin film can be formed by a lift-off method. Further, a light beam incident portion is formed by fixing a rutile prism 9 having a base angle of 60 degrees and a base of 2 mm, and a resistor for controlling an emitted light beam (corresponding to the resistor of claim 3). The angle of the base angle forming 13) is 60 degrees,
2 mm by fixing a rutile prism 9 with a base of 2 mm
A dimensional deflection element can be manufactured.

【0067】本実施例の2次元偏向素子においては、PZT
薄膜光導波路3へ入射用のルチル・プリズム15から入射
したコリメートされたレーザ・ビームは、光導波路内光
ビーム制御用のプリズム型電極5と下部NbドープSrTiO3
基板電極1との間に電圧を印加することにより偏向され
る。さらに、出射光ビーム制御用抵抗体13に電圧を印加
し加熱することにより、光導波路3とルチル・プリズム9
の屈折率が変化し、この屈折率変化により出射用プリズ
ム9からの出射光は実施例2と同様にプリズム電極への電
圧印可による偏向方向と直交する方向へ偏向する。プリ
ズム電極への20Vの印可で偏向角度は40mrad (2.3度)、
応答速度は約100 kHzが得られた。また、抵抗体への20
V, 2msecのパルス電厚の印加により13mrad(0.7度)偏
向し、デューティー比を25%とすることにより応答速度
は約120Hzが得られた。以上のように、薄膜導波路上部
に抵抗体を配置することにより応答速度を改善した2次
元偏向素子を作製できる。 [比較例 2]本比較例においては実施例1と同様にして
不透明であるが低抵抗のNbドープSrTiO3(100)単結晶の
下部電極基板上へ、膜厚400 nm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1000 nmのエピタ
キシャルPZT(52/48)薄膜光導波路を成長させ、さらに光
導波路内光ビーム制御用のプリズム型ITO電極と入射用
端面、および出射用のグレーティングの上部への光ビー
ム制御用のITO電極を形成することによって2次元偏向素
子を作製した。
In the two-dimensional deflection element of this embodiment, the PZT
The collimated laser beam incident from the rutile prism 15 for incidence on the thin-film optical waveguide 3 includes a prism-type electrode 5 for controlling a light beam in the optical waveguide and a lower Nb-doped SrTiO 3.
It is deflected by applying a voltage between itself and the substrate electrode 1. Further, by applying a voltage to the output light beam controlling resistor 13 and heating it, the optical waveguide 3 and the rutile prism 9 are heated.
The output light from the output prism 9 is deflected by this change in the refractive index in a direction orthogonal to the direction of deflection by applying a voltage to the prism electrode, as in the second embodiment. The deflection angle is 40 mrad (2.3 degrees) with 20 V applied to the prism electrode,
The response speed was about 100 kHz. Also, 20 to the resistor
A response speed of about 120 Hz was obtained by deflecting 13 mrad (0.7 degrees) by applying a pulse voltage of 2 msec and applying a duty ratio of 25%. As described above, by arranging the resistor above the thin film waveguide, a two-dimensional deflection element with improved response speed can be manufactured. COMPARATIVE EXAMPLE 2 In this comparative example, a 400 nm-thick epitaxial PZT (85 mm) was deposited on a lower electrode substrate of opaque but low-resistance Nb-doped SrTiO 3 (100) single crystal as in Example 1.
/ 15) Grow a buffer layer, then grow a 1000 nm-thick epitaxial PZT (52/48) thin-film optical waveguide, and furthermore, prismatic ITO electrode for controlling light beam in the optical waveguide, end face for incidence, and emission A two-dimensional deflecting element was fabricated by forming an ITO electrode for controlling the light beam on the upper part of the grating.

【0068】バッファ層および光導波路は実施例1と同
様にして固相エピタキシャル成長によって作製した。結
晶学的関係は単一配向のPZT(100) // PZT(100) // Nb-S
rTiO 3(100)、面内方位PZT[001] // PZT[001] // Nb-SrT
iO3[001] の構造が得られた。PZT薄膜光導波路上には出
射用の周期2μmのグレーティングを設けた。PZT薄膜光
導波路上にはスパッタリングによる膜厚200 nmのITO薄
膜による底辺100μm、高さ1000μmの光導波路内光ビー
ム制御用プリズム形電極を、出射用グレーティング上に
は1000μm角の出射光ビーム制御用の電極とをリフトオ
フ法によって形成した。さらに、端面を研磨することに
よって光ビーム入射部を形成し、また、出射光ビーム制
御用電極の上部には底角の角度が60度、底辺が5 mmのル
チル・プリズムを固定し、2次元偏向素子を作製した。
The buffer layer and the optical waveguide are the same as in the first embodiment.
In this manner, it was produced by solid phase epitaxial growth. Conclusion
Crystallographic relationship is unidirectional PZT (100) // PZT (100) // Nb-S
rTiO Three(100), in-plane orientation PZT [001] // PZT [001] // Nb-SrT
iOThreeThe structure of [001] was obtained. Out on the PZT thin film optical waveguide
A grating with a firing period of 2 μm was provided. PZT thin film light
200 nm thick ITO thin film by sputtering on the waveguide
Optical beam in optical waveguide with 100 μm bottom and 1000 μm height by film
A prism-shaped electrode for controlling the
Lift-off electrode with 1000μm square output light beam control
It was formed by the fu method. In addition, polishing the end face
Therefore, a light beam incident part is formed, and
The top of the control electrode has a base angle of 60 degrees and a base of 5 mm.
The chill prism was fixed, and a two-dimensional deflection element was fabricated.

【0069】本実施例の2次元偏向素子のPZT薄膜光導波
路へ入射用端面から幅100μmにコリメートした波長633
nmのレーザー・ビームを導入した。入射したレーザー・
ビームは光導波路内光ビーム制御用のプリズム型電極と
下部NbドープSrTiO3基板電極との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。さらに、出射
用グレーティング上に設けられた出射光ビーム制御用の
電極と下部NbドープSrTiO3基板電極との間に電圧を印加
することにより、出射用グレーティング部の屈折率が変
化し、この屈折率変化により出射角度が変化した。しか
し、出射されたレーザは複数のビームへ分割されてしま
うために1次ビームの強度が弱く、また出射角度変化も2
0 Vで6 mrad程度と実施例2と比較して小さかった。 [実施例6]本発明の他の実施例としてAl2O3(0001)単結
晶基板上へ、下部電極となる膜厚200 nmのAlドープZnO
導電性薄膜をエピタキシャル成長し、次に膜厚600 nmの
エピタキシャルLiNbO3薄膜光導波路3を成長させ、さら
に光導波路内光ビーム制御用のプリズム型AlドープZnO
電極5を形成し、入射用グレーティング16と出射用プリ
ズム9を設け、さらに基板下面にペルチエ素子17を設置
し、出射側にファイバーアレイ18を配置することによっ
て図11のような光スイッチを構成することができる。
The wavelength 633 collimated into the PZT thin film optical waveguide of the two-dimensional deflecting element of this embodiment to a width of 100 μm from the incident end face.
nm laser beam was introduced. Laser incident
The laser beam was deflected by applying a voltage between a prism electrode for controlling the light beam in the optical waveguide and a lower Nb-doped SrTiO 3 substrate electrode. Further, by applying a voltage between the output light beam control electrode provided on the output grating and the lower Nb-doped SrTiO 3 substrate electrode, the refractive index of the output grating portion changes, and this refractive index is changed. The change caused the output angle to change. However, the emitted laser is split into a plurality of beams, so that the intensity of the primary beam is weak and the change in the emission angle is also two.
The value was about 6 mrad at 0 V, which was smaller than that in Example 2. [Embodiment 6] As another embodiment of the present invention, a 200 nm thick Al-doped ZnO film serving as a lower electrode is formed on an Al 2 O 3 (0001) single crystal substrate.
A conductive thin film is epitaxially grown, and then a 600 nm-thick epitaxial LiNbO 3 thin film optical waveguide 3 is grown, and further, a prism type Al-doped ZnO for controlling a light beam in the optical waveguide.
An electrode 5 is formed, an input grating 16 and an output prism 9 are provided, a Peltier element 17 is further provided on the lower surface of the substrate, and a fiber array 18 is provided on the output side to constitute an optical switch as shown in FIG. be able to.

【0070】AlドープZnO薄膜はRfマグネトロン・スパ
ッタリングによってエピタキシャル成長し、次にin-sit
uでLiNbO3薄膜光導波路をRfマグネトロン・スパッタリ
ングによってエピタキシャル成長できる。結晶学的関係
は単一配向のLiNbO3 (0001)薄膜光導波路 // Al-ZnO(00
1)導電性薄膜 // Al2O3(0001)基板の構造が得られる。L
iNbO3薄膜光導波路には底辺100μm、高さ1000μmのプリ
ズム形状のドメイン反転領域(請求項5の分極ドメイン
反転領域に対応)を形成した後、その上部にはスパッタ
リングによって膜厚200 nmのAlドープZnO薄膜による底
辺100μm、高さ1000μmの光導波路内光ビーム制御用長
方形電極5をエッチングによって形成する。また、TiO2
をパターンニングすることによって光ビーム入射用のグ
レーティング16を形成し、LiNbO3薄膜光導波路上部には
底角の角度が45度、底辺が3 mmのルチル・プリズム9を
固定し、さらに基板下面に温度制御用のペルチエ素子17
を設置し、出射側に250μmピッチ4芯のファイバーアレ
イ18を2系統配置することによって図11のような1×8の
光スイッチを構成した。
The Al-doped ZnO thin film is grown epitaxially by Rf magnetron sputtering, and then in-situ
With u, a LiNbO 3 thin film optical waveguide can be epitaxially grown by Rf magnetron sputtering. The crystallographic relationship is unidirectional LiNbO 3 (0001) thin film optical waveguide // Al-ZnO (00
1) Conductive thin film // The structure of Al 2 O 3 (0001) substrate is obtained. L
After a prism-shaped domain inversion region (corresponding to the polarization domain inversion region of claim 5) having a base of 100 μm and a height of 1000 μm is formed on the iNbO 3 thin-film optical waveguide, a 200 nm-thick Al-doped region is formed thereon by sputtering. A rectangular electrode 5 for controlling a light beam in an optical waveguide having a base of 100 μm and a height of 1000 μm made of a ZnO thin film is formed by etching. Also, TiO 2
A grating 16 for light beam incidence is formed by patterning, a rutile prism 9 with a base angle of 45 degrees and a base of 3 mm is fixed on the upper part of the LiNbO 3 thin-film optical waveguide, and further on the lower surface of the substrate. Peltier element 17 for temperature control
The optical switch of 1 × 8 as shown in FIG. 11 was constructed by arranging two systems of 250 μm pitch 4-core fiber arrays 18 on the emission side.

【0071】本実施例の2次元偏向素子においては、LiN
bO3薄膜光導波路3へ入射用のグレーティング16から入射
したコリメートされたレーザ・ビーム20は、光導波路
内光ビーム制御用のプリズム型電極5と下部導電性Alド
ープZnO薄膜電極1との間に電圧を印加することにより第
一の4芯ファイバアレイ上を偏向する。さらに、ペルチ
エ素子17により温度を変えることにより、出射用プリ
ズム9からの光ビーム8の出射角度が変化し、光導波路
内光ビーム制御用のプリズム型電極5と下部導電性Alド
ープZnO薄膜電極1との間に電圧を印加することにより第
2のファイバアレイ上を偏向する。以上のようにして2つ
の異なる温度による2系統への切り替え機能を有する1×
8の光スイッチを構成することができる。 [比較例3]本比較例においては実施例6と同様にAl2O
3(0001)単結晶基板上へ、下部電極となる膜厚200 nmのA
lドープZnO導電性薄膜をエピタキシャル成長し、次に膜
厚600nmのエピタキシャルLiNbO3薄膜光導波路を成長さ
せ、さらに光導波路内光ビーム制御用のプリズム型Alド
ープZnO電極を形成し、入射用グレーティングと出射用
グレーティングを設け、さらに出射用のグレーティング
の上部へ光ビーム制御用のAlドープZnO電極を形成し、
出射側にファイバーアレイを配置することによって光ス
イッチを構成した。
In the two-dimensional deflection element of this embodiment, LiN
The collimated laser beam 20 incident on the bO 3 thin-film optical waveguide 3 from the incident grating 16 is placed between the prism-type electrode 5 for controlling the light beam in the optical waveguide and the lower conductive Al-doped ZnO thin-film electrode 1. The voltage is applied to deflect the light on the first four-core fiber array. Further, by changing the temperature by the Peltier element 17, the output angle of the light beam 8 from the output prism 9 changes, and the prism type electrode 5 for controlling the light beam in the optical waveguide and the lower conductive Al-doped ZnO thin film electrode 1 are used. By applying a voltage between
Deflect on fiber array 2 1x with the function of switching to two systems with two different temperatures as described above
Eight optical switches can be configured. Comparative Example 3 In this comparative example, Al 2 O
3 Place a 200 nm thick layer of A on the (0001)
Epitaxially growing a l-doped ZnO conductive thin film, then growing an epitaxial LiNbO 3 thin film optical waveguide with a thickness of 600 nm, further forming a prism type Al-doped ZnO electrode for controlling the light beam in the optical waveguide, grating for incidence and emission A grating is provided, and an Al-doped ZnO electrode for controlling a light beam is formed above the grating for emission.
An optical switch was configured by disposing a fiber array on the emission side.

【0072】AlドープZnO薄膜はRfマグネトロン・スパ
ッタリングによってエピタキシャル成長し、次にin-sit
uでLiNbO3薄膜光導波路をRfマグネトロン・スパッタリ
ングによってエピタキシャル成長できる。結晶学的関係
は単一配向のLiNbO3 (0001)薄膜光導波路 // Al-ZnO(00
1)導電性薄膜 // Al2O3(0001)基板の構造が得られる。L
iNbO3薄膜光導波路には底辺100μm、高さ1000μmのプリ
ズム形状のドメイン反転領域を形成した後、その上部に
はスパッタリングによって膜厚200 nmのAlドープZnO薄
膜による底辺100μm、高さ1000μmの光導波路内光ビー
ム制御用長方形電極をエッチングによって形成する。ま
た、TiO2をパターンニングすることによって光ビーム入
射用グレーティングおよび出射用グレーティングを形成
し、さらに出射用のグレーティングの上部へ2000μm角
の出射光ビーム制御用のAlドープZnO電極を光導波路内
光ビーム制御用電極と同様にしてエッチングによって形
成し、出射側に250μmピッチ4芯のファイバーアレイを2
系統配置することによって1×8の光スイッチを構成し
た。
The Al-doped ZnO thin film is epitaxially grown by Rf magnetron sputtering, and then in-situ
With u, a LiNbO 3 thin film optical waveguide can be epitaxially grown by Rf magnetron sputtering. The crystallographic relationship is unidirectional LiNbO 3 (0001) thin film optical waveguide // Al-ZnO (00
1) Conductive thin film // The structure of Al 2 O 3 (0001) substrate is obtained. L
After forming a prism-shaped domain-inverted region with a base of 100 μm and a height of 1000 μm on the iNbO 3 thin-film optical waveguide, an optical waveguide with a base of 100 μm and a height of 1000 μm made of a 200-nm-thick Al-doped ZnO thin film is formed on the upper part by sputtering. An inner light beam control rectangular electrode is formed by etching. Also, a grating for the light beam incident by patterning TiO 2 and an exit grating formed, further Al-doped ZnO electrode through the optical waveguide in the light beam for output light beam control 2000μm angle to the upper portion of the grating for emitting It is formed by etching in the same manner as the control electrode, and a 250 μm pitch 4-core fiber array is
A 1 × 8 optical switch was constructed by system arrangement.

【0073】本比較例の2次元偏向素子においては、LiN
bO3薄膜光導波路へ入射用のグレーティングから入射し
たコリメートされたレーザ・ビームは、光導波路内光ビ
ーム制御用のプリズム型電極と下部導電性AlドープZnO
薄膜電極との間に電圧を印加することにより第一の4芯
ファイバアレイ上を偏向する。さらに、出射光ビーム制
御用の電極と下部導電性AlドープZnO薄膜電極との間に
電圧を印加することにより、出射用グレーティングから
の出射角度が変化し、光導波路内光ビーム制御用のプリ
ズム型電極5と下部導電性AlドープZnO薄膜電極との間に
電圧を印加することにより第2のファイバアレイ上を偏
向する。しかし、出射されたレーザは複数のビームへ分
割されてしまうためにクロストークが大きく、実施例6
と比較して安定した動作がえられなかった。
In the two-dimensional deflection element of this comparative example, LiN
The collimated laser beam incident from the grating for incidence on the bO 3 thin film optical waveguide is composed of a prism type electrode for controlling the light beam in the optical waveguide and a lower conductive Al-doped ZnO.
By applying a voltage between the thin-film electrode and the thin-film electrode, the light is deflected on the first four-core fiber array. Furthermore, by applying a voltage between the output light beam control electrode and the lower conductive Al-doped ZnO thin film electrode, the output angle from the output grating changes, and the prism type for controlling the light beam in the optical waveguide. A voltage is applied between the electrode 5 and the lower conductive Al-doped ZnO thin film electrode to deflect on the second fiber array. However, since the emitted laser is split into a plurality of beams, crosstalk is large.
Stable operation was not obtained as compared with.

【0074】[0074]

【発明の効果】以上説明したように本発明は、単一の基
板に、出射用プリズム及び温度制御手段を備えて2次元
偏向を行うことができるので、光軸調整を不用とすると
共に高光利用効率に光ビームを2次元偏向することがで
き、また、上記基板に光導波路を配置するので、電圧が
印加される長さを短くすることができ、よって、小型で
かつ低駆動電圧に光ビームを2次元偏向することができ
る、という効果を有する。
As described above, according to the present invention, since a single substrate is provided with an exiting prism and a temperature control means to perform two-dimensional deflection, it is not necessary to adjust the optical axis and to use high light. The light beam can be efficiently deflected two-dimensionally, and since the optical waveguide is arranged on the substrate, the length to which a voltage is applied can be shortened. Can be two-dimensionally deflected.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 光導波路における電磁界分布の原理図を示し
た図である。
FIG. 1 is a diagram showing a principle diagram of an electromagnetic field distribution in an optical waveguide.

【図2】 プリズム形電極による光ビーム偏向の原理を
示した図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a principle of light beam deflection by a prism electrode.

【図3】 温度変化による出射プリズムからの光ビーム
偏向の原理を示した図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a principle of deflection of a light beam from an exit prism due to a temperature change.

【図4】 実施例1の2次元偏向素子を示した図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a two-dimensional deflection element according to the first embodiment.

【図5】 実施例1の2次元偏向素子のプリズム形電極に
よる光ビームの偏向特性を示した図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating a deflection characteristic of a light beam by a prism electrode of the two-dimensional deflection element according to the first embodiment.

【図6】 実施例1の2次元偏向素子の温度変化による出
射プリズムからの光ビーム偏向特性を示した図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating a deflection characteristic of a light beam from an exit prism due to a temperature change of the two-dimensional deflection element according to the first embodiment.

【図7】 実施例2の2次元偏向素子のプリズム形電極に
よる光ビームの偏向特性を示した図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating a deflection characteristic of a light beam by a prism electrode of a two-dimensional deflection element according to a second embodiment.

【図8】 実施例2の2次元偏向素子の温度変化による出
射プリズムからの光ビーム偏向特性を示した図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating a deflection characteristic of a light beam from an exit prism due to a temperature change of a two-dimensional deflection element according to a second embodiment.

【図9】 実施例4の2次元偏向素子を示した図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a two-dimensional deflection element according to a fourth embodiment.

【図10】 実施例5の2次元偏向素子を示した図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a two-dimensional deflection element according to a fifth embodiment.

【図11】 実施例6の2次元偏向素子を示した図であ
る。
FIG. 11 is a diagram illustrating a two-dimensional deflection element according to a sixth embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 導電性基板 3 光導波路 5 電極 9 出射用プリズム 10 ヒータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Conductive substrate 3 Optical waveguide 5 Electrode 9 Emission prism 10 Heater

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 Fターム(参考) 2K002 AA01 AA05 AA06 AB08 BA06 BA13 CA02 CA22 DA05 EA30 EB04 EB05 HA02 HA11  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Shigenori Nakamura 430 Sakai, Nakagawa-cho, Ashigarashimo-gun, Kanagawa Green Tech Nakai F-term in Fuji Xerox Co., Ltd. 2K002 AA01 AA05 AA06 AB08 BA06 BA13 CA02 CA22 DA05 EA30 EB04 EB05 HA02 HA11

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 下部電極となる導電性または半導電性の
単結晶基板上、または表面に下部電極となる導電性また
は半導電性のエピタキシャル又は単一配向性薄膜が形成
された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光導波路と、 前記光導波路上に配置され、前記単結晶基板、またはエ
ピタキシャル又は単一配向性薄膜との間に、印加された
電圧に応じて屈折率が変化すると共に前記光導波路を伝
搬する光ビームを印加された電圧に応じて第1の方向に
偏向するための領域を形成する光導波路内光ビーム制御
用電極と、 前記光導波路内の光ビームを前記第1の方向と交差する
第2の方向に出射する出射用プリズムと、 前記光導波路の温度を変化させ、かつ、該温度に応じ
て、前記出射用プリズムから出射される光ビームを前記
第2の方向に偏向する出射光ビーム制御用の温度制御手
段と、 を含む光偏向素子。
1. A conductive or semiconductive single-crystal substrate serving as a lower electrode, or a substrate having a conductive or semiconductive epitaxial or unidirectional thin film serving as a lower electrode formed on a surface thereof. An optical waveguide having an electro-optical effect of epitaxial or mono-oriented orientation, and a voltage applied between the mono-crystalline substrate or the epitaxial or mono-oriented thin film disposed on the optical waveguide and according to the applied voltage. An electrode for controlling a light beam in the optical waveguide, which forms a region for deflecting a light beam propagating through the optical waveguide in a first direction in accordance with an applied voltage while changing a refractive index in the optical waveguide; An emission prism that emits the light beam in a second direction that intersects the first direction; and changing the temperature of the optical waveguide, and emitting the light beam from the emission prism in accordance with the temperature. A temperature control means for controlling an emitted light beam for deflecting the light beam to be emitted in the second direction.
【請求項2】 前記出射光ビーム制御用の温度制御手段
は、前記光導波路よりも小さい屈折率を有するクラッド
層を介して出射用プリズム近傍の光導波路上に配置され
た抵抗体であることを特徴とする請求項1に記載の光偏
向素子。
2. The temperature control means for controlling the output light beam is a resistor disposed on the optical waveguide near the output prism via a cladding layer having a smaller refractive index than the optical waveguide. 2. The light deflecting element according to claim 1, wherein:
【請求項3】 前記出射光ビーム制御用の温度制御手段
は、前記出射用プリズム底面近傍の側面に配置された抵
抗体であることを特徴とする請求項1に記載の光偏向素
子。
3. The light deflecting element according to claim 1, wherein the temperature control means for controlling the output light beam is a resistor disposed on a side surface near a bottom surface of the output prism.
【請求項4】 前記光導波路内光ビーム制御用電極は、
互いに平行でない二辺を持つ三角形状パターンを有し、
電圧を印加することにより該三角形状パターンに対応す
る異なる屈折率を有する領域を発生させることを特徴と
する請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の光偏向
素子。
4. The electrode for controlling a light beam in an optical waveguide,
Has a triangular pattern with two sides that are not parallel to each other,
4. The light deflecting element according to claim 1, wherein a region having a different refractive index corresponding to the triangular pattern is generated by applying a voltage.
【請求項5】 前記光導波路は、互いに平行でない二辺
を持つ三角形状の分極ドメイン反転領域を有し、光導波
路内光ビーム制御用電極に電圧を印加することにより三
角形状の分極ドメイン反転領域とそれ以外の領域におい
て異なる屈折率を発生させることを特徴とする請求項1
乃至請求項3の何れか1項にに記載の光偏向素子。
5. The triangular polarization domain inversion region having a triangular polarization domain inversion region having two sides that are not parallel to each other, and applying a voltage to a light beam control electrode in the optical waveguide. And generating a different refractive index in a region other than the region.
The light deflecting element according to claim 3.
【請求項6】 前記単結晶基板の表面に、前記光導波路
よりも小さい屈折率を有し、エピタキシャルまたは単一
配向性の導電性または半導電性の酸化物を設けたことを
特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の
光偏向素子。
6. An epitaxial or single-oriented conductive or semiconductive oxide having a lower refractive index than the optical waveguide and provided on a surface of the single crystal substrate. An optical deflecting element according to any one of claims 1 to 5.
【請求項7】 前記光導波路は、エピタキシャルまたは
単一配向性の前記光導波路よりも小さい屈折率を有する
バッファ層を介して前記単結晶基板上又は前記エピタキ
シャル又は単一配向性薄膜上に設けられたたことを特徴
とする請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載の光偏向
素子。
7. The optical waveguide is provided on the single-crystal substrate or the epitaxial or single-oriented thin film via a buffer layer having a smaller refractive index than the epitaxial or single-oriented optical waveguide. 7. The optical deflecting element according to claim 1, wherein:
【請求項8】 前記単結晶基板、または前記エピタキシ
ャル又は単一配向性薄膜は、前記光導波路よりも小さい
屈折率を有する透明酸化物であることを特徴とする請求
項1乃至請求項7の何れか1項に記載の光偏向素子。
8. The method according to claim 1, wherein the single crystal substrate or the epitaxial or unidirectional thin film is a transparent oxide having a smaller refractive index than the optical waveguide. 3. The light deflecting element according to claim 1.
【請求項9】 前記光導波路の表面に、前記光導波路よ
りも小さい屈折率を有するクラッド層が設けられたこと
を特徴とする請求項1乃至請求項8の何れか1項に記載の
光偏向素子。
9. The optical deflection device according to claim 1, wherein a cladding layer having a smaller refractive index than the optical waveguide is provided on a surface of the optical waveguide. element.
【請求項10】 前記光導波路は、酸化物強誘電体であ
ることを特徴とする請求項1乃至請求項9の何れか1項に
記載の光偏向素子。
10. The optical deflecting element according to claim 1, wherein the optical waveguide is an oxide ferroelectric.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013185849A (en) * 2012-03-06 2013-09-19 Ricoh Co Ltd Optical deflector and laser radar device

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