JP2011164604A - 基板構造体および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化および集積化した強誘電体材料による光スイッチおよび光変調器
【解決手段】単結晶のベース基板と、ベース基板の表面に形成され、ペロブスカイト構造を有し、且つ、自発分極を有する菱面体晶の強誘電体薄膜とを備える基板構造体および基板構造体を製造する製造方法を提供する。強誘電体薄膜に形成された光導波路と、光導波路に対して、ベース基板の表面と平行な方向の電界を印加する電界印加部とを更に備えてよい。電界印加部は、光導波路に印加される電界の電界方向と、強誘電体薄膜における自発分極の方向とが平行となるように、電界を発生してよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板構造体および製造方法に関する。

強誘電体材料による光スイッチおよび光変調器は、主にＬｉＮｂＯ_３単結晶が用いられ、変調周波数が４０ＧＨｚを超えるマッハツェンダ型高速光変調器等が実用化されている。また、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰｂＬａＺｒＴｉＯ系の複合酸化物、ＰＬＺＴと略す）といった強誘電体薄膜の面に対して垂直方向に電界を印加する縦型デバイス構造を有する光スイッチが報告されている（例えば、特許文献１および２参照）。
特許文献１：特開２００１−１１７０５９号公報
特許文献２：特開２００６−５８８３７号公報

しかしながら、ＬｉＮｂＯ_３単結晶は、電気光学係数が３０ｐｍ／Ｖと比較的小さいので、素子の長さを３０ｍｍ程度以上に長くしなければ動作電圧を低減することができない。また、ＬｉＮｂＯ_３単結晶を用いた変調器（以下、ＬＮ変調器）は、ＬｉＮｂＯ_３単結晶基板にＴｉ薄膜を成膜してから熱拡散することで導波路を作製する。このようなＴｉ拡散導波路は、リッジ導波路と比較してコアとクラッドの屈折率差が小さいので光閉じ込め効果が弱く、急峻な曲げに対して損失が大きくなる。したがってＬＮ変調器は、小型化および集積化が困難であった。

また、ＰＬＺＴ薄膜は、比誘電率が数百から数千程度と非常に大きく、文献１および２で用いているＳｒＴｉＯ_３基板も非誘電率が３００と大きい。したがって、小型化が期待できる強誘電体材料による光スイッチおよび光変調器は、キャパシタンスが大きくなってしまので、光通信などで用いられる１０ＧＨｚ以上の変調帯域を実現することが困難であった。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、単結晶のベース基板と、ベース基板の表面に形成され、ペロブスカイト構造を有し、且つ、自発分極を有する菱面体晶の強誘電体薄膜とを備える基板構造体および基板構造体を製造する製造方法を提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係る基板構造体１００の構成例を示す。 本実施形態に係る基板構造体１００の変形例を示す。 本実施形態に係る基板構造体１００の変形例の構成を示す。 本実施形態に係る基板構造体１００の製造フローを示す。 本実施形態に係る製造方法で作製した基板構造体１００のＸ線分光分析結果（２θ／θスキャン法）を示す。 本実施形態に係る製造方法で作製した基板構造体１００のＸ線分光分析結果（φスキャン法）を示す。 本実施形態に係る製造方法で作製した基板構造体１００において、電気光学係数の電界を印加する角度依存性を示す。 本実施形態に係る基板構造体１００の自発分極の方向とＰＬＺＴ［００１］方向との関係の一例を示す。 本実施形態に係る製造方法で作製したＰＬＺＴ薄膜およびＰＺＴ薄膜のＸ線分光分析結果を示す。 本実施形態に係る基板構造体１００の変形例の構成を示す。 本実施形態に係る基板構造体１００の変形例の構成を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る基板構造体１００の構成例を示す。ベース基板１１０は、単結晶でよい。また、ベース基板１１０は、絶縁材料で形成されてよい。例えば、ベース基板１１０は、Ａｌ_２Ｏ_３（サファイア）基板またはＭｇＯ基板でよい。一例としてベース基板１１０は、サファイア基板の（１１０２）面が表面になるように切り出されて研磨された、Ｒ−ｃｕｔサファイアと呼ばれる基板である。

サファイア基板の（１１０２）面は、予め定められた方向に（１１０）面が並んでいるので、この（１１０）面が並んでいる一方向の垂直方向の格子定数は、（１１０）面の平行方向（（ａｂｃ）面の平行方向を（ａｂｃ）方向と略す）の格子定数と同一の５．１３Åとなる。また、（１１０）面が並んでいる方向は、（１１０）面の法線方向（（ａｂｃ）面の法線方向を［ａｂｃ］方向と略す）であり、［１１０］方向の格子定数が４．７６Åとなるように（１１０２）面は形成されている。

これに代えて、ベース基板１１０は、何らかの層が基板上に積層されたものでよい。即ちベース基板１１０は、表面上に強誘電体薄膜１２０を成膜するので、基板材料が強誘電体薄膜１２０へ拡散することの防止および／または強誘電体薄膜１２０と格子整合のするためのバッファ層が積層された基板でよい。

強誘電体薄膜１２０は、ベース基板１１０の表面に形成され、ペロブスカイト構造を有し、且つ、自発分極を有する菱面体晶である。強誘電体薄膜１２０は、エピタキシャル成長で形成されてよい。強誘電体薄膜１２０は、例えば１０μｍ以下の厚さの薄膜でよい。また、強誘電体薄膜１２０は、８５０ｎｍ帯、１３００ｎｍ帯、および１５００ｎｍ帯といった光通信で用いられる波長の光を伝送する光導波路のコア材料を形成してよい。また、強誘電体薄膜１２０は、伝送する光の波長に基づいて、膜厚が設計されてよい。

強誘電体薄膜１２０は、ランタンの組成比が７ａｔ％以上、９ａｔ％以下のＰＬＺＴ薄膜でよい。これに代えて強誘電体薄膜１２０は、ＰＺＴ薄膜またはＢａＴｉＯ_３薄膜でよい。ＰＬＺＴ結晶、ＰＺＴ結晶、およびＢａＴｉＯ_３結晶等は、結晶構造の一種であるペロブスカイト構造を有する強誘電体結晶であり、温度および材料組成によって正方晶、斜方晶、菱面体晶、または立方晶等の結晶構造に変化する。しかしながら、ＰＬＺＴ結晶等は、特定の基板上に薄膜として成長させると、基板材料の格子定数とバルクの単結晶基板の格子定数とが異なるので、薄膜に応力が印加されて結晶構造が変化する場合がある。

例えば、強誘電体薄膜１２０であるＰＬＺＴ薄膜がサファイア（１１０２）基板上に形成された場合、ＰＬＺＴ薄膜は、 ＰＬＺＴ［１１０］方向に優先配向する。したがって、強誘電体薄膜１２０のＸ線回折測定（θ―２θ測定）及びφスキャン測定で面内配向状態を調べることにより、成膜された薄膜の結晶構造と面内配向状態がわかる。

このように、強誘電体薄膜１２０は、結晶配列方向を適切に選択したベース基板１１０上に適切な構造の結晶として形成されると、ベース基板１１０の表面と並行に結晶が配向するので、自発分極の方向をベース基板１１０の面と並行にすることができる。これにより、基板構造体１００は、ＰＬＺＴ薄膜の分極容易軸に対して平行に電界を印加するデバイスに適した基板を提供できる。

図２は、本実施形態に係る基板構造体１００の変形例を示す。図中の（ｂ）は、図中の（ａ）におけるＡ−Ａ'断面の構成例を示す。基板構造体１００は、２つの光入力に対して２つの光出力を備えてよい。本例は、図１で説明した本実施形態に係る基板構造体１００の構成例を加工して作製される。

基板構造体１００は、２つの光入力のうちいずれか一方に入力した入力光を、電極に印加する信号に応じて２つの光出力のうちのどちらか一方から出力させる１入力２出力型光スイッチの機能を有してよい。これに代えて基板構造体１００は、２つの光入力のそれぞれに入力した入力光のうちの１つを、電極に印加する信号に応じて２つの光出力のうちのどちらか一方から出力させ、かつ、他方の入力光を他方の光出力から出力させる２入力２出力型光スイッチの機能を有してよい。

これに代えて基板構造体１００は、２つの光入力のうちいずれか一方に入力した入力光を、電極に印加する変調信号に応じて、２つの光出力のうちのどちらか一方から光強度を変調させて出力する光変調器の機能を有してよい。基板構造体１００は、ベース基板１１０と、強誘電体薄膜１２０と、光導波路１３０と、光カップラ１４０と、低誘電体薄膜１５０と、電界印加部１６０とを備える。

光導波路１３０は、強誘電体薄膜１２０に形成される。光導波路１３０は、強誘電体薄膜１２０をエッチングして凸型の形状に設けたリッジ導波路でよい。光導波路１３０は、例えば、波長１５００ｎm帯でシングルモード伝搬を得ることを目的として、１μｍの膜厚で形成された強誘電体薄膜１２０をドライエッチングして、幅１．２〜１．５μｍ、深さ０．１５〜０．５μｍのリッジ構造で形成される。

これに代えて、光導波路１３０は、導波路部分以外の強誘電体薄膜１２０をエッチングすることによって得られるメサ型導波路でよい。これに代えて、光導波路１３０は、強誘電体薄膜１２０の層を用いたスラブ型導波路でよい。これに代えて、光導波路１３０は、予めベース基板１１０を導波路の形状にエッチングした後に強誘電体薄膜１２０を形成させてできる埋め込み型導波路でよい。

光導波路１３０は、平行に設けられた２つの直線導波路を含むマッハツェンダ型光導波路でよい。光カップラ１４０は、２本の光導波路１３０を用いて形成され、２入力２出力のマルチモード干渉方式の光カップラでよい。光カップラ１４０は、２つの入力光のそれぞれを、２つの光出力のそれぞれへ１：１に分岐してよい。基板構造体１００は、２本の光導波路１３０と２つの光カップラ１４０を組み合わせて、マッハツェンダ型の光スイッチまたは光変調器を形成する。

低誘電体薄膜１５０は、強誘電体薄膜１２０の表面に形成され、強誘電体薄膜１２０より比誘電率が低くてよい。低誘電体薄膜１５０は、ＳｉＯ_２といった低誘電率膜でよい。ここで、ベース基板１１０も、強誘電体薄膜１２０より比誘電率が低くてよい。望ましくは、ベース基板１１０、低誘電体薄膜１５０の比誘電率はそれぞれ１０以下、強誘電体薄膜の比誘電率は数百から数千程度でよい。

これによって、比誘電率の高い強誘電体薄膜１２０は、比誘電率および屈折率の低いベース基板１１０と低誘電体薄膜１５０で挟まれる構造になるので、効率的な光の閉じ込め効果を有する光導波路１３０を形成することができる。また、基板構造体１００に変調信号を与えて変調器として用いる場合、ベース基板１１０および低誘電体薄膜１５０は、変調信号の伝送速度と光導波路１３０を伝送する光波の伝送速度とを一致させる速度整合を実現させることができる。また、ベース基板１１０と低誘電体薄膜１５０は、変調信号を伝送させる伝送ラインの特性インピーダンスを、例えば５０Ωといった予め定められた値にすることができる。

電界印加部１６０は、光導波路１３０に対して、ベース基板１１０の表面と平行な方向の電界を印加する。電界印加部１６０は、電界印加部１６０ａおよび１６０ｂを含み、１つの直線導波路に対してベース基板１１０の表面と平行な方向の電界を印加してよい。これに代えて、電界印加部１６０は、電界印加部１６０ａ、１６０ｂおよび１６０ｃを含み、２つの直線導波路に対してベース基板１１０の表面と平行な方向の電界を印加してよい。

ここで、基板構造体１００は、電界印加部１６０ａおよび１６０ｂを１つの光導波路１３０から等間隔にそれぞれ形成して、電界方向１７０をベース基板１１０の表面と平行な方向にしてよい。同様に、基板構造体１００は、電界印加部１６０ｂおよび１６０ｃをもう一方の光導波路１３０から等間隔にそれぞれ形成して、電界方向１７０をベース基板１１０の表面と平行な方向にしてよい。

電界印加部１６０は、光カップラ１４０ａによって２つに分離された光導波路１３０のうち、どちらか一方または両方に対して電界を印加する。電界を印加された光導波路は、印加された電界に応じて屈折率を変化させ、当該光導波路を通過する入力光に位相変化を生じさせる。２つの光導波路を通過した入力光は、光カップラ１４０ｂによって再度合波され、再び２つの光出力に分離される。

ここで、２つの光導波路１３０において２つの入力光が受ける位相変化量の差により合波後の光の強度が決まるので、電界印加部１６０は、それぞれの光導波路１３０に適切な電界を印加することで位相変化量の差を調節することができ、光出力の強度を制御することができる。したがって、基板構造体１００は、電界印加部１６０に適切な印加電界を与えることで、光スイッチまたは光変調器の機能を持つことができる。ここで、電界印加部１６０は、２つの光導波路１３０の屈折率変化の変化方向を互いに逆向きにするように電界を印加して、効果的に位相変化量の差を与えてよい。

電界印加部１６０は、光導波路１３０に印加される電界の電界方向１７０と、強誘電体薄膜１２０における自発分極の方向１８０とが平行となるように、電界を発生してよい。結晶状態の強誘電体薄膜１２０は、自発分極の方向１８０をベース基板１１０の面と並行にする。したがって、基板構造体１００は、電界印加部１６０が光導波路１３０に印加する電界方向１７０と、自発分極の方向１８０とを平行にすることができる。これによって基板構造体１００は、大きな電気光学効果を得ることができ、効率的な光スイッチまたは光変調器の動作を実現させることができる。

ここで、強誘電体薄膜１２０であるＰＬＺＴ薄膜は、結晶構造によって自発分極の分極容易軸が異なる。例えば、正方晶のＰＬＺＴ薄膜は、自発分極の分極容易軸がＰＬＺＴ［００１］方向に平行となる。そこで基板構造体１００は、電界を最も効率的に印加する目的で、電界印加部１６０の長手方向をＰＬＺＴ［００１］方向に対して垂直に設けてよい。

また、菱面体晶のＰＬＺＴ薄膜は、自発分極の分極容易軸がＰＬＺＴ［００１］方向に対して±５５°傾いた方向、すなわち、ＰＬＺＴ［１１１］方向となる。そこで基板構造体１００は、電界印加部１６０の長手方向をＰＬＺＴ［００１］方向に対して±５５°の方向に設けてよい。このように、基板構造体１００は、強誘電体薄膜１２０の自発分極の方向１８０に応じて電界印加部１６０ａと１６０ｂとを結ぶ直線が、自発分極の方向１８０と平行になるよう電界印加部１６０を形成することで、最も効率的に電界を光導波路１３０に印加することができる。

強誘電体の自発分極値と電気光学係数とは比例関係にある。また、強誘電体の分極容易軸方向は、結晶構造が正方晶および擬立方晶の場合は［１００］方向に、菱面体晶の場合は［１１１］方向になる。また、菱面体晶の自発分極値は正方晶に比べて３^１／２倍大きいことが知られている。したがって、菱面体晶の強誘電体は、正方晶および擬立方晶に比べて、より大きな電気光学係数を得ることができ、デバイスの小型化に有効である。

電界印加部１６０は、２つの直線導波路に対して、電界を印加するコプレーナ型伝送路を有してよい。電界印加部１６０は、それぞれの直線導波路に対して、異なる電界を印加することで位相変化量の差を調節してよい。ここで電界印加部１６０は、同一の長さの２つの直線導波路に対して、それぞれ逆方向に電界を印加してよい。例えば、基板構造体１００は、電界印加部１６０ａおよび１６０ｃを共通電極として、電界印加部１６０ｂに電界信号を印加する。これによって、基板構造体１００は、電界印加部１６０ａおよび１６０ｃを共通にすることで、逆位相の位相変化量を容易に与えることができる。

また、電界印加部１６０は、電極構造としてコプレーナ型伝送路を有してよい。特に高速の光変調器の機能を持たせる場合、基板構造体１００は、電極構造としてコプレーナ型伝送路を形成してよい。これによって、基板構造体１００は、外部から与えられる高周波の変調信号に対して、損失および反射の少ない伝送特性の電界印加部１６０を形成することができる。

また、基板構造体１００は、変調信号の伝送速度と光導波路１３０を伝送する光波の伝送速度とを一致させる速度整合を実現させることができる。また、基板構造体１００は、変調信号を伝送させる伝送ラインの特性インピーダンスを、例えば５０Ωといった予め定められた値に容易に設計することができる。

図３は、本実施形態に係る基板構造体１００の変形例の構成を示す。図中の（ｂ）は、図中の（ａ）におけるＢ−Ｂ'断面の構成例を示す。図３に示された本実施形態に係る基板構造体１００の動作と略同一の動作をするものには、図２と同一の符号を付けた。

本変形例に係る基板構造体１００は、電界を光導波路１３０に印加する電界印加部１６０を、強誘電体薄膜１２０上に直接形成する。そして電界印加部１６０は、低誘電体薄膜１５０上の電極２１０と貫通ビア２２０を介して電気的に接続される。電界印加部１６０の形状は、光導波路１３０に効率的に電界を加えるべく、電気的な接続を目的とする電極２１０の形状よりも大きくなる場合がある。

このような場合、本変形例に係る基板構造体１００は、電界印加部１６０を低誘電体薄膜１５０の層内に封じ込め、電界印加部１６０よりも小さな面積の電極２１０を低誘電体薄膜１５０の表面上に配置することができる。これによって、基板構造体１００は、電極間の干渉を防ぐことができる。また、基板構造体１００は、電極２１０の電極形状および電極配置の自由度を向上できる。

図４は、本実施形態に係る基板構造体１００の製造フローを示す。まず、単結晶のベース基板１１０を、基板準備段階で準備する（Ｓ３００）。ここで、ベース基板１１０は、上述したバッファ層を有してよい。バッファ層は、一例として、ＰｂＴｉＯ_３ゾルゲル材料をベース基板１１０上に塗布して、アニール処理によって乾燥および熱分解して形成されるＰｂＴｉＯ_３薄膜である。

次に、ゾルゲル材料をベース基板１１０上に塗布する（Ｓ３１０）。ベース基板１１０には、形成する強誘電体薄膜１２０に応じたゾルゲル材料が塗布される。例えば、ゾルゲル材料としてＰＬＺＴ８／６５／３５またはＰＺＴ５２／４８と呼ばれる組成のゾルゲル液を用いる。ここで、「８／６５／３５」は、順にＬａ、Ｚｒ、およびＴｉ原子の比である。より正確には、これらは化学量論比的に決められる比であり、ＰＬＺＴは、Ｐｂ_１−ＸＬａ_Ｘ（Ｚｒ_ＹＴｉ_１−Ｙ）_{１−Ｘ／４}Ｏ_３と表され、Ｘが０．０８、Ｙが０．６５の場合に「８／６５／３５」と表現している。同様に、ＰＺＴは、Ｐｂ（Ｚｒ_ＹＴｉ_Ｙ−１）Ｏ_３と表され、Ｙが０．５２の場合に「５２／４８」と表現している。

次に、塗布したゾルゲル材料を、予め定められた雰囲気温度でアニールして、ペロブスカイト構造を有し、且つ、自発分極を有する菱面体晶の強誘電体薄膜１２０を形成する（Ｓ３２０）。ベース基板１１０は、ホットプレート、ベーキングオーブン、炉、またはランプアニーラ等のアニール装置でアニールして結晶化されてよい。

強誘電体薄膜１２０は、ランタンの組成比が７ａｔ％以上、９ａｔ％以下のＰＬＺＴ薄膜でよい。これに代えて、強誘電体薄膜１２０は、ＰＺＴ薄膜またはＢａＴｉＯ_３薄膜でよい。ベース基板１１０は、雰囲気温度を昇温および降温させるレートを、毎秒７度未満にしてアニールされてよい。望ましくは、ベース基板１１０は、雰囲気温度を昇温および降温させるレートを、毎秒３度以下にしてアニールされる。また、強誘電体薄膜１２０は、雰囲気温度の最高温度が５５０度以上６５０度以下でアニールされてよい。

また、強誘電体薄膜１２０は、大気圧以上の圧力に加圧した、体積比２０％以上の酸素を含む雰囲気中でアニールされてよい。これに代えて、強誘電体薄膜１２０は、大気と同様の体積比２１％程度の酸素を含む雰囲気中でアニールされてよい。ここで強誘電体薄膜１２０は、予め定められた期間の間、０．１ＭＰａから０．３ＭＰａの間において予め定められた圧力に加圧された雰囲気中でアニールされてよい。

一例として、強誘電体薄膜１２０は、０．１ＭＰａから０．２ＭＰａの間において予め定められた圧力に加圧された雰囲気中でアニールされる。ここで強誘電体薄膜１２０は、加熱処理の期間または加熱処理から加熱後の常温に戻るまでの期間を、予め定められた期間に設定されてよい。

そして、予め定められた膜厚の強誘電体薄膜１２０がベース基板１１０上に形成されるまで、ステップＳ３１０からステップＳ３３０を繰り返す。ベース基板１１０上に予め定められた膜厚の強誘電体薄膜１２０を積層した後、積層した強誘電体薄膜１２０を加工して光導波路１３０を作成する（Ｓ３４０）。光導波路１３０は、リッジ導波路でよい。

ここで、２つの直線導波路を含むマッハツェンダ型光導波路は、強誘電体薄膜１２０の予め定められた方向に形成されてよい。一例として、２つの直線導波路は、強誘電体薄膜１２０の自発分極の方向１８０に対して垂直方向に形成する。例えば、サファイア基板上に菱面体晶のＰＬＺＴ薄膜が成膜された基板構造体１００の場合、自発分極の方向１８０は、ＰＬＺＴ［００１］方向に対して±５５°傾いた方向となる。そこで２つの直線導波路は、ＰＬＺＴ［００１］方向即ちサファイア［１１０］方向に対して±５５°傾いた方向に形成してよい。

基板構造体１００に、強誘電体薄膜１２０より比誘電率が低い低誘電体薄膜１５０を更に成膜する（Ｓ３５０）。基板構造体１００は、予め定められた膜厚の低誘電体薄膜１５０が成膜されると、低誘電体薄膜１５０上に電極である電界印加部１６０が形成される（Ｓ３６０）。電界印加部１６０は、真空蒸着法またはスパッタ法にて形成される、予め定められた形状の金属電極および／または酸化物電極でよい。また、電界印加部１６０は、コプレーナ伝送ラインが形成されてよい。

ここで、電界印加部１６０は、マッハツェンダ型光導波路に含まれる２つの直線導波路が形成された方向と、長手方向が平行になるように形成されてよい。これによって、基板構造体１００は、電界印加部１６０が光導波路１３０に印加する電界の電界方向１７０と、強誘電体薄膜１２０における自発分極の方向１８０とを平行にすることができる。以上の本実施形態に係る基板構造体１００の製造フローによれば、大きな電気光学効果を得ることができ、効率的な光スイッチまたは光変調器の動作を実現させる基板構造体１００を製造することができる。

図５は、本実施形態に係る製造方法で作製した基板構造体１００のＸ線分光分析結果（２θ／θスキャン法）を示す。図中の横軸は入射方向と反射方向との角度であり、縦軸は回折強度である。この方法は、試料表面に対して平行な配向があると、顕著なピークが観察される。作製した基板構造体１００は、サファイア（１１０２）基板上に成膜したＰＬＺＴ８／６５／３５薄膜である。分析結果には顕著なピークが見られるので、基板構造体１００は、試料表面に対して平行に配向しており、即ちＰＬＺＴ（１１０）方向に優先配向していることがわかった。

図６は、本実施形態に係る製造方法で作製した基板構造体１００のＸ線分光分析結果（φスキャン法）を示す。図中の横軸は入射方向の角度であり、縦軸は回折強度である。この方法は、結晶の特定の格子面間隔からの回折線のみを検出できるので、配向結晶の配向について特定の格子面からの傾きを評価できる。

分析結果より、作製した基板構造体１００は、横軸の０度に対応するＰＬＺＴ［００１］方向を中心として、±５５°の位置に２つのピークが観測された。また、横軸の１８０度に対応するＰＬＺＴ［００１］の１８０度逆方向を中心として、±５５°の位置に２つのピークが観測された。即ち、サファイア（１１０２）基板上に成膜したＰＬＺＴ８／６５／３５薄膜は、ＰＬＺＴ［００１］方向に対して±５５°の方向に自発分極が傾いており、菱面体晶のＰＬＺＴ薄膜が成膜されていることがわかった。

図７は、本実施形態に係る製造方法で作製した基板構造体１００において、電気光学係数の電界を印加する角度依存性を示す。図中の横軸はＰＬＺＴ［００１］方向に対する電界印加の角度であり、縦軸は単位をｐｍ／Ｖとした電気光学係数である。図は、光導波路１３０および電界印加部１６０を、ＰＬＺＴ［００１］方向に対する角度を変えて作製した複数の基板構造体１００について、それぞれ電気光学係数を測定した結果である。

これによって基板構造体１００は、電気光学係数の電界印加の角度依存性を持つことを確認した。また、作製した基板構造体１００の結晶構造が菱面体晶なので、電界印加部１６０がＰＬＺＴ［００１］方向に対して±５５°の方向に電界を印加することで、より大きな電気光学係数が得られることも確認した。

図８は、本実施形態に係る基板構造体１００の自発分極の方向とＰＬＺＴ［００１］方向との関係の一例を示す。基板構造体１００は、サファイア（１１０２）基板上に成膜したＰＬＺＴ８／６５／３５薄膜が成膜され、光導波路１３０、電界印加部１６０が形成されている。電界方向１７０は、電界印加部１６０ａから１６０ｂの方向または１６０ｂから１６０ａの方向であり、本例および図７では、１６０ａから１６０ｂの方向を０°とする。

本例では、ＰＬＺＴ［００１］方向７１０と電界方向１７０が一致するように、光導波路１３０および電界印加部１６０が形成されている。ＰＬＺＴ８／６５／３５薄膜が正方晶の結晶構造で成膜された場合、自発分極は正方晶の自発分極方向７２０となるので、ＰＬＺＴ［００１］方向７１０と一致する。即ち、電界方向１７０は、ＰＬＺＴ８／６５／３５薄膜の自発分極の方向と一致して、基板構造体１００は、最も効果的な電気光学効果を得ることができる。

一方、ＰＬＺＴ８／６５／３５薄膜が菱面体晶の結晶構造で成膜された場合、自発分極は、ＰＬＺＴ［００１］方向７１０に対して±５５°の方向に傾いた菱面体晶の自発分極方向７３０となる。したがって、電界方向１７０はＰＬＺＴ８／６５／３５薄膜の自発分極の方向とは一致せず、基板構造体１００は、効果的な電気光学効果を得ることができない。

即ち、ＰＬＺＴ８／６５／３５薄膜は、同一の結晶構造であっても、電界印加の方向によって得られる電気光学係数は異なる。したがって、基板構造体１００は、成膜された強誘電体薄膜１２０の自発分極の方向１８０と電界方向１７０とを一致させることで、最も効果的な電気光学効果を得ることができる。このため、ＰＬＺＴ８／６５／３５薄膜が菱面体晶の結晶構造で成膜された場合、基板構造体１００は、ＰＬＺＴ［００１］方向７１０に対して±５５°傾いた方向に電界をかけるべく、光導波路１３０および電界印加部１６０の長手方向をＰＬＺＴ［００１］方向７１０に対して±５５°傾けた方向に形成する。

以上の本実施形態より、強誘電体薄膜１２０であるＰＬＺＴ薄膜は、ゾル・ゲル法におけるアニールの昇温レート、降温レート等の条件を適切に設定することで、結晶構造を制御できる。バルクのＰＬＺＴ結晶は、Ｌａ、Ｚｒ、およびＴｉ原子の組成比がモルフォトロピック境界（ＭＰＢ：Morphological Phase Boundary）近傍と呼ばれる特定の値の場合に、電気光学係数および圧電定数などの特性が極大値を示す組成として知られている。例えば、ＰＬＺＴ８／６５／３５組成は、ＭＰＢ近傍の組成であり、電気光学係数が５００〜７００ｐｍ／Ｖを示すという報告がある。

しかしながら、基板上に成膜したＰＬＺＴ薄膜は、電気光学係数が３０〜１００ｐｍ／Ｖ程度であることが報告されている。電気光学特性の劣化の原因として、基板上に成膜したＰＬＺＴ薄膜は、結晶化アニール処理により、必要以上にＰｂ元素が抜けてしまうこと、酸素欠損などが原因で化学両論的組成から組成がずれること、および／または基板からの応力を受けること等により、結晶構造が変化しているということが実験的に明らかとなった。

即ち、バルクのＰＬＺＴ結晶は、ＭＰＢ近傍の組成では菱面体晶の結晶構造となるが、従来の基板上に成膜したＰＬＺＴ薄膜は、ＭＰＢ近傍の組成にしても基板からの応力を受けることにより、正方晶または擬立方晶等に近い結晶構造となって電気光学特性の劣化を招く。したがってＰＬＺＴ薄膜を基板上に成膜するアニールプロセスの段階において、ＰＬＺＴ薄膜は、アニール条件によって結晶構造が大きく変化することがわかった。さらに、ＰＬＺＴ薄膜は、酸素雰囲気中で加圧して結晶化アニール処理することにより、薄膜中の酸素欠損およびＰｂ抜けを抑制でき、化学両論的組成の強誘電体膜を成膜できることが分かった。

図９は、本実施形態に係る製造方法で作製したＰＬＺＴ薄膜およびＰＺＴ薄膜のＸ線分光分析結果を示す。図中の（ａ）は、本実施形態に係る製造方法とアニール条件を変えて作製したＰＬＺＴ８／６５／３５薄膜のＸ線分光分析結果を示す。また、（ｅ）は、（ａ）のＸ線分光分析で得られる極点図を示す。本例のＰＬＺＴ８／６５／３５薄膜は、昇温および降温レートを７℃／ｓｅｃで作製した。（ｂ）は、本実施形態に係る製造方法で作製したＰＬＺＴ８／６５／３５薄膜のＸ線分光分析結果を示す。また、（ｆ）は、（ｂ）のＸ線分光分析で得られる極点図を示す。本例のＰＬＺＴ８／６５／３５薄膜は、昇温および降温レートを３℃／ｓｅｃで作製した。２種類のＰＬＺＴ薄膜は、それぞれサファイア基板上に形成され、いずれも雰囲気温度の最高温度が６５０℃、アニール処理が５分である。

（ｅ）および（ｆ）の極点図は、図中に示された点の回転対称性より、成長させた薄膜の結晶性を評価できる。いずれも３回対称の極点図が得られており、これより、２種類のＰＬＺＴ薄膜は、それぞれ良好な結晶面の配向が形成されていることがわかる。即ち２種類のＰＬＺＴ薄膜は、それぞれサファイア基板の結晶面にそろえてＰＬＺＴ膜を配列させつつ成長させるエピタキシャル成長で形成されたことがわかる。

（ａ）および（ｂ）より、昇温および降温レートが７℃／ｓｅｃのＰＬＺＴ８／６５／３５薄膜は、立方晶に近い擬立方晶に対応する（１１１）方向の１つのピークが観察される。これに対して、昇温および降温レートが３℃／ｓｅｃのＰＬＺＴ８／６５／３５薄膜は、（１１１）のピークが２つに分離した菱面体晶特有のピークが観察される。これより、ＰＬＺＴ８／６５／３５薄膜は、昇温および降温レートによって結晶構造が影響されることがわかった。

（ｃ）は、本実施形態に係る製造方法とアニール条件を変えて作製したＰＺＴ５２／４８薄膜のＸ線分光分析結果を示す。また、（ｇ）は、（ｃ）のＸ線分光分析で得られる極点図を示す。本例のＰＺＴ５２／４８薄膜は、昇温および降温レートを７℃／ｓｅｃで作製した。（ｄ）は、本実施形態に係る製造方法で作製したＰＺＴ５２／４８薄膜のＸ線分光分析結果を示す。また、（ｈ）は、（ｄ）のＸ線分光分析で得られる極点図を示す。本例のＰＺＴ５２／４８薄膜は、昇温および降温レートを３℃／ｓｅｃで作製した。２種類のＰＺＴ薄膜は、それぞれサファイア基板上に形成され、いずれも雰囲気温度の最高温度が６５０℃、アニール処理が５分である。

（ｇ）および（ｈ）のいずれの極点図も、３回対称の極点図が得られており、２種類のＰＺＴ薄膜は、それぞれ良好な結晶面の配向が形成されていることがわかる。即ち２種類のＰＺＴ薄膜は、それぞれサファイア基板の結晶面にそろえてＰＺＴ膜を配列させつつ成長させるエピタキシャル成長で形成されたことがわかる。

（ｃ）および（ｄ）より、昇温および降温レートが７℃／ｓｅｃのＰＺＴ５２／４８薄膜は、立方晶に近い擬立方晶に対応する（１１１）方向の１つのピークが観察される。これに対して、昇温および降温レートが３℃／ｓｅｃのＰＺＴ５２／４８薄膜は、（１１１）のピークが２つに分離した菱面体晶特有のピークが観察される。これより、ＰＺＴ５２／４８薄膜は、ＰＬＺＴ８／６５／３５薄膜と同様、昇温および降温レートによって結晶構造が影響されることがわかった。

また、２種類のＰＬＺＴ８／６５／３５薄膜について電気光学特性を測定したところ、昇温および降温レートが７℃／ｓｅｃの擬立方晶は２２８ｐｍ／Ｖであり、昇温および降温レートが３℃／ｓｅｃの菱面体晶は３９０ｐｍ／Ｖであった。２種類のＰＬＺＴ８／６５／３５薄膜は、成膜する雰囲気温度の最高温度、圧力および酸素濃度の条件を適切にすることでサファイア基板上に結晶性が良く成長できているので、報告されている値よりも大きな電気光学係数を得られることがわかった。また、昇温および降温レートを適切に設定することで、同一の組成の強誘電体薄膜であっても、より大きな電気光学係数を得られることがわかった。

以上の本実施形態に係る基板構造体１００は、１つのマッハツェンダ導波路に対して、３つの電界印加部１６０を備える構成例について説明した。これに代えて電界印加部１６０は、基板構造体１００に４つ以上備えてよい。

図１０は、本実施形態に係る基板構造体１００の変形例の構成を示す。図中の（ｂ）は、図中の（ａ）におけるＡ−Ａ'断面の構成例を示す。図１０に示された本実施形態に係る基板構造体１００の動作と略同一の動作をするものには、図２と同一の符号を付けた。

本変形例に係る基板構造体１００は、３つの電界印加部１６０ａ、１６０ｂ、および１６０ｃに加えて、２つの電界印加部１６０ｄおよび１６０ｅをさらに備える。基板構造体１００は、コモン電圧を電界印加部１６０ｂ、１６０ｄ、および１６０ｅとして、電界信号を電界印加部１６０ａおよび１６０ｃに伝送させてよい。ここで基板構造体１００は、同一振幅で同位相の電界信号を電界印加部１６０ａおよび１６０ｃにそれぞれ伝送させてよい。これにより、基板構造体１００は、２つの信号ラインをコモン電圧の電界印加部で挟んでコプレーナ型伝送路を形成しつつ、２つの光導波路１３０に逆位相の信号を与えることができる。

マッハツェンダ型光導波路を形成する２つの光導波路を、望ましくは同一形状で同一の導波路長で形成される。しかしながら、製造上の誤差によって２つの経路に僅かな差異が生じた場合、２つの光導波路に逆位相の信号を与えても、２つの光導波路を伝送する光信号の位相差は、経路に生じた差異の分だけ逆位相からずれることになる。したがって、基板構造体１００は、ＯＮ／ＯＦＦのスイッチング消光比の特性が劣化する。そこで、本変形例に係る基板構造体１００は、異なる振幅および／または異なる位相の電界信号を電界印加部１６０ａと１６０ｃとにそれぞれ伝送させ、製造上の誤差を補正してスイッチング消光比の特性を向上させてよい。

図１１は、本実施形態に係る基板構造体１００の変形例の構成を示す。図中の（ｂ）は、図中の（ａ）におけるＡ−Ａ'断面の構成例を示す。図１１に示された本実施形態に係る基板構造体１００の動作と略同一の動作をするものには、図２と同一の符号を付けた。

本変形例に係る基板構造体１００は、５つの電界印加部１６０ａ〜１６０ｅを備える。基板構造体１００は、コモン電圧を電界印加部１６０ａ、１６０ｃ、および１６０ｅとして、電界信号を電界印加部１６０ｂおよび１６０ｄに伝送させてよい。ここで基板構造体１００は、同一振幅で逆位相となる電界信号を電界印加部１６０ｂと１６０ｄとに伝送させてよい。

これにより、基板構造体１００は、２つの信号ラインをコモン電圧の電界印加部で挟んでコプレーナ型伝送路を形成しつつ、２つの光導波路１３０に逆位相の信号を与えることができる。これに代えて、本変形例に係る基板構造体１００も、異なる振幅および／または異なる位相の電界信号を電界印加部１６０ｂと１６０ｄとにそれぞれ伝送させ、製造上の誤差を補正してスイッチング消光比の特性を向上させてよい。

これに代えて基板構造体１００は、コモン電圧を電界印加部１６０ａおよび１６０ｅとして、電界信号を電界印加部１６０ｂおよび１６０ｄに伝送させてよい。ここで基板構造体１００は、電界印加部１６０ｃと、電界印加部１６０ｂおよび１６０ｄとを同一のインピーダンスの抵抗でそれぞれ接続してよい。これによって、基板構造体１００は、差動信号を電界印加部１６０ｂおよび１６０ｄに印加すると、電界印加部１６０ｃを動作点電圧として電界印加部１６０ｂおよび１６０ｄに差動信号を伝送させることができる。

したがって、電界印加部１６０ｂから１６０ｃに印加される電界方向と、電界印加部１６０ｃから１６０ｄに印加される電界方向は一致する。その一方で、電界印加部１６０ｂから１６０ａに印加される電界方向は、電界印加部１６０ｃから１６０ｄに印加される電界方向に比べて逆方向となる。これにより、基板構造体１００は、２つの信号ラインをコプレーナ型伝送路を形成しつつ、２つの光導波路１３０に逆位相の信号を与えることができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１００ 基板構造体、１１０ ベース基板、１２０ 強誘電体薄膜、１３０ 光導波路、１４０ 光カップラ、１５０ 低誘電体薄膜、１６０ 電界印加部、１７０ 電界方向、１８０ 自発分極の方向、２１０ 電極、２２０ 貫通ビア、７１０ ＰＬＺＴ［００１］方向、７２０ 正方晶の自発分極方向、７３０ 菱面体晶の自発分極方向

Claims (14)

1. 単結晶のベース基板と、
   前記ベース基板の表面に形成され、ペロブスカイト構造を有し、且つ、自発分極を有する菱面体晶の強誘電体薄膜と
   を備える基板構造体。
2. 前記強誘電体薄膜に形成された光導波路と、
   前記光導波路に対して、前記ベース基板の表面と平行な方向の電界を印加する電界印加部と
   を更に備える
   請求項１に記載の基板構造体。
3. 前記電界印加部は、前記光導波路に印加される電界の電界方向と、前記強誘電体薄膜における自発分極の方向とが平行となるように、前記電界を発生する
   請求項２に記載の基板構造体。
4. 前記ベース基板は、絶縁材料で形成されている
   請求項３に記載の基板構造体。
5. 前記ベース基板は、前記強誘電体薄膜より比誘電率が低く、
   前記基板構造体は、前記強誘電体薄膜の表面に形成された、前記強誘電体薄膜より比誘電率が低い低誘電体薄膜を更に備える
   請求項４に記載の基板構造体。
6. 前記光導波路は、平行に設けられた２つの直線導波路を含むマッハツェンダ型光導波路であり、
   前記電界印加部は、前記２つの直線導波路に対して、電界を印加するコプレーナ型伝送路を有する
   請求項３から５のいずれか１項に記載の基板構造体。
7. 前記強誘電体薄膜は、ランタンの組成比が７ａｔ％以上、９ａｔ％以下のＰＬＺＴ薄膜、または、ＢａＴｉＯ_３薄膜である
   請求項３から６のいずれか１項に記載の基板構造体。
8. 前記ベース基板は、サファイア基板またはＭｇＯ基板である
   請求項７に記載の基板構造体。
9. 基板構造体を製造する製造方法であって、
   単結晶のベース基板を準備する基板準備段階と、
   ゾルゲル材料を前記ベース基板上に塗布する塗布段階と、
   前記塗布段階で塗布した前記ゾルゲル材料を、予め定められた雰囲気温度でアニールして、ペロブスカイト構造を有し、且つ、自発分極を有する菱面体晶の強誘電体薄膜を形成するアニール段階と
   を備え、
   前記塗布段階および前記アニール段階を繰り返して前記強誘電体薄膜を積層し、
   前記アニール段階において、前記雰囲気温度を昇温および降温させるレートを、毎秒7度未満にする製造方法。
10. 前記アニール段階において、前記雰囲気温度を昇温および降温させるレートを、毎秒３度以下にする
    請求項９に記載の製造方法。
11. 前記アニール段階において、大気圧以上の圧力に加圧した、体積比２０％以上の酸素を含む雰囲気中で、前記強誘電体薄膜をアニールする
    請求項１０に記載の製造方法。
12. 前記アニール段階において、前記雰囲気温度の最高温度が５５０度以上６５０度以下である
    請求項１１に記載の製造方法。
13. 前記アニール段階において形成する前記強誘電体薄膜は、ランタンの組成比が７ａｔ％以上、９ａｔ％以下のＰＬＺＴ薄膜、または、ＢａＴｉＯ_３薄膜である
    請求項１１または１２に記載の製造方法。
14. 前記基板準備段階で準備する前記ベース基板は、サファイア基板またはＭｇＯ基板である
    請求項１３に記載の製造方法。