JP2011215260A - 光学素子及び可変光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】長波長用の可変光モジュールに用いることができる電気光学特性に優れた光学素子を提供する。
【解決手段】シリコンを含有する単結晶基板１１０と、単結晶基板１１０上にエピタキシャル成長により形成された第１の電極１３０と、第１の電極１３０上にエピタキシャル成長により形成された電気光学効果を有する電気光学膜１６０と、電気光学膜１６０上に形成された第２の電極１８０とを備え、第１及び第２の電極１３０及び１８０は、電気光学膜１６０の膜厚方向に電圧を印加するためのものであり、電気光学膜１６０は、単一配向を有しない結晶化膜である光学素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子及び可変光モジュールに関するものである。ここで、可変光モジュールとは、光変調器、光スイッチ、光偏向器、可変光減衰器、波長可変フィルタ、可変分散補償器等の、電気的に光信号を可変に制御する光モジュールを総称するものである。

従来、光ファイバ通信で用いられる高速の光変調器として、ＬｉＮｂＯ₃（以下、「ＬＮ」と表記する。）単結晶を用いたＬＮ光変調器及び電界吸収型光変調器などが実用化されている。特に、高速長距離用としては、変調特性の良好なＬＮ光変調器が主流となっている。しかしながら、ＬＮ光変調器は、その素子長が数十ｍｍ以上と長く、しかも大型かつ高価であるという課題を有している。そこで、発光受光素子や電子回路を実装でき、かつ小型化可能で安価なＳｉ含有基板を用いた、高速の光変調器などの高特性の可変光モジュールを実現することが求められている。

また、そのような可変光モジュールにおいて、光学素子に備えられる薄膜であって、電圧（電場）の印加により屈折率が変化する電気光学効果を有する薄膜（以下、「電気光学膜」という。）の材料として半導体材料及び有機材料も検討されており、電気光学係数の大きな無機酸化物材料が最も有望な材料の一つである。ところが、無機酸化物材料はＳｉとは全く異質な材料であるため、Ｓｉ含有基板上に、無機酸化物材料からなる電気光学特性に優れた電気光学膜を作製するのが非常に困難である。

ここで、特許文献１によると、ｃ面単一配向の単純ペロブスカイト型又はタングステンブロンズ型の材料から構成されるｃ面単一配向薄膜を有する積層薄膜などの提供を主目的として、半導体単結晶基板上に酸化物薄膜が形成されており、この酸化物薄膜は酸化ジルコニウム又は希土類金属元素（Ｓｃ及びＹを含む）により安定化された酸化ジルコニウムを主成分としたエピタキシャル薄膜を少なくとも１層含み、この酸化物薄膜上にペロブスカイト型又はタングステンブロンズ型の誘電体材料で形成され、基板表面と平行にｃ面単一配向した配向薄膜を備える積層薄膜が提案されている。特許文献１には、半導体単結晶基板としてＳｉ単結晶基板が開示されており、上述の積層薄膜を光変調器に用いることが記載されている。

また、特許文献２によると、任意の基板上に形成された高速、小型で低電圧駆動の光変調器等の光学素子を提供することを意図して、基板と、基板上に形成された下部電極と、下部電極上に形成され、電気光学材料よりなる導波層を含む光導波路構造とを有する光学素子であって、下部電極が金属導電層と透明導電層よりなり、透明導電層が光導波路構造と接していることを特徴とする光学素子が提案されている。上記基板としてＳｉ基板が開示されており、光学素子として光変調器及び光スイッチが例示されている。

特許第３３１０８８１号公報 特開２００８−２８１８９６号公報

本発明者らは、上記特許文献１及び２に記載のものを始めとする従来の電気光学効果を有する光学素子について詳細に検討を行った。その結果、特許文献１に記載の光学素子では、その実施例に記載されているように、ペロブスカイト型などの誘電体材料からなる酸化物薄膜の膜厚が３００ｎｍ前後と薄く、このままでは、長波長用の可変光モジュールに適用できないことが判明した。一方、使用波長や設計に依存するが、例えば波長１５５０ｎｍという長波長に用いられる光変調器では、最低でも１μｍ以上の膜厚を有する電気光学膜が必要になる。ところが、特許文献１に記載されているｃ面単一配向した配向薄膜をそのような膜厚まで作製しようとすると、クラックの発生などに起因して、実際に配向薄膜を完成させることは非常に困難であることが分かった。

また、特許文献２では、透明導波層の作製に、常温衝撃固化現象を利用したエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）による酸化物の薄膜形成方法を用いている。そのため、作製された透明導波層は結晶配向性がない多結晶膜になり、光の散乱が頻繁に発生するため、光の伝搬損失を低減するのが非常に困難であり、電気光学特性に優れた電気光学膜とは言い難い。

そこで、本発明は上記事情にかんがみてなされたものであり、長波長用の可変光モジュールに用いることができる電気光学特性に優れた光学素子、及びそれを用いた可変光モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、シリコンを含有する単結晶基板と、単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された第１の電極と、第１の電極上にエピタキシャル成長により形成された電気光学効果を有する少なくとも１層の電気光学膜と、電気光学膜上に形成された第２の電極とを備え、第１及び第２の電極は、電気光学膜の膜厚方向に電圧を印加するためのものであり、電気光学膜のうち少なくとも１層は、単一配向を有しない結晶化膜である、光学素子である。

ここで、「単一配向」とは、下地となる基板又は層の表面と平行に目的とする結晶面が揃っている配向をいう。具体的には、例えば、（００１）単一配向膜、すなわちｃ面単一配向膜は、膜の２θ−θＸ線回折（ＸＲＤ）で（００Ｌ）面以外の反射強度が、（００Ｌ）面反射の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下のものをいう。なお、本明細書において（００Ｌ）は、（００１）や（００２）などの等価な面を総称する表示であり、（Ｌ００）などについても同様である。また、「エピタキシャル成長により形成された」とは、膜面内をＸ−Ｙ面とし、膜厚方向をＺ軸としたときに、結晶がＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に共に揃って配向して形成されたことをいう。ただし、上記のうちいずれか一つの軸に対して、１つの結晶軸が常に配向する必要はなく、例えば、Ｚ軸方向に対して、ａ軸が配向したものとｃ軸が配向したものとが混在していてもよい。なお、本明細書において、Ｘ軸、Ｙ軸又はＺ軸方向に配向とは、それらの軸方向に対して±１０°以内の配向も包含する。「エピタキシャル成長により形成された」と判断できる条件は、第一に、Ｘ線回折による測定を行ったとき、目的とする面以外の面の反射のピーク強度が目的とする面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下となることである。第二に、Ｘ線回折の極点測定を行った際に、明らかに強い回折点が得られることである。そのようなＸ線回折図の一例を図６に示す。図６は、後述のａ−ｃドメイン構造を有するエピタキシャル成長により形成されたＰＺＴ膜の（２０２）の面方位についてＸ線の極点回折を行った結果である。この図より、４つの明らかに強い回折点が認められる。

本発明の光学素子は、シリコンを含有する単結晶基板上に、第１の電極と電気光学膜とが共にエピタキシャル成長により形成されていることをその技術的特徴の１つとする。これにより、本発明の光学素子は電気光学特性に優れたものとなる。それに加えて、電気光学膜が単一配向を有しない結晶化膜という技術的特徴を有することにより、その成長の段階で格子定数や熱膨張率差に起因して発生する応力が緩和される。その結果、安定的に膜厚の厚い電気光学膜を形成可能になるので、長波長用の可変光モジュールに用いることのできる光学素子となる。すなわち、本発明者らは、単一配向でなくても、エピタキシャル成長により形成された電気光学膜であれば、その電気光学膜としての特性を高く維持することができることを見出したのである。

本発明の光学素子において、上記結晶化膜の比誘電率は、１ｋＨｚの周波数において２８０以下であると好ましい。これにより、光学素子を光変調器などの可変光モジュールに採用した場合に、その高周波特性に一層優れたものとなり、更に良好な高速動作を実現できる。

本発明の光学素子において、上記結晶化膜は、より優れた電気光学特性を得る観点から、ペロブスカイト型結晶構造を有するものであると好ましい。さらに、上記結晶化膜は、下記一般式（１）
ＡＢＯ₃ （１）
で表される化学組成を有し、ＢはＴｉ及び任意にＺｒを含み、Ｔｉ及びＺｒの合計量に対するＺｒのモル比が０〜０．４５であると好ましい。これにより、本発明の光学素子が一層低い比誘電率を示すことが可能となる。ここで、式（１）中、Ａ及びＢはそれぞれ独立に金属原子を示す。

本発明の可変光モジュールは、光導波路が形成されており、且つ、光の入射端及び光の出射端を有する光導波層を備える可変光モジュールであって、シリコンを含有する単結晶基板と、単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された第１の電極と、第１の電極上にエピタキシャル成長により形成された電気光学効果を有する少なくとも１層の電気光学膜と、電気光学膜上に形成された第２の電極とを備える光学素子を含み、第１及び第２の電極は、電気光学膜の膜厚方向に電圧を印加するためのものであり、電気光学膜のうち少なくとも１層は、単一配向を有しない結晶化膜であり、且つ、上記光導波層である可変光モジュールである。この可変光モジュールは、上述の本発明の光学素子を備えているので、電気光学特性に優れ、長波長用の可変光モジュールとして有用なものとなる。

本発明によれば、長波長用の可変光モジュールに用いることができる電気光学特性に優れた光学素子、及びそれを用いた可変光モジュールを提供することができる。

本実施形態の光学素子を示す概略断面図である。 本実施形態の可変光モジュールの一例を示す概略平面図である。 図２のＩＩ−ＩＩ線を切断して現れる断面の概略図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線を切断して現れる断面の概略図である。 実施例に係る電気光学膜のＸ線回折図である。 実施例に係る電気光学膜の極点測定によるＸ線回折図である。 実施例に係る電気光学膜のＸ線回折図である。 実施例に係る電気光学膜の印加電圧に対する屈折率の変化を示すグラフである。 実施例に係る電気光学膜の印加電圧に対する屈折率の変化を示すグラフである。 実施例に係る可変光モジュールの一部を示す断面顕微鏡写真である。 実施例に係る可変光モジュールの駆動電圧に対する光パワーを示すグラフである。 実施例に係る電気光学膜の比誘電率に対する変調帯域を示すグラフである。 実施例に係る電気光学膜のＺｒ組成に対する比誘電率を示すグラフである。

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）について詳細に説明する。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。

図１は本実施形態による光学素子の好適な一例の構成を概略的に示す断面図である。光学素子１００は、基板１１０と、バッファ層１２０と、下部電極１３０と、シード層１４０と、下部クラッド層１５０と、コア層１６０と、上部クラッド層１７０と、上部電極１８０とを、この順で積層して備えるものである。

基板１１０は、シリコン（Ｓｉ）を含有する単結晶基板であれば、その材料や厚さは特に限定されない。基板１１０は、Ｓｉを主成分とする、すなわち５０質量％以上含むもの、好ましくは８０質量％以上含むものであればよいが、少なくともバッファ層１２０側界面（表面）にＳｉ層を有するものが好ましく（基板１１０の全体がＳｉ層であってもよい。）、そのＳｉ層が、上記界面に（１００）面を有するＳｉ単結晶であるとより好ましい。これにより、後述の各層を安定的にエピタキシャル成長により形成することが可能となる。また、基板１１０は、バッファ層１２０側表面にＳｉ層が存在するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板であってもよく、基板１１０の材料としてＳｉＧｅを用いてもよい。基板１１０の厚さは例えば数百μｍであってもよい。

バッファ層１２０は、基板１１０と後述の下部電極１３０との間に介在することにより、下部電極１３０からコア層１６０までのエピタキシャル成長による形成を促進させるものであり、単層であっても複数の層からなるものであってもよく、エピタキシャル成長により形成される。このバッファ層１２０の存在により、コア層１６０は更に結晶性が高く高品質（低比誘電率であること、及び、電圧を印加した際の屈折率変化が印加電圧量に対して一次関数的な関係にあること）になる。バッファ層１２０は、特に、下部電極１３０を所定面、特に（００１）面に配向させるためのシード層としても機能する。したがって、バッファ層１２０の材料及び厚さは、それらの機能をバッファ層１２０に付与できるものであれば特に限定されない。

そのようなバッファ層１２０の組成としては、蛍石型結晶構造を有する膜が好適に利用でき、例えば、希土類酸化物、特許文献１に開示された酸化ジルコニウム又は希土類金属元素により安定化された酸化ジルコニウムを主成分とするエピタキシャル膜であってもよく、そのエピタキシャル膜を複数層積層したものであってもよい。ここで、希土類元素とは、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）及びランタノイド元素からなる。

バッファ層１２０は、基板１１０側から順に、第１バッファ層及び第２バッファ層を積層した２層構造とすることが配向性の観点から好ましい。この場合、第１バッファ層は蛍石型結晶構造を有する膜であり、第２バッファ層は希土類Ｃ型の結晶構造、すなわち、立方晶型の結晶構造を有する希土類酸化物膜であることが好ましい。

第１バッファ層の表面は（００１）面配向し、第２バッファ層の表面には（１１１）ファセット面が形成されることが好ましい。具体的には、第１バッファ層は、酸化ジルコニウム又は希土類元素により安定化された酸化ジルコニウムであることが好ましい。希土類元素により安定化された酸化ジルコニウムとしては、例えば、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が挙げられる。希土類元素により安定化された酸化ジルコニウムにおいて、ジルコニウム（Ｚｒ）と希土類元素との原子数の合計に対するジルコニウムの原子数の割合は８０％以上であることが好ましく、これにより、蛍石型結晶構造となる。一方、第２バッファ層は、Ｙ₂Ｏ₃、Ｓｃ₂Ｏ₃、及び、Ｌａ等のランタノイド系希土類金属を含む酸化物が好ましく、特にＹ₂Ｏ₃が好ましい。第２バッファ層もＺｒを含むことができ、希土類元素とＺｒとの原子数の合計に対するＺｒの原子数の割合は７０％以下であることが好ましい。これにより、希土類Ｃ型構造となる。

また、バッファ層１２０は、上述のように明確に２層に分かれていなくても、基板１１０から遠いほど希土類元素が多くてＺｒが少ない酸化物とし、基板１１０に近いほど希土類元素が少なくＺｒが多くなるような酸化物となる、いわゆる傾斜組成構造としてもよい。

バッファ層１２０の厚さは、均質でかつファセット面を有する薄膜を形成するために 、３〜２００ｎｍであると好ましい。

下部電極１３０は、本発明の第１の電極として機能するものであり、単層であっても複数の層からなるものであってもよく、エピタキシャル成長により形成される。この下部電極１３０は、後述の上部電極１８０と共に後述の電気光学膜であるコア層１６０を挟む。それらの電極間に電圧を印加することにより、コア層１６０に電気光学効果が生じる。下部電極１３０の材料としては、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｒｈ及びＲｕからなる群より選ばれる金属又はそれらのうち２種以上からなる合金が好ましい。特に基板１１０及びコア層１６０と格子定数を近づけることにより、基板１１０上に安定的にエピタキシャル成長した下部電極１３０を形成する観点、並びに、この下部電極１３０上に安定的に高品質のコア層１６０を形成する観点から、下部電極１３０の材料はＰｔであるとより好ましい。

下部電極１３０の材料にＰｔを用いる場合の上記効果は、特に、基板１１０の下部電極１３０側の界面（表面）がＳｉの（１００）面を有すると、より有効に奏され、この際、下部電極１３０が、膜面と平行に（１００）面が配向したエピタキシャル膜となると好ましい。

下部電極１３０の厚さは用途により異なるが、好ましくは１０〜１０００ｎｍ、より好ましくは５０〜５００ｎｍであり、電極として機能するように厚さを確保しつつ、結晶性及び表面の平坦性を損なわない程度に薄いことが好ましい。より具体的には、バッファ層１２０のファセット面により構成される凹凸を埋める場合には、厚さを３０ｎｍ以上とすることが好ましく、１００ｎｍ以上の厚さとすれば、十分な表面平坦性が得られる。

このように、バッファ層１２０上に下部電極１３０を成膜すると下部電極１３０が良好に（１００）面配向しやすくなり、この下部電極１３０上に後述のコア層１６０の成膜を行うと、コア層１６０の配向性を高めることができる。

シード層１４０は、後述の下部クラッド層１５０及びコア層１６０を安定的にエピタキシャル成長させ、それらの層を高品質のものとするために設けられ、単層であっても複数の層からなるものであってもよい。シード層１４０は、エピタキシャル成長により形成され、その材料として、例えば、ＳｒＲｕＯ₃、ＰＬＴ及びＰｂＴｉＯ₃が挙げられる。なお、シード層は必須ではなく、設けられなくてもよい。

シード層は、その表面が（００１）面配向することが好ましい。また、シード層１４０は、光学素子１００の電気光学特性への影響を最小限に留め、かつ、下部クラッド層１５０及びコア層１６０を安定的にエピタキシャル成長させる観点から、その厚さが１０〜１００ｎｍであると好ましい。

下部クラッド層１５０は、下部電極１３０による光吸収を低減すると共に、コア層１６０との間での組成の差異により、その屈折率をコア層１６０の屈折率よりも小さくして光導波路構造をより明確に画成するために備えられる金属酸化物膜である。下部クラッド層１５０は、エピタキシャル成長により形成され、本発明の電気光学膜の一部を構成してもよい。下部クラッド層１５０は単層であっても複数の層からなるものであってもよく、また、電気光学膜であってもなくてもよい。

下部クラッド層１５０の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ランタン添加ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＬＺＴ）、マグネシウム酸ニオブ酸鉛−チタン酸鉛混晶（ＰＭＮ−ＰＴ）、亜鉛酸ニオブ酸鉛−チタン酸鉛混晶（ＰＺＮ−ＰＴ）、ＢａＴｉＯ₃などの電気光学効果を有する材料、あるいは、ＳｒＴｉＯ₃、ＭｇＯなどの電気光学効果を有しない材料が挙げられる。下部クラッド層１５０の厚さは、上述の効果をより有効且つ確実に奏する観点、及び、光学素子１００の電気光学特性を高く維持する観点から、０．５μｍ〜５μｍであると好ましい。

コア層１６０は、本発明の電気光学膜の少なくとも一部として機能するものである。コア層１６０は単一配向を有しない結晶化膜である。単一配向を有しないことにより、コア層１６０は、その成長の段階で格子定数や熱膨張率差に起因して発生する応力が緩和される。その結果、安定的に膜厚の厚い電気光学膜となり、光学素子１００は長波長用の可変光モジュールに用いることのできる有用なものとなる。

また、コア層１６０は、上述の応力の緩和により、特に電界（印加電圧）がゼロ付近である低電界の領域において、屈折率変化が電界に対して一次関数的な関係を有する。すなわち、屈折率が電界に対して直線的に変化する。よって、この観点からも、光学素子１００は、光変調器を始めとする種々の可変光モジュールに好適である。さらに、コア層１６０がエピタキシャル成長により形成されることにより、単一配向でなくても、比誘電率が低くなり、光学素子１００は、高速に動作することが可能となる。この観点からも、光学素子１００は、種々の可変光モジュールに好適に用いられる。

コア層１６０を構成する単一配向を有しない結晶化膜としては、特に限定されないが、その結晶化膜が正方晶構造の電気光学材料からなる場合、ａ−ｃドメイン構造を有する結晶化膜であると、本発明のよる上記効果をより有効且つ確実に奏するので好ましい。ここで、「ａ−ｃドメイン」（a-c domain）構造とは、電気光学膜の膜厚方向とその電気光学膜の正方晶の自発分極方向（ｃ軸）が平行なドメイン（ｃドメイン）と、膜厚方向に垂直なドメイン（ａドメイン）とが混在している状態を示す（野口祐二他、「強誘電体結晶のドメインプロービング」、表面科学、Ｖｏｌ．２６、Ｎｏ．４、（２００５）、２０８頁〜２１４頁参照：特に当該文献のＦｉｇ．２（ｂ）参照）。

光学素子１００を光変調器などの可変光モジュール、特に８００ｎｍ以上の長波長用の可変光モジュールに採用するためには、コア層１６０は最低でも１μｍ以上、望ましくは２μｍ以上の膜厚が必要となる。ところが、コア層がａドメインやｃドメインのいずれか一方のドメイン構造を有するように結晶軸が一方向に配向している単一配向の場合、そのように厚い電気光学膜を用いると、その下地となる層や基板１１０との間の格子定数の差異及び熱膨張率の差異に基づいて生じる応力により、結晶構造が歪んでしまう。その結果、膜の電気光学特性が良好なものとはならず、可変光モジュールに用いるには適していない。一方、コア層１６０がａ−ｃドメイン構造を有すると、その下地となる層や基板１１０との間の格子定数の差異及び熱膨張率の差異に基づいて生じ得る応力が単一配向の場合よりも低くなり、歪みも小さくなる。さらに、コア層１６０がａ−ｃドメイン構造を有することは、偏光依存性が小さくなるという観点からも好ましい。その結果、ａ−ｃドメイン構造を有するコア層１６０を備える光学素子１００は、良好な電気光学特性を示すものとなる。

コア層１６０を構成する電気光学膜の材料としては、電気光学効果を有するものであれば特に限定されない。具体的には、より優れた電気光学特性を示す観点から、その材料がペロブスカイト型結晶構造を有すると好ましい。ここで、ペロブスカイト結晶構造を有する材料は、例えば、下記一般式（１）
ＡＢＯ₃ （１）
で表される化学組成を有する。式（１）中、Ａ及びＢはそれぞれ独立に金属元素を示す。その電気光学膜がより低い誘電率を示す観点から、より具体的には、上記ＢがＴｉを含むと好ましく、任意にＺｒを含んでも好ましく、ＡＢＯ₃がＰＺＴ系材料であるとより好ましい。ここで、「ＰＺＴ系材料」とは、Ｐｂ、Ｚｒ及びＴｉを主成分として含む金属酸化物を意味し、Ｌａ及びＭｎを始めとする他の元素を、好ましくは正方晶構造を維持する範囲で含んでもよい。したがって、ＰＺＴはもちろんのこと、例えばＰＬＺＴ、ＰＭＮ−ＰＴ及びＰＺＮ−ＰＴもＰＺＴ系材料に包含される。
さらには、例えば１ｋＨｚの周波数で２８０以下の誘電率を示す電気光学膜を容易に得る観点から、ＢはＴｉ及び任意にＺｒを含み、Ｔｉ及びＺｒの合計量に対するＺｒのモル比（Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ））が、０〜０．４５となるような組成を有するとより好ましく、２００以下の誘電率を示す電気光学膜を容易に得る観点から、Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０〜０．４０となるような組成を有すると更に好ましい。本実施形態の光学素子１００において、コア層１６０は、かかる材料から構成されることにより、ｃ軸配向の領域をより十分に有していると共に基板に拘束されているため、より低誘電率の層になると考えられる。

かかる電気光学膜の材料としては、例えば、ＰＺＴなどの上記ＰＺＴ系材料の他、ＢａＴｉＯ₃といった電気光学材料が挙げられ、これらが好ましい。この中でも、上述のとおり、電気光学膜が低い誘電率を有することができる観点から、ＰＺＴ系材料が好ましい。また、上述の歪みを更に小さくする観点から、電気光学膜の材料が正方晶構造を有すると好ましく、正方晶構造を有するＰＺＴ系材料であると特に好ましい。これにより、コア層１６０はより比誘電率の低い膜となるので、光学素子１００はより高速な動作が可能となり、特に高周波特性が良好となる。

コア層１６０の膜厚は、１μｍ以上であると好ましく、２μｍ以上であるとより好ましい。これにより、光学素子１００を、特に長波長用の可変光モジュールに採用した際、電気光学特性に優れた好適な可変光モジュールを実現することができる。ここで、本明細書において、膜厚及び厚さは膜（層）全体で平均した厚さを意味し、例えば、顕微鏡により断面を観察することによって測定される。

コア層１６０の比誘電率は、下部クラッド層１５０及び／又は後述の上部クラッド層１７０の比誘電率よりも低いことが好ましい。これにより、光学素子１００に電圧を印加した際、電界がより比誘電率の低いコア層１６０に集中しやすくなるため、光学素子１００は、印加する電圧（駆動電圧）を低くしても、優れた電気光学特性を示すことができる。より具体的には、コア層１６０の比誘電率は、１ｋＨｚの周波数において２８０以下であると好ましく、２５０以下であるとより好ましく、２００以下であると更に好ましい。これにより、光学素子１００を光変調器などの可変光モジュールに採用した場合に、その高周波特性に一層優れたものとなり、更に良好な高速動作を実現できる。特に、本実施形態においては、正方晶構造を有するＰＺＴ系材料をコア層１６０の材料として用いても、上述の２８０以下、より好ましくは２５０以下、更に好ましくは２００以下の低比誘電率を実現することができる。この要因は、詳細には明らかではないものの、その一つとして、コア層１６０がエピタキシャル成長により形成し、且つ、単一配向を有しないことにあると推測される。

上部クラッド層１７０は、上部電極１８０による光吸収を低減すると共に、コア層１６０との間での組成の差異により、その屈折率をコア層１６０の屈折率よりも小さくして光導波路構造をより明確に画成するために備えられる金属酸化物膜である。上部クラッド層１７０は、エピタキシャル成長により形成されてもエピタキシャル成長により形成されなくてもよく、本発明の電気光学膜の一部を構成してもよい。上部クラッド層１７０は単層であっても複数の層からなるものであってもよく、また、電気光学膜であってもなくてもよい。コア層１６０が例えばリッジ型の構造を有することで上部電極１８０による光吸収を低減できるように、コア層１６０の形状によっては、上部クラッド層１７０を設ける必要はなくなる。ただし、上記の光吸収をより低減する観点から、光学素子１００は上部クラッド層１７０を備えると好ましい。

上部クラッド層１７０の材料としては、例えば、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、マグネシウム酸ニオブ酸鉛−チタン酸鉛混晶（ＰＭＮ−ＰＴ）、亜鉛酸ニオブ酸鉛−チタン酸鉛混晶（ＰＺＮ−ＰＴ）、ＢａＴｉＯ₃などの電気光学効果を有する材料、あるいは、ＳｒＴｉＯ₃、ＭｇＯなどの電気光学効果を有しない材料が挙げられる。上部クラッド層１７０の厚さは、上述の効果をより有効且つ確実に奏する観点、及び、光学素子１００の電気光学特性を高く維持する観点から、０．１μｍ〜５μｍであると好ましい。上部クラッド層１７０の材料及び厚さは下部クラッド層１５０と互いに同一であっても異なっていてもよい。

上部電極１８０は、本発明の第２の電極として機能するものであり、単層であっても複数の層からなるものであってもよい。上部電極１８０は、コア層１６０の形成に影響を及ぼさないため、エピタキシャル成長により形成される必要はない。上部電極１８０の材料としては、下部電極１３０と同様のものが例示されるが、それらの電極１３０及び１８０の材料は互いに同一でも異なっていてもよい。また、それらの電極１３０及び１８０の厚さは互いに同一であっても異なっていてもよい。光学素子１００を高速の光変調器に応用した場合は、上部電極１８０を厚くすることで、実効誘電率を低減し高周波特性を向上できる効果がある。その場合、上部電極１８０の厚さは、１μｍ〜３０μｍであると好ましい。

本実施形態の光学素子１００は、下部電極１３０及び上部電極１８０間に電圧を印加して、コア層１６０の屈折率を変化させた際、特にゼロ付近の低電圧（電界）領域において、その屈折率が印加した電圧に対して一次関数的に変化できるものである。ここで、「一次関数的」とは、横軸が電界、縦軸が電圧を印加していないときの屈折率に対する屈折率変化量であるグラフにおいて、電圧を−２Ｖ／μｍ〜＋２Ｖ／μｍの範囲で印加した際の屈折率変化の実測値をプロットし、それらの相関係数Ｒの２乗（Ｒ²）を「一次関数的」であるか否かの指標として定義する。Ｒ²が０．９５以上である場合を「一次関数的」と判断する。このような一次関数的な関係を有することにより、光学素子１００は、電圧の印加量を調整することにより、屈折率を精度よく且つ正確に制御することが可能となる。

図２は、本実施形態の可変光モジュールの好適な一例の構成を示す概略平面図である。また、図３は、図２におけるＩＩ−ＩＩ線により切断して現れる断面を示す概略断面図であり、図４は、図２におけるＩＶ−ＩＶ線により切断して現れる断面を示す概略断面図である。可変光モジュールの１種である光変調器２００は、進行波型電極を有するマッハツエンダー型光変調器である。

光変調器２００は、光の入射端２６２を有し、下流に向けてＹ型に分岐する上流側の分岐光導波路２０２Ｕと、光の出射端２６４を有し、上流に向けてＹ型に分岐する下流側の分岐光導波路２０２Ｄと、それらの分岐光導波路２０２Ｕ及び２０２Ｄ間を接続する２本の光導波路２０２Ｍとを備える。それらの光導波路２０２Ｕ、２０２Ｄ及び２０２Ｍは、下から順に積層された下部クラッド層２５０と、コア層２６０とから構成され、このうちコア層２６０は、光の入射端２６２及び出射端２６４を有する光導波層として機能する。また、２本の光導波路２０２Ｍは、下部電極２３０と上部電極２８０とに上下から挟まれる。また、２本の光導波路２０２Ｍの間を通る中央接地電極２０４Ｃと、２本の光導波路２０２Ｍの幅方向に対して、それぞれ中央接地電極２０４Ｃと反対側に設けられる２本の端部接地電極２０４Ｅとが備えられる。接地電極２０４Ｃ及び２０４Ｅは下部電極２３０と直接接合すると共に上部電極２８０とは離間する。接地電極２０４Ｃ及び２０４Ｅは、上部電極２８０との間に電位差を与え、その上部電極２８０、及び下部電極２３０と共に２本の光導波路２０２Ｍに電界を与えるための接地電極として機能する。

光変調器２００は、基板２１０と、その基板２１０上の略全体にわたってエピタキシャル成長により形成された下部電極２３０と、下部電極２３０上に部分的に形成された下部クラッド層２５０と、下部クラッド層２５０上にエピタキシャル成長により形成されたコア層２６０と、コア層２６０上に形成された上部電極２８０とを備える光学素子２０５を含む。

基板２１０、下部電極２３０、下部クラッド層２５０、コア層２６０、及び上部電極２８０の各々の材料や厚さは、上記光学素子１００における基板１１０、下部電極１３０、下部クラッド層１５０、コア層１６０、及び上部電極１８０と同様のものであればよいので、ここでは説明を省略する。接地電極２０４Ｃ及び２０４Ｅの材料としては、下部電極２３０と同様のものが挙げられる。ただし、下部電極２３０と接地電極２０４Ｃ及び２０４Ｅとは、互いに材料が同一であっても異なっていてもよい。例えば、接地電極は、金めっきにより構成できる。

コア層２６０は、その上部に、図３に示す断面において上方に向けて突出したリッジ部２６０Ｒを有する。リッジ部２６０Ｒはコア層２６０の下部２６０Ｕよりも幅が狭くなっており、これによりコア層２６０の実効誘電率を下げて、変調帯域を上げることができる。また、リッジ部２６０Ｒを備えることで、光を横方向に閉じ込める効果もある。なお、低誘電層２９０がリッジ部２６０Ｒの側面を保護するように形成されているので、上部電極２８０はリッジ部２６０Ｒの上面にのみ形成されるようになっている。この低誘電層２９０の材料としては、例えばポリイミドなどの低誘電率を有する樹脂が挙げられる。

光変調器２００は下記のようにして駆動される。まず、図２の「入力電気信号」と記載されている部分から、入力電気信号を印加する。これにより、上部電極２８０と接地電極及び下部電極２３０との間に電界が発生し、２本の光導波路２０２Ｍにおける電気光学膜の屈折率が変化するので、それに伴い、入射光が入力信号Ｖによってオン・オフ変調された状態で出射端から出力される。オン・オフ変調については、上流側の分岐光導波路２０２Ｕで２等分された光が２本の光導波路２０２Ｍを通過し、下流側の分岐光導波路２０２Ｄで同相（位相差が２ｎπ（ｎは整数））で合流すると光出力はオンになり、逆相（位相差が（２ｎ＋１）π）で合流すると光出力はオフになる。

本実施形態の光変調器２００において、コア層２６０は単一配向を有しないことにより、その成長の段階で格子定数や熱膨張率差に起因して発生する応力が緩和される。その結果、コア層２６０は、安定的に膜厚の厚い電気光学膜となるので、光変調器２００は、長波長の光を変調するのに特に有用なものとなる。また、コア層２６０は、上述の応力の緩和により、特に電界（印加電圧）がゼロ付近である低電界の領域において、屈折率が電界に対して直線的に変化する。よって、この観点からも、光変調器２００は制御が容易な高品質のものとなる。さらに、コア層２６０がエピタキシャル成長により形成されることにより、単一配向でなくても、比誘電率が低くなるので、光変調器２００は、高速に動作することが可能となる。

また、コア層２６０が正方晶構造の電気光学材料からなり、ａ−ｃドメイン構造を有する結晶化膜であると、本発明のよる上記効果をより有効且つ確実に奏することができる。コア層２６０がａ−ｃドメイン構造を有すると、その下地となる層や基板２１０との間の格子定数の差異及び熱膨張率の差異に基づいて生じ得る応力が単一配向の場合よりも低くなり、歪みも小さくなる結果、ａ−ｃドメイン構造を有するコア層２６０を備える光変調器２００は、より高品質のものとなる。

コア層２６０の材料が、正方晶構造を有するＰＺＴ系材料であると、更に低い比誘電率を実現することができ、光変調器２００は、より高速に動作することが可能となる。また、コア層２６０の膜厚が２μｍ以上であると、特にゼロ付近の低電圧（電界）領域において、コア層２６０の屈折率が印加した電圧に対して一次関数的に変化できるもので、光変調器２００は、より精度がよく且つ確実な制御が可能となる。コア層２６０の比誘電率が、１ｋＨｚの周波数において２８０以下であると、光変調器２００は、その高周波特性に一層優れたものとなり、更に良好な高速動作を実現できる。

本実施形態の光学素子１００は、例えば、特許第４２９９２１４号公報に記載の装置及び方法を用いて作製することができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上記本実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、上記本実施形態の光学素子１００には、バッファ層１２０、シード層１４０、下部クラッド層１５０及び上部クラッド層１７０が備えられていたが、それらのいずれか１つ以上は備えられていなくてもよい。また、本発明の可変光モジュールは、本発明による光学素子を備えるものであれば特に限定されず、上述の光変調器の他、例えば光スイッチ、光偏向器、可変光減衰器、波長可変フィルタ、可変分散補償器などであってもよい。

以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

まず、電気光学膜がエピタキシャルに成長して形成されたことを確認するために、上部電極を除いた構成で光学素子を作製し、そのＸ線回折を測定した。Ｓｉ単結晶基板上にバッファ層として酸化ジルコニウム膜及び酸化イットリウム膜、下部電極としてＰｔ膜、及びシード層としてＳｒＲｕＯ₃を順次積層した後、その上に、スパッタ法によりコア層としてＰＺＴ膜を成膜した。このＰＺＴ膜は、組成がＰｂＺｒ_0.3Ｔｉ_0.7Ｏ₃であり、その膜厚は２．１μｍであった。このＰＺＴ膜についてＸ線回折分析装置（スペクトリス株式会社ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ社製、装置名：Ｘ’Ｐｅｒｔ ＰＲＯ ＭＰＤ。以下同様。）によって構造を解析したところ、ａ軸及びｃ軸に配向した領域が混在した（すなわち、ｃドメインとａドメインとが混在した）正方晶構造を有するエピタキシャル成長により形成された膜（エピタキシャル膜）であることが判明した。Ｘ線回折図を図５に示す。

また、このＰＺＴ膜について、（２０２）の面方位におけるＸ線回折の極点測定を行ったところ、上記図６と同様のＸ線回折図が得られ、ＰＺＴ膜が膜面内にも揃って配向されたエピタキシャル膜であることが判明した。

続いて、光学素子における電気光学膜を２層（下部クラッド層及びコア層）積層した場合に、上記と同様にしてＸ線回折を測定した。まず、Ｓｉ単結晶基板上にバッファ層として酸化ジルコニウム膜及び酸化イットリウム膜、下部電極としてＰｔ膜、及びシード層としてＳｒＲｕＯ₃を順次積層した。次いで、その上に、スパッタ法により下部クラッド層としてＰＺＴ膜を成膜した。このＰＺＴ膜は、組成がＰｂＺｒ_0.52Ｔｉ_0.48Ｏ₃であり、その膜厚は３．６μｍであった。次に、その上に、スパッタ法によりコア層としてＰＺＴ膜を成膜した。このＰＺＴ膜は、組成がＰｂＺｒ_0.3Ｔｉ_0.7Ｏ₃であり、その膜厚は２．３μｍであった。これらのＰＺＴ膜についてＸ線回折分析装置によって構造を解析したところ、コア層は、ａ軸及びｃ軸に配向した領域が混在した（すなわち、ｃドメインとａドメインとが混在した）正方晶構造を有するエピタキシャル膜であることが判明した。Ｘ線回折図を図７に示す。

次に、電気光学膜の電気光学特性を評価するために、プリズムカプラ法により１５５０ｎｍの波長を有するレーザ光を用いた場合の、ＴＥモードでの屈折率を測定した。まず、Ｓｉ単結晶基板上にバッファ層として酸化ジルコニウム膜及び酸化イットリウム膜、下部電極としてＰｔ膜、及びシード層としてＳｒＲｕＯ₃を順次積層した後、その上に、スパッタ法によりコア層としてＰＺＴ膜を成膜した。このＰＺＴ膜は、組成がＰｂＺｒ_0.3Ｔｉ_0.7Ｏ₃であり、その膜厚は２．１μｍであった。次いで、ＰＺＴ膜上に上部電極としてＰｔ膜を積層して光学素子を得た。その光学素子について、約−２〜約＋２Ｖの電圧を印加した際の屈折率の変化量を測定した。結果を図８に示す。この結果から、Ｒ²は０．９９９５であり、屈折率が印加した電圧（電界）に対して一次関数的に変化していることが分かった。また、電気光学係数ｒを下記式（２）によって導出したところ、２２ｐｍ／Ｖであった。ここで、ｎは、電界Ｅを印加する前の屈折率を示し、Δｎは電界Ｅを印加した場合の屈折率変化を示す。

次いで、光学素子における電気光学膜を２層（下部クラッド層及びコア層）積層した場合に、上記と同様にして電気光学特性を評価した。まず、Ｓｉ単結晶基板上にバッファ層として酸化ジルコニウム膜及び酸化イットリウム膜、下部電極としてＰｔ膜、及びシード層としてＳｒＲｕＯ₃を順次積層した。次いで、その上に、スパッタ法により下部クラッド層としてＰＺＴ膜を成膜した。このＰＺＴ膜は、組成がＰｂＺｒ_0.52Ｔｉ_0.48Ｏ₃であり、その膜厚は３．６μｍであった。次に、その上に、スパッタ法によりコア層としてＰＺＴ膜を成膜した。このＰＺＴ膜は、組成がＰｂＺｒ_0.3Ｔｉ_0.7Ｏ₃であり、その膜厚は２．３μｍであった。次いで、そのＰＺＴ膜上に上部電極としてＰｔ膜を積層して光学素子を得た。その光学素子について、約−２〜約＋２Ｖの電圧を印加した際の屈折率の変化量を測定した。結果を図９に示す。この結果から、Ｒ²は０．９９９４であり、屈折率が印加した電圧（電界）に対して一次関数的に変化していることが分かった。また、電気光学係数を上述と同様にして測定したところ、２９ｐｍ／Ｖであった。

各層の構成、及びコア層のＰＺＴ膜の組成及び膜厚を変化させた以外は上述と同様にして、光学素子を得、上述と同様にして、電圧を印加した際の屈折率の変化量、電気光学係数、Ｘ線回折測定による軸配向及びエピタキシャル膜か否かの確認を行った。また、コア層のＰＺＴ膜について比誘電率をインピーダンスアナライザにより測定した。結果を表１及び２に示す。

表１中の各層の構成は、コア層／シード層／下部電極／バッファ層／バッファ層／基板であり、表２中の各層の構成は、（上部電極）／コア層／下部クラッド層／シード層／下部電極／バッファ層／バッファ層／基板である。表１及び２中、「一次関数的な変化」は、屈折率が印加した電圧に対して一次関数的に変化したか否かの評価であり、一次関数的に変化した（Ｒ²が０．９５以上である）場合を「○」、そうでない場合を「×」と評価した。実施例１は上述の電気光学膜が１層の場合、実施例７は上述の電気光学膜が２層の場合である。また、参考例１及び２として、K.Kurihara他、「Electrooptic Properties of Epitaxial Lead Zirconate Titanate Films on Silicon Substrates」、Japanese Journal of Applied Physics, vol.46(2007)p6929-6932に開示された光学素子について、印加した電圧に対して屈折率が一次関数的に変化しているか否か、並びに電気光学係数の結果を表１に示した。なお、この文献におけるコア層は、単一配向（ａ軸配向）を有するエピタキシャル成長により形成された膜であったが、明らかに、屈折率は、印加した電圧に対して一次関数的に変化していなかった。

次に、図２〜４に示したものと同様の光変調器を作製した。基板としてＳｉ単結晶基板、下部電極として厚さが２００ｎｍのＰｔ膜、接地電極として厚さが４μｍのＡｕ膜、下部クラッド層として組成がＰｂＺｒ_0.52Ｔｉ_0.48Ｏ₃であり、膜厚が２．３μｍのＰＺＴ膜、コア層として組成がＰｂＺｒ_0.3Ｔｉ_0.7Ｏ₃であり、膜厚が３．６μｍ、下部の幅が２０μｍ、リッジ部の幅が４μｍ、リッジ部の高さが２μｍであるＰＺＴ膜、低誘電層としてポリイミドからなる層を用いて、光変調器を作製した。光変調器の長さは１１ｍｍと小型であった。

上述のようにして作製した光変調器の部分断面顕微鏡写真を図１０に示す。この図から、Ｓｉ単結晶基板上に下部クラッド層及びコア層が形成されていることが確認できた。なお、下部電極はそれらの層に比較して薄すぎるため、この顕微鏡写真では確認できなかった。

得られた光変調器の下部電極及び接地電極を接地して、図２における上側の上部電極２８０にのみ電圧を印加して光変調器を駆動したときの光パワーの変化を測定した。結果を図１１に示す。この図から明らかなとおり、約６Ｖの駆動電圧で、光パワーのオン・オフが可能となった。なお、測定波長は１５５０ｎｍであり、消光比は１９ｄＢであった。このことから、図２における上側の上部電極２８０及び下側の上部電極２８０の両方に正負の電圧を印加すれば約３Ｖという低電圧での駆動が可能になることが分かった。

また、この光変調器は、２０ＧＨｚまでの電気信号に対して、光変調が可能であることを確認したので、高速の光変調器として有用であることが分かった。

次いで、上記光変調器（光学素子における電極の長さは３ｍｍ）について、コア層の比誘電率を変化させた場合の変調帯域を高周波電磁界シミュレータ（ＨＦＳＳ）により計算した。結果を図１２に示す。光変調器は、半導体レーザの直接変調が困難になる１０ＧＨｚ以上の高速変調で一般に必要とされていることからかんがみると、コア層の比誘電率は２８０以下であると望ましいことが分かった。

次に、コア層（電気光学膜）にＰＺＴ膜を用いた場合に、Ｚｒの組成を変化させて１ｋＨｚにおける比誘電率を測定した。結果を図１３にプロットで示す。図中、実線は、ＰＺＴ単結晶膜におけるε３３（分極方向と電圧の印加方向とが平行である場合）での計算値、破線は、ＰＺＴ単結晶膜におけるε１１（分極方向と電圧の印加方向とが垂直である場合）での計算値を示す。この実施例に係る電気光学膜は、ａ−ｃドメイン構造を有しているので、ε１１とε３３との中間の値になると予想されたが、実際には、ε３３に近く低い比誘電率となることが分かった。これは、その実施例に係る光学素子がｃ軸配向の領域を十分有していると共に、電気光学膜が基板に拘束されているためと考えられる。一般にＳｉ単結晶基板上にＰＺＴエピタキシャル膜を形成した場合には、上記文献にも記載されているように、ＳｉとＰＺＴと間の熱膨張率差によりａ軸配向膜となる。これに反して、この実施例の光学素子は、ｃ軸配向の領域を十分有しているので、高性能な特性を有することができる。

本発明の光学素子は、長波長用の可変光モジュールに用いることができる電気光学特性に優れたものである。したがって、この光学素子は、長波長の光を対象として用いられる光変調器、光スイッチ、光偏向器、可変光減衰器、波長可変フィルタ、可変分散補償器などの可変光モジュールに産業上の利用可能性がある。

１００、２０５…光学素子、１１０、２１０…基板、１２０…バッファ層、１３０、２３０…下部電極、１４０…シード層、１５０、２５０…下部クラッド層、１６０、２６０…コア層、１７０、２７０…上部クラッド層、１８０、２８０…上部電極、２００…光変調器、２０２Ｄ…分岐光導波路、２０２Ｍ…光導波路、２０２Ｕ…分岐光導波路、２０４Ｃ…中央接地電極、２０４Ｅ…端部接地電極、２９０…低誘電層。

Claims (5)

1. シリコンを含有する単結晶基板と、
   前記単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された第１の電極と、
   前記第１の電極上にエピタキシャル成長により形成された電気光学効果を有する少なくとも１層の電気光学膜と、
   前記電気光学膜上に形成された第２の電極と、
   を備え、
   前記第１及び第２の電極は、前記電気光学膜の膜厚方向に電圧を印加するためのものであり、
   前記電気光学膜のうち少なくとも１層は、単一配向を有しない結晶化膜である、
   光学素子。
2. 前記結晶化膜の比誘電率は、１ｋＨｚの周波数において２８０以下である、請求項１に記載の光学素子。
3. 前記結晶化膜は、ペロブスカイト型結晶構造を有するものである、請求項１又は２に記載の光学素子。
4. 前記結晶化膜は、下記一般式（１）
   ＡＢＯ₃ （１）
   （式（１）中、Ａ及びＢはそれぞれ独立に金属原子を示す。）
   で表される化学組成を有し、ＢはＴｉ及び任意にＺｒを含み、Ｔｉ及びＺｒの合計量に対するＺｒのモル比が０〜０．４５である、請求項３に記載の光学素子。
5. 光導波路が形成されており、且つ、光の入射端及び光の出射端を有する光導波層を備える可変光モジュールであって、
   シリコンを含有する単結晶基板と、前記単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された第１の電極と、前記第１の電極上にエピタキシャル成長により形成された電気光学効果を有する少なくとも１層の電気光学膜と、前記電気光学膜上に形成された第２の電極とを備える光学素子を含み、
   前記第１及び第２の電極は、前記電気光学膜の膜厚方向に電圧を印加するためのものであり、
   前記電気光学膜のうち少なくとも１層は、単一配向を有しない結晶化膜であり、且つ、前記光導波層である、
   可変光モジュール。