JP2013190723A - 電気光学素子、その製造方法および電気光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スラブ導波路構造を備えた電気光学素子、その製造方法および電気光学装置を提供すること。
【解決手段】 スラブ光導波路型の電気光学素子１００は、であって、第１クラッド１０２に隣接して形成され、電気光学材料にプリズム形状の分極率変調を与える上部電極１０１と、第１クラッド１０２に隣接し、上部電極１０１と反対の下層側に形成され、第１クラッド１０２以下の屈折率を有する第２クラッド１０３と、第２クラッド１０３に隣接し、電気光学材料を含むコア１０４と、を含み、第２クラッド１０３は、コア１０４の誘電率／導電率の値と略等しい誘電率／導電率の値を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気光学素子技術に関し、より詳細には、スラブ導波路構造を備えた電気光学素子、その製造方法および電気光学装置に関する。

光が透過する物質に電場をかけると屈折率が変化する現象は電気光学効果として知られており、光変調、スイッチング、偏波などの用途に利用されている。このうち、電場の強さに比例して屈折率が変化する効果は、ポッケルス効果と呼ばれ、その屈折率変化量は、下記式（１）で与えられる。

上記式（１）中、ｒ_ｉｊは電気光学定数（ポッケルス定数）、Ｖは、印加電圧、ｄは、電圧を印加する電極間隔である。電気光学効果は、電界の変化に対する応答速度が極めて速く、光通信で用いられる強度変調器や、レーザ発振のパルス動作を得るためのＱスイッチ素子、光の進行方向を制御する光ビームスキャナの用途に好ましく用いられている。

電気光学効果による屈折率変化量の電圧依存性は比較的小さく、例えば典型的な電気光学材料であるニオブ酸リチウムを用いた場合、Δｎ＝０．００１程度の屈折率変化を与えるためには６ｋＶ／ｍｍ程度の電界を結晶に印加する必要がある。電気光学素子の実用性をより拡張するためには、低電圧でかつ幅広い周波数帯域で応答することが求められる。そのためには式（１）において、電極間隔ｄを小さくすることが有効である。

従来の代表的な導波路型電気光学素子の例として、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）のような光学結晶にチタンを局所的に拡散し、拡散部分だけ屈折率を上昇させることで光導波路構造を形成した不純物拡散による光導波路も知られている。この様な構造を有するスラブ導波路型電気光学素子では、電極は、基板表面の不純物を拡散した光導波領域の近傍に形成される。

その他、電気光学素子の構造として、研磨等によって電気光学材料を薄膜化し、薄膜の上面および底面に電極を形成する方法も知られている。この電気光学素子では、印加される電界の方向は、基板面とは垂直とされ、電気光学材料が有する本来の性能を保ったまま導波路構造を実現できるので、低電圧動作のために有効である。

スラブ導波路型構造を有する電気光学素子は、コア内部に光を伝搬させるため、コアと電極との間にコアよりも屈折率の低い、クラッド（層）を挿入する必要がある。典型的なクラッド材料としては、ＳｉＯ_２を挙げることができる。コア、クラッドによって形成されたスラブ光導波路に電圧を印加した場合、コアに印加される電圧は、下記式（２）で与えられる。

上記式（２）中、Ｖは、スラブ光導波路に印加する印圧、Ｖ_ｃｏは、コア層に印加される電圧、ｄ_ｃｏおよびｄ_ｃｌは、コアおよびクラッドの薄膜、ε_ｃｏおよびε_ｃｌはコアおよびクラッド層の誘電率である。上記式(２)から分かるように、クラッドを設けることで、電気光学結晶に印加される電圧は低下する。したがって、電気光学材料に印加される電圧を高くして高速な動作を可能とするためには、クラッドの厚さを薄くすることが好ましい。

しかしながら、クラッドの厚さが薄いと、高電圧で電気光学素子を動作させたときにクラッドが絶縁破壊する場合もある。電気光学素子に電圧を印加した場合に、クラッドに印加される電界強度は下記式（３）で与えられる。

上記式（３）中、Ｅ_ｃｌおよびＥ_ｃｏは、それぞれクラッド層およびコア層に印加される電界強度である。例えば、コアを、ニオブ酸リチウムとし、クラッドをＳｉＯ_２とした電気光学素子では、ε_ｃｏ／ε_ｃｌは、７程度となり、このことは、クラッドには、電気光学材料の7倍もの高電界が印加されることを意味する。例えば、厚さ１０μｍの二オブ酸リチウムに１００Ｖの電圧を印加して動作させる電気光学素子では、ニオブ酸リチウムに印加される電界強度は１０ｋＶ／ｍｍ、ＳｉＯ_２クラッドには、７０ｋＶ／ｍｍが印加される。一般的な石英ガラスの絶縁破壊電圧は４０ｋＶ／ｍｍのため、クラッドが絶縁破壊を起こしてしまうことになる。このため、クラッドが厚いとコアへの電圧降下が大きくなるので、電気光学特性を劣化させる、反面、クラッドが薄いと、クラッドの絶縁破壊を起こしやすいといったトレードオフの関係があることが知られていた。

さらに、電極がオーミック・コンタクトされた電気光学材料に直流電圧を印加すると、電極から電気光学材料に電子注入が発生することが知られている。電気光学材料内に電子が注入されると、電気光学材料内に電界傾斜が生じ、その結果、電気光学材料内に電子注入により屈折率分布が生じる。上述した電子注入は、電子による散乱によって電気光学材料内を伝搬する光ビームの形状プロファイルを劣化させてしまうといった現象を生じさせることも知られている。光ビームの形状プロファイルの劣化は、電気光学素子を光変調器として用いた場合、消光比の低下を生じさせ、光偏向素子として用いた場合は、出射ビームそのもののビーム形状の劣化や、解像度の劣化などの現象を生じさせることになる。

この理由から、電荷注入抑制層として抵抗率の高い絶縁材料をクラッド材料として用いることが多く、その代表的な材料がＳｉＯ_２である。一方、電気光学結晶内に比較的短波長の光、特に青色や緑色の光を伝搬させることが要求される場合もあり、短波長の光ビームの入射により、電気光学結晶内で発生する内部光電効果によって、結晶内にキャリアが発生することも知られている。内部光電効果は、禁止帯よりもシャローなトラップサイトである電気光学結晶内部の不純物や格子欠陥に起因する不純物準位から電子が光励起されることに起因する。内部光電効果によって発生した電子は、外部電界方向にドリフトし、電子濃度に依存して拡散することが知られている。

従来から、上述した電気光学的素子の電子散乱による特性劣化を防止することが試みられており、例えば、特開２０１０−２６０７９号公報（特許文献１）では、電気光学結晶としてＫＴＮをコアとし、ＴｉＢａＯ_３を電子注入阻止層とする電気光学素子において、電極からの電子注入をさらに抑制するための光デバイスの構成、動作方法およびその製造方法が開示されている。また、特開２０１１−４８０６７号公報（特許文献２）には、電気光学材料にプリズム形状に分極率変調を行うことが記載されている。

特許文献１は、電子注入阻止層を提供する点で電子注入を抑制することはできるものの、内部光電効果によって発生した電子の散乱に起因して生じるビーム歪などの光特性劣化という問題を解決するものではない。また、特許文献２は、スラブ導波路型電気光学素子の光ビームの形状プロファイルを改善することを課題とするものではない。

本発明は、上述した従来技術に鑑みてなされたものであり、本発明は、導波路型電気光学素子のコアに対する電子注入を抑制することにより、良好な光制御性を有し、かつ光ビームの形状プロファイルの劣化を防止した電気光学素子、その製造方法、および電気光学装置を提供することを目的とする。

本発明は、スラブ導波路のコアおよびクラッドの電気的特性を制御することにより、キャリア注入に起因する光ビームの形状プロファイルの劣化を防止するとともに、偏向角を拡張する電気光学素子を提供するものである。本発明のスラブ光導波路型の電気光学素子は、
第１クラッドに隣接して形成され、電気光学材料にプリズム形状の分極率変調を与える上部電極と、
前記第１クラッドに隣接する前記上部電極と反対の下層側に形成され、前記第１クラッド以下の屈折率を有する第２クラッドと、
前記第２クラッドに隣接し、電気光学材料を含むコアと、
を含み、
前記第２クラッドは、前記コアの誘電率／導電率の値と略等しい誘電率／導電率の値である。

本発明の前記第２クラッドは、ＳｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５，ＨｆＯ_２，ＴｉＢａＯ_３、またはこれらの混合組成を含む群から選択される誘電体とすることができる。前記上部電極は、連続したプリズム形状とされており、電圧印加に応答して前記コアの対応領域の分極を前記プリズム形状に変調することができる。さらに、前記上部電極は、前記光ビームの伝播方向に沿って細長のストリップ形状に形成され、前記コアは、前記上部電極に対応する位置で連続したプリズム形状の分極反転を記憶することができる。

本発明の前記コアは、前記分極反転を記憶する領域の形状は、複数の正三角形とされ、前記正三角形の入射側から第n+1番目(n:自然数)の分極反転を記憶した領域の面積は、第n番目の当該領域の面積よりも大きく形成することができる。前記電気光学材料は、ニオブ酸リチウム、酸化マグネシウム添加二オブ酸リチウム、タンタル酸リチウムを含む群から選択される少なくとも１つから選択することができる。

さらに本発明は、上記構成の電気光学素子の製造方法および前記電気光学素子を含む電気光学装置を提供する。

本発明の第１実施形態の電気光学素子の概略図。 図１に示した電気光学素子１００を使用して光変調を行う場合の光偏向素子２００実施形態を示す図。 本発明の第２の実施形態の電気光学素子を示す図。 図３の電気光学素子３００の上面図４００を示す図。 電気光学材料に分極反転を生成する方法を説明する図。 本実施形態の第３実施形態の電気光学素子６００の実施形態を示す図。 本実施形態の電気光学素子７００を示す図。 図７で説明した電気光学素子７００を含む電気光学装置の実施形態である光偏向デバイス８００を示す図。

以下、本発明を実施形態をもって説明するが、本発明は実施形態に限定されるものではない。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の電気光学素子の概略図を示す。図１に示す電気光学素子１００は、スラブ導波路として構成されており、コア１０４の上下に第１クラッド１０２、第２クラッド１０３、下部第２クラッド１０５および下部第１クラッド１０６が形成されていて、半導体レーザといったレーザビームが、図示する実施形態では、紙面左手側から入射され、紙面右手側から出力される構成となっている。

第１クラッド１０２の紙面上側には、上部電極１０１が形成されており、電気光学素子１００の最下層に形成された下部電極１０７との間で、電気光学素子１００に電圧を印加し、コア１０４内を伝搬するレーザビームを光変調させている。コア１０４は、電気光学材料を含んで構成することができる。電気光学材料としては、本実施形態では、例えば、ＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_３，ＫＴＰ，ＳＢＮ，ＫＴＮ，ＫＴＮ、またはこれらのいかなる混合組成物などを挙げることができる。これらの電気光学材料は、例えば、ＣＶＤ(Cemical Vapor Deposision)、ＰＶＤ(Physical Vapor Deposition)、熱溶融法、単結晶育成法、水熱合成法などこれまで知られたいかなる方法でも形成できる。

上述した電気光学材料のうち、ＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_３は、比較的汎用性が高いこと、ロバスト性が高いこと、および安定した材料であるため本実施形態で好ましく利用することができる。コア１０４に使用する電気光学材料は、強誘電体であり、外部電場を加えなくても自発分極を有しており、自発分極の向きが一方向に揃った分域（ドメイン）として参照される領域を有する。また、自発分極の向きが１８０°異なるドメインの境界は、ドメイン壁として参照される領域を形成する。コア１０４の層厚は特に限定はないが、数μｍ〜数１００μｍとすることが、スラブ導波路型電気光学素子を構成する場合には好ましい。

クラッドとしては、適切な屈折率を有するＳｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５，ＨｆＯ_２，ＴｉＢａＯ_３などを使用することができ、クラッドは、有機金属化合物などを使用したＣＶＤ(Cemical Vapor Deposision)、ＰＶＤ(Physical Vapor Deposition)、ゾル−ゲル法など、これまで知られたいかなる薄膜堆積法を使用して形成することができる。クラッドの膜厚は、厚すぎると電気光学特性を劣化させ、薄いと絶縁破壊を生じさせることから、１００ｎｍ〜数１０μｍ程度、好ましくは、５００ｎｍ〜１０μｍとすることができる。

本実施形態の上部電極１０１は、導電性金属または導電性金属酸化物といった導電材料から構成することができる。上部電極１０１は、導電材料を、スパッタや蒸着などの方法により第１クラッド１０２上に形成することができる。上部電極１０１の形状は、図１に示した実施形態では、三角形のプリズム電極として構成されている。図１に示した形状の上部電極１０１とすることで、上部電極１０１の下側にあるコア１０４に誘起される各分極反転領域での屈折角が加算された値として偏向角を増大させることができ、特に光偏向素子として好ましい特性を付与できる。また、上部電極１０１および下部電極１０７の膜厚は特に制限はないが、材料の消費量や生産性の点から、１μｍ〜数百μｍの範囲で適宜に最適化することができる。

図２は、図１に示した電気光学素子１００を使用して光変調を行う場合の光偏向素子２００実施形態を示す。図２に示した光偏向素子２００は、上部電極１０１および下部電極１０７の間には、高周波電源２０３からの変調された電圧が印加されている。光偏向素子２００のスラブ型導波路２１０には、紙面左手側から光ビームが入射光２０１として入射されている。コア１０４は、電気光学効果により生成した屈折率分布により光ビームが偏向され、コア１０４を通過して行くにつれて偏向角が増大された後、出力光２０２として光学素子から放出される。

図２に示した光学素子における光変調の作用について、以下に簡単に説明する。上部電極１０１と、下部電極１０７との間に直流または交流電圧を印加すると、結晶内部に１次の電気光学効果（ＥＯ：Electro-Optic Effect）が発現し、結晶内の屈折率が変化する。図２に示すように上側電極形状をプリズム形状として電圧を印加することにより、結晶内に擬似的なプリズムを形成することができ、その結果としてコアを伝播する光は、結晶内部で屈折する。

ＥＯ効果を利用した光ビーム偏向素子は、電気光学材料の上側面および下側面に電界を形成するための上部電極１０１および下部１０７を対向配置する。対向電極に電圧を印加し、電極に挟まれた電気光学材料の領域で、結晶の分極軸に沿って平行な電界を形成する。電界は、電気光学材料の誘電率を電気光学効果により誘電率を変化させ、その結果としてコア１０４の内部の電圧印加領域で屈折率が変化する。ポッケルス効果による屈折率変化を利用する場合、電気光学材料の屈折率変化量Δｎは下記式（４）で与えられる。

上記式（４）中、ｎは、電気光学材料の屈折率、ｒ_ｉｊは、電気光学定数、Ｖは、印加電圧、ｄは、結晶厚である。図２に示した実施形態では、光ビームがコア１０４内を伝播する領域上の上部電極１０１は、連続した複数の三角形の形状として形成されている。プリズム形状に形成した上部電極１０１に電圧を印加すると、電圧印加に対応して屈折率が変化する領域もプリズム形状に制御でき、この結果、スラブ導波路として構成されたコア１０４の内部に光学プリズムの機能を生成することができる。

入射する光ビームは、コア１０４内を伝搬するにつれてプリズム形状の屈折率変化領域を通過し、図２中、Ｘ軸方向に偏向する。このときの偏向角θは、電気光学材料の屈折率変化量に比例した量となり、下記式（５）で与えられる。

上記式（５）中、Ｌは、複数のプリズム部全体の長さ、Ｄは、プリズム幅である。上記式（４）および（５）から、偏向された入射光が、電気光学素子１００から出射される際の偏向角θは、印加電圧Ｖに比例することが示される。このことから、本実施形態の電気光学素子は、電気光学素子への印加電圧および電極形状を制御することにより、入射光の偏向角θを制御することができる。

図２に示す本実施形態の電気光学素子は、コア１０４に光損傷耐性の高い酸化マグネシウム添加二オブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）を用いており、可視光域でも充分な偏向効率を有する。また図２に示す光偏向素子２００のコア１０４への酸化マグネシウムのドープ量は、約４.５ｍｏｌ％〜５．５ｍｏｌ％の範囲が好ましく、酸化マグネシウムのドープ量を、約５ｍｏｌ％とすることで最も好ましい電気光学的特性を得ることができた。

スラブ導波路型電気光学素子は、外部からのキャリア注入と内部光電効果により、光照射・電圧印加の動作条件下で光ビームの形状が歪むという問題点があることが知られている。内部光電効果は、ＬｉＮｂＯ_３などの電気光学結晶の不純物や格子欠陥による浅くトラップされたキャリアの存在がその理由となることが知られている。この様なキャリアは、禁止帯中における不純物準位、欠陥準位として出現し、入射光として比較的短波長の光ビームが照射されると、トラップされたキャリアが光励起され、自由電子として放出されることによって発生する。

本実施形態で使用する電気光学材料のＬｉＮｂＯ_３の場合、キャリアは、主に電子であることが知られている。内部光電効果によって自由電子が発生すると、印加電界によって自由電子がドリフト運動し、キャリアの再トラップもランダムに発生することで内部電界の不均一さが発生する。この様な内部電界の不均一性は、屈折率にランダムな揺らぎを発生させてしまい、伝搬する光ビームを散乱し、この結果として光ビームの形状プロファイルの乱れを生じさせる。

一方、外部電子注入は、電極からコア１０４の伝導帯への電子の注入により生じることが知られている。電子注入機構としては、主としてショットキー注入と、トンネル注入とが想定できる。ショットキー注入は、金属内の電子に所定のポテンシャルエネルギーを与えることで、誘電体・電極間のエネルギー障壁を越えて電子が伝導帯に注入されるものである。一方、トンネル注入とは、電子エネルギーに比べてエネルギー障壁の高い場合に、印加電界により障壁厚さが薄くなり、ついには電子が障壁をトンネル効果で通過することにより、電子が伝導帯に注入される現象である。

上述したショットキー注入やトンネル注入の発生は、コア１０４と、クラッドとの間の電子密度に関係する。このため、本実施形態では、コア１０４と、コア１０４に直隣接する第２クラッド１０３のとの間の界面に集中するキャリアの濃度を制御することによってキャリア注入を抑制することで、コア１０４と、第２クラッド１０３との界面にキャリアが集中することを抑制する。本実施形態では、キャリア注入を抑制するために、コア１０４と、第２クラッド１０３の誘電率／導電率の値を一致させるように、第２クラッド１０３の誘電率および導電率を制御するものである。

ここで、誘電体に下記式（６）で与えられるガウスの法則と、下記式（７）で与えられる電流の連続式（７）を適用すると、その解として電荷密度ρを求めることができる。

ここで、上記式（７）は、時間的な定常状態では０となるので、上記式（７）からＥを消去することができ、下記式（８）が得られる。

上記式（８）式で示されるように、電荷密度ρは、誘電率εと、導電率σとの比（誘電率／導電率）の値の勾配が存在する領域で発生する。界面における電荷密度ρは、ショットキー注入およびトンネル注入でも主要な要因といえるので、キャリア注入は、コア１０４および第２クラッド１０３との界面における誘電率／導電率の比を一定とすることで、該界面におけるキャリアの蓄積を抑制することが可能となることが示される。

ここで、コア１０４と、第２クラッド１０３との間の光伝播領域に電荷分布を発生させず、コア１０４と、第２クラッド１０３との界面に電荷を蓄積させないようにするためには、コア１０４の誘電率を、ε_ＬＮ、導電率をσ_ＬＮ、第２クラッド１０３の誘電率をε_ｌ、導電率をσ_ｌとして、下記式（９）が成り立つクラッド材料を使用すれば良い。

本実施形態では、光学素子のコア１０４として波長特性を考慮し、酸化マグネシウムを添加したＬｉＮｂＯ_３を用いており、その誘電率は、誘電率ε_ＬＮ＝２８．７ε_０であり、導電率σ_ＬＮ＝１×１０^−１４(Ω・ｃｍ）^−１である。本実施形態では、鋭意検討した結果、第２クラッド１０３として、Ｔａ_２Ｏ_５を使用し、スパッタ成膜における堆積温度、堆積速度、スパッタ電力を制御して膜密度などを制御することにより、誘電率ε_１＝２３ε_０、導電率σ_ｌ=０．８×１０^−１４（Ω・ｃｍ）^−１のＴａ_２Ｏ_５膜を形成し、第２クラッド１０３とした。

この他、第２クラッド１０３のための材料としては、ＳｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５，ＨｆＯ_２，ＴｉＢａＯ_３などの材料も使用でき、スパッタ条件などによって膜質などを制御して導電率および誘電率を制御することで、上記式（９）を概ね満足させることができればどのような材料またはそれらの混合物でも使用することができる。

一方、本実施形態の第１クラッド１０２は、主として電界密度を低下させることで、第１クラッド１０２の絶縁破壊を防止するとともに、上部電極１０１からの電荷注入を抑制するために用いることができ、高抵抗率膜から形成することが好ましい。

上記目的のため、第１クラッド１０２は、第２クラッド１０３以上の誘電率を有する無機材料または有機材料といった誘電体材料を使用することができ、これまで知られたいかなる成膜方法で形成することができる。説明する本実施形態では、成膜性の点でスピンコート法といった簡便な膜生成プロセスを使用することができることから、ネガ型の永久レジスト（ＳＵ−８：化薬マイクロケム株式会社製）を用いた。本実施形態では、第１クラッド１０２は、コア１０４上に第２クラッド１０３を形成した後、スピンコート法を使用して製膜し、成膜後ベーク処理を施して形成した。説明する特定の実施形態では、形成した第１クラッド１０２は、抵抗率ρ=１×１０^１６(Ω・ｃｍ)であった。

本実施形態の電気光学素子１００のための上部電極１０１を形成する導電材料としては、導電材料を使用することができ、例えば、Ａｕ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｒなどの金属材料の他、ＩＴＯなどの金属酸化物を挙げることができ、これらのうち、電子親和力の高いＰｔ，Ｎｉ，Ａｌなどを好ましく使用することができる。第１クラッド１０２は、上部電極１０１からの電子注入阻止層として機能し、上部電極１０１と、第１クラッド１０２とは、ショットキー接続させることが可能となるので、電子注入を抑制できる。

さらに上部電極１０１は、本実施形態にしたがい、連続したプリズムの形状として形成する。上部電極１０１は、スパッタ、蒸着、メッキなどの金属堆積法を使用することができ、適宜マスクによるパターン形成方法やフォトリソグラフィー技術を使用して、図１および図２に示す連続プリズム形状にパターニングできる。また、下部第２クラッド１０５、下部第１クラッド１０６および下部電極１０７については、コア１０４を挟んで上側の構成および材料と同一の構成を使用することができる。また、下部電極１０７は、パターン形成することもできるが、パターンを形成することなく下層面全面を被覆する膜として形成し、使用することもできる。

本実施形態の電気光学素子１００は、上記第１クラッド１０２、第２クラッド１０３、およびコア１０４を用いることにより、電気光学結晶内への電子注入を抑制することで、コア１０４内の屈折率不均一性を抑制でき、スラブ導波路として機能するコア１０４内を伝搬する光ビームの形状プロファイルを劣化すること無く、大きな偏向角を提供する良好な光偏向素子を提供することが可能となる。

＜第２実施形態＞
図３を使用して本発明の第２の実施形態を説明する。電気光学材料は、その分極軸を制御することが可能である。分極軸を制御することにより、コア内部にプリズム特性を形成させることができる。図３は、コア３０４内部に分極軸を制御したプリズムドメインを形成した実施形態を示す。図３に示す実施形態では、コア３０４を挟んで上側に第１クラッド３０２、第２クラッド３０３、下部第２クラッド３０５および下部第１クラッド３０６が形成されている。第１クラッド３０２の上面には、電子親和力の高いＰｔ，Ｎｉ，Ａｌといった材料で形成される上部電極３０１が形成されている。第２実施形態の上部電極３０１は、特にパターン形成はされておらず、第１クラッド３０２上にストリップ形状で形成されている。

第２実施形態では、コア３０４内部に複数のプリズム形状を並べた分極反転領域を形成することで、光学素子に対して光偏向特性を付与する。このため、コア３０４内の分極反転プリズム領域の全体を覆う形状の上部電極３０１により素子に電圧を印加して、電気光学材料にプリズム状の屈折率変化領域を形成することができる。以下、より詳細に第２の実施形態を説明する。

図４は、図３の電気光学素子３００の上面図４００を示す。図４に示すように電気光学素子３００には、紙面左手側の偏向素子端面から光ビームが入射される。入射光は、コア３０４内に形成されたプリズム領域によってその伝播方向がＸ軸方向に偏向されて、伝播にしたがって屈折角が累積されて、紙面右手側の偏向素子端面から出力光が偏向ビームとして出力される。分極反転に対応した分極方向は、図４中、符号３０１ａおよび３０１ｂで反転しており、符号３０１ａおよび符号３０１ｂの領域を区別するためのハッチングで色分けされた部分に付された方向とされている。図４に示した実施形態では、分極率をその界面で正反対とするようにプリズム形状を形成できるので、屈折率変化量は、第１実施形態で説明したプリズム状電極の屈折率変化量の２倍となり、電気光学素子３００からの出射角θは、下記式（１０）で示す通り、理論上では第１実施形態の２倍とすることができる。

上部電極３０１は、コア３０４にわたってプリズムドメインを形成し、電界生成を効果的とするために光ビームの伝播方向に沿って細長の長方形のストリップ形状とすることが好ましい。また、本実施形態では、上部電極３０１の下側に延びるように、屈折率反転領域３０１ａ、３０１ｂを延長することで、屈折角変調を増大させることができる。

以下、図５を使用して電気光学材料に分極反転を生成した電気光学材料の製造プロセスを詳細に説明する。分極反転を形成するプロセスは、図５（ａ）で、電気光学基板５００を用意し、図５（ｂ）に示すように電気光学基板５００上にスピンコーティングなどの適切な方法により約２μｍの膜厚のフォトレジスト層５０１を成膜する。次いで、図５（ｃ）に示すように、フォトレジスト層５０１をパターニングしてプリズム形状パターン５０２を形成する。

その後、図５（ｄ）に示すように、プリズム形状パターン５０２上および電気光学基板５００の裏面にそれぞれ導電性材料、例えばＡｌなどをスパッタ法または蒸着法により適切な膜厚で製膜し、抗電界を生成するための電極を形成し、電源から抗電界以上の電界を印加して、電気光学基板の分極特性をパターン形状に反転させる。

さらにその後、図５（ｅ）に示すように導電性材料を適切な剥離液、例えば、塩酸、硝酸、硫酸、フッ化水素酸などで除去し、プリズム状の分極反転を記憶させた電気光学基板を製造する。この電気光学基板５００を、本実施形態のコア１０４、３０４として適用することで、効率的な電気光学的特性を得ることができる。

電気光学基板５００としては、説明する実施形態では、株式会社山寿セラミクス製φ３“Ｚ板、ｔ＝３００μｍを使用することができ、フォトレジスト膜の形成は、スピンコーティングで膜厚数μｍ、好ましくは、膜厚を約２μｍとすることができる。また、フォトレジスト膜は、電気光学基板５００の＋Ｚ面に形成する。その後、フォトレジスト層５０１を、プリズム形状のうち、光が入出射する正三角形の２辺をドメイン壁とするようにパターニングする。

その後、図５（ｄ）に示すように、直接電界印加法で、抗電界に対応する電圧を分極反転基板に印加して、正三角形の分極反転領域を作製する。直接電界印加では、特定の実施形態ではレジスト境界から外側に３０μｍ程度まで分極反転領域が広がる結果が得られた。そのため、レジストパターンは、所望のプリズムドメインよりも外側に拡張する分を見越して小さく作製するのが望ましい。

また、図５（ｄ）の直接電界印加法によりプリズムドメイン領域を精度良く作製するために、始めにスパイク電界をかけて、反転核を均一に発生させておき、続けて一定電界をかけることで反転核のドメイン壁を広げてゆくことが好ましい。説明する実施形態では、始めに９ｋＶ／ｍｍのスパイク電界を５ｍｓ印加し、その後、５．５ｋＶ／ｍｍの一定電界を５ｓｅｃ印加することで、プリズムドメイン領域のプリズムドメイン境界辺を直線状に形成でき、頂角がシャープなプリズムドメイン領域が形成される。

＜第３実施形態＞
図６は、本実施形態の第３実施形態の電気光学素子６００の実施形態を示す。図６に示した実施形態では、コア３０４中に分極反転領域を形成する点では第２の実施形態と同様であり、またその製造方法も同様の方法を使用することができる。第３実施形態ではプリズム形状は、図５とは異なり、プリズム形状６０１ａ，ｂ，ｃがそれぞれ入射側から出力側に向かって段階的に大きくなるように形成されている。またプリズム形状６０１ａ，ｂ，ｃの分極反転は、領域６０１ｄとは正反対になるように形成されている。図６の実施形態では、分極反転領域のサイズを入射側から段階的に大きくしていく（ホーン型）に形成することにより、図４の実施形態に比較してさらに偏向角を大きくすることができる。

図６の屈折率反転領域としてプリズム形状を形成した場合、Yi Chiu，et al， Journal of Lightwave Technology, VOL 17，No.1 Jan 1999（非特許文献１）によると、進行距離ｚ、入射側プリズム幅Ｄ_０、最大屈折変化量Δｎｍａｘ、屈折率ｎ_０とすれば、プリズム幅Ｄ（ｚ）は、下記式（１１）で決定することができる。

このときの出力光の外部偏向角θ(z)は、下記式（１２）で与えられる。

例えば、本実施形態で、Ｄ０＝０．５ｍｍ、Δｎｍａｘ＝３．８３×１０^−３、屈折率n＝２．２０３、プリズム長Ｌ＝２０ｍｍとして、上記式（１０）および（１１）からプリズム幅Ｄ（ｚ）を逐次計算によって計算し、出射側プリズム幅を、１．５６ｍｍとした。

なお、上記式（１０）および（１１）によって求めたプリズム幅は、図６の２つの包絡線６０２ａ，ｂの距離として表すことができる。ホーン型の分極反転領域を作製する場合には、この包絡線を使用し、正三角形の分極反転領域を入射側から正三角形のサイズを順次決めていき、図６に示すように、隙間無く分パターニングしながら分極反転領域を形成していくのが好ましい。

＜第４実施形態＞
図７を使用して、本実施形態の電気光学素子７００を、その製造プロセスと共に説明する。図７に示す電気光学素子７００は、スラブ導波路型電気光学素子として機能し、低電圧で駆動させることができるように、ＣＭＰプロセスなどによってコア７０４を薄膜研磨して形成することができ、研磨薄膜化したコア７０４と、第１クラッド７０２および第２クラッド７０３を含む上部クラッド層７２０と、下部第２クラッド７０５および下部第１クラッド７０６とを含む下部クラッド層７２１とを備えている。なお、各クラッドについては、これまで説明した実施形態と同様の材料および製造プロセスを使用して形成することができる。また、図7に示した電気光学素子７００には、導電性ビア７１０が形成されていて下部電極７０７への導電経路を提供している。

導電性ビア７１０は、これまで知られたいかなる方法・形状で作成することができ、説明する実施形態では、ダイシングソーによる機械的穿孔方法を使用し、数１０μｍ程度の開口、特定の実施形態では、上部開口径が約３０μｍのＶ字形状の開口を形成する。その後、形成した開口を導電材料、例えば、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌなどにより充填することで形成した。上述した方法以外にも、選択的エッチング処置としてＲＩＥ(Reactive Ion Etching)などのドライエッチング法やエキシマアブレーションなどのプロセスも好適に使用することができる。上記構成により、支持基板の面積をコア層の面積よりも大きくすることなく下部電極の取り出しが可能となり、導波路型電気光学素子の小型化が可能となる。

図７に示す実施形態では、好ましい材料の構成として、以下の構成を挙げることができる。下部第２クラッド７０５、下部第１クラッド７０６および下部電極７０７は、導波光の光損失を低減させるため、コア７０４の下面にコア７０４よりも屈折率の低い材料を使用して形成するのが好ましい。図７に示した実施形態では、下部クラッド層７２１は、下部第１クラッド７０５としてＴａ_２Ｏ_５を１μｍの膜厚となるようにスパッタ法で製膜し、さらに下部第２クラッド７０６としてＳＵ−８を１μｍ製膜し、その後、続けて下部電極７０７として、膜厚２００ｎｍのＴｉを堆積させ、下部電極７０７とする。

図７に示す電気光学素子７００は、さらに下部電極７０７を成膜後、適切な接着剤層７０８を用いて下部電極７０７と、支持基板７０９との接着を行うことで機械的な剛性を付与する。接着剤層７０８は、面精度を１μｍ以下とするように均一な厚みとして形成することが好ましい。支持基板７０９は、コア１０４に用いる材料と熱膨張係数が同程度の材料を使用することが応力歪みによる影響を回避する上で好ましい。熱膨張係数が異なる材料を用いると、接着後に熱膨張が発生した際、コア７０４に内部応力による歪みが生じて、クラックが発生する原因になる可能性があるからである。

図７に示す実施形態では、接着剤としては、ＵＶ硬化性の樹脂接着剤を使用し、支持基板７０９として、厚さ３００μｍのニオブ酸リチウム基板を用い、これらを、接着剤層７０８を介して接着した。その後、支持基板７０９上に固定したコア７０４の表面を、３００μｍから１０μｍまで研磨して、厚さ１０μｍのコア７０４とした。ニオブ酸リチウムのＸ軸方向の熱膨張率は、１．５４×１０^−５／Ｋなので、支持基板７０９としては、熱膨張率が１．４６×１０^−５／ＫのＳＵＳ３０３を使用することもできる。さらに他の実施形態では、接着剤層７０８による支持基板７０９の貼付け以外にも、支持基板７０９に金属材料を用い、下部電極７０７と、支持基板７０９とを直接接合して形成することもできる。

図７に示す電気光学素子７００では、研磨後、上部クラッドと上部電極を作製する。製膜方法は下部クラッド、下部電極と同様にスパッタ堆積法を使用することができる。上部電極７０１は、第１クラッド７０２上の全面に作製するよりも、光偏向器として機能させる場合には、できるだけ細長いストリップとして形成することが望ましい。電気光学素子７００を光偏向器として機能させる場合、電極の静電容量と駆動動作周波数とはトレードオフの関係になるため、静電容量が小さいほど低電力での高周波動作を可能とすることができる。特定の実施形態では、第２クラッド７０３として誘電率／比抵抗を制御したＴａ_２Ｏ_５を使用し、膜厚１μｍとしてスパッタ法で製膜し、第１クラッド７０２を第１実施形態と同様にして形成した。その後さらに上部電極７０１を、Ｔｉを使用して約２００μｍ厚でスパッタ法により製膜した。

＜第５実施形態＞
図８は、図７で説明した電気光学素子７００を含む電気光学装置を、光偏向デバイス８００として実装する場合の実施形態を示す。光偏向デバイス８００は、光源として機能する半導体レーザ８０１と、入射光学系８０２と、実施形態４で説明した構成の光学素子８０３と、出射光学系８０４と、駆動装置８０５とを含んで構成されている。

光源は、ロバスト性を有し、比較的安価な半導体レーザを使用した。入射光学系８０２は、光学素子８０３が導波路型の場合は、光利用効率が高く結合させるために、導波路と入射レンズとの間の開口数（ＮＡ）を一致させた。出射光学系（カップリングレンズ）８０４は、出射光をコリメートするために使用され、凸レンズまたは特定の用途に応じて、偏向角を拡大するため組合わせレンズ光学系やシリンドリカルレンズ系を使用することもできる。駆動装置は、半導体レーザ８０１および光学素子８０３を駆動させるための駆動回路、バッテリー、信号発生器とを含んでおり、光偏向装置の解像点数と駆動周波数、光出射パワーを制御する。

以上の構成の電気光学素子７００を形成した後、光偏向デバイスを作成し、動作を確認したところ正常に電流が流れて動作し、ビーム歪が抑制され、入出射光ともに同じビームプロファイルとなって光偏向されていることが確認された。

以上の様に、本発明によれば、スラブ型光導波路の構成を備える電気光学素子における電子注入に起因する光特性劣化を防止する、電気光学素子、その製造方法、および電気光学装置を提供することができる。

これまで本発明を図面に示した実施の形態をもって説明してきたが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、別の実施の形態、変更例、本発明に対する他の構成要件の付加など、当業者により想到できる構成の相違であって、本願の作用効果を奏するものについても含むものである。

１００ 電気光学素子
１０１ 上部電極
１０２ 第１クラッド
１０３ 第２クラッド
１０４ コア
１０５ 下部第２クラッド
１０６ 下部第１クラッド
１０７ 下部電極

特開２０１０−２６０７９号公報 特開２０１１−４８０６７号公報

Yi Chiu，et al， Journal of Lightwave Technology, VOL 17，No.1 Jan 1999

Claims (8)

1. スラブ光導波路型の電気光学素子であって、
   第１クラッドに隣接して形成され、電気光学材料にプリズム形状の分極率変調を与える上部電極と、
   前記第１クラッドに隣接し、前記上部電極と反対の下層側に形成され、第１クラッド以下の屈折率を有する第２クラッドと、
   前記第２クラッドに隣接し、電気光学材料を含むコアと、
   を含み、
   前記第２クラッドは、前記コアの誘電率／導電率の値と略等しい誘電率／導電率の値である、電気光学素子。
2. 前記第２クラッドは、ＳｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５，ＨｆＯ_２，ＴｉＢａＯ_３、またはこれらの混合組成を含む群から選択される誘電体である、請求項１に記載の電気光学素子。
3. 前記上部電極は、連続したプリズム形状とされており、電圧印加に応答して前記コアの対応領域の分極を前記プリズム形状に変調する、請求項１または２に記載の電気光学素子。
4. 前記上部電極は、光ビームの伝播方向に沿って細長のストリップ形状に形成され、前記コアは、前記上部電極に対応する位置で連続したプリズム形状の分極反転を記憶する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気光学素子。
5. 前記コアは、前記分極反転を記憶する領域の形状は、複数の正三角形とされ、ｎを自然数とすると、前記正三角形の入射側から第（ｎ＋１）番目の分極反転を記憶した領域の面積は、第ｎ番目の当該領域の面積よりも大きい、請求項４に記載の電気光学素子。
6. 前記電気光学材料は、ニオブ酸リチウム、酸化マグネシウム添加二オブ酸リチウム、タンタル酸リチウムを含む群から選択される少なくとも１つから選択される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気光学素子。
7. スラブ導波路型の電気光学素子の製造方法であって、
   電気光学材料を含むコアを形成するステップと、
   前記コアに隣接し、前記コアとの界面に電荷を蓄積しない誘電率／導電率の値を有する誘電体クラッドを形成するステップと、
   前記誘電体クラッドに隣接し、前記コアから見て反対側に誘電体クラッド以上の屈折率の高誘電率クラッドを形成するステップと、
   前記高誘電率クラッドの表面に、前記スラブ型導波路における光ビームの伝播方向に並んだプリズム形状に分極率を制御するための上部電極を形成するステップと
   を含む、製造方法。
8. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気光学素子と、
   前記電気光学素子により偏向される光ビームを生成する光源と、
   前記電気光学素子に関して前記光ビームを入射出するための光学系と、
   前記電気光学素子および前記光源を駆動するための駆動装置と
   を含む、電気光学装置。