JP2851935B2

JP2851935B2 - コリニア型光偏向器及びその製造方法並びに光偏向装置及び光集積ヘッド及び光情報記録再生装置

Info

Publication number: JP2851935B2
Application number: JP24726490A
Authority: JP
Inventors: 顕知伊藤; 和民川本; 尚哉諌田; 康夫日良; 秀己佐藤; 貴子福島; 正孝芝; 晃稲垣; 実吉田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-09-19
Filing date: 1990-09-19
Publication date: 1999-01-27
Anticipated expiration: 2014-01-27
Also published as: JPH04127129A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は導波型光学素子用の光導波路を用いたコリニ
ア型光偏向器及びその製造方法並びにその光偏向器を利
用した光偏向装置及び光集積ヘッド及び光情報記録再生
装置に関する。

〔従来の技術〕従来より光導波路を用いた電気光学素子や音響光学素
子等が光偏向器ならびにそれを用いた光集積ヘッドや光
変調器とおよび光スペクトラムアナライザ等に利用され
ている。またこれらの光学素子を形成するための基板と
して圧電性や光弾性や電気光学効果に優れた材料である
ニオブ酸リチウムLiNbO₃単結晶基板が用いられている。

たとえば光偏向器として特開昭60−156015号公報に記
載されている第９図に例示するようなＹカットLiNbO₃基
板91上に形成された光導波層92表面に設けた交差型電極
93により、導波光95を進行方向とほぼ垂直な方向に弾性
表面波94を伝搬させ、導波光25の光軸上の未回折光97に
対して回折光96を偏向せしめるブラッグ型光偏向器が提
案されている。

さらに最近にアイ・イー・イー・イーのインテグレー
テッド・ガイデッド・ウェーブ・オプティクスのペーパ
TuAA4−１（1989年）の第138頁〜第141頁（IEEE Integr
ated Guided Wave Optics Paper TuAA4−１（1989）pp.
138〜141）に記載されている第10図に例示するようなＹ
カットLiNbO₃基板101上に形成されたプロトン交換チャ
ネル型光導波路102に導波光103と反対方向に交差型電極
５による弾性波を伝搬させれて導波光103を基板101内へ
射出せしめるとともに、その射出光105の射出角を弾性
表面波励振用の交差型電極34へ印加する交流電圧の周波
数を変化させることにより光走査方向106に制御する新
しい方式のコリニア型光偏向器が提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は光偏向器の基板としてニオブ酸リチウ
ムLiNbO₃を用い、この基板上に光導波路102を作成する
方法として先ずチタンTiを熱拡散せしめた後、基板を安
息香酸C₆H₅COOHやピロリン酸H₄P₂O₇等の弱酸および弱酸
のリチウム塩を混合物中で熱処理し、基板表面近傍のリ
チウムイオンLi⁺の一部を弱酸中のプロトンH⁺と置換す
るプロトン交換法を用いていた。

しかしこの従来方法ではTiという遷移金属が注入され
ているため光学損傷のしきい値が低いことと、プロトン
交換処理のためLiNbO₃固有の圧電効果や電気光学効果お
よび音響光学効果が大きく低下して光偏向効率が小さい
ことに問題があった。このため第10図のように基板101
上の光導波路102をチャネル化して導波光103と交差型電
極104による弾性表面波の相互作用効率を高める工夫が
なされているが、しかし光導波路102のチャネル幅が40
μｍという小さな値のため射出光105が縦長の長方形ビ
ームとなるうえ収差を持つため、光偏向器として光集積
ヘッド等の精密光学系には適用が困難となるなどの問題
があった。

本発明は高い効果のコリニア型偏向器及びその製造方
法を提供することを目的としており、さらにその光偏向
器を用いた光偏向装置及び光集積ヘッド及び光情報記録
再生装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明のコリニア型光偏
向器は第１図（ａ），（ｂ）に示すように屈折率の異方
性を持つ常屈折率n₀₁および異常屈折率n_e1の光学基板ま
たは等方性のn₀₁＝n_e1の光学基板１と該光学基板上に形
成された屈折率の異方性を持つ常屈折率n₀₂および異常
屈折率n_e2の光学薄膜光導波層または等方性のn₀₂＝n_e2
の光学薄膜光導波層２とから成り２つの常屈折率n₀₁,n
₀₂の方向および２つの異常屈折率n_e1,n_e2の方向がそれ
ぞれ同一とする光導波路と、上記光学薄膜光導波層上に
形成され上記光導波路中を伝搬する導波光３の進行方向
と反対方向に伝搬して該導波光を上記光学基板内へ該光
学基板表面と角度θをなす方向へ射出せしめる機能をも
つ弾性表面波４を発生させる電極５とから成るコリニア
型光偏向器において、上記射出角度θおよび２つの常屈
折率n₀₁,n₀₂または２つの異常屈折率n_e1,n_e2の関係が、を満たすようにしたものである。

また上記光学基板がタンタル酸リチウムLiTaO₃基板で
あり、光学薄膜光導波層２がニオブ酸リチウムLiNbO₃ま
たはタンタルニオブ酸リチウムLiNb_xTa_1-xO₃,O＜ｘ１
またはタンタルニオブ酸リチウムマグネシウムLi_yMg_zNb
_xTa_1-xO₃,y＋z/21,0＜ｘ１薄膜光導波層で構成する
ようにしたものである。

また上記光学基板がタンタル酸リチウムLiTaO₃基板で
あり、光学薄膜光導波層が５酸化ニオブNb₂O₅または酸
化チタンTiO₂薄膜光導波層で構成するようにしたもので
ある。

本発明のコルニア型光偏向器の製造方法は上記タンタ
ルニオブ酸リチウムまたはタンタルニオブ酸リチウムマ
グネシウム薄膜光導波層を、タンタル酸リチウム基板上
方に３つないし４つのイオン源およびターゲットを有し
かつ基板付近に酸素を導入可能なイオンビームスパッタ
リング法により成膜した後、600℃〜1000℃の温度で酸
素雰囲気中でアニーリングすることにより作製するよう
にしたものである。

また上記タンタルニオブ酸リチウムまたはタンタルニ
オブ酸リチウムマグネシウム薄膜導波層を、該光学薄膜
原料粉末をフラックス存在下で酸素および水蒸気雰囲気
中で加熱溶融させて溶融体を形成する工程と、タンタル
酸リチウム基板の表面を上記溶融体に浸漬し、該溶融体
の温度を結晶析出温度に降下し、上記光学薄膜を液相エ
ビタキシャル成長させる工程とにより作製するようにし
たものである。

本発明の光偏向装置は上記光学基板上に形成された光
導波層から成る光導波路と上記光導波層上に形成された
弾性表面波励振用電極とから成るコリニア型光偏向器
と、上記光導波層内へ光を結合する手段とから構成する
ようにしたものであり、また上記光導波層内へ光を結合
する手段を該光導波層上に形成した回折格子から成るグ
レーティングカップラで構成するようにしたものであ
る。

本発明の光集積ヘッドは上記光学基板上に形成された
光導波層から成る光導波路と光導波層上に形成された弾
性表面波励振用電極とから成るコルニア型光偏向器とレ
ーザ光を上記光導波層内へ結合する光結合手段とを有す
る上記光偏向装置と、レーザ光の波長変動によるレーザ
光の上記光導波路への結合効率の低下を防止する第１の
回折格子と、上記光偏向器からの射出光の射出方向のレ
ーザ波長の変動に伴う変化を防止する第２の回折格子
と、該第２の回折格子を介した射出光を上記光導波路外
部空間の光記録媒体の記録・再生面上の一点へ走査可能
に収束するレンズ手段とを有して構成するようにしたも
のであり、また上記光偏向装置の光導波層上の弾性表面
波励振用電極と光結合手段との中間に平面回折格子を有
して構成するようにしたものであり、さらに上記第２の
回折格子と該第２の回折格子からの反射光を光記録媒体
面上へ収束させるレンズ手段とから成る光学系を光偏向
装置の基板側本体のヘッド固定部と機械的に分離して走
査駆動用アクチュエータに搭載したヘッド可動部として
構成するようにしたものである。

本発明の光情報記録再生装置は回転駆動制御手段によ
り回転する光記録媒体面と所定間隔をおいて半径方向に
アクチュエータにより走査駆動される光集積ヘッドを上
記光集積ヘッドで構成するようにしたものである。

〔作用〕

上記コリニア型光偏向器は第１図（ａ），（ｂ）に示
すように射出光６の射出角θおよび光学基板１および光
学薄膜光導波層２の常屈折率n₀₁,n₀₂または異常屈折率n
_e1,n_e2が、を満たす場合に高い効率のコリニア型光偏向器が得られ
る原理および作用について説明する。ここでは結晶基板
１としてタンタル酸リチウムLiTaO₃を用い、光学薄膜２
としてタンタルニオブ酸リチウムLiNb_xTa_1-xO₃,O＜ｘ
１を用いた場合を代表具体例として説明する。

この光学薄膜LiNb_xTa_1-xO₃は３方晶系に属する１軸性
結晶であり、その異方軸をｚ軸（ｃ軸）とし、６方表示
で（２０）方向をｘ軸とし、ｘ軸とｚ軸に垂直でか
つ右手系を構成するようにｙ軸をとる。今後はテンソル
表示の便を考えてｘをx₁とし、ｙをx₂とし、ｚをx₃とし
て記す。この直交座標系に対して誘電率テンソル［ε］
は対角成分のみゼロでなく、と書ける。［ε］の逆テンソルを［Ｂ］＝［ε］^-1 （２）と定義すると、となる。

このLiNb_xTa_1-xO₃に歪み（テンソル［Ｓ］で表示され
る）や、静電場（ベクトル^ｃで表示される）が加わる
と、テンソル［Ｂ］に変化が生じる。これをテンソル
［ΔＢ］で表示する。このときの光弾性効果ΔB_iJは、ただしP_ijklは光弾性テンソル、u_l,u_kは媒質の変位、と
書ける。また電気光学効果ΔB_ijは、ただしr_ijkは電気光学定数、と書ける。この両者が混在
する場合には、となる。

そこでLiNb_xTa_1-xO₃に例えば交差型電極を用いて弾性
表面波を発生させてその表面を伝搬させる場合を考える
と、弾性表面波は媒質の歪みが波となって表面近傍を伝
搬するものであるから歪み［Ｓ］を伴う。またこの歪み
［Ｓ］に伴い圧電効果によって圧電場^ｃが発生される
から、したがって弾性表面波により（７）式で示される
効果ΔB_ijが誘起される。

とくに第１図（ａ），（ｂ）に示すようにx₃軸に垂直
に切断したＺカットLiTaO₃基板１上に形成された圧電効
果と光弾性効果と電気光学効果をもつ光学薄膜２の場合
を考えると、交差型電極５はx₂軸と垂直に配置され、弾
性表面波４はx₂軸方向へ伝搬する。また光学薄膜光導波
層２には導波光３のx₁軸方向に偏光したTE波を伝搬させ
る。ここで弾性表面波４によりテンソル［ΔＢ］の非対
角成分ΔB₁₃が生じ、 ΔB₁₃＝2P₁₃₁₃S₁₃＋2P₁₃₁₂S₁₂ ＋2r₁₃₁▲Ｅ^C ₁▼ （８）と書ける。この非対角成分ΔB₁₃により導波光３のTE波
とこれに垂直なx₃方向に偏向したTM波の間にモード結合
が生じる。特にTM波が放射モードとなるように屈折率を
調整すれば、光導波層２から基板１外に射出光６を取り
出すことができる。この射出光６の射出角θは弾性表面
波４の波長Λで決まり、ただし（λは光の波長）、Ｎは導波TEモードの実効屈折率、ｍ
は整数、n_e1はLiTaO₃の異常屈折率、となる。この弾性
表面波４の波長Λは交差電極５に印加される高周波電圧
の周波数を変えることにより変化させることが可能であ
り、したがってその周波数により射出角θを変化させる
ことができるから光偏向器として動作する。

このコルニア光偏向器の効率ηは、 η＝１−ｅ^p2αＬ（10）ただしＬは弾性表面波４の伝搬長、αは放射損失係数、
と表わせる。この放射損失係数αは次式で表せる。

ここでn_e2はLiNb_xTa_1-xO₃の異常屈折率、n₀₂はその常
屈折率、ωは導波光の角周波数、Ｐは導波光パワー、ε
_０は真空誘電率、E₁（x₃）はTM放射モードの電場分布、
E₃（x₃）はTE放射モードの電場分布である。（10）〜
（12）式より大きな効率ηを得るためには大きな放射損
失系数αすなわち係数ｃを得る必要がある。大きなｃを
得るためには（12）式の積分（これを重なり積分と呼
ぶ）を大きくすることが必要であり、そのためにはE
₁（x₃）とE₃（x₃）の重なりが大きくなるように導波路
構造の最適化を行う必要がある。

いま特に光導波層２が単一モード（TE₀モード）のみ
伝搬する場合を想定する。この場合に基板１の層におい
てTE₀導波モードは、 E₁（x₃）∝exp（−γ_sx₃）（13）なる指数関数的な変化をする。一方のTM放射モードは、 E₁（x₁）∝sin（δ_sx₃＋Ａ）（14）なる３角関数的な変化を示す。したがってこれらの重な
りを大きくするには（13）式のTE₀モードのx₁方向の減
衰定数γ_ｓならびに（14）式のTEモードの周期を与える
定数δ_ｓの値が小さく、かつほぼ等しいことが重要であ
る。ここで、で与えられるから、定数δ_ｓの値が小さいためにはθが
小さいことが条件となる。

ここで一般の射出角θの大きい光偏向器を構成する場
合には、上記の条件のうちγ_ｓδ_ｓの方が重要とな
る。（15）式でＮは不等式、 n₀₁＜Ｎ＜n₀₂ を満足するから、γ_ｓδ_ｓが実現するためには、の条件を満たす必要があることになる。

第２図は第１図（ａ），（ｂ）の射出光６の角度θを
10度としたときの最大の放射損失係数２α_maxの値との値の関係を例示したものである。ただし２α_maxは基
板１の異常屈折率n_e1がLiTaO₃基板の2.181で、光学薄膜
の最大の常屈折率▲ｎ^max ₀₂▼がLiNbO₃の2.286で光学薄
膜の最大の異常屈折率▲ｎ^max _e2▼がLiNbO₃の2.200にそ
れぞれ固定し、基板１の常屈折率n₀₁のみを変化させる
ことにより、LiNb_xTa_1-xO₃薄膜の常屈折率n₀₂および異
常屈折率n_e2がｘに対してそれぞれ次式のように変わる
ものとして、ｘならびに薄膜の膜厚ｄを最適化して算出
した。

ただし交差型電極５の幅すなわち弾性表面波４の幅Ｗ＝
2.5mm、電極５のペア数N_IDT＝20となるように設計され
ている。第２図よりの値がn_e1sinθ＝0.379より小さくなると２α_maxが低下
することがわかり、よって（16）式の本発明による条件
は効率ηの高いコリニア型偏向器を構成するための極め
て重要な条件であることがわかる。

上記はTE導波モード方向（x₁方向）の屈折率を基板お
よび光学薄膜ともに常屈折率n₀₁,n₀₂により、TM放射モ
ード方向（x₃方向）の屈折率を基板および光学薄膜とも
に異常屈折率n_e1,n_e2にとったが、これらを逆にした場
合すなわちTE導波モード方向（x₁方向）の屈折率が異常
屈折率n_e1,n_e2となり、TM放射モード方向（x₃方向）の
屈折率が常屈折率n₀₁,n₀₂となった場合には（16）式の
条件は、となる。この場合も（16）′式の条件が満たされれば第
２図と同様に最大の放射損失係数２α_maxの大きな値を
得ることができ、よって（16）′の本発明による条件は
効率ηの高いコリニア型偏向器を構成するための重要な
条件となる。

つぎに実際にLiTaO₃基板１上にLiNb_xTa_1-xO₃薄膜を形
成した薄膜光導波層２を考える。このLiNb_xTa_1-xO₃薄膜
の屈折率は上記のように組成比ｘの次式のような関係が
ある。

ただし▲ｎ^LN ₀▼，▲ｎ^LN _e▼はそれぞれLiNbO₃の常屈
折率および異常屈折率である。

第３図は第１図（ａ），（ｂ）の最大の放射損失係数
２α_maxの値とLiNb_xTa_1-xO₃薄膜の組成比ｘとの関係を
射出光６の射出角度θをパラメータとして例示したもの
である。ただし交差型電極５の幅すなわち弾性表面波の
幅Ｗ＝2.5mm、電極のペア数N_IDT＝20であって上記と同
じ設計である。これよりいずれの放射角度θ＝2,5,7,10
度においても、組成比ｘを調整すれば２α_maxが10²m^-1
という極めて大きな放射損失係数αの値を得ることがで
きることがわかる。このα＝10²m^-1のときに弾性表面波
４の伝搬長Ｌを2cmとすれば、αＬ＝２であるから（1
0）式から光偏向器の効率η0.86という高い効率が得
られ、実用に供する光偏向器を構成することが可能であ
る。

上記は全て光学薄膜としてLiNb_xTa_1-xO₃,0＜ｘ１を
用いた場合を代表具体例として説明したが、光学薄膜の
組成をLi_yMg_zNb_xTa_1-x,y＋Z/2〜１としても同等の特性
が得られる。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を第４図から第８図により説明
する。

第４図は本発明によるコリニア型光偏向器およびその
製造方法の一実施例を示す構成斜視図である。第４図に
おいて、１は光学基板坂（ＺカットLiTaO₃基板）、２は
光学薄膜光導波層（LiNb_xTa_1-xO₃薄膜光導波層）、３は
導波光、４は弾性表面波、５は弾性表面波励振用電極
（交差型電極）、６は射出光、７は弾性表面波励振用高
周波電源、８は収束レンズ（集光レンズ）、９は光偏向
走査方向、10は弾性表面波４の吸収材である。

本コリニア型光偏向器は第１図（ａ），（ｂ）から第
３図により説明したように、屈折率の異方性を持つ常屈
折率n₀₁および異常屈折率n_e1の光学基板または等方性の
n₀₁＝n_e1の光学基板としてのＺカットLiTaO₃基板１と該
光学基板１上に形成された屈折率の異方性を持つ常屈折
n₀₂および異常屈折率n_e2の光学薄膜光導波層または等方
性のn₀₂＝n_e2の光学薄膜光導波層としてのLiNb_xTa_1-xO₃
薄膜光導波層２とから成り２つの常屈折率n₀₁,n₀₂の方
向および２つの異常屈折率n_e1,n_e2の方向がそれぞれ同
一とする光学基板１ならびに光学薄膜導波層２表面に垂
直方向の屈折率がそれぞれ異常屈折率n_e1,n_e2で平行方
向の屈折率がそれぞれ常屈折率n₀₁,n₀₂の光導波路と、
上記光学薄膜光導波層２上に形成され上記光導波路中を
伝搬する導波光３の進行方向と反対方向に伝搬して該導
波光を光学基板１内へ該基板表面と射出角度θをなす方
向へ射出せしめる機能をもつ弾性表面波４を発生させる
交差型電極５とから成り、上記射出角度θおよび２つの
常屈折率n₀₁,n₀₂または２つの異常屈折率n_e1,n_e2の関係
が、を満たすようにして高い光偏向効率ηを得るようにして
いる。これにより交差型電極５に投入する高周波電源７
の高周波電圧周波数を変えて射出光６の射出角θを変化
させることにより、収束レンズ８を通して一点に収束さ
れた光偏向走査方向９の偏向光が得られる。

つぎに第４図のLiNb_xTa_1-xO₃薄膜光導波層２の作製法
にイオンビームスパッタ法を用いたコリニア型光偏向器
の製造方法を説明する。まず一面を光学研摩したＺカッ
トのLiTaO₃基板１を図示しない４つのターゲットを持つ
イオンビームスパッタリング装置に取り付ける。ここで
使用したイオンビームスパッタリング装置は４つのター
ゲットにそれぞれ独立に、その粒子密度がコントロール
されたAr粒子を入射させることができる。ターゲットは
2NのLi₂Oターゲットと、4NのNbターゲットと、4NのTaタ
ーゲットの３種である。Arイオンの加速電圧はいずれも
1000Vである。組成比をコントロールするためArイオン
電流をLi₂Oターゲットに80mAで、Nbターゲットに70mA
で、Taターゲットに20mAとした。なお成膜時の装置真空
度は1.0×10^-4torrである。また基板近傍には酸素Ｏの
欠損を防止するためO₂ガスを20sccmで、Arガスを10sccm
流した。成膜時の基板温度は600℃である。上記工程に
より組成比ｘ＝0.75のLiNb_0.75Ta_0.25O₃薄膜膜厚0.3μ
ｍを成膜した。その後に作製した薄膜を更にO₂ガス雰囲
気において800℃でアニールしてO₂の欠損を補償した。

この作製したLiNb_0.75Ta_0.25O₃薄膜表面を光学研摩し
た後、ルチルプリズムを用いて波長λ＝633nmのHe−Ne
レーザ光を導入して薄膜の屈折率を調べたところ、光導
波路にはTE₀波が励振され、その実効屈折率はＮ＝2.197
であった。また２プリズム法によって光伝搬損失を測定
したところ1bB/cmという良好な値を得た。

上記光学薄膜光導波層２上にアルミニウムから成る弾
性表面波励振用電極５を通常のフォトリソグラフィ技術
により作製した。本実施例のＺカットLiNb_xTa_1-xO₃,x＝
0.75薄膜のx₂軸方向の弾性表面波４の伝搬速度は3700m/
sであり、交差型電極５のピッチΛ＝12.9μｍ、幅Ｗ＝
2.5mm、弾性表面波４の伝搬長Ｌ＝20mmである。またそ
の中心周波数f₀＝287MHzとすれば、回折次数ｍ＝−１次
の光を利用したときの射出角度θは10度であり、電極５
のペア数に対し偏向角は空気中で６度である。

この作製した光偏向器の電気機械結合係数K²の値をネ
ットワークアナライザを用いた放射コンダクタンス測定
から算出するとK²＝0.02であり、単結晶LiNbO₃に近い良
好な値を得た。さらに上記薄膜光導波路中へλ＝633nm
のHe−Neレーザ光をプリズムカップラによって結合し、
TE₀波を励振して光偏向効率ηを測定したところ、投入
電力0.5Wでη＝90％という極めて高い効率が得られた。

なお上記の作製法において、ターゲットとしてMgOを
用いてArイオン電流を制御することにより、Li_yMg_zNb_xT
a_1-xO₃薄膜を成長させることが可能である。その組成と
してはｙ＋z/2１かつ０＜ｘ１であることが望まし
い。

つぎに第４図のLiNb_xTa_1-xO₃薄膜光導波層２作製法に
液相エビキタシャル成長法を用いたコリニア型光偏向器
の製造方法を説明する。まずエビタキシャル成長時の溶
融体の調整を行った。光導波層材料としてLiNb_xTa_1-xO₃
が20モル％で、フラックス材料のホウ酸リチウムLi₂B₂O
₄が80モル％となるように、原料として炭酸リチウムLi₂
CO₃,オウ酸H₃BO₃、５酸化ニオブNb₂O₅、５酸化タンタル
Ta₂O₅の各粉末を秤量し、これらの混合物を乳鉢でよく
混合したのち、白金るつぼ内へ入れて電気炉中で酸素お
よび水蒸気の雰囲気中下で1200℃の温度で３時間加熱
し、均一の溶融体を作製した。この溶融体を800℃まで6
0℃/hの冷却速度で徐冷し、Ｚカットの一面が光学研摩
されたLiTaO₃基板を上記溶融体中に10分間浸漬した。つ
いで溶融体と基板とを分離し、基板を炉中で室温まで30
℃/hの冷却速度で徐冷し、基板上に0.35μｍのLiNb_xTa
_1-xO₃薄膜を成長させた。このエビタキシャル薄膜の組
成はLi:（Ta＋Nb）の原子比がほぼ1:1であり、組成比ｘ
の値は0.25であって、化学量論的に分子式LiNb_0.75Ta
_0.25O₃を満足するものである。なお上記フラックス材料
の添加は70〜90モル％の範囲にすることが望ましい。ま
た浸漬時間は薄膜の厚さによって異なるが、膜厚が0.5
〜３μｍ程度であれば10〜30分間である。またフラック
ス材料と光導波層材料の混合物を加熱溶融させる温度は
組成比ｘの値により異なるが、混合物の融点プラス200
℃程度が好ましい。

この作製されたLiNb_0.75Ta_0.25O₃薄膜に波長λ＝633n
mのHe−Neレーザをプリズムカップラで入射させたとこ
ろ、１本のTEモード（TE₀モード）のみが励振され、そ
の等価屈折率N₀＝2.197であった。また通常の２プリズ
ム法により光伝搬損失を評価したところ上記波長光に対
して1.1dB/cmという極めて良好な値が得られた。これは
組成がストイキオメトリ（化学量論的）な欠陥の少ない
単結晶薄膜が形成されているためである。

上記光学薄膜光導波層２上にアルミニウムから成る弾
性表面波励振用電極５を通常のフォトリソグラフィ技術
により形成した。本実施例のＺカットLiNb_xTa_1-xO₃薄膜
のx₂軸方向の弾性表面波４の伝搬速度は3700m/sであ
り、交差型電極５のピッチΛ＝12.9μｍ、幅Ｗ＝2.5m
m、弾性表面波の伝搬長Ｌ＝20mmである。また中心周波
数f₀＝287MHzとすれば回折次数ｍ＝−１次の光を利用し
たときに出射角θは10度で、電極５のペア数20に対し偏
向角は空気中で約６度である。

この作製した光偏向器の電気機械結合係数K²の値をネ
ットワークアナライザを用いた放射コンダクタンス測定
から算出するとK²＝0.015であり、単結晶LiTaO₃以上の
良好な値が得られた。さらに上記薄膜光導波路中へλ63
3nmのHe−Neレーザ光をプリズムカップラによって結合
し、TE₀波を励振して光偏向器の光偏向効率ηを測定し
た結果、投入電力0.5Wでη＝85％という極めて高い効率
が得られた。この効率の値は上記従来例の値と同等であ
るが、しかし従来例の電極幅Ｗが40μｍと小さいのに対
して本実施例の電極幅Ｗは2.5mmと60倍以上であり、弾
性表面波４の密度は1/60以下であることから実効的には
60倍以上の効率が得られたことになる。この理由は１つ
にはバルクLiNbO₃並の大きな電気光学係数γ_ijkおよび
光弾性係数P_ijklを持つ結晶性のよいLiNb_xTa_1-xO₃薄膜
が作製できたことと、２つには光導波路の屈折率分布が
階段状であり、TE₀導波モードとTM放射モードの電場分
布の重なりを大きくとれたことが挙げられる。

なお上記の作製法において、酸化物原料材料にMgOを
混合すればLi_xMg_zNb_xTa_1-xO₃薄膜を成長させることも可
能である。その組成比としてはｙ＋z/2１かつ０＜ｘ
１であるることが望ましい。

第５図は本発明によるコリニア型光偏向器およびその
製造方法の他の実施例を示す構成斜視図である。第５図
において、１は光学基板（ＺカットLiTaO₃基板）、11は
光学薄膜光導波層（Nb₂O₅薄膜光導波層）、３は導波
光、４は弾性表面波、５は弾性表面波励振用電極（交差
型電極）、12はZ_nO薄膜、13はバッファ層（コーニング5
059ガラスバッファ層）、６は射出光、７は弾性表面波
励振用高周波電源、８は収束レンズ（集光レンズ）、９
は光偏向走査方向、10は弾性表面波吸収材である。

本コリニア型光偏向器は第１図（ａ），（ｂ）から第
３図に説明した光学基板１としてのＺカットLiTaO₃基板
と該光学基板１上に形成されたバッファ層としてのコー
ニング7059ガラスバッファ層13上に形成された光学薄膜
光導波層２としてのNb₂O₅薄膜光導波層11から成る光導
波路と、上記Nb₂O₅薄膜光導波層11上に一部形成されたZ
_nO薄膜12上に形成された弾性表面波励振用電極（交差型
電極）５とから成り、上記光学基板１の基板表面に垂直
方向の屈折率が異常屈折率n_e1で平行方向の屈折率が常
屈折率n₀₁としている。

つぎに第５図のコリニア型光偏向器の製造方法を説明
する。本実施例の光偏向器のNb₂O₅薄膜11およびZ_nO薄膜
12はいずれもO₂を用いた反応性スパッタリング法で成膜
した。そのターゲットはNb₂O₅薄膜の場合は4NのNbで、Z
_nO薄膜の場合はZ_nO焼結体である。またバッファ層13は
コーニング社のガラス（商品名7059）を該ガラスターゲ
ットを用いてO₂を導入しないで成膜した。

まずＺカットLiTaO₃基板１上にスバッタリングにより
コーニング7059ガラスバッファ層13を膜厚10nm成膜す
る。ついでNb₂O₅薄膜11をO₂反応性スパッタリングによ
り膜厚350nm成膜した。この成膜したNb₂O₅薄膜の屈折率
はエリプソメータの測定により、波長λ＝633nmのHe−N
eレーザ光に対してn_e2＝n₀₂＝2.262である。また得られ
たNb₂O₅薄膜にプリズムカップラで上記レーザ光を導入
したところ31本のTE₀モードが励振され、その実効屈折
率N₀＝2.192であった。また２プリズム法により上記レ
ーザ光に対する光伝搬損失を測定したところ1.5dB/cmと
いう良好な値を得た。

つぎにO₂反応性スパッタリングによりnZO薄膜を膜厚6
0nm成膜した後、弾性表面波励振用電極５を形成する部
分のみ通常フォトリソグラフィ技術により、フォトレジ
ストによるマスクを作製する。ついでArを用いたドライ
エッチングによりマスク部以外のZ_nO薄膜を除去し、残
されたZ_nO薄膜12上弐アルミニウムから成る交差電極５
を通常のフォトリングランフィ技術を用いて作製した。
なお電極仕様は第４図のイオンビームスパッタ法て作製
されたLiNb_xTa_1-xO₃薄膜２上に形成されたものと全く同
一である。上記作製された光偏向器に0.5Wの電力を投入
したところη＝0.80の光偏向効率が得られた。

なお上記光導波層薄膜としてO₂反応性スパッタリング
法により成膜した酸化チタンTiO₂薄膜を用いても同等の
特性の光偏向器が構成できる。

第６図は本発明による第４図のコニリア型光偏向器を
用いた光偏向装置を搭載した追記型光ディスク用の薄膜
光集積ヘッドの一実施例を示す構成斜視図である。第６
図において、14は半導体レーザ、15はコリメータレン
ズ、16は色収差補正用透過型回折格子（第１の回折格
子）、17は光偏向装置の回折格子から成るグレーティン
グカップラ（光結合手段）、19は偏向ビームスプリッ
タ、18はビームエキスパンダ、20はλ/4板、21は色収差
補正用反射型回折格子（第２の回折格子）、22は対物レ
ンズ（レンズ手段）、23は光ディスク（光記録媒体）、
24は収束レンズ、25はハーフミラー、26は２分割ホトセ
ンサ、27は４分割ホトセンサである。

上記構成で、半導体レーザ14からの出射光はコリメー
タレンズ15で平行光にされ、さらに色収差補正用回折格
子16により伝搬方向を補正された後、光偏向装置のグレ
ーティングカップラ（光結合手段）17により光偏向器の
LiTaO₃基板１上のLiNb_xTa_1-xO₃薄膜光導波層２に結合さ
れる。ついでこの導波光３は交差型電極５によって発生
された弾性表面波４により基板１内へ射出せしめられ
る。このさい電極５に投入される交流電圧の中心周波数
f₀を変えることにより、射出光６の射出角θを変化せし
められる。さらに射出光６は光ビームエキスパンダ系18
で拡大され、偏光ビームスプリッタ19を通過し、λ/4板
20で円偏光され、色収差補正用反射型回折格子21により
その伝搬方向を補正された後、対物レンズ22により光デ
ィスク23上に結像される。一方の光ディスク23からの反
射光は偏向ビームスプリッタ19で反射され、収束レンズ
24で集光された後、ハーフミラー25により２方向に分割
され、２分割ホトセンサ26および４分割ホトセンサ27上
に導かれ、再生信号26aおよびトラッキング誤差信号26b
ならびにフォーカシング誤差信号27aの検出が行われ
る。

本実施例の光集積ヘッドはアクチュエータに搭載する
ヘッド可動部が反射型回折格子21および対物レンズ22で
構成される光学系となり、残り大半の部分が固定とな
る、そしてこのアクチュエータに搭載したヘッドの可動
部光学系と、このヘッド本体を構成する固定部とを機械
的に分離し、これを光学的に結合してヘッド全体を構成
している。したがってヘッドの可動部が極めて小形かつ
軽量となり、また数トラックから10トラックのミクロな
アクセスが弾性表面波励振電極５に投入する交流電圧の
中心周波数f₀を変えることにより行えるためアクセス時
間を大幅に短縮できる。

なお第６図のようにヘッドを固定部と可動部に分ける
ことなく、一体型にしてこの一体型ヘッドをアクチュエ
ータに搭載してもよい。また本実施例では追記型光ディ
スク装置を例に説明したが、検出光学系を適当に構成す
ることにより、相変化型光ディスクや光磁気ディスク等
の書き換え可能型の光ディスクにも応用できる。

第７図は本発明による第４図のコリニア型光偏向器を
用いた光偏向装置を搭載した薄膜光集積ヘッドの他の実
施例を示す構成斜視図である。第７図において、第６図
と同一符号は相当部分を示すものとし、28はプリズム、
29は平面回折格子、30はプリズム、31は収束光、32は集
光ビームスプリッタ、33は５分割フォトダイオードであ
る。

上記構成で、半導体レーザ14からの出射光はコリメー
タレンズ15で平行光にされ、プリズム28で屈折されて色
収差補正用回折格子16により伝搬方向を補正された後、
光偏向装置のグレーティングカップラ（光結合手段）17
により光偏向器のLiTaO₃基板１上のLiNb_xTa_1-xO₃薄膜光
導波層２に結合される。ついでこの導波光３は３ビーム
形成用平面回折格子29により、±１次の極めて弱い回折
光を生じさせる。これにより光ディスク装置の３スポッ
ト法によるトラッキング誤差の信号検出が可能となる。
つぎに導波光３は交差型電極５によって発生された弾性
表面波４により基板１内へ射出せしめられる。このさい
電極５へ投入する交流電圧の中心周波数f₀を変えること
により、射出光６の射出角θを変化させることができ
る。さらに射出光６はプリズム30で屈折された後、色収
差補正用反射型回折格子21により伝搬方向を補正され、
対物レンズ22により収束光31として光ディスク23上へ結
像される。一方の光ディスク23からの反射光は対物レン
ズ22および反射型回折格子21を通り、光偏向器の基板１
表面で全反射し、その対向面に設けられた集光ビームス
プリッタ32で２分割され、５分割フォトダイオード33上
へ集束されて信号の検出が行われる。

本実施例の光集積ヘッドはアクチュエータに搭載され
るヘッドの可動部が反射型回折格子21と対物レンズ22で
構成される光学系となり、残り大半の部分が固定とな
る。そしてこのアクチュエータに搭載したヘッドの可動
部光学系とこのヘッド本体を構成する固定部とを分離
し、これを光学的に結合してヘッド全体を構成してい
る。したがってヘッドの可動部が極めて小形かつ軽量と
なり、また数トラックから10トラックのミクロアクセス
が弾性表面波励振用電極５に投入する交流電圧の中心周
波数を変えることにより行えるためアクセス時間を大幅
に短縮できる。

第８図は本発明による第６図の光集積ヘッドを搭載し
た光情報記録再生装置の一実施例を示す構成図である。
第８図において、34はヘッド可動部、35はヘッド固定
部、36は信号処理装置、37はアクチュエータ、38は走査
制御手段、39はモータ、40は回転駆動制御手段である。

この構成で、回転駆動制御手段40で制御されるモータ
39により光ディスク（光記録媒体）23を回転駆動する。
この回転する光ディスク（光記録媒体）23面と所定間隔
をおいて光ディスク23の半径方向に光集積ヘッドのヘッ
ド可動部34を走査制御手段38で制御されるアクチュエー
タ37により走査駆動する。これにより信号処理手段36で
信号処理されるヘッド固定部35よりヘッド可動部34を通
して光情報の記録・再生を行う。

本実施例の光情報記録再生装置は光集積ヘッドのヘッ
ド可動部34を構成する第６図の反射型回折格子21および
対物レンズ22から成る光学系のみがアクチュエータ37上
に搭載されており、光集積ヘッドの本体を構成するヘッ
ド固定部35はヘッド可動部34と光学的に結合されている
が機械的には分離されている。したがって光集積ヘッド
全体の構成としては機能によりヘッド可動部34とヘッド
固定部35に２分割されるが、アクチュエータ37上にはヘ
ッド可動部34を成す小形軽量の光学系のみが搭載されて
いるので、アクセスには極めて有利であってアクセス時
間を20msec以下にすることができた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高効率のコリニア型光偏向器および
その製造方法の提供を可能とし、これを用いた高効率の
光偏向装置ならびにそれを応用した小形軽量で高速アク
セス可能な高集積ヘッドさらにはその光集積ヘッドの可
動部をアクチュエータに搭載した光情報記録再生装置が
それぞれ実現される効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ）は本発明によるコリニア型光偏向
器の原理説明用平面図および断面図、第２図は第１図
（ａ），（ｂ）の射出角θ＝10度のときのと最大放射損失係数２α_maxの関係図、第３図は第１図
（ａ），（ｂ）のLiNb_xTa_1-xO₃薄膜の組成比ｘと最大放
射損失係数２α_maxの関係図、第４図は本発明によるコ
リニア型光偏向器およびその製造方法の一実施例を示す
構成斜視図、第５図は本発明によるコリニア型光偏向器
およびその製造方法の他の実施例を示す構成斜視図、第
６図は本発明による第４図の光偏向器を用いた光偏向装
置を搭載の光集積ヘッドの一実施例を示す構成斜視図、
第７図は本発明による同じく光集積ヘッドの他の実施例
を示す構成斜視図、第８図は本発明による第６図の光集
積ヘッドを搭載した光情報記録再生装置の一実施例を示
す構成図、第９図は従来のブラッグ型光偏向器を例示す
る構成斜視図、第10図は従来のコリニア型光偏向器を例
示する構成斜視図である。１……光学基板（LiTaO₃基板）、２……光学薄膜光導波
層（LiNb_xTa_1-xO₃薄膜光導波層）、３……導波光、４…
…弾性表面波、５……弾性表面波励振用電極（交差型電
極）、６……射出光、７……高周波電源、８……収束レ
ンズ、９……光偏向走査方向、10……弾性表面波吸収
材、11……光学薄膜光導波層（Nb₂O₅薄膜光導波層）、1
2……Z_nO薄膜、13……コーニング5059ガラスバッファ
層、14……半導体レーザ、15……コリメータレンズ、16
……色収差補正用透過型回折格子（第１の回折格子）、
17……グレーティングカップラ（光結合手段）、18……
ビームエキスパンダ、19……偏向ビームスプリッタ、20
……λ/4板、21……色収差補正用反射型回折格子（第２
の回折格子）、22……対物レンズ（レンズ手段）、23…
…光ディスク（光記録媒体）、24……収束レンズ、25…
…ハーフミラー、26……２分割ホトセンサ、27……４分
割ホトセンサ、28……プリズム、29……平面回折格子、
30……プリズム、31……収束光、32……集光ビームスプ
リッタ、33……５分割フォトダイオード、34……ヘッド
可動部、35……ヘッド固定部、36……信号処理手段、37
……アクチュエータ、38……走査制御手段、40……回転
駆動制御手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者日良康夫神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者佐藤秀己神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者福島貴子神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者芝正孝神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者稲垣晃神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者吉田実神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02F 1/335

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】屈折率の異方性を持つ常屈折率n₀₁および
異常屈折率n_e1の光学基板または等方性のn₀₁＝n_e1の光
学基板と該光学基板上に形成された屈折率の異方性を持
つ常屈折率n₀₂および異常屈折率n_e2の光学薄膜光導波層
または等方性のn₀₂＝n_e2の光学薄膜光導波層とから成り
２つの常屈折率n₀₁,n₀₂の方向および２つの異常屈折率n
_e1,n_e2の方向がそれぞれ同一とする光導波路と、上記光
学薄膜光導波層上に形成され上記光導波路中を伝搬する
導波光の進行方向と反対方向に伝搬して該導波光を上記
光学基板内へ該光学基板表面と角度θをなす方向へ射出
せしめる機能を持つ弾性表面波を発生させる電極とから
成るコリニア型光偏向器において、であることを特徴とするコリニア型光偏向器。
【請求項２】上記光学基板がタンタル酸リチウムLiTaO₃
基板であり、上記光学薄膜光導波層がニオブ酸リチウム
LiNbO₃薄膜光導波層またはタンタルニオブ酸リチウムLi
Nb_xTa_1-xO₃,O＜ｘ１薄膜光導波層であることを特徴と
する請求項１記載のコリニア型光偏向器。
【請求項３】上記光学基板がタンタル酸リチウムLiTaO₃
基板であり、上記光学薄膜光導波層がニオブ酸リチウム
マグネシウムLi_yMg_zNbO₃,y＋z/2１薄膜光導波層また
はタンタルニオブ酸リチウムマグネシウムLi_yMg_zNb_xTa
_1-xO₃,y＋z/21,0＜ｘ１薄膜光導波層であることを
特徴とする請求項１記載のコリニア型光偏向器。
【請求項４】上記光学基板および光学薄膜光導波層の表
面に垂直方向の屈折率がそれぞれ異常屈折率n_e1,n_e2で
あり、同じく平行方向の屈折率がそれぞれ常屈折率n₀₁,
n₀₂であることを特徴とする請求項２または請求項３記
載のコリニア型光偏向器。
【請求項５】上記光学基板がタンタル酸リチウムLiTaO₃
基板であり、上記光学薄膜光導波層が５酸化ニオブNb₂O
₅薄膜光導波層または酸化チタンTiO₂薄膜光導波層であ
ることを特徴とする請求項１記載のコリニア型光偏向
器。
【請求項６】上記光学基板の表面に垂直方向の屈折率が
異常屈折率n_e1であり、同じく平行方向の屈折率が常屈
折率n₀₁であることを特徴とする請求項５記載のコリニ
ア型光偏向器。
【請求項７】上記タンタルニオブ酸リチウムLiNb_xTa_1-x
O₃,O＜ｘ１薄膜光導波層または上記タンタルニオブ酸
リチウムマグネシウムLi_yMg_zNb_xTa_1-xO₃,y＋z/21,0＜
ｘ１薄膜光導波層は上記タンタル酸リチウムLiTaO₃基
板上方に３個または４個のイオン源およびターゲットを
有し、かつ同基板付近に酸素を導入可能なイオンビーム
スパッタリング法により成膜することを特徴とする請求
項２または請求項３または請求項４記載のコリニア型光
偏向器の製造方法。
【請求項８】上記タンタルニオブ酸リチウムLiNb_xTa_1-x
O₃,O＜ｘ１薄膜光導波層または上記タンタルニオブ酸
リチウムマグネシウムLi_yMg_zNb_xTa_1-xO₃,y＋z/21,0＜
ｘ１薄膜光導波層は上記イオンビームスパッタリング
法により成膜した後、温度600℃〜1000℃で酸素雰囲気
中でアニーリングすることにより作製することを特徴と
する請求項７記載のコリニア型光偏向器の製造方法。
【請求項９】上記タンタルニオブ酸リチウムLiNb_xTa_1-x
O₃,O＜ｘ１薄膜光導波層または上記タンタルニオブ酸
リチウムマグネシウムLi_yMg_zNb_x Ta_1-xO₃,y＋z/21,0
＜ｘ１薄膜光導波層は該光学薄膜原料粉末をフラック
ス存在下の酸素および水蒸気雰囲気中で加熱溶融させて
溶融体を形成する工程と、上記タンタル酸リチウムLiTa
O₃基板表面を上記溶融体に浸漬して該溶融体温度を結晶
析出温度に降下することにより上記薄膜光導波層を液相
エピタキシャル成長させる工程とにより作製することを
特徴とする請求項２または請求項３または請求項４記載
のコリニア型光偏向器の製造方法。
【請求項１０】上記光学基板と該光学基板上に形成され
た光学薄膜光導波層とから成る光導波路と上記光学薄膜
光導波層上に形成された弾性表面波励振用電極とから成
る請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のコリニ
ア型光偏向器と、上記光学薄膜光導波層内へ光を結合す
る光結合手段とを有して成ることを特徴とする光偏向装
置。
【請求項１１】上記光学薄膜光導波層内へ光を結合する
光結合手段は上記光学薄膜光導波層上に形成した回折格
子から成るグレーティングカップラで構成したことを特
徴とする請求項10記載の光偏向装置。
【請求項１２】レーザ光源のレーザ光を光学基板上に形
成された光導波層から成る光導波路に導き、その導波光
をさらに光導波路外部空間に配置される光記録媒体の記
録・再生面上に走査可能に集光して該記録・再生面から
の反射光を受光・検出する手段を備えた光集積ヘッドに
おいて、上記光学基板上に形成された光導波層から成る
光導波路と上記光導波層上に形成された弾性表面波励振
用電極とから成るコルニア型光偏向器と上記レーザ光を
上記光導波層内へ結合する光結合手段とを有する請求項
10または請求項11記載の光偏向装置と、上記レーザ光の
波長変動によるレーザ光の上記光導波路への結合効率の
低下を防止する第１の回折格子と、上記光偏向器からの
射出光の射出方向のレーザ波長の変動に伴う変化を防止
する第２の回折格子と、該第２の回折格子を介した上記
射出光を上記光導波路外部空間の光記録媒体の記録・再
生面上へ収束させるレンズ手段とを有して成ることを特
徴とする光集積ヘッド。
【請求項１３】上記光偏向装置の光偏向器の光導波層上
の弾性表面波励振用電極と光結手段との中間に設けられ
た平面回折格子を有して成ることを特徴とする請求項12
記載の光集積ヘッド。
【請求項１４】上記第２の回折格子と該第２の回折格子
からの反射光を上記光記録媒体の記録・再生面上へ収束
されるレンズ手段とから成る光学系を上記光偏向装置の
光偏向器の光導波層の形成された基板側本体のヘッド固
定部と機械的に分離して走査駆動用アクチュエータに搭
載したヘッド可動部として成ることを特徴とする請求項
12または請求項13記載の光集積ヘッド。
【請求項１５】光記録媒体を回転駆動する回転駆動制御
手段と、上記回転する光記録媒体面と所定間隔をおいて
該光記録媒体の半径方向に走査駆動することにより光情
報の記録・再生を行う光集積ヘッドおよび該光集積ヘッ
ドを搭載して走査駆動するアクチュエータとを備えた光
情報記録再生装置において、上記アクチュエータに搭載
される光集積ヘッドを請求項12から請求項14のいずれか
１項に記載の光集積ヘッドで構成して成ることを特徴と
する光情報記録再生装置。