JP2887567B2

JP2887567B2 - 光変調複合素子

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Publication number: JP2887567B2
Application number: JP27723494A
Authority: JP
Inventors: 恵一梨本
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1994-01-14
Filing date: 1994-10-18
Publication date: 1999-04-26
Anticipated expiration: 2014-04-26
Also published as: JPH07245450A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザー上に、
半導体レーザーの基板に対してエピタキシャルまたは配
向性であるＡＢＯ ₃ 型強誘電体薄膜光導波路を有する光
変調素子が設けられた構造を有し、この光変調素子が半
導体レーザー光を偏向または波長変換した後、レーザー
光として放出することが可能な光変調複合素子に関し、
デジタル・コピー機やレーザー・プリンター用のレーザ
ー光変調素子、光ディスク用のピックアップ、光通信や
光コンピューター用の光スイッチなどを含むオプト・エ
レクトロニクス全般にわたって利用可能な光変調複合素
子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＡＢＯ₃型ペロブスカイト酸化物に代表
される強誘電体は、強誘電性、圧電性、焦電性、電気光
学効果、非線形光学効果などの多くの性質を有すること
により、不揮発性メモリーを始めとして表面弾性波素
子、赤外線焦電素子、音響光学素子、電気光学素子、第
二次高調波素子など多くの応用が期待されている。これ
らのうち光変調素子としては、従来のセラミックや単結
晶材料を用いたバルク音響光学素子またはバルク電気光
学素子があるが、大きさが大きく、駆動電圧が高かっ
た。また、これらのなかで薄膜光導波路構造を持った第
二次高調波素子、光変調素子などへの応用に対しては、
Ｔｉ拡散型の単結晶ＬｉＮｂＯ₃光導波路を有する光変
調素子や、気相成長によるサファイア基板上へのＰｂ
_1-xＬａ_x（Ｚｒ_1-ｙＴｉ_y）_1-x/4Ｏ₃薄膜や、Ｌｉ
ＮｂＯ₃薄膜などによるエピタキシャル薄膜光導波路の
酸化物単結晶基板への形成等、数多く報告されている。

【０００３】例えば、Ｔｉ拡散型の単結晶ＬｉＮｂＯ₃
光導波路を有する光変調素子としては、周期的ドメイン
反転構造を有するＴｉ拡散型単結晶ＬｉＮｂＯ₃光導波
路による第二次高調波素子（Ｋ．Ｙａｍａｍｏｔｏ他，
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７０（１９９１）１９４７）
や、表面弾性波を用いた音響光学効果による光スキナー
（羽鳥他，「信学技報」ＯＱＥ８８−１３９（１９８
９）９）などがある。また、薄膜光導波路を有する光変
調素子としては、サファイア基板上に形成されたエピタ
キシャルＰｂ_1-xＬａ_x（Ｚｒ_1-ｙＴｉ_y）_1-x/4Ｏ₃
薄膜光導波路による電気光学効果を用いた全反射型（Ｔ
ＩＲ）光スイッチ（Ｈ．Ａｄａｃｈｉ他，Ｊｐｎ．Ｊ．
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２４，ｓｕｐｐｌ．２４−２（１
９８５）２８７）や、配向性の多結晶圧電体ＺｎＯ薄膜
光導波路をＧａＡｓ基板上に形成した構造の、表面弾性
波を用いた音響光学効果による光偏向素子（Ｃ．Ｊ．Ｌ
ｉｉ他，ＩＥＥＥＪ．ＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒ
ｏｎ．ＱＥ−２２，６（１９８６）８６８）などがあ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の単結晶を用いた拡散光導波路を有する光変調素子や酸
化物単結晶基板に形成された薄膜光導波路を有するハイ
ブリッド薄膜電気光学素子では、半導体レーザーから電
気光学素子への光のカップリング効率が問題となってお
り、未だ満足のいくものではない。また、これら薄膜光
導波路の場合には、ハイブリッドであるためさらに小さ
くする余地があり、コストも高かった。一方、強誘電体
光変調素子の半導体レーザーとの集積化のためには、Ｇ
ａＡｓ基板上への強誘電体薄膜のエピタキシャル成長が
必要である。エピタキシャル薄膜は、単結晶の入手性お
よび単結晶を用いた光導波路作製の複雑さ、薄膜光導波
路の場合には光導波路モードのための屈折率条件や低光
損失化と単結晶なみの特性を得るため、などの理由によ
り不可欠である。しかしながら、ＧａＡｓへの強誘電体
薄膜のエピタキシャル成長は、高成長温度、ＧａＡｓと
強誘電体との間の相互拡散、ＧａＡｓの酸化などのため
に難しかった。

【０００５】これに対し、本発明者は、低温でＧａＡｓ
基板上にエピタキシャル成長し、強誘電体薄膜のエピタ
キシャル成長を助け、かつ拡散バリアとしても働くＧａ
Ａｓに対するキャッピング層を設けることについて探索
し、エキシマ・レーザー・デポジション法により、わず
か２５０℃でＧａＡｓ（１００）にエピタキシャル成長
することが可能なＭｇＯを見いだし、さらにこの上にＢ
ａＴｉＯ₃などをエピタキシャル成長させることに成功
し、特願平４−３１９２２８号、特願平４−３１９２３
０号および特願平４−３５８０５０号として提案した。
この際の結晶学的関係は、例えば、ＧａＡｓ上のＢａＴ
ｉＯ₃についてはＢａＴｉＯ₃（００１）//ＭｇＯ（１
００）//ＧａＡｓ（１００）、面内方位ＢａＴｉＯ
₃［１００］//ＭｇＯ［００１］//ＧａＡｓ［００１］
であり、正方晶系の強誘電体の分極方向が基板面に対し
て垂直な構造を作ることができた。また、さらに面内方
位はランダムであるが配向性のＡＢＯ₃（１１１）//Ｍ
ｇＯ（１１１）//ＧａＡｓ（１００）またはＡＢＯ
₃（０００１）//ＭｇＯ（１１１）//ＧａＡｓ（１０
０）を作製することに成功し、特願平５−１４９８７１
号として提案した。この発明は、上記のような実情に鑑
みてなされたものである。したがって、この発明の目的
は、半導体レーザー上に半導体レーザーの基板に対して
エピタキシャルまたは配向性である強誘電体薄膜光導波
路を有する光変調素子を設けることにより、半導体レー
ザー光が変調されたレーザー光を放出することが可能な
半導体レーザーと光変調素子が一体化された小型、低コ
スト、高効率なオプト・エレクトロニクス素子を提供す
ることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記提案し
た技術に基づいた、半導体レーザーと集積化（一体化）
されたモノリシック光変調素子の可能性について検討を
続け、本発明の音響光学効果、電気光学効果、または非
線形光学効果を利用する半導体レーザー集積化強誘電体
薄膜光変調複合素子を完成するに至った。

【０００７】本発明による光変調複合素子の構成につい
てさらに詳細に説明すると、半導体レーザーに対してエ
ピタキシャルまたは配向性であるＡＢＯ₃型の強誘電体
薄膜光導波路が設けられており、半導体レーザー光はこ
の強誘電体薄膜光導波路で変調された後、レーザー光と
して放出される。本発明において用いる前記半導体レー
ザーは、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）またはモレキ
ュラー・ビーム・エピタキシー（ＭＢＥ）によって作製
され、化合物半導体であるＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、Ａｌ
Ｐ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳ
ｂ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎ
Ａｓ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＳｂ、Ｇ
ａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、II−VI系の化合物半導体で
あるＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴ
ｅ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＣｄＳより選ばれる材料によ
って構成されるが、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓが多く
の場合、主要な好ましい材料である。この半導体レーザ
ーは、単数または複数のレーザースポット（またはビー
ム）を発振する。単数の場合に比べて複数のレーザース
ポットを用いる場合には、例えば、後述の音響光学効果
による光偏向は高速化が可能となると共に、単位面積当
りのレーザー照射エネルギー密度を増加させることが可
能となる。

【０００８】エピタキシャルまたは配向性であるＡＢＯ
₃ 型強誘電体薄膜光導波路は、上記化合物半導体レーザ
ー上にＭｇＯよりなるバッファ層を介して形成すること
が可能である。ここで、ＡＢＯ ₃ 型強誘電体の屈折率は
一般にＧａＡｓよりも小さいが、強誘電体よりも小さい
屈折率をもつＭｇＯよりなるバッファ層を用いると、レ
ーザー光をＡＢＯ ₃ 型強誘電体薄膜光導波路中に閉じ込
めることが可能となり、また屈折率の差により必要とす
る強誘電体の膜厚が決まる。例えば、ＢａＴｉＯ₃の屈
折率ｎ₀＝２．４１（６３３ｎｍ）に対してエピタキシ
ャル成長の基板として用いられるＳｒＴｉＯ₃の屈折率
は２．３９９、ＭｇＯの屈折率は１．７３５であり、こ
の際、プリズム・カップリングにより光導波路モードと
するために、理論上必要なＢａＴｉＯ₃の最小膜厚は、
ＴＥ1 モード（電場が表面に垂直で光導波路中での位相
差が２πのモード）では、ＳｒＴｉＯ₃を基板とする場
合には２０２３ｎｍであるのに対し、ＭｇＯを基板とす
る場合にはわずか２３２ｎｍとなる。また、ＰＺＴ（ｎ
＝２．６３）の場合に理論上必要なＴＥ1 モードに対す
る最小膜厚は、ＳｒＴｉＯ₃を基板とする場合には３９
８ｎｍ、ＭｇＯを基板とする場合には１９２ｎｍとな
る。このように、屈折率の差を大きな材料システムとす
ることが望ましく、バッファ層としてはＭｇＯ薄膜が特
に望ましい。

【０００９】ＭｇＯ薄膜をバッファ層として設けた場合
の結晶学的関係は、例えば、正方晶、斜方晶または擬立
方晶系のＡＢＯ₃型の強誘電体薄膜については、ＡＢＯ
₃（００１）//ＭｇＯ（１００）//ＧａＡｓ（１０
０）、面内方位ＡＢＯ₃［０１０］//ＭｇＯ［００１］
//ＧａＡｓ［００１］、またはＡＢＯ₃（１００）//Ｍ
ｇＯ（１００）//ＧａＡｓ（１００）、面内方位ＡＢＯ
₃［００１］//ＭｇＯ［００１］//ＧａＡｓ［００
１］、またはＡＢＯ₃（１１１）//ＭｇＯ（１１１）//
ＧａＡｓ（１００）、面内方位ランダムのいずれかが可
能である。また、六方晶系のＡＢＯ₃型の強誘電体薄膜
については、ＡＢＯ₃（０００１）//ＭｇＯ（１００）
//ＧａＡｓ（１００）、面内方位ランダム、またはＡＢ
Ｏ₃（０００１）//ＭｇＯ（１１１）//ＧａＡｓ（１０
０）、面内方位ランダムのいずれかが可能である。

【００１０】これらのＡＢＯ₃型酸化物強誘電体として
は、正方晶、斜方晶または擬立方晶系として、例えばＢ
ａＴｉＯ₃、ＰｂＴｉＯ₃、Ｐｂ_1-xＬａ_x（Ｚｒ_yＴ
ｉ_1-y）_1-x/4Ｏ₃（ｘおよびｙの値により、ＰＺＴ、
ＰＬＴ、ＰＬＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃、
ＫＮｂＯ₃が、六方晶系として、例えばＬｉＮｂＯ₃、
ＬｉＴａＯ₃などに代表される強誘電体およびこれらの
置換誘導体が選ばれる。

【００１１】前記ＭｇＯよりなるバッファ層は、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、モレキ
ュラー・ビーム・エピタキシー（ＭＢＥ）、化学蒸着
（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ、ＭＯＣＶＤなどより選ば
れる気相成長法により作製される。また、前記ＡＢＯ ₃
型強誘電体薄膜は電子ビーム蒸着、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、Ｍ
ＯＣＶＤなどより選ばれる気相成長法およびゾルゲル法
などのウエット・プロセスにより作製される。

【００１２】半導体レーザーの発振によるレーザー光
は、エバーネッセント・フィールド・カップリング、バ
ット・カップリング、グレーティング・カップリングな
どより選ばれる方法によって強誘電体薄膜光導波路に導
入される。導入されたレーザー光は、表面弾性波に起因
する屈折率変化を用いた音響光学効果、または電場印加
に起因する屈折率変化を用いた電気光学効果により、光
スイッチング、光偏向、または光スキャンニングされて
放出される。このほかに、素子によっては、導入された
レーザー光は、非線形光学効果による第二次高調波を含
んだ状態で放出させることも可能である。電気光学効果
による光スイッチング、光偏向、光スキャンニングを行
う場合、および非線形光学効果による疑似位相整合（周
期的ドメイン反転）第二次高調波素子などの場合におい
ては、金属または導電性酸化物等の電極を強誘電体薄膜
上へ設け、半導体レーザー基板との間でのサンドイッチ
型とすることが可能であり、一般に強誘電体薄膜表面に
平行電極を設けた素子に比べて駆動電圧または印加電圧
の大きな低減が可能である。

【００１３】

【実施例】

実施例１図１に、第１の実施例を示す。図１は、半導体レーザー
と、ＡＯＭ素子とを共通の化合物半導体基盤であるｎ−
ＧａＡｓ基板上に構成した光スキャナーの構成例を示し
ている。同図において、右半分は、半導体レーザー素子
を示しており、（１）ｎ−ＧａＡｓからなる化合物半導
体の（１００）面上に、（２）ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッ
ド層、（３）ＧａＡｓ活性層、（４）ｐ−ＡｌＧａＡｓ
クラッド層、（５）ｐ−ＧａＡｓオーミックコンタクト
層、（６）Ｃｒ−Ａｌ電極が積層されており、活性層に
おいてレーザー発振するように構成されている。なお、
この半導体レーザーは、紙面に垂直な方向に、２つの発
光領域、すなわち、デュアルスポットを形成するよう
に、発光領域以外の部分にシリコンを拡散して非発光領
域を形成してある。また、左半分には、共通のＧａ−Ａ
ｓ化合物半導体基板（１００）上に、（７）ＭｇＯバッ
ファ層（１００）を介して（８）ＰＺＴの強誘電体膜
（００１）が設けられ、その上に、（９）Ａｌ電極が設
けられており、この電極は、紙面に垂直な方向に分割し
て複数設けられてトランスジューサに接続されるように
構成されている。なお、前記半導体レーザーの活性層
と、前記強誘電体薄膜とは、バットカップリング、すな
わち、物理的な接合面を形成しており、活性層で発振さ
れたレーザー光が強誘電体膜中にカップリングするよう
に構成される。両者は接触していても非接触でもよく、
界面に、バッファ層が設けられていてもよい。このよう
なハイブリッド化を可能にしたものが（７）ＭｇＯ膜で
あり、この膜は、強誘電体膜（００１）のｎ−ＧａＡｓ
基板上へのエピタキシャルまたは高配向膜の生成を可能
としている。なお、このＭｇＯバッファ層は、強誘電体
膜中の光を閉じ込めるためのクラッド層としても機能す
る。この構成によれば、完全なソリッド素子によるレー
ザービームの走査が可能となる。以下、この素子につい
て詳細に説明する。

【００１４】デュアル・スポット半導体レーザー上へ成
長させたエピタキシャルＰＺＴ（Ｚｒ：Ｔｉ＝５０：５
０）を用い、音響光学効果（ＡＯ）によるマルチ・トラ
ンスデューサーを用いた二回回折を利用する構成の光ス
キャナー素子を作製した。デュアル・スポット半導体レ
ーザーとしては独立して駆動可能な２つの半導体レーザ
ーを１０μｍの間隔で並べた構成のものを用いた。この
半導体レーザーはＭＯＣＶＤ法によるＧａＡｓおよびＡ
ｌＧａＡｓの多層構造の成長とレーザー・キャビティと
ならない部分へのＳｉの拡散とによって作製したものを
用いた。ＭｇＯ層とＰＺＴ層は、Ｒｆスパッタリング法
による成長によって作製した。それらの膜厚は、５０ｎ
ｍ〜５００ｎｍおよび１００ｎｍ〜６００ｎｍとした。
結晶学的関係はＰＺＴ（００１）//ＭｇＯ（１００）//
ＧａＡｓ（１００）、面内方位ＰＺＴ［０１０］//Ｍｇ
Ｏ［００１］//ＧａＡｓ［００１］の構造とした。この
光変調複合素子においては、半導体レーザー部の光導波
路と強誘電体薄膜光変調部の光導波路とを直列に集積し
た構造が形成されており、そして半導体レーザーの発振
によるレーザー光が、バット・カップリングによって強
誘電体薄膜光導波路に導入される構造とした。

【００１５】ＡＯ効果による光変調素子は一般的には超
音波源と超音波媒体とに分けられる。超音波媒体に要求
される物性は、屈折率ｎ（２階のテンソル）、光弾性係
数ｅ（４階のテンソル）が大きく、密度ρ、超音波速度
ｖ、超音波の吸収が小さいもので、次の性能指数Ｍで表
される。Ｍ＝ｎ⁶ｅ²／ρｖ³ （１）また、圧電効果の一般式は電気分極Ｄおよび歪みＳにつ
いて電場Ｅおよび応力Ｔの関数として、Ｄ＝ｄＴ＋ε^TＥ（２）Ｓ＝ｓ^EＴ＋ｄＥ（３）で表される。ｄは圧電係数、ｓ^Eは弾性係数、ε^Tは誘
電率である。この圧電効果による超音波源に要求される
物性は、電場入力Ｅに対する歪みＳを利用することよ
り、圧電係数ｄ（３階のテンソル）と電気・機械結合係
数ｋ（３階のテンソル）が高いこととなる。さらに、超
音波源と超音波媒体を兼ねる材料として圧電体を用いる
ことが薄膜素子においては有効であり、結局、性能指数
Ｍと結合係数ｋが高い材料が求められる。このため、材
料としては強誘電体の圧電効果を用いる際には本実施例
のＰＺＴやＬｉＮｂＯ₃が代表的なものとなる。

【００１６】本実施例のＰＺＴ薄膜の圧電効果を用いる
と、表面弾性波（ＳＡＷ）をトランスデューサーを介し
て励起させることができる。ＳＡＷは薄膜の屈折率を周
期的に変化させるので、ＳＡＷに交わって入射する強誘
電体薄膜中へカップリングされたレーザー光は、（４）
式のブラッグ条件のもとで音響光学効果によるブラッグ
反射を起こす。ｍλ＝２Λｓｉｎθ_B （４）ここで、ｍは回折されたレーザーの次数、λはレーザー
の波長、ΛはＳＡＷの波長、θ_Bはブラッグ角（偏向角
×１／２）である。ＡＯ変調においてはブラッグ反射条
件はさらに次のようにも表される。Ｑ＝２πλＬ／ｎｄ＝２πλＬｆ／ｎｖ＞１（５）ここで、ＬはＳＡＷビーム幅、ｆはＳＡＷの周波数、ｖ
はＳＡＷ速度である。なお、Ｑ＜１の場合はＲａｍａｎ
−Ｎａｔｈ回折が起こる。この際、トランスデュサーへ
の入力周波数を変調することにより、ＳＡＷ波長Λが変
化することによりブラッグ角θ_Bが変化することを利用
して、レーザー光をスキャンした。この周波数掃引は、
一般にデジタル変調にて行われ、入射するレーザー・ビ
ーム幅に交わるＳＡＷ周波数は適当なステップで変化
し、レーザー・ビーム幅にわたるＳＡＷ周波数は一定で
ある。ＡＯデジタル変調における偏向角は次のように決
まる。屈折率ｎの媒質中での光波長は真空中での光の波
長λ₀に対して λ＝λ₀／ｎ（６）であるので、一次入射光に対する偏向角２θ_Bは、
（４）式より２θ_B＝２ｓｉｎ^-1（λ／２Λ）＝２ｓｉｎ^-1（λ₀／
２ｎΛ）＝２ｓｉｎ^-1（λ₀ｆ／２ｎｖ）＝２・λ₀ｆ
／２ｎｖ＝λ₀ｆ／ｎｖ（＝λ₀／ｎΛ）（θ_Bが小さ
いとき）（７）で表される。さらに、ＳＡＷ周波数帯域Δｆにおいて得
られる最大の偏向角２θ_Bは（７）式より、２Δθ_B＝λ₀Δｆ／ｎｖ（８）となる。本実施例における二回回折においてはこの偏向
角は２倍となる。この偏向角を大きくするためには、チ
ルト・トランスデューサーによるＳＡＷの高周波化・高
帯域化や低屈折率・低ＳＡＷ速度材料の選択が可能であ
る。これらに加えて、帯域をいくつかのトランスデュサ
ーに分けて駆動する方法や、本実施例におけるような二
回回折法が有効である。

【００１７】ＡＯデジタル変調におけるスポット径、ス
ポット数、スポット移動時間は次のように決まる。光導
波路中のレーザー・ビーム幅をＤ_l、結像レンズの焦点
距離をＦ_lとすれば、回折限界スポット径２ω（１／ｅ
²径）は、２ω＝（４／π）・（λ・Ｆ_l／Ｄ_l）（９）となり、解像レーザー・スポット数Ｎ_dは、Ｎ_d＝２Δθ_B・Ｆ／２ω＝（π／２）・τ・Δｆ_d （１０）と表される。ここで、τはレーザー・ビーム幅に対する
ＳＡＷの通過時間であり、ＳＡＷがデジタル変調の場合
にはスポット移動時間ｔ_dとなり、これを短くするため
には、レーザー・ビーム幅を小さくするかＳＡＷ速度の
遅い材料を選択することが可能である。ｔ_d＝τ＝（Ｄ_l／ｖ）（１１）また、解像レーザー・スポット数Ｎ_dは、Δｆ_dをＳＡ
Ｗ周波数帯域、δｆ_d（＝１／τ）を回折に必要な周波
数変化とすると、次のようにも表される。Ｎ_d＝Δｆ_d／δｆ_d＝τ・Δｆ_d （１２）また、解像レーザー・スポット数Ｎ_dは、次のようにも
表される。Ｎ_d＝Δｆ_d／δｆ_d＝τ・Δｆ_d＝Ｄ_l／ｖ・Δｆ（１３）このようにスポット移動時間を短くするとスポット数は
少なく、スポット数を多くするためにはスポット移動時
間を長くする関係にある。スポット移動時間を変えない
でスポット数を多くするためには、トランスデュサーの
帯域を広くすることが有効である。また、スポット移動
時間を短くし、かつ、スポット数を多くするためには、
この実施例のように複数のレーザーを発生する半導体レ
ーザーを用いることが有効である。ＳＡＷがアナログ変
調の場合には、ＳＡＷ周波数がレーザー・ビーム幅にわ
たって連続的に変化するために、ＳＡＷはフレネル・ゾ
ーン・レンズとして働き、レーザー・ビームはスキャン
されると同時に集光される。Ｔをアナログ変調時間、Δ
ｆ_aをアナログＳＡＷ周波数帯域とすると、スポット移
動時間ｔ_aおよび解像レーザー・スポット数Ｎ_aは次の
様になり、デジタル変調のようなスポット数のスポット
移動時間依存性はない。ｔ_a＝Ｔ／（τ・Δｆ_a）（１４）Ｎ_a＝（Ｔ−τ）／Ｔ・（τ・Δｆ_a）（１５）

【００１８】スポット移動時間を変えないでスポット数
を多くするためにはトランスデュサーの帯域を広くする
必要があり，この場合は偏向角を大きくすることにもな
るが、次の問題も考慮せねばならない。回折効率ηは近
似的に次の式で表される。 η＝ｓｉｎ²［π／４・Ｉ｛Ｍ・Ｐ・Ｌ／（ｄ・λ²）｝^1/2］（１６）ここで、Ｉは導波光とＳＡＷの重なり積分、Ｍは薄膜導
波路材料の性能指数、ＰはＳＡＷパワー、Ｌは導波光と
ＳＡＷの相互作用長である。ここで、問題となるのは、
偏向角を大きくするため、または分解スポット数を多く
するためにＳＡＷの高周波化とスイープ周波数の広帯域
化を行うと、回折効率が低下することにある。例えば、
１０°以上の偏向角を得るためには、ＳＡＷ周波数は数
ＧＨｚになり、ＳＡＷの吸収が大きくなるために回折効
率が低下する。また、スイープ周波数の広帯域化のため
にトランスデュサーを広帯域化するとＳＡＷ励振効率が
低下し、回折効率が低下する。このような問題がある
が、これに対するアプローチとしては、前記したよう
に、必要とする帯域をいくつかのトランスデュサーに分
けて駆動する方法や、本実施例での二回回折法が有効で
ある。

【００１９】この実施例におけるデュアル・スポット・
レーザーへ集積化したエピタキシャルＰＺＴ薄膜ＡＯ素
子においては、デジタルのＡＯ変調を用いた。本実施例
の素子の性能は、トランスデュサーの帯域Δｆ＝１００
０ＭＨｚ、レーザーの波長λ₀＝７９０ｎｍとして、偏
向角（スキャン角）θ、スポット移動時間ｔ、スポット
数Ｎ、およびスポット径２ωが、次の様になった。 θ＝１２°、ｔ＝０．６６μｓ、Ｎ＝２６００ｓｐｏｔ
ｓ、２ω＝４５μｍ。ポリゴン・ミラーを用いた光学系と比較して極めて小型
である本実施例の素子を、レーザー・ビーム・プリンタ
ーに導入し印字試験を行った。本実施例の素子の駆動条
件を上記のように設定し、感光体の露光のためのレーザ
ー走査は飛び越し走査によって行ったところ、４００ｓ
ｐｏｔ／ｉｎｃｈの印字ができ、印字の際にはポリゴン
・ミラーを用いた光学系による印字の際の様な騒音は観
測されなかった。また、レーザー光の結合効率と回折効
率とによる発振されたレーザー光の有効出力効率は４０
％となり、ハイブリッド型のＡＯ素子の場合の有効出力
効率３０％と比較して高効率であった。さらに、シング
ルスポットのレーザーを用いた場合と比較して記録速度
は２倍の高速化が図られた。

【００２０】実施例２図２に、第２の実施例を示す。図２は、半導体レーザー
素子上に、スイッチング素子を集積した構成を示してお
り、下側が半導体レーザー素子、上側がスイッチング
（変調素子）を構成している。すなわち、（１０）ｐ−
ＧａＡｓ（１００）基板上に（１１）ｐ−ＡｌＧａＡｓ
クラッド層、（１２）ｐ−ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系活
性層、（１３）ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層を順次積層
しており、（１１）ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層の両端
部に、シリコン拡散による（１４）ヘテロ接合部ｎ＋を
形成し、その上に（１５）電極Ｃｒを設け、活性層（１
２）を両端からアドレスするように構成して、半導体レ
ーザー部を形成している。半導体レーザー部の、（１
３）ｐ−ＡｌＧａＡｓ（１００）クラッド層上には、
（１６）ＭｇＯバッファ層（１００）が形成され、この
バッファ層の介在によって、（１３）ｐ−ＡｌＧａＡｓ
（１００）面上への強誘電体膜である（１７）ＰＬＺＴ
（００１）のエピタキシャル膜、または高配向膜の形成
を可能としている。（１７）上には、光閉じ込めのため
の（１８）クラッド層ＳｉＯ₂が設けられ、その上に、
スイッチング素子制御用の（１９）Ａｌ電極が設けられ
ている。この構成の場合、活性層（１２）で発振したレ
ーザー光は、エバーネッセント・フィールド・カップリ
ングにより、（１７）ＰＬＺＴ強誘電体膜中にカップリ
ングされる。以下、この素子について詳細に説明する。

【００２１】半導体レーザー上へ成長させたエピタキシ
ャルＰＬＺＴを用い、電気光学効果（ＥＯ）による全反
射素子を作製した。半導体レーザーはＭＯＣＶＤ法によ
るＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの多層構造の成長とレーザー
・キャビティとならない部分へのＳｉの拡散とによって
作製し、光導波路を表面下５０ｎｍ〜２００ｎｍの浅い
位置に形成したものを用いた。このレーザーにおいて
は、上部ＧａＡｓコンタクト層はなくし、電子の注入は
横方向からのヘテロ接合から行った。この半導体レーザ
ーの上に、ＭｇＯ層とＰＬＺＴ層をレーザー・アブレー
ション法による成長によって形成した。膜厚はそれぞれ
２ｎｍ〜２００ｎｍおよび２００ｎｍ〜７００ｎｍとし
た。結晶学的関係は、ＰＬＺＴ（００１）//ＭｇＯ（１
００）//ＡｌＧａＡｓ（１００）、面内方位ＰＬＺＴ
［０１０］//ＭｇＯ［００１］//ＡｌＧａＡｓ［００
１］の構造とした。半導体レーザーの発振によるレーザ
ー光は、レーザー部の光導波路と強誘電体薄膜光変調部
の光導波路との間のＭｇＯ層を最適化することにより、
光学的トンネリングによるエバーネッセント・フィール
ド・カップリングによって強誘電体薄膜光導波路に導入
した。電気光学効果による光スイッチングにおいては、
金属または導電性酸化物よりなる電極を強誘電体薄膜上
または半導体レーザーと強誘電体薄膜上に設けてサンド
イッチ型として駆動を行うことができる。

【００２２】一般に、或る材料に電場を加えると、電場
方向に分極が生じ、電場方向の光速は小さくなる。真空
中の光速をｃ、屈折率ｎで比誘電率ε_rの媒体中の光速
をｖとすると、ｎ＝ｃ／ｖ＝（ε_rμ_r）^1/2 （１７）で表されることにより明らかなように、これは電場方向
に屈折率が増大し、電場と垂直方向に屈折率が低下する
電気光学効果につながる。この電気光学効果において、
屈折率ｎと電場Ｅとの関係は、ｎ＝ｎ₀＋ａＥ＋ｂＥ²＋ｃＥ³＋・・・・（１８）で与えられ、対称心のある結晶構造では、ｎ＝ｎ₀−ａＥ＋ｂＥ²−ｃＥ³＋・・・（１９）ｎ＝ｎ₀＋ａＥ＋ｂＥ²＋ｃＥ³＋・・・・（２０）とが等しくならなければならず、ｎ＝ｎ₀＋ｂＥ²＋・・・・・（２１）となり、電場による屈折率変化は次のように奇数次の項
は消える。 Δｎ＝ｎ₀−ｎ＝−ｂＥ²−・・・・・（２２）このうち二次の項がＫｅｒｒ効果と呼ばれ、一般に次の
ように示される。 Δｎ＝−１／２Ｒｎ³Ｅ² （２３）しかし、対称心のない結晶構造では奇数次の項は残る。 Δｎ＝ｎ₀−ｎ＝−ａＥ−ｂＥ²−・・・・（２４）このうち一次の項がＰｏｃｋｅｌｓ効果と呼ばれ、一般
に次のように示される。 Δｎ＝−１／２ｒｎ³Ｅ（２５）この効果は、対称心のない結晶構造を持つ物質、すなわ
ち圧電体や強誘電体にのみ見られるものである。実際に
は、電場を大きくしていくとＰｏｃｋｅｌｓ効果に次第
にＫｅｒｒ効果が重畳する形で屈折率変化が起こる。

【００２３】このような電気光学効果を用いる際は、対
称心のない結晶構造を持ち高い係数をもつ強誘電体を用
いることとなり、本実施例のＰＬＺＴまたはＬｉＮｂＯ
₃が代表的である。この際、電気光学効果におけるＩ−
Ｅ特性にはメモリー性のない材料を選択する必要があ
る。このためにはＰ−Ｅヒステリシス・ループがスリム
な特性を持ち、実用上Ｉ−Ｅ特性にメモリー性のない材
料を選択する必要がある。電気光学効果に対する係数行
列は３階のテンソルである。本実施例におけるＰＬＺＴ
薄膜のような強誘電体に局所電場を印加すると、上記の
ようにその部分の屈折率の低下が起こり、前記のような
ブラッグ反射または本実施例におけるような全反射によ
ってレーザー光をスイッチングまたは偏向することがで
きる。全反射は、式（２６）の全反射条件を満たす際に
起こる。 θＴ≧ｓｉｎ^-1（ｎ₂／ｎ₁）（２６）ここで、θＴは入射角（臨界角）、ｎ₁は導波路材料の
屈折率、ｎ₂は屈折率の低下部分の屈折率であり、ｎ₂
＜ｎ₁でなければならない。屈折率低下がＫｅｒｒ効果
による際には先に記載したようにΔｎ＝−１／２Ｒｎ³
Ｅ²となるので（２６）式は、 θＴ＝ｓｉｎ^-1（ｎ₂／ｎ₁）＝ｓｉｎ^-1｛（ｎ₁−Δｎ）／ｎ₁｝＝ｓｉｎ^-1（１＋１／２Ｒｎ²Ｅ²）（２７）となる。ＥＯ変調の場合はＳＡＷのようなフォノンの移
動時間による制限を受けず分極によるために、スポット
移動時間（スイッチング時間）はｐｓオーダーと極めて
速い。

【００２４】本実施例におけるレーザーへ集積化したエ
ピタキシャルＰＬＺＴ薄膜ＥＯ素子の素子の性能は、レ
ーザーの波長をλ₀＝７９０ｎｍとして、偏向角θ、ス
イッチング時間ｔは、次の様になった。 θ＝４°、ｔ＝５０ｐｓこの素子をポリゴン・ミラーを用いた光学系と組合せ、
レーザー・ビーム・プリンターに導入し印字試験を行っ
た。感光体の露光のためのレーザー走査は飛び越し走査
によって行ったところ、６００ｓｐｏｔ／ｉｎｃｈの印
字ができ、印字速度はポリゴン・ミラーを用いた光学系
による印字の際の２倍が可能となった。本実施例の素子
は、半導体レーザー自体の数倍の大きさであり、従来の
ハイブリッド型のＥＯ素子と比べて数分の１の大きさの
小型化が可能となった。また、電気光学効果による光ス
イッチングにおいては、金属または導電性酸化物よりな
る電極を強誘電体薄膜上または半導体レーザーと強誘電
体薄膜上に設けてサンドイッチ型とすることができたた
め、一般に適用される強誘電体薄膜表面に平行電極を設
けた素子に比べて駆動電圧の大きな低減が実現できた。

【００２５】実施例３図３に、第３の実施例を示す。図３は、化合物半導体で
ある（２０）ｎ−ＩｎＰ基板（１００）の共通基板上
に、半導体レーザー素子と、第２次高調波発生素子を設
けた構成を示している。同図において、右半分は、半導
体レーザー素子を示しており、ｎ−ＩｎＰからなる化合
物半導体の（１００）面上に、（２１）ｎ−ＩｎＰクラ
ッド層、（２２）ＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ活性層、（２
３）ｐ−ＩｎＰクラッド層、（２４）ｐ−ＧａＩｎＡｓ
Ｐオーミックコンタクト層、（２５）Ｃｒ電極が積層さ
れており、活性層においてレーザー発振するように構成
されている。左半分には、共通のｎ−ＩｎＰ化合物半導
体基板（１００）上に、（２６）ＭｇＯバッファ層（１
１１）を介して（２７）ＬｉＮｂＯ₃（０００１）の強
誘電体膜が設けられ、その上に、（２８）Ａｌ電極が複
数分割されて設けられている。なお、前記半導体レーザ
ーの活性層と、前記強誘電体薄膜とは、バットカップリ
ング、すなわち、物理的な接合面を形成しており、活性
層で発振されたレーザー光が強誘電体膜中にカップリン
グするように構成される。両者は接触していても非接触
でもよく、界面に、バッファ層が設けられていてもよ
い。このようなハイブリッド化を可能にしたのが（２
６）ＭｇＯ膜であり、この膜は、強誘電体膜（０００
１）のｎ−ＩｎＰ基板上へのエピタキシャルまたは高配
向膜の生成を可能としている。なお、このＭｇＯバッフ
ァ層は、強誘電体膜中の光を閉じ込めるためのクラッド
層としても機能する。以下、この素子について詳細に説
明する。

【００２６】半導体レーザー上へ成長させた配向性Ｌｉ
ＮｂＯ₃を用い、疑似位相整合（周期的ドメイン反転）
第二次高調波による可視光レーザー素子を作製した。半
導体レーザーは、ＭＯＣＶＤ法によりＩｎＰ／ＩｎＧａ
ＡｓＰ構造を有し、１．３２７μｍの波長のレーザー光
を出すものを用いた。ＭｇＯ層とＬｉＮｂＯ₃層はレー
ザー・アブレーション法による成長によって作製した。
膜厚はそれぞれ１００ｎｍ〜５００ｎｍおよび１００ｎ
ｍ〜７００ｎｍとした。結晶学的関係は、ＬｉＮｂＯ₃
（０００１）//ＭｇＯ（１１１）//ＩｎＰ（１００）、
面内方位ランダムの構造とした。ＬｉＮｂＯ₃層の成長
後、ＬｉＮｂＯ₃薄膜上にはＡｌを蒸着し、半導体レー
ザー基板とこのＡｌ電極との間に２００〜４００ｋＶ／
ｃｍを所定の温度にて印加することにより、ＬｉＮｂＯ
₃薄膜表面を単一な＋ｃ面としてポーリングを行った。
次に、エッチングによってＡｌ電極を周期Λ＝１３μｍ
のパターンニングを行い、半導体レーザー基板とこのＡ
ｌ電極との間に２５０ｋＶ／ｃｍ、１００μｓのパルス
を印加することにより、ＬｉＮｂＯ₃薄膜内のドメイン
を１３μｍの周期で反転させた。半導体レーザーの発振
によるレーザー光はレーザー部の光導波路と強誘電体薄
膜光変調部の光導波路とを直列に集積した構造を形成
し、バット・カップリングによって強誘電体薄膜光導波
路に導入した。

【００２７】ここで、疑似位相整合のためには次の条件
を満たす必要がある。ｋ_２ω−２ｋ_ω−２π（２ｍ₁−１）／Λ＝０（２８）ここで、ｋ_２ωと２ｋ_ωはそれぞれ高調波と基本波に対
する波数ベクトル、ｍ₁は正の整数である。Λがこの疑
似位相整合条件を満たすときには、次のようにΛ／２は
コヒーレント長の奇数倍になる。 Λ／２＝（２ｍ₁−１）Ｌ（２９）ここで、コヒーレント長は次の式にて表される。Ｌ＝λ_ω／４｛ｎ_２ω−ｎ_ω］（３０） λωは真空中での基本波の波長、ｎ_２ωとｎ_ωはそれぞ
れ高調波と基本波に対する光導波路の有効屈折率であ
る。従って、（２９）式と（３０）式とより周期Λは、 Λ＝２（２ｍ₁−１）Ｌ＝２（２ｍ₁−１）・λ_ω／４｛ｎ_２ω−ｎ_ω］＝ｍ₂λ_ω／２ｎ_ω （３１）となる。ｍ₂は正の整数である。本実施例における、こ
のような半導体レーザー上へ成長させた配向性ＬｉＮｂ
Ｏ₃を用いた疑似位相整合第二次高調波による可視光レ
ーザー素子は、半導体レーザー自体は１．３２７μｍの
波長のレーザー光を発振するが、疑似位相整合により
０．６６２μｍの波長の光を入射光に対して６％／Ｗｃ
ｍ²の効率にて発振した。本実施例による素子は、従来
のＬｉＮｂＯ₃単結晶を用いたＴｉ拡散による第二次高
調波素子と比較し小型になり、レーザー光の結合効率が
増したため、第二次高調波の実効出力も大きくなった。

【００２８】

【発明の効果】本発明により、半導体レーザー上に光変
調素子を集積することが可能となり、従来のハイブリッ
ド型の固体素子や可動部分を有する光変調素子と比較し
て小型化、低コスト化、高効率化、高速化、低騒音化な
どが可能となる。このため本発明の光変調複合素子の使
用によって、デジタル・コピー機やレーザー・プリンタ
ー用のレーザー光変調素子として小型化、低コスト化、
高速化、低騒音化が達成でき、光ディスク用のピックア
ップとして小型化、低コスト化、高効率化、高速化が達
成でき、その他の光通信や光コンピューター用の光スイ
ッチなどを含むオプト・エレクトロニクス全般において
小型化、低コスト化、高効率化、高速化などが達成でき
る。また、本発明により複数のレーザースポット（また
はビーム）を発振する半導体レーザーを用いる場合に
は、単数レーザースポットの場合に比べて、例えば、音
響光学効果による光偏向の高速化が可能となると共に、
単位面積当りのレーザー照射エネルギー密度の増加が可
能となる。本発明の光変調複合素子を、電気光学効果に
よる光スイッチング、光偏向、光スキャンニングおよび
非線形光学効果による疑似位相整合（周期的ドメイン反
転）第二次高調波素子などとして利用する場合において
は、金属または導電性酸化物よりなる電極を強誘電体薄
膜上に設け、半導体レーザー基板との間でのサンドイッ
チ型とすることが可能であり、強誘電体薄膜表面に平行
電極を設けた素子に比べて駆動電圧または印加電圧の極
めて大きな低減が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１におけるＧａＡｓ上ヘ成長させたエ
ピタキシャルＰＺＴによる半導体レーザー／音響光学効
果素子の概略断面図である。

【図２】実施例２におけるＡｌＧａＡｓ上ヘ成長させ
たエピタキシャルＰＬＺＴによる半導体レーザー／電気
光学素子の概略断面図である。

【図３】実施例３におけるＩｎＰ上ヘ成長させた配向
性ＬｉＮｂＯ₃による半導体レーザー／第二次高調波素
子の概略断面図である。

【符号の説明】

（１）ｎ型ＧａＡｓ基板、（２）ｎ型ＡｌＧａＡｓクラ
ッド層、（３）ＧａＡｓ活性層、（４）ｐ型ＡｌＧａＡ
ｓクラッド層、（５）ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、
（６）Ｃｒ−Ａｕ電極、（７）ＭｇＯバッファ層、
（８）ＰＺＴ光導波路、（９）Ａｌトランスデューサー
電極、（１０）ｐ型ＧａＡｓ基板、（１１）ｐ型ＡｌＧ
ａＡｓクラッド層、（１２）ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡ
ｓ多重量子井戸活性層、（１３）ｐ型ＡｌＧａＡｓクラ
ッド層、（１４）ｎ^＋型コンタクト層、（１５）Ｃｒ電
極、（１６）ＭｇＯバッファ層、（１７）ＰＬＺＴ光導
波路、（１８）ＳｉＯ₂バッファ層、（１９）Ａｌ電
極、（２０）ｎ型ＩｎＰ基板、（２１）ｎ型ＩｎＰクラ
ッド層、（２２）ＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸
活性層、（２３）ｐ型ＩｎＰクラッド層、（２４）ｐ型
ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層、（２５）Ｃｒ電極、（２
６）ＭｇＯバッファ層、（２７）ＬｉＮｂＯ₃光導波
路、（２８）Ａｌ電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０１Ｓ 3/109 Ｈ０１Ｓ 3/109 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/18 G02F 1/295 G02F 1/35 G02F 1/37 H01S 3/10 H01S 3/109 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザー上に、半導体レーザーの
基板に対してエピタキシャルまたは配向性であるＡＢＯ
₃ 型強誘電体薄膜光導波路を有する光変調素子がＭｇＯ
よりなるバッファ層を介して設けられ、該光変調素子
は、半導体レーザーより導入されたレーザー光を変調し
た後に放出するものであることを特徴とする光変調複合
素子。
【請求項２】前記半導体レーザーが、複数のレーザー
スポットまたはレーザービームを発振するレーザーアレ
イである請求項１記載の光変調複合素子。
【請求項３】前記光変調素子が表面弾性波に起因する
屈折率変化を用いた音響光学効果による光偏向素子であ
る請求項１記載の光変調複合素子。
【請求項４】前記光変調素子が電場印加に起因する屈
折率変化を用いた電気光学効果による光偏向素子である
請求項１記載の光変調複合素子。
【請求項５】前記光変調素子が非線形光学効果による
第二次高調波素子である請求項１記載の光変調複合素
子。