JP4204108B2 - 光導波路素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、強誘電体薄膜光導波路と、この光導波路内に入射されたレーザー・ビームを制御するための薄膜レンズが備えられた光導波路素子に関し、用途としては、レーザー・プリンター、デジタル複写機、ファクシミリ用の光偏向素子、光通信や光コンピューター用の光スイッチおよび光変調素子、光ディスク用のピックアップなどを含む光集積素子全般にわたる。
【0002】
【従来の技術】
レーザー光の偏向素子、スイッチ、または変調素子を光導波路に形成し、光集積素子化するためには光導波路に偏向、スイッチング、または変調を行う為の電極を形成するとともに、光導波路に入射したレーザー光をコリメートし、それを偏向、スイッチング、または変調した後、レーザー光を集光するためなどに用いる導波路レンズが重要となる。特にプレーナ導波路を用いた光偏向素子においては導波路レンズは不可欠な要素である。
【0003】
プレーナ導波路を用いた光偏向素子としては、C.S.Tsai and P.Le,Appl.Phys.Lett.vol.60(1992)431.(以下、文献(1)という)などに示されるように音響光学効果を利用した光偏向素子があり、光導波路中の光ビームを表面弾性波によってブラッグ回折させるため、表面弾性波を励起するくし形の電極が光導波路表面に設けられ、表面弾性波の周波数をスイープ(掃引)することによって偏向が行われる。また、電気光学効果を用いたプリズム型光偏向素子は、Q.Chen,et al.,J.Lightwave Tech.vol.12(1994)1401.(以下、文献(2)という)などに示されるように光導波路表面にプリズム型電極が設けられ、電圧を印加することによって電極下の光導波路の屈折率を変化させ、光導波路中の光ビームが偏向されるようになっている。
【0004】
プレーナ導波路材料としては石英などのガラス、LiNbO3などの酸化物強誘電体、PMMAなどのポリマー、またはGaAs系の化合物半導体が用いられるが、良好な音響光学効果または電気光学効果を有する材料はLiNbO3などの酸化物強誘電体材料であり、これらの効果を利用して実際に作製された素子はほとんどがLiNbO3であり、音響光学効果を利用した光偏向素子、および電気光学効果を利用したプリズム型光偏向素子がそれぞれ上記文献(1)および(2)に示されている。
【0005】
強誘電体としてはLiNbO3のほかにBaTiO3、PbTiO3、Pb1 −xLax(ZryTi1−y)1−x/4O3(xおよびyの値によりPZT、PLT、PLZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、KNbO3、LiTaO3、SrxBa1−xNb2O6、PbxBa1−xNb2O6、Bi4Ti3O12、Pb2KNb5O15、K3Li2Nb5O15など多くの材料があり、これらのうち多くの材料はLiNbO3よりも良好な特性を有している。特に、Pb1−x Lax(ZryTi1−y)1−x/4O3はLiNbO3よりも非常に高い電気光学係数を有する材料として知られ、LiNbO3単結晶の電気光学係数が30.9pm/Vであるのに対し、PLZT(8/65/35:x=8%、y=65%、1−y=35%)セラミックスの電気光学係数は612pm/Vが得られている。
【0006】
LiNbO3よりも良好な特性を有している強誘電体が多いにもかかわらず実際に作製された素子がほとんどLiNbO3を用いているのは、単結晶成長技術とそのウエハへのTi拡散やプロトン交換による光導波路技術の確立したLiNbO3以外は薄膜のエピタキシャル成長を行わなければならず、従来の気相成長では実用レベルの品質の薄膜光導波路が作製できなかったことと、薄膜光導波路が作製できても導波路レンズを作製する技術がなかったことが大きな理由である。これに対して本発明者らは、実用レベルの品質の薄膜光導波路作製に関して固相エピタキシャル成長技術により実用レベルの品質の薄膜光導波路を作製する方法を発明し、特開平7−78508号公報に開示し、上記の実用レベルの品質の光導波路が作製できなかった問題を解決した。
【0007】
一方、導波路レンズの方式としてはモード・インデックス、ルネブルグ、ジオデシック、フレネル、グレーティングの5方式に分類でき、文献(西原,春名,栖原:光集積回路,オーム社(1993)pp.291〜304.)に示されている。
【0008】
モード・インデックス・レンズは導波路内にステップ状に実効屈折率が異なる領域を形成したレンズであり、実効屈折率差の発生方法としては、(1)レンズ形状の膜厚差を利用する方法、(2)レンズ形状の高屈折率層をかぶせる方法、(3)レンズ形状の高屈折率層を埋めこむ方法、(4)導波路にレンズ形状に他元素を拡散したりイオン交換する方法、(5)導波路の一部をレンズ形状にパターニングして別の材料で平坦に埋め戻す方法などが知られている。このレンズはプレーナ・プロセスが利用できるため量産性に富み、非球面形状も容易に作製できる。
【0009】
しかし、上記膜厚差を利用する方法(1)、高屈折率層をかぶせる方法(2)、高屈折率層を埋めこむ方法(3)では段差があるために原理的にレンズ境界での散乱、重なり積分値の低下、モード変換によって結合損失が大きくなりやすい。導波路に他元素を拡散したりイオン交換する上記方法(4)、および導波路の一部をパターンニングして別の材料で埋め戻す方法(5)は良好な導波路レンズを作製するのに適している。
【0010】
しかし、LiNbO3以外の材料、特にPb1−xLax(ZryTi1−y)1−x/4O3においては他元素を拡散したりイオン交換をする方法はない。また、石英ガラス上に設けられたガラス質であるSiON光導波路などを、エッチング後にリフトオフ法により他の材料で埋め戻す方法が、特開平3−291604号公報などに示されているが、単結晶状のエピタキシャル強誘電体薄膜光導波路に散乱損失の原因となる表面荒れを与えず、かつ、薄膜光導波路と同種の酸化物である基板にダメージを与えずに選択的にエッチングする方法もない。このため、モード・インデックス・レンズがエピタキシャル強誘電体薄膜光導波路に作製された報告例は見られなかった。
【0011】
ルネブルグ・レンズは導波路上になだらかに膜厚変化する円形の高屈折率膜を設ける上記方式(2)で、モード・インデックス方式の一種でもある。原理上は無収差レンズが形成可能であるという特長があるが、なだらかに膜厚変化した形状を再現性よく作製するのが難しく、工業的ではない。
【0012】
ジオデシック・レンズは基板におわん状のくぼみを形成しその上に導波路を設ける方式で、マルチモードの伝搬光に対しても無収差で結像可能な唯一の方式であるが、基板にくぼみを精度および生産性よく機械加工することが困難であり、やはり工業的ではない。
【0013】
フレネル・レンズおよびグレーティング・レンズはどちらも回折を利用した方式であるが、導波路内にステップ状に実効屈折率が異なる領域を形成する点ではモード・インデックス・レンズと同様である。プレーナ・プロセスで形成できること、光学系がコンパクトであることが特長である。一方、パターンが微細であり現状では量産性に劣る電子線(EB)リソグラフィで作製する必要があるといった問題がある。また、集束光の他に直進光が生じてクロストークとなること、入射角度や入射波長の変化に対して大きく特性が変化することがある。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
これらのように多くの導波路レンズ方式とその作製方法があるが、レンズとしての特性と生産性が良好であり、かつエピタキシャル強誘電体薄膜光導波路に適用可能な導波路レンズ方式とその作製方法がなく、高い特性を有する強誘電体薄膜光導波路に導波路レンズを形成し、高機能な光集積素子を実現することができないという問題があった。
【0015】
本発明の目的は、高い特性を有するエピタキシャル強誘電体薄膜光導波路に良好な特性を有する導波路レンズを設けた光導波路素子を提供することにある。
また、本発明の目的は、高い特性を有するエピタキシャル強誘電体薄膜光導波路に良好な特性と生産性を有する導波路レンズを設けることができる光導波路素子の製造方法を提供することにある。
さらに、本発明の目的は、各種の偏向素子、スイッチング素子、あるいは変調素子へ利用可能な光導波路素子を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、単結晶基板表面に設けられ、レンズ形状に形成されてレンズ部を構成するエピタキシャルまたは単一配向性の第1の強誘電体薄膜と、単結晶基板上に形成されて光導波路部を構成し、第1の強誘電体薄膜とは異なる材料または組成からなるエピタキシャルまたは単一配向性の第2の強誘電体薄膜とを備え、レンズ部と光導波路部の実効屈折率が異なることを利用して、光導波路部に入射した光ビームを制御することを特徴とする光導波路素子によって達成される。
ここで、単一配向性とは、薄膜のX線回折パターンにおいて基板面に平行な特定の結晶面の強度が他の結晶面の強度に対して1%以下である場合を指し、エピタキシャルとは単一配向性の薄膜がさらに基板の面内方向にも単一配向性を有している場合を指す。
【0017】
また、上記目的は、単結晶基板表面に強誘電体のアモルファス薄膜を形成し、アモルファス薄膜をレンズ形状にパターニングし、アモルファス薄膜を固相エピタキシによって、レンズ部となるエピタキシャルまたは単一配向性の第1の強誘電体薄膜とし、単結晶基板上に光導波路部となるエピタキシャルまたは単一配向性の第2の強誘電体薄膜を形成することを特徴とする光導波路素子の製造方法によって達成される。
【0018】
さらに、上記目的は、単結晶基板表面に強誘電体のアモルファス薄膜を形成し、アモルファス薄膜にレンズ形状の窓をパターニングし、アモルファス薄膜を固相エピタキシによって、光導波路部となるエピタキシャルまたは単一配向性の第2の強誘電体薄膜とし、単結晶基板上にレンズ部となるエピタキシャルまたは単一配向性の第1の強誘電体薄膜を形成することを特徴とする光導波路素子の製造方法によって達成される。
【0019】
本発明において、単結晶基板として用いることが可能な材料は、SrTiO3、NbドープSrTiO3、LaドープSrTiO3、BaTiO3、BaZrO3、LaAlO3、ZrO2、Y2O38%−ZrO2、MgO、MgAl2O4、LiNbO3、LiTaO3、Al2O3、ZnO、AlドープZnO、In2O3、RuO2、BaPbO3、SrRuO3、YBa2Cu3O7−x、SrVO3、LaNiO3、La0.5Sr0.5CoO3、ZnGa2O4、CdGa2O4、CdGa2O4、Mg2TiO4、MgTi2O4などの酸化物、Si、Ge、ダイアモンドなどの単体半導体、AlAs、AlSb、AlP、GaAs、GaSb、InP、InAs、InSb、AlGaP、AlLnP、AlGaAs、AlInAs、AlAsSb、GaInAs、GaInSb、GaAsSb、InAsSbなどのIII−V系の化合物半導体、ZnS、ZnSe、ZnTe、CaSe、Cdte、HgSe、HgTe、CdSなどのII−VI系の化合物半導体などを用いることができるが、酸化物を用いることが上部に配置する酸化物薄膜光導波路の膜質にとって有利なことが多い。
【0020】
前記第1および第2の強誘電体薄膜によって構成される光導波路材料としては酸化物から選択され、具体的にはABO3型のペロブスカイト型では正方晶、斜方晶または擬立方晶系として例えばBaTiO3、PbTiO3、Pb1−xLax(ZryTi1−y)1−x/4O3(0<x<30、0<y<100、xおよびyの値によりPZT、PLT、PLZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、KNbO3など、六方晶系として例えばLiNbO3、LiTaO3などに代表される強誘電体、タングステンブロンズ型ではSrxBa1−xNb2O6、PbxBa1−xNb2O6など、またこのほかに、Bi4Ti3O12、Pb2KNb5O15、K3Li2Nb5O15、さらに以上の置換誘導体などより選ばれる。
【0021】
これら薄膜光導波路は単結晶基板に対してエピタキシャルまたは単一配向性を有するため、薄膜光導波路材料は単結晶基板材料の結晶構造に類似で、格子定数の差が10%以下であることが望ましいが、必ずしもこの関係に従わなくともエピタキシ関係を保持できればよい。また、薄膜光導波路材料は単結晶基板よりも大きい屈折率を有することが薄膜光導波路層に光を閉じ込めるために必要である。強誘電体薄膜の膜厚は通常0.1μmから10μmの間に設定されるが、これは目的によって適当に選択することができる。
【0022】
導電性あるいは半導電性の基板を用い、光導波路表面に上部電極を設け、光導波路に電圧を印加する際には、光導波路に印加できる実効電圧を大きくし、かつ基板による光伝搬損失を低減するために高誘電率で透明な酸化物バッファ層を設けることが望ましい。この場合には前記第1および第2の強誘電体薄膜よりも小さい屈折率を有し、かつバッファ層の比誘電率と前記光導波路の比誘電率の比が0.002以上、望ましくはバッファ層の比誘電率と前記光導波路の比誘電率の比が0.006以上であり、かつバッファ層の比誘電率が8以上である材料が選ばれる。また、バッファ層材料は導電性基板材料と光導波路材料とのエピタキシ関係を保持できることが必要である。このエピタキシ関係を保持できる条件としては、バッファ層材料が導電性基板材料と光導波路材料の結晶構造に類似で、格子定数の差が10%以下であることが望ましいが、必ずしもこの関係に従わなくともエピタキシ関係を保持できればよい。
【0023】
具体的には、ABO3型のペロブスカイト型酸化物では、正方晶、斜方晶または擬立方晶系として例えばSrTiO3、BaTiO3、(Sr1−xBax)TiO3(0<x<1)、PbTiO3、Pb1−xLax(ZryTi1−y)1−x/4O3(0<x<0.3、0<y<1.0、xおよびyの値によりPZT、PLT、PLZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、KNbO3など、六方晶系として例えばLiNbO3、LiTaO3などに代表される強誘電体、タングステンブロンズ型酸化物ではSrxBa1−xNb2O6、PbxBa1−xNb2O6など、またこのほかに、Bi4Ti3O12、Pb2KNb5O15、K3Li2Nb5O15、ZnOさらに以上の置換誘導体より選ばれる。バッファ層の膜厚と前記光導波路の膜厚の比は0.1以上、望ましくは0.5以上であり、かつバッファ層の膜厚が10nm以上であることが有効である。
【0024】
レンズ方式としては、プレーナ・プロセスが利用できるモード・インデックス方式、フレネル方式、およびグレーティング方式より選択できるが、集光効率の点からモード・インデックス方式が望ましい。モード・インデックス方式は薄膜光導波路上面から見たレンズ形状によって、レンズ部の実効屈折率を薄膜光導波路部よりも大きくした場合には円形や瞳形の凸レンズ、レンズ部の実効屈折率を薄膜光導波路部よりも小さくした場合には凹レンズから選択されるが、一般的には円形や瞳形の凸レンズが光導波路素子としては必要とされることが多い。
【0025】
レンズ部の実効屈折率を薄膜光導波路部よりも大きくし、モード・インデックス方式の円形や瞳形の凸レンズ、フレネル方式、あるいはグレーティング方式を適用する場合には、レンズ部となる第1の強誘電体薄膜は基板と第2の強誘電体薄膜との間に設けられ、光導波路部となる第2の強誘電体薄膜よりも大きい屈折率を有することが必要である。また、第1の強誘電体薄膜は第2の強誘電体薄膜の膜厚よりも小さく、かつ第1の強誘電体薄膜に光導波するためのカットオフ膜厚よりも大きい膜厚を有することが望ましい。
【0026】
レンズ部の実効屈折率を薄膜光導波路部よりも小さくし、モード・インデックス方式の凹レンズあるいはフレネル方式を適用する場合には、レンズ部となる第1の強誘電体薄膜は光導波路部となる第2の強誘電体薄膜よりも小さい屈折率を有することが必要であり、光導波路部となる第2の強誘電体薄膜は基板と第1の強誘電体薄膜との間に設けられる。また、第2の強誘電体薄膜は第1の強誘電体薄膜の膜厚よりも小さく、かつ第2の強誘電体薄膜に光導波するためのカットオフ膜厚よりも大きい膜厚を有することが望ましい。
【0027】
本発明の光導波路素子の作製プロセスとしては、レンズ部の実効屈折率を薄膜光導波路部よりも大きくし、モード・インデックス方式の円形や瞳形の凸レンズ、フレネル方式、あるいはグレーティング方式を適用する場合には、まず単結晶基板表面に強誘電体のアモルファス薄膜を電子ビーム蒸着、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、MOCVDなどの気相法およびゾルゲル法、MOD法などのウエット・プロセスより選ばれる方法によって作製する。
【0028】
その後、アモルファス薄膜表面にフォトレジスト、あるいは電子線レジストを塗布した後、露光、エッチングすることによる方法によってこのアモルファス薄膜をレンズ形状にパターンニングする。エッチングはHCl、HNO3、HF、H2SO4、H3PO4、C2H2O2、NH4Fなどの水溶液やその混合水溶液によるウエット・エッチング、CCl4、CCl2F2、CHClFCF3などや、それらのO2との混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチング、またはイオンビーム.エチングなどのドライ・エッチングなどが有効であるが、ウエット・エッチングによって容易にエッチングすることが可能である。
【0029】
その後、この強誘電体のアモルファス薄膜を有する単結晶基板を加熱することによって固相エピタキシによってレンズ形状でエピタキシャルまたは単一配向性の第1の強誘電体薄膜を得る。さらに光導波路を構成するためにエピタキシャルまたは単一配向性の第2の強誘電体薄膜を単結晶基板表面および第1の強誘電体薄膜上に電子ビーム蒸着、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、MOCVDなどの気相エピタキシャル成長法およびゾルゲル法、MOD法などのウエット・プロセスによる固相エピタキシャル成長法より選ばれるエピタキシャル成長方法によって成長する。
【0030】
また、エピタキシャルまたは単一配向性の第1の強誘電体薄膜となるレンズ形状のアモルファス薄膜および単結晶基板表面に、エピタキシャルまたは単一配向性の第2の強誘電体薄膜となるアモルファス薄膜を前記のいずれかの方法で形成した後、第1および第2の強誘電体薄膜を同時に加熱することによる固相エピタキシによってエピタキシャルまたは単一配向性に結晶化することも可能である。バッファ層を用いる場合には、単結晶基板表面に強誘電体のアモルファス薄膜を形成する前に、上記のいずれかの方法によって単結晶基板表面にバッファ層をエピタキシャル成長させる。
【0031】
レンズ部の実効屈折率を薄膜光導波路部よりも小さくし、モード・インデックス方式の凹レンズあるいはフレネル方式を適用する場合の本発明の光導波路素子の作製プロセスとしては、まず、単結晶基板表面に強誘電体のアモルファス薄膜を前記の成膜プロセスより選ばれる方法によって作製する。その後、アモルファス薄膜表面にフォトレジスト、あるいは電子線レジストを塗布した後、露光、エッチングすることによる方法によってこのアモルファス薄膜にレンズ形状の窓をパターンニングする。その後、この強誘電体のアモルファス薄膜を有する単結晶基板を加熱することによって固相エピタキシによって光導波路となるエピタキシャルまたは単一配向性の第2の強誘電体薄膜を得る。
【0032】
さらにレンズ部となるエピタキシャルまたは単一配向性の第1の強誘電体薄膜を単結晶基板表面および第2の強誘電体薄膜上に前記の成膜プロセスより選ばれる方法によって成長する。また、エピタキシャルまたは単一配向性の第2の強誘電体薄膜となるレンズ形状の窓を有するアモルファス薄膜および単結晶基板表面に、エピタキシャルまたは単一配向性の第1の強誘電体薄膜となるアモルファス薄膜を前記のいずれかの方法で形成した後、第1および第2の強誘電体薄膜を同時に加熱することによる固相エピタキシによってエピタキシャルまたは単一配向性に結晶化することも可能である。
バッファ層を用いる場合には、単結晶基板表面に強誘電体のアモルファス薄膜を形成する前に、上記のいずれかの方法によって単結晶基板表面にバッファ層をエピタキシャル成長させる。
【0033】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態による光導波路素子を図1乃至図18を用いて説明する。まず、本発明のうち、レンズ部の実効屈折率を薄膜光導波路部よりも大きくした、モード・インデックス方式の円形の凸レンズについて詳細に説明する。本発明に含まれる他の薄膜レンズも原理はほぼ同様である。
【0034】
この導波路レンズは図1に示すように高屈折率層の第1の強誘電体薄膜1を、基板2と導波路である第2の強誘電体薄膜3の間に設けることによって相対屈折率差を形成する方法である。
ここで、図2のように凸面間が距離tで曲率r1、r2(但し、図2では円形レンズr=r1=−r2を示している。)の2つのレンズの合成焦点距離fは近軸公式を用いて次式で与えられる。
【0035】
f=δ・r1・r2/δ [1]
δ=(ρ−1)・{ρ・(r1−r2)−(ρ−1)・t} [2]
ρ=NL/NG [3]
NLとNGはそれぞれレンズ部と導波路部の実効屈折率である。
【0036】
円形レンズでは、
r=r1=−r2 [4]
t=2r [5]
であるから、
f=ρ・r/{2(ρ−1)} [6]
となる。
【0037】
従って、入射瞳の直径Dをレンズ直径の1/2に相当するrとした場合、レンズのF値は次のようになる。
【0038】
F値=f/D=ρ/{2(ρ−1)} [7]
【0039】
図3はF値と実効屈折率比ρの関係を示しており、光導波路素子をコンパクトにするためにF値を10程度とするにはρが1.05である必要がある。
例えば、Pb1−xLax(ZryTi1−y)1−x/4O3薄膜について考えた場合、その屈折率は組成によって2.45から2.70の程度の範囲で変化するため、レンズ部5に屈折率の大きい第1の組成の層(第1の強誘電体薄膜)1と屈折率の小さい第2の組成の層(第2の強誘電体薄膜)3を用い、導波路部4にレンズ部よりも屈折率の小さい第2の組成の層3のみを設けることによって本実施の形態の構成を得ることができる。一般に、実効屈折率は屈折率よりも小さくなるので、レンズ部の実効屈折率を2.65、導波路部の実効屈折率を2.40とした場合、実効屈折率比ρは1.104となり、[7]式より円形レンズのF値は5.3が得られる。
【0040】
実効屈折率は実測する以外に、以下のように理論的に算出することができる。図4および図5に示すようなスラブ型光導波路において、z方向にexpj[ωt−βz]で伝搬する光波の波動方程式は次のようになる。
【0041】
δ2(Ez,Hz)/δx2+δ2(Ez,Hz)/δy2+χi 2(Ez,Hz)/δz2=0 [8]
(χi 2=ki 2−β2、ki 2=ω2μ0εi=k0 2ni 2、i=1,2,3)
【0042】
ここで、ωは光波の角周波数、μ0は真空の透磁率、βは伝搬定数である。y方向には電磁界は一様であるとすれば、expj[ωt−βz]を省いて、Ez,Hz∝F(x)とおくことによって、この式は次のような波動方程式となる。
【0043】
d2F(x)/dy2+χiF(x)=0 [9]
【0044】
従って、すべての電磁界成分は指数関数または三角関数で表されることになり、一方向に一様な電磁界はTEモード(Ez=0)とTMモード(Hz=0)にとして表され、電磁界成分は次のようになる。
【0045】
TE: Ez=0、Ex=Hy=0
δEy/δz=jωμ0Hx
δEy/δx=−jωμ0Hz
TM: Hz=0、Hx=Ey=0
δHy/δz=−jωεiEx
δHy/δy=jωεiEz
【0046】
ここで、TEモードについて、IIおよびIIIの領域での電磁界は|x|=∞でゼロでなければならないから、dを導波路層であるIの領域の厚さとすると、
III:Ey3=E3exp(−γ3x)、x>0 [10]
I:Ey1=E1cos(kxx+φ3)、−d<x<0 [11]
II:Ey2=E2exp{γ2(x+t)}、x<−d [12]
【0047】
となる。ここで、n1をIの領域の屈折率、n2をIIの領域の屈折率、n3をIIIの領域の屈折率、NをIの領域の実効屈折率とすると、
【0048】
γ3=k0(N2−n3 2)0.5 [13]
kx=k0(n1 2−N2)0.5 [14]
γ2=k0(N2−n2 2)0.5 [15]
【0049】
また、x=0において電界成分EyとHzが連続である境界条件より、
E3=E1cosφ3 [16]
tanφ3=γ3/kx [17]
同様に、
E2=E1cos(kxd−φ3) [18]
tan(kxt−φ3)=γ2/kx [19]
【0050】
これらの関係より、
kxd=(m+1)π−tan−1(kx/γ2)−tan−1(kx/γ3)
[20]
ここで、mはモード・ナンバー(m=0,1,2,.....)である。
【0051】
この式[20]の示す関係より、各領域の屈折率と導波路層の膜厚を与えるとTEモードに対する実効屈折率Nを求めることができる。さらに、このような解析的方法によって実効屈折率と電磁界分布を求める以外に、BPM(Beam Propagation Method)によって積層構造の導波路における実効屈折率と電磁界分布を求めることもできる。
【0052】
【表1】
【0053】
表1に示す導波路部が空気(n=1)/PLZT(9/65/35)薄膜(n=2.49)/SrTiO3基板(n=2.40)、レンズ部が空気(n=1)/PLZT(9/65/35)薄膜(n=2.49)/PZT(30/70)薄膜(n=2.61)/SrTiO3基板(n=2.40)となる構造において波長633nmでの実効屈折率をBPMによって求めると、導波路部が2.4589、レンズ部が2.5744となり、実効屈折率比は1.0470となるので式[7]よりF値は11.1が得られる。
【0054】
以上のように本実施の形態のF値を設定することができるが、同時にレンズ部と導波路部での電磁界分布の変化による結合効率の低下をなるべく小さくできる構造が重要である。この結合効率はレンズ部と導波路部での電磁界分布の重なり積分に比例し、TEモードにおいては次式で示される。
【0055】
η=(∫−∞ +∞EyG・EyLdx)2÷{∫−∞ +∞|EyG|2dx×∫−∞ +∞|EyL|2dx} ・・・[21]
【0056】
ここで、EyGは導波路部での電界振幅、EyLはレンズ部での電界振幅である。従来、先に述べたように膜厚差を利用する方法(1)、高屈折率層を設ける方法(2)、高屈折率層を埋めこむ方法(3)では原理的に結合損失が大きくなりやすいのは、レンズ部と導波路部に段差があるために電磁界分布がずれ、この重なり積分が低下するためである。これに対して、本発明者らは各種の構造についての重なり積分を鋭意検討した結果、従来は結合損失が原理的に大きいと考えられていた上記の方法でも、生産性の高い図1のような高屈折率薄膜レンズを低屈折率薄膜光導波路で覆った構造で、作製が困難な導波路に他元素を拡散したりイオン交換する方法(4)または導波路の一部をパターンニングして別の材料で埋め戻す方法(5)と同等の極めて良好な結合効率が得られることを見出した。
【0057】
例えば、表1に示す高屈折率薄膜レンズを低屈折率薄膜光導波路で覆った構造において電界分布を計算すると、導波路部およびレンズ部の電界分布がほぼ重なり、[21]式の重なり積分を行うと導波路部とレンズ部界面での結合効率は96.5%、レンズ部への入射結合とレンズ部からの出射結合を合わせると結合効率は93.1%、または0.31dBの結合損失となることが分かった。
【0058】
図6乃至図8には第2の薄膜の膜厚が400nmおよび600nmにおける第1の薄膜の膜厚と結合損失の関係を、第1の薄膜の屈折率2.56/第2の薄膜の屈折率2.50の場合(図6)、第1の薄膜の屈折率2.61/第2の薄膜の屈折率2.49の場合(図7)、第1の薄膜の屈折率2.65/第2の薄膜の屈折率2.47の場合(図8)について計算した結果をそれぞれ示している。いずれの場合においても、第1の薄膜の膜厚が第2の薄膜の膜厚よりも小さい領域において結合損失の最小値があることが分かる。これは、薄膜光導波路部では上部の空気またはクラッド層と下部の基板の屈折率差が大きいため電磁界分布が非対称となり、中心が基板側へずれているのに対し、レンズ部では上部が薄膜光導波路材料であるため上部と下部の屈折率差が小さく、電磁界分布がほぼ対称になることに起因する。
【0059】
このため、見かけは膜厚差が生じる構造でも、レンズ部となる高屈折率の第1の薄膜の膜厚を、図9(a)〜(c)に示すように、薄膜光導波路部となる低屈折率の第2の薄膜の膜厚よりも小さくしていくと、レンズ部の電磁界分布が基板側にシフトするために電磁界分布の重なりが大きくなり、さらに第1の薄膜の膜厚を小さくしていくと今度はレンズ部の電磁界分布が基板側にシフトしすぎて電磁界分布の重なりが小さくなると考えられる。第1の薄膜の膜厚の下限としては、第1の薄膜に光が導波しなけらばならないため、第1の薄膜に光導波するためのカットオフ膜厚となる。
【0060】
また、このような構造においては導波路部、レンズ部ともシングル・モードに保つことが可能で、モード変換による問題もない。導波路部のPLZT薄膜の膜厚は600nmであり、TE1モードのカットオフ膜厚である670nm以下であるためTE0のシングル・モードである。一方、レンズ部のPZT薄膜の膜厚は500nmであり、上部が空気の場合にはTE1モードのカットオフ膜厚である420nm以上であるためTE0およびTE1のマルチ・モード化するが、膜厚600nmのPLZT薄膜がカバーしているためTE1モードのカットオフ膜厚は500nmとなり、TE0のシングル・モードとすることができる。
【0061】
このような薄膜レンズの作製プロセスとしては、まず、単結晶基板表面に強誘電体のアモルファス薄膜を作製した後、アモルファス薄膜をエッチングによってレンズ形状にパターンニングすることが有効であることが、固相エピタキシャル成長の研究の結果明らかになった。これは、アモルファス薄膜は結晶粒がなく均一で、エッチング・レートも結晶よりも著しく速いため、結晶化後のエピタキシャル強誘電体薄膜光導波路における散乱損失の原因となる表面荒れを与えず、かつ、光導波路と同種の酸化物である基板にダメージを与えずに選択的にエッチングすることが容易であることが原因と考えられる。特にエピタキシャル酸化物バッファ層を単結晶基板表面に設ける場合には、エピタキシャル酸化物バッファ層は単結晶基板と比較して結晶性は完全でない場合があるために、アモルファス薄膜を選択的にエッチングすることの有用性が高い。
【0062】
この強誘電体のアモルファス薄膜を有する単結晶基板を加熱することによって固相エピタキシャル成長によってレンズ形状でエピタキシャルまたは単一配向性の第1の強誘電体薄膜を得、さらに光導波路を構成するためにエピタキシャルまたは単一配向性の第2の強誘電体薄膜を単結晶基板表面および第1の強誘電体薄膜上に成長することによって、結合損失の小さい薄膜レンズを有する光導波路素子が作製できる。
【0063】
以下、本実施の形態をより具体的に実施例を用いて説明する。
【0064】
〔実施例1〕
本実施例においては表1のように導波路部4がPLZT(9/65/35)薄膜(膜厚=600nm、n=2.49)/SrTiO3基板(n=2.40)、レンズ部5がPLZT(9/65/35)薄膜(膜厚=600nm、n=2.49)/PZT(30/70)薄膜(膜厚=500nm、n=2.61)/SrTiO3基板(n=2.40)となる構成を有し、構造が図1及び図2のような直径800μmの円形レンズを作製し、さらに導波路部にくし形Al電極を形成することによって図10のような音響光学(AO)偏向素子を原理とする光スイッチを作製した。
【0065】
まず、無水酢酸鉛Pb(CH3COO)2、ジルコニウム・イソプロポキシドZr(O−i−C3H7)4、およびチタン・イソプロポキシド Ti(O−i−C3H7)4を出発原料として、2−メトキシエタノールに溶解し、蒸留と還流を行い、最終的にPb濃度で0.6MのPZT(30/70)用前駆体溶液を得た。次に、この前駆体溶液を洗浄、エッチング、乾燥を行ったSrTiO3(100)単結晶基板上2へスピンコーティングを行った。さらに、O2雰囲気中で昇温して300°Cにて保持の後、電気炉の電源を切り冷却した。これを5回繰り返すことによりアモルファスPZT(30/70)薄膜を得た。
【0066】
次に、ネガ電子線レジストをスピンコートし、プリベークの後、直径800μmの円形レンズ形状に電子線露光した。さらにポストベークに続いて現像を行うことにより、円形レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。さらに、ハードベークの後、HCl水溶液でアモルファスPZT(30/70)薄膜をエッチングすることによって円形レンズ形状のアモルファスPZT(30/70)薄膜を形成した。リムーバによって円形レンズ形状のレジストを剥離した後、O2雰囲気中で昇温して300°Cにて保持の後、650°Cにて保持することにより固相エピタキシャル成長を行い、膜厚500nmの円形レンズ形状の第1のエピタキシャルPZT(30/70)薄膜1を形成した。
【0067】
次に、無水酢酸鉛Pb(CH3COO)2、ランタン・イソプロポキシドLa(O−i−C3H7)3、ジルコニウム・イソプロポキシドZr(O−i−C3H7)4、およびチタン・イソプロポキシドTi(O−i−C3H7)4を出発原料として、2−メトキシエタノールに溶解し、蒸留と還流を行い、最終的にPb濃度で0.6MのPLZT(9/65/35)用前駆体溶液を得た。次に、この前駆体溶液を円形レンズ形状のエピタキシャルPZT(30/70)薄膜を有するSrTiO3(100)単結晶基板上へスピンコーティングを行った。
【0068】
さらに、O2雰囲気中で昇温して350°Cにて保持、および750°Cに昇温して保持の後、電気炉の電源を切り冷却することによる固相エピタキシャル成長を行った。これを6回繰り返すことにより膜厚600nmの第2のエピタキシャルPLZT(9/65/35)薄膜3を形成した。結晶学的関係は単一配向のPLZT(100)//PZT(100)//SrTiO3(100)、面内方位PLZT[001]//PZT[001]//SrTiO3[001]の構造が得られた。
【0069】
この薄膜光導波路のポーリングを行った後、PLZT薄膜光導波路上にくし形Al電極を形成し、AO偏向素子を作製した。
【0070】
まず、光導波路特性の評価を行なうため、プリズム・カップリングによって633nmのレーザ光の入射ビーム8を0.4mmにコリメートし、本実施例のPLZT薄膜光導波路4に導入して光伝搬方向のTE0モードの散乱光強度分布を光ファイバーによって測定した。散乱光強度の対数と光伝搬距離の関係の傾きより、導波路部4とレンズ部5の界面での入射結合とレンズ部5からの出射結合を合わせた結合損失を求めると、先のシュミレーションの0.31dBに対してほぼ等しい0.78dB(結合効率で84%)の良好な特性であることが分かった。なお、0.4mmのコリメート光は焦点距離4.5mmで集光しており、F値は11.3と設計値と同じ集光性能を示すことが分かった。またマルチモード化も観察されなかった。
【0071】
本実施例のAO偏向素子へ633nmの波長のレーザー・ビームをチャンネル導波路7端面に集光し、PLZT薄膜光導波路4へ導入した。入射ビーム8はチャンネル導波路7から出射するとPLZT光導波路4内で発散し、薄膜レンズ5を通過すると0.4mmにコリメートされた。くし形Al電極6に高周波電圧を印加しない場合、レーザー・ビームは2つめの薄膜レンズ5を通過すると集光され、チャンネル導波路を通じて端面から出射する射出ビーム9となる。くし形Al電極6に高周波電圧を印加した場合、音響光学効果によって回折格子が形成され、レーザー・ビームが偏向された。偏向されたレーザー・ビームは2つめの薄膜レンズ5を通過すると集光され、上記のチャンネル導波路の隣のチャンネル導波路を通じて端面から出射する射出ビーム10となる。
【0072】
なお、本実施例の図1に示す構造に対して、基板上面を研磨等することにより、図12に示すような構造にしてもよい。この場合には以下に示す比較例2と同様の構造を実現しながら、導波路部とレンズ部との界面に凹凸等を生じさせることがないので、優れた光導波路特性を得ることができる。
【0073】
〔比較例1〕
本比較例においては導波路部およびレンズ部をPLZT(9/65/35)薄膜(n=2.49)/SrTiO3基板(n=2.40)となる構成を有し、構造が図2および図11のような直径800μmの円形レンズを作製した。
【0074】
まず、実施例1と同様にしてPb濃度で0.6MのPLZT(9/65/35)用前駆体溶液を洗浄、エッチング、乾燥を行ったSrTiO3(100)単結晶基板上2へスピンコーティングを行った。さらに、O2雰囲気中で昇温して350°Cにて保持の後、750°Cに昇温して保持の後、電気炉の電源を切り冷却することによる固相エピタキシャル成長を行った。これを6回繰り返すことにより膜厚600nmのエピタキシャルPLZT(9/65/35)薄膜を形成した。
【0075】
さらに、PLZT(9/65/35)用前駆体溶液をこのエピタキシャルPLZT(9/65/35)薄膜表面へスピンコーティングを行い、O2雰囲気中で昇温して350°Cにて保持の後、電気炉の電源を切り冷却した。これを5回繰り返すことによりアモルファスPLZT(9/65/35)薄膜を得た。次に、ネガ電子線レジストをスピンコートし、プリベークの後、直径800μmの円形レンズ形状に電子線露光した。さらにポストベークに続いて現像を行うことにより、円形レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。
【0076】
さらに、ハードベークの後、HCl水溶液でアモルファスPLZT(9/65/35)薄膜をエッチングすることによって円形レンズ形状のアモルファスPLZT(9/65/35)薄膜を形成した。リムーバによって円形レンズ形状のレジストを剥離した後、O2雰囲気中で昇温して350°Cにて保持の後、750°Cにて保持することにより固相エピタキシャル成長を行い、膜厚500nmの円形レンズ形状のエピタキシャルPLZT(9/65/35)薄膜を形成した。これにより、導波路部4およびレンズ部5を形成した。結晶学的関係は単一配向のPLZT(100)//SrTiO3(100)、面内方位PLZT[001]//SrTiO3[001]の構造が得られた。
【0077】
光導波路特性の評価を行なうため、実施例1と同様にしてプリズム・カップリングによって633nmのレーザ光を0.4mmにコリメートし、本比較例のPLZT薄膜光導波路に導入して光伝搬方向のTE0モードの散乱光強度分布を光ファイバーによって測定した。導波路部4とレンズ部5の界面での入射結合とレンズ部からの出射結合を合わせた結合損失を求めると、7.3dB(結合効率で19%)と大きな損失であることが分かった。また、本比較例ではレンズ部でTE1モードが発生し、レンズ部からの出射光はTE0モードに相当する集光と、レンズ部でのTE1モードが導波路部でTE0モードに弱く結合した結果による弱い集光の二つがみられた。また、0.4mmのコリメート光は極めて弱くしか集光されず、計算によってF値を求めると64.7と極めて集光性能が悪いことが分かった。
【0078】
〔比較例2〕
本比較例においては導波路部4がPLZT(9/65/35)薄膜(膜厚=600nm、n=2.49)/SrTiO3基板(n=2.40)、レンズ部5がPZT(30/70)薄膜(膜厚=600nm、n=2.61)/SrTiO3基板(n=2.40)となる構成を有し、構造が図2及び図12のような直径800μmの円形レンズを作製した。
【0079】
まず、実施例1と同様にしてPb濃度で0.6MのPLZT(9/65/35)用前駆体溶液を得た。次に、この前駆体溶液を洗浄、エッチング、乾燥を行ったSrTiO3(100)単結晶基板2上へスピンコーティングを行った。さらに、O2雰囲気中で昇温して350°Cにて保持の後、750°Cに昇温して保持の後、電気炉の電源を切り冷却することによる固相エピタキシャル成長を行った。これをを6回繰り返すことにより膜厚600nmのエピタキシャルPLZT(9/65/35)薄膜を形成した。
【0080】
次に、ポジ電子線レジストをスピンコートし、プリベークの後、直径800μmの円形レンズ形状に電子線露光した。さらにポストベークに続いて現像を行うことにより、円形レンズ形状の窓のレジスト・パターンを形成した。さらに、ハードベークの後、NH4F/HF/HClの混合水溶液でエピタキシャルPLZT(9/65/35)薄膜をエッチングすることによって円形レンズ形状の窓を形成した。
【0081】
その後、Pb過剰PZT(30/70)セラミック・ターゲットを用い、Rfマグネトロン・スパッタリング法によって基板温度室温でアモルファスPZT(30/70)薄膜を円形レンズ形状の窓を形成したレジスト・パターン上へ形成した。次に、リムーバによってレジストを剥離するリフトオフよって、エピタキシャルPLZT(9/65/35)薄膜の円形レンズ形状の窓内のみがアモルファスPZT(30/70)薄膜で満たされた構造の形成を試みた。さらに、O2雰囲気中で昇温して650°Cにて保持することによりアモルファスPZT(30/70)薄膜の固相エピタキシャル成長を行った。
【0082】
光導波路特性の評価を行なうため、実施例1と同様にしてプリズム・カップリングによって633nmのレーザ光を0.4mmにコリメートし、PLZT薄膜光導波路に導入して光伝搬方向のTE0モードの散乱光強度分布を光ファイバーによって測定した。導波路部4とレンズ部5の界面での入射結合とレンズ部からの出射結合を合わせた結合損失を求めると、シュミレーションの0.22dBの予想に反して9.6dB(結合効率で11%)と大きな損失であることが分かった。この原因を調べるため、走査型電子顕微鏡で導波路部とレンズ部の界面を観察したところ、界面には凹凸と空隙が存在し、さらに導波路部とレンズ部の膜厚が異なっていた。また、透過型電子顕微鏡で断面を観察すると、円形レンズ下部の基板表面には凹凸が発生していた。このような問題が結合損失を大きくしていると予想される。また、本比較例でもレンズ部でTE1モードが発生し、レンズ部からの出射光はTE0モードに相当する集光と、レンズ部でのTE1モードが導波路部でTE0モードに弱く結合した結果による弱い集光の二つがみられた。
【0083】
〔実施例2〕
本実施例においては導波路部4がPZT(52/48)薄膜(膜厚=1000nm、n=2.56)/SrTiO3基板(n=2.40)、レンズ部5がPZT(52/48)薄膜(膜厚=1000nm、n=2.56)/PZT(30/70)薄膜(膜厚=800nm、n=2.61)/SrTiO3基板(n=2.40)となる構成を有し、構造が図1及び図13のような曲率半径800μmの瞳形レンズを作製した。
【0084】
まず、実施例1と同様にしてPZT(30/70)用前駆体溶液を得た。次に、この前駆体溶液を洗浄、エッチング、乾燥を行ったSrTiO3(100)単結晶基板上2へスピンコーティングを行った。さらに、O2雰囲気中で昇温して300°Cにて保持の後、電気炉の電源を切り冷却した。これを8回繰り返すことによりアモルファスPZT(30/70)薄膜を得た。次に、ポジ・レジストをスピンコートし、プリベークの後、瞳形レンズ形状以外の部分を紫外線露光し、ポストベークに続いて現像を行うことにより、瞳形レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。
【0085】
さらに、ハードベークの後、HNO3/HCl混合水溶液でアモルファスPZT(30/70)薄膜をエッチングすることによって瞳形レンズ形状に形成した。リムーバによってレジストを剥離した後、O2雰囲気中で昇温して300°Cにて保持の後、650°Cにて保持することにより固相エピタキシャル成長を行い、瞳形レンズ形状で膜厚800nmの第1のエピタキシャルPZT(30/70)薄膜1を形成した。
【0086】
さらに、実施例1と同様にして得たPZT(52/48)用前駆体溶液をこのエピタキシャルPZT(52/48)薄膜表面へスピンコーティングを行い、O2雰囲気中で昇温して350°Cにて保持、および650°Cに昇温して保持の後、電気炉の電源を切り冷却することによる固相エピタキシャル成長を行った。これを10回繰り返すことにより膜厚1000nmのエピタキシャルPZT(52/48)薄膜を形成した。これにより、導波路部4およびレンズ部5を形成し、結晶学的関係は単一配向のPZT(100)//PZT(100)//SrTiO3(100)、面内方位PZT[001]//PZT[001]//SrTiO3[001]の構造が得られた。
【0087】
実施例1と同様にしてプリズム・カップリングによって633nmのレーザ光を0.4mmにコリメートし、本実施例のPZT薄膜光導波路に導入して光伝搬方向のTE0モードの散乱光強度分布を光ファイバーによって測定した。シュミレーションの0.10dBに対してほぼ等しい0.16dB(結合効率で96%)の良好な特性であることが分かった。また、0.4mmのコリメート光は焦点距離21.2mmで集光しており、F値は52.9と設計値と同じ集光性能を示すことが分かった。また、レンズ部でのマルチモード化も観察されなかった。
【0088】
〔実施例3〕
本実施例においては導波路部4がPLZT(9/65/35)薄膜(膜厚=600nm、n=2.49)/SrTiO3基板(n=2.40)、レンズ部5がPLZT(9/65/35)薄膜(膜厚=600nm、n=2.49)/PZT(30/70)薄膜(膜厚=600nm、n=2.61)/SrTiO3基板(n=2.40)となる構成を有し、構造が図1及び図14のような片側が曲率半径800μmを有する半瞳形レンズを実施例1と同様の方法で作製した。
【0089】
まず、PZT(30/70)用前駆体溶液を用いてSrTiO3(100)単結晶基板上2へアモルファスPZT(30/70)薄膜を得た。次に、ネガ電子線レジストを用いて半瞳形レンズ形状に電子線露光することにより、半瞳形レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。HCl水溶液でアモルファスPZT(30/70)薄膜をエッチングし、レジストを剥離した後、固相エピタキシャル成長により膜厚600nmの半瞳形レンズ形状の第1のエピタキシャルPZT(30/70)薄膜1を形成した。次に、PLZT(9/65/35)用前駆体溶液を半瞳形レンズ形状のエピタキシャルPZT(30/70)薄膜を有するSrTiO3(100)単結晶基板上へスピンコーティングを行い、固相エピタキシャル成長によって膜厚600nmの第2のエピタキシャルPLZT(9/65/35)薄膜3を形成した。
【0090】
実施例1と同様にしてプリズム・カップリングによって633nmのレーザ光を0.4mmにコリメートし、本実施例のPLZT薄膜光導波路にTE0モードで導入したところ、良好な結合効率と集光特性が観察された。
【0091】
〔実施例4〕
本実施例においては導波路部4がPZT(95/5)薄膜(膜厚=500nm、n=2.47)/MgO基板(n=1.74)、レンズ部5がPZT(95/5)薄膜(膜厚=500nm、n=2.47)/PZT(10/90)薄膜(膜厚=400nm、n=2.65)/MgO基板(n=1.74)となる構成を有し、構造が図1及び図2のような直径800μmの円形レンズを作製した。
【0092】
まず、Pb過剰PZT(10/90)セラミック・ターゲットを用い、Rfマグネトロン・スパッタリング法によって室温の基板温度でアモルファスPZT(10/90)薄膜をMgO(100)単結晶基板上2へ形成した。次に、ネガ・レジストをスピンコートし、プリベークの後、円形レンズ形状に紫外線露光した。さらにポストベークに続いて現像を行うことにより、円形レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。さらに、ハードベークの後、NH4F/HF/HClの混合水溶液で第1のアモルファスPZT(10/90)薄膜をエッチングすることによって円形レンズ形状に形成し、さらにリムーバによってレジストを剥離した。
【0093】
続いて、Rfマグネトロン・スパッタリング・チャンバー内で基板温度600°Cとすることによって固相エピタキシャル成長により膜厚400nmの円形レンズ形状の第1のエピタキシャルPZT(10/90)薄膜を形成した後、Pb過剰PZT(95/5)セラミック・ターゲットを用いて膜厚500nmのエピタキシャルPZT(95/5)薄膜を円形レンズ形状のエピタキシャルPZT(10/90)薄膜を有するMgO基板上へ形成した。これにより、導波路部4およびレンズ部5を形成し、結晶学的関係は単一配向のPZT(100)//PZT(100)//MgO(100)、面内方位PZT[001]//PZT[001]//MgO[001]の構造が得られた。
【0094】
実施例1と同様にしてプリズム・カップリングによって633nmのレーザ光を0.4mmにコリメートし、本実施例のPZT薄膜光導波路に導入して光伝搬方向のTE0モードの散乱光強度分布を光ファイバーによって測定した。シュミレーションの0.08dBに対してほぼ等しい0.22dB(結合効率で95%)の良好な特性であることが分かった。また、0.4mmのコリメート光は焦点距離3.0mmで集光しており、F値は7.4と設計値と同じ集光性能を示すことが分かった。また、レンズ部でのマルチモード化も観察されなかった。
【0095】
〔実施例5〕
本実施例においては導波路部4がLiTaO3薄膜(膜厚=1000nm、ne=2.180)/Al2O3基板(ne=1.760)、レンズ部5がLiTaO3薄膜(膜厚=1000nm、n=2.180)/LiNbO3薄膜(膜厚=600nm、ne=2.208)/Al2O3基板(ne=1.760)となる構成を有し、構造が図1及び図2のような直径800μmの円形レンズを作製した。
【0096】
まず、等モル量のLiOC2H5とNb(OC2H5)5を出発原料として、2−メトキシエタノールCH3OC2H4OHに溶解し、蒸留と還流を行い、最終的にLi濃度で0.6MのLiNbO3用前駆体溶液を得た。次に、この前駆体溶液を洗浄、エッチング、乾燥を行ったAl2O3(0001)単結晶基板上2へスピンコーティングを行った。さらに、O2雰囲気中で昇温して300°Cにて保持の後、電気炉の電源を切り冷却した。これを6回繰り返すことによりアモルファスLiNbO3薄膜を得た。次に、ネガ・レジストをスピンコートし、プリベークの後、直径800μmの円形レンズ形状に紫外線露光した。さらにポストベークに続いて現像を行うことにより、円形レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。
【0097】
さらに、ハードベークの後、HCl水溶液でアモルファスLiNbO3膜をエッチングすることによって円形レンズ形状のアモルファスLiNbO3薄膜を形成した。リムーバによって円形レンズ形状のレジストを剥離した後、O2雰囲気中で昇温して300°Cにて保持の後、700°Cにて保持することにより固相エピタキシャル成長を行い、膜厚600nmの円形レンズ形状の第1のエピタキシャルLiNbO3薄膜1を形成した。次に、等モル量のLiOC2H5とTa(OC2H5)5を出発原料として、2−メトキシエタノールCH3OC2H4OHに溶解し、蒸留と還流を行い、最終的にLi濃度で0.06Mおよび0.6MのLiTaO3用前駆体溶液を得た。
【0098】
次に、まず0.06Mの前駆体溶液を円形レンズ形状のエピタキシャルLiNbO3薄膜を有するAl2O3(0001)単結晶基板上へスピンコーティングを行った。さらに、O2雰囲気中で昇温して300°Cにて保持の後、700°Cに昇温して保持の後、電気炉の電源を切り冷却することによる固相エピタキシャル成長を行った。次に、0.6Mの前駆体溶液のスピンコーティングを行い、さらに、O2雰囲気中で昇温して300°Cにて保持、および700°Cに昇温して保持の後、電気炉の電源を切り冷却することによる固相エピタキシャル成長を行った。これをを10回繰り返すことにより膜厚1000nmの第2のエピタキシャルLiTaO3薄膜3を形成した。
【0099】
実施例1と同様にしてプリズム・カップリングによって633nmのレーザ光を0.4mmにコリメートし、本実施例のLiTaO3薄膜光導波路に導入して光伝搬方向のTM0モードの散乱光強度分布を光ファイバーによって測定した。シュミレーションの0.86dBに対してほぼ等しい1.25dB(結合効率で75%)の良好な特性であることが分かった。また、0.4mmのコリメート光は焦点距離17.9mmで集光しており、F値は44.8と設計値と同じ集光性能を示すことが分かった。また、レンズ部でのマルチモード化も観察されなかった。
【0100】
〔実施例6〕
本実施例においては導波路部4がPLZT(9/65/35)薄膜(膜厚=600nm、n=2.49)/PZT(30/70)薄膜(膜厚=600nm、n=2.61)/SrTiO3基板(n=2.40)、レンズ部5がPZT(30/70)薄膜(膜厚=600nm、n=2.61)/SrTiO3基板(n=2.40)となる構成を有し、レンズ部の実効屈折率が薄膜光導波路部よりも小さい、構造が図15及び図16のような片側が曲率半径800μmを有する凹型レンズを作製した。
【0101】
まず、実施例1と同様にしてPb濃度で0.6MのPZT(30/70)薄膜用前駆体溶液を洗浄、エッチング、乾燥を行ったSrTiO3(100)単結晶基板上2へスピンコーティングを行った。さらに、O2雰囲気中で昇温して300°Cにて保持の後、電気炉の電源を切り冷却した。これを6回繰り返すことによりアモルファスPZT(30/70)薄膜を得た。次に、ポジ電子線レジストをスピンコート、プリベークの後、片側が曲率半径800μmを有する凹型レンズ形状に電子線露光した。
【0102】
さらにポストベークに続いて現像を行うことにより、凹形レンズ形状の窓のレジスト・パターンを形成した。さらに、ハードベークの後、HCl水溶液でアモルファスPZT(30/70)薄膜をエッチングすることによって凹形レンズ形状の窓をアモルファスPZT(30/70)薄膜に形成した。リムーバによって凹形レンズ形状の窓のレジストを剥離した後、O2雰囲気中で昇温して350°Cにて保持の後、750°Cにて保持することにより固相エピタキシャル成長を行い、光導波路部となる膜厚600nmの凹形レンズ形状の窓を有する第2のエピタキシャルPZT(30/70)薄膜3を形成した。
【0103】
次に、Pb濃度で0.6MのPLZT(9/65/35)用前駆体溶液を凹形レンズ形状の窓を有するエピタキシャルPZT(30/70)薄膜上へスピンコーティングを行った。さらに、O2雰囲気中で昇温して300°Cにて保持、および650°Cに昇温して保持の後、電気炉の電源を切り冷却することによる固相エピタキシャル成長を行った。これをを6回繰り返すことによりレンズ部となる膜厚600nmの第1のエピタキシャルPLZT(9/65/35)薄膜1を形成した。
【0104】
実施例1と同様にしてプリズム・カップリングによって633nmのレーザ光を0.4mmにコリメートし、本実施例のPLZT薄膜光導波路にTE0モードで導入したところ、良好な結合効率と集光特性が観察された。
【0105】
〔実施例7〕
本実施例においては導波路部4がPLZT(9/65/35)薄膜(膜厚=600nm、n=2.49)/SrTiO3基板(n=2.40)、レンズ部5がPLZT(9/65/35)薄膜(膜厚=600nm、n=2.49)/PZT(30/70)薄膜(膜厚=600nm、n=2.61)/SrTiO3基板(n=2.40)となる構成を有し、構造が図1及び図17のようなフレネル・レンズを実施例1と同様の方法で作製した。
【0106】
まず、PZT(30/70)用前駆体溶液を用いてSrTiO3(100)単結晶基板上2へアモルファスPZT(30/70)薄膜を得た。次に、ネガ電子線レジストを用いてフレネル・レンズ形状に電子線露光することにより、フレネル・レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。HCl水溶液でアモルファスPZT(30/70)薄膜をエッチングし、レジストを剥離した後、固相エピタキシャル成長により膜厚600nmのフレネル・レンズ形状の第1のエピタキシャルPZT(30/70)薄膜1を形成した。次に、PLZT(9/65/35)用前駆体溶液をフレネル・レンズ形状のエピタキシャルPZT(30/70)薄膜を有するSrTiO3基板上へスピンコーティングを行い、固相エピタキシャル成長によって膜厚600nmの第2のエピタキシャルPLZT(9/65/35)薄膜3を形成した。
【0107】
実施例1と同様にしてプリズム・カップリングによって633nmのレーザ光を0.4mmにコリメートし、本実施例のPLZT薄膜光導波路にTE0モードで導入したところ、良好な結合効率と集光特性が観察された。
【0108】
〔実施例8〕
本実施例においては導波路部4がPLZT(9/65/35)薄膜(膜厚=600nm、n=2.49)/SrTiO3基板(n=2.40)、レンズ部5がPLZT(9/65/35)薄膜(膜厚=600nm、n=2.49)/PZT(30/70)薄膜(膜厚=600nm、n=2.61)/SrTiO3基板(n=2.40)となる構成を有し、構造が図1及び図18のようなグレーティング・レンズを実施例1と同様の方法で作製した。
【0109】
まず、PZT(30/70)用前駆体溶液を用いてSrTiO3(100)単結晶基板上2へアモルファスPZT(30/70)薄膜を得た。次に、ネガ電子線レジストを用いてグレーティング・レンズ形状に電子線露光することにより、グレーティング・レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。CCl2F2/O2混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチングでアモルファスPZT(30/70)薄膜をエッチングし、レジストを剥離した後、固相エピタキシャル成長により膜厚600nmのグレーティング・レンズ形状の第1のエピタキシャルPZT(30/70)薄膜1を形成した。次に、PLZT(9/65/35)用前駆体溶液をグレーティング・レンズ形状のエピタキシャルPZT(30/70)薄膜を有するSrTiO3基板上へスピンコーティングを行い、固相エピタキシャル成長によって膜厚600nmの第2のエピタキシャルPLZT(9/65/35)薄膜3を形成した。
【0110】
実施例1と同様にしてプリズム・カップリングによって633nmのレーザ光を0.4mmにコリメートし、本実施例のPLZT薄膜光導波路にTE0モードで導入したところ、良好な結合効率と集光特性が観察された。
【0111】
〔実施例9〕
本実施例においては導波路部4がLiNbO3薄膜(膜厚=900nm、ne=2.208)/Al2O3基板(ne=1.760)、レンズ部5がLiNbO3薄膜(膜厚=900nm、ne=2.208)/TiドープLiNbO3薄膜(膜厚=800nm、ne=2.230)/Al2O3基板(ne=1.760)となる構成を有し、構造が図1及び図2のような直径800μmの円形レンズを実施例5と同様の方法で作製した。
【0112】
まず、Tiアルコキシドを添加したLiNbO3用前駆体溶液を用いてAl2O3(0001)単結晶基板上2へTiドープアモルファスLiNbO3薄膜を得た。次に、ネガ・レジストを用いて直径800μmの円形レンズ形状に紫外線露光することにより、円形レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。HCl水溶液でTiドープアモルファスLiNbO3膜をエッチングし、レジストを剥離した後、固相エピタキシャル成長により膜厚600nmの円形レンズ形状の第1のTiドープエピタキシャルLiNbO3薄膜1を形成した。次に、LiNbO3用前駆体溶液を円形レンズ形状のTiドープエピタキシャルLiNbO3薄膜を有するAl2O3(0001)単結晶基板上へスピンコーティングを行い、固相エピタキシャル成長によって膜厚1000nmの第2のエピタキシャルLiNbO3薄膜3を形成した。
【0113】
実施例1と同様にしてプリズム・カップリングによって633nmのレーザ光を0.4mmにコリメートし、本実施例のLiNbO3薄膜光導波路にTE0モードで導入したところ、良好な結合効率と集光特性が観察された。
【0114】
〔実施例10〕
本実施例においては図19に示すように導波路部4がPLZT(9/65/35)薄膜(膜厚=600nm、n=2.49)/PZT(90/10)薄膜(膜厚=300nm、n=2.48)/NbドープSrTiO3基板(n=2.40)、レンズ部5がPLZT(9/65/35)薄膜(膜厚=600nm、n=2.49)/PZT(30/70)薄膜(膜厚=500nm、n=2.61)/PZT(90/10)薄膜(膜厚=300 nm、n=2.48)/NbドープSrTiO3基板(n=2.40)となるPZT(90/10)バッファ層11を導入した構成を有し、構造が図1及び図2のような直径800μmの円形レンズを実施例1と同様の方法で作製し、さらに導波路部にプリズム型ITO電極を形成することによってプリズム型EO偏向素子を作製した。
【0115】
まず、PZT(90/10)用前駆体溶液を洗浄、エッチング、乾燥を行ったNbドープSrTiO3(100)単結晶基板上2へスピンコーティングを行った。さらに、O2雰囲気中で昇温して300°Cにて保持、および750°Cに昇温して保持の後、電気炉の電源を切り冷却することによる固相エピタキシャル成長を行った。これを3回繰り返すことにより膜厚300nmのバッファ層となるエピタキシャルPLZT(90/10)薄膜11を形成した。
【0116】
次に、PZT(30/70)用前駆体溶液をPZT(90/10)バッファ層11上へスピンコーティングを行った。さらに、O2雰囲気中で昇温して300°Cにて保持の後、電気炉の電源を切り冷却した。これを5回繰り返すことによりアモルファスPZT(30/70)薄膜を得た。次に、ネガ電子線レジストをスピンコートし、プリベークの後、直径800μmの円形レンズ形状に電子線露光した。さらにポストベークに続いて現像を行うことにより、円形レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。さらに、ハードベークの後、HCl水溶液でアモルファスPZT(30/70)薄膜をエッチングすることによって円形レンズ形状のアモルファスPZT(30/70)薄膜を形成した。リムーバによって円形レンズ形状のレジストを剥離した後、O2雰囲気中で昇温して300°Cにて保持の後、650°Cにて保持することにより固相エピタキシャル成長を行い、膜厚500nmの円形レンズ形状の第1のエピタキシャルPZT(30/70)薄膜1を形成した。
【0117】
次に、PLZT(9/65/35)用前駆体溶液を円形レンズ形状のエピタキシャルPZT(30/70)薄膜を有するSrTiO3(100)単結晶基板上へスピンコーティングを行った。さらに、O2雰囲気中で昇温して350°Cにて保持、および750°Cに昇温して保持の後、電気炉の電源を切り冷却することによる固相エピタキシャル成長を行った。これを6回繰り返すことにより膜厚600nmの第2のエピタキシャルPLZT(9/65/35)薄膜3を形成した。結晶学的関係は単一配向のPLZT(100)//PZT(100)//PZT(100)//NbドープSrTiO3(100)、面内方位PLZT[001]//PZT[001]//PZT[001]//NbドープSrTiO3[001]の構造が得られた。
このPLZT薄膜光導波路上にはRfスパッタリング法によって成膜した膜厚100nmのITO薄膜による底辺500μm、高さ1000μmのプリズム形上部電極をリフト・オフ法によって形成し、プリズム型EO偏向素子を作製した。また、NbドープSrTiO3基板の裏面にはInによってオーミック・コンタクトを得た。
【0118】
実施例1と同様にしてプリズム・カップリングによって633nmのレーザ光を0.4mmにコリメートし、本実施例のPLZT薄膜光導波路にTE0モードで導入したところ、基板による光伝搬損失はほとんど観察されず、薄膜レンズによる良好な結合効率と集光特性が観察された。また、下部NbドープSrTiO3基板電極とITO上部プリズム電極の間に電圧を印加した場合、バッファ層を導入しても光導波路へ高い実効電圧を印加することが可能となり、電気光学効果によってプリズム電極下部分とそれ以外の部分において異なる屈折率が発生し、高い効率でレーザー・ビームが偏向された。
【0119】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、光導波路素子において、高い特性を有するエピタキシャル強誘電体薄膜光導波路に良好な光学特性と生産性を有する導波路レンズを設けることが初めて可能となり、光導波路構造を有する各種の偏向素子、スイッチング素子、あるいは変調素子において導波路レンズを利用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態による実施例1における光導波路素子の構造を示す断面図である。
【図2】本発明の一実施の形態による実施例1における光導波路素子の構造を示す上面図である。
【図3】本発明の一実施の形態における第1の薄膜と第2の薄膜の実効屈折率比とレンズのF値の関係を示す図である。
【図4】光導波路における電磁界分布の原理図である。
【図5】光導波路における電磁界分布の原理図である。
【図6】屈折率2.40の基板上の屈折率2.56の第1の薄膜と屈折率2.50の第2の薄膜の構造における、第1の薄膜と第2の薄膜の膜厚と結合損失の関係を示す図である。
【図7】屈折率2.40の基板上の屈折率2.61の第1の薄膜と屈折率2.49の第2の薄膜の構造における、第1の薄膜と第2の薄膜の膜厚と結合損失の関係を示す図である。
【図8】屈折率2.40の基板上の屈折率2.65の第1の薄膜と屈折率2.47の第2の薄膜の構造における、第1の薄膜と第2の薄膜の膜厚と結合損失の関係を示す図である。
【図9】第2の薄膜に対して第1の薄膜の膜厚が変化した場合の電界分布の変化を示す図である。
【図10】本発明の一実施の形態による実施例1の光導波路素子の斜視図である。
【図11】比較例1の光導波路素子の構造を示す断面図である。
【図12】比較例2の光導波路素子の構造を示す断面図である。
【図13】本発明の一実施の形態による実施例2の光導波路素子の構造を示す上面図である。
【図14】本発明の一実施の形態による実施例3の光導波路素子の構造を示す上面図である。
【図15】本発明の一実施の形態による実施例6の光導波路素子の構造を示す断面図である。
【図16】本発明の一実施の形態による実施例6の光導波路素子の構造を示す上面図である。
【図17】本発明の一実施の形態による実施例7の光導波路素子の構造を示す上面図である。
【図18】本発明の一実施の形態による実施例8の光導波路素子の構造を示す上面図である。
【図19】本発明の一実施の形態による実施例10の光導波路素子の構造を示す上面図である。
【符号の説明】
1 第1のエピタキシャルまたは単一配向性の強誘電体薄膜
2 基板
3 第2のエピタキシャルまたは単一配向性の強誘電体薄膜
4 導波路部
5 レンズ部
6 くし形Al電極
7 チャンネル導波路
8 入射ビーム
9 偏向前の出射ビーム
10 偏向後の出射ビーム
11 酸化物バッファ層
Claims (14)
- 単結晶基板表面に設けられ、レンズ形状に形成されてレンズ部を構成するエピタキシャルまたは単一配向性の第1の強誘電体薄膜と、前記単結晶基板上に形成されて光導波路部を構成し、前記第1の強誘電体薄膜とは異なる材料または組成からなるエピタキシャルまたは単一配向性の第2の強誘電体薄膜とを備え、前記第1の強誘電体薄膜は、前記単結晶基板と前記第2の強誘電体薄膜との間に設けられ、前記レンズ部と前記光導波路部の実効屈折率が異なることを利用して、前記光導波路部に入射した光ビームを制御することを特徴とする光導波路素子。
- 請求項1記載の光導波路素子において、前記第1の強誘電体薄膜および前記第2の強誘電体薄膜は、前記単結晶基板より大きい屈折率を有することを特徴とする光導波路素子。
- 請求項1または2に記載の光導波路素子において、前記第1の強誘電体薄膜は、前記第2の強誘電体薄膜より大きい屈折率を有することを特徴とする光導波路素子。
- 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の光導波路素子において、前記第1の強誘電体薄膜の膜厚は、前記第2の強誘電体薄膜の膜厚より小さく、かつ前記第1の強誘電体薄膜に光導波するためのカットオフ膜厚より大きいことを特徴とする光導波路素子。
- 単結晶基板表面に設けられ、レンズ形状に形成されてレンズ部を構成するエピタキシャルまたは単一配向性の第1の強誘電体薄膜と、前記単結晶基板上に形成されて光導波路部を構成し、前記第1の強誘電体薄膜とは異なる材料または組成からなるエピタキシャルまたは単一配向性の第2の強誘電体薄膜とを備え、前記第2の強誘電体薄膜は、前記単結晶基板と前記第1の強誘電体薄膜との間に設けられ、前記レンズ部と前記光導波路部の実効屈折率が異なることを利用して、前記光導波路部に入射した光ビームを制御することを特徴とする光導波路素子。
- 請求項5記載の光導波路素子において、前記第1の強誘電体薄膜および前記第2の強誘電体薄膜は、前記単結晶基板より大きい屈折率を有することを特徴とする光導波路素子。
- 請求項5または6記載の光導波路素子において、前記第2の強誘電体薄膜は、前記第1の強誘電体薄膜より大きい屈折率を有することを特徴とする光導波路素子。
- 請求項7に記載の光導波路素子において、前記第2の強誘電体薄膜の膜厚は、前記第1の強誘電体薄膜の膜厚より小さく、かつ前記第2の強誘電体薄膜に光導波するためのカットオフ膜厚より大きいことを特徴とする光導波路素子。
- 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の光導波路素子において、前記単結晶基板と、前記第1の強誘電体薄膜および前記第2の強誘電体薄膜との間には、前記第1の強誘電体薄膜および前記第2の強誘電体薄膜よりも小さい屈折率を有する酸化物バッファ層が設けられていることを特徴とする光導波路素子。
- 請求項1乃至9のいずれか一項に記載の光導波路素子において、前記光導波路部に入射した光を偏向させる偏向素子をさらに備えていることを特徴とする光導波路素子。
- 単結晶基板表面に強誘電体のアモルファス薄膜を形成し、前記アモルファス薄膜をレンズ形状にパターニングし、前記アモルファス薄膜を固相エピタキシによって、レンズ部となるエピタキシャルまたは単一配向性の第1の強誘電体薄膜とし、前記単結晶基板上に光導波路部となるエピタキシャルまたは単一配向性の第2の強誘電体薄膜を形成することを特徴とする光導波路素子の製造方法。
- 請求項11記載の光導波路素子の製造方法において、前記単結晶基板表面に酸化物バッファ層をエピタキシャル成長させた後、前記酸化物バッファ層上に前記第1の強誘電体薄膜を形成することを特徴とする光導波路素子の製造方法。
- 単結晶基板表面に強誘電体のアモルファス薄膜を形成し、前記アモルファス薄膜にレンズ形状の窓をパターニングし、前記アモルファス薄膜を固相エピタキシによって、光導波路部となるエピタキシャルまたは単一配向性の第2の強誘電体薄膜とし、前記単結晶基板上にレンズ部となるエピタキシャルまたは単一配向性の第1の強誘電体薄膜を形成することを特徴とする光導波路素子の製造方法。
- 請求項13記載の光導波路素子の製造方法において、前記単結晶基板表面に酸化物バッファ層をエピタキシャル成長させた後、前記酸化物バッファ層上に前記第2の強誘電体薄膜を形成することを特徴とする光導波路素子の製造方法。
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