JP5024954B2 - 光学素子、光集積デバイス、および光情報伝搬システム - Google Patents

Description

本発明は、光通信、光配線、あるいは光ストレージに用いられる光学素子、それを集積した光集積デバイス、及びそれらを用いる光情報伝搬システムに関する。

光通信や光ストレージの普及に伴い、それを構成する光学素子の需要が増大している。特に光通信においては、波長多重伝送の実用化に伴い、光ファイバーを中心としたいわゆる基幹系から、メトロ、アクセス系への利用が加速している。このため、光信号のアド・ドロップ等に用いられる光学素子もバルク材を組み合わせたものから、薄膜の光学材料を用いた小型で集積化しやすい平面導波路の利用が進んでいる。
光信号の変調やスイッチングのように光を能動的に制御するためには、電気や熱等の外部入力信号と光学素子を形成する材料の相互作用による物理効果を用いる必要がある。シリコン系の平面導波路では、方向性結合器にヒータを付加し、熱光学効果を利用する光スイッチや、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）との組み合わせによるスイッチ等が知られている。しかし、これらは、いずれも応答速度がμｓ（マイクロ秒）レベルと遅いという欠点を有する。また、熱光学効果を利用した光スイッチでは消費電力が大きいという欠点、ＭＥＭＳ型では構造が複雑になり高価であるという欠点を有する。
電界と物質の相互作用により屈折率が変化する電気光学素子は、その高速性、電圧駆動であることによる低消費電力性、構造の単純性から、光変調器に応用されている。ＬｉＮｂＯ_３を用いた光変調器では、単結晶ＬｉＮｂＯ_３基板上にＴｉ拡散法によりマッハツエンダー型導波路を形成し、電極を組み合わせることで光変調器を形成している。そして、電極に電圧を印加することで、導波路の屈折率を変化させ、光信号のＯＮ／ＯＦＦをおこなうことができる。しかし、この光変調器は、単結晶基板を用いる必要があることから高価である。また、ＬｉＮｂＯ_３の電気光学効果が小さいことから導波路を長くする必要があり、素子サイズがｃｍ台と非常に大きいという欠点がある。
透明セラミックスであるＰｂ_１−ｘＬａ_ｘ（Ｚｒ_ｙＴｉ_１−ｙ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３（ＰＬＺＴ）は、現行の光変調器に用いられているＬｉＮｂＯ_３単結晶より二桁近く電気光学係数が大きい。それゆえ、光素子の小型化による低コスト化、低消費電力化、および高速化が期待でき、これまでゾルゲル法による薄膜化の検討がなされてきている。例えば、Ｋ．Ｄ．Ｐｒｅｓｔｏｎ ａｎｄ Ｇ．Ｈ．Ｈａｅｒｔｌｉｎｇ，「Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃｌｅａｄ−ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ ｆｉｌｍｓ ｏｎ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ａｎｄ ｇｌａｓｓ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．６０，Ｎｏ．２３，８ Ｊｕｎｅ １９９２，２８３１−２８３３や、Ｋ．Ｎａｓｈｉｍｏｔｏ，Ｋ．Ｈａｇａ，Ｍ．Ｗａｔａｎａｂｅ，Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ ａｎｄ Ｅ．Ｏｓａｋａｂｅ，「Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ｏｆ（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｆｏｒ ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ｍｉｃｒｏ−ｏｐｔｉｃｓ ｕｓｉｎｇ ｗｅｔ ｅｔｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｓｏｌｉｄ−ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ」，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．７５ Ｎｏ．８，２３ Ａｕｇｕｓｔ １９９９，１０５４−１０５６を参照。
しかし、光の透過率が高く電気光学効果の大きなＰＬＺＴ薄膜を形成するためには、エピタキシャル成長をさせる必要がある。つまり、下地材料として単結晶基板が必要になる。それゆえ、シリコン系導波路等の他基板上の形成が困難であること、光学素子に必要な膜厚をゾルゲル法で形成するためには長時間の成膜プロセスを必要とすることから高価になるという欠点があった。
ＬｉＮｂＯ_３、ＰＬＺＴ等の電気光学材料はいずれも強誘電性材料であり、その特性はそれぞれの化合物に特有の結晶構造を形成した場合に発現する。このため電気光学材料を光学素子として利用するためには、それ自身の単結晶基板を用いるか、単結晶基板上に電気光学材料をエピタキシャル成長させることが、必須と考えられてきた。
今後、光とエレクトロニクスの１チップ上の集積を可能とするナノフォトニックデバイスの実現が大きな革新技術として求められている。これを実現するためにはＣＰＵ、メモリー等のＬＳＩと光スイッチ等の能動光学素子を同一基板上に形成する技術が必要であり、シリコンや石英基板上にＰＬＺＴ等の電気光学材料を、高い結晶性で成膜する技術が求められている。
一方、酸化物の新たな膜形成技術として、常温衝撃固化現象を利用したエアロゾルデポジション（ＡＤ法）が開発されている。ＡＤ法は超微粒子材料の衝突付着現象を利用するもので、従来の薄膜形成法に比べ高い成膜速度と低いプロセス温度の実現が期待されている。例えば、明渡純、Ｍａｘｉｍ Ｌｅｂｅｄｅｖ，「微粒子，超微粒子の衝突固化現象を用いたセラミックス薄膜形成技術−エアロゾルデポジション法による低温・高速コーティング−」，まてりあ，第４１巻，第７号，２００２，４５９−４６５や、Ｊｕｎ Ａｋｅｄｏ ａｎｄ Ｍａｘｉｍ Ｌｅｂｅｄｅｖ，「Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｌｅａｄ Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ（Ｐｂ（Ｚｒ_５２／Ｔｉ_４８）Ｏ_３）Ｔｈｉｃｋ Ｆｉｌｍｓ Ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｂｙ Ａｅｒｏｓｏｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ」，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３８（１９９９），Ｐｔ．１，Ｎｏ．９Ｂ，５３９７−５４０１を参照。
また、ＡＤ法は、膜特性が下地層に依存しないことから、基板を自由に選択することができる。
日本国の特開２００１−３１８０号公報には、ＡＤ法を用いた脆性材料超微粒子成形体の低温成形方法が記載されている。この方法は、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃を負荷して粉砕して前記超微粒子脆性材料同士または前記超微粒子脆性材料同士及び前記超微粒子脆性材料と前記基板を接合させることを特徴としている。これにより、超微粒子相互の接合を実現し、熱を加えることなく、高密度、高強度の膜が形成される。
日本国の特開２００２−２３５１８１号公報には、ＡＤ法により形成された構造物が記載されている。その構造物は、結晶配向性がない多結晶体であり、ガラス層からなる粒界層が実質的にないことを特徴としている。また、この構造物は、平均結晶子径が５０ｎｍ以下で緻密度が９９％以上であることを特徴としている。
ＡＤ法を用いた透明度の高い電気光学材料の薄膜成形に関する検討がなされている。例えば、Ｍａｓａｆｕｍｉ Ｎａｋａｄａ，Ｋｅｉｓｈｉ Ｏｈａｓｈｉ ａｎｄ Ｊｕｎ Ａｋｅｄｏ，「Ｏｐｒｉｃａｌ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３ ａｎｄ（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３ ｆｉｌｍｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ａｅｒｏｓｏｌ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ」，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，２７５（２００５），ｅ１２７５−ｅ１２８０を参照。これによると、光学素子の基本特性である、ＡＤ膜の透過損失は、成形体を形成する微粒子、及び屈折率を異にする非成形体微粒子のレイリー散乱によることが明らかにされている。
日本国の特開２００５−１８１９９５号公報には、ＡＤ法による光学素子、光集積デバイス、光情報伝搬システム及びその製造法が記載されている。この方法は、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させる衝撃固化現象により成形体を形成し、光学素子を得る。この光学素子は、ポア（空孔）や異相等の、成形体の主たる構成体と異なる屈折率を持つ部分を含み、その部分の平均半径ｄ（ｎｍ）と成形体を伝搬する光の波長λ（ｎｍ）との間にｄ^６／λ^４＜４×１０^−５（ｎｍ^２）の関係があることを特徴としている。
ＡＤ法により形成された薄膜の透過損失は光学散乱と光学吸収の二つの成分から構成される。上述したように、ＡＤ法により形成された薄膜の光学散乱による透過損失の特性と低減方法は明らかにされているが、その光学吸収を低減させる方法は明らかになっていない。
本発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであって、光学吸収がなく透明度の高いＡＤ法による成形体の提供と、その成形体よりなる光学素子を提供することを目的とする。また、ＡＤ法による成形体よりなる光学素子を用いた光集積デバイス、並びに光情報伝搬システムを提供することを目的とする。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、常温衝撃固化現象であるＡＤ法による成形体は、バルク材料では存在しない光学吸収が発生し、その光学吸収を低減させるためには、マンガンを添加することが有効であるという発見に基づいてなされたものである。これにより透明な成形体を衝撃固化法により得ることができる。
本発明の第１の要旨による光学素子は、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させて形成した成形体を含み、前記超微粒子脆性材料にマンガンが添加されていることを特徴としている。これは、常温衝撃固化現象による形成された成形体の光学吸収が１０％程度存在し、マンガンを添加することで、ほぼ０％に低減できるという発見に基づいている。
本発明の第２の要旨による光学素子は、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させる常温衝撃固化現象により形成した成形体を含み、前記超微粒子脆性材料にマンガンが添加され、前記光学素子に含有される部分であって当該成形体の主たる構成体と異なる屈折率を持つ部分（ポア（空孔）、異相等）の平均半径ｄ（ｎｍ）と前記成形体を伝搬する光の波長λ（ｎｍ）との間にｄ^６／λ^４＜４×１０^−５（ｎｍ^２）の関係があることを特徴としている。
常温衝撃固化現象により形成された成形体の透明性は、レイリー散乱と光学吸収で規定されている。光学吸収は第１の要旨によるマンガン添加により抑制可能である。レイリー散乱は、散乱体の大きさが光の波長よりも十分小さい場合に発生し、散乱の大きさは波長と散乱体の半径から規定できる。平均半径ｄ（ｎｍ）と前記成形体を伝搬する光の波長λ（ｎｍ）との間の関係をｄ^６／λ^４＜４×１０^−５（ｎｍ^２）としたことにより、光の散乱中心半径を光の波長よりも十分小さくすることができる。それゆえ、透明な光学素子を常温衝撃固化現象により得ることができる。
本発明の第３の要旨による光学素子は、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させて形成した成形体を含み、前記超微粒子脆性材料にマンガンが添加され、前記成形体に含有される部分であって当該成形体の主たる構成体と異なる屈折率を持つ部分（ポア（空孔）、異相等）の平均半径ｄ（ｎｍ）と前記成形体を伝搬する光の波長λ（ｎｍ）との間にｄ^６／λ^４＜１×１０^−５（ｎｍ^２）の関係があることを特徴としている。
平均半径ｄ（ｎｍ）と前記成形体を伝搬する光の波長λ（ｎｍ）との間の関係をｄ^６／λ^４＜１×１０^−５（ｎｍ^２）としたことにより、光の散乱中心半径を光の波長よりもさらに十分小さくすることができる。それゆえ、さらに透明度の高い光学素子を常温衝撃固化現象により得ることができる。
本発明の第４の要旨による光学素子は、第１乃至第３の要旨のいずれかの光学素子において、基板上に形成された下部電極と、この下部電極上に形成された前記成形体よりなる導波路と、この導波路上に形成された上部電極とからなることを特徴とする。
この光学素子は下部電極上に導波路を形成するが、その下部電極を常温衝撃固化現象を使って形成することで、導波路特性が下部電極材料の種類や構造に依存しない。それゆえ、下部電極を自由に選択でき、最適な光学設計ができる。
本発明の第５の要旨に係る光集積デバイスは、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させて形成した成形体を含む光学素子と、レーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、及び光フィルター等の光学素子のうちの少なくとも１つとを同一の基板上に集積する光集積デバイスであって、前記超微粒子脆性材料にマンガンが添加され、前記成形体に含有される部分であって当該成形体の主たる構成体と異なる屈折率を持つ部分（ポア（空孔）、異相等）の平均半径ｄ（ｎｍ）と前記成形体を伝搬する光の波長λ（ｎｍ）との間にｄ^６／λ^４＜４×１０^−５（ｎｍ^２）の関係があることを特徴とする。
製造プロセスが異なるために困難であった複数の光学素子の集積化が、どのような下地材料上でも室温で形成可能な衝撃固化現象により形成することで可能になる。
本発明の第６の要旨に係る光集積デバイスは、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させて形成した成形体を含む光学素子と、ＣＰＵ、メモリー等の電子回路のうち少なくとも１つとを同一の基板上に集積する光集積デバイスであって、前記超微粒子脆性材料にマンガンが添加され、前記成形体に含有される部分であって当該成形体の主たる構成体と異なる屈折率を持つ部分（ポア（空孔）、異相等）の平均半径ｄ（ｎｍ）と前記成形体を伝搬する光の波長λ（ｎｍ）の間にｄ^６／λ^４＜４×１０^−５（ｎｍ^２）の関係があることを特徴とする。
製造プロセスが異なるために困難であった光学素子と電子回路の同一基板上での集積化が、どのような下地材料上でも室温で形成可能な衝撃固化現象により形成することで可能になる。
本発明の第７の要旨に係る光情報伝搬システムは、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させて形成した成形体を含み、前記超微粒子脆性材料にマンガンが添加されている光学素子に、波長が８００ｎｍ以上の光波を伝搬させるようにしたことを特徴とする。
光情報伝搬システムを構成する前記成形体を伝搬する光の波長を８００ｎｍ以上とすることで、成形体内の光の散乱中心半径を光の波長よりも十分小さくすることができる。それゆえ、導波損失の小さな光情報伝搬システムを得ることができる。
本発明の第８の要旨に係る光情報伝搬システムは、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させて形成した成形体を含み、前記超微粒子脆性材料にマンガンが添加された光学素子と、レーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、及び光フィルター等の光学素子のうちの少なくとも１つとを基板上に集積する光集積デバイスに、波長が８００ｎｍ以上の光波を伝搬させることを特徴とする。
光情報伝搬システムを構成する前記成形体を伝搬する光の波長を８００ｎｍ以上とすることで、成形体内の光の散乱中心半径を光の波長よりも十分小さくすることができる。それゆえ、導波損失の小さな光情報伝搬システムを得ることができる。
本発明の第９の要旨に係る光情報伝搬システムは、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させて形成した成形体を含み、前記超微粒子脆性材料にマンガンが添加されている光学素子と、ＣＰＵ、メモリー等の電子回路のうちの少なくとも１つとを基板上に集積する光集積デバイスに、波長が８００ｎｍ以上の光波を伝搬させるようにしたことを特徴とする。
光情報伝搬システムを構成する前記成形体を伝搬する光の波長を８００ｎｍ以上とすることで、成形体内の光の散乱中心半径を光の波長よりも十分小さくすることができる。それゆえ、導波損失の小さな光情報伝搬システムを得ることができる。
本発明の第１０の要旨に係る光学素子は、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させて形成した成形体を含み、前記超微粒子脆性材料にマンガンが添加されており、前記成形体に含有される部分であって当該成形体の主たる構成体と異なる屈折率を持つ部分（ポア（空孔）、異相等）の平均半径ｄ（ｎｍ）と前記成形体を伝搬する光の波長λ（ｎｍ）との間にｄ^６／λ^４＜４×１０^−５（ｎｍ^２）の関係があり、成形体の主たる構成体の平均半径Ｄ（ｎｍ）と成形体を伝搬する光の波長λ（ｎｍ）との間にＤ^６／λ^４＜４×１０^−５（ｎｍ^２）の関係があることを特徴とする。
これは、光学異方性のある材料であっても、構成体の粒径が十分波長よりも小さく、その平均半径Ｄ（ｎｍ）と成形体を伝搬する光の波長λ（ｎｍ）との間にＤ^６／λ^４＜４×１０^−５（ｎｍ^２）の関係があれば、透明な形成体が得られるという知見による。
本発明の第１１の要旨に係る光学素子、光集積デバイス、光情報伝搬システムは、それらに用いられる超微粒子脆性材料が電気光学材料であることを特徴とする。これにより、光変調器等の能動素子、デバイス及びそれを用いるシステムが可能となる。
本発明の第１２に要旨に係る光学素子、光集積デバイス、光情報伝搬システムは、それらに用いられる超微粒子脆性材料としての電気光学材料がジルコン酸チタン酸鉛、またはランタンが添加されたジルコン酸チタン酸鉛が主な成分であることを特徴とする。これにより、小型で低電圧駆動の光変調器等の能動素子、デバイス及びそれを用いるシステムが可能となる。
以上のように、本発明によれば、超微粒子脆性材料にマンガンを添加することにより、その超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させて形成した成形体の透明度を高め、それにより光学吸収の少ない光学素子、光集積デバイス、および光情報伝搬システムを提供することができる。

図１は、本発明の実施例１に係わるＰｂ（Ｚｒ_０．３Ｔｉ_０．７）Ｏ_３にＭｎを添加した試料と添加していない試料の透過率、反射率、透過率＋反射率スペクトルを示す図である。
図２は、本発明の実施例１に係わる成膜装置の概略構成を示す図である。
図３は、本発明の実施例１に係わるＰｂ（Ｚｒ_０．４５Ｔｉ_０．５５）Ｏ_３にＭｎを添加した試料及び添加されていない試料の透過率、反射率、及び透過率＋反射率スペクトルを示す図である。
図４は、本発明の実施例１に係わるＰｂ（Ｚｒ_０．６Ｔｉ_０．４）Ｏ_３にＭｎを添加した試料と添加していない試料の透過率、反射率、及び透過率＋反射率スペクトルを示す図である。
図５は、本発明の実施例２に係わる成膜条件の異なる３試料のＰｂ（Ｚｒ_０．３Ｔｉ_０．７）Ｏ_３にＭｎを添加した試料と添加していない試料の透過率、反射率、及び透過率＋反射率スペクトルを示す図である。
図６は、本発明の実施例４の光情報伝搬システムの概略構成を示す図である。

機械的衝撃力を負荷して超微粒子脆性材料を粉砕、接合させ形成した成形体を光学素子として使用可能にするために、数多くの実験を行い、鋭意検討の結果、超微粒子脆性材料にマンガンを添加することで従来にない透明度の高い素子の作成に成功した。
以下、実施例１で、本発明の原理を含めて詳細に説明する。

図２は、本発明で用いた成膜装置の概略図である。酸素ガスを内蔵するガスボンベ２０は搬送管２５−１を介してガラスボトル２１に接続されている。ガラスボトル２１は、加振器２４の上に設けられるとともに、排気管２３を通じて真空排気装置（図示せず）に接続され、さらに搬送管２５−２を介して成膜チャンバー２６にも接続されている。成膜チャンバー２６は、真空ポンプ２７に接続さている。成膜チャンバー２６は、また、その内部に搬送管２５−２に連結されたノズル２８を備えている。
成膜は、次のようにして行われる。
すなわち、ガラスボトル２１内に粉末原料（超微粒子脆性材料）２２を入れる。そして、ガラスボトル２１内を、排気管２３を介して２０Ｔｏｒｒ程度の真空に排気した後、流量を制御しながらガスボンベ２０よりキャリアガスとしての酸素を導入する。酸素を導入しつつガラスボトル２１を加振器２４により振動させることにより、気体中に原料粉末の微粒子を分散させたエアロゾルを発生させる。
成膜チャンバー２６は、真空ポンプ２７により所定の真空度に排気され、ガラスボトル２１の内部と成膜チャンバー２６の内部との間に圧力差を生じさせる。この圧力差により、ガラス管２１内に発生したエアロゾルは、搬送管２５−２を介して、成膜チャンバー２６に搬送される。成膜チャンバー２６に搬送されたエアロゾルは、ノズル２８を通過することにより加速され、基板２９に衝突する。その結果、原料粉末が基板２９に吹き付けられ、薄膜を形成する。
本発明に係る複数の試料と複数の比較試料の成膜条件は、次のようになる。
すなわち、キャリアガスは酸素とし、ノズルと基板のなす角度（入射角）を１０度、ガス流量は１２１／分、成膜速度は０．５μｍ／分、加振器の振動数は２５０ｒｐｍである。基板にはガラスを用いた。電気光学効果の大きな酸化物である６種類のジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）系粉末を成膜材料とした。ＰＺＴの組成は、Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３においてｘ＝０．３，０．４５，０．６であり、それぞれの組成においてにＭｎ添加の有無がある。Ｍｎを添加したものが本発明に係る試料、Ｍｎの添加がないものが比較試料である。Ｍｎ添加量は０．５ａｔ％である。原料粉末の平均粒径は、０．７μｍとした。成膜材料のＰＺＴ系粉末はペロブスカイト型結晶構造を持つ強誘電体の組成であり、一次の大きな電気光学係数を持つ光学デバイスへの適応が可能な組成である。
図１は、Ｐｂ（Ｚｒ_０．３Ｔｉ_０．７）Ｏ_３のＭｎ添加の有無の試料（以後、Ｐｂ（Ｚｒ_０．３Ｔｉ_０．７）Ｏ_３＋Ｍｎ，Ｐｂ（Ｚｒ_０．３Ｔｉ_０．７）Ｏ_３と表記する）の透過率、反射率、及び透過率＋反射率スペクトルを示す。横軸は波長、縦軸は透過率、反射率、及び透過率＋反射率である。分光光度計で測定した。試料表面を研磨し、表面散乱の影響を極力除去している。検出器には大型積分球を用い、試料による散乱光も測定している。
図１に示されるように、Ｐｂ（Ｚｒ_０．３Ｔｉ_０．７）Ｏ_３の透過率１１は、吸収端である４００ｎｍ以上で波長とともに振動しながら増加し、波長１０００ｎｍ以上でほぼ飽和している。この透過率１１の振動はＡＤ法で形成された薄膜の光学干渉によるものである。
また、Ｐｂ（Ｚｒ_０．３Ｔｉ_０．７）Ｏ_３の反射率１２は全波長域で、ほぼ２０％を中心に振動している。
Ｐｂ（Ｚｒ_０．３Ｔｉ_０．７）Ｏ_３の透過率＋反射率１３は、吸収端より十分離れた波長１０００ｎｍ以上の領域において、９０％程度であり、この波長領域で光学吸収があることを示している。薄膜等のＰＺＴではこの領域に光学吸収は無いことから、ＡＤ法による膜形成により、光学吸収が発生したものと考えられる。Ｘ線吸収微細構造分光による測定では、ＡＤ法で形成されたＰＺＴ膜の局所構造に大きな乱れが観測されている。この局所構造の乱れが、バンド間の局在準位を形成し、光学吸収を生じたものと考えられる。このような光学吸収は、光学素子の大きな導波損失を生じるため、極力低減させる必要がある。
この光学吸収低減のために数多くの実験を行い、鋭意検討の結果、マンガンを構成材料に添加することで、従来にない透明度の高い素子の作成に成功した。以下、その効果を、図１を用いて説明する。Ｍｎを添加したＰｂ（Ｚｒ_０．３Ｔｉ_０．７）Ｏ_３＋Ｍｎの光学特性透過率１４及び反射率１５は、全波長域で、Ｐｂ（Ｚｒ_０．３Ｔｉ_０．７）Ｏ_３の透過率１１及び反射率１２よりそれぞれ増加している。Ｐｂ（Ｚｒ_０．３Ｔｉ_０．７）Ｏ_３＋Ｍｎの透過率＋反射率１６は、吸収端より十分離れた波長１０００ｎｍ以上の領域において、ほぼ１００％であり、光学吸収を大きく低減することができた。マンガンは多価金属であり、局所構造の乱れにより生じる価数の乱れを補償する効果があるものと考えている。このマンガン添加により、光学素子に生じた大きな導波損失を大幅に改善することができた。
以上、説明したマンガン添加による光学吸収の改善効果は、Ｐｂ（Ｚｒ_０．３Ｔｉ_０．７）Ｏ_３＋Ｍｎだけではなく、他の組成でも同様に得ることができる。
図３は、Ｐｂ（Ｚｒ_０．４５Ｔｉ_０．５５）Ｏ_３＋ＭｎとＰｂ（Ｚｒ_０．４５Ｔｉ_０．５５）Ｏ_３の透過率、反射率、及び透過率＋反射率スペクトルを示す。実線３１，３２及び３３はそれぞれ、Ｐｂ（Ｚｒ_０．４５Ｔｉ_０．５５）Ｏ_３の透過率、反射率、及び透過率＋反射率スペクトルである。実線３４，３５及び３６は、それぞれ、Ｐｂ（Ｚｒ_０．４５Ｔｉ_０．５５）Ｏ_３＋Ｍｎの透過率、反射率、及び透過率＋反射率スペクトルである。Ｐｂ（Ｚｒ_０．４５Ｔｉ_０．５５）Ｏ_３で生じている光学吸収が、マンガンを添加することで抑制できることがわかる。
図４は、Ｐｂ（Ｚｒ_０．６Ｔｉ_０．４）Ｏ_３＋ＭｎとＰｂ（Ｚｒ_０．６Ｔｉ_０．４）Ｏ_３の透過率、反射率、及び透過率＋反射率スペクトルを示す。実線４１，４２及び４３はそれぞれ、Ｐｂ（Ｚｒ_０．６Ｔｉ_０．４）Ｏ_３の透過率、反射率、及び透過率＋反射率スペクトルである。実線４４，４５及び４６はそれぞれ、Ｐｂ（Ｚｒ_０．６Ｔｉ_０．４）Ｏ_３＋Ｍｎの透過率、反射率、及び透過率＋反射率スペクトルである。Ｐｂ（Ｚｒ_０．６Ｔｉ_０．４）Ｏ_３で生じている光学吸収が、マンガンを添加することで解消できることがわかる。
本実施例は、電気光学材料であるＰＺＴに関しているが、材料系はそれに限定されるものではなく、ランタンが添加されたジルコン酸チタン酸鉛、チタン酸バリウム、ストロンチウム添加チタン酸バリウム、ＫＴＮ等の電気光学材料や、ＳｉＯ_２、窒化珪素等の光導波路形成材料にも同様の効果がある。また、ＰＺＴ、ランタンが添加されたジルコン酸チタン酸鉛、チタン酸バリウム、ストロンチウム添加チタン酸バリウム、ＫＴＮ等の電気光学材料や、ＳｉＯ_２、窒化珪素等の光導波路形成材料に他の元素を添加した材料系にも同様の効果がある。

本実施例では、超微粒子脆性材料にマンガンを添加したＰＺＴ系の粉末材料を用い、ＡＤ法で薄膜形成した光学素子の散乱光の低減法について説明する。成膜装置は実施例１と同一である。キャリアガスは酸素とし、ガス流量は１２１／分、成膜速度は０．５μｍ／分、加振器の振動数は２５０ｒｐｍである。ノズルと基板のなす角度（入射角）は０，５，及び１０度と変化させた。基板にはガラスを用いた。Ｐｂ（Ｚｒ_０．３Ｔｉ_０．７）Ｏ_３＋Ｍｎを原料粉末とした。
図５に、入射角０，５，及び１０度とした場合に得られる試料の透過率スペクトルを示す。試料表面を研磨し、表面散乱の影響を極力除去している。分光光度計に、検出系として試料と検出器が１０ｃｍ以上離れている絶対反射測定系を用いた。これにより、試料の散乱光による透過率の減少を有効に検知することができる。
図５を見ると、入射角１０度の場合の試料の透過率５１は吸収端である４００ｎｍ以上で波長とともに増加し、波長１０００ｎｍ以上でほぼ飽和している。一方、入射角５度及び０度の場合の試料の透過率５２及び５３では、ともに波長１０００ｎｍにおいても、飽和していない。
この試料による透過率の差の原因は、ポア（空孔）径の差、組成の異なる相（異相）の存在の有無、並びに光学異方性のある構成微細粒子の粒径の差によるレイリー散乱の理論で説明することができる。従って、消衰係数βを小さくするためには、用いる光の波長λを大きくすること、散乱中心半径ｄを小さくすること、散乱体と媒質の屈折率差Ｍを小さくすること、構成微細粒子の粒径Ｄを小さくすることが有効である。つまり、散乱中心半径ｄと構成微細粒子の粒径Ｄを波長λに比べて十分小さくすることができれば、実用可能な透明な光学素子とすることができる。実験的に求められたｄ^６／λ^４の範囲は、４×１０^−５ｎｍ^２以下、望ましくは、ｄ^６／λ^４の範囲は、１×１０^−５ｎｍ^２以下であり、Ｄ^６／λ^４の範囲はＤ^６／λ^４＜４×１０^−５ｎｍ^２となる。
また、本方式で形成した光学素子を用いた光情報伝搬システムでは、使用可能な光の波長に下限があることになる。本成膜法による光学素子を用いる光情報伝搬システムで透過損失を実用可能なレベルにするためには、情報の伝搬に用いる光の波長は８００ｎｍ以上である必要がある。

次に、本光学素子を用いた光変調器の実施例について説明する。まず、ガラス基板上にＩＴＯ膜を下部電極として、スパッタ法により１８０ｎｍ成膜した。マグネトロンスパッタ法を用い、室温で、アルゴンガスにより成膜した。
ＩＴＯ下部電極上に、マッハツエンダー型の導波路形状にリフトオフ用のレジストを形成した。その後、Ｐｂ（Ｚｒ_０．３Ｔｉ_０．７）Ｏ_３＋Ｍｎを２μｍ成膜し、コア層とした。成膜条件は実施例１と同一である。その後、レジストを除去し、Ｐｂ（Ｚｒ_０．３Ｔｉ_０．７）Ｏ_３＋Ｍｎ表面を研磨により平坦化し、導波路を作成した。次に、屈折率を小さくしたＰＬＺＴ＋Ｍｎを本方式により２．５μｍ成膜し、２．０μｍの厚さになるまで研磨し、クラッド層とした。コア層上にＩＴＯ電極／Ａｕ電極をスパッタ法で成膜し、上部電極とした。
波長１．５５μｍの光を先球ファイバーにより、形成した光変調器に導入し、電極に１０Ｖの電圧を印加することで、１２ｄＢの変調度を得ることができた。
本実施例の光変調器の伝搬損失の波長依存性を測定したところ、波長８００ｎｍ以上で、導波損失が１５ｄＢ以下となり、実用可能であった。さらに、測定波長を高めるに従い、導波損失は低下し、波長１．５５μｍでは２ｄＢとなった。
本実施例では、Ｐｂ（Ｚｒ_０．３Ｔｉ_０．７）Ｏ_３＋Ｍｎコア層の作成にリフトオフ法を用いているが、コア層を成膜後、レジストにより所望の導波路形状を形成した後、反応性イオンエッチング等で膜をエッチングする方法で形成することもできる。また、本実施例の、導波路形状をかえることで、光スイッチを形成することもできる。
本発明による光学素子は下地材料に特性が依存しないため、ＩＴＯ膜のような結晶構造が異なる多結晶体の上に形成が可能となるという有効性がある。
また、本発明の光学素子は基板や下地層にかかわりなく形成が可能であるため、レーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、光フィルター等の光学素子をあらかじめ形成した基板や、ＣＰＵ、メモリー等の電子回路を形成した基板上に、光学素子を形成し、光集積デバイスを作成することができる。

図６は、実施例４の光情報伝搬システムの構成図である。レーザー６１から出射された連続光は、マイクロレンズ６２で集光され、光変調器６３に入射する。光変調器６３は、実施例３と同一のプロセスで形成されたマッハツエンダー型の導波路６４と電極６５より形成され、光変調器６３は、レーザーがあらかじめ形成された基板上に作成した。電極６５は変調信号発生回路６６に電気的に接続されており、高周波信号の供給を受ける。その結果、光変調器６３は、電圧駆動される。この電圧に応じて導波路の屈折率が変化し、光信号を変調できる。光変調器により変調された光信号は、光電気変換器６７により、電気信号に変換される。
本実施例の光情報伝搬システムに１００ＭＨｚの信号を入力し、Ｓ／Ｎの波長依存性を測定したところ、波長８００ｎｍ以上で、Ｓ／Ｎが２０ｄＢ以上となり、実用可能であった。

Claims (19)

1. 基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させて形成した成形体を含む光学素子において、前記超微粒子脆性材料にマンガンが添加され、前記成形体に含有される部分であって当該成形体の主たる構成体と異なる屈折率を持つ部分の平均半径ｄ（ｎｍ）と前記成形体を伝搬する光の波長λ（ｎｍ）との間にｄ^６／λ^４＜４×１０^−５（ｎｍ^２）の関係があることを特徴とする光学素子。
2. 基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させて形成した成形体を含む光学素子において、前記超微粒子脆性材料にマンガンが添加され、前記成形体に含有される部分であって当該成形体の主たる構成体と異なる屈折率を持つ部分の平均半径ｄ（ｎｍ）と前記成形体を伝搬する光の波長λ（ｎｍ）との間にｄ^６／λ^４＜１×１０^−５（ｎｍ^２）の関係があることを特徴とする光学素子。
3. 請求項１又は２に記載の光学素子において、前記基板上に形成された下部電極と、この下部電極上に形成された前記成形体よりなる導波路と、この導波路上に形成された上部電極とからなることを特徴とする光学素子。
4. 基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させて形成した成形体を含む第１の光学素子と、当該第１の光学素子とは異なる第２の光学素子とを基板上に集積した光集積デバイスにおいて、前記超微粒子脆性材料にマンガンが添加され、前記成形体に含有される部分であって当該成形体の主たる構成体と異なる屈折率を持つ部分の平均半径ｄ（ｎｍ）と前記成形体を伝搬する光の波長λ（ｎｍ）との間にｄ^６／λ^４＜４×１０^−５（ｎｍ^２）の関係があることを特徴とする光集積デバイス。
5. 前記第２の光学素子は、レーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、または光フィルターであることを特徴とする請求項４に記載の光集積デバイス。
6. 基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させて形成した成形体を含む光学素子と、電子回路とを基板上に集積する光集積デバイスにおいて、前記超微粒子脆性材料にマンガンが添加され、前記成形体に含有される部分であって当該成形体の主たる構成体と異なる屈折率を持つ部分の平均半径ｄ（ｎｍ）と前記成形体を伝搬する光の波長λ（ｎｍ）との間にｄ^６／λ^４＜４×１０^−５（ｎｍ^２）の関係があることを特徴とする光集積デバイス。
7. 前記電子回路は、中央処理装置またはメモリーであることを特徴とする請求項６に記載の光集積デバイス。
8. 基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させて形成した成形体を含み、前記超微粒子脆性材料にマンガンが添加されている光学素子に、波長８００ｎｍ以上の光波を伝搬させるようにしたことを特徴とする光情報伝搬システム。
9. 基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させて形成した成形体を含み、前記超微粒子脆性材料にマンガン添加されている第１の光学素子と、該第１の光学素子とは異なる第２の光学素子とを基板上に集積する光集積デバイスに、波長８００ｎｍ以上の光波を伝搬させるようにしたことを特徴とする光情報伝搬システム。
10. 前記第２の光学素子は、レーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、または光フィルターであることを特徴とする請求項９に記載の光情報伝搬システム。
11. 基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させて形成した成形体を含み、前記超微粒子脆性材料にマンガンが添加されている光学素子と、電子回路とを基板上に集積する光集積デバイスに、波長８００ｎｍ以上の光波を伝搬させるようにしたことを特徴とする光情報伝搬システム。
12. 前記電子回路は、中央処理装置またはメモリーであることを特徴とする請求項１１に記載の光情報伝搬システム。
13. 基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させて形成した成形体を含み、前記超微粒子脆性材料にマンガンが添加され、前記成形体に含有される部分であって当該成形体の主たる構成体と異なる屈折率を持つ部分の平均半径ｄ（ｎｍ）と前記成形体を伝搬する光の波長λ（ｎｍ）との間にｄ^６／λ^４＜４×１０^−５（ｎｍ^２）の関係があり、前記成形体の主たる構成体の平均半径Ｄ（ｎｍ）と成形体を伝搬する光の波長λ（ｎｍ）の間にＤ^６／λ^４＜４×１０^−５（ｎｍ^２）の関係があることを特徴とする光学素子。
14. 請求項１，２及び１３のいずれか一つに記載の光学素子において、前記超微粒子脆性材料が、電気光学材料であることを特徴とする光学素子。
15. 請求項４，５及び６のいずれか一つに記載の光集積デバイスにおいて、前記超微粒子脆性材料が、電気光学材料であることを特徴とする光集積デバイス。
16. 請求項９，１０及び１１のいずれか一つに記載の光情報伝搬システムにおいて、前記超微粒子脆性材料が、電気光学材料であることを特徴とする光情報伝搬システム。
17. 請求項１４に記載の光学素子において、前記電気光学材料が、ジルコン酸チタン酸鉛、またはランタンが添加されたジルコン酸チタン酸鉛が主な成分であることを特徴とする光学素子。
18. 請求項１５に記載の光集積デバイスにおいて、前記電気光学材料が、ジルコン酸チタン酸鉛、またはランタンが添加されたジルコン酸チタン酸鉛が主な成分であることを特徴とする光集積デバイス。
19. 請求項１６に記載の光情報伝搬システムにおいて、前記電気光学材料が、ジルコン酸チタン酸鉛、またはランタンが添加されたジルコン酸チタン酸鉛が主な成分であることを特徴とする光情報伝搬システム。

Images