JPH01224705A - 集積光学素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は集積光学素子及びその製造方法に係り、特に光
学素子を薄膜固体化するに好適な集積光学素子及びその
製造方法に関する。

〔従来の技術〕

従来の集積光学素子は、特開昭５８−２１２１１号に記
載のように、薄膜導波路はニオブ酸リチウム（Ｌ　ｘ　
Ｎ　ｂ　Ｏｚ　）単結晶基板表面にチタン（Ｔｉ）膜を
スパッタリング法又は電子ビーム蒸着法等により形成し
た後、熱拡散によりＴｉを基板内に拡散せしめ上記基板
表面に基板内と異なる屈折率領域を有するＴｊ拡散層を
形成することにより構成されていた。そして、この導波
路上に光結合器、光偏向器、薄膜レンズ等が設けられて
集積光学素子を構成していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、Ｔｉを拡散したニオブ酸リチウム薄膜
（拡散層）が導波路を形成しているものであるが、その
屈折率は拡散深さ方向にガウス分布型に減少しているの
で、導波路への伝搬光の閉じ込めか弱く、漏れ光が生じ
るという問題と共に。

短波長の比較的強度の大きいレーザ光（例えば波長５１
４．５ｎｍ、強度５００Ｗ／ｃＪ）に対して、導波路の
屈折率が１０−３〜１０−４程度変化し、レーザ光照射
中、薄膜レンズ等光学素子の効率、特性が劣化する課題
があった。

すなわち、従来のニオブ酸リチウム薄膜導波路はチョク
ラルスキー法で製造されたニオブ酸リチウム単結晶上に
チタン膜をスパッタリング法又は蒸着法で数１００Ａの
厚さに形成し、しかる後、アルゴン、水蒸気等の雰囲気
ガスのもとで、１０００°Ｃ前後で熱処理することによ
ってチタンを１〜２μｍの深さ、ニオブ酸リチウム単結
晶中に拡散せしめることによって製造されているので、
製造方法そのものにもとづく導波路を構成する膜構造に
起因する本質的なものである。

さらに付記するならば、ニオブ酸リチウムのような電気
光学効果の大きい強誘電体光学結晶によく見られる強力
なレーザ光照射による屈折率の変化は、光損傷あるいは
光誘起屈折率変化と称され、結晶中に含まれる不純物、
特に鉄（Ｆｅ）等の遷移金属や結晶欠陥が原因であると
されている。上記従来技術はニオブ酸リチウム単結晶中
に光損傷の原因となる遷移金属のＴｉを導入するもので
、強力なレーザ光照射によって屈折率が変化することは
必然であった。

本発明の目的は、このような従来の技術的課題である不
純物拡散による導波路の問題を解消することにあり、そ
の第１の目的は導波路への伝搬光の閉じ込めが強く、し
かも強力なレーザ光照射によっても導波路の屈折率が変
化せず、高効率かつ安定な改良された集積光学素子を、
そして第２の目的はその製造方法をそれぞれ提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記第１の目的は、金属酸化物単結晶から成る基板上に
、前記単結晶基板よりも屈折率が少なくとも５Ｘ１０−
３大きい強誘電体金属酸化物単結晶エピタキシャル膜か
ら成る導波路を設け、しかも前記導波路の一端部を光導
入部、他端部を光導出部とすると共にこれら両端部の間
に光偏向手段及びレンズ手段を設けて成ることを特徴と
する集積光学素子によって達成される。そして、好まし
い上記強誘電体金属酸化物単結晶エピタキシャル膜とし
てはＬ　ｉ　Ｎ　ｂ、−ＸＴ　ａＸＯ、ただし、ｘ　＝
　Ｏ−０，８で表示できる金属酸化物で構成することで
ある。つまり、ニオブ酸リチウム（Ｌｊ　Ｎｂ○、）単
体もしくはニオブ（Ｎｂ）の一部をタンタル（Ｔａ）で
０゜８モルまで置換するものである。Ｔａの置換量が０
゜８モルを越えると基板単結晶との屈折率差が小さくな
ることから、実用的には上記のようにＸ＝０〜０．８が
好ましい。

また、導波路となるエピタキシャル薄膜を形成する単結
晶基板としては、上記のように薄膜導波路よりも屈折率
が小さいことは勿論であるが、エピタキシャル成長が可
能なように、薄膜導波路材料と類似の格子定数、結晶構
造を有する金属酸化物単結晶から選択される。この種の
好ましい単結晶基板としては、例えばタンタル酸リチウ
ム（ＬｉＴａＯ，）のごとき強誘電体金属酸化物単結晶
、その他サファイア（Ｎ１２０．）、マグネシア（Ｍｇ
Ｏ）等を挙げることが出来る。特に好ましい単結晶基板
とその上に導波路として形成されるエピタキシャル薄膜
の組合せは、基板がＬｉＴａ○３単結晶で、エピタキシ
ャル薄膜がＬｊ、Ｎｂ、−、ＴａＸ○、ただし、ｘ＝ｏ
　〜０．８の場合である。なお、導波路の厚みは基板と
の屈折率の差から光学的に定まるもので、材料選択によ
り適宜決定されるものである。

上記第２の目的は、導波路を構成する強誘電体金属酸化
物単結晶エピタキシャル膜の原料粉末をフラックス存在
下で、しかも酸素及び水蒸気雰囲気下で加熱溶融するこ
とにより溶融体を準備する工程と、前記導波路を構成す
る全屈酸化物単結晶エピタキシャル膜よりも屈折率が少
なくとも５×１０−３小さい金属酸化物単結晶基板を準
備し、前記基板の表面を前記溶融体に浸漬し、前記溶融
体の温度を結晶析出温度に降下し、前記基板上に前記導
波路を構成する前記基板より屈折率が少なくとも５Ｘ１
０−’大きい強誘電体金属酸化物単結晶薄膜を液相エピ
タキシャル成長させる工程を有することを特徴とする集
積光学素子の製造方法によって達成される。そして、好
ましい上記導波路を構成する強誘電体金属酸化物単結晶
エピタキシャル膜の原料粉末として、少なくとも一般式
ＬｉＮｂよ−。

Ｔａｘｉ、ただし、Ｘ＝０〜０．８を満足するよう金属
酸化物もしくは加熱により金属酸化物に成り得る金属化
合物粉末を用いることである。なお、エピタキシャル成
長法としては、上記の液相エピタキシャル成長法の他に
スパッタ、ＣＶ　Ｄ　（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ見
ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の気相成長もあるが、ここでは
液相成長法が優れているのでこれを主体にして説明する
。以下、さらに具体例を挙げて導波路をエピタキシャル
薄膜で形成する方法について詳述する。

まず、エピタキシャル膜ＬｊＮｂニーｘＴ　ａ　ｘ　Ｏ
３の組成を化学量論的に満足する酸化物もしくは加熱に
より容易に酸化物になり得るその他の化合物原料粉末を
調製しフラックス材料であるバナジン酸リチウム（Ｌｉ
ＶＯ３）、ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ２０４）あるいは
フッ化リチウム（ＬｉＦ）等の存在下で加熱溶融するこ
とにより溶融体を準備する。

この溶融体に酸素及び水蒸気雰囲気下で、所定の単結晶
基板（例えばＬｉＴａＯ２）の表面を浸漬し、溶融体の
温度を結晶析出温度に降下すれば、前記単結晶基板上に
目的とするＬｉＮｂ１−ｘＴａ、ｏ、薄膜をエピタキシ
ャル成長させることができる。

ここで、前記フラックス材料の添加は、エピタキシャル
膜の原料酸化物を比較的低い温度で溶融させる上で好ま
しい。好ましいフラックスの添加量は、エピタキシャル
膜原料酸化物３０〜１０モル％に対し、７０〜９０モル
％である。

また、前記溶融体に前記基板を浸漬させる好ましい時間
は、必要な薄膜導波路の厚さによって決まる因子であり
、例えば２〜３ｕｍ程度の薄膜であれば、ｌ０〜３０分
程度であり、形成させる導波路の膜厚によって、任意に
選定することができる。さらにまた、フラックス材料と
導波路材料との混合物を加熱溶融して溶融体を形成させ
る温度は、その混合物の融点プラス２００℃程度が好ま
しく、そしてその温度から溶融体を冷却する冷却速度は
。

所望する導波路を成長させる条件により異なるが、通常
の場合、１時間当り０．５〜３００℃の範囲の冷却速度
が用いられる。

〔作　　用〕

上記エピタキシャル成長法で製造したエピタキシャル成
長薄膜から成る導波路、代表例としてのＬ　ｉ　Ｎ　ｂ
、−ｘ　Ｔ　ａｘ　Ｏｆｆ導波路は、その屈折率が厚さ
方向に一定であり、基板の屈折率とステップ型に異なっ
ているとともに、その組成がストイキオメトリ（化学量
論的）であり、欠陥や不純物をほとんど含まない完全結
晶に近いものである。したがって、上記導波路は伝搬光
の閉じ込めが強＜、シかも光損傷の原因となるものが少
なく、高効率かつ安定な集積光学素子が得られる。

〔実施例〕

以下に本発明の一実施例を挙げ、更に本発明を具体的に
説明する。

第１図及び第２図はそれぞれ本発明の集積光学素子の斜
視図及び断面図を示したものである。

同図において、１は単結晶基板としてのタンタル酸リチ
ウム（Ｉ、ｉＴａ○、）、２はニオブ酸リチラム（Ｌｉ
ＮｂＯ，）のエピタキシャル薄膜から成る導波路、３（
３ａ、３ｂ）は酸化チタン（Ｔｉｅ２）から成る回折格
子パターンで構成されたレンズ手段、４は光偏向器を構
成する５ＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｗ
ａｖｅ）素子のくし歯電極をそれぞれ示す。そして矢印
は光の進行方向を示している。

それでは、上記タンタル酸リチウム単結晶基板１上に導
波路２としてのニオブ酸リチウム薄膜をエピタキシャル
成長法により形成する手順から以下説明する。

先ずエピタキシャル成長時に使用する溶融体の調製から
始めるが、導波路材としてのニオブ酸リチウムが２０モ
ル％、フラックス材料のホウ酸リチウム（Ｌ１２Ｂ２０
４）が８０モル％となる組成に、原料として炭酸リチウ
ム（Ｌｉ２Ｃｏ、）、ホウ酸（Ｈ，ＢＯ，）　、酸化ニ
オブ（ＮｂｚＯｓ）　の各粉末を秤量し、これらの混合
物を乳鉢にてよく混合したのち、白金るつぼに入れ、電
気炉中で酸素及び水蒸気雰囲気下において１２００℃の
温度で３時間加熱して均一に混合物を溶融した。この溶
融体を８７０℃の温度まで６０℃／ｈの冷却速度で徐冷
した後。

光学研磨（鏡面研磨）した単結晶基板（ＬｉＴａＯ２）
１の研磨面を上記溶融体中に約２０分間浸漬し、次いで
溶融体と基板とを分離して、基板を電気炉中で室温まで
３０℃／ｈの冷却速度で徐冷し、基板１上に膜厚２ｐの
導波路エピタキシャル薄膜２を形成した。このエピタキ
シャル膜は、リチウムとニオブの原子比がほぼ１：１の
化学量論的に分子式ＬｉＮｂ○、を満足するものであり
、屈折率ｎ、＝２．２０で、基板１の屈折率ｎｅ＝２．
１８より大きく先導波路として要求される屈折率の差５
Ｘ１０−３を十分に満足するものである。また、光伝搬
損失も６３３ｎｍのレーザ光に対し約３ｄＢ／■と小さ
いものであった。

次に、上記導波路２上にレンズ手段としてＴｉＯ２から
成る回折格子３を設ける手順について以下に説明する。

上記ニオブ酸リチウムエピタキシャル薄膜から成る導波
路２上に、酸素ガス（ｏ２）を用いた反応性スパッタリ
ングにより膜厚０．ｌｌ１ｍ、屈折率ｎ８＝２．５０の
Ｔｉｅ、膜を形成した。ここで、スパッタリングの条件
は、ＴｉＯ□をターゲットとし、圧力０．３Ｐａ、導入
ガスとしてｏ２とアルゴン（Ａｒ）との混合ガスでその
分圧比を０．７、高周波電力１００ＷでＴｉｅ２膜を形
成した。その後、市販のドライエツチング用ホトレジス
トを塗布し、通常のリソグラフィーにより回折格子パタ
ーン（ライン幅及びスペース各ｌｔ１ｍ）に見合ったレ
ジストパターンを形成し、次いでＣＦ４ガスを用いた反
応性イオンエツチングで上記レジストパターンをマスク
としてＴｉｅ、の回折格子３（光導入部３ａ、光導出部
３ｂ）を作成した。ここで、回折格子３のパターンは、
所定の光結合器、レンズ等の特性に合わせて光学的に設
計した。

次に回折格子から成るレンズ手段、光導入部３ａと光導
出部３ｂとの間に、光偏向手段のためのＳＡＷ素子を設
ける手順について説明する。ＳＡＷ素子４を形成する所
定箇所にあらかじめポジ型ホトレジスト膜を形成し、通
常のホトリソグラフィーにより、くし幅、スペースとも
に３Ｉ！ｍのレジストパターンを形成した。次いで膜厚
１０００人のアルミニウム薄膜を蒸着により形成し、リ
フトオフ法によりレジスト股上のアルミニウムをレジス
トと共に除去し図示のごときくし幅、スペースともに３
ｐのアルミニウムから成るくし歯電極４を作成した。

このようにして作成した集積光学素子に波長５１４ｎｍ
のレーザ光を導波路２の一端の導入部から導入し、回折
格子３ａを通して入射して来た光をＳＡＷ素子で偏向し
、回折格子３ｂを通して上記導波路２の他端部の導出部
から上記ＳＡＷ素子で偏向された光を検出した。その結
果、比較のために作成した従来技術のＴｉを拡散したニ
オブ酸リチウム導波路を用いた集積光学素子の場合の光
学特性が劣化するレーザ照射強度の５倍のレーザ光を照
射しても、上記本発明の実施例による素子は集光効率、
スポット径等の光学特性がほとんど劣化しなかった。こ
のことからも本発明素子の導波路は非常に安定した特性
を示し、屈折率変化が極めて少ないことを示している。

〔発明の効果〕

本発明によれば、強力なレーザ光照射によっても薄膜導
波路の屈折率が変化しにくく、光学特性の安定な集積光
学素子が得られる効果がある６

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示した集積光学素子の斜視
図、そして第２図はその断面図である。 図において、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属酸化物単結晶から成る基板上に、前記単結晶基
   板よりも屈折率が少なくとも５×１０＾−＾３大きい強
   誘電体金属酸化物単結晶エピタキシャル膜から成る導波
   路を設け、しかも前記導波路の一端部を光導入部、他端
   部を光導出部とすると共にこれら両端部の間に光偏向手
   段及びレンズ手段を設けて成ることを特徴とする集積光
   学素子。 ２、上記強誘電体金属酸化物単結晶エピタキシャル膜を
   ＬｉＮｂ＿１＿−＿ｘＴａ＿ｘＯ＿３ただし、ｘ＝０〜
   ０．８で表示できる金属酸化物で構成したことを特徴と
   する請求項１記載の集積光学素子。 ３、導波路を構成する強誘電体金属酸化物単結晶エピタ
   キシャル膜の原料粉末をフラックス存在下で、しかも酸
   素及び水蒸気雰囲気下で加熱溶融することにより溶融体
   を準備する工程と、前記導波路を構成する金属酸化物単
   結晶エピタキシャル膜よりも屈折率が少なくとも５×１
   ０＾−＾３小さい金属酸化物単結晶基板を準備し、前記
   基板の表面を前記溶融体に浸漬し、前記溶融体の温度を
   結晶析出温度に降下し、前記基板上に前記導波路を構成
   する前記基板より屈折率が少なくとも５×１０＾−＾３
   大きい強誘電体金属酸化物単結晶薄膜を液相エピタキシ
   ャル成長させる工程を有することを特徴とする集積光学
   素子の製造方法。 ４、上記導波路を構成する強誘電体金属酸化物単結晶エ
   ピタキシャル膜の原料粉末として、少なくとも一般式Ｌ
   ｉＮｂ＿１＿−＿ｘＴａ＿ｘＯ＿３ただしｘ＝０〜０．
   ８を満足するよう金属酸化物もしくは加熱により金属酸
   化物に成り得る金属化合物粉末を用いることを特徴とす
   る請求項３記載の集積光学素子の製造方法。