JPH03149506A - 光導波路及びその製造方法とこの導波路を用いた光偏向装置、光集積ヘッド並びに光情報記録再生装置 - 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、導波型光学素子用の光導波路及びその製造方
法とこの導波路を用いた光偏向装置、光集積ヘッド及び
光情報記録再生装置等の応用装置に関する。− ［従来の技術］ 従来、光導波路を用いた電気光学素子、音響光学素子等
が光偏向器及びそれを用いた集積化光ヘッド（光集積ヘ
ッドとも言う）、光変調器、光スイッチ、光スペクトラ
ムアナライザ等に用いられている。

上記光学素子を形成するための基板として、圧電性、光
弾性、電気光学効果に秀れた材料としてニオブ酸リチウ
ム、タンタル畷リーチウムもしくはこれら両者の混晶系
、これらを一般式で表すと一般式　ＬｉＮｂ、−ｙＴａ
ｙＯ３　　ただし、Ｏ≦ｙ≦１の単結晶基板が広く用い
られている。

このような単結晶′基板を用いて光導波路を作製する代
表的な方法として、チタン（以下Ｔｉと略す）などの金
属元素を前記基板内部に高温で熱拡散し基板より屈折率
の僅かに高い光導波路を作製するＴｉ熱拡散法が知られ
ている。

また、他の方法として前記基板を高温で熱処理し、前記
基板中から酸化リチウム（以下ＬＬ、０と略す）を外拡
散し、基板表面近傍に基板より僅かに屈折率の高いＬｉ
空乏層から成る光導波層を作成する。所謂Ｌｉ、Ｏ外拡
散法も知られているまた、その他の方法として、前記基
板を安息香酸（Ｃ＠Ｈ，ＣＯＯＨ）やピロリン酸（ｎ＊
ｐｚｏｔ）などの弱酸及びその弱酸のリチウム塩の混合
物中で、低温熱処理することにより前記基板表面近傍の
リチウムイオン（以下Ｌｉ９と略す）の一部を弱酸中の
プロトン（以下■１と略す）と置換し、基板と大きな屈
折率差を有する光導波層を作成するプロトン交換法が知
られている。

更に、例えば特開昭６０−１５６０１５号公報に記載さ
れているように、前記基板にＴｉ等の熱拡散法を行った
後、プロトン交換を行う方法も提案さ九ている。

更に、例えば特開昭６０−１５６０３９号公報に記載さ
れているように、光偏向器等機能性素子を作成する部分
以外の部分に、プロトン交換を行う方法。

或いは特開昭６１−７０５３３号公報に記載されれでい
るように、光偏向器電極により発生させられた表面弾性
波と光導波路内を伝搬する導波光が相互作用する部分め
プロトン交換光導波層の厚みを他のプロトン交換光導波
層の厚みより薄くし、効率よく光偏向が行おれるように
工夫した光導波路も知られている。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記従来技術ではそれぞれ以下に述べるような
問題があった。

まず、最も一般的な方法であるＴｉ熱拡散法によって作
成された光導波路は、光学損傷を受は易く入カパワーに
制限が有り、非常に小さなパワーしか光導波路内へ導入
できない、例えば、ＬｉＮｂ０３基板にＴｉ等の熱拡散
を行ったものでは、そのしきい値は１０１／ｄ程度が限
界である。

ここで光学損傷とは、「光導波路へ入力する光強度を増
大していったとき、この光導波路内を伝搬した後、外部
へ取り出される光の強度がこの光導波路の屈折率の変化
（揺らぎ）によって生じる散乱のため、前記入力光強度
に比例して増大しなくなる現象」を言う。

これに対し、Ｌｉ、０外拡散法によって作製された光導
波路は、Ｔｉ熱拡散法によって作成された光導波路に比
べ、光学損傷のしきい値が高いが、光導波層の屈折率変
化がきわめて小さいため、この光導波層の厚さを数１０
μ履ときわめて厚くする必要があり、例えば、前記基板
表面付近に局在する表面弾性波や電場と導波光を効率よ
く相互作用させることが困難である。

一方、プロトン交換法で作製された光導波路の光学損傷
のしきい値は、前記二法により作製された光導波路に比
べ高く、特にＴｉ拡散法によって作製された光導波路の
光学損傷のしきい値の１００倍以上のしき値を持つ、し
かしその反面、上記プロトン交換処理のため％　ＬｉＮ
ｂ０３結晶固有の圧電効果や電気光学効果や音響光学効
果が大きく低下し。

例えば、光スイ・ツチや光偏向器に用いる場合、スイッ
チング効率や光偏向効率が小さいという問題点がある。

これに対し、前記特開昭６０−１５６０１５公報に述べ
られているようなＴｉなとの遷移金属元素を高温熱拡散
した後に、プロトン交換をする方法によって作製された
光導波路は、例えば光偏向器をこの光導波路上に作製し
た場合、その光偏向効率は５０％であり、かつ光学損傷
のしきい値もＴｉ拡散法によって作製された光導波路の
それに対し、１７倍と良好な値を示している。しかし、
Ｔｉのような不純物中心となる遷移金属元素が熱拡散さ
れているため。

光学損傷のしきい値をこれ以上改善することは困難であ
る。

更に、特開昭６０−１５６０３９号公報に記載されてい
る方法は、表面弾性波励振用電極が作製されている部分
にプロトン交換処理がなされていないことから、表面弾
性波を効率良く励振できるという特徴を有する半面、表
面弾性波と導波光が相互作用する部分の光弾性定数及び
電気光学定数が小さいため、高い回折効率をあげること
が困難である。

一方、特開昭６１−７０５３３号公報に記載されている
方法では、光機能部における表面弾性波と導波光の電場
との重なりを大きくして回折効率を高める工夫がなされ
ているが、やはり光機能部の光弾性定数及び電気光学定
数が小さいため、小さな入力電力で回折効率をあげるに
は限界があり、また作製プロセスが複雑であるという問
題がある。

したがって、本発明の目的は、上記従来の問題点を解消
することに有り、その第１の目的は光学損傷のしきい値
が高く、かつ表面弾性波などによる光偏向を効率良く行
うことができる改良された光導波路を、第２の目的はそ
の製造方法を、第３の目的は上記光導波路を用いた光偏
向装置を、第４の目的は上記光導波路を用いた光集積ヘ
ッドを。

そして第５の目的、は上記光集積ヘッドを用いた光情報
記録再生装置を、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］ 上記本発明の第１の目的は。

（１）下記の一般式で表せるニオブ酸リチウム、タンタ
ル酸リチウムもしくはこれら両者の混晶系 一般式　ＬｉＮｂ１−．Ｔａ、Ｏ，ただし、０≦ｙ≦１
から成る単結晶基板と。

・その表層部に、基板内のリチウムイオンＬｉ＋の一部
がプロトンＨ＋とイオン交換して形成された基板より屈
折率の高い下記の組成式を満足する変性層 組成式　Ｌｉ１−）ｃＨｘＮｂｘ−ｙＴａｙｏ３ただし
、リチウムイオンとプロト ンとの置換率Ｘは０．４≦ｘ≦０．５５゜ＯＳｙ≦１ を光導波路として有して成るプロトン交換光導波路によ
り、また。

（２）上記変成層から成る導波路の結晶格子定数ｄ′が
、上記単結晶基板の結晶格子定数ｄより０．１５〜０．
２５％大である上記（１）記載のプロトン交換光導波路
により、達成される。

上記本発明の第２の目的は。

（３）弱酸と前記弱酸のリチウム塩との混合溶液中で、
下記の一般式で表せるニオブ酸リチウム、タンタル酸リ
チウムもしくはこれら両者の混晶系 一般式　ＬｉＮｂ１−ｙＴａｙＯ，ただし、Ｏ≦ｙ≦１
から成る単結晶基板を熱処理して、その表層部に下記の
組成式を満足する変性層 組成式　Ｌｉｔ　−ｘＨｘＮｂｌ−ｙＴａｙｏ３ただし
、リチウムイオンとプロト ンとの置換率Ｘは０．４≦ｘ！；０．５゜０≦ｙ≦１ を形成して成る光導波路の製造方法により、（４）上記
弱酸処理により上記単結晶基板中へ注入されたプロトン
Ｈ＋を、大気中あるいは酸素雰囲気中で前記基板中へ熱
拡散して成る上記（３）記載の光導波路の製造方法によ
り、達成される。なお、上記弱酸としては解離度１Ｇ−
以下の有機酸が好ましい。

上記本発明の第３の目的は、 （５）光学基板上に光導波路が形成された上記（１）も
しくは（２）記載の光導波路と、前記光導波路の外部か
ら前記光導波路内へ光を結合する手段と、前記光導波路
内を伝搬する導波光を光軸から左右に偏向させる手段と
、前記光導波路内を伝搬した導波光を前記光導波路から
基板外へ射出させる手段とを有して成る光偏向装置によ
り、また。

（６）上記光導波路内へ光を結合する手段と、光導波路
内を伝搬した導波光を前記光導波路から基板外へ射出さ
せる手段とを、それぞれ上記光導波路表面に形成した回
折格子から成るグレーティングカップラで構成すると共
に。

上記導波光を光軸から左右に偏向させる手段を表面弾性
波励振用の電極を備えた素子で構成し、前記電極を前記
光導波路上の前記両グレーティングカップラ間に設けて
成る上記（５）記載の光偏向装置により、達成される。

上記本発明の第４の目的は、 （７）レーザビームを光学基板上に設けられた光導波路
に導き、かかる導波光を更に光導波路外部空間に配置さ
れる光記録媒体の記録、再生面上に集光し、前記記録、
再生面からの反射光を受光、検出する手段を備えた光ヘ
ッドであって、前記光学基板上に光導波路が形成された
上記（１）もしくは（２）記載の光導波路と、レーザ光
を前記光導波路に結合す第１のグレーティングカップラ
とレーザ光の波長変動によるレーザ光の光導波路への結
合効率の低下を防止する第１の回折格子と、前記光導波
路上に設けられた前記導波光を光軸の左右に偏向させる
作用を持つ表面弾性波励振用の電極と、前記光導波路か
ら導波光を前記光導波路外部へ射出させる第２のグレー
ティングカップラと、前記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、前記
射出光を前記導波路外部の一点へ収束させるレンズ手段
とを有して成る光集積ヘッドにより、また。

（８）上記光記録媒体からの反射光を受光、検出する光
素子を構成する集光ビームスプリッタとして、不当間隔
曲線形状の回折格子を上記光導波路上の第１のグレーテ
ィングカップラと導波光を光軸の左右に偏向させる作用
を持つ表面弾性波励振用の電極との間に配設して成る上
記（７）記載の光集積ヘッドにより。

達成される。

上記本発明の第５の目的は、 （９）光記録媒体を回転駆動する回転駆動制御手段と、
前記回転する光記録媒体面と所定間隔をおいて前記光録
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
、再生を行う光ヘッド及び前記光ヘッドを搭載した走査
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、前記アクチュエータに搭載　　される光ヘッ
ドを上記（７）もしくは（８）記載の兎集積ヘッドで構
成して成る光情報記録再生装置により、達成される。

［作用］ 本発明による光導波路は以下のような作用で、かつ光学
損傷のしきい値が高く、かつ高効率の光機能性素子の構
成を可能とする。以下、結晶基板としてはＬｉＮｂＯ，
。を代表例として説明する。

ＬｉＮｂＯ，結晶基板の表面に、プロトン交換法によっ
て作製された光導波路の物性はＬｉ＋とＨ４″の置換率
Ｘに大きく依存する。

例えば、第２図は置換率Ｘと導波光λ＝　６３３ｎｍに
おける光学損傷のしきい値および電気光学定数Ｐｕｆｆ
との関係を示したものである。まず、光学損傷のしきい
値は曲線１，２に示すように置換率Ｘの増加ともに増加
する°が、これは、前記光導波路の結晶構造が対称性の
悪いＲ３ｃから対称性の良いＰｍ３ｍへとＸの増加とと
もに変化するためである。

また。第２図により光学損傷は、曲線１に示すようにプ
ロトン交換のみ行った光導波路の方が、比較例として示
した曲線２のＴｉ熱拡散後にプロトン交換した光導波路
に比べ、すべてのＸで大幅に高いことを示している。

一方これに対し、前記光導波路の機能性定数、例えば電
気光学定数は、同図曲線３に示すように光学損傷のしき
い値より、より一層Ｘに対して非線形に依存することが
判明した。従来においては、置換率Ｘをこのように小き
ざみに変化させて曲線３のような電気光学定数ｒ１３特
性を測定した例はなく、ｘ＝０．１近傍のものが知られ
ているにすぎなかった。このように第２図によれば、ｒ
、３はＸ＝　０．５５を越えると急激に減少する。

したがって、本発明の好ましい置換率Ｘの下限は、曲線
ｌの光学損傷のしきい値から、そして上限は曲線３の電
気光学定数ｒ３３特性から定まり。

置換率ｘｔｃｏ、４≦ｘ≦０．５５の範囲になるような
プロトン交換光導波路を作製すれば、光学損傷のしきい
値が高く、シがも電気光学定数ｒ３３特性が高いことか
ら高効率光機能性素子が構成できる。

なお、この置換率Ｘの調整は、実施例の項で詳述するよ
うにプロトン交換処理条件を選定することにより、任意
の値に設定できる。

また、第３図は置換率ＸとＣ板（Ｚ軸カット）ＬｉＮｂ
Ｏ３基板にプロトン交換して作製した光導波層の（００
１２）面の結晶格子定数ｄ′の基板の格子定数ｄに対す
る伸び率Δｄとの関係を示したものである。前記、光学
損傷のしきい値が高く、かつ高効率の光機能性素子が構
成できる置換率Ｘの範囲は、伸び率Δｄでは０．１５≦
Δｄ≦０．２５に相当する。

したがって、Ｍ換率Ｘの代わりに、結晶格子の伸び率Δ
ｄが０．１５≦Δｄ≦０．２５の範囲の光導波層を作製
してもよい。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

実施例１゜ 第１１ｉは、本発明に基づいて製造された光導波路上に
、表面弾性波を用いた光偏向器を搭載して集積化した光
ヘッドの−構成例を示すものである。

第１図（ａ）は、その平面図であり、第１図（ｂ）は。

そのｘ−ｘ断面−である。ここで１は、ニオブ醗リチウ
ム（ＬｘＮｂＯｓ　）単結晶基板、２はプロトン交換光
導波層、３は半導体レーザ、４はビーム成形用プリズム
、５はレーザ光を光導波層２へ光学的に結合する第１の
直線形状グレーティングカップラ、６はレーザ光の波長
変動による光導波層２へのレーザ光の結合効率の低下を
防止する第１の透過型回折格子、７は導波光、８は導波
光フを光軸から左右へ振るための表面弾性波を発振させ
る電［ｉ（ＳＡＷ素子電極）で光偏向器を構成する。９
は導波光フを基板内へ射出させ、かつ光ディスク１３面
からの反射光を再び導波層２へ結合させる鋤きを有する
第２の直線形状グレーティングカップラ、１０はレーザ
光の波長変動にょる導波光の射出方向の変化を抑止する
ための第２の回折格子、１１はビーム成形用のプリズム
、１２は射出光を光ディスク１３上へ結像させる対物レ
ンズ、１３は光ディスク、１４は光ディスクからの反射
信号光をフォトダイオード１５へ導く左右２分割の集光
ビームスプリッタ、１５は信号光を検出するフォトダイ
オードである。

以下、光導波層２の構成並びにその製造方法について詳
述する。

（１）プロトン交換法による第１の製造方法：先ず、Ｌ
ｉＮｂＯ３単結晶のＸ軸に直交してカットした所謂ｘ　
ｃｕｔのＬｉＮｂ０３ウエー八を準備し、その一面を使
用レーザ光波長λの１／１０程度まで研磨し基板とする
。なお、上記結晶基板の遷移金属不純物濃度はできるか
ぎり小さいことが望ましい。第２図に示した光学損傷の
しきい値は、基板内の遷移金属濃度、たとえば鉄（Ｆｅ
）の濃度がｌ　ｐｐｍ程度の基板に対するものであり、
現在市販されている高純度のＬｉＮｂ０３基板では、　
Ｆｅの濃度は０．０５ｐｐｍ程度であり、前記高純度Ｌ
ｉＮｂ０３基板を用いれば光学損傷のしきい値は、約１
桁上がることを確認している。

基板１は光学研磨後、トリクロロエチレン、イソプロピ
ルアルコール、エタノール、純水中で超音波洗浄を行い
、次いで窒素ブローして乾燥させた。

次に上記基板に対し下記のようなプロトン交換処理を行
った。イオン交換処理は、石英製の容器内へ入れて行っ
た。プロトン交換源の弱酸としては、安息香酸をはじめ
とするカルボン酸と、ピロリン酸等のリン酸がある。本
発明においては安息香酸と安息香酸リチウムとの混合物
を用いた。この光導波層２は、Ｌｉ＋の一部がＨ９で置
換されて構成されるが、Ｌｉ＋とＨ＋の置換率Ｘは安息
香酸と安息香酸リチウムの混合比Ｍと深い関係がある。

ここでＭは挾式で定−される。

（賢恩−！置十賢恩（！Ｆ藏リナワム］のモル気検討の
結果、置換率Ｘは、プロトン交換温度、プロトン交換時
間によらずＭ値のみに依存することを確認した。先に第
２図で説明した最適なＸの範囲０．４≦ｘ≦０．５５と
す４光めには、ＭをｘｃｕｔＬｘＮ　ｂ０３基板を用い
るときには、Ｍ　＝　２．２〜２．６好ましくはＭ＝２
．５とすれば良いことがゎがった。そこで本実施例では
石英容器中へ安息香酸リチウムを４．８０２ｇ、安息香
酸を１７８．６０５ｇイれて十分混合し。

２４５℃で５時間熱処理した。熱処理後、石英容器中か
ら取り出した基板をエタノール及び純水で超音波洗浄し
た。このようにして、　ＬｉＮｂ０３基板１の表面層に
プロトン交換法による目的とする光導波路２を形成した
。

かくして得られた光導波路の光学特性を調べるため、ル
チルプリズムで波長λ＝　６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレー
ザ光を光導波路２内のｙ軸方向へ伝搬させたところ、光
導波路は単一モードであり、導波光の実効屈折率は２．
２６４２であった。また。光伝搬損失を通常の２プリズ
ム法で調べた結果、１ｄＢ／ｃ＋ｍという良好な値を得
た。光学損傷のしきい値はＨｅ−Ｎｅ°レーザ光で７５
０１／ｃｄという良好な値であった。

（２）光偏向器の作成と評価： 次に、前記プロトン交換処理を施して基板表層部に形成
した光導波路２上に、表面弾性波励振用のくし形電極８
を形成し、晃偏向器を作製した。

なお、本実施例のｘｃｕｔ　ＬｉＮｂＯ３の２軸方向（
導波光と直交する方向）における表面弾性波伝搬速度は
、３５００ｍ／５であり、中心周波数ｆ０が３００ＭＨ
ｚとなるように、電極８のピッチを２．９μ閣とした。

ｆ０＝３００ＭＨｚのときの偏向角は約３０■ｒａｄで
ある。上記電極長Ｌ　＝　２．Ｊ１ｍｍで、対数Ｎは８
である。

得られた光偏向器の特性を調べるため、ネットワークア
ナライザを用いて放射コンダクタンスを測定し、実効的
な電気機械結合係数Ｋを測定し、プロトン交換処理を行
わないバルク基板上に作製したものと比較した。測定の
結果、実効的なＫの値は、本実施例のプロトン交換光導
波路に作製した表面弾性波励振用電極の場合、比較例の
バルク基板上に作製したものの約７０％であり大きな劣
化は見られなかった。参考のため、本実施例の条件で作
製したプロトン交換光導波路上にＺ方向以外の方向へ伝
搬する表面弾性波の励振用電極を作製して同様の方法で
実効的なＫの値を測定したところ、ｙ方向伝搬のものは
Ｋの値が小さいことがわかった。

さらに、第４図のように波長λ＝　０．７８μｍの半導
体レーザ光４１をプリズムカップラ４２を用いて前記処
理により得られたプロトン交換光導波路２へ導入し、前
記Ｚ伝搬表面弾性波用電極８へ０〜ＩＷの電力を印加−
して光偏向効率を測定した。入射光４１は、入力用プリ
ズムカップラ４２により導波光４３八変換され、前記電
極８により励振された表面弾性波４５より一部回折され
、出力用ルチルプリズム４４から出射する。本実施例の
場合、電力０．５Ｗで回折効率８０％が得られ、従来例
、例えば特開昭６０−１５６０３９号公報や特開昭１５
６０１５号公報に記載された光偏向器と同等の特性が得
られた。

（３）プロトン交換法による第２の製造方法：先の第１
の製造方法は、プロトン交換処理のみで、前記目的を達
成しようとするものであるが。

前記Ｌｉ＋とＨ＋の置換率Ｘが０．４≦ｘ≦０．５５と
なるよう制御されたプロトン交換光導波層２は、プロト
ン交換処現後に、空気中或いは酸素雰囲気中で熱処理す
ることによっても作製できる。

安息香酸と安息香酸リチウムとを混合比１１１０１％で
調整し、よくかきまぜたものを予め入れておいた石英容
器内へ、前記（１）に記載したと同様の洗浄、乾燥した
基板を入れ、２４５℃で３０分間熱処理した。熱処理後
、石英容器から取り出した基板を、エタノール及び純水
で超音波洗浄した後、熱拡散炉へ入れ大気中で２７５℃
で３０分、ついで３７５℃で１０分間、熱処理を行った
後ただちに基板を取り出し空冷した。

このようにして製造した光導波路の特性を調べるため、
前記（１）と同様にルチルプリズムで波長λ＝６３３（
ｎｕ）のＨｅ−Ｎａレーザ光を導波路内へ導き、ｙ軸方
向へ伝搬させた。この場合の導波光（ＴＥ、波）の実効
屈折率−は２．２ｇ（）であった。また、伝搬損失はｌ
ｄＢ／ａｍであり、光学損傷のしきい値は、Ｈｅ−Ｎｅ
レーザ光で８００Ｗ／ｃｓｉであった。更に。

光偏向効率を調べるため、波長λ＝　０．７８μｍの半
導体レーザ光を第４図のごとくプリズムカップラにより
光導波路内へ導きｙ軸方向へ伝搬させ、電極８にＯ〜Ｉ
Ｗの電力を投入して表面弾性波４５を発生させ導波光４
３の回折効率を調べたところ、やはりＯ，ＳＷで８０％
の回折効率を得た。

なお、この第２の製造方法で作製したプロトン交換光導
波層２は、前記第１の製造方法で作成したそれよりも屈
折率の経時変化防止が良好で、しかも光伝搬損失をより
低減することができた。

この第２の製造方法で作製したプロトン交換光導波層２
におけるＬｉ＋とＨ４″の置換率Ｘは、プロトン交換処
理直後はＸ〜０．６５であったが、空気中で熱処理する
ことによりＨ＋が徐徐に基板中に拡散し、熱処理後は基
板表面付近でｘ＝０．５５となった。本法によってプロ
トン交換光導波層２を作製する場合、置換率Ｘを０．４
≦ｘ≦０．５５の範囲とするには、波長λ＝　６３３　
（ｎｍ）の光に対する基板表面の屈折率を２．２８から
２．３０の間になるように空気中熱処理条件を制御する
必要がある。

（４）光集積ヘッドの作製方法： 次に、第１図の光集積ヘッドの作製方法について第５図
及び第６図を用いて詳述する。

先ず、第５図の製造工程図にしたがって説明する。第５
図（ａ）に示すように前記ｘｃｕｔ　ＬｉＮｂＯ３基板
１（３インチφ×２■―ｔ）の一面を使用レーザ光波長
λの１／１０程度まで研磨し、その表面付近に第５図（
ｂ）に示すように前記（１）、（３）のいずれかの方法
を用いてプロトン交換光導波層２を作製する。

次に第５図（ｃ）に示すように光導波層２上にバッファ
層として光学ガラス層Ｓｔ　（コーニング社製、商品名
７０５９）をスパッタリングにより１０ｎｍ成膜した。

スパッタ条件は、高周波パワー１００Ｗ。

フルゴンガス圧０．３５Ｐａ、スパツタリング速度０．
２ｎｍ／ｓｅｃである。さらに第５図（ｄ）に示すよう
にバッファ層５１上に装荷層（回折格子形成用）として
Ｔｉｅ、層５２を反応性スパッタリングにより１００ｎ
ｍ形成した。スパッタリング条件はτ１０８ターゲット
を用い、スパッタガスとしてアルゴン（Ａｒ）と酸素（
０，）を用いＡｒと０８の流量比０．７、スパッタリン
グガス圧０．４２Ｐａ、高周波パワー５００Ｗ、スパッ
タリング速度０．１ｎｍ／ｓｅｅである・ 次に、第５図（ｅ）に示すように装荷層及びバッファ層
を所定の導波路型光学素子の形状に加工するため、電子
線露光用レジスト、クロルメチル化ポリスチレン（商品
名ＣＭＳ−ＥＸ：東洋ソーダｍ＞５３を０．５ミーの厚
さスピンコードした。さらに、第５図（ｆ）に示すよう
に、上記レジストを１３０℃で２０分間プリベークした
のち等間隔直線状の第１゜第２の回折格子５．９および
不等間隔曲線形状の回折格子１４の各バタンを電子ビー
ム５４によって露光した。第５図（ｇ）に示すように、
ＥＢ露光後。

現像を行いレジスト製マスクを形成した。次に第５図（
ｈ）に示すように、イオンエッチングにより、装荷層５
２及びバッファ層５１を選択的に微細加工した。エッチ
ングガスとしてＣＦ４を用い、圧力３゜８Ｐａ、高周波
パワ２００ｖ、エッチング時間１５ｍｉｎとした。エッ
チング後、レジスト５３を除去した。

次に表面弾性波用電極８を、ビームスプリッタ１４とグ
レーティングカップラ９との間に作製するため、第５図
（ｉ）に示すように、ポジ型フォトレジスト５５を塗布
し８０℃で３０分プリベークした。

ついで、第１図の電極８の部分にのみ開口を持つフォト
マスクを重ねて露光、現像を行った。次に第５図（ｊ）
に示すように、電子線蒸着装置によりＭ膜５６を１５Ｏ
ｎ−成膜した後、アセトン中へ浸漬し、レジスト５５を
除去し、上記窓あけ部分にのみＡ組膜を残した。その後
再び第５図（ｋ）に示すように、ポジ型フォトレジスト
５５を塗布し、８０℃で３０分プリベークを行った後、
所定の電極形状をもち、かつ窓あけ部以外の部分をしや
光するフォトマスクを重ねて露光、現像を行い、１４０
℃で２０分ポストベークを行った。その後、第５図（慮
）に示すように、リン酸系のエッチング液でウェットエ
ッチングを行い、電極パターン５６を転写した後、レジ
スト５５を除去した。かくしてＭパタン５６から成る電
極８を形成した。

次に第１図の６および１０の回折格子の作製法を、第６
図を用いて詳述する。

まず、第６図（ａ）に示すように基板として光学ガラス
（コーニング社製、商品名ＢＫ−７ガラス）６１を用い
、その上に第６図（ｂ）に示すように。

Ｓｉｎ、６２を１０ｐｍ、　ＳｉＣｊＬ、と０２を原料
としたＣＶＯ法もしくは蒸着法もしくはスパッタリング
法により作製した。次に第６図（ｃ）に示すように、Ｓ
ｉｎ、をホトリソグラフィにより所定の格子形状に加工
するため、ポジ型フォトレジスト５５を１μｍ塗布し、
８０℃で３０分プリベークした後、所定の格子形状を描
いたフォトマスクにより露光し、クロルベンゼン中で４
０℃、５分間浸漬処理を行った後、現像した。第６図（
ｄ）に示すように、レジスト製の格子パターン５５上へ
Ｃｒを蒸着し、アセトン中で超音波洗浄を行ってレジス
トを除去し、第６図（ｅ）に示すように、Ｃｒ製マスク
６３を作製した。その後、第６図（ｆ′）に示すように
、　ＣＦ、ガスを用いたイオンエッチングによりＣｒマ
スク６３を用いてＳｉｎ、６２を選択的に微細加工した
。その後、Ｃｒマスクをエッチングして除去し、　Ｓｘ
ＯＪ２の格子パターンから成る第１図の目的とする回折
格子６および１０を作製した。このフォトリソグラフィ
技術は前記装荷層５２もしくはパッファ層５１又は表面
弾性波励振用電極８の作製技術にも応用できる。

最後に、このようにして作製した光学素子基板１、回折
格子６．１０及び光学ガラスブロック（コーニング社製
、商品名ＢＫ−７）４．１１をそれぞれ所定の形状に切
断、研磨してＢＫ−７とほぼ同じ屈折率を持つ紫外線硬
化型アクリル系の接着剤で貼り合わせ、半導体レーザ３
及びフォトダイオード１５を実装し、第１図の光集積ヘ
ッドを作製した。

次に、第１図の光集積ヘッドの作用について説明する。

波長λ＝０．７５μ■の半導体レーザ３からの出射光は
、回折格子６により伝搬方向を補正された後、グレーテ
ィングカップラ５により光導波路２へ光学的に結合され
、表面弾性波を用いた光偏向器８により偏向され、グレ
ーティングカップラ９に入射する。入射光は、グレーテ
ィングカップラの格子間隔に従って基板１内へ回折され
る。この回折された光は、その出射方向を回折格子１Ｇ
により補正された後、プリズム１１で全反射し、対物レ
ンズ１２により、光記録媒体１３（この例では、光ディ
スク）の記録、再生面に集束される。この記録、再生面
から反射された光は、レンズ１２、プリズム１１、回折
格子１０を通り、グレーティングカップラ９により光導
波路２へ再び結合され、ビームスプリッタである回折格
子１４により左右に２分割され、かつ基板１内へ出射さ
せられ、さらにこの光はフォトダイオード１５上に収束
され上記光記録媒体１３上の信号を検出する。なお、こ
の例では５分割フォトダイオードを使用した。

実施例２゜ 第７図は、上記実施例１の光集積ヘッドを、従来の光情
報記録再生装置に応用した場合の光情報記録再生装置７
４の概略を示したものである。

本実施例の特徴はアクチユニータフ２上に光集積ヘッド
７１が搭載され、光学系の構成が簡素化された点である
。本装置の動作原理は従来装置と同じである。すなわち
、光記録媒体１３は、回転制御手段でコントロールされ
たモータ７３により回転する。

この回転する光記録媒体１３の半径方向にアクチュエー
タ７２に搭載された光集積ヘッド７１が、走査制御手段
により走査駆動し、それと同期して光記録媒体１３から
の光情報７５が光集積ヘッド７１内で電気信号に変換さ
れ、必要な信号処理手段で処理されるものである。

この光情報記録再生装置を用いて、実際に光ディスクを
アクセスしてみたところアクセス時間は。

従来装置の半分以下である３０■ｓｅｃ以下にすること
ができた。

以上、本実施例では、基板がニオブ酸リチウム（ＬｉＮ
ｂＯｉ　）単結晶基板の場合を代表例に説明したが、本
発明においては、その他、ニオブの一部も　４しくは全
部をタンタルＴａで置換した結晶系ＬｉＮｂ、、τａｙ
ｏ）系（ただし、Ｏ＜　ｙ≦１）についても同様なプロ
トン置換処理を行った。その結果。

ＬｘＮｂ０３の場合と同様の置換率Ｘで、同様の効果を
有する組成式Ｌｉｔ　−ｘｌｌｘＮＪ−ｙＴａｙｏ３（
ただし、０．４≦ｘ≦０．５５．　Ｏ＜ｙ≦１）の光導
波路を得ることができた。また。この時の光導波層の結
晶格子定数ｄ′の伸び率Δｄも、ＬｉＮｂＯ，の場合と
同様に０．１５≦Δｄ≦０．２５であった。

［発明の効果］ 上述のとおり、本発明によれば、光学損傷に強く、シか
も高効率の光機能素子を容易に作成できる光導波路を実
現可能とした。したがって、この光導波路に光偏向素子
を組込むことにより、高効率の光偏向装置が、またこれ
を応用した小形軽量で高速アクセス可能な光集積ヘッド
が、さらにまたこの光集積ヘッドをアクチュエータに搭
載した光情報記録再生装置が、それぞれ実現できるよう
になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例となる光集積ヘッドの構成
図で、第１図（ａ）はその平面図、第１図（ｂ）はその
断面図、第２図は、Ｌｉ＋とＨ＋の置換率Ｘと、光学損
傷しきい値及び電気光学効果との関係を示す特性曲線図
、第３図は置換率Ｘと光導波層の格子定数の基板結晶の
格子定数に対する伸び率との関係を示す特性曲線図、第
４図は売悩向効率の測定原理を表す模式図、第５図は、
第１図に示された光集積ヘッドの製造プロセス工程図、
第６図は上記ヘッドに搭載する収差補正用回折格子の製
造プロセス工程図、そして第７図は本発明の光集積ヘッ
ドを搭載した光情報記録再生装置の構成を説明する概略
説明図である。 図において、 １・・・ＬｉＮｂ０３基板　　　２・・・プロトン交換
光導波路３・・・半導体レーザ　　４・・・ビーム成形
用プリズム５・・・入射結合用第１のグレーティングカ
ップラ６・・・収差補正用第１の回折格子 ７・・・導波光　　　　　８・・・表面弾性波発振用電
極９・・・出力用第２のグレーティングカップラ１０・
・・収差補正用第２の回折格子 １１・・・ビーム成形用プリズム（ガラスブロック）１
２・・・対物レンズ　　　１３・・・光情報記録媒体４
１・・・入射光　　４２・・・入力結合用プリズムカッ
プラ４３・・・導波光　　４４・・・出力結合用プリズ
ムカップラ４Ｓ・・・表面弾性波　　　５１・・・光学
ガラス層５２−・・Ｔ１ｅ２層５３・・・ＥＢ描画用レ
ジスト５４−・電子ビーム　　　５５・・・ポジ型フォ
トレジスト５６・・・ＡＩ膜　　　　　　６１・・−Ｂ
Ｋ−７ガラス６２＝−ＳｉＯｚ層　　　　　６：ｌ＝Ｃ
ｒ膜７１・・・光集積ヘッド　　７２・・・アクチュエ
ータ７３・・・モータ　　　　　７４・・・光情報記録
再生装置７５・・・光情報 代理人弁理士　　中　村　純之助 ＼　　Ｘ（（（ｌ （ｂ） 第１図 ３−−−−−一半岬１４本し−ｒ ？−−−−一子追免 ８−−−−−−ＳＡＷｉ￥Ｅ３を樋 ＋２−−−−−フ＋物し〉１ １３−−−一允デｊス２ ＋４−−−−一舅Ｌｔヒ・ム、スブり寸１５−−−−−
フォト？４オード ”、０　　　　　、　　　　　　　５０ＬｉＮｂ０３　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＨＮｂ０３Ｌｉ
与Ｈ７ｅｌ換率Ｘ 第２図 １コＩＩ　　　　　　　Ｉ　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　／　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　１１コ　　　　
　ｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　／　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　１ｓｏ、２１−／、　　　　　　　　　Ｊｏ
　　　　　０．２　　　０．４　　０．５５０．６　　
　０Ｊ　　　　　ｌ−。 第３　図 （ａ）　　口　　　　　　１ （ｄ）一目＝〈３１ 第５図 ５５−−−−フオトレジスト ５６−−−−Ａｌ膜 第５図 １０）ｌ　　　　ヒ６１ ６２−−−−ＳｉＯｚ層 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、下記の一般式で表せるニオブ酸リチウム、タンタル
   酸リチウムもしくはこれら両者の混晶系一般式ＬｉＮｂ
   ＿１＿−＿ｙＴａ＿ｙＯ＿３ただし、０≦ｙ≦１から成
   る単結晶基板と、 その表層部に、基板内のリチウムイオンＬｉ＾＋の一部
   がプロトンＨ＾＋とイオン交換して形成された基板より
   屈折率の高い下記の組成式を満足する変性層 組成式Ｌｉ＿１＿−＿ｘＨ＿ｘＮｂ＿１＿−＿ｙＴａ＿
   ｙＯ＿３ただし、リチウムイオンとプロト ンとの置換率ｘは０．４≦ｘ≦０．５５、 ０≦ｙ≦１ を光導波路として有して成るプロトン交換光導波路。 ２、上記変成層から成る導波路の結晶格子定数ｄ′が上
   記単結晶基板の結晶格子定数ｄより０．１５〜０．２５
   ％大である請求項１記載のプロトン交換光導波路。 ３、弱酸と前記弱酸のリチウム塩との混合溶液中で、下
   記の一般式で表せるニオブ酸リチウム、タンタル酸リチ
   ウムもしくはこれら両者の混晶系 一般式ＬｉＮｂ＿１＿−＿ｙＴａ＿ｙＯ＿３ただし、０
   ≦ｙ≦１から成る単結晶基板を熱処理して、その表層部
   に下記の組成式を満足する変性層 組成式Ｌｉ＿１＿−＿ｘＨ＿ｘＮｂ＿１＿−＿ｙＴａ＿
   ｙＯ＿３ただし、リチウムイオンとプロト ンとの置換率ｘは０．４≦ｘ≦０．５５、 ０≦ｙ≦１ を形成して成る光導波路の製造方法。 ４、上記弱酸が解離度１０＾−＾５以下の有機酸から成
   る請求項３記載の光導波路の製造方法。 ５、上記弱酸処理により上記単結晶基板中へ注入された
   プロトンＨ＾＋を、大気中あるいは酸素雰囲気中で前記
   基板中へ熱拡散して成る請求項３もしくは４記載の光導
   波路の製造方法。 ６、光学基板上に光導波路が形成された請求項１もしく
   は２記載の光導波路と、前記光導波路の外部から前記光
   導波路内へ光を結合する手段と、前記光導波路内を伝搬
   する導波光を光軸から左右に偏向させる手段と、前記光
   導波路内を伝搬した導波光を前記光導波路から基板外へ
   射出させる手段とを有して成る光偏向装置。 ７、上記光導波路内へ光を結合する手段と、光導波路内
   を伝搬した導波光を前記光導波路から基板外へ射出させ
   る手段とを、それぞれ上記光導波路表面に形成した回折
   格子から成るグレーティングカップラで構成すると共に
   、上記導波光を光軸から左右に偏向させる手段を表面弾
   性波励振用の電極を備えた素子で構成し、前記電極を前
   記光導波路上の前記両グレーティングカップラ間に設け
   て成る請求項６記載の光偏向装置。 ８、レーザビームを光学基板上に設けられた光導波路に
   導き、かかる導波光を更に光導波路外部空間に配置され
   る光記録媒体の記録、再生面上に集光し、前記記録、再
   生面からの反射光を受光、検出する手段を備えた光ヘッ
   ドであつて、前記光学基板上に光導波路が形成された請
   求項１もしくは２記載の光導波路と、レーザ光を前記光
   導波路に結合す第１のグレーティングカップラとレーザ
   光の波長変動によるレーザ光の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、前記光導波路上に設
   けられた前記導波光を光軸の左右に偏向させる作用を持
   つ表面弾性波励振用の電極と、前記光導波路から導波光
   を前記光導波路外部へ射出させる第２のグレーティング
   カップラと、前記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、前記射出光を
   前記導波路外部の一点へ収束させるレンズ手段とを有し
   て成る光集積ヘッド。 ９、上記光記録媒体からの反射光を受光、検出する光素
   子を構成する集光ビームスプリッタとして、不当間隔曲
   線形状の回折格子を上記光導波路上の第１のグレーティ
   ングカップラと導波光を光軸の左右に偏向させる作用を
   持つ表面弾性波励振用の電極との間に配設して成る請求
   項８記載の光集積ヘッド。 １０、光記録媒体を回転駆動する回転駆動制御手段と、
   前記回転する光記録媒体面と所定間隔をおいて前記光録
   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
   、再生を行う光ヘッド及び前記光ヘッドを搭載した走査
   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、前記アクチュエータに搭載される光ヘッドを
   請求項８もしくは９記載の光集積ヘッドで構成して成る
   光情報記録再生装置。