JPH05896A

JPH05896A - ニオブ酸リチウム単結晶薄膜

Info

Publication number: JPH05896A
Application number: JP4394591A
Authority: JP
Inventors: Tetsushi Ono; 哲史大野; Masahiro Tsuji; 昌宏辻
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1991-02-18
Filing date: 1991-02-18
Publication date: 1993-01-08

Abstract

(57)【要約】【目的】結晶性, 高い閉じ込め効率, パワー密度が高
く、逆に光伝搬損失などは小さい単結晶光導波路を得る
こと。【構成】異種元素（Ti, Cr, Fe, Ni, Nd, Mg, Ｖな
ど）を含むニオブ酸リチウム単結晶基板上に、結晶転写
特性に優れたタンタル酸リチウム単結晶薄膜を形成した
擬似基板層を中間層として設け、さらにその上にニオブ
酸リチウム単結晶薄膜からなる光導波層を育成して３層
（ＬＮ−ＬＴ−ＬＮ）構造とした光導波路とする。しか
も、この光導波路は、ＬＮ基板−ＬＴ薄膜（擬似基板
層）−ＬＮ薄膜（導波層）が、ａ軸の結晶格子が互いに
格子整合されているものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ニオブ酸リチウム単結
晶基板上に、結晶特性の転写性に優れる単結晶薄膜から
なる擬似基板層を挟んで、結晶性や電気光学効果および
非線形光学特性に優れるニオブ酸リチウム単結晶薄膜
（以下は、単に「ＬＮ薄膜」と略記する）であって、Ｓ
ＨＧ素子や光偏向器、光スイッチ、光増幅器、光集積回
路などの光デバイスとして好適に用いられる光導波路へ
応用できるものに関する提案である。

【０００２】

【従来の技術】上述した用途に使用される薄膜、すなわ
ち光導波路としては、従来、特公昭60−34722 号公報で
提案しているような、ＬＴ基板中にMgＯと共にV₂O₅を熱
拡散させた後LiTaO₃の薄膜をエピタキシャル成長させて
光導波路として構成したもの、特公昭63-27681号公報で
提案しているような、ＬＴ基板表面にV₂O₅を拡散させ
て、３〜６μｍという低屈折率の拡散層を形成した後、
タンタル酸リチウムを液相エピタキシャル法（ＬＰＥ
法）にて成長させた３層構造の光導波路を構成してなる
光導波路が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、まず上
記各従来技術は、基板としていずれもタンタル酸リチウ
ム単結晶（以下、これは「ＬＴ」と略記する）を用いる
ものであるが、これは、本発明のようなＬＮ基板に比べ
ると結晶性が悪く、それ故にこのＬＴ基板上にＬＮ薄膜
を形成したとしても、もともと結晶性の悪いＬＴ基板の
結晶性をそのままＬＮ薄膜に転写することになるため、
その結果として、上記ＬＮ薄膜の結晶性をも一緒に低下
させてしまうという欠点があった。このことは、基板上
には、結晶性に優れかつ屈折率差の大きい薄膜の薄膜導
波層が必要となることを考えると、当然のことながら改
善が必要である。しかも、一般的なＬＴ基板というの
は、平板形状で使用した場合、機械的、熱的な衝撃によ
り破損し易く、特に液相エピタキシャル成長法やスパッ
タリングなどの加熱を伴うプロセスでは収率が低下する
という問題点もあった。

【０００４】さらに、これらの従来技術に共通する欠点
は、基板上に格子整合が図られた導波路形成のための薄
膜を作製することができなかったため、上述したように
ＬＴ基板の結晶性の悪さを薄膜の方にそのまま転写する
結果となって、多くの場合、形成したＬＮ薄膜中にマイ
クロクラックの発生を促進した。その解決のため、従
来、基板材料表面および薄膜表面を研磨あるいは化学エ
ッチング等により平滑にするか、あるいは不純物混入割
合の少ない高純度原料を使用することとしていた。しか
しながら、これらの方法は、基板界面および薄膜表面に
おける散乱損失、あるいは不純物混入による吸収損失を
低減させることはできたが、結晶粒界での吸収・散乱損
失は相変わらず大きく、光伝搬損失も５〜20dB／cm程度
と大きく、従って、光学的用途に使用するのに問題があ
った。

【０００５】本発明の目的は、基板および薄膜のいずれ
もが結晶性と光学特性とに優れた光導波路とすることに
より、上掲の各従来技術が抱えている問題点を克服し
て、結晶性に優れると共に光損傷や光伝搬損失が極めて
小さい高品質の光導波路を得ることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
上述した従来技術が抱える問題点を解決する方法につい
て種々研究した結果、基本的には、基板と単結晶薄膜と
を格子整合させた薄膜導波層を形成すると、ＳＨＧ素子
などを作製するのに好適な結晶性の高い厚膜が得られ、
かつ光損傷および光伝搬損失が極めて小さく、光学特性
の極めて優れた光導波路を得ることができることを新規
に知見した。

【０００７】また、本発明者らの研究によれば、基板と
薄膜導波層とを格子整合させた場合であっても、この基
板それ自身の結晶性が悪いと、それがそのまま上記薄膜
導波層の方にも影響を与えることから、基板そのものが
結晶性に優れたものでなければならないことを突き止
め、そしてこのような要求に応えられる基板材料とし
て、望ましくは光学グレードのＬＮ単結晶を用いること
が有効であることを知見した。

【０００８】しかも、薄膜導波層の材料としては、非線
形光学効果に優れるＬＮ単結晶を使うことが望ましいこ
とから、基板として同じＬＮを使用することは屈折率差
の大きい導波路の形成が困難になる。このような隘路を
克服するために本発明では、基板と薄膜導波層との間
に、中間層として、即ち、基板の結晶特性を転写する性
に優れた単結晶薄膜からなる擬似基板層を介在させた３
層構造とすることにした。

【０００９】このような考え方の下に完成した本発明
は、異種元素を含有するＬＮ単結晶の基板３と、この基
板３の結晶特性を転写する性質に優れる単結晶薄膜から
なる擬似基板層２と、そしてこの擬似基板層２の単結晶
上に形成されてなるＬＮ単結晶薄膜導波層１とを順次に
積層してなる、図１, 図２に示すような３層構造のＬＮ
単結晶薄膜である。

【００１０】また、本発明の光導波路は、ＬＮ薄膜に含
有させる異種元素として、Rh, Ti,Cr, Fe, NiおよびNd
から選ばれる屈折率上昇元素のうちの少なくとも１種、
またはMgもしくはＶのような屈折率低下元素を用いるも
のである。

【００１１】また、この光導波路において、前記擬似基
板層は、Ti, Cr, Fe, NiおよびNdから選ばれる屈折率上
昇元素のうちの少なくとも１種、またはMgもしくはＶの
ような屈折率低下元素を含む、図２に符号４, ５として
示す拡散層を形成してなるＬＴ単結晶薄膜を用いる。

【００１２】さらに、この光導波路は、ＬＮ単結晶のａ
軸の格子定数＜擬似基板のａ軸の格子定数の場合、ＬＮ
のLi／Nbをかえるか、このニオブ酸リチウム単結晶にMg
もしくはNaを含有させること、もしくは擬似基板に格子
定数が小さくなる異種元素を含有させることにより、ま
た、ＬＮ単結晶のａ軸の格子定数＞擬似基板のａ軸の格
子定数の場合、擬似基板に格子定数を大きくする異種元
素を含有させるか、ＬＮ単結晶にTiを含有させることに
より「ＬＮ単結晶薄膜導波層と擬似基板層」および「擬
似基板層とＬＮ単結晶基板」のいずれか少なくとも一方
を格子整合させてなるものである。擬似基板にＬＴを使
用した場合、格子定数を小さくする元素としては、Ti
が、またアルミナを使用した場合、格子定数を大きくす
る元素としてＹが望ましい。なお、基板単結晶と擬似基
板層が格子整合されていれば、常法に従い擬似基板上に
ＬＮ単結晶を形成するだけで両者を格子整合できる。格
子整合とは、単結晶薄膜の格子定数（ａ軸）を基板のそ
れの99.81 〜100.08％とすることである。

【００１３】

【作用】本発明は、基板および薄膜導波層の両方にニ
オブ酸リチウム単結晶（以下、これは「ＬＮ」と略記す
る）を使うこと、そして、光導波路形成のために、両
者の間に、中間層として、基板の結晶特性をそのまま転
写し易い性質のある単結晶薄膜を形成させる点に、特徴
がある。

【００１４】前者の理由（ＬＮ基板の採用）は、従来の
一般的な平板状ＬＴ単結晶基板などに比べると、ＬＮ基
板の方が機械的強さ、熱衝撃に強い上、何よりも結晶性
に優れている点が挙げられる。

【００１５】後者の理由（擬似基板層の形成）は、結晶
転写特性に優れる薄膜を中間層とすることにより、ＬＮ
基板の単結晶と同等の結晶性を持たせることができる一
方で、このような薄膜を介在させることで光の閉じ込め
効果の高い光導波路の形成に有効となるからである。

【００１６】さて、本発明において用いる基板は、他の
ものも使い得るが、ＬＮの使用が基本である。また、こ
のＬＮ基板は、光学グレードのものを使用する。例え
ば、Feなどの不純物が２ppm 以下、屈折率分布が10^-4／
cm (局所≦10^-5) 以下、原料純度が99.999（５Ｎ）％以
上のものを用いる。こうしたＬＮ基板は、結晶性, 光の
伝搬性, 電気光学効果, 非線形光学効果が格段に優れて
いる。そして、使用する結晶面は(0001)面が望ましい。
それは、この面がａ軸のみで構成されていて、後述する
単結晶薄膜からなる擬似基板層との格子整合に好都合だ
からである。

【００１７】なお、このＬＮ基板の面粗度は、JIS B060
1 で、Ｒ_max＝10〜1000Åにすることが望ましい。それ
は、その上に形成する単結晶薄膜の結晶性を低下させな
いために必要だからである。

【００１８】次に、前記ＬＮ基板上に形成する単結晶薄
膜からなる擬似基板層について説明する。

【００１９】この擬似基板層は、基板と薄膜導波層との
間に形成される中間層であり、前記基板の結晶特性を転
写する性質の強いタンタル酸リチウム単結晶（ＬＴ）、
Al₂O₃, MgO , ZnO , Gd₃Ga₅O₁₂などの単結晶薄膜を用
いる。とりわけ上記ＬＴ薄膜は有効である。その理由
は、このＬＴ薄膜は、前記基板や薄膜導波層として用い
るＬＮと結晶構造が酷似しているからである。

【００２０】この擬似基板層の薄膜厚みは、 0.2〜30μ
ｍが望ましい。この理由は、0.2 μｍよりも薄い場合、
導波光がＬＮ基板側に漏れてしまい、一方、30μｍより
も厚いと結晶性の低下を招くからである。より望ましい
厚さは１〜５μｍである。

【００２１】なお、この擬似基板層として形成した単結
晶薄膜は、その単結晶のＣ軸に垂直な(0001)面に、後述
するＬＮ薄膜導波層が成長するように形成される。それ
は、この(0001)面は、ａ軸のみで構成されるので、この
ａ軸の格子定数を変えるだけで、中間層薄膜とＬＮ薄膜
導波層との格子整合が可能となるからである。

【００２２】上述した擬似基板層には、少なくとも光導
波路パターン形成域（全域でも可）に、薄膜導波層の屈
折率よりも相対的に小さくするための異種元素, すなわ
ち基板−薄膜導波層間の屈折率差を大きくするための元
素（Mg, Ｖ, Ti, Cr, Fe, Ni, Nd, etc.) を拡散含有さ
せる。

【００２３】なお、擬似基板層の屈折率を低下させたり
上昇させたりする前記各異種元素は、基板上への薄膜形
成に影響する特性、例えば表面粗度などを殆ど変化させ
ずに、その表面屈折率のみを変えられるため、通常の基
板と同等の特性を有する薄膜を同様の条件にて製造する
ことができる。

【００２４】擬似基板層の表面に含有させる（熱拡散な
どによって基板表面に原子, イオン, 酸化物などの形態
にて侵入させる）異種元素の量は、例えばLiTaO₃を擬似
基板層とした場合、以下に示す組成範囲が望ましい。屈折率低下元素としてＭｇ：０．１〜２０モル％Ｖ：０．０５〜３０モル％屈折率上昇元素としてＴｉ：０．２〜３０モル％Ｃｒ：０．０２〜２０モル％Ｆｅ：０．０２〜２０モル％Ｎｉ：０．０２〜２０モル％Ｎｄ：０．０２〜１０モル％上記の含有量は、異種元素／（LiTaO₃＋異種元素）×10
0 で計算されたものである。

【００２５】前記組成範囲が好ましい理由は、上記範囲
より組成割合が多いと、ＬＮ基板の結晶性が低下してし
まい、また、上記範囲より組成割合が少ないと屈折率が
変化しないためである。

【００２６】さらに、前記異種元素の含有量は、以下の
範囲にすることがより好適である。屈折率低下元素Ｍｇ：２．０〜１０モル％Ｖ：１．０〜１５モル％屈折率上昇元素Ｔｉ：１．０〜１５モル％Ｃｒ：０．２〜１０モル％Ｆｅ：０．２〜１０モル％Ｎｉ：０．２〜１０モル％Ｎｄ：０．５〜５モル％

【００２７】上述のような割合で擬似基板中に含有させ
る異種元素の拡散層の厚さは、0.01〜20μｍが望まし
い。この理由は、拡散層の厚さが0.01μｍ未満の場合、
異種元素が拡散されていない基板部分にまで拡がる導波
光の割合が多くなるため、基板として要求される屈折率
を満足することができず、光のとじ込め効果の低下を招
き、また20μｍを超える場合、結晶性が低下するため、
光導波路として十分な特性が得られないからである。

【００２８】次に、前記擬似基板層の上に形成するＬＮ
薄膜導波層について説明する。本発明においては、薄膜
導波層をニオブ酸リチウム単結晶（ＬＮ）で構成する
が、これは前述したように、光学特性に優れているから
である。

【００２９】すなわち、このＬＮ薄膜は、擬似基板層と
してＬＴ薄膜を用いる場合、このＬＴ薄膜（擬似基板
層）と格子整合させることが必要である。この理由は、
ＬＮ薄膜とＬＴ薄膜基板とが格子整合の状態となること
により、極めて優れた光学特性を有するＬＮ薄膜が、従
来技術では得られないような厚い膜厚にて形成できるか
らである。

【００３０】このようなＬＮ薄膜が極めて優れた光学特
性を示す理由は、ＬＮ薄膜とＬＴ薄膜擬似基板とが格子
整合されることによりそれらが一体化し、格子の歪や結
晶の欠陥などが極めて少なく、結晶性に優れ、かつマイ
クロクラックなどのない高品質の膜であるからである。

【００３１】この点、従来技術においては、ＬＮ薄膜と
基板との格子整合が図れなかったことから、ＬＮ薄膜の
結晶性が悪くなり、またこのＬＮ薄膜中にマイクロクラ
ックの発生が見られた。そのため、前記擬似基板層表面
およびＬＮ薄膜表面を研磨あるいは化学エッチング等に
より平滑にするか、あるいは不純物混入割合の少ない高
純度原料を使用していたが、結晶粒界での吸収・散乱損
失あるいはマイクロクラックによる散乱損失は相変わら
ず大きく、しかも光伝搬損失も５〜20dB／cm程度と大き
く、光学的用途に使用できるものではなかった。この
点、本発明においては、薄膜擬似基板層とＬＮ薄膜とが
格子整合されているので、このような欠点は解消でき
る。

【００３２】本発明において、かかるＬＮ薄膜とＬＴ薄
膜擬似基板層との格子整合は、ＬＮ薄膜に異種元素を含
有させるか、あるいはＬＮ中のLi／Nbのモル比を変える
ことによってそれの格子定数を大きくするか、逆に上記
ＬＴ薄膜中に異種元素を含有させることにより、それの
格子定数を小さくすることによって行う。

【００３３】例えば、ＬＮ薄膜とＬＴ薄膜とを格子
整合させるためにＬＮ薄膜中に含有させる異種元素とし
ては、Na, Mgは有効である。この理由は、NaとMgのイオ
ンまたは原子は、ＬＮの結晶格子に対する置換あるいは
ドープにより、ＬＮの格子定数（ａ軸）を大きくする効
果を有するため、NaとMgの組成を調整すれば、前記ＬＴ
薄膜との格子整合を容易に果たすことができる。さら
に、このNaやMgは光学特性を何ら損なうことがないだけ
でなく、特にMgについては光学損傷を防止するという重
要な効果をも有する。

【００３４】ＬＮ薄膜中にNa, Mgを含有させる場合、そ
の含有量は、ＬＮ単結晶に対して、Na：0.1 〜14.3モル
％、Mg：0.8 〜10.8モル％とすることが望ましい。この
理由は、Naについては、その含有量が 0.1モル％より少
ない場合は、Mgの添加量の如何にかかわらず、ＬＴ薄膜
基板と格子整合できるほど格子定数が大きくならず、ま
た14.3モル％を越える場合は、逆に格子定数が大きくな
りすぎ、いずれの場合もＬＴ薄膜とＬＮとの格子整合が
困難になるからである。また、Mgの含有量については、
0.8モル％より少ない場合は、光損傷を防止する効果が
不充分となり、10.8モル％を越える量は、ニオブ酸マグ
ネシウム系の結晶が析出してしまうため、含有させるこ
とができない。

【００３５】次に、本発明において、ＬＮ単結晶中
のLi／Nbのモル比率を変えることにより、ＬＮ薄膜とＬ
Ｔ薄膜基板を格子整合させる方法としては、液相エピタ
キシャル成長法を用い、このための溶融体として少なく
ともK₂O, V₂O₅, Li₂O, Nb₂O₅からなる組成物を使用する
ことが有利である。この理由は、前記K₂O,V₂O₅は溶融
剤( フラックス) として作用する。溶融剤としてK₂O, V
₂O₅を使用することにより、溶融剤からのLiの供給を防
止できるため、原料物中の Li₂O, Nb₂O₅の組成比を変え
ることにより、析出してくるＬＮのLi／Nbのモル比率を
変えることができる。結局、このLi／Nbのモル比率を変
えると、ａ軸の格子定数も変わる。すなわち、原料物中
の Li₂O, Nb₂O₅の組成比を制御することにより、ＬＮ薄
膜のａ軸の格子定数を制御することができ、それ故にＬ
Ｎ薄膜とＬＴ薄膜基板を格子整合させることができるの
である。

【００３６】なお、前記K₂O, V₂O₅, Li₂O, Nb₂O₅からな
る溶融体には、Na₂OやMgO を添加することができる。こ
の理由は、MgO やNa₂Oを添加することにより、ＬＮ薄膜
のａ軸の格子定数を大きくすることができるからであ
る。しかも、このMgO は光損傷を防止できる。

【００３７】前記溶融体組成は、モル比でLi₂O／Nb₂Oが
43／57〜56／44であることが望ましく、43／57〜50／50
が好適である。この理由は、上記範囲を外れる場合、Ｌ
Ｎとは結晶構造の異なるLiNb₃O₈等の結晶が析出するか
らである。

【００３８】また、K₂O, V₂O₅の組成割合は、K₂O, V₂O
₅からなる溶融剤（KVO₃換算）／原料組成から析出可能
なニオブ酸リチウム単結晶の理論量の値が、モル比率で
25／75〜75／25を満たす範囲であることが望ましい。こ
の理由は、上記範囲を外れる場合、析出するニオブ酸リ
チウム単結晶の結晶構造が変化してしまい、光学特性が
低下するためである。

【００３９】さらに、前記MgO の組成割合は、MgO ／原
料組成から析出可能なニオブ酸リチウム単結晶の理論量
の値が、モル比率で0.01／100 〜30/100を満たす範囲で
あることが望ましい。この理由は、上記モル比率を外れ
る場合、ニオブ酸マグネシウム系の結晶が析出するから
である。

【００４０】なお、格子整合手段として、ＬＴ薄膜擬似
基板層のａ軸の格子定数を小さくして格子整合させても
よい。この方法としては、Tiを含有させることが望まし
い。この理由は、Ti原子あるいはイオンは、ＬＴ薄膜擬
似基板層のａ軸の格子定数を小さくする効果を有するか
らである。

【００４１】このTi原子あるいはイオンを含有させる場
合、その含有量は、ＬＴに対して0.2〜30モル％である
ことが好ましい。その理由は、Tiの含有量が 0.2モル％
より少ない場合は、ＬＮと格子整合できるほど格子定数
が小さくならず、また30モル％を越える場合には、逆に
格子定数が小さくなりすぎ、いずれの場合もＬＴ薄膜基
板とＬＮ薄膜との格子整合が得られないからである。

【００４２】なお、本発明において、このＬＮ薄膜中に
は、次のような割合でRh, Zn, Ni,Co, Cr, Ti, Nd, Ｖ
を含有させることができる。Ｒｈ：０．０５〜２０モル％Ｃｒ：０．０２〜２０モル％Ｚｎ：０．０２〜３０モル％Ｔｉ：０．２〜３０モル％Ｎｉ：０．１０〜２０モル％Ｎｄ：０．０２〜１０モル％Ｃｏ：１．０〜１０モル％Ｖ：０．０５〜３０モル％すなわち、各元素含有量の下限は、これ未満だと屈折率
の変化が小さいためであり、またその上限は、これを超
えると結晶性が低下するためである。

【００４３】次に、前述の構成にかかる光導波路の製造
方法について説明する。 (1) 始めに、六方晶ａ軸の格子定数が5.148 から 5.155
Å程度に調整されたＬＮ基板をチョコラルスキー（ＣＺ
法）により、Li₂CO₃, Nb₂O₅, TiO₂, Na₂O, MgOなどを原
料として作製する。

【００４４】(2) 次に、前記ＬＮ基板上に、結晶転写特
性に優れた単結晶薄膜（以下はＬＴ薄膜の例で述べる）
を形成して、擬似基板層を得る。この方法は、高周波ス
パッタリング、液相エピタキシャル成長法（ＬＰＥ法）
が採用されるが、とりわけＬＰＥ法は有効である。

【００４５】これらの方法が有効な理由は、結晶性に優
れた均質な膜が得やすく、その結果、光伝搬損失が少な
く光導波路として好適な、しかもニオブ酸リチウム単結
晶の非線形光学効果、電気光学効果、音響光学効果など
を十分活かせる優れた特性を持ったＬＴ薄膜が得られ、
さらに生産性にも優れているからである。

【００４６】前記ＬＰＥ成長法としては、Li₂O、Ta
₂O₅、V₂O₅、TiO₂などからなる溶融体に前記ＬＮ基板を
接触させ、ＬＰＥ成長によりこのＬＴ薄膜のａ軸の格子
定数をＬＮ基板のａ軸の格子定数に整合させる方法を用
いるが、それは高品質の結晶が得られるからである。

【００４７】前記擬似基板層を形造る、かかるＬＴ薄膜
の厚みは、ＬＮ基板と溶融体との接触時間、溶融体の温
度を適当に選択することにより、制御することができ
る。

【００４８】このＬＴ薄膜の成長速度は、0.01〜1.0 μ
ｍ／分が望ましい。それは、1.0 μｍ／分より速い場
合、ＬＴ薄膜にうねりが発生し、また、0.01μｍ／分よ
り遅い場合、ＬＴ薄膜の育成に時間がかかるためであ
る。

【００４９】なお、本発明において、ＬＰＥ成長のため
に用いる溶融体組成物としては、Ta₂O₅、V₂O₅、Li₂O、
Na₂OとMgO に加えて、Nd, Rh, Zn, Ni, Co, Tiなどから
選ばれる元素の酸化物を使用することができる。

【００５０】(3) 次いで、このようにしてＬＮ基板上に
形成された前記ＬＴ薄膜擬似基板層の上に、互いに格子
整合された状態のＬＮ薄膜導波層を育成する。この育成
の方法としては、スパッタ法や蒸着法が知られている
が、液相エピタキシャル成長法（ＬＰＥ法）が最も好ま
しい方法と言える。

【００５１】このようにして得られるＬＮ薄膜導波層
を、前記ＬＴ薄膜擬似基板層と格子整合させる方法は、
既に述べたとおりであり、例えばニオブ酸リチウム単結
晶中のＬi ／Ｎb のモル比率を変えることにより、ＬＮ
薄膜とＬＴ薄膜とを格子整合させることができる。その
具体的な方法としては、ＬＰＥ成長法を用い、このため
の溶融体として少なくともK₂O, V₂O，Li₂O , Nb₂O₅から
なる組成物を使用することが有利である。この理由は、
前記K₂O ，V₂O は、溶融剤として作用する。溶融剤とし
てK₂O ，V₂O を使用することにより、溶融剤からのLiの
供給を防止できるため、原料物中のLi₂O, Nb₂O₅の組成
比を変えることにより、析出してくるニオブ酸リチウム
単結晶のLi／Nbのモル比率を変えることができるのであ
る。

【００５２】そして、このLi／Nbのモル比率が変わる
と、ａ軸の格子定数も変わるため、ニオブ酸リチウム単
結晶薄膜のａ軸の格子定数を原料物中のLi₂O, Nb₂O₅の
組成比を制御することにより制御でき、その結果とし
て、ＬＮ薄膜とＬＴ薄膜とは格子整合するのである。

【００５３】なお、擬似基板層の表面へ異種元素を熱拡
散する場合、基板を加熱した後、その加熱状態のままＬ
ＰＥ成長用の溶融体に接触させて、異種元素を熱拡散す
ることが望ましい。この理由は、熱拡散の後冷却させ、
再度ＬＰＥ成長のために基板を加熱すると、基板の結晶
性が低下するからである。

【００５４】この熱拡散に当たっては、 850℃〜1000℃
の温度で行うことが望ましい。この理由は、850 ℃より
低い温度では拡散が進まず、また、1000℃より高い温度
では基板の結晶性が低下し、またＬi の外拡散が生じる
からである。また、この熱拡散の時間は、0.5 〜20時間
が望ましい。

【００５５】また、液相エピタキシャル成長法による処
理については、基板を溶融体に接触させる前、予備加熱
しておくことが望ましい。この理由は、このＬＮ基板
は、非常に熱衝撃に弱いからである。

【００５６】前記ＬＰＥ法で用いる溶融体の原料成分と
しては、酸化物もしくは加熱により酸化物に変化する化
合物が望ましく、例えば、Na₂CO₃、Nb₂O₅、Li₂CO₃、V₂
O₅、MgO 、NaNbO₃、NaVO₃ 、LiNbO₃、LiVO₃ などの組成
物が挙げられる。

【００５７】かかる原料成分は、600 〜1300℃で空気雰
囲気下あるいは酸化雰囲気下で加熱溶融することが望ま
しく、この溶融体は過冷却状態とした後にＬＴ擬似基板
に接触させて育成する。前記溶融体を過冷却状態とする
ための冷却速度は、0.5 〜300 ℃／時とすることが望ま
しい。

【００５８】なお、本発明において、ＬＮ薄膜導波層の
ａ軸の格子定数を、既に5.128 〜5.148 Åの範囲に調整
したＬＴ薄膜擬似基板層と格子整合させるのに、ＬＮ薄
膜中にTiを含有させてもよい。このための方法として
は、ＬＰＥ成長での溶融体として、主としてLi₂O、V
₂O₅、Nb₂O₅、TiO₂からなる組成物を用い、この溶融体
に前記ＬＴ基板を接触させることにより、ＬＰＥ成長を
行わせ、ＬＮ薄膜のａ軸の格子定数とＬＴ基板のａ軸の
格子定数を整合させる方法が有利である。

【００５９】また、特に本発明のＬＮ薄膜導波層を、Ｓ
ＨＧ素子として使用する場合には、このＬＮ薄膜の常光
屈折率ｎ_O、異常光屈折率ｎ_eは、波長が0.83μｍのレ
ーザー光源（基本波長）に対して、それぞれ2.25≦ｎ_O
≦2.40の範囲、2.0 ＜ｎ_e＜ｎ_O−0.01なる範囲、ま
た、発生する第２高調波波長(0.415μｍ) に対して異常
光屈折率ｎ_eが前記第２高調波に対する常光屈折率ｎ_O
より小さい範囲にすることが望ましい。

【００６０】表１は、本発明をＳＨＧ素子として構成し
たときの、ＬＴ擬似基板層ならびにＬＮ薄膜導波層中の
異種元素添加量とＳＨＧ出力との関係を示すものであ
る。

【００６１】

【実施例】

実施例１（ＬＮ基板とＬＴ擬似基板層は格子整合され
ず、ＬＴ擬似基板とＬＮ薄膜は格子整合される例） (1) 厚さ 0.5mmの光学グレードＺカットのLiNbO₃単結晶
基板をＲ面で面取りし、この上にＲＦスパッタ法により
膜厚５μｍのLiTaO₃単結晶薄膜を形成した。前記LiTaO₃
単結晶薄膜の面粗度は、JISB0601、Ｒ_max＝400 Åであ
った。 (2) (1) で得たLiTaO₃単結晶薄膜の上に厚さ５μｍのMg
O 薄膜を形成し、900 ℃で熱拡散させ、厚さ 250ÅのMg
O 拡散チャンネルを形成した。 (3) Na₂CO₃20モル％, Li₂CO₃ 30 モル％, V₂O₅ 40 モ
ル％, Nb₂O₅10モル％,MgO をLiNbO₃に対して２モル％
添加した混合物を白金るつぼに入れ、エピタキシャル成
長育成装置中で空気雰囲気下で、1100℃まで加熱してる
つぼの内容物を溶解し、ついで溶融体を１時間当たり60
℃の冷却速度で914 ℃まで徐冷した。この溶融体にLiTa
O₃単結晶薄膜の上に100rpmで基板を回転させながら、成
長速度0.05μｍ／分にて、液相エピタキシャル成長法に
より、膜厚５μｍの本発明のLiNbO₃単結晶薄膜を形成し
た。この後、LiNbO₃単結晶薄膜を１℃／分で冷却し、 6
80℃で１時間ホールドし、その後、再び１℃／分で冷却
した。ＬＮ薄膜中に含有されていたNa, Mgの量は、それ
ぞれ３モル％, ２モル％であった。また、薄膜の格子定
数（ａ軸）は5.156 Å、入射光波長1.15μｍで測定した
屈折率は2.235 ±0.001 であった。

【００６２】(4) (3) で得たLiNbO₃単結晶薄膜の表面を
鏡面に研磨し、このLiNbO₃単結晶薄膜を導波層とするス
ラブ型導波路を作成した。 (5) (4) の導波路の膜厚をイオンビームエッチングによ
り、位相整合膜厚2.50±0.05μｍに調整した。 (6) (4) および(5) で得たスラブ型導波路をフォトリソ
グラフィーにより、幅10μｍ、膜厚2.50±0.05μｍ、段
差１μｍのリッジ型チャンネル型導波路を作成した。 (7) (6) で得られたチャンネル型導波路の両端面をバフ
研磨により、鏡面研磨して端面からの光の入出射を可能
とし第２高調波発生素子とした。このようにして得られ
た第２高調波発生素子（ＳＨＧ素子）を用い、波長0.83
μｍ、40mWの半導体レーザを光源にしてＳＨＧ出力を測
定し、その結果を表２に示した。

【００６３】実施例２（ＬＮ基板, ＬＴ擬似基板層, Ｌ
Ｎ薄膜はすべて格子整合される例） (1) Li₂CO₃ 30 モル％, V₂O₅ 40 モル％, Ta₂O₅10モル
％, TiO₂ 20 モル％、MgO をLiNbO₃に対して２モル％添
加した原料を、1200℃まで加熱してるつぼの内容物を溶
解し、ついで溶融体を１時間当たり60℃の冷却速度で91
0 ℃まで徐冷した。この溶融体に厚さ0.5 μｍの光学グ
レードＺカットのLiNbO₃単結晶基板の上に50 rpmで基板
を回転させながら、成長速度0.1 μｍ／分にて、LiTaO₃
単結晶薄膜を液相エピタキシャル成長させた。この後、
LiTaO₃単結晶薄膜を１℃／分で冷却させ、680 ℃で１時
間ホールドさせ、その後、再び１℃／分で冷却させ、膜
厚８μｍのLiTaO₃単結晶薄膜を形成した。前記Ｚカット
のLiNbO₃単結晶基板と、LiTaO₃単結晶薄膜はいずれもａ
軸の格子定数は 5.148Åであった。 (2) (1) で得られたLiTaO₃単結晶薄膜の上に厚さ5μｍ
のV₂O₅薄膜を形成し、900 ℃で熱拡散させ、厚さ 250Å
のV₂O₅拡散チャンネルを形成した。LiTaO₃単結晶薄膜の
面粗度は、JIS B0601 、Ｒ_max＝400 Åであった。

【００６４】(3) Na₂CO₃ 5モル％, Li₂CO₃ 45 モル％,
V₂O₅ 40 モル％, Nb₂O₅10モル％, MgO を前記溶融物組
成から析出可能なLiNbO₃の理論量に対して５モル％添加
（MgO ／Nb₂O₅＝10／95) 、TiO₂を前記溶融物組成から
析出可能なLiNbO₃理論量に対して12モル％添加した混合
物を、1200℃まで加熱してるつぼの内容物を溶解し、つ
いで溶融体を１時間当たり60℃の冷却速度で920 ℃まで
徐冷した。ついで、溶融体にLiNbO₃単結晶基板のLiTaO₃
単結晶薄膜形成面を接触させ、50rpm で基板を回転させ
ながら、成長速度 0.1μｍ/ 分にて、液相エピタキシャ
ル成長法により、膜厚５μｍの本発明のLiNbO₃単結晶薄
膜を形成した。この後、LiNbO₃単結晶薄膜を１℃／分で
冷却させ、690 ℃から0.5℃／分の冷却速度で670 ℃ま
で冷却し、その後再び１℃／分で冷却させた。ニオブ酸
リチウム単結晶薄膜中に含有されていたNa, Mg,Tiの量
は、それぞれ 0.3モル％、６モル％、５モル％であっ
た。また、単結晶薄膜の格子定数（ａ軸）は 5.148Å、
入射光波長1.15μｍで測定した屈折率は、2.240 ±0.00
1であった。 (4) (3) で得られたLiNbO₃単結晶薄膜を用い実施例１の
(3) 〜(5) と同様の方法にて幅10μｍ、膜厚2.70±0.07
μｍ、段差1.2 μｍのリッジ型チャンネル型導波路を作
成した。 (5) (4) で得たLiNbO₃単結晶薄膜を用い、実施例１と同
様の方法にて研磨し、ＳＨＧ素子とした。このようにし
て得られたＳＨＧ素子を用い、波長0.83μｍ、40ｍＷの
半導体レーザを光源にしてＳＨＧ出力を測定し、表２に
示した。

【００６５】実施例３（ＬＮ基板, アルミナ擬似基板
層, ＬＮ薄膜はすべて格子整合されない例） (1) 厚さ 0.5μｍの光学グレードＺカットのLiNbO₃単結
晶基板の上にＲＦスパッタ法により、膜厚６μｍのアル
ミナ単結晶薄膜を形成した。 (2) (1) で得られたLiTaO₃単結晶薄膜の(0001)面を光学
研磨した後、フォトリソグラフィーおよびＲＦスパッタ
リング法により、膜厚 800Å、幅５μｍのMgO膜と、こ
の幅５μｍのMgO 膜以外の部分に膜厚 400ÅのCu膜を形
成した後、1000℃にて熱拡散させ、幅５μｍのMgO 拡散
チャンネルをもつものを化学エッチングし、基板材料と
した。MgO を拡散させたチャンネル部分およびチャンネ
ル部分以外のCuを拡散させた部分は、何も拡散させない
基板材料に比べて、常光屈折率はそれぞれ10×10^-3減少
および１×10^-3増大していた。 (3) 液相エピタキシャル成長法により、膜厚５μｍの本
発明のLiNbO₃単結晶薄膜を形成した。 (4) (3) で得られたLiNbO₃単結晶薄膜の表面を鏡面に研
磨し、このLiNbO₃単結晶薄膜を導波層とするスラブ型導
波路を作成した。 (5) (4) で得たスラブ型導波路の両端面をバフ研磨によ
り、鏡面研磨して端面からの光の入出射を可能として第
２高調波発生素子とした。このようにして得られたＳＨ
Ｇ素子を用い、波長0.83μｍ、40ｍＷの半導体レーザを
光源としてＳＨＧ出力を測定し、その結果を表２に示し
た。

【００６６】実施例４（（ＬＮ基板, アルミナ擬似基板
層, ＬＮ薄膜が格子整合される例） (1) 厚さ 0.5μｍの光学グレードＺカットの６モル％Ti
含有LiNbO₃単結晶基板の上にＬＰＥ成長法により、膜厚
６μｍの10モル％Y₂O₃含有アルミナ単結晶薄膜を形成し
た。ａ軸の格子定数は5.144 Åであった。 (2) Li₂CO₃ 40.0 モル％, V₂O₅ 50.0 モル％, Nb₂O₅1
0.0モル％, MgO を溶融体組成から析出可能なLiNbO₃の
理論量に対して5.6 モル％、TiO₂を溶融体組成から析出
可能なLiNbO₃の理論量に対して12.5モル％添加した混合
物を、白金るつぼに入れ、エピタキシャル成長育成装置
中で空気雰囲気下で1100℃まで加熱してるつぼの内容物
を溶解した。ついで溶融体をプロペラを用い、 100rpm
の回転速度で６時間撹拌した。 (3) Al₂O₃単結晶薄膜の(0001)面を光学研磨した後、化
学エッチングし、厚さ５μｍとした。この基板の表面粗
度は、JIS B0601 Ｒ_max＝100 Åであった。溶融体を１
時間当り60℃の冷却速度で 898℃まで徐冷した後、この
基板を898℃で20分間予備加熱し、溶融体中に100rpmで
回転させながら９分間浸漬した。ニオブ酸リチウムの成
長速度は0.78μｍ/ 分であった。 (4) 溶融体から基板材料を引き上げ、回転数1000rpm で
30秒間溶融体上で、溶融体を振り切った後、1 時間当り
120℃の冷却速度で室温まで徐冷し、基板材料上に約７
μｍの厚さのMg, Ti含有ニオブ酸リチウム単結晶薄膜を
得た。 (5) 得られたニオブ酸リチウム単結晶薄膜中に含有され
ていたMg,Tiの量は、それぞれ５モル％, 10モル％であ
った。また、格子定数（ａ軸) は5.144 Å、入射光波長
1.15μｍで測定した屈折率は2.241 ±0.001 であった。
ニオブ酸リチウムの表面粗度はJIS B0601 Ｒ_max＝1000
Åであった。 (6) (5) で得られたLiNbO₃単結晶薄膜の表面を鏡面に研
磨し、このLiNbO₃単結晶薄膜を導波層とするスラブ型導
波路を作成した。 (7) (6) で得たスラブ型導波路の両端面をバフ研磨によ
り、鏡面研磨して端面からの光の入出射を可能として第
２高調波発生素子とした。このようにして得られたＳＨ
Ｇ素子を用い、波長0.83μｍ、40ｍＷの半導体レーザを
光源としてＳＨＧ出力を測定し、その結果を表２に示し
た。

【００６７】実施例５（K₂O −V₂O₅フラックスを使用し
た例) (1) 厚さ 0.5ｍｍの光学グレードＺカットの２モル％N
a,６モル％Mg含有LiNbO₃単結晶基板をＲ面で面取りし、
この上にＲＦスパッタ法により膜厚５μｍのLiTaO₃単結
晶薄膜を形成した。（LiNbO₃のａ軸の格子定数は 5.154
Å)前記LiTaO₃単結晶薄膜の面粗度はJIS B0601 Ｒ_max
＝400 Åであった。 (2) (1) で得たLiTaO₃単結晶薄膜の上に厚さ５μｍのMg
O 薄膜を形成し、900 ℃で熱拡散させ、厚さ250 ÅのMg
O 拡散チャンネルを形成した。 (3) Li₂CO₃ 21.5モル％、Nb₂O₅ 33.5モル％、K₂CO₃ 2
2.5モル％、V₂O₅ 22.5 モル％、MgO を前記溶融体組成
から析出可能なLiNbO₃の理論量に対して５モル％添加し
た混合物を白金るつぼに入れ、エピタキシャル成長育成
装置中で空気雰囲気下で1100℃まで加熱してるつぼの内
容物を溶解した。 (4) 溶融体を１時間当り60℃の冷却速度で 893℃まで徐
冷した。タンタル酸リチウム単結晶の(0001)面を光学研
磨し厚さ 1.5mmとした。面粗度は、JIS B0601Ｒ_max＝4
00 Åであった。この基板材料を溶融体上15mmの位置に
て893 ℃にて予備加熱し、ついで溶融体中に100rpmで回
転させながら11分間浸漬した。ニオブ酸リチウム単結晶
薄膜の成長速度は0.54μｍ/ 分であった。

【００６８】(5) 溶融体から基板材料を引き上げ、回転
数1000rpm で30秒間溶融体上で、溶融体を振り切った
後、１℃／分の冷却速度で 630℃まで冷却し、ついで 6
30℃から600 ℃まで 0.2℃／分で冷却、さらに室温まで
１℃/ 分で徐冷し、基板材料上に約６μｍの厚さのMgO
含有ニオブ酸リチウム単結晶薄膜を得た。格子定数 (ａ
軸) は5.154 Å、入射光波長1.15μｍで測定した屈折率
は、2.231 ±0.001 であった。得られたニオブ酸リチウ
ム単結晶薄膜の表面粗度はJIS B0601 Ｒ_max＝1400Åで
あった。 (6) (5) で得られたLiNbO₃単結晶薄膜の表面を鏡面に研
磨し、このLiNbO₃単結晶薄膜を導波層とするスラブ型導
波路を作成した。 (7) (6) で得たスラブ型導波路の両端面をバフ研磨によ
り、鏡面研磨して端面からの光の入出射を可能として第
２高調波発生素子とした。このようにして得られたＳＨ
Ｇ素子を用い、波長0.83μｍ、40ｍＷの半導体レーザを
光源としてＳＨＧ出力を測定し、その結果を表２に示し
た。

【００６９】実施例６（異種元素を拡散させた例）本実施例は、基本的には実施例２と同様であるが、Mgの
代わりに擬似基板層に 500Åの厚さでＶ, Ti, Cr, Fe,
Ni, Ndを拡散させ、またニオブ酸リチウム単結晶薄膜に
はRh, Co, Zn, Ti, Cr, Fe, Ni, Ndを含有させた。ただ
し、擬似基板層中に拡散させた元素のうち、Ｖについて
は、導波路形成域に拡散させ、Ti, Cr, Fe, Ni, Ndは、
導波路を形成しない領域に拡散させた。( 図２参照）得
られたLiNbO₃単結晶薄膜の表面を鏡面に研磨し、このLi
NbO₃単結晶薄膜を導波層とするスラブ型導波路を作成し
た。スラブ型導波路の両端面をバフ研磨により、鏡面研
磨して端面からの光の入出射を可能として第２高調波発
生素子とした。このようにして得られたＳＨＧ素子を用
い、波長0.83μｍ、40ｍＷの半導体レーザを光源として
ＳＨＧ出力を測定し、その結果を表２に示した。

【００７０】実施例７（ＬＮ基板, ＬＴ擬似基板層, Ｌ
Ｎ薄膜は格子整合）実施例２と同様に、膜厚８μｍのLiTaO₃単結晶薄膜を形
成した。前記ＺカットのLiNbO₃単結晶基板と、LiTaO₃単
結晶薄膜は、いずれもａ軸の格子定数は5.148Åであっ
た。このLiTaO₃単結晶薄膜上に常法の液相エピタキシャ
ル成長法で厚さ2.50±0.05μｍのLiNbO₃単結晶薄膜を形
成した。このようにして得られたＳＨＧ素子を用い、波
長0.83μｍ、40ｍＷの半導体レーザを光源としてＳＨＧ
出力を測定し、その結果を表２に示した。

【００７１】

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように本発明のニオブ酸リ
チウム単結晶薄膜は、基板ならびに２層の薄膜がいずれ
も結晶性が良く、閉じ込め効率およびパワー密度が著し
く高く、一方で光伝搬損失, 光損傷は小さいという光学
効果に優れた光導波路を得ることができ、それ故に光高
調素子, 光偏向器, 光増幅素子, 光スイッチなどの各種
光デバイスに適用したときに有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、ＬＮ基板−擬似基板層−ＬＮ薄膜から
なる光導波路の模式図である。

【図２】図２は、擬似基板層への異種元素拡散の模式図
である。

【符号の説明】

１ＬＮ薄膜導波層２擬似基板層, ３ＬＮ基板４導波路形成領域の擬似基板層に設けられた拡散層５導波路を形成しない領域の擬似基板層に設けられた
拡散層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ニオブ酸リチウム単結晶基板と、この基
板の結晶特性を転写する性質に優れ、異種元素を含有す
る単結晶薄膜からなる擬似基板層と、そしてこの擬似基
板層の単結晶上にニオブ酸リチウム単結晶薄膜とを順次
に積層してなる３層構造のニオブ酸リチウム単結晶薄
膜。
【請求項２】ニオブ酸リチウム薄膜に含有させる異種
元素として、Rh, Ti, Cr, Fe, NiおよびNdから選ばれる
屈折率上昇元素のうちの少なくとも１種、またはMgもし
くはＶのような屈折率低下元素を用いることを特徴とす
る請求項１に記載のニオブ酸リチウム単結晶薄膜。
【請求項３】擬似基板層の単結晶薄膜とニオブ酸リチ
ウム単結晶薄膜が格子整合されてなる請求項１に記載の
ニオブ酸リチウム単結晶薄膜。
【請求項４】擬似基板層の単結晶薄膜と基板とが格子
整合されてなる請求項１に記載のニオブ酸リチウム単結
晶薄膜。
【請求項５】擬似基板層は、Ti, Cr, Fe, NiおよびNd
から選ばれる屈折率上昇元素のうちの少なくとも１種、
またはMgもしくはＶのような屈折率低下元素を含むタン
タル酸リチウム単結晶薄膜である請求項１に記載のニオ
ブ酸リチウム単結晶薄膜。
【請求項６】ニオブ酸リチウム単結晶薄膜導波層と擬
似基板層および／または擬似基板層とニオブ酸リチウム
単結晶基板との格子整合が、ニオブ酸リチウム単結晶の
ａ軸の格子定数＜擬似基板層のａ軸の格子定数の場合に
は、ニオブ酸リチウムのLi／Nbをかえるか、このニオブ
酸リチウム単結晶にMgもしくはNaを含有させること、も
しくは擬似基板に格子定数が小さくなる異種元素を含有
させることにより、また、ニオブ酸リチウム単結晶のａ
軸の格子定数＞擬似基板のａ軸の格子定数の場合には、
擬似基板に格子定数を大きくする異種元素を含有させる
か、ニオブ酸リチウム単結晶にTiを含有させることによ
り、行われたものである請求項１に記載のニオブ酸リチ
ウム単結晶薄膜。