JPH11119265A - 光導波路素子 - Google Patents

光導波路素子

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JPH11119265A
JPH11119265A JP30343597A JP30343597A JPH11119265A JP H11119265 A JPH11119265 A JP H11119265A JP 30343597 A JP30343597 A JP 30343597A JP 30343597 A JP30343597 A JP 30343597A JP H11119265 A JPH11119265 A JP H11119265A
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JP
Japan
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optical waveguide
waveguide device
cladding layer
electrode
thickness
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JP30343597A
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English (en)
Inventor
Keiichi Nashimoto
恵一 梨本
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Fujifilm Business Innovation Corp
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Fuji Xerox Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、低駆動電圧特性と低伝搬損失特性を
同時に充足して、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
ことを目的とする。 【解決手段】SrTiO3クラッド層3を有するプリズ
ム型EO偏向素子へ、レーザ光源9で633nmの波長
のレーザ・ビーム6を生成し、レンズ10でコリメート
した後、PZT薄膜光導波路1へ入射プリズム5を介し
て導入する。入射したレーザ・ビーム6は下部Nbドー
プSrTiO3基板電極2とプリズム型上部Al電極7
の間に電圧を印加することによりプリズム電極7下の部
分とそれ以外の部分において異なる屈折率が発生し、レ
ーザ・ビームが偏向される。偏向されたレーザ・ビーム
6は端面からの出射ビーム8として出射される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路と、この
光導波路内に入射されたレーザ・ビームを電気光学効果
によって偏向、スイッチング、あるいは変調するための
電極が備えられた光導波路素子に関する。本発明は特
に、レーザ・プリンタ、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
を含むオプト・エレクトロニクス全般に適用可能な光導
波路素子に関する。
【0002】
【従来の技術】レーザ・ビーム・プリンタ、デジタル複
写機、ファクシミリなどに用いられるレーザ・ビーム光
偏向装置として、気体レーザや半導体レーザからのビー
ムをを偏向するポリゴンミラーと呼ばれる回転多面鏡
と、その回転多面鏡により反射されたレーザ・ビームを
感光体などの結像面上において、等速度直線運動の状態
に集光するfθレンズとで構成されたものが代表的に用
いられている。このようなポリゴンミラーを用いる光偏
向装置はポリゴンミラーをモータによって高速回転させ
るために耐久性に問題があるとともに騒音が発生し、ま
た光走査速度がモータの回転数によって制限される問題
がある。
【0003】一方、固体型のレーザ・ビーム光偏向装置
としては、音響光学効果を利用した光偏向素子があり、
なかでも光導波路型素子が期待されている。この光導波
路素子はポリゴンミラーを用いたレーザ・ビーム光走査
装置の欠点を解決するレーザ・ビーム光走査素子とし
て、プリンタなどへの応用が検討されている。この光導
波路型の光偏向素子は、LiNbO3やZnOなどより
なる光導波路と、この光導波路内にレーザ光ビームをカ
ップリング(入射)させる手段を有し、さらに光導波路
中の光ビームを音響光学効果により偏向するための表面
弾性波を励起するくし形の電極と偏向された光ビームを
光導波路中よりアウトプットするための手段が備えられ
たものであり、このほかに必要に応じて薄膜レンズなど
が素子へ付加される。しかしながら、音響光学効果を利
用した光偏向素子は一般に偏向速度限界によるレーザ偏
向速度の上限の問題があり、レーザ・プリンタ、デジタ
ル複写機、ファクシミリなどの画像形成装置への応用に
は限界が存在する。
【0004】これに対して、音響光学効果と比較して変
調速度の速い電気光学効果を有する酸化物強誘電体材料
を用いた技術が例えば、「A.Yariv,Optical Electronic
s,4th ed.(New York,Rinehart and Winston,1991)33
6〜339頁」等にも解説されているプリズム型光偏向
素子が知られている。このような素子としてはセラミッ
クや単結晶を用いたバルク素子があるが、寸法が大き
く、また、駆動電圧がかなり高いために実用的な偏向角
度を得ることができなかった。また、Ti拡散型光導波
路やプロトン交換型光導波路を作製したLiNbO3
結晶ウェハを用いてカスケード型にプリズムを配したプ
リズム型ドメイン反転光偏向素子またはプリズム型電極
光偏向素子が「Q.Chen,et al.,J.Lightwave Tech.vol.1
2(1994)1401頁」(文献1)や特開平1−2481
41号公報などに示されている。しかし、LiNbO3
単結晶ウェハの厚さである0.5mm程度の電極間隔が
必要となるために依然として駆動電圧が高く、上記の文
献1では±600Vの駆動電圧でもわずか0.2度程度
の偏向角度しか得られておらず、実用的な偏向角度を得
ることはできないという問題がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】これに対して、本発明
者は特開平9−5797号公報に開示したように、導電
性基板上に設けられた電気光学効果を有する酸化物光導
波路と、この光導波路内に光ビームを入射させる光源を
有し、光導波路上には光導波路よりも小さい屈折率を有
する酸化物電極、あるいは光導波路よりも小さい屈折率
を有するクラッド層を介して電極が設けられ、さらに光
導波路中の光ビームを電気光学効果によって偏向するた
めの電極が備えられた薄膜光導波路を用いたプリズム型
光偏向素子を発明し、上記の駆動電圧の問題を解決し
た。
【0006】しかし、上部電極に酸化物を用いた場合に
は透明性が十分でないためにやはり伝搬損失が増加した
り、金属と比べて微細加工が容易でないなどの問題があ
った。一般に、上部電極についてはコプレーナ型電極配
置を有する素子において、光導波路上の金属電極と光導
波路間にはSiO2によるクラッド層が挿入され、金属
電極への電磁界の染みだしを防ぎ、伝搬光の吸収を回避
する方法がとられている。そこで、それと同様にクラッ
ド層を導入し、金属電極を用いると金属電極への電磁界
の染みだしを防ぎ、伝搬光の吸収を回避することが可能
となるが、電気光学効果を有する酸化物光導波路材料の
比誘電率は数十から数千におよび、SiO2の比誘電率
3.9と比べると極めて大きく、さらに、上記の導電性
基板上の薄膜光導波路構造においては等価回路として直
列コンデンサを形成するため、薄膜光導波路にかかる実
効電圧は印加電圧に対して数%以下にしかならず、結局
駆動電圧の大幅な増加を招くことになってしまうという
問題があった。
【0007】本発明の目的は、光導波路素子において、
低駆動電圧特性と低伝搬損失特性を同時に解決できる構
造を提供することにある。また、本発明の目的は、光導
波路素子を各種の偏向素子、スイッチング素子、あるい
は変調素子へ利用可能とすることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的は、導電性また
は半導電性の単結晶基板、あるいは導電性または半導電
性のエピタキシャルまたは高配向性の薄膜を表面に有す
る単結晶基板上へ作製されたエピタキシャルまたは高配
向性の電気光学効果を有する光導波路と、この光導波路
上にはクラッド層と、さらにこのクラッド層上には金属
薄膜の上部電極が設置されたことを特徴とする光導波路
素子によって達成される。本発明の光導波路素子によれ
ば、上部電極と下部電極との間に電圧を印加することに
より異なる屈折率をもつ部分を発生させて、光導波路に
入射する光ビームを電圧に応じて変調、スイッチング、
または偏向させることができる。
【0009】本発明の光導波路素子において、下部電極
基板として導電性または半導電性の単結晶基板、あるい
は基板と光導波路の間に設けた導電性または半導電性の
エピタキシャルまたは高配向性の薄膜として用いること
が可能な材料は、NbなどをドープしたSrTiO3
AlドープZnO、In23、RuO2、BaPbO3
SrRuO3、YBa2Cu37-x、SrVO3、LaN
iO3、La0.5Sr0.5CoO3、ZnGa24、CdG
24、CdGa24、Mg2TiO4、MgTi24
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、GaS
b、InP、InAs、InSb、AlGaP、AlL
nP、AlGaAs、AlInAs、AlAsSb、G
aInAs、GaInSb、GaAsSb、InAsS
bなどのIII−V系の化合物半導体、ZnS、ZnS
e、ZnTe、CaSe、Cdte、HgSe、HgT
e、CdSなどのII−VI系の化合物半導体、Pd、
Pt、Al、Au、Agなどの金属などを用いることが
できる。
【0010】このうち、下部電極の上部に配置する酸化
物薄膜光導波路の膜質を考えると、下部電極には酸化物
を用いることが望ましい。これらの導電性または半導電
性の単結晶基板、あるいは導電性または半導電性のエピ
タキシャルまたは配向性の薄膜は、強誘電体薄膜の結晶
構造、および偏向速度、スイッチング速度、または変調
速度によって必要とされるキャリア・モビリティに応じ
て選ばれることが望ましい。また、導電性または半導電
性の単結晶基板、あるいは導電性または半導電性のエピ
タキシャルまたは配向性の薄膜は、抵抗率としては10
8Ω・cm以下、望ましくは106Ω・cm以下がRC時
定数の点より有効である。しかし、電圧降下が無視でき
る程度の抵抗率であれば上部電極または下部電極として
利用可能である。
【0011】基板と光導波路の間に設けた導電性または
半導電性のエピタキシャルまたは高配向性の薄膜の基板
として用いることが可能な材料は、SrTiO3、Ba
TiO3、BaZrO3、LaAlO3、ZrO2、Y23
8%−ZrO2、MgO、MgAl24、LiNbO3
LiTaO3、Al23、ZnOなどの酸化物、Si、
Ge、ダイアモンドなどの単体半導体、AlAs、Al
Sb、AlP、GaAs、GaSb、InP、InA
s、InSb、AlGaP、AlLnP、AlGaA
s、AlInAs、AlAsSb、GaInAs、Ga
InSb、GaAsSb、InAsSbなどのIII−
V系の化合物半導体、ZnS、ZnSe、ZnTe、C
aSe、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。
【0012】薄膜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BaTiO
3、PbTiO3、Pb1-xLax(ZryTi1-y1-x/4
3(xおよびyの値によりPZT、PLT、PLZ
T)、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Srx
Ba1-xNb26、PbxBa1-xNb26など、またこ
のほかに、Bi4Ti312、Pb2KNb515、K3
2Nb515、さらに以上の置換誘導体などより選ばれ
る。薄膜光導波路の膜厚は通常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。
【0013】クラッド層は薄膜光導波路材料よりも小さ
い屈折率を有し、かつクラッド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、望ましくはクラ
ッド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、かつクラッド層の比誘電率が8以上
である材料が選ばれる。クラッド層材料については光導
波路に対してエピタキシ関係を保持できることは必ずし
も必要ではなく多結晶薄膜でも良いが、均一な界面を得
る必要がある場合には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、クラッド層材料が薄膜光導波
路材料の結晶構造に類似で、格子常数の差が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良い。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、Ba
TiO3、(Sr1-xBax)TiO3(0<x<10
0)、PbTiO3、Pb1-xLax(ZryTi1-y
1-x/43(0<x<30、0<y<100、xおよびy
の値によりPZT、PLT、PLZT)、Pb(Mg
1/3Nb2/3)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-x
26、PbxBa1-xNb26など、またこのほかに、
Bi4Ti312、Pb2KNb515、K3Li2Nb5
15、ZnOさらに以上の置換誘導体より選ばれる。クラ
ッド層の膜厚と上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、かつクラッド層の膜厚が
10nm以上であることが有効である。
【0014】上部電極はAl、Ti、Cr、Ni、C
u、Pd、Ag、In、Sn、Ta、W、Ir、Pt、
Auなどの各種金属電極や合金を用いることが可能であ
る。上記クラッド層、および薄膜光導波路は電子ビーム
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・アブレーション、MBE、CV
D、プラズマCVD、MOCVDなどより選ばれる気相
成長法およびゾルゲル法、MOD法などのウエット・プ
ロセスにより作製された薄膜の固相成長法によって作製
される。
【0015】次に、本発明の光導波路素子の基本原理に
ついて図1乃至図13を用いて詳細に説明する。本発明
の光導波路素子に用いられるスラブ型光導波路の一般的
な形態を図1および図2に示す。ここで、光は導波路1
1をz方向に進行する。導波路11はn1、ε1で示され
る屈折率・比誘電率を有しており、n2、ε2で示される
屈折率および比誘電率を有する媒質12及びn3、ε3
示される屈折率および比誘電率を有する媒質13に挟ま
れている。また、図1において、x方向はこれらの媒質
12、13、および光導波路11の表面に垂直な方向で
あり、y方向はx方向およびz方向と垂直な方向と定義
する。図2に示すように、媒質13と光導波路11との
境界の座標をx=0とし、光導波路11の厚さをdと仮
定する。
【0016】このときに、z方向にexpj[ωt−β
z]で伝搬する光波の波動方程式は次のようになる。
【0017】 δ2(Ez,Hz)/δx 2+δ2(Ez,Hz)/δy 2+χi 2(Ez,Hz)/δz 2= 0・・・[1] (χi 2=ki 2−β2、ki 2=ω2μ0εi=k0 2i 2、i=
1,2,3) ここで、ωは光波の角周波数、μ0は真空の透磁率、j
は虚数、βは伝搬定数である。
【0018】y方向に電磁界が一様であるとすれば、e
xpj[ωt−βz]を省いて、Ez,Hz∝F(x)と
おくことによって、[1]式は次のような波動方程式と
なる。 d2F(x)/dy 2+χiF(x)=0・・・[2]
【0019】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)
として表され、電磁界成分は次のようになる。 TE: Ez=0、Ex=Hy=0 δEy/δz=jωμ0x δEy/δx=−jωμ0z TM: Hz=0、Hx=Ey=0 δHy/δz=−jωεix δHy/δy=jωεiz
【0020】ここで、TEモードについて、媒質12の
領域(以下、II領域という)および媒質13の領域
(以下、III領域という)での電界は、|x|=∞で
0でなければならないから、 III領域:Ey3=E3exp(−γ3x)、x>0・・・[3] I領域:Ey1=E1cos(kxx+φ3)、−d<x<0・・・[4] II領域:Ey2=E2exp{γ2(x+t)}、x<−d・・・[5] となり、電界は基板へ染みだすことがわかる。なお、光
導波路11の領域がI領域である。ここで、 γ3=k0(N2−n3 20.5・・・[6] kx=k0(n1 2−N20.5・・・[7] γ2=k0(N2−n2 20.5・・・[8] 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・・・・[9] tanφ3=γ3/kx・・・[10] x=−dにおいても同様であるから境界条件を適用し
て、 E2=E1cos(kxd−φ3)・・・・[11] tan(kxt−φ3)=γ2/kx・・・[12] これらの関係より、
【0021】 kxd=(m+1)π−tan-1(kx/γ2)−tan-1(kx/γ3) ・・・[13]
【0022】ここで、mはモード・ナンバー(m=0,
1,2,.....)である。このような解析的方法に
よって電磁界分布を求める以外に、BPM(Beam Propag
ation Method)によって電磁界分布を求めることもでき
る。
【0023】ここで、図3はNb0.005%ドープS
rTiO3導電性基板2上(n2=2.40)に600n
mの厚さのPZT(52/48)薄膜光導波路1(n1
=2.56)が設けられ、さらにその上に上部Al電極
7が設けられた構造における、波長633nmでのTE
0モードの強度分布の模式図を示す。この際、薄膜光導
波路1中の光の振動数がAl電極7のプラズマ振動数を
越えると、光伝搬にともないAl電極7中へ染みだした
成分がAl中のキャリアによって強く吸収され、伝搬損
失となる。このとき光導波路1表面や光導波路1中の粒
界などによる散乱、および光導波路1自身の吸収による
損失に加えて、金属電極吸収によって生じる伝搬損失は
光導波路1の膜厚に依存し、光導波路膜厚が厚いほうが
電界の光導波路1中での閉じ込めが強くなり、基板へ染
みだす割合が少なくなるために伝搬損失は図4に示すよ
うに小さくなる。
【0024】
【表1】
【0025】しかし、この染みだしの起こる領域を図5
および上記表1のように吸収のないSrTiO3クラッ
ド層3で置き換えれば上部Al電極7による吸収はなく
なり、伝搬損失の低減が可能となる。クラッド層3がこ
のように薄膜光導波路1と金属電極7の隔離層として機
能するためには、一般に、クラッド層材料の屈折率が薄
膜光導波路材料の屈折率よりも小さいことが必要であ
る。
【0026】次に、図6は吸収係数α=174を有す
る、Nb0.5%ドープSrTiO3導電性基板2上に
600 nmの厚さのPZT(52/48)薄膜光導波
路1が設けられた構造における、波長633nmにおけ
るTE0モードの強度分布の模式図を示す。先の例と同
様に、基板の光吸収により光導波路1中の光伝搬にとも
ない基板へ染みだした成分が吸収され、伝搬損失とな
る。この伝搬損失はやはり光導波路1の膜厚に依存し、
光導波路膜厚が厚いほうが電界の光導波路1中での閉じ
込めが強くなり、基板へ染みだす割合が少なくなるため
に伝搬損失は図7に示すように小さくなる。
【0027】
【表2】
【0028】しかし、この染みだしている領域の厚さ分
を図8および上記表2のように吸収のないノンドープS
rTiO3バッファ層4で置き換えればNbドープSr
TiO3導電性基板2による吸収はなくなり、伝搬損失
の低減が可能となる。バッファ層4がこのように薄膜光
導波路1と導電性基板2の隔離層として機能するために
は、クラッド層3と同様に、バッファ層材料の屈折率が
薄膜光導波路材料の屈折率よりも小さいことが必要であ
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、格子常数の差が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
関係を保持できる場合がある。上記のノンドープSrT
iO3バッファ層4の例では、NbドープSrTiO3
電性基板2とPZT(52/48)薄膜光導波路1と同
様のペロブスカイト構造を有し、格子常数の差はNbド
ープSrTiO3導電性基板2に対しては0%、PZT
(52/48)薄膜光導波路1に対しては3%を有す
る。
【0029】上記の構造(表2参照)におけるバッファ
層膜厚と基板吸収による伝搬損失の関係を図9に示す。
バッファ層膜厚がゼロすなわちバッファ層4がない場合
伝搬損失は62.9 dB/cmにもなるが、膜厚30
0nmのバッファ層4を挿入すると伝搬損失はわずか
0.6dB/cmにまで低減できる。また、図10には
各波長におけるPZT(52/48)薄膜光導波路/ノ
ンドープSrTiO3バッファ層/NbドープSrTi
3基板構造における、基板吸収による伝搬損失が1d
B/cmとなる光導波路膜厚とバッファ層膜厚の関係を
示す。一般に、波長が長いほうが屈折率の波長分散によ
る低下と実効屈折率の低下とにより電界の光導波路中で
の閉じ込めが弱くなり、基板への染みだしが多くなる
が、この図10の例のようにバッファ層4の膜厚を適切
に選択することによって伝搬損失を小さくすることがで
きる。バッファ層4と光導波路1の膜厚比は伝搬損失を
1dB/cm以下に低減するために少なくとも0.1以
上が必要である。また、TE0のシングルモードでの動
作を前提とする際には0.5以上とすることが適切であ
る。バッファ層4と光導波路1の膜厚比の上限として
は、光導波路のTE0モードのカットオフ膜厚において
最大となり、一般に10程度となる。これらのことはク
ラッド層3についても全く同様である。
【0030】一方、上部金属電極と薄膜光導波路の間に
クラッド層が存在すると、上下電極間に印加した電圧は
薄膜光導波路とクラッド層のそれぞれの容量に従って分
配され、薄膜光導波路に実際に印加される実効電圧は低
下する。図11に基板2/光導波路1/クラッド層3/
金属電極7の等価回路を示す。この等価回路は薄膜光導
波路1の容量Cwとクラッド層3の容量CCからなる直列
回路で表され、これらの容量と等価回路全体の容量C0
との関係は次のようになる。 1/C0=1/Cw+1/CC=(Cw+CC)/(Cw・CC)・・・[14] 電荷Qは同じなので、 Q=C00=Cww・・・[15] ((Cw・CC)/(Cw+CC))・V0=Cww・・・[16] 従って、薄膜光導波路1に印加される実効電圧Vwは、
薄膜光導波路1の比誘電率をεw、膜厚をdw、クラッド
層3の比誘電率をεC、膜厚をdCとすると次式のように
なる。
【0031】 Vw=(CC/(Cw+CC))・V0=(εCw/(εwC+εCw))・V0・ ・・[17]
【0032】厚さ600nmのPZT薄膜光導波路1
(εw=900)に対して、比誘電率300を有する3
00nmの厚さのSrTiO3クラッド層(εC=30
0)を設けた場合には、
【0033】Vw=εCw/(εwC+εCw)・V0
300×600/(900×300+300×600)
・V0=0.40V0
【0034】と印加電圧V0の40%を実効電圧Vwとし
て光導波路に印加可能となる。[17]式は、さらに下
記のように変形できる。
【0035】Vw/V0=(εC/εw)/{(dC/dw
+(εC/εw)}=1/{(dC/dw)/(εC/εw
+1}
【0036】 1/(Vw/V0)=(dC/dw)/(εC/εw)+1 εC/εw=(dC/dw)/{1/(Vw/V0)−1}・・・[18]
【0037】dC/dwとεC/εwの関係を0.02≦V
w/V0≦0.4および0.4≦Vw/V0≦0.9の範囲
の値についてそれぞれ図12および図13に示す。本発
明においてはdC/dwは0.1以上であるので、Vw
0が0.02以上の値となるεC/εwは図12より
0.002以上となる。また、Vw/V0が0.1以上と
なることが望ましいとすれば、εC/εwとしては0.0
06以上が望ましいことになる。εC/εwの上限として
は、クラッド層と薄膜光導波路に用いることができる材
料の組合せで決まり、10程度となる。光導波路を構成
する材料の比誘電率は4000に達するものがあるた
め、εC/εwとして0.002以上という条件を備える
べきことを考慮すると、クラッド層の比誘電率εCは8
以上の値を有することが望ましい。クラッド層と薄膜光
導波路に用いることができる材料の組合せは、実効電圧
が印加電圧の1%以下となる条件では、導電性基板上に
電気光学効果を有するエピタキシャル光導波路を設け、
駆動電圧を大幅に低減する目的に対し有効ではなくな
る。すなわち、実効電圧が印加電圧の2%以下となる条
件ではクラッド層を有する膜厚1.0μmの光導波路素
子へ印加する電圧は、クラッド層がなく、拡散光導波路
を有する厚さ50.0μmのウェハ素子へ印加する電圧
と等しくなり、このような厚さ50.0μmまでのウェ
ハは研磨などによって加工可能であるため、導電性基板
上に電気光学効果を有するエピタキシャル光導波路を設
けるメリットがなくなる。以上の原理はバッファ層につ
いてもまったく同様である。
【0038】
【発明の実施の形態】本発明の第1の実施の形態による
光導波路素子を図14および図15を用いて説明する。
図14は本実施の形態による光導波路素子の上面図であ
り、図15はその側面図である。本実施の形態において
は表3に示すようにNbドープSrTiO3(100)
単結晶透明導電性の下部電極基板2上へ、膜厚900n
mのエピタキシャルPZT(52/48)薄膜光導波路
1を成長させ、次に膜厚300nmのSrTiO3クラ
ッド層3を成長させ、さらにプリズム型Al上部電極7
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。
【0039】
【表3】
【0040】PZT(52/48)光導波路層1はゾル
ゲル法を用いた固相エピタキシャル成長によって作製し
た。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−C374、お
よびチタン・イソプロポキシドTi(O−i−C37
4を出発原料として、2−メトキシエタノールに溶解
し、6時間の蒸留を行ったのち18時間の還流を行い、
最終的にPb濃度で0.6MのPZT(52/48)用
前駆体溶液を得た。さらに、この前駆体溶液をNbドー
プSrTiO3基板2へスピンコーティングを行った。
以上の操作はすべてN2雰囲気中にて行った。次に、加
湿O2雰囲気中で20°C/secにて昇温して350
°Cにて保持の後、650°Cに保持し、最後に電気炉
の電源を切り冷却した。これにより膜厚100nmの第
1層目のPZT薄膜を固相エピタキシャル成長した。こ
れをさらに8回繰り返すことにより総膜厚900nmの
エピタキシャルPZT薄膜が得られた。結晶学的関係は
単一配向のPZT(100)//Nb−SrTiO
3(100)、面内方位PZT[001]//Nb−S
rTiO3[001]の構造が得られた。
【0041】このPZT薄膜光導波路1のポーリングを
行った後、SrTiO3クラッド層3をゾルゲル法によ
って作製した。まず、Sr(OC252とTi(O−
i−C374を2−メトキシエタノールに溶解し、こ
の溶液を攪はんしつつ2時間蒸留し、さらに22時間の
還流を行い複合金属アルコキシドSrTi(OC24
256の溶液を得た。この溶液の一部に、Srまた
はTiとのモル比が1:2となる水および1:0.2と
なるアンモニア触媒を加え100°Cで3時間攪拌した
後、0.6Mになるように調合した。この溶液をPZT
薄膜光導波路1を成長させたNbドープSrTiO3
板上にスピンコートし、続いて20°C/秒の速度にて
加熱し300°Cで2分間および550°Cで保持し
た。この塗布と熱処理の操作を3回繰り返し、膜厚約3
00nmのSrTiO3クラッド層3を得た。SrTi
3クラッド層3上にはスパッタリング法によって成膜
した膜厚100nmのAl薄膜による15個の底辺20
0μm、高さ1000μmのプリズム形上部電極7アレ
イをリフト・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
2へのオーミック・コンタクトはInによって得た。
【0042】ここで、一般に電気光学効果を有する材料
に電場を加えると、対称心のない結晶構造における電場
による屈折率変化は次のようになり、 Δn=n0−n=−aE−bE2−・・・[19] このうち一次の項はポッケルス(Pockels)効果
と呼ばれ、一般に次のように示され、 Δn=−1/2rn3E・・・[20] 二次の項がカー(Kerr)効果と呼ばれ、一般に次の
ように示される。 Δn=−1/2Rn32・・・[21]
【0043】実際には、電場を大きくしていくと一次の
電気光学効果であるPockels効果に次第に二次の
電気光学効果であるKerr効果が重畳する形で屈折率
変化が起こる。このような電気光学効果を用いる際は、
対称心のない結晶構造を持ち高い係数を持つ強誘電体を
用いることとなり、前述した例のような酸化物強誘電体
が代表的である。このような強誘電体に局所電場を印加
するとのようにその部分の屈折率の低下が起こる。
【0044】本実施の形態においては、三角形のプリズ
ム型電極7が図14および図15に示すような位置に配
置され、距離dを隔てて設けられた下部電極であるNb
ドープSrTiO3(100)基板2と上部電極である
ITO電極との間に電圧Vが印加されると、 Δn=−1/2・r・n3・(V/d)・・・[22] の屈折率変化が生じ、プリズムの長さをL、幅をWとす
ると
【0045】 θ=−Δn×L/W=1/2・r・n3・(V/d)・(L/W)・・・[2 3]
【0046】の偏向が生じる。なお、二次の電気光学効
果であるKerr効果を有する強誘電体を用いたプリズ
ム型光偏向素子において次のようになる。 θ=1/2・r・n3・(V/d)2・(L/W)・・・[24]
【0047】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
を本実施の形態による光導波路素子のPZT薄膜光導波
路1に導入し、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、光伝搬損失を求めた
ところ、本実施の形態による光導波路素子の膜厚300
nmのSrTiO3クラッド層3を有するPZT光導波
路1の光伝搬損失は4.1dB/cmであり、実用レベ
ルに入る特性を示した。
【0048】一方、本実施の形態による光導波路素子の
SrTiO3クラッド層のみをNbドープSrTiO3
板上へ成長した状態で膜厚300nmのSrTiO3
ラッド層の比誘電率を測定したところ予想していた値で
ある300よりも若干低い値である250を示した。一
方、NbドープSrTiO3基板上へ直接成長したPZ
T薄膜光導波路において測定した比誘電率は900であ
った。従って、式[17]より求められるPZT薄膜光
導波路の実効電圧は45%となった。また、Nbドープ
SrTiO3基板上へ直接成長したPZT薄膜光導波路
において電気光学係数、および屈折率を測定した結果、
r=50pm/V、およびn=2.56であった。
【0049】本実施の形態による光導波路素子の膜厚3
00nmのSrTiO3クラッド層3を有するプリズム
型EO偏向素子へ、レーザ光源9で633nmの波長の
レーザ・ビーム6を生成し、レンズ10でこれを幅1m
mにコリメートした後、PZT薄膜光導波路1へ入射プ
リズム5を介して導入した。入射したレーザ・ビーム6
は下部NbドープSrTiO3基板電極2とプリズム型
上部Al電極7の間に電圧を印加することによりプリズ
ム電極7下の部分とそれ以外の部分において異なる屈折
率が発生し、レーザ・ビームが偏向された。偏向の後、
偏向されたレーザ・ビーム6は端面からの出射ビーム8
として出射された。投影面上でのレーザ・スポット位置
の変位より偏向角度を求めると、50V印加、すなわち
実効電圧22.5Vで2.92度の偏向が確認された。
先に求めたr=50pm/V、およびn=2.56と、
設計値となるd=900nm、W=200μm、L=1
000μmより実効電圧22.5Vでの偏向角度を逆に
求めると実測とほぼ同じ3.00度となった。
【0050】以上のように、クラッド層と光導波路の膜
厚比が0.05以上の領域では伝搬損失が実用的な範囲
に入り、本実施の形態による光導波路素子は有効に機能
することが証明された。
【0051】次に本実施の形態に対する第1の比較例の
説明をする。本比較例においてはNbドープSrTiO
3(100)単結晶透明導電性の下部電極基板上へ、膜
厚900nmのエピタキシャルPZT(52/48)薄
膜光導波路を成長させ、さらに本実施の形態と同様のプ
リズム型Al上部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。PZT(52/48)光導
波路層は本実施の形態と同様にしてゾルゲル法を用いた
固相エピタキシャル成長によって、総膜厚900nmの
エピタキシャルPZT薄膜を作製した。PZT薄膜光導
波路上には本実施の形態と同様にして膜厚100nmの
Al薄膜による15個の底辺200μm、高さ1000
μmのプリズム形上部電極アレイを形成し、プリズム型
EO偏向素子を作製した。また、NbドープSrTiO
3基板へのオーミック・コンタクトはInによって得
た。
【0052】プリズム・カップリングによって633n
mのレーザ光を本比較例のPZT薄膜光導波路に導入
し、TE0モードの伝搬損失測定を行った所、光導波路
の散乱による損失の他にAl上部電極による吸収の影響
が生じ、11.2dB/cmと比較的大きな伝搬損失を
示した。
【0053】次に本実施の形態に対する第2の比較例の
説明をする。本比較例においては、本実施の形態と同様
にNbドープSrTiO3(100)単結晶透明導電性
の下部電極基板上へ、膜厚900nmのエピタキシャル
PZT(52/48)薄膜光導波路を成長させ、その上
に屈折率が1.46、比誘電率が3.9である膜厚30
0nmのSiO2クラッド層を成長させ、さらに本実施
の形態と同様のプリズム型Al上部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。PZT
(52/48)光導波路層は本実施の形態と同様にして
ゾルゲル法を用いた固相エピタキシャル成長によって、
総膜厚900nmのエピタキシャルPZT薄膜を作製し
た。その後、SiO2クラッド層はゾルゲル法を用いて
形成した。
【0054】プリズム・カップリングによって633n
mのレーザ光を本比較例のPZT薄膜光導波路に導入
し、TE0モードの伝搬損失測定を行った所、Al上部
電極による吸収の影響が低減され、4.8dB/cmと
良好な伝搬損失を示した。しかし、式[17]より求め
られるPZT薄膜光導波路の実効電圧は、PZT(52
/48)薄膜光導波路の膜厚900nm、比誘電率90
0、およびSiO2バッファ層の膜厚300nm、比誘
電率3.9よりわずか1.3%となり、100Vを印加
しても実効電圧は1.3Vにしかならないことがわかっ
た。
【0055】次に、本発明の第2の実施の形態による光
導波路素子について説明する。本実施の形態による光導
波路素子は、表4に示すように第1の実施の形態とほぼ
同様にNbドープSrTiO3(100)単結晶透明導
電性の下部電極基板上へ、膜厚1000nmのエピタキ
シャルPZT(52/48)薄膜光導波路を成長させ、
さらに膜厚500nmのエピタキシャルPLZT(9/
65/35)クラッド層を成長させ、最後にプリズム型
Au上部電極を形成することによってプリズム型EO偏
光素子を作製した。
【0056】
【表4】
【0057】PZT(52/48)薄膜光導波路、およ
びPLZT(9/65/35)クラッド層は、第1の実
施の形態と同様にゾルゲル法を用いた固相エピタキシャ
ル成長によってPZT(52/48)薄膜光導波路、お
よびPLZT(9/65/35)クラッド層を積層させ
て得た。結晶学的関係は単一配向のPLZT(100)
//PZT(100)//PZT(100)//Nb−
SrTiO3(100)、面内方位PLZT[001]
//PZT[001]//Nb−SrTiO3[00
1]の構造が得られた。PZT薄膜光導波路上にはAu
薄膜による15個の底辺100μm、高さ1000μm
のプリズム形上部電極アレイを形成し、プリズム型EO
偏向素子を作製した。また、NbドープSrTiO3
板へのオーミック・コンタクトはInによって得た。
【0058】プリズム・カップリングによって633n
mのレーザ光を本実施の形態による光導波路素子のPZ
T薄膜光導波路に導入し、TE0モードの伝搬損失を測
定したところ、良好な値を示した。また、PLZTバッ
ファ層の比誘電率測定値1900と、PZT薄膜光導波
路の比誘電率測定値900より、式[17]から求めら
れるPLZT薄膜光導波路の実効電圧は81%となた。
また、PZT薄膜光導波路の電気光学係数、および屈折
率を測定した結果、r=50pm/V、およびn=2.
56であった。
【0059】第1の実施の形態と同様に本実施の形態に
よる光導波路素子のプリズム型EO偏向素子へ633n
mの波長のレーザ・ビームを幅1mmにコリメートした
後、PLZT薄膜光導波路へプリズムを介して導入し、
下部NbドープSrTiO3基板電極とITO上部プリ
ズムAu電極間に電圧を印加することにより導入された
レーザ・ビームが偏向された。偏向の後、偏向されたレ
ーザ・ビームは端面から出射され、投影面上でのレーザ
・スポット位置の変位より偏向角度を求めると、5V印
加、すなわち実効電圧4.1Vで0.96度の偏向が確
認された。先に求めたr=50pm/V、およびn=
2.56と、設計値となるd=1000nm、W=10
0μm、L=1000μmより実効電圧4.1Vでの偏
向角度を逆に求めると実測とほぼ同じ0.99度となっ
た。
【0060】第1および第2の実施の形態による光導波
路素子と同様に酸化物導電性基板上に薄膜光導波路とク
ラッド層を設けた構造の他の実施の形態による光導波路
素子の光導波路、バッファ層、導電性基板の材料、物理
特性の諸値を表5および表6に示すが、このような構造
はこれらに限られるものではない。また、以上の実施の
形態ではプリズム型EO偏向素子を示したが、本発明の
思想は言うまでもなくブラッグ反射型スイッチ、全反射
型スイッチ、方向性結合スイッチ、マッハツェンダ干渉
スイッチ、位相変調素子、モード変換素子、波長フィル
ター素子などEO効果を用いるすべての光導波路素子に
おいて同様に適応可能であり、これらの薄膜光導波路素
子においても同じく低駆動電圧特性と低伝搬損失特性を
同時に解決できる構造が提供される。
【0061】
【表5】
【0062】
【表6】
【0063】次に、本発明の第3の実施の形態による光
導波路素子について説明する。本実施の形態においては
表7に示すように、サファイア単結晶基板上へ、まず膜
厚200nmのエキタピシャルAlドープZnO導電層
を成長させ、次に巻く厚1000nmのエピタキシャル
LiNbO3薄膜光導波路、さらに膜厚300nmのZ
nOクラッド層を成長させた。全ての層はRfスパッタ
リングにより成長させ、結晶学的関係は単一配向のZn
O(001)//LiNbO3(001)//Al−Z
nO(001)//Al23(001)光導波路構造が
得られた。
【0064】
【表7】
【0065】本実施の形態による光導波路素子と同様に
基板上に導電層を配し、その上に薄膜光導波路とクラッ
ド層を設けた構造の他の実施の形態による光導波路素子
の光導波路、バッファ層、導電性基板の材料、物理特性
の諸値を表8に示すが、このような構造はこれらに限ら
れるものではない。
【0066】
【表8】
【0067】
【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、低駆動電
圧特性と低伝搬損失特性を同時に解決できる電気光学効
果を有する薄膜光導波路素子が実現できる。本発明の光
導波路素子は各種の偏向素子、スイッチング素子、ある
いは変調素子などを含む電気光学効果を利用する光導波
路素子全般へ利用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光導波路素子の原理を説明する図であ
る。
【図2】光導波路素子における電界分布を示す図であ
る。
【図3】表面にAl電極を有する光導波路における電界
分布を示す図である。
【図4】表面にAl電極を有するPZT光導波路の伝搬
損失と膜厚の関係を示す図である。
【図5】クラッド層を有する光導波路における電界分布
の原理図である。
【図6】吸収係数が174のSrTiO3基板上のPZ
T光導波路における電界分布の原理図である。
【図7】吸収係数が174のSrTiO3基板上のPZ
T光導波路の伝搬損失と膜厚の関係を示す図である。
【図8】バッファ層を有する光導波路における電界分布
の原理図である。
【図9】吸収係数が174のSrTiO3基板上の膜厚
600nmのPZT光導波路の伝搬損失とSrTiO3
バッファ層の膜厚の関係を示す図である。
【図10】吸収係数が174のSrTiO3基板による
吸収伝搬損失が1 dB/cmとなるPZT光導波路の
膜厚とSrTiO3バッファ層の膜厚の関係を示す図で
ある。
【図11】光導波路/バッファ層/基板の等価回路を示
す図である。
【図12】実効電圧が0.02〜0.4の範囲のクラッ
ド層膜厚/光導波路膜厚対クラッド層誘電率/光導波路
誘電率の関係を示す図である。
【図13】実効電圧が0.4〜0.9の範囲のクラッド
層膜厚/光導波路膜厚対クラッド層誘電率/光導波路誘
電率の関係を示す図である。
【図14】本発明の第1の実施の形態によるEOプリズ
ム型偏向素子の上面図である。
【図15】本発明の第1の実施の形態によるEOプリズ
ム型偏向素子の側面図である。
【符号の説明】
1 薄膜光導波路 2 導電性基板 3 クラッド層または空気 4 バッファ層 5 入射プリズム 6 入射ビーム 7 プリズム電極 8 出射ビーム 9 レーザ光源 10 レンズ

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】導電性または半導電性の下部電極となる単
    結晶基板と、 前記単結晶基板表面に形成されたエピタキシャルまたは
    単一配向性の強誘電体薄膜の光導波路と、 前記光導波路上に形成されたクラッド層と、 前記クラッド層上に形成された上部電極となる金属薄膜
    とを備えたことを特徴とする光導波路素子。
  2. 【請求項2】請求項1記載の光導波路素子において、 前記単結晶基板の抵抗率が、108Ω・cm以下である
    ことを特徴とする光導波路素子。
  3. 【請求項3】請求項1または2に記載の光導波路素子に
    おいて、 前記単結晶基板は、表面に導電性または半導電性のエピ
    タキシャルまたは単一配向性の薄膜を有していることを
    特徴とする光導波路素子。
  4. 【請求項4】請求項1乃至3のいずれかに記載の光導波
    路素子において、 前記下部電極の材料が酸化物であることを特徴とする光
    導波路素子。
  5. 【請求項5】請求項1乃至4のいずれかに記載の光導波
    路素子において、 前記光導波路が酸化物であることを特徴とする光導波路
    素子。
  6. 【請求項6】請求項1乃至5のいずれかに記載の光導波
    路素子において、 前記クラッド層が前記光導波路よりも小さい屈折率を有
    する酸化物であることを特徴とする光導波路素子。
  7. 【請求項7】請求項1乃至6のいずれかに記載の光導波
    路素子において、 前記クラッド層の比誘電率と前記光導波路の比誘電率の
    比が0.002以上であることを特徴とする光導波路素
    子。
  8. 【請求項8】請求項1乃至7のいずれかに記載の光導波
    路素子において、 前記クラッド層の比誘電率が8以上であることを特徴と
    する光導波路素子。
  9. 【請求項9】請求項1乃至8のいずれかに記載の光導波
    路素子において、 前記クラッド層の膜厚と前記光導波路の膜厚の比が0.
    1以上であることを特徴とする光導波路素子。
  10. 【請求項10】請求項1乃至9のいずれかに記載の光導
    波路素子において、 前記クラッド層の膜厚が10nm以上であることを特徴
    とする光導波路素子。
  11. 【請求項11】請求項1乃至10のいずれかに記載の光
    導波路素子において、 前記上部電極と前記下部電極との間に電圧を印加するこ
    とにより、前記光導波路に入射する光ビームを変調、ス
    イッチング、または偏向することを特徴とする光導波路
    素子。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2004068235A1 (ja) * 2003-01-27 2006-05-25 富士通株式会社 光偏向素子およびその製造方法
JP2008216437A (ja) * 2007-03-01 2008-09-18 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光電界センサ及びその製造方法

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