JPH11194223A - 光導波路素子およびその製造方法 - Google Patents

光導波路素子およびその製造方法

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JPH11194223A JP10238776A JP23877698A JPH11194223A JP H11194223 A JPH11194223 A JP H11194223A JP 10238776 A JP10238776 A JP 10238776A JP 23877698 A JP23877698 A JP 23877698A JP H11194223 A JPH11194223 A JP H11194223A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、薄膜レンズが備えられた光導波路素
子に関する。 【解決手段】レーザー・ビーム８をチャンネル導波路７
端面に集光し、ＰＬＺＴ薄膜光導波路４へ導入する。入
射したレーザー・ビーム８はチャンネル導波路から出射
するとＰＬＺＴ光導波路内で発散し、薄膜レンズ５を通
過して０．４ｍｍにコリメートされる。くし形Ａｌ電極
６に高周波電圧を印加しない場合、レーザー・ビームは
２つめの薄膜レンズ５を通過すると集光され、チャンネ
ル導波路を通じて端面から出射して射出ビーム９とな
る。くし形Ａｌ電極６に高周波電圧を印加した場合、音
響光学効果によって回折格子が形成され、レーザー・ビ
ームが偏向される。偏向されたレーザー・ビームは２つ
めの薄膜レンズ５を通過すると集光され、上記のチャン
ネル導波路の隣のチャンネル導波路を通じて端面から出
射して偏向された射出ビーム１０となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、強誘電体薄膜光導
波路と、この光導波路内に入射されたレーザー・ビーム
を制御するための薄膜レンズが備えられた光導波路素子
に関し、用途としては、レーザー・プリンター、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
ンピューター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光集積素子全般にわた
る。
【０００２】
【従来の技術】レーザー光の偏向素子、スイッチ、また
は変調素子を光導波路に形成し、光集積素子化するため
には光導波路に偏向、スイッチング、または変調を行う
為の電極を形成するとともに、光導波路に入射したレー
ザー光をコリメートし、それを偏向、スイッチング、ま
たは変調した後、レーザー光を集光するためなどに用い
る導波路レンズが重要となる。特にプレーナ導波路を用
いた光偏向素子においては導波路レンズは不可欠な要素
である。
【０００３】プレーナ導波路を用いた光偏向素子として
は、Ｃ．Ｓ．Ｔｓａｉ ａｎｄ Ｐ．Ｌｅ，Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．６０（１９９２）４３
１．（以下、文献（１）という）などに示されるように
音響光学効果を利用した光偏向素子があり、光導波路中
の光ビームを表面弾性波によってブラッグ回折させるた
め、表面弾性波を励起するくし形の電極が光導波路表面
に設けられ、表面弾性波の周波数をスイープ（掃引）す
ることによって偏向が行われる。また、電気光学効果を
用いたプリズム型光偏向素子は、Ｑ．Ｃｈｅｎ，ｅｔ
ａｌ．，Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈ．ｖｏｌ．
１２（１９９４）１４０１．（以下、文献（２）とい
う）などに示されるように光導波路表面にプリズム型電
極が設けられ、電圧を印加することによって電極下の光
導波路の屈折率を変化させ、光導波路中の光ビームが偏
向されるようになっている。
【０００４】プレーナ導波路材料としては石英などのガ
ラス、ＬｉＮｂＯ３などの酸化物強誘電体、ＰＭＭＡな
どのポリマー、またはＧａＡｓ系の化合物半導体が用い
られるが、良好な音響光学効果または電気光学効果を有
する材料はＬｉＮｂＯ３などの酸化物強誘電体材料であ
り、これらの効果を利用して実際に作製された素子はほ
とんどがＬｉＮｂＯ３であり、音響光学効果を利用した
光偏向素子、および電気光学効果を利用したプリズム型
光偏向素子がそれぞれ上記文献（１）および（２）に示
されている。
【０００５】強誘電体としてはＬｉＮｂＯ３のほかにＢ
ａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ１ −ｘＬａｘ（Ｚｒｙ
Ｔｉ１−ｙ）１−ｘ／４Ｏ３（ｘおよびｙの値によりＰ
ＺＴ、ＰＬＴ、ＰＬＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ
２／３）Ｏ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＳｒｘＢａ
１−ｘＮｂ２Ｏ６、ＰｂｘＢａ１−ｘＮｂ２Ｏ６、Ｂｉ
４Ｔｉ３Ｏ１２、Ｐｂ２ＫＮｂ５Ｏ１５、Ｋ３Ｌｉ２Ｎ
ｂ５Ｏ１５など多くの材料があり、これらのうち多くの
材料はＬｉＮｂＯ３よりも良好な特性を有している。特
に、Ｐｂ１−ｘ Ｌａｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）
１−ｘ／４Ｏ３はＬｉＮｂＯ ３よりも非常に高い電気光
学係数を有する材料として知られ、ＬｉＮｂＯ３単結晶
の電気光学係数が３０．９ｐｍ／Ｖであるのに対し、Ｐ
ＬＺＴ（８／６５／３５：ｘ＝８％、ｙ＝６５％、１−
ｙ＝３５％）セラミックスの電気光学係数は６１２ｐｍ
／Ｖが得られている。
【０００６】ＬｉＮｂＯ３よりも良好な特性を有してい
る強誘電体が多いにもかかわらず実際に作製された素子
がほとんどＬｉＮｂＯ３を用いているのは、単結晶成長
技術とそのウエハへのＴｉ拡散やプロトン交換による光
導波路技術の確立したＬｉＮｂＯ３以外は薄膜のエピタ
キシャル成長を行わなければならず、従来の気相成長で
は実用レベルの品質の薄膜光導波路が作製できなかった
ことと、薄膜光導波路が作製できても導波路レンズを作
製する技術がなかったことが大きな理由である。これに
対して本発明者らは、実用レベルの品質の薄膜光導波路
作製に関して固相エピタキシャル成長技術により実用レ
ベルの品質の薄膜光導波路を作製する方法を発明し、特
開平７−７８５０８号公報に開示し、上記の実用レベル
の品質の光導波路が作製できなかった問題を解決した。
【０００７】一方、導波路レンズの方式としてはモード
・インデックス、ルネブルグ、ジオデシック、フレネ
ル、グレーティングの５方式に分類でき、文献（西原，
春名，栖原：光集積回路，オーム社（１９９３）ｐｐ．
２９１〜３０４．）に示されている。
【０００８】モード・インデックス・レンズは導波路内
にステップ状に実効屈折率が異なる領域を形成したレン
ズであり、実効屈折率差の発生方法としては、（１）レ
ンズ形状の膜厚差を利用する方法、（２）レンズ形状の
高屈折率層をかぶせる方法、（３）レンズ形状の高屈折
率層を埋めこむ方法、（４）導波路にレンズ形状に他元
素を拡散したりイオン交換する方法、（５）導波路の一
部をレンズ形状にパターニングして別の材料で平坦に埋
め戻す方法などが知られている。このレンズはプレーナ
・プロセスが利用できるため量産性に富み、非球面形状
も容易に作製できる。
【０００９】しかし、上記膜厚差を利用する方法
（１）、高屈折率層をかぶせる方法（２）、高屈折率層
を埋めこむ方法（３）では段差があるために原理的にレ
ンズ境界での散乱、重なり積分値の低下、モード変換に
よって結合損失が大きくなりやすい。導波路に他元素を
拡散したりイオン交換する上記方法（４）、および導波
路の一部をパターンニングして別の材料で埋め戻す方法
（５）は良好な導波路レンズを作製するのに適してい
る。
【００１０】しかし、ＬｉＮｂＯ３以外の材料、特にＰ
ｂ１−ｘＬａｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）１−ｘ／４Ｏ３に
おいては他元素を拡散したりイオン交換をする方法はな
い。また、石英ガラス上に設けられたガラス質であるＳ
ｉＯＮ光導波路などを、エッチング後にリフトオフ法に
より他の材料で埋め戻す方法が、特開平３−２９１６０
４号公報などに示されているが、単結晶状のエピタキシ
ャル強誘電体薄膜光導波路に散乱損失の原因となる表面
荒れを与えず、かつ、薄膜光導波路と同種の酸化物であ
る基板にダメージを与えずに選択的にエッチングする方
法もない。このため、モード・インデックス・レンズが
エピタキシャル強誘電体薄膜光導波路に作製された報告
例は見られなかった。
【００１１】ルネブルグ・レンズは導波路上になだらか
に膜厚変化する円形の高屈折率膜を設ける上記方式
（２）で、モード・インデックス方式の一種でもある。
原理上は無収差レンズが形成可能であるという特長があ
るが、なだらかに膜厚変化した形状を再現性よく作製す
るのが難しく、工業的ではない。
【００１２】ジオデシック・レンズは基板におわん状の
くぼみを形成しその上に導波路を設ける方式で、マルチ
モードの伝搬光に対しても無収差で結像可能な唯一の方
式であるが、基板にくぼみを精度および生産性よく機械
加工することが困難であり、やはり工業的ではない。
【００１３】フレネル・レンズおよびグレーティング・
レンズはどちらも回折を利用した方式であるが、導波路
内にステップ状に実効屈折率が異なる領域を形成する点
ではモード・インデックス・レンズと同様である。プレ
ーナ・プロセスで形成できること、光学系がコンパクト
であることが特長である。一方、パターンが微細であり
現状では量産性に劣る電子線（ＥＢ）リソグラフィで作
製する必要があるといった問題がある。また、集束光の
他に直進光が生じてクロストークとなること、入射角度
や入射波長の変化に対して大きく特性が変化することが
ある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】これらのように多くの
導波路レンズ方式とその作製方法があるが、レンズとし
ての特性と生産性が良好であり、かつエピタキシャル強
誘電体薄膜光導波路に適用可能な導波路レンズ方式とそ
の作製方法がなく、高い特性を有する強誘電体薄膜光導
波路に導波路レンズを形成し、高機能な光集積素子を実
現することができないという問題があった。
【００１５】本発明の目的は、高い特性を有するエピタ
キシャル強誘電体薄膜光導波路に良好な特性を有する導
波路レンズを設けた光導波路素子を提供することにあ
る。また、本発明の目的は、高い特性を有するエピタキ
シャル強誘電体薄膜光導波路に良好な特性と生産性を有
する導波路レンズを設けることができる光導波路素子の
製造方法を提供することにある。さらに、本発明の目的
は、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にある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上記目的は、単結晶基板
表面に設けられ、レンズ形状に形成されてレンズ部を構
成するエピタキシャルまたは単一配向性の第１の強誘電
体薄膜と、単結晶基板上に形成されて光導波路部を構成
し、第１の強誘電体薄膜とは異なる材料または組成から
なるエピタキシャルまたは単一配向性の第２の強誘電体
薄膜とを備え、レンズ部と光導波路部の実効屈折率が異
なることを利用して、光導波路部に入射した光ビームを
制御することを特徴とする光導波路素子によって達成さ
れる。ここで、単一配向性とは、薄膜のＸ線回折パター
ンにおいて基板面に平行な特定の結晶面の強度が他の結
晶面の強度に対して１％以下である場合を指し、エピタ
キシャルとは単一配向性の薄膜がさらに基板の面内方向
にも単一配向性を有している場合を指す。
【００１７】また、上記目的は、単結晶基板表面に強誘
電体のアモルファス薄膜を形成し、アモルファス薄膜を
レンズ形状にパターニングし、アモルファス薄膜を固相
エピタキシによって、レンズ部となるエピタキシャルま
たは単一配向性の第１の強誘電体薄膜とし、単結晶基板
上に光導波路部となるエピタキシャルまたは単一配向性
の第２の強誘電体薄膜を形成することを特徴とする光導
波路素子の製造方法によって達成される。
【００１８】さらに、上記目的は、単結晶基板表面に強
誘電体のアモルファス薄膜を形成し、アモルファス薄膜
にレンズ形状の窓をパターニングし、アモルファス薄膜
を固相エピタキシによって、光導波路部となるエピタキ
シャルまたは単一配向性の第２の強誘電体薄膜とし、単
結晶基板上にレンズ部となるエピタキシャルまたは単一
配向性の第１の強誘電体薄膜を形成することを特徴とす
る光導波路素子の製造方法によって達成される。
【００１９】本発明において、単結晶基板として用いる
ことが可能な材料は、ＳｒＴｉＯ３、ＮｂドープＳｒＴ
ｉＯ３、ＬａドープＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、Ｂａ
ＺｒＯ３、ＬａＡｌＯ３、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３８％−Ｚ
ｒＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＬｉＮｂＯ３、Ｌｉ
ＴａＯ３、Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＡｌドープＺｎＯ、Ｉ
ｎ２Ｏ３、ＲｕＯ２、ＢａＰｂＯ３、ＳｒＲｕＯ３、Ｙ
Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ、ＳｒＶＯ３、ＬａＮｉＯ３、Ｌ
ａ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３、ＺｎＧａ２Ｏ４、ＣｄＧ
ａ２Ｏ４、ＣｄＧａ２Ｏ４、Ｍｇ２ＴｉＯ４、ＭｇＴｉ
２Ｏ４などの酸化物、Ｓｉ、Ｇｅ、ダイアモンドなどの
単体半導体、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＡｌＰ、ＧａＡｓ、
ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＧａＰ、
ＡｌＬｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＡｓＳ
ｂ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、Ｉｎ
ＡｓＳｂなどのＩＩＩ−Ｖ系の化合物半導体、ＺｎＳ、
ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣａＳｅ、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。
【００２０】前記第１および第２の強誘電体薄膜によっ
て構成される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ＢａＴｉ
Ｏ３、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ１−ｘＬａｘ（ＺｒｙＴｉ
１−ｙ）１−ｘ／４Ｏ３（０＜ｘ＜３０、０＜ｙ＜１０
０、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、ＬｉＴａＯ
３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ＳｒｘＢａ１−ｘＮｂ２Ｏ６、ＰｂｘＢａ１−ｘＮ
ｂ２Ｏ６など、またこのほかに、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、
Ｐｂ２ＫＮｂ５Ｏ１５、Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５Ｏ１５、さら
に以上の置換誘導体などより選ばれる。
【００２１】これら薄膜光導波路は単結晶基板に対して
エピタキシャルまたは単一配向性を有するため、薄膜光
導波路材料は単結晶基板材料の結晶構造に類似で、格子
定数の差が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
ばよい。また、薄膜光導波路材料は単結晶基板よりも大
きい屈折率を有することが薄膜光導波路層に光を閉じ込
めるために必要である。強誘電体薄膜の膜厚は通常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。
【００２２】導電性あるいは半導電性の基板を用い、光
導波路表面に上部電極を設け、光導波路に電圧を印加す
る際には、光導波路に印加できる実効電圧を大きくし、
かつ基板による光伝搬損失を低減するために高誘電率で
透明な酸化物バッファ層を設けることが望ましい。この
場合には前記第１および第２の強誘電体薄膜よりも小さ
い屈折率を有し、かつバッファ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、望ましくはバッ
ファ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、かつバッファ層の比誘電率が８以上
である材料が選ばれる。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、格子定数の差が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よい。
【００２３】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、ＢａＴｉＯ３、（Ｓｒ１−ｘＢａ
ｘ）ＴｉＯ３（０＜ｘ＜１）、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ
１−ｘＬａｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）１−ｘ／４Ｏ３（０
＜ｘ＜０．３、０＜ｙ＜１．０、ｘおよびｙの値により
ＰＺＴ、ＰＬＴ、ＰＬＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ
２／３）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ＳｒｘＢａ
１−ｘＮｂ２Ｏ６、ＰｂｘＢａ１−ｘＮｂ２Ｏ６など、
またこのほかに、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、Ｐｂ２ＫＮｂ ５
Ｏ１５、Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５Ｏ１５、ＺｎＯさらに以上の
置換誘導体より選ばれる。バッファ層の膜厚と前記光導
波路の膜厚の比は０．１以上、望ましくは０．５以上で
あり、かつバッファ層の膜厚が１０ｎｍ以上であること
が有効である。
【００２４】レンズ方式としては、プレーナ・プロセス
が利用できるモード・インデックス方式、フレネル方
式、およびグレーティング方式より選択できるが、集光
効率の点からモード・インデックス方式が望ましい。モ
ード・インデックス方式は薄膜光導波路上面から見たレ
ンズ形状によって、レンズ部の実効屈折率を薄膜光導波
路部よりも大きくした場合には円形や瞳形の凸レンズ、
レンズ部の実効屈折率を薄膜光導波路部よりも小さくし
た場合には凹レンズから選択されるが、一般的には円形
や瞳形の凸レンズが光導波路素子としては必要とされる
ことが多い。
【００２５】レンズ部の実効屈折率を薄膜光導波路部よ
りも大きくし、モード・インデックス方式の円形や瞳形
の凸レンズ、フレネル方式、あるいはグレーティング方
式を適用する場合には、レンズ部となる第１の強誘電体
薄膜は基板と第２の強誘電体薄膜との間に設けられ、光
導波路部となる第２の強誘電体薄膜よりも大きい屈折率
を有することが必要である。また、第１の強誘電体薄膜
は第２の強誘電体薄膜の膜厚よりも小さく、かつ第１の
強誘電体薄膜に光導波するためのカットオフ膜厚よりも
大きい膜厚を有することが望ましい。
【００２６】レンズ部の実効屈折率を薄膜光導波路部よ
りも小さくし、モード・インデックス方式の凹レンズあ
るいはフレネル方式を適用する場合には、レンズ部とな
る第１の強誘電体薄膜は光導波路部となる第２の強誘電
体薄膜よりも小さい屈折率を有することが必要であり、
光導波路部となる第２の強誘電体薄膜は基板と第１の強
誘電体薄膜との間に設けられる。また、第２の強誘電体
薄膜は第１の強誘電体薄膜の膜厚よりも小さく、かつ第
２の強誘電体薄膜に光導波するためのカットオフ膜厚よ
りも大きい膜厚を有することが望ましい。
【００２７】本発明の光導波路素子の作製プロセスとし
ては、レンズ部の実効屈折率を薄膜光導波路部よりも大
きくし、モード・インデックス方式の円形や瞳形の凸レ
ンズ、フレネル方式、あるいはグレーティング方式を適
用する場合には、まず単結晶基板表面に強誘電体のアモ
ルファス薄膜を電子ビーム蒸着、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、レーザー・ア
ブレーション、ＭＢＥ、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、ＭＯ
ＣＶＤなどの気相法およびゾルゲル法、ＭＯＤ法などの
ウエット・プロセスより選ばれる方法によって作製す
る。
【００２８】その後、アモルファス薄膜表面にフォトレ
ジスト、あるいは電子線レジストを塗布した後、露光、
エッチングすることによる方法によってこのアモルファ
ス薄膜をレンズ形状にパターンニングする。エッチング
はＨＣｌ、ＨＮＯ３、ＨＦ、Ｈ２ＳＯ４、Ｈ３ＰＯ４、
Ｃ２Ｈ２Ｏ２、ＮＨ４Ｆなどの水溶液やその混合水溶液
によるウエット・エッチング、ＣＣｌ４、ＣＣｌ２Ｆ
２、ＣＨＣｌＦＣＦ３などや、それらのＯ２との混合ガ
スによるリアクティブ・イオン・エッチング、またはイ
オンビーム．エチングなどのドライ・エッチングなどが
有効であるが、ウエット・エッチングによって容易にエ
ッチングすることが可能である。
【００２９】その後、この強誘電体のアモルファス薄膜
を有する単結晶基板を加熱することによって固相エピタ
キシによってレンズ形状でエピタキシャルまたは単一配
向性の第１の強誘電体薄膜を得る。さらに光導波路を構
成するためにエピタキシャルまたは単一配向性の第２の
強誘電体薄膜を単結晶基板表面および第１の強誘電体薄
膜上に電子ビーム蒸着、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、レーザー・アブレーシ
ョン、ＭＢＥ、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、ＭＯＣＶＤな
どの気相エピタキシャル成長法およびゾルゲル法、ＭＯ
Ｄ法などのウエット・プロセスによる固相エピタキシャ
ル成長法より選ばれるエピタキシャル成長方法によって
成長する。
【００３０】また、エピタキシャルまたは単一配向性の
第１の強誘電体薄膜となるレンズ形状のアモルファス薄
膜および単結晶基板表面に、エピタキシャルまたは単一
配向性の第２の強誘電体薄膜となるアモルファス薄膜を
前記のいずれかの方法で形成した後、第１および第２の
強誘電体薄膜を同時に加熱することによる固相エピタキ
シによってエピタキシャルまたは単一配向性に結晶化す
ることも可能である。バッファ層を用いる場合には、単
結晶基板表面に強誘電体のアモルファス薄膜を形成する
前に、上記のいずれかの方法によって単結晶基板表面に
バッファ層をエピタキシャル成長させる。
【００３１】レンズ部の実効屈折率を薄膜光導波路部よ
りも小さくし、モード・インデックス方式の凹レンズあ
るいはフレネル方式を適用する場合の本発明の光導波路
素子の作製プロセスとしては、まず、単結晶基板表面に
強誘電体のアモルファス薄膜を前記の成膜プロセスより
選ばれる方法によって作製する。その後、アモルファス
薄膜表面にフォトレジスト、あるいは電子線レジストを
塗布した後、露光、エッチングすることによる方法によ
ってこのアモルファス薄膜にレンズ形状の窓をパターン
ニングする。その後、この強誘電体のアモルファス薄膜
を有する単結晶基板を加熱することによって固相エピタ
キシによって光導波路となるエピタキシャルまたは単一
配向性の第２の強誘電体薄膜を得る。
【００３２】さらにレンズ部となるエピタキシャルまた
は単一配向性の第１の強誘電体薄膜を単結晶基板表面お
よび第２の強誘電体薄膜上に前記の成膜プロセスより選
ばれる方法によって成長する。また、エピタキシャルま
たは単一配向性の第２の強誘電体薄膜となるレンズ形状
の窓を有するアモルファス薄膜および単結晶基板表面
に、エピタキシャルまたは単一配向性の第１の強誘電体
薄膜となるアモルファス薄膜を前記のいずれかの方法で
形成した後、第１および第２の強誘電体薄膜を同時に加
熱することによる固相エピタキシによってエピタキシャ
ルまたは単一配向性に結晶化することも可能である。バ
ッファ層を用いる場合には、単結晶基板表面に強誘電体
のアモルファス薄膜を形成する前に、上記のいずれかの
方法によって単結晶基板表面にバッファ層をエピタキシ
ャル成長させる。
【００３３】
【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態による光導
波路素子を図１乃至図１８を用いて説明する。まず、本
発明のうち、レンズ部の実効屈折率を薄膜光導波路部よ
りも大きくした、モード・インデックス方式の円形の凸
レンズについて詳細に説明する。本発明に含まれる他の
薄膜レンズも原理はほぼ同様である。
【００３４】この導波路レンズは図１に示すように高屈
折率層の第１の強誘電体薄膜１を、基板２と導波路であ
る第２の強誘電体薄膜３の間に設けることによって相対
屈折率差を形成する方法である。ここで、図２のように
凸面間が距離ｔで曲率ｒ１、ｒ２（但し、図２では円形
レンズｒ＝ｒ１＝−ｒ２を示している。）の２つのレン
ズの合成焦点距離ｆは近軸公式を用いて次式で与えられ
る。
【００３５】 ｆ＝δ・ｒ１・ｒ２／δ ［１］ δ＝（ρ−１）・｛ρ・（ｒ１−ｒ２）−（ρ−１）・ｔ｝ ［２］ ρ＝ＮＬ／ＮＧ ［３］ ＮＬとＮＧはそれぞれレンズ部と導波路部の実効屈折率
である。
【００３６】円形レンズでは、 ｒ＝ｒ１＝−ｒ２ ［４］ ｔ＝２ｒ ［５］ であるから、 ｆ＝ρ・ｒ／｛２（ρ−１）｝ ［６］ となる。
【００３７】従って、入射瞳の直径Ｄをレンズ直径の１
／２に相当するｒとした場合、レンズのＦ値は次のよう
になる。
【００３８】 Ｆ値＝ｆ／Ｄ＝ρ／｛２（ρ−１）｝ ［７］
【００３９】図３はＦ値と実効屈折率比ρの関係を示し
ており、光導波路素子をコンパクトにするためにＦ値を
１０程度とするにはρが１．０５である必要がある。例
えば、Ｐｂ１−ｘＬａｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）
１−ｘ／４Ｏ３薄膜について考えた場合、その屈折率は
組成によって２．４５から２．７０の程度の範囲で変化
するため、レンズ部５に屈折率の大きい第１の組成の層
（第１の強誘電体薄膜）１と屈折率の小さい第２の組成
の層（第２の強誘電体薄膜）３を用い、導波路部４にレ
ンズ部よりも屈折率の小さい第２の組成の層３のみを設
けることによって本実施の形態の構成を得ることができ
る。一般に、実効屈折率は屈折率よりも小さくなるの
で、レンズ部の実効屈折率を２．６５、導波路部の実効
屈折率を２．４０とした場合、実効屈折率比ρは１．１
０４となり、［７］式より円形レンズのＦ値は５．３が
得られる。
【００４０】実効屈折率は実測する以外に、以下のよう
に理論的に算出することができる。図４および図５に示
すようなスラブ型光導波路において、ｚ方向にｅｘｐｊ
［ωｔ−βｚ］で伝搬する光波の波動方程式は次のよう
になる。
【００４１】 δ２（Ｅｚ，Ｈｚ）／δｘ２＋δ２（Ｅｚ，Ｈｚ）／δｙ２＋χｉ ２（Ｅｚ，Ｈ ｚ ）／δｚ２＝０ ［８］ （χｉ ２＝ｋｉ ２−β２、ｋｉ ２＝ω２μ０εｉ＝ｋ０ ２ｎｉ ２、ｉ＝１，２， ３）
【００４２】ここで、ωは光波の角周波数、μ０は真空
の透磁率、βは伝搬定数である。ｙ方向には電磁界は一
様であるとすれば、ｅｘｐｊ［ωｔ−βｚ］を省いて、
Ｅｚ，Ｈｚ∝Ｆ（ｘ）とおくことによって、この式は次
のような波動方程式となる。
【００４３】 ｄ２Ｆ（ｘ）／ｄｙ２＋χｉＦ（ｘ）＝０ ［９］
【００４４】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）にとして表され、電磁界成分は次のようになる。
【００４５】
【００４６】ここで、ＴＥモードについて、ＩＩおよび
ＩＩＩの領域での電磁界は｜ｘ｜＝∞でゼロでなければ
ならないから、ｄを導波路層であるＩの領域の厚さとす
ると、 ＩＩＩ：Ｅｙ３＝Ｅ３ｅｘｐ（−γ３ｘ）、ｘ＞０ ［１０］ Ｉ：Ｅｙ１＝Ｅ１ｃｏｓ（ｋｘｘ＋φ３）、−ｄ＜ｘ＜０ ［１１］ ＩＩ：Ｅｙ２＝Ｅ２ｅｘｐ｛γ２（ｘ＋ｔ）｝、ｘ＜−ｄ ［１２］
【００４７】となる。ここで、ｎ１をＩの領域の屈折
率、ｎ２をＩＩの領域の屈折率、ｎ３をＩＩＩの領域の
屈折率、ＮをＩの領域の実効屈折率とすると、
【００４８】 γ３＝ｋ０（Ｎ２−ｎ３ ２）０．５ ［１３］ ｋｘ＝ｋ０（ｎ１ ２−Ｎ２）０．５ ［１４］ γ２＝ｋ０（Ｎ２−ｎ２ ２）０．５ ［１５］
【００４９】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 ［１６］ ｔａｎφ３＝γ３／ｋｘ ［１７］ 同様に、 Ｅ２＝Ｅ１ｃｏｓ（ｋｘｄ−φ３） ［１８］ ｔａｎ（ｋｘｔ−φ３）＝γ２／ｋｘ ［１９］
【００５０】これらの関係より、 ｋｘｄ＝（ｍ＋１）π−ｔａｎ−１（ｋｘ／γ２）−ｔａｎ−１（ｋｘ／γ３） ［２０］ ここで、ｍはモード・ナンバー（ｍ＝０，１，
２，．．．．．）である。
【００５１】この式［２０］の示す関係より、各領域の
屈折率と導波路層の膜厚を与えるとＴＥモードに対する
実効屈折率Ｎを求めることができる。さらに、このよう
な解析的方法によって実効屈折率と電磁界分布を求める
以外に、ＢＰＭ（ＢｅａｍＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍ
ｅｔｈｏｄ）によって積層構造の導波路における実効屈
折率と電磁界分布を求めることもできる。
【００５２】
【表１】
【００５３】表１に示す導波路部が空気（ｎ＝１）／Ｐ
ＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（ｎ＝２．４９）／Ｓｒ
ＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）、レンズ部が空気（ｎ＝
１）／ＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（ｎ＝２．４
９）／ＰＺＴ（３０／７０）薄膜（ｎ＝２．６１）／Ｓ
ｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）となる構造において波
長６３３ｎｍでの実効屈折率をＢＰＭによって求める
と、導波路部が２．４５８９、レンズ部が２．５７４４
となり、実効屈折率比は１．０４７０となるので式
［７］よりＦ値は１１．１が得られる。
【００５４】以上のように本実施の形態のＦ値を設定す
ることができるが、同時にレンズ部と導波路部での電磁
界分布の変化による結合効率の低下をなるべく小さくで
きる構造が重要である。この結合効率はレンズ部と導波
路部での電磁界分布の重なり積分に比例し、ＴＥモード
においては次式で示される。
【００５５】 η＝（∫−∞ ＋∞ＥｙＧ・ＥｙＬｄx）２÷｛∫−∞ ＋∞｜ＥｙＧ｜２ｄx×∫− ∞ ＋∞ ｜ＥｙＬ｜２ｄx｝ ・・・［２１］
【００５６】ここで、ＥｙＧは導波路部での電界振幅、
ＥｙＬはレンズ部での電界振幅である。従来、先に述べ
たように膜厚差を利用する方法（１）、高屈折率層を設
ける方法（２）、高屈折率層を埋めこむ方法（３）では
原理的に結合損失が大きくなりやすいのは、レンズ部と
導波路部に段差があるために電磁界分布がずれ、この重
なり積分が低下するためである。これに対して、本発明
者らは各種の構造についての重なり積分を鋭意検討した
結果、従来は結合損失が原理的に大きいと考えられてい
た上記の方法でも、生産性の高い図１のような高屈折率
薄膜レンズを低屈折率薄膜光導波路で覆った構造で、作
製が困難な導波路に他元素を拡散したりイオン交換する
方法（４）または導波路の一部をパターンニングして別
の材料で埋め戻す方法（５）と同等の極めて良好な結合
効率が得られることを見出した。
【００５７】例えば、表１に示す高屈折率薄膜レンズを
低屈折率薄膜光導波路で覆った構造において電界分布を
計算すると、導波路部およびレンズ部の電界分布がほぼ
重なり、［２１］式の重なり積分を行うと導波路部とレ
ンズ部界面での結合効率は９６．５％、レンズ部への入
射結合とレンズ部からの出射結合を合わせると結合効率
は９３．１％、または０．３１ｄＢの結合損失となるこ
とが分かった。
【００５８】図６乃至図８には第２の薄膜の膜厚が４０
０ｎｍおよび６００ｎｍにおける第１の薄膜の膜厚と結
合損失の関係を、第１の薄膜の屈折率２．５６／第２の
薄膜の屈折率２．５０の場合（図６）、第１の薄膜の屈
折率２．６１／第２の薄膜の屈折率２．４９の場合（図
７）、第１の薄膜の屈折率２．６５／第２の薄膜の屈折
率２．４７の場合（図８）について計算した結果をそれ
ぞれ示している。いずれの場合においても、第１の薄膜
の膜厚が第２の薄膜の膜厚よりも小さい領域において結
合損失の最小値があることが分かる。これは、薄膜光導
波路部では上部の空気またはクラッド層と下部の基板の
屈折率差が大きいため電磁界分布が非対称となり、中心
が基板側へずれているのに対し、レンズ部では上部が薄
膜光導波路材料であるため上部と下部の屈折率差が小さ
く、電磁界分布がほぼ対称になることに起因する。
【００５９】このため、見かけは膜厚差が生じる構造で
も、レンズ部となる高屈折率の第１の薄膜の膜厚を、図
９（ａ）〜（ｃ）に示すように、薄膜光導波路部となる
低屈折率の第２の薄膜の膜厚よりも小さくしていくと、
レンズ部の電磁界分布が基板側にシフトするために電磁
界分布の重なりが大きくなり、さらに第１の薄膜の膜厚
を小さくしていくと今度はレンズ部の電磁界分布が基板
側にシフトしすぎて電磁界分布の重なりが小さくなると
考えられる。第１の薄膜の膜厚の下限としては、第１の
薄膜に光が導波しなけらばならないため、第１の薄膜に
光導波するためのカットオフ膜厚となる。
【００６０】また、このような構造においては導波路
部、レンズ部ともシングル・モードに保つことが可能
で、モード変換による問題もない。導波路部のＰＬＺＴ
薄膜の膜厚は６００ｎｍであり、ＴＥ１モードのカット
オフ膜厚である６７０ｎｍ以下であるためＴＥ０のシン
グル・モードである。一方、レンズ部のＰＺＴ薄膜の膜
厚は５００ｎｍであり、上部が空気の場合にはＴＥ１モ
ードのカットオフ膜厚である４２０ｎｍ以上であるため
ＴＥ０およびＴＥ１のマルチ・モード化するが、膜厚６
００ｎｍのＰＬＺＴ薄膜がカバーしているためＴＥ１モ
ードのカットオフ膜厚は５００ｎｍとなり、ＴＥ０のシ
ングル・モードとすることができる。
【００６１】このような薄膜レンズの作製プロセスとし
ては、まず、単結晶基板表面に強誘電体のアモルファス
薄膜を作製した後、アモルファス薄膜をエッチングによ
ってレンズ形状にパターンニングすることが有効である
ことが、固相エピタキシャル成長の研究の結果明らかに
なった。これは、アモルファス薄膜は結晶粒がなく均一
で、エッチング・レートも結晶よりも著しく速いため、
結晶化後のエピタキシャル強誘電体薄膜光導波路におけ
る散乱損失の原因となる表面荒れを与えず、かつ、光導
波路と同種の酸化物である基板にダメージを与えずに選
択的にエッチングすることが容易であることが原因と考
えられる。特にエピタキシャル酸化物バッファ層を単結
晶基板表面に設ける場合には、エピタキシャル酸化物バ
ッファ層は単結晶基板と比較して結晶性は完全でない場
合があるために、アモルファス薄膜を選択的にエッチン
グすることの有用性が高い。
【００６２】この強誘電体のアモルファス薄膜を有する
単結晶基板を加熱することによって固相エピタキシャル
成長によってレンズ形状でエピタキシャルまたは単一配
向性の第１の強誘電体薄膜を得、さらに光導波路を構成
するためにエピタキシャルまたは単一配向性の第２の強
誘電体薄膜を単結晶基板表面および第１の強誘電体薄膜
上に成長することによって、結合損失の小さい薄膜レン
ズを有する光導波路素子が作製できる。
【００６３】以下、本実施の形態をより具体的に実施例
を用いて説明する。
【００６４】〔実施例１〕本実施例においては表１のよ
うに導波路部４がＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（膜
厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．４９）／ＳｒＴｉＯ３基板
（ｎ＝２．４０）、レンズ部５がＰＬＺＴ（９／６５／
３５）薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．４９）／ＰＺ
Ｔ（３０／７０）薄膜（膜厚＝５００ｎｍ、ｎ＝２．６
１）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）となる構成を
有し、構造が図１及び図２のような直径８００μｍの円
形レンズを作製し、さらに導波路部にくし形Ａｌ電極を
形成することによって図１０のような音響光学（ＡＯ）
偏向素子を原理とする光スイッチを作製した。
【００６５】まず、無水酢酸鉛Ｐｂ（ＣＨ３ＣＯ
Ｏ）２、ジルコニウム・イソプロポキシドＺｒ（Ｏ−ｉ
−Ｃ３Ｈ７）４、およびチタン・イソプロポキシド Ｔ
ｉ（Ｏ−ｉ−Ｃ３Ｈ７）４を出発原料として、２−メト
キシエタノールに溶解し、蒸留と還流を行い、最終的に
Ｐｂ濃度で０．６ＭのＰＺＴ（３０／７０）用前駆体溶
液を得た。次に、この前駆体溶液を洗浄、エッチング、
乾燥を行ったＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板上２へ
スピンコーティングを行った。さらに、Ｏ２雰囲気中で
昇温して３００°Ｃにて保持の後、電気炉の電源を切り
冷却した。これを５回繰り返すことによりアモルファス
ＰＺＴ（３０／７０）薄膜を得た。
【００６６】次に、ネガ電子線レジストをスピンコート
し、プリベークの後、直径８００μｍの円形レンズ形状
に電子線露光した。さらにポストベークに続いて現像を
行うことにより、円形レンズ形状のレジスト・パターン
を形成した。さらに、ハードベークの後、ＨＣｌ水溶液
でアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜をエッチング
することによって円形レンズ形状のアモルファスＰＺＴ
（３０／７０）薄膜を形成した。リムーバによって円形
レンズ形状のレジストを剥離した後、Ｏ２雰囲気中で昇
温して３００°Ｃにて保持の後、６５０°Ｃにて保持す
ることにより固相エピタキシャル成長を行い、膜厚５０
０ｎｍの円形レンズ形状の第１のエピタキシャルＰＺＴ
（３０／７０）薄膜１を形成した。
【００６７】次に、無水酢酸鉛Ｐｂ（ＣＨ３ＣＯ
Ｏ）２、ランタン・イソプロポキシドＬａ（Ｏ−ｉ−Ｃ
３Ｈ７）３、ジルコニウム・イソプロポキシドＺｒ（Ｏ
−ｉ−Ｃ３Ｈ７）４、およびチタン・イソプロポキシド
Ｔｉ（Ｏ−ｉ−Ｃ３Ｈ７）４を出発原料として、２−メ
トキシエタノールに溶解し、蒸留と還流を行い、最終的
にＰｂ濃度で０．６ＭのＰＬＺＴ（９／６５／３５）用
前駆体溶液を得た。次に、この前駆体溶液を円形レンズ
形状のエピタキシャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜を有す
るＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板上へスピンコーテ
ィングを行った。
【００６８】さらに、Ｏ２雰囲気中で昇温して３５０°
Ｃにて保持、および７５０°Ｃに昇温して保持の後、電
気炉の電源を切り冷却することによる固相エピタキシャ
ル成長を行った。これを６回繰り返すことにより膜厚６
００ｎｍの第２のエピタキシャルＰＬＺＴ（９／６５／
３５）薄膜３を形成した。結晶学的関係は単一配向のＰ
ＬＺＴ（１００）／／ＰＺＴ（１００）／／ＳｒＴｉＯ
３（１００）、面内方位ＰＬＺＴ［００１］／／ＰＺＴ
［００１］／／ＳｒＴｉＯ３［００１］の構造が得られ
た。
【００６９】この薄膜光導波路のポーリングを行った
後、ＰＬＺＴ薄膜光導波路上にくし形Ａｌ電極を形成
し、ＡＯ偏向素子を作製した。
【００７０】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
の入射ビーム８を０．４ｍｍにコリメートし、本実施例
のＰＬＺＴ薄膜光導波路４に導入して光伝搬方向のＴＥ
０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、導波路部４とレンズ部５の界面での入射結合とレン
ズ部５からの出射結合を合わせた結合損失を求めると、
先のシュミレーションの０．３１ｄＢに対してほぼ等し
い０．７８ｄＢ（結合効率で８４％）の良好な特性であ
ることが分かった。なお、０．４ｍｍのコリメート光は
焦点距離４．５ｍｍで集光しており、Ｆ値は１１．３と
設計値と同じ集光性能を示すことが分かった。またマル
チモード化も観察されなかった。
【００７１】本実施例のＡＯ偏向素子へ６３３ｎｍの波
長のレーザー・ビームをチャンネル導波路７端面に集光
し、ＰＬＺＴ薄膜光導波路４へ導入した。入射ビーム８
はチャンネル導波路７から出射するとＰＬＺＴ光導波路
４内で発散し、薄膜レンズ５を通過すると０．４ｍｍに
コリメートされた。くし形Ａｌ電極６に高周波電圧を印
加しない場合、レーザー・ビームは２つめの薄膜レンズ
５を通過すると集光され、チャンネル導波路を通じて端
面から出射する射出ビーム９となる。くし形Ａｌ電極６
に高周波電圧を印加した場合、音響光学効果によって回
折格子が形成され、レーザー・ビームが偏向された。偏
向されたレーザー・ビームは２つめの薄膜レンズ５を通
過すると集光され、上記のチャンネル導波路の隣のチャ
ンネル導波路を通じて端面から出射する射出ビーム１０
となる。
【００７２】なお、本実施例の図１に示す構造に対し
て、基板上面を研磨等することにより、図１２に示すよ
うな構造にしてもよい。この場合には以下に示す比較例
２と同様の構造を実現しながら、導波路部とレンズ部と
の界面に凹凸等を生じさせることがないので、優れた光
導波路特性を得ることができる。
【００７３】〔比較例１〕本比較例においては導波路部
およびレンズ部をＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（ｎ
＝２．４９）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）とな
る構成を有し、構造が図２および図１１のような直径８
００μｍの円形レンズを作製した。
【００７４】まず、実施例１と同様にしてＰｂ濃度で
０．６ＭのＰＬＺＴ（９／６５／３５）用前駆体溶液を
洗浄、エッチング、乾燥を行ったＳｒＴｉＯ３（１０
０）単結晶基板上２へスピンコーティングを行った。さ
らに、Ｏ２雰囲気中で昇温して３５０°Ｃにて保持の
後、７５０°Ｃに昇温して保持の後、電気炉の電源を切
り冷却することによる固相エピタキシャル成長を行っ
た。これを６回繰り返すことにより膜厚６００ｎｍのエ
ピタキシャルＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜を形成し
た。
【００７５】さらに、ＰＬＺＴ（９／６５／３５）用前
駆体溶液をこのエピタキシャルＰＬＺＴ（９／６５／３
５）薄膜表面へスピンコーティングを行い、Ｏ２雰囲気
中で昇温して３５０°Ｃにて保持の後、電気炉の電源を
切り冷却した。これを５回繰り返すことによりアモルフ
ァスＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜を得た。次に、ネ
ガ電子線レジストをスピンコートし、プリベークの後、
直径８００μｍの円形レンズ形状に電子線露光した。さ
らにポストベークに続いて現像を行うことにより、円形
レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。
【００７６】さらに、ハードベークの後、ＨＣｌ水溶液
でアモルファスＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜をエッ
チングすることによって円形レンズ形状のアモルファス
ＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜を形成した。リムーバ
によって円形レンズ形状のレジストを剥離した後、Ｏ２
雰囲気中で昇温して３５０°Ｃにて保持の後、７５０°
Ｃにて保持することにより固相エピタキシャル成長を行
い、膜厚５００ｎｍの円形レンズ形状のエピタキシャル
ＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜を形成した。これによ
り、導波路部４およびレンズ部５を形成した。結晶学的
関係は単一配向のＰＬＺＴ（１００）／／ＳｒＴｉＯ３
（１００）、面内方位ＰＬＺＴ［００１］／／ＳｒＴｉ
Ｏ３［００１］の構造が得られた。
【００７７】光導波路特性の評価を行なうため、実施例
１と同様にしてプリズム・カップリングによって６３３
ｎｍのレーザ光を０．４ｍｍにコリメートし、本比較例
のＰＬＺＴ薄膜光導波路に導入して光伝搬方向の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。導波路部４とレンズ部５の界面での入射結合とレン
ズ部からの出射結合を合わせた結合損失を求めると、
７．３ｄＢ（結合効率で１９％）と大きな損失であるこ
とが分かった。また、本比較例ではレンズ部でＴＥ１モ
ードが発生し、レンズ部からの出射光はＴＥ０モードに
相当する集光と、レンズ部でのＴＥ１モードが導波路部
でＴＥ０モードに弱く結合した結果による弱い集光の二
つがみられた。また、０．４ｍｍのコリメート光は極め
て弱くしか集光されず、計算によってＦ値を求めると６
４．７と極めて集光性能が悪いことが分かった。
【００７８】〔比較例２〕本比較例においては導波路部
４がＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（膜厚＝６００ｎ
ｍ、ｎ＝２．４９）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４
０）、レンズ部５がＰＺＴ（３０／７０）薄膜（膜厚＝
６００ｎｍ、ｎ＝２．６１）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝
２．４０）となる構成を有し、構造が図２及び図１２の
ような直径８００μｍの円形レンズを作製した。
【００７９】まず、実施例１と同様にしてＰｂ濃度で
０．６ＭのＰＬＺＴ（９／６５／３５）用前駆体溶液を
得た。次に、この前駆体溶液を洗浄、エッチング、乾燥
を行ったＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板２上へスピ
ンコーティングを行った。さらに、Ｏ２雰囲気中で昇温
して３５０°Ｃにて保持の後、７５０°Ｃに昇温して保
持の後、電気炉の電源を切り冷却することによる固相エ
ピタキシャル成長を行った。これをを６回繰り返すこと
により膜厚６００ｎｍのエピタキシャルＰＬＺＴ（９／
６５／３５）薄膜を形成した。
【００８０】次に、ポジ電子線レジストをスピンコート
し、プリベークの後、直径８００μｍの円形レンズ形状
に電子線露光した。さらにポストベークに続いて現像を
行うことにより、円形レンズ形状の窓のレジスト・パタ
ーンを形成した。さらに、ハードベークの後、ＮＨ４Ｆ
／ＨＦ／ＨＣｌの混合水溶液でエピタキシャルＰＬＺＴ
（９／６５／３５）薄膜をエッチングすることによって
円形レンズ形状の窓を形成した。
【００８１】その後、Ｐｂ過剰ＰＺＴ（３０／７０）セ
ラミック・ターゲットを用い、Ｒｆマグネトロン・スパ
ッタリング法によって基板温度室温でアモルファスＰＺ
Ｔ（３０／７０）薄膜を円形レンズ形状の窓を形成した
レジスト・パターン上へ形成した。次に、リムーバによ
ってレジストを剥離するリフトオフよって、エピタキシ
ャルＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜の円形レンズ形状
の窓内のみがアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜で
満たされた構造の形成を試みた。さらに、Ｏ２雰囲気中
で昇温して６５０°Ｃにて保持することによりアモルフ
ァスＰＺＴ（３０／７０）薄膜の固相エピタキシャル成
長を行った。
【００８２】光導波路特性の評価を行なうため、実施例
１と同様にしてプリズム・カップリングによって６３３
ｎｍのレーザ光を０．４ｍｍにコリメートし、ＰＬＺＴ
薄膜光導波路に導入して光伝搬方向の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。導波路
部４とレンズ部５の界面での入射結合とレンズ部からの
出射結合を合わせた結合損失を求めると、シュミレーシ
ョンの０．２２ｄＢの予想に反して９．６ｄＢ（結合効
率で１１％）と大きな損失であることが分かった。この
原因を調べるため、走査型電子顕微鏡で導波路部とレン
ズ部の界面を観察したところ、界面には凹凸と空隙が存
在し、さらに導波路部とレンズ部の膜厚が異なってい
た。また、透過型電子顕微鏡で断面を観察すると、円形
レンズ下部の基板表面には凹凸が発生していた。このよ
うな問題が結合損失を大きくしていると予想される。ま
た、本比較例でもレンズ部でＴＥ１モードが発生し、レ
ンズ部からの出射光はＴＥ０モードに相当する集光と、
レンズ部でのＴＥ１モードが導波路部でＴＥ０モードに
弱く結合した結果による弱い集光の二つがみられた。
【００８３】〔実施例２〕本実施例においては導波路部
４がＰＺＴ（５２／４８）薄膜（膜厚＝１０００ｎｍ、
ｎ＝２．５６）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）、
レンズ部５がＰＺＴ（５２／４８）薄膜（膜厚＝１００
０ｎｍ、ｎ＝２．５６）／ＰＺＴ（３０／７０）薄膜
（膜厚＝８００ｎｍ、ｎ＝２．６１）／ＳｒＴｉＯ３基
板（ｎ＝２．４０）となる構成を有し、構造が図１及び
図１３のような曲率半径８００μｍの瞳形レンズを作製
した。
【００８４】まず、実施例１と同様にしてＰＺＴ（３０
／７０）用前駆体溶液を得た。次に、この前駆体溶液を
洗浄、エッチング、乾燥を行ったＳｒＴｉＯ３（１０
０）単結晶基板上２へスピンコーティングを行った。さ
らに、Ｏ２雰囲気中で昇温して３００°Ｃにて保持の
後、電気炉の電源を切り冷却した。これを８回繰り返す
ことによりアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜を得
た。次に、ポジ・レジストをスピンコートし、プリベー
クの後、瞳形レンズ形状以外の部分を紫外線露光し、ポ
ストベークに続いて現像を行うことにより、瞳形レンズ
形状のレジスト・パターンを形成した。
【００８５】さらに、ハードベークの後、ＨＮＯ３／Ｈ
Ｃｌ混合水溶液でアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄
膜をエッチングすることによって瞳形レンズ形状に形成
した。リムーバによってレジストを剥離した後、Ｏ２雰
囲気中で昇温して３００°Ｃにて保持の後、６５０°Ｃ
にて保持することにより固相エピタキシャル成長を行
い、瞳形レンズ形状で膜厚８００ｎｍの第１のエピタキ
シャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜１を形成した。
【００８６】さらに、実施例１と同様にして得たＰＺＴ
（５２／４８）用前駆体溶液をこのエピタキシャルＰＺ
Ｔ（５２／４８）薄膜表面へスピンコーティングを行
い、Ｏ ２雰囲気中で昇温して３５０°Ｃにて保持、およ
び６５０°Ｃに昇温して保持の後、電気炉の電源を切り
冷却することによる固相エピタキシャル成長を行った。
これを１０回繰り返すことにより膜厚１０００ｎｍのエ
ピタキシャルＰＺＴ（５２／４８）薄膜を形成した。こ
れにより、導波路部４およびレンズ部５を形成し、結晶
学的関係は単一配向のＰＺＴ（１００）／／ＰＺＴ（１
００）／／ＳｒＴｉＯ３（１００）、面内方位ＰＺＴ
［００１］／／ＰＺＴ［００１］／／ＳｒＴｉＯ３［０
０１］の構造が得られた。
【００８７】実施例１と同様にしてプリズム・カップリ
ングによって６３３ｎｍのレーザ光を０．４ｍｍにコリ
メートし、本実施例のＰＺＴ薄膜光導波路に導入して光
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。シュミレーションの０．１０ｄＢ
に対してほぼ等しい０．１６ｄＢ（結合効率で９６％）
の良好な特性であることが分かった。また、０．４ｍｍ
のコリメート光は焦点距離２１．２ｍｍで集光してお
り、Ｆ値は５２．９と設計値と同じ集光性能を示すこと
が分かった。また、レンズ部でのマルチモード化も観察
されなかった。
【００８８】〔実施例３〕本実施例においては導波路部
４がＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（膜厚＝６００ｎ
ｍ、ｎ＝２．４９）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４
０）、レンズ部５がＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜
（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．４９）／ＰＺＴ（３０／
７０）薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．６１）／Ｓｒ
ＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）となる構成を有し、構造
が図１及び図１４のような片側が曲率半径８００μｍを
有する半瞳形レンズを実施例１と同様の方法で作製し
た。
【００８９】まず、ＰＺＴ（３０／７０）用前駆体溶液
を用いてＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板上２へアモ
ルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜を得た。次に、ネガ
電子線レジストを用いて半瞳形レンズ形状に電子線露光
することにより、半瞳形レンズ形状のレジスト・パター
ンを形成した。ＨＣｌ水溶液でアモルファスＰＺＴ（３
０／７０）薄膜をエッチングし、レジストを剥離した
後、固相エピタキシャル成長により膜厚６００ｎｍの半
瞳形レンズ形状の第１のエピタキシャルＰＺＴ（３０／
７０）薄膜１を形成した。次に、ＰＬＺＴ（９／６５／
３５）用前駆体溶液を半瞳形レンズ形状のエピタキシャ
ルＰＺＴ（３０／７０）薄膜を有するＳｒＴｉＯ３（１
００）単結晶基板上へスピンコーティングを行い、固相
エピタキシャル成長によって膜厚６００ｎｍの第２のエ
ピタキシャルＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜３を形成
した。
【００９０】実施例１と同様にしてプリズム・カップリ
ングによって６３３ｎｍのレーザ光を０．４ｍｍにコリ
メートし、本実施例のＰＬＺＴ薄膜光導波路にＴＥ０モ
ードで導入したところ、良好な結合効率と集光特性が観
察された。
【００９１】〔実施例４〕本実施例においては導波路部
４がＰＺＴ（９５／５）薄膜（膜厚＝５００ｎｍ、ｎ＝
２．４７）／ＭｇＯ基板（ｎ＝１．７４）、レンズ部５
がＰＺＴ（９５／５）薄膜（膜厚＝５００ｎｍ、ｎ＝
２．４７）／ＰＺＴ（１０／９０）薄膜（膜厚＝４００
ｎｍ、ｎ＝２．６５）／ＭｇＯ基板（ｎ＝１．７４）と
なる構成を有し、構造が図１及び図２のような直径８０
０μｍの円形レンズを作製した。
【００９２】まず、Ｐｂ過剰ＰＺＴ（１０／９０）セラ
ミック・ターゲットを用い、Ｒｆマグネトロン・スパッ
タリング法によって室温の基板温度でアモルファスＰＺ
Ｔ（１０／９０）薄膜をＭｇＯ（１００）単結晶基板上
２へ形成した。次に、ネガ・レジストをスピンコート
し、プリベークの後、円形レンズ形状に紫外線露光し
た。さらにポストベークに続いて現像を行うことによ
り、円形レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。
さらに、ハードベークの後、ＮＨ４Ｆ／ＨＦ／ＨＣｌの
混合水溶液で第１のアモルファスＰＺＴ（１０／９０）
薄膜をエッチングすることによって円形レンズ形状に形
成し、さらにリムーバによってレジストを剥離した。
【００９３】続いて、Ｒｆマグネトロン・スパッタリン
グ・チャンバー内で基板温度６００°Ｃとすることによ
って固相エピタキシャル成長により膜厚４００ｎｍの円
形レンズ形状の第１のエピタキシャルＰＺＴ（１０／９
０）薄膜を形成した後、Ｐｂ過剰ＰＺＴ（９５／５）セ
ラミック・ターゲットを用いて膜厚５００ｎｍのエピタ
キシャルＰＺＴ（９５／５）薄膜を円形レンズ形状のエ
ピタキシャルＰＺＴ（１０／９０）薄膜を有するＭｇＯ
基板上へ形成した。これにより、導波路部４およびレン
ズ部５を形成し、結晶学的関係は単一配向のＰＺＴ（１
００）／／ＰＺＴ（１００）／／ＭｇＯ（１００）、面
内方位ＰＺＴ［００１］／／ＰＺＴ［００１］／／Ｍｇ
Ｏ［００１］の構造が得られた。
【００９４】実施例１と同様にしてプリズム・カップリ
ングによって６３３ｎｍのレーザ光を０．４ｍｍにコリ
メートし、本実施例のＰＺＴ薄膜光導波路に導入して光
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。シュミレーションの０．０８ｄＢ
に対してほぼ等しい０．２２ｄＢ（結合効率で９５％）
の良好な特性であることが分かった。また、０．４ｍｍ
のコリメート光は焦点距離３．０ｍｍで集光しており、
Ｆ値は７．４と設計値と同じ集光性能を示すことが分か
った。また、レンズ部でのマルチモード化も観察されな
かった。
【００９５】〔実施例５〕本実施例においては導波路部
４がＬｉＴａＯ３薄膜（膜厚＝１０００ｎｍ、ｎｅ＝
２．１８０）／Ａｌ２Ｏ３基板（ｎｅ＝１．７６０）、
レンズ部５がＬｉＴａＯ３薄膜（膜厚＝１０００ｎｍ、
ｎ＝２．１８０）／ＬｉＮｂＯ３薄膜（膜厚＝６００ｎ
ｍ、ｎｅ＝２．２０８）／Ａｌ２Ｏ３基板（ｎｅ＝１．
７６０）となる構成を有し、構造が図１及び図２のよう
な直径８００μｍの円形レンズを作製した。
【００９６】まず、等モル量のＬｉＯＣ２Ｈ５とＮｂ
（ＯＣ２Ｈ５）５を出発原料として、２−メトキシエタ
ノールＣＨ３ＯＣ２Ｈ４ＯＨに溶解し、蒸留と還流を行
い、最終的にＬｉ濃度で０．６ＭのＬｉＮｂＯ３用前駆
体溶液を得た。次に、この前駆体溶液を洗浄、エッチン
グ、乾燥を行ったＡｌ２Ｏ３（０００１）単結晶基板上
２へスピンコーティングを行った。さらに、Ｏ２雰囲気
中で昇温して３００°Ｃにて保持の後、電気炉の電源を
切り冷却した。これを６回繰り返すことによりアモルフ
ァスＬｉＮｂＯ３薄膜を得た。次に、ネガ・レジストを
スピンコートし、プリベークの後、直径８００μｍの円
形レンズ形状に紫外線露光した。さらにポストベークに
続いて現像を行うことにより、円形レンズ形状のレジス
ト・パターンを形成した。
【００９７】さらに、ハードベークの後、ＨＣｌ水溶液
でアモルファスＬｉＮｂＯ３膜をエッチングすることに
よって円形レンズ形状のアモルファスＬｉＮｂＯ３薄膜
を形成した。リムーバによって円形レンズ形状のレジス
トを剥離した後、Ｏ２雰囲気中で昇温して３００°Ｃに
て保持の後、７００°Ｃにて保持することにより固相エ
ピタキシャル成長を行い、膜厚６００ｎｍの円形レンズ
形状の第１のエピタキシャルＬｉＮｂＯ３薄膜１を形成
した。次に、等モル量のＬｉＯＣ２Ｈ５とＴａ（ＯＣ２
Ｈ５）５を出発原料として、２−メトキシエタノールＣ
Ｈ３ＯＣ２Ｈ４ＯＨに溶解し、蒸留と還流を行い、最終
的にＬｉ濃度で０．０６Ｍおよび０．６ＭのＬｉＴａＯ
３用前駆体溶液を得た。
【００９８】次に、まず０．０６Ｍの前駆体溶液を円形
レンズ形状のエピタキシャルＬｉＮｂＯ３薄膜を有する
Ａｌ２Ｏ３（０００１）単結晶基板上へスピンコーティ
ングを行った。さらに、Ｏ２雰囲気中で昇温して３００
°Ｃにて保持の後、７００°Ｃに昇温して保持の後、電
気炉の電源を切り冷却することによる固相エピタキシャ
ル成長を行った。次に、０．６Ｍの前駆体溶液のスピン
コーティングを行い、さらに、Ｏ２雰囲気中で昇温して
３００°Ｃにて保持、および７００°Ｃに昇温して保持
の後、電気炉の電源を切り冷却することによる固相エピ
タキシャル成長を行った。これをを１０回繰り返すこと
により膜厚１０００ｎｍの第２のエピタキシャルＬｉＴ
ａＯ３薄膜３を形成した。
【００９９】実施例１と同様にしてプリズム・カップリ
ングによって６３３ｎｍのレーザ光を０．４ｍｍにコリ
メートし、本実施例のＬｉＴａＯ３薄膜光導波路に導入
して光伝搬方向のＴＭ０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。シュミレーションの０．８
６ｄＢに対してほぼ等しい１．２５ｄＢ（結合効率で７
５％）の良好な特性であることが分かった。また、０．
４ｍｍのコリメート光は焦点距離１７．９ｍｍで集光し
ており、Ｆ値は４４．８と設計値と同じ集光性能を示す
ことが分かった。また、レンズ部でのマルチモード化も
観察されなかった。
【０１００】〔実施例６〕本実施例においては導波路部
４がＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（膜厚＝６００ｎ
ｍ、ｎ＝２．４９）／ＰＺＴ（３０／７０）薄膜（膜厚
＝６００ｎｍ、ｎ＝２．６１）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ
＝２．４０）、レンズ部５がＰＺＴ（３０／７０）薄膜
（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．６１）／ＳｒＴｉＯ３基
板（ｎ＝２．４０）となる構成を有し、レンズ部の実効
屈折率が薄膜光導波路部よりも小さい、構造が図１５及
び図１６のような片側が曲率半径８００μｍを有する凹
型レンズを作製した。
【０１０１】まず、実施例１と同様にしてＰｂ濃度で
０．６ＭのＰＺＴ（３０／７０）薄膜用前駆体溶液を洗
浄、エッチング、乾燥を行ったＳｒＴｉＯ３（１００）
単結晶基板上２へスピンコーティングを行った。さら
に、Ｏ２雰囲気中で昇温して３００°Ｃにて保持の後、
電気炉の電源を切り冷却した。これを６回繰り返すこと
によりアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜を得た。
次に、ポジ電子線レジストをスピンコート、プリベーク
の後、片側が曲率半径８００μｍを有する凹型レンズ形
状に電子線露光した。
【０１０２】さらにポストベークに続いて現像を行うこ
とにより、凹形レンズ形状の窓のレジスト・パターンを
形成した。さらに、ハードベークの後、ＨＣｌ水溶液で
アモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜をエッチングす
ることによって凹形レンズ形状の窓をアモルファスＰＺ
Ｔ（３０／７０）薄膜に形成した。リムーバによって凹
形レンズ形状の窓のレジストを剥離した後、Ｏ２雰囲気
中で昇温して３５０°Ｃにて保持の後、７５０°Ｃにて
保持することにより固相エピタキシャル成長を行い、光
導波路部となる膜厚６００ｎｍの凹形レンズ形状の窓を
有する第２のエピタキシャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜
３を形成した。
【０１０３】次に、Ｐｂ濃度で０．６ＭのＰＬＺＴ（９
／６５／３５）用前駆体溶液を凹形レンズ形状の窓を有
するエピタキシャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜上へスピ
ンコーティングを行った。さらに、Ｏ２雰囲気中で昇温
して３００°Ｃにて保持、および６５０°Ｃに昇温して
保持の後、電気炉の電源を切り冷却することによる固相
エピタキシャル成長を行った。これをを６回繰り返すこ
とによりレンズ部となる膜厚６００ｎｍの第１のエピタ
キシャルＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜１を形成し
た。
【０１０４】実施例１と同様にしてプリズム・カップリ
ングによって６３３ｎｍのレーザ光を０．４ｍｍにコリ
メートし、本実施例のＰＬＺＴ薄膜光導波路にＴＥ０モ
ードで導入したところ、良好な結合効率と集光特性が観
察された。
【０１０５】〔実施例７〕本実施例においては導波路部
４がＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（膜厚＝６００ｎ
ｍ、ｎ＝２．４９）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４
０）、レンズ部５がＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜
（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．４９）／ＰＺＴ（３０／
７０）薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．６１）／Ｓｒ
ＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）となる構成を有し、構造
が図１及び図１７のようなフレネル・レンズを実施例１
と同様の方法で作製した。
【０１０６】まず、ＰＺＴ（３０／７０）用前駆体溶液
を用いてＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板上２へアモ
ルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜を得た。次に、ネガ
電子線レジストを用いてフレネル・レンズ形状に電子線
露光することにより、フレネル・レンズ形状のレジスト
・パターンを形成した。ＨＣｌ水溶液でアモルファスＰ
ＺＴ（３０／７０）薄膜をエッチングし、レジストを剥
離した後、固相エピタキシャル成長により膜厚６００ｎ
ｍのフレネル・レンズ形状の第１のエピタキシャルＰＺ
Ｔ（３０／７０）薄膜１を形成した。次に、ＰＬＺＴ
（９／６５／３５）用前駆体溶液をフレネル・レンズ形
状のエピタキシャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜を有する
ＳｒＴｉＯ３基板上へスピンコーティングを行い、固相
エピタキシャル成長によって膜厚６００ｎｍの第２のエ
ピタキシャルＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜３を形成
した。
【０１０７】実施例１と同様にしてプリズム・カップリ
ングによって６３３ｎｍのレーザ光を０．４ｍｍにコリ
メートし、本実施例のＰＬＺＴ薄膜光導波路にＴＥ０モ
ードで導入したところ、良好な結合効率と集光特性が観
察された。
【０１０８】〔実施例８〕本実施例においては導波路部
４がＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（膜厚＝６００ｎ
ｍ、ｎ＝２．４９）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４
０）、レンズ部５がＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜
（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．４９）／ＰＺＴ（３０／
７０）薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．６１）／Ｓｒ
ＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）となる構成を有し、構造
が図１及び図１８のようなグレーティング・レンズを実
施例１と同様の方法で作製した。
【０１０９】まず、ＰＺＴ（３０／７０）用前駆体溶液
を用いてＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板上２へアモ
ルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜を得た。次に、ネガ
電子線レジストを用いてグレーティング・レンズ形状に
電子線露光することにより、グレーティング・レンズ形
状のレジスト・パターンを形成した。ＣＣｌ２Ｆ２／Ｏ
２混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチングで
アモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜をエッチング
し、レジストを剥離した後、固相エピタキシャル成長に
より膜厚６００ｎｍのグレーティング・レンズ形状の第
１のエピタキシャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜１を形成
した。次に、ＰＬＺＴ（９／６５／３５）用前駆体溶液
をグレーティング・レンズ形状のエピタキシャルＰＺＴ
（３０／７０）薄膜を有するＳｒＴｉＯ３基板上へスピ
ンコーティングを行い、固相エピタキシャル成長によっ
て膜厚６００ｎｍの第２のエピタキシャルＰＬＺＴ（９
／６５／３５）薄膜３を形成した。
【０１１０】実施例１と同様にしてプリズム・カップリ
ングによって６３３ｎｍのレーザ光を０．４ｍｍにコリ
メートし、本実施例のＰＬＺＴ薄膜光導波路にＴＥ０モ
ードで導入したところ、良好な結合効率と集光特性が観
察された。
【０１１１】〔実施例９〕本実施例においては導波路部
４がＬｉＮｂＯ３薄膜（膜厚＝９００ｎｍ、ｎｅ＝２．
２０８）／Ａｌ２Ｏ３基板（ｎｅ＝１．７６０）、レン
ズ部５がＬｉＮｂＯ３薄膜（膜厚＝９００ｎｍ、ｎｅ＝
２．２０８）／ＴｉドープＬｉＮｂＯ３薄膜（膜厚＝８
００ｎｍ、ｎｅ＝２．２３０）／Ａｌ２Ｏ３基板（ｎｅ
＝１．７６０）となる構成を有し、構造が図１及び図２
のような直径８００μｍの円形レンズを実施例５と同様
の方法で作製した。
【０１１２】まず、Ｔｉアルコキシドを添加したＬｉＮ
ｂＯ３用前駆体溶液を用いてＡｌ２Ｏ３（０００１）単
結晶基板上２へＴｉドープアモルファスＬｉＮｂＯ３薄
膜を得た。次に、ネガ・レジストを用いて直径８００μ
ｍの円形レンズ形状に紫外線露光することにより、円形
レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。ＨＣｌ水
溶液でＴｉドープアモルファスＬｉＮｂＯ３膜をエッチ
ングし、レジストを剥離した後、固相エピタキシャル成
長により膜厚６００ｎｍの円形レンズ形状の第１のＴｉ
ドープエピタキシャルＬｉＮｂＯ３薄膜１を形成した。
次に、ＬｉＮｂＯ３用前駆体溶液を円形レンズ形状のＴ
ｉドープエピタキシャルＬｉＮｂＯ３薄膜を有するＡｌ
２Ｏ３（０００１）単結晶基板上へスピンコーティング
を行い、固相エピタキシャル成長によって膜厚１０００
ｎｍの第２のエピタキシャルＬｉＮｂＯ３薄膜３を形成
した。
【０１１３】実施例１と同様にしてプリズム・カップリ
ングによって６３３ｎｍのレーザ光を０．４ｍｍにコリ
メートし、本実施例のＬｉＮｂＯ３薄膜光導波路にＴＥ
０モードで導入したところ、良好な結合効率と集光特性
が観察された。
【０１１４】〔実施例１０〕本実施例においては図１９
に示すように導波路部４がＰＬＺＴ（９／６５／３５）
薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．４９）／ＰＺＴ（９
０／１０）薄膜（膜厚＝３００ｎｍ、ｎ＝２．４８）／
ＮｂドープＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）、レンズ
部５がＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（膜厚＝６００
ｎｍ、ｎ＝２．４９）／ＰＺＴ（３０／７０）薄膜（膜
厚＝５００ｎｍ、ｎ＝２．６１）／ＰＺＴ（９０／１
０）薄膜（膜厚＝３００ ｎｍ、ｎ＝２．４８）／Ｎｂ
ドープＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）となるＰＺＴ
（９０／１０）バッファ層１１を導入した構成を有し、
構造が図１及び図２のような直径８００μｍの円形レン
ズを実施例１と同様の方法で作製し、さらに導波路部に
プリズム型ＩＴＯ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。
【０１１５】まず、ＰＺＴ（９０／１０）用前駆体溶液
を洗浄、エッチング、乾燥を行ったＮｂドープＳｒＴｉ
Ｏ３（１００）単結晶基板上２へスピンコーティングを
行った。さらに、Ｏ２雰囲気中で昇温して３００°Ｃに
て保持、および７５０°Ｃに昇温して保持の後、電気炉
の電源を切り冷却することによる固相エピタキシャル成
長を行った。これを３回繰り返すことにより膜厚３００
ｎｍのバッファ層となるエピタキシャルＰＬＺＴ（９０
／１０）薄膜１１を形成した。
【０１１６】次に、ＰＺＴ（３０／７０）用前駆体溶液
をＰＺＴ（９０／１０）バッファ層１１上へスピンコー
ティングを行った。さらに、Ｏ２雰囲気中で昇温して３
００°Ｃにて保持の後、電気炉の電源を切り冷却した。
これを５回繰り返すことによりアモルファスＰＺＴ（３
０／７０）薄膜を得た。次に、ネガ電子線レジストをス
ピンコートし、プリベークの後、直径８００μｍの円形
レンズ形状に電子線露光した。さらにポストベークに続
いて現像を行うことにより、円形レンズ形状のレジスト
・パターンを形成した。さらに、ハードベークの後、Ｈ
Ｃｌ水溶液でアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜を
エッチングすることによって円形レンズ形状のアモルフ
ァスＰＺＴ（３０／７０）薄膜を形成した。リムーバに
よって円形レンズ形状のレジストを剥離した後、Ｏ２雰
囲気中で昇温して３００°Ｃにて保持の後、６５０°Ｃ
にて保持することにより固相エピタキシャル成長を行
い、膜厚５００ｎｍの円形レンズ形状の第１のエピタキ
シャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜１を形成した。
【０１１７】次に、ＰＬＺＴ（９／６５／３５）用前駆
体溶液を円形レンズ形状のエピタキシャルＰＺＴ（３０
／７０）薄膜を有するＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基
板上へスピンコーティングを行った。さらに、Ｏ２雰囲
気中で昇温して３５０°Ｃにて保持、および７５０°Ｃ
に昇温して保持の後、電気炉の電源を切り冷却すること
による固相エピタキシャル成長を行った。これを６回繰
り返すことにより膜厚６００ｎｍの第２のエピタキシャ
ルＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜３を形成した。結晶
学的関係は単一配向のＰＬＺＴ（１００）／／ＰＺＴ
（１００）／／ＰＺＴ（１００）／／ＮｂドープＳｒＴ
ｉＯ３（１００）、面内方位ＰＬＺＴ［００１］／／Ｐ
ＺＴ［００１］／／ＰＺＴ［００１］／／ＮｂドープＳ
ｒＴｉＯ３［００１］の構造が得られた。このＰＬＺＴ
薄膜光導波路上にはＲｆスパッタリング法によって成膜
した膜厚１００ｎｍのＩＴＯ薄膜による底辺５００μ
ｍ、高さ１０００μｍのプリズム形上部電極をリフト・
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基板の裏面にはＩ
ｎによってオーミック・コンタクトを得た。
【０１１８】実施例１と同様にしてプリズム・カップリ
ングによって６３３ｎｍのレーザ光を０．４ｍｍにコリ
メートし、本実施例のＰＬＺＴ薄膜光導波路にＴＥ０モ
ードで導入したところ、基板による光伝搬損失はほとん
ど観察されず、薄膜レンズによる良好な結合効率と集光
特性が観察された。また、下部ＮｂドープＳｒＴｉＯ ３
基板電極とＩＴＯ上部プリズム電極の間に電圧を印加し
た場合、バッファ層を導入しても光導波路へ高い実効電
圧を印加することが可能となり、電気光学効果によって
プリズム電極下部分とそれ以外の部分において異なる屈
折率が発生し、高い効率でレーザー・ビームが偏向され
た。
【０１１９】
【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、光導波路
素子において、高い特性を有するエピタキシャル強誘電
体薄膜光導波路に良好な光学特性と生産性を有する導波
路レンズを設けることが初めて可能となり、光導波路構
造を有する各種の偏向素子、スイッチング素子、あるい
は変調素子において導波路レンズを利用することが可能
となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による実施例１における
光導波路素子の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態による実施例１における
光導波路素子の構造を示す上面図である。
【図３】本発明の一実施の形態における第１の薄膜と第
２の薄膜の実効屈折率比とレンズのＦ値の関係を示す図
である。
【図４】光導波路における電磁界分布の原理図である。
【図５】光導波路における電磁界分布の原理図である。
【図６】屈折率２．４０の基板上の屈折率２．５６の第
１の薄膜と屈折率２．５０の第２の薄膜の構造におけ
る、第１の薄膜と第２の薄膜の膜厚と結合損失の関係を
示す図である。
【図７】屈折率２．４０の基板上の屈折率２．６１の第
１の薄膜と屈折率２．４９の第２の薄膜の構造におけ
る、第１の薄膜と第２の薄膜の膜厚と結合損失の関係を
示す図である。
【図８】屈折率２．４０の基板上の屈折率２．６５の第
１の薄膜と屈折率２．４７の第２の薄膜の構造におけ
る、第１の薄膜と第２の薄膜の膜厚と結合損失の関係を
示す図である。
【図９】第２の薄膜に対して第１の薄膜の膜厚が変化し
た場合の電界分布の変化を示す図である。
【図１０】本発明の一実施の形態による実施例１の光導
波路素子の斜視図である。
【図１１】比較例１の光導波路素子の構造を示す断面図
である。
【図１２】比較例２の光導波路素子の構造を示す断面図
である。
【図１３】本発明の一実施の形態による実施例２の光導
波路素子の構造を示す上面図である。
【図１４】本発明の一実施の形態による実施例３の光導
波路素子の構造を示す上面図である。
【図１５】本発明の一実施の形態による実施例６の光導
波路素子の構造を示す断面図である。
【図１６】本発明の一実施の形態による実施例６の光導
波路素子の構造を示す上面図である。
【図１７】本発明の一実施の形態による実施例７の光導
波路素子の構造を示す上面図である。
【図１８】本発明の一実施の形態による実施例８の光導
波路素子の構造を示す上面図である。
【図１９】本発明の一実施の形態による実施例１０の光
導波路素子の構造を示す上面図である。
【符号の説明】
１ 第１のエピタキシャルまたは単一配向性の強誘電体
薄膜 ２ 基板 ３ 第２のエピタキシャルまたは単一配向性の強誘電体
薄膜 ４ 導波路部 ５ レンズ部 ６ くし形Ａｌ電極 ７ チャンネル導波路 ８ 入射ビーム ９ 偏向前の出射ビーム １０ 偏向後の出射ビーム １１ 酸化物バッファ層
フロントページの続き (72)発明者 森山 弘朗 神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーン テクなかい 富士ゼロックス株式会社内 (72)発明者 森川 尚 神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーン テクなかい 富士ゼロックス株式会社内 (72)発明者 中村 滋年 神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーン テクなかい 富士ゼロックス株式会社内

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】単結晶基板表面に設けられ、レンズ形状に
    形成されてレンズ部を構成するエピタキシャルまたは単
    一配向性の第１の強誘電体薄膜と、 前記単結晶基板上に形成されて光導波路部を構成し、前
    記第１の強誘電体薄膜とは異なる材料または組成からな
    るエピタキシャルまたは単一配向性の第２の強誘電体薄
    膜とを備え、前記レンズ部と前記光導波路部の実効屈折
    率が異なることを利用して、前記光導波路部に入射した
    光ビームを制御する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、 前記第１の強誘電体薄膜および前記第２の強誘電体薄膜
    は、前記単結晶基板より大きい屈折率を有することを特
    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、 前記第１の強誘電体薄膜は、前記単結晶基板と前記第２
    の強誘電体薄膜との間に設けられたことを特徴とする光
    導波路素子。
  4. 【請求項４】請求項１または２に記載の光導波路素子に
    おいて、 前記第１の強誘電体薄膜は、前記第２の強誘電体薄膜よ
    り大きい屈折率を有す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３のいずれかに記載の光導波
    路素子において、 前記第１の強誘電体薄膜の膜厚は、前記第２の強誘電体
    薄膜の膜厚より小さく、かつ前記第１の強誘電体薄膜に
    光導波するためのカットオフ膜厚より大きいことを特徴
    とする光導波路素子。
  6. 【請求項６】請求項１または２に記載の光導波路素子に
    おいて、 前記第２の強誘電体薄膜は、前記単結晶基板と前記第１
    の強誘電体薄膜との間に設けられたことを特徴とする光
    導波路素子。
  7. 【請求項７】請求項６記載の光導波路素子において、 前記第２の強誘電体薄膜は、前記第１の強誘電体薄膜よ
    り大きい屈折率を有することを特徴とする光導波路素
    子。
  8. 【請求項８】請求項７記載の光導波路素子において、 前記第２の強誘電体薄膜の膜厚は、前記第１の強誘電体
    薄膜の膜厚より小さく、かつ前記第２の強誘電体薄膜に
    光導波するためのカットオフ膜厚より大きいことを特徴
    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、 前記単結晶基板と、前記第１の強誘電体薄膜および前記
    第２の強誘電体薄膜との間には、前記第１の強誘電体薄
    膜および前記第２の強誘電体薄膜よりも小さい屈折率を
    有する酸化物バッファ層が設けられていることを特徴と
    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、 前記光導波路部に入射した光を偏向させる偏向素子をさ
    らに備えていることを特徴とする光導波路素子。
  11. 【請求項１１】単結晶基板表面に強誘電体のアモルファ
    ス薄膜を形成し、 前記アモルファス薄膜をレンズ形状にパターニングし、 前記アモルファス薄膜を固相エピタキシによって、レン
    ズ部となるエピタキシャルまたは単一配向性の第１の強
    誘電体薄膜とし、 前記単結晶基板上に光導波路部となるエピタキシャルま
    たは単一配向性の第２の強誘電体薄膜を形成することを
    特徴とする光導波路素子の製造方法。
  12. 【請求項１２】請求項１１記載の光導波路素子の製造方
    法において、 前記単結晶基板表面に酸化物バッファ層をエピタキシャ
    ル成長させた後、前記酸化物バッファ層上に前記第１の
    強誘電体薄膜を形成することを特徴とする光導波路素子
    の製造方法。
  13. 【請求項１３】単結晶基板表面に強誘電体のアモルファ
    ス薄膜を形成し、 前記アモルファス薄膜にレンズ形状の窓をパターニング
    し、 前記アモルファス薄膜を固相エピタキシによって、光導
    波路部となるエピタキシャルまたは単一配向性の第２の
    強誘電体薄膜とし、 前記単結晶基板上にレンズ部となるエピタキシャルまた
    は単一配向性の第１の強誘電体薄膜を形成することを特
    徴とする光導波路素子の製造方法。
  14. 【請求項１４】請求項１３記載の光導波路素子の製造方
    法において、 前記単結晶基板表面に酸化物バッファ層をエピタキシャ
    ル成長させた後、前記酸化物バッファ層上に前記第２の
    強誘電体薄膜を形成することを特徴とする光導波路素子
    の製造方法。
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