JPH11202271A - Optical waveguide element - Google Patents

Optical waveguide element

Info

Publication number
JPH11202271A
JPH11202271A JP2028798A JP2028798A JPH11202271A JP H11202271 A JPH11202271 A JP H11202271A JP 2028798 A JP2028798 A JP 2028798A JP 2028798 A JP2028798 A JP 2028798A JP H11202271 A JPH11202271 A JP H11202271A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical waveguide
substrate
thin film
waveguide device
refractive index
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2028798A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Keiichi Nashimoto
恵一 梨本
Shigetoshi Nakamura
滋年 中村
Masao Watabe
雅夫 渡部
Hideyori Osakabe
英資 長ケ部
Hiroaki Moriyama
弘朗 森山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujifilm Business Innovation Corp
Original Assignee
Fuji Xerox Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Xerox Co Ltd filed Critical Fuji Xerox Co Ltd
Priority to JP2028798A priority Critical patent/JPH11202271A/en
Publication of JPH11202271A publication Critical patent/JPH11202271A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical waveguide element having a structure capable of simultaneously realizing low driving voltage characteristics and low propagation loss characteristics. SOLUTION: This element is provided with an SrTiO3 monocrystalline semiconductor substrate 2 to be a lower electrode to which the impurity element of from 0.001 wt.% to 0.1 wt.% is doped, epitaxial or single orientation optical waveguide 1, provided on the SrTiO3 monocrystalline semiconductor substrate 2, and an upper electrode 7 of a conductive or semiconductive thin film provided on the optical waveguide 1. In this case, this element can modulate, switch or deflect a light beam made incident to the optical waveguide by impressing a voltage between the upper electrode 7 and the lower electrode 2.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical waveguide device having an optical waveguide and electrodes for deflecting, switching or modulating a laser beam incident on the optical waveguide by an electro-optic effect. The present invention is particularly applicable to optical waveguides applicable to all optoelectronics including laser printers, digital copiers, optical deflecting elements for facsimile, optical switches and optical modulators for optical communications and optical computers, pickups for optical discs, etc. It relates to a waveguide element.

【0002】[0002]

【従来の技術】レーザ・ビーム・プリンター、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ー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ーの回転数によって制限される
問題がある。
2. Description of the Related Art As a laser beam light deflector used in a laser beam printer, a digital copier, a facsimile, etc., a rotating polygon mirror called a polygon mirror for deflecting a beam from a gas laser or a semiconductor laser, and a rotating polygon mirror. A lens composed of an fθ lens that condenses a laser beam reflected by a rotary polygon mirror on an image forming surface such as a photoconductor in a state of linear movement at a constant velocity is typically used. The light deflecting device using such a polygon mirror has a problem in durability because the polygon mirror is rotated at a high speed by a motor, and generates noise,
There is also a problem that the light scanning speed is limited by the number of rotations of the motor.

【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、プリンター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・プリンター、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。
On the other hand, as a solid-state laser beam light deflector, there is a light deflector using an acousto-optic effect.
In particular, optical waveguide devices are expected. This optical waveguide device is being studied for application to a printer or the like as a laser beam light scanning device for solving the drawbacks of a laser beam light scanning device using a polygon mirror. This optical waveguide type optical deflection element has an optical waveguide made of LiNbO 3 , ZnO, or the like, and means for coupling (incident) a laser light beam into the optical waveguide. It is equipped with a comb-shaped electrode for exciting surface acoustic waves to be deflected by the optical effect, and a means for outputting the deflected light beam from the optical waveguide. A lens or the like is added to the element. However, the optical deflection element using the acousto-optic effect generally has a problem of an upper limit of the laser deflection speed due to the deflection speed limit, and there is a limit in application to an image forming apparatus such as a laser printer, a digital copying machine, and a facsimile. .

【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
結晶ウエハー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.vo
l.12(1994)1401頁」(文献1)や特開平1−248
141号公報などに示されている。しかし、LiNbO
3単結晶ウエハの厚さである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。
On the other hand, a technique using an oxide ferroelectric material having an electro-optic effect having a higher modulation speed than the acousto-optic effect is disclosed in, for example, "A. Yariv, Optical Electronic
s, 4th ed. (New York, Rinehart and Winston, 1991) 33
6 to 339 ”are known. As such an element, there is a bulk element using a ceramic or a single crystal. However, since the dimensions are large and the driving voltage is considerably high, a practical deflection angle cannot be obtained. In addition, a prism-type domain inversion light deflection element or a prism-type electrode light deflection element in which prisms are arranged in a cascade using a LiNbO 3 single crystal wafer on which a Ti diffusion type optical waveguide or a proton exchange type optical waveguide is manufactured is referred to as “Q.Chen”. , et al., J. Lightwave Tech.vo
l.12 (1994), p. 1401 ”(Reference 1) and JP-A-1-248.
No. 141, for example. However, LiNbO
(3) Since the electrode spacing of about 0.5 mm, which is the thickness of the single-crystal wafer, is still required, the driving voltage is still high. In the above-mentioned reference 1, a deflection angle of only about 0.2 degrees can be obtained even with a driving voltage of ± 600 V. Therefore, there is a problem that a practical deflection angle cannot be obtained.

【0005】[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、駆動電圧の問題を解決したプリズム型光偏向素子
を発明し、これを特開平9−5797号公報に開示し
た。
On the other hand, the present inventor has an oxide optical waveguide having an electro-optical effect provided on a conductive substrate, and a light source for inputting a light beam into the optical waveguide. Then, a prism type optical deflecting element which solves the problem of the driving voltage by using a thin film optical waveguide provided with an electrode for deflecting the light beam in the optical waveguide by an electro-optic effect was invented. No. 5797.

【0006】しかし、光導波路を伝搬するレーザ光の電
磁界分布は基板への染みだしが起こる。実用的な抵抗率
を有する基板の吸収係数は大きく、多くの場合には染み
だし成分は導電性基板中のキャリアによって強く吸収さ
れるため、薄膜光導波路中の伝搬損失は光導波路自体の
散乱による損失に加えて、吸収により数十dB/cmと
なり、実用にはならないという問題があった。また、一
般に、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。し
かし、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となってしまう問題があっ
た。
However, the electromagnetic field distribution of the laser light propagating through the optical waveguide leaks into the substrate. The absorption coefficient of a substrate having a practical resistivity is large, and in many cases, the exudation component is strongly absorbed by carriers in the conductive substrate, so that the propagation loss in the thin film optical waveguide is caused by the scattering of the optical waveguide itself. In addition to the loss, the absorption becomes several tens of dB / cm, which is not practical. In general, in a device having a coplanar electrode arrangement, a cladding layer made of SiO 2 is inserted between a metal electrode on the optical waveguide and the optical waveguide, thereby preventing seepage of an electromagnetic field into the metal electrode and absorbing propagation light. There are ways to avoid this. However, the relative permittivity of the oxide optical waveguide material having the electro-optic effect ranges from tens to thousands, and the relative permittivity of SiO 2 is 3.
9, the effective voltage applied to the thin-film optical waveguide is only several percent or less of the applied voltage because a series capacitor is formed as an equivalent circuit in the thin-film optical waveguide structure on the conductive substrate. However, there has been a problem that the driving voltage eventually increases significantly.

【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。
An object of the present invention is to provide an optical waveguide device,
An object of the present invention is to provide a structure capable of simultaneously solving low drive voltage characteristics and low propagation loss characteristics. Another object of the present invention is to make the optical waveguide device usable for various deflection elements, switching elements, or modulation elements.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的は、不純物元素
を0.001重量%から0.1重量%ドープしたSrT
iO3単結晶半導体基板、あるいは不純物元素を0.0
01重量%から0.1重量%ドープしたエピタキシャル
または高配向性のSrTiO3半導体薄膜を表面に有す
る単結晶基板上へ作製された電気光学効果を有するエピ
タキシャルまたは高配向性の強誘電体薄膜光導波路と、
薄膜光導波路上の導電性または半導電性の上部電極が設
けられ、下部電極となるドープしたSrTiO3単結晶
半導体基板あるいは薄膜と上部電極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レーザ
ー・ビームを電圧に応じて偏向、スイッチング、または
変調することにより達成される。
The object of the present invention is to provide SrT doped with 0.001% by weight to 0.1% by weight of an impurity element.
iO 3 single crystal semiconductor substrate or 0.0
Epitaxial or highly oriented ferroelectric thin film optical waveguide with electro-optic effect fabricated on a single crystal substrate having an epitaxial or highly oriented SrTiO 3 semiconductor thin film doped on a surface of from 01% to 0.1% by weight When,
A conductive or semiconductive upper electrode on the thin film optical waveguide is provided, and a doped SrTiO 3 single crystal semiconductor substrate serving as a lower electrode or a portion having a different refractive index by applying a voltage between the thin film and the upper electrode. It is achieved by generating, deflecting, switching, or modulating a laser beam in response to a voltage.

【0009】本発明において、下部電極基板としてドー
プしたSrTiO3単結晶半導体基板、あるいはエピタ
キシャルまたは高配向性のドープしたSrTiO3半導
体薄膜の不純物ドーパントとして用いることが可能な元
素は、SrTiO3のSrサイトあるいはTiサイトを
置換することが可能なイオン半径を有し、かつSrある
いはTiと原子価が異なる元素であれば良いが、望まし
くはSrサイトに対しては酸素イオンに対して12配位
をとることが可能なSc、Lu、Yb、Tm、Er、H
o、Y、Dy、Tb、Bi、Gd、Na、Eu、Sm、
Zn、Nd、Pr、Ce、La、In、K、Tl、R
b、Csなど、Tiサイトに対しては酸素イオンに対し
て6配位をとることが可能なAl、As、V、Ni、G
a、Sb、Co、Fe、Ta、Rh、Nb、Cr、M
n、 Bi、Ru、In、Sc、Sn、Pu、Np、L
u、Yb、U、Tm、Er、Pa 、Ho、Y、Dy、
Tb、Tl、Gd、Eu、Sm、Pm、Am、Nd、P
r、Ce、La、Th、Acなどが挙げられ、さらに望
ましくは周期率表のIII族の元素であるSc、Y、L
a、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、T
b、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ac、A
l、Ga、In、またはV族の元素であるV、Nb、T
a、Pa、As、Sb、Biより選ばれ、さらに望まし
くはLaまたはNbを用いることができる。
In the present invention, the element which can be used as an impurity dopant of a doped SrTiO 3 single crystal semiconductor substrate as a lower electrode substrate or an epitaxially or highly oriented doped SrTiO 3 semiconductor thin film is a SrTiO 3 Sr site. Alternatively, any element having an ionic radius capable of substituting a Ti site and having a valence different from that of Sr or Ti may be used. Desirably, the Sr site takes 12 coordination with oxygen ions. Sc, Lu, Yb, Tm, Er, H
o, Y, Dy, Tb, Bi, Gd, Na, Eu, Sm,
Zn, Nd, Pr, Ce, La, In, K, Tl, R
Al, As, V, Ni, G capable of coordinating 6 with oxygen ions for Ti sites such as b and Cs
a, Sb, Co, Fe, Ta, Rh, Nb, Cr, M
n, Bi, Ru, In, Sc, Sn, Pu, Np, L
u, Yb, U, Tm, Er, Pa, Ho, Y, Dy,
Tb, Tl, Gd, Eu, Sm, Pm, Am, Nd, P
r, Ce, La, Th, Ac, etc., and more preferably, Sc, Y, L which is an element of Group III of the periodic table.
a, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, T
b, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ac, A
V, Nb, T which are elements of l, Ga, In, or group V
a, Pa, As, Sb, Bi are selected, and more preferably, La or Nb can be used.

【0010】不純物ドーパントの量としては0.001
重量%から0.1重量%ドープ、望ましくは0.005
重量%から0.05重量%ドープが有効である。このよ
うなドーピングを行ったSrTiO3半導体の抵抗率と
しては106Ω・cm以下、望ましくは104Ω・cm以
下がRC時定数、および電圧降下の点から有効である。
また、光吸収係数は100以下、望ましくは20以下が
光導波路の伝搬損失の点から有効である。
The amount of the impurity dopant is 0.001.
% To 0.1% by weight dope, preferably 0.005%
A weight percent to 0.05 weight percent dope is effective. The resistivity of the SrTiO 3 semiconductor to which such doping is performed is 10 6 Ω · cm or less, and preferably 10 4 Ω · cm or less is effective in terms of RC time constant and voltage drop.
The light absorption coefficient of 100 or less, preferably 20 or less is effective from the viewpoint of the propagation loss of the optical waveguide.

【0011】基板と光導波路の間に設けた不純物元素を
0.001重量%から0.1重量%ドープしたエピタキ
シャルまたは高配向性のSrTiO3半導体薄膜の基板
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などの酸化物、
Si、Ge、ダイアモンドなどの単体半導体、AlA
s、AlSb、AlP、GaAs、GaSb、InP、
InAs、InSb、AlGaP、AlLnP、AlG
aAs、AlInAs、AlAsSb、GaInAs、
GaInSb、GaAsSb、InAsSbなどのII
I−V系の化合物半導体、ZnS、ZnSe、ZnT
e、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、SrTiO3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。
A material which can be used as a substrate of an epitaxial or highly oriented SrTiO 3 semiconductor thin film doped between 0.001% by weight and 0.1% by weight with an impurity element provided between a substrate and an optical waveguide is SrTiO. 3 , Ba
TiO 3 , BaZrO 3 , LaAlO 3 , ZrO 2 , Y 2 O 3
8% -ZrO 2, MgO, oxides such as MgAl 2 O 4,
Single semiconductor such as Si, Ge, diamond, etc., AlA
s, AlSb, AlP, GaAs, GaSb, InP,
InAs, InSb, AlGaP, AlLnP, AlG
aAs, AlInAs, AlAsSb, GaInAs,
II such as GaInSb, GaAsSb, InAsSb
IV compound semiconductor, ZnS, ZnSe, ZnT
e, CaSe, Cdte, HgSe, HgTe, CdS
Although it is possible to use II-VI based compound semiconductors, etc., it is often advantageous to use SrTiO 3 for the film quality of the oxide thin film optical waveguide disposed on the top.

【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
るが、ドープしたSrTiO3単結晶半導体基板または
ドープしたSrTiO3半導体薄膜に対して同様のペロ
ブスカイト構造を有し、これらに対する格子常数の差が
小さく、これらの屈折率2.399よりも屈折率が大き
く、かつ高い電気光学係数を有するPb1-xLax(Zr
yTi1-y1-x/43(0<x<0.3、0<y<1.
0)を用いることが最も望ましい。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。
The thin-film optical waveguide material is selected from oxides. Specifically, in the case of the ABO 3 type perovskite type, for example, BaTiO 3 is used as a tetragonal system, orthorhombic system or pseudo-cubic system.
3, PbTiO 3, Pb 1- x La x (Zr y Ti 1-y) 1-x / 4
O 3 (PZT, PLT, PLZ depending on the values of x and y
T), Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , KNbO 3, etc., a ferroelectric material represented by a hexagonal system such as LiNbO 3 , LiTaO 3 etc., and a tungsten bronze type Sr x
Ba 1-x Nb 2 O 6 , Pb x Ba 1-x Nb 2 O 6, etc. In addition, Bi 4 Ti 3 O 12 , Pb 2 KNb 5 O 15 , K 3 L
i 2 Nb 5 O 15, but is selected from such addition or substituted derivatives have similar perovskite structure with respect to doped SrTiO 3 SrTiO 3 semiconductor thin film single crystal semiconductor substrate or doped, the difference in lattice constant for these Pb 1-x La x (Zr) having a higher refractive index than those of 2.399 and a high electro-optic coefficient.
y Ti 1-y ) 1-x / 4 O 3 (0 <x <0.3, 0 <y <1.
0) is most desirable. The thickness of the thin film optical waveguide is usually set between 0.1 μm and 10 μm, but this can be appropriately selected depending on the purpose.

【0013】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、あるいは光導波路より
も小さい屈折率を有するITOやAlドープZnOなど
の透明酸化物電極を用いることが可能である。また、光
導波路と上部電極との間には前記光導波路よりも小さい
屈折率を有するクラッド層を設ける場合には、上部電極
は任意の材料を用いることができるが駆動電圧の増加を
招くのでITOなどの透明酸化物電極を用いることが望
ましい。上部電極として用いられる導電性または半導電
性の薄膜の抵抗率としては下部電極と同様に106Ω・
cm以下、望ましくは104Ω・cm以下が有効ある
が、電圧降下が無視できる程度の抵抗率であれば上部電
極として利用可能である。
The upper electrode is made of Al, Ti, Cr, Ni, C
u, Pd, Ag, In, Sn, Ta, W, Ir, Pt,
It is possible to use various metal electrodes or alloys such as Au, or transparent oxide electrodes such as ITO or Al-doped ZnO having a smaller refractive index than the optical waveguide. When a cladding layer having a smaller refractive index than that of the optical waveguide is provided between the optical waveguide and the upper electrode, any material can be used for the upper electrode, but the drive voltage is increased. It is desirable to use a transparent oxide electrode such as The resistivity of the conductive or semiconductive thin film used as the upper electrode is 10 6 Ω ·
cm or less, desirably 10 4 Ω · cm or less is effective. However, if the resistivity is such that the voltage drop is negligible, it can be used as the upper electrode.

【0014】前記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、レーザー・アブレーション、MBE、CVD、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。
The thin film optical waveguide is a gas phase selected from electron beam evaporation, flash evaporation, ion plating, Rf-magnetron sputtering, ion beam sputtering, laser ablation, MBE, CVD, plasma CVD, MOCVD and the like. It is produced by a solid phase growth method of a thin film produced by a growth method and a wet process such as a sol-gel method or a MOD method.

【0015】以上の構造を具備する光導波路素子は下部
電極となる導電性または半導電性の基板あるいは薄膜と
上部電極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レーザー・ビームを電圧に応じて
偏向、スイッチング、または変調する。
In the optical waveguide device having the above-mentioned structure, a portion having a different refractive index is generated by applying a voltage between a conductive or semiconductive substrate or a thin film serving as a lower electrode and an upper electrode to generate a laser beam. The beam is deflected, switched, or modulated according to the voltage.

【0016】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11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。
Next, the basic principle of the optical waveguide device of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. FIGS. 1 and 2 show a general form of a slab type optical waveguide used in the optical waveguide element of the present invention. Here, the light is waveguide 1
1 in the z-direction. The waveguide 11 has a refractive index and a relative dielectric constant represented by n 1 and ε 1 , a medium 12 having a refractive index and a relative dielectric constant represented by n 2 and ε 2 , and a medium 12 having n 3 and ε 3 . Between the medium 13 having a refractive index and a relative dielectric constant. In FIG. 1, the x direction is a direction perpendicular to the surfaces of the media 12, 13 and the optical waveguide 11, and the y direction is defined as a direction perpendicular to the x direction and the z direction. As shown in FIG. 2, it is assumed that the coordinates of the boundary between the medium 13 and the optical waveguide 11 are x = 0, and the thickness of the optical waveguide 11 is d.

【0017】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。
At this time, expj [ωt-β
The wave equation of the light wave propagating in [z] is as follows.

【0018】 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。
Δ 2 (E z , H z ) / δ x 2 + δ 2 (E z , H z ) / δ y 2 + χ i 2 (E z , H z ) / δ z 2 = 0. ] (χ i 2 = k i 2 -β 2, k i 2 = ω 2 μ 0 ε i = k 0 2 n i 2, i =
1, 2, 3) where ω is the angular frequency of the light wave, μ 0 is the magnetic permeability of vacuum, j
Is an imaginary number, and β is a propagation constant.

【0019】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]
If the electromagnetic field is uniform in the y direction, e
omitting xpj [ωt-βz], E z, by placing a H z αF (x), [ 1] equation becomes wave equation as follows. d 2 F (x) / dy 2 + χ i F (x) = 0 [2]

【0020】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。
Therefore, all electromagnetic field components are represented by exponential functions or trigonometric functions, and a uniform electromagnetic field in one direction can be expressed by a TE mode (E z = 0) and a TM mode (H z = 0).
And the electromagnetic field component is as follows:

【0021】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)での電磁界は、|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、電磁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、
Here, for the TE mode, the electromagnetic field in the region of the medium 12 (hereinafter, referred to as II region) and the region of the medium 13 (hereinafter, referred to as III region) is | x | = |
, III region: E y3 = E 3 exp (−γ 3 x), x> 0... [3] I region: E y1 = E 1 cos (k x x + φ 3 ), − d <x <0... [4] II region: E y2 = E 2 exp {γ 2 (x + t)}, x <−d... [5], and it can be seen that the electromagnetic field seeps into the substrate. . In addition,
The region of the optical waveguide 11 is an I region. Here, γ 3 = k 0 (N 2 -n 3 2) 0.5 ··· [6] k x = k 0 (n 1 2 -N 2) 0.5 ··· [7] γ 2 = k 0 (N 2 −n 2 2 ) 0.5 ... [8] From the boundary condition that the electric field components E y and H z are continuous at x = 0, E 3 = E 1 cos φ 3 ... [9] tan φ 3 = Γ 3 / k x ··· [10] Since the same applies to x = -d, the boundary condition is applied, and E 2 = E 1 cos (k x d -φ 3 ) ··· [11] tan (k x t−φ 3 ) = γ 2 / k x [12] From these relationships,

【0022】 kxd=(m+1)π−tan-1(kx/γ2)−tan-1(kx/γ3) ・・・[13]K x d = (m + 1) π-tan -1 (k x / γ 2 ) -tan -1 (k x / γ 3 ) [13]

【0023】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。
Here, m is a mode number (m = 0,
1, 2,. . . . . ). In addition to obtaining the electromagnetic field distribution by such an analytical method, BPM (Beam Propag
ation method) can be used to determine the electromagnetic field distribution.

【0024】ここで図3を用いて、屈折率2.40のS
rTiO3基板上に600nmの厚さの屈折率2.56
のPb1-xLax(ZryTi1-y1-x/43薄膜光導波路
が設けられた構造における、波長633nmにおけるT
0モードの強度分布の模式図を示す。この場合の計算
値は全光強度の3.6%が基板(図1における媒質12
に相当するもの)へ染みだすことを示した。この際、基
板の光吸収により光導波路中の光伝搬に伴い基板へ染み
だした成分が吸収され、伝搬損失となる。光強度は式
[3]、[4]、[5]で表される振幅の2乗であり、
基板中の強度の割合Is/I0はI、II、IIIの各領
域の積分値の和に対するIIの領域の積分値として次の
ようになる。
Here, referring to FIG. 3, S having a refractive index of 2.40 is used.
A refractive index of 2.56 with a thickness of 600 nm on an rTiO 3 substrate
In the Pb 1-x La x (Zr y Ti 1-y) 1-x / 4 O 3 thin film optical waveguide structure provided, T at a wavelength of 633nm
FIG. 3 shows a schematic diagram of an E 0 mode intensity distribution. The calculated value in this case is that 3.6% of the total light intensity is the substrate (the medium 12 in FIG. 1).
). At this time, the component that permeates the substrate due to the light propagation in the optical waveguide due to the light absorption of the substrate is absorbed, resulting in a propagation loss. The light intensity is the square of the amplitude represented by the formulas [3], [4], and [5].
The ratio I s / I 0 of the intensity in the substrate is as follows as the integrated value of the region II with respect to the sum of the integrated values of the regions I, II and III.

【0025】[0025]

【数1】 (Equation 1)

【0026】このとき光導波路表面や光導波路中の粒界
などによる散乱、および光導波路自身の吸収による損失
に加えて、基板吸収によって生じる伝搬損失は次のよう
に表される。 −10・log(I/Iin)=(10-αδ・z)・・・[15]
At this time, in addition to scattering due to the surface of the optical waveguide and grain boundaries in the optical waveguide, and loss due to absorption of the optical waveguide itself, propagation loss caused by substrate absorption is expressed as follows. -10 · log (I / I in ) = (10 - α · δ · z) ··· [15]

【0027】このように基板吸収によって生じる伝搬損
失は基板の吸収係数αによって決まり、伝搬損失と光導
波路の膜厚の関係は図4に示すようになる。従って基板
の吸収係数は小さいことが望ましい。また、薄膜光導波
路の膜厚が小さいほうが同じ伝搬損失を得るために必要
な吸収係数は、より小さくなくてはならないことが分か
る。
As described above, the propagation loss caused by the substrate absorption is determined by the absorption coefficient α of the substrate, and the relationship between the propagation loss and the thickness of the optical waveguide is as shown in FIG. Therefore, it is desirable that the absorption coefficient of the substrate is small. Also, it can be seen that the smaller the thickness of the thin film optical waveguide, the smaller the absorption coefficient required to obtain the same propagation loss.

【0028】図5は波長633nmにおける屈折率2.
40のSrTiO3基板上のPb1-xLax(ZryTi
1-y1-x/43薄膜光導波路の屈折率とTE0、TE1
TE2モードのカットオフ膜厚の関係を示している。P
1-xLax(ZryTi1-y1-x/43薄膜の屈折率は組
成によって変化するが、約2.45から2.70の範
囲、多く検討されるのは2.49から2.65程度の範
囲である。屈折率が2.45の場合、光導波路膜厚とし
てはTE0モードのカットオフ膜厚より大きい300n
m程度以上が必要となる。また、より高い屈折率におい
てはカットオフ膜厚は小さくなり、光導波路膜厚として
はもっと小さな値が可能であるが、現実には300nm
以下の膜厚を有する光導波路素子を実用化することは光
の結合効率の点から困難である。
FIG. 5 shows the refractive index at a wavelength of 633 nm.
SrTiO 3 substrate of 40 Pb 1-x La x ( Zr y Ti
1-y ) The refractive index of the 1-x / 4 O 3 thin film optical waveguide and TE 0 , TE 1 ,
Shows the relationship between the TE 2 mode of cut-off thickness. P
b 1-x La x (Zr y Ti 1-y) 1-x / 4 O 3 thin film refractive index of which varies depending on the composition, ranges from about 2.45 2.70, being considered many 2 .49 to 2.65. When the refractive index is 2.45, the optical waveguide thickness is 300 n, which is larger than the cut-off film thickness in the TE 0 mode.
m or more is required. Further, at a higher refractive index, the cut-off film thickness becomes smaller, and a smaller value is possible as the optical waveguide film thickness.
It is difficult to put an optical waveguide device having the following film thickness into practical use from the viewpoint of light coupling efficiency.

【0029】そこで、SrTiO3基板上の膜厚300
nmの薄膜光導波路の屈折率と伝搬損失の関係を図6に
示す。光導波路素子としての基板吸収による伝搬損失は
20dB/cm以下、望ましくは10dB/cm以下が
必要であるので、屈折率が2.65以下の範囲では吸収
係数は20以下、望ましくは10以下が必要である。一
方、シングル・モードとするためには光導波路膜厚はT
1モードのカットオフ膜厚以下にすることが必要であ
るが、多く検討される屈折率の一つである2.50での
TE1モードのカットオフ膜厚は634nmである。T
0シングル・モード導波路とする場合、この膜厚を適
用できるのは屈折率2.50以下の限られた領域であ
る。
Therefore, a film thickness of 300 on the SrTiO 3 substrate
FIG. 6 shows the relationship between the refractive index and the propagation loss of the thin-film optical waveguide of nm. Propagation loss due to substrate absorption as an optical waveguide element needs to be 20 dB / cm or less, preferably 10 dB / cm or less. Therefore, when the refractive index is 2.65 or less, the absorption coefficient is 20 or less, preferably 10 or less. It is. On the other hand, in order to achieve single mode, the thickness of the optical waveguide is T
It is necessary to below 1 mode cutoff thickness of E, but the cut-off thickness of TE 1 mode at 2.50, which is one of the refractive index to be considered many of which are 634 nm. T
In the case of the E 0 single mode waveguide, this film thickness can be applied to a limited region having a refractive index of 2.50 or less.

【0030】このような場合を考え、SrTiO3基板
上の膜厚600nmの薄膜光導波路の屈折率と伝搬損失
の関係を求めた結果を図7に示す。光導波路素子として
20dB/cm以下の伝搬損失を得るためには、屈折率
が2.65以下の範囲で、伝搬損失20dB/cm以下
とするためには吸収係数は100以下が、伝搬損失10
dB/cm以下とするためには吸収係数は50以下が必
要となり、膜厚300nmの薄膜光導波路の場合と比較
すると、先に述べたように薄膜光導波路の膜厚が小さい
ほうが同じ伝搬損失を得るために必要な吸収係数は、よ
り小さくなくてはならないことが分かる。
Considering such a case, FIG. 7 shows the result of obtaining the relationship between the refractive index and the propagation loss of the thin film optical waveguide having a thickness of 600 nm on the SrTiO 3 substrate. In order to obtain a propagation loss of 20 dB / cm or less as an optical waveguide element, the refractive index is in a range of 2.65 or less, and in order to have a propagation loss of 20 dB / cm or less, an absorption coefficient is 100 or less.
In order to make it less than dB / cm, the absorption coefficient needs to be 50 or less. As compared with the case of a thin film optical waveguide having a film thickness of 300 nm, as described above, the smaller the film thickness of the thin film optical waveguide has the same propagation loss. It can be seen that the absorption coefficient required to obtain must be smaller.

【0031】次に、図8は波長1310nmにおける屈
折率2.40のSrTiO3基板上のPb1-xLax(Z
yTi1-y1-x/43薄膜光導波路の屈折率とTE0
TE1、TE2モードのカットオフ膜厚の関係を示してい
る。長波長ではカットオフ膜厚は大きくなり、屈折率が
2.45の場合、光導波路膜厚としてはTE0モードの
カットオフ膜厚より大きい600nm程度以上、多く検
討される屈折率の一つである2.50でのTE1モード
のカットオフ膜厚は1311nmであるため、シングル
・モードとするためには光導波路膜厚としては1300
nm以下程度が必要となる。SrTiO3基板上の膜厚
600nmの薄膜光導波路の屈折率と伝搬損失の関係を
図9に示す。光導波路素子としての伝搬損失は20dB
/cm以下、望ましくは10dB/cm以下が必要であ
るので、屈折率が2.65以下の範囲では吸収係数は約
20以下、望ましくは10以下が必要となる。波長63
3nmの場合と比較すると、同じ膜厚である600nm
での値よりも同じTE0モードのカットオフ条件である
膜厚300nmの値にほぼ等しいことが分かる。
Next, FIG. 8 shows Pb 1 -x La x (Z on a SrTiO 3 substrate having a refractive index of 2.40 at a wavelength of 1310 nm.
r y Ti 1-y ) 1-x / 4 O 3 Thin film optical waveguide refractive index and TE 0 ,
The relationship between the cut-off film thickness in the TE 1 and TE 2 modes is shown. At long wavelengths, the cut-off film thickness increases, and when the refractive index is 2.45, the optical waveguide film thickness is about 600 nm or more, which is larger than the cut-off film thickness of the TE 0 mode, and is one of the frequently studied refractive indices. Since the cut-off film thickness of the TE 1 mode at a certain 2.50 is 1311 nm, the film thickness of the optical waveguide is 1300 to achieve the single mode.
nm or less is required. FIG. 9 shows the relationship between the refractive index and the propagation loss of the thin film optical waveguide having a thickness of 600 nm on the SrTiO 3 substrate. Propagation loss as an optical waveguide element is 20 dB
/ Cm, preferably 10 dB / cm or less, so that the absorption coefficient is about 20 or less, preferably 10 or less when the refractive index is in the range of 2.65 or less. Wavelength 63
Compared to the case of 3 nm, the same film thickness of 600 nm
It can be seen that the value is almost equal to the value of the film thickness of 300 nm which is the same cut-off condition of the TE 0 mode than the value of.

【0032】そこで、波長633nmで膜厚600nm
程度でも損失を少なくするための吸収係数としては、1
00以下から伝搬損失20dB/cm以下が得られる薄
膜光導波路条件が現れることとなり、吸収係数としては
100以下、望ましくは50以下、さらに望ましくは2
0以下が必要となる。
Therefore, at a wavelength of 633 nm, a film thickness of 600 nm
The absorption coefficient to reduce the loss even to the extent
From 00 or less, a condition of a thin film optical waveguide that can provide a propagation loss of 20 dB / cm or less appears. The absorption coefficient is 100 or less, preferably 50 or less, and more preferably 2 or less.
0 or less is required.

【0033】一方、吸収係数の減少、すなわち透明性が
増加すると抵抗率も一般に増加する傾向にある。そこ
で、薄膜光導波路素子が基板と上部電極で挟まれた構造
での偏向速度、スイッチング速度、あるいは変調速度を
次式のRC時定数で決まる周波数応答の3dbポイント
fで基板の抵抗率の許容範囲を検討する。
On the other hand, when the absorption coefficient decreases, that is, when the transparency increases, the resistivity generally tends to increase. Therefore, the deflection speed, switching speed, or modulation speed in the structure in which the thin film optical waveguide element is sandwiched between the substrate and the upper electrode is the allowable range of the substrate resistivity at a frequency response of 3 db point f determined by the RC time constant of the following equation. To consider.

【0034】 f=1/(2π・R・C)=1/(2π・ρ・ds/S×ε0・εr・S/dw) =1/(2π・ρ・ε0・εr×ds/dw) ・・・[16]F = 1 / (2π · RC) = 1 / (2π · ρ · ds / S × ε 0 · ε r · S / d w ) = 1 / (2π · ρ · ε 0 · ε r × d s / d w) ··· [16]

【0035】ここで、Rは基板の抵抗、ρは基板の抵抗
率、dsは基板の厚さ、Cは光導波路の静電容量、ε0
真空の誘電率で8.854×10-14(F/cm)、εr
は比誘電率、dwは光導波路の厚さ、Sは電極面積であ
る。基板の厚さは50μm程度が薄さの限界であるため
sを50μm、光導波路の厚さは一般に1μm程度で
あるためdwを1μmとした場合の抵抗率と周波数応答
の関係を図10に示す。強誘電体材料の比誘電率は数1
0から数1000であるので、光導波路素子が1kHz
以上の応答を示すためには基板の抵抗率は106Ω・c
m以下が必要になる。光導波路素子の応答が1kHz以
下である場合は機械的素子の応答速度のレベルであり、
本来高速である電気光学効果を用いた素子の意義がなく
なる。
Here, R is the resistance of the substrate, ρ is the resistivity of the substrate, d s is the thickness of the substrate, C is the capacitance of the optical waveguide, and ε 0 is the dielectric constant of a vacuum of 8.854 × 10 −. 14 (F / cm), ε r
Is the relative permittivity, d w is the thickness of the optical waveguide, and S is the electrode area. The limit of the thickness is 50μm about the thinness is for 50μm and d s of the substrate, the relationship between the resistivity and the frequency response when the thickness of the optical waveguide was generally 1μm to d w because it is about 1μm 10 Shown in The relative permittivity of the ferroelectric material is
Since it is from 0 to several thousand, the optical waveguide element is 1 kHz.
In order to exhibit the above response, the resistivity of the substrate must be 10 6 Ω · c
m or less is required. When the response of the optical waveguide element is 1 kHz or less, it is the level of the response speed of the mechanical element,
The significance of an element using the electro-optical effect, which is originally high speed, is lost.

【0036】また、偏向、スイッチング、あるいは変調
のための電圧を薄膜光導波路素子が基板と上部電極で挟
まれた構造へ印加した場合、多くの場合、薄膜光導波路
には10-7A/cm2以上のリーク電流が流れる。この
ため基板抵抗が大きいと基板での電圧降下が著しくなり
薄膜光導波路にかかる電圧が低下する。基板での電圧降
下ΔVは次式の関係で検討する。
When a voltage for deflection, switching, or modulation is applied to a structure in which a thin film optical waveguide element is sandwiched between a substrate and an upper electrode, the thin film optical waveguide often has a voltage of 10 -7 A / cm. Two or more leak currents flow. For this reason, when the substrate resistance is large, the voltage drop on the substrate becomes remarkable, and the voltage applied to the thin film optical waveguide decreases. The voltage drop ΔV at the substrate will be examined based on the following equation.

【0037】 ΔV=IR=j・S×ρ・ds/S=j×ρ・ds ・・・[17]ΔV = IR = j · S × ρ · d s / S = j × ρ · d s [17]

【0038】ここで、Iはリーク電流、jはリーク電流
密度、Rは基板の抵抗、ρは基板の抵抗率、dsは基板
の厚さ、Sは電極面積である。基板の厚さは500μm
程度以下であるためdsを500μmとした場合の抵抗
率と電圧降下の関係を図11に示す。導電性基板上薄膜
光導波路素子構造においては低電圧駆動が可能であるた
め、駆動電圧は少なくとも100V以下となる。この駆
動電圧に対して基板での電圧降下ΔVが無視できる領域
となる1%以下、すなわち1V以下とするためにはリー
ク電流密度10-7A/cm2で基板の抵抗率は108Ω・
cm以下が必要となることがわかる。駆動電圧は多くの
場合10V以下となるため電圧降下ΔVを1%以下の
0.1V以下とするために、リーク電流密度10-7A/
cm2で基板の抵抗率は107Ω・cm以下が望ましくは
必要となる。また、リーク電流密度は10-5A/cm2
以上となる場合も多いため、さらに望ましくは基板の抵
抗率は106Ω・cm以下が必要となる。しかし、これ
らのリーク電流密度は定常状態における電流密度であ
り、光導波路の充放電の瞬間における電流密度はもっと
大きいため、少なくとも抵抗率は106Ω・cm以下が
必要となる。
Here, I is the leak current, j is the leak current density, R is the resistance of the substrate, ρ is the resistivity of the substrate, ds is the thickness of the substrate, and S is the electrode area. The thickness of the substrate is 500 μm
FIG. 11 shows the relationship between the resistivity and the voltage drop when d s is set to 500 μm. In the structure of the thin-film optical waveguide element on the conductive substrate, low-voltage driving is possible, so that the driving voltage is at least 100 V or less. In order to make the voltage drop ΔV in the substrate negligible to 1% or less, ie, 1 V or less, with respect to this drive voltage, the substrate has a leakage current density of 10 −7 A / cm 2 and a resistivity of 10 8 Ω ·
cm is required. In many cases, the driving voltage is 10 V or less, so that the voltage drop ΔV is 1% or less and 0.1 V or less, and the leakage current density is 10 −7 A /
The resistivity of the substrate in cm 2 is desirably 10 7 Ω · cm or less. The leak current density is 10 −5 A / cm 2.
In many cases, the resistivity of the substrate should be 10 6 Ω · cm or less. However, these leak current densities are the current densities in a steady state, and the current densities at the moment of charge and discharge of the optical waveguide are much higher. Therefore, at least the resistivity is required to be 10 6 Ω · cm or less.

【0039】[0039]

【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12、図13を用いて説明する。図1
2は本実施の形態による光導波路素子の上面図であり、
図13はその側面図である。本実施の形態においては抵
抗率が1×102Ω・cm、吸収係数50、屈折率が
2.40、厚さが500μmのNb0.02%ドープS
rTiO3(100)単結晶導電性の下部電極基板上
へ、電気光学係数が50pm/V、屈折率が2.56、
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、さらにプリズム型電極を形成
することによって図11および図12のようなプリズム
型EO偏向素子を作製した。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An optical waveguide device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG.
2 is a top view of the optical waveguide device according to the present embodiment,
FIG. 13 is a side view thereof. In this embodiment, Nb 0.02% -doped S having a resistivity of 1 × 10 2 Ω · cm, an absorption coefficient of 50, a refractive index of 2.40, and a thickness of 500 μm.
An electro-optic coefficient of 50 pm / V, a refractive index of 2.56, and a rTiO 3 (100) single crystal conductive lower electrode substrate
900 nm-thick epitaxial PZT (52/48)
By growing a thin film optical waveguide and further forming a prism type electrode, a prism type EO deflection element as shown in FIGS. 11 and 12 was produced.

【0040】PZT(52/48)光導波路層はゾルゲ
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−C3
74を出発原料として、2−メトキシエタノールに溶
解し、蒸留と還流を行った後、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基板へス
ピンコーティングを行った。以上の操作はすべてN2
囲気中にて行った。
The PZT (52/48) optical waveguide layer was formed by solid phase epitaxial growth using a sol-gel method. First, anhydrous lead acetate Pb (CH 3 COO) 2 , zirconium isopropoxide Zr (OiC 3 H 7 ) 4 ,
And titanium isopropoxide Ti (OiC 3
As H 7) 4 starting materials, after the 2-methoxy-ethanol in the dissolution, distillation was carried out with refluxing, 0 in the final Pb concentration.
A 6M precursor solution for PZT (52/48) was obtained. Further, this precursor solution was spin-coated on an Nb-doped SrTiO 3 substrate. All of the above operations were performed in an N 2 atmosphere.

【0041】次に、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)//N
b−SrTiO3(100)、面内方位PZT[00
1]//Nb−SrTiO3[001]の構造が得られ
た。このPZT薄膜光導波路のポーリングを行った後、
PZT薄膜光導波路上には膜厚200nmのRfスパッ
タリング法によって成膜したITO薄膜による15個の
底辺100μm、高さ200μmのプリズム形上部電極
アレイをリフト・オフ法によって形成し、プリズム型E
O偏向素子を作製した。また、NbドープSrTiO3
基板へのオーミック・コンタクトはInによって得た。
Next, the temperature was raised at 20 ° C./sec in an O 2 atmosphere, maintained at 350 ° C., maintained at 650 ° C., and finally, the electric furnace was turned off and cooled. As a result, a first-layer PZT thin film having a thickness of 100 nm was grown by solid phase epitaxial growth. By repeating this process eight more times, an epitaxial PZT thin film having a total thickness of 900 nm was obtained. The crystallographic relationship is unidirectional PZT (100) // N
b-SrTiO 3 (100), in-plane orientation PZT [00]
1] // Nb—SrTiO 3 [001] was obtained. After poling this PZT thin film optical waveguide,
On a PZT thin film optical waveguide, 15 prism-shaped upper electrode arrays of 200 μm in height and 200 μm in height with a base of 100 nm made of an ITO thin film formed by a Rf sputtering method with a thickness of 200 nm were formed.
An O deflection element was manufactured. Also, Nb-doped SrTiO 3
Ohmic contact to the substrate was obtained by In.

【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−・・・[18] 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・・・[19] 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・・・[20]
Here, when an electric field is generally applied to a material having an electro-optic effect, the refractive index change due to the electric field in a crystal structure having no center of symmetry is as follows: Δn = n 0 −n = −aE−bE 2 - ... [18] among the primary term is called the Pockels (Pockels) effect, generally described as follows, Δn = -1 / 2rn 3 E ··· [19] second order terms car This is called the (Kerr) effect and is generally expressed as follows. Δn = − / Rn 3 E 2 [20]

【0043】この効果は、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。
In practice, as the electric field is increased, the refractive index changes in such a manner that the Kerr effect, which is a secondary electro-optical effect, gradually overlaps the Pockets effect, which is a primary electro-optical effect, as the electric field is increased. When such an electro-optic effect is used, a ferroelectric material having a crystal structure without a center of symmetry and having a high coefficient is used, and an oxide ferroelectric material as described above is typical. As in the case where a local electric field is applied to such a ferroelectric, a decrease in the refractive index of that portion occurs.

【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12および図13に示される位置に配置
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)基板と上部電極であるIT
O電極との間に電圧Vが印加されると、 Δn=−1/2・r・n3・(V/d)・・・[21] 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
In this embodiment, an Nb-doped SrTiO 3 (100) substrate, which is a lower electrode provided with a triangular prism-shaped electrode 7 at the position shown in FIGS. And the upper electrode IT
When a voltage V is applied between the prism and the O electrode, a refractive index change of Δn = − / · r · n 3 · (V / d) (21) occurs, and the length of the prism is reduced by L. And the width is W

【0045】 θ=−Δn×L/W=1/2・r・n3・(V/d)・(L/W)・・・[2 2]Θ = −Δn × L / W = 1 / · r · n 3 · (V / d) · (L / W) [22]

【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)・・・[23]
The following deflection occurs. The following is a description of a prism type optical deflection element using a ferroelectric material having a Kerr effect, which is a secondary electro-optic effect. θ = 1 / · r · n 3 · (V / d) 2 · (L / W) [23]

【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PZT光導波路1の光伝搬
損失は17.5dB/cmであり、実用レベルに入る特
性を示した。
First, in order to evaluate the optical waveguide characteristics,
Laser light of 633 nm was introduced into the PZT thin-film optical waveguide 1 of the optical waveguide device according to the present embodiment by the prism coupling, and the scattered light intensity distribution in the TE 0 mode in the light propagation direction was measured by an optical fiber. When the light propagation loss was calculated from the slope of the relationship between the logarithm of the scattered light intensity and the light propagation distance, the light propagation loss of the PZT optical waveguide 1 according to the present embodiment was 17.5 dB / cm, which is a practical level. showed that.

【0048】次に、本実施の形態のプリズム型EO偏向
素子へ633nmの波長のレーザー・ビームを幅1mm
にコリメートした後、PZT薄膜光導波路1へプリズム
5を介して導入した。入射したレーザー・ビーム6は下
部NbドープSrTiO3基板電極とITO上部プリズ
ム電極7の間に電圧を印加することによりプリズム電極
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、レーザー・ビームが偏向された。偏向されたレーザ
ー・ビームは端面から出射ビーム8として射出し、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、20V印加で1.05度の偏向が確認された。
Next, a laser beam having a wavelength of 633 nm is applied to the prism type EO deflecting element of this embodiment with a width of 1 mm.
After that, the light was introduced into the PZT thin-film optical waveguide 1 via the prism 5. The applied laser beam 6 is applied with a voltage between the lower Nb-doped SrTiO 3 substrate electrode and the ITO upper prism electrode 7 to generate different refractive indexes in the lower portion of the prism electrode and in the other portions. Deflected. The deflected laser beam was emitted from the end face as an outgoing beam 8, and the deflection angle was determined from the displacement of the laser spot position on the projection plane.

【0049】一方、偏向速度を測定すると周波数応答は
31.0kHzを示した。本実施の形態のNbドープS
rTiO3基板上へ成長したPZT薄膜光導波路におい
て比誘電率を測定した結果1000であったため、式
[16]よりRC時定数で決まる周波数応答と求めると
32.4kHzと、実測値にほぼ一致した。また、リー
ク電流密度は2×10-7A/cm2であり、式[16]
より求められる基板での電圧降下ΔVは1×10-6Vと
無視できるレベルであった。以上のように、本実施の形
態による光導波路素子は有効に機能した。
On the other hand, when the deflection speed was measured, the frequency response was 31.0 kHz. Nb-doped S of the present embodiment
The relative dielectric constant of the PZT thin-film optical waveguide grown on the rTiO 3 substrate was measured. As a result, it was 1000. Therefore, the frequency response determined by the RC time constant from equation [16] was 32.4 kHz, which was almost the same as the actually measured value. . The leak current density is 2 × 10 −7 A / cm 2 , and the equation [16]
The required voltage drop ΔV at the substrate was 1 × 10 −6 V, which was a negligible level. As described above, the optical waveguide device according to the present embodiment worked effectively.

【0050】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抵抗率が5×10-2Ω
・cm、吸収係数170、屈折率が2.40、厚さが5
00μmのNb0.5%ドープSrTiO3(100)
単結晶導電性の下部電極基板上へ、電気光学係数が50
pm/V、屈折率が2.56、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
た。PZT(52/48)光導波路層は第1の実施の形
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
成長によって作製した。
Next, a first comparative example of this embodiment will be described. In this comparative example, the resistivity is 5 × 10 −2 Ω.
Cm, absorption coefficient 170, refractive index 2.40, thickness 5
00 μm Nb 0.5% doped SrTiO 3 (100)
An electro-optic coefficient of 50 is formed on a single crystal conductive lower electrode substrate.
An epitaxial PZT (52/48) thin film optical waveguide having a pm / V, a refractive index of 2.56, and a film thickness of 900 nm was grown. The PZT (52/48) optical waveguide layer was produced by solid phase epitaxial growth using a sol-gel method in the same manner as in the first embodiment.

【0051】しかし、第1の実施の形態と同様にしてT
0モードの伝搬損失測定を行った所、減衰が大きく伝
搬損失は求めることができなかった。基板吸収による光
伝搬損失はシュミレーションによると22dB/cmで
あることより、PZT薄膜光導波路の散乱による伝搬損
失を考慮すると、本比較例のPZT薄膜光導波路の伝搬
損失は25dB/cm以上と考えられる。
However, as in the first embodiment, T
E 0 mode propagation loss where measurements were made of, it was not possible to attenuate a large propagation loss is obtained. Since the light propagation loss due to substrate absorption is 22 dB / cm according to the simulation, the propagation loss of the PZT thin film optical waveguide of this comparative example is considered to be 25 dB / cm or more in consideration of the propagation loss due to scattering of the PZT thin film optical waveguide. .

【0052】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抵抗率が1×107Ω
・cm、吸収係数が2、屈折率が2.40、厚さが50
0μmのNb0.0005%ドープSrTiO3(10
0)単結晶導電性の下部電極基板上へ、電気光学係数が
50pm/V、屈折率が2.56、膜厚900nmのエ
ピタキシャルPZT(52/48)薄膜光導波路を成長
させた。PZT(52/48)光導波路層は第1の実施
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
ャル成長によって作製した。PZT薄膜光導波路表面に
は第1の実施の形態と同様にプリズム型電極を形成する
ことによってプリズム型EO偏向素子を作製した。
Next, a second comparative example of this embodiment will be described. In this comparative example, the resistivity is 1 × 10 7 Ω
Cm, absorption coefficient 2, refractive index 2.40, thickness 50
0 μm Nb 0.0005% doped SrTiO 3 (10
0) An epitaxial PZT (52/48) thin film optical waveguide having an electro-optic coefficient of 50 pm / V, a refractive index of 2.56, and a thickness of 900 nm was grown on a single crystal conductive lower electrode substrate. The PZT (52/48) optical waveguide layer was produced by solid phase epitaxial growth using a sol-gel method in the same manner as in the first embodiment. A prism type EO deflecting element was manufactured by forming a prism type electrode on the surface of the PZT thin film optical waveguide in the same manner as in the first embodiment.

【0053】第1の実施の形態と同様にして光伝搬損失
を求めたところ、本比較例のPZT光導波路の光伝搬損
失は4.5dB/cmと、実用レベルに入る特性を示し
た。次に、第1の実施の形態と同様にして本比較例のプ
リズム型EO偏向素子へ633nmの波長のレーザー・
ビームをPZT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
プリズム電極の間に電圧を印加することにより、レーザ
ー・ビームを偏向した。端面から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、20V印加で1.00度の偏向が確認された。しか
し、偏向速度を測定すると周波数応答は0.30Hzに
しか至らなかった。本比較例のNbドープSrTiO3
基板上へ成長したPZT薄膜光導波路の比誘電率は10
00であるため、式[16]よりRC時定数で決まる周
波数応答と求めると0.32Hzと、実測値にほぼ一致
した。また、リーク電流密度は1×10-7A/cm2
あり、式[16]より求められる基板での電圧降下ΔV
は0.05Vと比較的大きいレベルであった。
When the light propagation loss was determined in the same manner as in the first embodiment, the light propagation loss of the PZT optical waveguide of this comparative example was 4.5 dB / cm, which is a characteristic that is in a practical level. Next, in the same manner as in the first embodiment, a laser beam having a wavelength of 633 nm is applied to the prism type EO deflecting element of this comparative example.
The laser beam was deflected by introducing the beam through a prism into a PZT thin film optical waveguide and applying a voltage between the lower Nb-doped SrTiO 3 substrate electrode and the ITO upper prism electrode. When the deflection angle was determined from the displacement of the laser spot position on the projection plane emitted from the end face, deflection of 1.00 degree was confirmed when 20 V was applied. However, when the deflection speed was measured, the frequency response reached only 0.30 Hz. Nb-doped SrTiO 3 of this comparative example
The relative permittivity of the PZT thin film optical waveguide grown on the substrate is 10
Since it is 00, the frequency response determined by the RC time constant from Equation [16] is 0.32 Hz, which is almost the same as the actually measured value. Further, the leak current density is 1 × 10 −7 A / cm 2 , and the voltage drop ΔV on the substrate obtained from Expression [16]
Was a relatively large level of 0.05 V.

【0054】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。本実施の形態においては
抵抗率が5×104Ω・cm、吸収係数が5、屈折率が
2.40、厚さが50μmのNb0.005%ドープS
rTiO3(100)単結晶導電性の下部電極基板上
へ、屈折率が2.49、膜厚1500nmのエピタキシ
ャルPZT(52/48)薄膜光導波路を成長させた。
PZT光導波路層は第1の実施の形態とほぼ同様にして
ゾルゲル法を用いた固相エピタキシャル成長によって作
製した。PZT薄膜光導波路表面には第1の実施の形態
と同様にプリズム型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。
Next, an optical waveguide device according to a second embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, 0.005% Nb-doped S having a resistivity of 5 × 10 4 Ω · cm, an absorption coefficient of 5, a refractive index of 2.40 and a thickness of 50 μm.
An epitaxial PZT (52/48) thin film optical waveguide having a refractive index of 2.49 and a film thickness of 1500 nm was grown on an rTiO 3 (100) single crystal conductive lower electrode substrate.
The PZT optical waveguide layer was formed by solid phase epitaxial growth using a sol-gel method in substantially the same manner as in the first embodiment. A prism type EO deflecting element was manufactured by forming a prism type electrode on the surface of the PZT thin film optical waveguide in the same manner as in the first embodiment.

【0055】本実施の形態のPZT薄膜光導波路の光伝
搬損失を求めたところ6.1dB/cmと、実用レベル
に入る特性を示した。第1の実施の形態と同様にしてレ
ーザー・ビームの偏向の周波数応答を測定すると1.1
kHzを示した。本実施の形態のNbドープSrTiO
3基板上へ成長したPZT薄膜光導波路の比誘電率は1
000であるため、式[16]よりRC時定数で決まる
周波数応答と求めると1.1kHzと、実測値に一致し
た。また、リーク電流密度は8×10-8A/cm2であ
り、式[16]より求められる基板での電圧降下ΔVは
2×10-5Vと無視できるレベルであった。
When the light propagation loss of the PZT thin film optical waveguide of the present embodiment was determined, it was 6.1 dB / cm, which is a characteristic which is in a practical level. When the frequency response of the deflection of the laser beam is measured in the same manner as in the first embodiment, 1.1 is obtained.
kHz. Nb-doped SrTiO of the present embodiment
3 The relative permittivity of the PZT thin film optical waveguide grown on the substrate is 1
Since it is 000, the frequency response determined by the RC time constant from equation [16] is 1.1 kHz, which is in agreement with the actually measured value. Further, the leak current density was 8 × 10 −8 A / cm 2 , and the voltage drop ΔV at the substrate obtained from the equation [16] was 2 × 10 −5 V, which was a negligible level.

【0056】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
抵抗率が1×103Ω・cm、吸収係数が30、屈折率
が2.40、厚さが500μmのNb0.01%ドープ
SrTiO3(100)単結晶導電性の下部電極基板上
へ、屈折率が2.49、膜厚600nmのエピタキシャ
ルPLZT(9/65/35)薄膜光導波路を成長させ
た。PLZT光導波路層は第1の実施の形態とほぼ同様
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
って作製した。結晶学的関係は単一配向のPLZT(1
00)//Nb−SrTiO3(100)、面内方位P
LZT[001]//Nb−SrTiO3[001]の
構造が得られた。PLZT薄膜光導波路表面には第1の
実施の形態と同様にプリズム型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。
Next, an optical waveguide device according to a third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, a lower portion of a single crystal Nb 0.01% doped SrTiO 3 (100) single crystal having a resistivity of 1 × 10 3 Ω · cm, an absorption coefficient of 30, a refractive index of 2.40, and a thickness of 500 μm. An epitaxial PLZT (9/65/35) thin film optical waveguide having a refractive index of 2.49 and a thickness of 600 nm was grown on the electrode substrate. The PLZT optical waveguide layer was produced by solid phase epitaxial growth using a sol-gel method in substantially the same manner as in the first embodiment. The crystallographic relationship is that of a single orientation PLZT (1
00) // Nb-SrTiO 3 (100), in-plane orientation P
Structure of LZT [001] // Nb-SrTiO 3 [001] was obtained. A prism type EO deflection element was manufactured by forming a prism type electrode on the surface of the PLZT thin film optical waveguide in the same manner as in the first embodiment.

【0057】本実施の形態のPLZT薄膜光導波路の光
伝搬損失は16.8dB/cmと、実用レベルに入る特
性を示した。また、レーザー・ビームの偏向速度を測定
すると、周波数応答は1.4kHzを示した。本実施の
形態のNbドープSrTiO3基板上へ成長したPZT
薄膜光導波路の比誘電率は1500であるため、式[1
6]よりRC時定数で決まる周波数応答と求めると1.
4kHzと、実測値に一致した。また、リーク電流密度
は9×10-7A/cm2であり、式[16]より求めら
れる基板での電圧降下ΔVは4.5×10-5Vと無視で
きるレベルであった。
The PLZT thin-film optical waveguide according to the present embodiment has a light propagation loss of 16.8 dB / cm, which is a characteristic which is on a practical level. Also, when the deflection speed of the laser beam was measured, the frequency response showed 1.4 kHz. PZT grown on Nb-doped SrTiO 3 substrate of the present embodiment
Since the relative permittivity of the thin film optical waveguide is 1500, the expression [1]
6], the frequency response determined by the RC time constant is obtained.
4 kHz, which was in agreement with the actually measured value. Further, the leak current density was 9 × 10 −7 A / cm 2 , and the voltage drop ΔV at the substrate determined from the equation [16] was 4.5 × 10 −5 V, which was a negligible level.

【0058】次に、本発明の第4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
抵抗率が1×104Ω・cm、吸収係数が16、屈折率
が2.40、厚さが50μmのLa0.1%ドープSr
TiO3(100)単結晶導電性の下部電極基板上へ、
屈折率が2.49、膜厚1000nmのエピタキシャル
PZT(85/15)薄膜光導波路を成長させた。PZ
T光導波路層は第1の実施の形態とほぼ同様にしてゾル
ゲル法を用いた固相エピタキシャル成長によって作製し
た。結晶学的関係は単一配向のPZT(100)//L
a−SrTiO3(100)、面内方位PZT[00
1]//La−SrTiO3[001]の構造が得られ
た。PZT薄膜光導波路表面には第1の実施の形態と同
様にプリズム型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。
Next, an optical waveguide device according to a fourth embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, La 0.1% doped Sr having a resistivity of 1 × 10 4 Ω · cm, an absorption coefficient of 16, a refractive index of 2.40 and a thickness of 50 μm.
On the lower electrode substrate of TiO 3 (100) single crystal conductive,
An epitaxial PZT (85/15) thin film optical waveguide having a refractive index of 2.49 and a thickness of 1000 nm was grown. PZ
The T optical waveguide layer was formed by solid phase epitaxial growth using a sol-gel method in substantially the same manner as in the first embodiment. The crystallographic relationship is unidirectional PZT (100) // L
a-SrTiO 3 (100), in-plane orientation PZT [00]
1] // La-SrTiO 3 [001] was obtained. A prism type EO deflecting element was manufactured by forming a prism type electrode on the surface of the PZT thin film optical waveguide in the same manner as in the first embodiment.

【0059】本実施の形態のPZT薄膜光導波路の光伝
搬損失は8.4dB/cmと、実用レベルに入る特性を
示した。次に、第1の実施の形態と同様に本実施の形態
のプリズム型EO偏向素子へ633nmの波長のレーザ
ー・ビームをPZT薄膜光導波路へプリズムを介して導
入し、下部LaドープSrTiO3基板電極とITO上
部プリズム電極の間に電圧を印加することにより、レー
ザー・ビームを偏向した所、周波数応答は7.0kHz
を示した。本実施の形態のLaドープSrTiO3基板
上へ成長したPLZT薄膜光導波路の比誘電率は500
であるため、式[16]よりRC時定数で決まる周波数
応答と求めると7.2kHzと、実測値にほぼ一致し
た。また、リーク電流密度は3×10-7A/cm2であ
り、式[16]より求められる基板での電圧降下ΔVは
1.5×10-5Vと無視できるレベルであった。
The light propagation loss of the PZT thin-film optical waveguide of the present embodiment was 8.4 dB / cm, which is a characteristic which is on a practical level. Next, as in the first embodiment, a laser beam having a wavelength of 633 nm is introduced into the PZT thin film optical waveguide through the prism to the prism type EO deflecting element of the present embodiment, and the lower La-doped SrTiO 3 substrate electrode is used. The frequency response was 7.0 kHz where the laser beam was deflected by applying a voltage between the electrode and the ITO upper prism electrode.
showed that. The relative permittivity of the PLZT thin-film optical waveguide grown on the La-doped SrTiO 3 substrate of this embodiment is 500
Therefore, when the frequency response determined by the RC time constant was obtained from Expression [16], it was 7.2 kHz, which was almost consistent with the actually measured value. Further, the leak current density was 3 × 10 −7 A / cm 2 , and the voltage drop ΔV at the substrate obtained from the equation [16] was 1.5 × 10 −5 V, which was a negligible level.

【0060】以上、第1の実施の形態から第4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。
In the first to fourth embodiments, the prism type EO deflecting element has been described. Needless to say, the idea of the present invention is a Bragg reflection type switch, a total reflection type switch, and a directional coupling switch. , Mach-Zehnder interference switch, phase modulation element, mode conversion element, wavelength filter element, etc., can be similarly applied to all optical waveguide elements using the EO effect, and these thin-film optical waveguide elements also have low driving voltage characteristics and low propagation. A structure is provided that can simultaneously solve the loss characteristics.

【0061】[0061]

【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。
As described above, according to the present invention, a thin-film optical waveguide device having an electro-optical effect capable of simultaneously solving low drive voltage characteristics and low propagation loss characteristics can be realized. The optical waveguide device of the present invention can be used for all optical waveguide devices utilizing the electro-optic effect, including various deflection elements, switching elements, and modulation elements.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の光導波路素子の原理を説明するための
図である。
FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of an optical waveguide device according to the present invention.

【図2】本発明の光導波路素子における電磁界分布を示
す図である。
FIG. 2 is a diagram showing an electromagnetic field distribution in the optical waveguide device of the present invention.

【図3】本発明の光導波路素子における電界分布を示す
図である。
FIG. 3 is a diagram showing an electric field distribution in the optical waveguide device of the present invention.

【図4】波長633nmにおける各種吸収係数のSrT
iO3基板上(屈折率=2.40)のPZT光導波路
(屈折率=2.56)の伝搬損失と膜厚の関係を示す図
である。
FIG. 4 shows SrT of various absorption coefficients at a wavelength of 633 nm.
iO 3 is a diagram showing the relationship between transmission loss and film thickness of the PZT optical waveguide (refractive index = 2.56) on a substrate (refractive index = 2.40).

【図5】波長633nmにおけるSrTiO3基板上
(屈折率=2.40)のPLZT光導波路の屈折率とカ
ットオフ膜厚の関係を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the refractive index and the cut-off film thickness of a PLZT optical waveguide on a SrTiO 3 substrate (refractive index = 2.40) at a wavelength of 633 nm.

【図6】波長633nmにおける各種吸収係数のSrT
iO3基板上(屈折率=2.40)の膜厚300nmの
PLZT光導波路の屈折率と伝搬損失の関係を示す図で
ある。
FIG. 6 shows SrT of various absorption coefficients at a wavelength of 633 nm.
iO 3 is a diagram showing the relationship between refractive index and propagation loss of the PLZT optical waveguide having a thickness of 300nm on the substrate (refractive index = 2.40).

【図7】波長633nmにおける各種吸収係数のSrT
iO3基板上(屈折率=2.40)の膜厚600nmの
PLZT光導波路の屈折率と伝搬損失の関係を示す図で
ある。
FIG. 7 shows SrT of various absorption coefficients at a wavelength of 633 nm.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the refractive index and the propagation loss of a 600 nm-thick PLZT optical waveguide on an iO 3 substrate (refractive index = 2.40).

【図8】波長1310nmにおけるSrTiO3基板上
(屈折率=2.40)のPLZT光導波路の屈折率とカ
ットオフ膜厚の関係を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the refractive index and the cut-off film thickness of a PLZT optical waveguide on a SrTiO 3 substrate (refractive index = 2.40) at a wavelength of 1310 nm.

【図9】波長1310nmにおける各種吸収係数のSr
TiO3基板上(屈折率=2.40)の膜厚600nm
のPLZT光導波路の屈折率と伝搬損失の関係を示す図
である。
FIG. 9 shows Sr of various absorption coefficients at a wavelength of 1310 nm.
600 nm thickness on TiO 3 substrate (refractive index = 2.40)
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a refractive index and a propagation loss of the PLZT optical waveguide of FIG.

【図10】基板の抵抗率とRC時定数による駆動周波数
の関係を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a relationship between a substrate frequency and a driving frequency based on an RC time constant.

【図11】基板の抵抗率と電圧降下の関係を示す図であ
る。
FIG. 11 is a diagram showing a relationship between a substrate resistivity and a voltage drop.

【図12】本発明の第1の実施の形態による光導波路素
子のEOプリズム型偏向素子の上面図である。
FIG. 12 is a top view of the EO prism type deflection element of the optical waveguide device according to the first embodiment of the present invention.

【図13】本発明の第1の実施の形態による光導波路素
子のEOプリズム型偏向素子の側面図である。
FIG. 13 is a side view of the EO prism type deflection element of the optical waveguide device according to the first embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 薄膜光導波路 2 導電性基板 3 空気またはクラッド層 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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thin-film optical waveguide 2 Conductive substrate 3 Air or cladding layer 5 Incident prism 6 Incident beam 7 Prism electrode 8 Outgoing beam 9 Laser light source 10 Lens

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長ケ部 英資 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 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Nagagabe Eiji 430 Nakai-cho, Nakai-cho, Ashigara-kami, Kanagawa Prefecture Inside Fuji Xerox Co., Ltd. (72) Inventor Hiroro Moriyama 430 Sakai, Nakai-cho, Ashigara-gun, Kanagawa Green Tech-Nakai Fuji Xerox Corporation

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】不純物元素が0.001重量%から0.1
重量%ドープされた下部電極となるSrTiO3単結晶
半導体基板と、 前記単結晶半導体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光導波路と、 前記光導波路上に形成された導電性薄膜または半導電性
薄膜の上部電極とを備えたことを特徴とする光導波路素
子。
(1) an impurity element containing from 0.001% by weight to 0.1% by weight;
A SrTiO 3 single crystal semiconductor substrate serving as a lower electrode doped with weight%, an epitaxial or mono-oriented ferroelectric thin film optical waveguide formed on the surface of the single crystal semiconductor substrate, and formed on the optical waveguide An optical waveguide device comprising: a conductive thin film or a semiconductive thin film upper electrode.
【請求項2】請求項1記載の光導波路素子において、 前記単結晶半導体基板は、表面に不純物元素を0.00
1重量%から0.1重量%ドープしたエピタキシャルま
たは単一配向性のSrTiO3半導体薄膜を有すること
を特徴とする光導波路素子。
2. The optical waveguide device according to claim 1, wherein the single-crystal semiconductor substrate has a surface on which an impurity element is doped with 0.001 impurity element.
An optical waveguide device having an epitaxial or unidirectionally oriented SrTiO 3 semiconductor thin film doped with 1 wt% to 0.1 wt%.
【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、 前記不純物元素は、III族またはV族の元素であるこ
とを特徴とする光導波路素子。
3. The optical waveguide device according to claim 1, wherein said impurity element is a group III or V group element.
【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、 前記不純物元素がNbであることを特徴とする光導波路
素子。
4. The optical waveguide device according to claim 1, wherein said impurity element is Nb.
【請求項5】請求項1または2に記載の光導波路素子に
おいて、 前記不純物元素がLaであることを特徴とする光導波路
素子。
5. The optical waveguide device according to claim 1, wherein said impurity element is La.
【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、 前記単結晶半導体基板の抵抗率は、106Ω・cm以下
であることを特徴とする光導波路素子。
6. The optical waveguide device according to claim 1, wherein the single-crystal semiconductor substrate has a resistivity of 10 6 Ω · cm or less.
【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、 前記単結晶半導体基板の光吸収係数は、100以下であ
ることを特徴とする光導波路素子。
7. The optical waveguide device according to claim 1, wherein a light absorption coefficient of said single crystal semiconductor substrate is 100 or less.
【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、 前記強誘電体薄膜光導波路は、Pb1-xLax(Zry
1-y1-x/43(0<x<0.3、0<y<1.0)
であることを特徴とする光導波路素子。
8. An optical waveguide device according to any one of claims 1 to 7, wherein the ferroelectric thin film optical waveguide, Pb 1-x La x ( Zr y T
i 1-y ) 1-x / 4 O 3 (0 <x <0.3, 0 <y <1.0)
An optical waveguide device, characterized in that:
【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、 前記上部電極は、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。
9. The optical waveguide device according to claim 1, wherein said upper electrode is an oxide having a refractive index smaller than that of said optical waveguide.
【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。
10. The optical waveguide device according to claim 1, wherein a voltage is applied between said upper electrode and said lower electrode to modulate a light beam incident on said optical waveguide. An optical waveguide device characterized by switching or deflecting.
JP2028798A 1998-01-16 1998-01-16 Optical waveguide element Pending JPH11202271A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2028798A JPH11202271A (en) 1998-01-16 1998-01-16 Optical waveguide element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2028798A JPH11202271A (en) 1998-01-16 1998-01-16 Optical waveguide element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH11202271A true JPH11202271A (en) 1999-07-30

Family

ID=12022965

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2028798A Pending JPH11202271A (en) 1998-01-16 1998-01-16 Optical waveguide element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH11202271A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006137408A1 (en) * 2005-06-20 2006-12-28 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Electro-optical element

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006137408A1 (en) * 2005-06-20 2006-12-28 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Electro-optical element
JPWO2006137408A1 (en) * 2005-06-20 2009-01-22 日本電信電話株式会社 Electro-optic element
US7764302B2 (en) 2005-06-20 2010-07-27 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Electrooptic device
JP4751389B2 (en) * 2005-06-20 2011-08-17 日本電信電話株式会社 Beam deflector
US8648893B2 (en) 2005-06-20 2014-02-11 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Electrooptic device
US8654167B2 (en) 2005-06-20 2014-02-18 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Electrooptic device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6078717A (en) Opical waveguide device
US6385355B1 (en) Optical deflection element
JP3144270B2 (en) Light deflection element
JP4204108B2 (en) Optical waveguide device and manufacturing method thereof
US8054669B2 (en) Non-volatile programmable optical element employing F-centers
JP2000305117A (en) Optical device, method for driving optical device and production of optical device
Nashimoto et al. Fabrication of electro-optic Pb (Zr, Ti) O 3 heterostructure waveguides on Nb-doped SrTiO 3 by solid-phase epitaxy
US20050162595A1 (en) Optical deflection element and method of producing the same
US20070077015A1 (en) Optical device having photonic crystal structure
JP4663578B2 (en) Electro-optic element and manufacturing method thereof
Hu et al. La-doped PMN-PT transparent ceramics with ultra-high electro-optic effect and its application in optical devices.
Posadas et al. Electro-optic barium titanate modulators on silicon photonics platform
Bing et al. Optical properties of relaxor ferroelectric crystal: Pb (Zn1/3Nb2/3) O3-4.5% PbTiO3
JP2000056344A (en) Optical waveguide element and production of the same
JPH11202271A (en) Optical waveguide element
US20220326555A1 (en) Optical device
JP2000056343A (en) Optical waveguide element and its manufacture
JP2001296566A (en) Light deflection element
JP2000047271A (en) Optical wave guide element and its preparation
JPH11119265A (en) Optical waveguide element
JP2000330143A (en) Light deflecting element
JP4412796B2 (en) Manufacturing method of optical waveguide element
JP2000047272A (en) Optical wave guide element and its preparation
Maqueira-Albo et al. Integration of non-volatile ferroelectric actuators in silicon photonics circuits
JPH10186419A (en) Optical deflection element and image forming device using the same