JPH11305056A - 光導波路デバイス及びその製造方法 - Google Patents

光導波路デバイス及びその製造方法

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JPH11305056A
JPH11305056A JP10980398A JP10980398A JPH11305056A JP H11305056 A JPH11305056 A JP H11305056A JP 10980398 A JP10980398 A JP 10980398A JP 10980398 A JP10980398 A JP 10980398A JP H11305056 A JPH11305056 A JP H11305056A
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JP
Japan
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optical waveguide
layer
waveguide layer
substrate
waveguide device
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JP10980398A
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English (en)
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Shunichi Hayamizu
俊一 速水
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Minolta Co Ltd
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Minolta Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 結晶性、配向性の良好な光導波層を得ること
ができ、かつ、光導波損失や表面弾性波の伝搬損失の小
さい光導波路デバイス及びその製造方法を得る。 【解決手段】 ガラス基板10上にZnOをレーザアブ
レーション法によって成膜して光導波層20を形成し、
この光導波層20の表面を機械的研摩又はエッチングで
平坦化した光導波路デバイス。光導波層20はレーザア
ブレーション法で第1層を成膜し、その上にスパッタ法
で第2層を成膜したものであってもよい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路デバイス
及びその製造方法、特にAOD(音響光学素子)を用い
た非機械式走査光学系として利用される光導波路デバイ
ス及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、光導波路デバイスは、基板上あ
るいは基板に形成した低屈折率層(光学バッファ層)上
に高屈折率の光導波層を設け、光導波層の表面は空気
(低屈折率層)とし、半導体レーザから放射されたレー
ザビームを光導波層に入力して導波させ、光導波層から
出力させる。このとき、IDT(inter−digital−tran
sducer)から光導波層に表面弾性波を発生させ、レーザ
ビームを偏向させる。
【0003】従来、光導波層はZnOを成膜したものが
用いられており、光導波路デバイスの諸特性には圧電体
であるZnO膜の品質が大きな影響を及ぼしている。即
ち、ZnO膜の結晶状態、結晶方位の配向状態、膜の電
気的抵抗や表面状態により、圧電特性、光導波特性、弾
性表面波の発振、伝搬特性が異なってくる。ZnO膜は
従来マグネトロンスパッタ法で成膜されているが、光偏
向素子としての十分な特性を得ることができていない。
【0004】一方、本発明者らは、最近、レーザアブレ
ーション法によるZnO膜の作製を試み、スパッタ法よ
りも膜の結晶性、配向性が優れたZnO膜を得られるこ
とが判明した。さらに、レーザアブレーション法で成膜
した第1層の上にスパッタ法で第2層を成膜する二段階
成膜法によってもスパッタ法単独での成膜よりも結晶
性、配向性が優れたZnO膜が得られることが判明し
た。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、図6に示す
ように、ZnO膜1の結晶2は六角の柱状構造を有する
結晶粒となって成長することが知られている。前記レー
ザアブレーション法や二段階成膜法によってZnO膜を
成膜すると、結晶性が良好であることに起因して、図6
(B)に示すように、結晶粒径が大きくなり、表面の凹
凸が大きくなるという問題点を生じてきた。例えば、Z
nO膜中の導波光は、表面や界面での散乱によって損失
を生じ、表面の凹凸が大きくなると、光導波損失が大き
くなってしまう。また、表面弾性波も表面の凹凸により
伝搬損失が大きくなってしまう。
【0006】ちなみに、スパッタ法単独で成膜したZn
O膜1は、図6(A)に示すように、結晶2の粒径が小
さく、表面の凹凸が小さいのであるが、配向性に問題点
を有している。
【0007】そこで、本発明の目的は、結晶性、配向性
の良好な光導波層を得ることができ、かつ、光導波損失
や表面弾性波の伝搬損失の小さい光導波路デバイス及び
その製造方法を提供することにある。
【0008】
【発明の構成、作用及び効果】以上の目的を達成するた
め、本発明に係る光導波路デバイスは、レーザアブレー
ション法によって基板上に光導波層を成膜し、その表面
を平坦化処理するようにした。あるいは、光導波層は第
1層をレーザアブレーション法で成膜し、その上にスパ
ッタ法等の薄膜法で第2層を成膜する二段階成膜法で形
成してもよく、このように形成された光導波層の表面に
対して平坦化処理を行う。
【0009】本発明においては、レーザアブレーション
法によって光導波層を成膜することで結晶性、配向性の
良好な薄膜を得ることができる。さらに、その表面を平
坦化することで表面の凹凸を小さくし、導波光や表面弾
性波の損失を極力抑えることができる。また、レーザア
ブレーション法によって成膜された第1層の上にスパッ
タ法等の薄膜法で第2層を成膜することで、第1層及び
第2層共に結晶性、配向性の良好な光導波層を得ること
ができ、その表面を平坦化することで光導波損失や表面
弾性波の伝搬損失を極力抑えることができる。
【0010】前記光導波層の表面に対する平坦化処理は
研摩剤を使用した機械的研摩法、あるいはイオンによる
エッチング法によって行うことができる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る光導波路デバ
イス及びその製造方法の実施形態について、添付図面を
参照して説明する。
【0012】(光導波路デバイスの構成)本発明に係る
光導波路デバイスは、図1(A)に示すように、ガラス
基板10上に光導波層20を成膜し、さらに光導波層2
0の表面にグレーティング21,22を形成したもので
ある。グレーティング21は光入力手段として機能し、
グレーティング22は光出力手段として機能する。
【0013】さらに、光導波層20上にはIDT25が
形成され、電源26からこのIDT25に印加される電
圧で連続的に周波数が変化する表面弾性波を光導波層2
0に発生させることで、導波光を偏向させる。
【0014】また、光導波路デバイスとしては、図1
(B)に示すように、光入力手段として、グレーティン
グを使用せずに、光導波層20の端面から光ビームを入
射させるものであってもよい。また、図1(C)に示す
ように、光出力手段として、グレーティングを使用せず
に、光導波層20の端面から光ビームを出射するもので
あってもよい。あるいは、プリズムを入力及び/又は出
力の光結合手段として使用してもよい。
【0015】(光導波層の作製、レーザアブレーション
法)本実施形態においては、光導波層20として、ガラ
ス基板10上にレーザアブレーション法によってZnO
膜を成膜した。図2にレーザアブレーション成膜装置の
概略を示す。真空チャンバー30の中央にターゲット3
1を設置し、基板10をターゲット31から45mm離
して対向状態にセットした。ArFエキシマレーザ(波
長λ:193nm)を光源とする光源ユニット35から
レーザビームを放射し、絞り36、走査ミラー37、集
光レンズ38を介してターゲット31へ導き、アブレー
ションを起こさせる。チャンバー30内に8%のO3
含むO2ガスで満たされ、ターゲット31から飛び出し
た粒子が対向する基板10上に堆積し、ZnO膜が成膜
される。
【0016】レーザアブレーション法は基板10への飛
来粒子の運動エネルギーが小さく、スパッタ法に比べて
ダメージがない。さらに、エキシマレーザビームのエネ
ルギーによる励起効果や不純物の混入が少ない利点を有
している。さらに、レーザアブレーション法は、雰囲気
ガス圧条件が独立して選択できる等の特長を有し、超電
導、強誘電体等の高品質な酸化物膜の作製が可能であ
る。
【0017】レーザアブレーション法の成膜条件は以下
のとおりである。 基板温度:350℃ 酸素ガス圧:6×10-4Torr レーザ:ArFエキシマレーザ(波長:193nm) 繰り返し周波数:5Hz
【0018】一方、比較のため、スパッタ法のみによっ
て基板10上にZnO膜を作製した。スパッタ法の成膜
条件は以下のとおりである。 基板:350℃ 全圧:2×10-3Torr Ar/O2:80/20 高周波パワー:2.2W/cm
【0019】レーザアブレーション法で成膜したZnO
膜のX線回折パターンを調べた結果、c軸優先配向を示
す(002)と(004)ピークのみが観察された。Z
nO結晶のc軸の配向性を詳しく調べるために、(00
2)ピークのロッキングカーブ(θスキャン)を測定
し、その半値幅を調べた。図3はレーザアブレーション
法及びスパッタ法で成膜したZnO膜の(002)ピー
クのロッキングカーブの半値幅の膜厚依存性を示す。図
3から明らかなように、レーザアブレーション法で成膜
したZnO膜は成長の初期段階から配向性が良好であ
る。
【0020】なお、光導波層20の材料に関しては、Z
nO以外にも半導体、誘電体、圧電体等の種々の材料を
使用できる。圧電体としてのZnOは材料が安価で圧電
効果の高い品質の良好な結晶が得られる利点を有してい
る。また、基板としては、ガラス以外にサファイア等の
低屈折率の材料を使用することができる。あるいは、シ
リコン基板の表面に光学バッファ層としてのSiO2
を形成したものであってもよい。ガラス基板は安価であ
り、損傷が少なく、ZnOの結晶が容易に成長する利点
を有する。
【0021】(光導波損失)次に、膜膜1.6μmのZ
nO膜の光導波損失を測定した。測定は、図4に示すよ
うに、光導波層(ZnO膜)20の表面にルチル型Ti
2のプリズム28を圧着させ、He−Neレーザを光
導波層20に結合して導波させ、CCDカメラ29で各
ポジションでの散乱光の光量を測定することによって行
った。各ポジションでの実測光量に基づいて光導波損失
を算出した。
【0022】TE0モードでの光導波損失は、レーザア
ブレーション法によるZnO膜では−10dB/cmで
あり、スパッタ法によるZnO膜では−3dB/cmで
あった。単に成膜しただけのZnO膜では、レーザアブ
レーション法によるものがスパッタ法によるものよりも
悪い結果となった。走査型電子顕微鏡によるZnO膜の
表面を観察した結果、レーザアブレーション法によるZ
nO膜では結晶粒径が大きくなっていることから、表面
の凹凸も大きくなり、その結果、導波光の伝搬損失も悪
化したものと考えられる。
【0023】(ZnO膜の研摩、機械的研摩法)そこ
で、レーザアブレーション法で成膜したZnO膜を研摩
治具に取り付け、回転研摩機で約2000オングストロ
ームの研摩を行った。ZrO2を含む研摩剤を用い、ジ
ルコニウム系の研摩シート上で研摩を行った。研摩後に
図4に示した装置で導波光の光量を測定し、光導波損失
を算出したところ、−2dB/cmであった。レーザア
ブレーション法によるZnO膜は研摩することでスパッ
タ法単独で成膜したZnO膜とほぼ同等の表面凹凸にな
り、かつ、光導波損失はより小さくなった。これは、レ
ーザアブレーション法によるZnO膜が本来的に結晶
性、配向性がよいこと、欠陥が少ないこと、表面を平坦
化処理することで凹凸に起因する導波光の散乱が減少し
たからであると考えられる。また、表面弾性波の伝搬損
失についても光導波損失と同様に小さくなる。
【0024】なお、ZnO膜の機械的研摩にはZrO2
以外の種々の研摩剤、例えば、CaO3や酸化鉄を含む
ものを使用できる。このような機械的研摩は、大面積を
短時間で処理することができる。
【0025】(ZnO膜の研摩、イオンエッチング法)
また、平坦化処理としては、真空中でイオンやクラスタ
ーイオンを加速してZnO膜表面に衝突させるエッチン
グ法によって行うこともできる。具体的には、図5に示
すように、真空チャンバー40内で基板10を回転させ
つつイオン銃41からイオンビームAr+を放射して行
う。Arガスはイオン銃41でイオン化、加速され、基
板10上のZnO膜に対して約60°の入射角度で照射
する。
【0026】エッチング条件は以下のとおりであり、A
+は約2000オングストロームである。 加速エネルギー:1kV イオン電流密度:0.85mA/cm2 ガス圧:2×10-4Torr エッチング時間:6分
【0027】エッチング後に図4に示した装置で導波光
の光量を測定し、光導波損失を算出したところ、−2d
B/cmであった。ZnO膜はイオンエッチング処理す
ることでスパッタ法単独で成膜したZnO膜とほぼ同等
の表面凹凸に改善され、光導波損失がより小さくなっ
た。また、表面弾性波の伝搬損失についても光導波損失
と同様に小さくなる。このようなエッチングによる研摩
は成膜後に真空中で処理でき、ZnO膜の表面に傷が付
きにくい利点を有している。
【0028】(二段階成膜法)一方、ZnO膜は二段階
成膜法で形成してもよい。即ち、レーザアブレーション
法によって基板上に第1層を成膜し、さらにその上にス
パッタ法、CVD法、真空蒸着法、イオンプレーティン
グ法等のレーザアブレーション法以外の薄膜法によって
第2層を成膜し、光導波層とする。スパッタ法等の薄膜
法単独では、結晶性、配向性が必ずしも良好とはいえな
い。しかし、レーザアブレーション法によって成膜され
た結晶性、配向性の良好な第1層の上にスパッタ法等の
薄膜法で第2層を成膜すれば、結晶性、配向性の良好な
第2層が得られる。しかし、その表面は凹凸が大きいた
め、平坦化処理を施すことで、光導波損失、表面弾性波
の伝搬損失を改善することができる。
【0029】なお、本発明に係る光導波路デバイス及び
その製造方法は前記実施形態に限定するものではなく、
その要旨の範囲内で種々に変更できることは勿論であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る3種類の光導波路デバイスを示す
斜視図。
【図2】本発明に係る製造方法で使用されるレーザアブ
レーション成膜装置を示す概略構成図。
【図3】ZnO膜の膜厚に対するロッキングカーブの半
値幅を示すグラフ。
【図4】光導波損失の測定方法の説明図。
【図5】イオンエッチング装置を示す概略構成図。
【図6】ZnOの結晶粒径の説明図。
【符号の説明】
10…基板 20…光導波層 21,22…グレーティング 25…IDT

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に光導波層を形成してなる光導波
    路デバイスにおいて、基板上にレーザアブレーション法
    で成膜された光導波層の表面が平坦化処理されているこ
    とを特徴とする光導波路デバイス。
  2. 【請求項2】 基板上に光導波層を形成してなる光導波
    路デバイスにおいて、基板上にレーザアブレーション法
    で成膜された第1層とその上にレーザアブレーション法
    以外の薄膜法で成膜された第2層とで光導波層が形成さ
    れ、この光導波層の表面が平坦化処理されていることを
    特徴とする光導波路デバイス。
  3. 【請求項3】 前記光導波層はZnOからなることを特
    徴とする請求項1又は請求項2記載の光導波路デバイ
    ス。
  4. 【請求項4】 前記光導波層に導波光を偏向させる弾性
    波発生手段を備えたことを特徴とする請求項1、請求項
    2又は請求項3記載の光導波路デバイス。
  5. 【請求項5】 基板上に光導波層を形成してなる光導波
    路デバイスの製造方法において、基板上にレーザアブレ
    ーション法によって光導波層を成膜し、成膜された光導
    波層の表面を平坦化処理することを特徴とする光導波路
    デバイスの製造方法。
  6. 【請求項6】 基板上に光導波層を形成してなる光導波
    路デバイスの製造方法において、基板上にレーザアブレ
    ーション法によって第1層を成膜すると共に、その上に
    レーザアブレーション法以外の薄膜法によって第2層を
    成膜して光導波層を形成し、この光導波層の表面を平坦
    化処理することを特徴とする光導波路デバイスの製造方
    法。
  7. 【請求項7】 前記第2層の薄膜法はスパッタ法、CV
    D法、真空蒸着法又はイオンプレーティング法のいずれ
    かであることを特徴とする請求項6記載の光導波路デバ
    イスの製造方法。
  8. 【請求項8】 前記平坦化処理は研摩剤を使用した機械
    的研摩法であることを特徴とする請求項5又は請求項6
    記載の光導波路デバイスの製造方法。
  9. 【請求項9】 前記平坦化処理はイオンによるエッチン
    グ法であることを特徴とする請求項5又は請求項6記載
    の光導波路デバイスの製造方法。
  10. 【請求項10】 前記光導波層はZnOを材料として成
    膜することを特徴とする請求項5、請求項6、請求項
    7、請求項8又は請求項9記載の光導波路デバイスの製
    造方法。
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