JPS5824761B2 - ハクマクヒカリドウハロノサクセイホウホウ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、強誘電体薄膜光導波路の作成方法に関するも
のである。

近年、光集積回路（光ＩＣ）の基本素子として薄膜光導
波路の研究がさかんに行なわれるようになっている。

薄膜光導波路用材料としては、有機物、ガラス半導体、
常誘電体及び強誘電体など数多くとり挙げられている。

しかし最近では、寿命、効率など・の実用上の観点から
、より有利な半導体および強誘電体にしぼられてきてい
る。

半導体材料、特にカリウム・ヒ素系化合物は単一基板上
で発振、増幅、変調、偏向、検出等の多機能が行ない得
る可能性が強く、いわゆるモノリシック材料として有望
視されている。

一方、強誘電体材料は、変調、偏向用として従来から、
電気光学効果、音響光学効果を利用したバルク形素子と
して用いられているが、薄膜形素子では、これらの現象
が一層効果的に利用できるため、高効率の微小光変調器
、微小光偏向器用材料として有望視されている。

強誘電体としては、現在、ニオブ酸リチウム（Ｌ １Ｎ
ｂ０３）、タンタル酸リチウム（Ｌ ｉ Ｔ ａ ０３
）及びその混晶が多く用いられている。

薄膜光導波路の作成方法は、基本的に二つある。

第１は、基板の屈折率を何らかの方法で変化させ、高屈
折部分を作成する方法であり、第２は基板上に基板より
屈折率の大きな材料を積み上げる方法である。

強誘電体薄膜光導波路の作成方法では、拡散法および光
又は電界による誘起屈折率変化を用いる方法が第１の方
法に属し、蒸着またはスパッタリングを用いる方法。

ＣＶＤ法、液相エピタキシー成長を用いる方法が第２の
方法に属する。

拡散法による実例としては、■、Ｐ−Ｋａｍｉ ｎｏｗ
らの報告（Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ１７（１９７
３）３２６ ） ＪＸＭ−Ｈａｍｍｅｒらの報告（Ａｐ
ｐｌＰｈｙｓ、Ｌｅｔｔｌｌｌ（１９７４）５４５）等
がある。

誘起屈折率変化を用いる実施例としては、特開昭４８−
７９６５５号等がある。

スパッタリングを用いる実例としては、Ｓ、Ｔ、Ｔａｋ
ａｄａらの報告（Ａｐｐｌｌ、Ｐｈｙｓ、 Ｌｅ ｔ
ｔ、２４／ １９７４）４９０）等がある。

液相エピキタシーを用いる方法としては、Ｓ、Ｍｉｙａ
ｚａｗａの報告（ＡｐｐＩ、。

ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ２３ （１９７３）１９８）、近藤
うノ報告：第３５回応用物理学会学術講演会、１９７４
年秋季２，１５５）等がある。

これらの実例は全てＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ３および
その混晶である。

これら以外の強誘電体材料で薄膜光導波路の作成が試み
られているのは、現在までのところ、ニオブ酸カリウム
（Ｔｏｐｉｃａｌｍｅｅｔｉｎｇ ｏｎ ＩＣ。

１９７４、ＭＢ１２−１）、リン酸水素アンモニウム、
カリウム（Ａｐｐ ｌｌ、 ｐｈｙ ｓ、 Ｌｅ ｔ
ｔ１２１（１９７２）１８３）のみである。

ニオブ酸ストロンチウム・バリウム（ＳＢＮと略称する
）は酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化バリウム（Ｂ
ａＯ）、五酸化ニオブ（Ｎｂ２０３）より形成されるタ
ングステンブロンズ型三元素固溶体である。

ＳＢＮは発見当初より、室温附近にキュリ一点を持つ強
誘電体として知られ、また、線型電気光学定数、無電係
数が既存物質中で最大であり、音響光学性能指数、非線
型電気光学定数もトップクラスであることが報じられて
いる。

しかしながら、その良質大型単結晶の作成は、様々の試
みにもかかわらず、長らく成功していなかった。

われわれは、結晶成長機構の基本からこの問題にとりく
み、先に出願した発明（特願昭４８−８３０４３号特願
昭４８−１０２０５８号）を得るに至った。

この発明により、ＳＢＮの良質大型単結晶を割合容易に
得られるようになった。

そしてこの良質大型単結晶を用いて、ＳＢＮバルク形変
調器を作成した結果、半波長電圧は３０Ｖと十分低く、
従来のＬｉＮｂＯ３系のバルク形変調器の半波長電圧に
比べ１桁以上下がり、その性能の優秀さが確認された（
第２１回応用物理学関係連合講演会、１９７４年春季、
１．５２）。

しかしながら、バルク形素子では、その最大の欠点であ
る回折限界による形状の制限およびそれに基ずく圧電ダ
ンピングにより、半波長電圧を上記した値より下げるこ
とおよび帯域幅を上昇せしめることはできない。

薄膜形素子では、上記したような制限はない。

薄膜光導波路の作成の必須条件は、屈折率の小さい誘電
層に密接して、より屈折率の大きな誘電層を作成するこ
とである。

ＳＢＮ固溶体単結晶の屈折率については三成分系相図内
の５ｒＮｂ２ｏ５ＢａＮｂ２ｏ６偽二成分系、すなわち
５ｒＸＢａｌ−ｘＮｂ２０６の化学式で表わされる組成
のものについてのみ、Ｅ、 Ｌ、Ｖｅｎｔｕｒｉｎｉｌ
らの報告（Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、（Ｃｏｍｍ）４８
（１９６８）３４３ ）がある。

彼らによれば、０．４２５ｍμ〜１．６０ｍμの波長範
囲で、通常光に対する屈折率ｎ。

はほとんど変らず、異常光に対する屈折率ｎｅは、室温
において０．６３２８ ｍ ｐで、Ｘ＝０．２５〜０．
７５に対し、ｎ ｅ−２−２５９６〜２．２９８７と大
きく変化する。

したがって、ある組成のＳＢＮ単結晶基板上に該基板と
組成の異なる、ｎｅの大きなＳＢＮ薄膜単結晶を積み上
げることにより、光導波路として使用できる。

しかしながら、光導波路としてもう１つの重要なことは
、光伝播損失をできるだけ小さくすることである。

このためには基板と薄膜との格子定数の整合を十分とり
、薄膜単結晶中の転位等の格子欠陥を極力少なくするこ
とが必要である。

ＳＢＮの固溶領域内の格子定数の変化の仕方については
、三成分系相図内の５ｒＮｂ２０６−ＢａＮｂ２０６偽
二成分系、すなわち、５ｒｘＢａ１−ｘＮ）２０６の化
学式で表わされる組成のものについて、Ｍ。

Ｈ、Ｆｒａｎｃｏｍｂｅが、ＳＢＮの強誘電性を発見し
た当初報告しているだけである。

（Ａｃｔａ Ｃｒｙｓｔ。１３（１９６０）１３１）。

彼の報告によれば、Ｓ ｒＮｂ２０６−ＢａＮｂ２０６
偽二成分系上では、格子定数ａおよびＣは、はぼ同様な
変化の仕方をするため、基板単結晶の基板面と薄膜単結
晶の基板と接する面との格子定数の整合をとり、かつ、
両者の屈折率を異にする（組成を異にする）ことはでき
ない。

ＳＢＮ固溶体を三成分系として、その性質を調べた報告
としては、Ｊ 、 Ｒ、Ｃａｒｒｕｔｈｅｒｓらの報告
（Ｊ 、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ、 １１７ （１９７
０）１４２６）がある。

しかし、この報告はＳＢＮの固溶領域を定めただけで固
溶領域内の格子定数の変化の仕方および屈折率の変化の
仕方については何らふれていない。

以上述べたごとく、現在までのところ、ＳＢＮ薄膜光導
波路が作成し得るかどうかについては全く不明である。

本発明の目的は、高品質、高性能の薄膜形変調器または
偏向器を作成するためのＳＢＨの薄膜光導波路を作成す
ることである。

われわれは、ＳＢＮの全固溶領域にわたり、組成と格子
定数と屈折率の関係を調べた。

その結果ＳＢＮは室温で、全固溶領域内で実用上正方晶
系として取り扱ってよいこと、Ｓ ｒ Ｏ／ （Ｓ ｒ
ｏ＋Ｂ ａＯ）モル比が大きくなると格子定数はａおよ
びＣともに小さくなり、Ｎｂ２Ｏ６モル比が大きくなる
Ｌａは小さくなるが、Ｃは大きくなること通常光に対す
る屈折率ｎ。

はほとんど変化せず、異常光に対する屈折率ｎ。

は軸車（ｃ／ａ ）とほぼ直線関係を持つことが明らか
となった。

すなわち、第１図のとと＜ＳＢＮの基板単結晶の基板面
を（００１）面とし、ＳＢＮの薄膜単結晶の格子定数ａ
ｆ（ｆはｆｉｌｍを意味する）が基板単結晶の格子定数
ａ５（ｓは５ｕｂｓｔｒａｔｅを意味する）と等しく、
ｃｆが０５よりも小さい。

すなわち、（Ｃｆ／ａｆ ）＜（ｃ５／ａＳ）となるよ
うに、基板組成と薄膜組成の組合せを選定することによ
り、ＳＢＮ薄膜光導波路の作成が可能であり、これ以外
の組成の組合せではＳＢＮ薄膜光導波路の作成は不可能
であることが明らかである。

第１図で５１は基板単結晶を５２は薄膜単結晶を示す。

以下本発明を実施例によって詳しく説明する。

実施例 ｌ ５ｒＯ／（ＳｒＯ＋Ｂａ０）： ２０〜８０モル係、Ｎ
ｂ２Ｏ５；４７〜５２モル係の範囲内の各種組成の焼結
体を作成し、Ｘ線ティフラクトメータを用いて相を同定
するとともに、格子定数を算出し、固溶領域を決定し、
固溶領域内の格子定数のｍａｐｐｉｎｇを行った。

出発材料として、純度９９．９９％炭酸ストロンチウム
（ＳｒｃＯ３）、炭酸バリウム（ＢａＣＯａ）五酸化ニ
オブ（Ｎｂ２０．）を用い、所定の組成に秤量し、３時
間粉砕混合した後、ペレット状に加圧形成した試料を、
昇温１速度３００℃／ｈ、焼成温度１４３０℃、焼成時
間２時間、冷却速度３０℃／ｈで焼成した。

次に該焼結体を粉砕し、ＳＢＮの（５９１）と（５５２
）回折面を用い、シリコンを内部標準物質として、Ｃｕ
Ｋα、Ｘ線を用い、走査速度（１／４）０２θ／ ｍ
Ｉ ｎ ｓスリット１°−０，１５朋−１°、フルスケ
ール４００ｃｐｓｓ時定数２ ｓｅｃ、記録紙速度１０
朋／ｍｉｎ試行回数３回の条件のもとてＸ線ディフラク
トメータにかけ、各回折角を測定した。

その結果全固溶領域内で格子定数ａとｂの差はあるとし
ても非常に小さく実用上正方晶系として扱い得ることが
分った。

また、第２図のごとき固溶領域内の格子定数の変化の仕
方および固溶限界を得た。

第２図から、ＳｒＯ／（ＳｎＯ＋Ｂａｏ）モル比が大き
くなると格子定数ａおよびＣはともに小さくなり、Ｎｂ
２Ｏ５モル比が大きくなるとかａは小さくなるがＣは大
きくなることがわかる。

実施例 ２ 実施例１により得られた焼結体を白金ルツボ中に入れ融
液化し、通常のチョクラルスキー法により融液の約１０
係の重量の単結晶を作成した。

この際、組成的過冷却や、分配係数のゆらぎによって結
晶が不均質になるのを避けるため、融液の温度変動を１
℃以下に抑え、引上速度を２ｍｍ／ｈ。

回転数を６０ｒｐｍｓ引七軸をＣ軸、雰囲気を空気とし
た。

育成終了後、単結晶を液面から切放し装置全体を室温ま
で３０℃／ｈの割合で冷却した。

このようにして得られた単結晶から単結晶片をとり出し
微粉末として実施例１に示したＸ線を用いる方法により
組成分析を行なった。

この分析結果を第１表に示す。

さらに、得られた単結晶から厚さ約１關の（１００）板
を切出し、両面に光学研磨を施しＨｅ−Ｎｅレーザ光と
高屈折率直角プリズムを用いて、全反射法により屈折率
を測定した。

この結果を第１表に示す。

第１表をみるとｎ。

の変化は２．３１２４〜２．３１３０の範囲内であり、
その変化は小さい。

−万〇ｅの変化は、２．２６５０〜２．２９９５の範囲
にわたり変化しており、その変化は大きい。

そして、重要なことは、軸車（ｃ／ａ）とｎｅの関係が
、第３図に示すごとく、はぼ直線関係にあることである
。

実施例 ３ 実施例２の腐１３により得られた単結晶（単結晶組成、
ＳｒＯ／（ＳｒＯ＋Ｂａ０）： ６０．８モル気Ｎｂ２
Ｏ，；４９．９モルチ）から、約８Ｘ８Ｘ２龍の立方体
基板単結晶を切り出し、（００１）面を光学研磨した。

次に実施例１と同様にして、ＳｒＯ／（ＳｒＯ＋ＢａＯ
） ： ６６．３モル係、Ｎｂ２Ｏ５；４７０モル係の
組成の焼結体を作成した。

該焼結体の融点はＳＢＮとＳ ｒ ２ Ｎｂ２０７の共
生関係に基づき約１４５５℃である。

温度分布がほぼ均質なシリコニット電気炉内に白金函を
用意し、その中に前記ＳＢＮ基板単結晶の（００１）光
学研磨面を上面として、水平に置き、該研磨面上に、前
記焼結体を粉砕して微粉末として設置し、さらに白金板
にて白金函にふたをした。

そして１００°Ｃ／ｈの昇温速度で、１４７０℃まで加
熱して、該温度で５時間放置して、微粉末のみを融解さ
せた後、１０℃／ｈの降温速度で８００℃まで、以後室
温まで３０°Ｃ／ｈの降温速度で冷却した。

この操作により、基板上に透明な薄膜部分とやや不透明
な部分が形成された。

そこで、表面を１０μｍはど研磨し、不透明部分を取り
去ったところ、基板上に約５μｍの透明物質が形成され
ていることがわかった。

この透明物質をＸ線ディフラクトメータで測定したとこ
ろ、組成が、ＳｒＯ／（ＳｒＯ＋Ｂａ０）：６６．０モ
ル係Ｎｂ２Ｏ５； ４９．２モル係のＳＢＮ薄膜単結晶
であるこ吉が明らかになった。

基板単結晶の格子定数は第１表に記したごとく、ｃ、＝
３Ｊ３４、ａ、＝１２．４９５である。

薄膜単結晶の格子定数はｃｆ＝３．９２２、 ＝１２
．４６０であり、格子定数ｆ の整合は十分とれている。

さらに、輸率（ｃ／ａ ）は、基板単結晶が０．３１５
８であり薄膜単結晶は０．３１４８である。

第３図を参照すると、薄膜単結晶の屈折率ｎｅは、基板
単結晶のそれより約０．０１６大きく、薄膜導波路とし
て使用可能である。

液体電極を用いて、室温で十分高電圧を基板単結晶下面
、薄膜単結晶光学研磨面間に印加し、ポーリング操作を
施した。

次に、該光学研磨面上に高屈折直角プリズムを密着させ
、これにＣ軸に偏光したＨｅ−Ｎｅレーザ光を２０倍の
対物レンズでしぼり入射した。

入射端面と反対側の端面に、ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄｐａ
ｔｔｅｒｎが観測され、薄膜光導波路として使用できた
。

実施例 ４ 実施例３と全く同様にして、単結晶組成、ＳｒＯ／ （
Ｓ ｒＯ＋ＢａＯ） ： ４３０モル係、Ｎｂ２Ｏ，；
５０．０モル係の単結晶基板上に、焼結体組成（融液組
成）、ＳｒＯ／（ＳｒＯ＋Ｂａ０）ニー６５モル係、Ｎ
ｂ２Ｏ５； ４６．５モル％の焼結体を用い、薄膜組成
： ＳｒＯ／ （ＳｒＯ＋ＢａＯ） ： ５０．５モル
係、Ｎｂ２Ｏ５； ４８．７モル％の薄膜を作成した。

基板単結晶の格子定数は、ｃ５−３．９５８、ａ ｓ
” １２−４７８１であり、単結晶薄膜の格子定数は、
Ｃｆ二３．９２７、ａｆ＝１２．４７４であり、格子定
数の整合がとれている。

また、ｃ、〉ｃｆで明らかに、光導波路として使用可能
である。

実際、実施例３と同様にしてポーリング処置を施し、光
導波路として用いられるかどうか検討した。

その結果、十分間隙なｎｅａｒ−ｆ １ｅｌｄ ｐａｔ
ｔｅｒｎが観測され、光導波路として使用可能であった
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のＳＢＮ薄膜光導路の構成を示す説明
図、第２図は実施例１により得られた、ＳＢＮ固溶領域
内の格子定数の変化の仕方および固溶限界を示す説明図
、第３図は、ＳＢＮ固溶領域内の輸率（ｃ／ａ ）と異
常光に対する屈折率（ｎｅ）の関係を示す特性図である
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ タングステンブロンス型構造を持つニオブ酸ストロ
   ンチウム・バリウムのある組成の基板単結晶上に、該基
   板単結晶と同一型構造を持ち、組成の異なるニオブ酸ス
   トロンチウム・バリウムの薄膜単結晶をエピタキシー成
   長させる薄膜単結晶作成方法において、前記基板単結晶
   の基板面を００１）。 面とし、前記薄膜単結晶の格子定数３１が前記基板単結
   晶の格子定数ａ と等しく、前記薄膜単結晶の格子定数
   Ｃ０が前記基板単結晶の格子定数０５よりも小さくなる
   ようなホ成を薄膜単結晶組成とじそ選定することにより
   薄膜単結晶を作成し薄膜。 単結晶内で光導波を可能ならしめるニオブ酸ストロンチ
   ウム・バリウムの薄膜光導波路の作成方法。