(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御用のレーザ光と、信号用のレーザ光を有し、ＬｉＮｂxＴａ1-xＯ3（０≦ｘ≦１）基板に部分的に形成されたＦｅまたはＣｕが添加されたプロトン交換層に前記制御用のレーザを照射することで、前記信号用のレーザ光の光路が変化する光素子。
【請求項２】
レーザと、レーザの照射パワーにより光路が変化する光素子と、検出系と、光ディスク媒体とを含んだ光ディスク装置。
【請求項３】
光ディスク媒体中に記録層が少なくとも２層以上存在し、レーザのパワーに応じて読み出す層が切り替わる請求項２記載の光ディスク装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コヒ−レント光を利用する光情報処理分野、あるいは光応用計測制御分野に使用する光素子およびその製造方法、さらにそれを用いた光ディスク装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｆｅ（鉄）ドープＬｉＮｂＯ３にＡｒレーザを照射すると光誘起屈折率変化で照射部分の屈折率が変化することが知られている。これによりＡｒレーザを用いたホログラム記録等が行われている。短波長レーザ光であるＡｒレーザの干渉により結晶内部の強度が異なり、屈折率変化の強弱で記録されそのまま数日〜半年程度固定される。
【０００３】
ところで、ＬｉＮｂＯ３系材料は非線形効果、電気光学効果が大きく光機能素子として重要である。図８に従来の光素子として光導波路を基本とした光素子の構成図を示す。図８に示されるようにＬｉＮｂＯ３基板１に光導波路２が形成されている。
【０００４】
このような従来の光素子は燐酸を用いたプロトン交換法により作製される。この素子の製造方法について説明する。まずＬｉＮｂＯ３基板１に通常のフォトプロセスとドライエッチングを用いてＴａを周期状にパターニングする。光導波路用マスクとしてＴａをストライプ状にパターニングを行うことでＴａマスクに幅４μｍ、長さ１２ｍｍのスリットを形成する。このＴａマスクで覆われた基板に２６０℃、１６分間プロトン交換を行い０．５μｍの高屈折率層を形成する。プロトン交換された保護マスクのスリット直下の領域は屈折率が０．１４程度上昇した光導波路２となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなＦｅがドープされたＬｉＮｂＯ３系結晶において、各種光機能素子を作ろうとした場合、以下の問題がある。
【０００６】
１つとして、結晶引き上げ時にＦｅを混入するため、光照射した結晶のすべての部分で屈折率が変化し、所望部分だけに変化を起こすことができない。もう一つの問題として、光を消しても屈折率変化がしばらく残る（数日以上）。そのため光で光路を適宜変化させることは困難である。
【０００７】
そこで本発明は、光路をレーザパワーにより変化させる光素子およびそれを用いた光ディスク装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため光素子に新たな工夫を加えることにより、部分的に変化する層を形成し、応答も高められる。さらに入射光パワーに対する光路を切り替えられるようにしたものである。つまり、本発明は、Ｆｅ（鉄）またはＣｕ（銅）を加えた燐酸中でＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦ｘ≦１）基板を熱処理し、前記ＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦ｘ≦１）基板に高屈折率層を形成するという手段を有するものである。
【０００９】
また、本発明の光素子の製造方法によれば、ＦｅまたはＣｕが添加された酸中でＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦ｘ≦１）基板を熱処理し、前記ＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦ｘ≦１）基板に高屈折率層を形成するものである。
【００１０】
また、本発明の光素子は、ＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦ｘ≦１）基板に、ＦｅまたはＣｕが添加されたプロトン交換による高屈折率層が形成されており、前記高屈折率層にレーザ光を照射することで、前記レーザ光の光路が前記レーザ光パワーに従って変化するという手段を有する。
【００１１】
また、本発明の光素子は、制御用のレーザ光と、信号用のレーザ光を有し、ＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦ｘ≦１）基板に部分的に形成されたＦｅまたはＣｕが添加されたプロトン層に前記制御用のレーザ光を照射することで、前記信号用ののレーザ光の光路が変化するという手段を有するものである。
【００１２】
また、本発明の光ディスク装置は、レーザと、レーザの照射パワーにより光路が変化する光素子と、検出系と、光ディスク媒体とを含んだ構成となる。
【００１３】
本発明の光素子およびその製造方法は、ＬｉＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ３系材料に対し、燐酸等の酸にＦｅまたはＣｕの金属を加えプロトン交換することで、あらかじめ決められた部分にのみ光照射時に屈折率変化を生じさせる。この変化量は大きく、また光遮断後は瞬時に元に戻るので、高速なスイッチングができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の光素子の製造方法の第１の実施例を図１を用いて説明する。１は強誘電体基板であるＬｉＮｂＯ３基板，６はＬｉＮｂＯ３基板１の＋Ｚ面上に形成された保護マスクとなるＴａ膜でＴａの膜厚３０ｎｍである。１３はフォトプロセスおよびエッチングにより保護マスク６上に形成されたスリットである。
【００１５】
上記ＬｉＮｂＯ３基板１は燐酸を主成分とする酸８中に浸されてる。燐酸はオルト燐酸（Ｈ３ＰＯ４）、ピロ燐酸（Ｈ４Ｐ２Ｏ７）の総称であり、ちなみに２１５℃以上の温度では燐酸８はオルト燐酸（ＰＫａ＝２．２）とピロ燐酸（ＰＫａ＝１．７）が混在している。また、この酸８には燐酸（１０００ＣＣ）に加えてＦｅ２０ｇが混入されている。酸８が入れられた石英ビーカ１５は温度コントローラ付のヒータ１６により常にＴｃ＝２５０℃の温度に保たれている。ＬｉＮｂＯ３基板１を４分間熱処理を行い引き出した後流水で洗浄を行う。
【００１６】
このようにして、高屈折率層７が形成され、この高屈折率層７が光導波路となる。この際、燐酸中溶け込んでいたＦｅは、プロトン交換と同時に、ＬｉＮｂＯ３基板１の保護マスク６で保護されていない部分に選択的に入るようになっている。このことは、初めて見いだしたものであり、この方法により選択的にＦｅを基板に簡単に入れることが可能になった。Ｆｅの入った部分は短波長のレーザ光が強く当たると大きく屈折率が低下する。最大１％程度も変化する。またプロトン交換部分に入ることで光照射時のみ屈折率が減少しており、光を切るとすぐに回復する。プロトン交換により変化速度が極めて高くなっている。この点も初めて見いだしたものであり、本発明につながったものである。
【００１７】
酸８での処理によりΔｎ＝０．１４程度の高屈折率層を形成できる。また燐酸は水に可溶なためプロトン交換後の洗浄も容易である。また３００℃以上の高温でさえも燐酸は蒸発が少い上に融点が室温以下であるのでたとえ蒸発しても固化して周囲に付着し作業を防げることもない。
【００１８】
このプロトン交換法を応用したデバイスとして図２に示す光波長変換素子がある。半導体レーザの光を半分の波長に変換するものである。ここでは上述の方法を用いてプロトン交換し、ＬｉＮｂＯ３基板１中にＦｅ添加プロトン交換層を形成した。７はそれによりできた高屈折率層であり、光導波路２中にある。通常は光導波路の屈折率と同じであり、光は何も感じない。基本波Ｐ１が光導波路２内で高調波Ｐ２へと波長変換される。変換されなかった基本波Ｐ１はＦｅが添加されたプロトン交換層である高屈折率層７が周期的に形成されているグレーティング２０に到達する。
【００１９】
ここでＦｅ添加プロトン交換を施された層７では高調波Ｐ２により屈折率が低下する。短波長に対してのみ光誘起屈折率変化が生じるからである。これによりグレーティングを感じ、基本波Ｐ１が放射される。このため基本波Ｐ１は光導波路２を出射口２５まで伝搬できなくなる。これにより半導体レーザに対する基本波Ｐ１の出射面での戻り光低減および高調波Ｐ２に基本波Ｐ１が混ざることを防止できる。ここで高調波は波長が短く屈折率が異なり、グレーティングとのカップリングが行われず、そのまま出射口２５より取り出される。
【００２０】
また、グレーティングを形成しない方法もある。Ｆｅ添加プロトン交換を施された層が出射口２５にあると高調波Ｐ２により屈折率が低下し、基本波Ｐ１がカットオフ条件となり光導波路２を伝搬できなくなる。これにより半導体レーザに対する基本波Ｐ１の出射面での戻り光低減および高調波Ｐ２に基本波が混ざることを防止できる。ここで高調波は波長が短くカットオフ条件から遠いため屈折率が低下してもそのまま出射口２５より取り出される。
【００２１】
このように本発明によれば、Ｆｅ添加プロトン交換層によりレーザ光の光路を簡単に切り替えることができる。本実施例では高調波が発生した時のみ基本波は出射口より出てこず、基本波の波長フィルターとしても利用できる。
【００２２】
次に本発明の光素子の第２の実施例について図３を用いて説明する。第２の実施例では光素子としてフレネルレンズについて説明する。図３はフレネルレンズを示す断面図で、図１におけるＬｉＮｂＯ３基板１上のスリット１３がフレネルレンズとなる円形開口部に変わっている。なお、この実施例ではＸ板を用いている。第１の実施例と同様にＦｅ添加燐酸中でプロトン交換を行って高屈折率層７を形成した。１０ｍＷのＡｒレーザ（波長４８８ｎｍ）を平行ビームで入射光Ｐ０として光素子照射したところ、フレネルレンズが作用し、ビームＰａとして集光されたが、１０Ｗまでレーザ出力を上げると、高屈折率層７のみの屈折率が低下しほとんどＬｉＮｂＯ３基板と同程度になり、レンズ部を感じず、平行光（ビームＰｂ）になった。反応時間は１０ｍｓと高速であった。
【００２３】
なお、同様に通常のレンズ，グレーティングレンズなどの形成にも使用できる。また、２つ以上のレーザ光があるとき、一方が短波長レーザ光であれば、この短波長のレーザが照射した場合は平行光出力となり、長波長は集光されるという、波長選択も行うことができる。
【００２４】
本発明の光素子の第３の実施例について図を用いて説明を行う。図４に本発明の光素子として導波路タイプの方向性結合器の表面図を示す。光はＬｉＴａＯ３基板１ａに形成された光導波路２ａを伝搬する。光導波路２ａの厚みは１．６μｍと薄い。レーザ光として波長４３０ｎｍのブルー光源を用いた。入射光Ｐ０を入射部２４より結合すると光導波路２ａ中を伝搬する。このときすぐ近傍（１０μｍ）に伝搬定数の一致した光導波路２ｂが形成されているため５ｍｍ伝搬後には１００％のパワーが光導波路２ｂに移行し、光導波路２ｂの出射口２５より出射される（ビームＰｂ）。
【００２５】
光導波路２ａにはＦｅ添加のプロトン交換により高屈折率層７が形成されており１ｍＷ以上では屈折率低下が生じる。例えば３ｍＷの光を導波させると１０−４の屈折率低下が生じるため、光導波路２ｂの伝搬定数と不一致になり、パワーは出射口２５まで光導波路２ａを伝搬する（ビームＰａ）。これによりパワーにより光路が切り換えられる。切り換えは５０ｍｓであった。
【００２６】
なお信号用のレーザ光を入れれば光ー光スイッチもできる。また、光導波路に入射するレーザ光が短波長（６９０ｎｍ）以下の時に作用するようにもできる。つまり、波長選択に使用することもできる。
【００２７】
次に第４の実施例として本発明の光素子について図を使って説明する。ここでは光素子としてレーザ光のパワーの違いに対して角度を変化できる素子を取り上げている。図５はＬｉＮｂＯ３基板１に形成された光素子の表面図である。２６０℃、３０分間、Ｆｅを加えたピロ燐酸中でプロトン交換を行いスリット直下に厚み０．８μｍのプロトン交換層を形成した後、アニールを行った。高屈折率層は広がり屈折率が０．０３程度上昇したプリズム状の高屈折率層７となる。全面にはプロトン交換でスラブ状の光導波路が形成されている。
【００２８】
このスラブ状の光導波路の厚みｄは１．８μｍである。また、この素子の長さは９ｍｍである。信号用のレーザ光である信号光Ｐｓとして半導体レーザ光（波長０．８４μｍ）を入射部より導波させた。一方、制御用のレーザ光である制御光Ｐｋとして、波長０．４２μｍの光を入射させた。制御光Ｐｋのパワーを変えることでプリズム部分の屈折率が変化し信号光Ｐｓの光路が変わる。制御光Ｐｋが４０ｍＷの入力で信号光Ｐｓの角度がビームＰａからＰｂへと２度変化した。この変化は連続的であった。
【００２９】
次に第５の実施例として本発明の光素子について図を使って説明する。ここでは光素子としてパワー変化により光路を変化できるバルク状の光素子を取り上げている。図６はＬｉＮｂＯ３基板１により形成された光素子の断面図である。プロトン交換を表面全体に施した基板１と、プロトン交換されていない基板１ｂを隙間なく張り合わせた。プロトン交換して形成した高屈折率層７にはＦｅが混入している。通常光は全反射してビームＰａとなるが、パワーが増加すると屈折率が低下しそのまま基板に抜け出射部より出射され、ビームＰｂとなる。これにより入射光Ｐ０のパワーの大小に応じて光路が切り替えられる。
【００３０】
次に第６の実施例として本発明の光ディスク装置について図を使って説明する。ここでは光素子としてパワーに対する角度を変化できる素子を利用し３焦点光ディスク装置を構成している。この光ディスク装置はレーザと、光学系と、光ディスク媒体と検出系を少なくとも備えている。図７は本実施例の光ディスク装置の光学系の一部である。Ｆｅを加えたピロ燐酸中でプロトン交換を行いレンズ状の高屈折率層７を形成した。このレンズを通過する入射光Ｐ０のパワーが変化するとレンズ状の高屈折率層７で光路が変化される。赤色レーザ（波長６３０ｎｍ）の出力を２、４、６ｍＷと変化させればＰａ、Ｐｂ、Ｐｃと光路が切り替わる。この光を光ディスク媒体に集光したときの焦点位置が変化し、ピット２９を有する記録面３０、３１、３２を持つ３層ディスクのそれぞれのピットを高精度で読みとることができる。これは光ディスク媒体中の各層までの光路が異なることにより発生する収差が補正できるからである。
【００３１】
光素子としてはＬｉＴａＯ３基板にＦｅ混入プロトン交換層を形成しレンズ化たものを試作した。
【００３２】
なお本実施例では３焦点光ディスク装置について説明したが２焦点、４焦点等これに限ることはない。本実施例のようにレーザ光を有効に使用でき、効果的である。特に波長６９０ｎｍ以下のレーザ光に対して有効に作用する。
【００３３】
なお、実施例では燐酸を用いたが他の酸、例えば安息香酸、ステアリン酸、硫酸等これに限ることはない。また、実施例ではＦｅを混入させたがＣｕ（銅）でも同様の効果がある。また実施例ではＬｉＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ３基板をもちいたが両方の中間体であるＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦ｘ≦１）基板を用いることもできる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の光素子形成方法によればＦｅまたはＣｕを添加した酸を用いてプロトン交換を行うことでＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦ｘ≦１）基板に、光照射時の屈折率変化量の大きな高屈折率層を形成できる。
【００３５】
Ｆｅが混入したプロトン交換層は、光照射時の屈折率変化量が大きく、また光遮断時の回復時間が極めて早く、レーザ照射、遮断時に光路が瞬時に切り替わる。また、この方法は光照射時の屈折率変化が大きく、光路の変化量も大きくできる。そのため光機能性に優れたＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦ｘ≦１）基板に各種光素子、光導波路や位相変化量が大きなフレネルレンズが形成でき、これを用いた光ディスク装置等も構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の光素子の製造系の断面図
【図２】本発明の第１の実施例の光波長変換素子の断面図
【図３】本発明の第２の実施例の光素子の断面図
【図４】本発明の第３の実施例の光素子の表面図
【図５】本発明の第４の実施例の光素子の表面図
【図６】本発明の第５の実施例の光素子の断面図
【図７】本発明の第６の実施例の光ディスク装置の構成断面図
【図８】従来の方法により製造された光導波路の斜視図
【符号の説明】
１  ＬｉＮｂＯ３基板
１ａ  ＬｉＴａＯ３基板
２，２ａ，２ｂ  光導波路
３  分極反転層
６  保護マスク
７  高屈折率層
８  酸
１５  石英ビーカ
１６  ヒータ
２０  グレーティング
２４  入射口
２５  出射口
３０，３１，３２  記録面
４０  光ディスク媒体
Ｐ０  入射光
Ｐ１  基本波
Ｐ２  高調波
Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ  ビーム
Ｐｓ  信号光
Ｐｋ  制御光
【図１】
0003555314.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003555314.tif 000006
【図６】
0003555314.tif 000007
【図７】
0003555314.tif 000008
【図８】
0003555314.tif 000009