(57)【要約】【課題】小型化に有利でかつ簡便なプロセスで低コストに作製可能であり、さらに、導波路型ではこれまで得られなかったＴＭモード光を優先して取り出すことができる導波路形偏光制御素子及びその製造方法の提供。【解決手段】導波光を伝播する光導波路を構成する基板１の少なくとも一方の面に扁平状の結晶ドメイン６を持つ酸化物半導体層２を隣接して成ることを特徴とする導波路偏光素子及びその製造方法。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波光を伝播する光導波路を構成する基板の少なくとも一方の面に扁平状の結晶ドメインを持つ酸化物半導体層を隣接して成ることを特徴とする導波路偏光素子。
【請求項２】
前記光導波路を構成する基板と前記酸化物半導体層の間には、バッファ層を形成してなることを特徴とする請求項１記載の導波路型偏光素子。
【請求項３】
前記酸化物半導体層が、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）であることを特徴とする請求項１または２記載の導波路型偏光素子。
【請求項４】
前記酸化物半導体層が、ＡＤＩＰ法（アーク・ディスチャージ・イオン・プレーティング法）により形成したインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）であることを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の導波路型偏光素子。
【請求項５】
インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）の厚さが、５００〜２０００Åの大きさであることを特徴とする請求項３または４記載の導波路型偏光素子。
【請求項６】
導波光を伝播する光導波路を構成する基板の少なくとも一方の面に扁平状の結晶ドメインを持つ酸化物半導体層をＡＤＩＰ法によりインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）で形成したことを特徴とする導波路型偏光素子の製造方法。
【請求項７】
ＡＤＩＰ法による成膜時の基板温度を１００〜５００℃で、好ましくは１５０〜２５０℃の範囲に制御することで光偏光性の高いインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）を形成することを特徴する請求項６に記載の導波路型偏光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平面ディスプレー、光通信素子、光記録素子、光センサ、光ＩＣなどの光システム、光デバイスなどに組み込まれて利用される導波路型偏光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光を用いた光学システムが注目されており、この光学システムの研究開発が多分野で盛んに行われている。光学システムを構成するために、光の有用な性質である偏光をうまく制御し利用することが考えられる。偏光とは、光波の電界ベクトルがある一定の規則性をもって振動や回転をしている光を指し、不特定の方向に振動、回転している光（無偏光）から、ある特定方向の振動成分だけを取り出す機能を持った光素子を偏光子と呼び、この偏光子が最も基本的な光素子の一つであり、現在、光通信デバイス、光磁気ディスクのピックアップ部、液晶ディスプレー、光応用計測機など広く利用されている。偏光子はこれまでに多くの種類のものが開発されており、例えば▲１▼複屈折結晶を使った偏光子、▲２▼透明体のブリュースター角を利用した偏光子、▲３▼ダイクロイックフィルム型偏光子、▲４▼積層型偏光子、▲５▼導波路型偏光子、等が知られている。
【０００３】
そして、▲１▼の複屈折結晶を用いたものとしては、グラントムソン、グランテーラー型偏光子に代表されるように、方解石など複屈折率の大きい材料から作られた三角プリズムを二つ合わせた構成をしている。▲２▼は屈折率の異なる媒質に光が入射される際に、ブリュースター角と呼ばれる特定の入射角度においてはＰ偏光成分（入射面に対して水平な偏光成分）の反射がゼロになるという光の特性を利用した偏光子である。▲３▼は二色性（ダイクロイズム）と呼ばれる光の振動方向の違いによって異なる光吸収を持つ物質を、ガラスや高分子フィルムなどに封じ込んだものである。▲４▼は川上氏らによって明らかにされている構成の偏光子である。すなわち１μｍ程度の厚さの透明誘電体（たとえば二酸化ケイ素）と、５〜１０ｎｍ程度の厚さの金属あるいは半導体の薄膜を交互に積層したものを基本的構成とし、実際には積層体を形成した後ダイシングソーなどにより薄板状（たとえば１０μｍ）に切り出し、積層端面を研磨して用いられる（たとえば、特許文献１、非特許文献１参照）。▲５▼の導波路型偏光子は、一方の偏光成分を取り出す仕組みが光導波路に組み込まれた構成をしており、メリットとして平面基板上に集積した光回路と組み合わせることが可能とされる。最近、小型で軽量な光学システムを構成する部品として有望視されている。この種の光導波路偏光子の代表例に金属膜装荷型偏光子がある。この偏光子は一般的に基板および導波層、バッファ層、金属膜層とから構成される。基板上に形成された導波層の表面に、バッファ層を介してアルミニウム等の金属層を成膜により形成し作られる。バッファ層は、導波層に直接金属膜層を装荷すると減衰が大きくなり過ぎる影響をやわらげる目的で設けられているもので、省略しても素子の機能は変わらない。このような構成の光導波路を伝播する光は、導波路内で反射を繰り返す際にバッファ層および金属膜層にも染み出しており、金属膜層内で導波光のＴＭモード（基板に対し垂直な偏光成分）がＴＥモード（基板に対し平行な偏光成分）に比べてより大きな吸収を受けて減衰する現象を利用している。
【０００４】
これらの従来技術には、以下のような問題点があった。
【０００５】
すなわち、複屈折結晶を用いた偏光子は、一般に高い梢光比と透過率が得られるが、薄型・軽量化することが困難であり、方解石など天然の材料を用いるため高価である。
【０００６】
透明体のブリュースター角を利用した偏光子には、たとえば誘電体多層膜を用いた偏光ビームスプリッタが挙げられる。比較的低価格ではあるが、小型化が困難である。
【０００７】
ダイクロイック型偏光子は、高分子フィルムに高分子やヨウ素などの二色性分子を入れたものが一般的である。これは安価で大面積のものが得られるが、熱安定性に劣るという欠点がある。熱に安定性の高い材料を用いた偏光子も開発されているが、切断・研磨など生産に多工程を要するようになるため、製造コストの低減が困難である。
【０００８】
積層型偏光子は、積層体を形成した後ダイシングソーなどにより１０μｍ程度の厚さに切り出し、さらに研磨を行って作製される。消光比が高く、損失も少ない利点を有する反面、薄板状の二酸化ケイ素は非常に脆く、また金属との積層界面で剥離が生じやすい問題がある。したがって偏光子そのものの生産歩留まりが悪い。また、光学素子に装着する際には、数十μｍ以下の微小な間隙に挿入する必要があり、実装段階でも破損しやすい問題がある。
【０００９】
一方、波長以下の周期をもつ透明構造体の伝搬異方性を利用した偏光子が理論的に提案されている（たとえば、非特許文献２参照）。これは、透明母材中に母材と屈折率の異なる透明体の細柱を２次元周期的に配列させたものである。例えば周期が半波長程度という条件を満たす構造であれば、柱に平行な偏波と垂直な偏波に対して、一方は内部を伝搬させ、他方は遮断させることができ、従って偏光子として動作させられる。しかし、実際にはこのような構造を容易に作製する方法は見つかっていない。
【００１０】
金属膜装荷型偏光子は、低損失で、光導波路を使った光集積回路に応用できる特徴を有する。熱安定性や強度も高く、比較的安価に製造できることから、前述した偏光子の問題を解決できるものとして期待されている。しかし、金属膜層内での光減衰はＴＭモード光に限った性質であるため、このタイプの偏光子から取り出せる偏光成分はＴＥモード光に限られる。ＴＭモード光を得るためには、偏光子から出た光を、さらに位相差素子などに作用させることでＴＭモードに変換する必要が生じる。したがってより多くの光回路と光部品、製造工程が必要になり、コストアップを招くことになる。
【００１１】
【特許文献１】
特開昭５５−１１７１０８号公報
【非特許文献１】
川上，Ｌｉｇｈｔ  ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ａｌｏｎｇ  ｐｅｒｉｏｄｉｃ  ｍｅｔａｌ−ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｌａｙｅｒｓ，「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ」，アメリカ合衆国，Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ，１９８３年８月１５日，第２２巻，第１６号，ｐ２４２６−２４２８
【非特許文献２】
浜野哲子、井筒雅之、平山秀樹，「第５８回応用物理学会学術講演会公演予稿集」，２次元フォトニック結晶を用いた偏光子の可能性，（社）応用物理学会，１９９７年１０月，ｐ９９３，発表番号２ａ−Ｗ−７
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の偏光素子にあっては次のような課題があった。すなわち、複屈折結晶を用いた偏光子は小型軽量化が難しく、コストが高い。ダイクロイック型偏光子は熱安定性が低いかまたは製造が多工程であることに課題がある。積層型偏光子は、製造工程が多くコスト高で、素子強度が低いため生産歩留まりにも課題がある。波長以下の周期をもつ透明構造体の伝搬異方性を利用した偏光子は、理論的には提案されているが製造プロセスの確立は未完成である。
【００１３】
一方、導波路型偏光子は比較的低コストで製造が可能で、小型化も容易であることから光導波路を使った光集積回路にも応用が期待されている。このうち金属膜装荷型タイプが前述した偏光子の問題を解決できるものとして期待されているが、ＴＭモード光を透過するような性質の偏光子はこれまでなかったため、応用デバイスや光回路、光システム作製においてはコストアップを招いていた。
【００１４】
本発明の導波路型偏光素子はこのような課題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、小型化に有利でかつ簡便なプロセスで低コストに作製可能であり、さらに、導波路型ではこれまで得られなかったＴＭモード光を優先して取り出すことができる導波路形偏光制御素子を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明は、導波光を伝播する導波層隣接して、膜厚制御された特有な膜構造および結晶構造をもつ酸化物半導体の層を形成して、導波路をつくるようにした。すなわち図５に示すよう、酸化物半導体膜は角形扁平で一つの径が数十〜数百ｎｍセある燐片状結晶ドメイン６を含んだ構造を有し、燐片状結晶ドメインは導波路の面に対して水平になるように堆積した構造で膜形成されている。このような構造をもつ酸化物半導体とその製法には、たとえばＡＤＩＰ法（アーク・ディスチャージ・イオン・プレーティング法）を用いて膜厚１０００Åに成るように成膜したＩＴＯを挙げることができる。このような酸化物半導体の層は、導波層に隣接して形成しても良いし、間にバッファ層と呼ばれる透明誘電体層を介して形成しても良い。
【００１６】
上記手段を講じた結果、次のような作用が生じる。すなわち、導波層の外側にしみ出し、酸化物半導体層に到達した導波光がＴＥモード光をより優先に吸収あるいは透過することにより、ＴＥモード光をより大きく減衰させ、対するＴＭモード光をより多く導波層内に反射させる効果を生じる。この効果は、導波層に隣接して形成した酸化物半導体の特有な膜構造および結晶構造に由来して生じるものである。導波路内部の光が、酸化物半導体層で反射を繰り返して伝播することで、ＴＭモード光に偏った光を導波層出射口から取り出すことができるため、このような導波路を偏光素子として機能させることができる。また、本発明の機能を有するＩＴＯをＬＣＤや有機ＬＥＤなどのフラットパネルディスプレーに応用し、透明電極としての機能を付加することが可能である。
【００１７】
以下に、本発明の技術的構成を集約整理して記述する。
【００１８】
（１）導波光を伝播する光導波路を構成する基板の少なくとも一方の面に扁平状の結晶ドメインを持つ酸化物半導体層を隣接して成ることを特徴とする導波路偏光素子。
【００１９】
（２）前記光導波路を構成する基板と前記酸化物半導体層の間には、バッファ層を形成してなることを特徴とする前記（１）記載の導波路型偏光素子。
【００２０】
（３）前記酸化物半導体層が、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）であることを特徴とする前記（１）または（２）記載の導波路型偏光素子。
【００２１】
（４）前記酸化物半導体層が、ＡＤＩＰ法（アーク・ディスチャージ・イオン・プレーティング法）により形成したインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）であることを特徴とする前記（１）ないし（３）いずれか記載の導波路型偏光素子。
【００２２】
（５）インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）の厚さが、５００〜２０００Åの大きさであることを特徴とする前記（３）または（４）記載の導波路型偏光素子。
【００２３】
（６）導波光を伝播する光導波路を構成する基板の少なくとも一方の面に扁平状の結晶ドメインを持つ酸化物半導体層をＡＤＩＰ法によりインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）で形成したことを特徴とする導波路型偏光素子の製造方法。
【００２４】
（７）ＡＤＩＰ法による成膜時の基板温度を１００〜５００℃で、好ましくは１５０〜２５０℃の範囲に制御することで光偏光性の高いインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）を形成することを特徴する前記（６）に記載の導波路型偏光素子の製造方法。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面と共に説明する。
【００２６】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例に係る薄膜の導波路型偏光素子を示す拡大説明斜視図である。
【００２７】
図面において、符号１は、導波光を伝播する光導波路を構成する基板を構成しており、素材は酸化シリコン（ＳｉＯ２）のｎ＝１．５１で、厚さ１．１ｍｍの大きさの導波層を示す。２は、この導波層１の片面に隣接するように成膜された酸化物半導体層を示し、その素材は、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）のｎ＝１．７，厚さ１０００Åの大きさで形成されている。なお、ＩＴＯの大きさは、ＩＴＯの膜厚が大きくなるとＩＴＯによる吸収の影響が大きくなり、光透過率が低下し、光学素子としてはあまり好ましくないので５００〜２０００Åの大きさが適している。
【００２８】
また、３は入射光のＴＥモード成分、４は入射光のＴＭモード成分、５は、本発明である薄膜状の導波路型偏光素子Ａ１を通過したＴＭモード成分光をそれぞれ示す。
【００２９】
ここで、この実施例に示す導波路型偏光素子Ａ１を形成するための成膜法、すなわち製造法の一例を示す。
【００３０】
上述に示す導波層１に、酸化物半導体層２を成膜する方法として、ＡＤＩＰ法（アーク・ディスチャージ・イオン・プレーティング法）を用いた。そしてその成膜条件は以下の通りである。
【００３１】
▲１▼使用ペレット：ＩＴＯ（ＳｎＯ２＝７．５ｗｔ％）、▲２▼到達圧力：５．５×１０−７Ｔｏｒｒ、▲３▼酸素分圧：７．３×１０−５Ｔｏｒｒ（Ｏ２＝１５ＳＣＣＭ）、▲４▼作業分圧：２．３〜３．０×１０−４Ｔｏｒｒ（Ａｒ＝３５ＳＣＣＭ）、▲５▼Ｐ−ＧＵＮ電流：１６０Ａ、▲６▼Ｐ−ＧＵＮ電圧：７３Ｖ、▲７▼基板温度：２００℃、▲８▼ハース回転速度：３６０°／２０ｈｒ．
【００３２】
このようにして得られた酸化物半導体層２の成膜構造、すなわち、ＳｉＯ２基板である光導波路１の表面のＩＴＯ膜表面２を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）などの装置を用いて観察した処、図５に示す数十〜数百ｎｍの扁平で角状の燐片状結晶ドメイン６が堆積した構造となっていることを確認できた。
【００３３】
つぎに、本実施例で作製した導波路型偏光子Ａ１を用いて偏光測定を実施した。導波路の長さは７．５ｃｍ、光源には青緑色（波長５５５ｎｍ）の光を用いた。その結果、本実施例で作製した導波路型偏光子Ａ１から放射されている光のＴＭモードとＴＥモードの比は１０：１となっていることが分かった。
【００３４】
なお、基板温度は、１００℃以下では、機能発現の条件である扁平な結晶構造が得られないし、また５００℃以上では、成膜基板であるガラスが変形する虞れがあることが分っている。したがって一般には、１００〜５００℃で、好ましくは１５０〜２５０℃である。さらに、室温（無加熱）〜８０℃では、アモルファスであってドメイン構造はない。
【００３５】
（実施例２）
図２は、本発明の第２の実施例を示し、第１の実施例が酸化シリコンで構成される薄層の光導波層の基板１に対し、酸化物半導体のインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）２を片面に形成成膜させたのに対し、この第２の実施例では、基板１の表裏両面に酸化物半導体２を積層させた構成を特徴とするものである。
【００３６】
したがって、基板である光導波層１、酸化物半導体層２の材料の種類、大きさは第１実施例と同一であり、しかも酸化物半導体層の成膜法もＡＤＩＰ法で同一であると共に、条件処理法も全く同一で行ったので、その詳細は、重複を避けるため省略した。
【００３７】
なお、同一の符号は同一の内容、構成を示し、その説明の詳細も省いた。
【００３８】
このようにして得られた上下二層の酸化物半導体層２の成膜構造も、前記第一実施例と同様にＡＦＭやＳＴＭなどの装置を用いて観察した処、図５に示すような数十〜数百ｎｍの扁平で角形の燐片状結晶ドメイン６が堆積した構造となっていた。
【００３９】
本実施例で作製した導波路型偏光子Ａ２を用いて偏光測定を実施した。導波路の長さは７．５ｃｍ、光源には青緑色（波長５５５ｎｍ）の光を用いた。その結果、本実施例で作製した導波路型偏光子Ａ２から放射されている光のＴＭモードとＴＥモードの比は１００：１となっていることが分かった。
【００４０】
なお、前記ＡＤＩＰ法に代え、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ゲルゾル法など考えられるが、扁平なＩＴＯ構造が得られる点でＡＤＩＰ法が優れいる。
【００４１】
以上の本発明に係る実施例と対比するため、つぎに比較例１および２を実施する。
【００４２】
（比較例１）
図３は本発明の第１比較例に係る導波路の構成を示す断面図である。図に示すように導波路は、基板兼導波層である本発明の実施例１および２に示す光導波路に相当する基板１から構成されている。そしてこの基板１は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、ｎ＝１．５１、厚さ１．１ｍｍである。また、３は入射光のＴＥモード成分、４は入射光のＴＭモード成分を示している。
【００４３】
本比較例で作製した酸化物半導体層を有しない光導波路の基板１を用いて偏光測定を実施した。導波路の長さは７．５ｃｍ、光源には青緑色（波長５５５ｎｍ）の光を用いた。その結果、本比較例で作製した導波路型の基板１から放射されている光のＴＭモードとＴＥモードの比は１：１．２となっていることが分かった。この結果から偏光素子としての機能はほとんど無いと考えられる。
【００４４】
（比較例２）
図４は本発明の第２比較例に係る酸化物半導体を装荷した薄膜導波路の構成を示す断面図である。図に示すように薄膜導波路型は、基板兼導波層である本発明の実施例１および２に示す光導波路に相当する基板１と、この基板１の片面に隣接するように成膜された酸化物半導体層２Ｘとから構成されている。これらは後述するような材料で形成されている。また、３は入射光のＴＥモード成分、４は入射光のＴＭモード成分を示している。
【００４５】
ここで、本比較例の薄膜導波路を形成する材料及び成膜法の一例を示す。
基板および導波層：酸化シリコン（ＳｉＯ２）、ｎ＝１．５１、厚さ１．１ｍｍ
酸化物半導体層：インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、厚さ１０００Å
酸化物半導体層の成膜法：ＡＤＩＰ法（アーク・ディスチャージ・イオン・プレーティング法）
酸化物半導体層の成膜条件：▲１▼使用ペレット：ＩＴＯ（ＳｎＯ２＝７．５ｗｔ％）、▲２▼到達圧力：５．５×１０−７Ｔｏｒｒ、▲３▼酸素分圧：７．３×１０−５Ｔｏｒｒ（Ｏ２＝１５ＳＣＣＭ）、▲４▼作業分圧：２．３〜３．０×１０−４Ｔｏｒｒ（Ａｒ＝３５ＳＣＣＭ）、▲５▼Ｐ−ＧＵＮ電流：１６０Ａ、▲６▼Ｐ−ＧＵＮ電圧：７３Ｖ、▲７▼基板温度：８０℃、▲８▼ハース回転速度：３６０°／２０ｈｒ．
酸化物半導体層の構造：このようにして作製したＩＴＯ薄膜導波路のＩＴＯ膜表面をＡＦＭ、ＳＥＭなどの装置を用いて観察すると、結晶ドメイン構造は見られず、平坦で無定形アモルファスの表面構造となっていた。
【００４６】
本比較例で作製した薄膜導波路を用いて偏光測定を実施した。導波路の長さは７．５ｃｍ、光源には青緑色（波長５５５ｎｍ）の光を用いた。その結果、本実施例で作製した薄膜導波路から放射されている光のＴＭモードとＴＥモードの比は１：１．２となっていることが分った。この結果から偏光素子として機能はほとんど無いと考えられる。
【００４７】
なお、本発明は前記各実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
【００４８】
ことに、基板に相当する光導波路１と酸化物半導体層２との間には、既存構造のバッファ層（図示せず）を介在させても全く同様に実施できる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、導波層の外側にしみ出し、酸化物半導体層に到達した導波光がＴＥモード光をより優先に吸収あるいは透過することにより、ＴＥモード光をより大きく減衰させ、対するＴＭモード光をより多く導波層内に反射させる効果を生じると共に、この効果は、導波層に隣接して形成した酸化物半導体の特有な膜構造および結晶構造に由来して生じ、しかも導波路内部の光が、酸化物半導体層で反射を繰り返して伝播することで、ＴＭモード光に偏った光を導波層出射口から取り出すことができるため、このような導波路を偏光素子として機能させることができる。また、本発明の機能を有するＩＴＯを、ＬＣＤや有機ＬＥＤなどのフラットパネルディスプレーに応用し、透明電極としての機能を付加することが可能であるなど、小型化に有利でかつ簡便なプロセスで低コストに作製可能であり、さらに、導波路型ではこれまで得られなかったＴＭモード光を優先して取り出すことができる導波路形偏光制御素子を提供できるなどその効果は頗る大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す導波路型偏光素子の拡大説明斜面図
【図２】本発明の他の実施例を示す導波路型偏光素子の拡大説明斜面図
【図３】比較例１の拡大説明斜面図
【図４】比較例２の拡大説明斜面図
【図５】図１の酸化物半導体層の方形燐片状結晶ドメイン構造を示す顕微鏡拡大斜面図
【符号の説明】
１  導波光を伝播する光導波路を構成する基板（導波層）
２  酸化物半導体層（ＩＴＯ）
３  ＴＥモード成分
４  ＴＭモード成分
５  導波路を通過したＴＭモード光
５Ｘ  導波路を通過した光
６  扁平状で燐片結晶ドメイン
Ａ１，Ａ２  両実施例で得られる導波路型偏光子
【図１】
2004177664.tif 000003
【図２】
2004177664.tif 000004
【図３】
2004177664.tif 000005
【図４】
2004177664.tif 000006
【図５】
2004177664.tif 000007