(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
基板上の一部に形成された誘電体膜と、
基板及び誘電体膜上に形成され、光が膜の表面方向に沿って入射される圧電体膜とを備え、
圧電体膜は、軸配向が上記基板により第一方向となる第一領域と、軸配向が上記誘電体膜により第一方向と異なる第二方向となる第二領域とを互いに隣接させて有しており、
上記基板は、ｃ面サファイアからなるものであり、上記誘電体膜は、ＳｉＯ２からなるものであり、上記圧電体膜は、ＺｎＯからなるものであることを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
第一方向と第二方向とは互いに１８０°異なっていることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
第一領域と、第二領域とは、光の進行方向に沿って交互に周期的に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項４】
圧電体膜における光の導波路は、第二高調波を発生するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項５】
圧電体膜の表面が平面状となっていることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項６】
第一領域および第二領域は、光の進行方向に沿って配置されており、
光の進行方向に対する第一領域および第二領域の両側面に、第一領域および第二領域の屈折率よりも屈折率の低いクラッド膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項７】
光が膜の表面方向に沿って入射される圧電体膜を、軸配向が第一方向となる第一領域と、軸配向が第一方向と異なる第二方向となる第二領域とを互いに隣接させて基板上に有する光デバイスの製造方法において、
ｃ面サファイアからなる基板を形成し、
圧電体膜を第二方向に配向させる基板上の一部に、圧電体膜を第一方向に配向させる誘電体膜をＳｉＯ２から形成し、
基板及び誘電体膜上にＺｎＯからなる圧電体膜を形成することを特徴とする光デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射した光を変換、例えば第二高調波に変換して出力できる光デバイス及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体レーザ等の光を短波長化は、光記録再生において、記録密度の高密度が図れることから、種々検討されている。この短波長化の一つとして、第二高調波を発生する光デバイスについて検討されている。
【０００３】
このような光デバイスとして、特公平８−１２３６７号公報には、圧電体層に、光の進行方向に沿って、互いに１８０°分極方向が異なる各分極反転部が周期的に交互に配置されたものが開示されている。
【０００４】
上記光デバイスの製法では、ＬｉＮｂＯ3 からなる圧電体層に、部分的に熱を印加して分極反転させている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の光デバイスでは、部分的な熱処理にコストと時間がかかる上、部分的に熱を正確に印加するのは困難なために不良率が高いという問題を生じている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の光デバイスは、上記課題を解決するために、基板と、基板上の一部に形成された誘電体膜と、基板及び誘電体膜上に形成され、光が膜の表面方向に沿って入射される圧電体膜とを備え、圧電体膜は、軸配向が上記基板により第一方向となる第一領域と、軸配向が上記誘電体膜により第一方向と異なる第二方向となる第二領域とを互いに隣接させて有しており、上記基板は、ｃ面サファイアからなるものであり、上記誘電体膜は、ＳｉＯ２からなるものであり、上記圧電体膜は、ＺｎＯからなるものであることを特徴としている。
【０００７】
上記構成によれば、第二高調波を発生できる、互いに配向方向が異なる第一領域及び第二領域とを互いに隣接させて有する圧電体膜が、誘電体膜の形成によって安定にかつ安価にできる。
【０００８】
上記光デバイスにおいては、誘電体膜は、圧電体膜より屈折率が低いものであることが望ましい。上記光デバイスでは、基板は、圧電体膜より屈折率が低いものであることが好ましい。
【０００９】
上記構成によれば、圧電体膜の屈折率が、誘電体膜及び基板の屈折率の少なくとも一方より大きく設定することで、圧電体膜中を伝搬する光の漏洩を軽減できて、光の損失が抑制されるので、第二高調波への変換効率を向上できる。
【００１０】
上記光デバイスにおいては、第一方向と第二方向との軸は互いに１８０°異なっていることが望ましい。上記光デバイスにおいては、第一領域と、第二領域とは、光の進行方向に沿って交互に周期的に配置されていることが望ましい。上記構成によれば、上記配置により、第二高調波への変換効率を向上できる。
【００１１】
上記光デバイスでは、圧電体膜における光の導波路は、第二高調波を発生するようになっていることが好ましい。
【００１２】
上記光デバイスでは、圧電体膜の表面が平面状となっていることが望ましい。
【００１３】
上記構成によれば、圧電体膜の表面が平面状となっているので、圧電体膜中を伝搬する光の漏洩を軽減できて、光の損失が抑制されるので、第二高調波への変換効率を向上できる。
【００１４】
上記光デバイスにおいては、第一領域および第二領域は、光の進行方向に沿って配置されており、光の進行方向に対する第一領域および第二領域の両側面に、第一領域および第二領域の屈折率よりも屈折率の低いクラッド膜が形成されていることが好ましい。
【００１５】
本発明の光デバイスの製造方法は、前記の課題を解決するために、光が膜の表面方向に沿って入射される圧電体膜を、軸配向が第一方向となる第一領域と、軸配向が第一方向と異なる第二方向となる第二領域とを互いに隣接させて基板上に有する光デバイスの製造方法において、ｃ面サファイアからなる基板を形成し、圧電体膜を第二方向に配向させる基板上の一部に、圧電体膜を第一方向に配向させる誘電体膜をＳｉＯ２から形成し、基板及び誘電体膜上にＺｎＯからなる圧電体膜を形成することを特徴としている。
【００１６】
上記方法によれば、第二高調波を発生できる、互いに配向方向が異なる第一領域及び第二領域とを互いに隣接させて有する圧電体膜が、誘電体膜の形成によって安定にかつ安価にできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図１ないし図５に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００１８】
本発明に係る光デバイスでは、図１に示すように、例えばｃ面サファイアからなる基板１上に、光透過性をそれぞれ備えた、略直方体形状の第一圧電体膜２ａと、略直方体形状の第二圧電体膜２ｂとが光の進行方向に沿って交互に互いに隣接して設けられている。第一圧電体膜２ａ及び第二圧電体膜２ｂは、それらの分極方向（軸配向）が相違するが、それぞれ、ＺｎＯにより成膜されており、導波路（圧電体膜）２を形成している。
【００１９】
第一圧電体膜２ａの分極方向である第一方向と、第二圧電体膜２ｂの分極方向である第二方向とは、互いに反転（つまり１８０°）異なっているのが好ましい。さらに、第一方向および第二方向は、基板１の表面方向に対し、それぞれ垂直であり、かつ、光の進行方向に対して直交しているのが望ましい。よって、第一方向を基板１の表面に対して垂直上向きに設定すると、第二方向は、基板１の表面に対して垂直下向きに設定される。これら第一圧電体膜２ａ及び第二圧電体膜２ｂにより、導波路２に入射した光を第二高調波に変換して出力できる。
【００２０】
また、第一圧電体膜２ａ及び第二圧電体膜２ｂの幅（光の進行方向に沿った長さ）は互いに等しい方が好ましく、これにより、第一圧電体膜２ａ及び第二圧電体膜２ｂは、光の進行方向に沿って、周期的に交互に配置されることになる。
【００２１】
そして、上記光デバイスでは、第二圧電体膜２ｂと基板１との間に挟まって、第二圧電体膜２ｂの軸配向を第二方向に設定するための、ＳｉＯ２からなる誘電体膜３がそれぞれ設けられている。導波路２の屈折率は、基板１及び誘電体膜３の屈折率より大きくなるように設定されていることが好ましい。
【００２２】
これら誘電体膜３、第一圧電体膜２ａ及び第二圧電体膜２ｂは、基板１上に対し、図２に示すように、ＥＣＲスパッタリング装置を用いて成膜されている。以下に、ＥＣＲスパッタリング装置（代表例としてＮＴＴアフティ株式会社製、固体ソースＥＣＲプラズマ成膜装置を例に説明する。）の原理を説明する（詳細については、精密工学会誌ＶｏＬ．６６、ＮＯ．４，２０００  ｐｐ５１１〜５１６「ＥＣＲプラズマを用いた高品質薄膜形成」天沢他に詳しい）。
【００２３】
磁界の中でサイクロトロン運動（回転運動）している電子に対してサイクロトロン周波数と同一のマイクロ波を与えると共鳴が起こる。これが電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）である。ＥＣＲを用いた場合、電子を効率よく加速させることができ、高密度のプラズマの発生が可能になる。
【００２４】
成膜のプロセスは以下のように進行する。プラズマ室１１の周囲の磁気コイル１２からＥＣＲ条件を与える磁界を発生させる。この状態でプラズマ室１１内にガス１３を導入し、マイクロ波１４を印加するとプラズマが発生する。このプラズマがプラズマ流１５として引き出され、基板１に到達する。
【００２５】
この装置の特徴として、プラズマ流１５の周囲に固体ソースをターゲット１７として配置してＲＦ電力１８を例えば１３．５６ＭＨｚにて印加できる機能を備えている。これにより、プラズマ流１５にてスパッタリングされた固体ソースの各種元素を、プラズマ流１５とともに基板１上に成膜することができる。
【００２６】
固体ソースにＳｉを用い、導入ガスにＡｒ＋Ｎ２を用いると基板１上には、ＳｉＮが、Ａｒ＋Ｏ２ではＳｉＯ2 が成膜される。固体ソースにＺｎを用い、Ａｒ＋Ｏ２を用いると基板１上には、ＺｎＯが成膜される。
【００２７】
また、ＲＦスパッタリング法や蒸着法の場合は基板加熱が必要になるが、実施の形態でも示すように、ＥＣＲスパッタリング法を用いた場合、特に基板加熱を必要としない。またＳｉ固体ソースの場合、Ｓｉ単結晶を切り出す形で製造されるため、不純物のほとんど無い固体ソースの製造が可能で、その結果、純度の高い膜が成膜可能である。
【００２８】
次に、本発明に係る光デバイスの製造方法について説明する。まず、ｃ面サファイアの基板１を調製する。ｃ面とは、サファイアの結晶（三方晶系）のｃ軸に直交する表面を備えているものである。そのようなｃ面を有する基板１は、ｃ軸に直交する表面を備えるようにサファイアの結晶を切り出して、あるいは軸配向が設定されている基材上にエピタキシャルにサファイアを結晶成長させて得られる。
【００２９】
この基板１の表面上に、ＥＣＲ法を用いて、図３に示すように、立法晶系のＳｉＯ2 からなる誘電体膜３を、複数、フォトリソグラフィー法により帯状にそれぞれ成膜する（厚さ約０．２μｍ）。各誘電体膜３は、誘電体膜３の幅の間隔にて互いに平行に、かつ、誘電体膜３の幅方向が光の進行方向に沿うように設定されている。
【００３０】
よって、基板１の表面では、各誘電体膜３にて覆われた領域と、互いに隣り合う各誘電体膜３間にて基板１が露出した領域とが交互に光の進行方向に沿って形成されていることになる。
【００３１】
続いて、基板１及び各誘電体膜３上に、ＥＣＲ法を用いて、ＺｎＯ膜５を成膜する。ＥＣＲ法での成膜条件は、マイクロ波パワー４５０Ｗで、その基板１の温度は４００℃〜５５０℃で＋ｃ面を有するＺｎＯ面が基板１上に得られる。なお、基板温度やマイクロ波パワー、ＡｒやＯ２の混合比、流量、基板に対するバイアスを変えること等で−ｃ面を得ることもできる。
【００３２】
このとき、各誘電体膜３上における、ＺｎＯ膜５の成膜表面には、凸面部５ａが形成される。また、ＺｎＯ膜５に対する基板１及び各誘電体膜３の各配向性によって、各誘電体膜３間の基板１上に、前述の第一圧電体膜２ａがそれぞれ形成され、各誘電体膜３上に前述の第二圧電体膜２ｂがそれぞれ形成される。
【００３３】
このようなＺｎＯ膜５を誘電率顕微鏡にて、光の進行方向（誘電体膜３の幅方向）に沿って誘電率を順次測定したところ、図４に示すように、誘電体膜３上のＺｎＯ膜５（第二圧電体膜２ｂ）がマイナス（−）ｃ面であり、基板１上のＺｎＯ膜５（第一圧電体膜２ａ）がプラス（＋）ｃ面であった。図４では、＋面を＋側、−面を−側としてプロットされている。
【００３４】
その後、凸面部５ａを研磨により除去して、ＺｎＯ膜５の表面を平面化して前述の導波路２を形成し、本発明の光デバイスが完成する。
【００３５】
このような光デバイスでは、分極方向が互いに反転した第一圧電体膜２ａと第二圧電体膜２ｂとが精度よく隣接しているので、第一圧電体膜２ａと第二圧電体膜２ｂとからなる導波路２の一方の端面に対し、例えば赤色レーザ光を入射すると導波路２の他方の端面から、第二高調波に効率良く変換された青色レーザ光が出力される。
【００３６】
よって、本発明の光デバイスにおいては、各誘電体膜３を、従来からのフォトリソグラフィー装置を用いて安価に、かつ精度良く作製できるので、第二高調波への変換効率に優れたものが安価に得られる。この結果、本発明の光デバイスは、第二高調波の光学変換素子として好適なものである。
【００３７】
なお、上記光デバイスに対し、図５に示すように、導波路２の光の進行方向に対する両側面に、導波路２の屈折率よりも屈折率の低いクラッド膜６を、ＥＣＲ法により成膜してもよい。これにより、導波路２内を通過する光の損失を低減できて、第二高調波への変換効率を改善できる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の光デバイスは、以上のように、基板と、基板上の一部に形成された誘電体膜と、基板及び誘電体膜上に形成され、光が膜の表面方向に沿って入射される圧電体膜とを備え、圧電体膜は、軸配向が上記基板により第一方向となる第一領域と、軸配向が上記誘電体により第一方向と異なる第二方向となる第二領域とを互いに隣接させて有しており、上記基板は、ｃ面サファイアからなるものであり、上記誘電体膜は、ＳｉＯ２からなるものであり、上記圧電体膜は、ＺｎＯからなるものである構成である。
【００３９】
それゆえ、上記構成では、第二高調波を発生できる、互いに配向方向が異なる第一領域及び第二領域とを互いに隣接させて有する圧電体膜が、誘電体膜の形成によって安定にかつ安価にできるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の光デバイスの斜視図である。
【図２】  上記光デバイスの製造装置の概略構成図である。
【図３】  上記光デバイスの製造の一工程を示す要部説明図である。
【図４】  上記光デバイスの誘電率を光の進行方向に沿って調べた結果を示すグラフである。
【図５】  上記光デバイスの一変形例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１    基板
２    導波路（圧電体膜）
２ａ  第一圧電体膜（第一領域）
２ｂ  第二圧電体膜（第二領域）
３    誘電体膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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