(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶基板表面に設けられ、レンズ形状に形成されてレンズ部を構成するエピタキシャルまたは単一配向性の第１の強誘電体薄膜と、前記単結晶基板上に形成されて光導波路部を構成し、前記第１の強誘電体薄膜とは異なる材料または組成からなるエピタキシャルまたは単一配向性の第２の強誘電体薄膜とを備え、前記第１の強誘電体薄膜は、前記単結晶基板と前記第２の強誘電体薄膜との間に設けられ、前記レンズ部と前記光導波路部の実効屈折率が異なることを利用して、前記光導波路部に入射した光ビームを制御することを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】
請求項１記載の光導波路素子において、前記第１の強誘電体薄膜および前記第２の強誘電体薄膜は、前記単結晶基板より大きい屈折率を有することを特徴とする光導波路素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光導波路素子において、前記第１の強誘電体薄膜は、前記第２の強誘電体薄膜より大きい屈折率を有することを特徴とする光導波路素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光導波路素子において、前記第１の強誘電体薄膜の膜厚は、前記第２の強誘電体薄膜の膜厚より小さく、かつ前記第１の強誘電体薄膜に光導波するためのカットオフ膜厚より大きいことを特徴とする光導波路素子。
【請求項５】
単結晶基板表面に設けられ、レンズ形状に形成されてレンズ部を構成するエピタキシャルまたは単一配向性の第１の強誘電体薄膜と、前記単結晶基板上に形成されて光導波路部を構成し、前記第１の強誘電体薄膜とは異なる材料または組成からなるエピタキシャルまたは単一配向性の第２の強誘電体薄膜とを備え、前記第２の強誘電体薄膜は、前記単結晶基板と前記第１の強誘電体薄膜との間に設けられ、前記レンズ部と前記光導波路部の実効屈折率が異なることを利用して、前記光導波路部に入射した光ビームを制御することを特徴とする光導波路素子。
【請求項６】
請求項５記載の光導波路素子において、前記第１の強誘電体薄膜および前記第２の強誘電体薄膜は、前記単結晶基板より大きい屈折率を有することを特徴とする光導波路素子。
【請求項７】
請求項５または６記載の光導波路素子において、前記第２の強誘電体薄膜は、前記第１の強誘電体薄膜より大きい屈折率を有することを特徴とする光導波路素子。
【請求項８】
請求項７に記載の光導波路素子において、前記第２の強誘電体薄膜の膜厚は、前記第１の強誘電体薄膜の膜厚より小さく、かつ前記第２の強誘電体薄膜に光導波するためのカットオフ膜厚より大きいことを特徴とする光導波路素子。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光導波路素子において、前記単結晶基板と、前記第１の強誘電体薄膜および前記第２の強誘電体薄膜との間には、前記第１の強誘電体薄膜および前記第２の強誘電体薄膜よりも小さい屈折率を有する酸化物バッファ層が設けられていることを特徴とする光導波路素子。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光導波路素子において、前記光導波路部に入射した光を偏向させる偏向素子をさらに備えていることを特徴とする光導波路素子。
【請求項１１】
単結晶基板表面に強誘電体のアモルファス薄膜を形成し、前記アモルファス薄膜をレンズ形状にパターニングし、前記アモルファス薄膜を固相エピタキシによって、レンズ部となるエピタキシャルまたは単一配向性の第１の強誘電体薄膜とし、前記単結晶基板上に光導波路部となるエピタキシャルまたは単一配向性の第２の強誘電体薄膜を形成することを特徴とする光導波路素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の光導波路素子の製造方法において、前記単結晶基板表面に酸化物バッファ層をエピタキシャル成長させた後、前記酸化物バッファ層上に前記第１の強誘電体薄膜を形成することを特徴とする光導波路素子の製造方法。
【請求項１３】
単結晶基板表面に強誘電体のアモルファス薄膜を形成し、前記アモルファス薄膜にレンズ形状の窓をパターニングし、前記アモルファス薄膜を固相エピタキシによって、光導波路部となるエピタキシャルまたは単一配向性の第２の強誘電体薄膜とし、前記単結晶基板上にレンズ部となるエピタキシャルまたは単一配向性の第１の強誘電体薄膜を形成することを特徴とする光導波路素子の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の光導波路素子の製造方法において、前記単結晶基板表面に酸化物バッファ層をエピタキシャル成長させた後、前記酸化物バッファ層上に前記第２の強誘電体薄膜を形成することを特徴とする光導波路素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強誘電体薄膜光導波路と、この光導波路内に入射されたレーザー・ビームを制御するための薄膜レンズが備えられた光導波路素子に関し、用途としては、レーザー・プリンター、デジタル複写機、ファクシミリ用の光偏向素子、光通信や光コンピューター用の光スイッチおよび光変調素子、光ディスク用のピックアップなどを含む光集積素子全般にわたる。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー光の偏向素子、スイッチ、または変調素子を光導波路に形成し、光集積素子化するためには光導波路に偏向、スイッチング、または変調を行う為の電極を形成するとともに、光導波路に入射したレーザー光をコリメートし、それを偏向、スイッチング、または変調した後、レーザー光を集光するためなどに用いる導波路レンズが重要となる。特にプレーナ導波路を用いた光偏向素子においては導波路レンズは不可欠な要素である。
【０００３】
プレーナ導波路を用いた光偏向素子としては、Ｃ．Ｓ．Ｔｓａｉ  ａｎｄ  Ｐ．Ｌｅ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．６０（１９９２）４３１．（以下、文献（１）という）などに示されるように音響光学効果を利用した光偏向素子があり、光導波路中の光ビームを表面弾性波によってブラッグ回折させるため、表面弾性波を励起するくし形の電極が光導波路表面に設けられ、表面弾性波の周波数をスイープ（掃引）することによって偏向が行われる。また、電気光学効果を用いたプリズム型光偏向素子は、Ｑ．Ｃｈｅｎ，ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈ．ｖｏｌ．１２（１９９４）１４０１．（以下、文献（２）という）などに示されるように光導波路表面にプリズム型電極が設けられ、電圧を印加することによって電極下の光導波路の屈折率を変化させ、光導波路中の光ビームが偏向されるようになっている。
【０００４】
プレーナ導波路材料としては石英などのガラス、ＬｉＮｂＯ３などの酸化物強誘電体、ＰＭＭＡなどのポリマー、またはＧａＡｓ系の化合物半導体が用いられるが、良好な音響光学効果または電気光学効果を有する材料はＬｉＮｂＯ３などの酸化物強誘電体材料であり、これらの効果を利用して実際に作製された素子はほとんどがＬｉＮｂＯ３であり、音響光学効果を利用した光偏向素子、および電気光学効果を利用したプリズム型光偏向素子がそれぞれ上記文献（１）および（２）に示されている。
【０００５】
強誘電体としてはＬｉＮｂＯ３のほかにＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ１−ｘＬａｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）１−ｘ／４Ｏ３（ｘおよびｙの値によりＰＺＴ、ＰＬＴ、ＰＬＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＳｒｘＢａ１−ｘＮｂ２Ｏ６、ＰｂｘＢａ１−ｘＮｂ２Ｏ６、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、Ｐｂ２ＫＮｂ５Ｏ１５、Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５Ｏ１５など多くの材料があり、これらのうち多くの材料はＬｉＮｂＯ３よりも良好な特性を有している。特に、Ｐｂ１−ｘ  Ｌａｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）１−ｘ／４Ｏ３はＬｉＮｂＯ３よりも非常に高い電気光学係数を有する材料として知られ、ＬｉＮｂＯ３単結晶の電気光学係数が３０．９ｐｍ／Ｖであるのに対し、ＰＬＺＴ（８／６５／３５：ｘ＝８％、ｙ＝６５％、１−ｙ＝３５％）セラミックスの電気光学係数は６１２ｐｍ／Ｖが得られている。
【０００６】
ＬｉＮｂＯ３よりも良好な特性を有している強誘電体が多いにもかかわらず実際に作製された素子がほとんどＬｉＮｂＯ３を用いているのは、単結晶成長技術とそのウエハへのＴｉ拡散やプロトン交換による光導波路技術の確立したＬｉＮｂＯ３以外は薄膜のエピタキシャル成長を行わなければならず、従来の気相成長では実用レベルの品質の薄膜光導波路が作製できなかったことと、薄膜光導波路が作製できても導波路レンズを作製する技術がなかったことが大きな理由である。これに対して本発明者らは、実用レベルの品質の薄膜光導波路作製に関して固相エピタキシャル成長技術により実用レベルの品質の薄膜光導波路を作製する方法を発明し、特開平７−７８５０８号公報に開示し、上記の実用レベルの品質の光導波路が作製できなかった問題を解決した。
【０００７】
一方、導波路レンズの方式としてはモード・インデックス、ルネブルグ、ジオデシック、フレネル、グレーティングの５方式に分類でき、文献（西原，春名，栖原：光集積回路，オーム社（１９９３）ｐｐ．２９１〜３０４．）に示されている。
【０００８】
モード・インデックス・レンズは導波路内にステップ状に実効屈折率が異なる領域を形成したレンズであり、実効屈折率差の発生方法としては、（１）レンズ形状の膜厚差を利用する方法、（２）レンズ形状の高屈折率層をかぶせる方法、（３）レンズ形状の高屈折率層を埋めこむ方法、（４）導波路にレンズ形状に他元素を拡散したりイオン交換する方法、（５）導波路の一部をレンズ形状にパターニングして別の材料で平坦に埋め戻す方法などが知られている。このレンズはプレーナ・プロセスが利用できるため量産性に富み、非球面形状も容易に作製できる。
【０００９】
しかし、上記膜厚差を利用する方法（１）、高屈折率層をかぶせる方法（２）、高屈折率層を埋めこむ方法（３）では段差があるために原理的にレンズ境界での散乱、重なり積分値の低下、モード変換によって結合損失が大きくなりやすい。導波路に他元素を拡散したりイオン交換する上記方法（４）、および導波路の一部をパターンニングして別の材料で埋め戻す方法（５）は良好な導波路レンズを作製するのに適している。
【００１０】
しかし、ＬｉＮｂＯ３以外の材料、特にＰｂ１−ｘＬａｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）１−ｘ／４Ｏ３においては他元素を拡散したりイオン交換をする方法はない。また、石英ガラス上に設けられたガラス質であるＳｉＯＮ光導波路などを、エッチング後にリフトオフ法により他の材料で埋め戻す方法が、特開平３−２９１６０４号公報などに示されているが、単結晶状のエピタキシャル強誘電体薄膜光導波路に散乱損失の原因となる表面荒れを与えず、かつ、薄膜光導波路と同種の酸化物である基板にダメージを与えずに選択的にエッチングする方法もない。このため、モード・インデックス・レンズがエピタキシャル強誘電体薄膜光導波路に作製された報告例は見られなかった。
【００１１】
ルネブルグ・レンズは導波路上になだらかに膜厚変化する円形の高屈折率膜を設ける上記方式（２）で、モード・インデックス方式の一種でもある。原理上は無収差レンズが形成可能であるという特長があるが、なだらかに膜厚変化した形状を再現性よく作製するのが難しく、工業的ではない。
【００１２】
ジオデシック・レンズは基板におわん状のくぼみを形成しその上に導波路を設ける方式で、マルチモードの伝搬光に対しても無収差で結像可能な唯一の方式であるが、基板にくぼみを精度および生産性よく機械加工することが困難であり、やはり工業的ではない。
【００１３】
フレネル・レンズおよびグレーティング・レンズはどちらも回折を利用した方式であるが、導波路内にステップ状に実効屈折率が異なる領域を形成する点ではモード・インデックス・レンズと同様である。プレーナ・プロセスで形成できること、光学系がコンパクトであることが特長である。一方、パターンが微細であり現状では量産性に劣る電子線（ＥＢ）リソグラフィで作製する必要があるといった問題がある。また、集束光の他に直進光が生じてクロストークとなること、入射角度や入射波長の変化に対して大きく特性が変化することがある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
これらのように多くの導波路レンズ方式とその作製方法があるが、レンズとしての特性と生産性が良好であり、かつエピタキシャル強誘電体薄膜光導波路に適用可能な導波路レンズ方式とその作製方法がなく、高い特性を有する強誘電体薄膜光導波路に導波路レンズを形成し、高機能な光集積素子を実現することができないという問題があった。
【００１５】
本発明の目的は、高い特性を有するエピタキシャル強誘電体薄膜光導波路に良好な特性を有する導波路レンズを設けた光導波路素子を提供することにある。
また、本発明の目的は、高い特性を有するエピタキシャル強誘電体薄膜光導波路に良好な特性と生産性を有する導波路レンズを設けることができる光導波路素子の製造方法を提供することにある。
さらに、本発明の目的は、各種の偏向素子、スイッチング素子、あるいは変調素子へ利用可能な光導波路素子を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、単結晶基板表面に設けられ、レンズ形状に形成されてレンズ部を構成するエピタキシャルまたは単一配向性の第１の強誘電体薄膜と、単結晶基板上に形成されて光導波路部を構成し、第１の強誘電体薄膜とは異なる材料または組成からなるエピタキシャルまたは単一配向性の第２の強誘電体薄膜とを備え、レンズ部と光導波路部の実効屈折率が異なることを利用して、光導波路部に入射した光ビームを制御することを特徴とする光導波路素子によって達成される。
ここで、単一配向性とは、薄膜のＸ線回折パターンにおいて基板面に平行な特定の結晶面の強度が他の結晶面の強度に対して１％以下である場合を指し、エピタキシャルとは単一配向性の薄膜がさらに基板の面内方向にも単一配向性を有している場合を指す。
【００１７】
また、上記目的は、単結晶基板表面に強誘電体のアモルファス薄膜を形成し、アモルファス薄膜をレンズ形状にパターニングし、アモルファス薄膜を固相エピタキシによって、レンズ部となるエピタキシャルまたは単一配向性の第１の強誘電体薄膜とし、単結晶基板上に光導波路部となるエピタキシャルまたは単一配向性の第２の強誘電体薄膜を形成することを特徴とする光導波路素子の製造方法によって達成される。
【００１８】
さらに、上記目的は、単結晶基板表面に強誘電体のアモルファス薄膜を形成し、アモルファス薄膜にレンズ形状の窓をパターニングし、アモルファス薄膜を固相エピタキシによって、光導波路部となるエピタキシャルまたは単一配向性の第２の強誘電体薄膜とし、単結晶基板上にレンズ部となるエピタキシャルまたは単一配向性の第１の強誘電体薄膜を形成することを特徴とする光導波路素子の製造方法によって達成される。
【００１９】
本発明において、単結晶基板として用いることが可能な材料は、ＳｒＴｉＯ３、ＮｂドープＳｒＴｉＯ３、ＬａドープＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＢａＺｒＯ３、ＬａＡｌＯ３、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３８％−ＺｒＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＡｌドープＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＲｕＯ２、ＢａＰｂＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ、ＳｒＶＯ３、ＬａＮｉＯ３、Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３、ＺｎＧａ２Ｏ４、ＣｄＧａ２Ｏ４、ＣｄＧａ２Ｏ４、Ｍｇ２ＴｉＯ４、ＭｇＴｉ２Ｏ４などの酸化物、Ｓｉ、Ｇｅ、ダイアモンドなどの単体半導体、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＡｌＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＬｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓＳｂなどのＩＩＩ−Ｖ系の化合物半導体、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣａＳｅ、Ｃｄｔｅ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＣｄＳなどのＩＩ−ＶＩ系の化合物半導体などを用いることができるが、酸化物を用いることが上部に配置する酸化物薄膜光導波路の膜質にとって有利なことが多い。
【００２０】
前記第１および第２の強誘電体薄膜によって構成される光導波路材料としては酸化物から選択され、具体的にはＡＢＯ３型のペロブスカイト型では正方晶、斜方晶または擬立方晶系として例えばＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ１−ｘＬａｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）１−ｘ／４Ｏ３（０＜ｘ＜３０、０＜ｙ＜１００、ｘおよびｙの値によりＰＺＴ、ＰＬＴ、ＰＬＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３、ＫＮｂＯ３など、六方晶系として例えばＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３などに代表される強誘電体、タングステンブロンズ型ではＳｒｘＢａ１−ｘＮｂ２Ｏ６、ＰｂｘＢａ１−ｘＮｂ２Ｏ６など、またこのほかに、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、Ｐｂ２ＫＮｂ５Ｏ１５、Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５Ｏ１５、さらに以上の置換誘導体などより選ばれる。
【００２１】
これら薄膜光導波路は単結晶基板に対してエピタキシャルまたは単一配向性を有するため、薄膜光導波路材料は単結晶基板材料の結晶構造に類似で、格子定数の差が１０％以下であることが望ましいが、必ずしもこの関係に従わなくともエピタキシ関係を保持できればよい。また、薄膜光導波路材料は単結晶基板よりも大きい屈折率を有することが薄膜光導波路層に光を閉じ込めるために必要である。強誘電体薄膜の膜厚は通常０．１μｍから１０μｍの間に設定されるが、これは目的によって適当に選択することができる。
【００２２】
導電性あるいは半導電性の基板を用い、光導波路表面に上部電極を設け、光導波路に電圧を印加する際には、光導波路に印加できる実効電圧を大きくし、かつ基板による光伝搬損失を低減するために高誘電率で透明な酸化物バッファ層を設けることが望ましい。この場合には前記第１および第２の強誘電体薄膜よりも小さい屈折率を有し、かつバッファ層の比誘電率と前記光導波路の比誘電率の比が０．００２以上、望ましくはバッファ層の比誘電率と前記光導波路の比誘電率の比が０．００６以上であり、かつバッファ層の比誘電率が８以上である材料が選ばれる。また、バッファ層材料は導電性基板材料と光導波路材料とのエピタキシ関係を保持できることが必要である。このエピタキシ関係を保持できる条件としては、バッファ層材料が導電性基板材料と光導波路材料の結晶構造に類似で、格子定数の差が１０％以下であることが望ましいが、必ずしもこの関係に従わなくともエピタキシ関係を保持できればよい。
【００２３】
具体的には、ＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物では、正方晶、斜方晶または擬立方晶系として例えばＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、（Ｓｒ１−ｘＢａｘ）ＴｉＯ３（０＜ｘ＜１）、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ１−ｘＬａｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）１−ｘ／４Ｏ３（０＜ｘ＜０．３、０＜ｙ＜１．０、ｘおよびｙの値によりＰＺＴ、ＰＬＴ、ＰＬＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３、ＫＮｂＯ３など、六方晶系として例えばＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３などに代表される強誘電体、タングステンブロンズ型酸化物ではＳｒｘＢａ１−ｘＮｂ２Ｏ６、ＰｂｘＢａ１−ｘＮｂ２Ｏ６など、またこのほかに、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、Ｐｂ２ＫＮｂ５Ｏ１５、Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５Ｏ１５、ＺｎＯさらに以上の置換誘導体より選ばれる。バッファ層の膜厚と前記光導波路の膜厚の比は０．１以上、望ましくは０．５以上であり、かつバッファ層の膜厚が１０ｎｍ以上であることが有効である。
【００２４】
レンズ方式としては、プレーナ・プロセスが利用できるモード・インデックス方式、フレネル方式、およびグレーティング方式より選択できるが、集光効率の点からモード・インデックス方式が望ましい。モード・インデックス方式は薄膜光導波路上面から見たレンズ形状によって、レンズ部の実効屈折率を薄膜光導波路部よりも大きくした場合には円形や瞳形の凸レンズ、レンズ部の実効屈折率を薄膜光導波路部よりも小さくした場合には凹レンズから選択されるが、一般的には円形や瞳形の凸レンズが光導波路素子としては必要とされることが多い。
【００２５】
レンズ部の実効屈折率を薄膜光導波路部よりも大きくし、モード・インデックス方式の円形や瞳形の凸レンズ、フレネル方式、あるいはグレーティング方式を適用する場合には、レンズ部となる第１の強誘電体薄膜は基板と第２の強誘電体薄膜との間に設けられ、光導波路部となる第２の強誘電体薄膜よりも大きい屈折率を有することが必要である。また、第１の強誘電体薄膜は第２の強誘電体薄膜の膜厚よりも小さく、かつ第１の強誘電体薄膜に光導波するためのカットオフ膜厚よりも大きい膜厚を有することが望ましい。
【００２６】
レンズ部の実効屈折率を薄膜光導波路部よりも小さくし、モード・インデックス方式の凹レンズあるいはフレネル方式を適用する場合には、レンズ部となる第１の強誘電体薄膜は光導波路部となる第２の強誘電体薄膜よりも小さい屈折率を有することが必要であり、光導波路部となる第２の強誘電体薄膜は基板と第１の強誘電体薄膜との間に設けられる。また、第２の強誘電体薄膜は第１の強誘電体薄膜の膜厚よりも小さく、かつ第２の強誘電体薄膜に光導波するためのカットオフ膜厚よりも大きい膜厚を有することが望ましい。
【００２７】
本発明の光導波路素子の作製プロセスとしては、レンズ部の実効屈折率を薄膜光導波路部よりも大きくし、モード・インデックス方式の円形や瞳形の凸レンズ、フレネル方式、あるいはグレーティング方式を適用する場合には、まず単結晶基板表面に強誘電体のアモルファス薄膜を電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸着、イオン・プレーティング、Ｒｆ−マグネトロン・スパッタリング、イオン・ビーム・スパッタリング、レーザー・アブレーション、ＭＢＥ、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、ＭＯＣＶＤなどの気相法およびゾルゲル法、ＭＯＤ法などのウエット・プロセスより選ばれる方法によって作製する。
【００２８】
その後、アモルファス薄膜表面にフォトレジスト、あるいは電子線レジストを塗布した後、露光、エッチングすることによる方法によってこのアモルファス薄膜をレンズ形状にパターンニングする。エッチングはＨＣｌ、ＨＮＯ３、ＨＦ、Ｈ２ＳＯ４、Ｈ３ＰＯ４、Ｃ２Ｈ２Ｏ２、ＮＨ４Ｆなどの水溶液やその混合水溶液によるウエット・エッチング、ＣＣｌ４、ＣＣｌ２Ｆ２、ＣＨＣｌＦＣＦ３などや、それらのＯ２との混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチング、またはイオンビーム．エチングなどのドライ・エッチングなどが有効であるが、ウエット・エッチングによって容易にエッチングすることが可能である。
【００２９】
その後、この強誘電体のアモルファス薄膜を有する単結晶基板を加熱することによって固相エピタキシによってレンズ形状でエピタキシャルまたは単一配向性の第１の強誘電体薄膜を得る。さらに光導波路を構成するためにエピタキシャルまたは単一配向性の第２の強誘電体薄膜を単結晶基板表面および第１の強誘電体薄膜上に電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸着、イオン・プレーティング、Ｒｆ−マグネトロン・スパッタリング、イオン・ビーム・スパッタリング、レーザー・アブレーション、ＭＢＥ、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、ＭＯＣＶＤなどの気相エピタキシャル成長法およびゾルゲル法、ＭＯＤ法などのウエット・プロセスによる固相エピタキシャル成長法より選ばれるエピタキシャル成長方法によって成長する。
【００３０】
また、エピタキシャルまたは単一配向性の第１の強誘電体薄膜となるレンズ形状のアモルファス薄膜および単結晶基板表面に、エピタキシャルまたは単一配向性の第２の強誘電体薄膜となるアモルファス薄膜を前記のいずれかの方法で形成した後、第１および第２の強誘電体薄膜を同時に加熱することによる固相エピタキシによってエピタキシャルまたは単一配向性に結晶化することも可能である。バッファ層を用いる場合には、単結晶基板表面に強誘電体のアモルファス薄膜を形成する前に、上記のいずれかの方法によって単結晶基板表面にバッファ層をエピタキシャル成長させる。
【００３１】
レンズ部の実効屈折率を薄膜光導波路部よりも小さくし、モード・インデックス方式の凹レンズあるいはフレネル方式を適用する場合の本発明の光導波路素子の作製プロセスとしては、まず、単結晶基板表面に強誘電体のアモルファス薄膜を前記の成膜プロセスより選ばれる方法によって作製する。その後、アモルファス薄膜表面にフォトレジスト、あるいは電子線レジストを塗布した後、露光、エッチングすることによる方法によってこのアモルファス薄膜にレンズ形状の窓をパターンニングする。その後、この強誘電体のアモルファス薄膜を有する単結晶基板を加熱することによって固相エピタキシによって光導波路となるエピタキシャルまたは単一配向性の第２の強誘電体薄膜を得る。
【００３２】
さらにレンズ部となるエピタキシャルまたは単一配向性の第１の強誘電体薄膜を単結晶基板表面および第２の強誘電体薄膜上に前記の成膜プロセスより選ばれる方法によって成長する。また、エピタキシャルまたは単一配向性の第２の強誘電体薄膜となるレンズ形状の窓を有するアモルファス薄膜および単結晶基板表面に、エピタキシャルまたは単一配向性の第１の強誘電体薄膜となるアモルファス薄膜を前記のいずれかの方法で形成した後、第１および第２の強誘電体薄膜を同時に加熱することによる固相エピタキシによってエピタキシャルまたは単一配向性に結晶化することも可能である。
バッファ層を用いる場合には、単結晶基板表面に強誘電体のアモルファス薄膜を形成する前に、上記のいずれかの方法によって単結晶基板表面にバッファ層をエピタキシャル成長させる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態による光導波路素子を図１乃至図１８を用いて説明する。まず、本発明のうち、レンズ部の実効屈折率を薄膜光導波路部よりも大きくした、モード・インデックス方式の円形の凸レンズについて詳細に説明する。本発明に含まれる他の薄膜レンズも原理はほぼ同様である。
【００３４】
この導波路レンズは図１に示すように高屈折率層の第１の強誘電体薄膜１を、基板２と導波路である第２の強誘電体薄膜３の間に設けることによって相対屈折率差を形成する方法である。
ここで、図２のように凸面間が距離ｔで曲率ｒ１、ｒ２（但し、図２では円形レンズｒ＝ｒ１＝−ｒ２を示している。）の２つのレンズの合成焦点距離ｆは近軸公式を用いて次式で与えられる。
【００３５】
ｆ＝δ・ｒ１・ｒ２／δ                                  ［１］
δ＝（ρ−１）・｛ρ・（ｒ１−ｒ２）−（ρ−１）・ｔ｝  ［２］
ρ＝ＮＬ／ＮＧ                                          ［３］
ＮＬとＮＧはそれぞれレンズ部と導波路部の実効屈折率である。
【００３６】
円形レンズでは、
ｒ＝ｒ１＝−ｒ２                                        ［４］
ｔ＝２ｒ                                              ［５］
であるから、
ｆ＝ρ・ｒ／｛２（ρ−１）｝                          ［６］
となる。
【００３７】
従って、入射瞳の直径Ｄをレンズ直径の１／２に相当するｒとした場合、レンズのＦ値は次のようになる。
【００３８】
Ｆ値＝ｆ／Ｄ＝ρ／｛２（ρ−１）｝                    ［７］
【００３９】
図３はＦ値と実効屈折率比ρの関係を示しており、光導波路素子をコンパクトにするためにＦ値を１０程度とするにはρが１．０５である必要がある。
例えば、Ｐｂ１−ｘＬａｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）１−ｘ／４Ｏ３薄膜について考えた場合、その屈折率は組成によって２．４５から２．７０の程度の範囲で変化するため、レンズ部５に屈折率の大きい第１の組成の層（第１の強誘電体薄膜）１と屈折率の小さい第２の組成の層（第２の強誘電体薄膜）３を用い、導波路部４にレンズ部よりも屈折率の小さい第２の組成の層３のみを設けることによって本実施の形態の構成を得ることができる。一般に、実効屈折率は屈折率よりも小さくなるので、レンズ部の実効屈折率を２．６５、導波路部の実効屈折率を２．４０とした場合、実効屈折率比ρは１．１０４となり、［７］式より円形レンズのＦ値は５．３が得られる。
【００４０】
実効屈折率は実測する以外に、以下のように理論的に算出することができる。図４および図５に示すようなスラブ型光導波路において、ｚ方向にｅｘｐｊ［ωｔ−βｚ］で伝搬する光波の波動方程式は次のようになる。
【００４１】
δ２（Ｅｚ，Ｈｚ）／δｘ２＋δ２（Ｅｚ，Ｈｚ）／δｙ２＋χｉ２（Ｅｚ，Ｈｚ）／δｚ２＝０                                                  ［８］
（χｉ２＝ｋｉ２−β２、ｋｉ２＝ω２μ０εｉ＝ｋ０２ｎｉ２、ｉ＝１，２，３）
【００４２】
ここで、ωは光波の角周波数、μ０は真空の透磁率、βは伝搬定数である。ｙ方向には電磁界は一様であるとすれば、ｅｘｐｊ［ωｔ−βｚ］を省いて、Ｅｚ，Ｈｚ∝Ｆ（ｘ）とおくことによって、この式は次のような波動方程式となる。
【００４３】
ｄ２Ｆ（ｘ）／ｄｙ２＋χｉＦ（ｘ）＝０                  ［９］
【００４４】
従って、すべての電磁界成分は指数関数または三角関数で表されることになり、一方向に一様な電磁界はＴＥモード（Ｅｚ＝０）とＴＭモード（Ｈｚ＝０）にとして表され、電磁界成分は次のようになる。
【００４５】
ＴＥ：  Ｅｚ＝０、Ｅｘ＝Ｈｙ＝０
δＥｙ／δｚ＝ｊωμ０Ｈｘ
δＥｙ／δｘ＝−ｊωμ０Ｈｚ
ＴＭ：  Ｈｚ＝０、Ｈｘ＝Ｅｙ＝０
δＨｙ／δｚ＝−ｊωεｉＥｘ
δＨｙ／δｙ＝ｊωεｉＥｚ
【００４６】
ここで、ＴＥモードについて、ＩＩおよびＩＩＩの領域での電磁界は｜ｘ｜＝∞でゼロでなければならないから、ｄを導波路層であるＩの領域の厚さとすると、
ＩＩＩ：Ｅｙ３＝Ｅ３ｅｘｐ（−γ３ｘ）、ｘ＞０                ［１０］
Ｉ：Ｅｙ１＝Ｅ１ｃｏｓ（ｋｘｘ＋φ３）、−ｄ＜ｘ＜０       ［１１］
ＩＩ：Ｅｙ２＝Ｅ２ｅｘｐ｛γ２（ｘ＋ｔ）｝、ｘ＜−ｄ       ［１２］
【００４７】
となる。ここで、ｎ１をＩの領域の屈折率、ｎ２をＩＩの領域の屈折率、ｎ３をＩＩＩの領域の屈折率、ＮをＩの領域の実効屈折率とすると、
【００４８】
γ３＝ｋ０（Ｎ２−ｎ３２）０．５                              ［１３］
ｋｘ＝ｋ０（ｎ１２−Ｎ２）０．５                               ［１４］
γ２＝ｋ０（Ｎ２−ｎ２２）０．５                              ［１５］
【００４９】
また、ｘ＝０において電界成分ＥｙとＨｚが連続である境界条件より、
Ｅ３＝Ｅ１ｃｏｓφ３                                     ［１６］
ｔａｎφ３＝γ３／ｋｘ                                    ［１７］
同様に、
Ｅ２＝Ｅ１ｃｏｓ（ｋｘｄ−φ３）                          ［１８］
ｔａｎ（ｋｘｔ−φ３）＝γ２／ｋｘ                        ［１９］
【００５０】
これらの関係より、
ｋｘｄ＝（ｍ＋１）π−ｔａｎ−１（ｋｘ／γ２）−ｔａｎ−１（ｋｘ／γ３）
［２０］
ここで、ｍはモード・ナンバー（ｍ＝０，１，２，．．．．．）である。
【００５１】
この式［２０］の示す関係より、各領域の屈折率と導波路層の膜厚を与えるとＴＥモードに対する実効屈折率Ｎを求めることができる。さらに、このような解析的方法によって実効屈折率と電磁界分布を求める以外に、ＢＰＭ（Ｂｅａｍ  Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄ）によって積層構造の導波路における実効屈折率と電磁界分布を求めることもできる。
【００５２】
【表１】
0004204108.tif 000002
【００５３】
表１に示す導波路部が空気（ｎ＝１）／ＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（ｎ＝２．４９）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）、レンズ部が空気（ｎ＝１）／ＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（ｎ＝２．４９）／ＰＺＴ（３０／７０）薄膜（ｎ＝２．６１）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）となる構造において波長６３３ｎｍでの実効屈折率をＢＰＭによって求めると、導波路部が２．４５８９、レンズ部が２．５７４４となり、実効屈折率比は１．０４７０となるので式［７］よりＦ値は１１．１が得られる。
【００５４】
以上のように本実施の形態のＦ値を設定することができるが、同時にレンズ部と導波路部での電磁界分布の変化による結合効率の低下をなるべく小さくできる構造が重要である。この結合効率はレンズ部と導波路部での電磁界分布の重なり積分に比例し、ＴＥモードにおいては次式で示される。
【００５５】
η＝（∫−∞＋∞ＥｙＧ・ＥｙＬｄx）２÷｛∫−∞＋∞｜ＥｙＧ｜２ｄx×∫−∞＋∞｜ＥｙＬ｜２ｄx｝  ・・・［２１］
【００５６】
ここで、ＥｙＧは導波路部での電界振幅、ＥｙＬはレンズ部での電界振幅である。従来、先に述べたように膜厚差を利用する方法（１）、高屈折率層を設ける方法（２）、高屈折率層を埋めこむ方法（３）では原理的に結合損失が大きくなりやすいのは、レンズ部と導波路部に段差があるために電磁界分布がずれ、この重なり積分が低下するためである。これに対して、本発明者らは各種の構造についての重なり積分を鋭意検討した結果、従来は結合損失が原理的に大きいと考えられていた上記の方法でも、生産性の高い図１のような高屈折率薄膜レンズを低屈折率薄膜光導波路で覆った構造で、作製が困難な導波路に他元素を拡散したりイオン交換する方法（４）または導波路の一部をパターンニングして別の材料で埋め戻す方法（５）と同等の極めて良好な結合効率が得られることを見出した。
【００５７】
例えば、表１に示す高屈折率薄膜レンズを低屈折率薄膜光導波路で覆った構造において電界分布を計算すると、導波路部およびレンズ部の電界分布がほぼ重なり、［２１］式の重なり積分を行うと導波路部とレンズ部界面での結合効率は９６．５％、レンズ部への入射結合とレンズ部からの出射結合を合わせると結合効率は９３．１％、または０．３１ｄＢの結合損失となることが分かった。
【００５８】
図６乃至図８には第２の薄膜の膜厚が４００ｎｍおよび６００ｎｍにおける第１の薄膜の膜厚と結合損失の関係を、第１の薄膜の屈折率２．５６／第２の薄膜の屈折率２．５０の場合（図６）、第１の薄膜の屈折率２．６１／第２の薄膜の屈折率２．４９の場合（図７）、第１の薄膜の屈折率２．６５／第２の薄膜の屈折率２．４７の場合（図８）について計算した結果をそれぞれ示している。いずれの場合においても、第１の薄膜の膜厚が第２の薄膜の膜厚よりも小さい領域において結合損失の最小値があることが分かる。これは、薄膜光導波路部では上部の空気またはクラッド層と下部の基板の屈折率差が大きいため電磁界分布が非対称となり、中心が基板側へずれているのに対し、レンズ部では上部が薄膜光導波路材料であるため上部と下部の屈折率差が小さく、電磁界分布がほぼ対称になることに起因する。
【００５９】
このため、見かけは膜厚差が生じる構造でも、レンズ部となる高屈折率の第１の薄膜の膜厚を、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、薄膜光導波路部となる低屈折率の第２の薄膜の膜厚よりも小さくしていくと、レンズ部の電磁界分布が基板側にシフトするために電磁界分布の重なりが大きくなり、さらに第１の薄膜の膜厚を小さくしていくと今度はレンズ部の電磁界分布が基板側にシフトしすぎて電磁界分布の重なりが小さくなると考えられる。第１の薄膜の膜厚の下限としては、第１の薄膜に光が導波しなけらばならないため、第１の薄膜に光導波するためのカットオフ膜厚となる。
【００６０】
また、このような構造においては導波路部、レンズ部ともシングル・モードに保つことが可能で、モード変換による問題もない。導波路部のＰＬＺＴ薄膜の膜厚は６００ｎｍであり、ＴＥ１モードのカットオフ膜厚である６７０ｎｍ以下であるためＴＥ０のシングル・モードである。一方、レンズ部のＰＺＴ薄膜の膜厚は５００ｎｍであり、上部が空気の場合にはＴＥ１モードのカットオフ膜厚である４２０ｎｍ以上であるためＴＥ０およびＴＥ１のマルチ・モード化するが、膜厚６００ｎｍのＰＬＺＴ薄膜がカバーしているためＴＥ１モードのカットオフ膜厚は５００ｎｍとなり、ＴＥ０のシングル・モードとすることができる。
【００６１】
このような薄膜レンズの作製プロセスとしては、まず、単結晶基板表面に強誘電体のアモルファス薄膜を作製した後、アモルファス薄膜をエッチングによってレンズ形状にパターンニングすることが有効であることが、固相エピタキシャル成長の研究の結果明らかになった。これは、アモルファス薄膜は結晶粒がなく均一で、エッチング・レートも結晶よりも著しく速いため、結晶化後のエピタキシャル強誘電体薄膜光導波路における散乱損失の原因となる表面荒れを与えず、かつ、光導波路と同種の酸化物である基板にダメージを与えずに選択的にエッチングすることが容易であることが原因と考えられる。特にエピタキシャル酸化物バッファ層を単結晶基板表面に設ける場合には、エピタキシャル酸化物バッファ層は単結晶基板と比較して結晶性は完全でない場合があるために、アモルファス薄膜を選択的にエッチングすることの有用性が高い。
【００６２】
この強誘電体のアモルファス薄膜を有する単結晶基板を加熱することによって固相エピタキシャル成長によってレンズ形状でエピタキシャルまたは単一配向性の第１の強誘電体薄膜を得、さらに光導波路を構成するためにエピタキシャルまたは単一配向性の第２の強誘電体薄膜を単結晶基板表面および第１の強誘電体薄膜上に成長することによって、結合損失の小さい薄膜レンズを有する光導波路素子が作製できる。
【００６３】
以下、本実施の形態をより具体的に実施例を用いて説明する。
【００６４】
〔実施例１〕
本実施例においては表１のように導波路部４がＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．４９）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）、レンズ部５がＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．４９）／ＰＺＴ（３０／７０）薄膜（膜厚＝５００ｎｍ、ｎ＝２．６１）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）となる構成を有し、構造が図１及び図２のような直径８００μｍの円形レンズを作製し、さらに導波路部にくし形Ａｌ電極を形成することによって図１０のような音響光学（ＡＯ）偏向素子を原理とする光スイッチを作製した。
【００６５】
まず、無水酢酸鉛Ｐｂ（ＣＨ３ＣＯＯ）２、ジルコニウム・イソプロポキシドＺｒ（Ｏ−ｉ−Ｃ３Ｈ７）４、およびチタン・イソプロポキシド  Ｔｉ（Ｏ−ｉ−Ｃ３Ｈ７）４を出発原料として、２−メトキシエタノールに溶解し、蒸留と還流を行い、最終的にＰｂ濃度で０．６ＭのＰＺＴ（３０／７０）用前駆体溶液を得た。次に、この前駆体溶液を洗浄、エッチング、乾燥を行ったＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板上２へスピンコーティングを行った。さらに、Ｏ２雰囲気中で昇温して３００°Ｃにて保持の後、電気炉の電源を切り冷却した。これを５回繰り返すことによりアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜を得た。
【００６６】
次に、ネガ電子線レジストをスピンコートし、プリベークの後、直径８００μｍの円形レンズ形状に電子線露光した。さらにポストベークに続いて現像を行うことにより、円形レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。さらに、ハードベークの後、ＨＣｌ水溶液でアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜をエッチングすることによって円形レンズ形状のアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜を形成した。リムーバによって円形レンズ形状のレジストを剥離した後、Ｏ２雰囲気中で昇温して３００°Ｃにて保持の後、６５０°Ｃにて保持することにより固相エピタキシャル成長を行い、膜厚５００ｎｍの円形レンズ形状の第１のエピタキシャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜１を形成した。
【００６７】
次に、無水酢酸鉛Ｐｂ（ＣＨ３ＣＯＯ）２、ランタン・イソプロポキシドＬａ（Ｏ−ｉ−Ｃ３Ｈ７）３、ジルコニウム・イソプロポキシドＺｒ（Ｏ−ｉ−Ｃ３Ｈ７）４、およびチタン・イソプロポキシドＴｉ（Ｏ−ｉ−Ｃ３Ｈ７）４を出発原料として、２−メトキシエタノールに溶解し、蒸留と還流を行い、最終的にＰｂ濃度で０．６ＭのＰＬＺＴ（９／６５／３５）用前駆体溶液を得た。次に、この前駆体溶液を円形レンズ形状のエピタキシャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜を有するＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板上へスピンコーティングを行った。
【００６８】
さらに、Ｏ２雰囲気中で昇温して３５０°Ｃにて保持、および７５０°Ｃに昇温して保持の後、電気炉の電源を切り冷却することによる固相エピタキシャル成長を行った。これを６回繰り返すことにより膜厚６００ｎｍの第２のエピタキシャルＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜３を形成した。結晶学的関係は単一配向のＰＬＺＴ（１００）／／ＰＺＴ（１００）／／ＳｒＴｉＯ３（１００）、面内方位ＰＬＺＴ［００１］／／ＰＺＴ［００１］／／ＳｒＴｉＯ３［００１］の構造が得られた。
【００６９】
この薄膜光導波路のポーリングを行った後、ＰＬＺＴ薄膜光導波路上にくし形Ａｌ電極を形成し、ＡＯ偏向素子を作製した。
【００７０】
まず、光導波路特性の評価を行なうため、プリズム・カップリングによって６３３ｎｍのレーザ光の入射ビーム８を０．４ｍｍにコリメートし、本実施例のＰＬＺＴ薄膜光導波路４に導入して光伝搬方向のＴＥ０モードの散乱光強度分布を光ファイバーによって測定した。散乱光強度の対数と光伝搬距離の関係の傾きより、導波路部４とレンズ部５の界面での入射結合とレンズ部５からの出射結合を合わせた結合損失を求めると、先のシュミレーションの０．３１ｄＢに対してほぼ等しい０．７８ｄＢ（結合効率で８４％）の良好な特性であることが分かった。なお、０．４ｍｍのコリメート光は焦点距離４．５ｍｍで集光しており、Ｆ値は１１．３と設計値と同じ集光性能を示すことが分かった。またマルチモード化も観察されなかった。
【００７１】
本実施例のＡＯ偏向素子へ６３３ｎｍの波長のレーザー・ビームをチャンネル導波路７端面に集光し、ＰＬＺＴ薄膜光導波路４へ導入した。入射ビーム８はチャンネル導波路７から出射するとＰＬＺＴ光導波路４内で発散し、薄膜レンズ５を通過すると０．４ｍｍにコリメートされた。くし形Ａｌ電極６に高周波電圧を印加しない場合、レーザー・ビームは２つめの薄膜レンズ５を通過すると集光され、チャンネル導波路を通じて端面から出射する射出ビーム９となる。くし形Ａｌ電極６に高周波電圧を印加した場合、音響光学効果によって回折格子が形成され、レーザー・ビームが偏向された。偏向されたレーザー・ビームは２つめの薄膜レンズ５を通過すると集光され、上記のチャンネル導波路の隣のチャンネル導波路を通じて端面から出射する射出ビーム１０となる。
【００７２】
なお、本実施例の図１に示す構造に対して、基板上面を研磨等することにより、図１２に示すような構造にしてもよい。この場合には以下に示す比較例２と同様の構造を実現しながら、導波路部とレンズ部との界面に凹凸等を生じさせることがないので、優れた光導波路特性を得ることができる。
【００７３】
〔比較例１〕
本比較例においては導波路部およびレンズ部をＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（ｎ＝２．４９）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）となる構成を有し、構造が図２および図１１のような直径８００μｍの円形レンズを作製した。
【００７４】
まず、実施例１と同様にしてＰｂ濃度で０．６ＭのＰＬＺＴ（９／６５／３５）用前駆体溶液を洗浄、エッチング、乾燥を行ったＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板上２へスピンコーティングを行った。さらに、Ｏ２雰囲気中で昇温して３５０°Ｃにて保持の後、７５０°Ｃに昇温して保持の後、電気炉の電源を切り冷却することによる固相エピタキシャル成長を行った。これを６回繰り返すことにより膜厚６００ｎｍのエピタキシャルＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜を形成した。
【００７５】
さらに、ＰＬＺＴ（９／６５／３５）用前駆体溶液をこのエピタキシャルＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜表面へスピンコーティングを行い、Ｏ２雰囲気中で昇温して３５０°Ｃにて保持の後、電気炉の電源を切り冷却した。これを５回繰り返すことによりアモルファスＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜を得た。次に、ネガ電子線レジストをスピンコートし、プリベークの後、直径８００μｍの円形レンズ形状に電子線露光した。さらにポストベークに続いて現像を行うことにより、円形レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。
【００７６】
さらに、ハードベークの後、ＨＣｌ水溶液でアモルファスＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜をエッチングすることによって円形レンズ形状のアモルファスＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜を形成した。リムーバによって円形レンズ形状のレジストを剥離した後、Ｏ２雰囲気中で昇温して３５０°Ｃにて保持の後、７５０°Ｃにて保持することにより固相エピタキシャル成長を行い、膜厚５００ｎｍの円形レンズ形状のエピタキシャルＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜を形成した。これにより、導波路部４およびレンズ部５を形成した。結晶学的関係は単一配向のＰＬＺＴ（１００）／／ＳｒＴｉＯ３（１００）、面内方位ＰＬＺＴ［００１］／／ＳｒＴｉＯ３［００１］の構造が得られた。
【００７７】
光導波路特性の評価を行なうため、実施例１と同様にしてプリズム・カップリングによって６３３ｎｍのレーザ光を０．４ｍｍにコリメートし、本比較例のＰＬＺＴ薄膜光導波路に導入して光伝搬方向のＴＥ０モードの散乱光強度分布を光ファイバーによって測定した。導波路部４とレンズ部５の界面での入射結合とレンズ部からの出射結合を合わせた結合損失を求めると、７．３ｄＢ（結合効率で１９％）と大きな損失であることが分かった。また、本比較例ではレンズ部でＴＥ１モードが発生し、レンズ部からの出射光はＴＥ０モードに相当する集光と、レンズ部でのＴＥ１モードが導波路部でＴＥ０モードに弱く結合した結果による弱い集光の二つがみられた。また、０．４ｍｍのコリメート光は極めて弱くしか集光されず、計算によってＦ値を求めると６４．７と極めて集光性能が悪いことが分かった。
【００７８】
〔比較例２〕
本比較例においては導波路部４がＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．４９）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）、レンズ部５がＰＺＴ（３０／７０）薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．６１）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）となる構成を有し、構造が図２及び図１２のような直径８００μｍの円形レンズを作製した。
【００７９】
まず、実施例１と同様にしてＰｂ濃度で０．６ＭのＰＬＺＴ（９／６５／３５）用前駆体溶液を得た。次に、この前駆体溶液を洗浄、エッチング、乾燥を行ったＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板２上へスピンコーティングを行った。さらに、Ｏ２雰囲気中で昇温して３５０°Ｃにて保持の後、７５０°Ｃに昇温して保持の後、電気炉の電源を切り冷却することによる固相エピタキシャル成長を行った。これをを６回繰り返すことにより膜厚６００ｎｍのエピタキシャルＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜を形成した。
【００８０】
次に、ポジ電子線レジストをスピンコートし、プリベークの後、直径８００μｍの円形レンズ形状に電子線露光した。さらにポストベークに続いて現像を行うことにより、円形レンズ形状の窓のレジスト・パターンを形成した。さらに、ハードベークの後、ＮＨ４Ｆ／ＨＦ／ＨＣｌの混合水溶液でエピタキシャルＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜をエッチングすることによって円形レンズ形状の窓を形成した。
【００８１】
その後、Ｐｂ過剰ＰＺＴ（３０／７０）セラミック・ターゲットを用い、Ｒｆマグネトロン・スパッタリング法によって基板温度室温でアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜を円形レンズ形状の窓を形成したレジスト・パターン上へ形成した。次に、リムーバによってレジストを剥離するリフトオフよって、エピタキシャルＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜の円形レンズ形状の窓内のみがアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜で満たされた構造の形成を試みた。さらに、Ｏ２雰囲気中で昇温して６５０°Ｃにて保持することによりアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜の固相エピタキシャル成長を行った。
【００８２】
光導波路特性の評価を行なうため、実施例１と同様にしてプリズム・カップリングによって６３３ｎｍのレーザ光を０．４ｍｍにコリメートし、ＰＬＺＴ薄膜光導波路に導入して光伝搬方向のＴＥ０モードの散乱光強度分布を光ファイバーによって測定した。導波路部４とレンズ部５の界面での入射結合とレンズ部からの出射結合を合わせた結合損失を求めると、シュミレーションの０．２２ｄＢの予想に反して９．６ｄＢ（結合効率で１１％）と大きな損失であることが分かった。この原因を調べるため、走査型電子顕微鏡で導波路部とレンズ部の界面を観察したところ、界面には凹凸と空隙が存在し、さらに導波路部とレンズ部の膜厚が異なっていた。また、透過型電子顕微鏡で断面を観察すると、円形レンズ下部の基板表面には凹凸が発生していた。このような問題が結合損失を大きくしていると予想される。また、本比較例でもレンズ部でＴＥ１モードが発生し、レンズ部からの出射光はＴＥ０モードに相当する集光と、レンズ部でのＴＥ１モードが導波路部でＴＥ０モードに弱く結合した結果による弱い集光の二つがみられた。
【００８３】
〔実施例２〕
本実施例においては導波路部４がＰＺＴ（５２／４８）薄膜（膜厚＝１０００ｎｍ、ｎ＝２．５６）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）、レンズ部５がＰＺＴ（５２／４８）薄膜（膜厚＝１０００ｎｍ、ｎ＝２．５６）／ＰＺＴ（３０／７０）薄膜（膜厚＝８００ｎｍ、ｎ＝２．６１）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）となる構成を有し、構造が図１及び図１３のような曲率半径８００μｍの瞳形レンズを作製した。
【００８４】
まず、実施例１と同様にしてＰＺＴ（３０／７０）用前駆体溶液を得た。次に、この前駆体溶液を洗浄、エッチング、乾燥を行ったＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板上２へスピンコーティングを行った。さらに、Ｏ２雰囲気中で昇温して３００°Ｃにて保持の後、電気炉の電源を切り冷却した。これを８回繰り返すことによりアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜を得た。次に、ポジ・レジストをスピンコートし、プリベークの後、瞳形レンズ形状以外の部分を紫外線露光し、ポストベークに続いて現像を行うことにより、瞳形レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。
【００８５】
さらに、ハードベークの後、ＨＮＯ３／ＨＣｌ混合水溶液でアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜をエッチングすることによって瞳形レンズ形状に形成した。リムーバによってレジストを剥離した後、Ｏ２雰囲気中で昇温して３００°Ｃにて保持の後、６５０°Ｃにて保持することにより固相エピタキシャル成長を行い、瞳形レンズ形状で膜厚８００ｎｍの第１のエピタキシャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜１を形成した。
【００８６】
さらに、実施例１と同様にして得たＰＺＴ（５２／４８）用前駆体溶液をこのエピタキシャルＰＺＴ（５２／４８）薄膜表面へスピンコーティングを行い、Ｏ２雰囲気中で昇温して３５０°Ｃにて保持、および６５０°Ｃに昇温して保持の後、電気炉の電源を切り冷却することによる固相エピタキシャル成長を行った。これを１０回繰り返すことにより膜厚１０００ｎｍのエピタキシャルＰＺＴ（５２／４８）薄膜を形成した。これにより、導波路部４およびレンズ部５を形成し、結晶学的関係は単一配向のＰＺＴ（１００）／／ＰＺＴ（１００）／／ＳｒＴｉＯ３（１００）、面内方位ＰＺＴ［００１］／／ＰＺＴ［００１］／／ＳｒＴｉＯ３［００１］の構造が得られた。
【００８７】
実施例１と同様にしてプリズム・カップリングによって６３３ｎｍのレーザ光を０．４ｍｍにコリメートし、本実施例のＰＺＴ薄膜光導波路に導入して光伝搬方向のＴＥ０モードの散乱光強度分布を光ファイバーによって測定した。シュミレーションの０．１０ｄＢに対してほぼ等しい０．１６ｄＢ（結合効率で９６％）の良好な特性であることが分かった。また、０．４ｍｍのコリメート光は焦点距離２１．２ｍｍで集光しており、Ｆ値は５２．９と設計値と同じ集光性能を示すことが分かった。また、レンズ部でのマルチモード化も観察されなかった。
【００８８】
〔実施例３〕
本実施例においては導波路部４がＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．４９）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）、レンズ部５がＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．４９）／ＰＺＴ（３０／７０）薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．６１）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）となる構成を有し、構造が図１及び図１４のような片側が曲率半径８００μｍを有する半瞳形レンズを実施例１と同様の方法で作製した。
【００８９】
まず、ＰＺＴ（３０／７０）用前駆体溶液を用いてＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板上２へアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜を得た。次に、ネガ電子線レジストを用いて半瞳形レンズ形状に電子線露光することにより、半瞳形レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。ＨＣｌ水溶液でアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜をエッチングし、レジストを剥離した後、固相エピタキシャル成長により膜厚６００ｎｍの半瞳形レンズ形状の第１のエピタキシャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜１を形成した。次に、ＰＬＺＴ（９／６５／３５）用前駆体溶液を半瞳形レンズ形状のエピタキシャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜を有するＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板上へスピンコーティングを行い、固相エピタキシャル成長によって膜厚６００ｎｍの第２のエピタキシャルＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜３を形成した。
【００９０】
実施例１と同様にしてプリズム・カップリングによって６３３ｎｍのレーザ光を０．４ｍｍにコリメートし、本実施例のＰＬＺＴ薄膜光導波路にＴＥ０モードで導入したところ、良好な結合効率と集光特性が観察された。
【００９１】
〔実施例４〕
本実施例においては導波路部４がＰＺＴ（９５／５）薄膜（膜厚＝５００ｎｍ、ｎ＝２．４７）／ＭｇＯ基板（ｎ＝１．７４）、レンズ部５がＰＺＴ（９５／５）薄膜（膜厚＝５００ｎｍ、ｎ＝２．４７）／ＰＺＴ（１０／９０）薄膜（膜厚＝４００ｎｍ、ｎ＝２．６５）／ＭｇＯ基板（ｎ＝１．７４）となる構成を有し、構造が図１及び図２のような直径８００μｍの円形レンズを作製した。
【００９２】
まず、Ｐｂ過剰ＰＺＴ（１０／９０）セラミック・ターゲットを用い、Ｒｆマグネトロン・スパッタリング法によって室温の基板温度でアモルファスＰＺＴ（１０／９０）薄膜をＭｇＯ（１００）単結晶基板上２へ形成した。次に、ネガ・レジストをスピンコートし、プリベークの後、円形レンズ形状に紫外線露光した。さらにポストベークに続いて現像を行うことにより、円形レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。さらに、ハードベークの後、ＮＨ４Ｆ／ＨＦ／ＨＣｌの混合水溶液で第１のアモルファスＰＺＴ（１０／９０）薄膜をエッチングすることによって円形レンズ形状に形成し、さらにリムーバによってレジストを剥離した。
【００９３】
続いて、Ｒｆマグネトロン・スパッタリング・チャンバー内で基板温度６００°Ｃとすることによって固相エピタキシャル成長により膜厚４００ｎｍの円形レンズ形状の第１のエピタキシャルＰＺＴ（１０／９０）薄膜を形成した後、Ｐｂ過剰ＰＺＴ（９５／５）セラミック・ターゲットを用いて膜厚５００ｎｍのエピタキシャルＰＺＴ（９５／５）薄膜を円形レンズ形状のエピタキシャルＰＺＴ（１０／９０）薄膜を有するＭｇＯ基板上へ形成した。これにより、導波路部４およびレンズ部５を形成し、結晶学的関係は単一配向のＰＺＴ（１００）／／ＰＺＴ（１００）／／ＭｇＯ（１００）、面内方位ＰＺＴ［００１］／／ＰＺＴ［００１］／／ＭｇＯ［００１］の構造が得られた。
【００９４】
実施例１と同様にしてプリズム・カップリングによって６３３ｎｍのレーザ光を０．４ｍｍにコリメートし、本実施例のＰＺＴ薄膜光導波路に導入して光伝搬方向のＴＥ０モードの散乱光強度分布を光ファイバーによって測定した。シュミレーションの０．０８ｄＢに対してほぼ等しい０．２２ｄＢ（結合効率で９５％）の良好な特性であることが分かった。また、０．４ｍｍのコリメート光は焦点距離３．０ｍｍで集光しており、Ｆ値は７．４と設計値と同じ集光性能を示すことが分かった。また、レンズ部でのマルチモード化も観察されなかった。
【００９５】
〔実施例５〕
本実施例においては導波路部４がＬｉＴａＯ３薄膜（膜厚＝１０００ｎｍ、ｎｅ＝２．１８０）／Ａｌ２Ｏ３基板（ｎｅ＝１．７６０）、レンズ部５がＬｉＴａＯ３薄膜（膜厚＝１０００ｎｍ、ｎ＝２．１８０）／ＬｉＮｂＯ３薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎｅ＝２．２０８）／Ａｌ２Ｏ３基板（ｎｅ＝１．７６０）となる構成を有し、構造が図１及び図２のような直径８００μｍの円形レンズを作製した。
【００９６】
まず、等モル量のＬｉＯＣ２Ｈ５とＮｂ（ＯＣ２Ｈ５）５を出発原料として、２−メトキシエタノールＣＨ３ＯＣ２Ｈ４ＯＨに溶解し、蒸留と還流を行い、最終的にＬｉ濃度で０．６ＭのＬｉＮｂＯ３用前駆体溶液を得た。次に、この前駆体溶液を洗浄、エッチング、乾燥を行ったＡｌ２Ｏ３（０００１）単結晶基板上２へスピンコーティングを行った。さらに、Ｏ２雰囲気中で昇温して３００°Ｃにて保持の後、電気炉の電源を切り冷却した。これを６回繰り返すことによりアモルファスＬｉＮｂＯ３薄膜を得た。次に、ネガ・レジストをスピンコートし、プリベークの後、直径８００μｍの円形レンズ形状に紫外線露光した。さらにポストベークに続いて現像を行うことにより、円形レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。
【００９７】
さらに、ハードベークの後、ＨＣｌ水溶液でアモルファスＬｉＮｂＯ３膜をエッチングすることによって円形レンズ形状のアモルファスＬｉＮｂＯ３薄膜を形成した。リムーバによって円形レンズ形状のレジストを剥離した後、Ｏ２雰囲気中で昇温して３００°Ｃにて保持の後、７００°Ｃにて保持することにより固相エピタキシャル成長を行い、膜厚６００ｎｍの円形レンズ形状の第１のエピタキシャルＬｉＮｂＯ３薄膜１を形成した。次に、等モル量のＬｉＯＣ２Ｈ５とＴａ（ＯＣ２Ｈ５）５を出発原料として、２−メトキシエタノールＣＨ３ＯＣ２Ｈ４ＯＨに溶解し、蒸留と還流を行い、最終的にＬｉ濃度で０．０６Ｍおよび０．６ＭのＬｉＴａＯ３用前駆体溶液を得た。
【００９８】
次に、まず０．０６Ｍの前駆体溶液を円形レンズ形状のエピタキシャルＬｉＮｂＯ３薄膜を有するＡｌ２Ｏ３（０００１）単結晶基板上へスピンコーティングを行った。さらに、Ｏ２雰囲気中で昇温して３００°Ｃにて保持の後、７００°Ｃに昇温して保持の後、電気炉の電源を切り冷却することによる固相エピタキシャル成長を行った。次に、０．６Ｍの前駆体溶液のスピンコーティングを行い、さらに、Ｏ２雰囲気中で昇温して３００°Ｃにて保持、および７００°Ｃに昇温して保持の後、電気炉の電源を切り冷却することによる固相エピタキシャル成長を行った。これをを１０回繰り返すことにより膜厚１０００ｎｍの第２のエピタキシャルＬｉＴａＯ３薄膜３を形成した。
【００９９】
実施例１と同様にしてプリズム・カップリングによって６３３ｎｍのレーザ光を０．４ｍｍにコリメートし、本実施例のＬｉＴａＯ３薄膜光導波路に導入して光伝搬方向のＴＭ０モードの散乱光強度分布を光ファイバーによって測定した。シュミレーションの０．８６ｄＢに対してほぼ等しい１．２５ｄＢ（結合効率で７５％）の良好な特性であることが分かった。また、０．４ｍｍのコリメート光は焦点距離１７．９ｍｍで集光しており、Ｆ値は４４．８と設計値と同じ集光性能を示すことが分かった。また、レンズ部でのマルチモード化も観察されなかった。
【０１００】
〔実施例６〕
本実施例においては導波路部４がＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．４９）／ＰＺＴ（３０／７０）薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．６１）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）、レンズ部５がＰＺＴ（３０／７０）薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．６１）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）となる構成を有し、レンズ部の実効屈折率が薄膜光導波路部よりも小さい、構造が図１５及び図１６のような片側が曲率半径８００μｍを有する凹型レンズを作製した。
【０１０１】
まず、実施例１と同様にしてＰｂ濃度で０．６ＭのＰＺＴ（３０／７０）薄膜用前駆体溶液を洗浄、エッチング、乾燥を行ったＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板上２へスピンコーティングを行った。さらに、Ｏ２雰囲気中で昇温して３００°Ｃにて保持の後、電気炉の電源を切り冷却した。これを６回繰り返すことによりアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜を得た。次に、ポジ電子線レジストをスピンコート、プリベークの後、片側が曲率半径８００μｍを有する凹型レンズ形状に電子線露光した。
【０１０２】
さらにポストベークに続いて現像を行うことにより、凹形レンズ形状の窓のレジスト・パターンを形成した。さらに、ハードベークの後、ＨＣｌ水溶液でアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜をエッチングすることによって凹形レンズ形状の窓をアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜に形成した。リムーバによって凹形レンズ形状の窓のレジストを剥離した後、Ｏ２雰囲気中で昇温して３５０°Ｃにて保持の後、７５０°Ｃにて保持することにより固相エピタキシャル成長を行い、光導波路部となる膜厚６００ｎｍの凹形レンズ形状の窓を有する第２のエピタキシャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜３を形成した。
【０１０３】
次に、Ｐｂ濃度で０．６ＭのＰＬＺＴ（９／６５／３５）用前駆体溶液を凹形レンズ形状の窓を有するエピタキシャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜上へスピンコーティングを行った。さらに、Ｏ２雰囲気中で昇温して３００°Ｃにて保持、および６５０°Ｃに昇温して保持の後、電気炉の電源を切り冷却することによる固相エピタキシャル成長を行った。これをを６回繰り返すことによりレンズ部となる膜厚６００ｎｍの第１のエピタキシャルＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜１を形成した。
【０１０４】
実施例１と同様にしてプリズム・カップリングによって６３３ｎｍのレーザ光を０．４ｍｍにコリメートし、本実施例のＰＬＺＴ薄膜光導波路にＴＥ０モードで導入したところ、良好な結合効率と集光特性が観察された。
【０１０５】
〔実施例７〕
本実施例においては導波路部４がＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．４９）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）、レンズ部５がＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．４９）／ＰＺＴ（３０／７０）薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．６１）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）となる構成を有し、構造が図１及び図１７のようなフレネル・レンズを実施例１と同様の方法で作製した。
【０１０６】
まず、ＰＺＴ（３０／７０）用前駆体溶液を用いてＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板上２へアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜を得た。次に、ネガ電子線レジストを用いてフレネル・レンズ形状に電子線露光することにより、フレネル・レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。ＨＣｌ水溶液でアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜をエッチングし、レジストを剥離した後、固相エピタキシャル成長により膜厚６００ｎｍのフレネル・レンズ形状の第１のエピタキシャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜１を形成した。次に、ＰＬＺＴ（９／６５／３５）用前駆体溶液をフレネル・レンズ形状のエピタキシャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜を有するＳｒＴｉＯ３基板上へスピンコーティングを行い、固相エピタキシャル成長によって膜厚６００ｎｍの第２のエピタキシャルＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜３を形成した。
【０１０７】
実施例１と同様にしてプリズム・カップリングによって６３３ｎｍのレーザ光を０．４ｍｍにコリメートし、本実施例のＰＬＺＴ薄膜光導波路にＴＥ０モードで導入したところ、良好な結合効率と集光特性が観察された。
【０１０８】
〔実施例８〕
本実施例においては導波路部４がＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．４９）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）、レンズ部５がＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．４９）／ＰＺＴ（３０／７０）薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．６１）／ＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）となる構成を有し、構造が図１及び図１８のようなグレーティング・レンズを実施例１と同様の方法で作製した。
【０１０９】
まず、ＰＺＴ（３０／７０）用前駆体溶液を用いてＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板上２へアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜を得た。次に、ネガ電子線レジストを用いてグレーティング・レンズ形状に電子線露光することにより、グレーティング・レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。ＣＣｌ２Ｆ２／Ｏ２混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチングでアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜をエッチングし、レジストを剥離した後、固相エピタキシャル成長により膜厚６００ｎｍのグレーティング・レンズ形状の第１のエピタキシャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜１を形成した。次に、ＰＬＺＴ（９／６５／３５）用前駆体溶液をグレーティング・レンズ形状のエピタキシャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜を有するＳｒＴｉＯ３基板上へスピンコーティングを行い、固相エピタキシャル成長によって膜厚６００ｎｍの第２のエピタキシャルＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜３を形成した。
【０１１０】
実施例１と同様にしてプリズム・カップリングによって６３３ｎｍのレーザ光を０．４ｍｍにコリメートし、本実施例のＰＬＺＴ薄膜光導波路にＴＥ０モードで導入したところ、良好な結合効率と集光特性が観察された。
【０１１１】
〔実施例９〕
本実施例においては導波路部４がＬｉＮｂＯ３薄膜（膜厚＝９００ｎｍ、ｎｅ＝２．２０８）／Ａｌ２Ｏ３基板（ｎｅ＝１．７６０）、レンズ部５がＬｉＮｂＯ３薄膜（膜厚＝９００ｎｍ、ｎｅ＝２．２０８）／ＴｉドープＬｉＮｂＯ３薄膜（膜厚＝８００ｎｍ、ｎｅ＝２．２３０）／Ａｌ２Ｏ３基板（ｎｅ＝１．７６０）となる構成を有し、構造が図１及び図２のような直径８００μｍの円形レンズを実施例５と同様の方法で作製した。
【０１１２】
まず、Ｔｉアルコキシドを添加したＬｉＮｂＯ３用前駆体溶液を用いてＡｌ２Ｏ３（０００１）単結晶基板上２へＴｉドープアモルファスＬｉＮｂＯ３薄膜を得た。次に、ネガ・レジストを用いて直径８００μｍの円形レンズ形状に紫外線露光することにより、円形レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。ＨＣｌ水溶液でＴｉドープアモルファスＬｉＮｂＯ３膜をエッチングし、レジストを剥離した後、固相エピタキシャル成長により膜厚６００ｎｍの円形レンズ形状の第１のＴｉドープエピタキシャルＬｉＮｂＯ３薄膜１を形成した。次に、ＬｉＮｂＯ３用前駆体溶液を円形レンズ形状のＴｉドープエピタキシャルＬｉＮｂＯ３薄膜を有するＡｌ２Ｏ３（０００１）単結晶基板上へスピンコーティングを行い、固相エピタキシャル成長によって膜厚１０００ｎｍの第２のエピタキシャルＬｉＮｂＯ３薄膜３を形成した。
【０１１３】
実施例１と同様にしてプリズム・カップリングによって６３３ｎｍのレーザ光を０．４ｍｍにコリメートし、本実施例のＬｉＮｂＯ３薄膜光導波路にＴＥ０モードで導入したところ、良好な結合効率と集光特性が観察された。
【０１１４】
〔実施例１０〕
本実施例においては図１９に示すように導波路部４がＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．４９）／ＰＺＴ（９０／１０）薄膜（膜厚＝３００ｎｍ、ｎ＝２．４８）／ＮｂドープＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）、レンズ部５がＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜（膜厚＝６００ｎｍ、ｎ＝２．４９）／ＰＺＴ（３０／７０）薄膜（膜厚＝５００ｎｍ、ｎ＝２．６１）／ＰＺＴ（９０／１０）薄膜（膜厚＝３００  ｎｍ、ｎ＝２．４８）／ＮｂドープＳｒＴｉＯ３基板（ｎ＝２．４０）となるＰＺＴ（９０／１０）バッファ層１１を導入した構成を有し、構造が図１及び図２のような直径８００μｍの円形レンズを実施例１と同様の方法で作製し、さらに導波路部にプリズム型ＩＴＯ電極を形成することによってプリズム型ＥＯ偏向素子を作製した。
【０１１５】
まず、ＰＺＴ（９０／１０）用前駆体溶液を洗浄、エッチング、乾燥を行ったＮｂドープＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板上２へスピンコーティングを行った。さらに、Ｏ２雰囲気中で昇温して３００°Ｃにて保持、および７５０°Ｃに昇温して保持の後、電気炉の電源を切り冷却することによる固相エピタキシャル成長を行った。これを３回繰り返すことにより膜厚３００ｎｍのバッファ層となるエピタキシャルＰＬＺＴ（９０／１０）薄膜１１を形成した。
【０１１６】
次に、ＰＺＴ（３０／７０）用前駆体溶液をＰＺＴ（９０／１０）バッファ層１１上へスピンコーティングを行った。さらに、Ｏ２雰囲気中で昇温して３００°Ｃにて保持の後、電気炉の電源を切り冷却した。これを５回繰り返すことによりアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜を得た。次に、ネガ電子線レジストをスピンコートし、プリベークの後、直径８００μｍの円形レンズ形状に電子線露光した。さらにポストベークに続いて現像を行うことにより、円形レンズ形状のレジスト・パターンを形成した。さらに、ハードベークの後、ＨＣｌ水溶液でアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜をエッチングすることによって円形レンズ形状のアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜を形成した。リムーバによって円形レンズ形状のレジストを剥離した後、Ｏ２雰囲気中で昇温して３００°Ｃにて保持の後、６５０°Ｃにて保持することにより固相エピタキシャル成長を行い、膜厚５００ｎｍの円形レンズ形状の第１のエピタキシャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜１を形成した。
【０１１７】
次に、ＰＬＺＴ（９／６５／３５）用前駆体溶液を円形レンズ形状のエピタキシャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜を有するＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板上へスピンコーティングを行った。さらに、Ｏ２雰囲気中で昇温して３５０°Ｃにて保持、および７５０°Ｃに昇温して保持の後、電気炉の電源を切り冷却することによる固相エピタキシャル成長を行った。これを６回繰り返すことにより膜厚６００ｎｍの第２のエピタキシャルＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜３を形成した。結晶学的関係は単一配向のＰＬＺＴ（１００）／／ＰＺＴ（１００）／／ＰＺＴ（１００）／／ＮｂドープＳｒＴｉＯ３（１００）、面内方位ＰＬＺＴ［００１］／／ＰＺＴ［００１］／／ＰＺＴ［００１］／／ＮｂドープＳｒＴｉＯ３［００１］の構造が得られた。
このＰＬＺＴ薄膜光導波路上にはＲｆスパッタリング法によって成膜した膜厚１００ｎｍのＩＴＯ薄膜による底辺５００μｍ、高さ１０００μｍのプリズム形上部電極をリフト・オフ法によって形成し、プリズム型ＥＯ偏向素子を作製した。また、ＮｂドープＳｒＴｉＯ３基板の裏面にはＩｎによってオーミック・コンタクトを得た。
【０１１８】
実施例１と同様にしてプリズム・カップリングによって６３３ｎｍのレーザ光を０．４ｍｍにコリメートし、本実施例のＰＬＺＴ薄膜光導波路にＴＥ０モードで導入したところ、基板による光伝搬損失はほとんど観察されず、薄膜レンズによる良好な結合効率と集光特性が観察された。また、下部ＮｂドープＳｒＴｉＯ３基板電極とＩＴＯ上部プリズム電極の間に電圧を印加した場合、バッファ層を導入しても光導波路へ高い実効電圧を印加することが可能となり、電気光学効果によってプリズム電極下部分とそれ以外の部分において異なる屈折率が発生し、高い効率でレーザー・ビームが偏向された。
【０１１９】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、光導波路素子において、高い特性を有するエピタキシャル強誘電体薄膜光導波路に良好な光学特性と生産性を有する導波路レンズを設けることが初めて可能となり、光導波路構造を有する各種の偏向素子、スイッチング素子、あるいは変調素子において導波路レンズを利用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による実施例１における光導波路素子の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態による実施例１における光導波路素子の構造を示す上面図である。
【図３】本発明の一実施の形態における第１の薄膜と第２の薄膜の実効屈折率比とレンズのＦ値の関係を示す図である。
【図４】光導波路における電磁界分布の原理図である。
【図５】光導波路における電磁界分布の原理図である。
【図６】屈折率２．４０の基板上の屈折率２．５６の第１の薄膜と屈折率２．５０の第２の薄膜の構造における、第１の薄膜と第２の薄膜の膜厚と結合損失の関係を示す図である。
【図７】屈折率２．４０の基板上の屈折率２．６１の第１の薄膜と屈折率２．４９の第２の薄膜の構造における、第１の薄膜と第２の薄膜の膜厚と結合損失の関係を示す図である。
【図８】屈折率２．４０の基板上の屈折率２．６５の第１の薄膜と屈折率２．４７の第２の薄膜の構造における、第１の薄膜と第２の薄膜の膜厚と結合損失の関係を示す図である。
【図９】第２の薄膜に対して第１の薄膜の膜厚が変化した場合の電界分布の変化を示す図である。
【図１０】本発明の一実施の形態による実施例１の光導波路素子の斜視図である。
【図１１】比較例１の光導波路素子の構造を示す断面図である。
【図１２】比較例２の光導波路素子の構造を示す断面図である。
【図１３】本発明の一実施の形態による実施例２の光導波路素子の構造を示す上面図である。
【図１４】本発明の一実施の形態による実施例３の光導波路素子の構造を示す上面図である。
【図１５】本発明の一実施の形態による実施例６の光導波路素子の構造を示す断面図である。
【図１６】本発明の一実施の形態による実施例６の光導波路素子の構造を示す上面図である。
【図１７】本発明の一実施の形態による実施例７の光導波路素子の構造を示す上面図である。
【図１８】本発明の一実施の形態による実施例８の光導波路素子の構造を示す上面図である。
【図１９】本発明の一実施の形態による実施例１０の光導波路素子の構造を示す上面図である。
【符号の説明】
１  第１のエピタキシャルまたは単一配向性の強誘電体薄膜
２  基板
３  第２のエピタキシャルまたは単一配向性の強誘電体薄膜
４  導波路部
５  レンズ部
６  くし形Ａｌ電極
７  チャンネル導波路
８  入射ビーム
９  偏向前の出射ビーム
１０  偏向後の出射ビーム
１１  酸化物バッファ層
【図１】
0004204108.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0004204108.tif 000008
【図７】
0004204108.tif 000009
【図８】
0004204108.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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