光学素子
【課題】 基板１と光導波路３との間に応力緩和層２を設けることにより、電気光学効果膜からなる光導波路３にバルク状の電気光学効果材料に匹敵する高い電気光学効果を生ぜしめ、微細化・高性能化の要請に十分答える信頼性の高い光偏向素子を実現する。
【解決手段】 光導波路３は電気光学効果膜１１，１２，１３が積層形成されてなるものであり、基板１と光導波路３との間に、熱膨張率が１０×１０-6／℃以上の金属材料、例えばＡｕ、Ａｇ又はこれらの合金を主成分とする金属材料からなり、基板１に起因する光導波路３への拘束力を緩和する機能を有する応力緩和層２が形成される。
【解決手段】 光導波路３は電気光学効果膜１１，１２，１３が積層形成されてなるものであり、基板１と光導波路３との間に、熱膨張率が１０×１０-6／℃以上の金属材料、例えばＡｕ、Ａｇ又はこれらの合金を主成分とする金属材料からなり、基板１に起因する光導波路３への拘束力を緩和する機能を有する応力緩和層２が形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信及び光信号処理等の技術分野において用いられる光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
誘電体結晶、又は強誘電体結晶に電場を印加すると屈折率が変化する。この現象は電気光学効果と称されており、この効果を利用して、光変調器、光偏向素子、光スイッチなど様々な光学素子が開発されている。
【０００３】
ここで、結晶中を伝播する光のＴＭ−Ｍｏｄｅと平行に電場Ｅを印加したときを考える。このときの屈折率変化は、ＴＥ−Ｍｏｄｅ及びＴＭ−Ｍｏｄｅでそれぞれ以下のように表される。
ΔｎTE＝−（１／２）ｎTE3ｒ13Ｅ （１）
ΔｎTM＝−（１／２）ｎTM3ｒ33Ｅ （２）
【０００４】
ｎTE，ｎTMはＴＥ−Ｍｏｄｅ及びＴＭ−Ｍｏｄｅの屈折率を、ｒ13，ｒ33は電気光学定数をそれぞれ表す。屈折率変化量ΔｎTE，ΔｎTMは、電圧の強さ、電気光学定数及び屈折率の３乗に比例する。光学素子、例えば光偏向素子において、電気光学効果の大きな材料を用いて光導波路を構成すれば、低電圧でも大きな角度の光偏向を得ることができる。そのため、各種の光学素子に電気光学定数及び屈折率の大きい材料の使用が検討されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１７７２６２号公報
【特許文献２】特開２００１−１１７０５９号公報
【特許文献３】特開２００１−２４９３１１号公報
【特許文献４】特開平６−６７１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
いわゆるバルク状の電気光学材料等の特性として、一般に使用される電気光学効果ｒcは、
ｒc＝ｒ33−（ｎTE／ｎTM）3ｒ13 （３）
で表される。バルク状の（Ｐｂ1-yＬａ(3/2)y）（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3、いわゆるＰＬＺＴ(８／６５／３５)では、ｒc＝５００ｐｍ／Ｖと大きい値が記録されている。
【０００７】
一方、薄膜状のＰＬＺＴ、例えばエピタキシャル成長により形成されるＰＬＺＴのエピタキシャル膜の特性について報告がなされている（石井雅俊 他：第５１回応用物理学会関係連合講演会29p-ZL-1）。ここでは、ＰＬＺＴを材料として主成長面の結晶方位が｛００１｝のエピタキシャル膜を成膜したときの特性について記載されており、ｒ13，ｒ33＝３０ｐｍ／Ｖ〜４０ｐｍ／Ｖ、ｒc＝０ｐｍ／Ｖとされている。このように、バルク状のＰＬＺＴでは高い電気光学効果を示すことに対して、薄膜状のＰＬＺＴではバルク状のＰＬＺＴに比較して電気光学効果が著しく劣る。
【０００８】
近年では、光学素子の更なる微細化・高性能化の要請が高まりつつあり、この要請に応えるには薄膜状の電気光学材料を用いることが必須である。しかしながら現在のところ、上述のように薄膜状の電気光学材料を光学素子に適用するための好適な方策は得られておらず、模索されている現況にある。
【０００９】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、薄膜状の電気光学効果膜を有し、この電気光学効果膜がバルク状の電気光学効果材料に匹敵する高い電気光学効果を示して、微細化・高性能化の要請に十分答える信頼性の高い光学素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の光学素子は、基板の上方に形成されており、電気光学効果を有する少なくとも１層の電気光学効果膜と、前記基板と前記電気光学効果膜との間に形成されており、熱膨張率が１０×１０-6／℃以上の金属からなる高熱膨張率膜とを含む。
【００１１】
本発明の光学素子は、基板の上方に形成されており、電気光学効果を有する少なくとも１層の電気光学効果膜と、前記基板と前記電気光学効果膜との間に形成されており、前記基板よりも電歪定数の大きい材料からなる高電歪膜とを含む。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、薄膜状の電気光学効果膜を有し、この電気光学効果膜がバルク状の電気光学効果材料に匹敵する高い電気光学効果を示して、微細化・高性能化の要請に十分答える信頼性の高い光学素子が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
−本発明の基本骨子−
本発明者らは、主成長面の結晶方位が｛１１１｝であるＰＬＺＴのエピタキシャル膜を成膜し、その特性を調査した。その結果、ｒ13＝−１０ｐｍ／Ｖ、ｒ33＝１１０ｐｍ／Ｖ、ｒc＝１２０ｐｍ／Ｖであり、結晶方位が｛００１｝のエピタキシャル膜よりはバルク状のＰＬＺＴに近い振る舞いをした。しかしながら、依然としてバルク状のＰＬＺＴのｒc＝５００ｐｍ／Ｖに比べると電気光学効果は未だ低い。
【００１４】
一般に、電気光学効果は分極による効果と歪みによる効果とがある。なかでもＰＬＺＴは歪みによる効果が大きく、電気光学効果全体の６０％にもなるとの報告がある(C. J. Kirkby, Ferroelectrics, 37 567 1981)。本発明者は、この事実に鑑みて、ＰＬＺＴのエピタキシャル膜の電気光学効果について、歪みによる効果の割合がどの程度であるのかを調査した。
【００１５】
先ず、ＰＬＺＴのエピタキシャル膜に電場を印加したときの歪み量から電気光学効果を見積もる。屈折率は密度にほぼ比例するので（ρ＝Ｖ／Ｍ（ρ：密度，Ｖ：体積,Ｍ：質量））、密度は電場を印加したときの印加方向による歪み量に比例して変化する。
【００１６】
ｎ0，Ｖ0を電場印加前の屈折率及び体積、ｎ，Ｖを電場印加後の屈折率及び体積とすると、
ｎ0Ｖ0＝ｎＶ （４）
となる。この式を用いて、電気光学定数を計算すると、
ｎ−ｎ0＝−（１／２）ｎ03ｒ33Ｅ （５）
となる。ここでｒ33は電場と平行方向の電気光学定数、Ｅは電場を表す。
【００１７】
そして、実際に成膜したエピタキシャル膜について、（５）式を用いてｒ33を計算した計算値と、電気光学定数の実測値とを比較する。
ここでは、結晶方位が｛００１｝であるＰＺＴのエピタキシャル膜を使用する。結果として、計算値、実測値ともに２３ｐｍ／Ｖとなった。歪み量のデータは文献（Shintaro Yokoyama et.al. Appl.Phys.Letter 83 (2003) 2408）から引用して計算した。因みに、結晶方位がそれぞれ｛００１｝，｛１１１｝であるＰＬＺＴのエピタキシャル膜の計算値は３８ｐｍ／Ｖ、１１２ｐｍ／Ｖであり、結晶方位が｛１１１｝であるＰＺＴのエピタキシャル膜の実測値は１２１ｐｍ／Ｖ〜２３１ｐｍ／Ｖであった。
【００１８】
このように、計算値と実測値とがほぼ一致することが確認された。以上の結果から、エピタキシャル膜の電気光学定数はほぼ歪みの影響のみで説明できることが判る。本発明者は、この事実に着目し、基板上に上述したエピタキシャル膜等の電気光学効果膜を形成する場合、基板に起因する電気光学効果膜への拘束力を緩和することにより、電気光学効果膜の電気光学効果を向上させることに想到した。
【００１９】
本発明では、基板に起因する電気光学効果膜への拘束力を緩和する具体的構成として、
（１）熱膨張率が１０×１０-6／℃以上の金属からなる高熱膨張率の応力緩和膜（高熱膨 張率膜）を、基板と電気光学効果膜との間に形成する。
（２）基板よりも電歪定数の大きい材料からなる高電歪定数の応力緩和膜（高電歪膜）を 、基板と電気光学効果膜との間に形成する。
の２つの構成を提示する。
【００２０】
（１）の構成について
本発明に適用する応力緩和膜としては、熱膨張率の高い薄膜（高熱膨張率膜）が考えられる、この場合、高熱膨張率であり、成膜の容易性・確実性等の観点に加え、電気光学効果膜の上下にはそれぞれ電極（上部電極及び下部電極）を配することを考慮して、当該高熱膨張率膜（ここではこの表現）を下部電極と兼用し、素子の微細化及び製造工程の短縮化を実現するという観点から、金属材料、特に金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）又はこれらの合金を主成分とする金属材料等から応力緩和膜を形成する。
【００２１】
図１は、電気光学効果膜の電気光学効果ｒc（ｐｍ／Ｖ）と、応力緩和膜の熱膨張率（／℃）との関係について調べた結果を示す特性図である。図１では、横軸を熱膨張率の逆数（℃）、縦軸をｒc（ｐｍ／Ｖ）としている。
このように、熱膨張率が大きいほどｒcも大きい値を示しており、Ａｕ（熱膨張率：１９．２×１０-6／℃），Ａｇ（熱膨張率：１４．１×１０-6／℃）は共に光学素子の基板材料として多用されているＳｒＴｉＯ3（ＳＴＯ）よりもｒcが大きく、バルク状の電気光学材料（ここでは５００ｐｍ／Ｖ）に近いｒcを示すことが判る。
【００２２】
実際に、Ａｕ又はＡｇを材料として応力緩和膜を形成し、電気光学効果膜としてＰＬＺＴを材料としてなる主成長面の結晶方位が｛１１１｝のエピタキシャル膜のｒcを測定したところ、２００ｐｍ／Ｖ程度という大きなｒcを示した。この値は、応力緩和膜を有しない場合のｒc＝１２０ｐｍ／Ｖに比して大幅に向上している。
【００２３】
（２）の構成について
（１）では、応力緩和膜として金属膜を挙げたが、ここでは本発明に適用する応力緩和膜として絶縁膜を提示する。本発明では、基板に起因する電気光学効果膜への拘束力の緩和を志向することから、基板よりも電歪定数の大きい材料から応力緩和膜（高電歪膜）を形成する。具体的な材料としては、上述のように基板材料としてはＳＴＯが多用されていることから、基板材料にＳＴＯを用いる場合には、これよりも電歪定数の大きい材料、例えばＰｂＭｇ0.5Ｗ0.5Ｏ3又はＫＴａＯ3を主成分とする材料を用いる。ここでは、ＳＴＯ、ＰｂＭｇ0.5Ｗ0.5Ｏ3、ＫＴａＯ3の各電歪定数は、この順で４．７×１０-2ｍ4／Ｃ2、６．２×１０-2ｍ4／Ｃ2、５．２×１０-2ｍ4／Ｃ2である。
【００２４】
この場合、下部電極は基板と高電歪膜（ここではこの表現）との間に形成する。これは、応力緩和膜と電気光学効果膜との間に下部電極を形成すると、応力緩和膜による基板の拘束力の緩和という効果が阻害されてしまうことを考慮したものであり、応力緩和膜と電気光学効果膜との間にはできるだけ余計なものは形成しないことが望ましい。
【００２５】
実際に、基板材料にＳＴＯを用い、ＰｂＭｇ0.5Ｗ0.5Ｏ3又はＫＴａＯ3を材料として応力緩和膜を形成し、電気光学効果膜としてＰＬＺＴを材料としてなる主成長面の結晶方位が｛１１１｝のエピタキシャル膜のｒcを測定したところ、２２０ｐｍ／Ｖ程度という大きなｒcを示した。この値は、応力緩和膜を有しない場合のｒc＝１２０ｐｍ／Ｖに比して大幅に向上している。
【００２６】
なお、特許文献１〜４には、それぞれ基板と電気光学効果膜との間にバッファー膜を形成することが開示されているが、本発明の如き熱膨張率の観点、電歪定数の観点は何等示唆すらされておらず、従ってバッファー膜の材質・材料も本発明とは全く異なるものである。
【００２７】
−本発明を適用した具体的な諸実施形態−
以下、本発明を適用した具体的な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２８】
（第１の実施形態）
本実施形態では、本発明を光学素子である光偏向素子に適用した例を開示する。光偏向素子とは、入射光を所望の角度で偏向させて出力する光学素子である。
【００２９】
図２は、第１の実施形態による光偏向素子の主要構成を示す模式図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）の線分Ｉ−Ｉに沿った断面図である。
この光偏向素子は、基板１上に形成された金属材料からなる応力緩和層２と、応力緩和層２上に積層された電気光学材料からなる光導波路３と、光導波路３を介して応力緩和層２と対向するように光導波路３上に設けられた偏向電極４とを備えて構成されている。
【００３０】
基板１は、絶縁材料、ここではＳｒＴｉＯ3（ＳＴＯ）を主成分しており、例えばＮｂを１％含有するＳＴＯを材料として構成されている。
【００３１】
光導波路３は、いわゆるスラブ型導波路であり、電気光学効果膜が２層以上、ここでは３層積層されてなるものであり、具体的には、下部クラッド層１１と上部クラッド層１３との間に光路が形成されるコア層１２が挟持されて構成されている。光導波路３の電気光学材料としては、大きな電気光学効果を持つ強誘電体である例えば単純ペロブスカイト構造のＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3（ＰＺＴ：０≦ｘ≦１）、（Ｐｂ1-yＬａ(3/2)y）（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3（ＰＬＺＴ：０≦ｘ，ｙ≦１）、Ｐｂ（Ｂ'1/3Ｂ"2/3）xＴｉyＺｒ1-x-yＯ3（０≦ｘ，ｙ≦１、Ｂ'は２価の遷移金属、Ｂ"は５価の遷移金属）、Ｐｂ（Ｂ'1/2Ｂ"2/2）xＴｉyＺｒ1-x-yＯ3（０≦ｘ，ｙ≦１、Ｂ'は２価の遷移金属、Ｂ"は５価の遷移金属）、及びＰｂ（Ｂ'1/3Ｂ"2/3）xＴｉyＺｒ1-x-yＯ3（０≦ｘ，ｙ≦１、Ｂ'は６価の遷移金属、Ｂ"は３価の遷移金属）のうちから選ばれた１種を含むものが好ましい。ここで、光導波路３の各電気光学効果膜は、エピタキシャル成長により形成されるエピタキシャル膜であり、主成長面の結晶方位が例えば｛１００｝とされてなるものである。
【００３２】
また、タングステンブロンズ構造の電気光学材料、例えば（Ｓｒ1-xＢａx）Ｎｂ2Ｏ6（０≦ｘ≦１）、（Ｓｒ1-xＢａx）Ｔａ2Ｏ6（０≦ｘ≦１）、ＰｂＮｂ2Ｏ6、及びＢａ2ＮａＮｂ5Ｏ15のうちから選ばれた１種を含むものや、ビスマス層状構造の電気光学材料、例えば（Ｂｉ1-xＲx）Ｔｉ3Ｏ12（Ｒは希土類元素：０≦ｘ≦１）、ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9、及びＳｒＢｉ4Ｔｉ4Ｏ15のうちから選ばれた１種を含むものを用いても好適である。これらの中から任意の屈折率を持つ材料を選択し、光導波路３の材料とする。
【００３３】
応力緩和層２は、熱膨張率が１０×１０-6／℃以上の金属材料、例えばＡｕ、Ａｇ又はこれらの合金を主成分とする金属材料からなり、基板１に起因する光導波路３への拘束力を緩和する機能を有する。応力緩和層２を形成することにより、光導波路３が高い電気光学効果、例えばｒc＝２００ｐｍ／Ｖ程度を奏する。この応力緩和層２は、高い導電率の金属材料であることから、光導波路３へ電圧を印加する際の下部電極としても機能する。
【００３４】
偏向電極４は、応力緩和層２と光導波路３を挟持して対向する三角形状に形成されており、所期の電圧を印加することにより、入射光を所望の角度に偏向させて出力する機能を有するものである。
【００３５】
ここで、本実施形態による光偏向素子の製造方法について説明する。
図３は、第１の実施形態による光偏向素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
先ず、基板１上に応力緩和層２を形成する。
具体的には、図３（ａ）に示すように、主成長面の結晶方位が｛１００｝であるＮｂ１％−ＳＴＯからなる基板１上に、例えばＡｕ、Ａｇ又はこれらの合金を主成分とする金属材料、ここではＡｇをスパッタ法により堆積し、膜厚１００ｎｍ程度の応力緩和層２を形成する。
【００３６】
続いて、応力緩和層２上に光導波路３を形成する。
先ず、ＰＬＺＴのゾル−ゲル溶液（前駆体）を作製する。ＰＬＺＴのゾル−ゲル溶液としては、構成金属元素の有機化合物であるＰｂ（ＣＨ3ＣＯＯ）2・３Ｈ2Ｏ〔酢酸鉛〕、Ｌａ（ｉ−ＯＣ3Ｈ7）3［ランタンイソプロポキシド］、Ｔｉ（ｉ−ＯＣ3Ｈ7）4［チタニウムイソプロポキシド］、Ｚｒ（ＯＣ3Ｈ7）4［ジルコニウムプロポキシド］、及び安定剤としてのＣＨ3ＣＯＣＨ2ＣＯＣＨ3［２，４−ペンタンジオン］を溶剤であるＣＨ3ＯＣ2Ｈ4ＯＨ［２−メトキシエタノール］で還流することにより合成した。ＰＬＺＴの（８／６５／３５）組成を作製する場合には、Ｐｂ（ＣＨ3ＣＯＯ）2・３Ｈ2Ｏ／Ｌａ（ｉ−ＯＣ3Ｈ7）3のモル比を１０２／８とし、Ｚｒ（ＯＣ3Ｈ7）4／Ｔｉ（ｉ−ＯＣ3Ｈ7）4のモル比を６５／３５とすれば良い。
【００３７】
上記の方法で作製したゾル−ゲル溶液を用いて、図３（ｂ）に示すように、屈折率の異なる下部クラッド層１１、コア層１２及び上部クラッド層１３をエピタキシャル成長させる。
具体的には、応力緩和層２上にＰＬＺＴ(１１／６５／３５)組成のゾル−ゲル溶液をスピンコート法により塗布する。続いて、ゾル−ゲル溶液の塗布された基板１をホットプレート上にて、例えば１４０℃で５分間、３５０℃で５分間、ベークする。続いて、赤外線炉を使用して、酸素雰囲気中において７００℃で焼成する。以上の工程により膜厚１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度の電気光学効果膜が形成される。この工程を繰り返し行い、例えば膜厚が３μｍ程度の下部クラッド層１１を形成する。
【００３８】
続いて、下部クラッド層１１上に、同様の手法でＰＬＺＴ(８／６５／３５)のゾル・ゲル前駆体を塗布して、例えば膜厚が４μｍ程度のコア層１２を形成する。
そして、コア層１２上に、同様の手法でＰＬＺＴ(１１／６５／３５)のゾル・ゲル前駆体を塗布して、例えば膜厚が３μｍ程度の上部クラッド層１３を形成する。
【００３９】
ＰＬＺＴ(１１／６５／３５)組成の下部及び下部クラッド層１１，１３の屈折率は、１．５５μｍの波長に対して２．３９となる。また、ＰＬＺＴ(８／６５／３５)組成のコア層１２の屈折率は、１．５５μｍの波長に対して２．４０となる。
【００４０】
続いて、上部クラッド層１３上に偏向電極４を形成する。
具体的には、図３（ｃ）に示すように、上部クラッド層１３上に、例えばＣｕ／Ｗ膜を三角形状にマスク蒸着することにより、偏向電極４を形成する。
以上の工程により、本実施形態の光偏向素子を完成させる。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態によれば、基板１と光導波路３との間に応力緩和層２を設けることにより、電気光学効果膜からなる光導波路３にバルク状の電気光学効果材料に匹敵する高い電気光学効果を生ぜしめ、微細化・高性能化の要請に十分答える信頼性の高い光偏向素子が実現する。
【００４２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態と同様に、本発明を光学素子である光偏向素子に適用した例を開示するが、応力緩和層等が異なる点で相違する。なお、第１の実施形態の光偏向素子と同一の構成部材等については同符号を付す。
【００４３】
図４は、第２の実施形態による光偏向素子の主要構成を示す模式図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）の線分Ｉ−Ｉに沿った断面図である。
この光偏向素子は、基板１上に形成された下部電極５と、絶縁材料からなる応力緩和層６と、応力緩和層６上に積層された電気光学材料からなる光導波路３と、光導波路３を介して応力緩和層６と対向するように光導波路３上に設けられた偏向電極４とを備えて構成されている。
【００４４】
ここで、基板１、光導波路３、偏向電極４は、構成材料、形状、形成位置等について、第１の実施形態で説明した光偏向素子と同様である。
【００４５】
応力緩和層６は、基板よりも電歪定数の大きい絶縁材料、ここでは基板１がＳＴＯを主成分としてなるため、ＳＴＯの電歪定数である４．７×１０-2ｍ4／Ｃ2よりも大きい電歪定数の絶縁材料、例えばＰｂＭｇ0.5Ｗ0.5Ｏ3又はＫＴａＯ3を主成分とする絶縁材料からなり、基板１に起因する光導波路３への拘束力を緩和する機能を有する。応力緩和層６を形成することにより、光導波路３が高い電気光学効果、例えばｒc＝２２０ｐｍ／Ｖ程度を奏する。
【００４６】
下部電極５は、例えばＳｒＲｕＯ3、ＣａＲｕＯ3、ＬａＮｉＯ3、（ＬａxＳｒ1-x）ＣｏＯ3（０≦ｘ≦１）、（ＬａxＳｒ1-x）ＭｎＯ3（０≦ｘ≦１）から選ばれた１種を主成分とする少なくとも１層から構成されている。下部電極５を基板１と応力緩和層６との間に形成することにより、下部電極５により妨げされることなく、応力緩和膜６により光導波路３に対する基板１の拘束力が十分に緩和される。
【００４７】
ここで、本実施形態による光偏向素子の製造方法について説明する。
図５は、第２の実施形態による光偏向素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
先ず、基板１上に下部電極５を形成する。
具体的には、図５（ａ）に示すように、主成長面の結晶方位が｛１００｝であるＮｂ１％−ＳＴＯからなる基板１上に、例えばＰＬＤ法によりＳｒＲｕＯ3を堆積した後、形成されたＳｒＲｕＯ3膜に所望のパターニングを施すことにより、例えば膜厚が１００ｎｍ程度の下部電極５を形成する。
【００４８】
続いて、下部電極５上に応力緩和層６を形成する。
具体的には、図５（ｂ）に示すように、第１の実施形態と同様のゾル−ゲル法により、例えばＰｂＭｇ0.5Ｗ0.5Ｏ3のゾル−ゲル溶液（前駆体）を作製する。そして、このゾル−ゲル溶液を下部電極５上に塗布し、所定温度・所定時間のベーク及び焼成を繰り返し行い、例えば膜厚が１００ｎｍ程度の応力緩和層６を形成する。
【００４９】
しかる後、応力緩和層６上に第１の実施形態と同様のゾル−ゲル法による下部クラッド層１１、コア層１２及び上部クラッド層１３の形成（図５（ｃ））、及び第１の実施形態と同様に上部クラッド層１３上の偏向電極４の形成（図５（ｄ））を経て、本実施形態の光偏向素子を完成させる。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態によれば、基板１上の下部電極５と光導波路３との間に応力緩和層６を設けることにより、電気光学効果膜からなる光導波路３にバルク状の電気光学効果材料に匹敵する高い電気光学効果を生ぜしめ、微細化・高性能化の要請に十分答える信頼性の高い光偏向素子が実現する。
【００５１】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００５２】
（付記１）基板の上方に形成されており、電気光学効果を有する少なくとも１層の電気光学効果膜と、
前記基板と前記電気光学効果膜との間に形成されており、熱膨張率が１０×１０-6／℃以上の金属からなる高熱膨張率膜と
を含むことを特徴とする光学素子。
【００５３】
（付記２）前記高熱膨張率膜は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）又はこれらの合金を主成分とする金属材料からなることを特徴とする付記１に記載の光学素子。
【００５４】
（付記３）前記電気光学効果膜上に形成された上部電極を更に含み、
前記上部電極と前記電気光学効果膜を介して対向する前記高熱膨張率膜が下部電極を兼用することを特徴とする付記１又は２に記載の光学素子。
【００５５】
（付記４）基板の上方に形成されており、電気光学効果を有する少なくとも１層の電気光学効果膜と、
前記基板と前記電気光学効果膜との間に形成されており、前記基板よりも電歪定数の大きい材料からなる高電歪膜と
を含むことを特徴とする光学素子。
【００５６】
（付記５）前記高電歪膜は、ＰｂＭｇ0.5Ｗ0.5Ｏ3又はＫＴａＯ3を主成分とする材料からなることを特徴とする付記４に記載の光学素子。
【００５７】
（付記６）前記電気光学効果膜上に形成された上部電極と、
前記上部電極と前記電気光学効果膜及び前記高電歪膜を介して対向するように前記基板上に形成された下部電極と
を更に含むことを特徴とする付記４又は５に記載の光学素子。
【００５８】
（付記７）前記下部電極は、ＳｒＲｕＯ3、ＣａＲｕＯ3、ＬａＮｉＯ3、（ＬａxＳｒ1-x）ＣｏＯ3（０≦ｘ≦１）、（ＬａxＳｒ1-x）ＭｎＯ3（０≦ｘ≦１）から選ばれた１種を主成分とする少なくとも１層からなることを特徴とする付記６に記載の光学素子。
【００５９】
（付記８）前記基板は、ＳｒＴｉＯ3を主成分とする材料からなることを特徴とする付記１〜７のいずれか１項に記載の光学素子。
【００６０】
（付記９）前記電気光学効果膜は、２層以上の積層構造を有する光導波路を構成することを特徴とする付記１〜８のいずれか１項に記載の光学素子。
【００６１】
（付記１０）前記電気光学効果膜はエピタキシャル成長されてなることを特徴とする付記１〜９のいずれか１項に記載の光学素子。
【００６２】
（付記１１）前記電気光学効果膜は、主成長面の結晶方位が｛１００｝であることを特徴とする付記１０に記載の光学素子。
【００６３】
（付記１２）前記電気光学効果膜は、単純ペロブスカイト構造を有することを特徴とする付記１〜１１のいずれか１項に記載の光学素子。
【００６４】
（付記１３）前記単純ペロブスカイト構造は、Ｐｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3（０≦ｘ≦１）、（Ｐｂ1-yＬａ(3/2)y）（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3（０≦ｘ，ｙ≦１）、Ｐｂ（Ｂ'1/3Ｂ"2/3）xＴｉyＺｒ1-x-yＯ3（０≦ｘ，ｙ≦１、Ｂ'は２価の遷移金属、Ｂ"は５価の遷移金属）、Ｐｂ（Ｂ'1/2Ｂ"2/2）xＴｉyＺｒ1-x-yＯ3（０≦ｘ，ｙ≦１、Ｂ'は２価の遷移金属、Ｂ"は５価の遷移金属）、及びＰｂ（Ｂ'1/3Ｂ"2/3）xＴｉyＺｒ1-x-yＯ3（０≦ｘ，ｙ≦１、Ｂ'は６価の遷移金属、Ｂ"は３価の遷移金属）のうちから選ばれた１種を含むことを特徴とする付記１２に記載の光学素子。
【００６５】
（付記１４）前記電気光学効果膜は、少なくとも１層がタングステンブロンズ構造を有することを特徴とする付記１〜１１のいずれか１項に記載の光学素子。
【００６６】
（付記１５）前記タングステンブロンズ構造は、（Ｓｒ1-xＢａx）Ｎｂ2Ｏ6（０≦ｘ≦１）、（Ｓｒ1-xＢａx）Ｔａ2Ｏ6（０≦ｘ≦１）、ＰｂＮｂ2Ｏ6、及びＢａ2ＮａＮｂ5Ｏ15のうちから選ばれた１種を含むことを特徴とする付記１４に記載の光学素子。
【００６７】
（付記１６）前記電気光学効果膜は、少なくとも１層がビスマス層状構造を有することを特徴とする付記１〜１１のいずれか１項に記載の光学素子。
【００６８】
（付記１７）前記ビスマス層状構造は、（Ｂｉ1-xＲx）Ｔｉ3Ｏ12（Ｒは希土類元素：０≦ｘ≦１）、ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9、及びＳｒＢｉ4Ｔｉ4Ｏ15のうちから選ばれた１種を含むことを特徴とする付記１６に記載の光学素子。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】電気光学効果膜の電気光学効果ｒc（ｐｍ／Ｖ）と、応力緩和膜の熱膨張率（／℃）との関係について調べた結果を示す特性図である。
【図２】第１の実施形態による光偏向素子の主要構成を示す模式図である。
【図３】第１の実施形態による光偏向素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図４】第２の実施形態による光偏向素子の主要構成を示す模式図である。
【図５】第２の実施形態による光偏向素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００７０】
１ 基板
２，６応力緩和層
３ 光導波路
４ 偏向電極
５ 下部電極
１１ 下部クラッド層
１２ コア層
１３ 上部クラッド層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信及び光信号処理等の技術分野において用いられる光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
誘電体結晶、又は強誘電体結晶に電場を印加すると屈折率が変化する。この現象は電気光学効果と称されており、この効果を利用して、光変調器、光偏向素子、光スイッチなど様々な光学素子が開発されている。
【０００３】
ここで、結晶中を伝播する光のＴＭ−Ｍｏｄｅと平行に電場Ｅを印加したときを考える。このときの屈折率変化は、ＴＥ−Ｍｏｄｅ及びＴＭ−Ｍｏｄｅでそれぞれ以下のように表される。
ΔｎTE＝−（１／２）ｎTE3ｒ13Ｅ （１）
ΔｎTM＝−（１／２）ｎTM3ｒ33Ｅ （２）
【０００４】
ｎTE，ｎTMはＴＥ−Ｍｏｄｅ及びＴＭ−Ｍｏｄｅの屈折率を、ｒ13，ｒ33は電気光学定数をそれぞれ表す。屈折率変化量ΔｎTE，ΔｎTMは、電圧の強さ、電気光学定数及び屈折率の３乗に比例する。光学素子、例えば光偏向素子において、電気光学効果の大きな材料を用いて光導波路を構成すれば、低電圧でも大きな角度の光偏向を得ることができる。そのため、各種の光学素子に電気光学定数及び屈折率の大きい材料の使用が検討されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１７７２６２号公報
【特許文献２】特開２００１−１１７０５９号公報
【特許文献３】特開２００１−２４９３１１号公報
【特許文献４】特開平６−６７１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
いわゆるバルク状の電気光学材料等の特性として、一般に使用される電気光学効果ｒcは、
ｒc＝ｒ33−（ｎTE／ｎTM）3ｒ13 （３）
で表される。バルク状の（Ｐｂ1-yＬａ(3/2)y）（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3、いわゆるＰＬＺＴ(８／６５／３５)では、ｒc＝５００ｐｍ／Ｖと大きい値が記録されている。
【０００７】
一方、薄膜状のＰＬＺＴ、例えばエピタキシャル成長により形成されるＰＬＺＴのエピタキシャル膜の特性について報告がなされている（石井雅俊 他：第５１回応用物理学会関係連合講演会29p-ZL-1）。ここでは、ＰＬＺＴを材料として主成長面の結晶方位が｛００１｝のエピタキシャル膜を成膜したときの特性について記載されており、ｒ13，ｒ33＝３０ｐｍ／Ｖ〜４０ｐｍ／Ｖ、ｒc＝０ｐｍ／Ｖとされている。このように、バルク状のＰＬＺＴでは高い電気光学効果を示すことに対して、薄膜状のＰＬＺＴではバルク状のＰＬＺＴに比較して電気光学効果が著しく劣る。
【０００８】
近年では、光学素子の更なる微細化・高性能化の要請が高まりつつあり、この要請に応えるには薄膜状の電気光学材料を用いることが必須である。しかしながら現在のところ、上述のように薄膜状の電気光学材料を光学素子に適用するための好適な方策は得られておらず、模索されている現況にある。
【０００９】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、薄膜状の電気光学効果膜を有し、この電気光学効果膜がバルク状の電気光学効果材料に匹敵する高い電気光学効果を示して、微細化・高性能化の要請に十分答える信頼性の高い光学素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の光学素子は、基板の上方に形成されており、電気光学効果を有する少なくとも１層の電気光学効果膜と、前記基板と前記電気光学効果膜との間に形成されており、熱膨張率が１０×１０-6／℃以上の金属からなる高熱膨張率膜とを含む。
【００１１】
本発明の光学素子は、基板の上方に形成されており、電気光学効果を有する少なくとも１層の電気光学効果膜と、前記基板と前記電気光学効果膜との間に形成されており、前記基板よりも電歪定数の大きい材料からなる高電歪膜とを含む。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、薄膜状の電気光学効果膜を有し、この電気光学効果膜がバルク状の電気光学効果材料に匹敵する高い電気光学効果を示して、微細化・高性能化の要請に十分答える信頼性の高い光学素子が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
−本発明の基本骨子−
本発明者らは、主成長面の結晶方位が｛１１１｝であるＰＬＺＴのエピタキシャル膜を成膜し、その特性を調査した。その結果、ｒ13＝−１０ｐｍ／Ｖ、ｒ33＝１１０ｐｍ／Ｖ、ｒc＝１２０ｐｍ／Ｖであり、結晶方位が｛００１｝のエピタキシャル膜よりはバルク状のＰＬＺＴに近い振る舞いをした。しかしながら、依然としてバルク状のＰＬＺＴのｒc＝５００ｐｍ／Ｖに比べると電気光学効果は未だ低い。
【００１４】
一般に、電気光学効果は分極による効果と歪みによる効果とがある。なかでもＰＬＺＴは歪みによる効果が大きく、電気光学効果全体の６０％にもなるとの報告がある(C. J. Kirkby, Ferroelectrics, 37 567 1981)。本発明者は、この事実に鑑みて、ＰＬＺＴのエピタキシャル膜の電気光学効果について、歪みによる効果の割合がどの程度であるのかを調査した。
【００１５】
先ず、ＰＬＺＴのエピタキシャル膜に電場を印加したときの歪み量から電気光学効果を見積もる。屈折率は密度にほぼ比例するので（ρ＝Ｖ／Ｍ（ρ：密度，Ｖ：体積,Ｍ：質量））、密度は電場を印加したときの印加方向による歪み量に比例して変化する。
【００１６】
ｎ0，Ｖ0を電場印加前の屈折率及び体積、ｎ，Ｖを電場印加後の屈折率及び体積とすると、
ｎ0Ｖ0＝ｎＶ （４）
となる。この式を用いて、電気光学定数を計算すると、
ｎ−ｎ0＝−（１／２）ｎ03ｒ33Ｅ （５）
となる。ここでｒ33は電場と平行方向の電気光学定数、Ｅは電場を表す。
【００１７】
そして、実際に成膜したエピタキシャル膜について、（５）式を用いてｒ33を計算した計算値と、電気光学定数の実測値とを比較する。
ここでは、結晶方位が｛００１｝であるＰＺＴのエピタキシャル膜を使用する。結果として、計算値、実測値ともに２３ｐｍ／Ｖとなった。歪み量のデータは文献（Shintaro Yokoyama et.al. Appl.Phys.Letter 83 (2003) 2408）から引用して計算した。因みに、結晶方位がそれぞれ｛００１｝，｛１１１｝であるＰＬＺＴのエピタキシャル膜の計算値は３８ｐｍ／Ｖ、１１２ｐｍ／Ｖであり、結晶方位が｛１１１｝であるＰＺＴのエピタキシャル膜の実測値は１２１ｐｍ／Ｖ〜２３１ｐｍ／Ｖであった。
【００１８】
このように、計算値と実測値とがほぼ一致することが確認された。以上の結果から、エピタキシャル膜の電気光学定数はほぼ歪みの影響のみで説明できることが判る。本発明者は、この事実に着目し、基板上に上述したエピタキシャル膜等の電気光学効果膜を形成する場合、基板に起因する電気光学効果膜への拘束力を緩和することにより、電気光学効果膜の電気光学効果を向上させることに想到した。
【００１９】
本発明では、基板に起因する電気光学効果膜への拘束力を緩和する具体的構成として、
（１）熱膨張率が１０×１０-6／℃以上の金属からなる高熱膨張率の応力緩和膜（高熱膨 張率膜）を、基板と電気光学効果膜との間に形成する。
（２）基板よりも電歪定数の大きい材料からなる高電歪定数の応力緩和膜（高電歪膜）を 、基板と電気光学効果膜との間に形成する。
の２つの構成を提示する。
【００２０】
（１）の構成について
本発明に適用する応力緩和膜としては、熱膨張率の高い薄膜（高熱膨張率膜）が考えられる、この場合、高熱膨張率であり、成膜の容易性・確実性等の観点に加え、電気光学効果膜の上下にはそれぞれ電極（上部電極及び下部電極）を配することを考慮して、当該高熱膨張率膜（ここではこの表現）を下部電極と兼用し、素子の微細化及び製造工程の短縮化を実現するという観点から、金属材料、特に金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）又はこれらの合金を主成分とする金属材料等から応力緩和膜を形成する。
【００２１】
図１は、電気光学効果膜の電気光学効果ｒc（ｐｍ／Ｖ）と、応力緩和膜の熱膨張率（／℃）との関係について調べた結果を示す特性図である。図１では、横軸を熱膨張率の逆数（℃）、縦軸をｒc（ｐｍ／Ｖ）としている。
このように、熱膨張率が大きいほどｒcも大きい値を示しており、Ａｕ（熱膨張率：１９．２×１０-6／℃），Ａｇ（熱膨張率：１４．１×１０-6／℃）は共に光学素子の基板材料として多用されているＳｒＴｉＯ3（ＳＴＯ）よりもｒcが大きく、バルク状の電気光学材料（ここでは５００ｐｍ／Ｖ）に近いｒcを示すことが判る。
【００２２】
実際に、Ａｕ又はＡｇを材料として応力緩和膜を形成し、電気光学効果膜としてＰＬＺＴを材料としてなる主成長面の結晶方位が｛１１１｝のエピタキシャル膜のｒcを測定したところ、２００ｐｍ／Ｖ程度という大きなｒcを示した。この値は、応力緩和膜を有しない場合のｒc＝１２０ｐｍ／Ｖに比して大幅に向上している。
【００２３】
（２）の構成について
（１）では、応力緩和膜として金属膜を挙げたが、ここでは本発明に適用する応力緩和膜として絶縁膜を提示する。本発明では、基板に起因する電気光学効果膜への拘束力の緩和を志向することから、基板よりも電歪定数の大きい材料から応力緩和膜（高電歪膜）を形成する。具体的な材料としては、上述のように基板材料としてはＳＴＯが多用されていることから、基板材料にＳＴＯを用いる場合には、これよりも電歪定数の大きい材料、例えばＰｂＭｇ0.5Ｗ0.5Ｏ3又はＫＴａＯ3を主成分とする材料を用いる。ここでは、ＳＴＯ、ＰｂＭｇ0.5Ｗ0.5Ｏ3、ＫＴａＯ3の各電歪定数は、この順で４．７×１０-2ｍ4／Ｃ2、６．２×１０-2ｍ4／Ｃ2、５．２×１０-2ｍ4／Ｃ2である。
【００２４】
この場合、下部電極は基板と高電歪膜（ここではこの表現）との間に形成する。これは、応力緩和膜と電気光学効果膜との間に下部電極を形成すると、応力緩和膜による基板の拘束力の緩和という効果が阻害されてしまうことを考慮したものであり、応力緩和膜と電気光学効果膜との間にはできるだけ余計なものは形成しないことが望ましい。
【００２５】
実際に、基板材料にＳＴＯを用い、ＰｂＭｇ0.5Ｗ0.5Ｏ3又はＫＴａＯ3を材料として応力緩和膜を形成し、電気光学効果膜としてＰＬＺＴを材料としてなる主成長面の結晶方位が｛１１１｝のエピタキシャル膜のｒcを測定したところ、２２０ｐｍ／Ｖ程度という大きなｒcを示した。この値は、応力緩和膜を有しない場合のｒc＝１２０ｐｍ／Ｖに比して大幅に向上している。
【００２６】
なお、特許文献１〜４には、それぞれ基板と電気光学効果膜との間にバッファー膜を形成することが開示されているが、本発明の如き熱膨張率の観点、電歪定数の観点は何等示唆すらされておらず、従ってバッファー膜の材質・材料も本発明とは全く異なるものである。
【００２７】
−本発明を適用した具体的な諸実施形態−
以下、本発明を適用した具体的な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２８】
（第１の実施形態）
本実施形態では、本発明を光学素子である光偏向素子に適用した例を開示する。光偏向素子とは、入射光を所望の角度で偏向させて出力する光学素子である。
【００２９】
図２は、第１の実施形態による光偏向素子の主要構成を示す模式図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）の線分Ｉ−Ｉに沿った断面図である。
この光偏向素子は、基板１上に形成された金属材料からなる応力緩和層２と、応力緩和層２上に積層された電気光学材料からなる光導波路３と、光導波路３を介して応力緩和層２と対向するように光導波路３上に設けられた偏向電極４とを備えて構成されている。
【００３０】
基板１は、絶縁材料、ここではＳｒＴｉＯ3（ＳＴＯ）を主成分しており、例えばＮｂを１％含有するＳＴＯを材料として構成されている。
【００３１】
光導波路３は、いわゆるスラブ型導波路であり、電気光学効果膜が２層以上、ここでは３層積層されてなるものであり、具体的には、下部クラッド層１１と上部クラッド層１３との間に光路が形成されるコア層１２が挟持されて構成されている。光導波路３の電気光学材料としては、大きな電気光学効果を持つ強誘電体である例えば単純ペロブスカイト構造のＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3（ＰＺＴ：０≦ｘ≦１）、（Ｐｂ1-yＬａ(3/2)y）（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3（ＰＬＺＴ：０≦ｘ，ｙ≦１）、Ｐｂ（Ｂ'1/3Ｂ"2/3）xＴｉyＺｒ1-x-yＯ3（０≦ｘ，ｙ≦１、Ｂ'は２価の遷移金属、Ｂ"は５価の遷移金属）、Ｐｂ（Ｂ'1/2Ｂ"2/2）xＴｉyＺｒ1-x-yＯ3（０≦ｘ，ｙ≦１、Ｂ'は２価の遷移金属、Ｂ"は５価の遷移金属）、及びＰｂ（Ｂ'1/3Ｂ"2/3）xＴｉyＺｒ1-x-yＯ3（０≦ｘ，ｙ≦１、Ｂ'は６価の遷移金属、Ｂ"は３価の遷移金属）のうちから選ばれた１種を含むものが好ましい。ここで、光導波路３の各電気光学効果膜は、エピタキシャル成長により形成されるエピタキシャル膜であり、主成長面の結晶方位が例えば｛１００｝とされてなるものである。
【００３２】
また、タングステンブロンズ構造の電気光学材料、例えば（Ｓｒ1-xＢａx）Ｎｂ2Ｏ6（０≦ｘ≦１）、（Ｓｒ1-xＢａx）Ｔａ2Ｏ6（０≦ｘ≦１）、ＰｂＮｂ2Ｏ6、及びＢａ2ＮａＮｂ5Ｏ15のうちから選ばれた１種を含むものや、ビスマス層状構造の電気光学材料、例えば（Ｂｉ1-xＲx）Ｔｉ3Ｏ12（Ｒは希土類元素：０≦ｘ≦１）、ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9、及びＳｒＢｉ4Ｔｉ4Ｏ15のうちから選ばれた１種を含むものを用いても好適である。これらの中から任意の屈折率を持つ材料を選択し、光導波路３の材料とする。
【００３３】
応力緩和層２は、熱膨張率が１０×１０-6／℃以上の金属材料、例えばＡｕ、Ａｇ又はこれらの合金を主成分とする金属材料からなり、基板１に起因する光導波路３への拘束力を緩和する機能を有する。応力緩和層２を形成することにより、光導波路３が高い電気光学効果、例えばｒc＝２００ｐｍ／Ｖ程度を奏する。この応力緩和層２は、高い導電率の金属材料であることから、光導波路３へ電圧を印加する際の下部電極としても機能する。
【００３４】
偏向電極４は、応力緩和層２と光導波路３を挟持して対向する三角形状に形成されており、所期の電圧を印加することにより、入射光を所望の角度に偏向させて出力する機能を有するものである。
【００３５】
ここで、本実施形態による光偏向素子の製造方法について説明する。
図３は、第１の実施形態による光偏向素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
先ず、基板１上に応力緩和層２を形成する。
具体的には、図３（ａ）に示すように、主成長面の結晶方位が｛１００｝であるＮｂ１％−ＳＴＯからなる基板１上に、例えばＡｕ、Ａｇ又はこれらの合金を主成分とする金属材料、ここではＡｇをスパッタ法により堆積し、膜厚１００ｎｍ程度の応力緩和層２を形成する。
【００３６】
続いて、応力緩和層２上に光導波路３を形成する。
先ず、ＰＬＺＴのゾル−ゲル溶液（前駆体）を作製する。ＰＬＺＴのゾル−ゲル溶液としては、構成金属元素の有機化合物であるＰｂ（ＣＨ3ＣＯＯ）2・３Ｈ2Ｏ〔酢酸鉛〕、Ｌａ（ｉ−ＯＣ3Ｈ7）3［ランタンイソプロポキシド］、Ｔｉ（ｉ−ＯＣ3Ｈ7）4［チタニウムイソプロポキシド］、Ｚｒ（ＯＣ3Ｈ7）4［ジルコニウムプロポキシド］、及び安定剤としてのＣＨ3ＣＯＣＨ2ＣＯＣＨ3［２，４−ペンタンジオン］を溶剤であるＣＨ3ＯＣ2Ｈ4ＯＨ［２−メトキシエタノール］で還流することにより合成した。ＰＬＺＴの（８／６５／３５）組成を作製する場合には、Ｐｂ（ＣＨ3ＣＯＯ）2・３Ｈ2Ｏ／Ｌａ（ｉ−ＯＣ3Ｈ7）3のモル比を１０２／８とし、Ｚｒ（ＯＣ3Ｈ7）4／Ｔｉ（ｉ−ＯＣ3Ｈ7）4のモル比を６５／３５とすれば良い。
【００３７】
上記の方法で作製したゾル−ゲル溶液を用いて、図３（ｂ）に示すように、屈折率の異なる下部クラッド層１１、コア層１２及び上部クラッド層１３をエピタキシャル成長させる。
具体的には、応力緩和層２上にＰＬＺＴ(１１／６５／３５)組成のゾル−ゲル溶液をスピンコート法により塗布する。続いて、ゾル−ゲル溶液の塗布された基板１をホットプレート上にて、例えば１４０℃で５分間、３５０℃で５分間、ベークする。続いて、赤外線炉を使用して、酸素雰囲気中において７００℃で焼成する。以上の工程により膜厚１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度の電気光学効果膜が形成される。この工程を繰り返し行い、例えば膜厚が３μｍ程度の下部クラッド層１１を形成する。
【００３８】
続いて、下部クラッド層１１上に、同様の手法でＰＬＺＴ(８／６５／３５)のゾル・ゲル前駆体を塗布して、例えば膜厚が４μｍ程度のコア層１２を形成する。
そして、コア層１２上に、同様の手法でＰＬＺＴ(１１／６５／３５)のゾル・ゲル前駆体を塗布して、例えば膜厚が３μｍ程度の上部クラッド層１３を形成する。
【００３９】
ＰＬＺＴ(１１／６５／３５)組成の下部及び下部クラッド層１１，１３の屈折率は、１．５５μｍの波長に対して２．３９となる。また、ＰＬＺＴ(８／６５／３５)組成のコア層１２の屈折率は、１．５５μｍの波長に対して２．４０となる。
【００４０】
続いて、上部クラッド層１３上に偏向電極４を形成する。
具体的には、図３（ｃ）に示すように、上部クラッド層１３上に、例えばＣｕ／Ｗ膜を三角形状にマスク蒸着することにより、偏向電極４を形成する。
以上の工程により、本実施形態の光偏向素子を完成させる。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態によれば、基板１と光導波路３との間に応力緩和層２を設けることにより、電気光学効果膜からなる光導波路３にバルク状の電気光学効果材料に匹敵する高い電気光学効果を生ぜしめ、微細化・高性能化の要請に十分答える信頼性の高い光偏向素子が実現する。
【００４２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態と同様に、本発明を光学素子である光偏向素子に適用した例を開示するが、応力緩和層等が異なる点で相違する。なお、第１の実施形態の光偏向素子と同一の構成部材等については同符号を付す。
【００４３】
図４は、第２の実施形態による光偏向素子の主要構成を示す模式図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）の線分Ｉ−Ｉに沿った断面図である。
この光偏向素子は、基板１上に形成された下部電極５と、絶縁材料からなる応力緩和層６と、応力緩和層６上に積層された電気光学材料からなる光導波路３と、光導波路３を介して応力緩和層６と対向するように光導波路３上に設けられた偏向電極４とを備えて構成されている。
【００４４】
ここで、基板１、光導波路３、偏向電極４は、構成材料、形状、形成位置等について、第１の実施形態で説明した光偏向素子と同様である。
【００４５】
応力緩和層６は、基板よりも電歪定数の大きい絶縁材料、ここでは基板１がＳＴＯを主成分としてなるため、ＳＴＯの電歪定数である４．７×１０-2ｍ4／Ｃ2よりも大きい電歪定数の絶縁材料、例えばＰｂＭｇ0.5Ｗ0.5Ｏ3又はＫＴａＯ3を主成分とする絶縁材料からなり、基板１に起因する光導波路３への拘束力を緩和する機能を有する。応力緩和層６を形成することにより、光導波路３が高い電気光学効果、例えばｒc＝２２０ｐｍ／Ｖ程度を奏する。
【００４６】
下部電極５は、例えばＳｒＲｕＯ3、ＣａＲｕＯ3、ＬａＮｉＯ3、（ＬａxＳｒ1-x）ＣｏＯ3（０≦ｘ≦１）、（ＬａxＳｒ1-x）ＭｎＯ3（０≦ｘ≦１）から選ばれた１種を主成分とする少なくとも１層から構成されている。下部電極５を基板１と応力緩和層６との間に形成することにより、下部電極５により妨げされることなく、応力緩和膜６により光導波路３に対する基板１の拘束力が十分に緩和される。
【００４７】
ここで、本実施形態による光偏向素子の製造方法について説明する。
図５は、第２の実施形態による光偏向素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
先ず、基板１上に下部電極５を形成する。
具体的には、図５（ａ）に示すように、主成長面の結晶方位が｛１００｝であるＮｂ１％−ＳＴＯからなる基板１上に、例えばＰＬＤ法によりＳｒＲｕＯ3を堆積した後、形成されたＳｒＲｕＯ3膜に所望のパターニングを施すことにより、例えば膜厚が１００ｎｍ程度の下部電極５を形成する。
【００４８】
続いて、下部電極５上に応力緩和層６を形成する。
具体的には、図５（ｂ）に示すように、第１の実施形態と同様のゾル−ゲル法により、例えばＰｂＭｇ0.5Ｗ0.5Ｏ3のゾル−ゲル溶液（前駆体）を作製する。そして、このゾル−ゲル溶液を下部電極５上に塗布し、所定温度・所定時間のベーク及び焼成を繰り返し行い、例えば膜厚が１００ｎｍ程度の応力緩和層６を形成する。
【００４９】
しかる後、応力緩和層６上に第１の実施形態と同様のゾル−ゲル法による下部クラッド層１１、コア層１２及び上部クラッド層１３の形成（図５（ｃ））、及び第１の実施形態と同様に上部クラッド層１３上の偏向電極４の形成（図５（ｄ））を経て、本実施形態の光偏向素子を完成させる。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態によれば、基板１上の下部電極５と光導波路３との間に応力緩和層６を設けることにより、電気光学効果膜からなる光導波路３にバルク状の電気光学効果材料に匹敵する高い電気光学効果を生ぜしめ、微細化・高性能化の要請に十分答える信頼性の高い光偏向素子が実現する。
【００５１】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００５２】
（付記１）基板の上方に形成されており、電気光学効果を有する少なくとも１層の電気光学効果膜と、
前記基板と前記電気光学効果膜との間に形成されており、熱膨張率が１０×１０-6／℃以上の金属からなる高熱膨張率膜と
を含むことを特徴とする光学素子。
【００５３】
（付記２）前記高熱膨張率膜は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）又はこれらの合金を主成分とする金属材料からなることを特徴とする付記１に記載の光学素子。
【００５４】
（付記３）前記電気光学効果膜上に形成された上部電極を更に含み、
前記上部電極と前記電気光学効果膜を介して対向する前記高熱膨張率膜が下部電極を兼用することを特徴とする付記１又は２に記載の光学素子。
【００５５】
（付記４）基板の上方に形成されており、電気光学効果を有する少なくとも１層の電気光学効果膜と、
前記基板と前記電気光学効果膜との間に形成されており、前記基板よりも電歪定数の大きい材料からなる高電歪膜と
を含むことを特徴とする光学素子。
【００５６】
（付記５）前記高電歪膜は、ＰｂＭｇ0.5Ｗ0.5Ｏ3又はＫＴａＯ3を主成分とする材料からなることを特徴とする付記４に記載の光学素子。
【００５７】
（付記６）前記電気光学効果膜上に形成された上部電極と、
前記上部電極と前記電気光学効果膜及び前記高電歪膜を介して対向するように前記基板上に形成された下部電極と
を更に含むことを特徴とする付記４又は５に記載の光学素子。
【００５８】
（付記７）前記下部電極は、ＳｒＲｕＯ3、ＣａＲｕＯ3、ＬａＮｉＯ3、（ＬａxＳｒ1-x）ＣｏＯ3（０≦ｘ≦１）、（ＬａxＳｒ1-x）ＭｎＯ3（０≦ｘ≦１）から選ばれた１種を主成分とする少なくとも１層からなることを特徴とする付記６に記載の光学素子。
【００５９】
（付記８）前記基板は、ＳｒＴｉＯ3を主成分とする材料からなることを特徴とする付記１〜７のいずれか１項に記載の光学素子。
【００６０】
（付記９）前記電気光学効果膜は、２層以上の積層構造を有する光導波路を構成することを特徴とする付記１〜８のいずれか１項に記載の光学素子。
【００６１】
（付記１０）前記電気光学効果膜はエピタキシャル成長されてなることを特徴とする付記１〜９のいずれか１項に記載の光学素子。
【００６２】
（付記１１）前記電気光学効果膜は、主成長面の結晶方位が｛１００｝であることを特徴とする付記１０に記載の光学素子。
【００６３】
（付記１２）前記電気光学効果膜は、単純ペロブスカイト構造を有することを特徴とする付記１〜１１のいずれか１項に記載の光学素子。
【００６４】
（付記１３）前記単純ペロブスカイト構造は、Ｐｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3（０≦ｘ≦１）、（Ｐｂ1-yＬａ(3/2)y）（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3（０≦ｘ，ｙ≦１）、Ｐｂ（Ｂ'1/3Ｂ"2/3）xＴｉyＺｒ1-x-yＯ3（０≦ｘ，ｙ≦１、Ｂ'は２価の遷移金属、Ｂ"は５価の遷移金属）、Ｐｂ（Ｂ'1/2Ｂ"2/2）xＴｉyＺｒ1-x-yＯ3（０≦ｘ，ｙ≦１、Ｂ'は２価の遷移金属、Ｂ"は５価の遷移金属）、及びＰｂ（Ｂ'1/3Ｂ"2/3）xＴｉyＺｒ1-x-yＯ3（０≦ｘ，ｙ≦１、Ｂ'は６価の遷移金属、Ｂ"は３価の遷移金属）のうちから選ばれた１種を含むことを特徴とする付記１２に記載の光学素子。
【００６５】
（付記１４）前記電気光学効果膜は、少なくとも１層がタングステンブロンズ構造を有することを特徴とする付記１〜１１のいずれか１項に記載の光学素子。
【００６６】
（付記１５）前記タングステンブロンズ構造は、（Ｓｒ1-xＢａx）Ｎｂ2Ｏ6（０≦ｘ≦１）、（Ｓｒ1-xＢａx）Ｔａ2Ｏ6（０≦ｘ≦１）、ＰｂＮｂ2Ｏ6、及びＢａ2ＮａＮｂ5Ｏ15のうちから選ばれた１種を含むことを特徴とする付記１４に記載の光学素子。
【００６７】
（付記１６）前記電気光学効果膜は、少なくとも１層がビスマス層状構造を有することを特徴とする付記１〜１１のいずれか１項に記載の光学素子。
【００６８】
（付記１７）前記ビスマス層状構造は、（Ｂｉ1-xＲx）Ｔｉ3Ｏ12（Ｒは希土類元素：０≦ｘ≦１）、ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9、及びＳｒＢｉ4Ｔｉ4Ｏ15のうちから選ばれた１種を含むことを特徴とする付記１６に記載の光学素子。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】電気光学効果膜の電気光学効果ｒc（ｐｍ／Ｖ）と、応力緩和膜の熱膨張率（／℃）との関係について調べた結果を示す特性図である。
【図２】第１の実施形態による光偏向素子の主要構成を示す模式図である。
【図３】第１の実施形態による光偏向素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図４】第２の実施形態による光偏向素子の主要構成を示す模式図である。
【図５】第２の実施形態による光偏向素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００７０】
１ 基板
２，６応力緩和層
３ 光導波路
４ 偏向電極
５ 下部電極
１１ 下部クラッド層
１２ コア層
１３ 上部クラッド層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上方に形成されており、電気光学効果を有する少なくとも１層の電気光学効果膜と、
前記基板と前記電気光学効果膜との間に形成されており、熱膨張率が１０×１０-6／℃以上の金属からなる高熱膨張率膜と
を含むことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記高熱膨張率膜は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）又はこれらの合金を主成分とする金属材料からなることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記電気光学効果膜上に形成された上部電極を更に含み、
前記上部電極と前記電気光学効果膜を介して対向する前記高熱膨張率膜が下部電極を兼用することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
基板の上方に形成されており、電気光学効果を有する少なくとも１層の電気光学効果膜と、
前記基板と前記電気光学効果膜との間に形成されており、前記基板よりも電歪定数の大きい材料からなる高電歪膜と
を含むことを特徴とする光学素子。
【請求項５】
前記高電歪膜は、ＰｂＭｇ0.5Ｗ0.5Ｏ3又はＫＴａＯ3を主成分とする材料からなることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記電気光学効果膜上に形成された上部電極と、
前記上部電極と前記電気光学効果膜及び前記高電歪膜を介して対向するように前記基板上に形成された下部電極と
を更に含むことを特徴とする請求項４又は５に記載の光学素子。
【請求項７】
前記下部電極は、ＳｒＲｕＯ3、ＣａＲｕＯ3、ＬａＮｉＯ3、（ＬａxＳｒ1-x）ＣｏＯ3（０≦ｘ≦１）、（ＬａxＳｒ1-x）ＭｎＯ3（０≦ｘ≦１）から選ばれた１種を主成分とする少なくとも１層からなることを特徴とする請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
前記基板は、ＳｒＴｉＯ3を主成分とする材料からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項９】
前記電気光学効果膜は、２層以上の積層構造を有する光導波路を構成することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記電気光学効果膜はエピタキシャル成長されてなることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１】
基板の上方に形成されており、電気光学効果を有する少なくとも１層の電気光学効果膜と、
前記基板と前記電気光学効果膜との間に形成されており、熱膨張率が１０×１０-6／℃以上の金属からなる高熱膨張率膜と
を含むことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記高熱膨張率膜は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）又はこれらの合金を主成分とする金属材料からなることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記電気光学効果膜上に形成された上部電極を更に含み、
前記上部電極と前記電気光学効果膜を介して対向する前記高熱膨張率膜が下部電極を兼用することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
基板の上方に形成されており、電気光学効果を有する少なくとも１層の電気光学効果膜と、
前記基板と前記電気光学効果膜との間に形成されており、前記基板よりも電歪定数の大きい材料からなる高電歪膜と
を含むことを特徴とする光学素子。
【請求項５】
前記高電歪膜は、ＰｂＭｇ0.5Ｗ0.5Ｏ3又はＫＴａＯ3を主成分とする材料からなることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記電気光学効果膜上に形成された上部電極と、
前記上部電極と前記電気光学効果膜及び前記高電歪膜を介して対向するように前記基板上に形成された下部電極と
を更に含むことを特徴とする請求項４又は５に記載の光学素子。
【請求項７】
前記下部電極は、ＳｒＲｕＯ3、ＣａＲｕＯ3、ＬａＮｉＯ3、（ＬａxＳｒ1-x）ＣｏＯ3（０≦ｘ≦１）、（ＬａxＳｒ1-x）ＭｎＯ3（０≦ｘ≦１）から選ばれた１種を主成分とする少なくとも１層からなることを特徴とする請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
前記基板は、ＳｒＴｉＯ3を主成分とする材料からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項９】
前記電気光学効果膜は、２層以上の積層構造を有する光導波路を構成することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記電気光学効果膜はエピタキシャル成長されてなることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−１３３３０８（Ｐ２００６−１３３３０８Ａ）
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３１９４３９（Ｐ２００４−３１９４３９）
【出願日】平成１６年１１月２日（２００４．１１．２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「フォトニックネットワーク技術の開発事業」委託研究、産業再生法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月２日（２００４．１１．２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「フォトニックネットワーク技術の開発事業」委託研究、産業再生法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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