JP2008216437A - 光電界センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬｉＮｂＯ₃をコアとしたより微細な導波路を用いることで、より微弱な電界強度を測定できるようにする。
【解決手段】主表面がＣ面とされた単結晶の酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる基板１０１と、基板１０１の主表面上に結晶成長により形成された酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる下部クラッド層１０２を備えている。また、本光電界センサは、下部クラッド層１０２の上に結晶成長により形成されたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）からなるコア層１０３と、コア層１０３の上に形成されたＺｎＯからなる上部クラッド層１０４とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＬｉＮｂＯ₃をコアとし、ＺｎＯをクラッドとして用いた光導波路よりなる光電界センサ及びその製造方法に関するものである。

古くから知られている電界測定法としては、熱効果法やダイオード検波法があるが、近年では、微弱電界計測の重要性が高まるに従い、光電界センサの利用が急速に拡大している。典型的な光電界センサにおいては、ＬｉＮｂＯ₃単結晶を用いている。ＬｉＮｂＯ₃は、これに印加される電界の大きさに応じ、電気光学効果により屈折率が変化する電気光学結晶の１つである。ＬｉＮｂＯ₃を用いた光電界センサでは、ＬｉＮｂＯ₃をコアとする光導波路の伝播速度（位相）が、コアに印加される電界に応じて変化することを利用している。

ＬｉＮｂＯ₃を用いた光電界センサには、大きく分けて強電界用及び弱電界用の２種類の測定用途がある。前者は、送電線などの電圧を測定する場合であり、高電圧を遠く離れた場所から安全に測定するために、放電する心配のない光学的な測定が最も適している。一方、後者は、センサヘンドに電界を撹乱する大きな金属部分を有しないというメリットを活かし、微弱な電界強度を光だけで測定することにメリットがある。

光電界センサにＬｉＮｂＯ₃単結晶を適用するには、厚さ数ｍｍ程度のＬｉＮｂＯ₃単結晶の表面と裏面とに金属膜を蒸着して電極とし、ＬｉＮｂＯ₃単結晶の中央に電極に触れない程度にビーム径を絞ったレーザ光を透過させる方式がある。あるいは、ＬｉＮｂＯ₃単結晶表面からＴｉ原子を拡散させて表面近傍を高屈折率化して光導波路（コア）を形成し、この導波路を挟むように導波路の左右の近傍に電極を配置し、この電極から電磁波を受信するアンテナを取り出す方式もある。ＬｉＮｂＯ₃単結晶に設ける２つの電極間距離は、１０〜１００μｍ程度が可能であり、一般に１０ｍＶ／ｍが測定可能な電界強度の下限とする装置（光電界センサ）が市販されている。

P.Fons, et al.,"Uniaxial locked epitaxy of ZnO on the a face of sapphire", Applied Physics Letters, Vol.77, No.12, pp.1801-1803,2000. F.Vigue, et al.,"Defect characterization in ZnO layers grown by plasma-enhanced molecular-beam epitaxy on (0001) sapphire substrates", Applied Physics Letters, Vol.79, No.2, pp.194-196,2001.

ところで、さらなる高感度化を指向するためには、電極間距離をより縮める必要がある。しかしながら、Ｔｉ拡散により得られる導波路は、Ｔｉの分布が広がりを有するために、光導波領域を厳しく制限することは困難である。

また、ＬｉＮｂＯ₃をドライエッチングなどによりリッジ型導波路に加工し、このリッジを挟んで金属電極を配置する構造も考えられるが、リッジ構造の幅方向の加工可能な寸法には限界がある。さらには、ＬｉＮｂＯ₃よりなるコアに金属電極が接触すると、金属電極側に導波光が逃げて減衰してしまうという問題点がある。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＬｉＮｂＯ₃をコアとしたより微細な導波路を用いることで、より微弱な電界強度を測定できるようにすることを目的とする。

本発明に係る光電界センサは、主表面がＣ面とされた単結晶Ａｌ₂Ｏ₃からなる基板と、基板の主表面に結晶成長された導電性のＺｎＯからなる下部クラッド層と、下部クラッド層の上に結晶成長されたＬｉＮｂＯ₃からなるコア層と、コア層の上に結晶成長された導電性のＺｎＯからなる上部クラッド層と、下部クラッド層及び上部クラッド層のいずれかに接続されたアンテナとを少なくとも備えたものである。このセンサでは、下部クラッド層，コア層，及び上部クラッド層より構成された光導波路に導波する導波光の状態が、アンテナを経由してコア層に印加される電界（電圧）により変化する。

また、本発明に係る光電界センサの製造方法は、主表面がＣ面とされた単結晶Ａｌ₂Ｏ₃からなる基板の上に、導電性のＺｎＯを結晶成長させて下部クラッド層が形成された状態とする第１工程と、下部クラッド層の上にＬｉＮｂＯ₃を結晶成長させてコア層が形成された状態とする第２工程と、コア層の上に導電性のＺｎＯを結晶成長させて上部クラッド層が形成された状態とする第３工程と、下部クラッド層及び上部クラッド層のいずれかにアンテナを接続する第４工程とを少なくとも備えるものである。

以上説明したように、本発明によれば、結晶成長された導電性のＺｎＯからなる下部クラッド層と、下部クラッド層の上に結晶成長されたＬｉＮｂＯ₃からなるコア層と、コア層の上に結晶成長された導電性のＺｎＯからなる上部クラッド層とを備えるようにし、これらより構成される光導波路に導波する導波光の状態が、コア層に印加される電界（電圧）により変化するようになるので、より微弱な電界強度を測定できるようになるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における光電界センサの構成を示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。図１（ａ）は、光電界センサの一部断面を示している。この実施の形態における光電界センサは、主表面がＣ面とされた単結晶の酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる基板１０１と、基板１０１の主表面上に結晶成長により形成された酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる下部クラッド層１０２を備えている。また、本光電界センサは、下部クラッド層１０２の上に結晶成長により形成されたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）からなるコア層１０３と、コア層１０３の上に形成されたＺｎＯからなる上部クラッド層１０４とを備えている。

下部クラッド層１０２及び上部クラッド層１０４は、例えば酸素欠損による残留電子、あるいはアルミニウムやガリウムなどのｎ型不純物を導入することで導電性を備えている。また、コア層１０３は、ｃ軸に配向した膜となっている。これら下部クラッド層１０２，コア層１０３，及び上部クラッド層１０４により光導波路１１０が構成されている。図１（ａ）は、図１（ｂ）に示す光導波路１１０の導波方向の断面である。

また、下部クラッド層１０２は、下部クラッド層１０２の一部で構成された電極配線１０２ａを介してアース１０５に接続されている。また、上部クラッド層１０５には、上部クラッド層１０５の一部で構成された電極配線１０４ａを介してアンテナ１０６が接続されている。なお、下部クラッド層１０２にアンテナが接続され、上部クラッド層１０４が接地されていてもよい。

このように構成された本実施の形態における光電界センサによれば、アンテナ１０６により電界が検出されたことにより、導電性を備えた上部クラッド層１０４と下部クラッド層１０３とに挾まれたコア層１０３に電界が印加されることになり、この電界の印加によりＬｉＮｂＯ₃からなるコア層１０３の屈折率が変化する。この屈折率の変化は、導波路１１０を導波する光の波長，位相，及び偏光などの状態に反映される。このように、この光電界センサによれば、アンテナ１０６で検出した電界の状態が、導波路１１０を導波する光の状態に反映される。例えば、導波路１１０にレーザ光を入射し、導波路１１０より出射した出射光の状態変化により、アンテナ１０６で受けた電界の状態を検出することが可能である。

以上に説明したように、本発明においては、バルクの単結晶ＬｉＮｂＯ₃を用いるのではなく、結晶成長により形成したＬｉＮｂＯ₃薄膜を用いるようにした。形成したＬｉＮｂＯ₃薄膜をコアとして導電性を備えたクラッドで挟めば、光導波路が容易に構成可能であり、結晶成長により形成する薄膜は非常に薄くすることができるので、コアにかかる電界を強めることができ、結果として、容易に高感度化をはかることができる。この条件を満たすクラッドの材料としては、ＬｉＮｂＯ₃よりも低屈折率で、透明電極として用いることができるＺｎＯが好適である。

ここで、これら導波路の構成を形成するためには、所定の基板の上にＺｎＯを結晶成長させ、結晶成長したＺｎＯ層の上にＬｉＮｂＯ₃を結晶成長させる必要がある。言い換えると、ＺｎＯを結晶成長させることができる結晶基板が必要となる。また、ＬｉＮｂＯ₃をコアとするので、コアとクラッドを介して配置される基板には、導波光の減衰を抑制する観点から、ＬｉＮｂＯ₃よりも屈折率の小さい材料を用いた方がよい。この条件を満たす基板の材料としては、主表面がＣ面とされたＡｌ₂Ｏ₃の単結晶基板が好適である。

Ａｌ₂Ｏ₃の結晶基板は、高品質な基板が比較的安価に市場に供給されているため、基板上への異なった材料よりなる配向膜の成長に適した材料である。また、大面積の基板が容易に手に入ることも生産にとって大きな利点である。従って、まず、主表面がＣ面とされた単結晶Ａｌ₂Ｏ₃からなる基板の上に、導電性のＺｎＯを結晶成長させて下部クラッド層が形成された状態とし、次に、下部クラッド層の上にＬｉＮｂＯ₃を結晶成長させてコア層が形成された状態とし、次に、コア層の上に導電性のＺｎＯを結晶成長させて上部クラッド層が形成された状態とし、この後、下部クラッド層及び上部クラッド層のいずれかにアンテナを接続することで、前述した構成の本実施の形態における光電界センサが得られる。

ところで、ＬｉＮｂＯ₃よりなるコアで導波損失の少ない導波路を形成するためには、光散乱損失の少ないＬｉＮｂＯ₃膜の形成が重要となり、光の散乱損失の少ないＬｉＮｂＯ₃膜を実現するには、エピタキシャル（結晶）成長の系を選択する必要がある。例えば、異種材料基板上へのＬｉＮｂＯ₃薄膜の結晶成長は、スパッタ法，レーザアブレーション法などで可能である。とりわけＥＣＲスパッタ法を用いると低損傷なＬｉＮｂＯ₃膜が得られることが知られている。

まず、ＺｎＯとＡｌ₂Ｏ₃との関係について検討する。ＺｎＯとＡｌ₂Ｏ₃の結晶はともに３方晶系でａ軸長とｂ軸長は等しく、ｃ面の原子配列は両方とも六方細密充填構造である。格子定数は、ＺｎＯのａ軸長が０．３２５ｎｍ、Ａｌ₂Ｏ₃のａ軸長が０．４７６ｎｍと違いがあるが、ＺｎＯのａ軸長の３倍（０．９７５ｎｍ）とＡｌ₂Ｏ₃のａ軸長の２倍（０．９５２ｎｍ）が比較的近い。このため、ＺｎＯのＣ面はＡｌ₂Ｏ₃のＣ面上にエピタキシャル成長することが分かっている（非特許文献１参照）。

次に、ＺｎＯとＬｉＮｂＯ₃との関係について検討する。ＬｉＮｂＯ₃は、Ａｌ₂Ｏ₃のＣ面上にエピタキシャル成長することは古くから知られているが、ＺｎＯのＣ面上へのエピタキシャル成長の可能性は不明であった。ＬｉＮｂＯ₃のａ軸長は０．５１５ｎｍであり、この２倍（１．０３ｎｍ）は、やはりＺｎＯのａ軸長の３倍に近い。発明者らは、Ａｌ₂Ｏ₃のＣ面上にエピタキシャル成長したＺｎＯ膜の上に、ＬｉＮｂＯ₃膜がエピタキシャル成長することを確かめた。

図２は、ＬｉＮｂＯ₃／ＺｎＯ／Ａｌ₂Ｏ₃多層構造からのω−２θスキャンＸ線回折スペクトルである。縦軸は対数表示である。ＺｎＯの膜厚は２００ｎｍ、ＬｉＮｂＯ₃の膜厚は４００ｎｍである。Ａｌ₂Ｏ₃基板からの（００６）回折ピークが、２θ＝４１．７２°に見られる。また、ＺｎＯからの（００２）及び（００４）回折ピークが、２θ＝３４．３２°と７２．３４°に見られる。さらに、ＬｉＮｂＯ₃からの（００６）及び（００１２）回折ピークが、２θ＝３８．８８°と８３．５２°とに見られる。なお、（００１２）につけている下線は、回折ピークの出現位置を示すものである。これら以外には、十分な強度の回折ピークは見当たらないので、ＬｉＮｂＯ₃及びＺｎＯは、Ａｌ₂Ｏ₃基板上にｃ軸配向して成長していることが分かる。

図３は、上述同様の多層構造に対してのＸ線回折極点図形である。図３（ａ）に示すように、Ａｌ₂Ｏ₃基板からの（０２４）回折点は３回対称で１２０°おきに出現して３回対称である。また、図３（ｂ）に示すように、ＺｎＯのＣ面は、もともと６回対称であるが、ＺｎＯからの（０２４）回折点はＡｌ₂Ｏ₃基板からの回折点に対して３０°回転している。これは、結晶格子を３０°回転した方がエネルギー的に安定なためである。よって、ＺｎＯとＡｌ₂Ｏ₃のエピタキシャル方位関係は、ＺｎＯ（０００１）||Ａｌ₂Ｏ₃（０００１）、ＺｎＯ（１０−１０）||Ａｌ₂Ｏ₃（１１−２０）と標記される。なお、括弧中の「−」は、右隣の数字の上部に付されるものであり、ここでは便宜上左側に配置して表記している。

次に、ＺｎＯとＬｉＮｂＯ₃の関係について見ると、ＺｎＯの（０２４）回折点に対し、図３（ｃ）に示すようにＬｉＮｂＯ₃の（１０２）回折点は３０°回転した６回対称になっている。よって、ＬｉＮｂＯ₃とＺｎＯのエピタキシャル方位関係は、ＬｉＮｂＯ₃（０００１）||ＺｎＯ（０００１）、ＬｉＮｂＯ₃（１１−２０）||ＺｎＯ（１０−１０）と標記される。

以上のことを要約すると、エピタキシャル成長により形成したＬｉＮｂＯ₃／ＺｎＯ／Ａｌ₂Ｏ₃多層構造では、ＺｎＯにより３０°回転したドメインが、ＬｉＮｂＯ₃により元に戻っていることを示している。

ところで、図１を用いて説明した本実施の形態における光電界センサでは、上部クラッド層１０４の上には、他の層をこれ以上結晶成長させることがないので、上部クラッド層１０４の結晶性はあまり重要ではない。上部クラッド層１０４は、下部クラッド層１０２と屈折率が一致し、かつ十分な導電性を示していれば問題ない。ＺｎＯが結晶化する温度において成膜すれば、自然に上記のＬｉＮｂＯ₃とＺｎＯのエピタキシャル方位関係が満足されるので、上部クラッド層１０４を構成するＺｎＯの格子は、再びＬｉＮｂＯ₃の格子に対して３０°回転する。

次に、本実施の形態における光電界センサの光導波路１１０を構成している各層における光学的な条件について説明する。一般的に用いられる光源の代表的な波長とされるＨｅ−Ｎｅレーザの６３３ｎｍにおいては、ＬｉＮｂＯ₃単結晶の常光線の屈折率がｎ_o＝２．２８８、異常光線の屈折率がｎ_e＝２．２０３である。一方、ＺｎＯの屈折率は、導入されている不純物や酸素欠陥によって多少変化するが、２．０程度である。ＺｎＯとＬｉＮｂＯ₃の屈折率差は０．２以上あるため、ＺｎＯよりなるクラッドで挟まれたＬｉＮｂＯ₃コア層には、光を閉じ込めることが可能である。実際、エリプソメトリーにより測定した６３３ｎｍにおけるＺｎＯ膜の屈折率は、様々な成膜条件の下で１．９〜２．１の範囲に入っていた。またＬｉＮｂＯ₃膜の屈折率は、２．１〜２．３の範囲に入っていた。

Ａｌ₂Ｏ₃結晶Ｃ面基板の上に、ＺｎＯよりなるクラッド層を介して形成したＬｉＮｂＯ₃層（コア）の結晶性を光学的に評価するため、赤外域におけるＬｉＮｂＯ₃膜の複屈折を導波光の偏光方向の変化により測定した。ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源からの光を偏光させてＬｉＮｂＯ₃よりなるコア（導波路）中を導波させ、出射光の強度を偏光子を通してモニターする。基板平面に対して水平方向の光導波損失は５ｄＢ程度であった。偏光方向の回転が波長に依存するため、図４に示すように、出射光のスペクトルにはリップルが観測される。

測定波長をλ，リップル間隔をΔλ，導波路長をＬとすると、（ｎ_o−ｎ_e）＝λ２／（ＬΔλ）の関係が成り立ち、（ｎ_o−ｎ_e）＝０．９５が得られた。波長１．４μｍにおけるバルクのＬｉＮｂＯ₃単結晶については、ｎ_o＝２．２１７３５、ｎ_e＝２．１４０７１の測定値が報告されているので、バルク単結晶の値は（ｎ_o−ｎ_e）＝０．０７６６であり、導波路構造とした上記実験結果はこの値に近い。

Ａｌ₂Ｏ₃基板上に結晶成長したＺｎＯ薄膜，ＬｉＮｂＯ₃薄膜に対して垂直方向の透過率スペクトルを図５に示す。ＺｎＯ，ＬｉＮｂＯ₃／ＺｎＯ，ＺｎＯ／ＬｉＮｂＯ₃／ＺｎＯについて比較している。図５において、実線がＺｎＯ単層の透過率スペクトルを示し、波線がＬｉＮｂＯ₃／ＺｎＯ積層構造の透過率スペクトルを示し、点線がＺｎＯ／ＬｉＮｂＯ₃／ＺｎＯ積層構造の透過率スペクトルを示している。

波長４００ｎｍ以上において、光学干渉による強度の波打ち構造が見られる。ＺｎＯのバンドギャップは３．４ｅＶ、ＬｉＮｂＯ₃のバンドギャップは３．６ｅＶと報告されているが、ほぼ対応する波長の位置に吸収端が観測され、これよりも長波長側の広い範囲の波長の光が計測に利用できることが分かる。

次にＺｎＯ膜の導電性について述べる。ＺｎＯ膜の導電性は、酸素欠損により生じる残留電子あるいはＡｌやＧａなどの不純物を用いたｎ型ドーピングに由来する。不純物ドーピングを積極的に行わないで、酸素欠損だけに頼って十分な導電性を得ることができる。

例えば、スパッタリング法によりＺｎＯ導電膜を形成する場合、Ｚｎターゲットを用い、ＺｎＯ膜の酸化が中間的な状態になるように、供給する酸素の流量を精密に調節しながら成膜すればよい。また、レーザアブレーション法の場合、Ｚｎターゲットが使えないので、十分な導電性を備えたＺｎＯ膜を系することが容易ではない。プラズマ励起分子線エピタキシー法では、Ｚｎソースから放出されるＺｎ原子とプラズマソースから放出される原子状酸素のフラックス割合を調節することにより、抵抗率の低いＺｎＯ膜を得ることができる。

一方、ＡｌやＧａなどの不純物ドーピングによれば、容易に導電性を確保できる。レーザアブレーションやスパッタリングでは、ＺｎＯにこれらの元素を数％混ぜたターゲットを用いるか、ＺｎＯターゲットとＡｌ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃のいずれかのもう一つのターゲットとの両方を同時にスパッタすることにより、導電性を備えたＺｎＯ：Ａｌ膜やＺｎＯ：Ｇａ膜を形成することができる。

次に成膜時の温度条件について述べる。Ａｌ₂Ｏ₃基板としては、表面が原子レベルで平坦でかつ安定な結晶状態のものが入手可能である。このように、表面が原子レベルで平坦でかつ安定なエピタキシャル基板であれば、下部クラッド層１０２としてのＺｎＯ膜の成膜温度は広く取れる。４００〜６００℃の範囲であれば良好な結晶状態のＺｎＯ膜が形成可能である（J.Cryst.Growth, Vol.270, p560, 2004参照）。

ＬｉＮｂＯ₃膜の成膜については、温度を上げ過ぎるとＬｉ原子がＺｎＯの方へ拡散してしまう。一方、温度が低すぎるとＬｉＮｂＯ₃膜の結晶性が悪くなる。このため、Ａｌ₂Ｏ₃結晶基板の上に結晶成長されたＺｎＯ膜の上へのＬｉＮｂＯ₃膜の最適な成膜温度は４６０〜５００℃とすればよい（J.Cryst.Growth, Vol.270, p560, 2004参照）。

コアとなるＬｉＮｂＯ₃膜の上の上部クラッドとなるＺｎＯ膜の形成においては、すでにＬｉＮｂＯ₃膜及びＺｎＯ膜が下に存在し、また、下層のＬｉＮｂＯ₃の表面がかなり荒れた状態となっている。このため、結晶性のよい状態で上部クラッドとなるＺｎＯ膜を形成しようとすると、より高温の条件となる。しかしながら、ＺｎＯ膜の形成中においては、ＬｉＮｂＯ₃膜中のＬｉ原子が、下部のＺｎＯ膜中のみならず形成しようとしている上部のＺｎＯ膜中にも拡散する状態となっている。

ここで、上部クラッドとなるＺｎＯ膜の上には、さらにエピタキシャル層を積層するわけではない。従って、上部クラッド層となるＺｎＯ膜の形成は、結晶性をある程度犠牲にしても、導波損失につながる表面粗さやＬｉ原子の拡散がないような低温で行うことが望ましい。また、上部クラッド層となるＺｎＯ膜と、コア層となるＬｉＮｂＯ₃膜の間の格子不整合の影響が、下部クラッド層となる下方のＺｎＯ膜にさらに歪みを生じさせると、全体のモフォロジーや結晶性が悪化する。上述したことを考慮すると、具体的には、上部クラッド層となるＺｎＯ膜の成膜温度としては、３００〜４００℃が適当である（J.Cryst.Growth, Vol.270, p560, 2004参照）。

次に、光導波路を構成する各層の膜厚について述べる。ＺｎＯは、膜厚が大きいほど抵抗が小さくなるので、電極としての役割を考えると厚い方が有利である。ただしより厚い膜を結晶成長しようとすると、形成される膜の表面粗さは増大する。また貫通転位の発生が顕著で、モザイク結晶になる（非特許文献２参照）。また、上部クラッド層と下部クラッド層の厚さは、光導波路の対称性を考えて同じにした方がよい。これらのことを考慮し、導波路としての透過率や電極としての抵抗率から考えると、クラッド層となるＺｎＯ膜の膜厚は２００〜３００ｎｍ程度が適当である。

次に、ＬｉＮｂＯ₃膜の厚みに関しては、シングルモードの光が透過すればよく、かなり薄くすることができる。例えば通信波長１５５０ｎｍの光では、コア層となるＬｉＮｂＯ₃膜の膜厚は５００ｎｍとすればよい。また、Ｈｅ−Ｎｅレーザの波長６３３ｎｍの光を導波させる場合、コア層となるＬｉＮｂＯ₃膜の膜厚は３００ｎｍまで可能である。また、より薄い方がＬｉＮｂＯ₃よりなるコア層にかかる電界が大きくなり、この点だけからは感度の面から有利である。しかし一方、伝播光の波形の裾とＺｎＯよりなるクラッド層の重なりが大きくなる。ＺｎＯが導電性を備えているために光の吸収が大きく、上述したように伝搬光波形の裾とクラッドとの重なりが大きい状態では、導波する光は減衰する。このことは、長い伝播距離が稼げなくなることを意味し、感度が悪くなる方向である。

上述した電界強度と導波損失の兼ね合いから最適なＬｉＮｂＯ₃よりなるコア層の厚さが導かれるが、これは実際のＬｉＮｂＯ₃膜の結晶性やＺｎＯ膜の抵抗率などに依存するため、個々に検討する必要がある。

次に、ＺｎＯ膜の抵抗率についてより詳細に述べる。前にも述べたように、上部クラッド層となるＺｎＯ膜及びコア層となるＬｉＮｂＯ₃膜の成膜は、基板を加熱した状態で行われるので、コア層のＬｉ原子が、下部クラッド層及び上部クラッド層に拡散する。なお、これはプラズマ照射により促進される。

以下、クラッド層となるＺｎＯ膜の抵抗率の測定結果について示す。まず、不純物を導入せずに、酸素欠損により導電性を発現させた場合について以下の表１示す。表１は、不純物ドーピングを行わずに導電性を得た場合の測定結果である。

表１において、「下部クラッド（成膜直後）」は、Ｃ面Ａｌ₂Ｏ₃結晶基板の上に、下部クラッド層となるＺｎＯ膜を結晶成長した直後の当該ＺｎＯ膜の抵抗率を示している。また、「下部クラッド（プロセス後）」は、下部クラッド層の上にコア層及び上部クラッド層を結晶成長させた後の、下部クラッド層（ＺｎＯ膜）の抵抗率を示している。なお、「上部クラッド」は、上部クラッド層としてコア層の上に形成したＺｎＯ膜の抵抗率である。

また、表２は表１と同様であるが、Ａｌを不純物とした場合である。なお、いずれも、ＺｎＯ膜の膜厚は２００ｎｍである。

下部クラッド層となるＺｎＯ膜を成膜したときの抵抗率が一番低く、この後のプロセス中に抵抗率が数倍から場合によっては１桁上昇していることが分かる。コア層となるＬｉＮｂＯ₃膜から上下のＺｎＯ膜へのＬｉ原子の拡散が高抵抗化をもたらしているものと考えられる。最終的に、上部クラッド層及び下部クラッド層ともに、抵抗率は１Ωｃｍ以下が実現できている。

次に、本実施の形態の光電界センサの構造により、外部の電界強度を十分に検知できることを検討する。いま測定しようとする外部の電圧をＶとし、また、図１に示すように、上部クラッド層１０５に接続したアンテナ１０６の位置から、電極配線１０４ａを経由し、下部クラッド層１０２，コア層１０３，及び上部クラッド層１０４よりなる光導波路１１０までの電圧降下をＶ_aとする。また、同様に、導波路１１０から、電極配線１０２ａを経由し、下部クラッド層１０２とアース１０５との接地点までの電圧降下をＶ_bとする。また、上部クラッド層１０５，コア層１０３，及び下部クラッド層１０２にかかる電圧を、各々Ｖ_ZnO上、Ｖ_LN、Ｖ_ZnO下とする。

以上の各電圧は、Ｖ_out＝Ｖ_a＋Ｖ_ZnO上＋Ｖ_LN＋Ｖ_ZnO下＋Ｖ_bを満たすものとなる。コア層１０３となるＬｉＮｂＯ₃膜の抵抗率は１０ＭΩｃｍ以上である。下部クラッド層１０２及び上部クラッド層１０４となるＺｎＯ膜の抵抗値が１Ωｃｍであるとすると、Ｖ_ZnO上とＶ_ZnO下はＶ_LNに対して無視できるほど小さい。コア層１０３の膜厚が０．５μｍ、アンテナ１０６から導波路１１０の部分までの距離を１ｃｍとすると、Ｖ_LN：Ｖ_a＝５００：１となり、Ｖ_aはＶ_LNに対して無視できる。Ｖ_bも同様である。従って、外部電圧ＶはＶ_LNにほぼ等しく、外部電界がそのままコア層１０３にかかると考えてよい。

以上に説明したように、目的にかなったＺｎＯ／ＬｉＮｂＯ₃／ＺｎＯ積層構造が作製できることが分かった。これを、ドライエッチングによりリッジ型光導波路の形に加工すれば、コア層１０３，及び上部クラッド層１０４よりなる光導波路１１０を備える光電界センサが実現できる。ＬｉＮｂＯ₃膜をＺｎＯ透明導電膜で挟んだ形に積層することにより、ＬｉＮｂＯ₃膜にかかる電界強度を高め、高感度な計測を可能にする。例えば膜厚が１μｍの場合、１０μＶ／ｍの弱電界でもｌＶの出力が得られるので、バルク単結晶を用いた場合では不可能な微弱な空間電界を高感度・高精度で測定できる。また全体を薄膜プロセスにより作製できるため、大量に安価でデバイスを生産できるというメリットも有している。

なお、上述した本実施の形態における図１に示すようなＺｎＯ／ＬｉＮｂＯ₃／ＺｎＯの多層構造による光導波路はこれまで知られていなかった。ＬｉＮｂＯ₃薄膜を用いた光導波路については、従来、ＬｉＮｂＯ₃よりもわずかに低屈折率のＬｉＴａＯ₃基板あるいはサファイア基板の上にＬｉＮｂＯ₃薄膜を形成したものが報告されているだけで、ＺｎＯ／ＬｉＮｂＯ₃／ＺｎＯの多層構造による光導波路の報告はなかった。また、ＺｎＯは透明導電膜としての使用が期待されているが、これは主にガラス基板上の多結晶膜に関してであって、エピタキシャル膜を透明導電膜として光導波路に応用した例はない。

以下、上述した光電界センサを用いた電界測定装置について説明する。
［実施例１］
図６は、実施例１における電界測定装置の構成例を示す構成図である。この電界測定装置は、光電界センサ６０１と、この光導波路にレーザ光を入射させる半導体レーザ６０２、半導体レーザ６０２と光導波路との間に配置されて、上記光導波路が形成されている基板の平面に対してレーザ光を４５°偏光させる偏光子６０３及びλ／４波長板６０４とを備えている。また、この電界測定装置は、光電界センサ６０１を出射した光の中で上記基板の平面に対して４５°に偏光された成分を透過させる検光子６０５及びλ／４波長板６０６と、λ／４波長板６０６を透過した光を受光して光電変換する受光器６０７とを備えている。

光電界センサ６０１は、図６（ｂ）の平面図，図６（ｃ）の断面図に示すように、主表面がＣ面とされた単結晶のＡｌ₂Ｏ₃からなる基板６１１の上に、結晶成長により形成された導電性のＺｎＯからなる下部クラッド層６１２，結晶成長により形成されたＬｉＮｂＯ₃からなるコア層６１３，及び導電性のＺｎＯからなる上部クラッド層６１４を備え、これらで導波路を構成している。コア層６１３は、ドライエッチングによりリッジ型に加工されている。また、下部クラッド層６１２及び上部クラッド層６１４は、アース６１５及びアンテナ６１６に接続するために、コア層６１３より幅広に形成されている。また、上部クラッド層６１４の延在部分は、ＳｉＯ₂よりなる絶縁層６１３の上に形成され、下部クラッド層６１２との間の絶縁が確保されている。

この電界測定装置の動作について説明すると、まず、半導体レーザ６０２からのレーザ光を偏光子６０３により４５°に偏光させ、基板６１１の平面に対して垂直方向と水平方向の偏光成分を等しくした１次光とし、これを光電界センサ６０１の光導波路へ入射させる。光電界センサ６０１のコア層６１３に電圧Ｖが印加されると、常光線（水平方向の偏光成分）の屈折率はｎ_o−（ｎ_o ³／２）ｒ₁₃Ｖ／ｄ、異常光線（垂直方向の偏光成分）の屈折率はｎ_e−（ｎ_e ³／２）ｒ₃₃Ｖ／ｄへと変化する。ここで、ｄはコア層６１３の厚さ、ｒ₁₃及びｒ₃₃はポッケルス定数である。ｎ_o≒ｎ_eであり、ｒ₃₃≒３ｒ₁₃が成り立つので、ｎ_oよりもｎ_eの方が電圧に対する変化が大きい。

従って、高電界センサ６０１の光導波路からの出射光の偏光状態を光検出器６０７の電圧出力Ｖ_outにより検出すれば、コア層６１３位相差すなわち屈折率が、コア層６１３に加わった電界によりどのように変化したかを知ることができる。高電界センサ６０１の光導波路からの出射光が、入射光に対して変更の状態が変化していれば、受光器６０７に到達する光量が減少するため、受光器６０７で検出される光の量で偏光状態が検出できる。このようにして検出した偏光状態の変化量から逆に、コア層６１３に加わった電圧の大きさを求めることができる。

［実施例２］
図７は、実施例２における電界測定装置の構成例を示す構成図である。図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は、断面図である。この電界測定装置は、光導波路をマッハツェンダー（Mach-Zehnder）型としたものである。この電界測定装置は、主表面がＣ面とされた単結晶のＡｌ₂Ｏ₃からなる基板７０１の上に、結晶成長により形成された導電性のＺｎＯからなる下部クラッド層７０２を備え、この上に、マッハツェンダー干渉回路を形成する第１アーム７０３ａ及び第２アーム７０３ｂを含むコア層を備えている。コア層は、下部クラッド層１０２の上に結晶成長により形成されたＬｉＮｂＯ₃から構成されている。

また、コア層の第１アーム７０３ａの上には、結晶成長により形成された導電性のＺｎＯからなる上部クラッド電極（第１上部クラッド層）７０４ａを備え、コア層の第２アーム７０３ｂの上には、結晶成長により形成されたＺｎＯからなる上部クラッド層（第２上部クラッド層）７０４ｂを備える。上部クラッド層７０４ｂが第２アーム７０３ｂを覆う導波方向の距離は、上部クラッド電極７０４ａが第１アーム７０３ａを覆う導波方向の距離と等しくされている。また、上部クラッド電極７０４ａ及び上部クラッド層７０４ｂ以外の領域において、コア層はＳｉＯ₂よりなる絶縁層７０５に覆われている。絶縁層７０５により、上部クラッド電極７０４ａ，上部クラッド層７０４ｂ，及び下部クラッド層７０２が、各々絶縁分離されている。

この電界測定装置の動作について説明すると、マッハツェンダー干渉回路の一端より入射したレーザ光は、第１アーム７０３ａと第２アーム７０３ｂとに分岐されて導波する。ここで、アンテナ７０５，上部クラッド電極７０４ａを経由して第１アーム７０３ａに電圧が印加されると、ここを導波する光の位相が変調される。一方、第２アーム７０３ｂを導波する光はこの影響を受けない。このため、２つの導波光の間で位相のずれが生じ、両者が貸せ値合わさった後の導波光には、第１アーム７０３ａに加わった電圧に比例した振幅の変調が重畳する。この導波光が光検出器７０６に検出され、電気信号として出力されると、測定したい電界の強度、周波数、位相などの情報を得ることができる。

［実施例３］
図８は、実施例２における電界測定装置の構成例を示す構成図である。図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は、断面図である。この電界測定装置は、主表面がＣ面とされた単結晶のＡｌ₂Ｏ₃からなる基板８０１の上に、結晶成長により形成された導電性のＺｎＯからなる下部クラッド層８０２，結晶成長により形成されたＬｉＮｂＯ₃からなるコア層８０３，及び導電性のＺｎＯからなる上部クラッド層８０４を備え、これらで導波路を構成している。また、上部クラッド層８０４は、基板８０１の平面に平行な平面において三角形（平面視三角形）に形成され、プリズム型とされている。従って、上部クラッド層８０４に電圧が印加されると、上部クラッド層８０４直下の平面視三角形の領域のコア層８０３が、屈折率を変化させる。

この電界測定装置の動作について説明すると、まず、上述した平面視三角形の所定の辺（入射側の辺：第１の辺）に対して垂直となるように、コア層８０３よりなる光導波路にレーザ光を入射させる。この状態で、上部クラッド層８０４に電圧が印加されると、対応する三角形の領域のコア層８０３の屈折率が変化し、屈折率が変化している平面視三角形の領域の出射側の辺（端面）においては、媒質の屈折率が変化しているため、フレネルの式に従って出射角が変化する。出射角は、基板８０１の平面に平行な面内で変化する。この出射角（偏向角）は、出射した光が照射する位置（投影位置）を光検出器８０５で検出することで、測定可能である。光検出器８０５としては、受光面が個体撮像素子から構成されたものを用いればよい。偏向角と電界強度との関係を予め求めておけば、光検出器８０５に検出（測定）された偏向角により、電界強度を求めることができる。

本発明の光電界センサは、マイクロ波，ミリ波電界の測定、高圧送電線下の電界測定、電子レンジからの電界漏れ検出、自動車のイミュニティ試験やエミッション試験、携帯電話などモバイル機器の近傍の電界計測、生体の電位計測などへの応用が可能である。

本発明の実施の形態における光電界センサの構成を示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。 ＬｉＮｂＯ₃／ＺｎＯ／Ａｌ₂Ｏ₃多層構造からのω−２θスキャンＸ線回折スペクトルを示す特性図である。 ＬｉＮｂＯ₃／ＺｎＯ／Ａｌ₂Ｏ₃多層構造に対してのＸ線回折極点図である。 ＺｎＯ／ＬｉＮｂＯ₃／ＺｎＯ／Ａｌ₂Ｏ₃よりなる導波路を導波した光の強度スペクトルを示す特性図である。 Ａｌ₂Ｏ₃基板上に結晶成長したＺｎＯ薄膜，ＬｉＮｂＯ₃薄膜に対して垂直方向の透過率スペクトルを示す特性図である。 本発明の実施の形態に係る光電界センサを用いた電界測定装置の構成例を示す構成図である。 本発明の実施の形態に係る光電界センサを用いた電界測定装置の構成例を示す構成図である。 本発明の実施の形態に係る光電界センサを用いた電界測定装置の構成例を示す構成図である。

符号の説明

１０１…基板、１０２…下部クラッド層、１０２ａ…電極配線、１０３…コア層、１０４…上部クラッド層、１０４ａ…電極配線、１０５…アース、１０６…アンテナ。

Claims (2)

1. 主表面がＣ面とされた単結晶Ａｌ₂Ｏ₃からなる基板と、
   前記基板の主表面に結晶成長された導電性のＺｎＯからなる下部クラッド層と、
   前記下部クラッド層の上に結晶成長されたＬｉＮｂＯ₃からなるコア層と、
   前記コア層の上に結晶成長された導電性のＺｎＯからなる上部クラッド層と、
   前記下部クラッド層及び上部クラッド層のいずれかに接続されたアンテナと
   を少なくとも備えることを特徴とする光電界センサ。
2. 主表面がＣ面とされた単結晶Ａｌ₂Ｏ₃からなる基板の上に、導電性のＺｎＯを結晶成長させて下部クラッド層が形成された状態とする第１工程と、
   前記下部クラッド層の上にＬｉＮｂＯ₃を結晶成長させてコア層が形成された状態とする第２工程と、
   前記コア層の上に導電性のＺｎＯを結晶成長させて上部クラッド層が形成された状態とする第３工程と、
   前記下部クラッド層及び上部クラッド層のいずれかにアンテナを接続する第４工程と
   を少なくとも備えることを特徴とする光電界センサの製造方法。

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