JP2012058651A - 電気光学素子及びその製造方法、並びに、電気光学素子を用いた光偏向装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】強誘電体材料からなる光導波層11と、光導波層11の上面及び下面それぞれに形成された上部電極層12及び下部電極層13とを備え、光導波層11に、光入射面110a及び光出射面110bを有する所定形状からなる少なくとも1つの分極反転領域110が形成された電気光学素子10である。前記強誘電体材料は、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムであり、分極反転領域110の光入射面110a及び光出射面110bの少なくとも一方の面は、前記強誘電体材料の結晶面に対して平行に形成されている。
【選択図】図3
Description
ところが、本発明者らの酸化マグネシウム添加二オブ酸リチウムでプリズム型分極反転領域を形成してみたところ、分極反転領域の境界を精度良く形成するのが難しいことが分かった。具体的には、二オブ酸リチウムで形成したプリズム型分極反転領域の境界面は直線で、頂角はシャープに形成できたものが、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムで形成したプリズム型分極反転領域では、図13(a)に示すように分極反転領域の境界面に形成された光出射面901及び光出射面902が曲面になったり頂角903が丸みを帯びたりした形状になってしまう。その結果、図13(b)に示すように光偏向させた出射光のプロファイルが乱れてしまう。この出力光のプロファイルの乱れは、光偏向装置から出射される出射光の形状劣化や解像点数の低減など、光偏向装置の性能の悪化につながる。
また、請求項2の発明は、請求項1の電気光学素子において、前記分極反転領域は、前記光導波層の厚さ方向に延在し、その光導波層の厚さ方向から見た断面形状が少なくとも3つの直線で囲まれた多角形であることを特徴とするものである。
また、請求項3の発明は、請求項1の電気光学素子において、前記分極反転領域は、前記光導波層の厚さ方向に延在し、その光導波層の厚さ方向から見た断面形状が少なくとも2つの直線と外向きに凸状の曲線とで囲まれた扇型の形状であることを特徴とするものである。
また、請求項4の発明は、請求項1乃至3のいずれかの電気光学素子において、前記分極反転領域は複数形成され、前記複数の分極反転領域は、光ビームが各分極反転領域の光入射面及び光出射面を連続して通過し得るように前記光導波層の厚さ方向と交差する方向に一列に並べて形成されていることを特徴とするものである。
また、請求項5の発明は、請求項4の電気光学素子において、前記光ビームの通過方向における第n+1番目(n:自然数)の前記分極反転領域の幅は、同方向における第n番目の前記分極反転領域の幅より大きいことを特徴とするものである。
また、請求項6の発明は、請求項1乃至5のいずれかの電気光学素子において、前記光導波層からなるコア層と、そのコア層と前記上部電極層及び前記下部電極層との間それぞれに形成されたクラッド層とを有するように光導波路層が構成されたことを特徴とするものである。
また、請求項7の発明は、請求項6の電気光学素子において、支持基板と、前記下部電極層と前記支持基板との間に形成された接着層と、を備えたことを特徴とするものである。
また、請求項8の発明は、請求項1乃至7のいずれかの電気光学素子の製造方法であって、前記強誘電体材料からなる基板の上面及び下面の少なくとも一方の面に、前記分極反転領域の形状に対応する開口を有するレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンを介して前記基板に電界を印加する直接電界印加法により、その基板に前記分極反転領域を形成する工程と、前記分極反転領域を形成した前記基板を前記光導波層とし、その光導波層の上面及び下面それぞれに電極を形成する工程と、を含むことを特徴とするものである。
また、請求項9の発明は、請求項8の電気光学素子の製造方法であって、前記直接電界印加法によって前記分極反転領域を形成する工程は、前記強誘電体材料の自発分極が反転した微小分域である複数の反転核を均一に発生させるようにスパイク状の電界を形成する第1の電界印加工程と、前記第1の工程で発生させた前記反転核の分域壁を前記分極反転領域まで広げるための一定強度の電界を所定時間だけ形成する第2の電界印加工程と、を含むことを特徴とするものである。
また、請求項10の発明は、請求項8又は9の電気光学素子の製造方法であって、前記レジストパターンの開口を、前記光導波層の厚さ方向から見た前記分極反転領域の目標形状よりも所定サイズだけ小さめに作成することを特徴とするものである。
また、請求項11の発明は、光源と、前記光源から入射される光を偏向可能な電気光学素子と、前記電気光学素子の光入射側及び光出射側の少なくとも一方に設けられた光学系と、前記光源及び前記電気光学素子を駆動する駆動手段と、を備えた光偏向装置であって、前記電気光学素子として、請求項1乃至7のいずれかの電気光学素子を用いたことを特徴とするものである。
図1は、本発明の一実施形態に係る電気光学素子を示す斜視図である。本実施形態に係る電気光学素子10は、電気光学材料である強誘電体からなる光導波層11と、光導波層11の上面及び下面それぞれに形成された上部電極層12及び下部電極層13とを備えている。光導波層11には分極反転領域が形成されている。
(1)酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの結晶からなる電気光学基板(例えば、株式会社山寿セラミックス製の直径φ3mmのZ板,厚さ:t=300μm)の+Z面(上面)に、スピンコーティングにより、厚さ2μmのフォトレジスト膜を作製する。
(2)フォトリソグラフィーにより、正三角形の分極反転領域110に対応する部分に、フォトレジスト膜の開口を形成したレジストパターンを形成する。このレジストパターンは、光入射面及び光出射面に対応する2つの辺が酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの結晶面(X面)と平行になるように形成される。
(3)直接電界印加法により、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウム結晶に分極反転領域を形成する。具体的な手順としては、例えば、次にa〜dのように行う。
a.結晶を分極反転用の冶具に取り付けて、結晶の上下面(±Z面)を液体電極で浸す。結晶の周囲に液体電極が漏れると結晶に正確な電圧がかからないため、結晶の周囲を絶縁油(フロリナートに浸し、上下面が導通しないようにする。
b.反転核の発生確率を上げるために結晶の温度を所定温度(例えば、45℃)に上げる。
c.+Z面の液体電極をHOT側の電極、−Z面の液体電極をGND側の電極として電圧発生源を接続し、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの抗電界に対応する電圧を結晶に印加する。
d.電圧印加中は結晶に流れる電流を計測しておく。酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの自発分極は0.78μC/mm2であることが一般的に知られており、この値と所望の分極反転面積から分極反転時に流れる流入電荷量を決定できる。計測した電流を積分して流入電荷量をリアルタイムで算出していき、それが所望の値を超えたら電圧をOFFにする。
以上により、基板内に正三角形の分極反転領域110が形成され、光導波層11として用いることができる。
導波光の光損失を低減させるため、コア層21の上下面には、コア層21よりも屈折率の低いクラッド層22、23を形成するのが好ましい。上部クラッド層22及び下部クラッド層23の材料としては、SiO2、Ta2O5、TIO2、Si3N4、Al2O3、HfO2等の誘電体が好適である。上部電極24及び下部電極25の電極材料として、Au、Pt、Ti、Al、Ni、Crなどの金属材料の他に、ITOなどの透明電極が好ましい。
実際に作製した実施例では、下部クラッド層23はTa2O5を1μmの厚さにスパッタ法で製膜し、続けて下部電極25としてTiを200nmの厚さに製膜した。
下部電極25を作製した後、接着剤を用いて下部電極25と支持基板27との接着を行う。接着層26は面精度が1μm以下となる均一な厚みである。その後、研磨によるコア層21の薄膜化を行った。支持基板27はコア層21に用いる材料と熱膨張係数が等しい基板が好ましい。熱膨張係数が異なる材料を用いると、接着後に熱膨張が発生した際、コア層21に内部応力による歪みが生じて、クラックが発生する原因になる。
実際に作製した実施例では、接着層26にはUV硬化性の樹脂接着剤を用い、支持基板27には厚さ300μmのニオブ酸リチウム基板を用いて接着を行った。その後、研磨によって300μmの厚さから10μmのコア層21を作製した。
ニオブ酸リチウムのX軸方向の熱膨張率は1.54×10−5/Kであり、SUS303の熱膨張率は1.46×10−5/Kである。そのため、熱膨張率がほぼ等しいため、支持基板27にSUS303を使用することも可能である。
接着剤による支持基板27の貼り付け以外に、支持基板27に金属材料を用いて、下部電極25と支持基板27とを直接接合することも可能である。
研磨の後、上部クラッド層22と上部電極24を作製する。製膜方法は下部クラッド層23及び下部電極25と同じ方法である。
上部電極24は上部クラッド層22上の全面に作製するよりは、上部電極22の面積は光偏向器として機能する範囲でできるだけ小さい方が望ましい。電気光学素子の光偏向器では、静電容量と駆動動作周波数はトレードオフの関係になるため、静電容量が小さいほど低電力での高周波動作が可能となるためである。よって、上部電極24は、屈折率を変化させる領域すなわち光が偏向して透過する領域のみに作製するのが好適である。
実際に作製した実施例では、上部クラッド層22は、Ta2O5を1μmの厚さにスパッタ法で製膜し、続けて上部電極24は、Tiを200nmの厚さにスパッタ法で製膜した。
下部電極25との導通を取るため、上部電極面の端に引き出し電極28を作製し、それを導電性材料で埋める。これによって、支持基板27の面積をコア層21の面積よりも大きくすることなく下部電極の取り出しが可能となり、導波路型電気光学素子の小型化が可能となる。
実際に作製した実施例では、上部電極24と側端部との間に、引き出し電極28として深さ30μmのV溝をダイシングソーにより形成した。そのV溝をTiで製膜し、引き出し電極28を作製した。なお、引き出し電極形成手段として、ドライエッチング法やエキシマアブレーション等も好適である。
また、本実施形態によれば、前記分極反転領域110は、光導波層11の厚さ方向に延在し、その光導波層11の厚さ方向から見た断面形状が少なくとも3つの直線で囲まれた多角形である。前記分極反転領域110は、前記光導波層11の厚さ方向に延在し、その光導波層11の厚さ方向から見た断面形状が少なくとも2つの直線と外向きに凸状の曲線とで囲まれた扇型の形状であってもよい。このように分極反転領域110の断面形状を多角形又は扇型の形状にすることにより、分極反転領域110の厚さ方向に延在する光入射面110a及び光出射面110bを形成することができ、しかも光入射面110a及び光出射面110bを、光導波層11の上下面に沿って進んでくる光の進行方向に対して垂直にならないよう傾けることができる。従って、光入射面110a及び光出射面110bで光を確実に屈折させることができる。
また、本実施形態によれば、前記分極反転領域110を複数形成され、その複数の分極反転領域110は、光ビームが各分極反転領域110の光入射面110a及び光出射面110bを連続して通過し得るように光導波層11の厚さ方向と交差する方向に一列に並べて形成してもよい。この場合、出射光の偏向角が各分極反転領域110での屈折角の足し合わせとなるため、出射光の偏向角を増加させることができる。
また、本実施形態によれば、光ビームの通過方向における第n+1番目(n:自然数)の分極反転領域110の幅が、同方向における第n番目の分極反転領域110の幅より大きくなるように、前記複数の分極反転領域110をホーン型に形成してもよい。この場合は、偏向角をより大きくすることができる。
また、本実施形態によれば、前記光導波層11からなるコア層21と、そのコア層21と上部電極層24及び下部電極層25との間それぞれに形成されたクラッド層22、23とを有するように光導波路層を構成してもよい。この場合は、光導波層11を導波路構造にすることで、バルク型よりも低電圧で駆動させることができる。その結果、光偏向機能を有する電気光学素子を用いた光偏向器の消費電力を低減させることができる。
また、本実施形態によれば、上記光導波路層を構成する場合、更に、支持基板27と、下部電極層25と支持基板27との間に形成された接着層26とを備えるように構成してもよい。この場合は、コア層21の下面に下部電極層25を形成した後、その下部電極層25と支持基板27とを接着層26で接着し、上面側にコア層21を研磨などで容易に薄膜化することができる。
また、本実施形態によれば、前記直接電界印加法によって分極反転領域を形成する工程は、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの自発分極が反転した微小分域である複数の反転核を均一に発生させるようにスパイク状の電界を形成し、その後、反転核の分域壁を分極反転領域110まで広げるための一定強度の電界を所定時間だけ形成する。このように2段階の電界印加により、光導波層11中に分極反転領域110をより精度よく形成することができる。
また、本実施形態によれば、前記レジストパターンの開口を、光導波層11の厚さ方向から見た分極反転領域110の所望の目標形状よりも所定サイズだけ小さめに作成しておくことにより、レジストパターンの開口よりも大きめの分極反転領域110になる傾向がある直接電界印加法を採用しても、作製後の分極反転領域110の形状を所望の目標形状することができる。
11 導波層
12 上部電極層
13 下部電極層
110 分極反転領域
110a 光入射面
110b 光出射面
Claims (11)
- 強誘電体材料からなる光導波層と、前記光導波層の上面及び下面それぞれに形成された上部電極層及び下部電極層とを備え、前記光導波層に、光入射面及び光出射面を有する所定形状からなる少なくとも1つの分極反転領域が形成された電気光学素子であって、
前記強誘電体材料は、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムであり、
前記分極反転領域の光入射面及び光出射面の少なくとも一方の面が、前記強誘電体材料の結晶面に対して平行に形成されていることを特徴とする電気光学素子。 - 請求項1の電気光学素子において、
前記分極反転領域は、前記光導波層の厚さ方向に延在し、その光導波層の厚さ方向から見た断面形状が少なくとも3つの直線で囲まれた多角形であることを特徴とする電気光学素子。 - 請求項1の電気光学素子において、
前記分極反転領域は、前記光導波層の厚さ方向に延在し、その光導波層の厚さ方向から見た断面形状が少なくとも2つの直線と円弧とで囲まれた扇型の形状であることを特徴とする電気光学素子。 - 請求項1乃至3のいずれかの電気光学素子において、
前記分極反転領域は複数形成され、
前記複数の分極反転領域は、光ビームが各分極反転領域の光入射面及び光出射面を連続して通過し得るように前記光導波層の厚さ方向と交差する方向に一列に並べて形成されていることを特徴とする電気光学素子。 - 請求項4の電気光学素子において、
前記光ビームの通過方向における第n+1番目(n:自然数)の前記分極反転領域の幅は、同方向における第n番目の前記分極反転領域の幅より大きいことを特徴とする電気光学素子。 - 請求項1乃至5のいずれかの電気光学素子において、
前記光導波層からなるコア層と、そのコア層と前記上部電極層及び前記下部電極層との間それぞれに形成されたクラッド層とを有するように光導波路層が構成されたことを特徴とする光導波路型の電気光学素子。 - 請求項6の電気光学素子において、
支持基板と、前記下部電極層と前記支持基板との間に形成された接着層と、を備えたことを特徴とする光導波路型の電気光学素子。 - 請求項1乃至7のいずれかの電気光学素子の製造方法であって、
前記強誘電体材料からなる基板の上面及び下面の少なくとも一方の面に、前記分極反転領域の形状に対応する開口を有するレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンを介して前記基板に電界を印加する直接電界印加法により、その基板に前記分極反転領域を形成する工程と、
前記分極反転領域を形成した前記基板を前記光導波層とし、その光導波層の上面及び下面それぞれに電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする電気光学素子の製造方法。 - 請求項8の電気光学素子の製造方法であって、
前記直接電界印加法によって前記分極反転領域を形成する工程は、
前記強誘電体材料の自発分極が反転した微小分域である複数の反転核を均一に発生させるようにスパイク状の電界を形成する第1の電界印加工程と、
前記第1の工程で発生させた前記反転核の分域壁を前記分極反転領域まで広げるための一定強度の電界を所定時間だけ形成する第2の電界印加工程と、を含むことを特徴とする電気光学素子の製造方法。 - 請求項8又は9の電気光学素子の製造方法であって、
前記レジストパターンの開口を、前記光導波層の厚さ方向から見た前記分極反転領域の目標形状よりも所定サイズだけ小さめに作成することを特徴とする電気光学素子の製造方法。 - 光源と、前記光源から入射される光を偏向可能な電気光学素子と、前記電気光学素子の光入射側及び光出射側の少なくとも一方に設けられた光学系と、前記光源及び前記電気光学素子を駆動する駆動手段と、を備えた光偏向装置であって、
前記電気光学素子として、請求項1乃至7のいずれかの電気光学素子を用いたことを特徴とする光偏向装置。
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