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

Abstract

【課題】可視光域でも光損傷耐性があり、かつ出射光のプロファイルの乱れが抑制された光偏向が可能になる電気光学素子及びその製造方法並びに光偏向装置を提供する。
【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

本発明は、強誘電体材料を用いた電気光学素子及びその製造方法、並びに、その電気光学素子を用いた光偏向装置に関するものである。

光偏向装置は、振動ガルバノメーター、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーなどの機械式偏向装置と、音響光学素子や電気光学素子などの非機械式光偏向装置とに大別される。それらの中で、電気光学素子を用いた光偏向装置は、物質に電界が印加されることによってその屈折率が変化する電気光学効果で光の進行方向を制御する。その屈折率変化Δｎは、１次のポッケルス効果の場合、次の（１）式で与えられる。ここで、ｒｉｊは電気光学定数（ポッケルス定数）、Ｖは印加電圧、ｄは電圧を印加する電極の間隔である。

電気光学素子には、相転移温度が高く常温で安定であり比較的安価な二オブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、チタン酸リン酸カリウム、ニオブ酸カリウムなどの酸化物単結晶材料からなる強誘電体が用いられる。電気光学素子に光偏向の機能を持たせるために、電気光学材料に電圧を印加するための電極の形状をプリズム型にすることが提案されている（特許文献１参照）。その光偏向の原理は、電気光学素子に電圧を印加すると、ポッケルス効果によって電気光学材料内のプリズム領域に屈折率差が発生し、電気光学素子内を伝搬する光を偏向させるというものである。

電気光学素子を用いた光偏向装置は、他の種類の光偏向装置と比べて偏向角が小さいといったデメリットがある。そこで、偏向角を大きく取るため、あらかじめ電気光学材料にプリズム型の分極反転領域を形成しておき、電圧を印加することで各プリズム領域での屈折率差を大きくし、偏向角を増加させるプリズムドメイン反転光偏向素子が提案されている（非特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

電気光学材料にプリズム型の分極反転領域を形成するプロセスは、主に直接電界印加法が知られている。直接電界印加法は、非線形光学結晶から第二高調波を発生させるための周期分極反転構造を作製するのに多く利用されており、電気光学材料基板の上下面に所望の形状の電極を形成し、上下間に抗電界以上の電圧を印加することで、分極反転領域を形成する手法である。分極反転のメカニズムの詳細は、例えば非特許文献２に記載されている。

上記電気光学材料として用いられるニオブ酸リチウムは安価であり、相転位温度が高く常温で安定であるが、可視光域において光損傷耐性に問題がある。可視光域の光を導波させると、導波光の位相が乱れ、その結果出射光のビームプロファイルが乱れてしまう。そこで、可視光域における光損傷耐性の高い、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムが開発されている。
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。

本発明は以上の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、可視光域でも光損傷耐性があり、かつ出射光のプロファイルの乱れが抑制された光偏向が可能になる電気光学素子及びその製造方法並びに光偏向装置を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、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ものである。
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。

本発明によれば、光導波層を構成する強誘電体材料が酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムであるため、可視光域の光損傷耐性を高めることができる。しかも、その導波層に形成する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、前記酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムからなる強誘電体材料の結晶面に対して平行に形成されている。これにより、光入射面及び光出射面の少なくとも一方の面の平面度を高めることができるとともに、当該面の端辺付近の形状が丸みを帯びるのを抑制できるので、出射光のプロファイルの乱れを抑制することができる。従って、可視光域でも光損傷耐性があり、かつ出射光のプロファイルの乱れが抑制された光偏向が可能になるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る電気光学素子を示す斜視図。 酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの結晶で分極の反転の様子を示す説明図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ電気光学素子の光導波層の斜視図及び平面図。 光導波層内の分極反転領域の他の例を示す平面図。 光導波層内の分極反転領域の更に他の例を示す平面図。 直接電界印加法によって形成される分極反転領域の広がり量の測定結果を示すグラフ。 （ａ）は本実施形態に係る電気光学素子の光導波層内の分極反転領域の断面形状を示す図。（ｂ）は同電気光学素子から出射した出射光のプロファイルを示す図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ光導波層の他の構成例を示す斜視図及び平面図。 光導波層の更に他の構成例を示す平面図。 導波路型電気光学素子の概略構成を示す斜視図。 導波路型電気光学素子を用いた光偏向装置の一例を示す概略構成図。 （ａ）は酸化マグネシウムが添加されていないニオブ酸リチウムを用いた比較例に係る電気光学素子の光導波層内の分極反転領域の断面形状を示す図。（ｂ）は同電気光学素子から出射した出射光のプロファイルを示す図。 （ａ）は他の比較例に係る電気光学素子の光導波層内の分極反転領域の断面形状を示す図。（ｂ）は同電気光学素子から出射した出射光のプロファイルを示す図。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
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。

光導波層１１を構成する電気光学材料としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３），タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３），ＫＴＰ，ＳＢＮ，ＫＴＮ，ＫＴＮなどを用いることができる。これらの電気光学材料は強誘電体であり、外部電場を加えなくても分極した自発分極を有している。これらの強誘電体からなる電気光学材料のうち、本実施形態の電気光学素子の光導波層１１には、光損傷耐性の高い酸化マグネシウム添加二オブ酸リチウム（ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３）を用いている。酸化マグネシウム添加二オブ酸リチウムは、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を所定濃度で添加して作製した二オブ酸リチウムの結晶である。酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの酸化マグネシウム濃度は例えば４．５ｍｏｌ％〜５．５ｍｏｌ％の範囲が好ましいが、その中でも５ｍｏｌ％が好適である。この酸化マグネシウム添加二オブ酸リチウムの単結晶は、例えば、引き上げ法、ブリッジマン法、フローティングゾーン法などの結晶育成方法により、ニオブ酸リチウムの融液に上記所定濃度の範囲で酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を加えて育成することができる。このように育成された酸化マグネシウム添加二オブ酸リチウムの単結晶のインゴットを所定の結晶面で板状に切断することにより、酸化マグネシウム添加二オブ酸リチウムの基板を得ることができる。

ここで、上記酸化マグネシウム添加二オブ酸リチウム等の強誘電体は、前述のように外部電場を加えなくても分極した自発分極を有している。一般に、強誘電体において分極の方向が一方向に揃った領域を「分域」（ドメイン）という。特に、一つの強誘電体の結晶が全体にわたって一方向に分極している結晶構造を「単分域構造」といい、一つの強誘電体の結晶の中に分極の方向が互いに異なる複数の分域が存在している結晶構造を「多分域構造」という。例えば、本実施形態に係る電気光学素子１０の光導波層１１に用いる強誘電体の結晶基板は、分極反転領域を形成する前の状態では基板全体にわたって分極方向が一方向に揃った単分域構造をしている。一方、分極反転領域を形成した後の状態では、基板中に形成された分極反転領域とその周囲の領域は分極方向が互いに異なる別々の分域を形成し、結晶基板は多分域構造になる。一般に、分極方向が互いに異なる二つの分域の境界は、「分域壁」（ドメイン壁）と呼ばれる。

図２は、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの結晶３１で分極の反転の様子を示す説明図である。図の紙面手前側の方向が結晶のＺ軸になっている。一様に分極している単分域構造の強誘電体の一部に所定の電界を印加し、その分極を反転させた分極反転領域を形成する場合、まず分極が反転した小さなサイズの分域が反転核として発生する。この反転核は結晶面で囲まれた形状をしている。そして、反転核として発生した分域が、周囲との境界にある分域壁に対して垂直方向に広がり、最終的に、電界が印加された領域の全体が、その電界によって分極反転した一つの分域である分極反転領域になる。酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの結晶３１は、図中のＺ軸を中心とした３回対称の結晶構造を有するため、図中のＺ軸を中心として１２０度ずつ傾いた回転位置に互いに等価なＸ軸が３本存在し、そのＸ軸のプラス側及びマイナス側それぞれで直交する＋Ｘ面及び−Ｘ面が３面ずつ存在する。この結晶の対称性から、図２に示す酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの結晶３１の中で部分的に分極反転する分域３２の外形面の形状、すなわち分域壁の外形状は、Ｚ軸方向から見た断面が６個のＸ面（３個の＋Ｘ面及び３個の−Ｘ面）で囲まれた正六角形となる。立体的には、外周側面が６個のＸ面になる正六角柱となる。この断面が正六角形の分域３２を反転核として、電界印加による分極反転領域が形成される。

本実施形態では、光導波層１１に形成する分極反転領域の光入射面及び光出射面を、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの結晶面に対して平行に形成している。すなわち、光導波層１１中の分極反転領域の光入射面及び光出射面を、上記反転核の分域壁を構成する６個の結晶面であるＸ面のうち、光入射面及び光出射面それぞれに対応するＸ面に対して平行に形成している。

上記光導波層１１における分極反転領域の光入射面及び光出射面と、その光導波層１１の電気光学材料として用いた酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの結晶面（Ｘ面）との関係は、本発明者らの次のような実験の結果に基づいて規定したものである。

まず、比較例として、酸化マグネシウムを添加しないニオブ酸リチウムを用いた光導波層中に光入射面及び光出射面を有するプリズム型の分極反転領域を形成して電気光学素子を作製し、その電気光学素子を用いて光偏向装置を構成した。この場合は、光導波層中の分極反転領域の光入射面及び光出射面がニオブ酸リチウムの結晶面（Ｘ面）に対して平行でなくても、図９１（ａ）に示すように、光入射面９１１及び光出射面９１２の面形状は平面になり、光入射面及び光出射面とが交差する頂角９１３はシャープになる結果が得られた。そして、この電気光学素子を用いた光偏向装置で光偏向させた伝搬光（出射光）のプロファイルは、図９１（ｂ）に示すように入射時と同等の乱れがない形状となった。

次に、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムを用いた光導波層中に光入射面及び光出射面を有するプリズム型の分極反転領域を形成して電気光学素子を作製し、その電気光学素子を用いて光偏向装置を構成した。光導波層中の分極反転領域の光入射面及び光出射面は、前記酸化マグネシウムを添加しないニオブ酸リチウムを用いた場合と同様に、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの結晶面に対して平行にならないように形成した。その結果、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムを用いた場合は、予想に反し、分極反転領域の周囲の領域との境界面に形成した光入射面９０１及び光出射面９０２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）とが平行でないと、前述の図９０（ａ）に示すように光入射面及び光出射面の面形状が曲面になったり、光入射面及び光出射面とが交差する頂角９０３が丸みを帯びた形状となったりする結果が得られた。その結果、この電気光学素子を用いた光偏向装置で光偏向させた伝搬光（出射光）のプロファイルは、図９０（ａ）に示すように乱れてしまった。

そこで、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムを用いた場合について更に実験検討を行ったところ、光導波層１１に形成する分極反転領域の光入射面及び光出射面それぞれを、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの６つのＸ面のうち、各光入射面及び光出射面に対応するＸ面に対して平行にして形成することにより、分極反転領域の光入射面及び光出射面を精度よく形成することができ、伝搬光（出射光）のプロファイルの乱れを抑制することができる結果が得られた。

図３（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、本実施形態に係る電気光学素子１０の光導波層１１の斜視図及び平面図である。電気光学素子１０の平板状の光導波層１１には、その上面から下面に至る厚さ方向に延在するプリズム型の分極反転領域１１０が形成されている。この分極反転領域１１０の入射面１１０ａと出射面１１０ｂはそれぞれ、分極反転領域１１０を構成する酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの６つの結晶面としてのＸ面のうち、各入射面１１０ａ及び出射面１１０ｂに対応するＸ面に対して平行に形成される。なお、図３（ｂ）中には、分極反転領域１１０の初期形成段階で形成される正六角形の反転核１３０を仮想的に図示している。分極反転領域１１０の入射面１１０ａと出射面１１０ｂはそれぞれ、正六角形の反転核１３０の外側面に現れる６個の結晶面（Ｘ面）のいずれかに対して平行になる。

ここで、電気光学素子１０の光導波層１１の電気光学材料として用いる強誘電体（酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウム）の屈折率をｎ、電気光学効果によって発生する屈折率変化量をΔｎとする。この光導波層１１の上面と下面との間に電圧を印加すると、光導波層１１の内部の分極反転領域１１０の屈折率はｎ＋Δｎ、分極反転領域１１０以外の分極未反転領域１２０の屈折率はｎ−Δｎとなり、２Δｎの屈折率差が光導波層１１内で生じる。この屈折率差によって光が各領域１１０、１２０間の境界の光入射面１１０ａ及び光出射面１１０ｂで屈折し、その結果、光導波層１１からの出射光は偏向する。

上記分極反転領域１１０の分極未反転領域１２０との境界に位置する光入射面１１０ａ及び光出射面１１０ｂで光が屈折するためには、分極反転領域１１０の光入射面１１０ａ及び光出射面１１０ｂは、光の進行方向に対して垂直であってはならない。よって、本実施形態の光導波層１１の厚さ方向（Ｚ軸）に延在するように形成する分極反転領域１１０は、プリズム型の形状もしくは扇型の形状が好ましい。

ここで、プリズム型の分極反転領域１１０とは、光導波層１１の厚さ方向（Ｚ軸）と直交する仮想面上における断面形状で規定すると、その断面形状が、少なくとも３つの直線で囲まれた多角形になっているものである。例えば、プリズム型の分極反転領域１１０としては、上記断面形状が、図３（ｂ）に示すような三角形、図４に示すような台形、六角形などになっているものが挙げられる。また、扇型の分極反転領域１１０とは、上記断面形状が少なくとも２つの直線と円弧とで囲まれたものである。例えば、扇型の分極反転領域１１０としては、上記断面形状が、図５に示すような断面が２つの直線と１つの円弧とで囲まれた扇形や、３つの直線と１つの円弧とで囲まれた扇形になっているものが挙げられる。なお、分極反転領域１１０と分極未反転領域１２０との境界の光入射面１１０ａ及び光出射面１１０ｂを精度良く作製し、かつ電気光学素子１０を小型化にすることを考慮すると、分極反転領域１１０の断面形状は、図３（ｂ）に示すような正三角形が最も好ましい。

上記光導波層１１における分極反転領域１１０は、例えば、以下の（１）〜（３）に示す分極反転プロセスで形成することができる。
（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／ｍｍ^２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。

なお、上記直接電界印加法では、上記レジストパターンの開口の端縁から外側に所定距離だけ外側に広がった分極反転領域１１０が形成される結果が得られた。例えば、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの電気光学基板の４つのサンプルについて、分極反転領域１１０を作製したときの上記レジストパターンの開口の端縁からの広がり量を測定したところ、図６に示すように平均で約３０μｍ程度の外側に広がっていた。そこで、上記直接電界印加法によって形成される分極反転領域１１０の広がり量を予め実験等で測定し、上記レジストパターンの開口を、上記測定した広がり量に対応させて設定した所定サイズだけ所望の目標形状よりも小さく作製するのが望ましい。例えば、図６の例の場合は、上記レジストパターンの開口を、３０μｍだけ内側に小さくして作製するのが好ましい。

また、上記直接電界印加法によりプリズム型の分極反転領域１１０を精度良く作製するために、始めにスパイク電界をかけて反転核を均一に発生させ、続けて一定電界をかけることで反転核の分域壁を広げるのが好ましい。具体的には９ｋＶ／ｍｍのスパイク電界を所定時間（例えば５ｍ秒）印加し、その後、続けて５．５ｋＶ／ｍｍの一定電界を所定時間（例えば５秒）印加する。これにより、図７（ａ）に示すように、分極反転領域１１０の分極未反転領域１２０との境界に位置する光入射面１１０ａ及び光出射面１１０ｂの面形状が平面になり、光入射面１１０ａ及び光出射面１１０ｂとが交差する頂角１１０ｆはシャープになる結果が得られた。

上記分極反転領域１１０を有する光導波層１１を作製した後、その光導波層１１の上面及び下面に上部電極層１２及び下部電極層１３を形成する。上部電極層１２及び下部電極層１３の材料としては、安価なクロム（Ｃｒ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ）や、耐腐食性の高い金（Ａｕ），白金（Ｐｔ）などを用いることができる。本実施形態の電気光学素子１０では、上部電極層１２及び下部電極層１３として、スパッタ法により厚さ２００ｎｍのＴｉ（チタン）の膜を成膜した。

図８（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ光導波層１１の他の構成例を示す斜視図及び平面図である。この構成例では、複数の分極反転領域１１０を、光ビームが各分極反転領域１１０の光入射面及び光出射面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されている。このように光導波層１１に分極反転領域１１０を複数形成すると、出射光の偏向角は各分極反転領域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可能である。また、偏向角を大きくかつ電気光学素子の小型化を達成するため、分極反転領域１１０は正三角形で一列に隙間無く作製するのが望ましい。

図９は、光導波層１１の更に他の構成例を示す平面図である。この構成例では、複数の分極反転領域１１０−１，１１０−２，１１０−３，・・・を、そののサイズが入射側から段階的に大きくなるようにホーン型に形成している。すなわち、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、上記複数の分極反転領域１１０−１，１１０−２，１１０−３，・・・を形成している。このようにホーン型に形成することにより、偏向角をより大きくすることができる。非特許文献３によると、進行距離ｚ、入射側プリズム幅Ｄ０、最大屈折変化量Δｎｍａｘ、屈折率ｎ０として、プリズム幅Ｄ（ｚ）は、次の（２）式から求めることができる。

また、このときの外部偏向角θ（ｚ）は、次の（３）式で与えられる。

図９の構成例では、Ｄ０＝０．５ｍｍ、Δｎｍａｘ＝３．８３×１０^−３、屈折率ｎ０＝２．２０３、プリズム長Ｌ＝２０ｍｍとして、上記（２）、（３）式からプリズム幅Ｄ（ｚ）を逐次計算によって計算し、出射側プリズム幅は１．５６ｍｍとなっている。（２）、（３）式によって求めたプリズム幅は、２つの包絡線１１０ｇ，１１０ｈ間の距離で表すことができる。このホーン型の分極反転領域を作製するには、この２つの包絡線１１０ｇ，１１０ｈから、正三角形の分極反転領域１１０−１，１１０−２，１１０−３，・・・のように、入射側から正三角形のサイズを順次決めていき、隙間無く分極反転領域を形成していくのが好ましい。

図１０は、上記構成の光導波層を用いて構成した導波路型電気光学素子の概略構成を示す斜視図である。光導波層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。図１０において、導波路型電気光学素子２０は、コア層２１、上部クラッド層２２、下部クラッド層２３、上部電極２４、下部電極２５、接着層２６、支持基板２７、引き出し電極２８等から構成され、実施例として以下に示すように作製した。

［下部クラッド層及び下部電極の作製］
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、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ５、ＴＩＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ３、ＨｆＯ_２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。

［接着及び薄膜化］
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。

［上部クラッド層及び上部電極の作製］
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、Ｔａ_２Ｏ_５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。

［下部引き出し電極］
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。

図１０の導波路型電気光学素子２０を作製した後、その導波路型電気光学素子２０の動作を確認したところ、正常に電流が流れて動作し、ビーム歪が抑制され、図７（ｂ）に示すように、入出射光ともに同じビームプロファイルとなって光偏向されていることを確認できた。

図１１は上記構成の導波路型電気光学素子を用いた光偏向装置の一例を示す概略構成図である。光偏向装置４１は、光源４２と入射光学系４３と電気光学素子４４と出射光学系４５と駆動装置４６とを備えている。光源４２は安価でロバスト性の高い半導体レーザーからなるのが好ましい。入射光学系４３は電気光学素子４４が導波路型の場合は光利用効率が高く結合させるために、導波路と入射レンズのＮＡを一致させるのが好ましい。出射光学系４５は出射光をコリメートするためのレンズと、必要に応じて、偏向角を拡大するための凸凹レンズを用いるのが好ましい。駆動装置４６は、光源４２及び導波路型電気光学素子４４を駆動させるための駆動回路、バッテリー、信号発生器等からなり、光偏向装置４１の解像点数と駆動周波数、光出射パワーを決定する。

以上、本実施形態によれば、光導波層１１を構成する強誘電体材料が酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムであるため、可視光域の光損傷耐性を高めることができる。しかも、その導波層１１に形成する分極反転領域１１０の光入射面１１０ａ及び光出射面１１０ｂ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）に対して平行に形成されている。これにより、光入射面１１０ａ及び光出射面１１０ｂの平面度を高めることができるとともに、光入射面１１０ａ及び光出射面１１０ｂが交差する端辺付近の形状が丸みを帯びるのを抑制できるので、出射光のプロファイルの乱れを抑制することができる。従って、可視光域でも光損傷耐性があり、かつ出射光のプロファイルの乱れが抑制された光偏向が可能になる。
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、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムからなる基板の上面及び下面の少なくとも一方の面に、分極反転領域１１０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し、その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、その基板に分極反転領域１１０を形成し、その分極反転領域１１０を形成した基板を光導波層１１とし、その光導波層１１の上面及び下面それぞれに上部電極及び下部電極を形成している。このようにレジストパターンを介した直接電界印加法により、光導波層１１中に分極反転領域１１０を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。

なお、上記実施形態では、導波層１１に形成する分極反転領域１１０の光入射面１１０ａ及び光出射面１１０ｂ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）に対して平行に形成されているが、光入射面１１０ａ及び光出射面１１０ｂのいずれか一方のみを、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの結晶面（Ｘ面）に対して平行に形成してもよい。

１０ 電気光学素子
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

特開昭６２−０４７６２７号公報 特表平９‐５０１２４５号公報 特開平９−１４６１２８号公報

David A. Scrymgeour et al., Applied Optics, Vol.40，No.34 (Dec. 2001) 「分極反転デバイスの基礎と応用」，オプトロニクス社 Yi Chiu ,et al, Journal of Lightwave Technology, VOL 17,No.1 (Jan 1999)

Claims (11)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。