JPH09318980A - 光導波路素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 表面弾性波の伝搬速度が速く、高速走査や高
速変調が可能な光導波路素子を得る。 【解決手段】 Ｓｉ基板２上にＳｉＯ₂からなる光学的
バッファ層３を介して光導波路としてのダイヤモンド薄
膜４が形成されている。ダイヤモンド薄膜４表面の中央
部手前寄りにインターデジタルトランスジューサ１１が
形成されている。ダイヤモンド薄膜４上にはＺｎＯから
なる圧電性薄膜６が形成され、この圧電性薄膜６上には
左右両側部に入射用グレーティングカプラ１２及び出射
用グレーティングカプラ１３が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光導波路素子、特
に、光コンピュータの光スイッチや光変調器、光通信の
光スイッチや光分波器や光変調器、レーザビームプリン
タ・複写機・レーザディスプレイ・スキャナ等の光偏向
器や光変調器等に用いられる光導波路素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、圧電性薄膜を光導波路として
用い、この圧電性薄膜を進行する光ビームを圧電性薄膜
を伝搬する表面弾性波と音響光学相互作用（ブラッグ回
折）させることによって偏向や変調させる音響光導波路
素子が種々提案されている。

【０００３】ところで、表面弾性波フィルタにダイヤモ
ンド薄膜を利用し、インターデジタルトランスジューサ
の電極指の幅を大きくして加工を容易にしたものが提案
されている（例えば、特開平８−８６８６号公報参
照）。しかしながら、光導波路は有しておらず、光導波
路素子に適したものではなかった。

【０００４】一方、光導波路素子として、従来より、Ｔ
ｉを拡散して導波路としたＬｉＮｂＯ₃基板が知られて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光導波路素子にあっては、表面弾性波の伝搬速度が遅
く、極めて高速の走査を必要とするレーザディスプレイ
等には利用することができなかった。また、近年、複写
機等についても高速化が進み、特にデジタル複写機やカ
ラー複写機は高速走査が要求されており、従来の光導波
路素子ではこれらの要求に応じることが困難になってき
た。

【０００６】そこで、本発明の目的は、表面弾性波の伝
搬速度が速く、高速走査や高速変調が可能な光導波路素
子を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
め、本発明に係る光導波路素子は、（ａ）基板と、
（ｂ）前記基板上に積層された、ダイヤモンド薄膜から
なる光導波路並びに圧電性薄膜と、を備えたことを特徴
とする。ここに、圧電性薄膜として、例えばＺｎＯ薄膜
等が用いられ、基板としてガラス基板やＳｉ基板等が用
いられる。

【０００８】

【作用】以上の構成により、ダイヤモンド薄膜は極めて
弾性率が高いため、ダイヤモンド薄膜を進行する表面弾
性波の伝搬速度は極めて速い。そして、ダイヤモンド薄
膜を進行する光が、この表面弾性波と音響光学相互作用
（ブラッグ回折）することによって高速の光偏向や光変
調が行なわれる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る光導波路素子
の実施形態について添付図面を参照して説明する。

【００１０】［第１実施形態、図１及び図２］図１に示
すように、光偏向素子１は、Ｓｉ基板２と光学的バッフ
ァ層３とダイヤモンド薄膜４と圧電性薄膜６の積層体構
造を有している。

【００１１】Ｓｉ基板２の屈折率は約３．５であり、ダ
イヤモンド薄膜４の屈折率（約２．４）より高いので、
Ｓｉ基板２上に直接にダイヤモンド薄膜４を形成して
も、ダイヤモンド薄膜４は光導波路として利用すること
ができない。光がダイヤモンド薄膜４からＳｉ基板２側
に透過するからである。そのため、屈折率がダイヤモン
ド薄膜４より低い光学的バッファ層３を設けて導波光Ｌ
をダイヤモンド薄膜４内に閉じ込めている。光学的バッ
ファ層３は、第１実施形態の場合、屈折率が約１．５の
ＳｉＯ₂薄膜からなり、Ｓｉ基板２上に熱酸化法等の方
法により形成される。ただし、光学的バッファ層３はス
パッタリング法、ＣＶＤ法等の方法により形成してもよ
い。

【００１２】光学的バッファ層３の膜厚は、単一モード
の光が導波できる範囲であれば、薄い方が製作上望まし
い。導波光Ｌの導波損失は、光学的バッファ層３の膜厚
が所定の膜厚より薄くなると急激に増大するが、その膜
厚は導波光Ｌの波長及びモード、ダイヤモンド薄膜４の
膜厚、基板２とダイヤモンド薄膜４と光学的バッファ層
３のそれぞれの屈折率に依存している。

【００１３】この光学的バッファ層３上に、例えばレー
ザアブレーション法、スパッタリング法、真空蒸着法、
ＣＶＤ法、ゾル−ゲル法等の方法によりダイヤモンド薄
膜４が形成される。ダイヤモンド薄膜４の膜厚は、光導
波路として光を導波できるモードが存在する範囲であれ
ば、できるだけ薄い方が製作上都合が良い。

【００１４】ダイヤモンド薄膜４上には、図１上中央部
手前寄りにトランスジューサの櫛歯状電極１１が、フォ
トリソグラフィ法やリフトオフ法やエッチング法や電子
線描画法等の方法によりＡｌ等にて形成されている。櫛
歯状電極１１は、高周波信号発生器１５で発生した高周
波電気信号を表面弾性波に変換するためのものである。
次に、ダイヤモンド薄膜４上にスパッタリング法、真空
蒸着法、レーザアブレーション法、ＣＶＤ法、ゾル−ゲ
ル法等により圧電性薄膜６が形成される。圧電性薄膜６
の材料としては、具体的にはＺｎＯやＬｉＮｂＯ₃等が
用いられる。第１実施形態では圧電性薄膜６の材料とし
てＺｎＯを用いた。

【００１５】さらに、圧電性薄膜６上の図１上左右両側
部に入射用グレーティングカプラ１２及び出射用グレー
ティングカプラ１３が配設されている。入射用グレーテ
ィングカプラ１２は光源から放射された光ビームＬを光
導波路であるダイヤモンド薄膜４に入射させるためのも
のである。出射用グレーティングカプラ１３はダイヤモ
ンド薄膜４を進行する導波光Ｌを外部に出射するための
ものである。これらグレーティングカプラ１２，１３
は、それぞれ一定のピッチで設けられており、その材料
としては例えば圧電性薄膜６と同様の材料が使用され
る。グレーティングカプラ１２，１３は電子線描画法、
フォトリソグラフィ法、二光束干渉法等の方法により形
成される。

【００１６】次に、以上の構成からなる光偏向素子１の
作用効果について説明する。トランスジューサ１１は、
高周波信号発生器１５で発生した高周波信号が印加され
ると、圧電性薄膜６に表面弾性波１６を励起せしめる。
この表面弾性波１６は、圧電性薄膜６と一体的に積層体
を形成しているダイヤモンド薄膜４を、図中矢印ａ方向
に伝搬する。高周波信号発生器１５は、例えばＶＣＯ
（電圧制御発振器）等が用いられる。

【００１７】ところで、ダイヤモンド薄膜４は極めて弾
性率が高いため、ダイヤモンド薄膜４を伝搬する表面弾
性波１６の伝搬速度は約１００００ｍ／秒である。これ
に対して、例えばＬｉＮｂＯ₃基板にＴｉを拡散して導
波路とした従来の光偏向素子の場合は表面弾性波の伝搬
速度は約５０００ｍ／秒であり、第１実施形態の光偏向
素子１の表面弾性波１６の伝搬速度の１／２と遅い。

【００１８】一方、図示しない光源からの入射光Ｌは、
入射用グレーティングカプラ１２によってダイヤモンド
薄膜４に入射された後、ダイヤモンド薄膜４を進行す
る。そして、図２に示すように、ダイヤモンド薄膜４を
進行する導波光Ｌは、矢印ａ方向に進行する１周期毎の
波面を表示した波長Λの表面弾性波１６と交差する。そ
の交差角をθ、導波光Ｌの波長をλとすると、 θ＝ｓｉｎ^-1（λ／２Λ） の条件を満足するとき、音響光学効果によるブラッグ回
折現象が起き、導波光Ｌは回折され、偏向される。偏向
された導波光Ｌは、出射用グレーティングカプラ１３に
よって外部へ出射される。そして、トランスジューサ１
１に印加する高周波信号の周波数を変化させてダイヤモ
ンド薄膜４を伝搬する表面弾性波１６の波長を変え、ダ
イヤモンド薄膜４を進行する導波光Ｌの偏向角度を高速
かつ高精度で制御することにより、導波光Ｌの出射角度
を制御する。

【００１９】この結果、表面弾性波１６の伝搬速度が速
く、走査スピードの速い光偏向素子１を得ることができ
る。また、ダイヤモンド薄膜４は、熱伝導性が良いの
で、トランスジューサ１１等で発生した熱を効率良く放
熱することができ、熱ストレスによるトランスジューサ
１１の劣化を抑えることができる。さらに、ダイヤモン
ド薄膜４は硬度が高いので外部からの機械的ストレスに
対して優れている。また、ダイヤモンド薄膜４はＺｎＯ
薄膜やＬｉＮｂＯ₃薄膜よりも光の透過域が広く（波長
が０．２５μｍ〜８０μｍの光を透過する）、多くの種
類の光源に対応することができ、例えばスペクトルアナ
ライザ等への応用の際に有利である。

【００２０】［第２実施形態、図３］図３に示すよう
に、光偏向素子２１は、ガラス基板２２とダイヤモンド
薄膜２３と圧電性薄膜２４の積層体構造を有している。
ガラス基板２２の屈折率は約１．５であり、光導波路と
してのダイヤモンド薄膜２３の屈折率（約２．４）より
低いので、ガラス基板２２上に直接にダイヤモンド薄膜
２３を形成しても、導波光がダイヤモンド薄膜２３から
ガラス基板２２側に透過しにくい。従って、第２実施形
態の場合、第１実施形態と異なり、光学的バッファ層を
設けることなく、ダイヤモンド薄膜２３はガラス基板２
２上に直接に形成されている。このダイヤモンド薄膜２
３表面の図３上中央部手前寄りにインターデジタルトラ
ンスジューサ２７が形成されている。ダイヤモンド薄膜
２３上には圧電性薄膜２４がトランスジューサ２７を覆
った状態で形成されている。

【００２１】第２実施形態の場合、具体的には、ガラス
基板２２は厚さが０．５ｍｍ、ダイヤモンド薄膜２３は
厚さが１μｍ、圧電性薄膜２４は膜厚が０．５μｍのＺ
ｎＯ薄膜とした。以上の構成からなる光偏向素子２１
は、前記第１実施形態の光偏向素子１と同様の作用効果
を奏する。

【００２２】［第３実施形態、図４］図４に示すよう
に、光偏向素子３１は、ガラス基板３２とダイヤモンド
薄膜３３と圧電性薄膜３５の積層体構造を有している。
光導波路としてのダイヤモンド薄膜３３はガラス基板３
２上に直接に形成され、このダイヤモンド薄膜３３表面
の図４上中央部手前寄りにインターデジタルトランスジ
ューサ３７が形成されている。さらに、ダイヤモンド薄
膜３３の表面の図４上左右両側部に入射用グレーティン
グカプラ３８及び出射用グレーティングカプラ３９が配
設されている。ダイヤモンド薄膜３３上の中央部手前よ
りには、マスク蒸着法、マスクスパッタリング法、マス
クＣＶＤ法等の方法により圧電性薄膜３５がトランスジ
ューサを覆った状態で形成されている。

【００２３】以上の構成からなる光偏向素子３１は、前
記第１実施形態の光偏向素子１と同様の作用効果を奏す
ると共に、圧電性薄膜３５を表面弾性波が発振される部
分に限定して設けているので、材料コストを削減するこ
とができると共に、入出射用グレーティングカプラ３
８，３９の加工が容易になる。

【００２４】［第４実施形態、図５］図５に示すよう
に、光偏向素子４１は、Ｓｉ基板４２と光学的バッファ
層４３とダイヤモンド薄膜４４と圧電性薄膜４６の積層
体構造を有している。光導波路としてのダイヤモンド薄
膜４４は、ＳｉＯ₂からなる光学的バッファ層４３を介
してＳｉ基板４２上に形成され、このダイヤモンド薄膜
４４表面の図５上中央部手前寄りにインターデジタルト
ランスジューサ５１が形成されている。ダイヤモンド薄
膜４４上の中央部手前寄りにはＺｎＯからなる圧電性薄
膜４６がトランスジューサ５１を覆った状態で形成され
ている。

【００２５】以上の構成からなる光偏向素子４１と光源
５２と入力レンズ系５３と出力レンズ系５４とで非機械
式走査光学系が構成される。光源５２から放射された光
ビームＬは入力レンズ系５３を介してダイヤモンド薄膜
４４の図５上左側の端面に集光されて、いわゆる端面結
合する。光ビームＬはダイヤモンド薄膜４４を進行し、
ダイヤモンド薄膜４４を伝搬する表面弾性波と音響光学
相互作用することによって偏向させられた後、ダイヤモ
ンド薄膜４４の図５上右側の端面から出射する。出射し
たビームＬは走査方向に対して垂直な方向に屈折力を有
する出力レンズ系５４を介して集光される。

【００２６】［第５実施形態、図６］図６に示すよう
に、光偏向素子６１は、前記第１実施形態の光偏向素子
１と同様の積層体構造を有している。すなわち、光偏向
素子６１は、Ｓｉ基板６２と光学的バッファ層６３とダ
イヤモンド薄膜６４と圧電性薄膜６６にて構成されてい
る。インターデジタルトランスジューサ７１はダイヤモ
ンド薄膜６４上の図６上左側部手前寄りに形成されてお
り、圧電性薄膜６６にて覆われている。入射用グレーテ
ィングカプラ７２は圧電性薄膜６６上の図６上右側部手
前寄りに設けられている。以上の構成からなる光偏向素
子６１は前記第１実施形態の光偏向素子１と同様の作用
効果を奏する。

【００２７】この光偏向素子６１を用いてレンズ系７８
及び感光体７９と共に光プリンタを構成した場合におけ
る光偏向素子６１の作用効果を説明する。トランスジュ
ーサ７１は、高周波信号発生器１５で発生した高周波信
号が印加されると、圧電性薄膜６６に表面弾性波７６を
励起せしめる。この表面弾性波７６は圧電性薄膜６６と
一体的に積層体形成しているダイヤモンド薄膜６４を図
中矢印ａ方向に極めて速い速度で伝搬し、導波光Ｌを横
切る。この導波光Ｌを横切る時間が１ラインの走査に要
する最低時間となる。表面弾性波７６と音響光学相互作
用することによって偏向させられた導波光Ｌは、ダイヤ
モンド薄膜６４の左側の端面から出射し、レンズ系７８
を介して感光体７９に照射される。こうして高速走査が
可能な光プリンタを得ることができる。

【００２８】［第６実施形態、図７］図７に示すよう
に、光偏向素子８１は、Ｓｉ基板８２と、圧電性薄膜８
３とダイヤモンド薄膜８４の積層体構造を有している。
圧電性薄膜８３は、Ｓｉ基板８２上に直接に形成され、
この圧電性薄膜８３表面の中央部手前寄りにインターデ
ジタルトランスジューサ９１が形成されている。第６実
施形態では圧電性薄膜８３の材料としてはＺｎＯを用い
た。

【００２９】この圧電性薄膜８３上に光導波路としての
ダイヤモンド薄膜８４が形成されている。ＺｎＯからな
る圧電性薄膜８３の屈折率は約２．０であり、ダイヤモ
ンド薄膜８４の屈折率（約２．４）より低いので、圧電
性薄膜８３上に直接にダイヤモンド薄膜８４を形成して
も、ダイヤモンド薄膜８４は光導波路として利用でき
る。さらに、ダイヤモンド薄膜８４を表面の図７上左右
両側部に入射用グレーティングカプラ９２及び出射用グ
レーティングカプラ９３が配設されている。

【００３０】以上の構成からなる光偏向素子８１は、前
記第１実施形態の光偏向素子１と同様の作用効果を奏す
る。

【００３１】［他の実施形態］なお、本発明に係る光導
波路素子は前記実施形態に限定するものではなく、その
要旨の範囲内で種々に変更することができる。光導波路
素子は、前記実施形態のように光プリンタに利用される
他に、ヘッドマウントディスプレイや走査型レーザ顕微
鏡や光メモリの書込み／読出し用、レーザディスプレ
イ、あるいは、光コンピュータの光スイッチや光変調
器、光通信の光スイッチや光分波器や光変調器等にも利
用することができる。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、基板上にダイヤモンド薄膜からなる光導波路と
圧電性薄膜とを積層したので、ダイヤモンド薄膜を進行
する光が、ダイヤモンド薄膜を極めて速く伝搬する表面
弾性波と音響光学相互作用して、走査スピードが速い光
偏向素子や変調スピードが速い光変調素子等を得ること
ができる。そして、ダイヤモンド薄膜は熱伝導性が良い
ので、トランスジューサ等で発生した熱を効率良く放熱
することができ、熱ストレスによるトランスジューサ等
の劣化を抑えることができる。さらに、ダイヤモンド薄
膜は硬度が高いので、外部からの機械的ストレスに対し
て優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光導波路素子の第１実施形態を示
す斜視図。

【図２】ブラッグ回折現象を示す説明図。

【図３】本発明に係る光導波路素子の第２実施形態を示
す斜視図。

【図４】本発明に係る光導波路素子の第３実施形態を示
す斜視図。

【図５】本発明に係る光導波路素子の第４実施形態を示
す斜視図。

【図６】本発明に係る光導波路素子の第５実施形態を示
す斜視図。

【図７】本発明に係る光導波路素子の第６実施形態を示
す斜視図。

【符号の説明】 １，２１，３１，４１，６１，８１…光偏向素子 ２，２２，３２，４２，６２，８２…基板 ４，２３，３３，４４，６４，８４…ダイヤモンド薄膜 ６，２４，３５，４６，６６，８３…圧電性薄膜

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、 前記基板上に積層された、ダイヤモンド薄膜からなる光
   導波路並びに圧電性薄膜と、 を備えたことを特徴とする光導波路素子。
2. 【請求項２】 前記圧電性薄膜がＺｎＯ薄膜であること
   を特徴とする請求項１記載の光導波路素子。
3. 【請求項３】 前記基板がガラス基板又はＳｉ基板であ
   ることを特徴とする請求項１記載の光導波路素子。