JP7786707B2 - 光変調素子、並びに、光変調素子を用いた光変調器、及び、ライダー - Google Patents

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特許法第３０条第２項適用 ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ／ｊｓａｐ２０２１ａ／ｓｕｂｊｅｃｔ／１１ｐ－Ｎ２０７－８／ａｄｖａｎｃｅｄ、令和３年７月７日

本発明は、光変調素子、並びに、光変調素子を用いた光変調器、及び、ライダーに関する。

近年、電気信号に比べて動作帯域が広く伝搬損失が少ない光信号を用いることで、高速かつ省電力な通信を実現する機器の開発が行われている。一般に、光信号を用いた通信は、電気信号を光信号に変換する光変調素子により実現される。

例えば、非特許文献１には、Ｓｉの導波路コアと隣接してＬｉＮｂＯ_３を成膜させて構成した光導波路を備える光変調素子が開示されている。強誘電体のＬｉＮｂＯ_３を備える光導波路に電圧を印加すると、ポッケルス効果により屈折率が変化するので、電圧の印加に応じて光信号の変調制御を行うことができる。

C. Wang et al., Nature, vol. 562, no. 7725, pp. 101-104, 2018.

Ｓｉを用いた光変調素子の製造には、製造方法が確立されている半導体素子の製造プロセスを応用するのが好ましい。しかしながら、非特許文献１に開示されたＬｉＮｂＯ_３は半導体素子に一般的に利用されない材料であるため、半導体素子の製造プロセスを応用して製造するのが容易ではない。そこで、既存の半導体素子の製造プロセスとの親和性が高い材料を用いた光変調素子の実現が求められている。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、既存の半導体素子の製造プロセスとの親和性の高い材料を用いて、光導波路を伝播する光を印加電圧に応じて変調する光変調素子を提供することを目的とする。

本願発明の一態様の光変調素子は、光導波路と、光導波路に電界を印加する一対の電極と、を備える。光導波路は、Ｈｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２（０＜ｘ＜１）で表される化合物を含有する強誘電体層を備える。

本願発明の一態様の光変調素子によれば、一対の電極に電圧を印加すると、Ｈｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２からなる強誘電体層を備える光導波路において、ポッケルス効果に起因して屈折率が変化するため、光導波路を伝播する光を印加電圧に応じて変調できる。さらに、Ｈｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２は、既存の半導体製造プロセスで用いられている材料であるため、既存の製造方法及び製造装置を流用して光変調素子を実用化することができる。

図１は、第１実施形態の光変調素子を使用する光変調器の概略構成図である。 図２は、光変調素子の断面図である。 図３Ａは、光変調素子の製造工程の説明図である。 図３Ｂは、光変調素子の製造工程の説明図である。 図３Ｃは、光変調素子の製造工程の説明図である。 図３Ｄは、光変調素子の製造工程の説明図である。 図３Ｅは、光変調素子の製造工程の説明図である。 図３Ｆは、光変調素子の製造工程の説明図である。 図４は、光変調素子を用いたマッハツェンダー干渉計の概略構成図である。 図５は、図４の測定結果を示す図である。 図６は、第２実施形態の光変調素子の断面図である。 図７は、第３実施形態の光変調素子の断面図である。 図８は、第４実施形態の光変調素子の断面図である。 図９は、第５実施形態の光変調素子の断面図である。 図１０は、第６実施形態の光変調素子の断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態の光変調素子を用いた光変調器を示す図である。

図１によれば、光変調素子１Ａが、光変調器２に用いられている。光変調器２は、入力部３、分岐部４、第１分岐導波路５、第２分岐導波路６、合波部７、及び出力部８を備え、第１分岐導波路５に光変調素子１Ａが設けられている。光変調素子１Ａは、ポッケルス効果により導波路の屈折率を変化させることができる。

光変調素子１Ａは、入射部１０と、出射部１１と、入射部１０から出射部１１へとつながる光導波路１２と、変調電気入力信号が入力される電極としての入力電極１３とを備える。光変調素子１Ａは、光導波路１２を通過する連続波の光（ＣＷ（Continuous Wave）光）を、入力電極１３に入力される変調電気入力信号により変調し、変調された光変調信号を出射部１１から出射する。光変調素子１Ａの光導波路１２の詳細な構成は、後に図２を用いて説明する。

入力部３に入射したＣＷ光は、分岐部４で第１分岐導波路５と第２分岐導波路６に分岐される。第１分岐導波路５に分岐されたＣＷ光の一部は、光変調素子１Ａに入射し、入力電極１３に入力された変調電気入力信号により変調された光変調信号として光変調素子１Ａから出射される。光変調信号は、合波部７において第２分岐導波路６を伝播してきたＣＷ光の余部と合波され、所定の強度変調が付与された変調光出力信号として出力部８から出力される。

このように、光の屈折率を利用した光変調素子１Ａは、光変調器２に応用できる。入力されたＣＷ光の一部は、光変調素子１Ａで光変調信号に変換され、さらに光変調器２により強度変調された変調光出力信号として出力される。

図２は、図１の光変調素子１Ａの断面図である。この図には、入射光の進行方向に対して垂直方向の断面が示されており、光変調素子１Ａは紙面の手前奥方向に延在し、その内部に手前奥方向に進行する入射光の導波路が設けられる。以下の説明においては、図中の上下左右の方向を用いて説明するが、説明中の方向は光変調素子１Ａの配置方向を限定するものではない。

光変調素子１Ａにおいては、シリコン基板２１上に酸化膜（ＳｉＯ_２）からなる第１絶縁層２２が積層されている。第１絶縁層２２の上部の一部において、紙面手前奥方向に延在するＳｉからなる導波路コア２３が形成されている。第１絶縁層２２及び導波路コア２３を覆うように、強誘電体膜２４が設けられる。強誘電体膜２４の上部には、さらに酸化膜（ＳｉＯ_２）からなる第２絶縁層２５が積層されている。第２絶縁層２５の上面には、図左右方向の両端部に、対をなす第１電極２６、及び、第２電極２７が設けられる。なお、強誘電体膜２４は、このような層状構造の光変調素子１Ａのうちの一層であって、強誘電体層の態様の一例である。

強誘電体膜２４は、主にＨｆＯ_２を材料として用いるＨｆＯ_２系の強誘電体からなる。ＨｆＯ_２系の強誘電体は、Ａｌ、Ｚｒ等を混ぜて構成されてもよく、トランジスタのゲート絶縁膜として利用されることもある。本実施形態では、強誘電体膜２４は、Ｈｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２からなる。

ＨｆとＺｒとの混晶であるＨｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２は、例えば、ｘ＝０．５程度（Ｈｆ：Ｚｒ＝０．５：０．５）であって、直方晶系の多結晶構造となると誘電性が強くなる。なお、この図の例においては、強誘電体膜２４は、第１絶縁層２２の上面に設けられるが、導波路コア２３と隣接して設けられればよく、第１絶縁層２２の全面を覆うように構成する必要はない。

導波路コア２３は、Ｓｉに限らず、他の半導体材料（Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＩｎＰ系材料、ＧａＡｓ系材料、ＧａＮ系材料）や、誘電体材料（ＳｉＮ、ＳｉＯ_ｘ）で構成されてもよい。

光変調素子１Ａ内を導波する光信号は、一部が強誘電体膜２４へ染み出ながら、主に導波路コア２３内を伝導する。つまり導波路コア２３と強誘電体膜２４の一部で光導波路（以下、「導波路」と称す。）が形成される。第１電極２６と第２電極２７との間に電圧を印加すると、図中に矢印で示されるように、導波路コア２３及び強誘電体膜２４に電界が生じる。そして、光変調素子１Ａにおいては主にポッケルス効果によって導波路屈折率が変化する。

ポッケルス効果は、次式（１）で示される。ただし、Δｎは導波路（媒質）の屈折率の変化量、ｎは媒質の屈折率、ｒは電気光学テンソル、Ｅは印加される電圧を示す。

式（１）に示されるように、ポッケルス効果によって、印加電圧の正負に応じて導波路の屈折率の正負が変化する。屈折率を変化させる原因としては、ポッケルス効果以外に、熱光学効果や自由キャリア効果が知られている。熱光学効果は媒質が加熱されるとその屈折率が変化する現象であって、電界に応じた屈折率の変化はないため、光変調素子への応用は難しい。自由キャリア効果は、ポッケルス効果よりも光損失が大きい。そのため、ポッケルス効果が支配的な光変調素子１Ａを用いることで、変調効率の高い光変調器２を構成できる。

また、ポッケルス効果の高い材料としては、ＬｉＮｂＯ_３が知られているが、既存の半導体製造プロセスとの親和性が低く、製造コストの上昇を招く恐れがある。これに対して、本願の発明者らは、既存の半導体製造プロセスとの親和性の高いＨｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２が、直方晶構造が支配的である場合にポッケルス効果を示すことを見出した。このようなＨｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２を用いることで、光変調効果が高く、かつ、既存の半導体プロセスを応用して製造可能な光変調素子１Ａを実現できる。以下では、光変調素子１Ａの製造方法について、図３Ａ～３Ｆを用いて説明する。

図３Ａに示されるように、上下方向にＳｉ、ＳｉＯ_２、Ｓｉが積層された基板を準備する。シリコンウェハ（Ｓｉ）の内部に絶縁体（ＳｉＯ_２）層が形成された基板はＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板と称される。図示されたＳＯＩ基板においては、下部の層がシリコン基板２１に相当し、絶縁体層が第１絶縁層２２に相当する。そして、第１絶縁層２２の上に、シリコン（Ｓｉ）層３１が設けられている。

次に、図３Ｂに示されるように、ＳＯＩ基板のシリコン層３１において導波路コア２３となる部分をレジストによりマスキングした後に、シリコン層３１のマスキングされていない部分をエッチングにより除去する。この後レジストを除去することで、導波路コア２３が構成される。

次に、図３Ｃに示されるように、導波路コア２３及び第１絶縁層２２の上面に、原子層堆積法（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）によりＨｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２からなる強誘電体膜２４を形成する。ＨｆとＺｒとの配合比は、ｘ＝０．４（Ｈｆ：Ｚｒ＝０．４：０．６）～０．６（Ｈｆ：Ｚｒ＝０．６：０．４）、好ましくはｘ＝０．５（Ｈｆ：Ｚｒ＝１：１（＝０．５：０．５））とする。そして、図３Ｄに示されるように、強誘電体膜２４の上面を覆うようにＴｉＮ膜３２をスパッタにより形成し、その後、４００°Ｃ程度でアニール処理を行う。

次に、図３Ｅに示されるように、ＡＰＭ洗浄（Ammonia-hydrogen Peroxide Mixture cleaning）によりＴｉＮ膜３２を除去して、強誘電体膜２４を露出させる。そして、図３Ｆに示されるように、強誘電体膜２４の上に、第２絶縁層２５、及び、金属層３３を形成する。そして、金属層３３において、第１電極２６、及び、第２電極２７のパターンに応じたエッチングを行うことで、図２に示される光変調素子１Ａを得ることができる。

このように生成されたＨｆとＺｒとの混晶であるＨｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２からなる強誘電体膜２４は、直方晶の構造が支配的となる。ＨｆＯ_２の単晶は、単斜晶構造の常誘電体であり、ＺｒＯ_２の単晶は、正方晶構造の反強誘電体である。ＨｆＯ_２とＺｒＯ_２との混晶であるＨｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２であって直方晶構造のものは、強誘電特性を備える。図３Ａ～３Ｆの工程を経て生成されるＨｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２は直方晶が支配的な構造となり、強誘電特性を示す。

直方晶は安定性の高い結晶相ではない。そこで、本願の発明者らは、図３Ｄの工程においてＴｉＮ膜３２を成膜させた後にＨｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２層を加熱することで、ＴｉＮ膜３２からの応力によりＨｆ_０．５Ｚｒ_０．５Ｏ_２の結晶構造を直方晶構造が支配的とすることができることを見出した。なお、強誘電体膜２４は、直方晶構造が支配的なＨｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２であればよく、ＴｉＮ膜３２を成膜後にアニールすることは必須の製造工程ではない。

強誘電体膜２４の結晶構造は、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）により確認することができる。Ｘ線回折法によりＨｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２を解析する場合には、解析対象の結晶構造（単斜晶、直方晶、及び、正方晶）と対応する回折角度のピークパターンを得ることができる。図３Ａ～図３Ｆの方法により製造される光変調素子１Ａの強誘電体膜２４についてＸ線回折法を用いて得られる回折角度のピークは、その大部分が直方晶のピークパターンと一致し、単斜晶及び正方晶のピークパターンは支配的とならない。そのため、図３Ａ～図３Ｆの方法により製造される強誘電体膜２４の結晶構造は直方晶構造が支配的であると理解できる。

以下では、図４、５を用いて、強誘電体膜２４を備える光変調素子１Ａをマッハツェンダー干渉計に適用した実験結果を用いて、Ｈｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２からなる強誘電体膜２４がポッケルス効果を備えることを説明する。

図４は、マッハツェンダー干渉計４１の構成を示す図であって、図５は、図４のマッハツェンダー干渉計４１からの出力を示す図である。

図４に示されるように、マッハツェンダー干渉計４１は、分岐部４２、及び、合波部４３を備えている。分岐部４２により分岐された光信号は、それぞれ第１分岐導波路（図左側）及び第２分岐導波路（図右側）を導波する。第１分岐導波路は第２分岐導波路よりも２ΔＬだけ光路が長い。第２分岐導波路には光変調素子１Ａが設けられ、第１電極２６と第２電極２７との間に電圧が印加されると、ポッケルス効果により導波路の屈折率が変化する。

図５には、実線（丸のプロット）、一点鎖線（四角のプロット）、及び、二点鎖線（菱形のプロット）で合波部４３からの出力光が示されている。実線は、光変調素子１Ａの第１電極２６と第２電極２７との間に電圧が印加されていない場合を示す。一点鎖線は、第１電極２６から第２電極２７に向かう電界が発生するように電圧が印加されている場合を示す。二点鎖線は、第２電極２７から第１電極２６に向かう電界が発生するように電圧が印加されている場合を示す。なお、電圧の印加方向は、図４においても一点鎖線及び二点鎖線で示されている。

第１電極２６と第２電極２７との間に電圧が印加されていない場合には、光変調素子１Ａが設けられる第２分岐導波路の屈折率が変化しないが、第１分岐導波路と第２分岐導波路との間に光路差（２ΔＬ）が存在する。そのため、合波部４３によって第１分岐導波路と第２分岐導波路とを通った光が合成されると、所定の波長において両者の光の強め合いや弱め合いが発生する。その結果、実線で示されるように、波長に応じて強度が強くなるピークと弱くなるピークとが発生し、これらのピークは所定の波長周期で観測される。

一点鎖線で示されるように、第１電極２６から第２電極２７に向かう電界を加えると、第２分岐導波路の屈折率が小さくなる。その結果、第２分岐導波路の光路長が短くなり、合波部４３からの出力光におけるピークの波長が小さくなる。一方、二点鎖線で示されるように、第２電極２７から第１電極２６に向かう電界を加えると、第２分岐導波路の屈折率が大きくなる。その結果、第２分岐導波路の光路長が長くなり、合波部４３からの出力光におけるピークの波長が大きくなる。電界方向に応じて屈折率の変化量の正負が反転することが観測できるため、光変調素子１Ａにおいてポッケルス効果が生じていることが理解できる。

このように、直方晶構造が支配的なＨｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２の強誘電体膜２４を備える光変調素子１Ａによりポッケルス効果を得られるため、光変調素子１Ａを用いて光変調器２を構成することができる。さらに、Ｈｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２は既存の半導体製造プロセスで用いられる材料であるため、既存の製造プロセスを応用して光変調素子１Ａを製造しやすいという利点がある。

光変調素子１Ａは図１に示されるように光変調器２に応用できるが、これに限らない。光変調素子１Ａをライダー（LiDAR: Light Detection And Ranging）に応用して、レーザ測定光を変調させてもよい。ライダーにおいては、光変調素子１Ａを用いてＣＷ光を所定の変調パターンで変調した光信号を測定物に照射し、測定物からの反射信号と、照射信号とを比較することで、前記測定物までの距離を測定することができる。

（第２実施形態）
第１実施形態においては、強誘電体膜２４が単層のＨｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２により構成される例について説明したがこれに限らない。第２実施形態においては、強誘電体膜がＨｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３とが積層されて構成される例について説明する。

図６は、第２実施形態の光変調素子１Ｂの断面図であって、図２と対応する図である。強誘電体膜６１は、例えば、３つのＨｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２の第１層６２がＡｌ_２Ｏ_３の第２層６３を介して積層され、上下にさらにＡｌ_２Ｏ_３の第２層６３が設けられた構成を備える。この図の例においては、Ｈｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２の第１層６２の厚さは概ね１０ｎｍであり、Ａｌ_２Ｏ_３の第２層６３の厚さは概ね１ｎｍであり、強誘電体膜６１の全体の厚さは概ね３０ｎｍとなる。

本願の発明者らは、図３Ａ～図３Ｆの方法で生成されたＨｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２は、膜厚が５ｎｍ－２０ｎｍ程度（好ましくは１０ｎｍ）である場合に誘電性が比較的高くなることを見出した。しかしながら、光変調素子１Ａの導波路において導波路光との重なりを大きくするためには、一定の膜厚が必要である。そこで、本実施形態のように、Ｈｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２の第１層６２とＡｌ_２Ｏ_３の第２層６３とを積層させることで、一定の膜厚を有する強誘電体膜６１を構成することができる。

Ｈｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２の第１層６２とＡｌ_２Ｏ_３の第２層６３とが積層されて強誘電体膜６１が構成される場合においては、Ｈｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２の第１層６２は、Ａｌ_２Ｏ_３の第２層６３よりも厚く構成することで、強誘電体膜６１のポッケルス効果が高くなる。そこで、５ｎｍ－２０ｎｍの膜厚のＨｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２の第１層６２に対して、０．５ｎｍ－２ｎｍの膜厚のＡｌ_２Ｏ_３の第２層６３を積層させて強誘電体膜６１を構成することによって、高いポッケルス効果を得られる。好ましくは、１０ｎｍの膜厚のＨｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２の第１層６２と、１ｎｍの膜厚のＡｌ_２Ｏ_３の第２層６３とを積層させることにより、より高いポッケルス効果を得られる強誘電体膜６１を構成できる。

さらに、一般的に、強誘電体膜は酸素を奪われると酸素空孔が形成され、その結果、誘電性が高くなることが知られている。本願の発明者らは、第２層６３（Ａｌ_２Ｏ_３）を設けることにより、Ａｌ成分が第１層６２（Ｈｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２）から酸素を奪うため、強誘電体膜６１の誘電性が高くなることを見出した。

これらの知見により、Ｈｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２（第１層６２）とＡｌ_２Ｏ_３（第２層６３）との積層体で構成された強誘電体膜６１を光変調素子１Ｂに用いることで、より高い光変調効率を得ることができる。

（第３実施形態）
第１実施形態においては、Ｓｉからなる導波路コア２３が第１絶縁層２２の上部の一部に構成される例について説明したが、これに限らない。第３実施形態では、他の形態の導波路コア２３の構成について説明する。

図７は、第３実施形態の光変調素子１Ｃの断面図であって、図２と対応する図である。この図によれば、Ｓｉからなる導波路コア７１は、板状部材の上面の中央部に紙面手前奥方向に延在する突出部を備えることで、凸状の断面となるように構成される。導波路コア７１の上面が強誘電体膜２４により覆われる。凸状の断面の導波路コア７１は、図３Ａに示された工程においてシリコン層３１の一部がスラブとして残ることにより形成され、リブ導波路と称される。このような導波路コア７１であっても強誘電体膜２４を備えることでポッケルス効果が生じるので、光変調器２に応用することができる。なお、強誘電体膜２４自身を導波路とする場合には、導波路コア７１をＳｉに替えて強誘電体で構成することにより実現することができる。

（第４実施形態）
第３実施形態においては、光変調素子１Ｃの上面の両端に第１電極２６、第２電極２７を設ける例について説明したが、これに限らない。第４実施形態では、他の形態の電極の構成について説明する。

図８は、第４実施形態の光変調素子１Ｄの断面図であって、図７と対応する図である。光変調素子１Ｄの上部の両端に第１電極８１Ａ、８１Ｂが設けられ、中央部に１つの第２電極８２が設けられている。そして、両端部の第１電極８１Ａ、８１Ｂは下方に向かって第２絶縁層２５及び強誘電体膜２４の内部を延伸して導波路コア７１と電気的に接続されている。導波路コア７１は、Ｓｉに不純物がドープされて導電性を備える。

第１電極８１Ａ、８１Ｂに電源の正極を接続し、第２電極８２に電源の負極を接続すると、第１電極８１Ａ、８１Ｂに印加された電圧は導波路コア７１の内部に伝導し、光変調素子１Ｄの中心部において導波路コア７１の中央の突出部の上面から第２電極８２に向かって電界が生じる。

このような構成においては、第１～第３実施形態と比較すると、強誘電体膜２４に直接的に電圧を印加することができるため、より高いポッケルス効果を得ることができる。その結果、光変調素子１Ｄを用いて高い光変調効率を実現する光変調器２を構成することができる。

（第５実施形態）
第５実施形態においては、強誘電体膜への電界の印加方法が異なる例について説明する。

図９は、第５実施形態の光変調素子１Ｅの断面図であって、図８と対応する図である。この図によれば、第１絶縁層２２の上部に設けられる導波路コア９１、９２は、上面の一辺の端部の層厚が厚くなることで形成された、紙面手前奥方向に延在する突出端部を備える板状部材であって、突出端部の端面が互いに対向するように配置されている。導波路コア９１、９２の突出端部の端面の間には溝（スロット）が形成され、第１絶縁層２２の一部が露出するように構成されている。導波路コア９１、９２は、溝を介して対向し、他の部分よりも高さ方向に厚い膜厚部を備える。

導波路コア９１、９２の間の溝部を充填するとともに、溝部を介して対抗する突出端部を覆うように強誘電体膜９３が設けられる。さらに、上部の両端に第１電極９４及び第２電極９５が設けられる。第１電極９４及び第２電極９５は下部に向かって第２絶縁層２５の内部を延伸して導波路コア９１、９２と接続されている。導波路コア９１、９２は、Ｓｉに不純物がドープされて導電性を備える。

導波路コア９１、９２に光信号を入射させると溝部に導波光が集中する。第１電極９４と第２電極９５との間に電圧を印加すると、特に、導波路コア９１、９２の対向する突出端部の間の強誘電体膜９３において電界が発生する。ここで、溝部を介した導波路コア９１、９２の突出端部の端面は比較的面積が大きく、かつ、溝幅が短くなるように構成することで、強誘電体膜９３に高い電圧を印加でき、その結果、高いポッケルス効果を得ることができる。

さらに強誘電体膜９３は、高いポッケルス効果を得るためには、膜中の自発分極を揃える必要があり、予め電界を加えておくのが好ましい。本実施形態では、導波路コア９１、９２の間の強誘電体膜９３に高電圧を印加させることが比較的容易であるので、分極作業が容易になり高い自発分極を得やすい。その結果、光変調素子１Ｅを用いて高い光変調効率を持つ光変調器２を実現できる。

（第６実施形態）
第６実施形態においては、金属間ギャップに光を閉じ込めるプラズモン導波路を用いた例について説明する。

図１０は、第６実施形態の光変調素子１Ｆの断面図であって、図２等と対応する図である。この図によれば、第１絶縁層２２の上部に設けられる金属層１０１、１０２は、中央付近において側面方向に離間することで、両者の間に紙面手前奥方向に延在する溝（スロット）が構成され、第１絶縁層２２の一部が露出するように構成されている。

金属層１０１、１０２の間の溝部を充填し、金属層１０１、１０２の上面の全体を覆うように強誘電体膜１０３が設けられる。さらに、上部の両端に第１電極１０４及び第２電極１０５が設けられている。第１電極１０４及び第２電極１０５は、それぞれ、下部に向かって第２絶縁層２５及び強誘電体膜１０３の内部を延伸して金属層１０１、１０２と接続されている。すなわち、第１電極１０４、及び、金属層１０１が一方の電極を構成し、第２電極１０５、及び、金属層１０２が他方の電極を構成する。

第１電極１０４と第２電極１０５との間に電圧が印加されると金属層１０１、１０２の対向する端面の間において電界が生じ、ポッケルス効果によって強誘電体膜１０３の屈折率が変化する。

このような構造では、強誘電体膜１０３自体が光導波路となり、金属層１０１、１０２の間の溝部（ギャップ）に光が強く閉じ込められたプラズモン導波路が形成される。さらに、金属層１０１、１０２の表面において表面プラズモンポラリトン共鳴が発生し、その結果、高い導波特性を得ることができる。そのため、強誘電体膜１０３を光導波路として用いることができる。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ 光変調素子
２ 光変調器
２１ シリコン基板
２２ 第１絶縁層
２３、７１、９１、９２ 導波路コア
２４、６１、９３、１０３ 強誘電体膜（強誘電体層）
２５ 第２絶縁層
２６、８１Ａ、８１Ｂ、９４、１０４ 第１電極
２７、８２、９５、１０５ 第２電極
６２ 第１層（Ｈｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２）
６３ 第２層（Ａｌ_２Ｏ_３）
１０１、１０２ 金属層

Claims (12)

1. 光導波路と、
   前記光導波路に電界を印加する一対の電極と、を備える光変調器において、
   前記光導波路は、Ｈｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２（０＜ｘ＜１）で表される化合物を含有する強誘電体層を備え、
   前記光導波路は、Ｓｉにより構成される導波路コアを備え、
   前記強誘電体層は、前記導波路コアの表面の少なくとも一部を覆うように設けられる、光変調素子。
2. 請求項１に記載の光変調素子であって、
   前記Ｈｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２（０＜ｘ＜１）で表される化合物は、直方晶が支配的な結晶構造である、光変調素子。
3. 請求項２に記載の光変調素子であって、
   ｘは、０．４～０．６の範囲の値である、光変調素子。
4. 請求項２に記載の光変調素子であって、
   前記一対の電極への電圧の印加方向に応じて、前記光導波路の屈折率の増減が変化する、光変調素子。
5. 光導波路と、
   前記光導波路に電界を印加する一対の電極と、を備える光変調器において、
   前記光導波路は、Ｈｆ _ｘ Ｚｒ _１－ｘ Ｏ _２ （０＜ｘ＜１）で表される化合物を含有する強誘電体層を備え、
   前記強誘電体層は、Ｈｆ_ｘＺｒ_１－ｘＯ_２で表される化合物からなる第１層と、Ａｌの酸化膜である第２層が積層されて構成される、光変調素子。
6. 請求項５に記載の光変調素子であって、
   前記第１層の層厚は、前記第２層の層厚よりも大きい、光変調素子。
7. 光導波路と、
   前記光導波路に電界を印加する一対の電極と、を備える光変調器において、
   前記光導波路は、Ｈｆ _ｘ Ｚｒ _１－ｘ Ｏ _２ （０＜ｘ＜１）で表される化合物を含有する強誘電体層を備え、
   前記光導波路は、導波方向に延在する突出部を一方の面に備える板状部材であって、
   前記強誘電体層は、前記突出部を含む前記光導波路の一方の面の少なくとも一部を覆うように形成される、光変調素子。
8. 請求項７に記載の光変調素子であって、
   前記一対の電極のうちの一方の電極は、前記光導波路と接続され、
   前記一対の電極のうちの他方の電極は、前記光導波路の前記突出部と、突出方向において絶縁層を介して対向するように設けられる、光変調素子。
9. 請求項１に記載の光変調素子であって、
   前記光導波路は、端部に一方の面から突出する突出端部を備える一対の板状部材であって、それぞれの前記突出端部の端面が溝部を介して離間して対向するように配置され、
   前記強誘電体層は、前記溝部に設けられ、
   前記一対の電極のうちの一方の電極は、前記光導波路の一方と接続され、
   前記一対の電極のうちの他方の電極は、前記光導波路の他方と接続される、光変調素子。
10. 請求項５に記載の光変調素子であって、
    前記光導波路は、導波方向に延在する突出部を一方の面に備える前記強誘電体層で構成され、
    前記一対の電極のうちの一方の電極と他方の電極とは、前記突出部を介して対向するように設けられる、光変調素子。
11. 連続波の光を２つの分岐光路を経て合流された所定の変調パターンの光信号を出力するマッハツェンダー型の光変調器であって、
    一方の前記分岐光路に、請求項１、５、７及び９のいずれか１項に記載の光変調素子が設けられ、前記一対の電極に前記変調パターンに応じた電圧が印加される、光変調器。
12. 請求項１、５、７及び９のいずれか１項に記載の光変調素子を用いて連続波の光を所定の変調パターンで変調した光信号を測定物に照射し、前記測定物からの反射信号と、前記測定物に照射した光信号とを比較することで、前記測定物までの距離を測定するライダー。