JP2003177258A - 光学素子 - Google Patents
光学素子Info
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- JP2003177258A JP2003177258A JP2001376441A JP2001376441A JP2003177258A JP 2003177258 A JP2003177258 A JP 2003177258A JP 2001376441 A JP2001376441 A JP 2001376441A JP 2001376441 A JP2001376441 A JP 2001376441A JP 2003177258 A JP2003177258 A JP 2003177258A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ニオブ酸リチウムの電気光学効果を利用した
光学素子であって、素子長が短く、動作電圧が低い光学
素子を提供する。 【解決手段】 光学素子１０は、定比組成（stoichiome
tric）のニオブ酸リチウム結晶基板１１を有し、ニオブ
酸リチウム結晶基板１１は、表面１２近傍に形成された
導波路となるチタン拡散層１３を有し、素子長が短く、
動作電圧が低く、このため集積度に優れる。
光学素子であって、素子長が短く、動作電圧が低い光学
素子を提供する。 【解決手段】 光学素子１０は、定比組成（stoichiome
tric）のニオブ酸リチウム結晶基板１１を有し、ニオブ
酸リチウム結晶基板１１は、表面１２近傍に形成された
導波路となるチタン拡散層１３を有し、素子長が短く、
動作電圧が低く、このため集積度に優れる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、チタン拡散層を有
するニオブ酸リチウム結晶基板を有する光学素子に関す
る。
するニオブ酸リチウム結晶基板を有する光学素子に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、光スイッチ、変調器など、ニオブ
酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３；以下、ＬＮという。）の電
気光学効果を利用した各種の光学素子が提供されてい
る。例えば、情報ネットワークの基盤となる高密度波長
多重（ＤＷＤＭ）の長距離送信用外部変調器として、Ｌ
Ｎ結晶基板にマッハツェンダ型の導波路を形成した光学
素子が広汎に使用されている。
酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３；以下、ＬＮという。）の電
気光学効果を利用した各種の光学素子が提供されてい
る。例えば、情報ネットワークの基盤となる高密度波長
多重（ＤＷＤＭ）の長距離送信用外部変調器として、Ｌ
Ｎ結晶基板にマッハツェンダ型の導波路を形成した光学
素子が広汎に使用されている。
【０００３】ＬＮ結晶基板を切り出すＬＮ単結晶は、結
晶と融液が同じ組成で平衡共存する一致溶融（congruen
t）組成において、単結晶を融液から回転引き上げする
チョクラルスキー法で作成される。一致溶融組成では、
ＬＮ単結晶となるリチウム（ＬＩ）とニオブ（Ｎｂ）に
ついて、リチウムのモル分率は４８．５％である。一致
溶融組成のＬＮは、ＣＬＮと称される。
晶と融液が同じ組成で平衡共存する一致溶融（congruen
t）組成において、単結晶を融液から回転引き上げする
チョクラルスキー法で作成される。一致溶融組成では、
ＬＮ単結晶となるリチウム（ＬＩ）とニオブ（Ｎｂ）に
ついて、リチウムのモル分率は４８．５％である。一致
溶融組成のＬＮは、ＣＬＮと称される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ＣＬＮにお
いては、電気光学定数は比較的小さく、電気光学テンソ
ル中で最大のｒ３３の値は３２．５ｐｍ／Ｖである。こ
のため、ＣＬＮ結晶基板を用いた場合、所定の電気光学
効果を得るための素子長は大きなものとなっていた。ま
た、このような素子を駆動するためには、高い動作電圧
を必要としていた。
いては、電気光学定数は比較的小さく、電気光学テンソ
ル中で最大のｒ３３の値は３２．５ｐｍ／Ｖである。こ
のため、ＣＬＮ結晶基板を用いた場合、所定の電気光学
効果を得るための素子長は大きなものとなっていた。ま
た、このような素子を駆動するためには、高い動作電圧
を必要としていた。
【０００５】本発明は、前述の実情に鑑みて提案される
ものであって、ＬＮの電気光学効果を利用した光学素子
であって、素子長が短く、動作電圧が低い光学素子を提
供することを目的とする。
ものであって、ＬＮの電気光学効果を利用した光学素子
であって、素子長が短く、動作電圧が低い光学素子を提
供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、本発明に係る光学素子は、チタン（Ｔｉ）拡散層
を有する定比組成（stoichiometric）のニオブ酸リチウ
ム（ＬｉＮｂＯ３；ＬＮ）結晶基板を有する。
めに、本発明に係る光学素子は、チタン（Ｔｉ）拡散層
を有する定比組成（stoichiometric）のニオブ酸リチウ
ム（ＬｉＮｂＯ３；ＬＮ）結晶基板を有する。
【０００７】好ましくは、定比組成のニオブ酸リチウム
（以下、ＳＬＮという。）は、リチウム／ニオブのモル
分率は１である。好ましくは、ＳＬＮ結晶基板は、ＳＬ
Ｎ単結晶から切り出され、ＳＬＮ単結晶は、二重ルツボ
方式によって育成される。
（以下、ＳＬＮという。）は、リチウム／ニオブのモル
分率は１である。好ましくは、ＳＬＮ結晶基板は、ＳＬ
Ｎ単結晶から切り出され、ＳＬＮ単結晶は、二重ルツボ
方式によって育成される。
【０００８】好ましくは、前記チタン拡散層は、ＳＬＮ
結晶基板の表面近傍に形成されたものである。好ましく
は、ＳＬＮ結晶基板は、リチウムのモル組成比が４９．
５％〜５０．５％の範囲にある。
結晶基板の表面近傍に形成されたものである。好ましく
は、ＳＬＮ結晶基板は、リチウムのモル組成比が４９．
５％〜５０．５％の範囲にある。
【０００９】好ましくは、ＳＬＮ結晶基板は、屈折率が
高い前記チタン拡散層で構成された所定パターンの導波
路を有する。好ましくは、前記所定パターンは、直線
型、カットオフ型、方向性結合器型、分岐（干渉）型、
バランスブリッジ型、交差型又は非対称Ｘ型のいずれか
一つである。
高い前記チタン拡散層で構成された所定パターンの導波
路を有する。好ましくは、前記所定パターンは、直線
型、カットオフ型、方向性結合器型、分岐（干渉）型、
バランスブリッジ型、交差型又は非対称Ｘ型のいずれか
一つである。
【００１０】好ましくは、前記ニオブ酸リチウム結晶基
板は、重イオンをドープされている。好ましくは、前記
重イオンは、鉄又はセリウムなど結晶軸ｃ軸方向の格子
を縮ませる効果のあるものを含む。
板は、重イオンをドープされている。好ましくは、前記
重イオンは、鉄又はセリウムなど結晶軸ｃ軸方向の格子
を縮ませる効果のあるものを含む。
【００１１】本発明に係る光学素子は、前述のような構
成を有し、ＳＬＮの電気光学テンソルの最大成分ｒ３３
はＣＬＮに比べて大きいので、ＳＬＮにおいてはＣＬＮ
より大きな電気光学効果を得ることができる。したがっ
て、ＳＬＮ結晶基板を用いる本発明では、短い素子長又
は低い動作電圧で所定の電気光学効果を得ることができ
る。
成を有し、ＳＬＮの電気光学テンソルの最大成分ｒ３３
はＣＬＮに比べて大きいので、ＳＬＮにおいてはＣＬＮ
より大きな電気光学効果を得ることができる。したがっ
て、ＳＬＮ結晶基板を用いる本発明では、短い素子長又
は低い動作電圧で所定の電気光学効果を得ることができ
る。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る光学素子の実
施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】本実施の形態に係る光学素子は、チタン拡
散層を有する定比組成のニオブ酸リチウム結晶（ＳＬ
Ｎ）結晶基板を有するものである。
散層を有する定比組成のニオブ酸リチウム結晶（ＳＬ
Ｎ）結晶基板を有するものである。
【００１４】本実施の形態では、ＳＬＮ結晶として、特
開平１０−４５４９８号公報に開示されたものを用い
る。このＳＬＮ結晶は、科学技術庁無機材質研究所（現
独立行政法人 物質・材料研究機構 物質研究所）が
開発した二重ルツボ方式のチョクラルスキー法を用いて
育成したものである。
開平１０−４５４９８号公報に開示されたものを用い
る。このＳＬＮ結晶は、科学技術庁無機材質研究所（現
独立行政法人 物質・材料研究機構 物質研究所）が
開発した二重ルツボ方式のチョクラルスキー法を用いて
育成したものである。
【００１５】二重ルツボ方式では、通常の高周波加熱の
ＣＺ（Czochralski）炉において、ＳＬＮ単結晶をリチ
ウム過剰の融液中で育成する。ＬＮ融液を保持する白金
ルツボは、外側ルツボと内側ルツボの二重構造を有し、
融液を２つの領域に分離する。外側ルツボには、育成中
の結晶と同一組成のＬＮ粉末が、完全自動原料供給シス
テムにより供給され、外側ルツボの融液が内側ルツボの
壁の穴から内側ルツボ内に流入する。したがって、内側
ルツボの融液の組成は常に一定に保たれる。ＳＬＮ単結
晶は、内側ルツボから回転引き上げにより育成される。
ＣＺ（Czochralski）炉において、ＳＬＮ単結晶をリチ
ウム過剰の融液中で育成する。ＬＮ融液を保持する白金
ルツボは、外側ルツボと内側ルツボの二重構造を有し、
融液を２つの領域に分離する。外側ルツボには、育成中
の結晶と同一組成のＬＮ粉末が、完全自動原料供給シス
テムにより供給され、外側ルツボの融液が内側ルツボの
壁の穴から内側ルツボ内に流入する。したがって、内側
ルツボの融液の組成は常に一定に保たれる。ＳＬＮ単結
晶は、内側ルツボから回転引き上げにより育成される。
【００１６】ＳＬＮ結晶の組成は、キュリー温度を測定
することにより、示差熱分析（ＤＡＴ）法を用いること
により見積もることができる。本実施の形態では、リチ
ウムのモル組成比が４９．５％〜５０．５％の範囲、好
ましくは５０％のＳＬＮ結晶を用いる。
することにより、示差熱分析（ＤＡＴ）法を用いること
により見積もることができる。本実施の形態では、リチ
ウムのモル組成比が４９．５％〜５０．５％の範囲、好
ましくは５０％のＳＬＮ結晶を用いる。
【００１７】ここで、ＳＬＮ結晶の実施例を示す。市販
の高純度炭酸リチウム（Ｌｉ2ＣＯ3）、酸化ニオブ（Ｎ
ｂ2Ｏ5）（それぞれ純度９９．９９９％）の原料粉末を
準備し、リチウム成分過剰原料としてＬｉ2ＣＯ3：Ｎｂ
2Ｏ5の比が０．５６〜０．６０：０．４４〜０．４０の
割合で混合し、化学量論比組成原料としてＬｉ2ＣＯ3：
Ｎｂ2Ｏ5＝０．５０：０．５０の割合で混合した。次に
１０００ｋｇ／ｃｍ2の静水圧でラバープレス成形し、
それぞれを約１０５０℃の酸素中で焼結し原料棒を作成
した。また、連続供給用粉末原料として混合済みの化学
量論比組成原料を約１０５０℃の酸素中で焼結して化学
量論比組成原料も作成した。次に、二重ルツボ法による
単結晶育成に際して、Ｌｉ成分過剰原料を内側ルツボ
に、化学量論比組成原料を外側ルツボに予め充填し、次
にルツボを加熱して融液を作成した。ここで、育成に用
いたルツボは白金でできており、種結晶はＺ軸方位に切
り出した５ｍｍ×５ｍｍ×長さ７０ｍｍの単一分域状態
にあるＬＮ単結晶を用いた。育成条件は結晶回転速度を
５ｒｐｍ、引き上げ速度を０．５〜２ｍｍ／ｈ、雰囲気
を大気中とした。また、融液組成の均一化のためにルツ
ボを０．２ｒｐｍの早さで種結晶と反対方向にゆっくり
回転させた。約１．５週間の育成により直径４０ｍｍ、
長さ７０ｍｍでクラックのない無色透明のＬＮ結晶体を
得た。
の高純度炭酸リチウム（Ｌｉ2ＣＯ3）、酸化ニオブ（Ｎ
ｂ2Ｏ5）（それぞれ純度９９．９９９％）の原料粉末を
準備し、リチウム成分過剰原料としてＬｉ2ＣＯ3：Ｎｂ
2Ｏ5の比が０．５６〜０．６０：０．４４〜０．４０の
割合で混合し、化学量論比組成原料としてＬｉ2ＣＯ3：
Ｎｂ2Ｏ5＝０．５０：０．５０の割合で混合した。次に
１０００ｋｇ／ｃｍ2の静水圧でラバープレス成形し、
それぞれを約１０５０℃の酸素中で焼結し原料棒を作成
した。また、連続供給用粉末原料として混合済みの化学
量論比組成原料を約１０５０℃の酸素中で焼結して化学
量論比組成原料も作成した。次に、二重ルツボ法による
単結晶育成に際して、Ｌｉ成分過剰原料を内側ルツボ
に、化学量論比組成原料を外側ルツボに予め充填し、次
にルツボを加熱して融液を作成した。ここで、育成に用
いたルツボは白金でできており、種結晶はＺ軸方位に切
り出した５ｍｍ×５ｍｍ×長さ７０ｍｍの単一分域状態
にあるＬＮ単結晶を用いた。育成条件は結晶回転速度を
５ｒｐｍ、引き上げ速度を０．５〜２ｍｍ／ｈ、雰囲気
を大気中とした。また、融液組成の均一化のためにルツ
ボを０．２ｒｐｍの早さで種結晶と反対方向にゆっくり
回転させた。約１．５週間の育成により直径４０ｍｍ、
長さ７０ｍｍでクラックのない無色透明のＬＮ結晶体を
得た。
【００１８】図１は、ＳＬＮ結晶の電気光学定数ｒ３３
の組成依存性を示す図である。図中の符号□は波長６３
３ｎｍに、符号△は波長１１５０ｎｍに、波長○は１５
２０ｎｍでの値を示す。
の組成依存性を示す図である。図中の符号□は波長６３
３ｎｍに、符号△は波長１１５０ｎｍに、波長○は１５
２０ｎｍでの値を示す。
【００１９】ＳＬＮ結晶の電気光学テンソルの最大成分
ｒ３３は、リチウムのモル組成比が５０％に近づくに連
れて増加し、５０％において３７．８ｐｍ／Ｖに達す
る。ＣＬＮ結晶のｒ３３は３２．５ｐｍ／Ｖであったの
で、ＳＬＮ結晶においてはＣＬＮ結晶より大きな電気光
学効果を得ることができる。
ｒ３３は、リチウムのモル組成比が５０％に近づくに連
れて増加し、５０％において３７．８ｐｍ／Ｖに達す
る。ＣＬＮ結晶のｒ３３は３２．５ｐｍ／Ｖであったの
で、ＳＬＮ結晶においてはＣＬＮ結晶より大きな電気光
学効果を得ることができる。
【００２０】表１は、ＳＬＮ結晶の屈折率を示す。表に
は、正常光屈折率ｎｏ及び異常光屈折率ｎｅをそれぞれ
示す。比較のため、ＣＬＮ結晶による屈折率も示した。
は、正常光屈折率ｎｏ及び異常光屈折率ｎｅをそれぞれ
示す。比較のため、ＣＬＮ結晶による屈折率も示した。
【００２１】これらの屈折率は、試料に全反射プリズム
を圧着するプリズムカプラ法によって測定した。光源に
は、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを用いた。
を圧着するプリズムカプラ法によって測定した。光源に
は、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを用いた。
【００２２】
【表１】
【００２３】表によると、ＳＬＮ結晶の正常光屈折率ｎ
ｏ及び異常光線屈折率ｎｅは、ＣＬＮ結晶の値と大差が
ない。
ｏ及び異常光線屈折率ｎｅは、ＣＬＮ結晶の値と大差が
ない。
【００２４】図２は、第１の実施の形態の光学素子を示
す図である。光学素子１０は、ＳＬＮ結晶基板１１を有
し、このＳＬＮ結晶基板１１は、表面１２近傍に形成さ
れたチタン拡散層１３を有している。光学素子１０は、
１０×７×１ｍｍの寸法を有し、１．５〜２μｍ程度の
深さのチタン拡散層１３を有する。
す図である。光学素子１０は、ＳＬＮ結晶基板１１を有
し、このＳＬＮ結晶基板１１は、表面１２近傍に形成さ
れたチタン拡散層１３を有している。光学素子１０は、
１０×７×１ｍｍの寸法を有し、１．５〜２μｍ程度の
深さのチタン拡散層１３を有する。
【００２５】チタン拡散層１３は、例えば次の工程にし
たがって作成する。まず、前述の公報に記載されたＳＬ
Ｎ結晶からウェハを切り出す。本実施の形態では、Ｘ板
及びＺ板を切り出すものとする。そして、ウェアを適当
な寸法にチップに切断し、チップ表面に電子ビーム蒸着
法で７０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜を形成する。その後、
拡散温度１０００℃〜１０６０℃水蒸気を含む酸素雰囲
気で拡散時間６〜２４時間にわたってチタン膜を拡散
し、チタン拡散層１３を形成する。
たがって作成する。まず、前述の公報に記載されたＳＬ
Ｎ結晶からウェハを切り出す。本実施の形態では、Ｘ板
及びＺ板を切り出すものとする。そして、ウェアを適当
な寸法にチップに切断し、チップ表面に電子ビーム蒸着
法で７０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜を形成する。その後、
拡散温度１０００℃〜１０６０℃水蒸気を含む酸素雰囲
気で拡散時間６〜２４時間にわたってチタン膜を拡散
し、チタン拡散層１３を形成する。
【００２６】図３は、チタン拡散層１３の透過屈折率を
示す図である。チタン拡散層１３は、拡散温度１０６０
℃及び拡散時間１０時間で形成したものを用いた。光源
には、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを用いた。測
定は、前記プリズムカプラ法により、プリズムを介した
チタン拡散層１３への入射光の角度を変化させながら、
出射光を検出した。
示す図である。チタン拡散層１３は、拡散温度１０６０
℃及び拡散時間１０時間で形成したものを用いた。光源
には、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを用いた。測
定は、前記プリズムカプラ法により、プリズムを介した
チタン拡散層１３への入射光の角度を変化させながら、
出射光を検出した。
【００２７】所定波長の光線に対してプリズムにおける
全反射が消失し、光線は反射面をトンネル効果によって
通過してチタン拡散層１３を伝わるようになる。図中の
光強度の落ち込みａは、チタン拡散層１３を導波する波
長を示している。
全反射が消失し、光線は反射面をトンネル効果によって
通過してチタン拡散層１３を伝わるようになる。図中の
光強度の落ち込みａは、チタン拡散層１３を導波する波
長を示している。
【００２８】このように、チタン拡散層１３は、所定波
長の光線を導波するので、所定波長の光線に対してチタ
ン拡散層１３を導波路として用いることができる。
長の光線を導波するので、所定波長の光線に対してチタ
ン拡散層１３を導波路として用いることができる。
【００２９】ここで、チタン拡散層１３が導波路となっ
て光線を導波するためには、深さ方向の屈折率分布ｎ
（ｙ）とｍ次モード等価屈折率Ｎ（ｍ）の間で式（１）
を満たす必要がある。
て光線を導波するためには、深さ方向の屈折率分布ｎ
（ｙ）とｍ次モード等価屈折率Ｎ（ｍ）の間で式（１）
を満たす必要がある。
【００３０】
【数１】
【００３１】さらに、ＳＬＮ結晶基板１１の屈折率
ｎｓ、表面屈折率ｎｆ、導波路深さｄについて、規格化
拡散深さＶ、規格化導波路屈折率ｂｍを次の式（２）及
び式（３）のように定義すると、式（１）は式（４）の
ように規格化することができる。
ｎｓ、表面屈折率ｎｆ、導波路深さｄについて、規格化
拡散深さＶ、規格化導波路屈折率ｂｍを次の式（２）及
び式（３）のように定義すると、式（１）は式（４）の
ように規格化することができる。
【００３２】
【数２】
【００３３】
【数３】
【００３４】
【数４】
【００３５】ここで、屈折率分布ｎ（ｙ）をガウス分布
と想定すると、式（５）のように表すことができるの
で、導波光モードが２つ以上の導波路であれば表面屈折
率ｎｆと導波路深さｄを決定でき、屈折率分布を算出す
ることができる。以下では、このように算出した屈折率
分布を用いる。 n(y)=ns+(nf−ns)exp(−y2/d2) (5)
と想定すると、式（５）のように表すことができるの
で、導波光モードが２つ以上の導波路であれば表面屈折
率ｎｆと導波路深さｄを決定でき、屈折率分布を算出す
ることができる。以下では、このように算出した屈折率
分布を用いる。 n(y)=ns+(nf−ns)exp(−y2/d2) (5)
【００３６】図４は、Ｚ板の異常光線による屈折率分布
を示す図である。図中の曲線ａは拡散温度１０３０℃
に、曲線ｂは拡散温度１０６０℃に対応している。参考
に示すＣＬＮ結晶基板の場合も示すが、曲線ｃは拡散温
度１０３０℃に、曲線ｄは拡散温度１０６０°に対応し
ている。曲線ａ〜ｄのいずれも、拡散時間は１０時間で
ある。
を示す図である。図中の曲線ａは拡散温度１０３０℃
に、曲線ｂは拡散温度１０６０℃に対応している。参考
に示すＣＬＮ結晶基板の場合も示すが、曲線ｃは拡散温
度１０３０℃に、曲線ｄは拡散温度１０６０°に対応し
ている。曲線ａ〜ｄのいずれも、拡散時間は１０時間で
ある。
【００３７】図５は、Ｘ板の異常光線による屈折率分布
を示す図である。図中の曲線ａは拡散温度１０３０℃
に、曲線ｂは拡散温度１０６０℃に対応している。参考
にＣＬＮ結晶基板の場合も示すが、曲線ｃは拡散温度１
０３０℃に、曲線ｄは拡散温度１０６０°に対応してい
る。曲線ａ〜ｄのいずれも、拡散時間は１０時間であ
る。
を示す図である。図中の曲線ａは拡散温度１０３０℃
に、曲線ｂは拡散温度１０６０℃に対応している。参考
にＣＬＮ結晶基板の場合も示すが、曲線ｃは拡散温度１
０３０℃に、曲線ｄは拡散温度１０６０°に対応してい
る。曲線ａ〜ｄのいずれも、拡散時間は１０時間であ
る。
【００３８】図４及び図５において、表面近傍の屈折率
が大きい部分がチタン拡散層１３に対応している。屈折
率は、深さが大きくなると、表１に示したＳＬＮ結晶基
板１１の異常光屈折率ｎｅに連続的に移行する。
が大きい部分がチタン拡散層１３に対応している。屈折
率は、深さが大きくなると、表１に示したＳＬＮ結晶基
板１１の異常光屈折率ｎｅに連続的に移行する。
【００３９】図４に示したＺ板及び図５に示したＸ板の
いずれにおいても、ＳＬＮ結晶基板１１に対するチタン
拡散層１３の屈折率変化量Δｎは、ＣＬＮ結晶基板の場
合の屈折率変化量Δｎと比較すると大きい。ここで、屈
折率変化量Δｎは、チタン拡散層１３における屈折率の
最大値からＳＬＮ結晶基板１１の屈折率ｎｅを差し引い
た量である。ＣＬＮ結晶基板に対しても、同様である。
いずれにおいても、ＳＬＮ結晶基板１１に対するチタン
拡散層１３の屈折率変化量Δｎは、ＣＬＮ結晶基板の場
合の屈折率変化量Δｎと比較すると大きい。ここで、屈
折率変化量Δｎは、チタン拡散層１３における屈折率の
最大値からＳＬＮ結晶基板１１の屈折率ｎｅを差し引い
た量である。ＣＬＮ結晶基板に対しても、同様である。
【００４０】表２は、光学素子１０における屈折率変化
量Δｎ及び導波路深さｄを示す。表は、拡散温度１０３
０℃及び１０６０°及び拡散時間１０時間のＺ板及びＸ
板に対する値を示す。
量Δｎ及び導波路深さｄを示す。表は、拡散温度１０３
０℃及び１０６０°及び拡散時間１０時間のＺ板及びＸ
板に対する値を示す。
【００４１】
【表２】
【００４２】なお、導波路深さｄは、ＳＬＮ結晶基板１
１の屈折率ｎｅに対する屈折率の変化量が、前記屈折率
変化量Δｎに対して例えば１／ｅとなる深さをいうもの
とする。ＣＬＮ結晶基板に対しても同様である。
１の屈折率ｎｅに対する屈折率の変化量が、前記屈折率
変化量Δｎに対して例えば１／ｅとなる深さをいうもの
とする。ＣＬＮ結晶基板に対しても同様である。
【００４３】表３は、比較のためＣＬＮ結晶基板につい
て屈折率変化量Δｎと導波路深さｄを示す。表は、拡散
温度１０００℃、１０３０℃及び１０６０°で拡散時間
１０時間のＺ板及びＸ板に対する値を示す。
て屈折率変化量Δｎと導波路深さｄを示す。表は、拡散
温度１０００℃、１０３０℃及び１０６０°で拡散時間
１０時間のＺ板及びＸ板に対する値を示す。
【００４４】
【表３】
【００４５】表２及び表３に示すように、拡散温度が高
いほど屈折率変化量Δｎは小さくなり、導波路深さｄは
大きくなる。表２に示すＳＬＮ結晶基板１１の屈折率変
化量Δｎは、表３に示すＣＬＮ結晶基板の屈折率変化量
Δｎより大きく、ほぼ倍の値である。また、表２に示す
ＳＬＮ結晶基板１１の導波路深さｄは、表３に示すＣＬ
Ｎ結晶基板の導波路深さｄより浅い。すなわち、ＳＬＮ
結晶基板１１は、ＣＬＮ結晶基板に比べ、拡散しにく
い。
いほど屈折率変化量Δｎは小さくなり、導波路深さｄは
大きくなる。表２に示すＳＬＮ結晶基板１１の屈折率変
化量Δｎは、表３に示すＣＬＮ結晶基板の屈折率変化量
Δｎより大きく、ほぼ倍の値である。また、表２に示す
ＳＬＮ結晶基板１１の導波路深さｄは、表３に示すＣＬ
Ｎ結晶基板の導波路深さｄより浅い。すなわち、ＳＬＮ
結晶基板１１は、ＣＬＮ結晶基板に比べ、拡散しにく
い。
【００４６】さらに、表３のＣＬＮ結晶基板のＸ板とＺ
板を比較すると、Ｘ方向がＺ方向に比べて拡散しやすい
が、表２のＳＬＮ結晶基板１１のＸ板とＺ板を比較する
と、Ｘ方向とＺ方向では異方性が殆どない。
板を比較すると、Ｘ方向がＺ方向に比べて拡散しやすい
が、表２のＳＬＮ結晶基板１１のＸ板とＺ板を比較する
と、Ｘ方向とＺ方向では異方性が殆どない。
【００４７】なお、拡散温度１０００℃及び拡散時間１
０時間の場合、チタン拡散層１３はシングルモード導波
路となる。また、常光線で測定したところ、チタン拡散
層１３はシングルモード導波路となる。
０時間の場合、チタン拡散層１３はシングルモード導波
路となる。また、常光線で測定したところ、チタン拡散
層１３はシングルモード導波路となる。
【００４８】ここで、ＳＬＮ結晶に重金属をドープする
ことで、ＳＬＮ結晶の性質を制御することができる。
ことで、ＳＬＮ結晶の性質を制御することができる。
【００４９】図６は、ドーパント濃度と電気光学定数ｒ
３３の関係を示す図である。図中の符号□はセリウム
（Ｃｅ）、符号■は鉄（Ｆｅ）に対応する。
３３の関係を示す図である。図中の符号□はセリウム
（Ｃｅ）、符号■は鉄（Ｆｅ）に対応する。
【００５０】前述したように、ＳＬＮ結晶の電気光学定
数ｒ３３は、リチウムのモル組成比５０％において、３
７．８ｐｍ／Ｖであった。これに比較して、重金属をド
ープすることで、ＳＬＮ結晶基板の電気光学定数ｒ３３
をさらに大きくなっている。
数ｒ３３は、リチウムのモル組成比５０％において、３
７．８ｐｍ／Ｖであった。これに比較して、重金属をド
ープすることで、ＳＬＮ結晶基板の電気光学定数ｒ３３
をさらに大きくなっている。
【００５１】表４は、重金属をドープしたＳＬＮ結晶の
屈折率を示す表である。表には、ＳＬＮ結晶、５０ｐｐ
ｍ、５００ｐｐｍ及び１０００ｐｐｍのセリウムをドー
プしたＳＬＮ結晶、１５０ｐｐｍ及び３００ｐｐｍの鉄
をドープしたＳＬＮ結晶について、異常光屈折率ｎｅ及
び正常光屈折率ｎｏをそれぞれ示す。波長は、それぞれ
６３３ｎｍ、１１５０ｎｍ及び１５５０ｎｍである。
屈折率を示す表である。表には、ＳＬＮ結晶、５０ｐｐ
ｍ、５００ｐｐｍ及び１０００ｐｐｍのセリウムをドー
プしたＳＬＮ結晶、１５０ｐｐｍ及び３００ｐｐｍの鉄
をドープしたＳＬＮ結晶について、異常光屈折率ｎｅ及
び正常光屈折率ｎｏをそれぞれ示す。波長は、それぞれ
６３３ｎｍ、１１５０ｎｍ及び１５５０ｎｍである。
【００５２】
【表４】
【００５３】図７は、第２の実施の形態の光学素子を示
す図である。光学素子２０は、ＳＬＮ結晶基板２１を有
し、このＳＬＮ結晶基板２１は、表面２２近傍に交差型
のパターンに形成されたチタン拡散層２３を有する。
す図である。光学素子２０は、ＳＬＮ結晶基板２１を有
し、このＳＬＮ結晶基板２１は、表面２２近傍に交差型
のパターンに形成されたチタン拡散層２３を有する。
【００５４】本実施の形態の光学素子２０は、第１の実
施の形態の光学素子１０のようにチタン拡散層１３が表
面１２全面に形成されているわけでなく、チタン拡散層
２３が表面２２の一部に形成される点が異なっている。
この点を除くと、光学素子２０は、第１の実施の形態の
光学素子１０と同様の構成を有する。
施の形態の光学素子１０のようにチタン拡散層１３が表
面１２全面に形成されているわけでなく、チタン拡散層
２３が表面２２の一部に形成される点が異なっている。
この点を除くと、光学素子２０は、第１の実施の形態の
光学素子１０と同様の構成を有する。
【００５５】光学素子２０は、第１の実施の形態と同様
な工程にしたがって作成することができる。ただし、Ｓ
ＬＮ結晶基板２１の表面にチタン膜を蒸着した後、リフ
トオフによってこのチタン膜を交差型のパターンに形成
する。このあと、第１の実施の形態と同様に拡散処理を
行うことにより、前記パターンのチタン拡散層２３が形
成される。
な工程にしたがって作成することができる。ただし、Ｓ
ＬＮ結晶基板２１の表面にチタン膜を蒸着した後、リフ
トオフによってこのチタン膜を交差型のパターンに形成
する。このあと、第１の実施の形態と同様に拡散処理を
行うことにより、前記パターンのチタン拡散層２３が形
成される。
【００５６】チタン拡散層２３は、交差型のパターンを
有するので、このパターンを用いて光学スイッチの機能
を果たすことができる。前述したように、ＳＬＮ結晶の
電気光学定数ｒ３３はＣＬＮ結晶と比べて大きいので、
同等の機能を有する光学スイッチをＣＬＮ結晶に比べて
短い素子長で構成することができる。また、素子長が短
いので、動作電圧を低下させることができる。
有するので、このパターンを用いて光学スイッチの機能
を果たすことができる。前述したように、ＳＬＮ結晶の
電気光学定数ｒ３３はＣＬＮ結晶と比べて大きいので、
同等の機能を有する光学スイッチをＣＬＮ結晶に比べて
短い素子長で構成することができる。また、素子長が短
いので、動作電圧を低下させることができる。
【００５７】なお、チタン拡散層２３のパターンは、交
差型に限らず、例えば直線型、カットオフ型、方向性結
合器型、分岐（干渉）型、バランスブリッジ型、交差型
又は非対称Ｘ型など、所望のものを形成することができ
る。チタン拡散層２３の適切なパターンにより、光学素
子１１に光スイッチや変調器など各種の機能を付与する
ことができる。
差型に限らず、例えば直線型、カットオフ型、方向性結
合器型、分岐（干渉）型、バランスブリッジ型、交差型
又は非対称Ｘ型など、所望のものを形成することができ
る。チタン拡散層２３の適切なパターンにより、光学素
子１１に光スイッチや変調器など各種の機能を付与する
ことができる。
【００５８】また、前述のように、屈折率変化量Δｎ
は、ＳＬＮ結晶基板１１においては、ＣＬＮ結晶の場合
と比較して大きく、ほぼ倍である．したがって、光学素
子１０では、ＣＬＮ結晶の場合と比較して、チタン拡散
層１３による導波路において光閉じ込め断面積を絞るこ
とができる。これによって、導波路の曲がり曲率を増加
させ、集積度を向上させることができる。
は、ＳＬＮ結晶基板１１においては、ＣＬＮ結晶の場合
と比較して大きく、ほぼ倍である．したがって、光学素
子１０では、ＣＬＮ結晶の場合と比較して、チタン拡散
層１３による導波路において光閉じ込め断面積を絞るこ
とができる。これによって、導波路の曲がり曲率を増加
させ、集積度を向上させることができる。
【００５９】なお、チタン拡散層１３による導波路と外
部の光ファイブの結合損失は、ＣＬＮ結晶基板を用いた
従来と遜色のない程度に保たれ、実用上何ら問題ない。
これは、本実施の形態では、チタン拡散層１３による導
波路において、ＣＬＮ結晶基板以上の屈折率を実現でき
るためである。
部の光ファイブの結合損失は、ＣＬＮ結晶基板を用いた
従来と遜色のない程度に保たれ、実用上何ら問題ない。
これは、本実施の形態では、チタン拡散層１３による導
波路において、ＣＬＮ結晶基板以上の屈折率を実現でき
るためである。
【００６０】なお、前述の実施の形態は、本発明の一具
体例を示すものであり、本発明はこれに限定されない。
例えば、本発明に係る光学素子は、前述の拡散温度や拡
散時間などのパラメータに限定されない。また、ＳＬＮ
結晶には重金属には、セリウムや鉄以外の重金属もドー
プすることができる。
体例を示すものであり、本発明はこれに限定されない。
例えば、本発明に係る光学素子は、前述の拡散温度や拡
散時間などのパラメータに限定されない。また、ＳＬＮ
結晶には重金属には、セリウムや鉄以外の重金属もドー
プすることができる。
【００６１】
【発明の効果】前述のように、本発明によると、電気光
学定数が上昇したＳＬＮ結晶基板を用いるので、ＬＮの
電気光学効果を利用した光学素子であって、素子長が短
く、動作電圧が低い光学素子を提供することができる。
学定数が上昇したＳＬＮ結晶基板を用いるので、ＬＮの
電気光学効果を利用した光学素子であって、素子長が短
く、動作電圧が低い光学素子を提供することができる。
【図１】ＳＬＮ結晶の電気光学定数を示す図である。
【図２】第１の実施の形態の光学素子を示す図である。
【図３】チタン拡散膜の透過屈折率を示す図である。
【図４】Ｚ板の異常光線による屈折率分布を示す図であ
る。
る。
【図５】Ｘ板の異常光線による屈折率分布を示す図であ
る。
る。
【図６】ドーパント濃度と電気光学定数ｒ３３の関係を
示す図である。
示す図である。
【図７】第２の実施の形態の光学素子を示す図である
１０ 光学素子
１１ ＳＬＮ結晶基板
１２ 表面
１３ チタン拡散層
２０ 光学素子
２１ ＣＬＮ結晶基板
２２ 表面
２３ チタン拡散層
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 中島 啓幾
東京都新宿区大久保３丁目４番１号 早稲
田大学理工学部内
(72)発明者 幸 雅洋
東京都新宿区大久保３丁目４番１号 早稲
田大学理工学部内
(72)発明者 岡 孝裕
東京都新宿区大久保３丁目４番１号 早稲
田大学理工学部内
(72)発明者 山内 大史
東京都新宿区大久保３丁目４番１号 早稲
田大学理工学部内
(72)発明者 北村 健二
茨城県つくば市千現１丁目２番１号 独立
行政法人物質・材料研究機構内
(72)発明者 栗村 直
茨城県つくば市千現１丁目２番１号 独立
行政法人物質・材料研究機構内
Ｆターム(参考） 2H047 KA02 KA04 KA08 KB00 KB01
KB04 NA02 PA01 PA12 QA03
TA02 TA11
2H079 AA02 AA12 BA03 DA03 EA03
2K002 AB04 CA03 DA03 FA28 HA03
Claims (6)
- 【請求項１】 チタン拡散層を有する定比組成のニオブ
酸リチウム結晶基板を有する光学素子。 - 【請求項２】 前記チタン拡散層は、前記ニオブ酸リチ
ウム結晶基板の表面近傍に形成されたものであることを
特徴とする請求項１記載の光学素子。 - 【請求項３】 前記ニオブ酸リチウム結晶基板は、リチ
ウムのモル組成比が４９．５％〜５０．５％の範囲にあ
ることを特徴とする請求項１記載の光学素子。 - 【請求項４】 前記ニオブ酸リチウム結晶は、前記チタ
ン拡散層で形成された所定パターンの導波路を有するこ
とを特徴とする請求項１記載の光学素子。 - 【請求項５】 前記ニオブ酸リチウム結晶基板は、重イ
オンをドープされていることを特徴とする請求項１記載
の光学素子。 - 【請求項６】 前記重イオンは、鉄又はセリウムを含む
ことを特徴とする請求項５記載の光学素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001376441A JP2003177258A (ja) | 2001-12-10 | 2001-12-10 | 光学素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001376441A JP2003177258A (ja) | 2001-12-10 | 2001-12-10 | 光学素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003177258A true JP2003177258A (ja) | 2003-06-27 |
Family
ID=19184631
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001376441A Pending JP2003177258A (ja) | 2001-12-10 | 2001-12-10 | 光学素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003177258A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7985294B2 (en) | 2005-03-04 | 2011-07-26 | Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd. | Optical device and method of manufacturing the same |
-
2001
- 2001-12-10 JP JP2001376441A patent/JP2003177258A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7985294B2 (en) | 2005-03-04 | 2011-07-26 | Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd. | Optical device and method of manufacturing the same |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20041202 |
|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20050112 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20050114 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070417 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20070814 |