JP2015014716A

JP2015014716A - Optical waveguide and electro-optic device

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Publication number: JP2015014716A
Application number: JP2013141439A
Authority: JP
Inventors: 権治佐々木; Kenji Sasaki; 岩塚　信治; Shinji Iwatsuka; 信治岩塚; 千原　宏; Hiroshi Chihara; 宏千原; 大石　昌弘; Masahiro Oishi; 昌弘大石; 真理谷口; Mari Taniguchi
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2013-07-05
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2033-07-05
Also published as: JP6136666B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical waveguide with a low loss, which has a ridge-shaped part using a lithium niobate film.SOLUTION: The optical waveguide has a ridge-shaped part using a lithium niobate film; and the optical waveguide includes a work-affected region where an element ratio of Li/Nb is 0.4 or more and 0.9 or less and an oxidation number of Nb of 4.8 or more and 5.0 or less.

Description

本発明は、ニオブ酸リチウム膜を用いた光導波路、電気光学デバイスに関する。 The present invention relates to an optical waveguide and an electro-optical device using a lithium niobate film.

ニオブ酸リチウム（ＬＮ）は大きな電気光学定数を有し、光変調器、光ジャイロ、光スイッチや電界センサなどのデバイスに応用されてきている。 Lithium niobate (LN) has a large electro-optic constant and has been applied to devices such as optical modulators, optical gyros, optical switches, and electric field sensors.

現在、ＬＮはバルク単結晶を用いてデバイスを作製するものが主流であるが、特許文献１のようにサファイア基板上などにＬＮ膜を形成し、デバイスを作製する技術も開示されている。 At present, LN is mainly used to fabricate devices using a bulk single crystal, but as disclosed in Patent Document 1, a technique for fabricating a device by forming an LN film on a sapphire substrate or the like is also disclosed.

このように膜でデバイスを作製すれば、バルク単結晶を加工した場合と比べて小型化、低電力化が可能となる。 When a device is manufactured using a film in this way, it is possible to reduce the size and power consumption compared to the case of processing a bulk single crystal.

しかし、本発明者がＬＮ膜を用いてリッジ形状構造を持つ光導波路の試作を行ったところ、光伝播損失が非常に大きく、デバイスとして使用できない問題が発生した。 However, when the present inventor made a trial manufacture of an optical waveguide having a ridge shape structure using an LN film, the light propagation loss was very large, and there was a problem that it could not be used as a device.

特許文献２にはバルクＬＮの加工時に表面に生じたＬｉ欠乏を補修する技術が開示されている。 Patent Document 2 discloses a technique for repairing Li deficiency generated on the surface during processing of bulk LN.

しかし、この技術は９００℃以上の高温で熱処理を行う必要があるが、ＬＮ膜の場合、高温に加熱すると基板との熱膨張差などで応力が発生し、ＬＮ膜にクラックが入ってしまう。また、上記文献ではＬｉの欠乏を補修することにより、ＤＣドリフトや光損失の増加を抑制した光学素子を提供できるとしている。 However, this technique requires heat treatment at a high temperature of 900 ° C. or higher. However, in the case of an LN film, if it is heated to a high temperature, stress is generated due to a difference in thermal expansion from the substrate and cracks are generated in the LN film. Further, in the above document, an optical element that suppresses an increase in DC drift and optical loss can be provided by repairing the deficiency of Li.

特開２００６−１９５３８３号公報JP 2006-195383 A 特開２００６−２８４９６４号公報JP 2006-284964 A

本発明の課題は、ニオブ酸リチウム膜を用いたリッジ形状部を有する低損失の光導波路を提供することである。 An object of the present invention is to provide a low-loss optical waveguide having a ridge-shaped portion using a lithium niobate film.

本発明は、ニオブ酸リチウム膜を用いたリッジ形状部を有する光導波路において、Ｌｉ／Ｎｂ元素比率が０．４以上、０．９以下であり、Ｎｂ酸化数が４．８以上５．０以下である加工変質領域を有していることを特徴とする光導波路である。 In the optical waveguide having a ridge-shaped portion using a lithium niobate film, the present invention has a Li / Nb element ratio of 0.4 to 0.9 and an Nb oxidation number of 4.8 to 5.0. It is an optical waveguide characterized by having a work-affected region.

本発明は、ニオブ酸リチウム膜の膜厚が２μｍ以下のエピタキシャル膜としてもよい。 The present invention may be an epitaxial film having a lithium niobate film thickness of 2 μm or less.

本発明は、光導波路を用いた電気光学デバイスとしても良く、ニオブ酸リチウム膜上にバッファ層を有する電気光学デバイスとしても良い。 The present invention may be an electro-optical device using an optical waveguide or an electro-optical device having a buffer layer on a lithium niobate film.

本発明により、ニオブ酸リチウム膜を用いたリッジ形状部を有する低損失の光導波路を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a low-loss optical waveguide having a ridge-shaped portion using a lithium niobate film.

実施形態に係る単結晶基板上の膜の側断面図である。It is a sectional side view of the film | membrane on the single crystal substrate which concerns on embodiment. 実施形態に係る光導波路を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the optical waveguide which concerns on embodiment. 実施形態に係る電気光学デバイスを示す側断面図である。1 is a side sectional view showing an electro-optical device according to an embodiment. プリズムカプラの散乱検出法による伝播損失測定の模式図である。It is a schematic diagram of the propagation loss measurement by the scattering detection method of a prism coupler. 実施形態に係る熱処理温度と光伝播損失、Ｌｉ／Ｎｂ元素比率、Ｎｂ酸化数の関係図、およびＮｂ酸化数と光伝播損失の関係図である。It is the heat processing temperature which concerns on embodiment, a light propagation loss, a Li / Nb element ratio, the relationship figure of Nb oxidation number, and the relationship figure of Nb oxidation number and light propagation loss.

図２は本発明の実施形態に係る光導波路を示す側断面図を示す。この光導波路は単結晶基板１と、バッファ層２と、ニオブ酸リチウム膜３（以降、ＬＮ膜３と称する）と、ＬＮ膜３の形状を加工したリッジ形状部４と、加工の際にできた変質領域５とを有している。以下、工程順に本発明の好適な実施形態について説明する。 FIG. 2 is a side sectional view showing an optical waveguide according to an embodiment of the present invention. This optical waveguide is formed by processing the single crystal substrate 1, the buffer layer 2, the lithium niobate film 3 (hereinafter referred to as the LN film 3), the ridge shape portion 4 obtained by processing the shape of the LN film 3, and the processing. And an altered region 5. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in the order of processes.

まず、図１のように単結晶基板１上にＬＮ膜３が成膜されたものを用意する。 First, as shown in FIG. 1, a single crystal substrate 1 having an LN film 3 formed thereon is prepared.

単結晶基板１としては、高品質なＬＮ膜３を形成させることができる基板が好ましく、サファイア単結晶基板もしくはシリコン単結晶基板が好ましい。単結晶基板１の結晶方位は特に限定されない。シリコン単結晶基板を用いる場合は屈折率がＬＮ膜３よりも大きいため、ＬＮ光導波路を作るにはＬＮ膜３よりも低屈折率のバッファ層２を単結晶基板１とＬＮ膜３の間に挟むなどの工夫が必要となる。低屈折率のバッファ層２は伝播損失を悪化しないような透明な素材であり、厚さはデバイス特性が良くなるように最適化する必要がある。サファイア基板を用いる場合は、サファイアがＬＮ膜３よりも低屈折率のため、バッファ層２は不要となる。 As the single crystal substrate 1, a substrate on which a high quality LN film 3 can be formed is preferable, and a sapphire single crystal substrate or a silicon single crystal substrate is preferable. The crystal orientation of single crystal substrate 1 is not particularly limited. When a silicon single crystal substrate is used, since the refractive index is larger than that of the LN film 3, a buffer layer 2 having a lower refractive index than that of the LN film 3 is formed between the single crystal substrate 1 and the LN film 3 in order to form an LN optical waveguide. It is necessary to devise such as pinching. The low refractive index buffer layer 2 is a transparent material that does not deteriorate the propagation loss, and the thickness needs to be optimized so that the device characteristics are improved. When a sapphire substrate is used, the buffer layer 2 is not necessary because sapphire has a lower refractive index than the LN film 3.

ＬＮ膜３はエピタキシャル膜が好ましい。単結晶に近いエピタキシャル膜を用いることにより、所望の電気光学特性が得られる。ＬＮ膜３の配向はデバイスの形態によって適宜適したものを用いる。なお、ＬＮ膜３をｃ軸配向のエピタキシャル膜として形成する場合、ｃ軸配向のＬＮ膜３は３回対称の対称性を有しているので、下地の単結晶基板１も同じ対称性を有していることが望ましく、サファイア単結晶基板の場合はｃ面、シリコン単結晶基板の場合は（１１１）面の基板が好ましい。 The LN film 3 is preferably an epitaxial film. By using an epitaxial film close to a single crystal, desired electro-optical characteristics can be obtained. For the orientation of the LN film 3, a suitable one is used depending on the form of the device. When the LN film 3 is formed as a c-axis oriented epitaxial film, the c-axis oriented LN film 3 has a three-fold symmetry, so that the underlying single crystal substrate 1 has the same symmetry. In the case of a sapphire single crystal substrate, a c-plane is preferable, and in the case of a silicon single crystal substrate, a (111) plane substrate is preferable.

ＬＮ膜３の組成はＬｉｘＮｂＯｚで表すと、ｘが０．９〜１．０５であり、ｚは通常２．８〜３．２である。ＬｉおよびＮｂは１０％以下を別元素に置き換えても良い。置き換え例としては、Ｋ、Ｎａ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｃｅなどがあり、２種類以上の組み合わせでも良い。 When the composition of the LN film 3 is expressed by LixNbOz, x is 0.9 to 1.05, and z is usually 2.8 to 3.2. Li and Nb may replace 10% or less with another element. Examples of replacement include K, Na, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Hf, V, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, Zn, Sc, Ce, and the like. There may be a combination of two or more.

ＬＮ膜３の膜厚は０．５〜２．５μｍが好適である。より好ましくは１．０〜２．０μｍである。薄すぎる場合は、ＬＮ膜３に光が閉じ込めきれず、膜外に光が漏れて導波することになり、実効屈折率の変化が少なくなったり、伝播損失が増える恐れがある。厚い場合は電界を印加するためにより高い電圧が必要となったり、膜成長中もしくは成長後に内部応力でクラックが入るなどの問題が生じる。 The film thickness of the LN film 3 is preferably 0.5 to 2.5 μm. More preferably, it is 1.0-2.0 micrometers. If it is too thin, light cannot be confined in the LN film 3, and light leaks out of the film and is guided, which may reduce the change in effective refractive index and increase propagation loss. If it is thick, a higher voltage is required to apply an electric field, and problems such as cracking due to internal stress occur during or after film growth.

ＬＮ膜３の形成方法としては、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法など手段は問わないが、高品質なエピタキシャル膜であることが好ましい。単結晶基板１にサファイアを用いる場合は、サファイア単結晶基板上に直接、ＬＮ膜３をエピタキシャル成長することができる。 The LN film 3 may be formed by any method such as a sputtering method, a CVD method, and a sol-gel method, but a high quality epitaxial film is preferable. When sapphire is used for the single crystal substrate 1, the LN film 3 can be epitaxially grown directly on the sapphire single crystal substrate.

ＬＮ膜３はデバイスを作る上で分極されていることが望ましく、成膜後に分極処理が必要となる場合がある。 It is desirable that the LN film 3 is polarized for manufacturing a device, and there is a case where polarization processing is required after the film formation.

リッジ形状部４は光導波路の中心となる部分である。ＬＮ膜３上にレジストなどのマスクをパターニングし、エッチングでリッジ形状部４を形成する。ここで、リッジ形状部４は凸形状部の上に突き出した場所を指す。この上に突き出した場所は、左右の場所と比較して、ＬＮ膜３の膜厚が厚くなっているので、実効屈折率が高くなっている。そのため、左右方向についても光を閉じ込めることができ、３次元光導波路として機能する。リッジ形状部４の形状は光を導波可能とする形状であればよく、リッジ形状部４におけるＬＮ膜３の膜厚が、左右のＬＮ膜３の膜厚より厚ければよい。上に凸のドーム形状、三角形状などであっても良い。リッジ形状部４の幅、高さ、形状等はデバイス特性が上がるように最適化する必要がある。 The ridge-shaped portion 4 is a portion that becomes the center of the optical waveguide. A mask such as a resist is patterned on the LN film 3, and the ridge-shaped portion 4 is formed by etching. Here, the ridge shape part 4 points out the location protruded on the convex shape part. Since the LN film 3 is thicker at the locations protruding above the left and right locations, the effective refractive index is higher. Therefore, light can be confined also in the left-right direction, and it functions as a three-dimensional optical waveguide. The shape of the ridge-shaped portion 4 may be any shape that can guide light, and the film thickness of the LN film 3 in the ridge-shaped portion 4 may be larger than the film thickness of the left and right LN films 3. An upward convex dome shape, a triangular shape, or the like may be used. The width, height, shape, and the like of the ridge shape portion 4 need to be optimized so as to improve the device characteristics.

加工変質領域５はリッジ形状部４をドライエッチングで形成したときに、エッチングのダメージを受けた領域である。ＬＮ膜３はウェットエッチングングしづらく、ドライエッチングが微細加工に適している。ドライエッチングは反応性イオンエッチングやミリングなどが挙げられる。加工後の加工変質領域５は、Ｘ線電子分光で分析を行ったときのＮｂ酸化数が４．５以下、Ｌｉ／Ｎｂの元素比率が０．４以上０．９以下となっており、加工変質領域５部分の光伝播損失が非常に大きい。光はリッジ形状部４内部だけでなく、リッジ形状部４の外側にも滲み出して伝搬するため、リッジ形状部４の側面およびリッジ形状部４近傍の加工変質領域５が原因となり、光導波路の伝搬損失が大きくなり、デバイスとして用いることが困難となる。 The work-affected region 5 is a region damaged by etching when the ridge-shaped portion 4 is formed by dry etching. The LN film 3 is difficult to perform wet etching, and dry etching is suitable for fine processing. Examples of dry etching include reactive ion etching and milling. The processed alteration region 5 after processing has an Nb oxidation number of 4.5 or less and an Li / Nb element ratio of 0.4 to 0.9 when analyzed by X-ray electron spectroscopy. The light propagation loss in the altered region 5 is very large. Since light oozes out not only inside the ridge-shaped portion 4 but also outside the ridge-shaped portion 4 and propagates, the side surface of the ridge-shaped portion 4 and the work-affected region 5 in the vicinity of the ridge-shaped portion 4 cause the optical waveguide. Propagation loss increases, making it difficult to use as a device.

この光導波路に熱処理などをすることにより、Ｎｂ酸化数が４．８以上５．０以下になったとき、低損失の光導波路を提供することが出来る。具体的には大気中で１４０〜３００℃で熱処理を行う。発明者による実験では、６５０℃以上で熱処理をした場合は、ＬＮ膜３の内部応力が大きくなり、クラックが発生してしまう。また、３００℃を超える温度ではＬＮ膜３表面にＬｉ_３ＮｂＯ_４やＬｉＮｂ_３Ｏ_８などの変質相が析出したりするため３００℃以下が好ましい。１４０℃未満では加工変質領域５が変化しないか、変化が少な過ぎるため不適である。１４０〜３００℃で熱処理を施すと加工変質領域５のＮｂ酸化数が４．８以上５．０以下となり、光伝播損失は大きく改善する。一方、Ｌｉ／Ｎｂ元素比率はほとんど変化せず、０．４以上０．９以下のままである。 By heat-treating this optical waveguide, a low-loss optical waveguide can be provided when the Nb oxidation number becomes 4.8 or more and 5.0 or less. Specifically, heat treatment is performed at 140 to 300 ° C. in the atmosphere. In the experiment by the inventor, when heat treatment is performed at 650 ° C. or higher, the internal stress of the LN film 3 increases and cracks are generated. Further, when the temperature exceeds 300 ° C., an altered phase such as Li ₃ NbO ₄ or LiNb ₃ O ₈ is deposited on the surface of the LN film 3, so that the temperature is preferably 300 ° C. or lower. If it is less than 140 ° C., the work-affected region 5 does not change, or the change is too small. When heat treatment is performed at 140 to 300 ° C., the Nb oxidation number in the work-affected region 5 becomes 4.8 or more and 5.0 or less, and the light propagation loss is greatly improved. On the other hand, the Li / Nb element ratio hardly changes and remains at 0.4 or more and 0.9 or less.

本実施形態の光導波路では、ＬＮ膜３表面はＬｉ欠乏のままである。従来技術において、Ｌｉ欠乏による絶縁性の低下は光変調器におけるＤＣドリフト問題の原因の一つとされ、ＬＮ結晶はできうる限り欠陥のない最高品質のものが求められてきた。ＤＣドリフトは光出力の動作点の経時変化のことである。動作点は通常、光出力が最大光出力と最小光出力の平均値となるようにＤＣバイアスにより調整されるが、ＬＮ膜３の抵抗が十分大きくないことからバイアス効果が徐々に変動してしまうのである。しかし、例えば以下のような光変調器を作った場合ではＤＣドリフトの問題が発生しなくなり、Ｌｉ欠乏は問題とならない。図３のように、光導波路を形成したＬＮ膜３上にバッファ層６、さらに光導波路に電界をかけるための第１電極および第２電極を形成する。この際、ＬＮ膜３の体積抵抗率がバッファ層６の体積抵抗率と比較して十分に低い場合、例えば１／１００以下のような場合、ＤＣ電圧はほとんどバッファ層６に印加されるため、ＤＣの影響は低減される。つまり、ＤＣドリフトは発生しない。この場合、動作点補正については、ＤＣ電圧を印加する以外の公知の方法で行えばよい。 In the optical waveguide of this embodiment, the surface of the LN film 3 remains Li-deficient. In the prior art, a decrease in insulation due to Li deficiency is one of the causes of a DC drift problem in an optical modulator, and an LN crystal having the highest quality with as few defects as possible has been demanded. DC drift is a change with time of the operating point of the light output. The operating point is normally adjusted by a DC bias so that the light output becomes an average value of the maximum light output and the minimum light output. However, since the resistance of the LN film 3 is not sufficiently high, the bias effect gradually varies. It is. However, for example, when the following optical modulator is manufactured, the problem of DC drift does not occur and Li deficiency does not become a problem. As shown in FIG. 3, the buffer layer 6 and the first and second electrodes for applying an electric field to the optical waveguide are formed on the LN film 3 on which the optical waveguide is formed. At this time, when the volume resistivity of the LN film 3 is sufficiently low compared with the volume resistivity of the buffer layer 6, for example, in the case of 1/100 or less, the DC voltage is almost applied to the buffer layer 6, The effect of DC is reduced. That is, no DC drift occurs. In this case, the operating point correction may be performed by a known method other than applying a DC voltage.

本実施形態の低損失光導波路は、光変調器、光ファイバジャイロ素子、光スイッチや電界センサなどの電気光学デバイスに応用が可能である。 The low-loss optical waveguide of this embodiment can be applied to electro-optic devices such as an optical modulator, an optical fiber gyro element, an optical switch, and an electric field sensor.

（実施例１）
まず、ｃ面サファイア基板にＬＮ膜３の成膜を行った。基板加熱装置を備えたＲＦスパッタリング装置にＬＮターゲットを装着し、Ｏ２とＡｒを混合させたスパッタガスを導入し、１μｍのｃ軸配向のＬＮエピタキシャル膜を形成した。 Example 1
First, the LN film 3 was formed on the c-plane sapphire substrate. An LN target was mounted on an RF sputtering apparatus equipped with a substrate heating apparatus, and a sputtering gas in which O 2 and Ar were mixed was introduced to form a 1 μm c-axis oriented LN epitaxial film.

このＬＮ膜３上にフォトリソグラフィの手法でリッジ形状部４部分をレジストでパターニングし、ミリング装置でＬＮ膜３のドライエッチングを行った。ミリング装置はＶｅｅｃｏ製のＲＦ−３５０で、ビーム電圧３００〜７００Ｖ、ビーム電流３００〜８００ｍＡの条件を用いた。そして、レジスト部分を有機溶剤で剥離し、高さ０．４μｍ、幅２μｍ、長さ２０ｍｍのリッジ型光導波路を形成した。 On the LN film 3, the ridge-shaped portion 4 was patterned with a resist by photolithography, and the LN film 3 was dry-etched with a milling apparatus. The milling apparatus was RF-350 manufactured by Veeco, and the conditions of a beam voltage of 300 to 700 V and a beam current of 300 to 800 mA were used. Then, the resist portion was peeled off with an organic solvent to form a ridge type optical waveguide having a height of 0.4 μm, a width of 2 μm, and a length of 20 mm.

リッジ形状部４形成時の加工変質領域５を改善するため、２００℃で１時間熱処理を行った。 In order to improve the work-affected region 5 when the ridge-shaped portion 4 was formed, heat treatment was performed at 200 ° C. for 1 hour.

形成した光導波路の両端を切断し、研磨を行い、光ファイバーをＵＶ接着剤で調芯固定した。波長１５５０ｎｍの半導体レーザを用いて、光の伝播損失を測定した。結果は２ｄＢ／ｃｍであった。 Both ends of the formed optical waveguide were cut and polished, and the optical fiber was aligned and fixed with a UV adhesive. Using a semiconductor laser with a wavelength of 1550 nm, light propagation loss was measured. The result was 2 dB / cm.

（実施例２）
ドライエッチングや熱処理の効果を見るために、１．０μｍのｃ軸配向のＬＮ膜３にリッジ形状部４を形成せずに、図４に模式するプリズムカプラの散乱検出法で光の伝播損失を測定した。測定には波長１５５０ｎｍの半導体レーザ、ルチル（ＴｉＯ_２）単結晶のプリズムを用い、ＴＭモードの散乱光量変化をプローブの距離を変えて測定し、そのグラフの傾きから伝播損失を求めた。また、Ｘ線電子分光によりＬＮ膜３表面のＬｉ／Ｎｂ元素比率とＮｂ酸化数を求めた。測定に用いたＸ線電子分光装置はＵＬＶＡＣ−ＰＨＩ製のＱｕａｎｔｅｒａ２であり、Ｘ線源は単色化されたＡｌ−Ｋα線を用い、Ｘ線出力は１５ｋＶ２５ｍＷ、ビーム径１００μｍ、パスエネルギー５５ｅＶにて測定を行った。酸化数は得られた各結合ピークの面積比より見積もった。 (Example 2)
In order to see the effect of dry etching and heat treatment, the light propagation loss is reduced by the prism coupler scattering detection method schematically shown in FIG. 4 without forming the ridge-shaped portion 4 in the 1.0 μm c-axis oriented LN film 3. It was measured. The measurement was performed using a semiconductor laser with a wavelength of 1550 nm and a rutile (TiO ₂ ) single crystal prism, and the change in the amount of scattered light in the TM mode was measured by changing the probe distance, and the propagation loss was determined from the slope of the graph. Further, the Li / Nb element ratio and the Nb oxidation number on the surface of the LN film 3 were determined by X-ray electron spectroscopy. The X-ray electron spectrometer used for the measurement is Quantera 2 manufactured by ULVAC-PHI, the X-ray source is a monochromatic Al-Kα ray, the X-ray output is 15 kV 25 mW, the beam diameter is 100 μm, and the path energy is 55 eV. Went. The oxidation number was estimated from the area ratio of each bond peak obtained.

まず、ドライエッチングの効果を表１に示す。ドライエッチング後はＬｉ／Ｎｂ元素比率が減少、Ｎｂ酸化数が小さくなった加工変質領域５が最表面に生じ、光伝播損失が大きくなる。変質の度合いはドライエッチングの条件などにより変化する。サンプル２はサンプル１に比べて、高パワー高レートでドライエッチングを行っており、より低いＬｉ／Ｎｂ元素比率とＮｂ酸化数となっている。サンプル１を表１、サンプル２を表２に示す。 First, Table 1 shows the effect of dry etching. After dry etching, the work-affected region 5 in which the Li / Nb element ratio decreases and the Nb oxidation number decreases is generated on the outermost surface, and the light propagation loss increases. The degree of alteration varies depending on dry etching conditions. Sample 2 is dry-etched at a higher power and higher rate than sample 1, and has a lower Li / Nb element ratio and Nb oxidation number. Sample 1 is shown in Table 1 and Sample 2 is shown in Table 2.

このドライエッチングで光伝播損失が大きくなったサンプルを各温度１時間熱処理を加えたときの、光伝播損失の変化が図５（Ａ）、Ｌｉ／Ｎｂ元素比率の変化が図５（Ｂ）、Ｎｂ酸化数の変化が図５（Ｃ）である。そして、Ｎｂ酸化数と光伝播損失の関係を図５（Ｄ）に示す。図５（Ｃ）より、サンプル１、サンプル２共に、１００℃付近からＮｂ酸化数が大きくなることがわかる。また、図５（Ｄ）より、Ｎｂ酸化数の増加に伴い光伝播損失は小さくなることがわかる。特に、Ｎｂ酸化数が４．８以上５．０以下となる場合に光伝播損失は２ｄＢ／ｃｍ未満の小さい値となった。ドライエッチングによるダメージでＬＮ膜３表面は、酸素欠損によりＮｂ酸化数の低下が起きるが、１４０℃以上の熱処理により酸素欠損が補われ、Ｎｂ酸化数が増加し、光伝播損失が小さくなると考えられる。一方、ドライエッチングによるＬｉ欠損は、１４０〜３００℃の熱処理ではＬｉ／Ｎｂ元素比率はほとんど変化せず、図５（Ｂ）より、Ｌｉ／Ｎｂ元素比率が０．４以上０．９以下の加工変質領域５が残ったままの状態であることがわかる。なお、図５（Ｂ）の２５℃、６０℃、８０℃、１００℃、１２０℃、１４０℃、２００℃、３００℃、４００℃、５００℃、６００℃におけるＬｉ／Ｎｂ元素比率は、サンプル１でそれぞれ０．７１、０．７９、０．８１、０．７６、０．７５、０．７８、０．８２、０．８１、１．１７、１．２３、１．２８、サンプル２でそれぞれ０．４８、０．４５、０．４６、０．５１、０．４７、０．４８、０．４５、０．４６、０．９４、１．０８、１．１４である。また、同一熱処理温度の比較から図５（Ａ）、図５（Ｂ）より、Ｌｉ／Ｎｂ元素比率が０．４以上０．９以下の加工変質領域５が残ったままの状態であっても、光伝播損失は小さく、また、上述のようにＤＣドリフトの問題も工夫次第で回避できると考えられる。なお、４００℃以上の熱処理をした場合はＬｉ／Ｎｂ元素比率が１を超えているが、ＳＥＭやＸＲＤ観察により、ＬＮ膜３表面にＬｉ_３ＮｂＯ_４の析出が観察された。この析出はデバイスの特性を不安定なものとするため、熱処理温度は３００℃以下とするのが好ましい。以上の結果は、２．０μｍのｃ軸配向のＬＮ膜３を形成した場合においても同様であった。 FIG. 5A shows the change in the light propagation loss and FIG. 5B shows the change in the Li / Nb element ratio when the sample in which the light propagation loss is increased by the dry etching is subjected to heat treatment for 1 hour at each temperature. The change in the Nb oxidation number is shown in FIG. FIG. 5D shows the relationship between the Nb oxidation number and the light propagation loss. FIG. 5 (C) shows that the Nb oxidation number increases from around 100 ° C. for both Sample 1 and Sample 2. Further, FIG. 5D shows that the light propagation loss decreases as the Nb oxidation number increases. In particular, when the Nb oxidation number was 4.8 or more and 5.0 or less, the light propagation loss was a small value of less than 2 dB / cm. Although the Nb oxidation number on the surface of the LN film 3 is lowered due to oxygen deficiency due to damage caused by dry etching, it is considered that the oxygen deficiency is compensated by heat treatment at 140 ° C. or higher, the Nb oxidation number is increased, and light propagation loss is reduced. . On the other hand, Li deficiency due to dry etching hardly changes the Li / Nb element ratio in the heat treatment at 140 to 300 ° C., and the Li / Nb element ratio is 0.4 to 0.9 from FIG. It can be seen that the altered region 5 remains. Note that the Li / Nb element ratios at 25 ° C., 60 ° C., 80 ° C., 100 ° C., 120 ° C., 140 ° C., 200 ° C., 300 ° C., 400 ° C., 500 ° C., and 600 ° C. in FIG. At 0.71, 0.79, 0.81, 0.76, 0.75, 0.78, 0.82, 0.81, 1.17, 1.23, 1.28, and Sample 2, respectively. 0.48, 0.45, 0.46, 0.51, 0.47, 0.48, 0.45, 0.46, 0.94, 1.08, and 1.14. From the comparison of the same heat treatment temperature, it can be seen from FIG. 5A and FIG. 5B that the work-affected region 5 having a Li / Nb element ratio of 0.4 or more and 0.9 or less remains. The light propagation loss is small, and it is considered that the problem of DC drift can be avoided depending on the device as described above. When the heat treatment was performed at 400 ° C. or higher, the Li / Nb element ratio exceeded 1, but precipitation of Li ₃ NbO ₄ was observed on the surface of the LN film 3 by SEM or XRD observation. In order for this precipitation to make the device characteristics unstable, the heat treatment temperature is preferably 300 ° C. or lower. The above results were the same when the 2.0 μm c-axis oriented LN film 3 was formed.

本発明は、光変調器、光ファイバジャイロ素子、光スイッチや電界センサなどの電気デバイスに応用が可能である。 The present invention can be applied to electrical devices such as an optical modulator, an optical fiber gyro element, an optical switch, and an electric field sensor.

１単結晶基板
２バッファ層２
３ＬＮ膜
４リッジ形状部
５加工変質領域
６バッファ層６
７第１電極
８第２電極
９プリズム
１０プローブ
１１検出器
１２光
１３散乱光 1 Single crystal substrate 2 Buffer layer 2
3 LN film 4 Ridge-shaped portion 5 Work-affected region 6 Buffer layer 6
7 First electrode 8 Second electrode 9 Prism 10 Probe 11 Detector 12 Light 13 Scattered light

Claims

In an optical waveguide having a ridge-shaped portion using a lithium niobate film, Li / Nb element ratio is 0.4 or more and 0.9 or less, and Nb oxidation number is 4.8 or more and 5.0 or less. An optical waveguide having a region.

The optical waveguide according to claim 1, wherein the lithium niobate film is an epitaxial film having a thickness of 2 μm or less.

An electro-optic device using the optical waveguide according to claim 1.

The electro-optical device according to claim 3, further comprising a buffer layer on the lithium niobate film.