JP3418391B2 - 導波型光デバイスの製造方法 - Google Patents
導波型光デバイスの製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、基板上に光導波路
を配置した集積光デバイス、詳しくは、光通信分野等で
用いられる光スイッチ等の導波型光デバイスの製造方法
に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】平面基板上に作製された、石英系ガラス
を主成分とする単一モード石英系光導波路としては、例
えば「Ｍ．Ｋａｗａｃｈｉ "Ｓｉｌｉｃａ ｗａｖｅｇ
ｕｉｄｅｓ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ−
ｏｐｔｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ" Ｊ．Ｑｕａｔｕｍ．
Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，ｖｏｌ．２２，１９９０，ｐｐ．
３９１〜４１６（文献１）」等に記載されたものがあ
る。 【０００３】このような埋め込み型石英系光導波路は、
石英系ガラスの優れた被加工性により、設計値通りの導
波路を作製することができ、量産性にも優れている。ま
た、石英系光導波路は損失が低く、しかも一般に使用さ
れている石英系単一モード光ファイバとの接続整合性も
優れているため、実用的な集積光デバイスの実現手段と
して期待され、現在までに波長合分波器や光スイッチ等
の数多くの光デバイスの開発が行われてきている。 【０００４】石英系光導波路を用いて実現された光スイ
ッチとしては、例えば「Ｎ．Ｔａｋａｔｏ， ｅｔ ａ
ｌ．"Ｓｉｌｉｃａ−Ｂａｓｅｄ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄ
ｅ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ ａｎｄ
ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｇｕｉｄｅ
ｄ−Ｗａｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅ
ｔｅｒｓ" Ｊ．Ｌｉｇｈｔ Ｔｅｃｈｎｏｌ．，ＶＯ
Ｌ．６，１９８８，ｐｐ．１００３〜１０１０（文献
２）」等に記載されているような熱光学効果を利用した
「熱光学スイッチ（ＴΟスイッチ）」がある。 【０００５】石英系光導波路によるＴＯスイッチでは、
低損失で集積性に優れた良好なスイッチを実現できる
が、その応答速度はおよそ１ｍｓ程度であり、より高速
応答可能な石英系光スイッチが求められている。一方、
最近、ポーリング処理を施した石英系ファイバにおい
て、電圧印加により生じる屈折率変化（電気光学効果）
が報告されている。 【０００６】通常、石英系ガラスはランダム系であり、
擬似的に中心対称性を有すると考えられ、１次の電気光
学効果（ポッケルス効果：印加電場強度に比例した屈折
率変化）は原理的にみることができない。 【０００７】しかしながら、このようなガラス系に対
し、「電場を印加した状態で温度を上げ、電場を印加し
たまま温度を下げる」という「熱ポーリング」処理を行
うことにより、ポッケルス効果を誘起することができ
る。このポーリング処理によるポッケルス効果の誘起は
石英系ガラスを主成分とする光ファイバにおいてもみら
れ、最近、ポーリング処理を行った石英系ファイバにお
いて、電圧印加により生じる屈折率変化（電気光学効
果）が報告されている（例えば「Ｐ．Ｇ．Ｋａｚａｎｓ
ｋｙ，ｅｔ ａｌ．"Ｐｏｃｋｅｌｓ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ
ｔｈｅｒｍａｌｌｙｐｏｌｅｄ ｓｉｌｉｃａ ｏｐｔ
ｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ" Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌ
ｅｔｔ．，ｖｏｌ．３１，１９９５，ｐｐ．６２〜６３
（文献３）」参照）。 【０００８】このポーリング処理によって誘起された石
英系ガラス中のポッケルス効果による応答速度は非常に
高速であり、１０ｎｓ以下の応答速度を有している。即
ち、このポッケルス効果を石英系ガラス導波路中に誘起
することにより、導波路の屈折率を電圧印加によって、
１０ｎｓ以下（１００ＭＨｚ以上）の高速で制御できる
ことを示している。 【０００９】この電気光学効果を利用して、高消光比を
有する高速な光スイッチや光強度変調器を実現するに
は、マッハ・ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）等の干渉計を構
成することが有用であるが、石英系ファイバやバルク光
部品等で構成するマッハ・ツェンダ干渉計は温度変動等
の外部擾乱に弱く、不安定であり、実用的な光デバイス
にならないという問題を有している。 【００１０】これに対し、先に述べた文献１に記載され
ている、Ｓｉ基板上に石英系導波路で構成されたＭＺＩ
は光ファイバやバルク光部品で構成されたＭＺＩに比べ
て外部擾乱に強く、透過光強度等の光学特性が安定して
いる。さらに、この石英系導波路の干渉計は石英系ガラ
スの加工が容易なため、高精度な加工を行うことがで
き、設計値通りの作製が可能であるという利点を有して
いる。 【００１１】この石英系導波路で構成したマッハ・ツェ
ンダ干渉計のアーム導波路の部分に熱ポーリング処理を
行い、電気光学効果の誘起を行えば、石英系導波路によ
る電気光学効果を利用した、高速応答性を有する実用的
な光スイッチや光強度変調器を実現することができる。 【００１２】しかしながら、先に述べた文献３に示され
ているように「熱ポーリング」によって誘起されるポッ
ケルス効果の効率は、電気光学定数ｒの値で約０．０５
ｐｍ／Ｖであり、あまり大きな値ではなかった。 【００１３】このポッケルス効果の効率を改善する手段
として、Ｇｅ添加石英系光ファイバに対し、電場を印加
しながら紫外レーザ光（波長１９３ｎｍ）を外部より照
射すること、即ち「光ポーリング」（「光励起ポーリン
グ；ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ｉｎｄｕｃｅｄ ｐｏｌｉｎ
ｇ」あるいは「光補助ポーリング；ｏｐｔｉｃａｌｌｙ
ａｓｉｓｔｅｄ ｐｏｌｉｎｇ」ともいう。）を行うこ
とにより、電気光学定数ｒ＝６ｐｍ／Ｖという、大きな
電気光学効果が誘起されたことが報告されている（例え
ば「Ｔ．Ｆｕｊｉｗａｒａ，Ｄ．Ｗｏｎｇ，Ｙ．Ｚｈａ
ｏ，Ｓ．Ｆｌｅｍｉｎｇ，Ｓ．Ｐｏｏｌｅ ａｎｄ Ｍ．
Ｓｃｅａｔｓ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，３１，
１９９５，５７３（文献４）」参照）。 【００１４】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たポーリング方法を平面基板上に作製された導波路に対
して適用しようとする場合、外部から照射される光が、
しばしば導波路近傍に作製された電極に損傷を与えると
いう問題があった。また、光を外部からコア部分に照射
するため、基板に対して垂直な方向に電場を印加する、
コアの垂直方向の上部に電極を配置することはできない
という電極作製上の問題があった。 【００１５】本発明の日的は、低損失で加工性及び集積
性に優れ、且つ高速応答性を有する一次の電気光学効果
を利用した石英系の導波型光デバイスを製造する方法を
提供することにある。 【００１６】 【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明では、２本の入力導波路と第１の方向性結合
器と２本のアーム導波路と第２の方向性結合器と２本の
出力導波路とが順次接続されてなる導波型光デバイスの
製造方法であって、シリコン基板上に、石英系ガラスよ
りなるコアを、石英系ガラスよりなり前記コアより屈折
率が低いクラッドで囲んだ光導波路を作製する工程と、
前記光導波路の屈折率制御に用いる電極の一方を前記ア
ーム導波路の少なくとも１本に配置する工程と、他方の
電極とするために前記シリコン基板に結線する工程と、
前記２本の入力導波路のうち一本の入力導波路から紫外
光または可視光を入力し、前記紫外光または可視光を入
力した前記入力導波路に接続している一本のアーム導波
路に前記紫外光または可視光を伝播させながら、前記電
極間で前記紫外光または可視光が伝播している前記一本
のアーム導波路に電場を印加して光ポーリング処理を行
うことを特徴とする導波型光デバイスの製造方法を提案
する。 【００１７】光導波路に紫外光または可視光を「伝播照
射」しながら電場を印加する「伝播照射光ポーリング」
は、コア部分に閉じ込められた高強度な光によって、１
０数ｃｍ以上に及ぶ光導波路に対し、一度に光照射する
ことができる。また、「外部照射」を行う時には、しば
しばコア近傍に設けられた電圧印加用の電極やクラッド
部分に損傷を与えることがあったが、「伝播照射」によ
れば、電極に損傷を与えることなく光照射することがで
きる。また、コア部分を伝播させて光を照射するため、
基板に対して垂直な方向（ＴＭ方向）に電場を印加す
る、コアの垂直方向の上部に電極を配置することも可能
であり、電極作製上の制約が少ない。 【００１８】この「光ポーリング処理」を施したＭＺＩ
のアーム導波路の部分に電気光学効果が誘起され、電場
印加に対し屈折率変化を生じる。 【００１９】例えば、ＴＭ方向に外部電場Ｅexを印加し
た時に生じる屈折率変化の大きさΔｎは、 ΔｎTE＝（１／２）ｒ1 ｎTE 3 Ｅex ΔｎTM＝（１／２）ｒ2 ｎTM 3 Ｅex ……（１） と表すことができる（例えば、「西原 他"光集積回路"
（オーム杜）」参照）。ここで、ｒ1 ，ｒ2 はＴＭ方向
に外部電場を印加した場合に対応したＴＥ，ＴＭ方向の
電気光学定数、ｎTE，ｎTMはそれぞれＴＥ，ＴＭ方向の
屈折率を示す。 【００２０】従って、外部電場強度が強ければ強いほど
大きな屈折率変化を得ることができる。 【００２１】この電場印加は、ポーリング時に用いた電
極にそのまま電圧を印加することにより可能である。ア
ーム導波路の部分でこの電場印加により生じる屈折率変
化（電気光学効果）を利用し、ＭＺＩを光スイッチや光
強度変調器として動作させることが可能である。この
時、ＭＺＩは基板上に作製されているため、光ファイバ
やバルク光部品で構成されたＭＺＩに比べて、温度変動
等の外部擾乱に対して安定な動作を示す実用的な光部品
となる。 【００２２】 【発明の実施の形態】図１は本発明方法で製造する導波
路型光デバイスの一例、ここではマッハ・ツェンダ干渉
計を有する光スイッチを示すもので、同図(a) は全体斜
視図、同図(b) は要部断面図である。図中、１１はＳｉ
基板、１２，１３は導波路（ＧｅＯ2添加石英系ガラス
コア）、１４はアンダークラッド、１５はオーバークラ
ッド、１６は薄膜電極、１７，１８は導波路１２，１３
を近接させて構成した方向性結合器である。 【００２３】ここで、光導波路の作製は、例えば前述し
た文献２に示された方法と同様に行った。即ち、Ｓｉ基
板１１上にアンダークラッド１４及びコア１２，１３と
なる石英系ガラスを主成分とするガラス膜層を火炎堆積
（ＦＨＤ）法により形成し、その後、反応性イオンエッ
チング（ＲＩＥ）によりコア部分のリッジ構造を形成
し、再びＦＨＤ法により石英系ガラスを主成分とするオ
ーバークラッド１５による埋め込みを行い、光導波路の
作製を行った。ここで、コアはＧｅ添加石英系ガラスで
形成し、コアとクラッドとの比屈折率差Δを０．７％と
し、コアの構造は矩形で７μｍ×７μｍとした。 【００２４】前述した２つの方向性結合器１７，１８
と、導波路１２，１３のうちの方向性結合器１７，１８
間を結ぶアーム導波路とにより、マッハ・ツェンダ干渉
計が構成される。 【００２５】導波路作製後、一方のアーム導波路のコア
近傍にクロムＣｒ及び金Ａｕを蒸着し、所望の形状にパ
ターン化加工して電極１６を形成した。ここで、コアに
平行な電極部分の長さＬ＝６．５ｃｍ、電極間隔ｄ＝４
５μｍとした。電極形成に用いる材料は、Ｐｔ，ＮｉＣ
ｒ，Ｔａ2 Ｎ，Ａｌ等、導電性の高いものであれば、ど
のようなものでも良い。 【００２６】前述した如くして作製した光スイッチ、例
えば１０に対し、図２に示すように、モード同期（Ｍ
Ｌ）Ｑスイッチ（Ｑsw）動作Ｎｄ3+：ＹＡＧレーザ（Ｍ
Ｌ−Ｑsw−Ｎｄ3+：ＹＡＧレーザ）２１からの波長１０
６４ｎｍの光の第二高調波（ＳＨ）光（波長５３２ｎ
ｍ）をＫＴＰ結晶２２により発生させ、このＳＨ光を波
長１０６４ｎｍの光は通過させ、波長５３２ｎｍの光は
反射するダイクロイックミラー２３、波長５３２ｎｍの
反射率が１００％のミラー２４及びレンズ２５を介して
ポートＰ１に導き、導波路１２を伝播させながら、電圧
源２６より５ｋＶの電圧印加を３０分間行った。 【００２７】ポートＰ１から導入された光は方向性結合
器１７，１８が図３に示す波長特性を有するため、導波
路１３に結合せず、全て導波路１２を伝播した。３０分
後にＳＨ光を遮断し、電圧を０Ｖに下げた。モード同期
を行ったレーザ光のパルス時間幅は約１００ｐｓ、モー
ド同期周波数は８２ＭＨｚ、Ｑｓｗの繰り返し周波数は
８００Ｈｚであった。 【００２８】このポーリング処理後、波長λ＝１．３μ
ｍの半導体レーザの光を偏波保持ファイバを用いて、Ｔ
Ｍ偏波でポートＰ１から入射した。ポートＰ３，Ｐ４か
らの出力光強度をレンズ２７を介して感熱式パワーメー
タ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐ．Ｍ．）２８で検知しながら、
電極１６とＳｉ基板１１との間に電圧を印加し、その出
力光強度の変化を測定した（なお、感熱式パワーメータ
の代わりにフォトダイオードを用いても良い）。 【００２９】図４にこの時の印加電圧に対する規格化し
た出力光強度の変化を示す。印加電圧Ｖにほぼ比例して
位相が変化していることが示されている。即ち、印加し
た電場強度に比例した屈折率変化Δｎを示している。 【００３０】位相変化量Δφは、 Δφ＝２πη（１／λ）（ｎe 3 ／２）ｒ（ΔＶ／ｄ）Ｌ ……（２） で表すことができる。ここで、ηは結合係数、ｎe はコ
アの屈折率、ｄは電極間間隔、Ｌは相互作用長（外部電
場がコア部分にかかっている長さ）、ΔＶは印加電圧、
λは測定波長、ｒは電気光学定数である。 【００３１】本例においては、λ＝１．３μｍ、ｎe ＝
１．４５４、ｄ＝４５μｍ、Ｌ＝６．５ｃｍとした。位
相がπ変化する電圧Ｖπ＝１８０（Ｖ）であり、この時
の電気光学定数ｒ＝１．６ｐｍ／Ｖと評価される。この
電気光学スイッチの消光比は３５ｄＢ、損失は１ｄＢで
あった。 【００３２】以上述べたように、低損失且つ高消光比
で、高速応答性を有する光スイッチを実現するための方
法として、本発明は非常に優れている。 【００３３】図５は本発明方法で製造する導波路型光デ
バイスの他の例、ここではマッハ・ツェンダ干渉計を有
する光強度変調器を示すものである。図中、３１はＳｉ
基板、３２，３３は導波路（ＧｅＯ2 添加石英系ガラス
コア）、３４，３５は薄膜電極、３６は薄膜ヒータ、３
７，３８は導波路３２，３３を近接させて構成した方向
性結合器である。 【００３４】ここで、光導波路の作製は、例えば前述し
た文献２に示された方法と同様に行った。即ち、Ｓｉ基
板３１上に、アンダークラッド（図示せず）及びコア３
２，３３となる石英系ガラスを主成分とするガラス膜層
を火炎堆積（ＦＨＤ）法により形成し、その後、反応性
イオンエッチング（ＲＩＥ）によりコア部分のリッジ構
造を形成し、再びＦＨＤ法により石英系ガラスを主成分
とするオーバークラッド（図示せず）による埋め込みを
行い、光導波路の作製を行った。コアはＧｅ添加石英系
ガラスで形成し、コアとクラッドとの比屈折率差Δを
０．３％とし、コアの構造は矩形で８μｍ×８μｍとし
た。 【００３５】前述した２つの方向性結合器３７，３８
と、導波路３２，３３のうちの方向性結合器３７，３８
間を結ぶアーム導波路とにより、マッハ・ツェンダ干渉
計が構成される。 【００３６】導波路作製後、一方のアーム導波路のコア
近傍にクロムＣｒ及び金Ａｕを蒸着し、所望の形状にパ
ターン化加工して電極３４，３５を形成した。ここで、
コアに平行な電極部分の長さＬ＝８ｃｍ、電極間隔ｄ＝
４０μｍとした。電極形成に用いる材料は、Ｐｔ，Ｎｉ
Ｃｒ，Ｔａ2 Ｎ，Ａｌ等、導電性の高いものであれば、
どのようなものでも良い。 【００３７】さらに、電極３４，３５を形成したアーム
導波路とは反対側のアーム導波路にクロム薄膜ヒータ３
６をパターン化し、熱光学効果を利用したＭＺＩの位相
を調整することを可能とした。 【００３８】前述した如くして作製した光強度変調器に
対し、前記同様なＱスイッチ動作Ｎｄ3+：ＹＡＧレーザ
からの光の第二高調波（ＳＨ）光をＫＴＰ結晶により発
生させ、このＳＨ光をポートＰ１に導き、導波路３２を
伝播させながら、５ｋＶの電圧印加を３０分間行った。
３０分後に第二高調波光を遮断し、電圧を０Ｖに下げ
た。Ｑswの繰り返し周波数は１ｋＨｚであった。 【００３９】このポーリング処理後、波長１．５５μｍ
の半導体レーザの光を偏波保持ファイバを用いて、ＴＥ
偏波でポートＰ１から入射した。ポートＰ３からの出力
光強度を感熱式パワーメータで検知しながら、電極３
４，３５間に１ＧＨｚの変調電圧を印加し、波長１．５
５μｍの半導体レーザの光の強度変調を行った。変調強
度が最も大きくなるように薄膜ヒータ３６でアーム導波
路の一部分を加熱し、熱光学効果を利用したＭＺＩの位
相調整を行った。 【００４０】図７にこの時の変調光強度特性を示す。波
長１．５５μｍの半導体レーザの光が１ＧＨｚに変調さ
れていることが示されている。本光強度変調器の損失は
１ｄＢ、消光比は３０ｄＢであった。 【００４１】以上述べたように、低損失且つ高消光比
で、高速応答性を有する光強度変調器を実現するための
方法として、本発明は非常に優れている。なお、ポーリ
ング効率向上のため、本発明と熱ポーリングを併用する
ことも有用である。 【００４２】 【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、導
波型デバイスの製造工程に、光導波路に紫外光または可
視光を伝播させながら外部電場を印加するというポーリ
ング方法を用いるので、外部電場を加えるための電極を
光導波路の直上に設けることが可能である等、電極構造
に関する設計自由度が大きいという利点があり、また、
従来の「熱ポーリング」によるポーリング処理を行った
場合に比べて、大きな電気光学効果を誘起し得るという
利点がある。従って、本発明によれば、光通信分野等に
おいて実用的な、高速応答性を有する光スイッチや光変
調器が提供される。
を配置した集積光デバイス、詳しくは、光通信分野等で
用いられる光スイッチ等の導波型光デバイスの製造方法
に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】平面基板上に作製された、石英系ガラス
を主成分とする単一モード石英系光導波路としては、例
えば「Ｍ．Ｋａｗａｃｈｉ "Ｓｉｌｉｃａ ｗａｖｅｇ
ｕｉｄｅｓ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ−
ｏｐｔｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ" Ｊ．Ｑｕａｔｕｍ．
Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，ｖｏｌ．２２，１９９０，ｐｐ．
３９１〜４１６（文献１）」等に記載されたものがあ
る。 【０００３】このような埋め込み型石英系光導波路は、
石英系ガラスの優れた被加工性により、設計値通りの導
波路を作製することができ、量産性にも優れている。ま
た、石英系光導波路は損失が低く、しかも一般に使用さ
れている石英系単一モード光ファイバとの接続整合性も
優れているため、実用的な集積光デバイスの実現手段と
して期待され、現在までに波長合分波器や光スイッチ等
の数多くの光デバイスの開発が行われてきている。 【０００４】石英系光導波路を用いて実現された光スイ
ッチとしては、例えば「Ｎ．Ｔａｋａｔｏ， ｅｔ ａ
ｌ．"Ｓｉｌｉｃａ−Ｂａｓｅｄ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄ
ｅ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ ａｎｄ
ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｇｕｉｄｅ
ｄ−Ｗａｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅ
ｔｅｒｓ" Ｊ．Ｌｉｇｈｔ Ｔｅｃｈｎｏｌ．，ＶＯ
Ｌ．６，１９８８，ｐｐ．１００３〜１０１０（文献
２）」等に記載されているような熱光学効果を利用した
「熱光学スイッチ（ＴΟスイッチ）」がある。 【０００５】石英系光導波路によるＴＯスイッチでは、
低損失で集積性に優れた良好なスイッチを実現できる
が、その応答速度はおよそ１ｍｓ程度であり、より高速
応答可能な石英系光スイッチが求められている。一方、
最近、ポーリング処理を施した石英系ファイバにおい
て、電圧印加により生じる屈折率変化（電気光学効果）
が報告されている。 【０００６】通常、石英系ガラスはランダム系であり、
擬似的に中心対称性を有すると考えられ、１次の電気光
学効果（ポッケルス効果：印加電場強度に比例した屈折
率変化）は原理的にみることができない。 【０００７】しかしながら、このようなガラス系に対
し、「電場を印加した状態で温度を上げ、電場を印加し
たまま温度を下げる」という「熱ポーリング」処理を行
うことにより、ポッケルス効果を誘起することができ
る。このポーリング処理によるポッケルス効果の誘起は
石英系ガラスを主成分とする光ファイバにおいてもみら
れ、最近、ポーリング処理を行った石英系ファイバにお
いて、電圧印加により生じる屈折率変化（電気光学効
果）が報告されている（例えば「Ｐ．Ｇ．Ｋａｚａｎｓ
ｋｙ，ｅｔ ａｌ．"Ｐｏｃｋｅｌｓ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ
ｔｈｅｒｍａｌｌｙｐｏｌｅｄ ｓｉｌｉｃａ ｏｐｔ
ｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ" Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌ
ｅｔｔ．，ｖｏｌ．３１，１９９５，ｐｐ．６２〜６３
（文献３）」参照）。 【０００８】このポーリング処理によって誘起された石
英系ガラス中のポッケルス効果による応答速度は非常に
高速であり、１０ｎｓ以下の応答速度を有している。即
ち、このポッケルス効果を石英系ガラス導波路中に誘起
することにより、導波路の屈折率を電圧印加によって、
１０ｎｓ以下（１００ＭＨｚ以上）の高速で制御できる
ことを示している。 【０００９】この電気光学効果を利用して、高消光比を
有する高速な光スイッチや光強度変調器を実現するに
は、マッハ・ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）等の干渉計を構
成することが有用であるが、石英系ファイバやバルク光
部品等で構成するマッハ・ツェンダ干渉計は温度変動等
の外部擾乱に弱く、不安定であり、実用的な光デバイス
にならないという問題を有している。 【００１０】これに対し、先に述べた文献１に記載され
ている、Ｓｉ基板上に石英系導波路で構成されたＭＺＩ
は光ファイバやバルク光部品で構成されたＭＺＩに比べ
て外部擾乱に強く、透過光強度等の光学特性が安定して
いる。さらに、この石英系導波路の干渉計は石英系ガラ
スの加工が容易なため、高精度な加工を行うことがで
き、設計値通りの作製が可能であるという利点を有して
いる。 【００１１】この石英系導波路で構成したマッハ・ツェ
ンダ干渉計のアーム導波路の部分に熱ポーリング処理を
行い、電気光学効果の誘起を行えば、石英系導波路によ
る電気光学効果を利用した、高速応答性を有する実用的
な光スイッチや光強度変調器を実現することができる。 【００１２】しかしながら、先に述べた文献３に示され
ているように「熱ポーリング」によって誘起されるポッ
ケルス効果の効率は、電気光学定数ｒの値で約０．０５
ｐｍ／Ｖであり、あまり大きな値ではなかった。 【００１３】このポッケルス効果の効率を改善する手段
として、Ｇｅ添加石英系光ファイバに対し、電場を印加
しながら紫外レーザ光（波長１９３ｎｍ）を外部より照
射すること、即ち「光ポーリング」（「光励起ポーリン
グ；ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ｉｎｄｕｃｅｄ ｐｏｌｉｎ
ｇ」あるいは「光補助ポーリング；ｏｐｔｉｃａｌｌｙ
ａｓｉｓｔｅｄ ｐｏｌｉｎｇ」ともいう。）を行うこ
とにより、電気光学定数ｒ＝６ｐｍ／Ｖという、大きな
電気光学効果が誘起されたことが報告されている（例え
ば「Ｔ．Ｆｕｊｉｗａｒａ，Ｄ．Ｗｏｎｇ，Ｙ．Ｚｈａ
ｏ，Ｓ．Ｆｌｅｍｉｎｇ，Ｓ．Ｐｏｏｌｅ ａｎｄ Ｍ．
Ｓｃｅａｔｓ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，３１，
１９９５，５７３（文献４）」参照）。 【００１４】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たポーリング方法を平面基板上に作製された導波路に対
して適用しようとする場合、外部から照射される光が、
しばしば導波路近傍に作製された電極に損傷を与えると
いう問題があった。また、光を外部からコア部分に照射
するため、基板に対して垂直な方向に電場を印加する、
コアの垂直方向の上部に電極を配置することはできない
という電極作製上の問題があった。 【００１５】本発明の日的は、低損失で加工性及び集積
性に優れ、且つ高速応答性を有する一次の電気光学効果
を利用した石英系の導波型光デバイスを製造する方法を
提供することにある。 【００１６】 【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明では、２本の入力導波路と第１の方向性結合
器と２本のアーム導波路と第２の方向性結合器と２本の
出力導波路とが順次接続されてなる導波型光デバイスの
製造方法であって、シリコン基板上に、石英系ガラスよ
りなるコアを、石英系ガラスよりなり前記コアより屈折
率が低いクラッドで囲んだ光導波路を作製する工程と、
前記光導波路の屈折率制御に用いる電極の一方を前記ア
ーム導波路の少なくとも１本に配置する工程と、他方の
電極とするために前記シリコン基板に結線する工程と、
前記２本の入力導波路のうち一本の入力導波路から紫外
光または可視光を入力し、前記紫外光または可視光を入
力した前記入力導波路に接続している一本のアーム導波
路に前記紫外光または可視光を伝播させながら、前記電
極間で前記紫外光または可視光が伝播している前記一本
のアーム導波路に電場を印加して光ポーリング処理を行
うことを特徴とする導波型光デバイスの製造方法を提案
する。 【００１７】光導波路に紫外光または可視光を「伝播照
射」しながら電場を印加する「伝播照射光ポーリング」
は、コア部分に閉じ込められた高強度な光によって、１
０数ｃｍ以上に及ぶ光導波路に対し、一度に光照射する
ことができる。また、「外部照射」を行う時には、しば
しばコア近傍に設けられた電圧印加用の電極やクラッド
部分に損傷を与えることがあったが、「伝播照射」によ
れば、電極に損傷を与えることなく光照射することがで
きる。また、コア部分を伝播させて光を照射するため、
基板に対して垂直な方向（ＴＭ方向）に電場を印加す
る、コアの垂直方向の上部に電極を配置することも可能
であり、電極作製上の制約が少ない。 【００１８】この「光ポーリング処理」を施したＭＺＩ
のアーム導波路の部分に電気光学効果が誘起され、電場
印加に対し屈折率変化を生じる。 【００１９】例えば、ＴＭ方向に外部電場Ｅexを印加し
た時に生じる屈折率変化の大きさΔｎは、 ΔｎTE＝（１／２）ｒ1 ｎTE 3 Ｅex ΔｎTM＝（１／２）ｒ2 ｎTM 3 Ｅex ……（１） と表すことができる（例えば、「西原 他"光集積回路"
（オーム杜）」参照）。ここで、ｒ1 ，ｒ2 はＴＭ方向
に外部電場を印加した場合に対応したＴＥ，ＴＭ方向の
電気光学定数、ｎTE，ｎTMはそれぞれＴＥ，ＴＭ方向の
屈折率を示す。 【００２０】従って、外部電場強度が強ければ強いほど
大きな屈折率変化を得ることができる。 【００２１】この電場印加は、ポーリング時に用いた電
極にそのまま電圧を印加することにより可能である。ア
ーム導波路の部分でこの電場印加により生じる屈折率変
化（電気光学効果）を利用し、ＭＺＩを光スイッチや光
強度変調器として動作させることが可能である。この
時、ＭＺＩは基板上に作製されているため、光ファイバ
やバルク光部品で構成されたＭＺＩに比べて、温度変動
等の外部擾乱に対して安定な動作を示す実用的な光部品
となる。 【００２２】 【発明の実施の形態】図１は本発明方法で製造する導波
路型光デバイスの一例、ここではマッハ・ツェンダ干渉
計を有する光スイッチを示すもので、同図(a) は全体斜
視図、同図(b) は要部断面図である。図中、１１はＳｉ
基板、１２，１３は導波路（ＧｅＯ2添加石英系ガラス
コア）、１４はアンダークラッド、１５はオーバークラ
ッド、１６は薄膜電極、１７，１８は導波路１２，１３
を近接させて構成した方向性結合器である。 【００２３】ここで、光導波路の作製は、例えば前述し
た文献２に示された方法と同様に行った。即ち、Ｓｉ基
板１１上にアンダークラッド１４及びコア１２，１３と
なる石英系ガラスを主成分とするガラス膜層を火炎堆積
（ＦＨＤ）法により形成し、その後、反応性イオンエッ
チング（ＲＩＥ）によりコア部分のリッジ構造を形成
し、再びＦＨＤ法により石英系ガラスを主成分とするオ
ーバークラッド１５による埋め込みを行い、光導波路の
作製を行った。ここで、コアはＧｅ添加石英系ガラスで
形成し、コアとクラッドとの比屈折率差Δを０．７％と
し、コアの構造は矩形で７μｍ×７μｍとした。 【００２４】前述した２つの方向性結合器１７，１８
と、導波路１２，１３のうちの方向性結合器１７，１８
間を結ぶアーム導波路とにより、マッハ・ツェンダ干渉
計が構成される。 【００２５】導波路作製後、一方のアーム導波路のコア
近傍にクロムＣｒ及び金Ａｕを蒸着し、所望の形状にパ
ターン化加工して電極１６を形成した。ここで、コアに
平行な電極部分の長さＬ＝６．５ｃｍ、電極間隔ｄ＝４
５μｍとした。電極形成に用いる材料は、Ｐｔ，ＮｉＣ
ｒ，Ｔａ2 Ｎ，Ａｌ等、導電性の高いものであれば、ど
のようなものでも良い。 【００２６】前述した如くして作製した光スイッチ、例
えば１０に対し、図２に示すように、モード同期（Ｍ
Ｌ）Ｑスイッチ（Ｑsw）動作Ｎｄ3+：ＹＡＧレーザ（Ｍ
Ｌ−Ｑsw−Ｎｄ3+：ＹＡＧレーザ）２１からの波長１０
６４ｎｍの光の第二高調波（ＳＨ）光（波長５３２ｎ
ｍ）をＫＴＰ結晶２２により発生させ、このＳＨ光を波
長１０６４ｎｍの光は通過させ、波長５３２ｎｍの光は
反射するダイクロイックミラー２３、波長５３２ｎｍの
反射率が１００％のミラー２４及びレンズ２５を介して
ポートＰ１に導き、導波路１２を伝播させながら、電圧
源２６より５ｋＶの電圧印加を３０分間行った。 【００２７】ポートＰ１から導入された光は方向性結合
器１７，１８が図３に示す波長特性を有するため、導波
路１３に結合せず、全て導波路１２を伝播した。３０分
後にＳＨ光を遮断し、電圧を０Ｖに下げた。モード同期
を行ったレーザ光のパルス時間幅は約１００ｐｓ、モー
ド同期周波数は８２ＭＨｚ、Ｑｓｗの繰り返し周波数は
８００Ｈｚであった。 【００２８】このポーリング処理後、波長λ＝１．３μ
ｍの半導体レーザの光を偏波保持ファイバを用いて、Ｔ
Ｍ偏波でポートＰ１から入射した。ポートＰ３，Ｐ４か
らの出力光強度をレンズ２７を介して感熱式パワーメー
タ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐ．Ｍ．）２８で検知しながら、
電極１６とＳｉ基板１１との間に電圧を印加し、その出
力光強度の変化を測定した（なお、感熱式パワーメータ
の代わりにフォトダイオードを用いても良い）。 【００２９】図４にこの時の印加電圧に対する規格化し
た出力光強度の変化を示す。印加電圧Ｖにほぼ比例して
位相が変化していることが示されている。即ち、印加し
た電場強度に比例した屈折率変化Δｎを示している。 【００３０】位相変化量Δφは、 Δφ＝２πη（１／λ）（ｎe 3 ／２）ｒ（ΔＶ／ｄ）Ｌ ……（２） で表すことができる。ここで、ηは結合係数、ｎe はコ
アの屈折率、ｄは電極間間隔、Ｌは相互作用長（外部電
場がコア部分にかかっている長さ）、ΔＶは印加電圧、
λは測定波長、ｒは電気光学定数である。 【００３１】本例においては、λ＝１．３μｍ、ｎe ＝
１．４５４、ｄ＝４５μｍ、Ｌ＝６．５ｃｍとした。位
相がπ変化する電圧Ｖπ＝１８０（Ｖ）であり、この時
の電気光学定数ｒ＝１．６ｐｍ／Ｖと評価される。この
電気光学スイッチの消光比は３５ｄＢ、損失は１ｄＢで
あった。 【００３２】以上述べたように、低損失且つ高消光比
で、高速応答性を有する光スイッチを実現するための方
法として、本発明は非常に優れている。 【００３３】図５は本発明方法で製造する導波路型光デ
バイスの他の例、ここではマッハ・ツェンダ干渉計を有
する光強度変調器を示すものである。図中、３１はＳｉ
基板、３２，３３は導波路（ＧｅＯ2 添加石英系ガラス
コア）、３４，３５は薄膜電極、３６は薄膜ヒータ、３
７，３８は導波路３２，３３を近接させて構成した方向
性結合器である。 【００３４】ここで、光導波路の作製は、例えば前述し
た文献２に示された方法と同様に行った。即ち、Ｓｉ基
板３１上に、アンダークラッド（図示せず）及びコア３
２，３３となる石英系ガラスを主成分とするガラス膜層
を火炎堆積（ＦＨＤ）法により形成し、その後、反応性
イオンエッチング（ＲＩＥ）によりコア部分のリッジ構
造を形成し、再びＦＨＤ法により石英系ガラスを主成分
とするオーバークラッド（図示せず）による埋め込みを
行い、光導波路の作製を行った。コアはＧｅ添加石英系
ガラスで形成し、コアとクラッドとの比屈折率差Δを
０．３％とし、コアの構造は矩形で８μｍ×８μｍとし
た。 【００３５】前述した２つの方向性結合器３７，３８
と、導波路３２，３３のうちの方向性結合器３７，３８
間を結ぶアーム導波路とにより、マッハ・ツェンダ干渉
計が構成される。 【００３６】導波路作製後、一方のアーム導波路のコア
近傍にクロムＣｒ及び金Ａｕを蒸着し、所望の形状にパ
ターン化加工して電極３４，３５を形成した。ここで、
コアに平行な電極部分の長さＬ＝８ｃｍ、電極間隔ｄ＝
４０μｍとした。電極形成に用いる材料は、Ｐｔ，Ｎｉ
Ｃｒ，Ｔａ2 Ｎ，Ａｌ等、導電性の高いものであれば、
どのようなものでも良い。 【００３７】さらに、電極３４，３５を形成したアーム
導波路とは反対側のアーム導波路にクロム薄膜ヒータ３
６をパターン化し、熱光学効果を利用したＭＺＩの位相
を調整することを可能とした。 【００３８】前述した如くして作製した光強度変調器に
対し、前記同様なＱスイッチ動作Ｎｄ3+：ＹＡＧレーザ
からの光の第二高調波（ＳＨ）光をＫＴＰ結晶により発
生させ、このＳＨ光をポートＰ１に導き、導波路３２を
伝播させながら、５ｋＶの電圧印加を３０分間行った。
３０分後に第二高調波光を遮断し、電圧を０Ｖに下げ
た。Ｑswの繰り返し周波数は１ｋＨｚであった。 【００３９】このポーリング処理後、波長１．５５μｍ
の半導体レーザの光を偏波保持ファイバを用いて、ＴＥ
偏波でポートＰ１から入射した。ポートＰ３からの出力
光強度を感熱式パワーメータで検知しながら、電極３
４，３５間に１ＧＨｚの変調電圧を印加し、波長１．５
５μｍの半導体レーザの光の強度変調を行った。変調強
度が最も大きくなるように薄膜ヒータ３６でアーム導波
路の一部分を加熱し、熱光学効果を利用したＭＺＩの位
相調整を行った。 【００４０】図７にこの時の変調光強度特性を示す。波
長１．５５μｍの半導体レーザの光が１ＧＨｚに変調さ
れていることが示されている。本光強度変調器の損失は
１ｄＢ、消光比は３０ｄＢであった。 【００４１】以上述べたように、低損失且つ高消光比
で、高速応答性を有する光強度変調器を実現するための
方法として、本発明は非常に優れている。なお、ポーリ
ング効率向上のため、本発明と熱ポーリングを併用する
ことも有用である。 【００４２】 【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、導
波型デバイスの製造工程に、光導波路に紫外光または可
視光を伝播させながら外部電場を印加するというポーリ
ング方法を用いるので、外部電場を加えるための電極を
光導波路の直上に設けることが可能である等、電極構造
に関する設計自由度が大きいという利点があり、また、
従来の「熱ポーリング」によるポーリング処理を行った
場合に比べて、大きな電気光学効果を誘起し得るという
利点がある。従って、本発明によれば、光通信分野等に
おいて実用的な、高速応答性を有する光スイッチや光変
調器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法で製造する導波路型光デバイスの一
例を示す構成図 【図２】本発明方法を実施する装置の構成図 【図３】図１中の方向性結合器の結合率の波長特性図 【図４】図１に示した光スイッチのスイッチング特性図 【図５】本発明方法で製造する導波路型光デバイスの他
の例を示す構成図 【図６】図５に示した光強度変調器の変調光強度特性図 【符号の説明】 １０…光スイッチ １１，３１…Ｓｉ基板 １２，１３，３２，３３…導波路 １４…アンダークラッド １５…オーバークラッド １６，３４，３５…薄膜電極 １７，１８，３７，３８…方向性結合器 ２１…モード同期Ｑスイッチ動作Ｎｄ3+：ＹＡＧレーザ ２２…ＫＴＰ結晶 ２３，２４…ミラー ２５，２７…レンズ ２６…電圧源 ２８…感熱式パワーメータ ３６…薄膜ヒータ
例を示す構成図 【図２】本発明方法を実施する装置の構成図 【図３】図１中の方向性結合器の結合率の波長特性図 【図４】図１に示した光スイッチのスイッチング特性図 【図５】本発明方法で製造する導波路型光デバイスの他
の例を示す構成図 【図６】図５に示した光強度変調器の変調光強度特性図 【符号の説明】 １０…光スイッチ １１，３１…Ｓｉ基板 １２，１３，３２，３３…導波路 １４…アンダークラッド １５…オーバークラッド １６，３４，３５…薄膜電極 １７，１８，３７，３８…方向性結合器 ２１…モード同期Ｑスイッチ動作Ｎｄ3+：ＹＡＧレーザ ２２…ＫＴＰ結晶 ２３，２４…ミラー ２５，２７…レンズ ２６…電圧源 ２８…感熱式パワーメータ ３６…薄膜ヒータ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 小熊 学
東京都千代田区大手町二丁目３番１号
日本電信電話株式会社内
(72)発明者 姫野 明
東京都千代田区大手町二丁目３番１号
日本電信電話株式会社内
(72)発明者 高橋 浩
東京都千代田区大手町二丁目３番１号
日本電信電話株式会社内
(56)参考文献 特開 平３−118511（ＪＰ，Ａ)
特表 平３−504650（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G02F 1/01 - 1/07
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 ２本の入力導波路と第１の方向性結合器
と２本のアーム導波路と第２の方向性結合器と２本の出
力導波路とが順次接続されてなる導波型光デバイスの製
造方法であって、シリコン 基板上に、石英系ガラスよりなるコアを、石英
系ガラスよりなり前記コアより屈折率が低いクラッドで
囲んだ光導波路を作製する工程と、 前 記光導波路の屈折率制御に用いる電極の一方を前記ア
ーム導波路の少なくとも１本に配置する工程と、他方の電極とするために前記シリコン基板に結線する工
程と、 前記２本の入力導波路のうち一本の入力導波路から紫外
光または可視光を入力し、 前記紫外光または可視光を入力した前記入力導波路に接
続している一本のアーム導波路に前記紫外光または可視
光を 伝播させながら、前記電極間で前記紫外光または可
視光が伝播している前記一本のアーム導波路に電場を印
加して光ポーリング処理を行うことを特徴とする導波型
光デバイスの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002118920A JP3418391B2 (ja) | 2002-04-22 | 2002-04-22 | 導波型光デバイスの製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002118920A JP3418391B2 (ja) | 2002-04-22 | 2002-04-22 | 導波型光デバイスの製造方法 |
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|---|---|---|---|
| JP6296196A Division JP3573180B2 (ja) | 1996-03-19 | 1996-03-19 | マッハ・ツェンダ干渉計アームのポーリング方法 |
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|---|---|---|---|---|
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2002
- 2002-04-22 JP JP2002118920A patent/JP3418391B2/ja not_active Expired - Lifetime
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|---|---|
| JP2002365600A (ja) | 2002-12-18 |
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