JP4665162B2

JP4665162B2 - 光学素子及びその製造方法

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Publication number: JP4665162B2
Application number: JP2005061101A
Authority: JP
Inventors: 太山本; 勝利近藤; 潤一郎市川; 優中村; 直栗村; 俊二竹川; 健二北村
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd; National Institute for Materials Science
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd; National Institute for Materials Science
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2025-03-04
Also published as: US20070014014A1; JP2006243523A; US7985294B2

Description

本発明は、光学素子及びその製造方法に関し、特に、定比組成ニオブ酸リチウム結晶に、不純物を拡散する場合など、結晶基板を１０００℃以上の高温で熱処理を行う光学素子及びその製造方法に関する。

従来、光スイッチや光変調器などの光学素子において、電気光学効果を有する基板を利用した光学素子が提供されている。電気光学効果を有する基板としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料及びこれらの組み合わせが利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３。以下、ＬＮという）結晶が好適に利用される。

光学素子に利用される基板には、通常、結晶と融液が同じ組成で平衡共存する一致溶融（congruent）組成を有するＬＮ結晶基板であるＣＬＮ結晶基板が多く利用されている。ＣＬＮ結晶では、ＬｉとＮｂに関し、Ｌｉのモル分率は４８．５ｍｏｌ％である。
他方、ＬｉとＮｂとのモル組成比が４８．５ｍｏｌ％以上、好ましくは４９．５〜５０．５ｍｏｌ％であり、キュリー温度が示差熱分析装置（DTA：Differential Thermal Analysis）あるいは示差走査熱量分析装置（DSC：Differential Scanning Calorimetry）による測定において、約１２００℃と通常のＣＬＮの１１５０℃よりも高いＬＮ結晶基板は定比組成（stoichiometric）あるいはＳＬＮ結晶基板と称される（以下、ＳＬＮという）。ＳＬＮ結晶は、ＣＬＮ結晶と比較し電気光学効果が大きいため、以下の特許文献１に示されるように、ＳＬＮ結晶を光学素子として使用した場合には、素子長が短く、動作電圧が低く、このため集積度に優れた光学素子を提供することができる。しかも、ＳＬＮ結晶に光導波路を形成する場合には、光の閉じ込めが強く、そのため、例えば光変調器に利用する際には電界印加による屈折率変化効率の高い構造設計が可能となるなどの利点が期待される。
特開２００３−１７７２５８号公報

一般に、ＬＮ結晶を高温度、例えば６５０℃以上で熱処理する場合には、構成物質であるＬｉ_２Ｏの外拡散を生じることが知られている。外拡散が生じた領域は異常光の屈折率が上昇する（Δｎｅ／ΔＣ（ｍｏｌ％）＝−０．０１６。ただし、Δｎｅは屈折率の変化量であり、ΔＣはＬｉのモル分率の変化量を示す。）。

光学素子、特に不純物拡散部と非拡散部の屈折率差を利用するデバイスにおいては、拡散部の屈折率上昇と非拡散部の屈折率変化を見込んだ設計が必要であり、作製再現性においても困難が生じる。また、導波路型デバイスの場合には、表面屈折率の上昇により、全面、あるいは部分的なスラブ導波路化が生じ、導波路における光波の閉じ込めが弱くなるなどの問題がある。

Ｌｉ_２Ｏの外拡散を抑制するためには、熱処理時のＬｉ_２Ｏの蒸気圧を大きくとることが有効であり、Ｌｉ_２Ｏの紛体やＬＮを熱処理装置内に同時導入する方法や、ＬＮと高温度下でも反応しない材料（例えば白金や高純度石英）により該材料を封じ込める手法が知られている。また、水蒸気を含む酸素雰囲気中、いわゆるウェット雰囲気中で熱処理を行うことで外拡散が抑制可能であるとともに、伝搬損失の小さな高品位導波路が得られることが、以下の非特許文献１，２により開示されている。水蒸気圧の制御はＬｉ_２Ｏの蒸気圧の制御に比べ、簡便であり、ＬＮ光導波路作製においてウェット雰囲気での熱処理が一般的に用いられている。
西原浩ほか,「光集積回路」改訂増補版,オーム社，平成11年7月25日発行，p172−174 T.Nozawa,H.Miyazawa and S.Miyazawa:"water vapor effects on titanium diffusion into LiNbO3 substrates",Jpm.J.Appl.Phys., vol.29,No10,pp2180-2185

ＳＬＮ結晶基板上にＴｉを熱拡散して光導波路を形成する場合、上記特許文献１又は以下の非特許文献３に示すように、ＳＬＮ結晶は、ＣＬＮ結晶と比べ、拡散係数が小さいという問題がある。特許文献１においては、ＳＬＮ結晶基板の表面に電子ビーム蒸着により７０ｎｍのＴｉ膜を形成し、拡散温度１０００℃〜１０６０℃で、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Ｔｉ膜を熱拡散させている。例えば、拡散温度１０３０℃で１０時間拡散させた場合で、Ｚ板のＳＬＮ結晶基板で１．６μｍの深さの光導波路が形成されている。
非特許文献３においては、ＳＬＮ結晶にＴｉ蒸着膜（１９０ｎｍ）を形成し、ｗｅｔ−Ｏ_２雰囲気中で、拡散温度１０６０℃、拡散時間４８〜１９２時間行った場合で、約５μｍの深さの光導波路が形成されている。
岡孝裕、他，「定比組成ニオブ酸リチウム結晶におけるＴｉ拡散導波路の波長依存性」，第６３回応用物理関係連合講演会講演予稿集，ｐ１０４５，２００２年９月

このように、ＳＬＮ結晶基板を利用し光導波路を形成する場合には、ＣＬＮ結晶基板の場合より、基板内に不純物を拡散する際の拡散温度や拡散時間を大幅に大きくあるいは長くする必要がある。
しかし、ＳＬＮ結晶においても、ＣＬＮ結晶と同様、高温度での熱処理におけるＬｉ_２Ｏの外拡散の現象がみられる。ＳＬＮ基板を用いる場合には、光導波路作製に必要な熱処理の温度が高いため、あるいは時間が長いため、Ｌｉ_２Ｏの外拡散による屈折率変化がより顕著となる。温度時間条件によっては、基板表面全体の屈折率が上昇するため、基板表面全体がスラブ導波路化する場合もあり、不純物を熱拡散する場合や、同様に高温を付加する加工歪を回復するためなどの熱処理の場合には、基板表面の屈折率上昇を抑制することが必要である。
ＣＬＮ，ＳＬＮの熱処理時間と屈折率上昇の関係は以下の非特許文献４により例示されている。また、当該文献に記載された「拡散温度１０３０℃、ｗｅｔＯ_２雰囲気下において、熱処理時間と異常光屈折率変化量の関係」を、表１に示す。
山内田大史他「定比ニオブ酸リチウム結晶におけるＬｉ２Ｏ外拡散の拡散雰囲気における影響」第50回応用物理関係連合講演会講演予稿集,p1258,2003年

また、ＳＬＮ結晶にＭｇドープしたＭｇ：ＳＬＮ結晶においては、ＳＬＮ結晶よりも、電気光学効果が高く、光損傷にも強く、さらには不定比欠陥が少ないという優れた利点を有するにも拘らず、ＳＬＮ結晶よりも不純物の拡散係数が低いという欠点を有している。このため、Ｍｇ：ＳＬＮ結晶の不純物熱拡散などの熱処理は、上記ＳＬＮ結晶の場合よりもさらに熱処理温度及び熱処理時間が上昇し、上述した問題がより顕著となるだけでなく生産コストの増大も招く。

本発明が解決しようとする課題は、定比組成ニオブ酸リチウム結晶又は該結晶にＭｇをドープした結晶基板において、不純物を熱拡散する場合や、加工歪を回復するために熱処理する際の基板表面の屈折率上昇を抑制し、また、生産性並びに光学特性の優れた高品位な光学素子及びその製造方法を提供することである。

本発明者らは、定比ニオブ酸リチウム又は該結晶にＭｇをドープした結晶基板に、これまでの常識とは相反する実験条件を柔軟な発想により適用することで、熱処理時の基板表面の異常光屈折率の上昇を低減可能とし、また、これまでの手法では得られていない低損失な光導波路を作製できる事実を見出した。さらに、我々の鋭意研究により、Ｔｉ拡散法を用いてＭｇ：ＳＬＮ結晶基板にＴＥ，ＴＭ光の閉じ込め強度が異なる光導波路を形成できることが示され、本手法を用いることにより例えば光偏光子を用いなくとも、偏波消光作用の大きな光変調器などの光学素子を作製できることを示した。すなわち、本発明の特徴は以下の通りである。

請求項１に係る発明では、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板上に不純物層を形成する工程と、前記不純物層中の不純物を前記実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板の少なくとも一部に拡散させる拡散工程とを含む光学素子の製造方法において、前記実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板は、基板内に予めＭｇを０．５〜５ｍｏｌ％含むものであって、該拡散工程は、１０００℃以上１２００℃以下の拡散温度で、露点温度０℃以下のガスを導入する雰囲気中で行うことを特徴とする。特に、好ましくは、３時間以上２４時間以下の拡散時間で熱処理することを特徴とする。
なお、本発明における「実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板」とは、ＬｉとＮｂとのモル組成比が４８．５ｍｏｌ％以上、好ましくは４９．５〜５０．５ｍｏｌ％であり、キュリー温度が示差熱分析装置（DTA：Differential Thermal Analysis）あるいは示差走査熱量分析装置（DSC：Differential Scanning Calorimetry）による測定において、約１２００℃と通常のＣＬＮの１１５０℃よりも高いＬＮ結晶という内容を意味する。本明細書において、特に注釈しない限り、定比組成のニオブ酸リチウムまたはＳＬＮは、実質的に定比組成のニオブ酸リチウムを意図するものとする。

請求項２に係る発明では、請求項１に記載の光学素子の製造方法において、前記不純物層は、Ｔｉ，Ｚｎ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｕ，およびＦｅからなる群から、少なくとも１つ選択されるものであることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板と、前記実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板上に形成された光導波路とを含む光学素子において、前記実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板は、基板内に予めＭｇを０．５〜５ｍｏｌ％含むものであって、前記光導波路は実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板上に不純物層を形成する工程と、前記不純物層中の不純物を前記実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板の少なくとも一部に拡散させる拡散工程により形成され、該拡散工程が、１０００℃以上１２００℃以下の拡散温度で、露点温度０℃以下のガスを導入する雰囲気中で行われることを特徴とする。特に、好ましくは、３時間以上２４時間以下の拡散時間で熱処理することを特徴とする。

請求項４に係る発明では、請求項３に記載の光学素子において、前記不純物層は、前記不純物層は、Ｔｉ，Ｚｎ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｕ，およびＦｅからなる群から、少なくとも１つ選択されるものであることを特徴とする。

請求項５に係る発明では、請求項４に記載の光学素子において、前記不純物層はＴｉを有することを特徴とする。

請求項６に係る発明では、請求項７に記載の光学素子において、異常光成分の偏波を変調することを特徴とする。

請求項７に係る発明では、光学素子の製造方法において、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板において、前記実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板は、基板内に予めＭｇを０．５〜５ｍｏｌ％含むものであって、加工歪を除去あるいは減少させるために、１０００℃以上１２００℃以下の熱処理温度で、露点温度０℃以下のガスを導入する雰囲気中での熱処理工程を含むことを特徴とする。

請求項１に係る発明により、定比組成ニオブ酸リチウム結晶に、不純物拡散する場合において、拡散時の雰囲気を温度が１０００℃以上であり、露点温度０℃以下のガスを導入するドライ状態で行うことで行うことで、従来の水蒸気を含むウェット（ｗｅｔ）雰囲気と比較し、Ｌｉ_２Ｏの外拡散に起因する屈折率の上昇値を抑制することが可能となり、表面導波光領域の生成が抑制される。これより、非拡散部の屈折率上昇を見込んだ複雑な設計が不要であり、また、良好な作製再現性が得られる。さらに、導波路型デバイスの場合においても、光波の良好な閉じ込めに加え、導波路表面の凹凸を抑制し、伝搬損失の小さい、光学特性の優れた高品位な光導波路を得ることが可能となる。本発明により、熱処理温度を従来よりも大きくとることができるため、熱処理時間を低減し生産のリードタイムやコストの上昇を抑制することが可能となる。

しかも、請求項１に係る発明のように、Ｍｇを定比組成ニオブ酸リチウム結晶に対して０．５〜５ｍｏｌ％ドープした場合には、Ｍｇをドープしない定比組成ニオブ酸リチウム結晶と比較し、電気光学効果や光損傷などが改善され、しかも本発明の製造方法を適用することで、より優れた光学素子を製造できる。

請求項２に係る発明により、不純物としてＴｉ，Ｚｎ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｕ，およびＦｅについては、特に好適に本発明の製造方法が適用でき、効果的に熱拡散を実現することが可能となる。

請求項３に係る発明により、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板と、前記実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板上に形成された光導波路とを含む光学素子において、前記光導波路は実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板上に不純物層を形成する工程と、前記不純物層中の不純物を前記実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板に拡散させる拡散工程により形成され、該拡散工程が、１０００℃以上１２００℃以下の拡散温度で、露点温度０℃以下のガスを導入する雰囲気中で行われるため、請求項１に係る発明と同様に、非拡散部の屈折率変化がなく、設計・製造が容易で、かつ光学特性の優れた高品位な光導波路を有する光学素子を提供することが可能となる。また、３時間以上２４時間以下の拡散時間で熱処理しているため、生産性においても優れた光学素子を提供することが可能となる。

しかも、請求項３に係る発明のように、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板にＭｇを０．５〜５ｍｏｌ％含む結晶基板は、ドープしていない定比組成ニオブ酸リチウム結晶と比較し、電気光学効果や光損傷などが改善されるため、光学特性の良好な光学素子を提供することができる。

請求項４に係る発明により、不純物としてＴｉ，Ｚｎ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｕ，およびＦｅについては、特に好適に本発明の製造方法が適用でき、効果的に熱拡散を実現することが可能となるため、生産性並びに光学特性の優れた光学素子を提供することが可能となる。

請求項５に係る発明により、Ｍｇをドープした実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板に不純物としてＴｉを効果的に拡散することができ、請求項１に係る発明と同様に低損失な光導波路が得られるため挿入損失が十分小さいデバイスを提供できる。また、非拡散部の屈折率変化を生じないため、スラブ導波路を介した光のクロストークが抑制できることから、Ｏｎ／Ｏｆｆ消光比の大きな光変調器などのデバイスを得ることが可能となる。

請求項６に係る発明により、形成された光導波路のＴＥモードとＴＭモードとの光の閉じ込め強度が異なるため、例えばＺカット結晶基板を用いた場合には、ＴＥモードの光の閉じ込めによるモード径（スポット径）がＴＭモードのそれよりも大きくなり、偏光子を装荷することなしに、異常光成分のみを変調することが可能な付加価値の高い光変調器が得られる。このため、生産コストを抑制し、使い勝手の良い光学素子を提供することが可能となる。

請求項７に係る発明により、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板において、１０００℃以上１２００℃以下の熱処理温度で、露点温度０℃以下のガスを導入する雰囲気中での処理を行うことにより、研磨や切削などの機械加工、ケミカルエッチング加工、あるいはドライエッチング加工によりに導入される組成揺らぎや結晶配列の乱れを含む加工歪を、基板の屈折率変化を伴うことなく除去あるいは減少させることが可能となる。これより、光学素子作製時の屈折率上昇を見込んだ複雑な設計が不要であり、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板本来の優れた特性を維持した光学素子を製造できる。

しかも、請求項７に係る発明のように、Ｍｇを定比組成ニオブ酸リチウム結晶に対して０．５〜５ｍｏｌ％ドープした場合には、Ｍｇをドープしない定比組成ニオブ酸リチウム結晶と比較し、電気光学効果や光損傷などが改善され、しかも本発明の製造方法を適用することで、より効果的に光学素子を製造できる。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、定比組成ニオブ酸リチウム結晶に、不純物を拡散する光学素子の製造方法において、不純物拡散時の雰囲気をドライ状態で行うことを特徴とする。特に、本発明におけるドライ状態とは、拡散温度が１０００℃以上であり、露点温度０℃以下、さらに好ましくは露点温度−３５℃以下のガスを導入するものである。

本発明の製造方法に使用される定比組成ニオブ酸リチウム（ＳＬＮ）は、リチウム／ニオブのモル分率がほぼ１であり、より詳細にはリチウムのモル組成比が４９．５〜５０．５％の範囲にある。また、ＳＬＮ結晶の電気光学効果を高め、光損傷や不定比欠陥を抑制するため、ＭｇをＳＬＮ結晶内にドープしたＭｇ：ＳＬＮ結晶が好適に利用される。

Ｍｇのドープ量は、Ｍｇの濃度がＬｉ及びＮｂの総モル数に対し、０．５〜５ｍｏｌ％のものが好適に利用される。ドープ量が０．５ｍｏｌ％未満の場合には、電気光学効果や光損傷などの改善が期待されず、５ｍｏｌ％より多くなると結晶育成時に強いストレーション（成長縞）やサブグレインが出やすくなり、また、割れやクラックが極端に生じやすくなるなどの不具合が生じることとなる。

本発明の製造方法に使用される不純物は、Ｔｉ，Ｚｎ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｕ，およびＦｅが好適に利用され、これらの物質は、ＳＬＮ結晶基板に光導波路形成する場合などのように、基板表面の屈折率を変化させたり、基板表面の光学特性を改善する際に使用される。
具体的には、Ｔｉ、Ｚｎ，ＮｉはＳＬＮ基板表面の屈折率を高めることができる。また、これら不純物は特に、常光・異常光のいずれの屈折率も上昇させることができ、光導波路の作製に好適に利用できる。Ｚｎ，Ｍｇ，Ｓｃは光損傷耐性を改善させる効果を有し、Ｅｒ，Ｙｂはレーザー発振の活性イオン源となる。Ｆｅ、Ｃｕはフォトリフラクティブ効果を増大させるため、回折格子の形成に利用できる。Ｔａ、Ｎｂは拡散部の屈折率を低減させるため、非拡散部を導波路として使用する方法が例示できる。

以下、光学素子の具体的な製造手順について説明する。
ＳＬＮ結晶又はＭｇ：ＳＬＮ結晶は、上記の特許文献１又は以下の特許文献２に記載された完全自動原料供給システム二重ルツボ方式のチョクラルスキー法などを使用して製造される。
次に、ＳＬＮ結晶又はＭｇ：ＳＬＮ結晶からＸカット板又はＺカット板のウェハが切り出され、基板が作成される。
特開２０００−２３３９９７号公報

ＳＬＮ結晶又はＭｇ：ＳＬＮ結晶基板に不純物を拡散させるには、まず、不純物を電子ビーム蒸着やスパッタリング法などにより基板表面に付着させる（すなわち、不純物層を形成する）。付着した不純物（不純物層）の厚みは、不純物を基板表面内に拡散させる不純物の量に依存する。また、チャネル型の光導波路などを形成する場合には、所定のパターンで不純物を付着させるため、フォトリソグラフィー手法、リフトオフ工程などが適用される。

次に、不純物が付着された該基板を、反応装置内にセットし、該基板をドライ雰囲気中で１０００℃以上に加熱しながら、不純物を基板内に拡散させる（すなわち、不純物層中の不純物を基板に拡散させる）。反応装置内へ基板をセットする際には、白金製のボックスや石英ボートなどの支持部材を使用することが可能である。

ドライ状態を形成するには、Ｏ_２，Ｎ_２，Ａｒ，Ｈｅなどを、大気圧で露点温度が０℃以下となるよう調整し反応装置に導入する。これら気体は高純度かつ露点温度が極めて低い状態で高圧ボンベ内に充填された状態での入手が可能であり、配管やレギュレーターに細心の注意を払うことで露点温度を低く保ちながら反応装置内に導入することができる。露点温度、すなわち、導入する気体が保持する水分量は、バブリング時の温度により調整可能である。本発明においては、露点温度は０℃以下の範囲であり、露点温度０℃はバブリングの際に氷を含む水を用い、気体導入配管も同様に冷却を行うことで容易に得られる。露点温度をより高く設定するには、該気体を温水中にてバブリングすればよい。
露点温度が０℃より大きくなると、Ｌｉの外拡散を効果的に抑制できず結晶基板表面の高屈折率化が顕著となる。また、露点温度を−７０℃より低い状態で反応装置内へ導入することは極めて困難であるにもかかわらず、外拡散抑制の効果は−３５℃の場合と比較して差異は見られない。ただし、露点温度の下限値は特に限定されるものではないことは言うまでもない。

基板の加熱温度である拡散温度は、１０００℃以上であればよいが、拡散時間の長期間化を抑制する（ＣＬＮ結晶基板など通常の生産に係る平均拡散時間である２４時間以内に反応完了を目標とする）観点から、１０２５℃〜１１８０℃の範囲とすることが好適である。また、基板の加熱時間は、拡散温度及び形成すべき光導波路の拡散深さ（２μｍ〜１０μｍ程度）に依存し、拡散温度が１０００〜１２００℃の範囲である場合には、４μｍ程度の拡散深さの光導波路の形成に要する時間は、３〜４８時間程度が必要となる。ただし、上述したように光学素子の生産性を考慮し、加熱時間を２４時間以内に設定することが、好ましい。

以上説明したように、本発明の方法によれば、不純物拡散時の雰囲気をドライ状態で行うことによってＬｉ_２Ｏの外拡散による基板表面の屈折率上昇が抑制され得るので、光学素子作製時の屈折率上昇を見込んだ複雑な設計が不要となり、また、従来に比べて高温かつ短時間にて拡散させることができる。
なお、本発明の方法は、不純物の拡散以外に、例えば、研磨および切削等の機械加工、ケミカルエッチング加工、および、ドライエッチング加工により導入される加工歪を除去する際に行う熱処理として適用してもよい。このような熱処理は、デバイス作製時に任意の工程で適用され得る。この場合の熱処理も、１０００℃以上１２００℃以下の温度範囲で、露点温度０℃以下のガスを導入する雰囲気にて行われ得る。これにより、Ｌｉ_２Ｏの外拡散を低減できるので、基板表面の屈折率上昇が抑制され得る。

本発明に係る光学素子の製造方法を用いて、実際に非拡散部の屈折率上昇、不純物の拡散状態を試験・評価した。
（実施例１ａ，１ｂ）
Ｚカット、３インチ・ウェハのＭｇ：ＳＬＮ結晶基板（Ｍｇを１．８ｍｏｌ％含有するＭｇ：ＳＬＮ日立金属社製、同１．０ｍｏｌ％含有するＭｇ：ＳＬＮ多木化学社製）に、幅１ｃｍ×１ｃｍのスラブ拡散領域と幅３．０〜８．５μｍのライン状のパタンを有するフォトレジスト膜を形成し、Ｔｉを電子ビーム蒸着により該スラブ拡散領域と該ライン状の隙間に厚さ７０ｎｍ〜１２０ｎｍのＴｉ膜を付着させた（図１参照）。

次に、フォトレジスト膜を除去し、該結晶基板を石英チューブ反応炉装置に、支持部材として石英ボートを用いてセットし、露点温度−３５℃の高純度酸素及び窒素ガスを混合して合成空気として、反応装置に供給した。該反応装置内部温度を１０８０℃に調整すると共に、拡散時間２３時間維持した。その後、該反応装置内温度が常温に戻るまで自然放置して、実施例１ａ（Ｍｇを１．８ｍｏｌ％含有するＭｇ：ＳＬＮ基板を使用）及び１ｂ（Ｍｇを１．０ｍｏｌ％含有するＭｇ：ＳＬＮ基板を使用）の光学素子を作成した。

（比較例１ａ）
露点温度を５０℃とし、Ｍｇ：ＳＬＮ結晶基板（Ｍｇを１．８ｍｏｌ％含有日立金属社製）を用いた以外は実施例１ａと同様にして、比較例１ａの光学素子を作成した。

（比較例１ｂ）
露点温度を１７℃とし、Ｍｇ：ＳＬＮ結晶基板（Ｍｇを１．８ｍｏｌ％含有日立金属社製）を用いた以外は実施例１ａと同様にして、比較例１ｂの光学素子を作成した。

（実施例２）
３インチのノンドープＳＬＮ結晶基板（ｏｘｉｄｅ社製）を用いた以外は実施例１と同様にして、実施例２の光学素子を作成した。

（比較例２）
露点温度を５０℃、拡散温度を１０６０℃とした以外は実施例２と同様にして、比較例２の光学素子を作成した。

（比較例３ａ、比較例３ｂ）
３インチＣＬＮ結晶基板（ＣＴＩ社製）を用い、露点温度をそれぞれ−３５℃、５０℃とし、拡散温度１０００℃、拡散時間を２０時間とし、その他は実施例１ａと同様にして比較例３ａ、比較例３ｂの光学素子を作成した。

（試験方法１）
作成した試験体（例えば、実施例１ａ乃至比較例３ｂの光学素子）の熱処理前後の非不純物拡散部の表面屈折率をプリズムカップリング法にて測定した結果を表２に示す。測定波長は６３３ｎｍであり、Ｌｉ_２Ｏの外拡散に対して変化が敏感な異常光屈折率（ｎｅ）について測定を行った。

表２結果に示すように、ＳＬＮ基板またはＭｇ：ＳＬＮ基板を用いた場合には、熱処理時の屈折率上昇が、ドライ雰囲気では小さく、ウェット雰囲気では大きいが、ＣＬＮの場合には、熱処理時の屈折率上昇が、ドライ雰囲気では大きく、ウェット雰囲気では小さい。
また、−３５℃以下で、ＳＬＮ結晶（実施例２）、Ｍｇ：ＳＬＮ結晶基板（実施例１ａ及び１ｂ）においては、Ｌｉ_２Ｏの外拡散に起因した基板表面の屈折率上昇が検出限界以下であり、熱処理による屈折率上昇が効果的に抑制されていることが分かる。

（試験方法２）
図２乃至４には、スラブ拡散領域においてプリズムカップリング法により各導波モードの実効屈折率を測定し、その測定値から逆ＷＫＢ法を用いて求めた屈折率分布を示す。また、基板表面の屈折率変化Δｎｅが１／ｅとなった場所を不純物拡散深さｄｅとし表３に示す。なお、図２は実施例１ａ、図３は実施例１ｂ、さらに図４は実施例２を各々示し、各図の縦軸は屈折率を表す。

作成した光学素子はすべて光導波路として機能するに十分な屈折率変化量ならびに拡散深さを有している。よって、本発明によって不純物の拡散が抑制されることはなく、また、本作製条件は十分に実用的な条件であることがわかる。

（比較例４並びに試験方法３）
図５乃至８には、本発明による上記実施例１ａ（図５），１ｂ（図６），及び２（図７）と、本発明を用いずＳＬＮ結晶に不純物Ｔｉを拡散した場合を比較例４（拡散温度９９０℃，拡散時間３０Ｈ，露点温度５０℃）（図８）とし、チャネル型導波路表面の顕微鏡写真を示した。
これより、本発明を用いた場合の方が明らかに表面の凹凸が抑制されており、高品位な導波路が形成されることが分かる。

（試験方法４）
実施例１aにより得られたチャネル型導波路を、通信波長帯（１．５５，１．３１μｍ）にて以下の項目につき評価を実施した。評価項目はニアフィールドパタン（ＮＦＰ）観察による導波モードの確認、挿入損失測定、ならびにカットバック法による伝搬損失である。

（１）波長１．５５μｍ，ＴＭモードでの評価
Ｔｉ厚を７０ｎｍとした場合には、光導波路（ＷＧ）幅５．０〜８．０μｍとすることでシングルモード条件が得られた。Ｔｉ厚を１００ｎｍとした場合には、ＷＧ幅３．５〜７．５μｍとすることで同様にシングルモード条件が得られた。また，挿入損失は，最小値１．７ｄＢ（Ｔｉ厚１００ｎｍ，ＷＧ幅４．０μｍ，Ｌ＝２３ｍｍ）であり，伝搬損失０．２ｄＢ／ｃｍ以下の導波路が再現性良く得られた。

（２）波長１．３１μｍ，ＴＭモードでの評価
Ｔｉ厚を７０ｎｍとした場合には、ＷＧ幅４．０〜７．０μｍとすることでシングルモード条件が得られた。Ｔｉ厚を１００ｎｍとした場合には、ＷＧ幅３．５〜５．５μｍとすることで同様にシングルモード条件が得られた。また、挿入損失は，最小値１．９ｄＢ（Ｔｉ厚７０ｎｍ，ＷＧ幅４．０μｍ）であり，伝搬損失０．２ｄＢ／ｃｍ以下の導波路が再現性良く得られた。

以上のように、本発明により通信波長帯において、実用的な光学素子を作製可能とした。今回得られた伝搬損失の値は、これまでに報告されているＳＬＮ結晶、Ｍｇ：ＳＬＮ結晶を用いたものの中で、最小値を示している。

実施例１aにより得られたチャネル型導波路をさらに詳細に検討したところ、図９に示すようにＴＭ，ＴＥのモード径（スポット径）がこれまでに知られているＴｉ拡散導波路と比較して極めて大きく異なることが示された。ただし、図９においては、Ｔｉ厚を１００ｎｍ、ＷＧ幅を７μｍとし、入射光波の波長λを１．５５μｍとして、ＮＦＰ観察している。
この導波路に光ファイバあるいはレンズなどの光入出力手段を光学的に結合した光学素子は、ＴＥ，ＴＭモードそれぞれの結合効率が大きく異なるため、偏波消光作用をもつ光導波路として機能し、例えば、偏光子を不要とするなどのより付加価値の高い光学素子が作製可能となる。

（実施例５）
本発明を用いて、光学素子として光強度変調器を作製した。該光変調器は、マッハツェンダー型の光導波路干渉計、誘電体薄膜からなるバッファー層、ならびに、コプレーナ型の変調用電極を有する。Ｍｇ：ＳＬＮ変調器のデバイス特性を，同デザインのＣＬＮ変調器とともに表４に示す。Ｍｇ：ＳＬＮ変調器の挿入損失は５．０ｄＢ以下，Ｏｎ／Ｏｆｆ消光比は２５ｄＢ以上であり、また半波長電圧はＣＬＮ変調器と比較して約２割小さい。なお、表４のモード径はＮＦＰ観察の際に赤外ＣＣＤにより得られた光強度分布において、光強度が最大値の１／ｅ^２となる範囲として定め、Ｘ，Ｙとはそれぞれ横方向成分、縦方向成分を表す。

Ｍｇ：ＳＬＮ変調器の偏波消光比は１９ｄＢ以上であった。（ＣＬＮの偏波消光比は−１．０ｄＢ）。
ＬＮを用いた変調器は入射光の偏光方向に依存して変調器特性が大きく異なるため、従来は何らかの偏光作用を持たせることが要求される。一般に、光導波路デバイスに偏光作用を持たせるためには、偏光子を張り付け固定するなどの別個の工程が必要となる。さらにこの場合、偏光子を光導波路の光軸に正確に一致させて設置するには相当程度の困難を伴うが、本発明によりこれら工程を廃止することができ、モジュールのコスト低減や使い勝手の向上が図れる。

また、図１０にはＭｇ：ＳＬＮ変調器の１０ＧｂｐｓにおけるＥｙｅパターンを、図１１には周波数応答特性を示す。アイの開口は良好であり、光３ｄＢ帯域は３０ＧＨｚ以上と良好な高周波特性を確認した。

以上説明したように、本発明によれば、定比組成ニオブ酸リチウム結晶又は該結晶にＭｇをドープした結晶基板において、Ｔｉなどの不純物を熱拡散する際の拡散温度の高温化及び拡散時間の長時間化の問題を抑制し、生産性並びに光学特性の優れた高品位な光学素子及びその製造方法を提供することが可能となる。

本発明の光学素子に係る試験に使用したウェハ上のパターンを示す。本発明の光学素子（実施例１ａ）に係る屈折率分布を示す。本発明の光学素子（実施例１ｂ）に係る屈折率分布を示す。本発明の光学素子（実施例２）に係る屈折率分布を示す。実施例１ａのチャネル型導波路表面の顕微鏡写真を示す。実施例１ｂのチャネル型導波路表面の顕微鏡写真を示す。実施例２のチャネル型導波路表面の顕微鏡写真を示す。比較例４のチャネル型導波路表面の顕微鏡写真を示す。本発明の光学素子に係るＴＭ，ＴＥのモード径の状態を示す。本発明の光学素子に係るＥｙｅパターンを示す。本発明の光学素子に係る周波数応答特性を示す。

Claims

実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板上に不純物層を形成する工程と、前記不純物層中の不純物を、前記実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板の少なくとも一部に拡散させる拡散工程とを含む光学素子の製造方法において、
前記実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板は、基板内に予めＭｇを０．５〜５ｍｏｌ％含むものであって、
該拡散工程は、１０００℃以上１２００℃以下の拡散温度で、露点温度０℃以下のガスを導入する雰囲気中、３時間以上２４時間以下の拡散時間で熱処理することを特徴とする光学素子の製造方法。
請求項１に記載の光学素子の製造方法において、前記不純物層は、Ｔｉ，Ｚｎ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｕ，およびＦｅからなる群から、少なくとも１つ選択されるものであることを特徴とする光学素子の製造方法。
実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板と、前記実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板上に形成された光導波路とを含む光学素子において、
前記実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板は、基板内に予めＭｇを０．５〜５ｍｏｌ％含むものであって、
前記光導波路は実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板上に不純物層を形成する工程と、前記不純物層中の不純物を前記実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板の少なくとも一部に拡散させる拡散工程により形成され、該拡散工程が、１０００℃以上１２００℃以下の拡散温度で、露点温度０℃以下のガスを導入する雰囲気中、３時間以上２４時間以下の拡散時間で熱処理することを特徴とする光学素子。
請求項３に記載の光学素子において、前記不純物層は、Ｔｉ，Ｚｎ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｕ，およびＦｅからなる群から、少なくとも１つ選択されるものであることを特徴とする光学素子。
請求項４に記載の光学素子において、前記不純物層は、Ｔｉを有することを特徴とする光学素子。
請求項５に記載の光学素子において、異常光成分の偏波を変調することを特徴とする光学素子。
実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板において、前記実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶基板は、基板内に予めＭｇを０．５〜５ｍｏｌ％含むものであって、加工歪を除去あるいは減少させるために、１０００℃以上１２００℃以下の熱処理温度で、露点温度０℃以下のガスを導入する雰囲気中での熱処理工程を含むことを特徴とする光学素子の製造方法。