JP7069966B2 - 光制御素子 - Google Patents

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Description

本発明は、光制御素子に関し、特に、ニオブ酸リチウム基板上に形成された、チタン拡散による光導波路と、該光導波路の近傍に設けられる制御用電極とを備えた光制御素子に関する。
光通信分野や光計測分野において、ニオブ酸リチウム基板（ＬＮ基板）にチタン拡散により光導波路を形成した光変調器（ＬＮ光変調器）などの光制御素子が多用されている。ＬＮ基板に形成するチタン膜のパターン幅は、光の閉じ込め効率を考慮し、従来は６μｍを超える幅が採用されている。
これは、チタン拡散により形成される光導波路は、チタン膜のパターン幅が狭くなると、チタン拡散する箇所の屈折率上昇が低いため、光の閉じ込めが弱く、製造プロセスの変動の影響を受けてモードフィールド径（ＭＦＤ）が広がり易くなる。このため、６μｍを超えるチタン膜のパターン幅が多く採用されている。
近年では、1つの光制御素子内に複数の光変調回路を組み込む高集積化が行われ、光損失を低減することが必要となっている。特許文献１では、光導波路と制御用電極との交差部分において、制御用電極による信号光の吸収を抑制するため、制御用電極の幅を狭窄化させることが提案されている。
また、ＬＮ光変調器を高集積化した場合には、光導波路の入射部、出射部、及び制御用電極との作用部では、高次モード光との干渉を避けるため、６μｍ以下のチタン膜のパターン幅が採用されている。したがって、光制御素子の光損失等の改善を図るためにも、ＭＦＤをより精確にコントロールできることが重要となっている。
他方、ＬＮ光変調器の製造において、同一の製造条件であっても、ＭＦＤがばらつき、光損失が増加するという問題が発生している。ＭＦＤに影響を与える製造プロセスのパラメータ（チタンの幅、膜厚、拡散温度、拡散時間、拡散雰囲気）について調査したところ、拡散雰囲気の１つである電気炉内の水分量に大きく依存していることが判明した。
なお、チタン拡散時に、基板内のＬｉが基板外に拡散することを抑制するため、プロセスガスを加湿して電気炉内に供給することは一般的に知られており、電気炉内の水分量が光導波路の伝搬損失に影響を及ぼすという報告（非特許文献１）もある。
しかし、従来は光の閉じ込めの強い６μｍを超えるチタン膜のパターン幅が採用されていたため、電気炉内の水分量がＭＦＤに影響を及ぼすことは一般的には知られていなかった。本発明において、チタン膜のパターン幅を６μｍ以下とした場合には、製品のＭＦＤが大きくバラツキ、光損失が特に顕著になることが分かった。
特許第６１０７８６８号公報
T.Nozawa,K.Noguchi,H.Miyazawa and K.Kawano:"Water vapor effects on optical characteristics in Ti:LiNbO3 channel waveguides.",Applied Optics, vol.30,No9,pp1085-1089
本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、ＭＦＤのバラツキを抑制し、光損失の少ない光制御素子を提供することである。
上記課題を解決するため、本発明の光制御素子は、以下の技術的特徴を有する。
（１） ニオブ酸リチウム基板上に形成された、チタン拡散による光導波路と、該光導波路の近傍に設けられる制御用電極とを備えた光制御素子において、該光導波路のチタン膜のパターン幅が６μｍ以下であり、該ニオブ酸リチウム基板中の水酸基吸収係数が０．５～２．５ｃｍ－１の範囲内に設定されていることを特徴とする。
以下の記載においては、「水酸基吸収量」と表示する場合があるが、これは「水酸基吸収係数」を意味している。
（２） 上記（１）記載の光制御素子において、該水酸基吸収係数が１．０～２．５ｃｍ －１ の範囲内に設定されていることを特徴とする。
（３） 上記（１）又は（２）に記載の光制御素子において、該ニオブ酸リチウム基板の厚みが、２０μｍ以下であることを特徴とする。
本発明は、ニオブ酸リチウム基板上に形成された、チタン拡散による光導波路と、該光導波路の近傍に設けられる制御用電極とを備えた光制御素子において、該ニオブ酸リチウム基板中の水酸基吸収量が０．５～２．５ｃｍ－１の範囲内に設定されているため、光導波路におけるＭＦＤのバラツキが小さく、光損失が抑制された光制御素子を提供することが可能となる。
チタン膜のパターン幅に対するＭＦＤの変動を示すグラフである。 顕微ＦＴ－ＩＲで計測した結果を示すグラフである。
以下、本発明の光制御素子について、好適例を用いて詳細に説明する。
本発明の光制御素子は、ニオブ酸リチウム基板上に形成された、チタン拡散による光導波路と、該光導波路の近傍に設けられる制御用電極とを備えた光制御素子において、該ニオブ酸リチウム基板中の水酸基吸収量が０．５～２．５ｃｍ－１の範囲内に設定されていることを特徴とする。
特に、該光導波路における、入射部、出射部又は制御用電極との作用部の内、少なくともいずれかにおけるチタン膜のパターン幅が６μｍ以下である場合や、該ニオブ酸リチウム基板の厚みが、２０μｍ以下である場合には、本発明は特に顕著な効果を発揮する。
本発明の光制御素子の製造プロセスの条件を確認するため、以下の実験を行った。
ＬＮ基板として、市販の直径4インチ、厚さ０．５ｍｍのニオブ酸リチウムウェハ（Ｘ板、オプトグレード、）を用いた。
ＬＮ基板上に形成するチタン膜のパターン幅を３．５μｍ，４．０μｍ，４．５μｍ,５．０μｍ，５．５μｍ，６．０μｍ，７．０μｍ，及び８．０μｍとし、Ｔｉ膜の高さを１０００Åに設定した。
ＬＮ基板上でチタンを熱拡散させるため、電気炉内の温度を１０００℃に設定し、拡散時間として１５時間を設けた。
電気炉内の露点温度は、１０℃，３０℃及び５０℃に設定した。
ＬＮ基板に光導波路を形成した後、ＬＮ基板を２０μｍの厚さになるまで研磨して薄板化した。
チタン膜の各幅に対するＭＦＤの変動値を図１に示す。
チタン膜のパターン幅は、オリンパス（株）社製の光学顕微鏡(ＭＸ５０)に（株）フローベル社製の自動線幅測定システム（ＴＡＲＣＹ ＬＳ２００）を取り付け、熱拡散前のＬＮ基板のチタン膜のパターン幅を測定した。熱拡散後のパターン幅も本システムで測定可能であり、熱拡散前後でパターン幅に大きな差異は生じなかった。ＭＦＤは、シナジーオプトシステムズ社製の高機能型ニアフィールドパターン(ＮＦＰ)計測光学系（Ｍ－Ｓｃｏｐｅ ｔｙｐｅ Ｓ）を用いて、波長１５５０ｎｍで測定した。
各チタン幅に対するＭＦＤの変動値を図１のグラフに示す。図１を参照すると、露点温度により、ＭＦＤの変動値が大きく変化することが容易に理解される。露点温度１０℃及び３０℃の場合は、比較的近しい値を示すが、露点温度５０℃は、露点温度３０℃などからは大きく外れる傾向にあることが分かる。
また、チタン幅が６μｍ以下の場合は、ＭＦＤの変動値が大きくなり、特に、チタン幅６μｍ以下で、露点温度５０℃の場合は、ＭＦＤの変動値が大きくなり過ぎる傾向にある。このことから、プロセスガスに含まれる水分量が多い（露点温度５０℃以上）の場合は、幅（チタン膜のパターン幅）が６μｍ以下の光導波路においては、チタン濃度分布の横方向の広がりが促進され、ＭＦＤの広がりに繋がることが判明した。
なお、別の実験において、プロセスガスに殆ど水分が含まれない（露点温度－２０℃以下）の場合には、チタン膜を熱拡散すると、パターン剥離や表面荒れが発生し、光導波路として十分に機能しないことが確認されている。
このため、チタン膜のパターン幅が６μｍ以下の光導波路の場合は、プロセスガスに含まれる水蒸気量を露点温度０℃以上５０℃未満とすることが、ＭＦＤの安定化を図る上で有効である。特に、１０℃前後、例えば、０℃～２０℃の範囲に設定することが好ましい。
次に、各露点温度で処理した場合のＬＮ基板中の水酸基吸収量を測定した。
上記実験で使用した試料の中から、電気炉内の露点温度を１０℃，３０℃及び５０℃に設定した場合の３つのサンプルと、別途、露点温度－２０℃以下で処理したサンプルについて、水酸基吸収量を測定した。
水酸基吸収量の測定は、顕微ＦＴ－ＩＲ（Ｂｒｕｋｅｒ社製 Ｈｙｐｅｒｉｏｎ－３０００／Ｔｅｎｓｏｒ２７）を用いて透過法で行った。測定条件は試料を大気中に配置し、偏光子を用いて、結晶軸(ｃ軸)に対して垂直方向の偏光測定で行った。図２は、水酸基吸収量を示す分光スペクトルである。
図２を参照すると、露点温度が－２０℃から５０℃へと上昇するに従い、ＬＮ基板の水酸基吸収量が０ｃｍ－１から３ｃｍ－１の範囲で変化することが容易に理解される。上述のように、露点温度は０℃以上５０℃未満であることが好ましいことから、チタン拡散後のＬＮ基板の水酸基吸収量は、０．５～２．５ｃｍ－１であることが好ましいことが容易に理解される。
なお、ＬＮ基板の厚さについては、基板の厚さを２０μｍ以下にした場合には、シングルモードになるチタン膜のパターン幅は６μｍ以下となることから、２０μｍ以下の厚みを有するＬＮ基板には、本発明を適用することより好ましい。
以上説明したように、本発明によれば、ＭＦＤのバラツキを抑制し、光損失の少ない光制御素子を提供することができる。

Claims (3)

  1. ニオブ酸リチウム基板上に形成された、チタン拡散による光導波路と、該光導波路の近傍に設けられる制御用電極とを備えた光制御素子において、
    該光導波路のチタン膜のパターン幅が６μｍ以下であり、
    該ニオブ酸リチウム基板中の水酸基吸収係数が０．５～２．５ｃｍ－１の範囲内に設定されていることを特徴とする光制御素子。
  2. 請求項１に記載の光制御素子において、該水酸基吸収係数が１．０～２．５ｃｍ－１の範囲内に設定されていることを特徴とする光制御素子。
  3. 請求項１又は２に記載の光制御素子において、該ニオブ酸リチウム基板の厚みが、２０μｍ以下であることを特徴とする光制御素子。
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