JPH01201609A

JPH01201609A - 光デバイス

Info

Publication number: JPH01201609A
Application number: JP2561788A
Authority: JP
Inventors: Osamu Mitomi; 修三冨; Toshinori Nozawa; 野沢　敏矩; Kenji Kono; 健治河野; Hiroshi Miyazawa; 弘宮沢
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-02-08
Filing date: 1988-02-08
Publication date: 1989-08-14

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、特に駆動電圧が低く、しかも動作速度が速い
光変調器や光スィッチ等の光デバイスに関するものであ
る。

〔従来の技術〕

高速・大容量の光フアイバ通信システムにおいては、高
速で動作し駆動電圧が低い高性能な外部光変調器や光ス
ィッチなどの光デバイスが有用である。従来の外部光変
調器としては、例えば光位相変調器があるが、その基本
構成を第９図に示す。

第９図は変調電極１および２を進行波電極として構成し
た場合を示し、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３
、以下ＬＮと記す）等の電気光学効果をもつ基板３の一
方の主面側に、光導波路４を形成している。上記光導波
路４は、例えばチタン（Ｔｉ）熱拡散法やプロトン交換
法などにより形成する。５は変調電極１および２による
光導波路４の光伝搬損失を低減させるために、上記基板
３の一方の主面上に配置したバッファ層であり、二酸化
シリコン（ＳｉＯ２）やアルミナ（Ｕ２０Ｘ）などによ
り構成されている。上記光位相変調器に強度が一定であ
る光６を光導波路４に入射させ、信号源７から電極１と
２との間に信号を入力すると、上記信号に応じて位相変
調された光８が光導波路４の出射端より出射する。９は
電極１および２の間に接続した終端抵抗である。

上記光変調器の場合は、電極１および２が進行波電極と
して構成されているので、理想的には電気回路的な帯域
幅の制限がない。また、上記電極１と２との間を伝搬す
る信号波と光の伝搬速度が一致する限りは、入射光６が
光導波路４を走行する時間の影響にもとづく帯域幅の制
限もないので。

一般に、高速動作用の光変調器に使用される。しかし、
実際には信号波と光との間に速度差があり、上記速度差
により電極長Ｑの大きさに応じ帯域幅が制限される。す
なわち、電極長Ｑが短いほど帯域幅および駆動電圧は大
きくなる。

光導波路４を伝搬する光の電界強度分布を第１０図に示
す。同図では基板表面の光導波路と直角の方向の位置Ｘ
を横軸にとっており７、ｘ　＝　Ｏは光導波路４の中心
を表わしている。光の強度分布がガウス分布で近似でき
るとき、光強度がピーク値の１　／　ｅになる直径２ｗ
は光のスポットサイズを表わす。

光変調器の駆動電圧としては、例えば位相変調器の場合
に、光の位相をπだけ変えるのに必要な電圧をＶπとす
ると、駆動電圧に関する光変調器の性能指数は、上記■
πと変調電極の長さＱとの積■π・Ｑの大きさで表わさ
れる。このことにより従来の光変調器では、高速動作用
になるほど帯。

域幅の制限から電極長Ｑを短くする必要があり、それに
応じて駆動電圧Ｖπが大きくなる。また、光変調器を小
形に構成するためにＱを短くすると、同様に駆動電圧Ｖ
πが大きくなる。

上記性能指数Ｖπ・Ｑは、光導波路内の光の電界強度分
布と変調信号の電界強度分布との重なり積分量に比例し
、光導波路の構造や形成法、あるいは変調電極の構造な
どによって決まる定数である。したがって、光導波路を
伝搬する光のスポットサイズ２ｗを小さくして、変調信
号の電界強度が大きい位置に光導波路を配置させること
により、一般にＶπ・Ｑの値が小さくなるという関係が
ある。上記のことから、高性能な光変調器を実現するた
めには、光のスポットサイズを小さくした光導波路を形
成する必要がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、従来のＴｉ熱拡散で形成した光導波路の
場合は、スポットサイズを小さくするために熱拡散前の
Ｔｉパタン膜厚やｄを大きくすると、光導波路の伝搬損
失が大きくなる欠点が生じるため、スポットサイズ２ｗ
は実用上約８溝が選ばれ、この時、Ｖπ・Ｑは１０ｖ−
ｃＩｍ程度が実現できる性能の上限になる。

光導波路をプロトン交換法で形成した場合は、Ｔｉ拡散
導波路と比較してＬＮ基板に対する光導波路部の屈折率
差を大きくできるので、スポットサイズが小さい光導波
路を実現することができる。

しかし、プロトン交換導波路の電気光学定数は、ＬＮ単
体の電気光学定数より著しく小さくなるために、Ｖπ・
Ｑ値が小さくならないという欠点がある。

本発明は、上記の課題を解決し、駆動電圧が小さく、し
かも高速動作が可能であり、小形にできる光デバイスを
得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕上記目的は、基板表面に形成されたリッジ形導波路の周
辺部基板表面から拡散物質を拡散し、上記光導波路底部
の基板中の屈折率を、光導波路コア部の屈折率より小さ
くすることによって達成される。

〔作用〕

本発明は上記のように、基板の一方の表面付近にリッジ
形の光導波路を有する光デバイスにおいて、上記光導波
路以外の基板表面から不純物を拡散し、上記光導波路の
中心部付近よりも光導波路コア部の屈折率を小さくする
ことにより、光の閉じ込めを強くしたリッジ形導波路を
用いている。

そのため、上記光導波路の光スポットサイズを従来技術
による光デバイスよりも小さくし、性能指数■π・Ｑを
小さくできるので、駆動電圧を低減することが可能であ
り、また、上記駆動電圧を従来と同程度にすると、小形
化ができ、高速動作化を可能にすることができる。

〔実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。

第１図は本発明による光デバイスの第１実施例を示す図
で、（ａ）は中央部断面図、（ｂ）は上面図、第２図（
ａ）〜（ｃ）は上記実施例における光導波路の製造工程
をそれぞれ示す図、第３図は本発明の詳細な説明する図
、第４図は本発明の第２実施例を示し、（ａ）は中央部
断面図、（ｂ）は上面図、第５図は本発明の第３実施例
を示し、（ａ）は中央断面図、（ｂ）は上面図、第６図
は本発明の第４実施例におけるリッジ形光導波路の断面
図、第７図は本発明の第５実施例におけるリッジ形光導
波路の断面図、第８図は本発明の光変調器の一実施例を
示す斜視図である。

第１図において、１０は電気光学効果を有する基板であ
り、１１は上記基板ｌＯの表面部に形成されたリッジ形
光導波路のコア部、１２は基板１０の表面付近に不純物
の熱拡散などにより形成した不純物拡散層であり、コア
部１１よりも屈折率の大きさが小さくなっている。１３
はＳｉｎ、やＭ２Ｏ３で構成されるバッファ層であり、
１４は非対称コプレーナストリップ線路である。上記実
施例では、従来のＴｉ熱拡散光導波路と比較して、リッ
ジ形光導波路の光スポットサイズを小さくすることが・
できる。つぎに、本実施例による光導波路の製造方法と
その原理を説明する。

第２図（ａ）に示すように、ＬＮ基板１０上に通常のホ
トリソグラフィ技術により導波路形状のマスクバタン１
５を形成する。すなわち、ＬＮ基板１０上にホトレジス
トを一様に塗布し、形成する光導波路の形状と同形のホ
トマスクを通して、ホトレジストを露光現像することに
より、幅Ｗ　（＝Ｏ，Ｓ〜３−程度）のホトレジストに
よるマスクパタン１５を形成する。つぎに第２図（ｂ）
に示すように、イオンビームエツチング法などの方法に
より光導波路コア部のＬＮ基板１０の表面をエツチング
し、高さＨ（＝０．５〜５ρ程度）のリッジ部１１を形
成したのち、厚さＴ　（＝０．０１〜０．５Ｊｊｆｎ程
度）の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の拡散物質１６を、
ＬＮ基板１０の全表面に蒸着法あるいはスパッタリング
法などの方法により付着させる。さらに、レジスト溶剤
によりリッジ部１１上のレジスト１５および拡散物質Ｉ
６を除去し、上記リッジ部１１以外の基板１０の表面上
だけに拡散物質１６を残留させる。その後、上記基板を
温度８００〜１０００℃程度の雰囲気中に約数分から１
０時間程度放置することにより、拡散物質１６をＬＮ基
板１０中に熱拡散させ、第２図（ｃ）に示すように基板
１０中に低屈折率の不純物拡散層１２を形成する。この
場合、上記リッジ部１１が光導波路のコア部になる。つ
いで、第１図に示すバッファ層１３および電極１４は、
従来の光変調器の場合と同様の方法で形成することがで
きる。この場合、拡散物質１６として例えばＭｇＯを用
い、その拡散前の厚さＴと拡散の温度・時間を適切に選
ぶことにより、上記不純物拡散層１２の屈折率をコア部
１１の屈折率に対して１０％程度まで小さ（形成できる
。

また、第２図（ａ）、（ｂ）中に示すホトレジスト１５
の代りに、ＴｉやＴａなどの金属材やその他のマスク材
を用いてもよい。

つぎに、リッジ形導波路のコア部１１における。

光スポットサイズ２ｗと光導波路構造との関係について
説明する。第３図はＬＮ基板１ｏ上に、高さ・幅ともに
Ｗの大きさのリッジ形光導波路を形成し、コア部１１の
屈折率がｎ　１＝　２．１４、不純物拡散層１２の屈折
率がｎ２であり、クラッド層をＳｉｏ。

で構成してその屈折率をｎ、＝１．４４としたとき、光
導波路形状と光スポツト径２ｗとの関係をＭａｒｃａｔ
ｉｌｉの方法（参考：　Ｅ、　Ａ、　Ｊ、　Ｍａｒｃａ
ｔｉｌｉ＋ベル・システム・テクニカル・ジャーナル（
Ｂｅｌｌ５ｙｓｔ、　　Ｔｅｃｈ、　　Ｊ）　　ｖｏｌ
、４８．　　ｎｏ、９．　　ｐ２０７１〜２１０２゜１
９６９）で解析した一例である。この場合、光の波長は
１．５５ｕＴｎとしている。第３図から明らかなように
、不純物拡散層の屈折率ｎ２を一定にしたとき光スポッ
トサイズＷを最小にする光導波路寸法の大きさがあり、
ｎ２が小さくなる程（Δｎ　ｚ　＝　（ｎ　１−ｎ２）
／ｎ□が大きくなる程）、光スポットサイズの最小値が
小さくなる関係がある。例えばΔｎ２＝５％のとき光ス
ポットサイズ２Ｗは、Ｗ　（＝Ｈ）を０．８虜程度にす
ると１−程度の大きさになる。

上記第１実施例に上記の光導波路を適用すると、Ｖ７Ｃ
・Ｑの大きさは２〜３■・ａｍになり従来の約１／４に
なる。したがって、光変調器の電極長Ｑを従来と同じに
すると駆動電圧は従来の１／４の大きさになり、また、
駆動電圧を如来と同程度にすると、Ｑを従来の１／４に
できるので動作帯域は４倍程度になり、駆動電圧の低減
と高速化とが可能になる。

上記第１実施例では基板として２軸（Ｃ軸）−ｃｕｔの
ＬＮ基板１０を用いたが、第４図（ａ）および（ｂ）に
示す本発明の第２実施例は、Ｘ軸もしくはｙ軸−ｃｕｔ
のＬＮ基板１７を用いた光位相変調器の例を示し、電極
として対称コプレーナストリップ線路１８を使用した場
合を示し、（ａ）は中央部の断面図、（ｂ）は上面図で
ある。この場合、変調効率を最良にするために、光導波
路１１は電極１８の中間にあり、いずれの電極１８にも
接していないので、第１図に示したようなバッファ層１
３は不要になる。

第５図（ａ）および（ｂ）に示す本発明の第３実施例は
、マツハツエンダ形光強度変調器に適用した場合の一実
施例であり、（ａ）は中央部断面図、（ｂ）は上面図を
示している。本実施例の場合は、光導波路１９がマツハ
ツエンダ形光干渉計を構成しており、光強度が一定であ
る入射光２０は、コプレーナ線路で構成された電極２１
に入力した変調信号に応じて強度変調され、出射光２２
が出力される。本実施例の場合も、従来のＴｉ熱拡散光
導波路を用いた光変調器と比較して、Ｖπ・Ｑの性能指
数が同様に小さくなり、低駆動電圧で高速の光強度変調
器が実現される。

第６図に示す本発明の第４実施例は、光位相変調器に使
用するリッジ形光導波路の断面図を示す。

本実施例の光導波路コア部２３は、ＬＮ中にチタンやプ
ロトンなどの不純物が熱拡散法やイオン打込み法などに
よって注入されており、上記各実施例に示すＬＮ単体の
場合よりも屈折率を大きくしている。このため、本実施
例のりッジ形光導波路のスポットサイズは、第３図の関
係から明らかなように、上記各実施例よりさらに小さく
できるので、低駆動電圧化および高速動作化をより効果
的に実現することができる。上記第４実施例の光導波路
を製造する方法を説明する。前記第２図（ａ）に示すマ
スクパタン１５を形成する直前に、ＬＮ基板１０の表面
上にＴｉ膜を蒸着などによって形成し、さらに上記Ｔｉ
膜をＬＮ基板１０中に熱拡散させる工程を加えればよい
。本実施例の場合、前記第１実施例と比較してＴｉが注
入されたＬＮ基板はイオンエツチング速度が速くなるの
で、第２図（ｂ）に示したイオンエツチング工程が容易
になる。プロトンをコア部１１に注入するには、第２図
（ｃ）に示す工程を終了したのち、コア部１１以外のＬ
Ｎ基板表面上に、Ｃｒ、Ｓｕｎ、、Ａｕ、Ｔａなどの材
料でマスクを形成し、安息香酸中で熱処理後に上記マス
ク材料を除去すればよい。

第７図に示す本発明の第５実施例は、上記第４実施例と
同様に光位相変調器のリッジ形光導波路の中央部断面図
で、上記光導波路の周辺部２４は、コア部１１の中心部
よりも屈折率が小さくなるように、例えば酸化マグネシ
ウムなどの不純物が注入されている。このため、上記第
１〜第３実施例と比較して光導波路の光スポットサイズ
をさらに小さくすることが可能であり、低駆動電圧化お
よび高速化が可能になる。また、上記光導波路の周辺部
２４において、イオンビームエツチングなどの加工だれ
やきすが存在していても１本実施例では伝搬する光エネ
ルギーの多くがコア部１１の中心部に集中するため、光
導波路の放射損失による伝搬損失が比較的小さくなり、
低損失化の効果がある。

第７図に示す本実施例の光導波路を製造するには、例え
ば第１実施例における第２図（ｂ）に示すＭｇＯ膜１６
をＬＮ基板１０上に被着したのち、マスクパタン１５を
除去し、さらに、ＭｇＯ膜を蒸着などの方法でＬＮ基板
１０の全表面に適当な厚さだけ被着する。その後、上記
ＭｇＯ膜を熱拡散法により、ＬＮ基板中に注入すればよ
い。

第８図に示す本発明の第６実施例は、光位相変調器にお
ける光導波路の両端部を、半導体レーザと光ファイバと
に結合させる場合の一構成例を示す。第８図において、
２５は半導体レーザ、２６は該半導体レーザの活性領域
、２７は単一モード光ファイバ、２８は該光ファイバの
コア部である。上記光位相変調器において、２９は半導
体レーザ２５の活性領域２６から出射される光ビームの
スポットサイズと、はぼ同じ大きさの光スポットサイズ
を実現するリッジ形光導波路、３０は光スポットサイズ
の変換損失等を減少させるように、光スポットサイズを
徐々に変化させるためのテーパ状リッジ形光導波路、３
１は光フアイバコア部２８のスポットサイズとほぼ同じ
大きさの光スポットサイズを実現する光導波路であり、
チタンやプロトンなどの不純物拡散によって形成される
。通常は、半導体レーザ２５の出射光スポットサイズ２
Ｗが１〜２−程度であり、単一モード光ファイバ２７の
光スポットサイズは１０％程度になっている。一方、本
発明においては、変調電極１８と結合する部分のリッジ
形光導波路１１の光スポットサイズが〜０．５〜４−程
度になる。本発明による光位相変調器が半導体レーザや
光ファイバと直接光結合（ｂｕｔｔｉｎｇ結合）をとる
場合は、低損失な光結合を実現するために、光位相変調
器の光導波路端面部分のスポットサイズを、それぞれ半
導体レーザや光ファイバのスポットサイズとできる限り
同じ大きさにすることが望ましい。本実施例においては
、例えば半導体レーザ２５と結合させる光導波路２９お
よびテーパ状の光導波路３０は、第３図から明らかなよ
うに、光導波路の寸法Ｗ、Ｈならびに不純物拡散層１２
の屈折率ｎ２の大きさを適切に設定すれば、必要な光ス
ポットサイズの大きさを実現できる。したがって、低損
失な光位相変調器を実現することが可能である。また、
本実施例において、テーパ状の光導波路３０を削除し、
他の光デバイスと光結合をとる光導波路２９あるいは３
１のスポットサイズを、それぞれ、他の光デバイス２５
あるいは２７のスポットサイズと光導波路１１のスポッ
トサイズとの中間の大きさにしても、低損失な光デバイ
スを実現できることは自明である。

本発明は上記各実施例で説明した以外に、例えば、変調
電極としてコプレーナ線路やコプレーナストリップ線路
、スロット線路あるいはマイクロストリップ線路などの
各種マイクロ波平面回路を用いても、同様の効果を得る
ことができる。また、変調電極としては上記の進行波形
電極以外に、集中定数形変調電極を用いてもよい。さら
に、不純物延数層の製造法として、実施例では主に熱拡
散法について説明したが、例えばイオン打込み法やイオ
ン交換法などにより、同様の不純物拡散層を形成しても
よい。電気光学効果を有する基板としてＬ　ｉ　Ｎ　ｂ
　Ｏ、を用いた場合について説明したが、例えばＬｉＴ
ａ０．等の電気光学結晶を用いても同様の効果を得るこ
とができる。また、光位相変調器やマツハツエンダ形光
強度変調器だけでなく、方向性結合器形光強度変調器や
光周波数変調器、光スィッチなどの電気光学効果を利用
した光デバイス、あるいは光導波路の光とじ込め効果を
強め効率的に第２高調波などを発生させる非線形光学効
果を利用する各種光デバイスに、本発明を適用すること
により同様の効果が得られるのは自明である。

〔発明の効果〕

上記のように本発明による光デバイスは、基板の一方の
表面付近に、少なくともリッジ形の光導波路を有する光
デバイスにおいて、基板表面近傍の屈折率を、上記光導
波路中心部付近の屈折率よりも低下させる不純物を、上
記光導波路以外の基板表面から拡散させたことにより、
光のとじ込めを強くしたりッジ形光導波路を構成してい
る。このため、上記光導波路の光スポットサイズを小さ
くでき、性能指数Ｖπ・Ｑを小さくすることができるの
で、駆動電圧を低減し、また、駆動電圧を大きくするこ
となく、高速でかつ広帯域の光デバイスを実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光デバイスの第１実施例を示す図
で、（ａ）は中央部断面図、（ｂ）は上面図、第２図（
ａ）〜（ｃ）は上記実施例における光導波路の製造工程
をそれぞれ示す図、第３図は本発明の詳細な説明する図
、第４図は本発明の第２実施例を示し、（ａ）は中央部
断面図、（ｂ）は上面図、第５図は本発明の第３実施例
を示し、（ａ）は中央断面図、（ｂ）は上面図、第６図
は本発明の第４実施例におけるリッジ形光導波路の断面
図、第７図は本発明の第５実施例におけるリッジ形光導
波路の断面図、第８図は本発明の第６実施例として光変
調器の一例を示す斜視図、第９図は従来の光位相変調器
を示す斜視図、第１０図；よ光導波路内を伝搬する光の
電界強度分布を示す図である。１０・・・基板　　　　　　　１１・・・光導波路１２
・・・不純物拡散層２３・・・不純物を注入した光導波路コア２４・・・不
純物を注入した光導波路コア周辺部特許出願人　日本電
信電話株式会社代理人弁理士　　中　村　純之助第１図第３図第４図第５図

Claims

【特許請求の範囲】１、基板の一方の表面付近に、少なくともリッジ形の光
導波路を有する光デバイスにおいて、基板表面近傍の屈
折率を、上記光導波路中心部付近の屈折率よりも低下さ
せる不純物を、上記光導波路以外の基板表面から拡散さ
せたことを特徴とする光デバイス。２、上記光導波路は、屈折率を高める不純物を、上記光
導波路中心部付近に注入したものであることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項に記載した光デバイス。３、上記光導波路は、該光導波路周辺部の屈折率を光導
波路中心部の屈折率よりも低下させる不純物を、上記光
導波路周辺部に注入したものであることを特徴とする特
許請求の範囲第１項または第２項に記載した光デバイス
。４、上記光導波路は、光入射端部および光出射端部の光
スポットサイズを、上記光入射・光出射各端部にそれぞ
れ光結合させる他の光デバイスの光スポットサイズに、
合わせるように構成したものであることを特徴とする特
許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載した
光デバイス。