JPH02118605A - 単一モ−ド光導波路の製造方法及びそれを用いた光変調素子 - Google Patents

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〕 この発明は、音響光学効果を利用して光の周波数遷移を
実現する光変調装置に係り、特に光集積回路の基本構成
要素である低損失の単一モード先導波路の製造方法と、
その製造方法を用いて製造された光導波路の中を伝搬す
る伝搬光と超音波との相互作用を利用して光の周波数遷
移を実現するようにした光変調素子に関する。

〔従来の技術〕

ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯｓ）基板上に光の導波層
（以下、光導波路という、）を形成する従来技術として
は、代表的なものにチタン拡散法、酸化リチラム外拡散
法およびプロトン交換法がある。このうち、プロトン交
換法は、安息香酸（Ｃ６Ｈ３Ｃ０ＯＨ）やビロリン酸（
Ｐ４Ｈ２０？）の溶液中でニオブ酸リチウム基板に熱処
理を加える方法であり、該ニオブ酸リチウム基板の表層
部のリチウムがプロトンと置換されることにより異常光
線における屈折率が増加し、光導波路を形成する方法で
ある。このプロトン交換法で形成される光導波路での異
常光線における屈折率は波長６３３ｎｍに対して２．３
２であり、もとの基板の屈折率２．２０から　０．１２
だけ増加する。この値は、チタン拡散法で形成した光導
波路における屈折率からの増加値０．００５〜０．０１
と比べて１０倍以上も大きい。また、プロトン交換法に
おける熱処理の温度は２００°Ｃ前後であり、チタン拡
散法や酸化リチウム外拡散法における熱処理の温度１０
００°Ｃ前後と比較すると、低い温度で光導波路を形成
できるという利点がある。このように比較的低い温度で
、屈折率差の大きい光導波路を容易に形成できるプロト
ン交換法を利用して、曲率半径の小さな曲り光導波路や
、薄膜型レンズへの応用が考えられている。

他方、光の周波数シフトを実現する従来技術としては、
偏光子や波長板、もしくは放射状回折格子を回転させる
方法、ミラーの移動や振動を利用する方法、および、音
響光学効果を利用する方法などがある。このうち、特に
音響光学効果を利用する方法による光変調方式は、回転
や振動などの機械的動作を必要としない点で優れており
、また大きな周波数シフト量（数１０ＭＨｚ）を得るこ
とが可能である。このような音響光学効果を利用した光
変調器には、高密度フリントガラスや、モリブデン酸鉛
などの結晶を使ったバルク型のものが製品として実用化
されている。

一方、光導波型の光変調器としては、ガラス基板上にス
パッタリング法で酸化亜鉛　（Ｚ、Ｏ）膜の光導波路を
形成したものや、ニオブ酸リチウム基板上にチタン拡散
法で光導波路を形成し、その上に表面弾性波（ＳＡＷ：
５ｕｒｆａｃｅ　　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　　Ｗａｖｅ）を
発生させる交差指形電極を付けたものが試作されている
。このような光導波型の光変調器は、前記したバルク型
と比較して格段の小型化が可能であり、周波数シフト量
も数ＧＨｚまで実現されている。

この発明は、光導波路の製造方法として、ニオブ酸リチ
ウム（ＬｉＮｂＯａ）基板にプロトン交換と熱処理を行
って光導波路を形成し、それを用いて変調効率の高い光
変調素子を実現した。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述したように、プロトン交換法による光導波路は、そ
の形成が容易であり、屈折率差が大きくとれるという利
点を有するが、基板の電気光学効果と圧電効果が著しく
低減するという欠点を持っている。例えば、表面弾性波
（ＳＡＷ）の波長程度の深さまでプロトン交換を行った
ニオブ酸リチウム基板を使い、ＳＡ−遅延素子を作製し
、このＳＡＷ遅延素子で励振効率を測定すると、プロト
ン交換を行わない基板と比較して３０６８前後の低下が
見られる。さらに、プロトン交換法による光導波路は、
光の伝搬損失が２　ｄＢ／　ｃｍ　〜３　ｄＢ／　ｃｍ
と大きい。

これは、リチウムとプロトンの置換状態にむらがあるこ
とと、プロトン交換された部分が格子ひずみをもつこと
に原因があり、これが導波光の散乱を引き起こし伝搬損
失を大きくしている。

〔課題を解決するための手段〕

そこで、この発明では、前述した課題を解決するため、
プロトン交換の工程の後に熱処理の工程を加えた。

特に熱処理の工程の段階では、通常のプロトン交換に用
いる温度以上の温度で熱処理を行い、基板の表層部の屈
折率差を、チタン拡散法による光導波路のそれと同程度
の値になるまで低下させるようにする。この熱処理の条
件は微妙であるが、好条件となるよう温度と時間を設定
した。

また、この発明では、初めのプロトン交換の段階で、基
板の表層部のごく浅い部分にプロトン交換を行うのであ
り、この段階で形成された高屈折率のプロトン交換層は
非常に薄いため、光の先導波路は形成できない。したが
って、次に熱処理を行い、基板の表層部のプロトンを基
板の内部へ拡散させて単一モードの光導波路を形成する
。

〔作用〕

このようにして形成された本発明に係る光導波路は、熱
処理の効果により、プロトン交換のむらや、結晶格子の
ひずみが緩和され、従来の光導波路に比べ伝搬損失も大
幅に改善される。また、本発明の場合、基板の表層部に
おけるプロトンの密度が小さくなり、電気光学効果と圧
電効果は共にもとの基板の特性まで回復させる作用があ
る。

〔実施例］ 第１図に、本発明に係る光変調素子の一実施例を示す。

この実施例では、ニオブ酸リチウム基板１の表面に、プ
ロトン交換法と熱処理により形成された光導波路２があ
り、その光導波路２の上に表面弾性波３を発生させる交
差指形電極４が設けられている。ニオブ酸リチウム基板
１の光の光入射側端面５および光出射側端面６は、それ
ぞれ端面における光の結合効率を良くするため鏡面研磨
されている。光導波路２中を伝搬する伝搬光７と交差指
形電極４より発生した表面弾性波３は、ブラッグ条件を
満足する角度で交わるように前記ニオブ酸リチウム基板
１に設定される。出射光８は、光導波路２中で回折した
回折光であり、この回折光の周波数は、交差指形電極３
の駆動周波数ｆｏだけシフトしている。

次に、本発明に係る単一モード光導波路の製造方法の一
実施例について説明する。この実施例では、ニオブ酸リ
チウム結晶のカット基板を１００％安息香酸の中で１５
０°Ｃｌ２Ｏ分間プロトン交換を行う。この条件で作製
されたニオブ酸リチウム基板の表層部に形成されるプロ
トン交換層は非常に薄く、光は導波できない。そこで、
この作製された基板を４００°Ｃまで３０分かけて昇温
し、４００°Ｃに達した後、そのままの温度状態で数分
間保ち、その後、該ニオブ酸リチウム基板が割れない程
度に急冷する。この熱処理は、該ニオブ酸リチウム基板
の表層部のプロトンを基板の内部に拡散させるためのも
のであり、この処理により形成された光導波路の異常光
線における屈折率は、波長６３３ｎｍの光に対して２．
２１０前後となる。この値は、同じ基板上にチタン拡散
法で形成された光導波路の屈折率の値と同程度である。

次に実施例で得られた特性について説明する。

第２図（ａ）に、プロトン交換法だけにより製造された
単一モード光導波路の伝搬損失を示す。

また、第２　［ａ　（ｂ）に本発明の製造方法である、
プロトン交換法と熱処理で作製された単一モード光導波
路の伝搬損失を示す。

第２図（ａ）より、熱処理を行わない光導波路の伝搬損
失は約２．３ｄＢ／ｃｎ＋であるのに対し、熱処理を含
めた製造方法で形成された光導波路の伝搬損失は第２図
（ｂ）より約０．３６Ｂ／ｃ＋ｎであることがわかる。

この値は、従来のチタン拡散法で形成された光導波路の
伝搬損失の値と比較して遜色のないものである。このよ
うに、本発明に係る製造方法を用いることで、プロトン
交換法による光導波路の低損失化が可能となった。

第３図に、本発明に係る製造方法で形成したプロトン交
換法による光導波路を用いた光変調素子の、電極への入
力電力（ｄＢｍ）と変調効率（回折効率）（％）の関係
を示す。

図において、Δ印は本発明に係るプロトン交換法による
光導波路を用いた光変調素子の測定値である。Ｑ印は、
従来のチタン拡散法で形成された光導波路を用いた光変
調素子の測定値であり、この測定値を本発明に係る光変
調素子の性能と比較するために、同一形状（２５＋ｎｍ
　Ｘ　２３ｍｍ　）　、同一電極（中心周波数ｆ＝１３
４ＭＨｚ、交差指形電極幅Ｌ＝４．０ｍｍ）の素子を作
製して測定実験を行った。

第３図より、プロトン交換法による光導波路を用いた光
変調素子では、２２ｄＢｍ入力において最大変調効率９
５％が得られている。この結果は、課題点で指摘した圧
電効果の低下が、熱処理の過程で再び回復したことを示
すものである。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明の製造方法で作製された光
導波路では、ニオブ酸リチウムという圧電性をもつ基板
の表層部に対し、プロトン交換を施した後、そのプロト
ン交換された領域を熱拡散して単一モード光導波路を該
基板上に形成したことで、 （１）チタン拡散法で形成された単一モード光導波路に
比べて遜色のないものが、簡単な工程で得られるように
なった。

（２）プロトン交換法で形成されたものは、プロトン交
換領域で格子ひずみが発生し、それが伝搬損失の原因と
なっていたが、本発明の製造方法では特に熱処理の工程
を必須のものとすることから、格子ひずみが緩和され、
低損失で圧電特性かもとの基板とほとんど変わらない単
一モード光導波路が形成された。

したがって、このような光導波路の上に交差指形電極を
配置して光変調素子を作製したことにより、変調効率の
大きな光変調素子の実現が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る単一モード光導波路の製造方法を
用いた光変調素子の一実施例を示す。 第２図（ａ）はプロトン交換法だけで製造された単一モ
ード光導波路の伝搬損失を示す。第２図ら）は本発明に
係る製造方法で製造された単一モード光導波路の伝搬損
失を示す。第３図は本発明に係る光変調素子と、チタン
拡散法で製造された光導波路を用いた光変調素子におけ
る、入力電力と変調効率の関係を示す。 図において、１はニオブ酸リチウム基板、２は光導波路
、３は表面弾性波、４は交差指形電極、５は光入射側表
面、６は光出射側端面、７は伝搬光、８は出射光をそれ
ぞれ示す。 特許出願人　　　　アンリツ株式会社 代理人　　弁理士　　小　池　龍太部 （ａ） 第 図 （ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ニオブ酸リチウム基板の表層部に、リチウム原子を
   プロトンで置換したプロトン交換層を形成させる段階と
   、該ニオブ酸リチウム基板の表面に単一モード光導波路
   が形成されるまで該表層部のプロトンを該ニオブ酸リチ
   ウム基板内部に拡散するように該ニオブ酸リチウム基板
   を熱処理する段階とから成る単一モード光導波路の製造
   方法。 ２）ニオブ酸リチウム基板（１）と、該ニオブ酸リチウ
   ム基板（１）の表面に形成された光導波路（２）と、該
   光導波路（２）を伝搬する伝搬光（７）の進行方向に対
   してブラッグ条件を充足するような表面弾性波を励起す
   るための交差指形電極（４）とから成る光変調素子にお
   いて、 前記光導波路（２）は、前記ニオブ酸リチウム基板（１
   ）を構成するリチウム原子が該ニオブ酸リチウム基板（
   １）の表面から所定の深さにわたってプロトン交換され
   た単一モード光導波路であることを特徴とする光変調素
   子。 ３）単一モード光導波路が、請求項１記載の製造方法に
   よって製造されたことを特徴とする請求項２記載の光変
   調素子。