JPH0384523A - 光制御デバイス - 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〕 本発明は光波の変調、光路切り替えなどを行う光制御デ
バイスに関し１、さらに詳しくは基板上に設けた光導波
路を用いて制御を行う導波形の光制御デバイスに関する
。

〔従来の技術〕

光通信システムの実用化が進むにつれ、さらに大容量や
多機能を持つ高度のシステムが求められており、より高
度の光信号の発生や光伝送路の切り替え、交換などの新
たな機能の付加が必要とされている。現在の実用システ
ムでは光信号は直接半導体レーザや発光ダイオードの注
入電流を変調することによって得られているが、直接変
調では緩和振動などの効果のため１０ＧＨｚ前後以上の
高速変調が難しいこと、波長変動が発生するためコヒー
レント光伝送方式には適用が難しいなどの欠点がある。

これを解決する手段としては、外部変調器を使用する方
法があり、特に基板中に形成した光導波路により構成し
た導波形の光変調器は、小型、高効率、高速という特長
がある。

一方、光伝送路の切り替えやネットワークの交換機能を
得る手段としては光スィッチが使用される。現在実用さ
れている光スィッチはプリズム。

ミラー、ファイバーなどを機械的に移動させるものであ
り、低速であること、信頼性が不十分、形状が大きくマ
ドリスク化に不適当の欠点がある。これを解決する手段
として開発が進められているものはやはり光導波路を用
いた導波形の光スィッチであり、高速、多素子の集積化
が可能。

高信頼等の特長がある。特にニオブ酸リチウム（ＬｉＮ
ｂＯ３）結晶等の強誘電体材料を用いたものは、光吸収
が小さく低損失であること、大きな電気光学効果を有し
ているため高効率である等の特長があり、従来からも方
向性結合器型光変調器・スイッチ、全反射型光スイッチ
またはマツハツエンダ型光変調器の種々の方式の光制御
デバイスが報告されている。

このような導波形の光制御デバイスを実際の光通信シス
テムに適用する場合、各デバイスの光導波路接続端面同
志を直接、あるいは光ファイバー等を介して相互に端面
接続することが実用上不可欠であり、接続部において低
損失に結合するためには、光導波路接続端面を欠けやだ
れのない鏡面に加工する必要がある。一般に光制御デバ
イスの光導波路接続端面ば、ウェハ上に形成された光制
御デバイスをダイヤモンド砥石を用いて切断加工した後
に、遊離砥粒を用いて切断端面の研磨を行い鏡面に加工
している。

〔発明が解決しようとする課題〕

第４図に従来の光制御デバイスの一例として、電気光学
効果を有する誘電体結晶であるニオブ酸リチウム結晶基
板を用いた方向性結合器型光スイッチの平面図（第４図
（ａ））、断面図（第４図（ｂ））及び光導波路接続端
面図（第４図（Ｃ））を示す、第４図においてＺ軸に垂
直に切り出したニオブ酸リチウム結晶基板１１の上にチ
タンを拡散して、屈折率を基板よりも大きくして形成し
た帯状の光導波路１２及び１３が形戒されており、光導
波路１２及び１３は基板の中央部で互いに数ミクロン程
度まで近接し、方向性結合器１４を形戒している。また
、方向性結合器１４を構成する光導波路上には制御電極
による光吸収を防ぐためのバッファ層１６を介して制御
電極１５が形成されている。

ニオブ酸チリウム結晶をはじめとする誘電体結晶基板は
硬脆材料であり、欠けやクラックが発生しやすい材料で
ある。このため、ダイヤモンド砥石等で光導波路接続端
面２０を機械的に切断加工すると切断面の端部、すなわ
ち光導波路１２及び１３の接続端面部２０に欠けが発生
する。

第３図（ｂ）は発生した欠けの状態を示したものであり
、同図において、光導波路１２及び１３の深さ寸法は、
ニオブ酸リチウム結晶基板１１の上面から基板の厚さ方
向に僅か数ミクロン程である。これに対して、切断面の
端部に発生する欠け１８の深さの寸法や、基板長手方向
の幅の寸法はダイヤモンド砥石に使用する砥粒の粒径や
切断速度等の加工条件によって左右され、最小限にして
も数ミクロン程度発生する。従って、切断面の端部に発
生した欠け１８は、厚さ０．１ミクロン程のバッファ層
１６を突き抜けて光導波路１２及び１３の接続端面部に
達する。光導波路の接続端面部に達した欠けによって、
光ファイバ等との接続損失は大幅に増加するため、切断
加工の後工程である研磨加工によって、この欠けを取り
除いている。

なお、研磨の際使用する砥粒は、粒径が数十ミクロンか
らサブミクロンのものまでを何段階かに分けて使用して
いる。徐々に粒径を細がくして加工するため、研磨工程
には長時間を要するが、最終的には光導波路１２及び１
３の接続端面部に達した欠けはほぼ取り除がれ、鏡面が
得られる。しかし長時間の研磨加工によって、光導波路
１２及び１３の接続端面部にはだれが生じ、光ファイバ
等を介して接続する際の接続損失を増加させる要因とな
る。こうした接続損失の増加は、光通信システムにおい
て、光信号伝送距離の減少や、システムマージの劣化等
の重大な悪影響を与える。

本発明の目的は、上述の従来の光制御デバイスの課題を
解決し、光導波路接続端面の鏡面加工に要する時間の低
減、及び接続損失の低減に適した光制御デバイスを提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、電気光学効果を有する誘、電体結晶基板に形
成された光導波路と該光導波路の近傍に設けられた制御
電極とを含んで構成される光制御デバイスにおいて、前
記光導波路の接続端面付近の前記誘電体結晶基板上に保
護膜を形成して構成され、保護膜は屈折率が光導波路よ
り小さく、誘電体結晶基板と機械的性質が近似し、誘電
体結晶基板上に密着して形成される。

〔作用〕

本発明の光制御デバイスは、光導波路接続端面付近、か
つ、誘電体結晶基板上に保護膜が数ミクロン程の厚さで
形成されており、誘電体結晶基板と保護膜は介在物を有
さずに密着して形成されているため、切断時にこの保護
膜が剥れることはない また誘電体結晶基板と保護膜は機械的性質である硬度が
近似しているので、誘電体結晶基板と保護膜の間は弾性
的にほぼ連続体となる。このため欠けは切断面の端部に
あたる保護膜上に発生し、光導波路の接続端面部にはミ
クロンオーダの大規模の欠けは発生しない、ここで誘電
体結晶基板と保護膜の硬度が異なる場合は弾性的に不連
続となり、誘電体結晶基板の上面は切断面の端部として
作用するため、ミクロンオーダの欠けは誘電体結晶基板
上にも発生する。保護膜上に発生する欠けの大きさより
も厚い保護膜を形成することにより、欠けを保護膜の中
に収めることができ、光導波路の接続端面部にまで達す
ることを防止できる。すなわち、光導波路接続端面付近
、かつ、誘電体結晶基板上に形成された保護膜には、切
断面端部に発生する欠けが、光導波路接続端面を損傷す
ることを抑制する効果がある。

さらに前記の保護膜は、切断後の仕上げ工程である研磨
加工によって切断面の端部に生じるだれが光導波路の接
続端面部にまで影響することを抑制する効果もある。

以上のように、本発明の光制御デバイスは、光導波路接
続端面を鏡面加工する際に、光導波路接続端面部に欠け
が殆ど発生しないため、研磨加工に要する時間を大幅に
低減でき、さらに研磨によるだれが光導波路接続端面部
に殆ど生じないため、光ファイバ等との接続損失を低減
できる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に
説明する。

第１図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ本発明によ
る光制御デバイスの第一の実施例である方向性結合器型
光スイッチの平面図、断面図及び光導波路接続端面を示
す。

まずＺ板ニオブ酸リチウム結晶基板１１の上にチタンを
９００〜１１００℃の間で数時間熱拡散し、幅６ミクロ
ン程度の光導波路１２及び１３を形成した。基板の中央
部で両光導波路は互いに８ミクロンまで近接して方向性
結合器１４を構成している。次に、従来の光制御デバイ
スと異なり、バッファ層１６を形成する前に、光導波路
１２及び１３の接続端面付近のニオブ酸リチウム結晶基
板１１上に、保護膜として少なくとも７ミクロン程の厚
さを有するニオブ酸リチウムスパッタＭ１７を形成した
。ニオブ酸リチウムスパッタ膜１７とニオブ酸リチウム
結晶基板１１は同材質であり、ビッカース硬度は双方と
も約５００ｋｇｆ／１ｍ２と近似している。その上にＳ
　ｉ　０２スパツタ膜によるバッファ層１６を介して制
御室８ｉ１５を形成した。

なお、膜の形成によって生じる段差１９の位置に精度は
必要なく、制御電極形成領域にニオブ酸リチウムが堆積
しなければした。ここでは、制御電極形成領域の周辺に
金属の薄板などの適当なマスク材を設置してニオブ酸リ
チウムのスパッタを行えば十分であった。

次いで、光制御デバイスの光導波路接続端面を研削切断
した。なお、光導波路接続端面の切断加工は砥粒径が約
３ミクロン、砥石幅０．５＋ａｍのレジンボンドダイヤ
モンド砥石を用いて行った。発生した欠けの状態を第３
図（ａ＞に示す。

本発明の第一の実施例による光制御デバイス、では、第
３図（ａ）に示すようにニオブ酸リチウムスパッタ膜１
７には、深さ及び幅が５ミクロン程の欠け１８が発生し
たが、前述したようなニオブ酸リチウムスパッタ膜１７
による保護膜の効果によって、光導波路１２及び１３の
接続端面部にミクロンオーダの大きさの欠けは発生しな
かった。この結果、光導波路１２及び１３の接続端面部
を０．５ミクロン以下のダイヤモンド砥粒を用いて研磨
に要した時間は１０分程であり、従来の光制御デバイス
に比べ研磨時間は１／１０以下となった。

さらに、光干渉顕微鏡によって光導波路１２及び１３の
接続端面部を観察したところ、本実施例の光制御デバイ
スでは、従来の光制御デバイスに比べて端面部に生じる
だれが減少したことも確認でき、接続損失は従来の光制
御デバイスに比べ少なくとも０．１デシベル以上低減し
た。

第２図は、本発明による光制御デバイスの第二の実施例
である方向性結合器型光スイッチの断面図を示す、ここ
では、保護膜としてニオブ酸リチウム結晶基板１１上に
バッファ層１６として用いる５ｉ０２スパツタ膜を厚さ
７ミクロンで形成した。制御電極１５の付近と光導波路
接続端面付近で厚さの異なった５ｉ０２スパツタ膜を形
成する方法として、Ｓｔ○２スパッタを２度に分けて行
う方法を用いた。まず最初のスパッタにおいて光制御デ
バイス基板上の全面に３０００オングストロームのＳ　
ｉ　０２膜をバッファ層１６として形成した後、制御電
極１５の周辺をマスクし、さらにＳ　ｉ　０２スパツタ
膜を光導波路接続端面付近の厚さが７ミクロンになるま
で形成した。

５ｉ０２スパツタ膜によって形成された保護膜は、誘電
体結晶基板と強く接着し、またニオブ酸リチウム結晶基
板１１のビッカース硬さ約５００ｋｇｆ／＋ａｍ２と同
程度に高硬度であるため、本発明の第一の実施例の場合
とほぼ同一の効果が得られることを確認した。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明の光制御デバイスでは、従来
の光制御デバイスに比べ、光導波路接続端面を鏡面加工
する際、研磨加工に要する時間を低減でき、さらに光フ
ァイバ等との接続損失を低減できる。

なお、上記実施例は方向性結合器型の光スィッチについ
て説明したが、本発明はこれに限らず他の光制御デバイ
ス、例えばストライプ状の光導波路に電界印加手段を備
えた光位相変調器や分岐干渉型光変調器等、任意の光制
御デバイスに対しても戒り立つ。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ本発明によ
る光制御デバイスの第一の実施例を示す平面図、断面図
及び先導波路接続端面図であり、第２図は本発明による
光制御デバイスの第二の実施例を示す断面図である。第
３図（ａ）及び（ｂ）は光導波路接続端面の切断におい
て、発生する欠けの様子を、本発明による光制御デバイ
ス及び従来の光制御デバイスについて示した斜視図、第
４図（ａ＞、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ従来の光制御デ
バイスの一例を示す平面図、断面図及び光導波路接続端
面図である。 図において、 １１・・・ニオブ酸リチウム結晶基板、１２．１３・・
・光導波路、１４・・・方向性結合器、１５・・・制御
電極、１６・・・バッファ層、１７・・・ニオブ酸リチ
ウムスパッタ膜、１８・・・欠け、１９・・・段差をそ
れぞれ示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　電気光学効果を有する誘電体結晶基板に形成された光
   導波路と該光導波路の近傍に設けられた制御電極とを含
   んで構成される光制御デバイスにおいて、前記光導波路
   の接続端面付近の前記誘電体結晶基板上に、屈折率が光
   導波路より小さく、誘電体結晶基板と機械的性質が近似
   し、誘電体結晶基板上に密着する保護膜を形成したこと
   を特徴とする光制御デバイス。