JPH05150128A - 光導波路及びその製造方法 - Google Patents

光導波路及びその製造方法

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JPH05150128A
JPH05150128A JP3315994A JP31599491A JPH05150128A JP H05150128 A JPH05150128 A JP H05150128A JP 3315994 A JP3315994 A JP 3315994A JP 31599491 A JP31599491 A JP 31599491A JP H05150128 A JPH05150128 A JP H05150128A
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JP
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single crystal
optical
waveguide
crystal substrate
substrate
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JP3315994A
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English (en)
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Mineo Isokami
峯男 磯上
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Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光散乱損失の要因となる格子欠陥が少なく、
光学的特性のバラツキや性能劣化を極力防止し、低電
圧、低損失で、かつ安定性に優れた高性能な光導波路及
びその製造方法を提供すること。 【構成】 単結晶基板上に、該単結晶基板よりも高い屈
折率を有し、かつ光の伝送方向を光軸とした単結晶から
成る導波路層を設けた光導波路であり、その製造方法
は、単結晶基板の一主面に溝を形成するとともに、該溝
内に光軸方向に育成させた単結晶ファイバーを接触させ
ながらエネルギービームを照射走査し、前記単結晶基板
と単結晶ファイバーとを溶融一体化させ、単結晶基板上
に単結晶の導波路層を形成したことを特徴とする。これ
により、従来の金属熱拡散法による導波路層形成に生ず
る諸問題を解消することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光スイッチや光変調器
などの光デバイスにおける光回路の構成要素として重要
な光導波路及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】現在、光通信が一部実用化されており、
光通信ネットワークの構築を完成させるうえで、今後の
光通信システムの発展は光ファイバーや発受光素子以外
の光デバイスの進展に負うところが大きい。そして、こ
のためには光デバイスのより一層の小型化、高機能化、
集積化が望まれる。
【0003】光デバイスを形態的にみると、レンズやハ
ーフミラー型カプラー等に代表されるバルク型、光ファ
イバーカプラー等に代表されるファイバー型、及び光導
波路に代表される導波路型に大別されるが、これまでに
実用化されている大半の光デバイスはバルク型が主流で
ある。
【0004】ところが、バルク型は光伝送に重要な結合
効率が比較的高いものの、空間配置方式のためレンズの
精密位置調整が必要なこと、構成部品点数が多いこと、
さらに小型化が困難なことなど問題点が多い。一方、フ
ァイバー型は伝送ファイバーと極低損失で接続が可能な
こと、構成部品点数が少なく、さらに耐環境性にも大変
優れているなど利点が多いが、その反面製造歩留りが極
めて低いことや、高集積化やマトリクス化が困難である
といった問題点がある。
【0005】そこで、バルク型やファイバー型の欠点を
補い、しかも他の光デバイスでは実現できない機能、例
えば高速スイッチングが行えるものとして、電気光学定
数等の光学的特性に優れたニオブ酸リチウム(LiNbO
3 ;以下LNと略記する)単結晶を基板とする光導波
路が提案されている。この光導波路は、LN単結晶の基
板に帯状に金属を拡散させて屈折率を周囲より高め、光
をできるだけ逃がさないようにしたものであり、金属を
拡散したチャネルの両側に電極を設けて、これに電圧を
印加することによって光のスイッチングを行うことがで
きる。
【0006】かかる光導波路の製法に関して種々の方法
が提案されてきた。例えば、光伝搬損失の低減、より大
きな屈折率変化、より薄い高屈折率層の形成(光導波路
の2次元化)および製造の容易さという観点から、金属
の熱拡散法が一般に行われてきた。これは、図3(a)
に示すようにLN単結晶の基板S上にパターニングした
レジストを被着形成し、このレジスト上及び基板S上に
金属膜を被着形成し、その後レジストを消失させて所定
の形状の金属層Mを形成し、さらに、図3(b)に示す
ように、金属層Mのイオンを基板Sに熱拡散することに
よって、基板Sの表層に組成変化を生ぜしめ、基板S上
に高屈折率層Hを形成して光導波路化するものである。
これまでの研究報告から、上記金属としてTiを用いた場
合が最も良好な光伝搬特性を有するとされている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように作製された光導波路は、X線トポグラフによりミ
クロ観察を行うと、高屈折率層Hには数多くの微小欠陥
が存在し、ミスフィット転位の他に数多くの微小クラッ
クが生じていることが明らかにされている。殊に、基板
Sのa軸方向には、Δa/aがほぼ10-3程度の格子変化
が生じており、これが光散乱損失の要因となっているこ
とが報告されている(K.Sugii et al.;J.Mater.Sci. 13
(1978)523 )。
【0008】また、金属の拡散条件等により、LN基板
自体や金属拡散層の変質が起きること(M. N. Armenise
et al.;J. Appl. Phys. 55(1984)3531 )、Ti拡散時に
基板表面に凹凸が発生すること(R. J. Holmes and D.
M. Smyth;J. Appl. Phys. 55(1984)3531)などが報告さ
れており、金属拡散層の変質や基板表面の凹凸の発生に
より屈折率が局所的に変動し、その結果、光導波路とし
ての光伝搬性能の劣化を招来することになり問題であっ
た。また、時間の経過とともに金属の拡散が進行し、経
時変化による光伝搬特性などの光学的特性が変動するな
どして問題であるうえ、金属拡散の状態も個々の光導波
路について均一に揃えることが困難となり、個々の光導
波路間での光学的特性のバラツキが大きく問題であっ
た。
【0009】
【目的】そこで、本発明は、光散乱損失の要因となる格
子欠陥が少なく、光学的特性のバラツキや性能劣化を極
力防止し、低電圧、低損失で、かつ安定性に優れた高性
能な光導波路及びその製造方法を提供することを目的と
する。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の光導波路は、単結晶基板上に、該単結晶基
板よりも高い屈折率を有し、かつ光の伝送方向を光軸と
した単結晶から成る導波路層を設けたことを特徴とす
る。
【0011】また、その製造方法は、単結晶基板の一主
面に溝を形成するとともに、該溝内に光軸方向に育成さ
せた単結晶ファイバーを接触させながらエネルギービー
ムを照射走査し、前記単結晶基板と単結晶ファイバーと
を溶融一体化させ、単結晶基板上に単結晶の導波路層を
形成したことを特徴とする。
【0012】
【実施例】本発明に係る一実施例を詳細に説明する。ま
ず、本発明と比較するための試料を以下のように作製し
た。光学研磨されたオプティカルグレイドのLN単結晶
( Z- カット;カット面が(001) 面) の基板Sの表面上
に、リフトオフ法によりTiの導波路パターンを形成し、
これを約1040℃,7 時間熱拡散を行うことにより、図2
に示すような深さ約 2μm , 幅約 3.5μm の直線状の導
波路層Tを形成し、さらに、この導波路層Tに沿ってス
パッタ法によりアルミニウムの金属電極Dを形成して、
位相変調器(30 mm× 8mm× 1mm) Mを 5個試作した。
【0013】上記各試料をX線トポグラフによるミクロ
観察を行ったところ、導波路層Tに多数の微小クラック
が存在していた。また、この試料の光導波路としての光
伝搬特性を確認するため、波長約1.5 μm の半導体レー
ザ光を導波路層Tに導入し、入力光と出力光との差を計
測して挿入損失を測定した結果、試料間で約 2〜 5dBの
大きなバラツキが生じていた。また、変調周波数帯域は
約3.5 GHz 程度であり、動作電圧も 8V 程度であった。
さらに、光デバイスで問題となるDCドリフトも認めら
れた。
【0014】次に、本発明に係る試料の作製を以下のよ
うにして行った。まず、るつぼ底部引き下げ法により、
ルチル(TiO2 )の光軸と一致する 001 方向に直径約
10μm のルチルの単結晶ファイバーを育成した。この単
結晶ファイバーを長さ約12mmに切断加工し、図1(a)
に示すように、上記基板と同様に光学研磨されたオプテ
ィカルグレイドのLN単結晶( Z- カット; )の基板S
の表面に、反応性イオンエッチング法により深さ約 2μ
m , 幅約3.5 μm , 長さ約12mmの断面V字状の溝Dを形
成した。すなわち、アルゴンガス雰囲気中に四塩化炭素
(CCl 4 ) やフッ化炭素(CF 4 ) などのエッチングガス
を導入して、レーザ光によるサブミクロン加工を行い溝
Dを形成した。なお、上記単結晶ファイバーは上記育成
方法の他にマイクロCZ法やレーザ溶融ペデスタル法な
ど既に確立された単結晶ファイバーの各種育成方法を用
いることができ、上記エッチングは上記方法の他に、イ
オンビームエッチング法、プラズマエッチング法、レー
ザアシスト法など既に確立された種々のエッチング法を
用いることができる。なお、溝Dの断面形状はV字状に
限定されるものではないが、単結晶ファイバーを載置す
るうえで好適な形状であると考えられる。
【0015】次に、上記エッチング後、溝Dに単結晶フ
ァイバーを外接させて配向させた後、レーザービームを
溝Dに沿って照射走査した。これにより、単結晶ファイ
バーと基板とを加熱融着させて一体化せしめ導波路層F
を形成して、位相変調器(12mm× 8mm× 2mm) Mを 5個
試作した。なお、単結晶ファイバーと基板との一体化は
レーザービームの他に電子ビームなどの各種エネルギー
ビームを照射走査して行うことができる。
【0016】これら試料のそれぞれについてXトポグラ
フによるミクロ観察を行ったところ、導波路層Fにはク
ラックの発生は認められなかった。また、挿入損失も全
ての試料で約 1dB程度であり、バラツキもほとんどなか
った。また、変調周波数帯域は約 5GHz で上記比較例よ
り良好であり、しかも動作電圧は約4.5 V 程度であり比
較例よりかなり低減することができた。さらに、光デバ
イスで問題となるDCドリフトは全く認めることができ
なかった。
【0017】このように、導波路層Fを単結晶とするこ
とで従来の金属拡散層のように、金属拡散層の変質や基
板表面の凹凸の発生により屈折率が局所的に変動するこ
とがなく、また時間の経過とともに金属拡散が著しく進
行し、経時変化による光伝搬特性などの光学的特性が著
しく変動することがないためであるものと考えられる。
【0018】なお、本実施例は導波路層にルチルの単結
晶ファイバーを用いた例を示したが、これに限定される
ものではなく、LN(屈折率n≒2.2)よりも高屈折率
で、ルチルと同様に正方晶系に属するSr X Ba 1-X Nb2
6 ( n≒ )の場合も 001 方位に育成した単結晶ファ
イバーを用いることができ、また、立方晶系に属するSr
TiO3 ( n≒2.41) ,Bi12SiO20( n≒2.54) 等は<10
0 >方位に育成した単結晶ファイバーを用いることがで
きる。なおまた、これら導波路層を形成する単結晶の結
晶系に応じて対応する光軸方向を選択でき、例えば六方
晶系であれば 0001 方向が、斜方晶系等であれば特定の
2軸方向が光軸として選択できる。また、基板材料も上
記LNに限定されるものではなく、例えばLT(リチウ
ムタンタレート)やKTP(リン酸チタンカルシウム)
等の各種材料を用いることができ適宜変更して実施しう
る。
【0019】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の光導波路
及びその製造方法によれば、導波路層が完全な単結晶で
あるので、結晶学的に構造が安定であるため、従来の金
属拡散層の諸問題を全て解消することができ、光伝搬特
性の経時変化がなく、しかも個々の光導波路間の光学的
特性のバラツキもほとんどなくなる。また単結晶による
光学的異方性を利用することにより、基板との導波路層
との屈折率差を効果的に制御でき、これにより光伝搬損
失が最小で、かつバラツキの極めて少ない光導波路を再
現性良く提供することができる。
【0020】また、導波路の長さ方向に単結晶の光軸を
一致させることで、導波路層を通過する通常光線と異常
光線との屈折率を同一にできることから、屈折率分布を
一定にすることができる。
【0021】さらに、従来の金属の熱拡散による導波路
層の形成方法は金属拡散の分布制御が困難であるうえ工
程が多く複雑であったのに対し、本発明の光導波路の製
造方法は、単結晶ファイバーを基板に接触させて溶融さ
せるだけでよいので、工程が簡略化されるうえ、導波路
層の形成も容易にかつ精度良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は基板を所定溝形状にエッチングした様
子を示す断面図であり、(b)は基板の溝に単結晶ファ
イバーを接触させ溶融した後の様子を示す断面図であ
る。
【図2】本発明に係る位相変調器の平面図である。
【図3】(a)はリフトオフによる金属パターンを形成
した様子を示す断面図であり、(b)は基板に金属を熱
拡散させた様子を示す断面図である。
【符号の説明】
M ・・・ 金属層 S ・・・ 基板 H ・・・ 高屈折率層 D ・・・ 溝 F ・・・ 導波路層 M ・・・ 位相変
調器

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 単結晶基板上に、該単結晶基板よりも高
    い屈折率を有し、かつ光の伝送方向を光軸とした単結晶
    から成る導波路層を設けたことを特徴とする光導波路。
  2. 【請求項2】 単結晶基板の一主面に溝を形成するとと
    もに、該溝内に光軸方向に育成させた単結晶ファイバー
    を接触させながらエネルギービームを照射走査し、前記
    単結晶基板と単結晶ファイバーとを溶融一体化させ、単
    結晶基板上に単結晶の導波路層を形成したことを特徴と
    する光導波路の製造方法。
JP3315994A 1991-11-29 1991-11-29 光導波路及びその製造方法 Pending JPH05150128A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7394962B2 (en) * 2006-02-20 2008-07-01 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Optical waveguide for transmitting surface plasmon-polariton wave

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7394962B2 (en) * 2006-02-20 2008-07-01 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Optical waveguide for transmitting surface plasmon-polariton wave

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