JPH05196901A - Optical waveguide and optical waveguide type optical device - Google Patents

Optical waveguide and optical waveguide type optical device

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JPH05196901A
JPH05196901A JP17298992A JP17298992A JPH05196901A JP H05196901 A JPH05196901 A JP H05196901A JP 17298992 A JP17298992 A JP 17298992A JP 17298992 A JP17298992 A JP 17298992A JP H05196901 A JPH05196901 A JP H05196901A
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JP
Japan
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waveguide
single crystal
optical
linbo
thin film
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JP17298992A
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Japanese (ja)
Inventor
Masanori Nakamura
正則 中村
Yoshikazu Sakaguchi
芳和 坂口
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Ibiden Co Ltd
Original Assignee
Ibiden Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To obtain the optical waveguide having an excellent electrooptical effect and optical damage resistance and the optical device having excellent modulation efficiency and stable amplitude modulation. CONSTITUTION:This optical waveguide is constituted by forming a thin-film waveguide 2 consisting of an LiNbO3 single crystal on the surface of an LiTaO3. single crystal substrate 1 and providing a branch part in a part of this thin-film waveguide 2. This optical device is constituted by providing the optical waveguide where the lattice constants of the thin-film waveguide 2 consisting of the LiNbO3 single crystal and the above-mentioned LiTaO3 single crystal substrate 1 are matched and electrodes 7-1, 7-2 along the optical axis of the waveguide.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光導波路および導波路
型光デバイスに関し、とくに、光通信システム、光情報
処理システムや、光センサシステムなどに用いられる光
集積回路デバイス, とくに光スイッチや光変調器として
有利に用いられものに関しての提案である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical waveguide and a waveguide type optical device, and more particularly to an optical integrated circuit device used for an optical communication system, an optical information processing system, an optical sensor system, etc., particularly an optical switch and an optical device. This is a proposal regarding what is advantageously used as a modulator.

【0002】近年、シングルモードファイバーと単一波
長レーザーの進歩により、Gb/sの高速光伝送が可能
となってきた。とくに、シングルモードファイバーとの
適合性に優れる導波路型光デバイスは、今後の光通信技
術の鍵を握っているものである。かかる光通信の分野に
おいて、光ファイバーネットワークを構築してゆくため
には、光マトリックススイッチや光変調器などの光デバ
イスの使用が不可欠である。本発明は、この光デバイ
ス, 即ち、導波路型スイッチ・変調器、特にマッハ−ツ
ェンダー型の光デバイスとその構成部品である光導波路
とを提案するものである。
In recent years, the progress of single-mode fibers and single-wavelength lasers has enabled high-speed Gb / s optical transmission. In particular, waveguide-type optical devices, which are excellent in compatibility with single-mode fibers, hold the key to future optical communication technology. In the field of such optical communication, the use of optical devices such as an optical matrix switch and an optical modulator is indispensable for constructing an optical fiber network. The present invention proposes this optical device, that is, a waveguide type switch / modulator, particularly a Mach-Zehnder type optical device and an optical waveguide as a component thereof.

【0003】[0003]

【従来の技術】光マトリックススイッチや光変調器など
の光集積回路デバイスに関しては、“「光集積回路」応
用物理学会 光学懇話会編 P.158 〜(朝倉書店 198
8)”などに詳細に論じられているように、Ti拡散LiN
bO3チャンネル導波路を用いたものが一般的である。そ
れは、LiNbO3の場合、無機光学結晶の中では電気光学定
数が比較的大きいため、電気光学効果を利用するデバイ
スに対して有効だからである。
2. Description of the Related Art Regarding optical integrated circuit devices such as optical matrix switches and optical modulators, "" Optical Integrated Circuits ", Japan Society of Applied Physics, Optical Communication, P.158- (Asakura Shoten 198
8) ”, etc., Ti-diffused LiN
Generally, a bO 3 channel waveguide is used. This is because LiNbO 3 has a relatively large electro-optic constant among inorganic optical crystals and is effective for devices that utilize the electro-optic effect.

【0004】従来、光導波路を用いてマッハ−ツェンダ
ー型光干渉計を構成し、これによって光スイッチ, 光変
調器を作製した例が既知であり、T.R.RANGANATH らが、
「IEEE J.Quantum.Electron.」, QE-13 (4) 290(1977)
で報告している。
Conventionally, there is known an example in which a Mach-Zehnder interferometer is constructed by using an optical waveguide, and an optical switch and an optical modulator are produced by this, and TRRANGANATH et al.
"IEEE J. Quantum. Electron.", QE-13 (4) 290 (1977)
Is reported in.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、T.R.RANGANAT
H らの提案にかかるマッハ−ツェンダー型光変調器につ
いては、熊谷浩一らが「信学技報」OQE85 (116-132) 1
9(1985) で報告しているように、Ti拡散法で作製し
たLiNbO3光導波路は、Ti含有のために光損傷が大きく短
波長の導波ができない。プロトン交換法で作製したLi
NbO3光導波路は、導波路形成後の結晶性が本来のLiNbO3
とは異なることなどから、電気光学定数がバルクよりも
小さくなる。従って、この光導波路を、光方向性結合器
や光変調器等の光デバイスとして用いた場合には、大き
なスイッチング電圧や長い作用長が必要となるので、省
電力化や、小型化が図れないという問題点があった。
[Problems to be solved by the invention] However, TRRANGANAT
Regarding the Mach-Zehnder type optical modulator proposed by H et al., Koichi Kumagai et al. In "Technical Report" OQE85 (116-132) 1
As reported in 9 (1985), the LiNbO 3 optical waveguide prepared by the Ti diffusion method has a large optical damage due to the inclusion of Ti, and cannot guide a short wavelength. Li produced by the proton exchange method
The NbO 3 optical waveguide has the original crystallinity of LiNbO 3 after the waveguide is formed.
The electro-optic constant is smaller than that of the bulk. Therefore, when this optical waveguide is used as an optical device such as an optical directional coupler or an optical modulator, a large switching voltage and a long working length are required, so that power saving and downsizing cannot be achieved. There was a problem.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】発明者らは、既知のマッ
ハ−ツェンダー型変調器が抱えている上述した問題点に
ついて鋭意研究するなかで、電気光学効果が低いのは、
基板と導波路を構成する結晶材料との格子定数が整合し
ていないことが原因していることを突き止めた。従っ
て、上述した課題は、基板と導波路の結晶の格子定数を
整合させて、電気光学効果に優れた光導波路を得ること
によって解決することができることを見い出した。
The inventors of the present invention have diligently studied the above-mentioned problems of the known Mach-Zehnder type modulator, and have a low electro-optical effect.
We have found that the cause is that the lattice constants of the substrate and the crystal material forming the waveguide do not match. Therefore, it has been found that the above-mentioned problems can be solved by matching the lattice constants of the crystal of the substrate and the waveguide to obtain an optical waveguide having an excellent electro-optical effect.

【0007】すなわち、本発明の光導波路は、Ti拡散法
などと異なり、光損傷の原因となる遷位金属等の不純物
を光導波層中に添加しないで作製するため、光損傷が小
さく、短波長でも損失なく導波できる。
That is, unlike the Ti diffusion method and the like, the optical waveguide of the present invention is manufactured without adding impurities such as transition metals that cause optical damage to the optical waveguide layer. Wave can be guided without loss even at the wavelength.

【0008】しかも、本発明の光導波路は、単に不純物
を拡散させないことだけに止まらず、基板と導波路との
各結晶が格子整合させれば、耐熱性に優れ、LiNbO3のキ
ュリー点付近まで昇温した後も、導波特性が変化しない
という特性を示す。すなわち、従来のTi拡散LiNbO3導波
路やプロトン交換LiNbO3導波路では、LiNbO3のキュリー
点まで昇温すると、Tiやプロトンがさらに拡散し、導
波路モードプロファイルの変化や、導波モードが存在し
なくなったりしてしまうが、本発明ではこのような弊害
はない。
Moreover, the optical waveguide of the present invention is not limited to simply not diffusing impurities, but if the respective crystals of the substrate and the waveguide are lattice-matched, they are excellent in heat resistance and reach a temperature near the Curie point of LiNbO 3. It exhibits a characteristic that the waveguide characteristics do not change even after the temperature is raised. That is, in the conventional Ti-diffused LiNbO 3 waveguide and proton-exchanged LiNbO 3 waveguide, when the temperature is raised to the Curie point of LiNbO 3 , Ti and protons are further diffused, and the waveguide mode profile changes and the waveguide mode exists. However, the present invention does not have such an adverse effect.

【0009】かような知見に基づいて構成される本発明
の光導波路は、LiTaO3単結晶基板表面に、LiNbO3単結晶
薄膜導波路を形成すると共に、この薄膜導波路の一部に
分岐部を設けてなり、そして、このLiNbO3単結晶薄膜導
波路と前記LiTaO3単結晶基板との格子定数が整合してい
ることが特徴であり、また、本発明は、LiTaO3単結晶基
板表面に、LiNbO3単結晶薄膜導波路を形成すると共に、
この薄膜導波路の一部に分岐部を設けてなり、そして、
このLiNbO3単結晶薄膜導波路と前記LiTaO3単結晶基板と
の格子定数が整合していて、前記分岐部分の少なくとも
一方の導波路中に、この導波路の屈折率を変える電極を
付帯して設けてなる導波路型光デバイス、を提案する。
The optical waveguide of the present invention constructed on the basis of such findings forms a LiNbO 3 single crystal thin film waveguide on the surface of a LiTaO 3 single crystal substrate, and forms a branching part in a part of this thin film waveguide. And is characterized in that the lattice constants of the LiNbO 3 single crystal thin film waveguide and the LiTaO 3 single crystal substrate are matched, and the present invention is a LiTaO 3 single crystal substrate surface. , While forming a LiNbO 3 single crystal thin film waveguide,
A branch is provided in a part of the thin film waveguide, and
The lattice constants of the LiNbO 3 single crystal thin film waveguide and the LiTaO 3 single crystal substrate are matched, and an electrode for changing the refractive index of this waveguide is attached to at least one of the waveguides of the branched portion. A waveguide type optical device provided is proposed.

【0010】[0010]

【作用】本発明にかかる光導波路の特徴は、LiTaO3単結
晶基板内またはその基板上に作成したLiNbO3単結晶薄膜
導波路のY型分岐部分に、この導波路の屈折率(伝搬定
数)を変えるための電極を配設すると共に、前記LiTaO3
単結晶の結晶格子とLiNbO3単結晶薄膜導波路の結晶格子
とを整合させた点にある。なお、前記LiTaO3単結晶基板
1の(0001)面上に、LiNbO3単結晶導波路の(00
01)面が積層されるように形成されなければいけな
い。
The function of the optical waveguide according to the present invention is that the refractive index (propagation constant) of the waveguide is formed in the Y-shaped branch portion of the LiNbO 3 single crystal thin film waveguide formed in or on the LiTaO 3 single crystal substrate. An electrode for changing the temperature of the LiTaO 3
The point is that the crystal lattice of the single crystal and the crystal lattice of the LiNbO 3 single crystal thin film waveguide are matched. In addition, on the (0001) plane of the LiTaO 3 single crystal substrate 1, (00) of the LiNbO 3 single crystal waveguide was formed.
01) surface must be formed so that it is laminated.

【0011】上記の構成において、重畳する単結晶どう
しの格子整合とは、前記LiNbO3単結晶薄膜の格子定数
が、LiTaO3単結晶基板の格子定数がほぼ一致すること、
すなわち、99.81 〜100.07%、より好ましくは99.92 〜
100.03%の範囲となるよう調整されていることを意味す
る。
In the above structure, the lattice matching between the superposed single crystals means that the lattice constant of the LiNbO 3 single crystal thin film is substantially the same as the lattice constant of the LiTaO 3 single crystal substrate.
That is, 99.81-100.07%, more preferably 99.92-
It means that the range is adjusted to 100.03%.

【0012】このように両単結晶を格子整合させること
により、LiTaO3単結晶基板上にLiNbO3単結晶を液相エピ
タキシャル成長させる際に歪の発生を防止でき、その結
果、LiNbO3単結晶バルクと等価の電気光学定数を有する
LiNbO3単結晶薄膜導波路を形成することができる。
By thus lattice-matching both single crystals, it is possible to prevent the occurrence of strain during liquid phase epitaxial growth of the LiNbO 3 single crystal on the LiTaO 3 single crystal substrate, and as a result, it is possible to obtain a LiNbO 3 single crystal bulk. Have equivalent electro-optic constants
LiNbO 3 single crystal thin film waveguides can be formed.

【0013】このLiNbO3単結晶薄膜は、基板としてLiTa
O3単結晶を用いる場合、この基板単結晶の格子定数と格
子整合させると、極めて優れた光学特性を示し、しか
も、従来技術では得られないような厚い膜厚にて形成で
きるからである。
This LiNbO 3 single crystal thin film is used as a substrate for LiTa
This is because, when an O 3 single crystal is used, if it is lattice-matched with the lattice constant of this substrate single crystal, it exhibits extremely excellent optical characteristics, and can be formed with a thick film thickness that cannot be obtained by conventional techniques.

【0014】すなわち、LiNbO3単結晶薄膜が極めて優れ
た光学特性を示す理由は、LiNbO3単結晶薄膜とLiTaO3
結晶とが格子整合されることによりそれらが一体化し、
格子の歪や結晶の欠陥などが極めて少なく、結晶性に優
れ、かつマイクロクラックなどのない高品質の膜となる
からである。
[0014] That is, the reason for LiNbO 3 single crystal thin film exhibits excellent optical properties, and integrated them by LiNbO 3 single crystal thin film and the LiTaO 3 single crystal is lattice matched,
This is because a lattice distortion and crystal defects are extremely small, crystallinity is excellent, and a high-quality film without microcracks is obtained.

【0015】上記の構成において、重畳する両単結晶ど
うしを格子整合させる方法としては、本発明者らが、国
際出願番号PCT/JP/90/01207号にて提案
した方法が望ましい。即ち、ナトリウムやマグネシウ
ムをLiNbO3単結晶中に含有させる方法、Li/Nbの
比率を41/59〜56/44の間で変える方法、T
iなどの添加により、LiTaO3単結晶基板の格子定数を小
さくする方法、がよく適合する。以下に、これらの方法
について説明する。
In the above structure, the method proposed by the present inventors in International Application No. PCT / JP / 90/01207 is desirable as a method for lattice-matching both superposed single crystals. That is, a method of incorporating sodium or magnesium in a LiNbO 3 single crystal, a method of changing the Li / Nb ratio between 41/59 and 56/44, T
A method of reducing the lattice constant of the LiTaO 3 single crystal substrate by adding i or the like is well suited. These methods will be described below.

【0016】 一般に、LiTaO3単結晶基板の格子定数
は、LiNbO3単結晶のそれより大きいことが知られてい
る。そこで、重畳すべき前記LiNbO3単結晶に、このLiNb
O3単結晶の格子定数を大きくできる作用をもつナトリウ
ムやマグネシウムを置換あるいはドープして含有させる
と、光損傷を招くことなく両単結晶の格子定数を接近さ
せることができる。
It is generally known that the lattice constant of a LiTaO 3 single crystal substrate is larger than that of a LiNbO 3 single crystal. Therefore, this LiNb is added to the LiNbO 3 single crystal to be superimposed.
When sodium or magnesium, which has the effect of increasing the lattice constant of the O 3 single crystal, is substituted or doped and contained, the lattice constants of both single crystals can be brought close to each other without causing optical damage.

【0017】なお、LiNbO3単結晶薄膜中にNa, Mgを含有
させる場合、その含有量は、LiNbO3単結晶に対して、N
a:0.1 〜14.3モル%、Mg:0.8 〜10.8モル%含有させ
ることが望ましい。この理由は、Naについては、その含
有量が 0.1モル%より少ない場合は、Mgの添加量の如何
にかかわらず、LiTaO3単結晶基板と格子整合できるほど
格子定数が大きくならず、また14.3モル%を超える場合
には、逆に格子定数が大きくなりすぎ、いずれの場合も
LiTaO3単結晶とLiNbO3単結晶との格子整合が困難になる
からである。また、Mgの含有量については、 0.8モル%
より少ない場合は、光損傷を防止する効果が不充分とな
り、10.8モル%を超える量は、ニオブ酸マグネシウム系
の結晶が析出してしまうため、含有させることができな
い。
When Na and Mg are contained in the LiNbO 3 single crystal thin film, the content of N and Mg is N based on LiNbO 3 single crystal.
It is desirable to contain a: 0.1 to 14.3 mol% and Mg: 0.8 to 10.8 mol%. The reason for this is that when the content of Na is less than 0.1 mol%, the lattice constant does not become large enough to be lattice-matched with the LiTaO 3 single crystal substrate, regardless of the amount of addition of Mg. On the other hand, if it exceeds%, the lattice constant becomes too large.
This is because the lattice matching between the LiTaO 3 single crystal and the LiNbO 3 single crystal becomes difficult. In addition, regarding the content of Mg, 0.8 mol%
If the amount is less than the above range, the effect of preventing optical damage becomes insufficient, and the amount exceeding 10.8 mol% cannot be contained because magnesium niobate-based crystals are precipitated.

【0018】 次に、本発明において、LiNbO3中のLi
/Nbのモル比率を変えることにより、LiNbO3単結晶薄膜
とLiTaO3単結晶基板を格子整合させる方法としては、液
相エピタキシャル成長法を用い、このための溶融体とし
て少なくともK2O, V2O5, Li2O, Nb2O5からなる組成物を
使用することが有利である。この理由は、前記K2O, V 2O
5 は溶融剤( フラックス) として作用する。溶融剤とし
てK2O, V2O5 を使用することにより、溶融剤からのLiの
供給を防止できるため、原料物中の Li2O, Nb2O5の組成
比を変えることにより、析出してくるLiNbO3のLi/Nbの
モル比率を変えることができる。結局、このLi/Nbのモ
ル比率を変えると、a軸の格子定数も変わる。すなわ
ち、原料物中の Li2O, Nb2O5の組成比を制御することに
より、LiNbO3単結晶薄膜のa軸の格子定数を制御するこ
とができ、それ故にLiNbO3単結晶薄膜とLiTaO3単結晶基
板を格子整合させることができるのである。
Next, in the present invention, LiNbO3Li in
By changing the molar ratio of / Nb, LiNbO3Single crystal thin film
And LiTaO3As a method of lattice-matching a single crystal substrate,
Using the phase-epitaxial growth method,
At least K2O, V2OFive, Li2O, Nb2OFiveA composition consisting of
It is advantageous to use. The reason for this is K2O, V 2O
FiveActs as a melting agent (flux). As a melting agent
K2O, V2OFiveOf the Li from the melt by using
Since it can prevent the supply of Li,2O, Nb2OFiveComposition of
LiNbO precipitates by changing the ratio3Li / Nb
The molar ratio can be changed. After all, this Li / Nb model
The lattice constant of the a-axis also changes when the ratio is changed. Sanawa
Li in raw materials2O, Nb2OFiveTo control the composition ratio of
From LiNbO3Controlling the a-axis lattice constant of a single crystal thin film
And hence LiNbO3Single crystal thin film and LiTaO3Single crystal base
The plates can be lattice matched.

【0019】 次に、本発明において、他の格子整合
手段として、LiTaO3単結晶基板層のa軸の格子定数を小
さくして格子整合させてもよい。この方法としては、Li
TaO3単結晶中にTiを含有させることが望ましい。この理
由は、Ti原子あるいはイオンは、LiTaO3単結晶基板層の
a軸の格子定数を小さくする効果を有するからである。
Next, in the present invention, as another lattice matching means, lattice matching may be performed by reducing the a-axis lattice constant of the LiTaO 3 single crystal substrate layer. The method is Li
It is desirable to include Ti in the TaO 3 single crystal. The reason for this is that Ti atoms or ions have the effect of reducing the a-axis lattice constant of the LiTaO 3 single crystal substrate layer.

【0020】このTi原子あるいはイオンを含有させる場
合、その含有量は、LiTaO3に対して0.2〜30モル%であ
ることが好ましい。その理由は、Tiの含有量が 0.2モル
%より少ない場合は、LiNbO3と格子整合できるほど格子
定数が小さくならず、また30モル%を超える場合には、
逆に格子定数が小さくなりすぎ、いずれの場合もLiTaO3
単結晶基板とLiNbO3単結晶薄膜との格子整合が得られな
いからである。
When this Ti atom or ion is contained, its content is preferably 0.2 to 30 mol% with respect to LiTaO 3 . The reason is that when the Ti content is less than 0.2 mol%, the lattice constant does not become small enough to be lattice-matched with LiNbO 3, and when it exceeds 30 mol%,
Conversely, the lattice constant becomes too small, and in any case LiTaO 3
This is because the lattice matching between the single crystal substrate and the LiNbO 3 single crystal thin film cannot be obtained.

【0021】以下に、本発明にかかる導波路の製造方法
について述べる。 埋め込み型光導波路;図2(a) に示すように、LiTa
O3単結晶板1の導波路形成部に溝4を形成した後、この
基板の上にLiNbO3単結晶膜5の薄膜を格子整合させなが
ら成長させ、その後不要な薄膜5をとり除き、溝4の中
にのみLiNbO3単結晶を残して、導波路2とする。 リッジ型導波路;LiTaO3単結晶基板1上に、LiNbO3
単結晶の薄膜5を格子整合させながら成長させ、その後
導波路形成部をTiなどでマスクしてドライエッチング
することにより、不要部分を除去し、導波路2を形成す
る方法が用いられる。 その他;LiTaO3単結晶基板上にLiNbO3単結晶の薄膜
5を格子整合させながら形成するその他の方法として
は、酸化リチウム−五酸化バナジウム−五酸化ニオブ−
酸化ナトリウム−酸化マグネシウムからなる溶融体にLi
TaO3単結晶基板1を接触させながら行う方法もある。
The method of manufacturing the waveguide according to the present invention will be described below. Embedded optical waveguide; as shown in Fig. 2 (a), LiTa
After forming the groove 4 in the waveguide forming portion of the O 3 single crystal plate 1, the thin film of the LiNbO 3 single crystal film 5 is grown on this substrate while being lattice-matched, and then the unnecessary thin film 5 is removed to form the groove. LiNbO 3 single crystal is left only in 4 to form the waveguide 2. Ridge type waveguide; LiNbO 3 on the LiTaO 3 single crystal substrate 1
A method is used in which the single crystal thin film 5 is grown while being lattice-matched, and then the waveguide forming portion is masked with Ti or the like and dry-etched to remove unnecessary portions to form the waveguide 2. Others: Another method for forming the thin film 5 of LiNbO 3 single crystal on the LiTaO 3 single crystal substrate while lattice-matching is lithium oxide-vanadium pentoxide-niobium pentoxide-
Li in a melt composed of sodium oxide-magnesium oxide
There is also a method in which the TaO 3 single crystal substrate 1 is contacted.

【0022】さて、本発明はまた、上述した光導波路
を、図1(a) に示すような, LiTaO3単結晶基板1に導波
路を埋め込んだ形態のもの、または図1(b) に示すよう
な, リッジ型として前記基板1上に膨出させて形成した
チャンネル型光導波路により、マッハ−ツェンダー型光
干渉計を構成することにより、光変調器や光スイッチ用
の光デバイスとしたものを提案する。そして、LiTaO3
結晶基板と格子整合されているLiNbO3単結晶薄膜導波路
の光軸に沿って、電界を印加するようにした光変調器と
いうのは、変調効率が非常に高く、しかも安定した振幅
変調をもたらす長寿命の光デバイスである。なお、本発
明の光デバイス, すなわち光変調器は、このチャンネル
型光導波路2を、基板1上に、図示のように、Y型の分
岐, 合流部を設けて、2つの光軸2−1, 2−2とした
1入力−1出力型のものである。
The present invention also provides the above-mentioned optical waveguide in a form in which the waveguide is embedded in a LiTaO 3 single crystal substrate 1 as shown in FIG. 1 (a), or as shown in FIG. 1 (b). As described above, a Mach-Zehnder type optical interferometer is constructed by a channel type optical waveguide formed by bulging on the substrate 1 as a ridge type, and an optical device for an optical modulator or an optical switch is obtained. suggest. An optical modulator that applies an electric field along the optical axis of the LiNbO 3 single crystal thin film waveguide that is lattice-matched with the LiTaO 3 single crystal substrate has a very high modulation efficiency and is stable. It is a long-lived optical device that provides improved amplitude modulation. In the optical device of the present invention, that is, the optical modulator, the channel type optical waveguide 2 is provided on the substrate 1 as shown in FIG. , 2-2, which is a 1-input-1-output type.

【0023】かかる光変調器の作動原理を図1に基づい
て以下に説明する。この光変調器は、LiTaO3単結晶基板
1の表面(0001)面近傍に、分岐型LiNbO3単結晶導
波路2が形成されており、導波路の少なくとも一部分が
2本に分岐された領域を有している。
The operating principle of such an optical modulator will be described below with reference to FIG. In this optical modulator, a branched LiNbO 3 single crystal waveguide 2 is formed in the vicinity of the surface (0001) of a LiTaO 3 single crystal substrate 1, and at least a part of the waveguide is divided into two regions. Have

【0024】かかる導波路は、前記LiTaO3単結晶基板1
の(0001)面上に分岐型LiNbO3単結晶導波路の(0
001)面が積層されるように形成されなければいけな
い。また、LiTaO3単結晶基板のa軸の格子定数とLiNbO3
単結晶薄膜導波路のa軸の格子定数は整合されている。
Such a waveguide is obtained by using the LiTaO 3 single crystal substrate 1
Of the branched LiNbO 3 single crystal waveguide on the (0001) plane of
The 001) faces must be formed so that they are laminated. Also, the a-axis lattice constant of LiTaO 3 single crystal substrate and LiNbO 3
The lattice constants of the a-axis of the single crystal thin film waveguide are matched.

【0025】そして、LiNbO3単結晶導波路2−1、2−
2上には、適当な構造の電極3−1、3−2が設けら
れ、LiNbO3単結晶導波路2−1、2−2の電気光学効果
を介して屈折率変化を誘起し、導波光の位相を電気的に
制御し、出力光の強度変調を行うようになっている。
Then, the LiNbO 3 single crystal waveguides 2-1 and 2-
Electrodes 3-1 and 3-2 having an appropriate structure are provided on 2 to induce a change in the refractive index through the electro-optic effect of the LiNbO 3 single crystal waveguides 2-1 and 2-2 to guide the guided light. Is electrically controlled to perform intensity modulation of output light.

【0026】なお、上記電極3−1, 3−2としては、
プレーナ電極が有利である。そして、この電極は、分岐
された導波路の少なくとも1つに形成されていれば十分
であり、望ましくは、各分岐された各導波路に対し、そ
れぞれ電極を形成するのがよい。
As the electrodes 3-1, 3-2,
Planar electrodes are preferred. It suffices if this electrode is formed on at least one of the branched waveguides, and it is desirable to form an electrode on each branched waveguide.

【0027】この構成において、導波光は入力側の分岐
部で2つに分割され光導波路2−1、2−2に導かれ
る。分割された光導波路2−1、2−2の少なくとも一
方には適当な構造の電極が設けられており、電圧を印加
することにより2つの導波路間に位相差(電極の下では
電界集中が生じるため、導波路の伝搬定数が増加または
減少するように変化することにより、2つの導波路間に
引き起こされる位相差)Δφが生じる。位相差をもつ2
つの導波光を出力側の分岐で合波・干渉させると、位相
差Δφに応じて出力光の強度が変化する。分岐された導
波路それぞれに電極が形成されている場合、各分岐され
た導波路中で導波光はそれぞれΔφ、−Δφの位相変化
を受けるので、導波路間の位相差は2Δφとなり、一方
の導波路上にのみ電極が存在する場合に比べて、2倍の
位相差を得ることができ高効率である。電圧を印加する
ことにより2つの導波路間に生じる位相差は、Vπを半
波長電圧(位相差がπ/2となる電圧)とすると、
In this structure, the guided light is split into two at the input side branch portion and guided to the optical waveguides 2-1 and 2-2. At least one of the divided optical waveguides 2-1 and 2-2 is provided with an electrode having an appropriate structure, and when a voltage is applied, a phase difference (electric field concentration under the electrode causes Therefore, the propagation constant of the waveguide changes so as to increase or decrease, thereby causing a phase difference Δφ caused between the two waveguides. 2 with a phase difference
When two guided lights are combined / interfered at the branch on the output side, the intensity of the output light changes according to the phase difference Δφ. When an electrode is formed in each of the branched waveguides, the guided light undergoes a phase change of Δφ and −Δφ in each of the branched waveguides, so that the phase difference between the waveguides is 2Δφ, and Compared with the case where the electrode exists only on the waveguide, the phase difference can be doubled and the efficiency is high. When Vπ is a half-wave voltage (voltage at which the phase difference is π / 2), the phase difference generated between the two waveguides by applying a voltage is

【0028】[0028]

【数1】 [Equation 1]

【0029】で与えられる。ここで、lは電極長、dは
電極間隔、Γは印加電界低減係数、λは導波光の波長、
rはLiNbO3単結晶薄膜の電気光学定数、Vは印加電圧で
ある。また、Piのパワーの光が入力された場合の出力
光Po は、
Is given by Here, 1 is the electrode length, d is the electrode spacing, Γ is the applied electric field reduction coefficient, λ is the wavelength of the guided light,
r is the electro-optic constant of the LiNbO 3 single crystal thin film, and V is the applied voltage. Further, the output light Po when the light with the power of Pi is input is

【0030】[0030]

【数2】 [Equation 2]

【0031】で与えられる。ここで、rpは各導波路の
パワー分配比である。このように、電極に印加する電圧
を変化させることにより、位相差Δφを与えると、出力
光の強度を変調させることができる。
Is given by Here, rp is the power distribution ratio of each waveguide. In this way, when the phase difference Δφ is given by changing the voltage applied to the electrodes, the intensity of the output light can be modulated.

【0032】また、Δφがπ/2である場合には、2つ
の導波光は互いに干渉して消えてしまう。その結果、導
波光のオン・オフ(スイッチ)が可能になる。
When Δφ is π / 2, the two guided lights interfere with each other and disappear. As a result, the guided light can be turned on / off (switched).

【0033】次に、かかる光変調器の製造方法について
述べる。LiNbO3単結晶導波路の製法としては、LiTaO3
結晶基板1の導波路形成部に溝を形成し、LiNbO3単結晶
薄膜を格子整合させながら形成したのち、不要部分を取
り除き、溝4の中にのみLiNbO3単結晶5を残し、導波路
2とするか、あるいは、LiTaO3単結晶基板1上にLiNbO3
単結晶膜を格子整合させながら形成した後、導波路形成
部にTi などでマスクし、ドライエッチングにより、不
要部を除去し、導波路2を形成する方法が用いられる。
Next, a method of manufacturing such an optical modulator will be described. As a manufacturing method of the LiNbO 3 single crystal waveguide, a groove is formed in the waveguide formation portion of the LiTaO 3 single crystal substrate 1, the LiNbO 3 single crystal thin film is formed while being lattice-matched, and then an unnecessary portion is removed to form the groove 4. leaving the LiNbO 3 single crystal 5 only during either the waveguide 2, or, LiNbO 3 on LiTaO 3 single crystal substrate 1
A method is used in which a single crystal film is formed while being lattice-matched, then the waveguide formation portion is masked with Ti or the like, and unnecessary portions are removed by dry etching to form the waveguide 2.

【0034】LiNbO3単結晶薄膜を格子整合させながら形
成する方法としては、酸化リチウム−五酸化バナジウム
−五酸化イオブ−酸化ナトリウム−酸化マグネシウムか
らなる溶融体にLiTaO3単結晶基板1を接触させ行う。
As a method for forming a LiNbO 3 single crystal thin film while lattice-matching, a LiTaO 3 single crystal substrate 1 is brought into contact with a melt composed of lithium oxide-vanadium pentoxide-iobium pentoxide-sodium oxide-magnesium oxide. .

【0035】このようにして作製されたLiNbO3単結晶導
波路2上に屈折率を変えるための手段として、電極7−
1を設ける。電極7−2は、アルミニウムなどの金属膜
を蒸着やスパッタリングにより被着することが望まし
い。導波路2−1, 2−2と電極7−1, 7−2の間に
はアルミナなどの緩衝層6を設けてもよい。
As a means for changing the refractive index on the LiNbO 3 single crystal waveguide 2 thus manufactured, the electrode 7-
1 is set. The electrode 7-2 is preferably formed by depositing a metal film such as aluminum by vapor deposition or sputtering. A buffer layer 6 such as alumina may be provided between the waveguides 2-1 and 2-2 and the electrodes 7-1 and 7-2.

【0036】なお、本発明の導波路は、次の条件でシン
グルモード導波路となる。すなわち、LiNbO3導波路にNa
0.1〜14.3モル%, Mg 0.8〜10.8モル%の範囲でそれぞ
れ含有されている場合に、導波路の厚さT(μm), 波長λ
(μm)とすると、 TMモードの場合:1.9 <(T+0.7)/λ< 5.7 TEモードの場合:0.29<(T+0.04) /λ< 1.19 が望ましい。また、リッジ型の導波路のシングルモード
の条件は、導波路幅W(μm), リッジ部の段差ΔT(μ
m)とするとき、 TMモードの場合:W≦(4λ−0.5) (λ2 10T+2.0 ) TEモードの場合:W≦( 0.04λ3 + 0.1λ2)/ΔT+
2.5 λ である。上述の範囲は、Na, Mgを用いて、LiTaO3基板に
格子整合されたLiNbO3導波路に特有の条件である。
The waveguide of the present invention becomes a single mode waveguide under the following conditions. That is, Na in the LiNbO 3 waveguide
When contained in the range of 0.1 to 14.3 mol% and Mg 0.8 to 10.8 mol%, the waveguide thickness T (μm) and wavelength λ
(μm), TM mode: 1.9 <(T + 0.7) / λ <5.7 TE mode: 0.29 <(T + 0.04) / λ <1.19 is desirable. In addition, the condition of the single mode of the ridge type waveguide is that the waveguide width W (μm) and the step difference ΔT (μ
m), TM mode: W ≦ (4λ−0.5) (λ 2 10T + 2.0) TE mode: W ≦ (0.04λ 3 + 0.1λ 2 ) / ΔT +
It is 2.5 λ. The above range is a condition specific to a LiNbO 3 waveguide lattice-matched with a LiTaO 3 substrate using Na and Mg.

【0037】[0037]

【実施例】【Example】

実施例1 (1) Na2CO3 22 モル%、Li2CO3 28 モル%、V2O5 40モ
ル%、そしてNb2O5 10モル%からなる混合物に対し、溶
融体組成から析出可能なLiNbO3の理論量に対して2モル
%のMgO を添加してなる混合原料を、白金ルツボに入
れ、この白金ルツボの内容物をエピタキシャル成長育成
装置中の空気雰囲気下で、1100℃まで加熱して溶解し
た。次いで、得られたるつぼ内溶融体をプロペラを用い
て100 rpm の回転速度で12時間撹拌した。 (2)一方、基板作製のために、厚さ2mmのLiTaO3単結
晶の(001)面を光学研磨した後、化学エッチングし
た。次いで、図1に示す導波路2の形成部分に、フォト
リソグラフィーによりパターニングを施し、リフトオフ
法によりTiマスクを形成した。さらにArプラズマエ
ッチングにより、幅10μm、深さ3.5 μmの溝を形成
し、Tiマスクを剥離した。 (3)その後、前記溶融体を1時間当りに60℃の冷却
速度で 915℃まで徐冷する一方、前記基板1は 915℃で
30分間予備加熱した上で、徐冷溶融体中に30 rpmの速
度で回転させながら4分間浸漬した。LiNbO3の成長速度
は、1μm/分であった。 (4)前記溶液体から基板1を引き上げ、回転数1000rp
m で30秒間回転させて溶融体を振り切った後、1℃/
分の速度で室温まで徐冷し、基板材料上に約4μmの厚
さのナトリウム、マグネシウム含有LiNbO3単結晶薄膜を
形成した。 (5)得られたLiNbO3単結晶薄膜中に含有されていたナ
トリウム、マグネシウムの量は、それぞれ3モル%、2
モル%であった。また、薄膜の格子定数(a軸)は、5.
156 A、入射光波長1.15μmで測定した屈折率は2.235
±0.001 であった。 (6)このようにして作製した光導波路に、波長1.55μ
m、TMモードのレーザ光を導波したところ、その導波
モードは単一であり、プリズム移動法で測定した伝搬損
失は1dB/cm以下であった。また、出射光の経時変化を
測定したところ、少なくとも24時間は変化はなかっ
た。 (7)さらにこの光導波路を、水蒸気雰囲気で、12時
間、1000℃に保持し、再び波長1.55μm、TMモードの
レーザ光を導波したところ、その導波モードは単一であ
り、伝搬損失は1dB/cm以下であった。また、出射光
の経時変化を測定したところ、少なくとも24時間は変
化はなかった。 (8)次に、上述のようにして得られた光導波路2の直
上に、シリカ緩衝層をスパッタリングして形成し、引き
続きアルミニウム電極を蒸着させた。この光導波路につ
いて電気光学定数を測定したところ、バルクLiNbO3単結
晶の値とほぼ同じであることがわかった。
Example 1 (1) Precipitation from the melt composition was possible for a mixture of Na 2 CO 3 22 mol%, Li 2 CO 3 28 mol%, V 2 O 5 40 mol%, and Nb 2 O 5 10 mol%. A mixed raw material obtained by adding 2 mol% of MgO to the theoretical amount of LiNbO 3 is put in a platinum crucible, and the contents of the platinum crucible are heated to 1100 ° C. in an air atmosphere in an epitaxial growth and growth apparatus. Melted. Then, the obtained melt in the crucible was stirred with a propeller at a rotation speed of 100 rpm for 12 hours. (2) On the other hand, in order to prepare a substrate, the (001) plane of a LiTaO 3 single crystal having a thickness of 2 mm was optically polished and then chemically etched. Next, the portion where the waveguide 2 shown in FIG. 1 was formed was patterned by photolithography, and a Ti mask was formed by the lift-off method. Further, a groove having a width of 10 μm and a depth of 3.5 μm was formed by Ar plasma etching, and the Ti mask was peeled off. (3) Thereafter, the melt is gradually cooled to 915 ° C. at a cooling rate of 60 ° C. per hour, while the substrate 1 is preheated at 915 ° C. for 30 minutes and then 30 rpm in the slowly cooled melt. It was immersed for 4 minutes while rotating at the speed of. The growth rate of LiNbO 3 was 1 μm / min. (4) The substrate 1 is pulled up from the solution body, and the rotation speed is 1000 rp.
Rotate at m for 30 seconds to shake off the melt, then 1 ℃ /
The film was gradually cooled to room temperature at a rate of a minute, and a LiNbO 3 single crystal thin film containing sodium and magnesium having a thickness of about 4 μm was formed on the substrate material. (5) The amounts of sodium and magnesium contained in the obtained LiNbO 3 single crystal thin film were 3 mol% and 2 respectively.
It was mol%. The lattice constant (a-axis) of the thin film is 5.
The refractive index measured at 156 A and incident light wavelength of 1.15 μm is 2.235.
It was ± 0.001. (6) A wavelength of 1.55μ is added to the optical waveguide manufactured in this way.
When the m and TM mode laser light was guided, the guided mode was single and the propagation loss measured by the prism movement method was 1 dB / cm or less. Moreover, when the change with time of the emitted light was measured, there was no change for at least 24 hours. (7) Further, this optical waveguide was kept at 1000 ° C. for 12 hours in a water vapor atmosphere, and when the TM mode laser light with a wavelength of 1.55 μm was guided again, the waveguide mode was single and the propagation loss was Was less than 1 dB / cm. Moreover, when the change with time of the emitted light was measured, there was no change for at least 24 hours. (8) Next, a silica buffer layer was formed by sputtering directly on the optical waveguide 2 obtained as described above, and subsequently an aluminum electrode was vapor-deposited. When the electro-optic constant of this optical waveguide was measured, it was found to be almost the same as that of the bulk LiNbO 3 single crystal.

【0038】実施例2 (1)Li2CO3 44.3 モル%、V2O5 46.4 モル%、Nb2O5
9.3 モル%、そしてNa2CO3をLi2CO3に対して27.2モル%
からなる混合物に対し、溶融体組成から析出可能なLiNb
O3の理論量に対して5モル%のMgO を添加してなる混合
原料を白金ルツボに入れ、この白金ルツボ内混合物をエ
ピタキシャル成長育成装置中の空気雰囲気下で、1050℃
まで加熱して溶解した。次いで、得られたるつぼ内溶融
体をプロペラを用いて100 rpm の回転速度で20時間撹
拌した。 (2)一方、基板作製のために厚さ1mmのLiTaO3単結晶
の(001)面を光学研磨した後、化学エッチングし
た。ついで、図1に示す導波路2の形成部分にフォトリ
ソグラフィーによりパターニングをし、Tiマスクをリ
フトオフ法により形成した。さらにArプラズマエッチ
ングにより、幅 1.5μm、深さ 0.8μmの溝を形成し、
Tiマスクを剥離した。 (3)その後、前記溶融体を1時間当りに60℃の冷却速
度で 938℃まで徐冷する一方、前記基板1は 915℃で30
分間予備加熱した上で、徐冷溶融体中に35rpm の速度で
回転させながら2.5 分間浸漬した。LiNbO3の成長速度
は、1.6 μm/分であった。 (4)前記溶液体から基板1を引き上げ、回転数1000rp
m で30秒間回転させて余分の溶融体を振り切った後、1
℃/分の速度で室温まで徐冷し、基板材料上に約4μm
の厚さのナトリウム、マグネシウム含有LiNbO3単結晶薄
膜を形成した。 (5)以上のようにして作製した光導波路に、波長 0.5
15μm、TMモードのレーザ光を導波したところ、その
導波モードは単一であり、伝搬損失は1dB/cm以下であ
った。また、出射光の経時変化を測定したところ、少な
くとも24時間は変化はなかった。 (6)さらに、この光導波路を、水蒸気雰囲気で、12
時間、1000℃に保持し、再び波長 0.515μm、TMモー
ドのレーザ光を導波したところ、その導波モードは単一
であり、伝搬損失は1dB/cm以下であった。また、出射
光の経時変化を測定したところ、少なくとも24時間は
変化はなかった。 (7)次に、この光導波路2の直上に、シリカ緩衝層を
スパッタリングして形成し、引き続きアルミニウム電極
を蒸着させた。この光導波路について電気光学定数を測
定したところ、バルクLiNbO3単結晶の値とほぼ同じであ
ることがわかった。
Example 2 (1) Li 2 CO 3 44.3 mol%, V 2 O 5 46.4 mol%, Nb 2 O 5
9.3 mol% and Na 2 CO 3 to Li 2 CO 3 27.2 mol%
LiNb that can be precipitated from the melt composition for a mixture of
A mixed raw material obtained by adding 5 mol% of MgO to the theoretical amount of O 3 was placed in a platinum crucible, and the mixture in the platinum crucible was heated to 1050 ° C. in an air atmosphere in an epitaxial growth and growth apparatus.
It melted by heating to. Then, the obtained melt in the crucible was stirred with a propeller at a rotation speed of 100 rpm for 20 hours. (2) On the other hand, a 1 mm thick LiTaO 3 single crystal (001) surface was optically polished and then chemically etched to prepare a substrate. Next, patterning was performed on the portion where the waveguide 2 shown in FIG. 1 was formed by photolithography, and a Ti mask was formed by the lift-off method. Further, by Ar plasma etching, a groove with a width of 1.5 μm and a depth of 0.8 μm is formed,
The Ti mask was peeled off. (3) Thereafter, the melt is gradually cooled to 938 ° C. at a cooling rate of 60 ° C. per hour, while the substrate 1 is cooled to 938 ° C. at 30 ° C.
It was preheated for 1 minute and then immersed in the slow cooling melt for 2.5 minutes while rotating at a speed of 35 rpm. The growth rate of LiNbO 3 was 1.6 μm / min. (4) The substrate 1 is pulled up from the solution body, and the rotation speed is 1000 rp.
Rotate at m for 30 seconds to shake off excess melt, then 1
Approximately 4 μm on the substrate material after slowly cooling to room temperature at a rate of ° C / min.
Sodium- and magnesium-containing LiNbO 3 single-crystal thin films with a thickness of 1 μm were formed. (5) A wavelength of 0.5 is added to the optical waveguide manufactured as described above.
When laser light of 15 μm and TM mode was guided, the guided mode was single and the propagation loss was 1 dB / cm or less. Moreover, when the change with time of the emitted light was measured, there was no change for at least 24 hours. (6) Furthermore, this optical waveguide is exposed to water vapor in an atmosphere of 12
When the TM mode laser beam having a wavelength of 0.515 μm was guided again by keeping the temperature at 1000 ° C. for a time, the guided mode was single and the propagation loss was 1 dB / cm or less. Moreover, when the change with time of the emitted light was measured, there was no change for at least 24 hours. (7) Next, a silica buffer layer was formed by sputtering directly on the optical waveguide 2, and subsequently an aluminum electrode was vapor-deposited. When the electro-optic constant of this optical waveguide was measured, it was found to be almost the same as that of the bulk LiNbO 3 single crystal.

【0039】実施例3 (1)Li2CO3 40.5 モル%、V2O5 50.5 モル%、Nb2O5
9.0モル%、そしてNa2CO3をLi2CO3に対して23.4モル%
からなる混合物に対し、溶融体組成から析出可能なLiNb
O3の理論量に対して5モル%のMgO を添加してなる混合
原料を白金ルツボに入れ、この白金ルツボ内混合物を、
エピタキシャル成長育成装置中の空気雰囲気下で、1050
℃まで加熱してルツボの内容物を溶解した。次いで、得
られた溶融体をプロペラを用い、100 rpm の回転速度で
19時間撹拌させた。 (2)一方、基板は厚さ2mmのLiTaO3単結晶の(00
1)面を光学研磨して準備した。 (3)その後、前記溶融体を1時間当りに60℃の冷却
速度で 915℃まで徐冷する一方、前記基板1は 938℃で
30分予備加熱した上で、徐冷溶融体中に20rpmで回転
させながら2.5 分間浸漬した。LiNbO3の成長速度は、1.
6 μm/分であった。 (4)前記溶液体から基板1を引き上げ、回転数1000rp
m で30秒間回転させて余分の溶融体を振り切った後、1
℃/分の速度で室温まで徐冷し、基板材料上に約4μm
の厚さのナトリウム、マグネシウム含有LiNbO3単結晶薄
膜を形成した。 (5)得られたLiNbO3単結晶薄膜中に含有されていたナ
トリウム、マグネシウムの量は、それぞれ3モル%、2
モル%であった。また、薄膜の格子定数(a軸)は、5.
156 A、入射光波長1.15μmで測定した屈折率は 2.235
±0.001 であった。 (6)このようにして得られたスラブ型導波路の伝搬損
失をプリズム移動法により測定したところ、波長 0.83
μm、TMモードにおいて1dB/cm以下であった。 (7)上記導波路をパターニングし、Tiマスクを作成
し、Arプラズマエッチングによりリッジ型チャンネル
導波路を作製した。導波路形状は、幅10μm、エッチ
ング深さ1μmとした。 (8)このようにして作製した光導波路に、波長 1.55
μm、TMモードのレーザ光を導波したところ、導波モ
ードは単一であり、伝搬損失はスラブ導波路の値と同じ
であった。また、出射光の経時変化を測定したところ、
少なくとも24時間は変化はなかった。 (9)さらにこの導波路を、水蒸気雰囲気で、12時
間、1000℃に保持し、再び波長 1.55 μm、TMモード
のレーザ光を導波したところ、その導波モードは単一で
あり、伝搬損失は1dB/cm以下であった。また、出射光
の経時変化を測定したところ、少なくとも24時間は変
化はなかった。 (10)次に、かかる光導波路2の直上にシリカ緩衝層
をスパッタリングして形成した、その後、アルミニウム
電極を蒸着させた。この光導波路について電気光学定数
を測定したところ、バルクLiNbO3単結晶の値とほぼ同じ
であることがわかった。
Example 3 (1) Li 2 CO 3 40.5 mol%, V 2 O 5 50.5 mol%, Nb 2 O 5
9.0 mol% and Na 2 CO 3 to Li 2 CO 3 23.4 mol%
LiNb that can be precipitated from the melt composition for a mixture of
A mixed raw material obtained by adding 5 mol% of MgO to the theoretical amount of O 3 was put into a platinum crucible, and the mixture in the platinum crucible was
1050 in an air atmosphere in an epitaxial growth and growth system.
The contents of the crucible were dissolved by heating to ℃. Next, the obtained melt was stirred with a propeller at a rotation speed of 100 rpm for 19 hours. (2) On the other hand, the substrate is made of (00 mm of LiTaO 3 single crystal with a thickness of 2 mm.
1) The surface was prepared by optical polishing. (3) Thereafter, the melt is gradually cooled to 915 ° C. at a cooling rate of 60 ° C. per hour, while the substrate 1 is preheated at 938 ° C. for 30 minutes, and then at 20 rpm in the slowly cooled melt. It was immersed for 2.5 minutes while rotating. The growth rate of LiNbO 3 is 1.
It was 6 μm / min. (4) The substrate 1 is pulled up from the solution body, and the rotation speed is 1000 rp.
Rotate at m for 30 seconds to shake off excess melt, then 1
Approximately 4 μm on the substrate material after slowly cooling to room temperature at a rate of
Sodium- and magnesium-containing LiNbO 3 single-crystal thin films with a thickness of 1 were formed. (5) The amounts of sodium and magnesium contained in the obtained LiNbO 3 single crystal thin film were 3 mol% and 2 respectively.
It was mol%. The lattice constant (a-axis) of the thin film is 5.
The refractive index measured at 156 A and incident light wavelength of 1.15 μm is 2.235.
It was ± 0.001. (6) When the propagation loss of the slab-type waveguide thus obtained was measured by the prism moving method, the wavelength was 0.83.
It was less than 1 dB / cm in μm and TM mode. (7) The waveguide was patterned to form a Ti mask, and Ar plasma etching was performed to produce a ridge-type channel waveguide. The waveguide shape was 10 μm in width and 1 μm in etching depth. (8) A wavelength of 1.55 is added to the optical waveguide manufactured in this way.
When the laser light of μm and TM mode was guided, the guided mode was single and the propagation loss was the same as that of the slab waveguide. Also, when the change with time of the emitted light was measured,
There was no change for at least 24 hours. (9) Furthermore, when this waveguide was kept at 1000 ° C for 12 hours in a water vapor atmosphere and a TM mode laser beam with a wavelength of 1.55 µm was guided again, the waveguide mode was single and the propagation loss was Was less than 1 dB / cm. Further, when the change with time of the emitted light was measured, there was no change for at least 24 hours. (10) Next, a silica buffer layer was formed directly on the optical waveguide 2 by sputtering, and then an aluminum electrode was deposited. When the electro-optic constant of this optical waveguide was measured, it was found to be almost the same as the value of the bulk LiNbO 3 single crystal.

【0040】実施例4 (1)Li2CO3 39.7 モル%、V2O5 46.0 モル%、Nb2O5
14.3モル%、そしてNa2CO3をLi2CO3に対して14.5モル%
からなる混合物に対し、溶融体組成から析出可能なLiNb
O3の理論量に対して5モル%のMgO を添加してなる混合
原料を白金ルツボに入れ、この白金ルツボ内混合物をエ
ピタキシャル成長育成装置中の空気雰囲気下で、1050℃
まで加熱して溶解した。次いで、得られたルツボ内溶融
体をプロペラを用い、100 rpm の回転速度で21時間撹
拌した。 (2)一方、基板は、厚さ1mmのLiTaO3単結晶の(00
1)面を光学研磨して準備した。 (3)その後、前記溶融体を1時間当りに60℃の冷却速
度で 940℃まで徐冷する一方、前記基板1は 940℃で30
分予備加熱した上で、徐冷溶融体中に25rpm で回転させ
ながら1分間浸漬した。LiNbO3の成長速度は、1μm/
分であった。 (4)前記溶液体から基板1を引き上げ、回転数1000rp
m で30秒回転させて余分の溶融体上で溶融体を振り切
った後、1℃/分の速度で室温まで徐冷し、基板材料上
に約1μmの厚さのナトリウム、マグネシウム含有LiNb
O3単結晶薄膜を形成した。 (5)得られたLiNbO3単結晶薄膜中に含有されていたナ
トリウム、マグネシウムの量は、それぞれ3モル%、2
モル%であった。また、薄膜の格子定数(a軸)は、5.
156 A、入射光波長1.15μmで測定した屈折率は 2.235
±0.001 であった。 (6)このようにして得られたスラブ型導波路の伝搬損
失を、プリズム移動法により測定したところ、波長0.83
μm、TMモードにおいて1dB/cm以下であった。 (7)上記導波路をパターニングし、Tiマスクを作成
し、Arプラズマエッチングによりリッジ型チャンネル
導波路を作製した。導波路形状は、幅 1.5μm、エッチ
ング深さ 0.5μmとした。 (8)このようにして作製した光導波路に、波長 0.515
μm、TMモードのレーザ光を導波したところ、導波モ
ードは単一であり、伝搬損失はスラブ導波路の値と同じ
1dB/cm以下であった。また、出射光の経時変化を測定
したところ、少なくとも24時間は変化はなかった。 (9)さらにこの光導波路を、水蒸気雰囲気で、12時
間、1000℃に保持し、再び波長 0.515μm、TMモード
のレーザ光を導波したところ、その導波モードは単一で
あり、伝搬損失は1dB/cm以下であった。また、出射光
の経時変化を測定したところ、少なくとも24時間は変
化はなかった。 (10)次に、かかる光導波路2の直上に、シリカ緩衝
層をスパッタリングして形成した後、アルミニウム電極
を蒸着させた。この光導波路について、電気光学定数を
測定したところ、バルクLiNbO3単結晶の値とほぼ同じで
あることがわかった。
Example 4 (1) Li 2 CO 3 39.7 mol%, V 2 O 5 46.0 mol%, Nb 2 O 5
14.3 mol% and Na 2 CO 3 to Li 2 CO 3 14.5 mol%
LiNb that can be precipitated from the melt composition for a mixture of
A mixed raw material obtained by adding 5 mol% of MgO to the theoretical amount of O 3 was placed in a platinum crucible, and the mixture in the platinum crucible was heated to 1050 ° C. in an air atmosphere in an epitaxial growth and growth apparatus.
It melted by heating to. Then, the obtained melt in the crucible was stirred with a propeller at a rotation speed of 100 rpm for 21 hours. (2) On the other hand, the substrate is made of (00 mm) LiTaO 3 single crystal with a thickness of 1 mm.
1) The surface was prepared by optical polishing. (3) Thereafter, the melt is gradually cooled to 940 ° C. at a cooling rate of 60 ° C. per hour, while the substrate 1 is cooled to 940 ° C. at 30 ° C.
After preheating for a minute, it was immersed in the slow cooling melt for 1 minute while rotating at 25 rpm. The growth rate of LiNbO 3 is 1 μm /
It was a minute. (4) The substrate 1 is pulled up from the solution body, and the rotation speed is 1000 rp.
Rotate at 30 m for 30 seconds, shake off the melt on the excess melt, then slowly cool to room temperature at a rate of 1 ° C / min, and deposit LiNb containing sodium and magnesium with a thickness of about 1 µm on the substrate material.
An O 3 single crystal thin film was formed. (5) The amounts of sodium and magnesium contained in the obtained LiNbO 3 single crystal thin film were 3 mol% and 2 respectively.
It was mol%. The lattice constant (a-axis) of the thin film is 5.
The refractive index measured at 156 A and incident light wavelength of 1.15 μm is 2.235.
It was ± 0.001. (6) When the propagation loss of the slab-type waveguide thus obtained was measured by the prism moving method, the wavelength was 0.83.
It was less than 1 dB / cm in μm and TM mode. (7) The waveguide was patterned to form a Ti mask, and Ar plasma etching was performed to produce a ridge-type channel waveguide. The waveguide shape has a width of 1.5 μm and an etching depth of 0.5 μm. (8) A wavelength of 0.515 is added to the optical waveguide manufactured in this way.
When the laser light of μm and TM mode was guided, the guided mode was single and the propagation loss was 1 dB / cm or less, which is the same as the value of the slab waveguide. Further, when the change with time of the emitted light was measured, there was no change for at least 24 hours. (9) Furthermore, when this optical waveguide was held at 1000 ° C for 12 hours in a water vapor atmosphere and the TM mode laser light with a wavelength of 0.515 µm was guided again, the waveguide mode was single and the propagation loss was Was less than 1 dB / cm. Moreover, when the change with time of the emitted light was measured, there was no change for at least 24 hours. (10) Next, a silica buffer layer was formed by sputtering directly on the optical waveguide 2, and then an aluminum electrode was deposited. When the electro-optic constant of this optical waveguide was measured, it was found to be almost the same as that of the bulk LiNbO 3 single crystal.

【0041】比較例1 (1)寸法5×15mm程度、厚さ 0.5mmでC軸を厚さ方向
とするLiNbO3単結晶板のZ面に、実施例1において導波
路を形成した箇所と同じ位置にTiを厚さ100 A程度蒸
着した後、パターニングし、1000℃で10時間熱処理
し、Tiを熱拡散させ、光導波路を形成した。 (2)このようにして作製した光導波路に、波長 0.515
μm、TMモードのレーザ光を導波したところ、数秒で
出射光が不安定となり、導波ができなくなった。
Comparative Example 1 (1) Same as the place where a waveguide was formed in Example 1 on the Z plane of a LiNbO 3 single crystal plate having a dimension of about 5 × 15 mm, a thickness of 0.5 mm, and a C axis as the thickness direction. After Ti was vapor-deposited at a position of about 100 A, patterning was performed and heat treatment was performed at 1000 ° C. for 10 hours to thermally diffuse Ti to form an optical waveguide. (2) The optical waveguide manufactured in this way has a wavelength of 0.515
When the μm and TM mode laser light was guided, the emitted light became unstable in a few seconds, and the waveguide could not be guided.

【0042】比較例2 (1)寸法5×15mm程度、厚さ1mmでC軸を厚さ方向と
するLiNbO3単結晶板のZ面に、実施例1において導波路
を形成した箇所と同じ位置にTiを厚さ 100A程度蒸着
した後、パターニングし、1000℃で10時間熱処理し、
Tiを熱拡散させ、導波路を形成した。 (2)このようにして作製した光導波路に、波長1.55μ
m、TMモードのレーザ光を導波したところ、導波モー
ドは単一であり、伝搬損失は1dB/cm以下であった。 (3)この導波路を、水蒸気雰囲気で、12時間、1000℃
に保持し、再び波長1.55μm、TMモードのレーザ光を
導波したところ、導波光は確認できなかった。
Comparative Example 2 (1) The same position as the portion where the waveguide was formed in Example 1 on the Z plane of the LiNbO 3 single crystal plate having dimensions of 5 × 15 mm and a thickness of 1 mm and having the C axis as the thickness direction. After Ti is vapor-deposited to a thickness of about 100 A, patterning is performed and heat treatment is performed at 1000 ° C. for 10 hours.
Ti was thermally diffused to form a waveguide. (2) Wavelength of 1.55μ in the optical waveguide manufactured in this way
When the m and TM mode laser light was guided, the guided mode was single and the propagation loss was 1 dB / cm or less. (3) This waveguide in a water vapor atmosphere for 12 hours at 1000 ° C
When the laser light of TM mode was guided again with the wavelength held at 1.55 μm, no guided light could be confirmed.

【0043】比較例3 (1)まず、基板は、厚さ2mmのLiTaO3単結晶の(00
1)面を光学研磨して準備し、化学エッチングした後、
図1に示すように、光導波路2の形成部分に溝を形成し
た。なお、この溝の寸法などは、実施例1と同じ設計と
した。 (2)一方、Li2CO3 50 モル%、V2Ol6 40モル%、Nb2O
5 10モル%からなる混合原料を、1000℃まで加熱して溶
融体とした。 (3)その後、この溶融体を1時間当りに60℃の冷却
速度で 915℃まで徐冷する一方、前記基板1を 915℃で
30分予備加熱した上で、徐冷溶融体中に30rpmの速度
で回転させながら4分間浸漬した。LiNbO3の成長速度
は、1μm/分であった。 (4)前記溶液体から基板1を引き上げ、回転数1000rp
m で30秒溶融体上で溶融体を振り切った後、1℃/分
の速度で室温まで徐冷し、基板材料上に約4μmの厚さ
のLiNbO3単結晶薄膜を得た。 (5)得られたスラブ導波路の伝搬損失をプリズム移動
法により測定したところ、波長 0.83 μm、TMモード
において10dB/cmであった。 (6)さらに、LiNbO3単結晶薄膜をイオンビームエッチ
ングにより、不要部分を除去し、LiNbO3単結晶導波路を
形成した。導波路形状は、幅10μm、エッチング深さ
1μmとした。 (7)このようにして作製した光導波路に、波長 1.55
μm、TMモードのレーザ光を導波したところ、導波モ
ードは単一であり、伝搬損失はスラブ導波路の値と同じ
10dB/cmであった。また、出射光の経時変化を測定し
たところ、少なくとも24時間は変化はなかった。 (8)次に、かかる光導波路2の直上に、シリカ緩衝層
をスパッタリングして形成し、その後、アルミニウム電
極を蒸着させた。この光導波路について電気光学定数を
測定したところ、バルクLiNbO3単結晶の1/10の値で
あることがわかった。
Comparative Example 3 (1) First, the substrate was made of a LiTaO 3 single crystal (00 mm) having a thickness of 2 mm.
1) Prepare the surface by optical polishing, and after chemical etching,
As shown in FIG. 1, a groove was formed in the portion where the optical waveguide 2 was formed. The dimensions of the groove and the like were the same as those in Example 1. (2) On the other hand, Li 2 CO 3 50 mol%, V 2 Ol 6 40 mol%, Nb 2 O
A mixed raw material consisting of 5 10 mol% was heated to 1000 ° C. to obtain a melt. (3) Thereafter, the melt was gradually cooled to 915 ° C. at a cooling rate of 60 ° C. per hour, while the substrate 1 was preheated at 915 ° C. for 30 minutes, and then the melt was cooled at 30 rpm in the slowly cooled melt. It was immersed for 4 minutes while rotating at a speed. The growth rate of LiNbO 3 was 1 μm / min. (4) The substrate 1 is pulled up from the solution body, and the rotation speed is 1000 rp.
The melt was shaken off on the melt at m 2 for 30 seconds and then gradually cooled to room temperature at a rate of 1 ° C./min to obtain a LiNbO 3 single crystal thin film having a thickness of about 4 μm on the substrate material. (5) When the propagation loss of the obtained slab waveguide was measured by the prism moving method, it was found to be 10 dB / cm in the wavelength mode of 0.83 μm and TM mode. (6) Further, the LiNbO 3 single crystal thin film was subjected to ion beam etching to remove unnecessary portions to form a LiNbO 3 single crystal waveguide. The waveguide shape was 10 μm in width and 1 μm in etching depth. (7) A wavelength of 1.55 is added to the optical waveguide manufactured in this way.
When the laser light of μm and TM mode was guided, the waveguide mode was single and the propagation loss was 10 dB / cm, which was the same as the value of the slab waveguide. Further, when the change with time of the emitted light was measured, there was no change for at least 24 hours. (8) Next, a silica buffer layer was formed by sputtering directly on the optical waveguide 2, and then an aluminum electrode was deposited. When the electro-optic constant of this optical waveguide was measured, it was found to be 1/10 of the bulk LiNbO 3 single crystal.

【0044】比較例4 (1)まず、基板1は、厚さ2mmのLiTaO3単結晶の(0
01)面を光学研磨して準備し、これを化学エッチング
し、次いで図1に示すように、導波路2の形成部分に溝
を形成した。なお、この溝の寸法などは、実施例1と同
じ設計とした。 (2)一方、Li2CO3 50 モル%、V2O5 40 モル%、Nb2O
5 10%からなる混合原料を1000℃まで加熱し、溶融体と
した。 (3)その後、この溶融体を1時間当りに60℃の冷却
速度で 915℃まで徐冷する一方、前記基板1を 915℃で
30分予備加熱した上で、徐冷溶融体中に30rpmの速度
で回転させながら4分間浸漬した。LiNbO3の成長速度
は、1μm/分であった。 (4)前記溶液体から基板1を引き上げ、回転数1000rp
m で30秒溶融体上で溶融体を振り切った後、1℃/分
の速度で室温まで徐冷し、基板材料上に約4μmの厚さ
のLiNbO3単結晶薄膜を得た。 (5)得られたスラブ導波路の伝搬損失をプリズム移動
法により測定したところ、波長 0.83 μm、TMモード
において10dB/cmであった。 (6)さらに、LiNbO3単結晶薄膜をイオンビームエッチ
ングにより、不要部分を除去し、LiNbO3単結晶導波路を
形成した。導波路形状は、幅10μm、エッチング深さ
1μmとした。 (7)このようにして作製した光導波路に、波長 1.55
μm、TMモードのレーザ光を導波したところ、導波モ
ードは単一であり、伝搬損失はスラブ導波路の値と同じ
10dB/cmであった。また、出射光の経時変化を測定し
たところ、少なくとも24時間は変化はなかった。 (8)また、この光導波路を、水蒸気雰囲気で、12時
間、1000℃に保持したところ、基板に割れが発生した。
Comparative Example 4 (1) First, the substrate 1 was made of (2) thick LiTaO 3 single crystal (0
The (01) surface was prepared by optical polishing, chemically etched, and then, as shown in FIG. 1, a groove was formed in the portion where the waveguide 2 was formed. The dimensions of the groove and the like were the same as those in Example 1. (2) On the other hand, Li 2 CO 3 50 mol%, V 2 O 5 40 mol%, Nb 2 O
A mixed raw material consisting of 5 10% was heated to 1000 ° C. to obtain a melt. (3) Thereafter, the melt was gradually cooled to 915 ° C. at a cooling rate of 60 ° C. per hour, while the substrate 1 was preheated at 915 ° C. for 30 minutes, and then the melt was cooled at 30 rpm in the slowly cooled melt. It was immersed for 4 minutes while rotating at a speed. The growth rate of LiNbO 3 was 1 μm / min. (4) The substrate 1 is pulled up from the solution body, and the rotation speed is 1000 rp.
The melt was shaken off on the melt at m 2 for 30 seconds and then gradually cooled to room temperature at a rate of 1 ° C./min to obtain a LiNbO 3 single crystal thin film having a thickness of about 4 μm on the substrate material. (5) When the propagation loss of the obtained slab waveguide was measured by the prism moving method, it was found to be 10 dB / cm in the wavelength mode of 0.83 μm and TM mode. (6) Further, the LiNbO 3 single crystal thin film was subjected to ion beam etching to remove unnecessary portions to form a LiNbO 3 single crystal waveguide. The waveguide shape was 10 μm in width and 1 μm in etching depth. (7) A wavelength of 1.55 is added to the optical waveguide manufactured in this way.
When the laser light of μm and TM mode was guided, the waveguide mode was single and the propagation loss was 10 dB / cm, which was the same as the value of the slab waveguide. Moreover, when the change with time of the emitted light was measured, there was no change for at least 24 hours. (8) Further, when this optical waveguide was kept at 1000 ° C. for 12 hours in a water vapor atmosphere, cracks occurred in the substrate.

【0045】比較例5 (1)寸法5×15mm程度、厚さ 0.5mmでC軸を厚さ方向
とするLiNbO3単結晶基板のZ面に、Taを厚さ1μm程
度蒸着した後、パターニングし、RIEにより、幅3μ
mの導波路パターンを形成した。これを、H4P2O7に浸漬
し、250 ℃で30分間熱処理を施してTaを剥離し、導
波路を形成した。 (2)このようにして作製した光導波路に、波長 1.55
μm、TMモードのレーザ光を導波したところ、導波モ
ードは単一であり、伝搬損失は、3dB/cmであった。 (3)この導波路を、水蒸気雰囲気で、12時間、1000
℃に保持し、再び波長 1.55 μm、TMモードのレーザ
光を導波したところ、導波光は確認できなかった。
Comparative Example 5 (1) Ta was deposited to a thickness of about 1 μm on the Z surface of a LiNbO 3 single crystal substrate having a dimension of about 5 × 15 mm and a thickness of 0.5 mm, and the C axis was the thickness direction, and then patterned. , RIE, width 3μ
m waveguide pattern was formed. This was dipped in H 4 P 2 O 7 and heat-treated at 250 ° C. for 30 minutes to remove Ta, thereby forming a waveguide. (2) A wavelength of 1.55 is added to the optical waveguide manufactured in this way.
When the laser light of μm and TM mode was guided, the guided mode was single and the propagation loss was 3 dB / cm. (3) This waveguide is used for 1000 hours in a water vapor atmosphere for 1000 hours.
When held at ℃ and guided TM mode laser light with a wavelength of 1.55 μm again, guided light could not be confirmed.

【0046】上述した実施例1, 2, 3, 4、比較例
1, 2, 3, 4, 5の各導波路の諸特性の比較測定結果
を表1に示す。この表1に示す結果から明らかなよう
に、本発明の光導波路は、従来の光導波路より優れた特
性を得ることができる。すなわち、本発明にかかる光導
波路は、LiNbO3単結晶導波路2とLiTaO3単結晶1との格
子定数が整合されているため、LiNbO3単結晶導波路2の
結晶格子に歪がなく、また、Ti拡散LiNbO3光導波路
や、プロトン交換光導波路等の拡散光導波路のように不
純物を拡散していないので、耐アニーリング性にも優れ
ている。
Table 1 shows the results of comparative measurement of various characteristics of the waveguides of Examples 1, 2, 3, and 4 and Comparative Examples 1, 2, 3, 4, and 5 described above. As is clear from the results shown in Table 1, the optical waveguide of the present invention can obtain characteristics superior to those of the conventional optical waveguide. That is, in the optical waveguide according to the present invention, since the lattice constants of the LiNbO 3 single crystal waveguide 2 and the LiTaO 3 single crystal 1 are matched, there is no distortion in the crystal lattice of the LiNbO 3 single crystal waveguide 2, and Unlike Ti diffused LiNbO 3 optical waveguides and diffused optical waveguides such as proton-exchanged optical waveguides, impurities are not diffused, so that it has excellent annealing resistance.

【0047】[0047]

【表1】 [Table 1]

【0048】実施例5 (1)Na2CO3 22 モル%, Li2CO3 28 モル%, V2O5 40
モル%, Nb2O5 10 モル%, MgO を溶融体組成から析出
可能なLiNbO3の理論量に対して2モル%添加した混合物
を白金ルツボに入れ、エピタキシャル成長育成装置中の
空気雰囲気下で、1100℃まで加熱してルツボの内容物を
溶解した。さらに、溶融体をプロペラを用い、100rpmの
回転速度で12時間撹拌させた。 (2)厚さ2mmのLiTaO3単結晶の(0001)面を光学
研磨した後、化学エッチングし、ついで、図1に示す導
波路2の形成部分に溝をイオンビームエッチングにより
形成した。溝の形状は、幅7μm、深さ5μmの矩形
で、分岐角は1.5 ゜である。溶融体を1時間当たり60℃
の冷却速度で 915℃まで徐冷した後、この基板1を915
℃で30分間予備加熱した後、溶融体中に100rpmで回転さ
せながら8分間浸漬した。LiNbO3の成長速度は、1μm
/分であった。 (3)溶融体から基板1を引き上げ、回転数1000rpm で
30秒間溶融体上で溶融体を振り切った後、1℃/分の速
度で室温まで徐冷し、基板材料上に約8μmの厚さのナ
トリウム、マグネシウム含有LiNbO3単結晶薄膜を得た。 (4)得られたLiNbO3単結晶薄膜中に含有されていたナ
トリウム、マグネシウムの量は、それぞれ3モル%, 2
モル%であった。また、薄膜の格子定数(a軸)は 5.1
56、入射光波長1.15μmで測定した屈折率は 2.235±0.
001 であった。 (5)さらに、LiNbO3単結晶薄膜を研磨により、不要部
分を除去し、深さ3μmの埋め込み型LiNbO3単結晶導波
路を形成した。 (6)導波路2の直上にアルミナ緩衝層6をスパッタリ
ングにて形成した後、アルミニウム電極7を蒸着により
形成した。電極の形状はプレーナ電極構造で導波路を覆
う長さは6mmであり、電極間隔は20μmであった。 (7)このようにして形成した分岐干渉型光変調器に波
長1550nmのレーザ光を10mW入射したところ、変調帯域は
3.0GHz であり、半波長電圧は8Vであった。また、
レーザ光を導波した状態で5時間経過後も特性に変化は
みられなかった。
Example 5 (1) Na 2 CO 3 22 mol%, Li 2 CO 3 28 mol%, V 2 O 5 40
Mol%, Nb 2 O 5 10 mol%, MgO 2 mol% to the theoretical amount of LiNbO 3 which can be precipitated from the melt composition was added to the platinum crucible, and the mixture was placed in an epitaxial growth and growth apparatus under an air atmosphere. The contents of the crucible were dissolved by heating to 1100 ° C. Further, the melt was stirred with a propeller at a rotation speed of 100 rpm for 12 hours. (2) The (0001) plane of a LiTaO 3 single crystal having a thickness of 2 mm was optically polished and then chemically etched, and then a groove was formed by ion beam etching in the portion where the waveguide 2 shown in FIG. 1 was formed. The shape of the groove is a rectangle with a width of 7 μm and a depth of 5 μm, and the branch angle is 1.5 °. Melt 60 ℃ per hour
After slowly cooling to 915 ℃ at the cooling rate of
After preheating at 30 ° C. for 30 minutes, it was immersed in the melt for 8 minutes while rotating at 100 rpm. Growth rate of LiNbO 3 is 1 μm
/ Min. (3) Pulling up the substrate 1 from the melt and rotating at 1000 rpm
The melt was shaken off on the melt for 30 seconds and then gradually cooled to room temperature at a rate of 1 ° C./min to obtain a sodium-magnesium-containing LiNbO 3 single crystal thin film having a thickness of about 8 μm on the substrate material. (4) The amounts of sodium and magnesium contained in the obtained LiNbO 3 single crystal thin film were 3 mol% and 2%, respectively.
It was mol%. The lattice constant (a-axis) of the thin film is 5.1
56, the refractive index measured at an incident light wavelength of 1.15 μm is 2.235 ± 0.
It was 001. (5) Further, unnecessary portions were removed by polishing the LiNbO 3 single crystal thin film to form a buried LiNbO 3 single crystal waveguide having a depth of 3 μm. (6) After forming the alumina buffer layer 6 directly on the waveguide 2 by sputtering, the aluminum electrode 7 was formed by vapor deposition. The electrodes had a planar electrode structure and the length covering the waveguide was 6 mm, and the electrode interval was 20 μm. (7) When a laser beam with a wavelength of 1550 nm is applied to the branching interference type optical modulator formed in this way at 10 mW, the modulation band is
It was 3.0 GHz and the half-wave voltage was 8V. Also,
The characteristics were not changed even after 5 hours with the laser light being guided.

【0049】実施例6 (1)厚さ2mmのLiTaO3単結晶の(0001)面を光学
研磨した後、化学エッチングした。実施例1の方法と同
様に溶融体中に5分間浸漬した。LiNbO3の成長速度は、
1μm/分であった。 (2)溶融体から基板1を引き上げ、回転数1000rpm で
30秒間溶融体上で溶融体を振り切った後、1℃/分の速
度で室温まで徐冷し、基板材料上に約5μmの厚さのナ
トリウム、マグネシウム含有LiNbO3単結晶薄膜を得た。 (3)さらに、LiNbO3単結晶薄膜を研磨により、膜厚調
整を施し、厚さ 2.8μmのLiNbO3単結晶薄膜を形成し
た。ついで、フォトリソグラフィー、イオンビームエッ
チングの技法により、幅5μm、段差 1.8μmのリッジ
型LiNbO3単結晶導波路を形成した。 (4)導波路2の上にアルミナ緩衝層6をスパッタリン
グにて形成した後、アルミニウム電極7を蒸着により形
成した。電極の形状はプレーナ電極構造で導波路を覆う
長さは5mmであり、電極間隔は10μmであった。 (5)このようにして形成した分岐干渉型光変調器に波
長 633nmのレーザ光を15mW入射したところ、変調帯域は
3.5GHz であり、半波長電圧は2Vであった。また、
レーザ光を導波した状態で3時間経過後も特性に変化は
みられなかった。
Example 6 (1) The (0001) plane of a LiTaO 3 single crystal having a thickness of 2 mm was optically polished and then chemically etched. It was immersed in the melt for 5 minutes in the same manner as in Example 1. The growth rate of LiNbO 3 is
It was 1 μm / min. (2) Pulling the substrate 1 out of the melt and rotating at 1000 rpm
After the melt was shaken off for 30 seconds on the melt, the melt was gradually cooled to room temperature at a rate of 1 ° C./min to obtain a sodium-magnesium-containing LiNbO 3 single crystal thin film having a thickness of about 5 μm on the substrate material. (3) Further, the film thickness of the LiNbO 3 single crystal thin film was adjusted by polishing to form a LiNbO 3 single crystal thin film having a thickness of 2.8 μm. Then, a ridge type LiNbO 3 single crystal waveguide having a width of 5 μm and a step of 1.8 μm was formed by the technique of photolithography and ion beam etching. (4) After forming the alumina buffer layer 6 on the waveguide 2 by sputtering, the aluminum electrode 7 was formed by vapor deposition. The electrodes had a planar electrode structure with a length of 5 mm covering the waveguide and an electrode interval of 10 μm. (5) When a laser beam with a wavelength of 633 nm is applied to the branching interference type optical modulator formed in this way at 15 mW, the modulation band is
It was 3.5 GHz and the half-wave voltage was 2V. Also,
No change was observed in the characteristics even after the lapse of 3 hours with the laser light guided.

【0050】実施例7 (1)実施例2と同様にして分岐干渉型光変調器を作製
した。実施例2と異なる点は、導波路のサイズ、電極の
サイズである。導波路サイズは幅6μm、厚さ 2.5μ
m、段差 2.0μmのリッジ型LiNbO3単結晶導波路であ
る。電極のサイズは導波路を覆う長さは3mmであり、電
極間隔は15μmであった。 (5)このようにして形成した分岐干渉型光変調器に波
長1300nmのレーザ光を10mW入射した。印加電圧を調整し
て2つの導波路を通る光の位相差がπ/2となるように
セットしたところ、消光比15dBを観察した。
Example 7 (1) A branching interference type optical modulator was manufactured in the same manner as in Example 2. The difference from the second embodiment is the size of the waveguide and the size of the electrode. Waveguide size is width 6μm, thickness 2.5μ
It is a ridge type LiNbO 3 single crystal waveguide with m and a step of 2.0 μm. Regarding the size of the electrodes, the length covering the waveguide was 3 mm, and the electrode interval was 15 μm. (5) 10 mW of laser light having a wavelength of 1300 nm was made incident on the branch interference type optical modulator thus formed. When the applied voltage was adjusted and the phase difference of the light passing through the two waveguides was set to π / 2, an extinction ratio of 15 dB was observed.

【0051】比較例6 (1)寸法5×15mm程度、厚さ 0.5mmでC軸を厚さ方向
とするLiNbO3単結晶板のZ面に、実施例1において導波
路を形成した箇所と同じ位置にTi を厚さ 100A程度蒸
着した後、パターニングし、 950℃で数時間熱処理し、
Ti を熱拡散させ、導波路を形成した。 (2)ついで、導波路の直上に緩衝層としてアルミナを
被着し、さらにアルミニウム電極を蒸着により形成し
た。 (3)このようにして形成した分岐干渉型光変調器に波
長 633nmのレーザ光を10mW入射したところ、光損傷を発
生し、安定性に問題があることがわかった。
Comparative Example 6 (1) Same as the place where the waveguide was formed in Example 1 on the Z plane of a LiNbO 3 single crystal plate having a dimension of 5 × 15 mm and a thickness of 0.5 mm and having the C axis as the thickness direction. After Ti is vapor-deposited at a position of about 100 A, patterning is performed and heat treatment is performed at 950 ° C. for several hours.
A waveguide was formed by thermally diffusing Ti. (2) Next, alumina was deposited as a buffer layer directly on the waveguide, and further an aluminum electrode was formed by vapor deposition. (3) When 10 mW of laser light with a wavelength of 633 nm was made to enter the branch interference type optical modulator thus formed, it was found that optical damage occurred and there was a problem in stability.

【0052】比較例7 (1)厚さ2mmのLiTaO3単結晶の(0001)面を光学
研磨した後、化学エッチングし、ついで、図1に示す導
波路2の形成部分に溝をイオンビームエッチングにより
形成した。溝の形状は、幅7μm、深さ5μmの矩形
で、分岐角は1.5 ゜である。 (2)ついで、Li2CO3 50 モル%, V2O5 40 モル%, Nb
2O5 10 モル%からなる原料を1000℃まで加熱し、溶融
体とした後、溶融体を1時間あたりに60℃の冷却速度で
915℃まで徐冷し、この基板1を 915℃で30分間予備加
熱した後、溶融体中に100rpmで回転させながら8分間浸
漬した。LiNbO3の成長速度は、1μm/分であった。 (3)溶融体から基板1を引き上げ、回転数1000rpm で
30秒間溶融体上で溶融体を振り切った後、1℃/分の速
度で室温まで徐冷し、基板材料上に約8μmの厚さのLi
NbO3単結晶薄膜を得た。 (4)さらに、LiNbO3単結晶薄膜をイオンビームエッチ
ングにより、不要部分を除去し、LiNbO3単結晶導波路2
を形成した。 (5)導波路2の直上にアルミナ緩衝層6をスパッタリ
ングにて形成した後、アルミニウム電極7を蒸着により
形成した。 (6)このようにして形成した分岐干渉型光変調器に波
長1550nmのレーザ光を5mW入射したところ、変調帯域は
2.5 GHz であり、半波長電圧は8Vであった。また、
消光比は12dBであった。さらに印加電圧を周期的に変化
させて、レーザ光のオンオフを繰り返し、2時間経過後
の消光比は8dBに低下していた。
Comparative Example 7 (1) A (0001) plane of a LiTaO 3 single crystal having a thickness of 2 mm was optically polished and then chemically etched, and then a groove was formed in the waveguide 2 shown in FIG. 1 by ion beam etching. Formed by. The shape of the groove is a rectangle with a width of 7 μm and a depth of 5 μm, and the branch angle is 1.5 °. (2) Then, Li 2 CO 3 50 mol%, V 2 O 5 40 mol%, Nb
A raw material consisting of 2 O 5 10 mol% is heated to 1000 ° C to form a melt, and the melt is cooled at a cooling rate of 60 ° C per hour.
The substrate 1 was gradually cooled to 915 ° C., and the substrate 1 was preheated at 915 ° C. for 30 minutes and then immersed in the melt for 8 minutes while rotating at 100 rpm. The growth rate of LiNbO 3 was 1 μm / min. (3) Pulling up the substrate 1 from the melt and rotating at 1000 rpm
The melt was shaken off on the melt for 30 seconds and then slowly cooled to room temperature at a rate of 1 ° C / min.
An NbO 3 single crystal thin film was obtained. (4) Further, the LiNbO 3 single crystal thin film is removed by ion beam etching to remove unnecessary portions, and the LiNbO 3 single crystal waveguide 2
Formed. (5) After forming the alumina buffer layer 6 directly above the waveguide 2 by sputtering, the aluminum electrode 7 was formed by vapor deposition. (6) When 5 mW of laser light having a wavelength of 1550 nm is incident on the branch interference type optical modulator formed in this way, the modulation band is
It was 2.5 GHz and the half-wave voltage was 8V. Also,
The extinction ratio was 12 dB. Further, the applied voltage was periodically changed to repeatedly turn on and off the laser beam, and the extinction ratio after 2 hours had decreased to 8 dB.

【0053】以上の例より判るように、本発明の光変調
器は、高い変調効率や安定した振幅変調を有する。すな
わち、LiNbO3単結晶導波路2とLiTaO3単結晶1との格子
定数が整合されているため、LiNbO3単結晶導波路2の結
晶格子に歪みがなく、電界による屈折率変化を繰り返し
てもLiNbO3単結晶導波路2の屈折率が最初の値から大き
く変化することがない。
As can be seen from the above examples, the optical modulator of the present invention has high modulation efficiency and stable amplitude modulation. That is, since the lattice constants of the LiNbO 3 single crystal waveguide 2 and the LiTaO 3 single crystal 1 are matched, there is no distortion in the crystal lattice of the LiNbO 3 single crystal waveguide 2 and even if the refractive index change due to the electric field is repeated. The refractive index of the LiNbO 3 single crystal waveguide 2 does not change greatly from the initial value.

【0054】[0054]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光導波路
は、電気光学定数の低下がなく、耐光損傷性も高いた
め、光変調器、光スイッチ等の光デバイスとして用いら
れる優れた導波路であり、さらに、耐アニーリング性に
優れた光導波路を得ることができる。また、本発明にか
かる光デバイスは、ハイパワーな光でも、安定した位相
変調、光パワー制御を達成できる変調器や光スイッチと
して有用であり、さらに長寿命の光デバイスとなること
から、産業上に寄与する効果は極めて大きい。
As described above, since the optical waveguide of the present invention does not decrease the electro-optical constant and has high optical damage resistance, it is an excellent waveguide used as an optical device such as an optical modulator or an optical switch. In addition, an optical waveguide having excellent annealing resistance can be obtained. Further, the optical device according to the present invention is useful as a modulator or an optical switch that can achieve stable phase modulation and optical power control even with high-power light, and since it becomes an optical device with a longer life, it is industrially available. The effect of contributing to is extremely large.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】図1は本発明の光変調器FIG. 1 is an optical modulator of the present invention.

【図2】図2は本発明のマッハ−ツェンダー型の光導波
路の製造方法
FIG. 2 is a method for manufacturing a Mach-Zehnder type optical waveguide of the present invention.

【図3】図3は、本発明の光変調器の製造方法FIG. 3 is a method for manufacturing an optical modulator of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 LiTaO3単結晶基板 2 LiNbO3単結晶導波路 3 入射光 4 溝 5 LiNbO3単結晶薄膜 6 緩衝層 7 電極1 LiTaO 3 Single Crystal Substrate 2 LiNbO 3 Single Crystal Waveguide 3 Incident Light 4 Groove 5 LiNbO 3 Single Crystal Thin Film 6 Buffer Layer 7 Electrode

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】LiTaO3単結晶基板表面に、LiNbO3単結晶薄
膜導波路を形成すると共に、この薄膜導波路の一部に分
岐部を設けてなり、そして、このLiNbO3単結晶薄膜導波
路と前記LiTaO3単結晶基板との格子定数が整合している
ことを特徴とする光導波路。
A LiNbO 3 single crystal thin film waveguide is formed on a surface of a LiTaO 3 single crystal substrate, and a branch portion is provided in a part of the thin film waveguide, and the LiNbO 3 single crystal thin film waveguide is formed. An optical waveguide in which the lattice constants of the LiTaO 3 single crystal substrate and the LiTaO 3 single crystal substrate are matched.
【請求項2】LiTaO3単結晶基板表面に、LiNbO3単結晶薄
膜導波路を形成すると共に、この薄膜導波路の一部に分
岐部を設けてなり、そして、このLiNbO3単結晶薄膜導波
路と前記LiTaO3単結晶基板との格子定数が整合してい
て、前記分岐部分の少なくとも一方の導波路中に、この
導波路の屈折率を変える電極を付帯して設けてなる導波
路型光デバイス。
2. An LiNbO 3 single crystal thin film waveguide is formed on the surface of a LiTaO 3 single crystal substrate, and a branch portion is provided in a part of this thin film waveguide, and the LiNbO 3 single crystal thin film waveguide is formed. And the LiTaO 3 single crystal substrate are matched in lattice constant, and a waveguide type optical device is provided in which at least one waveguide of the branched portion is provided with an electrode for changing the refractive index of the waveguide. .
JP17298992A 1991-09-30 1992-06-30 Optical waveguide and optical waveguide type optical device Pending JPH05196901A (en)

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JP17298992A JPH05196901A (en) 1991-09-30 1992-06-30 Optical waveguide and optical waveguide type optical device
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JP3-276259 1991-09-30
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