JPH05264840A - 光導波路 - Google Patents

光導波路

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JPH05264840A
JPH05264840A JP6222192A JP6222192A JPH05264840A JP H05264840 A JPH05264840 A JP H05264840A JP 6222192 A JP6222192 A JP 6222192A JP 6222192 A JP6222192 A JP 6222192A JP H05264840 A JPH05264840 A JP H05264840A
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JP
Japan
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thin film
single crystal
optical waveguide
refractive index
substrate
Prior art date
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Pending
Application number
JP6222192A
Other languages
English (en)
Inventor
Kazushi Mori
和思 森
Tadao Toda
忠夫 戸田
Mitsuharu Matsumoto
光晴 松本
Hideyuki Nonaka
英幸 野中
Takao Yamaguchi
隆夫 山口
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Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 波長変換素子、光スイッチ素子、光変調器等
に用いられる特性の優れた光導波路を提供することを目
的とする。 【構成】 単結晶の基板1上にこの単結晶と同じ結晶構
造をもつ単結晶からなる強誘電体薄膜2を形成し、薄膜
2中にこの薄膜2の屈折率より屈折率の低い低屈折率層
3を設けることにより、この強誘電体薄膜2のうち低屈
折率層3の上部に光導波路4を作成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光ディスク用光源装置、
光演算装置等の情報処理装置等において、波長変換素
子、光スイッチ素子、光変調器等に用いられる光導波路
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】強誘電体結晶は非線形光学効果や電気光
学効果をもつので、これを光導波路に用いた波長変換素
子、光スイッチ、光変調器等の光導波路素子の研究が活
発にされている。
【0003】そして、光導波路とはその周囲に比べて高
い屈折率の領域を構成することにより、この光導波路内
に光を閉じ込め伝搬するものであり、以下に従来の光導
波路を図を用いて説明する。
【0004】図2(a)は従来の光導波路の断面図であ
り、図2(b)は同図(a)中の破線A−Aに沿う屈折
率を示す図である。
【0005】図2(a)中、11は基板であり、この基
板11上には強誘電体単結晶、例えばペロブスカイト構
造のKNbO3単結晶からなる強誘電体薄膜が形成され
て光導波路14が作成されている。
【0006】前記基板11としては、図2(b)に示す
ような前記KNbO3単結晶よりも屈折率が小さく、そ
して前記光導波路14内を伝搬する光導波に対して光吸
収が小さく、更にKNbO3単結晶と良好な格子整合が
可能なスピネル型構造のMgO・Al23(110)面
カット基板、NaCl型構造のMgO(110)面カッ
ト基板、三方晶系の水晶(11−20)面カット基板等
を用いることができる。
【0007】斯る構造の光導波路では、前記基板を構成
する単結晶と光導波路とからなる薄膜を構成する単結晶
の格子整合は良好であるが、結晶構造が異なるため、前
記基板上に良質の単結晶からなる強誘電体体薄膜の形成
が困難であった。また薄膜が形成された場合においても
基板との界面付近には多くの欠陥が生じ、その結果、光
導波路を構成する強誘電体単結晶が本来もつ非線形光学
効果や電気光学効果が現れないといった問題があった。
【0008】また、図3(a)は別の従来の光導波路の
断面図であり、図3(b)は同図(a)中の破線B−B
に沿う屈折率を示す図である。
【0009】図3(a)中、21は例えば良質のKNb
3バルク単結晶から作成された基板である。この基板
21中にはイオン注入法によりHe+イオンが注入され
て、KNbO3単結晶の屈折率よりも低い屈折率をもつ
イオン注入層23が形成されている。
【0010】従って、図3(b)に示すような屈折率分
布をもつので、前記イオン注入層23の上部が光導波路
24となるのである。
【0011】斯る構造の光導波路では、光導波路が良質
のバルク単結晶から形成されるので、上述のような問題
が発生する惧れはないが、基板として用いることができ
る良質で大型のバルク単結晶を作成することが困難であ
り、光導波路素子が安価に製造できないといった問題が
あった。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の問題点
を鑑み成されたものであり、優れた特性の光導波路を提
供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明の光導波路は、単
結晶基板上に該単結晶基板と同じ結晶構造をもつ強誘電
体の単結晶からなる強誘電体薄膜を積層し、該薄膜中に
その薄膜の屈折率より低い屈折率をもつ低屈折率層を設
けたことを特徴とする。
【0014】特に、上記単結晶基板はペロブスカイト構
造を持ち、その基板上にKNbO3単結晶またはKTN
単結晶からなる強誘電体薄膜を積層してなることを特徴
とする。
【0015】又、上記単結晶基板はLiNbO3型構造
を持ち、その基板上にLiNbO3単結晶からなる強誘
電体薄膜を積層してなることを特徴とする。
【0016】
【作用】基板と強誘電体薄膜を同じ結晶構造の単結晶で
構成するので、光導波路を良質な強誘電体の単結晶で形
成できる。また、前記薄膜中に該薄膜の屈折率より小さ
い屈折率をもつ低屈折率層を設け、前記薄膜中のうち低
屈折率層の上部を光導波路とするので、前記基板と薄膜
との界面付近の結晶性等が悪い薄膜を用いることなく、
前記上部の良質な単結晶からなる薄膜のみを用いること
ができる。従って、非線形光学効果や電気光学効果の劣
化を防止できる。
【0017】また、光導波路を形成する基板として、屈
折率や光導波に対する光吸収の大きさに係わらず、強誘
電体薄膜と同じ結晶構造をもつ単結晶の基板から選択で
きるので、安価に製造することができる。
【0018】
【実施例】本発明に係る一実施例について図1を参照し
つつ詳細に説明する。図1(a)は本実施例の光導波路
の断面図であり、図1(b)は同図(a)中の破線X−
Xに沿う屈折率を示す図である。
【0019】図1(a)中、1はペロブスカイト構造を
もつBaTiO3単結晶からなり、その(101)面で
カットされて作成された基板である。2はこの基板1の
(101)面上に液相エピタキシャル法(LPE法)に
よって形成された約5μm厚のペロブスカイト構造をも
つKNbO3単結晶からなる強誘電体薄膜で、前記基板
1の(101)面に垂直に該KNbO3単結晶がc軸配
向している。
【0020】ここで、前記基板1のBaTiO3単結晶
のa軸方向、b軸方向及びc軸方向の格子定数はそれぞ
れ3.989Å、3.989Å、4.029Åであり、
一方KNbO3単結晶のa軸方向及びb軸方向の格子定
数はそれぞれ5.690Å及び3.969Åである。従
って、両者の格子不整合はKNbO3単結晶のa軸方向
に0.35%(何故なら、対応するBaTiO3の格子
間距離は(3.9892+4.02921/2 =5.67
0Åである)、b軸方向に0.50%程度となり、Ba
TiO3単結晶とKNbO3単結晶は良好な格子整合が可
能である。
【0021】前記強誘電体薄膜2中には、イオン注入法
によりHe+イオンを注入して該薄膜2の屈折率よりも
小さい屈折率をもつイオン注入層が形成されている。こ
こで、イオン注入条件の一例は、前記He+イオンの強
誘電体薄膜2への入射角が該薄膜2表面の法線に対して
角度7°で、注入エネルギー1MeV、ドーズ量1×1
14〜1×1015、望ましく5×1014ions/cm
2である。
【0022】前記イオン注入層は、エネルギーをもつイ
オンが結晶中の原子と衝突して停止して形成されるの
で、結晶構造が乱れている。従って、結晶の屈折率に比
べて屈折率が小さい低屈折率層3となる。ここで、前記
低屈折率層3の屈折率(b軸方向、即ち伝搬方向a軸に
垂直な強誘電体薄膜2の面内方向)は前記強誘電体薄膜
2に比べて、ドーズ量1×1015ions/cm2の場
合に約3%程度減少し、ドーズ量5×1014ions/
cm2の場合に約1%程度減少する。 この結果、図1
(b)に示すように、この強誘電体薄膜2のうち、前記
低屈折率層3の上部は該低屈折率層3に対して高い屈折
率をもつので、前記上部が光導波路4となるのである。
【0023】前記イオン注入を行う前の基板1上に形成
した強誘電体薄膜2のロッキングカーブを測定した。こ
の結果からFWHM(半値全幅)は約8分であり、バル
ク結晶のFWHM(約10分)と略同等の結晶性が得ら
れていることが判った。
【0024】また、斯る光導波路は実効膜厚が約2.1
μmであり、マルチモード導波路であることを確認し
た。これらは、プリズム結合法を用いてHe−Neレー
ザ装置から出力された波長633nmの光を光導波路に
入射し、その結合入射角から得た。
【0025】斯る光導波路は、ペロブスカイト構造のK
NbO3単結晶からなる強誘電体薄膜を同じ結晶構造を
もつBaTiO3単結晶の基板上に形成するので、光導
波路が良質なKNbO3単結晶で形成できる。また、前
記強誘電体薄膜中に該薄膜の屈折率より小さい屈折率を
もつ低屈折率層を設け、前記薄膜のうち低屈折率層の上
部を光導波路とするので、前記基板と薄膜の界面付近の
結晶性等が悪い強誘電体薄膜を用いることなく、前記上
部の良質なKNbO3単結晶からなる強誘電体薄膜のみ
を用いることができる。従って、非線形光学特性や電気
光学特性の劣化を防止できるので、波長変換素子、光ス
イッチ素子、光変調器等の光導波路素子として優れた特
性が得られる。
【0026】尚、上記実施例では、BaTiO3単結晶
基板の(101)面上にKNbO3単結晶の薄膜を形成
しているが、前記BaTiO3単結晶の{101}面上
であればよく、また他のペロブスカイト構造をもつ単結
晶の基板を用いてもよい。特にPbTiO3単結晶基板
の{101}面上、SrTiO3、KTN(固溶体K
(TaxNb1-x)O3:例えばx=約0.65付近)、
及びKTaO3の単結晶基板の{110}面上に形成す
ると格子整合が良好なので望ましい。
【0027】また、ペロブスカイト構造をもつ単結晶、
例えばSrTiO3単結晶の{100}面上、BaTi
3、PbTiO3単結晶基板の{001}面上にペロブ
スカイト構造のKTN単結晶の薄膜を形成するようにし
てもよい。
【0028】更に、LiNbO3と同じ結晶構造のLi
TaO3単結晶基板の(0001)面上にLiNbO3
結晶からなる強誘電体薄膜を形成した後、該薄膜中にH
+イオンをイオン注入して低屈折率層を設けてもよ
い。
【0029】また、記実施例では基板平面上に光導波路
を形成したが、また基板平面上にリッジ形状の光導波路
を形成してもよく、適宜変更可能である。
【0030】また、上記実施例では強誘電体薄膜をLP
E法で形成したが、スパッタリング法や化学的気相成長
法(CVD法)または分子線エピタキシー法(MBE
法)等を用いて形成してもよい。
【0031】本発明の光導波路は、単結晶からなる強誘
電体薄膜を同じ結晶構造をもつ単結晶の基板上に形成す
るので、光導波路が良質な強誘電体単結晶が形成でき
る。また、前記強誘電体薄膜中に該薄膜の屈折率より小
さい屈折率をもつ低屈折率層を設け、前記薄膜のうち低
屈折率層の上部を光導波路とするので、光導波路とし
て、前記基板と薄膜の界面付近の結晶性等が悪い強誘電
体薄膜を用いることなく、前記上部の良質な単結晶から
なる強誘電体薄膜のみを用いることができる。従って、
非線形光学効果や電気光学効果の劣化を防止でき、バル
クの強誘電体結晶と略同等の特性が得られるので、優れ
た特性をもつ波長変換素子、光スイッチ素子、光変調器
等の光導波路素子が作成できる。
【0032】また、光導波路を形成する基板として、屈
折率や光導波に対する吸収に係わらず、強誘電体薄膜を
構成する単結晶と同じ結晶構造をもつ単結晶の基板を用
いることができるので、安価に製造することができる。
【0033】
【発明の効果】本発明の光導波路は、基板と強誘電体薄
膜が同じ結晶構造の単結晶で構成されるので、光導波路
が良質な強誘電体の単結晶で形成できる。また、前記薄
膜中に該薄膜の屈折率より小さい屈折率をもつ低屈折率
層を設け、前記薄膜のうち該低屈折率層の上部を光導波
路とするので、前記基板と薄膜の界面付近の結晶性等が
悪い強誘電体薄膜を用いることなく、前記上部の良質な
強誘電体薄膜のみを用いることができる。従って、非線
形光学効果や電気光学効果の劣化を防止できるので、波
長変換素子、光スイッチ素子、光変調器等として優れた
特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る光導波路の断面とその
断面に沿う屈折率を示す図である。
【図2】従来例の光導波路の断面とその断面に沿う屈折
率を示す図である。
【図3】別の従来例の光導波路の断面とその断面に沿う
屈折率を示す図である。
【符号の説明】
1 基板 2 強誘電体薄膜 3 低屈折率層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野中 英幸 大阪府守口市京阪本通2丁目18番地 三洋 電機株式会社内 (72)発明者 山口 隆夫 大阪府守口市京阪本通2丁目18番地 三洋 電機株式会社内

Claims (3)

    【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と同じ結晶
    構造をもつ強誘電体の単結晶からなる強誘電体薄膜を積
    層し、該薄膜中にその薄膜の屈折率より低い屈折率をも
    つ低屈折率層を設けたことを特徴とする光導波路。
  2. 【請求項2】 上記単結晶基板はペロブスカイト構造を
    持ち、その基板上にKNbO3単結晶またはKTN単結
    晶からなる強誘電体薄膜を積層してなることを特徴とす
    る請求項1記載の光導波路。
  3. 【請求項3】 上記単結晶基板はLiNbO3型構造を
    持ち、その基板上にLiNbO3単結晶からなる強誘電
    体薄膜を積層してなることを特徴とする請求項1記載の
    光導波路。
JP6222192A 1992-03-18 1992-03-18 光導波路 Pending JPH05264840A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006035992A1 (ja) * 2004-09-29 2006-04-06 Ngk Insulators, Ltd. 光機能デバイス

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006035992A1 (ja) * 2004-09-29 2006-04-06 Ngk Insulators, Ltd. 光機能デバイス
US7389030B2 (en) 2004-09-29 2008-06-17 Ngk Insulators, Ltd. Optically functional device
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