JPH06208032A

JPH06208032A - 光導波路の形成方法

Info

Publication number: JPH06208032A
Application number: JP5002602A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Kawaguchi; 竜生川口; Atsuo Kondo; 厚男近藤; Minoru Imaeda; 美能留今枝
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1993-01-11
Filing date: 1993-01-11
Publication date: 1994-07-26

Abstract

(57)【要約】【目的】複数列に分岐した分岐部分を含む三次元光導
波路を、電気光学結晶からなる基板材料に、プロトン交
換法によって形成するのに際し、各分岐部分における導
波光量がほぼ等量である基板を高歩留で安定して製造で
きるようにすることである。【構成】基板材料３の表面にマスキング層４を設け、
マスキング層４上にフォトレジスト層５を設ける。目的
とする光導波路に対応する平面的パターンの開口５ａ、
５ｂをフォトレジスト層５に設ける。この際、光導波路
の各分岐部分に対応する各開口５ａ、５ｂの幅ｌ_a、ｌ
_bの設計値に対する偏差（絶対値）が設計値の２０％以
内となるように加工する。次いでマスキング層４をエッ
チングし、フォトレジスト層５を除去する。次いで、基
板材料３のマスキング層４からの露出部分を酸に接触さ
せることで、プロトン交換によって基板材料に三次元光
導波路を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ニオブ酸リチウム等の
電気光学結晶からなる基板に、いわゆるプロトン交換法
によって光導波路を形成するための方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】ニオブ酸リチウム（LiNbO₃) 単結晶が、
オプトエレクトロニクス材料として期待されている。ニ
オブ酸リチウム単結晶からなる基板材料に光導波路を形
成する方法としては、現在、チタン拡散法とプロトン交
換法とが実用的である。

【０００３】こうしたプロトン交換法の代表例では、安
息香酸（C₆H₅COOH) 等の溶融液に上記基板材料を入れる
ことで、Ｈ⁺とLi⁺とのイオン交換を起こさせ、この基
板表面にH _xLi_1-xNbO₃からなる高屈折率層を形成す
る。次いで、この基板を高温でアニールし、プロトンの
結晶内への拡散を促進する。こうして得た光導波路基板
は、各種の光部品への応用が期待されている。

【０００４】本発明者は、上記したようなプロトン交換
光導波路基板を、光ファイバジャイロスコープチップに
対して適用することを検討した。これは、寸法が小さ
く、構造が簡単で、重量が軽いジャイロ測定装置を提供
するものである。上記チップについての概念を説明す
る。

【０００５】図１は、光ファイバジャイロスコープチッ
プに適用しうる光導波路基板１を示す平面図である。光
導波路基板１の表面１ａ側に、三次元光導波路２が形成
されている。この光導波路２は単一モード（single mod
e)であり、平面的にみて略Ｙ字形をしている。

【０００６】即ち、光導波路２の結合部分２ｃの一端が
端面１ｂに露出し、結合部分２ｃの他端が分岐部分２ａ
と２ｂとに分岐する。分岐部分２ａと２ｂとの間隔は通
常２５０μm 程度であり、チップのサイズは２×２０mm
程度であり、分岐部分２ａ，２ｂのうちの直線部分と結
合部分２ｃとのチップの長さ方向にみた間隔は、通常５
mm程度である。

【０００７】端面１ｂから結合部分２ｃへと入射した光
は、分岐部分２ｄと２ｅとに分岐し、それぞれ分岐部分
２ａ、２ｂを通り、端面１ｃから出射する。これらの分
光された各光は、外部のファイバーコイルへと入射し、
ファイバーループを逆方向に伝播する。そして、再びフ
ァイバーコイルから出射した各光は、再び分岐部分２
ａ、２ｄ又は２ｂ、２ｅを伝播し、再結合されて干渉を
起こす。この光導波路基板上に電極を設け、位相変調の
度合を測定することによって、回転速度を検出する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
光導波路基板１を本発明者が試作してみると、非常に困
難な問題のあることが判明した。即ち、上記のようなプ
ロトン交換法のうち、安息香酸の溶融液中に基板材料を
浸漬する方法を実施した結果、プロトン交換時に光導波
路２の特性にバラツキが生じ易いことがわかった。

【０００９】特に、図１において、分岐部分２ａ及び２
ｄにおける光量と、分岐部分２ｂ及び２ｅにおける光量
との比率が、大きく変動するという現象が見られた。こ
の比率が一定しないと、不良品の量が極めて多くなるの
で、上記の光導波路基板の歩留が極めて低くなり、事実
上製品化は不可能になる。この問題が製造上のネックに
なっていた。

【００１０】特に、光ファイバージャイロ用途において
は、導波光の分岐比をほぼ１：１にする必要がある。し
かし、上記の理由から導波光の分岐比が１：１より大き
く外れてしまうことが多かった。こうなると、検出精度
が低下し、光導波路基板１を光ファイバージャイロ用途
に用いることができない。

【００１１】本発明の課題は、光導波路の各分岐部分に
おける光量がほぼ一定である光導波路基板を、安定して
高歩留で製造できるようにすることである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、電気光学結晶
からなる基板材料に、複数列に分岐した分岐部分を含む
三次元光導波路を形成するための方法であって、前記基
板材料の表面にマスキング層を設け、このマスキング層
上にフォトレジスト層を設け、前記光導波路に対応する
平面的パターンの開口を前記フォトレジスト層に設け、
この際複数列の前記分岐部分に対応する各開口の巾の設
計値に対する偏差（絶対値）が設計値の20％以内となる
ように加工し、ついで前記マスキング層をエッチング
し、前記フォトレジスト層を除去し、次いで前記基板材
料の露出部分を酸に接触させることで、プロトン交換に
よって前記基板材料に三次元光導波路を形成する、光導
波路の形成方法に係るものである。

【００１３】

【作用】本発明者は、上記のような導波光の分岐比のバ
ラツキが生ずる原因について種々検討した結果、マスキ
ング段階での制御が重要であることを見出し、本発明を
完成した。

【００１４】まず、図１の光導波路基板１を製造するの
に際し、本発明者の実施した製造プロセスについて説明
する。図２(a) に示すように、電気光学結晶からなる基
板材料３を用意する。基板材料３の表面にマスキング層
４を設け、マスキング層４の表面にフォトレジスト層５
を設ける。光導波路２に対応する平面的パターンの開口
をフォトレジスト層５に設ける。図２(a) において、開
口５ａが分岐部分２ａに対応し、開口５ｂが分岐部分２
ｂに対応する。

【００１５】次いで、図２(b) に示すようにマスキング
層４をエッチングし、フォトレジスト層５を除去する。
次いで、基板材料３の露出部分を酸に接触させること
で、図２(c) に示すように、基板材料に三次元光導波路
２を形成する。むろん、開口５ａに対応する部分には分
岐部分２ａが形成され、開口５ｂに対応する部分には分
岐部分２ｂが形成される。

【００１６】ここで、開口５ａの巾ｌ_a及び開口５ｂの
巾ｌ_bの、設計値に対する偏差が設計値の20％以内とな
るように、フォトリソグラフィーの段階で制御すること
が、極めて重要であった。これにより、導波光の分岐比
を、50％±２％の範囲内に抑えることができることが判
明したのである。この範囲内であれば、光導波路基板１
が不良品とならないので、非常に歩留が向上する。しか
も、ｌ_aとｌ_bとが上記範囲から外れると、分岐比のバ
ラツキが急激に増大したのである。

【００１７】こうした知見により、光導波路基板１を、
初めて高歩留で安定して作成できるようになった。しか
も、分岐比がほぼ１：１に近づいたことにより、光導波
路基板１全体の透過光量もほぼ最大化できる。

【００１８】

【実施例】以下、更に具体的な実験結果について述べ
る。Ｘ面カットした厚さ１mmの３インチの、ニオブ酸リ
チウム単結晶からなる基板材料３に、抵抗加熱及び真空
蒸着によってアルミニウム膜４を形成した。アルミニウ
ム膜４の表面にフォトレジスト層５を設け、露光によっ
てフォトレジスト層５に開口を設け、アルミニウム膜４
をエッチングし、フォトレジスト層５を除去した。この
状態で、基板材料３の表面には、図１に示すようなマッ
ハツェンダー型のパターンがアルミニウム膜４によって
形成されている。

【００１９】こうして得た被処理材を用い、図３に模式
的に示す装置を用いてプロトン交換を行った。丸底のガ
ラス製容器１０を反応容器として用いた。本例では、ガ
ラス製容器１０の寸法を、直径１２０mm、高さ１３０mm
の有底円筒形状とした。ガラス製容器１０の上にガラス
製の蓋８をかぶせ、容器１０の内側を密閉した。蓋８に
は、筒状の突起８ａ、８ｂ、８ｃが設けられる。突起８
ｂにはコンデンサー９が取り付けられ、突起８ｃの開口
は、シリコン栓で密封されている。

【００２０】テフロン等の耐蝕性材料からなるシャフト
７が、突起８ａの開口を通して容器１０内に挿入され、
シャフト７の上端がモーター６の回転軸に連結されてい
る。シャフト７と突起８ａの開口との間は、テフロン等
からなるシール部材によってシールされている。シャフ
ト７の下端には攪拌翼１１が取り付けられ、かつシャフ
ト７は上下動が可能である。容器１０の内壁面に枠１２
が設置され、枠１２の上に受け皿１６が載置可能であ
る。

【００２１】受け皿１６は、外壁１６ａと底壁１６ｂと
からなり、底壁１６ｂの寸法は、例えば直径１００mmと
する。受け皿１６の材質は、テフロン等の耐蝕性材料か
らなる。底壁１６ｂには例えば直径４mmの円形孔が数十
個設けられている。シャフト７は、底壁１６ｂ及び枠１
２を貫通しており、攪拌翼１１は、受け皿１６とは独立
して回転可能である。

【００２２】容器１３中に油１４が収容され、加熱装置
１５の投げ込みヒーター１５ａが油１４中に投入されて
いる。容器１０の下部が油１４中に浸漬されている。

【００２３】プロトン交換を行う際には、本実施例で
は、安息香酸７５０ｇを容器１０内に投入し、油１４の
温度を１９５℃まで上昇させ、安息香酸を完全に溶融さ
せる。この溶融液１８内で攪拌翼１１を回転させながら
約２時間放置し、溶融液１８の温度を均一化する。この
間、容器１０の全体を保温し、コンデンサー９内で矢印
Ｂのように冷却水を循環させ、安息香酸が定常的に還流
（リフラックス）するようにする。こうした装置であれ
ば、安息香酸の蒸発による液量の減少はほとんどなく、
常圧で長時間、プロトン交換工程を実施することができ
る。

【００２４】前記したようにフォトレジスト層を除去し
た後の被処理材１７を、アセトン、イソプロピルアルコ
ール、純水で超音波洗浄する。シャフト７を上昇させ、
攪拌翼１１上に受け皿１６を載せ、突起８ｃの開口の直
下に受け皿１６を固定する。突起８ｃの開口を封止して
いたシリコン栓を開け、被処理材１７を受け皿１６の上
に載せ、再び突起８ｃの開口にシリコン栓をする。

【００２５】次いで、受け皿１６をゆっくりと溶融液１
８中に浸漬し、１９５℃で２０分間プロトン交換を行
う。プロトン交換の間、攪拌翼１１を回転させる。プロ
トン交換が終了した後、シャフト７を上昇させ、受け皿
１６を溶融液１８から取り出し、空間１９に位置させ
る。このとき、受け皿１６に残った溶融液は、底壁１６
ｂに設けられた多数の貫通孔から流れ落ちる。そして受
け皿１６を突起８ｃの開口の直下で固定し、この開口の
シリコン栓を開け、基板を容器１０から取り出す。

【００２６】この基板を、エタノール、アセトン、イソ
プロピルアルコール、純水で超音波洗浄する。通常のエ
ッチング技術により、アルミニウム膜を除去する。

【００２７】次いで、Ｈ⁺の単結晶内での拡散を促進
し、低損失の安定な光導波路を得るため、この基板をア
ニールした。具体的には、ガラス製シャーレの中央部に
白金ワイヤー製の治具を設置し、この治具の上に基板を
載せ、基板がガラスに触れないようにし、ガラス製の蓋
をする。このシャーレを電気炉内に入れ、室温から３４
０℃まで１０℃／分で昇温し、３４０℃で５時間保持し
た。次いで自然放冷して１００℃以下とし、基板を取り
出した。

【００２８】３４０℃で温度を保持した間は、電気炉内
の温度分布は、シャーレを収容した空間の範囲内では均
一であることを、電気炉内の各所に取り付けた熱電対で
確認した。また、３４０℃で温度を保持した間の温度変
動は±0.5 ℃となるように制御した。

【００２９】アニール後の基板の端面側を幅１mm程度切
断した後、光導波路２の端面を高速ラップ、メカノケミ
カルポリッシングによって、光学研磨する。次いで、端
面を光学研磨した光導波路基板を通常の光学系にセット
し、光導波路の特性を評価した。

【００３０】光導波路の端面に偏波面保持ファイバーを
光学結合し、波長８３０nmのレーザーをＴＥモードで入
射した。そして、導波路２ｃを通った光は、分岐部分２
ａと２ｂとに分かれ、もう一方の端面１ｃより出射す
る。この各出射光をＣＣＤカメラで捕捉し、ニアフィー
ルドパターンを観察した。また、光パワーメーターで、
分岐部分２ａ，２ｂからの出射光量Ｐａ，Ｐｂを測定し
た。光導波路を通らないときの基準光量Ｐｏを用いて挿
入損失を算出した。

【数１】挿入損失は、以下のようにして算出した。挿入損失(dB)＝−10 log｛(Pa mW ＋Pb mW ）／Po mW
｝。

【００３１】以上の製造例に従いつつ、ｌ_aを2.5 μm
に固定し、ｌ_bを、図４に示すように種々変更した。た
だし、図４のグラフの横軸は、次の値を示すものであ
る。

【数２】（ｌ_b−2.5 μm ）×１００％／2.5 μm 。

【００３２】そして、前記の実験を行い、分岐部分２ｂ
側の分岐比（％）を求めた。ただし、分岐部分２ｂ側の
分岐比（％）＝Ｐｂ（ｍＷ）×１００（％）／（Ｐａ
（ｍＷ）＋Ｐｂ（ｍＷ））。

【００３３】図４から解るように、ｌ_bの設計値に対す
る偏差（％）の絶対値を２０％以内に抑えることによ
り、分岐部分２ｂ側の分岐比がほぼ５０％±２％以内に
抑えられることが解る。そして、ｌ_bの設計値に対する
偏差が＋２０％〜−２０％の範囲を外れると、分岐比の
バラツキが驚くべく急激に増大していることが判る。こ
のバラツキが原因で、従来、光導波路基板１の不良率が
極めて高かったものと考えられる。

【００３４】なお、図４において、「偏差」が−６０％
程度以下の場合は、カットオフにより光が導波不能とな
っていた。−２０％〜−６０％の場合は、基本モード
（シングルモード）の導波限界領域となり、カットオフ
に近いため不安定になる。＋２０％を超える場合は、マ
ルチモード領域となるので、不安定になった。カットオ
フとは、光導波路の幅が光の波長にくらべて狭くなりす
ぎて、もはや導通できないことをいう。

【００３５】また、図４において、lbの設計値に対する
偏差（％）の絶対値を２０％以内に抑えることにより、
分岐部分２ｂ側の分岐比がほぼ５０％±２％以内に抑え
られた。そして、この範囲の試料については、挿入損失
が４dB程度に抑えられることも確認した。

【００３６】光導波路に分岐部分が３列以上設けられて
いる光導波路基板を、光変調用基板、光合分波回路基板
等として用いることができる。本発明をこうした光導波
路基板に適用することもできる。

【００３７】本発明において、プロトン交換用に用いる
酸としては、リン酸、ピロリン酸、亜リン酸、ノナン酸
等も列挙できる。また、基板材料の開口からの露出部分
を酸に接触させる方法としては、スピンコート法、スク
リーン印刷法等を用いることもできる。

【００３８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、複
数列の分岐部分に対応する各開口の幅の設計値に対する
偏差（絶対値）が設計値の２０％以内となるように、フ
ォトリソグラフィーの段階で制御している。これによ
り、導波光の分岐比をほぼ等量に抑えることができるよ
うになった。この結果、光導波路基板が不良品とならな
いので、非常に歩留が向上する。各開口の幅が上記範囲
から外れると、分岐比のバラツキが急激に増大した。

【００３９】こうした知見により、光導波路基板を、初
めて高歩留で安定して作製できるようになった。しか
も、各分岐部分の分岐比をほぼ等量にできることによ
り、光導波路基板全体の透過光量もほぼ最大化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光導波路基板１を示す平面図である。

【図２】(a) 、(b) 、(c) は、光導波路基板の製造プロ
セスの各段階を概略的に示す断面図である。( 図１にお
いてII−II線に沿って切った断面図) 。

【図３】プロトン交換用の装置を示す模式図である。

【図４】開口の幅の設計値に対する偏差の、設計値に対
する比率と、この開口に対応する分岐部分の分岐比との
関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１光導波路基板２光導波路 2a, 2b, 2d, 2e 分岐部分 2c 結合部分３基板材料４マスキング層５フォトレジスト層 5a, 5b 分岐部分に対応する開口 17 プロトン交換の被処理体 18 安息香酸の溶融液

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学結晶からなる基板材料に、複数
列に分岐した分岐部分を含む三次元光導波路を形成する
ための方法であって、前記基板材料の表面にマスキング層を設け、このマスキ
ング層上にフォトレジスト層を設け、前記光導波路に対
応する平面的パターンの開口を前記フォトレジスト層に
設け、この際複数列の前記分岐部分に対応する各開口の
巾の設計値に対する偏差（絶対値）が設計値の20％以内
となるように加工し、ついで前記マスキング層をエッチ
ングし、前記フォトレジスト層を除去し、次いで前記基
板材料の露出部分を酸に接触させることで、プロトン交
換によって前記基板材料に三次元光導波路を形成する、
光導波路の形成方法。