JPH06281829A - Single mode optical waveguide - Google Patents

Single mode optical waveguide

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Publication number
JPH06281829A
JPH06281829A JP5092386A JP9238693A JPH06281829A JP H06281829 A JPH06281829 A JP H06281829A JP 5092386 A JP5092386 A JP 5092386A JP 9238693 A JP9238693 A JP 9238693A JP H06281829 A JPH06281829 A JP H06281829A
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JP
Japan
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optical waveguide
single crystal
optical
mode
thin film
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Application number
JP5092386A
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Japanese (ja)
Inventor
Masanori Nakamura
正則 中村
Masahiro Tsuji
昌宏 辻
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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 decrease light damages in a visible light region, to assure desired emitting power, to enhance optical damage resistance and to lessen light absorption by incorporating boron into an optical waveguide layer consisting of a lithium niobate single crystal. CONSTITUTION:The boron (B) is incorporated into the optical waveguide layer of the LiNbO3 single crystal. The thickness of the optical waveguide layer of the single mode optical waveguide is defined as T(mum) and the wavelength of incident guided light as lambda(mum). The thickness and wavelength mentioned above are then so set as to satisfy conditions 1.9<(T+0.7)/lambda<5.7. Further, the waveguide width of the optical waveguide layer is defined as W(mum), the depth of etching as DELTAT(mum) and the wavelength of the incident guided light as lambda(mum). The width, depth and wavelength mentioned above are then so set as to satisfy conditions W<=(4lambda-0.5)X(lambda<2>/DELTAT+2.0). The respective relations are preferably 0.29<(T+0.04)/lambda<1.19 (where T>0), W<=(0.04lambda<3>+0.1lambda<2>)/DELTAT+2.5lambda in the case of propagation of a TE mode.

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、光通信システム、光情
報処理システム、光センサシステム等に組み込まれる光
変調器や光スイッチ等の光デバイス類の構成部品として
好適なシングルモード光導波路に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a single mode optical waveguide suitable as a component of optical devices such as optical modulators and switches incorporated in optical communication systems, optical information processing systems, and optical sensor systems.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、光ファイバーと単色レーザとにお
ける技術進歩により、Gb/秒オーダの高速光伝送が可
能となりつつあるが、かかる高速光通信分野において光
ファイバーネットワークを構築していくためには、光ス
イッチや光変調器等の光デバイス類の開発が必須であ
る。そのような光デバイス類の構成部品としての光導波
路の要求特性としては、非線形光学定数、電気光学定数
が大きいこと、熱光学効果、音響光学効果に優れること
等が挙げられるほか、光導波モードがシングルモードで
あること、光損傷が少なく出射パワーの減少が図れるこ
と、光吸収が少ないこと等の諸特性が要求される。
2. Description of the Related Art In recent years, due to technological advances in optical fibers and monochromatic lasers, high-speed optical transmission on the order of Gb / sec is becoming possible. In order to construct an optical fiber network in the high-speed optical communication field, optical transmission is required. Development of optical devices such as switches and optical modulators is essential. The required characteristics of the optical waveguide as a component of such an optical device include a large nonlinear optical constant, a large electro-optical constant, an excellent thermo-optical effect, an acousto-optical effect, and the like. It is required to have various characteristics such as a single mode, little light damage, reduction of emission power, and little light absorption.

【0003】そしてこのような要求特性に対し、従来
は、「光集積回路」(朝倉書店 1988、応用物理学会、
学懇話会編)P158〜 に記載されるように、この種の光
デバイス類に適用される光導波路として、ニオブ酸リチ
ウム(以下、「LiNbO3 」という)単結晶材料によ
るチャンネル型光導波路が多く開発されている。このL
iNbO3 は、無機光学結晶としてはかなり大きい電気
光学定数を有するため、電気光学効果を利用する光デバ
イス類にはよく用いられる。
In order to meet such required characteristics, conventionally, "optical integrated circuit" (Asakura Shoten 1988, Japan Society of Applied Physics,
As described in P158-), many of the channel-type optical waveguides made of lithium niobate (hereinafter referred to as “LiNbO 3 ”) single crystal material are used as optical waveguides applied to this type of optical device. Being developed. This L
Since iNbO 3 has a considerably large electro-optic constant as an inorganic optical crystal, iNbO 3 is often used in optical devices utilizing the electro-optic effect.

【0004】そしてこのような光導波路を製造するの
に、Ti拡散法、プロトン交換法、あるいは液相エピタ
キシャル法(LPE法)等によるものが提案されてき
た。そしてその中で Ti拡散法で製造したLiNbO3 光導波路は、可
視光域において特に光損傷が激しく導波ができない。ま
た、電気光学デバイスとして用いた場合にはDCドリフ
トが発生し信頼性に問題がある。 プロトン交換法で製造したLiNbO3 光導波路
は、光損傷には強いが、非線形光学定数、電気光学定数
が低下するという問題がある。 Ti拡散法、プロトン交換法のいずれで製造したも
のでも、 800℃以上でアニーリングを行うと、Ti或は
プロトンの基板中への拡散により光導波モードの変化や
消失、あるいはプロファイルの変化が起きる。 等の点で問題がある。
In order to manufacture such an optical waveguide, a method such as a Ti diffusion method, a proton exchange method, or a liquid phase epitaxial method (LPE method) has been proposed. Among them, the LiNbO 3 optical waveguide manufactured by the Ti diffusion method is particularly prone to optical damage in the visible light region and cannot be guided. Further, when used as an electro-optical device, DC drift occurs and there is a problem in reliability. The LiNbO 3 optical waveguide manufactured by the proton exchange method is strong against optical damage, but has a problem that the nonlinear optical constant and the electro-optical constant are lowered. Whatever is manufactured by the Ti diffusion method or the proton exchange method, if it is annealed at 800 ° C. or higher, the optical waveguide mode is changed or disappeared, or the profile is changed due to the diffusion of Ti or proton into the substrate. There is a problem in terms of etc.

【0005】そのようなことから、LPE法によるLi
NbO3 単結晶光導波路が非線形光学効果、電気光学効
果、音響光学効果等に優れ、特にTi拡散法やプロトン
交換法等によるものよりも結晶性が良く、光損失も少な
い等の点で注目を集めるようになった。そしてこのLP
E法によりLiNbO3 単結晶薄膜ウエハを得るための
一例として、例えば、本出願人による特開平4−120
95号公報に示されるように、液相エピタキシャル成長
用としてLi2O −V25−Nb25フラックス系溶融
体を用い、これにタンタル酸リチウム(LiTaO3
単結晶基板をディップし、このタンタル酸リチウム単結
晶基板上に液相エピタキシャル成長により光導波路用の
ニオブ酸リチウム単結晶薄膜を形成する製造方法が知ら
れている。
From the above, Li by the LPE method
NbO 3 single crystal optical waveguide is excellent in nonlinear optical effect, electro-optical effect, acousto-optical effect, etc., and especially has better crystallinity and less optical loss than those by Ti diffusion method or proton exchange method. I came to collect. And this LP
As an example for obtaining a LiNbO 3 single crystal thin film wafer by the E method, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-120 by the present applicant is proposed.
As disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 95-95, a Li 2 O—V 2 O 5 —Nb 2 O 5 flux-based melt is used for liquid phase epitaxial growth, and lithium tantalate (LiTaO 3 ) is added to the melt.
A manufacturing method is known in which a single crystal substrate is dipped and a lithium niobate single crystal thin film for an optical waveguide is formed on this lithium tantalate single crystal substrate by liquid phase epitaxial growth.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、LiO
2 −V25−Nb25フラックス系(以下、「LVフラ
ックス系」という)溶融体を用いて製造したものは、溶
融体からLiNbO3 単結晶中にV25(V3+イオン)
が混入し、このV3+イオンによって光吸収、特に可視光
領域での光吸収による伝搬損失が増加し、このために光
学特性を損なうという問題があった。
However, LiO
2 -V 2 O 5 -Nb 2 O 5 flux system (hereinafter, "LV flux system" hereinafter) those prepared using melt, V 2 O 5 (V 3+ in LiNbO 3 single crystal from the melt ion)
However, there is a problem in that the V 3+ ions increase the optical absorption, especially the propagation loss due to the optical absorption in the visible light region, and thus impair the optical characteristics.

【0007】そこでこのような問題に着目し、これは特
にシングルモード光導波路を対象としたのもではない
が、一般的な光導波路特性の改善を図ったものとして、
例えば、日立金属(株)が1992年(平成4年)秋季第5
3回応用物理学会学術講演会(17a−ZK−9)において発
表したものや、ソニー(株)の山田氏等により Appl.Ph
ys. Lett., Vol.61, No.24, pp.2848(1992)に掲載され
たものに示されるように、Li2O−B23−Nb25
フラックス系(以下、「LBフラックス系」という)溶
融体によるLPE法によりLiNbO3 単結晶薄膜光導
波路を形成することが提示されている。これらの例はい
ずれもLiNbO3 単結晶薄膜中にVイオンが含まれな
いようにし、これにより光吸収を抑え、光導波損失の低
減を図ったものである。
Therefore, focusing on such a problem, this is not intended especially for a single mode optical waveguide, but as an attempt to improve general optical waveguide characteristics,
For example, Hitachi Metals, Ltd.
Appl.Ph presented by 3rd Japan Society of Applied Physics Academic Lecture (17a-ZK-9) and by Mr. Yamada of Sony Corp.
ys. Lett., Vol.61, No.24, pp.2848 (1992), Li 2 O-B 2 O 3 -Nb 2 O 5
It has been proposed to form a LiNbO 3 single crystal thin film optical waveguide by the LPE method using a flux system (hereinafter referred to as “LB flux system”) melt. In each of these examples, V ions are not contained in the LiNbO 3 single crystal thin film, thereby suppressing optical absorption and reducing optical waveguide loss.

【0008】しかしながら、これらはいずれもLiNb
3 単結晶基板上にLiNbO3 単結晶薄膜を形成する
もので、ここに用いられる基板は、LiNbO3 単結晶
薄膜の結晶成長面がこのLiNbO3 単結晶と同材質
の、いわゆるホモ基板(LiNbO3 単結晶に異種元素
を添加したものも含む)であって、このホモ基板上にL
iNbO3 薄膜を形成するものである。そのために、L
iNbO3 単結晶基板中にMgOを含有させて屈折率を
下げることにより薄膜の屈折率(n1 )>基板の屈折率
(n2 )を保つようにしており、そのために基板にド
ープしたMgOは、基板の常光屈折率を下げるのでTE
モードは伝搬するものの、異常光屈折率を変化させない
のでTMモードは伝搬しない、薄膜中にMgOをドー
プできない為耐光損傷性の向上が図れない等の問題があ
った。これらのことから明かなように可視光領域での伝
搬損失が低く、耐光損傷性にも優れ、かつTE及びTM
モードのいずれの導波光も損失なく伝搬させることはで
きなかった。
However, these are all LiNb.
A LiNbO 3 single crystal thin film is formed on an O 3 single crystal substrate. The substrate used here is a so-called homo-substrate (LiNbO 3) whose crystal growth surface of the LiNbO 3 single crystal thin film is the same material as this LiNbO 3 single crystal. 3 single crystal with different elements added), and L on this homo substrate
The iNbO 3 thin film is formed. Therefore, L
The refractive index of the thin film (n 1 )> the refractive index of the substrate (n 2 ) is maintained by lowering the refractive index by incorporating MgO in the iNbO 3 single crystal substrate, and therefore MgO doped in the substrate is , Because it lowers the ordinary refractive index of the substrate, TE
Although the mode propagates, there are problems that the TM mode does not propagate because it does not change the extraordinary light refractive index, and the light damage resistance cannot be improved because MgO cannot be doped in the thin film. As is clear from these, the propagation loss in the visible light region is low, the light damage resistance is excellent, and TE and TM
It was not possible to propagate the guided light in any of the modes without loss.

【0009】一方、この種の光デバイスでは、西原氏ら
による「光集積回路」P36 (オーム社 1985 )に記載さ
れるように、シングルモードでない場合には光導波路内
でのモード間の干渉やわずかなゆう乱によって不要なモ
ード変換が起こることから、0次モードが安定して伝搬
できないことは特に大きな問題であった。従って、実用
的な光デバイスを得るためには、基本モード(TMモー
ド又はTEモード)のみを伝搬可能なシングルモードの
チャンネル型光導波路として構成されなければならな
い。
On the other hand, in this type of optical device, as described in "Optical Integrated Circuit" by Nishihara et al., P36 (Ohm Co., 1985), interference between modes in an optical waveguide is caused when the mode is not a single mode. The inability to stably propagate the 0th-order mode has been a particularly serious problem because unnecessary mode conversion occurs due to slight disturbance. Therefore, in order to obtain a practical optical device, it must be configured as a single mode channel type optical waveguide capable of propagating only the fundamental mode (TM mode or TE mode).

【0010】本発明は、上記したような問題点を解決す
るためになされたものであり、非線系光学効果、電気光
学効果、熱光学効果、音響光学効果に優れることはもと
より、特に可視光領域で光損傷が少なく所期の出射パワ
ーが確保できて耐光損傷性に優れ、かつ光吸収も少ない
シングルモード光導波路を提供することを目的とするも
のである。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and is particularly excellent in non-linear optical effect, electro-optical effect, thermo-optical effect, acousto-optical effect, and particularly visible light. It is an object of the present invention to provide a single-mode optical waveguide in which light damage is small in a region, a desired emission power can be secured, light damage resistance is excellent, and light absorption is small.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため本発
明に係るシングルモード光導波路は、ニオブ酸リチウム
(LiNbO3) 単結晶とは基本組成を異にするヘテロ
材料からなるヘテロ基板上にLiNbO3単結晶の光導
波路層を格子整合状態で形成したものであって、そのL
iNbO3 単結晶の光導波路層にホウ素(B)が含有さ
れていることをその要旨とする。
To achieve the above object, a single mode optical waveguide according to the present invention comprises a LiNbO layer formed on a hetero substrate made of a hetero material having a basic composition different from that of a lithium niobate (LiNbO 3 ) single crystal. 3 A single crystal optical waveguide layer formed in a lattice-matched state,
The gist is that the optical waveguide layer of iNbO 3 single crystal contains boron (B).

【0012】ヘテロ基板は、六方晶構造を有する単結晶
基板、例えば、サファイア (Al23)、石英(Si
2 )、ZnO、MgO、Gd3Ga512 なども使用
できるが、特にタンタル酸リチウム基板の結晶系が、ニ
オブ酸リチウムの結晶系に類似しておりエピタキシャル
成長させやすいこと等の点で有利である。図1は、タン
タル酸リチウム単結晶基板上にニオブ酸リチウム単結晶
薄膜をLPE法により形成したものの1例の電子顕微鏡
写真を示している。そしてニオブ酸リチウム単結晶薄膜
は、前記ヘテロ基板の(0001)結晶面に形成されている。
この基板の(0001)面は、図2に示すように六方晶構造の
c軸に垂直な面を指すが、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜
の結晶成長面として、六方晶基板の(0001)面はa軸のみ
で構成されるため、a軸の格子定数を変えるだけでニオ
ブ酸リチウム単結晶薄膜と格子整合させることが容易に
できる。
The hetero substrate is a single crystal substrate having a hexagonal structure, such as sapphire (Al 2 O 3 ) and quartz (Si).
O 2 ), ZnO, MgO, Gd 3 Ga 5 O 12, etc. can also be used, but in particular, the crystal system of the lithium tantalate substrate is similar to the crystal system of lithium niobate and is advantageous in that epitaxial growth is easy. Is. FIG. 1 shows an electron micrograph of an example of a lithium niobate single crystal thin film formed by a LPE method on a lithium tantalate single crystal substrate. The lithium niobate single crystal thin film is formed on the (0001) crystal plane of the hetero substrate.
The (0001) plane of this substrate refers to a plane perpendicular to the c-axis of the hexagonal crystal structure as shown in FIG. 2, but the (0001) plane of the hexagonal substrate is the crystal growth plane of the lithium niobate single crystal thin film. Since it is composed only of the a-axis, it can be easily lattice-matched with the lithium niobate single crystal thin film simply by changing the lattice constant of the a-axis.

【0013】ここで、LiNbO3 単結晶光導波路層に
含有されるホウ素(B)の含有量は、5〜1000ppmである
ことが望ましい。このホウ素(B)の含有量が 1000ppm
を越える場合は、LiNbO3 単結晶の電気光学的特性
が低下し、また5ppmより低い場合には、可視光域におい
て光損傷が発生する。そしてホウ素(B)は、3価の陽
イオン(B3+)の状態でLiNbO3 単結晶中に含有さ
れていることがその後の結合状態が最も安定していて好
ましい。基板上に形成されるLiNbO3 単結晶光導波
路層中に従来添加元素として使用されるバナジウム
(V)に代えてホウ素(B)が含有されることにより、
このホウ素(B)自身が耐光損傷性を増す働きを有する
ばかりでなく、このホウ素(B)は結晶格子中に固溶あ
るいは置換されるため光損傷や可視光吸収の原因となる
不純物元素のLiNbO3 単結晶中への混入を回避で
き、したがって光損傷や可視光吸収等が生じないものと
思われる。
Here, the content of boron (B) contained in the LiNbO 3 single crystal optical waveguide layer is preferably 5 to 1000 ppm. The content of this boron (B) is 1000ppm
If it exceeds 5 ppm, the electro-optical characteristics of the LiNbO 3 single crystal will deteriorate, and if it is less than 5 ppm, optical damage will occur in the visible light range. Boron (B) is preferably contained in the LiNbO 3 single crystal in the state of trivalent cation (B 3+ ) since the subsequent bonded state is most stable. By containing boron (B) in place of vanadium (V) conventionally used as an additional element in the LiNbO 3 single crystal optical waveguide layer formed on the substrate,
This boron (B) itself not only has the function of increasing the light damage resistance, but also because this boron (B) is dissolved or substituted in the crystal lattice, it is an impurity element that causes optical damage or visible light absorption, such as LiNbO. 3 It is considered that the inclusion in the single crystal can be avoided, and therefore, optical damage or visible light absorption does not occur.

【0014】そして、前記LiNbO3 単結晶光導波路
層における結晶構造のa軸の格子定数は、ヘテロ基板の
a軸の格子定数の 99.81〜100.07%の範囲内であるのが
よく、特に 99.92〜100.03%の範囲が好適である。例え
ば、ヘテロ基板の格子定数が、5.153A である場合、L
iNbO3 単結晶の格子定数は、5.150〜5.155Aの範囲
内ということになる。ここで「A」は、「オングストロ
ーム」を意味し、以下単に「A」で表す。この格子定数
の範囲を外れた場合、基板とLiNbO3 単結晶の格子
定数を一致させ難く、LiNbO3 単結晶中に多くの欠
陥が発生すること等により、光導波路として使用可能な
光学特性の優れたLiNbO3 単結晶を充分に厚く形成
することができず、また導波路の経時劣化を招くことに
なる。尚、前記ヘテロ基板のa軸の格子定数は、5.128
〜5.173Aであることがより好適である。
The a-axis lattice constant of the crystal structure of the LiNbO 3 single crystal optical waveguide layer is preferably within the range of 99.81-100.07% of the a-axis lattice constant of the hetero substrate, particularly 99.92-100.03. The range of% is preferred. For example, when the lattice constant of the hetero substrate is 5.153A, L
The lattice constant of the iNbO 3 single crystal is in the range of 5.150 to 5.155A. Here, "A" means "angstrom" and is simply represented by "A" hereinafter. If outside the scope of this lattice constant, the substrate and the LiNbO 3 difficult to match the lattice constant of the single crystal, by such a large number of defects generated during LiNbO 3 single crystal, superior optical properties that can be used as an optical waveguide Also, the LiNbO 3 single crystal cannot be formed sufficiently thick, and the waveguide is deteriorated with time. The a-axis lattice constant of the hetero substrate is 5.128.
More preferably, it is ~ 5.173A.

【0015】ヘテロ基板上にLiNbO3 単結晶を格子
整合させる手段は特に限定されるものではないが、Li
NbO3 単結晶薄膜に異種元素を含有させて格子定数を
大きくすることにより有利に格子整合させることができ
る。かかる格子整合によりヘテロ基板上に形成されるL
iNbO3 単結晶には欠陥が多数発生することもなく、
厚い膜厚を有するLiNbO3 単結晶を得ることができ
る。そしてこのような考えから、前記LiNbO3 単結
晶光導波路層中には、格子整合のための異種元素として
0.02〜10.0 モル%の範囲のNa及び/又は 0.8〜10.8
モル%の範囲のMgを含有しているとよい。Naの含有
量が0.02モル%より少ない場合は、ヘテロ基板と格子整
合できるほど格子定数が大きくならず、また10.0モル%
を越える場合は、逆に格子定数が大きくなりすぎ、いず
れの場合もヘテロ基板とLiNbO3 単結晶との格子整
合が得られない。Mgの含有量が 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であり、10.8モ
ル%を越える場合は、ニオブ酸マグネシウム系の結晶が
析出してしまう。
The means for lattice-matching the LiNbO 3 single crystal on the hetero substrate is not particularly limited, but Li
Lattice matching can be advantageously performed by making the NbO 3 single crystal thin film contain a different element to increase the lattice constant. L formed on the hetero substrate by such lattice matching
iNbO 3 single crystal does not have many defects,
A LiNbO 3 single crystal having a large film thickness can be obtained. From such an idea, in the LiNbO 3 single crystal optical waveguide layer, as a different element for lattice matching,
Na in the range of 0.02 to 10.0 mol% and / or 0.8 to 10.8
It is preferable to contain Mg in the range of mol%. When the content of Na is less than 0.02 mol%, the lattice constant does not become large enough to be lattice-matched with the hetero substrate, and also 10.0 mol%
On the other hand, if it exceeds, the lattice constant becomes too large, and in any case, the lattice matching between the hetero substrate and the LiNbO 3 single crystal cannot be obtained. If the Mg content is less than 0.8 mol%, the effect of preventing optical damage is insufficient, and if it exceeds 10.8 mol%, magnesium niobate-based crystals are precipitated.

【0016】ここにおいて、LiNbO3 単結晶にMg
を含有させた場合、MgによりLiNbO3 単結晶の屈
折率が変化するため、光導波路層の厚さと導波光の波長
とが特定関係式を満たすように形成されているのがよ
い。本発明に係るシングルモード光導波路の光導波路層
の厚さをT(μm)、入射導波光の波長をλ(μm)と
すると、Tとλとの関係が、前記導波光がTMモードの
場合 1.9 < (T+0.7)/λ <5.7 の条件を満たすように前記光導波路層の厚さが設定され
ていることが好ましい。これにより特にTMモードの単
一導波光が効率良く伝搬されることとなる。不要な導波
モードの伝搬はなく、ゆう乱によるモード変換等の不安
定な現象も生じない。
Here, Mg is added to the LiNbO 3 single crystal.
When Mg is included, the refractive index of the LiNbO 3 single crystal changes due to Mg, so it is preferable that the thickness of the optical waveguide layer and the wavelength of the guided light be formed so as to satisfy the specific relational expression. Assuming that the thickness of the optical waveguide layer of the single mode optical waveguide according to the present invention is T (μm) and the wavelength of the incident guided light is λ (μm), the relationship between T and λ is when the guided light is the TM mode. The thickness of the optical waveguide layer is preferably set so as to satisfy the condition of 1.9 <(T + 0.7) / λ <5.7. Thereby, the single guided light of the TM mode is efficiently propagated. There is no unnecessary propagation of guided modes, and unstable phenomena such as mode conversion due to disturbance do not occur.

【0017】そしてさらにそのシングルモード光導波路
の光導波路層の導波路幅をW(μm)、エッチング深さ
をΔT(μm)、入射導波光の波長をλ(μm)とする
と、WとΔTとの関係が、前記導波光がTMモードの場
合 W≦(4λ−0.5)×(λ2/ΔT+2.0) の条件を満たすように前記光導波路層の導波路幅及びエ
ッチング深さが設定されておれば、さらに光導波特性が
向上されるものである。尚、TEモードを伝搬させる場
合は、前記各関係は、 0.29<(T+0.04)/λ<1.19 (T>
0) W≦(0.04λ3+0.1λ2)/ΔT+2.5λ であるのがよい。
Further, if the waveguide width of the optical waveguide layer of the single mode optical waveguide is W (μm), the etching depth is ΔT (μm), and the wavelength of the incident guided light is λ (μm), then W and ΔT. When the guided light is in the TM mode, the waveguide width and the etching depth of the optical waveguide layer are set so that the condition of W ≦ (4λ−0.5) × (λ 2 /ΔT+2.0) is satisfied. If so, the optical waveguide characteristics are further improved. In the case of propagating the TE mode, the above relationships are as follows: 0.29 <(T + 0.04) / λ <1.19 (T>
0) It is preferable that W ≦ (0.04λ 3 + 0.1λ 2 ) /ΔT+2.5λ.

【0018】[0018]

【実施例】以下に本発明に係るシングルモード導波路の
実施例を具体的に説明する。初めに本発明にシングルモ
ード光導波路は、ニオブ酸リチウム単結晶とは基本組成
を異にするヘテロ材料からなるヘテロ基板上にニオブ酸
リチウム単結晶薄膜を形成することから始まる。そして
次にニオブ酸リチウム単結晶薄膜がヘテロ基板上に形成
されたウエハに所定のパターニング、エッチング加工等
を施すことによりニオブ酸リチウム単結晶薄膜に光導波
路層を形成するものである。
EXAMPLES Examples of the single mode waveguide according to the present invention will be specifically described below. First, the single mode optical waveguide according to the present invention starts by forming a lithium niobate single crystal thin film on a hetero substrate made of a hetero material having a basic composition different from that of the lithium niobate single crystal. Then, an optical waveguide layer is formed on the lithium niobate single crystal thin film by subjecting the wafer having the lithium niobate single crystal thin film formed on the hetero substrate to predetermined patterning, etching, and the like.

【0019】最初のニオブ酸リチウム単結晶薄膜の形成
工程について説明すると、例えば、ヘテロ基板としてタ
ンタル酸リチウム単結晶を使用するとすれば、Na2
、Li2O、B23、Nb25 、MgOなどからなる
溶融体中にタンタル酸リチウム単結晶基板を浸漬し、そ
の基板表面にLPE法によりニオブ酸リチウム単結晶薄
膜が結晶成長されるものである。前記Li2O、B
23、Nb25の組成範囲は、図3に示したLi2O−
23−Nb25の3成分系の三角図において、A(8
8.90,2.22,8.88)、B(55.00,43.00,2.00 )、C
(46.50,51.50,2.00)、D(11.11,80.00,8.89)、
E( 37.50,5.00,57.50)の5組成点で囲まれる組成
領域内にあり、F(47.64,46.12,6.24)、G(27.0
1,64.69,8.30)、H(36.71,37.97,25.32)、I(4
4.05,32.97,22.98)の4組成点で囲まれる範囲が特に
好適である。また溶融体組成中には、Na2O がモル比
でNa2O/Li2O が 0.1/99.9〜50.00/50.0、好ま
しくはモル比で1.0/99.0〜10.0/90.0を満たす範囲で
混合され、またMgOがニオブ酸リチウム単結晶薄膜中
におけるMgO/ニオブ酸リチウム比がモル比で 0.1/
99.9〜25.0/75.0、好ましくは5.0/95.0〜9.0/91.0を
満たす範囲で混合される。
Explaining the first step of forming a lithium niobate single crystal thin film, for example, if a lithium tantalate single crystal is used as a hetero substrate, Na 2 O is used.
Lithium tantalate single crystal substrate is dipped in a melt composed of Li, O 2 , B 2 O 3 , Nb 2 O 5 , MgO, etc., and a lithium niobate single crystal thin film is crystal-grown on the substrate surface by the LPE method. It is something. Li 2 O, B
The composition range of 2 O 3 and Nb 2 O 5 is Li 2 O- shown in FIG.
In the trigonometric diagram of the three-component system of B 2 O 3 -Nb 2 O 5 , A (8
8.90, 2.22, 8.88), B (55.00, 43.00, 2.00), C
(46.50, 51.50, 2.00), D (11.11, 80.00, 8.89),
E (37.50, 5.00, 57.50) is in the composition region surrounded by 5 composition points, F (47.64, 46.12, 6.24), G (27.0
1, 64.69, 8.30), H (36.71, 37.97, 25.32), I (4
The range surrounded by four composition points (4.05, 32.97, 22.98) is particularly preferable. In the melt composition, Na 2 O is mixed in a molar ratio of Na 2 O / Li 2 O of 0.1 / 99.9 to 50.00 / 50.0, preferably in a molar ratio of 1.0 / 99.0 to 10.0 / 90.0. In addition, the MgO / MgO ratio in the lithium niobate single crystal thin film is 0.1 / molar ratio.
It is mixed in the range of 99.9 to 25.0 / 75.0, preferably 5.0 / 95.0 to 9.0 / 91.0.

【0020】そして前述の溶融体組成物は、空気雰囲気
下あるいは酸化雰囲気下で800〜1300℃で加熱溶融され
る。単結晶薄膜育成のための温度は、800〜1250℃であ
ることが望ましい。溶融体は、6〜96時間攪拌してお
く。攪拌時間が短い場合溶融体中に結晶核が残存し、こ
の結晶核を中心に結晶成長するため、ニオブ酸リチウム
単結晶薄膜の表面に凹凸が発生し結晶性が低下すること
がある。次にこの加熱溶融体を0.5〜300℃/時の速度で
冷却して過冷却状態とし、しかる後この溶融体中に基板
を回転させながら浸漬し、この回転状態で基板上にニオ
ブ酸リチウム単結晶薄膜を結晶成長により育成させるも
のである。
The above-mentioned melt composition is heated and melted at 800 to 1300 ° C. in an air atmosphere or an oxidizing atmosphere. The temperature for growing the single crystal thin film is preferably 800 to 1250 ° C. The melt is left stirring for 6 to 96 hours. When the stirring time is short, crystal nuclei remain in the melt, and crystals grow centering on the crystal nuclei, so that irregularities may occur on the surface of the lithium niobate single crystal thin film and the crystallinity may decrease. Next, the heated melt is cooled at a rate of 0.5 to 300 ° C./hour to be in a supercooled state, and then the substrate is immersed in the melt while rotating, and in this rotating state, lithium niobate monolith is placed on the substrate. The crystal thin film is grown by crystal growth.

【0021】この場合ヘテロ基板のニオブ酸リチウム単
結晶薄膜形成面は化学研磨あるいは化学エッチングし、
その面粗度を、JIS B0601、RMAX=10〜1000A としてお
くことが望ましい。 RMAXの値が1000Aより大きくなる
と、形成されるニオブ酸リチウム単結晶薄膜の結晶性が
低下する。さらにエッジを面取りしておくとよい。エッ
ジが面取りされていない場合、エッジ部分に微細な疵が
でき、熱衝撃でクラックが発生することがある。面取り
は、R面、C面いずれでもよい。尚、基板は厚さ0.5〜
2.0mmのものを用いる。0.5mmより薄いとクラックが発生
しやすく、2.0mmより厚い基板は、焦電効果(加熱によ
る放電効果)が問題となり、加熱や研磨により帯電する
ため、研磨屑などが付着してスクラッチが発生し易い。
In this case, the surface of the hetero substrate on which the lithium niobate single crystal thin film is formed is chemically polished or chemically etched,
It is desirable to set the surface roughness to JIS B0601, R MAX = 10 to 1000A. When the value of R MAX is larger than 1000 A, the crystallinity of the formed lithium niobate single crystal thin film deteriorates. Furthermore, it is advisable to chamfer the edges. If the edge is not chamfered, fine scratches may be formed on the edge portion and a crack may occur due to thermal shock. The chamfer may be either the R surface or the C surface. The substrate thickness is 0.5 ~
Use 2.0 mm. If it is thinner than 0.5 mm, cracks are likely to occur, and if it is thicker than 2.0 mm, the pyroelectric effect (electric discharge effect due to heating) poses a problem.Because it is charged by heating or polishing, polishing debris will adhere and scratches will occur. easy.

【0022】育成の際には、タンタル酸リチウム基板を
回転させることにより均一な膜厚の結晶ができ、また安
定した光学特性のものが得られる。回転は水平状態にて
行われ、その回転速度は、5〜150rpmが一般的に選択さ
れる。基板と溶融体との接触時間及び溶融体の温度を適
当に選択することにより、基板上に析出するニオブ酸リ
チウム単結晶薄膜の厚みを制御することができる。通常
ニオブ酸リチウム単結晶薄膜の成長速度は、0.01〜1.0
μm/分が望ましい。これ以上成長速度が速い場合、ニ
オブ酸リチウム単結晶薄膜にうねりが発生することがあ
り、また、これより成長速度が遅い場合、薄膜の育成に
時間がかかる。
At the time of growth, by rotating the lithium tantalate substrate, crystals having a uniform film thickness can be obtained and stable optical characteristics can be obtained. The rotation is performed in a horizontal state, and the rotation speed is generally selected to be 5 to 150 rpm. By appropriately selecting the contact time between the substrate and the melt and the temperature of the melt, the thickness of the lithium niobate single crystal thin film deposited on the substrate can be controlled. Generally, the growth rate of a lithium niobate single crystal thin film is 0.01 to 1.0.
μm / min is desirable. If the growth rate is faster than this, undulation may occur in the lithium niobate single crystal thin film, and if the growth rate is slower than this, it takes time to grow the thin film.

【0023】そして所定時間経過後、溶融体中よりその
基板を取り出し、余分の溶融体を取り除いてから冷却す
る。溶融体の除去は、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜が形
成されたウエハを 100〜10000rpmの高速度で回転させる
ことにより行うとよい。溶融体除去後の冷却は、0.5〜3
00℃/時の速度で行ない、400℃ からは指数関数的に冷
却させるのがよい。タンタル酸リチウム基板のキュリー
点の温度(一般には650℃)では一定時間温度を保つ
か、0.1〜5℃ /分の速度で冷却させることが望まし
い。これよりキュリー点における結晶の相転移に伴うク
ラックの発生を防止できる。
After a lapse of a predetermined time, the substrate is taken out of the melt, the excess melt is removed, and then the substrate is cooled. The melt may be removed by rotating the wafer on which the lithium niobate single crystal thin film is formed at a high speed of 100 to 10,000 rpm. Cooling after removing the melt is 0.5 to 3
It is recommended to perform the cooling at a rate of 00 ° C / hour and to cool exponentially from 400 ° C. At the temperature of the Curie point of the lithium tantalate substrate (generally 650 ° C.), it is desirable to keep the temperature for a certain period of time or cool at a rate of 0.1 to 5 ° C./min. As a result, it is possible to prevent the occurrence of cracks due to the phase transition of crystals at the Curie point.

【0024】次にこのようにして形成されたニオブ酸リ
チウム単結晶薄膜に光導波路層を形成する工程について
説明するが、最終的には図4に示すように、(1)直線
型、(2)湾曲型、(3)Y分岐型、(4)X交差型、
及び(5)テーパ型等の各種の形態のチャンネル型光導
波路が得られる。図5にはその製造工程の一例を示して
おり、順を追って説明すると、単結晶基板1上にニオブ
酸リチウム単結晶薄膜2を形成してなるウエハ3の単結
晶薄膜2面に、前述の各種形態の光導波路形成領域にフ
ォトリソグラフィー法によりパターニングを施し、次い
でチタン(Ti)薄膜4を全面に形成する。続いてリフ
トオフ法により感光レジスト7とその上のTi薄膜4と
を除去してTiマスクとする。そして次にアルゴン(A
r)プラズマエッチングにより単結晶薄膜2面の光導波
路形成領域外を除去し、さらにTi薄膜4を剥離するこ
とにより光導波路層5が形成され、前述のチャンネル型
光導波路6が得られる。
Next, a process of forming an optical waveguide layer on the lithium niobate single crystal thin film thus formed will be described. Finally, as shown in FIG. 4, (1) linear type, (2) ) Curved type, (3) Y branch type, (4) X crossing type,
And (5) various types of channel type optical waveguides such as tapered type can be obtained. An example of the manufacturing process is shown in FIG. 5, which will be described step by step. A wafer 3 formed by forming a lithium niobate single crystal thin film 2 on a single crystal substrate 1 has the above-described single crystal thin film 2 surface. The optical waveguide forming regions of various forms are patterned by photolithography, and then a titanium (Ti) thin film 4 is formed on the entire surface. Subsequently, the photosensitive resist 7 and the Ti thin film 4 thereon are removed by a lift-off method to form a Ti mask. And then argon (A
r) The area outside the optical waveguide forming region on the surface of the single crystal thin film 2 is removed by plasma etching, and the Ti thin film 4 is peeled off to form the optical waveguide layer 5, and the above-mentioned channel type optical waveguide 6 is obtained.

【0025】初めにウエハ(スラブ導波路)の段階での
各種実験結果について説明する。本発明品については、
本試料1〜6までを用意し、比較品にあっては比較試料
1〜3を用意した。これらの溶融体組成、薄膜形成用に
供試される基板の種類、この基板上に形成される薄膜の
膜厚、並びにこれらの供試試料の各種分析結果と各種実
験データ等を表1にまとめて示した。本試料1〜6はい
ずれも溶融体組成としてNa2CO3、Li2CO3、B2
3、Nb25及びMgOからなるものを用いて作製し
た。それぞれの組成物の配合量は表1に示す通りであ
る。MgOはその溶融物組成から析出可能なLiNbO
3の理論量に対する添加量として示している。この溶融
体組成物としてV25が含まれていないことは勿論であ
る。
First, various experimental results at the wafer (slab waveguide) stage will be described. For the product of the present invention,
The present samples 1 to 6 were prepared, and as the comparative product, comparative samples 1 to 3 were prepared. Table 1 summarizes the composition of these melts, the type of substrate used for thin film formation, the film thickness of the thin film formed on this substrate, and various analysis results and various experimental data of these sample specimens. Showed. All of the samples 1 to 6 had a melt composition of Na 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , B 2
It was prepared by using one composed of O 3 , Nb 2 O 5 and MgO. The compounding amount of each composition is as shown in Table 1. MgO is LiNbO that can be precipitated from its melt composition.
It is shown as the amount added to the theoretical amount of 3 . It goes without saying that the melt composition does not contain V 2 O 5 .

【0026】基板は、本試料1〜6のいずれの場合も1
mm厚のタンタル酸リチウムの六方晶型単結晶のものを用
いている。そしてこのタンタル酸リチウムの単結晶基板
の(0001)面を光学研磨したものを供試する。このタンタ
ル酸リチウム単結晶基板を上述の溶融体組成物からなる
溶融体中に接触させ、LPE法によりこの基板の(0001)
面上にニオブ酸リチウムの単結晶薄膜を結晶成長により
形成するものであるが、本試料1〜6のいずれの場合も
前記溶融体組成物は予め白金ルツボに入れ、エピタキシ
ャル成長育成装置中で空気雰囲気下で1100℃に加熱溶融
されている。
The substrate is 1 in each of the present samples 1-6.
A hexagonal single crystal of lithium tantalate with a thickness of mm is used. Then, a test piece is obtained by optically polishing the (0001) plane of this lithium tantalate single crystal substrate. This lithium tantalate single crystal substrate was brought into contact with the melt composed of the above-mentioned melt composition, and the (0001)
A single crystal thin film of lithium niobate is formed on the surface by crystal growth. In any of Samples 1 to 6, the melt composition is put in a platinum crucible in advance, and an air atmosphere is used in an epitaxial growth and growth apparatus. It is heated and melted to 1100 ℃ under.

【0027】次にこの溶融体を60℃/時の速度で930〜9
50℃まで冷やして過冷却状態とした後、この溶融体に上
述のタンタル酸リチウム単結晶基板を 20rpmの回転速度
で回転させながら所定時間浸漬し、タンタル酸リチウム
単結晶基板の(0001)面にニオブ酸リチウム単結晶薄膜を
結晶成長させている。本試料1〜6の場合はいずれもそ
の浸漬時間を5分間とした。LPE法によりタンタル酸
リチウム単結晶基板上にニオブ酸リチウム単結晶薄膜を
形成した後、これを溶融体から引き上げ、回転数 1000r
pmで10分間回転させてニオブ酸リチウム単結晶薄膜の
表面から溶融体を振り切って取り除き、しかる後低温ま
で徐冷する。かくして本試料1〜6のいずれの場合も5
μmの厚さのニオブ酸リチウム単結晶薄膜が得られた。
そのニオブ酸リチウム単結晶薄膜中のNa、Mg、及び
Bの成分分析をICP発光分析によりおこなったのでそ
の結果を表1に合わせて示してある。本試料1〜6はい
ずれもNa、Mg、及びBがそれぞれ適量づつ含有され
ていることがわかる。
Next, the melt was heated to 930-9 at a rate of 60 ° C./hour.
After cooling to 50 ° C. to be in a supercooled state, the above-mentioned lithium tantalate single crystal substrate was immersed in this melt for a predetermined time while rotating at a rotation speed of 20 rpm, and the lithium tantalate single crystal substrate was placed on the (0001) plane. Crystal growth of a lithium niobate single crystal thin film is performed. In all of Samples 1 to 6, the immersion time was 5 minutes. After forming a lithium niobate single crystal thin film on a lithium tantalate single crystal substrate by the LPE method, pulling it up from the melt, the rotation speed is 1000r.
The melt is shaken off from the surface of the lithium niobate single crystal thin film by rotating at 10 pm for 10 minutes, and then slowly cooled to a low temperature. Thus, in any case of the present samples 1 to 6, 5
A μm thick lithium niobate single crystal thin film was obtained.
The components of Na, Mg, and B in the lithium niobate single crystal thin film were analyzed by ICP emission analysis. The results are also shown in Table 1. It can be seen that all of Samples 1 to 6 contain appropriate amounts of Na, Mg, and B, respectively.

【0028】またニオブ酸リチウム単結晶薄膜の結晶構
造のa軸方向の格子定数を通常の粉末X線解析により行
ったのでその結果も表1に示してある。測定においては
Siを内部標準として使用し、格子定数は、Cu−2θ
=45〜90゜ の範囲で検出されるニオブ酸リチウムの
15本の回折ピークの角度とその面指数から最小二乗法
により算出している。尚、測定には白金ルツボ内に堆積
したニオブ酸リチウム単結晶粒いわゆるrestmeltを粉砕
して試料として用いた。この測定結果によれば、本試料
1〜6は5.151A〜5.156Aの値を示している。これはタ
ンタル酸リチウム単結晶基板結晶構造のa軸方向の格子
定数 5.154Aに略近似した値であることがわかる。これ
は格子整合がよくなされていることを意味する。
Further, the lattice constant in the a-axis direction of the crystal structure of the lithium niobate single crystal thin film was measured by the usual powder X-ray analysis. The results are also shown in Table 1. Si is used as an internal standard in the measurement, and the lattice constant is Cu-2θ.
It is calculated by the method of least squares from the angles of the 15 diffraction peaks of lithium niobate detected in the range of 45 to 90 ° and their surface indices. For the measurement, lithium niobate single crystal grains, so-called restmelt, deposited in a platinum crucible were ground and used as a sample. According to the measurement results, the samples 1 to 6 show values of 5.151A to 5.156A. It can be seen that this is a value that is approximately approximated to the lattice constant 5.154 A in the a-axis direction of the lithium tantalate single crystal substrate crystal structure. This means that the lattice matching is well done.

【0029】一方比較品として示した比較試料1及び2
は、ニオブ酸リチウム単結晶基板、すなわちホモ基板を
用いている。そしてこの基板を浸漬させる溶融体とし
て、比較試料1はLBフラックス系を用い、一方比較試
料2はLVフラックス系を用いている。いずれの試料も
ニオブ酸リチウム単結晶基板にMgOがドープされてい
る関係上、薄膜中にNaやMgが混在しないように配慮
している。したがって溶融体にはNa2CO3及びMgO
は配合されない。ニオブ酸リチウム単結晶基板上にニオ
ブ酸リチウム単結晶薄膜をLPE法により結晶成長させ
て形成する方法は、前述の本発明品(本試料1〜6)と
略同じであるのでここでは詳細な説明を割愛する。ただ
最終的にニオブ酸リチウム単結晶薄膜の厚さは、5μm
としている。また成分分析結果(表1)からわかるよう
に薄膜中にはNa及びMgが混在されない。さらにX線
解析による単結晶薄膜のa軸方向の格子定数も、5.150
A 程度であった。
On the other hand, comparative samples 1 and 2 shown as comparative products
Uses a lithium niobate single crystal substrate, that is, a homo substrate. Then, as a melt for immersing this substrate, Comparative Sample 1 uses the LB flux system, while Comparative Sample 2 uses the LV flux system. In all the samples, due to the fact that the lithium niobate single crystal substrate was doped with MgO, care was taken not to mix Na and Mg in the thin film. Therefore, the melt contains Na 2 CO 3 and MgO.
Is not compounded. The method for forming a lithium niobate single crystal thin film on the lithium niobate single crystal substrate by crystal growth by the LPE method is substantially the same as that of the above-described products of the present invention (Samples 1 to 6), and therefore a detailed description will be given here. Omit. However, the final thickness of the lithium niobate single crystal thin film is 5 μm.
I am trying. Further, as can be seen from the component analysis results (Table 1), Na and Mg are not mixed in the thin film. Furthermore, the lattice constant in the a-axis direction of the single crystal thin film by X-ray analysis was 5.150.
It was about A.

【0030】比較試料3は、本発明品(本試料1〜6)
と同じくタンタル酸リチウム基板(ヘテロ基板)の上に
ニオブ酸リチウム単結晶薄膜を形成したものであるが、
その溶融体組成を異にするLi2CO3−V25−Nb2
5系のものを用いている。そしてこれに格子整合用と
してNa2CO3を配合してなるものである。LPE法に
よる単結晶薄膜の形成方法は本発明品の場合とほとんど
同じであり、その薄膜の厚さも同じく5μmとした。I
CP発光分析の結果では、NaとVが混在し、Naが混
在していることによりX線解析結果でも判るように薄膜
のa軸方向の格子定数が 5.154Aと単結晶基板の格子定
数に近い値を示した。これは格子整合がよくなされてい
ることを意味する。
Comparative sample 3 is a product of the present invention (samples 1 to 6)
Similarly to the above, a lithium niobate single crystal thin film is formed on a lithium tantalate substrate (hetero substrate).
Li 2 CO 3 —V 2 O 5 —Nb 2 having different melt compositions
O 5 type is used. Then, Na 2 CO 3 is added to this for lattice matching. The method of forming a single crystal thin film by the LPE method is almost the same as that of the case of the product of the present invention, and the thickness of the thin film is also 5 μm. I
As a result of CP emission analysis, Na and V coexist, and due to the coexistence of Na, the lattice constant in the a-axis direction of the thin film is 5.154A, which is close to the lattice constant of the single crystal substrate, as can be seen from the X-ray analysis result. Showed the value. This means that the lattice matching is well done.

【0031】尚、表1には示していないが、溶融体組成
中の B23 の配合量が多過ぎると、四ホウ酸リチウム
(Li247 )のようなニオブ酸リチウム以外の結晶
が析出し、また、溶融体組成として前述の図3に示した
Li2CO3−B23−Nb25 の3成分系の三角図に
おける点A、B、C、D及びEの5組成点で囲まれる組
成領域より外れていると単結晶薄膜が形成されないこと
が判った。さらに溶融体組成中のNa2CO3の配合量が
多過ぎると、ニオブ酸リチウム単相ではなく、第2相と
してのニオブ酸ナトリウム(NaNbO3 )が析出する
ことも判った。
Although not shown in Table 1, if the content of B 2 O 3 in the composition of the melt is too large, other than lithium niobate such as lithium tetraborate (Li 2 B 4 O 7 ). And the points A, B, C, D and the points A, B, C and D in the three-component triangular diagram of Li 2 CO 3 —B 2 O 3 —Nb 2 O 5 shown in FIG. 3 as the melt composition. It has been found that the single crystal thin film is not formed when it is out of the composition region surrounded by the five composition points of E. Further, it was also found that when the content of Na 2 CO 3 in the melt composition was too large, not the lithium niobate single phase but sodium niobate (NaNbO 3 ) as the second phase was precipitated.

【0032】次にニオブ酸リチウム単結晶薄膜のTEモ
ード及びTMモードの光導波特性について測定した。そ
の結果は表1に示した通りである。すなわち本発明品
(本試料1〜6)は、TEモード及びTMモードととも
にその光導波特性は良好な結果が得られたのに対し、従
来品(比較品)である比較試料1及び2はいずれもTE
モードは導波するがTMモードは導波不能ということ
で、TMモードにおける光導波特性が劣る結果となっ
た。これは本発明品の場合ニオブ酸リチウム単結晶薄膜
がこの薄膜材料と異なるヘテロ基板上に形成されたもの
であり、一方比較試料1及び2の場合ニオブ酸リチウム
単結晶薄膜がこの薄膜材料と同じくするホモ基板上に形
成されたものであることに起因すると思われる。このこ
とは、比較試料3がヘテロ基板上にニオブ酸リチウム単
結晶薄膜を形成したものであってこの試料のものがTM
モードの光導波が可能であったことからも首肯できる。
Next, the optical waveguide characteristics of TE mode and TM mode of the lithium niobate single crystal thin film were measured. The results are as shown in Table 1. That is, in the products of the present invention (the present samples 1 to 6), good results were obtained in the optical waveguide characteristics together with the TE mode and the TM mode, whereas in the conventional products (comparative products), the comparative samples 1 and 2 were Both are TE
Since the mode can be guided but the TM mode cannot be guided, the optical waveguide characteristic in the TM mode is inferior. In the case of the product of the present invention, the lithium niobate single crystal thin film was formed on a hetero substrate different from this thin film material, while in the case of Comparative Samples 1 and 2, the lithium niobate single crystal thin film was the same as this thin film material. It is believed that this is due to the fact that it was formed on a homo substrate. This means that Comparative Sample 3 has a lithium niobate single crystal thin film formed on a hetero substrate, and this sample has TM
It is possible to agree because it was possible to guide the modes of light.

【0033】図6は溶融体中のNa置換量とニオブ酸リ
チウム単結晶薄膜のa軸方向の格子定数との関係を示し
ている。横軸に溶融体中のNa置換量を、また縦軸に単
結晶薄膜のa軸方向の格子定数を採る。タンタル酸リチ
ウム単結晶基板のa軸方向の格子定数はおよそ5.154A
弱の値を示している。この図6から判るように、LVフ
ラックス系溶融体を用いたものもLBフラックス系溶融
体を用いたものも薄膜中のNa含有量が多くなるにつれ
て薄膜の格子定数が上がる。また薄膜中にMgOを拡散
(ドープ)した方がドープしないよりも格子定数が大き
いことが判る。
FIG. 6 shows the relationship between the substitution amount of Na in the melt and the lattice constant in the a-axis direction of the lithium niobate single crystal thin film. The horizontal axis shows the amount of Na substitution in the melt, and the vertical axis shows the lattice constant in the a-axis direction of the single crystal thin film. The lattice constant in the a-axis direction of the lithium tantalate single crystal substrate is approximately 5.154A.
It shows a weak value. As can be seen from FIG. 6, the lattice constant of the thin film increases as the Na content in the thin film increases both in the case of using the LV flux type melt and in the case of using the LB flux type melt. It can also be seen that the lattice constant is larger when MgO is diffused (doped) in the thin film than when undoped.

【0034】そしてこの図の測定データから明らかなよ
うに、LBフラックス系溶融体を用いた方がLVフラッ
クス系のものよりもNa含有量に対する格子定数の増大
傾向が高く、Naに対する感受性が強いと言える。しか
もNa含有量が少ないレベルで早くタンタル酸リチウム
単結晶基板の格子定数に近い(又は略同じの)格子定数
が得られる。このことからLBフラックス系溶融体を用
いることにより薄膜中のNaなどの不純物が少なくて済
み、それだけ薄膜の結晶構造が乱れのない緻密なものが
得られて光学定数等の向上が期待されるものである。
As is clear from the measurement data in this figure, the use of the LB flux type melt has a higher tendency of increasing the lattice constant with respect to the Na content and a higher sensitivity to Na than the LV flux type melt. I can say. Moreover, a lattice constant close to (or substantially the same as) the lattice constant of the lithium tantalate single crystal substrate can be obtained quickly at a low Na content level. Therefore, by using the LB flux-based melt, impurities such as Na in the thin film can be reduced, and a dense film with no disorder in the crystal structure of the thin film can be obtained, which is expected to improve optical constants. Is.

【0035】次にTMモード導波光についての光伝搬損
失を測定した結果も同じく表1に示しているが、使用波
長 0.633μmの可視光領域において本試料1〜6はいず
れも1dB/cm 以下であり光伝搬損失の少ない良好な結
果が得られた。これに対してLVフラックス系溶融体を
用いた従来品の比較試料3のものは、この 0.633μmの
使用波長では著しく光損傷を受け、光伝搬損失を測定で
きなかった。本試料1〜6においては、LiNbO3
結晶導波路層に適量含有されているBが光伝搬損失の低
さに貢献していると考えられる。尚、TMモード光の導
波ができなかった比較試料1、2については光伝搬損失
の測定はしなかった。
Next, the result of measurement of the optical propagation loss of the TM mode guided light is also shown in Table 1, but in the visible light range of the wavelength used of 0.633 μm, all of the samples 1 to 6 were 1 dB / cm or less. Yes, good results with little optical propagation loss were obtained. On the other hand, the comparative sample 3 of the conventional product using the LV flux-based melt was significantly damaged by light at the used wavelength of 0.633 μm, and the optical propagation loss could not be measured. In Samples 1 to 6, it is considered that B contained in an appropriate amount in the LiNbO 3 single crystal waveguide layer contributes to the low optical propagation loss. The optical transmission loss was not measured for Comparative Samples 1 and 2 in which the TM mode light could not be guided.

【0036】次に本試料1〜6及び比較試料3について
耐光損傷性の評価テストを行ったのでそのテスト結果も
表1に示す。この耐光損傷性の評価テストは、入射光波
長0.633 μmのTMモードの導波光をプリズムカップリ
ング法により導波し、出射パワーの経時変化を測定する
ことにより行った。光損傷が起きれば、屈折率変化によ
り散乱が生じて出力パワーが小さくなり、光損傷が起き
なければ出力パワーの変化は生じない。このテストの結
果を図7に示す。横軸に時間(測定定数)、縦軸に出力
パワーの変化を示している。LVフラックス系を用いた
比較試料3のものは光出射後1分も過ぎれば急激に出力
パワーの減少を生じている。これは薄膜の光損傷により
屈折率が変化し、これにより光の散乱が生じて出力パワ
ーの減少を招いたものと考察される。これに対しLBフ
ラックス系を用いた本試料1〜6は、いずれも出力パワ
ーの減少をほとんど生じることはなく、耐光損傷性に優
れているとの結果が得られた。
Next, the samples 1 to 6 and the comparative sample 3 were subjected to a light damage resistance evaluation test. The test results are also shown in Table 1. This optical damage resistance evaluation test was conducted by guiding TM mode guided light having an incident light wavelength of 0.633 μm by the prism coupling method and measuring the change over time in the output power. If optical damage occurs, scattering occurs due to a change in the refractive index and the output power becomes small. If optical damage does not occur, the output power does not change. The results of this test are shown in FIG. The horizontal axis represents time (measurement constant), and the vertical axis represents changes in output power. In the case of the comparative sample 3 using the LV flux system, the output power sharply decreases after 1 minute from the light emission. It is considered that this is because the refractive index changes due to the optical damage of the thin film, which causes the scattering of light and the decrease of the output power. On the other hand, in each of Samples 1 to 6 using the LB flux system, there was almost no decrease in output power, and the result was excellent in light damage resistance.

【0037】更に、本試料1〜6及び比較試料3につい
てLiNbO3 単結晶層の上にシリカ緩衝層を化学気相
成膜にて形成した後、アルミニウム電極を真空蒸着によ
り形成し、電気光学定数を測定したところ、TMモード
で30±3(pm/V)、TEモードで 9±1(pm/V)という、バ
ルクLiNbO3 単結晶とほぼ同じ値が得られた。以上
のことから、比較試料1、2がTMモードの導波ができ
ないのに対し、本試料1〜6及び比較試料3はTEモー
ド、TMモードともに導波できることが理解できる。更
に、比較試料3が格子整合性やTMモード光導波性自体
には問題がないにも拘らず光伝搬損失や光損傷が激しい
のに対し、本試料1〜6にはそのような問題はないこと
がわかる。
Further, for the present samples 1 to 6 and the comparative sample 3, a silica buffer layer was formed on the LiNbO 3 single crystal layer by chemical vapor deposition, and then an aluminum electrode was formed by vacuum vapor deposition to obtain an electro-optical constant. Of the bulk LiNbO 3 single crystal, which was 30 ± 3 (pm / V) in the TM mode and 9 ± 1 (pm / V) in the TE mode. From the above, it can be understood that the comparative samples 1 and 2 cannot guide the TM mode, while the present samples 1 to 6 and the comparative sample 3 can guide both the TE mode and the TM mode. Further, although the comparative sample 3 has serious problems in the lattice matching property and the TM mode optical waveguiding property itself, the optical propagation loss and the optical damage are severe, but the present samples 1 to 6 do not have such problems. I understand.

【0038】[0038]

【表1】 [Table 1]

【0039】次に、かかる良好な特性が得られる本試料
1〜6のLiNbO3 単結晶薄膜によりリッジ型チャン
ネル導波路を作製し、TMモードにおける特性を試験し
た。リッジ型チャンネル導波路の供試試料は、前記の方
法でLiNbO3 単結晶光導波路層を形成済みの基板上
にパターンニングを施し、Tiマスクを作製し、Arプ
ラズマエッチングを施して作製した。すなわち 前出の本試料1〜6のLiNbO3 単結晶光導波路に
より、図4(1)に示す様な直線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 1
μm、とした。こうして作製したリッジ型導波路に、波
長1.55μmのTMモードのレーザ光を導波させて試験し
た。かかる膜厚(T:5μm)、導波路幅(W)、エッ
チング深さ(ΔT)、導波光の波長(λ)は前出の望ま
しい関係式 3.5<(T+0.7)/λ<5.7 W≦(4λ−0.5)×(λ2/ΔT+2.0) を満たしている。
Next, ridge-type channel waveguides were prepared from the LiNbO 3 single crystal thin films of the present samples 1 to 6 which could obtain such good characteristics, and the characteristics in the TM mode were tested. The test sample of the ridge-type channel waveguide was prepared by patterning the substrate on which the LiNbO 3 single crystal optical waveguide layer was formed by the above-mentioned method, forming a Ti mask, and performing Ar plasma etching. That is, a linear channel waveguide as shown in FIG. 4 (1) was produced from the LiNbO 3 single crystal optical waveguides of Samples 1 to 6 described above. Waveguide shape is 10 μm wide, etching depth 1
μm. The ridge type waveguide thus produced was guided by a TM mode laser beam having a wavelength of 1.55 μm for testing. The film thickness (T: 5 μm), the waveguide width (W), the etching depth (ΔT), and the wavelength (λ) of the guided light are given by the above desirable relational expression 3.5 <(T + 0.7) / λ <5. .7 W ≦ (4λ−0.5) × (λ 2 /ΔT+2.0) is satisfied.

【0040】本試料1〜6と同様の製造方法で厚さ1
μmのLiNbO3 単結晶薄膜を作製し、と同様の手
段で、幅 1.5μm、エッチング深さ 0.3μm、の直線型
チャンネル導波路を作製した。このリッジ型導波路に、
波長0.48μmのTMモードのレーザ光を導波させて試験
した。この場合も、と同様に望ましい関係式を満たし
ている。 本試料1〜6と同様の製造方法で厚さ2μmのLiN
bO3 単結晶薄膜を作製し、と同様の手段で、幅10μ
m、エッチング深さ 1μm、の直線型チャンネル導波路
を作製した。このリッジ型導波路に、波長1.55μmのT
Mモードのレーザ光を導波させて試験した。この場合
は、、と異なり望ましい関係式を満たさない。
A thickness of 1 was obtained by the same manufacturing method as the samples 1 to 6.
A μm LiNbO 3 single crystal thin film was prepared, and a linear channel waveguide having a width of 1.5 μm and an etching depth of 0.3 μm was prepared by the same method as described above. In this ridge type waveguide,
A test was conducted by guiding a TM mode laser beam having a wavelength of 0.48 μm. In this case as well, the desired relational expression is satisfied similarly to. LiN having a thickness of 2 μm is manufactured by the same manufacturing method as the present samples 1 to 6.
A bO 3 single crystal thin film was prepared, and the width was 10 μm in the same manner as in.
m, the etching depth was 1 μm, and a linear channel waveguide was prepared. This ridge type waveguide has a T of 1.55 μm wavelength.
The test was conducted by guiding M-mode laser light. In this case, unlike in, the desired relational expression is not satisfied.

【0041】即ち、、のリッジ型導波路(合計12種
類)が本発明に係る試料であり、のリッジ型導波路
(6種類)は比較用の試料である。これら、、の
各リッジ型導波路の導波路形状、導波波長等を表2にま
とめて示す。かかる合計18種類のリッジ型導波路につい
て、TMモード光のシングルモード性、低伝搬損失性、
耐光損傷性、そして耐アニール性を試験した。表2には
これら試験結果も示されている。まず、シングルモード
性については、各リッジ型導波路にそれぞれ所定の波長
のTMモードレーザ光を図4(1)中矢印で示す方向に
導波させて試験した。その結果、、のいずれのリッ
ジ型導波路(合計12種類)においても単一の導波モード
が観測され良好なシングルモード性を示したが、のリ
ッジ型導波路(6種類)では導波光が観測されなかっ
た。これは、のリッジ型導波路では導波路形状が前出
の望ましい関係式を満たさないので導波モードが存在し
ないためと考えられる。
That is, the ridge type waveguides (12 types in total) are the samples according to the present invention, and the ridge type waveguides (6 types) are the samples for comparison. Table 2 collectively shows the waveguide shape, the waveguide wavelength, etc. of each of these ridge type waveguides. With respect to such a total of 18 types of ridge type waveguides, single mode property of TM mode light, low propagation loss property,
The light damage resistance and the anneal resistance were tested. Table 2 also shows the results of these tests. First, regarding the single mode property, a TM mode laser light having a predetermined wavelength was guided in each ridge type waveguide in the direction indicated by the arrow in FIG. As a result, a single waveguide mode was observed in all of the ridge type waveguides (12 types in total), and good single mode property was shown. However, in the ridge type waveguides (6 types), the guided light was It was not observed. This is considered to be because the waveguide shape does not satisfy the above-described desirable relational expression in the ridge type waveguide, and thus no waveguide mode exists.

【0042】次に、良好なシングルモード性を示した
、の12種類のリッジ型導波路について伝搬損失を測
定したところ、いずれのリッジ型導波路も、スラブ導波
路の値と同様に1dB/cm 以下の良好な値を示した。ま
た、これら12種類のリッジ型導波路について耐光損傷性
を評価するため出射光出力の経時変化を測定したとこ
ろ、少なくとも24時間は変化が観測されなかった。即
ち、これらのリッジ型導波路はいずれも、TMモード光
の伝搬においてスラブ導波路同様のシングルモード性、
低伝搬損失性、耐光損傷性を有することがわかる。
Next, the propagation loss was measured for 12 types of ridge-type waveguides showing good single-mode characteristics. All ridge-type waveguides were 1 dB / cm, similar to the value of the slab waveguide. The following good values were shown. In order to evaluate the optical damage resistance of these twelve types of ridge type waveguides, the change over time in the output light output was measured and no change was observed for at least 24 hours. That is, each of these ridge type waveguides has a single mode property similar to that of a slab waveguide in propagating TM mode light.
It can be seen that it has low propagation loss and light damage resistance.

【0043】更に、導波路の真上にシリカ緩衝層を化学
気相成膜にて形成した後、アルミニウム電極を真空蒸着
により形成し、電気光学定数を測定したところ、バルク
LiNbO3 単結晶とほぼ同じ値を示した。更に、これ
らの導波路の耐熱性を調べるため、水蒸気雰囲気で1000
℃に12時間保持することによる加速劣化試験、即ちアニ
ール試験を行いその後再び所定の波長のTMモードのレ
ーザ光を導波させた。その結果、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
時間は変化しなかった。更に、アニール試験後の導波路
の真上にシリカ緩衝層を化学気相成膜にて形成した後、
アルミニウム電極を真空蒸着により形成し、電気光学定
数を測定したところ、バルクLiNbO3 単結晶とほぼ
同じ約 30pm/Vを示した。即ち、これらのリッジ型導波
路はいずれも、アニール試験後においてもアニール試験
前同様のシングルモード性、低伝搬損失性、耐光損傷
性、電気光学定数を有する。即ち、耐アニール性にすぐ
れていることがわかる。
Further, a silica buffer layer was formed directly above the waveguide by chemical vapor deposition, and then an aluminum electrode was formed by vacuum vapor deposition, and the electro-optical constant was measured. As a result, it was found to be almost the same as a bulk LiNbO 3 single crystal. The same value was shown. Furthermore, to investigate the heat resistance of these waveguides, 1000 W
An accelerated deterioration test, that is, an annealing test was carried out by keeping the temperature at 12 ° C. for 12 hours, and then TM-mode laser light of a predetermined wavelength was guided again. As a result, the waveguide mode was single and the propagation loss was the same as that of the slab waveguide. Moreover, when the change with time of the emitted light was measured, at least 24
The time did not change. Furthermore, after forming a silica buffer layer by chemical vapor deposition directly above the waveguide after the annealing test,
When an aluminum electrode was formed by vacuum evaporation and the electro-optical constant was measured, it showed about 30 pm / V, which was almost the same as that of the bulk LiNbO 3 single crystal. That is, all of these ridge type waveguides have the same single mode property, low propagation loss property, optical damage resistance, and electro-optic constant after the annealing test as before the annealing test. That is, it can be seen that it has excellent annealing resistance.

【0044】[0044]

【表2】 [Table 2]

【0045】次に、本試料1〜6のLiNbO3 単結晶
薄膜により作製したリッジ型チャンネル導波路のTEモ
ードにおける特性を試験した。リッジ型チャンネル導波
路の供試試料は、前記と同様の方法で作製した。すなわ
ち 前出の本試料1〜6と同様の製造方法で厚さ 1.5μm
のLiNbO3 単結晶薄膜を作製し、直線型チャンネル
導波路をとした。導波路形状は、幅2μm、エッチング
深さ 0.5μm、とした。こうして作製したリッジ型導波
路に、波長1.55μmのTEモードのレーザ光を導波させ
て試験した。かかる膜厚(T)、導波路幅(W)、エッ
チング深さ(ΔT)、導波光の波長(λ)は前出の望ま
しい関係式 0.29<(T+0.04)/λ<1.19 W≦(0.04λ3+0.1λ2)/ΔT+2.5λ を満たしている。
Next, the TE mode characteristics of the ridge type channel waveguides prepared from the LiNbO 3 single crystal thin films of the present samples 1 to 6 were tested. The test sample of the ridge type channel waveguide was manufactured by the same method as described above. That is, with the same manufacturing method as the above-mentioned samples 1 to 6, the thickness is 1.5 μm.
A single crystal thin film of LiNbO 3 was prepared and used as a linear channel waveguide. The shape of the waveguide was 2 μm in width and 0.5 μm in etching depth. The ridge type waveguide thus manufactured was guided by a TE mode laser beam having a wavelength of 1.55 μm for testing. The film thickness (T), the waveguide width (W), the etching depth (ΔT), and the wavelength (λ) of the guided light are the above-mentioned desirable relational expressions 0.29 <(T + 0.04) / λ <1.19. W ≦ (0.04λ 3 + 0.1λ 2 ) /ΔT+2.5λ is satisfied.

【0046】本試料1〜6と同様の製造方法で厚さ
0.4μmのLiNbO3 単結晶薄膜を作製し、と同様
の手段で、幅 0.8μm、エッチング深さ 0.1μm、の直
線型チャンネル導波路を作製した。このリッジ型導波路
に、波長0.48μmのTEモードのレーザ光を導波させて
試験した。この場合も、と同様に望ましい関係式を満
たしている。 本試料1〜6と同様の製造方法で厚さ 0.4μmのLi
NbO3 単結晶薄膜を作製し、と同様の手段で、幅
2.0μm、エッチング深さ 0.2μm、の直線型チャンネ
ル導波路を作製した。このリッジ型導波路に、波長1.55
μmのTEモードのレーザ光を導波させて試験した。こ
の場合は、、と異なり望ましい関係式を満たさな
い。
The thickness was measured by the same manufacturing method as in Samples 1 to 6.
A 0.4 μm LiNbO 3 single crystal thin film was prepared, and a linear channel waveguide having a width of 0.8 μm and an etching depth of 0.1 μm was prepared by the same method as described above. A TE mode laser beam having a wavelength of 0.48 μm was guided through this ridge type waveguide for testing. In this case as well, the desired relational expression is satisfied similarly to. Lithium having a thickness of 0.4 μm was manufactured by the same manufacturing method as in Samples 1 to 6.
NbO 3 single crystal thin film was prepared, and the width was
A linear channel waveguide having a thickness of 2.0 μm and an etching depth of 0.2 μm was manufactured. A wavelength of 1.55
A test was conducted by guiding a TE mode laser beam of μm. In this case, unlike in, the desired relational expression is not satisfied.

【0047】即ち、、のリッジ型導波路(合計12種
類)が本発明に係る試料であり、のリッジ型導波路
(6種類)は比較用の試料である。これら、、の
各リッジ型導波路の導波路形状、導波波長等を表3にま
とめて示す。かかる合計18種類のリッジ型導波路につい
て、TEモード光のシングルモード性、低伝搬損失性、
耐光損傷性、そして耐アニール性を、TMモード光の場
合と同様の方法により試験した。表3にはこれら試験結
果も示されている。その結果、、のリッジ型導波路
(合計12種類)がいずれも良好なシングルモード性を示
すのに対し、のリッジ型導波路(6種類)では導波光
が観測されなかった。これは、のリッジ型導波路では
導波路形状が前出の望ましい関係式を満たさないので導
波モードが存在しないためと考えられる。
That is, the ridge-type waveguides (12 types in total) are the samples according to the present invention, and the ridge-type waveguides (6 types) are the samples for comparison. Table 3 collectively shows the waveguide shape, the waveguide wavelength, etc. of each of these ridge type waveguides. About 18 kinds of such ridge-type waveguides in total, single mode property of TE mode light, low propagation loss property,
The light damage resistance and the annealing resistance were tested by the same method as in the TM mode light. Table 3 also shows the results of these tests. As a result, all of the ridge type waveguides (12 types in total) showed good single-mode characteristics, while no guided light was observed in the ridge type waveguides (6 types). This is considered to be because the waveguide shape does not satisfy the above-described desirable relational expression in the ridge type waveguide, and thus no waveguide mode exists.

【0048】そして、良好なシングルモード性を示した
、の12種類のリッジ型導波路については、伝搬損
失、耐光損傷性ともTMモード光の場合と同様良好であ
った。即ち、これらのリッジ型導波路はいずれもTEモ
ード光の導波においてTMモード光の場合と同様、スラ
ブ導波路同様のシングルモード性、低伝搬損失性、耐光
損傷性を有することがわかる。更に、電気光学定数を測
定したところ、バルクLiNbO3 単結晶とほぼ同じ約
9pm/Vを示した。更に、アニール試験後においてもアニ
ール試験前同様のシングルモード性、低伝搬損失性、耐
光損傷性、電気光学定数を示した。即ち、耐アニール性
にすぐれていることがわかる。
The 12 types of ridge-type waveguides exhibiting good single-mode characteristics were good in both propagation loss and optical damage resistance as in the case of TM-mode light. That is, it is understood that all of these ridge-type waveguides have the same single mode property, low propagation loss property, and optical damage resistance as the slab waveguide in guiding the TE mode light as in the case of the TM mode light. Furthermore, when the electro-optical constant was measured, it was about the same as the bulk LiNbO 3 single crystal.
It showed 9 pm/V. Furthermore, after the annealing test, the same single-mode property, low propagation loss property, optical damage resistance, and electro-optic constant as before the annealing test were shown. That is, it can be seen that it has excellent annealing resistance.

【0049】[0049]

【表3】 [Table 3]

【0050】以上説明したとおり、本発明に係るシング
ルモード光導波路は、リッジ型導波路に形成してもスラ
ブ導波路と同様のシングルモード性、低伝搬損失性、耐
光損傷性を有し、かつ、バルクLiNbO3 単結晶と遜
色ない電気光学定数を有している。更に、アニール試験
後もかかる優れた特性を維持し、耐アニール性にも優れ
ている。
As described above, the single-mode optical waveguide according to the present invention has the same single-mode property, low propagation loss property, and optical damage resistance as a slab waveguide when formed into a ridge type waveguide, and , Has an electro-optical constant comparable to that of a bulk LiNbO 3 single crystal. Furthermore, such excellent characteristics are maintained even after the annealing test, and the annealing resistance is also excellent.

【0051】[0051]

【発明の効果】かくして、本発明に係るシングルモード
光導波路は、Bを含有する LiNbO3 単結晶薄膜を
LiTaO3 単結晶ヘテロ基板上に形成し、所定の関係
式を満たす形状に加工したものである。従って本発明の
シングルモード光導波路は、LiNbO3 単結晶薄膜
とヘテロ基板との常光屈折率及び異常光屈折率の差が十
分に大きいためTE及びTMモードの導波光のいずれを
も伝搬することができシングルモード性に優れ、光伝
搬損失が低く、可視光域において耐光損傷性に優れ、
耐アニール性も良好で、かつ、バルクLiNbO3
単結晶と遜色ない電気光学効果を発揮する。そのため各
種光学用途に好適な導波路型光デバイスを提供でき、産
業上寄与する効果は極めて大きい。特に、導波路を所定
のリッジ型にチャンネル化したものでは、光を非常に小
さな領域に閉じこめることができる。このため、光源と
導波路とを光ファイバーやレンズにより結合し、電極等
を形成することにより、電気光学効果、熱光学効果、音
響光学的効果等を用いて導波光を制御する能動型光デバ
イスの作製が容易となるものである。
As described above, the single mode optical waveguide according to the present invention is obtained by forming a LiNbO 3 single crystal thin film containing B on a LiTaO 3 single crystal hetero substrate and processing it into a shape satisfying a predetermined relational expression. is there. Therefore, the single mode optical waveguide of the present invention can propagate both TE and TM mode guided light because the difference between the ordinary and extraordinary refractive indexes of the LiNbO 3 single crystal thin film and the hetero substrate is sufficiently large. It has excellent single mode property, low optical propagation loss, and excellent light damage resistance in the visible light range.
Good anneal resistance and bulk LiNbO 3
Exhibits electro-optical effects comparable to single crystals. Therefore, a waveguide type optical device suitable for various optical applications can be provided, and the effect of industrial contribution is extremely large. Particularly, in the case where the waveguide is channeled into a predetermined ridge type, light can be confined in a very small area. Therefore, by coupling the light source and the waveguide with an optical fiber or a lens to form an electrode, etc. It is easy to manufacture.

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

【図1】本発明に係るタンタル酸リチウム単結晶基板上
に形成されたニオブ酸リチウム単結晶薄膜の断面を示し
た電子顕微鏡写真である。また写真上の波形はホウ素の
EPMA分析の結果である。
FIG. 1 is an electron micrograph showing a cross section of a lithium niobate single crystal thin film formed on a lithium tantalate single crystal substrate according to the present invention. The waveform on the photograph is the result of EPMA analysis of boron.

【図2】ニオブ酸リチウム単結晶の成長面であるタンタ
ル酸リチウム基板の(0001)面を示す模式図である。
FIG. 2 is a schematic view showing a (0001) plane of a lithium tantalate substrate which is a growth surface of a lithium niobate single crystal.

【図3】本発明に係る溶融体中の、Li2O−B23
Nb25の三成分系の三角図である。各組成点は(Li
2Oのモル%,B23のモル%,Nb25のモル%)で
表される。 Li2O/B23/Nb25 A( 88.90, 2.22, 8.88) B( 55.00, 43.00, 2.00) C( 46.50, 51.50, 2.00) D( 11.11, 80.00, 8.89) E( 37.50, 5.00, 57.50) F( 47.64, 46.12, 6.24) G( 27.01, 64.69, 8.30) H( 36.71, 37.97, 25.32) I( 44.05, 32.97, 22.98)
FIG. 3 shows Li 2 O—B 2 O 3 − in the melt according to the present invention.
FIG. 3 is a triangular diagram of a ternary system of Nb 2 O 5 . Each composition point is (Li
2 mol%, B 2 O 3 mol%, Nb 2 O 5 mol%). Li 2 O / B 2 O 3 / Nb 2 O 5 A (88.90, 2.22, 8.88) B (55.00, 43.00, 2.00) C (46.50, 51.50, 2.00) D (11.11, 80.00, 8.89) E (37.50, 5.00) , 57.50) F (47.64, 46.12, 6.24) G (27.01, 64.69, 8.30) H (36.71, 37.97, 25.32) I (44.05, 32.97, 22.98)

【図4】本発明に係るシングルモード光導波路を説明す
る図である。(1)直線型、(2)湾曲型、(3)Y分
岐型、(4)X交差型、(5)テーパ型をそれぞれに示
す。
FIG. 4 is a diagram illustrating a single mode optical waveguide according to the present invention. (1) linear type, (2) curved type, (3) Y branch type, (4) X cross type, and (5) taper type are shown respectively.

【図5】本発明に係るシングルモード光導波路の製造工
程を説明する図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating a manufacturing process of a single mode optical waveguide according to the present invention.

【図6】LBフラックス系溶融体とLVフラックス系溶
融体との比較において溶融体中へのNa2CO3の置換量
とニオブ酸リチウム単結晶薄膜のa軸の格子定数との関
係を示した図である。
FIG. 6 shows the relationship between the substitution amount of Na 2 CO 3 in the melt and the lattice constant of the a-axis of the lithium niobate single crystal thin film in the comparison between the LB flux melt and the LV flux melt. It is a figure.

【図7】LBフラックス系溶融体とLVフラックス系溶
融体との比較においてニオブ酸リチウム単結晶薄膜の耐
光損傷性のテスト結果を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing the results of light damage resistance test of a lithium niobate single crystal thin film in comparison between an LB flux-based melt and an LV flux-based melt.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 LiTaO3 単結晶基板 2 LiNbO3 単結晶薄膜 3 単結晶薄膜ウエハ 4 チタン薄膜 5 光導波路層 6 チャンネル型光導波路1 LiTaO 3 single crystal substrate 2 LiNbO 3 single crystal thin film 3 single crystal thin film wafer 4 titanium thin film 5 optical waveguide layer 6 channel type optical waveguide

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ニオブ酸リチウム単結晶とは基本組成を
異にするヘテロ材料からなるヘテロ基板上にニオブ酸リ
チウム単結晶の光導波路層が格子整合状態で形成された
ものであって、該ニオブ酸リチウム単結晶の光導波路層
にホウ素が含有されてなることを特徴とするシングルモ
ード光導波路。
1. An optical waveguide layer of a lithium niobate single crystal is formed in a lattice matching state on a hetero substrate made of a hetero material having a different basic composition from the lithium niobate single crystal. A single-mode optical waveguide comprising a lithium oxide single crystal optical waveguide layer containing boron.
【請求項2】 前記ホウ素の含有量は、5〜1000ppmであ
ることを特徴とする請求項1に記載のシングルモード光
導波路。
2. The single mode optical waveguide according to claim 1, wherein the content of the boron is 5 to 1000 ppm.
【請求項3】 前記ニオブ酸リチウム単結晶光導波路層
における結晶構造のa軸の格子定数は、前記ヘテロ基板
のa軸の格子定数の 99.81〜100.07%の範囲内であるこ
とを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のシングル
モード光導波路。
3. The a-axis lattice constant of the crystal structure of the lithium niobate single crystal optical waveguide layer is within the range of 99.81 to 100.07% of the a-axis lattice constant of the hetero substrate. The single mode optical waveguide according to claim 1 or 2.
【請求項4】 前記ヘテロ基板のa軸の格子定数は、5.
128〜5.173Aであることを特徴とする請求項3に記載の
シングルモード光導波路。
4. The a-axis lattice constant of the hetero substrate is 5.
The single mode optical waveguide according to claim 3, wherein the single mode optical waveguide is 128 to 5.173A.
【請求項5】 前記ニオブ酸リチウム単結晶光導波路層
中には、0.02〜10.0モル%の範囲のナトリウム及び/又
は 0.8〜10.8モル%の範囲のマグネシウムを含有してな
ることを特徴とする請求項1ないし請求項4に記載のシ
ングルモード光導波路。
5. The lithium niobate single crystal optical waveguide layer contains sodium in the range of 0.02 to 10.0 mol% and / or magnesium in the range of 0.8 to 10.8 mol%. The single mode optical waveguide according to any one of claims 1 to 4.
【請求項6】 前記光導波路層の厚さをT(μm)、入
射導波光の波長をλ(μm)とすると、Tとλとの関係
が、前記導波光がTMモードの場合 1.9 < (T+0.7)/λ<5.7 の条件を満たし、前記導波光がTEモードの場合 0.29<(T+0.04)/λ<1.19 の条件を満たすように前記光導波路層の厚さが設定され
ていることを特徴とする請求項5に記載されたシングル
モード光導波路。
6. When the thickness of the optical waveguide layer is T (μm) and the wavelength of the incident guided light is λ (μm), the relationship between T and λ is 1.9 when the guided light is TM mode. <(T + 0.7) / λ <5.7, when the guided light is in TE mode, the optical waveguide layer satisfies the condition of 0.29 <(T + 0.04) / λ <1.19. 6. The single mode optical waveguide according to claim 5, wherein the thickness of the single mode optical waveguide is set.
【請求項7】 前記光導波路層の導波路幅をW(μ
m)、エッチング深さをΔT(μm)、入射導波光の波
長をλ(μm)とすると、WとΔTとの関係が、前記導
波光がTMモードの場合 W≦(4λ−0.5)×(λ2/ΔT+2.0) の条件を満たし、前記導波光がTEモードの場合 W≦(0.04λ3+0.1λ2)/ΔT+2.5λ の条件を満たすように前記光導波路層の導波路幅及びエ
ッチング深さが設定されていることを特徴とする請求項
5又は請求項6に記載されたシングルモード光導波路。
7. The waveguide width of the optical waveguide layer is W (μ
m), the etching depth is ΔT (μm), and the wavelength of the incident guided light is λ (μm), the relationship between W and ΔT is W ≦ (4λ−0.5) when the guided light is the TM mode. When the guided light is in the TE mode, the condition of x (λ 2 /ΔT+2.0) is satisfied. W ≦ (0.04λ 3 + 0.1λ 2 ) /ΔT+2.5λ 7. The single mode optical waveguide according to claim 5, wherein the waveguide width and the etching depth are set.
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WO2005019913A1 (en) * 2003-08-21 2005-03-03 Ngk Insulators, Ltd. Optical waveguide device and traveling wave type opticalmodulator
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