JPH06289343A

JPH06289343A - 光導波路素子とその製造方法

Info

Publication number: JPH06289343A
Application number: JP4100837A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Eda; 和生江田; Yoshio Sugihara; 美穂杉原
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-04-21
Filing date: 1992-04-21
Publication date: 1994-10-18
Anticipated expiration: 2012-05-07
Also published as: JP2606525B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は光通信などに用いる光変調器などの
光導波路素子に関するもので、特に光ファイバーとの結
合損失の少ない、伝搬損失の少ない、光損傷の少ない光
導波路素子の構成とその製造方法を提供することを目的
とする。【構成】電気光学効果を有し、結晶方位により屈折率
の異なる単結晶誘電体基板を、結晶方位を変えて、少な
くとも２枚、ガラスにより接合した基板に、結晶方位の
違いによる屈折率の差により、一方の単結晶誘電体基板
内に光の閉じこめられた光導波路を有し、その光導波路
を通る光を電気光学効果により制御したり、電気光学効
果を有し、屈折率の異なる単結晶誘電体基板を、少なく
とも２枚、ガラスにより接合した基板に、その屈折率の
差により、一方の単結晶誘電体基板内に光の閉じこめら
れた光導波路を有し、その光導波路を通る光を電気光学
効果により制御するようにした構成からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光導波路を使った光強
度変調、光スイッチング、偏波面制御、伝搬モード制御
などを行う、各種光導波路素子の高性能化に関する構成
とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光導波路素子、例えば、光変調
器、光スイッチ、光偏波面制御素子、光伝搬モード制御
素子などは、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウ
ムなどの電気光学効果を有する誘電体単結晶に、単一モ
ード伝搬の光導波路を形成し、その形状を工夫するとと
もに、電極を適当な形で設け、電気光学効果により、光
導波路通過光を制御して行っている。光導波路の作製
は、金属、例えば、チタンを蒸着し、高温で熱拡散する
ことにより、拡散部分の屈折率を他の部分よりも少し高
くすることによって、光を閉じこめるようにしている。
あるいは、所定部分に金属マスクをして、２００から３
００度Ｃの燐酸中でプロトンイオン交換を行い、屈折率
を一部変え、光導波路を形成している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、いずれ
の方法も表面からの拡散処理により光導波路を形成して
いることから、光導波路の断面形状が、拡散に従った形
状になるため、色々不都合がある。

【０００４】大きな課題の一つに、光導波路と光ファイ
バーとの結合損失がある。光ファイバーの断面形状は円
形であるのに対して、光導波路の形状は、表面からの拡
散によるため逆三角形に似た形状であり、かつ導波光の
強度の最も強い部分が、表面近くにあるため、光ファイ
バーとの光結合があまりうまくいかず、そこで大きな損
失を生じていた。光導波路素子では、光の結合損失の低
減は極めて重要な課題となっている。

【０００５】また拡散処理を行うことにより、拡散前よ
りも光伝搬損失が増大するという課題もあった。チタン
拡散光導波路の場合、通常１ｄＢ／ｃｍ程度の伝搬損失
が生ずる。伝搬損失の低減も光導波路素子の大きな課題
となっている。

【０００６】また同じく拡散処理により光損傷が大きく
なるという課題もあった。これは、強度の強い光ないし
は短波長の光を拡散型光導波路に入れると、伝搬損失が
時間とともに増大するというものである。これはイオン
の光導波路中への拡散により、光導波路中に電子のトラ
ップが増大することによると考えられている。

【０００７】イオン拡散型でない光導波路の形成方法と
して、単結晶のエピタキシャル成長膜を用いる方法が知
られている。例えば、タンタル酸リチウム基板にニオブ
酸リチウムとタンタル酸リチウムの混晶膜を形成した光
導波路が知られている。しかしこの方法にはいくつかの
制約がある。まず第１に、エピタキシャル成長膜は成長
速度や成長時に発生する結晶内の歪の問題から、５ミク
ロン以上の膜厚を、実用的に得ることが困難であり、コ
ア径約１０ミクロンの光ファイバーとの結合特性が悪く
なる。

【０００８】またエピタキシャル成長の条件が限られて
いる。結晶格子間隔がほぼ同じでなければエピタキシャ
ル成長が困難であることから、タンタル酸リチウム基板
上に、純粋のニオブ酸リチウムを形成することは困難で
あり、そのため混晶膜の成長に留まっている。ニオブ酸
リチウムの場合、混晶膜よりも、純粋のニオブ酸リチウ
ムの方が、光導波路特性全般に優れている。

【０００９】同種のエピタキシャル成長は可能である
が、結晶方位が同じとなるため屈折率が一様な基板とな
り、光導波路を形成できないなどの課題があった。

【００１０】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、光ファイバ−との結合損失が少なく、伝搬損失が少
なく、さらに光損傷が少ない光導波路素子の構成とその
製造方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、電気光学効果を有し、結晶方位により屈折率の異な
る単結晶誘電体基板を、結晶方位を変えて、少なくとも
２枚、ガラスにより接合した基板に、結晶方位の違いに
よる屈折率の差により、一方の単結晶誘電体基板内に光
の閉じこめられた光導波路を有し、その光導波路を通る
光を電気光学効果により制御したり、電気光学効果を有
し、屈折率の異なる単結晶誘電体基板を、少なくとも２
枚、ガラスにより接合した基板に、その屈折率の差によ
り、一方の単結晶誘電体基板内に光の閉じこめられた光
導波路を有し、その光導波路を通る光を電気光学効果に
より制御するようにしたものである。

【００１２】

【作用】上記の構成とすることにより、光ファイバーと
の結合損失の少ない、伝搬損失の少ない、光損傷の少な
い光導波路素子が得られる。

【００１３】

【実施例】以下本発明の実施例の光導波路素子、特に光
変調器に適用した場合の構成とその製造方法について、
図面を参照しながら説明する。

【００１４】（実施例１）本実施例における光導波路素
子の構成の一例を図１および図２に示す。図１は、光変
調器に適用した場合を示したもので、１はニオブ酸リチ
ウム基板、２はニオブ酸リチウム基板１に直接接合され
た、ニオブ酸リチウム基板１と結晶方位の異なる、ニオ
ブ酸リチウム薄板、３はニオブ酸リチウム薄板２に形成
された入出力光導波路部、４は入力部から二つに分岐さ
れたうちの一方の分岐光導波路、５は他方の分岐光導波
路、６および７は分岐光導波路５の両側に形成された電
極、８はニオブ酸リチウム基板１にニオブ酸リチウム薄
板２を接合しているガラス層である。

【００１５】図２はその中心部分の断面図で、図におい
て、１、２、４、５、６、７、８の各構成要素の名称
は、図１と同じである。分岐光導波路４、５は、断面頭
の部分が台形となっており、いわゆるリッジ型光導波路
の構造となっている。入出力光導波路３の断面形状も同
じになっている。９は導波光伝搬部を示したものであ
る。光変調器の構成そのものは、いわゆるマッハーゼン
ダー型と呼ばれるもので、入力部より入射した光を、二
つに分岐し、分岐した一方の光導波路に電界を加え、電
気光学効果により、光導波路部の屈折率を変えて導波光
の伝搬速度を変え、再結合部での光の位相が異なるよう
にすることにより、出力部の光の強度を変調するように
したものである。

【００１６】ニオブ酸リチウムは、結晶光軸方向とそれ
に垂直な方向とで誘電率が大きく異なり、それに伴い屈
折率にも違いが生ずる。常光線に対する屈折率は、２．
２９であるのに対して、異常光線に対しては、２．２０
の屈折率となる。屈折率に０．０１程度以上の差があれ
ば、屈折率の大きい方に光を閉じこめることができ、光
導波路の形成が可能となる。本実施例の場合、光の伝搬
モードに対して、ニオブ酸リチウム１の屈折率よりも、
ニオブ酸リチウム薄板２の屈折率の方が大きくなるよう
に結晶軸を選んで接合してある。その間の接合ガラス層
は、屈折率が約１．５で、ニオブ酸リチウムよりも低い
が、その厚みを光導波遮断厚みよりも大幅に薄い０．５
ミクロンとしていることから、ニオブ酸リチウム薄板２
に入射した光は薄板内に閉じこめられる。さらにニオブ
酸リチウム薄板２にリッジ構造を設けることにより、リ
ッジ下部の部分の方が、その他の部分よりも実効誘電率
が大きくなりため、光はリッジ下部に閉じこめられ、し
たがってリッジ下部が光導波路として作用する。

【００１７】この場合の導波路形状は、頭部が台形ない
しは矩形であとは均一の屈折率からなることにより、導
波光の中心は、光導波路の中心もしくは少し基板側に入
ったところになり、かつ円形に近い形となる。入出力光
導波路部断面も同じ形状であり、したがって、光ファイ
バーの直径約１０ミクロンの円形光導波路部構造との結
合効率は極めて良好となった。

【００１８】各寸法の代表値は、ニオブ酸リチウム基板
１の厚みが６００ミクロン、ニオブ酸リチウム薄板２の
厚みが７ミクロン、リッジ頭部でっぱりの高さが３ミク
ロン、光導波路幅は７ミクロン、ガラス層厚みは０．５
ミクロン、分岐光導波路部の長さは２ｃｍ、光導波路部
全体の長さは３ｃｍであった。電極はアルミニウムを用
いた。以上のような構成とすることにより、光ファイバ
ーとの結合損失は、屈折率の整合をとった接着材を用い
て接着固定することにより、片面で０．３ｄＢ以下とな
った。従来のチタン拡散光導波路を用いた場合、同様の
接着固定方法で、結合損失は約０．５から１．０ｄＢで
あったことから大幅に改善された。光変調器としての性
能は、従来のチタン拡散光導波路で構成したものとほぼ
同様の性能が得られた。

【００１９】また光導波路として、イオン拡散処理を行
なわない純粋の単結晶としての光学特性を有するニオブ
酸リチウム薄板を用いているため、光の伝搬損失も極め
て小さくすることができた。具体的には、０．１ｄＢ／
ｃｍ以下の光導波路伝搬損失が容易に得られた。通常チ
タン拡散光導波路の場合、０．５から１．０ｄＢ／ｃｍ
であったので、大幅に特性が改善された。

【００２０】また入射光の強度を０ｄＢｍから３０ｄＢ
ｍまで変えて、光損傷の様子をみたが、ほとんど光損傷
は見られなっかた。これは、光導波路として電子トラッ
プの非常に少ない純粋の単結晶ニオブ酸リチウム薄板を
用いたことによる効果と考えられる。なお測定は１．３
ミクロンの波長で行った。

【００２１】（実施例２）本実施例の光導波路素子の構
成の第２の例を図３に示す。図３は、やはり光変調器に
適用した場合を示したもので、１０はタンタル酸リチウ
ム基板、１１はタンタル酸リチウム基板１０に直接接合
された、ニオブ酸リチウム薄板、３から８まではの各構
成要素の名称と機能は実施例１と同じである。

【００２２】タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウム
は、屈折率が異なり、常光線に対して、タンタル酸リチ
ウムは２．１７５、ニオブ酸リチウムは２．２９であ
る。この場合にも屈折率に０．１１５という適当な差が
あり、屈折率の大きいニオブ酸リチウム薄板の方に光を
効果的に閉じこめることができ、光導波路の形成が可能
となった。これにより、ニオブ酸リチウム薄板１１に入
射した光は、薄板内に閉じこめられた。さらにリッジ構
造を設けることにより、リッジ下部の部分の方が、その
他の部分よりも実効誘電率が大きくなりため、光はリッ
ジ下部に閉じこめられ、したがったリッジ下部が光導波
路として作用する。

【００２３】この場合の導波路形状は、実施例１の場合
と全く同様であり、したがって、光ファイバーの円形の
光導波路部構造との結合効率は極めて良好となった。

【００２４】各寸法の代表値は、タンタル酸リチウム基
板１０の厚みが６００ミクロンで、その他は実施例１と
同様である。以上のような構成とすることにより、光フ
ァイバーとの結合損失は、やはり実施例１と同様、片面
で０．３ｄＢ以下となり、大幅に改善できた。

【００２５】また伝搬損失は、実施例１と同様０．１ｄ
Ｂ／ｃｍのものが容易に得られた。また光損傷について
も実施例１と同様の効果が得られた。

【００２６】（実施例３）本実施例の光導波路素子の製
造方法の例を示す。

【００２７】まず鏡面研磨された結晶方位の異なる２枚
のニオブ酸リチウム基板の表面を、きわめて清浄にし
た。その後、スパッタリングにより各基板の片面に、ほ
う珪酸鉛系のガラス薄膜を、０．２５ミクロンの厚みに
形成した。次にガラス薄膜形成面同士を重ね合わせ、こ
の状態で熱処理を行い接合した。次に、屈折率の高い方
の結晶方位のニオブ酸リチウム基板を、機械的研磨およ
びエッチングにより、薄板化していった。７ミクロンま
で薄板化した後、薄板化した方のニオブ酸リチウム基板
上にホトリソグラフィー技術により、実施例１で示した
光導波路構造のパターンにエッチングマスクを形成し、
エッチングにより、光導波路部以外を３ミクロンエッチ
ング除去した。マスクとしてはＣｒを、エッチング液と
しては、弗酸系エッチング液を用いた。その後マスクを
除去し、アルミニウム電極を通常のホトリソグラフィー
とエッチング技術により形成した。これにより実施例１
に示す光導波路素子の構造を得た。この素子の光ファイ
バーとの結合特性、伝搬損失、光損傷特性は、いずれも
実施例１と同様であった。

【００２８】ガラスによる接着は、熱処理温度を用いる
ガラスの融点以上にすれば容易に溶融接着するが、そこ
まで温度を上げなくても、用いるガラスの軟化点近傍で
保持しても接着した。その場合には、ガラス薄膜の形成
時の膜厚がほぼ保たれた。融点以上で熱処理すると、そ
の時接合部に加わっている圧力によるが、一般に、形成
時の膜厚よりも薄くなったがとくに悪影響はなかった。
ガラスとして、融点が３００度Ｃのものから８００度Ｃ
のものまで用いたが、その融点に合わせて適当な温度、
すなわち軟化点以上の温度で熱処理することにより、良
好な特性が得られた。

【００２９】（実施例４）本実施例の光導波路素子の製
造方法の他の例を示す。

【００３０】実施例３と同様にして、鏡面研磨されたタ
ンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム基板の表面
を、極めて清浄にした。以下のプロセスは、実施例３と
全く同様にして、タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウ
ムのガラス接合基板を得た。次に、屈折率の大きいニオ
ブ酸リチウム基板を、実施例１と同様の方法により７ミ
クロンまで薄板化した。以降実施例３と同様の方法によ
り、アルミニウム電極まで形成し、実施例２に示す光導
波路素子の構造を得た。

【００３１】この素子の光ファイバーとの結合特性、伝
搬損失、光損傷特性は、いずれも実施例２と同様であっ
た。

【００３２】実施例３、４とも、接合時の熱処理時に、
一般に温度が高いほどまた時間が長いほど接合強度は強
くなった。しかし１１００度Ｃ以上に温度を上げると、
ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウム板表面から
のリチウムの抜けが激しくなるため、表面の特性劣化が
大きく光導波路素子としての性能が劣化した。したがっ
て熱処理温度は１１００度Ｃ以下が好ましかった。

【００３３】実施例３に示すニオブ酸リチウム同士の接
合の場合、熱膨張率が同じであることから、接合強度向
上のための熱処理温度を、より高温でより容易に行うこ
とができた。その場合、薄板化のための加工を、強度の
研磨などで行っても、剥離がない、あるいは光導波路素
子として、より高温まで安定に動作するなどの効果が得
られた。したがって同種基板の接合の場合は、接合強度
が強く高温まで安定なものが得られた。

【００３４】また実施例では、単結晶誘電体の例とし
て、ニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウムの例を
用いて説明したが、他の電気光学効果を有する単結晶誘
電体を用いても同様に形成できることは、原理的に明か
である。

【００３５】また実施例では特定の寸法の例を示した
が、良好な光導波路を形成できる範囲内でこれに限られ
るものではない。

【００３６】実施例１に示す構成は、光導波路部と基板
部で、常光線と異常光線に対する屈折率が異なることか
ら、特にモードスプリッターに有効であった。

【００３７】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような構成と製
造方法から成るので、以下に記載されるような効果を示
す。

【００３８】光導波路として、均一層状の構造が得られ
ることから、光導波路断面形状の対称性が良く、また光
の伝搬中心をほぼ薄板中央にすることができ、またその
厚みを自在にでき、それにより光ファイバーとの結合損
失を大幅に低減できた。

【００３９】また光導波路として、拡散処理していない
純粋の単結晶誘電体薄板を用いるため、光伝搬損失が少
なく、また光損傷の少ない光導波路素子を得ることがで
きた。

【００４０】また同物質からなる接合基板の場合、熱膨
張率が同じであることから、接合強度の向上のための熱
処理をより高温で、より容易に行えるため、薄板加工が
より容易になる、高温まで特性が安定であるなどの効果
があった。

【００４１】本実施例では、光変調器の構成の例を示し
たが、本実施例の特徴が光導波路の構成そのものにある
ことから、基本的には光導波路を用いた各種光導波路素
子に広く一般的に適用できるものであり、光変調器に限
らず、光スイッチ、偏波面制御、伝搬モード制御などの
光導波路素子に適用できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における光導波路素子の
構成図

【図２】同実施例における光導波路素子の断面構成図

【図３】本発明の第２の実施例における光導波路素子の
構成図

【符号の説明】

１ニオブ酸リチウム基板２１と結晶方位の異なるニオブ酸リチウム薄板３入出力光導波路部４第１の分岐光導波路５第２の分岐光導波路６電極７電極８接合ガラス層９導波光伝搬部１０タンタル酸リチウム基板１１ニオブ酸リチウム薄板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学効果を有し、結晶方位により屈折
率の異なる単結晶誘電体基板を、前記結晶方位を変え
て、少なくとも２枚、ガラスにより接合した基板に、前
記結晶方位の違いによる前記屈折率の差により、一方の
前記単結晶誘電体基板内に光の閉じこめられた光導波路
を有し、その光導波路を通る光を電気光学効果により制
御したことを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】電気光学効果を有し、屈折率の異なる単結
晶誘電体基板を、少なくとも２枚、ガラスにより接合し
た基板に、その屈折率の差により、一方の前記単結晶誘
電体基板内に光の閉じこめられた光導波路を有し、その
光導波路を通る光を電気光学効果により制御したことを
特徴とする光導波路素子。
【請求項３】単結晶誘電体として、ニオブ酸リチウムま
たはタンタル酸リチウムを用いたことを特徴とする請求
項１または２記載の光導波路素子。
【請求項４】光強度変調または光スイッチングまたは偏
波面制御または伝搬モード制御を行うことを特徴とする
請求項１または２記載の光導波路素子。
【請求項５】接合ガラス部の厚みが、伝搬光の遮断波長
以下であることを特徴とする請求項１または２記載の光
導波路素子。
【請求項６】結晶方位の異なる少なくとも２枚の、結晶
方位により屈折率の異なる、電気光学効果を有する単結
晶誘電体基板の表面を平滑かつ清浄にし、その上にガラ
ス薄膜を形成し、前記ガラス薄膜を介して重ね合わせ、
熱処理により、前記ガラス薄膜の接着力によって接合し
た基板の、光導波路を形成する側の基板を、前記光導波
路として有効に動作する厚みまで薄く加工した後、加工
された基板に前記光導波路を形成し、さらに電極を形成
して光導波路素子としたことを特徴とする光導波路素子
の製造方法。
【請求項７】屈折率の異なる少なくとも２枚の、電気光
学効果を有する単結晶誘電体基板の表面を平滑かつ清浄
にし、その上にガラス薄膜を形成し、前記ガラス薄膜を
介して重ね合わせ、熱処理により、前記ガラス薄膜の接
着力によって接合した基板の、光導波路を形成する側の
基板を、前記光導波路として有効に動作する厚みまで薄
く加工した後、加工された基板に前記光導波路を形成
し、さらに電極を形成して光導波路素子としたことを特
徴とする光導波路素子の製造方法。
【請求項８】単結晶誘電体として、ニオブ酸リチウムま
たはタンタル酸リチウムを用いたことを特徴とする請求
項６または７記載の光導波路素子の製造方法。
【請求項９】光強度変調または光スイッチングまたは偏
波面制御または伝搬モード制御を行うことを特徴とする
請求項６または７記載の光導波路素子の製造方法。
【請求項１０】熱処理温度として、ガラスの軟化点以
上、１１００度Ｃ以下としたことを特徴とする請求項６
または７記載の光導波路素子の製造方法。
【請求項１１】接合ガラス部の厚みが、伝搬光の遮断波
長以下であることを特徴とする請求項６または７記載の
光導波路素子の製造方法。