JPH0697286B2 - 光回路およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光波の変調、光路切換え、光波の分岐・合流等
を行なう光回路に関し、特に基板中に設けた光導波路を
用いて制御を行なう導波型の光回路に関する。

（従来技術とその問題点） 近年光通信システムの実用化が進むにつれ、さらに大容
量、高機能のシステムが要求されるようになり、より高
速の光波の変調器や光スイッチ等の光制御素子が必要と
なっている。このような光制御素子においては、その挿
入損失が光信号の伝送距離を制限するということもあり
得るので、高速性とともに低損失性も重要となる。高速
の光制御素子としては、大きな電気高光学効果係数を有
するLiNbO₃結晶等の基板中に導波路を形成し、導波路の
屈折率分布を電気光学効果を利用して電界で変化させる
ことにより制御する方式の光制御素子があり、方向性結
合型光変調器またはスイッチ、全反射型光スイッチ、分
岐干渉型光変調器またはスイッチ等に関する報告がなさ
れている。例えばLiNbO₃結晶中にTiを拡散して形成した
光導波路においては波長1.3μｍに対して0.1〜0.2dB/cm
という小さな伝搬損失が得られている。しかしながらこ
のような導波路光制御素子を実際の光ファイバ伝送系へ
適用する場合には、光ファイバとの結合損失も考慮する
必要がある。このためには光導波路の伝搬モードの光エ
ネルギー分布を光ファイバの伝搬モードの光エネルギー
分布になるべく近づけるように光導波路を作成すること
が行なわれている。上記の手段により光ファイバ間に光
導波路を挿入したときの損失値としては2dB程度の値と
なる。これはTi拡散導波路においては基板に垂直な方向
と水平な方向の屈折率分布が異なり、円形の屈折率分布
をもつ光ファイバとは光エネルギー分布が一致しないこ
とによる。一方、導波型の光制御素子の動作速度はその
動作電圧に大きく依存し、高速化のためには動作電圧を
できるだけ小さくすることが実用上非常に重要である。
しかしながら、光制御素子の電圧を低減するためには印
加電界の強度が大きい電極近傍に伝搬光の光エネルギー
を集中させる必要があり、この低電圧化の条件は一般に
前述の光ファイバとの結合損失を低減させるための条件
とは異なっている。

通常用いられる単一モード光ファイバの光エネルギー分
布は強度が1/eとなる幅が６〜８μｍ程度であるので低
結合損失を目的とする場合、光導波路の光エネルギー分
布も上記値程度となるように選ばれる。この条件は、例
えば、ブイ・ラマスワーミイ（V.Ramaswamy）、アール
・シー・アルファーネス（R.C.Alferness）、エム・デ
ビノ（M.Divino）によりエレクトロニクス・レターズ誌
（Electronics Letters）第18巻、１号、30ページから3
1ページに述べられている。一方低電圧化のためには光
導波路の伝搬光のエネルギー分布を光ファイバとの低結
合損失条件の幅よりも小さくする必要がある。この低電
圧化条件と光ファイバとの結合損失の低減条件とのトレ
ード・オフについてはエル・リビエール（L.Riviere）
らにより第４回集積光学と光ファイバ通信国際会議（4t
h International Conference on Integrated Optics an
d Optical Fiber Communication）のテクニカル・ダイ
ジェスト29C4-4番（ページ362〜363）に述べられてい
る。

このように強誘電材料に金属を拡散して形成した光制御
素子においては低損失・低電圧を同時に満足するために
は光ファイバとの結合部では導波路の伝搬モードの光エ
ネルギー分布を光ファイバの伝搬モードの光エネルギー
分布に一致させかつ光エネルギー分布を円形化する必要
があり、光制御部においては印加電界の強度が大きい電
極近傍に伝搬モードの光エネルギーを集中させる必要が
ある。しかしながら従来用いられている製造方法すなわ
ちTi等の１種類の金属原子の薄膜パターンを入出力光導
波路部も光制御素子部も同じ膜厚、同じパターン幅で強
誘電体基板中に熱拡散する方法、では入出力光導波路部
と光制御素子部の屈折率分布を別々に設定することはで
きないので、低損失・低電圧を同時に実現することは不
可能であった。これに対して低損失・低電圧を同時に実
現する光制御素子の製造方法の１つの試みとして近藤、
小松、太田により第７回集積光学と導波光学に関する会
議（7th Topical Meeting on Integrated and Guided-W
ave Optics）のテクニカル・ダイジェストTuA5-1に述べ
られているように、光制御素子を構成する光導波路とそ
れと光入出力端面とを接続する入出力光導波路との間で
拡散する金属原子を含む薄膜導波路パターンの膜厚を別
々に設定して、光ファイバとの結合部では導波路の光エ
ネルギー分布を光ファイバの光エネルギー分布に近づ
け、光制御部においては導波路の光エネルギー分布を電
極近傍に集中させるものがある。しかしながら上記方法
においては入出力光導波路の光エネルギー分布は基板の
深さ方向では非対称であり、円形ではないためまだ光フ
ァイバとの結合において損失が理論限界には達していな
い。したがってさらに低損失化するためには入出力光導
波路の光エネルギー分布を基板の深さ方向にも対称化し
円形化することが必要となる。

また光回路が大規模化してくると複数の光導波路が交差
する場合が生ずる。光回路の場合は電気配線の場合とは
異なり、２本の光導波路が同一平面内で交差しても信号
が他方の光導波路には結合しないことが特徴であるが、
実際には一部の信号が他方の光導波路に結合してクロス
トークとなり、また一部は光導波路外に放射して損失と
なる。このようすを第14図（ａ）に示す。第14図（ａ）
は交差部とその他の光導波路部分とも基板との屈折率差
がΔｎで等しい場合を示す。この時交差部と光導波路部
分に屈折率差が無いため、光導波路Ａから伝搬してきた
光は光導波路Ｂにも結合してクロストークとなり、また
一部は導波路外へ放射して損失となる。これは交差角が
小さくなる程顕著となる。上述のような他の導波路への
結合や放射損失を低減するには第14図（ｂ）を示すよう
に交差部と基板との屈折率差を他の光導波路部と基板と
の屈折率差よりも２倍程度大きくすれば良いことがクボ
タとオイカワによりアプライド・オプティクス（Applie
d Optics）誌第16巻４号1033ページから1037ページに述
べられている。クボタとオイカワはプラスチックフィル
ムを用いた光導波路で実験を行ない上述の効果を確認し
ている。Ti拡散LiNbo₃光導波路の場合には交差部の屈折
率を上げるには拡散前のTi膜厚を交差部のみ厚くするこ
とが最も簡単で確実な方法である。しかしながらTi膜を
あまり厚くするとTiの拡散残りが生じてしまい伝搬損失
が増加してしまうという問題が生ずる。また交差部のTi
膜厚を拡散残りが生じない程度に薄くする交差部以外の
光導波路のTi膜厚がかなり薄くなってしまい電気光学効
果を利用した光スイッチ等を同時に集積化する場合に光
の閉じ込めが弱くなるため動作電圧が増加したり、端面
で単一モードファイバと接続する際に導波路出射光のモ
ードサイズが大きくなりすぎて単一モードファイバとの
結合損失が増加する等の問題が生ずる。すなわちTi拡散
LiNbO₃光導波路においては、交差部の損失およびクロス
トーク低減化するためにTi膜厚を厚くすることにより交
差部の屈折率を上げようとすると同一基板上に集積化し
た他の素子の特性を劣化させてしまう等の問題が生ず
る。

また前述の例以外にも導波路の屈折率分布の形状を変化
させると光回路の性能を向上させられる場合が多多見う
けられる。例えばLiNbO₃基板中のある部分ではTi拡散導
波路中で屈折率が最大の位置を、基板表面ではなくて、
基板中のある深さの位置とすると伝搬光のエネルギーは
基板内に集中し、基板表面にはエネルギーが集中しな
い。したがって基板表面での光の散乱による損失が問題
となるような光回路においては、上述のように導波路中
での屈折率が最大の位置が基板中のある深さとなってい
るような屈折率分布が望まれる。このような光回路の例
としては、LiNbO₃基板に機械的な加工を施こしてくぼみ
を作成することによって形成したジオデシックレンズを
含む光回路等があげられる。しかしながら従来のTi拡散
導波路の構成方法では上述のような屈折率が最大の位置
が基板中のある深さにあるような屈折率分布を形成する
ことは不可能である。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、誘電体基板表面に金属原子が導入されて形成
された光導波路を利用する光回路において、少なくとも
該光回路は、誘電体基板の屈折率を増加させる働きをす
る第１の金属原子と誘電体基板の屈折率を減少させる働
きをする第２の金属原子の２種類の金属原子の導入によ
り光導波路が形成された第１の領域と、前記第１の金属
原子のみが導入されて光導波路が形成された第２の領域
とを備え、前記第１の領域と第２の領域とで光導波路の
屈折率分布が異なり、前記第２の領域には素子部が設け
られ、前記第２の領域に設けられた素子部の性能を低下
させることなく、前記第１の領域に入ってくる光の損失
を低減させるようにしたことを特徴とする光回路であ
る。

または、誘電体基板表面に金属原子が導入されて形成さ
れた光導波路を利用する光回路において、少なくとも該
光回路は、誘電体基板の屈折率を増加させる働きをする
第１の金属原子と誘電体基板の屈折率を減少させる働き
をする第２の金属原子の２種類の金属原子の導入により
光導波路が形成された第１の領域と、前記第１の金属原
子のみが導入されて光導波路が形成された第２の領域と
を備え、前記第１の領域と第２の領域とで光導波路の屈
折率分布が異なり、前記第２の領域には素子部が設けら
れ、前記第２の領域に設けられた素子部の性能を低下さ
せることなく、前記第１の領域に入ってくる光の損失を
低減させるようにした光回路の製造方法であって、 誘電体基板上に該基板の屈折率を増加させる働きを有す
る第１の金属原子を含む薄膜を所望のパターン形状に形
成する工程と、前記基板を加熱することによって第１の
金属原子を基板中に拡散して光導波路を形成する第１の
拡散工程と、前記光導波路が形成された該基板上に部分
的に前記第１の金属原子とは異なり基板の屈折率を減少
させる働きを有する第２の金属原子を含む薄膜パターン
を形成する工程と、前記基板を再度加熱して前記第２の
金属原子を該基板中に拡散させる第２の拡散工程とを少
なくとも具備し、異なる２種類の金属原子を別々の拡散
工程により誘電体基板表面に拡散して光導波路を形成す
ることを特徴とする光回路の製造方法である。

またはこの製造方法であって、第１の金属原子及び第２
の金属原子の両方が拡散されて光導波路が形成された領
域において、誘電体基板の屈折率を減少させる働きをす
る第２の金属原子が、誘電体基板の屈折率を増加させる
働きをする第１の金属原子が拡散されて形成された光導
波路のコアの内部にも拡散されるように、第２の金属原
子を含む薄膜パターンが第１の金属原子を含む薄膜パタ
ーンが形成されていた領域上にも形成されることを特徴
とする光回路の製造方法である。

（作用） 本発明は、上述のように光回路を構成する光導波路とそ
れと光入出力端面とを接続する入出力導波路との間で拡
散する薄膜パターンを１種類と２種類とすることにより
両者の屈折率分布を異ならしめることにより入出力光導
波路部分では光ファイバの光エネルギー分布に近い伝搬
光エネルギー分布を与えるように円形化した屈折率分布
を設定し、かつそれとは独立に光制御素子を構成する部
分の光導波路の屈折率分布はその伝搬光エネルギー分布
が電極近傍に十分閉じこめられるように設定することに
より、光ファイバと低損失結合が可能でかつ低電圧動作
が可能な光回路を構成したり、交差部を有する光回路の
交差部以外の交差部近傍の光導波路部分にのみ屈折率を
減少させる金属イオンを拡散してその部分の屈折率を低
下させ、同一基板上に集積化した他の素子の特性を劣化
させることなく交差部の損失およびクロストークを低減
化させたりすることを可能とする。

（実施例） 以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。第１図は
本発明による光制御回路の製造方法および光制御回路の
構成を説明するために、本発明による方向性結合器型光
制御回路の製造方法を示したものである。

以下に方向性結合器型光制御回路の製造方法を例に説明
する。

先ず、LiNbO₃基板301上に通常のフォトリソグラフィ技
術を用いて光導波路のパターンを形成する。すなわちLi
NbO₃基板上にフォトレジストを一様に塗布し、光導波路
部分と同形のフォトマスクを通して上記フォトレジスト
を露光し、現象することによって、フォトレジスト膜に
導波路形状の溝を形成する。ここで、方向性結合器部光
導波路パターン302は互いに数μｍの間隔で近接した幅
数〜数十μｍ、長さ数〜数十mmの２本の導波路パターン
とし、入力光導波路パターン303および出力光導波路パ
ターン304は２本の導波路の間で結合が生じない程度、
例えば数十〜数百μｍ離れた２本の導波路より構成さ
れ、かつ２本の光導波路の間隔は方向性結合器部端部か
ら入出力光導波路に至る間に徐々に広がって行くように
フォトマスクを作成するものとする。フォトリングラフ
ィ技術を用いてフォトレジスト膜に導波路形状の溝を形
成した後、この上からまずTi膜を700〜1100Å程度全面
に形成する。この後フォトレジスト膜を溶融することに
より第１図（ａ）に示すようなTiによる光導波路パター
ンが形成される。第１図（ａ）のようにTiによる光導波
路のパターンが形成された基板は1000〜1100℃、５〜10
時間程度拡散炉中で加熱されることによりTiがLiNbO₃基
板中へ拡散され、その部分のみ屈折率がわずかに増加し
て光導波路となる。次にスパッタ法等により第１図
（ｂ）に示すように入力光導波路305、出力光導波路307
に相当する部分にMgO308を100〜500Å程度形成する。な
おこのとき方向性結合器部分306は遮へい板でおおって
おく。入出力光導波路部分305,307と方向性結合器部分
光導波路306の境界部分は前記遮へい板と基板との間隔
を調整することによってもしくはMgO膜308を形成する際
に遮へい板を徐々に移動することによって任意のテーパ
形状とすることができる。第１図（ｂ）のようにMgO膜3
08が形成された基板は700〜1000℃、２〜10時間程度拡
散炉中で加熱されることによりMgがLiNbO₃基板中へ拡散
される。その後電極での光吸収を防ぐためにLiNbO₃基板
上にSiO₂膜を2000Å以下形成し、方向性結合器部の導波
路の真上にSiO₂上にCrとAuもしくはCrとAlを積層した第
２図に示すような１対の電極４を形成する。その後入出
力光導波路に垂直方向に研磨もしくはへき開により光入
出力端面15,16,17,18を形成する。なお第２図において
はSiO₂膜は省略している。以上が方向性結合型光制御回
路の製造方法の例であり、以上の製造方法により第２図
に示す方向性結合型光制御回路が形成される。

次に本発明の製造方法により光ファイバと低損失結合が
可能でかつ低電圧動作が可能な方向性結合器型光制御回
路が得られる原理について説明する。前述のように光フ
ァイバの屈折率はコアの中心に対して対称であるので、
光強度分布は円形化した分布となる。これに対してTi拡
散によるLiNbO₃光導波路の場合は、第３図（ａ）に示す
ように、基板に対して水平な方向では屈折率分布は対称
であるが、基板に対して垂直な方向では基板表面におけ
る屈折率差が基板内部における屈折率差よりも大きいた
め第３図（ｂ）に示すように屈折率分布は非対称とな
る。このため光導波路出射光の強度分布は、第３図
（ｃ），（ｄ）に示すように、基板に水平方向に対して
は対称となるが、基板に垂直な方向に対しては対称とな
らず、この結果光導波路出射光の強度分布は、光ファイ
バ出射光の強度分布の様に円形とはならず楕円形に近い
形状となる。このためTi拡散によるLiNbO₃光導波路と光
ファイバとの結合においては原理的に損失が存在するこ
とになる。これに対して本発明においては、屈折率を増
加させる働きを有するTiをLiNbO₃基板に拡散させて光導
波路を形成した後、更に入出力光導波路部に屈折率を減
少させるMgを基板中に拡散している。TiおよびMgの両者
をLiNbO₃基板に拡散したときの屈折率分布を計算した一
例を第４図に示す。第４図には幅８μｍ、厚さ1000Åの
Ti薄膜を1050℃で８時間LiNbO₃基板中へ拡散したときの
屈折率分布、厚さ200ÅのMg薄膜を800℃で８時間LiNbO₃
基板中へ拡散したときの屈折率分布およびTi,Mgの順序
で両者を別々に同一基板中に拡散したときの屈折率分布
の計算結果を示す。なお、第４図における縦軸はLiNbO₃
基板の屈折率（ｎ≒2.2）との屈折率差で示している。
第４図から判るように、Ti拡散のみではLiNbO₃基板との
屈折差は基板表面で最大となり、この結果第３図（ｄ）
に示したように出射光の光強度分布は非対称となる。し
かしながらTi拡散後更に屈折率を減少させる金属である
Mgを含むMgOを拡散させると第４図に破線で示すように
屈折率分布は基板表面から３〜４μｍ深い位置で最大屈
折率となり、その前後でほぼ対称な形状となる。このた
めTi拡散後に更にMgOを拡散することにより出射光の光
強度分布を基板に垂直な方向に対して対称とすることが
できる。なお、Tiを拡散した後MgOを拡散しているためM
gOの拡散時にTiの濃度分布が変わってしまうことが心配
されるが、Mgの拡散速度はTiの拡散速度よりもはるかに
速いため、Tiの濃度分布にほとんど影響を与えないでMg
の拡散による屈折率分布を所望の形状とすることが可能
である。第５図に拡散時間をパラメータとして拡散温度
と拡散深さの関係をLiNbO₃のＺ板に対して計算した結果
を示す。第５図にはMgOを拡散する場合とTiを拡散する
場合の両者を示している。なお、ここで拡散深さという
のは、拡散によるMgあるいはTiのイオン濃度の分布がガ
ウス分布であると仮定した時に、そのイオン濃度が最大
イオン濃度の1/eに減少する深さを言う。第５図からわ
かるように、例えば拡散温度を800℃としたとき拡散時
間を２時間から８時間の間で変化させるとMgの拡散深さ
を１μｍ〜2.5μｍ程度の間で変えることができ、拡散
時間により拡散深さを変えることができる。このことは
拡散温度と拡散時間の組合せ方によりMg拡散による屈折
率分布をかなり自由に制御できることを示す。また第５
図から拡散温度が800℃のときにはTiの拡散深さは高々
0.3μｍ程度であり、Tiを拡散した後MgOを拡散してもそ
の拡散温度が800℃程度であれば、既に拡散ずみのTi濃
度分布にはほとんど影響を与えないことが判る。また第
６図にはMgOを800℃でLiNbO₃Z板中に拡散したときの拡
散温度と基板表面における屈折率差との関係を示してい
る。基板表面における屈折率差は拡散するMgO膜の膜厚
によりかなり大きな範囲で変えることができることが判
る。以上のように本発明によるTi拡散後にMgOを更に拡
散する製造方法を用いれば、Tiの膜厚および拡散条件、
MgOの膜厚および拡散条件を適当に選ぶことにより、光
導波路の屈折率分布を基板の深さ方向においてもかなり
任意の形状とすることが可能であるので、光導波路出射
光の強度分布と円形に近いものとすることができ、光フ
ァイバとの低結合損失化が可能となる。一方第１図
（ｂ）に示したように方向性結合器部309（第２図参
照）においてはTiのみを拡散しておりMgO拡散は行なっ
ていないので、屈折率分布は第３図（ｂ）のような形状
となっており光強度分布は第３図（ｄ）のように基板表
面に光エネルギーが集中する。したがって電極４による
電界との重なりが大きく低電圧で光のスイッチングが可
能である。なお、方向性光結合部309の光導波路306と入
力光導波路305および出力光導波路307との接続部分9,10
は伝搬光モード変換による損失を小さくするために屈折
率が第３図（ｂ）の分布から第４図の破線で示した分布
へと数百μｍから数mmにあたって徐々に変化するように
形成されている。

上述のように本発明を用いれば入出力光導波路部と方向
性光結合器部光導波路部の屈折率分布を別々に設定する
ことができ、入出力光導波路部においては導波光のエネ
ルギー分布を光ファイバのエネルギー分布に一致した円
形化した分布とすることができ、方向性光結合器部にお
いてはエネルギー分布を基板表面に強く閉じこめること
ができる。したがって従来よりもさらに回路の低損失、
低電圧化が可能である。しかも本発明の製造方法は従来
の製造方法と比べて、導波路の屈折率を下げる金属原子
を拡散するという工程が増えるだけであり、製造工程と
しては従来方法とほとんど変わりは無く、また困難も伴
わない。

第７図は本発明による光回路の他の実施例を説明するた
めに、本発明による分岐干渉型光変調器の製造方法を示
したものである。以下に本発明による分岐干渉型光変調
器の製造方法を説明する。

先ず、LiNbO₃基板401に通常のフォトリソグラフィ技術
を用いて光導波路のパターンを形成する。すなわちLiNb
O₃基板上にフォトレジストを一様に塗布し、光導波路部
分と同形のフォトマスクを通して上記フォトレジストを
露光し、現象することによってフォトレジスト膜に導波
路形状の溝を形成する。ここで、光導波路パターンは幅
数〜数10μｍである。3dB分岐部光導波路パターン405は
Ｙ分岐光導波路であり、その開き角は数mradとし、２本
の位相変調器部光導波路パターン402の間隔は十数〜数
十μｍとする。合流部光導波路パターン406も3dB分岐部
光導波路パターン405と同様開き角数mradのＹ分岐光導
波路パターンである。フォトリソグラフィ技術を用いて
フォトレジスト膜に導波路形状の溝を形成した後、この
上からまずTi膜を700〜1100Å程度全面に形成する。こ
の後フォトレジスト膜を溶融することにより第７図
（ａ）に示すようなTiによる光導波路パターンが形成さ
れる。第７図（ａ）のようにTiによる光導波路のパター
ンが形成された基板は1000〜1100℃、５〜10時間程度拡
散炉中で加熱されることによりTiがLiNbO₃基板中へ拡散
され、その部分のみ屈折率がわずかに増加して光導波路
となる。次にスパッタ法等により第７図（ｂ）に示すよ
うに入力光導波路407、出力光導波路408に相当する部分
にMgOを100〜500Å程度形成する。なおこのとき位相変
調器部分の光導波路409は遮へい板でおおっておく。入
出力光導波路部分と位相変調器部分の境界部分は前記遮
へい板と基板との間隔を調整することによってもしくは
MgO膜406を形成する際に遮へい板を徐々に移動すること
によって任意のテーパ形状とすることができる。第７図
（ｂ）のようにMgO膜406が形成された基板は700〜1000
℃、２〜10時間程度拡散炉中で加熱されることによりMg
OがLiNbO₃基板中へ拡散される。その後電極での光吸収
を防ぐためにLiNbO₃基板上にSiO₂膜を2000Å以下形成
し、位相変調器部の導波路の真上にSiO₂上にCrとAuもし
くはCrとAlを積層した第８図に示すような１対の電極50
4を形成する。その後入出力光導波路に垂直方向に研磨
もしくはへき開により光入出力端面を形成する。なお第
８図においてはSiO₂膜は省略している。以上が本発明に
よる分岐干渉型光変調器の製造方法であり、以上の製造
方法により第８図に示す分岐干渉型光変調器が形成され
る。

なお位相変調器部光導波路409と入力光導波路407および
出力光導波路408との接続部分である光導波路502および
503は伝搬光のモード交換による損失を小さくするため
に屈折率が第９図（ａ）の分布から第９図（ｂ）の分布
へと数百μｍから数μｍにわたって徐々に変化するよう
に形成されている。

本発明による製造方法では、位相変調器部はTiのみをLi
NbO₃基板中に拡散しているので位相変調器の光導波路の
深さ方向の屈折率分布は第９図（ａ）の様になり基板表
面で最大屈折率n₁を有し、伝搬光のエネルギー分布は第
９図（ｃ）に示すように基板表面近傍に強く閉じこめら
れるので、低電圧で光の変調が可能である。また本発明
による製造方法においては、入出力光導波路部分407,40
8は、Tiを拡散後に導波路の屈折率を減少させるイオン
を含むMgOを形成し、これをLiNbO₃基板中に熱拡散して
形成している。したがって入出力光導波路407および出
力光導波路408では屈折率の最大値が第９図（ｂ）に示
すように位相変調器部光導波路の屈折率に比べて小さ
く、伝搬光のエネルギー分布は第９図（ｄ）に示すよう
に広がっており、かつ光強度分布が深さ方向にも対称な
分布となる。したがって、光ファイバと低損失に結合す
ることが可能となる。

以上のように本発明を用いれば入出力光導波路部と位相
変調器部光導波路部の屈折率分布を別々に設定すること
ができ、入出力光導波路部においては導波光のエネルギ
ー分布を光ファイバのエネルギー分布に一致した円形化
した分布とすることができ、位相変調器部においてはエ
ネルギー分布を基板表面に強く閉じこめることができ
る。したがって従来よりもさらに低損失、低電圧の光回
路を得ることが可能である。しかも従来の製造方法と比
較して、導波路の屈折率を下げる金属原子を拡散する工
程が増えるだけであり、従来方法とほとんど変わりはな
い。

第10図は本発明による光回路の他の実施例を説明するた
めに本発明による交差導波路部を有する２×２光スイッ
チの構成を示したものである。

第10図においては、LiNbO₃基板301上にTi拡散によって
形成された方向性結合器部光導波波路、方向性結合器部
間を接続するTi拡散導波路、入力および出力光導波路70
7および708、電界を印加するための電極により２×２光
スイッチが構成されている。本２×２光スイッチにおい
てはクロストーク低減化のために各切換点においてスイ
ッチエレメント701が２重化されており、通常の２×２
格子スイッチのスイッチエレメント数の２倍の８個のス
イッチエレメントを有している。このような２重化構成
の光スイッチにおいては第10図に示すように交差導波路
部702が存在する。そこで本発明においては第11図に示
すように交差導波路部を構成する。すなわち交差部801
の近傍の斜線を施した部分（長さ数百μｍ〜数mm）802
にのみその部分の屈折率が下がるようにMgO薄膜をTi拡
散導波路803の形成後に追拡散し、交差部と基板との屈
折率差（Δｎ）が交差部近傍の光導波路と基板との屈折
率差（Δn/2）よりも２倍程度大きくなるようにしてい
る。

上述のような交差導波路部を有する２×２光スイッチの
製造方法を簡単に説明する。まず厚さ400〜1000ÅのTi
による光導波路パターンをLiNbO₃基板301上に形成し、
この基板を1000℃〜1100℃で５〜10時間程度加熱しTi拡
散導波路を形成する。その後第12図に示すように、交差
部801の近傍にのみMgO薄膜901を形成し、再度基板を700
〜1000℃で１〜10時間程度加熱し、今度はMgイオンをLi
NbO₃基板中へ拡散する。TiおよびMgO薄膜が拡散された
基板は電極での光吸収を防ぐためにSiO₂膜（第10図では
省略）が形成され、各々の方向性結合器型スイッチエレ
メント部の導波路上にCrとAuもしくはCrとAlを積層した
電極が形成されている。入力光導波路の端部は光導波路
に垂直方向に研磨もしくはへき開により光入出力端面70
3,704,705,706が形成され、光ファイバと接続される。

本実施例においては屈折率を増加させる働きを有するTi
をLiNbO₃基板に拡散させて光導波路を形成した後に、更
に交差導波路部分の交差部近傍にのみ屈折率を減少させ
るMgを基板中に拡散している。TiおよびMgの両者をLiNb
O₃基板に拡散したときの屈折率分布を計算した一例を第
13図に示す。第13図には幅８μｍ、厚さ1000ÅのTi薄膜
を1050℃で８時間LiNbO₃基板中へ拡散したときの屈折率
分布、厚さ200ÅのMgO薄膜を1000℃で４時間LiNbO₃基板
中へ拡散したときの屈折率分布およびTi,Mgの順序で両
者を別々に同一基板中へ拡散したときの屈折率分布の計
算結果を示す。第13図から判るようにMgO薄膜の拡散深
さを、第１の実施例の場合とは異なりこの例のようにTi
の拡散深さと同じにすることによりTi拡散による屈折率
を一様に数半分に減少させることができる。しかもMgの
拡散速度はTiの拡散速度よりもはるかに速いため、もと
もとのTiの濃度分布にほとんど影響を与えないでMgの拡
散を行なった部分のみ屈折率を一様に減少させることが
可能である。

上述のように本発明に用いれば、交差導波路部を有する
２×２光スイッチにおいて、交差部近傍のみの屈折率を
交差部の屈折率の約半分に設定することができる。した
がって交差導波路部での損失、クロストークを防止する
ことが可能である。しかも本発明においては交差部近傍
のみにMgO薄膜を拡散してその部分の屈折率を減少させ
ており、同一基板上に集積化した方向性結合器型光スイ
ッチエレメントの特性には何らの影響も与えない。した
がって本発明を用いれば方向性結合器型光スイッチエレ
メント部と交差導波路部の特性を別々に最適化すること
が可能である。さらに本発明の光回路構成方法は従来の
構成方法と比べて、導波路の屈折率を下げるMgO膜を拡
散するという工程が増えるだけであり、製造工程として
は従来方法とほとんど変わりはなく、また困難も伴わな
い。なお本実施例においても、第１の実施例において述
べたように、入出力光導波路部にもMgO膜を拡散し、光
ファイバとの結合損失を低減化することが可能であるこ
とは言うまでもない。

（発明の効果） 以上述べたように本発明によれば基板上に形成した光導
波路の屈折率分布の形状を部分的に制御することが可能
であり、同一基板上に同時に集積化した他の部分の特性
を劣化させることなく所望の部分のみの屈折率分布形状
を制御して光回路、例えば方向性結合器型光制御回路や
交差導波路部を有する光スイッチ等、の損失特性やクロ
ストーク特性を向上させることが可能である。

本発明は上記の実施例に限定されるものではない。第１
の実施例で示したような、屈折率が最大の位置が基板中
のある深さにあるような屈折率分布の形成方法は、基板
に機械的な加工等が施されて基板表面での光の散乱によ
る損失が問題となる光回路、例えばジオデシックレンズ
を含むような光回路においても有効である。これは、上
述のように屈折率が最大の位置が基板中のある深さにあ
るため、伝搬光のエネルギーが基板内に集中し、基板表
面にはエネルギーが集中しないためである。

また本発明はいかなる方式の光回路、例えば光位相変調
器や交差導波路型光スイッチ等の光制御素子およびそれ
らの光制御素子と他の素子とを同一基板上に集積化した
光回路においても適用可能であり、また交差部や分岐部
を有する光回路においても適用可能である。本発明に用
いる基板材料、光導波路形状、電極形状等は上記実施例
に限定されるものでなく、基板材料として、LiTaO₃結晶
等の強誘電体結晶を、光導波路としては熱拡散とイオン
交換の両者を併用した光導波路等を、電極形状として
は、高速化により適した進行波形の電極等を用いること
ができる。

また近藤、小松、太田により第７回集積光学と導波光学
に関する会議（7th Topical Meeting on Integranted a
nd Guided-Wave Optics）のテクニカル・ダイジェストT
uA5-1に述べられるように、光制御素子部を構成する光
導波路部と入出力光導波路部との間で拡散する金属原子
を含む薄膜パターンの膜厚を別々に設定して両者の境界
をテーパ形状として基板上に積層し、この金属原子を基
板中に熱拡散し、さらに入出力光導波路に相当する部分
のみ屈折率を減少させる金属原子を含む薄膜を形成した
後に、この薄膜パターンを基板中に熱拡散して光導波路
を形成すれば、入出力光導波路と光制御素子部の光導波
路の屈折率分布を独立にかつさらにきめ細かく制御で
き、さらに低損失に光ファイバと結合できかつ低電圧動
作可能な光制御回路の製造方法が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による光回路の第１の実施例の製造方
法を説明するための図、第２図は、本発明による光回路
の第１の実施例である方向性結合器型光回路の構成を示
す図、第３図および第４図は本発明の製造方法により光
ファイバと低結合損失が可能で低電圧動作が可能な光制
御素子が得られる原理を説明するための図、第５図およ
び第６図はMgO拡散による屈折率分布特性の計算結果を
示す図、第７図、第８図、第９図は本発明の第２の実施
例を説明するための図、第10図、第11図および第12図は
本発明による第３の実施例である交差導波路を有する２
×２光スイッチについて説明するための図、第13図は第
３の実施例における屈折率分布の制御方法を説明するた
めの図、第14図は従来技術の問題点を説明するための図
である。 図において、 301,401……LiNbO₃基板 4,504……電極 302……方向性結合器部光導波路Tiパターン 402……位相変調器部光導波路Tiパターン 303……入力光導波路Tiパターン 304……出力光導波路Tiパターン 305,407,707……入力光導波路 307,408,708……出力光導波路 306……方向性結合器部光導波路 409……位相変調器部光導波路 308,406,901……MgO薄膜 405……3dB分岐部光導波路Tiパターン 406……合波部光導波路Tiパターン 701……方向性結合器型スイッチエレメント 702……交差導波路部 802……MgO追拡散光導波路 803……Ti拡散光導波路 801……交差部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】誘電体基板表面に金属原子が導入されて形
   成された光導波路を利用する光回路において、少なくと
   も該光回路は、誘電体基板の屈折率を増加させる働きを
   する第１の金属原子と誘電体基板の屈折率を減少させる
   働きをする第２の金属原子の２種類の金属原子の導入に
   より光導波路が形成された第１の領域と、前記第１の金
   属原子のみが導入されて光導波路が形成された第２の領
   域とを備え、前記第１の領域と第２の領域とで光導波路
   の屈折率分布が異なり、前記第２の領域には素子部が設
   けられ、前記第２の領域に設けられた素子部の性能を低
   下させることなく、前記第１の領域に入ってくる光の損
   失を低減させるようにしたことを特徴とする光回路。
2. 【請求項２】誘電体基板表面に金属原子が導入されて形
   成された光導波路を利用する光回路において、少なくと
   も該光回路は、誘電体基板の屈折率を増加させる働きを
   する第１の金属原子と誘電体基板の屈折率を減少させる
   働きをする第２の金属原子の２種類の金属原子の導入に
   より光導波路が形成された第１の領域と、前記第１の金
   属原子のみが導入されて光導波路が形成された第２の領
   域とを備え、前記第１の領域と第２の領域とで光導波路
   の屈折率分布が異なり、前記第２の領域には素子部が設
   けられ、前記第２の領域に設けられた素子部の性能を低
   下させることなく、前記第１の領域に入ってくる光の損
   失を低減させるようにした光回路の製造方法であって、 誘電体基板上に該基板の屈折率を増加させる働きを有す
   る第１の金属原子を含む薄膜を所望のパターン形状に形
   成する工程と、前記基板を加熱することによって第１の
   金属原子を基板中に拡散して光導波路を形成する第１の
   拡散工程と、前記光導波路が形成された該基板上に部分
   的に前記第１の金属原子とは異なり基板の屈折率を減少
   させる働きを有する第２の金属原子を含む薄膜パターン
   を形成する工程と、前記基板を再度加熱して前記第２の
   金属原子を該基板中に拡散させる第２の拡散工程とを少
   なくとも具備し、異なる２種類の金属原子を別々の拡散
   工程により誘電体基板表面に拡散して光導波路を形成す
   ることを特徴とする光回路の製造方法。
3. 【請求項３】第１の金属原子及び第２の金属原子の両方
   が拡散されて光導波路が形成された領域において、誘電
   体基板の屈折率を減少させる働きをする第２の金属原子
   が、誘電体基板の屈折率を増加させる働きをする第１の
   金属原子が拡散されて形成された光導波路のコアの内部
   にも拡散されるように、第２の金属原子を含む薄膜パタ
   ーンが第１の金属原子を含む薄膜パターンが形成されて
   いた領域上にも形成されることを特徴とする特許請求の
   範囲第２項記載の光回路の製造方法。