JPH0697287B2 - Light control circuit manufacturing method - Google Patents

Light control circuit manufacturing method

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JPH0697287B2
JPH0697287B2 JP59257853A JP25785384A JPH0697287B2 JP H0697287 B2 JPH0697287 B2 JP H0697287B2 JP 59257853 A JP59257853 A JP 59257853A JP 25785384 A JP25785384 A JP 25785384A JP H0697287 B2 JPH0697287 B2 JP H0697287B2
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啓郎 小松
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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,光路切換え等を行なう光制御素子
に関し、特に基板中に設けた光導波路を用いて制御を行
なう導波型の光制御回路の製造方法に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an optical control element for modulating a light wave, switching an optical path, etc., and more particularly to a waveguide type optical control for controlling using an optical waveguide provided in a substrate. The present invention relates to a method of manufacturing a control circuit.

(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
ような導波型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室値としては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。
(Prior art and its problems) As the practical use of the optical communication system progresses in recent years, a system with higher capacity and higher function is required, and optical control elements such as modulators and optical switches for higher speed light waves. Is needed. In such an optical control element, its insertion loss may limit the transmission distance of an optical signal, so that high speed and low loss are important. As a high-speed optical control element, a waveguide is formed in a substrate such as LiNbO 3 crystal that has a large electro-optic effect coefficient, and the refractive index distribution of the waveguide is controlled by changing the electric field using the electro-optic effect. There is a report on a directional coupling type optical modulator or switch, a total reflection type optical switch, a branching interference type optical modulator or switch, etc. For example, in an optical waveguide formed by diffusing Ti in a LiNbO 3 crystal, a small propagation loss of 0.1 to 0.2 dB / cm is obtained for a wavelength of 1.3 μm. However, when applying such a waveguide type optical control element to an actual optical fiber transmission system, it is necessary to consider the coupling loss with the optical fiber. For this purpose, the optical waveguide is made so that the optical energy distribution of the propagation mode of the optical waveguide is as close as possible to the optical energy distribution of the propagation mode of the optical fiber. The loss chamber value when the optical waveguide is inserted between the optical fibers by the above means is about 2 dB. This is because the Ti diffused waveguide has different refractive index distributions in the direction perpendicular to the substrate and in the horizontal direction, and the optical energy distribution does not match that of an optical fiber having a circular refractive index distribution. On the other hand, the operating speed of the waveguide type optical control element greatly depends on the operating voltage thereof, and it is very important in practice to make the operating voltage as small as possible in order to increase the operating speed. However, in order to reduce the voltage of the light control element, it is necessary to concentrate the light energy of the propagating light in the vicinity of the electrode where the strength of the applied electric field is large. The condition for lowering the voltage is generally the above-mentioned coupling loss with the optical fiber. Is different from the condition for reducing

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31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(4th In
ternational Conference on Integrated Optics and Op
tical 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。
The light energy distribution of a single-mode optical fiber that is usually used has a width of about 6 to 8 μm at which the intensity becomes 1 / e. Therefore, when low coupling loss is aimed, the light energy distribution of the optical waveguide also becomes about the above value. To be chosen. This condition is, for example, buoy. Written by V.Ramaswamy, RCAlferness, and M.Divino in Electronics Letters, Vol. 18, No. 1, pp. 30-31. There is. On the other hand, in order to reduce the voltage, it is necessary to make the energy distribution of the propagation light in the optical waveguide smaller than the range of the low coupling loss condition with the optical fiber. Regarding the trade-off between the low voltage condition and the reduction condition of the coupling loss with the optical fiber, L. Riviere et al.
ternational Conference on Integrated Optics and Op
Technical Digest 29C4-4 (pages 362 to 363) of tical fiber communication.

このように強誘電材料を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 Guide-Wave
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
傍に集中されるものがある。しかしながら上記製造方法
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
円形化するような製造方法が必要となる。
In order to satisfy low loss and low voltage at the same time in an optical control element formed by diffusing a metal with a ferroelectric material in this way, the optical energy distribution of the propagation mode of the waveguide is changed at the coupling part with the optical fiber. It is necessary to match the light energy distribution of the propagation mode and circularize the light energy distribution, and it is necessary to concentrate the light energy of the propagation mode in the vicinity of the electrode where the strength of the applied electric field is large in the light control unit. However, the conventional manufacturing method, that is, a method of thermally diffusing a thin film pattern of one kind of metal atom such as Ti into the ferroelectric substrate with the same film thickness and the same pattern width in the input / output optical waveguide part and the optical control element part Since, the refractive index distributions of the input / output waveguide section and the light control element section cannot be set separately, it was impossible to simultaneously realize low loss and low voltage. On the other hand, Kondo, Komatsu, and Ota proposed the 7th Topical Meeting on Integrated and Guide- Wave
Optics) Technical digest TuA5-1, a thin film containing metal atoms that diffuses between the optical waveguide that constitutes the optical control element and the input / output optical waveguide that connects it to the optical input / output end face. By setting the film thickness of the waveguide pattern separately, the optical energy distribution of the waveguide at the coupling part with the optical fiber is brought close to the optical energy distribution of the optical fiber,
In some light control units, the light energy distribution of the waveguide is concentrated near the electrodes. However, in the above manufacturing method, the light energy distribution of the input / output optical waveguide is asymmetric in the depth direction of the substrate and is not circular, so the loss in coupling with the optical fiber has not reached the theoretical limit. Therefore, in order to further reduce the loss, a manufacturing method in which the optical energy distribution of the input / output optical waveguide is made symmetrical and circular in the depth direction of the substrate is required.

(問題点を解決するための手段) 本発明の光制御回路の製造方法は、誘電体基板表面に金
属原子を拡散して形成した光導波路を利用する光制御回
路において、入出力導波路部のみ基板に垂直方向の光フ
ィールドを対称化して、該光制御回路の能動素子部の性
能を低下させることなく該光制御回路と光ファイバとの
結合損失を低減させるようにした光制御回路の製造方法
であって、基板上に該基板の屈折率を増加させる働きを
有する金属原子を含む薄膜を所望のパターン形状に積層
する工程と、前記薄膜の入出力光導波路に相当する部分
上にのみ該基板の屈折率を減少させる働きを有する前記
金属とは異なる金属原子を含む薄膜をさらに積層する工
程と、前記基板を加熱して前記積層された薄膜パターン
を1回の拡散プロセスにより該基板中に拡散させること
によって光導波路を形成する工程と、基板の屈折率を増
加させる働きを有する金属原子を含む薄膜のみが拡散さ
れて形成された光導波路の上に電極を設置して少なくと
も1つの光制御素子部を形成する工程と、該光制御素子
部と接続されかつ前記2層の薄膜パターンが拡散された
光導波路部の端部に光入出力端面を形成する工程、とを
具備していることを特徴とする。
(Means for Solving the Problems) A method of manufacturing an optical control circuit according to the present invention is an optical control circuit that uses an optical waveguide formed by diffusing metal atoms on the surface of a dielectric substrate. A method of manufacturing an optical control circuit in which an optical field in a direction perpendicular to a substrate is made symmetrical to reduce coupling loss between the optical control circuit and an optical fiber without deteriorating the performance of an active element portion of the optical control circuit. And a step of laminating a thin film containing metal atoms having a function of increasing the refractive index of the substrate in a desired pattern shape on the substrate, and the substrate only on a portion corresponding to the input / output optical waveguide of the thin film. Further laminating a thin film containing a metal atom different from the metal having a function of decreasing the refractive index of the substrate, and heating the substrate to form the laminated thin film pattern in the substrate by one diffusion process. A step of forming an optical waveguide by diffusing and at least one optical control by installing an electrode on the optical waveguide formed by diffusing only a thin film containing metal atoms having a function of increasing the refractive index of the substrate. And a step of forming an optical input / output end face at an end of the optical waveguide part connected to the light control element part and having the two-layer thin film pattern diffused therein. Is characterized by.

本発明では、上述の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導波路との
間で拡散する薄膜パターンを1層と2層とすることによ
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分布に近い伝搬
光エネルギ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、低損失結合が可能でかつ低電圧動作が可能な光制御
回路の製造方法である。
According to the present invention, as described above, the thin film pattern that diffuses between the optical waveguide forming the light control element and the input / output waveguide connecting the optical waveguide and the optical input / output end face is formed of one layer and two layers. By making the refractive index distribution different, a circular refractive index distribution is set in the input / output optical waveguide part so as to give a propagation light energy distribution close to the optical energy distribution of the optical fiber, and the light control element is configured independently of it. By setting the refractive index distribution of the optical waveguide of the portion to be confined so that the propagating light energy distribution is sufficiently close to the electrodes, it is a method of manufacturing an optical control circuit capable of low loss coupling and operating at low voltage. .

(実施例) 以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。(Example) Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第1図は本発明による光制御回路の製造方法の一実施例
を説明するために、本発明による方向性結合型光制御回
路の製造方法を示したものである。以下に本発明による
方向性結合型光制御回路の製造方法を順を追って説明す
る。
FIG. 1 shows a method for manufacturing a directional coupling type optical control circuit according to the present invention in order to explain an embodiment of a method for manufacturing an optical control circuit according to the present invention. Hereinafter, a method of manufacturing the directional coupling type optical control circuit according to the present invention will be described step by step.

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。次に入力光導波路,出力,光導波路に相当する
部分のみにMgを500Å以下の厚さで形成する。なおこの
とき入力光導波路および出力光導波路以外の部分は遮へ
い板でおおっておく。この後フォトレジスト膜を溶解す
ることにより第1図に示すような、入出力光導波路部で
はTiとMgが積層され、光制御素子の部分ではTiのみの光
導波路パターンが形成される。入出力光導波路部分と光
制御素子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、または遮へい板を蒸着時に徐
々に移動することによって任意のテーパ形状にすること
ができる。第1図のような光導波路のパターンを設置し
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とMg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。そ
の後電極での光吸収を防ぐためにLiNbO3基板上にSiO2
を2000Å以下形成し、方向性結合器部の導波器の真上に
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1
5,16,17,18を形成する。なお第2図においてはSiO2膜は
省略している。以上が本発明による方向性結合型光制御
回路の製造方法であり、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。
First, an optical waveguide pattern is formed on the LiNbO 3 substrate 301 by using a normal photolithography technique. Ie Li
A photoresist is uniformly coated on the NbO 3 substrate, the photoresist is exposed through a photomask having the same shape as the optical waveguide portion, and a phenomenon is formed to form a waveguide-shaped groove in the photoresist film. Here, the directional coupler optical waveguide pattern 302 is two waveguide patterns having a width of several tens of μm and a length of several tens of mm that are close to each other at an interval of several μm. The output optical waveguide pattern 304 is composed of two waveguides separated from each other by, for example, several tens to several hundreds of μm, so that coupling between the two waveguides does not occur.
In addition, the photomask is formed so that the distance between the two optical waveguides gradually increases from the end of the directional coupler portion to the input / output optical waveguide. After forming a waveguide-shaped groove in the photoresist film by using the photolithography technique, a Ti film is first formed on the entire surface from about 700 to 1100Å. Next, Mg is formed with a thickness of 500 Å or less only in the portions corresponding to the input optical waveguide, output, and optical waveguide. At this time, portions other than the input optical waveguide and the output optical waveguide are covered with a shield plate. After that, by dissolving the photoresist film, Ti and Mg are laminated in the input / output optical waveguide portion and an optical waveguide pattern of only Ti is formed in the light control element portion as shown in FIG. The boundary portion between the input / output optical waveguide portion and the light control element portion can be formed in an arbitrary taper shape by adjusting the distance between the shield plate and the substrate or by gradually moving the shield plate during vapor deposition. The substrate with the optical waveguide pattern as shown in Fig. 1 is heated in a diffusion furnace at 1000 to 1100 ° C for 5 to 10 hours to diffuse Ti and Mg into the LiNbO 3 substrate and refract only that portion. The rate increases slightly to become an optical waveguide. After that, a SiO 2 film of 2000 Å or less was formed on the LiNbO 3 substrate to prevent light absorption at the electrode, and it was placed directly above the director of the directional coupler.
A pair of electrodes 4 as shown in FIG. 2 in which Cr and Au or Cr and Al are laminated on SiO 2 is formed. Then, the optical input / output end face 1 is polished or cleaved in the direction perpendicular to the input / output optical waveguide.
Form 5,16,17,18. The SiO 2 film is omitted in FIG. The above is the manufacturing method of the directional coupling type optical control circuit according to the present invention, and the directional coupling type optical control circuit shown in FIG. 2 is formed by the above manufacturing method.

本発明による製造方法では方向性結合器3はTiのみをLi
NbO3基板中に拡散しているので、方向性結合器部3の光
導波路2の深さ方向の屈折率分布は第3図(a)に示す
ように大きく、伝搬光のエネルギ分布は第3図(c)に
示すように小さくなり光導波路内に強く、小さく閉じ込
められ、低電圧で光路切換えが可能である。一方光導波
路と光ファイバとの結合においては、光ファイバのスポ
ットサイズが単一モードファイバにおいても10μm(1/
e2全幅)程度と比較的大きいため、光導波路出射光12の
エネルギ分布もある程度広がっており、かつ光ファイバ
の光強度分布は対称であるので、光導波路出射光のエネ
ルギ分布も基板方向と深さ方向で対称であることが低損
失結合のためには必要である。本発明による製造方法に
おいては入力光導波路5,6および出力光導波路7,8の部分
は、Tiの上に導波路の屈折率を減少させる金属イオンで
あるMgを積層しこれをLiNbO3基板中に熱拡散して形成し
ている。したがって入力光導波路5,6および出力光導波
路7,8では屈折率の最大値が第3図(b)に示すよう
に、方向性結合器部3の屈折率に比べて小さく、伝搬光
のエネルギ分布は第3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。なお、光導波路2と入力光導波路5,6および出力
光導波路7,8の接続部分9,10は混搬光のモード変換によ
る損失を小さくするために屈折率が第3図(a)の分布
から(b)の分布への数百μmから数mmにわたって徐々
に変化するように形成されている。
In the manufacturing method according to the present invention, the directional coupler 3 includes only Ti as Li.
Since it is diffused in the NbO 3 substrate, the refractive index distribution in the depth direction of the optical waveguide 2 of the directional coupler section 3 is large as shown in FIG. 3 (a), and the energy distribution of propagating light is the third. As shown in FIG. 3C, the size becomes small, and it is strong and confined in the optical waveguide, and the optical path can be switched at a low voltage. On the other hand, in the coupling of the optical waveguide and the optical fiber, the spot size of the optical fiber is 10 μm (1 /
e 2 full width), the energy distribution of the light 12 emitted from the optical waveguide is broadened to some extent, and the light intensity distribution of the optical fiber is symmetrical. Symmetry in the depth direction is necessary for low loss coupling. In the manufacturing method according to the present invention, the input optical waveguides 5 and 6 and the output optical waveguides 7 and 8 are formed by stacking Mg, which is a metal ion that reduces the refractive index of the waveguide, on Ti and depositing it in a LiNbO 3 substrate. It is formed by heat diffusion. Therefore, the maximum value of the refractive index in the input optical waveguides 5 and 6 and the output optical waveguides 7 and 8 is smaller than the refractive index of the directional coupler section 3 as shown in FIG. The distribution is wide as shown in FIG. 3 (d), and the light intensity distribution is symmetrical also in the depth direction.
Therefore, it becomes possible to couple with the optical fiber with low loss. The connecting portions 9 and 10 of the optical waveguide 2, the input optical waveguides 5 and 6, and the output optical waveguides 7 and 8 have a refractive index distribution shown in FIG. 3 (a) in order to reduce the loss due to the mode conversion of the mixed light. To (b) distribution is formed so as to gradually change from several hundred μm to several mm.

上述のように本発明の光制御回路の製造方法を用いれば
入出力光導波路部と方向性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。したがって従来の製造方
法よりもさらに光制御回路の低損失,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積層するという
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。
As described above, by using the method for manufacturing an optical control circuit of the present invention, the refractive index distributions of the input / output optical waveguide section and the directional coupler section optical waveguide section can be set separately. The energy distribution of the guided light can be a circular distribution that matches the energy distribution of the optical fiber,
In the directional coupler section, the energy distribution can be strongly confined to the substrate surface. Therefore, it is possible to further reduce the loss and voltage of the light control circuit as compared with the conventional manufacturing method. Moreover, the manufacturing method of the present invention is different from the conventional manufacturing method only in the step of stacking metal atoms for lowering the refractive index of the waveguide, and the manufacturing method is almost the same as the conventional method, and also difficult. Not accompanied.

第4図は本発明による光制御回路の製造方法の他の実施
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。
FIG. 4 shows a method of manufacturing a branching interference type optical modulator according to the present invention in order to explain another embodiment of the method of manufacturing an optical control circuit according to the present invention. The method of manufacturing the branching interference type optical modulator according to the present invention will be described below.

先ず、LiNbO3基板401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、現像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
は入力光Y分岐光導波路であり、その開き角数m radと
し、2本の位相変調器部光導波路パターン402の間隔は
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m rad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。
次に入力光導波路,出力光導波路に相当する部分にのみ
Mg403,404を500Å以下形成する。なおこのとき,入力光
導波路および出力光導波路以外の部分は遮へい板でおお
っておく。この後フォトレジスト膜と溶解することによ
り、第4図に示すような、入出力光導波路部ではTiとMg
が積層され、分岐干渉型光変調器の部分ではTiのみが形
成された光導波路パターンが形成される。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、または遮へい板を
Mg膜形成時に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4図のような光導波路のパ
ターンを設置した基板は1000〜1100℃,5〜10時間程度拡
散炉中で加熱されることによりTiとMgがLiNbO3基板中に
拡散され、その部分の屈折率が変化することにより光導
波路502,503,507,508が形成される。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器の真上に、SiO2上にCrとAu
もしくはCrとAlを積層した第5図に示すような電極504
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5
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5図に示す分岐干渉型光変調器が形成され
る。
First, a pattern of an optical waveguide is formed on the LiNbO 3 substrate 401 by using a normal photolithography technique. Ie Li
A photoresist is uniformly coated on the NbO 3 substrate, the photoresist is exposed through a photomask having the same shape as the optical waveguide portion, and developed to form a waveguide-shaped groove in the photoresist film. Here, the optical waveguide pattern has a width of several to several tens of μm. 3dB branch optical waveguide pattern 405
Is an input light Y-branch optical waveguide, its opening angle is several m rad, and the interval between the two phase modulator optical waveguide patterns 402 is several tens μm. The merging portion optical waveguide pattern 406 is also a Y branch optical waveguide pattern having an opening angle of m rad, similar to the 3 dB branching optical waveguide pattern 405. After forming a waveguide-shaped groove in the photoresist film by using the photolithography technique, a Ti film is first formed on the entire surface from about 700 to 1100Å.
Next, only the parts corresponding to the input optical waveguide and output optical waveguide
Form Mg403,404 less than 500Å. At this time, the parts other than the input optical waveguide and the output optical waveguide are covered with a shield. After that, by dissolving with the photoresist film, Ti and Mg in the input / output optical waveguide portion as shown in FIG.
Are laminated, and an optical waveguide pattern in which only Ti is formed is formed in the branch interference type optical modulator portion. The boundary portion between the input / output optical waveguide portion and the phase modulator portion is adjusted by adjusting the distance between the shield plate and the substrate, or by using the shield plate.
An arbitrary taper shape can be obtained by gradually moving when the Mg film is formed. The substrate with the optical waveguide pattern as shown in Fig. 4 is heated in a diffusion furnace at 1000 to 1100 ° C for 5 to 10 hours to diffuse Ti and Mg into the LiNbO 3 substrate and refract it. The optical waveguides 502, 503, 507, 508 are formed by changing the ratio. Then, to prevent light absorption at the electrode, a SiO 2 film of 2000 Å or less is formed on the LiNbO 3 substrate, and Cr and Au are deposited on the SiO 2 just above the waveguide of the phase modulator section.
Or an electrode 504 as shown in FIG. 5 in which Cr and Al are laminated.
To form. After that, the light input / output end face is formed by polishing or cleaving in the direction perpendicular to the input / output optical waveguide. The fifth
In the figure, the SiO 2 film is omitted. The above is the method for manufacturing the branch interference type optical modulator according to the present invention, and the branch interference type optical modulator shown in FIG. 5 is formed by the above manufacturing method.

本発明による製造方法では、位相変調器部はTiのみとLi
NbO3基板中に拡散しているので位相変調器部の光導波路
の深さ方向の屈折率分布は第3図(a)と同様であり大
きく、伝搬光のエネルギ分布は第3図(c)に示すよう
に小さくなり、光導波路内に強く、小さく閉じ込められ
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507,508
は、Tiの上に導波路の屈折率を減少させるイオンである
Mgを積層し、これをLiNbO3基板中に熱拡散して形成して
いる。したがって入力光導波路507および出力光導波路5
08では屈折率の最大値が第3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
ネルギ分布は第3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。
In the manufacturing method according to the present invention, the phase modulator part includes only Ti and Li.
Since it is diffused in the NbO 3 substrate, the refractive index distribution in the depth direction of the optical waveguide of the phase modulator part is the same as that in FIG. 3 (a) and large, and the energy distribution of propagating light is in FIG. 3 (c). As shown in (1), it becomes small, and it is strong and confined in the optical waveguide, so that the light can be modulated at a low voltage. Further, in the manufacturing method according to the present invention, the input / output optical waveguide portions 507, 508
Is an ion that reduces the index of refraction of the waveguide on Ti
It is formed by stacking Mg and thermally diffusing it into a LiNbO 3 substrate. Therefore, the input optical waveguide 507 and the output optical waveguide 5
In 08, the maximum value of the refractive index is smaller than that of the phase modulator optical waveguide as shown in FIG. 3 (b), and the energy distribution of the propagating light spreads as shown in FIG. 3 (d). Cage,
Moreover, the light intensity distribution becomes a symmetrical distribution in the depth direction. Therefore, it becomes possible to couple with the optical fiber with low loss.

以上のような本発明の光制御回路の製造方法を用いれば
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。したがって従来の製造方法よ
りもさらに低損失,低電圧の光制御素子を本方法により
製造す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積層する工
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。
By using the method for manufacturing an optical control circuit of the present invention as described above, the refractive index distributions of the input / output optical waveguide section and the phase modulator section optical waveguide section can be set separately, and the input / output optical waveguide section can be set to have a different refractive index distribution. The energy distribution of the wave light can be a circular distribution that matches the energy distribution of the optical fiber, and the energy distribution can be strongly confined to the substrate surface in the phase modulator section. Therefore, it is possible to manufacture an optical control element having lower loss and lower voltage than the conventional manufacturing method by this method. Moreover, compared with the conventional manufacturing method, only the step of laminating metal atoms for lowering the refractive index of the waveguide is increased, which is almost the same as the conventional method.

(本発明の効果) 以上述べたように本発明によれば低損失に光ファイバ結
合可能でかつ、低電圧動作可能な光制御回路が得られ
る。
(Effect of the present invention) As described above, according to the present invention, an optical control circuit capable of low-loss optical fiber coupling and capable of low voltage operation can be obtained.

本発明は、いかなる方式の光制御回路、例えば光位相変
調器や交差導波路形光スイッチ等に対しても従来それぞ
れ別々の素子で得られている低動作電圧特性と低損失光
ファイバ結合特性の両方を1つの素子で得ることができ
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。
The present invention provides a low operating voltage characteristic and a low loss optical fiber coupling characteristic which are conventionally obtained by separate elements for any type of optical control circuit, such as an optical phase modulator or a crossed waveguide type optical switch. Both can be obtained with one element. The substrate material, the optical waveguide shape, the electrode shape, etc. used in the present invention are not limited to those in the above embodiments, and a ferroelectric crystal such as LiTaO 3 crystal is used as the substrate material, and thermal diffusion and ion exchange are used as the optical waveguide. The optical waveguide and the like using both of the above can be used, and the electrode shape can be an electrode having a traveling waveform more suitable for higher speed.

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 Integrated an
d Guide-Wave Optics)のテクニカル・ダイジェストTuA
5-1に述べられているように、光制御素子部を構成する
光導波路部と入出力光導波路路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、さらに入出力光
導波路に相当する部分にのみ屈折率を減少させる金属原
子を含む薄膜を積層した後に、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。
Also, Kondo, Komatsu, and Ota (7th Topical Meeting on Integrated an
dA Guide-Wave Optics) technical digest TuA
As described in 5-1, the thicknesses of the thin film patterns containing the metal atoms diffused between the optical waveguide part and the input / output optical waveguide path that constitute the light control element part are set separately and The boundary is tapered and laminated on the substrate, and then a thin film containing metal atoms that reduces the refractive index is laminated only on the part corresponding to the input / output optical waveguide, and then the thin film pattern is thermally diffused into the substrate to form the optical waveguide. If formed, it is possible to independently and finely control the refractive index distribution of the input / output optical waveguide and the optical waveguide of the optical control element part, and to manufacture an optical control circuit that can be coupled to an optical fiber with low loss and can operate at low voltage. Is obtained.

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

第1図は本発明による光制御回路の製造方法の第1の実
施例を説明するための図、第2図は本発明により得られ
る方向性結合型光制御回路の構成を示す図、第3図は本
発明による光制御回路の製造方法の原理を説明するため
の図、第4図,第5図は本発明の第2の実施例を説明す
るための図である。 図において 301,401……LiNbO3基板 2,5,6,7,8,9,10,502,503……光導波路 4,504……電極 302……方向性結合器部導波路パターン(Ti) 303,403……入力光導波路パターン(Tiの上にMg) 304,404……出力光導波路パターン(Tiの上にMg) 405……3dB分岐部 406……合流部
FIG. 1 is a diagram for explaining a first embodiment of a method for manufacturing a light control circuit according to the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a directional coupling type light control circuit obtained by the present invention. FIGS. 4A and 4B are diagrams for explaining the principle of the method for manufacturing an optical control circuit according to the present invention, and FIGS. 4 and 5 are diagrams for explaining a second embodiment of the present invention. In the figure, 301,401 …… LiNbO 3 substrate 2,5,6,7,8,9,10,502,503 …… optical waveguide 4,504 …… electrode 302 …… directional coupler part waveguide pattern (Ti) 303,403 …… input optical waveguide pattern (Mg on Ti) 304,404 …… Output optical waveguide pattern (Mg on Ti) 405 …… 3dB branch 406 …… Merging section

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】誘電体基板表面に金属原子を拡散して形成
した光導波路を利用する光制御回路において、入出力導
波路部のみ基板に垂直方向の光フィールドを対称化し
て、該光制御回路の能動素子部の性能を低下させること
なく該光制御回路と光ファイバとの結合損失を低減させ
るようにした光制御回路の製造方法であって、 基板上に該基板の屈折率を増加させる働きを有する金属
原子を含む薄膜を所望のパターン形状に積層する工程
と、前記薄膜の入出力光導波路に相当する部分上にのみ
該基板の屈折率を減少させる働きを有する前記金属とは
異なる金属原子を含む薄膜をさらに積層する工程と、前
記基板を加熱して前記積層された薄膜パターンを1回の
拡散プロセスにより該基板中に拡散させることによって
光導波路を形成する工程と、基板の屈折率を増加させる
働きを有する金属原子を含む薄膜のみが拡散されて形成
された光導波路の上に電極を設置して少なくとも1つの
光制御素子部を形成する工程と、該光制御素子部と接続
されかつ前記2層の薄膜パターンが拡散された光導波路
部の端部に光入出力端面を形成する工程、とを具備して
いることを特徴とする光制御回路の製造方法。
1. An optical control circuit using an optical waveguide formed by diffusing metal atoms on the surface of a dielectric substrate, wherein an optical field in a direction perpendicular to the substrate is made symmetrical only in the input / output waveguide portion, and the optical control circuit is provided. A method of manufacturing an optical control circuit, which reduces the coupling loss between the optical control circuit and an optical fiber without deteriorating the performance of the active element part of the optical fiber, and increases the refractive index of the substrate on the substrate. Laminating a thin film containing a metal atom having a desired pattern shape, and a metal atom different from the metal having a function of reducing the refractive index of the substrate only on a portion of the thin film corresponding to the input / output optical waveguide. A step of further laminating a thin film containing: a step of forming an optical waveguide by heating the substrate to diffuse the laminated thin film pattern into the substrate by one diffusion process, A step of forming an electrode on an optical waveguide formed by diffusing only a thin film containing metal atoms having the function of increasing the refractive index of a plate to form at least one light control element part; and the light control element And a step of forming an optical input / output end face at an end portion of the optical waveguide portion connected to the optical waveguide portion and having the two-layered thin film pattern diffused, the manufacturing method of the optical control circuit.
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