JPH0756029A - Optical waveguide and its production - Google Patents

Optical waveguide and its production

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JPH0756029A
JPH0756029A JP22671193A JP22671193A JPH0756029A JP H0756029 A JPH0756029 A JP H0756029A JP 22671193 A JP22671193 A JP 22671193A JP 22671193 A JP22671193 A JP 22671193A JP H0756029 A JPH0756029 A JP H0756029A
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JP
Japan
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optical waveguide
crystal
lithium niobate
protons
amount
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JP22671193A
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Japanese (ja)
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Akira Koide
明 小出
Hajime Shimizu
肇 清水
Toshihiko Saito
俊彦 斎藤
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NIPPON KETSUSHIYOU KOGAKU KK
Original Assignee
NIPPON KETSUSHIYOU KOGAKU KK
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Abstract

PURPOSE:To provide an optical waveguide which has stable and low propagation loss, is easily produced with good reproducibility, is adequately used for optical devices and consists of a lithium niobate crystal obtd. by external diffusion of Li and the process for production of this optical waveguide. CONSTITUTION:(1) This optical waveguide consists of the lithium niobate crystal which has <=0.1dB/cm propagation loss of 0.633mum wavelength and is obtd. by external diffusion of the Li. (2) This process for production of the optical waveguide consisting of the lithium niobate crystal obtd. by external diffusion of the Li comprises subjecting the grown lithium niobate crystal pool to annealing, poling and slicing, then annealing the crystal again to adjust the proton quantity and to uniformalize the concn., and subjecting the crystal to lapping and poling to a specular surface then to a proton desorption treatment in a dry oxygen atmosphere at <=-70 deg.C dew point temp.

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、ニオブ酸リチウム(L
iNbO3)結晶を利用した光導波路形成技術の一つで
あるLi外拡散により得られる光導波路およびその製造
方法に関する。
This invention relates to lithium niobate (L
The present invention relates to an optical waveguide obtained by Li out-diffusion, which is one of the optical waveguide forming techniques using iNbO 3 ) crystal, and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、ニオブ酸リチウム結晶基板上に光
導波路を形成する方法には、Ti熱拡散法、プロトン交
換法、LPE法(液相エピタキシャル成長法)、イオン
注入法、Li外拡散法、堆積法(スパッタ法、化学堆積
法)等が知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a method for forming an optical waveguide on a lithium niobate crystal substrate, a Ti thermal diffusion method, a proton exchange method, an LPE method (liquid phase epitaxial growth method), an ion implantation method, a Li outside diffusion method, Deposition methods (sputtering method, chemical deposition method) and the like are known.

【0003】これらの中で、産業上広く用いられている
のはTi熱拡散法、プロトン交換法およびLPE法であ
り、これら光導波路形成方法により光変調器、光スイッ
チ、SHG素子、音響光学素子、光デバイス等が製作さ
れている。
Among these, the Ti thermal diffusion method, the proton exchange method and the LPE method are widely used industrially, and an optical modulator, an optical switch, an SHG element, an acousto-optical element are formed by these optical waveguide forming methods. , Optical devices, etc. are manufactured.

【0004】これらに使用されるニオブ酸リチウム結晶
は、一般にコングルエント組成となるように調合された
原料を、チョクラルスキー法にて引き上げ、アニール、
ポーリングした後、スライスし、ラッピング、ポリシン
グし、鏡面とされて各種光デバイス用基板として供され
ている。
The lithium niobate crystals used for these are generally prepared by pulling a raw material prepared so as to have a congruent composition by the Czochralski method and annealing it.
After poling, it is sliced, lapped and polished to be a mirror surface, which is used as a substrate for various optical devices.

【0005】しかるに、Ti熱拡散法、プロトン交換
法、LPE法等によって製作された光導波路層内には、
結晶成分とは異なった原子を含ませる必要が生じる。例
えば、Ti熱拡散法ではTi、プロトン交換法ではプロ
トン(H+)、LPE法ではV、B等を含ませる。これ
ら異種原子は光散乱中心となり(レイリー散乱)、光導
波路の外に導波光が漏れてしまい伝搬損失を増加させる
といった欠点が生じる。
However, in the optical waveguide layer manufactured by the Ti thermal diffusion method, the proton exchange method, the LPE method, etc.,
It is necessary to include an atom different from the crystal component. For example, Ti is included in the Ti thermal diffusion method, protons (H + ) are included in the proton exchange method, and V and B are included in the LPE method. These dissimilar atoms act as light scattering centers (Rayleigh scattering), and the guided light leaks to the outside of the optical waveguide, increasing the propagation loss.

【0006】具体的な報告としては、Ti拡散法では波
長1.53μmにおいての伝搬損失は0.2dB/c
m、プロトン交換法では波長0.633μmにおいての
伝搬損失は0.3dB/cm、波長LPE法では0.8
3μmにおいての伝搬損失は1.0dB/cmがある。
As a concrete report, in the Ti diffusion method, the propagation loss at a wavelength of 1.53 μm is 0.2 dB / c.
m, the proton exchange method has a propagation loss of 0.3 dB / cm at a wavelength of 0.633 μm, and the wavelength LPE method has a propagation loss of 0.8 dB.
The propagation loss at 3 μm is 1.0 dB / cm.

【0007】さらに、別の問題として、外部電界により
導波光を制御させる際に、これら異種元素は可動イオン
となり得るため、光導波路に有効に電界が働かないとい
った欠点が生じる。
Further, as another problem, when the guided light is controlled by an external electric field, these different elements can become mobile ions, so that the electric field does not work effectively in the optical waveguide.

【0008】以上のような欠点は、光導波路デバイスに
とっては致命的な欠点である。伝搬損失が高いと光のエ
ネルギーが減少し、SN比(signal/nois
e)の低下をもたらし、シングルモード条件が崩壊し、
多モードが現われ、消光比(クロストーク)の低下をも
たらす。
The above drawbacks are fatal for an optical waveguide device. If the propagation loss is high, the energy of light decreases, and the signal-to-noise ratio (signal / noise)
e), resulting in the collapse of single-mode conditions,
Multiple modes appear, leading to a reduced extinction ratio (crosstalk).

【0009】また、外部電界が有効に働かないと、オフ
セット制御が不可能となり、光−電界作用長が長くなる
ため無駄な電力が必要になる。
If the external electric field does not work effectively, the offset control becomes impossible and the light-electric field action length becomes long, so that unnecessary power is required.

【0010】このようなことから、伝搬損失が低く、異
種元素を含まない光導波路が望まれている。
Under these circumstances, there is a demand for an optical waveguide having a low propagation loss and containing no different elements.

【0011】一方、異種元素を含ませないで光導波路を
形成する技術にLi外拡散法が知られている。この方法
の特徴は、結晶の組成元素であるLi原子を結晶の表面
近傍から外拡散させ、Li/Nb比を低下せしめ、高屈
折率層を形成させ、ここを光導波路として活用するもの
である。この方法で形成された光導波路は異種元素を含
ませていないので、上記した問題を解決できる可能性が
ある。
On the other hand, the Li outdiffusion method is known as a technique for forming an optical waveguide without containing a different element. The feature of this method is that Li atoms, which are the composition elements of the crystal, are diffused out from the vicinity of the surface of the crystal, the Li / Nb ratio is lowered, a high refractive index layer is formed, and this is utilized as an optical waveguide. . Since the optical waveguide formed by this method does not contain a different element, there is a possibility that the above-mentioned problem can be solved.

【0012】現在までに知られているLi外拡散光導波
路の形成方法は、“アプライド フィジックスレター、
第22巻、326頁、1973年”に述べられているよ
うに、結晶基板を真空中、1100℃で20時間以上熱
処理し、Li原子を基板から蒸発させるのであるが、こ
の時に酸素も同時に蒸発してしまい結晶は黒色化する。
このため続けて空気中で1100℃、2時間の透明化処
理が必ず必要である。さらに得られたLi外拡散光導波
路は、波長0.633μmにおける伝搬損失が1dB/
cmと高く、伝搬モードが約198本も励振され、光デ
バイスには使用できない。
The method of forming a Li outdiffusion optical waveguide known to date is "Applied Physics Letter,
As described in Vol. 22, 326, 1973 ”, the crystal substrate is heat-treated in vacuum at 1100 ° C. for 20 hours or more to evaporate Li atoms from the substrate. At this time, oxygen is also vaporized at the same time. The crystals turn black.
For this reason, it is necessary to continuously perform a clearing treatment at 1100 ° C. for 2 hours in the air. Furthermore, the Li outdiffusion optical waveguide obtained has a propagation loss of 1 dB / wavelength at a wavelength of 0.633 μm.
Since it is as high as cm, and about 198 propagation modes are excited, it cannot be used for an optical device.

【0013】また、“ラジオ サイエンス、第12巻、
537頁、1977年”には、5×10-2トールに減圧
した酸素雰囲気中で、930〜980℃、20〜60分
のLi外拡散熱処理し、やはり酸素欠損を補うため、さ
らに同一温度で5分アニールすることが示されている。
これによりシングルモードのLi外拡散光導波路が得ら
れている。
In addition, "Radio Science, Volume 12,
537, 1977 ", the Li out diffusion heat treatment was performed at 930 to 980 ° C. for 20 to 60 minutes in an oxygen atmosphere depressurized to 5 × 10 -2 Torr. It is shown to anneal for 5 minutes.
As a result, a single mode Li outdiffusion optical waveguide is obtained.

【0014】このように、Li外拡散光導波路を形成す
るには、真空中もしくは減圧中で、結晶の成分元素であ
るLiを結晶から離脱する方法が知られているが、同時
に結晶の成分元素である酸素も離脱し、酸素欠損を来た
し、続けて酸素中での酸素補充アニールが不可欠であ
る。
As described above, in order to form a Li outdiffusion optical waveguide, a method is known in which Li, which is a component element of the crystal, is separated from the crystal in a vacuum or under reduced pressure. Oxygen is also released, resulting in oxygen deficiency, and subsequently oxygen supplement annealing in oxygen is essential.

【0015】さらに、“電子通信学会総合全国大会、1
984年、論文No.1002”には、最初から酸素雰
囲気中でLi外拡散熱処理し、Li外拡散光導波路を形
成した例がある。この方法によれば、酸素補充アニール
が不必要となるが、形成された光導波路層が熱的、時間
的に不安定であり、消滅してしまうといった問題があっ
た。
In addition, "The IEICE General Conference, 1
984, Paper No. In 1002 ″, there is an example in which Li outdiffusion heat treatment is performed from the beginning in an oxygen atmosphere to form a Li outdiffusion optical waveguide. According to this method, oxygen supplement annealing is unnecessary, but the formed optical waveguide is used. There was a problem that the layer was thermally and temporally unstable and disappeared.

【0016】このようにニオブ酸リチウム結晶からLi
外拡散により得られる光導波路は、産業上実質的に利用
できないものであった。
Thus, from the lithium niobate crystal, Li
The optical waveguide obtained by out-diffusion was industrially practically unusable.

【0017】[0017]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、安
定、かつ低い伝搬損失を有し、しかも容易に、再現性良
く製造でき、光デバイスに好適に用いられるLi外拡散
により得られるニオブ酸リチウム結晶からなる光導波路
およびその製造方法を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to obtain niobate which is stable and has a low propagation loss, which can be easily and reproducibly manufactured, and which is suitable for an optical device and which is obtained by Li outdiffusion. An object is to provide an optical waveguide made of a lithium crystal and a manufacturing method thereof.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】上記目的は、光導波路を
形成するニオブ酸リチウム結晶中のプロトンを離脱さ
せ、プロトン量を一定量以下とすることによって達成さ
れる。
The above object is achieved by desorbing the protons in the lithium niobate crystal forming the optical waveguide so that the amount of the protons is kept below a certain amount.

【0019】すなわち、本発明は、波長0.633μm
の伝搬損失が0.1dB/cm以下であることを特徴と
するLi外拡散により得られるニオブ酸リチウム結晶か
らなる光導波路にある。
That is, the present invention has a wavelength of 0.633 μm.
The optical waveguide made of lithium niobate crystal obtained by Li outdiffusion has a propagation loss of 0.1 dB / cm or less.

【0020】上述したように、Li外拡散法において得
られる光導波路の波長0.633μmにおける伝搬損失
が0.1dB/cm程度であり、本発明者等によって、
このような伝搬損失の小さい光導波路が初めて見い出さ
れたものである。
As described above, the propagation loss at the wavelength of 0.633 μm of the optical waveguide obtained by the Li out-diffusion method is about 0.1 dB / cm.
Such an optical waveguide having a small propagation loss was first found.

【0021】このような伝搬損失の小さい光導波路を得
るためには、光導波路を形成するニオブ酸リチウム結晶
ウエハ中のプロトン量(A)が0.05以下である必要
がある。
In order to obtain such an optical waveguide having a small propagation loss, the amount of protons (A) in the lithium niobate crystal wafer forming the optical waveguide must be 0.05 or less.

【0022】結晶ウエハ中のプロトン量(A)が0.0
5を超えた場合には、光導波路層に残留しているプロト
ンが拡散により流れ込み、高屈折率層を低下させ、光導
波路が不安定となる。
The amount of protons (A) in the crystal wafer is 0.0
When it exceeds 5, the protons remaining in the optical waveguide layer flow by diffusion, lowering the high refractive index layer, and making the optical waveguide unstable.

【0023】ここにおけるプロトン量(A)は次のよう
に測定される。すなわち、結晶内に含まれているプロト
ン濃度は、波長2.87μmにおける光吸収係数を、赤
外分光光度計により測定することによって推定できるこ
とは知られている。プロトン濃度(個/cm3)と光吸
収係数値(α:cm-1)とは直接比例関数にある。プロ
トン濃度(個/cm3)=3×1019×α(cm-1
(1)
The amount of protons (A) here is measured as follows. That is, it is known that the concentration of protons contained in the crystal can be estimated by measuring the light absorption coefficient at a wavelength of 2.87 μm with an infrared spectrophotometer. The proton concentration (number / cm 3 ) and the light absorption coefficient value (α: cm −1 ) are directly proportional functions. Proton concentration (pieces / cm 3 ) = 3 × 10 19 × α (cm −1 )
(1)

【0024】比例係数は報告者により異なっており、ま
た本発明では、結晶中のプロトン濃度よりもその量が重
要であることから、吸収係数(α:cm-1)と結晶ウエ
ハの厚さ(d:cm)の積(α×d:無次元)で結晶ウ
エハ中のプロトン量(A)を表示した。これによって、
プロトン濃度の同じ結晶ウエハでも厚さが異なる場合は
区別することができる。また、プロトン濃度を表わすと
きは単に吸収係数(α)のみを表示する。
The proportionality coefficient varies from reporter to reporter, and in the present invention, since the amount of protons is more important than the concentration of protons in the crystal, the absorption coefficient (α: cm -1 ) and the thickness of the crystal wafer ( The amount of protons (A) in the crystal wafer was represented by the product of d: cm) (α × d: dimensionless). by this,
Even crystal wafers having the same proton concentration can be distinguished when they have different thicknesses. Further, when expressing the proton concentration, only the absorption coefficient (α) is displayed.

【0025】次に、本発明の製造方法は、育成したニオ
ブ酸リチウム結晶ブールをアニール、ポーリング、スラ
イスした後、再びアニールしてプロトン量を調整し、か
つ濃度を均一とし、続けてラッピング、ポリシングして
鏡面と成し、次に露点温度−70℃以下の乾燥酸素雰囲
気中でプロトン離脱処理(Li外拡散処理)することを
特徴とする。
Next, according to the manufacturing method of the present invention, the grown lithium niobate crystal boule is annealed, poled, sliced, and then annealed again to adjust the amount of protons and make the concentration uniform, and then lapping and polishing. To form a mirror surface, and then to perform a proton desorption treatment (external Li diffusion treatment) in a dry oxygen atmosphere having a dew point temperature of −70 ° C. or lower.

【0026】まず、ニオブ酸リチウム結晶は、一般にチ
ョクラルスキー法で結晶を育成される。この結晶ブール
は、アニール、ポーリングされ、その後、円柱状に加工
する。次に、この円柱状に加工された結晶ブールを特定
の結晶面方位を有するウエハ状態にスライスし、結晶ウ
エハとする。
First, a lithium niobate crystal is generally grown by the Czochralski method. The crystal boule is annealed, poled, and then processed into a cylindrical shape. Next, the cylindrical crystal boule is sliced into a wafer having a specific crystal plane orientation to obtain a crystal wafer.

【0027】本発明では、このスライスした結晶ウエハ
の状態で再度アニールし、結晶ウエハ中のプロトン濃度
および量を調整する。このことによって雰囲気水蒸気量
に対応した均一な濃度の一定のプロトン量を持つ結晶ウ
エハが得られる。温度、時間、雰囲気等のアニール条件
は一般に知られている条件が採用される。例えば、温度
700℃、時間7時間、水蒸気を含んだ酸素ガス中、も
しくは不活性ガス中である。
In the present invention, the sliced crystal wafer is annealed again to adjust the concentration and amount of protons in the crystal wafer. As a result, a crystal wafer having a uniform amount of protons and a uniform concentration corresponding to the amount of atmospheric water vapor can be obtained. As the annealing conditions such as temperature, time and atmosphere, generally known conditions are adopted. For example, the temperature is 700 ° C., the time is 7 hours, the oxygen gas containing water vapor, or the inert gas.

【0028】このように再度アニールされた結晶ウエハ
は、ラッピング、ポリシッグされ、鏡面とされた後、プ
ロトン離脱処理(Li外拡散熱処理)を行なう。
The crystal wafer annealed again in this way is lapped, polysigmed and mirror-finished, and then subjected to a proton desorption process (Li outside diffusion heat treatment).

【0029】このプロトン離脱処理は、露点温度−70
℃以下の乾燥酸素雰囲気中で行なわれる。この理由は、
プロトンを殆ど結晶から離脱させるには、雰囲気の水蒸
気量が少ないほどよく、またマイナス70℃以下の露点
温度のガスは容易に入手できるためである。しかもLi
が外拡散する過程で、酸素も結晶から外拡散する懸念
が、酸素以外のガス雰囲気中ではあるからである。な
お、プロトン離脱処理には、この方法以外に、減圧雰囲
気、脱水溶液等の他の方法も可能である。
This deprotonation treatment is performed at a dew point temperature of -70.
It is carried out in a dry oxygen atmosphere at a temperature of ℃ or below. The reason for this is
This is because the smaller the amount of water vapor in the atmosphere is, the better in order to release most of the protons from the crystal, and the gas having a dew point temperature of −70 ° C. or lower is easily available. Moreover, Li
This is because there is a concern that oxygen will also out-diffuse from the crystal in the process of out-diffusion in a gas atmosphere other than oxygen. In addition to this method, other methods such as a reduced pressure atmosphere and a dewatered solution can be used for the proton desorption treatment.

【0030】このようにプロトン離脱処理を行なうこと
によって、結晶ウエハ中のプロトンは殆ど離脱し、プロ
トン量は0.05以下となる。またプロトン濃度に換算
すると、好ましくは波長2.87μmにおける光吸収係
数が0.3cm-1以下となる。そして、このようにプロ
トン量を0.05以下とすることによって、容易に再現
性良く、また安定な低い伝搬損失を有し、光デバイスに
適したLi外拡散により得られるニオブ酸リチウム結晶
からなる光導波路が得られる。
By carrying out the proton desorption process in this manner, most of the protons in the crystal wafer are desorbed, and the amount of protons becomes 0.05 or less. Further, when converted into proton concentration, the light absorption coefficient at a wavelength of 2.87 μm is preferably 0.3 cm −1 or less. By controlling the amount of protons to be 0.05 or less, the lithium niobate crystal which is easily reproducible, has stable low propagation loss, and is obtained by Li outdiffusion suitable for an optical device is formed. An optical waveguide is obtained.

【0031】上記のように、プロトンを離脱させるの
は、プロトンの離脱量と製造されたLi外拡散光導波路
の光導波路特性との間に強い相関があることを見出した
めである。このため再現性良く光導波路を形成するため
に離脱するプロトン量を制御したものであり、プロトン
を殆ど結晶から離脱させることにより、安定な光デバイ
スに適した光導波路が提供される。
As described above, protons are released because it is found that there is a strong correlation between the amount of released protons and the optical waveguide characteristics of the manufactured Li outdiffusion optical waveguide. Therefore, the amount of protons released is controlled in order to form the optical waveguide with good reproducibility, and most of the protons are released from the crystal to provide an optical waveguide suitable for a stable optical device.

【0032】[0032]

【実施例】以下、本発明を実施例等によって詳細に説明
する。
EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to examples.

【0033】試験例1 プロトン離脱処理(Li外拡散処理)前の吸収係数測定
により、プロトン量(α×d表示)が異なるニオブ酸リ
チウム結晶ウエハ(Zカット、厚さ0.6〜2.0m
m、10×20mm2)を1000℃、10分、露点温
度−70℃以下の乾燥酸素中でプロトン離脱処理した。
昇温速度は10℃/分とした。また、熱処理後のウエハ
のプロトン量は0.05以下となっていた。
Test Example 1 Lithium niobate crystal wafers (Z-cut, thickness 0.6 to 2.0 m) having different proton amounts (indicated by α × d) by measuring absorption coefficient before proton desorption treatment (external Li diffusion treatment).
m, 10 × 20 mm 2 ) was subjected to a proton desorption treatment in dry oxygen having a dew point temperature of −70 ° C. or lower at 1000 ° C. for 10 minutes.
The temperature rising rate was 10 ° C./min. Further, the amount of protons of the wafer after the heat treatment was 0.05 or less.

【0034】プリズムカプラー法により励振された導波
光の第0次モードの異常光等価屈折率を測定し、結果を
図1に示した。なお、図1において、等価屈折率の2.
2020は基板の屈折率である。
The extraordinary light equivalent refractive index of the 0th mode of the guided light excited by the prism coupler method was measured, and the result is shown in FIG. In FIG. 1, the equivalent refractive index of 2.
2020 is the refractive index of the substrate.

【0035】この結果、図1に示すように、プロトン離
脱量(プロトン離脱処理前後のプロトン量の差)と形成
されたLi外拡散光導波路の異常光等価屈折率との間に
は明らかに強い相関が認められた。このことからプロト
ンを離脱させることによるLi外拡散光導波路の形成が
確認される。また、形成された光導波路の等価屈折率は
プロトンの離脱量に依存しており、プロトン離脱熱処理
前の結晶内のプロトン量を定めておくことが重要である
ことが示された。一方、常光屈折率には変化がなく導波
光は励振されなかった。
As a result, as shown in FIG. 1, the amount of proton desorption (difference in the amount of protons before and after the proton desorption process) and the extraordinary light equivalent refractive index of the formed Li outdiffusion optical waveguide are clearly strong. A correlation was found. This confirms the formation of the Li outdiffusion optical waveguide by releasing the protons. It was also shown that the equivalent refractive index of the formed optical waveguide depends on the amount of protons desorbed, and it is important to determine the amount of protons in the crystal before the proton desorption heat treatment. On the other hand, the ordinary light refractive index did not change and the guided light was not excited.

【0036】さらに、熱処理前のプロトン量が0.05
以下の場合には、常光、異常光ともに導波光は励振され
なかった。
Further, the amount of protons before heat treatment is 0.05
In the following cases, the guided light was not excited in both ordinary light and extraordinary light.

【0037】さらに、図1に示されているように、この
光導波路は結晶基板の両面に光導波路層が形成されてお
り、光導波路特性は両面とも同じであった。このように
して得られた光導波路の概念図を図2に示す。
Further, as shown in FIG. 1, the optical waveguide had optical waveguide layers formed on both sides of the crystal substrate, and the optical waveguide characteristics were the same on both sides. A conceptual view of the optical waveguide thus obtained is shown in FIG.

【0038】試験例2 プロトン離脱処理前のプロトン量(α×d)=0.25
のニオブ酸リチウム結晶(Xカット、Yカット、厚さ1
mm、10×20mm2)を露点温度−70℃以下の乾
燥酸素中、1000℃にて時間を変えてLi外拡散熱処
理をした。
Test Example 2 Proton amount before proton desorption treatment (α × d) = 0.25
Lithium niobate crystal (X cut, Y cut, thickness 1
mm, 10 × 20 mm 2 ) was subjected to Li external diffusion heat treatment at 1000 ° C. in dry oxygen with a dew point temperature of −70 ° C. or less at different times.

【0039】プリズムカプラー法により異常光等価屈折
率を測定したところ、図3に示したように、熱処理時間
と共に等価屈折率が制御できた。このことは、所望する
等価屈折率を得るには、試験例1で述べた熱処理前後の
プロトン量の差(離脱量)を変化させる方法に加えて、
プロトン離脱処理条件を制御することによっても得るこ
とができることを示しており、この光導波路が制御性、
再現性良く得られることが示されている。
When the extraordinary light equivalent refractive index was measured by the prism coupler method, the equivalent refractive index could be controlled with the heat treatment time as shown in FIG. This means that in order to obtain a desired equivalent refractive index, in addition to the method of changing the difference in the amount of protons before and after heat treatment (dissociation amount) described in Test Example 1,
It is shown that it can also be obtained by controlling the proton desorption treatment condition.
It has been shown that it can be obtained with good reproducibility.

【0040】また、試験例1〜2によりニオブ酸リチウ
ム結晶のX,Y,Zカット、いずれの基板においても、
Li外拡散光導波路が製造できることが示された。
Further, in any of the X, Y and Z cuts of the lithium niobate crystal according to Test Examples 1 and 2,
It has been shown that a Li outdiffused optical waveguide can be manufactured.

【0041】実施例1および比較例1 チョクラルスキー法により育成された結晶ブール(Zカ
ット、φ3インチ、長さ50mm)をアニール、ポーリ
ングして厚さ1.2mmにスライスし、ラッピング、ポ
リシングし、厚さ1.1mmの両面研磨ウエハを10枚
得た。このウエハのプロトン量を測定したところ、一枚
のウエハ内ですらプロトン濃度にバラツキが認められ、
全体として、0.27±0.03であった。
Example 1 and Comparative Example 1 A crystal boule (Z-cut, φ3 inch, length 50 mm) grown by the Czochralski method was annealed and poled to be sliced to a thickness of 1.2 mm, lapped and polished. 10 double-sided polished wafers having a thickness of 1.1 mm were obtained. When the amount of protons on this wafer was measured, variations in the proton concentration were observed even within one wafer,
It was 0.27 ± 0.03 as a whole.

【0042】これらのウエハのうち、5枚(No.1〜
5)を700℃、7時間、酸素ガスを3℃の純粋バブラ
ーに通してアニール炉に導入し、アニールした。アニー
ル後のプロトン量はウエハ内およびウエハ間で0.21
±0.01になり、均一になった。
Of these wafers, 5 wafers (No. 1 to No. 1)
5) was annealed at 700 ° C. for 7 hours by introducing oxygen gas through a pure bubbler at 3 ° C. into an annealing furnace. The amount of protons after annealing is 0.21 between wafers and between wafers.
It became ± 0.01 and became uniform.

【0043】さらに、アニールによる表面ダメージを除
去するために、また、厚さを揃えるために、アニールし
た5枚のウエハと、アニールしていない5枚のウエハの
計10枚をラッピング、ポリシングして厚さを1.0m
mとした。
Further, in order to remove surface damage due to annealing and to make the thickness uniform, a total of 10 wafers, 5 annealed wafers and 5 unannealed wafers, are lapped and polished. Thickness is 1.0m
m.

【0044】このようにしてプロトン濃度を均一化処理
したウエハ5枚と、比較としてアニールしてないウエハ
(No.6〜10)を同時にプロトン離脱処理した。処
理条件は、1000℃、10分、露点温度マイナス70
℃以下の乾燥酸素中とした。
In this way, the five wafers whose proton concentration was made uniform and the wafers which were not annealed (Nos. 6 to 10) as a comparison were simultaneously subjected to the proton desorption treatment. Processing conditions are 1000 ° C, 10 minutes, dew point temperature minus 70
It was in dry oxygen at a temperature of ℃ or below.

【0045】プリズムカプラー法により異常光等価屈折
率を測定したところ、アニールした結晶ウエハ(実施例
1)ではすべてのウエハで第0次モードが2.2037
±0.0001、第1次モードが2.20 25±0.
0001となった。一方、アニールをしていないウエハ
(比較例1)ではバラツキが認められ、すべてのウエハ
で第0次モードが2.2040±0.0005、第1次
モードが2.2026±0.0003であった。このよ
うに実施例1ではバラツキが僅かであった。
The extraordinary light equivalent refractive index was measured by the prism coupler method. As a result, in the annealed crystal wafer (Example 1), the 0th-order mode was 2.2037 in all the wafers.
± 0.0001, primary mode is 2.20 25 ± 0.
It became 0001. On the other hand, variations were observed in the unannealed wafers (Comparative Example 1), and the 0th-order mode was 2.2040 ± 0.0005 and the 1st-order mode was 2.2026 ± 0.0003 in all the wafers. It was Thus, in Example 1, the variation was slight.

【0046】このことから、所望する光導波路特性を有
する光導波路を得るには、プロトン離脱処理前に結晶内
のプロトン量のバラツキを小さくするアニール処理を施
すことが有効であることが示された。
From this, it is shown that it is effective to perform the annealing treatment for reducing the variation in the amount of protons in the crystal before the proton desorption treatment in order to obtain the optical waveguide having the desired optical waveguide characteristics. .

【0047】さらに実施例1の光導波路の伝搬損失を測
定したところ、図4に示されるように波長0.633μ
mにおいて0.1dB/cmであり、他の光導波路より
低損失であることが確認された。一方、比較例1の光導
波路の伝搬損失は波長0.633μmにおいて0.4d
B/cmであった。また、本実施例によって形成された
光導波路基板のプロトン量は0.05以下であった。
Further, when the propagation loss of the optical waveguide of Example 1 was measured, as shown in FIG.
m was 0.1 dB / cm, and it was confirmed that the loss was lower than that of other optical waveguides. On the other hand, the propagation loss of the optical waveguide of Comparative Example 1 is 0.4d at the wavelength of 0.633 μm.
It was B / cm. Further, the amount of protons of the optical waveguide substrate formed in this example was 0.05 or less.

【0048】比較例2 プロトン離脱処理前の吸収係数測定により、プロトン量
は0.25であるニオブ酸リチウム結晶(Zカット、厚
さ1.0mm、10×20mm2)を1000℃、10
分、露点温度マイナス20℃の酸素雰囲気中でプロトン
離脱処理を行なった。処理後、プリズムカプラー法にて
異常光等価屈折率を、日を追って測定した。試料は室温
に放置した。また、プロトン量は0.09となってい
た。処理直後に形成していた光導波路は約1週間で消滅
し、安定性が得られていないことが解った。この原因は
プロトン離脱処理の際、プロトンを十分に離脱させない
でいたためであり、露点温度がマイナス70℃以下の雰
囲気であることが好ましいことを示している。
Comparative Example 2 A lithium niobate crystal (Z-cut, thickness 1.0 mm, 10 × 20 mm 2 ) having a proton content of 0.25 was measured at 1000 ° C. for 10 times by measurement of absorption coefficient before proton desorption treatment.
Min, the proton desorption treatment was performed in an oxygen atmosphere with a dew point temperature of minus 20 ° C. After the treatment, the extraordinary light equivalent refractive index was measured day by day by the prism coupler method. The sample was left at room temperature. The amount of protons was 0.09. It was found that the optical waveguide formed immediately after the treatment disappeared in about 1 week and the stability was not obtained. This is because the protons were not sufficiently desorbed during the proton desorption treatment, and it is preferable that the atmosphere has a dew point temperature of −70 ° C. or lower.

【0049】[0049]

【発明の効果】本発明の光導波路は、伝搬損失が極めて
小さく、安定性にも優れるため、光デバイスに適したも
のである。また、本発明の製造方法によって、容易に光
導波路特性が再現性よく得られる。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The optical waveguide of the present invention is suitable for an optical device because it has extremely small propagation loss and excellent stability. Further, the manufacturing method of the present invention makes it possible to easily obtain the optical waveguide characteristics with good reproducibility.

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

【図1】 等価屈折率とプロトン離脱量の関係を示すグ
ラフ。
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the equivalent refractive index and the amount of released protons.

【図2】 本発明の光導波路の概念図。FIG. 2 is a conceptual diagram of an optical waveguide of the present invention.

【図3】 等価屈折率と熱処理時間の平方根(√秒)の
関係を示すグラフ。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the equivalent refractive index and the square root (√sec) of heat treatment time.

【図4】 伝搬損失の測定結果を示すグラフであり、勾
配が伝搬損失の大きさを示す。
FIG. 4 is a graph showing the measurement result of the propagation loss, and the gradient shows the magnitude of the propagation loss.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 波長0.633μmの伝搬損失が0.1
dB/cm以下であることを特徴とするLi外拡散によ
り得られるニオブ酸リチウム結晶からなる光導波路。
1. The propagation loss at a wavelength of 0.633 μm is 0.1.
An optical waveguide comprising a lithium niobate crystal obtained by Li out-diffusion, characterized in that it is at most dB / cm.
【請求項2】 波長2.87μmにおける光吸収係数
(cm-1)と結晶の厚さ(cm)との積で表示されるニ
オブ酸リチウム結晶中のプロトン量(A)が0.05以
下である請求項1に記載の光導波路。
2. The amount of protons (A) in the lithium niobate crystal represented by the product of the light absorption coefficient (cm −1 ) at a wavelength of 2.87 μm and the crystal thickness (cm) is 0.05 or less. The optical waveguide according to claim 1.
【請求項3】 育成したニオブ酸リチウム結晶ブールを
アニール、ポーリング、スライスした後、再びアニール
してプロトン量を調整し、かつ濃度を均一とし、続けて
ラッピング、ポリシングして鏡面となし、次に露点温度
−70℃以下の乾燥酸素雰囲気中でプロトン離脱処理す
ることを特徴とするLi外拡散により得られるニオブ酸
リチウム結晶からなる光導波路の製造方法。
3. The grown lithium niobate crystal boule is annealed, poled and sliced, and then annealed again to adjust the amount of protons and to make the concentration uniform, and then lapping and polishing to form a mirror surface. A method for producing an optical waveguide comprising a lithium niobate crystal obtained by Li outdiffusion, which comprises performing proton desorption treatment in a dry oxygen atmosphere having a dew point temperature of −70 ° C. or less.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005098493A1 (en) * 2004-04-02 2005-10-20 Northrop Grumman Corporation Implementation of one or more optical waveguides in reduced optical material

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2005098493A1 (en) * 2004-04-02 2005-10-20 Northrop Grumman Corporation Implementation of one or more optical waveguides in reduced optical material
US7903920B2 (en) 2004-04-02 2011-03-08 Northrop Grumman Guidance And Electronics Company, Inc. Implementation of one or more optical waveguides in reduced optical material

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