JPH08160238A

JPH08160238A - 光導波路の製造方法

Info

Publication number: JPH08160238A
Application number: JP6304473A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Shinozaki; 啓助篠崎
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1994-12-08
Filing date: 1994-12-08
Publication date: 1996-06-21

Abstract

(57)【要約】【目的】高屈折率部分が入射端近傍で広く形成された
光導波路を製造する。【構成】基板５０の表面にマスク５１を施して、１回
目の選択的イオン交換を行う。続いて、光導波路の入射
端となる位置の近傍のみ開口したマスク５２を基板５０
上に形成し、２回目の選択的イオン交換を行う。つぎ
に、熱処理が施されて、基板５０に形成されているイオ
ン交換部分が、高屈折率部分に変化して光導波路が形成
される。２回目のイオン交換で形成されたイオン交換部
分の深度は、他の部分より深くなっているので、入射端
の高屈折率部分が、広くなっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光スイッチや光導波路
型波長変換素子等に応用される光導波路の製造方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２は、従来の光導波路を示す図であ
る。この光導波路１は、イオン交換法等によって基板２
表面に高屈折率部分がストリップライン状に形成された
代表的埋め込み型光導波路である。光導波路１の寸法
は、入射端Ｉｎから出射端Ｏｕｔに至るまで、均一に形
成されるのが一般的である。このような光導波路１に光
を入射するために、レンズ１０を用いる方法がある。コ
リメートされた入射光ＯＰは、レンズ１０によって集光
され、その集光位置に入射端Ｉｎがくるように配置する
ことにより、光が効率良く光導波路１に入射される。光
導波路１中に光を基本モードで伝搬させるには、入射光
ＯＰのビーム形状がガウス分布形状に近い必要がある。
コリメートされた入射光ＯＰの幅をＷ、及び入射光ＯＰ
の波長をλとすると、レンズ１０の焦点位置には、次の
（１）式に示された幅ｗのスポットが得られる。幅Ｗと
焦点距離ｆの適当に選定し、光導波路１の寸法をｗとす
ると、高い結合効率が得られる。

【０００３】ｗ＝（λｆ／π）・Ｗ・・・（１）図３（１）（２）は、図２の他の結合方法であるバット
カップリングを示す断面図である。図３（１）では、基
板２上に形成された光導波路３に対して、光ファイバ２
０から光信号ＯＰを入射する。光ファイバ２０は高屈折
率のコア２１を中心に備え、そのコア２１の周囲がクラ
ッド２２で囲われている。光ファイバ２０と光導波路３
の距離をできるだけ近付け、コア２１の寸法と光導波路
３の寸法を同じにすることにより、結合効率が高められ
る。図３（２）では、基板２上に形成された光導波路４
に対して半導体レーザ３０から光信号ＯＰを入射する。
この場合にも、半導体レーザ３０と光導波路４の距離を
できるだけ近付け、半導体レーザ３０の活性層３１及び
光導波路４の寸法を等しくすることで、結合効率が高め
られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光導波路においては、次のような課題があった。即ち、
図２或いは図３に示した結合方法では、光導波路の入射
点Ｉｎに対する入射光の位置合わせを、高精度で行う必
要があった。そのため、光スイッチや光導波路型の素子
と光源との組み合わせ構成を困難なものにしていた。

【０００５】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、上記課題
を解決するために、ストリップライン状の高屈折率部分
をそれより低い屈折率媒体で囲んだ光導波路であって、
光の入射端における該高屈折率部分の寸法が広く且つそ
の寸法が奥に進むにしたがって狭くなる構造の光導波路
を形成する光導波路の製造方法において、次のような製
造手順を講じている。即ち、平坦基板上にマスクを形成
して選択的な１回目のイオン交換を行い、該平坦基板上
に前記ストリップライン状のイオン交換部分を形成し、
前記１回目のイオン交換で形成されたイオン交換部分の
前記入射端に対応する位置の近傍のみが開口したマスク
を形成し、選択的な２回目のイオン交換を行って前記平
坦基板に重ねてイオン交換した部分を作る。そして、前
記２回目のイオン交換の後、熱処理を施すことにより前
記高屈折率部分を形成するようにしている。第２の発明
は、第１の平坦基板に対して請求項１記載の１回目及び
２回目のイオン交換を行った後、前記第１の平坦基板上
に別の第２の平坦基板を密着させて高温中に放置するこ
とにより、前記高屈折率部分を形成すると共に該第１の
平坦基板と該第２の平坦基板を直接接合するようにして
いる。

【０００６】第３の発明は、ストリップライン状の高屈
折率部分をそれより低い屈折率媒体で囲んだ光導波路で
あって、光の入射端における該高屈折率部分の寸法が広
く且つその寸法が奥に進むにしたがって狭くなる構造の
光導波路を形成する光導波路の製造方法において、次の
ような製造手順を講じている。即ち、平坦基板上にマス
クを形成して選択的な１回目の金属の熱拡散を行い、該
平坦基板上に前記ストリップライン状の拡散部分を形成
し、前記１回目の金属の熱拡散で形成された拡散部分の
前記入射端に対応する位置の近傍のみが開口したマスク
を形成し、選択的な２回目の金属の熱拡散を行って前記
高屈折率部分を形成するようにしている。第４の発明
は、第１の平坦基板に対して第３の発明における１回目
及び２回目の金属の熱拡散を行った後、前記第１の平坦
基板上に別の第２の平坦基板を密着させて高温中に放置
し、該第１の平坦基板と該第２の平坦基板を直接接合す
るようにしている。第５の発明は、第２の発明または第
４の発明の第２の平坦基板における第１の平坦基板と接
合される面の、前記入射端に対応する位置の近傍には、
前記イオン交換された部分または前記金属の熱拡散され
た拡散部分を形成する。

【０００７】

【作用】第１の発明によれば、以上のように光導波路の
製造方法を構成しているので、１回目のイオン交換によ
って、平坦基板の表面にストリップライン状のイオン交
換部分が、形成される。２回目のイオン交換によって、
光導波路の入射端に対応する部分に重ねてイオン交換さ
れた部分が形成される。重ねてイオン交換された部分の
深度は、１回のみイオン交換された部分よりも深くなっ
ている。そのため、熱処理を受けることによって形成さ
れる高屈折率部分は、入射端の近傍の寸法が広くなる。
即ち、光の入射端における該高屈折率部分の寸法が広く
且つその寸法が奥に進むにしたがって狭くなる構造の光
導波路が形成される。第２の発明によれば、第１の平坦
基板に対して第１の発明における１回目及び２回目のイ
オン交換が行われる。その後、第１の平坦基板上に第２
の平坦基板を密着させて高温中に放置することによっ
て、高屈折率部分が形成されると共に第１の平坦基板と
第２の平坦基板が直接接合される。

【０００８】第３の発明によれば、１回目の熱拡散によ
って、平坦基板上にストリップライン状の拡散部分が形
成される。拡散部分は基板の他の部分よりも高屈折率と
なる。１回目の金属の熱拡散で形成された拡散部分の入
射端に対応する位置の近傍のみに対して、２回目の熱拡
散が行われる。２回目の熱拡散によって形成される拡散
部分の深度は、深くなっており、入射端の高屈折率部分
が他の部分に比べて広くなる。第４の発明によれば、第
１の平坦基板に対して第３の発明における１回目及び２
回目の金属の熱拡散が行われる。その後、第１の平坦基
板上に第２の平坦基板を密着させて高温中に放置するこ
とによって、第１の平坦基板と第２の平坦基板が直接接
合される。第５の発明によれば、第２の発明または第４
の発明における第２の平坦基板に、イオン交換された部
分または金属の熱拡散された拡散部分が形成されてお
り、それらが、光導波路の入射端の高屈折率部分の一部
となる。従って、前記課題を解決できるのである。

【０００９】

【実施例】本発明は、基板に形成された線状の高屈折率
部分を、それより低い屈折率媒体で囲まれた光導波路で
あり、かつ、入射端における該高屈折率部分が広くかつ
奥に進むにしたがってその寸法が狭くなる構造の光導波
路の製造方法に関するものである。入射端における高屈
折率部分が広く形成された光導波路においては、入射開
口比（Numerical Aperture；以下、ＮＡという）が大き
くなり、入射光と光導波路の入射端の位置合わせ精度を
緩和することができる。第１の実施例図１（１）〜（３）は、本発明の第１の実施例の光導波
路の製造方法を示す斜視図である。本実施例の光導波路
の製造方法では、材質がＬｉＮｂＯ₃の基板５０に、既
存の技術のイオン交換法を２度施してイオン交換を行
い、入射端における高屈折率部分が広い構造の光導波路
を形成する。まず、図１の（１）のように、基板５０に
対してリフトオフ等のフォトリソグラフィ技術を用い
て、表面の光導波路を形成する位置を除いた部分にマス
ク５１を形成する。マスク材料にはクロム（Ｃｒ）等の
金属膜を用いる。次に、マスク５１が形成された基板５
０が、安息香酸の２００℃溶液中に３０分程度浸され
る。これにより、１回目のイオン交換、つまりＬｉ⁺と
Ｈ⁺の交換が行われる。

【００１０】１回目のイオン交換の後、再び基板５０に
マスク５２が形成される。マスク５２はクロム（Ｃｒ）
等の金属膜であり、図１の（２）のように、光導波路の
入射端に相当する位置のみが開口した形状となってい
る。マスク５２が形成された基板５０は、１回目のイオ
ン交換と同様に、安息香酸の２００℃溶液中に３０分程
度浸される。つまり、２回目のイオン交換が行われ、光
導波路の入射端には重ねてイオン交換された部分が作ら
れる。図１の（３）は、図１の（２）におけるマスク５
２の実際の様子を理解し易くするための図である。実際
に光導波路を形成する場合、ウエハ上に複数の高屈折率
部分となるイオン交換部５３を形成し、図１の（１）及
び（２）に示すようなダイス状に切断する。２回目のイ
オン交換のとき、その切断によって光導波路の入出力断
面となる部分のみにイオン交換が行えるように、その部
分の開口したマスク５２が施される。このとき、１回目
のイオン交換で使用したマスク５１は剥がさずに、２回
目のイオン交換のマスク５２が施される。このようにす
ると、１回目のイオン交換で使用したマスク５１を利用
してマスク５２を形成することができ、位置合わせが容
易となる。２回目のイオン交換の後、ウエハはダイスに
切断される。各ダイスのクロムマスクが、硝酸第二セリ
ウムアンモニア水溶液で取り除かれ、素子の形状が完成
する。次に、３００℃程度で３０分から１時間程度の熱
処理が行われる。即ち、アニールが行われ、各素子に高
屈折率部分が形成される。

【００１１】図４（１），（２）は、図１の光導波路の
高屈折率部分を示す図である。１回目のイオン交換によ
って、図４の（１）のように、基板５０の上部にはスト
リップライン状のイオン交換部分５３が形成される。２
回目のイオン交換によって、図４の（２）のように、イ
オン交換部分５３の両側に、イオン交換部分５４が形成
される。イオン交換部分５４は、重ねてイオン交換され
ているので、イオン交換の深度が深くなっている。アニ
ール処理によって、イオン交換部分５３，５４が、基板
５０の他の部分よりも高屈折率となった光導波路が形成
される。即ち、入射端の部分の高屈折率部分が広い構造
の光導波路が形成される。以上のように、本実施例で
は、２回のイオン交換を施すことにより、入射端におけ
る高屈折率部分が広い構造の光導波路を形成している。
このように形成された光導波路は、通常の光導波路の入
射端に凸レンズをはめ込んだのと等価な屈折率構造とな
っている。長さ方向に均一な寸法の高屈折率部分を有す
る通常の光導波路のＮＡが、ほぼ０．３前後であるのに
対し、通常のレンズでは０．５以上が得られる。本実施
例で形成される光導波路は、実質的にＮＡが大きく、入
射条件が従来の光導波路よりも、甘くなる。また、入射
端での光導波路の寸法が実質的に広くなっているので、
入射光の焦点光の位置ずれが、それだけ広く許容できる
ことになる。

【００１２】第２の実施例レンズによるカップリングにしろバットカップリングに
しろ、光導波路に対する結合効率を高くするためには、
入射光のモードと入射して光導波路中を伝搬する光のモ
ードとが、似ていることが望ましい。そのためには、光
導波路の屈折率構造が３６０度対称である方がよい。な
ぜならば、入射光を形成するレンズや光ファイバでは、
光りの伝搬方向と垂直な面内での屈折率分布が３６０度
対称であり、入射光のモードも３６０度対称である。光
の伝搬方向と垂直な面で考察すると、第１の実施例で形
成される光導波路の屈折率分布は、基板５０の屈折率分
布がほぼ２であるのに対し空気が１である。即ち、第１
の実施例は、改善の余地がある。図５は、本発明の第２
の実施例の光導波路の製造方法を示す斜視図である。図
５中の第１の基板５０は、第１の実施例で２回目のイオ
ン交換が終了した後、マスク５２を除去したものであ
る。この基板５０の上に第２の基板６０を重ねて直接接
合する。ここで、基板６０は基板５０と同一材質のＬｉ
ＮｂＯ₃の基板であり、且つ基板５０と基板６０の基板
結晶の面方位が揃えられて重ねられる。２枚の強誘電体
結晶基板を直接接合する技術は、次の文献に開示されて
いる。

【００１３】文献；１９９４年春季第４１回応用物理
学関係連合講演予稿集、［３］冨田他、“直接接合を
用いた単結晶ＬｉＮｂＯ₃光導波路技術”P.1051 各基板５０，６０の表面を予め洗浄して親水処理した
後、両方の基板５０，６０の表面を密着させる。基板５
０，６０を密着させた状態で、３００℃〜４００℃の熱
処理を行うことにより、それら基板５０，６０が直接接
合されると共に、各イオン交換部分５３，５４が高屈折
率部分になる。以上のように、本実施例では、基板５０
上に、基板６０を直接接合しているので、基板５０に形
成された高屈折率部分の上に、屈折率が約２の部分が形
成される。即ち、近似的に光導波路の屈折率構造を対称
にすることができる。

【００１４】第３の実施例図６は、本発明の第３の実施例の光導波路の製造方法を
示す斜視図である。第１の基板５０は、第１の実施例で
２回目のイオン交換が終了した後、マスク５２を除去し
たものである。この基板５０の上に第２の実施例と異な
る第２の基板７０を重ねて直接接合する。ここで、基板
７０は基板５０と同一材質のＬｉＮｂＯ₃の基板であ
り、且つ基板５０に対抗する面の光導波路の入射端対応
する位置には、基板５０のイオン交換部５４と同じ条件
で形成されたイオン交換部分７１が形成されている。各
基板５０，７０の表面を予め洗浄して親水処理した後、
両方の基板５０，７０の表面を密着させる。基板５０と
基板７０の基板結晶の面方位が揃えられて重ねられる。
基板５０，７０を密着させた状態で、３００℃〜４００
℃の熱処理を行うことにより、それら基板５０，７０が
直接接合されると共に、各イオン交換部分５３，５４，
７１が高屈折率部分になる。図７は、図６の光導波路の
断面図である。本実施例によれば、イオン交換部５４と
同じ条件で形成されたイオン交換部分７１を入射端の位
置に有した基板７０を、基板５０上に直接接合している
ので、入射端においても３６０度対称の屈折率構造を有
した光導波路を形成することができる。

【００１５】なお、本発明は、上記実施例に限定されず
種々の変形が可能である。その変形例としては、例えば
次のようなものがある。（ａ）第１〜第３の実施例では、イオン交換法で高屈
折率部分を形成しているが、高屈折率部分は、例えばチ
タン（Ｔｉ）等の金属の熱拡散でも形成することができ
る。この場合、リフトオフ法等で選択した基板上の部分
に、真空蒸着等でＴｉの薄膜を形成し、１回目の熱拡
散、つまり、即ち１１５０の℃程度の熱処理を行ってお
こなうことでストリップライン状の高屈折率部分が基板
に形成される。続いて、入射端に対応する部分のみに、
２回目のＴｉの熱拡散を行うことにより、第１の実施例
と同様に、入射端の近傍付近の高屈折率部分が広がった
光導波路が形成され、同様の効果を奏することができ
る。従って、熱拡散法を用いることにより、第２の実施
例及び第３の実施例に対応する光導波路を形成すること
ができる。（ｂ）図１及び図４で、２回目のイオン交換で形成さ
れるイオン交換部５４は、イオン交換部５３と同じ幅で
描かれているが、イオン交換部５３の幅に対して数倍程
度広く形成されてもよい。（ｃ）基板５０，６０，７０の材質はＬｉＮｂＯ₃に
限定されない。例えば、ＬｉＴａＯ₃やガラス等でも、
上記実施例と同様の光導波路を形成することができる。（ｄ）第１〜第３の実施例ではイオン交換種を安息香
酸としているが、例えば、ピロリン酸等のイオン交換種
を用いても、上記実施例と同様の光導波路を形成するこ
とができる。（ｅ）図８は、図６の変形例を示す図である。図８の
ように、入射端の存在する端面を外側に凸となるように
研磨すると、入射光と光導波路の入射端の位置合わせ精
度を、さらに緩和することができる。

【００１６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、第１の発明
によれば、基板表面にストリップライン状のイオン交換
部分を形成する１回目のイオン交換と、光導波路の入射
端に対応する部分に重ねてイオン交換された部分を形成
する２回目のイオン交換とを行うので、重ねてイオン交
換された部分の深度は、１回のみイオン交換した部分よ
りも深くなっている。よって、熱処理を受けることによ
って形成される高屈折率部分は、入射端の近傍の寸法が
広くなる。即ち、光の入射端における該高屈折率部分の
寸法が広く且つその寸法が奥に進むにしたがって狭くな
る構造の光導波路が形成できる。入射端の高屈折率部分
が広くされた光導波路においては、入射光との位置合わ
せ精度が緩くなる。第２の発明によれば、第１の平坦基
板に対して第１の発明における１回目及び２回目のイオ
ン交換を行った後に、第２の平坦基板を密着させて熱処
理で故屈折率部分を形成すると共に直接接合する。その
ため、高屈折率部分の上部に第２の平坦基板が接合さ
れ、第１の発明よりも、対称性にすぐれた屈折率構造の
光導波路を形成することができる。

【００１７】第３の発明によれば、基板表面にストリッ
プライン状の拡散部分を形成する１回目の金属の熱拡散
と、光導波路の入射端に対応する部分に重ねて拡散部分
を形成する２回目の金属の熱拡散とを行うので、重ねて
熱拡散された部分の深度は、１回のみ熱拡散した部分よ
りも深くなっている。よって、熱拡散によって形成され
る高屈折率部分は、入射端の近傍の寸法が広くなり、第
１の発明と同様に、入射光との位置合わせ精度が緩くな
る。第４の発明によれば、第１の平坦基板に対して第３
の発明における１回目及び２回目の金属の熱拡散を行っ
た後に、第２の平坦基板を密着させて熱処理で直接接合
する。そのため、高屈折率部分の上部に第２の平坦基板
が接合され、第３の発明よりも、対称性にすぐれた屈折
率構造の光導波路を形成することができる。第５の発明
によれば、第２の発明または第４の発明において、第２
の平坦基板における第１の平坦基板と接合される面の、
前記入射端に対応する位置の近傍には、イオン交換され
た部分または金属の熱拡散された拡散部分が形成されて
いる。それらの部分を第１の平坦基板と同一条件のイオ
ン交換または熱拡散で行うことにより、形成された光導
波路は３６０度対称の屈折率構造を有することになり、
結合効率が上昇する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の光導波路の製造方法を
示す斜視図である。

【図２】従来の光導波路を示す図である。

【図３】図２の他の結合方法であるバットカップリング
を示す断面図である。

【図４】図１の光導波路の高屈折率部分を示す図であ
る。

【図５】本発明の第２の実施例の光導波路の製造方法を
示す斜視図である。

【図６】本発明の第３の実施例の光導波路の製造方法を
示す斜視図である。

【図７】図６の光導波路の断面図である。

【図８】図６の変形例を示す図である。

【符号の説明】

５０基板（第１の平坦基板）５１，５２マスク５３，５４，７１イオン交換部分６０，７０基板（第２の平坦基板）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ストリップライン状の高屈折率部分をそ
れより低い屈折率媒体で囲んだ光導波路であって、光の
入射端における該高屈折率部分の寸法が広く且つその寸
法が奥に進むにしたがって狭くなる構造の光導波路を形
成する光導波路の製造方法において、平坦基板上にマスクを形成して選択的な１回目のイオン
交換を行い、該平坦基板上に前記ストリップライン状の
イオン交換部分を形成し、前記１回目のイオン交換で形成されたイオン交換部分の
前記入射端に対応する位置の近傍のみが開口したマスク
を形成し、選択的な２回目のイオン交換を行って前記平
坦基板に重ねてイオン交換した部分を作り、前記２回目のイオン交換の後、熱処理を施すことにより
前記高屈折率部分を形成することを特徴とする光導波路
の製造方法。
【請求項２】第１の平坦基板に対して請求項１記載の
１回目及び２回目のイオン交換を行った後、前記第１の
平坦基板上に別の第２の平坦基板を密着させて高温中に
放置することにより、前記高屈折率部分を形成すると共
に該第１の平坦基板と該第２の平坦基板を直接接合する
ことを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項３】ストリップライン状の高屈折率部分をそ
れより低い屈折率媒体で囲んだ光導波路であって、光の
入射端における該高屈折率部分の寸法が広く且つその寸
法が奥に進むにしたがって狭くなる構造の光導波路を形
成する光導波路の製造方法において、平坦基板上にマスクを形成して選択的な１回目の金属の
熱拡散を行い、該平坦基板上に前記ストリップライン状
の拡散部分を形成し、前記１回目の金属の熱拡散で形成された拡散部分の前記
入射端に対応する位置の近傍のみが開口したマスクを形
成し、選択的な２回目の金属の熱拡散を行って前記高屈
折率部分を形成することを特徴とする光導波路の製造方
法。
【請求項４】第１の平坦基板に対して請求項３記載の
１回目及び２回目の金属の熱拡散を行った後、前記第１
の平坦基板上に別の第２の平坦基板を密着させて高温中
に放置し、該第１の平坦基板と該第２の平坦基板を直接
接合することを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項５】前記第２の平坦基板における前記第１の
平坦基板と接合される面の前記入射端に対応する位置の
近傍には、前記イオン交換された部分または前記金属の
熱拡散された拡散部分が形成されていることを特徴とす
る請求項２または４記載の光導波路の製造方法。