JPH0954293A

JPH0954293A - 光導波路素子

Info

Publication number: JPH0954293A
Application number: JP20949095A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Nakayama; 徹生中山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-08-17
Filing date: 1995-08-17
Publication date: 1997-02-25

Abstract

(57)【要約】【課題】光導波路素子上の形成された金属薄膜電極の
ような一対の電極は、大気中の水分などによる損傷を受
けやすく、電気光学変調器としての機能を果たさなくな
る。【解決手段】例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ
Ｏ₃、以下ＬＮという。）よりなる結晶基板２に例えば
チタン（Ｔｉ）を熱拡散して光導波路３を形成し、この
光導波路３を挟み込むように結晶基板表面２に例えば一
対のアルミニウム（Ａｌ）薄膜電極よりなる電気光学変
調器である光変調器４を設け、この光変調器４を例えば
二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）よりなる保護膜５で保護して
なる。保護膜５は、光変調器４をすべて覆うように形成
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、結晶基板に光導波
路が形成された光導波路素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】光の周波数を変調し光の波長を変換する
波長変換素子としては、光波が伝搬する媒質内に弾性波
である音響波を用いて歪を発生させ、その歪により生じ
た屈折率変化を利用して光を変調する音響光学変調器を
用いたバルク型波長変換素子がある。しかし、このバル
ク型波長変換素子は、音響光学変調器を用いているため
高価であり、小型化も困難であった。

【０００３】そこで、結晶中に結晶よりも屈折率の大き
い光導波路を作製し、そのなかに光波を閉じこめ、該光
導波路近傍に形成された一対の金属薄膜電極からなる電
気光学変調器を用いて該光導波路に電界を印加し、屈折
率を変化させて光を変調する光導波路型波長変換素子
（以下、光導波路素子という。）が考えられてきた。光
導波路と一対の金属薄膜電極は、フォトリソグラフィー
により作製できるため、安価で小型化が可能なためであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記金属薄
膜電極のような一対の電極は、大気中の水分などによる
損傷を受けやすく、上記電気光学変調器としての機能を
果たさなくなる。

【０００５】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
であり、上記一対の電極を水分などから保護することの
できる光導波路素子の提供を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光導波路素
子は、上記課題を解決するために、結晶基板に形成され
た光導波路内を透過する光を変調させるために用いられ
る一対の電極を保護膜で保護する。

【０００７】ここで、上記保護膜が流動性を持つ接着剤
である場合には、液だれを防止する構造を備える。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る光導波路素子
の実施の形態について図面を参照しながら説明する。こ
の実施の形態は、図１及び図２に示すように、例えばニ
オブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃、以下ＬＮという。）よ
りなる結晶基板２に例えばチタン（Ｔｉ）を熱拡散して
光導波路３を形成し、この光導波路３を挟み込むように
結晶基板表面２に例えば一対のアルミニウム（Ａｌ）薄
膜電極よりなる電気光学変調器である光変調器４を設
け、この光変調器４を例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）
よりなる保護膜５で保護してなる光導波路素子である。
保護膜５は、光変調器４をすべて覆うように形成されて
いる。光変調器４の各々には変調電圧が印加できるよう
にワイヤー６が接続されている。光導波路３は、ワイヤ
ー６から変調電圧が印加された光変調器４によって屈折
率が変化される。この屈折率が変化された光導波路３に
よって光は変調される。

【０００９】ここで、上記光導波路素子１における光導
波路３の形成工程について図３を参照しながら説明す
る。先ず、図３の（ａ）に示す結晶基板２上に液状レジ
ストをスピンコーディングし、熱乾燥させて図３の
（ｂ）に示すようにレジスト膜７を形成する。このレジ
スト膜７に図３の（ｃ）に示すようにフォトマスク８を
通して光Ｌを照射する。フォトマスク８を通して光Ｌが
照射されたレジスト膜７を現像すると、図３の（ｄ）に
示すようなレジストパターンが得られる。このレジスト
パターンの全面に蒸着法により図３の（ｅ）に示すよう
にＴｉ膜９を形成する。レジストパターンの全面に形成
されたＴｉ膜９は、レジスト膜７上のＴｉ膜９がリフト
オフ法により剥離されることにより、図３の（ｆ）に示
すようにＴｉパターン９’として所望の位置のみに残
る。そして、最後にＴｉパターン９’を１０００℃以上
の温度で数時間熱拡散することによりＴｉ拡散された光
導波路３を形成することができる。

【００１０】次に、光変調器４の形成工程について図４
を参照しながら説明する。先ず、図４の（ａ）に示すよ
うな光導波路３が形成された結晶基板２上に液状レジス
トをスピンコーディングし、熱乾燥させて図４の（ｂ）
に示すようにレジスト膜１０を形成する。このレジスト
膜１０に図４の（ｃ）に示すようにフォトマクス１１を
通して光Ｌを照射する。フォトマスク１１を通して光Ｌ
が照射されたレジスト膜１０を現像すると、図４の
（ｄ）に示すようなレジストパターンが得られる。この
レジストパターンの全面に蒸着法により図４の（ｅ）に
示すようにＡｌ膜１２を形成する。レジストパターンの
全面に形成されたＡｌ膜１２は、レジスト膜１０上のＡ
ｌ膜１２がリフトオフ法により剥離されることにより、
図４の（ｆ）に示すようにＡｌパターン１２’として所
望の位置のみに残る。ここでは、光導波路３を挟み込む
ような位置にＡｌパターン１２’を残して光変調器４を
形成している。

【００１１】そして、このＡｌパターン１２’として形
成された光変調器４の全面を覆うように、蒸着法により
ＳｉＯ₂を例えば３０００オングストローム堆積し保護
膜５を形成する。

【００１２】このように、光変調器４上には、保護膜５
がすべてを覆うように形成されているので、変調器４は
大気中の水分による損傷を受けることがなく、上記光を
変調できる。

【００１３】なお、実施の形態となる光導波路素子１の
保護膜５の厚さは、上述したように３０００オングスト
ローム程度であるが、水分に対して保護ができれば特に
膜厚についての制限はない。また、保護膜５の大きさは
光変調器４を完全に覆う大きさであれば問題はない。

【００１４】また、保護膜５の材料としては、ＳｉＯ₂
をあげたが、炭化ケイ素ＳｉＣや窒化ケイ素ＳｉＯ₄な
どのケイ素化合物を用いてもよい。また、このときの成
膜方法としては、蒸着法以外にスパッタリング法やプラ
ズマＣＶＤ法を用いてもよい。

【００１５】さらに、保護膜５の材料としては、流動性
を持つ接着剤を用いてもよい。流動性を持つ接着剤とし
ては、熱硬化性接着剤や紫外線硬化性接着剤がある。い
ずれにしてもこのような流動性を持つ接着剤で上記光変
調器４を覆うようにすれば大気中の水分による損傷を防
止できる。

【００１６】ところで、上記流動性を持つ接着剤は、粘
性が小さいので、硬化するまでの間、例え光変調器４の
みを覆うように結晶基板２上に塗布したとしても、液だ
れを起こしてしまい、結晶基板２の表面近傍に存在する
光導波路３の端部を覆い、光の入力及び出力を妨げる恐
れがある。

【００１７】そこで、保護膜として流動性を持つ接着剤
を使う場合、本発明では図５の（ａ）及び図５の（ｂ）
に示すように、光導波路素子２０の結晶基板２の表面上
の四方に例えばＬＮよりなる防護壁２１を設けている。
以下、この光導波路素子２０を他の実施の形態として説
明する。すなわち、この光導波路素子２０は、ＬＮより
なる結晶基板２にＴｉを熱拡散して光導波路３を形成
し、この光導波路３を挟み込むように結晶基板表面２に
一対のＡｌ薄膜電極よりなる電気光学変調器である光変
調器４を設け、この光変調器４を例えばポリイミドのよ
うな熱硬化性接着剤よりなる保護膜２２で保護してい
る。さらに、この光導波路素子２０は、上記熱硬化性接
着剤が硬化するまでの間の液だれを防止するために防護
壁２１を結晶基板２の表面の四方に接着している。この
ため、この光導波路素子２０の結晶基板２表面には防護
壁２１により囲いができるので流動性を持つ接着剤より
なる保護膜２２は結晶基板２表面からこばれずにとどま
り、光導波路３の入力及び出力端部が覆われるのを防ぐ
ことができる。

【００１８】上記光導波路素子２０では、結晶基板２表
面の四方にＬＮよりなる防護壁２１を接着して囲いを形
成したが、変形例として図６の（ａ）に示すような光導
波路ホルダー２３を用いて防護壁を形成してもよい。光
導波路ホルダー２３の側面２３ａ、２３ｂは背の高い壁
とされている。また、光導波路ホルダー２３の前面２３
ｃと後面２３ｄは、図６の（ｂ）に示す結晶基板２を収
納したとき、該結晶基板２の上部に光導波路ホルダー２
３の一部が突出するような構成とされている。光導波路
ホルダー２３の前面２３ｃと後面２３ｄには、結晶基板
２の端面２ａ及び端面２ｂを隠してしまわないようなス
ペースを空けている。結晶基板２と光導波路ホルダー２
３との隙間は接着剤などで目張りされている。このた
め、図６の（ｃ）に示すように光導波路ホルダー２３に
結晶基板２を装着すると、結晶基板２上に光変調器４を
覆うように塗布した流動性を持つ接着剤よりなる保護膜
２２は、結晶基板２からこぼれず光導波路３の入力端３
ａ及び出力端３ｂを覆うことがない。

【００１９】さらに他の変形例としては、図７の（ｃ）
に示すように光導波路ホルダー２４とＬＮよりなる防護
壁２５ａ、２５ｂを備えた光導波路素子でもよい。結晶
基板２の前後の端面には、図７の（ｂ）に示すようにＬ
Ｎよりなる防護壁２５ａと防護壁２５ｂが接着剤により
張り付けられている。このため、光導波路ホルダー２４
は、側面２４ａ、２４ｂを背の高い壁としていればよ
い。つまりこの変形例は、図７の（ａ）に示すような光
導波路ホルダー２４に図７の（ｂ）に示すような結晶基
板２を収納することにより、四方に壁を作り、結晶基板
２上に光変調器４を覆うように塗布した流動性を持つ接
着剤よりなる保護膜２２を、結晶基板２からこぼさず、
光導波路３の入力端３ａ及び出力端３ｂを覆わせること
がない。

【００２０】さらにまた、他の変形例としては、結晶基
板の側面にＬＮの防護壁がある場合には、前面と後面に
高い壁のある導波路ホルダーを用いればよい。

【００２１】ここで、結晶基板２上に接着した上記防護
壁はＬＮを用いたが、例えばガラスやアルミ等の他の材
料でもよい。また、光導波路ホルダー２３及び２４は一
般的には、ステンレスやアルミ等の金属材料が適する
が、上述したような加工が可能であれば特に限定される
ものではない。

【００２２】なお、上記光導波路素子１や上記光導波路
素子２０等は、図８に示すようなレーザドップラー速度
計の電気光学変調器に適用することができる。レーザド
ップラー速度計は、振動している物体にレーザビームを
照射し、ドップラー現象により変化した周波数を利用し
て振動している物体の速度を測定する装置である。この
レーザドップラー速度計では、物体の振動現象の方向性
も検出するために光を変調する必要があり、上記光導波
路素子１や上記光導波路素子２０等を適用すると好まし
い。

【００２３】図８にレーザドップラー速度計３０の概略
構成をレーザビームの波形と共に示す。先ず、極めて高
い周波数を持つレーザビームＬ₀は、偏向ビームスプリ
ッタ（ＰＢＳ）３１により２方向に分けられる。その内
の一つは、ＰＢＳ３２と、１／４波長板３３を透過し
て、被測定物である振動物体３４に照射される。振動物
体３４で反射した戻り光Ｌ₁は、ドップラー効果によ
り、振動物体３４の速度に比例した周波数偏移を受けて
いる。戻り光Ｌ₁は再び１／４波長板３３を通過し、Ｐ
ＢＳ３２に入射する。ここで、戻り光Ｌ₁は１／４波長
板３３により偏光方向が９０゜回転されているので、Ｐ
ＢＳ３２により反射される。

【００２４】ＰＢＳ３１で２つに分けられた他方は、上
記光導波路素子１や上記光導波路素子２０等を用いた変
調部３５により変調を受けて、変調レーザビームＬ₂と
なり、ＰＢＳ３６に入射する。変調レーザビームＬ₂と
ミラー３７で反射された上記戻り光Ｌ₁は、偏光板３８
を通過して、同じ偏光成分が干渉し、ビート信号Ｌ₃が
発生する。このビート信号Ｌ₃を例えばフォトディテク
タのような光検出器３９で検出して電気信号に変換して
から、復調器４０で復調し、復調速度信号Ｓ₀を得る。

【００２５】以下に、このレーザドップラー速度計３０
の動作原理を説明する。レーザ光源より出射された周波
数ｆ₀のレーザビームＬ₀は、ＰＢＳ３１を介して振動物
体３４への入射ビーム系と、機器内部で戻される参照ビ
ーム系の２系統に分割される。入射ビーム系側に進んだ
レーザビームＬ₀は、さらにＰＢＳ３２を介して振動物
体３４に照射され、振動物体３４の持つ速度に応じてド
ップーラシフトを起こした戻り光Ｌ₁となり、１／４波
長板３３、ＰＢＳ３２を介してミラー３７に供給され
る。ここで、シフト周波数をｆ_Dとすると、ドップラー
シフトはｆ₀±ｆ_Dとなる。一方、参照ビーム系側に進ん
だレーザビームＬ₀は、レーザビームそのものの持つ周
波数ｆ₀が極めて高く直接測定が困難なことから、検出
しやすいように変調部３５を介して周波数がｆ₀±ｆ_Mと
変調され変調レーザビームＬ₂となる。

【００２６】振動物体３４に当たって反射してきた戻り
光Ｌ₁は、ドップラーシフトをおこしているので、参照
光となる上記変調レーザビームＬ₂と干渉させると、ｆ_M
＋ｆ_Dのビート周波数のビート信号Ｌ₃が発生するため、
ドップラー周波数の正負すなわち往復運動である振動速
度と振動方向が判別できる。

【００２７】ビート信号Ｌ₃は、さらに光検出器３９で
ドップラーシフトした周波数分（ｆ_D）だけ取り出さ
れ、復調器４０でＦＭ復調されて振動物体の振動速度に
応じた電気信号とされた後、電圧出力として出力され
る。

【００２８】このレーザドップラー速度計３０では、変
調部３５に上記光導波路素子１や上記光導波路素子２０
等を用いているので、参照光となる変調レーザビームに
ノイズを発生させない。すなわち、変調レーザビームを
出力する上記光導波路素子１や上記光導波路素子２０
は、保護膜５で光変調器４を覆い、該光変調器４が大気
中の水分によって損傷を受けるのを防いでいるので、ノ
イズの無い変調レーザビームを出力できる。

【００２９】また、本発明に係る光導波路素子は、図９
及び図１０に示すような光スイッチ装置４１にも適用で
きる。この光スイッチ装置４１は、ＬＮよりなる結晶基
板４２にＴｉを熱拡散して４本の光導波路４３ａ、４３
ｂ、４３ｃ及び４３ｄを形成している。光導波路４３
ａ、４３ｂ、４３ｃ及び４３ｄは、一直線状に形成され
ているものではなく、図示するように隣接する他の光導
波路に近接する部分のみが平行な直線状になっている。
この平行な直線状部分が、方向性結合器Ｓ₁、Ｓ₂、
Ｓ₃、Ｓ₄及びＳ₅を形成している。すなわち、方向性結
合器Ｓ₁及びＳ₂は、光導波路４３ａと光導波路４３ｂの
近接部分に形成される。また、方向性結合器Ｓ₃及びＳ₄
は、光導波路４３ｃと光導波路４３ｄの近接部分に形成
される。また、方向性結像器Ｓ₅は、光導波路４３ｂと
光導波路４３ｃの近接部分に形成される。

【００３０】一般的な方向性結合器は、原理的に２本の
光導波路間で１００％の光パワーの授受が可能である。
これは光導波路を電搬する光は、導波路の外側に指数関
数的に減少する電磁界成分（エバネッセント波）を有し
ているので、２つの光導波路が近接して配置されると、
このエバネッセント波を介して電磁波の重なりが生じ、
両光導波路間での光パワーの交換が可能になるためであ
る。

【００３１】また、光パワーの移動の割合は２つの光導
波路間の電搬定数差により決定できる。電搬定数差は、
光導波路上に作製した電極に印加する電圧に差を持たせ
ることにより変化できる。このため、光パワーの制御が
でき、光スイッチングが可能となる。

【００３２】図９に示す光スイッチ装置４１では、方向
性結合器Ｓ₁を形成する光導波路４３ａ及び４３ｂ上に
電極４４_S1及び４５_S1を、方向性結合器Ｓ₂を形成する
光導波路４３ａ及び４３ｂ上に電極４４_S2及び４５
_S2を、方向性結合器Ｓ₃を形成する光導波路４３ｃ及び
４３ｄ上に電極４６_S3及び４７_S3を、方向性結合器Ｓ₄
を形成する光導波路４３ｃ及び４３ｄ上に電極４６_S4及
び４７_S4を、方向性結合器Ｓ₅を形成する光導波路４３
ｂ及び４３ｃ上に電極４５_S5及び４６_S5を形成してい
る。この光スイッチ装置４１のＺＺ’での断面を図１０
に示す。各電極４４_S1、４５_S1、４４_S2、４５_S2、４６
_S3、４７_S3、４６_S4、４７_S4は、例えばＳｉＯ₂からな
る保護膜４８により覆われているので、大気中の水分に
よる損傷を受けることがない。また、各電極には、ワイ
ヤー４９が接続されている。

【００３３】光スイッチ装置４１は、半導体レーザ５０
から出射され対物レンズ５１で集光されて入力ファイバ
５２により導かれたレーザビームを光導波路４３ｃから
取り入れた後、上記方向性結合器Ｓ₃、Ｓ₅及びＳ₂を使
って、出力ファイバアレイ５３ａ、５３ｂ、５３ｃ及び
５３ｄに選択的に導出することができる。同様のこと
は、入力ファイバ５２からの入射光を他の光導波路４３
ａ、４３ｂ及び４３ｃで取り入れた後にも上記方向性結
合器Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₃、Ｓ₄及びＳ₅を用いれば可能であ
る。

【００３４】また、その際の光パワーの移行の割合は、
ワイヤー４９を介して各電極４４_S1、４５_S1、４４_S2、
４５_S2、４６_S3、４７_S3、４６_S4、４７_S4、４５_S5及び
４６_S5に印加する電圧によって制御できる。

【００３５】保護膜４８として流動性を持つ接着剤を用
いた場合には、上述したような液だれ防止構造を採用す
ることにより、上記接着剤が硬化前に液だれを起こし、
光導波路の入力端及び出力端を塞いでしまうのを防止で
きる。

【００３６】なお、上記実施の形態の光導波路素子１、
他の実施の形態となる光導波路素子２０、及び上記光ス
イッチ装置４１では、Ｔｉを熱拡散して光導波路を形成
したが、Ｎｉ、Ｃｕを熱拡散して光導波路を形成しても
よい。

【００３７】また、熱拡散法により光導波路を作製する
以外にも、加熱した安息香酸溶液中にＬＮを浸してＬｉ
＋→Ｈ＋の交換を起こし高屈折率層を形成し光導波路を
得るプロトン交換法や、イオン交換法やイオン注入法な
どを用いて光導波路を作製してもよい。

【００３８】また、結晶基板２及び４２にＬＮを用いた
が、ＬＮ以外にリチウム酸タンタル（ＬｉＴａＯ₂）や
ＫＴｉＯＰＯ₄を用いてもよい。

【００３９】また、光変調器４をＡｌで作製している
が、Ａｌ以外にＴｉ−ＡｕやＣｒ−Ａｕなどを用いて作
製してもよい。

【００４０】また、光導波路及び光変調器の金属パター
ンの堆積を蒸着法により作製しているが、蒸着法以外に
スパッタリング法を用いて作製してもよい。

【００４１】また、光導波路及び光変調器の金属パター
ンの形成をリフトオフ法により作製しているが、リフト
オフ法以外にエッチング法を用いて作製してもよい。

【００４２】

【発明の効果】本発明に係る光導波路素子は、結晶基板
に形成された光導波路内を透過する光を変調させるため
に用いられる一対の電極を保護膜で保護するので、上記
一対の電極を大気中の水分から保護できる。

【００４３】ここで、上記保護膜が流動性を持つ接着剤
である場合には、液だれを防止する構造を備えるので、
液だれによる光導波路の入力端及び出力端の閉塞を防止
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光導波路素子の実施の形態の概略
構成を示す模式図である。

【図２】上記実施の形態の断面図である。

【図３】上記実施の形態で用いられる光導波路の形成工
程を示す工程図である。

【図４】上記実施の形態で用いられる光変調器及び保護
膜の形成工程を示す工程図である。

【図５】本発明に係る光導波路素子の他の実施の形態の
概略構成を示す模式図である。

【図６】上記他の実施の形態の変形例を示す模式図であ
る。

【図７】上記他の実施の形態の他の変形例を示す模式図
である。

【図８】上記実施の形態及び上記他の実施の形態を適用
して好ましいレーザドップラー速度計の概略構成図であ
る。

【図９】本発明に係る光導波路素子の他の適用例となる
光スイッチ装置の模式図である。

【図１０】上記光スイッチ装置の断面図である。

【符号の説明】

１、２０光導波路素子２結晶基板３光導波路４光変調器５、２２保護膜２１防護壁２３、２４光導波路ホルダー３０レーザドップラー速度計３５変調部４１光スイッチ装置４２結晶基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶基板に光導波路が形成された光導波
路素子において、上記光導波路近傍の上記結晶基板表面に設けられた一対
の電極と、上記一対の電極上に形成された保護膜とを備えることを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】上記保護膜はケイ素化合物であることを
特徴とする請求項１記載の光導波路素子。
【請求項３】上記保護膜は流動性を持つ接着剤である
ことを特徴とする請求項１記載の光導波路素子。
【請求項４】上記流動性を持つ接着剤の液だれを防止
する構造を備えることを特徴とする請求項３記載の光導
波路素子。
【請求項５】振動している物体にレーザビームを照射
してドップラー効果により変化した上記レーザビームの
周波数を利用して上記物体の速度を測定するレーザード
ップラー速度計における電気光学変調器として使われる
ことを特徴とする請求項１記載の光導波路素子。
【請求項６】光スイッチとして使われることを特徴と
する請求項１記載の光導波路素子。