JPS59124306A - 光集積回路素子およびその作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光偏向器、光変調器などの機能素子な実現する
ための光集積回路素子及びその作製方法に関するもので
ある。

従来光集積回路を構成する先導波路に外部より光を導入
したり導波路中を伝播する光を導波路外へ導出する方法
として、プリズムカップラー、研摩した導波路端面から
直接光を導波路内圧導入するバットカプラー等が知られ
ている。プリズムカへ ツプラーは構成が最も簡便であるが、プリズムは高価で
かつ結合させる際にプリズムを導波路に押しつけるため
の治具等が光集積回路素子から突出し、素子を小型化か
つ低価格化するための大きな［Ｆとなっている。一方、
バットカップリングにより光を直接導波路端面に導入す
るには、光を導波路端面にサブミクｐンオーダーの精度
で設定する必要があり、極めて高価な２　、　ｙ　、　
ｇφ軸微調可能な移動回転ステージの使用を避けられな
い。

又薄い基板端面の研摩は極めて困難かつ高コストである
。従って、プリズムカップラー同様小型低価格の素子実
現にとって望ましくない。

かかる困難さを克服する手段として平面型回折格子を利
用した光結合器が提案されて℃・る［　Ｍ、　Ｌ。

Ｄａｋｅｅ　　ｅｔ、ａｌ、、　　Ａｐｐｌｉｅｄ　　
Ｐｈｙｓｉｃｓ　　ｌ１ｔｔｅｒｓ　１６（１２）。

５２３（１９７０）　：　Ｇｒａｔｉｎｇ　Ｃｏｕｐｌ
ｅｒ　Ｆｏｒ　ＥｆｆｉｃｉｅｎｔＥｘｃｉｔａｔｉｏ
ｎ　Ｏｆ　Ｏｐｔ、１ｃａｌ　Ｇｕｌａｅａ　ＷＰＬｖ
ｅｓ　ｉｎ　ＴｈｉｎＦｉ１ｍ８）ｏ　　このような回
折格子型の光結合器を用いた光偏向器め例を第１図に示
す。第１図において、基板１上に該基板より高い屈折率
を有する光導波ｗｆ２が形成され、該光導波路２には回
折格子型の光結合器３１．３２が形成されている。適当
な角度で入射した入射光４は、光結合器６１によって光
導波路２内に導入され、伝播光５のように伝播し、光結
合器６２によって出射光６として導波路外ＴＳＩＩＳへ
導出される。ここで光導波路２上には、波長の異なる弾
性表面波（５ｕｒｆａｃｅ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｗａｖ
θ、以下ＳＡＷと称す）８を発生する複数のくし型電極
（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ、
以下ＩＤＴと称す）から成るＭＴＳアレー　（ｍｕｌｔ
ｉｐｌｅ　ｔｉｌｔｅｄ　５ＡＷｔｒ製ａｕｃθｒ　ａ
ｒｒａｙ　）　７が形成されている。このＭ　Ｔ　Ｓア
レー７にＲＦ電力を供給し、夫りのＬＩＦＴからＳ　Ａ
　Ｗ　８を励起し、伝播光５にブラック回折をさせると
、前記出射光６と同様に光結合器６２がら回折光９が導
出され、例えば２レベル間のスイッチングなどに用いる
ことができる。

上記例の如き光集積回路素子において、回折格子型光結
合器は従来、第２図（ａ）のように形成されていた。即
ち、基板１１の上に光導波路１２が形成され、該導波路
１２の上に例えば誘電体から成るグリッド１０を装荷す
ることによって回折格子を形成していた。しかしこのよ
うな装荷型の光結合器は、光の結合効率、即−ち光導波
路に導入された光の入射光に対する割合、又は出射光の
伝播光に対する割合が非常に低いという欠点があった。

々口 また、上記欠点を除く為、第２図（ｂ）の難き光結合器
が提案された。この光結合器は、基板２１の上に感光性
材料から成る光導波路２２をスパッタリング等の方法に
よって形成し、との光導波路の一部を露光することによ
り体積型の回折格子とするものである。しかし、このよ
うな光結合器を用いた光集積回路素子は、光導波路が基
板がら剥離しやすい或いは光導波路が感光性の為、経時
変化に弱い等の欠点があった０ このように、回折格子型の光結合器を用℃・た従来の光
集積回路素子は、高効率で安定に働かせるのが困岬であ
った。更に、このような光集積回路素子を作製すイ）場
合、第１図のＭＴＳアレー７のように゛、導波路」−・
に電極を形成する際に、光結合器とは独立に形成して℃
・たため、工数が多く、作製コストが高くなると（・う
問題があった０本発明の目的は、結合効率が高く且つ長
期に亘って安定に機能する光集積回路素子およびその作
製方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、高結合効率用つ安定に機能する光
集積回路素子を安価に作製する方法を提供ずろことにあ
る。

本発明は、基板に回折格子パター　ンを除いて該基板よ
り高い屈折率を有するＭが形成されて成る光集積回路素
子および基板上に回折格子・くクーンのマスクを形成す
る過程と、前記基板のマスクで被枳されていない部分に
前記基板より高い屈折率を有する岸）を形成する過程と
、前記マスクを除去する過程とから成る光集積回路素子
の作製方法によって上記目的を達するものである。また
、基板上に導電性のマスタ月によって回折格子パターン
及び電極を形成する過程と、前記基板のマスク材で被覆
されていない部分に前記基板より□高い屈折率を有する
層を形成する過程と、前記回折パターンのマスク材のみ
を除去する過程とから成る光集積回路素子の作製方法に
よって電極を備えた光集積回路素子を低コストで作製す
るものである。

以下、図面を用いて本発明を更に詳しく説明する０ 第６図（ａ）　、　（ｂ）　、　（Ｃ１、（ｄ）は夫々
本発明の光集積回路素子およびその作製過程を示す略断
面図である。

本発明の光集積回路素子は、第６図ｔａ）のように基板
６１に、回折格子パターン４０を除いて、該基板より高
い屈折率をイイする高屈折率層４２を形成することによ
って光結合器３６１．ろ６２が形成されている。この光
集積回路素子に適当な角度で入射した入射光ろ７は光結
合器３６１によって結合効率よく、光導波路を成す高屈
折率層４２に導入され、この内を伝播光３Ｂのように伝
播する。またこの伝播光６８は、光結合器６６２によっ
て結合効率よく外部に出射光３９のように導出される。

次に上記光集積回路素子の作製方法を説明する。

害ず第６図（ａ）のように、基板６１上にホトレジスト
層３２をスピナー等で一様に塗布、装荷し、光結合器を
５形成する部分のみ光を透過するようなマスク６６をホ
トレジスト層６２に重ね、レーザー光源から出射したコ
ヒーレント光を分割し２つの露光用光束ろ４および６５
として適切な角度で干渉させホトレジスト３２上に干渉
縞のパターンを露光する。ボトレジストハ４６２を現像
すると干渉縞のり１部で露光したホトレジストの部分の
み溶解除去され、光結合器を形成すべき部分内にホトレ
ジストの格子が第６図（ｂ）に示すようにル成δれろ。

続いでイオンなどを通さな〜・マスク０４１を全面に形
成し、その後アセ］ン浴液中でホトレジスト６２を溶か
しホトレジスト上に載つでいるマスク（Ａのみをリフｈ
ｉ）し、第６図（Ｃ）に示すようなマスク材からなる格
子４６を形成する。次に基板中へ外部からイオンなどを
注入すると、格子４６が無い所へは一様に、基板より大
きな屈折率をもつ高屈折率層４２が形成される。又格子
４６のある所ではイオンなどの注入が阻止され、格子４
３直・下の基板内には基板と等しい屈折率をもつ部分が
周期的に回折格子パターン４０のように残される。最後
に高屈折率層４２上の格子４６を取り去れば、第３図（
ｄ）に示すように、光結合器３６１．３６２及び高屈折
率層４２から成る導波路が同時に作製される。

次に、本発°明の光集積回路素子において、例えば第１
図のＭＴＦアレー７のような電極を光結合器と同時に形
成する場合の作製方法を第４図（ａ）〜（司で説明する
。まず前記第６図（ａ）のようにして、基板６１上のホ
トレジスト６２に回折格子パターンを露光した後、第４
図Ｔａ）の如く電極のネガマスク４４を所定の位置に合
わせ、アライナ−によって密着コンタクトして電極のパ
ターンを同じホトレジスト３２上に焼きつける。この際
のホトレジストとしてポジレジストを用いること・が望
ましい。

又、前記回折格子パターンの露光と、電極パターンの露
光は、同じイエロールーム内で行うことが望ましい。更
に回折格子パターンの露光と、ＦＮ、極パターンの露光
の順序を逆に行っても一向に差しつかえない。次にホト
レジストを現像すると第４図（ｂ）のように回折格子パ
ターンと電極パターンが同時に形成される。この後イオ
ンなどを通さないマスク材を全面に装荷し、アセトンに
よりリフトオフな行えば第４図（Ｃ）の如くマスク材か
ら成る格子４６と電極４６が基板１上に形成される。次
に基板中に外部からイオンなどを注入すると格子４６゜
電極４６が無い部分へは一様にイオンなどが注入され、
基板より大きな屈折率を持つ高屈折率層４２が形成され
導波路を成す０更に、電極４６を被うようにホトレジス
ト等でマスキングしエツチングなどの手段で格子４３の
みを除去した後、このホトレジスト等を取り除くと、第
４図（ｂ）のように光結合器６６１．ろ６２と電極４６
を備えた光集積回路素子が作製される。本図では電極形
成部での略断面図を示したので光導波路を成す高屈折率
層が途切れて〜・るように見えるが、電極４６は通常２
つの光結合器３６１，３６２　　を結ぶ線から外側に外
してｈ゛゛ 設置される為、高屈折率層は光線伝播するゾーンでは連
続している。ここでマスク材４５は電極４６を形成する
ので金属膜であることが望ましいが、導電性の材料であ
れば、例えば透明電極材等であっても差しつかえない。

このように本発明に従えば、第１図の光偏向器のような
電極を備えた光“集積回路素子が少ない工数で安価に作
製できる。

以上説明した例において、注入するイオンなどは注入さ
れた部分が基板の屈折率より大きくなるものであれば注
入する方法、注入する物質の種類は、例えばイオンに限
らず、プロトン、′電子、原子等如何なるものであって
も良いことは云うまでもない。

又、本発明に基づいて、第１図に示した光偏向器などの
光集積回路素子を一度に多数個゛作製して、素子単価を
大幅に低減させることも可能である。

この場合、回折格子パターン或いは電極パターンが多数
配列したマスクを！用意し、前述の同様のグロセスな実
行することによって複数の光集積回路素子を同一基板に
形成し、ディスコカッターなどにより、個々の素子を所
定の寸法に切り出してやればよい。

以下に、本発明の実施例を示す。

実施例１ 直径６インチのＬＩＮｂＯ，、単結晶のＸ板（厚さ０．
５価）の−面を研磨し、通常の超音波洗浄を行い基板と
した。光の伝播する方向なｙ方向としｙ方向に１２ｍｍ
、Ｚ方向に６　ｍｍの寸法をもつ５０個の光年（− 積回路素子をＬｉＮｂＯ３ウェー・−中に一度作製した
。

八 各光集積回路素子には光導入用と導出用の１対の光結合
器を導波路作製中に同時に作製した。あらかじめ光結合
器を形成する部分に光を通す３　ｍｍ　Ｘ５ｍｍの窓を
Ｏｒ膜を形成したガラス板にＯｒブランクとして形成し
、マスクとして基板に重ねＡｒレーザー光源から分割し
た２平行光束を５２°の角度で重ね合せ、ＬｉＮｂ０３
基板全面にスピナー塗布したホトレジスト（厚さ２００
ＯＡ　）内にピッチ０．５６μｍの格子を露光しこの後
ホトレジストをＡＺ現像液で現像することによってホト
レジストから成る格子を形成した。

ホトレジストを現像後、０２＋ＣＦ４　（混合比４：１
゛）のガス雰囲気中でドライエツチングを行ない、残存
レジスト膜を除去した。この後、Ａｌ膜を厚さ２０００
人にｌＸ１０’ＴＯｒｒの真空中で全面に蒸着しアセト
ン溶液中でホトレジストを溶かしいわゆるリフトオフ法
によってＡｌ膜より成る格子をＬｊ−Ｎｂ０３基板上に
形成した。続いてＡｌ膜から成る格子を有する該ＬｉＮ
ｂＯ３基板を光導波路と光結合器を形成す　　□るため
、２５０℃で溶融した安息香酸中に２０分間浸Ｅ、た。

この際ＬＩＮｂＯ３上のＡｌ格子は安息香酸から供給さ
れたプロトンが基板内のＬｌと置換するか又はＬｉ欠乏
格子点に入ることを阻止するプロトン交換法のマスクと
して働き、格子の無い部分にはプロトン交換により一様
なＬｉＮｂＯ３基板より屈折率が０８１程度高い光導波
路が形成された。本実施例の場合、２５０℃、２０分の
安息香酸によるプロトン交換によって形成される光導波
路の厚さは９２２ｍとなり’ｒｌｊ；ｏ　、　ＴＪ　、
　ＴＥ２　、　ＴＭｏの４つの光モードを有することが
わかった。同様にＡｌ格子がマスクとして働き−ｕ　０
．５６μｍのピッチで互いに隣接する屈折率差０．１の
格子がプロトン交換法で得られた部分は回折格子型の光
結合器となった。プロトン交換後、温水（６０℃）中で
同化付着した安息香酸な除去シ、続〜・てＡｌ格子をＡ
ｇエツチング液により除去し、その後５０個の各素子を
ディスコカッターにより切断して得だ。

上記した作製法によって形成された光導波路の光伝播損
失は１．５　ｄＢ／ｃｍ　（測定光波長６３２８Ａ　’
）とＬｉＮ　ｂ０３結晶に１０００℃でＴ１拡散した従
来の導波路の光伝播損失０．５　ａＢ／ｃｍ　（測定光
波長６５２８Ａ、）に較べ太きいが、上記素子の全面を
ＣＯ２レーザー等のアニールリング後処理を行えば容易
に光伝播損失を０．５　ｄＢ／ｃｍのレベルまで低減す
ることも可能であった。本実施例では光導波路形成手段
としてハ プロトン交換法を用いたが、適切なマスク材を選ぶこと
によって金菖拡散法、イオン注入法などの手段によって
も良いことは云うまでもない。

実施例２ 実施例１と同じ直径３インヂのＬｉＮｂＯ３基板を用い
、同様に洗浄を行った後、同一の素子寸法をもつ５０個
のＭＴＳアレーなもつ光集積回路素子をＬＩＮｂＯ３ン
エハー上に一度に作製した。又、各集積回路素子には第
１図に示すような１対の光結合器を形成し、た０素子を
作製するにはまず各集積回路素子の光結合器を形成する
部分のみに０．５６μシπピツチの格子を実施例１と同
じプロセスで露光し、ＦＡ　光径Ｍ　Ｔ　Ｓアレーのネ
ガマスクを基板に密着しＵ　Ｖ　Ｎ光しこの後現像し回
折格子及びＭＴ３アレ八２へ 後安息香酸を用いて２５０℃１０分間のプロトン交換を
行い導波路屈折率が基板より０．１程度大きい厚さ１μ
ｍの導波路をＡＩマスクの無い部分に形成し１ζ。この
場−合の導波光モードはＴＥ、、　ＴＥｌ、　ＴＭ、の
ろモードで光伝播損失は１．２　ｄＢ／ｃｍであった（
但し測定波長６３２８Ａ　）。又光結合器としてピッチ
０．５６μ７ｎの格子が導波路中に形成された。さら（
（光結合部のＡｌ格子のみを除去する為に゛、全、面に
再びホトレジストをスピン塗布しＯＮ　サ５０００Ａ　
）マスク露光を行いＭＴＳアレー電極部のみにホトレジ
ストを保瞳屑として形成した０（の後Ａｌエツチング液
で光結合部のＡｌ格子を除去しつづいて保護レジスト層
をア七トンで除去し除去後素子を切り出した。レジスト
除去後の工程で０２＋０Ｆ４（混合比４：１）でドライ
エツチングを行〜・残存レジスト膜を完全に取り去るこ
とは本実施例では特に好ましいものであった。素子作製
後Ｈθ−ＮｏシーＮｏレーザー光器に４５°の角度で入
射させたところ力多グリンク効率６０チを得、ＭＴＳア
レーにＨＦ　’ｔ４ｆ力を順次周波数を変化させて供給
することによって他方の結合器から突気中へ導出された
元を走有することかでべた。この際の素子スルーグツト
（出射光の入射光に対する割合）は１５チと非盾に良好
であった。

以上説明したように、本発明は従来の光集積回路素子に
おいて、高い結合効率と経時変化等に対する高い安定性
を得ることを可能とし、更に光結合器及び電極を少ない
工数で安価に作製できる等の効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は回折格子型光結合器を用いた光偏向器の例を示
す斜視図、第２″図（ａｊ　；　（ｂｌは夫々従来の回
折格子型光結合器の構成を示す概略図、第６図（ａ）。 （ｂ＞　ｌ　（Ｃ）　Ｉ　（ａ）は夫々本発明に基づく
光集積回路素子およびその作製過程を示す略断面図、第
４図（−９（ｂｌ　＋　（ａｔ　＋　（ａｊは夫々本発
明の光集積回路素子の別の作製方法を示す略断面図であ
る。 ６１・・・拳・基板、　　　　３２・・・・惨ホトレジ
スト３３．４４　・・・・・マスク、３４．ろ５・・・
・・露光用光路６６□、６６２・・・・光結合器、３７
・・・・・入射光６８・・・・・伝播光、　　３９・・
・・・出射光４０・・・・・回折格子パターン、４１．
４５・・・マスク材ン ４そ・・・・・高屈折率層、４６・・・・・格子４６　
・１−・電極 手続補正書（自発） 特許庁長官　　若　杉　和　夫　殿 ■　事件の表示 昭和５７年　特許願　　第　２３１５３１　　　号２　
発明の名称 光集積回路素子およびその作製方法 ３　補正をする者 事ヂ１との関係　　　　　　　特許出願人件　所　東京
都大ＩＢ区下丸７−３−３０−２名称　（＋００）キャ
ノン株式会社 キャノン株式会社内（電話７５８−２１１１）６、補正
の対象 明細書 ６、補正の内容 （１）明細書第１１頁第１９行「０．５６μｍ」を「０
．４２μｍ」と訂正する。 （２）同第１６頁第２行１０．５６μｍ」を［０゜４２
．ｇｍ　Ｊと訂正する。 （６）同第１４頁第８行「０．５６μｍ」を「０．４２
μｍ」と訂正する。 （４）同第１４頁第２１行「００５６μｍ　ｌを［０，
４２μｍ　ｊと訂正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）基板に回折格子・ドクーンを除〜・て該基板より
   高い屈折率を有する層が形成されて成る光゛集積回路素
   子。 （２）基−板上に回折格子パターンのマスクを形成する
   過程と、前記基板のマスクで被榎されていない部分に前
   記基板より高い屈折率を有する層を形成する過程と、前
   記マスクを除去する過程とから成る光集積回路素子の作
   製方法。 （６）基板上に導電性のマスク材によって回折格子パタ
   ーン及び電極を形成する過程と、前記基板のマスク材で
   被榎されていない部分に前記基板より高い屈折率を有す
   る層を形成する過程と、前記回折パターンのマスク材の
   みを除去する過程とから成る光集積回路素子の作製方法
   。