JPS61134731A - 光制御回路の製造方法 - 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】 （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。

（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シ、より高
速の光波の変調器や光スィ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夛
得るので、高速性とともに低損失性も重要となる口高速
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ＬｉＮｂＯ５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υ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口例えばＬｉＮｂ０１
結晶中にＴｉｆ：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０．１−０．２　ｄ　Ｂ／ｃｒ
Ｒという小さな伝搬損失が得られているａしかしながら
このような導波型光制御素子を実際の元ファイバ伝送系
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０上記の手段により元ファイバ間に
光導波路を挿入したときの損失値としては２ｄＢ程度の
値となる。とれは刊拡散導波路においては基板に垂直な
方向と水平力方向の屈折率分布が異なシ、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
般に前述の元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。

通常用いられる単一モード元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、光導波路の元エネル
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１ミイ（Ｖ、Ｒａｍａｓｗ
ａｍｙ　）　ｇアールＯシー−フルファーネス（Ｒ，Ｃ
，ＡＩ　ｆｅｒｎｅａｓ　）　、エム・デビノ（Ｍ、Ｄ
ｉｖｉｎｏ　）　Ｋよシエレクトロニクス・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　　　　　１りも小
さくする必要がある。この低電圧化条件と元ファイバと
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
回集積光学と光フアイバ通信国際会議（４ｔｈ　Ｉｎｔ
ｅｒｎａｌ　１ｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ
Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　０ｐｔｉｃｓ　ａｎｄ　０ｐｔ
ｉｃａｌ　ＦｉｂｅｒＣｏｍｍｕｎ　ｉｃａ　ｔ　ｉｏ
ｎ　）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。

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元エ
ネルギー分布を元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
がちシ、元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ｉ）第７回集積光学と導波光学に関する
会議（７ｔｈ　Ｔｏｐｉｃａｌ　Ｍｅｅｔｉｎｇ　ｏｎ
　Ｉｎｔｅ　−ｇｒｍｔｅｄ　ａｎｄ　Ｇｕｉｄｅｄ　
−ＶＪｔ＊ｖｅ　０ｐｔｉｃｓ　）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１元制御
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１元ファイバ
との結合部では箒°゛　　　　導波路の元エネルギー分
布を元ファイバの元エネルギー分布に近づけ１元制御部
においては導波路の元エネルギー分布を電極近傍に集中
されるものがあるｏ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元エネルギー分布は基板の深さ方向
では非対称でアシ、円形ではないためまだ元ファイバと
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元
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０ （問題点を解決するだめの手段） 本発明は上記問題点を解決するのに、基板上に金属原子
を含む薄膜を所望のパターン状に積層し。

前記薄膜パターンの入出力光導波路に該当する部分上の
みに前記金属とは異なる金属原子を含む薄膜を！ｊＬ層
し、次いで上記基板を加熱して上記薄膜パターンを該基
板中に拡散させることによって光導波路を形成し、前記
１層の薄膜パターンの部分が拡散されて形成された光導
波路の近傍に電極を設置して少くとも１つの光制御素子
部を形成し、該光制御素子部と接続されかつ、前記２層
の薄膜パターンの部分が拡散された光導波路の端部に光
入出力端面を形成することを特徴とする光制御回路の製
造方法を採用し九〇 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
導波路部分では元ファイバの元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け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。

（実施例） 以下図面を参照して本発明の詳細な説明する。

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１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。

先ず、　ＬｉＮｂＯ３基板３０１上に通常の７オトリソ
　　　　　　１グラフイ技術を用いて光導波路のパター
ンを形成する。すなわちＴＪ　ｉ　Ｎ　ｂ　ＯＢ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７オ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の間隔で近博した幅数〜数十
μｍ、長さ数〜数十ｍｍの２本の導波路パターンとし、
入力元導波路パターン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１例
えば数十〜数百μｍ離れた２本の導波路よう構成され、
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７００〜１１００芙程度
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５００Ｘ以下の厚
さで形成する０なおこのとき入力元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０この後フ
ォトレジスト膜を溶解することによシ第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１遍のみの光導波路パターンが形成さ
れる０入出力元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
、またけ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１０００〜１１
００℃、５〜ｌＯ時間程度拡散炉中で加熱されることに
よシＴｉとＭｇがＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　０１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Ｓｉ０ｇ膜を２０００　Ｘ以下形成し、方向性
結合器部の導波器の真上に　　′８ｉ０２上にＣｒとＡ
ｕもしくはＣｒとＡ／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シ光入出力端面１５，１６
，１７，１８會形成する。なお第２図においては８ｉ０
２膜は省略している０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アシ、以上の製造方法によシ第
２図に示す方向性結合型光制御回路が形成される。

本発明による製造方法では方向性結合器部３はＴＩノみ
をＬｉＮｂＯ３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シ元導波路内に強く、小
さく閉じ込められ、低電圧で光路切換えが可能である。

−力先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（］／ｅ２全幅）程度と比較的太きいだめ、光
導波路出射光１２のエネルギ分布もある程度床がってお
り、かつ元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
称であると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元導波路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Ｌ
ｉＮｂＯ３基板中に熱拡散して形成している。したがっ
て入力元導波路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！、）の分布から（
ｂ）の分布へと数百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。

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　　　　　１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
従来の製造方法よシ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（
］ｌ） 積層するという工程が増えるだけであシ、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。

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１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。

先ず、　Ｔ、１Ｎｂｏｓ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ＬｉＮｂ０．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７
オ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７゜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ｒｎｒａｄ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０
　合流部光導波路パターン４０６も３ｄＲ分岐部光導波
路パターン４０５と同様開き角数ｍｒａｄ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、との
上からまずＴｉ膜を７００〜１１００１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Ｍｇ　４０３　＊　　４０４を５００Ｘ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
以外の部分は逍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のみが形成され先光導波路パ
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ととができる０第４図のよう
な光導波路のパターンを設置した基板は１０００〜１１
００℃、５〜１０時間程時間数炉中で加熱されることに
よ、９ＴｉとＭｇがＬｉＮｂ０．基板中へ拡散され、そ
の部分の屈折率が変化することによす光導波路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’１ｉＮｂＯ，基板上に５ｉ０
２膜を２０００Ｘ以下形成し１位相変調器部の導波路の
真上に、Ｓ　ｉ　０２上にＣ「とＡｌｌもしくはｃｒと
ＡＩ！全積層した第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Ｆ３　ｔ　Ｏｔ膜は省略している０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Ｏ 本発明による製造方法では１位相変調器部はＴｉのみと
Ｔ、１Ｎｂ０３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（、）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０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け、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ＬｉＮｂＯ
３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５０８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シ、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７アイバ
と低損失に結合することが可能となる。

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
ー分布に一致しだ円　　　　　　１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かできる。したがって従
来の製造方法よシもさらに低損失、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（］
５） 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０ （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元ファイバ結
合可能でかつ、低電圧動作可能な光制御回路が得られる
。

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０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、ＬｉＴａ０４１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先光導波路
等を、電極形状としては、高速化によシ適した進行波形
の電極等を用いることができるＯまた近藤、小松、太田
によシ第７回集積光学と導波光学に関する会議（７ｔｈ
　Ｔｏｐｉｃａｌ　Ｍｅｅｔｉｎｇｏｎ　Ｉｎｔｅｇｒ
ａｔｅｄ　ａｎｄ　Ｇｕｉｄｅｄ　−Ｗａｖｅ　Ｏｐｔ
ｌｃｍ　）のテクニカル・ダイジェス）　ＴｕＡ５−１
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部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
テーバ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、さらに低損失に元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
。

【図面の簡単な説明】

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
施例を説明するだめの図、第２図は本発明によシ得られ
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だめ
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・・−Ｔ、１Ｎｂ０３基板２、　５９６
．　７９８．　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（Ｔ１）３
０３、　４０３・・・入力元導波路パターン（Ｔｉの上
にＭｇ　） ３０４、　４０４・・・出力光導波路パターン（Ｔｉの
上にＭｇ　） ５０５・・・３ｄＢ分岐部 ５０６・・・合流部 ｌパ＼ 、ｔｍ人弁理士　内ＩＩＸ　　　晋　’に’＝、。 ３θ／、　ＬｉＮｂＯ３某披 践ヤ、　　　　　　　旨り

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基板上に金属原子を含む薄膜を所望のパターン状に積層
   し、前記薄膜の入出力光導波路に相当する部分上にのみ
   前記金属とは異なる金属原子を含む薄膜をさらに積層し
   、次いで上記基板を加熱して上記薄膜パターンを該基板
   中に拡散させることによって光導波路を形成し、前記１
   層の薄膜パターンの部分が拡散されて形成された光導波
   路の上部に電極を設置して少くとも１つの光制御素子部
   を形成し、該光制御素子部と接続されかつ前記２層の薄
   膜パターンの部分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ことを特徴とする光制御回路の製造
   方法。