JPS6170534A - 薄膜型光学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】 〔技術分野〕 本発明は、＃ｌｌ５１型光学素子およびその作製方法に
関するものである。

〔従来技術〕

従来、薄膜型即ち、光導波路を用いた光学素子を光偏向
器、光音ａｌ′Ｊｋ、スペクトラムアナライザー、相関
器、光スィッチ等に応用する研究が盛んに行なわれてい
る。このような薄膜型光学、Ｌ子は、光導波路の屈折率
を音響光学（Ａ０）効果或いは電気光学（ＥＯ）効果等
の外的ｔ′１川により変化せしめ、この光導波路内を伝
播する光を変調又は偏向させるものである。上記光学素
子を形成する場合の基板としては、圧電性、音響光学効
果及び電気光学効果に優れ、かつ光伝搬損失が少ないニ
オブ酸リチウム（以下ＬｉＮｂＯ３と記す）結晶及びタ
ンタル酸リチウム（以下ＬｉＴａＯ３と記す）結晶が広
く用いられている。この様な結晶基板を用いて、薄膜光
導波路を作製する代表的な方法として、チタ／（１；Ｊ
下Ｔｉと記す）を前記結晶基板表面に、高温で熱拡散す
ることにより、該結晶基板表面に、基板の屈折率よりわ
ずかに大きな屈折率を南する光導波路層を形成する方法
がある。

しかし、この方法により作製された薄膜光導波路は、光
学損傷を受は易く、非常に小さいパワーの光しか該導波
路に導入できないという欠点がある。ここで光学損傷と
は、「光導波路に１　　　　　　　　人ツノする光強度
を４大Ｌ　１　ｂ゛＊　ｆ−２″″・該光導波路内を伝
播し外部に取り出される光の強度が、散乱によって前記
入力光強度に比例して増大しなくなる現象」を言う。

また、光学損傷を改善する光導波路の他の作製力Ｕ；と
して、イオン交換法が知られている。

この方ン去は、硝醜タリウム（以下ＴＯＮｏ　３と記す
）、硝醜銀（以下ＡｇＮＯ３と記す）、硝醒カリウム（
以下ＫＮＯ３と記す）等の溶融塩中又は、安息香酸（Ｃ
６Ｈ５ＣＯＯＨ）等の弱酸中で、ＬｉＮｂＯ３又は、Ｌ
ｉＴａＯ３の結晶基板を低温熱処理することにより、該
結晶基板内のリチウムイオン（Ｌ　ｉ　”）が弱酸中の
プロトン（Ｈ＋）等のイオン種と交換され、大きな屈折
率差（Δｈ〜０．１２）をもつ光導波路層が形成される
ものである。上記イオン交換法により？￥製された薄膜
光導波路の光学損傷のしきい値は、Ｔｉ拡散のものより
数１０倍程度向上する良い特性をもつ反面、上記イオノ
交換処理によってＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３結晶固有
の圧電性や電気光学特性が低下し１例えば光偏向器に用
いる場合、導波光の回折効率が下がるという問題点を有
していた。

ところで、光偏向器、光変調器を光「響効果や電気光学
効果を利用して実現しようとする場合、前記各効果の効
率を上げることが素子形成において重要になる。Ｘ：音
響効果を利用する代表例としては、光導波路上にホトリ
ソグラフィーで作製したくし型電極に高周波電界を印加
し、光導波路上に弾性表面波を励起させる方法がある。

この場合、光導波路」：に励起された弾性表面波と光導
波路中を伝播する導波光との相互作用は、導波光のエネ
ルギー分布がノ＾板表面近傍に閉じ込められるほど増大
することが知られている。（Ｃ，Ｓ、Ｔｓａｌ、ＩＥＥ
Ｅ　ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＮ　ｃｒｕｃｕＩｒｓ
　ＡＮＤＳＹＳＴＥＭＳ、ＶＯＬ、ＣＡＳ−２６，１２
，１９７９） 一方、前述のようなの光導波路に導波光を入出力する場
合、半導体レーザ或いは光ファイバＴから光導波路端面
を介して行なっている。この場合に光の結合効率を高め
る為には、導波光のエネルギー分ＩＯは光ファイバ等の
光エネルギー分７１」に合わせて、基板の厚さ方向に広
がっている必要がある。

このように、導波光を入出力せしめる光結合部と、導波
光を変調、偏向せしめる光機能部とでは求められる導波
光のエネルギー分布が異なる為、従来の薄１１５ｉ型光
学素子では、高効率の変調、偏向と、高結合効率とを同
時に満足することは難かしかった。また、この問題の解
決法として、光導波路をチタンの拡故によって形成する
場合には、光結合部と光機能部とでチタ／の拡散濃度を
異ならしめる方法が提案されている。

〔近藤充和、小松啓部、太田義徳°８４審期応物講演会
予稿３１ａ−に−７及び同著者７ｔｈＴｏｐｔｉｃａｌ
　ＭｅｅＬｉｎｇ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄａｎｄ
　Ｇｕｉｄｅｄ−Ｗａｖｅ　０ｐｔｉｃｓ　ＴｕＡ５−
１）しかしながら、前述のようにイオン注入によって光
導波路を形成する場合には、上記問題を解決する有効な
手段が知られていなかった。

〔発明の截置〕

本発明の目的は、光学損傷のしきい値が十分高〈、シか
も、４波光の人出力の際の結合効率が高（かつ効率良く
光の変調又は偏向を行なう薄膜型光学素子およびその作
製方法を提供することにある。

本発明は、薄型光学素子において、金属が熱拡散された
基板表面にイオンを注入又は熱拡散することによって形
成された光導波路と、イオンが注入も熱拡散もされてい
ない領域とを有し、光導波路端面から導波光を入出力さ
せる光結合部と、光導波路の屈折率を外的作用によって
変化せしめ導波光を変調又は偏向させる光機能部とを設
け、光機能部において熱拡散さ゛れた金属の密度を光結
合部より高くかつイオンの注入又は熱拡散の深さを光結
合部よりも浅く形成し、また光機能部において外的作用
を生じさせる電極をイオンが注入も熱拡散もされていな
い領域に設けることによって１〕記目的を達成するもの
である。

〔実に例〕

第１図は　ｆ７７１光学効果を利用した本５１１４１１
による薄Ｒり型光学素子の第１の実施例を示す斜視図で
ある。１はＸ板もしくはｙ板ＬｉＮｂＯ３結晶ノ、（板
、２はＴｉ拡散及びプロトン交換によって形成された光
導波路、３，４は研磨された光導波路端面、５．６はシ
リンドリカルレンズ、７．２０はくし型電極、２１．２
２はプロトノが注入されていない領域のＴｉ拡散層、２
３は光導波路２よりもＴｉの密度が高いＴｉ高富度部で
ある。

波Ｑ６３２８人のＨｅ−Ｎｅレーザーからの・ＩＬ行光
８は、研磨された光導波路端面３上に、ンリントリカル
レンズ５により光導波路の厚さ方向に集光し、光導波路
内に結合される。光導波路端面から結合された導波光９
は、くし型電極７にＲＦパワーを加える事により発生し
た弾性表面波１０により回折され、回折光は、光導波路
端面４から出射し、シリンドリカルレンズ６により平行
光になる。この時の光導波路端面３での集光光束の幅（
集光方向）と導波光の幅はほぼ　致しているため、８０
％と高い結合効率が得られた。ここでくし型電極２０は
くし型゛電極７から発生した弾性表面波の受信用として
使用される。

・また５図のように、光導波路２は光導波路端面３，４
近傍の光結合部から、弾性表面波ｌＯと導波光９とが相
互作用する光機能部に進むにつれ、プロトンの注入され
ている深ざが徐々に浅くなり、またＴｉの密度が高くな
っているため光機能部では導波光が基板表面近くに閉じ
込められて高い回折効率が得られた。

更に、前記＜ｔ、）Ｊ！ｉ？Ｉｔ極７および２０は、夫
々プロトンが注入されていない領域のＴｉ拡散層２１．
２２上に形成されている為、従来のようなプロトン注入
による圧電性の低下は生じず、挿入損失が小さい為に、
低電圧で弾性表面波を生しさせて、高効率で光変調或い
は光偏向を行なうことが出来る。

第２図は、第１図の如き薄１１’２型光学素子の作製方
法を説明する略゛断面図である。

先ず、第２図（ａ）に示される如く、ｙ板も１、＜はＸ
板のＬ　ｉ　Ｎ　ｂｏ３結晶基板１の７面もしくはＸ面
をニュートンリング数本以内の平面度に研磨した後、７
セトン次いで純水による通常の超音波洗浄を行い、ｖＪ
ガスを吹きつけて乾燥させた０次に、第２図（ｂ）に示
される如く、上記ｙ而もしくはＸ面に電子ビーム基若に
より２００人の厚さにＴｉ薄ｎり１１を蒸着した。ひき
つづき、第２図の（Ｃ）に示される如く　弾性表面波と
導波光との相互作用領域である光機能部のみ開口部をも
つシャトマスク１２を１．記基板」二におおい、１４び
丁Ｉ薄膜を蒸着し、中心部の薄膜が５００人の台形状の
Ｔｉ薄ｒＶＡ　Ｉ　３を形成した。

次に、■、記基板を酸素雰囲気中で９６５°Ｃ１６１１
￥　ｌ１ｌｌ　熱拡散させ、：ｔＳ２ｒｎの（ｄ）に示
、１する如く、後で光機能部が形成される部分にのみＴ
）密度かに４いＴｉ光光密郡部２３有するＴｉハｌＩｌ
、散層１５を形成した。熱拡散される金属としては、Ｖ
、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｎｂ。

Ｇｅゴを用いても良い。

第２図の（ｅ）は電極形成部の素子断面図であるが、」
二記図に示される如く、電極形成部にプロトン交換時の
マスクとしてＣｒ薄膜１７を蒸着した０次に、安息香酸
に安息香酸リチウムをモル比で２％添加し、アルミナの
ルツボにいれた。この安息香酸及び安息香酸リチウムの
はいったルツボ中に第２図（ｅ）のマスクを形成したＬ
ｉＮｂＯ３結晶基板を入れ、これらを熱炉に入れて２５
０℃の温度で５時間保持してイオノ交換処理を行なった
。その結果、第２図（ｅ）に示される如く、Ｔｉ拡散層
１５中のマスクで覆われていない部分にプロトン交換層
１６が形成された。プロトン交換層形成にあたっては、
安息香酸と安息香酸リチウムの混合液以外に、カルボン
醜において解離度が１０−６から１０−３である材料と
このカルボン醜のカルボキシル基の水素が、リチウムに
置換されてい１　　　　　　　　る材料との混合物、た
とえばパルミチン酸〔Ｃ■（３（ＣＨ２）１４ＣＯＯＨ
）とパルミチン酸リチウム（ｃ）（３（ＣＨ２）１４ｃ
ＯＯＬ　ｉ）との混合物やステアリン酸（ＣＨ３（ＣＨ
２）ｔｓＣＯＯＨ）とステアリン酸リチウム（ＣＨ３（
ＣＨ２）１ｓＣＯＯＬ　ｉ）との混合物があげられる。

また、リチウムで置換された材料のモル比は、１％から
１０％の範囲で変化させ種々の′　サノプルを作製した
。エタノールで超音波洗浄を行ない、窒素ガスを吹きつ
けて乾燥させた後、エツチングにより、マスクを除去し
た。

次に、上記プロトン交換を行なった基板を熱炉にいれ、
加熱した水を通して瀬素を流ｇｔＬ−０見／分で流入し
ながら、この水蒸気を含んだ湿った醸濃雰囲気中で３５
０℃で４時間アニール処理を行なった。ここで、アニー
ル処理条件は前記条件以外のものでも良いが、光機能部
でのＯＨ基の吸収ピークの波数が３４８０ｃｍ−１から
３５０３ｃｍ−１の範囲に存在する様に選定することが
望ましい　上記アニール処理の結果。

第２図の（ｆ）に示される如く、光機能部が形成される
部分は、プロトン交換層の厚さが薄く、かつ、Ｔｉの密
度が高く、一方、光導波路端面に向うにつれて、プロト
ン交換層の厚さが深くかつＴｉの密度が低い光導波路層
１８が形成された。

このようにプロトンが拡散するのは、光ａ能面において
、熱拡散したＴｉの密度が高いため、それによりプロト
ンがＡｔｌ＆内側への拡散が押えられたためである。

一方、電極形成部はプロトン交換時にマスク１７が形成
されたおり、第２図の（ｆ）に示される如く、プロトン
の注入されていないＴｉ拡散層１５となった。

通常のフォトリソグラフィーの手法を用いて、第２図（
ｆ）に示すくし型電極１９を形成し１本発明の薄膜型光
学素子を作製した。

上記実施例において、光４波路はＴｉ拡散及びプロト／
の熱拡散により形成されたが、Ｔｉ拡散は必ずしも必要
ではなく、プロトンの注入又は熱拡散のみ、或いはプロ
トンを注入又は熱拡散するとともにＬｉＯを外部拡散す
ることによって光導波路を形成しても良い。

第３図は、第１図示の素子を電気光学（Ｅ　Ｏ）効果を
利用した光偏向器に適用した第２実施例を示す概略図で
ある。第３図において、第１図と共通の部分には同一の
符合を附し、詳細な説明は省略する。

ｊ−に、シリンドリカル５により光導波路の厚さへ 方向に集光し、光導波路内に結合される。光導波路端面
から結合された導波光９は、電気光学（ＥＯ）効果用の
くし型電極２７に電圧を印加することによって生じた位
相格子によって回折され、もう一方の光導波路端面４か
ら出射し。

シリンドリカルレンズ６により平行光に変えられる。

第３図り素子の作製方法について、第４図で説明する。

第４図の（ａ）に示される如く、ｙ板もしくはＸ板のＬ
ｉＮｂＯ３結晶基板１の１面もしくはＸ面を、ニュート
ノリング数本以内の平面度に研磨し後、アセトン、次い
で純水による常の超音波洗浄を行ない、窒素ガスを吹き
つけて乾燥させた。

次に、第２図の（ｂ）に示される如く、上記ｙ面もしく
はＸ面に電子ビーム蒸着により２００人の厚さにＴｉ８
膜１１を蒸着した。

ひきつづき、第２図の（Ｃ）に示される如く、弾性表面
波と導波光との相互作用領域である光機能部の形成され
る部分のみ開口部をもつマスク１２で上記基板上を覆い
、再びＴｉ薄膜を蒸着し、中心部の薄膜が５００人の台
形状のＴｉ薄膜１３を形成した。

次に、上記基板を酸素雰囲気中で９６５℃。

６時間熱拡散させ、第２図の（ｄ）に示される如く、後
で光機能部が形成される部分にのみＴ　ｉ　′Ｉｌ：度
が高いＴｉ光光密陥部２３有するＴｉ熱拡散Ｆｔ１５を
形成した。

次に、Ｔｉ拡散後の基板を洗炸、乾燥した後１．３．ポ
、型オ）　、’；　Ｚ　）を８１ヶー１厚、□〜１．５
ｇｍにスピナーコ−１・し、くシ型電極のメカマスクで
害り露光し、くシ型電極部のみが残らないように現像し
た。水洗後乾燥し、真′仝へ着装置に装荷して、ｌＸｌ
０−６ＴｏｒｒまでＩＡ気を行ない、ＥＢ蒸着によって
Ａｕ（Ｍｌ厚１５００人）を、＠着した。ａ着後アセト
ンに数分浸すことによって、ホトレジスト上のＡｕ１１
１２がリフトオフで除去され、第４図の（ｅ）に示され
る如く、くシ型電Ｊ４ｉ３０が形成された。

この際のくし型電極は、電極１】および電極間の間隔２
．２　ｐ、　ｍ、交さ幅３．８　ｍ　ｍ、対数３５０対
であった。

次に安息香酸に安息香酸リチウムをモル比で２％添加し
、アルミナのルツボにいれた。この安り、香酸及び安息
香酸リチウムの入ったルツボの中にＥＯ用くし型電極３
０が設けられたＬｉＮｂＯ３結晶基板を入れ、これらを
熱炉に２５０℃の温度で５時間保持してイオン交換処理
を行なった結果、第４図（ｅ）に示される如く、電極で
覆われていないＴＩ拡散層１５中プロＩ・ン交換層３１
が形成された。プロトン交換層形成にあたっては、安息
香酸と安息香酸リチウムの混合液以外に、カルボン酸に
おいて解離度が１０−６から１０−３である材料とこの
カルボン酸のカルボキシル基の水素が、リチウムに置換
されている材料と１の混合物、たとえばパルミｆノａ　
（ＣＨ３（ＣＨ２）１４ＣＯＯＨ）とパルミチン醜リチ
ウム（ＣＨ３（ＣＨ２）１４ＣＯＯＬ　ｉ）との混合物
や、ステアリン酸（ＣＨ３（ＣＨ２）１６ＣＯＯＨ）　
とステア１Ｊ　ｙ酸すチウＬ−（ＣＨ３（ＣＨ２）１６
ＣＯＯＬｉ）　とｆ）混合物があげられる。また、リチ
ウムで置換された材料のモル比は、１％から１０％の範
囲で変化させ種々のサンプルを作製した。エタノールで
超音波洗浄を行ない、窒素ガスを吹きつけて乾燥させた
。

］二記基板を熱炉にいれ、加熱した水を通して醜索を流
１１．ｏｊｌ／分で流入しながら、この水ｌＡ気を含ん
だ湿った酸素雰囲気中で３５０℃で４時間アニール処理
を行なった。

その結果、第４図（ｅ）に示される如く、基板の内側に
プロトンが拡散した光導波路層３２が形成され１本発明
の薄膜型光学素子が作製された。

Ｉｉｊ記説明の如く、光ＩｎＩ３部は他の部分の光導波
路に比べて拡散したＴｉの密度が高いため、これにより
プロトンの基板側の拡散が押えられ。

その結果、上記光導波路層３２は光機能部のプロトン注
入の深さが、光結合部より浅くなった。

本実施例においても、電気光学効果により位相格子が生
ずる領域にはＴｉＩｖＩ密度部２３が形成され、またこ
の領域でプロトンの注入の深さが浅くなる為、導波光９
の電界強度分布はこの領域で基板表面側へ引さ−Ｌげら
れる。又、くシ型電極２７の形Ｉ＆部にはプロトンが注
入されていない為、電気光学特性が劣化するＩハもない
。

従って、−１−記くし型電極に１７電圧５■を印加した
ところ、９０％の回折効率が得られ、低電圧で高回折効
率が（りられることがわかった、また、光導波路端面に
おける結合効率も８０％であり良ｔｆであった。

本発明は以上の実施例に限らず、種々の応用が可能であ
る０例えば前述の実施例では、基板としてＬｉＮｂＯ３
結晶基板を用いたが、タンタル酸リチウム　（ＬｉＴａ
０３）結晶ノ、（板を用いても。

全く同様の作製方法で、未発ＩＪ１の薄膜型光学素子を
形成することが出来る。また基板として上記誘電体のみ
ならず、ＧａＡｓ等の半導体を用いても良い、又、光導
波路の形成も、プロトンの熱拡散に限らず、ヘリウムイ
オン（Ｈｅ　”）等を加速注入する事によって形成して
も良い。

また、熱拡散される金属もＴｉに限らない。

更に１光変調、光偏向の手段も前述の音響光学効果或い
は電気光学効果に限らず、磁気光学（ＭＯ）効果の静磁
気表面波（ＭａｇｎｅｔｏｓＬａｔｉｃｓｕｒｆａｃｅ
　ｗａｖｅｓ）による回折を利用したり、熱光学（ＴＯ
）効果を利用してもかまわない。

本発明は光偏向器以外にも光変調湯導５種々に適用でき
る。

」 〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明の薄膜型光字素ｒ−は、光
導波路のイオンの分布を光機能部の方が光結合部より浅
くなるようにし、又、光機能部の方が光結合部より金属
の熱拡散された密度が高くなるようにしたことによって
、光学損傷のしきい値を十分高く保ちながら、導波光の
入出力における結合効率を高めると同時に光偏向又は光
変調の効率を向上させる効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づくｌ１ＪＩ膜型光学素子を音響光
学効果による光偏向器に用いた実施例を示す概略図、第
２図は本発明の薄膜光学素子の作製過程の一例を不す略
断面図、第３図は本発明を電気光学効果による光偏向器
に用いた実施例を示す概略図、第４図は第３図示の素子
の作製過程の一例を示才略断面図である。 ｌ　・・・　ＬｉＮｂＯ３結晶基板。 ２　・・・　光導波路。 ３．４　・・・　研磨された光導波路端面、５．６　・
・・　シリンドリカルレンズ、７．２０．２７　　・・
・　くし型電極、８　・・・　レーザー光、 ＩＯ・・・　弾性表面波。 ２１．２２　　・・・　プロトンの注入されていないＴ
ｉ拡散層。 ２３　・・・　Ｔｉ高密度部。 相顕胚）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属が熱拡散された基板表面にイオンを注入又は
   熱拡散することによつて形成された光導波路と、イオン
   が注入も熱拡散もされていない領域とを有し、前記光導
   波路端面から導波光を入出力させる光結合部と、前記光
   導波路の屈折率を外的作用によつて変化せしめ前記導波
   光を変調又は偏向させる光機能部とが設けられて成り、
   前記光機能部において熱拡散された金属の密度が光結合
   部より高くかつイオンの注入又は熱拡散の深さが光結合
   部よりも浅く形成されており、また前記光機能部におい
   て外的作用を生じさせる電極が前記イオンが注入も熱拡
   散もされていない領域に設けられた薄膜型光学素子。
2. （２）基板表面に基板端部近傍の方が他の部分よりも薄
   い膜厚分布を持つ金属膜を形成する過程と、前記基板に
   前記金属を熱拡散せしめる過程と、前記基板端部近傍以
   外の部分の一部にマスクを形成する過程と、前記マスク
   で覆われていない基板表面にイオンを注入又は熱拡散せ
   しめ光導波路を形成する過程と、前記マスクで覆われて
   いた部分に電極を設け、前記光導波路の屈折率を外的作
   用により変化せしめ、該光導波路の導波光を変調又は偏
   向させる光機能部を形成する過程とから成る薄膜型光学
   素子の作製方法。