JPS6170539A - 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】 （＋ｋｉＪＭ　　分　テア〕 本発明は、８■■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ｒ−を光偏
向＝、尤変調器、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ｔｉ膜型光ブ素了は、光導波路の屈折率を音
響光学（ＡＯ）効果或いは電気光学（ＥＯ）効果等の外
的作用により変化せしめ、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；も了を形
成する場合のノ、（板としては、圧電性、ざ饗光学効果
及び電気光学効果に優れ、かつ光伝搬損失が少ないニオ
ブ醜リチウム（以下ＬｉＮｂＯ３と記す）結晶及びタン
タル酸リチウム（以下Ｌ　ｉ　Ｔ　ａ　Ｏ３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、チタン（
以下Ｔｉと記す）を１１［Ｉ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、５ｉ板の屈
折率よりわずかに大きな屈折率を有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、「光導波路に入力する光強度を増大していったとき
に、該先導岐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ｉｆｆ記人力光強度に比例して増大し
なくなる現象」をぼう。

また、光学損傷を改みする光導波路の他の作製）」法と
して、イオン交換法が知られている。

この方法は、硝酸タリウム（以下ＴＱＮＯ：＋と記す）
、硝酸ｔＢ（以下ＡｇＮＯ３と記す）、硝酸カリウム（
以下ＫＮＯ３と記す）等の溶融塩中又は、安忌香酸（Ｃ
ｔ３Ｈ３ＣＯＯＨ）等の弱酸【１１で、ＬｉＮｂＯ３又
は、ＬｉＴａ０３（７）結晶ノ＾扱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ｙ　（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作
製された薄膜光導波路の光学損傷のしきい値は、Ｔｉ拡
拡散ものより数ｌθ倍程度向上する良い特性をもつ反面
、上記イオン交換処理によってＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａ
Ｏ３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、光変調器を光音響効果や電気光学
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。光音響
効果を利用する代表例としては、光導波路上にホトリン
グラフイーで作製したくし形゛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、光導波路上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ｌｓがプ＾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。ＣＣ，Ｓ、Ｔｓａｌ、ＩＥＥ
Ｅ　ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＮ　ＣＩＲＣＵＩＴＳ
　ＡＮＤ　ＳＹＳＴＥＭＳ、ＶＯＬ、ＣＡＳ−２６，１
２，１９７９） 一方、前述のような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等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布は光ファイ／へ等の光
エネルギー分布に合わせて、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、従来の薄膜型光学素子
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散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ン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春期応物ｊ！４
演会予稿３１ａ−に−７及び同著者７ＬｈＴｏｐｔｉｃ
ａｌ　　Ｍｅｅｔｉｎｇ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ
ａｎｄ　Ｇｕｉｄｅｄ−Ｗａｖｅ　０ｐｔｉｃｓ　Ｔｕ
Ａ５−１）しかしながら、光導波路を上記の如く一様な
温度の熱拡散現象を利用して形成した場合には、その屈
折率分布は第３図の５１に示す如く、ガウス関数型、誤
差関数型或いは指数関数型等の単調減少型となり、この
光導波路を伝搬する導波光の電界強度分布（ＴＥｏモー
ド）は第３図の５２の如く非対称型となる。これに対し
ガスレーザや半導体レーザから出射される或いは光ファ
イバーによって伝搬される光の電界強度分布は中心対称
型であり、上記方法においても十分な結合効率を得るこ
とが出来なかった。このように、各種レーザや光ファイ
バーからのビームを光導波路へ効率よく結合させるため
には、光導波路の屈折率分布の形状を第４図の５３に示
される如く、基板表面より内側に屈折率の最大値をもつ
ものとし、導波光の電界強度分布を入出力される光の電
界強度分布に近いものにする必要があった。

、　　　　　　　〔発明の概要〕 本発明の口約は、導波光の入出力の際の結合効−（べが
高く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、素子を形成する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設け、また光導
波路端面から導波光を入出力させる光結合部と、光導岐
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、光結合部に・おける
前記イオンの基板の厚み方向の密度分布を、基板表面よ
り内側の力が高くし、また前記光機能部において外的作
用を生じさせる電極を前記イオンが注入も熱拡散もされ
ていない領域に形成することによって上記目的を達成す
るものである。

〔実施例〕

Ｊ１図は、音響光学効果を利用した本発明の薄膜型光学
素子の第１の実施例を示す斜視図である。ｌはＸ板もし
くはＹ＆ＬｉＮｂＯ３結晶基板、２はチタン拡散及びプ
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はンリンドリカルレンズ、
１０．１１はくし型電極、１３はプロトンの注入されて
いないＴｉ拡散層である。又、１９゜２０はプロトンが
外部拡散された低屈折率層である。

波１６３２８人ｃｙ）　Ｈｅ　−Ｎ　ｅ　レーザーから
の平行光８は、研磨された光導波路端面３上に、ンリン
ドリカルレンズ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、くシ型電極ｌＯにＲＦパワーを加えること
により発生した弾性表面波１４により回折され１回折光
は。

光導波路端面４から出射し、シリンドリ力ルレ７ズ６に
より平行光になる。また、くし型電極１１は弾性表面波
の受信用である。この時の光導波路端面３でのレンズ５
による集光光束の幅（集光方向）と導波光の幅はほぼ一
致しており、さらに光導波路端面近傍では、光導波路２
が低屈折＊層１９にうめこまれたような形状となってい
るため、入力光と導波光の電界強度分布が非常に近いも
のとなり、８５％と高い結合効率が（＋）られた、光導
波路端面から結合された導波光は１弾性表面波と相！Ｌ
作用をする光機能部に進むにつれ、基板表面側に引き上
げられ、弾性表面波による導波光の回折効率も高い値が
得られた。

更に、＋ｉｆｉ記くし型電極ｔｏおよび１１は、プロト
ンが注入されていない領域のＴｉ拡散層１３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
面波を生じさせて、高効率で尤変調或いは光偏向を行な
うことが出来た。

：ｉＳ２図は、第１図の如き薄膜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＜、ｙ板もしくはＸ板
のＬ　ｉ　Ｎ　ｂｏ３結晶ノ＾板１のｙ而もしくは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、ア
セトン次いで純水による通常の超音波洗すを行い、′１
．素ガスを吹きつけて乾燥させた０次に、上記７面もし
くはＸ面に電子ビーム蒸着により２００人の厚さにＴｉ
ｄ膜をＡｔし、耐大雰囲気中で９６５℃、２．５時間熱
拡散させ、第２図（ｂ）に示される如く、Ｔｉ熱拡散層
２１を形成した。熱拡散される金属としては、Ｖ、Ｎｉ
、Ａｕ、Ａｇ、Ｇｏ。

Ｎｂ、Ｇｅ等を用いても良い。

次に、第２図の（ｅ）に示す如く、電極形成部にＣｒ１
ｌｉ膜２２を蒸若し、プロトン交換時のマスクとした０
次に、安９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Ω香醜及び安９
香酸リチウムのはいったルツボ中にｌｉ記マスクを形成
したＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３結晶基板を入れ、これらを熱
炉に入れて２５０℃の温度で５時間保持してイオン交換
処理を行なった。その結果、第２図（ｅ）に示される如
＜、Ｔｉ拡散層２１中のマスクで覆われていない部分に
プロトン交換層２３が形成された。プロトン交換層形成
にあたっては。

安９香醜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ネ４との混合物、たとえばパ
ルミチン酸（ＣＨ３（ＣＨ２）１４ＣＯＯＨ）とパルミ
チン酸リチウム（Ｃ１（３（ＣＨ２）１４ＣＯＯＬ　ｉ
）との混合物やステアリン酸（ＣＨ３（ＣＨ２）ｔ６Ｃ
ＯＯＨ）とステアリン酸リチウム（ＣＨ３（ＣＨ２）ｔ
ｓｃｏｏＬ＋）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ンプルを作製した。エタノールで超
音波洗浄を１１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、プロトン交換処理を行なった結晶基板を熱炉にい
れ、加熱した水を通して酸素を流樋１、ＯＲ／分で流入
しながら、この水黒気を含んだ湿った酸素雰囲気中で３
５０℃で４時間アニール処理を行なった。その結果、第
２図（ｄ）゛に示すように、光導波路２４が形成された
。また、第２図（ｄ）に電極形成部での素子断面図を示
すように電極形成部は、プロトンのｊ１人されていない
Ｔｉ！ｌＩ；ｆｉ層２１となり、それ以外の部分は、プ
ロトンがノ＾板の内側に拡散した光導波路２５が形成さ
れた。

次に、上記光導波路層２５の表面において。

上記光＃１．能部を除いて、波長１０．６８Ｌｍの集光
したＣ０２レーデ２５により、レーザ７二−ル？ 処理をした。第Ｊ１図のＣｅ）は−【極形成部での素子
断面図であり、一方、第ｆ図の（ｅ）′は前記光機能部
での素子断面図を示す、ＬｉＨｂＯ３結晶は、１０．６
Ｂｍの波長の光を吸収するため、局所的に加熱され、こ
れらの図に示す如く、上記処理により、基板表面近傍の
プロトンが空気側に飛び出し、基板表面の屈折率が減少
した低屈折率層２６が形成された。

最後に１通常のフォトリソグラフィーの手法を用いて、
第１図の（ｆ）に示される如く、＠記電榛形Ｉ＆部にく
し型電極２７を形成した。第メ図においては、熟アニー
ル処理とレーザアニール処理とを分離し、光導波路を形
成したが、レーザアニールに使用するレーザの波長をＬ
ｉＮｂＯ３結品の吸収係数と合わせて選択することによ
り上記光導波路形成をレーザ７二−ルのみによっても実
現することができる。この場合１弾性表面波と導波光と
の相互作用が生じる光機能部でのＯＨ基の吸収ピークの
波数が３４８０ｃｍ（から３５０３ｃｍ−１の範囲に存
在するように７二−ル条件を選定することが望ましい。

又、第ｊ図で説明した素子作製方法に８いては、プロト
ン交換処理前に、くシ１１電極形成部にＣｒｆｉ膜を蒸
着し、基板内にプロトンが注入もしくは熱拡散させるの
を防いだが、このようなマスクを形成せずＪＪｉ板表面
全面に対してプロトン交換処理をほどこし、前に説明し
たレーザ７二−ル処理により、電極形成部のプロトンを
放出させる作製方法を用いても良い。

上記実施例において、光導波路はＴｉ拡散及びプロトン
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５図は、第１図示の素子を電気光学（ＥＯ）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５図において、第１図と共通の部分には同一の符
合を附し、詳細な説す１は省略する。

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（Ｅ　Ｏ）効果用
のくし型電極３１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。

ンリンドリカルレンズ６により平行光に変えられる。

また、図には表われていないが、くシ型電極３１が形成
された部分にはプロトンが注入されていない。

第５図の素子の作製方法について、第６図で説明する。

第６図（ａ）に示される如く、Ｘ板のＬｉＮｂｏ２結晶
基板１（ｘ方向にｔｍｍＪ’１．ｚ方向およびｙ方向に
夫々１インチ）の−面（例えばＸ十面）を、ニュートン
リング数本以内の平面度に研磨し後、夫々、メタノール
、７セトン、純水による通常の超音波洗Ｍ、を行ない、
窒素ガスを吹きつけ乾燥させた。　前記洗浄、乾燥した
基板表面上に、２００人の膜厚のＴｉｔｌＭを電子ビー
ム薄着により作製し、上記基板を溶融石英製のホルダー
に立て、９６５℃の熱拡散炉にセットした。雰囲気ガス
としては乾燥した。２ガス°を１交／　ｍ　ｉ　ｎの流
賃で拡散炉に導入した。室温から９６５℃まで１６℃／
　ｍ　ｔ　ｎの速度で炉内温度を上げ、１時間後炉内の
温度が一定になった後２．５時間９６５℃に保持し、そ
の後引続いて６００℃に保持した第２の熱拡散炉に移動
した。更に第２の拡散炉へ通電を中止し６００℃から室
温まで放冷し、結晶基板ｌ上に、第６図（ｂ）に示され
る如＜、Ｔｔｆｉ拡散層２１を形成した。熱拡散する金
属としては。

Ｖ、Ｎｉ　、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｇｅ等を用いて
も良い。

次に、Ｔｉ拡散後の基板を洗浄、乾燥した後に、ポジ型
ホトレジストをスピナーで厚さ１〜１．５ｇｍにスピナ
ーコートし、くし型電極のメガマスクで密着露光し、く
シ形電極部のみが残らないように現像した。水洗後乾燥
し、真空蒸刀装置に装荷して、ｌＸｌ０−１１Ｔｏｒｒ
まで排気を行い、ＥＢ蒸着によってＡｕ（膜厚１５００
人）を蒸若した。蒸着後７セトンに数分侵すことによっ
て、ホトレジスト上のＡ　ｕ　［９がリフトオフで除去
され、第６図の（Ｃ）に示される如く、くシ型電極３２
のみが基板とに形成された。この際のくし型電極は、電
極巾および電極間の間隔２．２４　ｍ、交さ幅３．８ｍ
ｍ、対数３５０対である。

々１口香酸に安息香酸リチウムをモル比で１％添加し、
アルミナのルツボにいれた。この安息香酸及び安、９香
酸リチウムのはいったルツボ中に第６図（ｃ）のＦＬ極
を形成したＬｉＮｂＯ３結晶基板を入れ、これらを熱炉
に入れて２５０°Ｃの温度で１時間保持してイオン交換
処理を行なった。この結果、第６図（ｄ）に示される如
く、Ｔｉ拡散層２１中の電極で覆われていない部分にプ
ロトン交換層２３が形＋Ｊｔ、された。プロトノ交換層
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ｌｏ−６から１
０−３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の混合物、や
とえばパルミチン酎（ＣＨ３（ＣＨ２）１４ＣＯＯＨ）
とバルミチン酎リチウム（ＣＨ３（ＣＨ２）１４ＣＯＯ
Ｌｉ）との混合物やステアリン酸（ＣＨ３（ＣＨ２）１
５ＣＯＯＨ）　とステアリン酸リチウム（ｃ）（３（Ｃ
Ｈ２）１６ＣＯＯＬｉ）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。

次に、プロト／処理を行なった結晶基板を熱炉にいれ、
加熱した水を通して酸素を流量１．０交／分で流入しな
がら、この水、Ｍ気を含んだ湿った酸素雰囲気中で３５
０℃で４時ｒａｎアニール処理を行なった。その結果、
第６図（８）にボされる如く、プロトンかり、（板の内
側に拡散し光４波路２４が形成された。

次に、上記光導波路層２４の表面において、（し型′Ｉ
ｔ！：極３２が形成されている箇所を除き、波長１Ｏ１
６μｍの集光したＣ０２レーザー光２５により、レーザ
７二−ル処理を行なった。

ＬｉＮｂＯ３結晶は、ｌｏ、６ｐｍ（７）波ｉの光を吸
収するため、上記処理により局所的に加熱され、第６図
の（ｆ）に示す如く、基板表面近傍のプロトンが空気側
に飛び出し、基板表面の屈折率が減少した低屈折率層２
６が形成された。

本実施例においても、くし型電極３１の形成部にはプロ
トンが注入されていない為、電気光ア特性が劣化するこ
ともない、従って、上記くし型電極３１に電圧５ｖを印
加したところ、９０％の回折効率が得られ、低電圧で高
−ノ折効率か得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８５％良好であった。

１ｉｉｊ述の実施例では、基板としてＬｉＮｂＯ３結晶
ノ＆板を用いたが、タノタル酸リチウム（ＬｉＴａ０３
）結晶基板を用いても、全く１ｉｆｔ様の作製方法で８
本発明の薄膜型光学素子を形成することが出来る。また
、本発明に基づく薄膜型光学素子は、前述の光偏向に限
らず光変調器等１種々の光機能素子に用いることが１１
丁能である。更に、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（Ｍａｇｎｅｔｏｓｔａｔｉｃ　
５ｕｒｆａｃｅ　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。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の他校型光学素子は、導波
光が入出力する光導波路端面の光結合部におけるイオン
の基板の厚み方向の密度分布を、基板素面より内側の力
が晶くしたことによって、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＜　ｔ’、（ｉ　ｌＩ’２型光学
型光上素子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？）脱型光学素子の作製過
程の一例を示す略断面図、第３図は従来の光導波路の屈
折率分布と導波光の電界強度分４ｊを示す図、：１ｒＩ
４図は光導波路の理想的な屈折率分布を示す図、第５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、：５６図は第５図示の素子の作製方法を
示す、　　　　　　　略断面図である・ １　・・・　ＬｉＮｂＯ３結晶基板、 ２　・・・　光導波路層、 ３．４　・・・　研磨された光導波路端面。 ５．６　・・・　ンリントリカルレンズ、１Ｏ１１工、
３１　　・・・　くし型電極、８　・・・　レーザー光
、 １３　・・・　Ｔｉ拡散層 １４　・・・　弾性表面波、 ２０．２１　　・・・　低屈折率層。 出ｖ人　　キャノン株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）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、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
   的作用によっ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、該光結合部における
   前記イオンの基板の厚み方向の密度分布が、基板表面よ
   り内側の力が高く、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
   いない領域に形成された薄膜型光学素子。
2. （２）ニオブ酸リチウム結晶基板又はタンタル酸リチウ
   ム結晶基板の表面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プロトンを注入若
   しくは熱拡散せしめ光導波路を形成する過程と、前記基
   板表面の基板端部近傍にのみレーザー光を照射する過程
   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。