JPS62103604A - 光回路およびその製造方法 - 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、光波の分岐・合流等
を行なう光回路に関し、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回路に関する。

（従来技術とその間唯点） 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り、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り
得るので、高速性きともに低損失性も重要となる。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
せることにより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ｆ％器またはスイッ
チ等に関する報告がなされている。例えばＬｉＮｂ０．
結晶中にＴｉを拡散して形成した光導波路においては波
長１．３／ｊｍに対して０．１〜０．２　ｄＢ／ｃｍと
いう小さな伝搬損失が得られている。しかしながらこの
ような導波路光制御素子を実際の光フアイバ伝送系へ適
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。上記の手段により光フアイバ間に光導
波路を挿入したときの損失値としては２　ｄＢ程度の値
となる。これはＴｉ拡散導波路においては基板に垂直な
方向と水平な方向の屈折率分布が異なり。

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なる。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光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光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、光導波路の光エネルギー
分布も上記値程度となるように選ばれる。この条件は１
例えは、ブイ・ラマスワーミイ（Ｖ、Ｒａｍａ　ｓｗａ
ｍｙ）、アール・シー・アルファーネス（Ｒ，Ｃ，Ａｌ
ｆｅｒｎｅｓｓ　）　、エム・デビノ（Ｍ、　Ｄｉｖｉ
ｎｏ　）によりエレクトロニクス・レターズ誌（Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎｉｃｓ　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慢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りも小さくする必
要がある。この低電圧化条件と光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・１１ビ
ニール（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　Ｉｎｔｅｒｎａ
ｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｉｎｔｅ
ｇｒａｔｅｄＯｐｔｉｃｓ　ａｎｄ　０ｐｔｉｃａｌ　
Ｆｉｂｅｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　）のテクニ
カル・ダイジェスト２９Ｃ４−４番（ページ３６２〜３
６３）ｊこ述べられている。

このように強誘電材料に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
分布に一致させかつ光エネルギー分布を円形化する必要
があり、光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、では入出力光導波路
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
を不可能であった。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
接、小松、太田により第７回集積光学と導波光学に関す
る会議（７ｔｈ　Ｔｏｐｉｃａｌ　Ｍｅｅｔｉｎｇ　ｏ
ｎ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄａｎｄ　Ｇｕｉｄｅｄ−Ｗａ
ｖｅ　０ｐｔｉｃｓ　）のテクニカル・ダイジエスｈＴ
ｕＡ５−１　　に述べられているように、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、光ファイバとの
結合部では導波路の光エネルギー分布を光ファイバの光
エネルギー分布に近づけ、光制御部においては導波路の
光エネルギー分布を電極近傍に集中させるものがある。

しかしながら上記方法においては入出力光導波路の光エ
ネルギー分布は基板の深さ方向では非対称であり１円形
ではないためまだ光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０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光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ことが必要となる◎ 葦た光回路が大規模化してくると複数の光導波路が交差
する場合が生ずる。光回路の場合は電気配線の場合とは
異なり、２本の光導波路が同一平面内で交差しても信号
が他方の光導波路には結合しないことが特徴であるが、
実際には一部の信号が他方の光導波路に結合してクロス
トークとなり。

また一部は光導波路外に放射して損失となる。このよう
すを第１４図（ａ）に示す。第１４図（ＪＬ）は交差部
とその他の光導波路部分とも基板との屈折率差がΔｎで
等しい場合を示す。この時交差部と光導波路部分に屈折
率差が無いため、光導波路Ａから伝搬してきた光は光導
波路Ｂにも結合してクロストークとなり、また一部は導
波路外へ放射して損失となる。これは交差角が小さくな
る程顕著となる。

上述のような他の導波路への結合や放射損失を低減する
には第１４図ｆｂｌに示すように交差部と基板との屈折
率差を他の光導波路部と基板との屈折率差よりも２倍程
度大をくすれば良いことがクボタとオイカワによりアプ
ライド・オプティクス（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃａ
　）　＠第１６巻４号１０３３ページから１０３７ペー
ジ（こ述べられている。クボタとオイカワはプラスチッ
クフィルムを用いた光導波路で実験を行ない上述の効果
を確認している。Ｔｉ拡散ＬｉＮｂｏ１″／を導波路の
場合には交差部の屈折率を上げるには拡散前のＴｉ膜厚
を交差部のみ厚くすることが最も簡単で確実な方法であ
る。しかしながらＴｉ＃をあまり厚くするとＴｉの拡散
残りが生じてしまい伝搬損失が増加してしまうという問
題が生ずる。また交差部のＴｉ膜厚を拡散残りが生じな
い程度に薄くする交差部以外の光導波路のＴｉ膜厚がか
なり薄くなってしまい電気光学効果を利用した元スイッ
チ等を同時に集積化する場合に光の閉じ込めか弱くなる
ため動作電圧が増加したり、端面で単一モードファイバ
と接続する際に導道路出射元のモードサイズが大きくな
りすぎて単一モードファイバとの結合損失が増加する等
の問題が生ずる。すなわちＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ５光導波
路においては。

交差部の損失およびクロストーク低減化するためにＴｉ
膜厚を厚くすることにより交差部の屈折率を上げようと
すると同一基板上に集積化した他の素子の特性を劣化さ
せてしまう等の問題が生ずる。

また前述の例以外にも導波路の屈折率分布の形状を変化
させると光回路の性能を向上させられる場合が多多見う
けられる。例えばＬ　ｉ　ＮｂＯ５基板中のある部分で
はＴｉ拡散導波路中で屈折率が最大の位置を、基板表面
ではなくて、基板中のある深さの位置とすると伝搬光の
エネルギーは基板内に集中し、基板表面にはエネルギー
が集中しない。

したがって基板表面での光の散乱による損失が問題とな
るような光回路においては、上述のように導波路中での
屈折率が最大の位置が基板中のある深さとなっているよ
うな屈折率分布が望まれる。

このような光回路の例としては、ＬｉＮｂＯ３基板に機
械的な加工を楕こしてくぼみを作成することによって形
成したジオデシックレンズを含む光回路等があげられる
。しかしながら従来のＴｉ拡散導波路の構成方法では上
述のような屈折率が最大の位置が基板中のある深さにあ
るような屈折率分布を形成することは不可能である。

（問題点を解決するための手段） 本発明は上記問題点を解決するために、基板中に金属原
子が導入されて形成された光導波路を利用する光回路に
おいて、少なくとも基板の一部領域においては基板の屈
折率を増加させる働きをする第１の金属イオンと基板の
屈折率を減少させる働きをする第２の金属イオンの２種
類の金属イオンの導入により光導波路が形成されており
、前記２種類の金属イオンが導入されて形成された領域
と他の第１の金部イオンのみが導入されて形成された領
域とで光導波路の屈折率分布が異なるこ七を特徴とする
光回路を構ＦＭ、する。そして上述の光回路を得る製造
方法として基板上に金嗅原子を含む第１の薄膜を所望の
パクーン状に形成した後。

上記基板を加熱して上記薄膜パターンを該基板中ｌこ拡
散させ１次いで、該基板上の少なくとも一部領域上に前
記金属原子とは異なる金属原子を含む第２の薄膜パター
ンを形成し、上記基板を再度加熱して上記の第２の薄膜
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
を形成する工程を少なくとも具備していることを特徴と
する光回路の製造方法を採用した。

（作用） 本発明は、上述のように光回路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種類と２種類とすることにより
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
波路部分では光ファイバの光エネルギー分布に近い伝搬
光エネルギー分布を与えるように円形化した屈折率分布
を設定し、かつそれ七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はその伝搬光エネルギー分布
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、光ファイバと低損失結合が可能でかつ低電圧動作
が可能な光回路を構成したり、交差部を有する光回路の
交差部以外の交差部近傍の光導波路部分にのみ屈折率を
減少させる金属イオンを拡散してその部分の屈折率を低
下させ、同一基板上に集積化した他の素子の特性を劣化
させることなく交差部の損失およびクロストークを低減
化させたりすることを可能とする。

（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および光制
御回路の構成を説明するために１本発明による方向性結
合器型光制御回路の製造方法を示したものである。

以下に方向性結合器型光制御回路の製造方法を例に説明
する。

先ず、　ＬｉＮｂＯ３基板３０１上に通常のフォトリン
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ＬｉＮｂ０ｍ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
の間隔で近接した幅数〜数十μｍ長さ数〜数十！罫の２
本の導波路パターンとし、入力光導波路パターン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
本の導波路より構成され、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。フォトリン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、この上からますＴｉ膜
を７００〜１１００人程度全面に形成する。この後フォ
トレジスト膜を溶融することにより第１図（ａ）に示す
ようなＴｉによる光導波路パターンが形成される。第１
図（ａ）のようにＴｉによる光導波路のパターンが形成
された基板は１０００〜１１００℃、５〜１０時間程時
間数炉中で加熱されることによりＴｉがＬｉＮｂＯ５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。次にスパッタ法等により第１図（ｂ
）に示すように入力光導波路３０５゜出力光導波路３０
７に相当する部分にＭｇ０３０８を１００〜５００　Ａ
程度形成する。なおこのとき方向性結合器部分３０６は
遮へい板でおおっておく。

入出力光導波路部分３０５，３０７と方向性結合器部分
光導波路３０６の境界部分は前記迦へい板と基板との間
隔を調整することによってもしくはＭｇＯ。

膜３０８を形成する際に遮へい板を徐々に移動すること
によって任意のテーパ形状とすることができる。第１図
（ｂ）のよ６にＭｇＯ膜３０８が形成された基板は７０
０〜１０００℃、２〜１０時間程時間数炉中で加熱され
ることζこよりＭｇがＬｉＮｂ０．基板中へ拡散される
。その後電極での光吸収を防ぐためにＬ　１Ｎｂｏａ基
板上にＳｉｎ、膜を２０００Å以下形成し、方向性結合
器部の導波器の真上にＳｉｎ、上にＣｒとＡｕもしくは
ＣｒとＡｌ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
しくはへき開により光入出力端面１５，１６，１７．１
８を形成する。なお第２図においては５ｉ０２膜は省略
している。

以上が方向性結合型光制御回路の製造方法の例であり１
以上の製造方法により第２図に示す方向性結合型光制御
回路が形成される。

次に本発明の製造方法により光ファイバと低損失結合が
可能でかつ低電圧動作が可能な方向性結合器型光制御回
路が１件られる原理について説明する。前述のように光
ファイバの屈折率はコアの中心に対して対称であるので
、光強度分布は円形化した分布となる。これに対してＴ
ｉ拡散によるＬｉＮｂ０．光導波路の場合は、第３図（
ａ）に示すように。

基板に対して水平な方向では屈折率分布は対称で、　　
あるが、基板に対して垂直な方向では基板表面における
屈折率差が基板内部における屈折率差よりも大きいため
第３図（ｂ）に示すように屈折率分布は非対称となる。

このため光導波路出射光の強度分布は、第３図（Ｃ）　
、　（ｄ）に示すように、基板に水平方向に対しては対
称となるが、基板に垂直な方向に対しては対称とならず
、この結果光導波路出射光の強度分布は、光フアイバ出
射光の強度分布の様に円形とはならず楕円形Ｉこ近い形
状となる。このためＴｉ拡散によるＬｉＮｂＯ３光導波
路と光ファイバとの結合においては原理的に損失が存在
することになる。これに対して本発明においては、屈折
率を増加させる拗きを有するＴｉをＬｉＮｂＯ５基板に
拡散させて光導波路を形成した後、更に入出力光導波路
部に屈折率を減少させる嵐を基板中に拡散している。Ｔ
ｉおよびＭｇの両者をＬｉＮｂＯ５基板に拡散したとき
の屈折率分布を計算した一例を第４図に示す。第４図に
は幅８μｍ、厚さ１０００人のＴｉ薄膜を１０５０℃で
８時間ＬｉＮｂ０．基板中へ拡散したときの屈折率分布
、厚さ２００ÅのＭｇ博膜を８００℃で８時間ＬｉＮｂ
０．基板中へ拡散したときの屈折率分布およびＴｉ、Ｍ
ｇの、１：１序で両者を別々に同一基板中に拡散したと
きの屈折率分布の計算結果を示す。なお、第４図におけ
る縦軸はＬｉＮｂ０．基板の屈折率（ｎ岬２．２）との
屈折率差で示している。

第４図から判るよ・うに、Ｔｉ拡散のみではＬｉＮｂＯ
５基板との屈折差は基板表面で最大となり、この結果第
３図（ｄ）に示したように出射光の光強度分布は非対称
となる。しかしながらＴｉ拡拡散後辺屈折率を減少させ
る金属であるＭｇを含むＭｇＯを拡散させると第４図に
破線で示すように屈折率分布は基板表面から３〜４μｍ
深い位置で最大屈折率となり、その前後でほぼ対称な形
状となる。このためＴｉ拡散後に更にＭｇＯを拡散する
ことにより出射光の光強度分布を基板に垂直な方向に対
して対称とするこきができる。なお、Ｔｉ　を拡散した
後１１／ＩｇＯを拡散しているためＭｇＯの拡散時にＴ
ｉの濃度外布が変わってしすうことが心配されるが、　
Ｍｇの拡散速度はＴｉの拡散速度よりもはるかに速いた
め、Ｔｉのａ度分布にほとんど影響を与えないでＭｇの
拡散番こよる屈折率分布を所望の形状とすることが可能
である。第５図に拡散時間をパラメータとして拡散温度
と拡散深さの関係をＬｉＮｂＯ５のＺ板に対して計算し
た結果を示す。第５図にはＭｇＯを拡散する場合とＴｉ
を拡散する場合の両者を示している。なお、ここで拡散
深さというのは、拡散によるＭｇあるいはＴｉのイオン
＃度の分布がガウス分布であると仮定した時に、そのイ
オン濃度が最大イオン濃度の１　／　ｅ　に減少する深
さを言う。

第５図かられかるように、例えば拡散温度を８００℃と
したとき拡散時間を２時間から８時間の間で変化させる
と踵の拡散深さを１μｍ〜２．５μｍ程度の間で変える
ことができ、拡散時間により拡散深さを変えることがで
きる。このことは拡散温度と拡散時間の組合せ方により
Ｍｇ拡散による屈折率分布をかなり自由に制御できるこ
とを示す。また第５図から拡散温度が８００℃のときに
はＴｉの拡散深さは高々０．３μｍ程度であり、Ｔｉを
拡散した後ＭｇＯを拡散してもその拡散温度が８００℃
程母であれば、既に拡散ずみのＴｉ濃度分布にはほとん
ど影響を与えないことが判る。また第６図ｋｃハＭｇＯ
ｌｉ−８００℃テＬｉＮｂＯ５Ｚ　板中１ｃ　拡散１．
りときの拡散温度と基板表向における屈折率差との関係
を示している。基板表面における屈折率差は拡散するＭ
ｇＯ膜の膜厚によりかなり大きな範囲で変えることがで
きることが判る。以上のように本発明によるＴｉ拡散後
にＭｇＯを更に拡散する製造方法を用いれば、Ｔｉの膜
厚および拡散条件、ＭｇＯの膜厚および拡散条件５：適
当に選ぶことにより。

光導波路の屈折率分布を基板の深さ方向においてもかな
り任意の形状とすることが可能であるので、光導波出射
光の強度分布と円形に近いものとすることができ、光フ
ァイバとの低結合損失化が可能となる。一方第１図（ｂ
）に示したように方向性結合器部３０９（第２図参照）
においてはＴｉのみを拡散しておりＭｇＯ拡散は行なっ
ていないので、屈折率分布は第３図（ｂ）のような形状
となっており光強度分布は第３図（ｄ）のように基板表
面に光エネルギーが集中する、したがって電極４による
′電界との重なりが大きく低重、圧で光のスイッチング
が可能である。なお、方向性光結合部３０９の光導波路
３０６と入力光導波路３０５および出力光導波路３０７
の接続部分９，１０は伝搬光モード変換による情夫を小
さくするために屈折率が第３図（ｂ）の分布から＠４図
の破線で示した分布へと数百μｍから数ｍｍにあたって
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を用いれは入出力光導波路部と方向
性光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
ルギー分布を元ファイバのエネルギー分布に一致した円
形化した分布とすることができ、方向性光結合器部にお
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
ができる口したがって従来よりもさらに回路の低損失。

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
を拡散するという工程が増えるだけであり、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７図は本発明による光回路の他の実施例を説明するた
めｌこ、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、ＬｉＮｂ０１基板４０１に通常のフォトＩ＋　’
／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ＬｉＮｂ０１基板上に７オトレジストを一様
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。３　ｄＢ
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ｍｒａｄとし、２本の位相変調器
部光導波路パターン４０２の間隔は十数〜数十μｍとす
る。

合流部光導波路パターン４０６も３　ｄＢ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。フォトリン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
上からますＴｉ膜を７００〜１１００Ａ程度全面に形成
する。この後フォトレジスト膜を溶融することにより第
７図（ａ）に示すようなＴｉによる光導波路パターンが
形成される。第７図（ａ）のようにＴｉによる光導改路
のパターンが形成された基板は１０００〜１１００℃、
５〜１０時間程時間数炉中で加熱されることによりＴｉ
がＬｉＮｂＯ３基板中へ拡散され、その部分のみ屈折率
がわずかｌこ増加して光導波路となる。次にスパッタ法
等により第７図（ｂ）に示すように入力光導波路４０７
、出力光導波路４０８に相当する部分に■０を１００〜
５００Å程度形成する。なおこのさき位相変調器部分の
光導波路４０９は遮へい板でおおっておく。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もしくはＭｇＯ膜
４０６を形成する際に遮へい板を徐々に移＠することに
よって任意のテーパ形状とすることができる。＠７図（
ｂ）のようにＭｇＯ膜４０６が形成された基板は７００
〜１０００℃、２〜１０時間程時間数炉中で加熱される
ことによりＭｇＯがＬｉＮｂＯ３基板中へ拡散される。

その後電極での光吸収を防ぐためにＬｉＮｂ０゜基板上
に５ｉ０２膜を２０００Ａ以下形成し１位相変調器部の
導波路の真上にＳｉｎ、上にＣｒとＡｕもしくはＣｒと
ＡＡを、積層した第８図に示すような１対の成極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８
図においてはＳｉｎ、膜は省略している。以上が本発明
による分岐干Ｖ型光変調器の製造方法であり１以上の製
造方法により第８図に示す分岐干渉型光変調器が形成さ
れる。

なお位相変調器光導波路４０９と入力光導波路４０７お
よび出力光導波路４０８の接続部分の光導波路５０２お
よび５０３は伝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ｆａ９図（ａ）の分布から第９図（ｂ
）の分布へと数百μｍから数μｍにわたって徐々に変化
するように形成されている。

本発明による製造方法では１位相変調器部はＴｉのみを
ＬｉＮｂＯ５基板中に拡散しているので位相変調器の光
導波路の深さ方向の屈折率分布は第９図（ａ）の様にな
り基板表面で最大屈折率ｎ１を有し、伝搬光のエネルギ
ー分布は第９図（ｃ）に示すように基板表面近傍に強く
閉じこめられるので、低電圧で光の変調が可能である。

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４０７，４０８は。

Ｔｉを拡散後に導波路の屈折率を減少させるイオンを含
むＭｇＯを形成し、これをＬｉＮｂ０１基板中に熱拡散
して形成している・したがって入出力光導波路４０７お
よび出力光導波路４０８では屈折率の最大値が第９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、伝搬光のエネルギー分布は第９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。

以上のように本発明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た円形化
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ができる
。したがって従来よりもさらに低損失、低電圧の光回路
を得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属原子を拡散する工程
が増えるだけであり、従来方法とほとんど変わりはない
。

第１０図は本発明による光回路の他の実施例を説明する
ために本発明による交差導波路部を有する２Ｘ２光スイ
ツチの構成を示したものである。

第１０図においては％ＬｉＮｂ０１基板３０１上にＴｉ
拡散によって形成された方向性結合器部光導波波路、方
向性結合器部間を接続するＴｉ拡散導波路。

入力および出力光導波路７０７および７０８．電界を印
加するための電極により２Ｘ２光スイツチが構成さねて
いる。本２×２光スイツチにおいてはクロストーク低減
化のために各切換点においてスイッチニレメン・ドア０
１が２重化されており１通常の２×２格子スイツチのス
イッチエレメント数の２倍の８個のスイッチエレメント
を有している。このような２重化構成の光スィッチにお
いては＠１０図に示すように交差導波路部７０２が存在
する。そこで本発明においては第１１図に示すように交
差導波路部を構成する。すなわち交差部８０１の返討の
斜線を施した部分（長さ数百μｍ〜数ｍｍ）８０２にの
みその部分の屈折率が下がるようにＭｇＯ薄膜をＴｉ拡
散導波路８０３の形成後に追拡散し、交差部と基板との
屈折率差（Δｎ）が交差部近鏝の光導波路と基板との屈
折率差（ｊＶ′２）よりも２倍数度大きくなるようにし
ている。

上述のような交差導波路部を有する２×２光スイツチの
製造方法を簡単に説明する。まず厚さ４００〜１０００
Ａ（ｆ＞Ｔｉによる光導波路パターンをＬｉＮｂ０１基
板３０１上に形成し、この基板を１０００℃〜１１００
℃で５〜１０時間程度加熱しＴｉ拡散導波路を形成する
。その後筒１２−に示すように、交差部８０１の近階に
のみＭｇＯ薄膜９０１を形成し、再度基板を７００〜１
０００℃で１〜１０時間程度加熱し、今度はＭｇイオン
をＬｉＮｂ０．基板中へ拡散する。ＴｉおよびＭｇＯ薄
膜が拡散された基板は電極での光吸収を防ぐためにＳｉ
ｎ、膜（第１０図では省略）が形成され、各々の方向性
結合器型スイッチエレメント部の導波路上にＣｒとＡｕ
もしくはＣｒとＡＩを積層した電極が形成されている。

入力光導波路の端部は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７０３゜７０７．７０５，
７０６が形成され、光ファイバと接続される。

本実施例においては屈折率を増加させる働きを有するＴ
ｉをＬ　ｉ　ＮｂＯｓ基板に拡散させて光導波路を形成
した後に、更に交差導波路部分の交差部近傍にのみ屈折
率を減少させるＭｇを基板中に拡散している。Ｔｉおよ
びＭｇの両者ｆ　ＬｉＮｂＯ５基板に拡散したときの屈
折率分布を計算した一例を第１３図に示す。第１３図に
は幅８μｍ、厚さ１００　ｏＡのＴｉ薄膜を１０５０℃
で８時間ＬｉＮｂＯ５基板中へ拡散したときの屈折率分
布、厚さ２００λのＭｇＯ薄膜を１０００℃で４時間Ｌ
ｉＮｂＯ５基板中へ拡散したときの屈折率分布およびＴ
ｉ、Ｍｇの順序で両者を別々に同一基板中へ拡散したと
きの屈折率分布の計算結果を示す。第１３図から判るよ
うにＭｇＯ薄膜の拡散深さを、第１の実施例の場合とは
異なりこの例のようにＴｌの拡散深さと同じにすること
によりＴｉ拡散による屈折率を一様に約半分に減少させ
ることができる。しかも嵐の拡散速度はＴｉの拡散速度
よりもはるかに速いため、もともとのＴｉの濃度分布に
ほとんど影響を与えないでＭｇの拡散を行なった部分の
み屈折率を一様に減少させることが可能である。

上述のように本発明を用いれば、交差導波路部を有する
２×２光スイツチにおいて、交差部近傍のみの屈折率を
交差部の屈折率の約半分に設定することができる。した
がって交差導波路部での損失、クロストークを防止する
ことが可能である。

しかも本発明においては交差部近傍のみにＭｇＯ薄膜を
拡散してその部分の屈折率を減少させており。

同一基板上に集積化した方向性結合器型光スイッチエレ
メントの特性には何らの影響も与えない。

したがって本発明を用いれば方向性結合器型光スイッチ
エレメント部と交差導波路部の特性を別々に最適化する
ことが可能である。さらに本発明の光回路構成方法は従
来の構成方法と比べて、導波路の屈折率を下げるＭｇＯ
膜を拡散するという工程が増えるだけであり、製造工程
としては従来方法とほとんど変わりはなく、また困難も
伴わない。

なお本実施例においても、第１の実施例において述べた
ように、入出力光導波路部にもＭｇＯ膜を拡散し、光フ
ァイバとの結合損失を低減化することが可能であること
は言うまでもない。

（発明の効果） 以上述べたように本発明によれば基板上に形成した光導
波路の屈折率分布の形状を部分的に制御することが可能
であり、同一基板上に同時に集積化した他の部分の特性
を劣化させることなく所望の部分のみの屈折率分布形状
を制御して光回路。

例えば方向性結合器型光制御回路や交差導波路部を有す
る光スィッチ等、の損失特性やクロストーク特性を向上
させることが可能である。

本発明は上記の実施例に限定されるものではない。第１
の実施例で示したような、屈折率が最大の位置が基板中
のある深さにあるような屈折率分布の形成方法は、基板
に機械的な加工等が施されて基板表面での光の散乱によ
る損失が問題となる光回路１例えばジオデシックレンズ
を含むよウナ光回路においても有効である。これは、上
述のように屈折率が最大の位置が基板中のある深さにあ
るため、伝搬光のエネルギーが基板内に集中し。

基板表面にはエネルギーが集中しないためである。

また本発明はいかなる方式の光回路、例えば光位相変調
器や交差導波路型光スイッチ等の光制御素子およびそれ
らの光制御素子と他の素子とを同一基板上に集積化した
光回路においても適用可能であり、また交差部や分岐部
を有する光回路においても適用可能である。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、　ＬｉＴａＯ５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
両者を併用した光導波路等を、電極形状としては、高速
化により適した進行波形の電極等を用いることができる
。

また近藤、小松、太田により第７回集積光学と導波光学
に関する会議（７ｔｈ　Ｔｏｐｉｃａｌ　Ｍｅｅｔｉｎ
ｇｏｎ　Ｉｎｔｅｇｒａｎｔｅｄ　ａｎｄ　Ｇｕｉｄｅ
ｄ−Ｗａｖｅ　０ｐｔｉｃｓ　）のテクニカル・ダイジ
ェストＴｕＡ５−１に述べられるように、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パ形状として基板上に積層し、この
金属原子を基板中に熱拡散し、さらに入出力光導波路に
相当する部分のみ屈折率を減少させる金属原子を含む薄
膜を形成した後に、この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、さらに低損失に光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１本発明による光回路の第１の実施例の製造方
法を説明するための図、第２図は１本発明による光回路
の第１の実施例である方向性結合器型光回路の構成を示
す図、第３図および第４図は本発明の製造方法により光
ファイバと低結合損失が可能で低亀圧動衿が可能な光制
御素子が得られる原理を説明するための図、第５図およ
び第６図はＭｇＯ拡散拡散上る屈折率分布特性の計算結
果を示す図、第７図、第８図、第９図は本発明の第２の
実施例を説明するための図、第１０図、第１１図および
第１２図は本発明による第３の実施例である交差導波路
を有する２Ｘ２光スイツチについて説明するための図、
第１３図は第３の実施例における屈折率分布の制御方法
を説明するための図。 第１４図は従来技術の問題点を説明するための図である
。 図において。 ３０１．４０１・・・ＬｉＮｂ０１基板４　、５０４・
・・電極 ３０２・・・方向性結合器部光導波路Ｔｉパターン４０
２・・・位相変調器部光導波路Ｔｉパターン３０３・・
入力光導波路Ｔｉパターン ３０４・・・出力光導波路Ｔｉパターン３０５．４０７
，７０７・・・入力光導波路３０７．４０８，７０８・
・・出力光導波路３０６・・・方向性結合器部光導波路 ４０９・・・位相変調器部光導波路 ３０８．４０６，９０１・・・ＭｇＯ薄膜４０５・・・
３ｄＢ分岐部光導波路Ｔｉパターン４０６・・・分波部
光導波路Ｔｉパターン７０１・・方向性結合器型スイッ
チエレメント７０２・・・交差導波路部 ８０２・・ＭｇＯ追拡散拡散光導 波路３・・・Ｔｉ拡散光導波路 ８０１・・・交差部 閉１図 （ｂ） 兜　？　図 ３０５．入力ｆｔ講４皮説ト 第　３　図 ＣＱ）　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）（Ｃ）　　
　　　　　　　　　　　　　（ｄλ第　４　図 Δ７１（ＸＩＯ） 第５図 拡散１厘　じＣ〕 第６図 ＃１歎時間Ｃｈ） ＷＡ７図 （ｂ） 第　δ　図 第９図 （α）　　　　　　　　　　（ｂ） Ｍ　ｌＯ図 第　１１　図 第　１ｚ　図 第　１４　　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板中に金属元素が導入されて形成された光導波
   路を利用する光回路において、少なくとも光導波路は基
   板の屈折率を増加させる動きをする第１の金属イオンと
   基板の屈折率を減少させる働きをする第２の金属イオン
   の２種類の金属イオンの導入により形成された第１の領
   域と、前記第１の金属イオンのみが導入されて形成され
   た第２の領域とを備え、前記第１の領域と第２の領域の
   屈折率分布が異なることを特徴とする光回路。
2. （２）基板上に金属元素を含む第１の薄膜を所望のパタ
   ーン状に形成した後、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、次いで該基板上の少なくと
   も一部領域上に前記金属元素とは異なる金属元素を含む
   第２の薄膜パターンを形成し、上記基板を再度加熱して
   上記の第２の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する工程を少なくとも具備して
   いることを特徴とする光回路の製造方法。
3. （３）第２の薄膜パターンが、第１の薄膜パターンが拡
   散された領域上にも形成されることを特徴とする特許請
   求の範囲第２項記載の光回路の製造方法。