JPS6346406A - 薄膜型光学素子及びその作製方法 - 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、薄膜光導波路を用いた薄膜型光学素子および
その作製方法に関するものである。

〔従来技術〕

現在、光偏向器、光変調器等の薄膜型光学素子を集積光
学構造体で実現する場合、先導波路基板として圧電性、
光音響効果、電気光学効果に優れ、且つ光伝播損失が少
ないニオブ酸リチウム（以下ＬｉＮｂ０３と記す）結晶
及びタンタル酸リチウム（以下ＬｉＴａ０３と記す）結
晶が広く用いられている。

前記結晶基板を用いて、薄膜先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）を前記結晶基
板の表面に高温で熱拡散することにより、該結晶基板の
表面に基板の屈折率よりわずかに大きな屈折率を有する
光導波層を形成する方法がある。そして、このように形
成された先導波路上にくし型電極を設け、この（し型電
極にＲＦパワーを印加することによって発生する弾性表
面波で導波光を回折させ、変調或いは偏向を行なってい
た。

しかしながら、上記の如く作製された薄膜型光学素子は
、Ｔｉ等の金属の熱拡散により、上記Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　
Ｏ３やＬｉＴａＯ３の結晶基板の特性が変化し、ＲＦパ
ワーが音響パワーへ変換される効率が低下１したり、又
、その効率が素子間でばらつくといった問題点を有して
いた。

〔発明の概要〕

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、低電
力で高効率に導波光を変調或いは偏向する薄膜型光学素
子及びその作製方法を提供することにある。

本発明の上記目的は、薄膜型光学素子を構成するニオブ
酸リチウム（Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３）結晶基板又はタン
クル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）結晶基板の表面に、基
板内に少なくとも金属が拡散されて成る光導波路部と、
金属の拡散されていない未処理部とを設け、前記光導波
路部を導波する光を変調もしくは偏向する為の電極を前
記未処理部に配することによって達成される。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は、本発明に基づいて作製された音響光学（ＡＯ
）効果を用いた素子の一例である光偏向器を示す。ここ
で１は、ｙ板もしくはｙ板、ＬｉＮｂＯ３結晶基板、２
はＴｉ熱拡散層、３はＴｉが熱拡散されていないＬｉＮ
ｂＯ３結晶基板表面、４は発信側くし型電極、５は受信
側（し型電極、６は入力用プリズム光結合器、７は出力
用プリズム光結合器、８は弾性表面波、９はレーザー光
、１０は結晶基板１の表面に形成された先導波路層であ
る。レーザー９は、プリズム光結合器６から光導波路層
１０内に導かれ、くし型電極にＲＦパワーを加えること
によって発生した弾性表面波８によって回折される。回
折光は、プリズム光結合器７により外部に取り出される
。

本実施例において、（し型電極４，５がＴｉ非拡散部３
に設けられている為に、弾性表面波８の発生の効率が高
い。くし型電極５，６として、電極幅２，２μｍ１対数
ｌＯ対、交さ幅２．１２μｍのものを用いる時、結晶基
板表面全体にＴｉを熱拡散させ、上記電極を作製した時
の導波光の回折効率が最大になるＲＦパワーが２５０ｍ
Ｗであるのに対し、本発明の方式を用いた場合、ＲＦパ
ワーが１５０ｍＷで最大口折効率が得られた。ただし、
使用したレーザ光はＨｅ　−Ｎｅレーザである。以下、
上記第１実施例の作製方法の一例を第２図を用いて詳細
に説明する。

第２図（ａ）に示すようなｙ板もしくはｙ板のＬｉＮｂ
０：＋結晶基板１の一面をニュートンリング数本以内の
平面度に研磨した後、夫々、メタノール、アセトン純水
による通常の超音波洗浄を行ない、窒素ガスを吹きつけ
乾燥させた。次に第２図（ｂ）に示す如く、前記洗浄、
乾燥した基板表面上の（し型電極５．６を作製される箇
所にマスク１１を密着して設け、２００人の膜厚のＴｉ
薄膜１２を電子ビーム蒸着した。

上記基板を溶融石英製のホルダーに立て、９６５°Ｃの
熱拡散炉にセットした。雰囲気ガスとしては乾燥した０
２ガスｌｌ／ｍｉｎの流量で拡散炉に導入した。室温か
ら９６５℃まで１６℃／　ｍ　ｉ　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°Ｃ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、第２図（Ｃ）
のように、結晶基板ｌ上に、Ｔｉの熱拡散層】３を形成
した。熱拡散する金属としては、Ｖ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ
５Ｃｏ、Ｎｂ、Ｇｅ等を用いても良い。最後に通常のフ
ォトリソグラフィーの手法を用いて、第２図（ｄ）に示
す如く、（し型電極１４を形成した。

次に本発明の第２実施例について説明する。第３図は本
実施例に基づいて作製された広角薄膜型光偏向器を示す
。第３図において、第１図と共通の部分には同一の符号
を附し、詳細な説明は省略する。１５゜１６、１７は中
心周波数の異なるくし型電極で、導波光１８が各くし型
電極から発生した弾性表面波に対してブラッグ角で入射
するようにくし型電極をそれぞれ傾けて、Ｔｉ非拡散領
域３上に設けである。さらに各（し型電極から発生した
弾性表面波が、Ｔｉ非拡散領域３とＴｉ拡散層２との境
界で屈折をうけないように、この境界線は弾性表面波の
進行方向に垂直な互いに所定の角度を成す複数の部分か
ら構成され、各電極からの弾性表面波による各々の回折
光のつながりも良好であることが確認できた。

次に本発明の第３実施例について説明する。第４図は、
本実施例に基づいて作製された薄膜型光偏向器を示す。

第４図において第１図と共通の部分には同一の符号を附
し、詳細な説明は省略する。１９は回折格子型光結合器
、２０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、２１はＴｉ拡散層である。本実施例において
は、光導波路層がＴｉ拡散及びプロトン交換処理により
形成されるため、前述の第１及び第２実施例よりも、光
学損傷を受（プにくいといった利点を有している。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。

以下、第５図を用いて、上記第３実施例の作製方法を説
明する。

まず、第５図（ａ）のようにＸ板もしくはｙ板のＬ　ｉ
　Ｎ　ｂ　Ｏ３結晶基板１の一面をニュートンリング数
本以内の平面度に研磨した後、夫々メタノール、アセト
ン純水による通常の超音波洗浄を行ない、窒素カスを吹
きつけ乾だｖｌさせた。次に第５図（１〕）に示す如（
前記洗浄、乾燥した基板表面上のくし型電極５．６を作
製される箇所にマスク１１を密着して設け、２００人の
膜厚のＴｉ薄膜１２を電子ビーム蒸着した。

上記基板を溶融石英製のホルダーに立て、９６５°Ｃの
熱拡散炉にセットした。雰囲気ガスとしては乾燥した０
２ガス１ｊ７／ｍｉｎの流量で拡散炉に導入した。室温
から９６５°Ｃまで１６°Ｃ／　ｍ　ｉ　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°Ｃ
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°Ｃから室温まで放冷し、第５
図（Ｃ）のように、結晶基板１上に、ＴｉＯ熱拡散層Ｊ
３を形成した。熱拡散する金属としては、Ｖ、Ｎｉ５Ａ
ｕ、　Ａｇ、　Ｃｏ、Ｎｂ、Ｇｅ等を用いても良い。

次に第５図（ｄ）に示す如く、第５図（ｂ）で用いたマ
スク１１よりもわずかに大きいサイズのクロム（Ｃｒ）
薄膜２２を蒸着し、プロトン交換処理時のマスクとした
。次に安息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。安息香酸及び安息香
酸リチウムのはいったルツボ中に前記マスクを形成した
ＬｉＮｂＯ３結晶基板を入れ、これらを熱炉に入れて２
５０℃の温度で１時間保持してイオン交換処理を行なっ
た結果、第５図（ｄ）に示される如＜、Ｔｉ拡散層１１
中のマスクを施さ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
されている材料との混合物、たとえばパルミチン酸ＣＣ
Ｈ３（ＣＨ２）　Ｉａ　ＣＯＯＨ）とバルミチン酸リチ
ウム（ＣＨ３（ＣＨ２）、４ＣＯＯＬｉ）との混合物や
ステアリン酸［ＣＨ３（Ｃ’Ｈ２）１６ＣＯＯＨ）とス
テアリン酸リチウム［ＣＨ３（ＣＨ２）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後、エツチング
により、マスクを除去した。

そして、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ｉ１．０１、／分で
流入しながら、この水蒸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５図（ｅ）に示す如く、プロトンが基板側
に拡散した光導波路層２５が形成され最後に、第５図（
ｆ）に示す如く、くし型電極２５を通常のフォトリソグ
ラフィーの手法で、又、回折格子型光結合器２６を２光
束干渉及びイオンミーリングを用い作製した。

このように作製された本発明の薄膜型光学素子のくし型
電極４に周波数４００　Ｍ　ＨｚのＲＦパワー・を印加
し、波長６３２８人の光を導波せしめ、この導波光の回
折効率を調べると、ＲＦパワーが２５０　ｍ　Ｗの時、
９０％であった。

一方、受信用の（し型電極による挿入損失の値は、本発
明の実施例の素子の場合、１５ｄＢであり、Ｔｉ拡散部
にくし型電極を設けた場合の４０ｄＢに比べかなり小さ
かった。

さらに、光学損傷のしきい値測定を、従来のＴｉ拡散Ｌ
し１Ｎｂ０３光導波路を有する光機能素子と本発明の光
機能素子との両者に対して行なった。測定に用いたレー
ザー光は、波長６３２８人のＨｅ−Ｎｅレーザーである
。従来の光機能素子の場合、出射光のパワーが０　、１
　ｍ　Ｗ　／　ｍ　ｍ以上になると、光学損傷現象が生
じた。しかし、本発明の光機能素子の場合、出射光パワ
ーが１　、７　ｍ　Ｗ　／　ｍ　ｍまでは、光学損傷が
生じなかった。

次に本発明の第４実施例について説明する。

第６図は本実施例に基づいて作製された薄膜型光偏向器
を示す。第６図において第１図と共通の部分には同一の
符号を附し、詳細な説明は省略する。

２７はＴｉ拡散及びプロトン交換処理により作製された
光導波路層、２８．２９はシリンドリカルレンズである
。

レーザ光９はシリンドリカルレンズ２８により先導波路
の厚さ方向に集光し、先導波路内に結合される。この時
光導波路端面での集光光束の幅（集光方向）と導波光の
幅は、はぼ一致しているため、８０％と高い結合効率が
得られた。また、図のように、光導波路２７は、光導波
路端面近傍の光結合部から、弾性表面波８と導波光３０
とが相互作用する光機能部に進むにつれ、プロトンの注
入されている深さが徐々に浅くなり、光機能部では、導
波光が基板表面近く閉じ込められて高い回折効率が得ら
れた。又、くし型電極４及び５が形成される箇所は、未
処理のＬｉＮｂＯ３基板表面ゆえ、ＲＦパワーから音響
パワーへの交換効率は高く、したがって、最大回折効率
が得られるのに必要なＲＦパワーは従来の素子よりも少
なくて済むというメリットがある。さらに、光導波路層
はＴｉ拡散及びプロトン交換層から成り、光学損傷に対
して強い特性をもっていることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は従来の薄膜型光学素子に
おいて、導波光を変調或いは偏向する電極を、結晶基板
上の金属の拡散されていない未処理部に設けたので、低
電力で高効率な変調或いは偏向を行なうことが可能とな
った。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づく薄膜型光学素子を音響光学効果
による光偏向器に用いた一実施例を示す概略図、第２図
は第１図示の薄膜型光学素子の作製過程の一例を示す略
断面図、第３図は本発明を広角光偏向器に用いた実施例
を示す概略図、第４図は本発明の他の実施例を示す概略
図、第５図は第４図に示す実施例を作製する際の過程の
一例を示す略断面図、第６図は本発明の更に他の実施例
を示す概略図である。 １・・・・・・・・・Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３結晶基板２
・・・・・・・・・光導波路 ３・・・・・・・・・未処理ＬｉＮｂＯ３結晶表面４．
５・・・・・・（し型電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ＿３）結晶基板又
   はタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ＿３）結晶基板の表
   面に、該基板内に少なくとも金属が拡散されて成る光導
   波路部、前記金属の拡散されていない未処理部とを有し
   、該未処理部に前記光導波路部を導波する光を変調もし
   くは偏向する為の電極を設けて成る薄膜型光学素子。
2. （２）ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ＿３）結晶基板又
   はタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ＿３）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
   れていない部分に金属を拡散せしめる過程と、前記マス
   クで覆われていた部分に電極を形成する過程とから成る
   薄膜型光学素子の作製方法。