JPH01134402A - 光導波路の製造方法 - 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１ 本発明は、光導波路に関し、特に光変調素子用光導波路
において、その損失および駆動電圧の低減化を図るとと
もに、動作速度の高速化並びに小型化を図ったものであ
る。

［従来の技術］ 光変調用デバイスにおいては、その損失および駆動電圧
の低減化がデバイス性能を向上する上で極めて重要であ
る。また、動作の高速化のためには、マイクロ波回路を
低電力化すべく、駆動電圧を低減化することは特に必要
不可欠の条件となる。

第８図（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、Ｘ−カットの
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯｓ）単結晶を基板とし、
進行波電極を用いた導波路形光位相変調器の斜視図およ
び断面図である０図中、１はＬｉＮｂＯ３基板、２およ
び３は変調信号を光導波路４に供給するための進行波形
変調電極（コプレーナ・ストリップ）であり、それぞれ
、中心導体および接地導体をなす。

［発明が解決しようとする問題点］ かかる変調器をまず駆動電圧の観点から考察する。

第９図（Ａ）および（Ｂ）は、本例のＴｉパターンを熱
拡散して形成した光導波路４を伝播する光の強度分布を
示す。第９図（Ａ）では、横軸に変数として基板表面方
向の位置Ｘを取り、同図（Ｂ）では横軸に変数として基
板深さ方向の位置ｙ火成っている。なお、ｙ＝Ｑは基板
表面上を、ｘ＝０．は熱拡散前のＴｉパターンの中心を
表わしている。これら図から明らかなように、Ｘ方向の
光強度分布はＸ方向での分布と比べてかなり広が・って
いる。光位相変調器の駆動電圧のフィギャ・オブ・メリ
ットとしては、電気光学効果により光の位相をπだけず
らすに必要な電圧Ｖｇｃ　　と電極長りとの積ＶπＬが
考えられる。このＶｚ　　Ｌは導波路内の光の強度分布
と変調信号の電界分布の重なり積分に比例する。すなわ
ち、Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ　（ｖｏｌ、１９．
　Ｎｏ、４゜ｐｐ、５９１−５９７．１９８０）　に説
明されているように、−般にＸ方向の拡散定数はＸ方向
のものと比較して大きいので、光導波路内の光のＸ方向
のモードフィールド径（光強度分布が１／ｅ２となる全
幅）が大となり、第８図示の構成ではｖへＬを低減でき
ないという問題点がある。

さらに、第８図示の光位相変調器を挿入損失の観点から
考察する。光変調器への光の入出力は一般に単一モード
光ファイバ（Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ　Ｆｉｂｅｒ　：
以下ＳＭＦと略す）で行われるが、その場合の結合効率
ηは次式で近似的に求められる。なお、ＳＭＦと光導波
路の電界分布をガウスビームで近似する。

η８η×ηｙ　　　　　　　　　　　　　　　（ｔ）こ
こで、η８．η、はそれぞれＸ方向、Ｘ方向での結合効
率であり、 ηｘ＝ｚ／［（ｍｗｘ／ｗｒ）＋（ｗｒ／ｍｗｘ）］　
　　（２）ηｙ＝２／［（ｍｗｙ／ｗｒ）＋（ｗｒ／ｍ
ｗｙ）］　　　（３）ここでｗｘおよびＷ、は、それぞ
れ、光導波路を伝播する光強度分布のＸ方向およびＸ方
向のスポットサイズ（ガウスビームではモードフィール
ド径の局）であり、ＷｆはＳＭＦのスポットサイズであ
る。また、ｍは導波路のスポットサイズがＳＭＦのスポ
ットサイズに近くなるように、レンズによりビーム変換
する場合の像倍率である。このときの最大結合効率η□
８は、 ａη７ａｍ＝ｏ　　　　　　　　　　　　（４）を満足
する条件から求まり、 ｍ　＝　ｗ　、／　Ｆ７７ｉｙ　　　　　　　　　　　
（５）η、、１Ｘ・４／（ＦＷ）１＋ＦＷフを弓）２（
６）となる。

つまり、Ｘ方向、Ｘ方向における光導波路のスポットサ
イズｗｘ、ｗ、の比が大きいと、光導波路とＳＭＦとの
結合効率が小さくなる。なお、ｍ＝１の場合は光導波路
とＳＭＦとの直接結合の場合であり、（２）　、　（３
）式は光導波路とＳＭＦの直接結合の場合をも包含して
いる。

次に、進行波１極形マツハツエンダ光強度変調器につい
て考える。

第１０図は従来のこの種強度変調器の斜視図である。こ
のようなマツ八ツエンダ形光強度変調器では、１木の光
導波路を２木に分岐した後、各導波路に進行波電極（コ
プレーナ・ウェーブ・ガイド）の中心導体６と接地導体
７との間の変調信号電界を印加し、電気光学効果により
２つの光導波路を伝播する光に位相差を生じさせた後に
合波し、それらの干渉を利用して光の０Ｎ１０ＦＦを行
う。

この分岐および合波の部分における透過率η、は導波路
を伝播する光をガウスビームで近似すると、次式 ％式％（７） で粗く推定できる。ここで、Ｗは導波路のスポットサイ
ズ、θは分岐角の局の値、λは波長である。（７）式よ
り明らかなように、スポットサイズＷが大きいと分岐お
よび合波部分における透過率η、は小さくなる。さらに
スポットサイズが大きくなるとＶＮ　Ｌが大きくなるこ
とは第８図に示した光位相変調器の場合と同様である。

さらに、従来のりッジ光導波路においては、リッジ加工
時の表面の兇れに起因して、リッジ加工面からの放射損
失が大きくなるという問題点があった。

本発明は拡散光導波路において、基板表面に平行な方向
の拡散定数が大きいために基板表面方向のスポットサイ
ズが大きくなることに起因した上記問題点、すなわち駆
動電圧、結合損失９分岐および合波損失の増加、あるい
はリッジ光導波路においてリッジ加工面の荒れに起因す
る放射損失の増加等の点を解決した光変調器用光導波路
を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ そのために、本発明は、基板上に第１の拡散物質を拡散
して形成された光導波路と、光導波路の中心部付近以外
の部分に、光導波路の屈折率分布を整形する第２の拡散
物質を拡散して成る屈折率整形部とを具えたことを特徴
とする。

［作　用］ 本発明では、少なくとも２種類の拡散物質を拡散し、あ
るいはりッジ光導波路の加工表面から第２の拡散物質を
拡散することにより、光導波路とその周辺部との屈折率
差が大となるようにして、基板表面方向（Ｘ方向）にお
ける光のとじ込めを強くしている。その結果、拡散光導
波路においては、Ｘ方向のスポットサイズを小〜さくで
き、駆動電圧の低減化が可能となるばかりでなく、Ｘ方
向と基板の深さ方向（Ｘ方向）のスポットサイズの比を
１に近づけることができるので、例えばレンズ結合によ
り光導波路とＳＭＦとを結合する場合、その結合効率を
大きくできる。さらには、マツハツエンダ光強度変調器
において分岐・合波部における放射損失の抑制が可能と
なる。一方、リッジ光導波路においては、リッジ加工面
付近における屈折率が低くなるため、電磁界がりッジ加
工表面まで達しなくなり、加工表面の荒れに起因する放
射損失を小さくできる。

なお、こうした２種類の拡散物質を拡散する技術として
は、既に電子通信学会光・電波部門全国大会、Ｎｏ、２
７０　（昭和６１年度）あるいはＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
ｓＬｅｔｔｅｒｓ、　ｖｏｌ、２３．　ｐｐ、７９７−
７９８．１９８７が報告されている。しかしながら、前
者はＭｇを基板表面全面に形成した後に拡散を行うもの
であり、またＸ方向のスポットサイズを大きくすること
によりＳＭＦとの結合効率を改善しているものである。

本発明では、光導波路の中心部付近以外の部分に追拡散
を行っており、さらにあくまでＸ方向のスポットサイズ
を小さくすることが目的であるので、木質的に異なった
技術である。また、後者の文献では光導波路の曲がり部
分の外側にＭｇＯを拡散しているが、これは曲がり部分
において光導波路とその外側周辺との屈折率差を小さく
し、放射損失を抑制しようとするものである。一方、本
発明では分岐・合波部の低損失化を図るとともに、光導
波路の両側へ拡散させることによりＸ方向のスポットサ
イズを小さくするものであって、この文献の手法とは異
なっている。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図（Ａ）および（Ｂ）は本発明の第一の実施例を説
明する図であり、光位相変調器に使用する直線導波路に
ついて示している。この製造方法を以下説明する。

まず、ＬｉＮｂ０．基板１上に通常のリフトオフ法によ
り第１の拡散物質としてＴｉのパターンを形成する。す
なわち、゛例えばＬｉＮｂ０．基板１上にフォトレジス
トを一様にスピナーで塗布し、フォトマスクを用いて上
記レジストを露光した後、現像することにより導波路パ
ターンと同形の幅数μｍの溝を形成する。さらに全面に
Ｔｉを数１００人蒸潰した後、レジストをリムーバで除
去すればＴｉの導波路パターンが形成される。その後、
数時間にわたり温度を約１０００℃程度に上げ、Ｔｉを
ＬｉＮｂＯ３基板１中に拡散させる。

次に、このようにして光導波路４を形成したＬｉＮｂ０
．基板１上に再度レジストを一様に塗布した後、導波路
４の上部以外の部分のレジストを同様の手法で除去する
。さらに、例えば第２の拡散物質としてのＭｇＯを全面
に蒸着した後、レジストをリムーバで除去し、ＭｇＯの
薄膜パターン８を形成する。第１図（Ａ）はこの時点で
の斜視図を表わしている。

この後、このＬｉＮｂ０．基板ｌを数１００℃（例えば
９００℃程度）に上げることにより、第１図（Ｂ）に示
すように、前もって拡散したＴｉの分布を変えることな
く　ＭｇＯを光導波路４の側方に拡散して屈折率整形部
８′を設けることができる。

第２図（Ａ）〜（Ｃ）はその結果生じる屈折率差Δｎの
分布を示す。同図（Ａ）はＴｉのみを熱拡散した場合の
屈折率差Δｎの分布である。また、同図′（Ｂ）はＭｇ
Ｏのみを熱拡散した場合の屈折率差Δｎの分布であり、
ＭｇＯが拡散された部分の屈折率差Δｎは負となってい
ることがわかる。同図（Ｃ）はＴｉとＭｇＯの双方を拡
散した場合の屈折率差Δｎであり、同図（Ａ）と（Ｂ）
とを重畳したものとなっており、Ｔｉ部分において現れ
る屈折率差Δｎのピーク値とそのわきのＭｇＯ部分にお
いて現れる最小値との差は、Ｔｉのみを熱拡散した同図
（Ａ）の場合と比較して大きくなっている。

第３図は横軸に第２図（Ｂ）に示したＭｇＯ薄膜パター
ンのギャップをとり、縦軸に光導波路４のＸ方向におけ
るスポットサイズをとった場合の定性的な図である。同
図から明らかなように、ＭｇＯ薄膜パターンのギャップ
が零のとき、すなわち光導波路の上部全面にＭｇＯを形
成・拡散すると、Ｔｉのみを熱拡散した場合（破線）よ
りも、Ｘ方向のスポットサイズはかなり大となる。この
ギャップを徐々に広げていくと、このスポットサイズは
徐々に小さくなり、ある点で最小となる。さらにギャッ
プを広げると、Ｔｉのみを熱拡散した場合に漸近してい
く。スポットサイズの最小値とその場合のＭｇＯのギャ
ップとは、ＭｇＯ薄膜の厚さと熱拡散温度と時間とに依
存している。

第４図は光導波路４のＸ方向のスポットサイズを２μｍ
とし、Ｘ方向のスポットサイズを変化させたときのＶＬ
を表わしている。なお、光導波路４内の電界分布は、Ｘ
方向を１次のエルミート・ガウス関数に、Ｘ方向をガウ
ス関数に近似させている０図より明らかなように、Ｘ方
向のスポットサイズが小さくなるにつれてＶλＬが減少
している。

また、前述のようにＸ方向における光の分布の広がりは
Ｘ方向のものより大きいが、Ｘ方向におけるとじ込もり
が強くなっているので、この非対称性も緩和される。そ
のため、光入出力用ＳＭＦとの結合に、例えば＾ｐｐｌ
ｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ（ｖｏｌ、２５．Ｎｏ、１５゜ｐ
ｐ、２６００〜２６０５．１９８６）に示されたような
レンズ系を用いれば、（６）式から明らかなように光結
合損失を大幅に改善できる。

第５図は、マツハツエンダ形光強度変調器において光の
、５ｔＨ・合波部に本発明を適用した場合の斜視図を示
している０図中の８がＭｇＯの薄膜パターンである。

このようなマツハツエンダ形光強度変調器に対しては、
第１図の例と同様に、光の入出力部分および信号電界の
印加部分のみでなく、図示のようにマツハツエンダ形光
導波路５の分岐・合波部分に本発明を適用すれば、上述
と同様に光のとじ込もりが強くなり、導波光のスポット
サイズが小となるので、（７）式から分岐・合波による
放射損失を小さくできることがわかる。

なお、本発明を光導波路の一部分、例えば変調用電極と
相互作用する部分や、分岐・結合部分あるいは光入出力
端部に適用する場合には、ＭｇＯ薄膜端部で屈折率が不
連続となる。それを避けるには、例えば第６図に示すよ
うに、ＭｇＯ薄膜パターン８の端部を例えばテーパ形状
とし、徐々に光導波路４より離隔させて行くことが有効
である。

第７図はりフジ形光導波路に本発明を適用した実施例で
ある。本例によると、リッジ表面の屈折率が拡散された
ＭｇＯのためにＬｉＮｂＯ３のものより低くなるため、
リッジ形成時における表面の荒れに起因する光導波路の
放射損失を小さく抑えることができる。

なお、上述した各実施例では、Ｔｉの薄膜パターンを熱
拡散した後にＭｇＯの薄膜パターンを追形成し、これを
追熱拡散するようにしたが、屈折率を低減できるもので
あれば、ＭｇＯ以外の他の種類の薄膜パターンを用いて
もよい、また、Ｔｉ薄膜パターンとＭｇＯ薄膜パターン
もしくはＴｉ薄膜パターンに加えて他の種類の薄膜パタ
ーンをＬｉＮｂＯ３基板上に形成し、同時に熱拡散する
ようにしてもよい。

さらに、基板としては、例えばｙ−カットあるいは２−
カットＬｉＮｂＯ３でもよいし、ざらにＬｉＮｂＯ５以
外のＬｉＴａＯ５等の誘電体あるいはＧａＡｓ等の半導
体基板でもよい。加えて、導波路に用いる物質について
も、Ｔｉ以外の熱拡散物質でもよく、例えばリチウム外
拡散導波路やプロトン交換導波路等地の種類の導波路と
することができる。また、導波路周辺部の形成法として
も、屈折率を低減できるも”のであれば他の手法を用い
ても本発明の効、果を得ることができるのは勿論である
。

さらに加えて、外部の光入出力回路はＳＭＦのみならず
、半導体レーザその他の光導波路でもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、光導波路を伝播
する光のとじ込めが大きくなり、駆動電圧の低減化が可
能となるとともに、例えばマツハツエンダ形光導波路等
の場合の分岐・合波部における放射損失やりッジ光導波
路の表面の荒れに起因する放射損失が小さくなる。さら
に導波光のＸ方向とＸ方向の非対称性も緩和できるので
、例えばレンズ等によるビーム変換を行えば、外部の光
入出力回路との結合効率を改善できるという利点もある
。

【図面の簡単な説明】

第１図（＾）および（Ｂ）は本発明の一実施例を示し、
それぞれ、光位相変調器に使用可能な直線導波路の構成
過程の状態を示す斜視図および構成された直線導波路の
断面図、 第２図（Ａ）〜（Ｃ）、第３図および第４図は第１図示
の実施例における屈折率分布等の整形の原理を説明する
ための説明図、 第５図は本発明の他の実施例として、本発明をマツハツ
エンダ形光強度変調器に適用した例を示す斜視図、 第６図は本発明に係る第２の拡散物質の形成態様の一実
施例を示す平面図、 第７図は本発明のさらに他の実施例として、本発明をリ
ッジ形光導波路に適用した例を示す断面図、 第８図（＾）および（Ｂ）は、それぞれ、従来の光導波
路を用いた光位相変調器を示す斜視図および断面図、 第９図（＾）および（Ｂ）は第８図（＾）および（Ｂ）
に示した光導波路内の直交する２方向の光の強度分布を
示す説明図、 第１θ図は従来の光導波路を用いたマツハツエンダ形光
強度変調器を示す斜視図である。 １−−−ＬｉＮｂＯｓ基板、 ２．３・・・進行波電極（コプレーナ・ストリップ）、 ４・・・直線光導波路、 ５・・・マツハツエンダ形光導波路、 ６．７・・・進行波電極（コプレーナ・ウェーブ・ガイ
ド）、 ８・−ＭｇＯ薄膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）基板上に第１の拡散物質を拡散して形成された光導
   波路と、該光導波路の中心部付近以外の部分に、前記光
   導波路の屈折率分布を整形する第２の拡散物質を拡散し
   て成る屈折率整形部とを具えたことを特徴とする光導波
   路。 ２）特許請求の範囲第１項記載の光導波路において、前
   記光導波路および前記屈折率整形部を、単一の拡散処理
   により同時に形成したことを特徴とする光導波路。 ３）特許請求の範囲第１項記載の光導波路において、前
   記光導波路はリッジ形状を有し、前記屈折率整形部は、
   前記リッジ形状の光導波路に前記第２の拡散物質を付着
   させ、これを拡散することにより形成されていることを
   特徴とする光導波路。