JPH01178917A - 光制御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、光路切り替え、光波のモード変換
などを行う光回路に関し、特に基板中に設けた光導波路
を用いて制御を行う導波型の光回路に関する。

（従来技術とその問題点） 近年、光通信システムや光信号システムの実用化が進む
につれ、さらに大容量の光信号を処理することができか
つ高機能なシステムが要求されるようになり、より低損
失、低電圧、高速の光制御素子が必要となってきている
。高速の光制御素子としては、大きな電気光学効果を有
するＬｉＮｂＯ３結晶基板中にＴｉ拡散光導波路を形成
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良
く知られており、方向性結合器型光変調器またはスイッ
チ、全反射型スイッチ、分岐干渉を光変調器またはスイ
ッチなどに関する報告がなされている。例えば、ＬｉＮ
ｂＯ３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１．３ｐｍの伝搬光に対して０．１〜０．２
ｄＢ／ａｍという小さな伝搬損失が得られており、また
単一モードファイバ出射光のスポットサイズにＴｉ拡散
ＬｉＮｂＯ５光導波路のスポットサイズを比較的容易に
合わせることができるので単一モードファイバとの結合
損失が比較的小さいと言う特長がある。しかしなから、
この ０．１〜０．２ｄＢ／ｃｍという伝搬損失の値は、基板
の上に電界印加用の金属電極が形成されていない場合、
もしくは上記電極と基板の間に第６図（ｂ）（−例とし
て方向性結合器型光スイッチのＡ−Ａ′断面図が示され
ている）に示すようなバッファ層６０１を形成した場合
の値である。通常、光制御素子に用いられるＬｉＮｂ０
ａ基板の方位及び導波光の偏光としては、もっとも大き
な電気光学定数であるｒ３３を用いることができるよう
に２板およびＴＭモードが選ばれる。

このとき、第６図（ｅ）に示すように、バッファ層なし
で基板上に直接金属電極を形成すると、金属電極によっ
て導波光は大きな吸収を受け、伝搬損失は大きく増加す
る。これは、Ｔｉ拡散光導波路の深さ方向の屈折率分布
が、基板表面において最大屈折率を有するような分布と
なっており、導波光の深さ方向エネルギ分布も基板表面
に集中しているためである。電極として透明電極を用い
ることも考えられるが、現在知られている透明電極の吸
収係数は数百ｃｍ−”とまだまだ大きいので、導波光の
深さ方向エネルギ分布が基板表面に集中しているとやは
り大きな吸収損失を生じる。このような電極における吸
収損失を除去する方法として、第６図（ｂ）に示すよう
に電極とＬｉＮｂ０ａ基板との間に５ｉ０２等の誘電体
膜を用いたバッファ層を形成する方法が良く用いられて
いる。しかしながら、５ｉ０２等の誘電体バッファ層の
誘電率はＬｉＮｂ０ａ誘電率よりも通常大きいので、実
際にＬｉＮｂＯ３基板へ印加される電界強度がバッファ
層のない場合に比べてかなり減少し、素子の動作電圧が
増加するという問題点かある。また、誘電体バッファ層
を導入することにより、金属電極とバッファ層の界面お
よびバッファ層とＬｉＮｂ０ａ基板の界面に空間電荷が
蓄積し、素子の動作状態が時間の経過とともに変化する
いわゆるＤＣドリフトの現象が生じることが知られてお
り、この点でも問題である。

上述のような問題点を除去する一つの方法としては、Ｔ
ｉ拡散光導波路形成後に基板表面にＬｉＮｂＯ３の屈折
率を減少させるイオンを拡散してＴｉ拡散光導波路を埋
め込むことによってバッファ層をなくする方法がある。

このようなＬｉＮｂ０ａの屈折率を減少させるイオンと
してはＭｇイオンがあり、Ｔｉ拡散光導波路形成後にＭ
ｇＯ膜をＬｉＮｂＯ３基板中へ熱拡散することにより、
Ｔｉ拡散光導波路の基板表面屈折率が減少して、導波光
のエネルギ最大となる位置が基板表面から基板中ある深
さの位置へ変わり、Ｔｉ拡散光導波路の埋め込み化が可
能なことが本願の発明者らにより第８回集積光学と導波
光学に関する会議（８ｔｈ　Ｔｏｐｉｃａｌ　Ｍｅｅｔ
ｉｎｇ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　０ｐｔｉｃｓａ
ｎｄ　Ｇｕｉｄｅｄ−Ｗａｖｅ　０ｐｔｉｃｓ）のテク
ニカルダイジェストＦＤＰ−２に述べられている。しか
しながら、Ｔｉ拡散光導波路形成後にＭｇイオンを拡散
することにより導波路を完全に埋め込む、すなわち基板
表面にバッファ層なしで直接形成された電極にエネルギ
が全くしみ出さないように導波路を埋め込む、ことは非
常に困難である。また、仮に完全に埋め込むことができ
たとしても、光エネルギの深さ方向の分布においてエネ
ルギ最大の位置は基板深くに位置することになり、結果
的に動作電圧の上昇を招くので、この方法も得策とは言
えない。

（問題点を解決するための手段） 本願第１の発明は、誘電体基板中に基板の屈折率を増加
させる金属イオンが導入されて形成された光導波路と、
透明電極とからなる光制御回路において、少なくとも前
記透明電極下の前記光導波路部分の前記誘電体基板表面
に基板の屈折率を減少させる働きをする第二の金属イオ
ンの導入により形成された拡散層を設けたことを特徴と
する光制御回路である。

本願第２の発明は、誘電体基板上に基板の屈折率を増加
させる金属元素を含む第一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
域上に基板の屈折率を減少させる金属元素を含む第二の
薄膜パターンを形成し、上記基板を再度加熱して上記の
第二の薄膜パターンを該基板中に拡散させて光導波路を
形成する工程と、上記第一および第二の百方の薄膜パタ
ーンが拡散された光導波路上に透明電極を形成する工程
とを少なくとも具備していることを特徴とする光制御回
路の製造方法である。

（作用） 本発明においては、上述のように光制御回路を構成する
光導波路の基板の屈折率を増加させる第一の金属イオン
を基板中に導入して形成した後に基板表面の屈折率を減
少させる第二の金属イオンを基板表面に導入して上記光
導波路を基板中にある程度埋め込み、導波路伝搬光の制
御を行うための電界印加用の電極としては透明電極を採
用する。この透明電極の採用により、第二の金属イオン
導入による導波路埋め込みを完全に行わなくても電極吸
収損失はほとんど増加しないので、バッファ層を必要と
せず、低電圧、低損失でＤＣドリフトのない光制御回路
を得ることができる。

（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（ａ）は本発明によるＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ３方向
性結合器型光制御回路の斜視図であり、第１図（ｂ）は
そのＡ−Ａ’断面図である。

第１図においては、ＬｉＮｂＯ３ｚ基板１０１中にＴｉ
が拡散されて形成された帯状のＴｉ拡散光導波路１０２
、−対の透明電極（ＩＴＯ）１０３とにより光方向性結
合器が構成されている。ここで第１図（ｂ）においては
Ａ−Ａ’断面に示すように、透明電極（ＩＴＯ）１０３
とＬｉＮｂＯ３基板との間にバッファ層は形成されてお
らず、ＬｉＮｂＯ３基板１０１の表面にはＭｇイオンが
拡散されたＭｇ拡散層が形成されている。

第１図に構成を示した光方向性結合器においては、入射
側光導波路１０５ａから入射された光波は、透明電極１
０３間に電圧が印加されていない場合には、方向性結合
器の長さが完全結合長に一致するように作られているた
め、出射側光導波路１０６ａ（入射側光導波路１０５ｂ
から入射された場合は出射側光導波路１０６ｂへ）結合
するが、透明電極１０３間に電圧が印加されると電気光
学効果によすＴｉ拡散光導波路の屈折率が変化し、２本
のＴｉ拡散光導波路１０２の間に位相不整合が生じるた
め導波路１０５ａから入射された光波は出射側光導波路
１０６ｂへ出射し、透明電極１０３への印加電圧により
光のスイッチングを生じさせることができる。

第１図に示した光方向性結合器の製造方法を次に説明す
る。まず、ＬｉＮｂＯ３基板１０１上に通常のフォトリ
ソグラフィ技術を用いてＴｉ膜による方向性結合器の光
導波路パターンを形成する。すなわちリフトオフ法もし
くはエツチングにより厚さ５００〜１５００人、幅数〜
１０１１ｍ程度のＴｉ膜２０１による導波路パターンを
形成する（第２図（ａ））。Ｔｉにより導波路パターン
が形成された基板は１０００〜１１００°Ｃ１５〜１０
時間程度拡散炉中で加熱されることによりＴｉがＬｉＮ
ｂ０ａ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１０３となる（第２図（ｂ））。次
にスパッタ法などにより基板全面にＭｇＯ薄膜２０２を
１００〜５００人程度形成する。第２図（Ｃ）のように
ＭｇＯ薄膜２０２が形成された基板は７００〜１０００
°Ｃ１２〜１０時間は程度拡散炉中で加熱されることに
よりＭｇイオンがＬｉＮｂＯ３基板中へ拡散され、基板
表面にＭｇ拡散層１０４が形成される（第２図（ｄ））
。ここで、ＭｇイオンはすてにＴｉが拡散されて形成さ
れたＴｉ拡散光導波路１０２の表面にも拡散されている
ことは言うまでもない。その後、通常のフォトリソグラ
フィ技術を用いてＩＴＯによる透明電極１０３のパター
ンを形成しく第２図（ｅ））、最後に入出力光導波路に
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。以上が方向性結合器型光制御回路の製造方法で
あり、以上の製造方法により第１図に示す方向性結合器
型光制御回路が形成されている。

次に本発明により低損失、低電圧でかつＤＣドリフトの
ない方向性結合器型光制御回路が得られる原理について
説明する。従来のようにＴｉのみをＬｉＮｂ０ａ基板へ
拡散して形成した光導波路においては、その深さ方向屈
折率分布は第３図（ｅ）に示すように基板表面で最大屈
折率ｎ２を有するため、深さ方向の光強度分布は第３図
（ｄ）に示すように電極側へ相当しみ出し、電極が金属
電極であれば、しみ出した部分が吸収を受ける。この場
合、たとえ電極が透明電極であっても、電極側へのしみ
出しは相当大きいので、現状の透明電極の吸収係数の大
きさから考えて電極吸収はやはり大きいものとなる。

ＴｉをＬｉＮｂＯ３基板１０１へ拡散して光導波路を形
成したのち、Ｔｉイオンとは逆にＬｉＮｂＯ３基板の屈
折率を下げるイオンであるＭｇを基板表面へ拡散すると
第４図に示すように、深さ方向屈折率分布が対称化し、
屈折率最大の位置が基板中数１１ｍの深さの位置とする
ことができる。このときＭｇの拡散深さを選ぶことによ
り第２図（ｂ）に示すように基板中数ｐｍの深さに光強
度最大の位置を有する埋め込み導波路を形成することが
できる。このときも若干深さ方向光強度分布において電
極へのしみ出しはあるものの、Ｔｉだけを拡散して形成
した光導波路の場合と比べるとそのしみ出し量はかなり
小さい。従って、電極が金属である場合には無視し得な
い吸収損失が生じるものの、電極が透明電極であればそ
の吸収損失は非常に小さい。そしてこのときの光強度分
布は第３図（ｂ）に示すように、光強度最大の位置がＴ
ｉ拡散のみの場合に比べて数ｐｍ深くなるだけで光強度
分布の拡がりはほとんど無い。従って導波光と電界との
重なりはＴｉ拡散のみの場合に比べて若干劣化するだけ
である。この重なりの劣化による動作電圧の上昇は、本
発明によりバッファ層が不要になる効果により十分補償
可能であるばかりか、バッファ層除去の効果により、ス
イッチングに要する電圧はＴｉ拡散のみで誘電体バッフ
ァ層が必要な場合よりも低減化することができる。また
、本発明によればバッファ層を除去することが可能とな
るため、ＤＣドリフトの現象を防止することができるこ
とは言うまでもない。なおＭｇの拡散深さを第３図（ａ
）、（ｂ）に示した場合よりも深くし、第３図（ｅ）に
示すように屈折率最大の位置をさらに深くして、第３図
（Ｄに示すように、基板中深くまで埋め込んだ光導波路
を形成することにより電極における吸収損失を低減する
方法も考えられる。しかしながら、この場合第３図（０
に示すように、光強度最大の位置が基板中の深い位置と
なるばかりでなく、深さ方向光強度分布の半値幅はＴｉ
拡散のみの場合と比べてかなり広くなるため、電界と導
波光の重なりが大きく減少し、動作電圧の増加を招き望
ましくない。

Ｔｉ拡散光導波路形成後にＭｇイオンを基板表面に拡散
して深さ方向の光強度分布を対称化することにより導波
路と単一モードファイバとの結合損失が大幅に低減可能
であることが、本願の発明者らにより第８回集積光学と
導波光学に関する会議（ｓｔｈＴｏｐｉｃａｌ　Ｍｅｅ
ｔｉｎｇ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ａｎｄ　Ｇｕ
ｉｄｅｄ−ＷａｖｅＯｐｔｉｃｓ）のテクニカルダイジ
ェストＦＤＰ−２に報告されており、またこの方法を用
いて製作された光制御素子（光位相変調器）においてわ
ずか１．１ｄＢという低挿入損失が得られることが、や
はり本願発明者らによって１９８７年の光フアイバ通信
会議（ＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａ
ｔｉｏｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）のテクニカルダイジ
ェストＷＫ５において報告されている。従って本発明に
よれば低電圧、低吸収損失のみならず、低損失で単一モ
ードファイバとも結合できることは言うまでもない。な
お上記の報告において製作された素子は単一モードファ
イバとの結合損失低減が主眼におかれており、電極は金
属であり誘電体バッファ層を有している。本発明の構成
を用い、電極を透明電極としてバッファ層を除去するこ
とにより、挿入損失はそのままで低電圧化することが可
能である。

第５図（ａ）は本発明による光制御回路の他の実施例で
あるＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ３分岐干渉型光変調器め斜視図
であり、第５図（ｂ）はそのＡ−Ａ’断面図である。

第５図においては、入射側光導波路１０５ａから入射さ
れた光は３ｄＢ分岐部５０１において２本の光導波路へ
１：１に分岐される。透明電極へ電圧が印加されないと
きには、２本の光導波路へ分岐された光は合流部５０２
において同相で合流されるので、そのまま出射側光導波
路１０６ａから出射される。透明電極（ＩＴＯ）１０３
へ電圧を印加すると、電気光学効果により電極直下の導
波路の屈折率が変化するが、電極部で光の位相がｎ／２
だけずれるような電圧（半波長電圧Ｖｎの半分のＶｎ／
２）が印加されると、合流部５０２において逆相となっ
た光が合流されるので、この時は基板中へ導波光は放射
され、出射側光導波路１０６ａからは光は出射されない
。したがって、第１図に示した光制御素子は電圧による
入射光の０Ｎ１０ＦＦが可能な光変調器として動作する
。

第１図（ａ）に示した分岐干渉型光変調器においては、
Ｔｉが拡散されて形成されたＴｉ拡散光導波路１０２、
透明電極（ＩＴＯ）１０３とにより分岐干渉型光変調器
が形成されている。なお、Ｔｉ拡散光導波路パターン中
には３ｄＢ分岐部５０１および合流部５０２を含んでい
る。ここで、第１図（ｂ）にＡ−Ａ’断面を示すように
、透明電極（ＩＴＯ）１０３とＬｉＮｂ０ａ基板１０１
との間にはバッファ層は形成されておらず、ＬｉＮｂＯ
３基板１０１の表面にはＭｇイオンが拡散されたＭｇ拡
散層が形成されている。第５図に示したＴｉ拡散ＬｉＮ
ｂ０ａ分岐干渉型光変調器の製造方法は、Ｔｉ拡散光導
波路および電極のパターンが異なることを除けば、第１
の実施例である方向性結合器型光制御回路と同一である
のでここでは説明を省略する。

本実施例においても、ＴｉをＬｉＮｂＯ３基板１０１へ
拡散して光導波路を形成したのち、Ｔｉイオンとは逆に
ＬｉＮｂＯ３基板の屈折率を下げるイオンであるＭｇを
基板表面へ拡散することにより、深さ方向屈折率分布を
対称化し、屈折率最大の位置を基板中数ｐｍの深さの位
置とした埋め込み光導波路を形成している。このとき深
さ方向光強度分布において、電極への若干のエネルギの
しみ出しはあるものの、Ｔｉだけを拡散して形成した光
導波路の場合と比べるとそのしみ出し量はかなり小さい
。従って、電極が金属である場合には無視し得ない吸収
損失が生じるものの、電極が透明電極であればその吸収
損失は非常に小さい。そしてこのときの光強度分布は第
３図（ｂ）に示すように、光強度最大の位置がＴｉ拡散
のみの場合に比べて数１１ｍ深くなるだけで光強度分布
の拡がりはほとんど無い。従って導波光と電界との重な
りはＴｉ拡散のみの場合に比べて若干劣化するだけであ
る。この重なりの劣化による動作電圧の上昇は、本発明
によりバッファ層が不要になる効果により十分補償可能
であるばかりか、バッファ層除去の効果により、スイッ
チングに要する電圧はＴｉ拡散のみで誘電体バッファ層
が必要な場合よりも低減化することができる。また、本
発明によればバッファ層を除去することが可能となるた
めＤＣドリフトの現象を防止することができることは言
うまでもない。また、Ｍｇイオンの追拡散により深さ方
向の光強度分布が対称化することにより導波路と単一モ
ードファイバとの結合損失が大幅に低減化される。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明によれば、電極での吸収損失
が小さく、低電圧で動作し、単一モードファイバとの結
合損失も大幅に低減され、かつＤＣドリフトの無い光ス
ィッチ、光変調器などの光制御回路を得ることができる
。

本発明は上記の実施例に限定されるものではない。本発
明は、いかなる方式の光制御回路、例えば光位相変調器
、交差型光スイッチ、光フェイズシフター、光モードコ
ンバータ等の光制御素子およびそれらの光制御素子同士
もしくはそれらの光制御素子と他の光素子とを同一基板
上に集積化した光制御回路においても適用可能である。

本発明における基板材料、光導波路形状、電極形状なと
、は上記実施例に限定されるのものではなく、基板材料
としてＬｉＴａＯ３結晶などの強誘電体結晶を、光導波
路としてはスラブ導波路を電極形状としてはくし型電極
等も用いることができる。

また、遅蒔、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　Ｍｅｅｔｉ
ｎｇ　ｏｎＩｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ａｎｄ　Ｇｕｉｄｅ
ｄ−Ｗａｖｅ　０ｐｔｉｃｓ）のテクニカルダイジェス
トＴｕＡ−５に述べられているように、光制御部を構成
する光導波路と人出九部の光導波路との間で、拡散する
第一の金属イオンを含む薄膜の膜厚を別々に設定して再
考の境界をテーバ形状として基板上に積層し、この金属
原子を基板中に拡散し、さらに基板全面に屈折率を減少
させる第２の金属イオンを含む薄膜を均一な厚さで形成
した後に、この薄膜を基板中に熱拡散して光導波路を形
成すれば、入出力部の光導波路と光制御素子部の光導波
路の屈折率分布をさらにきめ細かく制御でき、動作電圧
を増加させることなく単一モードファイバとの結合損失
をさらに低減化することができる。このとき、第二の金
属イオンを含む薄膜の膜厚も入出力部と光制御素子部で
別々に設定すれば、よりきめ細かく各々の部分の光導波
路の屈折率分布が制御できることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明による光制御素子の第１の実施例
である方向性結合器型光制御回路の構成を示す図、第１
図（ｂ）は第１図（ａ）に示した方向性結合器型光制御
回路のＡ−Ａ’凹断面示す図、第２図は本発明による光
制御回路の製造方法を説明するための図、第３図および
第４図は本発明により低電圧で動作し、低損失でＤＣド
リフトの無い光制御回路が得られる原理を説明するため
の図、第５図（ａ）は本発明による光制御素子の他の実
施例である分岐干渉型光変調器の構成を示す図、第５図
（ｂ）は第５図（ａ）に示した分岐干渉型光変調器のＡ
−Ａ’凹断面示す図、第６図は従来技術の問題点を解決
するための図である。 図において、 １０１・ＬｉＮｂ０ａ基板 １０２・・−Ｔｉ拡散光導波路 １０３・・・透明電極（ＩＴＯ） １０４・・・Ｍｇ拡散層 １０５ａ、１０５ｂ・・・入射側光導波路１０６ａ、１
０６ｂ・・・出射側光導波路２０１・・・Ｔｉ薄膜 ２０２・・・ＭｇＯ薄膜 ５０１・・・３ｄＢ分岐部 ５０２・・・合流部 ６０１・・・５ｉ０２バッファ層 ６０３・・・金属電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）誘電体基板中に基板の屈折率を増加させる金属イ
   オンが導入されて形成された光導波路と、透明電極とか
   らなる光制御回路において、少なくとも前記透明電極下
   の前記光導波路部分の前記誘電体基板表面に基板の屈折
   率を減少させる働きをする第二の金属イオンの導入によ
   り形成された拡散層を設けたことを特徴とする光制御回
   路。
2. （２）誘電体基板上に基板の屈折率を増加させる金属元
   素を含む第一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基板の
   屈折率を減少させる金属元素を含む第二の薄膜パターン
   を形成し、上記基板を再度加熱して上記の第二の薄膜パ
   ターンを該基板中に拡散させて光導波路を形成する工程
   と、上記第一および第二の両方の薄膜パターンが拡散さ
   れた光導波路上に透明電極を形成する工程とを少なくと
   も具備していることを特徴とする光制御回路の製造方法
   。