JPH05196901A - 光導波路および導波路型光デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電気光学効果と耐光損傷性に優れる光導波路
と、変調効率に優れ安定した振幅変調を有する光デバイ
スを得ること。 【構成】 LiTaO₃単結晶基板表面に、LiNbO₃単結晶薄膜
導波路を形成すると共に、この薄膜導波路の一部に分岐
部を設けてなり、そして、このLiNbO₃単結晶薄膜導波路
と前記LiTaO₃単結晶基板との格子定数が整合している光
導波路、およびこの導波路の光軸に沿って電極を設けて
構成される光デバイス。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光導波路および導波路
型光デバイスに関し、とくに、光通信システム、光情報
処理システムや、光センサシステムなどに用いられる光
集積回路デバイス, とくに光スイッチや光変調器として
有利に用いられものに関しての提案である。

【０００２】近年、シングルモードファイバーと単一波
長レーザーの進歩により、Ｇｂ／ｓの高速光伝送が可能
となってきた。とくに、シングルモードファイバーとの
適合性に優れる導波路型光デバイスは、今後の光通信技
術の鍵を握っているものである。かかる光通信の分野に
おいて、光ファイバーネットワークを構築してゆくため
には、光マトリックススイッチや光変調器などの光デバ
イスの使用が不可欠である。本発明は、この光デバイ
ス, 即ち、導波路型スイッチ・変調器、特にマッハ−ツ
ェンダー型の光デバイスとその構成部品である光導波路
とを提案するものである。

【０００３】

【従来の技術】光マトリックススイッチや光変調器など
の光集積回路デバイスに関しては、“「光集積回路」応
用物理学会 光学懇話会編 P.158 〜（朝倉書店 198
8）”などに詳細に論じられているように、Ｔｉ拡散LiN
bO₃チャンネル導波路を用いたものが一般的である。そ
れは、LiNbO₃の場合、無機光学結晶の中では電気光学定
数が比較的大きいため、電気光学効果を利用するデバイ
スに対して有効だからである。

【０００４】従来、光導波路を用いてマッハ−ツェンダ
ー型光干渉計を構成し、これによって光スイッチ, 光変
調器を作製した例が既知であり、T.R.RANGANATH らが、
「IEEE J.Quantum.Electron.」, QE-13 (4) 290(1977)
で報告している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、T.R.RANGANAT
H らの提案にかかるマッハ−ツェンダー型光変調器につ
いては、熊谷浩一らが「信学技報」OQE85 (116-132) 1
9(1985) で報告しているように、Ｔｉ拡散法で作製し
たLiNbO₃光導波路は、Ti含有のために光損傷が大きく短
波長の導波ができない。プロトン交換法で作製したLi
NbO₃光導波路は、導波路形成後の結晶性が本来のLiNbO₃
とは異なることなどから、電気光学定数がバルクよりも
小さくなる。従って、この光導波路を、光方向性結合器
や光変調器等の光デバイスとして用いた場合には、大き
なスイッチング電圧や長い作用長が必要となるので、省
電力化や、小型化が図れないという問題点があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】発明者らは、既知のマッ
ハ−ツェンダー型変調器が抱えている上述した問題点に
ついて鋭意研究するなかで、電気光学効果が低いのは、
基板と導波路を構成する結晶材料との格子定数が整合し
ていないことが原因していることを突き止めた。従っ
て、上述した課題は、基板と導波路の結晶の格子定数を
整合させて、電気光学効果に優れた光導波路を得ること
によって解決することができることを見い出した。

【０００７】すなわち、本発明の光導波路は、Ti拡散法
などと異なり、光損傷の原因となる遷位金属等の不純物
を光導波層中に添加しないで作製するため、光損傷が小
さく、短波長でも損失なく導波できる。

【０００８】しかも、本発明の光導波路は、単に不純物
を拡散させないことだけに止まらず、基板と導波路との
各結晶が格子整合させれば、耐熱性に優れ、LiNbO₃のキ
ュリー点付近まで昇温した後も、導波特性が変化しない
という特性を示す。すなわち、従来のTi拡散LiNbO₃導波
路やプロトン交換LiNbO₃導波路では、LiNbO₃のキュリー
点まで昇温すると、Ｔｉやプロトンがさらに拡散し、導
波路モードプロファイルの変化や、導波モードが存在し
なくなったりしてしまうが、本発明ではこのような弊害
はない。

【０００９】かような知見に基づいて構成される本発明
の光導波路は、LiTaO₃単結晶基板表面に、LiNbO₃単結晶
薄膜導波路を形成すると共に、この薄膜導波路の一部に
分岐部を設けてなり、そして、このLiNbO₃単結晶薄膜導
波路と前記LiTaO₃単結晶基板との格子定数が整合してい
ることが特徴であり、また、本発明は、LiTaO₃単結晶基
板表面に、LiNbO₃単結晶薄膜導波路を形成すると共に、
この薄膜導波路の一部に分岐部を設けてなり、そして、
このLiNbO₃単結晶薄膜導波路と前記LiTaO₃単結晶基板と
の格子定数が整合していて、前記分岐部分の少なくとも
一方の導波路中に、この導波路の屈折率を変える電極を
付帯して設けてなる導波路型光デバイス、を提案する。

【００１０】

【作用】本発明にかかる光導波路の特徴は、LiTaO₃単結
晶基板内またはその基板上に作成したLiNbO₃単結晶薄膜
導波路のＹ型分岐部分に、この導波路の屈折率（伝搬定
数）を変えるための電極を配設すると共に、前記LiTaO₃
単結晶の結晶格子とLiNbO₃単結晶薄膜導波路の結晶格子
とを整合させた点にある。なお、前記LiTaO₃単結晶基板
１の（０００１）面上に、LiNbO₃単結晶導波路の（００
０１）面が積層されるように形成されなければいけな
い。

【００１１】上記の構成において、重畳する単結晶どう
しの格子整合とは、前記LiNbO₃単結晶薄膜の格子定数
が、LiTaO₃単結晶基板の格子定数がほぼ一致すること、
すなわち、99.81 〜100.07％、より好ましくは99.92 〜
100.03％の範囲となるよう調整されていることを意味す
る。

【００１２】このように両単結晶を格子整合させること
により、LiTaO₃単結晶基板上にLiNbO₃単結晶を液相エピ
タキシャル成長させる際に歪の発生を防止でき、その結
果、LiNbO₃単結晶バルクと等価の電気光学定数を有する
LiNbO₃単結晶薄膜導波路を形成することができる。

【００１３】このLiNbO₃単結晶薄膜は、基板としてLiTa
O₃単結晶を用いる場合、この基板単結晶の格子定数と格
子整合させると、極めて優れた光学特性を示し、しか
も、従来技術では得られないような厚い膜厚にて形成で
きるからである。

【００１４】すなわち、LiNbO₃単結晶薄膜が極めて優れ
た光学特性を示す理由は、LiNbO₃単結晶薄膜とLiTaO₃単
結晶とが格子整合されることによりそれらが一体化し、
格子の歪や結晶の欠陥などが極めて少なく、結晶性に優
れ、かつマイクロクラックなどのない高品質の膜となる
からである。

【００１５】上記の構成において、重畳する両単結晶ど
うしを格子整合させる方法としては、本発明者らが、国
際出願番号ＰＣＴ／ＪＰ／９０／０１２０７号にて提案
した方法が望ましい。即ち、ナトリウムやマグネシウ
ムをLiNbO₃単結晶中に含有させる方法、Ｌｉ／Ｎｂの
比率を４１／５９〜５６／４４の間で変える方法、Ｔ
ｉなどの添加により、LiTaO₃単結晶基板の格子定数を小
さくする方法、がよく適合する。以下に、これらの方法
について説明する。

【００１６】 一般に、LiTaO₃単結晶基板の格子定数
は、LiNbO₃単結晶のそれより大きいことが知られてい
る。そこで、重畳すべき前記LiNbO₃単結晶に、このLiNb
O₃単結晶の格子定数を大きくできる作用をもつナトリウ
ムやマグネシウムを置換あるいはドープして含有させる
と、光損傷を招くことなく両単結晶の格子定数を接近さ
せることができる。

【００１７】なお、LiNbO₃単結晶薄膜中にNa, Mgを含有
させる場合、その含有量は、LiNbO₃単結晶に対して、N
a：0.1 〜14.3モル％、Mg：0.8 〜10.8モル％含有させ
ることが望ましい。この理由は、Naについては、その含
有量が 0.1モル％より少ない場合は、Mgの添加量の如何
にかかわらず、LiTaO₃単結晶基板と格子整合できるほど
格子定数が大きくならず、また14.3モル％を超える場合
には、逆に格子定数が大きくなりすぎ、いずれの場合も
LiTaO₃単結晶とLiNbO₃単結晶との格子整合が困難になる
からである。また、Mgの含有量については、 0.8モル％
より少ない場合は、光損傷を防止する効果が不充分とな
り、10.8モル％を超える量は、ニオブ酸マグネシウム系
の結晶が析出してしまうため、含有させることができな
い。

【００１８】 次に、本発明において、LiNbO₃中のLi
／Nbのモル比率を変えることにより、LiNbO₃単結晶薄膜
とLiTaO₃単結晶基板を格子整合させる方法としては、液
相エピタキシャル成長法を用い、このための溶融体とし
て少なくともK₂O, V₂O₅, Li₂O, Nb₂O₅からなる組成物を
使用することが有利である。この理由は、前記K₂O, V ₂O
₅ は溶融剤( フラックス) として作用する。溶融剤とし
てK₂O, V₂O₅ を使用することにより、溶融剤からのLiの
供給を防止できるため、原料物中の Li₂O, Nb₂O₅の組成
比を変えることにより、析出してくるLiNbO₃のLi／Nbの
モル比率を変えることができる。結局、このLi／Nbのモ
ル比率を変えると、ａ軸の格子定数も変わる。すなわ
ち、原料物中の Li₂O, Nb₂O₅の組成比を制御することに
より、LiNbO₃単結晶薄膜のａ軸の格子定数を制御するこ
とができ、それ故にLiNbO₃単結晶薄膜とLiTaO₃単結晶基
板を格子整合させることができるのである。

【００１９】 次に、本発明において、他の格子整合
手段として、LiTaO₃単結晶基板層のａ軸の格子定数を小
さくして格子整合させてもよい。この方法としては、Li
TaO₃単結晶中にTiを含有させることが望ましい。この理
由は、Ti原子あるいはイオンは、LiTaO₃単結晶基板層の
ａ軸の格子定数を小さくする効果を有するからである。

【００２０】このTi原子あるいはイオンを含有させる場
合、その含有量は、LiTaO₃に対して0.2〜30モル％であ
ることが好ましい。その理由は、Tiの含有量が 0.2モル
％より少ない場合は、LiNbO₃と格子整合できるほど格子
定数が小さくならず、また30モル％を超える場合には、
逆に格子定数が小さくなりすぎ、いずれの場合もLiTaO₃
単結晶基板とLiNbO₃単結晶薄膜との格子整合が得られな
いからである。

【００２１】以下に、本発明にかかる導波路の製造方法
について述べる。 埋め込み型光導波路；図２(a) に示すように、LiTa
O₃単結晶板１の導波路形成部に溝４を形成した後、この
基板の上にLiNbO₃単結晶膜５の薄膜を格子整合させなが
ら成長させ、その後不要な薄膜５をとり除き、溝４の中
にのみLiNbO₃単結晶を残して、導波路２とする。 リッジ型導波路；LiTaO₃単結晶基板１上に、LiNbO₃
単結晶の薄膜５を格子整合させながら成長させ、その後
導波路形成部をＴｉなどでマスクしてドライエッチング
することにより、不要部分を除去し、導波路２を形成す
る方法が用いられる。 その他；LiTaO₃単結晶基板上にLiNbO₃単結晶の薄膜
５を格子整合させながら形成するその他の方法として
は、酸化リチウム−五酸化バナジウム−五酸化ニオブ−
酸化ナトリウム−酸化マグネシウムからなる溶融体にLi
TaO₃単結晶基板１を接触させながら行う方法もある。

【００２２】さて、本発明はまた、上述した光導波路
を、図１(a) に示すような, LiTaO₃単結晶基板１に導波
路を埋め込んだ形態のもの、または図１(b) に示すよう
な, リッジ型として前記基板１上に膨出させて形成した
チャンネル型光導波路により、マッハ−ツェンダー型光
干渉計を構成することにより、光変調器や光スイッチ用
の光デバイスとしたものを提案する。そして、LiTaO₃単
結晶基板と格子整合されているLiNbO₃単結晶薄膜導波路
の光軸に沿って、電界を印加するようにした光変調器と
いうのは、変調効率が非常に高く、しかも安定した振幅
変調をもたらす長寿命の光デバイスである。なお、本発
明の光デバイス, すなわち光変調器は、このチャンネル
型光導波路２を、基板１上に、図示のように、Ｙ型の分
岐, 合流部を設けて、２つの光軸２−１, ２−２とした
１入力−１出力型のものである。

【００２３】かかる光変調器の作動原理を図１に基づい
て以下に説明する。この光変調器は、LiTaO₃単結晶基板
１の表面（０００１）面近傍に、分岐型LiNbO₃単結晶導
波路２が形成されており、導波路の少なくとも一部分が
２本に分岐された領域を有している。

【００２４】かかる導波路は、前記LiTaO₃単結晶基板１
の（０００１）面上に分岐型LiNbO₃単結晶導波路の（０
００１）面が積層されるように形成されなければいけな
い。また、LiTaO₃単結晶基板のａ軸の格子定数とLiNbO₃
単結晶薄膜導波路のａ軸の格子定数は整合されている。

【００２５】そして、LiNbO₃単結晶導波路２−１、２−
２上には、適当な構造の電極３−１、３−２が設けら
れ、LiNbO₃単結晶導波路２−１、２−２の電気光学効果
を介して屈折率変化を誘起し、導波光の位相を電気的に
制御し、出力光の強度変調を行うようになっている。

【００２６】なお、上記電極３−１, ３−２としては、
プレーナ電極が有利である。そして、この電極は、分岐
された導波路の少なくとも１つに形成されていれば十分
であり、望ましくは、各分岐された各導波路に対し、そ
れぞれ電極を形成するのがよい。

【００２７】この構成において、導波光は入力側の分岐
部で２つに分割され光導波路２−１、２−２に導かれ
る。分割された光導波路２−１、２−２の少なくとも一
方には適当な構造の電極が設けられており、電圧を印加
することにより２つの導波路間に位相差（電極の下では
電界集中が生じるため、導波路の伝搬定数が増加または
減少するように変化することにより、２つの導波路間に
引き起こされる位相差）Δφが生じる。位相差をもつ２
つの導波光を出力側の分岐で合波・干渉させると、位相
差Δφに応じて出力光の強度が変化する。分岐された導
波路それぞれに電極が形成されている場合、各分岐され
た導波路中で導波光はそれぞれΔφ、−Δφの位相変化
を受けるので、導波路間の位相差は２Δφとなり、一方
の導波路上にのみ電極が存在する場合に比べて、２倍の
位相差を得ることができ高効率である。電圧を印加する
ことにより２つの導波路間に生じる位相差は、Ｖπを半
波長電圧（位相差がπ／２となる電圧）とすると、

【００２８】

【数１】

【００２９】で与えられる。ここで、ｌは電極長、ｄは
電極間隔、Γは印加電界低減係数、λは導波光の波長、
ｒはLiNbO₃単結晶薄膜の電気光学定数、Ｖは印加電圧で
ある。また、Ｐｉのパワーの光が入力された場合の出力
光Ｐo は、

【００３０】

【数２】

【００３１】で与えられる。ここで、ｒｐは各導波路の
パワー分配比である。このように、電極に印加する電圧
を変化させることにより、位相差Δφを与えると、出力
光の強度を変調させることができる。

【００３２】また、Δφがπ／２である場合には、２つ
の導波光は互いに干渉して消えてしまう。その結果、導
波光のオン・オフ（スイッチ）が可能になる。

【００３３】次に、かかる光変調器の製造方法について
述べる。LiNbO₃単結晶導波路の製法としては、LiTaO₃単
結晶基板１の導波路形成部に溝を形成し、LiNbO₃単結晶
薄膜を格子整合させながら形成したのち、不要部分を取
り除き、溝４の中にのみLiNbO₃単結晶５を残し、導波路
２とするか、あるいは、LiTaO₃単結晶基板１上にLiNbO₃
単結晶膜を格子整合させながら形成した後、導波路形成
部にＴi などでマスクし、ドライエッチングにより、不
要部を除去し、導波路２を形成する方法が用いられる。

【００３４】LiNbO₃単結晶薄膜を格子整合させながら形
成する方法としては、酸化リチウム−五酸化バナジウム
−五酸化イオブ−酸化ナトリウム−酸化マグネシウムか
らなる溶融体にLiTaO₃単結晶基板１を接触させ行う。

【００３５】このようにして作製されたLiNbO₃単結晶導
波路２上に屈折率を変えるための手段として、電極７−
１を設ける。電極７−２は、アルミニウムなどの金属膜
を蒸着やスパッタリングにより被着することが望まし
い。導波路２−１, ２−２と電極７−１, ７−２の間に
はアルミナなどの緩衝層６を設けてもよい。

【００３６】なお、本発明の導波路は、次の条件でシン
グルモード導波路となる。すなわち、LiNbO₃導波路にNa
0.1〜14.3モル％, Mg 0.8〜10.8モル％の範囲でそれぞ
れ含有されている場合に、導波路の厚さT(μm), 波長λ
(μm)とすると、 ＴＭモードの場合：1.9 ＜(T＋0.7)／λ＜ 5.7 ＴＥモードの場合：0.29＜(T＋0.04) ／λ＜ 1.19 が望ましい。また、リッジ型の導波路のシングルモード
の条件は、導波路幅Ｗ（μm), リッジ部の段差ΔＴ（μ
m)とするとき、 ＴＭモードの場合：Ｗ≦(4λ−0.5) (λ² 10Ｔ＋2.0 ) ＴＥモードの場合：Ｗ≦( 0.04λ³ ＋ 0.1λ²)／ΔＴ＋
2.5 λ である。上述の範囲は、Na, Mgを用いて、LiTaO₃基板に
格子整合されたLiNbO₃導波路に特有の条件である。

【００３７】

【実施例】

実施例１ (1) Na₂CO₃ 22 モル％、Li₂CO₃ 28 モル％、V₂O₅ 40モ
ル％、そしてNb₂O₅ 10モル％からなる混合物に対し、溶
融体組成から析出可能なLiNbO₃の理論量に対して２モル
％のMgO を添加してなる混合原料を、白金ルツボに入
れ、この白金ルツボの内容物をエピタキシャル成長育成
装置中の空気雰囲気下で、1100℃まで加熱して溶解し
た。次いで、得られたるつぼ内溶融体をプロペラを用い
て100 rpm の回転速度で１２時間撹拌した。 （２）一方、基板作製のために、厚さ２mmのLiTaO₃単結
晶の（００１）面を光学研磨した後、化学エッチングし
た。次いで、図１に示す導波路２の形成部分に、フォト
リソグラフィーによりパターニングを施し、リフトオフ
法によりＴｉマスクを形成した。さらにＡｒプラズマエ
ッチングにより、幅10μｍ、深さ3.5 μｍの溝を形成
し、Ｔｉマスクを剥離した。 （３）その後、前記溶融体を１時間当りに６０℃の冷却
速度で 915℃まで徐冷する一方、前記基板１は 915℃で
３０分間予備加熱した上で、徐冷溶融体中に30 rpmの速
度で回転させながら４分間浸漬した。LiNbO₃の成長速度
は、１μｍ／分であった。 （４）前記溶液体から基板１を引き上げ、回転数1000rp
m で３０秒間回転させて溶融体を振り切った後、１℃／
分の速度で室温まで徐冷し、基板材料上に約４μｍの厚
さのナトリウム、マグネシウム含有LiNbO₃単結晶薄膜を
形成した。 （５）得られたLiNbO₃単結晶薄膜中に含有されていたナ
トリウム、マグネシウムの量は、それぞれ３モル％、２
モル％であった。また、薄膜の格子定数（ａ軸）は、5.
156 Ａ、入射光波長1.15μｍで測定した屈折率は2.235
±0.001 であった。 （６）このようにして作製した光導波路に、波長1.55μ
ｍ、ＴＭモードのレーザ光を導波したところ、その導波
モードは単一であり、プリズム移動法で測定した伝搬損
失は１dB／cm以下であった。また、出射光の経時変化を
測定したところ、少なくとも２４時間は変化はなかっ
た。 （７）さらにこの光導波路を、水蒸気雰囲気で、１２時
間、1000℃に保持し、再び波長1.55μｍ、ＴＭモードの
レーザ光を導波したところ、その導波モードは単一であ
り、伝搬損失は１ｄＢ／cm以下であった。また、出射光
の経時変化を測定したところ、少なくとも２４時間は変
化はなかった。 （８）次に、上述のようにして得られた光導波路２の直
上に、シリカ緩衝層をスパッタリングして形成し、引き
続きアルミニウム電極を蒸着させた。この光導波路につ
いて電気光学定数を測定したところ、バルクLiNbO₃単結
晶の値とほぼ同じであることがわかった。

【００３８】実施例２ （１）Li₂CO₃ 44.3 モル％、V₂O₅ 46.4 モル％、Nb₂O₅
9.3 モル％、そしてNa₂CO₃をLi₂CO₃に対して27.2モル％
からなる混合物に対し、溶融体組成から析出可能なLiNb
O₃の理論量に対して５モル％のMgO を添加してなる混合
原料を白金ルツボに入れ、この白金ルツボ内混合物をエ
ピタキシャル成長育成装置中の空気雰囲気下で、1050℃
まで加熱して溶解した。次いで、得られたるつぼ内溶融
体をプロペラを用いて100 rpm の回転速度で２０時間撹
拌した。 （２）一方、基板作製のために厚さ１mmのLiTaO₃単結晶
の（００１）面を光学研磨した後、化学エッチングし
た。ついで、図１に示す導波路２の形成部分にフォトリ
ソグラフィーによりパターニングをし、Ｔｉマスクをリ
フトオフ法により形成した。さらにＡｒプラズマエッチ
ングにより、幅 1.5μｍ、深さ 0.8μｍの溝を形成し、
Ｔｉマスクを剥離した。 （３）その後、前記溶融体を１時間当りに60℃の冷却速
度で 938℃まで徐冷する一方、前記基板１は 915℃で30
分間予備加熱した上で、徐冷溶融体中に35rpm の速度で
回転させながら2.5 分間浸漬した。LiNbO₃の成長速度
は、1.6 μｍ／分であった。 （４）前記溶液体から基板１を引き上げ、回転数1000rp
m で30秒間回転させて余分の溶融体を振り切った後、１
℃／分の速度で室温まで徐冷し、基板材料上に約４μｍ
の厚さのナトリウム、マグネシウム含有LiNbO₃単結晶薄
膜を形成した。 （５）以上のようにして作製した光導波路に、波長 0.5
15μｍ、ＴＭモードのレーザ光を導波したところ、その
導波モードは単一であり、伝搬損失は１dB／cm以下であ
った。また、出射光の経時変化を測定したところ、少な
くとも２４時間は変化はなかった。 （６）さらに、この光導波路を、水蒸気雰囲気で、１２
時間、1000℃に保持し、再び波長 0.515μｍ、ＴＭモー
ドのレーザ光を導波したところ、その導波モードは単一
であり、伝搬損失は１dB／cm以下であった。また、出射
光の経時変化を測定したところ、少なくとも２４時間は
変化はなかった。 （７）次に、この光導波路２の直上に、シリカ緩衝層を
スパッタリングして形成し、引き続きアルミニウム電極
を蒸着させた。この光導波路について電気光学定数を測
定したところ、バルクLiNbO₃単結晶の値とほぼ同じであ
ることがわかった。

【００３９】実施例３ （１）Li₂CO₃ 40.5 モル％、V₂O₅ 50.5 モル％、Nb₂O₅
9.0モル％、そしてNa₂CO₃をLi₂CO₃に対して23.4モル％
からなる混合物に対し、溶融体組成から析出可能なLiNb
O₃の理論量に対して５モル％のMgO を添加してなる混合
原料を白金ルツボに入れ、この白金ルツボ内混合物を、
エピタキシャル成長育成装置中の空気雰囲気下で、1050
℃まで加熱してルツボの内容物を溶解した。次いで、得
られた溶融体をプロペラを用い、100 rpm の回転速度で
１９時間撹拌させた。 （２）一方、基板は厚さ２mmのLiTaO₃単結晶の（００
１）面を光学研磨して準備した。 （３）その後、前記溶融体を１時間当りに６０℃の冷却
速度で 915℃まで徐冷する一方、前記基板１は 938℃で
３０分予備加熱した上で、徐冷溶融体中に20rpmで回転
させながら2.5 分間浸漬した。LiNbO₃の成長速度は、1.
6 μｍ／分であった。 （４）前記溶液体から基板１を引き上げ、回転数1000rp
m で30秒間回転させて余分の溶融体を振り切った後、１
℃／分の速度で室温まで徐冷し、基板材料上に約４μｍ
の厚さのナトリウム、マグネシウム含有LiNbO₃単結晶薄
膜を形成した。 （５）得られたLiNbO₃単結晶薄膜中に含有されていたナ
トリウム、マグネシウムの量は、それぞれ３モル％、２
モル％であった。また、薄膜の格子定数（ａ軸）は、5.
156 Ａ、入射光波長1.15μｍで測定した屈折率は 2.235
±0.001 であった。 （６）このようにして得られたスラブ型導波路の伝搬損
失をプリズム移動法により測定したところ、波長 0.83
μｍ、ＴＭモードにおいて１dB／cm以下であった。 （７）上記導波路をパターニングし、Ｔｉマスクを作成
し、Ａｒプラズマエッチングによりリッジ型チャンネル
導波路を作製した。導波路形状は、幅１０μｍ、エッチ
ング深さ１μｍとした。 （８）このようにして作製した光導波路に、波長 1.55
μｍ、ＴＭモードのレーザ光を導波したところ、導波モ
ードは単一であり、伝搬損失はスラブ導波路の値と同じ
であった。また、出射光の経時変化を測定したところ、
少なくとも２４時間は変化はなかった。 （９）さらにこの導波路を、水蒸気雰囲気で、１２時
間、1000℃に保持し、再び波長 1.55 μｍ、ＴＭモード
のレーザ光を導波したところ、その導波モードは単一で
あり、伝搬損失は１dB／cm以下であった。また、出射光
の経時変化を測定したところ、少なくとも２４時間は変
化はなかった。 （１０）次に、かかる光導波路２の直上にシリカ緩衝層
をスパッタリングして形成した、その後、アルミニウム
電極を蒸着させた。この光導波路について電気光学定数
を測定したところ、バルクLiNbO₃単結晶の値とほぼ同じ
であることがわかった。

【００４０】実施例４ （１）Li₂CO₃ 39.7 モル％、V₂O₅ 46.0 モル％、Nb₂O₅
14.3モル％、そしてNa₂CO₃をLi₂CO₃に対して14.5モル％
からなる混合物に対し、溶融体組成から析出可能なLiNb
O₃の理論量に対して５モル％のMgO を添加してなる混合
原料を白金ルツボに入れ、この白金ルツボ内混合物をエ
ピタキシャル成長育成装置中の空気雰囲気下で、1050℃
まで加熱して溶解した。次いで、得られたルツボ内溶融
体をプロペラを用い、100 rpm の回転速度で２１時間撹
拌した。 （２）一方、基板は、厚さ１mmのLiTaO₃単結晶の（００
１）面を光学研磨して準備した。 （３）その後、前記溶融体を１時間当りに60℃の冷却速
度で 940℃まで徐冷する一方、前記基板１は 940℃で30
分予備加熱した上で、徐冷溶融体中に25rpm で回転させ
ながら１分間浸漬した。LiNbO₃の成長速度は、１μｍ／
分であった。 （４）前記溶液体から基板１を引き上げ、回転数1000rp
m で３０秒回転させて余分の溶融体上で溶融体を振り切
った後、１℃／分の速度で室温まで徐冷し、基板材料上
に約１μｍの厚さのナトリウム、マグネシウム含有LiNb
O₃単結晶薄膜を形成した。 （５）得られたLiNbO₃単結晶薄膜中に含有されていたナ
トリウム、マグネシウムの量は、それぞれ３モル％、２
モル％であった。また、薄膜の格子定数（ａ軸）は、5.
156 Ａ、入射光波長1.15μｍで測定した屈折率は 2.235
±0.001 であった。 （６）このようにして得られたスラブ型導波路の伝搬損
失を、プリズム移動法により測定したところ、波長0.83
μｍ、ＴＭモードにおいて１dB／cm以下であった。 （７）上記導波路をパターニングし、Ｔｉマスクを作成
し、Ａｒプラズマエッチングによりリッジ型チャンネル
導波路を作製した。導波路形状は、幅 1.5μｍ、エッチ
ング深さ 0.5μｍとした。 （８）このようにして作製した光導波路に、波長 0.515
μｍ、ＴＭモードのレーザ光を導波したところ、導波モ
ードは単一であり、伝搬損失はスラブ導波路の値と同じ
１dB／cm以下であった。また、出射光の経時変化を測定
したところ、少なくとも２４時間は変化はなかった。 （９）さらにこの光導波路を、水蒸気雰囲気で、１２時
間、1000℃に保持し、再び波長 0.515μｍ、ＴＭモード
のレーザ光を導波したところ、その導波モードは単一で
あり、伝搬損失は１dB／cm以下であった。また、出射光
の経時変化を測定したところ、少なくとも２４時間は変
化はなかった。 （１０）次に、かかる光導波路２の直上に、シリカ緩衝
層をスパッタリングして形成した後、アルミニウム電極
を蒸着させた。この光導波路について、電気光学定数を
測定したところ、バルクLiNbO₃単結晶の値とほぼ同じで
あることがわかった。

【００４１】比較例１ （１）寸法５×15mm程度、厚さ 0.5mmでＣ軸を厚さ方向
とするLiNbO₃単結晶板のＺ面に、実施例１において導波
路を形成した箇所と同じ位置にＴｉを厚さ100 Ａ程度蒸
着した後、パターニングし、1000℃で１０時間熱処理
し、Ｔｉを熱拡散させ、光導波路を形成した。 （２）このようにして作製した光導波路に、波長 0.515
μｍ、ＴＭモードのレーザ光を導波したところ、数秒で
出射光が不安定となり、導波ができなくなった。

【００４２】比較例２ （１）寸法５×15mm程度、厚さ１mmでＣ軸を厚さ方向と
するLiNbO₃単結晶板のＺ面に、実施例１において導波路
を形成した箇所と同じ位置にＴｉを厚さ 100Ａ程度蒸着
した後、パターニングし、1000℃で１０時間熱処理し、
Ｔｉを熱拡散させ、導波路を形成した。 （２）このようにして作製した光導波路に、波長1.55μ
ｍ、ＴＭモードのレーザ光を導波したところ、導波モー
ドは単一であり、伝搬損失は１dB／cm以下であった。 （３）この導波路を、水蒸気雰囲気で、12時間、1000℃
に保持し、再び波長1.55μｍ、ＴＭモードのレーザ光を
導波したところ、導波光は確認できなかった。

【００４３】比較例３ （１）まず、基板は、厚さ２mmのLiTaO₃単結晶の（００
１）面を光学研磨して準備し、化学エッチングした後、
図１に示すように、光導波路２の形成部分に溝を形成し
た。なお、この溝の寸法などは、実施例１と同じ設計と
した。 （２）一方、Li₂CO₃ 50 モル％、V₂Ol₆ 40モル％、Nb₂O
₅ 10モル％からなる混合原料を、1000℃まで加熱して溶
融体とした。 （３）その後、この溶融体を１時間当りに６０℃の冷却
速度で 915℃まで徐冷する一方、前記基板１を 915℃で
３０分予備加熱した上で、徐冷溶融体中に30rpmの速度
で回転させながら４分間浸漬した。LiNbO₃の成長速度
は、１μｍ／分であった。 （４）前記溶液体から基板１を引き上げ、回転数1000rp
m で３０秒溶融体上で溶融体を振り切った後、１℃／分
の速度で室温まで徐冷し、基板材料上に約４μｍの厚さ
のLiNbO₃単結晶薄膜を得た。 （５）得られたスラブ導波路の伝搬損失をプリズム移動
法により測定したところ、波長 0.83 μｍ、ＴＭモード
において１０dB／cmであった。 （６）さらに、LiNbO₃単結晶薄膜をイオンビームエッチ
ングにより、不要部分を除去し、LiNbO₃単結晶導波路を
形成した。導波路形状は、幅１０μｍ、エッチング深さ
１μｍとした。 （７）このようにして作製した光導波路に、波長 1.55
μｍ、ＴＭモードのレーザ光を導波したところ、導波モ
ードは単一であり、伝搬損失はスラブ導波路の値と同じ
１０dB／cmであった。また、出射光の経時変化を測定し
たところ、少なくとも２４時間は変化はなかった。 （８）次に、かかる光導波路２の直上に、シリカ緩衝層
をスパッタリングして形成し、その後、アルミニウム電
極を蒸着させた。この光導波路について電気光学定数を
測定したところ、バルクLiNbO₃単結晶の１／１０の値で
あることがわかった。

【００４４】比較例４ （１）まず、基板１は、厚さ２mmのLiTaO₃単結晶の（０
０１）面を光学研磨して準備し、これを化学エッチング
し、次いで図１に示すように、導波路２の形成部分に溝
を形成した。なお、この溝の寸法などは、実施例１と同
じ設計とした。 （２）一方、Li₂CO₃ 50 モル％、V₂O₅ 40 モル％、Nb₂O
₅ 10％からなる混合原料を1000℃まで加熱し、溶融体と
した。 （３）その後、この溶融体を１時間当りに６０℃の冷却
速度で 915℃まで徐冷する一方、前記基板１を 915℃で
３０分予備加熱した上で、徐冷溶融体中に30rpmの速度
で回転させながら４分間浸漬した。LiNbO₃の成長速度
は、１μｍ／分であった。 （４）前記溶液体から基板１を引き上げ、回転数1000rp
m で３０秒溶融体上で溶融体を振り切った後、１℃／分
の速度で室温まで徐冷し、基板材料上に約４μｍの厚さ
のLiNbO₃単結晶薄膜を得た。 （５）得られたスラブ導波路の伝搬損失をプリズム移動
法により測定したところ、波長 0.83 μｍ、ＴＭモード
において１０dB／cmであった。 （６）さらに、LiNbO₃単結晶薄膜をイオンビームエッチ
ングにより、不要部分を除去し、LiNbO₃単結晶導波路を
形成した。導波路形状は、幅１０μｍ、エッチング深さ
１μｍとした。 （７）このようにして作製した光導波路に、波長 1.55
μｍ、ＴＭモードのレーザ光を導波したところ、導波モ
ードは単一であり、伝搬損失はスラブ導波路の値と同じ
１０dB／cmであった。また、出射光の経時変化を測定し
たところ、少なくとも２４時間は変化はなかった。 （８）また、この光導波路を、水蒸気雰囲気で、１２時
間、1000℃に保持したところ、基板に割れが発生した。

【００４５】比較例５ （１）寸法５×15mm程度、厚さ 0.5mmでＣ軸を厚さ方向
とするLiNbO₃単結晶基板のＺ面に、Ｔａを厚さ１μｍ程
度蒸着した後、パターニングし、ＲＩＥにより、幅３μ
ｍの導波路パターンを形成した。これを、H₄P₂O₇に浸漬
し、250 ℃で３０分間熱処理を施してＴａを剥離し、導
波路を形成した。 （２）このようにして作製した光導波路に、波長 1.55
μｍ、ＴＭモードのレーザ光を導波したところ、導波モ
ードは単一であり、伝搬損失は、３dB／cmであった。 （３）この導波路を、水蒸気雰囲気で、１２時間、1000
℃に保持し、再び波長 1.55 μｍ、ＴＭモードのレーザ
光を導波したところ、導波光は確認できなかった。

【００４６】上述した実施例１, ２, ３, ４、比較例
１, ２, ３, ４, ５の各導波路の諸特性の比較測定結果
を表１に示す。この表１に示す結果から明らかなよう
に、本発明の光導波路は、従来の光導波路より優れた特
性を得ることができる。すなわち、本発明にかかる光導
波路は、LiNbO₃単結晶導波路２とLiTaO₃単結晶１との格
子定数が整合されているため、LiNbO₃単結晶導波路２の
結晶格子に歪がなく、また、Ｔｉ拡散LiNbO₃光導波路
や、プロトン交換光導波路等の拡散光導波路のように不
純物を拡散していないので、耐アニーリング性にも優れ
ている。

【００４７】

【表１】

【００４８】実施例５ （１）Na₂CO₃ 22 モル％, Li₂CO₃ 28 モル％, V₂O₅ 40
モル％, Nb₂O₅ 10 モル％, MgO を溶融体組成から析出
可能なLiNbO₃の理論量に対して２モル％添加した混合物
を白金ルツボに入れ、エピタキシャル成長育成装置中の
空気雰囲気下で、1100℃まで加熱してルツボの内容物を
溶解した。さらに、溶融体をプロペラを用い、100rpmの
回転速度で12時間撹拌させた。 （２）厚さ２mmのLiTaO₃単結晶の（０００１）面を光学
研磨した後、化学エッチングし、ついで、図１に示す導
波路２の形成部分に溝をイオンビームエッチングにより
形成した。溝の形状は、幅７μｍ、深さ５μｍの矩形
で、分岐角は1.5 ゜である。溶融体を１時間当たり60℃
の冷却速度で 915℃まで徐冷した後、この基板１を915
℃で30分間予備加熱した後、溶融体中に100rpmで回転さ
せながら８分間浸漬した。LiNbO₃の成長速度は、１μｍ
／分であった。 （３）溶融体から基板１を引き上げ、回転数1000rpm で
30秒間溶融体上で溶融体を振り切った後、１℃／分の速
度で室温まで徐冷し、基板材料上に約８μｍの厚さのナ
トリウム、マグネシウム含有LiNbO₃単結晶薄膜を得た。 （４）得られたLiNbO₃単結晶薄膜中に含有されていたナ
トリウム、マグネシウムの量は、それぞれ３モル％, ２
モル％であった。また、薄膜の格子定数（ａ軸）は 5.1
56、入射光波長1.15μｍで測定した屈折率は 2.235±0.
001 であった。 （５）さらに、LiNbO₃単結晶薄膜を研磨により、不要部
分を除去し、深さ３μｍの埋め込み型LiNbO₃単結晶導波
路を形成した。 （６）導波路２の直上にアルミナ緩衝層６をスパッタリ
ングにて形成した後、アルミニウム電極７を蒸着により
形成した。電極の形状はプレーナ電極構造で導波路を覆
う長さは６mmであり、電極間隔は２０μｍであった。 （７）このようにして形成した分岐干渉型光変調器に波
長1550nmのレーザ光を10mW入射したところ、変調帯域は
3.0ＧＨz であり、半波長電圧は８Ｖであった。また、
レーザ光を導波した状態で５時間経過後も特性に変化は
みられなかった。

【００４９】実施例６ （１）厚さ２mmのLiTaO₃単結晶の（０００１）面を光学
研磨した後、化学エッチングした。実施例１の方法と同
様に溶融体中に５分間浸漬した。LiNbO₃の成長速度は、
１μｍ／分であった。 （２）溶融体から基板１を引き上げ、回転数1000rpm で
30秒間溶融体上で溶融体を振り切った後、１℃／分の速
度で室温まで徐冷し、基板材料上に約５μｍの厚さのナ
トリウム、マグネシウム含有LiNbO₃単結晶薄膜を得た。 （３）さらに、LiNbO₃単結晶薄膜を研磨により、膜厚調
整を施し、厚さ 2.8μｍのLiNbO₃単結晶薄膜を形成し
た。ついで、フォトリソグラフィー、イオンビームエッ
チングの技法により、幅５μｍ、段差 1.8μｍのリッジ
型LiNbO₃単結晶導波路を形成した。 （４）導波路２の上にアルミナ緩衝層６をスパッタリン
グにて形成した後、アルミニウム電極７を蒸着により形
成した。電極の形状はプレーナ電極構造で導波路を覆う
長さは５mmであり、電極間隔は１０μｍであった。 （５）このようにして形成した分岐干渉型光変調器に波
長 633nmのレーザ光を15mW入射したところ、変調帯域は
3.5ＧＨz であり、半波長電圧は２Ｖであった。また、
レーザ光を導波した状態で３時間経過後も特性に変化は
みられなかった。

【００５０】実施例７ （１）実施例２と同様にして分岐干渉型光変調器を作製
した。実施例２と異なる点は、導波路のサイズ、電極の
サイズである。導波路サイズは幅６μｍ、厚さ 2.5μ
ｍ、段差 2.0μｍのリッジ型LiNbO₃単結晶導波路であ
る。電極のサイズは導波路を覆う長さは３mmであり、電
極間隔は15μｍであった。 （５）このようにして形成した分岐干渉型光変調器に波
長1300nmのレーザ光を10mW入射した。印加電圧を調整し
て２つの導波路を通る光の位相差がπ／２となるように
セットしたところ、消光比15dBを観察した。

【００５１】比較例６ （１）寸法５×15mm程度、厚さ 0.5mmでＣ軸を厚さ方向
とするLiNbO₃単結晶板のＺ面に、実施例１において導波
路を形成した箇所と同じ位置にＴi を厚さ 100Ａ程度蒸
着した後、パターニングし、 950℃で数時間熱処理し、
Ｔi を熱拡散させ、導波路を形成した。 （２）ついで、導波路の直上に緩衝層としてアルミナを
被着し、さらにアルミニウム電極を蒸着により形成し
た。 （３）このようにして形成した分岐干渉型光変調器に波
長 633nmのレーザ光を10mW入射したところ、光損傷を発
生し、安定性に問題があることがわかった。

【００５２】比較例７ （１）厚さ２mmのLiTaO₃単結晶の（０００１）面を光学
研磨した後、化学エッチングし、ついで、図１に示す導
波路２の形成部分に溝をイオンビームエッチングにより
形成した。溝の形状は、幅７μｍ、深さ５μｍの矩形
で、分岐角は1.5 ゜である。 （２）ついで、Li₂CO₃ 50 モル％, V₂O₅ 40 モル％, Nb
₂O₅ 10 モル％からなる原料を1000℃まで加熱し、溶融
体とした後、溶融体を１時間あたりに60℃の冷却速度で
915℃まで徐冷し、この基板１を 915℃で30分間予備加
熱した後、溶融体中に100rpmで回転させながら８分間浸
漬した。LiNbO₃の成長速度は、１μｍ／分であった。 （３）溶融体から基板１を引き上げ、回転数1000rpm で
30秒間溶融体上で溶融体を振り切った後、１℃／分の速
度で室温まで徐冷し、基板材料上に約８μｍの厚さのLi
NbO₃単結晶薄膜を得た。 （４）さらに、LiNbO₃単結晶薄膜をイオンビームエッチ
ングにより、不要部分を除去し、LiNbO₃単結晶導波路２
を形成した。 （５）導波路２の直上にアルミナ緩衝層６をスパッタリ
ングにて形成した後、アルミニウム電極７を蒸着により
形成した。 （６）このようにして形成した分岐干渉型光変調器に波
長1550nmのレーザ光を５mW入射したところ、変調帯域は
2.5 ＧＨz であり、半波長電圧は８Ｖであった。また、
消光比は12dBであった。さらに印加電圧を周期的に変化
させて、レーザ光のオンオフを繰り返し、２時間経過後
の消光比は８dBに低下していた。

【００５３】以上の例より判るように、本発明の光変調
器は、高い変調効率や安定した振幅変調を有する。すな
わち、LiNbO₃単結晶導波路２とLiTaO₃単結晶１との格子
定数が整合されているため、LiNbO₃単結晶導波路２の結
晶格子に歪みがなく、電界による屈折率変化を繰り返し
てもLiNbO₃単結晶導波路２の屈折率が最初の値から大き
く変化することがない。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光導波路
は、電気光学定数の低下がなく、耐光損傷性も高いた
め、光変調器、光スイッチ等の光デバイスとして用いら
れる優れた導波路であり、さらに、耐アニーリング性に
優れた光導波路を得ることができる。また、本発明にか
かる光デバイスは、ハイパワーな光でも、安定した位相
変調、光パワー制御を達成できる変調器や光スイッチと
して有用であり、さらに長寿命の光デバイスとなること
から、産業上に寄与する効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の光変調器

【図２】図２は本発明のマッハ−ツェンダー型の光導波
路の製造方法

【図３】図３は、本発明の光変調器の製造方法

【符号の説明】

１ LiTaO₃単結晶基板 ２ LiNbO₃単結晶導波路 ３ 入射光 ４ 溝 ５ LiNbO₃単結晶薄膜 ６ 緩衝層 ７ 電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】LiTaO₃単結晶基板表面に、LiNbO₃単結晶薄
   膜導波路を形成すると共に、この薄膜導波路の一部に分
   岐部を設けてなり、そして、このLiNbO₃単結晶薄膜導波
   路と前記LiTaO₃単結晶基板との格子定数が整合している
   ことを特徴とする光導波路。
2. 【請求項２】LiTaO₃単結晶基板表面に、LiNbO₃単結晶薄
   膜導波路を形成すると共に、この薄膜導波路の一部に分
   岐部を設けてなり、そして、このLiNbO₃単結晶薄膜導波
   路と前記LiTaO₃単結晶基板との格子定数が整合してい
   て、前記分岐部分の少なくとも一方の導波路中に、この
   導波路の屈折率を変える電極を付帯して設けてなる導波
   路型光デバイス。