JPH0711609B2 - 外部拡散薄膜光導波路およびその作製方法 - Google Patents
外部拡散薄膜光導波路およびその作製方法Info
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- JPH0711609B2 JPH0711609B2 JP57202470A JP20247082A JPH0711609B2 JP H0711609 B2 JPH0711609 B2 JP H0711609B2 JP 57202470 A JP57202470 A JP 57202470A JP 20247082 A JP20247082 A JP 20247082A JP H0711609 B2 JPH0711609 B2 JP H0711609B2
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- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
- G02B6/134—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by substitution by dopant atoms
- G02B6/1342—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by substitution by dopant atoms using diffusion
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、集積光学構造体等の外部拡散薄膜光導波路お
よびその作製方法に関するものである。
よびその作製方法に関するものである。
現在、光偏向器，光変調器を集積光学構造体で実現する
場合、光導波路基板として、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LiNbO3と記す）結晶及びタンタル酸リチウ
ム（以下LiTaO3と記す）結晶が広く用いられている。
場合、光導波路基板として、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LiNbO3と記す）結晶及びタンタル酸リチウ
ム（以下LiTaO3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、薄膜光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）金属を前記結晶
基板の表面に、高温での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。しかし、この方
法により作製された薄膜光導波路は、光学損傷を受け易
く、非常に小さいパワーの光しか該導波路に導入できな
いという欠点がある。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つたときに、該光導波路
内を伝播し外部に取り出される光の強度が、散乱によつ
て前記入力強度に比例して増大しなくなる現象」を言
う。
な方法として、チタン（以下Tiと記す）金属を前記結晶
基板の表面に、高温での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。しかし、この方
法により作製された薄膜光導波路は、光学損傷を受け易
く、非常に小さいパワーの光しか該導波路に導入できな
いという欠点がある。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つたときに、該光導波路
内を伝播し外部に取り出される光の強度が、散乱によつ
て前記入力強度に比例して増大しなくなる現象」を言
う。
前記光学損傷を改善する光導波路の作製方法としては、
LiNbO3やLiTaO3の結晶基板を高温で熱処理し、該結晶基
板中から酸化リチウム（以下Li2Oと記す）を外部拡散
し、基板の表面近傍に基板よりわずかに屈折率の大きな
リチウム（以下Liと記す）空格子層を形成させる方法が
ある。上記Li2O外部拡散法により、光学損傷のしきい値
がTi金属の内部拡散法に比べて高くなることが文献〔R.
L.Holman＆P.J.Cressman,IOC,90,28April（1981）〕に
示されている。
LiNbO3やLiTaO3の結晶基板を高温で熱処理し、該結晶基
板中から酸化リチウム（以下Li2Oと記す）を外部拡散
し、基板の表面近傍に基板よりわずかに屈折率の大きな
リチウム（以下Liと記す）空格子層を形成させる方法が
ある。上記Li2O外部拡散法により、光学損傷のしきい値
がTi金属の内部拡散法に比べて高くなることが文献〔R.
L.Holman＆P.J.Cressman,IOC,90,28April（1981）〕に
示されている。
ところで、光偏向器，光変調器を光音響効果や電気光学
効果を利用して実現しようとする場合、前記各効果の効
率を上げることが素子形成において重要になる。光音響
効果を利用する代表例としては、光導波路上にホトリソ
グラフイーで作製したくし形電極に高周波電解を印加
し、光導波路上に弾性表面波を烈起させる方法がある。
この場合、光導波路上に励起された弾性表面波と光導波
路中を伝播する導波光との相互作用は、導波光のエネル
ギー分布が基板表面近傍に閉じ込められるほど増大する
ことが知られている。〔C.S.Tsai,IEEE TRANSACTIONS
ON CIRCUITS AND SYSTEMS,VOL.CAS−26,12,1979〕 上記相互作用を最大限に利用するという観点からする
と、前述のLi2O外部拡散法で形成される光導波路（Li空
格子層）の厚さは、その屈折率変化が小さい為、10〜10
0μｍ程度とかなり厚くする必要があり、導波光のエネ
ルギー分布が厚さ方向に広がつて好ましくない。従つ
て、前述のLi2O外部拡散法によつて作製された薄膜光導
波路を前記光偏向器等に利用する場合、効率の高い装置
の実現が困難であつた。
効果を利用して実現しようとする場合、前記各効果の効
率を上げることが素子形成において重要になる。光音響
効果を利用する代表例としては、光導波路上にホトリソ
グラフイーで作製したくし形電極に高周波電解を印加
し、光導波路上に弾性表面波を烈起させる方法がある。
この場合、光導波路上に励起された弾性表面波と光導波
路中を伝播する導波光との相互作用は、導波光のエネル
ギー分布が基板表面近傍に閉じ込められるほど増大する
ことが知られている。〔C.S.Tsai,IEEE TRANSACTIONS
ON CIRCUITS AND SYSTEMS,VOL.CAS−26,12,1979〕 上記相互作用を最大限に利用するという観点からする
と、前述のLi2O外部拡散法で形成される光導波路（Li空
格子層）の厚さは、その屈折率変化が小さい為、10〜10
0μｍ程度とかなり厚くする必要があり、導波光のエネ
ルギー分布が厚さ方向に広がつて好ましくない。従つ
て、前述のLi2O外部拡散法によつて作製された薄膜光導
波路を前記光偏向器等に利用する場合、効率の高い装置
の実現が困難であつた。
また、Li2O外部拡散法は、単なる熱処理により行なわれ
るので、チヤネル型導波路を形成できないという問題点
も有していた。
るので、チヤネル型導波路を形成できないという問題点
も有していた。
一方、光学損傷を改善する薄膜光導波路の他の作製方法
として、イオン交換法が知られている。この方法は、硝
酸タリウム（以下TlNO3と記す）又は硝酸銀（以下AgNO3
と記す）の溶媒塩中でLiNbO3又はLiTaO3の結晶基板を低
温熱処理することにより、該結晶基板の表面から深さ方
向に対して１〜３μｍ程度の範囲で、該結晶基板内のリ
チウムイオン（Li+）が、溶融塩中のタリウム（Tl）又
は銀（Ag）のイオン種と交換され、大きな屈折率差（△
ｎ〜0.12）をもつ光導波層が形成されるものである。
として、イオン交換法が知られている。この方法は、硝
酸タリウム（以下TlNO3と記す）又は硝酸銀（以下AgNO3
と記す）の溶媒塩中でLiNbO3又はLiTaO3の結晶基板を低
温熱処理することにより、該結晶基板の表面から深さ方
向に対して１〜３μｍ程度の範囲で、該結晶基板内のリ
チウムイオン（Li+）が、溶融塩中のタリウム（Tl）又
は銀（Ag）のイオン種と交換され、大きな屈折率差（△
ｎ〜0.12）をもつ光導波層が形成されるものである。
しかし、上記イオン交換法により作製された薄膜光導波
路の光学損傷のしきい値は、文献〔J.L.Jackel,D.H.Ols
on and A.M.Glass,J.Appl.Phys.52（７）July1981〕に
示されているように、Ti内部拡散法よりも２倍程度向上
するだけで、十分とは言えず、また、処理時間が約10時
間と長いという問題点をもつていた。
路の光学損傷のしきい値は、文献〔J.L.Jackel,D.H.Ols
on and A.M.Glass,J.Appl.Phys.52（７）July1981〕に
示されているように、Ti内部拡散法よりも２倍程度向上
するだけで、十分とは言えず、また、処理時間が約10時
間と長いという問題点をもつていた。
本発明の目的は、前記従来例の問題点を解決し、光学損
傷のしきい値が十分高く、且つ、導波光と光音響効果や
電気光学効果との相互作用の大きな外部拡散薄膜光導波
路およびその作製方法を提供することにある。
傷のしきい値が十分高く、且つ、導波光と光音響効果や
電気光学効果との相互作用の大きな外部拡散薄膜光導波
路およびその作製方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、光学損傷のしきい値が十分高く、
且つ、導波光と光音響効果や電気光学効果との相互作用
の大きなチヤンネル型の外部拡散薄膜光導波路およびそ
の作製方法を提供することにある。
且つ、導波光と光音響効果や電気光学効果との相互作用
の大きなチヤンネル型の外部拡散薄膜光導波路およびそ
の作製方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、光学損傷のしきい値が十分高く、
作製の際の処理時間が短い外部拡散薄膜導波路およびそ
の作製方法を提供することにある。
作製の際の処理時間が短い外部拡散薄膜導波路およびそ
の作製方法を提供することにある。
本発明の上記目的は、ニオブ酸リチウム結晶又はタンタ
ル酸リチウム結晶から成る基板の表面に、前記結晶内の
酸化リチウムを外部拡散させることによって形成された
リチウム空格子層を有する外部拡散薄膜光導波路におい
て、前記リチウム空格子層の表面金傍に、更にイオン種
を注入することによって形成された該リチウム空格子層
よりも高屈折率のイオン種注入層を有することを特徴と
する外部拡散薄膜光導波路、及びニオブ酸リチウム結晶
又はタンタル酸リチウム結晶から成る基板の表面を高温
で熱処理することによって、前記結晶内の酸化リチウム
を外部拡散させ、リチウム空格子層を形成する過程を有
する外部拡散薄膜光導波路の作製方法において、前記リ
チウム空格子層を形成した後、更に該リチウム空格子層
の表面近傍にイオン種を注入してリチウム空格子層より
も高屈折率のイオン種注入層を形成する過程を有するこ
とを特徴とする外部拡散薄膜光導波路の作製方法によっ
て達成される。
ル酸リチウム結晶から成る基板の表面に、前記結晶内の
酸化リチウムを外部拡散させることによって形成された
リチウム空格子層を有する外部拡散薄膜光導波路におい
て、前記リチウム空格子層の表面金傍に、更にイオン種
を注入することによって形成された該リチウム空格子層
よりも高屈折率のイオン種注入層を有することを特徴と
する外部拡散薄膜光導波路、及びニオブ酸リチウム結晶
又はタンタル酸リチウム結晶から成る基板の表面を高温
で熱処理することによって、前記結晶内の酸化リチウム
を外部拡散させ、リチウム空格子層を形成する過程を有
する外部拡散薄膜光導波路の作製方法において、前記リ
チウム空格子層を形成した後、更に該リチウム空格子層
の表面近傍にイオン種を注入してリチウム空格子層より
も高屈折率のイオン種注入層を形成する過程を有するこ
とを特徴とする外部拡散薄膜光導波路の作製方法によっ
て達成される。
以下、本発明を図面を用いて説明する。
第１図は、本発明の外部拡散薄膜光導波路の構造を示す
概略図である。図中、１は結晶基板、２はLi空格子層、
３はイオン種注入層を示す。ここで結晶基板１の材料と
しては、Ｘカツト〔基板表面が結晶軸方向（2,,0）若
しくは（,1,0）に垂直〕LiNbO3,Zカット〔基板表面が
結晶軸方向（0,0,1）に垂直〕LiNbO3,XカツトLiTaO3,Z
カツトLiTaO3のいずれかの結晶を用いることが可能であ
る。Li空格子層は、該結晶基板を高温熱処理して、Li2O
を外部拡散することによつて形成される。イオン種注入
層３は、前記Li空格子層２に、イオン交換法等を用い
て、イオン種を注入することによつて形成することが可
能である。本発明の外部拡散薄膜光導波路において、Li
空格子層２の結晶基板１に相対する屈折率変化量は、0.
01程度、イオン種注入層３の屈折率変化量は0.1〜0.2程
度であり、導波光は、イオン種注入層３中伝播する。ま
た、該イオン種注入層３の下部のLi空格子層２は、光照
射によつて生ずる光電子を、Li空格子によつて捕獲し、
該光電子による光導波路の破損を防ぎ、光学損傷のしき
い値を向上させる効果を有する。この効果を十分に生か
す為には、前記Li格子層２は、導波光の結晶基板内への
しみ出し深さを考慮して、10〜100μｍの厚さを有する
ことが望ましい。
概略図である。図中、１は結晶基板、２はLi空格子層、
３はイオン種注入層を示す。ここで結晶基板１の材料と
しては、Ｘカツト〔基板表面が結晶軸方向（2,,0）若
しくは（,1,0）に垂直〕LiNbO3,Zカット〔基板表面が
結晶軸方向（0,0,1）に垂直〕LiNbO3,XカツトLiTaO3,Z
カツトLiTaO3のいずれかの結晶を用いることが可能であ
る。Li空格子層は、該結晶基板を高温熱処理して、Li2O
を外部拡散することによつて形成される。イオン種注入
層３は、前記Li空格子層２に、イオン交換法等を用い
て、イオン種を注入することによつて形成することが可
能である。本発明の外部拡散薄膜光導波路において、Li
空格子層２の結晶基板１に相対する屈折率変化量は、0.
01程度、イオン種注入層３の屈折率変化量は0.1〜0.2程
度であり、導波光は、イオン種注入層３中伝播する。ま
た、該イオン種注入層３の下部のLi空格子層２は、光照
射によつて生ずる光電子を、Li空格子によつて捕獲し、
該光電子による光導波路の破損を防ぎ、光学損傷のしき
い値を向上させる効果を有する。この効果を十分に生か
す為には、前記Li格子層２は、導波光の結晶基板内への
しみ出し深さを考慮して、10〜100μｍの厚さを有する
ことが望ましい。
次に、本発明において、LiNbO3結晶基板にイオン交換法
を用いてイオン種を注入する場合のメカニズムを説明す
る。LiNbO3結晶は第２図（ａ）に示す如き三方晶で、Ｃ
軸８上に、リチウム（Li）5,空孔6,ニオブ（Nb）７が順
に配列している。ここで４は酸素（Ｏ）である。
を用いてイオン種を注入する場合のメカニズムを説明す
る。LiNbO3結晶は第２図（ａ）に示す如き三方晶で、Ｃ
軸８上に、リチウム（Li）5,空孔6,ニオブ（Nb）７が順
に配列している。ここで４は酸素（Ｏ）である。
第２図（ａ）に示すLiNbO3結晶を約1000℃の高温で熱処
理すると、第２図（ｂ）に示す如くLiイオンが外部に放
出れ、Li空格子９が形成される。上記状態において、た
とえばイオン交換法により、Ag,Tl,K等のイオン種を注
入すると第２図（ｃ）に示す如く、前記Li空格子の位置
に上記イオン種10がはいる。通常のイオン交換の機構
は、Liイオンと注入イオンの交換を同時に行なう為、処
理時間が長くなる。これに対し、本発明の場合は、Liサ
イトがイオン交換処理前に、熱処理で外部拡散されて空
いている為、イオン種が注入されやすく、通常のイオン
交換法よりも処理時間が短縮でき、また、更に大きな屈
折率差を有する光導波路が実現できる。
理すると、第２図（ｂ）に示す如くLiイオンが外部に放
出れ、Li空格子９が形成される。上記状態において、た
とえばイオン交換法により、Ag,Tl,K等のイオン種を注
入すると第２図（ｃ）に示す如く、前記Li空格子の位置
に上記イオン種10がはいる。通常のイオン交換の機構
は、Liイオンと注入イオンの交換を同時に行なう為、処
理時間が長くなる。これに対し、本発明の場合は、Liサ
イトがイオン交換処理前に、熱処理で外部拡散されて空
いている為、イオン種が注入されやすく、通常のイオン
交換法よりも処理時間が短縮でき、また、更に大きな屈
折率差を有する光導波路が実現できる。
また、本発明のイオン種注入層から成る光導波層は、前
述のように屈折率差が大きいので、該光導波層の厚さを
薄くすることが可能である。
述のように屈折率差が大きいので、該光導波層の厚さを
薄くすることが可能である。
第３図において、11は周波数1GHzの弾性表面波の結晶基
板の深さ方向の振幅分布、12は本発明の外部拡散薄膜光
導波路における導波光のエネルギー分布、13は従来のTi
内部拡散によつて作製された光導波路における導波光の
エネルガー分布を示す。第３図に示す如く、弾性表面波
の強度は、基板表面から深さ方向に約0.5μｍはいつた
所にピークをもつ。これに対して、本発明の光導波路の
エネルギー分布12のピークも表面から深さ方向に約0.7
μｍはいつた所に存在し、弾性表面波のエネルギー分布
11と重なる割合が従来のものよりも飛躍的に大きくな
り、導波光と弾性表面波との相互作用が増大する。本発
明において、前記の様な大きな相互作用を得る為には、
光導波層即ちイオン種注入層は、なるべく薄く、１〜２
μｍ程度が望ましい。
板の深さ方向の振幅分布、12は本発明の外部拡散薄膜光
導波路における導波光のエネルギー分布、13は従来のTi
内部拡散によつて作製された光導波路における導波光の
エネルガー分布を示す。第３図に示す如く、弾性表面波
の強度は、基板表面から深さ方向に約0.5μｍはいつた
所にピークをもつ。これに対して、本発明の光導波路の
エネルギー分布12のピークも表面から深さ方向に約0.7
μｍはいつた所に存在し、弾性表面波のエネルギー分布
11と重なる割合が従来のものよりも飛躍的に大きくな
り、導波光と弾性表面波との相互作用が増大する。本発
明において、前記の様な大きな相互作用を得る為には、
光導波層即ちイオン種注入層は、なるべく薄く、１〜２
μｍ程度が望ましい。
以下、本発明を実施例によつて具体的に説明する。
〔実施例1.〕 ｘカットのLiNbO3結晶基板（ｘ方向に2mm厚,z方向およ
びｙ方向に夫々１インチ）の一面（例えばx+面）を、ニ
ユートンリング数本以内の平面度に研摩した後、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て乾燥させた。次に該LiNb
O3基板からLiO2を外部拡散するために前記洗浄，乾燥し
た基板を溶融石英製のホルダーに立て、1000℃の熱拡散
炉にセットした。雰囲気ガスとして乾燥したO2ガスを２
/minの流量で拡散炉に導入した。室温から1000℃まで
16℃/minの速度で炉内温度を上げ、１時間後炉内の温度
が一定になつた後８時間1000℃に保持し、その後基板を
引続いて600℃に保持した第２の熱拡散炉に移動した。
更に、該第２の拡散炉への通電を中止し600℃から室温
まで放冷した。基板を1000℃から600℃へ急冷する理由
は序例によつて基板内にLiNb3O8が形成されるのを防
ぎ、光伝播損失の少ない光導波路を形成する為であるが
1.5〜1dB/cm程度の光伝播損失が許容され得るならば、
単一の熱拡散路を用い、1000℃から放冷し形成してもよ
い。
びｙ方向に夫々１インチ）の一面（例えばx+面）を、ニ
ユートンリング数本以内の平面度に研摩した後、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て乾燥させた。次に該LiNb
O3基板からLiO2を外部拡散するために前記洗浄，乾燥し
た基板を溶融石英製のホルダーに立て、1000℃の熱拡散
炉にセットした。雰囲気ガスとして乾燥したO2ガスを２
/minの流量で拡散炉に導入した。室温から1000℃まで
16℃/minの速度で炉内温度を上げ、１時間後炉内の温度
が一定になつた後８時間1000℃に保持し、その後基板を
引続いて600℃に保持した第２の熱拡散炉に移動した。
更に、該第２の拡散炉への通電を中止し600℃から室温
まで放冷した。基板を1000℃から600℃へ急冷する理由
は序例によつて基板内にLiNb3O8が形成されるのを防
ぎ、光伝播損失の少ない光導波路を形成する為であるが
1.5〜1dB/cm程度の光伝播損失が許容され得るならば、
単一の熱拡散路を用い、1000℃から放冷し形成してもよ
い。
冷却した後に得られたLiO2外部拡散光導波路の特性を測
定するため、ルチルプリズムから波長6328ÅのHe−Ne光
を導入し光伝播損失を測定したところ0.3dB/cmの良質な
光導波路が作製されていることが判つた。これは200Å
の厚さにTiを内部拡散させて作製した光導波路とほぼ同
じ光伝播損失であつた。プリズムへの入射角を変え伝播
モードを測定したところTEモードで４つのモードが観測
できた。また入力光ビーム径を2mmとし入力光と出力光
の比を入力光強度を変化させて光学損傷の様子を測定し
たところ、Ti内部拡散による光導波路が1mWの入力光で
１秒以内に光学損傷が生じるのに較べ、LiO2外部拡散に
よるものは、20mWの入力光に対しても数時間に亘り安定
した出力値を得た。このことからLiO2外部拡散により、
Ti内部拡散により作製した光導波路に比べ、光伝播損失
は同等、又光学損傷に関しては20倍程度の損傷しきい値
をもつ光導波路が作成できることがわかつた。モードイ
ンデツクスからLiO2外部拡散深さを求めたところ、約10
μｍとなり、基板との屈折率差△ｎが0.01で厚いLi空格
子層が形成されていた。
定するため、ルチルプリズムから波長6328ÅのHe−Ne光
を導入し光伝播損失を測定したところ0.3dB/cmの良質な
光導波路が作製されていることが判つた。これは200Å
の厚さにTiを内部拡散させて作製した光導波路とほぼ同
じ光伝播損失であつた。プリズムへの入射角を変え伝播
モードを測定したところTEモードで４つのモードが観測
できた。また入力光ビーム径を2mmとし入力光と出力光
の比を入力光強度を変化させて光学損傷の様子を測定し
たところ、Ti内部拡散による光導波路が1mWの入力光で
１秒以内に光学損傷が生じるのに較べ、LiO2外部拡散に
よるものは、20mWの入力光に対しても数時間に亘り安定
した出力値を得た。このことからLiO2外部拡散により、
Ti内部拡散により作製した光導波路に比べ、光伝播損失
は同等、又光学損傷に関しては20倍程度の損傷しきい値
をもつ光導波路が作成できることがわかつた。モードイ
ンデツクスからLiO2外部拡散深さを求めたところ、約10
μｍとなり、基板との屈折率差△ｎが0.01で厚いLi空格
子層が形成されていた。
光学特性を測定した後、再び前述した基板の洗浄を繰り
返し行い基板表面を清浄にしてから、イオン交換処理を
実施した。イオン交換処理は100CCの石英製ビーカー中
に特級AgNO3結晶片を30g入れその上に前記洗浄乾燥した
Li2O外部拡散後の基板をLi空格子層の形成された面を上
にして置き、ビーカーごと熱炉に入れ330℃の温度で６
時間保持した。イオン交換中は溶融塩を撹拌することが
望ましい。又、この際AgNO3溶液から発生するNO2ガスを
炉外へ排出できるよう留意した。このようなイオン交換
処理の後炉への通電を切り炉内の温度が室温にの戻るま
で放置した。その後熱炉から固化した基板とAgNO3をビ
ーカーに入れたまま取り出し約60〜70℃に温めた純水を
ビーカー内に注ぎ基板とAgNO3が分離するまで放置し
た。１時間後分離した基板のみを取り出し、更に温水で
数時間基板表面からAgNO3の微小結晶が完全に取れるま
で洗浄した。又、前記微小結晶が取れ難い場合、光導波
路表面をコロイダルシリカ等の研摩剤を使用様して軽く
研摩した。
返し行い基板表面を清浄にしてから、イオン交換処理を
実施した。イオン交換処理は100CCの石英製ビーカー中
に特級AgNO3結晶片を30g入れその上に前記洗浄乾燥した
Li2O外部拡散後の基板をLi空格子層の形成された面を上
にして置き、ビーカーごと熱炉に入れ330℃の温度で６
時間保持した。イオン交換中は溶融塩を撹拌することが
望ましい。又、この際AgNO3溶液から発生するNO2ガスを
炉外へ排出できるよう留意した。このようなイオン交換
処理の後炉への通電を切り炉内の温度が室温にの戻るま
で放置した。その後熱炉から固化した基板とAgNO3をビ
ーカーに入れたまま取り出し約60〜70℃に温めた純水を
ビーカー内に注ぎ基板とAgNO3が分離するまで放置し
た。１時間後分離した基板のみを取り出し、更に温水で
数時間基板表面からAgNO3の微小結晶が完全に取れるま
で洗浄した。又、前記微小結晶が取れ難い場合、光導波
路表面をコロイダルシリカ等の研摩剤を使用様して軽く
研摩した。
彼様にして作成した本発明のプラナー型外部拡散薄膜光
導波路の特性を調べるため、ルチルプリズムで波長6328
ÅのHe−Ne光を再び導波路面内のｙ方向へ導入し光伝播
損失の測定を行い、0.6dB/cmの値を得た。光学損傷しき
い値はHe−Ne光で24mW/cmの値を得た。比較の為に、ｘ
カットLiNbO3基板にLiO2を外部拡散させずに同一の条件
でイオン交換のみを行つた場合の光伝播損失は1dB/cm,
光学損傷しきい値は4mW/cmであつた。
導波路の特性を調べるため、ルチルプリズムで波長6328
ÅのHe−Ne光を再び導波路面内のｙ方向へ導入し光伝播
損失の測定を行い、0.6dB/cmの値を得た。光学損傷しき
い値はHe−Ne光で24mW/cmの値を得た。比較の為に、ｘ
カットLiNbO3基板にLiO2を外部拡散させずに同一の条件
でイオン交換のみを行つた場合の光伝播損失は1dB/cm,
光学損傷しきい値は4mW/cmであつた。
本実施例で作成した外部拡散薄膜導波路の伝播モード
は、同一条件のイオン交換法のみで作成した光導波路の
伝播モードTEoとほぼ同じ伝播モードであつた。
は、同一条件のイオン交換法のみで作成した光導波路の
伝播モードTEoとほぼ同じ伝播モードであつた。
次に測定後の本実施例の光導波路を再度洗浄，乾燥した
後に、ポジ型ホトレジストをスピナーで厚さ１〜1.5μ
ｍにスピナーコートし、くし型電極のネガマスクで密着
露光し、くし形電極部のみが残らないように現象した。
水洗後乾燥し、真空蒸着装置に装荷して、１×10-6Torr
まで排気を行い、EB蒸着によつてAl（膜厚1500Å）を蒸
着した。蒸着後アセトンに数分浸すことによつて、ホト
レジスト上のAl膜がリフトオフで除去され、くし形電極
部分のみが光導波路上に形成された。この際のくし形電
極は、弾性表面波の中心波長が600MHzになるように設計
したので、該くし形電極の電極幅と電極間隔は、双方共
1.45μｍであつた。この様に本発明の光導波路上にくし
形電極を設け、光導波型光偏向器を作製した。
後に、ポジ型ホトレジストをスピナーで厚さ１〜1.5μ
ｍにスピナーコートし、くし型電極のネガマスクで密着
露光し、くし形電極部のみが残らないように現象した。
水洗後乾燥し、真空蒸着装置に装荷して、１×10-6Torr
まで排気を行い、EB蒸着によつてAl（膜厚1500Å）を蒸
着した。蒸着後アセトンに数分浸すことによつて、ホト
レジスト上のAl膜がリフトオフで除去され、くし形電極
部分のみが光導波路上に形成された。この際のくし形電
極は、弾性表面波の中心波長が600MHzになるように設計
したので、該くし形電極の電極幅と電極間隔は、双方共
1.45μｍであつた。この様に本発明の光導波路上にくし
形電極を設け、光導波型光偏向器を作製した。
一方、200Åの厚さにTiを熱拡散することにより作製し
た光導波路に対して、前記と同様のリフトオフ法により
くし形電極を形成して光型波型光偏向器を作成し、本発
明の光導波路を用いて作成した光導波型光偏向器と次の
条件の下で性能の比較を行なつた。両者とも、入射光は
波長6328ÅのHe−Neレーザーを用い、くし形電極に0.6W
のRF電力を印加した。RFの周波数が600MHzの場合、回折
効率は、Ti熱拡散光導波路上に作製した光導波型光偏向
器に較べて、本実施例の光導波路上に作製したものが約
３倍であり、高い回折効率が得られた。又、He−Neレー
ザー光の強度は、1mW以下で測定を行なつたが、5mW,10
W,15mWとレーザー光強度を増加すると、Ti熱拡散光導波
路の場合、入力強度が5mWで既に光学損傷が生じ、出力
光が破滅的に減少したが、本実施例の場合、入力強度が
15mWを超えた場合でも、出力光強度は入力光強度に比例
して増加し、光学損傷が全く生じていないことが判明し
た。
た光導波路に対して、前記と同様のリフトオフ法により
くし形電極を形成して光型波型光偏向器を作成し、本発
明の光導波路を用いて作成した光導波型光偏向器と次の
条件の下で性能の比較を行なつた。両者とも、入射光は
波長6328ÅのHe−Neレーザーを用い、くし形電極に0.6W
のRF電力を印加した。RFの周波数が600MHzの場合、回折
効率は、Ti熱拡散光導波路上に作製した光導波型光偏向
器に較べて、本実施例の光導波路上に作製したものが約
３倍であり、高い回折効率が得られた。又、He−Neレー
ザー光の強度は、1mW以下で測定を行なつたが、5mW,10
W,15mWとレーザー光強度を増加すると、Ti熱拡散光導波
路の場合、入力強度が5mWで既に光学損傷が生じ、出力
光が破滅的に減少したが、本実施例の場合、入力強度が
15mWを超えた場合でも、出力光強度は入力光強度に比例
して増加し、光学損傷が全く生じていないことが判明し
た。
〔実施例２〕 次に本発明の第２実施例について説明する。第１実施例
の場合、イオン交換処理を330℃ AgNO3溶融塩中で行な
つたが、第２実施例では、イオン種をＫ（カリウム）と
するため、イオン交換処理をKNO3溶融塩中で行なつた。
第１実施例と同じ条件で作製したLiO2外部拡散後のｘカ
ツトLiNbO3基板を360℃ KNO3溶融塩中で数10分から数時
間処理することによつて本発明の光導波路を作製した。
光伝播損失は0.48dB/cmと低損失な光導波路が作製でき
た。第１実施例と同様の工程で光導波路上にくし形電極
を作製し、周波数600MHz,0.6WのRF電力をくし形電極に
印加し、回折効率の測定を行なつたが、第１実施例とほ
ぼ同じ結果が得られた。又、光学損傷に関しても第１実
施例と同様の結果が得られた。KNO3は、AgNO3よりも融
点が高く、360℃〜400℃程度の加熱状態でも他の化合物
へ分解する割合が少ないため、AgNO3溶融塩を用いる場
合よりも、光伝播損失が小さく、且つ、屈折率差が大き
い導波路が作製可能であるという特長がある。
の場合、イオン交換処理を330℃ AgNO3溶融塩中で行な
つたが、第２実施例では、イオン種をＫ（カリウム）と
するため、イオン交換処理をKNO3溶融塩中で行なつた。
第１実施例と同じ条件で作製したLiO2外部拡散後のｘカ
ツトLiNbO3基板を360℃ KNO3溶融塩中で数10分から数時
間処理することによつて本発明の光導波路を作製した。
光伝播損失は0.48dB/cmと低損失な光導波路が作製でき
た。第１実施例と同様の工程で光導波路上にくし形電極
を作製し、周波数600MHz,0.6WのRF電力をくし形電極に
印加し、回折効率の測定を行なつたが、第１実施例とほ
ぼ同じ結果が得られた。又、光学損傷に関しても第１実
施例と同様の結果が得られた。KNO3は、AgNO3よりも融
点が高く、360℃〜400℃程度の加熱状態でも他の化合物
へ分解する割合が少ないため、AgNO3溶融塩を用いる場
合よりも、光伝播損失が小さく、且つ、屈折率差が大き
い導波路が作製可能であるという特長がある。
〔実施例３〕 次に本発明の第３実施例であるチヤンネル型の外部拡散
薄膜光導波路の場合を説明する。最初に第１実施例と同
じ条件でLiO2外部拡散処理を行ない、次に上記LiO2外部
拡散ｘカットLiNbO3基板を再度洗浄，乾燥した後、ネガ
型ホトレジストをスピナーで厚さ１〜1.5μｍにスピナ
ーコートし、チヤンネル型光導波路のネガマスクで密着
露光し、チヤンネル部分のみが残るように現像した。水
洗後乾燥し、真空蒸着装置に装荷して１×10-6Torrまで
排気を行ない、EB蒸着により、金属膜のAl（膜厚1500
Å）を蒸着した。ただし、金属膜としては、Alに限定さ
れるものではなく、引き続き行なうイオン交換処理にお
いて、イオン種が基板に侵入することを妨げる金属膜
（たとえばTi,Au）であつても良い。
薄膜光導波路の場合を説明する。最初に第１実施例と同
じ条件でLiO2外部拡散処理を行ない、次に上記LiO2外部
拡散ｘカットLiNbO3基板を再度洗浄，乾燥した後、ネガ
型ホトレジストをスピナーで厚さ１〜1.5μｍにスピナ
ーコートし、チヤンネル型光導波路のネガマスクで密着
露光し、チヤンネル部分のみが残るように現像した。水
洗後乾燥し、真空蒸着装置に装荷して１×10-6Torrまで
排気を行ない、EB蒸着により、金属膜のAl（膜厚1500
Å）を蒸着した。ただし、金属膜としては、Alに限定さ
れるものではなく、引き続き行なうイオン交換処理にお
いて、イオン種が基板に侵入することを妨げる金属膜
（たとえばTi,Au）であつても良い。
蒸着後アセトンに数分浸すことによつて、ホトレジスト
上にのつたAl膜がリフトオフで除去され、チヤンネル部
分以外の部分のみAl膜が形成された。この際のチヤンネ
ル幅は５μｍとした。
上にのつたAl膜がリフトオフで除去され、チヤンネル部
分以外の部分のみAl膜が形成された。この際のチヤンネ
ル幅は５μｍとした。
次に、上記チヤンネル部に、イオン種が注入された層を
形成するために、第１実施例と同様のイオン交換処理を
行なつた。上記イオン交換処理後、エツチング液で金属
膜をおとし、再洗浄して、本発明の構造を有するチヤン
ネル型光導波路が作製できた。ここで金属膜がAlの場
合、エツチング液としては、リン酸を用いれば良い。第
１実施例と同様に、光伝播損失，光学損傷の測定を行な
つたが、ほぼ同じ結果が得られた。
形成するために、第１実施例と同様のイオン交換処理を
行なつた。上記イオン交換処理後、エツチング液で金属
膜をおとし、再洗浄して、本発明の構造を有するチヤン
ネル型光導波路が作製できた。ここで金属膜がAlの場
合、エツチング液としては、リン酸を用いれば良い。第
１実施例と同様に、光伝播損失，光学損傷の測定を行な
つたが、ほぼ同じ結果が得られた。
〔実施例４〕 次に本発明の第４実施例について説明する。
以上に述べた実施例は、イオン交換処理というウエット
な処理工程が含まれているが、本第４実施例は、すべて
ドライな処理工程で本発明の光導波路を作製するもので
ある。まず最初に、第１実施例と同じ条件でLiNbO3結晶
基板に対して、LiO2外部拡散処理を行なう。それに引き
続いて、上記基板を真空蒸着装置に装荷し、１×10-6To
rrまで排気を行ない、EB蒸着により、金属膜、たとえば
Ag（膜厚2000Å）を蒸着した。再び電気炉にいれ、550
℃で１時間の熱処理を行なつた。550℃まで立ち上がる
時間は0.5時間であり、熱処理後は、通電を停止し、550
℃から室温まで放熱を行なつた。上記の熱処理により、
金属膜中のイオン種が基板内に拡散し本発明の光導波路
が作製できた。作製後、第１実施例と同様に光伝播損
失，光学損傷の測定を行なつたが、第１実施例とほぼ同
じ結果が得られた。本実施例において、内部拡散させる
金属は、Agに限らずの他の金属（例えばTi等）を用いて
もかまわない。
な処理工程が含まれているが、本第４実施例は、すべて
ドライな処理工程で本発明の光導波路を作製するもので
ある。まず最初に、第１実施例と同じ条件でLiNbO3結晶
基板に対して、LiO2外部拡散処理を行なう。それに引き
続いて、上記基板を真空蒸着装置に装荷し、１×10-6To
rrまで排気を行ない、EB蒸着により、金属膜、たとえば
Ag（膜厚2000Å）を蒸着した。再び電気炉にいれ、550
℃で１時間の熱処理を行なつた。550℃まで立ち上がる
時間は0.5時間であり、熱処理後は、通電を停止し、550
℃から室温まで放熱を行なつた。上記の熱処理により、
金属膜中のイオン種が基板内に拡散し本発明の光導波路
が作製できた。作製後、第１実施例と同様に光伝播損
失，光学損傷の測定を行なつたが、第１実施例とほぼ同
じ結果が得られた。本実施例において、内部拡散させる
金属は、Agに限らずの他の金属（例えばTi等）を用いて
もかまわない。
前述の実施例においては、結晶基板にLiNbO3を用いた例
を示したが、LiTaO3結晶基板を用いても、全く同様に本
発明を実施することが可能である。
を示したが、LiTaO3結晶基板を用いても、全く同様に本
発明を実施することが可能である。
以上説明したように、本発明は、従来の薄膜光導波路お
よびその作製方法において、 １）光学損傷のしきい値を高める ２）光偏向器等に利用する場合、導波光と光音響効果や
電気光学効果との相互作用を大きくする ３）するに要する処理時間を短縮する 等の効果を有するものである。
よびその作製方法において、 １）光学損傷のしきい値を高める ２）光偏向器等に利用する場合、導波光と光音響効果や
電気光学効果との相互作用を大きくする ３）するに要する処理時間を短縮する 等の効果を有するものである。
第１図は本発明の外部拡散薄膜光導波路の構造を示す概
略図、第２図（ａ），（ｂ），（ｃ）は夫々、本発明の
作製過程におけるイオン種注入の様子を説明する概略
図、第３図は本発明における基板の深さ方向の導波光の
エネルギー分布および弾性表面波の振幅分布を示す図で
ある。 １……結晶基板、２……Li空格子層、３……イオン種注
入層、４……酸素、５……リチウム、６……空孔、７…
…ニオブ、８……Ｃ軸、９……Li空格子、10……イオン
種。
略図、第２図（ａ），（ｂ），（ｃ）は夫々、本発明の
作製過程におけるイオン種注入の様子を説明する概略
図、第３図は本発明における基板の深さ方向の導波光の
エネルギー分布および弾性表面波の振幅分布を示す図で
ある。 １……結晶基板、２……Li空格子層、３……イオン種注
入層、４……酸素、５……リチウム、６……空孔、７…
…ニオブ、８……Ｃ軸、９……Li空格子、10……イオン
種。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−27453（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】ニオブ酸リチウム結晶又はタンタル酸リチ
ウム結晶から成る基板の表面に、前記結晶内の酸化リチ
ウムを外部拡散させることによって形成されたリチウム
空格子層を有する外部拡散薄膜光導波路において、 前記リチウム空格子層の表面近傍に、更にイオン種を注
入することによって形成された該リチウム空格子層より
も高屈折率のイオン種注入層を有することを特徴とする
外部拡散薄膜光導波路。 - 【請求項２】ニオブ酸リチウム結晶又はタンタル酸リチ
ウム結晶から成る基板の表面を高温で熱処理することに
よって、前記結晶内の酸化リチウムを外部拡散させ、リ
チウム空格子層を形成する過程を有する外部拡散薄膜光
導波路の作製方法において、 前記リチウム空格子層を形成した後、更に該リチウム空
格子層の表面近傍にイオン種を注入してリチウム空格子
層よりも高屈折率のイオン種注入層を形成する過程を有
することを特徴とする外部拡散薄膜光導波路の作製方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57202470A JPH0711609B2 (ja) | 1982-11-17 | 1982-11-17 | 外部拡散薄膜光導波路およびその作製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57202470A JPH0711609B2 (ja) | 1982-11-17 | 1982-11-17 | 外部拡散薄膜光導波路およびその作製方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5991403A JPS5991403A (ja) | 1984-05-26 |
| JPH0711609B2 true JPH0711609B2 (ja) | 1995-02-08 |
Family
ID=16458050
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57202470A Expired - Lifetime JPH0711609B2 (ja) | 1982-11-17 | 1982-11-17 | 外部拡散薄膜光導波路およびその作製方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0711609B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4781743A (en) * | 1987-01-16 | 1988-11-01 | American Telephone And Telegraph Company At&T Bell Laboratories | Method of improving waveguide uniformity in optical substrate and product |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5427453A (en) * | 1977-08-02 | 1979-03-01 | Nec Corp | Integrated light circuit |
-
1982
- 1982-11-17 JP JP57202470A patent/JPH0711609B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5991403A (ja) | 1984-05-26 |
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