JPH07199246A - 導波路の作製方法 - Google Patents

導波路の作製方法

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JPH07199246A
JPH07199246A JP5350709A JP35070993A JPH07199246A JP H07199246 A JPH07199246 A JP H07199246A JP 5350709 A JP5350709 A JP 5350709A JP 35070993 A JP35070993 A JP 35070993A JP H07199246 A JPH07199246 A JP H07199246A
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JP
Japan
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waveguide
rubidium
salt
nitrate
ktp
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Application number
JP5350709A
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English (en)
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Noriko Yamada
紀子 山田
Yukihiro Yamamoto
幸弘 山本
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Nippon Steel Corp
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Nippon Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、KTP単結晶Z板に、導波路モー
ド数が1〜3個と少ない導波路を作製する方法を提供す
る。 【構成】 セシウム、ルビジウム、タリウムのうち、少
なくとも1種類を含む主成分の塩と、主成分に対して1
wt%以上30wt%以下のアルカリ土類金属の塩と、
5wt%以上20wt%以下のカリウムの塩からなる副
成分を含むことを特徴とする溶融したイオン交換源を用
いて導波路を作製する。 【効果】 イオン交換源にカリウムイオンが入ることに
より、KTP表面のセシウム、ルビジウム、タリウム、
およびアルカリ土類金属の濃度が減少し、屈折率増加量
が小さくなるため、導波モード数の小さい導波路ができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、光変調器、光スイッ
チ、SHG素子などの各種の導波路型デバイスを実現す
るための導波路の作製方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】KTPは非線形光学効果、電気光学効果
がともに大きく、光損傷にも強い結晶であるため、各種
の導波路型デバイスを作製するための基板として有望視
されている。
【0003】KTPのZ板のイオン交換導波路は、硝酸
ルビジウム、硝酸セシウム、硝酸タリウムそれぞれ単独
の溶融塩中で作製されていた〔Appl. Phys. Lett. 50,
1216(1987)〕。しかし、作製される導波路の深さと導波
路表面の屈折率増加量に、ばらつきが大きかった。その
原因として、結晶のイオン伝導度の違いが、ルビジウ
ム、セシウム、タリウム等の拡散速度に影響を及ぼして
いると考えられていた。
【0004】この問題を解決するために、硝酸ルビジウ
ムに、2価のアルカリ土類金属の硝酸塩(硝酸カルシウ
ム、硝酸バリウムなど)を加えた混合塩中で導波路を作
製することが提案され、再現性よく導波路を作製できる
ようになった。〔J. Opt. Soc. Am. B6, 622(1989)〕。
この場合、2価のアルカリ土類金属の硝酸塩を加えるこ
とによって、K+ の空孔が結晶中に導入されるために、
ルビジウムの拡散が効果的に進む。しかし、硝酸バリウ
ム/硝酸ルビジウム系では、バリウムを含むことによ
り、導波路表面の屈折率増加量が大きくなりすぎるた
め、モード数が非常に多い多モードの導波路になるとい
う欠点が生じた。
【0005】たとえば、KTPのZ板を、硝酸ルビジウ
ムと硝酸バリウムが80対20で混合されている塩を用
いて350°Cでイオン交換して作製した平面導波路の
場合、イオン交換時間の増加とともに、導波路表面の屈
折率増加量、導波路深さ、導波モード数は、図1のよう
に変化する。なお、屈折率や導波モード数は入射する光
の波長によって変わるが、以下633nmの波長の光で
説明する。また、KTPのZ板の場合、入射波がTMモ
ードでもTEモードでも、導波モードの数は殆ど変わら
ないので、TMモードについて説明する。
【0006】導波路のモードの数を減らすためには、一
般に、導波路表面の屈折率増加量と導波路深さの両方あ
るいはどちらか1つを減少させればよい。実際のデバイ
スでは、光ファイバあるいは対物レンズから導波路に光
を結合させる時、導波路が浅過ぎると結合効率が低下す
るという問題が生じるので、少なくとも1μm以上の導
波路深さが必要である。KTPの導波路の深さは、図1
に示したように、イオン交換時間が2分から5分の範囲
で5μm程度あり、光結合に適した深さになっている。
したがって、モードの数を減らすためには、屈折率増加
量を抑制すればよい。KTPの導波路の屈折率増加は、
カリウムイオンとルビジウムおよびバリウムイオンの置
換によって引きおこされているので、屈折率増加を抑制
するためには、ルビジウムとバリウムの表面濃度を下げ
ることが必要である。
【0007】そのための対策として、イオン交換時間を
短くすること、イオン交換温度を下げることが容易に考
えられる。
【0008】まず、イオン交換時間を短くする場合であ
るが、1分のイオン交換でもすでに4つのモードがあ
り、さらにモード数を減らすには、秒単位でイオン交換
時間を制御する必要が生じる。このような短時間の熱処
理で再現性のよい導波路を作製することは工業的に大変
難しい。
【0009】次に、イオン交換温度を下げる場合である
が、硝酸バリウムの融点が592°Cと高いために、硝
酸ルビジウム/硝酸バリウム系では350°Cより低温
では完全に塩を溶融することができない。
【0010】また、K+ を置換する1価のイオンとし
て、ルビジウムイオンのほかに、タリウムイオン、ある
いはセシウムイオンを用いることも可能であるが、これ
らのイオンの場合にはルビジウムよりさらに大きな屈折
率変化を起こし、多モード導波路になりやすい。
【0011】特にセシウムの場合、カリウムとのイオン
半径の差が大きいため、セシウムとバリウムの混合塩で
イオン交換を行うと、結晶にクラックが入るという問題
もある。
【0012】従って、これらのイオンでイオン交換した
導波路についても、再現性よくシングルモード導波路、
および導波モードが2〜3個の導波路を作製する方法が
望まれる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、KTPの
Z板上にシングルモード導波路あるいは導波モードが2
〜3個の導波路の作製方法を提供することを目的とす
る。
【0014】
【課題を解決するための手段および作用】本発明では、
ルビジウム、セシウム、タリウムイオンのうち少なくと
も1種類を含む主成分の塩と、主成分に対して1wt%
以上30wt%以下のアルカリ土類金属の塩の混合塩
に、5wt%以上20wt%以下のカリウムの塩を加え
ることにより、再現性よく、シングルモード導波路ある
いは導波モードが2〜3個の導波路の作製が可能になる
ことを見いだした。
【0015】範囲の限定理由について説明する。主成分
に対して、アルカリ土類金属の塩が1wt%未満の場
合、添加した効果が見られず、ルビジウムの拡散にばら
つきが生じるため、できた導波路の導波モード数と屈折
率増加量のばらつきも大きい。30wt%より多い場
合、バリウムとカリウムの置換にともなって、KTPの
結晶中に空孔が数多く導入されることになり、結晶が非
常に脆くなる。
【0016】また、主成分に対してカリウム塩の添加が
5wt%未満の場合、添加効果がみられず、屈折率増加
量を抑制することができない。20wt%より多い場
合、イオン交換源の主成分となるルビジウム、セシウ
ム、あるいはタリウムと、KTP中のカリウムの置換の
割合が著しく減少するため、表面の屈折率増加量が小さ
くなりすぎ、導波路の形成ができない。
【0017】ルビジウム、セシウム、タリウムのうち少
なくとも1種類以上を含む塩と、アルカリ土類金属の塩
の混合塩に、カリウム塩を加えることによって、屈折率
増加量が抑えられ望ましい導波路ができる理由を、硝酸
ルビジウムと硝酸バリウムの混合塩を例にとって、説明
する。
【0018】硝酸ルビジウムと硝酸バリウムの混合塩
に、硝酸カリウムを加えた系において、350°Cでイ
オン交換を行うと、溶融塩中にKTPの主構成元素であ
るカリウムが存在するために、結晶表面のルビジウムお
よびバリウムの濃度が低くなり、屈折率増加量が抑制で
きる。KTPのZ板を350°Cで10分イオン交換し
た場合、80対20の硝酸ルビジウムおよび硝酸バリウ
ムの混合塩では0.039の屈折率増加量となるが、そ
の混合塩に100に対して10の割合で硝酸カリウムを
加えると、屈折率増加量は0.023と3分の2以下に
小さくできる。
【0019】一方、硝酸カリウムを加えたことによる導
波路深さへの影響であるが、バリウムが少量でもKTP
中に取り込まれると、結晶中に空孔が生じルビジウムイ
オンおよびバリウムイオンの拡散が促進されるので、拡
散速度はイオン交換源に硝酸カリウムを加えなかった場
合と比べて、それほど遅くならない。したがって、ルビ
ジウムとバリウムは十分結晶の内部まで拡散することが
でき、効率の高い光結合が可能な導波路深さを確保する
ことができる。
【0020】また、硝酸セシウムと硝酸バリウムの混合
塩に硝酸カリウムを加えることにより、クラックの入ら
ない導波路が形成できるが、この理由は、イオン交換源
にカリウムが存在するために、結晶表面のセシウムの濃
度が下がったためである。セシウム量が減少すると、イ
オン半径の違いによる結晶の歪量も減少し、クラックが
制御できるのである。
【0021】これらの効果が硝酸塩以外の塩、すなわ
ち、酢酸塩、炭酸塩、亜硝酸塩、燐酸塩、硫酸塩につい
ても、成立することは明らかである。また、アルカリ土
類金属としては、バリウム、カルシウム、ストロンチウ
ムが挙げられるが、特にバリウムのとき、拡散促進の効
果が大きい。
【0022】以上、平面導波路のモード数と屈折率増加
量について述べてきたが、実際のデバイスは、チャンネ
ル導波路を使って作製することが多い。チャンネル導波
路は、チタンなどの金属を成膜した上に、フォトリソグ
ラフィで導波路パターンを転写して作製する。チャンネ
ル導波路の導波モードについては、導波路の深さ方向の
モードと、幅方向のモードを考える必要がある。幅方向
については、チャンネル導波路の幅を狭くすることによ
って簡単にモードの数を減らすことができるので、問題
になるのは作製条件に依存する深さ方向のモードであ
る。深さ方向のモードについては、平面導波路で考えて
も同じなので、本発明による作製方法をそのまま当ては
めることができる。
【0023】
【実施例】
(実施例1)硝酸ルビジウム100に対して、硝酸バリ
ウムを25、硝酸カリウムを13の割合で混合した塩を
用いて、300°CでKTPのZ板を10分間、イオン
交換したところ、TM、TE両モードについてシングル
モードの平面導波路を作製することができた。この時の
屈折率増加量0.008、導波路の深さは1.7μmで
あった。
【0024】(実施例2)硝酸セシウム100に対し
て、硝酸バリウムを20、硝酸カリウムを7の割合での
混合した塩を用いて、350°CでKTPのZ板を3分
間、イオン交換したところ、TM、TE両モードについ
てシングルモードの平面導波路を作製することができ
た。導波路にクラックは入らなかった。
【0025】(実施例3)KTPのZ板上に、幅3ミク
ロンのチャンネル導波路をパターニンクしたチタン膜を
付与する。硝酸ルビジウム100に対して、硝酸バリウ
ムを12、硝酸カリウムを12の割合で混合した塩を用
いて、350°Cで5分間、イオン交換したところ、T
M、TE両モードについて、シングルモードのチャンネ
ル導波路を作製することができた。
【0026】
【発明の効果】上述したように、本発明の作製方法によ
れば、KTPのZ板上に光結合効率の高いシングルモー
ド導波路あるいはシングルモードに近い導波路を作製す
ることができ、KTPを用いた各種デバイスの特性を向
上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】KTP結晶を硝酸ルビジウムと硝酸バリウムの
混合塩を用いて、350°Cで1分〜30分イオン交換
した平面導波路のモード数、屈折率増加量、導波路深さ
を表したものである。測定は、波長が633nmのHe-N
e レーザ、TMモードでおこなった。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セシウム、ルビジウム、タリウムのう
    ち、少なくとも1種類を含む主成分の塩と、主成分に対
    して1wt%以上30wt%以下のアルカリ土類金属の
    塩と、5wt%以上20wt%以下のカリウムの塩から
    なる副成分を含む溶融したイオン交換源を用いて、KT
    PのZ板に導波路を作製することを特徴とする導波路の
    作製方法。
JP5350709A 1993-12-29 1993-12-29 導波路の作製方法 Withdrawn JPH07199246A (ja)

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