JPH083581B2 - 電気光学的モード変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光通信に関し、特に、電気光学的モード変換
装置として使用される平面形導波装置及びその製造法に
関する。

［従来の技術］ 変調器のようなある種のモード変換器やその動作のた
めに電気エネルギの入力を必要とするスイツチを含む各
種の形式の導波装置は、情報を伝送するために、光領域
のスペクトルの電磁波搬送波を伝送しかつ制御すること
が必要である。平面形構造の導波装置は、寸法が小さい
こと、耐久性が優れていること、低コストであることお
よび製造が容易であることのために、多くの場合に利点
を有することが知られている。このような平面形導波装
置の場合、光を伝搬する複屈折結晶の平面基板の中に、
チヤンネル状の屈折率の大きな特定部分を作ることによ
つて、導波路が作成される。光伝搬材料の屈折率を大き
くするために通常行なわれる方法は、例えば、チタンを
光伝搬材料の中へ高温度で拡散するとか、または光伝搬
材料を溶融した安息香酸の浴の中に浸漬する等によるイ
オン交換法である。電気エネルギを必要とする導波装置
の場合には、このエネルギは電極を通して加えられる。
この電極は、通常、導波路の上または近傍に、金属の薄
いストリツプを沈着することによつて作成される。導波
路の近傍に金属電極を設けることの１つの問題点は、伝
送波のエネルギの一部分が電極の近傍において、光吸収
を受けて減衰することである。

電極によるこの減衰作用から導波路を防ぐために、従
来行なわれている方法は、基板の表面上に、導波路の屈
折率よりも小さな屈折率をもつた薄い誘電体フイルム、
例えば、厚さ約0.1ミクロンの二酸化シリコン膜を、ス
パツタ沈着法などで沈着し、この誘電体フイルムの上に
金属電極を沈着する方法である。この誘電体フイルムは
光学的に高品質のものでなければならない。すなわち、
この誘電体は不純物その他の欠陥のないものでなければ
ならない。それは、これらの欠陥があると、それらは光
の散乱中心となり、伝送波を減衰させるからである。こ
の誘電体層は、伝送波のエネルギ場が電極と接触しない
ように、その屈折率が基板の屈折率に等しいかまたは小
さくなければならなく、かつまた、十分の厚さをもたな
ければならない。さらに、電気エネルギが電極に加えら
れた時、電流が基板の中へ流れることを防止するために
その導電率が十分に小さく、すなわち、抵抗率が十分に
大きくなければならない。

導波路を金属電極から効果的に分離するために、要求
された品質と導電率とをもつた誘電体フイルムを作成す
ることは困難である。欠陥のないフイルムを作成するに
は、高度の品質管理が要求される。このためには、極め
て清浄な環境を整えることと、極めて純粋な材料を用い
ることと、製造工程中の温度、湿度および真空を精密に
制御することとが必要である。最適条件からわずかにず
れても、高品質材料が得られる歩留りは大幅に低下す
る。

さらに、導波装置に使用するための高純度の光伝送用
複屈折結晶材料を製造することはできるけれども、この
ような材料でも痕跡程度の不純物、特に鉄、を含有して
おり、これらの不純物が導波路内を伝搬する光と反応し
て、イオン化されることがある。その結果、導波路の近
傍に空間電荷が発生し、そしてこの空間電荷が電気光学
効果によつて、導波モードを乱す。このような現象は、
通常、光学損傷効果と呼ばれている。

さらに、前記工程で作成された導波路は、導波路の軸
に対して、非対称モード・パワー分布をもつ傾向があ
る。この非対称性のために、これらの導波路への光結合
効率およびこれらの導波路からの光結合効率は著しく小
さいものとなる。

［発明の目的と要約］ したがつて、本発明の目的は、平面形導波装置の基板
の中にバツフア層を作り、かつそのバツフア層を精密な
制御が可能で信頼性のある工程で製造することにより欠
陥のないバツフア層とすることにより、平面形導波装置
の導波路の中の光電磁波を金属電極による減衰から保護
することである。

本発明の別の目的は、空間電荷の蓄積を小さくするた
めに、基板の導波路近傍の領域の導電率を大きくし、光
学損傷効果を大幅に小さくすることである。

本発明により、平面形導波装置の中の導波路を伝搬す
る情報担持光搬送波を、金属電極による光エネルギの吸
収による減衰から保護することに関する種々の問題点
が、導波装置の基板内に導波路と電極との間に屈折率の
小さなバツフア層を導波路と電極とを光学的に分離する
ことにより解決される。

前記バツフア層は好ましくは、まずｘカツトまたはｙ
カツトされた複屈折結晶材料の基板の中に導波路を作
り、その基板の上にマグネシウムの層を作り、次にこの
マグネシウムを一定温度で予め定められた時間の間酸化
することによつて形成される。その後、必要に応じこの
酸化マグネシウム・バツフア層の上に、電極が沈着され
る。MgOバツフア層は、TE−TMモード変換作用の最適化
を容易にし、またこのような装置において、TE−TMモー
ドの位相整合を強制的に行なうために用いられる直流バ
イアス電界に対する感性を大幅に減少することが知られ
ている。

バツフア層はまた、ｘカツトまたはｙカツトされた複
屈折結晶材料の中にｚ軸に実質的に平行で大きな屈折率
をもつた局所領域として作られた導波路を有する平面形
基板に、イオン交換法または陽子交換法によつて形成す
ることもできる。イオン交換法は、実際、基板のバツフ
ア層を画定する表面層の常光線の屈折率を小さくする効
果がある。このバツフア層は、その屈折率が一定の限界
内で注意深く制御されると共に、一様でかつ均質である
点において信頼性がある。陽子交換法では、基板を溶融
した安息香酸のような酸性浴の中に、予め定められた温
度で予め定められた時間の間、浸すことによつて行なわ
れる。この場合、浴の温度と時間とを調節することによ
つて、バツフア層の厚さを精密に制御することができ
る。

以上のような方法で作成されたバツフア層は、導波路
を電極から光学的に分離するのに加えて、導波路を基板
の表面の下に埋め込む効果と、導波モードのパワー分布
をこの導波路の軸に対してより対称的にするのに役立
ち、それによつて、この導波路と光フアイバとの間の結
合効率が改善される。このバツフア層のもう１つの明確
な利点は、導波路の表面層領域の導電率が大きくなるこ
とである。それにより、導波路内のイオン化した不純物
が移動してきて、最終的に、それらの電荷が中和する。
その結果、導波路の中に電荷が積層することが防止さ
れ、そしてこのような電荷の積層により電磁波が乱され
ることが防止される。

［実施例］ 添付図面において、同等の部品には同じ参照番号がつ
けられている。

従来の典型的な平面形導波装置の１つの例が、第１図
において、参照番号10で全体的に示されている。この導
波装置は、ｘカツトまたはｙカツトされた複屈折結晶材
料のような、高品質光学材料の基板12を有している。そ
して、この基板の中に、ｚ軸に沿つて屈折率の大きな特
定領域が作られ、この領域が導波路14となる。この導波
路14は種々の工程によつて作成することができる。これ
らの工程の１つは、チタンのような遷移金属を内部に拡
散する工程である。電極20に接続された導線16と、電極
22に接続された導線18とによつて、導波装置10に電圧が
加えられる。電極20および22は、それぞれ、導波路14の
上またはその近傍に沈着された金属の薄いストリツプの
形状を有している。電極20と電極22を構成している金属
ストリツプは、それが導波路の近傍に位置しているため
に、もし何等かの手段を取らないならば、導波路14の中
を伝搬する光波は減衰を受けるであろう。このために、
高品質の誘電体材料の薄い層24が、導波路14と電極20,2
2との間の基板12の上に、通常スパツタ沈着によつて作
られる。この高品質誘電体材料の薄い層24は、例えば、
約0.1ミクロンの厚さの二酸化シリコンの層であること
ができる。

本発明による平面形導波装置において、モード変換装
置の場合の例示的実施例が、第２図において参照番号11
によつて全体的に示されている。この実施例では、ニオ
ブ酸リチウム（LiNbO₃）またはタンタル酸リチウム（Li
TaO₃）等の複屈折結晶材料で作られた平面形基板13はｘ
結晶軸方向またはｙ結晶軸方向に切断され、そしてこの
基板の中に、ｚ軸に事実上平行な許容された限界内で、
導波路15が作られる。

基板13の上に、酸化マグネシウム・バツフア層17が形
成される。このバツフア層は導波路15上を基板13の幅全
体に渉つて形成される。このバツフア層17の上に、３個
の金属電極19,21および23が沈着される。これらの電極1
9,21および23は、それぞれ、導線25,27および29を有す
る。電極23は導波路15の真上に配置され、電極19および
21はそれらの内側端が導波路15の外側端の近傍に位置す
るよう配設される。

チヤンネル導波路15は、チタンの細かいストリツプを
内部に拡散することによつて作成される。このチタンの
ストリツプの方向は、基板のｚ軸の方向と平行である。
導波路15がｚ軸に平行に作られるときは、TEモードとTM
モードはほぼ同じ実効屈折率をもつて良好に伝搬され
る。これはチタン・ドープ剤がこの材料の常光線屈折率
を大きくするからであり、それによりTEモードの導波も
またTMモードの導波も促進される。チヤンネル導波路15
の両側にかつ平行に１対の電極19および21を配置し、チ
ヤンネル導波路15の真上に第３電極23を配置することに
よつて、モード変換が実行される。

チヤンネルの側辺に沿つての第１組の電極に、すなわ
ち、19および21の電極対に、電圧を加えることによつ
て、直交する方向に偏光しているTEモードとTMモードの
実効屈折率が、電気光学係数r12およびr22の作用によつ
て、強制的にほぼ等しくなる。導波路15の上の第３電極
23に電圧を付加して加えることにより、係数r61の作用
により、モード間でのモード変換が起こる。

この装置または他の同等の装置に対し、これが効率的
に機能を果たすためには、第１組電極がバイアス電圧を
保持することが実現することが重要である。多くの場
合、このような直流バイアス電圧を加えることは実際的
ではない。それは、それによつてモード変換特性を劣化
させ、また装置の特性を経時変化させることがあるから
である。この場合、導波路を埋め込み、そして軸屈折率
分布を対称的にすることによつて、これらの影響を小さ
くすることができる。

この実施例において、屈折率分布を対称的にするため
に、このチヤンネル導波路の表面の屈折率を低下させる
ことが１つの方法である。このことを実現するには、導
波路を作成した後、基板の表面に酸化マグネシウムの薄
い層を拡散させることである。マグネシウム・ドープ剤
は屈折率を低下させる材料として作用し、それによつ
て、導波路の表面の屈折率を大きくしているチタンの効
果が打ち消される。厚さが400Aで幅が３ミクロンのチタ
ンのストリツプを、1100℃で５時間、基板の中に拡散す
ることによつて、この寸法の導波路が形成される。この
第１拡散の後、基板は厚さ230Aのマグネシウムで被覆さ
れる。そして炉の中に戻され、そして湿つた酸素の気流
中で約４時間、900℃で酸化が行なわれる。その結果得
られた導波路は、0.632ミクロンの波長において、単一
のモードを保持する。その後、この埋め込まれたチヤン
ネルの上に、３個の電極パターンが配置される。中央の
電極の幅は５ミクロンであり、そして中央の電極と外側
の電極との間の間隔は５ミクロンである。これらの電極
の長さは12mmである。

この装置のTEモードとTMモードの相対減衰率の試験
が、バイアス電圧をかける前に行なわれた。TMモードに
おいて、特に大きな減衰は測定されなかつた。

この装置のモード変換器としての安定性を検査するた
めに、導波路がTM偏光で励振され、かつ、外側電極19お
よび21に14ボルトのバイアス電圧が加えられた。中央の
電極に30ボルト（ピーク・ピーク値）の交流信号が加え
られた。TEモードとTMモードのスループツト特性が別々
に測定された。

0.632ミクロンの波長において約10マイクロワツトの
スループツト・パワーに対し、この装置のモード変換特
性が４時間にわたつて12％以内で安定化したままである
ことがわかつた。100マイクロワツトのスループツト・
パワーでは、５分間で50％のドリフトが測定された。0.
817ミクロンの波長では、同様なパワー・レベルで、こ
れと同じ時間にわたつて、変換特性のドリフトはなかつ
た。この結果は、装置の安定性に光伝導が重要な約割り
を果たしていることを示している。誘電体層としてCVD
沈着されたSiO₂を用いて製造された同様な装置は、0.63
2ミクロン励振と0.817ミクロン励振のいずれの場合に
も、数分間の間にかなりのドリフト（50％）を示した。

陽子交換によつて作成された別の実施例が第３図にお
いて参照番号30によつて示されている。第３図の平面基
板32は、ニオブ酸リチウム（LiNbO₃）またはタンタル酸
リチウム（LiTaO₃）のような、複屈折結晶材料で作られ
る。この基板結晶32がｘ方向またはｙ方向に切断され、
そしてｚ軸に事実上平行な導波路34が作られる。ただ
し、ｚ軸からのわずかの角度の偏差は許容される。電極
36および38は金属の薄いストリツプで作られ、そして導
波路34の上または近傍に配置される。電極36および38に
は、それぞれ、導線40および42が取り付けられる。けれ
ども、第１図の先行技術による装置の誘電体材料の沈着
層とは異つて、導波路34と金属電極36および38を分離す
るために、バツフア層44が基板32の中に直接に作られ
る。

導波路34は、第３図に示されているように、製造工程
において、基板32に適切なマスクを沈着し、そしてチタ
ンまたは他の遷移金属を内部に拡散させることにより、
チヤンネルの形状をした屈折率の大きな特定領域として
作成される。基板32と、基板の他の部分に対して大きな
屈折率をもつた導波路34に対し、陽子交換が行なわれ
る。すると、ｚ軸に事実上平行な導波路34を備えたｘカ
ツト材料またはｙカツト材料の場合、表面層部分の材料
の常光線の屈折率が実際に低下する。この常光線の屈折
率が小さくなつた表面層部分がバツフア層44となる。そ
の後、このバツフア層44の上に、金属電極36および38の
沈着が行なわれ、バツファ層44は導波路34と金属電極3
6,38との間に位置する。常光線の屈折率が小さなバツフ
ア層は導波路34の中の電磁波を電極36および38から分離
するのに効果的である。その理由は、TEモードとTMモー
ドは複屈折結晶材料の常光線の屈折率に「感じる」、す
なわち影響を受けるからである。

イオン交換、または陽子交換は、基板32を溶融した安
息香酸の浴の中に、例えば、250℃で３分間、浸すこと
によつて行なわれる。すると、表面のところの厚さ約0.
3ミクロンの層部分からリチウムが取り去られ、それに
よつて、第５図に示されているように、バツフア層44が
形成される。基板32の中にあるがしかしチタンの内部拡
散が行なわれた領域の外側にあるバツフア層部分44aの
常光線の屈折率は、基板の他の部分の常光線の屈折率よ
りも約0.02だけ小さくなる。導波路34の上にあるバツフ
ア層部分44bにおいても同じ常光線の屈折率の低下が起
こる。この屈折の低下は、基板32の内部へのチタンの拡
散によつて得られた屈折率の増大よりも大きい。したが
つて、導波路34が基板の表面より内部へ埋め込まれる。
導波路34のこの埋め込みによつて、電磁波の各モードの
パワーの分布を、導波路34の軸に対してより対称的にす
るのに効果があると考えられる。このことにより、この
導波路と光フアイバとの間の結合効率がよくなる。ま
た、陽子交換工程によつて、導波路34の表面部分の導電
率が増大し、基板の中のイオン化不純物が移動してきて
中和することが促進される。したがつて、導波路近傍で
の電荷蓄積による可視光波長の乱れの効果が避けられ
る。

このように、本発明により、平面形導波装置におい
て、電極による電磁波の減衰効果を防止するのに非常に
効果のあるバツフア層と、その製造法が得られる。例示
された実施例に偏向を行つて、種々の構成および機能を
もつた導波装置をうることは可能である。本発明の範囲
内において、例示された実施例に各種の修正およびまた
は変更を付加し得ることは、当業者にとつては明らかで
あろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は先行技術による平面形導波装置の概要立体図、
第２図は本発明による平面形導波装置の概要立体図、第
３図は本発明による別の平面形導波装置の概要立体図、
第４図は本発明による第３図の導波装置の製造工程の途
中の段階における概要端面図、第５図は第３図の導波装
置の端面図。 ［符号の説明］ 13,32……平面形基板 15,34……導波路 19,21,36,38……電極 17,44,44a,44b……バツフア層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複屈折結晶材料をｘカツトまたはｙカツト
   し、ｚ結晶軸を光学軸とする平面状の基板と、 前記基板内に前記ｚ軸に平行に形成されTEモード及びTM
   モードの伝搬に対してほぼ等しい実効屈折率をもつた高
   屈折率の導波チヤンネルであつて、前記基板よりも高い
   屈折率をもち、その３つの側面が前記基板で囲まれて長
   手方向に延びる第１の領域により画定される前記導波チ
   ヤンネルと、 前記導波チヤンネルを前記基板の表面の下部に埋め込ん
   で光学的に分離し、またその軸屈折率分布を対称にして
   TEモードとTMモードとが前記ｚ軸方向にほぼ等しい位相
   速度で伝搬するように前記第１の領域の上に重畳してそ
   れより薄く長手方向に延在して形成され、前記基板と実
   質的に等しい屈折率をもつ第２の誘電体領域と、 前記基板表面に前記導波チヤンネルと平行に形成された
   少なくとも２つの電極とを備え、 前記少なくとも２つの電極の１つは、少なくともその一
   部が前記導波チヤンネルと重なり、前記第１の領域は金
   属イオンの内部拡散により形成され、前記第２の領域
   は、その常光線屈折率を低下するように屈折率低下イオ
   ンまたはプロトン交換イオンの内部拡散により形成さ
   れ、前記導波チヤンネルと重なつている前記電極の部分
   に対してバツフア層として機能し、 また前記少なくとも２つの電極はそれにバイアス電圧を
   印加したとき前記TEモードとTMモードの有効屈折率をほ
   ぼ等しくし、さらに交流バイアスを追加印加することに
   より前記モード間の交換を生じるように作動する、 ことを特徴とする電気光学的モード変換装置。
2. 【請求項２】前記複屈折結晶材料が、ニオブ酸リチウム
   またはタンタル酸リチウムである、特許請求の範囲第１
   項に記載の電気光学的モード変換装置。
3. 【請求項３】前記第２の領域が、マグネシウム・イオン
   を前記第１の領域の上部に内部拡散することにより形成
   される、特許請求の範囲第１項に記載の電気光学的モー
   ド変換装置。
4. 【請求項４】前記第１の領域がチタン・イオンを内部拡
   散することにより形成される、特許請求の範囲第１項に
   記載の電気光学的モード変換装置。