JPH0961760A

JPH0961760A - 光導波路のポーリング方法

Info

Publication number: JPH0961760A
Application number: JP22070195A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kitagawa; 毅北川; Manabu Oguma; 学小熊; Kuninori Hattori; 邦典服部; Atsushi Abe; 淳阿部; Akira Himeno; 明姫野; Hiroshi Takahashi; 浩高橋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1995-08-29
Filing date: 1995-08-29
Publication date: 1997-03-07

Abstract

(57)【要約】【課題】大きな電気光学定数を得ることができ、しか
も金属薄膜電極を損傷することのない光導波路のポーリ
ング方法を提供すること。【解決手段】導電性のシリコン基板上に光導波路、光
結合器及び金属薄膜電極を作製した光スイッチ１０に対
し、高電圧電源２０より３０００Ｖの直流高電圧を金属
薄膜電極とシリコン基板との間に印加しながら、放射線
発生器３０よりコバルト原子核の崩壊により発生するγ
線３１を２４時間照射し、照射を終了してから印加電圧
を零にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信に用いられ
る導波路型光部品、特に電気光学効果を利用した光スイ
ッチ、光変調器、光位相シフタ等における電気光学定数
を高めるためのポーリング方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】石英系光導波路は伝播損失が０．１ｄＢ
／ｃｍ以下と小さく、熱的に安定で長期信頼性に優れる
ため、実用的な光部品として注目されている。これま
で、この石英系光導波路を用いて電気光学光位相シフタ
を集積した光スイッチが作製されているが、良好に動作
することが確認されている。

【０００３】図１はこの種の光スイッチの概要を示すも
ので、２本の光導波路１，２と、該光導波路１，２の両
端に接続された３ｄＢ光結合器（方向性光結合器）３，
４とからなるマッハ・ツェンダ干渉計において、一方の
光導波路、ここでは２に電気光学光位相シフタ５を設け
てなっている。この光位相シフタ５は、コアを該コアよ
り屈折率が低いクラッドで囲んでなる光導波路の上部に
金等の金属薄膜電極を配置してなるものである。

【０００４】この光スイッチを動作するには、光位相シ
フタ５を駆動して光導波路２を伝播する光の位相を変
化、具体的には光位相シフタ５を構成する電極に電圧を
印加し、電気光学効果により光導波路２の実効屈折率を
高めて伝播する光の位相を変化させ、これによってマッ
ハ・ツェンダ干渉計の位相差を変え、光路の切り替えを
行う。

【０００５】この光スイッチは、低光損失、高消光比で
あるとともに高速スイッチングが可能であることから、
光信号のルーティング等に適した光スイッチと考えられ
ている。

【０００６】前述した光スイッチは次のような工程によ
り製造される。

【０００７】まず、導電性シリコン基板上に、火炎堆積
法により、石英系下部クラッド層と、二酸化ゲルマニウ
ム等を添加して屈折率を高めた石英系コア層とを形成す
る。次に、コア層をフォトリソグラフィ及び反応性イオ
ンエッチングを用いて所定のパターンを有するコアに加
工し、その後、火炎堆積法により上部クラッド層を形成
して埋め込み導波路を作製する。その後、コアの加工の
場合と同様のパターン化技術を用いて光導波路上に金属
薄膜電極を形成する。

【０００８】次に、石英系光導波路の電気光学効果を発
現させるため、ポーリング処理を行う。このポーリング
処理により、光導波路中の双極子モーメントを配向させ
て光導波路に電気分極を発生させる。ポーリングにより
誘起した自発分極は電界を印加することにより変化する
ため、誘電率（屈折率）も電界により変化することにな
る。

【０００９】石英ガラスのポーリング方法としては、加
熱しながら電圧を印加する熱ポーリングと、光を照射し
ながら電圧を印加する光ポーリングとがある。

【００１０】熱ポーリングは、光導波路を電気炉中で３
００℃程度の温度で加熱しながら基板に対して数千Ｖの
高電圧を金属薄膜電極に印加し、ポーリング処理を行う
ものであり、実際に平面光導波路のポーリングに使用さ
れている。一方、光ポーリングは、波長１９３ｎｍのＡ
ｒＦエキシマレーザ光を照射しながら基板に対して数千
Ｖの高電圧を金属薄膜電極に印加し、ポーリング処理を
行うものであり、主にファイバ型電気光学素子のポーリ
ングに使用されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た熱ポーリングでは、得られる電気光学定数が０．０５
ｐｍ／Ｖ程度と小さいため、前記光スイッチに適用した
場合、光路の切り替えに必要な位相シフト量を得るには
１０００Ｖ以上の高電圧を印加しなければならず、スイ
ッチを駆動するために高電圧電源が必要となるととも
に、電源のスイッチング速度によってその応答速度が制
限されてしまうという問題があった。

【００１２】一方、光ポーリングでは、紫外光を使用す
ることにより熱ポーリングの場合よりも大きな電気光学
定数を得ることが可能であるが、紫外光レーザビームの
寸法よりも長い導波路や九十九折り等の複雑なパターン
を有する導波路に適用することが困難であるという問題
があった。また、金属薄膜電極は紫外光が当たると損傷
してしまうので、もっぱら光照射により損傷しない金属
線を電極として使用する光ファイバのポーリングに適用
され、電極がコアの直上もしくはコアに近接した位置に
設けられる平面光導波路には使用することができなかっ
た。

【００１３】本発明の目的は、大きな電気光学定数を得
ることができ、しかも金属薄膜電極を損傷することのな
い光導波路のポーリング方法を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明では、前記課題を
解決するため、コアを該コアより屈折率が低いクラッド
で囲んでなる光導波路を基板上に作製し、前記コアを挟
むように電極を設けてなる導波路型光部品に対し、前記
電極間に高電圧を印加しながらポーリング処理を行う光
導波路のポーリング方法において、高電圧印加時に放射
線を照射するようになした。

【００１５】光導波路の近傍に配置された電極間に高電
圧を印加しながら放射線を照射すると、吸収、非弾性散
乱、電子・陽電子対生成等の放射線と石英ガラス構成原
子との相互作用により電子及び正孔が励起される。励起
した電子及び正孔は電界による静電引力のため、それぞ
れ正極及び負極に向かってガラス中を移動し、ガラスネ
ットワークの欠陥に捉えられる。この時、電界が与えら
れているため、欠陥の電気双極子は電界を打ち消す向き
に整列し、光導波路に電気分極が誘起されると考えられ
る。ポーリングにより自発分極が誘起される結果、ガラ
ス導波路中において電界により誘電率（屈折率）が変化
する電気光学効果が生じると考えられる。

【００１６】従って、本発明によれば、極めて効率的に
ガラスネットワーク中に電子及び正孔を発生させること
ができ、石英系光導波路中に大きな電気分極を誘起で
き、その結果として大きな電気光学定数を有する光導波
路を作製することができる。また、γ線やＸ線等の放射
線は厚さ１ミクロン程度の金属薄膜電極を透過するた
め、電極に遮られたり、電極を損傷したりすることはな
い。

【００１７】また、光部品を予め水素ガス中に保持し、
水素分子を光導波路中に拡散させた後に放射線を照射す
ると、光導波路中に拡散した水素分子と放射線誘起欠陥
との化学反応により生成されるＯＨ基が電界によって配
向するので、より大きく且つ熱的に安定な分極を与える
ことができ、その結果としてさらに大きな電気光学定数
を有する光導波路を作製することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態について詳細に
説明する。

【００１９】（第１の形態）図２は本発明方法で製造す
る導波路型光部品の一例を示すもので、ここではマッハ
・ツェンダ干渉計光スイッチを示す。図中、１１，１２
は光導波路、１３，１４は３ｄＢ光結合器（方向性光結
合器）であり、これらは導電性基板（図２では図示せ
ず）上において光導波路１１，１２が対称型の九十九折
りパターンに、また、３ｄＢ光結合器１３，１４が該光
導波路１１，１２の両端に接続されるように作製され、
マッハ・ツェンダ干渉計を構成する。また、１５は金等
の金属薄膜電極であり、一方の光導波路、ここでは１２
上に設けられている。

【００２０】図３は図２の光スイッチの要部断面を示す
ものである。図中、１６は導電性のシリコン基板であ
り、その上に前述した光導波路１１，１２や３ｄＢ光結
合器１３，１４を構成するコアａ及びクラッドｂが形成
され、さらにクラッドｂ上に前述した金属薄膜電極１５
が形成される。光導波路のコアａの直上に設けられた金
属薄膜電極１５と、第２の電極となるシリコン基板１６
とにより、光位相シフタが構成される。

【００２１】ここで、九十九折りパターンの光導波路１
１または１２により構成されるマッハ・ツェンダ干渉計
の光路長は３０ｃｍ、また、金属薄膜電極１５とシリコ
ン基板１６との間の距離は２５ミクロンである。

【００２２】次に、前記光スイッチの製造工程を説明す
る。

【００２３】まず、不純物を添加したｎ型シリコン基板
（抵抗率１Ω／ｃｍ）１６の上に、火炎堆積法により、
石英系下部クラッド層（厚さ１０ミクロン）と、ゲルマ
ニウム添加石英系コア層（厚さ５ミクロン）とを形成し
た。コア層には、屈折率を高めるために７．５モル％の
ＧｅＯ₂を加えるとともに、透明化温度を低減化するた
めに微量のＰ₂Ｏ₃及びＢ₂Ｏ₃を添加した。この際、
コア層の屈折率は下部クラッド層より０．７５％高かっ
た。

【００２４】次に、コア層をフォトリソグラフィ及び反
応性イオンエッチングを用いて所定のパターンを有する
コアに加工し、その後、火炎堆積法により上部クラッド
層（厚さ１５ミクロン）を形成して埋め込み導波路を作
製した。その後、コアの加工の場合と同様のパターン化
技術を用いて光導波路上に厚さ０．５ミクロンの金電極
１５を形成した。

【００２５】次に、前述した如くして作製した光スイッ
チ、例えば１０に対し、図４に示すように高電圧電源２
０より３０００Ｖの直流高電圧を金属薄膜電極１５とシ
リコン基板１６との間に印加（電極１５をプラス側とし
て）しながら、光スイッチ１０全体に放射線発生器３０
よりコバルト原子核の崩壊により発生するγ線３１を照
射した。この照射を２４時間を行い、γ線照射を終了し
てから印加電圧を零にした。

【００２６】このポーリング処理の結果、金属薄膜電極
１５に損傷を生じることなく光導波路１２に電気光学効
果を発現させることができた。

【００２７】ポーリング処理後、電極１５と基板１６と
の間にポーリングの際と逆向きの電圧を印加しながら波
長１５５０ｎｍの光を入力し、２つの出力用ポートから
の出射光強度を測定したところ、７００Ｖの電圧を印加
することにより出力ポートの切り替えができた。

【００２８】（第２の形態）ここでは前述した如くして
作製した光スイッチ１０に対し、照射する放射線の種類
をγ線からＸ線に替えてポーリング処理を行った。即
ち、３０００Ｖの直流高電圧を金属薄膜電極１５とシリ
コン基板１６との間に印加しながら、モリブデンを対陰
極とするＸ線管により発生させたＸ線を照射した。この
照射を２４時間を行い、Ｘ線照射を終了してから印加電
圧を零にした。

【００２９】その結果、第１の形態の場合と同様に金属
薄膜電極１５に損傷を生じることなく光導波路１２に電
気光学効果を発現させることができ、波長１５５０ｎｍ
の光を入力し、８００Ｖの電圧を印加することにより出
力ポートの切り替えができた。

【００３０】（比較例）ここでは前述した如くして作製
した光スイッチ１０に対し、熱ポーリング処理を行っ
た。即ち、電気炉中で３００℃の温度で加熱しながら３
０００Ｖの直流高電圧を金属薄膜電極１５とシリコン基
板１６との間に印加した。この処理を２４時間を行い、
温度を室温に下げてから印加電圧を零にした。

【００３１】その結果、波長１５５０ｎｍの光を入力
し、出力用ポートを切り替えるために必要な電圧は、第
１及び第２の形態の場合より大きい１５００Ｖであっ
た。

【００３２】以上、第１、第２の形態及び比較例から、
γ線もしくはＸ線を照射してポーリングを行うことによ
り、熱ポーリングの場合に比べて電気光学効果が増強さ
れた光導波路を製造できることは明らかである。

【００３３】（第３の形態）ここでは、前述した如くし
て作製した光スイッチ１０を水素ガス中に保持した後、
第１の形態と同様のポーリング処理を行った。即ち、光
スイッチ１０を圧力１０気圧の水素ガス中に７日間保持
し、光導波路中に水素分子を拡散させた後、高電圧電源
２０より３０００Ｖの直流高電圧を金属薄膜電極１５と
シリコン基板１６との間に印加しながら、放射線発生器
３０よりγ線３１を照射した。この照射を２４時間を行
い、γ線照射を終了してから印加電圧を零にした。

【００３４】その結果、第１の形態の場合と同様に金属
薄膜電極１５に損傷を生じることなく光導波路１２に電
気光学効果を発現させることができ、波長１５５０ｎｍ
の光を入力し、５００Ｖの電圧を印加することにより出
力用ポートの切り替えができた。

【００３５】このように、水素分子を拡散させた光導波
路に対し、放射線によるポーリングを行うことによって
電気光学効果の一層の増強が可能であることが分かる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
放射線の照射を用いたポーリング処理を行うことによ
り、大きな電気光学定数を有する光導波路を製造するこ
とができる。また、光導波路中に水素分子を拡散させて
おくことにより、さらに大きな電気光学定数を得ること
も可能である。γ線やＸ線等の放射線は金属薄膜電極を
損傷することなく透過するので、金属薄膜電極がコアの
直上もしくはコアに近接した位置に設けられる平面光導
波路においても問題なく適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】光スイッチの概要を示す構成図

【図２】本発明方法で製造する光スイッチを示す平面図

【図３】図２の光スイッチの要部を示す断面図

【図４】本発明方法の実施の形態を示す図

【符号の説明】

１０…光スイッチ、１１，１２…光導波路、１３，１４
…３ｄＢ光結合器、１５…金属薄膜電極、１６…シリコ
ン基板、２０…高電圧電源、３０…放射線発生器、ａ…
コア、ｂ…クラッド。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者阿部淳東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (72)発明者姫野明東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (72)発明者高橋浩東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コアを該コアより屈折率が低いクラッド
で囲んでなる光導波路を基板上に作製し、前記コアを挟
むように電極を設けてなる導波路型光部品に対し、前記
電極間に高電圧を印加しながらポーリング処理を行う光
導波路のポーリング方法において、高電圧印加時に放射線を照射するようになしたことを特
徴とする光導波路のポーリング方法。
【請求項２】放射線としてγ線またはＸ線を用いたこ
とを特徴とする請求項１記載の光導波路のポーリング方
法。
【請求項３】光導波路中に水素分子を拡散させた後、
放射線の照射を行うことを特徴とする請求項１または請
求項２記載の光導波路のポーリング方法。