JPS6370827A

JPS6370827A - 光制御デバイスの製造方法

Info

Publication number: JPS6370827A
Application number: JP21650686A
Authority: JP
Inventors: Mitsukazu Kondo; 充和近藤
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1986-09-12
Filing date: 1986-09-12
Publication date: 1988-03-31

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は光波の変調、光路切換え等を基板中に設けた光
導波路を用いて制御する導波型光制御デバイスの製造方
法に関する。

〔従来の技術〕

光通信システムの実用化が進むにつれ、さらに大容量や
多機能をもつ高度のシステムが求められており、より高
速の光信号の発生や光伝送路の切換え、交換等の新たな
機能の付加が必要とされている。現在の実用システムで
は、光信号は直接半導体レーザや発光ダイオードの注入
電流を変調することによって得られているが、直接変調
では緩和振動等の効果のため数ＧＨｚ以上の高速変調が
難しいこと、波長変動が発生するためコヒーシン１−光
伝送方式には適用が難しいこと等の欠点がある。

これを解決する手段としては、外部光変調器を使用する
方法があり、特に基板中に形成した光導波路により構成
した導波形の光変調器は、小形、高効率、高速という特
長がある。

一方、光伝送路の切換えやネットワークの交換機能を得
る手段としては光スイッチが使用されている。現在、実
用されている光スィッチは、プリズム、ミラー、ファイ
バー等を機械的に移動させるものであり、低速であるこ
と、信頼性が不十分、形状が大きくマトリクス化に不適
当の欠点がある。

これを解決す、る手段として開発が進められているもの
は、光導波路を用いた導波形の光スィッチがあり、高速
、多素子の集積化が可能、高信頼等の特長がある。特に
、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ０３）結晶等の強誘電体
材料を用いたものは、光吸収が小さく低損失であること
、大きな電気光学効果を有しているため、高効率である
等の特長があり、従来から方向性結合形光変調器、スイ
ッチ、全反射形光スイッチ等の種々の方式の光制御素子
が報告されている。このような導波形の光制御素子を実
際の光通信システムに適用する場合、低損失、高速性等
の基本的性能と同時に、特に動作の安定性や長期的な信
頼性が実用上不可欠である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、従来の導波型光制御デバイスでは、安′定性、
信頼性に関しては、十分な特性は得られていなかった。

第３図（ａ）、（ｂ）は従来の光制御デバイスの一例と
して方向性結合型光スィッチの平面図及び側面図を示す
。この光スィッチは、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ０．
　）結晶基板１の上にチタンを拡散して屈折率を基板よ
りも大きくして形成した帯状の光導波路２及び３が形成
されており、これら光導波路２及び３は基板１の中央部
で互いに数μｍ程度まで近接させて方向性結合器４を構
成している。この方向性結合器４を構成する光導波路２
゜３上にはバッファ膜６を介して制御電極５が形成され
ている。

この光導波路２に入射した入射光７は、方向性結合器４
の部分を伝搬するに従って近接した光導波路３へ除々に
光エネルギが移り、方向性結合器４を通過後は光導波路
３にほぼ１０’Ｏ％エネルギが移って出射光８となる。

一方、制御電極５に電圧を印加した場合、電気光学効果
により電極５の下の光導波路の屈折率が変化し、光導波
路２，３を伝搬する導波モードの間に位相速度の不整合
を生じ、両者の間の結合状態が変化する。この電極５へ
の印加電圧を上昇すると、光導波路２から光導波路３へ
の光エネルギの移行量が減少し、ある電圧値ＶＳでは入
射光７は方向性結合器４を通過後に光エネルギの１００
％が光導波路２に戻ってしまう状態となる。すなわち、
制御電極５への印加電圧の有無により、入射光７は光導
波路２からの出射光９又は光導波路３からの出射光８と
なる。

ニオブ酸リチウム結晶を使った導波形の光制御デバイス
では、最も大きな電気光学効果が得られて低電圧動作が
期待でき、しかもファイバとの低損失結合が容易なＺ軸
に垂直に切り出した基板、すなわちＺ板と基板垂直方向
の偏波モード、すなわち７Ｍモードの組合せが最もよく
用いられている。このような組合せでは光導波路上に電
極を設置する場合、従来は電極による光吸収を防ぐため
に、第３図（ａ＞、（ｂ）に示すようなバッファ膜６が
設置されている。

このバッファ膜６は、導波路中の光エネルギの電極５へ
のしみ出しを除き、かつニオブ酸リチウム結晶中に電界
を有効に印加するために、ニオブ酸リチウムよりも屈折
率が小さく、かつ絶縁性があって光吸収のない透明な材
料、例えば二酸化ケイ素（５ｉ０２）　ＩＩｉヤ酸化７
　ルミ（Ａｅ　ｚ０３）ｐＡ等が使われる。このような
バッファ膜６を設置する場合、その絶縁性の良否がデバ
イス安定性に大きく影響することがよく知られている。

すなわち、バッファ膜６の絶縁性不十分で比抵抗が小さ
い場合、ＤＣ電圧を印加したとき、このバッファ膜６中
を電荷がドリフトし、時間と共にバッファ膜と電極及び
結晶との界面に電荷が蓄積し、結晶中に印加される電圧
が小さくなり、スイッチング特性が変化する。

このようなりＣ電圧を印加したときの動作特性の経時的
な変化は、光スィッチの場合はタロストークの発生やス
イッチ電圧の変動を招き、光変調器の場合はバイアス電
圧値のドリフトを招く等の導波形光制御デバイスを実際
のシステムに適用する上での大きな障害となっている。

このバッファ膜の高抵抗化のために、そのコーティング
方法の改良や、コーテイング後の酸素アニールによる高
品質化等も試みられているが十分な安定性や長期的な信
頼性は得られていない。

本発明の目的は、これら従来の欠点を除き、ＤＣ電圧を
印加した場合にも安定な動作が得られる光制御デバイス
の製造方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の光制御デバイスの製造方法は、誘電体結晶基板
中に、この結晶基板の屈折率を増加させる第１の金属イ
オンを拡散し、その後さらに前記結晶基板の屈折率を減
少させる第２の金属イオンを前記第１の金属イオンの拡
散深さよりも浅く拡散して光導波路を形成する第１の工
程と、この光導波路の上部に直接前記結晶基板に接して
電極を形成し、その後熱アニール処理によって前記電極
の原子の一部を前記基板中に拡散する第２の工程とを含
み構成される。

〔作用〕

本発明の構成が従来の構成と異なる大きな点は、バッフ
ァ膜を用いていないようにしたことである。本発明では
、通常用いる基板の屈折率を増加させる第１の金属イオ
ンを拡散させて光導波路を形成した後、その上部の電極
が設置される部分にさらに基板の屈折率を減少させる第
２の金属イオンを拡散させることによって電極下の屈折
率を下げ、光導波路中を伝搬する光波のエネルギの基板
表面へのしみ出し量を減少させて゛「Ｍモードの電極に
よる光吸収を防いでいる。さらに、本発明では、電極材
料である金属原子を熱アニールによって基板中に拡散さ
せることによって、電極と結晶界面にショットキーバリ
ヤ等の障壁が生ずるのを防ぎ、それら障壁に電荷が蓄積
されて生ずる動作不安定性を除去している。このように
本発明によれば、バッファ膜を用いていないでがっ電極
をアニールすることによって、従来のようなバッファ膜
に起因する不安定性や経時的な劣化を除くことができる
。

〔実施例〕

第１図（ａ）〜（ｅ）は本発明による光制御デバイスの
製造方法の一実施例を工程順に模式的に示した断面図で
あり、各製造工程における光制御デバイスの一部の断面
を示す０本実施例は、第１図（ａ＞のように、第１の金
属イオンであるＴｉ膜１１の光導波路パターンをニオブ
酸リチウム結晶１上に形成する第１の工程と、このＴｉ
膜１１を９００〜１１００℃で数時間熱拡散して深さ３
〜１０μｍのＴｉ拡散領域１２を形成する第２の工程（
第１図（ｂ））と、このＴｉ拡散領域１２上の少なくと
も一部に第２の金属イオ〉・であるＪを含むＭｇＯ薄膜
１３を形成する第３の工程（第１図（ｃ））と、コノＭ
ｇＯ薄膜１３を６００〜１０ｏＯ℃程度で１〜数時間、
１〜３μｍ程度の深さまで拡散して第１及び第２の金属
イオン・の拡散領域よりなる光導波路１４を形成する第
４の工程（第１図（ｄ））と、この光導波路１４上部の
少なくとも一部にＴｉ、Ｃｒ、＾ｕ、ｆ’ｔ、Ｓｉ等の
材料からなる電極５のパターンを形成する第５の工程（
第１図（ｅ））と、この電極５を２００〜６００℃で熱
アニールすることによってその電極原子の一部を基板１
の表面に拡散させて電極金属拡散部分１５を形成する第
６の工程（第１図（ｆ））とを順次行なう。

第２図（ａ）、（ｂ）は第１図に示した製造方法によっ
て製作された光制御デバイスの一例の方向性結合型光ス
ィッチの平面図及び側面図を示す。ニオブ欣リチウム結
晶基板１の上に第１の金属イオンであるチタンを９００
〜・１１００”Ｃ程度で数時間熱拡散して形成された深
さ３〜１０μｍ程度の先導波路２．３が設置され、基板
の中央部で両光導波路は互いに数μｍまで近接して方向
性結合器４を構成している。この方向性結合器４が形成
されている基板１の表面の一部分１ｏには、深さ１〜２
μｍ程度の領域まで第２の金属イオンであるマグネシウ
ムが拡散されており、この拡散部分１０の屈折率はマグ
ネシウムが拡散されていない部分に比べて低くなってい
る。

このマグネシウムの拡散は、先ず先導波路２゜３を形成
後、酸化マグネシウムをスバ・ツタ等の方法で基板表面
にコーディングし、８００〜１０００℃で熱拡散するこ
とによってなされる。このようにマグネシウムを第２の
金属イオンとして使用した場合、マグネシウムの拡散速
度はチタンの拡散速度に比べて十分大きく、またマグネ
シウムの拡散深さは、チタンの拡散深さに比べ゛ζ十分
小さくてよいので、マグネシウム拡散の際に、既にチタ
ンを拡散して形成されている光導波路はほとんど影響を
受けないという特長がある。なお、マグネシウムを拡散
した場合のニオブ酸リチウム結晶基板の屈折率が減少す
ることは、雑誌「ジャーナル・オブ・アプライド・フィ
ジックス（Ｊ、＾ｐｐｌ。

Ｐｈｙｓ、Ｌ＋第４９巻、３１５０頁に説明されている
４本実施例の方向性結合型光スィッチの基本的なスイッチ
動作は、第３図の従来例と同様であり、入射光７は制御
電極５への印加電圧の有無により出射光８又は９となる
。但し、本実施例においては、バッファ膜６が設置され
ておらず、その代りに制御電極５の下の光導波路２．３
の表面にはマグネシウムが拡散されて屈折率が減少した
部分１０がある。そこで本実施例もバッファ膜６を設置
した場合と同様に、光導波路を伝搬するＴＭモードの光
エネルギの基板表面へのしみ出しをマグネシウムが拡散
された領域１０によって防ぎ、制御電極５による光吸収
を除いている。さらに、本実施例では、バッファ膜を用
いていないので、バッファ膜の不完全性に起因するＤＣ
電圧を印加した場合の不安定な現象は存在しない。また
、電極を熱アニールすることによって電極と結晶界面に
ショットキーバリヤ等の障壁が生ずるのを防いでいる。

なお、本発明は本実施例に用いた基板材料、金属イオン
に限定されるものではなく、基板材料としては電気光学
効果を有するいかなる結晶、例えばＬｉＴａＯ３結晶等
を使用することができ、また、第１の金属イオンとして
は屈折率を増加させる効果をもつイオン、例えば銅やニ
オブ等な用いることができる。さらに、制御電極材料と
してはＴｉ−＾Ｕ。

Ｃｒ−Ａｕ等の金属多層膜や半導体材料も用いることが
できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の光制御デバイスの製造方
法では、バッファ膜を用いないので、従来の光制御デバ
イスに比べ安定な動作が得られるという特徴がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｆ）は本発明による光制御デバイスの
製造方法を工程順に示した断面図、第２図（ａ）、（ｂ
）は本発明の製造方法を用いた光制御デバイスの一例の
正面図および側面図、第３図（ａ＞、（ｂ）は従来の光
制御デバイスの一例の平面図および側面図である。１・・・ニオブ酸リチウム結晶基板、２．３．１４・・
・光導波路、５・・・制御電極、６・・・バッファ膜、
７、・・・入射光、８．９・・・出射光、１０・・・第
２の金属イオン（Ｍｇ）の拡散部分、１１・・・Ｔｉ膜
、１２・・・、？噌−２１Ｉ５イ［茅　２　回茅　３　図

Claims

【特許請求の範囲】

誘電体結晶基板中に、この結晶基板の屈折率を増加させ
る第１の金属イオンを拡散し、その後さらに前記結晶基
板の屈折率を減少させる第２の金属イオンを前記第１の
金属イオンの拡散深さよりも浅く拡散して光導波路を形
成する第１の工程と、前記光導波路の上部に直接前記結
晶基板に接して電極を形成し、その後熱アニール処理に
よって前記電極の原子の一部を前記基板中に拡散する第
２の工程とを含むことを特徴とする光制御デバイスの製
造方法。