JP2001166164A - LiNbO3 THIN-FILM OPTICAL WAVEGUIDE DEVICE - Google Patents
LiNbO3 THIN-FILM OPTICAL WAVEGUIDE DEVICEInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、常光のみまたは異
常光のみに対し、或いは異常光を含めた光に対し光導波
作用を有し、しかも青色光のような短波長域の光に対
し、光吸収が格段に改善されたＬｉＮｂＯ3 薄膜光導波
路装置に関わる。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention has an optical waveguide function for only ordinary light or extraordinary light, or for light including extraordinary light, and also for light in a short wavelength range such as blue light. The present invention relates to a LiNbO 3 thin-film optical waveguide device having significantly improved light absorption.
【０００２】[0002]
【従来の技術】光偏向器、光変調器、光スイッチ、その
他各種の機能性光導波デバイスの材料として、電気光学
定数、非線形光学定数等にすぐれているＬｉＮｂＯ
3 （ＬＮと云う）結晶が用いられる方向にある。2. Description of the Related Art As a material for an optical deflector, an optical modulator, an optical switch, and various other functional optical waveguide devices, LiNbO having excellent electro-optic constants, nonlinear optical constants, and the like is used.
3 In the direction where crystals (called LN) are used.
【０００３】このようなＬＮを光導波路を有する光デバ
イスに用いる場合、その導波路形成の一般的な方法とし
ては、第１にその光導波路の形成部に金属例えばＴｉを
選択的に拡散する金属拡散法によるもの、第２にイオン
交換（プロトン交換）法によるものとが挙げられる。When such an LN is used for an optical device having an optical waveguide, a general method of forming the waveguide is to firstly diffuse a metal such as Ti into a portion where the optical waveguide is formed. Secondly, a method based on a diffusion method and a second method based on an ion exchange (proton exchange) method can be mentioned.
【０００４】然し乍ら、前者の第１の方法によって形成
した光導波路は、その不純物即ち例えばＴｉの導入によ
って光損傷が大きくなるという問題がある。However, the optical waveguide formed by the former first method has a problem that the optical damage is increased by the introduction of impurities, for example, Ti.
【０００５】つまり、このＴｉを含む光導波路では、こ
れに強い光を導入した場合、その屈折率が変化し、デバ
イス特性を低下させる。この光損傷は波長が短くなる程
大で、可視光において例えば青色光のような短波長光に
対する光導波路としての利用が難しい。[0005] That is, in the optical waveguide containing Ti, when strong light is introduced into the optical waveguide, the refractive index changes, and the device characteristics are degraded. This optical damage is greater as the wavelength is shorter, and it is difficult to use visible light as an optical waveguide for short-wavelength light such as blue light.
【０００６】又、後者の第２の方法によるときは、ＬＮ
本来の特性、即ち、電気光学定数、非線光学定数を低下
させるという問題がある。In the latter method, LN
There is a problem that the original characteristics, that is, the electro-optic constant and the nonlinear optical constant are reduced.
【０００７】更に、第２の方法による場合は、異常光の
みに対して光導波効果を有するに過ぎない。Further, in the case of the second method, only the extraordinary light has an optical waveguide effect.
【０００８】又、上述の第１及び第２のいづれの方法の
ものも基本的には、拡散現象を利用していることから、
導波路幅、深さ、そして、その屈折率分布を独立に選ぶ
ことが出来ない。従って、その形状寸法の制御が難し
く、更にその屈折率変化を階段的な分布にすることが難
しいという問題がある。Further, since the above-mentioned first and second methods basically utilize the diffusion phenomenon,
The waveguide width, depth, and its refractive index distribution cannot be independently selected. Therefore, there is a problem that it is difficult to control the shape and size, and it is difficult to make the refractive index change in a stepwise distribution.
【０００９】これに対して、光導波路を液相エピタキシ
ャル（ＬＰＥ）することが出来れば、その深さの制御を
確実に行うことが出来、又、屈折率変化も急峻に即ち階
段的分布とすることが出来ると考えられる。On the other hand, if the optical waveguide can be subjected to liquid phase epitaxy (LPE), the depth of the optical waveguide can be reliably controlled, and the change in the refractive index is steep, ie, a stepwise distribution. It is thought that we can do it.
【００１０】このＬＰＥ法としては、ＬｉＴａＯ3 を基
板として用い、これの上にＬｉ2 Ｏ−Ｖ2 Ｏ5 をフラッ
クスとしてＬＮをＬＰＥすることの提案もなされてい
る。As the LPE method, it has been proposed to use LiTaO 3 as a substrate and LN LN on the substrate using Li 2 O—V 2 O 5 as a flux.
【００１１】然し乍ら、このようにしてＬＰＥされたＬ
Ｎ導波路は、その膜質に問題があり、又、同様に短波長
域（青色光）での光吸収が大きくなるという問題があ
る。However, the LPE thus LPE is
The N waveguide has a problem in its film quality, and also has a problem in that light absorption in a short wavelength region (blue light) becomes large.
【００１２】そして、本発明者等は、このようにＬｉ2
Ｏ−Ｖ2 Ｏ5 フラックスを用いてＬＰＥする場合、その
ＬＰＥされたＬＮ薄膜で短波長光に対して光吸収が生じ
るのは、ＬＮ薄膜結晶中のＮｂサイトにＶ（バナジウ
ム）が入り込むことによる即ち、Ｖイオンの最外殻電子
軌道の電子（ｄ電子）の結晶場による***準位間での遷
移によって、本来は光吸収のない波長域において新たに
光吸収を生じさせることを究明した。[0012] The present inventors have thus obtained Li 2
If using O-V 2 O 5 flux to LPE, with the light absorption for short-wavelength light occurs that LPE been LN thin film, due to the fact that V (vanadium) enters the Nb site LN thin film crystal That is, it has been clarified that light absorption is newly generated in a wavelength region where light absorption is originally absent due to transition between split levels due to the crystal field of electrons (d electrons) in the outermost electron orbit of the V ion.
【００１３】一方、ＬＮをＬＰＥする方法としてＬｉ2
Ｂ2 Ｏ4 −Ｌｉ2 Ｎｂ2 Ｏ6 融液による方法が例えば米
国特許第３，９９８，６８７号で提案されているが、こ
の場合、ＬｉＴａＯ3 上にＬＮをＬＰＥするものであっ
て、この場合、常光のみを選択的に導波するというもの
ではない。On the other hand, as a method for LPE of LN, Li 2 is used.
A method using a B 2 O 4 —Li 2 Nb 2 O 6 melt is proposed in, for example, US Pat. No. 3,998,687. In this case, LN is LPE on LiTaO 3. In this case, only ordinary light is not selectively guided.
【００１４】[0014]
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する１の課題は、ＬＮ薄膜光導波路装置において、より
短波長域の光に対する光の吸収の改善をはかることであ
る。One object of the present invention is to improve the absorption of light in a shorter wavelength range in an LN thin-film optical waveguide device.
【００１５】本発明が解決しようとする他の１の課題
は、異常光に対する導波効果が小さく殆ど常光のみを導
波する選択性の高い光導波路装置を構成することであ
る。Another object to be solved by the present invention is to provide an optical waveguide device having a small waveguide effect for extraordinary light and having high selectivity for guiding almost ordinary light only.
【００１６】本発明が解決しようとする更に他の１の課
題は、ＬＮ基板上にＬＮによる薄膜光導波路を形成する
構成を採ることによって結晶性にすぐれ、光学的特性に
すぐれた構成とする場合において、異常光をも光導波す
る光導波路装置を構成することである。Still another problem to be solved by the present invention is that a thin film optical waveguide made of LN is formed on an LN substrate so that the structure is excellent in crystallinity and optical characteristics. Is to configure an optical waveguide device that optically guides extraordinary light as well.
【００１７】[0017]
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明におい
ては、ＬＮ薄膜結晶中のＮｂサイトにＶ（バナジウム）
が入り込むことによるすなわちＶイオンの最外殻電子軌
道の電子（ｄ電子）の結晶場***準位間の遷移によっ
て、本来は光吸収のない波長域において新たに光吸収を
生じさせること、ＬＮにおいて、ＭｇＯがドープされる
ドープ量の増加に伴って常光及び異常光の屈折率ｎo お
よびｎe が共に小さくなること、ＭｇＯドープのＬＮ基
板上にＬＮ薄膜をＬＰＥするとき、ＭｇＯがドープされ
ていないＬＮ基板へのＬＰＥよりむしろ結晶性等の膜質
にすぐれたＬＮ薄膜を成長させることができること、更
にＬＮ薄膜において、ＬｉとＮｂの原子比Ｌｉ／Ｎｂが
変化しても常光の屈折率ｎo については変化がみられな
いのに対し、異常光の屈折率ｎe については、ストイキ
オメトリックのＬｉ／Ｎｂ≒１において小さくＬｉ量が
小となるにつれｎe の値が大きくなることの究明に基づ
いて上述の各課題の解決をはかったＬＮ薄膜光導波路装
置を構成するものである。That is, in the present invention, V (vanadium) is added to the Nb site in the LN thin film crystal.
, That is, the transition between the crystal field splitting levels of electrons (d electrons) in the outermost electron orbit of the V ion causes a new light absorption in a wavelength region where light absorption is originally absent. , MgO is the refractive index n o and n e of the with an increase in doping amount to be doped ordinary light and extraordinary light are both small, when LPE an LN thin film on LN substrate doped with MgO, MgO is not doped that can be grown LN thin film with excellent film quality such as crystallinity, rather than LPE on non LN substrate and the LN thin film, the refractive index of ordinary ray be atomic ratio Li / Nb of Li and Nb are changed n o while the change is not observed for, for the refractive index n e of the extraordinary light, the value of n e as small amount of Li in the Li / Nb ≒ 1 the stoichiometric becomes small The present invention constitutes an LN thin-film optical waveguide device which solves each of the above-mentioned problems based on the finding that the size of the optical waveguide becomes large.
【００１８】本発明の１は、ＭｇＯないしは、これに類
似の性状を示すＺｎＯ等がドープされたか或いはドープ
されていないＬｉＮｂＯ3 基板上に、ＬｉＮｂＯ3 の下
地層を介してＬｉＮｂＯ3 よりなる薄膜光導波路を設け
た構成とし、特にその下地層を、薄膜光導波路に比して
Ｌｉリッチとする。A first aspect of the present invention is to provide a thin-film optical waveguide made of LiNbO 3 on a LiNbO 3 substrate doped or undoped with MgO or ZnO or the like having similar properties via a base layer of LiNbO 3. A waveguide is provided, and the underlayer is made Li-rich as compared with the thin-film optical waveguide.
【００１９】また、本発明の他の１は、ＭｇＯないしは
これに類似の性状を示すＺｎＯ等がドープされた或いは
ドープされないＬｉＮｂＯ3 基板上に、ＭｇＯドープの
ＬｉＮｂＯ3 よりなる下地層と、これの上にＭｇＯが下
地層のＭｇＯドープ量より小なるドープ量をもってドー
プされたもしくはＭｇＯノンドープのＬｉＮｂＯ3 或い
はＺｎＯドープのＬｉＮｂＯ3 よりなるつまり下地層に
比し、大なる常光及び異常光屈折率ｎo 及びｎe を有す
る薄膜光導波路を設ける構成とする。Another aspect of the present invention is to provide an underlayer made of MgO-doped LiNbO 3 on a LiNbO 3 substrate doped or undoped with MgO or ZnO or the like having similar properties. compared to clogging underlayer MgO is made of LiNbO 3 of with small consisting doping amount than MgO doped amount doped or MgO non-doped LiNbO 3 or ZnO doped underlayer above atmospheric becomes ordinary light and extraordinary refractive index n o And a thin film optical waveguide having ne and n e is provided.
【００２０】なお、前述したようにＬＮ薄膜結晶中に最
外殻電子軌道の電子（例えばｄ電子）の結晶場***準位
間の遷移によって本来は光吸収のない波長域において新
たに光吸収を生じる不純物を含まないようにしたこと、
つまりＬＮ薄膜光導波路２のＬＰＥにおいてフラックス
としてＶを含むＶ2 Ｏ5 の使用を回避し、上述したよう
にＬＮ薄膜に入り込んでも光吸収を生じることのないＢ
2 Ｏ3 系フラックスとしたことによって更にＢ2 Ｏ3 は
ＬＮに入り込みにくいことによって短波長域の光吸収の
低減化をはかることができる。As described above, in the LN thin film crystal, light absorption is newly caused in a wavelength region where light absorption is originally absent due to transition between crystal field splitting levels of electrons (for example, d electrons) of the outermost electron orbit. That it does not contain the resulting impurities,
That is, in the LPE of the LN thin film optical waveguide 2, the use of V 2 O 5 containing V as a flux is avoided, and as described above, B which does not absorb light even if it enters the LN thin film.
With the use of the 2 O 3 flux, B 2 O 3 is less likely to enter the LN, so that light absorption in a short wavelength range can be reduced.
【００２１】ＬＮの常光及び異常光屈折率ｎo 及びｎe
は、ＭｇＯのドープ量に依存するものであり、共にＭｇ
Ｏドープ量の増加に伴って減少する。図４は、ＬＮ基板
のコングルエント組成における波長λが６３３ｎｍのｎ
o 及びｎe のＭｇＯドープ量に対する依存性を示す。The ordinary light and extraordinary refractive index of the LN n o and n e
Depends on the doping amount of MgO.
It decreases with an increase in the amount of O doping. FIG. 4 shows n at a wavelength λ of 633 nm in the congruent composition of the LN substrate.
The dependence of o and ne on the MgO doping amount is shown.
【００２２】一方、ＬＮの異常光屈折率ｎe は、ＬＮを
構成するＬｉとＮｂの原子比Ｌｉ／Ｎｂに依存し、常光
屈折率ｎo は、Ｌｉ／Ｎｂに殆ど依存しない。図５は同
様に波長λ＝６３３ｎｍの光に対する異常光屈折率ｎe
のＬｉ／Ｎｂに対する依存性を示す。On the other hand, the extraordinary refractive index n e of the LN depends on Li and Nb atomic ratio Li / Nb constituting the LN, ordinary refractive index n o is hardly depends on the Li / Nb. Figure 5 is likewise extraordinary refractive index n e with respect to a wavelength lambda = 633 nm of the light
3 shows the dependence of Li / Nb on Li / Nb.
【００２３】したがって今図３に示す構造において、Ｌ
Ｎ基板１の常光及び異常光の各屈折率ｎo 及びｎe を、
ｎoS及びｎeSとし、ＬＰＥによるＬＮ薄膜のｎo 及びｎ
e をｎo2及びｎe2とすると、ＬＮ基板１の屈折率に影響
を与えるＭｇＯドープ量の選定と、これの上のＬＮ薄膜
の同様のＭｇＯ或いは同様に屈折率に影響を与えるＺｎ
Ｏのドープ量及びＬｉ／Ｎｂの選定によって、ｎo2＞ｎ
oSとし、ｎe2≒ｎeSもしくはｎe2＜ｎesとすることがで
き、これによってＬＮ薄膜を、常光のみを導波する特殊
の薄膜光導波路２とすることができる。Therefore, in the structure shown in FIG.
Each refractive index n o and n e of the ordinary light and the extraordinary light of the N substrate 1,
n oS and n eS , n o and n of the LN thin film by LPE
Assuming that e is no 2 and ne 2 , the selection of the MgO doping amount that affects the refractive index of the LN substrate 1 and the similar MgO of the LN thin film thereon or Zn that similarly affects the refractive index
Depending on the doping amount of O and the selection of Li / Nb, n o2 > n
and oS, n e2 be a ≒ n eS or n e2 <n es, thereby the LN thin film can be only a thin film optical waveguide 2 special guided ordinary ray.
【００２４】この場合、常光のみを導波させたので、光
損傷の低減化がはかられる。In this case, since only ordinary light is guided, light damage can be reduced.
【００２５】そしてまた、このような構成による光導波
路としてのＬＮ薄膜２は、ＭｇＯドープのＬＮ基板１上
にＬＰＥされるとき、ＭｇＯがノンドープのＬＮ基板上
にＬＰＥする場合に比し、より膜質にすぐれた成膜がな
されるので、Ｂ2 Ｏ3 系フラックスを用いたことが相侯
って、より短波長域の光吸収の小さい光導波路装置が得
られる。Further, the LN thin film 2 as an optical waveguide having such a configuration has a higher film quality when LPE is applied on the MgO-doped LN substrate 1 than when LPE is applied on the non-doped LN substrate. Because of the excellent film formation, the use of a B 2 O 3 flux can provide an optical waveguide device having a smaller light absorption in a shorter wavelength range.
【００２６】一方、図１に示す構造では、ＬＮ基板１１
に、下地層１３と薄膜光導波路１２の、２層のＬＮ層を
形成し、下層のＬＮ層（下地層）１３を、薄膜光導波路
１２に比しＬｉリッチとしたので、この薄膜光導波路１
２の、常光及び異常光の各屈折率ｎo 及びｎe をｎo2及
びｎe2とし、下地層１３のそれをｎo3及びｎe3とすると
き、少なくともｎe2＞ｎe3とすることができ薄膜光導波
路１２において少なくとも異常光の導波を行うことがで
きることになる。そして、その構成において薄膜導波路
１２のＬＮ薄膜に比し、下地層１３のＬＮ、或いはＬＮ
基板１１のＭｇＯ若しくはＺｎＯの選定を行って、基板
１１の常光屈折率をｎosとするときｎo2＞ｎo3、若しく
はｎo2≒ｎo3＞ｎosとすることができ、このときは常光
の導波をも下地層１３と薄膜光導波路１２とによって行
うことができる。On the other hand, in the structure shown in FIG.
Then, two LN layers, an underlayer 13 and a thin-film optical waveguide 12, were formed, and the lower LN layer (underlayer) 13 was made more Li-rich than the thin-film optical waveguide 12.
2, each refractive index n o and n e of the ordinary and extraordinary light and n o2 and n e2, when its underlying layer 13 and the n o3 and n e3, can be at least n e2> n e3 At least the extraordinary light can be guided in the thin-film optical waveguide 12. In the structure, the LN or LN of the underlying layer 13 is smaller than the LN thin film of the thin film waveguide 12.
Be selected based on the MgO or ZnO substrate 11, n o2> n o3 when the ordinary refractive index of the substrate 11 and the n os, or n o2 ≒ n o3> can be n os, this time of the ordinary light Wave guiding can also be performed by the underlayer 13 and the thin-film optical waveguide 12.
【００２７】更にまた、図２に示す構造では、ＭｇＯ、
ＺｎＯ等のドープ、ノンドープを問わないＬＮ基板２１
上に、ＭｇＯがドープされて常光及び異常光の屈折率ｎ
o3及びｎe3が低められたＬＮ下地層２３を形成し、これ
の上にこれに比しＭｇＯのドープ量が少ないかノンドー
プ、或いはＺｎＯドープ量を適当に選定することによっ
てその常光及び異常光の屈折率ｎo2及びｎe2を、ｎo2＞
ｎo3、ｎe2＞ｎe3として常光及び異常光を共に導波でき
るＬＮ薄膜光導波路２２とすることができるものであ
る。Further, in the structure shown in FIG.
LN substrate 21 irrespective of doped or non-doped ZnO etc.
On top, MgO is doped, and the refractive index n of ordinary light and extraordinary light is
An LN underlayer 23 having a reduced o3 and ne3 is formed thereon, and the MgO doping amount is small, non-doped, or ZnO doping amount is appropriately selected in comparison with the LN underlayer 23 to thereby reduce the ordinary light and extraordinary light. the refractive index n o2 and n e2, n o2>
The LN thin-film optical waveguide 22 capable of guiding both ordinary light and extraordinary light can be obtained by setting n o3 and ne 2 > ne 3 .
【００２８】そして、図１及び図２で説明したＬＮ下地
層１３及び２３を介してＬＮ薄膜による薄膜光導波路１
２及び２２を形成する構造とする場合、各層１３及び１
２、２３及び２２を共に順次ＬＰＥによって形成するの
で、薄膜光導波路１２及び２２を、直接ＬＮ基板１１及
び２１上に育成する場合に比し、格段的に安定してすぐ
れた結晶性を有する、すなわち光学的にすぐれた薄膜光
導波路１２及び２２を構成することができる。そして、
これら図１及び図２の構造においてもＬＮ基板１１及び
２１としてＭｇＯ等がドープされたＬＮ基板を用いるこ
とによって膜質にすぐれた下地層１３，２３及び薄膜光
導波路１２，２２を形成することができる。Then, the thin film optical waveguide 1 of the LN thin film is interposed via the LN underlayers 13 and 23 described with reference to FIGS.
When the structure for forming the layers 2 and 22 is used, each of the layers 13 and 1
Since both 2, 23 and 22 are sequentially formed by LPE, compared to the case where the thin film optical waveguides 12 and 22 are grown directly on the LN substrates 11 and 21, they have much more stable and excellent crystallinity. That is, the thin film optical waveguides 12 and 22 having excellent optical properties can be formed. And
Also in these structures shown in FIGS. 1 and 2, the use of the LN substrates doped with MgO or the like as the LN substrates 11 and 21 makes it possible to form the underlayers 13 and 23 and the thin film optical waveguides 12 and 22 having excellent film quality. .
【００２９】[0029]
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を説明する。Embodiments of the present invention will be described.
【００３０】先ず、図１を参照してＬＮ下地層１３を介
してＬＮ薄膜光導波路１２が形成された構成を採って異
常光の光導波を行うようにした場合についての実施例を
説明する。この場合、ＬＮ基板１１上に、順次、ＬＮ下
地層１３と、ＬＮ薄膜光導波路１２をＬＰＥする。First, with reference to FIG. 1, an embodiment will be described in which the configuration in which the LN thin-film optical waveguide 12 is formed via the LN underlayer 13 is used to guide the extraordinary light. In this case, the LN underlayer 13 and the LN thin-film optical waveguide 12 are sequentially subjected to LPE on the LN substrate 11.
【００３１】ＬＮ下地層１３は、ＬＮ薄膜光導波路１２
に比し、Ｌｉ量が大、即ちＬｉリッチとする。The LN underlayer 13 is an LN thin film optical waveguide 12
, The Li amount is large, that is, Li-rich.
【００３２】実施例１ 例えば図１に示すように自発分極が矢印ａに示すように
単分域化されたＺ基板よりなるＭｇＯが５モル％ドープ
のＬＮ基板１１を用意する。Example 1 For example, as shown in FIG. 1, an LN substrate 11 doped with 5 mol% of MgO, which is made of a Z substrate whose spontaneous polarization is made into a single domain as shown by an arrow a, is prepared.
【００３３】そして、このＺ基板の＋Ｚ面上にＬｉ2 Ｏ
−Ｂ2 Ｏ3 フラックスを用いた融液Ｌｉ2 Ｏ−Ｂ2 Ｏ3
−Ｎｂ2 Ｏ5 によってＬＮ薄膜より成る下地層１３と薄
膜光導波路１２とを順次ＬＰＥする。Then, Li 2 O is placed on the + Z plane of the Z substrate.
Melt Li 2 O-B 2 O 3 using -B 2 O 3 flux
The underlayer 13 made of the LN thin film and the thin film optical waveguide 12 are sequentially LPE by -Nb 2 O 5 .
【００３４】このとき、下地層１３のＬｉを薄膜光導波
路１２より大とすることによって、その下地層１３の、
異常光に対する屈折率ｎe を、薄膜光導波路１２に比し
小とする。At this time, by setting the Li of the underlayer 13 to be larger than that of the thin-film optical waveguide 12,
The refractive index n e for extraordinary light, and small compared with the thin film optical waveguide 12.
【００３５】図６は、その融液中のＬｉ2 Ｏに対するＮ
ｂ2 Ｏ5 のモル比Ｒ（％）を変化させたときに得られた
ＬＮ膜の波長６３２．８ｎｍの、異常光屈折率ｎe の測
定結果を示したものである。図６中鎖線は、ＭｇＯ５モ
ル％ドープのＬＮ基板のｎeの値のレベルを示したもの
である。FIG. 6 shows the relationship between Li 2 O in the melt and N 2 O.
wavelength 632.8nm obtained LN film when b 2 O molar ratio of 5 R (%) is changed, and shows the measurement results of the extraordinary refractive index n e. Chain line in FIG. 6 is a graph showing the level of the value of n e of the LN substrate MgO5 mol% dope.
【００３６】図６中実線をみても明らかなように、図５
で示したように、Ｌｉリッチとなるにつれ、異常光屈折
率ｎe は下がる。As is clear from the solid line in FIG.
As indicated, as the Li-rich, extraordinary refractive index n e is decreased.
【００３７】つまり、本発明構成においてＬｉリッチと
したＬＮ下地層１３は、ＬＮ薄膜光導波路１２に比し異
常光屈折率ｎe が小さい、云い換えれば光導波路１２に
おいて異常光の閉じ込めが効果的になされ、異常光に対
する導波効果が得られる。[0037] That is, LN base layer 13 and Li-rich in the present invention configuration, extraordinary refractive index than the LN thin film optical waveguide 12 n e is small, say Kaere extraordinary light confinement effective in the optical waveguide 12 if Thus, a waveguide effect for extraordinary light is obtained.
【００３８】尚、結晶性の良いＬＮ膜をエピタキシーで
きるのは、Ｎｂ2 Ｏ5 ／Ｌｉ2 Ｏ比Ｒが約３０％である
ことから、このＲ≦３０％において下地層１３のＬｉを
薄膜光導波路１２のそれより大に選定する。The LN film having good crystallinity can be epitaxied because the ratio R of Nb 2 O 5 / Li 2 O is about 30%. It is selected to be larger than that of the wave path 12.
【００３９】そしてこの場合、基板１１及び下地層１３
と薄膜光導波路１２における屈折率に影響を与えるＭｇ
Ｏ、ＺｎＯのドープ量を選定することによって常光の屈
折率についても下地層１３より薄膜光導波路１２が大と
なるように選定すれば、薄膜の光導波路１２によって常
光と異常光の光導波効果を行わしめ得る。In this case, the substrate 11 and the underlayer 13
And Mg affecting the refractive index in the thin film optical waveguide 12
By selecting the doping amounts of O and ZnO so that the refractive index of ordinary light is larger in the thin film optical waveguide 12 than in the underlayer 13, the optical waveguide effect of ordinary light and extraordinary light is reduced by the thin film optical waveguide 12. I can do it.
【００４０】また次に、図２を参照して常光及び異常光
の光導波を行うことができるようにした本発明を説明す
る。Next, referring to FIG. 2, a description will be given of an embodiment of the present invention capable of performing optical waveguide of ordinary light and extraordinary light.
【００４１】この場合、ＬＮのＭｇＯドープ或いはノン
ドープの基板２１を用意する。そして、これの上にＭｇ
Ｏドープの下地層２３と、ＭｇＯがドープされないか下
地層２３に比しそのドープ量が小とされるか、ＺｎＯの
ドープ量の調整がなされて下地層２３に比し、常光及び
異常光の屈折率ｎo 及びｎe が共に大とされたＬＮ薄膜
光導波路２２をＬＰＥする。In this case, an LN MgO-doped or non-doped substrate 21 is prepared. And on top of this
The O-doped underlayer 23 is not doped with MgO or its doping amount is made smaller than that of the underlayer 23, or the doping amount of ZnO is adjusted so that the ordinary light and the extraordinary light are compared with the underlayer 23. the LN thin film optical waveguide 22 having a refractive index n o and n e are both set large to LPE.
【００４２】この場合の実施例を説明する。An embodiment in this case will be described.
【００４３】実施例２ 例えば図２に矢印ａで示すように単分域化されたＺ基板
より成りＭｇが５モル％のＬＮ基板１を用意し、これの
上にＬｉ2 Ｏ−Ｂ2 Ｏ3 系フラックスを用いた融液Ｌｉ
2 Ｏ−Ｂ2 Ｏ3 −Ｎｂ2 Ｏ5 によって下地層２３とＬＮ
薄膜光導波路２２をＬＰＥする。このときＬＮ下地層２
３とＬＮ薄膜光導波路２２とは、ストイキオメトリック
な組成つまり、Ｌｉ／Ｎｂ〜１とすることができ、ＬＮ
下地層２３にのみＭｇＯドープを行う。この本発明構成
では、下地層２３及び薄膜光導波路２２は、共にストイ
キオメトリックな組成に選定できるので、より結晶性、
膜質にすぐれた光導波路装置を構成できる。Example 2 For example, as shown by an arrow a in FIG. 2, an LN substrate 1 composed of a single-domain Z substrate and containing 5 mol% of Mg was prepared, and Li 2 O—B 2 O was placed thereon. melt Li using a 3-based flux
The underlayer 23 by 2 O-B 2 O 3 -Nb 2 O 5 and LN
The thin film optical waveguide 22 is subjected to LPE. At this time, the LN underlayer 2
3 and the LN thin-film optical waveguide 22 can have a stoichiometric composition, that is, Li / Nb〜1.
Only the underlayer 23 is doped with MgO. In the configuration of the present invention, since both the underlayer 23 and the thin film optical waveguide 22 can be selected to have a stoichiometric composition, the crystallinity and the
An optical waveguide device having excellent film quality can be configured.
【００４４】次に、常光のみを導波させる光導波路装置
を構成する参考例について説明する。Next, a description will be given of a reference example constituting an optical waveguide device for guiding only ordinary light.
【００４５】図３に略線的断面図を示すように、ＭｇＯ
ドープのＬＮ基板１上に、ＭｇＯがドープされないか、
もしくはＭｇＯドープ量が小さいか、或いはＺｎＯが適
度にドープされたＬＮ薄膜光導波路２を、ｎe が基板１
のそれ以下となるようにＬｉ／Ｎｂを約０．９８５以上
に、かつ良好な結晶性が得られる範囲のＬｉ／Ｎｂが約
１．０４以下となるように選定された融液を用いてＬＰ
Ｅする。As shown in FIG.
Whether MgO is not doped on the doped LN substrate 1
Or MgO or doping amount is small, or ZnO is a moderately doped LN thin film optical waveguide 2, n e is the substrate 1
Using a melt selected so that Li / Nb is about 0.985 or more so as to be less than or equal to about 1.05 and Li / Nb within a range where good crystallinity is obtained is about 1.04 or less.
E.
【００４６】基板１のＭｇＯのドープ量は例えば０．１
から１０モル％に選定される。これは、ＭｇＯが０．１
モル％未満では、屈折率低下の効果が殆ど生じなく、１
０モル％を越えると結晶性に問題が生じて来ることに因
る。The doping amount of MgO in the substrate 1 is, for example, 0.1
To 10 mol%. This is because MgO is 0.1
If it is less than mol%, the effect of lowering the refractive index hardly occurs, and
If it exceeds 0 mol%, a problem occurs in crystallinity.
【００４７】又、ＬＮ薄膜光導波路２のＬＰＥに当って
は、Ｌｉ2 Ｏ−Ｂ2 Ｏ3 フラックスを用いてそのエピタ
キシャル成長を行う。The LPE of the LN thin-film optical waveguide 2 is epitaxially grown using a Li 2 O—B 2 O 3 flux.
【００４８】即ち、このフラックスとしては、これがＬ
ＰＥされたＬＮ薄膜中に混入された場合において、この
結晶場の影響を受ける最外殻電子軌道に電子が満たされ
ていない不純物に非ざるＢを有するフラックスを用い
る。That is, the flux is L
When mixed into the PE LN thin film, a flux having B which is not an impurity not filled with electrons in the outermost electron trajectory affected by the crystal field is used.
【００４９】参考例 例えば図３に示すように自発分極が矢印ａに示すように
単分域化されたＺ基板よりなるＭｇＯ５モル％ドープの
ＬＮ基板１を用意する。REFERENCE EXAMPLE For example, as shown in FIG. 3, an LN substrate 1 doped with 5 mol% of MgO and made of a Z substrate whose spontaneous polarization is domained as shown by an arrow a is prepared.
【００５０】そして、このＺ基板の＋Ｚ面上にＬｉ2 Ｏ
−Ｂ2 Ｏ3 フラックスを用いてＬＮ薄膜を液相エピタキ
シャル成長（ＬＰＥ）してＬＮ薄膜光導波路２を形成す
る。Then, Li 2 O is placed on the + Z plane of the Z substrate.
An LN thin film optical waveguide 2 is formed by liquid phase epitaxial growth (LPE) of the LN thin film using a B 2 O 3 flux.
【００５１】この時のフラックスのＢ2 Ｏ3 の量は、４
０モル％に固定した場合、Ｌｉ2 Ｏを４５モル％〜５２
モル％以上（Ｎｂ2 Ｏ5 １５モル％〜８モル％）に選定
する。このときＬＮ薄膜のＬＰＥがなされる。At this time, the amount of B 2 O 3 in the flux was 4
When fixed to 0 mol%, Li 2 O is added at 45 mol% to 52 mol%.
Selecting more than mole% (Nb 2 O 5 15 mole% to 8 mole%). At this time, LPE of the LN thin film is performed.
【００５２】この例における薄膜光導波路２は、特に短
波長光に対して格段に光吸収係数が改善された。The thin-film optical waveguide 2 in this example has a remarkably improved light absorption coefficient especially for short-wavelength light.
【００５３】図７に、その光吸収係数αの波長依存性を
測定した結果を示す。FIG. 7 shows the result of measuring the wavelength dependence of the light absorption coefficient α.
【００５４】図７中曲線６１はこの例におけるＬｉ2 Ｏ
−Ｂ2 Ｏ3 フラックスによって光導波路２を形成した場
合であり、曲線６２は比較のために、従前のようにＬｉ
2 Ｏ−Ｖ2 Ｏ5 フラックスによって光導波路２を形成し
た場合で、特に４５０ｎｍ以下の短波長で、殆んどＬＮ
の限界に近い低い光吸収係数αが得られている。The curve 61 in FIG. 7 indicates Li 2 O in this example.
The curve 62 represents the case where the optical waveguide 2 was formed by the flux of -B 2 O 3 for comparison.
In the case where the optical waveguide 2 is formed by the flux of 2 O-V 2 O 5 , especially at a short wavelength of 450 nm or less, almost
, A low light absorption coefficient α close to the limit is obtained.
【００５５】そして、この例におけるように、ＬＮ基板
１の＋Ｚ面上にエピタキシャル成長したＬＮ薄膜２は自
発分極がＬＮ基板１の矢印ａで示した自発分極と一致す
るように揃えられた方向に発生する。As in this example, the LN thin film 2 epitaxially grown on the + Z plane of the LN substrate 1 is generated in a direction in which the spontaneous polarization is aligned with the spontaneous polarization indicated by the arrow a of the LN substrate 1. I do.
【００５６】ところがこれに比して、−Ｚ面に同様の方
法によって形成したＬＮ薄膜は、その自発分極が基板１
のそれとは逆向きに発生する。On the other hand, the spontaneous polarization of the LN thin film formed on the
It occurs in the opposite direction to that of.
【００５７】従って機能性光導波デバイスを構成する場
合においては＋Ｚ面側にその光導波路２を成長させるこ
とが望ましいと思われる。Therefore, when constructing a functional optical waveguide device, it seems desirable to grow the optical waveguide 2 on the + Z plane side.
【００５８】このようにＬＰＥによるＬＮ膜の自発分極
の方向を決めている要因は、基板１と膜２の自発分極の
大きさの差であると考えられるが、Ｌｉ2 Ｏが４５モル
％未満では＋Ｚ面においてもその分極構造が不安定とな
り、部分反転が観察されて来る。The factor that determines the direction of the spontaneous polarization of the LN film by LPE is considered to be the difference in the magnitude of the spontaneous polarization between the substrate 1 and the film 2, and the Li 2 O content is less than 45 mol%. In this case, the polarization structure becomes unstable also on the + Z plane, and partial inversion is observed.
【００５９】図８は、薄膜光導波路２を形成するＬＮの
ＬＰＥに用いる融液中のＢ2 Ｏ3 を４０モル％に固定し
た状態における融液中のＬｉ2 Ｏ量に対する格子ミスマ
ッチΔａと、エピタキシャル成長膜に対してＸ線回折法
によってその結晶性を測定した半値幅の関係を測定した
ものである。FIG. 8 shows a lattice mismatch Δa with respect to the amount of Li 2 O in the melt in a state where B 2 O 3 in the melt used for LPE of the LN forming the thin-film optical waveguide 2 is fixed at 40 mol%. The relationship between the half-value widths of the crystallinity of the epitaxially grown film measured by the X-ray diffraction method was measured.
【００６０】図８中曲線７１は、その格子ミスマッチΔ
ａの測定曲線、曲線７２はＸ線半値幅の測定曲線を示
す。これをみて明らかなように、格子ミスマッチΔａが
Ｌｉ2Ｏの増加に伴って増加するにも拘らず、Ｘ線半値
幅は小に、従って結晶性が向上することが判る。しかし
乍ら、このＬｉ2 Ｏ量は図８中に鏡面を示す領域と、結
晶性の良い領域を示すように、５４モル％程度以上での
エピタキシャルは生じにくい。The curve 71 in FIG. 8 indicates the lattice mismatch Δ
A measurement curve a and a curve 72 indicate a measurement curve of the X-ray half width. As is apparent from this, it can be seen that the X-ray half-width is small, and therefore the crystallinity is improved, although the lattice mismatch Δa increases with an increase in Li 2 O. However, as for the amount of Li 2 O, as shown in FIG. 8, a region showing a mirror surface and a region having good crystallinity are shown, and it is difficult for epitaxial growth to occur at about 54 mol% or more.
【００６１】更に図９はＬＮのＬＰＥにおける融液のＢ
2 Ｏ3 とＬｉ2 ＯとＮｂ2 Ｏ5 の３元図において、これ
によって得たＬＮ膜の結晶性との関係を示したものであ
る。Further, FIG. 9 shows B of the melt in the LN LPE.
In the ternary diagram of 2 O 3 , Li 2 O and Nb 2 O 5 , the relationship with the crystallinity of the obtained LN film is shown.
【００６２】図９において、点ＡＢＣＤによって囲まれ
る領域では鏡面状のＬＮのＬＰＥ膜を成長することがで
きた。さらにＡＥＦＧに囲まれる範囲において、基板１
と同程度に結晶性にすぐれたＬＮの成長膜を得ることが
できた。In FIG. 9, a mirror-like LN LPE film could be grown in a region surrounded by the point ABCD. Further, in the range surrounded by AEFG, the substrate 1
As a result, a grown LN film having excellent crystallinity was obtained.
【００６３】ここに点ＡからＧの各組成は下記表１の組
成にある。The compositions at points A to G are as shown in Table 1 below.
【表１】 [Table 1]
【００６４】尚、この例において、ＬＮ薄膜光導波路２
として、ＭｇＯ或いはＺｎＯが、基板ＭｇＯ添加量に比
して充分小なる量をもってドープしたＬＮ薄膜２によっ
て形成することもできる。In this example, the LN thin-film optical waveguide 2
Alternatively, the LN thin film 2 may be formed by doping MgO or ZnO with an amount sufficiently smaller than the amount of MgO added to the substrate.
【００６５】また上述した例においては、ＬＮ基板１と
してＺ基板を用いた場合であるが、Ｘ基板或いはＹ基板
上に同様のＬＮ薄膜光導波路２をＬＰＥによって形成す
ることもできる。In the above-mentioned example, the Z substrate is used as the LN substrate 1. However, the same LN thin film optical waveguide 2 can be formed on the X substrate or the Y substrate by LPE.
【００６６】[0066]
【発明の効果】上述したように、Ｌｉ2 Ｏ−Ｂ2 Ｏ3 系
フラックス、つまり、ＬＮ結晶内に混入した際に結晶場
の影響を受ける外殻電子軌道に電子が満たされたＢを用
いる場合、エピタキシャル成長されたＬＮ薄膜において
は、その異方性結晶場の影響を受けてエネルギー準位の
***を生ずるｄ電子が存在することが回避されることに
よってＬＮ本来の光吸収以外の光吸収が発生することが
回避され、これによって短波長域における導波効果の低
下の回避を確実に行うことができる。As described above, Li 2 O—B 2 O 3 based flux, ie, B filled with electrons in the outer electron orbit which is affected by the crystal field when mixed into the LN crystal is used. In this case, in the LN thin film grown epitaxially, light absorption other than the light absorption inherent in LN is prevented by preventing the existence of d electrons that cause energy level splitting under the influence of the anisotropic crystal field. Occurrence of the waveguiding effect is avoided, so that a reduction in the waveguide effect in a short wavelength region can be reliably avoided.
【００６７】したがって昨今、光学的記録再生等におい
て要求される短波長光を取り扱う光スイッチ、光偏向
器、光変調器等に用いてすぐれた特性を有する導波路デ
バイスを構成することができる。Therefore, it is possible to construct a waveguide device having excellent characteristics by using it for an optical switch, an optical deflector, an optical modulator, or the like that handles short wavelength light required in optical recording and reproduction.
【００６８】そして本発明によれば、常光のみを導波で
きる構成とすることができるので、異常光を回避するこ
とが望まれる場合の光デバイスに適用できるという利点
を有する。According to the present invention, since it is possible to adopt a configuration that can guide only ordinary light, there is an advantage that the present invention can be applied to an optical device where it is desired to avoid extraordinary light.
【００６９】更にまた、常光及び異常光を共に導波でき
る構造とすることもできるので使用目的、使用態様に応
じた光導波路装置を構成でき実用上の利益は甚大であ
る。Further, since a structure capable of guiding both ordinary light and extraordinary light can be employed, an optical waveguide device can be constructed in accordance with the purpose and mode of use, and the practical benefit is enormous.
【図１】ＬｉＮｂＯ3 薄膜光導波路装置の一例の略線的
断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view of an example of a LiNbO 3 thin film optical waveguide device.
【図２】ＬｉＮｂＯ3 薄膜光導波路装置の一例の略線的
断面図である。FIG. 2 is a schematic sectional view of an example of a LiNbO 3 thin film optical waveguide device.
【図３】ＬｉＮｂＯ3 薄膜光導波路装置の一例の略線的
断面図である。FIG. 3 is a schematic sectional view of an example of a LiNbO 3 thin film optical waveguide device.
【図４】屈折率ｎo とｎe のＭｇＯドープ量との関係を
示す図である。4 is a diagram showing the relationship between MgO doping amount of the refractive index n o and n e.
【図５】屈折率ｎe のＬｉ／Ｎｂとの関係を示す図であ
る。5 is a diagram showing the relationship between the Li / Nb of refractive index n e.
【図６】屈折率ｎe の融液組成との関係を示す図であ
る。6 is a diagram showing the relationship between the melt composition of the refractive index n e.
【図７】光吸収係数の波長依存性を有する測定曲線図で
ある。FIG. 7 is a measurement curve diagram having a wavelength dependence of a light absorption coefficient.
【図８】格子ミスマッチとＸ線半値幅の融液中のＬｉ2
Ｏ量の依存性を示す測定曲線図である。FIG. 8: Li 2 in melt with lattice mismatch and X-ray half width
It is a measurement curve figure which shows the dependence of O amount.
【図９】融液中のＬｉ2 Ｏ、Ｂ2 Ｏ3 、Ｎｂ2 Ｏ5 組成
と結晶性の関係を示す３元図である。FIG. 9 is a ternary diagram showing the relationship between the composition of Li 2 O, B 2 O 3 and Nb 2 O 5 in the melt and the crystallinity.
１‥‥ＬｉＮｂＯ3 基板、１１‥‥ＬｉＮｂＯ3 基板、
２１‥‥ＬｉＮｂＯ3基板、２‥‥ＬｉＮｂＯ3 薄膜光
導波路、１２‥‥ＬｉＮｂＯ3 薄膜光導波路、２２‥‥
ＬｉＮｂＯ3 薄膜光導波路、１３‥‥下地層、２３‥‥
下地層1 ‥‥ LiNbO 3 substrate, 11 ‥‥ LiNbO 3 substrate,
21 ‥‥ LiNbO 3 substrate, 2 ‥‥ LiNbO 3 thin film optical waveguide, 12 ‥‥ LiNbO 3 thin film optical waveguide, 22 ‥‥
LiNbO 3 thin film optical waveguide, 13 ° underlayer, 23 °
Underlayer
Claims (2)
3 よりなる薄膜光導波路が形成され、 上記下地層は上記薄膜光導波路に比し、Ｌｉリッチとさ
れたことを特徴とするＬｉＮｂＯ3 薄膜光導波路装置。1. An underlayer made of LiNbO 3 on a LiNbO 3 substrate, and a LiNbO 3
3. A LiNbO 3 thin-film optical waveguide device, wherein a thin-film optical waveguide made of 3 is formed, and the underlayer is made more Li-rich than the thin-film optical waveguide.
なるドープ量をもってドープされたもしくはＭｇＯノン
ドープのＬｉＮｂＯ3 或いはＺｎＯドープのＬｉＮｂＯ
3 よりなる薄膜光導波路が形成されたことを特徴とする
ＬｉＮｂＯ3 薄膜光導波路装置。To 2. A LiNbO 3 substrate, an underlayer composed of LiNbO 3 of MgO-doped, or MgO non-doped LiNbO 3 which MgO onto this doped with small consisting doping amount than MgO doping amount of the underlying layer Alternatively, ZnO-doped LiNbO
3. A LiNbO 3 thin-film optical waveguide device, wherein a thin-film optical waveguide of 3 is formed.
Priority Applications (1)
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| JP2000331434A JP2001166164A (en) | 1991-03-27 | 2000-10-30 | LiNbO3 THIN-FILM OPTICAL WAVEGUIDE DEVICE |
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| JP6467491 | 1991-03-28 | ||
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| JP02398092A Division JP3307416B2 (en) | 1991-03-27 | 1992-02-10 | LiNbO3 thin film optical waveguide device and method of manufacturing the same |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113189799A (en) * | 2021-05-17 | 2021-07-30 | 派尼尔科技（天津）有限公司 | High-temperature-resistant lithium niobate electro-optical modulator and preparation method thereof |
-
2000
- 2000-10-30 JP JP2000331434A patent/JP2001166164A/en active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113189799A (en) * | 2021-05-17 | 2021-07-30 | 派尼尔科技（天津）有限公司 | High-temperature-resistant lithium niobate electro-optical modulator and preparation method thereof |
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