JP2006195383A - Optical modulator and its manufacturing method - Google Patents

Optical modulator and its manufacturing method Download PDF

Info

Publication number
JP2006195383A
JP2006195383A JP2005009551A JP2005009551A JP2006195383A JP 2006195383 A JP2006195383 A JP 2006195383A JP 2005009551 A JP2005009551 A JP 2005009551A JP 2005009551 A JP2005009551 A JP 2005009551A JP 2006195383 A JP2006195383 A JP 2006195383A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
substrate
linbo
optical modulator
thin film
optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2005009551A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masayoshi Akazawa
方省 赤澤
Masaru Shimada
勝 嶋田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP2005009551A priority Critical patent/JP2006195383A/en
Publication of JP2006195383A publication Critical patent/JP2006195383A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To manufacture a high-speed optical modulator more easily than heretofore. <P>SOLUTION: Optical waveguides 2a, 2b are formed on a sapphire substrate 1 by depositing C-axis-oriented LiNbO<SB>3</SB>thin film 11 by an ECR sputtering method on the sapphire substrate 1, then etching the LiNbO<SB>3</SB>thin film 11. Further, an SiO<SB>2</SB>buffer layer 3 is formed so as to cover the optical waveguides 2a, 2b and electrodes 4a, 4b are formed right above the optical waveguides 2a, 2b via the SiO<SB>2</SB>buffer layer 3. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光変調器およびその製造方法に関し、特に、光導波路をＬｉＮｂＯ3（ニオブ酸リチウム）結晶で形成した光変調器およびその製造方法に関する。 The present invention relates to an optical modulator and a manufacturing method thereof, and more particularly to an optical modulator in which an optical waveguide is formed of LiNbO 3 (lithium niobate) crystal and a manufacturing method thereof.

光通信では、光に信号を担わせるための変調が必要である。この光変調の方法には、直接変調、内部変調および外部変調がある。このうち、内部変調および外部変調では、光変調器が必要となる。光変調器は、変調信号（通常は電気信号）に応じた物理的変化を光導波路内で起こし、光の強度、位相、周波数などを変調するデバイスであり、ＬｉＮｂＯ3結晶を用いたものが多く用いられている。 In optical communication, modulation is required to make light carry a signal. The light modulation methods include direct modulation, internal modulation, and external modulation. Of these, an optical modulator is required for internal modulation and external modulation. An optical modulator is a device that causes a physical change in an optical waveguide according to a modulation signal (usually an electrical signal) and modulates the intensity, phase, frequency, etc. of light, and many of them use a LiNbO 3 crystal. It is used.

図９は、ＬｉＮｂＯ3結晶を用いた従来の光変調器の一構成例を示す平面図である。また、図１０は、この光変調器のＸ−Ｘ′線方向の断面図である。
この光変調器は、入力された光信号を二分岐し、片方の光信号に対して電気光学効果を用いて位相差を与えた後、合波、干渉させることにより、光信号の変調を行うマッハツェンダー（Mach-Zehnder）型光変調器である。 FIG. 9 is a plan view showing a configuration example of a conventional optical modulator using a LiNbO 3 crystal. FIG. 10 is a cross-sectional view of the optical modulator in the XX ′ line direction.
This optical modulator bifurcates an input optical signal, gives a phase difference to one optical signal using an electro-optic effect, and then modulates the optical signal by combining and interfering with the optical signal. This is a Mach-Zehnder type optical modulator.

この光変調器は、ＬｉＮｂＯ3バルク結晶基板１０１に形成された光導波路１０２と、電極１０４ａ，１０４ｂとを有している。
光導波路１０２は、ＴｉやＺｎなどの金属原子が拡散したＬｉＮｂＯ3結晶からなり、電気光学効果により印加電界に比例して屈折率が変化する。光導波路１０２はまた、１本の導波路が一旦２本の直線導波路１０２ａ，１０２ｂに分岐した後で、再び１本の導波路に合流する構成をしている。
基板１０１はＸカット基板であり、交流電源１０５に接続されたホット電極１０４ａが、２つの直線導波路１０２ａ，１０２ｂの間に配置され、接地されたグラウンド電極１０４ｂが、２つの直線導波路１０２ａ，１０２ｂの外側に配置されている。このような電極構成により、基板１０１のＺ方向に効率よく電界が形成される。 This optical modulator has an optical waveguide 102 formed on a LiNbO 3 bulk crystal substrate 101, and electrodes 104a and 104b.
The optical waveguide 102 is made of LiNbO 3 crystal in which metal atoms such as Ti and Zn are diffused, and the refractive index changes in proportion to the applied electric field due to the electro-optic effect. The optical waveguide 102 is also configured such that after one waveguide is once branched into two linear waveguides 102a and 102b, it is joined again to one waveguide.
The substrate 101 is an X-cut substrate, a hot electrode 104a connected to the AC power source 105 is disposed between the two linear waveguides 102a and 102b, and a ground electrode 104b grounded is connected to the two linear waveguides 102a and 102b. It is arranged outside 102b. With such an electrode configuration, an electric field is efficiently formed in the Z direction of the substrate 101.

交流電源１０５よりホット電極１０４ａに変調電圧を印加すると、図１０に点線で示すように２つの直線導波路１０２ａ，１０２ｂには互いに逆向きの電界が印加される。したがって、電気光学効果による屈折率変化の符号が、２つの直線導波路１０２ａ，１０２ｂにおいて逆向きになる。例えば、一方の直線導波路１０２ａの屈折率は大きくなり、他方の直線導波路１０２ｂの屈折率は小さくなる。その結果、光導波路１０２を伝播する信号光は、一方の直線導波路１０２ａでは位相が進み、他方の直線導波路１０２ｂでは位相が遅れることになる。これらの信号光を合波、干渉させることにより、信号光の強度を変調することができる。   When a modulation voltage is applied from the AC power source 105 to the hot electrode 104a, electric fields in opposite directions are applied to the two straight waveguides 102a and 102b as shown by dotted lines in FIG. Therefore, the sign of the refractive index change due to the electro-optic effect is reversed in the two straight waveguides 102a and 102b. For example, the refractive index of one linear waveguide 102a is increased, and the refractive index of the other linear waveguide 102b is decreased. As a result, the phase of the signal light propagating through the optical waveguide 102 is advanced in one linear waveguide 102a, and the phase is delayed in the other linear waveguide 102b. By combining and interfering these signal lights, the intensity of the signal light can be modulated.

この光変調器を製造する際には、ＴｉやＺｎなどの金属原子を基板１０１の表面に蒸着した後、基板１０１を加熱して結晶中に金属原子を熱拡散させることにより、基板１０１よりも高屈折率の光導波路１０２（１０２ａ，１０２ｂ）を形成していた（例えば、非特許文献１を参照）。   When manufacturing this optical modulator, after depositing metal atoms such as Ti and Zn on the surface of the substrate 101, the substrate 101 is heated to thermally diffuse the metal atoms in the crystal, thereby making the substrate more than the substrate 101. The optical waveguide 102 (102a, 102b) having a high refractive index was formed (for example, see Non-Patent Document 1).

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
富士通ジャーナル vol.52, pp.345-352 The applicant has not yet found prior art documents related to the present invention by the time of filing other than the prior art documents specified by the prior art document information described in this specification.
Fujitsu Journal vol.52, pp.345-352

近年の光通信速度の高速化に伴い、より高速な光変調器が求められるようになった。光変調器の動作速度は、変調電圧の印加で誘起される電気光学効果により信号光が変調される領域の断面積に依存する。したがって、いかに狭い領域に光を閉じ込めるかがデバイス性能に直結する。
しかし、従来の方法で形成された光導波路１０２（１０２ａ，１０２ｂ）は、拡散した金属原子が外周部にも拡がり、光導波路１０２（１０２ａ，１０２ｂ）内外の境界が不明確であった。このため、必ずしも光の閉じ込め効果が十分ではなかった。
そこで、より高速化を目指して、バルク単結晶を研磨やエッチングして薄くする試みが行われてきたが、加工の困難さゆえに光変調器の動作速度に限界があった。 With the recent increase in optical communication speed, a faster optical modulator has been demanded. The operation speed of the optical modulator depends on the cross-sectional area of the region where the signal light is modulated by the electro-optic effect induced by applying the modulation voltage. Therefore, how narrow the light is confined directly to the device performance.
However, in the optical waveguide 102 (102a, 102b) formed by the conventional method, the diffused metal atoms spread to the outer peripheral portion, and the inner and outer boundaries of the optical waveguide 102 (102a, 102b) are unclear. For this reason, the light confinement effect is not always sufficient.
Therefore, attempts have been made to reduce the thickness of the bulk single crystal by polishing or etching with the aim of increasing the speed, but the operation speed of the optical modulator is limited due to the difficulty of processing.

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、従来よりも容易に高速な光変調器を製造できるようにすることにある。   The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to make it possible to manufacture a high-speed optical modulator more easily than in the past.

このような目的を達成するために、本発明に係る光変調器の製造方法は、ＬｉＮｂＯ3結晶よりも低屈折率の基板の上にＣ軸配向のＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜を成膜するステップと、ＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜をエッチングし、基板の上に光導波路を形成するステップとを備えることを特徴とする。
また、光導波路の直上に電極を形成するステップを更に備えていてもよい。 In order to achieve such an object, a method for manufacturing an optical modulator according to the present invention includes a step of forming a C-axis oriented LiNbO 3 epitaxial thin film on a substrate having a refractive index lower than that of a LiNbO 3 crystal, Etching the LiNbO 3 epitaxial thin film to form an optical waveguide on the substrate.
Further, a step of forming an electrode immediately above the optical waveguide may be further provided.

基板としては、サファイアＣ面基板またはサファイアＡ面基板を用いることができる。
また、ＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜の成膜は、基板の温度を４００℃から６００℃に保った状態で行なうことができる。
ＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜の成膜はまた、電子サイクロトロン共鳴プラズマを用いたスパッタ法により行うことができる。 As the substrate, a sapphire C-plane substrate or a sapphire A-plane substrate can be used.
The LiNbO 3 epitaxial thin film can be formed in a state where the temperature of the substrate is kept at 400 ° C. to 600 ° C.
The LiNbO 3 epitaxial thin film can also be formed by sputtering using electron cyclotron resonance plasma.

本発明に係る光変調器は、基板と、この基板よりも高屈折率の材料からなる光導波路とを備え、この光導波路は、Ｃ軸配向のＬｉＮｂＯ3結晶からなり、基板の上に形成されていることを特徴とする。
また、光導波路の直上に配置され、光導波路に電界を印加する電極を更に備えていてもよい。
また、基板としては、サファイアＣ面基板またはサファイアＡ面基板を用いることができる。 An optical modulator according to the present invention includes a substrate and an optical waveguide made of a material having a higher refractive index than that of the substrate. The optical waveguide is made of a C-axis oriented LiNbO 3 crystal and is formed on the substrate. It is characterized by.
Further, an electrode that is disposed immediately above the optical waveguide and applies an electric field to the optical waveguide may be further provided.
As the substrate, a sapphire C-plane substrate or a sapphire A-plane substrate can be used.

本発明では、基板の上にＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜を成膜し、この薄膜をエッチングすることにより、基板の上に光導波路を形成する。エッチングにより基板面に垂直な光導波路の側壁を加工するため、基板面に平行な方向については、光の閉じ込められる領域がシャープに規定される。
また、ＬｉＮｂＯ3よりも低屈折率の材料からなる基板を用いることにより、基板の主面に垂直な方向についても、光を閉じ込めることができる。特に、ＬｉＮｂＯ3との屈折率差が大きいサファイアからなる基板を用いることにより、縦方向について強く光を閉じ込めることができる。
したがって、本発明によれば、光導波路の断面積を調節することにより、狭い領域に光を閉じ込めることができるので、光変調器の高速化が可能である。 In the present invention, an LiNbO 3 epitaxial thin film is formed on a substrate, and this thin film is etched to form an optical waveguide on the substrate. Since the side wall of the optical waveguide perpendicular to the substrate surface is processed by etching, a region where light is confined is sharply defined in a direction parallel to the substrate surface.
Further, by using a substrate made of a material having a lower refractive index than LiNbO 3 , light can be confined also in a direction perpendicular to the main surface of the substrate. In particular, by using a substrate made of sapphire having a large refractive index difference from LiNbO 3 , light can be confined strongly in the vertical direction.
Therefore, according to the present invention, light can be confined in a narrow region by adjusting the cross-sectional area of the optical waveguide, so that the speed of the optical modulator can be increased.

また、基板の上に成膜するＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜から光導波路を形成するので、バルク単結晶の研磨やエッチングを行なう従来の方法よりも、手間やコストをかけずに、光を閉じ込める領域の厚みを薄くすることが可能となる。 Further, since the optical waveguide is formed from the LiNbO 3 epitaxial thin film formed on the substrate, the thickness of the region for confining the light is reduced without much time and cost compared with the conventional method of polishing and etching the bulk single crystal. Can be made thinner.

また、光導波路の直上に電極を形成することにより、光変調器の素子面積を低減できる。その結果、複数の光変調器を一枚の基板上に集積することが可能となる。   Further, by forming the electrode immediately above the optical waveguide, the element area of the optical modulator can be reduced. As a result, a plurality of light modulators can be integrated on a single substrate.

また、電子サイクロトロン共鳴（electron-cyclotron-resonance：ＥＣＲ）プラズマを用いたスパッタ法（ＥＣＲスパッタ法）によりＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜を成膜することにより、サファイアＣ面基板またはサファイアＡ面基板の何れにもＣ軸配向のＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜を成膜できる。また、ＥＣＲスパッタ法は、液相エピタキシー法やゾルゲル法に比べて膜厚の制御性がよく、ナノメーターオーダーの設計寸法に対応できる。したがって、非常に薄い光導波路を有する光変調器を製造することが可能となる。
また、基板の温度を４００℃−６００℃に保った状態で成膜を行うことにより、ＥＣＲスパッタ法を用いてサファイア基板の上に高品質のＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜を成膜できる。 In addition, by depositing a LiNbO 3 epitaxial thin film by sputtering (ECR sputtering) using electron-cyclotron-resonance (ECR) plasma, it can be applied to either a sapphire C-plane substrate or a sapphire A-plane substrate. A C-axis oriented LiNbO 3 epitaxial thin film can be formed. Further, the ECR sputtering method has better controllability of the film thickness than the liquid phase epitaxy method and the sol-gel method, and can correspond to a design dimension on the nanometer order. Therefore, it becomes possible to manufacture an optical modulator having a very thin optical waveguide.
In addition, by performing film formation while maintaining the substrate temperature at 400 ° C. to 600 ° C., a high-quality LiNbO 3 epitaxial thin film can be formed on the sapphire substrate using ECR sputtering.

以下、図面を参照し、本発明の一実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る光変調器の構成を示す平面図である。また、図２は、この光変調器のII−II′線方向の断面図である。
この光変調器は、電気光学効果を用いたマッハツェンダー型光変調器であり、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板１の上に形成された光導波路２と、ＳｉＯ2バッファ層３と、電極４ａ，４ｂを有している。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view showing a configuration of an optical modulator according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of the optical modulator taken along the line II-II ′.
This optical modulator is a Mach-Zehnder optical modulator using an electro-optic effect, and includes an optical waveguide 2 formed on a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate 1, an SiO 2 buffer layer 3, and an electrode 4a. , 4b.

ここで、光導波路２は、Ｃ軸配向のＬｉＮｂＯ3結晶からなり、配向の方向に一致した方向に電界を印加すると、電気光学効果により印加電界に比例して屈折率が変化する。光導波路２はまた、１本の導波路が一旦２本の直線導波路２ａ，２ｂに分岐した後で、再び１本の導波路に合流する構成をしている。この光導波路２は、従来とは異なり、サファイア基板１の上に凸型に形成されている。その断面形状は、図２に示すように略矩形をしている。
ＳｉＯ2バッファ層３は、光導波路２を覆うように、サファイア基板１の全域に形成されている。
電極４ａ，４ｂは、ＳｉＯ2バッファ層３を介して、それぞれ直線導波路２ａ，２ｂの直上に形成されている。電極４ａは、交流電源５に接続されており、「ホット電極」という。電極４ｂは、接地されており、「グラウンド電極」という。 Here, the optical waveguide 2 is made of a C-axis oriented LiNbO 3 crystal, and when an electric field is applied in a direction corresponding to the orientation direction, the refractive index changes in proportion to the applied electric field due to the electro-optic effect. The optical waveguide 2 is also configured such that after one waveguide is once branched into two linear waveguides 2a and 2b, it is merged with one waveguide again. Unlike the prior art, the optical waveguide 2 is formed in a convex shape on the sapphire substrate 1. The cross-sectional shape is substantially rectangular as shown in FIG.
The SiO 2 buffer layer 3 is formed over the entire sapphire substrate 1 so as to cover the optical waveguide 2.
The electrodes 4a and 4b are formed directly above the straight waveguides 2a and 2b with the SiO 2 buffer layer 3 interposed therebetween. The electrode 4a is connected to an AC power source 5 and is referred to as a “hot electrode”. The electrode 4b is grounded and is referred to as a “ground electrode”.

交流電源５よりホット電極４ａに変調電圧を印加すると、２つの電極４ａ，４ｂ間に生じる電界により、ホット電極４ａの下の直線導波路２ａの屈折率が変化するが、グラウンド電極４ｂの下の直線導波路２ｂの屈折率は変化しない。その結果、ホット電極４ａの下の直線導波路２ａに分岐した信号光と、グラウンド電極４ｂの下の直線導波路２ｂに分岐した信号光との間で位相差が生じる。これらの信号光を合波、干渉させることにより、信号光の強度を変調することができる。
なお、直線導波路２ａ，２ｂと電極４ａ，４ｂとの間にＳｉＯ2バッファ層３を設けることにより、直線導波路２ａ，２ｂを伝播する信号光の減衰を抑制することができる。 When a modulation voltage is applied from the AC power source 5 to the hot electrode 4a, the refractive index of the straight waveguide 2a under the hot electrode 4a changes due to the electric field generated between the two electrodes 4a and 4b. The refractive index of the straight waveguide 2b does not change. As a result, a phase difference occurs between the signal light branched to the straight waveguide 2a below the hot electrode 4a and the signal light branched to the straight waveguide 2b below the ground electrode 4b. By combining and interfering these signal lights, the intensity of the signal light can be modulated.
In addition, by providing the SiO 2 buffer layer 3 between the straight waveguides 2a and 2b and the electrodes 4a and 4b, attenuation of signal light propagating through the straight waveguides 2a and 2b can be suppressed.

次に、図３を参照し、本実施の形態に係る光変調器の製造方法について説明する。図３は、光変調器を製造する際の主要な工程を示す図である。
まず、サファイア基板１を用意する（図３（Ａ））。サファイア基板１は、ＬｉＮｂＯ3と格子定数が若干異なるものの、類似した結晶格子の原子配列をしており、後述するＬｉＮｂＯ3薄膜の成膜に適している。ＬｉＮｂＯ3薄膜の成膜には、サファイアＣ面基板またはサファイアＡ面基板を用いることができる。
このサファイア基板１の上に、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１を成膜する（図３（Ｂ））。この成膜では、ＬｉＮｂＯ3からなるターゲットを備えたＥＣＲスパッタ装置を使用し、サファイア基板１を４００℃−６００℃に加熱しＥＣＲスパッタすることにより、Ｃ軸配向のＬｉＮｂＯ3をエピタキシャル成長させる。詳細は後述する。 Next, a method for manufacturing the optical modulator according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating main steps in manufacturing the optical modulator.
First, a sapphire substrate 1 is prepared (FIG. 3A). Although the sapphire substrate 1 has a slightly different lattice constant from that of LiNbO 3 , the sapphire substrate 1 has an atomic arrangement of similar crystal lattices and is suitable for forming a LiNbO 3 thin film, which will be described later. A sapphire C-plane substrate or sapphire A-plane substrate can be used for forming the LiNbO 3 thin film.
A LiNbO 3 thin film 11 is formed on the sapphire substrate 1 (FIG. 3B). In this film formation, an ECR sputtering apparatus equipped with a target made of LiNbO 3 is used, and the sapphire substrate 1 is heated to 400 ° C. to 600 ° C. and subjected to ECR sputtering, whereby C-axis oriented LiNbO 3 is epitaxially grown. Details will be described later.

ついで、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１の上にエッチング用のメタルマスクを形成する。具体的には、まずＬｉＮｂＯ3薄膜１１の上にタンタル（Ｔａ）などの金属膜１２を成膜し、その上にレジスト１３を塗布する（図３（Ｃ））。そしてレジスト１３をリソグラフィによりパタニングしてレジストパタン１３ａ，１３ｂを形成し（図３（Ｄ））、続いて金属膜１２をエッチングしてメタルマスク１２ａ，１２ｂを形成する（図３（Ｅ））。 Next, a metal mask for etching is formed on the LiNbO 3 thin film 11. Specifically, first, a metal film 12 such as tantalum (Ta) is formed on the LiNbO 3 thin film 11, and a resist 13 is applied thereon (FIG. 3C). Then, the resist 13 is patterned by lithography to form resist patterns 13a and 13b (FIG. 3D), and then the metal film 12 is etched to form metal masks 12a and 12b (FIG. 3E).

ついで、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１をドライエッチングする。これにより、メタルマスク３３ａ，３３ｂによって覆われていないＬｉＮｂＯ3薄膜１１の露出部分が除去される。エッチングガスとしては、例えばＣＨＦ3，ＣＦ4を用いることができる。これらのガスを用いると、ＬｉＮｂＯ3とサファイアとでエッチレートが大きく異なるため、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１とサファイア基板１との界面でエッチングが停止する。これにより、シャープな矩形断面を有する凸型の光導波路２（直線導波路２ａ，２ｂを含む）が得られる（図３（Ｆ））。 Next, the LiNbO 3 thin film 11 is dry etched. As a result, the exposed portions of the LiNbO 3 thin film 11 that are not covered with the metal masks 33a and 33b are removed. As the etching gas, for example, CHF 3 or CF 4 can be used. When these gases are used, the etching rate is significantly different between LiNbO 3 and sapphire, so that the etching stops at the interface between the LiNbO 3 thin film 11 and the sapphire substrate 1. Thereby, a convex optical waveguide 2 (including linear waveguides 2a and 2b) having a sharp rectangular cross section is obtained (FIG. 3F).

メタルマスク１２ａ，１２ｂを除去してから（図３（Ｇ））、サファイア基板１の全域にＳｉＯ2を堆積し、信号光の減衰を防ぐためのＳｉＯ2バッファ層３を形成する（図３（Ｈ））。
ついで、直線導波路２ａ，２ｂの直上に電極４ａ，４ｂを形成する。具体的には、まずＳｉＯ2バッファ層３の上にレジスト１４を塗布する（図３（Ｉ））。パタニングと現像とにより、直線導波路２ａ，２ｂの直上に、ＳｉＯ2バッファ層３が露出する開口部１４ａ，１４ｂを形成する（図３（Ｊ））。この状態で、サファイア基板１の全域に金属膜１５を成膜する（図３（Ｋ））。この後、レジスト１４をリフトオフすると、ＳｉＯ2バッファ層３を介した直線導波路２ａ，２ｂの直上にそれぞれ電極４ａ，４ｂが形成される（図３（Ｌ））。 After removing the metal masks 12a and 12b (FIG. 3G), SiO 2 is deposited over the entire area of the sapphire substrate 1 to form an SiO 2 buffer layer 3 for preventing attenuation of signal light (FIG. 3 ( H)).
Next, electrodes 4a and 4b are formed immediately above the straight waveguides 2a and 2b. Specifically, first, a resist 14 is applied on the SiO 2 buffer layer 3 (FIG. 3I). By patterning and development, openings 14a and 14b through which the SiO 2 buffer layer 3 is exposed are formed immediately above the straight waveguides 2a and 2b (FIG. 3J). In this state, a metal film 15 is formed over the entire area of the sapphire substrate 1 (FIG. 3K). Thereafter, when the resist 14 is lifted off, electrodes 4a and 4b are formed immediately above the straight waveguides 2a and 2b via the SiO 2 buffer layer 3 (FIG. 3L).

以上の処理により、サファイア基板１の上に凸型の光導波路２（直線導波路２ａ，２ｂを含む）が形成され、光導波路２を覆うようにサファイア基板１の上にＳｉＯ2バッファ層３が形成され、ＳｉＯ2バッファ層３を介して直線導波路２ａ，２ｂの直上にそれぞれ電極４ａ，４ｂが形成されたマッハツェンダー型光変調器が完成する。 Through the above processing, the convex optical waveguide 2 (including the straight waveguides 2 a and 2 b) is formed on the sapphire substrate 1, and the SiO 2 buffer layer 3 is formed on the sapphire substrate 1 so as to cover the optical waveguide 2. A Mach-Zehnder type optical modulator is completed, in which the electrodes 4a and 4b are formed directly on the straight waveguides 2a and 2b via the SiO 2 buffer layer 3, respectively.

以上のように、本実施の形態では、エッチングによりサファイア基板１の表面に垂直な光導波路２の側壁を加工するため、基板の表面に平行な方向については、光の閉じ込められる領域がシャープに規定される。光導波路２を形成するＬｉＮｂＯ3とサファイア基板１とは屈折率差が大きいので、サファイア基板１の表面に垂直な方向についても、強く光を閉じ込めることができる。したがって、光導波路２の断面積を調節することにより、狭い領域に光を閉じ込めることができるので、光変調器の高速化が可能である。 As described above, in this embodiment, the sidewall of the optical waveguide 2 perpendicular to the surface of the sapphire substrate 1 is processed by etching, so that the region where light is confined is sharply defined in the direction parallel to the surface of the substrate. Is done. Since LiNbO 3 forming the optical waveguide 2 and the sapphire substrate 1 have a large difference in refractive index, light can be strongly confined also in the direction perpendicular to the surface of the sapphire substrate 1. Therefore, by adjusting the cross-sectional area of the optical waveguide 2, light can be confined in a narrow region, so that the speed of the optical modulator can be increased.

また、サファイア基板１の上に成膜するＬｉＮｂＯ3薄膜１１から光導波路２を形成するので、バルク単結晶の研磨やエッチングを行なう従来の方法よりも、手間やコストをかけずに、光を閉じ込める光導波路の厚みを薄くすることができる。したがって、従来よりも容易に光変調器の高速化が可能となる。
また、電界は電圧／距離で与えられるので、光導波路の厚みを薄くすることにより、光変調器を低電圧で駆動できるという効果も得られる。 Further, since the optical waveguide 2 is formed from the LiNbO 3 thin film 11 formed on the sapphire substrate 1, the light is confined with less effort and cost than the conventional method of polishing and etching the bulk single crystal. The thickness of the optical waveguide can be reduced. Therefore, the speed of the optical modulator can be increased more easily than in the past.
Further, since the electric field is given by voltage / distance, it is possible to obtain an effect that the optical modulator can be driven at a low voltage by reducing the thickness of the optical waveguide.

また、本実施の形態では、直線導波路２ａ，２ｂの直上に電極４ａ，４ｂを形成する。これにより、光変調器の素子面積を低減でき、複数の光変調器を一枚のサファイア基板１上に集積することが可能となる。   In the present embodiment, the electrodes 4a and 4b are formed immediately above the straight waveguides 2a and 2b. Thereby, the element area of the light modulator can be reduced, and a plurality of light modulators can be integrated on one sapphire substrate 1.

次に、サファイア基板１上へのＬｉＮｂＯ3薄膜１１の成膜について、さらに説明する。
まず、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１の成膜に使用されるＥＣＲスパッタ装置について説明する。図４は、ＥＣＲスパッタ装置の構成を示す図である。
このＥＣＲスパッタ装置は、プラズマの生成が行われるプラズマ生成室２１と、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１の成膜が行われる処理室１２とを有する。プラズマ生成室２１と成膜室２２とは、開口部２３を介して連通している。 Next, the film formation of the LiNbO 3 thin film 11 on the sapphire substrate 1 will be further described.
First, an ECR sputtering apparatus used for forming the LiNbO 3 thin film 11 will be described. FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the ECR sputtering apparatus.
This ECR sputtering apparatus has a plasma generation chamber 21 in which plasma is generated and a processing chamber 12 in which the LiNbO 3 thin film 11 is formed. The plasma generation chamber 21 and the film formation chamber 22 communicate with each other through the opening 23.

プラズマ生成室２１には、アルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスを導入する不活性ガス導入部２４が設けられ、成膜室２２には、酸素（Ｏ2）などの反応性ガスを導入する反応性ガス導入部２５が設けられている。また、成膜室２２には排気口２６を介して真空ポンプ（図示せず）が接続され、真空ポンプにより成膜室２２およびプラズマ生成室２１の内部が真空排気される。 The plasma generation chamber 21 is provided with an inert gas introduction portion 24 for introducing an inert gas such as argon (Ar), and the film formation chamber 22 is a reaction for introducing a reactive gas such as oxygen (O 2 ). A reactive gas introduction part 25 is provided. In addition, a vacuum pump (not shown) is connected to the film formation chamber 22 through an exhaust port 26, and the inside of the film formation chamber 22 and the plasma generation chamber 21 is evacuated by the vacuum pump.

成膜室２２には、サファイア基板１が固定される基板ホルダ２７が設けられている。基板ホルダ２７には、サファイア基板１を加熱するヒータ（図示せず）が内蔵されている。また、プラズマ生成室２１で生成されたプラズマを成膜室２２に導入する開口部２３には、ＬｉＮｂＯ3からなるリング状のターゲット２８が配置されている。ターゲット２８には、マッチングユニット２９を介して高周波電源３０が接続されている。 The film forming chamber 22 is provided with a substrate holder 27 to which the sapphire substrate 1 is fixed. The substrate holder 27 includes a heater (not shown) for heating the sapphire substrate 1. A ring-shaped target 28 made of LiNbO 3 is disposed in the opening 23 for introducing the plasma generated in the plasma generation chamber 21 into the film formation chamber 22. A high frequency power supply 30 is connected to the target 28 via a matching unit 29.

プラズマ生成室２１の上部には真空導波管３１が接続され、この真空導波管３１には石英窓３２を介して導波管３３が接続されている。導波管３３には、ＥＣＲ条件を満たす周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波３４を発生させるマイクロ波発振器（図示せず）が接続されている。また、プラズマ生成室２１の周囲および上部には、ＥＣＲ条件を満たす磁束密度８７．５ｍＴの磁場をプラズマ生成室２１内に形成する電磁コイル３５，３６が設けられている。   A vacuum waveguide 31 is connected to the upper part of the plasma generation chamber 21, and a waveguide 33 is connected to the vacuum waveguide 31 through a quartz window 32. The waveguide 33 is connected to a microwave oscillator (not shown) that generates a microwave 34 having a frequency of 2.45 GHz that satisfies the ECR condition. In addition, electromagnetic coils 35 and 36 for forming a magnetic field having a magnetic flux density of 87.5 mT satisfying the ECR condition in the plasma generation chamber 21 are provided around and above the plasma generation chamber 21.

このＥＣＲスパッタ装置は、例えば以下のように動作する。
サファイア基板１を基板ホルダ２７の上に固定し、所定の温度に加熱する。
成膜室２２およびプラズマ生成室２１の内部を真空排気した後、不活性ガス導入部２４からプラズマ生成室２１にアルゴンガスを、また反応性ガス導入部２５から成膜室２２に酸素ガスをそれぞれ所定の流量で導入し、プラズマ生成室２１の内部を例えば１０-3Ｐａ台の圧力にする。 This ECR sputtering apparatus operates as follows, for example.
The sapphire substrate 1 is fixed on the substrate holder 27 and heated to a predetermined temperature.
After the inside of the film forming chamber 22 and the plasma generating chamber 21 is evacuated, argon gas is supplied from the inert gas introducing unit 24 to the plasma generating chamber 21, and oxygen gas is supplied from the reactive gas introducing unit 25 to the film forming chamber 22, respectively. It introduce | transduces with a predetermined | prescribed flow volume, and the inside of the plasma production chamber 21 is made into the pressure of the 10 <-3 > Pa level, for example.

この状態で、磁気コイル３５，３６によりプラズマ生成室２１内に８７．５ｎＴの磁場を形成するとともに、導波管３３，石英窓３２を介してプラズマ生成室２１内に２．４５ＧＨｚのマイクロ波３４を導入することにより、アルゴンガスが電離しプラズマが生成される。このプラズマは、電磁コイル３５，３６の発散磁場により、プラズマ生成室２１から成膜室２２に導入される。   In this state, a magnetic field of 87.5 nT is formed in the plasma generation chamber 21 by the magnetic coils 35 and 36, and a 2.45 GHz microwave 34 is generated in the plasma generation chamber 21 through the waveguide 33 and the quartz window 32. As a result, argon gas is ionized and plasma is generated. This plasma is introduced from the plasma generation chamber 21 into the film formation chamber 22 by the divergent magnetic field of the electromagnetic coils 35 and 36.

プラズマ生成室２１と成膜室２２との間の開口部２３に配置されたターゲット２８に、高周波電源３０により例えば１３．５６ＭＨｚ、５００Ｗの高周波電力を印加すると、ターゲット２８にアルゴン粒子が衝突してスパッタリング現象を起こし、ターゲット２８からＬｉ、Ｎｂなどのスパッタ粒子が飛び出す。これらのスパッタ粒子は、プラズマ生成室２１から導入されたプラズマ、および、このプラズマにより活性化した酸素ラジカルとともにサファイア基板１の表面に到達し、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１を形成する。 When high frequency power of, for example, 13.56 MHz and 500 W is applied to the target 28 disposed in the opening 23 between the plasma generation chamber 21 and the film formation chamber 22 by the high frequency power supply 30, argon particles collide with the target 28. A sputtering phenomenon occurs, and sputtered particles such as Li and Nb are ejected from the target 28. These sputtered particles reach the surface of the sapphire substrate 1 together with the plasma introduced from the plasma generation chamber 21 and oxygen radicals activated by the plasma, and form the LiNbO 3 thin film 11.

図５は、サファイアＣ面基板の上に基板温度５３０℃、酸素分圧５×１０-3Ｐａの条件の下、ＥＣＲスパッタ法で成膜したＬｉＮｂＯ3薄膜１１の試料のＸ線回折スペクトルを示す図である。基板からの＜０００６＞、＜０００１２＞回折ピーク以外に、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１からの＜０００６＞、＜０００１２＞回折ピークだけが観測され、ＬｉＮｂＯ3がＣ軸配向していることを示している。
一方、図６は、サファイアＡ面基板の上に基板温度５３０℃、酸素分圧５×１０-3Ｐａの条件の下、ＥＣＲスパッタ法で成膜したＬｉＮｂＯ3薄膜１１の試料のＸ線回折スペクトルを示す図である。基板からの＜１１２０＞、＜２２４０＞回折ピーク以外に、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１からの＜０００６＞、＜０００１２＞回折ピークだけが観測され、やはりＬｉＮｂＯ3がＣ軸配向していることを示している。 FIG. 5 shows an X-ray diffraction spectrum of a sample of the LiNbO 3 thin film 11 formed by ECR sputtering on a sapphire C-plane substrate under conditions of a substrate temperature of 530 ° C. and an oxygen partial pressure of 5 × 10 −3 Pa. FIG. <0006> from the substrate, in addition to <000 12> diffraction peaks, <0006> from LiNbO 3 thin film 11, only the <000 12> diffraction peaks were observed, indicating that the LiNbO 3 is oriented C axis Yes.
On the other hand, FIG. 6 shows an X-ray diffraction spectrum of a sample of a LiNbO 3 thin film 11 formed by ECR sputtering on a sapphire A-plane substrate under conditions of a substrate temperature of 530 ° C. and an oxygen partial pressure of 5 × 10 −3 Pa. FIG. In addition to the <1120> and <2240> diffraction peaks from the substrate, only <0006> and <000 12 > diffraction peaks from the LiNbO 3 thin film 11 are observed, indicating that LiNbO 3 is also C-axis oriented. Yes.

このようにＥＣＲスパッタ中に結晶化するような成長を行うと、サファイア基板１の面方位によらず、Ｃ軸配向したＬｉＮｂＯ3薄膜１１が得られる。これはＥＣＲスパッタ法を適用することにより得られる効果であって、この成長モードは「ＥＣＲモード」と呼ぶに相応しいものである。その機構は以下のように説明できる。 When growth is performed so as to crystallize during ECR sputtering in this way, a C-axis oriented LiNbO 3 thin film 11 is obtained regardless of the plane orientation of the sapphire substrate 1. This is an effect obtained by applying the ECR sputtering method, and this growth mode is suitable to be called an “ECR mode”. The mechanism can be explained as follows.

ＥＣＲプラズマによるガスの励起確率は非常に高いので、成膜室２２に導入された酸素ガスからは多くの酸素ラジカルが生成される。ダーゲット２８からのＬｉやＮｂなどのスパッタ粒子の数に対して酸素ラジカルの生成量が十分な量であると、酸素原子がすばやく成長中の表面を被覆することが可能である。また、ＥＣＲプラズマの照射により、原子の成長表面における拡散が著しく促進される。これらの効果が相まって、金属原子の層と酸素原子の層とがＣ軸方向に交互に積層したＯ−Ｌｉ−Ｏ−Ｎｂ−Ｏの構造が優先的に形成される。このようにして得られた結晶は、Ｃ軸配向のＬｉＮｂＯ3薄膜である。この成長機構が意味するように、酸素の被覆層が基板の原子配列をマスクするため、基板表面が原子レベルで平坦でありさえすれば、表面の原子配列にあまり影響されず、Ｃ軸方向へ優先配向したＬｉＮｂＯ3薄膜が得られる。 Since the gas excitation probability by the ECR plasma is very high, many oxygen radicals are generated from the oxygen gas introduced into the film forming chamber 22. If the amount of oxygen radicals generated is sufficient with respect to the number of sputtered particles such as Li and Nb from the Darget 28, it is possible to quickly cover the surface on which oxygen atoms are growing. Moreover, the diffusion of atoms on the growth surface is remarkably promoted by irradiation with ECR plasma. These effects combine to preferentially form an O—Li—O—Nb—O structure in which metal atom layers and oxygen atom layers are alternately stacked in the C-axis direction. The crystal thus obtained is a C-axis oriented LiNbO 3 thin film. As this growth mechanism implies, since the oxygen covering layer masks the atomic arrangement of the substrate, as long as the substrate surface is flat at the atomic level, it is not significantly affected by the atomic arrangement of the surface, and is directed in the C-axis direction. A pre-oriented LiNbO 3 thin film is obtained.

図７は、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１からの＜０００６＞回折ピーク強度と成膜時の温度との関係を示す図である。図中の「○」はサファイアＡ面、「●」はサファイアＣ面に対するものである。
結晶化は３００℃付近から始まり、４００℃を超えるとほぼ完全に結晶になっており、結晶性は温度にあまり依存しないことを示している。６００℃以上の温度で成膜すると、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１中のＬｉ原子の欠陥生成が顕著になると同時に、サファイア基板１とＬｉＮｂＯ3薄膜１１の熱膨張係数の違いから、成膜後に室温へ戻す過程でＬｉＮｂＯ3薄膜１１内にクラックが生じる。よって、４５０℃から６００℃までが最適成膜温度である。 FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the <0006> diffraction peak intensity from the LiNbO 3 thin film 11 and the temperature during film formation. In the figure, “◯” is for the sapphire A surface, and “●” is for the sapphire C surface.
Crystallization starts at around 300 ° C. and is almost completely crystallized above 400 ° C., indicating that crystallinity is not very dependent on temperature. When the film is formed at a temperature of 600 ° C. or higher, defect generation of Li atoms in the LiNbO 3 thin film 11 becomes remarkable, and at the same time, the process returns to room temperature after film formation due to the difference in thermal expansion coefficient between the sapphire substrate 1 and the LiNbO 3 thin film 11 Thus, a crack is generated in the LiNbO 3 thin film 11. Therefore, the optimum film formation temperature is 450 ° C. to 600 ° C.

図８は、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１の＜０００６＞回折ピーク強度および屈折率と酸素流量との関係を示す図である。図中の「○」は回折ピーク強度、「●」は屈折率である。
酸素流量を変化させると、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１の組成が変る。酸素流量が０．５−２．３ｓｃｃｍの間では、回折ピーク強度はほぼ一定であるが、屈折率は大きく変化している。具体的には、酸素流量を１．７ｓｃｃｍより減らしていくと、屈折率が急激に高くなる。その理由は、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１中に含まれる酸素欠陥が増大し、光吸収が強くなり、Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇの関係により高屈折率化するからである。したがって、このＬｉＮｂＯ3薄膜１１を光導波路に応用するには、屈折率が下がりきった点に対応する酸素流量よりも高い酸素流量の下で成膜する必要がある。しかし、酸素流量を増やすと、今度はパイロクロア相（ＬｉＮｂ3Ｏ8）の形成が支配的になるため、＜０００６＞回折ピーク強度が減少し、結晶性が劣化する。よって、酸素流量には最適値が存在し、図８においては１．７−２．３ｓｃｃｍがそれに当たる。なお、「ｓｃｃｍ」は流量の単位であり、０℃・１気圧の気体が１分間に１ｃｍ3流れることを表す。
このような酸素流量に対するＬｉＮｂＯ3薄膜１１の組成変化の特性は、定性的には普遍的なものであるが、定量的には排気速度、ガス導入部２４，２５の構造、プラズマ密度などに依存するため、最適酸素流量は個々の装置に特有な値になる。 FIG. 8 is a graph showing the relationship between the <0006> diffraction peak intensity and refractive index of the LiNbO 3 thin film 11 and the oxygen flow rate. In the figure, “◯” represents the diffraction peak intensity, and “●” represents the refractive index.
When the oxygen flow rate is changed, the composition of the LiNbO 3 thin film 11 changes. When the oxygen flow rate is between 0.5 and 2.3 sccm, the diffraction peak intensity is substantially constant, but the refractive index changes greatly. Specifically, when the oxygen flow rate is decreased from 1.7 sccm, the refractive index increases rapidly. The reason is that oxygen defects contained in the LiNbO 3 thin film 11 increase, light absorption becomes stronger, and the refractive index is increased due to the Kramers-Kronig relationship. Therefore, in order to apply this LiNbO 3 thin film 11 to an optical waveguide, it is necessary to form a film under an oxygen flow rate higher than the oxygen flow rate corresponding to the point where the refractive index has been lowered. However, when the oxygen flow rate is increased, the formation of the pyrochlore phase (LiNb 3 O 8 ) becomes dominant, so that the <0006> diffraction peak intensity decreases and the crystallinity deteriorates. Therefore, there is an optimum value for the oxygen flow rate, which corresponds to 1.7-2.3 sccm in FIG. “Sccm” is a unit of flow rate, and represents that 1 cm 3 of gas at 0 ° C. and 1 atm flows per minute.
The characteristics of the composition change of the LiNbO 3 thin film 11 with respect to the oxygen flow rate are qualitatively universal, but quantitatively depend on the exhaust speed, the structure of the gas introduction portions 24 and 25, the plasma density, and the like. Therefore, the optimum oxygen flow rate becomes a value peculiar to each device.

以上で述べたように、本実施の形態では、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１の成膜にＥＣＲスパッタ法を用いている。ＬｉＮｂＯ3薄膜１１の成膜法には、ＥＣＲスパッタ法の他に、液相エピタキシー、レーザーアブレーション法、ゾルゲル法などがある。
液相エピタキシー法は、基板とＬｉＮｂＯ3薄膜の格子定数がほぼ完全に一致していないと、良質な結晶が成長しない。このため、基板としてはＺカットのＬｉＴａＯ3基板が主に用いられる。しかし、ＬｉＮｂＯ3とＬＩＴａＯ3の屈折率差はごく僅かであるため、断面積の小さなＬｉＮｂＯ3導波路中に強く光を閉じ込めるという目的には不向きである。
レーザーアブレーション法は、成膜できる領域が狭く、光変調器の生産には使えない。
ゾルゲル法は、結晶性が劣る。 As described above, in this embodiment, the ECR sputtering method is used for forming the LiNbO 3 thin film 11. In addition to the ECR sputtering method, the LiNbO 3 thin film 11 may be formed by liquid phase epitaxy, laser ablation method, sol-gel method or the like.
In the liquid phase epitaxy method, if the lattice constants of the substrate and the LiNbO 3 thin film do not almost completely match, a good quality crystal does not grow. For this reason, a Z-cut LiTaO 3 substrate is mainly used as the substrate. However, since the refractive index difference between LiNbO 3 and LITaO 3 is very small, it is not suitable for the purpose of strongly confining light in a LiNbO 3 waveguide having a small cross-sectional area.
The laser ablation method has a narrow film forming area and cannot be used for the production of an optical modulator.
The sol-gel method has poor crystallinity.

これに対し、ＥＣＲスパッタ法は、ＬｉＮｂＯ3と格子定数が若干異なるサファイア基板１にも適用できる。したがって、ＬｉＮｂＯ3とサファイア基板１との大きな屈折率差により、断面積の小さなＬｉＮｂＯ3導波路中に強く光を閉じ込めることが可能となる。
また、上述した条件の下でＥＣＲスパッタを行うことにより、広範囲に高品質のＬｉＮｂＯ3薄膜１１を成膜できる。したがって、ＥＣＲスパッタ法は光変調器の生産に適していると言える。
さらに、ＥＣＲスパッタ法は、液相エピタキシー法やゾルゲル法に比べて膜厚の制御性がよく、ナノメーターオーダーの設計寸法にも対応できる。したがって、非常に薄いＬｉＮｂＯ3導波路を有する光変調器を製造することも可能となる。 On the other hand, the ECR sputtering method can be applied to the sapphire substrate 1 having a slightly different lattice constant from that of LiNbO 3 . Therefore, the large refractive index difference between LiNbO 3 and sapphire substrate 1 makes it possible to strongly confine light in the LiNbO 3 waveguide having a small cross-sectional area.
Further, by performing ECR sputtering under the above-described conditions, a high quality LiNbO 3 thin film 11 can be formed over a wide range. Therefore, it can be said that the ECR sputtering method is suitable for production of an optical modulator.
Furthermore, the ECR sputtering method has better controllability of the film thickness than the liquid phase epitaxy method and the sol-gel method, and can cope with design dimensions on the nanometer order. Therefore, it is possible to manufacture an optical modulator having a very thin LiNbO 3 waveguide.

なお、本実施の形態では、ＬｉＮｂＯ3薄膜１１を成膜する基板としてサファイア基板１を例に挙げたが、他の材料からなる基板を用いることもできる。ただし、基板の屈折率がＬｉＮｂＯ3の屈折率よりも小さいことが必要である。ヘテロ界面を有する高屈折率光導波路においては、一般に基板との屈折率差が大きいほど、光を有効に閉じ込められる。
また、本実施の形態では、マッハツェンダー型光変調器を例にして説明を行ったが、他の光変調器にも応用可能である。 In the present embodiment, the sapphire substrate 1 is taken as an example of the substrate on which the LiNbO 3 thin film 11 is formed, but a substrate made of another material can also be used. However, the refractive index of the substrate needs to be smaller than the refractive index of LiNbO 3 . In a high refractive index optical waveguide having a hetero interface, light is effectively confined as the difference in refractive index from the substrate is generally larger.
In the present embodiment, the description has been given by taking the Mach-Zehnder type optical modulator as an example. However, the present invention can be applied to other optical modulators.

本発明の一実施の形態に係る光変調器の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the optical modulator which concerns on one embodiment of this invention. 図１に示す光変調器のII−II′線方向の断面図である。It is sectional drawing of the II-II 'line direction of the optical modulator shown in FIG. 光変調器を製造する際の主要な工程を示す図である。It is a figure which shows the main processes at the time of manufacturing an optical modulator. ＥＣＲスパッタ装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of an ECR sputtering apparatus. サファイアＣ面基板の上にＥＣＲスパッタ法で成膜したＬｉＮｂＯ3薄膜の試料のＸ線回折スペクトルを示す図である。Is a diagram showing an X-ray diffraction spectrum of a sample of LiNbO 3 thin film formed by ECR sputtering on a sapphire C-plane substrate. サファイアＡ面基板の上にＥＣＲスパッタ法で成膜したＬｉＮｂＯ3薄膜の試料のＸ線回折スペクトルを示す図である。Is a diagram showing an X-ray diffraction spectrum of a sample of LiNbO 3 thin film formed by ECR sputtering on a sapphire A-plane substrate. ＬｉＮｂＯ3薄膜からの＜０００６＞回折ピーク強度と成膜時の温度との関係を示す図である。LiNbO 3 <0006> from a thin film is a diagram showing the relationship between the temperature at the time of the diffraction peak intensity and deposition. ＬｉＮｂＯ3薄膜の＜０００６＞回折ピーク強度および屈折率と酸素流量との関係を示す図である。LiNbO 3 thin film <0006> is a graph showing a relationship between the diffraction peak intensity and the refractive index and the oxygen flow rate. ＬｉＮｂＯ3結晶を用いた従来の光変調器の一構成例を示す平面図である。LiNbO 3 is a plan view showing a configuration example of a conventional optical modulator using crystals. 図９に示す光変調器のＸ−Ｘ′線方向の断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of the optical modulator shown in FIG. 9 in the XX ′ line direction.

符号の説明Explanation of symbols

１…サファイア基板、２…光導波路、２ａ，２ｂ…直線導波路、３…ＳｉＯ2バッファ層、４ａ…ホット電極、４ｂ…グラウンド電極、５…交流電源、１１…ＬｉＮｂＯ3薄膜、１２…金属膜、１２ａ，１２ｂ…メタルマスク、１３…レジスト、１３ａ，１３ｂ…レジストパタン、１４…レジスト、１４ａ，１４ｂ…開口部、１５…金属膜、２１…プラズマ生成室、２２…成膜室、２３…開口部、２４…不活性ガス導入部、２５…反応性ガス導入部、２６…排気口、２７…基板ホルダ、２８…ターゲット、２９…マッチングユニット、３０…高周波電源、３１…真空導波管、３２…石英窓、３３…導波管、３４…マイクロ波、３５，３６…電磁コイル。
1 ... sapphire substrate, 2 ... optical waveguide, 2a, 2b ... straight waveguide, 3 ... SiO 2 buffer layer, 4a ... hot electrodes, 4b ... ground electrode, 5 ... AC power supply, 11 ... LiNbO 3 thin film, 12 ... metal film 12a, 12b ... metal mask, 13 ... resist, 13a, 13b ... resist pattern, 14 ... resist, 14a, 14b ... opening, 15 ... metal film, 21 ... plasma generation chamber, 22 ... film formation chamber, 23 ... opening , 24 ... inert gas introduction part, 25 ... reactive gas introduction part, 26 ... exhaust port, 27 ... substrate holder, 28 ... target, 29 ... matching unit, 30 ... high frequency power supply, 31 ... vacuum waveguide, 32 ... quartz window, 33 ... waveguide, 34 ... microwave, 35, 36 ... electromagnetic coil.

Claims (8)

基板と、この基板よりも高屈折率の材料からなる光導波路とを備える光変調器の製造方法において、
前記基板の上にＣ軸配向のＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜を成膜するステップと、
前記ＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜をエッチングし、前記基板の上に前記光導波路を形成するステップと
を備えることを特徴とする光変調器の製造方法。 In a method of manufacturing an optical modulator comprising a substrate and an optical waveguide made of a material having a higher refractive index than that of the substrate,
Depositing a C-axis oriented LiNbO 3 epitaxial thin film on the substrate;
Etching the LiNbO 3 epitaxial thin film to form the optical waveguide on the substrate. A method for manufacturing an optical modulator, comprising: 請求項１に記載の光変調器の製造方法において、
前記光導波路の直上に電極を形成するステップを更に備えることを特徴とする光変調器の製造方法。 In the manufacturing method of the optical modulator of Claim 1,
A method of manufacturing an optical modulator, further comprising the step of forming an electrode immediately above the optical waveguide. 請求項１または２に記載の光変調器の製造方法において、
前記基板は、サファイアＣ面基板またはサファイアＡ面基板であることを特徴とする光変調器の製造方法。 In the manufacturing method of the optical modulator according to claim 1 or 2,
The method of manufacturing an optical modulator, wherein the substrate is a sapphire C-plane substrate or a sapphire A-plane substrate. 請求項３に記載の光変調器の製造方法において、
前記ＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜を成膜するステップは、前記基板の温度を４００℃から６００℃に保った状態で成膜を行うことを特徴とする光変調器の製造方法。 In the manufacturing method of the optical modulator according to claim 3,
The step of forming the LiNbO 3 epitaxial thin film is performed in a state where the temperature of the substrate is maintained at 400 ° C. to 600 ° C. 請求項１〜４の何れか１項に記載の光変調器の製造方法において、
前記ＬｉＮｂＯ3エピタキシャル薄膜を成膜するステップは、電子サイクロトロン共鳴プラズマを用いたスパッタ法により成膜することを特徴とする光変調器の製造方法。 In the manufacturing method of the optical modulator according to any one of claims 1 to 4,
The step of forming the LiNbO 3 epitaxial thin film is formed by sputtering using electron cyclotron resonance plasma. 基板と、この基板よりも高屈折率の材料からなる光導波路とを備える光変調器において、
この光導波路は、Ｃ軸配向のＬｉＮｂＯ3結晶からなり、前記基板の上に形成されていることを特徴とする光変調器。 In an optical modulator comprising a substrate and an optical waveguide made of a material having a higher refractive index than that of the substrate,
The optical modulator is made of a C-axis oriented LiNbO 3 crystal and is formed on the substrate. 請求項６に記載の光変調器において、
前記光導波路の直上に配置され、前記光導波路に電界を印加する電極を更に備えることを特徴とする光変調器。 The optical modulator according to claim 6.
An optical modulator, further comprising an electrode that is disposed immediately above the optical waveguide and applies an electric field to the optical waveguide. 請求項６または７に記載の光変調器において、
前記基板は、サファイアＣ面基板またはサファイアＡ面基板であることを特徴とする光変調器。
The optical modulator according to claim 6 or 7,
The optical modulator according to claim 1, wherein the substrate is a sapphire C-plane substrate or a sapphire A-plane substrate.
JP2005009551A 2005-01-17 2005-01-17 Optical modulator and its manufacturing method Pending JP2006195383A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005009551A JP2006195383A (en) 2005-01-17 2005-01-17 Optical modulator and its manufacturing method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005009551A JP2006195383A (en) 2005-01-17 2005-01-17 Optical modulator and its manufacturing method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006195383A true JP2006195383A (en) 2006-07-27

Family

ID=36801496

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005009551A Pending JP2006195383A (en) 2005-01-17 2005-01-17 Optical modulator and its manufacturing method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2006195383A (en)

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015014716A (en) * 2013-07-05 2015-01-22 Tdk株式会社 Optical waveguide and electro-optic device
JP2015014715A (en) * 2013-07-05 2015-01-22 Tdk株式会社 Electro-optic device
JP2015118371A (en) * 2013-11-15 2015-06-25 Tdk株式会社 Optical modulator
WO2017183484A1 (en) * 2016-04-21 2017-10-26 Tdk株式会社 Optical modulator
JP2019074595A (en) * 2017-10-13 2019-05-16 Tdk株式会社 Optical modulator
CN111051970A (en) * 2017-08-24 2020-04-21 Tdk株式会社 Optical modulator
US10649246B2 (en) 2016-07-19 2020-05-12 Tdk Corporation Dielectric thin film-applied substrate and optical modulation element using the same
CN111665647A (en) * 2020-06-22 2020-09-15 三明学院 Novel electro-optical modulator
US10989980B2 (en) 2019-02-25 2021-04-27 Tdk Corporation Optical modulator
US11003044B2 (en) 2019-02-25 2021-05-11 Tdk Corporation Electro-optic device
US11003043B2 (en) 2019-02-25 2021-05-11 Tdk Corporation Optical modulator
US11086149B2 (en) 2019-03-29 2021-08-10 Tdk Corporation Electro-optic device
US11366344B2 (en) 2017-10-02 2022-06-21 Tdk Corporation Optical modulator
US11947147B2 (en) 2021-03-30 2024-04-02 Tdk Corporation Optical device with microcrack resistance from surface roughness thereby reducing loss of light

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS645999A (en) * 1987-06-29 1989-01-10 Nippon Telegraph & Telephone Production of thin film of ferroelectric single crystal
JPH0511078B2 (en) * 1987-12-22 1993-02-12 Sharp Kk
JPH0580281A (en) * 1991-09-20 1993-04-02 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Production of optical control element
JP2001235640A (en) * 2000-02-24 2001-08-31 Ngk Insulators Ltd Optical waveguide element
JP2003313094A (en) * 2002-04-22 2003-11-06 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> METHOD FOR DEPOSITING LiNbO3 THIN FILM
JP2004059341A (en) * 2002-07-25 2004-02-26 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> METHOD FOR FORMING ORIENTED THIN FILM OF LiNbO3
JP2004244703A (en) * 2003-02-17 2004-09-02 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> METHOD OF DEPOSITING ORIENTATED LiNbO3 THIN FILM

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS645999A (en) * 1987-06-29 1989-01-10 Nippon Telegraph & Telephone Production of thin film of ferroelectric single crystal
JPH0511078B2 (en) * 1987-12-22 1993-02-12 Sharp Kk
JPH0580281A (en) * 1991-09-20 1993-04-02 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Production of optical control element
JP2001235640A (en) * 2000-02-24 2001-08-31 Ngk Insulators Ltd Optical waveguide element
JP2003313094A (en) * 2002-04-22 2003-11-06 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> METHOD FOR DEPOSITING LiNbO3 THIN FILM
JP2004059341A (en) * 2002-07-25 2004-02-26 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> METHOD FOR FORMING ORIENTED THIN FILM OF LiNbO3
JP2004244703A (en) * 2003-02-17 2004-09-02 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> METHOD OF DEPOSITING ORIENTATED LiNbO3 THIN FILM

Cited By (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015014715A (en) * 2013-07-05 2015-01-22 Tdk株式会社 Electro-optic device
JP2015014716A (en) * 2013-07-05 2015-01-22 Tdk株式会社 Optical waveguide and electro-optic device
JP2015118371A (en) * 2013-11-15 2015-06-25 Tdk株式会社 Optical modulator
US9244296B2 (en) 2013-11-15 2016-01-26 Tdk Corporation Optical modulator
JP2019045880A (en) * 2013-11-15 2019-03-22 Tdk株式会社 Light modulator
US10591801B2 (en) 2016-04-21 2020-03-17 Tdk Corporation Optical modulator
WO2017183484A1 (en) * 2016-04-21 2017-10-26 Tdk株式会社 Optical modulator
JPWO2017183484A1 (en) * 2016-04-21 2019-02-21 Tdk株式会社 Light modulator
US10649246B2 (en) 2016-07-19 2020-05-12 Tdk Corporation Dielectric thin film-applied substrate and optical modulation element using the same
CN111051970A (en) * 2017-08-24 2020-04-21 Tdk株式会社 Optical modulator
US11226531B2 (en) 2017-08-24 2022-01-18 Tdk Corporation Optical modulator
CN111051970B (en) * 2017-08-24 2023-08-11 Tdk株式会社 Light modulator
US11366344B2 (en) 2017-10-02 2022-06-21 Tdk Corporation Optical modulator
JP2019074595A (en) * 2017-10-13 2019-05-16 Tdk株式会社 Optical modulator
JP7027787B2 (en) 2017-10-13 2022-03-02 Tdk株式会社 Optical modulator
US10989980B2 (en) 2019-02-25 2021-04-27 Tdk Corporation Optical modulator
US11003044B2 (en) 2019-02-25 2021-05-11 Tdk Corporation Electro-optic device
US11003043B2 (en) 2019-02-25 2021-05-11 Tdk Corporation Optical modulator
US11086149B2 (en) 2019-03-29 2021-08-10 Tdk Corporation Electro-optic device
CN111665647A (en) * 2020-06-22 2020-09-15 三明学院 Novel electro-optical modulator
US11947147B2 (en) 2021-03-30 2024-04-02 Tdk Corporation Optical device with microcrack resistance from surface roughness thereby reducing loss of light

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2006195383A (en) Optical modulator and its manufacturing method
JP3462265B2 (en) Wavelength conversion element
JP3059080B2 (en) Method for manufacturing domain-inverted region, optical wavelength conversion element and short wavelength light source using the same
JP6136666B2 (en) Optical waveguide and electro-optic device
JP4851122B2 (en) Optical element and manufacturing method thereof
JP3332363B2 (en) Method of manufacturing domain-inverted region, optical wavelength conversion element using the same, and method of manufacturing the same
JP3876666B2 (en) Optical device and manufacturing method thereof
JP4023677B2 (en) LiNbO3 oriented thin film forming method
JP4081398B2 (en) Optical wavelength conversion element
JP2006219339A (en) METHOD FOR FORMING LiNbO3 CRYSTAL THIN FILM
JPH11335199A (en) Production of single crystal membrane
US6605227B2 (en) Method of manufacturing a ridge-shaped three dimensional waveguide
JP4179452B2 (en) LiNbO3 oriented thin film forming method
JP4055939B2 (en) LiNbO3 thin film forming method
JPH06167624A (en) Method for producing optical crystal substrate or ridge shape on thin film on this substrate
JP2002093726A (en) Semiconductor element and method of manufacturing the same
JP2008069058A (en) LiNbO3 EPITAXIAL FILM DEPOSITION METHOD
WO2022264426A1 (en) Method for forming lithium niobate crystal thin film, and laminate including lithium niobate crystal thin film
JPH01317199A (en) Method for producing ferroelectric thin film
JPH02221904A (en) Formation of clad film of three-dimensional optical waveguide
JP3179745B2 (en) Pattern making method
JP2005115150A (en) Artificial phase matching wavelength conversion element and its manufacturing method
JP3207876B2 (en) Manufacturing method of optical waveguide device
JPH05127033A (en) Optical waveguide and its production
JP2003066257A (en) Optical waveguide type element and its production method

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20070215

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20091215

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100104

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100304

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100914

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20110201