JP2006195383A - Optical modulator and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
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
The
The
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
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
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。
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
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
The SiO 2 buffer layer 3 is formed over the
The
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
In addition, by providing the SiO 2 buffer layer 3 between the
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
A LiNbO 3
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
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
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
Next,
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
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
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
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
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
First, an ECR sputtering apparatus used for forming the LiNbO 3
This ECR sputtering apparatus has a
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
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
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
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
After the inside of the
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
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
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
On the other hand, FIG. 6 shows an X-ray diffraction spectrum of a sample of a LiNbO 3
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
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
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
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
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
When the oxygen flow rate is changed, the composition of the LiNbO 3
The characteristics of the composition change of the LiNbO 3
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
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
Further, by performing ECR sputtering under the above-described conditions, a high quality LiNbO 3
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
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.
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 ...
Claims (8)
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:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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