JP2645595B2 - 光導波形レンズの作製方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、信号処理用光集積回路の重要な構成要素で
ある光導波形レンズに係り、特に該光導波形レンズの作
製方法に関する。

〔従来の技術〕

光導波形レンズにおける光導波路内での導波光の集
光、発散及びコリメーションを行う主な方法としては、
つぎの３つの方法がある。

第１の方法は平面型光導波路の一部をレンズ状の領域
にわたり、その内部の実効屈折率を変化させることによ
りレンズ境界における導波光の屈折作用を利用する方法
である。第２の方法は平面型光導波路の一部に周期構造
を設け、導波光の回折現象を利用する方法である。第３
の方法は平面型光導波路の一部の領域を湾曲させること
により導波光の進行方向を変化させ、レンズ作用を行わ
せる方法である。

このうち、第１と第２の方法は、平面型光導波路の一
部にこの導波光よりも屈折率の大きな屈折率の領域を設
けることで実現可能であり、ニオブ酸リチウム基板また
はタンタル酸リチウム基板を用いて光導波形レンズを作
製する従来の作製方法として、チタン拡散法とプロトン
交換法の２つの方法を組み合わせたものが報告されてい
る（例えば、藤原秀二、栖原敏明、西原浩：“Ti:LiNbO
₃光導波路におけるプロトン交換フレネルレンズ”信学
技法OQE84-83）。

チタン拡散法は、ニオブ酸リチウム基板又はタンタル
酸リチウム基板の表面にチタンを蒸着し、これらの基盤
を1000℃前後で数時間熱処理をすることで基板の屈折率
よりも大きな屈折率の領域を基板表層部に形成する方法
である。

この方法で形成された光導波路の屈折率と深さは、あ
らかじめ蒸着するチタンの量と、熱処理の温度と時間と
で制御可能であるが、屈折率変化量（増加量）は波長63
3nmにおいて0.01が上限であり、一般には0.005前後で光
導波路が作製できるように制御される。

プロトン交換法は、安息香酸やピロリン酸を200℃前
後に加熱してその溶液中にニオブ酸リチウム基板又はタ
ンタル酸リチウム基板を浸すことで基板表層部のリチウ
ムイオンをプロトンで置換する方法である。普通は、ビ
ーカー等にプロトン交換源となる安息香酸やピロリン酸
を基板と一緒に入れ、これを温度安定性の良い恒温装置
に入れて所望の時間プロトン交換を行う。

この方法で形成される光導波路の屈折変化量は使用す
る酸により微妙に異なるが、一般的によく用いられる安
息香酸においては、常光線に対する屈折率は0.04低下
し、異常光線に対する屈折率は0.12増加する。ここで形
成される光導波路の深さは溶液中に浸している加熱処理
の温度と時間で制御される。プロトン交換法の特徴は基
板の表層部に高屈折率の領域を前記したチタン拡散法よ
り容易に、かつ短時間で作製できることである。

また、プロトン交換法とその直後に行う熱処理を適当
に制御することにより、チタン拡散法で形成される光導
波路と同程度の屈折率をもつ低損失（0.3dB/cm）な単一
モード光導波路が作製可能であることを発明者はすでに
見出している。同一出願人・同一発明者による発明「単
一モード光導波路の製造方法及びそれを用いた光変調素
子（特願昭63-272727号）」を参照されたい。

このようにチタン拡散法とプロトン交換法で形成され
る光導波層の異常光線に対する屈折率は、チタン拡散法
の0.01に対してプロトン交換法では10倍以上の0.12であ
るため、この大きな屈折率差を利用して光導波形レンズ
の作製が可能である。

以下、チタン拡散法とプロトン交換法を用いた光導波
形レンズの製造方法を簡単に述べる。

まず、ニオブ酸リチウム基板又はタンタル酸リチウム
基板の全面にチタンを蒸着した後、基板を炉中で加熱し
て平面型光導波路を形成する（第１工程）。

つぎに、プロトン交換源として用いる酸に侵蝕されな
い材料によりレンズ形状の部分以外の光導波路表面上に
マスク層を形成し、プロトン交換を行う（第２工程）。

このようにして形成された光導波形レンズはレンズ内
部の屈折率が平面型光導波路部よりも大きいため、凸レ
ンズ形状の光導波形レンズに対しては集束レンズとして
の機能をする。

〔発明が解決すようとする課題〕

以上述べたように従来の光導波形レンズの作製方法に
おける第１の工程で行うチタン拡散法は、 （１） 光導波路作製時間に数時間を必要とする， （２） 大量生産に向かない， （３） 作製された光導波路の光損傷を受ける光量レベ
ルが低く微弱な光量しか安定に導波できないなどの欠点
を持つ。

特にレンズのように光を集光する装置にあっては光損
傷に強い光導波形レンズが望まれている。そのため、光
導波形レンズでは前記欠点を除去した短時間で、かつ、
大量生産に向きさらに光損傷に強い作製方法の開発が課
題とされていた。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで、本発明では光導波路の作製時間に数時間を要
し、大量生産に向かず、光損傷レベルの低いチタン拡散
法による単一平面型光導波路の形成をとりやめ、プロト
ン交換法により単一モード平面型光導波路を形成するこ
とで前記欠点を解消した。すなわち、第１の工程で、単
一モード平面型光導波路をプロトン交換法とそれに続い
て行う第２の、第２及び第３の、または第２〜第４の熱
処理により作製するようにした。特に第２の熱処理の段
階では、通常のプロトン交換法に用いる温度以上の温度
で熱処理を行い、基板の表層部の屈折率変化量を、チタ
ン拡散法による光導波路のそれと同程度の値になるまで
低下させるようにした。この熱処理の条件は微妙である
が、最適条件となるように温度と時間を設定した。ま
た、第１の工程で行うプロトン交換では、安息香酸を用
い温度150℃処理時間20分という条件で、基板の表層部
のごく浅い部分にプロトン交換を行うのであり、この段
階で形成された高屈折率のプロトン交換層は非常に薄い
ため、光の導波はできない。したがって、次に第２の熱
処理を行い、基板の表層部のプロトンを基板の内部へ拡
散させて単一モードの平面型光導波路を形成する。ま
た、場合によっては、第３、第４の熱処理で最終的に単
一モードの平面型光導波路を形成する。ところで、この
ようにして形成される単一モード平面型光導波路は、第
２の工程に含まれるレンズパターンを形成する際の第３
の熱処理と、この工程におけるプロトン交換による第４
の熱処理とを受けるが、予めこれら全ての熱処理工程を
考慮し、第１の工程で行う第２の熱処理時間を短くする
ことで最終的に低損失な単一モード平面型光導波路と光
導波形レンズを作製できた。

本発明では、光導波形レンズの作製方法において、そ
れを構成する単一モード平面型光導波路とレンズ部分の
作製を、同じプロトン交換法を用いたことで、チタン拡
散法に比べて（１）製造方法が容易かつ大量生産ができ
るようになり、（２）単一モード平面型光導波路の作製
時間の短縮化が図られ、（３）光損傷に強い光導波形レ
ンズの作製が可能となった。

〔第１の実施例〕 第１図に、本発明に係る光導波形レンズの作製方法に
より作製された光導波形凸レンズの斜視図を示す。１は
ニオブ酸リチウム基板又はタンタル酸リチウム基板、２
はプロトン交換法と熱処理とで作製された単一モード平
面型光導波路、３はプロトン交換法だけで作製された凸
レンズ状部分、４は入射光、５は光導波形レンズによる
集束光である。ここで、基板１の屈折率をn_s、単一モー
ド平面型光導波路２の屈折率をn_f、凸レンズ状部分３の
屈折率をn_L、とすると、これらの屈折率の関係は、
（１）式のようになる。

n_s＜n_f＜n_L ……（１） その結果、凸レンズ状部分３は凸レンズ形状で光の集
束が成される。

第２図は、第１図で示した光導波形凸レンズの作製方
法を説明する略断面図である。ここでは特に、ニオブ酸
リチウムのｘカット基板を用いた場合の光導波形レンズ
の作製方法を説明する。ニオブ酸リチウムのｘカット基
板Ｉに対し、100％安息香酸中で150℃、20分間プロトン
交換を行った結果を第２図（ａ）に示す。この工程で作
製されるプロトン交換層2aは非常に薄く約0.1μｍ程度
であり、光の導波はできない。また第２図（ａ）は基板
上部表面においてのみプロトン交換されている状態を示
しているが、実際は溶融した安息香酸に基板を浸してい
るため、基板全面の表層部がプロトン交換される。

つぎに、基板を380℃、数分間熱処理を行った結果を
第２図（ｂ）に示す。この熱処理により基板１の表層部
のプロトンが基板深さ方向へ拡散していき、単一モード
平面型光導波路２を形成する。

そして、単一モード平面型光導波路２の上部にプロト
ン交換源として用いる酸に侵蝕されない材料（安息香酸
に対してはアルミなど）で、所望のレンズ形状の部分以
外の基板表面にマスク層６を形成する。これを第２図
（ｃ）に示す。このマスク層６の形成はフォトリソング
ラフィーによる微細パターニング技術で実現することが
可能である。第２図（ｄ）はマスク層６で覆われた基板
１を100％安息香酸中で230℃、２〜３時間プロトン交換
を行い、単一モード平面型光導波路２の中に凸レンズ状
部分３を形成した図である。マスク層６で覆われていな
い部分がプロトン交換され高屈折率部分となる。第２図
ｅはマスク層６をエッチングにより除去した結果を示
す。

〔第２の実施例〕 第３図に、本発明に係る光導波形レンズの作製方法に
より作製された光導波形レンズの斜視図を示す。７は第
１の工程のプロトン交換法と第２の熱処理、及び第２の
工程のプロトン交換法による単一モード平面型光導波
路、８は第１の工程のプロトン交換法と第２の熱処理で
作製された凸レンズ状部分である。

ここで、基板１の屈折率をn_s、単一モード平面型光導
波路７の屈折率をn_f、凹レンズ状部分８の屈折率をn_Lと
すると、これらの屈折率の関係は，（２）式のようにな
る。

n_s＜n_L＜n_f ……（２） その結果、凹レンズ状部分８は、凹レンズ形状で光の
集束が成される。

第４図は第２図で示した光導波形凹レンズの作製方法
を説明した略断面図である。

第４図（ａ）と第４図（ｂ）は第２図に示す第１の実
施例と同様である。第１の実施例と異なる点は第４図
（ｃ）に見られるように、凹レンズ形状にマスク層６を
基板１の表面上に形成する点である。第４図（ｄ）は、
第４図（ｃ）の基板１を100％安息香酸中で200℃,20分
間プロトン交換を行い、プロトン交換法熱処理で作製さ
れた単一モード平面型光導波路２の中に、プロトン交換
法だけで単一モード平面型光導波路７が作製された状態
を示している。第４図（ｅ）は、マスク層６をエッチン
グにより除去した結果を示している。

このように本発明では、プロトン交換法と熱処理を適
当に制御することで同一基板上に異なる屈折率をもつ光
導波層を形成し、光導波形レンズを作製した。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明ではニオブ酸リチウム基板
又はタンタル酸リチウム基板上に単一モード平面型光導
波路と、その導波路中に屈折率の異なる領域を同一作製
手法であるプロトン交換法で作製できることを示した。

これらのことは、従来のチタン拡散法を利用した単一
平面形導波路の作製方法と比較して、製造方法が容易で
大量生産に向いており、単一モード平面型光導波路の作
製時間を短縮させ、光損傷に強い光導波形レンズが実現
できるといった効果を有するものであり、特に、レンズ
のように光を集光する装置にあっては光損傷に強い光導
波形レンズが作製できた。

この作製方法を用いることで、信号処理用光集積回路
の重要な構成要素である光導波形レンズの作製が可能と
なった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光導波形レンズの作製方法により
作製された光導波路形凸レンズの斜視図を示す。第２図
は第１図で示した光導波形凸レンズの作製方法を説明す
る略断面図である。第３図は本発明に係る光導波形レン
ズの作製方法により作製された光導波路形凹レンズの斜
視図を示す。第４図は第３図で示した光導波形凹レンズ
の作製方法を説明する略断面図である。 図において、１はニオブ酸リチウム基板又はタンタル酸
リチウム基板、２はプロトン交換法と熱処理で作製され
た単一モード平面型光導波路、３はプロトン交換法だけ
で作製された凸レンズ状部分、４は入射光、５は光導波
型レンズによる集束光、６はマスク層、７はプロトン交
換法だけによる単一モード平面型光導波路、８はプロト
ン交換法と熱処理で作製された凹レンズ状部分をそれぞ
れ示す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光導波路内に設ける光導波形レンズの作製
   方法であって、 ニオブ酸リチウム基板またはタンタル酸リチウム基板の
   表層部のリチウムイオンを安息香酸を用いた温度150℃
   処理時間20分の第１の熱処理を伴う処理によってプロト
   ンで置換してプロトン交換層を形成した後に、置換した
   プロトンを拡散して前記基板表層部の屈折率変化量をチ
   タン拡散法による光導波路の屈折率変化量と同程度の値
   にまで低下させるために第２の熱処理を行う第１の工程
   と、 第２の熱処理がなされた前記基板の表面に、所望の形状
   をもち、かつプロトン交換源によっては浸蝕されないマ
   スクを第３の熱処理を伴う処理で形成した後に、第４の
   熱処理を伴うプロトン交換を行う第２の工程とで成り、 前記第２の熱処理及、第３の熱処理び第４の熱処理にお
   ける温度及び処理時間は、前記第１の熱処理から第４の
   熱処理までの全体及び相互の関係が前記光導波路が単一
   モード平面型光導波路となるような関係となるように、
   決められていることを特徴とする光導波形レンズの作製
   方法。