JP6136666B2 - Optical waveguide and electro-optic device - Google Patents
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Description
本発明は、ニオブ酸リチウム膜を用いた光導波路、電気光学デバイスに関する。 The present invention relates to an optical waveguide and an electro-optical device using a lithium niobate film.
ニオブ酸リチウム(LN)は大きな電気光学定数を有し、光変調器、光ジャイロ、光スイッチや電界センサなどのデバイスに応用されてきている。 Lithium niobate (LN) has a large electro-optic constant and has been applied to devices such as optical modulators, optical gyros, optical switches, and electric field sensors.
現在、LNはバルク単結晶を用いてデバイスを作製するものが主流であるが、特許文献1のようにサファイア基板上などにLN膜を形成し、デバイスを作製する技術も開示されている。
At present, LN is mainly used to fabricate devices using a bulk single crystal, but as disclosed in
このように膜でデバイスを作製すれば、バルク単結晶を加工した場合と比べて小型化、低電力化が可能となる。 When a device is manufactured using a film in this way, it is possible to reduce the size and power consumption compared to the case of processing a bulk single crystal.
しかし、本発明者がLN膜を用いてリッジ形状構造を持つ光導波路の試作を行ったところ、光伝播損失が非常に大きく、デバイスとして使用できない問題が発生した。 However, when the present inventor made a trial manufacture of an optical waveguide having a ridge shape structure using an LN film, the light propagation loss was very large, and there was a problem that it could not be used as a device.
特許文献2にはバルクLNの加工時に表面に生じたLi欠乏を補修する技術が開示されている。
しかし、この技術は900℃以上の高温で熱処理を行う必要があるが、LN膜の場合、高温に加熱すると基板との熱膨張差などで応力が発生し、LN膜にクラックが入ってしまう。また、上記文献ではLiの欠乏を補修することにより、DCドリフトや光損失の増加を抑制した光学素子を提供できるとしている。 However, this technique requires heat treatment at a high temperature of 900 ° C. or higher. However, in the case of an LN film, if it is heated to a high temperature, stress is generated due to a difference in thermal expansion from the substrate and cracks are generated in the LN film. Further, in the above document, an optical element that suppresses an increase in DC drift and optical loss can be provided by repairing the deficiency of Li.
本発明の課題は、ニオブ酸リチウム膜を用いたリッジ形状部を有する低損失の光導波路を提供することである。 An object of the present invention is to provide a low-loss optical waveguide having a ridge-shaped portion using a lithium niobate film.
本発明は、ニオブ酸リチウム膜を用いたリッジ形状部を有する光導波路において、Li/Nb元素比率が0.4以上、0.9以下であり、Nb酸化数が4.8以上5.0以下である加工変質領域を有していることを特徴とする光導波路である。 In the optical waveguide having a ridge-shaped portion using a lithium niobate film, the present invention has a Li / Nb element ratio of 0.4 to 0.9 and an Nb oxidation number of 4.8 to 5.0. It is an optical waveguide characterized by having a work-affected region.
本発明は、ニオブ酸リチウム膜の膜厚が2μm以下のエピタキシャル膜としてもよい。 The present invention may be an epitaxial film having a lithium niobate film thickness of 2 μm or less.
本発明は、光導波路を用いた電気光学デバイスとしても良く、ニオブ酸リチウム膜上にバッファ層を有する電気光学デバイスとしても良い。 The present invention may be an electro-optical device using an optical waveguide or an electro-optical device having a buffer layer on a lithium niobate film.
本発明により、ニオブ酸リチウム膜を用いたリッジ形状部を有する低損失の光導波路を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a low-loss optical waveguide having a ridge-shaped portion using a lithium niobate film.
図2は本発明の実施形態に係る光導波路を示す側断面図を示す。この光導波路は単結晶基板1と、バッファ層2と、ニオブ酸リチウム膜3(以降、LN膜3と称する)と、LN膜3の形状を加工したリッジ形状部4と、加工の際にできた変質領域5とを有している。以下、工程順に本発明の好適な実施形態について説明する。
FIG. 2 is a side sectional view showing an optical waveguide according to an embodiment of the present invention. This optical waveguide is formed by processing the
まず、図1のように単結晶基板1上にLN膜3が成膜されたものを用意する。
First, as shown in FIG. 1, a
単結晶基板1としては、高品質なLN膜3を形成させることができる基板が好ましく、サファイア単結晶基板もしくはシリコン単結晶基板が好ましい。単結晶基板1の結晶方位は特に限定されない。シリコン単結晶基板を用いる場合は屈折率がLN膜3よりも大きいため、LN光導波路を作るにはLN膜3よりも低屈折率のバッファ層2を単結晶基板1とLN膜3の間に挟むなどの工夫が必要となる。低屈折率のバッファ層2は伝播損失を悪化しないような透明な素材であり、厚さはデバイス特性が良くなるように最適化する必要がある。サファイア基板を用いる場合は、サファイアがLN膜3よりも低屈折率のため、バッファ層2は不要となる。
As the
LN膜3はエピタキシャル膜が好ましい。単結晶に近いエピタキシャル膜を用いることにより、所望の電気光学特性が得られる。LN膜3の配向はデバイスの形態によって適宜適したものを用いる。なお、LN膜3をc軸配向のエピタキシャル膜として形成する場合、c軸配向のLN膜3は3回対称の対称性を有しているので、下地の単結晶基板1も同じ対称性を有していることが望ましく、サファイア単結晶基板の場合はc面、シリコン単結晶基板の場合は(111)面の基板が好ましい。
The LN
LN膜3の組成はLixNbOzで表すと、xが0.9〜1.05であり、zは通常2.8〜3.2である。LiおよびNbは10%以下を別元素に置き換えても良い。置き換え例としては、K、Na、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、V、Cr、Mo、W、Fe、Co、Ni、Zn、Sc、Ceなどがあり、2種類以上の組み合わせでも良い。
When the composition of the
LN膜3の膜厚は0.5〜2.5μmが好適である。より好ましくは1.0〜2.0μmである。薄すぎる場合は、LN膜3に光が閉じ込めきれず、膜外に光が漏れて導波することになり、実効屈折率の変化が少なくなったり、伝播損失が増える恐れがある。厚い場合は電界を印加するためにより高い電圧が必要となったり、膜成長中もしくは成長後に内部応力でクラックが入るなどの問題が生じる。
The film thickness of the LN
LN膜3の形成方法としては、スパッタ法、CVD法、ゾルゲル法など手段は問わないが、高品質なエピタキシャル膜であることが好ましい。単結晶基板1にサファイアを用いる場合は、サファイア単結晶基板上に直接、LN膜3をエピタキシャル成長することができる。
The LN
LN膜3はデバイスを作る上で分極されていることが望ましく、成膜後に分極処理が必要となる場合がある。
It is desirable that the LN
リッジ形状部4は光導波路の中心となる部分である。LN膜3上にレジストなどのマスクをパターニングし、エッチングでリッジ形状部4を形成する。ここで、リッジ形状部4は凸形状部の上に突き出した場所を指す。この上に突き出した場所は、左右の場所と比較して、LN膜3の膜厚が厚くなっているので、実効屈折率が高くなっている。そのため、左右方向についても光を閉じ込めることができ、3次元光導波路として機能する。リッジ形状部4の形状は光を導波可能とする形状であればよく、リッジ形状部4におけるLN膜3の膜厚が、左右のLN膜3の膜厚より厚ければよい。上に凸のドーム形状、三角形状などであっても良い。リッジ形状部4の幅、高さ、形状等はデバイス特性が上がるように最適化する必要がある。
The ridge-
加工変質領域5はリッジ形状部4をドライエッチングで形成したときに、エッチングのダメージを受けた領域である。LN膜3はウェットエッチングングしづらく、ドライエッチングが微細加工に適している。ドライエッチングは反応性イオンエッチングやミリングなどが挙げられる。加工後の加工変質領域5は、X線電子分光で分析を行ったときのNb酸化数が4.5以下、Li/Nbの元素比率が0.4以上0.9以下となっており、加工変質領域5部分の光伝播損失が非常に大きい。光はリッジ形状部4内部だけでなく、リッジ形状部4の外側にも滲み出して伝搬するため、リッジ形状部4の側面およびリッジ形状部4近傍の加工変質領域5が原因となり、光導波路の伝搬損失が大きくなり、デバイスとして用いることが困難となる。
The work-affected
この光導波路に熱処理などをすることにより、Nb酸化数が4.8以上5.0以下になったとき、低損失の光導波路を提供することが出来る。具体的には大気中で140〜300℃で熱処理を行う。発明者による実験では、650℃以上で熱処理をした場合は、LN膜3の内部応力が大きくなり、クラックが発生してしまう。また、300℃を超える温度ではLN膜3表面にLi3NbO4やLiNb3O8などの変質相が析出したりするため300℃以下が好ましい。140℃未満では加工変質領域5が変化しないか、変化が少な過ぎるため不適である。140〜300℃で熱処理を施すと加工変質領域5のNb酸化数が4.8以上5.0以下となり、光伝播損失は大きく改善する。一方、Li/Nb元素比率はほとんど変化せず、0.4以上0.9以下のままである。
By heat-treating this optical waveguide, a low-loss optical waveguide can be provided when the Nb oxidation number becomes 4.8 or more and 5.0 or less. Specifically, heat treatment is performed at 140 to 300 ° C. in the atmosphere. In the experiment by the inventor, when heat treatment is performed at 650 ° C. or higher, the internal stress of the
本実施形態の光導波路では、LN膜3表面はLi欠乏のままである。従来技術において、Li欠乏による絶縁性の低下は光変調器におけるDCドリフト問題の原因の一つとされ、LN結晶はできうる限り欠陥のない最高品質のものが求められてきた。DCドリフトは光出力の動作点の経時変化のことである。動作点は通常、光出力が最大光出力と最小光出力の平均値となるようにDCバイアスにより調整されるが、LN膜3の抵抗が十分大きくないことからバイアス効果が徐々に変動してしまうのである。しかし、例えば以下のような光変調器を作った場合ではDCドリフトの問題が発生しなくなり、Li欠乏は問題とならない。図3のように、光導波路を形成したLN膜3上にバッファ層6、さらに光導波路に電界をかけるための第1電極および第2電極を形成する。この際、LN膜3の体積抵抗率がバッファ層6の体積抵抗率と比較して十分に低い場合、例えば1/100以下のような場合、DC電圧はほとんどバッファ層6に印加されるため、DCの影響は低減される。つまり、DCドリフトは発生しない。この場合、動作点補正については、DC電圧を印加する以外の公知の方法で行えばよい。
In the optical waveguide of this embodiment, the surface of the
本実施形態の低損失光導波路は、光変調器、光ファイバジャイロ素子、光スイッチや電界センサなどの電気光学デバイスに応用が可能である。 The low-loss optical waveguide of this embodiment can be applied to electro-optic devices such as an optical modulator, an optical fiber gyro element, an optical switch, and an electric field sensor.
(実施例1)
まず、c面サファイア基板にLN膜3の成膜を行った。基板加熱装置を備えたRFスパッタリング装置にLNターゲットを装着し、O2とArを混合させたスパッタガスを導入し、1μmのc軸配向のLNエピタキシャル膜を形成した。
Example 1
First, the
このLN膜3上にフォトリソグラフィの手法でリッジ形状部4部分をレジストでパターニングし、ミリング装置でLN膜3のドライエッチングを行った。ミリング装置はVeeco製のRF−350で、ビーム電圧300〜700V、ビーム電流300〜800mAの条件を用いた。そして、レジスト部分を有機溶剤で剥離し、高さ0.4μm、幅2μm、長さ20mmのリッジ型光導波路を形成した。
On the
リッジ形状部4形成時の加工変質領域5を改善するため、200℃で1時間熱処理を行った。
In order to improve the work-affected
形成した光導波路の両端を切断し、研磨を行い、光ファイバーをUV接着剤で調芯固定した。波長1550nmの半導体レーザを用いて、光の伝播損失を測定した。結果は2dB/cmであった。 Both ends of the formed optical waveguide were cut and polished, and the optical fiber was aligned and fixed with a UV adhesive. Using a semiconductor laser with a wavelength of 1550 nm, light propagation loss was measured. The result was 2 dB / cm.
(実施例2)
ドライエッチングや熱処理の効果を見るために、1.0μmのc軸配向のLN膜3にリッジ形状部4を形成せずに、図4に模式するプリズムカプラの散乱検出法で光の伝播損失を測定した。測定には波長1550nmの半導体レーザ、ルチル(TiO2)単結晶のプリズムを用い、TMモードの散乱光量変化をプローブの距離を変えて測定し、そのグラフの傾きから伝播損失を求めた。また、X線電子分光によりLN膜3表面のLi/Nb元素比率とNb酸化数を求めた。測定に用いたX線電子分光装置はULVAC−PHI製のQuantera2であり、X線源は単色化されたAl−Kα線を用い、X線出力は15kV25mW、ビーム径100μm、パスエネルギー55eVにて測定を行った。酸化数は得られた各結合ピークの面積比より見積もった。
(Example 2)
In order to see the effect of dry etching and heat treatment, the light propagation loss is reduced by the prism coupler scattering detection method schematically shown in FIG. 4 without forming the ridge-shaped
まず、ドライエッチングの効果を表1に示す。ドライエッチング後はLi/Nb元素比率が減少、Nb酸化数が小さくなった加工変質領域5が最表面に生じ、光伝播損失が大きくなる。変質の度合いはドライエッチングの条件などにより変化する。サンプル2はサンプル1に比べて、高パワー高レートでドライエッチングを行っており、より低いLi/Nb元素比率とNb酸化数となっている。サンプル1を表1、サンプル2を表2に示す。
First, Table 1 shows the effect of dry etching. After dry etching, the work-affected
このドライエッチングで光伝播損失が大きくなったサンプルを各温度1時間熱処理を加えたときの、光伝播損失の変化が図5(A)、Li/Nb元素比率の変化が図5(B)、Nb酸化数の変化が図5(C)である。そして、Nb酸化数と光伝播損失の関係を図5(D)に示す。図5(C)より、サンプル1、サンプル2共に、100℃付近からNb酸化数が大きくなることがわかる。また、図5(D)より、Nb酸化数の増加に伴い光伝播損失は小さくなることがわかる。特に、Nb酸化数が4.8以上5.0以下となる場合に光伝播損失は2dB/cm未満の小さい値となった。ドライエッチングによるダメージでLN膜3表面は、酸素欠損によりNb酸化数の低下が起きるが、140℃以上の熱処理により酸素欠損が補われ、Nb酸化数が増加し、光伝播損失が小さくなると考えられる。一方、ドライエッチングによるLi欠損は、140〜300℃の熱処理ではLi/Nb元素比率はほとんど変化せず、図5(B)より、Li/Nb元素比率が0.4以上0.9以下の加工変質領域5が残ったままの状態であることがわかる。なお、図5(B)の25℃、60℃、80℃、100℃、120℃、140℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃におけるLi/Nb元素比率は、サンプル1でそれぞれ0.71、0.79、0.81、0.76、0.75、0.78、0.82、0.81、1.17、1.23、1.28、サンプル2でそれぞれ0.48、0.45、0.46、0.51、0.47、0.48、0.45、0.46、0.94、1.08、1.14である。また、同一熱処理温度の比較から図5(A)、図5(B)より、Li/Nb元素比率が0.4以上0.9以下の加工変質領域5が残ったままの状態であっても、光伝播損失は小さく、また、上述のようにDCドリフトの問題も工夫次第で回避できると考えられる。なお、400℃以上の熱処理をした場合はLi/Nb元素比率が1を超えているが、SEMやXRD観察により、LN膜3表面にLi3NbO4の析出が観察された。この析出はデバイスの特性を不安定なものとするため、熱処理温度は300℃以下とするのが好ましい。以上の結果は、2.0μmのc軸配向のLN膜3を形成した場合においても同様であった。
FIG. 5A shows the change in the light propagation loss and FIG. 5B shows the change in the Li / Nb element ratio when the sample in which the light propagation loss is increased by the dry etching is subjected to heat treatment for 1 hour at each temperature. The change in the Nb oxidation number is shown in FIG. FIG. 5D shows the relationship between the Nb oxidation number and the light propagation loss. FIG. 5 (C) shows that the Nb oxidation number increases from around 100 ° C. for both
本発明は、光変調器、光ファイバジャイロ素子、光スイッチや電界センサなどの電気デバイスに応用が可能である。 The present invention can be applied to electrical devices such as an optical modulator, an optical fiber gyro element, an optical switch, and an electric field sensor.
1 単結晶基板
2 バッファ層2
3 LN膜
4 リッジ形状部
5 加工変質領域
6 バッファ層6
7 第1電極
8 第2電極
9 プリズム
10 プローブ
11 検出器
12 光
13 散乱光
1
3
7
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