JPH04191711A - Optical wave guide passage - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信や光情報記録などの分野で用いられる
光導波路に関するもので、特に、光制御素子あるいはそ
の素子を集積化した光部品によって構成される光学系に
用いられる電気光学効果材料からなる光導波路に関する
ものである。The present invention relates to optical waveguides used in fields such as optical communication and optical information recording, and in particular to electro-optic effect materials used in optical systems constituted by optical control elements or optical components integrated with such elements. The present invention relates to an optical waveguide.
電気光学効果材料を用いる光変調器や光スィッチなどの
光制御素子の性能向上のためには、良好な特性を有する
光導波路を形成することが極めて重要である。すなわち
、光の伝播損失が小さく、光の閉じ込め及びモード制御
のために所望の屈折率分布を持った結晶性の良い導波路
を作る技術が求められる。
電気光学効果定数の大きなＬ ｉ Ｎ ｂ Ｏｓは、そ
のような光導波路として最も有望な材料である。そのよ
うな材料から光導波路を形成する場合、一般には熱拡散
法によるのが主流となっている。すなわち、ＬｉＮｂ○
、の単結晶の表面から不純物を拡散させて、その表面近
傍に屈折率がバルクよりも高い層を形成するというもの
である。この方法によると、屈折率分布はグレーデッド
型となる。不純物としては、モード制御のために常光と
異常光との屈折率増加分を等しく調整することが容易で
あるなどの理由から、Ｔｉイオンが有効とされている。
第４図は、・そのようなＴｉ添加ＬｉＮｂ○。
からなる光導波路の製作手順を示すものである。
同図（Ａ）に示されているように、まず、ＬｉＮｂ○、
の単結晶基板ｏ１を作る。次いで、同図（Ｂ）に示され
ているように、その基板０１の表面に、スパッタリング
法によって数百オングストロームのＴｉ薄膜０２を形成
する。そして、その後、約１０００℃の温度で１０〜１
００時間熱処理する。すると、同図（Ｃ）に示されてい
るように、基板０１の表面近傍に屈折率の高い拡散層０
３が形成される。
良好な特性を有する光導波路を作るには、Ｔｉ膜０２の
厚さ、拡散温度、拡散時間などの調整要因を最適化する
ことが必要である。
この方法によれば、上述のように基板０１の表面上にＴ
ｉ薄膜０２を形成した後、ホトリソグラフィの手法によ
って第４図（Ｄ）に示されているようにストライブなど
のパターンを形成し・拡散させることによって、同図（
Ｅ） Ｇこ示されているような直接埋め込み型３次元光
導波路を作ることができるという特徴がある。また、第
４図（Ｃ）のように２次元導波路を形成した後、イオン
エツチングなどの方法によって第４図（Ｆ）に示されて
いるようなり・ンジ型３次元導波路を作ることも行われ
ている。In order to improve the performance of optical control elements such as optical modulators and optical switches using electro-optic effect materials, it is extremely important to form optical waveguides with good characteristics. In other words, there is a need for a technique for creating a waveguide with good crystallinity, which has a small optical propagation loss, and has a desired refractive index distribution for optical confinement and mode control. L i N b Os, which has a large electro-optic effect constant, is the most promising material for such an optical waveguide. When forming optical waveguides from such materials, thermal diffusion is generally the mainstream method. That is, LiNb○
In this method, impurities are diffused from the surface of a single crystal to form a layer near the surface with a refractive index higher than that of the bulk. According to this method, the refractive index distribution becomes a graded type. As an impurity, Ti ions are considered to be effective because it is easy to adjust the increase in refractive index of ordinary light and extraordinary light to be equal for mode control. FIG. 4 shows such a Ti-added LiNb○. This figure shows the manufacturing procedure of an optical waveguide consisting of the following. As shown in the same figure (A), first, LiNb○,
A single crystal substrate o1 is made. Next, as shown in FIG. 2B, a Ti thin film 02 of several hundred angstroms is formed on the surface of the substrate 01 by sputtering. Then, at a temperature of about 1000℃, 10 to 1
Heat treated for 00 hours. Then, as shown in the same figure (C), a diffusion layer 0 with a high refractive index is formed near the surface of the substrate 01.
3 is formed. In order to create an optical waveguide with good characteristics, it is necessary to optimize adjustment factors such as the thickness of the Ti film 02, diffusion temperature, and diffusion time. According to this method, T is formed on the surface of the substrate 01 as described above.
After forming the i-thin film 02, a pattern such as a stripe is formed and diffused by photolithography as shown in FIG. 4(D).
E) G) It has the feature that it is possible to create a directly embedded three-dimensional optical waveguide as shown. Furthermore, after forming a two-dimensional waveguide as shown in FIG. 4(C), it is also possible to create a zigzag-shaped three-dimensional waveguide as shown in FIG. 4(F) using a method such as ion etching. It is being done.
しかしながら、このような熱拡散法によって形成される
光導波路には、次のような問題がある。
すなわち、基板となる電気光学効果材料の単結晶は融液
から成長させて育成されるが、化学組成や構造に関係し
て完全性の高いものが得られないことである。また、拡
散処理温度が高いために、成分元素の蒸発による結晶欠
陥の増加も生じる。そのために、拡散法で製作された光
導波路には、化学組成及び構造に関係する欠陥が内在す
ることが避けられず、伝播損失の増大、レーザ光による
光損傷、電気光学効果の時間による変動（ＤＣドリフト
）などの光導波路としての特性の劣化の原因となってい
る。
性能及び信頼性が十分な素子の実用化のためには、結晶
性の良好な導波路の製作方法の開発が極めて重要である
。
Ｌ ｉ Ｎ ｂ ＯｓやＬ ｉ ＮｂＯ５−Ｌ ｉ Ｔ
ａｇｓ固溶体の光導波路は、これらを溶解させるフラッ
クスを用いた液相エピタキシャル法によっても製作する
ことができる。例えばＬｉｚＯ＋ＶｚＯｓをフラックス
として、ＬｉＮｂ○、あるいはＬ ｉ ＮｂＯ５−Ｌ
ｉＴａｇ、固溶体の溶液にＬ Ｉ Ｔ ａ ０３基板を
浸漬し、エピタキシャル層を形成する。この場合には、
屈折率分布はディスクリート型となる。こうして、結晶
性が良く伝播損失の小さい光導波路を作ることができる
。
しかしながら、そのような方法の場合には、基板のＬｉ
ＴａＯ２とＬ ｉ Ｎ ｂ Ｏ３との、結晶のＣ軸方向
の格子定数の不一致が大きいので、成長できる結晶の面
はＣ軸に垂直な面に限られることになる。また、エピタ
キシャル成長に適したフラックスには、低温で成長が可
能、フラックス構成元素のエピタキシャル層への混入が
ない、成長後の除去が容易などの要求があるが、これら
の条件を満たすフラックスがないなどの問題も残されて
いる。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであっ
て、その目的は、特定の結晶方位に限定されることなく
製作することのできる、結晶性及び光学的特性に優れた
電気光学効果材料からなる光導波路を得ることである。However, optical waveguides formed by such thermal diffusion methods have the following problems. That is, although the single crystal of the electro-optic effect material that serves as the substrate is grown from a melt, it is difficult to obtain a single crystal with high integrity due to its chemical composition and structure. Furthermore, since the diffusion treatment temperature is high, crystal defects also increase due to evaporation of component elements. Therefore, it is inevitable that optical waveguides fabricated using the diffusion method have inherent defects related to their chemical composition and structure, resulting in increased propagation loss, optical damage caused by laser light, and time-dependent fluctuations in electro-optic effects. This causes deterioration of the characteristics of the optical waveguide, such as DC drift. In order to put a device with sufficient performance and reliability into practical use, it is extremely important to develop a method for manufacturing a waveguide with good crystallinity. L i Nb Os and L i NbO5-L i T
The ags solid solution optical waveguide can also be manufactured by a liquid phase epitaxial method using a flux that dissolves them. For example, using LizO+VzOs as a flux, LiNb○ or LiNbO5-L
The L I T a 03 substrate is immersed in a solution of iTag, a solid solution, to form an epitaxial layer. In this case,
The refractive index distribution is discrete. In this way, an optical waveguide with good crystallinity and low propagation loss can be produced. However, in such a method, the Li of the substrate
Since there is a large mismatch in the lattice constants of TaO2 and L i N b O3 in the C-axis direction of the crystal, the planes of the crystal that can be grown are limited to those perpendicular to the C-axis. In addition, there are requirements for a flux suitable for epitaxial growth, such as being able to grow at low temperatures, not mixing flux constituent elements into the epitaxial layer, and being easy to remove after growth, but there are no fluxes that meet these requirements. The problem remains. The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to provide an electro-optic effect with excellent crystallinity and optical properties, which can be manufactured without being limited to a specific crystal orientation. The objective is to obtain an optical waveguide made of the material.
この目的を達成するために、本発明では、気相法によっ
て純粋な電気光学結晶のエピタキシャル薄膜を形成する
ようにしている。そして、そのための基板には、エピタ
キシャル薄膜と同じ電気光学効果材料であって、それに
不純物を添加して、少なくとも薄膜に隣接する部分の屈
折率を純粋なものよりも低下させた単結晶を用いるよう
にしている。
これを、図面を用いてより詳細に説明する。
図中、第１図は本発明による光導波路を示す断面図であ
る。
第１図（Ａ）、（Ｂ）に示されているように、本発明に
よる光導波路１．２は、基板３゜４とその表面上に形成
された薄膜結晶５．５とによって構成されている。薄膜
結晶５の屈折率はその周囲より高いものとされ、それに
よって、光導波路１．２の一端から入射した光がその薄
膜結晶５を通して他端に伝送されるようになっている。
同図（Ａ）の光導波路１の場合には、その基板３として
、全体に不純物を添加して屈折率を低下させた電気光学
効果材料の単結晶が用いられている。このような基板３
は、融液から結晶を育成する際に不純物を固溶させるこ
とによって得ることができる。また、同図（Ｂ）の先導
波路２の場合には、その基板４として、表面近傍の部分
に不純物を添加して、屈折率の低い層６を形成した電気
光学効果材料の単結晶が用いられている。このような基
板４は、無添加の単結晶の表面から不純物を拡散などの
方法で固溶させることによって得ることができる。
薄膜結晶５は、基板３，４の電気光学効果材料と同じ化
学式の高純度のものである。このような薄膜結晶５は、
イオンビームスパッタリング法などの気相成長法により
、高純度のエピタキシャル膜として形成することができ
る。
第１図（Ｂ）のような光導波路２の場合には、基板４の
無添加部の屈折率が薄膜結晶５の屈折率とほぼ等しくな
るから、薄膜結晶５に入射した光が基板４の内部に漏れ
て伝播することが考えられる。これを防ぐには、低屈折
率層６の厚さを、同図の屈折率及び光電場分布図のよう
に、薄膜結晶５を伝播する光の電場が基板４の内部に侵
入する深さ６以上の厚さとなるようにすればよい。
このようにして形成された２次元光導波路１．２の上に
レジスト膜を形成し、イオンエツチングなどにより薄膜
結晶５の一部を除去すれば、第２図（Ａ）、（Ｂ）に示
されているような３次元光導波路７．８を得ることがで
きる。To achieve this objective, the present invention uses a vapor phase method to form an epitaxial thin film of pure electro-optic crystal. The substrate for this purpose is a single crystal made of the same electro-optic material as the epitaxial thin film, but with impurities added to it to lower the refractive index of at least the part adjacent to the thin film than that of the pure material. I have to. This will be explained in more detail using the drawings. In the drawings, FIG. 1 is a sectional view showing an optical waveguide according to the present invention. As shown in FIGS. 1A and 1B, the optical waveguide 1.2 according to the present invention is composed of a substrate 3.4 and a thin film crystal 5.5 formed on the surface thereof. There is. The refractive index of the thin film crystal 5 is higher than that of its surroundings, so that light incident from one end of the optical waveguide 1.2 is transmitted through the thin film crystal 5 to the other end. In the case of the optical waveguide 1 shown in FIG. 1A, a single crystal of an electro-optic effect material whose refractive index is lowered by doping impurities throughout the substrate 3 is used. Such a board 3
can be obtained by dissolving impurities in solid solution when growing crystals from a melt. In the case of the guiding waveguide 2 shown in FIG. 2B, a single crystal of an electro-optic effect material is used as the substrate 4, with impurities added near the surface to form a layer 6 with a low refractive index. It is being Such a substrate 4 can be obtained by dissolving impurities from the surface of an additive-free single crystal by a method such as diffusion. The thin film crystal 5 is of high purity and has the same chemical formula as the electro-optic effect material of the substrates 3 and 4. Such a thin film crystal 5 is
A high-purity epitaxial film can be formed by a vapor phase growth method such as an ion beam sputtering method. In the case of the optical waveguide 2 as shown in FIG. It is possible that it leaks inside and spreads. To prevent this, the thickness of the low refractive index layer 6 must be set to a depth 6 at which the electric field of light propagating through the thin film crystal 5 penetrates into the inside of the substrate 4, as shown in the refractive index and optical electric field distribution diagram in the same figure. The thickness may be set to the above thickness. A resist film is formed on the two-dimensional optical waveguide 1.2 formed in this way, and a part of the thin film crystal 5 is removed by ion etching or the like, as shown in FIGS. 2(A) and 2(B). A three-dimensional optical waveguide 7.8 as shown in FIG.
基板に添加される不純物は、その上に形成される薄膜に
光を閉じ込めるのに十分なだけ基板の屈折率を低下させ
るとともに、固溶に伴う格子定数の変化がバルクに対し
て十分小さくなるように、化学成分及び添加量が定めら
れる。したがって、その上に純粋な電気光学結晶を成長
させる際には、基板単結晶の方位による格子定数の不一
致がほとんどなく、ホモエピタキシャルの条件を満たす
。しかも、気相法により結晶組成を制御して不純物の少
ない薄膜を形成するので、欠陥の少ないエピタキシャル
薄膜を得ることができる。したがって、光学的特性にお
いて理想的な光導波路となる。気相法による成膜は、基
板との界面において不純物の拡散が起きないように、十
分に低い温度で行われるので、界面に垂直方向の屈折率
分布はディスクリート型となる。The impurity added to the substrate lowers the refractive index of the substrate enough to confine light in the thin film formed on it, and also so that the change in lattice constant due to solid solution is sufficiently small relative to the bulk. The chemical composition and amount added are determined. Therefore, when a pure electro-optic crystal is grown on it, there is almost no mismatch in lattice constant due to the orientation of the substrate single crystal, and the homoepitaxial condition is satisfied. Moreover, since a thin film with few impurities is formed by controlling the crystal composition using a vapor phase method, an epitaxial thin film with few defects can be obtained. Therefore, it becomes an optical waveguide with ideal optical characteristics. Film formation by the vapor phase method is performed at a sufficiently low temperature so that impurity diffusion does not occur at the interface with the substrate, so the refractive index distribution in the direction perpendicular to the interface becomes discrete.
次に、本発明の実施例について説明する。
第３図（Ａ）に示されているように、
Ｌ ｉＮ ｂ Ｏｓ単結晶（×カット）を光学研磨して
、１５Ｘ １５ｍｍの基板１１を形成した。次いで、同
図（Ｂ）に示されているように、その基板１１の表面に
マグネトロンスパッタリング法により厚さ３０００μａ
＋のＭｇＯの薄［１２を形成し、その後、大気中におい
て１０００℃で３時間かけて拡散処理を行った。その結
果、同図（Ｃ）に示されているように、基板１１の表面
近傍にＭｇの拡散層１３が形成された。
このようにして形成された基板１１の表面に、ＬｉＮｂ
Ｏ５とＮｂ、ｏｓの焼結体をターゲットとして用いた同
時２元のイオンビームスパッタリング法により、Ｌ ｉ
ＮｂＯ，の結晶を成長させた。その結果、第３図（Ｄ
）に示されているように、基板１１の表面に、成膜した
ままで透明な膜１４が形成された。
その膜１４を反射型高速電子線回折により観察したとこ
ろ、単結晶薄膜であることが確認された。また、その薄
１１ｉ１４にプリズム結合によりＨｅ−Ｎｅレーザ光を
導入し、光伝播定数を求めて屈折率を計算したところ、
化学量論比（ＬｉＮｂＯ５）のバルクの値と一致した。
同じＨｅ −Ｎ ｅレーザ光の透過損失は０．１ｄＢ／
ｃｍ以下であった。Next, examples of the present invention will be described. As shown in FIG. 3(A), a LiN b Os single crystal (× cut) was optically polished to form a substrate 11 of 15×15 mm. Next, as shown in FIG. 1B, a film with a thickness of 3000 μa is deposited on the surface of the substrate 11 by magnetron sputtering.
A thin layer of MgO [12] was formed, and then a diffusion treatment was performed at 1000° C. for 3 hours in the atmosphere. As a result, an Mg diffusion layer 13 was formed near the surface of the substrate 11, as shown in FIG. On the surface of the substrate 11 formed in this way, LiNb
Li
A crystal of NbO was grown. As a result, Figure 3 (D
), a transparent film 14 was formed on the surface of the substrate 11 as it was deposited. When the film 14 was observed by reflection-type high-speed electron diffraction, it was confirmed that it was a single crystal thin film. In addition, when a He-Ne laser beam was introduced into the thin 11i14 by prism coupling and the optical propagation constant was determined and the refractive index was calculated,
The stoichiometric ratio (LiNbO5) was consistent with the bulk value. The transmission loss of the same He-N e laser beam is 0.1 dB/
cm or less.
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、基板
となる電気光学結晶の方位に制約されることなく、高純
度で結晶性が良く、伝播損失や光損傷に対する抵抗性に
優れた光導波路を得ることができる。As is clear from the above description, the present invention provides an optical guide with high purity, good crystallinity, and excellent resistance to propagation loss and optical damage without being restricted by the orientation of the electro-optic crystal that serves as the substrate. You can get a wave path.
第１図は、本発明による２次元光導波路の断面を、光電
場及び屈折率の分布を示すグラフとともに表した説明図
、
第２図は、本発明による３次元光導波路の断面図、
第３図は、本発明の実施例であるＬ ｉ Ｎ ’ｂ Ｏ
ｓの光導波路の作成手順を示す説明図、
第４図は、従来の熱拡散法によるＬ ｉ Ｎ ｂ Ｏ３
の光導波路の作成手順を示す説明図である。
１．１２・・・２次元光導波路
３．４・・・単結晶基板 ５・・・薄膜結晶６・・
・低屈折率層
７．８・・・３次元光導波路
１１・・・無添加のＬ ｉ Ｎ ｂ Ｏｓ単結晶基板１
２・・・ＭｇＯ薄膜 １３・・・Ｍｇ拡散層１４
・・・Ｌ Ｉ Ｎ ｂ Ｏｓ薄膜結晶／１
（Ｂ）
図
屈折率 光電場
］
第２図
第３５１！Ｉ
（Ａ）
（Ｃ）
第４図
Ａ）FIG. 1 is an explanatory diagram showing a cross section of a two-dimensional optical waveguide according to the present invention together with a graph showing the distribution of the optical electric field and refractive index. FIG. 2 is a cross-sectional diagram of a three-dimensional optical waveguide according to the present invention. The figure shows L i N 'b O which is an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the procedure for creating an optical waveguide of s.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a procedure for creating an optical waveguide. 1.12... Two-dimensional optical waveguide 3.4... Single crystal substrate 5... Thin film crystal 6...
・Low refractive index layer 7.8... Three-dimensional optical waveguide 11... Additive-free L i N b Os single crystal substrate 1
2...MgO thin film 13...Mg diffusion layer 14
...L I N b Os thin film crystal/1 (B) Figure refractive index Optical electric field] Figure 2 Figure 351! I (A) (C) Figure 4 A)
Claims (1)
とによって少なくとも表面近傍の部分の屈折率を純粋な
ものよりも低下させたバルクの単結晶基板と、 その基板の表面に、前記電気光学効果材料と化学式が同
じであって高純度の電気光学効果材料を気相法によりエ
ピタキシャル成長させることによって形成された薄膜結
晶と、 からなる光導波路。[Claims] A bulk single-crystal substrate made of an electro-optic effect material and having a refractive index lower than that of a pure substrate at least in a portion near the surface by doping impurities into a solid solution; , a thin film crystal formed by epitaxially growing a high-purity electro-optic material having the same chemical formula as the electro-optic material by a vapor phase method;
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|---|---|---|---|
| JP2320682A JPH04191711A (en) | 1990-11-27 | 1990-11-27 | Optical wave guide passage |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06289345A (en) * | 1992-07-08 | 1994-10-18 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Optical waveguide element |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57190909A (en) * | 1981-05-20 | 1982-11-24 | Toshiba Corp | Waveguide element and its manufacture |
-
1990
- 1990-11-27 JP JP2320682A patent/JPH04191711A/en active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57190909A (en) * | 1981-05-20 | 1982-11-24 | Toshiba Corp | Waveguide element and its manufacture |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06289345A (en) * | 1992-07-08 | 1994-10-18 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Optical waveguide element |
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