JPH04247408A - Optical waveguide - Google Patents
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Landscapes
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
Description
【０００１】0001
【産業上の利用分野】この発明は、第２高調波発生（Ｓ
ＨＧ）素子、光偏向器、光スイッチ、光増幅器あるいは
光集積回路などの光デバイスとして有用な光導波路に関
するものである。[Industrial Application Field] The present invention is directed to second harmonic generation (S).
The present invention relates to optical waveguides useful as optical devices such as HG) elements, optical deflectors, optical switches, optical amplifiers, and optical integrated circuits.
【０００２】0002
【従来技術】近年、レーザ光を利用した光情報処理装置
の発展はめざましいものがあるが、なかでも光偏向器、
光変調器、光増幅素子、光スィッチなどの光デバイスに
ついては、電気光学効果や非線形光学効果、磁気光学効
果などの光学的特性に優れ、伝搬損失の低い高品質の光
導波路の使用が不可欠である。このような要請に応えら
れる光導波路として、従来、（１） 基板に薄膜材料を
スパッタリングしたもの、（２） 基板上に液相エピタ
キシャル成長法により薄膜を形成したもの、（３） 基
板に異種元素を熱拡散し、導波路を形成したものなどが
提案されている。[Prior Art] In recent years, there has been remarkable progress in optical information processing devices that utilize laser light. Among them, optical deflectors,
For optical devices such as optical modulators, optical amplification elements, and optical switches, it is essential to use high-quality optical waveguides with excellent optical properties such as electro-optic effects, nonlinear optical effects, and magneto-optic effects, and low propagation loss. be. Conventional optical waveguides that can meet these demands include (1) those in which a thin film material is sputtered onto a substrate, (2) those in which a thin film is formed on a substrate by liquid phase epitaxial growth, and (3) those in which a different element is formed on a substrate. Some proposals have been made for thermal diffusion to form a waveguide.
【０００３】0003
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記（
１） の光導波路は、結晶性が悪いために伝搬損失が大
きく、そして（３） の光導波路は、元素の拡散方向に
屈折率の勾配が生じるために、均質なものができないと
いう欠点があった。[Problem to be solved by the invention] However, the above (
The optical waveguide (1) has a large propagation loss due to poor crystallinity, and the optical waveguide (3) has the disadvantage that it cannot be made homogeneous due to the gradient of the refractive index in the direction of diffusion of elements. Ta.
【０００４】これに対し、前記（２） の光導波路は、
上述した欠点は見当たらないものの、これまでは、実用
的な導波路を得るまでには達しておらず、例えば、「
ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ 」（
Ｖｏｌ．２４， Ｎｏ．９， １９７４） のｐ４２
４ 〜４２６ あるいは、西原浩、春名正光 他著に
かかる「光集積回路」Ｐ１６２ には、タンタル酸リチ
ウム基板上に液相エピタキシャル成長法により、ニオブ
酸リチウム単結晶薄膜を形成し、光導波路を作成した例
について記載されているが、このような光導波路は、電
気光学定数が、バルクのそれに比べ、１／３と小さいと
いう問題点があった。On the other hand, the optical waveguide of (2) above is
Although the above-mentioned drawbacks are not found, so far we have not been able to obtain a practical waveguide.
Applied Physics Letters” (
Vol. 24, No. 9, 1974) p42
4 to 426 Alternatively, in "Optical Integrated Circuits" P162 written by Hiroshi Nishihara, Masamitsu Haruna et al., a lithium niobate single crystal thin film is formed on a lithium tantalate substrate by a liquid phase epitaxial growth method to create an optical waveguide. Although an example has been described, such an optical waveguide has a problem in that the electro-optic constant is 1/3 smaller than that of the bulk.
【０００５】また、「 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃ
ｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」（ Ｖｏｌ．２６， Ｎｏ．１，
Ｊａｎｕａｒｙ １９７５） のｐ８〜１０には、タ
ンタル酸リチウム基板上に液相エピタキシャル成長法に
より、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜を形成した例が記載
されているが、これについては、本発明者らの研究では
、伝搬損失が大きく実用的ではないという結果が得られ
ている。このように液相エピタキシャル成長法により形
成された薄膜は、結晶性は良好であるにも関かかわらず
、光導波路の光学特性や伝搬損失が大きくなってしまう
という問題点があった。[0005] Also, “Applied Physics
s Letters” (Vol.26, No.1,
January 1975), pages 8 to 10, describes an example in which a lithium niobate single crystal thin film was formed on a lithium tantalate substrate by liquid phase epitaxial growth. , results have been obtained that the propagation loss is large and it is not practical. Although the thin film formed by the liquid phase epitaxial growth method has good crystallinity, there is a problem in that the optical characteristics of the optical waveguide and the propagation loss become large.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明者らは、従来技術
が抱える前述のような問題点について鋭意研究した結果
、これら問題点の原因が、基板と薄膜導波路との結晶格
子が完全にマッチングしていないため生じるものである
ことを突き止めた。そして、その解決のためには、基板
結晶と導波路を形造る薄膜結晶との結晶格子を整合させ
ることが有効であり、このように格子整合させた基板と
薄膜導波路とを用いると、従来では得られなかった理想
的な光導波路が得られることが判った。[Means for Solving the Problem] As a result of intensive research into the above-mentioned problems faced by the conventional technology, the present inventors have discovered that the cause of these problems is that the crystal lattice between the substrate and the thin film waveguide is completely It was determined that this was caused by a lack of matching. In order to solve this problem, it is effective to match the crystal lattices of the substrate crystal and the thin film crystal that forms the waveguide, and using a substrate and thin film waveguide that have been lattice matched in this way, it is possible to It was found that an ideal optical waveguide, which could not be obtained using conventional methods, could be obtained.
【０００７】そして、このような薄膜導波路であっても
、リッジ型ならびにリブ型薄膜導波層が、膜厚（Ｔ）、
リッジまたはリブの高さ（ｔ）、リッジまたはリブの幅
（Ｗ）をある特定の範囲となるように設計した場合、す
なわち、６．６×１０−２≦Ｗ／Ｔ≦６．７×１０２
にあっては、導波路内の光の閉じ込め効率およびパワー
密度が著しく高く、かつ単一モードで光を伝搬させうる
光導波路が得られることを知見し、本発明を完成した。
パワー密度とは、導波している光（入力光）の強さを光
ビームの断面積で割った値（単位はＷ／ｍ２）である。Even in such a thin film waveguide, the ridge type and rib type thin film waveguide layers have a thickness (T),
When the height (t) of the ridge or rib and the width (W) of the ridge or rib are designed to be within a certain range, that is, 6.6×10-2≦W/T≦6.7×102
The present invention was completed based on the finding that it is possible to obtain an optical waveguide that has extremely high light confinement efficiency and power density within the waveguide and can propagate light in a single mode. The power density is the value (unit: W/m2) obtained by dividing the intensity of the guided light (input light) by the cross-sectional area of the light beam.
【０００８】[0008]
【作用】本発明の光導波路は、基板と薄膜導波層の結晶
格子を互いに整合（格子整合）させることが特徴である
。このように基板を薄膜導波路と格子整合させると、格
子の歪みや結晶欠陥が極めて少なくなり、マイクロクラ
ックなどのない高品質の導波路層を形成することができ
る。[Operation] The optical waveguide of the present invention is characterized in that the crystal lattices of the substrate and the thin film waveguide layer are matched to each other (lattice matching). When the substrate is lattice-matched to the thin film waveguide in this way, lattice distortion and crystal defects are extremely reduced, and a high-quality waveguide layer without microcracks can be formed.
【０００９】このような格子整合に当たって、前記薄膜
導波層の格子定数は、基板の格子定数の ９９．８１〜
１００．０３％であることが望ましい。In such lattice matching, the lattice constant of the thin film waveguide layer is 99.81 to 99.81 of the lattice constant of the substrate.
Desirably, it is 100.03%.
【００１０】本発明の導波路は、前記薄膜導波層と基板
に屈折率を調整するための異種元素を含有させることが
望ましい。この薄膜導波層に含有させる異種元素として
は、Ｃｒ， Ｎｄ， Ｔｉ， Ｖ，Ｒｈ， Ｚｎ， Ｎ
ｉおよびＣｏから選ばれる少なくとも１種の元素が望ま
しい。また、基板に含有させる異種元素としては、Ｍｇ
， Ｔｉ， Ｖ， Ｃｒ， Ｆｅ， ＮｉおよびＮｄか
ら選ばれる少なくとも１種の元素が望ましい。とくに、
この基板に含有させる異種元素は、基板に均一に分布し
ていてもよく、基板表面に層（拡散層）を形成させても
よい。拡散層の厚さは、０．００１ 〜２０μｍが望ま
しい。なお、Ｍｇを基板に拡散させる場合は、拡散層の
厚さは２００ 〜 １０００Åが望ましい。[0010] In the waveguide of the present invention, it is desirable that the thin film waveguide layer and the substrate contain a different element for adjusting the refractive index. The different elements contained in this thin film waveguide layer include Cr, Nd, Ti, V, Rh, Zn, and N.
At least one element selected from i and Co is desirable. In addition, as a different element to be contained in the substrate, Mg
, Ti, V, Cr, Fe, Ni, and Nd. especially,
The different element contained in the substrate may be uniformly distributed on the substrate, or may form a layer (diffusion layer) on the surface of the substrate. The thickness of the diffusion layer is preferably 0.001 to 20 μm. Note that when Mg is diffused into the substrate, the thickness of the diffusion layer is preferably 200 to 1000 Å.
【００１１】本発明において、前記薄膜導波層と基板と
の組み合わせは、特に限定されるものではないが、例え
ば、薄膜導波層としては、ＬｉＮｂＯ３、α−石英、Ｋ
ＴｉＰＯＯ４（ＫＴＰ）、β−ＢａＢ２Ｏ４（ＢＢＯ）
， ＫＢ５Ｏ８・４Ｈ２Ｏ （ＫＢ５）、ＫＨ２ＰＯ４
（ＫＤＰ）、ＫＤ２ＰＯ４（ＫＤ＊ Ｐ）、ＮＨ４Ｈ２
ＰＯ４（ＡＤＰ）、Ｃ５Ｈ２ＡｓＯ４（ＣＤＡ）、Ｃ５
Ｄ２ＡｓＯ４（ＣＤ＊ Ａ）、ＲｂＨ２ＰＯ４ （ＲＤ
Ｐ） 、ＲｂＨ２ＡｓＯ４（ＲＤＡ）、ＢｅＳＯ４ ・
４Ｈ２Ｏ 、ＬｉＣｌＯ４・３Ｈ２Ｏ 、ＬｉＣｌＯ３
、α−ＬｉＣｄＢＯ３ 、ＬｉＢ３Ｏ５ （ＬＢＯ）、
尿素、などが使用でき、この薄膜導波層に組合わせて用
いる基板としては、例えば、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＴａＯ
３薄膜が形成されたＬｉＮｂＯ３、ＳｉＯ２、アルミナ
、ＢｅＯ 、ＺｎＯ 、Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２ などのガ
ーネット、ＫＴＰ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＫＤＰ、および類
似化合物、ソーダガラス、パイレクッスガラスなどが用
いられる。In the present invention, the combination of the thin film waveguide layer and the substrate is not particularly limited, but for example, the thin film waveguide layer may include LiNbO3, α-quartz, K
TiPOO4 (KTP), β-BaB2O4 (BBO)
, KB5O8・4H2O (KB5), KH2PO4
(KDP), KD2PO4 (KD*P), NH4H2
PO4 (ADP), C5H2AsO4 (CDA), C5
D2AsO4 (CD* A), RbH2PO4 (RD
P), RbH2AsO4 (RDA), BeSO4 ・
4H2O, LiClO4・3H2O, LiClO3
, α-LiCdBO3, LiB3O5 (LBO),
Urea, etc. can be used, and as a substrate used in combination with this thin film waveguide layer, for example, LiTaO3, LiTaO
Garnets such as LiNbO3, SiO2, alumina, BeO2, ZnO2, Gd3Ga5O12, KTP, BBO, LBO, KDP, and similar compounds, soda glass, Pyrex glass, etc., on which three thin films are formed, are used.
【００１２】特に薄膜導波層としてニオブ酸リチウムを
用い、基板としてタンタル酸リチウムを用いる組合わせ
は最も望ましい形態である。それは、これらの単結晶は
、結晶構造が互いに類似しており、格子整合させやすい
からである。In particular, the combination of using lithium niobate as the thin film waveguide layer and using lithium tantalate as the substrate is the most desirable form. This is because these single crystals have similar crystal structures and are easy to lattice match.
【００１３】そこで、本発明の特徴要件の１つである格
子整合について、薄膜導波路としてニオブ酸リチウムを
、基板としてタンタル酸リチウムを採用した例で、以下
に具体的に説明する。Lattice matching, which is one of the characteristics of the present invention, will be specifically explained below using an example in which lithium niobate is used as the thin film waveguide and lithium tantalate is used as the substrate.
【００１４】すなわち、通常のニオブ酸リチウムのａ軸
の格子定数は ５．１４８Åであり、タンタル酸リチウ
ムのａ軸の格子定数は ５．１５４Åであることから、
■ ＬｉＮｂＯ３ 薄膜導波層の格子定数を大きくする
か、■逆に ＬｉＴａＯ３ 基板の格子定数を小さくす
る方法が有利である。That is, since the a-axis lattice constant of normal lithium niobate is 5.148 Å, and the a-axis lattice constant of lithium tantalate is 5.154 Å,
It is advantageous to (1) increase the lattice constant of the LiNbO3 thin film waveguide layer, or (2) conversely decrease the lattice constant of the LiTaO3 substrate.
【００１５】前記■の方法としては、（ａ） 前記 Ｌ
ｉＮｂＯ３ 薄膜導波層にＮａとＭｇなどの異種元素を
含有させる方法、（ｂ）Ｌｉ／Ｎｂの比率を変える方法
が望ましい。例えば、（ａ） の方法について考えると
、ＮａとＭｇの原子もしくはイオンは、 ＬｉＮｂＯ３
に対する置換あるいは固溶により、ＬｉＮｂＯ３の格
子定数を大きくする効果を有しているためであり、結局
、ＮａとＭｇの組成を調整することにより、一般的に格
子定数の大きいＬｉＴａＯ３基板を格子整合させること
ができるからである。なお、Ｍｇについては、薄膜の光
損傷を防止する効果があり、高効率のＳＨＧ出力を得る
ために有利である。[0015] As the method (2) above, (a) the above L
Desirable methods include a method in which the iNbO3 thin film waveguide layer contains different elements such as Na and Mg, and (b) a method in which the Li/Nb ratio is varied. For example, considering method (a), Na and Mg atoms or ions are LiNbO3
This is because substitution or solid solution for LiNbO3 has the effect of increasing the lattice constant of LiNbO3, and as a result, by adjusting the composition of Na and Mg, LiTaO3 substrates, which generally have a large lattice constant, can be lattice matched. This is because it is possible. Note that Mg has the effect of preventing optical damage to the thin film, and is advantageous for obtaining highly efficient SHG output.
【００１６】薄膜導波層の格子定数を大きくするために
用いるＮａとＭｇの含有量は、それぞれＬｉＮｂＯ３に
対して、 ０．１〜１４．３モル％、 ０．８〜１０．
８モル％であることが望ましい。それは、Ｎａの含有量
が ０．１モル％より少ない場合、Ｍｇ添加量の添加量
の如何に関わらず、ＬｉＮｂＯ３薄膜とＬｉＴａＯ３基
板との格子整合が得られず、また、１４．３モル％を越
えた場合は逆に格子定数が大きくなりすぎ、いずれの場
合もＬｉＮｂＯ３薄膜とＬｉＴａＯ３基板との格子整合
が得られないからである。また、Ｍｇの含有量が ０．
８モル％より少ない場合は、光損傷を防止する効果が不
十分であり、１０．８モル％を越える場合は、ＬｉＭｇ
Ｏ３系の結晶が析出してしまうため含有させることがで
きない。The contents of Na and Mg used to increase the lattice constant of the thin film waveguide layer are 0.1 to 14.3 mol % and 0.8 to 10 mol %, respectively, based on LiNbO3.
The content is preferably 8 mol%. This is because when the Na content is less than 0.1 mol%, lattice matching between the LiNbO3 thin film and the LiTaO3 substrate cannot be obtained regardless of the amount of Mg added; This is because if it exceeds the lattice constant, the lattice constant becomes too large, and in either case, lattice matching between the LiNbO3 thin film and the LiTaO3 substrate cannot be obtained. Moreover, the content of Mg is 0.
If it is less than 8 mol%, the effect of preventing optical damage is insufficient, and if it exceeds 10.8 mol%, LiMg
It cannot be contained because O3-based crystals will precipitate.
【００１７】次に、前記（ｂ） の方法にかかる格子整
合手段としては、ＬｉＮｂＯ３単結晶中のＬｉ／Ｎｂの
モル比率を変えることにより、薄膜導波層のａ軸の格子
定数を大きくする方法である。この方法におけるＬｉ／
Ｎｂのモル比率は、４１／５９〜５６／４４であること
が望ましい。Next, as a lattice matching means according to method (b) above, there is a method of increasing the a-axis lattice constant of the thin film waveguide layer by changing the Li/Nb molar ratio in the LiNbO3 single crystal. It is. Li/ in this method
The molar ratio of Nb is preferably 41/59 to 56/44.
【００１８】次に、ＬｉＴａＯ３の格子定数を小さくす
る■の方法としては、ＬｉＴａＯ３基板にＴｉなどを含
有させる方法が好ましい。それは、このＴｉは、ＬｉＴ
ａＯ３の格子定数を小さくする効果を有するからであり
、含有させるこのＴｉの量は、 ０．５〜６０モル％で
あることが望ましい。Next, as method (2) for reducing the lattice constant of LiTaO3, it is preferable to include Ti or the like in the LiTaO3 substrate. That is, this Ti is LiT
This is because Ti has the effect of reducing the lattice constant of aO3, and the amount of Ti contained is preferably 0.5 to 60 mol%.
【００１９】さて、前述の格子整合に当たっては、前記
ＬｉＴａＯ３基板の（０００１）面にＬｉＮｂＯ３薄膜
を形成することが望ましい。このように、前記ＬｉＴａ
Ｏ３基板の（０００１）面がＬｉＮｂＯ３薄膜の成長面
であることが望ましい理由は、前記（０００１）面は、
ａ軸のみで構成されるため、ａ軸の格子定数を変えるだ
けで、ＬｉＮｂＯ３薄膜と格子整合させ得るからである
。Now, for the above-mentioned lattice matching, it is desirable to form a LiNbO3 thin film on the (0001) plane of the LiTaO3 substrate. In this way, the LiTa
The reason why it is desirable that the (0001) plane of the O3 substrate is the growth plane of the LiNbO3 thin film is that the (0001) plane is
This is because since it is composed of only the a-axis, lattice matching with the LiNbO3 thin film can be achieved simply by changing the lattice constant of the a-axis.
【００２０】なお、前記ＬｉＴａＯ３基板上に形成され
るＬｉＮｂＯ３薄膜の格子定数（ａ軸）は、前記ＬｉＴ
ａＯ３基板の格子定数（ａ軸）の ９９．８１〜１００
．０７％が好ましく、９９．９２ 〜１００．０３％が
好適である。この理由は、前記範囲を外れる場合、Ｌｉ
ＴａＯ３とＬｉＮｂＯ３の格子定数を整合させ難いから
である。Note that the lattice constant (a-axis) of the LiNbO3 thin film formed on the LiTaO3 substrate is the same as that of the LiT
The lattice constant (a-axis) of the aO3 substrate is 99.81 to 100
．． 07% is preferable, and 99.92 to 100.03% is suitable. The reason for this is that when outside the above range, Li
This is because it is difficult to match the lattice constants of TaO3 and LiNbO3.
【００２１】上述の処理に当たって必要となる格子定数
の測定は、通常の粉末Ｘ線回折により行われる。 格
子定数は、Ｃｕ−２θ＝４５〜９０°に検出されるニオ
ブ酸リチウムの１５本のピークの２θの値とその面指数
を用い最小二乗法により算出する。なお測定においては
Ｓｉを内部標準として使用する。The measurement of the lattice constant necessary for the above-mentioned treatment is carried out by ordinary powder X-ray diffraction. The lattice constant is calculated by the least squares method using the 2θ values of 15 peaks of lithium niobate detected at Cu-2θ=45 to 90° and the surface index thereof. Note that in the measurement, Si is used as an internal standard.
【００２２】さて、本発明の光導波路の形状は、スラブ
型、リッジ型、リブ型、装荷型、電圧誘起型など、いず
れの形態であってもよいが、第２高調波発生素子などの
光デバイスに応用した場合、リッジ型， リブ型の光導
波路とすることが望ましい。それは、これらの形状の光
導波路の方が、光の閉じ込め効率が高く、加工も容易に
できるからである。Now, the shape of the optical waveguide of the present invention may be any form such as slab type, ridge type, rib type, loaded type, voltage induced type, etc. When applied to devices, it is desirable to use ridge-type or rib-type optical waveguides. This is because optical waveguides with these shapes have higher light confinement efficiency and are easier to process.
【００２３】そして、本発明においては、かかるリッジ
型， リブ型の光導波路は、図１に示すように、リッジ
部またはリブ部の段差をｔ（μｍ）とし、薄膜導波層の
厚さをＴ（μｍ）とし、リッジ部またはリブ部の幅をＷ
（μｍ）としてとき、次のような条件を満たすことが望
ましい。
６．６×１０−２≦Ｗ／Ｔ≦６．７×
１０２ …（１）
０．１０ ≦ｔ／Ｔ≦０．９９
…（２）この理由は、式（１） ， 式（２）
の関係式を満たす光導波路は、パワー密度、閉じ込めの
効率が非常に高いからである。しかも、このような条件
を満たす光導波路は、単一モードで光を導波させやすく
、第２高調波発生素子、光偏向器、光スイッチなどに使
用する場合に最適だからである。In the present invention, the ridge-type or rib-type optical waveguide is constructed such that the step of the ridge portion or rib portion is t (μm), and the thickness of the thin film waveguide layer is t (μm), as shown in FIG. Let T (μm) be the width of the ridge or rib part.
(μm), it is desirable to satisfy the following conditions. 6.6×10-2≦W/T≦6.7×
102...(1)
0.10≦t/T≦0.99
...(2) The reason for this is Equation (1) and Equation (2)
This is because an optical waveguide that satisfies the relational expression has extremely high power density and confinement efficiency. In addition, an optical waveguide that satisfies these conditions can easily guide light in a single mode, and is ideal for use in second harmonic generation elements, optical deflectors, optical switches, and the like.
【００２４】さらに、前記リッジ部またはリブ部段差ｔ
（μｍ）、薄膜導波層の厚さＴ（μｍ）、リッジ部また
はリブ部幅Ｗ（μｍ）は、
２．０≦Ｗ／Ｔ≦７
．０ …（３）
０．３０ ≦ｔ／Ｔ≦０．８０
…（４）の条件を満たすことが望ま
しい。また、リッジ部またはリブ部の幅Ｗ（μｍ）は、
０．１ 〜１００ μｍであることが望ましい。Furthermore, the ridge portion or rib portion step t
(μm), the thickness T (μm) of the thin film waveguide layer, and the width W (μm) of the ridge or rib portion: 2.0≦W/T≦7
．． 0...(3)
0.30≦t/T≦0.80
...It is desirable that condition (4) is satisfied. In addition, the width W (μm) of the ridge portion or rib portion is
The thickness is preferably 0.1 to 100 μm.
【００２５】次に、本発明の単結晶薄膜導波路の製造方
法としては、液相エピタキシャル成長法、スパッタ法、
蒸着法などが望ましいが、特に液相エピタキシャル成長
法が好適である。この理由は、液相エピタキシャル成長
法によれば、結晶性に優れた均質な膜が得やすく、その
結果、光伝搬損失が少なく光導波路として好適な、しか
も単結晶の非線形光学効果、電気光学効果、音響光学効
果などを充分生かせるからである。Next, methods for manufacturing the single crystal thin film waveguide of the present invention include liquid phase epitaxial growth, sputtering,
Although a vapor deposition method is preferable, a liquid phase epitaxial growth method is particularly suitable. The reason for this is that according to the liquid phase epitaxial growth method, it is easy to obtain a homogeneous film with excellent crystallinity, and as a result, it has low optical propagation loss and is suitable as an optical waveguide. This is because the acousto-optic effect can be fully utilized.
【００２６】以下にＬｉＴａＯ３基板上に格子整合させ
たＬｉＮｂＯ３薄膜導波路を形成する具体的な方法につ
いて説明する。本発明において、ＬｉＮｂＯ３薄膜導波
路とＬｉＴａＯ３基板を格子整合させるためには、Ｌｉ
２ Ｏ ，Ｎｂ２Ｏ５， Ｖ２Ｏ５，Ｎａ２Ｏ， Ｍｇ
Ｏ などからなる溶融体にタンタル酸リチウム基板を接
触させ、エピタキシャル成長法によりニオブ酸リチウム
単結晶薄膜のａ軸の格子定数を、タンタル酸リチウム基
板のａ軸の格子定数に整合させる方法を用いるのが、高
品質の結晶が得られるので望ましい。A specific method for forming a lattice-matched LiNbO3 thin film waveguide on a LiTaO3 substrate will be described below. In the present invention, in order to lattice match the LiNbO3 thin film waveguide and the LiTaO3 substrate, Li
2 O, Nb2O5, V2O5, Na2O, Mg
A method is to use a method in which a lithium tantalate substrate is brought into contact with a melt made of O, etc., and the a-axis lattice constant of the lithium niobate single crystal thin film is matched to the a-axis lattice constant of the lithium tantalate substrate using an epitaxial growth method. , is desirable because high quality crystals can be obtained.
【００２７】そして、かような液相エピタキシャル法成
長法の実施に当たっては、Ｎａ２Ｏ，ＭｇＯ を除いた
、Ｌｉ２Ｏ、Ｖ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５ の組成範囲として
、図３に示すＬｉ２Ｏ−Ｖ２Ｏ５−Ｎｂｂ２Ｏ５ の３
成分系の三角図において、Ａ（８８．９０，２．２２，
８．８８） モル％、Ｂ（５５．００， ４３．００
， ２．００） モル％、Ｃ（４６．５０， ５１．５
０， ２．００） モル％、Ｄ（１１．１１，８０
．００， ８．８９） モル％、Ｅ（３７．５０， ５
．００， ５７．５０） モル％の５組成点で囲まれる
領域で示される組成範囲内の溶融体を用いることが有利
である。In carrying out such a liquid phase epitaxial growth method, the composition range of Li2O, V2O5, and Nb2O5 excluding Na2O and MgO is within the range of Li2O-V2O5-Nbb2O5 shown in FIG.
In the triangular diagram of the component system, A(88.90, 2.22,
8.88) Mol%, B (55.00, 43.00
, 2.00) mol%, C(46.50, 51.5
0, 2.00) mol%, D(11.11,80
．． 00, 8.89) mol%, E(37.50, 5
．． 00, 57.50) It is advantageous to use melts within the composition range indicated by the area enclosed by the 5 composition points of mol %.
【００２８】このような組成範囲の溶融体を用いること
が有利な理由は、ＮａとＭｇによるＬｉＮｂＯ３単結晶
薄膜とＬｉＴａＯ３基板との格子整合が容易になり、得
られるＬｉＮｂＯ３単結晶薄膜の光学的特性が優れてお
り、特に光伝搬損失が低く、良質なＬｉＮｂＯ３単結晶
薄膜を得ることができるからである。The reason why it is advantageous to use a melt having such a composition range is that it facilitates lattice matching between the LiNbO3 single crystal thin film made of Na and Mg and the LiTaO3 substrate, and improves the optical properties of the resulting LiNbO3 single crystal thin film. This is because a LiNbO3 single-crystal thin film of good quality can be obtained with excellent properties and particularly low optical propagation loss.
【００２９】また、前記Ｎａ２ Ｏ，ＭｇＯを除いた、
Ｌｉ２Ｏ、Ｖ２ Ｏ５ 、Ｎｂ２Ｏ５ の組成範囲とし
ては、図３に示すＬｉ２Ｏ−Ｖ２ Ｏ５ −Ｎｂ２Ｏ５
の３成分系の三角図において、Ｆ（４９．４９， ４
５．４６， ５．０５） モル％、Ｇ（１１．１１，
８０．００， ８．８９）モル％、Ｈ（４２．８１，
２２．９４， ３４．２５）モル％の３組成点で囲まれ
た組成割合であることが好ましく、さらに、前記Ｌｉ２
Ｏ−Ｖ２ Ｏ５ −Ｎｂ２Ｏ５ の組成範囲は、３成分
系の前記図３の三角図において、Ｉ（４７．６４， ４
６．１２， ６．２４） モル％、Ｊ（２７．０１，
６４．６９， ８．３０）モル％、Ｋ（３６．７１，
３７．９７， ２５．３２）モル％、Ｌ（４４．０５，
３２．９７， ２２．９８）モル％の４組成点で囲まれ
る範囲が好適であり、またさらにＭ（４５．３６，
４６．４５， ８．１９）モル％、Ｎ（３２．８９，
５７．０５， １０．０６）モル％、Ｏ（３６．７１，
４４．３０， １８．９９）モル％、Ｐ（４４．
９５，４０．５４， １４．５１）モル％の４組成点で
囲まれる範囲が最適である。[0029] Furthermore, excluding the above Na2O and MgO,
The composition range of Li2O, V2O5, and Nb2O5 is Li2O-V2O5-Nb2O5 shown in Fig. 3.
In the triangular diagram of the three-component system, F(49.49, 4
5.46, 5.05) mol%, G(11.11,
80.00, 8.89) mol%, H (42.81,
22.94, 34.25) mol %, the composition ratio is preferably surrounded by three composition points, and further, the Li2
The composition range of O-V2O5-Nb2O5 is I(47.64, 4
6.12, 6.24) mol%, J(27.01,
64.69, 8.30) mol%, K(36.71,
37.97, 25.32) mol%, L(44.05,
32.97, 22.98) mol %, the range surrounded by the four composition points is suitable, and further M(45.36,
46.45, 8.19) mol%, N (32.89,
57.05, 10.06) mol%, O(36.71,
44.30, 18.99) mol%, P(44.
The range surrounded by the four composition points of 95, 40.54, 14.51) mol % is optimal.
【００３０】また、本発明におけるＮａ２Ｏの組成割合
としては、モル比でＮａ２Ｏ／Ｌｉ２Ｏが、２．０ ／
９８．０〜９３．５／６．５ を満たす範囲であること
が望ましい。それは、前記モル比の範囲からＮａ２Ｏの
割合が外れる場合、ＬｉＴａＯ３基板とＬｉＮｂＯ３単
結晶薄膜を格子整合させることが困難なためである。前
記Ｎａ２ Ｏの組成割合として、モル比でＮａ２ Ｏ／
Ｌｉ２ Ｏが、７．４ ／９２．６〜８０．０／２０．
０を満たす範囲であることが望ましく、１６．７／８３
．３〜４８．４／５１．６を満たす範囲であることが好
適である。[0030] Furthermore, the composition ratio of Na2O in the present invention is Na2O/Li2O in molar ratio of 2.0/
It is desirable that the range satisfies 98.0 to 93.5/6.5. This is because if the proportion of Na2O deviates from the above molar ratio range, it is difficult to lattice match the LiTaO3 substrate and the LiNbO3 single crystal thin film. As the composition ratio of Na2O, the molar ratio is Na2O/
Li2O is 7.4/92.6 to 80.0/20.
It is desirable that the range satisfies 0, and 16.7/83
．． It is preferable that the range satisfies 3 to 48.4/51.6.
【００３１】次に、ＭｇＯの組成割合としては、モル比
でＭｇＯ／ＬｉＮｂＯ３の値が、 ０．１ ／９９．
９〜２５．０／７５．０を満たす組成範囲であることが
望ましい。前記ＬｉＮｂＯ３とは溶融体組成から析出可
能なニオブ酸リチウムの理論量を意味する。それは、前
記範囲よりＭｇＯの割合が低い場合は、Ｍｇの光損傷防
止効果が不充分で、上記範囲よりＭｇＯの割合が高い場
合は、ニオブ酸マグネシウム系の結晶が析出するからで
ある。Next, regarding the composition ratio of MgO, the molar ratio of MgO/LiNbO3 is 0.1/99.
It is desirable that the composition range satisfies 9 to 25.0/75.0. The above-mentioned LiNbO3 means the theoretical amount of lithium niobate that can be precipitated from the melt composition. This is because if the proportion of MgO is lower than the above range, the optical damage prevention effect of Mg is insufficient, and if the proportion of MgO is higher than the above range, magnesium niobate crystals will precipitate.
【００３２】さらに、ＭｇＯの組成割合として、モル比
でＭｇＯ／ＬｉＮｂＯ３の値が、 ０．７ ／１００
〜９．０ ／１００ を満たす組成範囲であることが
好ましく、３．５ ／１００ 〜６．０ ／１００ を
満たす組成範囲であることが好適である。Furthermore, as the composition ratio of MgO, the value of MgO/LiNbO3 in molar ratio is 0.7/100
The composition range preferably satisfies 9.0/100 to 3.5/100, and preferably 3.5/100 to 6.0/100.
【００３３】次に、 本発明においては、ＬｉＴａＯ
３基板の少なくとも表面の一部に異種元素を添加した後
、ＬｉＴａＯ３基板と格子整合されたＬｉＮｂＯ３単結
晶薄膜を形成することが望ましい。前記異種元素の添加
方法としては、熱拡散、イオン交換、イオン注入法など
の他に、液相エピタキシャル成長法、単結晶の原料中に
予め異種元素を混合しておく方法、（原料添加法）など
を用いることができる。Next, in the present invention, LiTaO
After adding a different element to at least part of the surface of the three substrates, it is desirable to form a LiNbO3 single crystal thin film that is lattice-matched to the LiTaO3 substrate. Methods for adding the different elements include thermal diffusion, ion exchange, ion implantation, etc., as well as liquid phase epitaxial growth, a method of pre-mixing different elements in the raw material of a single crystal, (raw material addition method), etc. can be used.
【００３４】とくに、前記熱拡散、イオン交換、イオン
注入法を使用した場合は、異種元素の拡散層が形成され
るが、前記拡散層の厚さは、０．００１ 〜２０μｍが
望ましい。この理由は、拡散層の厚さが ０．００１μ
ｍ未満の場合、異種元素が拡散されていない基板部分に
まで拡がる導波光の割合が多くなるため、基板として要
求される屈折率を満足することができず、また２０μｍ
を越える場合、結晶性が低下するため、光導波路として
十分な特性が得られないからである。In particular, when the thermal diffusion, ion exchange, or ion implantation method is used, a diffusion layer of a different element is formed, and the thickness of the diffusion layer is preferably 0.001 to 20 μm. The reason for this is that the thickness of the diffusion layer is 0.001μ.
If the diameter is less than 20 μm, the proportion of the guided light that spreads to the parts of the substrate where different elements are not diffused increases, making it impossible to satisfy the refractive index required for the substrate.
This is because if it exceeds 100%, the crystallinity deteriorates and sufficient characteristics as an optical waveguide cannot be obtained.
【００３５】前記異種元素の熱拡散のために基板を加熱
した後、加熱状態のまま、液相エピタキシャル成長用の
溶融体に接触させることが望ましい。この理由は、熱拡
散の後冷却させ、再度液相エピタキシャル成長のために
基板を加熱すると、基板の結晶性が低下するからである
。前記熱拡散は、溶融体の加熱時に同一炉内にて、予備
加熱を利用して行うことが好ましい。[0035] After the substrate is heated for thermal diffusion of the dissimilar element, it is desirable to bring it into contact with a melt for liquid phase epitaxial growth while keeping it heated. The reason for this is that if the substrate is cooled after thermal diffusion and then heated again for liquid phase epitaxial growth, the crystallinity of the substrate will deteriorate. It is preferable that the thermal diffusion is performed using preheating in the same furnace as the melt is heated.
【００３６】本発明においては、溶融体組成として、
Ｎｂ２Ｏ５， Ｖ２Ｏ５， Ｌｉ２Ｏ， Ｎａ２ＯとＭ
ｇＯ に加えて、Ｎｄ， Ｒｈ， Ｚｎ， Ｎｉ， Ｃ
ｏ， Ｔｉなどから選ばれる元素の酸化物を使用するこ
とができる。In the present invention, the melt composition is as follows:
Nb2O5, V2O5, Li2O, Na2O and M
In addition to gO, Nd, Rh, Zn, Ni, C
Oxides of elements selected from O, Ti, etc. can be used.
【００３７】また、本発明において、ＬｉＮｂＯ３単結
晶中のＬｉ／Ｎｂのモル比率を変えることにより、Ｌｉ
ＮｂＯ３単結晶薄膜とＬｉＴａＯ３基板を格子整合させ
る方法としては、液相エピタキシャル成長法を用い、こ
のための溶融体として少なくとも Ｋ２Ｏ， Ｖ２０５
， Ｌｉ２Ｏ，Ｎｂ２Ｏ５ からなる組成物を使用する
ことが有利である。以下にこの理由を説明する。Furthermore, in the present invention, by changing the Li/Nb molar ratio in the LiNbO3 single crystal, Li
As a method for lattice matching the NbO3 single crystal thin film and the LiTaO3 substrate, a liquid phase epitaxial growth method is used, and at least K2O, V205 is used as the melt for this purpose.
, Li2O, Nb2O5 is advantageously used. The reason for this will be explained below.
【００３８】前記 Ｋ２Ｏ， Ｖ２Ｏ５は溶融剤（フラ
ックス）として作用する。溶融剤としてＫ２Ｏ，Ｖ２Ｏ
５ を使用することにより溶融剤からのＬｉの供給を防
止できるため、原料物中のＬｉ２Ｏ，Ｎｂ２Ｏ５ の組
成比を変えることにより、析出してくるＬｉＮｂＯ３単
結晶のＬｉ／Ｎｂのモル比率を変えることができる。前
記Ｌｉ／Ｎｂのモル比率が変わると、ａ軸の格子定数も
変わるため、ＬｉＮｂＯ３単結晶薄膜のａ軸の格子定数
を原料物中のＬｉ２Ｏ，Ｎｂ２Ｏ５ の組成比を制御す
ることにより制御でき、ＬｉＮｂＯ３単結晶薄膜とＬｉ
ＴａＯ３基板を格子整合させることができる。[0038] The K2O and V2O5 act as a melting agent (flux). K2O, V2O as a melting agent
5 can prevent the supply of Li from the melting agent, so by changing the composition ratio of Li2O and Nb2O5 in the raw materials, the Li/Nb molar ratio of the precipitated LiNbO3 single crystal can be changed. Can be done. When the Li/Nb molar ratio changes, the a-axis lattice constant also changes, so the a-axis lattice constant of the LiNbO3 single crystal thin film can be controlled by controlling the composition ratio of Li2O and Nb2O5 in the raw materials, and LiNbO3 Single crystal thin film and Li
The TaO3 substrate can be lattice matched.
【００３９】前記 Ｋ２Ｏ， Ｖ２０５， Ｌｉ２Ｏ，
Ｎｂ２Ｏ５ からなる溶融体には、Ｎａ２ＯやＭｇＯ
を添加してもよい。それは、ＭｇＯ やＮａ２Ｏを添加
することにより、ＬｉＮｂＯ３単結晶薄膜のａ軸の格子
定数を大きくすることができるからである。[0039] The above K2O, V205, Li2O,
The melt consisting of Nb2O5 contains Na2O and MgO.
may be added. This is because the a-axis lattice constant of the LiNbO3 single crystal thin film can be increased by adding MgO or Na2O.
【００４０】前記溶融体組成は、モル比でＬｉ２Ｏ／Ｎ
ｂ２Ｏが４３／５７〜５６／４４であることが望ましく
、４３／５７〜５０／５０が好適である。それは、上記
範囲を外れる場合、ＬｉＮｂＯ３単結晶とは結晶構造の
異なるＬｉＮｂ３Ｏ８ などの結晶が析出するからであ
る。The melt composition has a molar ratio of Li2O/N
It is desirable that b2O is 43/57 to 56/44, and preferably 43/57 to 50/50. This is because if the temperature is outside the above range, crystals such as LiNb3O8, which have a different crystal structure from the LiNbO3 single crystal, will precipitate.
【００４１】また、 Ｋ２Ｏ， Ｖ２０５の組成割合は
、 Ｋ２Ｏ， Ｖ２０５からなる溶融剤（ＫＶＯ３換算
）／原料組成から析出可能なＬｉＮｂＯ３単結晶の理論
量の値が、モル比率で２５／７５〜７５／２５を満たす
範囲であることが望ましい。それは、上記範囲を外れる
場合、析出するＬｉＮｂＯ３単結晶の結晶構造が変化し
てしまい、光学特性が低下するためである。In addition, the composition ratio of K2O and V205 is such that the theoretical amount of LiNbO3 single crystal that can be precipitated from the melting agent (KVO3 equivalent)/raw material composition consisting of K2O and V205 is 25/75 to 75/ It is desirable that the range satisfies 25. This is because if it is out of the above range, the crystal structure of the precipitated LiNbO3 single crystal will change and the optical properties will deteriorate.
【００４２】さらに、前記ＭｇＯの組成割合は、ＭｇＯ
／原料組成から析出可能なＬｉＮｂＯ３単結晶の理論
量の値が、モル比率で０．０１／１００ 〜３０／１０
０ を満たす範囲であることが望ましい。それは、上記
モル比率を外れる場合、ニオブ酸マグネシウム系の結晶
が析出するからである。Furthermore, the composition ratio of MgO is
/ The theoretical amount of LiNbO3 single crystal that can be precipitated from the raw material composition is 0.01/100 to 30/10 in molar ratio.
It is desirable that the range satisfies 0. This is because if the molar ratio is outside the above range, magnesium niobate crystals will precipitate.
【００４３】また、Ｋ２Ｏ， Ｖ２０５ の組成割合は
、モル比率で Ｋ２Ｏ， Ｖ２０５ ＝１／１が有利
である。Furthermore, it is advantageous for the composition ratio of K2O and V205 to be K2O and V205 =1/1 in terms of molar ratio.
【００４４】本発明において、光導波路製造に当たって
は、前記溶融体を過冷却状態とした後、タンタル酸リチ
ウム基板を接触させて育成することが重要である。タン
タル酸リチウム単結晶薄膜形成面の面粗度は、ＪＩＳ
Ｂ０６０１、Ｒｍａｘ ＝３００ 〜１０００Åであ
ることが望ましい。
この理由は、Ｒｍａｘ の値を ３０００Åより小さく
することは極めて困難であり、またＲｍａｘ の値が１
０００Åより大きくなると、ニオブ酸リチウム単結晶薄
膜の結晶性が低下するからである。In the present invention, in manufacturing an optical waveguide, it is important to bring the melt into a supercooled state and then bring it into contact with a lithium tantalate substrate for growth. The surface roughness of the lithium tantalate single crystal thin film forming surface is JIS
B0601, Rmax = 300 to 1000 Å is desirable. The reason for this is that it is extremely difficult to reduce the value of Rmax to less than 3000 Å, and the value of Rmax is
This is because when the thickness exceeds 000 Å, the crystallinity of the lithium niobate single crystal thin film decreases.
【００４５】本発明において、ニオブ酸リチウム単結晶
薄膜をａ軸の格子定数が ５．１２８〜５．１５０ Å
の範囲の六方晶構造の単結晶基板と格子整合させる場合
は、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜中にＴｉを含有させる
ことが望ましい。この理由は、Ｔｉ原子あるいはイオン
はニオブ酸リチウム基板の格子定数を小さくする効果を
有し、基板と格子整合させることができるからであり、
このための方法として、Ｌｉ２Ｏ，Ｖ２ Ｏ５ ，Ｎｂ
２Ｏ５ ，ＴｉＯ２ からなる溶融体を使用できる。In the present invention, the lithium niobate single crystal thin film has an a-axis lattice constant of 5.128 to 5.150 Å.
In the case of lattice matching with a single crystal substrate having a hexagonal crystal structure in the range of 20 to 30, it is desirable to include Ti in the lithium niobate single crystal thin film. The reason for this is that Ti atoms or ions have the effect of reducing the lattice constant of the lithium niobate substrate and can be lattice matched to the substrate.
As a method for this, Li2O, V2 O5, Nb
A melt consisting of 2O5, TiO2 can be used.
【００４６】本発明のニオブ酸リチウム単結晶薄膜の成
長速度は、０．０１〜１．０ μｍ／分が望ましい。こ
れ以上成長速度が速い場合、ニオブ酸リチウム単結晶薄
膜にうねりが発生し、また、これより成長速度が遅い場
合、薄膜の育成に時間がかかるからである。The growth rate of the lithium niobate single crystal thin film of the present invention is preferably 0.01 to 1.0 μm/min. This is because if the growth rate is faster than this, waviness will occur in the lithium niobate single crystal thin film, and if the growth rate is slower than this, it will take time to grow the thin film.
【００４７】なお、図２に示すものは、市販のタンタル
酸リチウム基板の表面を光学研磨し、この基板をＮａ，
Ｍｇの組成を変えた溶融体に浸漬し、液相エピタキシャ
ル成長させ、薄膜中のＮａ，Ｍｇの含有量とニオブ酸リ
チウムのａ軸の格子定数の関係を調べたものである。In the case shown in FIG. 2, the surface of a commercially available lithium tantalate substrate is optically polished.
The relationship between the contents of Na and Mg in the thin film and the a-axis lattice constant of lithium niobate was investigated by immersing the thin film in a melt with different Mg compositions and performing liquid phase epitaxial growth.
【００４８】本発明においては、ＬｉＴａＯ３基板のａ
軸の格子定数を、異種元素を添加して調整することによ
り、ＬｉＮｂＯ３単結晶のａ軸の格子定数に合わせるこ
とにより格子整合を行うことができる。タンタル酸リチ
ウム基板のａ軸の格子定数を小さくする方法としては、
Ｔｉ原子あるいはイオンを含有させることが望ましい。
それは、Ｔｉ原子あるいはイオンは、タンタル酸リチウ
ム基板のａ軸の格子定数を小さくする効果を有するから
である。そして、このような観点から、前記Ｔｉ原子あ
るいはイオンを含有させる場合、その含有量は、タンタ
ル酸リチウム単結晶に対して０．２〜３０モル％である
ことが望ましい。また、前記異種元素が添加されａ軸の
格子定数が調整されたタンタル酸リチウム基板の製造方
法としては、ＣＺ（チョクラルスキー）法が望ましい。
この方法の下で使用する原料としては、例えば炭酸リチ
ウム、五酸化タンタル、酸化チタン、五酸化バナジウム
が挙げられる。In the present invention, a of the LiTaO3 substrate is
Lattice matching can be achieved by adjusting the lattice constant of the axis by adding a different element to match the lattice constant of the a-axis of the LiNbO3 single crystal. As a method to reduce the a-axis lattice constant of the lithium tantalate substrate,
It is desirable to contain Ti atoms or ions. This is because Ti atoms or ions have the effect of reducing the a-axis lattice constant of the lithium tantalate substrate. From this point of view, when the Ti atoms or ions are contained, the content is preferably 0.2 to 30 mol % based on the lithium tantalate single crystal. Further, as a method for manufacturing the lithium tantalate substrate to which the above-mentioned different element is added and the a-axis lattice constant is adjusted, the CZ (Czochralski) method is preferable. Raw materials used under this method include, for example, lithium carbonate, tantalum pentoxide, titanium oxide, vanadium pentoxide.
【００４９】また、前記タンタル酸リチウム基板のａ軸
の格子定数は、ナトリウムなどの異種元素の添加により
大きくすることができる。Further, the a-axis lattice constant of the lithium tantalate substrate can be increased by adding a different element such as sodium.
【００５０】本発明においては、前述のようにして基板
と格子整合させた単結晶薄膜を製造した後、その単結晶
薄膜は光学研磨や化学エッチングなどを施して膜厚を調
整する。In the present invention, after manufacturing a single crystal thin film that is lattice-matched to the substrate as described above, the single crystal thin film is subjected to optical polishing, chemical etching, etc. to adjust the film thickness.
【００５１】また、光の入射、出射部は、端面研磨を行
い、光の反射や散乱を防止することにより、光導波路に
加工する。Furthermore, the light input and output portions are processed into optical waveguides by polishing the end faces to prevent light reflection and scattering.
【００５２】また、リッジ型やリブ型の光導波路は、常
法のフォトリソグラフィーとドライエチングなどにより
加工することができる。Further, a ridge type or rib type optical waveguide can be processed by conventional methods such as photolithography and dry etching.
【００５３】また、本発明の光導波路は、薄膜導波層の
面粗さは、ＪＩＳ Ｂ０６０１ Ｒｍａｘ ＝０．０
０２ 〜０．３００ であり、薄膜導波層の端面粗さは
、ＪＩＳ Ｂ０６０１ Ｒｍａｘ ＝０．００２ 〜０
．４００ であることが望ましい。この理由は、上記範
囲では、導波光の散乱が抑えられ、入射効率が向上する
とともに、伝播損失が低下するからである。Further, in the optical waveguide of the present invention, the surface roughness of the thin film waveguide layer is JIS B0601 Rmax = 0.0.
02 to 0.300, and the end surface roughness of the thin film waveguide layer is JIS B0601 Rmax = 0.002 to 0.
．． 400 is desirable. The reason for this is that within the above range, scattering of guided light is suppressed, incidence efficiency is improved, and propagation loss is reduced.
【００５４】ところで、一般にニオブ酸リチウムやタン
タル酸リチウム単結晶が、電気光学効果、非線形光学効
果など光学的に有用な諸特性を持つためには、その製造
工程にて、キュリー点以上の温度に加熱して電界をかけ
、結晶をポーリング（分極）することが必要である。
ただし、異種元素を含有させたニオブ酸リチウムやタン
タル酸リチウムなどの単結晶は容易にポーリングできな
いことが知られている。しかしながら、本発明の製造方
法により得られるニオブ酸リチウム単結晶薄膜は、基板
であるタンタル酸リチウムが分極状態であっても、また
分極反転により電気的に中和されていても、常に分極さ
れた状態にあり、極めて優れた電気光学効果、非線形光
学効果などの諸特性を示す。By the way, in general, in order for lithium niobate or lithium tantalate single crystals to have optically useful properties such as electro-optic effects and nonlinear optical effects, they must be heated to temperatures above the Curie point during the manufacturing process. It is necessary to heat and apply an electric field to pole the crystal. However, it is known that single crystals such as lithium niobate and lithium tantalate containing different elements cannot be easily poled. However, the lithium niobate single crystal thin film obtained by the production method of the present invention is always polarized even if the lithium tantalate substrate is in a polarized state or electrically neutralized by polarization inversion. It exhibits various properties such as extremely excellent electro-optic effects and nonlinear optical effects.
【００５５】このため、本発明のニオブ酸リチウム単結
晶薄膜とタンタル酸リチウム基板は、ポーリング工程を
必要としないため、容易に製造でき、またポーリング工
程が不要であることから従来は使用が困難であった異種
元素を含有したタンタル酸リチウム基板を使用できると
いう利点を持つ。Therefore, the lithium niobate single crystal thin film and the lithium tantalate substrate of the present invention do not require a poling process, so they can be easily manufactured. This method has the advantage that a lithium tantalate substrate containing different elements can be used.
【００５６】なお、本発明の光導波路を第２高調波発生
素子（ＳＨＧ素子）に使用する場合は、基本波レーザー
光波長（λμｍ）、薄膜導波層の膜厚（Ｔμｍ）、基本
波レーザー光波長（λμｍ）における基板の常光屈折率
（ｎ０Ｓ１ ）、基本波レーザー光波長（λμｍ）にお
ける薄膜導波層の常光屈折率（ｎ０Ｆ１ ）、第２高調
波波長（λμｍ／２）における基板の異常光屈折率（ｎ
ｅＳ２ ）および第２高調波波長（λμｍ／２）におけ
る薄膜導波層の異常光屈折率（ｎｅＦ２ ）が、
のいずれかの関係式で表されることが望ましい。When the optical waveguide of the present invention is used in a second harmonic generation element (SHG element), the wavelength of the fundamental laser beam (λμm), the thickness of the thin film waveguide layer (Tμm), the fundamental wave laser Ordinary refractive index of the substrate (n0S1) at the optical wavelength (λμm), ordinary refractive index of the thin film waveguide layer (n0F1) at the fundamental laser light wavelength (λμm), and abnormality of the substrate at the second harmonic wavelength (λμm/2) Optical refractive index (n
It is desirable that the extraordinary optical refractive index (neF2) of the thin film waveguide layer at the second harmonic wavelength (λμm/2) is expressed by one of the following relational expressions.
【００５７】本発明の光導波路は、ＳＨＧ素子などの光
変調器、光偏向器、光スイッチ、光増幅素子、光集積回
路など、公知の導波路型光デバイスすべてに適用できる
。The optical waveguide of the present invention can be applied to all known waveguide-type optical devices such as optical modulators such as SHG elements, optical deflectors, optical switches, optical amplification elements, and optical integrated circuits.
【００５８】[0058]
【実施例】実施例１
（１） Ｌｉ２ＣＯ３ ５１モル％、 Ｖ２Ｏ５ ３９
モル％、 Ｎｂ２Ｏ５ １０モル％、そして溶融体組
成から析出可能な ＬｉＮｂＯ３ の理論量に対して４
３モル％の Ｎａ２ＣＯ３ と、および溶融体組成から
析出可能な ＬｉＮｂＯ３ の理論量に対して、７モル
％のＭｇＯ を添加してなる混合物を、イリジウムルツ
ボにいれ、エピタキシャル成長育成装置中で空気雰囲気
下で１１００℃まで加熱してルツボの内容物を溶解して
溶融体を得た。ついで、この溶融体をプロペラを用い、
２００ｒｐｍの回転速度で１２時間攪拌させた。[Example] Example 1 (1) Li2CO3 51 mol%, V2O5 39
mol %, Nb2O5 10 mol %, and 4 for the theoretical amount of LiNbO3 that can be precipitated from the melt composition.
A mixture of 3 mol% Na2CO3 and 7 mol% MgO added to the theoretical amount of LiNbO3 that can be precipitated from the melt composition was placed in an iridium crucible and grown in an epitaxial growth apparatus under an air atmosphere. The contents of the crucible were melted by heating to 1100°C to obtain a melt. Next, this molten body is propelled using a propeller.
The mixture was stirred for 12 hours at a rotation speed of 200 rpm.
【００５９】（２）前記溶融体を１時間当り６０℃の冷
却速度で ９１５℃まで徐冷した。タンタル酸リチウム
単結晶の（０００１）面を光学研磨し、厚さ１．８ｍｍ
とした後、面取り（Ｃ面） を行った。フォトリソグ
ラフィーおよびＲＦスパッタ法により、膜厚１０００Å
、ＭｇＯ 膜を形成した後、９２０ ℃にて熱拡散させ
、１０００ÅのＭｇＯ 拡散層をもつものを基板材料と
した。基本波レーザ光波長λを０．７８μｍとしたとき
、この基板の常光屈折率（ｎｏｓ１ ）は、２．１５１
、第２高調波λ／２における異常光屈折率（ｎｅｓ２
）は、２．２６１ であった。また、面粗度はＪＩＳ
Ｂ０６０１ Ｒｍａｘ ＝３００ Åであった。この
基板材料を９１５ ℃で３０分予備加熱した後、溶融体
中に １００ｒｐｍ で回転させながら１７分間浸漬し
た。成長速度は１．９４μｍ／分であった。(2) The melt was slowly cooled to 915°C at a cooling rate of 60°C per hour. The (0001) plane of lithium tantalate single crystal is optically polished to a thickness of 1.8 mm.
After that, chamfering (C side) was performed. The film thickness is 1000 Å by photolithography and RF sputtering method.
After forming an MgO 2 film, it was thermally diffused at 920° C., and a material having an MgO 2 diffusion layer of 1000 Å was used as a substrate material. When the fundamental laser light wavelength λ is 0.78 μm, the ordinary refractive index (nos1) of this substrate is 2.151
, the extraordinary refractive index at the second harmonic λ/2 (nes2
) was 2.261. In addition, the surface roughness is JIS
B0601 Rmax = 300 Å. This substrate material was preheated at 915° C. for 30 minutes and then immersed in the melt for 17 minutes while rotating at 100 rpm. The growth rate was 1.94 μm/min.
【００６０】（３）前記溶融体から基板材料を引き上げ
、回転数 １０００ ｒｐｍ で３０秒の間、回転させ
て溶融体を振り切った後、１ 時間当たり３００ ℃の
冷却速度でタンタル酸リチウム単結晶のキュリー温度（
６５０ ℃）まで徐冷し、その温度で１ 時間保った後
、１ 時間に６０℃の冷却速度で室温まで徐冷し、基板
材料上に約１６μｍの厚さのＮａ、Ｍｇ含有ニオブ酸リ
チウム単結晶薄膜を得た。(3) The substrate material was pulled up from the melt, rotated at a rotational speed of 1000 rpm for 30 seconds to shake off the melt, and then a lithium tantalate single crystal was cooled at a cooling rate of 300° C. per hour. Curie temperature (
650 °C), kept at that temperature for 1 hour, and then slowly cooled to room temperature at a cooling rate of 60 °C per hour to deposit a layer of lithium mononiobate containing Na and Mg on the substrate material with a thickness of about 16 μm. A crystal thin film was obtained.
【００６１】（４）得られたニオブ酸リチウム単結晶薄
膜中に含有されていたＮａ， Ｍｇの量は、それぞれ２
モル％、６モル％であった。また、該薄膜の格子定数（
ａ軸）は ５．１５５Å、入射光波長λを０．８３μｍ
で測定した常光屈折率は（ｎｏＦ１ ）は２．２６４
、第２高調波λ／２における異常光屈折率（ｎｅＦ２
）は ２．２６３であった。得られたニオブ酸リチウム
単結晶薄膜の表面の面粗度は、ＪＩＳ Ｂ０６０１ Ｒ
ｍａｘ ＝３００ Åであった。(4) The amounts of Na and Mg contained in the obtained lithium niobate single crystal thin film were 2.
The mol% was 6 mol%. In addition, the lattice constant of the thin film (
a-axis) is 5.155 Å, and the incident light wavelength λ is 0.83 μm.
The ordinary refractive index measured at (noF1) is 2.264
, the extraordinary refractive index at the second harmonic λ/2 (neF2
) was 2.263. The surface roughness of the obtained lithium niobate single crystal thin film was JIS B0601 R.
max = 300 Å.
【００６２】（５）得られたニオブ酸リチウム単結晶薄
膜を光学研磨し、イオンビームエッチングにより、２．
７μｍの厚さとした後、フォトリゾグラフィーとＲＦス
パッタリングにより、Ｔｉ導波路パターンを形成し、こ
れをエッチングマスクとして、イオンビームエッチング
した後、Ｔｉエッチングマスクを除去し、さらにイオン
ビームエッチングし、さらに導波路の端面を研磨し、面
粗度をＪＩＳ Ｂ０６０１ Ｒｍａｘ ＝４００ Åと
することにより、幅１０μｍ、膜厚２．５０±０．０５
μｍ、段差２．０ μｍのリッジ型導波路を作成した。
ニオブ酸リチウム単結晶薄膜の表面の面粗度は、ＪＩＳ
Ｂ０６０１ Ｒｍａｘ ＝３００ Åであった。(5) The obtained lithium niobate single crystal thin film was optically polished and subjected to ion beam etching.
After the thickness was set to 7 μm, a Ti waveguide pattern was formed by photolithography and RF sputtering, and after ion beam etching was performed using this as an etching mask, the Ti etching mask was removed, and further ion beam etching was performed. By polishing the end face of the wave path and setting the surface roughness to JIS B0601 Rmax = 400 Å, the width is 10 μm and the film thickness is 2.50 ± 0.05.
A ridge-type waveguide with a height difference of 2.0 μm was created. The surface roughness of the lithium niobate single crystal thin film is determined by JIS
B0601 Rmax = 300 Å.
【００６３】上述した実施例で作成した光導波路に、８
３０ ｎｍの光を導波させたところ、４１５ ｎｍの第
２高調波光（ＳＨＧ）の発生を確認した。そして、この
導波路は、単一モードであり、前記（５） 式， （６
）式に示されるＳＨＧ素子は次のようなものとなった。[0063] In the optical waveguide created in the above example, 8
When 30 nm light was guided, generation of 415 nm second harmonic light (SHG) was confirmed. This waveguide is single mode, and the above equation (5), (6
) The SHG element shown in the formula is as follows.
【００６４】実施例２
（１） Ｎａ２ＣＯ３ １２．８モル％、 Ｖ２Ｏ５
４０モル％、Ｎｂ２Ｏ５ １０モル％、および Ｌｉ２
ＣＯ３ を３７．２モル％、溶融体組成から析出可能な
ＬｉＮｂＯ３ の理論量に対して、５モル％のＭｇＯ
を添加してなる混合物を、白金ルツボに入れ、エピタ
キシャル成長育成装置中で空気雰囲気下で１１００℃ま
で加熱してルツボの内容物を溶解して溶融体を得た。つ
いで、この溶融体をプロペラを用い、１５０ｒｐｍの回
転速度で２０時間攪拌させた。Example 2 (1) Na2CO3 12.8 mol%, V2O5
40 mol%, Nb2O5 10 mol%, and Li2
37.2 mol% CO3 and 5 mol% MgO based on the theoretical amount of LiNbO3 that can be precipitated from the melt composition.
A mixture obtained by adding the above was placed in a platinum crucible and heated to 1100° C. in an air atmosphere in an epitaxial growth growth apparatus to melt the contents of the crucible to obtain a melt. This melt was then stirred using a propeller at a rotational speed of 150 rpm for 20 hours.
【００６５】（２）厚さ１ｍｍ のタンタル酸リチウム
基板を面取り（Ｒ面）した後、厚さ２５０ ÅのＭｇＯ
層をスパッタにより形成し、９４０ ℃で熱拡散させ
、厚さ２５０ Åの拡散層を形成した。屈折率は、Ｍｇ
Ｏを拡散させない場合よりも ０．０１５低下していた
。また、基板表面の面粗度は、ＪＩＳ Ｂ０６０１ Ｒ
ｍａｘ ＝１７０ Åであった。(2) After chamfering (R surface) a 1 mm thick lithium tantalate substrate, a 250 Å thick MgO
The layer was sputtered and thermally diffused at 940° C. to form a 250 Å thick diffusion layer. The refractive index is Mg
It was 0.015 lower than when O was not diffused. In addition, the surface roughness of the substrate surface is determined according to JIS B0601 R.
max = 170 Å.
【００６６】（３）前記溶融体を１時間当り６０℃の冷
却速度で ９３８℃まで徐冷した後、前記基板を ９３
８℃で５０分間予備加熱し、溶融体中に１００ｒｐｍで
回転させながら２０分間浸漬した。ニオブ酸リチウムの
成長速度は、０．７ μｍ／分であった。
（４）前記溶融体から基板材料を引き上げ、回転数 １
０００ ｒｐｍ で３０秒の間回転させて溶融体を振り
切った後、１ ℃／分で７００ ℃まで冷却し、７００
℃から６００ ℃まで０．１ ℃／分で冷却し、さら
に６００ ℃から室温まで１ ℃／分で徐冷し、基板材
料上に約１０μｍの厚さのＮａ， Ｍｇ含有ニオブ酸リ
チウム単結晶薄膜を得た。(3) After slowly cooling the melt to 938°C at a cooling rate of 60°C per hour, the substrate is heated to 93°C.
It was preheated at 8° C. for 50 minutes and immersed in the melt for 20 minutes while rotating at 100 rpm. The growth rate of lithium niobate was 0.7 μm/min. (4) Pull up the substrate material from the melt and rotate at 1
After shaking off the melt by rotating at 000 rpm for 30 seconds, it was cooled to 700 °C at 1 °C/min.
℃ to 600 ℃ at a rate of 0.1 ℃/min, and then from 600 ℃ to room temperature at a rate of 1 ℃/min to form a lithium niobate single crystal thin film containing Na and Mg with a thickness of approximately 10 μm on the substrate material. I got it.
【００６７】（５）得られたニオブ酸リチウム単結晶薄
膜中に含有されていたＮａ， Ｍｇの量は、それぞれ１
モル％、６モル％であった。また、該薄膜の格子定数（
ａ軸）は ５．１５３Å、入射光波長１．１５μｍで測
定した屈折率は、２．２３１ ±０．００１ であった
。ニオブ酸リチウムの表面粗度は、ＪＩＳ Ｂ０６０１
Ｒｍａｘ ＝５００ Åであった。(5) The amounts of Na and Mg contained in the obtained lithium niobate single crystal thin film were each 1
The mol% was 6 mol%. In addition, the lattice constant of the thin film (
a-axis) was 5.153 Å, and the refractive index measured at an incident light wavelength of 1.15 μm was 2.231 ±0.001. The surface roughness of lithium niobate is JIS B0601
Rmax = 500 Å.
【００６８】（６）得られたニオブ酸リチウム単結晶薄
膜を光学研磨し、イオンビームエッチングにより、３．
９ μｍの厚さとした後、実施例１と同様の方法にて、
幅８μｍ、膜厚さ３．６５μｍ±０．０５μｍ、段差
１．５μｍのリッジ型導波路を作成した。このときニオ
ブ酸リチウムの表面粗度は、ＪＩＳ Ｂ０６０１ Ｒｍ
ａｘ ＝５００ Å、導波路の端面の粗度は、ＪＩＳ
Ｂ０６０１ Ｒｍａｘ ＝５００ Åであった。この導
波路は、単一モードであり、（５） ， （６） 式に
示す素子の構成は、次のとおりのものであった。
ｔ／Ｔ＝０．４
Ｗ／Ｔ＝２．２(6) The obtained lithium niobate single crystal thin film was optically polished and subjected to ion beam etching.
After making the thickness 9 μm, in the same manner as in Example 1,
Width 8μm, film thickness 3.65μm±0.05μm, step
A 1.5 μm ridge-type waveguide was created. At this time, the surface roughness of lithium niobate is JIS B0601 Rm
ax = 500 Å, the roughness of the waveguide end face is JIS
B0601 Rmax = 500 Å. This waveguide was a single mode, and the configuration of the element shown in equations (5) and (6) was as follows. t/T=0.4 W/T=2.2
【００６９】実施例３
（１）Ｎａ２ ＣＯ３ ３０ モル％、Ｌｉ２ ＣＯ
３ ２０ モル％、Ｖ２ Ｏ５ ４０モル％、Ｎｂ２Ｏ
５ １０モル％、および前記溶融物組成から析出可能な
ＬｉＮｂＯ３の理論量に対して５モル％のＭｇＯを添加
（ＭｇＯ／Ｎｂ２Ｏ５ ＝１０／９５）した混合物を白
金ルツボにいれ、エピタキシャル成長育成装置中で空気
雰囲気下で １０００℃まで加熱してルツボの内容物
を溶解して溶融体を得た。Example 3 (1) 30 mol% Na2 CO3, Li2 CO
3 20 mol%, V2O5 40 mol%, Nb2O
5. A mixture containing 10 mol% of MgO and 5 mol% of MgO added to the theoretical amount of LiNbO3 that can be precipitated from the melt composition (MgO/Nb2O5 = 10/95) was placed in a platinum crucible, and the mixture was placed in an epitaxial growth growth apparatus. The contents of the crucible were melted by heating to 1000° C. in an air atmosphere to obtain a melt.
【００７０】（２）得られた溶融体を１時間当り６０℃
の冷却速度で ９０７℃まで徐冷した。Ｎａを含有させ
たタンタル酸リチウム単結晶の（０００１）面を光学研
磨した後、化学エッチングし、厚さを１．０ｍｍ とし
、さらに面取り（Ｃ面）したものを基板材料とした。面
粗度は、ＪＩＳ Ｂ０６０１ Ｒｍａｘ ＝３００ Å
であった。この基板材料に含有されていたＮａの量は４
モル％であった。また、基板材料の格子定数（ａ軸）は
、５．１６３ Åであった。この基板材料を溶融液から
１５ｍｍに高さで３０分予備加熱し、ついで前記溶融体
中に１００ｒｐｍで回転させながら７分間浸漬した。ニ
オブ酸リチウム単結晶薄膜の成長速度は、１．１４μｍ
／分であった。(2) Heat the obtained melt at 60°C per hour.
It was slowly cooled to 907°C at a cooling rate of . The (0001) plane of a lithium tantalate single crystal containing Na was optically polished, chemically etched to a thickness of 1.0 mm, and further chamfered (C-plane) to be used as a substrate material. Surface roughness is JIS B0601 Rmax = 300 Å
Met. The amount of Na contained in this substrate material was 4
It was mol%. Further, the lattice constant (a-axis) of the substrate material was 5.163 Å. The substrate material was preheated for 30 minutes at a height of 15 mm above the melt and then immersed in the melt for 7 minutes while rotating at 100 rpm. The growth rate of lithium niobate single crystal thin film is 1.14 μm
/minute.
【００７１】（３）前記溶融体から基板材料を引き上げ
、回転数１０００ｒｐｍ で回転させながら３０秒の間
回転させて溶融体を振り切った後、５℃／分の冷却速度
でタンタル酸リチウム単結晶のキュリー温度（６４５
℃）まで徐冷し、その温度で３０分間保った後、１ 時
間に６０℃の冷却速度で室温まで徐冷し、基板材料上に
約７μｍの厚さのＮａ、Ｍｇ含有ニオブ酸リチウム単結
晶薄膜を得た。(3) Pull up the substrate material from the melt, shake it off by rotating it for 30 seconds at a rotational speed of 1000 rpm, and then cool the lithium tantalate single crystal at a cooling rate of 5° C./min. Curie temperature (645
℃), kept at that temperature for 30 minutes, and then gradually cooled to room temperature at a cooling rate of 60℃ per hour to deposit a single crystal of lithium niobate containing Na and Mg with a thickness of about 7 μm on the substrate material. A thin film was obtained.
【００７２】（４）得られたニオブ酸リチウム単結晶薄
膜中に含有されていたＮａ、Ｍｇの量は、それぞれ７モ
ル％、６モル％であった。また、上記単結晶薄膜の格子
定数（ａ軸）は５．１６３ Å、入射光波長１．１５μ
ｍで測定した屈折率は、２．２３２ ±０．００１ で
あった。得られたニオブ酸リチウム単結晶薄膜の表面の
面粗度は、ＪＩＳ Ｂ０６０１ Ｒｍａｘ ＝８００
Åであった。(4) The amounts of Na and Mg contained in the obtained lithium niobate single crystal thin film were 7 mol % and 6 mol %, respectively. Furthermore, the lattice constant (a-axis) of the single crystal thin film is 5.163 Å, and the incident light wavelength is 1.15 μ.
The refractive index measured in m was 2.232 ±0.001. The surface roughness of the obtained lithium niobate single crystal thin film was JIS B0601 Rmax = 800
It was Å.
【００７３】（５）得られたニオブ酸リチウム単結晶薄
膜を光学研磨し、イオンビームエッチングにより、２．
７μｍの厚さとした後、実施例１と同様の方法にて幅５
μｍ、膜厚２．３０±０．０２μｍ、段差１．０ μｍ
のリッジ型導波路を作成した。ニオブ酸リチウム単結晶
薄膜の表面の面粗度は、ＪＩＳ Ｂ０６０１ Ｒｍａｘ
＝１００ Åであり、導波路の端面の粗度は、ＪＩＳ
Ｂ０６０１ Ｒｍａｘ ＝１００ Åであった。この
導波路は単一モードであり、前記（５） ， （６）
式の素子構成は次のとおりのものであった。
ｔ／Ｔ＝０．４
Ｗ／Ｔ＝２．２(5) The obtained lithium niobate single crystal thin film was optically polished and subjected to ion beam etching.
After the thickness was set to 7 μm, a width of 5 μm was obtained using the same method as in Example 1.
μm, film thickness 2.30±0.02 μm, step difference 1.0 μm
A ridge-type waveguide was created. The surface roughness of the lithium niobate single crystal thin film is JIS B0601 Rmax
= 100 Å, and the roughness of the end face of the waveguide is according to JIS
B0601 Rmax = 100 Å. This waveguide is single mode, and as described in (5) and (6) above.
The element configuration of the equation was as follows. t/T=0.4 W/T=2.2
【００７４】実施例４
（１） Ｌｉ２ＣＯ３ ４９モル％、 Ｖ２Ｏ５ ４１
モル％、 Ｎｂ２Ｏ５ １０モル％、そして溶融体組
成から析出可能な ＬｉＮｂＯ３ の理論量に対して、
４３モル％の Ｎａ２ＣＯ３ および溶融体組成から析
出可能な ＬｉＮｂＯ３の理論量に対して、６ モル％
のＮｇＯ を添加してなる混合物を、イリジウムルツボ
にいれ、エピタキシャル成長育成装置中で空気雰囲気下
で１１００℃まで加熱してルツボの内容物を溶解して溶
融体を得た。
ついで、この溶融体をプロペラを用い、２００ｒｐｍの
回転速度で１２時間攪拌させた。Example 4 (1) Li2CO3 49 mol%, V2O5 41
mol%, Nb2O5 10 mol%, and the theoretical amount of LiNbO3 that can be precipitated from the melt composition.
Based on 43 mol% Na2CO3 and the theoretical amount of LiNbO3 that can be precipitated from the melt composition, 6 mol%
of NgO 2 was placed in an iridium crucible and heated to 1100° C. in an epitaxial growth and growth apparatus under an air atmosphere to melt the contents of the crucible to obtain a melt. This melt was then stirred using a propeller at a rotational speed of 200 rpm for 12 hours.
【００７５】（２）前記溶融体を１時間当り６０℃の冷
却速度で ９１５℃まで徐冷した。タンタル酸リチウム
単結晶の（０００１）面を光学研磨し、厚さ１．８ｍｍ
とした後、面取り（Ｃ面）を行った。フォトリソグラ
フィーおよびＲＦスパッタ法により、膜厚１０００Å、
幅５μｍのＭｇＯ 膜を形成した。ついで、この基板を
２．６７ｃｍ／分でエピタキシャル成長育成装置中の溶
融体に近づけ、予備加熱と熱拡散を同時に行った。拡散
層の厚さは、１０００Åであった。この基板材料を溶融
体中に １００ｒｐｍ で回転させながら１７分間浸漬
した。成長速度は１．９４μｍ／分であった。(2) The melt was slowly cooled to 915°C at a cooling rate of 60°C per hour. The (0001) plane of lithium tantalate single crystal is optically polished to a thickness of 1.8 mm.
After that, chamfering (C side) was performed. By photolithography and RF sputtering method, the film thickness is 1000 Å,
A MgO film with a width of 5 μm was formed. Next, this substrate was brought close to the melt in the epitaxial growth apparatus at 2.67 cm/min, and preheating and thermal diffusion were performed simultaneously. The thickness of the diffusion layer was 1000 Å. The substrate material was immersed in the melt for 17 minutes while rotating at 100 rpm. The growth rate was 1.94 μm/min.
【００７６】（３）前記溶融体から基板材料を引き上げ
、回転数 １０００ ｒｐｍ で３０の秒間回転させて
溶融体を振り切った後、１ 時間当たり３００ ℃の冷
却速度でタンタル酸リチウム単結晶のキュリー温度（６
５０ ℃）まで徐冷し、その温度で１ 時間保った後、
１ 時間に６０℃の冷却速度で、室温まで徐冷し、基板
材料上に約２１μｍの厚さのＮａ、Ｍｇ含有ニオブ酸リ
チウム単結晶薄膜を得た。(3) Pull up the substrate material from the melt, shake it off by rotating it at a rotational speed of 1000 rpm for 30 seconds, and then cool it at a cooling rate of 300° C. per hour to the Curie temperature of the lithium tantalate single crystal. (6
After cooling slowly to 50℃ and keeping at that temperature for 1 hour,
The mixture was gradually cooled to room temperature at a cooling rate of 60° C. per hour to obtain a lithium niobate single crystal thin film containing Na and Mg with a thickness of about 21 μm on the substrate material.
【００７７】（４）得られたニオブ酸リチウム単結晶薄
膜中に含有されていたＮａ、Ｍｇの量は、それぞれ２モ
ル％、５ モル％であった。また、薄膜の格子定数（ａ
軸）は ５．１５５Å、入射光波長１．１５μｍで測定
した屈折率は、２．２３１ ±０．００１ であった。
得られたニオブ酸リチウム単結晶薄膜の表面の面粗
度は、ＪＩＳ Ｂ０６０１ Ｒｍａｘ ＝９００ Åで
あった。(4) The amounts of Na and Mg contained in the obtained lithium niobate single crystal thin film were 2 mol% and 5 mol%, respectively. In addition, the lattice constant of the thin film (a
The refractive index measured at an incident light wavelength of 1.15 μm was 2.231 ±0.001. The surface roughness of the obtained lithium niobate single crystal thin film was JIS B0601 Rmax = 900 Å.
【００７８】（５）得られたニオブ酸リチウム単結晶薄
膜を、光学研磨し、イオンビームエッチングにより ６
．８μｍの厚さとした後、実施例１と同様の方法にて幅
１５μｍ、膜厚５．７０±０．０５μｍ、段差３．６μ
ｍのリッジ型の導波路を得た。得られたニオブ酸リチウ
ム単結晶薄膜の表面の面粗度は、ＪＩＳ Ｂ０６０１
Ｒｍａｘ ＝３００ Å、導波路の端面の粗度は、ＪＩ
Ｓ Ｂ０６０１ Ｒｍａｘ ＝４００ Åであった。こ
の導波路は単一モードであり、前記（５） ， （６）
式に示す素子構成は次のとおりのものであった。
ｔ／Ｔ＝０．６
Ｗ／Ｔ＝２．６(5) The obtained lithium niobate single crystal thin film was optically polished and subjected to ion beam etching.
．． After the thickness was set to 8 μm, a width of 15 μm, a film thickness of 5.70±0.05 μm, and a step difference of 3.6 μm was obtained using the same method as in Example 1.
A ridge-type waveguide of m was obtained. The surface roughness of the obtained lithium niobate single crystal thin film was determined according to JIS B0601.
Rmax = 300 Å, the roughness of the waveguide end face is JI
S B0601 Rmax = 400 Å. This waveguide is single mode, and as described in (5) and (6) above.
The element configuration shown in the formula was as follows. t/T=0.6 W/T=2.6
【００７９】実施例５
（１）Ｌｉ２ＣＯ３ ２１．０ モル％， Ｎｂ２Ｏ５
３４．０モル％， Ｋ２ＣＯ３ ２２．５ モル％
， Ｖ２Ｏ５ ２２．５ モル％，および前記溶融体
組成から析出可能な ＬｉＮｂＯ３ の理論量に対して
５ モル％ のＭｇＯ を添加してなる混合物を、白金
ルツボに入れ、エピタキシャル成長育成装置中で空気雰
囲気下で１１００℃まで加熱してルツボの内容物を溶解
して溶融体を得た。Example 5 (1) Li2CO3 21.0 mol%, Nb2O5
34.0 mol%, K2CO3 22.5 mol%
, 22.5 mol % of V2O5, and 5 mol % of MgO based on the theoretical amount of LiNbO3 that can be precipitated from the melt composition was placed in a platinum crucible and grown in an epitaxial growth apparatus under an air atmosphere. The contents of the crucible were melted by heating to 1100° C. to obtain a melt.
【００８０】（２）この溶融体を１時間当り６０℃の冷
却速度で ８９３℃まで徐冷した。タンタル酸リチウム
単結晶の（０００１）面を光学研磨し厚さ１．５ｍｍ
とした。面粗度は、ＪＩＳ Ｂ０６０１ Ｒｍａｘ ＝
４００ Å であった。次に、この基板材料を溶融体
上１５ｍｍの位置にて８９３ ℃にて予備加熱し、つい
で前記溶融体中に１００ｒｐｍで回転させながら１１分
間浸漬した。ニオブ酸リチウム単結晶薄膜の成長速度は
、０．５４μｍ／ 分であった。(2) This melt was slowly cooled to 893°C at a cooling rate of 60°C per hour. The (0001) plane of lithium tantalate single crystal is optically polished to a thickness of 1.5 mm.
And so. Surface roughness is JIS B0601 Rmax =
It was 400 Å. The substrate material was then preheated at 893° C. 15 mm above the melt and then immersed in the melt for 11 minutes while rotating at 100 rpm. The growth rate of the lithium niobate single crystal thin film was 0.54 μm/min.
【００８１】（３）前記溶融体から基板材料を引き上げ
、回転数 １０００ ｒｐｍ で３０秒の間回転させて
溶融体を振り切った後、１℃／ 分の冷却速度で、６３
０ ℃まで冷却し、ついで６３０ ℃から６００ ℃ま
で０．２ ℃／ 分で冷却、さらに室温まで１℃／ 分
で徐冷し、基板材料上に約６μｍの厚さのＭｇＯ 含有
ニオブ酸リチウム単結晶薄膜を得た。
この単結晶薄膜の格子定数（ａ軸）は ５．１５４Åで
あり、入射光波長１．１５μｍで測定した屈折率は、２
．２３１ ±０．００１ であった。得られたニオブ酸
リチウム単結晶薄膜の表面の面粗度は、ＪＩＳ Ｂ０６
０１ Ｒｍａｘ ＝１４００Åであった。(3) The substrate material was pulled up from the melt, rotated at a rotational speed of 1000 rpm for 30 seconds to shake off the melt, and then heated at a cooling rate of 1° C./min for 63 minutes.
The substrate was cooled to 0 °C, then cooled from 630 °C to 600 °C at a rate of 0.2 °C/min, and further slowly cooled to room temperature at a rate of 1 °C/min. A crystal thin film was obtained. The lattice constant (a-axis) of this single crystal thin film is 5.154 Å, and the refractive index measured at an incident light wavelength of 1.15 μm is 2.
．． 231 ±0.001. The surface roughness of the obtained lithium niobate single crystal thin film was JIS B06.
01 Rmax = 1400 Å.
【００８２】（４）得られたニオブ酸リチウム単結晶薄
膜を、光学研磨し、反応性イオンビームエッチングによ
り １．５μｍの厚さとした後、実施例１と同様の方法
にて幅５μｍ、膜厚１．２１±０．０２μｍ、段差 ０
．９μｍのリッジ型の導波路を得た。得られたニオブ酸
リチウム単結晶薄膜の表面の面粗度は、ＪＩＳ Ｂ０６
０１ Ｒｍａｘ ＝１３００Å、導波路の端面の粗度は
、ＪＩＳ Ｂ０６０１ Ｒｍａｘ ＝１０００Åであっ
た。この導波路は、単一モードであり、前記（５） ，
（６） 式に示す素子としての構成は、次のとおりの
ものであった。
ｔ／Ｔ＝０．７
Ｗ／Ｔ＝４．１(4) The obtained lithium niobate single crystal thin film was optically polished and made to a thickness of 1.5 μm by reactive ion beam etching, and then processed to a width of 5 μm and a film thickness of 5 μm using the same method as in Example 1. 1.21±0.02μm, step 0
．． A 9 μm ridge-type waveguide was obtained. The surface roughness of the obtained lithium niobate single crystal thin film was JIS B06.
01 Rmax = 1300 Å, and the roughness of the end face of the waveguide was JIS B0601 Rmax = 1000 Å. This waveguide is single mode, and as described in (5) above,
The configuration of the element shown in formula (6) was as follows. t/T=0.7 W/T=4.1
【００８３】実施例６
（１） Ｎａ２ＣＯ３ ２６．８モル％、 Ｌｉ２ＣＯ
３ ２３．２モル％、 Ｖ２Ｏ５ ３８．０モル％、
Ｎｂ２Ｏ５１２．０モル％ 前記溶融体組成から析出
可能な ＬｉＮｂＯ３ の理論量に対して、１２．０モ
ル％のＴｉＯ２を添加してなる混合物をイリジウムルツ
ボに入れ、エピタキシャル成長育成装置中で空気雰囲気
下で１１００℃まで加熱してルツボの内容物を溶解して
溶融体を得た。Example 6 (1) 26.8 mol% Na2CO3, Li2CO
3 23.2 mol%, V2O5 38.0 mol%,
Nb2O5 12.0 mol% A mixture prepared by adding 12.0 mol% TiO2 to the theoretical amount of LiNbO3 that can be precipitated from the above-mentioned melt composition was placed in an iridium crucible, and the mixture was heated for 1100 min in an air atmosphere in an epitaxial growth apparatus. The contents of the crucible were melted by heating to 0.degree. C. to obtain a melt.
【００８４】（２）前記溶融体を１時間当り６０℃の冷
却速度で ８９３℃まで徐冷した。厚さ１．７ｍｍのタ
ンタル酸リチウム単結晶の（０００１）面を光学研磨し
た後、フォトリソグラフィーおよびＲＦスパッタ法によ
り、膜厚８００ Å、幅５μｍのＭｇＯ 膜と、この幅
５μｍのＭｇＯ 膜以外の部分に膜厚４００ ÅのＣｕ
膜を形成した後、１０００℃にて熱拡散させ、４００
Åの拡散層を形成した。ついで幅５μｍのＭｇＯ 拡散
チャンネルをもつものを化学エッチングし、基板材料と
した。ＭｇＯ を拡散させたチャンネル部分およびチャ
ンネル部分以外のＣｕを拡散させた部分は、何も拡散さ
せない基板材料に比べて、常光屈折率はそれぞれ１０×
１０−３減少および１×１０−３増大していた。また、
面粗度は、ＪＩＳ Ｂ０６０１ Ｒｍａｘ ＝５００Å
であった。この基板材料を溶融体から１０ｍｍの高さで
８９３ ℃で６０分予備加熱した後、溶融体中に１００
ｒｐｍで回転させながら１２分間浸漬した。成長速度は
、０．５８μｍ／分であった。(2) The melt was slowly cooled to 893°C at a cooling rate of 60°C per hour. After optically polishing the (0001) plane of a lithium tantalate single crystal with a thickness of 1.7 mm, a MgO film with a thickness of 800 Å and a width of 5 μm and a film other than the MgO film with a width of 5 μm were formed using photolithography and RF sputtering. Cu with a thickness of 400 Å
After forming the film, it was thermally diffused at 1000°C and heated to 400°C.
A diffusion layer of Å was formed. Then, a material having an MgO 2 diffusion channel with a width of 5 μm was chemically etched and used as a substrate material. The ordinary refractive index of the channel part in which MgO is diffused and the part in which Cu is diffused other than the channel part is 10× compared to the substrate material without any diffusion.
It was decreased by 10-3 and increased by 1x10-3. Also,
Surface roughness is JIS B0601 Rmax = 500 Å
Met. After preheating this substrate material at 893 °C for 60 minutes at a height of 10 mm above the melt,
Soaked for 12 minutes while rotating at rpm. The growth rate was 0.58 μm/min.
【００８５】（３）前記溶融体から基板材料を引き上げ
、回転数 １０００ ｒｐｍ で３０秒の間回転させて
溶融体を振り切った後、２ ℃／分の冷却速度で６５４
℃まで冷却し、６４５ ℃で１時間温度を一定に保っ
た後、室温まで２℃／分で徐冷し、基板材料上に約７μ
ｍの厚さのＮａ，Ｔｉ含有ニオブ酸リチウム単結晶薄膜
を得た。(3) The substrate material was pulled up from the melt, rotated at a rotational speed of 1000 rpm for 30 seconds to shake off the melt, and then heated at a cooling rate of 2°C/min to 654°C.
After cooling to 645 °C and keeping the temperature constant for 1 hour, it was slowly cooled to room temperature at a rate of 2 °C/min, and about 7μ was deposited on the substrate material.
A lithium niobate single crystal thin film containing Na and Ti with a thickness of m was obtained.
【００８６】（４）得られたニオブ酸リチウムの単結晶
薄膜中に含有されていたＮａ， Ｔｉの量は、それぞれ
４．６モル％、 ５．０モル％であった。又、格子定
数（ａ軸）は ５．１５３Å、入射光波長１．１５μｍ
で測定した屈折率は、２．２４１ ±０．００１ であ
った。得られたニオブ酸リチウム単結晶薄膜の表面の面
粗度は、ＪＩＳ Ｂ０６０１ Ｒｍａｘ ＝２０００Å
であった。(4) The amounts of Na and Ti contained in the obtained single crystal thin film of lithium niobate were 4.6 mol% and 5.0 mol%, respectively. Also, the lattice constant (a-axis) is 5.153 Å, and the incident light wavelength is 1.15 μm.
The refractive index measured was 2.241 ±0.001. The surface roughness of the obtained lithium niobate single crystal thin film was JIS B0601 Rmax = 2000 Å
Met.
【００８７】（５）得られたニオブ酸リチウム単結晶薄
膜を、光学研磨し、反応性イオンビームエッチングによ
り５．３ μｍの厚さとした後、実施例１と同様の方法
にて幅１０μｍ、膜厚４．８５±０．０５μｍ、段差２
．７μｍのリッジ型の導波路を得た。得られたニオブ酸
リチウム単結晶薄膜の表面の面粗度は、ＪＩＳ Ｂ０６
０１ Ｒｍａｘ ＝１５００Å、導波路の端面の粗度は
、ＪＩＳ Ｂ０６０１ Ｒｍａｘ ＝１４００Åであっ
た。この導波路は単一モードであった。そして、前記（
５） ， （６） 式に示す素子構成は次のとおりであ
った。
ｔ／Ｔ＝０．６
Ｗ／Ｔ＝２．１(5) The obtained lithium niobate single crystal thin film was optically polished and made to a thickness of 5.3 μm by reactive ion beam etching, and then a film with a width of 10 μm was formed using the same method as in Example 1. Thickness 4.85±0.05μm, step 2
．． A 7 μm ridge-type waveguide was obtained. The surface roughness of the obtained lithium niobate single crystal thin film was JIS B06.
01 Rmax = 1500 Å, and the roughness of the end face of the waveguide was JIS B0601 Rmax = 1400 Å. This waveguide was single mode. And the above (
The element configuration shown in equations 5) and (6) was as follows. t/T=0.6 W/T=2.1
【００８８】実施例７
（１）Ｌｉ２ＣＯ３，Ｔａ２Ｏ５，ＴｉＯ２ を原料と
し、ＣＺ法にて、Ｔｉを８．８ モル％含有するタンタ
ル酸リチウム単結晶を引き上げた。ついで、この単結晶
から基板を切り出した。ａ 軸の格子定数は、５．１４
７ Åあった。Example 7 (1) Using Li2CO3, Ta2O5, and TiO2 as raw materials, a lithium tantalate single crystal containing 8.8 mol% of Ti was pulled by the CZ method. Next, a substrate was cut out from this single crystal. The lattice constant of the a axis is 5.14
It was 7 Å.
【００８９】（２）Ｌｉ２ＣＯ３ ４０．２ モル％，
Ｖ２Ｏ５ ４６．０モル％， Ｎｂ２Ｏ５ １３．
８モル％，溶融体組成から析出可能な ＬｉＮｂＯ３
の理論量に対して、５．６ モル％ のＭｇＯ 、およ
び前記溶融体組成から析出可能な ＬｉＮｂＯ３ の理
論量に対して、６．２５モル％ のＴｉＯ２を添加して
なる混合物を、イリジウムルツボに入れ、エピタキシャ
ル成長育成装置中で空気雰囲気下で１１００℃まで加熱
してルツボの内容物を溶解して溶融体を得た。(2) Li2CO3 40.2 mol%,
V2O5 46.0 mol%, Nb2O5 13.
8 mol%, LiNbO3 that can be precipitated from the melt composition
A mixture of 5.6 mol% MgO based on the theoretical amount of LiNbO and 6.25 mol% TiO2 based on the theoretical amount of LiNbO3 that can be precipitated from the melt composition was placed in an iridium crucible. The contents of the crucible were melted and a melt was obtained by heating the crucible to 1100°C in an air atmosphere in an epitaxial growth apparatus.
【００９０】（３）前記溶融体を１時間当り６０℃の冷
却速度で ８９３℃まで徐冷した。厚さ１．７ｍｍのタ
ンタル酸リチウム単結晶の（０００１）面を光学研磨し
た後、フォトリソグラフィーおよびＲＦスパッタ法によ
り、膜厚８００ Å、幅５μｍのＭｇＯ 膜と、この幅
５μｍのＭｇＯ 膜以外の部分に膜厚４００ ÅのＣｒ
膜を形成した後、１０００℃にて熱拡散させ、４００
Åの拡散層を形成した。ついで幅５μｍのＭｇＯ 拡散
チャンネルをもつものを化学エッチングし、基板材料と
した。ＭｇＯ を拡散させたチャンネル部分およびチャ
ンネル部分以外のＣｒを拡散させた部分は、何も拡散さ
せない基板材料に比べて、常光屈折率はそれぞれ１０×
１０−３減少および１×１０−３増大していた。また、
面粗度は、ＪＩＳ Ｂ０６０１ Ｒｍａｘ ＝５００Å
であった。この基板材料を溶融体から１０ｍｍの高さで
８９３ ℃で６０分予備加熱した後、溶融体中に１００
ｒｐｍで回転させながら１２分間浸漬した。成長速度は
、０．５８μｍ／ 分であった。(3) The melt was slowly cooled to 893°C at a cooling rate of 60°C per hour. After optically polishing the (0001) plane of a lithium tantalate single crystal with a thickness of 1.7 mm, a MgO film with a thickness of 800 Å and a width of 5 μm and a film other than the MgO film with a width of 5 μm were formed using photolithography and RF sputtering. 400 Å thick Cr
After forming the film, it was thermally diffused at 1000°C and heated to 400°C.
A diffusion layer of Å was formed. Then, a material having an MgO 2 diffusion channel with a width of 5 μm was chemically etched and used as a substrate material. The ordinary refractive index of the channel part in which MgO is diffused and the part in which Cr is diffused other than the channel part is 10× compared to the substrate material without any diffusion.
It was decreased by 10-3 and increased by 1x10-3. Also,
Surface roughness is JIS B0601 Rmax = 500 Å
Met. After preheating this substrate material at 893 °C for 60 minutes at a height of 10 mm above the melt,
Soaked for 12 minutes while rotating at rpm. The growth rate was 0.58 μm/min.
【００９１】（４）前記溶融体から基板材料を引き上げ
、回転数 １０００ ｒｐｍ で３０秒の間回転させて
溶融体を振り切った後、２ ℃／分の冷却速度で室温ま
で徐冷し、基板材料上に約７μｍの厚さのＭｇ、Ｔｉ含
有ニオブ酸リチウム単結晶薄膜を得た。(4) The substrate material was pulled up from the melt, rotated at a rotational speed of 1000 rpm for 30 seconds to shake off the melt, and then slowly cooled to room temperature at a cooling rate of 2° C./min. A lithium niobate single crystal thin film containing Mg and Ti with a thickness of about 7 μm was obtained on top.
【００９２】（５）得られたニオブ酸リチウムの単結晶
薄膜中に含有されていたＭｇ、Ｔｉの量は、それぞれ
５．０モル％， ５．０モル％ であった。また、格子
定数（ａ軸）は ５．１４７Å、入射光波長１．１５μ
ｍで測定した屈折率は、２．２４１ ±０．００１ で
あった。得られたニオブ酸リチウム単結晶薄膜の表面の
面粗度は、ＪＩＳ Ｂ０６０１ Ｒｍａｘ ＝２０００
Åであった。(5) The amounts of Mg and Ti contained in the single crystal thin film of lithium niobate obtained were as follows:
They were 5.0 mol% and 5.0 mol%. Also, the lattice constant (a-axis) is 5.147 Å, and the incident light wavelength is 1.15 μ.
The refractive index measured in m was 2.241 ±0.001. The surface roughness of the obtained lithium niobate single crystal thin film was JIS B0601 Rmax = 2000
It was Å.
【００９３】（６）得られたニオブ酸リチウム単結晶薄
膜を、光学研磨し、反応性イオンビームエッチングによ
り５．３μｍの厚さとした後、実施例１と同様の方法に
て幅１０μｍ、膜厚４．８５±０．０５μｍ、段差２．
７μｍのリッジ型の導波路を得た。得られたニオブ酸リ
チウム単結晶薄膜の表面の面粗度は、ＪＩＳ Ｂ０６０
１ Ｒｍａｘ ＝１５００Å、導波路の端面の粗度は、
ＪＩＳ Ｂ０６０１ Ｒｍａｘ ＝１４００Åであった
。そして、この導波路は単一モードであり、前記（５）
， （６） 式に示す素子構成は次のとおりのもので
あった。
ｔ／Ｔ＝０．６
Ｗ／Ｔ＝２．１(6) The obtained lithium niobate single crystal thin film was optically polished and made to a thickness of 5.3 μm by reactive ion beam etching, and then processed to a width of 10 μm and a film thickness of 10 μm using the same method as in Example 1. 4.85±0.05μm, step 2.
A 7 μm ridge-type waveguide was obtained. The surface roughness of the obtained lithium niobate single crystal thin film was determined according to JIS B060.
1 Rmax = 1500 Å, the roughness of the waveguide end face is:
JIS B0601 Rmax = 1400 Å. This waveguide is single mode, and as described in (5) above.
, (6) The element configuration shown in equation (6) was as follows. t/T=0.6 W/T=2.1
【００９４】比較例１
（１） Ｌｉ２ＣＯ３ ５１モル％、 Ｖ２Ｏ５ ３９
モル％、 Ｎｂ２Ｏ５ １０モル％、そして溶融体組
成から析出可能な ＬｉＮｂＯ３ の理論量に対して４
３モル％の Ｎａ２ＣＯ３ 、および溶融体組成から析
出可能な ＬｉＮｂＯ３の理論量に対して７モル％のＭ
ｇＯ を添加してなる混合物を、イリジウムルツボにい
れ、エピタキシャル成長育成装置中で空気雰囲気下で１
１００℃まで加熱してルツボの内容物を溶解して溶融体
を得た。ついで、この溶融体をプロペラを用い、２００
ｒｐｍの回転速度で１２時間攪拌させた。Comparative Example 1 (1) Li2CO3 51 mol%, V2O5 39
mol %, Nb2O5 10 mol %, and 4 for the theoretical amount of LiNbO3 that can be precipitated from the melt composition.
3 mol% Na2CO3 and 7 mol% M based on the theoretical amount of LiNbO3 that can be precipitated from the melt composition.
The mixture containing gO was placed in an iridium crucible and heated for 1 hour under an air atmosphere in an epitaxial growth apparatus.
The contents of the crucible were melted by heating to 100° C. to obtain a melt. Next, this molten material was heated using a propeller for 200 min.
The mixture was stirred for 12 hours at a rotation speed of rpm.
【００９５】（２）前記溶融体を１時間当り６０℃の冷
却速度で ９１５℃まで徐冷した。タンタル酸リチウム
単結晶の（０００１）面を光学研磨し、厚さ１．８ｍｍ
とした後、面取り（Ｃ面）を行った。フォトリソグラ
フィーおよびＲＦスパッタ法により、膜厚１０００Å、
幅５μｍのＭｇＯ 膜を形成した後、９２０ ℃にて熱
拡散させ、１０００Åの幅５μｍのＭｇＯ 拡散チャン
ネルをもつものを基板材料とした。拡散層の厚さは、１
０００Åであった。このチャンネル部分は、ＭｇＯ を
拡散させない部分に比べて常光屈折率が１５×１０−３
減少していた。また、面粗度はＪＩＳ Ｂ０６０１ Ｒ
ｍａｘ ＝３００ Å であった。この基板材料を９
１５ ℃で３０分予備加熱した後、溶融体中に １００
ｒｐｍ で回転させながら１７分間浸漬した。成長速度
は１．９４μｍ／分であった。(2) The melt was slowly cooled to 915°C at a cooling rate of 60°C per hour. The (0001) plane of lithium tantalate single crystal is optically polished to a thickness of 1.8 mm.
After that, chamfering (C side) was performed. By photolithography and RF sputtering method, the film thickness is 1000 Å,
After forming an MgO 2 film with a width of 5 μm, it was thermally diffused at 920° C., and a material having an MgO 2 diffusion channel of 1000 Å and a width of 5 μm was used as a substrate material. The thickness of the diffusion layer is 1
000 Å. This channel part has an ordinary refractive index of 15 x 10-3 compared to the part where MgO is not diffused.
It was decreasing. In addition, the surface roughness is JIS B0601 R
max = 300 Å. This substrate material is 9
After preheating for 30 minutes at 15 °C, 100
Soaked for 17 minutes while rotating at rpm. The growth rate was 1.94 μm/min.
【００９６】（３）前記溶融体から基板材料を引き上げ
、回転数 １０００ ｒｐｍ で３０秒間溶融体上で、
溶融体を振り切った後、１ 時間当たり３００ ℃の冷
却速度で室温まで徐冷し、基板材料上に約３７μｍの厚
さのＮａ、Ｍｇ含有ニオブ酸リチウム単結晶薄膜を得た
。(3) Pull up the substrate material from the melt and place it on the melt for 30 seconds at a rotation speed of 1000 rpm.
After shaking off the melt, it was slowly cooled to room temperature at a cooling rate of 300° C. per hour to obtain a single crystal thin film of lithium niobate containing Na and Mg with a thickness of about 37 μm on the substrate material.
【００９７】（４）得られたニオブ酸リチウム単結晶薄
膜中に含有されていたＮａ、Ｍｇの量は、それぞれ２モ
ル％、６モル％であった。また、薄膜の格子定数（ａ軸
）は ５．１５５Å、入射光波長１．１５μｍで測定し
た屈折率は、２．２３１ ±０．００１ であった。(4) The amounts of Na and Mg contained in the obtained lithium niobate single crystal thin film were 2 mol% and 6 mol%, respectively. The lattice constant (a-axis) of the thin film was 5.155 Å, and the refractive index measured at an incident light wavelength of 1.15 μm was 2.231 ±0.001.
【００９８】（５）得られたニオブ酸リチウム単結晶薄
膜を、光学研磨し、プラズマエッチングにより３．８０
μｍの厚さとした後、実施例１と同様の方法にて幅４ｍ
ｍ、膜厚３．５３±０．０５μｍ、段差０．１μｍのリ
ッジ型の導波路を得た。得られたニオブ酸リチウム単結
晶薄膜の表面の面粗度は、ＪＩＳ Ｂ０６０１ Ｒｍａ
ｘ ＝１０００Åであった。また、この例での、前記（
５） ， （６） 式に示す素子構成は、次のとおりの
ものであった。
ｔ／Ｔ＝０．０２
Ｗ／Ｔ＝１１３３(5) The obtained lithium niobate single crystal thin film was optically polished and plasma etched to 3.80
After obtaining a thickness of μm, a width of 4 m was obtained using the same method as in Example 1.
A ridge-type waveguide with a film thickness of 3.53±0.05 μm and a step difference of 0.1 μm was obtained. The surface roughness of the obtained lithium niobate single crystal thin film was JIS B0601 Rma
x = 1000 Å. Also, in this example, the above (
The element configuration shown in formulas 5) and (6) was as follows. t/T=0.02 W/T=1133
【００９９】なお、この比較例に示す光導波路の光伝搬
損失は１．８ ｄＢ／ｃｍであった。また、この比較例
では、光をリッジ部へ閉じ込めることができなかったた
め、光パワー密度は低くなってしまった。Note that the optical propagation loss of the optical waveguide shown in this comparative example was 1.8 dB/cm. Furthermore, in this comparative example, the optical power density was low because it was not possible to confine light to the ridge portion.
【０１００】比較例２
（１） Ｌｉ２ＣＯ３ ５１モル％、 Ｖ２Ｏ５ ３９
モル％、 Ｎｂ２Ｏ５ １０モル％からなる混合物を
、イリジウムルツボに入れ、エピタキシャル成長育成装
置中で空気雰囲気下で１１００℃まで加熱してルツボの
内容物を溶解して溶融体を得た。ついで、この溶融体を
、プロペラを用い、２００ｒｐｍの回転速度で１２時間
攪拌させた。Comparative Example 2 (1) Li2CO3 51 mol%, V2O5 39
A mixture consisting of 10 mol% of Nb2O5 was placed in an iridium crucible and heated to 1100° C. in an epitaxial growth growth apparatus under an air atmosphere to melt the contents of the crucible to obtain a melt. This melt was then stirred for 12 hours using a propeller at a rotational speed of 200 rpm.
【０１０１】（２）前記溶融体を１時間当り６０℃の冷
却速度で ９１５℃まで徐冷した。タンタル酸リチウム
単結晶の（０００１）面を光学研磨し、厚さ１．８ｍｍ
とした後、面取り（Ｃ面）を行った。この基板材料を
９１５ ℃で３０分予備加熱した後、溶融体中に １０
０ｒｐｍ で回転させながら１７ 分間浸漬した。成
長速度は１．９４μｍ／分であった。(2) The melt was slowly cooled to 915°C at a cooling rate of 60°C per hour. The (0001) plane of lithium tantalate single crystal is optically polished to a thickness of 1.8 mm.
After that, chamfering (C side) was performed. After preheating this substrate material at 915 °C for 30 minutes, 10
It was immersed for 17 minutes while rotating at 0 rpm. The growth rate was 1.94 μm/min.
【０１０２】（３）溶融体から基板材料を引き上げ、回
転数 １０００ ｒｐｍ で３０秒間回転させて、溶融
体を振り切った後、１ 時間当たり３００ ℃の冷却速
度で室温まで徐冷し、基板材料上に約２μｍの厚さのニ
オブ酸リチウム単結晶薄膜を得た。(3) The substrate material was pulled up from the melt, rotated at a rotational speed of 1000 rpm for 30 seconds, the melt was shaken off, and then slowly cooled to room temperature at a cooling rate of 300° C. per hour. A lithium niobate single crystal thin film with a thickness of about 2 μm was obtained.
【０１０３】（４）得られたニオブ酸リチウム単結晶薄
膜を、光学研磨し、プラズマエッチングにより１．０μ
ｍの厚さのスラブ型導波路を得た。ニオブ酸リチウム単
結晶薄膜の表面の面粗度は、ＪＩＳ Ｂ０６０１ Ｒｍ
ａｘ ＝１０００Åであった。(4) The obtained lithium niobate single crystal thin film was optically polished and plasma etched to a thickness of 1.0μ.
A slab-type waveguide with a thickness of m was obtained. The surface roughness of the lithium niobate single crystal thin film is JIS B0601 Rm
ax = 1000 Å.
【０１０４】〔実施例と比較例の結果〕以上実施例１〜
７について、得られた光導波路の本発明のニオブ酸リチ
ウム単結晶薄膜についてプリズム結合法により、波長０
．８３μｍの半導体レーザ光に対する光伝搬損失と電気
光学定数でもあるポッケルス定数をマッハツェンダー干
渉計中に試料を入れ、測定した結果を比較例２の結果と
共に表１、２に示した。[Results of Examples and Comparative Examples] Above, Examples 1-
Regarding No. 7, the lithium niobate single crystal thin film of the present invention of the obtained optical waveguide was subjected to a prism bonding method to obtain a wavelength of 0.
．． The optical propagation loss for a semiconductor laser beam of 83 μm and the Pockels constant, which is also an electro-optic constant, were measured by placing a sample in a Mach-Zehnder interferometer, and the results are shown in Tables 1 and 2 together with the results of Comparative Example 2.
【０１０５】また、実施例１〜７と比較例１とについて
、導波路のリッジ部での光の閉じ込め効率を測定した結
果を表３に示した。
表１ 伝播損失
表２ 電気光学効果Table 3 shows the results of measuring the light confinement efficiency at the ridge portion of the waveguide for Examples 1 to 7 and Comparative Example 1. Table 1 Propagation loss Table 2 Electro-optic effect
【０１０６】表３ 光のリッジ部への閉じ込め効率Table 3 Confinement efficiency of light in ridge part
【
０１０７】実施例８
本実施例は、実施例１と同様の方法について、ＬｉＮｂ
Ｏ３薄膜およびＬｉＴａＯ３基板中に、それぞれ表４に
示すような異種元素を添加してなるスラブ型もしくはリ
ッジ型（実施例１と同形状）導波路を形成し、これらの
導波路についての伝搬損失を測定した。その結果を表４
に示す。
表４ 基板、薄膜中の異種元素と伝搬損失式中の
数字は、伝搬損失（ｄＢ／ｃｍ）[
Example 8 This example describes a method similar to that of Example 1, in which LiNb
Slab-type or ridge-type (same shape as Example 1) waveguides were formed in the O3 thin film and LiTaO3 substrate by adding different elements as shown in Table 4, respectively, and the propagation loss of these waveguides was calculated. It was measured. Table 4 shows the results.
Shown below. Table 4 Different elements in the substrate and thin film and propagation loss The numbers in the formula are propagation loss (dB/cm)
【０１０８】[0108]
【発明の効果】以上説明したように本発明の光導波路は
、閉じ込め効率が高く、かつ低伝搬損失で電気光学効果
などの光学特性も優れている。従って、光変調素子、光
偏向器、光増幅素子、光スイッチなどの各種の光デバイ
スに適用したときに有用である。As explained above, the optical waveguide of the present invention has high confinement efficiency, low propagation loss, and excellent optical properties such as electro-optic effect. Therefore, it is useful when applied to various optical devices such as optical modulators, optical deflectors, optical amplification elements, and optical switches.
【図１】リッジ型の光導波路の模式図[Figure 1] Schematic diagram of a ridge-type optical waveguide
【図２】ＬｉＮｂＯ３導波路中のＮａの含有量とａ軸の
格子定数の関係を示すグラフ[Figure 2] Graph showing the relationship between the Na content in the LiNbO3 waveguide and the a-axis lattice constant
【図３】Ｌｉ２Ｏ−Ｖ２ Ｏ５ −Ｎｂ２Ｏ５ 三角図
[Figure 3] Li2O-V2 O5 -Nb2O5 triangular diagram
１ リッジ部 ２ 薄膜導波層 ３ 基板 1 Ridge part 2 Thin film waveguide layer 3 Board
Claims (5)
整合されていることを特徴とする光導波路。1. An optical waveguide characterized in that a substrate crystal and a crystal of a thin film waveguide layer are lattice matched.
を有する光導波路であって、上記薄膜導波層の厚さＴ（
μｍ）、薄膜導波層の幅Ｗ（μｍ）が、６．６×１０−
２≦Ｗ／Ｔ≦６．７×１０２ の如き関係にあることを
特徴とする光導波路。2. An optical waveguide having a ridge-type or rib-type thin film waveguide layer, wherein the thickness of the thin film waveguide layer is T(
The width W (μm) of the thin film waveguide layer is 6.6×10−
An optical waveguide characterized by having a relationship such as 2≦W/T≦6.7×102.
そのうちリッジ型のものについては、リッジ部 段差
ｔ（μｍ）、薄膜導波層の厚さＴ（μｍ）が、０．１０
≦ｔ／Ｔ≦０．９９ の如き関係にあることを特徴と
する光導波路。3. The optical waveguide according to claim 2,
Among them, for the ridge type, the ridge part step t (μm) and the thin film waveguide layer thickness T (μm) are 0.10
An optical waveguide characterized by having a relationship such as ≦t/T≦0.99.
おいて、前記基板と前記薄膜導波層とは格子整合させた
ことを特徴とする光導波路。4. The optical waveguide according to claim 2, wherein the substrate and the thin film waveguide layer are lattice matched.
構成され、、薄膜導波層がニオブ酸リチウム単結晶で構
成されていることを特徴とする請求項１， ２， ３お
よび４のいずれか１つに記載の光導波路。5. Any one of claims 1, 2, 3 and 4, wherein the substrate is made of lithium tantalate single crystal, and the thin film waveguide layer is made of lithium niobate single crystal. The optical waveguide according to item 1.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3145091A JPH04247408A (en) | 1991-02-01 | 1991-02-01 | Optical waveguide |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3145091A JPH04247408A (en) | 1991-02-01 | 1991-02-01 | Optical waveguide |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04247408A true JPH04247408A (en) | 1992-09-03 |
Family
ID=12331593
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3145091A Pending JPH04247408A (en) | 1991-02-01 | 1991-02-01 | Optical waveguide |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04247408A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10082623B2 (en) | 2014-10-02 | 2018-09-25 | Nec Corporation | Rib type optical waveguide and optical multiplexer / demultiplexer using same |
-
1991
- 1991-02-01 JP JP3145091A patent/JPH04247408A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10082623B2 (en) | 2014-10-02 | 2018-09-25 | Nec Corporation | Rib type optical waveguide and optical multiplexer / demultiplexer using same |
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