JPH06281898A - Optical modulator and its production - Google Patents
Optical modulator and its productionInfo
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- JPH06281898A JPH06281898A JP9238793A JP9238793A JPH06281898A JP H06281898 A JPH06281898 A JP H06281898A JP 9238793 A JP9238793 A JP 9238793A JP 9238793 A JP9238793 A JP 9238793A JP H06281898 A JPH06281898 A JP H06281898A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、光通信システム、光情
報処理システム、光センサシステム等に組み込まれる光
集積回路のデバイス類であって電気光学効果により光の
変調やスイッチング等を行う光変調器及びその製造方法
に関し、特にニオブ酸リチウムとは基本組成を異にする
単結晶ヘテロ基板上に格子整合された状態で形成される
ニオブ酸リチウム単結晶薄膜を利用する光変調器及びそ
の製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a device of an optical integrated circuit incorporated in an optical communication system, an optical information processing system, an optical sensor system, etc., which is an optical modulation for modulating and switching light by an electro-optical effect. And a method for manufacturing the same, in particular, an optical modulator using a lithium niobate single crystal thin film formed in a lattice-matched state on a single crystal hetero substrate having a different basic composition from lithium niobate, and a method for manufacturing the same Regarding
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、光ファイバーと単色レーザとにお
ける技術進歩により、Ｇｂ／秒オーダの高速光伝送が可
能となりつつあるが、かかる高速光通信分野において光
ファイバーネットワークを構築していくためには、光ス
イッチや光変調器等の光デバイス類の開発が必須であ
る。そのような光デバイス類としての光変調器の要求特
性としては、非線形光学定数、電気光学定数が大きいこ
と、熱光学効果、音響光学効果に優れること等が挙げら
れるほか、光導波モードがシングルモードであること、
光損傷が少なく出射パワーの減少が図れること、光吸収
が少ないこと等の諸特性が要求される。2. Description of the Related Art In recent years, due to technological advances in optical fibers and monochromatic lasers, high-speed optical transmission on the order of Gb / sec is becoming possible. In order to construct an optical fiber network in the high-speed optical communication field, optical transmission is required. Development of optical devices such as switches and optical modulators is essential. The required characteristics of optical modulators as such optical devices include large nonlinear optical constants, electro-optical constants, excellent thermo-optical effects, acousto-optical effects, etc. To be
It is required to have various characteristics such as little light damage, reduction of emission power, and little light absorption.
【０００３】そしてこのような要求特性に対し、従来
は、「光集積回路」（朝倉書店 1988、応用物理学会、
学懇話会編）Ｐ158〜 に記載されるように、この種の光
デバイス類に適用される光導波路として、ニオブ酸リチ
ウム（以下、「ＬｉＮｂＯ3 」という）単結晶材料によ
るチャンネル型光導波路が多く開発されている。このＬ
ｉＮｂＯ3 は、無機光学結晶としてはかなり大きい電気
光学定数を有するため、電気光学効果を利用する光デバ
イス類にはよく用いられる。In order to meet such required characteristics, conventionally, "optical integrated circuit" (Asakura Shoten 1988, Japan Society of Applied Physics,
As described in P158-), many of the channel-type optical waveguides made of lithium niobate (hereinafter referred to as “LiNbO 3 ”) single crystal material are used as optical waveguides applied to this type of optical device. Being developed. This L
Since iNbO 3 has a considerably large electro-optic constant as an inorganic optical crystal, iNbO 3 is often used in optical devices utilizing the electro-optic effect.
【０００４】そしてこのような光導波路を製造するの
に、Ｔｉ拡散法、プロトン交換法、あるいは液相エピタ
キシャル法（ＬＰＥ法）等によるものが提案されてき
た。そしてその中で Ｔｉ拡散法で製造したＬｉＮｂＯ3 光導波路は、可
視光域において特に光損傷が激しく導波ができない。ま
た、電気光学デバイスとして使用した場合にはＤＣドリ
フトが発生し信頼性に問題がある。 プロトン交換法で製造したＬｉＮｂＯ3 光導波路
は、光損傷には強いが、非線形光学定数、電気光学定数
が低下するという問題がある。 Ｔｉ拡散法、プロトン交換法のいずれで製造したも
のでも、 800℃以上でアニーリングを行うと、Ｔｉ或は
プロトンの基板中への拡散により光導波モードの変化や
消失、あるいはプロファイルの変化が起きる。 等の点で問題がある。In order to manufacture such an optical waveguide, a method such as a Ti diffusion method, a proton exchange method, or a liquid phase epitaxial method (LPE method) has been proposed. Among them, the LiNbO 3 optical waveguide manufactured by the Ti diffusion method is particularly prone to optical damage in the visible light region and cannot be guided. Further, when used as an electro-optical device, DC drift occurs and there is a problem in reliability. The LiNbO 3 optical waveguide manufactured by the proton exchange method is strong against optical damage, but has a problem that the nonlinear optical constant and the electro-optical constant are lowered. Whatever is manufactured by the Ti diffusion method or the proton exchange method, if it is annealed at 800 ° C. or higher, the optical waveguide mode is changed or disappeared, or the profile is changed due to the diffusion of Ti or proton into the substrate. There is a problem in terms of etc.
【０００５】そのようなことから、ＬＰＥ法によるＬｉ
ＮｂＯ3 単結晶光導波路が非線形光学効果、電気光学効
果、音響光学効果等に優れ、特にＴｉ拡散法やプロトン
交換法等によるものよりも結晶性が良く、光損失も少な
い等の点で注目を集めるようになった。そしてこのＬＰ
Ｅ法によりＬｉＮｂＯ3 単結晶薄膜を得るための一例と
して、例えば、本出願人による特開平４−１２０９５号
公報に示されるように、液相エピタキシャル成長用とし
て Ｌｉ2Ｏ−Ｖ2Ｏ5−Ｎｂ2Ｏ5フラックス系溶融体を用
い、これにタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3 ）単結晶
基板をディップし、このタンタル酸リチウム単結晶基板
上に液相エピタキシャル成長により光導波路用のニオブ
酸リチウム単結晶薄膜を形成する製造方法が知られてい
る。From the above, Li by the LPE method
NbO 3 single crystal optical waveguide is excellent in nonlinear optical effect, electro-optical effect, acousto-optical effect, etc., and especially has better crystallinity and less optical loss than those by Ti diffusion method or proton exchange method. I came to collect. And this LP
As an example for obtaining a LiNbO 3 single crystal thin film by the E method, for example, as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-12095 by the present applicant, for liquid phase epitaxial growth, Li 2 O—V 2 O 5 —Nb 2 is used. A lithium tantalate (LiTaO 3 ) single crystal substrate was dipped in the O 5 flux melt, and a lithium niobate single crystal thin film for an optical waveguide was formed on this lithium tantalate single crystal substrate by liquid phase epitaxial growth. A manufacturing method is known.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＬｉＯ
2 −Ｖ2Ｏ5−Ｎｂ2Ｏ5フラックス系（以下、「ＬＶフラ
ックス系」という）溶融体を用いて製造したものは、溶
融体からＬｉＮｂＯ3 単結晶中にＶ2Ｏ5（Ｖ3+イオン）
が混入し、このＶ3+イオンによって光吸収、特に可視光
領域での光吸収による伝搬損失が増加し、このために光
学特性を損なうという問題があった。However, LiO
2 -V 2 O 5 -Nb 2 O 5 flux system (hereinafter, "LV flux system" hereinafter) those prepared using melt, V 2 O 5 (V 3+ in LiNbO 3 single crystal from the melt ion)
However, there is a problem in that the V 3+ ions increase the optical absorption, especially the propagation loss due to the optical absorption in the visible light region, and thus impair the optical characteristics.
【０００７】そこでこのような問題に着目し、これは特
に光変調器を対象としたのもではないが、一般的な光導
波路特性の改善を図ったものとして、例えば、日立金属
（株）が1992年（平成４年）秋季第５３回応用物理学会
学術講演会（17a−ZK−9）において発表したものや、ソ
ニー（株）の山田氏等によりAppl. Phys. Lett.,Vol.6
1, No.24, pp.2848(1992) に掲載されたものに示される
ように、Ｌｉ2Ｏ−Ｂ2Ｏ3−Ｎｂ2Ｏ5 フラックス系（以
下、「ＬＢフラックス系」という）溶融体によるＬＰＥ
法によりＬｉＮｂＯ3 単結晶薄膜光導波路を形成するこ
とが提示されている。これらの例はいずれもＬｉＮｂＯ
3 単結晶薄膜中にＶイオンが含まれないようにし、これ
により光吸収を抑え、光導波損失の低減を図ったもので
ある。Therefore, attention is paid to such a problem, and this is not intended for an optical modulator in particular, but as an attempt to improve general optical waveguide characteristics, for example, Hitachi Metals Co., Ltd. Appl. Phys. Lett., Vol.6 by 1993 (1992) Autumn 53rd Annual Meeting of the Society of Applied Physics (17a-ZK-9) and by Mr. Yamada of Sony Corporation.
1, No. 24, pp. 2848 (1992), Li 2 O-B 2 O 3 -Nb 2 O 5 flux system (hereinafter referred to as "LB flux system") melt By LPE
It has been proposed to form a LiNbO 3 single crystal thin film optical waveguide by the method. All of these examples are LiNbO
(3) V single ions are not included in the single crystal thin film to suppress light absorption and reduce optical waveguide loss.
【０００８】しかしながら、これらはいずれもＬｉＮｂ
Ｏ3 単結晶基板上にＬｉＮｂＯ3 単結晶薄膜を形成する
もので、ここに用いられる基板は、ＬｉＮｂＯ3 単結晶
薄膜の結晶成長面がこのＬｉＮｂＯ3 単結晶と同材質
の、いわゆるホモ基板（ＬｉＮｂＯ3 単結晶に異種元素
を添加したものも含む）であって、このホモ基板上にＬ
ｉＮｂＯ3 薄膜を形成するものである。そのために、Ｌ
ｉＮｂＯ3 単結晶基板中にＭｇＯを含有させて屈折率を
下げることにより薄膜の屈折率（ｎ1 ）＞基板の屈折率
（ｎ2 ）を保つようにしており、そのために基板にド
ープしたＭｇＯは、基板の常光屈折率を下げるのでＴＥ
モードは伝搬するものの、異常光屈折率を変化させない
のでＴＭモードは伝搬しない、薄膜中にＭｇＯをドー
プできない為耐光損傷性の向上が図れない等の問題があ
った。これらのことから明かなように可視光領域での伝
搬損失が低く、耐光損傷性にも優れ、かつＴＥ及びＴＭ
モードのいずれの導波光も損失なく伝搬させることはで
きなかった。However, these are all LiNb.
A LiNbO 3 single crystal thin film is formed on an O 3 single crystal substrate. The substrate used here is a so-called homo-substrate (LiNbO 3) whose crystal growth surface of the LiNbO 3 single crystal thin film is the same material as this LiNbO 3 single crystal. 3 single crystal with different elements added), and L on this homo substrate
The iNbO 3 thin film is formed. Therefore, L
The refractive index of the thin film (n 1 )> the refractive index of the substrate (n 2 ) is maintained by lowering the refractive index by incorporating MgO in the iNbO 3 single crystal substrate, and therefore MgO doped in the substrate is , Because it lowers the ordinary refractive index of the substrate, TE
Although the mode propagates, there are problems that the TM mode does not propagate because it does not change the extraordinary light refractive index, and the light damage resistance cannot be improved because MgO cannot be doped in the thin film. As is clear from these, the propagation loss in the visible light region is low, the light damage resistance is excellent, and TE and TM
It was not possible to propagate the guided light in any of the modes without loss.
【０００９】一方、この種の光デバイスでは、西原氏ら
による「光集積回路」P36 （オーム社 1985 ）に記載さ
れるように、シングルモードでない場合には光導波路内
でのモード間の干渉やわずかなゆう乱によって不要なモ
ード変換が起こることから、０次モードが安定して伝搬
できないことは特に大きな問題であった。従って、実用
的な光デバイスを得るためには、基本モード（ＴＭモー
ド又はＴＥモード）のみを伝搬可能なシングルモードの
チャンネル型光導波路として構成されなければならな
い。On the other hand, in this type of optical device, as described in "Optical Integrated Circuit" by Nishihara et al., P36 (Ohm Co., 1985), interference between modes in an optical waveguide is caused when the mode is not a single mode. The inability to stably propagate the 0th-order mode has been a particularly serious problem because unnecessary mode conversion occurs due to slight disturbance. Therefore, in order to obtain a practical optical device, it must be configured as a single mode channel type optical waveguide capable of propagating only the fundamental mode (TM mode or TE mode).
【００１０】本発明は、上記したような問題点を解決す
るためになされたものであり、非線系光学効果、電気光
学効果、熱光学効果、音響光学効果に優れることはもと
より、特に可視光領域で光損傷が少なく所期の出射パワ
ーが確保できて耐光損傷性に優れ、かつ光吸収も少ない
光変調器及びその製造方法を提供することを目的とする
ものである。The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and is particularly excellent in non-linear optical effect, electro-optical effect, thermo-optical effect, acousto-optical effect, and particularly visible light. It is an object of the present invention to provide an optical modulator in which light damage is small in a region, a desired emission power can be secured, light damage resistance is excellent, and light absorption is small, and a manufacturing method thereof.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明に係る光変調器は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ
Ｏ3） とは基本組成を異にするヘテロ材料からなるヘテ
ロ基板上に格子整合された状態で形成された分岐型のＬ
ｉＮｂＯ3 単結晶光導波路の少なくとも一方の分岐導波
路に該分岐導波路を通る導波光の位相を変化させる光変
調手段を設けてなるものであって、前記ニオブ酸リチウ
ム単結晶光導波路にはホウ素が含有されていることをそ
の要旨とする。In order to achieve the above object, an optical modulator according to the present invention is provided with lithium niobate (LiNb).
O 3 ) is a branched type L formed in a lattice-matched state on a hetero substrate made of a hetero material having a different basic composition.
At least one of the branch waveguides of the iNbO 3 single crystal optical waveguide is provided with a light modulation means for changing the phase of the guided light passing through the branch waveguide, and the lithium niobate single crystal optical waveguide is provided with boron. The gist of the content is.
【００１２】ヘテロ基板は、六方晶構造を有する単結晶
基板、例えば、サファイア （Ａｌ2Ｏ3 ）、石英（Ｓｉ
Ｏ2 ）、ＺｎＯ、ＭｇＯ、Ｇｄ3Ｇａ5Ｏ12なども使用で
きるが、特にタンタル酸リチウム基板の結晶系が、ニオ
ブ酸リチウムの結晶系に類似しておりエピタキシャル成
長させやすいこと等の点で有利である。図１は、タンタ
ル酸リチウム単結晶基板上にニオブ酸リチウム単結晶薄
膜をＬＰＥ法により形成したものの１例の電子顕微鏡写
真を示している。そしてニオブ酸リチウム単結晶薄膜
は、前記ヘテロ基板の(0001)結晶面に形成されている。
この基板の(0001)面は、図２に示すように六方晶構造の
ｃ軸に垂直な面を指すが、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜
の結晶成長面として、六方晶基板の(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ニオ
ブ酸リチウム単結晶薄膜と格子整合させることが容易に
できる。The hetero substrate is a single crystal substrate having a hexagonal structure, such as sapphire (Al 2 O 3 ) and quartz (Si).
O 2 ), ZnO, MgO, Gd 3 Ga 5 O 12, etc. can also be used, but in particular, the crystal system of the lithium tantalate substrate is similar to the crystal system of lithium niobate and is advantageous in that epitaxial growth is easy. Is. FIG. 1 shows an electron micrograph of an example of a lithium niobate single crystal thin film formed by a LPE method on a lithium tantalate single crystal substrate. The lithium niobate single crystal thin film is formed on the (0001) crystal plane of the hetero substrate.
The (0001) plane of this substrate refers to a plane perpendicular to the c-axis of the hexagonal crystal structure as shown in FIG. 2, but the (0001) plane of the hexagonal substrate is the crystal growth plane of the lithium niobate single crystal thin film. Since it is composed only of the a-axis, it can be easily lattice-matched with the lithium niobate single crystal thin film simply by changing the lattice constant of the a-axis.
【００１３】ここで、ＬｉＮｂＯ3 単結晶光導波路層に
含有されるホウ素（Ｂ）の含有量は、5〜1000ppmである
ことが望ましい。このホウ素（Ｂ）の含有量が 1000ppm
を越える場合は、ＬｉＮｂＯ3 単結晶の電気光学的特性
が低下し、また5ppmより低い場合には、可視光域におい
て光損傷が発生する。そしてホウ素（Ｂ）は、３価の陽
イオン（Ｂ3+）の状態でＬｉＮｂＯ3 単結晶中に含有さ
れていることがその後の結合状態が最も安定していて好
ましい。基板上に形成されるＬｉＮｂＯ3 単結晶光導波
路層中に従来添加元素として使用されるバナジウム
（Ｖ）に代えてホウ素（Ｂ）が含有されることにより、
このホウ素（Ｂ）自身が耐光損傷性を増す働きを有する
ばかりでなく、このホウ素（Ｂ）は結晶格子中に固溶あ
るいは置換されるため光損傷や可視光吸収の原因となる
不純物元素のＬｉＮｂＯ3 単結晶中への混入を回避で
き、したがって光損傷や可視光吸収等が生じないものと
思われる。Here, the content of boron (B) contained in the LiNbO 3 single crystal optical waveguide layer is preferably 5 to 1000 ppm. The content of this boron (B) is 1000ppm
If it exceeds 5 ppm, the electro-optical characteristics of the LiNbO 3 single crystal will deteriorate, and if it is less than 5 ppm, optical damage will occur in the visible light range. Boron (B) is preferably contained in the LiNbO 3 single crystal in the state of trivalent cation (B 3+ ) since the subsequent bonded state is most stable. By containing boron (B) in place of vanadium (V) conventionally used as an additional element in the LiNbO 3 single crystal optical waveguide layer formed on the substrate,
This boron (B) itself not only has the function of increasing the light damage resistance, but also because this boron (B) is dissolved or substituted in the crystal lattice, it is an impurity element that causes optical damage or visible light absorption, such as LiNbO. 3 It is considered that the inclusion in the single crystal can be avoided, and therefore, optical damage or visible light absorption does not occur.
【００１４】そして、前記ＬｉＮｂＯ3 単結晶光導波路
層における結晶構造のａ軸の格子定数は、ヘテロ基板の
ａ軸の格子定数の 99.81〜100.07％の範囲内であるのが
よく、特に 99.92〜100.03％の範囲が好適である。例え
ば、ヘテロ基板の格子定数が、5.153Ａ である場合、Ｌ
ｉＮｂＯ3 単結晶の格子定数は、5.150〜5.155Ａの範囲
内ということになる。尚、「Ａ」は「オングストロー
ム」を意味し、以下単に「Ａ」と表記する。かくしてこ
の格子定数の範囲を外れた場合、基板とＬｉＮｂＯ3 単
結晶の格子定数を一致させ難く、ＬｉＮｂＯ3 単結晶中
に多くの欠陥が発生すること等により、光変調器として
使用可能な光学特性の優れたＬｉＮｂＯ3単結晶を充分
に厚く形成することができず、また導波路の経時劣化を
招くことになる。尚、前記ヘテロ基板のａ軸の格子定数
は、5.128〜5.173Ａであることがより好適である。The a-axis lattice constant of the crystal structure of the LiNbO 3 single crystal optical waveguide layer is preferably within the range of 99.81-100.07% of the a-axis lattice constant of the hetero substrate, particularly 99.92-100.03. The range of% is preferred. For example, when the lattice constant of the hetero substrate is 5.153A, L
The lattice constant of the iNbO 3 single crystal is in the range of 5.150 to 5.155A. In addition, "A" means "angstrom" and is simply described as "A" hereinafter. Thus when outside the range of the lattice constant, the substrate and the LiNbO 3 difficult to match the lattice constant of the single crystal, by such a large number of defects generated during LiNbO 3 single crystal, the optical properties can be used as an optical modulator The excellent LiNbO 3 single crystal cannot be formed sufficiently thick, and the waveguide is deteriorated with time. The a-axis lattice constant of the hetero substrate is more preferably 5.128 to 5.173A.
【００１５】ヘテロ基板上にＬｉＮｂＯ3 単結晶を格子
整合させる手段は特に限定されるものではないが、Ｌｉ
ＮｂＯ3 単結晶薄膜に異種元素を含有させて格子定数を
大きくすることにより有利に格子整合させることができ
る。かかる格子整合によりヘテロ基板上に形成されるＬ
ｉＮｂＯ3 単結晶には欠陥が多数発生することもなく、
厚い膜厚を有するＬｉＮｂＯ3 単結晶を得ることができ
る。そしてこのような考えから、前記ＬｉＮｂＯ3 単結
晶光導波路層中には、格子整合のための異種元素として
0.02〜10.0 モル％の範囲のＮａ及び／又は 0.8〜10.8
モル％の範囲のＭｇを含有しているとよい。Ｎａの含有
量が0.02モル％より少ない場合は、ヘテロ基板と格子整
合できるほど格子定数が大きくならず、また10.0モル％
を越える場合は、逆に格子定数が大きくなりすぎ、いず
れの場合もヘテロ基板とＬｉＮｂＯ3 単結晶との格子整
合が得られない。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充分であり、10.8モ
ル％を越える場合は、ニオブ酸マグネシウム系の結晶が
析出してしまう。The means for lattice-matching the LiNbO 3 single crystal on the hetero substrate is not particularly limited, but Li
Lattice matching can be advantageously performed by making the NbO 3 single crystal thin film contain a different element to increase the lattice constant. L formed on the hetero substrate by such lattice matching
iNbO 3 single crystal does not have many defects,
A LiNbO 3 single crystal having a large film thickness can be obtained. From such an idea, in the LiNbO 3 single crystal optical waveguide layer, as a different element for lattice matching,
Na in the range of 0.02 to 10.0 mol% and / or 0.8 to 10.8
It is preferable to contain Mg in the range of mol%. When the content of Na is less than 0.02 mol%, the lattice constant does not become large enough to be lattice-matched with the hetero substrate, and also 10.0 mol%
On the other hand, if it exceeds, the lattice constant becomes too large, and in any case, the lattice matching between the hetero substrate and the LiNbO 3 single crystal cannot be obtained. If the Mg content is less than 0.8 mol%, the effect of preventing optical damage is insufficient, and if it exceeds 10.8 mol%, magnesium niobate-based crystals are precipitated.
【００１６】ここにおいて、分岐導波路に設けられる光
変調手段は、電極により導波路に電界をかけ、電気光学
的効果によりその導波路の屈折率を変化せしめ、導波光
の位相を電気的に制御し、出射光の強度変調を行うもの
である。従って本発明の光変調器における光導波路は、
図４に示すように導波路の少なくとも一部分が２本に分
岐された領域を有している。そして、その分岐導波路の
少なくとも一方、より好ましくは両方に、光変調手段た
る電極が形成される。Here, the light modulating means provided in the branching waveguide applies an electric field to the waveguide by means of electrodes to change the refractive index of the waveguide by an electro-optical effect and electrically control the phase of the guided light. Then, the intensity of the emitted light is modulated. Therefore, the optical waveguide in the optical modulator of the present invention is
As shown in FIG. 4, at least a part of the waveguide has a region branched into two. Then, an electrode as a light modulating means is formed on at least one of the branched waveguides, and more preferably on both of them.
【００１７】図４の構成において、入力された導波光は
２つに分割され、基板１上の光導波路２に形成された分
岐導波路２ａ、２ｂに導かれる。分岐導波路２ａ、２ｂ
には適当な構造の電極３ａ、３ｂが設けられている。か
かる電極に電圧を印加すると、電極下に電界集中が起こ
り導波路の伝搬定数が増加又は減少するように変化す
る。これにより、両導波路を通過する導波光の間に位相
差が生ずる。そしてこれら２つの導波光は再び合波され
る。このとき位相差に応じて干渉が起こるので、出力光
の強度は入力強度とは異なることとなる。各分岐導波路
の電極においてそれぞれΔφ、−Δφの位相変化が起こ
るとすれば、両導波路間の位相差は２Δφとなる。この
ことから、図４に示す両方の分岐導波路に電極を形成し
た構造は、一方の分岐導波路のみに電極が形成されてい
る構造よりも、高効率であることがわかる。電極に電圧
を印加することにより２つの導波路間に生じる位相差２
Δφは、In the structure shown in FIG. 4, the input guided light is split into two and is guided to branch waveguides 2a and 2b formed in the optical waveguide 2 on the substrate 1. Branch waveguides 2a, 2b
Are provided with electrodes 3a and 3b having an appropriate structure. When a voltage is applied to such an electrode, electric field concentration occurs under the electrode, and the propagation constant of the waveguide changes so as to increase or decrease. As a result, a phase difference occurs between the guided lights that pass through both waveguides. Then, these two guided lights are combined again. At this time, since interference occurs depending on the phase difference, the intensity of the output light differs from the input intensity. If a phase change of Δφ and −Δφ occurs at the electrodes of each branch waveguide, the phase difference between both waveguides is 2Δφ. From this, it is understood that the structure in which electrodes are formed in both branch waveguides shown in FIG. 4 is more efficient than the structure in which electrodes are formed in only one branch waveguide. Phase difference 2 between two waveguides when voltage is applied to the electrodes
Δφ is
【００１８】[0018]
【数１】 [Equation 1]
【００１９】で与えられる。ここに、Ｖは印加電圧であ
り、Ｖπは位相差が半波長（π／２）となる電圧（以
下、「半波長電圧」という）である。半波長電圧Ｖπ
は、Is given by Here, V is an applied voltage, and Vπ is a voltage at which the phase difference becomes a half wavelength (π / 2) (hereinafter, referred to as “half wavelength voltage”). Half-wave voltage Vπ
Is
【００２０】[0020]
【数２】 [Equation 2]
【００２１】で与えられる。ここで、ｌは電極長、ｄは
電極間隔、Γは印加電界低減係数、λは導波光の波長、
ｒ33は導波路層を構成するＬｉＮｂＯ3 単結晶薄膜の電
気光学定数、ｎe はＬｉＮｂＯ3 単結晶薄膜の異常光屈
折率である。尚、印加電界低減係数Γは、電極に電圧を
印加することにより生ずる電界と導波路を伝搬する電磁
波との重なりを示す係数であり、導波路及び電極の形状
により決まるものである。そして、かかる特性を有する
光変調器にＰi のパワーの光を入力させたときの出力光
のパワーＰo は、Is given by Here, 1 is the electrode length, d is the electrode spacing, Γ is the applied electric field reduction coefficient, λ is the wavelength of the guided light,
r 33 is the electro-optical constant of the LiNbO 3 single crystal thin film forming the waveguide layer, and n e is the extraordinary refractive index of the LiNbO 3 single crystal thin film. The applied electric field reduction coefficient Γ is a coefficient indicating the overlap between the electric field generated by applying a voltage to the electrode and the electromagnetic wave propagating in the waveguide, and is determined by the shapes of the waveguide and the electrode. Then, the power P o of the output light when the light of the power P i is input to the optical modulator having such characteristics is
【００２２】[0022]
【数３】 [Equation 3]
【００２３】で与えられる。ここでｒp は各導波路間の
パワー配分比である。このようにして、電極に印加する
電圧を変化させることにより、両導波路間の位相差２Δ
φを変化させ、もって出力光の強度を変調することがで
きる。特に、位相差が半波長である場合、２つの導波光
は互いに打ち消しあって消光してしまう。これにより、
導波光のオンオフのスイッチングができる。尚、ここで
は図４に示す埋め込み型導波路を用いた光変調器につい
て説明したが、図５に示すリッジ型導波路を用いた光変
調器についても同様である。Is given by Here, r p is the power distribution ratio between the waveguides. In this way, by changing the voltage applied to the electrodes, the phase difference 2Δ
By changing φ, the intensity of output light can be modulated. In particular, when the phase difference is a half wavelength, the two guided lights cancel each other out. This allows
The guided light can be switched on and off. Although the optical modulator using the buried waveguide shown in FIG. 4 has been described here, the same applies to the optical modulator using the ridge waveguide shown in FIG.
【００２４】図４に示した光変調器は、表面に分岐型光
導波路形成用の溝が設けられたヘテロ基板をＬＢフラッ
クス系溶融体中に浸漬し、液相エピタキシャル成長法に
より前記ヘテロ基板の溝内にホウ素を含有するニオブ酸
リチウムの単結晶の分岐光導波路を形成し、さらに少な
くとも一方の分岐光導波路に該導波路を通る導波光の位
相を変化させる光変調手段を設けるようにすることによ
り得られる。一方図５に示した光変調器は、ヘテロ基板
をＬＢフラックス系溶融体中に浸漬し、液相エピタキシ
ャル成長法により前記ヘテロ基板上にホウ素を含有する
ニオブ酸リチウムの単結晶薄膜を形成し、前記単結晶薄
膜の分岐型光導波路形成部にマスクをした状態でこの単
結晶薄膜の残部をエッチング除去することにより分岐型
ニオブ酸リチウム単結晶光導波路を形成し、さらに少な
くとも一方の分岐光導波路に該導波路を通る導波光の位
相を変化させる光変調手段を設けるようにすることによ
り得られる。In the optical modulator shown in FIG. 4, a hetero substrate having a groove for forming a branch type optical waveguide on its surface is dipped in an LB flux system melt, and the groove of the hetero substrate is formed by a liquid phase epitaxial growth method. By forming a branched optical waveguide of a single crystal of lithium niobate containing boron therein, and further by providing at least one of the branched optical waveguides with a light modulation means for changing the phase of the guided light passing through the waveguide. can get. On the other hand, in the optical modulator shown in FIG. 5, a hetero substrate is immersed in an LB flux-based melt, and a single crystal thin film of lithium niobate containing boron is formed on the hetero substrate by a liquid phase epitaxial growth method. A branch type lithium niobate single crystal optical waveguide is formed by etching away the remaining part of the single crystal thin film in a state where the branch type optical waveguide forming part of the single crystal thin film is masked. It can be obtained by providing an optical modulator that changes the phase of guided light passing through the waveguide.
【００２５】[0025]
【実施例】以下に本発明を具体化した実施例について説
明する。最初に、本発明に係る光変調器の製造方法につ
いて説明し、その後でその製造方法で製造した光変調器
の実施例について従来の光変調器との比較において説明
する。本発明に係る光変調器の製造方法は基本的に、ニ
オブ酸リチウム単結晶とは基本組成を異にするヘテロ材
料からなるヘテロ基板上にニオブ酸リチウム単結晶薄膜
を形成する成膜工程と、ヘテロ基板もしくはニオブ酸リ
チウム単結晶薄膜に所定の形状のパターニング加工を施
す加工工程と、ニオブ酸リチウム単結晶導波路層上に導
波光の位相を変化させる光変調手段を設ける変調手段形
成工程との３つの工程により構成される。ヘテロ基板と
しては、例えばタンタル酸リチウム単結晶基板が考えら
れる。EXAMPLES Examples embodying the present invention will be described below. First, a method for manufacturing an optical modulator according to the present invention will be described, and then an example of an optical modulator manufactured by the manufacturing method will be described in comparison with a conventional optical modulator. The manufacturing method of the optical modulator according to the present invention is basically a film forming step of forming a lithium niobate single crystal thin film on a hetero substrate made of a hetero material having a basic composition different from that of the lithium niobate single crystal, A processing step of patterning a hetero substrate or a lithium niobate single crystal thin film into a predetermined shape, and a modulation means forming step of providing an optical modulation means for changing the phase of guided light on the lithium niobate single crystal waveguide layer. It consists of three steps. As the hetero substrate, for example, a lithium tantalate single crystal substrate can be considered.
【００２６】そして、本発明に係る製造方法には、予め
ヘテロ基板に加工工程により所定の形状の加工を施して
おいて、これにニオブ酸リチウム単結晶薄膜の成膜を
し、そして光変調手段を形成する手順による方法（以
下、「第１の製造方法」という）と、ヘテロ基板にまず
ニオブ酸リチウム単結晶薄膜の成膜を施し、形成したニ
オブ酸リチウム単結晶薄膜に所定の形状の加工をし、そ
して光変調手段を形成する手順による方法（以下、「第
２の製造方法」という）との２種類の製造方法がある。
ここで第１、第２のいずれの製造方法においても、ニオ
ブ酸リチウム単結晶薄膜の成膜工程は、形成するニオブ
酸リチウム単結晶の成分材料を熱溶融した溶融体にヘテ
ロ基板を接触させ、エピタキシャル成長により基板状に
所定の組成の単結晶薄膜を格子整合された状態で形成す
る、いわゆるＬＰＥ法と呼ばれるものである。In the manufacturing method according to the present invention, the hetero substrate is previously processed into a predetermined shape by a processing step, a lithium niobate single crystal thin film is formed on the hetero substrate, and the light modulating means is formed. And a method of forming a lithium niobate single crystal thin film on a hetero substrate, and processing the formed lithium niobate single crystal thin film into a predetermined shape. There are two types of manufacturing methods, a method according to a procedure for forming a light modulating means (hereinafter, referred to as “second manufacturing method”).
In any of the first and second manufacturing methods, in the step of forming the lithium niobate single crystal thin film, the hetero substrate is brought into contact with a melt obtained by thermally melting the component material of the lithium niobate single crystal to be formed, This is a so-called LPE method of forming a single crystal thin film having a predetermined composition in a lattice-matched state on a substrate by epitaxial growth.
【００２７】そこでまず、第１の製造方法について図６
に従って説明する。この第１の製造方法は、図４に示す
埋め込み型の光導波路よりなる変調器を製造するもの
で、ヘテロ基板１に溝７が形成され、その溝７内にニオ
ブ酸リチウム単結晶よりなる導波路２が形成されてい
る。第１の製造方法では、まずヘテロ単結晶基板１に所
定のパターニング加工を施す。パターニング加工は以下
の手順で行う。２mm厚程度のヘテロ単結晶基板（例えば
タンタル酸リチウム単結晶基板）１の(0001)面を光学研
磨して平坦な面を得、しかる後にこれを化学研磨する。
化学研磨を行う理由は、光学研磨する際に基板表層に研
磨による歪が加わるので、かかる歪が残留している部分
を除去するためである。基板表層の結晶格子が歪んでい
ると、良質な単結晶薄膜が得られないからである。この
状態でのヘテロ基板１の断面図を図６（ａ）に示す。Therefore, first, the first manufacturing method will be described with reference to FIG.
Follow the instructions below. This first manufacturing method is for manufacturing a modulator including an embedded optical waveguide shown in FIG. 4, in which a groove 7 is formed in a hetero substrate 1, and a conductive material made of a lithium niobate single crystal is formed in the groove 7. The waveguide 2 is formed. In the first manufacturing method, first, the hetero single crystal substrate 1 is subjected to a predetermined patterning process. The patterning process is performed by the following procedure. A (0001) plane of a hetero single crystal substrate (for example, a lithium tantalate single crystal substrate) 1 having a thickness of about 2 mm is optically polished to obtain a flat surface, which is then chemically polished.
The reason for performing chemical polishing is to remove a portion where such strain remains, because strain due to polishing is applied to the surface layer of the substrate during optical polishing. This is because if the crystal lattice on the surface layer of the substrate is distorted, a good quality single crystal thin film cannot be obtained. A cross-sectional view of the hetero substrate 1 in this state is shown in FIG.
【００２８】ついで基板１上にフォトレジストを塗布
し、フォトリソグラフィーにより目的とするパターンを
形成する。そしてリフトオフ法によりＴｉマスクを形成
しドライエッチングを施すと、目的とするパターンに沿
った溝７がヘテロ基板１に形成される。その後フォトレ
ジストとＴｉマスクとを剥離する。溝７のサイズとして
は、例えば幅10μｍ、深さ 3.5μｍ程度が好適である。
こうしてヘテロ単結晶基板１に所定のパターニング加工
が施される。この状態でのヘテロ単結晶基板１の断面図
を図６（ｂ）に示す。Then, a photoresist is applied on the substrate 1 and a desired pattern is formed by photolithography. Then, a Ti mask is formed by a lift-off method and dry etching is performed, so that the groove 7 having a desired pattern is formed in the hetero substrate 1. After that, the photoresist and the Ti mask are peeled off. A suitable size of the groove 7 is, for example, a width of 10 μm and a depth of 3.5 μm.
Thus, the hetero single crystal substrate 1 is subjected to a predetermined patterning process. A cross-sectional view of the hetero single crystal substrate 1 in this state is shown in FIG.
【００２９】次にニオブ酸リチウム単結晶薄膜の成膜工
程について説明する。成膜工程は、Ｎａ2Ｏ 、Ｌｉ
2Ｏ、Ｂ2Ｏ3、Ｎｂ2Ｏ5 、ＭｇＯなどからなる溶融体中
にヘテロ単結晶基板を浸漬し、その基板表面にＬＰＥ法
によりニオブ酸リチウム単結晶薄膜を結晶成長させるも
のである。前記Ｌｉ2Ｏ、Ｂ2Ｏ3、Ｎｂ2Ｏ5の組成範囲
は、図３に示したＬｉ2Ｏ−Ｂ2Ｏ3−Ｎｂ2Ｏ5 の３成分
系の三角図において、Ａ（88.90，2.22，8.88）、Ｂ（5
5.00，43.00，2.00）、Ｃ（46.50，51.50，2.00）、Ｄ
（11.11，80.00，8.89）、Ｅ（37.50，5.00，57.50）の
５組成点で囲まれる組成領域内にあり、Ｆ（47.64，46.
12，6.24）、Ｇ（27.01，64.69，8.30）、Ｈ（36.71，3
7.97，25.32）、Ｉ（44.05，32.97，22.98）の４組成点
で囲まれる範囲が特に好適である。また溶融体組成中に
は、Ｎａ2Ｏ がモル比でＮａ2Ｏ／Ｌｉ2Ｏ が0.1/99.9
〜50.00／50.0、好ましくはモル比で1.0／99.0〜10.0／
90.0を満たす範囲で混合され、またＭｇＯがニオブ酸リ
チウム単結晶薄膜中におけるＭｇＯ／ニオブ酸リチウム
比がモル比で 0.1／99.9〜25.0／75.0、好ましくは5.0
／95.0〜9.0／91.0を満たす範囲で混合される。Next, the film forming process of the lithium niobate single crystal thin film will be described. The film forming process is performed using Na 2 O, Li
A hetero single crystal substrate is dipped in a melt composed of 2 O, B 2 O 3 , Nb 2 O 5 , MgO and the like, and a lithium niobate single crystal thin film is crystal-grown on the substrate surface by the LPE method. The composition range of Li 2 O, B 2 O 3 and Nb 2 O 5 is A (88.90, Nb 2 O 5 ) shown in FIG. 3 in the three-component triangular diagram of Li 2 O—B 2 O 3 —Nb 2 O 5 . 2.22, 8.88), B (5
5.00, 43.00, 2.00), C (46.50, 51.50, 2.00), D
(11.11, 80.00, 8.89) and E (37.50, 5.00, 57.50) are within the composition region surrounded by 5 composition points, and F (47.64, 46.46.
12, 6.24), G (27.01, 64.69, 8.30), H (36.71, 3)
7.97, 25.32) and I (44.05, 32.97, 22.98) are particularly preferable in the range surrounded by the four composition points. Also in the melt composition, Na in Na 2 O molar ratio 2 O / Li 2 O is 0.1 / 99.9
~ 50.00 / 50.0, preferably 1.0 / 99.0 to 10.0 / in molar ratio
9O is mixed in a range satisfying 90.0, and the MgO / lithium niobate ratio in the lithium niobate single crystal thin film is 0.1 / 99.9 to 25.0 / 75.0, preferably 5.0.
Mixed in the range of /95.0 to 9.0 / 91.0.
【００３０】そして前述の溶融体組成物は、空気雰囲気
下あるいは酸化雰囲気下で 800〜1300℃で加熱溶融され
る。単結晶薄膜育成のための温度は、 800〜1250℃であ
ることが望ましい。溶融体は、６〜９６時間攪拌してお
く。攪拌時間が短い場合溶融体中に結晶核が残存し、こ
の結晶核を中心に結晶成長するため、ニオブ酸リチウム
単結晶薄膜が単結晶でなくなり、その表面に凹凸が発生
することがある。次にこの加熱溶融体を0.5〜300℃／時
の速度で冷却して過冷却状態とし、しかる後この溶融体
中に基板を回転させながら浸漬し、この回転状態で基板
上にニオブ酸リチウム単結晶薄膜を結晶成長により育成
させるものである。Then, the above-mentioned melt composition is heated and melted at 800 to 1300 ° C. in an air atmosphere or an oxidizing atmosphere. The temperature for growing the single crystal thin film is preferably 800 to 1250 ° C. The melt is left stirring for 6 to 96 hours. When the stirring time is short, crystal nuclei remain in the melt, and crystals grow centering on the crystal nuclei, so that the lithium niobate single crystal thin film may not be a single crystal, and irregularities may occur on the surface. Next, the heated melt is cooled at a rate of 0.5 to 300 ° C./hour to be in a supercooled state, and then the substrate is immersed in the melt while rotating, and in this rotating state, lithium niobate monolith is placed on the substrate. The crystal thin film is grown by crystal growth.
【００３１】この場合ヘテロ基板のニオブ酸リチウム単
結晶薄膜形成面は化学研磨あるいは化学エッチングし、
その面粗度を、JIS B0601、ＲMAX＝10〜1000Ａとしてお
くことが望ましい。 ＲMAXの値が1000Ａより大きくなる
と、形成されるニオブ酸リチウム単結晶薄膜の結晶性が
低下する。さらにエッジを面取りしておくとよい。エッ
ジが面取りされていない場合、エッジ部分に微細な疵が
でき、熱衝撃でクラックが発生することがある。面取り
は、Ｒ面、Ｃ面いずれでもよい。尚、基板は厚さ0.5〜
2.0mmのものを用いる。 0.5mmより薄いとクラックが発
生しやすく、 2.0mmより厚い基板は、焦電効果（加熱に
よる放電効果）が問題となり、加熱や研磨により帯電す
るため、研磨屑などが付着してスクラッチが発生し易
い。In this case, the surface of the hetero substrate on which the lithium niobate single crystal thin film is formed is chemically polished or chemically etched,
The surface roughness is preferably set to JIS B0601, R MAX = 10 to 1000A. When the value of R MAX is larger than 1000 A, the crystallinity of the formed lithium niobate single crystal thin film deteriorates. Furthermore, it is advisable to chamfer the edges. If the edge is not chamfered, fine scratches may be formed on the edge portion and a crack may occur due to thermal shock. The chamfer may be either the R surface or the C surface. The substrate thickness is 0.5 ~
Use 2.0 mm. If it is thinner than 0.5 mm, cracks are likely to occur, and if it is thicker than 2.0 mm, the pyroelectric effect (electric discharge effect due to heating) becomes a problem, and it is charged by heating and polishing, so polishing dust etc. adheres and scratches occur. easy.
【００３２】育成の際には、ヘテロ基板を回転させるこ
とにより均一な膜厚の結晶ができ、また安定した光学特
性のものが得られる。回転は水平状態にて行われ、その
回転速度は、 5〜150rpmが一般的に選択される。基板と
溶融体との接触時間及び溶融体の温度を適当に選択する
ことにより、ヘテロ基板上に析出するニオブ酸リチウム
単結晶薄膜の厚みを制御することができる。通常ニオブ
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することがあり、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。During the growth, a crystal having a uniform film thickness can be formed by rotating the hetero substrate, and stable optical characteristics can be obtained. The rotation is performed in a horizontal state, and the rotation speed is generally selected to be 5 to 150 rpm. By appropriately selecting the contact time between the substrate and the melt and the temperature of the melt, the thickness of the lithium niobate single crystal thin film deposited on the hetero substrate can be controlled. Generally, the growth rate of a lithium niobate single crystal thin film is 0.01 to 1.0 μm /
Minutes are desirable. If the growth rate is faster than this, undulation may occur in the lithium niobate single crystal thin film, and if the growth rate is slower than this, it takes time to grow the thin film.
【００３３】そして所定時間経過後、溶融体中よりその
基板を取り出し、余分の溶融体を取り除いてから冷却す
る。溶融体の除去は、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜が形
成されたヘテロ基板を 100〜10000rpmの速度で回転させ
ることにより行うとよい。溶融体除去後の冷却は、0.5
〜300℃／時の速度で行ない、400℃ からは指数関数的
に冷却させるのがよい。タンタル酸リチウム基板のキュ
リー点の温度（一般には 650℃）では一定時間温度を保
つか、 0.1〜5℃ ／分の速度で冷却させることが望まし
い。これよりキュリー点における結晶の相転移に伴うク
ラックの発生を防止できる。After a lapse of a predetermined time, the substrate is taken out of the melt, the excess melt is removed, and then the substrate is cooled. The melt may be removed by rotating the hetero substrate on which the lithium niobate single crystal thin film is formed at a speed of 100 to 10,000 rpm. Cooling after removing the melt is 0.5
It is recommended to carry out at a rate of ~ 300 ° C / hour and to cool exponentially from 400 ° C. At the Curie temperature of the lithium tantalate substrate (generally 650 ° C.), it is desirable to keep the temperature for a certain period of time or cool it at a rate of 0.1 to 5 ° C./min. As a result, it is possible to prevent the occurrence of cracks due to the phase transition of crystals at the Curie point.
【００３４】こうして、ヘテロ基板１上にニオブ酸リチ
ウム単結晶薄膜が成膜される。また、ヘテロ基板１に予
め形成されている溝７内にもニオブ酸リチウム単結晶が
生成しており、かかる部分が光導波路となる。この状態
での断面図を図６（ｃ）に示す。そして、形成されたニ
オブ酸リチウム単結晶薄膜のうち、不要部分を研磨して
除去すると、残部が光導波路層２ａ、２ｂとなる。この
状態での断面図を図６（ｄ）に示す。その後、光導波路
層２ａ、２ｂ上に光変調手段を形成する。光変調手段と
しては、電極により光導波路層２ａ、２ｂに電界を印加
するものが一般的であるので、光導波路層２ａ、２ｂ上
にスパッタリングにて図６（ｅ）に示すようにシリカ緩
衝層６を形成し、そしてその上にアルミニウム膜を蒸着
する。そして、前記と同様のフォトリソグラフィー等の
手段によりアルミニウム膜を所定の形状に加工して電極
３ａ、３ｂとすれば、光変調手段を形成することができ
る。この状態での断面図を図６（ｆ）に示す。こうし
て、埋め込み型の光変調器を製造することができる。Thus, the lithium niobate single crystal thin film is formed on the hetero substrate 1. Further, a lithium niobate single crystal is also formed in the groove 7 previously formed in the hetero substrate 1, and such a portion becomes an optical waveguide. A cross-sectional view in this state is shown in FIG. Then, when unnecessary portions of the formed lithium niobate single crystal thin film are polished and removed, the remaining portions become the optical waveguide layers 2a and 2b. A sectional view in this state is shown in FIG. After that, the optical modulator is formed on the optical waveguide layers 2a and 2b. As the light modulating means, a method of applying an electric field to the optical waveguide layers 2a, 2b by electrodes is generally used. Therefore, a silica buffer layer is formed on the optical waveguide layers 2a, 2b by sputtering as shown in FIG. 6 (e). 6 is formed, and an aluminum film is vapor-deposited thereon. Then, the light modulating means can be formed by processing the aluminum film into a predetermined shape by the same photolithography as the above to form the electrodes 3a and 3b. A cross-sectional view in this state is shown in FIG. In this way, an embedded optical modulator can be manufactured.
【００３５】次に第２の製造方法について説明する。第
２の製造方法は図５に示すリッジ型の光導波路よりなる
変調器を製造するもので、ヘテロ基板１に溝は形成され
ておらず、ヘテロ基板１上に成膜したニオブ酸リチウム
単結晶薄膜の一部を土手状に加工して導波路２としてい
る。第２の製造方法では、第１の製造方法と逆に、ニオ
ブ酸リチウム単結晶薄膜の成膜を先に行い、その後でパ
ターニング加工を行う。従って、ヘテロ基板１は、光学
研磨と化学研磨のみ施された状態（図７（ａ）に断面図
を示す）でＬＰＥ結晶成長に供される。ＬＰＥ結晶成長
自体は、前記の第１の製造方法の場合と全く同様に行わ
れるので説明は省略する。ニオブ酸リチウム単結晶薄膜
８を成膜した状態での断面図を図７（ｂ）に示す。Next, the second manufacturing method will be described. The second manufacturing method is to manufacture a modulator including the ridge type optical waveguide shown in FIG. 5, in which no groove is formed in the hetero substrate 1, and a lithium niobate single crystal film formed on the hetero substrate 1 is formed. A part of the thin film is processed into a bank shape to form the waveguide 2. In the second manufacturing method, contrary to the first manufacturing method, the lithium niobate single crystal thin film is formed first, and then the patterning process is performed. Therefore, the hetero substrate 1 is subjected to LPE crystal growth in a state where only optical polishing and chemical polishing are performed (a cross-sectional view is shown in FIG. 7A). The LPE crystal growth itself is performed in exactly the same manner as in the case of the above-mentioned first manufacturing method, and a description thereof will be omitted. FIG. 7B is a sectional view showing a state in which the lithium niobate single crystal thin film 8 is formed.
【００３６】所定の膜厚のニオブ酸リチウム単結晶薄膜
が得られたら、これを所定の形状にパターニング加工し
て残部を土手状の光導波路層２ａ、２ｂとする。パター
ニング加工自体は、第１の製造方法の場合と同じくフォ
トリソグラフィー等の手段により行う。パターニング加
工をして残部を土手状に形成した状態での断面図を図７
（ｃ）に示す。その後、第１の製造方法の場合と同様に
して、光導波路層２ａ、２ｂ上に光変調手段を形成すれ
ばよい。図７（ｄ）には、光変調手段であるシリカ緩衝
層及びアルミ電極３ａ、３ｂを形成した状態での断面図
が示されている。こうして、リッジ型の光変調器を製造
することができる。When a lithium niobate single crystal thin film having a predetermined thickness is obtained, this is patterned into a predetermined shape and the rest is made into bank-shaped optical waveguide layers 2a and 2b. The patterning process itself is performed by means such as photolithography as in the case of the first manufacturing method. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a state in which the remainder is formed into a bank shape by patterning.
It shows in (c). After that, the light modulating means may be formed on the optical waveguide layers 2a and 2b in the same manner as in the first manufacturing method. FIG. 7D is a sectional view showing a state where the silica buffer layer which is the light modulating means and the aluminum electrodes 3a and 3b are formed. In this way, a ridge type optical modulator can be manufactured.
【００３７】次に、このようにして製造された本発明に
係る光変調器について説明する。本発明品については、
埋め込み型光導波路用として本試料１１〜１６までを、
またリッジ型光導波路用として本試料２１〜２６までを
用意し、比較品にあっては比較試料１〜３を用意した。
これらの溶融体組成、薄膜形成用に供試される基板の種
類、この基板上に形成される薄膜の膜厚、並びにこれら
の供試試料の各種分析結果と各種実験データ等を表１に
まとめて示した。本試料１１〜１６、２１〜２６は、い
ずれも溶融体組成としてＮａ2ＣＯ3、Ｌｉ2ＣＯ3、Ｂ2
Ｏ3、Ｎｂ2Ｏ5及びＭｇＯからなるものを用いて作製し
た。それぞれの組成物の配合量は表１に示す通りであ
る。ＭｇＯはその溶融物組成から析出可能なＬｉＮｂＯ
3 の理論量に対する添加量として示している。この溶融
体組成物としてＶ2Ｏ5が含まれていないことは勿論であ
る。Next, the optical modulator manufactured according to the present invention will be described. For the product of the present invention,
Samples 11 to 16 for embedded optical waveguide
Further, the present samples 21 to 26 were prepared for the ridge type optical waveguide, and comparative samples 1 to 3 were prepared as comparative products.
Table 1 summarizes the composition of these melts, the type of substrate used for thin film formation, the film thickness of the thin film formed on this substrate, and various analysis results and various experimental data of these sample specimens. Showed. The samples 11 to 16 and 21 to 26 all have Na 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , and B 2 as a melt composition.
It was prepared by using one composed of O 3 , Nb 2 O 5 and MgO. The compounding amount of each composition is as shown in Table 1. MgO is LiNbO that can be precipitated from its melt composition.
It is shown as the amount added to the theoretical amount of 3 . It goes without saying that the melt composition does not contain V 2 O 5 .
【００３８】基板は、本試料１１〜１６、２１〜２６の
いずれの場合も１mm厚のタンタル酸リチウムの六方晶型
単結晶のものを用いている。そしてこのタンタル酸リチ
ウムの単結晶基板の(0001)面を光学研磨したものを供試
した。本試料１１〜１６にあっては、前述の第１の製造
方法により埋め込み型の光変調器を作製した。即ち、タ
ンタル酸リチウム単結晶基板に所定のパターニング加工
により溝形成を施し、上述の溶融体組成物からなる溶融
体中に接触させ、ＬＰＥ法によりこの基板の(0001)面上
にニオブ酸リチウムの単結晶薄膜を結晶成長により形成
した。本試料１１〜１６のいずれの場合も前記溶融体組
成物は予め白金ルツボに入れ、エピタキシャル成長育成
装置中で空気雰囲気下で1100℃に加熱溶融されている。The substrate used in each of the samples 11 to 16 and 21 to 26 is a hexagonal type single crystal of lithium tantalate having a thickness of 1 mm. Then, a test piece was obtained by optically polishing the (0001) plane of this lithium tantalate single crystal substrate. In the samples 11 to 16, embedded optical modulators were manufactured by the above-described first manufacturing method. That is, a groove is formed by a predetermined patterning process on a lithium tantalate single crystal substrate, and the groove is brought into contact with a melt composed of the above melt composition, and lithium niobate of the (0001) plane of this substrate is contacted by the LPE method. A single crystal thin film was formed by crystal growth. In each of Samples 11 to 16, the melt composition was previously placed in a platinum crucible and heated and melted at 1100 ° C. in an epitaxial growth and growth apparatus in an air atmosphere.
【００３９】次にこの溶融体を60℃／時の速度で930〜9
50℃まで冷却して過冷却状態とした後、この溶融体に上
述のタンタル酸リチウム単結晶基板を 20rpmの回転速度
で回転させながら所定時間浸漬し、タンタル酸リチウム
単結晶基板の(0001)面にニオブ酸リチウム単結晶薄膜を
結晶成長させている。本試料１１〜１６の場合はいずれ
もその浸漬時間を８分間とした。ＬＰＥ法によりタンタ
ル酸リチウム単結晶基板上にニオブ酸リチウム単結晶薄
膜を形成した後、これを溶融体から引き上げ、回転数 1
000rpmで１０分間回転させてニオブ酸リチウム単結晶薄
膜の表面から溶融体を振り切って取り除き、しかる後低
温まで徐冷する。かくして本試料１１〜１６のいずれの
場合も８μｍの厚さ（溝でない部分）のニオブ酸リチウ
ム単結晶薄膜が得られた。タンタル酸リチウム単結晶基
板に予め形成しておいた溝内にもニオブ酸リチウム単結
晶が形成されていることは勿論である。Next, this melt was heated to 930 to 9 at a rate of 60 ° C./hour.
After cooling to 50 ° C. to be in a supercooled state, the above-mentioned lithium tantalate single crystal substrate was immersed in this melt for a predetermined time while rotating at a rotation speed of 20 rpm, and the (0001) plane of the lithium tantalate single crystal substrate A single crystal thin film of lithium niobate is crystal-grown. In all of Samples 11 to 16, the immersion time was 8 minutes. After forming a lithium niobate single crystal thin film on a lithium tantalate single crystal substrate by the LPE method, the thin film was pulled up from the melt and the rotation speed was 1
The melt is shaken off from the surface of the lithium niobate single crystal thin film by rotating at 000 rpm for 10 minutes, and then slowly cooled to a low temperature. Thus, in any of Samples 11 to 16, a single crystal thin film of lithium niobate having a thickness of 8 μm (a portion other than the groove) was obtained. It goes without saying that the lithium niobate single crystal is also formed in the groove previously formed in the lithium tantalate single crystal substrate.
【００４０】そして、得られたニオブ酸リチウム単結晶
薄膜のうち不要な部分を研磨して削除した。その後シリ
カ緩衝層とアルミニウム膜を形成し、所定の形状に加工
して電極となし、光変調手段を形成した。かくして製作
された本試料１１〜１３は２つの分岐導波路を有し、導
波路幅Ｗは10μｍ、研磨後の膜厚Ｔは４μｍ、導波路深
さΔＴは１μｍ、電極間隔ｄは40μｍ、電極長Ｌは15ｍ
ｍであった。そして、本試料１４〜１６は２つの分岐導
波路を有し、導波路幅Ｗは 1.5μｍ、研磨後の膜厚Ｔは
１μｍ、導波路深さΔＴは 0.4μｍ、電極間隔ｄは40μ
ｍ、電極長Ｌは15ｍｍであった。Then, unnecessary portions of the obtained lithium niobate single crystal thin film were polished and removed. After that, a silica buffer layer and an aluminum film were formed, processed into a predetermined shape to form electrodes, and light modulation means was formed. The samples 11 to 13 thus manufactured have two branched waveguides, the waveguide width W is 10 μm, the film thickness T after polishing is 4 μm, the waveguide depth ΔT is 1 μm, the electrode interval d is 40 μm, and the electrodes are Length L is 15m
It was m. The samples 14 to 16 have two branched waveguides, the waveguide width W is 1.5 μm, the film thickness T after polishing is 1 μm, the waveguide depth ΔT is 0.4 μm, and the electrode interval d is 40 μm.
m, and the electrode length L was 15 mm.
【００４１】本試料２１〜２６にあっては、前述の第２
の製造方法によりリッジ型の光変調器を作製した。即
ち、タンタル酸リチウム単結晶基板には溝を形成せず、
上述の溶融体組成物からなる溶融体中に接触させ、ニオ
ブ酸リチウムの単結晶薄膜を形成した。かかる結晶成長
自体は、本試料１１〜１６の場合と同様のＬＰＥ法によ
り行った。本試料２１〜２６の場合はいずれもその浸漬
時間を５分間とし、５μｍの厚さのニオブ酸リチウム単
結晶薄膜を得た。そして、得られたニオブ酸リチウム単
結晶薄膜に所定のパターニング加工により、導波路部分
を形成した。その後シリカ緩衝層とアルミニウム膜を形
成し、所定の形状に加工して電極となし、光変調手段を
形成した。かくして製作された本試料２１〜２３は２つ
の分岐導波路を有し、導波路幅Ｗは10μｍ、加工後の膜
厚Ｔは４μｍ、導波路段差ΔＴは１μｍ、電極間隔ｄは
40μｍ、電極長Ｌは15ｍｍであった。そして、本試料２
４〜２６は２つの分岐導波路を有し、導波路幅Ｗは1.5
μｍ、加工後の膜厚Ｔは１μｍ、導波路段差ΔＴは 0.4
μｍ、電極間隔ｄは40μｍ、電極長Ｌは15ｍｍであっ
た。In the present samples 21 to 26, the second sample
A ridge-type optical modulator was manufactured by the manufacturing method described in 1. That is, a groove is not formed on the lithium tantalate single crystal substrate,
A single crystal thin film of lithium niobate was formed by bringing it into contact with a melt composed of the above melt composition. The crystal growth itself was performed by the same LPE method as in the case of Samples 11 to 16. In all of Samples 21 to 26, the immersion time was set to 5 minutes to obtain a lithium niobate single crystal thin film having a thickness of 5 μm. Then, a waveguide portion was formed on the obtained lithium niobate single crystal thin film by a predetermined patterning process. After that, a silica buffer layer and an aluminum film were formed, processed into a predetermined shape to form electrodes, and light modulation means was formed. The samples 21 to 23 thus manufactured have two branched waveguides, the waveguide width W is 10 μm, the film thickness T after processing is 4 μm, the waveguide step ΔT is 1 μm, and the electrode interval d is
The thickness was 40 μm and the electrode length L was 15 mm. And this sample 2
Nos. 4 to 26 have two branch waveguides, and the waveguide width W is 1.5.
μm, the film thickness T after processing is 1 μm, and the waveguide step ΔT is 0.4
μm, the electrode spacing d was 40 μm, and the electrode length L was 15 mm.
【００４２】本試料１１〜１６、２１〜２６におけるニ
オブ酸リチウム単結晶薄膜中のＮａ、Ｍｇ、及びＢの成
分分析をＩＣＰ発光分析によりおこなったのでその結果
を表１に合わせて示してある。本試料１１と２１と、１
２と２２と、１３と２３と、１４と２４と、１５と２５
と、１６と２６とはそれぞれ同一組成の溶融体によりＬ
ＰＥ成長を行ったものであり、形成されたニオブ酸リチ
ウム単結晶薄膜の成分もそれぞれ一致する。これらのい
ずれにおいてもＮａ、Ｍｇ、及びＢがそれぞれ適量づつ
含有されていることがわかる。The components of Na, Mg, and B in the lithium niobate single crystal thin films of the present samples 11 to 16 and 21 to 26 were analyzed by ICP emission analysis. The results are also shown in Table 1. Samples 11 and 21 and 1
2 and 22, 13 and 23, 14 and 24, 15 and 25
, And 16 and 26 are made of L having the same composition.
PE growth was performed, and the components of the formed lithium niobate single crystal thin film were also the same. It can be seen that in each of these, an appropriate amount of Na, Mg, and B is contained.
【００４３】またニオブ酸リチウム単結晶薄膜の結晶構
造のａ軸方向の格子定数を通常の粉末Ｘ線回折により行
ったのでその結果も表１に示してある。測定においては
Ｓｉを内部標準として使用し、格子定数は、Ｃｕ管球に
より２θ＝４５〜９０゜ の範囲で検出されるニオブ酸リ
チウムの１５本の回折ピークの角度とその面指数から最
小二乗法により算出している。尚、測定には白金ルツボ
内に堆積したニオブ酸リチウム単結晶粒いわゆるrestme
ltを粉砕して試料として用いた。この測定結果によれ
ば、本試料１１〜１６、２１〜２６は5.151Ａ〜5.156Ａ
の値を示している。これはタンタル酸リチウム単結晶基
板結晶構造のａ軸方向の格子定数 5.154Ａに略近似した
値であることがわかる。これは格子整合がよくなされて
いることを意味する。Further, the lattice constant in the a-axis direction of the crystal structure of the lithium niobate single crystal thin film was determined by ordinary powder X-ray diffraction, and the results are also shown in Table 1. In the measurement, Si is used as an internal standard, and the lattice constant is the least squares method from the angles of the 15 diffraction peaks of lithium niobate detected by the Cu tube in the range of 2θ = 45 to 90 ° and its surface index. It is calculated by For the measurement, lithium niobate single crystal grains deposited in a platinum crucible, so-called restme
The lt was ground and used as a sample. According to this measurement result, the present samples 11 to 16 and 21 to 26 are 5.151A to 5.156A.
Indicates the value of. It can be seen that this is a value that is approximately approximated to the lattice constant 5.154 A in the a-axis direction of the lithium tantalate single crystal substrate crystal structure. This means that the lattice matching is well done.
【００４４】一方比較品として示した比較試料１及び２
は、ニオブ酸リチウム単結晶基板、すなわちホモ基板を
用いている。そしてこの基板を浸漬させる溶融体とし
て、比較試料１はＬＢフラックス系を用い、一方比較試
料２はＬＶフラックス系を用いている。いずれの試料も
ニオブ酸リチウム単結晶基板にＭｇＯがドープされてい
る関係上、薄膜中にＮａやＭｇが混在しないように配慮
している。したがって溶融体にはＮａ2ＣＯ3及びＭｇＯ
は配合されない。ニオブ酸リチウム単結晶基板上にニオ
ブ酸リチウム単結晶薄膜をＬＰＥ法により結晶成長させ
て形成する方法は、前述の本発明品（本試料１１〜１
６、２１〜２６）と略同じであるのでここでは詳細な説
明を割愛する。ただ最終的にニオブ酸リチウム単結晶薄
膜の厚さは、５μｍとしている。また成分分析結果（表
１）からわかるように薄膜中にはＮａ及びＭｇが混在さ
れない。さらにＸ線回折による単結晶薄膜のａ軸方向の
格子定数も、5.150Ａ 程度であった。On the other hand, comparative samples 1 and 2 shown as comparative products
Uses a lithium niobate single crystal substrate, that is, a homo substrate. Then, as a melt for immersing this substrate, Comparative Sample 1 uses the LB flux system, while Comparative Sample 2 uses the LV flux system. In all the samples, due to the fact that the lithium niobate single crystal substrate was doped with MgO, care was taken not to mix Na and Mg in the thin film. Therefore, the melt contains Na 2 CO 3 and MgO.
Is not compounded. The method of forming a lithium niobate single crystal thin film on the lithium niobate single crystal substrate by crystal growth by the LPE method is the same as the above-described product of the present invention (the present samples 11 to 1
6, 21-26), and detailed description is omitted here. However, the final thickness of the lithium niobate single crystal thin film is 5 μm. Further, as can be seen from the component analysis results (Table 1), Na and Mg are not mixed in the thin film. Further, the lattice constant in the a-axis direction of the single crystal thin film by X-ray diffraction was about 5.150A.
【００４５】比較試料３は、本発明品（本試料１１〜１
６、２１〜２６）と同じくタンタル酸リチウム基板（ヘ
テロ基板）の上にニオブ酸リチウム単結晶薄膜を形成し
たものであるが、その溶融体組成を異にするＬｉ2ＣＯ3
−Ｖ2Ｏ5−Ｎｂ2Ｏ5系のものを用いている。そしてこれ
に格子整合用としてＮａ2ＣＯ3を配合してなるものであ
る。ＬＰＥ法による単結晶薄膜の形成方法は本発明品の
場合とほとんど同じであり、その薄膜の厚さも同じく５
μｍとした。ＩＣＰ発光分析の結果では、ＮａとＶが混
在し、Ｎａが混在していることによりＸ線回折結果でも
判るように薄膜のａ軸方向の格子定数が 5.154Ａと単結
晶基板の格子定数に近い値を示した。これは格子整合が
よくなされていることを意味する。Comparative sample 3 is the product of the present invention (samples 11 to 1).
6, 21-26), a lithium niobate single crystal thin film is formed on a lithium tantalate substrate (hetero substrate), but Li 2 CO 3 having a different melt composition is used.
A -V 2 O 5 -Nb 2 O 5 system is used. Then, Na 2 CO 3 is added to this for lattice matching. The method of forming a single crystal thin film by the LPE method is almost the same as the case of the product of the present invention, and the thickness of the thin film is also 5
μm. According to ICP emission analysis results, Na and V are mixed, and because Na is mixed, the lattice constant in the a-axis direction of the thin film is 5.154A, which is close to the lattice constant of the single crystal substrate, as can be seen from the X-ray diffraction results. Showed the value. This means that the lattice matching is well done.
【００４６】尚、表１には示していないが、溶融体組成
中の Ｂ2Ｏ3 の配合量が多過ぎると、四ホウ酸リチウム
（Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7 ）のようなニオブ酸リチウム以外の結晶
が析出し、また、溶融体組成として前述の図３に示した
Ｌｉ2ＣＯ3−Ｂ2Ｏ3−Ｎｂ2Ｏ5の３成分系の三角図にお
ける点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥの５組成点で囲まれる組成
領域より外れていると単結晶薄膜が形成されないことが
判った。さらに溶融体組成中のＮａ2ＣＯ3の配合量が多
過ぎると、ニオブ酸リチウム単相ではなく、第２相とし
てのニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ3 ）が析出するこ
とも判った。Although not shown in Table 1, if the content of B 2 O 3 in the composition of the melt is too large, other than lithium niobate such as lithium tetraborate (Li 2 B 4 O 7 ). And the points A, B, C and D in the triangular diagram of the three-component system of Li 2 CO 3 —B 2 O 3 —Nb 2 O 5 shown in FIG. 3 as the melt composition. It has been found that the single crystal thin film is not formed when it is out of the composition region surrounded by the five composition points of E. Further, it was also found that when the content of Na 2 CO 3 in the melt composition was too large, not the lithium niobate single phase but sodium niobate (NaNbO 3 ) as the second phase was precipitated.
【００４７】次にニオブ酸リチウム単結晶薄膜のＴＥモ
ード及びＴＭモードの光導波特性について測定した。そ
の結果は表１に示した通りである。すなわち本発明品
（本試料１１〜１６、２１〜２６）は、ＴＥモード及び
ＴＭモードとともにその光導波特性は良好な結果が得ら
れたのに対し、従来品（比較品）である比較試料１及び
２はいずれもＴＥモードは導波するがＴＭモードは導波
不能ということで、ＴＭモードにおける光導波特性が劣
る結果となった。これは本発明品の場合ニオブ酸リチウ
ム単結晶薄膜がこの薄膜材料と異なるヘテロ基板上に形
成されたものであり、一方比較試料１及び２の場合ニオ
ブ酸リチウム単結晶薄膜がこの薄膜材料と同じくするホ
モ基板上に形成されたものであることに起因すると思わ
れる。このことは、比較試料３がヘテロ基板上にニオブ
酸リチウム単結晶薄膜を形成したものであってこの試料
のものがＴＭモードの光導波が可能であったことからも
首肯できる。Next, the optical waveguide characteristics of the TE mode and TM mode of the lithium niobate single crystal thin film were measured. The results are as shown in Table 1. That is, while the products of the present invention (the present samples 11 to 16 and 21 to 26) have good optical waveguide characteristics along with the TE mode and the TM mode, comparative samples which are conventional products (comparative products). In both 1 and 2, the TE mode can be guided but the TM mode cannot be guided, resulting in poor optical waveguide characteristics in the TM mode. In the case of the product of the present invention, the lithium niobate single crystal thin film was formed on a hetero substrate different from this thin film material, while in the case of Comparative Samples 1 and 2, the lithium niobate single crystal thin film was the same as this thin film material. It is believed that this is due to the fact that it was formed on a homo substrate. This can also be confirmed from the fact that the comparative sample 3 has a lithium niobate single crystal thin film formed on a hetero substrate and this sample can perform TM-mode optical waveguide.
【００４８】図８は溶融体中のＮａ置換量とニオブ酸リ
チウム単結晶薄膜のａ軸方向の格子定数との関係を示し
ている。横軸に溶融体中のＮａ置換量を、また縦軸に単
結晶薄膜のａ軸方向の格子定数を採る。タンタル酸リチ
ウム単結晶基板のａ軸方向の格子定数はおよそ 5.154Ａ
弱の値を示している。この図８から判るように、ＬＶフ
ラックス系溶融体を用いたものもＬＢフラックス系溶融
体を用いたものも薄膜中のＮａ含有量が多くなるにつれ
て薄膜の格子定数が上がる。また薄膜中にＭｇＯを拡散
（ドープ）した方がドープしないよりも格子定数が大き
いことが判る。FIG. 8 shows the relationship between the amount of Na substitution in the melt and the lattice constant in the a-axis direction of the lithium niobate single crystal thin film. The horizontal axis shows the amount of Na substitution in the melt, and the vertical axis shows the lattice constant in the a-axis direction of the single crystal thin film. The lattice constant in the a-axis direction of the lithium tantalate single crystal substrate is approximately 5.154A.
It shows a weak value. As can be seen from FIG. 8, the lattice constant of the thin film increases as the Na content in the thin film increases both in the case of using the LV flux type melt and in the case of using the LB flux type melt. It can also be seen that the lattice constant is larger when MgO is diffused (doped) in the thin film than when undoped.
【００４９】そしてこの図の測定データから明らかなよ
うに、ＬＢフラックス系溶融体を用いた方がＬＶフラッ
クス系のものよりもＮａ含有量に対する格子定数の増大
傾向が高く、Ｎａに対する感受性が強いと言える。しか
もＮａ含有量が少ないレベルで早くタンタル酸リチウム
単結晶基板の格子定数に近い（又は略同じの）格子定数
が得られる。このことからＬＢフラックス系溶融体を用
いることにより薄膜中のＮａなどの不純物が少なくて済
み、それだけ薄膜の結晶構造が乱れのない緻密なものが
得られて光学定数等の向上が期待されるものである。As is clear from the measurement data of this figure, the use of the LB flux type melt has a higher tendency of increasing the lattice constant with respect to the Na content and a higher sensitivity to Na than the LV flux type melt. I can say. Moreover, a lattice constant close to (or substantially the same as) the lattice constant of the lithium tantalate single crystal substrate can be obtained quickly at a low Na content level. Therefore, by using the LB flux-based melt, impurities such as Na in the thin film can be reduced, and a dense film with no disorder in the crystal structure of the thin film can be obtained, which is expected to improve optical constants. Is.
【００５０】次にＴＭモード導波光についての光伝搬損
失を測定した結果も同じく表１に示しているが、使用波
長 0.633μｍの可視光領域において本試料１１〜１６、
２１〜２６はいずれも１dＢ／cm 以下であり光伝搬損失
の少ない良好な結果が得られた。これに対してＬＶフラ
ックス系溶融体を用いた従来品の比較試料３のものは、
この 0.633μｍの使用波長では著しく光損傷を受け、光
伝搬損失を測定できなかった。本試料１１〜１６、２１
〜２６においては、ＬｉＮｂＯ3 単結晶導波路層に適量
含有されているＢが光伝搬損失の低さに貢献していると
考えられる。尚、ＴＭモード光の導波ができなかった比
較試料１、２については光伝搬損失の測定はしなかっ
た。Next, the results of measuring the optical propagation loss of the TM-mode guided light are also shown in Table 1, but in the visible light region of the used wavelength of 0.633 μm, the samples 11 to 16,
All of Nos. 21 to 26 were 1 dB / cm or less, and good results with little optical propagation loss were obtained. On the other hand, the comparative sample 3 of the conventional product using the LV flux-based melt is
At this used wavelength of 0.633 μm, the optical propagation was significantly damaged, and the optical propagation loss could not be measured. This sample 11-16, 21
In Nos. 26 to 26, it is considered that B contained in the LiNbO 3 single crystal waveguide layer in an appropriate amount contributes to the low optical propagation loss. The optical transmission loss was not measured for Comparative Samples 1 and 2 in which the TM mode light could not be guided.
【００５１】次に本試料１１〜１６、２１〜２６及び比
較試料３について耐光損傷性の評価テストを行ったので
そのテスト結果も表１に示す。この耐光損傷性の評価テ
ストは、入射光波長 0.633μｍのＴＭモードの導波光を
レーザ光と結合し、出射パワーの経時変化を測定するこ
とにより行った。光損傷が起きれば、屈折率変化により
散乱が生じて出力パワーが小さくなり、光損傷が起きな
ければ出力パワーの変化は生じない。このテストの結果
を図９に示す。横軸に時間（測定定数）、縦軸に出力パ
ワーの変化を示している。ＬＶ系フラックスを用いた比
較試料３のものは光出射後１分も過ぎれば急激に出力パ
ワーの減少を生じている。これは薄膜の光損傷により屈
折率が変化し、これにより光の散乱が生じて出力パワー
の減少を招いたものと考察される。これに対しＬＢ系フ
ラックスを用いた本試料１１〜１６、２１〜２６は、い
ずれも出力パワーの減少をほとんど生じることはなく、
耐光損傷性に優れているとの結果が得られた。Next, an evaluation test for light damage resistance was conducted on the present samples 11 to 16, 21 to 26 and the comparative sample 3, and the test results are also shown in Table 1. This optical damage resistance evaluation test was performed by coupling TM-mode guided light having an incident light wavelength of 0.633 μm with laser light and measuring the change over time in the emission power. If optical damage occurs, scattering occurs due to a change in the refractive index and the output power becomes small. If optical damage does not occur, the output power does not change. The results of this test are shown in FIG. The horizontal axis represents time (measurement constant), and the vertical axis represents changes in output power. In the case of the comparative sample 3 using the LV-based flux, the output power sharply decreases after 1 minute from the light emission. It is considered that this is because the refractive index changes due to the optical damage of the thin film, which causes the scattering of light and the decrease of the output power. On the other hand, in each of the samples 11 to 16 and 21 to 26 using the LB-based flux, the output power hardly decreased in all cases,
The result was excellent in light damage resistance.
【００５２】以上のことから、比較試料１、２がＴＭモ
ードの導波ができないのに対し、本試料１１〜１６、２
１〜２６及び比較試料３はＴＥモード、ＴＭモードとも
に導波できることが理解できる。更に、比較試料３が格
子整合性やＴＭモード光導波性自体には問題がないにも
拘らず光伝搬損失や光損傷が激しいのに対し、本試料１
１〜１６、２１〜２６にはそのような問題はないことが
わかる。From the above, the comparative samples 1 and 2 cannot perform TM mode waveguiding, but the present samples 11 to 16 and 2
It can be understood that 1 to 26 and the comparative sample 3 can be guided in both TE mode and TM mode. Further, although the comparative sample 3 has no problems in the lattice matching property and the TM mode optical waveguide property itself, the optical propagation loss and the optical damage are severe, whereas the present sample 1
It can be seen that 1 to 16 and 21 to 26 do not have such a problem.
【００５３】[0053]
【表１】 [Table 1]
【００５４】次に、かかる良好な特性が得られる本試料
１１〜１６、２１〜２６の光変調器における光変調特性
を試験した。まず、本試料１１〜１３の埋め込み型光変
調器及び本試料２１〜２３のリッジ型光変調器では、波
長1.55μｍのレーザ光を10ｍＷの強度で入射し、アルミ
ニウム電極に印加する電圧を調整しながら出射光出力を
測定することにより、変調帯域（電極に高周波を印加し
たときに光変調器が追随できる最大の周波数）と半波長
電圧とを測定した。その結果、変調帯域は 500ＭＨz で
あり、半波長電圧は７Ｖであることがわかった。尚、こ
のときの消光比は 15dＢ以上という良好な値であった。
従って本試料１１〜１３、２１〜２３の光変調器は、高
周波領域でもレーザ光の位相変調が確実にでき、優れた
光スイッチとしての機能を有する。Next, the optical modulation characteristics of the optical modulators of the present samples 11 to 16 and 21 to 26 which can obtain such favorable characteristics were tested. First, in the embedded optical modulators of the present samples 11 to 13 and the ridge type optical modulator of the present samples 21 to 23, a laser beam having a wavelength of 1.55 μm is incident with an intensity of 10 mW and the voltage applied to the aluminum electrode is adjusted. While measuring the emitted light output, the modulation band (the maximum frequency that the optical modulator can follow when a high frequency is applied to the electrode) and the half-wave voltage were measured. As a result, it was found that the modulation band was 500 MHz and the half-wave voltage was 7V. The extinction ratio at this time was a good value of 15 dB or more.
Therefore, the optical modulators of Samples 11 to 13 and 21 to 23 can surely perform phase modulation of laser light even in a high frequency region, and have an excellent function as an optical switch.
【００５５】また、本試料１４〜１６の埋め込み型光変
調器及び本試料２４〜２６のリッジ型光変調器では、波
長0.48μｍのレーザ光を15ｍＷの強度で入射し、同様に
変調帯域と半波長電圧とを測定した。その結果、変調帯
域は 500ＭＨz であり、半波長電圧は２Ｖであることが
わかった。尚、このときの消光比は 15dＢ以上という良
好な値であった。従って本試料１４〜１６、２４〜２６
の光変調器も、高周波領域を含めてレーザ光の位相変調
が確実にでき、優れた光スイッチとしての機能を有す
る。Further, in the embedded optical modulators of Samples 14 to 16 and the ridge type optical modulators of Samples 24 to 26, laser light having a wavelength of 0.48 μm was incident at an intensity of 15 mW, and a half of the modulation band was obtained. The wavelength voltage and was measured. As a result, it was found that the modulation band was 500 MHz and the half-wave voltage was 2V. The extinction ratio at this time was a good value of 15 dB or more. Therefore, this sample 14-16, 24-26
The optical modulator of (1) can surely perform phase modulation of laser light including a high frequency region, and has an excellent function as an optical switch.
【００５６】更に、本試料１１〜１６、２１〜２６の光
変調器の長時間の耐使用性を試験するため、レーザ光を
長時間導波した後における光変調特性を測定した。その
結果、本試料１１〜１６の光変調器では、レーザ光を少
なくとも24時間導波しても、光変調特性に変化がないこ
とがわかった。また、本試料２１〜２６の光変調器で
は、レーザ光を少なくとも24時間導波しても、光変調特
性に変化がないことがわかった。このことから、本試料
１１〜１６、２１〜２６の光変調器はいずれも長時間の
耐使用性に優れていることがわかる。本試料１１〜１
６、２１〜２６におけるかかる優れた長時間安定性は、
導波路層であるニオブ酸リチウム単結晶中に、従来のバ
ナジウム（Ｖ）に代えてホウ素（Ｂ）を含有させたこと
等により光損傷が低下したことの効果であると考えられ
る。かかる本試料１１〜１６、２１〜２６の光変調器の
形状、特性を表２にまとめて示す。Further, in order to test the long-term durability of the optical modulators of Samples 11 to 16 and 21 to 26, the optical modulation characteristics after the laser light was guided for a long time were measured. As a result, it was found that the optical modulators of Samples 11 to 16 did not change the optical modulation characteristics even when the laser light was guided for at least 24 hours. It was also found that the optical modulators of Samples 21 to 26 did not change the optical modulation characteristics even when the laser light was guided for at least 24 hours. From this, it can be seen that the optical modulators of Samples 11 to 16 and 21 to 26 are all excellent in long-term durability. This sample 11-1
The excellent long-term stability of 6, 21 to 26 is
It is considered that this is due to the fact that the optical damage is reduced due to the inclusion of boron (B) in place of conventional vanadium (V) in the lithium niobate single crystal that is the waveguide layer. Table 2 shows the shapes and characteristics of the optical modulators of the present samples 11 to 16 and 21 to 26.
【００５７】[0057]
【表２】 [Table 2]
【００５８】以上説明したとおり、本発明に係る光変調
器は、埋め込み型、リッジ型ともに、優れたシングルモ
ード性、低伝搬損失性、耐光損傷性を有し、かつ、バル
クＬｉＮｂＯ3 単結晶と遜色ない電気光学定数を有して
いる。このことから、優れた位相変調特性を発揮するも
のであり、良好な光スイッチング機能を有する。更に、
長時間安定して使用することができる。また、本発明に
係る光変調器の製造方法によれば、かかる優れた光変調
器を得ることができる。尚、前記各実施例は本発明を限
定するものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲に
おいて種々の変形・改良が可能であることはいうまでも
ない。As described above, the optical modulator according to the present invention has excellent single mode property, low propagation loss property, and optical damage resistance both in the buried type and the ridge type, and is made of a bulk LiNbO 3 single crystal. It has a comparable electro-optical constant. From this, it exhibits an excellent phase modulation characteristic and has a good optical switching function. Furthermore,
Can be used stably for a long time. Further, according to the method of manufacturing an optical modulator according to the present invention, such an excellent optical modulator can be obtained. Needless to say, each of the above embodiments does not limit the present invention, and various modifications and improvements can be made without departing from the scope of the present invention.
【００５９】[0059]
【発明の効果】かくして、本発明に係る光変調器は、ニ
オブ酸リチウムとは基本組成を異にするヘテロ基板上に
分岐型のニオブ酸リチウム単結晶光導波路を形成してな
るものであって、その光導波路にはホウ素（Ｂ）が含有
されたものである。従って本発明の光変調器は、Ｌｉ
ＮｂＯ3 単結晶薄膜とヘテロ基板との常光屈折率及び異
常光屈折率の差が十分に大きいためＴＥ及びＴＭモード
の導波光のいずれをも伝搬することができシングルモー
ド性に優れ、光伝搬損失が低く、可視光域において
耐光損傷性に優れ、従って長時間の使用に耐え、かつ、
バルクＬｉＮｂＯ3 単結晶と遜色ない電気光学効果を
発揮する。そのため光変調機能や光スイッチング機能に
優れ各種光学用途に好適な光変調器を提供でき、産業上
の効果は極めて大きい。また、本発明に係る光変調器の
製造方法によれば、ＬＢフラックス系溶融体を用いたＬ
ＰＥ結晶成長法により、ホウ素（Ｂ）を含有するニオブ
酸リチウム単結晶光導波路をヘテロ基板上に格子整合さ
せた状態で形成することにより光変調器を製造するもの
であるから、Ｔｉ拡散法やプロトン交換法では得られな
い上述した光学的諸特性を有する光変調器を得られるも
のである。As described above, the optical modulator according to the present invention has a branched type lithium niobate single crystal optical waveguide formed on a hetero substrate having a basic composition different from that of lithium niobate. The optical waveguide contains boron (B). Therefore, the optical modulator of the present invention is
Since the difference between the ordinary refractive index and the extraordinary refractive index between the NbO 3 single crystal thin film and the hetero substrate is sufficiently large, both TE and TM mode guided light can be propagated, and the single mode property is excellent, and the optical propagation loss is achieved. Is low and has excellent light damage resistance in the visible light range, and therefore can withstand long-term use, and
Exhibits electro-optical effect comparable to bulk LiNbO 3 single crystal. Therefore, it is possible to provide an optical modulator excellent in optical modulation function and optical switching function and suitable for various optical applications, and the industrial effect is extremely large. Further, according to the method for manufacturing an optical modulator according to the present invention, L using an LB flux-based melt is used.
Since an optical modulator is manufactured by forming a lithium niobate single crystal optical waveguide containing boron (B) in a lattice-matched state on a hetero substrate by the PE crystal growth method, the Ti diffusion method and the It is possible to obtain an optical modulator having the above-mentioned optical characteristics that cannot be obtained by the proton exchange method.
【図１】本発明に係る光変調器におけるタンタル酸リチ
ウム単結晶基板上に形成されたニオブ酸リチウム単結晶
薄膜の断面を示した電子顕微鏡写真である。また写真上
の波形はホウ素のＥＰＭＡ分析の結果である。FIG. 1 is an electron micrograph showing a cross section of a lithium niobate single crystal thin film formed on a lithium tantalate single crystal substrate in an optical modulator according to the present invention. The waveform on the photograph is the result of EPMA analysis of boron.
【図２】ニオブ酸リチウム単結晶の成長面であるタンタ
ル酸リチウム基板の(0001)面を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic view showing a (0001) plane of a lithium tantalate substrate which is a growth surface of a lithium niobate single crystal.
【図３】本発明に係る光変調器の製造方法に使用される
ＬＢ系溶融体中の、 Ｌｉ2Ｏ−Ｂ2Ｏ3−Ｎｂ2Ｏ5の三成
分系の三角図である。各組成点は（ Ｌｉ2Ｏのモル％，
Ｂ2Ｏ3のモル％，Ｎｂ2Ｏ5のモル％）で表される。 FIG. 3 is a triangular diagram of a ternary system of Li 2 O—B 2 O 3 —Nb 2 O 5 in an LB-based melt used in the method for manufacturing an optical modulator according to the present invention. Each composition point is (mol% of Li 2 O,
B 2 O 3 mol% and Nb 2 O 5 mol%).
【図４】本発明に係る埋め込み型の光変調器の構成を示
す図である。FIG. 4 is a diagram showing a configuration of an embedded optical modulator according to the present invention.
【図５】本発明に係るリッジ型の光変調器の構成を示す
図である。FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a ridge type optical modulator according to the present invention.
【図６】本発明に係る埋め込み型の光変調器の製造工程
を説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a manufacturing process of the embedded optical modulator according to the present invention.
【図７】本発明に係るリッジ型の光変調器の製造工程を
説明する図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a manufacturing process of a ridge-type optical modulator according to the present invention.
【図８】ＬＢフラックス系溶融体とＬＶフラックス系溶
融体との比較において溶融体中へのＮａ2ＣＯ3の置換量
とニオブ酸リチウム単結晶薄膜のａ軸の格子定数との関
係を示した図である。FIG. 8 shows the relationship between the substitution amount of Na 2 CO 3 in the melt and the lattice constant of the a-axis of the lithium niobate single crystal thin film in the comparison between the LB flux melt and the LV flux melt. It is a figure.
【図９】ＬＢフラックス系溶融体とＬＶフラックス系溶
融体との比較においてニオブ酸リチウム単結晶薄膜の耐
光損傷性のテスト結果を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the results of light damage resistance test of a lithium niobate single crystal thin film in comparison between an LB flux-based melt and an LV flux-based melt.
１ ＬｉＴａＯ3単結晶基板 ２ ＬｉＮｂＯ3単結晶薄膜光導波路 ２ａ、２ｂ 分岐光導波路 ３ａ、３ｂ 電極1 LiTaO 3 Single Crystal Substrate 2 LiNbO 3 Single Crystal Thin Film Optical Waveguide 2a, 2b Branch Optical Waveguide 3a, 3b Electrode
Claims (7)
るヘテロ材料からなるヘテロ基板上に格子整合された状
態で形成された分岐型のニオブ酸リチウム単結晶光導波
路の少なくとも一方の分岐導波路に該分岐導波路を通る
導波光の位相を変化させる光変調手段を設けてなる光変
調器であって、前記ニオブ酸リチウム単結晶光導波路に
はホウ素が含有されてなることを特徴とする光変調器。1. At least one branch waveguide of a branch type lithium niobate single crystal optical waveguide formed in a lattice-matched state on a hetero substrate made of a hetero material having a basic composition different from that of lithium niobate. An optical modulator comprising optical modulation means for changing the phase of guided light passing through the branching waveguide, wherein the lithium niobate single crystal optical waveguide contains boron. Modulator.
ることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。2. The optical modulator according to claim 1, wherein the content of boron is 5 to 1000 ppm.
おける結晶構造のａ軸の格子定数は、前記ヘテロ基板の
ａ軸の格子定数の99.81〜100.07％ の範囲内であること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光変調器。3. The a-axis lattice constant of the crystal structure of the lithium niobate single crystal optical waveguide is within the range of 99.81 to 100.07% of the a-axis lattice constant of the hetero substrate. The optical modulator according to claim 1 or claim 2.
128〜5.173Ａであることを特徴とする請求項３に記載の
光変調器。4. The a-axis lattice constant of the hetero substrate is 5.
The optical modulator according to claim 3, wherein the optical modulator is 128-5.173A.
には、0.02〜10.0モル％の範囲のナトリウム及び／又は
0.8〜10.8モル％の範囲のマグネシウムを含有してなる
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４に記載の光変
調器。5. The lithium niobate single crystal optical waveguide contains sodium and / or sodium in the range of 0.02 to 10.0 mol%.
The optical modulator according to claim 1, which contains magnesium in a range of 0.8 to 10.8 mol%.
るヘテロ材料からなりかつ表面に分岐型光導波路形成用
の溝が設けられたヘテロ基板をＬｉ2Ｏ−Ｂ2Ｏ3−Ｎｂ2
Ｏ5 フラックス系溶融体中に浸漬し、液相エピタキシャ
ル成長法により前記ヘテロ基板の溝内にホウ素を含有す
るニオブ酸リチウムの単結晶の分岐光導波路を形成し、
さらに少なくとも一方の分岐光導波路に該導波路を通る
導波光の位相を変化させる光変調手段を設けるようにし
たことを特徴とする光変調器の製造方法。6. A hetero substrate made of a hetero material having a basic composition different from that of lithium niobate and provided with a groove for forming a branched optical waveguide on the surface thereof is Li 2 O—B 2 O 3 —Nb 2
By dipping in an O 5 flux-based melt and forming a single crystal branched optical waveguide of lithium niobate containing boron in the groove of the hetero substrate by a liquid phase epitaxial growth method,
Further, at least one of the branched optical waveguides is provided with an optical modulation means for changing the phase of guided light passing through the waveguides.
るヘテロ材料からなるヘテロ基板をＬｉ2Ｏ−Ｂ2Ｏ3−
Ｎｂ2Ｏ5 フラックス系溶融体中に浸漬し、液相エピタ
キシャル成長法により前記ヘテロ基板上にホウ素を含有
するニオブ酸リチウムの単結晶薄膜を形成し、前記単結
晶薄膜の分岐型光導波路形成部にマスクをした状態でこ
の単結晶薄膜の残部をエッチング除去することにより分
岐型ニオブ酸リチウム単結晶光導波路を形成し、さらに
少なくとも一方の分岐光導波路に該導波路を通る導波光
の位相を変化させる光変調手段を設けるようにしたこと
を特徴とする光変調器の製造方法。7. A hetero substrate made of a hetero material having a basic composition different from that of lithium niobate is used as a Li 2 O—B 2 O 3 — substrate.
A single crystal thin film of lithium niobate containing boron is formed on the hetero substrate by immersing in a Nb 2 O 5 flux-based melt, and liquid phase epitaxial growth method is used to form a branch type optical waveguide forming portion of the single crystal thin film. A branched type lithium niobate single crystal optical waveguide is formed by etching away the remaining portion of this single crystal thin film with a mask, and the phase of the guided light passing through the waveguide is changed in at least one of the branched optical waveguides. A method of manufacturing an optical modulator, characterized in that an optical modulator is provided.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9238793A JPH06281898A (en) | 1993-03-25 | 1993-03-25 | Optical modulator and its production |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9238793A JPH06281898A (en) | 1993-03-25 | 1993-03-25 | Optical modulator and its production |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06281898A true JPH06281898A (en) | 1994-10-07 |
Family
ID=14053017
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9238793A Pending JPH06281898A (en) | 1993-03-25 | 1993-03-25 | Optical modulator and its production |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06281898A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022210852A1 (en) * | 2021-03-30 | 2022-10-06 | 住友大阪セメント株式会社 | Optical waveguide element, optical modulation device using optical waveguide element, and optical transmission device using optical waveguide element |
-
1993
- 1993-03-25 JP JP9238793A patent/JPH06281898A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022210852A1 (en) * | 2021-03-30 | 2022-10-06 | 住友大阪セメント株式会社 | Optical waveguide element, optical modulation device using optical waveguide element, and optical transmission device using optical waveguide element |
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