JPH08242030A

JPH08242030A - 光集積回路素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH08242030A
Application number: JP7042884A
Authority: JP
Inventors: Hideki Maruyama; 英樹丸山
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-03-02
Filing date: 1995-03-02
Publication date: 1996-09-17

Abstract

(57)【要約】【目的】光増幅器の小型化、多機能化を実現すること
ができる光集積回路素子およびその製造方法を提供する
ことを目的とする。【構成】電気光学結晶から成る電気光学結晶基板１
と、希土類元素イオンを有し、電気光学結晶基板１内に
設けられた光導波路４と、電気光学結晶基板１上に設け
られた光能動素子とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光増幅作用、光発振作
用を有する導波路形レーザに関し、特にそれを構成する
光集積回路素子およびその製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、コアに希土類元素を添加した光フ
ァイバを使用する光ファイバレーザの研究が活発化し、
この種の光ファイバは、各種レーザ光源用、光増幅媒質
用として注目されるようになってきた。

【０００３】図６（ａ）は従来の光ファイバ増幅器を示
す構成図である。図６（ａ）において、１１はコアに希
土類元素（例えばＥｒ3+）を添加した光ファイバ、１２
は光ファイバカプラ、１３は励起光、１４は光ファイバ
１１の入力側、１５は光ファイバ１１の出力側である。
この光ファイバ増幅器は、光ファイバ１１内に信号光を
伝搬させ、この信号光の伝搬方向に対して励起光１３を
光ファイバカプラ１２を用いて合成し、反転分布状態を
形成させることにより、信号光を増幅させ、出力側より
光ファイバカプラ１２で励起光を分離させるものである
（木村、中沢：光ファイバレーザの発振特性とその光通
信への応用、レーザ学会研究会、ＲＴＭ−８７−１６、
ｐｐ．３１〜３７、１９８８年１月参照）。図６で、
（ｂ）は光ファイバ１１の入力側１４における入力信号
光の波形を示す波形図、（ｃ）は光ファイバ１１の出力
側１５における出力信号光の波形を示す波形図である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
光ファイバ増幅器では、半導体レーザ、受光素子、光変
調回路、光分岐、結合回路、光スイッチ回路、光合分波
回路等と共に図６の光ファイバ増幅器を実装したシステ
ムを構成しようとする場合、各々が個別部品であるの
で、小型化、低損失化が困難という問題点があった。ま
た、個別部品を個々に光軸調整して配置させなければな
らないので、調整時間が膨大にかかり、コスト高になる
等の問題点もあった。

【０００５】これらの問題を解消すべく、平面型ガラス
導波路を用いた光増幅器が提案された（例えば特開平３
−７１１５号公報、特開平３−３５２０３号公報参
照）。

【０００６】しかしながら、上記平面型ガラス導波路で
は、光回路部品と共に実装する応用範囲内デバイスが光
分岐、結合回路といった受動デバイスに限られ、同一基
板上での光変調回路、光スイッチ回路等の能動デバイス
との集積化が困難であるという問題点があった。すなわ
ち、ガラス基板には電気光学効果、音響光学効果がない
ため、電気的処理で基板の屈折率を変えることができ
ず、そのため光スイッチや光変調器などの能動デバイス
との集積化が困難であるという問題点があった。

【０００７】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、光発振器、光増幅器等の装置の小型化、多機能化を
実現することができる光集積回路素子およびその製造方
法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の請求項１記載の光集積回路素子は、電気光学
結晶から成る基板と、希土類元素イオンを有し、基板内
に設けられた光導波路と、基板上に設けられた光能動素
子とを備えた構成を有している。

【０００９】請求項２記載の光集積回路素子は、電気光
学結晶から成る基板と、希土類元素イオンを有し、基板
内に設けられた光導波路と、基板上に設けられた光受動
素子とを備えた構成を有している。

【００１０】請求項３記載の光集積回路素子は、電気光
学結晶から成る基板と、希土類元素イオンを有し、基板
内に設けられた光導波路と、基板上に設けられた光能動
素子および光受動素子とを備えた構成を有している。

【００１１】請求項４記載の光集積回路素子は、請求項
１、２、３のいずれか１に記載の光集積回路素子におい
て、基板がニオブ酸リチウム単結晶から成るとした構成
を有している。

【００１２】請求項５記載の光集積回路素子は、請求項
１、２、３のいずれか１に記載の光集積回路素子におい
て、基板がタンタル酸リチウム単結晶から成るとした構
成を有している。

【００１３】請求項６記載の光集積回路素子は、請求項
４、５のいずれか１に記載の光集積回路素子において、
基板にマグネシアが添加された構成を有している。

【００１４】請求項７記載の光集積回路素子の製造方法
は、電気光学結晶から成る基板上に希土類元素イオンを
添加した添加部を形成する添加部形成工程と、添加部に
屈折率の上昇部位を設けることにより光導波路を形成す
る光導波路形成工程と、基板上に光能動素子を形成する
光能動素子形成工程とを含む構成を有している。

【００１５】請求項８記載の光集積回路素子の製造方法
は、電気光学結晶から成る基板上に希土類元素イオンを
添加した添加部を形成する添加部形成工程と、添加部に
屈折率の上昇部位を設けることにより光導波路を形成す
る光導波路形成工程と、基板上に光受動素子を形成する
光受動素子形成工程とを含む構成を有している。

【００１６】請求項９記載の光集積回路素子の製造方法
は、電気光学結晶から成る基板上に希土類元素イオンを
添加した添加部を形成する添加部形成工程と、添加部に
屈折率の上昇部位を設けることにより光導波路を形成す
る光導波路形成工程と、基板上に光能動素子および光受
動素子を形成する光能動受動素子形成工程とを含む構成
を有している。

【００１７】請求項１０記載の光集積回路素子の製造方
法は、請求項７、８、９のいずれか１に記載の光集積回
路素子の製造方法において、添加部形成工程が、電気光
学結晶から成る基板上に希土類元素を含む膜を形成する
膜形成工程と、膜中の希土類元素イオンを基板中に熱拡
散法によって添加する添加工程とを備えた構成を有して
いる。

【００１８】請求項１１記載の光集積回路素子の製造方
法は、請求項７、８、９のいずれか１に記載の光集積回
路素子の製造方法において、添加部形成工程が、電気光
学結晶から成る基板を希土類元素の硝酸塩化合物溶液中
に浸漬することによるイオン交換法によって希土類元素
イオンを添加する工程である構成を有している。

【００１９】請求項１２記載の光集積回路素子の製造方
法は、請求項１１記載の光集積回路素子の製造方法にお
いて、イオン交換法が希土類元素の硝酸塩化合物溶液中
に硝酸リチウムを混入させる工程を有する構成を有して
いる。

【００２０】請求項１３記載の光集積回路素子の製造方
法は、請求項１０、１１のいずれか１に記載の光集積回
路素子の製造方法において、光導波路形成工程がプロト
ン交換法により光導波路を形成する工程である構成を有
している。

【００２１】請求項１４記載の光集積回路素子の製造方
法は、請求項１３記載の光集積回路素子の製造方法にお
いて、プロトン交換法が電気光学結晶から成る基板をピ
ロリン酸溶液中に浸漬する工程を有する構成を有してい
る。

【００２２】請求項１５記載の光集積回路素子の製造方
法は、請求項１３記載の光集積回路素子の製造方法にお
いて、プロトン交換法が電気光学結晶から成る基板を安
息香酸溶液中に浸漬する工程を有する構成を有してい
る。

【００２３】請求項１６記載の光集積回路素子の製造方
法は、請求項１０、１１のいずれか１に記載の光集積回
路素子の製造方法において、光導波路形成工程がチタニ
ウム拡散法により光導波路を形成する工程である構成を
有している。

【００２４】

【作用】上記構成によって、電気光学結晶内に希土類元
素イオンを添加した電気光学結晶基板に光導波路を形成
するようにしたので、電気光学結晶の電気光学効果を利
用する光変調回路、光スイッチ回路等の光能動素子およ
び２分岐光回路、方向性結合器回路等の光受動素子を、
光増幅作用あるいは光発振作用を有する導波路形レーザ
と同一基板上に集積化することができ、光増幅器、光発
振器等の装置の小型化、高機能化を図ることができる。

【００２５】

【実施例】

（実施例１）以下本発明の一実施例について図を用いて
説明する。

【００２６】図１は本発明の一実施例に係る光集積回路
素子を示す斜視図である。図１において、１は電気光学
結晶基板、２は希土類元素蒸着層としてのＮｄ蒸着層、
３は希土類元素添加層としてのＮｄ添加部、４は光導波
路（上昇部位）、５は電極である。

【００２７】次に、図１の光集積回路素子の製造方法に
ついて説明する。図２（ａ）〜（ｅ）は図１の光集積回
路素子の製造工程の一部を示す斜視図である。

【００２８】本実施例の製造方法では、電気光学結晶基
板１の電気光学結晶として、高出力レーザ光入力による
電気光学結晶基板１の光損傷を避けるため、マグネシア
を５ｍｏｌ％添加したＺカットのニオブ酸リチウム単結
晶（例えば山寿セラミックス社製で、３ｉｎｃｈ長さ、
１ｍｍｔ、オプティカルグレードのもの）を用いた（図
２（ａ））。マグネシアを添加したのは、マグネシアに
は光損傷（光照射による屈折率変化）を抑制する作用が
あるためである。

【００２９】まず、電気光学結晶基板１の電気光学結晶
の−Ｚ面に真空蒸着により厚さ１００オングストローム
のＮｄ（例えばフルウチ化学製の３Ｎ）を付着させた
（図２（ｂ））。

【００３０】その後、白金ボード中に静置し、１０６０
℃で３００時間、酸素雰囲気でＮｄの電気光学結晶基板
１内熱拡散を行ってＮｄ添加層（添加部）３を形成した
（図２（ｃ））。

【００３１】Ｎｄを拡散させた電気光学結晶基板１の表
面に、Ａｕ／Ｃｒを１０００オングストロームの厚さに
スパッタリングし、選択的エッチングをすることによ
り、幅７μｍの２分岐光回路を含む導波路パターンの窓
あけを行い、その後、電気光学結晶基板１を２００℃の
ピロリン酸中に１時間浸漬してプロトン交換光導波路
（上昇部位）４を作製し、Ａｕ／Ｃｒマスクをエッチン
グによりすべて除去した後、大気中で３５０℃、２時間
アニーリングを行った（図２（ｄ））。ここで、選択的
エッチングのためのエッチング液は、ヨウ化カリ５ｇと
ヨウ素０．５ｇと水１０ｍｌとから成るＡｕエッチング
液と、硝酸第２セリウム１０ｇと過塩素酸（６０％）２
ｃｃと水４４ｍｌとから成るＣｒエッチング液とから成
る。

【００３２】作製した光導波路４の個々の分岐部にＩＴ
Ｏ電極５をスパッタリングし、電気光学結晶基板１上に
光スイッチ回路を形成した光集積回路素子を作製した
（図２（ｅ））。

【００３３】図２（ａ）ではマグネシアの添加量を５ｍ
ｏｌ％としたが、添加量はこれに限られるものではな
く、高出力レーザ光入力による電気光学結晶基板１の光
損傷を回避できる量であれば良く、この量は望ましくは
２〜１５ｍｏｌ％である。

【００３４】また、図２（ｂ）ではＮｄ膜の作製は真空
蒸着によるとしたが、これに限らず、均一な膜を形成で
きるものであれば、スパッタリング装置等さまざまな装
置を使用できる。

【００３５】さらに、図２（ｂ）、（ｃ）では、Ｎｄの
電気光学結晶基板１内拡散深さを、予想されるレーザの
発振波長である１０９０ｎｍ付近でのシングルモード導
波条件を満足できる導波路深さの４〜７μｍに、また、
Ｎｄ濃度をレーザ発振のエネルギー準位形成のために十
分な約３０００ｐｐｍに設定するため、Ｎｄの膜厚およ
び拡散条件を前記のように設定したが、これらの条件に
限られるものではなく、Ｎｄ膜厚は８０〜２００オング
ストロームの範囲、拡散条件は１０００〜１１００℃、
１５０〜４００時間の範囲であれば任意に設定できる。
また、拡散時の雰囲気は、電気光学結晶基板１の電気光
学結晶の酸素欠損防止およびＮｄ膜酸化のための雰囲気
であれば、酸素雰囲気に限る必要はない。

【００３６】さらに、図２（ｄ）では、２分岐回路を含
む導波路パターンを形成したが、同一基板上に形成する
光回路はこの回路に限られるものではなく、さまざまな
受動、能動光回路の応用が可能である。例えば、電気光
学結晶の電気光学効果を利用する光変調回路、光スイッ
チ回路等の光能動素子、２分岐光回路、方向性結合器回
路等の光受動素子である。また、プロトン交換に用いる
溶媒はピロリン酸としたが、これに限らず、安息香酸を
用いてもよい。Ａｕ／Ｃｒマスクの厚さはプロトン交換
を行うピロリン酸がマスクを突き抜けない膜厚（５００
オングストローム以上）が望ましい。また、プロトン交
換条件およびアニーリング条件は、前記レーザ予想発振
波長１０９０ｎｍでシングルモード光導波路となる条件
であり、プロトン交換温度は１６０〜２５０℃の間で任
意に設定できる。これは、１６０℃以下になると極端に
プロトン交換速度が遅くなり光導波路４作製に長時間を
要するのに対し、２５０℃以上になるとプロトン交換の
制御が難しくなり、再現性が悪くなるためである。同様
の理由でプロトン交換後のアニーリングも３００〜４０
０℃の範囲で行うのが望ましい。さらに、プロトン交換
マスクとして用いる材料はＡｕ／Ｃｒに限られるもので
はなく、タンタル膜も使用できる。

【００３７】図２（ｅ）の光集積回路素子としての導波
路形光素子において、チタンサファイヤレーザによる波
長８２０ｎｍのポンプ光を入射端面Ｐｉから端面結合に
より入射してレーザ発振実験を行ったところ、ポンプ光
出力３０ｍＷ以上において波長１０９０ｎｍのレーザ発
振が確認され、さらに、後段の光スイッチ回路では、駆
動電圧Ｖ０＝４．１Ｖにおいて良好なレーザ発振光のス
イッチングが確認された。図２（ｅ）のデバイスで、駆
動電圧Ｖ０を正として＋Ｚ軸方向に電圧を印加すると、
出力端面Ｐ０１側の光導波路４の屈折率が上昇し、出力
端面Ｐ０２側の屈折率が減少する。光は高屈折率側に導
かれるので、駆動電圧Ｖ０が正の場合には出力端面Ｐ０
１側に出力され、駆動電圧Ｖ０が負の場合には出力端面
Ｐ０２側に出力される。駆動電圧Ｖ０＝０つまり電界を
かけない場合には２分岐回路として動作する。

【００３８】なお、本実施例の製造方法では、電気光学
結晶基板１としてＺカットのニオブ酸リチウムを用い、
この電気光学結晶基板１での最大の電気光学定数γ３３
を利用するため、電極５を光導波路４の直上に配置した
が、電気光学結晶基板１のカット方向および利用しよう
とする電気光学定数によって、電極５の位置は電気光学
結晶基板１内の光導波路４側面等任意に配置できる。ま
た、電極５の材料としては、ＩＴＯの他にＴｉ、Ａｌ等
の金属膜も使用できる。ただし、Ｚカット基板のよう
に、光導波路４の直上に電極５を配置する場合（電気光
学定数γ３３を利用する場合）、Ｔｉ等の金属電極は、
導波光への影響を回避するため、導波路基板表面と電極
５との間にＳｉＯ₂等の誘電体層を設ける必要がある。

【００３９】以上のように本実施例によれば、電気光学
結晶の電気光学効果を利用する光変調回路、光スイッチ
回路等の光能動素子、２分岐光回路、方向性結合器回路
等の光受動素子を、光増幅作用あるいは光発振作用を有
する導波路形レーザと同一基板上に集積化することがで
きるので、光発振器、光増幅器等の装置の小型化、多機
能化が可能となる光集積回路素子を実現できる。

【００４０】（実施例２）図３は、本発明の第２の実施
例に係る光集積回路素子を示す斜視図である。図３にお
いて、１は電気光学結晶基板、３はＰｒ添加部、４は光
導波路（上昇部位）である。

【００４１】次に、図３の光集積回路素子の製造方法に
ついて説明する。本実施例の製造方法では、電気光学結
晶として、高出力レーザ光入力による電気光学結晶基板
１の光損傷を避けるため、マグネシアを５ｍｏｌ％添加
したＸカットのニオブ酸リチウム単結晶（例えば山寿セ
ラミックス社製で、３ｉｎｃｈ、１ｍｍｔ、オプティカ
ルグレードのもの）を用いた。この電気光学結晶の＋Ｘ
面に真空蒸着により厚さ２５０オングストロームのＰｒ
（例えばフルウチ化学製の３Ｎ）を付着させた。その
後、白金ボード中に静置し、１０００℃で３００時間、
酸素雰囲気でＰｒの電気光学結晶基板１内熱拡散を行っ
てＰｒ添加部３を形成した。

【００４２】このＰｒを拡散させた電気光学結晶基板１
表面に、ポジ型フォトレジスト（Ｓｈｉｐｌｅｙ＃１４
００−２７）で方向性結合器形分波回路を含む光導波路
パターンをフォトマスクによるフォトリソグラフィーに
よって形成し、Ａｕ／Ｃｒを約１０００オングストロー
ム蒸着した後、リフトオフによって幅８μｍのマスクパ
ターンの窓あけを行った。その後、２００℃のピロリン
酸中に１．５時間浸漬することによって、プロトン交換
光導波路４を作製し、Ａｕ／Ｃｒマスクをすべて除去し
た後、大気中で３５０℃、３時間アニーリングを行っ
た。

【００４３】上記本実施例の製造方法ではマグネシアの
添加量を５ｍｏｌ％としたが、添加量はこれに限られる
ものではなく、実施例１の製造方法と同様に高出力レー
ザ光入力による電気光学結晶基板１の光損傷を回避でき
る量であれば良く、この量は望ましくは２〜１５ｍｏｌ
％である。また、Ｐｒ膜の作製は真空蒸着によるとした
が、これに限らず、均一な膜を形成できるものであれ
ば、スパッタリング装置等さまざまな装置を使用でき
る。さらに、Ｐｒの電気光学結晶基板１内拡散深さを、
信号光の波長である１３１０ｎｍ付近でのシングルモー
ド導波条件を満足できる導波路深さの６〜１０μｍに、
また、Ｐｒ濃度を光増幅のエネルギー準位形成のために
十分な約１００００ｐｐｍに設定するため、Ｐｒの膜厚
および拡散条件を前記のように設定したが、これらの条
件に限られるものではなく、Ｐｒ膜厚は１５０〜４００
オングストロームの範囲、拡散条件は９５０〜１０５０
℃、２００〜５００時間の範囲であれば任意に設定でき
る。また、拡散時の雰囲気は、電気光学結晶の酸素欠損
防止およびＰｒ膜酸化のための雰囲気であれば、酸素雰
囲気に限る必要はない。

【００４４】さらに、プロトン交換マスクのパターニン
グをフォトリソグラフィーによって行ったが、パターニ
ングはこの方法に限るものではない。また、方向性結合
器は、導波路間隔８μｍ、相互作用長を３ｍｍ〜８ｍｍ
まで０．２ｍｍステップでアレイ状に作製した。ここ
で、Ａｕ／Ｃｒマスクの膜厚はリフトオフによって所望
パターン部位が確実に抜ける厚さ２０００オングストロ
ーム以下が望ましい。また、前述のプロトン交換におい
ては、プロトン交換溶媒がマスクを突き抜けない膜厚
（５００オングストローム以上）が望ましい。さらに、
方向性結合器形分波回路を含む光導波路４パターンを形
成したが、同一基板上に形成する光回路はこの回路に限
られるものではなく、さまざまな受動、能動光回路の応
用が可能である。例えば、電気光学結晶の電気光学効果
を利用する光変調回路、光スイッチ回路等の光能動素
子、２分岐光回路、方向性結合器回路等の光受動素子が
可能である。

【００４５】ここで、プロトン交換条件およびアニーリ
ング条件は、前記信号光波長１３１０ｎｍでシングルモ
ード光導波路４となる条件であり、プロトン交換温度は
１６０〜２５０℃の間で任意に設定できる。これは、１
６０℃以下になると極端にプロトン交換速度が遅くなり
光導波路４作製に長時間を要するのに対し、２５０℃以
上になるとプロトン交換の制御が難しくなり、再現性が
悪くなるためである。同様の理由でプロトン交換後のア
ニーリングも３００〜４００℃の範囲で行うのが望まし
い。さらに、プロトン交換マスクとして用いる材料はＡ
ｕ／Ｃｒに限られるものではなく、タンタル膜も使用で
きる。

【００４６】図３の導波路形光素子において、波長１３
１０ｎｍの信号光とチタンサファイヤレーザによる波長
１０１３ｎｍ、出力７０ｍＷのポンプ光とをダイクロイ
ックミラーにより合波すると共に端面結合によって入射
端面Ｐｉから入射して信号光の増幅実験を行ったとこ
ろ、信号光を２ｄＢ増幅することができ、さらに、方向
性結合器形分波回路部では、相互作用長４．２ｍｍにお
いて信号光とポンプ光とに消光比１６ｄＢ以上で分波で
きることが確認された。図３のデバイスの場合、出力端
面Ｐ０１には波長１．０１３μｍの信号光が出力され、
出力端面Ｐ０２には波長１．３１μｍの信号光が出力さ
れる。

【００４７】以上のように本実施例によれば、電気光学
結晶の電気光学効果を利用する光変調回路、光スイッチ
回路等の光能動素子、２分岐光回路、方向性結合器回路
等の光受動素子を、光増幅作用あるいは光発振作用を有
する導波路形レーザと同一基板上に集積化することがで
きるので、光発振器、光増幅器等の装置の小型化、多機
能化が可能となる光集積回路素子を実現できる。

【００４８】（実施例３）図４は、本発明の第３の実施
例に係る光集積回路素子を示す斜視図である。図４にお
いて、１は電気光学結晶基板、３はＰｒ添加部、４は光
導波路（上昇部位）、５は電極である。

【００４９】次に、図４の光集積回路素子の製造方法に
ついて説明する。本実施例の製造方法では、電気光学結
晶として、高出力レーザ光入力による電気光学結晶基板
１の光損傷を避けるため、マグネシアを１０ｍｏｌ％添
加したＺカットのタンタル酸リチウム単結晶（例えば山
寿セラミックス社製で、３ｉｎｃｈ、１ｍｍｔ、オプテ
ィカルグレードのもの）を用いた。この電気光学結晶
を、３００℃の硝酸プラセオジム（例えば高純度化学研
究所製のＮ１４０１３８）と、電気光学結晶基板１と硝
酸とのプロトン交換を抑制するための硝酸リチウム（例
えば高純度化学研究所製のＮ１４０１３１）とを混合し
た混合溶液中に１時間浸漬してＰｒとＬｉのイオン交換
を行い、−Ｚ面にＰｒを添加した。

【００５０】このＰｒを添加した電気光学結晶基板１表
面に、ポジ型フォトレジスト（Ｓｈｉｐｌｅｙ＃１４０
０−２７）を塗布し、Ｈｅ−Ｃｄレーザによるレーザ描
画装置（例えば伯東株式会社製のＬＢＤＤ−４８８）に
よりパターン幅８μｍの分岐干渉形光変調回路を含む光
導波路４パターンを形成した後、チタニウムを７５０オ
ングストロームの厚みにスパッタリングし、リフトオフ
によりチタニウムの光導波路パターンを作製した。

【００５１】このような光導波路パターンの基板を白金
ホイル中にかるく封入し、１０２５℃で９時間、合成空
気雰囲気で熱拡散することにより、チタニウム拡散光導
波路を作製した。作製した光導波路４は、個々の分岐導
波路部にＩＴＯ電極をスパッタリングし、基板上に光ス
イッチ回路を作製した。

【００５２】本実施例の製造方法ではマグネシアの添加
量を１０ｍｏｌ％としたが、添加量はこれに限られるも
のではなく、実施例１の製造方法と同様に高出力レーザ
光入力による電気光学結晶基板１の光損傷を回避できる
量であれば良く、この量は望ましくは２〜１５ｍｏｌ％
である。また、イオン交換条件は、Ｐｒのイオン交換深
さを、信号光の波長である１３１０ｎｍ付近でのシング
ルモード導波条件を満足できる導波路深さの６〜１０μ
ｍに、また、Ｐｒ濃度を光増幅のエネルギー準位形成の
ために十分な約１００００ｐｐｍに設定するため、イオ
ン交換条件を前記のように設定したが、これらの条件に
限られるものではなく、イオン交換温度は希土類元素の
硝酸塩化合物の融点以上沸点以下に設定することがで
き、その温度におけるイオン交換速度からイオン交換時
間を任意に設定できる。

【００５３】さらに本実施例の製造方法では、分岐干渉
形光変調回路を含む導波路パターンを形成したが、同一
基板上に形成する光回路はこの回路に限られるものでは
なく、さまざまな受動、能動光回路の応用が可能であ
る。例えば、電気光学結晶の電気光学効果を利用する光
変調回路、光スイッチ回路等の光能動素子、２分岐光回
路、方向性結合器回路等の光受動素子が可能である。さ
らに、導波路パターン形成にレーザビーム描画装置を用
いたが、導波路パターン形成はこの装置に限られるもの
ではなく、手法としては、フォトマスクを用いたフォト
リソグラフィーおよびＥＢ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａ
ｍ、エレクトロンビーム）レジストを使用した電子ビー
ム描画を用いてもよい。また、チタニウム膜厚は、前記
した信号光の波長である１３１０ｎｍ付近でのシングル
モード導波条件を満足するため調整されたもので、６０
０〜９００オングストロームの範囲であれば問題ない。
拡散条件については、拡散温度９８０〜１０４０℃、拡
散時間７〜１３時間の範囲内で任意に設定でき、さら
に、拡散雰囲気については電気光学結晶基板１の表面あ
れを防止するため、ウエットな合成空気を流入してもよ
い。

【００５４】図４の光集積回路素子において、波長１３
１０ｎｍの信号光とチタンサファイヤレーザによる波長
１００８ｎｍ、出力８０ｍＷのポンプ光とをダイクロイ
ックミラーにより合波すると共に端面結合によって入射
端面Ｐｉから入射して信号光の増幅実験を行ったとこ
ろ、信号光を２．５ｄＢ増幅することができ、さらに、
分岐干渉形光変調回路では、駆動電圧Ｖ０＝４．８Ｖに
おいて、信号光を効率よくオン・オフ変調できることが
確認された。すなわち、図４のデバイスは位相差を与え
る光路差を位相差を与える屈折率差におきかえたもの
で、駆動電圧Ｖ０＝４．８Ｖは電圧印加の光導波路４に
位相差πを与え、０Ｖは位相差ゼロを与えるので、駆動
電圧Ｖ０を４．８Ｖ又は０Ｖとすることにより出力端面
Ｐ０からの出射光をオフ又はオンすることができ、信号
光のオン、オフ変調を行うことができる。

【００５５】なお、本実施例の製造方法では、電気光学
結晶基板１としてＺカットのタンタル酸リチウムを用
い、この電気光学結晶基板１での最大の電気光学定数γ
３３を利用するため、電極５を光導波路４の直上に配置
したが、電気光学結晶基板１のカット方向および利用し
ようとする電気光学定数によって、電極５の位置は電気
光学結晶基板１内の光導波路４側面等任意に配置でき
る。また、電極５の材料としては、ＩＴＯの他にＴｉ、
Ａｌ等の金属膜も使用できる。ただし、Ｚカット電気光
学結晶基板１のように、光導波路４の直上に電極５を配
置する場合（電気光学定数γ３３を利用する場合）、Ｔ
ｉ等の金属電極は、導波光への影響を回避するため、導
波路基板表面と電極５との間にＳｉＯ₂等の誘電体層を
設ける必要がある。

【００５６】以上のように本実施例によれば、電気光学
結晶の電気光学効果を利用する光変調回路、光スイッチ
回路等の能動デバイスおよび２分岐光回路、方向性結合
器回路等の光受動素子を、光増幅作用あるいは光発振作
用を有する導波路形レーザと同一基板上に集積化するこ
とができるので、光発振器、光増幅器等の装置の小型
化、多機能化が可能となる光集積回路素子を実現でき
る。

【００５７】（実施例４）次に、本発明の第４の実施例
に係る光集積回路素子について説明する。第４の実施例
に係る光集積回路素子は特に図示せず、その光集積回路
素子の製造方法について説明する。

【００５８】本実施例の製造方法では、電気光学結晶と
して、高出力レーザ光入力による電気光学結晶基板１の
光損傷を避けるため、マグネシアを５ｍｏｌ％添加した
Ｚカットのニオブ酸リチウム単結晶（例えば山寿セラミ
ックス社製で、３ｉｎｃｈ、１ｍｍｔ、オプティカルグ
レードのもの）を用いた。この電気光学結晶の−Ｚ面に
真空蒸着により厚さ２００オングストロームのＥｒ（例
えばフルウチ化学製の３Ｎ）を付着させた。その後、白
金ボード中に静置し、１０００℃で２００時間、酸素雰
囲気でＥｒの電気光学結晶基板１内熱拡散を行ってＥｒ
添加部を形成した。

【００５９】Ｅｒを拡散させた電気光学結晶基板１表面
に、ポジ型フォトレジスト（Ｓｈｉｐｌｅｙ＃１４００
−２７）を塗布、フォトマスクによるフォトリソグラフ
ィーにより、実施例１と同様の幅８μｍの２分岐光回路
を含む光導波路パターンを形成後、タンタルを約８００
オングストローム蒸着した後、リフトオフによって幅８
μｍのマスクパターンの窓あけを行った。その後、電気
光学結晶基板１を２１０℃のピロリン酸中に１．５時間
浸漬してプロトン交換光導波路４を作製し、タンタルマ
スクをすべて除去した後、大気中で３５０℃、３時間ア
ニーリングを行った。

【００６０】作製した光導波路４は実施例１の場合と同
様、個々の分岐部にＩＴＯ電極をスパッタリングし、電
気光学結晶基板１上に光スイッチ回路を形成した光集積
回路素子を作製した。

【００６１】上述したように、本実施例の製造方法では
マグネシアの添加量を５ｍｏｌ％としたが、添加量はこ
れに限られるものではなく、実施例１の製造方法と同様
に高出力レーザ光入力による電気光学結晶基板１の光損
傷を回避できる量であれば良く、この量は望ましくは２
〜１５ｍｏｌ％である。また、Ｅｒ膜の作製は真空蒸着
によるとしたが、これに限らず、均一な膜を形成できる
ものであれば、スパッタリング装置等さまざまな装置を
使用できる。さらに、Ｅｒの電気光学結晶基板１内拡散
深さを、信号光の波長である１５５０ｎｍ付近でのシン
グルモード導波条件を満足できる導波路深さの７〜１０
μｍに、また、Ｅｒ濃度を光増幅のエネルギー準位形成
のために十分な約５０００ｐｐｍに設定するため、Ｅｒ
の膜厚および拡散条件を前記のように設定したが、これ
らの条件に限られるものではなく、Ｅｒ膜厚は１５０〜
３００オングストロームの範囲、拡散条件は９５０〜１
０５０℃、１５０〜４００時間の範囲であれば任意に設
定できる。また、拡散時の雰囲気は、電気光学結晶の酸
素欠損防止およびＥｒ膜酸化のための雰囲気であれば、
酸素雰囲気に限る必要はない。

【００６２】さらに、本実施例の製造方法ではタンタル
を約８００オングストローム蒸着するとしたが、タンタ
ルマスクの膜厚は、リフトオフによって所望パターン部
位が確実に抜ける厚さの２０００オングストローム以下
が望ましい。また、上述したプロトン交換において、プ
ロトン交換溶媒がマスクを突き抜けない膜厚（５００オ
ングストローム以上）が望ましい。さらに、２分岐光回
路を含む光導波路４パターンを形成したが、同一基板上
に形成する光回路はこの回路に限られるものではなく、
さまざまな受動、能動光回路の応用が可能である。例え
ば、電気光学結晶の電気光学効果を利用する光変調回
路、光スイッチ回路等の光能動素子、２分岐光回路、方
向性結合器回路等の光受動素子が可能である。さらに、
プロトン交換条件およびアニーリング条件は、前記した
信号光波長１５５０ｎｍでシングルモード光導波路４と
なる条件であり、プロトン交換温度は１６０〜２５０℃
の間で任意に設定できる。これは、１６０℃以下になる
と極端にプロトン交換速度が遅くなり光導波路４作製に
長時間を要するのに対し、２５０℃以上になるとプロト
ン交換の制御が難しくなり、再現性が悪くなるためであ
る。同様の理由でプロトン交換後のアニーリングも３０
０〜４００℃の範囲で行うのが望ましい。さらに、プロ
トン交換マスクとして用いる材料はタンタルに限られる
ものではなく、Ａｕ／Ｃｒ膜も使用できる。

【００６３】上述の光集積回路素子としての導波路形光
素子において、波長１５５０ｎｍの信号光とチタンサフ
ァイヤレーザによる波長９８０ｎｍ、出力４０ｍＷのポ
ンプ光をダイクロイックミラーにより合波すると共に入
射端面Ｐｉから端面結合により入射して信号光の増幅実
験を行ったところ、信号光を４ｄＢ増幅することがで
き、さらに、光スイッチ回路では、駆動電圧４．９Ｖに
おいて良好な増幅信号光のスイッチングが確認された。

【００６４】なお、本実施例の製造方法では、電気光学
結晶基板１としてＺカットのニオブ酸リチウムを用いた
ため、この電気光学結晶基板１での最大の電気光学定数
γ３３を利用するため、電極５を光導波路４の直上に配
置したが、電気光学結晶基板１のカット方向および利用
しようとする電気光学定数によって、電極の位置は電気
光学結晶基板１内の光導波路４側面等任意に配置でき
る。また、電極５の材料としては、ＩＴＯの他にＴｉ、
Ａｌ等の金属膜も使用できる。ただし、Ｚカット電気光
学結晶基板１のように、光導波路４の直上に電極５を配
置する場合（電気光学定数γ３３を利用する場合）、Ｔ
ｉ等の金属電極は、導波光への影響を回避するため、導
波路電気光学結晶基板１表面と電極５との間にＳｉＯ₂
等の誘電体層を設ける必要がある。

【００６５】以上のように本実施例によれば、電気光学
結晶の電気光学効果を利用する光変調回路、光スイッチ
回路等の光能動素子、２分岐光回路、方向性結合器回路
等の光受動素子を、光増幅作用あるいは光発振作用を有
する導波路形レーザと同一基板上に集積化することがで
きるので、光発振器、光増幅器等の装置の小型化、多機
能化が可能となる光集積回路素子を実現できる。

【００６６】（実施例５）図５は本発明の第５の実施例
に係る光集積回路素子を示す斜視図である。図５におい
て、１は電気光学結晶基板、３は希土類元素添加層（添
加部）、４は光導波路（上昇部位）、５は電極である。
本実施例は、実施例３の分岐干渉形光変調回路のさらに
後段に２分岐回路を設けたものである。本実施例の製造
方法は実施例３の製造方法の場合と同様であり、レーザ
ビーム描画によるパターンを、分岐干渉形光変調回路お
よび２分岐回路を含む光導波路パターンに変更したもの
である。本実施例では分岐干渉形光変調回路および２分
岐回路を含む光導波路パターンを形成したが、電気光学
結晶基板１上に形成する光導波路パターンはこれらに限
られるものではなく、さまざまな光能動、受動回路素子
が形成できる。例えば、電気光学結晶の電気光学効果を
利用する光変調回路、光スイッチ回路等の光能動素子、
２分岐光回路、方向性結合器回路等の光受動素子が可能
である。

【００６７】上述の光集積回路素子において、波長１３
１０ｎｍの信号光とチタンサファイヤレーザによる波長
１０１０ｎｍ、出力８０ｍＷのポンプ光をダイクロイッ
クミラーにより合波すると共に入射端面Ｐｉから端面結
合により入射して信号光の増幅実験を行ったところ、信
号光を２．７ｄＢ増幅することができ、さらに、分岐干
渉形光変調回路部では、駆動電圧４．７Ｖにおいて信号
光を効率よく変調でき、さらに２分岐回路部の出射ポー
トＰ１、Ｐ２より、変調信号光を４５：５５の分配比で
出力することができた。

【００６８】以上のように本実施例によれば、電気光学
結晶の電気光学効果を利用する光変調回路、光スイッチ
回路等の光能動素子、２分岐光回路、方向性結合器回路
等の光受動素子を、光増幅作用あるいは光発振作用を有
する導波路形レーザと同一基板上に集積化することがで
きるので、光発振器、光増幅器等の装置の小型化、多機
能化が可能となる光集積回路素子を実現できる。

【００６９】

【発明の効果】以上のように本発明は、電気光学結晶か
ら成る基板と、希土類元素イオンを有し、基板内に設け
られた光導波路と、基板上に設けられた光能動素子とを
設けたことにより、電気光学結晶の電気光学効果を利用
する光変調回路、光スイッチ回路等の光能動素子を光増
幅作用あるいは光発振作用を有する導波路形レーザと同
一基板上に集積化することができるので、光発振器、光
増幅器等の装置の小型化、多機能化が可能となる光集積
回路素子を実現できる。

【００７０】また、電気光学結晶から成る基板と、希土
類元素イオンを有し、基板内に設けられた光導波路と、
基板上に設けられた光受動素子とを設けたことにより、
２分岐光回路、方向性結合器回路等の光受動素子を光増
幅作用あるいは光発振作用を有する導波路形レーザと同
一基板上に集積化することができるので、光発振器、光
増幅器等の装置の小型化、多機能化が可能となる光集積
回路素子を実現できる。

【００７１】さらに、電気光学結晶から成る基板と、希
土類元素イオンを有し、基板内に設けられた光導波路
と、基板上に設けられた光能動素子および光受動素子と
を設けたことにより、電気光学結晶の電気光学効果を利
用する光変調回路、光スイッチ回路等の光能動素子およ
び２分岐光回路、方向性結合器回路等の光受動素子を光
増幅作用あるいは光発振作用を有する導波路形レーザと
同一基板上に集積化することができるので、光発振器、
光増幅器等の装置の小型化、多機能化が可能となる光集
積回路素子を実現できる。

【００７２】さらに、基板がニオブ酸リチウム単結晶で
あることにより、高効率の電気光学効果が得られる光集
積回路素子を実現できる。

【００７３】さらに、基板がタンタル酸リチウム単結晶
であることにより、高効率の電気光学効果が得られる光
集積回路素子を実現できる。

【００７４】さらに、基板にマグネシアが添加されたこ
とにより、光損傷を抑制する効果が得られる光集積回路
素子を実現できる。

【００７５】さらに、電気光学結晶から成る基板上に希
土類元素イオンを添加した添加部を形成する添加部形成
工程と、添加部に屈折率の上昇部位を設けることにより
光導波路を形成する光導波路形成工程と、基板上に光能
動素子を形成する光能動素子形成工程とを有することに
より、電気光学結晶の電気光学効果を利用する光変調回
路、光スイッチ回路等の光能動素子を光増幅作用あるい
は光発振作用を有する導波路形レーザと同一基板上に集
積化することができるので、光発振器、光増幅器等の装
置の小型化、多機能化が可能となる光集積回路素子の製
造方法を実現できる。

【００７６】さらに、電気光学結晶から成る基板上に希
土類元素イオンを添加した添加部を形成する添加部形成
工程と、添加部に屈折率の上昇部位を設けることにより
光導波路を形成する光導波路形成工程と、基板上に光受
動素子を形成する光受動素子形成工程とを有することに
より、２分岐光回路、方向性結合器回路等の光受動素子
を光増幅作用あるいは光発振作用を有する導波路形レー
ザと同一基板上に集積化することができるので、光発振
器、光増幅器等の装置の小型化、多機能化が可能となる
光集積回路素子の製造方法を実現できる。

【００７７】さらに、電気光学結晶から成る基板上に希
土類元素イオンを添加した添加部を形成する添加部形成
工程と、添加部に屈折率の上昇部位を設けることにより
光導波路を形成する光導波路形成工程と、基板上に光能
動素子および光受動素子を形成する光能動受動素子形成
工程とを有することにより、電気光学結晶の電気光学効
果を利用する光変調回路、光スイッチ回路等の光能動素
子および２分岐光回路、方向性結合器回路等の光受動素
子を光増幅作用あるいは光発振作用を有する導波路形レ
ーザと同一基板上に集積化することができるので、光発
振器、光増幅器等の装置の小型化、多機能化が可能とな
る光集積回路素子の製造方法を実現できる。

【００７８】さらに、添加部形成工程は、電気光学結晶
から成る基板上に希土類元素を含む膜を形成する膜形成
工程と、膜中の希土類元素イオンを基板中に熱拡散法に
よって添加する添加工程とを備えたことにより、光発振
器、光増幅器等の装置の小型化、多機能化が可能となる
光集積回路素子を容易に製造できる光集積回路素子の製
造方法を実現できる。

【００７９】さらに、添加部形成工程は、電気光学結晶
から成る基板を希土類元素の硝酸塩化合物溶液中に浸漬
することによるイオン交換法によって希土類元素イオン
を添加する工程であることにより、光発振器、光増幅器
等の装置の小型化、多機能化が可能となる光集積回路素
子を容易に製造できる光集積回路素子の製造方法を実現
できる。

【００８０】さらに、イオン交換法は希土類元素の硝酸
塩化合物溶液中に硝酸リチウムを混入させる工程を有す
ることにより、光発振器、光増幅器等の装置の小型化、
多機能化が可能となる光集積回路素子を容易に製造でき
る光集積回路素子の製造方法を実現できる。

【００８１】さらに、光導波路形成工程はプロトン交換
法により光導波路を形成する工程であることにより、光
導波路を容易に製造できる光集積回路素子の製造方法を
実現できる。

【００８２】さらに、プロトン交換法は電気光学結晶か
ら成る基板をピロリン酸溶液中に浸漬する工程を有する
ことにより、光導波路を容易に製造できる光集積回路素
子の製造方法を実現できる。

【００８３】さらに、プロトン交換法は電気光学結晶か
ら成る基板を安息香酸溶液中に浸漬する工程を有するこ
とにより、光導波路を容易に製造できる光集積回路素子
の製造方法を実現できる。

【００８４】さらに、光導波路形成工程はチタニウム拡
散法により光導波路を形成する工程であることにより、
光導波路を容易に製造できる光集積回路素子の製造方法
を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る光集積回路素子を示す
斜視図

【図２】（ａ）図１の光集積回路素子の製造工程の一部
を示す斜視図（ｂ）図１の光集積回路素子の製造工程の一部を示す斜
視図（ｃ）図１の光集積回路素子の製造工程の一部を示す斜
視図（ｄ）図１の光集積回路素子の製造工程の一部を示す斜
視図（ｅ）図１の光集積回路素子の製造工程の一部を示す斜
視図

【図３】本発明の第２の実施例に係る光集積回路素子を
示す斜視図

【図４】本発明の第３の実施例に係る光集積回路素子を
示す斜視図

【図５】本発明の第５の実施例に係る光集積回路素子を
示す斜視図

【図６】（ａ）従来の光ファイバ増幅器を示す構成図（ｂ）光ファイバの入力側における入力信号光の波形を
示す波形図（ｃ）光ファイバの出力側における出力信号光の波形を
示す波形図

【符号の説明】

１電気光学結晶基板２希土類元素蒸着層３希土類元素添加層（添加部）４光導波路（上昇部位）５電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０２Ｂ 6/12 Ｍ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学結晶から成る基板と、希土類元素
イオンを有し、前記基板内に設けられた光導波路と、前
記基板上に設けられた光能動素子とを備えたことを特徴
とする光集積回路素子。
【請求項２】電気光学結晶から成る基板と、希土類元素
イオンを有し、前記基板内に設けられた光導波路と、前
記基板上に設けられた光受動素子とを備えたことを特徴
とする光集積回路素子。
【請求項３】電気光学結晶から成る基板と、希土類元素
イオンを有し、前記基板内に設けられた光導波路と、前
記基板上に設けられた光能動素子および光受動素子とを
備えたことを特徴とする光集積回路素子。
【請求項４】前記基板はニオブ酸リチウム単結晶である
ことを特徴とする請求項１、２、３のいずれか１に記載
の光集積回路素子。
【請求項５】前記基板はタンタル酸リチウム単結晶であ
ることを特徴とする請求項１、２、３のいずれか１に記
載の光集積回路素子。
【請求項６】前記基板はマグネシアが添加されたことを
特徴とする請求項４、５のいずれか１に記載の光集積回
路素子。
【請求項７】電気光学結晶から成る基板上に希土類元素
イオンを添加した添加部を形成する添加部形成工程と、
前記添加部に屈折率の上昇部位を設けることにより光導
波路を形成する光導波路形成工程と、前記基板上に光能
動素子を形成する光能動素子形成工程とを有することを
特徴とする光集積回路素子の製造方法。
【請求項８】電気光学結晶から成る基板上に希土類元素
イオンを添加した添加部を形成する添加部形成工程と、
前記添加部に屈折率の上昇部位を設けることにより光導
波路を形成する光導波路形成工程と、前記基板上に光受
動素子を形成する光受動素子形成工程とを有することを
特徴とする光集積回路素子の製造方法。
【請求項９】電気光学結晶から成る基板上に希土類元素
イオンを添加した添加部を形成する添加部形成工程と、
前記添加部に屈折率の上昇部位を設けることにより光導
波路を形成する光導波路形成工程と、前記基板上に光能
動素子および光受動素子を形成する光能動受動素子形成
工程とを有することを特徴とする光集積回路素子の製造
方法。
【請求項１０】前記添加部形成工程は、電気光学結晶か
ら成る基板上に希土類元素を含む膜を形成する膜形成工
程と、前記膜中の希土類元素イオンを前記基板中に熱拡
散法によって添加する添加工程とを備えたことを特徴と
する請求項７、８、９のいずれか１に記載の光集積回路
素子の製造方法。
【請求項１１】前記添加部形成工程は、前記電気光学結
晶から成る基板を希土類元素の硝酸塩化合物溶液中に浸
漬することによるイオン交換法によって希土類元素イオ
ンを添加する工程であることを特徴とする請求項７、
８、９のいずれか１に記載の光集積回路素子の製造方
法。
【請求項１２】前記イオン交換法は前記希土類元素の硝
酸塩化合物溶液中に硝酸リチウムを混入させる工程を有
することを特徴とする請求項１１記載の光集積回路素子
の製造方法。
【請求項１３】前記光導波路形成工程はプロトン交換法
により光導波路を形成する工程であることを特徴とする
請求項１０、１１のいずれか１に記載の光集積回路素子
の製造方法。
【請求項１４】前記プロトン交換法は前記電気光学結晶
から成る基板をピロリン酸溶液中に浸漬する工程を有す
ることを特徴とする請求項１３記載の光集積回路素子の
製造方法。
【請求項１５】前記プロトン交換法は前記電気光学結晶
から成る基板を安息香酸溶液中に浸漬する工程を有する
ことを特徴とする請求項１３記載の光集積回路素子の製
造方法。
【請求項１６】前記光導波路形成工程はチタニウム拡散
法により光導波路を形成する工程であることを特徴とす
る請求項１０、１１のいずれか１に記載の光集積回路素
子の製造方法。