JPS61134730A - 光制御素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光波の変調、光路切換え等を行なう光制御素子
に関し、特に基板中に設けた光導波路を用いて制御を行
なう導波型の光制御素子の製造方法に関する。

（従来技術とその問題点） 近年光通信システムの実用化が進むにつれ、さらに大容
量、高機能のシステムが要求されるようになり、より高
速の光波の変調器や光スィッチ等の光制御素子が必要と
なっている。このような光制御素子においては、その挿
入損失が光信号の伝送距離を制限するということもあり
得るので、高速性ととも薯こ低損失性も重要となる。高
速の光制御素子としては、大きな電気光学効果係数を有
する：ｃ、１Ｎｂｏ、結晶等の基板中に導波路を形成し
、導波路の屈折率分布を電気光学効果を利用して電界で
変化させることにより制御する方式の光制御素子かあり
、方向性結合型光変調器またはスイッチ全反射型光スイ
ッチ、分岐干渉型光変調器またはスイッチ等に関する報
告がなされている。例えばＬ！ＮｂＯ５結晶中にＴｉを
拡散して形成した光導波路においては波長１．３μｍ４
こ対して０１〜０．２ｄＢ／、という小さな伝搬損失が
得られている。しかしながらこのような導波型光制御素
子を実際の光フアイバ伝送系へ適用する場合には、光フ
ァイバとの結合損失も考慮する必要がある。このために
は光導波路の伝搬モードの光エネルギー分布を光ファイ
バの伝搬モードの光エネルギー分布になるべく近づける
ように光導波路を作成することが行なわれている。上記
の手段により光フアイバ間に光導波路を挿入したときの
損失値としては２ｄＢ程度の値となる。これはＴｉ拡散
導波路においては基板に垂直な方向と水平な方向の屈折
率分布が異なり、円形の屈折率分布をもつ光ファイバと
は光エネルギー分布が一致しないことによる。一方、導
波型の光制御素子の動作速度はその動作電圧に大きく依
存し、高速化のためには動作電圧をできるだけ小さくす
ることが実用上非常ζこ重要である。しかしながら、光
制御素子の電圧を低減するためには印加電界の強度が大
きい電極近傍に伝搬光の光エネルギーを集中させる必要
があり、この低電圧化の条件は一般に前述の光ファイバ
との結合損失を低減させるための条件とは異なっている
。

通常用いられる単一モード光ファイバの光エネルギー分
布は強度力月／ｅとなる幅か６〜８μｍ程度であるので
低結合損失を目的とする場合、光導波路の光エネルギー
分布も上記値程度となるよう１６選はれる。この条件は
、例えば、ブイ、ラマスワーミイ　（Ｖ、Ｒａｍａｓｗ
ａｍｙ）　、アール・シー・アルファーネス（Ｒ，Ｃ，
Ａｌｆｅｒｎｅｓｓ）エム・デビノ（Ｍ、Ｄｒ−ｖｉｒ
ｏ）によりエレクトロニクス・レターズ誌（Ｅｌ−ｅｃ
ｔｒｏｎｉｃｓ　Ｉ、ｅｔｔｅｒｓ）第１８巻、１号、
３０ページから３１ページに述べられている。一方低電
化の嘱 ためには光導波路の伝搬光のエネルギー分布を光ファイ
バとの低結合損失条件の幅よりも小さくする必要がある
。この低電圧化条件と光ファイバとの結合損失の低減条
件とのトレード・オフについてはエル・リビエール（Ｉ
、、Ｒｉｖｉｅｒｅ　）らにより第４図集積光学と光フ
アイバ通信国際会議（４ｔｈ　Ｉ−ｎｔｅｒｎａｔｉｏ
ｎａｌ　　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　　ｏｎ　　ｉｎｔｅ
＝ｇ−ｒａｔｅｄ　ｐｐｔｉｃｓ　　ａｎｄ　Ｑｐｔｉ
ｃａｌ　　Ｆｉｂｅｒ　　ＣＯ−ｍｍｕｎｉｃａｔｉｏ
ｎ）のテクニカル・ダイジェスト２９Ｃ４−４番（ペー
ジ３６２〜３６３）ｉこ述べられている。

このようｌこ強誘電材料を金属を拡散して形成した光制
御素子においては低損失・低電圧を同時に満足するため
には光ファイバとの結合部では導波路の伝搬モードの光
エネルギー分布を光ファイノくの伝搬モードの光エネル
ギー分布に一致させかつ光エネルギー分布を円形化する
必要があり、光制御部においては印加電界の強度が大き
い電極近傍に伝搬モードの光エネルギーを集中させる必
要がある。しかしながら従来用いられている製造方法す
なわちＴｉ等の１種類の金属原子の薄膜パターンを入出
力光導波路部も光制御部も同じ膜厚、同じ、Ｎ６タ一ン
幅で強誘電体基板中に熱拡散する方法、では入出力導波
路部と光制御部の屈折率分布を別々に設定することはで
きないので、低損失・低電圧を同時に実現することは不
可能であった。これに対して低損失・低電圧を同時に実
現する光制御素子の製造方法の１つの試みとして近藤、
小松、太田により第７回集積光学と導波光学に関する会
議（７ｔｈ　Ｔｏｐｉｃａｌ　Ｍｅｅｔｉｎｇ　ｏｎ　
Ｉｎｔｅ”ｇｒａｔｅｄａｎｄ　Ｑｕｉｄｅｄ−Ｗａｖ
ｅ　Ｑｐｔｉｃｓ）のテクニカル・ダイジェストＴｔＪ
Ａ５−１に述べられているよう−こ、光制御部を構成す
る光導波路とそれと光入出力端面とを接続する入出力光
導波路との間で拡散する金属原子を含む薄膜導波路パタ
ーンの膜厚を別々に設定して、光ファイバとの結合部と
なる入出力光導波路部では導波路の光エネルギー分布を
光ファイバの光エネルギー分布に近づけ、光制御部にお
いては導波路の光エネルギー分布を電極近傍に集中させ
るものがある。しかしながら上記製造方法においては入
出力光導波路の光エネルギー分布は基板の深さ方向では
非対称であり、円形ではないためまだ光ファイバとの結
合において損失が理論限界には達していない。したがっ
てさらに低損失化するためには入出力光導波路の光エネ
ルギー分布を基板の深さ方向にも対称化し円形化するよ
うな製造方法が必要となる。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、基板上に金属原子を含む薄膜をパターン状ｌ
こ積層し、前記薄膜パターンを形成した基板上に部分的
ｌこ誘電体を積層し、上記基板を加熱して上記薄膜パタ
ーンを該基板中および積層した誘電体中に拡散させるこ
とによって光導波路を形成し、前記基板中のみζこ薄膜
パターンが拡散されて形成された光導波路の近傍に電極
を設置して少くとも１つの光制御部を形成し、該光制御
部と接続されかつ前記基板中および積層された誘電体中
の両者ｌこ薄膜パターンが拡散された光導波路の端部に
光入出力端面を形成することを特徴とする光制御素子の
製造方法である。

本発明では、前述のようｌこ光制御部を構成する光導波
路とそれと光入出力端面とを接続する入出力導波路との
間で薄膜パターンを拡散する対象を基板のみと基板およ
び積層された誘電体の両方とすることにより両者の屈折
率分布を異ならしめることにより、入出力光導波路部分
では光ファイバの光エネルギ分布に近い伝搬光エネルギ
分布を与えるように円形化した屈折率分布を設定し、か
つそれとは独立に光制御部を構成する光導波路の屈折率
分布はその伝搬光エネルギ分布が電極近傍に十分閉じ込
められるように設定することにより、低損失結合が可能
でかつ低電圧動作が可能な光制御素子が得られる。

（実施例） 以下図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明による光制御素子の製造方法の一実施例
を説明するために、本発明による方向性結合型光制御素
子の製造方法を示したものである。

以下に本発明による方向性結合型光制御素子の製造方法
を順を追°１説明する・　　　　　　　　　　　　　　
　１先ず、ＬｉＮｂＯ３基板３０１上に通常のフオ）　
ＩＪソグラフイ技術を用いて光導波路のパターンを形成
する。すなわちＬｉＮｂ０．基板３０１上（こフォトレ
ジストを一様に塗布し、光導波路部分と同形のフォトマ
スクを通して上記フォトレジストを露光し、現象するこ
とによって、フォトレジスト膜に導波路形状の溝を形成
する。ここで方向性結合器部光導波路パターン３０２は
互いに数μｍの間隔で近接した幅が数〜数十μｍ、長さ
数〜数十Ｕの２本の導波路パターンとし、入力光導波路
パターン３０３および出力光導波路パターン３０４は２
本の導波路の間で結合が生じない程度、例えば数十〜数
百μｍ離れた２本の導波路より構成され、かつ２本の光
導波路の間隔は方向性結合器部端部から入出力光導波路
に至る間４こ除々に広がって行くようにフォトマスクを
作成するものとする。フォトリングラフィ技術を用いて
フォトレジスト膜に導波路形状の溝を形成した後、この
上からまずＴｉ膜を７００〜１１００Ａ程度全面に蒸着
する。次（こフォトレジスト膜を溶解することによりＴ
ｉの光導波路パターンを形成する。この後方向性結合器
部３０２の部分は逍へい板でおおっておき、入出力導波
路部分および入出力光導波路と方向性結合器部導波路の
接続部分に和尚する部分にのみにＬ　Ｉ　ＮｂＯ５膜３
０５を１〜１０ｘｍ程度スパッタ法などにより形成する
と第１図に示すような、入出力光導波路部では基板上に
ＴＩとＬ　Ｉ　Ｎｂ　Ｏｓ膜が積層され、光制御部分で
はＴ１のみの光導波路パターンが形成される。なお入出
力光導波路部分と光制御部分の境界は、ＬｉＮｂＯ３膜
をスパッタ法などで形成する際に前記遮へい板と基板と
の間隔を調整することによって、または遮へい板をＬＩ
ＮｂＯ８膜形成時に除々に移動することによって任意の
テーパ形状とすることができる。

第１図のように光導波路のパターンを設置した基板は１
０００〜１１００℃、５〜１０時間程時間数炉で加熱さ
れることによりＴｉがＬｉＮｂＯ３中へ拡算されその部
分のみ屈折率がわずかに増加して光導波路となる。その
後光吸収を防ぐためにＬ　１ＮｂＱ、基板上にＳｉＯ２
膜を２０００肱下形成し、方向性結合器部の導波路の真
上にｓ　ｒ　ｏ２上にＣｒ、ＡｕもしくはＣｒ。

ｐ、ｔを積層した第２図に示すような１対の電極４を形
成する。なお第２図においては５ｒｏｔ膜は省略してい
る。以上が本発明による方向性結合型光制御素子の製造
方法であり、以上の製造方法により第２図に示す方向性
結合型光制御素子が形成される。

本発明による製造方法では方向性結合器部はＴ１をＬＩ
ＮｂＯ５基板中のみに拡散しているので、方向性結合器
部の光導波路２，３の深さ方向の屈折率分布は第３図（
ａ）に示すように大きく、伝搬光のエネルギ分布は第３
図（Ｃ）に示すように小さくなり光導波路内に強く、小
さく閉じ込められ、低電圧で光路切換えが可能である。

−力光導波路と光ファイバとの結合においては、光ファ
イバのスポットサイスが単一モードファイバにおいても
１０μｍ（１／ｅ２全幅）程度と比較的大きいため光導
波路出射光のエネルギ分布もある程度広がっており、か
つ光ファイバの光強度分布は対称であるので、光導波路
出射光のエネルギ分布も基板方向と深さ方向で対称であ
ることが低損失結合のためには必要である。

本発明による製造方法においては入力光導波路５．６お
よび出力光導波路７，８の部分はＴｉパターンを基板中
および積層されたＬｉＮｂＯ３膜中の両者に拡散するた
め屈折率が第３図（ｂｌに示すように、方向性結合器部
の屈折率に比べて小さく、伝搬光のエネルギ分布は第３
図（ｄｌに示すように広がっており、かつ光強度分布が
深さ方向にも対称な分布となる。したがって光ファイバ
と低損失に結合することが可能となる。なお、光導波路
２．３と入力光導波路５．６および出力光導波路７，８
の接続部分９゜１０は伝搬光のモード変換による損失を
小さくするために屈折率が第３図（ａ）の分布から（ｂ
）の分布へと数百μｍから数勧にわたって除々に変化す
るように形成されている。これは積層するＬｉＮｂＯ３
膜の厚さｌこテーパを付けることにより可能である。

上述のように本発明の光制御素子の製造方法を用いれば
入出力光導波路部と方向性結合器部光導波路部の屈折率
分布を別々に設定することができ入出力光導波路部にお
いては導波光のエネルギ分布あ、カッアイ／＜（７）Ｉ
え、９イー＋ＳＩＣ−（１□　　　１形化した分布とす
ることができ、方向性結合器部に詔いてはエネルギー分
布を基板表面に強く閉じこめることができる。したがっ
て従来の製造方法よりもさらに光制御素子の低損失、低
電圧化が可能である。しかも本発明の製造方法は従来の
製造方法と比べて、入出力光導波路部にＬｉＮｂＯ３を
積層するという工程が増えるだけであり、製造工程とし
ては従来方法とほとんど変わりは無く、また困難も伴わ
ない。

第４図は本発明による光制御素子の製造方法の他の実施
例を説明するために、本発明による分岐干渉型光変調器
の製造方法を示したものである。

以下に本発明による分岐干渉型光変調器の製造方法を説
明する。

先ず、ｒ、；Ｎｂｏ、基板４０１上に通常のフォトリソ
グラフィ技術を用いて光導波路のパターンを形成する。

すなわちＬｉＮｂｏ、基板上Ｉこフォトレジストを一様
に塗布し、光導波路部分と同形のフォトマスクを通して
上記フォトレジストを露光し、現像することによってフ
ォトレジスト膜に導波路形状の溝を形成する。ここで光
導波路パターンは幅数〜数１０μｍである。３ｄＢ分岐
部光導波路パターン４０５はＹ分岐光導波路であり、そ
の開き角を数ｍｒａｄとし、２本の位相変調器部光導波
路パターン４０２の間隔は数十μｍとする。合流部光導
波路パターン４０６も３ｄＢ分岐部光導波路パターン４
０５と同様開き角数ｍｒａｄのＹ分岐光導波路パターン
である。フォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジス
ト膜に導波路形状の溝を形成した後、この上からまずＴ
ｉ膜を７００〜ｌ１００Ａ程度全面に形成する。次（こ
フォトレジスト膜を溶解することによりＴｉの光導波路
パターンを形成する。この後３ｄＢ分岐部光導波路パタ
ーン４０５１位相変調器部光導波路パターン４０２．お
よび合流部光導波路パターン４０６の部分は遮へい板で
おおっておき、入力光導波路パターン４０３および出力
光導波路パターン４０４の部分にのみ、ＬｉＮｂＯ３膜
４０７を１〜１０μｍ程度スパッタ法などにより形成す
ると第４図に示すような入出力光導波路部では基板上に
１゛ｉとｒ、ｊＮｂｏ↓功Ｓ積層され、分岐干渉型光変
調器部ではＴｉのみの光導波路パターンが形成される。

なお入出力光導波路部分と分岐干渉型光変調器部分の境
界は、ｒ、：Ｎｂｏ。

膜をスパッタ法などで形成する際に、前記遮へい板上基
板の間隔を調整することによって、または遮へい板をＩ
、１Ｎｂ０３膜形成時に除々に移動することによって任
意のテーパ形状とすることができる。

第４図のように光導波路のパターンを設置した基板は１
０００〜１１００℃、５〜１０時間程時間数炉中で加熱
されることによりＴＩがＬｉＮｂＯ３中へ拡散されその
部分の屈折率が変化することにより光導波路５０２５０
３が形成される。その後電極での光吸収を防く゛ために
ＬｉＮｂＯ５基板上に８１０２膜を２０００Ａ以下形成
し、位相変調器部の導波路の真上に、５Ｉ０２上にＣｒ
とＡｌｌもしくはＣｒとＡｔを積層した第５図に示すよ
うな電極５０４を形成する。その後入出力光導波路に垂
直方向に研磨もしくはへき開により光入出力端面を形成
する。なお第５図においては５Ｉ０２膜は省略している
。以上が本発明による分岐干渉型光変調器の製造方法で
あり、以上の製造方法により第５図に示す分岐干渉型光
変調器が形成される。

本発明による製造方法では、位相変調器部はＴｉをＬＩ
ＮｂＯ４１基板中のみに拡散しているので位相変調器部
の光導波路の深さ方向の屈折率分布は第３図（ａ）と同
様であり大きく、伝搬光のエネルギ分布は第３図（Ｃ）
に示すように小さくなり、光導波路内σω に強く、小さく閉じ込められるので、低電圧で光の変調
が可能である。また本発明による製造方法においては、
入出力光導波路部分５０７，５０８は、Ｔｌパターンを
基板中および積層されたし１Ｎｂｏｓ膜中の両者に拡散
することにより形成している。したがって入力光導波路
５０７および出力光導波路５０８では屈折率の最大値が
第３図（ｂＪに示すように、位相変調器部の屈折率に比
べて小さく、伝搬光のエネルギ分布は第３図（ｄ）に示
すように広がっておりかつ光強度分布が深さ方向にも対
称な分布となる。

したがって光ファイバと低損失に結合することが可能と
なる。

以上のように本発明による分岐干渉型光変調器の製造方
法を用いれば入出力光導波路部と位相変　　　　　　１
調器部光導波路部の屈折率分布を別々に設定することが
でき、入出力光導波路部においては導波光のエネルギー
分布を光ファイバのエネルギー分布に一致した円形化し
た分布とすることができ、位相変調器部においてはエネ
ルギー分布を基板表面に強く閉じこめることができる。

したがって従来の製造方法よりもさらに低損失、低電圧
の光制御素子を本方法により製造することが可能である
。

しかも従来の製造方法と比較して、導波路の屈折率を下
げる金属原子を積層する工程が増えるだけであり、従来
方法とはとんと変わりはない。

（本発明の効果） 以上述べたように本発明ｌこよれは低損失に光フアイバ
結合可能でかつ、低電圧動作可能な光制御回路の製造方
法が得られる。

本発明は、いかなる方式の光制御素子、例えば光位相変
調器や交差導波路形光スイッチ等に対しても従来それぞ
れ別々の素子で得られている低動作電圧特性と低損失光
ファイバ結合特性の両方を１つの素子で得ることができ
る。本発明に用いる基板材料、光導波路形状、電極形状
等は上記実施例に限定されるものでなく、基板材料とし
て、Ｌｉ１ａｃ３結晶等の強誘電体結晶を、光導波路と
しては熱拡散とイオン交換の両者と併用した光導波路等
を、電極形状としては、高速化により適した進行波形の
電極等を用いることができる。

また、近藤、小松、太田により第７回集積光学と導波光
学に関する会議（７ｔｂ　’［’ｏｐｉｃａｌ　Ｉｖｌ
ｅｅｔ−ｉｎｇ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ａｎｄ
　Ｑｕｉｄｅｄ−％ａｖｅ　Ｑｐｔ−ｉｃｓ）のテクニ
カル・ダイジェストＴＩＪ４５−１に述べられているよ
うに、光制御素子を構成する光導波路と入出力光導波路
との間で拡散する金属原子を含む薄膜パターンの膜厚を
別々に設定して両者の境界をテーパ形状とし、入出力光
導波路ζこ担当する部分にのみ誘電体を積層した後に薄
膜パターンを基板中および積層した誘電体中に熱拡散し
て光導波路を形成すれば、光入出力導波路と光制御素子
部分の光導波路の屈折率分布を独立（こかつさらにきめ
細かく制御でき、さらに低損失に光ファイバと結合でき
かつ低電圧動作可能な光制御素子の製造方法が得られる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光制御回路の製造方法の第１の実
施例を説明するための方向性結合型光制御素子の製造方
法を説明するための図、第２図は０＄ 本発明により得られる方向性結合型光制御素子の構成を
示す図、第３図は本発明による光制御素子の製造方法の
原理を説明するための図、第４図、第５図は本発明の第
２の実施例を示す図である。 図において ３０１．４０１　ＬｒＮｂＯ５基板 ２．３，５，６，７，８，９，１０，５０２，５０３光
導波路４、．５０４電極 ３０２方向性結合器部導波路パターンｃｒ’ｉ　）３０
３．４０３人力光導波路パターン（Ｔｉ）３０４．４０
４出力光導波路パターン（Ｔｉ）３０５．４０７　Ｌ　
Ｉ　ＮｂＯ３膜 ４０５、３　ｄＢ分岐部 ４０６分流部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基板上に金属原子を含む薄膜を所望のパターン状に積層
   する工程と、前記薄膜パターンを形成した基板上に入出
   力光導波路に相当する部分を含むようにして部分的に誘
   電体を積層する工程と、上記基板を加熱して上記薄膜パ
   ターンを該基板中および積層した誘電体中に拡散させる
   ことによって光導波路を形成する工程と、前記基板中の
   みに薄膜パターンが拡散されて形成された光導波路の上
   部に電極を設置して少くとも１つの光制御部を形成する
   工程と、該光制御部と接続されかつ前記基板中および積
   層された誘電体中の両者に薄膜パターンが拡散された光
   導波路の端部に光入出力端面を形成する工程とを少なく
   とも備えていることを特徴とする光制御素子の製造方法
   。