JP3025982B2 - 導波路型光方向性結合器 - Google Patents
導波路型光方向性結合器Info
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- G—PHYSICS
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- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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-
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- G02F2202/20—LiNbO3, LiTaO3
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信システム、光情
報処理システムや、光センサシステムなどに用いられる
光集積回路において、その構成部品である光変調器や光
スイッチとなる光方向性結合器である。
報処理システムや、光センサシステムなどに用いられる
光集積回路において、その構成部品である光変調器や光
スイッチとなる光方向性結合器である。
【０００２】
【従来の技術】近年、シングルモードファイバーと単一
波長レーザーの進歩により、Gb／ sの高速光伝送が可能
となってきた。シングルモードファイバーと適合性のよ
い導波路デバイスは今後の光通信の発展の鍵を握ってい
る。光通信分野において、光ファイバーネットワークを
構築してゆくためには、光マトリックススイッチの開発
が必要である。光方向性結合器はこの光マトリックスス
イッチの構成部品である。
波長レーザーの進歩により、Gb／ sの高速光伝送が可能
となってきた。シングルモードファイバーと適合性のよ
い導波路デバイスは今後の光通信の発展の鍵を握ってい
る。光通信分野において、光ファイバーネットワークを
構築してゆくためには、光マトリックススイッチの開発
が必要である。光方向性結合器はこの光マトリックスス
イッチの構成部品である。
【０００３】応用物理学会 光学懇話会編 光集積回路
P ．158 〜（朝倉書店 1988）に記載のように、これ
まで、光方向性結合器として、Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ3 チ
ャンネル導波路を用いたものが多く開発されている。Ｌ
ｉＮｂＯ3 は、無機光学結晶の中では電気光学定数が大
きいため、電気光学効果を用いたデバイスにはよく用い
られる。また、Ｔｉの熱拡散は、導波路を形成する方法
としてよく用いられる。
P ．158 〜（朝倉書店 1988）に記載のように、これ
まで、光方向性結合器として、Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ3 チ
ャンネル導波路を用いたものが多く開発されている。Ｌ
ｉＮｂＯ3 は、無機光学結晶の中では電気光学定数が大
きいため、電気光学効果を用いたデバイスにはよく用い
られる。また、Ｔｉの熱拡散は、導波路を形成する方法
としてよく用いられる。
【０００４】光方向性結合器は、２本の平行な導波路を
近接させた際の光パワーの移行を支配している位相差を
電気光学効果的に制御する光素子である。
近接させた際の光パワーの移行を支配している位相差を
電気光学効果的に制御する光素子である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、Ｔｉ拡散導波
路などＬｉＮｂＯ3 を用いた導波路では、熊谷浩一他が
信学技報 OQE85 （ 116− 132) 19（1985) で、報
告しているように、導波路形成後の結晶性が本来のＬｉ
ＮｂＯ3 とは異なることなどにより電気光学定数が、バ
ルクより小さくなり、これを、光方向性結合器として用
いた場合に、大きなスイッチング電圧や、長い作用長が
必要となり、省電力化や、小型化が図れないという問題
があった。
路などＬｉＮｂＯ3 を用いた導波路では、熊谷浩一他が
信学技報 OQE85 （ 116− 132) 19（1985) で、報
告しているように、導波路形成後の結晶性が本来のＬｉ
ＮｂＯ3 とは異なることなどにより電気光学定数が、バ
ルクより小さくなり、これを、光方向性結合器として用
いた場合に、大きなスイッチング電圧や、長い作用長が
必要となり、省電力化や、小型化が図れないという問題
があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記の問
題点を解決すべく研究した結果、電気光学効果が低い原
因が基板と導波路を構成する結晶材料の格子定数が整合
していないためであることを見いだすとともに、基板と
導波路の結晶の格子定数を整合させることにより、電気
光学効果に優れた光導波路を有する光方向性結合器を得
ることが出来ることを見いだした。
題点を解決すべく研究した結果、電気光学効果が低い原
因が基板と導波路を構成する結晶材料の格子定数が整合
していないためであることを見いだすとともに、基板と
導波路の結晶の格子定数を整合させることにより、電気
光学効果に優れた光導波路を有する光方向性結合器を得
ることが出来ることを見いだした。
【０００７】本発明は、LiTaO3単結晶基板内または基板
上に作成され、LiNbO3単結晶からなる２本の光導波路が
平行に近接する結合領域を有し、その結合領域には、導
波路の屈折率を変えるための機構を設けてなる導波路型
光方向性結合器であって、前記LiTaO3単結晶とLiNbO3単
結晶の格子定数が整合されてなることを特徴とする導波
路型光方向性結合器である。
上に作成され、LiNbO3単結晶からなる２本の光導波路が
平行に近接する結合領域を有し、その結合領域には、導
波路の屈折率を変えるための機構を設けてなる導波路型
光方向性結合器であって、前記LiTaO3単結晶とLiNbO3単
結晶の格子定数が整合されてなることを特徴とする導波
路型光方向性結合器である。
【０００８】
【作用】本発明は、ＬｉＴａＯ3 単結晶基板内または基
板上に作成され、ＬｉＮｂＯ3 単結晶からなる光導波路
を平行に少なくとも２本近接させ、その近接させた導波
路のうち少なくとも１本に、導波路の屈折率を変化させ
るための機構が設けてある光方向性結合器であって、前
述のＬｉＴａＯ3 単結晶とＬｉＮｂＯ3 の結晶格子が整
合されている光方向性結合器である必要がある。
板上に作成され、ＬｉＮｂＯ3 単結晶からなる光導波路
を平行に少なくとも２本近接させ、その近接させた導波
路のうち少なくとも１本に、導波路の屈折率を変化させ
るための機構が設けてある光方向性結合器であって、前
述のＬｉＴａＯ3 単結晶とＬｉＮｂＯ3 の結晶格子が整
合されている光方向性結合器である必要がある。
【０００９】前記格子整合とは、前記ＬｉＮｂＯ3 単結
晶の格子定数が、ＬｉＴａＯ3 単結晶の格子定数の９
９．８１〜１００．０７％より好ましくは９９．９２〜
１００．０３％の範囲となるよう調整されていることを
意味する。このような構成とすることにより、ＬｉＮｂ
Ｏ3 単結晶を液相エピタキシャル成長させる際発生する
歪を防止でき、ＬｉＮｂＯ3 単結晶バルクと同等の電気
光学定数を有するＬｉＮｂＯ3 単結晶導波路が得られ、
このような導波路にて、方向性結合器を構成することに
より、非常に効率が高く、安定した振幅変調を達成する
ことが出来る。格子整合の方法としては、国際出願番号
ＰＣＴ／ＪＰ／９０／０１２０７に記載の方法が望まし
く、１）ナトリウムやマグネシウムをＬｉＮｂＯ3 単結
晶中に含有させる方法、２）Ｌｉ／Ｎｂの比率を４１／
５９〜５６／４４の間で変える方法、３）ＴｉなどのＬ
ｉＴａＯ3 単結晶基板の格子定数を小さくする方法。等
があるが、１）の方法が最も望ましい。ＬｉＴａＯ3 単
結晶基板の格子定数はＬｉＮｂＯ3単結晶のそれより大
きいことから、ＬｉＮｂＯ3 単結晶にナトリウムやマグ
ネシウムを含有させることにより、ＬｉＮｂＯ3 単結晶
の格子定数を大きくできるからである。ナトリウムやマ
グネシウムをＬｉＮｂＯ3 単結晶中に含有させる場合、
含有量は、ナトリウムについては０．１〜１４．３モル
％、マグネシウムについては、０．８〜１０．８モル％
が望ましい。本発明の光方向性結合器の動作原理を図１
を用いて説明する。ＬｉＴａＯ3 単結晶基板１の表面
（０００１）面に近傍に２本のＬｉＮｂＯ3 単結晶導波
路２−１、２−２が形成され、平行に近接して作製され
ている。前記ＬｉＴａＯ3 単結晶基板１の（０００１）
面上にＬｉＮｂＯ3 単結晶導波路の（０００１）面が積
層されるように形成されなければいけない。また、ａ軸
の格子定数としてＬｉＮｂＯ3 単結晶導波路のａ軸の格
子定数は整合されている。
晶の格子定数が、ＬｉＴａＯ3 単結晶の格子定数の９
９．８１〜１００．０７％より好ましくは９９．９２〜
１００．０３％の範囲となるよう調整されていることを
意味する。このような構成とすることにより、ＬｉＮｂ
Ｏ3 単結晶を液相エピタキシャル成長させる際発生する
歪を防止でき、ＬｉＮｂＯ3 単結晶バルクと同等の電気
光学定数を有するＬｉＮｂＯ3 単結晶導波路が得られ、
このような導波路にて、方向性結合器を構成することに
より、非常に効率が高く、安定した振幅変調を達成する
ことが出来る。格子整合の方法としては、国際出願番号
ＰＣＴ／ＪＰ／９０／０１２０７に記載の方法が望まし
く、１）ナトリウムやマグネシウムをＬｉＮｂＯ3 単結
晶中に含有させる方法、２）Ｌｉ／Ｎｂの比率を４１／
５９〜５６／４４の間で変える方法、３）ＴｉなどのＬ
ｉＴａＯ3 単結晶基板の格子定数を小さくする方法。等
があるが、１）の方法が最も望ましい。ＬｉＴａＯ3 単
結晶基板の格子定数はＬｉＮｂＯ3単結晶のそれより大
きいことから、ＬｉＮｂＯ3 単結晶にナトリウムやマグ
ネシウムを含有させることにより、ＬｉＮｂＯ3 単結晶
の格子定数を大きくできるからである。ナトリウムやマ
グネシウムをＬｉＮｂＯ3 単結晶中に含有させる場合、
含有量は、ナトリウムについては０．１〜１４．３モル
％、マグネシウムについては、０．８〜１０．８モル％
が望ましい。本発明の光方向性結合器の動作原理を図１
を用いて説明する。ＬｉＴａＯ3 単結晶基板１の表面
（０００１）面に近傍に２本のＬｉＮｂＯ3 単結晶導波
路２−１、２−２が形成され、平行に近接して作製され
ている。前記ＬｉＴａＯ3 単結晶基板１の（０００１）
面上にＬｉＮｂＯ3 単結晶導波路の（０００１）面が積
層されるように形成されなければいけない。また、ａ軸
の格子定数としてＬｉＮｂＯ3 単結晶導波路のａ軸の格
子定数は整合されている。
【００１０】本発明の光方向性結合器は、ＬｉＮｂＯ3
単結晶導波路２−１、２−２上に適当な構造の電極３−
１、３−２、３−３、３−４を設けることにより、Δβ
反転型方向性結合器を構成し、ＬｉＮｂＯ3 単結晶導波
路２−１、２−２の電気光学効果を介して屈折率変化を
誘起し、導波光の結合状態を電気的に制御し、出力の強
度変調、光路の切り替えを行うことが望ましい。電極と
しては、プレナー電極が有効である。また、ＤＣドリフ
ト等の影響を少なくするために、導波路と電極の間にＳ
ｉＯ2 などのバッファ層を設けることは有効である。
単結晶導波路２−１、２−２上に適当な構造の電極３−
１、３−２、３−３、３−４を設けることにより、Δβ
反転型方向性結合器を構成し、ＬｉＮｂＯ3 単結晶導波
路２−１、２−２の電気光学効果を介して屈折率変化を
誘起し、導波光の結合状態を電気的に制御し、出力の強
度変調、光路の切り替えを行うことが望ましい。電極と
しては、プレナー電極が有効である。また、ＤＣドリフ
ト等の影響を少なくするために、導波路と電極の間にＳ
ｉＯ2 などのバッファ層を設けることは有効である。
【００１１】この構成において、１００％の光パワーが
一方の光導波路から他方に移り変わるに要する結合部の
の長さを０ｄＢ結合長さＬ0 とする。このＬ0 の大きさ
は導波路の屈折率、間隔の大きさ、レーザ光の波長等に
よって決定される。また、印加電圧により引き起こされ
る導波路間の位相差（電極の下では電界集中が生じ、そ
の符号が異なるため、導波路の伝搬定数が一方は増加、
他方は減少するように変化する事により、引き起こされ
る位相差）をΔβとし、平行近接領域４の長さをＬとす
れば、導波路２−１に単位強度の光５が入射するとき、
両光導波路２−１、２−２の出力強度は、R ．V ．Schm
idt らが、Appl．Phys．Lett． 28 503（1976）で示
したように、それぞれ、
一方の光導波路から他方に移り変わるに要する結合部の
の長さを０ｄＢ結合長さＬ0 とする。このＬ0 の大きさ
は導波路の屈折率、間隔の大きさ、レーザ光の波長等に
よって決定される。また、印加電圧により引き起こされ
る導波路間の位相差（電極の下では電界集中が生じ、そ
の符号が異なるため、導波路の伝搬定数が一方は増加、
他方は減少するように変化する事により、引き起こされ
る位相差）をΔβとし、平行近接領域４の長さをＬとす
れば、導波路２−１に単位強度の光５が入射するとき、
両光導波路２−１、２−２の出力強度は、R ．V ．Schm
idt らが、Appl．Phys．Lett． 28 503（1976）で示
したように、それぞれ、
【００１２】
【数１】
【００１３】
【数２】 で与えられる。
【００１４】このように、電極に印加する電圧を変化さ
せることにより、位相差Δβを与え、その結果、出力光
を変調させることができる。以上のように、本発明の光
結合器は、光変調器、光スイッチとして作用させること
ができる。
せることにより、位相差Δβを与え、その結果、出力光
を変調させることができる。以上のように、本発明の光
結合器は、光変調器、光スイッチとして作用させること
ができる。
【００１５】次に本発明の光方向性結合器の製法につい
て述べる。ＬｉＮｂＯ3 単結晶導波路の製法としては、
ＬｉＴａＯ3 単結晶板１の導波路形成部に溝を形成し、
ＬｉＮｂＯ3 単結晶膜を格子整合させながら形成したの
ち、不要部分をとり除き、溝の中にのみＬｉＮｂＯ3 単
結晶を残し、導波路２とするか、あるいは、ＬｉＴａＯ
3 単結晶基板１上にＬｉＮｂＯ3 単結晶膜を格子整合さ
せながら形成した後、導波路形成部にＴｉなどでマスク
し、ドライエッチングにより、不要部分を除去し、導波
路２を形成する方法が用いられる。ＬｉＮｂＯ3 単結晶
膜を格子整合させながら形成する方法としては、酸化リ
チウム−五酸化バナジウム−五酸化ニオブ−酸化ナトリ
ウム−酸化マグネシウムからなる溶融体にＬｉＴａＯ3
単結晶基板１を接触させながら行う。このようにして作
成されたＬｉＮｂＯ3 単結晶導波路２上に屈折率を変え
る為の手段として、電極３を設ける。電極３はアルミニ
ウム等の金属膜を蒸着やスパッタリングにより被着する
ことが望ましい。導波路２と導波路３の間にはＳｉＯ2
などの緩衝層が設けられてもよい。
て述べる。ＬｉＮｂＯ3 単結晶導波路の製法としては、
ＬｉＴａＯ3 単結晶板１の導波路形成部に溝を形成し、
ＬｉＮｂＯ3 単結晶膜を格子整合させながら形成したの
ち、不要部分をとり除き、溝の中にのみＬｉＮｂＯ3 単
結晶を残し、導波路２とするか、あるいは、ＬｉＴａＯ
3 単結晶基板１上にＬｉＮｂＯ3 単結晶膜を格子整合さ
せながら形成した後、導波路形成部にＴｉなどでマスク
し、ドライエッチングにより、不要部分を除去し、導波
路２を形成する方法が用いられる。ＬｉＮｂＯ3 単結晶
膜を格子整合させながら形成する方法としては、酸化リ
チウム−五酸化バナジウム−五酸化ニオブ−酸化ナトリ
ウム−酸化マグネシウムからなる溶融体にＬｉＴａＯ3
単結晶基板１を接触させながら行う。このようにして作
成されたＬｉＮｂＯ3 単結晶導波路２上に屈折率を変え
る為の手段として、電極３を設ける。電極３はアルミニ
ウム等の金属膜を蒸着やスパッタリングにより被着する
ことが望ましい。導波路２と導波路３の間にはＳｉＯ2
などの緩衝層が設けられてもよい。
【００１６】以下、本発明を実施例を用いて説明する。
実施例１ （１）Ｎａ2 ＣＯ3 ２２モル％、Ｌｉ2 ＣＯ3 ２８モル
％、Ｖ2 Ｏ5 ４０モル％、Ｎｂ2 Ｏ5 １０モル％、Ｍｇ
Ｏを 溶融体組成から析出可能なＬｉＮｂＯ3 の理論量
に対して２モル％添加した混合物を白金ルツボに入れ、
エピタキシャル成長育成装置中で空気雰囲気下で、１１
００℃まで加熱してルツボの内容物を溶解した。さらに
溶融体をプロペラを用い、１００ｒｐｍの回転速度で１
２時間撹拌させた。 （２）厚さ２ｍｍのＬｉＴａＯ3 単結晶（ａ軸の格子定
数５．１５３８Å）の（００１）面を光学研磨した後、
化学エッチングし、ついで、図１に示す導波路２の形成
部分にフォトリソグラフィーなどによりパターニングし
た後、ドライエッチングにより幅５μｍ、深さ１．２μ
ｍの２本の溝を６μｍ間隔で形成した。溶融体を１時間
当りに６０℃の冷却速度で９１５℃まで徐冷した後、こ
の基板１を９１５℃で３０分予備加熱した後、溶融体中
に１００ｒｐｍで回転させながら８分間浸漬した。Ｌｉ
ＮｂＯ3 の成長速度は、１μｍ／分であった。 （３）溶液体から基板１を引き上げ、回転数１０００ｒ
ｐｍで３０秒溶融体上で溶融体を振り切った後、１℃／
分の速度で室温まで徐冷し、基板材料上に約８μｍの厚
さのナトリウム、マグネシウム含有ＬｉＮｂＯ3 単結晶
薄膜を得た。 （４）得られたＬｉＮｂＯ3 単結晶薄膜中に含有されて
いたナトリウム、マグネシウムの量は、それぞれ３モル
％、２モル％であった。又、薄膜の格子定数（ａ軸）
は、５．１５６Å、入射光波長１．１５μｍで測定した
屈折率は２．２３５±０．００１であった。 （５）さらに、ＬｉＮｂＯ3 単結晶薄膜をイオンビーム
エッチングにより、不要部分を除去し、ＬｉＮｂＯ3 単
結晶導波路を形成した。 （６）導波路２の直上にＳｉＯ2 緩衝層６をスパッタリ
ングにて形成した後、作用長１５ｍｍとなるようパター
ニングした後、アルミニウム電極７を蒸着により形成し
た。 （７）以上のようにして作製したデバイスに、波長１．
３μｍ、ＴＭモードのレーザ光を導波し、４ＧＨｚの交
流電圧を印可して特性を評価したところ、動作電圧３Ｖ
で、消光比１７ｄＢ以上を得た。また、交流電圧を印可
した状態での経時変化を測定したところ、少なくとも２
４時間は、変調電圧、出力に変化はみられなかった。
尚、測定方法は、ＪＩＳＣ５９３１に従った。
％、Ｖ2 Ｏ5 ４０モル％、Ｎｂ2 Ｏ5 １０モル％、Ｍｇ
Ｏを 溶融体組成から析出可能なＬｉＮｂＯ3 の理論量
に対して２モル％添加した混合物を白金ルツボに入れ、
エピタキシャル成長育成装置中で空気雰囲気下で、１１
００℃まで加熱してルツボの内容物を溶解した。さらに
溶融体をプロペラを用い、１００ｒｐｍの回転速度で１
２時間撹拌させた。 （２）厚さ２ｍｍのＬｉＴａＯ3 単結晶（ａ軸の格子定
数５．１５３８Å）の（００１）面を光学研磨した後、
化学エッチングし、ついで、図１に示す導波路２の形成
部分にフォトリソグラフィーなどによりパターニングし
た後、ドライエッチングにより幅５μｍ、深さ１．２μ
ｍの２本の溝を６μｍ間隔で形成した。溶融体を１時間
当りに６０℃の冷却速度で９１５℃まで徐冷した後、こ
の基板１を９１５℃で３０分予備加熱した後、溶融体中
に１００ｒｐｍで回転させながら８分間浸漬した。Ｌｉ
ＮｂＯ3 の成長速度は、１μｍ／分であった。 （３）溶液体から基板１を引き上げ、回転数１０００ｒ
ｐｍで３０秒溶融体上で溶融体を振り切った後、１℃／
分の速度で室温まで徐冷し、基板材料上に約８μｍの厚
さのナトリウム、マグネシウム含有ＬｉＮｂＯ3 単結晶
薄膜を得た。 （４）得られたＬｉＮｂＯ3 単結晶薄膜中に含有されて
いたナトリウム、マグネシウムの量は、それぞれ３モル
％、２モル％であった。又、薄膜の格子定数（ａ軸）
は、５．１５６Å、入射光波長１．１５μｍで測定した
屈折率は２．２３５±０．００１であった。 （５）さらに、ＬｉＮｂＯ3 単結晶薄膜をイオンビーム
エッチングにより、不要部分を除去し、ＬｉＮｂＯ3 単
結晶導波路を形成した。 （６）導波路２の直上にＳｉＯ2 緩衝層６をスパッタリ
ングにて形成した後、作用長１５ｍｍとなるようパター
ニングした後、アルミニウム電極７を蒸着により形成し
た。 （７）以上のようにして作製したデバイスに、波長１．
３μｍ、ＴＭモードのレーザ光を導波し、４ＧＨｚの交
流電圧を印可して特性を評価したところ、動作電圧３Ｖ
で、消光比１７ｄＢ以上を得た。また、交流電圧を印可
した状態での経時変化を測定したところ、少なくとも２
４時間は、変調電圧、出力に変化はみられなかった。
尚、測定方法は、ＪＩＳＣ５９３１に従った。
【００１７】実施例２ （１）実施例１と同様にして、光導波路を形成したが、
アルミ電極の作用長を、１０ｍｍとした。 （２）以上のようにして作製したデバイスに、波長１．
３μｍ、ＴＭモードのレーザ光を導波し、直流電圧を印
可して特性を評価したところ、動作電圧８．４Ｖで、消
光比２０ｄＢ以上を得た。また、直流電圧を印可した状
態での経時変化を測定したところ、少なくとも２４時間
は、スイッチング電圧、出力に変化はみられなかった。
尚、測定方法は、ＪＩＳＣ５９３１に従った。
アルミ電極の作用長を、１０ｍｍとした。 （２）以上のようにして作製したデバイスに、波長１．
３μｍ、ＴＭモードのレーザ光を導波し、直流電圧を印
可して特性を評価したところ、動作電圧８．４Ｖで、消
光比２０ｄＢ以上を得た。また、直流電圧を印可した状
態での経時変化を測定したところ、少なくとも２４時間
は、スイッチング電圧、出力に変化はみられなかった。
尚、測定方法は、ＪＩＳＣ５９３１に従った。
【００１８】実施例３ （１）Ｎａ2 ＣＯ3 ２２モル％、Ｌｉ2 ＣＯ3 ２８モル
％、Ｖ2 Ｏ5 ４０モル％、Ｎｂ2 Ｏ5 １０モル％、Ｍｇ
Ｏを 溶融体組成から析出可能なＬｉＮｂＯ3 の理論量
に対して２モル％添加した混合物を白金ルツボに入れ、
エピタキシャル成長育成装置中で空気雰囲気下で、１１
００℃まで加熱してルツボの内容物を溶解した。さらに
溶融体をプロペラを用い、１００ｒｐｍの回転速度で１
２時間撹拌させた。 （２）厚さ２ｍｍのＬｉＴａＯ3 単結晶（ａ軸の格子定
数５．１５３８Å）の（００１）面を光学研磨した。 （３）溶融体を１時間当りに６０℃の冷却速度で９１５
℃まで徐冷した後、この基板１を９１５℃で３０分予備
加熱した後、溶融体中に１００ｒｐｍで回転させながら
８分間浸漬した。ＬｉＮｂＯ3 の成長速度は、１μｍ／
分であった。 （４）溶液体から基板１を引き上げ、回転数１０００ｒ
ｐｍで３０秒溶融体上で溶融体を振り切った後、１℃／
分の速度で室温まで徐冷し、基板材料上に約８μｍの厚
さのナトリウム、マグネシウム含有ＬｉＮｂＯ3 単結晶
薄膜を得た。 （５）得られたＬｉＮｂＯ3 単結晶薄膜中に含有されて
いたナトリウム、マグネシウムの量は、それぞれ３モル
％、２モル％であった。又、薄膜の格子定数（ａ軸）
は、５．１５６Å、入射光波長１．１５μｍで測定した
屈折率は２．２３５±０．００１であった。 （６）この導波路をパターニングし、Ｔｉマスクを作成
し、Ａｒプラズマエッチングによりリッジ型チャンネル
導波路を作製した。 （７）導波路２の直上にＳｉＯ2 緩衝層６をスパッタリ
ングにて形成した後、作用長２０ｍｍとなるようパター
ニングした後、アルミニウム電極７を蒸着により形成し
た。 （８）以上のようにして作製したデバイスに、波長１．
３μｍ、ＴＭモードのレーザ光を導波し、４ＧＨｚの交
流電圧を印可して特性を評価したところ、動作電圧２．
５Ｖで、消光比１７ｄＢ以上を得た。また、交流電圧を
印可した状態での経時変化を測定したところ、少なくと
も２４時間は、変調電圧、出力に変化はみられなかっ
た。尚、測定方法は、ＪＩＳＣ５９３１に従った。
％、Ｖ2 Ｏ5 ４０モル％、Ｎｂ2 Ｏ5 １０モル％、Ｍｇ
Ｏを 溶融体組成から析出可能なＬｉＮｂＯ3 の理論量
に対して２モル％添加した混合物を白金ルツボに入れ、
エピタキシャル成長育成装置中で空気雰囲気下で、１１
００℃まで加熱してルツボの内容物を溶解した。さらに
溶融体をプロペラを用い、１００ｒｐｍの回転速度で１
２時間撹拌させた。 （２）厚さ２ｍｍのＬｉＴａＯ3 単結晶（ａ軸の格子定
数５．１５３８Å）の（００１）面を光学研磨した。 （３）溶融体を１時間当りに６０℃の冷却速度で９１５
℃まで徐冷した後、この基板１を９１５℃で３０分予備
加熱した後、溶融体中に１００ｒｐｍで回転させながら
８分間浸漬した。ＬｉＮｂＯ3 の成長速度は、１μｍ／
分であった。 （４）溶液体から基板１を引き上げ、回転数１０００ｒ
ｐｍで３０秒溶融体上で溶融体を振り切った後、１℃／
分の速度で室温まで徐冷し、基板材料上に約８μｍの厚
さのナトリウム、マグネシウム含有ＬｉＮｂＯ3 単結晶
薄膜を得た。 （５）得られたＬｉＮｂＯ3 単結晶薄膜中に含有されて
いたナトリウム、マグネシウムの量は、それぞれ３モル
％、２モル％であった。又、薄膜の格子定数（ａ軸）
は、５．１５６Å、入射光波長１．１５μｍで測定した
屈折率は２．２３５±０．００１であった。 （６）この導波路をパターニングし、Ｔｉマスクを作成
し、Ａｒプラズマエッチングによりリッジ型チャンネル
導波路を作製した。 （７）導波路２の直上にＳｉＯ2 緩衝層６をスパッタリ
ングにて形成した後、作用長２０ｍｍとなるようパター
ニングした後、アルミニウム電極７を蒸着により形成し
た。 （８）以上のようにして作製したデバイスに、波長１．
３μｍ、ＴＭモードのレーザ光を導波し、４ＧＨｚの交
流電圧を印可して特性を評価したところ、動作電圧２．
５Ｖで、消光比１７ｄＢ以上を得た。また、交流電圧を
印可した状態での経時変化を測定したところ、少なくと
も２４時間は、変調電圧、出力に変化はみられなかっ
た。尚、測定方法は、ＪＩＳＣ５９３１に従った。
【００１９】実施例４ （１）実施例１と同様にして、光導波路を形成したが、
アルミ電極の作用長を、２５ｍｍとした。 （２）以上のようにして作製したデバイスに、波長１．
３μｍ、ＴＭモードのレーザ光を導波し、直流電圧を印
可して特性を評価したところ、動作電圧３．３Ｖで、消
光比２０ｄＢ以上を得た。また、直流電圧を印可した状
態での経時変化を測定したところ、少なくとも２４時間
は、スイッチング電圧、出力に変化はみられなかった。
尚、測定方法は、ＪＩＳＣ５９３１に従った。
アルミ電極の作用長を、２５ｍｍとした。 （２）以上のようにして作製したデバイスに、波長１．
３μｍ、ＴＭモードのレーザ光を導波し、直流電圧を印
可して特性を評価したところ、動作電圧３．３Ｖで、消
光比２０ｄＢ以上を得た。また、直流電圧を印可した状
態での経時変化を測定したところ、少なくとも２４時間
は、スイッチング電圧、出力に変化はみられなかった。
尚、測定方法は、ＪＩＳＣ５９３１に従った。
【００２０】比較例１ （１）寸法５×１５ｍｍ程度、厚さ０．５ｍｍでＣ軸を
厚さ方向とするＬｉＮｂＯ3単結晶板のＺ面に、実施例
１において導波路を形成した箇所と同じ位置にＴｉを厚
さ１００Ａ程度蒸着した後、パターニングし、９５０℃
で数時間熱処理し、Ｔｉを熱拡散させ、導波路を形成し
た。 （２）ついで導波路の直上に緩衝層としてＳｉＯ2 を被
着し、さらに作用長１５ｍｍとなるようにパターニング
した後、アルミニウム電極を蒸着により形成した。 （３）以上のようにして作製したデバイスに、波長１．
３μｍ、ＴＭモードのレーザ光を導波し、４ＧＨｚの交
流電圧を印可して特性を評価したところ、動作電圧３．
５Ｖで、消光比１７ｄＢ以上を得た。しかし、交流電圧
を印可し経時変化を測定したところ、１０分以内で変調
電圧が変化し、出力が不安定となった。尚、測定方法
は、ＪＩＳＣ５９３１に従った。
厚さ方向とするＬｉＮｂＯ3単結晶板のＺ面に、実施例
１において導波路を形成した箇所と同じ位置にＴｉを厚
さ１００Ａ程度蒸着した後、パターニングし、９５０℃
で数時間熱処理し、Ｔｉを熱拡散させ、導波路を形成し
た。 （２）ついで導波路の直上に緩衝層としてＳｉＯ2 を被
着し、さらに作用長１５ｍｍとなるようにパターニング
した後、アルミニウム電極を蒸着により形成した。 （３）以上のようにして作製したデバイスに、波長１．
３μｍ、ＴＭモードのレーザ光を導波し、４ＧＨｚの交
流電圧を印可して特性を評価したところ、動作電圧３．
５Ｖで、消光比１７ｄＢ以上を得た。しかし、交流電圧
を印可し経時変化を測定したところ、１０分以内で変調
電圧が変化し、出力が不安定となった。尚、測定方法
は、ＪＩＳＣ５９３１に従った。
【００２１】比較例２ （１）厚さ２ｍｍのＬｉＴａＯ3 単結晶の（００１）面
を光学研磨した後、化学エッチングし、ついで、図１に
示す導波路２の形成部分に溝を形成した。溝寸法など
は、実施例１と同じ。 （２）ついでＬｉ2 ＣＯ3 ５０モル％、Ｖ2 Ｏ6 ４０モ
ル％、Ｎｂ2 Ｏ5 １０モル％からなる原料を１０００℃
まで加熱し、溶融体とした後、溶融体を１時間当りに６
０℃の冷却速度で９１５℃まで徐冷した後、この基板１
を９１５℃で３０分予備加熱した後、溶融体中に１００
ｒｐｍで回転させながら８分間浸漬した。ＬｉＮｂＯ3
の成長速度は、１μｍ／分であった。 （３）溶液体から基板１を引き上げ、回転数１０００ｒ
ｐｍで３０秒溶融体上で溶融体を振り切った後、１℃／
分の速度で室温まで徐冷し、基板材料上に約８μｍの厚
さのＬｉＮｂＯ3 単結晶薄膜を得た。 （４）さらに、ＬｉＮｂＯ3 単結晶薄膜をイオンビーム
エッチングにより、不要部分を除去し、ＬｉＮｂＯ3 単
結晶導波路を形成した。 （５）導波路２の直上にアルミナ緩衝層６をスパッタリ
ングにて形成した後、アルミニウム電極７を蒸着により
形成した。 （６）以上のようにして作製したデバイスに、波長１．
３μｍ、ＴＭモードのレーザ光を導波し、直流電圧を印
可して特性を評価したところ、動作電圧１０Ｖで、消光
比２０ｄＢ以上を得た。しかし、交流電圧を印可し経時
変化を測定したところ、１０分以内で変調電圧が変化
し、出力が不安定となった。尚、測定方法は、ＪＩＳＣ
５９３１に従った。
を光学研磨した後、化学エッチングし、ついで、図１に
示す導波路２の形成部分に溝を形成した。溝寸法など
は、実施例１と同じ。 （２）ついでＬｉ2 ＣＯ3 ５０モル％、Ｖ2 Ｏ6 ４０モ
ル％、Ｎｂ2 Ｏ5 １０モル％からなる原料を１０００℃
まで加熱し、溶融体とした後、溶融体を１時間当りに６
０℃の冷却速度で９１５℃まで徐冷した後、この基板１
を９１５℃で３０分予備加熱した後、溶融体中に１００
ｒｐｍで回転させながら８分間浸漬した。ＬｉＮｂＯ3
の成長速度は、１μｍ／分であった。 （３）溶液体から基板１を引き上げ、回転数１０００ｒ
ｐｍで３０秒溶融体上で溶融体を振り切った後、１℃／
分の速度で室温まで徐冷し、基板材料上に約８μｍの厚
さのＬｉＮｂＯ3 単結晶薄膜を得た。 （４）さらに、ＬｉＮｂＯ3 単結晶薄膜をイオンビーム
エッチングにより、不要部分を除去し、ＬｉＮｂＯ3 単
結晶導波路を形成した。 （５）導波路２の直上にアルミナ緩衝層６をスパッタリ
ングにて形成した後、アルミニウム電極７を蒸着により
形成した。 （６）以上のようにして作製したデバイスに、波長１．
３μｍ、ＴＭモードのレーザ光を導波し、直流電圧を印
可して特性を評価したところ、動作電圧１０Ｖで、消光
比２０ｄＢ以上を得た。しかし、交流電圧を印可し経時
変化を測定したところ、１０分以内で変調電圧が変化
し、出力が不安定となった。尚、測定方法は、ＪＩＳＣ
５９３１に従った。
【００２２】実施例１、２、３、４、比較例１、２の導
波路の諸特性の測定結果を表１に示す。以上のように、
本発明の光方向性結合器は、従来の方向性結合器より優
れた特性を得ることができる。さらに、本発明の光方向
性結合器は、ＬｉＮｂＯ3 単結晶導波路２とＬｉＴａＯ
3 単結晶１との格子定数が整合されているため、ＬｉＮ
ｂＯ3 単結晶導波路２の結晶格子に歪がなく、電界によ
る屈折率変化を繰り返してもＬｉＮｂＯ3 単結晶導波路
２の屈折率が最初の値から大きく変化することがなく、
このため、従来の光方向性結合器に比べ、寿命を長くす
ることが出来る。
波路の諸特性の測定結果を表１に示す。以上のように、
本発明の光方向性結合器は、従来の方向性結合器より優
れた特性を得ることができる。さらに、本発明の光方向
性結合器は、ＬｉＮｂＯ3 単結晶導波路２とＬｉＴａＯ
3 単結晶１との格子定数が整合されているため、ＬｉＮ
ｂＯ3 単結晶導波路２の結晶格子に歪がなく、電界によ
る屈折率変化を繰り返してもＬｉＮｂＯ3 単結晶導波路
２の屈折率が最初の値から大きく変化することがなく、
このため、従来の光方向性結合器に比べ、寿命を長くす
ることが出来る。
【００２３】
【表１】
【００２４】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の光方向性結
合器は、従来の光方向性結合器にくらべ優れた特性を持
ち、経時変化の少ない、長寿命の光スイツチ、光変調器
となることから産業上寄与する効果はきわめて大きい。
合器は、従来の光方向性結合器にくらべ優れた特性を持
ち、経時変化の少ない、長寿命の光スイツチ、光変調器
となることから産業上寄与する効果はきわめて大きい。
【図１】図１は本発明の光変調器
【図２】図２は本発明の光変調器の製造方法
【符号の説明】 １ ＬｉＴａＯ3 単結晶基板 ２ ＬｉＮｂＯ3 単結晶導波路 ３ 電極 ４ 光結合部 ５ 入射光 ６ 緩衝層 ７ 溝 ８ ＬｉＮｂＯ3 単結晶薄膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/00 - 1/035 G02F 1/29 - 1/313 G02B 6/12 - 6/14
Claims (1)
- 【請求項１】LiTaO3単結晶基板内または基板上に作成さ
れ、LiNbO3単結晶からなる２本の光導波路が平行に近接
する結合領域を有し、その結合領域には、導波路の屈折
率を変えるための機構を設けてなる導波路型光方向性結
合器であって、前記LiTaO3単結晶とLiNbO3単結晶の格子
定数が整合されてなることを特徴とする導波路型光方向
性結合器。
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|---|---|---|---|
| JP4031433A JP3025982B2 (ja) | 1992-01-21 | 1992-01-21 | 導波路型光方向性結合器 |
| DE0576685T DE576685T1 (de) | 1992-01-21 | 1993-01-20 | Wellenleiter-richtungskoppler für licht. |
| PCT/JP1993/000063 WO1993014439A1 (en) | 1992-01-21 | 1993-01-20 | Waveguide type light directional coupler |
| EP93902504A EP0576685B1 (en) | 1992-01-21 | 1993-01-20 | Waveguide type light directional coupler |
| DE69328849T DE69328849T2 (de) | 1992-01-21 | 1993-01-20 | Wellenleiter-richtungskoppler für licht |
| US08/117,122 US5371812A (en) | 1992-01-21 | 1993-11-22 | Waveguide type optical directional coupler |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4031433A JP3025982B2 (ja) | 1992-01-21 | 1992-01-21 | 導波路型光方向性結合器 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family
ID=12331106
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| Country | Link |
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| JP2674535B2 (ja) * | 1994-12-15 | 1997-11-12 | 日本電気株式会社 | 光制御デバイス |
| US5502781A (en) * | 1995-01-25 | 1996-03-26 | At&T Corp. | Integrated optical devices utilizing magnetostrictively, electrostrictively or photostrictively induced stress |
| JP2000131546A (ja) * | 1998-10-26 | 2000-05-12 | Pioneer Electronic Corp | リッジ形３次元導波路製造方法 |
| CA2271159A1 (en) * | 1999-04-30 | 2000-10-30 | Jds Fitel Inc. | Optical hybrid device |
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