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JP2812320B2 - 集積化光回路とその製造方法 - Google Patents

集積化光回路とその製造方法

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JP2812320B2
JP2812320B2 JP33843096A JP33843096A JP2812320B2 JP 2812320 B2 JP2812320 B2 JP 2812320B2 JP 33843096 A JP33843096 A JP 33843096A JP 33843096 A JP33843096 A JP 33843096A JP 2812320 B2 JP2812320 B2 JP 2812320B2
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JP
Japan
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optical
waveguide
optical waveguide
loss
quartz
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幸信 中林
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、集積化光回路に関
し、特に基板中に設けられた光導波路を用いて光信号の
制御を行なう導波型の集積化光回路に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、光通信システムの発展に伴って、
さらにシステムの大容量化、高機能化の要望が高まり、
光波の変調器や光スイッチ等の光制御素子の高速化が必
要になっている。特に、基板中に設けられた光導波路を
用いて制御を行なう導波型の光回路に関しては、通常の
フォトリソグラフィ技術を用いて多くの光回路を1つの
素子の中に集積化することが、例えば、岡山等(信学技
報、TSSE94−214)、西本等(「光学」第1巻
第8号pp521)により開示されている。この特徴を
利用した光デバイスの1例として、光交換や光クロスコ
ネクト等に用いられるマトリクス光スイッチは、必要な
チャネル数に応じて、複数の1x2または2x2スイッ
チ(スイッチ・エレメント)を並列及び縦列に接続して
構成されている。
【0003】このようなスイッチ・エレメント間の光配
線は、一般に曲がり導波路を用いて構成されるので、素
子を小型化するためには、放射損失を抑制しながらこの
曲がり導波路の曲率半径をできるかぎり小さくすること
が望ましい。曲がり導波路の放射損失を小さくする方法
としては、例えば特開平7−212655号公報のよう
に、チタン(Ti)の成膜拡散を複数回繰返す方法が提
案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の方法を用いても、曲がり導波路の曲率半径が30mm
以下の低損失の光導波路を作ることは困難である。
【0005】一方、ガラス基板やシリコン(Si)基板
上に作製する石英(SiO2 )光導波路、あるいはガラ
スを用いた光導波路は、埋め込み導波路とすることが可
能であり、屈折率変化や光導波路の断面形状の制御性が
良好なので、伝送損失が0.1dB/cm以下で曲がり
導波路の曲率半径が約5mmのものが得られる。しか
し、これらの材料には電気光学効果が無いため、これら
の材料を用いた光素子により能動デバイスを構成するこ
とは難しい。
【0006】本発明の目的は、小型でかつ低損失の集積
化光素子を提供すること、及び光集積化素子の長さの制
限内でできる限り動作電圧の低い光スイッチング素子を
提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の集積化光回路
は、電気光学効果を有する透光性材料からなる基板に信
号光を導波する光導波路と、信号光の強度および伝搬方
向を制御する光制御デバイスが形成される集積化光回路
において、光制御デバイス間、もしくは光制御デバイス
と入出力ポート間を結ぶ光導波路に石英およびガラスの
いずれかを用いることを特徴とする。
【0008】また、基板がニオブ酸リチウム(LiNb
03 以下LNと略記する)ウエハからなりことが望まし
く、この基板上に作成された光制御デバイス間、もしく
は光制御デバイスと入出力ポート間を結ぶ光導波路の屈
曲部の溝に石英及びガラスのいずれかを埋め込んで形成
される。
【0009】すなわち、本発明は、低損失で、かつ、小
型の光導波路のデバイスを得るために、光の伝搬路の偏
向やオフセットの制御部には石英やガラスの埋め込み型
光導波路を用い、非線形光学効果による機能部分にはT
i拡散のLiNbO3 光導波路を用いるものである。
【0010】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。
【0011】図1は本発明の1実施例の方向性結合器を
用いた2x2光スイッチの作成プロセスを示す図であ
る。
【0012】先ず(a)、3インチXカットZ軸伝搬L
Nウエハ11にTiのストリップラインのパタン12を
形成する。
【0013】次に(b)、熱拡散によりTi拡散光導波
路13を形成する。この結晶方位は、光スイッチの動作
特性に偏光依存性を持たせないようにするために必要で
ある。しかし、この結晶方位では、このままでは通常使
用されるZカットLNウエハの場合に比べて電気光学定
数が小さいため、動作電圧が数10Vと非常に高くなる
欠点がある。
【0014】その後(c,d)、石英光導波路14をC
VD(ケミカル・ベーパ・デポジション)法により形成
する。
【0015】通常、石英光導波路は、火炎堆積法を用い
て成膜するが、火炎堆積法によると、LNウエハを12
00゜C以上の高温にする必要があり、LNのキュリー
点を越えてしまうために、LNの電気光学効果がなくな
ってしまうこと、及び、このような高温ではLNが割れ
てしまう危険性のあることが問題で、成膜が不可能であ
った。
【0016】本発明においては、石英光導波路14をC
VD法によって成膜するために、成膜温度が700゜C
以下と比較的低温で石英光導波路14を形成することが
できる。このCVD法は、反応イオン・エッチング、反
応イオン・ビーム・エッチング、または化学エッチング
のいずれでもよい。以下に本発明における石英光導波路
14の形成方法の詳細を示す。先ず、下部クラッド層と
してPSG(リン・ドープ・ガラス)をCVD法により
成膜し、その上にコア材としてリン濃度を調整したPS
Gを成膜する。コア層はフォトレジストをマスクにした
RIE(リアクティブ・イオン・エッチング)により光
導波路の形状にパターニングした後、最後に上部クラッ
ド層を全面に形成した。その目的は、光導波路の保護
と、電極による光損失を抑えるためである。
【0017】(e)Ti拡散の光導波路13にはさらに
光スイッチング動作を行なうための屈折率制御用の電極
15を形成して完成する。
【0018】また、石英光導波路14の形成方法として
は、RFスパッタ法や蒸着法でもよい。
【0019】石英光導波路の屈折率等の導波路パラメー
タは、LN導波路のモードフィールドとの結合効率が最
大になるように設計することが可能である。本発明にお
いては、最適設計の結果、石英導波路とLN導波路の結
合損失は、フレスネル損失のみであり、約0.2dBと
良好な結合効率を得ることができた。また、本発明によ
ると、各光導波路間の位置ずれは、マスク精度と目合わ
せ精度によって決まり、ほとんど位置ずれのない結合を
再現性よく実現することができる。さらに、石英光導波
路は、入出力部の光ファイバとの高効率な光結合が可能
であり、素子の挿入損失を低減する効果がある。
【0020】上述のように、能動動作の必要な方向性結
合部分には、大きな電気光学効果をもつLiNbO3 を
用い、低損失な特性が必要な曲がり導波路部分は、石英
光導波路とすることにより、小型で低損失の光スイッチ
を構成することができる。本実施例の場合、光スイッチ
の挿入損失は1.3dB、動作電圧は5V、消光率20
dB、素子長が50mmと、非常に良好な値が得られ
た。
【0021】図2は、本発明の第2の実施例の4x4マ
トリックス・スイッチの導波路構成である。(a)はこ
の導波路構造を上から見た平面図であり、(b)は横か
ら見た断面図である。マトリックス・スイッチ・エレメ
ントとしては、方向性結合器を用いている。この素子作
成方法も第1実施例の2x2スイッチの作成方法と同様
である。すなわち、先ず、LNウエハ21にTi拡散光
導波路22を形成したのち、エッチングにより石英導波
路を形成するための溝を形成する。その後、石英光導波
路の下部クラッド層23及びコア層24を形成して、光
導波路をパターニングする。最後に、上部クラッド層2
5を形成する。Ti拡散光導波路にはさらに屈折率制御
用の電極を形成して、光スイッチング動作を行なわせる
ことができる。
【0022】第2実施例の4x4マトリックス・スイッ
チは、本発明による曲率半径10mmの石英曲がり導波
路を用いることで、3インチLNウエハを用いた最大素
子長69mmで動作電圧15Vと、良好な結果が得られ
た。また、XカットZ軸伝搬LNをスイッチングエレメ
ントとして用いているために、動作電圧の偏光依存性
は、測定限界値以下であった。また、挿入損失は4dB
であった。
【0023】本発明の適用は、マトリクス・スイッチ・
エレメントの種類によって限定されるものではなく、マ
ッハツェンダ干渉計やディジタルスイッチ等のスイッチ
エレメントに適用した場合にも同様の効果がある。
【0024】また、本発明は、8x8マトリックススイ
ッチ等の集積度のさらに大きなデバイスに対しても適用
できる。そして、このような複雑な光配線においては、
全素子挿入損失中の曲がり損失に伴う光損失の割合が大
きくなるので、このような損失を低減する本発明は大き
な効果が期待される。
【0025】
【発明の効果】上述のように本発明は、能動動作の必要
な方向性結合部分には、大きな電気光学効果をもつLi
NbO3 を用い、低損失な特性が必要な曲がり導波路部
分は、石英もしくはガラス等の光導波路とすることによ
り、集積化光素子の小型化、低損失化を図ることがてき
る効果がある。
【0026】また、動作電圧の低い光スイッチング素子
を光集積化素子の長さの制限内で実現できる効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の集積化光回路の1実施例の方向性結合
器を用いた2x2光スイッチの作成プロセス(a)〜
(e)を示す図である。
【図2】本発明による集積化光回路の他の実施例の4x
4光スイッチを示す図で、(a)がその平面図、(b)
がその断面図である。
【符号の説明】
11,21 LiNbO3 ウエハ、LN基板 12 Tiストリップライン 13,22 Ti拡散光導波路 14 石英光導波路 15 制御電極 23 石英導波路の下部クラッド層 24 石英導波路のコア層 25 石英導波路の上部クラッド層

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光を導波する光導波路と、信号光の強度
    及び伝搬方向を制御する光制御デバイスとが電気光学効
    果を有する透光性材料からなる基板上に形成される集積
    化光回路において、 前記光導波路は、石英及びガラスのいずれかにより形成
    される低損失の光導波路を含むことを特徴とする集積化
    光回路。
  2. 【請求項2】 前記低損失の光導波路が前記光制御デバ
    イス間及び光制御デバイスと入出力ポートとの間のいず
    れかに形成される請求項1記載の集積化光回路。
  3. 【請求項3】 光を導波する光導波路と、信号光の強度
    及び伝搬方向を制御する光制御デバイスとが電気光学効
    果を有する透光性材料からなる基板上に形成される集積
    化光回路の製造方法において、 前記電気光学効果を有する透光性材料からなる基板上に
    ストリップ・ラインのパタンを形成し、 前記ストリップ・ラインのパタン上にチタンの熱拡散に
    より第1の光導波路を形成し、 次に、PSGをCVD法により成膜して第2の光導波路
    を形成し、 次に、前記第1の光導波路に制御用の電極を形成するこ
    とを特徴とする集積化光回路の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記基板がニオブ酸リチウム、すなわち
    LiNbO3 、である請求項3記載の集積化光回路の製
    造方法。
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