(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に石英系ガラスよりなるコアを石英系ガラスよりなり且つコアより屈折率が低いクラッドで囲んで作製した光導波路であり、２つの方向性結合器と前記２つの方向性結合器を結ぶ２本のアーム導波路からなる光導波路にポーリング処理を行う方法であって、
前記光導波路に紫外光または可視光を伝播させながら、前記ポーリング処理が完了した前記アーム導波路の屈折率を制御するオーバークラッド上に配置された電極によって、前記アーム導波路に外部電場を印加して前記アーム導波路の電気光学定数を増大させることを特徴とするマッハツェンダ干渉計アームのポーリング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に光導波路を配置した集積光デバイス、詳しくは、光通信分野等で用いられる光スイッチ等の導波型光デバイスの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
平面基板上に作製された、石英系ガラスを主成分とする単一モード石英系光導波路としては、例えば「Ｍ．Ｋａｗａｃｈｉ“Ｓｉｌｉｃａ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ  ｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ａｎｄ  ｔｈｅｉｒ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ−ｏｐｔｉｃ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ”Ｊ．Ｑｕａｔｕｍ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，ｖｏｌ．２２，１９９０，ｐｐ．３９１〜４１６（文献１）」等に記載されたものがある。
【０００３】
このような埋め込み型石英系光導波路は、石英系ガラスの優れた被加工性により、設計値通りの導波路を作製することができ、量産性にも優れている。また、石英系光導波路は損失が低く、しかも一般に使用されている石英系単一モード光ファイバとの接続整合性も優れているため、実用的な集積光デバイスの実現手段として期待され、現在までに波長合分波器や光スイッチ等の数多くの光デバイスの開発が行われてきている。
【０００４】
石英系光導波路を用いて実現された光スイッチとしては、例えば「Ｎ．Ｔａｋａｔｏ，  ｅｔ  ａｌ．“Ｓｉｌｉｃａ−Ｂａｓｅｄ  Ｓｉｎｇｌｅ−ＭｏｄｅＷａｖｅｇｕｉｄｅｓ  ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  ａｎｄ  ｔｈｅｉｒ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｇｕｉｄｅｄ−Ｗａｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ”Ｊ．Ｌｉｇｈｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．，ＶＯＬ．６，１９８８，ｐｐ．１００３〜１０１０（文献２）」等に記載されているような熱光学効果を利用した「熱光学スイッチ（ＴΟスイッチ）」がある。
【０００５】
石英系光導波路によるＴＯスイッチでは、低損失で集積性に優れた良好なスイッチを実現できるが、その応答速度はおよそ１ｍｓ程度であり、より高速応答可能な石英系光スイッチが求められている。．
一方、最近、ポーリング処理を施した石英系ファイバにおいて、電圧印加により生じる屈折率変化（電気光学効果）が報告されている。
【０００６】
通常、石英系ガラスはランダム系であり、擬似的に中心対称性を有すると考えられ、１次の電気光学効果（ポッケルス効果：印加電場強度に比例した屈折率変化）は原理的にみることができない。
【０００７】
しかしながら、このようなガラス系に対し、「電場を印加した状態で温度を上げ、電場を印加したまま温度を下げる」という「熱ポーリング」処理を行うことにより、ポッケルス効果を誘起することができる。このポーリング処理によるポッケルス効果の誘起は石英系ガラスを主成分とする光ファイバにおいてもみられ、最近、ポーリング処理を行った石英系ファイバにおいて、電圧印加により生じる屈折率変化（電気光学効果）が報告されている（例えば「Ｐ．Ｇ．Ｋａｚａｎｓｋｙ，ｅｔ  ａｌ．“Ｐｏｃｋｅｌｓ  ｅｆｆｅｃｔ  ｉｎ  ｔｈｅｒｍａｌｌｙ  ｐｏｌｅｄ  ｓｉｌｉｃａ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒｓ”Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．３１，１９９５，ｐｐ．６２〜６３（文献３）」参照）。
【０００８】
このポーリング処理によって誘起された石英系ガラス中のポッケルス効果による応答速度は非常に高速であり、１０ｎｓ以下の応答速度を有している。即ち、このポッケルス効果を石英系ガラス導波路中に誘起することにより、導波路の屈折率を電圧印加によって、１０ｎｓ以下（１００ＭＨｚ以上）の高速で制御できることを示している。
【０００９】
この電気光学効果を利用して、高消光比を有する高速な光スイッチや光強度変調器を実現するには、マッハ・ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）等の干渉計を構成することが有用であるが、石英系ファイバやバルク光部品等で構成するマッハ・ツェンダ干渉計は温度変動等の外部擾乱に弱く、不安定であり、実用的な光デバイスにならないという問題を有している。
【００１０】
これに対し、先に述べた文献１に記載されている、Ｓｉ基板上に石英系導波路で構成されたＭＺＩは光ファイバやバルク光部品で構成されたＭＺＩに比べて外部擾乱に強く、透過光強度等の光学特性が安定している。さらに、この石英系導波路の干渉計は石英系ガラスの加工が容易なため、高精度な加工を行うことができ、設計値通りの作製が可能であるという利点を有している。
【００１１】
この石英系導波路で構成したマッハ・ツェンダ干渉計のアーム導波路の部分に熱ポーリング処理を行い、電気光学効果の誘起を行えば、石英系導波路による電気光学効果を利用した、高速応答性を有する実用的な光スイッチや光強度変調器を実現することができる。
【００１２】
しかしながら、先に述べた文献３に示されているように「熱ポーリング」によって誘起されるポッケルス効果の効率は、電気光学定数ｒの値で約０．０５ｐｍ／Ｖであり、あまり大きな値ではなかった。
【００１３】
このポッケルス効果の効率を改善する手段として、Ｇｅ添加石英系光ファイバに対し、電場を印加しながら紫外レーザ光（波長１９３ｎｍ）を外部より照射すること、即ち「光ポーリング」（「光励起ポーリング；ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  ｉｎｄｕｃｅｄ  ｐｏｌｉｎｇ」あるいは「光補助ポーリング；ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  ａｓｉｓｔｅｄ  ｐｏｌｉｎｇ」ともいう。）を行うことにより、電気光学定数ｒ＝６ｐｍ／Ｖという、大きな電気光学効果が誘起されたことが報告されている（例えば「Ｔ．Ｆｕｊｉｗａｒａ，Ｄ．Ｗｏｎｇ，Ｙ．Ｚｈａｏ，Ｓ．Ｆｌｅｍｉｎｇ，Ｓ．Ｐｏｏｌｅ  ａｎｄ  Ｍ．Ｓｃｅａｔｓ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，３１，１９９５，５７３（文献４）」参照）。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したポーリング方法を平面基板上に作製された導波路に対して適用しようとする場合、外部から照射される光が、しばしば導波路近傍に作製された電極に損傷を与えるという問題があった。また、光を外部からコア部分に照射するため、基板に対して垂直な方向に電場を印加する、コアの垂直方向の上部に電極を配置することはできないという電極作製上の問題があった。
【００１５】
本発明の日的は、低損失で加工性及び集積性に優れ且つ高速応答性を有する石英系の導波型光デバイスを製造し得る光導波路のポーリング方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明では、基板上に石英系ガラスよりなるコアを石英系ガラスよりなり且つコアより屈折率が低いクラッドで囲んで作製した光導波路であり、２つの方向性結合器と前記２つの方向性結合器を結ぶ２本のアーム導波路からなる光導波路にポーリング処理を行う方法であって、前記光導波路に紫外光または可視光を伝播させながら、前記ポーリング処理が完了した前記アーム導波路の屈折率を制御するオーバークラッド上に配置された電極によって、前記アーム導波路に外部電場を印加して前記アーム導波路の電気光学定数を増大させるマッハツェンダ干渉計アームのポーリング方法を提案する。
【００１７】
光導波路に紫外光または可視光を「伝播照射」しながら電場を印加する「伝播照射光ポーリング」は、コア部分に閉じ込められた高強度な光によって、１０数ｃｍ以上に及ぶ光導波路に対し、一度に光照射することができる。また、「外部照射」を行う時には、しばしばコア近傍に設けられた電圧印加用の電極やクラッド部分に損傷を与えることがあったが、「伝播照射」によれば、電極に損傷を与えることなく光照射することができる。また、コア部分を伝播させて光を照射するため、基板に対して垂直な方向（ＴＭ方向）に電場を印加する、コアの垂直方向の上部に電極を配置することも可能であり、電極作製上の制約が少ない。
【００１８】
この「光ポーリング処理」を施したＭＺＩのアーム導波路の部分に電気光学効果が誘起され、電場印加に対し屈折率変化を生じる。
【００１９】
例えば、ＴＭ方向に外部電場Ｅｅｘを印加した時に生じる屈折率変化の大きさΔｎは、
ΔｎＴＥ＝（１／２）ｒ１  ｎＴＥ３  Ｅｅｘ
ΔｎＴＭ＝（１／２）ｒ２  ｎＴＭ３  Ｅｅｘ                        ……（１）
と表すことができる（例えば、「西原  他“光集積回路”（オーム杜）」参照）。ここで、ｒ１  ，ｒ２  はＴＭ方向に外部電場を印加した場合に対応したＴＥ，ＴＭ方向の電気光学定数、ｎＴＥ，ｎＴＭはそれぞれＴＥ，ＴＭ方向の屈折率を示す。
【００２０】
従って、外部電場強度が強ければ強いほど大きな屈折率変化を得ることができる。
【００２１】
この電場印加は、ポーリング時に用いた電極にそのまま電圧を印加することにより可能である。アーム導波路の部分でこの電場印加により生じる屈折率変化（電気光学効果）を利用し、ＭＺＩを光スイッチや光強度変調器として動作させることが可能である。この時、ＭＺＩは基板上に作製されているため、光ファイバやバルク光部品で構成されたＭＺＩに比べて、温度変動等の外部擾乱に対して安定な動作を示す実用的な光部品となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明方法で製造する導波路型光デバイスの一例、ここではマッハ・ツェンダ干渉計を有する光スイッチを示すもので、同図（ａ）  は全体斜視図、同図（ｂ）  は要部断面図である。図中、１１はＳｉ基板、１２，１３は導波路（ＧｅＯ２  添加石英系ガラスコア）、１４はアンダークラッド、１５はオーバークラッド、１６は薄膜電極、１７，１８は導波路１２，１３を近接させて構成した方向性結合器である。
【００２３】
ここで、光導波路の作製は、例えば前述した文献２に示された方法と同様に行った。即ち、Ｓｉ基板１１上にアンダークラッド１４及びコア１２，１３となる石英系ガラスを主成分とするガラス膜層を火炎堆積（ＦＨＤ）法により形成し、その後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりコア部分のリッジ構造を形成し、再びＦＨＤ法により石英系ガラスを主成分とするオーバークラッド１５による埋め込みを行い、光導波路の作製を行った。ここで、コアはＧｅ添加石英系ガラスで形成し、コアとクラッドとの比屈折率差Δを０．７％とし、コアの構造は矩形で７μｍ×７μｍとした。
【００２４】
前述した２つの方向性結合器１７，１８と、導波路１２，１３のうちの方向性結合器１７，１８間を結ぶアーム導波路とにより、マッハ・ツェンダ干渉計が構成される。
【００２５】
導波路作製後、一方のアーム導波路のコア近傍にクロムＣｒ及び金Ａｕを蒸着し、所望の形状にパターン化加工して電極１６を形成した。ここで、コアに平行な電極部分の長さＬ＝６．５ｃｍ、電極間隔ｄ＝４５μｍとした。電極形成に用いる材料は、Ｐｔ，ＮｉＣｒ，Ｔａ２  Ｎ，Ａｌ等、導電性の高いものであれば、どのようなものでも良い。
【００２６】
前述した如くして作製した光スイッチ、例えば１０に対し、図２に示すように、モード同期（ＭＬ）Ｑスイッチ（Ｑｓｗ）動作Ｎｄ３＋：ＹＡＧレーザ（ＭＬ−Ｑｓｗ−Ｎｄ３＋：ＹＡＧレーザ）２１からの波長１０６４ｎｍの光の第二高調波（ＳＨ）光（波長５３２ｎｍ）をＫＴＰ結晶２２により発生させ、このＳＨ光を波長１０６４ｎｍの光は通過させ、波長５３２ｎｍの光は反射するダイクロイックミラー２３、波長５３２ｎｍの反射率が１００％のミラー２４及びレンズ２５を介してポートＰ１に導き、導波路１２を伝播させながら、電圧源２６より５ｋＶの電圧印加を３０分間行った。
【００２７】
ポートＰ１から導入された光は方向性結合器１７，１８が図３に示す波長特性を有するため、導波路１３に結合せず、全て導波路１２を伝播した。３０分後にＳＨ光を遮断し、電圧を０Ｖに下げた。モード同期を行ったレーザ光のパルス時間幅は約１００ｐｓ、モード同期周波数は８２ＭＨｚ、Ｑｓｗの繰り返し周波数は８００Ｈｚであった。
【００２８】
このポーリング処理後、波長λ＝１．３μｍの半導体レーザの光を偏波保持ファイバを用いて、ＴＭ偏波でポートＰ１から入射した。ポートＰ３，Ｐ４からの出力光強度をレンズ２７を介して感熱式パワーメータ（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐ．Ｍ．）２８で検知しながら、電極１６とＳｉ基板１１との間に電圧を印加し、その出力光強度の変化を測定した（なお、感熱式パワーメータの代わりにフォトダイオードを用いても良い）。
【００２９】
図４にこの時の印加電圧に対する規格化した出力光強度の変化を示す。印加電圧Ｖにほぼ比例して位相が変化していることが示されている。即ち、印加した電場強度に比例した屈折率変化Δｎを示している。
【００３０】
位相変化量Δφは、
Δφ＝２πη（１／λ）（ｎｅ  ３  ／２）ｒ（ΔＶ／ｄ）Ｌ    ……（２）
で表すことができる。ここで、ηは結合係数、ｎｅ  はコアの屈折率、ｄは電極間間隔、Ｌは相互作用長（外部電場がコア部分にかかっている長さ）、ΔＶは印加電圧、λは測定波長、ｒは電気光学定数である。
【００３１】
本例においては、λ＝１．３μｍ、ｎｅ  ＝１．４５４、ｄ＝４５μｍ、Ｌ＝６．５ｃｍとした。位相がπ変化する電圧Ｖπ＝１８０（Ｖ）であり、この時の電気光学定数ｒ＝１．６ｐｍ／Ｖと評価される。この電気光学スイッチの消光比は３５ｄＢ、損失は１ｄＢであった。
【００３２】
以上述べたように、低損失且つ高消光比で、高速応答性を有する光スイッチを実現するための方法として、本発明は非常に優れている。
【００３３】
図５は本発明方法で製造する導波路型光デバイスの他の例、ここではマッハ・ツェンダ干渉計を有する光強度変調器を示すものである。図中、３１はＳｉ基板、３２，３３は導波路（ＧｅＯ２  添加石英系ガラスコア）、３４，３５は薄膜電極、３６は薄膜ヒータ、３７，３８は導波路３２，３３を近接させて構成した方向性結合器である。
【００３４】
ここで、光導波路の作製は、例えば前述した文献２に示された方法と同様に行った。即ち、Ｓｉ基板３１上に、アンダークラッド（図示せず）及びコア３２，３３となる石英系ガラスを主成分とするガラス膜層を火炎堆積（ＦＨＤ）法により形成し、その後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりコア部分のリッジ構造を形成し、再びＦＨＤ法により石英系ガラスを主成分とするオーバークラッド（図示せず）による埋め込みを行い、光導波路の作製を行った。コアはＧｅ添加石英系ガラスで形成し、コアとクラッドとの比屈折率差Δを０．３％とし、コアの構造は矩形で８μｍ×８μｍとした。
【００３５】
前述した２つの方向性結合器３７，３８と、導波路３２，３３のうちの方向性結合器３７，３８間を結ぶアーム導波路とにより、マッハ・ツェンダ干渉計が構成される。
【００３６】
導波路作製後、一方のアーム導波路のコア近傍にクロムＣｒ及び金Ａｕを蒸着し、所望の形状にパターン化加工して電極３４，３５を形成した。ここで、コアに平行な電極部分の長さＬ＝８ｃｍ、電極間隔ｄ＝４０μｍとした。電極形成に用いる材料は、Ｐｔ，ＮｉＣｒ，Ｔａ２  Ｎ，Ａｌ等、導電性の高いものであれば、どのようなものでも良い。
【００３７】
さらに、電極３４，３５を形成したアーム導波路とは反対側のアーム導波路にクロム薄膜ヒータ３６をパターン化し、熱光学効果を利用したＭＺＩの位相を調整することを可能とした。
【００３８】
前述した如くして作製した光強度変調器に対し、前記同様なＱスイッチ動作Ｎｄ３＋：ＹＡＧレーザからの光の第二高調波（ＳＨ）光をＫＴＰ結晶により発生させ、このＳＨ光をポートＰ１に導き、導波路３２を伝播させながら、５ｋＶの電圧印加を３０分間行った。３０分後に第二高調波光を遮断し、電圧を０Ｖに下げた。Ｑｓｗの繰り返し周波数は１ｋＨｚであった。
【００３９】
このポーリング処理後、波長１．５５μｍの半導体レーザの光を偏波保持ファイバを用いて、ＴＥ偏波でポートＰ１から入射した。ポートＰ３からの出力光強度を感熱式パワーメータで検知しながら、電極３４，３５間に１ＧＨｚの変調電圧を印加し、波長１．５５μｍの半導体レーザの光の強度変調を行った。変調強度が最も大きくなるように薄膜ヒータ３６でアーム導波路の一部分を加熱し、熱光学効果を利用したＭＺＩの位相調整を行った。
【００４０】
図７にこの時の変調光強度特性を示す。波長１．５５μｍの半導体レーザの光が１ＧＨｚに変調されていることが示されている。本光強度変調器の損失は１ｄＢ、消光比は３０ｄＢであった。
【００４１】
以上述べたように、低損失且つ高消光比で、高速応答性を有する光強度変調器を実現するための方法として、本発明は非常に優れている。なお、ポーリング効率向上のため、本発明と熱ポーリングを併用することも有用である。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、光導波路に紫外光または可視光を伝播させながら外部電場を印加するというポーリング方法であるので、外部電場を加えるための電極を光導波路の直上に設けることが可能である等、電極構造に関する設計自由度が大きいという利点があり、また、従来の「熱ポーリング」によるポーリング処理を行った場合に比べて、大きな電気光学効果を誘起し得るという利点がある。従って、本発明では、光通信分野等において実用的な、高速応答性を有する光スイッチや光変調器の実現を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法で製造する導波路型光デバイスの一例を示す構成図
【図２】本発明方法を実施する装置の構成図
【図３】図１中の方向性結合器の結合率の波長特性図
【図４】図１に示した光スイッチのスイッチング特性図
【図５】本発明方法で製造する導波路型光デバイスの他の例を示す構成図
【図６】図６に示した光強度変調器の変調光強度特性図
【符号の説明】
１０…光スイッチ、１１，３１…Ｓｉ基板、１２，１３，３２，３３…導波路、１４…アンダークラッド、１５…オーバークラッド、１６，３４，３５…薄膜電極、１７，１８，３７，３８…方向性結合器、２１…モード同期Ｑスイッチ動作Ｎｄ３＋：ＹＡＧレーザ、２２…ＫＴＰ結晶、２３，２４…ミラー、２５，２７…レンズ、２６…電圧源、２８…感熱式パワーメータ、３６…薄膜ヒータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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