JP3771287B2 - 導波路型電気光学素子 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、電気光学効果を有する基板に形成された光導波路と、この光導波路に近接して配された少なくとも1対の電極とを有し、これらの電極間に電圧を印加することによって導波光の変調や、スイッチング等を行なうようにした導波路型電気光学素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
例えば特開平2−931号公報に示されるように、電気光学効果を有する基板に形成された薄膜光導波路と、その上に形成されて該光導波路に電気光学的回折格子(Electro-Optic Grating )を形成する格子状電極(以下EOG電極と称する)と、このEOG電極に電圧を印加する駆動回路とからなり、上記光導波路を導波する導波光を、EOG電極への電圧印加状態に応じて選択的に回折させるようにした導波路型電気光学素子が公知となっている。
【0003】
このような導波路型電気光学素子を用いれば、回折光と非回折光(0次光)のいずれか一方を使用光としたとき、その使用光を回折の有無あるいは程度に応じて変調することができる。また、上記回折の有無に応じて導波光の光路を切り換える光スイッチを構成することもできる。
【0004】
さらに、例えばJAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS (ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス)Vol.20, No.4, April, 1981 pp.733〜737 に示されるように、電気光学効果を有する基板に方向性結合器を構成する2本のチャンネル光導波路を形成し、各チャンネル光導波路の上に平板状電極を配し、一方のチャンネル光導波路を導波する導波光を上記電極への電圧印加状態に応じて選択的に他方のチャンネル光導波路に移行させるようにした導波路型電気光学素子も知られている。
【0005】
このような導波路型電気光学素子を用いれば、上記他方のチャンネル光導波路から出射する光を使用光として、その使用光を電極への電圧印加状態に基づいて変調することができるし、また、導波光の光路を切り換える光スイッチを構成することもできる。
【0006】
ところで、上記のような導波路型電気光学素子においては、電極による光散乱や光吸収を避けるために、電極と基板との間に光学バッファ層を形成することが必要である。従来このバッファ層は、SiO2 あるいはAl2 O3 から形成されていた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述のようなバッファ層を設けた導波路型電気光学素子においては、いわゆるDCドリフトすなわち、電圧を加えるのに従って動作点が変動する現象が生じやすいことが認められている。
【0008】
このようなDCドリフトを防止するために従来より、上記のJAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS (ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス)Vol.20, No.4, April, 1981 pp.733〜737 にも示されているように、バッファ層の電極間の部分を取り除いて、バッファ層を電極毎に分離させることが提案されている。
【0009】
しかし、入力光が短波長であったりあるいは高強度である場合は、光導波路におけるリーク電流が大きくなるため、上述のようにバッファ層を電極毎に分離させてもDCドリフトを十分に低減させることはできない。
【0010】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、入力光が短波長であったりあるいは高強度である場合においても、DCドリフトを十分に低減可能な導波路型電気光学素子を提供することを目的とするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明による導波路型電気光学素子は、
電気光学効果を有する基板に形成された光導波路と、
上記基板との間にバッファ層を介して、上記光導波路に近接させて取り付けられた少なくとも1対の電極と、
これらの電極間に、周波数が 0.1 Hz〜1GHzの範囲にある電圧を印加する駆動回路とを有し、
前記光導波路が、波長 400 〜 800 nmの導波光の伝搬モードがシングルモードとなる構成を有し、
前記導波光の光出力が 0.05 〜5W/cm 2 となる導波路型電気光学素子において、
バッファ層が、比誘電率(印加される電圧の直流成分に対する比誘電率)が20〜1000と、従来のバッファ層の比誘電率(10以下)と比べて十分に大きいHfO 2 を用いて、略前記電極に対応する部分のみに形成されたことを特徴とするものである。
【0012】
なお、上記HfO 2 からなるバッファ層材料において、化学量論比からずれた材料を用いることも可能である。
【0013】
【作用および発明の効果】
図3に示すように、基板1の上に薄膜光導波路2が形成され、さらにその上にバッファ層3を介して交差櫛形のEOG電極4が形成された構造を考える。この構造の等価回路は図4のようなものとなる。なお、C1 およびR1 はそれぞれバッファ層3の容量と抵抗、C2 およびR2 はそれぞれ光導波路2の容量と抵抗である。ここで、EOG電極4の1対の電極片4aと4bとの間にV0 の電圧を印加したとすると、光導波路2にかかる有効電圧Vは以下のように印加時間tの関数となる。
【0014】
V=V0 {A+(B−A)exp-t/ τ} ……(1)
ただしA=R2 /(R2 +4R1 )
B=C1 /(C1 +4C2 )
τ=R1 R2 (C1 +4C2 )/(R2 +4R1 )
すなわち、V0 の電圧が印加された瞬間の有効電圧VはB・V0 で、この有効電圧Vは時間τをかけてA・V0 に収れんする。先に説明したDCドリフトは、このように光導波路2にかかる有効電圧Vが印加時間tに応じて変化することに起因している。この有効電圧Vの変化を抑えるには、τを十分に大きくするか、あるいは(B−A)の値を十分に小さくすればよいことになる。
【0015】
本発明においては、バッファ層材料の比誘電率が従来と比べて大きいために、その容量C1 が大きくなる。そこで、バッファ層3の抵抗R1 が同じであるとすると、バッファ層の容量C1 が大きいためにτが大きくなる。したがって、バッファ層3の抵抗R1 と比べて光導波路2の抵抗R2 が著しく大きい場合(光導波路2の抵抗R2 と比べてバッファ層3の抵抗R1 が著しく小さい場合)以外は、τが十分に大きくなる効果で、有効電圧Vの変化つまりDCドリフトが抑えられる。
【0016】
バッファ層3の抵抗R1 と比べて光導波路2の抵抗R2 が著しく大きい場合、バッファ層3を比誘電率が大きい材料から形成すれば、その容量C1 が十分に大きくなり、上記Bの値は1に近いものとなる。一方、バッファ層3の抵抗R1 と比べて光導波路2の抵抗R2 が著しく大きいのであれば、上記Aの値も1に近いものとなっているから、(B−A)の値は十分に小さくなる。そこで、光導波路2にかかる有効電圧Vの変化を少なく抑えて、DCドリフトを十分に低減できるようになる。
【0017】
以下、上述の作用効果をより具体的に説明する。図5は、図3に示した構造において、バッファ層3を比誘電率が異なる材料を用いて何種類か形成した際に、DCドリフト量がこの比誘電率に応じて変化する様子を示している。この場合、バッファ層厚さは200 nm、EOG電極4の電極指周期Λ=6.9 μm、電極対間距離L=0.69mmである。また光導波路2の容量C2 =0.16pF、光導波路2の抵抗R2 =1×1013Ωであり、それらは各々バッファ層3を設けない構造において実験的に求めた値である。
【0018】
DCドリフト量は、電圧印加開始後1nsec 経過時に光導波路2にかかる有効電圧Vを1として規格化し、電圧印加開始後10sec 経過時の有効電圧Vの値をもって示してある。つまりこの値は、電圧印加開始後1nsec から10sec 経過するまでに、有効電圧Vが何倍に変化するかを示すものである。また図中の実線はバッファ層3の抵抗R1 が1×109 Ωと比較的低い場合、破線はバッファ層3の抵抗R1 が1×1015Ωと比較的高い場合を示している。
【0019】
従来、この種のバッファ層の材料としては一般にSiO2 、Al2 O3 が用いられており、前者の比誘電率は4、後者の比誘電率は10である。この程度の比誘電率を有する材料をバッファ層材料とする場合、DCドリフト量はかなり大きいものとなっている。
【0020】
それに対して、バッファ層材料の比誘電率が20以上となる辺りから、DCドリフト量は、バッファ層抵抗R1 が比較的低い場合もまた高い場合も顕著に低減する。そして、バッファ層材料の比誘電率が1000を超える辺りから、DCドリフト量は1に収束する。つまり、電圧印加開始後10sec 経過しても、有効電圧Vの値は変化しなくなる。
【0021】
なお、比誘電率が1000を超える程度の薄膜は成膜が困難であるという事情があるので、本発明においては比誘電率の上限を1000とするものである。また、バッファ層抵抗R1 が比較的低い場合もまた高い場合も、比誘電率が200 を超えると、比誘電率が増大してもDCドリフト低減効果はさほど増大しない(つまり比誘電率が200 程度に達すれば、もはや十分なDCドリフト低減効果が得られる)ので、成膜の容易化の点からは、比誘電率が20〜200 の材料からバッファ層を形成するのが好ましい。
【0022】
以上、薄膜光導波路の上にバッファ層を介して交差櫛形のEOG電極が形成された構造について述べたが、平板状電極を用いてチャンネル光導波路に電圧を印加する導波路型電気光学素子においては、前述の(1) 式における4R1 、4C2 がそれぞれ2R1 、2C2 に変わるだけである。そこでこの場合も、バッファ層を比誘電率が大きい材料から形成すれば、上記と同様にしてDCドリフトを十分に低減できるようになる。
【0023】
【実施例】
以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図1および図2はそれぞれ、本発明の第1実施例による導波路型電気光学素子の平面形状および側面形状を示すものである。この導波路型電気光学素子は光変調器として構成されたものであり、MgOがドープされたLiNbO3 基板10上に形成された薄膜光導波路11と、その上に形成されたHfO2 膜からなるバッファ層12と、このバッファ層12の上に形成されたEOG電極13と、このEOG電極13を間において互いに離れる状態で光導波路11の表面に形成された光入力用線状回折格子(Linear Grating Coupler:以下LGCと称する)14および光出力用LGC15と、上記EOG電極13に所定の電圧を印加する駆動回路16とを有している。
【0024】
この導波路型電気光学素子の要部の作製方法は、以下の通りである。まず、MgOがドープされたLiNbO3 基板(X板)10をピロリン酸中に浸漬して140 〜150 ℃でプロトン交換を行ない、さらに大気中で300 〜400 ℃×1時間のアニール処理を施して、光導波路11を形成した。この場合は、400 〜800 nmの光に対して導波光の伝搬モードがシングルモードとなる光導波路11が得られた。
【0025】
次いで、光導波路11上にフォトリソグラフィーによりEOG電極のレジストパターンを形成した。電極形状は、図3に示した電極4と同様の交差櫛形であり、櫛歯状部分の周期Λ=6.9 μmである。
【0026】
その後この電極パターンの上にバッファ層12となるHfO2 を、スパッタリング法により成膜した。このスパッタリングは、ArガスとO2 ガスの混合雰囲気中で金属Hfをターゲットにして行ない、全圧中のO2 ガスの分圧比は30〜95%、混合ガス圧は10〜50mTorr、基板温度は150 ℃に設定した。また、このときの成膜速度は1〜5nm/min であり、バッファ層としてのHfO2 膜の膜厚が、上記レジストパターンよりも薄い200 〜300 nmとなるようにスパッタ時間を制御した。
【0027】
HfO2 膜を成膜した後、その上に電極材料であるAlを蒸着し、次いでレジストをリフトオフすることにより、EOG電極13が得られる。なおこの場合、バッファ層12は各電極部分毎に分離したものとなる。
【0028】
以下、この導波路型電気光学素子の動作を説明する。変調される光ビーム20を発する例えばHe−Neレーザー等のレーザー光源21は、平行光であるこの光ビーム20が、基板10の斜めにカットされた端面10aを通過し、光導波路11を透過してLGC14の部分に入射するように配置されている。それにより、光ビーム20はこのLGC14で回折して光導波路11内に入射し、該光導波路11を導波モードで矢印A方向に進行する。
【0029】
この光ビーム(導波光)20は、EOG電極13に対応する部分を通って導波するが、EOG電極13に電圧が印加されていない状態では、この導波光20は直進する。一方、EOG電極13に駆動回路16から所定の電圧が印加されると、電気光学効果を有する光導波路11の屈折率が変化して光導波路11に回折格子が形成され、導波光20はその回折格子により回折する。以上のようにして回折した光ビーム20Aおよび回折しない光ビーム20Bは、LGC15において基板10側に回折し、この基板10の斜めにカットされた端面10bから素子外に出射する。
【0030】
そこでこの素子外に出射した例えば光ビーム20Aを使用光とすれば、前記駆動回路16による電圧印加の有無に応じてこの光ビーム20Aを変調することができる。例えば所定の画像信号に基づいてこの光ビーム20Aを変調する場合は、その画像信号に基づいて駆動回路16による電圧印加を制御すればよい。
【0031】
次に、本実施例の導波路型電気光学素子におけるDCドリフトについて説明する。DCドリフトを観測するために、波長514.5 nmの光ビーム20を光導波路11に入射させ、EOG電極13に8分間一定電圧V0 を印加し、そのとき回折した光ビーム20Aの光強度を連続的に測定した。この印加電圧V0 は、最大回折光量を得るために必要な電圧Vπの1/2とした。
【0032】
この測定に供した導波路型電気光学素子のEOG電極13の電極指周期Λ=6.9 μmであり、バッファ層12の厚さは200 nmである。また、本例のバッファ層12の材料であるHfO2 によりMIMコンデンサーを作成し、そこに振幅500 mV、周波数100 kHzの交流電圧を印加し、そのときのインピーダンスを測定してコンデンサー容量を求めた。この容量値を比誘電率に換算したところ、30であった。そしてこのバッファ層12の比抵抗は1×108 〜1×1010Ωcm、光導波路11の比抵抗は1×108 〜1×1010Ωcmであった。
【0033】
光ビーム20Aの光強度測定結果を図6に示す。なお、同図の(1)、(2)、(3)は、導波光のパワー密度がそれぞれ5W/cm2 、0.5 W/cm2 、0.05W/cm2 の各場合の光強度測定結果を示している。また光強度は相対値で示してあるが、相対値1が示す絶対値は、この図6と後述する図7においてすべて共通である。図6に示される通り、導波光のパワー密度が低い場合も、また5W/cm2 とかなり高い場合も、回折した光ビーム20Aの光強度は8分間ほとんど変動することがなく、顕著なDCドリフトは発生していない。
【0034】
次に、本発明に対する比較例として、バッファ層を従来装置と同様にSiO2から形成した導波路型電気光学素子について説明する。この比較例の導波路型電気光学素子は、図1および図2に示した導波路型電気光学素子と比較すると、基本的にはバッファ層材料が異なるだけであり、以下では適宜図1および図2中の番号を引用して説明する。
【0035】
この比較例の導波路型電気光学素子の作製方法は、MgOがドープされたLiNbO3 基板(X板)10に光導波路11を形成し、その上にEOG電極のレジストパターンを形成するところまでは、前記実施例におけるのと同様である。また、電極形状も前記実施例と同様である。
【0036】
そして、EOG電極のレジストパターンを形成した後、この電極パターンの上にバッファ層12となるSiO2 を、スパッタリング法により成膜した。このスパッタリングは、ArガスとO2 ガスの混合雰囲気中でSiO2 焼結体をターゲットにして行ない、全圧中のO2 ガスの分圧比は10%、混合ガス圧は5mTorr、基板温度は150 ℃に設定した。また、このときの成膜速度は10nm/min であり、バッファ層としての膜厚が上記レジストパターンよりも薄い100 〜200 nmとなるようにスパッタ時間を制御した。
【0037】
このSiO2 膜を成膜した後、その上に電極材料であるAlを蒸着し、次いでレジストをリフトオフすることにより、EOG電極13が得られる。
【0038】
次に、この比較例の導波路型電気光学素子におけるDCドリフトについて説明する。DCドリフトの観測は、前記第1実施例の場合と同様にして行なった。なおこの場合も、EOG電極13の電極指周期Λ=6.9 μmであり、バッファ層12の厚さは100 nmである。
【0039】
また、本比較例のバッファ層12の材料であるSiO2 の比誘電率は、MIMコンデンサーを作成し、100 kHzの容量値を測定して比誘電率に換算したところ、4であった。そしてこのバッファ層12の比抵抗は、1×1012〜1×1015Ωcm、光導波路11の比抵抗は1×108 〜1×1010Ωcmであった。
【0040】
回折した光ビーム20Aの光強度を測定した結果を図7に示す。なお、同図の(1)、(2)、(3)は、導波光のパワー密度がそれぞれ5W/cm2 、0.5 W/cm2 、0.05W/cm2 の各場合の光強度測定結果を示している。図示される通りこの比較例においては、回折光の光強度は電圧印加を開始してから時間が経過するのにつれて徐々に低下し、顕著なDCドリフトが生じていることが分かる。特に、導波光のパワー密度が5W/cm2 と大きい場合は、その傾向が大である。
【0041】
前述の図6に示した測定結果を、この図7の測定結果と照らし合わせれば、本発明により明らかなDCドリフト低減効果が得られていることが分かる。
【0042】
次に、図8を参照して本発明の第2実施例について説明する。この第2実施例の導波路型電気光学素子は、MgOがドープされたLiNbO3 基板10と、該基板10に形成された、Y分岐光導波路を2つ接続した形のマッハツェンダー光変調器を構成するチャンネル光導波路30と、このチャンネル光導波路30の一方の分岐部分30aを挟むようにして基板10上に形成された1対の平板状電極31,31と、これらの平板状電極31,31に所定の電圧を印加する駆動回路32とを有している。またこの場合も、各平板状電極31と基板10との間には、HfO2 膜からなるバッファ層33が介設されている。
【0043】
上記構成の導波路型電気光学素子において、入力光34はチャンネル光導波路30の図中左端から入力され、1番目のY分岐で分岐され、分岐部分30aおよび30bを導波してから2番目のY分岐で再度合成される。この合成された光は、チャンネル光導波路30の図中右端から出力光34Aとして出力される。
【0044】
チャンネル光導波路30の一方の分岐部分30aに電極31,31を介して所定電圧が印加されると、この分岐部分30aの屈折率が変化するので、分岐部分30aを導波する光はこの電圧印加の有無に応じて位相変調される。そして、この分岐部分30aを導波した光と、分岐部分30bを導波した光は合成されたとき干渉するので、出力光34Aは上記電圧印加の有無に応じて強度変調される。
【0045】
この第2実施例の導波路型電気光学素子においても、第1実施例と同様にバッファ層33が、比誘電率が30と大きいHfO2 膜から形成されているので、DCドリフト低減効果が得られる。
【0046】
次に、図9を参照して本発明の第3実施例について説明する。この第3実施例の導波路型電気光学素子は、MgOがドープされたLiNbO3 基板10と、該基板10に形成された、方向性結合器を構成する2つのチャンネル光導波路40A、40Bと、一方のチャンネル光導波路40Aを挟むようにして基板10上に形成された1対の平板状電極41,41と、これらの平板状電極41,41に所定の電圧を印加する駆動回路42とを有している。またこの場合も、各平板状電極41と基板10との間には、HfO2 膜からなるバッファ層43が介設されている。
【0047】
上記構成の導波路型電気光学素子において、入力光44は一方のチャンネル光導波路40Aに入力されてそこを導波し、両光導波路40A、40Bが近接している部分において他方のチャンネル光導波路40Bに浸み出し、そこを導波して該光導波路40Bから出力光44Aとして出力される。
【0048】
チャンネル光導波路40Aに電極41,41を介して所定電圧が印加されると、この光導波路40Aの屈折率が変化するので、該光導波路40Aから光導波路40Bへの導波光の浸み出しの大きさが変化する。そこで出力光44Aは、上記電圧印加の有無に応じて強度変調される。
【0049】
この第3実施例の導波路型電気光学素子においても、第1、2実施例と同様にバッファ層43が、比誘電率が30と大きいHfO2 膜から形成されているので、DCドリフト低減効果が得られる。
【0050】
なお本発明は、先に説明したプロトン交換/アニール光導波路に限らず、その他プロトン交換光導波路やTi拡散光導波路を有する導波路型電気光学素子に対しても適用可能で、同様の効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例による導波路型電気光学素子を示す平面図
【図2】上記第1実施例の導波路型電気光学素子の側面図
【図3】本発明に用いられる電極の一例を示す斜視図
【図4】図3の構造の等価回路を示す電気回路図
【図5】バッファ層材料の比誘電率とDCドリフト量との関係を示すグラフ
【図6】上記第1実施例の導波路型電気光学素子のDCドリフト量測定結果を示すグラフ
【図7】本発明に対する比較例の導波路型電気光学素子のDCドリフト量測定結果を示すグラフ
【図8】本発明の第2実施例による導波路型電気光学素子を示す斜視図
【図9】本発明の第3実施例による導波路型電気光学素子を示す斜視図
【符号の説明】
1 基板
2 薄膜光導波路
3 バッファ層
4 EOG電極
10 MgOドープLiNbO3 基板
11 薄膜光導波路
12 バッファ層
13 EOG電極
16 駆動回路
20 光ビーム
20A 回折した光ビーム
20B 回折しない光ビーム
30 チャンネル光導波路
31 平板状電極
32 駆動回路
33 バッファ層
40A、40B チャンネル光導波路
41 平板状電極
42 駆動回路
43 バッファ層
Claims (3)
- 電気光学効果を有する基板に形成された光導波路と、
前記基板との間に該基板とは別体に成膜されたバッファ層を介して、前記光導波路に近接させて取り付けられた少なくとも1対の電極と、
これらの電極間に、周波数が 0.1 Hz〜1GHzの範囲にある電圧を印加する駆動回路とを有し、
前記光導波路が、波長 400 〜 800 nmの導波光の伝搬モードがシングルモードとなる構成を有し、
前記導波光の光出力が 0.05 〜5W/cm 2 となる導波路型電気光学素子において、
前記バッファ層が、印加される電圧の直流成分に対する比誘電率が20〜1000の範囲にあるHfO 2 を用いて、略前記電極に対応する部分のみに形成されていることを特徴とする導波路型電気光学素子。 - 前記バッファ層が、印加される電圧の直流成分に対する比誘電率が20〜200 の範囲にあるHfO 2 から形成されていることを特徴とする請求項1記載の導波路型電気光学素子。
- 前記光導波路の抵抗が前記バッファ層の抵抗よりも大きいことを特徴とする請求項2記載の導波路型電気光学素子。
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