JPH07152051A

JPH07152051A - 光導波路素子

Info

Publication number: JPH07152051A
Application number: JP29821193A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Iwasaki; 正明岩崎
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-11-29
Filing date: 1993-11-29
Publication date: 1995-06-16

Abstract

(57)【要約】【目的】導波形光制御素子のＤＣドリフトにおける時
間経過に対する変動量を小さくする。【構成】光導波路素子３１は、Ｚ−cut ニオブ酸リチ
ウム結晶基板３２上にチタンを熱拡散して光導波路３
３、３４を形成している。その上に光学的バッファ層３
５を堆積させ、光導波路３３、３４近傍の光学的バッフ
ァ層３５上に制御用電極３７、３８を配置している。光
学的バッファ層３５の体積抵抗率を結晶基板３２の１倍
から１００倍の範囲に設定すると電界の過渡応答による
ＤＣドリフトの変動量を小さくすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えば光通信において光
波の変調や光路の切り替え等に用いられる光導波路素子
に係わり、特に結晶基板上部表面に形成された光導波路
を用いて光の出力端を制御するようにした光導波路素子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信システムの実用化が進展してお
り、大容量かつ多機能の高度なシステムの開発が進めら
れている。このような状況の下で、光伝送路の交換機能
や、光データバス端末間の接続や切り替え等の新たな機
能が求められており、いわゆる光スイッチングネットワ
ークの必要性が高まっている。

【０００３】現在実用化されている光通信システムで
は、半導体レーザや発光ダイオードの注入電流を直接変
調して光信号を得るようになっている。ところがこのよ
うな直接変調では、緩和振動等の効果によって、１０Ｇ
Ｈｚ前後からこれ以上の高速変調が困難になるという問
題があった。また、波長変動が発生するために、長距離
伝送やコヒーレント光伝送方式に適用させることが難し
い等の問題もあった。更に、このような光通信システム
の光伝送路に使用される光路切り替えに用いるスイッチ
は、プリズムやミラーあるいはファイバ等の光学部品を
機械的に移動させる構成となっており、その応答が低速
であることや、信頼性が不十分であること、ならびに形
状が大きくなって多数のスイッチをマトリックス化して
配置することが不適当である等の問題もあった。

【０００４】そこで、これらの問題点を解消するものと
して、基板上に光導波路を形成した光制御素子が各種提
案されている。このような光制御素子は、高速であり、
また多くの素子を基板上に集積することが可能である。
また、光学部品を機械的に移動させる必要がないので高
信頼性である等の優れた特徴を有している。特にニオブ
酸リチウム（LiNbO₃）等の強誘電帯材料を使用した光制
御素子は、光吸収が少なく低損失であり、また大きな電
気光学効果を有しているために効率が高い等の特徴をも
っている。

【０００５】しかしながら、このようなニオブ酸リチウ
ムやタンタル酸リチウム（LiTaO₃）基板等の電気光学結
晶を用いた導波形の光制御素子は、時間の経過と共に、
印加電圧に対して出力される光強度が変動する動作点シ
フト（ＤＣドリフト）と呼ばれる現象が発生する。これ
が光制御素子素子の寿命を制限している。そこで、導波
形の光制御素子の実用化に際しては、ＤＣドリフトに対
する解決が不可欠な課題となっている。

【０００６】図６は、導波形の光制御素子の代表例とし
て方向性結合形光スイッチを示したものである。この方
向性結合形光スイッチ１１は、ニオブ酸リチウムからな
る結晶基板１２上にチタン（Ti）等の金属を拡散して光
導波路１３、１４を形成したものである。これら光導波
路１３、１４は、基板中央部で数μｍ程度の間隔で近接
配置しており、光方向性結合器１５を構成している。光
導波路１３、１４上には、図示しないバッファ層が配置
されており、これを介して一対の制御電極１６、１７が
配置されている。

【０００７】この図６に示した方向性結合形光スイッチ
１１の基本的な動作原理を説明する。一方の光導波路と
して、例えば光導波路１４の端面についてまず考察す
る。この光導波路１４の端面から入射した光波２１は、
この光導波路１４中を伝搬し、光方向性結合器１５の部
分で近接した他方の光導波路１３にエネルギが移行す
る。光方向性結合器１５の長さを完全結合長Ｌｃに一致
させた場合、ほぼ１００％のエネルギが光導波路１３に
移って出射光２２となる。

【０００８】一方、２つの制御電極１６、１７の間に所
定の電圧を印加した場合には、電気光学効果によって光
導波路１３、１４の屈折率が変化し、両者の屈折率が等
しくなくなる。これにより、両者を伝搬する光波の間で
位相不整合が生じて結合状態が変化し、入射した光導波
路１４からの出射光２３となる。

【０００９】ＤＣドリフトは、２つの制御電極１６、１
７に直流電圧を印加すると、バッファ層内でイオンの移
動が起こり、そのイオンが負電極に吸引されて反電界を
形成し、外部からの印加電界を打ち消すことによるもの
と考えられている。このＤＣドリフトを抑圧するために
は、酸素雰囲気中の二酸化シリコン（SiO₂）高温アニー
ルを行うことや、制御電極１６、１７間のバッファ層を
用いない構成とすることが知られている。また、最近で
はＤＣドリフトをより効果的に抑制する手法として、特
開昭６１−１９８１３３号公報に記載されているように
バッファ層を導電性材料と絶縁性材料を合成した材料で
形成する技術も開示されている。また、特開平５−１１
３５１３号公報に開示されているようにニオブ酸リチウ
ム等の結晶基板に、燐（Ｐ）等の５族元素あるいは塩素
（cl）をドーピングするようにした技術等も提案されて
いる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上説明した従来の手
法は、イオン移動によるドリフト現象の抑圧あるいは低
減に有効である。しかしながら、このような手法は、Ｄ
Ｃ電圧印加時の電界の過渡応答による出力光の強度の変
動に対しては全く効果がない。これは、光制御素子を構
成する結晶基板およびバッファ層における直流での体積
抵抗率や誘電率によって電界の過渡応答が発生し、その
飽和値および飽和時間が決定されることによる。

【００１１】そこで本発明の目的は、導波形光制御素子
の結晶基板およびバッファ層等の層構造における直流で
の体積抵抗率や誘電率の最適化を図ることにより、電界
の過渡応答によるＤＣドリフトにおける時間経過に対す
る変動量そのものを小さくすることのできる光導波路素
子を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、電気光学効果を有する強誘電体結晶基板と、この基
板上に形成された光導波路と、この光導波路に入射した
光の出力端を制御するための制御電極と、この制御電極
と光導波路の間に配置されその直流における体積抵抗率
が強誘電体結晶基板の体積抵抗率に対して１倍から１０
０倍の範囲に調整された光学的バッファ層とを光導波路
素子に具備させる。

【００１３】すなわち請求項１記載の発明では、制御電
極と光導波路の間に配置された光学的バッファ層の直流
における体積抵抗率を、強誘電体結晶基板の体積抵抗率
に対して１倍から１００倍の範囲に設定し、電界の過渡
応答によるＤＣドリフトにおける時間経過に対する変動
量そのものを小さくしている。

【００１４】請求項２記載の発明では、光導波路素子の
好適な一例として、強誘電体結晶基板をニオブ酸リチウ
ム結晶基板で構成し、光学的バッファ層を二酸化シリコ
ンで構成することにしている。

【００１５】請求項３記載の発明では、光導波路がマッ
ハツェンダ形光干渉器を構成してもよいことを明らかに
し、請求項４記載の発明では、この光導波路が方向性結
合器を構成してもよいことを明らかにしている。

【００１６】

【実施例】以下実施例につき本発明を詳細に説明する。

【００１７】図１は本発明の一実施例における光導波路
素子の断面構造を表わしたものである。この光導波路素
子３１は、Ｚ軸方向にカットした（Ｚ−cut ）ニオブ酸
リチウム結晶基板（LiNbO₃）３２上にチタン（Ti）を熱
拡散して光導波路３３、３４を形成している。そして、
その上に光学的バッファ層３５として二酸化シリコン
（SiO₂）を堆積させ、更に光導波路３３、３４近傍の光
学的バッファ層３５上に制御用電極３７、３８を配置し
ている。結晶基板３２の体積抵抗率は、バルクの部分の
１０¹⁷Ωｃｍオーダよりも低く、本実施例では１０¹⁵Ω
ｃｍ程度となっている。これは、結晶基板３２からのリ
チウム外拡散を抑止するために、水蒸気雰囲気中でチタ
ン拡散を行っていることによる。

【００１８】本実施例では光学的バッファ層３５の体積
抵抗率を、成膜条件を制御して１０ ¹⁶Ωｃｍ程度とし、
結晶基板３２の約１０倍程度に設定した。これにより、
電界の過渡応答によるＤＣドリフトの変動量を小さくす
ることができ、素子寿命を延ばすことができる。

【００１９】図２は、図１に示した光導波路素子の電気
的な等価回路を素子の断面構造に対応させて表わしたも
のである。制御用電極３７、３８の各ノード４１、４２
の間には、スイッチ４３を介して電圧Ｅの直流電源４４
が接続されている。制御用電極３７、３８と結晶基板３
２のそれぞれ対応する光導波路３３、３４の間の光学的
バッファ層３５には、それぞれ容量Ｃ_fdおよび抵抗Ｒ_fd
の並列回路が等価的に接続されており、光学的バッファ
層３５におけるこれらの２つのノード４３、４４の間に
は容量Ｃ_ftおよび抵抗Ｒ_ftの並列回路が等価的に接続さ
れている。結晶基板３２における各光導波路３３、３４
は、それぞれ容量Ｃ_bdおよび抵抗Ｒ_bdの並列回路で表わ
すことができ、これらに対応するノード４５、４６の間
には容量Ｃ_btおよび抵抗Ｒ_btの並列回路が等価的に接続
されている。

【００２０】今、ある時間ｔに一方の光導波路３４のノ
ード４４、４６間に作用する電圧をＶ（４４，４６、
ｔ）で表わすものとする。このときのＤＣドリフトをＤ
（４４，４６、ｔ）とすると、これは次の（１）式で示
すことができる。

【００２１】

【数１】

【００２２】図３は、図２に示した等価回路による電界
過度応答シミュレーション結果を示したものである。図
中の各曲線は、図２に示した等価回路における結晶基板
３２に対する光学的バッファ層３５の膜厚を一定とした
体積抵抗率の比Ｒ_fd／Ｒ_bdをパラメータにして、ＤＣド
リフトであるＤ（４４，４６、ｔ）の挙動の一例を示し
たものである。体積抵抗率の比Ｒ_fd／Ｒ_bdが１０倍のと
きは図で白丸で示しているが、電界過度応答によるＤＣ
ドリフトが２０％程度に抑圧されていることがわかる。
体積抵抗率の比Ｒ_fd／Ｒ_bdが１００倍のときは図で黒丸
で示している。これよりも比が多くなると、飽和時にお
けるＤＣドリフト量（％）が１００％に近づき、好まし
くない。また、体積抵抗率の比Ｒ_fd／Ｒ_bdが例えば０．
１倍のときには図で黒の菱形で示しているが経過時間の
初期段階（図では例えば１時間の時点）でＤＣドリフト
量（％）が“０”から急激に変化しており、また、更に
膜厚を厚くした場合、さらに変化が大きくなるので好ま
しくない。体積抵抗率の比Ｒ_fd／Ｒ_bdが１倍のときには
図で黒の四角で示しているが、これが倍率の低い場合の
好ましい特性の限界となる。

【００２３】したがって、光学的バッファ層の直流にお
ける体積抵抗率は、強誘電体結晶基板の体積抵抗率に対
して１倍から１００倍の範囲に調整されていることが好
ましく、この図には示していないが２倍から２０倍程度
が更に好ましいことになる。すなわち、結晶基板３２の
体積抵抗率が１０¹⁵Ωｃｍ程度である場合には、１０ ¹⁶
Ωｃｍのオーダの体積抵抗率を有する二酸化シリコン
（SiO₂）膜を光学的バッファ層３５として用いること
で、電界過度応答によるＤＣドリフトを長期間有効に抑
えることができる。

【００２４】変形例

【００２５】図４は、本発明の第１の変形例における光
導波路素子の光導波路素子の断面構造を表わしたもので
ある。この図で図１と同一部分には同一の符号を付して
おり、これらの説明を適宜省略する。この第１の変形例
の光導波路素子５１の場合には、光学的バッファ層３５
Ａを制御用電極３７、３８の間の部分から除去してい
る。これにより、光学的バッファ層３５Ａにおけるイオ
ン移動による反電界の形成を阻止することができ、電界
の過渡応答によるＤＣドリフトを抑圧することができ
る。

【００２６】図５は、本発明の第２の変形例における光
導波路素子の光導波路素子の断面構造を表わしたもので
ある。この図で図１と同一部分には同一の符号を付して
おり、これらの説明を適宜省略する。この第２の変形例
の光導波路素子６１の場合には、光学的バッファ層３５
Ｂを制御用電極３７、３８と光導波路３３、３４に挟ま
れた部分のみ存在させている。そして、結晶基板３２の
上部より、内部温度上昇に対して特性が安定化するとい
う効果があることが知られている帯電防止膜６２を成膜
している。この場合にも、光学的バッファ層３５Ｂにお
けるイオン移動による反電界の形成を阻止することがで
き、電界の過渡応答によるＤＣドリフトを抑圧すること
ができる。

【００２７】なお、以上説明した実施例および変形例で
は光導波路素子の光導波路を方向性結合器として実現し
た例を示したが、分波部と合波部を有する分波干渉計と
してのマッハツェンダ干渉計として実現することも可能
である。この場合にも、前記したように光学的バッファ
層が、その直流における体積抵抗率が強誘電体結晶基板
の体積抵抗率に対して１倍から１００倍の範囲に調整さ
れることが好ましい。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、制
御電極と光導波路の間に配置された光学的バッファ層の
直流における体積抵抗率を、強誘電体結晶基板の体積抵
抗率に対して１倍から１００倍の範囲に設定したので、
電界の過渡応答によるＤＣドリフトにおける時間経過に
対する変動量そのものを小さくし、光導波路素子の寿命
を延ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における光導波路素子の断面
図である。

【図２】図１に示した光導波路素子の電気的な等価回路
を素子の断面構造に対応させて表わした回路図である。

【図３】図２に示した等価回路による電界過度応答シミ
ュレーション結果を示した特性図である。

【図４】本発明の第１の変形例における光導波路素子の
断面図である。

【図５】本発明の第２の変形例における光導波路素子の
断面図である。

【図６】導波形の光制御素子の一種である方向性結合形
光スイッチの一般的な構成を示す斜視図である。

【符号の説明】

３１、５１、６１光導波路素子３２ニオブ酸リチウム結晶基板３３、３４光導波路３５、３５Ａ、３５Ｂ光学的バッファ層３７、３８制御用電極４１〜４６ノード６２帯電防止膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学効果を有する強誘電体結晶基板
と、この基板上に形成された光導波路と、この光導波路に入射した光の出力端を制御するための制
御電極と、この制御電極と前記光導波路の間に配置されその直流に
おける体積抵抗率が前記強誘電体結晶基板の体積抵抗率
に対して１倍から１００倍の範囲に調整された光学的バ
ッファ層とを具備することを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】前記強誘電体結晶基板はニオブ酸リチウ
ム結晶基板であり、光学的バッファ層は二酸化シリコン
であることを特徴とする請求項１記載の光導波路素子。
【請求項３】前記光導波路は、マッハツェンダ形光干
渉器を構成することを特徴とする請求項１記載の光導波
路素子。
【請求項４】前記光導波路は、方向性結合器を構成す
ることを特徴とする請求項１記載の光導波路素子。