JPH07234422A

JPH07234422A - 光導波路素子

Info

Publication number: JPH07234422A
Application number: JP2779394A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Iwasaki; 正明岩崎
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-02-25
Filing date: 1994-02-25
Publication date: 1995-09-05

Abstract

(57)【要約】【目的】ＤＣドリフトを低減したバッファ層を簡単な
製造工程で形成する。【構成】光導波路が形成された電気光学効果を有する
強誘電体結晶基板上に、その組成ＳｉＯｘにおけるｘの
値を、１．６以上でかつ２．０未満の範囲に調整したバ
ッファ層を形成し、このバッファ層上に制御電極を設け
る。バッファ層の組成を調整し最適化することによっ
て、製造工程の追加や、複雑な工程を加えることなく、
ＤＣドリフトを低減した光導波路素子を作成することが
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、光波の変調や光路の切
り換え等を行う光導波路素子に係わり、特にＤＣドリフ
トを低減した光導波路素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信システムでは、送信する情報に応
じて半導体レーザからの光を変調するための光変調器
や、光伝送路の切り換えを行う交換機や、伝送路に接続
される各端末の接続および切り換えを行うためのスイッ
チングデバイスが必要不可欠である。現在実用レベルの
変調方式は、送信するデータ信号によって変調された電
流を、半導体レーザや発光ダイオードなどの発光素子に
供給することによって、発光する光の強度を直接変調し
ている。このような直接変調では、緩和振動の効果のた
めに約１０ギガヘルツ以上の高速変調が困難である。ま
た、変調によって波長変動が発生するために、コヒーレ
ント光伝送においては、直接変調方式は適さない。

【０００３】また、従来の光伝送路の光路切り替えスイ
ッチは、プリズムやミラーまたは光ファイバ等の光学部
品自体を機械的に移動させることによって、光路の切り
替えを行うものである。このため、切り替えが低速で
ある、信頼性が十分でない、装置サイズが大きい、
などの欠点を有し、特にサイズの問題から光路をマトリ
クス状に切り替えるような複雑な光路切り替え器には不
適切であった。そこで、電気光学効果を有する基板上に
形成された光導波路を伝搬する光の経路を、制御電極に
印加する電圧を制御することによって切り替える光制御
素子が開発されている。このタイプの光制御素子は、光
路の切換を高速にでき、また、素子のサイズが小さく集
積化・マトリクス化に向くほか、高信頼性であるとい特
徴がある。

【０００４】図４は従来の光制御素子の１つである光方
向性結合器の斜視図である。基板１１は光学軸に対して
垂直に切り出して整形したＬｉＮｂＯ₃（ニオブ酸リチ
ウム）結晶基板であり、基板１１の一方の面にはＴｉ
（チタン）等の金属を拡散して光導波路１２、１３が形
成されている。光導波路１２、１３は、基板中央付近で
は数マイクロメートル程度の間隔で近接して配置され、
光方向性結合器１４を構成している。光導波路１２、１
３は光を入射する入射端面１５、１６と、入射された光
を出射する出射端面１７、１８を備えている。基板１１
の光導波路１２、１３が形成された面上には、図示しな
いバッファ層１９が形成されており、バッファ層１９上
には光導波路に対向するように制御電極２１、２２が設
けられている。

【０００５】制御電極２１、２２の間に電圧を印加しな
い場合には、入射端面１５から入射された入射光２５
は、光導波路１２中を伝搬し、光方向性結合器１４の部
分で、近接している光導波路１３にそのエネルギーが移
行する。光方向性結合器１４の長さが、完全結合長と一
致している場合には、ほぼ１００％のエネルギーが、光
導波路１２から光導波路１３に移行する。したがって、
光導波路１３の出射端面１８から出射光２６が出射さ
れ、光導波路１２の出射端面１７からは出射されない。
制御電極２１、２２の間に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１２、１３の屈折率が変
化し、光導波路１２、１３の屈折率が非対称となる。こ
のため光導波路１２、１３を伝搬する光波の位相が不整
合となり、これらの結合状態が変化する。ここで、印加
する電圧を適当に選ぶことによって、光導波路１２から
光導波路１３に移行したエネルギーが、元の光導波路１
２に戻り、光導波路１２の出射端面１７から出射光２７
が出射され、出射端面１８から出射光２６が出射されな
くなる。このように制御電極に印加する電圧を制御する
ことによって、入射光２５を出射端面１７と出射端面１
８の何れから出射させるかを切り替えることができる。

【０００６】このような光制御素子においてバッファ層
１９が光導波路と制御電極の間に設けられているのは、
制御電極によって光が吸収されて、光制御素子における
光の損失が増大することを回避するためである。また、
制御電極間を絶縁するために、バッファ層１５は絶縁性
材料であるＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃を組成とする酸化膜で
構成されている。

【０００７】光路を制御するための制御電極には、動作
点を設定するための直流バイアス電圧が印加される。直
流バイアス電圧が印加されると、ＳｉＯ₂層の内部でイ
オンの移動が起こり、このイオンが負電極に吸引されて
反電界を形成し、制御電極に電圧を印加することによっ
て発生している電界を打ち消す作用を果たす。このた
め、印加した電圧が低下したのと等価となり、光制御素
子に与えている直流バイアス電圧が変化し、動作点が移
動してしまう。この現象はＤＣドリフトと呼ばれてお
り、直流電圧を印加する時間の経過とともに反電界が大
きくなり、光導波路素子の寿命を制限する要因になって
いる。実験によれば、バッファ層として二酸化シリコン
を使用した場合には、印加している電圧と等しい電圧が
ドリフトした例もある。

【０００８】ＤＣドリフトを低減する方法として、制御
電極間のバッファ層をストライプ状にリフト・オフして
除去し、バッファ層を分割した光導波路素子がある。こ
のバッファ層はＡｌ₂Ｏ₃からなる絶縁性材料が使用さ
れており、制御電極に電圧を印加することでバッファ層
内でイオンの移動が発生するが、これを制御電極間のバ
ッファ層を除去することで抑制し、ＤＣドリフトを低減
している。このようなＤＣドリフトの低減方法について
は、特開昭５６─１６５１２２号公報に開示されてい
る。また、光導波路と電極の間のバッファ層を導電性を
有する材料で構成し、この材料よりも高い抵抗の材料よ
って光導波路と電極の間以外の部分のバッファ層を構成
する光導波路素子が特開平４─１９７１４号公報に開示
されている。さらに、光導波路の形成された基板上に透
明導電膜を形成し、この上に電極層を形成し、これらを
光導波路上の部分が残るようにエッチングしてバッファ
層および制御電極を形成した光導波路が特開昭６０─８
８２４号公報に開示さている。これらはいずれも、電極
による光の吸収を抑えるために、電極と光導波路の間に
導電性の材料によるバッファ層を設けている。また、Ｄ
Ｃドリフトを低減するために、電極間におけるバッファ
層を適当な導電率をもつ材料で形成したり、電極間のバ
ッファ層をエッチングにより除去している。また、バッ
ファ層を光の吸収が増大しない範囲の導電性材料と絶縁
性材料を合成した材料によって形成し、ＤＣドリフトを
低減させた光導波路素子が特開昭６１─１９８１３３号
公報に開示されている。さらに、ニオブ酸リチウムなど
の結晶基板に、燐などの５族元素あるいは塩素をドーピ
ングすることによって、イオンの移動を阻止する方法が
提案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このような従来のＤＣ
ドリフトの低減方法は、光導波路と制御電極間のバッフ
ァ層とこれ以外の部分のバッファ層を異なる導電率の材
料で構成するために、バッファ層を形成する工程が複雑
化したり、制御電極間のバッファ層を除去するためにフ
ォトリソグラフィー工程やエッチング工程が必要とな
る。さらに、燐や塩素をドーピングする場合にはこのド
ーピング工程を追加する必要がある。このように、ＤＣ
ドリフトを低減する従来の方法は、製造工程が複雑にな
るという問題があり、製造工程の複雑化に伴って製造歩
留りの低下を招き、コストを上げる要因となっている。

【００１０】そこで本発明の目的は、製造プロセスを複
雑にすることなく、ＤＣドリフトを低減できるバッファ
層を形成することにある。

【００１１】

【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基板と、この基板に形成され
た光導波路と、この光導波路上に形成されその組成がＳ
ｉＯｘであってｘの値が１．６以上かつ２．０未満の範
囲にあるバッファ層と、このバッファ層の上に形成され
た制御電極とを光導波路素子に具備させた。

【００１２】すなわち請求項１記載の発明では、バッフ
ァ層の組成ＳｉＯｘのｘの値を１．６以上かつ２．０未
満とすることで、従来使用されていたＳｉＯ₂を組成と
するバッファ層に比べて、バッファ層内のイオンの移動
を抑制して、ＤＣドリフトを低減させている。

【００１３】請求項２記載の発明では、電気光学効果を
有する基板と、この基板に形成された光導波路と、この
光導波路上に形成されその組成がＳｉＯｘであってｘの
値が１．８を中心にその前後０．１の範囲にあるバッフ
ァ層と、このバッファ層の上に形成された制御電極とを
光導波路素子に具備させた。

【００１４】すなわち請求項２記載の発明では、バッフ
ァ層の組成ＳｉＯｘのｘの値を最適化し、組成を調整し
て得られる中で、最もＤＣドリフトを低減している。

【００１５】請求項３記載の発明では、ニオブ酸リチウ
ム結晶基板を使用した。ニオブ酸リチウムは電気光学効
果が大きく、また光の吸収が小さく低損失であり光導波
路素子の基板としては好適である。

【００１６】請求項４記載の発明では、光導波路によっ
て、光方向性結合器を構成させている。

【００１７】請求項５記載の発明では、光導波路によっ
て、干渉型光変調器を構成させている。このような干渉
型光変調器としては、たとえば、マッハ・ツェンダ型光
干渉計がある。

【００１８】

【実施例】以下実施例につき本発明を詳細に説明する。

【００１９】図１は、本願発明の一実施例を表わした光
導波路素子の断面を表わしたものである。Ｚ軸方向にカ
ットしたニオブ酸リチウム結晶基板３１に、Ｙ軸方向に
光が伝搬するように、光導波路３２、３３を形成してい
る。光導波路３２、３３は５００Å程度の薄膜チタン
（Ｔｉ）のパタンを１０００°Ｃ程度で熱拡散して形成
している。基板３１の光導波路３２、３３の形成された
面上に、バッファ層３４が設けられ、このバッファ層３
４の上に光導波路３２、３３と近接するように制御電極
３５、３６が配置されている。

【００２０】バッファ層３４はその組成がＳｉＯｘであ
り、ｘの値は１．６以上でかつ２．０未満の範囲に調整
されている。バッファ層３４の基板３１上への堆積は、
Ｓｉ（シリコン）をターゲットとして、酸素を含んだ雰
囲気中でスパッタリングして行っている。このほかに
も、ＳｉＯ₂をターゲットとし低入射電力または低真空
の雰囲気中でスパッタリングする方法がある。ｘの値の
調整は、スパッタリングする際のガスの圧力条件を変化
させることによって行っている。制御電極としては金
（Ａｕ）を用いており、バッファ層３４との付着性を良
くするために、クローム（Ｃｒ）またはチタンの金属薄
膜を介して形成している。

【００２１】図２は、このようにして作成した光導波路
素子におけるバッファ層の膜厚方向における組成分布を
表わしたものである。ここでは、ガス圧力条件を０．２
〜１．０Ｐａ（パスカル）の範囲で変化させて作成した
３つのバッファ層の組成比を示してある。図中の実践４
１で表わされたバッファ層の組成比はｘの値がほぼ２．
０で、一点破線４２で表わされたバッファ層の組成比は
ｘの値がほぼ１．７で、点線４３で表わされたバッファ
層の組成比はｘの値がほぼ１．８である。組成比の分析
は、エスカ分析（エレクトロン・スペクトロスコピー・
フォー・ケミカル・アナリシス）によって行っている。
分析装置の測定限界から表面から５００ナノメートルま
での分析結果を示してある。表面のごく近く（５０ナノ
メートル程度まで）で組成ＳｉＯｘにおけるｘの値が大
きくなっているのは、分析装置の分析精度に依存したも
ので、信頼性に乏しい。しかし、表面から５０〜１００
ナノメートル以上の深さにおいては、ほぼ真の組成を示
していると考えられる。

【００２２】図３は、図２で示した組成比の各バッファ
層を用いた光導波路素子に直流バイアス電圧を連続して
印加した場合における、経過時間に対するＤＣドリフト
の量を表わしたものである。図３において、実線４４は
バッファ層の組成比が２．０の光導波路素子のＤＣドリ
フト量を、一点破線４５はバッファ層の組成比が１．７
の光導波路素子のＤＣドリフト量を、点線４６はバッフ
ァ層の組成比が１．８の光導波路素子のＤＣドリフト量
を表わしている。測定環境の温度は８５°Ｃである。な
お図３では、ＤＣドリフトの量を印加している直流バイ
アス電圧の値に対する変動した電圧の値として規格化し
て表わしている。バッファ層の組成比が２．０の光導波
路素子では、直流バイアス電圧を印加後、数時間で９０
％のＤＣドリフトが既に発生している（４４）。これに
対し、バッファ層の組成比が１．７および１．８の光導
波路素子では、１００時間経過した時点においても、４
０％以下にＤＣドリフトが抑えられている（４５、４
６）。バッファ層の組成比が１．８の光導波路素子は、
もっともＤＣドリフトが少なく、２０％程度になってい
る（４６）。

【００２３】この実験結果より、バッファ層の組成Ｓｉ
Ｏｘにおけるｘの値を１．８を中心にその前後０．１の
範囲に調整することで、ＤＣドリフトを最小に抑えるこ
とができると考えられる。また、これら３つの光導波路
素子のＤＣドリフト量を比べると、ｘの値が２．０から
１．８にかけて減少し、１．８から１．７にかけて増加
していることが分かる。この変化から、ｘの値を１．６
以上でかつ２．０未満の範囲に調整することで、ＳｉＯ
₂を組成とするバッファ層に比べて、ＤＣドリフトを低
減できると考えられる。このように、組成を調整するこ
とでＤＣドリフトが低減できるのは、バッファ層内に混
在する不純物イオンへの印加電圧が及ぼす作用を低減す
るためと推測できる。これにより不純物イオンの移動が
抑制されて反電界の形成が減少し、時間経過に対するＤ
Ｃドリフト量が小さくなり、結果として素子の寿命が延
ばすことができる。

【００２４】このような組成比が調整されたバッファ層
を使用して、光方向性結合器や、干渉型光変調器を構成
することでができ、これらの素子寿命を延ばすことがで
きる。なお、干渉型光変調器としては、たとえば、マッ
ハ・ツェンダ型光干渉計がある。

【００２５】本実施例では、基板としてニオブ酸リチウ
ム結晶基板を使用したが、これに限るものではなく、電
気光学効果を有する強誘電体結晶であれば他の結晶基板
であっても良い。たとえば、ＬｉＴａＯ₃（タンタル酸
リチウム）を使用することができる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の発明
によれば、バッファ層の組成ＳｉＯｘにおけるｘの値
を、１．６以上かつ２．０未満の範囲に調整して、ＤＣ
ドリフトを低減させたので、光導波路素子の製造工程を
追加したり、複雑な工程を必要せずにＤＣドリフトを低
減した光導波路素子を製造できる。このため製造歩留り
を悪化させたり、コストの上昇を招くことなく、ＤＣド
リフトを低減した光導波路素子を得ることができる。ま
た、長時間に渡って直流バイアス電圧を印加しても、Ｄ
Ｃドリフトを少なく抑えることができるので、光導波路
素子の寿命を延ばすことができる。

【００２７】また、請求項２記載の発明によれば、組成
ＳｉＯｘのｘの値を１．８を中心にその前後０．１の範
囲に調整した。ｘの値の最適化を図ることによって、Ｄ
Ｃドリフトを最も少なく、かつ長時間に渡って低減する
ことができる。

【００２８】請求項３記載の発明によれば、光導波路素
子の基板として、ニオブ酸リチウム結晶基板を用いた。
ニオブ酸リチウムは電気光学効果が非常に大きく、また
光の吸収が小さく低損失であり光導波路素子の基板とし
て好適である。

【００２９】また、請求項４記載の発明によれば、光導
波路によって光方向性結合器を構成した。組成の調整さ
れたバッファ層を用いることにより、光方向性結合器の
寿命を延ばすことができる。

【００３０】さらに、請求項５記載の発明によれば、光
導波路によって干渉型光変調器を構成した。組成の調整
されたバッファ層を干渉型光変調器に用いることによ
り、長期間に渡って安定した動作点で光の変調を行うこ
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
をあらわした断面図である。

【図２】組成を調整したバッファ層の膜厚方向における
組成比を表わした特性図である。

【図３】図２に示した組成のバッファ層を使用した光導
波路素子における直流バイアス電圧の印加時間に対する
ＤＣドリフト量を表わした特性図である。

【図４】光方向性結合器の概略構成を表わした斜視図で
ある。

【符号の説明】

１１、３１基板１２、１３、３２、３３光導波路１４光方向性結合器１５、１６入射端面１７、１８出射端面１９、３４バッファ層２１、２２、３５、３６制御電極２５入射光２６、２７出射光４１、４２、４３膜厚方向の組成比を示した特性４４、４５、４６経過時間に対するＤＣドリフト量を
示した特性

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学効果を有する基板と、この基板に形成された光導波路と、この光導波路上に形成されその組成がＳｉＯｘであって
ｘの値が１．６以上かつ２．０未満の範囲にあるバッフ
ァ層と、このバッファ層の上に形成された制御電極とを具備する
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】電気光学効果を有する基板と、この基板に形成された光導波路と、この光導波路上に形成されその組成がＳｉＯｘであって
ｘの値が１．８を中心にその前後０．１の範囲にあるバ
ッファ層と、このバッファ層の上に形成された制御電極とを具備する
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項３】前記基板は、ニオブ酸リチウム結晶基板
であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の
光導波路素子。
【請求項４】前記光導波路は、光方向性結合器を構成
することを特徴とする請求項１または請求項２記載の光
導波路素子。
【請求項５】前記光導波路は、干渉型光変調器を構成
することを特徴とする請求項１または請求項２記載の光
導波路素子。