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WO2013015294A1 - 光導波路素子 - Google Patents

光導波路素子 Download PDF

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WO2013015294A1
WO2013015294A1 PCT/JP2012/068763 JP2012068763W WO2013015294A1 WO 2013015294 A1 WO2013015294 A1 WO 2013015294A1 JP 2012068763 W JP2012068763 W JP 2012068763W WO 2013015294 A1 WO2013015294 A1 WO 2013015294A1
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WO
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optical waveguide
buffer layer
substrate
uneven distribution
layer
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/068763
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English (en)
French (fr)
Inventor
孝 神力
藤野　哲也
雅尚 栗原
Original Assignee
住友大阪セメント株式会社
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
    • G02F1/035—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2201/00—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00
    • G02F2201/07—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 buffer layer

Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide device, and more particularly to an optical waveguide device in which an optical waveguide, a buffer layer, and a modulation electrode are formed on a substrate having an electro-optic effect.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a part of an optical waveguide element.
  • An optical waveguide 2 is formed by forming a thermal diffusion portion such as Ti on a substrate 1 having an electro-optic effect.
  • a signal electrode 3 and a ground electrode 4 are arranged in the vicinity of the optical waveguide 2 as modulation electrodes for applying an electric field to the optical waveguide.
  • a buffer layer 5 such as SiO 2 is used to prevent absorption of signal light propagating through the optical waveguide by an electrode that propagates electric signals. Is formed. Further, as shown in Patent Document 1, in order to achieve both the dielectric loss and DC drift characteristics of the buffer layer, several percent of In or Ti oxide is added to the SiO 2 buffer layer by sputtering or the like.
  • An object of the present invention is to provide an optical waveguide device that solves the above-described problems, suppresses the diffusion of carriers such as Li ions into the buffer layer, and has a stable driving voltage over a long period of time.
  • an invention according to claim 1 includes a substrate having an electro-optic effect, an optical waveguide formed on the substrate, a buffer layer formed on the substrate, and a buffer layer on the buffer layer.
  • an optical waveguide device having a modulation electrode that modulates a light wave that propagates through the optical waveguide metal ions contained in the substrate diffuse into the buffer layer between the optical waveguide and the buffer layer.
  • An uneven distribution suppression layer for suppressing uneven distribution is provided.
  • the invention according to claim 2 is the optical waveguide element according to claim 1, wherein the buffer layer is a SiO 2 film to which at least one of In and Ti is added.
  • the invention according to claim 3 is the optical waveguide element according to claim 1 or 2, characterized in that the uneven distribution suppression layer is formed of SiO 2 .
  • the invention according to claim 4 is the optical waveguide device according to any one of claims 1 to 3, wherein the thickness of the uneven distribution suppressing layer is 30 to 200 nm.
  • the invention according to claim 5 is the optical waveguide device according to any one of claims 1 to 4, wherein the uneven distribution suppressing layer is formed by sputtering or chemical vapor deposition.
  • a substrate having an electrooptic effect an optical waveguide formed on the substrate, a buffer layer formed on the substrate, and a buffer layer formed on the buffer layer
  • an optical waveguide device having a modulation electrode that modulates a propagating light wave to suppress diffusion and uneven distribution of metal ions contained in the substrate in the buffer layer between the optical waveguide and the buffer layer Therefore, it is possible to suppress the diffusion of metal ions in the substrate as carriers in the buffer layer by heat treatment after the buffer layer is formed, and the metal ions are unevenly distributed by applying a driving voltage thereafter. It can also be suppressed. Thereby, it becomes possible to stabilize the drive voltage of the optical waveguide device.
  • the buffer layer is a SiO 2 film to which at least one of In or Ti is added, but the buffer layer is formed in order to suppress deterioration of the high-frequency signal, and then heat treatment such as annealing.
  • metal ions such as Li ions from the substrate easily diffuse into the buffer layer. For this reason, by providing the uneven distribution suppression layer as in the present invention, such diffusion of metal ions can be suppressed, and the drive voltage of the optical waveguide element can be stabilized.
  • the invention according to claim 3 uneven distribution suppressing layer, because it is formed by SiO 2, metal ions from the substrate from being diffused into the buffer layer, it is possible to effectively suppress.
  • the thickness of the uneven distribution suppression layer is 30 to 200 nm, it is possible to suppress the DC drift characteristic from increasing while effectively suppressing the diffusion of metal ions.
  • the uneven distribution suppression layer is formed by sputtering or chemical vapor deposition, the uneven distribution suppression layer and the buffer layer are continuously formed by the same manufacturing apparatus. Thus, it is possible to prevent contamination of the substrate and shorten the manufacturing time.
  • the optical waveguide device of the present invention includes a substrate 1 having an electro-optic effect, an optical waveguide 2 formed on the substrate, a buffer layer 5 formed on the substrate, and the buffer.
  • an optical waveguide element having a modulation electrode (3, 4) that is formed on a layer and modulates a light wave propagating through the optical waveguide the optical waveguide element is included in the substrate between the optical waveguide 2 and the buffer layer 5
  • An uneven distribution suppressing layer 6 is provided for suppressing diffusion and uneven distribution of metal ions in the buffer layer.
  • a substrate using a material having an electro-optic effect can be used.
  • a material having an electro-optic effect for example, lithium niobate, lithium tantalate, PLZT (lead lanthanum zirconate titanate), and quartz-based materials, A substrate combining these materials can also be used.
  • a lithium niobate (LN) crystal having a high electro-optic effect is preferably used.
  • a buffer layer described later is required.
  • the optical waveguide on the substrate it can be formed by diffusing on the substrate surface by a thermal diffusion method such as Ti or a proton exchange method. It is also possible to use a ridge-shaped waveguide having a convex portion corresponding to the optical waveguide, such as etching a substrate other than the optical waveguide or forming grooves on both sides of the optical waveguide.
  • modulation electrodes such as the signal electrode 3 and the ground electrode 4 are formed on the substrate 1.
  • Such an electrode can be formed by forming an Au electrode pattern, a gold plating method, or the like.
  • a buffer layer 5 is provided between the optical waveguide 2 and the modulation electrodes (3, 4).
  • the buffer layer is doped with several percent of In, Ti, or an oxide thereof by sputtering or the like in the SiO 2 layer.
  • the thickness of the buffer layer should be set to about 500 nm to 1000 nm, particularly about 600 nm in consideration of the condition that the absorption of the light wave by the electrode is suppressed and the electric field formed by the electrode is effectively applied to the optical waveguide. Is preferred.
  • a feature of the optical waveguide device of the present invention is that the uneven distribution suppressing layer 6 is provided on the substrate 1 on which the optical waveguide 2 is formed. Thereby, it is possible to suppress the diffusion of metal ions in the substrate as carriers in the buffer layer by heat treatment after forming the buffer layer, and to suppress the uneven distribution of the metal ions due to the subsequent application of the driving voltage. . Thereby, it becomes possible to stabilize the drive voltage of the optical waveguide device.
  • the uneven distribution suppressing layer 6, SiO 2 film can be suitably used.
  • the uneven distribution suppressing layer may be formed by any film forming method such as sputtering, vapor deposition, and chemical vapor deposition (CVD).
  • CVD chemical vapor deposition
  • a buffer layer such as a SiO 2 layer to which In or Ti is added.
  • a method capable of continuously forming a film in the same manufacturing apparatus is also effective from the viewpoint of preventing contamination of the substrate 1 and shortening the time of the manufacturing process.
  • the SiO 2 target can obtain a high-density one, so that the formed film can be kept at a high density, and the diffusion of metal ions such as Li ions can be more effectively performed. Can be suppressed.
  • a sputtering method capable of continuously forming different compositions is desirable.
  • the thickness of the uneven distribution suppressing layer is about 30 to 200 nm in order to achieve both the uneven distribution suppressing effect and the DC drift characteristic.
  • FIG. 3 shows how the DC drift characteristic changes when the thickness of the uneven distribution suppression layer is changed in the range of 10 nm to 600 nm.
  • the DC drift characteristics increase as the thickness of the uneven distribution suppression layer increases.
  • the thickness of 300 nm or more exceeds the allowable range of DC drift, and the performance as an optical waveguide device is greatly increased. It is easily understood that it is decreasing.
  • FIG. 4 is a graph showing a state of drive voltage deterioration with respect to a change in the thickness of the uneven distribution suppression layer. Since the drive voltage degradation is caused exclusively by the diffusion of metal ions such as Li in the substrate 1 into the buffer layer 5, the low drive voltage degradation effectively suppresses the diffusion of metal ions. It means that it is made. From FIG. 4, it is understood that when the thickness of the uneven distribution suppression layer is 30 nm or more, the drive voltage deterioration is effectively improved.
  • the thickness of the uneven distribution suppressing layer is suitably 30 to 200 nm, and most preferably about 100 nm.
  • the uneven distribution suppressing layer of the present invention can effectively suppress diffusion of metal ions in the substrate to the buffer layer by heat treatment or the like.
  • the heat treatment conditions are relaxed (the treatment temperature is lowered or the treatment time is shortened), and carriers such as Li in the substrate are mixed into the buffer layer.
  • the deterioration of the drive voltage can be suppressed.
  • the DC drift characteristic deteriorates when the heat treatment conditions are relaxed so that the mixing of carriers can be suppressed to the extent that the drive voltage does not deteriorate, the deterioration of the drive voltage and the DC drift characteristic are reduced as in the present invention. It is impossible to achieve both improvements.
  • an optical waveguide element in which the diffusion of carriers such as Li ions into the buffer layer is suppressed and the driving voltage is stable for a long period of time.

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Abstract

　バッファ層中へのＬｉイオン等のキャリアの拡散を抑制し、長期間に渡り駆動電圧が安定した光導波路素子を提供することを目的とする。　電気光学効果を有する基板１と、該基板に形成された光導波路２と、該基板の上に形成されたバッファ層５と、該バッファ層上に形成され、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極（３，４）とを有する光導波路素子において、該光導波路２と該バッファ層５との間に、該基板に含まれる金属イオンが該バッファ層内に拡散し偏在することを抑制するための偏在抑制層６を設けることを特徴とする。

Description

光導波路素子
　本発明は光導波路素子に関し、特に、電気光学効果を有する基板に光導波路とバッファ層及び変調電極とを形成した光導波路素子に関する。
　光通信分野や光計測分野において、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの電気光学効果を有する基板上に光導波路と変調電極を形成した、光強度変調器などの光導波路素子は広く使われている。図１は、光導波路素子の一部を示す断面図であり、電気光学効果を有する基板１に、Ｔｉ等の熱拡散部を形成することで光導波路２を形成している。光導波路に電界を印加する変調電極として、信号電極３及び接地電極４が光導波路２の近傍に配置されている。
　ニオブ酸リチウム等の電気光学効果を有する結晶を基板として利用する光導波路素子では、電気信号を伝搬させる電極により、光導波路を伝搬する信号光の吸収を防ぐため、ＳｉＯ２などのバッファ層５が形成されている。また、特許文献１に示すように、バッファ層の誘電損失やＤＣドリフト特性を両立させるため、スパッタ法などにより、ＳｉＯ２バッファ層中にＩｎやＴｉの酸化物を数％添加している。
　しかしながら、バッファ層を形成した後に、アニール処理など製造プロセスの熱処理を行うと、基板１からＬｉイオンなどがバッファ層５中に拡散し易くなる。そして、このようなバッファ層を使用し、長期間に渡り電圧を印加し続けると、Ｌｉイオン等のキャリアが導波路近傍に集積し、光導波路素子の駆動電圧が不安定になるという問題を生じていた。
特開平５－２５７１０５号公報
　本発明は、上述した問題を解消し、バッファ層中へのＬｉイオン等のキャリアの拡散を抑制し、長期間に渡り駆動電圧が安定した光導波路素子を提供することである。
　上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該基板の上に形成されたバッファ層と、該バッファ層上に形成され、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極とを有する光導波路素子において、該光導波路と該バッファ層との間に、該基板に含まれる金属イオンが該バッファ層内に拡散し偏在することを抑制するための偏在抑制層を設けることを特徴とする。
　請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光導波路素子において、該バッファ層は、Ｉｎ又はＴｉの少なくともいずれかを添加したＳｉＯ２膜であることを特徴とする。
　請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該偏在抑制層は、ＳｉＯ２で形成されていることを特徴とする。
　請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子において、該偏在抑制層の厚みは、３０～２００ｎｍであることを特徴とする。
　請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路素子において、該偏在抑制層の成膜は、スパッタ法又は化学気相成長法により形成することを特徴とする。
　請求項１に係る発明により、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該基板の上に形成されたバッファ層と、該バッファ層上に形成され、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極とを有する光導波路素子において、該光導波路と該バッファ層との間に、該基板に含まれる金属イオンが該バッファ層内に拡散し偏在することを抑制するための偏在抑制層を設けるため、バッファ層を形成した後の熱処理などで、基板中の金属イオンがキャリアとしてバッファ層中に拡散するのを抑制でき、その後の駆動電圧の印加により該金属イオンが偏在するのも抑制できる。これにより、光導波路素子の駆動電圧を安定化することが可能となる。
　請求項２に係る発明により、バッファ層は、Ｉｎ又はＴｉの少なくともいずれかを添加したＳｉＯ２膜であるが、バッファ層は、高周波信号の劣化を抑制するために形成した後にアニール処理などの熱処理によって緻密化する必要があり、特に基板からのＬｉイオン等の金属イオンがバッファ層中に拡散し易くなる。このため、本発明のように偏在抑制層を設けることで、このような金属イオンの拡散を抑制でき、光導波路素子の駆動電圧を安定化することが可能となる。
　請求項３に係る発明により、偏在抑制層は、ＳｉＯ２で形成されているため、基板からの金属イオンがバッファ層中に拡散するのを、効果的に抑制することが可能となる。
　請求項４に係る発明により、偏在抑制層の厚みは、３０～２００ｎｍであるため、金属イオンの拡散を効果的に抑制しながら、ＤＣドリフト特性が大きくなるのを抑制することが可能となる。
　請求項５に係る発明により、偏在抑制層の成膜は、スパッタ法又は化学気相成長法により形成するため、偏在抑制層の成膜とバッファ層の成膜とを、同一の製造装置で連続して行うことができ、基板の汚染を防ぎ、製造時間の短縮を図ることが可能となる。
従来の光導波路素子の一例を示す断面図である。 本発明の光導波路素子を示す断面図である。 偏在抑制層の厚みとＤＣドリフト特性との関係を示すグラフである。 偏在抑制層の厚みと駆動電圧劣化との関係を示すグラフである。
　本発明の光導波路素子について、以下に詳細に説明する。
　図２に示すように、本発明の光導波路素子は、電気光学効果を有する基板１と、該基板に形成された光導波路２と、該基板の上に形成されたバッファ層５と、該バッファ層上に形成され、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極（３，４）とを有する光導波路素子において、該光導波路２と該バッファ層５との間に、該基板に含まれる金属イオンが該バッファ層内に拡散し偏在することを抑制するための偏在抑制層６を設けることを特徴とする。
　本発明に利用される基板としては、電気光学効果を有する材料を用いた基板が利用でき、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料、並びにこれらの材料を組み合わせた基板が利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）結晶が好適に利用される。また、Ｚカット型の基板では、光導波路の真上に変調電極が配置されるため、後述するバッファ層が必要となる。
　基板に光導波路を形成する方法としては、Ｔｉなどの熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより形成することができる。また、光導波路以外の基板をエッチングしたり、光導波路の両側に溝を形成するなど、基板に光導波路に対応する部分を凸状としたリッジ形状の導波路を利用することも可能である。
　光導波路素子では、基板１上に信号電極３や接地電極４などの変調電極が形成される。このような電極は、Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。
　光導波路２と変調電極（３，４）との間には、バッファ層５が設けられている。バッファ層には、誘電損失とＤＣドリフト特性を改善するため、ＳｉＯ２層中にスパッタ法などで、ＩｎやＴｉ又はこれらの酸化物を数％添加している。バッファ層の厚みは、光波の電極による吸収を抑制し、電極が形成する電界が光導波路に効果的に印加されるような条件を考慮して、５００ｎｍ～１０００ｎｍ、特に、６００ｎｍ程度に設定することが好ましい。
　本発明の光導波路素子の特徴は、光導波路２を形成した基板１に、偏在抑制層６を設けていることである。これにより、バッファ層を形成した後の熱処理などで、基板中の金属イオンがキャリアとしてバッファ層中に拡散するのを抑制でき、その後の駆動電圧の印加により該金属イオンが偏在するのも抑制できる。これにより、光導波路素子の駆動電圧を安定化することが可能となる。
　特に、バッファ層５に、Ｉｎ又はＴｉの少なくともいずれかを添加したＳｉＯ２膜を利用する場合には、スパッタ法などでバッファ層５を形成した後にアニール処理（例えば、６００℃での熱処理）などの熱処理を行う必要がある。ここで、Ｉｎ又はＴｉの少なくともいずれかを添加したＳｉＯ２膜をスパッタ法で形成する場合は、予め所望の組成に調整された混合焼結体ターゲットを使用するのが組成の再現性の点から有効であるが、この場合は、ターゲットの密度を高くすることが困難であるため、形成された膜も、低密度なものとなる傾向があり、結果として高周波信号の劣化が生じる。さらに、この膜を熱処理することにより、基板からのＬｉイオン等の金属イオンがバッファ層中に拡散し易くなるため、本発明のように偏在抑制層６を設けることで、このような金属イオンの拡散を抑制できる。
　偏在抑制層６としては、ＳｉＯ２膜が好適に利用可能である。偏在抑制層の成膜方法は、スパッタ法、蒸着法、化学気相成長（ＣＶＤ）法などいずれの成膜方法でも良いが、例えば、ＩｎやＴｉを添加したＳｉＯ２層のようなバッファ層まで、同一製造装置内で連続して成膜できる方法が、基板１の汚染を防ぐ観点や、製造プロセスの時間を短縮する観点からも有効である。また、ＳｉＯ２ターゲットは、焼結体と異なり、高密度なものを得ることが出来るため、形成された膜も高密度に保つことが出来、Ｌｉイオン等の金属イオンの拡散をより効果的に抑制出来る。具体的には、異なる組成を連続して成膜できるスパッタ法が望ましい。
　偏在抑制層の膜厚は、偏在抑制効果とＤＣドリフト特性の二つを両立させるため、３０～２００ｎｍ程度とする。図３は、偏在抑制層の厚みを１０ｎｍ～６００ｎｍの範囲で変化させた際に、ＤＣドリフト特性の変化の様子を示している。図３のグラフからも明らかなように、偏在抑制層の厚みが増すに従ってＤＣドリフト特性が大きくなり、特に３００ｎｍ以上の厚みでは、ＤＣドリフトの許容範囲を超え、光導波路素子としての性能が大幅に低下していることが容易に理解される。
　図４は、偏在抑制層の厚みの変化に対する駆動電圧劣化の様子を示すグラフである。駆動電圧劣化は、専ら、基板１中のＬｉなどの金属イオンがバッファ層５中に拡散することにより発生しているため、駆動電圧の劣化が少ないことは、金属イオンの拡散を効果的に抑制できていることを意味する。図４から偏在抑制層の厚みが３０ｎｍ以上の場合には、駆動電圧劣化を効果的に改善していることが理解される。
　図３及び図４の結果からも、偏在抑制層の厚みは、３０～２００ｎｍが適切であり、特に、１００ｎｍ程度が最も好ましい。
　本発明の偏在抑制層は、熱処理などにより、基板中の金属イオンがバッファ層へ拡散するのを効果的に抑制できる。仮に、ＩｎやＴｉを添加したバッファ層を成膜した後、熱処理条件を緩和（処理温度を下げる又は、処理時間を短縮）して、基板中のＬｉなどのキャリアがバッファ層中に混入することを抑制した場合にも、駆動電圧の劣化を抑制できる。しかしながら、駆動電圧が劣化しない程度まで、キャリアの混入が抑制できるような熱処理条件に緩和した場合には、ＤＣドリフト特性が劣化するため、本発明のように、駆動電圧の劣化抑制とＤＣドリフト特性の改善を両立させることはできない。
　以上説明したように、本発明によれば、バッファ層中へのＬｉイオン等のキャリアの拡散を抑制し、長期間に渡り駆動電圧が安定した光導波路素子を提供することが可能となる。
１　電気光学効果を有する基板
２　光導波路
３　信号電極
４　接地電極
５　バッファ層
６　偏在抑制層

Claims (5)

  1. 　電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該基板の上に形成されたバッファ層と、該バッファ層上に形成され、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極とを有する光導波路素子において、
    　該光導波路と該バッファ層との間に、該基板に含まれる金属イオンが該バッファ層内に拡散し偏在することを抑制するための偏在抑制層を設けることを特徴とする光導波路素子。
  2. 　請求項１に記載の光導波路素子において、該バッファ層は、Ｉｎ又はＴｉの少なくともいずれかを添加したＳｉＯ２膜であることを特徴とする光導波路素子。
  3. 　請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該偏在抑制層は、ＳｉＯ２で形成されていることを特徴とする光導波路素子。
  4. 　請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子において、該偏在抑制層の厚みは、３０～２００ｎｍであることを特徴とする光導波路素子。
  5. 　請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路素子において、該偏在抑制層の成膜は、スパッタ法又は化学気相成長法により形成することを特徴とする光導波路素子。
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