CN106716235B - 波导型光元件 - Google Patents

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Abstract

在本发明的波导型光元件中，有效地防止由于经由偏压电极对基板施加强电场而产生的漂移现象的加速。波导型光元件具备：基板(100)，具有电光效应；两个光波导(104、106)，配置在所述基板表面；非导电层(120)，配置在所述基板上，由介电常数比该基板低的材料构成；及控制电极(150)，配置在所述非导电层上，用于对所述两个光波导分别施加电场而在该两个光波导之间产生折射率差，所述非导电层由含有氧化硅、铟的氧化物和钛的氧化物且钛氧化物摩尔浓度与铟氧化物摩尔浓度之比为1.2以上的材料构成，对所述控制电极施加在所述基板产生1V/μm以上的电场的电压。

Description

波导型光元件
技术领域
本发明涉及具备光波导和用于控制在该光波导中传播的光波的电极的波导型光元件的驱动方法，特别涉及具备用于对所谓的漂移进行补偿的偏压电极的波导型光元件。
背景技术
近几年，在光通信、光计测领域中，较多地使用在具有电光效应的基板上配置有光波导的光调制器等波导型光元件。波导型光元件通常具备上述光波导并且具备用于控制在该光波导内传播的光波的电极。
作为这样的波导型光元件，广泛地使用例如将作为强电介质结晶的铌酸锂(LiNbO3)(也称为“LN”)用于基板的马赫-曾德尔型光调制器。马赫-曾德尔型光调制器具备马赫-曾德尔型光波导，该马赫-曾德尔型光波导包括：入射波导，用于从外部导入光；分支部，用于将通过该入射波导导入的光分成两个路径而传播；两条并行波导，传播在分支部的后段分支后的各束光；及出射波导，用于将在这两条并行波导中传播的光合波而向外部输出。而且，马赫-曾德尔型光调制器具备如下电极，该电极用于通过施加电压而利用电光效应来使在上述并行波导内传播的光波的相位发生变化从而进行控制。该电极通常由配置在上述并行波导的上部或其附近的RF(高频)信号电极(以下称为“RF电极”)和与该RF电极分离地配置的接地电极构成。
在将LN用于基板的马赫-曾德尔型光调制器中，由于所谓的DC漂移现象、温度漂移现象，相对于施加电压的光输出特性发生偏移，因此例如在从调制器输出的光调制波形中产生变形等，会产生调制特性的变化(例如，波形品质的恶化)。
作为防止由这样的漂移现象引起的调制特性的变化的方法，已知如下方法：除了配置用于施加高频信号电压的上述RF电极及接地电极以外，还沿着并行波导配置偏压电极，对该偏压电极适当地施加合适的电压，由此对由上述漂移现象引起的电压偏移量(以下也称为“DC漂移电压”)进行补偿(专利文献1)。
即，对偏压电极施加电压，而在该两个并行波导之间产生合适的折射率差，由此调整上述电压偏移量。
而且，作为减轻漂移现象的技术，已知如下技术：由氧化硅和选自元素周期表的三～八族、IB族及IIB族的金属元素以及除硅以外的半导体元素中的一种或一种以上的元素的氧化物的至少一种的混合物或者由硅和选自所述金属元素及半导体元素中的一种或一种以上的元素的氧化物的透明绝缘体构成缓冲层(专利文献2)。在该结构中，随着时间的经过，在初期示出负的DC漂移特性，而且添加物对移动电子、离子的运动造成影响，DC漂移的增加能够比以往平坦化，能够长期地改善DC漂移特性，是有用的技术。
但是，在上述的这些现有技术中，在沿着根据该波导型光元件的尺寸的大小等而受到限制的长度的并行波导单独配置RF电极和偏压电极的情况下，在马赫-曾德尔型光调制器中，为了减小半波电压(Vπ)而延长RF电极长度，作为结果，偏压电极的长度有时会变短。在这样的情况下，在并行波导之间产生期望的折射率差所需的电场变大，因此向偏压电极施加的施加电压也变高。
其结果是，可能产生由于经由上述偏压电极对LN基板施加强电场而上述漂移现象被加速这一现象。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开平5-224163号公报
【专利文献2】日本特开平5-257105号公报
发明内容
发明要解决的课题
根据上述背景，在具有偏压电极的波导型光元件中，期望能够有效地防止由于经由该偏压电极对基板施加强电场而产生的漂移现象的加速的结构的实现。
用于解决课题的方案
本发明的一方案为波导型光元件，该波导型光元件具备：基板，具有电光效应；两个光波导，配置在所述基板表面；非导电层，配置在所述基板上，由介电常数比该基板低的材料构成；及控制电极，配置在所述非导电层上，用于对所述两个光波导分别施加电场而在该两个光波导之间产生折射率差，所述非导电层由含有氧化硅、铟的氧化物和钛的氧化物且钛氧化物摩尔浓度与铟氧化物摩尔浓度之比为1.2以上的材料构成。
根据本发明的其他方案，所述控制电极由配置在所述非导电层上的衬底层和配置在该衬底层上的上部层构成。
根据本发明的其他方案，所述基板由铌酸锂构成，所述两个光波导为构成马赫-曾德尔型光波导的两个并行波导，所述控制电极为用于对漂移现象进行补偿的偏压电极。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的波导型光元件的结构的图。
图2是图1所示的波导型光元件的AA截面向视图。
图3是表示在使用了具有各种组成的缓冲层的情况下的漂移电压的时间变化的评价结果的一例的图。
图4是标绘了在漂移电压的时间变化的评价中使用的波导型光元件的缓冲层的组成的图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
图1是表示本发明的一实施方式的波导型光元件的结构的图。
本波导型光元件10是在基板100上配置马赫-曾德尔(MZ、Mach-Zehnder)型光波导102而成的马赫-曾德尔型光调制器。
基板100是由作为电光学材料的铌酸锂(LN)构成的基板，是例如Z切型的LN基板。在基板100上配置有由非导电性材料构成的非导电层120。该非导电层120例如以避免在MZ型光波导102中传播的光波被后述的电极108等吸收而发生光损失等为目的而设置，能够作为所谓的缓冲层，例如由介电常数比基板100低的材料(关于具体的材料后述)构成。
MZ型光波导102具有并行波导104、106。在并行波导104、106的正上部，分别沿着该并行波导104、106配置有高频(RF)电极108、110，以从RF电极108、110分别仅离开规定的分离距离而隔着该RF电极108、110的方式配置有接地电极112、114、116。向RF电极108与接地电极112、114之间以及RF电极110与接地电极114、116之间分别施加用于控制在并行波导104、106中传播的光波的高频信号。通过这些高频信号，对从MZ型光波导102的图示左端输入的光进行调制(例如，强度调制)，并从图示右端输出。
而且，在基板100上配置有偏压电极150，该偏压电极150是用于对两个并行波导104、106分别施加电场而控制并行波导104、106之间的折射率差的控制电极。偏压电极150由动作电极152、154和基准电极160、162、164构成，该动作电极152、154在并行波导104、106的正上部分别沿着该并行波导104、106配置，该基准电极160、162、164以从该动作电极152、154分别仅离开规定的分离距离而隔着该动作电极152、154的方式设置。
对基准电极160、162、164施加成为基准的电位，对动作电极152、154施加相对于成为该基准的电位的正电压或负电压。由此，在并行波导104、106之间产生折射率差，对由于上述的漂移现象而产生的电压偏移量(即，通过RF电极108、110进行的光调制动作中所需的电压的偏移量)进行补偿。
需要说明的是，上述的各电极108、110、112、114、116、152、154、160、162、164配置在非导电层120上。
图2是图1所示的波导型光元件10的AA截面向视图。构成偏压电极150的动作电极152、154及基准电极160、162、164分别由上部层252a、254a、260a、262a、264a及在这些上部层与非导电层120之间分别配置的衬底层252b、254b、260b、262b、264b构成。上部层252a、254a、260a、262a、264a例如由金(Au)构成，衬底层252b、254b、260b、262b、264b例如由钛(Ti)构成。
根据本发明的发明人的见解，由于经由偏压电极向LN基板等施加强电场而引起的漂移现象的加速的主要原因之一被认为是，由于向偏压电极施加高电压，从偏压电极向存在于该偏压电极下的缓冲层(在本实施方式中与非导电层120对应)或LN基板注入载流子。
并且，本发明的发明人基于上述的见解，对缓冲层的原材料进行各种变更而对由于经由偏压电极向LN基板施加强电场而引起的漂移现象的加速的程度进行了评价。其结果是，得到了如下进一步的见解：将缓冲层设为含有氧化硅、铟的氧化物及钛的氧化物的结构，并且设为该缓冲层中的钛氧化物摩尔浓度与铟氧化物摩尔浓度之比为1.2以上的结构，由此能够有效地抑制对基板施加大约1V/μm以上的电场(在此，电场是以施加电压/电极间隔算出的平均的电场)时向缓冲层注入载流子的情况。
本发明是基于上述见解的技术方案，在本实施方式中，特别是与上述缓冲层对应的非导电层120含有SiO2、作为铟的氧化物的In2O3及作为钛的氧化物的TiO2而构成，以钛氧化物摩尔浓度与铟氧化物摩尔浓度之比为1.2以上的方式构成，例如钛摩尔浓度为9.0mol％、铟摩尔浓度为3.4mol％。
将得到上述见解时使用的实验样品的一例示于表1。各样品的结构与图1、图2所示的波导型光元件10相同，在表1中示出向以SiO2作为主要材料的非导电层120中添加的In2O3及TiO2的摩尔浓度比(单位：mol％)和In2O3与TiO2的摩尔浓度比的浓度比率(＝[TiO2的摩尔浓度比]/[In2O3的摩尔浓度比])。
[表1]
样品a 样品b 样品c 样品d 样品e 样品f
In2O3(摩尔浓度比) 3.4 4.0 4.8 2.7 5.8 8.3
TiO2(摩尔浓度比) 9.0 5.2 5.9 1.4 1.8 2.0
浓度比率(TiO2/In2O3) 2.65 1.30 1.23 0.52 0.31 0.24
对样品a～f分别按以下的顺序测定了DC漂移电压的时间变化。
首先，使光从MZ型光波导102的一端入射，将基准电极160、162、164设为接地电位，仅对动作电极152施加正的初始偏压。在该状态下，以从MZ型光波导102的另一端输出的光的强度为恒定的方式，调整对动作电极152施加的偏压，将该调整后的向动作电极152施加的施加偏压从上述初始偏压的变动量与施加该初始偏压后的时间的经过一同记录。
接着，为了使样品的电压施加履历回到初始状态，将基准电极160、162、164与动作电极152短接并在高温下长时间放置之后，与上述相同地使光从MZ型光波导102的一端入射，将基准电极160、162、164设为接地电位，仅对动作电极152施加负的初始偏压。在该状态下，以从MZ型光波导102的另一端输出的光的强度为恒定的方式调整对动作电极152施加的偏压，将该调整后的向动作电极152施加的施加偏压从上述初始偏压的变动量与施加该初始偏压后的时间的经过一同记录。
图3是作为代表例关于样品b及样品e的DC漂移电压的时间变化的测定结果。图3(a)表示样品b中的偏压的时间变化，图3(b)表示样品e中的时间变化。
在图3(a)、图3(b)中，纵轴是DC漂移电压(单位：V)，横轴是经过时间(单位：小时)。图3(a)所示的曲线300表示关于样品b的对动作电极152施加+3.5V的初始偏压而测定到的DC漂移电压的时间变化，曲线302表示使样品的偏压施加履历回到初始状态之后对动作电极152施加-3.5V的初始偏压而测定到的DC漂移电压的时间变化。而且，曲线304表示使样品的偏压施加履历回到初始状态之后对动作电极152施加+10.0V的初始偏压而测定到的DC漂移电压的时间变化，曲线306表示使样品的偏压施加履历回到初始状态之后对动作电极152施加-10.0V的初始偏压而测定到的DC漂移电压的时间变化。而且，这些样品的DC偏压施加用的电极之间的间隔为14μm，缓冲层的厚度为0.6μm。
同样地，图3(b)所示的曲线310表示关于样品e的对动作电极152施加+3.5V的初始偏压而测定到的DC漂移电压的时间变化，曲线312表示使样品的偏压施加履历回到初始状态之后对动作电极152施加-3.5V的初始偏压而测定到的DC漂移电压的时间变化。而且，曲线314表示使样品的偏压施加履历回到初始状态之后对动作电极152施加+10.0V的初始偏压而测定到的DC漂移电压的时间变化，曲线316表示使样品的偏压施加履历回到初始状态之后对动作电极152施加-10.0V的初始偏压而测定到的DC漂移电压的时间变化。
在图3(a)中，如曲线300～306所示，漂移电压的绝对值存在缓慢地增加(300、302)或朝向某个恒定值的电压逼近(304、306)那样的倾向。
相对于此，在图3(b)中，曲线310～314示出与图3(a)的曲线300～304大致相同的倾向，但如曲线316所示，负的初始偏压为-10.0V下的漂移电压随着时间经过而其绝对值急剧增大。
在施加偏压为±14V的范围内，正的施加、负的施加均示出如相同那样的倾向，但在负的初始电压的情况下，从施加偏压为-15V的附近开始，其绝对值急剧变化，漂移现象加速。其原因可认为是大概是由于从电极向缓冲层注入电子而缓冲层中的载流子增加，缓冲层中的空间电荷消除由电极之间的电位差产生的外部电场的作用变强。由于样品调制器的电极间隔为14μm，因此此时的施加电场为大约1.1V/μm。
即使在施加正的偏压时，相比图3(a)所示的样品b，施加电压的变化也较大，但没有施加负的偏压的情况程度的较大的差异。需要说明的是，在没有缓冲层的类型的LN光调制器中，在大致2V/μm左右的电场强度下，在施加正的偏压和施加负的偏压的期间，在DC漂移的变动中能够明显地观察到差异，因此可认为在该电场强度下从金属电极向LN结晶中的载流子注入开始发生，根据极性判断该载流子注入大概是电子注入。
在具有含有TiO2、In2O3的缓冲层的调制器中，即使向偏压电极之间施加2V/μm或这以上的电场，也看不出明显的变化。具有缓冲层的调制器的偏压漂移主要是由于缓冲层中的载流子的空间电荷而产生的，而且，从金属电极向LN的载流子注入与从作为电介质的缓冲层向LN的载流子注入的发生容易程度不同，这些被推定为上述现象的原因。
这样的1V/μm左右的电场的负的施加下的DC漂移电压的急剧增加的现象依赖于上述的In2O3与TiO2的摩尔浓度比的浓度比率(＝[TiO2的摩尔浓度比]/[In2O3的摩尔浓度比])。关于如上所述的DC漂移的增加量，若将作为能够用于实用的特性的优劣判定基准设为例如在经过时间为500小时时偏压初始值为正及负的情况下的各个DC漂移电压的变化量(绝对值)之比(变化比)为2以下，则表1所示的样品a～f如表2所示(表中的“小”表示上述变化比小于2，“大”表示该变化比为2以上)，被分组为漂移电压变化较小的样品a～c的组和该变化较大的样品d～f的组(分别用虚线包围的两个组)。
[表2]
并且，根据表1及表2的比较，能够作为这两个组的边界值得到In2O3与TiO2的摩尔浓度比的浓度比率＝1.2。图4是在三角形中标绘样品a～f的非导电层120的组成而成的图，该三角形是由分别表示SiO2、In2O3、TiO2的组成比的三个边构成的。图中的白圈是标绘点，在白圈中示出所对应的样品的名称(a～f)。即使在该图中，也得知样品a～c的组与样品d～f的组将表示浓度比率＝1.2的直线400作为边界而分为两个组。本发明基于这样的见解，特别是通过以该浓度比率>1.2的方式构成非导电层120，而减轻漂移电压的随时间的变动。
需要说明的是，在负的初始偏压时漂移急剧加速的电压也依赖于缓冲层的厚度。即使电极间隔相同且缓冲层的组成相同，在经验上也得知，当缓冲层较薄时存在漂移增大的电压变低的倾向，当缓冲层较厚时存在漂移增大的电压变高的倾向。在缓冲层为0.55μm的情况下和缓冲层为1.0μm的情况下，漂移急剧增大的电压分别为大约14V、17V左右，电场分别为大约1.0V/μm、1.2V/μm。
在缓冲层中，除了In、Ti之外，也可以适量掺杂锡(Sn)。根据在LN形成Ti扩散波导时的气体环境条件、进行脊波导化时的加工条件、加工后的退火处理条件、缓冲层的形成条件、缓冲层的退火条件等的组合条件，在正的施加、负的施加中，漂移抑制效果均提高。但是，由于Sn或氧化锡(SnO2)的蒸气压较高，因此难以确保缓冲层组成的再现性，因此可以预先将锡的浓度比抑制为1.5mol％以下。
以上，如所说明的那样，在本实施方式所示的波导型光元件10中，非导电层120含有氧化硅、铟的氧化物及钛的氧化物，并且钛氧化物摩尔浓度与铟氧化物摩尔浓度之比为1.2以上，因此能够有效地抑制对基板施加1V/μm以上的电场时向缓冲层注入载流子。
标号说明
10…波导型光元件
100…基板
102…MZ型光波导
104、106…并行波导
108、110…RF电极
112、114、116…接地电极
120…非导电层
150…偏压电极
152、154…动作电极
160、162、164…基准电极
252a、254a、260a、262a、264a…上部层
252b、254b、260b、262b、264b…衬底层

Claims (6)

1.一种波导型光元件，具备：
基板，具有电光效应；
两个光波导，配置在所述基板的表面；
非导电层，配置在所述基板上，由介电常数比该基板低的材料构成；及
控制电极，配置在所述非导电层上，用于对所述两个光波导分别施加电场而在该两个光波导之间产生折射率差，
所述非导电层由含有氧化硅、铟的氧化物和钛的氧化物且钛氧化物摩尔浓度相对于铟氧化物摩尔浓度之比为1.2以上的材料构成，
所述控制电极为用于对漂移现象进行补偿的偏压电极，且由配置在所述光波导上的动作电极和配置在所述基板表面中的设置有所述光波导的区域以外的部分的基准电极构成，
对所述控制电极施加相对于所述基准电极的电位的负电压且在所述基板产生1V/μm以上的电场的电压。
2.一种波导型光元件，具备：
基板，具有电光效应；
两个光波导，配置在所述基板的表面；
非导电层，配置在所述基板上，由介电常数比该基板低的材料构成；及
控制电极，配置在所述非导电层上，用于对所述两个光波导分别施加电场而在该两个光波导之间产生折射率差，
所述非导电层由含有氧化硅、铟的氧化物和钛的氧化物且在钛氧化物摩尔浓度不为5.0mol％的范围中钛氧化物摩尔浓度相对于铟氧化物摩尔浓度之比为1.2以上的材料构成，
所述控制电极为用于对漂移现象进行补偿的偏压电极，
对所述控制电极施加在所述基板产生1V/μm以上的电场的电压。
3.一种波导型光元件，具备：
基板，具有电光效应；
两个光波导，配置在所述基板的表面；
非导电层，配置在所述基板上，由介电常数比该基板低的材料构成；及
控制电极，配置在所述非导电层上，用于对所述两个光波导分别施加电场而在该两个光波导之间产生折射率差，
所述非导电层由含有氧化硅、铟的氧化物和钛的氧化物且钛氧化物摩尔浓度相对于铟氧化物摩尔浓度之比为1.2以上的材料构成，
所述控制电极为用于对漂移现象进行补偿的偏压电极，
对所述控制电极施加在所述基板产生1.2V/μm以上的电场的电压。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的波导型光元件，其中，
所述控制电极由配置在所述非导电层上的衬底层和配置在该衬底层上的上部层构成，
所述衬底层为钛。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的波导型光元件，其中，
所述基板由铌酸锂形成，
所述两个光波导为构成马赫-曾德尔型光波导的两个并行波导。
6.根据权利要求4所述的波导型光元件，其中，
所述基板由铌酸锂形成，
所述两个光波导为构成马赫-曾德尔型光波导的两个并行波导。
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