DE69132673T2

DE69132673T2 - Optische Wellenleitervorrichtung

Info

Publication number: DE69132673T2
Application number: DE69132673T
Authority: DE
Inventors: Masaharu Doi; Yoshinobu Kubota; Naoyuki Mekada; Tadao Nakazawa; Minoru Seino
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1990-03-02
Filing date: 1991-03-01
Publication date: 2002-04-18
Anticipated expiration: 2011-03-02
Also published as: JP2867560B2; DE69133344T2; DE69132673D1; US5214724A; EP1022605A3; EP1022605A2; DE69123066D1; DE69133344D1; EP0444959A2; EP1022605B1; EP0444959B1; EP0677765B1; EP0677765A2; JPH03253815A; EP0444959A3; EP0677765A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Wellenleitervorrichtung, und im besonderen eine optische Wellenleitervorrichtung wie etwa einen Modulator, Schalter, Verteiler oder dergleichen, die in einer optischen Kommunikationsanordnung verwendet wird.
Eine typische optische Wellenleitervorrichtung, die in einem optischen Schalter, einem optischen Modulator oder dergleichen verwendet wird, ist so aufgebaut, daß ein elektrisches Feld auf einen optischen Wellenleiter angewendet wird, der auf einer Oberfläche eines Substrates gebildet ist, das aus einem elektrooptischen Kristall wie z. B. Lithiumniobat (LiNbO&sub3;) oder dergleichen hergestellt ist, um einen Brechungsindex zu verändern, und so kann ein Schalten oder eine Phasenmodulation eines Lichtsignals ausgeführt, werden, das durch den optischen Wellenleiter wandert.
Im besonderen enthält eine optische Wellenleitervorrichtung typischerweise einen optischen Wellenleiter, der auf einer Oberfläche eines Substrates gebildet ist, das einen elektrooptischen Effekt hat, und ein Paar von Elektroden, die auf entsprechenden Zonen über dem optischen Wellenleiter gebildet sind und quer über sich ein elektrisches Steuersignal empfangen. Eine Verteilung eines elektrischen Feldes, das in der Nähe des optischen Wellenleiters durch eine Anwendung des elektrischen Signals auftritt, wird gemäß einer Veränderung einer Frequenz des elektrischen Signals außerordentlich verändert.
Als Beispiel für die optische Wellenleitervorrichtung ist ein Modulator des Mach-Zehnder-Typs wohlbekannt. Ein Modulator dieses Typs enthält wenigstens einen optischen Wellenleiter, der auf einer Oberfläche eines Z-Schnitt- LiNbO&sub3;-Substrates gebildet ist, und ein Paar von asymmetrischen Elektroden, die auf entsprechenden Zonen über dem optischen Wellenleiter gebildet sind. In solch einer Struktur wirken Ladungen, die auf der Oberfläche des LiNbO&sub3;- Substrates durch den pyroelektrischen Effekt gesammelt werden, auf die asymmetrische Struktur der Elektroden, und daher ergibt sich der Nachteil, daß die Verteilung von Ladungen ungleichmäßig gemacht wird und ein nachteiliger Einfluß auf Charakteristiken der Vorrichtung ausgeübt wird.
Da die Verteilung des Widerstandes, der Dielektrizitätskonstante und der Kapazität von jedem Abschnitt der Struktur oder einer feinen Teilstruktur gemäß den Prozeßbedingungen fein verändert wird, wird ferner die elektrische Ersatzschaltung dementsprechend kompliziert. Dies führt zu dem Problem, daß eine Gleichstromkomponente eines elektrischen Signals, das quer über die Elektroden angewendet wird, eine Anwendungsweise des elektrischen Feldes mit einer Langzeitkonstante außerordentlich verändert, und das optische Verhalten wird auch dementsprechend verändert. Diese Erscheinung wird als Gleichstromdrift bezeichnet.
Sowohl JP-A-62 073 207 als auch JP-A-1 302 325 offenbart eine optische Wellenleitervorrichtung, in der wenigstens zwei Metallelektroden auf einer Pufferschicht gebildet sind, die über einem LiNbO&sub3;-Substrat angeordnet ist.
Es ist deshalb wünschenswert, eine optische Wellenleitervorrichtung vorzusehen, die eine Gleichstromdrift bei sich unterdrücken kann, um eine Schwankung von Operationscharakteristiken infolge der Gleichstromdrift, der Belastung oder dergleichen effektiv zu kompensieren.
In der ebenfalls eingereichten europäischen Patentanmeldung Nr. 91301729.9 des Anmelders wird eine optische Wellenleitervorrichtung vorgeschlagen, in der eine dritte Elektrode, die nicht zu dem Paar von Steuerelektroden gehört, auf einer Zone vorgesehen ist, die mit einem vorbestimmten Abstand von dem Paar von Steuerelektroden getrennt ist, die auf entsprechenden Zonen über dem optischen Wellenleiter gebildet sind. Die dritte Elektrode kann eine Gleichspannung oder eine Niederfrequenzspannung empfangen oder kann unter vorbestimmten Layoutbedingungen von jeder Elektrode geerdet sein.
In einer optischen Wellenleitervorrichtung, die auf einem elektrooptischen Kristallsubstrat gebildet ist, das einen pyroelektrischen Effekt hat, ist es vorzuziehen, wenn eine halbleitende Schicht z. B. aus Silicium (Si) auf einer Pufferschicht gebildet ist, um eine Verteilung von Ladungen, die in der Nähe der Oberfläche des optischen Wellenleiters auftreten, gleichmäßig zu machen. In diesem Fall wird in einer Struktur, die eine schmale Signalleitungselektrode und eine breite Erdelektrode hat, ein Potential auf der halbleitenden (Si)-Zone außerhalb der Signalleitungselektrode (d. h., auf der gegenüberliegenden Seite der Erdelektrode) einheitlich gleich gemacht, da die Silicium-(Si)-Schicht als Leiter in einem Niederfrequenzband wirkt. Als Resultat ergibt sich der Nachteil, daß sich das elektrische Feld, das sich auf die Umgebung der Signalleitungselektrode konzentrieren soll, in die äußere halbleitende (Si)-Zone ausbreitet und somit auf den optischen Wellenleiter nicht effektiv angewendet wird.
Um diesem Nachteil zu begegnen, kann eine dritte Elektrode außerhalb der Signalleitungselektrode, d. h., auf der gegenüberliegenden Seite der Erdelektrode vorgesehen werden. Durch diese Struktur ist es möglich, einen Spannungsabfall zu bewirken, der zu dem Abstand zwischen der Signalleitungselektrode und der dritten Elektrode proportional ist, und somit das zerstreute elektrische Feld auf die Umgebung der Signalleitungselektrode zu konzentrieren. Durch geeignetes Verändern der Dicke der Silicium-(Si)-Schicht zwischen der Signalleitungselektrode und der dritten Elektrode ist es ferner möglich, eine Verteilung des Widerstandes zwischen ihnen zu verändern, um eine Verteilung des Spannungsabfalls zu regulieren und das elektrische Feld daher effektiver zu konzentrieren. Wenn andererseits ein elektrisches Hochfrequenzsignal auf das Paar von Steuerelektroden angewendet wird, können Ladungen in der Silicium-(Si)-Schicht einer Veränderung des elektrischen Hochfrequenzsignals nicht folgen, und somit fungiert die halbleitende Schicht als Dielektrikum. Durch Anordnen der dritten Elektrode auf einer Zone, die von der Signalleitungselektrode durch einen ausreichenden Abstand getrennt ist, ist es des weiteren möglich, den Einfluß zu reduzieren, der auf die charakteristische Impedanz der Wanderwellenelektrode ausgeübt wird. In der zuvor erwähnten ebenfalls eingereichten Anmeldung schlagen die Anmelder die Verwendung einer Halbleiterschicht mit einem relativ niedrigen Widerstand anstelle eines Leiters als dritte Elektrode vor, wodurch derselbe Effekt wie oben erzielt wird und ferner der Einfluß reduziert wird, der auf die charakteristische Impedanz ausgeübt wird.
Obwohl die obige Struktur voraussetzt, daß die dritte Elektrode geerdet ist, kann die dritte Elektrode ein Spannungssignal empfangen. In diesem Fall können effektivere Vorteile erreicht werden. Durch Anwenden einer Gleichspannung oder Niederfrequenzspannung auf die dritte Elektrode ist es nämlich möglich, eine Schwankung von Operationscharakteristiken zu kompensieren, die auf Grund einer Gleichstromdrift, einer mechanischen Belastung oder dergleichen auftritt. In diesem Fall ist es vorzuziehen, wenn eine Halbleiterschicht, die aus einem Material mit einem relativ hohen Widerstand wie z. B. aus Silicium (Si) hergestellt ist, nahe der Signalleitungselektrode gebildet ist. Die Halbleiterschicht kann eine Spannung direkt von einer externen Energiequelle empfangen oder die Spannung über eine Leiterschicht empfangen, die auf der Halbleiterschicht an einer Position gebildet ist, die durch einen ausreichenden Abstand von der Signalleitungselektrode getrennt ist, so daß ihr Vorhandensein eine charakteristische Impedanz der Wanderwellenelektrode nicht groß beeinträchtigt. Durch Anwenden der Spannung direkt oder indirekt auf die Halbleiterschicht ist es möglich, einen Brechungsindex des optischen Wellenleiters unter der Signalleitungselektrode zu verändern und somit eine Schwankung von Operationscharakteristiken zu kompensieren. In diesem Fall fungiert die halbleitende Schicht bezüglich einer Niederfrequenzspannung als Leiter und bezüglich einer Hochfrequenzspannung als Dielektrikum. Daher hat das Vorhandensein der halbleitenden Schicht einen geringen Einfluß auf die charakteristische Impedanz in dem Hochfrequenzband der angewendeten Spannung. Ferner kann eine andere halbleitende Schicht über der gesamten Pufferschicht gebildet sein, um Temperaturcharakteristiken zu verbessern. In diesem Fall ist es durch Verringern der Dicke der halbleitenden Schicht in der Nähe der Signalleitungselektrode und durch Konzentrieren des elektrischen Feldes auf den dünn gebildeten Abschnitt möglich, denselben Effekt wie oben zu realisieren.
In der vorliegenden Anmeldung schlagen die Anmelder eine alternative Lösung vor, die eine Verbesserung einer herkömmlichen optischen Wellenleitervorrichtung des Mach- Zehnder-Typs darstellt und die auf dem unten beschriebenen Prinzip basiert.
Elektroden, die optische Modulatoren, optische Schalter oder dergleichen darstellen, werden gebildet, um einen niedrigen Widerstand zu haben und somit eine Hochgeschwindigkeitsoperation zu ermöglichen. Zu diesem Zweck ist es vorzuziehen, ein Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit wie etwa Kupfer (Cu), Gold (Au) oder dergleichen zu verwenden und die Dicke der Elektrode zu vergrößern. Wenn ein Material mit einem relativ hohen Widerstand wie z. B. eine Silicium-(Si)-Schicht an das Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit angrenzt, funktioniert es in verschiedenen Phasen gemäß der Selektion des Widerstandswertes. Wenn nämlich eine Gleichspannung oder Niederfrequenzspannung auf die Signalleitungselektrode angewendet wird, wird die Silicium-(Si)-Schicht auf dieselbe Weise wie der Leiter (Elektrode) in einem potentialgleichen Zustand gehalten. Wenn die Frequenz des Signals, das sich auf der Signalleitungselektrode ausbreitet, allmählich erhöht wird, können im Gegensatz dazu Ladungen in der Silicium-(Si)-Zone einer Hochgeschwindigkeitsveränderung des Signals nicht folgen, und daher wird eine Zone, in der Ladungen der Hochgeschwindigkeitsveränderung des Signals folgen können, allmählich auf die Umgebung des Leiters (Elektrode) begrenzt. Mit anderen Worten, eine effektive Form der Elektrode wird zwischen dem Niederfrequenzband und dem Hochfrequenzband außerordentlich verändert. Durch Ausnutzung der Veränderung der effektiven Form der Elektrode ist es möglich, eine Vorrichtung zu bilden, die verschiedene Funktionen hat.
Um ein Hochgeschwindigkeitsschalten oder eine Hochgeschwindigkeitsmodulation zu realisieren, wird normalerweise ein Paar von Elektroden für eine Wanderwelle eingesetzt. Gemäß einer verbesserten Struktur wird eine halbleitende Schicht aus Silicium (Si) zwischen dem Paar von Elektroden und der Pufferschicht gebildet. Die halbleitende Schicht wird in der Mitte ihrer entsprechenden Zone zwischen der Elektrode für die Signalleitung und der Elektrode zum Erden in zwei Zonen getrennt. Durch diesen Aufbau wird ein elektrisches Feld durch eine Gleichstrom- oder Niederfrequenzkomponente des angewendeten Signals auf den getrennten Abschnitt konzentriert, und eine Komponente des elektrischen Feldes in der Nähe des optischen Wellenleiters wird geschwächt. Selbst wenn die Gleichstrom- oder Niederfrequenzkomponente auf Grund einer Gleichstromdrift verändert wird, ist es daher möglich, eine Schwankung von Operationscharakteristiken zu unterdrücken. Wenn andererseits ein elektrisches Hochfrequenzsignal auf das Paar von Elektroden angewendet wird, können Ladungen in der Silicium-(Si)-Schicht einer Veränderung des elektrischen Hochfrequenzsignals nicht folgen, und somit fungiert die Siliciumschicht als Dielektrikum. Da in diesem Fall das elektrische Feld quer über das Elektrodenpaar angewendet wird, wirkt es effektiv auf den optischen Wellenleiter.
Auch in dem Fall, wenn eine dünn gebildete leitfähige Schicht für die oben erwähnte halbleitende Schicht eingesetzt wird, ist es möglich, denselben Effekt wie oben zu realisieren. Denn auch der Leiter hat einen größeren spezifischen Volumenwiderstand als Null, und der Widerstandswert nimmt bei einer Verringerung der Dicke der leitfähigen Schicht zu.
Somit ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine optische Wellenleitervorrichtung vorgesehen, mit: einem optischen Wellenleiter, der auf einer Oberfläche eines Substrates gebildet ist, das einen elektrooptischen Effekt hat; einem Paar von Elektroden, die operativ verbunden sind und angeordnet sind, um quer über sich ein elektrisches Steuersignal zu empfangen; einer Pufferschicht, die über der gesamten Oberfläche des Substrates gebildet ist, die den optischen Wellenleiter enthält; und einer halbleitenden Schicht, die zwischen der Pufferschicht und dem Paar von Elektroden gebildet ist, wobei ein Teil der halbleitenden Schicht, der dem Spalt zwischen dem Paar von Elektroden entspricht, eine reduzierte Dicke oder eine Dicke von Null hat; bei der eine Veränderung der Frequenz des elektrischen Steuersignals, das quer über das Paar von Elektroden angewendet wird, wenn die Vorrichtung in Gebrauch ist, eine entsprechende Veränderung einer Verteilung eines elektrischen Feldes bewirkt, das in der Nähe des optischen Wellenleiters auftritt, und bei der dann, wenn ein elektrisches Niederfrequenzsignal auf das Paar von Elektroden angewendet wird, das elektrische Feld auf den genannten Teil der halbleitenden Schicht konzentriert wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine optische Wellenleitervorrichtung vorgesehen, mit: einem optischen Wellenleiter, der auf einer Oberfläche eines Substrates gebildet ist, das einen elektrooptischen Effekt hat; einem Paar von Elektroden, die operativ verbunden sind und angeordnet sind, um quer über sich ein elektrisches Steuersignal zu empfangen; einer Pufferschicht, die über der gesamten Oberfläche des Substrates gebildet ist, die den optischen Wellenleiter enthält; und einer ersten halbleitenden Schicht, die zwischen der Pufferschicht und dem Paar von Elektroden gebildet ist, und einer zweiten halbleitenden Schicht, die zwischen der ersten halbleitenden Schicht und einer Signalleitungselektrode des Paares von Elektroden gebildet ist, welche zweite halbleitende Schicht einen spezifischen Widerstand hat, der sich von jenem der ersten halbleitenden Schicht unterscheidet, und eine größere Breite als die Signalleitungselektrode hat; bei der eine Veränderung der Frequenz eines elektrischen Steuersignals, das dazwischen angewendet wird, wenn die Vorrichtung in Gebrauch ist, eine entsprechende Veränderung einer Verteilung eines elektrischen Feldes bewirkt, das in der Nähe des optischen Wellenleiters auftritt.
Als Beispiel wird nun Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen, in denen:
Fig. 1A und 2B Drauf- bzw. Schnittansichten von einer Struktur eines Modulators des Mach-Zehnder-Typs nach Stand der Technik zeigen;
Fig. 2A und 2B Drauf- bzw. Schnittansichten von einer optischen Wellenleitervorrichtung (einem optischen Modulator) zeigen, die den ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung verkörpert;
Fig. 3 eine Schnittansicht von einer ersten Abwandlung der Struktur von Fig. 2A und 2B zeigt;
Fig. 4 eine Schnittansicht von einer zweiten Abwandlung der Struktur von Fig. 2A und 2B zeigt;
Fig. 5 eine Schnittansicht von einer dritten Abwandlung der Struktur von Fig. 2A und 2B zeigt;
Fig. 6 eine Schnittansicht von einer optischen Wellenleitervorrichtung (einem optischen Modulator) zeigt, die den zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung verkörpert;
Fig. 7 eine Schnittansicht zeigt, die eine erste Abwandlung der Struktur von Fig. 6 darstellt; und
Fig. 8 A und 8B Drauf- bzw. Schnittansichten von einer zweiten Abwandlung der Struktur von Fig. 6 zeigen.
Fig. 1A und 1B zeigen eine Struktur eines Modulators des Mach-Zehnder-Typs nach Stand der Technik. Es sei erwähnt, daß Fig. 1B eine Schnittstruktur längs der Linie A-A' in Fig. 1A zeigt. Die dargestellte Struktur zeigt ein Beispiel unter Verwendung von asymmetrischen Elektroden für eine Wanderwelle.
In den Zeichnungen bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Z- Schnitt-LiNbO&sub3;-Substrat und Bezugszeichen 2 einen optischen Wellenleiter, der zweigegabelte optische Wellenleiter 2a und 2b enthält. Der optische Wellenleiter 2 (2a, 2b) wird durch Ausführen einer streifenartigen Musterung einer abgeschiedenen Titan-(Ti)-Schicht, die auf einer Oberfläche des Substrates 1 gebildet ist, und dann durch Ausführen einer thermischen Diffusion des Titans in das Substrat 1 gebildet. So hat der optische Wellenleiter 2 (2a, 2b) einen größeren Brechungsindex als das Substrat 1.
Um des weiteren zu verhindern, daß Licht, das sich durch den optischen Wellenleiter ausbreitet, in Steuerelektroden (eine Signalleitungselektrode 5 und Erdelektrode 6) absorbiert wird, wird eine dielektrische Pufferschicht 3 zwischen den Elektroden 5, 6 und dem optischen Wellenleiter 2 gebildet. Die Pufferschicht 3 ist lichtdurchlässig und hat einen kleineren Brechungsindex als der optische Wellenleiter 2. Die Pufferschicht 3 umfaßt zum Beispiel Siliciumdioxid (SiO&sub2;). Die dielektrische Schicht 3 fungiert elektrisch als Kapazität, die ein Material mit relativ hohem Widerstand enthält.
In einer optischen Wellenleitervorrichtung, beider ein Substrat aus Z-Schnitt-LiNbO&sub3; verwendet wird, tritt der Nachteil auf, daß Ladungen, die auf der Oberfläche des Substrates durch den pyroelektrischen Effekt gesammelt werden, auf die asymmetrische Struktur der Elektroden wirken, die auf der Pufferschicht gebildet sind, und somit bildet sich eine ungleichmäßige Ladungsverteilung, die einen nachteiligen Einfluß auf Charakteristiken der optischen Wellenleitervorrichtung hat. Angesichts dessen wird eine halbleitende Schicht 4, die zum Beispiel Silicium (Si) umfaßt, zwischen der Pufferschicht 3 und den Elektroden 5, 6 und über der gesamten Pufferschicht 3 gebildet (siehe Fig. 1B). Durch diese Struktur ist es möglich, die Verteilung von Oberflächenladungen, die infolge einer Temperaturveränderung oder dergleichen auftreten, gleichmäßig zu machen und die Charakteristiken der optischen Wellenleitervorrichtung zu stabilisieren.
Da der optische Wellenleiter 2 ferner durch Diffundieren des Titans bei hoher Temperatur in das LiNbO&sub3;-Substrat 1 gebildet wird, unterscheiden sich sein Widerstand, seine Dielektrizitätskonstante und seine Kapazität von denen des Grundmaterialabschnittes des Substrates 1. Zusätzlich unterscheidet sich ein Widerstand der Oberfläche des LiNbO&sub3;- Substrates 1 von jenem seines Grundmaterialabschnittes auf Grund des Diffusionsprozesses. Angesichts der komplizierten Verteilung des Widerstandes, der Dielektrizitätskonstante und der Kapazität der obigen Schichten und der feinen Teilstruktur wird auch die elektrische Ersatzschaltung kompliziert. Als Resultat tritt das Problem auf, daß eine Gleichstromkomponente eines elektrischen Signals, das quer über die Elektroden 5, 6 angewendet wird, eine Anwendungsweise des elektrischen Feldes mit einer Langzeitkonstante gemäß den Prozeßbedingungen außerordentlich verändert, und die Charakteristiken des optischen Verhaltens werden auch dementsprechend verändert. Es wird nämlich eine Gleichstromdrift verursacht.
Um das Problem zu bewältigen, sind Maßnahmen ergriffen worden, um die Elektroden 5, 6 des Modulators mit einer externen Energiequelle durch Kapazitätskopplung zu verbinden und somit zu verhindern, daß eine Gleichstromkomponente der Energiequelle direkt auf den Modulator angewendet wird, oder Maßnahmen, um eine Vorspannungsgleichstromenergiequelle mit der Elektrode für die Signalleitung 5 durch Kapazitätskopplung zu verbinden und so eine Gleichstromdrift zu kompensieren, die aus gewissen Gründen auftritt.
Um gemäß den Maßnahmen eine externe Energiequelle durch Kapazitätskopplung zu verwenden, tritt jedoch der Nachteil auf, daß die Vorrichtung aus der Sicht der Energiequelle in einen elektrisch offenen Zustand versetzt wird, und somit wird ein nachteiliger Einfluß auf die Operation der Energiequelle ausgeübt. Ein Nachteil tritt auch deshalb auf, weil ein verfügbares Frequenzband der Energiequelle in Abhängigkeit von deren Kapazität begrenzt wird. Um andererseits gemäß den Maßnahmen eine Vorspannungsgleichstromenergiequelle durch Kapazitätskopplung zu verwenden, tritt der Nachteil auf, daß eine charakteristische Impedanz der Wanderwellensignalleitungselektrode schwankt, und somit ist es unmöglich, die Modulationsoperation zufriedenstellend auszuführen.
Wenn ferner aus irgendeinem Grund auf die optischen Wellenleiter eine Belastung wirkt, verändert sich normalerweise der Brechungsindex der optischen Wellenleiter, wodurch eine Schwankung von Operationscharakteristiken des Modulators herbeigeführt wird. Um diesen Nachteil zu bewältigen, sind früher Maßnahmen ergriffen worden, um eine Gleichspannung zu der Anwendungsspannung hinzuzufügen, um so eine Veränderung des Brechungsindexes zu unterdrücken, die infolge der Belastung auftritt.
Das Ergreifen der Maßnahmen, um eine Gleichspannung zu der Anwendungsspannung hinzuzufügen, ist unter dem Gesichtspunkt der Grenze der dielektrischen Festigkeit der Gleichstromenergiequelle oft schwierig.
Angesichts der obigen Probleme muß eine Struktur oder ein Mittel außer den Elektroden, die zum Schalten oder zur Modulation vorgesehen sind, zum Unterdrücken einer Gleichstromdrift und zum Kompensieren einer Schwankung von Operationscharakteristiken auf Grund der Gleichstromdrift, der Belastung oder dergleichen vorgesehen werden.
Die Struktur, die in Fig. 1A und 1B gezeigt ist, kann gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung abgewandelt werden, wie in Fig. 2A und 2B gezeigt, um eine halbleitende Schicht (4a, 4b) zu haben, die zwischen der Pufferschicht 3 und den Elektroden 5 und 6 gebildet ist. Die halbleitende Schicht umfaßt Silicium (Si) und hat eine Dicke von etwa 0,2 um und ist in der Mitte von ihrer entsprechenden Zone zwischen den Elektroden 5 und 6 in zwei Zonen 4a und 4b getrennt. Der Spalt zwischen den getrennten Abschnitten 4a, 4b, der durch Bezugszeichen P gekennzeichnet ist, wird gewählt, um 1 bis 4 um zu betragen. Es sei erwähnt, daß jede halbleitende Schicht 4a, 4b eine größere Breite als die entsprechende Elektrode 5, 6 hat. In diesem Fall kann ein spezifischer Widerstand der halbleitenden Schicht (4a, 4b) aus dem großen Bereich zwischen 0,001 und 100000 Ωm eingeplant und selektiert werden. Wenn der vorhandene optische Modulator bei einer Frequenz von 5 bis 6 MHz oder mehr verwendet wird, wird der spezifische Widerstand vorzugsweise so gewählt, um 100 Ωm zu betragen. Natürlich wird der spezifische Widerstand gemäß einer Dicke von jeder Schicht, einem Abstand von Schicht zu Schicht, einem Abstand zwischen jeder Elektrode und dergleichen abgeändert.
Durch Einsetzen der obigen Struktur werden Komponenten einer Gleichspannung oder einer Niederfrequenzspannung von 50 bis 60 Hz, die quer über die Elektroden 5, 6 angewendet wird, auf dem separaten Abschnitt P konzentriert und beeinträchtigen so die charakteristische Impedanz des optischen Wellenleiters 2 (2a, 2b) im wesentlichen nicht. Wenn andererseits eine Hochfrequenzspannung von etwa 5 bis 6 MHz quer über die Elektroden 5, 6 angewendet wird, können Ladungen einer Veränderung der Spannung nicht einfach folgen, und daher fungiert die halbleitende Schicht (4a, 4b) als Dielektrikum. Da nämlich die Hochfrequenzspannung zwischen den Elektroden 5, 6 angewendet wird, ist es möglich, den Brechungsindex des optischen Wellenleiters 2 (2a, 2b) effektiv zu verändern. Deshalb ist es gemäß dem vorliegenden Beispiel möglich, eine Gleichstromkomponente der angewendeten Spannung außer acht zu lassen und somit den Einfluß der Gleichstromdrift zu unterdrücken.
Fig. 3 zeigt eine erste Abwandlung der Ausführungsform von Fig. 2A und 2B.
Bei dem vorliegenden Beispiel ist die halbleitende Schicht 4a nur in der Nähe der Elektrode für die Signalleitung 5 gebildet. Da die Breite der halbleitenden Schicht 4a, die unter der Elektrode 5 gebildet ist, beliebig konstruiert und selektiert werden kann, ist es möglich, bessere Frequenzcharakteristiken zu realisieren.
Fig. 4 zeigt eine Struktur einer zweiten Abwandlung.
Bei dem vorliegenden Beispiel ist anstelle der getrennten halbleitenden Schichten 4a, 4b, die in Fig. 2A und 2B gezeigt sind, eine halbleitende Schicht 4c aus Silicium (Si) zwischen der Pufferschicht 3 und den Elektroden 5 und 6 und über der gesamten Pufferschicht 3 gebildet. Die halbleitende Schicht 4c hat einen dünn gebildeten Abschnitt Q in der Mitte von ihrer entsprechenden Zone zwischen den Elektroden 5 und 6. Durch diese Struktur wird eine Gleichstromkomponente oder eine Niederfrequenzkomponente der Spannung, die quer über die Elektroden 5, 6 angewendet wird, auf den dünn gebildeten Abschnitt Q konzentriert, und somit ist es möglich, denselben Effekt wie in Fig. 2A und 2B zu erzielen.
Fig. 5 zeigt eine Struktur einer dritten Abwandlung, die eine Kombination aus dem Beispiel von Fig. 3 und dem Beispiel von Fig. 4 ist.
Da bei dem vorliegenden Beispiel die halbleitende Schicht 4c nur in der Nähe der Signalleitungselektrode 5 gebildet ist, ist es möglich, wie bei dem Beispiel von Fig. 3 bessere Frequenzcharakteristiken zu realisieren.
Die Struktur, die in Fig. 1A und iß gezeigt ist, kann alternativ gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung abgewandelt werden, wie in Fig. 6 gezeigt, um eine erste halbleitende Schicht 4 und eine zweite halbleitende Schicht 9a zu haben, die anstelle der getrennten halbleitenden Schichten 4a, 4b vorgesehen sind, die in Fig. 2A und 2B gezeigt sind. Die halbleitende Schicht 4 ist aus Silicium (Si) hergestellt und zwischen der Pufferschicht 3 und der Elektrode 6 und über der gesamten Pufferschicht 3 gebildet. Die halbleitende Schicht 9a ist aus Silicium (Si) hergestellt und zwischen der halbleitenden Schicht 4 und der Elektrode 5 gebildet. Ferner hat die halbleitende Schicht 9a einen spezifischen Widerstand, der sich von jenem der halbleitenden Schicht 4 unterscheidet, und eine größere Breite als die entsprechende Elektrode 5.
In der Vorrichtung, in der die asymmetrischen Elektroden 5, 6 für eine Wanderwelle verwendet werden, ist das elektrische Feld in der Nähe des optischen Wellenleiters 2b unter der Erdelektrode 6 relativ schwach. Selbst wenn ein elektrisches Gleichstromfeld auf die Zone zwischen den Elektroden 5 und 6 konzentriert wird, ist es deshalb möglich, den Einfluß zu unterdrücken, der auf den Brechungsindex des optischen Wellenleiters 2b unter der Elektrode 6 ausgeübt wird, und somit denselben Effekt wie oben zu erzielen.
Fig. 7 zeigt eine Struktur einer ersten Abwandlung, die eine Verbesserung des Beispiels von Fig. 6 darstellt.
Bei dem vorliegenden Beispiel wurde eine halbleitende Schicht 9b aus Silicium (Si) zu der Struktur hinzugefügt, die in Fig. 6 gezeigt ist. Die halbleitende Schicht 9b ist zwischen der halbleitenden Schicht 4 und der Elektrode 6 gebildet. Ferner hat die halbleitende Schicht 9b einen spezifischen Widerstand, der sich von dem der halbleitenden Schichten 4, 9a unterscheidet, und eine größere Breite als die entsprechende Elektrode 6. Da die vorliegende Vorrichtung eine Anzahl von Konstruktionsparametern hat, ist es möglich, die Vorrichtung effektiver zu konstruieren und zu optimieren und somit einen besseren Effekt zu erzielen.
Fig. 8 A und 8B zeigen eine Struktur einer zweiten Abwandlung.
Zusätzlich zu den Merkmalen der Struktur von Fig. 7 hat die Struktur von Fig. 8A und 8B eine halbleitende Schicht 9c, die Silicium (Si) umfaßt, auf der eine dritte Elektrode 10 gebildet ist, wobei die Schicht 9c von der Schicht 9a in einer Zone zwischen den Elektroden 5 und 10 getrennt ist. Die halbleitende Schicht 9c hat einen spezifischen Widerstand, der sich von dem der halbleitenden Schicht 4 unterscheidet, und eine größere Breite als die Elektrode 10. Gemäß dieser Struktur ist es möglich, eine Gleichstromdrift der Vorrichtung zu unterdrücken und somit eine Schwankung von Operationscharakteristiken auf Grund der Gleichstromdrift, der Belastung oder dergleichen effektiv zu kompensieren.
Obwohl in den obigen Ausführungsformen und den zugeordneten Abwandlungen die Erläuterung durch Bezugnahme auf einen Modulator des Mach-Zehnder-Typs erfolgte, ist die vorliegende Erfindung auf andere optische Wellenleitervorrichtungen wie etwa optische Schalter oder dergleichen anwendbar. Weiterhin kann die vorliegende Erfindung auf eine optische Wellenleitervorrichtung angewendet werden, der ein Niederfrequenzsignal und ein Hochfrequenzsignal unabhängig zugeführt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung durch verschiedene Ausführungsformen und die zugeordneten Abwandlungen offenbart und beschrieben worden ist, wird der Fachwelt klar sein, daß andere Ausführungsformen und Abwandlungen der vorliegenden Erfindung möglich sind.

Claims

1. Optische Wellenleitervorrichtung mit:

einem optischen Wellenleiter (2, 2a, 2b), der auf einer Oberfläche eines Substrates (1) gebildet ist, das einen elektrooptischen Effekt hat;

einem Paar von Elektroden (5, 6), die operativ verbunden sind und angeordnet sind, um quer über sich ein elektrisches Steuersignal zu empfangen;

einer Pufferschicht (3), die über der gesamten Oberfläche des Substrates (1) gebildet ist, die den optischen Wellenleiter (2, 2a, 2b) enthält; und

einer halbleitenden Schicht (4), die zwischen der Pufferschicht (3) und dem Paar von Elektroden (5, 6) gebildet ist, wobei ein Teil (P; Q) der halbleitenden Schicht (4a, 4b; 4c), der dem Spalt zwischen dem Paar von Elektroden (5, 6) entspricht, eine reduzierte Dicke oder eine Dicke von Null hat;

bei der eine Veränderung der Frequenz des elektrischen Steuersignals, das quer über das Paar von Elektroden (5, 6) angewendet wird, wenn die Vorrichtung in Gebrauch ist, eine entsprechende Veränderung einer Verteilung eines elektrischen Feldes bewirkt, das in der Nähe des optischen Wellenleiters (2, 2a, 2b) auftritt, und bei der dann, wenn ein elektrisches Niederfrequenzsignal auf das Paar von Elektroden (5, 6) angewendet wird, das elektrische Feld auf den genannten Teil (P; Q) der halbleitenden Schicht (4a, 4b; 4c) konzentriert wird.

2. Optische Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die halbleitende Schicht (4c) einen dünn gebildeten Abschnitt (Q) hat und nur in der Nähe des Paares von Elektroden (5, 6) gebildet ist.

3. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, bei dem dann, wenn die Dicke der halbleitenden Schicht (4a, 4b) in dem genannten Teil (P) Null ist, die halbleitende Schicht (4a, 4b) zwei Zonen umfaßt, die an einem Teil der Schicht, der dem Spalt zwischen dem Paar von Elektroden (5, 6) entspricht, voneinander getrennt sind, wobei jede getrennte Zone der halbleitenden Schicht (4a, 4b) eine größere Breite als diejenige des Paares von Elektroden (5, 6) hat, unter der sie liegt.

4. Optische Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 3, bei der diejenige (4a) der getrennten Zonen (4a, 4b) der halbleitenden Schicht, die unter einer Signalleitungselektrode (5) des Paares von Elektroden (5, 6) liegt, nur in der Nähe der Signalleitungselektrode (5) gebildet ist.

5. Optische Wellenleitervorrichtung mit:

einer ersten halbleitenden Schicht (4), die zwischen der Pufferschicht (3) und dem Paar von Elektroden (5, 6) gebildet ist, und einer zweiten halbleitenden Schicht (9a), die zwischen der ersten halbleitenden Schicht (4) und einer Signalleitungselektrode (5) des Paares von Elektroden (5, 6) gebildet ist, welche zweite halbleitende Schicht (9a) einen spezifischen Widerstand hat, der sich von jenem der ersten halbleitenden Schicht (4) unterscheidet, und eine größere Breite als die Signalleitungselektrode (5) hat;

bei der eine Veränderung der Frequenz eines elektrischen Steuersignals, das dazwischen angewendet wird, wenn die Vorrichtung in Gebrauch ist, eine entsprechende Veränderung einer Verteilung eines elektrischen Feldes bewirkt, das in der Nähe des optischen Wellenleiters (2, 2a, 2b) auftritt.

6. Optische Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 5, bei der eine zweite halbleitende Schicht (9b) auch zwischen der ersten halbleitenden Schicht (4) und einer Erdelektrode (6) des Paares von Elektroden (5, 6) gebildet ist, so daß zwei Zonen der halbleitenden Schicht (9a, 9b) vorhanden sind, die an einer Stelle voneinander getrennt sind, die dem Spalt zwischen dem Paar von Elektroden (5, 6) entspricht, wobei jede getrennte Zone (9a, 9b) eine größere Breite als diejenige des genannten Paares von Elektroden (5, 6) hat, unter der sie liegt.

7. Optische Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 6, ferner mit einer dritten Elektrode (10), bei der eine zweite halbleitende Schicht (9c) auch zwischen der ersten halbleitenden Schicht (4) und der dritten Elektrode (10) gebildet ist, so daß drei Zonen der halbleitenden Schicht (9a, 9b, 9c) vorhanden sind, die an jeweiligen Stellen, die den Spalten zwischen den drei Elektroden (5, 6, 10) entsprechen, voneinander getrennt sind, wobei jede getrennte Zone (9a, 9b, 9c) eine größere Breite als diejenige der Elektroden (5, 6, 10) hat, unter der sie liegt.

8. Optische Wellenleitervorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei der die Pufferschicht (3) dielektrisches Material umfaßt und einen kleineren Brechungsindex als der optische Wellenleiter (2, 2a, 2b) hat.

9. Optische Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 8, beider das dielektrische Material Siliciumdioxid umfaßt.

10. Optische Wellenleitervorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei der die oder jede halbleitende Schicht (4; 9a, 9b) Silicium umfaßt.