JP2012123395A - 光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】分極反転領域を有する光デバイスにおいて、分極反転領域の特性に起因する性能劣化の発生を有効に防止した光デバイスを提供する。
【解決手段】マッハツェンダ型光変調器の光導波路（Ａ）、（Ｂ）は、通常、分極非反転領域である−Ｚ面に形成される。しかし、信号電極１１と接地電極１０を２つの導波路に非対称に設けると、出力光にチャープを生じ、好ましくないので、これらの電極を２つの導波路に対称に設ける。ここで、光変調が有効にかけられるためには、光導波路の存在する基板の一部を分極反転する必要がある。分極反転により、光導波路は、＋Ｚ面に形成されることになる。しかし、＋Ｚ面には、分極反転領域の自発分極の不安定性から、電荷が蓄積され、光変調器の性能に悪影響を与えるので、分極反転領域の表面に導電性のアモルファス層を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信で用いられる導波路型の光デバイス、特には、光変調器に関する。

図７は、従来のマッハツェンダ型変調器の構成を示す図である。
光導波路（Ａ）、（Ｂ）とコプレーナ(CPW)電極１０、１１とからなる。電極は信号電極１１とその両側の接地電極１０とからなり、中心付近に分極反転領 域１３が形成されており、この部分では+Z面に光導波路が形成されている。基板はZ-cutのニオブ酸リチウム（LiNbO3）であり、基板と電極との間 には電極での光吸収を防ぐためバッファ層１２としてSiO2が形成されている。また、図には記載されていないがSiO2の上部には焦電によりバッファ層間 にたまる電荷による温度ドリフトを防ぐため、Si膜が形成されているのが望ましい。

LiNbO3基板などの電気光学結晶を用いた光変調器は、結晶基板上の一部に金属膜を形成し、熱拡散させる、あるいはパターニング後に安息香酸中でプロト ン交換するなどして光導波路を形成した後、光導波路近傍に電極を設けることで形成される。この際、電極による光の吸収が起こらないように、バッファ層というSiO2などの絶縁膜を電極と基板の間に形成する。通常光導波路は結晶の-Z面に作成される。というのは例えばLiNbO3結晶において+Z面に導波路 を形成した場合には、表面付近にドメイン反転が起こるなど不安定な現象が知られているためである。このような現象は、非特許文献１などで知られている。こ こで+Z面とは自発分極をもつ結晶で一意的に決まる面であり、自発分極方向をZ方向として、図７の例でいうと分極反転領域の導波路がある面が+Z面であり、非反転領域が-Z面である。−Ｚ面に光導波路を形成した後、基板に強い電界を印加することにより、−Ｚ面の分極方向を反転して＋Ｚ面とする。

光変調器を高速で駆動する場合は、信号電極と接地電極の終端を抵抗で接続して進行波電極とし、入力側からマイクロ波信号を印加する。このとき、電界によって平行導波路（Ａ）、（Ｂ）の屈折率がそれぞれ＋Δｎa、-Δｎbのように変化し、平行導波路（Ａ）、（Ｂ）間の位相差が変化するため出射導波路から強度 変調された信号光が出力される。電極の断面形状を変化させることでマイクロ波の実効屈折率を制御し、光とマイクロ波の速度を整合させることによって広帯域 の光応答特性を得ることができる。しかしながら、平行導波路（Ａ）、（Ｂ）に印加される電界の絶対値が異なり、Δｎa<Δｎbとなるため、オン状態 からオフ状態への過渡期において出力光の波長が変化する現象（チャープ）が生じる。これを解決するために、一部の領域で分極反転した基板を用いる。信号電 極は非反転領域で導波路（Ａ）上を、反転領域で導波路（Ｂ）上を通るようにする。図７に おいてL1=L2の場合、導波路（Ａ）、（Ｂ）を通る光は非反転領域でそれぞれ位相が＋Δθs,-Δθgだけ変化し、反転領域では＋Δθg,-Δθsだけ 変化する。ここでΔθg,Δθsはそれぞれ接地電極(ground)１０、信号電極(signal)１１による光の位相変化量を示す。したがって、導波路 （Ａ）、（Ｂ）を通る光の位相は出力側のＹ分岐導波路においてそれぞれ+(Δθs+Δθg),-(Δθs+Δθg)だけ変化することになり、絶対値が等し く符号が反転した位相変調となる。そのため、波長チャープを０にすることができる。また、L1とL２の比を変えることで、チャープ量の調整が可能となる。

図７（ａ）は、光変調器を上面から見た図であるが、図７（ｂ）は、図７（ａ） の光変調器の線Ａ−Ａ’に沿っての断面図である。基板の分極は、非反転領域であるので、光導波路（Ａ）、（Ｂ）が設けられる面が−Ｚ面となっている。すな わち、分極の方向である＋Ｚ面の方向は、下向きになっている。基板に設けられた光導波路（Ａ）、（Ｂ）の上には、バッファ層１２が設けられ、その上に、接 地電極１０と信号電極１１が設けられる。図７（ｃ）は、図７（ａ） の光変調器の線Ｂ−Ｂ’にそっての断面図である。この部分での基板の分極は、反転領域であるので、光導波路（Ａ）、（Ｂ）が設けられる面が＋Ｚ面となって いる。すなわち、分極の方向である＋Ｚ面の方向が上向きになっている。基板に設けられた光導波路（Ａ）、（Ｂ）の上には、バッファ装置１２が設けられ、そ の上に、接地電極１０と信号電極１１が設けられる。

以上に説明した分極反転構造を持つ光変調器を利用する場合には必然的に結晶の+Z面を利用することになる。しかし、我々は詳細な信頼性試験の結果、熱サイ クル等、温度試験を加えることで+Z面を利用した変調器の動作点が大きく変動する(数10V変動する)という現象を発見した。変調器の動作点とは図７（ａ）の平行導波路（Ａ）、（Ｂ）間の位相差で決まり、これがずれることは伝送特性に多大な悪影響をもたらす。これらの問題への従来の取り組みとして、特許文献１や特許文献２のような技術が存在する。

特許０２８７３２０３号明細書 特公平０５−０７８０１６号公報

S. Miyazawa, J. Appl. Phys., Vol50, No7, 1979

しかし、実験結果により
・動作点の変動が+Z面で発生していること。
・製造工程によらず+Z面を使用する場合には発生すること。
・従来の焦電効果により発生した光変調器の温度ドリフトに対する信頼性確立方法では上記問題を解決できないこと。
が明らかになった。

ここで図８を用いて従来の温度ドリフト対策を説明する。
図８（ａ） のように、強誘電体結晶では温度変化が発生すると電荷が発生する。これを焦電効果と呼ぶ。この電荷が絶縁膜であるバッファ層１２に、光導波路（Ａ）、 （Ｂ）に対して非対称に分布することで、電荷の作る電界により2本の導波路間で非対称に位相が変化して、温度ドリフトの原因となる。そこで、図８（ｂ）のようにバッファ層１２上面に導電膜１５を形成することで電荷を対称化する方法が知られている。

しかし、上記実験により発見された劣化現象は、図８の方法によっても完全には解決できないため、新たな解決方法が望まれている。
本発明の課題は、分極反転領域を有する光デバイスにおいて、分極反転領域の特性に起因する性能劣化の発生を有効に防止した光デバイスを提供することである。

本発明の光デバイスは、自発分極を有し、該自発分極の非反転領域と反転領域とを備える誘電体基板と、該非反転領域の−Ｚ面と、該反転領域の＋Ｚ面にわたっ て形成された光導波路と、該光導波路の近傍に形成された電極と、該反転領域の表面近傍の、少なくとも光導波路を覆う面に設けられた導電層とを備えることを 特徴とする。

本発明によれば、分極反転領域を有する場合にも、温度ドリフトによる性能劣化の発生を有効に防止した光デバイスを提供することができる。

本発明の実施形態の光変調器の構成例を示す図である。 本発明の実施形態の光変調器の第２の構成例を示す図である。 本発明の実施形態の光変調器の第３の構成例を示す図である。 本発明の実施形態の光変調器の第４の構成例を示す図である。 本発明の実施形態の光変調器の第５の構成例を示す図である。 従来の変調器と本発明の変調器の温度サイクル中での動作点変動実験の比較図を示す図である。 従来のマッハツェンダ型変調器の構成を示す図である。 従来の温度ドリフト対策を説明する図である。

今回、前記実験により発見した劣化現象は図８（ｂ） の従来例では、完全には解決できないことから、電荷が+Z面の結晶内部にたまり、これが光導波路部分における位相変化を引き起こし動作点変動の原因となると推定した。これは+Z面の自発分極の不安定性に起因すると考えられる。我々はこれを安定化させるため+Z面の表面近傍に導電層を形成する方法を考案した。基本的な効果は、導電層の材質が何であろうと得られるが、できれば、光の吸収が少ないほうが好ましい。すなわち、導電層として効果的な手段は光損失を 発生させず、また電界の印加効率を変化させないことが望ましい。我々はこの両者を満たすものとして、基板の材質、あるいは、これと類似の性質を持つ材質のアモルファス層を形成するという方法を考案した。たとえば、アモルファス層の材質は、LiNbO3や、LiTaO3, BaTiO3などが有効である。

＋Ｚ面に蓄積した電荷の分布を均一化し、光変調器の動作点の変動を抑える効果は、以下のようにしてえられるものと考えられる。すなわち、＋Ｚ面に電荷が不 均一に分布すると、電極から電界をかけた場合に、２つの光導波路に実効的に印加される電界の強度が異なってしまい、２つの光導波路で位相変調量が異なって しまうため、チャープを生じたり、動作点が移動してしまったりする。電荷の分布が均一ならば、２つの光導波路に印加される実効的な電界の強度が同じだけ変化するので、２つの光導波路で光に与えられる位相変調量は相対的に変化しない。したがって、チャープを生じたり、動作点が移動することがない。自発分極の 不安定性に起因して＋Ｚ面に電荷がたまった場合には、この電荷の分布を均一にしてやれば、悪い影響を取り除くことができる。そこで、＋Ｚ面の表面近傍に導 電層を形成すると、導電層は定電位となるので、＋Ｚ面に蓄積した電荷を導電層の定電位でひきつけて、これらの電荷の分布を均一にすることができる。した がって、＋Ｚ面にたまった電荷分布が均一になるので、光変調動作への悪影響が除去される。

アモルファス層は基板の結晶格子が乱れてアモルファス状になった状態であり、結晶層と材質は同じであるが特性が異なり、自発分極をもたず結晶層と比較して 高い導電性を示す特徴を持つ。我々は実験結果から極薄いアモルファス層（厚さが５〜１０００Å程度、この厚さは、アモルファス層が、電極から与える電界を 弱めてしまわない程度、あるいは、光に十分変調がかけられる程度である）が+Z面表層にあることで、光変調器の動作点が熱サイクルに対して安定になること をつきとめた。また、アモルファス層は基板と似た性質をもつため、基板表面に直接形成した場合でも光の吸収が起こらず、伝搬損失が発生しないという特徴を もつ。さらに極薄い層を形成するのみで効果があることから電界の印加効率も変化しないことが特徴である。

図１は、本発明の実施形態の光変調器の構成例を示す図である。
図７と同じ構成要素には同じ参照符号を付して、説明を省略する。
図１（ａ）の上面図は、図７（ａ）と同様であるが、+Z面部分にはバッファ層と基板の間にアモルファス層が形成されている。図１（ｂ）の線Ａ−Ａ’での断面図においては、この部分が分極の非反転領域であるので、アモルファス層は、設けられていない。図１（ｃ） の線Ｂ−Ｂ’での断面図は、この部分が分極の反転領域であるので、光導波路（Ａ）、（Ｂ）の上面を覆うように、アモルファス層が設けられている。本発明の実施形態では、もっとも好ましい例として、アモルファス層を設けることを示しているが、導電性を有する層であれば良い。

アモルファス層は厚い方が効果を発揮するが、アモルファス部分は電気光学効果をほとんどもたないため、極端に厚いと変調効率劣化の原因となる。そのため、我々の実験によれば、厚さは5〜1000Å程度が望ましいことがわかった。

図２は、本発明の実施形態の光変調器の第２の構成例を示す図である。
図１と同じ構成要素には同じ参照符号を付して、説明を省略する。
アモルファス層は+Z面の導波路部分を覆っていることで効果を発揮するが、効果が大きいのは+Z面すべてを覆っている場合である。すなわち、導電層である アモルファス層の面積が大きくなることにより、アモルファス層のアースとしての容量が大きくなるので、＋Ｚ面に蓄積した電荷の分布を均一化する能力が大き くなるからである。したがって、図２（ｃ）の線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図に示されているように分極反転領域の全表面を覆うように、アモルファス層が設けられる。

図３は、本発明の実施形態の光変調器の第３の構成例を示す図である。
図１と同じ構成要素には同じ参照符号を付して、説明を省略する。
基板側面に、導電層２１を形成し、アモルファス層２０部分と接触させることでより大きな効果を発揮する。すなわち、導電層２１とアモルファス層２０とが一 体となって、アースとして作用し、より大きな容量を持ったアースで＋Ｚ面に生じた電荷の分布を均一化することになり、本発明の効果が大きくなる。また、側 面部の導電層２１としては、光損失に影響がないためSiやTiなどが優れている。さらに側面部の導電層２１は接地していることが望ましい。導電層２１を接 地することにより、アースとしての効果を更に大きくすることができるとともに、側面部に導電層２１を設けることにより、接地のための配線を接続しやすくな る。

図４は、本発明の実施形態の光変調器の第４の構成例を示す図である。
図１と同じ構成要素には同じ参照符号を付して、説明を省略する。
広帯域を要求される40Gbit/sの光変調器の場合には、光導波路の両脇の基板を掘り下げて（リッジ溝２３）リッジ構造にすることが知られている。この リッジ溝２３は、典型的には、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法によって、形成される。分極反転領域を設けた40Gbit/sの光変調器の場合にも本発明は有効であり、図４（ａ）、（ｃ）のように＋Z表面にアモルファス層２０を形成する。アモルファス層２０は、必ずしもアモルファスである必要はなく、導電性の材質でできた層であれば良い。

図５は、本発明の実施形態の光変調器の第５の構成例を示す図である。
図１と同じ構成要素には同じ参照符号を付して、説明を省略する。
図１〜図４は、すべてマッハツェンダ型光変調器の構成例を示した。しかし、本発明は温度変化に対する＋Z面における光の位相変化に起因する悪影響を問題としているため、位相変調器においても効果を発揮する。図５に、本発明を位相変調器に適用した場合をしめす。図５に示す位相変調器は直線光導波路２５上に電極を配置して、RF電圧を印加することで光の位相を変調する。このような変調器においても例えば、図５に示すように一部を分極反転することで低周波領域での変調帯域をフラットにする技術などが知られている。このように、低周波領域において、変調帯域をフラットにすると、伝送効率がよくなることが知られている。したがって、位相変調器においても、図５のように、分極反転領域を設ける構成が用いられる。

アモルファス層２０の形成方法としては、スパッタによる成長方法などで表面に形成する以外に、電子線照射などにより基板内部に直接形成することも可能である。この場合、導波路領域を含む基板内部がアモルファス層となる。このような場合でも本発明の効果は十分に発揮される。

本発明はアモルファス層の代わりに、導電層を使用することでも効果を発揮する。導電層の例としてはTi、Au、Pt等の金属系薄膜やITO、ZnOなどの 透明性導電膜が利用できる。但しこの種の導電膜は程度の差はあるが光吸収を持つため、膜厚等を十分に考慮する必要がある。

図６は、従来の変調器と本発明の変調器の温度サイクル中での動作点変動実験の比較図を示す図である。
図６（ａ）が従来の変調器の場合を示し、図６（ｂ）が本発明の変調器の場合を示す。

温度サイクルは-5℃〜80℃で100サイクルの温度サイクルをかけた時点での、温度の変化に対する動作点の変化を示している。アモルファス層を100Å の厚さで形成している以外は、従来の変調器と本発明の変調器は、全く同一プロセス、同一構造で作成しているが、顕著に差が表れている。すなわち、従来例で 約8Vの動作点変動が起こっているのに対し、本発明を用いた場合には約1V以内の動作点変動に収まっている。
なお、上記実施形態の構成は、従来の図８（ｂ）の構成とともに用いることもでき、これにより、より大きな効果が期待できる。

（付記１）
自発分極を有し、該自発分極の非反転領域と反転領域とを備える誘電体基板と、
該非反転領域の−Ｚ面と、該反転領域の＋Ｚ面にわたって形成された光導波路と、
該光導波路の近傍に形成された電極と、
該反転領域の表面近傍の、少なくとも光導波路を覆う面に設けられた導電層と、
を備えることを特徴とする光デバイス。
（付記２）
該導電層は、アモルファス層であることを特徴とする付記１に記載の光デバイス。
（付記３）
該アモルファス層は、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、あるいは、ＢａＴｉＯ_３を材質とすることを特徴とする付記２に記載の光デバイス。
（付記４）
前記導電層の厚さは、５〜１０００Åであることを特徴とする付記２に記載の光デバイス。
（付記５）
前記導電層は、前記反転領域の全体を覆っていることを特徴とする付記１に記載の光デバイス。
（付記６）
前記導電体層が、前記誘電体基板の側面に形成され、前記導電層と接続されていることを特徴とする付記１に記載の光デバイス。
（付記７）
前記導電体層の前記誘電体基板の側面に設けられた部分は、接地されていることを特徴とする付記６に記載の光デバイス。
（付記８）
前記誘電体基板は、ＬｉＮｂＯ_３結晶で構成されることを特徴とする付記１に記載の光デバイス。
（付記９）
前記光デバイスは、前記誘電体基板の−Ｚ面に光導波路を形成後、該誘電体基板の自発分極を反転することによって、該誘電体基板の＋Ｚ面に光導波路を形成することを特徴とする付記１に記載の光デバイス。
（付記１０）
前記光導波路の近傍に溝が掘られていることを特徴とする付記１に記載の光デバイス。
（付記１１）
前記導電層と前記電極の間に、バッファ層として絶縁層が設けられていることを特徴とする付記１に記載の光デバイス。
（付記１２）
前記バッファ層の上に、誘電膜が設けられていることを特徴とする付記１１に記載の光デバイス。
（付記１３）
前記光デバイスは、光変調器であることを特徴とする付記１〜１２のいずれか１つに記載の光デバイス。
（付記１４）
前記光変調器は、マッハツェンダ型光強度変調器であることを特徴とする付記１３に記載の光デバイス。
（付記１５）
前記光変調器は、光位相変調器であることを特徴とする付記１３に記載の光デバイス。

１０ 接地電極
１１ 信号電極
１２ バッファ層
１３ 分極反転領域
１５ 導電膜
２０ アモルファス層
２１ 導電層
２３ リッジ溝
２５ 光導波路

Claims (11)

1. 自発分極を有し、該自発分極の非反転領域と反転領域とを備える誘電体基板と、
   該非反転領域の−Ｚ面と、該反転領域の＋Ｚ面とを横切るように形成された光導波路と、
   該光導波路の近傍に形成された電極と、
   該誘電体基板の該反転領域の表面上であって、前記表面及び前記光導波路と接するとともに少なくとも光導波路を覆うように設けられた第１の導電層と、
   絶縁層からなり、前期第1の導電層と前記電極との間に設けられ、前記第1の導電層と接するバッファ層と、
   を備える、
   ことを特徴とする光デバイス。
2. 前記第１の導電層は、アモルファス層であることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
3. 前記アモルファス層は、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、あるいは、ＢａＴｉＯ_３を材質とすることを特徴とする請求項２に記載の光デバイス。
4. 前記第１の導電層の厚さは、５〜１０００Åであることを特徴とする請求項２に記載の光デバイス。
5. 前記第１の導電層は、前記反転領域の全体を覆っていることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
6. 第２の導電層が、前記誘電体基板の側面に形成され、前記第１の導電層と接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
7. 前記第２の導電層は、接地されていることを特徴とする請求項６に記載の光デバイス。
8. 前記誘電体基板は、ＬｉＮｂＯ_３結晶で構成されることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
9. 前記光デバイスは、前記誘電体基板の−Ｚ面に光導波路を形成後、該誘電体基板の自発分極を反転することによって、該誘電体基板の＋Ｚ面に光導波路を形成することを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
10. 前記バッファ層は、SiO₂を含む材料からなり、前記バッファ層が前記電極での光の吸収を防ぐことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
11. 前記光デバイスは、光変調器であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の光デバイス。