JP2015014715A - 電気光学デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】環境変化や経時変化に対して安定に動作する、ＬＮ膜を用いた電気光学デバイスを提供する。【解決手段】単結晶基板と、単結晶基板の主面上に形成され、光導波路を有するニオブ酸リチウム膜と、光導波路上に形成されたバッファ層と、バッファ層上に形成された第１電極と、第１電極とは離間して配置された第２電極とを少なくとも有し、バッファ層の体積抵抗率がニオブ酸リチウム膜の体積抵抗率の１００倍以上であり、半波長電圧をＶπ、動作周波数をｆとして、第１電極と第２電極の間に、光出力中点にＶπ／５のステップ電圧を印加した場合に、出力される光量変化の時定数が、１００／ｆ以上１００秒以下であることを特徴とする電気光学デバイス。【選択図】図４

Description

本発明は、光通信、光計測分野において用いられる光変調器、光スイッチなどの電気光学デバイスに関する。

インターネットの普及に伴い通信量は飛躍的に増大しており、光ファイバ通信の重要性が非常に高まっている。光ファイバ通信は、電気信号を光信号に変換し、光信号を光ファイバにより伝送するものであり、広帯域、低損失、ノイズに強いという特徴を有する。

電気信号を光信号に変換する方式としては、半導体レーザによる直接変調方式と光変調器を用いた外部変調方式が知られている。直接変調は光変調器が不要で低コストであるが、高速変調には限界があり、高速で長距離の用途では外部光変調方式が使われている。

光変調器としては、ニオブ酸リチウム（以下、ＬＮと略す）単結晶基板の表面付近にＴｉ拡散光導波路を形成した光変調器が実用化されている。４０Ｇｂ／ｓ以上の高速の光変調器が商用化されているが、全長が１０ｃｍ前後と長いことが大きな欠点になっている。Ｔｉ拡散による光導波路は閉じ込めが弱いこと、ＬＮの誘電率が高いことが欠点であり、十分な小型化は実現されていない。

これに対して、特許文献１では、小型化を実現するために、サファイア単結晶基板上にエピタキシャル成長によりｃ軸配向のＬＮ膜を形成し、そのＬＮ膜を光導波路として用いたマッハツェンダ型光変調器が開示されている。

特開２００６−１９５３８３号公報 特許第２５４５７０１号公報 特開平７−１５２０５１号公報

ＬＮ単結晶基板を用いた光変調器、光スイッチなどの電気光学デバイスでは、環境変化や経時変化における動作点変動が長年大きな課題となっている。この課題に対して様々な改善策が提案されている。

特許文献２では、温度変化における動作点変動（温度ドリフト）の防止方法が提案されている。温度が変動すると、焦電効果によりＬＮ単結晶基板の分極の大きさが変化する。この変化に対応する逆電荷が電極の底面に外部から供給される。この逆電荷による不均一な電界分布により無用な電界が発生し、温度ドリフトの原因となる。ＬＮ単結晶基板に生じる分極による電荷に対応して逆電荷を供給できると共に電極間の実質的な導通を阻止する抵抗値を有する膜体を、基板上面を全面覆う形でコーティングすることにより、温度ドリフトを防止している。

特許文献３では、経時変化における動作点変動（ＤＣドリフト）の低減方法として、バッファ層の体積抵抗率をＬＮ単結晶基板の１倍から１００倍の範囲に調整する方法が提案されている。

しかしながら、今までに提案されている温度ドリフトやＤＣドリフトの低減方法は、いずれもＬＮ単結晶基板を用いた電気光学デバイスに関するものである。特許文献１では、本発明の対象とするＬＮ膜を用いた電気光学デバイスが開示されているものの、その動作点変動については記述がない。今までにＬＮ膜を用いた電気光学デバイスの動作点変動の防止方法について報告された例はない。

本発明は、上記の点を考慮してなされたもので、環境変化や経時変化に対して安定に動作する、ＬＮ膜を用いた電気光学デバイスを提供することを目的とする。

本発明は、単結晶基板と、単結晶基板の主面上に形成され、光導波路を有するニオブ酸リチウム膜と、光導波路上に形成されたバッファ層と、バッファ層上に形成された第１電極と、第１電極とは離間して配置された第２電極とを少なくとも有し、バッファ層の体積抵抗率がニオブ酸リチウム膜の体積抵抗率の１００倍以上であり、半波長電圧をＶπ、動作周波数をｆとして、第１電極と第２電極の間に、光出力中点にＶπ／５のステップ電圧を印加した場合に、出力される光量変化の時定数が、動作周波数をｆとして、１００／ｆ以上１００秒以下であることを特徴とする電気光学デバイスである。

また、本発明は、単結晶基板と、単結晶基板の主面上に形成され、光導波路を有するニオブ酸リチウム膜と、光導波路上に形成されたバッファ層と、バッファ層上に形成された第１電極と、第１電極とは離間して配置された第２電極とを少なくとも有し、半波長電圧をＶπ、動作周波数をｆとして、第１電極と第２電極の間に、光出力中点にＶπ／５のステップ電圧を印加した場合に、出力される光量変化の時定数τが、１００／ｆ以上１００秒以下であり、ステップ電圧印加前に出力される光量をＰ１、ステップ電圧を印加して１０τ後に出力される光量をＰ２とした場合に、｜Ｐ２−Ｐ１｜／Ｐ１≦０．０２を満足していることを特徴とする電気光学デバイスである。

また、本発明は、動作周波数ｆを１ｋＨｚ以上としてもよい。

本発明により、環境変化や経時変化に対して安定に動作する、ＬＮ膜を用いた電気光学デバイスを実現することができる。

実施形態１の電気光学デバイスの平面図である。 実施形態１の電気光学デバイスの断面図である。 印加電圧に対する光出力を示す図である。 実施形態１の等価回路を示す図である。 ステップ電圧に対する応答特性の計算結果を示す図である。 周波数応答特性の計算結果を示す図である。 時定数τに対するＶ_０／Ｅ_０の計算結果を示す図である。 実施形態２の電気光学デバイスの断面図である。 実施形態２の等価回路を示す図である。 実施形態３の電気光学デバイスの断面図である。 １ｋＨｚの電圧を印加した場合に出力される光量の測定結果を示す図である。 Ｖπ／５のステップ電圧を印加した場合に出力される光量の測定結果を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明の対象は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれると共に、その構成要素は、適宜組み合わせることが可能である。また説明図は模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係は、本実施形態の効果が得られる範囲内で実際の構造とは異なっていても良いこととする。

以下、実施形態１について図面を参照して説明する。図１は、実施形態１の、マッハツェンダ型の電気光学デバイス１０の平面図である。以後、電気光学デバイス１０と呼ぶ。電気光学デバイス１０は、電気光学効果を有する光導波路１で形成されたマッハツェンダ干渉計に、電圧を印加して光導波路１内を伝搬する光を変調するデバイスである。光導波路１は、２本の光導波路（１ａ、１ｂ）に分岐され、光導波路（１ａ、１ｂ）上には、それぞれ１本ずつ、すなわち、２本の第１電極（２ａ、２ｂ）が設けられていて、デュアル電極構造となっている。なお、光導波路１の入力側１１と出力側１２とは、分岐された２本の光導波路（１ａ、１ｂ）が結合しており、一本となっている。

図２は、実施形態１の電気光学デバイス１０のＡ−Ａ´線の断面図である。単結晶基板４の主面上にエピタキシャル成長によりニオブ酸リチウム膜５（以降、ＬＮ膜５と称する）が形成されている。ＬＮ膜５のｃ軸は単結晶基板４の主面に垂直方向に配向している。ＬＮ膜５はリッジ形状部を有しており、光導波路（１ａ、１ｂ）として機能している。リッジ形状部上にはバッファ層６を介して第１電極（２ａ、２ｂ）が形成されている。第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）は、第１電極（２ａ、２ｂ）とは離間して、ＬＮ膜５上に形成されている。また、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）は、バッファ層６の段差部と接している。なお、段差部とは、厚み方向を法線とする最表面とは異なる端部を指す。通常、リッジ形状部は凸形状部の上に突き出した場所を指す。この上に突き出した場所は、左右の場所と比較して、ＬＮ膜５の膜厚が厚くなっているので、実効屈折率が高くなっている。そのため、左右方向についても光を閉じ込めることができ、３次元光導波路として機能する。リッジ形状部の形状は光を導波可能とする形状であればよく、リッジ形状部におけるＬＮ膜５の膜厚が、左右のＬＮ膜５の膜厚より厚ければよい。上に凸のドーム形状、三角形状などであっても良い。

ここで、バッファ層６の体積抵抗率はＬＮ膜５の体積抵抗率の１００倍以上となるように形成されている。さらに、第１電極（２ａ、２ｂ）と第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の間に、光出力中点にＶπ／５のステップ電圧を印加した場合に、出力される光量変化の時定数が、動作周波数をｆとした場合、１００／ｆ以上１００秒以下となるように構成されている。このように構成することで、後述するように、環境変化に対して安定に動作する電気光学デバイスを実現できる。ここで、光出力中点とは、光出力が最大光出力と最小光出力の平均値となる動作点を指すものとする。

電気光学デバイス１０の動作について説明する。図１において、２本の第１電極（２ａ、２ｂ）と、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）を終端抵抗９で接続して、進行波電極として機能させる。第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）を接地電極とし、２本の第１電極（２ａ、２ｂ）に対して、絶対値が同じで正負の異なる位相がずれていない、いわゆる、相補信号を電気光学デバイス１０の第１電極（２ａ、２ｂ）の入力側（１３ａ、１３ｂ）から入力する。ＬＮ膜５は電気光学効果を有しているので、光導波路（１ａ、１ｂ）に与えられる電界によって光導波路（１ａ、１ｂ）の屈折率がそれぞれ＋Δｎ、−Δｎのように変化し、光導波路（１ａ、１ｂ）間の位相差が変化する。この位相差の変化により電気光学デバイス１０の出射導波路１ｃから強度変調された信号光が出力側１２に出力される。光導波路（１ａ、１ｂ）間の位相差がπの偶数倍であれば光は強め合い、位相差がπの奇数倍ならば光は弱め合う。

図３に印加電圧に対する光出力を示す。光出力は印加電圧に対して周期的に変化し、半周期に相当する電圧は半波長電圧Ｖπと定義される。図３では印加電圧が無い場合の光出力が、最大光出力と最小光出力の平均値となるように、すなわち、光出力中点に動作点が設定されている。光導波路（１ａ、１ｂ）の光路長を調整することで、動作点は制御でき、例えば、光導波路（１ａ、１ｂ）の一方の光導波路をヒータにより加熱し、熱光学効果により屈折率を変化させることで制御できる。光出力中点において、印加電圧が−Ｖπ／５〜＋Ｖπ／５の範囲では、光出力は印加電圧に対してほぼ比例して変化する。

本発明の原理について詳細に説明する。図４は、実施形態１の電気光学デバイス１０の電気的な等価回路を図２の断面図に対応させて模式的に表わしたものである。図４は、第１電極２ａと第２電極３ａの間の等価回路のみを示しているが、第１電極２ａと第２電極３ｂ、第１電極２ｂと第２電極３ｂ、第１電極２ｂと第２電極３ｃの間についても同じ等価回路で表現できる。ノード２１、ノード２３は、それぞれ第１電極２ａ、第２電極３ａに対応している。ノード２２は、光導波路１ａにおけるバッファ層６とＬＮ膜５の境界面に位置している。ノード２１、ノード２２の間には、バッファ層６に対応した容量Ｃ_１および抵抗Ｒ_１の並列回路が等価的に接続されている。ノード２２とノード２３との間には、ＬＮ膜５に対応した容量Ｃ_２および抵抗Ｒ_２の並列回路が等価的に接続されている。ノード２１とノード２３との間に電圧Ｅ（ｔ）を印加した際に、ノード２２とノード２３との間に発生する電圧をＶ（ｔ）で表す。ここでｔは時間を表す。電圧Ｖ（ｔ）により光導波路１ａに電界が印加され、電気光学効果により導波路１ａの部分の屈折率が変化することで、電気光学デバイスとして機能する。

まず、Ｅ＝Ｅ_０・ｕ（ｔ）のステップ電圧を印加した場合を考える。ここで、ｕ（ｔ）は、ｔ＜０では、ｕ（ｔ）＝０、ｔ≧０では、ｕ（ｔ）＝１と定義された関数である。ＬＮ膜５に印加される電圧Ｖ（ｔ）は式（１）となる。

・・・式（１）
但し、ｔ≧０
ここで、時定数τは、

・・・式（２）
である。
ステップ電圧を印加した直後では、

十分長い時間が経過した後は、

の電圧が、ＬＮ膜５に印加される。また、ｔ＝１０τを式（１）に入力して、ＥＸＰ（−１０）＝４．５ｘ１０^−５ より、ＥＸＰの項は十分小さいので、

となる。ステップ電圧を印加して１０τの時間が経過した後は、Ｅ_０Ｒ_２／（Ｒ_１＋Ｒ_２）の電圧がＬＮ膜５に印加されている。

Ｖ（ｔ）に比例して、光導波路１ａに電界が印加され、電気光学効果により導波路１ａの部分の屈折率が変化し、電気光学デバイス１０から出力される光量が変化する。ここで、光出力中点において、印加電圧が−Ｖπ／５〜＋Ｖπ／５の範囲では、光出力は印加電圧に対してほぼ比例して変化する。そこで、光出力中点において、Ｅ_０＝Ｖπ／５のステップ電圧を印加した場合を考える。本実施形態では、バッファ層６の体積抵抗率がＬＮ膜５の体積抵抗率の１００倍以上に形成されており、Ｒ_１／Ｒ_２は、おおよそ１００以上になっていると考えられる。Ｒ_１／Ｒ_２＝１００、Ｃ_１／Ｃ_２＝０．４として、計算した結果を図５に示す。図５（ａ）は、印加電圧の時間変化を示している。図５（ｂ）は、ＬＮ膜５に印加される電圧の時間変化を示しており、電圧印加直後は、Ｖ（０）／Ｅ_０＝０．２９であるが、１０τ後では、Ｖ（１０τ）／Ｅ_０＝０．０１となる。つまり、本実施形態の電気光学デバイス１０は、瞬間的な電圧変化に対しては応答するものの、ＤＣ電圧に対してはＬＮ膜５にほとんど電圧が印加されないようになっている。図５（ｃ）は、光出力の時間変化を示している。光出力はＶ（ｔ）に比例して変化するので、両者の時定数は同じである。このように、Ｖ（ｔ）を直接測定することはできないが、光出力の時間変化から時定数τを測定できる。電圧印加前は、動作点が光出力中点にあるので、光出力／最大光出力＝０．５である。Ｖπ／５のステップ電圧印加直後は、光出力／最大光出力＝０．７９となるが、時間経過とともに光出力は光出力中点に戻り、１０τ後では、光出力／最大光出力＝０．５１となる。ステップ電圧印加前に出力される光量をＰ_１、ステップ電圧を印加して１０τ後に出力される光量をＰ_２とした場合に、｜Ｐ_２−Ｐ_１｜／Ｐ_１＝０．０２となる。なお、ステップ電圧の符号を逆にして印加した場合は、ステップ電圧印加直後は、光出力／最大光出力＝０．２１、１０τ後では、光出力／最大光出力＝０．４９となり、やはり、｜Ｐ_２−Ｐ_１｜／Ｐ_１＝０．０２となる。電圧の符号によらず、｜Ｐ_２−Ｐ_１｜／Ｐ_１＝０．０２となる。本実施形態の電気光学デバイス１０は、Ｒ_１／Ｒ_２≧１００であり、｜Ｐ_２−Ｐ_１｜／Ｐ_１≦０．０２を満足している。デバイスになった後で、バッファ層６とＬＮ膜５の体積抵抗率を測定することは難しいが、｜Ｐ_２−Ｐ_１｜／Ｐ_１≦０．０２を満足していれば、バッファ層６の体積抵抗率がＬＮ膜５の体積抵抗率の１００倍以上になっていると推定できる。

次に、周波数ｆ、角周波数ω＝２πｆ、振幅Ｅ０の正弦波の電圧Ｅ（ｔ）＝Ｅ_０・ｓｉｎ（ωｔ）を印加した場合を考える。ＬＮ膜５に印加される電圧は、Ｖ（ｔ）＝Ｖ_０・ｓｉｎ（ωｔ＋φ）と書ける。Ｖ_０は振幅、φは位相のずれを表す。図６に、周波数ｆに対する振幅比Ｖ_０／Ｅ_０の計算結果を示す。図６では、Ｒ_１／Ｒ_２＝１００、Ｃ_１／Ｃ_２＝０．４として、時定数τを変えた場合の結果を示している。低周波側では、抵抗成分のみに依存するようになり、Ｖ_０／Ｅ_０＝Ｒ_２／（Ｒ_１＋Ｒ_２）となる。本実施形態では、バッファ層６の体積抵抗率がＬＮ膜５の体積抵抗率の１００倍以上に形成されているので、Ｒ_１＞＞Ｒ_２となり、Ｖ_０／Ｅ_０＜＜１となる。すなわち、低周波側では、ＬＮ膜５には電圧がほとんど印加されない。一方、高周波側では、容量成分のみに依存するようになり、Ｖ_０／Ｅ_０＝Ｃ_１／（Ｃ_１＋Ｃ_２）となる。また、時定数τを変化させると、Ｖ_０／Ｅ_０が変化する領域が移動していることが分かる。例えば、時定数τ＝１００ｓｅｃの場合は、周波数ｆが０．０００１Ｈｚ〜０．０１Ｈｚの範囲でＶ_０／Ｅ_０が変化し、時定数τ＝０．０１ｓｅｃの場合は、１Ｈｚ〜１００Ｈｚの範囲でＶ_０／Ｅ_０が変化している。

ここで、環境変化に対応するような低い周波数ではＶ_０／Ｅ_０＜＜１、電気光学デバイスとして動作させる周波数ではＶ_０／Ｅ_０＝Ｃ_１／（Ｃ_１＋Ｃ_２）を満足していれば、環境変化に対して安定な動作を実現できると考えられる。

環境変化に対応する周波数について考える。本実施形態の対象としている光変調器、光スイッチなどの電気光学デバイスは、主な用途が光通信や光計測であり、通常、光伝送装置や光計測装置の中に組み込まれて使用される。さらに、これらの装置は、通常、空調のある建物の中や海底に設置されており、いずれも環境変化は非常に緩やかであると考えられる。環境変化は１日が周期と考えると、周波数は約１０の−５乗Ｈｚとなる。１０の−５乗Ｈｚの周波数において、Ｖ_０／Ｅ_０＜＜１であれば、環境変化に対して十分安定に動作すると考えられる。図７に、１０の−５乗Ｈｚの周波数において、時定数τに対するＶ_０／Ｅ_０の計算結果を示す。図７より時定数τが、１００ｓｅｃ以下であれば、Ｖ_０／Ｅ_０＜＜１であることが分かる。以上より、時定数τが、１００ｓｅｃ以下であれば、環境変化に対して安定に動作できる。

次に、電気光学デバイスとして動作させる周波数について考える。図６から、τ＝１００ｓｅｃでは、１Ｈｚ以上の周波数において、Ｖ_０／Ｅ_０が一定になり安定な動作を実現できている。同様に、τ＝０．０１ｓｅｃでは１０ｋＨｚ以上の周波数において、τ＝１μｓｅｃでは１００ＭＨｚ以上の周波数において、安定な動作を実現できている。一般に、１００／τ以上の周波数において、Ｖ_０／Ｅ_０が一定になり安定な動作を実現できる。逆に考えて、動作周波数をｆとした場合、時定数τが１００／ｆ以上であれば、動作周波数ｆより高周波において、安定な特性が得られる。

以上より、第１電極と第２電極の間にステップ電圧を印加した場合に、出力される光量変化の時定数τが、動作周波数をｆとして、１００／ｆ以上１００秒以下である場合に、環境変化に対して安定に動作する電気光学デバイス１０を実現できる。また、光出力中点を中心に第１電極と第２電極の間にステップ電圧を印加した場合、印加電圧が−Ｖπ／５〜＋Ｖπ／５の範囲では、光出力は印加電圧に対してほぼ比例して変化し、時定数τを正しく測定できるので、好ましい。

経時変化については、ＬＮ単結晶基板を用いた電気光学デバイスでは、ＤＣバイアス電圧を印加した際に生じるＤＣドリフトが課題とされている。本実施形態の電気光学デバイス１０では、ＤＣバイアス電圧を印加しても、ＬＮ膜５にはほとんど電界が印加されない構成となっており、本質的にＤＣドリフトが存在しない。つまり、経時変化に対しても安定に動作する電気光学デバイスを実現できる。

実施形態２の電気光学デバイス２０の断面図を図８に示す。実施形態１との相違点は、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）とバッファ層６の部分のみである。バッファ層６はＬＮ膜５上の全面に形成され、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）はバッファ層６の表面に形成されている。その他の部分については実施形態１と同じであり、説明を省略する。バッファ層６の体積抵抗率はＬＮ膜５の体積抵抗率の１００倍以上となるように形成されている。さらに、第１電極（２ａ、２ｂ）と第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の間に、光出力中点にＶπ／５のステップ電圧を印加した場合に、出力される光量変化の時定数が、動作周波数をｆとして、１００／ｆ以上１００秒以下となるように構成されている。

図９に実施形態２に対応した等価回路を示す。ノード３３とノード３４との間に、バッファ層６に対応した容量Ｃ３および抵抗Ｒ３の並列回路が等価的に接続されている点を除き、図４と同じである。なお、数式が変わる部分はあるものの、本発明の原理は成立する。

実施形態３の電気光学デバイス３０の断面図を図１０に示す。第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）は、第１電極（２ａ、２ｂ）と離間して、ＬＮ膜５と接するように単結晶基板４上に形成されている。バッファ層６の体積抵抗率はＬＮ膜５の体積抵抗率の１００倍以上となるように形成されていて、さらに、第１電極（２ａ、２ｂ）と第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の間に、光出力中点にＶπ／５のステップ電圧を印加した場合に、出力される光量変化の時定数が、動作周波数をｆとして、１００／ｆ秒以上１００秒以下となるように構成されている。実施形態３の等価回路は図３の実施形態１の等価回路と同じであり、本発明の原理は成立する。

本実施形態の構成要素について詳しく説明する。単結晶基板４としては、高品質なＬＮ膜５を形成させることができる基板が好ましく、サファイア単結晶基板もしくはシリコン単結晶基板が好ましい。単結晶基板４の結晶方位は特に限定されない。ＬＮ膜５はさまざまな結晶方位の単結晶基板４に対して、ｃ軸配向のエピタキシャル膜として形成されやすいという性質を持っている。ｃ軸配向のＬＮ膜５は３回対称の対称性を有しているので、下地の単結晶基板４も同じ対称性を有していることが望ましく、サファイア単結晶基板の場合はｃ面、シリコン単結晶基板の場合は（１１１）面の基板が好ましい。

ＬＮ膜５の組成はＬｉｘＮｂＡｙＯｚである。Ａは、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｏ以外の元素を表している。ｘは０．５〜１．２であり、好ましくは、０．９〜１．０５である。ｙは、０〜０．５である。ｚは１．５〜４であり、好ましくは２．５〜３．５である。Ａの元素としては、Ｋ、Ｎａ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｃｅなどがあり、２種類以上の組み合わせでも良い。

ＬＮ膜５の膜厚は２μｍ以下であることが望ましい。これ以上、膜厚が厚くなると、高品質な膜を形成するのが困難になる。ＬＮ膜５の膜厚が薄すぎる場合は、ＬＮ膜５における光の閉じ込めが弱くなり、単結晶基板４やバッファ層６に光が漏れて導波することになる。ＬＮ膜５に電界を印加しても、光導波路（１ａ、１ｂ）の実効屈折率の変化が小さくなるおそれがある。そのため、ＬＮ膜５は、波長の１／３程度以上の膜厚が望ましい。

ＬＮ膜５の形成方法としては、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などの膜形成方法を利用するのが望ましい。ｃ軸が単結晶基板４の主面に垂直に配向されており、ｃ軸に平行に電界を印加することで、電界に比例して光学屈折率が変化する。単結晶基板４としてサファイアを用いる場合は、サファイア単結晶基板上に直接、ＬＮ膜５をエピタキシャル成長できる。単結晶基板４としてシリコンを用いる場合は、クラッド層（図示せず）を介して、ＬＮ膜５をエピタキシャル成長により形成する。クラッド層（図示せず）としては、ＬＮ膜５より屈折率が低く、エピタキシャル成長に適したものを用いる。例えば、クラッド層（図示せず）としてＹ２Ｏ３を用いると、高品質のＬＮ膜５を形成できる。

ＬＮ膜５の体積抵抗率は、様々な方法で制御できることが知られており、例えば、成膜条件、熱処理条件を調整することで、ＬＮ膜５の体積抵抗率をバッファ層６の体積抵抗率の１／１００以下に制御できる。時定数τは、Ｒ_２／Ｒ_１＜＜１の場合、式（２）より、τ＝Ｒ_２（Ｃ_１＋Ｃ_２）となり、ＬＮ膜５の体積抵抗率に比例する特性となる。時定数τが、動作周波数をｆとして、１００／ｆ以上１００秒以下となるように、ＬＮ膜５の体積抵抗率を制御する。

バッファ層６としては、ＬＮ膜５より屈折率が低く、透明性が高い材料であればよく、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２、Ｌａ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＨｆＯ_２、ＭｇＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＦ_２などを用いることができる。電極の光吸収による光導波路（１ａ、１ｂ）の伝搬損失を低減するために、光導波路（１ａ、１ｂ）と第１電極（２ａ、２ｂ）の間にバッファ層６を配置する必要がある。バッファ層６の膜厚は、電極の光吸収を低減するためには厚いほど良く、光導波路（１ａ、１ｂ）に高い電界を印加するためには薄いほど良い。電極の光吸収と電極の印加電圧とは、トレードオフの関係にあるので、目的に応じて適切な膜厚を設定する必要がある

第１電極（２ａ、２ｂ）、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の材料は、電気伝導度が高い材料であればよいが、高周波における信号の伝搬損失を低減するために、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔなどの高電気伝導度の金属材料を使用することが望ましい。

電極の構造については様々な変形が可能である。実施形態１では、第１電極（２ａ、２ｂ）を信号電極、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）を接地電極として動作原理を説明したが、例えば、第２電極３ｂ、もしくは、第２電極３ａと３ｃを省いてもよい。また、第２電極３ｂを省き、第１電極２ａもしくは第１電極２ｂを接地電極とすることもできる。第１電極（２ａ、２ｂ）には相補信号を入力すると説明したが、一方のみに入力し、他方を省くことも可能である。さらに、第１電極（２ａ、２ｂ）におけるＬＮ膜５の分極方向を反転させることにより、相補信号ではなく、同じ信号を入力することも可能である。

第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）は、第１電極（２ａ、２ｂ）と離間していれば、任意の場所に配置してもよい。駆動電圧化のために、実施形態１と実施形態３に示すように、ＬＮ膜５と接して配置するのが、より好ましい。なお、図２の実施形態１の断面図では、第２電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）はバッファ層６と接しているが、これは必須ではなく、接していなくてもよい。図４に示した等価回路において、第２電極３ａとバッファ層６が接していない場合も、等価回路は同じであり、本発明は成り立つ。

（実施例）
実施形態１に示す電気光学デバイスを実際に試作し特性を評価した。単結晶基板４の材質はサファイア、スパッタ法で成膜されエピタキシャル成長させたＬＮ膜５の膜厚は１．５μｍ、スパッタ法で成膜されたバッファ層６の材質はアルミナ膜とし、膜厚は、１．０μｍとした。電気抵抗を測定した所、ＬＮ膜５の体積抵抗率は約１０の１０乗Ωｍであった。バッファ層６として用いたアルミナ膜の体積抵抗率は測定限界以上であり、１０の１２乗Ωｍ以上であった。バッファ層６の体積抵抗率はＬＮ膜５の体積抵抗率の１００倍以上であった。

図１１に、振幅３Ｖ、周波数１ｋＨｚの正弦波の電圧を印加した場合の光変調特性の測定結果を示す。測定波長は１５５０ｎｍとした。光出力はＶｍａｘ＝＋１．１Ｖにおいて最大、Ｖｍｉｎ＝−１．１Ｖにおいて最小となった。半波長電圧Ｖπは、ＶｍａｘとＶｍｉｎの差の絶対値と定義され、２．２Ｖであった。光変調器として正常に動作していることが分かる。

次に、図１２に、Ｖπ／５＝０．４４Ｖのステップ電圧を印加した場合に出力される光量の測定結果を示す。電圧印加前に出力される光量をＰ_１、出力される光量をＰとして、｜（Ｐ−Ｐ_１）／Ｐ_１｜を縦軸とした。時定数τは約１．５秒と推定できる。本実施例の電気光学デバイスの動作周波数ｆは１ｋＨｚ以上であり、時定数τは、１００／ｆ以上１００秒以下を満足している。１０τ後、すなわち１５秒後の光量をＰ_２とすると、｜（Ｐ_２−Ｐ_１）／Ｐ_１｜＝０．０１であり、０．０２以下を満足している。

振幅３Ｖ、周波数１ｋＨｚの正弦波の電圧を印加した状態で、温度を変化させて、光出力が最小となる電圧Ｖｍｉｎを測定した。２５℃と６０℃におけるＶｍｉｎの差は、０．１Ｖ以下と小さく、温度ドリフトが小さいことが分かった。バッファ層６の体積抵抗率がＬＮ膜５の体積抵抗率の１００倍以上であり、焦電効果によりバッファ層６表面に電荷が誘起されたとしても、この電荷による電界はＬＮ膜５にはほとんど印加されないので、電圧変動が小さいと考えられる。

振幅３Ｖ、周波数１ｋＨｚの正弦波の電圧に、５ＶのＤＣバイアス電圧を印加した状態で光変調特性の経時変化を測定した。１日経過しても、特性変化は全く見られず、経時変化に対しても安定であることが分かった。

以上説明したように、実施例の電気光学デバイスはＤＣ成分の電圧に対してほとんど変化せず、温度変化や経時変化に対して、安定な動作を実現していることが分かった。

光ファイバ通信、光計測における様々な用途に利用できる。

１０、１００ 電気光学デバイス
１、１ａ、１ｂ、１ｃ 光導波路
２ａ、２ｂ 第１電極
３ａ、３ｂ、３ｃ 第２電極
４ 単結晶基板
５ ＬＮ膜
６ バッファ層
９ 終端抵抗
１１ 入力側
１２ 出力側
１３ａ、１３ｂ 入力側
２１〜２３ ノード
３１〜３３ ノード

Claims (3)

1. 単結晶基板と、
   前記単結晶基板の主面上に形成され、光導波路を有するニオブ酸リチウム膜と、
   前記光導波路上に形成されたバッファ層と、
   前記バッファ層上に形成された第１電極と、
   前記第１電極とは離間して配置された第２電極とを少なくとも有し、
   前記バッファ層の体積抵抗率が前記ニオブ酸リチウム膜の体積抵抗率の１００倍以上であり、
   半波長電圧をＶπ、動作周波数をｆとして、前記第１電極と前記第２電極の間に、光出力中点にＶπ／５のステップ電圧を印加した場合に、出力される光量変化の時定数が、１００／ｆ以上１００秒以下であることを特徴とする電気光学デバイス。
2. 単結晶基板と、
   前記単結晶基板の主面上に形成され、光導波路を有するニオブ酸リチウム膜と、
   前記光導波路上に形成されたバッファ層と、
   前記バッファ層上に形成された第１電極と、
   前記第１電極とは離間して配置された第２電極とを少なくとも有し、
   半波長電圧をＶπ、動作周波数をｆとして、前記第１電極と前記第２電極の間に、光出力中点にＶπ／５のステップ電圧を印加した場合に、出力される光量変化の時定数τが、動作周波数をｆとして、１００／ｆ以上１００秒以下であり、ステップ電圧印加前に出力される光量をＰ_１、ステップ電圧を印加して１０τ後に出力される光量をＰ_２とした場合に、｜Ｐ_２−Ｐ_１｜／Ｐ_１≦０．０２を満足していることを特徴とする電気光学デバイス。
3. 前記動作周波数が１ｋＨｚ以上である請求項１または請求項２に記載の電気光学デバイス。

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