JP2019174733A - 光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＮ基板に直接電極を形成した光素子であって、ドリフト現象を抑制した光素子を提供する。【解決手段】ニオブ酸リチウム結晶で形成された基板と、基板上に配置した電極とを有する光素子において、基板と電極とが直接接触すると共に、電極側の接触する面に配置される接触金属は、酸化した時の１配位結合当りの標準生成エンタルピーが、五酸化ニオブの１配位結合当りの標準生成エンタルピーよりも大きい金属材料が使用されている。【選択図】図５

Description

本発明は、光素子に関し、特に、ニオブ酸リチウム結晶で形成された基板と、該基板上に配置した電極とを有する光素子に関する。

光通信や光計測の技術分野にて、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３。以下「ＬＮ」という。）を基板に用いた光変調器などの光素子が多用されている。
例えば、導波路型ＬＮ変調器は、波長チャープが小さく、位相・強度変調が可能であることから、高速・長距離用光通信の送信器に搭載されている。近年、マッハツェンダー（ＭＺ）構造を有する導波路を複数個集積させた多値変調器が主流になっている。

集積化のためには、変調効率を上げる必要があり、Ｘカット型のニオブ酸リチウム（ＬＮ）を持いた変調器では、ＬＮ基板に直接電極を形成する方法も採用されている（特許文献１参照）。

一方、ＬＮ変調器は、光通信の基幹系に用いるため、長期間（約２０年）に亘って動作させることが必要となる。この長期動作で課題になる現象としてドリフト現象がある。ＬＮ変調器におけるドリフト現象の解明やその改善は、ＬＮ基板と電極との間にＳｉＯ_２等の誘電体（バッファ（ＢＦ）層）を介在させた構造において行われている。この構造では正のドリフト現象を示し、ＳｉＯ_２中にＩｎやＳｎ等をドーパントさせ、ＢＦ層の抵抗を調整することで、正のドリフト現象を抑制している。

他方、上述したＬＮ基板に直接電極を形成した場合については、これまで、このような構成が余り採用されなかったこともあり、ドリフト現象に関する原因の解明や改善は、あまり行われていない（特許文献１、３参照）。

しかしながら、ＬＮ基板に直接電極を形成する方法は、集積化や変調効率において有利であることから、Ｘカット型のＬＮ基板に直接電極を形成した光変調器を試作してドリフト現象の評価を行った。

本試験（第１試験）では、図１（ａ）に示すように、Ｘカット型のＬＮ基板に、Ｔｉを熱拡散した光導波路を形成すると共に、制御電極を形成した光変調器を用いた。電極長は４０ｍｍであり、電極間間隔は２５μｍに設定した。図１（ａ）の点線Ａ−Ａにおける断面図である図１（ｂ）に示すように、ＬＮ基板と接触する制御電極の材質（接触金属）として、一般的に用いられているＴｉ（非特許文献１、特許文献２）を採用し、その上にＡｕのメッキ層を形成した。図１の光変調器に対し、サンプルＡでは、測定前に、電圧を印加しない状態で、２００℃で１時間の熱負荷を行っており、サンプルＢでは、測定前に、電圧を印加しない状態で、２８０℃で１時間の熱負荷を行っている。この２種類のサンプルＡ及びＢを、８５℃で定電圧印加させた時のドリフト現象の挙動を図２に示す。

熱負荷温度によって、ドリフト量が大きく異なっており、熱による変化が生じていることが解る。このドリフトの方向は負であるため、バイアス電圧は収束する方向に働く（特許文献４）ことから、実使用上問題ない。

しかしながら、ＬＮ基板に直接電極を形成したＬＮ変調器では、サンプルＡとＢのように、測定前の加熱温度が異なるだけで、ドリフト現象に差が発生し、ドリフト発生原因がこれまで特定できていなかった。また、原因が不明であるため、ＬＮ変調器の品質担保が難しいという問題も生じている。さらに、ＬＮ変調器のバイアス制御を高頻度で実施しなければならないという問題も発生している。

特許第４３７５５９７号公報 特許第３９５４１９２号公報 米国特許明細書第８０７０３６８号 特許第２７９８３５０号公報

"A Review of Lithium Niobate Modulators for Fiber-Optic Communications Systems"， IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.6, No.1, pp 69(2000)

本発明が解決しようとする課題は、上述した問題を解決し、ＬＮ基板に直接電極を形成した光素子であって、ドリフト現象を抑制した光素子を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の光素子は、以下のような技術的特徴を有する。
（１） ニオブ酸リチウム結晶で形成された基板と、該基板上に配置した電極とを有する光素子において、該基板と該電極とが直接接触すると共に、該電極側の前記接触する面に配置される接触金属は、酸化した時の１配位結合当りの標準生成エンタルピーが、五酸化ニオブの１配位結合当りの標準生成エンタルピーよりも大きい金属材料が使用されていることを特徴とする。

（２） 上記（１）に記載の光素子において、該接触金属が、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖの何れかを使用していることを特徴とする。

（３） ニオブ酸リチウム結晶で形成された基板と、該基板上に配置した電極とを有する光素子において、該基板と該電極とが直接接触すると共に、該電極側の前記接触する面に配置される接触金属は、酸化物導体が使用されていることを特徴とする。

（３） 上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光素子において、該基板の厚みは、２０μｍ以下であることを特徴とする。

本発明により、ニオブ酸リチウム結晶で形成された基板と、該基板上に配置した電極とを有する光素子において、該基板と該電極とが直接接触すると共に、該電極側の前記接触する面に配置される接触金属は、酸化した時の１配位結合当りの標準生成エンタルピーが、五酸化ニオブの１配位結合当りの標準生成エンタルピーよりも大きい金属材料が使用されているため、ドリフト現象が抑制された光素子を提供することができる。

また、本発明により、ニオブ酸リチウム結晶で形成された基板と、該基板上に配置した電極とを有する光素子において、該基板と該電極とが直接接触すると共に、該電極側の前記接触する面に配置される接触金属は、酸化物導体が使用されているため、ドリフト現象が抑制された光素子を提供することができる。

ドリフト現象の第１試験をおこなったＬＮ変調器の平面図（ａ）と断面図（ｂ）である。 図１のＬＮ変調器を用いて行なったドリフト現象の第１試験の結果を示すグラフである。 ドリフト現象の第２試験をおこなったＬＮ変調器の平面図（ａ）と断面図（ｂ）である。 図３のＬＮ変調器を用いて行なったドリフト現象の第２試験の結果を示すグラフである。 ドリフト現象の第３試験をおこなったＬＮ変調器の平面図（ａ）と断面図（ｂ）である。 図５のＬＮ変調器を用いて行なったドリフト現象の第３試験の結果を示すグラフである。 第４試験をおこなった試験サンプルの平面図（ａ）と断面図（ｂ）である。 第４試験の結果（経過時間と電流／電圧の変化）を示すグラフである。 第４試験の結果（印加電圧と電流の立上り時間Ｔ_Ｌとの関係）を示すグラフである。 第４試験の結果（測定温度と電流の立上り時間Ｔ_Ｌとの関係）を示すグラフである。 Ｔｉ膜側からＬＮ基板側へ深さ方向のＡＥＳ（Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析を行った結果を示すグラフである。

以下、本発明に係る光素子について、詳細に説明する。
本発明者は、鋭意研究を行った結果、ＬＮ基板に直接電極を形成した場合、接触する金属が基板内の酸素を取り込み、ＬＮ基板に酸素欠損を発生させることが、ドリフト現象を発生させることを見出し、本発明を生み出したものである。

本発明は、ニオブ酸リチウム結晶で形成された基板と、該基板上に配置した電極とを有する光素子において、該基板と該電極とが直接接触すると共に、該電極側の前記接触する面に配置される接触金属は、酸化した時の１配位結合当りの標準生成エンタルピーが、五酸化ニオブの１配位結合当りの標準生成エンタルピーよりも大きい金属材料が使用されていることを特徴とする。具体的には、該接触金属は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖの何れかを使用することが好ましい。

さらに、ＬＮ基板の厚みが２０μｍ以下のように、薄板を用いる場合には、基板の厚みに対する酸素欠乏領域の深さが占める割合が高くなるため、ドリフト現象がより顕著に発生する。このため、２０μｍ以下の厚みのＬＮ基板を用いる場合には、本発明がより有効に効果を発揮することが期待される。

ＬＮ基板に直接接触する金属（接触金属）について、接触金属を従来のＴｉやＣｒからＮｉやＷ等の酸化時の１配位結合当りの標準生成エンタルピーがＮｂ_２Ｏ_５よりも大きい材料にすることで、接触金属にＬＮ基板の酸素が奪われることを抑制でき、接触金属とＬＮ基板界面近傍の電気抵抗の低下を抑制できることから、接触金属とＬＮ基板との界面の酸素欠損量の経時変化抑制や、ＬＮ基板の高抵抗が保持される。その結果、ＬＮ変調器等の光素子のドリフト量が小さくなるだけでなく、熱によるドリフト現象の変化も抑制される。

酸素と金属の結合エネルギーに相当する、酸化金属の標準生成エンタルピーの一覧を表１に示す。表１の下に行くほど、金属が酸素と結合し易くなる。このため、ＬＮ基板から酸素欠損を抑制するには、表１のＮｂ_２Ｏ_５よりも上段にある金属を接触金属として選択することが好ましい。

しかしながら、Ａｇ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｃｕは、ＬＮ基板との接着性が低く、接触金属とするのは不向きである。また、ＳｂとＢａは毒性（あるいは、毒物の疑いあり）のため使用すべきではない。Ｆｅは、透磁率が非常に高く、マイクロ波損失を増大させるため、光変調器などの変調電極（制御電極）には不向きである。Ｂｉ、Ｓｎ、Ｉｎは融点が低く、製造プロセスの最高温度が制約されるため、使用に不向きである。Ｇｅは潮解性等の問題がある。さらに、Ｚｎは他金属と合金を形成し易いため、プロセス設計に問題がある。

以上のことから、総合的に検討すると、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、がドリフト量と熱負荷による変化の抑制に効果的と言える。当然、Ｎｂ_２Ｏ_５よりも下段にある、Ｃｒ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ等は、接触金属として不適当と言える。

基板に接触する接触金属として、「酸化した時の１配位結合当りの標準生成エンタルピーが、五酸化ニオブの１配位結合当りの標準生成エンタルピーよりも大きい金属材料」を説明したが、これに限らず、「酸化物導体」を用いることも可能である。酸化物導体は、既に酸化した金属材料のため、それ以上、ＬＮ基板から酸素を奪うことが無い。このため、酸化物導体を接触金属として用いることで、ＤＣドリフトが抑制される。酸化物導体の例としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）やＲｕＯ_２，ＩｒＯ_２等がある。

接触金属の違いによるドリフト現象の効果を確認するため、接触金属にＡｌを用いて第２試験を行い、さらに接触金属にＮｉを用いて第３試験を行った。なお、第２及び第３試験は、接触金属の材料を変えた以外は基本的に同じ条件で試験を行っている。

各試験では、Ｘカット型のＬＮ基板にＴｉ膜をパターニングし、熱拡散することで、Ｔｉ拡散導波路を形成する。なお、Ｔｉ膜厚や熱拡散温度等の諸パラメータは、非特許文献１にも開示されているが、本試験では、Ｔｉ膜厚が９０ｎｍで、９９０度で１５時間の熱拡散を行なった。

次に、このＴｉ拡散導波路を形成したＸカット型のＬＮ基板に、接触金属膜１００ｎｍを形成し、その上にＡｕ膜５０ｎｍを真空蒸着にて順次堆積させた。その後、フォトリソグラフィ技術と電解金メッキにて、３μｍの厚みの制御電極（電極長４０ｍｍ，電極間間隔２５μｍ）を形成する。

第２試験では、図３の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）に示すＬＮ変調器を作成した。特に、接触金属にＡｌを用いているが、熱負荷によるＡｌとＡｕの合金反応を抑制させるために、ＡｌとＡｕの間にＴｉ（厚み１００ｎｍ）を挿入している（図３（ｂ）参照）。

図３のＬＮ変調器に対し、測定前に、電圧を印加しない状態で、２００℃で１時間の熱負荷を行ったものと、２８０℃で１時間の熱負荷を行ったものを用意した。次に、ＬＮ変調器に、８５℃で定電圧印加（８Ｖの電圧印加）させた時のドリフト現象の評価結果を図４に示す。

図２に示す接触金属がＴｉの時のグラフと同様に、熱負荷でドリフト現象がより大きく変化することが確認できる。これは、接触金属をＴｉからＡｌにすることで、ＬＮ基板中の酸素欠陥の生成が多くなったことが原因であると想定される。

第３試験では、接触金属にＮｉを用いたＬＮ変調器を作成した。電極間のＡｕ膜や接触金属のＮｉ膜はケミカルエッチング等で除去される。Ａｕ膜のエッチング液は、ヨウ素ヨウ化カリウム水溶液、Ｎｉ膜のエッチング液は、希硝酸等が好適に用いられる。第３試験で使用するＬＮ変調器は、図５の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）に示されている。

図５のＬＮ変調器に対し、測定前に、電圧を印加しない状態で、２００℃で１時間の熱負荷を行ったものと、２８０℃で１時間の熱負荷を行ったものを用意した。次に、ＬＮ変調器に、８５℃で定電圧印加（８Ｖの電圧印加）させた時のドリフト現象の評価結果を図６に示す。図６に示すように、接触金属にＮｉを用いた場合には、ドリフト現象に関しては、熱負荷による変化がほとんど見られなかった。

図２、４及び６に示すグラフから明らかなように、ＬＮ基板に直接電極を形成したＬＮ変調器では、ドリフト現象が接触金属によって変化することが理解される。しかも、接触金属がＬＮ基板から酸素を奪い、ＬＮ基板に酸素欠損を生じさせ、その結果、ドリフト現象が測定前の熱負荷によって変化すると想定される。

次に、接触金属によって、ＬＮ基板の酸素が奪われる場合、熱負荷による加速変化だけでなく、印加電圧による加速変化が考えられる。そのため、接触金属がＴｉのサンプルを作成し、定電圧印加時の電極間の電流の時間変化を調べる第４試験を行った。

試験サンプルは、測定誤差を避けるために、図７に平面図（ａ）及び断面図（ｂ）を示すように、ＬＮ基板の外周に沿ってガード電極を配置し、電極は櫛形構造（電極Ａ及びＢ）にしている。図７（ａ）に示すように、電極長１０ｍｍ、電極間間隔１５μｍの櫛形電極を形成し、電極Ａ及びＢは、外周の接地電極から１００μｍ以上離れている。図７（ｂ）に示すように、ＬＮ基板上に、接触金属Ｔｉを１００ｎｍ、その上面にＡｕメッキを４μｍ形成している。

電極Ａに所望の電圧を印加し、電極Ｂの電圧を０Ｖにする。この時の電極Ｂを流れる電流を評価する。測定結果の１例を図８に示す。図８では、電極Ａに印加する電圧は６０Ｖである。空気雰囲気にてＬＮ基板の導電性（抵抗の逆数）の経時変化を測定している。図８に示すように、電圧印加初期は電流があまり流れないが、ある時刻を境に急激に電流が流れ出す。図８に示す両矢印部分を、「電流の立上り時間（Ｔ_Ｌ）」と定義する。

図９は、電流の立上り時間（Ｔ_Ｌ）と印加電圧の関係を調べた結果を示している。図９は、両対数グラフであり、測定結果が直線上にあることが解る。

さらに、印加電圧を固定し、温度（Ｔ）依存性を調べた結果を図１０に示す。図１０は、片対数グラフであり、Ｔ_Ｌと温度（Ｔ）の関係は、アレニウスの式に従っていた。つまり、接触金属をＴｉとした場合は、Ｔ_Ｌは、以下の式１に示すアイリングモデルに従っている。

この結果から、Ｔｉを接触金属としたＬＮ変調器を高温・高電圧下で、長時間使用するとドリフトの挙動が変化する理由が理解できる。このアイリングモデルは、セラミックコンデンサの寿命予測で用いられており、セラミックコンデンサのリーク電流のメカニズムは、酸素欠損が関連していることが知られている。ＬＮ基板でも同様に、酸素欠損によって、低抵抗化していることが推測される。

これに対し、図７の接触金属をＴｉからＮｉに置き換えた場合には、図８に示すような電流の立上り現象が発生しなかった。このため、上述したＴ_Ｌを定義することはできなかった。この比較試験は、熱処理によるドリフト現象が図５及び６の接触金属Ｎｉでは生じなかった結果と整合している。

さらに、接触金属によって、ＬＮ基板との界面に酸素欠損が生成されることを確認する試験を行った。まず、Ｘカット型のＬＮ基板上にＴｉ膜を膜厚２００ｎｍ堆積させた。この基板を３分割し、３種類の熱負荷（なし、２００℃、３００℃）を加えた。３つのサンプルをＴｉ膜側からＬＮ基板側へ深さ方向のＡＥＳ（Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析を行った結果を図１１に示す。

図１１の、熱負荷が３００℃のサンプルを見ると、ＬＮ基板の表面近傍では、ＬＮ基板から酸素が奪われており、Ｔｉ膜のＬＮ基板への接触面近傍では、酸素量が増加し、Ｔｉ膜が酸化させていことが理解される。

以上、説明したように、本発明によれば、ＬＮ基板に直接電極を形成した光素子であって、ドリフト現象を抑制した光素子を提供することができる。

Claims (4)

1. ニオブ酸リチウム結晶で形成された基板と、該基板上に配置した電極とを有する光素子において、
   該基板と該電極とが直接接触すると共に、
   該電極側の前記接触する面に配置される接触金属は、酸化した時の１配位結合当りの標準生成エンタルピーが、五酸化ニオブの１配位結合当りの標準生成エンタルピーよりも大きい金属材料が使用されていることを特徴とする光素子。
2. 請求項１に記載の光素子において、該接触金属が、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖの何れかを使用していることを特徴とする光素子。
3. ニオブ酸リチウム結晶で形成された基板と、該基板上に配置した電極とを有する光素子において、
   該基板と該電極とが直接接触すると共に、
   該電極側の前記接触する面に配置される接触金属は、酸化物導体が使用されていることを特徴とする光素子。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光素子において、該基板の厚みは、２０μｍ以下であることを特徴とする光素子。