JP3050202B2

JP3050202B2 - 光導波路デバイスおよびその製造方法

Info

Publication number: JP3050202B2
Application number: JP10108276A
Authority: JP
Inventors: 光弘北村
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1998-04-17
Publication date: 2000-06-12
Anticipated expiration: 2018-04-17
Also published as: JPH11305176A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば光通信に
用いる光強度変調器および光スイッチをはじめとする光
導波路デバイスおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】情報通信技術が深く浸透し、マルチメデ
ィア社会を迎えつつある現在、異なる地域間を行き交う
情報量は急激に増加している。これを受けて、大容量の
情報伝達に適した、光ファイバ伝送方式においても、１
０Ｇｂ／ｓの伝達能力を有する高速の光通信システムが
実用化され、さらに高速の光通信システムの導入が望ま
れている。

【０００３】このような光通信システムにおいて、キー
ポイントとなるのは、光導波路を備えた、光変調器や光
スイッチといった光導波路デバイスである。特に、Ｌｉ
ＮｂＯ₃（以下、「ＬＮ」とも表記する。）を基板材料
として用いた光変調器（以下、「ＬＮ変調器」とも表記
する。）は、高速変調時の波長チャーピングが少ないた
め、重要な光導波路デバイスである。

【０００４】ＬＮ変調器では、光導波路を二つのアーム
に分岐した後再び合流するように配置し、アームに位相
変調部を設けたマッハツェンダ構造を採用している。そ
して、ＬＮ変調器では、位相変調部の一方のアーム（光
導波路）に電圧を印加することによってその光導波路を
伝搬する光の位相を、位相変調部の他方のアームを伝搬
する光の位相に対してずらす。そして、両方のアームか
ら合流した光どうしの位相差を制御するとにより、デバ
イスの出力光の強度を変化させて、出力光のオン／オフ
を制御する。

【０００５】すなわち、位相差がπの奇数倍のときに
は、光信号どうしが相殺される。その結果、出力光の強
度は極小となり、デバイスはオフ状態となる。一方、位
相差がπの偶数倍のときには、光信号は互いに強め合
う。その結果、出力光の強度は極大となり、デバイスは
オン状態となる。したがって、出力光強度は、位相変調
部に印加する印加電圧が増加するに伴ってサインカーブ
を描いて増減する。

【０００６】ところで、一方のアームに電圧を印加する
と、二本のアーム間で、電荷イオンの移動が生じる。そ
の結果、デバイスがオン状態またはオフ状態となるとき
の印加電圧の値がシフトして設計値よりも大きくなる、
いわゆるＤＣ（直流）ドリフト現象が発生する。

【０００７】このＤＣドリフト現象の発生を抑制する技
術の一例が、例えば、文献１：「特開平８−１４６３６
７号公報」に開示されている。この文献１に開示の技術
について、図６を参照して、従来例として簡単に説明す
る。図６は、従来例の光導波路デバイスの構造の説明に
供する断面図である。

【０００８】従来例の光導波路デバイス２００によれ
ば、ＬＮ基板１０の主表面１０ａに、Ｔｉ（チタン）を
拡散して形成された、二本の互いに並んだ光導波路１２
を備えている。ここでは、二本の光導波路１２のうちの
一方を第１光導波路１２ａとし、他方を第２光導波路１
２ｂとする。そして、各光導波路１２上に、ＳｉＯ₂の
バッファ層１４、Ｓｉの帯電防止膜１６および電極２０
を順次に設けている。この帯電防止膜１６は、変調器の
周囲温度変化による変調電圧のシフトを抑制するために
設けてある。

【０００９】そして、この従来例では、荷電イオンの移
動を抑制することによりＤＣドリフトの発生を抑制する
ため、二つの光導波路１２間の帯電防止膜１６の一部分
を除去してスリット１８を設けている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来例の光導波路デバイスにおいても、ＤＣドリフトを
完全に無くすことは困難であった。このため、ＤＣドリ
フトをより一層抑制できる光導波路デバイスの出現が望
まれる。

【００１１】このため、本発明は、ＤＣドリフトの発生
をより一層抑制できる光導波路デバイスおよびその製造
方法の提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】従来は、ＬＮ基板中で
は、荷電イオン移動がほとんど発生しないと考えられて
いた。これに対して、この出願にかかる発明者は、荷電
イオン移動が、基板中でも発生するのではないかと考え
た。そして、光導波路を拡散法により形成する際に、高
温に曝されるＬＮ基板表面に、結晶欠陥が発生する場合
があることを見出した。結晶欠陥が生じると、荷電イオ
ン移動が生じ易くなる。

【００１３】そこで、この目的の達成を図るため、この
発明の光導波路デバイスによれば、ニオブ酸リチウム基
板の主表面に、互いに並んだ二本の光導波路を備え、光
導波路上に、当該導波路の各々に独立に電界を印加する
電界印加手段を備えた光導波路デバイスにおいて、主表
面上のうちの、光導波路どうしの間の領域である中間領
域の少なくとも一部分に、主表面が除去された除去部を
設けてあり、除去部の少なくとも一部分上に、エピタキ
シャル成長層を設けた構成としてある。

【００１４】このように、光導波路どうしの間の中間領
域の主表面を除去することにより、中間領域の基板表面
のダメージ部分を除去することができる。このため、二
つの光導波路間の荷電イオン移動を抑制することができ
る。その結果、ＤＣドリフトの発生を抑制することがで
きる。また、エピタキシャル成長層を設けてあるので、
除去部を保護すことができる。

【００１５】また、この発明の光導波路デバイスの製造
方法によれば、ニオブ酸リチウム基板の主表面に、互い
に並んだ二本の光導波路を備え、前記光導波路上に、当
該光導波路の各々に独立に電界を印加する電界印加手段
を備えた光導波路デバイスの製造にあたり、前記基板の
主表面に、拡散により、互いに並んだ二本の光導波路を
形成する工程と、光導波路の形成された基板の主表面の
うち、少なくとも光導波路どうしの間の領域である中間
領域の少なくとも一部分の領域の表面を、エッチングに
よって除去して除去部を形成する工程と、除去部の少な
くとも一部分上に、光導波路に沿ってエピタキシャル成
長層を成長させる工程とを含む方法としてある。

【００１６】このように、光導波路どうしの間の中間領
域の主表面を除去して光導波路デバイスを製造すること
により、中間領域の基板表面のダメージ部分を除去する
ことができる。このため、二つの光導波路間の荷電イオ
ン移動を抑制することができる。その結果、ＤＣドリフ
トの発生を抑制することができる。また、エピタキシャ
ル成長層を設けたので、除去部を保護すことができる。

【００１７】また、この発明の光導波路デバイスおよび
その製造方法において、好ましくは、除去部を、光導波
路に沿った溝として形成すると良い。このように、除去
部を溝とすれば、最低限の除去面積で、ＤＣドリフトの
発生を抑制することができる。

【００１８】また、この発明の光導波路デバイスおよび
その形成方法において、好ましくは、主表面全面に、エ
ピタキシャル成長層を成長させた後、エピタキシャル成
長層の表面を研磨すると良い。

【００１９】また、この発明の実施にあたり、好ましく
は、エピタキシャル成長層の材料を、基板の材料と同一
とすると良い。このように、基板の材料とエピタキシャ
ル成長層の材料とを同一材料とすれば、結晶格子定数が
一致するので、格子欠陥を生じることなく、エピタキシ
ャル成長層を成長させることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態について説明する。参照する図面は、この
発明が理解できるように、各構成成分の大きさ、形状お
よび配置関係を概略的に示してあるに過ぎない。したが
って、この発明は図示例にのみ限定されるものではな
い。なお、図面では、断面を表すハッチングを一部省略
する場合がある。

【００２１】（光導波路デバイス）＜第１の実施の形態＞先ず、図１を参照して、この発明
の光導波路デバイスの第１の実施の形態について説明す
る。図１は、第１の実施の形態の光導波路デバイス１０
０の構造の説明に供する断面図である。

【００２２】この光導波路デバイス１００は、ＬｉＮｂ
Ｏ₃のＺカット基板１０の主表面１０ａに、互いに並ん
だ二本の光導波路１２を備えている。ここでは、二本の
光導波路１２のうちの一方を第１光導波路１２ａとし、
他方を第２光導波路１２ｂとする。これらの光導波路１
２は、基板１０の表面にＴｉを拡散して形成する。これ
らの光導波路１２の幅は、それぞれ７μｍである。ま
た、第１光導波路１２ａと第２光導波路１２ｂとは、２
３μｍの間隔で互いに平行に設けられている。そして、
これらの光導波路１２は、マッハツェンダ構造のＬＮ変
調器のアームを構成している。

【００２３】また、各光導波路１２上には、ＳｉＯ₂の
バッファ層１４、Ｓｉの帯電防止膜１６、および、各光
導波路１２に独立に電圧を印加するための電極２０が順
次に設けられている。この帯電防止膜１６は、変調器の
周囲温度変化による変調電圧のシフトを抑制するために
設けてられている。また、帯電防止膜１６には、帯電防
止膜１６中の荷電イオン移動を防ぐために、スリット１
８が設けられている。また、第２光導波路１２ｂ上の電
極２０は、接地されている。

【００２４】そして、この光導波路デバイス１００にお
いては、主表面上のうちの、光導波路１２どうしの間の
領域である幅２３μｍの中間領域２２の少なくとも一部
分に、光導波路１２に沿って、主表面１０ａが除去され
た除去部を設けてある。この実施の形態では、基板１０
の主表面全面を除去部として、主表面全面を十数ｎｍの
深さまでエッチングにより除去している。除去の厚さ
は、例えば、数ｎｍ〜２μｍが好ましい。エッチングに
あたっては、エッチャントとしてフッ酸を用いた。この
エッチングにより、基板１０の主表面付近のダメージを
除去することができる。

【００２５】さらに、この光導波路デバイス１００にお
いては、中間領域２２上に、導波路１２に沿ってエピタ
キシャル成長層（以下、単に「成長層」とも称する。）
２４を設けている。ここでは、成長層２４をＬＰＥ法に
より９００℃の温度条件下で例えば０．５μｍの厚さで
成長させる。成長層の厚さは、例えば、１ｎｍ程度〜数
μｍ程度が望ましい。この成長層２４は、中間領域２２
のパッシベーション膜として機能する。また、成長層２
４の材料は、基板１０の材料と同一のＬＮとする。

【００２６】このように、光導波路１２どうしの間の中
間領域２２の主表面を除去することにより、中間領域２
２の基板表面のダメージ部分を除去することができる。
このため、二つの光導波路１２間の荷電イオン移動を抑
制することができる。その結果、ＤＣドリフトの発生を
抑制することができる。

【００２７】また、この光導波路デバイス１００のＬＮ
光変調器としての特性を評価したところ、２．３Ｖの動
作電圧で、２０ＧＨｚの変調帯域が得られた。また、５
０台の光導波路デバイス１００について１０００時間以
上の信頼性試験を行ったところ、すべてのデバイスにお
いて、室温換算で２０年以上の動作時間に相当する高信
頼性動作が確認できた。

【００２８】＜第２の実施の形態＞次に、図２を参照し
て、この発明の光導波路デバイスの第２の実施の形態に
ついて説明する。図２は、第２の実施の形態の光導波路
デバイス１０２の構造の説明に供する断面図である。

【００２９】第２の実施の形態の光導波路デバイス１０
２においては、除去部として、中間領域２２に、光導波
路１２に沿った溝２６を設けている。ここでは、この溝
２６の深さを３ｎｍ、幅を１５μｍとした。なお、溝２
６の幅は、例えば、３μｍ〜２３μｍの範囲の値として
も良い。

【００３０】そして、この光導波路デバイス１０２で
は、溝２６に、厚さ２．５ｎｍのＬＮの成長層２４を、
パッシベーション膜として形成してある。そして、この
光導波路デバイス１０２は、その他の点以外について
は、第１の実施の形態の光導波路デバイス１００と同一
の構造を有する。

【００３１】＜第３の実施の形態＞次に、図３を参照し
て、この発明の光導波路デバイス第３の実施の形態につ
いて説明する。図３は、第３の実施の形態の光導波路デ
バイス１０４の構造の説明に供する断面図である。

【００３２】この光導波路デバイス１０４は、溝２６を
含む、基板１０の主表面上全面に、成長層２４を設けて
いる。この成長層２４は、例えば、主表面全面に、ＬＮ
をエピタキシャル成長させた後、その表面を研磨して所
望の厚さにすると良い。この所望の厚さとしては、光導
波路１２の上側で数百ｎｍの厚さ、溝２６の上側で、数
百ｎｍに溝２６の深さを足した厚さとすると良い。ま
た、研磨にあたっては、例えば、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃ
ａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈ（ケミカル
・メカニカル・ポリッシュ））技術を用いると良い。そ
して、この光導波路デバイス１０４は、その他の点以外
については、第１の実施の形態の光導波路デバイス１０
０と同一の構造を有する。

【００３３】（光導波路デバイスの製造方法）＜第１の実施の形態＞次に、図４を参照して、この発明
の光導波路デバイスの製造方法の第１の実施の形態につ
いて説明する。図４の（Ａ）〜（Ｄ）は、第１の実施の
形態の光導波路デバイスの製造方法の説明に供する工程
図である。

【００３４】第１の実施の形態の光導波路デバイスの製
造方法によれば、先ず、ＬＮの基板１０の主表面１０ａ
に、Ｔｉを拡散させて、互いに並んだ二本の光導波路１
２を形成する（図４の（Ａ））。ここでは、二本の光導
波路１２のうちの一方を第１光導波路１２ａとし、他方
を第２光導波路１２ｂとする。そして、これらの光導波
路１２の幅を、それぞれ７μｍとする。また、第１光導
波路１２ａと第２光導波路１２ｂとを、２３μｍの間隔
で互いに平行に設ける。これらの第１および第２の光導
波路１２ａおよび１２ｂは、第１の実施の形態と同様
に、マッハツェンダ構造のＬＮ変調器の変調部となる。

【００３５】次に、光導波路１２の形成された基板１０
の主表面１０ａのうち、光導波路１２どうしの間の中間
領域２２の一部分の領域の表面を、光導波路１２に沿っ
てエッチングによって除去して除去部を形成する（図４
の（Ｂ））。ここでは、中間領域２２の主表面１０ａ
を、十数μｍの幅で、十数ｎｍの深さまでエッチングす
ることにより、光導波路１２に沿った溝２６を除去部と
して形成する。エッチングにあたっては、エッチャント
としてフッ酸を用いた。このエッチングにより、基板１
０の主表面１０ａ付近のダメージを除去することができ
る。

【００３６】次に、溝２６に、成長層２４をエピタキシ
ャル成長させる（図４の（Ｃ））。ここでは、成長層２
４をＬＰＥ法により９００℃の温度条件下で例えば０．
５μｍの厚さで成長させる。この成長層２４は、中間領
域２２のパッシベーション膜として機能する。このよう
に、成長層２４を成長させることにより、ダメージを除
去した部分を保護すことができる。

【００３７】また、成長層２４の材料は、基板１０の材
料と同一のＬＮとする。基板１０の材料と成長層２４の
材料とを同一材料とすれば、結晶格子定数が一致するの
で、格子欠陥を生じることなく、成長層２４を成長させ
ることができる。

【００３８】次に、各光導波路１２上に、ＳｉＯ₂のバ
ッファ層１４を形成する。次に、バッファ層１４および
主表面上に、Ｓｉの帯電防止膜１６を形成する。さら
に、中間領域２２上の帯電防止膜にスリット１８を形成
する。続いて、帯電防止膜１６、上のうちの第１および
第２光導波路１２ａおよび１２ｂ上に、電極２０を形成
する（図４の（Ｄ））。このようにして、光導波路デバ
イスを製造することができる。

【００３９】ただし、この実施の形態においては、二つ
の光導波路１２ａおよび１２ｂ上に形成する電極２０の
幅を等しくしてある。このようにすれば、図４の（Ｄ）
に示す第１および第２光導波路１２ａおよび１２ｂ上の
構造を、互いに対称とすることができる。構造を対称と
することにより、温度変化によるスイッチング電圧のシ
フトを防ぐことができる。

【００４０】このように、光導波路１２どうしの間の中
間領域２２の主表面を除去して光導波路デバイスを製造
することにより、中間領域２２の基板表面のダメージ部
分を除去することができる。このため、二つの光導波路
１２ａおよび１２ｂ間の荷電イオン移動を抑制すること
ができる。その結果、ＤＣドリフトの発生を抑制するこ
とができる。

【００４１】＜第２の実施の形態＞次に、図５を参照し
て、この発明の光導波路デバイスの製造方法の第２の実
施の形態について説明する。図５の（Ａ）〜（Ｅ）は、
第２の実施の形態の光導波路デバイスの製造方法の説明
に供する工程図である。この実施の形態では、光導波路
１２を形成する工程（図５の（Ａ））および溝２６を形
成する工程（図５の（Ｂ））は、上述の第１の実施の形
態と同一であるので、その説明を省略する。

【００４２】第２の実施の形態では、溝２６を形成した
後、溝２６を含む主表面１０ａ全面に、５μｍ以上の厚
さのエピタキシャル成長層（成長層）２４を成長させる
（図５の（Ｃ））。ここでは、成長層２４をＬＰＥ法に
より９００℃の温度条件下で、５μｍ以上の厚さの成長
層２４を成長させる。また、成長層２４の材料は、基板
１０の材料と同一のＬＮとする。

【００４３】次に、このエピタキシャル成長層２４の表
面を研磨して、所望の厚さとする（図５の（Ｄ））。こ
こでは、所望の厚さとして、光導波路１２の上側で数百
ｎｍの厚さ、溝２６の上側で、数百ｎｍに溝２６の深さ
を足した厚さとする。また、研磨にあたっては、例え
ば、ＣＭＰ技術を用いる。

【００４４】次に、上記の第１の実施の形態と同様に、
バッファ層１４、スリット１８を設けた帯電防止膜１６
および電極２０して、光導波路デバイスを得る（図５の
（Ｅ））。

【００４５】上述した実施の形態においては、この発明
を特定の条件で構成した例について説明したが、この発
明は、種々の変更を行うことができる。例えば、上述し
た実施の形態においては、基板としてＬｉＮｂＯ₃を用
いて説明したが、この発明では、基板として種々の任意
好適な材料を使用することができる。

【００４６】また、例えば、この発明では、エピタキシ
ャル成長層の材料として、基板の材料と同一の材料を用
いた例について説明したが、この発明では、エピタキシ
ャル成長層の材料はこれに限定されない。例えば、Ｌｉ
ＮｂＯ₃の基板を用いている場合、エピタキシャル成長
層の材料として、例えば、ＬｉＮｂ_(1-X)Ｔａ_(X)Ｏを成
長させても良い。

【００４７】また、上述の実施の形態では、Ｚカット基
板を用いたが、この発明では、例えば、Ｘカットまたは
Ｙカット基板を用いても良い。

【００４８】また、上述の実施の形態においては、二本
の光導波路を互いに平行に設けた例について説明した
が、この発明では二本の導波路は、必ずしも互いに平行
に設けていなくとも良い。

【００４９】

【発明の効果】以上、詳細に説明した様に、この発明の
光導波路デバイスおよびその製造方法によれば、光導波
路どうしの間の中間領域の主表面を除去することによ
り、中間領域の光導波路間の基板表面のダメージ部分を
除去することができる。このため、二つの光導波路間の
荷電イオン移動を抑制することができる。その結果、Ｄ
Ｃドリフトの発生を抑制することができる。また、除去
部にエピタキシャル層を形成することにより、除去部を
保護することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態の光導波路デバイスの構造の
説明に供する断面図である。

【図２】第２の実施の形態の光導波路デバイスの構造の
説明に供する断面図である。

【図３】第３の実施の形態の光導波路デバイスの構造の
説明に供する断面図である。

【図４】第１の実施の形態の光導波路デバイスの製造方
法の説明に供する工程図である。

【図５】第２の実施の形態の光導波路デバイスの製造方
法の説明に供する工程図である。

【図６】従来例の光導波路デバイスの構造の説明に供す
る断面図である。

【符号の説明】

１０基板１２、１２ａ、１２ｂ光導波路１４バッファ層１６帯電防止膜１８スリット２０電極２２中間領域２４エピタキシャル成長層（成長層）２６溝１００光導波路デバイス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−141021（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−6217（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−88403（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−239404（ＪＰ，Ａ) ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．６Ｎｏ．６ｐｐ．909−915（Ｊｕｎｅ 1988），Ｔ．Ｆｕｊｉｗａｒａｅｔ．ａｌ．，”ＳｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆｃｒｏｓｓｔａｌｋｄｒｉｆｔｉｎＴｉ：ＬｉＮｂＯ３ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓｗｉｔｃｈｅｓ" ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．ＱＥ−22 Ｎｏ．６ｐｐ．902−906（Ｊｕｎｅ 1986）Ｈ．Ｈａｇａｅｔ．ａｌ．，”ＬｉＮｂＯ３ｔｒａｖｅｌｉｎｇ−ｗａｖｅｌｉｇｈｔｍｏｄｕｌａｔｏｒ／ｓｗｉｔｃｈｗｉｔｈａｎｅｔｃｈｅｄｇｒｏｏｖｅ" 1994年電子情報通信学会春季大会講演論文集４．通信・エレクトロニクス（1994年３月10日発行）ｐｐ．４−449 −４−450 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/00 - 1/035 G02F 1/29 - 1/313 G02B 6/12 - 6/14 ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ニオブ酸リチウム基板の主表面に、互い
に並んだ二本の光導波路を備え、前記光導波路上に、当
該光導波路の各々に独立に電界を印加する電界印加手段
を備えた光導波路デバイスにおいて、前記主表面上のうちの、前記光導波路どうしの間の領域
である中間領域の少なくとも一部分に、該主表面が除去
された除去部を設けてあり、前記除去部の少なくとも一部分上に、エピタキシャル成
長層を設けてあることを特徴とする光導波路デバイス。
【請求項２】請求項１に記載の光導波路デバイスにお
いて、前記除去部を、前記光導波路に沿った溝としたことを特
徴とする光導波路デバイス。
【請求項３】ニオブ酸リチウム基板の主表面に、互い
に並んだ二本の光導波路を備え、前記光導波路上に、当
該光導波路の各々に独立に電界を印加する電界印加手段
を備えた光導波路デバイスの製造にあたり、前記主表面に、拡散により、互いに並んだ二本の光導波
路を形成する工程と、前記光導波路の形成された基板の主表面のうち、少なく
とも前記光導波路どうしの間の領域である中間領域の少
なくとも一部分の領域の表面を、エッチングによって除
去して除去部を形成する工程と、前記除去部の少なくとも一部分上に、前記光導波路に沿
ってエピタキシャル成長層を成長させる工程とを含むこ
とを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
【請求項４】請求項３に記載の光導波路デバイスの製
造方法において、前記除去部を、前記光導波路に沿った溝として形成した
ことを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
【請求項５】請求項３又は４に記載の光導波路デバイ
スの製造方法において、前記主表面全面に、前記エピタキシャル成長層を成長さ
せた後、前記エピタキシャル成長層の表面を研磨する工
程を含むことを特徴とする光導波路デバイスの製造方
法。