JP3134298B2

JP3134298B2 - 光制御デバイスの製造方法

Info

Publication number: JP3134298B2
Application number: JP02234800A
Authority: JP
Inventors: 豊賣野
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-09-05
Filing date: 1990-09-05
Publication date: 2001-02-13
Anticipated expiration: 2016-02-13
Also published as: JPH04115236A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は光波の変調、光路切り換えなどを行う光制御
デバイスに関し、特に基板中に設けた光導波路を用いて
制御を行う導波型の光制御デバイスに関する。

〔従来の技術〕

光通信システムの実用化が進むにつれ、さらに大容量
や多機能を持つ高度のシステムが求めらており、より高
度の光信号の発生や光伝送路の切り替え、交換などの新
たな機能の付加が必要とされている。現在の実用システ
ムでは光信号は直接半導体レーザやダイオードの注入電
流を変調することによって得られているが、直接変調で
は緩和振動などの効果のため、10GHz前後以上の高速変
調が難かしいこと、波長変動が発生するためコヒーレン
ト光伝送方式には適用が難しいなどの欠点がある。これ
を解決する手段としては、外部変調器を使用する方法が
あり、特に基板中に形成した光導波路により構成した導
波型の光変調器は、小型、高効率、高速という特徴があ
る。一方、光伝送路の切り替えやネットワークの交換機
能を得る手段としては光スイッチが使用される。現在実
用されている光スイッチは、プリズム、ミラー、ファイ
バーなどを機械的に移動させるものであり、低速である
こと、信頼性が不十分であること、単体での寸法が大き
くマトリクス化に不適であること等の欠点がある。これ
を解決する手段として開発が進められているものはやは
り光導波路を用いた導波型の光スイッチであり、高速、
多素子の集積化が可能、高信頼等の特徴がある。特にニ
オブ酸リチウム（LiNbO₃）結晶等の強誘電体材料を用い
たものは、光吸収が小さく低損失であること、大きな電
気光学効果を有しているため高効率である等の特徴があ
り、従来からも方向性結合器型光変調器・スイッチ、全
反射型光スイッチ、マッハツエンダ型光変調器等の種々
の方式の光制御素子が報告されている。このような導波
形の光制御素子を実際の光通信システムに適用する場
合、低損失、高速性等の基本的性能と同時に特に、動作
特性の安定性や長期的な信頼性が実用上不可欠である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来の導波形の光制御デバイスでは、動作特
性の安定性、信頼性に関しては十分なものが得られてい
ない。第３図に従来の光制御デバイスの一例として方向
性結合器型スイッチの平面図（第３図（ａ））及び断面
図（第３図（ｂ））を示す。第３図（ａ）においてＺ軸
に垂直に切り出したニオブ酸リチウム結晶基板１の上に
チタンを拡散して屈折率を基板よりも大きくして形成し
た帯状の光導波路２及び３が形成されており、光導波路
２及び３は基板の中央部で互いに数μｍ程度まで近接
し、方向性結合器４を形成している。また、方向性結合
器４を構成する光導波路上には電極による光吸収を防ぐ
ためのバッファ層10を介して制御電極11が形成されてい
る。第３図（ｂ）は方向性結合器の部分の光導波路２、
３に垂直な断面図を示している。第３図において、光導
波路２に入射した入射光７は方向性結合器４の部分を伝
搬するにしたがって近接した光導波路３へ徐々に光エネ
ルギーが移り、方向性結合器４を通過後は光導波路３に
ほぼ100％エネルギーが移って出射光８となる。一方、
制御電極５に電圧を印加した場合、電気光学効果により
制御電極下の光導波路の屈折率が変化し、光導波路２と
３を伝搬する導波モードの間に位相速度の不整合が生
じ、両者の間の結合状態は変化する。

印加電圧が上昇するにしたがって、光導波路２から３
への光エネルギーの移行量は減少し、ある電圧値Vsで
は、入射光７は方向性結合器４を通過後に光エネルギー
の100％が光導波路２に戻ってしまう状態になる。すな
わち、制御電圧５への印加電圧の有無によって、入射光
７は光導波路２からの出射光９または光導波路３からの
出射光８となる。

しかし、第３図に示すような従来の光スイッチでは、
温度が変化した場合やDC電圧を長時間印加した場合に特
性の不安定が生じていた。この特性の不安定性は、温度
が変化した場合に焦電効果によって誘起される結晶基板
１中の局部的な電界の不均一性や、DC電圧印加により結
晶基板１中の電荷が結晶基板１やバッファ層10の界面に
局部的に蓄積されて光波に作用する電界強度が変化する
ことにより生じる。

また、電極による吸収損失を低減するためにバッファ
層10を設ける必要があり、制御電圧が高くなるという問
題点もあった。

従来、温度変化による局部的な電界分布の不均一性を
除く手段として、バッファ層10の表面にSi膜をコーティ
ングし、結晶基板１の裏面に接地用電極を設ける方法が
報告されているが、その場合、Si膜による光の吸収損失
を低減するためにやはりバッファ層を設ける必要がある
ので制御電圧が高くなる、Si膜と電極の間の界面にショ
ットキーバリアが形成され印加電圧波形が劣化する等の
問題点がある。

また、制御電圧を低減させるために、バッファ層10を
設けないでITO等の透明導電体電極を用いる方法も報告
されているが、この場合透明導電体電極による吸収損失
が大きいという問題点がある。

本発明の目的は、上述の従来の光制御デバイスの問題
点を除き、特性が長期に渡って安定で、信頼性が高く、
制御電圧が低く、かつ製作の容易な光制御デバイス及び
その製造方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による光制御デバイスは、電気光学効果を有す
る誘電体結晶基板に形成された光導波路と、該光導波路
を含む基板表面上に設けられた透明半導電体樹脂膜と、
該透明半導電体樹脂膜上に設けたれた透明半導電体樹脂
よりも導電率の高い透明電極によって構成される。

本発明によるもう１つの光制御デバイスは、電気光学
効果を有する誘電体結晶基板に形成された光導波路と、
該光導波路を含む基板表面上に設けられた透明半導電体
樹脂膜と、該透明半導電体樹脂膜の表面に埋め込まれた
周囲の透明半導電体樹脂よりも導電率の高い透明電極に
よって構成される。

本発明による光制御デバイスの製造方法は、電気光学
効果を有する誘電体結晶基板表面に光導波路を形成し、
該光導波路を含む基板表面上に透明導電体微粒子を分解
させた透明半導電体樹脂膜を塗布した後に、該透明半導
電体樹脂膜の一部に紫外線を照射すこにより該紫外線照
射部分に電極を形成する製造方法である。

〔作用〕

本発明による光制御デバイスは、光導波路を含む基板
表面上に透明半導電体樹脂層があり、この透明半導電体
樹脂層上またはこの透明半導体樹脂層の表面付近に、こ
の透明半導電体樹脂層よりも導電率の高い透明導電極が
形成されている。この透明半導電体樹脂が存在すること
により、焦電効果等によって誘起される局所的な電荷を
均一化することができる。さらにこの透明半導電体樹脂
はバッファ層に比べて導電率が高いのでバッファ層での
電圧降下は従来の誘電体膜のバッファ層に比べて小さ
く、低吸収損失と低電圧駆動の両方を実現できる。

また、透明半導電体と透明導電体電極の双方を樹脂に
することにより、透明半導電体樹脂と透明導電体電極の
界面での物性値の変化を緩やかにすることができ、この
ことにより電極とバッファ層の間の界面で発生するショ
ットキーバリアを小さくすることができる。さらに樹脂
を用いることにより、スピンコート、ディプコート、ス
クリーン印刷等の簡便な方法で膜を形成することができ
る。

透明半導電体樹脂の表面付近に透明導電体電極を形成
する方法の１つとして以下の方法がある。透明導電体微
粒子を分散させた透明半導体樹脂を基板表面に塗布した
後に、この透明導半電体樹脂上に電極形状と同じ形状の
窓が開いたマスクを設置し、その上から紫外線を照射す
る。導電体粒子を分散させた樹脂は紫外を受けると導電
体粒子が凝集し、その部分の導電率が高くなる。従っ
て、上記の方法で電極と同じ形状に紫外線を照射するこ
とにより、紫外線照射を受けていない部分よりも導電率
の高い透明導電体電極が形成できる。

以上のことより、本発明による光制御デバイスは、従
来に比べて、特性が長期に渡って安定で、信頼性が高
く、制御電圧が低く、かつ製作が容易であるという特徴
を有す。

〔実施例〕

第１図は本発明による光制御デバイスの一実施例であ
る方向性結合器型光スイッチの平面図（第１図（ａ））
及び断面図（第１図（ｂ））を示す。第３図の例と同様
にＺ板ニオブ酸リチウム結晶基板１の上にチタンを900
〜1100℃程度で数時間熱拡散して形成された３〜10μｍ
程度の光導波路２及び３が形成されており、基板の中央
部で両光導波路は互いに数μｍまで近接して方向性接合
器４を構成している。この方向性結合器４を含む基板１
の上には透明半導電体樹脂膜５が設けられている。この
透明半導電体樹脂膜５は適当な樹脂を溶剤に溶かし、そ
の中にITO、ZnO、SnOなどの透明導電体の微粒子を分散
させて、スピンコート、ディップコート、バーコート、
スクリーン印刷等の方法で結晶基板１上に塗布した後、
溶剤を気化させることにより形成することができる。こ
の半導電体樹脂膜５の表面抵抗値は10⁹から10¹¹Ω／□
程度が適当である。さらにこの透明半導電体樹脂膜５上
には、透明半導電体樹脂膜５よりも導電率の高い透明電
極６が形成されている。この透明電極６は透明半導電体
樹脂膜５よりも導電微粒子の濃度を濃くした樹脂または
より導電性の高い導電性微粒子を分散させた樹脂をスク
リーン印刷または通常のフォトリソグラフィー等により
電極形状にパターンニングすることで形成できる。この
透明電極６の抵抗値は透明半導電体樹脂膜５の抵抗値に
比べて２桁〜３桁以上低くする必要がある。

この透明半導電体樹脂膜５が存在することにより、焦
電効果等によって誘起される局所的な電荷を均一化する
ことができるので、温度変化等によるデバイスの動作点
の変動を小さくすることができる。さらにこの透明半導
電体樹脂膜５はバッファ層の役目もするが、従来の誘電
体膜のバッファ層10に比べて導電率が高いのでバッファ
層での電圧降下は従来の誘電体膜のバッファ層に比べて
小さく、低吸収損失と低電圧駆動の両方を実現できる。

また、透明半導電体樹脂膜５と透明電極６の双方を樹
脂にすることにより、透明半導電体樹脂膜５と透明電極
６の界面での物性値の変化を緩やかにすることができ、
このことにより電極とバッファ層の間の界面で発生する
ショトキーバリアを小さくすることができ、印加電圧の
波形劣化を防止することができる。さらに樹脂を用いる
ことにより、スピンコート、ディプコート、スクリーン
印刷等の簡便な方法で膜を形成することができる。

第２図は第２の発明による光制御デバイスの一実施例
である方向性結合器型光スイッチの平面図（第２図
（ａ））及び断面図（第２図（ｂ））を示す。ニオブ酸
リチウム結晶基板１の表面に方向性結合器４が形成さ
れ、この方向性結合器４を含む基板１の上には透明半導
電体樹脂膜５が設けられている点は先の実施例と同じで
ある。さらにこの透明半導電体樹脂膜５の表面付近に
は、周囲の透明半導電体樹脂膜５よりも導電率の高い透
明電極６が形成されている。この透明電極６は透明導電
体微粒子の濃度を周囲の透明半導電体樹脂膜５よるも高
くすることにより形成することができる。本実施例の効
果は先の実施例とほぼ同じであるが、下記の製造方法を
用いることにより、より簡便に透明電極６を形成するこ
とができる。

次に上記実施例の光制御デバイスの製造方法を以下に
説明する。誘電体結晶基板１の表面に光導波路３を製作
する方法は従来と同じである。その光導波路を含む結晶
基板１の表面上に透明導電体微粒子を分散させた透明半
導電体樹脂膜５を塗布した後に、この透明導半電体樹脂
膜５上に電極形状と同じ形状の窓が開いたマスクを設置
し、その上から紫外線を照射する。導電体微粒子を分散
させた樹脂は紫外線を受けると導電体微粒子が凝集し、
その部分の導電率が高くなる。従って、上記の方法で電
極と同じ形状に紫外線を照射することにより、紫外線照
射を受けていない部分よりも導電率の高い透明電極が形
成できる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、従来の光制御デ
バイスに比べ、特性が長期に渡って安定で、信頼性が高
く、制御電圧が低く、かつ製作が容易である光制御デバ
イスが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ）、第２図（ａ），（ｂ）は本発明
による光制御デバイスの一例を示す平面図及び断面図、
第３図（ａ），（ｂ）は従来の光制御デバイスの一例を
示す平面図及び断面図である。図において、１……ニオブ酸リチウム結晶基板、２、３……光電波
路、４……方向性結合器、５……透明半導電体樹脂膜、
６……透明電極、７……入射光、８、９……出射光、10
……バッファ層、11……制御電極。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学効果を有する誘電体結晶基板表面
に光導波路を形成し、該光導波路を含む基板表面上に透
明導電体微粒子を分散させた透明半導電体樹脂膜を塗布
した後に、該透明半導電体樹脂膜の一部に紫外線を照射
することにより該紫外線照射部分に電極を形成すること
を特徴とする光制御デバイスの製造方法。