JP3771287B2 - 導波路型電気光学素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電気光学効果を有する基板に形成された光導波路と、この光導波路に近接して配された少なくとも１対の電極とを有し、これらの電極間に電圧を印加することによって導波光の変調や、スイッチング等を行なうようにした導波路型電気光学素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば特開平２−９３１号公報に示されるように、電気光学効果を有する基板に形成された薄膜光導波路と、その上に形成されて該光導波路に電気光学的回折格子（Electro-Optic Grating ）を形成する格子状電極（以下ＥＯＧ電極と称する）と、このＥＯＧ電極に電圧を印加する駆動回路とからなり、上記光導波路を導波する導波光を、ＥＯＧ電極への電圧印加状態に応じて選択的に回折させるようにした導波路型電気光学素子が公知となっている。
【０００３】
このような導波路型電気光学素子を用いれば、回折光と非回折光（０次光）のいずれか一方を使用光としたとき、その使用光を回折の有無あるいは程度に応じて変調することができる。また、上記回折の有無に応じて導波光の光路を切り換える光スイッチを構成することもできる。
【０００４】
さらに、例えばJAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS （ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス）Vol.20, No.4, April, 1981 pp.733〜737 に示されるように、電気光学効果を有する基板に方向性結合器を構成する２本のチャンネル光導波路を形成し、各チャンネル光導波路の上に平板状電極を配し、一方のチャンネル光導波路を導波する導波光を上記電極への電圧印加状態に応じて選択的に他方のチャンネル光導波路に移行させるようにした導波路型電気光学素子も知られている。
【０００５】
このような導波路型電気光学素子を用いれば、上記他方のチャンネル光導波路から出射する光を使用光として、その使用光を電極への電圧印加状態に基づいて変調することができるし、また、導波光の光路を切り換える光スイッチを構成することもできる。
【０００６】
ところで、上記のような導波路型電気光学素子においては、電極による光散乱や光吸収を避けるために、電極と基板との間に光学バッファ層を形成することが必要である。従来このバッファ層は、ＳｉＯ2 あるいはＡｌ2 Ｏ3 から形成されていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述のようなバッファ層を設けた導波路型電気光学素子においては、いわゆるＤＣドリフトすなわち、電圧を加えるのに従って動作点が変動する現象が生じやすいことが認められている。
【０００８】
このようなＤＣドリフトを防止するために従来より、上記のJAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS （ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス）Vol.20, No.4, April, 1981 pp.733〜737 にも示されているように、バッファ層の電極間の部分を取り除いて、バッファ層を電極毎に分離させることが提案されている。
【０００９】
しかし、入力光が短波長であったりあるいは高強度である場合は、光導波路におけるリーク電流が大きくなるため、上述のようにバッファ層を電極毎に分離させてもＤＣドリフトを十分に低減させることはできない。
【００１０】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、入力光が短波長であったりあるいは高強度である場合においても、ＤＣドリフトを十分に低減可能な導波路型電気光学素子を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による導波路型電気光学素子は、
電気光学効果を有する基板に形成された光導波路と、
上記基板との間にバッファ層を介して、上記光導波路に近接させて取り付けられた少なくとも１対の電極と、
これらの電極間に、周波数が 0.1 Ｈｚ〜１ＧＨｚの範囲にある電圧を印加する駆動回路とを有し、
前記光導波路が、波長 400 〜 800 ｎｍの導波光の伝搬モードがシングルモードとなる構成を有し、
前記導波光の光出力が 0.05 〜５Ｗ／ｃｍ ２ となる導波路型電気光学素子において、
バッファ層が、比誘電率（印加される電圧の直流成分に対する比誘電率）が20〜1000と、従来のバッファ層の比誘電率（10以下）と比べて十分に大きいＨｆＯ ２ を用いて、略前記電極に対応する部分のみに形成されたことを特徴とするものである。
【００１２】
なお、上記ＨｆＯ ２ からなるバッファ層材料において、化学量論比からずれた材料を用いることも可能である。
【００１３】
【作用および発明の効果】
図３に示すように、基板１の上に薄膜光導波路２が形成され、さらにその上にバッファ層３を介して交差櫛形のＥＯＧ電極４が形成された構造を考える。この構造の等価回路は図４のようなものとなる。なお、Ｃ1 およびＲ1 はそれぞれバッファ層３の容量と抵抗、Ｃ2 およびＲ2 はそれぞれ光導波路２の容量と抵抗である。ここで、ＥＯＧ電極４の１対の電極片４ａと４ｂとの間にＶ0 の電圧を印加したとすると、光導波路２にかかる有効電圧Ｖは以下のように印加時間ｔの関数となる。
【００１４】
Ｖ＝Ｖ0 ｛Ａ＋（Ｂ−Ａ）ｅｘｐ-t/ τ｝ ……(1)
ただしＡ＝Ｒ2 ／（Ｒ2 ＋４Ｒ1 ）
Ｂ＝Ｃ1 ／（Ｃ1 ＋４Ｃ2 ）
τ＝Ｒ1 Ｒ2 （Ｃ1 ＋４Ｃ2 ）／（Ｒ2 ＋４Ｒ1 ）
すなわち、Ｖ0 の電圧が印加された瞬間の有効電圧ＶはＢ・Ｖ0 で、この有効電圧Ｖは時間τをかけてＡ・Ｖ0 に収れんする。先に説明したＤＣドリフトは、このように光導波路２にかかる有効電圧Ｖが印加時間ｔに応じて変化することに起因している。この有効電圧Ｖの変化を抑えるには、τを十分に大きくするか、あるいは（Ｂ−Ａ）の値を十分に小さくすればよいことになる。
【００１５】
本発明においては、バッファ層材料の比誘電率が従来と比べて大きいために、その容量Ｃ1 が大きくなる。そこで、バッファ層３の抵抗Ｒ1 が同じであるとすると、バッファ層の容量Ｃ1 が大きいためにτが大きくなる。したがって、バッファ層３の抵抗Ｒ1 と比べて光導波路２の抵抗Ｒ2 が著しく大きい場合（光導波路２の抵抗Ｒ2 と比べてバッファ層３の抵抗Ｒ1 が著しく小さい場合）以外は、τが十分に大きくなる効果で、有効電圧Ｖの変化つまりＤＣドリフトが抑えられる。
【００１６】
バッファ層３の抵抗Ｒ1 と比べて光導波路２の抵抗Ｒ2 が著しく大きい場合、バッファ層３を比誘電率が大きい材料から形成すれば、その容量Ｃ1 が十分に大きくなり、上記Ｂの値は１に近いものとなる。一方、バッファ層３の抵抗Ｒ1 と比べて光導波路２の抵抗Ｒ2 が著しく大きいのであれば、上記Ａの値も１に近いものとなっているから、（Ｂ−Ａ）の値は十分に小さくなる。そこで、光導波路２にかかる有効電圧Ｖの変化を少なく抑えて、ＤＣドリフトを十分に低減できるようになる。
【００１７】
以下、上述の作用効果をより具体的に説明する。図５は、図３に示した構造において、バッファ層３を比誘電率が異なる材料を用いて何種類か形成した際に、ＤＣドリフト量がこの比誘電率に応じて変化する様子を示している。この場合、バッファ層厚さは200 ｎｍ、ＥＯＧ電極４の電極指周期Λ＝6.9 μｍ、電極対間距離Ｌ＝0.69ｍｍである。また光導波路２の容量Ｃ2 ＝0.16ｐＦ、光導波路２の抵抗Ｒ2 ＝１×1013Ωであり、それらは各々バッファ層３を設けない構造において実験的に求めた値である。
【００１８】
ＤＣドリフト量は、電圧印加開始後１ｎsec 経過時に光導波路２にかかる有効電圧Ｖを１として規格化し、電圧印加開始後10sec 経過時の有効電圧Ｖの値をもって示してある。つまりこの値は、電圧印加開始後１ｎsec から10sec 経過するまでに、有効電圧Ｖが何倍に変化するかを示すものである。また図中の実線はバッファ層３の抵抗Ｒ1 が１×109 Ωと比較的低い場合、破線はバッファ層３の抵抗Ｒ1 が１×1015Ωと比較的高い場合を示している。
【００１９】
従来、この種のバッファ層の材料としては一般にＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 が用いられており、前者の比誘電率は４、後者の比誘電率は10である。この程度の比誘電率を有する材料をバッファ層材料とする場合、ＤＣドリフト量はかなり大きいものとなっている。
【００２０】
それに対して、バッファ層材料の比誘電率が20以上となる辺りから、ＤＣドリフト量は、バッファ層抵抗Ｒ1 が比較的低い場合もまた高い場合も顕著に低減する。そして、バッファ層材料の比誘電率が1000を超える辺りから、ＤＣドリフト量は１に収束する。つまり、電圧印加開始後10sec 経過しても、有効電圧Ｖの値は変化しなくなる。
【００２１】
なお、比誘電率が1000を超える程度の薄膜は成膜が困難であるという事情があるので、本発明においては比誘電率の上限を1000とするものである。また、バッファ層抵抗Ｒ1 が比較的低い場合もまた高い場合も、比誘電率が200 を超えると、比誘電率が増大してもＤＣドリフト低減効果はさほど増大しない（つまり比誘電率が200 程度に達すれば、もはや十分なＤＣドリフト低減効果が得られる）ので、成膜の容易化の点からは、比誘電率が20〜200 の材料からバッファ層を形成するのが好ましい。
【００２２】
以上、薄膜光導波路の上にバッファ層を介して交差櫛形のＥＯＧ電極が形成された構造について述べたが、平板状電極を用いてチャンネル光導波路に電圧を印加する導波路型電気光学素子においては、前述の(1) 式における４Ｒ1 、４Ｃ2 がそれぞれ２Ｒ1 、２Ｃ2 に変わるだけである。そこでこの場合も、バッファ層を比誘電率が大きい材料から形成すれば、上記と同様にしてＤＣドリフトを十分に低減できるようになる。
【００２３】
【実施例】
以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図１および図２はそれぞれ、本発明の第１実施例による導波路型電気光学素子の平面形状および側面形状を示すものである。この導波路型電気光学素子は光変調器として構成されたものであり、ＭｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ3 基板10上に形成された薄膜光導波路11と、その上に形成されたＨｆＯ2 膜からなるバッファ層12と、このバッファ層12の上に形成されたＥＯＧ電極13と、このＥＯＧ電極13を間において互いに離れる状態で光導波路11の表面に形成された光入力用線状回折格子（Linear Grating Coupler：以下ＬＧＣと称する）14および光出力用ＬＧＣ15と、上記ＥＯＧ電極13に所定の電圧を印加する駆動回路16とを有している。
【００２４】
この導波路型電気光学素子の要部の作製方法は、以下の通りである。まず、ＭｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ３ 基板（Ｘ板）10をピロリン酸中に浸漬して140 〜150 ℃でプロトン交換を行ない、さらに大気中で300 〜400 ℃×１時間のアニール処理を施して、光導波路11を形成した。この場合は、400 〜800 ｎｍの光に対して導波光の伝搬モードがシングルモードとなる光導波路11が得られた。
【００２５】
次いで、光導波路11上にフォトリソグラフィーによりＥＯＧ電極のレジストパターンを形成した。電極形状は、図３に示した電極４と同様の交差櫛形であり、櫛歯状部分の周期Λ＝6.9 μｍである。
【００２６】
その後この電極パターンの上にバッファ層12となるＨｆＯ2 を、スパッタリング法により成膜した。このスパッタリングは、ＡｒガスとＯ2 ガスの混合雰囲気中で金属Ｈｆをターゲットにして行ない、全圧中のＯ2 ガスの分圧比は30〜95％、混合ガス圧は10〜50ｍTorr、基板温度は150 ℃に設定した。また、このときの成膜速度は１〜５ｎｍ／min であり、バッファ層としてのＨｆＯ2 膜の膜厚が、上記レジストパターンよりも薄い200 〜300 ｎｍとなるようにスパッタ時間を制御した。
【００２７】
ＨｆＯ2 膜を成膜した後、その上に電極材料であるＡｌを蒸着し、次いでレジストをリフトオフすることにより、ＥＯＧ電極13が得られる。なおこの場合、バッファ層12は各電極部分毎に分離したものとなる。
【００２８】
以下、この導波路型電気光学素子の動作を説明する。変調される光ビーム20を発する例えばＨｅ−Ｎｅレーザー等のレーザー光源21は、平行光であるこの光ビーム20が、基板10の斜めにカットされた端面10ａを通過し、光導波路11を透過してＬＧＣ14の部分に入射するように配置されている。それにより、光ビーム20はこのＬＧＣ14で回折して光導波路11内に入射し、該光導波路11を導波モードで矢印Ａ方向に進行する。
【００２９】
この光ビーム（導波光）20は、ＥＯＧ電極13に対応する部分を通って導波するが、ＥＯＧ電極13に電圧が印加されていない状態では、この導波光20は直進する。一方、ＥＯＧ電極13に駆動回路16から所定の電圧が印加されると、電気光学効果を有する光導波路11の屈折率が変化して光導波路11に回折格子が形成され、導波光20はその回折格子により回折する。以上のようにして回折した光ビーム20Ａおよび回折しない光ビーム20Ｂは、ＬＧＣ15において基板10側に回折し、この基板10の斜めにカットされた端面10ｂから素子外に出射する。
【００３０】
そこでこの素子外に出射した例えば光ビーム20Ａを使用光とすれば、前記駆動回路16による電圧印加の有無に応じてこの光ビーム20Ａを変調することができる。例えば所定の画像信号に基づいてこの光ビーム20Ａを変調する場合は、その画像信号に基づいて駆動回路16による電圧印加を制御すればよい。
【００３１】
次に、本実施例の導波路型電気光学素子におけるＤＣドリフトについて説明する。ＤＣドリフトを観測するために、波長514.5 ｎｍの光ビーム20を光導波路11に入射させ、ＥＯＧ電極13に８分間一定電圧Ｖ0 を印加し、そのとき回折した光ビーム20Ａの光強度を連続的に測定した。この印加電圧Ｖ0 は、最大回折光量を得るために必要な電圧Ｖπの１／２とした。
【００３２】
この測定に供した導波路型電気光学素子のＥＯＧ電極13の電極指周期Λ＝6.9 μｍであり、バッファ層12の厚さは200 ｎｍである。また、本例のバッファ層12の材料であるＨｆＯ2 によりＭＩＭコンデンサーを作成し、そこに振幅500 ｍＶ、周波数100 ｋＨｚの交流電圧を印加し、そのときのインピーダンスを測定してコンデンサー容量を求めた。この容量値を比誘電率に換算したところ、30であった。そしてこのバッファ層12の比抵抗は１×108 〜１×1010Ωｃｍ、光導波路11の比抵抗は１×108 〜１×1010Ωｃｍであった。
【００３３】
光ビーム20Ａの光強度測定結果を図６に示す。なお、同図の（１）、（２）、（３）は、導波光のパワー密度がそれぞれ５Ｗ／ｃｍ2 、0.5 Ｗ／ｃｍ2 、0.05Ｗ／ｃｍ2 の各場合の光強度測定結果を示している。また光強度は相対値で示してあるが、相対値１が示す絶対値は、この図６と後述する図７においてすべて共通である。図６に示される通り、導波光のパワー密度が低い場合も、また５Ｗ／ｃｍ2 とかなり高い場合も、回折した光ビーム20Ａの光強度は８分間ほとんど変動することがなく、顕著なＤＣドリフトは発生していない。
【００３４】
次に、本発明に対する比較例として、バッファ層を従来装置と同様にＳｉＯ2から形成した導波路型電気光学素子について説明する。この比較例の導波路型電気光学素子は、図１および図２に示した導波路型電気光学素子と比較すると、基本的にはバッファ層材料が異なるだけであり、以下では適宜図１および図２中の番号を引用して説明する。
【００３５】
この比較例の導波路型電気光学素子の作製方法は、ＭｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ３ 基板（Ｘ板）10に光導波路11を形成し、その上にＥＯＧ電極のレジストパターンを形成するところまでは、前記実施例におけるのと同様である。また、電極形状も前記実施例と同様である。
【００３６】
そして、ＥＯＧ電極のレジストパターンを形成した後、この電極パターンの上にバッファ層12となるＳｉＯ2 を、スパッタリング法により成膜した。このスパッタリングは、ＡｒガスとＯ2 ガスの混合雰囲気中でＳｉＯ2 焼結体をターゲットにして行ない、全圧中のＯ2 ガスの分圧比は10％、混合ガス圧は５ｍTorr、基板温度は150 ℃に設定した。また、このときの成膜速度は10ｎｍ／min であり、バッファ層としての膜厚が上記レジストパターンよりも薄い100 〜200 ｎｍとなるようにスパッタ時間を制御した。
【００３７】
このＳｉＯ2 膜を成膜した後、その上に電極材料であるＡｌを蒸着し、次いでレジストをリフトオフすることにより、ＥＯＧ電極13が得られる。
【００３８】
次に、この比較例の導波路型電気光学素子におけるＤＣドリフトについて説明する。ＤＣドリフトの観測は、前記第１実施例の場合と同様にして行なった。なおこの場合も、ＥＯＧ電極13の電極指周期Λ＝6.9 μｍであり、バッファ層12の厚さは100 ｎｍである。
【００３９】
また、本比較例のバッファ層12の材料であるＳｉＯ2 の比誘電率は、ＭＩＭコンデンサーを作成し、100 ｋＨｚの容量値を測定して比誘電率に換算したところ、４であった。そしてこのバッファ層12の比抵抗は、１×1012〜１×1015Ωｃｍ、光導波路11の比抵抗は１×108 〜１×1010Ωｃｍであった。
【００４０】
回折した光ビーム20Ａの光強度を測定した結果を図７に示す。なお、同図の（１）、（２）、（３）は、導波光のパワー密度がそれぞれ５Ｗ／ｃｍ2 、0.5 Ｗ／ｃｍ2 、0.05Ｗ／ｃｍ2 の各場合の光強度測定結果を示している。図示される通りこの比較例においては、回折光の光強度は電圧印加を開始してから時間が経過するのにつれて徐々に低下し、顕著なＤＣドリフトが生じていることが分かる。特に、導波光のパワー密度が５Ｗ／ｃｍ2 と大きい場合は、その傾向が大である。
【００４１】
前述の図６に示した測定結果を、この図７の測定結果と照らし合わせれば、本発明により明らかなＤＣドリフト低減効果が得られていることが分かる。
【００４２】
次に、図８を参照して本発明の第２実施例について説明する。この第２実施例の導波路型電気光学素子は、ＭｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ３ 基板10と、該基板10に形成された、Ｙ分岐光導波路を２つ接続した形のマッハツェンダー光変調器を構成するチャンネル光導波路30と、このチャンネル光導波路30の一方の分岐部分30ａを挟むようにして基板10上に形成された１対の平板状電極31，31と、これらの平板状電極31，31に所定の電圧を印加する駆動回路32とを有している。またこの場合も、各平板状電極31と基板10との間には、ＨｆＯ２ 膜からなるバッファ層33が介設されている。
【００４３】
上記構成の導波路型電気光学素子において、入力光34はチャンネル光導波路30の図中左端から入力され、１番目のＹ分岐で分岐され、分岐部分30ａおよび30ｂを導波してから２番目のＹ分岐で再度合成される。この合成された光は、チャンネル光導波路30の図中右端から出力光34Ａとして出力される。
【００４４】
チャンネル光導波路30の一方の分岐部分30ａに電極31，31を介して所定電圧が印加されると、この分岐部分30ａの屈折率が変化するので、分岐部分30ａを導波する光はこの電圧印加の有無に応じて位相変調される。そして、この分岐部分30ａを導波した光と、分岐部分30ｂを導波した光は合成されたとき干渉するので、出力光34Ａは上記電圧印加の有無に応じて強度変調される。
【００４５】
この第２実施例の導波路型電気光学素子においても、第１実施例と同様にバッファ層33が、比誘電率が30と大きいＨｆＯ2 膜から形成されているので、ＤＣドリフト低減効果が得られる。
【００４６】
次に、図９を参照して本発明の第３実施例について説明する。この第３実施例の導波路型電気光学素子は、ＭｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ３ 基板10と、該基板10に形成された、方向性結合器を構成する２つのチャンネル光導波路40Ａ、40Ｂと、一方のチャンネル光導波路40Ａを挟むようにして基板10上に形成された１対の平板状電極41，41と、これらの平板状電極41，41に所定の電圧を印加する駆動回路42とを有している。またこの場合も、各平板状電極41と基板10との間には、ＨｆＯ２ 膜からなるバッファ層43が介設されている。
【００４７】
上記構成の導波路型電気光学素子において、入力光44は一方のチャンネル光導波路40Ａに入力されてそこを導波し、両光導波路40Ａ、40Ｂが近接している部分において他方のチャンネル光導波路40Ｂに浸み出し、そこを導波して該光導波路40Ｂから出力光44Ａとして出力される。
【００４８】
チャンネル光導波路40Ａに電極41，41を介して所定電圧が印加されると、この光導波路40Ａの屈折率が変化するので、該光導波路40Ａから光導波路40Ｂへの導波光の浸み出しの大きさが変化する。そこで出力光44Ａは、上記電圧印加の有無に応じて強度変調される。
【００４９】
この第３実施例の導波路型電気光学素子においても、第１、２実施例と同様にバッファ層43が、比誘電率が30と大きいＨｆＯ2 膜から形成されているので、ＤＣドリフト低減効果が得られる。
【００５０】
なお本発明は、先に説明したプロトン交換／アニール光導波路に限らず、その他プロトン交換光導波路やＴｉ拡散光導波路を有する導波路型電気光学素子に対しても適用可能で、同様の効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による導波路型電気光学素子を示す平面図
【図２】上記第１実施例の導波路型電気光学素子の側面図
【図３】本発明に用いられる電極の一例を示す斜視図
【図４】図３の構造の等価回路を示す電気回路図
【図５】バッファ層材料の比誘電率とＤＣドリフト量との関係を示すグラフ
【図６】上記第１実施例の導波路型電気光学素子のＤＣドリフト量測定結果を示すグラフ
【図７】本発明に対する比較例の導波路型電気光学素子のＤＣドリフト量測定結果を示すグラフ
【図８】本発明の第２実施例による導波路型電気光学素子を示す斜視図
【図９】本発明の第３実施例による導波路型電気光学素子を示す斜視図
【符号の説明】
１ 基板
２ 薄膜光導波路
３ バッファ層
４ ＥＯＧ電極
10 ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3 基板
11 薄膜光導波路
12 バッファ層
13 ＥＯＧ電極
16 駆動回路
20 光ビーム
20Ａ 回折した光ビーム
20Ｂ 回折しない光ビーム
30 チャンネル光導波路
31 平板状電極
32 駆動回路
33 バッファ層
40Ａ、40Ｂ チャンネル光導波路
41 平板状電極
42 駆動回路
43 バッファ層
【産業上の利用分野】
本発明は、電気光学効果を有する基板に形成された光導波路と、この光導波路に近接して配された少なくとも１対の電極とを有し、これらの電極間に電圧を印加することによって導波光の変調や、スイッチング等を行なうようにした導波路型電気光学素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば特開平２−９３１号公報に示されるように、電気光学効果を有する基板に形成された薄膜光導波路と、その上に形成されて該光導波路に電気光学的回折格子（Electro-Optic Grating ）を形成する格子状電極（以下ＥＯＧ電極と称する）と、このＥＯＧ電極に電圧を印加する駆動回路とからなり、上記光導波路を導波する導波光を、ＥＯＧ電極への電圧印加状態に応じて選択的に回折させるようにした導波路型電気光学素子が公知となっている。
【０００３】
このような導波路型電気光学素子を用いれば、回折光と非回折光（０次光）のいずれか一方を使用光としたとき、その使用光を回折の有無あるいは程度に応じて変調することができる。また、上記回折の有無に応じて導波光の光路を切り換える光スイッチを構成することもできる。
【０００４】
さらに、例えばJAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS （ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス）Vol.20, No.4, April, 1981 pp.733〜737 に示されるように、電気光学効果を有する基板に方向性結合器を構成する２本のチャンネル光導波路を形成し、各チャンネル光導波路の上に平板状電極を配し、一方のチャンネル光導波路を導波する導波光を上記電極への電圧印加状態に応じて選択的に他方のチャンネル光導波路に移行させるようにした導波路型電気光学素子も知られている。
【０００５】
このような導波路型電気光学素子を用いれば、上記他方のチャンネル光導波路から出射する光を使用光として、その使用光を電極への電圧印加状態に基づいて変調することができるし、また、導波光の光路を切り換える光スイッチを構成することもできる。
【０００６】
ところで、上記のような導波路型電気光学素子においては、電極による光散乱や光吸収を避けるために、電極と基板との間に光学バッファ層を形成することが必要である。従来このバッファ層は、ＳｉＯ2 あるいはＡｌ2 Ｏ3 から形成されていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述のようなバッファ層を設けた導波路型電気光学素子においては、いわゆるＤＣドリフトすなわち、電圧を加えるのに従って動作点が変動する現象が生じやすいことが認められている。
【０００８】
このようなＤＣドリフトを防止するために従来より、上記のJAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS （ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス）Vol.20, No.4, April, 1981 pp.733〜737 にも示されているように、バッファ層の電極間の部分を取り除いて、バッファ層を電極毎に分離させることが提案されている。
【０００９】
しかし、入力光が短波長であったりあるいは高強度である場合は、光導波路におけるリーク電流が大きくなるため、上述のようにバッファ層を電極毎に分離させてもＤＣドリフトを十分に低減させることはできない。
【００１０】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、入力光が短波長であったりあるいは高強度である場合においても、ＤＣドリフトを十分に低減可能な導波路型電気光学素子を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による導波路型電気光学素子は、
電気光学効果を有する基板に形成された光導波路と、
上記基板との間にバッファ層を介して、上記光導波路に近接させて取り付けられた少なくとも１対の電極と、
これらの電極間に、周波数が 0.1 Ｈｚ〜１ＧＨｚの範囲にある電圧を印加する駆動回路とを有し、
前記光導波路が、波長 400 〜 800 ｎｍの導波光の伝搬モードがシングルモードとなる構成を有し、
前記導波光の光出力が 0.05 〜５Ｗ／ｃｍ ２ となる導波路型電気光学素子において、
バッファ層が、比誘電率（印加される電圧の直流成分に対する比誘電率）が20〜1000と、従来のバッファ層の比誘電率（10以下）と比べて十分に大きいＨｆＯ ２ を用いて、略前記電極に対応する部分のみに形成されたことを特徴とするものである。
【００１２】
なお、上記ＨｆＯ ２ からなるバッファ層材料において、化学量論比からずれた材料を用いることも可能である。
【００１３】
【作用および発明の効果】
図３に示すように、基板１の上に薄膜光導波路２が形成され、さらにその上にバッファ層３を介して交差櫛形のＥＯＧ電極４が形成された構造を考える。この構造の等価回路は図４のようなものとなる。なお、Ｃ1 およびＲ1 はそれぞれバッファ層３の容量と抵抗、Ｃ2 およびＲ2 はそれぞれ光導波路２の容量と抵抗である。ここで、ＥＯＧ電極４の１対の電極片４ａと４ｂとの間にＶ0 の電圧を印加したとすると、光導波路２にかかる有効電圧Ｖは以下のように印加時間ｔの関数となる。
【００１４】
Ｖ＝Ｖ0 ｛Ａ＋（Ｂ−Ａ）ｅｘｐ-t/ τ｝ ……(1)
ただしＡ＝Ｒ2 ／（Ｒ2 ＋４Ｒ1 ）
Ｂ＝Ｃ1 ／（Ｃ1 ＋４Ｃ2 ）
τ＝Ｒ1 Ｒ2 （Ｃ1 ＋４Ｃ2 ）／（Ｒ2 ＋４Ｒ1 ）
すなわち、Ｖ0 の電圧が印加された瞬間の有効電圧ＶはＢ・Ｖ0 で、この有効電圧Ｖは時間τをかけてＡ・Ｖ0 に収れんする。先に説明したＤＣドリフトは、このように光導波路２にかかる有効電圧Ｖが印加時間ｔに応じて変化することに起因している。この有効電圧Ｖの変化を抑えるには、τを十分に大きくするか、あるいは（Ｂ−Ａ）の値を十分に小さくすればよいことになる。
【００１５】
本発明においては、バッファ層材料の比誘電率が従来と比べて大きいために、その容量Ｃ1 が大きくなる。そこで、バッファ層３の抵抗Ｒ1 が同じであるとすると、バッファ層の容量Ｃ1 が大きいためにτが大きくなる。したがって、バッファ層３の抵抗Ｒ1 と比べて光導波路２の抵抗Ｒ2 が著しく大きい場合（光導波路２の抵抗Ｒ2 と比べてバッファ層３の抵抗Ｒ1 が著しく小さい場合）以外は、τが十分に大きくなる効果で、有効電圧Ｖの変化つまりＤＣドリフトが抑えられる。
【００１６】
バッファ層３の抵抗Ｒ1 と比べて光導波路２の抵抗Ｒ2 が著しく大きい場合、バッファ層３を比誘電率が大きい材料から形成すれば、その容量Ｃ1 が十分に大きくなり、上記Ｂの値は１に近いものとなる。一方、バッファ層３の抵抗Ｒ1 と比べて光導波路２の抵抗Ｒ2 が著しく大きいのであれば、上記Ａの値も１に近いものとなっているから、（Ｂ−Ａ）の値は十分に小さくなる。そこで、光導波路２にかかる有効電圧Ｖの変化を少なく抑えて、ＤＣドリフトを十分に低減できるようになる。
【００１７】
以下、上述の作用効果をより具体的に説明する。図５は、図３に示した構造において、バッファ層３を比誘電率が異なる材料を用いて何種類か形成した際に、ＤＣドリフト量がこの比誘電率に応じて変化する様子を示している。この場合、バッファ層厚さは200 ｎｍ、ＥＯＧ電極４の電極指周期Λ＝6.9 μｍ、電極対間距離Ｌ＝0.69ｍｍである。また光導波路２の容量Ｃ2 ＝0.16ｐＦ、光導波路２の抵抗Ｒ2 ＝１×1013Ωであり、それらは各々バッファ層３を設けない構造において実験的に求めた値である。
【００１８】
ＤＣドリフト量は、電圧印加開始後１ｎsec 経過時に光導波路２にかかる有効電圧Ｖを１として規格化し、電圧印加開始後10sec 経過時の有効電圧Ｖの値をもって示してある。つまりこの値は、電圧印加開始後１ｎsec から10sec 経過するまでに、有効電圧Ｖが何倍に変化するかを示すものである。また図中の実線はバッファ層３の抵抗Ｒ1 が１×109 Ωと比較的低い場合、破線はバッファ層３の抵抗Ｒ1 が１×1015Ωと比較的高い場合を示している。
【００１９】
従来、この種のバッファ層の材料としては一般にＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 が用いられており、前者の比誘電率は４、後者の比誘電率は10である。この程度の比誘電率を有する材料をバッファ層材料とする場合、ＤＣドリフト量はかなり大きいものとなっている。
【００２０】
それに対して、バッファ層材料の比誘電率が20以上となる辺りから、ＤＣドリフト量は、バッファ層抵抗Ｒ1 が比較的低い場合もまた高い場合も顕著に低減する。そして、バッファ層材料の比誘電率が1000を超える辺りから、ＤＣドリフト量は１に収束する。つまり、電圧印加開始後10sec 経過しても、有効電圧Ｖの値は変化しなくなる。
【００２１】
なお、比誘電率が1000を超える程度の薄膜は成膜が困難であるという事情があるので、本発明においては比誘電率の上限を1000とするものである。また、バッファ層抵抗Ｒ1 が比較的低い場合もまた高い場合も、比誘電率が200 を超えると、比誘電率が増大してもＤＣドリフト低減効果はさほど増大しない（つまり比誘電率が200 程度に達すれば、もはや十分なＤＣドリフト低減効果が得られる）ので、成膜の容易化の点からは、比誘電率が20〜200 の材料からバッファ層を形成するのが好ましい。
【００２２】
以上、薄膜光導波路の上にバッファ層を介して交差櫛形のＥＯＧ電極が形成された構造について述べたが、平板状電極を用いてチャンネル光導波路に電圧を印加する導波路型電気光学素子においては、前述の(1) 式における４Ｒ1 、４Ｃ2 がそれぞれ２Ｒ1 、２Ｃ2 に変わるだけである。そこでこの場合も、バッファ層を比誘電率が大きい材料から形成すれば、上記と同様にしてＤＣドリフトを十分に低減できるようになる。
【００２３】
【実施例】
以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図１および図２はそれぞれ、本発明の第１実施例による導波路型電気光学素子の平面形状および側面形状を示すものである。この導波路型電気光学素子は光変調器として構成されたものであり、ＭｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ3 基板10上に形成された薄膜光導波路11と、その上に形成されたＨｆＯ2 膜からなるバッファ層12と、このバッファ層12の上に形成されたＥＯＧ電極13と、このＥＯＧ電極13を間において互いに離れる状態で光導波路11の表面に形成された光入力用線状回折格子（Linear Grating Coupler：以下ＬＧＣと称する）14および光出力用ＬＧＣ15と、上記ＥＯＧ電極13に所定の電圧を印加する駆動回路16とを有している。
【００２４】
この導波路型電気光学素子の要部の作製方法は、以下の通りである。まず、ＭｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ３ 基板（Ｘ板）10をピロリン酸中に浸漬して140 〜150 ℃でプロトン交換を行ない、さらに大気中で300 〜400 ℃×１時間のアニール処理を施して、光導波路11を形成した。この場合は、400 〜800 ｎｍの光に対して導波光の伝搬モードがシングルモードとなる光導波路11が得られた。
【００２５】
次いで、光導波路11上にフォトリソグラフィーによりＥＯＧ電極のレジストパターンを形成した。電極形状は、図３に示した電極４と同様の交差櫛形であり、櫛歯状部分の周期Λ＝6.9 μｍである。
【００２６】
その後この電極パターンの上にバッファ層12となるＨｆＯ2 を、スパッタリング法により成膜した。このスパッタリングは、ＡｒガスとＯ2 ガスの混合雰囲気中で金属Ｈｆをターゲットにして行ない、全圧中のＯ2 ガスの分圧比は30〜95％、混合ガス圧は10〜50ｍTorr、基板温度は150 ℃に設定した。また、このときの成膜速度は１〜５ｎｍ／min であり、バッファ層としてのＨｆＯ2 膜の膜厚が、上記レジストパターンよりも薄い200 〜300 ｎｍとなるようにスパッタ時間を制御した。
【００２７】
ＨｆＯ2 膜を成膜した後、その上に電極材料であるＡｌを蒸着し、次いでレジストをリフトオフすることにより、ＥＯＧ電極13が得られる。なおこの場合、バッファ層12は各電極部分毎に分離したものとなる。
【００２８】
以下、この導波路型電気光学素子の動作を説明する。変調される光ビーム20を発する例えばＨｅ−Ｎｅレーザー等のレーザー光源21は、平行光であるこの光ビーム20が、基板10の斜めにカットされた端面10ａを通過し、光導波路11を透過してＬＧＣ14の部分に入射するように配置されている。それにより、光ビーム20はこのＬＧＣ14で回折して光導波路11内に入射し、該光導波路11を導波モードで矢印Ａ方向に進行する。
【００２９】
この光ビーム（導波光）20は、ＥＯＧ電極13に対応する部分を通って導波するが、ＥＯＧ電極13に電圧が印加されていない状態では、この導波光20は直進する。一方、ＥＯＧ電極13に駆動回路16から所定の電圧が印加されると、電気光学効果を有する光導波路11の屈折率が変化して光導波路11に回折格子が形成され、導波光20はその回折格子により回折する。以上のようにして回折した光ビーム20Ａおよび回折しない光ビーム20Ｂは、ＬＧＣ15において基板10側に回折し、この基板10の斜めにカットされた端面10ｂから素子外に出射する。
【００３０】
そこでこの素子外に出射した例えば光ビーム20Ａを使用光とすれば、前記駆動回路16による電圧印加の有無に応じてこの光ビーム20Ａを変調することができる。例えば所定の画像信号に基づいてこの光ビーム20Ａを変調する場合は、その画像信号に基づいて駆動回路16による電圧印加を制御すればよい。
【００３１】
次に、本実施例の導波路型電気光学素子におけるＤＣドリフトについて説明する。ＤＣドリフトを観測するために、波長514.5 ｎｍの光ビーム20を光導波路11に入射させ、ＥＯＧ電極13に８分間一定電圧Ｖ0 を印加し、そのとき回折した光ビーム20Ａの光強度を連続的に測定した。この印加電圧Ｖ0 は、最大回折光量を得るために必要な電圧Ｖπの１／２とした。
【００３２】
この測定に供した導波路型電気光学素子のＥＯＧ電極13の電極指周期Λ＝6.9 μｍであり、バッファ層12の厚さは200 ｎｍである。また、本例のバッファ層12の材料であるＨｆＯ2 によりＭＩＭコンデンサーを作成し、そこに振幅500 ｍＶ、周波数100 ｋＨｚの交流電圧を印加し、そのときのインピーダンスを測定してコンデンサー容量を求めた。この容量値を比誘電率に換算したところ、30であった。そしてこのバッファ層12の比抵抗は１×108 〜１×1010Ωｃｍ、光導波路11の比抵抗は１×108 〜１×1010Ωｃｍであった。
【００３３】
光ビーム20Ａの光強度測定結果を図６に示す。なお、同図の（１）、（２）、（３）は、導波光のパワー密度がそれぞれ５Ｗ／ｃｍ2 、0.5 Ｗ／ｃｍ2 、0.05Ｗ／ｃｍ2 の各場合の光強度測定結果を示している。また光強度は相対値で示してあるが、相対値１が示す絶対値は、この図６と後述する図７においてすべて共通である。図６に示される通り、導波光のパワー密度が低い場合も、また５Ｗ／ｃｍ2 とかなり高い場合も、回折した光ビーム20Ａの光強度は８分間ほとんど変動することがなく、顕著なＤＣドリフトは発生していない。
【００３４】
次に、本発明に対する比較例として、バッファ層を従来装置と同様にＳｉＯ2から形成した導波路型電気光学素子について説明する。この比較例の導波路型電気光学素子は、図１および図２に示した導波路型電気光学素子と比較すると、基本的にはバッファ層材料が異なるだけであり、以下では適宜図１および図２中の番号を引用して説明する。
【００３５】
この比較例の導波路型電気光学素子の作製方法は、ＭｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ３ 基板（Ｘ板）10に光導波路11を形成し、その上にＥＯＧ電極のレジストパターンを形成するところまでは、前記実施例におけるのと同様である。また、電極形状も前記実施例と同様である。
【００３６】
そして、ＥＯＧ電極のレジストパターンを形成した後、この電極パターンの上にバッファ層12となるＳｉＯ2 を、スパッタリング法により成膜した。このスパッタリングは、ＡｒガスとＯ2 ガスの混合雰囲気中でＳｉＯ2 焼結体をターゲットにして行ない、全圧中のＯ2 ガスの分圧比は10％、混合ガス圧は５ｍTorr、基板温度は150 ℃に設定した。また、このときの成膜速度は10ｎｍ／min であり、バッファ層としての膜厚が上記レジストパターンよりも薄い100 〜200 ｎｍとなるようにスパッタ時間を制御した。
【００３７】
このＳｉＯ2 膜を成膜した後、その上に電極材料であるＡｌを蒸着し、次いでレジストをリフトオフすることにより、ＥＯＧ電極13が得られる。
【００３８】
次に、この比較例の導波路型電気光学素子におけるＤＣドリフトについて説明する。ＤＣドリフトの観測は、前記第１実施例の場合と同様にして行なった。なおこの場合も、ＥＯＧ電極13の電極指周期Λ＝6.9 μｍであり、バッファ層12の厚さは100 ｎｍである。
【００３９】
また、本比較例のバッファ層12の材料であるＳｉＯ2 の比誘電率は、ＭＩＭコンデンサーを作成し、100 ｋＨｚの容量値を測定して比誘電率に換算したところ、４であった。そしてこのバッファ層12の比抵抗は、１×1012〜１×1015Ωｃｍ、光導波路11の比抵抗は１×108 〜１×1010Ωｃｍであった。
【００４０】
回折した光ビーム20Ａの光強度を測定した結果を図７に示す。なお、同図の（１）、（２）、（３）は、導波光のパワー密度がそれぞれ５Ｗ／ｃｍ2 、0.5 Ｗ／ｃｍ2 、0.05Ｗ／ｃｍ2 の各場合の光強度測定結果を示している。図示される通りこの比較例においては、回折光の光強度は電圧印加を開始してから時間が経過するのにつれて徐々に低下し、顕著なＤＣドリフトが生じていることが分かる。特に、導波光のパワー密度が５Ｗ／ｃｍ2 と大きい場合は、その傾向が大である。
【００４１】
前述の図６に示した測定結果を、この図７の測定結果と照らし合わせれば、本発明により明らかなＤＣドリフト低減効果が得られていることが分かる。
【００４２】
次に、図８を参照して本発明の第２実施例について説明する。この第２実施例の導波路型電気光学素子は、ＭｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ３ 基板10と、該基板10に形成された、Ｙ分岐光導波路を２つ接続した形のマッハツェンダー光変調器を構成するチャンネル光導波路30と、このチャンネル光導波路30の一方の分岐部分30ａを挟むようにして基板10上に形成された１対の平板状電極31，31と、これらの平板状電極31，31に所定の電圧を印加する駆動回路32とを有している。またこの場合も、各平板状電極31と基板10との間には、ＨｆＯ２ 膜からなるバッファ層33が介設されている。
【００４３】
上記構成の導波路型電気光学素子において、入力光34はチャンネル光導波路30の図中左端から入力され、１番目のＹ分岐で分岐され、分岐部分30ａおよび30ｂを導波してから２番目のＹ分岐で再度合成される。この合成された光は、チャンネル光導波路30の図中右端から出力光34Ａとして出力される。
【００４４】
チャンネル光導波路30の一方の分岐部分30ａに電極31，31を介して所定電圧が印加されると、この分岐部分30ａの屈折率が変化するので、分岐部分30ａを導波する光はこの電圧印加の有無に応じて位相変調される。そして、この分岐部分30ａを導波した光と、分岐部分30ｂを導波した光は合成されたとき干渉するので、出力光34Ａは上記電圧印加の有無に応じて強度変調される。
【００４５】
この第２実施例の導波路型電気光学素子においても、第１実施例と同様にバッファ層33が、比誘電率が30と大きいＨｆＯ2 膜から形成されているので、ＤＣドリフト低減効果が得られる。
【００４６】
次に、図９を参照して本発明の第３実施例について説明する。この第３実施例の導波路型電気光学素子は、ＭｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ３ 基板10と、該基板10に形成された、方向性結合器を構成する２つのチャンネル光導波路40Ａ、40Ｂと、一方のチャンネル光導波路40Ａを挟むようにして基板10上に形成された１対の平板状電極41，41と、これらの平板状電極41，41に所定の電圧を印加する駆動回路42とを有している。またこの場合も、各平板状電極41と基板10との間には、ＨｆＯ２ 膜からなるバッファ層43が介設されている。
【００４７】
上記構成の導波路型電気光学素子において、入力光44は一方のチャンネル光導波路40Ａに入力されてそこを導波し、両光導波路40Ａ、40Ｂが近接している部分において他方のチャンネル光導波路40Ｂに浸み出し、そこを導波して該光導波路40Ｂから出力光44Ａとして出力される。
【００４８】
チャンネル光導波路40Ａに電極41，41を介して所定電圧が印加されると、この光導波路40Ａの屈折率が変化するので、該光導波路40Ａから光導波路40Ｂへの導波光の浸み出しの大きさが変化する。そこで出力光44Ａは、上記電圧印加の有無に応じて強度変調される。
【００４９】
この第３実施例の導波路型電気光学素子においても、第１、２実施例と同様にバッファ層43が、比誘電率が30と大きいＨｆＯ2 膜から形成されているので、ＤＣドリフト低減効果が得られる。
【００５０】
なお本発明は、先に説明したプロトン交換／アニール光導波路に限らず、その他プロトン交換光導波路やＴｉ拡散光導波路を有する導波路型電気光学素子に対しても適用可能で、同様の効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による導波路型電気光学素子を示す平面図
【図２】上記第１実施例の導波路型電気光学素子の側面図
【図３】本発明に用いられる電極の一例を示す斜視図
【図４】図３の構造の等価回路を示す電気回路図
【図５】バッファ層材料の比誘電率とＤＣドリフト量との関係を示すグラフ
【図６】上記第１実施例の導波路型電気光学素子のＤＣドリフト量測定結果を示すグラフ
【図７】本発明に対する比較例の導波路型電気光学素子のＤＣドリフト量測定結果を示すグラフ
【図８】本発明の第２実施例による導波路型電気光学素子を示す斜視図
【図９】本発明の第３実施例による導波路型電気光学素子を示す斜視図
【符号の説明】
１ 基板
２ 薄膜光導波路
３ バッファ層
４ ＥＯＧ電極
10 ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3 基板
11 薄膜光導波路
12 バッファ層
13 ＥＯＧ電極
16 駆動回路
20 光ビーム
20Ａ 回折した光ビーム
20Ｂ 回折しない光ビーム
30 チャンネル光導波路
31 平板状電極
32 駆動回路
33 バッファ層
40Ａ、40Ｂ チャンネル光導波路
41 平板状電極
42 駆動回路
43 バッファ層
Claims (3)
- 電気光学効果を有する基板に形成された光導波路と、
前記基板との間に該基板とは別体に成膜されたバッファ層を介して、前記光導波路に近接させて取り付けられた少なくとも１対の電極と、
これらの電極間に、周波数が 0.1 Ｈｚ〜１ＧＨｚの範囲にある電圧を印加する駆動回路とを有し、
前記光導波路が、波長 400 〜 800 ｎｍの導波光の伝搬モードがシングルモードとなる構成を有し、
前記導波光の光出力が 0.05 〜５Ｗ／ｃｍ ２ となる導波路型電気光学素子において、
前記バッファ層が、印加される電圧の直流成分に対する比誘電率が20〜1000の範囲にあるＨｆＯ ２ を用いて、略前記電極に対応する部分のみに形成されていることを特徴とする導波路型電気光学素子。 - 前記バッファ層が、印加される電圧の直流成分に対する比誘電率が20〜200 の範囲にあるＨｆＯ ２ から形成されていることを特徴とする請求項１記載の導波路型電気光学素子。
- 前記光導波路の抵抗が前記バッファ層の抵抗よりも大きいことを特徴とする請求項２記載の導波路型電気光学素子。
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