JP4668239B2 - 光導波路素子 - Google Patents

Description

本発明は光導波路素子に関し、さらに詳しくは、長距離、大容量の光ファイバ通信システムや光計測器などに用いられる光導波路素子において高い消光比を得るべく、金属装荷型偏光子を具える光導波路素子に関する。

ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの電気光学効果を有する基板上に光導波路やバッファ層、電極などを集積して構成した光導波路素子は、長距離、大容量の光ファイバ通信システムや光計測器などに広く用いられるようになってきた。そして近年、入射光の偏波変動に対する素子の動作特性を安定化させるために、光導波路上にＡｌなどの金属を装荷した金属装荷型偏光子を設けた光導波路素子が提案され、実用化されている。この金属装荷型偏光子は、基板の主面に対して垂直な方向に振動する光波の偏波成分（ＴＭモード光）を吸収し、基板の主面に対して平行な方向に振動する光波の偏波成分（ＴＥモード光）を透過する。したがって、前記光導波路にはＴＥモード光のみが導入され、これによって素子の動作特性が長期に亘って安定化されるものである。

この金属装荷型偏光子は、基板に形成された光導波路上に直接形成する他、特開平８−３０４６４７号公報において、基板と金属装荷型偏光子との間にＳｉＯ_２層を設け、偏波成分の吸収と光損失の低減とを同時に達成する方法が提案されている。
特開平８−３０４６４７号公報

しかしながら、基板上に直接金属装荷型偏光子を形成すると、素子使用時における熱サイクルや熱衝撃などにより、前記金属装荷型偏光子が前記基板から剥離してしまう場合があった。このため、前記金属装荷型偏光子は次第にその機能を発揮することができなくなり、長期に亘って素子の動作特性を安定化することができないでいた。

かかる問題を解決すべく、特開平１１−１７４２４８号公報においては、基板を構成する材料と線膨張係数が近い金属材料を用い、この金属材料から金属装荷型偏光子を形成する方法が開示されている。しかしながら、この方法では基板を構成する材料に依存して偏光子の材料が決定されてしまう。このため、偏波成分に対して所望の消光特性を得、これによって光導波路素子の安定性を維持しようとすると、素子の使用条件及び用途が限定されてしまうという問題がある。
特開平１１−１７４２４８号公報

一方、特開平８−３０４６４７号公報に記載されているように、ＳｉＯ_２層上に金属装荷型偏光子を形成すると、このＳｉＯ_２層が基板と金属装荷型偏光子との間の応力緩和層として作用し、金属装荷型偏光子の剥離という問題はほぼ回避される。しかしながら、この構成においては、光導波路素子を長期に亘って使用すると、金属装荷型偏光子が酸化して腐食してしまう場合があった。このため、偏光子が剥離しない場合においても、偏光子としての機能を発揮できない場合が生じ、光導波路素子の長期に亘る動作特性を安定化することができないでいた。

本発明は、金属装荷型偏光子を具える光導波路素子において、導波する光波の偏波成分に対して高い消光比を得ることができ、長期に亘って安定した動作を行うことが可能な新規な構成の光導波路素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明の光導波路素子は、電気光学効果を有する材料からなる基板と、この基板に形成された光波を導波するための光導波路と、前記光波を変調するための変調用電極と、前記基板上に形成された前記光波の不要な偏波成分を取り除くための金属装荷型偏光子とを具える。そして、前記基板上にＳｉＯ_２のバッファ層を設け、このバッファ層上に前記変調用電極を形成し、前記光導波路の一部が露出するように前記バッファ層の一部を除去した基板表面に、ＡＯｘ、Ｂ_２Ｏｙ、及びＣＯｚ（Ａ：２価の元素、Ｂ：３価の元素、Ｃ：４価の元素、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜３、０＜ｚ＜２、Ｏ：酸素）なる組成の誘電体の、少なくとも一つからなる中間層を形成し、この中間層上に前記金属装荷型偏光子を配置することを特徴とする。特に、ＳｉＯｚ（０＜ｚ＜２）なる組成の誘電体で厚さが５０〜１００Åの中間層を形成し、この中間層上に厚さ１０００〜３０００Åの金属装荷型偏光子を配置する。

本発明者らは、金属装荷型偏光子を具える光導波路素子の動作特性を長期に亘って安定化させるべく、鋭意検討を行った。そして、かかる目的を達成すべく光導波路素子の構成についての詳細な検討を行った。その結果、金属装荷型偏光子と基板との間に内部応力の少ない中間層を形成することにより、特開平８−３０４６４７号公報に記載されているＳｉＯ_２層の場合と同様に、金属装荷型偏光子の剥離という問題は回避できるということを見出した。

金属装荷型偏光子は光導波路上に形成するため、上記中間層も必然的に光導波路上に形成される。このため、中間層を基板や光導波路を構成する材料よりも屈折率の高い材料で構成すると、光導波路中を導波する光波が中間層へリークしてしまい、光導波路素子としての機能を果たすことができなくなってしまう。したがって、前記中間層は比較的屈折率の小さい酸化物誘電体から構成する必要があった。

しかしながら、酸化物誘電体から前記中間層を構成すると、特開平１１−２５８４３８号公報におけるような金属装荷型偏光子の酸化腐食という問題が生じてしまっていた。そこで、本発明者らは、この酸化腐食のメカニズムを解明すべく更なる検討を行った。その結果、酸化物誘電体からなる前記中間層における過剰な酸素が経時的に遊離し、この酸素が前記中間層と接触して存在している前記金属装荷型偏光子に拡散することにより前記酸化腐食を引き起こしていることが判明した。
特開平１１−２５８４３８号公報

そこで、本発明者らは、上記中間層における過剰酸素の遊離を防止すべく鋭意検討を行った。その結果、中間層を構成する酸化物誘電体中の酸素を化学量論的な割合よりも小さくすることにより、上記過剰酸素の発生を防止できることを見出した。

本発明は、上記のような膨大かつ詳細な研究の結果としてなされたものである。本発明の光導波路素子は、上記研究から直接導かれるものであり、基板と金属装荷型偏光子との間に、上記研究の結果見出された酸化物誘電体からなる中間層を形成したものである。本発明によれば、金属装荷型偏光子の剥離や酸化腐食という問題を回避することができ、これにより光導波路素子の動作特性を長期に亘って安定化することができる。

本発明の光導波路素子は、基板と金属装荷型偏光子との間に上記のような酸素が欠乏した酸化物誘電体からなる中間層を設けている。したがって、金属装荷型偏光子の経時的な剥離を防止できるとともに、経時的な酸化腐食をも防止することができる。この結果、長期に亘って安定した動作が可能な光導波路素子を形成することができる。

以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の第１の光導波路素子の一例を示す斜視図である。図１に示す光導波路素子１０は、電気光学効果を有する材料からなる基板１と、この基板１に形成されたマッハツエンダー型の光導波路２とを具えている。また、基板１の主面１Ａ上にバッファ層３が形成されている。さらに、基板１の主面１Ａ上の端部１Ｂにおいて、ＡＯｘ、Ｂ_２Ｏｙ、及びＣＯｚ（Ａ：２価の元素、Ｂ：３価の元素、Ｃ：４価の元素、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜３、０＜ｚ＜２、Ｏ：酸素）なる組成の誘電体の、少なくとも一つからなる中間層４が形成されている。バッファ層３上には変調用電極を構成する信号電極５と接地電極６とが形成されている。また、中間層４上の光導波路２が位置する部分に金属装荷型偏光子７が設けられている。

図１に示す光導波路素子１０において、矢印の方向から素子に入射した光波は、金属装荷型偏光子７によって基板１の主面１Ａと平行な偏波成分のみが選択され、基板１の主面１Ａと垂直な偏波成分は消光される。そして、この平行な偏波成分のみが光導波路２中を導波し、信号電極５及び接地電極６からの変調信号によって変調を受け、光波が消光及び非消光されることにより、信号のオン／オフが行われるものである。

図１に示す光導波路素子１０は、本発明にしたがって上記組成を有する誘電体からなる中間層４上に金属装荷型偏光子７を具えている。したがって、基板１と金属装荷型偏光子７との間に生じる応力が中間層４によって緩和され、金属装荷型偏光子７の経時的な剥離を防止できる。さらには、中間層４自体における過剰酸素の発生が防止されるため、金属装荷型偏光子７の経時的な酸化、腐食を防止できる。このため、光導波路素子１０は、金属装荷型偏光子を具えた光導波路素子としての安定した動作特性を、長期に亘って維持することができる。

中間層は、上記のような組成を有する誘電体の少なくとも一つから形成されることが必要である。ＡＯｘの具体例としては、ＭｇＯｘを例示することができる。また、Ｂ_２Ｏｙの具体例としては、Ａｌ_２Ｏｙ、Ｙ_２Ｏｙを例示することができる。さらに、ＣＯｚの具体例としては、ＳｉＯｚ、ＺｒＯｚ、ＨｆＯｚ、及びＧｅＯｚを例示することができる。特に、価格が安く、薄膜として形成しやすいという理由から、ＳｉＯｚを用いることが好ましい。

また、金属装荷型偏光子には、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｒ及びＰｔなどの金属を用いることができる。

中間層の厚さは形成する中間層の屈折率により異なるが、例えばＳｉＯｚの場合、５０〜１００Åであることが好ましい。これにより本発明の目的をより効果的に達成することができる。また、金属装荷型偏光子の厚さは、一般に １０００〜３０００Åである。

本発明の光導波路素子において、信号電極及び接地電極などの変調用電極には、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの導電性に富む金属材料から形成することができる。基板は、電気光学効果を有する材料から構成されることが必要であり、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）の他に、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）を例示することができる。特に、高品位の結晶が比較的安価で入手でき、Ｔｉ熱拡散法などによる光導波路の作製が容易であるなどの理由から、一般的にはニオブ酸リチウムを用いることが好ましい。光導波路はＴｉ熱拡散法やプロトン交換法など、公知の方法によって形成することができる。

本発明の光導波路素子における中間層は、真空蒸着法、スパッタリング法などの公知の製膜法を用いることによって形成することができる。そして、例えばスパッタリング法を用いる場合、酸素ガスを用いずにアルゴンガスのみでスパッタすることにより、上記組成の誘電体からなる中間層を形成することができる。

以下実施例により、本発明を具体的に説明する。
本実施例においては、図１に示すような光導波路素子１０を作製した。基板１には、ニオブ酸リチウム単結晶のＸカット板を用いた。次いで、基板１内にＴｉ熱拡散法により光導波路２を形成した。次いで、基板１の主面１Ａ上に、スパッタリング法によってＳｉＯ_２からなるバッファ層３を厚さ１．０μｍに形成した。次いで、基板全面にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィによって光導波路の直線部分の一部が露出するようにして前記フォトレジストをパターニングした。基板全体をＥＣＲプラズマ源を用いたドライエッチング装置に装着し、パターニングされたフォトレジストをマスクとし、パターン中に露出した前記バッファの部分をエッチング除去して、基板の表面を露出させた。その後、余分なレジストを有機溶剤によって除去した。

次いで、所定のマスクを用いることにより、金属装荷型偏光子を形成すべき部分がパターニングされたレジストパターンを形成した。次いで、前記スパッタリング法によってＳｉＯｚ（０＜ｚ＜２）なる組成の誘電体からなる中間層４を、前記露出した基板の表面に厚さ１００Åに形成した後、中間層４上に同じくスパッタリング法により、Ａｌからなる金属装荷型偏光子７を厚さ１０００Åに形成した。さらに、有機溶剤中でレジスト上の余分なＳｉＯｚ層及びＡｌ層を除去して、基板との間に中間層を有する金属装荷型偏光子を作製した。なお、中間層４の形成において、スパッタリングは、ＳｉＯ_２ターゲットを用い、アルゴンガスのみの雰囲気下、ガス圧０．５Ｐａ、投入パワー１０Ｗ／ｃｍ^２の条件で行った。

次いで、バッファ層３上に下地層としてＴｉ層及びＡｕ層を蒸着法により形成した後、電極層としてＡｕ層をメッキ法によって厚く形成した。さらにこの下地のＴｉ層及びＡｕ層にケミカルエッチングを行うことによって分離し、信号電極５及び接地電極６を厚さ２０μｍに形成して、光導波路素子１０を得た。

このような光導波路素子を２０個作製し、―４０／７０℃、１００サイクルの熱サイクル試験を実施した。熱サイクル試験後、金属装荷型偏光子の剥離したものは存在しなかった。また、試験前後における偏波消光比の劣化割合を調べたところ、劣化の度合いは０．５〜１．０ｄＢであった。

（比較例）
実施例１において、中間層３を形成しなかった以外は、実施例１と同様にして光導波路素子を作製した。このような光導波路素子を２０個作製し、上記実施例と同じ条件で熱サイクル試験を実施したところ、４個の光導波路素子について金属装荷型偏光子の剥離が見られた。また、試験前後における偏波消光比の劣化割合を調べたところ、劣化の度合いは２．０〜１０．０ｄＢであった。

以上、実施例及び比較例から明らかなように、本発明にしたがって基板と金属装荷型偏光子との間に、ＳｉＯｚ（０＜ｚ＜２）なる組成の誘電体からなる中間層を設けることにより、金属装荷型偏光子の剥離を防止することができる。また、熱サイクル試験後における偏波消光比の劣化度合いが極めて小さく、金属装荷型偏光子は試験前後において酸化腐食されていないことが分かる。したがって、これら光導波路素子は長期に亘って安定した動作を維持できることが分かる。

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変更や変形が可能である。

本発明の光導波路素子の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１ 基板
２ 光導波路
３ バッファ層
４ 中間層
５ 信号電極
６ 接地電極
７ 金属装荷型偏光子
１０ 光導波路素子

Claims (2)

1. 電気光学効果を有する材料からなる基板と、この基板に形成された光波を導波するための光導波路と、前記光波を変調するための変調用電極と、前記基板上に形成された前記光波の不要な偏波成分を取り除くための金属装荷型偏光子とを具えた光導波路素子であって、
   前記基板上にＳｉＯ_２のバッファ層を設け、このバッファ層上に前記変調用電極を形成し、
   前記光導波路の一部が露出するように前記バッファ層の一部を除去した基板表面に、ＳｉＯｚ（０＜ｚ＜２）なる組成の誘電体で厚さが５０〜１００Åの中間層を形成し、この中間層上に厚さ１０００〜３０００Åの前記金属装荷型偏光子を配置することを特徴とする、光導波路素子。
2. 前記基板は、ニオブ酸リチウムからなることを特徴とする、請求項１に記載の光導波路素子。

Images