JP5360256B2

JP5360256B2 - 光導波路素子

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Publication number: JP5360256B2
Application number: JP2012080444A
Authority: JP
Inventors: 基弘竹村; 雅尚栗原; 哲也藤野
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: US9291838B2; CN104204917A; WO2013147129A1; JP2013210484A; US20150078701A1; CN104204917B

Description

本発明は光導波路素子に関し、特に、電気光学効果を有する基板に光導波路とバッファ層及び変調電極とを形成した光導波路素子に関する。

光通信分野や光計測分野において、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と変調電極を形成した、光強度変調器などの光導波路素子は広く使われている。

電気光学効果を有する基板は、分極により発生する電荷や、外部から印加された電界に対応して基板内部に発生した電荷が蓄積することで、光導波路素子の駆動電圧が変動する、所謂、ＤＣドリフト現象が発生する。また、基板の温度変化により発生する温度ドリフト現象もある。

他方、基板上に光導波路を形成し、変調電極も該基板上に配置するためには、光導波路を伝搬する光波が該変調電極で吸収・散乱されることを抑制する必要がある。このため、光導波路を形成した基板と変調電極との間に、ＳｉＯ_２などのバッファ層を配置することが行われている。

特許文献１では、ＤＣドリフトや温度ドリフトを抑制するため、基板上に第１バッファ層、導電層、第２バッファ層及び中心導体の順に積層することが開示されている。

しかしながら、バッファ層の表面に、電荷分散膜としての導電膜が形成される場合には、基板とバッファ層との間に蓄積した電荷を、効果的に分散することが困難となる。このため、蓄積した電荷により、製品の動作点変動等の問題が生じていた。

また、特許文献１には、第１バッファ層と第２バッファ層の間に存在する導電層が電気光学効果を有する基板と接することが開示されている。しかしながら、このような構造を持つ導電層は傾斜構造を有する上に、光導波路に変調電極が形成する電界が作用する、所謂、相互作用部領域で作製されている必要がある。

このため、このような傾斜構造を均質に作製すること、第１と第２バッファ層及び導電層の各膜厚を制御することは、それぞれが製造工程上の困難さに繋がっている。また、相互作用部領域近傍に存在する傾斜構造を有する導電層は、得られる光変調器の特性のバラツキが発生する要因となる。

特開２００６−３１７５５０号公報

本発明は、上述した問題を解消し、基板内に蓄積する電荷を効果的に拡散し、ＤＣドリフトや温度ドリフトを抑制した光導波路素子を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該基板の上に形成されたバッファ層と、該バッファ層上に形成され、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極とを有する光導波路素子において、該基板と該バッファ層との間に、該基板に発生する電荷を拡散するチャージ拡散層を形成し、該チャージ拡散層は、該変調電極を構成する接地電極に電気的に接続され、該チャージ拡散層は、少なくとも該変調電極を構成する信号電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域、及び該接地電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域で分離して、かつ該光導波路より低い屈折率を有する低屈折率材料で形成され、前記信号電極下のチャージ拡散層と前記接地電極下のチャージ拡散層との間は、前記信号電極下のチャージ拡散層及び前記接地電極下のチャージ拡散層より抵抗値の高い部材で電気的に接続されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光導波路素子において、前記抵抗値の高い部材は、半導体材料から構成されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の光導波路素子において、前記抵抗値の高い部材は、前記信号電極下のチャージ拡散層及び前記接地電極下のチャージ拡散層と同じ低屈折率材料で構成されると共に、前記信号電極下のチャージ拡散層及び前記接地電極下のチャージ拡散層よりも膜厚が小さいことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子において、該チャージ拡散層は、導電膜又は半導体膜であることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の光導波路素子において、該チャージ拡散層の膜厚は、０．０５〜０．６μｍであることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の光導波路素子において、該チャージ拡散層と該接地電極との電気的接続は、前記接地電極下のチャージ拡散層と該接地電極との間の、該バッファ層を貫通するビア接続、基板側面に設けた導電膜、又は、バッファ層の一部を除去して配置された接続層のいずれかで構成されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該基板の上に形成されたバッファ層と、該バッファ層上に形成され、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極とを有する光導波路素子において、該基板と該バッファ層との間に、該基板に発生する電荷を拡散するチャージ拡散層を形成し、該チャージ拡散層は、該変調電極を構成する接地電極に電気的に接続され、該チャージ拡散層は、少なくとも該変調電極を構成する信号電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域、及び該接地電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域で分離して、かつ該光導波路より低い屈折率を有する低屈折率材料で形成され、前記信号電極下のチャージ拡散層と前記接地電極下のチャージ拡散層との間は、前記信号電極下のチャージ拡散層及び前記接地電極下のチャージ拡散層より抵抗値の高い部材で電気的に接続されているため、該基板内に発生する電荷を効果的に拡散し、ＤＣドリフトや温度ドリフトを抑制した光導波路素子を提供することが可能となる。特に、基板に直接接するようにチャージ拡散層を配置しているため、基板内に発生する電荷を効率良く拡散できると共に、チャージ拡散層を接地電極と電気的に接続することで、電荷の拡散機能を有効に発生させることができ、チャージ拡散効果を長期にわたり維持することが可能となる。しかも、信号電極及び接地電極の下にチャージ拡散層を設けた場合でも、光導波路に効果的に電界を印加することが可能となる。

また、チャージ拡散層は、光導波路より低い屈折率を有する材料で構成されているため、光導波路の直上にチャージ拡散層を形成しても光導波路を伝搬する光波の損失を抑制することが可能となる。

請求項２に係る発明により、前記抵抗値の高い部材は、半導体材料から構成されているため、請求項１に係る発明と同様に、信号電極及び接地電極の下にチャージ拡散層を設けた場合でも、光導波路に効果的に電界を印加することが可能となる。

請求項３に係る発明により、前記抵抗値の高い部材は、前記信号電極下のチャージ拡散層及び前記接地電極下のチャージ拡散層と同じ低屈折率材料で構成されると共に、前記信号電極下のチャージ拡散層及び前記接地電極下のチャージ拡散層よりも膜厚が小さいため、請求項１に係る発明と同様に、信号電極及び接地電極の下にチャージ拡散層を設けた場合でも、光導波路に効果的に電界を印加することが可能となる。

請求項４に係る発明により、チャージ拡散層は、導電膜又は半導体膜であるため、基板内に発生した電荷を効率良く拡散することが可能となる。

請求項５に係る発明により、チャージ拡散層の膜厚は、０．０５〜０．６μｍであるため、連続膜として形成できると共に、バッファ層の厚みよりも薄く構成できる。これにより、電荷の拡散効果を維持しながら、チャージ拡散層があることにより基板と変調電極との距離が離れ、駆動電圧が増加するなどの不具合が生じることもない。

請求項６に係る発明により、チャージ拡散層と接地電極との電気的接続は、前記接地電極下のチャージ拡散層と該接地電極との間の、バッファ層を貫通するビア接続、基板側面に設けた導電膜、又は、バッファ層の一部を除去して配置された接続層のいずれかで構成されているため、チャージ拡散層と接地電極との電気的接続をより確実に行うことが可能となる。

本発明の光導波路素子を示す断面図であり、電気的接続をビア接続で行っている例を示す。本発明の光導波路素子を示す断面図であり、電気的接続を接続層で行っている例を示す。本発明の光導波路素子を示す断面図であり、電気的接続を基板側面に設けた導電膜で行っている例を示す。動作点変動の温度依存性について、本発明と従来技術とを対比するグラフである。本発明の光導波路素子を示す平面図であり、低屈折率材料からなるチャージ拡散層を光導波路に沿って配置し、ビア接続にて接地電極と接続した例を示す図である。図５の点線Ａ−Ａ’における断面図であり、基板表面に光導波路の直上を含む領域に低屈折率材料からなるチャージ拡散層を形成し、ビア接続にて接地電極と接続した例を示す。図６における構成において、ビア接続の代わりに接続層を用いた場合の例を示す。

本発明の光導波路素子について、以下に詳細に説明する。
図１に示すように、本発明の光導波路素子は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該基板の上に形成されたバッファ層（ＢＦ層）と、該バッファ層上に形成され、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極（信号電極，接地電極）とを有する光導波路素子において、該基板と該バッファ層との間に、該基板に発生する電荷を拡散するチャージ拡散層を形成し、該チャージ拡散層は、該変調電極を構成する接地電極に電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明に利用される基板としては、電気光学効果を有する材料を用いた基板が利用でき、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料、並びにこれらの材料を組み合わせた基板が利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）結晶が好適に利用される。

基板に光導波路を形成する方法としては、Ｔｉなどの熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより形成することができる。また、光導波路以外の基板をエッチングしたり、光導波路の両側に溝を形成するなど、基板に光導波路に対応する部分を凸状としたリッジ形状の導波路を利用することも可能である。

光導波路素子では、基板の上側には信号電極や接地電極などの変調電極が形成される。このような電極は、Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。

光導波路と変調電極との間には、バッファ層（ＢＦ層）が形成されている。バッファ層には、ＳｉＯ_２などの光導波路より低い屈折率を有する絶縁性の材料が利用され、スパッタ法などで形成される。バッファ層の厚みは、光波の電極による吸収を抑制し、電極が形成する電界が光導波路に効果的に印加されるような条件を考慮して、５００ｎｍ〜１０００ｎｍ、特に、６００ｎｍ程度に設定することが好ましい。

本発明の特徴は、基板に直接接するようにチャージ拡散層を設け、接地電極と電気的に接続されていることである。チャージ拡散層は、Ａｕ，Ａｇ，Ｔｉ，Ａｌ又はインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの導電膜や、Ｓｉなどの半導体膜が用いられる。スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法などの真空成膜法や薄膜化した導電膜等を貼り付けることで形成される。

チャージ拡散層は、フォトリソグラフィによるパターニングと、ドライエッチングやケミカルエッチングを組み合わせることにより、図１のように、光導波路近傍を除く基板上に形成される。光導波路とチャージ拡散層との間隔は、信号電極と接地電極との間隔以上、例えば、２５μｍ以上離すことが好ましい。

ただし、チャージ拡散層に、ＩＴＯなどの光導波路より低い屈折率を有する材料を使用する場合には、基板に形成した光導波路の直上にチャージ拡散層を形成しても光導波路を伝搬する光波の損失を抑制することができる。

チャージ拡散層の膜厚は、０．０５〜０．６μｍとすることが好ましい。これは、連続膜として形成できると共に、バッファ層の厚みよりも薄く構成できる。これにより、チャージ拡散層が、導電性等の特性を維持し、電荷の拡散効果を発揮することができる。

本発明のチャージ拡散層により、基板内に発生する電荷を効果的に拡散し、ＤＣドリフトや温度ドリフトを抑制した光導波路素子を提供することが可能となる。特に、基板に直接接するようにチャージ拡散層を配置しているため、基板内に発生する電荷を効率良く拡散できると共に、チャージ拡散層を接地電極と電気的に接続することで、電荷の拡散機能を有効に発生させることができ、チャージ拡散効果を長期にわたり維持することが可能となる。

チャージ拡散層と接地電極との電気的接続は、図１のような、バッファ層を貫通するビア接続で構成することが可能である。ビア接続に使用される膜種としては、Ａｕ，Ａｇ，Ｔｉ，Ａｌ，ＩＴＯなどの導電性材料が好ましい。

他の電気的接続の方法としては、図２のように、バッファ層上に形成される接地電極の直下に配置されるバッファ層の全部又は一部を、ドライエッチングやケミカルエッチングで除去し、除去した部分にスパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法などの真空成膜法で接続層を形成する方法がある。また、図３に示すように、基板の側面に接続層を配置することも可能である。

図４は、本発明の光導波路素子（図１）と従来技術（図１のチャージ拡散層とビア接続の無い場合）とについて、動作点変動の温度依存性を比較したグラフである。本発明のものは温度変化に対してバイアス点の変動が少なく、バイアス変動の要因である基板内の電荷の発生の影響を、効果的に除去できていることが理解される。

チャージ拡散層をＩＴＯなどの光導波路より低い屈折率を有する低屈折率材料を使用する場合には、基板上の全面をチャージ拡散層で覆うことも可能である。
ただし、全面にチャージ拡散層を形成する場合には、信号電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域と、接地電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域間において“電気的に短絡”または“抵抗値が極端に低下”することを避ける必要がある。なお、本発明における相互作用部とは、変調電極（信号電極と接地電極）が形成する電界が光導波路に印加される部分を意味する。

この対策として、２つのチャージ拡散層の領域の間に抵抗値が高い領域を設ける必要がある。具体的には、低屈折率材料からなるチャージ拡散層が、「信号電極下の相互作用部近傍領域」と「接地電極下の相互作用部近傍領域」との間で部分的に膜厚が薄くなる領域を設け、電気的な抵抗値を有する構造や、あるいは「信号電極下の相互作用部近傍領域」の低屈折率材料からなるチャージ拡散層と「接地電極下の相互作用部近傍領域」の低屈折材料からなるチャージ拡散層が分離されて、それぞれのチャージ拡散層の間に電気的な抵抗を設ける構造があげられる。
この場合、Ｓｉなどの半導体材料を使用した層を介して低屈折率材料からなるチャージ拡散層を接続することが好ましい。また、チャージ拡散層より電気抵抗値の高い部材を使用することも可能である。

図５に、チャージ拡散層をＩＴＯなどの光導波路より低い屈折率を有する低屈折率材料と半導体材料を使用し、ビア接続によってチャージ拡散層と接地電極が電気的に接続されている実施形態の平面図を示す。

図６に、図５の点線Ａ−Ａ’における断面図を示す。基板内の電荷蓄積による影響を排除する必要がある、信号電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域と、接地電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域に、低屈折率材料からなるチャージ拡散層を設け、信号電極下と接地電極下の間には半導体材料からなるチャージ拡散層を設け、信号電極や光導波路が無い場所で、チャージ拡散層と接地電極とを電気的に接続するように構成している。

図７に図５に示した実施形態において、ビア接続の代わりに接続層を用いた実施形態を示す。

図５乃至７に示された実施形態のチャージ拡散層の半導体領域は、膜厚を小さくして抵抗値を高くした低屈折材料からなるチャージ拡散層や、チャージ層より電気抵抗値が高い部材（膜体）に代えることも可能である。

以上説明したように、本発明によれば、基板内に蓄積する電荷を効果的に拡散し、ＤＣドリフトや温度ドリフトを抑制した光導波路素子を提供することが可能となる。

Claims

電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該基板の上に形成されたバッファ層と、該バッファ層上に形成され、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極とを有する光導波路素子において、
該基板と該バッファ層との間に、該基板に発生する電荷を拡散するチャージ拡散層を形成し、
該チャージ拡散層は、該変調電極を構成する接地電極に電気的に接続され、
該チャージ拡散層は、少なくとも該変調電極を構成する信号電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域、及び該接地電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域で分離して、かつ該光導波路より低い屈折率を有する低屈折率材料で形成され、
前記信号電極下のチャージ拡散層と前記接地電極下のチャージ拡散層との間は、前記信号電極下のチャージ拡散層及び前記接地電極下のチャージ拡散層より抵抗値の高い部材で電気的に接続されていることを特徴とする光導波路素子。
請求項１に記載の光導波路素子において、前記抵抗値の高い部材は、半導体材料から構成されていることを特徴とする光導波路素子。
請求項１に記載の光導波路素子において、前記抵抗値の高い部材は、前記信号電極下のチャージ拡散層及び前記接地電極下のチャージ拡散層と同じ低屈折率材料で構成されると共に、前記信号電極下のチャージ拡散層及び前記接地電極下のチャージ拡散層よりも膜厚が小さいことを特徴とする光導波路素子。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子において、該チャージ拡散層は、導電膜又は半導体膜であることを特徴とする光導波路素子。
請求項４に記載の光導波路素子において、該チャージ拡散層の膜厚は、０．０５〜０．６μｍであることを特徴とする光導波路素子。
請求項１乃至５のいずれかに記載の光導波路素子において、該チャージ拡散層と該接地電極との電気的接続は、前記接地電極下のチャージ拡散層と該接地電極との間の、該バッファ層を貫通するビア接続、基板側面に設けた導電膜、又は、バッファ層の一部を除去して配置された接続層のいずれかで構成されていることを特徴とする光導波路素子。