JPH01284826A - 光変調素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は導波路形光変調素子に関するものである。

従来の技術 光の位相を変調する位相変調素子は、光波の位相に情報
を乗せられる点において、高密度、広帯域、高速光伝送
において必要不可欠な素子であり、従来の半導体レーザ
による直接変調では適用が困難なコヒーレント光通信技
術にとって必須の素子とされている。従来の導波路形光
変調素子の一例の斜視図を第１３図に、同図の断面を第
１４図に示す。同図において、電気光学結晶を基板９１
とし、基板９１上に形成された拡散形光導波路９２の中
に入力光９５を入力し、導波させる。光導波路９２を挟
み対向する電極対９３に接続された端子部９４に信号電
圧を印加すると、電極対９３に挟まれた光導波路９２に
電界が生じ、光導波路９２の屈折率が電気光学効果によ
って変化し、光導波路９２に入射された入力光９６に対
し出力端での出力光９６の位相が変化する。

さらに、変調素子内の光の走行時間が、変調信号の１周
期に比べて無視できない程の非常に高周波での変調では
、通常の電極に信号電圧を印加した場合には、変調の効
率が著しく低下する。

この様な高周波で用いられる導波路型光変調素子では、
進行波型電極がよく利用される。第１５図には、従来の
進行波電極による導波路形光変調素子の一例の斜視図を
示す。第１５図において、電気光学結晶を基板９１とし
、基板９１上に形成された拡散形光導波路９２の中に入
力光９５を入力し、導波させる。金属電極９３は光導波
路９２を挟むようにして作製し、電極間電圧によって光
導波路９２に電界が印加され、それによって電気光学効
果によって光導波路９２の実効屈折率が変化し、光導波
路８２中を導波する光波が位相変調を受ける。９８は終
端抵抗、９９は変調中信号源、ここで、電極９３は変調
波の伝送線路としての働きを持たせるために、電極９３
の一方の端に変調電圧を印加し、他方の端には、電極９
３の持つ特性インピーダンスＺＯと同じ値の抵抗で終端
する。

そして、光導波路９２中の光波と、電極９３中の変調波
の進行方向と位相速度とを一致（位相整合）させれば、
光波は常に変調波の電界を感じることになり、そのため
、電極長を長くすることによって変調効率を上げること
ができ、また、理想的には帯域幅に制限のない光変調素
子が実現できる。

しかし、実際は、完全な位相整合は難しく、また、変調
波の伝搬損失の影響などで変調特性は制限される。

また、超電導体として、ペロブスカイト系３元化合物は
高い転移温度が期待され、Ｂａ−Ｌａ−Ｃｕ−０系の高
温超電導体が提案された［Ｊ、Ｇ、Ｂｅｎｄｏｒｚ　ａ
ｎｄ　Ｋ、Ａ、Ｍｕｌｌｅｒ＋　　ツァイト　シュリフ
トフェア　フィジーク）　　Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ　Ｍａ
ｔｔｅｒ　Ｇ４．　＋８９−１９３　（１９８Ｇ）］。

さらに、］Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０がより高温の超電導体で
あることが提案された［Ｍ、ＫＪｕ等、フィジカルレビ
ューレターズ（ＰｈｙｓｌｃａｌＲｅｖｌｅｗ　Ｌｅｔ
ｔｅｒｓ）　Ｖｏｌ、５８．Ｎｏ、９，９０８−９１０
（１９８７）］。

その後、新たにＢｊ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系、Ｔｌ−
Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−０系の高温超電導材料の提案が成さ
れ、更に高い転移温度を有するものが報告されている。

これら金属酸化物材料の超電導機構の詳細は明らかでは
ないが、転移温度が液体窒素温度以上に高いものもあり
、高温超電導体として従来の金属ニオブ等を用いた２元
系化合物より、より有望な特性が期待される。

発明が解決しようとする課題 第１３図および第１４図に示した従来型の導波路形光変
調素子では、電気回路的に考えた場合、電極９３はコン
デンサとして働くことから、電極９３の持つ容量Ｃと電
極９３に接続している端子部９４等の持つインダクタン
スＬとによって決まる共振特性を有している。したがっ
て、その共振周波数で変調効率は極大となり、高効率で
Ｑ（クォリティーファクタ［Ｑｕａｒｌｔｙ　ｆａｃｔ
ｏｒ］の略で、−般に、中心周波数／帯域幅で定義され
る）の高い変調が可能になる。

しかし、電極９３や端子部９４にも信号波による電流が
流れるため、有限の導電率を持つ通常の金属を電極や端
子に用いた場合、発熱による変調電力の損失を招へ、変
調素子の効率を低下させ、さらにＱを低下させる。特に
、導波路形光変調素子では電極や端子の形状が極めて小
さいため、通常のバルク形変調素子に比べて電力損失の
割合は大きく、また、高い周波数領域では、さらに、表
皮効果の影響も加わって端子や電極部分での電力損失は
極めて大きくなり、前述の変調効率およびＱの低下量は
著しくなる。したがって、通常の金属を端子や電極に用
いた場合、高効率で大きなＱを実現することは全く不可
能であった。

第１５図に示した従来型の導波路形光変調素子では、電
極９３にも変調波による電流が流れるため、有限の導電
率を持つ通常の金属を電極に用いた場合、発熱による変
調電力の損失を招き、変調波の減衰が激しいため、仮に
、完全な位相整合を行っても、変調波の伝搬損失の影響
で、電極長を長くすることによる変調効率の向上には限
界があった。特に、導波路形光変調素子では電極の形状
が極めて小さいため、通常のバルク形変調素子に比べて
電力損失の割合は大きく、また、高い周波数領域では、
さらに、表皮効果の影響も加わって電極での電力損失は
極めて大きくなり、変調効率の低下量は著しくなる。し
たがって、通常の金属を電極に用いた場合、高効率な進
行波型光変調素子を実現することは不可能であった。

さらに、電極に損失があれば、変調派の周波数分散のた
め、変調信号に対して忠実な変調はできなくなる。この
影響は電極長を長くすればするほど顕著になり、見かけ
の帯域幅は広くても実際的には広い帯域での変調（例え
ば短いパルスでの変調など）を行おうとすれば変調歪の
原因になる。

このような変調効率およびＱの低下は、電極に導電率の
大きな材料を用いることによって、改善される。電極に
超電導材料、例えば、従来がら知られているニオブやそ
の合金などをを利用すれば、高効率で大きなＱを持つ光
変調素子が実現できることが予想できる。

しかし、ニオブの超電導転移温度Ｔｃは９．２にであり
、また、合金による超電導材料でも高々３０に程度の超
電導転移温度しか存していない。

したがって、これら、金属或は合金を用いて、超電導状
態の電極を実現するためには、液体ヘリウムを冷却剤と
して用いなければならない。このことは、実際の応用を
考える上で、極めて大きな問題であった。

Ａ−Ｂ−Ｃｕ−０系、　Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系
、あるいは、Ｔ　Ｉ−Ｂａ　−Ｃａ　−Ｃｕ　−０系の
材料は、さらに高い温度で超電導特性を示すが、現在の
技術では焼結という過程でしか形成できないため、セラ
ミックの粉末あるいはブロックの形状でしか得られない
。また、最近、この種の材料について、薄膜化が一部可
能になってはいるが、特殊な基板上にしか作製できない
という問題があった。

導波路形光変調素子の電極に金属酸化物超電導薄膜を利
用するためには電気光学結晶などの光学材料の上に直接
薄膜を堆積する必要がある。しかし、従来の技術では、
超電導薄膜の堆積の際に電気光学結晶の組成の一部が薄
膜中に拡散し、超電導特性が劣化もしくは消滅してしま
うことから実現は不可能であった。

本発明者らは、金属酸化物超電導材料を例えばスパッタ
リング法などの薄膜化手法を用い、薄膜形成条件と超電
導薄膜の界面の構造を工夫することにより、特性のよい
薄膜状の高温超電導体が導波路基板上にも再現性よく形
成されることを利用し、これに基づいて、新規な導波路
形光変調素子を発明した。

課題を解決するための手段 本発明の光変調素子は、基板上に形成された、上記基板
よりも大きい屈折率と電気光学効果を有する光導波路と
、上記光導波路表面上に、緩衝膜と、上記緩衝膜の上に
形成された金属酸化物超伝導体からなる１対の電極とか
ら構成されたものである。

本発明の別の光変調素子は、基板上に形成された、上記
基板よりも大きい屈折率と電気光学効果を有する光導波
路と、上記光導波路表面上に、緩衝膜と、上記！７Ｉｉ
衝膜の上に形成された金属酸化物超伝導体からなる１対
の進行波型電極とから構成されたものである。

基板として、望ましくは、ノンドープまたはＭｇドープ
ニオブ酸リチウム結晶、あるいは、ニオブ酸リチウム結
晶上にエピタキシャル成長させたノンドープまたはＭｇ
ドープニオブ酸リチウム結晶、あるいは、タンタル酸リ
チウム結晶上にエピタキシャル成長させたノンドープま
たはＭｇドープニオブ酸リチウム結晶またはＬ　ｉ（Ｎ
　ｂ　Ｉ−ＸＴ　Ａ８）０３結晶、あるいは、タンタル
酸リチウム結晶を用い、光導波路として、チタン拡散、
銅拡散、外拡散またはイオン交換光導波路を用いたたち
のである。また、基板として、たとえばタンタル酸リチ
ウム結晶上にエピタキシャル成長させたニオブ酸リチウ
ム結晶またはＬ　Ｌ　（Ｎ　ｂ＋−ｘＴ　ａｘ）　０３
結晶を用い、マグネシウムイオン（Ｍ　ｇ”）　、ニッ
ケルイオン（ＮｉＲφ）、または、亜鉛イオン（Ｚｎ”
″）を光導波路以外の部分に拡散させたものであり、緩
衝膜として、たとえば白金、パラジウム、ニッケル等の
遷移金属元素あるいはこれらの金属合金を含む材料、も
しくは、フッ化カルシウムを用いる。また、緩衝膜とし
て、基板よりも屈折率の低い誘電体薄膜と上記誘電体薄
膜上に形成された白金、パラジウム、ニッケル等の遷移
金属元素あるいはこれらの金属合金を含む材料から成る
薄膜とからなる２層構造の薄膜を用いてもよく、金属酸
化物超電導薄膜として、たとえば銅元素を含んだもので
あり、また金属酸化物超電導薄膜として酸素原子の一部
を硫黄原子、または、フッ素原子で置換したものであり
、また金属酸化物超電導薄膜としてＡ−Ｂ−Ｃｕ−０複
合化合物を用いたもので、ＡはＳｃｉ　　Ｙ％　　Ｌａ
１　　およびＬａ系列元素（原子番号５７．５９〜８０
．６２〜７１）の内少なくとも１種、ＢはＢａ５ｅｒな
どＩｌａ族元素の内少なくとも１種、かつＡ１　Ｂ元素
とＣｕ元素の濃度は ０．５≦（Ａ＋Ｂ）／Ｃｕ≦２．５ であり、また金属酸化物超電導薄膜として、Ｂｉ−Ｓｒ
−Ｃａ−Ｃｕ−０複合化合物あるいはＴ　Ｉ−Ｂ　ａ　
−Ｃａ−Ｃｕ−０複合化合物を用いることもできる。

作用 本発明に掛かる光変調素子は、電極等に超電導薄膜を用
いるため、通常の金属を電極や端子に用いたものに比べ
て交流損失が極めて少ないため、極めて高効率で大きな
Ｑを持つ光変調素子を実現できる。さらに、本発明の光
変調素子は超電導体に金属酸化物超電導体を用いている
ことから液体窒素を冷却剤に利用できる。そのため、冷
却が容易かつ低コストとなり、極めて宵月な光変調素子
が提供できる。

本発明に掛かる光変調素子は、進行波型電極に超電導薄
膜を用いるため、通常の金属を電極に用いたものに比べ
て交流損失が極めて少ないため、広帯域で極めて高効率
で変調歪の少ない光変調素子を実現できる。さらに、本
発明の光変調素子は超電導体に金属酸化物超電導体を用
いていることから液体窒素を冷却剤に利用できる。その
ため、冷却が容易かつ低コストとなり、極めて有用な光
変調素子が提供できる。

実施例 本発明を図面と共に説明する。

第１図は本発明の光変調素子の１実施例の斜視図、第２
図はその要部の断面図である。第１図において基板１１
の表面上に例えば金属イオン拡散により光導波路１２が
形成され、さらにその上に緩衝膜１３、および金属酸化
物超電導薄膜による１対の電極１４が例えばスパッタリ
ング、フォトリソグラフィー、ドライエツチングなどの
手法を利用して、光導波路１２を挟むように形成されて
いる。金属酸化物超電導薄膜による１対の電極１４には
、第１図に示すようにその中央付近に変調信号の給電の
ための同じく金属酸化物超電導薄膜でできた端子部１５
がそれぞれ接続されたパターンを用いている。

同図に示すように変調用信号源１８が接続され、信号電
圧が実際に端子部１５に与えられた場合、電極１４の間
、つまりは光導波路１２に電界が生じる。そのため、光
導波路１２の実効屈折率が電気光学効果によって変化し
、出力光１７の位相がそれに応じて変化する。本実施例
の変調素子は入力光１６の位相を一定に保っておくと位
相変調素子として利用できることを、本発明者らは確認
した。

また、本発明の光変調素子は本来位相変調のみを行うが
、従来の光集積回路技術を応用することによって、光強
度変調素子としての動作を果たさせることが可能である
。第３図はマツハツエンダ−干渉計を構成したものであ
る。第４図はその要部の断面である。光導波路３２によ
って構成された分岐部３３によって入力光３９は２等分
されそれぞれ導波路３２の一部である２本の直線導波路
部３５に導かれる。第４図に示すように光導波路３２の
内の２本の直線導波路部３５ではそれぞれ逆方向の電界
３１１が生じるので２本の直線導波路部３５を通過する
光波にはそれぞれ互いに逆の位相変化が与えられ、両光
波に信号電圧に応じた位相差が生じる。そして、合波部
３４で直線導波路部３５を通過した光波は干渉し、上記
位相差に応じた光強度変化を持つ出力光３１０が得られ
る。

本発明者らは本構成の光変調素子においても同様に約１
０Ｖの半波長電圧で、大きな変調効率とＱが得られるこ
とを確認している。このマツハツエンダ−干渉計形の構
成では直線部の光導波路３５を極めて近接して作製でき
ることから、小型で温度安定性に優れた光強度変調素子
が実現できるなどの利点がある。

第５図は本発明の光変調素子の方向性結合器形の構成で
ある。本構成では、２本の光導波路５２．５３を非常に
接近させて作製することによって、光導波路中の導波光
が導波路外に染みだした電界によって互いに結合するこ
とを利用した光変調素子である。この結合の度合が光導
波路５２．５３の実効屈折率などによって変化すること
から、電極５５間の電界によって光導波路５２から光導
波路５３への光波の結合量、つまり、光導波路５２への
入力光５７の強度を一定に保った場合、光導波路５３か
らの出力光５８の強度が電極５５間への印加電圧に応じ
て変調されることを本発明者らは確認している。このタ
イプの光強度変調素子では、前述のマツハツエンダ−形
に比べて、温度安定性の面では劣るが、光導波路５２．
５３間の結合の度合が光導波路の実効屈折率に極めて敏
感なことから非常に低電圧での変調が可能となる。実際
に、前述のマツハツエンダ−形よりも同じ長さの電極長
では、低電圧で光強度変調ができることを確認した。

さらに、第６図は直交ニコル型の構成である。

ここでは、光導波路の複屈折の度合が電界強度によって
変化することを利用し、基板表面を結晶光学上の２面と
し、結晶光学上のｙ軸を光波の伝搬方向に取り、結晶光
学上のＸおよび２軸に対して４５°の方向に偏光を持つ
光波が光導波路６２に入力するように偏光子６６を手前
に置き、さらに、光変調素子の出力側に偏光子６６に対
して９０’回転させた偏光子６７を置くと、信号電圧に
対して出力光強度が変化する光強度変調素子が実現でき
ることも本発明者らは確認している。

本変調素子に用いているＣｕ元素を含む金属酸化物であ
るＡ　−Ｂ　−Ｃｕ　−０、および、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ
−Ｃｕ−０、Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−０系超電導体は
結晶構造や組成式がまだ明確には決定されていないが、
Ａ−Ｂ−Ｃｕ−０については酸素欠損ペロブスカイト（
Ａ１　Ｂ）ａＣｕｓｏＴとも言われており、本発明者ら
は作製された薄膜において、元素比率が ０．５≦（Ａ＋Ｂ）／Ｃｕ≦２．５ の範囲であれば、臨界温度に多少の差があっても超電導
現象が見いだされることを確認した。

さらに、これら金属酸化物超電導体の酸素原子の一部を
硫黄、或は、フッ素原子で置換した場合、物理的に安定
な皮膜が得られ、その超電導特性の劣化はみられないこ
とも本発明者らは確認している。

以下に本発明の内容をさらに深（理解させるために、具
体的実施例を示す。

（具体的実施例１） 第１図に示すニオブ酸リチウム結晶を基板１１に用いて
、光学研磨された結晶光学上のＸ面にフォトレジスト（
マイクロボッシト１３５０）を用いたリフトオフ法によ
り金属チタン蒸着膜によるによる幅４μｍのストリップ
パターン（膜厚３０ｒｒ　ｍ　）を形成し、この基板１
１を９８０℃の酸素雰囲気中に４時間置き、金属チタン
を熱拡散させ光導波路１２を形成した。次に、緩衝膜１
３として白金を付着させ、さらに、上記緩衝膜１３の上
に、電極１４及び端子部１５のための金属酸化物超電導
薄膜を形成した。

緩衝膜の形成の際には、白金板をターゲットとした直流
プレーナマグネトロンスッパタを利用した。スパッタ条
件は、Ａｒガスの圧カニ　８　Ｐ　ａＮスパッタ電カニ
　３００ＶＸ３０ｍＡで、電気光学結晶１１の温度を２
５０〜５００℃に保って０゜１の厚さに蒸着した。また
、超電導薄膜形成は、焼結したＹＢａＣｕＯターゲット
を用いた高周波プレーナマグネトロンスッパタにより行
った。超電導薄膜形成のスパッタ条件は、Ａｒガスの圧
カニＱ、５Ｐａ、　　スパッタ電カニ１５０Ｗ、　　ス
パッタ時間：　１時間で、薄膜の厚さ０．５、電気光学
結晶１１の温度６００℃であった。薄膜の超電導転移温
度は９５にであった。また、金属酸化物超電導薄膜及び
緩衝膜のパターン化には基板１１上に全面に緩衝膜及び
金属酸化物超電導薄膜を堆積させた後、その上にフォト
レジストを塗布し電極パターンのフォトマスクを利用し
て露光現像の後、ドライエツチング法により金属酸化物
超電導薄膜及び緩衝膜をエツチングし、パターン化した
。

マイクロ波伝送用の同軸ケーブルの、心線および接地線
を端子部１５にそれぞれ接続し、光源にＨｅ−Ｎｅレー
ザを用い、結晶光学上の２方向に偏光した波長６３３ｎ
ｍの光波を光導波路１２に入力した。変調信号を１０Ｇ
Ｈｚ付近で変化させた時の変調度の変化を出力光から観
測し、その周波数特性からＱの値を求めた。その結果、
１０３程度のＱが得られることを確認した。このＱの値
は、本発明者らが、金属酸化物超電導薄膜１４の代わり
にアルミニウムを用いて同じ条件のもとで行った場合の
Ｑの値のよりも１００倍以上に向上していることから、
本発明の変調素子が従来の金属を用いたものに比較して
、電極部分での変調電力の損失を減らすことによって、
大きなＱを実現できることが実証でき、本変調素子の有
効性が確認できた。また、その際の電極の間隙は１０μ
ｍ１　　電極長は３ｍｍであった。πの位相変調を与え
るために必要な電圧、つまり、半波長電圧は約１０ｖで
あった。

また、基板１１として、ノンドープまたはＭｇドープニ
オブ酸リチウム結晶、あるいは、ニオブ酸リチウム結晶
上にエピタキシャル成長させたノンドープまたはＭｇド
ープニオブ酸リチウム結晶、あるいは、タンタル酸リチ
ウム結晶上にエピタキシャル成長させたノンドープまた
はＭｇドープニオブ酸リチウム結晶またはＬ　ｉ　（Ｎ
　ｂ　＋−ｘＴ　ａｘ）０３結晶を用い、光導波路とし
て、チタン拡散、外拡散またはイオン交換光導波路を用
いた場合も半波長電圧に多少の差はあったが同様に大き
なＱを持つ光変調素子が実現できることを本発明者らは
確認している。ただし、外拡散、及び、プロトン（Ｈ″
″）イオン交換光導波路を用いた場合は基板の異常屈折
率のみを上昇させるため導波できる光波は結晶光学上の
２軸方向の偏光に限られ、第６図に示した直交ニコル形
光強度変調は不可能であるが、チタン拡散光導波路を利
用した場合に比較して光損傷の影響が少なく、大きな強
度の光波を変調できる利点がある。

さらに、基板として、タンタル酸リチウム結晶を用い、
光導波路として銅鉱散光導波路を用いた場合も半波長電
圧に多少の差はあったが同じく大きなＱを持ち、高効率
で光損傷の少ない光変調素子が得られることを本発明者
らは確認している。

ただし、タンタル酸リチウム結晶のキュリー点は、銅元
素の拡散温度よりも低いことから、光導波路作製の際に
は、基板表面に銅の薄膜パターンを形成し、基板の表面
から垂直下向きに電界を印加しながら上記キュリー点温
度よりも低い温度中に置くことにより銅元素が結晶中に
拡散し、良好な光導波路ができることを確認している。

また、緩衝膜として、白金以外に、パラジウム、ニッケ
ル等の遷移金属元素あるいはこれらの金属合金を含む材
料、もしくは、フッ化カルシウムを用いた場合も同様の
特性を持つ光変調素子が得られることを本発明者らは確
認している。

また、基板の表面を結晶光学上の２面とした場合、もっ
とも大きな変調効率を得るために電気光学定数γ３３を
利用するためには、第７図に示すように電界を光導波路
７２に対して垂直に印加する必要がある。その際、緩衝
膜にフッ化カルシウムを用いる場合には問題はないが、
光導波路の上に直接白金などの金属による緩衝膜を形成
すると、光導波路７２中の光波の損失につながるため、
同図に示したように、緩衝膜として基板７１よりも屈折
率に低い誘電体緩衝膜７３を基板７１上に堆積させ、誘
電体緩衝膜７３の上に金属元素による緩衝膜７４を形成
すれば、金属酸化物超電導薄膜電極７５の特性を変化さ
せることなく光導波路７２中の光波の損失を防ぐことが
可能であること本発明者らは確認している。この場合、
誘電体緩衝膜７３に例えば２酸化、珪素を、基板７１に
ニオブ酸リチウム結晶を用いた時には、誘電体緩衝膜７
３の膜厚は５０ｎｍ程あれば十分であった。

また、第８図に示したように、基板として、タンタル酸
リチウム結晶８１上に、それよりも屈折率の高いニオブ
酸リチウムまたはＬ　１　（Ｎ　ｂ　＋−４ａｘ）Ｏｓ
をエピタキシャル成長させたものを用い、マグネシウム
イオン（Ｍｇ２”）、ニッケルイオン（Ｎｉ２◆）、ま
たは、亜鉛イオン（Ｚｎ”）などの屈折率を下げる金属
イオンを拡散させた領域８２を形成し、ノンドープ部分
を光導波路８３として利用した光変調素子においても同
様な特性が得られることを確認した。８４は緩１１％、
８５は金属酸化物超電導薄膜電極である。

Ａ−Ｂ−Ｃｕ−０基金属酸化物超電導体では、構成元素
ＡおよびＢ構成比率の変化による超電導特性の変化の詳
細は明らかではない。ただ、Ａは３価、Ｂは２価を示し
ているのは事実である。Ａ元素としてＹについて例を挙
げて説明したが、ＳＣやＬａさらにはランタン系の元素
（原子番号５７．５９〜６０．６２〜７１）でも、超電
導転移温度が変化する程度で本質的な発明の特性を変化
させるものではない。

また、Ｂ元素においても、Ｓｒｖ　　Ｃａ１　Ｂａ等Ｉ
Ｉａ族元素の変化は超電導転移温度を１０に程度変化さ
せるが、本質的に本発明の特性を変えるものではない。

さらに、Ｃｕ元素を含む金属酸化物材料として、Ｂｉ−
Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系、Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−０
系超電導体においてもその結晶構造など知られていない
ことが多いが、本発明者らは、Ａ−Ｂ−Ｃｕ−０系と同
様、従来のマグネトロンスパッタリング法を用い、基板
温度や雰囲気、高周波電力などを正確に制御すれば、電
気光学結晶上の緩衝膜の上に超電導皮膜を形成でき、Ａ
−Ｂ−Ｃｕ−〇系を用いた場合と同様に、極めてＱの高
い光変調素子を実現できることを確認した。その際の超
電導転移温度はＡ　−Ｂ　−Ｃｕ　−０系よりも高い１
００に前後、あるいは、それ以上のものが得られること
から、その利用価値も高い。

金属酸化物超電導薄膜の中の酸素原子の一部を硫黄また
はフッ素で置換した場合でも、その超電導特性の劣化は
なく、同様の特性を持つ光変調素子が実現できることを
確認している。

第９図は本発明の光変調素子の他の実施例の斜視図であ
る。第９図において基板１１の表面上に例えば金属イオ
ン拡散により光導波路１２が形成され、さらにその上に
緩衝膜１３、および金属酸化物超電導薄膜による１対の
進行波型電極２４が例えばスパッタリング、フォトリソ
グラフィー、ドライエツチングなどの手法を利用して、
光導波路１２を挟むように形成されている。

第９図に示すように、金属酸化物超電導薄膜による電極
２４の一方の端に変調用信号源２０が他端には電極の特
性インピーダンスに等しい値の終端抵抗１９がそれぞれ
接続され、信号電圧が実際に与えられた場合、電極２４
の間、つまりは光導波路１２に電界が生じる。そのため
、光導波路１２の実効屈折率が電気光学効果によって変
化し、出力光１７の位相がそれに応じて変化する。本変
調素子は入力光１６の位相を一定に保っておくと、広帯
域で高効率な位相変調素子として利用できることを、本
発明者らは確認した。また変調歪についても、パルス信
号に対する応答などから極めて小さいことを確認した。

また、本発明の光変調素子は本来位相変調のみを行うが
、従来の光集積回路技術を応用することによって、光強
度変調素子としての動作を果たさせることが可能である
。第１０図は前述の第３図と同様のマツハツエンダ−干
渉計を構成したものである。動作および効果は第３図、
第４図と同様である。

第１１図は本発明の光変調素子の方向性結合器形の構成
である。本構成では、２本の光導波路５２．５３を非常
に接近させて作製することによって、光導波路中の導波
光が導波路外に染みだした電界によって互いに結合する
ことを利用した光変調素子であり、第５図と同様である
。

さらに、第１２図は直交ニコル型の構成である。

ここでは、第６図と同じく、光導波路の複屈折の度合が
電界強度によって変化することを利用し、基板表面を結
晶光学上の２面とし、結晶光学上のｙ軸を光波の伝搬方
向に取り、結晶光学上のＸおよびＺ軸に対して４５°の
方向に偏光を持つ光波が光導波路θ２に入力するように
偏光子８５を手前に置き、さらに、光変調素子の出力側
に偏光子６６に対して９０°回転させた偏光子６７を置
くと、信号電圧に対して出力光強度が変化する光強度変
調素子が実現できる。

以下に本発明の内容をさらに深く理解させるために、具
体的実施例を示す。

（具体的実施例２） ニオブ酸リチウム結晶を基板１１に用いて、光学研磨さ
れた結晶光学上のＸ面にフォトレジスト（マイクロボッ
シト１３５０）を用いたリフトオフ法により金属チタン
蒸着膜によるによる幅４μｍのストリップパターン（膜
厚３００　ｎｍ）を形成し、この基板１１を８８０℃の
酸素雰囲気中に４時間置き、金属チタンを熱拡散させ光
導波路１２を形成した。次に、緩衝膜１３として白金を
付着させ、さらに、゛上記緩衝膜１３の上に、第９図の
電極２４のための金属酸化物超電導薄膜を形成した。

緩衝膜の形成の際には、白金板をターゲットとした直流
プレーナマグネトロンスッパタを利用した。スパッタ条
件は、Ａｒガスの圧カニ　　８　Ｐ　ａＮスパッタ電カ
ニ　３００ＶＸ３０ｍＡで、電気光学結晶１１の温度を
２５０〜５００℃に保って０゜１の厚さに蒸着した。ま
た、超電導薄膜形成は、焼結したＹＢａＣｕＯターゲッ
トを用いた高周波プレーナマグネトロンスッパタにより
行った。超電導薄膜形成のスパッタ条件は、Ａｒガスの
圧カニ　Ｏ−５Ｐ　ａｌ　　スパッタ電カニ１５０Ｗ１
　スパッタ時間：　１時間で、薄膜の厚さ０．５、電気
光学結晶１１の温度６００℃であった。薄膜の超電導転
移温度は９５にであった。また、金属酸化物超電導薄膜
及び緩衝膜のパターン化には基板１１上に全面に緩ｇ１
７Ｐｌｊ、及び金属酸化物超電導薄膜を堆積させた後、
その上にフォトレジストを塗布し電極パターンのフォト
マスクを利用して露光現像の後、ドライエツチング法に
より金属酸化物超電導薄膜及び緩衝膜をエツチングし、
パターン化した。

マイクロ波伝送用の同軸ケーブルの、心線および電極２
４の一方の端にそれぞれ接続し、光源にＨｅ−Ｎｅレー
ザを用い、結晶光学上の２方向に偏光した波長６３３ｎ
ｍの光波を光導波路１２に入力した。変調信号を低周波
から１０ＧＨｚまで変化させた時の変調度の変化を出力
光から観測した。その結果、変調度に特に大きな変化は
なく、１０ＧＨｚを越える極めて広帯域な変調ができる
ことを確認した。本発明者らが、金属酸化物超電導薄膜
２４の代わりにアルミニウムを用いて同じ条件のもとて
行、った場合に比較して、同じ変調度を得るのに必要な
変調電力は約１／３であった。

本発明の変調素子が従来の金属を用いたものに比較して
、電極部分での変調電力の損失を減らすことによって、
高高率な変調を可能にすることが実証でき、本変調素子
の有効性が確認できた。また、その際の電極の間隙は１
０μｍ１　　電極長は３ｍｍであった。πの位相変調を
与えるために必要な電圧、つまり、低周波で半波長電圧
は約５ｖであった。また、非常に短いパルス波に対する
応答を観測した結果、変調歪は極めて少ないことも確認
した。

なお、第９．１０．１１図の例において、基板、緩衝膜
、金属酸化物導電体等は、第１〜８図に述べたと同様に
様々のものを適用することができる。

発明の効果 すでに説明したごとく、本発明の導波路型光変調素子で
は高効率で極めて高いＱを持つものが実現できる。した
がって、非常に狭帯域で効率の高い変調を必要とする場
合や高い周波数領域での変調などでは極めて有用である
。

また、本発明の導波路型光変調素子では、広帯域で極め
て高効率で変調歪の少ない変調が実現できる。したがっ
て、非常に狭帯域で効率の高い変調を必要とする場合や
高い周波数領域での変調などでは極めてを用である。

また、本発明の変調素子が液体窒素温度に冷やすことに
よって実現でき、さらに、本光変調素子で用いた金属酸
化物超電導体は超電導転移温度が室温になる可能性もあ
り、将来の実用の範囲は広く、本発明の工業的価値は高
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の光変調素子の斜視図、第２
図は上記実施例の要部の断面図、第３図は本発明の光変
調素子の他の実施例の斜視図、第４図は上記実施例の要
部の断面図、第５図は本発明の光変調素子のさらに他の
実施例の斜視図、第６図は本発明の光変調素子のさらに
他の実施例の斜視図、第７図は本発明の光変調素子のざ
らに他の実施例の要部の断面図、第８図は本発明の光変
調素子のさらに他の実施例の要部の断面図、第９図〜第
１２図はそれぞれ本発明の光変調素子のさらに他の実施
例の斜視図、第１３図は従来の光変調素子の一例の斜視
図、第１４図は上記従来例の要部の断面図、第１５図は
さらに他の従来の光変調素子の斜視図である。 １１．３１，５１．６１．７１．９１・＠■基板、　１
２．　３２．　５２．　６２．　７２．　８３．　９２
・・・光導波路、１４．　２４．　３７．　４７．　５
５゜６４．７５，８５・φｅ金属酸化物超電導薄膜電極
、　１３．　３６．　５４．　６３．　８４・・Φ緩衝
膜。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名第　１　図 第２図 基板 第３図 差４反 第４図 全柩酸化物超琶導薄膜電糧 第５図 第６図 第７図 第８図 ８３尤１７区 第９（２１ 第１０図 七９セｉイ５ｆ４εイヒーｑセζβ式？■ｊ七を欣電兎
第１１図 ５５金４酸化物趨ン轟薄膜電極 ５５ゴにコ４吸、殴イとＪＪ、ｉ−電、Ｊ−２薄膜電≧
ｈ医と第１２図 乙ｌ基板 第１３図 第１４図 ｑｌ差歇 第１５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）基板上に形成された、上記基板よりも大きい屈折
   率と電気光学効果を有する光導波路と、上記光導波路表
   面上に、緩衝膜と、上記緩衝膜の上に形成された金属酸
   化物超伝導体からなる１対の電極とを有することを特徴
   とする光変調素子。 （２）基板上に形成された、上記基板よりも大きい屈折
   率と電気光学効果を有する光導波路と、上記光導波路表
   面上に、緩衝膜と、上記緩衝膜の上に形成された金属酸
   化物超伝導体からなる１対の進行波型電極とを有するこ
   とを特徴とする光変調素子。 （３）基板として、ノンドープまたはＭｇドープニオブ
   酸リチウム結晶、あるいは、ニオブ酸リチウム結晶上に
   エピタキシャル成長させたノンドープまたはＭｇドープ
   ニオブ酸リチウム結晶、あるいは、タンタル酸リチウム
   結晶上にエピタキシャル成長させたノンドープまたはＭ
   ｇドープニオブ酸リチウム結晶またはＬｉ（Ｎｂ＿１＿
   −＿ｘＴａ＿ｘ）Ｏ＿３結晶、あるいは、タンタル酸リ
   チウム結晶を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項叉は第２項記載の光変調素子。 （４）光導波路として、チタン拡散、銅拡散、外拡散ま
   たはイオン交換光導波路を用いたこと特徴とする特許請
   求の範囲第１項叉は第２項記載の光変調素子。 （５）基板として、タンタル酸リチウム結晶上にエピタ
   キシャル成長させたニオブ酸リチウム結晶またはＬｉ（
   Ｎｂ＿１＿−＿ｘＴａ＿ｘ）Ｏ＿３結晶を用い、マグネ
   シウムイオン（Ｍｇ＾２＾＋）、ニッケルイオン（Ｎｉ
   ＾２＾＋）、または、亜鉛イオン（Ｚｎ＾２＾＋）を光
   導波路以外の部分に拡散させることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項叉は第２項記載の光変調素子。 （６）緩衝膜として、白金、パラジウム、ニッケル等の
   遷移金属元素あるいはこれらの金属合金を含む材料、も
   しくは、フッ化カルシウムを用いたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項叉は第２項記載の光変調素子。 （７）緩衝膜として、基板よりも屈折率の低い誘電体薄
   膜と上記誘電体薄膜上に形成された白金、パラジウム、
   ニッケル等の遷移金属元素あるいはこれらの金属合金を
   含む材料から成る薄膜とから成る２層構造の薄膜を用い
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項叉は第２項記
   載の光変調素子。 （８）金属酸化物超電導薄膜として、銅元素を含むこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項叉は第２項記載の光
   変調素子。 （９）金属酸化物超電導薄膜として酸素原子の一部を硫
   黄原子、または、フッ素原子で置換したことを特徴とす
   る特許請求の範囲第８項記載の光変調素子。 （１０）金属酸化物超電導薄膜としてＡ−Ｂ−Ｃｕ−Ｏ
   複合化合物を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項叉は第２項記載の光変調素子。 ここに、ＡはＳｃ、Ｙ、Ｌａ、およびＬａ系列元素（原
   子番号５７、５９〜６０、６２〜７１）の内少なくとも
   １種、ＢはＢａ、ＳｒなどIIａ族元素の内少なくとも１
   種、かつＡ、Ｂ元素とＣｕ元素の濃度は ０．５≦（Ａ＋Ｂ）／Ｃｕ≦２．５ （１１）金属酸化物超電導薄膜として、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃ
   ａ−Ｃｕ−Ｏ叉はＴｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｏ複合化合物を用
   いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項叉は第２項
   記載の光変調素子。