JPH04305616A - 共振電極形光変調器 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高速光通信における外部
変調器、とくに共振電極形の光変調器に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信システムの伝送速度の高速化にと
もない、光変調の高周波化が問題となり、高周波光変調
の方式が検討されてきている。高周波光変調の方式は大
別して半導体レーザーによる直接変調方式と　ＬｉＮｂ
Ｏ３　光変調器に代表される外部変調方式とに分けられ
る。半導体レーザーの直接変調方式はレーザー発振自体
を高周波変調し、変調レーザー光を取り出す方式で、そ
の周波数限界は現在のところ十数ＧＨｚ　まで伸びてき
てはいるが、この直接変調方式には周波数チャーピング
という本質的に避けられない問題点がある。この周波数
チャーピングは強度変調のときに周波数が広がる現象で
、高周波域でとくに問題となるため、周波数チャーピン
グのない外部変調方式の方が望ましい。以下、外部変調
方式による光変調器の代表例であるＬｉＮｂＯ３　光変
調器について説明する。

【０００３】従来、外部変調方式の　ＬｉＮｂＯ３　光
変調器には電極構造の違いから進行波形と共振形の２種
類があり、それぞれ一長一短がある。すなわち進行波形
電極構造の光変調器は帯域幅は広くとれるが動作電圧が
数十Ｖ前後と高くなり、たとえば電極長８．２ｍｍ　、
電極間隔１５μｍ、波長１．３　μｍの変調器で、１７
ＧＨｚの周波数で１ｒａｄ位相変調するのに１７Ｖｐ−
ｐの電圧が必要である。一方、共振形電極構造の光変調
器を用いると、帯域幅は狭いが進行波では難しい高周波
帯の低い動作電圧での光変調が可能となる。たとえば電
極長１８ｍｍ、電極間隔５０μｍの共振電極光変調器に
おいて、１７ＧＨｚ　の周波数で１ｒａｄ　位相変調す
るのに５．２Ｖｐ−ｐ　程度の電圧で動作可能である。 このように、共振電極形の光変調器の方が進行波形に比
べて低電圧・低電力動作に成功している。

【０００４】しかし、前記共振電極形の光変調器におい
てさえも、現在までに報告されている低動作電圧・変調
効率ではまだ満足できるレベルには達していない。具体
的には１９８９年１２月８日付の日刊工業新聞に掲載さ
れているように、変調用電極を共振器とし回路のＱによ
り変換効率を高め、１７ＧＨｚ領域で７２ｍＷと進行波
電極形の１／１０の低電力で変調した報告がある。しか
し、この報告でも動作電圧は５Ｖ程度を要するため、専
用の高電圧駆動用のＧａＡｓドライバーが必要であるこ
と、高電圧動作のためその信頼性が低いといった問題が
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
電気光学結晶を利用した光変調器の問題点は、共振電極
形の構造を採用したばあいにも駆動電圧が高いことであ
り、実用・普及をはかるためには回路のＱ値を高め変調
効率を上げることが必要である。

【０００６】そのためには　ＬｉＮｂＯ３　基板上に優
れた超電導特性（低損失、高Ｑ）を有する酸化物超電導
薄膜を形成し、それで電極を構成し、低損失低動作電圧
化を図ることが考えられる。ＬｉＮｂＯ３　単結晶基板
上に酸化物超電導薄膜を形成する方法としては、蒸着法
、スパッタ法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐａｒ
　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの方法がある。 しかし、いずれの方法においても成膜時に基板温度を６
００　〜９００　℃という高温で数時間保持する必要が
あるため、　ＬｉＮｂＯ３　基板と酸化物超電導薄膜構
成元素とが相互拡散し、酸化物超電導薄膜が劣化すると
いう問題がある。この酸化物超電導薄膜の劣化は、周波
数の低い領域での超電導特性（Ｔｃ、Ｊｃ）に対する影
響は小さいものの、高周波領域における特性（表面抵抗
）が膜の劣化に敏感であるためその特性の大きな低下に
つながり、光変調器としての変調効率が大幅に低下する
。

【０００７】本発明の目的は、前記の共振電極構造の光
変調器において、その高Ｑ化と変調効率向上にあり、よ
り低電圧で駆動しうるものを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、電極を酸化物
超電導材料で形成し、少なくとも該電極と電気光学結晶
基板との間に酸化物超電導材料と反応しにくい酸化物層
を形成したことを特徴とする共振電極形光変調器に関す
る。

【０００９】

【作用】電気光学結晶基板と酸化物超電導電極（酸化物
超電導材料により形成された電極）との間に酸化物超電
導材料と反応しにくい酸化物を膜状に形成することによ
り、酸化物超電導材料の構成元素が　ＬｉＮｂＯ３　と
拡散反応して電極の超電導特性が劣化するのを防止する
。

【００１０】また、電気光学結晶基板と酸化物超電導電
極との間に形成される膜が、電気光学結晶内の光導波路
よりも低い屈折率を有するばあいは、光導波路内の光が
導波路外へ漏れることなく保存されたまま通過して行く
ことになる。

【００１１】さらに、酸化物超電導電極部分を共振形構
造にすることにより周波数帯域は制限されるが、導体損
失の低減化と共振特性（Ｑ値）の向上の２つのメリット
から光変調器を低電圧化することができ、進行波形電極
光変調器に比べて大幅に変調効率が向上する。

【００１２】

【実施例】本発明の光変調器における電極は酸化物超電
導材料からなる。

【００１３】前記酸化物超電導材料にとくに限定はない
が、高周波信号を超電導電極に印加するため、高周波で
の表面抵抗が低いほど、また冷却系の点からそのＴｃ（
臨界温度）は７７Ｋ以上が好ましい。

【００１４】このような超電導材料の具体例としては、
たとえば　ＥｒＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ（ｙは０．６〜０．８
）などのＹ系、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ　系、Ｔｌ
−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ　系の材料などがあげられる。 これらのうちでは、成膜の容易さの点からは　ＥｒＢａ
２Ｃｕ３Ｏｙ　が好ましい。

【００１５】前記超電導材料からなる電極は、光変調効
率を上げるため、所望の周波数で共振することが望まし
い。そのため、少なくとも所望の周波数を波長に換算し
、それをλとしたときに、λ／２の長さで光導波路と平
行に電極形成することが好ましい。

【００１６】本発明で用いられる電気光学結晶基板は、
電気光学効果を有する結晶およびセラミックスであれば
とくに限定されない。電気光学結晶基板の具体例として
は、たとえば　　ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＢａＴ
ｉＯ３、ＺｎＯ、α−Ｑｕａｒｔｚ　などがあげられる
。

【００１７】また、前記電気光学結晶基板には、チタン
拡散、外拡散またはイオン交換によって基板の光屈折率
と異なる屈折率を有する光導波路が形成されている。た
だし、外拡散、プロトン交換の光導波路は基板の異常屈
折率のみを上昇させるため、光波の伝搬は２軸の偏光に
限られる。そのため、直交ニコル形光変調は不可能であ
るが、チタン拡散に比べ光損傷の影響が小さく、大きな
強度の光波を伝搬できる。

【００１８】本発明の光変調器には、前記酸化物超電導
材料と反応しにくい酸化物層が、少なくとも電気光学結
晶基板と酸化物超電導電極との間に形成されている。

【００１９】前記酸化物層としては、前記超電導材料と
反応しにくい材料からなる層であればとくに限定はない
。前記反応しにくいとは、超電導材料のＴｃ，Ｊｃ（臨
界電流密度）、抵抗−温度特性およびとくに表面抵抗−
周波数特性を低下させないことをいう。さらに、屈折率
が電気光学結晶内の光導波路よりも低いもの（概ね２．
１　以下が目安となる）が、光が導波路外へ漏れること
なく保存されたまま通過するという点から好ましい。

【００２０】前記酸化物層を構成する酸化物の具体例と
しては、たとえば　ＳｒＴｉＯ３　、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ
３、ＭｇＯ、ＬａＧａＯ３、ＬａＡｌＯ３、ＹＡｌＯ３
、Ｙ２ＢａＣｕＯ５、ＮｄＧａＯ３、ＣａＦ　系の材料
などがあげられる。

【００２１】前記酸化物層は、高周波信号を電極に印加
する必要から、比誘電率が低いほど、また厚さも薄いほ
ど高周波電界による誘電損が少なくなる。そのため、比
誘電率は本発明の超電導光変調器の動作温度で４０以下
が好ましく、厚さも１μｍ以下であることが好ましい。

【００２２】本発明の光変調器は、たとえばつぎのよう
にして製造することができる。

【００２３】まず、電気光学結晶基板に光導波路を形成
し、ついでＩＣＢ（クラスターイオンビーム）法、ＥＢ
蒸着法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、ＣＶ
Ｄ法などにより酸化物層を形成し、さらにその上にＩＣ
Ｂ法、ＥＢ蒸着法、スパッタ法、レーザーアブレーショ
ン法、ＣＶＤ法、ゾル−ゲル法などにより酸化物超電導
薄膜を形成する。ついで、該薄膜を通常の写真製版技術
を用いて所望の周波数で共振する形の電極に加工するこ
とにより、本発明の光変調器が製造される。

【００２４】［実施例１〜２および比較例１］図１に示
す断面を有する３台の光変調器Ａ−１（実施例１）、Ｂ
−１（実施例２）、Ｃ−１（比較例１）を作製した。図
中、１は電気光学結晶基板、２は光導波路、３は酸化物
層、４は超電導電極である。

【００２５】まずＺ−ｃｕｔ　した　ＬｉＮｂＯ３　単
結晶基板（素子長１８ｍｍ）に、金属Ｔｉの電子線蒸着
により膜厚３５ｎｍの光導波路を形成した。

【００２６】ついで、ＩＣＢ法により、それぞれＡｌ、
Ｍｇ、Ｓｒ、Ｔｉの金属をるつぼで溶融し、酸素または
オゾンを導入しながら、基板温度６７０　℃、真空度　
　１０−４Ｔｏｒｒオーダー、加速電圧２ｋＶ、蒸着時
間２〜４時間の条件で蒸着し、膜厚　　０．１　〜０．
２　μｍの表１に示す絶縁酸化物層を形成した。形成さ
れた酸化物層の種類、格子定数、比誘電率および膜厚を
表１に示す。なお　Ａｌ２Ｏ３　は酸化物超電導電極と
反応する材料である。また、これらの光屈折率はＳｒＴ
ｉＯ３　が２．２９、ＭｇＯ　が１．７、Ａｌ２Ｏ３　
が１．７５となる。 したがって、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３は導波路の屈折率より
も低いため、導波路上に直接形成できる。ＳｒＴｉＯ３
は屈折率が大きく導波路上に直接形成すると光散乱が大
きくなるので、他の低屈折薄膜をＳｒＴｉＯ３と導波路
上に形成するのが望ましい。

【００２７】

【表１】 ついで酸化物層上に、金属Ｅｒ、Ｂａ、Ｃｕを１／２／
３の組成になるようにそれぞれの蒸着速度を制御して、
表２に示す基板温度で前記と同様のＩＣＢ　法によりＥ
ｒＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ　からなる酸化物超電導薄膜を形成
した。表２に、前記酸化物層上に形成されたＥｒＢａ２
Ｃｕ３Ｏｙ　超電導薄膜のＴｃ（超電導転移温度）およ
び膜厚を示す。

【００２８】

【表２】 ついでこのようにして形成した超電導薄膜を、写真製版
技術を用い、レジスト塗布・露光・現像・パターンエッ
チングすることにより、所望の周波数で共振する電極の
形に加工し、３台の光変調器Ａ−１　、Ｂ−１　、Ｃ−
１　を作製した。

【００２９】このようにしてえられた本発明の共振電極
形　ＬｉＮｂＯ３　光変調器の構成を図２に示す。　図
中、３は酸化物層、４は超電導電極、５は変調信号源、
６は光ファイバーを示す。超電導共振電極は、両端を短
絡したコプレナ線路を光導波路上に設定し、変調信号は
電極中央から給電用コプレナ線路で入力する。また、Ｅ
／Ｏ相互作用を長くするため、１７ＧＨｚ　が第二高調
波となるように共振器長を設定するとともに、電極コプ
レナ線路の高インピーダンス化を図るため中心電極を５
μｍと光導波路幅よりも細くして、電極間隔は５０μｍ
と広げた。

【００３０】ついで、前記光変調器Ａ−１　、Ｂ−１　
およびＣ−１の７７Ｋ　における光変調特性を測定した
。

【００３１】その結果、　Ａ−１（実施例１）は酸化物
層材料のＳｒＴｉＯ３の比誘電率が高く誘電損失が大き
かったが、電極の超電導特性がよいため変調器としての
変調効率は向上していた。一方、Ｂ−１（実施例２）は
電極の超電導特性はＡ−１　よりも若干わるかったが、
比誘電率が９．１と低く、誘電損失もあまり問題になら
ないレベルであったため、変調効率は高く、最も良好な
特性を示した。Ｂ−１　は１６ＧＨｚ　から１８ＧＨｚ
　変調周波数特性（１７．２ＧＨｚ）において、１ｒａ
ｄ　位相を変調するのに必要な動作電圧は１．５Ｖと充
分低く、さらにＴＭモード光およびＴＥモード光ともに
良好な光伝送特性も確認した。図３にＢ−１の変調電圧
と周波数との関係を示す。また、Ｃ−１（比較例１）は
比誘電率は低いが超電導電極と酸化物層との反応性が高
く、良好な超電導特性はえられなかった。

【００３２】［比較例２］前記実施例で形成した超電導
電極のかわりに同じ形状で厚さ１．８　μｍの従来のＡ
ｌ電極をＥＢ（ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂｅａｍ）　蒸着法
により室温で成膜・形成した。

【００３３】えられた光変調器Ｄ−１の変調周波数特性
を測定したところ、１７．２ＧＨｚにおいて１ｒａｄ　
位相を変調するのに必要な動作電圧は５．２Ｖであった
。図３に変調電圧と周波数との関係を示す。

【００３４】図３から、電極を超電導化した本発明の光
変調器は、Ａｌの電極を使用した光変調器と比べて　１
／３〜１／４　という低い電圧で駆動させうることがわ
かる。

【００３５】［比較例３］酸化物層を形成しないほかは
実施例２と全く同様にして光変調器Ｅ−１を作製した。

【００３６】えられた光変調器の超電導電極の超電導特
性は、酸化物層を形成したものと比べて低下していた。 この超電導電極の抵抗の温度特性は半導体的で、Ｔｃも
酸化物層を設けたものよりも数十Ｋ　低いものであった
。この超電導特性の低下は、Ｘ線分析から、ＥｒＢａ２
Ｃｕ３Ｏｙ　超電導電極と　ＬｉＮｂＯ３　基板との反
応が成膜中に生じたためあることを確認した。また、こ
の光変調器で光伝送を調べたところ、ＴＭモード光は伝
送しなかったためＴＥモード光しか使えず、光変調器と
しての機能は著しく低いものであった。

【００３７】前記実施例では、酸化物層として　ＭｇＯ
　または　ＳｒＴｉＯ３　を使用したが、Ｙ２Ｏ３、Ｌ
ａＧａＯ３、ＬａＡｌＯ３、ＹＡｌＯ３、ＺｒＯ２、Ｎ
ｄＧａＯ３　でも同じ効果がえられることを前記実施例
と同様の実験から確認した。

【００３８】［実施例３〜４および比較例４］ｚ−ｃｕ
ｔしたＬｉＴａＯ３　単結晶基板上に、幅６μｍ、長さ
１８ｍｍの銅拡散光導波路を銅蒸着とそののちの熱拡散
により形成した。ただし、ＬｉＴａＯ３結晶のキュリー
温度は銅元素の拡散温度よりも低いことから、光導波路
形成に際しては、基板表面に銅を蒸着後、基板表面から
垂直下向きに電界を印加し、キュリー温度よりも低い温
度で基板を保持し、銅元素の拡散を行なった。

【００３９】つぎに、酸化物層と酸化物超電導電極を実
施例１〜２および比較例１と同様にして形成し、光変調
器Ａ−２、Ｂ−２、Ｃ−２を作製し、特性評価を行なっ
たところ、それぞれ光変調器Ａ−１、Ｂ−１、Ｃ−１（
実施例１〜２、比較例１）と同様の結果がえられた。

【００４０】［比較例５］前記実施例で形成した超電導
電極のかわりに同じ形状で厚さ１．８μｍの従来のＡｌ
電極をＥＢ（ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂｅａｍ）　蒸着法に
より室温で成膜・形成した。

【００４１】えられた光変調器Ｄ−２の変調周波数特性
を測定したところ、１７．２ＧＨｚにおいて１ｒａｄ　
位相を変調するのに必要な動作電圧は６．８Ｖであった
。図４に変調電圧と周波数との関係を示す。

【００４２】図４から、電極を超電導化した本発明の光
変調器は、Ａｌの電極を使用した光変調器と比べて１／
３　〜１／４　という低い電圧で駆動させうることがわ
かる。

【００４３】

【発明の効果】本発明の光変調器は電極が酸化物超電導
材料で形成されており、高効率で低電圧動作が可能であ
る。また酸化物超電導材料と反応しにくい酸化物層が少
なくとも電気光学結晶基板と酸化物超電導電極との間に
形成されているので、酸化物超電導材料の高周波特性を
劣化させることなく、電極形成することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光変調器を模式的に示す断面図である
。

【図２】実施例で製造した本発明の光変調器の構成を示
す平面図である。

【図３】光変調器の変調電圧と周波数との関係を示すグ
ラフである。

【図４】光変調器の変調電圧と周波数との関係を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１　　電気光学結晶基板 ２　　光導波路 ３　　酸化物層 ４　　超電導電極 ５　　変調信号源 ６　　光ファイバー

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　電極を酸化物超電導材料で形成し、少
   なくとも該電極と電気光学結晶基板との間に酸化物超電
   導材料と反応しにくい酸化物層を形成したことを特徴と
   する共振電極形光変調器。
2. 【請求項２】　　前記酸化物層が電気光学結晶内の光導
   波路よりも低い屈折率を有する請求項１記載の共振電極
   形光変調器。