JPH065345B2 - 高速光変調器 - Google Patents
高速光変調器Info
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- JPH065345B2 JPH065345B2 JP17960885A JP17960885A JPH065345B2 JP H065345 B2 JPH065345 B2 JP H065345B2 JP 17960885 A JP17960885 A JP 17960885A JP 17960885 A JP17960885 A JP 17960885A JP H065345 B2 JPH065345 B2 JP H065345B2
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- linbo
- optical
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- mgal
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-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
- G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching
- G02F1/313—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure
- G02F1/3132—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure of directional coupler type
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は基板上のエピタキシャル膜上に電気光学効果を
有する強誘電体膜を形成して前記誘電体膜中に構成され
た高速光変調器に関するものである。
有する強誘電体膜を形成して前記誘電体膜中に構成され
た高速光変調器に関するものである。
（従来技術及びその問題点） 近年、情報量の増大に伴い、高速・大容量の光通信シス
テムが検討されている。この高速の光通信システムを実
現するためには、高速で動作する光スイッチや光変調器
が必要であるが、これら光スイッチ、光変調器には低電
圧動作も要求される。なお、光スイッチは広い意味で光
変調器の１つと考えられるので、以下の説明で光変調器
には光スイッチを含むものとする。
テムが検討されている。この高速の光通信システムを実
現するためには、高速で動作する光スイッチや光変調器
が必要であるが、これら光スイッチ、光変調器には低電
圧動作も要求される。なお、光スイッチは広い意味で光
変調器の１つと考えられるので、以下の説明で光変調器
には光スイッチを含むものとする。
従来のLiNbO3基板にＴｉを熱拡散した導波路を用いよ光
変調器においては、LiNbO3の大きな電気光学効果を利用
できるので、比較的低電圧動作が可能であることが知ら
れている。そのためＴｉ拡散LiNbO3光変調器の電極とし
て進行波型電極を採用した高速光変調器の研究開発が活
発に行われている。しかしながら、LiNbO3変調器におい
ては、LiNbO3基板の誘電率が大きいため、進行波型電極
を採用したとしても数倍の高速化しか図れないのが現状
である。
変調器においては、LiNbO3の大きな電気光学効果を利用
できるので、比較的低電圧動作が可能であることが知ら
れている。そのためＴｉ拡散LiNbO3光変調器の電極とし
て進行波型電極を採用した高速光変調器の研究開発が活
発に行われている。しかしながら、LiNbO3変調器におい
ては、LiNbO3基板の誘電率が大きいため、進行波型電極
を採用したとしても数倍の高速化しか図れないのが現状
である。
電極を変調波に対する伝送線路として使用する進行波型
電極を採用した光変調器においては、光波と変調波とが
素子中に同一方向に進行して分布結合して変調が行なわ
れるが、その変調帯域幅は光波と変調波の素子通過速度
から決まる。これら光波と変調波の速度が整合している
場合に帯域幅制限はないが、整合していない場合には速
度差に従って次式により帯域幅Δｆが決まる。
電極を採用した光変調器においては、光波と変調波とが
素子中に同一方向に進行して分布結合して変調が行なわ
れるが、その変調帯域幅は光波と変調波の素子通過速度
から決まる。これら光波と変調波の速度が整合している
場合に帯域幅制限はないが、整合していない場合には速
度差に従って次式により帯域幅Δｆが決まる。
Δｆ＝1.４Ｃ／（π｜nm−no｜Ｌ）……(1) この式において、Ｃは真空中での光速、noは光波に対す
る基板の実効屈折率、Ｌは電極長である。またnmは変調
波に対する基板の実効屈折率で、光導波路表面に２本の
平行電極対を設けたプレーナ構造の電極においては、基
板の誘電率εｒとの間にnm＝〔（εｒ＋１）／２〕1/2
の関係がある。LiNbO3の場合誘電率の非等方性が大きい
が、近似的に等方媒質として扱って として誘電率εｒを求める方法がよく用いられている。
このLiNbO3の誘電率はε１１４4.３，ε３３27.9，
であるので、εｒ35.2となり、nm4.３となる。一
方、ｎｏ2.2であるので、式(1)はLiNbO3基板の場合次
式のようになる。
る基板の実効屈折率、Ｌは電極長である。またnmは変調
波に対する基板の実効屈折率で、光導波路表面に２本の
平行電極対を設けたプレーナ構造の電極においては、基
板の誘電率εｒとの間にnm＝〔（εｒ＋１）／２〕1/2
の関係がある。LiNbO3の場合誘電率の非等方性が大きい
が、近似的に等方媒質として扱って として誘電率εｒを求める方法がよく用いられている。
このLiNbO3の誘電率はε１１４4.３，ε３３27.9，
であるので、εｒ35.2となり、nm4.３となる。一
方、ｎｏ2.2であるので、式(1)はLiNbO3基板の場合次
式のようになる。
Δｆ＝1.４Ｃ／（π｜4.3−2.2｜Ｌ）……(2) このLiNbO3変調器において、波長1.３μｍの導波光に対
してスイッチング電圧および変調電圧を実用上十分に低
電圧であると考えられる５Ｖ以下とするためには、電極
長を１５mm程度以上とする必要がある。この電極長１５
mm以上とした場合の変調帯域は式(2)よりΔｆ≦4.2GHz
となる。この値は、電極が通常の集中定数電極である場
合、すなわち変調帯域幅がＣＲ時定数で決定する場合に
対して３倍程度の改善にしかならない。
してスイッチング電圧および変調電圧を実用上十分に低
電圧であると考えられる５Ｖ以下とするためには、電極
長を１５mm程度以上とする必要がある。この電極長１５
mm以上とした場合の変調帯域は式(2)よりΔｆ≦4.2GHz
となる。この値は、電極が通常の集中定数電極である場
合、すなわち変調帯域幅がＣＲ時定数で決定する場合に
対して３倍程度の改善にしかならない。
この原因は、LiNbO3基板の誘電率が大きいために変調波
に対する屈折率nmが光波に対する屈折率noの２倍程度と
なっていることによる。式中(2)から判るように、進行
波型電極を用いた場合、電極長Ｌを短くすると、変調帯
域幅Δｆを広くすることはできるが、変調電圧が電極長
に反比例して増加するので、低電圧で動作する光変調器
を得るためには電極長を極端に短くすることはできない
という問題がある。
に対する屈折率nmが光波に対する屈折率noの２倍程度と
なっていることによる。式中(2)から判るように、進行
波型電極を用いた場合、電極長Ｌを短くすると、変調帯
域幅Δｆを広くすることはできるが、変調電圧が電極長
に反比例して増加するので、低電圧で動作する光変調器
を得るためには電極長を極端に短くすることはできない
という問題がある。
本発明の目的は、このような問題を解決し、低電圧で動
作しかつ広帯域で動作可能な高速光変調器を提供するこ
とにある。
作しかつ広帯域で動作可能な高速光変調器を提供するこ
とにある。
本発明の高速光変調器の構成は、誘電体基板と、この基
板上にエピタキシャル成長したMgAl2O4膜あるいはMgAl2
O4とＭｇＯとの積層膜からなるエピタキシャル膜と、こ
のエピタキシャル膜を介して形成され電気光学効果をも
つ強誘電体膜と、この強電体膜中に設けられた少くとも
１本の光導波路と、この光導波路と微小間隔で対向して
前記強誘電体膜中に設けられた少くとも１組のプレーナ
型制御電極とを備え、前記強誘電体膜の厚さが前記制御
電極の電極間隔の３倍以下であることを特徴とする。
板上にエピタキシャル成長したMgAl2O4膜あるいはMgAl2
O4とＭｇＯとの積層膜からなるエピタキシャル膜と、こ
のエピタキシャル膜を介して形成され電気光学効果をも
つ強誘電体膜と、この強電体膜中に設けられた少くとも
１本の光導波路と、この光導波路と微小間隔で対向して
前記強誘電体膜中に設けられた少くとも１組のプレーナ
型制御電極とを備え、前記強誘電体膜の厚さが前記制御
電極の電極間隔の３倍以下であることを特徴とする。
本発明は、同一出願人で発明者三上により特願昭５９−
１７３５８で提案されたＳｉ単結晶基板上へのヘテロ成
長技術を発展的に応用したものである。その出願中に
は、Ｓｉ単結晶基板もしくはＭｇＯ／Si基板上にMgAl2O
4若しくはＭｇＯ／MgAl2O4エピタキシャル膜を介してペ
ログスカイト型結晶構造の誘電体層を形成した基板が提
案されている。このヘテロ成長技術を利用すれば、単結
晶Ｓｉ基板等の半導体基板や石英などの誘電体基板上に
単にペログスカイト型結晶構造の誘電体のみならずLiNb
O3等の他の結晶構造の誘電体も成長可能であることが確
認されている。
１７３５８で提案されたＳｉ単結晶基板上へのヘテロ成
長技術を発展的に応用したものである。その出願中に
は、Ｓｉ単結晶基板もしくはＭｇＯ／Si基板上にMgAl2O
4若しくはＭｇＯ／MgAl2O4エピタキシャル膜を介してペ
ログスカイト型結晶構造の誘電体層を形成した基板が提
案されている。このヘテロ成長技術を利用すれば、単結
晶Ｓｉ基板等の半導体基板や石英などの誘電体基板上に
単にペログスカイト型結晶構造の誘電体のみならずLiNb
O3等の他の結晶構造の誘電体も成長可能であることが確
認されている。
本発明においては、基板上のMgAl2O4エピタキシャル膜
上もしくはMgAl2O4エピタキシャル膜上のＭｇＯエピタ
キシャル膜上に電気光学効果をもつ薄膜強誘電体層を成
長させ、この強誘電体層中に光変調器を形成するもので
ある。これらMgAl2O4，ＭｇＯの誘電率はこれら膜上に
成長した強誘電体の誘電率に比べて小さいＬ、かつ強誘
電層の膜厚を電極間の３倍より薄くしているため、電界
がMgAl2O4もしくはＭｇＯおよびMgAl2O4中にもしみ出
し、変調波に対する実効的な誘電率が誘電体基板のみの
場合より低下する。したがって、変調波に対する実効屈
折率nmを光波に対する実効屈折率noに近づけることがで
き、同一の電極長すなわち同一の動作電圧に対して前述
の式(1)で示した変調帯域幅Δｆを広げることができ
る。
上もしくはMgAl2O4エピタキシャル膜上のＭｇＯエピタ
キシャル膜上に電気光学効果をもつ薄膜強誘電体層を成
長させ、この強誘電体層中に光変調器を形成するもので
ある。これらMgAl2O4，ＭｇＯの誘電率はこれら膜上に
成長した強誘電体の誘電率に比べて小さいＬ、かつ強誘
電層の膜厚を電極間の３倍より薄くしているため、電界
がMgAl2O4もしくはＭｇＯおよびMgAl2O4中にもしみ出
し、変調波に対する実効的な誘電率が誘電体基板のみの
場合より低下する。したがって、変調波に対する実効屈
折率nmを光波に対する実効屈折率noに近づけることがで
き、同一の電極長すなわち同一の動作電圧に対して前述
の式(1)で示した変調帯域幅Δｆを広げることができ
る。
以下図面の実施例により本発明を詳細に説明する。
（実施例１） 第１図、第２図は本発明の一実施例の方向性結合器型光
スイッチの斜視図および断面図である。本実施例は、高
抵抗（１００）Ｓｉ基板１の上にMgAl2O4エピタキシャ
ル膜２，MgOエピタキシャル膜３を介してLiNbO3膜４が
形成されている。このLiNbO3膜４中にはＴｉ拡散光導波
路５，６およびそれを用いた方向性結合器７が形成され
ている。この方向性結合器７部のＴｉ拡散光導波路の上
にはSiO2バッファ膜９を介して微小間隔で対峙したプレ
ーナ型電極、いわゆる進行波型電極８が形成されてい
る。ここでLiNbO3膜４の膜厚は数千Å〜６μｍ，電極間
隔は３〜＋数μｍに選ぶ。
スイッチの斜視図および断面図である。本実施例は、高
抵抗（１００）Ｓｉ基板１の上にMgAl2O4エピタキシャ
ル膜２，MgOエピタキシャル膜３を介してLiNbO3膜４が
形成されている。このLiNbO3膜４中にはＴｉ拡散光導波
路５，６およびそれを用いた方向性結合器７が形成され
ている。この方向性結合器７部のＴｉ拡散光導波路の上
にはSiO2バッファ膜９を介して微小間隔で対峙したプレ
ーナ型電極、いわゆる進行波型電極８が形成されてい
る。ここでLiNbO3膜４の膜厚は数千Å〜６μｍ，電極間
隔は３〜＋数μｍに選ぶ。
本実施例において、方向性結合型光スイッチの端面に入
射された光は、一方のＴｉ拡散光導波路５(6)中を導波
し、方向性結合器７部のＴｉ拡散光導波路に達する。こ
のとき進行波型電極８に印加された変調信号の電圧振幅
の大きさにより、LiNbO3の電気光学効果を介して方向性
結合器７の近接した２本の光導波路１０の屈折率が変化
するので、導波光を他方の光導波路にスイッチしたり、
元の光導波路にそのまま出力したりすることができる。
射された光は、一方のＴｉ拡散光導波路５(6)中を導波
し、方向性結合器７部のＴｉ拡散光導波路に達する。こ
のとき進行波型電極８に印加された変調信号の電圧振幅
の大きさにより、LiNbO3の電気光学効果を介して方向性
結合器７の近接した２本の光導波路１０の屈折率が変化
するので、導波光を他方の光導波路にスイッチしたり、
元の光導波路にそのまま出力したりすることができる。
本実施例において、高抵抗（１００）Ｓｉ基板１の上に
MgAl2O4エピタキシャル膜２，MgOエピタキシャル膜３を
介して薄いLiNbO3膜４が形成され、そのLiNbO3膜４中に
方向性結合型光スイッチを構成している。変調波に対す
る誘電率は、LiNbO3の誘電率が３５程度であるのに対
し、MgOの誘電率が１０倍程度、MgAl2O4の誘電率が８程
度であり、Ｓｉの誘電率は12程度とLiNbO3の誘電率に比
べてかなり小さい。
MgAl2O4エピタキシャル膜２，MgOエピタキシャル膜３を
介して薄いLiNbO3膜４が形成され、そのLiNbO3膜４中に
方向性結合型光スイッチを構成している。変調波に対す
る誘電率は、LiNbO3の誘電率が３５程度であるのに対
し、MgOの誘電率が１０倍程度、MgAl2O4の誘電率が８程
度であり、Ｓｉの誘電率は12程度とLiNbO3の誘電率に比
べてかなり小さい。
本実施例において、LiNbO3膜４の膜厚を数千Å〜６μｍ
程度とし、進行波型電極８の電極間隔３μｍ〜十数μｍ
の３倍よりも薄くしている。図の点線で示すように、１
対の進行波電極間に発生する電界は、LiNbO3４中ばかり
でなく、ＭｇＯ膜３，MgAl2O4膜２，Ｓｉ基板１にもし
み出す。これらＭｇＯ膜３，MgAl2O4膜２，Ｓｉ基板１
の誘電率はLiNbO3の誘電率の1/3程度と小さいので、こ
の光スイッチおいては、LiNbO3のみを基板として構成し
た光スイッチに比べて変調波に対する屈折率が低下し、
より光波に対する屈折率に近づけることができるため変
調周波数帯域が拡大する。なお、電界分布の計算によ
り、LiNbO3膜の膜厚が電極間隔の２〜３倍のときに変調
波に対する実効的な屈折率が減少し始め、LiNbO3の膜厚
をさらに薄くしていくと変調波に対する実効的な屈折率
がさらに減少して行くという結果を得ており、LiNbO3膜
の膜厚と進行波型電極の電極間隔をそれぞれ数千Å〜６
μｍおよび３μｍ〜十数μｍとしている。
程度とし、進行波型電極８の電極間隔３μｍ〜十数μｍ
の３倍よりも薄くしている。図の点線で示すように、１
対の進行波電極間に発生する電界は、LiNbO3４中ばかり
でなく、ＭｇＯ膜３，MgAl2O4膜２，Ｓｉ基板１にもし
み出す。これらＭｇＯ膜３，MgAl2O4膜２，Ｓｉ基板１
の誘電率はLiNbO3の誘電率の1/3程度と小さいので、こ
の光スイッチおいては、LiNbO3のみを基板として構成し
た光スイッチに比べて変調波に対する屈折率が低下し、
より光波に対する屈折率に近づけることができるため変
調周波数帯域が拡大する。なお、電界分布の計算によ
り、LiNbO3膜の膜厚が電極間隔の２〜３倍のときに変調
波に対する実効的な屈折率が減少し始め、LiNbO3の膜厚
をさらに薄くしていくと変調波に対する実効的な屈折率
がさらに減少して行くという結果を得ており、LiNbO3膜
の膜厚と進行波型電極の電極間隔をそれぞれ数千Å〜６
μｍおよび３μｍ〜十数μｍとしている。
次に本実施例の製作方法について主に第２図により説明
する。面方位（１００）のＳｉ単結晶基板１の上に、特
願昭５７−１３６０５１で提案されている気相エピタキ
シャル（ＶＰＥ）成長法により、MgAl2O4エピタキシャ
ル膜２を形成する。すなわち、反応ガスとしてMgCl，Ａ
ｌにHClガスを反応させて生成したAlCl3，CO2，Ｈ２ガ
スを用い、キャリアガスとしてＮ２を用い成長温度９５
０℃で次のような生成反応によりMgAlO2 4２を成長す
る。
する。面方位（１００）のＳｉ単結晶基板１の上に、特
願昭５７−１３６０５１で提案されている気相エピタキ
シャル（ＶＰＥ）成長法により、MgAl2O4エピタキシャ
ル膜２を形成する。すなわち、反応ガスとしてMgCl，Ａ
ｌにHClガスを反応させて生成したAlCl3，CO2，Ｈ２ガ
スを用い、キャリアガスとしてＮ２を用い成長温度９５
０℃で次のような生成反応によりMgAlO2 4２を成長す
る。
MgCl2+2AlCl3＋4CO2＋4H2 →MgAl2O4＋4CO＋8HCl 更に、ＭｇＯエピタキシャル膜３を形成した後、マグネ
トロンスパッタ法によりLiNbO3膜４を成長する。このス
パッタは、圧力４パスカル、成長温度500〜900℃の条件
で行なう。通常、絶縁膜上のスパッタでは単なる配向膜
しか得られないが、MgO／MgAl2O4／Si上への成長ではス
パッタ時に単結晶膜が得られる。膜の成長方位は成長温
度により制御できここでは光スイッチの製作に有利なよ
うに成長面がＣ軸に垂直になるように選ぶ。ここで各膜
の膜厚は、MgAl2O4膜２が数千Å〜数μｍ、ＭｇＯ膜３
が数百〜数千Å，LiNbO3膜４が数千Å〜６μｍ程度とす
る。なお、LiNbO3膜４の膜厚と進行波型電極８との電極
間隔との間の関係を調整することにより、変調波に対す
る実効的な屈折率を調整することができることは言うま
でも無い。
トロンスパッタ法によりLiNbO3膜４を成長する。このス
パッタは、圧力４パスカル、成長温度500〜900℃の条件
で行なう。通常、絶縁膜上のスパッタでは単なる配向膜
しか得られないが、MgO／MgAl2O4／Si上への成長ではス
パッタ時に単結晶膜が得られる。膜の成長方位は成長温
度により制御できここでは光スイッチの製作に有利なよ
うに成長面がＣ軸に垂直になるように選ぶ。ここで各膜
の膜厚は、MgAl2O4膜２が数千Å〜数μｍ、ＭｇＯ膜３
が数百〜数千Å，LiNbO3膜４が数千Å〜６μｍ程度とす
る。なお、LiNbO3膜４の膜厚と進行波型電極８との電極
間隔との間の関係を調整することにより、変調波に対す
る実効的な屈折率を調整することができることは言うま
でも無い。
この工程を経たウエハのLiNbO3層４に、通常のＴｉの熱
拡散により表面に方向性結合器型光スイッチの光導波路
パターン５，６，７を形成する。
拡散により表面に方向性結合器型光スイッチの光導波路
パターン５，６，７を形成する。
このパターンは、入力および出力の光導波路５，６にお
いては導波路間隔を数百μｍとし、方向性結合器の光導
波路１０においては導波路間隔を数〜数十μｍとする。
光導波路パターン５，６，７が形成されたLiNbO3層４の
上には1000〜2000Å程度のSiO2膜９をバッファ層として
ＣＶＤ法等により形成し、方向性結合器の導波路の上に
ＣｒとＡｕもしくはＣｒとＡｌ等を用いて厚さ数μｍの
進行波型電極８を形成する。ここで、マイクロストリッ
プ型進行波型電極においては電極幅と電極間隔の比を調
節することによりその特性インピーダンスを調整するこ
とができるので、特性インピーダンスを変調信号伝送路
の特性インピーダンスに合わせておく。また、電極間隔
は３〜十数μｍとしLiNbO3膜の膜厚数Å〜６μｍの１／
３よりも大きくしておく。
いては導波路間隔を数百μｍとし、方向性結合器の光導
波路１０においては導波路間隔を数〜数十μｍとする。
光導波路パターン５，６，７が形成されたLiNbO3層４の
上には1000〜2000Å程度のSiO2膜９をバッファ層として
ＣＶＤ法等により形成し、方向性結合器の導波路の上に
ＣｒとＡｕもしくはＣｒとＡｌ等を用いて厚さ数μｍの
進行波型電極８を形成する。ここで、マイクロストリッ
プ型進行波型電極においては電極幅と電極間隔の比を調
節することによりその特性インピーダンスを調整するこ
とができるので、特性インピーダンスを変調信号伝送路
の特性インピーダンスに合わせておく。また、電極間隔
は３〜十数μｍとしLiNbO3膜の膜厚数Å〜６μｍの１／
３よりも大きくしておく。
本実施例においては、方向性結合器型光スイッチを形成
する基板としてＳｉ基板上にMgAl2O4，MgO，LiNbO3薄膜
を積層したものを用いているが、これらMgO，MgAl2O4，
Ｓｉの誘電率はLiNbO3の誘電率が３５程度であるのに対
しそれぞれ７〜１０と１／３程度と小さく、かつLiNbO3
膜の膜厚が電極間隔の２〜３倍よりも薄いので変調用の
電界がMgO，MgAl2O4，Ｓｉ中にもしみ出し、変調用電界
に対する実効的な誘電率が減少し、変調波に対する屈折
率が減少する。したがって、変調波に対する屈折率を光
波に対する屈折率により近づけることが可能であり、光
スイッチを形成する基板としてLiNbO3のみを用いる場合
に比べて変調周波数帯域幅を拡大させることができる。
する基板としてＳｉ基板上にMgAl2O4，MgO，LiNbO3薄膜
を積層したものを用いているが、これらMgO，MgAl2O4，
Ｓｉの誘電率はLiNbO3の誘電率が３５程度であるのに対
しそれぞれ７〜１０と１／３程度と小さく、かつLiNbO3
膜の膜厚が電極間隔の２〜３倍よりも薄いので変調用の
電界がMgO，MgAl2O4，Ｓｉ中にもしみ出し、変調用電界
に対する実効的な誘電率が減少し、変調波に対する屈折
率が減少する。したがって、変調波に対する屈折率を光
波に対する屈折率により近づけることが可能であり、光
スイッチを形成する基板としてLiNbO3のみを用いる場合
に比べて変調周波数帯域幅を拡大させることができる。
（実施例２） 第３図、第４図は本発明の第２の実施例の光位相変調器
の斜視図および断面図である。高抵抗（１００）Ｓｉ基
板１の上にMgAl2O4エピタキシャル膜２，ＭｇＯエピタ
キシャル膜３を介してLiNbO3膜４が形成されている。こ
のLiNbO3膜４中にはＴｉ拡散光導波路１５，１６が形成
されている。これらＴｉ拡散光導波路の上にはSiO2バッ
ファ膜９を介して進行波型電極１８が形成されている。
ここでLiNbO3膜厚および電極間隔は第１の実施例と同様
それぞれ数千Å〜６μｍおよび３μｍ〜十数μｍとす
る。
の斜視図および断面図である。高抵抗（１００）Ｓｉ基
板１の上にMgAl2O4エピタキシャル膜２，ＭｇＯエピタ
キシャル膜３を介してLiNbO3膜４が形成されている。こ
のLiNbO3膜４中にはＴｉ拡散光導波路１５，１６が形成
されている。これらＴｉ拡散光導波路の上にはSiO2バッ
ファ膜９を介して進行波型電極１８が形成されている。
ここでLiNbO3膜厚および電極間隔は第１の実施例と同様
それぞれ数千Å〜６μｍおよび３μｍ〜十数μｍとす
る。
本実施例においては、光位相変調器の端面に入射された
光はＴｉ拡散光導波路１５，１６中を導波し、進行波型
電極１８に印加された変調信号の電圧振幅の大きさよ
り、LiNbO3の電気光学効果を介して位相変調を受ける。
本実施例においては、高抵抗（１００）Ｓｉ基板１の上
にMgAl2O4エピタキシャル膜２，ＭａＯエピタキシャル
膜３を介して薄いLiNbO3膜４が形成され、そのLiNbO3膜
４中に光位相変調器を構成している。したがって、第１
の実施例の場合と同様、ＭｇＯ膜３，MgAl2O4膜２，Ｓ
ｉ基板１の誘電率がLiNbO3の誘電率よりかなり小さいの
で、第３図に示した構造の光位相変調器においてはLiNb
O3のみを基板として構成した光位相変調器に比べて変調
波に対する実効的な屈折率が低下し、より光波に対する
屈折率に近づけることができるため変調周波数帯域が拡
大する。
光はＴｉ拡散光導波路１５，１６中を導波し、進行波型
電極１８に印加された変調信号の電圧振幅の大きさよ
り、LiNbO3の電気光学効果を介して位相変調を受ける。
本実施例においては、高抵抗（１００）Ｓｉ基板１の上
にMgAl2O4エピタキシャル膜２，ＭａＯエピタキシャル
膜３を介して薄いLiNbO3膜４が形成され、そのLiNbO3膜
４中に光位相変調器を構成している。したがって、第１
の実施例の場合と同様、ＭｇＯ膜３，MgAl2O4膜２，Ｓ
ｉ基板１の誘電率がLiNbO3の誘電率よりかなり小さいの
で、第３図に示した構造の光位相変調器においてはLiNb
O3のみを基板として構成した光位相変調器に比べて変調
波に対する実効的な屈折率が低下し、より光波に対する
屈折率に近づけることができるため変調周波数帯域が拡
大する。
次に、本実施例の製作方法について説明する。前述の第
１の実施例と同様に、面方位（１００）のＳｉ単結晶基
板１１の上には、ＶＰＥ法により、MgAl2O4エピタキシ
ャル膜を形成する。さらにＭｇＯエピタキシャル膜３を
形成した後、マグネトロンスパッタ法によりLiNbO3膜４
を成長する。スパッタは圧力４パスカル、成長温度500
〜９００℃の条件で行なう。膜の成長方位は成長温度に
より制御でき、ここでは光位相変調器の製作に有利なよ
うに、すなわち大きな電気光学効果が得られるように、
成長面がＣ軸に垂直になるように選ぶ。ここで各膜の膜
厚は、MgAl2O4膜２が数千Å〜数μｍ，ＭｇＯ膜３が数
百〜数千Å，LiNbO3膜４が数千Å〜６μｍとする。な
お、LiNbO3膜４の膜厚と電極間隔とを調整することによ
り、変調波に対する実効的な屈折率を調整することがで
きる。
１の実施例と同様に、面方位（１００）のＳｉ単結晶基
板１１の上には、ＶＰＥ法により、MgAl2O4エピタキシ
ャル膜を形成する。さらにＭｇＯエピタキシャル膜３を
形成した後、マグネトロンスパッタ法によりLiNbO3膜４
を成長する。スパッタは圧力４パスカル、成長温度500
〜９００℃の条件で行なう。膜の成長方位は成長温度に
より制御でき、ここでは光位相変調器の製作に有利なよ
うに、すなわち大きな電気光学効果が得られるように、
成長面がＣ軸に垂直になるように選ぶ。ここで各膜の膜
厚は、MgAl2O4膜２が数千Å〜数μｍ，ＭｇＯ膜３が数
百〜数千Å，LiNbO3膜４が数千Å〜６μｍとする。な
お、LiNbO3膜４の膜厚と電極間隔とを調整することによ
り、変調波に対する実効的な屈折率を調整することがで
きる。
この工程を経たウエハのLiNbO3層４に、通常のＴｉの熱
拡散により表面に直線光導波路パターン１５，１６を形
成する。これら光導波路パターン１５，１６が形成され
たLiNbO3層４の上には1000〜2000Å程度のSiO2膜９をバ
ッファ層としてＣＶＤ法等により形成し、導波路の上に
ＣｒとＡｕもしくはＣｒとＡｌ等を用いて厚さ数μｍの
進行波型電極１８を形成する。ここではマイクロストリ
ップ型進行波型電極においては電極幅と電極間隔の比を
調節することによりその特性インピーダンスを調整する
ことができるので、特性インピーダンスを変調信号伝送
路の特性インピーダンスに合わせておく。光導波路端面
の形成は研磨等により行なう。
拡散により表面に直線光導波路パターン１５，１６を形
成する。これら光導波路パターン１５，１６が形成され
たLiNbO3層４の上には1000〜2000Å程度のSiO2膜９をバ
ッファ層としてＣＶＤ法等により形成し、導波路の上に
ＣｒとＡｕもしくはＣｒとＡｌ等を用いて厚さ数μｍの
進行波型電極１８を形成する。ここではマイクロストリ
ップ型進行波型電極においては電極幅と電極間隔の比を
調節することによりその特性インピーダンスを調整する
ことができるので、特性インピーダンスを変調信号伝送
路の特性インピーダンスに合わせておく。光導波路端面
の形成は研磨等により行なう。
本実施例においては、光位相変調器を形成する基板とし
て、Ｓｉ基板上にMgAl2O4，MgO，LiNbO3薄膜を積層した
ものを用いるが、これらMgO，MgAl2O4，Ｓｉの誘電率は
LiNbO3の誘電率に対して１／３程度であり、LiNbO3膜の
膜厚を電極間隔の３倍よりも薄くしてあるので、変調用
電界はMgO，MgAl2O4，Ｓｉ中にもしみ出し、変調電界に
対する実効的に誘電率が減少し、この結果変調波に対す
る屈折率を光波に対する屈折率に近づけることが可能で
あり、変調周波数帯域幅を拡大することできる。
て、Ｓｉ基板上にMgAl2O4，MgO，LiNbO3薄膜を積層した
ものを用いるが、これらMgO，MgAl2O4，Ｓｉの誘電率は
LiNbO3の誘電率に対して１／３程度であり、LiNbO3膜の
膜厚を電極間隔の３倍よりも薄くしてあるので、変調用
電界はMgO，MgAl2O4，Ｓｉ中にもしみ出し、変調電界に
対する実効的に誘電率が減少し、この結果変調波に対す
る屈折率を光波に対する屈折率に近づけることが可能で
あり、変調周波数帯域幅を拡大することできる。
（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、基板上のエピタ
キシャル膜を介した薄い強誘電体中に光変調器を形成す
るので、MgAl2O4，MgOの誘電率が強誘電体の誘電率に比
べて大幅に小さく、誘電体の膜厚が電極間隔の３倍以下
となるように薄くすると、変調電界に対する実効的な誘
電率が減少し、変調波に対する屈折率と光波に対する屈
折率との誘電率のみを基板とする場合よりも近づけるこ
とができ、変調周波数帯域幅を拡大することができる。
また、本発明の基板のMgO／MgAl2O4上には、誘電体層ば
かりでなくGaAlAs，IuGaAsP系等の化合物半導体も成長
可能であり、光変調器と共に、GaAlAs系およびIuGaAsP
系の発光素子、受光素子、高速電子輸送デバイスを１枚
の基板上に形成することができるので、非常に多機能、
高速、高性能な光混成集積回路を得ることができる。
キシャル膜を介した薄い強誘電体中に光変調器を形成す
るので、MgAl2O4，MgOの誘電率が強誘電体の誘電率に比
べて大幅に小さく、誘電体の膜厚が電極間隔の３倍以下
となるように薄くすると、変調電界に対する実効的な誘
電率が減少し、変調波に対する屈折率と光波に対する屈
折率との誘電率のみを基板とする場合よりも近づけるこ
とができ、変調周波数帯域幅を拡大することができる。
また、本発明の基板のMgO／MgAl2O4上には、誘電体層ば
かりでなくGaAlAs，IuGaAsP系等の化合物半導体も成長
可能であり、光変調器と共に、GaAlAs系およびIuGaAsP
系の発光素子、受光素子、高速電子輸送デバイスを１枚
の基板上に形成することができるので、非常に多機能、
高速、高性能な光混成集積回路を得ることができる。
なお、本発明に用いられる基板としては、実施例ではＳ
ｉ単結晶基板の場合を示したが、これに限定されるもの
ではなく、石英、ダイヤモンドやサファイヤ等の誘電体
基板を用いることもできる。また、本発明により得られ
る高速光変調器は実施例に示したような方向性結合器型
光スイッチ、光位相変調器に限られるものではなく、交
叉型光スイッチおよび光変調器、分岐干渉型光スイッチ
および光変調器等においても同様に高速化することが可
能である。また、LiNbO3成長法としてスパッタ法を用い
たが、これに限定されるものでは無く、Li2O，Nb2O5，V
2O5混合溶液からの液相エピタキシャル（ＬＰＥ）法も
用いることもできる。また、本実施例においては、Ｓｉ
基板上にMgO．／MgAl2O4膜を介して成長する材料として
LiNbO3を示したが、このLiNbO3に限定されるものではな
く、LiTaO3やＰＬＺＴ等の電気光学効果を有する強誘電
体も有効である。
ｉ単結晶基板の場合を示したが、これに限定されるもの
ではなく、石英、ダイヤモンドやサファイヤ等の誘電体
基板を用いることもできる。また、本発明により得られ
る高速光変調器は実施例に示したような方向性結合器型
光スイッチ、光位相変調器に限られるものではなく、交
叉型光スイッチおよび光変調器、分岐干渉型光スイッチ
および光変調器等においても同様に高速化することが可
能である。また、LiNbO3成長法としてスパッタ法を用い
たが、これに限定されるものでは無く、Li2O，Nb2O5，V
2O5混合溶液からの液相エピタキシャル（ＬＰＥ）法も
用いることもできる。また、本実施例においては、Ｓｉ
基板上にMgO．／MgAl2O4膜を介して成長する材料として
LiNbO3を示したが、このLiNbO3に限定されるものではな
く、LiTaO3やＰＬＺＴ等の電気光学効果を有する強誘電
体も有効である。
第１図は本発明の一実施例である方向性結合器型光スイ
ッチの斜視図、第２図は第１図の方向性結合器型光スイ
ッチの断面図、第３図は本発明の第２の実施例の光位相
変調器の斜視図、第４図は第３図の光位相変調器の断面
図である。 １……Ｓｉ基板、２……MgAl2O4膜、３……ＭｇＯ膜、
４……LiNbO3膜、５，６，１５，１６……Ｔｉ拡散光導
波路、７……方向性結合器、８，１８……進行波型電
極、９……SiO2膜、１０……光導波路。
ッチの斜視図、第２図は第１図の方向性結合器型光スイ
ッチの断面図、第３図は本発明の第２の実施例の光位相
変調器の斜視図、第４図は第３図の光位相変調器の断面
図である。 １……Ｓｉ基板、２……MgAl2O4膜、３……ＭｇＯ膜、
４……LiNbO3膜、５，６，１５，１６……Ｔｉ拡散光導
波路、７……方向性結合器、８，１８……進行波型電
極、９……SiO2膜、１０……光導波路。
Claims (1)
- 【請求項１】誘電体基板と、この基板上にエピタキシャ
ル成長したMgAl2O4膜あるいはMgAl2O4とＭｇＯとの積層
膜からなるエピタキシャル膜と、このエピタキシャル膜
を介して形成された電気光学効果をもつ強誘電体膜と、
この強誘電体膜中に設けられた少くとも１本の光導波路
と、この光導波路と微小間隔で対向して前記強誘電体膜
中に設けられた少くとも１組のプレーナ型制御電極とを
備え、前記強誘電体膜の厚さが前記制御電極の電極間隔
の３倍以下であることを特徴とする高速光変調器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17960885A JPH065345B2 (ja) | 1985-08-14 | 1985-08-14 | 高速光変調器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17960885A JPH065345B2 (ja) | 1985-08-14 | 1985-08-14 | 高速光変調器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6239825A JPS6239825A (ja) | 1987-02-20 |
| JPH065345B2 true JPH065345B2 (ja) | 1994-01-19 |
Family
ID=16068720
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17960885A Expired - Lifetime JPH065345B2 (ja) | 1985-08-14 | 1985-08-14 | 高速光変調器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH065345B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108732795A (zh) * | 2017-04-14 | 2018-11-02 | 天津领芯科技发展有限公司 | 一种硅基铌酸锂高速光调制器及其制备方法 |
| TW202144826A (zh) * | 2020-05-20 | 2021-12-01 | 日商日本碍子股份有限公司 | 電光元件用複合基板 |
-
1985
- 1985-08-14 JP JP17960885A patent/JPH065345B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6239825A (ja) | 1987-02-20 |
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