JPH07168042A

JPH07168042A - 光制御デバイスおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH07168042A
Application number: JP5315104A
Authority: JP
Inventors: Masashi Fukuda; 昌史福田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-12-15
Filing date: 1993-12-15
Publication date: 1995-07-04

Abstract

(57)【要約】【目的】電極から光導波路に印加される電界がバッファ
層によって不安定になる現象を低減し、かつ、イオン交
換法によって作成した光導波路にも適用可能な、光導波
路と電極とバッファ層を備えた光制御デバイスを提供す
る。【構成】バッファ層は、少なくとも２層３、４からな
り、光導波路２に接する第１のバッファ層３は、屈折率
が光導波路２の屈折率より小さく、かつ、光導波２を伝
搬する光を吸収しない波長特性の材料で形成する。第１
のバッファ層３より電極４側に位置する第２のバッファ
層５は絶縁性の材料で形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気信号により光の変
調、光のモ−ド変換、光路切り替え等を行う光制御デバ
イスに関するものである。特に、光導波路のエバネッセ
ント波が電極で吸収されるのを防ぐために、バッファ層
を備えた光制御デバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光制御デバイスは、図１のよう
に、誘電体結晶基板２１を用い、この基板２１に光導波
路２２と、光導波路２２に電圧を印加する電極２４を備
えている。そして、基板の電気光学効果、音響光学効果
を利用して光の振幅変調、位相変調、偏波面回転、光路
切り替え等を行う。誘電体基板に光導波路を形成する方
法は、金属拡散、イオン交換、イオン注入等が用いられ
ている。

【０００３】また、光導波路２２を伝搬する光のエバネ
ッセント波が、電極２４で吸収されるのを防ぐために、
光導波路２２と電極２４の間に透明かつ絶縁性の材料で
形成したバッファ層２３を配置している。

【０００４】しかしながら、バッファ層を備えた光制御
デバイスには、一定の電圧を印加しているにもかかわら
ず出射光の強度が時間的に変化する不安定な現象が現れ
る。この現象を一般にＤＣドリフトと称している。この
ＤＣドリフトの主たる原因はバッファ層内のキャリア移
動によるリーク電流のためであると考えられている。

【０００５】このバッファ層に起因する電界の不安定性
現象を低減する方法の一つとしてバッファ層アニ−ル技
術がある。この技術は低温で形成したバッファ層の緻密
化させて、リーク電流を防止するための熱処理技術であ
り、これによりバッファ層の膜質が改善され電界の不安
定現象が低減される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
バッファ層をアニールする方法は、光導波路をイオン交
換法によって作成した光制御デバイスには適用できない
という問題があった。なぜなら、バッファ層をアニール
する温度が、通常、イオン交換を施す温度よりも高いた
め、バッファ層をアニールすることにより、イオン交換
がさらに進み、光導波路の伝搬特性に劣化が生じたり、
光導波路の構成に破壊が生じたりするためである。

【０００７】本発明は、光導波路と電極とバッファ層を
備えた光制御デバイスであって、光導波路の形成方法に
かかわらず電極から光導波路に印加される電界がバッフ
ァ層によって不安定になる現象を低減することができる
構成を提供することを目的とする。

【０００８】

【問題点を解決するための手段】本発明は上記目的を達
成するために、光導波路と、光導波路に電界を印加する
ための電極と、光導波路と電極との間に配置されたバッ
ファ層とを備えた光制御デバイスのバッファ層を、少な
くとも２層構造とする。そして、バッファ層のうち光導
波路に接する第１のバッファ層を、屈折率が前記光導波
路の屈折率より小さく、かつ、光導波路を伝搬する光を
吸収しない波長特性を有する材料で形成する。さらに、
バッファ層のうち第１のバッファ層より電極側に位置す
る第２のバッファ層は、絶縁性の材料で形成する。

【０００９】

【作用】光制御デバイスにおいて、光導波路と電極との
間に配置するバッファ層は、３つの条件を満たす必要が
ある。第１に、光導波路より屈折率が低く、伝搬光を光
導波路に閉じ込めること。第２に、光導波路２を伝搬す
る光のエバネッセント波を吸収しないこと。第３に、抵
抗が高く、電極膜４と光導波路２との間にリーク電流が
発生するのを防ぐことである。本発明においては、光導
波路と電極との間に配置するバッファ層を、少なくとも
２層構造にすることにより、上記３つの条件を満たす。

【００１０】まず、光導波路に接する第１のバッファ層
は、屈折率が光導波路の屈折率より小さく、かつ、光導
波路を伝搬する光を吸収しない波長特性を有する材料で
構成する。これにより、光導波路を伝搬する光は、光導
波路に閉じ込められ、エバネッセント波がバッファ層で
吸収されない。

【００１１】また、電極側に位置する第２のバッファ層
は、電極と、第１のバッファ層とを完全に絶縁する。こ
れにより、電極から光導波路に対して、リーク電流が発
生することを防ぎ、電界の不安定現象を解消し、光制御
デバイスの動作の信頼性を高める。

【００１２】したがって、第１のバッファ層には、絶縁
性は必要とされず、第２のバッファ層には、屈折率や透
明性といった光学的特性は必要とされない。よって、従
来のように、高温の熱処理を施すまでもなく、第１のバ
ッファ層の条件を満たす材料の膜、第２のバッファ層の
条件を満たす材料の膜をそれぞれ別個に容易に形成する
ことができる。したがって、イオン交換法で形成した光
導波路のように、高温熱処理に耐えられない構造の光制
御デバイスであっても、本発明のバッファ層を備えるこ
とにより、ＤＣドリフトのような電界の不安定現象を解
消することが可能であり、信頼性の高い光制御デバイス
を提供することが可能である。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例の光制御デバイスに
ついて説明する。

【００１４】本実施例の光制御デバイスは、図３に示す
ように、分岐干渉型光変調器である。まず、分岐干渉型
光変調器の構成と動作について、図２、図３を用いて説
明する。

【００１５】図２、図３のように、電気光学効果を有す
るＬｉＮｂＯ₃の結晶から成る基板１には、光導波路２
が形成されている。光導波路２は、ＬｉＮｂＯ₃をプロ
トン交換して屈折率を高めることによって形成された光
導波路である。光導波路２の入射端１１および出射端１
２は、それぞれ１つであるが、途中の分岐部１３で２本
の光導波路に分岐し、合流部１４で再び１本の光導波路
２に合流している。光導波路２の上には、第１のバッフ
ァ層３と、第２のバッファ層５が設けられている。光導
波路２の分岐した部分には、電極膜４がそれぞれ配置さ
れている。

【００１６】光導波路２の分岐した部分には、電極膜４
から第１のバッファ層３、第２のバッファ層５を介し
て、電界が印加される。光導波路２を構成するプロトン
交換されたＬｉＮｂＯ₃は電気光学効果を有しているの
で、この電界により、屈折率が変化している。

【００１７】光導波路２、第１のバッファ層３、第２の
バッファ層５、電極膜４の構成についてさらに詳しく説
明する。

【００１８】光導波路２は、幅６μｍ、深さ２μｍであ
る。第１のバッファ層３は、厚さ０．２μｍのＳｉＯ₂
膜、第２のバッファ層５は、厚さ０．２μｍのポリイミ
ド膜で構成した。電極膜４は、Ａｌ膜で構成した。

【００１９】このように、バッファ層を第１のバッファ
層３と第２のバッファ層５とに分けているのは、つぎの
ような理由による。導波路２と電極膜４との間に配置さ
れるバッファ層３、５は、３つの条件を満足している必
要がある。第１に、光導波路２より屈折率が低いこと。
第２に、光導波路２を伝搬する光のエバネッセント波を
吸収しないこと。第３に、抵抗が高く、電極膜４と光導
波路２との間にリーク電流が発生するのを防ぐこと。し
かも、本実施例においては、光導波路２をプロトン交換
法で形成しているので、バッファ層を形成する際に、プ
ロトン交換法の加熱温度よりも高い温度に加熱すること
はできない。

【００２０】本実施例では、光導波路２側の第１のバッ
ファ層３として、第１の条件および第２の条件を満足し
た膜を低温で形成できる材料として、ＳｉＯ₂膜を用い
ている。また、電極膜４側の第２のバッファ層５とし
て、第３の条件を満足した膜を低温で形成できるポリイ
ミド膜を用いる。このように、第１のバッファ層３と第
２のバッファ層５とを同時に備えることにより、第１、
第２、第３の条件を同時に満足できるバッファ層を低温
で形成可能な構成にした。

【００２１】つぎに、本実施例の光制御デバイスの製造
方法について説明する。

【００２２】ＬｉＮｂＯ₃基板１の光導波路２を形成す
る部分以外にマスクを形成し、これを２３５℃の安息香
酸溶液に６〜７分間浸漬して、３５０℃で１５分程度ア
ニールし、プロトン交換により光導波路２を形成した。
つぎに、マスクを取り除き、スパッタ法でＳｉＯ₂膜を
形成した。さらに、ＳｉＯ₂膜の上にポリイミド溶液を
塗布した後アニールしてポリイミド膜を形成した。これ
により、第１のバッファ層３、第２のバッファ層５が形
成された。スパッタ時には、基板１が２００℃以上に加
熱されないようにした。その後、蒸着法により、Ａｌを
電極膜４の形状に形成した。

【００２３】本実施例の光制御デバイスの動作について
説明する。

【００２４】入射端１１から波長０．６３３μｍの光を
入射させる。第１のバッファ層３の波長０．６３３μｍ
に対する屈折率は１．４６、光導波路２の波長０．６３
３μｍに対する屈折率は２．２であるので、光は、光導
波路２に閉じ込められ、光導波路２を伝搬する。また、
第１のバッファ層３は、エバネッセント波が到達する領
域の厚さより厚く０．２μｍ厚さに形成されている。第
１のバッファ層３は、波長０．６３３μｍに対して透明
（波長０．６３３μｍの光を吸収しない波長特性）であ
り、第２のバッファ層５は波長０．６３３μｍに対して
不透明（波長０．６３３μｍの光を吸収する波長特性）
であるが、エバネッセント波は第２のバッファ層５に到
達しないので、伝搬光は減衰することなく伝搬する。

【００２５】伝搬光は、分岐部１３で２つに分岐され、
電極膜４が設けられた部分を伝搬する。光導波路２のう
ち、電極膜４から電界を受ける部分は、電極膜４から印
加される電界の大きさに応じて、電気光学効果によって
屈折率が変化しているため、伝搬光は位相変調される。
このとき、第２のバッファ層５を構成するポリイミド膜
は、１０¹⁵Ω・ｃｍの高抵抗の絶縁性を示すので、電極
膜４に１００ボルト程度の電圧を印加した場合であって
も、電極膜４から光導波路２の方向にリーク電流が生じ
るのを完全に防止する。したがって、電極膜４から印加
された電界は、ただちに光導波路２に印加され、ＤＣド
リフト等の不安定現象が生じることはない。

【００２６】分岐された導波路２で、それぞれ位相変調
された伝搬光は、合波部１４で合波される際に互いに干
渉する。したがって、電極膜４から印加する電界を制御
することにより、出射端１２から出射される光強度が変
調される。

【００２７】上述のように、本実施例では、バッファ層
を２層構造にすることにより、屈折率、透過率、絶縁性
という３つの条件を容易に満足するバッファ層を備えた
光制御デバイスを得ること可能である。光導波路側の第
１のバッファ層には、屈折率と透過率というの光学的な
条件を満足する膜を用い、電極側の第２のバッファ層に
は、絶縁性の高い電気的な条件を満足する膜を用いるこ
とにより、３つの条件を満足する２層構造のバッファ層
が得られる。このような第１のバッファ層および第２の
バッファ層に必要な条件は、膜の緻密さ等の膜構造を選
択するまでもなく、これらの層を形成する材料の特性で
十分に達成できるので熱処理を施す必要がなく、プロト
ン交換に用いる温度よりも、低い温度で容易に形成する
ことができる。よって、プロトン交換法で形成した光導
波路を備えた光制御デバイスであって、ＤＣドリフト等
のリーク電流による不安定現象のないデバイスを実現す
ることができる。

【００２８】上述の実施例では、光導波路側の第１のバ
ッファ層として、ＳｉＯ₂膜を、電極側の第２のバッフ
ァ層として、ポリイミド膜を用いたが、これに限らず、
光導波路の屈折率および伝搬させる光の波長に応じて、
上述した条件を満たす膜を用いることができる。例え
ば、プロトン交換したＬｉＮｂＯ₃を光導波路として用
い、伝搬光として、波長０．６３３μｍの光を用いる場
合には、・第１のバッファ層を構成する材料として、ＩＴＯ、Ｚ
ｎＯ、コーニング７０５９（コーニング社製）等、・第２のバッファ層を構成する材料として、ＴｉＯ₂、
Ｓｉ₃Ｎ₄、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート）、
ポリカーボネイト、ポリスチレン等を用いることができ
る。

【００２９】また、本実施例では、分岐干渉型光強度変
調器を光制御デバイスとして示したが、これに限らず、
光導波路と、バッファ層と、電極とを備えた光制御デバ
イスであれば、本実施例のバッファ層の構成を用いるこ
とができる。例えば、方向性結合型の光スイッチング素
子、グレーティング制御型のＴＥ−ＴＭモード変換器、
屈折率分布制御型の分岐スイッチに用いることができ
る。

【００３０】また、本実施例では、プロトン交換法で形
成した光導波路を用いたが、金属拡散法やイオン注入法
等のように、他の方法で形成した光導波路を用いること
ももちろん可能である。

【００３１】本実施例の光制御デバイスでは、バッファ
層を２層構造にしたが、２層以上の構造にすることもで
きる。例えば、上述の第１のバッファ層と第２のバッフ
ァ層の間に、第３のバッファ層を配置したり、第２のバ
ッファ層と電極膜との間に、第４のバッファ層を配置す
ることができる。この場合であっても、第１のバッファ
層と第２のバッファ層とが、上述の実施例の条件を満た
しているかぎり、上述の光制御デバイスと同様の効果を
得ることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、本発明は、バッファ層を
少なくとも２層にすることにより、電極からのリ−ク電
流を減少することができ、電界の不安定現象を低減し、
信頼性の高い光制御デバイスを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の光制御デバイスの断面図。

【図２】本発明の一実施例の光制御デバイスの断面図。

【図３】本発明の一実施例の光制御デバイスの上面図。

【符号の説明】

１、２１・・・・・・ＬｉＮｂＯ₃基板２、２２・・・・・・光導波路３・・・・・・第１のバッファ層４・・・・・・電極５・・・・・・第２のバッファ層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光導波路と、前記光導波路に電界を印加す
るための電極と、前記光導波路と電極との間に配置され
たバッファ層とを有し、前記バッファ層は、少なくとも２層からなり、前記バッファ層のうち前記光導波路に接する第１のバッ
ファ層は、屈折率が前記光導波路の屈折率より小さく、
かつ、前記光導波路を伝搬する光を吸収しない波長特性
を有し、前記バッファ層のうち前記第１のバッファ層より前記電
極側に位置する第２のバッファ層は、絶縁性の材料で形
成されていることを特徴とする光制御デバイス。
【請求項２】請求項１において、前記第１のバッファ層
の厚さは、前記光導波路を伝搬する光のエバネッセント
波が前記バッファ層において到達する領域の厚さよりも
厚く形成されていることを特徴とする光制御デバイス。
【請求項３】請求項１において、前記光導波路は、プロ
トン交換されたＬｉＮｂＯ₃で形成され、前記第１のバ
ッファ層は、ＳｉＯ₂膜で形成され、前記第２のバッフ
ァ層は、ポリイミド膜で形成されていることを特徴とす
る光制御デバイス。
【請求項４】基板に光導波路を形成する第１の工程と、前記基板上に、屈折率が前記光導波路の屈折率より小さ
く、かつ、前記光導波路を伝搬する光を吸収しない材料
を用いて、前記第１の工程よりも低い温度で第１のバッ
ファ層を形成する第２の工程と、絶縁性の材料を用いて、前記第１の工程よりも低い温度
で第２のバッファ層を形成する第３の工程と、前記光導波路に電界を印加するための電極膜を形成する
第４の工程とを有することを特徴とする光制御デバイス
の製造方法。
【請求項５】請求項４の第１の工程において、前記光導
波路をイオン交換法で形成することを特徴とする光制御
デバイスの製造方法。