JPH07175027A

JPH07175027A - 光制御デバイスの製造方法

Info

Publication number: JPH07175027A
Application number: JP32250693A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Kanbe; 俊之神戸; Yutaka Nishimoto; 裕西本; Yutaka Urino; 豊賣野; Naoki Kitamura; 直樹北村
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-12-21
Filing date: 1993-12-21
Publication date: 1995-07-14
Anticipated expiration: 2013-03-25
Also published as: JP2730465B2

Abstract

(57)【要約】【目的】基板上の金属膜により、デバイス作成時の基板
から拡散する不純物イオンの混入を防止し、高抵抗絶縁
体膜中での不純物イオンの移動によって引き起こされる
反電界を抑え、長期に渡って常に安定な動作が可能な光
制御デバイスが得られるようにする。【構成】光導波路２ａ、２ｂが形成されたＬｉＮｂＯ₃
またはＬｉＴａＯ₃基板１上に、バッファ層、制御電極
を形成する光制御デバイスの製造方法に於いて、バッフ
ァ層の代わりにイオン伝導率が低く熱酸化等によって高
抵抗絶縁体膜に変化する半導体・金属膜３を用いる。こ
の半導体・金属膜表面を適切にエッチングした後、酸化
プロセス等を行い、高抵抗絶縁体膜を形成する。この製
造方法により、基板からの不純物拡散を抑え、かつ導波
路間に電圧が印加されるように半導体、金属膜を分割す
ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光波の変調、光路切替え
を行う光制御デバイスの製造方法に関し、特に電気光学
効果を有するＬｉＮｂＯ₃あるいはＬｉＴａＯ₃基板中
に形成された光導波路を用いて制御を行う導波型光スイ
ッチの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信システムの実用化に伴い、更に大
容量で多機能の高度なシステムが求められており、より
高速の光信号の発生や光伝送路の切り替え、交換等の新
たな機能の付加が必要とされている。現在の実用光通信
システムでは、光信号は直接半導体レーザや発光ダイオ
ードの注入電流を変調することによって得られている
が、直接変調では緩和振動の効果、波長チャーピングの
発生等のため数ＧＨｚ以上の高速変調が難しいこと、波
長変動が発生するためコヒーレント光伝送方式には適用
が難しい等の欠点がある。これを解決する手段として
は、外部変調器を使用する方法があり、特に電気光学結
晶基板中に形成された光導波路により構成される導波型
の光変調器は小型、高効率、高速という特長がある。

【０００３】一方、光伝送路の切り替えやネットワーク
の交換機能を得る手段としては、光スイッチが使用され
ている。現在実用化されている光スイッチはプリズム、
ミラー、ファイバ等を機械的に移動させた光路を切り替
えるものであり、低速であること、形状が大きくマトリ
クス化に不適等の欠点がある。これを解決する手段とし
ても光導波路を用いた導波型の光スイッチの開発が進め
られており、高速、多素子の集積化が可能、高信頼等の
特長がある。特にニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）結
晶等の強誘電体材料を用いたものは、光吸収が小さく低
損失であること、大きな電気光学効果を有しているため
高効率である等の特長があり、方向性結合器型光変調器
あるいは光スイッチ、全反射型光スイッチ、マッハツェ
ンダ型光変調器等の種々の方式の光制御デバイスが報告
されている。

【０００４】近年、この導波路型光スイッチの高密度集
積化の研究開発が盛んに行われており、西本らは電子情
報通信学会ＯＱＥ８８−１４７において、ＬｉＮｂＯ
₃基板を用いて方向性結合器型光スイッチを６４素子集
積した８×８マトリクス光スイッチを報告している。。
一方、外部光変調器のような単一の光スイッチ素子かな
るデバイスの研究開発も盛んに進められている。このよ
うな光スイッチデバイスの特性項目には、スイッチング
電圧（電力）、クロストーク、消光比、損失、切り替え
速度、温湿度などの環境に対する動作の安定性、また電
圧の連続印加時における動作の安定性などがある。

【０００５】上述した特性項目の中でも安定動作は実用
において最も重要な点である。ここで従来の技術を図面
を用いて説明する。図２は光導波路２ａ、２ｂによる方
向性結合器を用いた従来の光スイッチの最終形態を示す
断面図である。

【０００６】図２において、電気光学効果を有するＬｉ
ＮｂＯ₃あるいはＬｉＴａＯ₃基板１（今後、基板１と
呼ぶ）に形成された２本の光導波路２ａ、２ｂからなる
方向性結合器を含む基板１上にバッファ層４が装荷さ
れ、バッファ層４を介して主として金属材料からなる電
極６ａ，６ｂが光導波路２ａ、２ｂの上に形成される。
そして更に導電性膜７が装荷される。この導電性膜７は
サワキらの、クレオ（ＣＬＥＯ）‘８６ＭＦ−２、４
６ページの論文によれば、温度変動が発生した場合に強
誘電体が有する焦電効果により基板中に生ずる電荷の移
動による特性不安定化を防ぐ作用がある。すなわち、温
度の変動に対してのスイッチ動作の安定化の効果がある
と考えられており、Ｓｉ膜が用いられている。

【０００７】また、バッファ層４は光導波路２ａ、２ｂ
を伝搬する光が電極６ａ、６ｂ及び導電性膜７に吸収さ
れるのを防ぐために用いられ、通常光に対して極めて吸
収の少ない絶縁体、特にＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃が一般に
用いられる。なぜなら、これらの屈折率は電気光学効果
を有するＬｉＮｂＯ₃あるいはＬｉＴａＯ₃基板１の屈
折率の約２．２より小さく、かつ、光の吸収がほとんど
無いためである。屈折率が小さい場合、電極６ａ、６ｂ
及び導電性膜７での光の吸収を防ぐために必要なバッフ
ァ層４の厚さを屈折率が大きい場合より薄膜化できる。
スイッチング電圧を考えると、電極６ａ、６ｂに電圧を
印加した場合、通常バッファ層４の誘電率は基板１に比
べて小さいため電界がバッファ層４に集中、バッファ層
４の厚さが厚いほどスイッチング電圧は増大する。従っ
て、バッファ層４としては屈折率が小さく、かつ、光の
吸収が極めて小さいＳｉＯ₂が用いられる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の光ス
イッチングにおいて、バッファ層４としてＳｉＯ₂を用
い、電極６ａをアースとして電極６ｂに直流電圧を連続
印加すると、バッファ層４中のイオンが電界により移動
し各電極６ａ、６ｂの下には外部から印加した電圧の符
号とは逆のイオンが集まる。従って、電極６ａ、６ｂの
間は外部からの印加電圧で発生する基板中の電界に対し
て反電界が発生する。この反電界の大きさは時間と共に
イオンの総移動量が増加するため大きくなっていく。こ
の現象は一般にＤＣドリフトと呼ばれる。外部からの印
加電圧を一定としている場合、反電界が発生すると光導
波路に印加される電界が減少することになり特性劣化が
起こる。すなわち、時間と共に大きくなる反電界が発生
した場合、反電界が発生する前の特性に戻すためには反
電界をキャンセルさせる電圧を外部から印加しなければ
ならない。これはスイッチ動作の動作電圧点のシフトを
意味し、実用化するための大きな障害となる。また、こ
のイオンはバッファ層４の作製プロセスにおいて不純物
としてバッファ層４中に混入する。不純物イオンの中で
Ｎａ、Ｌｉ、Ｋ等のアルカリ金属類はイオン化しやすく
可動イオンとしてバッファ層４中を容易に動くことが知
られこれらのイオンの侵入を防ぐ必要がある。しかし、
ＬｉＮｂＯ₃あるいはＬｉＴａＯ₃においては熱処理を
施したときに結晶表面からＬｉ₂Ｏが外部へ放出される
外拡散現象が生じるため、特に基板１の表面にバッファ
層４を形成する際熱処理を施すと、この外拡散によりバ
ッファ層４中にＬｉ₂Ｏが混入しさらにＬｉイオンとな
ることによってデバイス作製後電界を印加した際にバッ
ファ層４中を動き反電界を形成し、ＤＣドリフトの原因
となる。

【０００９】また、バッファ層をとりさってしまった構
造においては、光変調器などの高周波特性を必要とされ
るデバイスにおいて回路のインピーダンス整合設計が困
難となる問題があり、直接電極を基板に付加することは
デバイスの適用範囲を挟めることになる。

【００１０】本発明の目的は従来の光制御デバイスに比
べ長期に渡って安定な動作が得られる光制御デバイスを
与えることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は電気光学効果を
有するＬｉＮｂＯ₃あるいはＬｉＴａＯ₃基板上に形成
された光導波路、前記光導波路上に形成されるバッファ
層、前記光導波路近傍の前記バッファ層上に形成される
複数本からなる電極及び前記電極上または前記電極と前
記バッファ層の間に形成される導電性膜からなる導波路
型の光制御デバイスの製造方法において、新たに前記バ
ッファ層の代用として不純物イオン外拡散防止用のため
に、イオン伝導率の低い金属もしくは半導体膜を堆積
し、その後の酸化等のプロセスによって絶縁体に変化さ
せ基板からの不純物イオンの拡散を抑制することを特徴
とする。

【００１２】

【作用】本発明の光制御デバイスの製造方法に於いて
は、まず、図１（ａ）のようにバッファ層の代用とし
て、導波路を含む基板１上に金属膜もしくは、半導体膜
３を堆積する。この、金属もしくは半導体膜は熱酸化等
のプロセスにおいて、基板からの不純物イオンの拡散を
防止する。またバッファ層の代用があるので、このバッ
ファ層を制御することで、基板の誘電率を変化させ、高
帯域光デバイス等のインピーダンス整合や低電圧化を図
ることができる。

【００１３】

【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。図１（ａ）〜（ｄ）は本発明の一実施例に係わる光
制御デバイスの製造方法の工程を示す断面図であり、図
２と同等部分は同一符号により示されている。

【００１４】図１（ａ）は、電気光学効果を有するＬｉ
ＮｂＯ₃あるいはＬｉＴａＯ₃基板１に形成された２本
の光導波路２ａ、２ｂからなる方向性結合器型光スイッ
チの製造方法において、２本の光導波路２ａ、２ｂを含
む基板１上に半導体または金属膜３を装荷した状態の断
面図である。この半導体または金属膜３として使用する
材料としてはイオン伝導率が低く、かつ酸化等のプロセ
スにより、高抵抗絶縁体膜へ変化が可能なＳｉ、Ｔｉ、
Ｎｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｃｏ、Ｚｎ等熱酸化等によって絶縁体
に変化し、膜の誘電率が制御できる材料が有効である。
本発明による製造方法では、先ず図１（ｂ）に示すよう
に、導波路上以外の半導体または金属膜３を予めエッチ
ングしておき、その後酸素雰囲気中での熱処理によっ
て、半導体または金属膜３を深さ方向に高抵抗絶縁体膜
５に変化させる。この時の変化量は、エッチングにより
現れた金属膜３の表面から基板１の表面までの金属膜部
分が全て高抵抗絶縁体膜に変化した時の変化量と等しく
なり、金属膜３が図１（ｃ）に示されているように高抵
抗絶縁体膜５により金属膜３ａ、３ｂと分割されること
が望ましい。最後に、図１（ｄ）のように電極６ａ、６
ｂを設けた後、帯電防止膜である導電性膜７を形成す
る。

【００１５】以上のような製造方法による光制御デバイ
スは、図１（ｄ）に示すように、光導波路２ａ、２ｂ上
に金属膜３ａ、３ｂと高抵抗誘電体膜５を介して装荷さ
れた電極６ａ、６ｂにより電圧を印加した場合でも金属
膜３ａ、３ｂにより基板１からバッファ層へのＬｉイオ
ンの外拡散を防いでいたため、高抵抗誘電体膜５中への
Ｌｉイオンの侵入を防ぎ、イオンの移動による反電界は
発生しない。従ってＤＣドリフトの発生しない長期に渡
って安定な動作が可能な光制御デバイスを得ることがで
きる。

【００１６】また、他の実施例を図３に示した。図１
（ｄ）と異なる点は、高抵抗誘電体膜５を分離している
ことである。図１（ｄ）では、基板１から電極に向かう
不純物イオンの拡散を防止しているが、高抵抗誘電体膜
５のなかで引き起こされるイオン移動に関してはなにも
対策がない。図３の実施例は、高抵抗誘電体膜を５ａ、
５ｂのようにエッチングプロセスで分離する。これによ
り、高抵抗誘電体膜中でイオン移動が抑圧でき、デバイ
スの信頼性を一層向上させることができる。

【００１７】さらに、不純物イオンの拡散よりも、伝搬
光の損失が問題となる場合においては図４の実施例のよ
うに半導体または金属膜を酸化等のプロセスによって、
全て高抵抗絶縁体膜に変えることで適用可能である。

【００１８】以上のプロセスは、熱拡散の導波路デバイ
スにおいては、方向性結合器型、マッハツェンダ型、交
差導波路を用いた全反射型等の全ての光制御デバイスに
有効である。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように本発明の光制御デバ
イスの製造方法によると、高抵抗誘電体膜と基板との間
に金属膜を挿入することで、基板からバッファ層への不
純物イオンの混入防止が可能なため、高抵抗誘電体膜中
で不純物イオンの移動、分極によって引き起こされるＤ
Ｃドリフトが発生せず、常に安定な動作の光制御デバイ
スが得られるという効果がある。さらに、このバッファ
層によって、インピーダンス整合等のデバイス整合等の
デバイス設計が容易となり、デバイスの低電圧化を図る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｄ）は、本発明に係わる一実施例の
光制御デバイスの製造工程を示す断面図である。

【図２】従来の光制御デバイスの最終形態の断面図であ
る。

【図３】本発明の他の実施例の光制御デバイスの最終形
態の断面図である。

【図４】本発明のさらに他の実施例の光制御デバイスの
最終形態の断面図である。

【符号の説明】

１ＬｉＮｂＯ₃あるいはＬｉＴａＯ₃基板２ａ、２ｂ光導波路３、３ａ、３ｂ金属膜４バッファ層５高抵抗絶縁体膜６ａ、６ｂ電極７導電性膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者北村直樹東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学効果を有するＬｉＮｂＯ₃ある
いはＬｉＴａＯ₃基板上に形成された光導波路、前記光
導波路上に形成されるバッファ層、前記光導波路近傍の
前記バッファ層上に形成される複数本からなる電極及び
前記電極上または前記電極と前記バッファ層の間に形成
される導電性膜からなる導波路型の光制御デバイスの製
造方法において、前記バッファ層の製作時に、バッファ
層の代替として半導体または金属膜を堆積させたのち、
熱処理等によって絶縁体等に変化させることを特徴とす
る光制御デバイスの製造方法。