JPH0854589A

JPH0854589A - 導波路型光素子

Info

Publication number: JPH0854589A
Application number: JP18738794A
Authority: JP
Inventors: Hirotoshi Nagata; 裕俊永田; Junichiro Ichikawa; 潤一郎市川; Hidenori Honda; 秀紀本田; Takashi Jinriki; 孝神力; Toshihiro Sakamoto; 敏弘坂本
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 1994-08-09
Filing date: 1994-08-09
Publication date: 1996-02-27
Anticipated expiration: 2016-11-19
Also published as: JP3231190B2

Abstract

(57)【要約】【目的】導波路型光素子の電極特性を安定化し、その
信頼性を高める。【構成】電気光学効果を有する基板、光導波路、その
上に形成された誘電体層、その上に互に離間して形成さ
れた電極、および、前記誘電体層の露出表面を被覆する
ように形成された導電性膜層とを有し、互に隣り合う電
極の間の、その間に配置された導電性膜層による電気的
接続が、少なくとも導波路の方向に沿って分断され、こ
の分断部に、前記誘電体層の一部が露出している導波路
型光素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、導波路型光素子に関す
る。更に詳しく述べるならば、本発明は、ニオブ酸リチ
ウムを基材として用いた光導波路を有し、高温および／
又は高湿雰囲気においても、電極間の異常短絡現像を抑
制し得る導波路型光素子に関するものである。本発明の
導波路型光素子は光通信システムのキーデバイスの一つ
として有用なものであり、特に光変調器素子として有用
なものである。

【０００２】

【従来の技術】電気光学効果を有する光素子、例えばニ
オブ酸リチウムを基材として用いる導波路型光素子は、
例えば高速光通信システム用外部変調器の素子として有
用なものであるが、その実用化にあたっては、ニオブ酸
リチウム結晶が焦電効果を有するため、それに起因する
温度ドリフトの発生が解決すべき問題になっている。

【０００３】温度ドリフトは、基板の焦電効果により基
板表面に誘起された電荷が、局所電界を発生させ、この
ため、この電荷が基板表面部に形成されている光導波路
を横切って電極に到達し、それにより光導波路の屈折率
が変動するという現象によるものである（P.Skeath, C.
H.Bulmer, S.C.Hiser, and W.K.Burus, Appl.Phys.Let
t., Vol.49(1986), 1221,およびC.H.Bulmer and W.K.Bu
rns, Appl.Phys.Lett.,Vol.48(1986), 1036)。

【０００４】この温度ドリフトを抑制する手段として、
特公平４−２２４８５号および特公平５−７８０１６号
には電極間に露出している基板、又は誘導体層の表面を
覆いつくすように導電性膜体を形成することが開示され
ている。

【０００５】図１（ａ）において、ニオブ酸リチウム単
結晶からなる基板１の表面部分に光導波路２ａ，２ｂが
形成されており、この基板１および光導波路２ａ，２ｂ
上に誘電体層３が形成されている。この誘電体層３は、
多くの場合酸化シリコンにより形成される。この誘電体
層３の上に、例えばシリコンからなる導電性膜層４が形
成されている。光導波路２ａの上には、誘電体層３およ
び導電性膜層４を介して、信号電極５ａが配置され、他
の光導波路２ｂの上には、誘電体層３および導電性膜層
４を介してグランド電極５ｂが配置され、信号電極５ａ
をはさんで、グランド電極５ｂの反対側には、信号電極
５ａから離間した他のグランド電極５ｃが、導電性膜層
４上に配置されている。電極は多くの場合、金により形
成される。

【０００６】電極５ａ，５ｂ，５ｃと、導電性膜層４と
の間に電極の付着力を増強するためにチタンなどからな
る薄い中間層を介在させてもよい。一般にシリコン（非
品質）からなる導電性膜層は、スパッタリング法、ＣＶ
Ｄ法などの従来方法により、容易に形成することがで
き、またその下地をなす誘電体（酸化シリコン）層との
付着力も良好であり、かつ化学的にも安定である。

【０００７】図１（ｂ）に示された従来の導波路型光素
子は、図１（ｃ）に示されたものと、ほゞ同様の構成を
有しているが、電極５ａ，５ｂ，５ｃが直接誘電体層３
上に配置され、これらの電極の間の誘電体層表面が導電
性膜層４ａ，４ｂにより被覆されている。

【０００８】図１ａおよび図１ｂに示された従来の導波
路型光素子において導電性膜層４，４ａ，４ｂは、焦電
効果により生成して電荷を均一に分散させ、局所電界の
発生を抑制し、従って温度ドリフトを抑制する効果を有
する。

【０００９】図１（ａ）および図１（ｂ）の光素子の平
面図を図２に示す。電極５ａ，５ｂ，５ｃは信号出力手
段（図示されていない）に連結され、光導波路２ａ，２
ｂは、その入射端および出射端において、それぞれ光入
射手段および出射手段（図示されていない）に連結され
る。

【００１０】導波路型光素子の温度ドリフト性は、図１
および２に示された従来手段により著るしく改善され、
実用に供し得るものとなっている。しかしながら、当該
光素子の使用環境により、例えば高温、および／又は高
湿環境においては、導電性膜層と、電極とが反応して反
応生成物質を生成し、この生成物質により隣接する電極
が互に短絡するという事故が発生する。例えば、ＫΩ〜
ＭΩのオーダーの抵抗値が、数百Ωのオーダー以下にな
ってしまう。

【００１１】いま、導電性膜層がシリコンからなり、電
極が金からなる導波路型光素子を例にとって上記現象を
説明する。すなわち、このような導電性膜層および電極
形成材料の組み合わせを有する光変調器素子を、これに
直流バイアス電圧を印加した状態で高湿度雰囲気中で動
作させると、金とシリコンが水を介して電気化学的に反
応し、電極間に反応生成物が析出する。

【００１２】図３には、図１（ａ）および２に示したも
のと同様の構成を有する光変調器素子を封入したケース
（リークの全くないもの…正常サンプル、わずかなリー
クのあるもの…異常サンプル）を、温度：８０℃、湿
度：９５％RHの条件下に、直流バイアス電圧５Ｖを連続
印加しながら保持した場合の、時間と、信号電極グラン
ド電極間電気抵抗値との関係が示されている。このシリ
コン導電性膜は約１００nmの厚さを有し、電極長は４０
mmであった。電気抵抗値は、保持時間０、１００時間、
２００時間後、２５℃、４０％RH以下の雰囲気内におい
て測定された。

【００１３】図３から、光素子が高温、高湿度にさらさ
れると、電極間抵抗が著るしく低下することが理解でき
る。また、図４には、図３と同一条件下において高温、
高湿度にさらされた光素子の光帯域が、その保持時間と
ともに低下することが示されている。すなわち、ケース
に封止された光素子であっても、ケースの気密封止が不
完全な場合、或は、何かの事故によりリークが発生した
場合、図３，４に示されているように光素子の特性劣化
が急速に進行する。これは光素子の信頼性を著るしく低
下させることになる。

【００１４】電極間抵抗が、低下した前記異常サンプル
を分析してみると離間距離数十μｍの電極間のシリコン
層表面に、異物が樹枝状に生長していることが認められ
る。しかし正常サンプルにおいては、このような生成物
の生長は全く認められなかった。

【００１５】図５には、前記異常サンプルにおける電極
間析出物の表面、および金電極表面のオージエ電子分光
分析の結果が、対比して示されている。図５において、
金電極表面では、金（Ａｕ）および表面汚染物質として
のカーボン（Ｃ）のみが検出されたが、電極間析出物表
面では、金（Ａｕ）およびカーボン（Ｃ）以外に酸素
（Ｏ）およびシリコン（Ｓｉ）が検出された。この析出
物は非品質であり、物質の同定は困難であったが、電気
化学反応により生成したＡｕＳｉおよび／又はその酸化
物および水和物を含むものと推定される。

【００１６】光素子は長期間（例えば２０年間以上）に
わたって実用されるので、このような長期間の動作中
に、前記のような反応生成析出物が電極間に生成し、光
素子の特性を低下させることを完全に防止する必要があ
る。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、導波路型光
素子を、高温・高湿度に曝露されることがあっても、電
極間に析出物が生成することがなく、従って特性低下の
ない、又は少ない導波路型光素子を提供しようとするも
のである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る導波路型光
素子は、電気光学効果を有する基板と、この基板の表面
部に形成された光導波路と、この基板および導波路面上
に形成された誘電体層と、前記誘電体の上に設けられた
複数個の電極と、前記誘電体層上に形成され、かつ前記
電極の間に配置されている導電性膜層とを有し、互に隣
接する前記電極の、その間に配置された導電性膜層によ
る電気的接続が、少なくとも１対の前記隣接電極の間に
おいて分断され、この分断部に前記誘電体層の一部分が
露出していることを特徴とするものである。

【００１９】本発明の導波路型光素子において前記電極
と、前記誘電体層との間にも導電性膜層が形成されてい
てもよい。

【００２０】本発明の導波路型光素子において、前記電
極が、直接前記誘電体層上に、形成されていてもよい。

【００２１】本発明の導波路型光素子において、前記基
板が、ニオブ酸リチウムからなることが好ましい。

【００２２】本発明の導波路型光素子において、前記電
極が金により形成され、かつ前記導電性膜層がシリコン
により形成されていることが好ましい。

【００２３】本発明の導波路型光素子において、前記分
断部が、前記導電性膜層と、それに隣接する前記電極の
少なくとも一つとの間に形成されていてもよい。

【００２４】本発明の導波路型光素子において、前記分
断部が、すべての電極と、それに隣接する前記導電性膜
層との間に形成されていてもよい。

【００２５】本発明の導波路型光素子において、前記分
断部が、少なくとも１対の互に隣接する電極の間に配置
された前記導電性膜層中に形成されていてもよい。ま
た、前記分断部は、前記導波路の方向に沿って伸びてい
てもよい。

【００２６】

【作用】本発明の導波路型光素子において基板は、一般
にニオブ酸リチウムの単結晶により形成され、光導波路
は、一般にこの基板表面の所定部分に、例えばチタン、
水素などを拡散させることによって形成される。また一
般に、電極は、一般に金により形成され、誘電体層は酸
化シリコンにより形成され、導電性膜層はシリコンによ
り形成される。

【００２７】図６（ａ）に示された本発明の導波路型光
素子において、基板１および導波路２ａ，２ｂの表面上
に誘電体層３が形成され、この誘電体層３に直接に、
（又は導電性膜層を介して）電極５ａ，５ｂ，５ｃが形
成され、この電極の間の誘電体層部分上に導電性膜層４
ａ，４ｂが形成されている。導波路２ａの上に信号電極
（ホット電極）５ａが配置され、他の導波路２ｂの上
に、グランド電極５ｂが配置され、信号電極５ａをはさ
んで、前記グランド電極５ｂの反対側にもグランド電極
５ｃが配置されている。これらの電極は、信号出力手段
（図示されていない）に連結され、導波路に信号電圧を
印加して、この導波路を伝播する光を変調することがで
きる。

【００２８】図６（ａ）および（ｂ）において、導電性
膜層４ａは、電極５ａに接続しているが、電極５ｂとの
間に、分断部６ａが溝状に設けられ、従って電極５ｂに
は接続していない。また導電性膜層４ｂは、電極５ｃに
接続しているが、電極５ａとの間に分断部６ｂが溝状に
設けられ、従って電極５ａには接続していない。これら
分断部６ａ，６ｂにおいては、誘電体層３の一部が露出
している。このため、電極および導電性膜層が高温にお
いて湿分に接触して、電極とそれに接続している導電性
膜層との間に電気化学反応生成物が生成析出しても、当
該電極と、それと隣接する電極とがこの析出物によって
互に短絡することはない。

【００２９】図７に示されている光素子は、図６の光素
子と同様の構成を有するが、但し、導電性膜層４ｂは、
電極５ａと接触しているが、電極５ｃとの間に形成され
た分断部６ｃにより電極５ｃとは接続していない。この
場合も、図６の光素子と同様の短絡防止効果を有する。

【００３０】図８に示された光素子は、図６の光素子と
同様の構成を有しているが、但し電極５ａは、分断部６
ａおよび６ｂにより、導電性膜層４ａおよび４ｂのいず
れにも接続していない。この光素子においても実用上十
分な短絡防止効果がある。

【００３１】図９に示されている光素子は、図７の光素
子と同様の構成を有しているが、但し、導電性膜層４
ａ，４ｂが導波路２ａと平行に、信号電極５ａの両側
に、全体として矩形状に形成されている。

【００３２】図１０に示された光素子も、図６の光素子
と同様の構成を有しているが、電極５ｂと電極５ａとの
間に配置された導電性膜層４ａが、その中間部分に形成
された溝状分断部６ｅにより２部分に分割されており、
また、電極５ａと電極５ｃとの間に配置された導電性膜
層４ｂが、その中間部分に形成された溝状分断部６ｆに
より２部分に分割されている。

【００３３】図１１（ａ），（ｂ）に示されている光素
子も図６の光素子と同様の構成を有するが、電極５ｂお
よび電極５ａの間に配置された導電性膜層４ａは、両電
極５ｂおよび５ａのいずれからも離間しており、また、
導波路の方向Ａに沿って伸び、例えば、図示のように四
辺形状に形成されている。その結果、導電性膜層４ａ
と、電極５ｂとの間に分断部６ａが形成され、また電極
５ａとの間に分断部６ｄが形成されている。また、電極
５ａおよび電極５ｃの間に配置された導電性膜層４ｂ
は、前記両電極５ａ，５ｃのいずれからも、分断部６
ｂ、および６ｃを介して離間しており、また導波路の方
向Ａに沿って伸び、例えば図示のように四辺形状に形成
されている。すなわち図１１（ａ），（ｂ）の光素子に
おいては、すべての電極は、導電性膜層と接続していな
い。換言すれば、すべての導電性膜層は、電極から離間
し、孤立している。

【００３４】図１２に示された光素子は、図１１
（ａ），（ｂ）の光素子と同様の構成を有しているが、
誘電体層３の露出部が少なく、温度ドリフトが抑制され
るようになっている。すなわち、このようにすると導電
性膜層と電極とを接触させることなく、素子端に達した
導電性膜層端部を接地させることにより、導電性膜層の
下（誘電体層）に発生した電荷を除去し、そのフローテ
ィングを防止することができるから、温度ドリフトの発
生を抑制効果を高めることができる。

【００３５】図１３の光素子は、図１０の光素子と同様
の構成を有しているが、但し、導電性膜層４ａおよび４
ｂを、２分割するように形成された分断部６ｅ′および
６ｆ′は、導波路の方向Ａに沿って、例えば図示のよう
に一直線状に伸びている。このようにすると電極５ａ，
５ｂ，５ｃの、導波路の方向Ａに平行な部分の間の、電
気化学的反応生成析出物による直接短絡を防止すること
ができる。また、誘電体層の露出面積が小さいので、温
度ドリフトの発生防止効果を高めることができる。

【００３６】図１４の光素子は、図９の光素子と同様の
構成を有しているが、導電性膜４ｂと電極５ｃとの間の
分断部６ｃ′は、導波路の方向Ａに沿って、例えば図示
のように一直線状に形成されている。このようにする
と、電極５ａおよび５ｃの、導波路の方向Ａに平行な部
分の間の、電気化学的反応生成析出物による直接短絡を
防止することができる。また、図９の光素子よりも、図
１４の光素子における誘電体層の露出面積が小さくな
り、それだけ温度ドリフト抑制効果を高めることができ
る。

【００３７】本発明の光素子において、分断部の効果に
より、電極材料、特に金と、膜体材料、特にシリコンの
（電気化学）反応生成物の成長が、分断され、隣接する
電極同志が電気的につながること、つまり短絡を抑制で
きる。しかし、反応が激しく進むと、反応による電極の
腐食が顕著となり、電極特性、例えば帯域が変動する可
能性があるため、本発明の構成を有する光素子であって
も、使用環境に応じて、十分な封止性能を有するケース
に収納されていることが望ましい。

【００３８】

【発明の効果】本発明により、電気光学効果を利用した
電気光学素子の、電極特性の安定化、高信頼化を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は従来の導波路型光素子の一例の構
成を示す断面説明図。図１（ｂ）は、従来の導波路型光
素子の他の例の構成を示す断面説明図。

【図２】図２は、図１（ａ）又は（ｂ）の光素子の平面
図。

【図３】図３は、従来の導波路型光素子の、高温、高湿
条件下における電圧印加時間と、電極間電気抵抗との関
係の一例を示すグラフ。

【図４】図４は、図３と同様の光素子の、同様の条件下
における電圧印加時間と光帯域との関係の一例を示すグ
ラフ。

【図５】図５は、電極表面、および電極間に生成した析
出物表面の、元素分析結果を示すグラフ。

【図６】図６（ａ）は、本発明の導波路型光素子の一例
の構成を示す平面説明図。図６（ｂ）は、図６（ａ）の
光素子の断面説明図。

【図７】図７は、本発明の導波路型光素子の他の一例の
構成を示す平面説明図。

【図８】図８は、本発明の導波路型光素子の他の一例の
構成を示す平面説明図。

【図９】図９は、本発明の導波路型光素子の他の一例の
構成を示す平面説明図。

【図１０】図１０は、本発明の導波路型光素子の他の一
例の構成を示す平面説明図。

【図１１】図１１（ａ）は、本発明の導波路型光素子の
他の一例の構成を示す平面説明図。図１１（ｂ）は、図
１１（ａ）の光素子の断面説明図。

【図１２】図１２は、本発明の光素子の他の一例の構成
を示す平面説明図。

【図１３】図１３は、本発明の光素子の他の一例の構成
を示す平面説明図。

【図１４】図１４は、本発明の光素子の他の一例の構成
を示す平面説明図。

【符号の説明】

１…基板２ａ，２ｂ…光導波路３…誘電体層４，４ａ，４ｂ…導電性膜層５ａ，５ｂ，５ｃ…電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｃ′，６
ｅ′，６ｆ′…分断部Ａ…導波路の方向

フロントページの続き (72)発明者神力孝千葉県船橋市豊富町585番地住友セメント株式会社光電子事業部内 (72)発明者坂本敏弘千葉県船橋市豊富町585番地住友セメント株式会社中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学効果を有する基板と、この基板
の表面部に形成された光導波路と、この基板および導波
路面上に形成された誘電体層と、前記誘電体の上に設け
られた複数個の電極と、前記誘電体層上に形成され、か
つ前記電極の間に配置されている導電性膜層とを有し、互に隣接する前記電極の、その間に配置された導電性膜
層による電気的接続が、少なくとも前記導波路の方向に
沿って分断され、この分断部に前記誘電体層の一部分が
露出していることを特徴とする導波路型光素子。
【請求項２】前記電極と、前記誘電体層との間にも導
電性膜層が形成されている、請求項１に記載の導波路型
光素子。
【請求項３】前記電極が、直接前記誘電体層上に形成
されている、請求項１に記載の導波路型光素子。
【請求項４】前記基板が、ニオブ酸リチウムからな
る、請求項１に記載の導波路型光素子。
【請求項５】前記電極が金により形成され、かつ前記
導電性膜層が、シリコンにより形成されている、請求項
１に記載の導波路型光素子。
【請求項６】前記分断部が、前記導電性膜層と、それ
に隣接する前記電極の少なくとも１つとの間に形成され
ている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の導波路型
光素子。
【請求項７】前記分断部が、すべての電極と、それに
隣接する前記導電性膜層との間に形成されている、請求
項１〜５のいずれか一項に記載の導波路型光素子。
【請求項８】前記分断部が、少なくとも１対の互に隣
接する電極の間に配置された前記導電性膜層中に形成さ
れている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の導波路
型光素子。
【請求項９】前記分断部が、前記導波路の方向に沿っ
て伸びている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の導
波路型光素子。