JPH11326853A - 光変調器 - Google Patents
光変調器Info
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- JPH11326853A JPH11326853A JP13522898A JP13522898A JPH11326853A JP H11326853 A JPH11326853 A JP H11326853A JP 13522898 A JP13522898 A JP 13522898A JP 13522898 A JP13522898 A JP 13522898A JP H11326853 A JPH11326853 A JP H11326853A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、小さな印加電圧で電気光学結晶導
波路内に大きな電界が生じ、大きな光屈折率変化を生じ
る光変調器及びその製造方法を提供することを目的とし
ている。 【解決手段】本発明は光導波路１を上下から変調電極
４，６，７で挟み込む構造とし、印加電界のすべての成
分が電気光学効果に寄与するようにして、変調電圧の低
減を行なう。通常電気光学効果を有する導波路は結晶で
あるため、金属材料を下部電極とすることは不可能であ
る。そこで下部電極４を導電性結晶材料とし、導波路結
晶をその上にヘテロエピタキシャル成長させることによ
り上記構造を達成する。
波路内に大きな電界が生じ、大きな光屈折率変化を生じ
る光変調器及びその製造方法を提供することを目的とし
ている。 【解決手段】本発明は光導波路１を上下から変調電極
４，６，７で挟み込む構造とし、印加電界のすべての成
分が電気光学効果に寄与するようにして、変調電圧の低
減を行なう。通常電気光学効果を有する導波路は結晶で
あるため、金属材料を下部電極とすることは不可能であ
る。そこで下部電極４を導電性結晶材料とし、導波路結
晶をその上にヘテロエピタキシャル成長させることによ
り上記構造を達成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は結晶の電気光学効果を利
用した光変調器及びその製造方法に関し、特に導電性結
晶を下部電極として備えた光変調器及びその製造方法に
関する。
用した光変調器及びその製造方法に関し、特に導電性結
晶を下部電極として備えた光変調器及びその製造方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来この種の光変調器としては図５に示
すものが知られている。これらの素子では電界を印加す
るための２つ以上の金属表面電極３３が電気光学結晶基
板３１上のSiO2バッファ層２を介して素子表面に装荷さ
れている。電源３４により電極３３間に電圧を印加する
と、図５の断面図に示すように電気力線が通り、光導波
路１中に電界が生じる。電界により結晶の光に対する屈
折率が変化する電気光学効果によって、光導波路１部分
の屈折率が変化し、光導波路１中を伝播する光の位相が
変化する。この位相変化と光の干渉効果を利用して、マ
ッハツェンダ型導波路を用いた光強度変調器や、方向性
結合器型導波路を用いた変調器（光スイッチ）が実現さ
れている。
すものが知られている。これらの素子では電界を印加す
るための２つ以上の金属表面電極３３が電気光学結晶基
板３１上のSiO2バッファ層２を介して素子表面に装荷さ
れている。電源３４により電極３３間に電圧を印加する
と、図５の断面図に示すように電気力線が通り、光導波
路１中に電界が生じる。電界により結晶の光に対する屈
折率が変化する電気光学効果によって、光導波路１部分
の屈折率が変化し、光導波路１中を伝播する光の位相が
変化する。この位相変化と光の干渉効果を利用して、マ
ッハツェンダ型導波路を用いた光強度変調器や、方向性
結合器型導波路を用いた変調器（光スイッチ）が実現さ
れている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の光変調器においては、２つ以上の変調用の金属表面電
極３３を素子表面に装荷するため、印加した電界のうち
基板３１内を通過し、かつ電気光学効果に寄与する方向
の成分ＥZのみが光変調に寄与する。このように印加電
界の一部しか有効に利用されないため、十分な変調を行
うためには、５〜数十Ｖの電圧が必要であり、集積化、
省エネルギーなどの観点から実用上問題となっている。
電界をより有効に作用させるために、図６に示すような
リッジ型光導波路３５の両側に変調用の側面電極３６を
つける方法も提案されているが、この方法は切り立った
導波路側面への電極材料の蒸着が困難であり、またマッ
ハツェンダ型や方向性結合器型など２つ以上の導波路が
近接する場合には、それぞれの導波路の両側に電極を蒸
着することは不可能である。
の光変調器においては、２つ以上の変調用の金属表面電
極３３を素子表面に装荷するため、印加した電界のうち
基板３１内を通過し、かつ電気光学効果に寄与する方向
の成分ＥZのみが光変調に寄与する。このように印加電
界の一部しか有効に利用されないため、十分な変調を行
うためには、５〜数十Ｖの電圧が必要であり、集積化、
省エネルギーなどの観点から実用上問題となっている。
電界をより有効に作用させるために、図６に示すような
リッジ型光導波路３５の両側に変調用の側面電極３６を
つける方法も提案されているが、この方法は切り立った
導波路側面への電極材料の蒸着が困難であり、またマッ
ハツェンダ型や方向性結合器型など２つ以上の導波路が
近接する場合には、それぞれの導波路の両側に電極を蒸
着することは不可能である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記従来の課題を解決す
るために，本発明は導波路を上下から変調電極で挟み込
む構造とし、印加電界のすべての成分が電気光学効果に
寄与するようにして、変調電圧の低減を行なう。通常電
気光学効果を有する導波路は結晶であるため、金属材料
を下部電極とすることは不可能である。そこで下部電極
を導電性結晶材料とし、導波路結晶をその上にヘテロエ
ピタキシャル成長させることにより上記構造を達成す
る。
るために，本発明は導波路を上下から変調電極で挟み込
む構造とし、印加電界のすべての成分が電気光学効果に
寄与するようにして、変調電圧の低減を行なう。通常電
気光学効果を有する導波路は結晶であるため、金属材料
を下部電極とすることは不可能である。そこで下部電極
を導電性結晶材料とし、導波路結晶をその上にヘテロエ
ピタキシャル成長させることにより上記構造を達成す
る。
【０００５】本発明によれば，厚さ数ミクロンの電気光
学結晶導波路が、下部電極である導電性結晶と、金属な
どの上部電極に挟まれているため、小さな印加電圧で電
気光学結晶導波路内に大きな電界が生じ、大きな光屈折
率変化を生む。
学結晶導波路が、下部電極である導電性結晶と、金属な
どの上部電極に挟まれているため、小さな印加電圧で電
気光学結晶導波路内に大きな電界が生じ、大きな光屈折
率変化を生む。
【０００６】
【実施の形態】図１に本発明の一実施例としてのマッハ
ツェンダ型光変調器の構造を示す。まずｚカットのニオ
ブ酸リチウム（以下ＬＮ）結晶基板５上に酸化亜鉛（以
下ZnO）結晶を成長させ、これを下部結晶電極４とす
る。結晶性のよいZnO結晶基板が入手可能な場合は、そ
れを用いれば、基板が下部電極を兼ねることもできる。
その上にＬＮ結晶薄膜３をヘテロエピタキシャル成長さ
せる。ＬＮ結晶薄膜３上にマッハツェンダ型の導波路パ
ターンマスクをタンタル薄膜で作製し、この試料をピロ
リン酸に約２００℃，２０分程度浸しプロトン交換を行
う。さらに空気中で３００℃，１時間ほどアニールを行
ってプロトン交換光導波路１を作製する。導波路作製に
は、チタン薄膜の導波路パターンをつけ、これを高温炉
内で数時間熱拡散させるチタン拡散法を用いることも可
能であるが、プロセス温度が１０００℃程度と高くZnO
とＬＮの界面における相互拡散が進む可能性があるた
め、比較的低温で作製できるプロトン交換法の方が望ま
しい。作製したマッハツェンダ型導波路の２本の分岐線
路上に透明絶縁物である酸化シリコン（SiO2）膜２を介
して上部金電極６，７を蒸着によりつける。下部電極４
を０Ｖに接続し、電源装置９を用いて上部金電極７に正
電圧を、電源装置８を用いて上部金電極６に負電圧を印
加する。上部電極７下の導波路中と、上部電極６下の導
波路中に生じる電界は方向が逆なので、電気光学効果に
よって生じる屈折率変化の符号が逆になり、一方の導波
路を通る光の位相は進み、他方を通る光の位相は遅れ
る。これらが再び重ね合わされて出力されるので、干渉
により出力光強度が印加電圧によって変化する。
ツェンダ型光変調器の構造を示す。まずｚカットのニオ
ブ酸リチウム（以下ＬＮ）結晶基板５上に酸化亜鉛（以
下ZnO）結晶を成長させ、これを下部結晶電極４とす
る。結晶性のよいZnO結晶基板が入手可能な場合は、そ
れを用いれば、基板が下部電極を兼ねることもできる。
その上にＬＮ結晶薄膜３をヘテロエピタキシャル成長さ
せる。ＬＮ結晶薄膜３上にマッハツェンダ型の導波路パ
ターンマスクをタンタル薄膜で作製し、この試料をピロ
リン酸に約２００℃，２０分程度浸しプロトン交換を行
う。さらに空気中で３００℃，１時間ほどアニールを行
ってプロトン交換光導波路１を作製する。導波路作製に
は、チタン薄膜の導波路パターンをつけ、これを高温炉
内で数時間熱拡散させるチタン拡散法を用いることも可
能であるが、プロセス温度が１０００℃程度と高くZnO
とＬＮの界面における相互拡散が進む可能性があるた
め、比較的低温で作製できるプロトン交換法の方が望ま
しい。作製したマッハツェンダ型導波路の２本の分岐線
路上に透明絶縁物である酸化シリコン（SiO2）膜２を介
して上部金電極６，７を蒸着によりつける。下部電極４
を０Ｖに接続し、電源装置９を用いて上部金電極７に正
電圧を、電源装置８を用いて上部金電極６に負電圧を印
加する。上部電極７下の導波路中と、上部電極６下の導
波路中に生じる電界は方向が逆なので、電気光学効果に
よって生じる屈折率変化の符号が逆になり、一方の導波
路を通る光の位相は進み、他方を通る光の位相は遅れ
る。これらが再び重ね合わされて出力されるので、干渉
により出力光強度が印加電圧によって変化する。
【０００７】このように、本発明の光変調器は、導波路
を上下から変調電極で挟み込む構造とし、印加電界のす
べての成分が電気光学効果に寄与するようにして、変調
電圧の低減を行なう。本発明によれば，厚さ数ミクロン
の電気光学結晶導波路が、下部電極である導電性結晶
と、金属などの上部電極に挟まれているため、小さな印
加電圧で電気光学結晶導波路内に大きな電界が生じ、大
きな光屈折率変化を生む。
を上下から変調電極で挟み込む構造とし、印加電界のす
べての成分が電気光学効果に寄与するようにして、変調
電圧の低減を行なう。本発明によれば，厚さ数ミクロン
の電気光学結晶導波路が、下部電極である導電性結晶
と、金属などの上部電極に挟まれているため、小さな印
加電圧で電気光学結晶導波路内に大きな電界が生じ、大
きな光屈折率変化を生む。
【０００８】この本発明の作用を、図２を用いて説明す
る。図２の左側に示すように、従来型の表面電極の場
合、表面電極間の距離はフォトリソグラフィの精度で決
まり、光素子の場合電極間隔は１〜２ミクロン程度以上
である。一般に電界強度Ｅは電極間の電圧Ｖと距離ｄを
用いて、Ｅ＝Ｖ／ｄで表されるが、表面電極の場合、電
極間を直線で結ぶ水平方向の電界強度がこの式で与えら
れ、電極下の導波路中での電界強度はこの値より小さ
い。さらに図の左下に示したように有効に作用する電界
ＥZは電界のｚ方向の成分なのでさらに小さい値とな
る。
る。図２の左側に示すように、従来型の表面電極の場
合、表面電極間の距離はフォトリソグラフィの精度で決
まり、光素子の場合電極間隔は１〜２ミクロン程度以上
である。一般に電界強度Ｅは電極間の電圧Ｖと距離ｄを
用いて、Ｅ＝Ｖ／ｄで表されるが、表面電極の場合、電
極間を直線で結ぶ水平方向の電界強度がこの式で与えら
れ、電極下の導波路中での電界強度はこの値より小さ
い。さらに図の左下に示したように有効に作用する電界
ＥZは電界のｚ方向の成分なのでさらに小さい値とな
る。
【０００９】一方、図２の右側に示す本発明による方法
では、電気光学結晶薄膜は１〜２ミクロン程度で、電極
間隔は従来の表面電極の場合とほぼ同等であるが、図中
矢印で示す電気力線に見られるように、それによる電界
が全て有効に作用する。このため本発明による方法では
従来方法と同じ有効電界強度を得るのに必要な印加電圧
が小さく、消費電力も少ない。
では、電気光学結晶薄膜は１〜２ミクロン程度で、電極
間隔は従来の表面電極の場合とほぼ同等であるが、図中
矢印で示す電気力線に見られるように、それによる電界
が全て有効に作用する。このため本発明による方法では
従来方法と同じ有効電界強度を得るのに必要な印加電圧
が小さく、消費電力も少ない。
【００１０】図３は本発明の一実施例としての方向性結
合器型光変調器の構造を示す。まずｚカットのタンタル
酸リチウム（以下ＬＴ）結晶基板１５上にZnO結晶を成
長させ、これを下部結晶電極４とする。その上にさらに
ＬＴ結晶薄膜１３をヘテロエピタキシャル成長させる。
方向性結合器型のプロトン交換光導波路１を上述の場合
と同様に作製する。方向性結合器型導波路の２本の平行
線路部分の上に、フォトリソグラフィによって電極パタ
ーンマスクを作製した後、再びZnO結晶薄膜を作製し、
これを上部電極１６、１７とする。下部電極４を０Ｖに
接続し、電源装置９を用いて上部ZnO結晶電極１７に正
電圧を、電源装置８を用いて上部ZnO結晶電極１６に負
電圧を印加する。方向性結合器の平行線路部分がその相
互作用長の奇数倍に等しい場合、電圧が印加されていな
い時には、素子の入射端で左側の導波路に入射した光
は、出射端では右側の導波路から射出する。印加電圧を
調整して相互作用長を変化させ、平行線路部分の長さが
相互作用長の偶数倍になるようにすると、出射端では全
ての光が左側の導波路から射出し、光の進路変更が達成
される。また印加する電圧を調整することにより２つの
導波路からの出力光強度を変化させることができる。
合器型光変調器の構造を示す。まずｚカットのタンタル
酸リチウム（以下ＬＴ）結晶基板１５上にZnO結晶を成
長させ、これを下部結晶電極４とする。その上にさらに
ＬＴ結晶薄膜１３をヘテロエピタキシャル成長させる。
方向性結合器型のプロトン交換光導波路１を上述の場合
と同様に作製する。方向性結合器型導波路の２本の平行
線路部分の上に、フォトリソグラフィによって電極パタ
ーンマスクを作製した後、再びZnO結晶薄膜を作製し、
これを上部電極１６、１７とする。下部電極４を０Ｖに
接続し、電源装置９を用いて上部ZnO結晶電極１７に正
電圧を、電源装置８を用いて上部ZnO結晶電極１６に負
電圧を印加する。方向性結合器の平行線路部分がその相
互作用長の奇数倍に等しい場合、電圧が印加されていな
い時には、素子の入射端で左側の導波路に入射した光
は、出射端では右側の導波路から射出する。印加電圧を
調整して相互作用長を変化させ、平行線路部分の長さが
相互作用長の偶数倍になるようにすると、出射端では全
ての光が左側の導波路から射出し、光の進路変更が達成
される。また印加する電圧を調整することにより２つの
導波路からの出力光強度を変化させることができる。
【００１１】図４は本発明の一実施例としての単一導波
路位相変調器の構造を示す。まずｚカットのＬＮ結晶基
板５上に酸化インジウム結晶を成長させ、これを下部結
晶電極２４とする。その上にさらにＬＮ結晶薄膜３をヘ
テロエピタキシャル成長させる。直線導波路パターンを
チタンで作製した後、CF4+Arガスなどを用いた反応性イ
オンエッチングでＬＮ結晶薄膜表面を削り、その後チタ
ンマスクを化学エッチングにより除去し、リッジ型光導
波路２１を作製する。フォトリソグラフィによって電極
パターンマスクを作製した後、再び酸化インジウム結晶
薄膜を作製し、これを上部電極２７とする。下部電極２
４を接地し、上部結晶電極２７に電源装置９により電圧
を印加すると、電気光学効果によりＬＮ導波路の屈折率
が変化し、導波路内を伝搬する光の位相が変化する。
路位相変調器の構造を示す。まずｚカットのＬＮ結晶基
板５上に酸化インジウム結晶を成長させ、これを下部結
晶電極２４とする。その上にさらにＬＮ結晶薄膜３をヘ
テロエピタキシャル成長させる。直線導波路パターンを
チタンで作製した後、CF4+Arガスなどを用いた反応性イ
オンエッチングでＬＮ結晶薄膜表面を削り、その後チタ
ンマスクを化学エッチングにより除去し、リッジ型光導
波路２１を作製する。フォトリソグラフィによって電極
パターンマスクを作製した後、再び酸化インジウム結晶
薄膜を作製し、これを上部電極２７とする。下部電極２
４を接地し、上部結晶電極２７に電源装置９により電圧
を印加すると、電気光学効果によりＬＮ導波路の屈折率
が変化し、導波路内を伝搬する光の位相が変化する。
【００１２】
【発明の効果】本発明の光変調器及びその製造方法によ
れば、光導波路を上下から変調電極で挟み込む構造と
し、印加電界のすべての成分が電気光学効果に寄与する
ようにして、変調電圧の低減を行なう。そして、下部電
極を導電性結晶材料とし、導波路結晶をその上にヘテロ
エピタキシャル成長させることによりこのような構造を
達成する。
れば、光導波路を上下から変調電極で挟み込む構造と
し、印加電界のすべての成分が電気光学効果に寄与する
ようにして、変調電圧の低減を行なう。そして、下部電
極を導電性結晶材料とし、導波路結晶をその上にヘテロ
エピタキシャル成長させることによりこのような構造を
達成する。
【００１３】これによって、従来問題となってきた電気
光学変調器の駆動電圧の低減がはかられ、低消費電力の
高速光変調器が実現できる。また低電力化により無駄な
発熱も無くなり、高集積化した素子も可能になる。
光学変調器の駆動電圧の低減がはかられ、低消費電力の
高速光変調器が実現できる。また低電力化により無駄な
発熱も無くなり、高集積化した素子も可能になる。
【図１】本発明を用いたマッハツェンダ型光強度変調器
の構成例である。
の構成例である。
【図２】本発明の効果を示すための図である。
【図３】本発明を用いた方向性結合器型光の進路変更を
行う変調器の構成例である。
行う変調器の構成例である。
【図４】本発明を用いた光位相変調器の構成例である。
【図５】従来用いられている光変調器の構成である。
【図６】すでに提案されている低電圧での変調を目的と
した光変調器の構成である。
した光変調器の構成である。
１ プロトン交換光導波路 ２ SiO2絶縁膜 ３ ＬＮ結晶薄膜 ４ 下部ZnO結晶電極 ５ ＬＮ基板 ６、７ 上部金電極 ８、９ 変調電源 １３ ＬＴ結晶薄膜 １５ ＬＴ結晶基板 １６，１７ 上部ZnO結晶電極 ２１ リッジ型光導波路 ２４ 酸化インジウム結晶電極 ２７ 上部結晶電極
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１１年５月１３日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の名称】 光変調器
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は結晶の電気光学効果を利
用した光変調器に関し、特に導電性結晶を下部電極とし
て備えた光変調器及びその製造方法に関する。
用した光変調器に関し、特に導電性結晶を下部電極とし
て備えた光変調器及びその製造方法に関する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１２】
【発明の効果】本発明の光変調器によれば、光導波路を
上下から変調電極で挟み込む構造とし、印加電界のすべ
ての成分が電気光学効果に寄与するようにして、変調電
圧の低減を行なう。そして、下部電極を導電性結晶材料
とし、導波路結晶をその上にヘテロエピタキシャル成長
させることによりこのような構造を達成する。
上下から変調電極で挟み込む構造とし、印加電界のすべ
ての成分が電気光学効果に寄与するようにして、変調電
圧の低減を行なう。そして、下部電極を導電性結晶材料
とし、導波路結晶をその上にヘテロエピタキシャル成長
させることによりこのような構造を達成する。
Claims (9)
- 【請求項１】 電極間に電圧を印加して光導波路中に電
界を発生し、この電界により結晶の光に対する屈折率が
変化する電気光学効果を利用して光導波路部分の屈折率
を変化させて光変調を行う光変調器において、 下部導電性結晶電極と、 該結晶電極の上にヘテロピタキシャル成長した結晶を用
いて作成する電気光学効果を有する結晶導波路と、 該結晶導波路の上に装荷した上部変調用電極と、 からなることを特徴とする光変調器。 - 【請求項２】 前記下部結晶電極が、ニオブ酸リチウム
結晶基板上に成長させた酸化亜鉛結晶、又は基板と兼用
の酸化亜鉛結晶からなり、 前記結晶導波路が、前記下部結晶電極上にヘテロエピタ
キシャル成長させたニオブ酸リチウムから構成される、 ことから成る請求項１に記載の光変調器。 - 【請求項３】 前記上部変調用電極が、酸化シリコン膜
を介して蒸着された金電極から成る請求項１又は２に記
載の光変調器。 - 【請求項４】 前記下部結晶電極が、タンタル酸リチウ
ム結晶基板上に成長させた酸化亜鉛結晶からなり、 前記結晶導波路が、前記下部結晶電極上にヘテロエピタ
キシャル成長させたタンタル酸リチウムから構成され、 前記上部変調用電極が、酸化亜鉛結晶薄膜から構成され
る、 ことから成る請求項１に記載の光変調器。 - 【請求項５】 前記結晶導波路をマッハツェンダ型と
し、かつ前記上部電極をマッハツェンダ型導波路の各分
岐に個別に装荷して、光の強度変調を行うことから成る
請求項１に記載の光変調器。 - 【請求項６】 前記結晶導波路を方向性結合器型とし、
かつ前記上部電極を方向性結合器型導波路の各導波路に
個別に装荷して、光の進路変更を行うことから成る請求
項１に記載の光変調器。 - 【請求項７】 前記結晶導波路が単一線に構成されて、
光の位相変調を行うことから成る請求項１に記載の光変
調器。 - 【請求項８】 前記下部結晶電極が、ニオブ酸リチウム
結晶基板上に成長させた酸化インジウム結晶からなり、 前記結晶導波路が、前記下部結晶電極上にヘテロエピタ
キシャル成長させたニオブ酸リチウムから構成されたリ
ッジ型導波路であり、、 前記上部変調用電極が、酸化インジウム結晶薄膜から構
成される、 ことから成る請求項７に記載の光変調器。 - 【請求項９】 電極間に電圧を印加して光導波路中に電
界を発生し、この電界により結晶の光に対する屈折率が
変化する電気光学効果を利用して光導波路部分の屈折率
を変化させて光変調を行う光変調器の製造方法におい
て、 下部導電性結晶電極の上にヘテロピタキシャル成長した
結晶を用いて電気光学効果を有する結晶導波路を作成
し、 該結晶導波路の上に上部変調用電極を装荷する、 ことを特徴とする光変調器の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13522898A JP2963989B1 (ja) | 1998-05-18 | 1998-05-18 | 光変調器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13522898A JP2963989B1 (ja) | 1998-05-18 | 1998-05-18 | 光変調器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2963989B1 JP2963989B1 (ja) | 1999-10-18 |
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