JPS588485B2 - コタイハクマクコウヘンチヨウソシ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 最近、コヒーレントな光源としてのレーザーの開発の進
展と相俟って、一度に非常に多くの情報を処理できる光
通信やオプトエレクトロニクスの分野に多くの関心が持
たれるようになった。

その１例として、ある種の単結晶に電界を印加しその電
界を変化させて、結晶の屈折率を変化させることにより
、結晶中を通過する光の位相を変化させる固体光変調素
子が提案された。

しかし、この固体光変調素子は、■印加する電界が通常
高電界を必要とするため、作動電圧が高いこと、■電界
の変化により光変調を行うため、電気的ノイズが直接変
調ノイズとなる可能性が大きいなど、実用上重大な問題
点を有するものであった。

本発明はこれらの欠点を一挙に解決すると共にさらに多
くの応用も可能ならしめる画期的な固体薄膜光変調素子
を提供することを目的とするものである。

本発明は電気光学効果と光伝導効果を共に有する薄膜単
結晶に一定の電界を印加することにより形成された光導
波路に、近接した外部光源より発する強度変調された光
を照射し導波路付近の光伝導特性を変化せしめ，導波路
を通過する光の位相変調を行う固体薄膜光変調素子に関
する。

第１図に従って本発明の素子の構成を以下に詳述する。

ａは素子の斜視図であり、ｂは基板１と光導波層２と短
絡用電極３，４のみを示した図である。

基板１は本発明の目的に沿って適宜選択された材料を用
いて構成されるが，光導波層２を形成する物質よりも屈
折率の小さな物質を選ばなけ？ばならない。

次に光導波層２を形成する物質は光伝導効果と、一次の
電気光学効果、即ちポツケルス効果を共に有する物質の
単結晶で構成される。

例えばＢｉ１ＳＩ０２０などのビスマスシレナイト族の
酸化物、ＺｎＳ， ＺｎＳｅなどのｎ −ＩＶ半導体な
どが適当であるが、本発明に係る固体薄膜光変調素子は
光導波層２の光伝導特性を利用して、外部からの変調光
８により、光導波路内を通過する光９の位相変調を行う
事を目的としているから、中でもＢｉ２Ｓｉ０２ｏなど
の光伝導特性の波長依存性の顕著な材料が好適である。

これらの物質の単結晶は予め切り出した結晶を基板単結
晶１上に接合しても良いし、エピタキシャル成長法など
の結晶構造的方法によって基板１上に生成したものでも
よい。

光導波層の厚さは基板結晶１の屈折率、厚さ及び導波光
の伝播モードなどによって適当に決定される。

光導波層２の表面に導波光９を両側からはさむように光
伝導キャリャーを消去するための一対の短絡用電極３，
４を蒸着などの方法で形成し、これらの電極を含め、光
導波層２の表面を透明な絶縁フイルム５で覆い、さらに
その上に上記短絡用電極３，４に対向する形で、一対の
導波路形成用電極６，７を形成する。

そして、これらの素子の上方には外部からの変調用光源
が配置され，透明絶縁層５を通して光導波層２へ強度変
調された光８が照射される。

上記変調用光源としては強度変調可能な任意の光源を用
いることができるが、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）
を用いると、順方向の電流の制御により、容易に発光強
度を制御できるので好都合である。

他方、上記光変調素子の被変調光となる光９の光導波路
への導入は第１図のように導波層２の片側の端面に直接
入射させても良いし、プリズム又は回折格子などによっ
て外部の光導波路からの光を上記素子に結合して導入す
ることもできる。

次に光導波層２の材料として１３１１２ Ｓｉ０２ｏの
単結晶を用いた本発明の光変調素子の作動原理を具？的
に述べる。

実施例 光導波層２としてＢｉ１ＳｉＯ０の単結晶を用い上記の
如く光変調素子を構成する。

なお、この場合基板１の材料としてはＢ ｉｔ ２ Ｇ
ｅＯ。

などの結晶が適当である。

基板１にＢｔ １２ Ｓ ｉ０２０の単結晶を接合する
場合、単結晶の方向は第２図の如く、＜１１１＞方向が
導波光の進行方向と垂直で、光導波層２の表面に平行な
方向を向くように設定される。

Ｂｉ２ＳｉＯ。の単結晶は前記の如く、光伝導特性の波
長依存性が大きいため、本発明の素子を構成する材料と
して好適であるが、第３図にＢｔｌＳｉＯ２ｏの単結晶
の光伝導電流と波長との関係を示すグラフを示した。

この図から明らかなように、光伝導電流の値は波長６３
３ｎｍと波長５４４ｎｍとではｌ：５００の比であり、
５４４ｎｍの照射光に対しては５３３ｎｍの照射光によ
るＢ ｉ１２ Ｓ ｔｏ２ｏ単結晶の光電流は無視する
ことができる。

例えば波長６３３ｎｍの１ｍＷの光を照射されたＢｉ１
２ Ｓｉ０２０の単結晶の抵抗率は１０ｌ３Ωぼであり
、同じく１ｍＷの波長５４４ｎｍの光照射を受けている
結晶のそれは１０５〜１０θΩαで暗黒中のＢｔ １２
８１０２０単結晶の固有抵抗値１０ｌ５Ω儂に対して
、波長６３３ｎｍの光の光伝導性は無視できる程に小さ
い。

又、Ｂ＋ １ ２ Ｓ Ｉ ０２ｏの単結晶の光吸収端
は３８０ｎｍ近辺であり、エネルギー禁制帯巾は常温で
３．２ｅＶであるから、外部からの変調光８としては可
視光の青色〜紫色、即ち、４００〜５００ｎｍを主波長
とする光が望ましい。

次に導波路形成用電極６，７に一定電圧が印加されると
、導波層２を構成するＢｉ １２ Ｓｉ０２ｏ単結晶の
＜１１１＞方向に一定電界が形成される。

この結晶は体心立方晶に属し、電気光学係数ｒはｒ４１
のみがＯでないので、＜１ １ １＞方向と垂直な面内
にある互いに直交する座標系に於て、屈折率橢円体面は
第５図の如くｎ１、ｎ２を各座標の交点として与えられ
る。

で与えられる。

従って座標軸１及び２と４５゜をなす角変の偏光面を持
つ光が，一定電界下の光導波層２を構成するＢｉ１２Ｓ
ｉＯ２ｏの単結晶中を通過する際に位相変化を受ける。

即ち、入射光９は光軸１及び２の成分に分れて結晶内を
伝播し、光軸１方向へは屈折率がｎ，なる変化する。

ただしλは入射光の波長である。従って導波光が再び結
晶外へ射出する時の位相で与えられることになる。

Ｂｉ１２ＳｉＯ２ｏ単結晶の場合ｒ４１−５×１ ０ｌ
ＯＶ−１、ｎｏ＝２．５４であるから、λ−６ ３ ３
ｎｍ， Ｌ＝１０ｃｍとすると、半波長の位相変化を
生ずる電場Ｅは（３）式より４．４６ＫＶ／ｃｍとなる
。

一般的には、第２図において電極間距離をｄとするとＥ
＝Ｖ／ｄによって与えられる電場Ｅと（３）式から所定
の位相変化Ｆが得られる。

こうして電極６，７間に一定電圧を印加することにより
、一定の電気光学効果の生じている光導波層２に上方よ
り光感度の高い波長領域の光８を照射すると、光導波層
２内に光伝導効果による自由キャリャーが発生し、それ
に伴う伝導性を帯びることになる。

光強度と自由キャリャー濃度は比例するから、照射する
光強度に応じて光導波層の光照射を受けた部分の抵抗率
が変化し、それに応じて入射光９のリターデーションも
変化する。

つまり、光導波路を通過する光９は外部から変調光８の
強度変化に応じて位相変調を受けることになる。

例えば、パルスコード変調された光を変調光８として使
用すると、第６図の如く外部光源がＯＮの時、即ち発光
しているときリターデーションＦはｏｆｆのときのＦ。

よりΔＦだけ変化を受ける。次いで外部光源がｏｆｆに
なった時、光導波路を構成しているＢｌ １２ＳｉＯ２
０単結晶の抵抗値は前記の如くほぼ物質の固有抵抗値に
もどることになる。

しかし外部変調光８によって生じた光伝導キャリャーが
それぞれ定電圧が印加されている電極６，７の方へ走行
し光導波層２の表面で電極６，７に近い所でトラツプさ
れ、導波層の固有抵抗が高いため短時間では消滅するこ
となく、光導波路付近に残存しているため、外部の変調
光８がｏｆｆ状態？なっても、上記残存光伝導キャリャ
ーによる内部電界によって導波光９はかなりの変調を受
け、すぐに元の値Ｆ。

にもとらない。このため、このままでは速い応答速度を
持った光変調素子として使用することができない。

そこで本発明の光変調素子では導波層２の表面に設けら
れた一対の短絡用電極３４によって、残存する自由キャ
リャーを消去し、速やかに元の状態に復帰する、つまり
応答速度の速い光変調が可能なように構成されている。

しかるに短絡用電極３，４が光導波路であるＢｉ１Ｓｉ
Ｏ２０に対して非オーミツク接触であると、短絡用電極
３，４と光導波路との接触部分に存在？るトラツプされ
たキャリャーは完全には除去されず、長時間の動作を行
なうと短絡用電極を設けた効果が減少する。

本発明は、Ｂ ｉ１ＳｉＯ２０に対して上記短絡用電極
にＡｌ薄膜を用いて、良好なオーミツク接触を成さしめ
、短絡用電極の効果を更に完全にさせるものである。

さて半導体等において、オーミックの電極を探？すると
き仕事関数Ｗｆの異なる金属を蒸着し、その電圧電流特
性を測定するこ吉はよく行われる。

鏡面研磨したＢｉｌＳｉ０２ｏウエハに対してＡｕ （
Ｗｆ＝４．５８ｅＶｌ、Ａｇ （Ｗｆ＝ ４．２ ８
ｅ Ｖ ）、Ｉ ｎ （ Ｗｆ ＝４．ＯｅＶ）Ａｌ（
Ｗｆ＝３．７４ｅＶ）の四種の金属をタングステンヒー
タを用いて、１〜２×１０−５ｍｍＨｇの真空中で０．
２μの厚さに蒸着して電圧電流特性を測定した。

第Ｔ図は測定に用いた電極構造及び測定回路を示す図で
ある。

図において１４．１５は蒸着電極でその間隔に光を照射
する。

１６はＢｉ１Ｂｉ０２ｏ単結晶ウエハであり、１７はＯ
〜５２０■までの可変直流電源である。

１８，１９はそれぞれ電圧計、電流計である。

測定においては、実際に使用されるときに照射？れる青
ないし紫光と同一条件になるようＡｒレーザーの４５７
９Åの光を用いた。

第８図はＡｒレーザーの照射光強度が０．１ｍＷの時の
電圧一電流特性を示す図であり、横軸は直流電源１７に
より印加された電圧Ｖを、縦軸は光照射下で試料中を流
れる電流、光電流■を示す。

この図よりＩ ｏｃ ｖ １゛０となる，ｌが最も良い
オーミツク電極となることがわかる。

ここで光電流の絶対値の差は各金属を蒸着したＢｔ １
２ＳｉＯ０ウエハ自体の差である。

第９図はさらに照射光を１０２倍し、１０ｍＷとした時
のＶ−１特性を示す図であり、ここでもＡｌが最も良い
オーミツク電極となることがわかる。

Ａｕ、Ａｇについては明らかにオーミツクからずれてお
り、Ｉｎはオーミツクに近いがその傾きは第８図の０．
１ｍＷ照射の時Ｉ ，． Ｖｌ，２であり、ＡｌのＩ，
，，■１−０程良くない。

以上のように、Ａｌは光強度が０．１〜１ ０ ｍＷの
広範囲において良好なオーミック電極となることが明ら
かとなった。

次に本発明の動作方式について説明する。

例えば第４図ａに示す如く、外部変調光がｏｆｆになっ
た時、同時に短絡用電極３，４が短絡され光導波層２内
の残留電荷を消去してしまうように外部変調光源回路の
スイッチＳ３と短絡用電極回路のスイッチＳ２を同期さ
せておく。

第４図ｂには、外部変調光源、光導波路形成電源導波層
短絡用電源、位相差Ｆの間の動作状態の関係を時間的に
示したものであり、先ず短絡用電源がｏｆｆの状態で変
調電源と導波路形成電源は同時にｏｎになり導光９は位
相変調ΔＦを受ける。

次に変調調用光源と導波路形成電源が共にｏｆｆになる
と同時に短絡用スイッチはｏｎになり、導波路内の残留
電過は良好なオーミツク電極を通して消去され、位相差
Ｆも速やかに元の値Ｐ。

に復帰する。

この動作を繰り返えすことにより、パルスコード変調に
よる高速度光変調が可能となる。

なお、上記スイッチには半導体スイッチを使う方が望ま
しい。

以上のように本発明の固体光変調素子は薄膜光導波路を
使用するため、従来の固体光変調素子に較べて高効率作
動であり、極めて応答速度が速く．かつ雑音が少く，Ｓ
／Ｎ比が大きい優れた光変調素子であり、さらに短絡用
電極としてオーミツクなＡ７を使用しているため，長時
間の使用でも短絡用電極の効果は何らそこなわれること
がない。

又音響波を利用する方式の他の光変調素子のように複雑
な形状の櫛形電極や透明電極を使用する必要がないので
電極付けの工程が極めて簡単であり、製造工程も非常に
簡略化され得る。

又本発明の導波路形成電圧は５００■以下の低電圧で作
動させることができ一定電圧又は単純なＯＮ−ＯＦＦ回
路で良いため、他の変調素子のような複雑な変調信号を
得るための回路が不要である。

さらに本発明の変調素子は光一光結合を有機的に行うこ
とができる。

即ち、光信号としてＬＥＤの代りに光伝導効果を生ずる
波長域の光を配置すれば、この光信号を光伝導に寄与し
ない波長域の光の光信号に直接変換可能であり、直ちに
光集積回路素子としての応用が期待できるなど画期的な
？変調素子が提供できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは本発明の素子の斜視図、ｂはそのうち基板１
と表面に短絡用電極３，４を有する光導波層２のみを示
したものである。 第２図は素子と光導波層を構成するＢｌ １２ Ｓｉｎ
，，，単結晶の方位の関係を示した図である。 第３図はＢｉ１２ Ｓ ｔ０２０単結晶の波長に対する
光伝導特性を示したグラフである。 第４図ａはパルスコード変調された外部光と導波路形成
電源と短絡用電源を同期させた場合の構成を示す図面で
あり、第４図ｂはそれらの関係を時間的に示したもので
ある。 第５図はＢｔ１ＳｉＯ ２単結晶の（１ １ １＞方向
を含み、光の進行方向に垂直な面内の屈折率橢円体面を
批わした図？ある。 第６図はパルスコード変調された外部照射光によるリタ
ーデーションＦの変化を示すグラフである。 第７図は電圧一電流特性の測定に用いた電極構造及び測
定回路を示す図である。 第８図及び第９図は各電極材料に対する電圧一電流特性
の測定結果を示す図で、第８図は照射光が０．１ｍＷの
時、第９図は同じ（１０ｍＷの時を示す。 符号の説明、１・・・−・一基板、２・・・・・・光導
波層、３，４・・・・・・短絡用電極、５・・・・・・
透明絶縁層、６，１・・・・・・導波路形成用電極、８
・・・・・・外部変調光、９・・・・・−導波光、１０
・・・・・・変調回路、１１，１２，１３・・・・−・
スイッチ機構、１４，１５・・・・・・電極、１６・・
・・・・Ｂｔ１ＳｉＯ２ｏ単結晶ウエハ、１７・・・・
・・可変直流電源，１８・・・・・・電圧計、１９・・
・・・・電流計。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板上に光伝導効果とポツケルス効果を共に有する
   単結晶から成り、その表面に光伝導キャリャーを消去す
   るための一対の短絡用電極を設けた１３＋ １２ Ｓ
   ｉＯ。 を用いた光導波層を接合し、さらにその上に透明絶縁層
   を介して導波層内に一定の電位勾配を与えるための一対
   の電極が設けられた素子の上方から強度変調された光を
   照射し、導波路内を通過する導波光の位相を変調せしめ
   るように構成されると共に、上記短絡用電極としてＡＡ
   薄膜によるオーミツク電極を用いて成ることを特徴とす
   る固体薄膜光変調素子。