WO2002023261A1 - Modulateur optique de type guide d'onde optique et son procede de production - Google Patents

Modulateur optique de type guide d'onde optique et son procede de production Download PDF

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WO2002023261A1
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optical modulator
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Hirotoshi Nagata
Yasuyuki Miyama
Futoshi Yamamoto
Takashi Shinriki
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Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd.
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    • G02F2203/21—Thermal instability, i.e. DC drift, of an optical modulator; Arrangements or methods for the reduction thereof

Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide type optical modulator suitably used for an optical fiber communication system and the like, and a manufacturing method thereof.
  • an optical waveguide type optical modulator 140 as illustrated in FIG. 9 has been used in an optical fiber communication system and the like.
  • an optical waveguide 144 is formed on a substrate 141 having an electro-optic effect, and guided light propagating through the optical waveguide 142 is applied to a traveling wave signal electrode 1 This is controlled by 43 a and the ground electrode 144 b.
  • an insulating material such as silicon oxide is placed on the substrate 14 1 so that the guided light traveling through the optical waveguide 142 is not absorbed by the electrode 144.
  • a buffer layer 144 made of a material is formed.
  • a signal electric field adjustment region 144 having a wider width than the traveling-wave signal electrode 144a.
  • the effective refractive index of the microwave propagating through the electrode 144 can be adjusted.
  • Such an optical waveguide type optical modulator 140 can be manufactured, for example, by the following method. First, an optical waveguide 144 is formed on the surface layer of a ferroelectric substrate 1441 by a thermal diffusion method, and then a buffer layer 144 is formed on the substrate 141 by a vacuum deposition method ⁇ sputtering method. I do. Next, a signal electric field adjusting region 144 is formed at a predetermined position on the buffer layer 144. Then, a traveling-wave signal electrode 144 a is formed at a predetermined position on the signal electric field adjustment region 144, and the signal electric field adjustment region on the buffer layer 144 is formed. , ⁇ I
  • a ground electrode 144b is formed at a predetermined position other than 144.
  • a lift-off method or an etching method is usually used for forming the signal electric field adjusting region 145.
  • a photoresist is applied on the buffer layer 144. Then, after exposing a desired pattern on the photoresist using a photomask, the resist pattern is developed, and a portion other than a predetermined position for forming the signal electric field adjustment region 144 is masked with the resist. State. After that, a metal or semiconductor for forming the signal electric field adjusting region 144 is formed thereon, and then the resist is removed with a resist remover, so that the film on the resist is also removed, and the buffer layer 1 is removed. A signal electric field adjustment region 144 can be formed at a predetermined position on 44.
  • the etching method there is a wet etching method using a liquid.
  • a metal or a semiconductor for forming the signal electric field adjusting region 144 is formed on the buffer layer 144, and then the photo is formed thereon. Apply resist. Then, after exposing a desired pattern on the photoresist using a photomask, the resist pattern is developed to mask a predetermined position for forming the signal electric field adjusting region 145. Next, the exposed portion of the film is removed using an etching agent such as a mixed acid. Then, by removing the remaining photoresist with a resist remover, a signal electric field adjusting region 145 can be formed at a predetermined position on the buffer layer 144.
  • the photoresist is applied directly to the buffer layer and cured, so that the main components and dilution of the photoresist in the buffer layer are formed.
  • the agent may penetrate and contaminate the buffer layer.
  • the buffer layer is made of silicon oxide
  • the surface of the buffer layer may be treated with vapor of an amine-based compound in order to increase the adhesion of the photoresist to the silicon oxide.
  • the buffer layer is also contaminated by amine compounds.
  • the buffer layer When the buffer layer is contaminated, the presence of ions derived from these contaminants promotes the d c drift, resulting in poor long-term reliability of the optical waveguide type optical modulator. Also, if the degree of contamination is large, the insulating property of the buffer layer is greatly reduced, and a part or most of the electric field applied from the electrode spreads through the buffer layer, and the electric field is efficiently applied to the optical waveguide. Therefore, even if the signal electric field adjusting region is provided, the effect may be insufficient.
  • the contamination of the buffer layer greatly affects the performance of the optical waveguide type optical modulator.
  • it is necessary to control the density and microstructure of the buffer layer itself, and also to strictly control the processing conditions of the lift-off process and etching process, but it is extremely difficult to control these conditions. Met.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing another example of the conventional optical waveguide type optical modulator. This example is similar to the example shown in FIG. 9, but the configuration is different.
  • the optical waveguide modulator, the intensity derivative collector substrate made by the using ferroelectric substrate optical waveguide modulator is the most common and practical lithium niobate (L i N b 0 3) Is used.
  • reference numeral 210 indicates a ferroelectric substrate made of Z-cut lithium niobate.
  • the axis of the ferroelectric substrate 210 that exhibits the electro-optical effect is in the Z-axis direction (crystallographic c-axis), which is the main optical axis. As shown in FIG. The direction is orthogonal to the surface on which the optical waveguide 202 is formed (hereinafter, referred to as “principal surface”).
  • the optical waveguide 2 0 2 where the T i is thermally diffused is formed, on its, a buffer layer 2 0 3 consisting of S I 0 2 is formed I have.
  • an electrode 204 made of Au is formed on the buffer layer 203 along the optical waveguide 202.
  • a transition metal layer 205 made of a transition metal such as T i, Cr, or Ni is provided between the electrode 204 and the buffer layer 203.
  • an optical waveguide 202 was formed on a main surface of a ferroelectric substrate 210 by a thermal diffusion method, and an optical waveguide 202 was formed.
  • a rebuffer layer 203 is formed on the ferroelectric substrate 210 on the side by a vacuum evaporation method, a sputtering method, or the like.
  • a transition metal film and an Au film are sequentially formed on the entire upper surface of the buffer layer 203 by a vacuum evaporation method, and further, a region where an electrode 204 is formed on the Au film by an electrolytic plating method.
  • Au is deposited and deposited only on the electrode forming region, and the electrode 204 is formed. Thereafter, the Au film and the transition metal film remaining between the electrodes 204 are removed by chemical etching to form a transition metal layer 205.
  • the contaminant force buffer layer 2 It was easy to invade through the exposed part of 03, which was a problem.
  • dc drift is a phenomenon in which the current applied to the electrode 204 leaks through the buffer layer 203 due to the presence of alkali ions such as K and Na, and mobile ions such as protons.
  • alkali ions such as K and Na
  • mobile ions such as protons.
  • the optical waveguide type optical modulator includes a substrate having an electro-optic effect, an optical waveguide formed on a surface layer of the substrate, and a waveguide provided on the substrate.
  • a signal electric field adjustment region is formed between the dielectric layer and the traveling wave signal electrode, the signal electric field adjustment region having a wider width than the traveling wave signal electrode and a material having a higher refractive index than the dielectric layer. It is characterized by having.
  • the signal electric field adjusting region may be made of silicon, or the substrate may be made of lithium niobate, the buffer layer may be made of silicon oxide, and the dielectric layer may be made of silicon nitride or silicon oxynitride. Further, the thickness of the dielectric layer may be equal to or less than the thickness of the signal electric field adjustment region.
  • the manufacturing method of this type of optical waveguide type optical modulator includes a step of forming a dielectric layer over the entire surface of a buffer layer (1) and a step of forming a signal electric field adjustment region at a predetermined position on the dielectric layer (2) ). Then, in this manufacturing method, in the step (2), after masking a portion other than a predetermined position for forming the signal electric field adjustment region on the dielectric layer, forming a material for forming the signal electric field adjustment region, A step of forming a signal electric field adjustment region at a predetermined position on the dielectric layer by removing the region may be performed. In this case, the mask may be a photoresist, and the mask may be removed by a resist remover. Further, the step (1) of forming a dielectric layer in the above-mentioned manufacturing step may be performed by a sputtering method.
  • the dielectric layer is formed on the entire surface of the buffer layer, even when the signal electric field adjustment region is formed by the lift-off method or the etching method, the resist component and the resist Remover or etchant does not touch buffer layer directly. Therefore, contamination of the buffer layer is prevented, dc drift due to the contamination is suppressed, and an optical waveguide type optical modulator excellent in long-term reliability can be provided.
  • the buffer layer is made of silicon oxide
  • the dielectric layer is made of silicon nitride or silicon oxynitride
  • the signal electric field adjustment region is made of silicon
  • the high frequency characteristics of the optical waveguide type optical modulator are improved, and
  • the refractive index of the layer is It can be adjusted arbitrarily by changing the solid solution ratio of element, so the degree of freedom in designing high frequency characteristics is expanded. Further, since these interfaces are firmly joined by covalent bonds via silicon (S ⁇ ), an optical waveguide type optical modulator having excellent adhesion strength between films is obtained.
  • An optical waveguide type optical modulator is made of a single crystal having an electro-optic effect, and has a ferroelectric substrate having an optical waveguide formed on a main surface thereof; A buffer layer and an electrode provided on the main surface side of the plate, wherein an axis for inducing an electro-optical effect of the ferroelectric substrate is a direction orthogonal to the main surface of the ferroelectric substrate; At least a region of the upper surface of the buffer layer where the electrode is not formed and a side surface of the buffer layer in the optical waveguide direction are electrically insulative and have a thickness of 50 to 200 nm. A film is provided.
  • the protective film is provided over the entire upper surface of the buffer layer including the region where the electrode is formed. It is preferable that the protective film provided on the substrate and the protective film provided on the side surface of the buffer layer in the optical waveguide direction are made of the same material. It is desirable that this protective film is an amorphous film.
  • the method of manufacturing the optical waveguide type optical modulator according to the present embodiment comprises a single crystal having an electro-optic effect, and an optical waveguide for guiding the electro-optic effect to a surface of a ferroelectric substrate in a direction orthogonal to the main surface.
  • the protective film is formed after a ferroelectric substrate on which a buffer layer is formed is subjected to a heat treatment in a film forming apparatus.
  • the buffer layer of this optical waveguide type optical modulator absorbs moisture during the period from the formation of the buffer layer to the formation of the protective layer, which adversely affects the operation stability of the optical waveguide type optical modulator. There is. In particular, when the density of the buffer layer is reduced, the buffer layer becomes very easy to adsorb atmospheric moisture.
  • the protective film is formed with the buffer layer. Since the formed ferroelectric substrate is formed after heat treatment in a film forming apparatus for forming a protective film, the buffer layer absorbs moisture between the time the buffer layer is formed and the time the protective layer is formed. The moisture can be removed by heat treatment. Therefore, an optical waveguide type optical modulator excellent in operation stability can be obtained.
  • the protective film is provided on at least the region where the electrode is not formed on the upper surface of the buffer layer and the side surface of the buffer layer in the optical waveguide direction. Therefore, the surface of the buffer layer and the side surface in the optical waveguide direction of the buffer layer are not exposed. For this reason, an optical waveguide type optical modulator is obtained in which the surface of the buffer layer and the inside of the buffer layer are not easily contaminated.
  • the electrode it is possible to prevent the current applied to the electrode from leaking due to contaminants on the surface of the buffer layer and inside the buffer layer, and to ensure the stable operation of the optical waveguide type optical modulator. it can.
  • the electrode even if a DC bias is applied to the electrode while being superimposed on the high frequency, the electrode has good stability with respect to the applied state. That is, occurrence of d c drift can be prevented.
  • the buffer layer since the buffer layer is not easily contaminated, a decrease in the bonding strength between the ferroelectric substrate and the buffer layer due to the contamination of the buffer layer is unlikely to occur.
  • the protective film is electrically insulating, it is possible to more reliably prevent the current applied to the electrodes from leaking, and to ensure the stability of operation of the optical waveguide type optical modulator. be able to. Therefore, the effect of preventing the occurrence of dc drift can be further improved. Further, since the thickness of the protective film is 50 to 200 nm, generation of dc drift can be effectively prevented.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an optical waveguide type optical modulator according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a process chart showing an example of a method of forming a signal electric field adjusting region of the optical waveguide type optical modulator of FIG.
  • FIG. 3 is a process chart showing another example of a method of forming a signal electric field adjusting region of the optical waveguide type optical modulator of FIG.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the applied bias voltage and the operation time in Examples 1, 2 and Comparative Example 1.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of the optical waveguide modulator according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a sectional view showing another example of the optical waveguide type optical modulator according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a sectional view showing another example of the optical waveguide type optical modulator according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the applied bias voltage and the operation time in Examples 3-5, Comparative Example 2, and the conventional example.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a first configuration example of a conventional optical waveguide type optical modulator.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a second configuration example of the conventional optical waveguide modulator.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an optical waveguide type optical modulator 10 according to a first embodiment of the present invention, and reference numeral 11 denotes a substrate made of a ferroelectric such as lithium niobate.
  • the single crystal of lithium niobate used as the substrate of the optical waveguide type optical modulator of the present invention is relatively easy to grow a large crystal, so that the ferroelectric substrate is made of lithium niobate, so that An integrated device can be realized.
  • the Curie point of a single crystal of lithium niobate is as high as about 1 000 ° C, the degree of freedom of the temperature in the manufacturing process of the optical waveguide type optical modulator is increased.
  • An optical waveguide 12 in which titanium is thermally diffused is formed on the surface layer of the substrate 11 so that light is guided in the length direction of the optical waveguide 12.
  • an electrode 13 for controlling the waveguide light is formed on the substrate 11 on which the optical waveguide 12 is formed.
  • the traveling-wave signal electrode 13a is disposed at the center, and the ground electrodes 13b are disposed on both sides thereof.
  • a buffer layer 1 having a thickness of 200 to 200 nm is provided so that guided light traveling through the optical waveguide 12 is not absorbed by the electrode 13. 4 is provided on the entire surface of the substrate 11.
  • a dielectric layer 15 for preventing the buffer layer 14 from being contaminated when the waveguide type optical modulator 10 is manufactured is provided on the entire surface of the buffer layer 14 in a range of 10 to 200. It is provided with a thickness of nm.
  • the dielectric layer 15 and the traveling-wave signal electrode 13a there is a wider page than the traveling-wave signal electrode 13a, and the refractive index is higher than that of the dielectric layer 15.
  • a signal electric field adjusting region 16 made of a large material and having a thickness of 10 to 200 nm is formed, so that the effective refractive index of the microwave propagating through the electrode 13 can be adjusted.
  • the buffer layer 14 is usually formed from a substance having a small dielectric constant, that is, a low refractive index.
  • a substance having a small dielectric constant that is, a low refractive index.
  • the use of such a material is preferable because the high-frequency characteristics (band) of the modulator can be extended.
  • chemically stable silicon oxide is used.
  • the dielectric layer 15 is also preferably formed of a material having a small refractive index for the same reason as in the case of the buffer layer 14, and for example, silicon nitride or silicon oxynitride is used. Further, in silicon oxynitride, the refractive index can be arbitrarily adjusted from a value close to silicon to a value close to silicon oxide by adjusting the solid solution ratio of nitrogen and oxygen.
  • the signal electric field adjusting region 16 is usually formed of a metal or a semiconductor as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-36565. Therefore, the signal electric field adjustment region 16 necessarily has a higher refractive index than the buffer layer 14 and the dielectric layer 15.
  • a material having a low refractive index is selected in order to suppress deterioration of the high-frequency characteristics of the optical waveguide type optical modulator 10.
  • the thickness be as thin as possible to about 100 nm or less. Further, by setting the thickness to be equal to or less than the thickness of the signal electric field adjusting region 16, the high frequency characteristics of the optical waveguide type optical modulator 10 are further improved.
  • the optical waveguide type optical modulator 10 Since the high-frequency characteristics are excellent, and the refractive index of the dielectric layer 15 can be arbitrarily adjusted, the degree of freedom in designing the high-frequency characteristics is widened. Further, since these interfaces are firmly joined by covalent bonds via silicon (Si), the adhesion strength between the films is preferably improved.
  • silicon oxide (Si-O) having a low refractive index is preferably used.
  • the protective film is made of silicon (S ⁇ ), silicon nitride (S i-N), silicon oxynitride (S ⁇ — ⁇ — ⁇ ), and silicon oxide (S i I) and the like are preferably used.
  • the dielectric layer 15 is provided on the entire surface of the buffer layer 14 as described above, contamination of the buffer layer 14 at the time of manufacturing the optical waveguide type optical modulator 10 can be suppressed as described in detail below. Thus, a high-performance optical waveguide optical modulator 10 with reduced dc drift can be manufactured.
  • an optical waveguide 12 is formed on the surface of a substrate 11 having an electro-optic effect by a thermal diffusion method of titanium.
  • a buffer layer 14 is formed on the substrate 11 on which the optical waveguide 12 is formed by a vacuum evaporation method or the like.
  • heat treatment is performed for about 5 to 10 hours in an oxidizing atmosphere at a temperature of 500 to 700 ° C.
  • a dielectric layer 15 is formed on the entire surface of the buffer layer 14 by the step (1) as shown in FIG. 2A. Since the dielectric layer 15 is provided to prevent the buffer layer 14 from being contaminated, it is preferable that the dielectric layer 15 be as dense as possible, and is usually formed by a sputtering method.
  • a signal electric field adjusting region 16 made of a material having a higher refractive index than the dielectric layer 15 is formed at a predetermined position on the dielectric layer 15.
  • the lift-off method is preferable because the force process performed by the lift-off method, the etching method, or the like is simple, and the condition setting is easier than the etching method.
  • a photoresist 18 is spin-coated on the entire surface of the layer 5 and cured, a portion for forming the signal electric field adjusting region 16 is exposed using a photomask.
  • this is developed to remove the photoresist 20 at the portion where the signal electric field adjustment region 16 is to be formed. As shown in FIG. 2A, a portion other than the predetermined position where the signal electric field adjustment region 16 is to be formed is formed. Masked with photoresist 18.
  • a film 16a made of a material such as silicon for forming the signal electric field adjustment region 16 is formed on the entire surface of the dielectric layer 15 masked by the photoresist 18 by a sputtering method or It is formed by a vacuum evaporation method.
  • the film other than the predetermined position where the signal electric field adjusting region 16 is formed together with the mask can also be removed, and as shown in FIG. 2D, the signal electric field adjusting region is provided only at the predetermined position. 16 can be formed.
  • FIGS. 3A to 3D show a method of forming the signal electric field adjusting region 16 by the wet etching method.
  • a metal or semiconductor film 16 a for forming the signal electric field adjustment region 16 on the dielectric layer 15 is formed.
  • a photoresist 18 is applied thereon.
  • the resist pattern is developed, and as shown in FIG. 3B, the signal electric field adjusting region 1 is formed.
  • a predetermined position for forming 6 is masked by the photoresist 18.
  • only the exposed portion of ⁇ 16a is removed using an etchant consisting of a mixed acid (Fig. 3C).
  • a signal electric field adjusting region 16 is formed only at a predetermined position on the dielectric layer 15 as shown in FIG. 3D.
  • the dielectric layer 15 is provided on the buffer layer 14, and therefore, the photo-electric field is formed on the dielectric layer 15 instead of the buffer layer 14.
  • the surface of the photoresist 18 to be applied is exposed to vapor of an amine compound. Even if surface treatment is required, if the dielectric layer 15 is provided on the buffer layer 14, since the buffer layer 14 does not need to be surface-treated, contamination due to the surface treatment can be suppressed. .
  • a solvent such as a developing solution or a resist removing agent is used when developing or removing the resist pattern, or when forming a metal or semiconductor for forming the signal electric field adjusting region 16.
  • a solvent such as a developing solution or a resist removing agent is used when developing or removing the resist pattern, or when forming a metal or semiconductor for forming the signal electric field adjusting region 16.
  • the signal electric field adjusting region 16 is formed by the wet etching method, if the dielectric layer 15 is provided, the etching solution and the resist removing agent do not directly contact the buffer layer 14, so that the buffer layer 14 is not used. Layer 14 is not contaminated.
  • Type optical modulator 10 can be manufactured.
  • a decrease in the dielectric property of the buffer layer 14 due to contamination can be suppressed, and a part or most of the electric field from the electrode 13 does not spread through the buffer layer 14, and the efficiency of the optical waveguide 12 is improved. Electric field can be applied. Therefore, the effect of providing the signal electric field adjusting region 16 can be sufficiently exerted.
  • an optical waveguide type optical modulator 10 having excellent reliability can be manufactured only by providing the dielectric layer 15 on the buffer layer 14, so that the lift-off process can be performed. There is no need to strictly control the processing conditions of the etching process.
  • the traveling-wave type electrode 13a is formed on the signal electric field adjusting region 16 by an Au plating method or the like, and the ground electrode 13 is formed.
  • b is formed on the dielectric layer 15 exposed on both sides of the signal electric field adjustment region 16.
  • Such an optical waveguide type optical modulator 10 can be used as an optical intensity modulator and a phase modulator, and can also be used as an integrated modulator by combining a plurality of them.
  • Example 1 An example of this embodiment of the present invention will be described specifically.
  • the optical waveguide type optical modulator 10 shown in FIG. 1 was manufactured as follows.
  • the surface of the ferroelectric substrate 11 made of lithium niobate is diffused with a 90 nm-thick optical waveguide pattern made of titanium in an oxygen atmosphere at 1000 ° C. for 15 hours to obtain an optical waveguide. 1 2 formed.
  • a 100-nm-thick silicon oxide (SiO 2 ) film serving as the buffer layer 14 was formed thereon by a vacuum evaporation method. After a heat treatment for 5 hours in an oxygen stream at a temperature of 500 ° C., a dielectric layer 15 made of silicon nitride having a thickness of 100 nm is formed on the entire upper surface of the buffer layer 14 by a sputtering method. did.
  • a photoresist was spin-coated on the entire surface of the dielectric layer 15 and cured, and then the signal electric field adjusting region 16 was exposed using a photomask. Then, this was developed to remove the photoresist in a portion where the signal electric field adjusting region 16 was formed, and then a silicon film was formed by a sputtering method. Next, the resist is removed with a resist remover, and the resist and the film other than the predetermined position for forming the signal electric field adjustment region 16 are also removed, and a signal electric field adjustment of 100 nm thick made of silicon is formed at the center of the substrate. Region 16 was formed.
  • the traveling wave type electrode 13 a made of A ⁇ is placed on the signal electric field adjusting region 16 by the electrolytic plating method, and the ground electrode 13 also made of Au is formed. b was formed on the exposed dielectric layer 15 on both sides of the signal electric field adjustment region 16.
  • An optical waveguide type optical modulator 10 shown in FIG. 1 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the dielectric layer 15 was formed of silicon oxynitride.
  • An optical waveguide optical modulator was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the dielectric layer was not formed.
  • each optical waveguide type optical modulator is placed in an 85 ° C constant temperature bath, an initial dc bias of 3.5 V is applied, and the device is operated for 24 hours, and the modulation state of the optical output signal is changed by an oscilloscope. While confirming, the applied dc bias was feedback-controlled so that the modulation state was the same as when the initial dc bias was applied, and the fluctuation of the applied bias was recorded.
  • Fig. 4 shows the results.
  • the applied dc bias over time is reduced.
  • the rise was small and the dc drift was suppressed. Therefore, according to the optical waveguide type optical modulator of the present embodiment, long-term operation stability can be improved.
  • an optical waveguide type optical modulator according to a second embodiment of the present invention will be described below.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating an example of the optical waveguide type optical modulator according to the second embodiment of the present invention.
  • this optical waveguide modulator as the ferroelectric substrate of the optical waveguide path type optical modulator using a ferroelectric substrate, the most common and practical niobium Sanli lithium (L ⁇ N b 0 3 ) Is used.
  • reference numeral 21 denotes a ferroelectric substrate made of ⁇ -cut lithium niobate.
  • the axis of the ferroelectric substrate 21 where the electro-optic effect is exhibited is in the ⁇ axis direction (crystallographic c-axis) which is the main optical axis. As shown in FIG. The direction is orthogonal to the plane.
  • an optical waveguide 22 obtained by thermally diffusing T i is formed on the main surface of the ferroelectric substrate 21, an optical waveguide 22 obtained by thermally diffusing T i is formed.
  • the optical waveguide direction of this optical waveguide type optical modulator is the length direction of the optical waveguide 22.
  • a buffer layer 23 is formed on the optical waveguide 22, and a protective film 2 is formed on the entire surface 23 a on the buffer layer 23 and on the side surface 23 b of the buffer layer 23 in the optical waveguide direction. 7 are formed.
  • an electrode 24 made of Au is formed on the protective film 27 so as to extend along the optical waveguide 22.
  • the electrode 24 located at the center is a signal electrode, and the electrodes 24 located on both sides thereof are ground electrodes. ⁇ ⁇ ⁇ , Cr, ⁇ ⁇ , etc., between the electrode 24 and the protective film 27 is J
  • a transition metal layer 25 made of the above transition metal is provided.
  • the buffer layer 2 3 is assumed in which the refractive index is a low S i 0 2.
  • the protective film 27 is an electrically insulating amorphous film, and is made of Si 0 2 which is the same material as the buffer layer 23, and has a thickness of 50 to 2. It is set to 0 nm.
  • an optical waveguide 22 is formed on the surface of the ferroelectric substrate 21 by a thermal diffusion method, and the ferroelectric on the side where the optical waveguide 22 is formed is formed.
  • a rebuffer layer 23 is formed by a vacuum deposition method.
  • heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere at a temperature of 500 to 700 ° C. for 5 to 10 hours.
  • the ferroelectric substrate 21 on which the buffer layer 23 is formed is set in a film forming apparatus for forming the protective film 27, and the entire surface 23a on the buffer layer 23 is formed by sputtering.
  • a protective film 27 is formed.
  • the protective film 27 Prior to the formation of the protective film 27, it is necessary to remove moisture (H 20 , -OH) in the buffer layer 23 and to make the film quality of the protective film 27 stronger.
  • the desired heat treatment may be performed.
  • a transition metal film and an Au film are sequentially formed by a vacuum evaporation method or a sputtering method.
  • Au is deposited and deposited only in an electrode forming region, which is a region where the electrode 24 is formed, by an electrolytic plating method, thereby forming the electrode 24.
  • the Au film and the transition metal film remaining between the electrodes 24 are removed by chemical etching to form a transition metal layer 25 only under the electrodes 24.
  • the ferroelectric substrate 21 is cut in accordance with the chip shape, and a protective layer 27 is formed on the side surface 23 b of the buffer layer 23.
  • a protective layer 27 is formed on the side surface 23 b of the buffer layer 23.
  • a portion other than the side surface 23 b of the buffer layer 23 is protected using a resist or the like, and then the buffer layer 23 is formed. It is formed by the same sputtering method or the like as the protective film 27 formed on the layer 23.
  • the formation of the protective film 27 may be performed while heating, or may be performed after the heat treatment is completed.
  • Heat treatment conditions in this case, for example, temperature 1 0 0 to 3 0 0 ° C, processing time 21 to 0 hour, the degree of vacuum 1 X 1 0- 5 ⁇ 1 x 1 Q - 1 P a, And
  • the protective film 27 is provided on the entire surface 23 a and the side surface 23 b on the buffer layer 23, the buffer layer The surface 23a and the side surface 23b on the surface 23 are not exposed, so that the surface 23a of the buffer layer 23 and the inside of the buffer layer 23 are hardly contaminated.
  • the protective film is provided over the entire upper surface of the buffer layer including the region where the electrode is formed.
  • the entire surface on the buffer layer is covered with the protective film, and during the manufacturing process of the optical waveguide type optical modulator after forming the protective film, The cuff layer can be prevented from being contaminated, and contaminants can be prevented from invading the free layer and the cuff layer.
  • the protective film is formed on the entire surface of the buffer layer, the formation of the protective film is easier than in the case where the protective film is formed on a part of the surface of the buffer layer.
  • the protective film provided on the upper surface of the buffer layer and the protective film provided on the side surface of the buffer layer in the optical waveguide direction are made of the same material.
  • the protective film 27 is electrically insulative, it is possible to prevent the current applied to the electrode 24 from leaking, and to ensure the operation stability of the optical waveguide type optical modulator. . Therefore, occurrence of dc drift can be prevented. Further, since the buffer layer 23 is not easily contaminated, the bonding strength between the ferroelectric substrate 21 and the buffer layer 23 due to the contamination of the buffer layer 23 is not easily reduced.
  • electrically insulating means that the DC current resistance is 20 ⁇ , preferably 5 ⁇ .
  • the buffer layer 23 is less likely to be contaminated, even if the buffer layer 23 has low density, problems due to contamination hardly occur, and the buffer layer 23 having low density is formed.
  • the buffer layer 23 can also be formed by a vacuum deposition method.
  • the density and method of forming the buffer layer 23 can be selected as needed.
  • the thickness of the protective film 27 is 50 to 200 nm, generation of dc drift can be effectively prevented.
  • the thickness of the protective film is less than 50 nm, the effect of preventing contamination of the surface of the buffer layer and the inside of the buffer layer cannot be sufficiently obtained, so that the current applied to the electrode leaks, and dc drift occurs. This is not preferable because it may not be possible to sufficiently prevent the occurrence of phenomena.
  • the thickness of the protective film exceeds 200 nm, most of the buffer layer thickness (approximately 1 jU m), which is originally adjusted and optimized to control the dc drift, This is not preferable because the buffer layer is occupied by a protective film different from that of the buffer layer, so that the effect of the buffer layer is significantly reduced and the effect of preventing the occurrence of dc drift is reduced.
  • a protective film 27 is also provided between the buffer layer 23 and the transition metal layer 25 provided below the electrode 24, and the entire surface 23 a on the buffer layer 23 is covered with the protective film. Since it is covered with 27, it is possible to prevent the buffer layer 23 from being contaminated during the manufacturing process of the optical waveguide type optical modulator after the formation of the protective film 27.
  • the buffer layer 23 is contaminated by a process such as chemical etching of the Au film and the transition metal film in the step of forming the transition metal layer 25 and the electrode 24 on the protective film 27. Can be prevented.
  • the protective film 27 is formed between the buffer layer 23 and the transition metal layer 25, the buffer layer 23 and the transition metal layer 25 do not come into contact with each other, and the buffer layer The transition metal layer 25 is oxidized by moisture adsorbed on 23 and the transition metal layer 25 becomes brittle, and the bonding strength between the buffer layer 23 and the transition metal layer 25 is weakened. The phenomenon that the reliability of the optical modulator is reduced can be prevented. Furthermore, by forming a protective film 27 over the entire surface 23a on the buffer layer 23, The formation of the protective film 27 is easier than when the protective film 27 is formed on a part of the surface 23 a on the buffer layer 23.
  • the protective film 2 7 since consisted of S i 0 2, the protective film 2 7 and the buffer layer 2, such as 3 in the thermal expansion rate physical properties are the same city of Li, and the protective film 2 7 buffer The adhesive strength with the layer 23 becomes good.
  • the ferroelectric substrate 21 is made of lithium niobate, which is relatively easy to grow a large crystal, a large integrated device can be realized. Further, since the Curie point of a single crystal of lithium niobate is as high as about 1000 ° C., the degree of freedom of the temperature in the manufacturing process of the optical waveguide type optical modulator can be improved. Further, since the transition metal layer 25 is provided between the electrode 24 and the protective film 27, the bonding strength between the electrode 24 and the protective film 27 can be improved.
  • the transition metal layer 25 forms an alloy (solid solution) or forms an intermetallic compound at the interface with the chemically inactive Au electrode 24, and forms an interface with the protective film 27.
  • it has a function as an adhesive for chemically bonding and bonding the electrode 24 and the protective film 27. Therefore, the bonding strength between the electrode 24 and the protective film 27 can be improved.
  • the protective film 27 is formed by the sputtering method, the protective film 27 can be easily formed.
  • the entire protective film 27 is made of the same material, it can be easily manufactured with a small number of manufacturing steps.
  • the ferroelectric substrate 21 on which the buffer layer 23 is formed is subjected to heat treatment in a film forming apparatus for forming the protective film 27, and then the protective film 27 is formed, the buffer layer 23 is formed. Even if the buffer layer 23 adsorbs moisture during the period from the formation to the formation of the protective film 27, the moisture can be removed by a heat treatment. Therefore, it is possible to obtain an optical waveguide type optical modulator having excellent operation stability.
  • a protective film 27 on the entire surface 23 a and the side surface 23 b on the buffer layer 23.
  • a protective film may be provided on at least a portion of the buffer layer 23 where the electrode 24 is not formed.
  • the protective film 27 is formed on the buffer layer 23 where the electrode 24 is not formed, between the buffer layer 23 and some of the electrodes 24, and between the buffer layer 2 and the buffer layer 2.
  • the protective film 29 may be provided on the side of the buffer layer 23 where the electrode 24 is not formed, and on the side 2 of the buffer layer 23 as shown in FIG. 3b and may be provided.
  • the optical waveguide type optical modulator of the present invention it is desirable to use a ferroelectric substrate made of lithium niobate, but only the lithium niobate is used.
  • the material is not limited.
  • a material made of lithium tantalate can be used.
  • the transition metal layer 25 may be provided between the electrode 24 and the protective film 27, but may not be provided.
  • the transition metal layer 25 may be provided between the electrode 24 and the protective film 27, but may not be provided.
  • the optical waveguide 22 can be formed from a material in which T i is diffused, but the material is limited to this material. is not.
  • the protective film may be made of SiO 2 , but as long as it has an electrically insulating property. Well, there is no particular limitation.
  • the protective film may be made of silicon (Si) or silicon oxynitride (Si-0-N).
  • the protective film is formed by a method of performing high frequency sputtering using Ar gas as a sputtering gas and using silicon without impurity doping as a target.
  • the temperature of the ferroelectric substrate is about 250 ° C.
  • a good Si film with few defects grows, and an Si film having very high electric resistance and substantially an insulator is obtained.
  • the entire protective film may be made of the same material, but, for example, a protective film provided on the buffer layer may be used.
  • the protective film provided on the side surface of the buffer layer may be made of a different material, and is not particularly limited.
  • the protective film 27 is formed by forming the ferroelectric substrate 21 on which the buffer layer 23 is formed in a film forming apparatus. It is preferable that the heat treatment be performed before the formation, but the heat treatment may not be performed.
  • the buffer layer 23 may be formed by a vacuum evaporation method, but is limited to only the vacuum evaporation method. Instead, for example, the buffer layer may be formed by a high energy film formation method such as a sputtering method and provided with a highly dense buffer layer.
  • the electrodes 24 on the buffer layer 23 of the optical waveguide type optical modulator are formed due to individual differences occurring in the manufacturing process.
  • the area where the electrode 24 is not formed may not be completely covered with the protective film.However, even if the protective film is not formed in a part of the area where the electrode 24 on the buffer layer 23 is not formed, the buffer layer The object of the present invention can be achieved if a protective film is formed on almost the entire area of the electrode 23 where the electrode 24 is not formed.
  • a 90-nm-thick optical waveguide pattern made of Ti is diffused on a surface of a ferroelectric substrate 21 made of Z-cut lithium niobate for 20 hours in an oxygen atmosphere at 1000 ° C. I to form a re light guide 2 2 to, thereon was formed a thickness 1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 0 2 film serving as Ribaffu ⁇ layer 2 3 by the vacuum deposition method. After a heat treatment in an oxygen stream at a temperature of 600 ° C. for 5 hours, a high-frequency sputtering is performed on the entire upper surface of the buffer layer 23. Was form form the protective film 2 7 Li S i 0 2 having a thickness of 5 0 nm of the upper surface direction due to performing.
  • a 50-nm-thick transition metal film made of Ti and a 50-nm-thick Au film are successively formed on the protective film 27 in the upper direction by the vacuum evaporation method in the same vacuum apparatus. Formed.
  • a resist pattern is formed on the Au film by using a photolithography technique, and Au is applied only to a portion where a resist mask is not formed, that is, a portion where the Au film is exposed by an electrolytic plating method.
  • the electrode 24 was formed by deposition and deposition.
  • the resist mask is removed with an organic solvent, and the Au film and the transition metal film remaining between the electrodes 24 are removed by etching with a mixed solution of lithium iodide and a solution of aqueous ammonia and hydrogen peroxide, respectively.
  • the ferroelectric substrate 21 was cut according to the chip shape. After cutting, by performing high-frequency sputtering on the side surfaces 2 3 b of the buffer layer 2 3, and forms the shape of the protective film 2 7 having a thickness of 5 0 nm in the lateral consisting S i 0 2. Thus, an optical waveguide type optical modulator shown in FIG. 5 was obtained.
  • Example 3 Using the same ferroelectric substrate 21 as in Example 3, an optical waveguide 22 and a buffer layer 23 are formed in the same manner as in Example 3, and the entire upper surface of the buffer layer 23 is formed as in Example 3. Thus, a 200 nm-thick protective film 27 on the upper surface side was formed.
  • a transition metal layer 25 and an electrode 24 are formed on the protective film 27 in the same manner as in the third embodiment, and cut into a chip shape in the same manner as in the third embodiment.
  • a side-surface protective film 27 having a thickness of 200 nm was formed to obtain an optical waveguide type optical modulator shown in FIG.
  • Example 3 The same ferroelectric substrate 21 as in Example 3 was used, an optical waveguide 22 and a buffer layer 23 were formed in the same manner as in Example 3, and the protective film 27 was formed in a film forming apparatus. Then, heat treatment was performed for 1 hour in an atmosphere at a temperature of 250 ° C. and a degree of vacuum of 2 ⁇ 10 to 15 Pa. Subsequently, while maintaining the temperature at 250 ° C, Ar gas was used as a sputtering gas to introduce 0.2 Pa, and silicon without impurity doping was used as a target, and high-frequency sputtering was performed. As a result, a protective film 27 having a thickness of 100 nm in the upper surface direction was formed on the entire upper surface of the buffer layer 23.
  • a transition metal layer 25 and an electrode 24 were formed on the protective film 27 in the same manner as in Example 3.
  • the ferroelectric substrate 21 was cut into a chip shape, and the thickness 1 was formed in the same manner as in the case where the protective film 27 was formed on the side surface 23 of the buffer layer 23 and on the upper surface of the buffer layer 23.
  • An optical waveguide type optical modulator shown in FIG. 5 was obtained by forming a side-surface protective film 27 of 100 nm. The resistance between the electrodes of this optical waveguide type optical modulator was 30 ⁇ or more.
  • an optical waveguide 22 and a buffer layer 23 are formed in the same manner as in Example 3, and on this buffer layer 23, Examples 21 and Similarly, a transition metal layer 25 and an electrode 24 were formed to obtain an optical waveguide type optical modulator shown in FIG.
  • Example 3 Using the same ferroelectric substrate 21 as in Example 3, an optical waveguide 22 and a buffer layer 23 having a thickness of 100 nm were formed in the same manner as in Example 3, and the entire upper surface of the buffer layer 23 was formed. Then, in the same manner as in Example 3, a protective film 27 having a thickness of 900 nm in the upper surface direction was formed. Subsequently, a transition metal layer 25 and an electrode 24 were formed on the protective film 27 in the upper surface direction in the same manner as in Example 3 to obtain an optical waveguide type optical modulator shown in FIG.
  • the optical waveguide type optical modulators of Examples 3 to 5, the conventional example, and the comparative example 2 were placed in a thermostat of 85 ° C., and an initial dc bias of 3.5 V was applied for 60 hours. Operate and, while checking the modulation state of the optical output signal with an oscilloscope, perform feedback control on the applied dc bias so that the modulation state is the same as when the initial dc bias was applied, and apply the applied dc bias. The change in bias was recorded.
  • the thickness of the protective film 27 is preferably 200 nm or less.
  • the present invention relates to an optical waveguide type optical modulator using a ferroelectric crystal as a substrate and a method for manufacturing the same, and the optical waveguide type optical modulator is suitably used for an optical fiber communication system and the like. Used.

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Description

明細書
光導波路型光変調器およびその製造方法
技術分野
本発明は光ファイバ通信システムなどに好適に用いられる光導波路型光変調器 とその製造方法に関する。
背景技術
近年、 光ファイバ通信システムなどにおいて、 図 9に例示するような光導波 路型光変調器 1 4 0が利用されるようになっている。 この光導波路型光変調器 1 4 0は、 電気光学効果を有する基板 1 4 1に光導波路 1 4 2が形成され、 この光 導波路 1 4 2を進行する導波光を進行波型信号電極 1 4 3 aおよび接地電極 1 4 3 bで制御するものである。 この例の光導波路型光変調器 1 4 0では、 通常、 光 導波路 1 4 2を進行する導波光が電極 1 4 3に吸収されないように、 基板 1 4 1 上に酸化シリコンなどの絶縁性材料からなるバッファ層 1 4 4が形成されている。 また、 進行波型信号電極 1 4 3 aとバッファ層 1 4 4の間には、 進行波型信号電 極 1 4 3 aよりも広い幅で信号電界調整領域 1 4 5が形成されていて、 電極 1 4 3を伝搬するマイクロ波の実効屈折率を調整できるようになつている。
このような光導波路型光変調器 1 4 0は、 例えば以下の方法で製造できる。 まず、 強誘電体からなる基板 1 4 1の表層に、 熱拡散法により光導波路 1 4 2 を形成した後、 基板 1 4 1上に真空蒸着法ゃスパッタリング法などでバッファ層 1 4 4を形成する。 ついで、 このバッファ層 1 4 4上の所定の位置に信号電界調 整領域 1 4 5を形成する。 そして、 この信号電界調整領域 1 4 5上の所定の位置 に進行波型信号電極 1 4 3 aを形成し、 バッファ層 1 4 4上の信号電界調整領域 ,ι I
2
1 4 5以外の所定の位置に接地電極 1 4 3 bを形成する。
このような製造方法において、 信号電界調整領域 1 4 5の形成には、 通常、 リ フ卜オフ法やエッチング法が用いられる。
リフトオフ法では、 まず、 バッファ層 1 4 4上にフォトレジストを塗布する。 そして、 このフォトレジスト上にフォ卜マスクを用いて所望のパターンを露光し た後、 このレジストパターンを現像して、 信号電界調整領域 1 4 5を形成する所 定位置以外の部分をレジストでマスクした状態とする。 その後、 その上に信号電 界調整領域 1 4 5を形成する金属や半導体を成膜し、 ついで、 レジストをレジス ト除去剤で除去することにより、 レジスト上の膜も同時に除去され、 バッファ層 1 4 4上の所定位置に信号電界調整領域 1 4 5を形成することができる。
エッチング法には、 液体を使用するウエットエッチング法がある。 ウエットェ ツチング法で信号電界調整領域 1 4 5を形成する場合には、 まずバッファ層 1 4 4上に信号電界調整領域 1 4 5を形成する金属または半導体を成膜し、 ついでこ の上にフォトレジストを塗布する。 そして、 このフォトレジスト上にフォトマス クを用いて所望のパターンを露光した後、 このレジストパターンを現像して信号 電界調整領域 1 4 5を形成する所定位置をマスクした状態とする。 ついで、 混酸 などからなるエッチング剤を使用して露出している部分の膜を除去する。そして、 残存するフォトレジストをレジスト除去剤で取り除くことにより、 パ、ッファ層 1 4 4上の所定位置に信号電界調整領域 1 4 5を形成することができる。
しかしながら、 バッファ層に信号電界調整領域をリフトオフ法で形成する場合 には、 ノくッファ層に直接フォトレジストを塗布し、 硬化させるため、 バッファ層 中にフォトレジストを構成している主成分や希釈剤が浸透し、 バッファ層を汚染 してしまう場合がある。 特にバッファ層が酸化シリコンであると、 酸化シリコン へのフォ卜レジス卜の付着性を高めるために、 バッファ層の表面をァミン系化合 物の蒸気で処理することがあり、 このような場合にはァミン系化合物によつても バッファ層が汚染される。
また、 レジストパターンの現像時や、 信号電界調整領域を金属や半導体で成膜 する際には、 現像液や専用薬剤などの溶剤を用いて処理する。 そのため、 これら の溶剤中にレジスト成分が溶解して、 レジスト成分のバッファ層中への浸透が加 I
3一
速されるおそれがある。 また、 これらの溶剤自身が汚染源になる場合もある。 また、 信号電界調整領域をウエットエッチング法で形成する場合でも、 エッチ ング液やレジスト除去剤がバッファ層に接触して、 バッファ層を汚染してしまう おそれがある。
バッファ層が汚染されると、 これらの汚染物質由来のイオンの存在により d c ドリフトが助長され、 光導波路型光変調器の長期信頼性が劣ってしまう。 また、 汚染程度が大きいと、 バッファ層の絶縁性が大きく低下し、 電極からの印加され た電界の一部あるいは大部分がバッファ層を通って広がってしまい、 光導波路に 効率的に電界がかからず、 信号電界調整領域を設けても、 その効果が不十分とな つてしまう場合がある。
このようにバッファ層の汚染は、 光導波路型光変調器の性能に大きな影響を与 える。 汚染を抑えるためには、 バッファ層自体の緻密度、 微細構造などを制御す るとともに、 リフトオフ工程やエッチング工程の処理条件も厳密に管理する必要 があるが、 これらの条件の制御は非常に困難であった。
一方、 図 1 0に、 従来の光導波路型光変調器の別の例を示した断面図を示して いる。 この例は図 9に示す例と類似しているが構成が異なる。
この光導波路型光変調器は、 強誘電体基板を使用した光導波路型光変調器とし て最も一般的かつ実用的であるニオブ酸リチウム （L i N b 0 3 ) からなる強誘 電体基板を用いている。
図 1 0において、 符号 2 1 0は、 Zカットのニオブ酸リチウムからなる強誘電 体基板を示している。 この強誘電体基板 2 1 0の電気光学効果を発現する軸は、 光学主軸となる Z軸方向 （結晶学的 c軸） であり、 図 1 0に示すように、 強誘電 体基板 2 1 0の光導波路 2 0 2が形成されている面 （本明細書において、 「主面」 という） に直交する方向となっている。
強誘電体基板 2 1 0の主面付近には、 T i を熱拡散させた光導波路 2 0 2が 形成され、 その上には、 S ί 0 2からなるバッファ層 2 0 3が形成されている。 さらに、 パ'ッファ層 2 0 3の上には光導波路 2 0 2に沿うように形成され、 A u からなる電極 2 0 4が配設されている。 この電極 2 0 4とバッファ層 2 0 3との 間には T i 、 C r、 N iなどの遷移金属からなる遷移金属層 2 0 5が設けられて 牛一
いる。
このような光導波路型光変調器を製造するには、 まず、 強誘電体基板 2 1 0の 主面に、 熱拡散法により光導波路 2 0 2を形成し、 光導波路 2 0 2を形成した側 の強誘電体基板 2 1 0の上に、 真空蒸着法やスパッタリング法などによリバッフ ァ層 2 0 3を形成する。 ついで、 このバッファ層 2 0 3の上面全体に、 真空蒸着 法により遷移金属膜および A u膜を順次形成し、 さらに、 この A u膜の上に電解 メツキ法で電極 2 0 4を形成する領域である電極形成領域にのみ A uを析出 -堆 積させて、 電極 2 0 4を形成する。 その後、 電極 2 0 4の間に残った A u膜およ び遷移金属膜を化学エッチングすることにより除去し、 遷移金属層 2 0 5とする 方法などによって行われる。
，しかしながら、 このような光導波路型光変調器では、 電極 2 0 4の間に、 バッ ファ層 2 0 3が露出しているので、 このバッファ層 2 0 3の露出している表面 2 0 3 aおよびバッファ層 2 0 3内部が K、 T i、 C rなどの汚染物質により汚染 されやすいという不都合があった。
特に、 光導波路型光変調器の特性調整のために、 真空蒸着法によリバッファ層 2 0 3を形成して、 バッファ層 2 0 3の緻密度を低くした場合、 汚染物質力バッ ファ層 2 0 3の露出部分から侵入しやすく、 問題となっていた。
光導波路型光変調器のバッファ層 2 0 3の表面 2 0 3 aおよびバッファ層 2 0 3内部が汚染されると、 d c ドリフ卜が発生する場合がある。 d c ドリフトとは、 Kや N aなどのアルカリイオンや、プロトンなどの易動性のイオンの存在により、 電極 2 0 4に印加した電流がバッファ層 2 0 3を通ってリークし、所望の電圧（バ ィァス） がかからなくなる現象のことで、 光導波路型光変調器の特性に悪影響を 与える。
さらに、 バッファ層 2 0 3の汚染物質が、 実装工程などにおける熱的処理によ つて強誘電体基板 2 1 0との界面にまで達した場合、 汚染物質によって S ί 0 2 からなるバッファ層 2 0 3の化学結合が切断されて、 ニオブ酸リチウムからなる 強誘電体基板 2 1 0とバッファ層 2 0 3とを結び付けている結合手が減り、 両者 の接合強度が著しく弱められるという問題が生じる。 発明の開示
本発明の第 1の実施の形態による光導波路型光変調器は、 電気光学効果を有す る基板と、 この基板の表層に形成された光導波路と、 この基板上に設けられ導波 光を制御する進行波型信号電極および接地電極と、 これらの電極と光導波路との 間に設けられたバッファ層とを有し、 さらに、 バッファ層の電極側の全面に、 誘 電体層が設けられ、 誘電体層と進行波型信号電極との間には、 進行波型信号電極 よリも広い幅を有し、 誘電体層よリも屈折率の大きな材料からなる信号電界調整 領域が形成されていることを特徴とする。 上記の光導波路型光変調器において、 信号電界調整領域がシリコンからなり、 あるいは、 基板がニオブ酸リチウム、 バ ッファ層が酸化シリコン、 誘電体層が窒化シリコンまたは酸窒化シリコンからな つてもよい。 また、 誘電体層の厚さが、 信号電界調整領域の厚さ以下であっても よい。
この種の光導波路型光変調器の製造方法は、 バッファ層の全面に誘電体層を 形成する工程 （1 ) と、 誘電体層上の所定の位置に信号電界調整領域を形成する 工程 （2 ) とを有することを特徴する。 そしてこの製造方法において、 工程 （2 ) が、 誘電体層上の信号電界調整領域を形成する所定位置以外の部分をマスクした 後、 信号電界調整領域を形成する材料を成膜した後、 マスクを除去することによ リ誘電体層上の所定位置に信号電界調整領域を形成する工程であってもよい。 こ の場合、. マスクがフォトレジストであり、 マスクの除去がレジスト除去剤により 行われてもよい。また、前記製造工程における誘電体層を形成する工程（ 1 )が、 スパッタリング法により行なわれてもよい。
以上に示すように、 本発明によれば、 バッファ層上の全面に誘電体層が形成さ れているので、 信号電界調整領域をリフトオフ法やエッチング法で形成する場合 にも、 レジスト成分、 レジスト除去剤、 またはエッチング液などがバッファ層に 直接触れない。 よって、 バッファ層の汚染を防止し、 汚染に起因する d c ドリフ 卜が抑えられ、 長期信頼性に優れた光導波路型光変調器を提供できる。
また、 バッファ層が酸化シリコンからなり、 誘電体層が窒化シリコンまたは酸 窒化シリコンからなり、 さらに、 信号電界調整領域がシリコンからなると、 光導 波路型光変調器の高周波特性がより優れるうえ、 誘電体層の屈折率を、 酸素と窒 素の固溶比率を変化させることで任意に調整できるため、 高周波特性の設計自由 度が広がる。 さらに、 これらの界面がシリコン （S ί ) を介した共有結合で強固 に接合されるため、 膜同士の付着強度が優れた光導波路型光変調器となる。 本発明の第 2の実施の形態による光導波路型光変調器は、 電気光学効果を有す る単結晶からなり、 主面に光導波路が形成された強誘電体基板と、 該強誘電体基 板の主面側に設けられたバッファ層と電極とを有し、 前記強誘電体基板の電気光 学効果を誘起する軸は、 前記強誘電体基板の前記主面と直交する方向であり、 前 記バッファ層の上面の少なくとも前記電極が形成されていない領域および前記バ ッファ層の光導波方向の側面に、 電気的に絶縁性であり、 厚さが 5 0ないし 2 0 0 n mである保護膜が設けられたことを特徴とする。 ここで、 この実施の形態の 光導波路型光変調器において、 この保護膜が、 前記電極が形成された領域をも含 む前記バッファ層の上面の全域にわたって設けられ、 あるいは、 前記バッファ層 の上面に設けられた保護膜と、 前記バッファ層の光導波方向の側面に設けられた 保護膜とが、 同じ材質であることが望ましい。 また、 この保護膜が、 ァモルファ ス膜であることが望ましい。
この実施の形態の光導波路型光変調器の製造方法は、 電気光学効果を有する単 結晶からなり、 電気光学効果を誘起する軸が主面と直交する方向である強誘電体 基板の表面に光導波路を形成する工程と、 前記光導波路が形成された側の強誘電 体基板上にバッファ層を形成する工程と、 前記バッファ層の上面の少なくとも電 極形成領域以外の領域に、 電気的に絶縁性であり、 厚さが 5 0ないし 2 0 0 n m である保護膜を形成する工程と、 前記電極形成領域に電極を形成する工程とを備 えることを特徴とする。
上記の光導波路型光変調器の製造方法においては、 前記保護膜は、 バッファ層 が形成された強誘電体基板を成膜装置内で加熱処理してから形成することが望ま しい。 この光導波路型光変調器のバッファ層は、 バッファ層を形成してから保護 層を形成するまでの間に水分を吸着し、 光導波路型光変調器の動作の安定性に悪 影響を与える場合がある。 とくに、 バッファ層の緻密度を低くした場合、 バッフ ァ層は、 大気中の水分を非常に吸着しやすいものとなる。
上記の光導波路型光変調器の製造方法によれば、 保護膜は、 バッファ層が形成 された強誘電体基板を保護膜を成膜する成膜装置内で加熱処理してから形成する ので、 バッファ層を形成してから保護層を形成するまでの間にバッファ層が水分 を吸着していても、 その水分を加熱処理によって取り除くことができる。 したが つて、 動作の安定性に優れた光導波路型光変調器を得ることができる。
このように、 本発明の光導波路型光変調器は前記バッファ層の上面の少なくと も前記電極が形成されていない領域及び前記バッファ層の光導波方向の側面に保 護膜が設けられているので、 バッファ層の表面及びバッファ層の光導波方向の側 面は露出されることがない。 このため、 バッファ層の表面及びバッファ層の内部 が汚染されにくい光導波路型光変調器となる。
したがって、 バッファ層の表面およびバッファ層内部の汚染物質によって、 電 極に印加した電流がリ一クすることを防ぐことができ、 光導波路型光変調器の動 作の安定性を確保することができる。 また、 電極に高周波に直流バイアスを重畳 させて印加しても、 印加状態に対して良好な安定性を有するものとなる。 すなわ ち、 d c ドリフトの発生を防ぐことができる。 また、 バッファ層が汚染されにく いものとなるので、 バッファ層の汚染に起因する強誘電体基板とバッファ層との 接合強度の低下が生じにくいものとなる。
また、 前記保護膜が、 電気的に絶縁性であるので、 電極に印加した電流がリー クすることをより一層確実に防ぐことができ、 光導波路型光変調器の動作の安定 性を確保することができる。 したがって、 d c ドリフトの発生を防ぐ効果をより 一層向上させることができる。 さらに前記保護膜の厚さが 5 0ないし 2 0 0 n m であるので、 効果的に d c ドリフ卜の発生を防ぐことができる。
図面の簡単な説明
図 1は、 第 1の実施の形態の光導波路型光変調器を示す断面図である。 図 2は、 図 1の光導波路型光変調器の信号電界調整領域の形成方法の一例を 示す工程図である。
図 3は、 図 1の光導波路型光変調器の信号電界調整領域の形成方法の他の一 例を示す工程図である。 図 4は、 実施例 1、 2、 および比較例 1おける印加バイアス電圧と動作時間 との関係を示すグラフである。
図 5は、 本発明の第 2の実施例による光導波路型変調器の一例を示した断面 図である。
図 6は、 本発明の第 2の実施例の光導波路型光変調器の他の例を示した断面 図である。
図 1は、 本発明の第 2の実施例の光導波路型光変調器の他の例を示した断面 図である。
図 8は、 実施例 3— 5、 比較例 2、 従来例の印加バイアス電圧と動作時間と の関係を示したグラフである。
図 9は、 従来の光導波路型光変調器の第 1の構成例を示す断面図である。 図 1 0は、 従来の光導波路型変調器の第 2の構成例を示した断面図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、 図面を参照しつつ、 本発明に関わる光導波路型光変調器の好適な実施 例について説明する。 但し、 本発明は、 以下の各実施例に限定されるものではな く、 例えば、 これら実施例の構成要素同士を適宜組み合わせてもよい。
図 1は、 本発明の第 1の実施の形態による光導波路型光変調器 1 0の構成を示 した断面図であり、 符号 1 1はニオブ酸リチウムなどの強誘電体からなる基板で ある。
本願光導波路型光変調器の基板として用いられるニオブ酸リチウムの単結晶は、 大型結晶の成長が比較的容易であるので、 強誘電体基板をニオブ酸リチウムから なるものとすることで、 大型の集積デ /くィスを実現することができる。
また、 ニオブ酸リチウムの単結晶のキュリー点が約 1 o o o °cと高いため、 光 導波路型光変調器の製造工程における温度の自由度が大きくなる。
この基板 1 1の表層には、 チタンを熱拡散させた光導波路 1 2が形成されてい て、 光導波路 1 2の長さ方向に光が導波するようになっている。 光導波路 1 2が 形成された基板 1 1上には、 導波路光を制御するための電極 1 3が形成されてい て、 この例においては、 中央に進行波型信号電極 1 3 aが配され、 その両側に接 地電極 1 3 bが配されている。また、これらの電極 1 3と光導波路 1 2の間には、 光導波路 1 2を進行する導波光が電極 1 3に吸収されないように厚さ 2 0 0〜 2 0 0 0 n mのバッファ層 1 4が基板 1 1上の全面に設けられている。
そして、このバッファ層 1 4上の全面には、導波路型光変調器 1 0の製造時に、 バッファ層 1 4が汚染されることを防ぐための誘電体層 1 5が 1 0〜2 0 0 n m の厚さで設けられている。
さらに、 誘電体層 1 5と進行波型信号電極 1 3 aとの間には、 進行波型信号電 極 1 3 aよりも広い巾頁を有し、誘電体層 1 5よりも屈折率の大きな材料からなる、 厚さ 1 0〜2 0 0 n mの信号電界調整領域 1 6が形成されていて、 電極 1 3を伝 搬するマイクロ波の実効屈折率を調整できるようになつている。
バッファ層 1 4は、 通常、 誘電率、 すなわち屈折率の小さい物質から形成され る。 このような物質から形成されると、 変調器の高周波特性 （帯域） を伸ばすこ とができるため好ましく、 例えば化学的にも安定な酸化シリコンが使用される。 誘電体層 1 5も、 バッファ層 1 4の場合と同様の理由から、 屈折率の小さい物 質から形成されることが好ましく、 例えば窒化シリコンまたは酸窒化シリコンが 使用される。 また、 酸窒化シリコンにおいて、 窒素と酸素との固溶比率を調節す ることによって、 その屈折率をシリコンに近い値から酸化シリコンに近い値まで 任意に調整できる。
また、 信号電界調整領域 1 6は、 特開平 1 0— 3 0 6 5号公報に開示されてい るように、 通常金属または半導体から形成される。 よって、 信号電界調整領域 1 6は、 必然的にバッファ層 1 4や誘電体層 1 5よりも屈折率が大きくなる。
このように、 バッファ層 1 4と誘電体層 1 5の形成には、 光導波路型光変調器 1 0の高周波特性の劣化を抑制するために、 低屈折率の材料を選択する。 さらに 高周波特性を伸ばすためには、 誘電体層 1 5はバッファ層 1 4より屈折率の小さ い材料を使用することが好ましい。 バッファ層 1 4よりも屈折率の大きな材料を 使用する場合には、 その厚さを 1 0 0 n m以下程度までできるだけ薄くすること が好ましい。 また、 その厚さを信号電界調整領域 1 6の厚さ以下とすることで、 光導波路型光変調器 1 0の高周波特性がより向上する。 'し― ι'
I b
バッファ層 1 4に酸化シリコンが使用され、 誘電体層 1 5に窒化シリコンまた は酸窒化シリコンが使用され、信号電界調整領域 1 6にシリコンが使用されると、 光導波路型光変調器 1 0の高周波特性が優れるうえ、 誘電体層 1 5の屈折率を任 意に調整できるため、 高周波特性の設計自由度が広がる。 さらに、 これらの界面 がシリコン （S i ) を介した共有結合で強固に接合されるため、 膜同士の付着強 度が向上し好ましい。
光導波路と直接接するバッファ層には、 屈折率が低い酸化ケィ素 （S i — O ) が好適に使用される。 バッファ層が酸化ケィ素からなる場合、 保護膜は、 シリコ ン （S ί )、 窒化ケィ素 （S i— N )、 酸化窒化ケィ素 （S ί— Ο— Ν )、 酸化ゲイ 素 （S i 一 O ) 等が好ましく使用される。
このようにバッファ層 1 4上の全面に誘電体層 1 5が設けられると、 次に詳述 するように、 光導波路型光変調器 1 0の製造時におけるバッファ層 1 4の汚染を 抑制でき、 d c ドリフ卜が抑えられた高性能の光導波路型光変調器 1 0を製造で ぎる。
図 1に例示する第 1の実施の形態による光導波路型光変調器 1 0の製造方法を 図 2 A— 2 Dを用いて説明する。まず、電気光学効果を有する基板 1 1の表層に、 チタンの熱拡散法よりなる光導波路 1 2を形成する。 ついで、 この光導波路 1 2 が形成された基板 1 1上に、 真空蒸着法などでバッファ層 1 4を形成する。 この 際、 バッファ層 1 4を十分に酸化させるために、 温度 5 0 0〜7 0 0 °Cの酸化雰 囲気中で 5〜 1 0時間程度熱処理する。そして、このバッファ層 1 4上の全面に、 工程 （1 ) により、 図 2 Aに示すように誘電体層 1 5を形成する。 誘電体層 1 5 は、 バッファ層 1 4の汚染を防止するために設けられるため、 できるだけ緻密で あることが好ましく、 通常スパッタリング法によリ形成する。
ついで、 工程 （2 ) により、 この誘電体層 1 5上の所定の位置に、 誘電体層 1 5よりも屈折率の大きな材料からなる信号電界調整領域 1 6を形成する。
工程 （2 ) における信号電界調整領域 1 6の形成は、 リフトオフ法、 エツチン グ法などで行う力 プロセスが簡便であること、 エッチング法に比べて条件設定 が容易であることからリフトオフ法が好ましい。
リフトオフ法で信号電界調整領域 1 6を形成する場合には、 まず、 誘電体層 1 'ΊΤ '
5上の全面に、 フォトレジスト 1 8をスピンコートし硬化させた後、 フォトマス クを用いて、 信号電界調整領域 1 6を形成する部分を露光する。
ついで、 これを現像して、 信号電界調整領域 1 6を形成する部分のフォトレジ スト 2 0を除去し、 図 2 Βに示すように、 信号電界調整領域 1 6を形成する所定 位置以外がフォ卜レジスト 1 8でマスクされた状態とする。
そして、 図 2 Cに示すように、 フォトレジスト 1 8でマスクされた誘電体層 1 5の全面に、 信号電界調整領域 1 6を形成するシリコンなどの材料からなる膜 1 6 aをスパッタリング法あるいは真空蒸着法で形成する。
ついで、 レジス卜除去剤でマスクを除去することにより、 マスクとともに信号 電界調整領域 1 6を形成する所定位置以外の膜も除去でき、図 2 Dに示すように、 所定位置のみに信号電界調整領域 1 6を形成できる。
ウエットエツチング法で信号電界調整領域 1 6を形成する方法を図 3 A— 3 D に示す。
ノくッファ層 1 4上に誘電体層 1 5を図 3 Aに示すように形成した後、 この誘電 体層 1 5上に信号電界調整領域 1 6を形成する金属または半導体の膜 1 6 aを成 膜し、 ついでこの上にフォトレジスト 1 8を塗布する。 そして、 このフォトレジ スト 1 8上にフォトマスクを用いて信号電界調整領域 1 6の形成パターンを露光 した後、 このレジストパターンを現像して、 図 3 Bに示すように、 信号電界調整 領域 1 6を形成する所定位置をフォトレジス卜 1 8でマスクした状態とする。 つ いで、 混酸などからなるエッチング剤を使用して嗥 1 6 aの露出している部分の みを除去する （図 3 C )。そして、 レジス卜除去剤で残存するフォトレジスト 1 8 を取り除くことにより、 図 3 Dに示すように誘電体層 1 5上の所定位置のみに信 号電界調整領域 1 6を形成する。
このように信号電界調整領域 1 6の形成をリフトオフ法で行う場合、 バッファ 層 1 4上に誘電体層 1 5が設けられているために、 バッファ層 1 4ではなく誘電 体層 1 5にフォトレジスト 1 8を塗布し、 硬化させる。 そのため、 フォトレジス ト 1 8を構成しているレジスト主成分や希釈剤がバッファ層 1 4に浸透すること がなく、 バッファ層 1 4の汚染を防ぐことができる。 また、 フォトレジスト 1 8 の付着性を高めるために、 フォトレジス卜 1 8塗布面をァミン系化合物の蒸気な どで表面処理する必要がある場合にも、 バッファ層 1 4上に誘電体層 1 5が設け られていると、 バッファ層 1 4を表面処理する必要がないため、 表面処理による 汚染も抑制できる。
また、 フォトレジスト 1 8による汚染だけでなく、 レジストパターンの現像時 や除去時、 あるいは、 信号電界調整領域 1 6を形成する金属または半導体の成膜 時には、 現像液やレジスト除去剤などの溶剤を使用するが、 これらによるバッフ ァ層 1 4の汚染や、 これらの溶剤にレジスト成分が溶解してレジスト成分が/くッ ファ層 1 4中へより浸透してしまうことも抑えることができる。
さらに、 信号電界調整領域 1 6をウエットエッチング法で形成する場合でも、 誘電体層 1 5が設けられていると、 エッチング液やレジスト除去剤がバッファ層 1 4に直接接触しないため、 ノくッファ層 1 4が汚染されない。
このように、 誘電体層 1 5を設けることによって、 バッファ層 1 4の汚染が防 止されるため、 これらの汚染物質由来のイオンによる d c ドリフ卜を抑制でき、 長期信頼性に優れた導波路型光変調器 1 0を製造できる。 また、 汚染によるバッ ファ層 1 4の誘電性の低下も抑制でき、 電極 1 3からの電界の一部あるいは大部 分がバッファ層 1 4を通って広がることがなく、 光導波路 1 2に効率的に電界を 印加できる。 よって、 信号電界調整領域 1 6を設けることによる効果を十分に発 させることができる。
また、 このような製造方法によれば、 バッファ層 1 4上に誘電体層 1 5を設け るだけで、 信頼性に優れた光導波路型光変調器 1 0を製造できるので、 リフトォ フエ程やエツチング工程の処理条件を厳密に管理する必要がなし、。
このようにして信号電界調整領域 1 6を形成した後、 A uの電解メツキ法など により、 進行波型電極 1 3 aを信号電界調整領域 1 6上に形成し、 また、 接地電 極 1 3 bをこの信号電界調整領域 1 6の両側に露出している誘電体層 1 5上に形 成する。 こうして光導波路型光変調器 1 0を製造する。
このような光導波路型光変調器 1 0は、 光強度変調器、 位相変調器として利用 できる他、 複数組み合わされて集積型変調器としても利用できる。
実施例
以下、 本発明のこの実施の形態の実施例を示して具体的に説明する。 実施例 1
図 1に示す光導波路型光変調器 1 0を以下のように製造した。
ニオブ酸リチウムからなる強誘電体基板 1 1の表面に、 チタンからなる厚さ 9 0 n mの光導波路パターンを 1 0 0 0 °Cの酸素雰囲気中で 1 5時間拡散処理する ことにより、 光導波路 1 2を形成した。 その上に、 真空蒸着法によりバッファ層 1 4となる厚さ 1 0 0 0 n mの酸化シリコン（S i O 2 )膜を成膜した。そして、 温度 5 0 0 °Cの酸素気流中で 5時間熱処理した後、 このバッファ層 1 4の上面全 体にスパッタリング法で、 窒化シリコンからなる厚さ 1 O O n mの誘電体層 1 5 を形成した。
ついで、 誘電体層 1 5上の全面に、 フォトレジストをスピンコートし硬化させ た後、 フォトマスクを用いて、 信号電界調整領域 1 6を露光した。 そしてこれを 現像して、信号電界調整領域 1 6を形成する部分のフォトレジストを除去した後、 シリコン膜をスパッタリング法で形成した。 ついで、 レジスト除去剤でレジス卜 を除去し、 レジストとともに信号電界調整領域 1 6を形成する所定位置以外の膜 も除去し、 基板の中央部にシリコンからなる厚さ 1 0 0 n mの信号電界調整領域 1 6を形成した。
信号電界調整領域 1 6を形成した後、 電解メツキ法によリ、 A υからなる進行 波型電極 1 3 aをこの信号電界調整領域 1 6上に、 また同じく A uからなる接地 電極 1 3 bをこの信号電界調整領域 1 6の両側の、 露出した誘電体層 1 5上に形 成した。
実施例 2
誘電体層 1 5を酸窒化シリコンで形成した以外は実施例 1と同様にして、 図 1 に示す光導波路型光変調器 1 0を製造した。
比較例 1
誘電体層を形成しない以外は実施例 1と同様にして、 光導波路型光変調器を製 造した。
試験結果 1
上記実施例 1〜 2と比較例で得られた光導波路型光変調器について、 以下の方 法で安定性を評価した。 に 4」
すなわち、 各光導波路型光変調器を 8 5 °Cの恒温槽に入れて、 3 . 5 Vの初期 d cバイアスを印加して、 2 4時間動作させ、 光出力信号の変調状態をオシロス コープで確認しながら、 その変調状態が初期 d cバイアスを印加したときと同じ 状態となるように、 印加 d cバイアスをフィードバック制御し、 その印加バイァ スの変動を記録した。 結果を図 4に示す。
図 4に示したように、 誘電体層が形成された本実施例の光導波路型光変調器に おいては、 比較例の光導波路型光変調器に比べて、 経時的な印加 d cバイアスの 上昇が少なく、 d c ドリフトが抑制されていた。 よって本実施例の光導波路型光 変調器によれば、 長期にわたる動作の安定性向上が可能となる。 次に、 本発明の第 2の実施の形態である光導波路型光変調器について以下に説 明する。
図 5は、 本発明の第 2の実施の形態の光導波路型光変調器の一例を示した断面 図である。 この光導波路型光変調器においても、 強誘電体基板を使用した光導波 路型光変調器用の強誘電体基板として、 最も一般的かつ実用的であるニオブ酸リ チウム （L ί N b 0 3 ) を用いている。
図 5において、 符号 2 1は、 Ζカットのニオブ酸リチウムからなる強誘電体基 板を示している。 この強誘電体基板 2 1の電気光学効果を発現する軸は、 光学主 軸となる Ζ軸方向 （結晶学的 c軸） であり、 図 5に示すように、 強誘電体基板 2 1の主面に直交する方向となっている。
強誘電体基板 2 1の主面には、 T i を熱拡散させた光導波路 2 2が形成されて いる。 ここでの 「主面」 とは強誘電体基板の光導波路が形成されている面のこと を言う。 この光導波路型光変調器の光導波方向は、 光導波路 2 2の長さ方向とな つている。 光導波路 2 2の上には、 バッファ層 2 3が形成され、 バッファ層 2 3 上の表面 2 3 a全体およびバッファ層 2 3の光導波方向の側面上 2 3 bには、 保 護膜 2 7が形成されている。 さらに、 保護膜 2 7の上には、 光導波路 2 2に沿う ように形成され、 A uからなる電極 2 4が配設されている。なお、図 5において、 中央に位置する電極 2 4は、信号用電極であり、その両側に位置する電極 2 4は、 接地用電極である。 この電極 2 4と保護膜 2 7との間には Τ ί、 C r、 Ν ίなど is J
の遷移金属からなる遷移金属層 2 5が設けられている。
この光導波路型光変調器においては、 前記バッファ層 2 3は、 屈折率が低い S i 0 2からなるものとされる。
また、 前記保護膜 2 7には、 電気的に絶縁性を有するアモルファス膜であり、 バッファ層 2 3と同様の材質である S i 0 2が用いられ、 その厚さは、 5 0ない し 2 0 0 n mとされている。
このような光導波路型光変調器を製造するには、 まず、 強誘電体基板 2 1の 表面に、 熱拡散法により光導波路 2 2を形成し、 光導波路 2 2を形成した側の強 誘電体基板 2 1の上に、真空蒸着法によリバッファ層 2 3を形成する。このとき、 バッファ層を充分に酸化させるため、 温度 5 0 0〜7 0 0 °Cの酸化雰囲気中で 5 〜 1 0時間熱処理 （ァニール） を行う。 ついで、 バッファ層 2 3が形成された強 誘電体基板 2 1を保護膜 2 7成膜のため成膜装置内に設置して、 バッファ層 2 3 上の表面 2 3 a全体に、 スパッタリング法により保護膜 2 7を形成する。 このと き、 保護膜 2 7の形成に先立って、 バッファ層 2 3中の水分 （H 2 0、 - O H ) を除去することと、 保護膜 2 7の膜質をより強固なものとすることを目的とする 熱処理を行ってもよい。 その後、 真空蒸着法またはスパッタリング法により遷移 金属膜および A u膜を順次形成する。さらに、この A u膜の上に電解メツキ法で、 電極 2 4を形成する領域である電極形成領域にのみ A uを析出■堆積させて、 電 極 2 4を形成する。 その後、 電極 2 4の間に残った A u膜および遷移金属膜を化 学エッチングすることにより除去し、 電極 2 4の下にのみ遷移金属層 2 5を形成 する。
続いて、 強誘電体基板 2 1をチップ形状に合わせて切断し、 バッファ層 2 3の 側面 2 3 bに保護層 2 7を形成する。 バッファ層 2 3の側面 2 3 bに保護層 2 7 を形成するには、 バッファ層 2 3の側面 2 3 b以外の部分をレジストなどを使用 して保護したのち、 バッ？ァ層 2 3上に形成した保護膜 2 7と同様のスパッタリ ング法などによって形成される。
上記の製造方法において、保護膜 2 7の形成は、加熱しながら行ってもよいし、 熱処理を終了した状態で行ってもよい。 このときの熱処理条件は、 例えば温度 1 0 0〜3 0 0 °C、 処理時間 1 〜2 0時間、 真空度 1 X 1 0— 5〜 1 x 1 Q - 1 P a、 とする。
このような第 2の実施の形態の光導波路型光変調器は、 バッファ層 2 3上の表 面 2 3 a全体および側面 2 3 bに、 保護膜 2 7が設けられているので、 バッファ 層 2 3上の表面 2 3 aおよび側面 2 3 bは露出することがなく、 ノくッファ層 2 3 の表面 2 3 aおよびバッファ層 2 3内部が汚染されにくいものとなる。
上記の光導波路型光変調器においては、 前記保護膜が、 前記電極が形成された 領域をも含む前記バッファ層の上面の全域にわたって設けられたものとするのが 望ましい。 このような光導波路型光変調器とすることにより、 バッファ層上の表 面の全体が保護膜で覆われることになリ、 保護膜形成後の光導波路型光変調器の 製造プロセス中に/くッファ層が汚染されることを防ぐことができ、 よリー層、 Λ ッファ層に汚染物質が侵入することを防止できる。
さらに、 バッファ層の表面の全体に保護膜を形成するので、 バッファ層の表面 の一部に保護膜を形成する場合と比較して、 保護膜の形成が容易となる。
また、 バッファ層の上面に設けられた保護膜と、 前記バッファ層の光導波方向 の側面に設けられた保護膜とが同じ材質であることが望ましい。
このような光導波路型光変調器とすることにより、 バッファ層上に設けられた 保護膜と前記バッファ層の光導波方向の側面に設けられた保護膜との化学的な接 合力を高めることができる。 しかも、 バッファ層上に設けられた保護膜とバッフ ァ層の側面に設けられた保護膜との熱膨張特性が同じとなるため、 バッファ層上 に設けられた保護膜とバッファ層の側面に設けられた保護膜との境界面における 密着性が熱的にも安定なものとなる。 これらのことから、 保護層のバッファ層に 対する汚染物質侵入防止効果をよリ高めることができるとともに、 より安定して 得ることができる。
さらに、 保護膜 2 7は、 電気的に絶縁性であるので、 電極 2 4に印加した電流 がリークすることを防止でき、 光導波路型光変調器の動作の安定性を確保するこ とができる。 したがって、 d c ドリフトの発生を防ぐことができる。 また、 バッ ファ層 2 3が汚染されにくいので、 バッファ層 2 3の汚染に起因する強誘電体基 板 2 1とバッファ層 2 3との接合強度の低下が生じにくいものとなる。 なお、 こ こでの 「電気的に絶縁性である」 とは、 直流電流抵抗が 2 0 Μ Ω、 望ましくは 5 i f
Ο Μ Ωよりも大きいものであることをいう。
さらにまた、 バッファ層 2 3が汚染されにくいものとなるので、 緻密度が低い バッファ層 2 3であっても汚染に起因する問題が発生しにくく、 緻密度が低いバ ッファ層 2 3が形成される真空蒸着法によって、 バッファ層 2 3を形成すること も可能となる。 また、 バッファ層 2 3の緻密度や形成方法を必要に応じて選択す ることができるようになる。
さらに、 保護膜 2 7の厚さが 5 0ないし 2 0 0 n mであるので、 効果的に d c ドリフ卜の発生を防ぐことができる。
前記保護膜の厚さが 5 0 n m未満であると、 バッファ層の表面およびバッファ 層内部の汚染を防ぐ効果が充分に得られないため、 電極に印加した電流がリーク しゃすくなリ、 d c ドリフ卜の発生を充分に防ぐことができない場合があるので 好ましくない。 一方、 2 0 0 n mを越える保護膜の厚さとした場合、 本来、 d c ドリフトを抑制するために緻密度等を調整、最適化してあるバッファ層の厚さ（約 1 jU m ) の大部分をバッファ層と異質の保護膜が占めることとなり、 バッファ層 の効果が著しく薄れることとなり、 d c ドリフ卜の発生を防ぐ効果が低下するた め、 好ましくない。
また、 保護膜 2 7が、 バッファ層 2 3と電極 2 4の下に設けられた遷移金属層 2 5との間にも設けられ、 バッファ層 2 3上の表面 2 3 aの全体が保護膜 2 7で 覆われているので、 保護膜 2 7形成後の光導波路型光変調器の製造プロセス中に バッファ層 2 3が汚染されることを防ぐことができる。
すなわち、 保護膜 2 7の上に、 遷移金属層 2 5および電極 2 4を形成する工程 における A u膜および遷移金属膜の化学ェツチングなどのプロセスによって、 バ ッファ層 2 3が汚染されることを防ぐことができる。
さらにまた、 バッファ層 2 3と遷移金属層 2 5との間に、 保護膜 2 7が形成さ れているので、 バッファ層 2 3と遷移金属層 2 5とが接することがなく、 バッフ ァ層 2 3に吸着した水分などにより遷移金属層 2 5が酸化して、 遷移金属層 2 5 が脆くなるとともに、 バッファ層 2 3と遷移金属層 2 5との接合強度が弱まリ、 光導波路型光変調器の信頼性が低下するという現象を防止することができる。 さらに、バッファ層 2 3上の表面 2 3 aの全体に保護膜 2 7を形成することで、 バッファ層 2 3上の表面 2 3 aの一部に保護膜 2 7を形成する場合と比較して、 保護膜 2 7の形成が容易となる。
さらに、 保護膜 2 7を、 S i 0 2からなるものとしたので、 保護膜 2 7とバッ ファ層 2 3の熱膨張率などの物理的特性が同じとなリ、 保護膜 2 7とバッファ層 2 3との接着強度が良好なものとなる。
さらに、 強誘電体基板 2 1が、 大型結晶の成長が比較的容易であるニオブ酸 リチウムからなるものであるので、大型の集積デバイスを実現することができる。 また、 ニオブ酸リチウムの単結晶のキュリー点が約 1 0 0 0 °Cと高いため、 光 導波路型光変調器の製造工程における温度の自由度を向上させることができる。 また、電極 2 4と保護膜 2 7との間に、遷移金属層 2 5が設けられているので、 電極 2 4と保護膜 2 7との接合強度を向上させることができる。
すなわち、 遷移金属層 2 5は、 化学的に不活性である A uからなる電極 2 4と の界面で、 合金化 （固溶） あるいは金属相間化合物を形成し、 保護膜 2 7との界 面でも、 化学的に付着■合体し、 電極 2 4と保護膜 2 7を接合する接着剤として の機能を有する。 したがって、 電極 2 4と保護膜 2 7との接合強度を向上させる ことができる。
また、 上記の製造方法では、 スパッタリング法によって保護膜 2 7を形成する ので、 容易に保護膜 2 7を形成することができる。
さらに、 保護膜 2 7全体を同一の材質からなるものとしたので、 少ない製造ェ 程で容易に製造することができる。
また、 バッファ層 2 3が形成された強誘電体基板 2 1を、 保護膜 2 7を形成す る成膜装置内で加熱処理してから保護膜 2 7を形成するので、 バッファ層 2 3を 形成してから保護膜 2 7を形成するまでの間にバッファ層 2 3が水分を吸着して いても、 その水分を加熱処理によって取り除くことができる。 したがって、 動作 の安定性に優れた光導波路型光変調器を得ることができる。
本発明の光導波路型光変調器においては、 図 5に示したように、 バッファ層 2 3上の表面 2 3 a全体および側面 2 3 bに、 保護膜 2 7を形成することが好まし いが、 バッファ層 2 3上の少なくとも電極 2 4が形成されていない部分に、 保護 膜が設けられていればよい。 1
例えば、 図 6に示すように、 保護膜 2 7をバッファ層 2 3上の電極 2 4が形成 されていない部分と、 バッファ層 2 3と一部の電極 2 4との間と、 バッファ層 2 3の側面 2 3 bとに設けてもよいし、 図 7に示すように、 保護膜 2 9をバッファ 層 2 3上の電極 2 4が形成されていない部分と、 バッファ層 2 3の側面 2 3 bと に設けてもよい。
また、 本発明の光導波路型光変調器においては、 上述した例に示したように、 強誘電体基板として、ニオブ酸リチウムからなるものを用いることが望ましし、が、 ニオブ酸リチウムのみに限定されるものではなく、 例えば、 タンタル酸リチウム からなるものなども使用できる。
本発明の光導波路型光変調器においては、 上述した例に示したように、 電極 2 4と保護膜 2 7との間に、遷移金属層 2 5を設けてもよいが、設けなくてもよく、 特に限定されない。
さらに、本発明の光導波路型光変調器においては、上述した例に示したように、 光導波路 2 2を T i を拡散させたものから形成することができるが、 この材質に 限定されるものではない。
さらにまた、 本発明の光導波路型光変調器においては、 上述した例に示したよ うに、 パ、ッファ層 2 3を誘電率の低い S i 0 2からなるものとし、 電極 2 4を電 気抵抗が充分に低い A Uからなるものとすること力、 電極 2 4に高周波電気信号 を伝搬させることを考慮すると好ましいが、 バッファ層 2 3および電極 2 4を形 成する材質は、 上記の材質に限定されるものではない。
また、 本発明の光導波路型光変調器においては、 上述した例に示したように、 保護膜を、 S i 0 2からなるものとしてもよいが、 電気的に絶縁性を有するもの であればよく、 特に限定されない。
例えば、 保護膜をシリコン （S i ) や酸化窒化ケィ素 （S i - 0 - N ) からな るものとしてもよい。 シリコンを用いる場合、 保護膜は、 A rガスをスパッタリ ングガスとして使用し、 不純物ド一プしていないシリコンをターゲッ卜にして、 高周波スパッタを行う方法などによって形成される。 このとき、 強誘電体基板の 温度を 2 5 0 °C程度とすると、 欠陥の少ない良好な S i膜が成長し、 電気抵抗が 非常に高く、 実質的に絶縁体である S i膜が得られる。 シリコン （S i ) からな る保護膜は、 酸素を含まないので、 保護膜上に形成した遷移金属層を酸化劣化さ せることがない。 したがって、 遷移金属層が酸化することにより、 遷移金属層が 脆くなつたり、 バッファ層と遷移金属層との接合強度が弱まつたりする恐れがな く、 光導波路型光変調器の信頼性を向上させることができる。
また、 本発明の光導波路型光変調器においては、 上述した例に示したように、 保護膜全体を同一の材質からなるものとしてもよいが、 例えば、 バッファ層上に 設けられた保護膜とバッファ層の側面に設けられた保護膜とを異なる材質からな るものとしてもよく、 特に限定されない。
本発明の光導波路型光変調器の製造方法においては、 上述した例に示したよう に、 保護膜 2 7は、 バッファ層 2 3が形成された強誘電体基板 2 1を成膜装置内 で加熱処理してから形成することが好ましいが、 加熱処理を行わなくてもよい。 また、 本発明の光導波路型光変調器の製造方法においては、 上述した例に示し たように、 バッファ層 2 3は、 真空蒸着法で形成してもよいが、 真空蒸着法のみ に限定されるものではなく、 例えば、 スパッタリング法などの高エネルギー成膜 法で形成し、 緻密度の高いバッファ層を設けてもよい。
なお、 本発明の光導波路型光変調器およびその製造方法においては、 製造工程 において生じる個体差などによリ、 光導波路型光変調器のバッファ層 2 3上の電 極 2 4が形成されていない領域が保護膜で完全に覆われない場合もあるが、 バッ ファ層 2 3上の電極 2 4が形成されていない領域の一部に、 保護膜が形成されて いなくても、 バッファ層 2 3上の電極 2 4が形成されていない領域のほぼ全域に 保護膜が形成されていれば、 本発明の目的を達成することができる。
以下に、 本発明の第 2の実施の形態の光導波路型光変調器について実施例を用 いて詳細に説明する （図 5参照）。
実施例 3
Zカツ卜のニオブ酸リチウムからなる強誘電体基板 2 1の表面に、 T iからな る厚さ 9 0 n mの光導波路パターンを 1 0 0 0 °Cの酸素雰囲気中で 2 0時間拡散 処理することによリ光導波路 2 2を形成し、 その上に、 真空蒸着法によリバッフ ァ層 2 3となる厚さ 1 μ ^ β ί 0 2膜を成膜した。 そして、 温度 6 0 0 °Cの酸 素気流中で 5時間熱処理した後、 バッファ層 2 3の上面全体に、 高周波スパッタ を行なうことによリ S i 0 2からなる厚さ 5 0 n mの上面方向の保護膜 2 7を形 成した。
続いて、 この上面方向の保護膜 2 7の上に、 真空蒸着法により厚さ 5 0 n mの T iからなる遷移金属膜と、 厚さ 5 0 n mの A u膜を同一真空装置中で順次形成 した。 ついで、 この A u膜上にフォトリソグラフィー技術を用いてレジストパタ ーンを形成し、 レジストマスクが形成されていない部分、 すなわち、 A u膜が露 出している部分にのみ電解メツキ法で A uを析出■堆積させて、 電極 2 4を形成 した。 続いて、 レジストマスクを有機溶媒で除去し、 電極 2 4間に残った A u膜 および遷移金属膜をそれぞれヨウ素ヨウ化力リウム液およびアンモニア 過酸化 水素水混合液でエッチング除去する。 続いて、 強誘電体基板 2 1をチップ形状に 合わせて切断した。 切断した後、 バッファ層 2 3の側面 2 3 bに高周波スパッタ を行うことにより、 S i 0 2からなる厚さ 5 0 n mの側面方向の保護膜 2 7を形 成した。 こうして、 図 5に示す光導波路型光変調器を得た。
実施例 4
実施例 3と同様の強誘電体基板 2 1を使用し、 実施例 3と同様にして光導波路 2 2およびバッファ層 2 3を形成し、 バッファ層 2 3の上面全体に、 実施例 3と 同様にして、 厚さ 2 0 0 n mの上面側の保護膜 2 7を形成した。
続いて、 この保護膜 2 7の上に、 実施例 3と同様にして遷移金属層 2 5および 電極 2 4を形成し、 実施例 3と同様にチップ形状に切断した後、 バッファ層 2 3 の側面 2 3 bに厚さ 2 0 0 n mの側面方向の保護膜 2 7を作成し、 図 5に示す光 導波路型光変調器を得た。
実施例 5
実施例 3と同様の強誘電体基板 2 1を使用し、 実施例 3と同様にして光導波路 2 2およびバッファ層 2 3を形成し、 それを保護膜 2 7を成膜する成膜装置内に 設置して、 温度 2 5 0 °C、 真空度 2 X 1 0一5 P aの雰囲気で 1時間の加熱処理を 行った。 続いて、 温度を 2 5 0 °Cに保ったまま、 A rガスをスパッタリングガス として使用して 0 . 2 P aまで導入し、 不純物ドープしていないシリコンをター ゲッ卜にして、高周波スパッタを行うことにより、バッファ層 2 3の上面全体に、 厚さ 1 0 0 n mの上面方向の保護膜 2 7を形成した。 ついで、 この保護膜 2 7の上に、 実施例 3と同様にして遷移金属層 2 5および 電極 2 4を形成した。 続いて、 強誘電体基板 2 1をチップ形状に切断し、 バッフ ァ層 2 3の側面 2 3 に、 バッファ層 2 3の上面に保護膜 2 7を作成したと同様 の方法で、 厚さ 1 0 0 n mの側面方向の保護膜 2 7を作成し、 図 5に示す光導波 路型光変調器を得た。 なお、 この光導波路型光変調器の電極間抵抗は 3 0 Μ Ω以 上であった。
従来例
実施例 3と同様の強誘電体基板 2 1を使用し、 実施例 3と同様にして光導波路 2 2およびバッファ層 2 3を形成し、 このバッファ層 2 3の上に、 実施例 2 1と 同様にして、 遷移金属層 2 5および電極 2 4を形成し、 図 1 0に示す光導波路型 光変調器を得た。
比較例 2
実施例 3と同様の強誘電体基板 2 1を使用し、 実施例 3と同様にして光導波路 2 2と厚さ 1 0 0 n mのバッファ層 2 3を形成し、バッファ層 2 3の上面全体に、 実施例 3と同様にして、 厚さ 9 0 0 n mの上面方向の保護膜 2 7を形成した。 続いて、 この上面方向の保護膜 2 7の上に、 実施例 3と同様にして遷移金属層 2 5および電極 2 4を形成し、 図 5に示す光導波路型光変調器を得た。
試験結果 2
このようにして得られた実施例 3〜実施例 5、 従来例、 比較例 2の光導波路型 光変調器の安定性を調べるために、 以下の試験を行った。
すなわち、 実施例 3〜実施例 5、 従来例、 比較例 2の光導波路型光変調器を 8 5 °Cの恒温槽に入れて、 3 . 5 Vの初期 d cバイアスを印加して 6 0時間動作さ せ、 光出力信号の変調状態をオシロスコープで確認しながら、 その変調状態が初 期 d cバイアスを印加したときと同じ状態となるように、 印加 d cバイアスをフ イードバック制御し、 その印加 d cバイアスの変動を記録した。
その結果を図 8に示す。
- 図 8に示すように、 保護膜 2 7が設けられていない第 2の実施の形態の従来例 では、 印加 d cバイアスは、 時間の経過とともに著しく上昇している。 一方、 実 施例 3〜実施例 5では、 従来例と比較して印加 d cバイアスの上昇が小さい。 ま た、 保護膜 2 7の厚さが好ましい範囲を越える比較例 2は、 実施例 3〜実施例 5 と比較して印加 d cバイアスの上昇が大きい。
印加 d cバイアスの変動が小さいものほど、 d c ドリフ卜が小さく、 光導波路 型光変調器からの光出力信号の安定性が良好であることから、 保護膜 2 7によつ て光導波路型光変調器の動作の安定性を向上させることが可能であることがわか る。
また、 保護膜 2 7の厚さは、 2 0 0 n m以下とするのが好ましいことが明らかと つた。 産業上の利用の可能性 本発明は、 強誘電体結晶を基板として用いた光導波路型光変調器及びその製造 方法に係り、 この光導波路型光変調器は光ファイバ通信システムなどに好適に利 用される。

Claims

」請求の範囲
1 . 電気光学効果を有する基板と、 この基板の表層に形成された
光導波路と、 この基板上に設けられ導波光を制御する進行波型信号電極および接 地電極と、 これらの電極と光導波路との間に設けられたバッファ層とを有し、 さ らに、 バッファ層の電極側の全面に、 誘電体層が設けられた光導波路型光変調器 であり、
誘電体層と進行波型信号電極との間には、 進行波型信号電極よリも広い幅を有 し、 誘電体層よリも屈折率の大きな材料からなる信号電界調整領域が形成されて いることを特徴とする光導波路型光変調器。
2 . 信号電界調整領域が、 シリコンからなることを特徴とする請求項 1に記載の 光導波路型光変調器。
3 . 基板がニオブ酸リチウムからなり、 バッファ層が酸化シリコンからなり、 誘 電体層が窒化シリコンまたは酸窒化シリコンからなることを特徴とする請求項 1 に記載の光導波路型光変調器。
4 . 誘電体層の厚さが、 信号電界調整領域の厚さ以下であることを特徴とする請 求項 1に記載の光導波路型光変調器。
5 . 電気光学効果を有する基板と、 この基板の表層に形成された光導波路と、 こ の基板上に設けられ導波光を制御する進行波型信号電極および接地電極と、 これ らの電極と光導波路との間に設けられたバッファ層とを有し、 バッファ層の電極 側の全面には誘電体層が設けられ、 さらに、 誘電体層と進行波型信号電極との間 には、 進行波型信号電極よりも広い幅を有し、 誘電体層よりも屈折率の大きな材 料からなる信号電界調整領域が形成された光導波路型光変調器の製造方法であつ て、 バッファ層の全面に誘電体層を形成する工程 （1 ) と、 誘電体層上の所定 の位置に信号電界調整領域を形成する工程 （2 ) とを有することを特徴とする光 導波路型光変調器の製造方法。
6 . 前記工程 （2 ) が、 誘電体層上の信号電界調整領域を形成する所定位置以外 の部分をマスクした後、 信号電界調整領域を形成する材料を成膜し、 ついで、 マ スクを除去することによリ誘電体層上の所定位置に信号電界調整領域を形成する 工程であることを特徴とする請求項 5に記載の光導波路型光変調器の製造方法。
7 . マスクがフォトレジストであり、 マスクの除去がレジスト除去剤により行わ れることを特徴とする請求項 6に記載の光導波路型光変調器の製造方法。
8 . 前記工程 （1 ) 力 スパッタリング法により行われることを特徴とする請求 項 5に記載の光導波路型光変調器の製造方法。
9 . 電気光学効果を有する単結晶からなり、 主面に光導波路が形成された強誘電 体基板と、 該強誘電体基板の主面側に設けられたバッファ層と電極とを有し、 前 記強誘電体基板の電気光学効果を誘起する軸は、 前記強誘電体基板の前記主 面と直交する方向であり、 前記バッファ層の上面の少なくとも前記電極が形成さ れていない領域および前記バッファ層の光導波方向の側面に、 電気的に絶縁性で あり、 厚さが 5 0ないし 2 0 0 n mである保護膜が設けられたことを特徴とする 光導波路型光変調器。
1 0 . 前記保護膜が、 前記電極が形成された領域をも含む前記バッファ層の上面 の全域にわたって設けられたことを特徴とする請求項 9に記載の光導波路型光変
1 1 . 前記バッファ層の上面に設けられた保護膜と、 前記バッファ層の光導波方 向の側面に設けられた保護膜とが、 同じ材質であることを特徴とする請求項 9に 記載の光導波路型光変調器。
1 2 . 前記保護膜が、 アモルファス膜であることを特徴とする請求項 9に記載の 光導波路型光変調器。 ΰ
1 3 . 電気光学効果を有する単結晶からなり、 電気光学効果を誘起する軸が表面 と直交する方向である強誘電体基板の主面に光導波路を形成する工程と、 前記主 面側にバッファ層を形成する工程と、 前記バッファ層の上面の少なくとも電極形 成領域以外の領域に、 電気的に絶縁性であり、 厚さが 5 0ないし 2 0 0 n mであ る保護膜を形成する工程と、 前記電極形成領域に電極を形成する工程とを備える ことを特徴とする光導波路型光変調器の製造方法。
1 4 . 前記保護膜は、 バッファ層が形成された強誘電体基板を成膜装置内で加熱 処理してから形成することを特徴とする請求項 1 3に記載の光導波路型光変調器 の製造方法。
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