WO2013147129A1 - 光導波路素子 - Google Patents

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electrode
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基弘 竹村
雅尚 栗原
藤野　哲也
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住友大阪セメント株式会社
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    • G02F2203/00—Function characteristic
    • 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 device, and more particularly to an optical waveguide device in which an optical waveguide, a buffer layer, and a modulation electrode are formed on a substrate having an electro-optic effect.
  • an optical waveguide element such as a light intensity modulator in which an optical waveguide and a modulation electrode are formed on a substrate having an electro-optic effect such as lithium niobate (LN) is widely used.
  • LN lithium niobate
  • a substrate having an electro-optic effect accumulates electric charges generated by polarization or electric charges generated inside the substrate in response to an electric field applied from the outside, so that the driving voltage of the optical waveguide element fluctuates, so-called DC.
  • a drift phenomenon occurs.
  • a buffer layer such as SiO 2 is disposed between the substrate on which the optical waveguide is formed and the modulation electrode.
  • Patent Document 1 discloses that a first buffer layer, a conductive layer, a second buffer layer, and a central conductor are stacked in this order on a substrate in order to suppress DC drift and temperature drift.
  • Patent Document 1 discloses that a conductive layer existing between the first buffer layer and the second buffer layer is in contact with a substrate having an electro-optic effect.
  • the conductive layer having such a structure needs to be manufactured in a so-called interaction part region in which an electric field formed by the modulation electrode acts on the optical waveguide in addition to an inclined structure.
  • An object of the present invention is to provide an optical waveguide device that solves the above-described problems, effectively diffuses charges accumulated in a substrate, and suppresses DC drift and temperature drift.
  • an invention according to claim 1 includes a substrate having an electro-optic effect, an optical waveguide formed on the substrate, a buffer layer formed on the substrate, and a buffer layer on the buffer layer.
  • the optical waveguide device having a modulation electrode that modulates a light wave that is formed and propagates through the optical waveguide, a charge diffusion layer that diffuses charges generated in the substrate is formed between the substrate and the buffer layer, The charge diffusion layer is electrically connected to a ground electrode constituting the modulation electrode.
  • the invention according to claim 2 is the optical waveguide device according to claim 1, wherein the charge diffusion layer is a conductive film or a semiconductor film.
  • the invention according to claim 3 is the optical waveguide device according to claim 1 or 2, wherein the charge diffusion layer is made of a material having a lower refractive index than the optical waveguide.
  • the invention according to claim 4 is the optical waveguide device according to claim 2 or 3, wherein the thickness of the charge diffusion layer is 0.05 to 0.6 ⁇ m.
  • the electrical connection between the charge diffusion layer and the ground electrode is via connection through the buffer layer, side surface of the substrate Or a connection layer arranged by removing a part of the buffer layer.
  • the invention according to claim 6 is the optical waveguide device according to claim 1, wherein the charge diffusion layer is composed of a low refractive index material having a lower refractive index than the optical waveguide and a semiconductor material, and the low refractive index
  • the charge diffusion layer made of a refractive index material includes at least an interaction region with the optical waveguide under the signal electrode constituting the modulation electrode and its vicinity, and an interaction region with the optical waveguide under the ground electrode and its vicinity.
  • the charge diffusion layer made of the semiconductor material is formed of a charge diffusion layer made of a low refractive index material under the signal electrode and a charge diffusion layer made of a low refractive index material under the ground electrode. The diffusion layer is electrically connected.
  • the invention according to claim 7 is the optical waveguide device according to claim 1, wherein the charge diffusion layer is made of a low refractive material having a lower refractive index than the optical waveguide, and the charge diffusion layer made of the low refractive material is A region where the film thickness is different and the resistance value is different, the thickness of the charge diffusion layer of the low refractive index material is large, and the region where the resistance value is low is at least an optical waveguide below the signal electrode constituting the modulation electrode Is present in the region including the vicinity thereof and the region including the vicinity thereof, and the region including the vicinity thereof and the interaction region with the optical waveguide under the ground electrode, and has a large thickness under the signal electrode and a low resistance value.
  • the diffusion layer and the charge diffusion layer having a large thickness under the ground electrode and having a low resistance value are formed separately from each other, both of which have a small thickness of the charge diffusion layer of the low refractive index material, Area with high resistance Characterized by further electrical connection.
  • the invention according to claim 8 is the optical waveguide element according to claim 1, wherein the charge diffusion layer is made of a low refractive material having a lower refractive index than the optical waveguide, and the charge diffusion layer made of the low refractive material is In the region including the interaction region with the optical waveguide under the signal electrode constituting the modulation electrode and the vicinity thereof, and the region including the interaction region with the optical waveguide under the ground electrode and the vicinity thereof, and the signal
  • the charge diffusion layer under the electrode and the charge diffusion layer under the ground electrode are formed separately from each other, and both are electrically connected by a member having a higher resistance value than the charge diffusion layer. .
  • a substrate having an electrooptic effect an optical waveguide formed on the substrate, a buffer layer formed on the substrate, and a buffer layer formed on the buffer layer
  • an optical waveguide device having a modulation electrode for modulating a propagating light wave a charge diffusion layer for diffusing charges generated in the substrate is formed between the substrate and the buffer layer, and the charge diffusion layer includes Since it is electrically connected to the ground electrode that constitutes the modulation electrode, it is possible to provide an optical waveguide device that effectively diffuses charges generated in the substrate and suppresses DC drift and temperature drift.
  • the charge diffusion layer is arranged so as to be in direct contact with the substrate, the charge generated in the substrate can be efficiently diffused, and the charge diffusion layer can be electrically connected to the ground electrode to thereby diffuse the charge. Can be effectively generated, and the charge diffusion effect can be maintained over a long period of time.
  • the charge diffusion layer is a conductive film or a semiconductor film, it is possible to efficiently diffuse the charges generated in the substrate.
  • the charge diffusion layer is made of a material having a lower refractive index than that of the optical waveguide, the loss of the light wave propagating through the optical waveguide even if the charge diffusion layer is formed immediately above the optical waveguide. Can be suppressed.
  • the thickness of the charge diffusion layer is 0.05 to 0.6 ⁇ m, it can be formed as a continuous film and can be configured to be thinner than the thickness of the buffer layer.
  • the electrical connection between the charge diffusion layer and the ground electrode is arranged by removing a via connection penetrating the buffer layer, a conductive film provided on the side surface of the substrate, or a part of the buffer layer. Therefore, the electrical connection between the charge diffusion layer and the ground electrode can be more reliably performed.
  • the charge diffusion layer is made of a low refractive index material having a lower refractive index than the optical waveguide and a semiconductor material, and the charge diffusion layer made of the low refractive index material has at least the modulation electrode.
  • the semiconductor material is formed separately in a region including an interaction region with the optical waveguide under the signal electrode and a region including the vicinity thereof, and an interaction region with the optical waveguide under the ground electrode and a region including the vicinity thereof.
  • the charge diffusion layer made of is configured to electrically connect the charge diffusion layer made of a low refractive index material under the signal electrode and the charge diffusion layer made of a low refractive index material under the ground electrode. Even when a charge diffusion layer is provided under the ground electrode, an electric field can be effectively applied to the optical waveguide.
  • the charge diffusion layer is made of a low refractive material having a lower refractive index than the optical waveguide, and the charge diffusion layer made of the low refractive material has regions having different film thicknesses and different resistance values.
  • the region where the charge diffusion layer of the low refractive index material is large and the resistance value is low includes at least a region including an interaction region with the optical waveguide under the signal electrode constituting the modulation electrode and its vicinity, and grounding A charge diffusion layer having a large film thickness under the signal electrode and a low resistance value, a film thickness under the ground electrode, and a large film thickness under the interaction region with the optical waveguide under the electrode and the vicinity thereof.
  • the charge diffusion layers having a low value are formed separately from each other, and both of them are electrically connected to a region having a small thickness and a high resistance value of the charge diffusion layer of the low refractive index material. And contact Even in the case where the charge diffusion layer under the electrodes, it is possible to apply effectively the electric field to the optical waveguide.
  • the charge diffusion layer is made of a low refractive material having a refractive index lower than that of the optical waveguide, and the charge diffusion layer made of the low refractive material is formed of an optical waveguide under the signal electrode constituting the modulation electrode.
  • the charge diffusion layer under the signal electrode and the charge diffusion layer under the ground electrode are present in the region including the interaction region and the vicinity thereof, and the interaction region with the optical waveguide under the ground electrode and the region including the vicinity thereof. Are formed separately from each other, and both are electrically connected by a member having a higher resistance value than the charge diffusion layer. Therefore, even when a charge diffusion layer is provided under the signal electrode and the ground electrode, the optical An electric field can be effectively applied to the waveguide.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along a dotted line AA ′ in FIG. 5, showing an example in which a charge diffusion layer made of a low refractive index material is formed on the substrate surface in a region including directly above the optical waveguide and connected to the ground electrode by via connection. .
  • a connection layer is used instead of via connection is shown.
  • the optical waveguide device of the present invention includes a substrate having an electro-optic effect, an optical waveguide formed on the substrate, a buffer layer (BF layer) formed on the substrate, In an optical waveguide element having a modulation electrode (signal electrode, ground electrode) that is formed on a buffer layer and modulates a light wave propagating through the optical waveguide, it is generated on the substrate between the substrate and the buffer layer.
  • a charge diffusion layer for diffusing charges is formed, and the charge diffusion layer is electrically connected to a ground electrode constituting the modulation electrode.
  • a substrate using a material having an electro-optic effect can be used.
  • a material having an electro-optic effect for example, lithium niobate, lithium tantalate, PLZT (lead lanthanum zirconate titanate), and quartz-based materials, A substrate combining these materials can also be used.
  • a lithium niobate (LN) crystal having a high electro-optic effect is preferably used.
  • the optical waveguide on the substrate it can be formed by diffusing on the substrate surface by a thermal diffusion method such as Ti or a proton exchange method. It is also possible to use a ridge-shaped waveguide having a convex portion corresponding to the optical waveguide, such as etching a substrate other than the optical waveguide or forming grooves on both sides of the optical waveguide.
  • modulation electrodes such as signal electrodes and ground electrodes are formed on the upper side of the substrate.
  • Such an electrode can be formed by forming an Au electrode pattern, a gold plating method, or the like.
  • a buffer layer (BF layer) is formed between the optical waveguide and the modulation electrode.
  • an insulating material having a lower refractive index than that of the optical waveguide such as SiO 2 is used, and is formed by a sputtering method or the like.
  • the thickness of the buffer layer should be set to about 500 nm to 1000 nm, particularly about 600 nm in consideration of the condition that the absorption of the light wave by the electrode is suppressed and the electric field formed by the electrode is effectively applied to the optical waveguide. Is preferred.
  • a feature of the present invention is that a charge diffusion layer is provided so as to be in direct contact with the substrate and is electrically connected to the ground electrode.
  • a conductive film such as Au, Ag, Ti, Al or indium tin oxide (ITO) or a semiconductor film such as Si is used. It is formed by attaching a vacuum film forming method such as a sputtering method, a vapor deposition method, a CVD method, or a thinned conductive film.
  • the charge diffusion layer is formed on the substrate excluding the vicinity of the optical waveguide as shown in FIG. 1 by combining photolithography patterning with dry etching or chemical etching.
  • the distance between the optical waveguide and the charge diffusion layer is preferably greater than the distance between the signal electrode and the ground electrode, for example, 25 ⁇ m or more.
  • the charge diffusion layer when a material having a refractive index lower than that of the optical waveguide, such as ITO, is used for the charge diffusion layer, even if the charge diffusion layer is formed immediately above the optical waveguide formed on the substrate, the light wave propagating through the optical waveguide Loss can be suppressed.
  • a material having a refractive index lower than that of the optical waveguide such as ITO
  • the thickness of the charge diffusion layer is preferably 0.05 to 0.6 ⁇ m. This can be formed as a continuous film and can be made thinner than the thickness of the buffer layer. As a result, the charge diffusion layer can maintain the characteristics such as conductivity, and can exhibit a charge diffusion effect.
  • the charge diffusion layer of the present invention makes it possible to provide an optical waveguide device that effectively diffuses charges generated in the substrate and suppresses DC drift and temperature drift.
  • the charge diffusion layer is arranged so as to be in direct contact with the substrate, the charge generated in the substrate can be efficiently diffused, and the charge diffusion layer can be electrically connected to the ground electrode to thereby diffuse the charge. Can be effectively generated, and the charge diffusion effect can be maintained over a long period of time.
  • the electrical connection between the charge diffusion layer and the ground electrode can be configured by via connection penetrating the buffer layer as shown in FIG.
  • the film type used for via connection is preferably a conductive material such as Au, Ag, Ti, Al, ITO.
  • connection layer As another electrical connection method, as shown in FIG. 2, all or a part of the buffer layer disposed immediately below the ground electrode formed on the buffer layer is removed by dry etching or chemical etching, and removed. There is a method in which a connection layer is formed in the formed portion by a vacuum film forming method such as sputtering, vapor deposition, or CVD. In addition, as shown in FIG. 3, a connection layer can be disposed on the side surface of the substrate.
  • FIG. 4 is a graph comparing the temperature dependence of operating point fluctuations for the optical waveguide device of the present invention (FIG. 1) and the prior art (when there is no via connection with the charge diffusion layer of FIG. 1). According to the present invention, it is understood that there is little fluctuation of the bias point with respect to temperature change, and it is possible to effectively eliminate the influence of the generation of charges in the substrate that is a factor of bias fluctuation.
  • the entire surface of the substrate can be covered with the charge diffusion layer.
  • the interaction part in this invention means the part to which the electric field which a modulation electrode (a signal electrode and a ground electrode) forms is applied to an optical waveguide.
  • the charge diffusion layer made of a low refractive index material is partially thin between the “region near the interaction portion under the signal electrode” and the “region near the interaction portion under the ground electrode”.
  • a region having an electrical resistance value, or a charge diffusion layer made of a low refractive index material in a region near the interaction part under the signal electrode and a region near the interaction part under the ground electrode A structure in which a charge diffusion layer made of a low refractive material is separated and an electrical resistance is provided between the charge diffusion layers can be mentioned.
  • FIG. 5 shows an embodiment in which the charge diffusion layer is made of a low refractive index material having a lower refractive index than an optical waveguide such as ITO and a semiconductor material, and the charge diffusion layer and the ground electrode are electrically connected by via connection.
  • a plan view is shown.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the dotted line A-A ′ in FIG.
  • a charge diffusion layer made of a low refractive index material is provided, a charge diffusion layer made of a semiconductor material is provided between the signal electrode and the ground electrode, and the charge diffusion layer is grounded in a place where there is no signal electrode or optical waveguide.
  • the electrode is configured to be electrically connected.
  • FIG. 7 shows an embodiment in which a connection layer is used instead of via connection in the embodiment shown in FIG.
  • the semiconductor region of the charge diffusion layer of the embodiment shown in FIGS. 5 to 7 is a charge diffusion layer made of a low refractive material having a small film thickness and a high resistance value, or a member having a higher electrical resistance value than the charge layer ( It is also possible to replace the film body.
  • an optical waveguide device that effectively diffuses charges accumulated in a substrate and suppresses DC drift and temperature drift.

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Abstract

　基板内に蓄積する電荷を効果的に拡散し、ＤＣドリフトや温度ドリフトを抑制した光導波路素子を提供することを目的とする。　電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該基板の上に形成されたバッファ層（ＢＦ層）と、該バッファ層上に形成され、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極（信号電極，接地電極）とを有する光導波路素子において、該基板と該バッファ層との間に、該基板に発生する電荷を拡散するチャージ拡散層を形成し、該チャージ拡散層は、該変調電極を構成する接地電極に電気的に接続されていることを特徴とする。

Description

光導波路素子
　本発明は光導波路素子に関し、特に、電気光学効果を有する基板に光導波路とバッファ層及び変調電極とを形成した光導波路素子に関する。
　光通信分野や光計測分野において、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの電気光学効果を有する基板上に光導波路と変調電極を形成した、光強度変調器などの光導波路素子は広く使われている。
　電気光学効果を有する基板は、分極により発生する電荷や、外部から印加された電界に対応して基板内部に発生した電荷が蓄積することで、光導波路素子の駆動電圧が変動する、所謂、ＤＣドリフト現象が発生する。また、基板の温度変化により発生する温度ドリフト現象もある。
　他方、基板上に光導波路を形成し、変調電極も該基板上に配置するためには、光導波路を伝搬する光波が該変調電極で吸収・散乱されることを抑制する必要がある。このため、光導波路を形成した基板と変調電極との間に、ＳｉＯ２などのバッファ層を配置することが行われている。
　特許文献１では、ＤＣドリフトや温度ドリフトを抑制するため、基板上に第１バッファ層、導電層、第２バッファ層及び中心導体の順に積層することが開示されている。
　しかしながら、バッファ層の表面に、電荷分散膜としての導電膜が形成される場合には、基板とバッファ層との間に蓄積した電荷を、効果的に分散することが困難となる。このため、蓄積した電荷により、製品の動作点変動等の問題が生じていた。
　また、特許文献１には、第１バッファ層と第２バッファ層の間に存在する導電層が電気光学効果を有する基板と接することが開示されている。しかしながら、このような構造を持つ導電層は傾斜構造を有する上に、光導波路に変調電極が形成する電界が作用する、所謂、相互作用部領域で作製されている必要がある。
　このため、このような傾斜構造を均質に作製すること、第１と第２バッファ層及び導電層の各膜厚を制御することは、それぞれが製造工程上の困難さに繋がっている。また、相互作用部領域近傍に存在する傾斜構造を有する導電層は、得られる光変調器の特性のバラツキが発生する要因となる。
特開２００６－３１７５５０号公報
　本発明は、上述した問題を解消し、基板内に蓄積する電荷を効果的に拡散し、ＤＣドリフトや温度ドリフトを抑制した光導波路素子を提供することである。
　上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該基板の上に形成されたバッファ層と、該バッファ層上に形成され、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極とを有する光導波路素子において、該基板と該バッファ層との間に、該基板に発生する電荷を拡散するチャージ拡散層を形成し、該チャージ拡散層は、該変調電極を構成する接地電極に電気的に接続されていることを特徴とする。
　請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光導波路素子において、該チャージ拡散層は、導電膜又は半導体膜であることを特徴とする。
　請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該チャージ拡散層は、光導波路より低い屈折率を有する材料で構成されていることを特徴とする。
　請求項４に係る発明は、請求項２又は３に記載の光導波路素子において、該チャージ拡散層の膜厚は、０．０５～０．６μｍであることを特徴とする。
　請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路素子において、該チャージ拡散層と該接地電極との電気的接続は、該バッファ層を貫通するビア接続、基板側面に設けた導電膜、又は、バッファ層の一部を除去して配置された接続層のいずれかで構成されていることを特徴とする。
　請求項６に係る発明は、請求項１に記載の光導波路素子において、該チャージ拡散層は、該光導波路より低い屈折率を有する低屈折率材料と半導体材料で構成されており、前記低屈折率材料からなるチャージ拡散層は、少なくとも該変調電極を構成する信号電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域、及び該接地電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域で分離して形成されており、前記半導体材料からなるチャージ拡散層は、前記信号電極下の低屈折率材料からなるチャージ拡散層と、前記接地電極下の低屈折率材料からなるチャージ拡散層とを、電気的に接続することを特徴とする。
　請求項７に係る発明は、請求項１に記載の光導波路素子において、該チャージ拡散層は、該光導波路より低い屈折率を有する低屈折材料からなり、前記低屈折材料からなるチャージ拡散層は、膜厚が異なりかつ抵抗値が異なる領域が存在し、前記低屈折率材料のチャージ拡散層の膜厚が大きく、抵抗値が低い領域は、少なくとも該変調電極を構成する信号電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域、及び該接地電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域に存在し、前記信号電極下の膜厚が大きく、抵抗値が低いチャージ拡散層と、前記接地電極下の膜厚が大きく、抵抗値が低いチャージ拡散層は、互いに分離して形成されており、両者は、該低屈折率材料のチャージ拡散層の膜厚が小さく、抵抗値が高い領域により電気的に接続することを特徴とする。
　請求項８に係る発明は、請求項１に記載の光導波路素子において、該チャージ拡散層は、該光導波路より低い屈折率を有する低屈折材料からなり、前記低屈折材料からなるチャージ拡散層は、該変調電極を構成する信号電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域、及び該接地電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域に存在し、前記信号電極下のチャージ拡散層と前記接地電極下のチャージ拡散層は、互いに分離して形成されており、両者は、該チャージ拡散層より抵抗値が高い部材で電気的に接続することを特徴とする。
　請求項１に係る発明により、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該基板の上に形成されたバッファ層と、該バッファ層上に形成され、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極とを有する光導波路素子において、該基板と該バッファ層との間に、該基板に発生する電荷を拡散するチャージ拡散層を形成し、該チャージ拡散層は、該変調電極を構成する接地電極に電気的に接続されているため、該基板内に発生する電荷を効果的に拡散し、ＤＣドリフトや温度ドリフトを抑制した光導波路素子を提供することが可能となる。特に、基板に直接接するようにチャージ拡散層を配置しているため、基板内に発生する電荷を効率良く拡散できると共に、チャージ拡散層を接地電極と電気的に接続することで、電荷の拡散機能を有効に発生させることができ、チャージ拡散効果を長期にわたり維持することが可能となる。
　請求項２に係る発明により、チャージ拡散層は、導電膜又は半導体膜であるため、基板内に発生した電荷を効率良く拡散することが可能となる。
　請求項３に係る発明により、チャージ拡散層は、光導波路より低い屈折率を有する材料で構成されているため、光導波路の直上にチャージ拡散層を形成しても光導波路を伝搬する光波の損失を抑制することが可能となる。
　請求項４に係る発明により、チャージ拡散層の膜厚は、０．０５～０．６μｍであるため、連続膜として形成できると共に、バッファ層の厚みよりも薄く構成できる。これにより、電荷の拡散効果を維持しながら、チャージ拡散層があることにより基板と変調電極との距離が離れ、駆動電圧が増加するなどの不具合が生じることもない。
　請求項５に係る発明により、チャージ拡散層と接地電極との電気的接続は、バッファ層を貫通するビア接続、基板側面に設けた導電膜、又は、バッファ層の一部を除去して配置された接続層のいずれかで構成されているため、チャージ拡散層と接地電極との電気的接続をより確実に行うことが可能となる。
　請求項６に係る発明により、チャージ拡散層は、光導波路より低い屈折率を有する低屈折率材料と半導体材料で構成されており、前記低屈折率材料からなるチャージ拡散層は、少なくとも変調電極を構成する信号電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域、及び接地電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域で分離して形成されており、前記半導体材料からなるチャージ拡散層は、前記信号電極下の低屈折率材料からなるチャージ拡散層と、前記接地電極下の低屈折率材料からなるチャージ拡散層とを、電気的に接続するため、信号電極及び接地電極の下にチャージ拡散層を設けた場合でも、光導波路に効果的に電界を印加することが可能となる。
　請求項７に係る発明により、チャージ拡散層は、光導波路より低い屈折率を有する低屈折材料からなり、前記低屈折材料からなるチャージ拡散層は、膜厚が異なりかつ抵抗値が異なる領域が存在し、前記低屈折率材料のチャージ拡散層の膜厚が大きく、抵抗値が低い領域は、少なくとも変調電極を構成する信号電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域、及び接地電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域に存在し、前記信号電極下の膜厚が大きく、抵抗値が低いチャージ拡散層と、前記接地電極下の膜厚が大きく、抵抗値が低いチャージ拡散層は、互いに分離して形成されており、両者は、該低屈折率材料のチャージ拡散層の膜厚が小さく、抵抗値が高い領域により電気的に接続するため、信号電極及び接地電極の下にチャージ拡散層を設けた場合でも、光導波路に効果的に電界を印加することが可能となる。
　請求項８に係る発明により、チャージ拡散層は、光導波路より低い屈折率を有する低屈折材料からなり、前記低屈折材料からなるチャージ拡散層は、変調電極を構成する信号電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域、及び接地電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域に存在し、前記信号電極下のチャージ拡散層と前記接地電極下のチャージ拡散層は、互いに分離して形成されており、両者は、該チャージ拡散層より抵抗値が高い部材で電気的に接続するため、信号電極及び接地電極の下にチャージ拡散層を設けた場合でも、光導波路に効果的に電界を印加することが可能となる。
本発明の光導波路素子を示す断面図であり、電気的接続をビア接続で行っている例を示す。 本発明の光導波路素子を示す断面図であり、電気的接続を接続層で行っている例を示す。 本発明の光導波路素子を示す断面図であり、電気的接続を基板側面に設けた導電膜で行っている例を示す。 動作点変動の温度依存性について、本発明と従来技術とを対比するグラフである。 本発明の光導波路素子を示す平面図であり、低屈折率材料からなるチャージ拡散層を光導波路に沿って配置し、ビア接続にて接地電極と接続した例を示す図である。 図５の点線Ａ－Ａ’における断面図であり、基板表面に光導波路の直上を含む領域に低屈折率材料からなるチャージ拡散層を形成し、ビア接続にて接地電極と接続した例を示す。 図６における構成において、ビア接続の代わりに接続層を用いた場合の例を示す。
　本発明の光導波路素子について、以下に詳細に説明する。
　図１に示すように、本発明の光導波路素子は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該基板の上に形成されたバッファ層（ＢＦ層）と、該バッファ層上に形成され、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極（信号電極，接地電極）とを有する光導波路素子において、該基板と該バッファ層との間に、該基板に発生する電荷を拡散するチャージ拡散層を形成し、該チャージ拡散層は、該変調電極を構成する接地電極に電気的に接続されていることを特徴とする。
　本発明に利用される基板としては、電気光学効果を有する材料を用いた基板が利用でき、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料、並びにこれらの材料を組み合わせた基板が利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）結晶が好適に利用される。
　基板に光導波路を形成する方法としては、Ｔｉなどの熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより形成することができる。また、光導波路以外の基板をエッチングしたり、光導波路の両側に溝を形成するなど、基板に光導波路に対応する部分を凸状としたリッジ形状の導波路を利用することも可能である。
　光導波路素子では、基板の上側には信号電極や接地電極などの変調電極が形成される。このような電極は、Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。
　光導波路と変調電極との間には、バッファ層（ＢＦ層）が形成されている。バッファ層には、ＳｉＯ２などの光導波路より低い屈折率を有する絶縁性の材料が利用され、スパッタ法などで形成される。バッファ層の厚みは、光波の電極による吸収を抑制し、電極が形成する電界が光導波路に効果的に印加されるような条件を考慮して、５００ｎｍ～１０００ｎｍ、特に、６００ｎｍ程度に設定することが好ましい。
　本発明の特徴は、基板に直接接するようにチャージ拡散層を設け、接地電極と電気的に接続されていることである。チャージ拡散層は、Ａｕ，Ａｇ，Ｔｉ，Ａｌ又はインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの導電膜や、Ｓｉなどの半導体膜が用いられる。スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法などの真空成膜法や薄膜化した導電膜等を貼り付けることで形成される。
　チャージ拡散層は、フォトリソグラフィによるパターニングと、ドライエッチングやケミカルエッチングを組み合わせることにより、図１のように、光導波路近傍を除く基板上に形成される。光導波路とチャージ拡散層との間隔は、信号電極と接地電極との間隔以上、例えば、２５μｍ以上離すことが好ましい。
　ただし、チャージ拡散層に、ＩＴＯなどの光導波路より低い屈折率を有する材料を使用する場合には、基板に形成した光導波路の直上にチャージ拡散層を形成しても光導波路を伝搬する光波の損失を抑制することができる。
　チャージ拡散層の膜厚は、０．０５～０．６μｍとすることが好ましい。これは、連続膜として形成できると共に、バッファ層の厚みよりも薄く構成できる。これにより、チャージ拡散層が、導電性等の特性を維持し、電荷の拡散効果を発揮することができる。
　本発明のチャージ拡散層により、基板内に発生する電荷を効果的に拡散し、ＤＣドリフトや温度ドリフトを抑制した光導波路素子を提供することが可能となる。特に、基板に直接接するようにチャージ拡散層を配置しているため、基板内に発生する電荷を効率良く拡散できると共に、チャージ拡散層を接地電極と電気的に接続することで、電荷の拡散機能を有効に発生させることができ、チャージ拡散効果を長期にわたり維持することが可能となる。
　チャージ拡散層と接地電極との電気的接続は、図１のような、バッファ層を貫通するビア接続で構成することが可能である。ビア接続に使用される膜種としては、Ａｕ，Ａｇ，Ｔｉ，Ａｌ，ＩＴＯなどの導電性材料が好ましい。
　他の電気的接続の方法としては、図２のように、バッファ層上に形成される接地電極の直下に配置されるバッファ層の全部又は一部を、ドライエッチングやケミカルエッチングで除去し、除去した部分にスパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法などの真空成膜法で接続層を形成する方法がある。また、図３に示すように、基板の側面に接続層を配置することも可能である。
　図４は、本発明の光導波路素子（図１）と従来技術（図１のチャージ拡散層とビア接続の無い場合）とについて、動作点変動の温度依存性を比較したグラフである。本発明のものは温度変化に対してバイアス点の変動が少なく、バイアス変動の要因である基板内の電荷の発生の影響を、効果的に除去できていることが理解される。
　チャージ拡散層をＩＴＯなどの光導波路より低い屈折率を有する低屈折率材料を使用する場合には、基板上の全面をチャージ拡散層で覆うことも可能である。
　ただし、全面にチャージ拡散層を形成する場合には、信号電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域と、接地電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域間において“電気的に短絡”または“抵抗値が極端に低下”することを避ける必要がある。なお、本発明における相互作用部とは、変調電極（信号電極と接地電極）が形成する電界が光導波路に印加される部分を意味する。
　この対策として、２つのチャージ拡散層の領域の間に抵抗値が高い領域を設ける必要がある。具体的には、低屈折率材料からなるチャージ拡散層が、「信号電極下の相互作用部近傍領域」と「接地電極下の相互作用部近傍領域」との間で部分的に膜厚が薄くなる領域を設け、電気的な抵抗値を有する構造や、あるいは「信号電極下の相互作用部近傍領域」の低屈折率材料からなるチャージ拡散層と「接地電極下の相互作用部近傍領域」の低屈折材料からなるチャージ拡散層が分離されて、それぞれのチャージ拡散層の間に電気的な抵抗を設ける構造があげられる。
　この場合、Ｓｉなどの半導体材料を使用した層を介して低屈折率材料からなるチャージ拡散層を接続することが好ましい。また、チャージ拡散層より電気抵抗値の高い部材を使用することも可能である。
　図５に、チャージ拡散層をＩＴＯなどの光導波路より低い屈折率を有する低屈折率材料と半導体材料を使用し、ビア接続によってチャージ拡散層と接地電極が電気的に接続されている実施形態の平面図を示す。
　図６に、図５の点線Ａ－Ａ’における断面図を示す。基板内の電荷蓄積による影響を排除する必要がある、信号電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域と、接地電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域に、低屈折率材料からなるチャージ拡散層を設け、信号電極下と接地電極下の間には半導体材料からなるチャージ拡散層を設け、信号電極や光導波路が無い場所で、チャージ拡散層と接地電極とを電気的に接続するように構成している。
　図７に図５に示した実施形態において、ビア接続の代わりに接続層を用いた実施形態を示す。
　図５乃至７に示された実施形態のチャージ拡散層の半導体領域は、膜厚を小さくして抵抗値を高くした低屈折材料からなるチャージ拡散層や、チャージ層より電気抵抗値が高い部材（膜体）に代えることも可能である。
　以上説明したように、本発明によれば、基板内に蓄積する電荷を効果的に拡散し、ＤＣドリフトや温度ドリフトを抑制した光導波路素子を提供することが可能となる。

Claims (8)

  1. 　電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該基板の上に形成されたバッファ層と、該バッファ層上に形成され、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極とを有する光導波路素子において、
    　該基板と該バッファ層との間に、該基板に発生する電荷を拡散するチャージ拡散層を形成し、
    　該チャージ拡散層は、該変調電極を構成する接地電極に電気的に接続されていることを特徴とする光導波路素子。
  2. 　請求項１に記載の光導波路素子において、該チャージ拡散層は、導電膜又は半導体膜であることを特徴とする光導波路素子。
  3. 　請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該チャージ拡散層は、光導波路より低い屈折率を有する材料で構成されていることを特徴とする光導波路素子。
  4. 　請求項２又は３に記載の光導波路素子において、該チャージ拡散層の膜厚は、０．０５～０．６μｍであることを特徴とする光導波路素子。
  5. 　請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路素子において、該チャージ拡散層と該接地電極との電気的接続は、該バッファ層を貫通するビア接続、基板側面に設けた導電膜、又は、バッファ層の一部を除去して配置された接続層のいずれかで構成されていることを特徴とする光導波路素子。
  6. 　請求項１に記載の光導波路素子において、
    　該チャージ拡散層は、該光導波路より低い屈折率を有する低屈折率材料と半導体材料で構成されており、
    　前記低屈折率材料からなるチャージ拡散層は、少なくとも該変調電極を構成する信号電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域、及び該接地電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域で分離して形成されており、
    　前記半導体材料からなるチャージ拡散層は、前記信号電極下の低屈折率材料からなるチャージ拡散層と、前記接地電極下の低屈折率材料からなるチャージ拡散層とを、電気的に接続することを特徴とする光導波路素子。
  7. 　請求項１に記載の光導波路素子において、
    　該チャージ拡散層は、該光導波路より低い屈折率を有する低屈折材料からなり、
    　前記低屈折材料からなるチャージ拡散層は、膜厚が異なりかつ抵抗値が異なる領域が存在し、
    　前記低屈折率材料のチャージ拡散層の膜厚が大きく、抵抗値が低い領域は、少なくとも該変調電極を構成する信号電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域、及び該接地電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域に存在し、
    　前記信号電極下の膜厚が大きく、抵抗値が低いチャージ拡散層と、前記接地電極下の膜厚が大きく、抵抗値が低いチャージ拡散層は、互いに分離して形成されており、両者は、該低屈折率材料のチャージ拡散層の膜厚が小さく、抵抗値が高い領域により電気的に接続することを特徴とする光導波路素子。
  8. 　請求項１に記載の光導波路素子において、
    　該チャージ拡散層は、該光導波路より低い屈折率を有する低屈折材料からなり、
    　前記低屈折材料からなるチャージ拡散層は、該変調電極を構成する信号電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域、及び該接地電極下の光導波路との相互作用領域とその近傍を含む領域に存在し、
    　前記信号電極下のチャージ拡散層と前記接地電極下のチャージ拡散層は、互いに分離して形成されており、両者は、該チャージ拡散層より抵抗値が高い部材で電気的に接続することを特徴とする光導波路素子。
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