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JP2867560B2 - 光導波路デバイス - Google Patents

光導波路デバイス

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JP2867560B2
JP2867560B2 JP2052022A JP5202290A JP2867560B2 JP 2867560 B2 JP2867560 B2 JP 2867560B2 JP 2052022 A JP2052022 A JP 2052022A JP 5202290 A JP5202290 A JP 5202290A JP 2867560 B2 JP2867560 B2 JP 2867560B2
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film
optical waveguide
signal
buffer layer
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直之 女鹿田
忠雄 中澤
嘉伸 久保田
正治 土居
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Fujitsu Ltd
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 電気光学効果を有する光導波路上に信号用と接地用の
駆動電極が形成された光導波路デバイスに関し,DCドリ
フトの抑止とDCドリフトやストレスなどによる動作点シ
フトを補償する目的で、該光導波路に印加される電界分
布が前記電極に印加される電気信号の周波数によって大
きく変化するように構成した。
〔産業上の利用分野〕
本発明は光通信装置における外部変調器，スイッチや
分波器などの光導波路デバイスに係り、特に光導波路デ
バイスで問題となる動作特性の各種ドリフト特性を低周
波数領域でバイアス電界を印加させることで補正し，か
つ，高周波数領域には影響しないように施された光導波
路デバイスに関する。
〔従来の技術〕
一般に光スイッチや光変調器等に使用される光導波路
デバイスでは、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）等の電気光
学結晶基板表面に形成した光導波路に電界を印加して屈
折率を変化させ、該導波路中を進行する光信号のスイッ
チングや位相変調を行っている。第12図は従来のマッハ
ツェンダ型変調器を示す構成図であり，特に非対称進行
波電極を用いた場合の例が示されている。１はＺ板ニオ
ブ酸リチウム基板を示し，その表面にはチタン（Ti）蒸
着膜を帯状にパターンニング形成した後，このチタンを
導波路基板１に熱拡散してこの導波路基板１よりも屈折
率の大きい光導波路２（２−１、２−２）を形成してい
る。このような光スイッチや光変調器では導波路２を伝
搬する光が信号用電極５と接地用電極６からなる駆動電
極に吸収されることを避けるため，電極５、６と導波路
２の間に透明でかつ，導波路２よりも屈折率の小さな誘
電体薄膜バッファ層３が形成されている。第12図の場合
にはバッファ層３として二酸化シリコンSiO2が用いられ
ている。このような誘電体薄膜は電気的には高抵抗物質
を間に挟んだ容量として機能する。また，特にＺ板LiNb
O3を用いた導波路デバイスではLiNbO3の焦電効果により
発生する表面電荷がバッファ層の上に形成された非対称
な電極構造と作用しあって不均一な電荷分布を形成し，
変調器やスイッチの特性に悪影響を及ぼす。この対策と
して，第12図（ｂ）に示すようにバッファ層３の上に半
導電性材料であるSi膜４をコートし，この上に電極５、
６を形成する工夫も試みられている。このようにするこ
とで温度変化などによって生ずる表面の電荷分布を均一
にすることができ，特性の安定化が図られている。ま
た，導波路２は金属Tiをニオブ酸リチウム（LiNbO3）中
に高温で熱拡散させて形成するため導波路部の抵抗や誘
電率はバルク部分と異なっている。さらにニオブ酸リチ
ウム（LiNbO3）表面の抵抗はこれらの拡散製膜プロセス
によってバルク部分と異ななっている。以上の膜，層，
部分的微細構造の抵抗，誘電率，容量の複雑な分布のた
め電気的等価回路も複雑となる。このため，電極５、６
間に印加された電圧のDC成分は作成条件によっては数分
から数十日といった長い時定数を以て電界のかかりかた
を大幅に変えていく。この変化に対応して光応答特性も
変化していく。これをDCドリフトと言っている。この対
策として従来変調器の電極と外部電源を容量結合とし
て，変調器にDC成分が印加されないようにしたり，同じ
く容量結合として，信号用線路にバイアス用DC電源を接
続することで何らかの原因で発生したDCドリフトを補償
してきた。
また，導波路に何らかの原因によりストレスが加わっ
た場合，一般に導波路の屈折率が変化してその動作特性
を変化させる。このような現象が起きた場合，これまで
は印加電圧にこのストレスにより発生した屈折率変化を
打ち消すようなDC電圧を上乗せして動作させる等の方法
が取られていた。
〔発明が解決しようとする問題点〕
光スイッチや変調器の電極を容量結合にして使用した
場合，電源側から見るとオープンな状態となり，電源の
動作に悪影響を及ぼす。また，容量結合とすることで使
用可能周波数帯域が接続する容量によって制限されてし
まう可能性がある。また，信号線路に外部からバイアス
用の電源の接続を行うと信号線路の特性インピーダンス
が乱れてしまいスイッチや変調をうまく行うことができ
ない。また，印加電圧に何らかの補正を行う目的でDC電
圧を上乗せする方法は，電源回路の耐圧の限界から困難
な場合が多い。
このため，スイッチや変調を行うために設けられた電
極とは独立してDCドリフトの抑制や補償を行う必要があ
る。
〔問題点を解決するための手段〕
上記問題点は、電気光学結晶基板の表面に電気光学効
果を有する光導波路が形成され、該光導波路上には信号
用と接地用の一対の駆動電極が形成され、該電極によっ
て該光導波路及びこの近傍に印加される電界分布が該電
極に印加される電気信号の周波数の変化によって大きく
変化するように構成されている光導波路デバイスするこ
とにより解消できる。
〔作用〕
光スイッチや変調器を構成する電極は一般に高速の動
作を可能とするため，できるだけ低抵抗に形成してい
る。このためには銅や金のような導電率の高い材料を用
いてできるだけ厚さを厚くするとが有効である。このよ
うな導電率の高い材料に接して,Si膜のように比較的抵
抗の高い材料が存在した場合には，その抵抗値を設計，
選択することにより,DC的あるいは所望の低周波数に対
してはSi膜はこれに接している導体となんら変わらず等
電位状態を保つが，信号線路を伝播する信号の周波数が
徐々に増加していくとSi膜のように比較的抵抗の高い部
分では電位の高速な変化に対応して電荷が高速で移動す
ることができず，追従できる部分は段々導体近傍に限定
されて行く。このため，高周波数と低周波数とで実効的
な電極の形が大幅に変化することとなる。このように等
価的に電極の形が変化することを利用することにより，
色々な機能を有するデバイスを構成することが可能とな
る。
通常，高速スイッチングや変調を行う場合，進行波電
極が用いられるが，進行波電極の信号線路と接地電極の
下にSiからなる薄膜線路を設け，信号線路と接地電極の
中央で細い隙間を隔てて分離して形成すると，印可され
る電気信号のDC成分による電界は信号線路と接地電極の
中央の細い隙間に集中し，導波路が存在する信号線路と
接地電極の直下の電界成分は弱まる。このため,DCドリ
フトによってDC成分が変化しても特性変化の絶対値は小
さくなる。一方，このような構造の電極に高周波数の電
気信号を印可した場合には半導電性膜であるSi膜は高周
波に追従できず，誘電体と見なすことができる。この場
合，電界は金属導体間に従来例と同じように印可される
ため，電界は有効に導波路に印可される。
焦電効果を有する光学結晶基板上に形成された導波路
デバイスでは表面に発生する電荷分布を均一とするため
Siなどの半導電性膜をバッファ層の上に形成することが
有効であるが，この場合，低周波数に対してはSi膜は導
体と等価となるため細い信号電極と太い接地電極からな
る電極では信号電極の外側が等電位となり，本来信号電
極に集中すべき電界が外側のSiにも分散してしまい有効
に導波路に印可されないこととなる。この対策として信
号電極の外側に第３の金属電極を置くことにより，信号
電極と第３の電極の間は距離に比例した電圧降下が生
じ，分散した電界を信号電極に集中するように改善でき
る。また信号電極と第３の電極の間のSi膜の厚さを場所
により変えることにより，抵抗の分布を変えることがで
き，電圧降下量の分布を調整でき，電界をさらに有効に
集中させることができる。このような構造に対して，や
はり高周波数に対してはSi膜は誘電体として機能する。
また，第３の電極も充分信号電極から離して設置すれ
ば，特性インピーダンス等に与える影響も少なく構成す
ることができる。さらに，第３の電極の代わりに比較的
抵抗の小さい半導電膜を用いることにより，同様の効果
が得られるととともに，特性インピーダンス等に与える
影響をさらに少なくすることができる。
以上の構成では第３の電極を接地することを前提とし
ているが，第３の電極に電圧を印加することにより，さ
らに有効な機能を引き出すことができる。つまり,DCド
リフトや機械的ストレスなどにより生じた変調器，スイ
ッチなどの動作特性の変動を第３の電極にDCまたは低周
波数の電圧を印加することにより補償してやろうと言う
ものである。この場合，色々の構成が考えられるが，比
較的高抵抗の材料，例えばシリコンなどからなる半導電
性の膜を信号線路に接近させて形成することが有効であ
る。この膜には直接外部から電極が接続されたり，信号
線路から充分離れて特性インピーダンス等に大きな影響
を及ぼさない位置でこの膜の上に金属膜を形成し，これ
に外部から電極を接続し，これに電圧を印加することに
より，信号線路の下の導波路の屈折率を変え動作特性の
変動を補償してやることができる。この場合，半導電性
の膜はやはり，低周波数では導体と見なすことができる
が，高周波数では誘電体と見なすことができ，この膜の
存在が高周波数領域で特性インピーダンスに与える影響
は少ない。また，バッファ層の上全体に温度特性の改善
などの目的で半導電性膜が付けられている場合にも，信
号線路の近傍を境にしてここだけを薄い膜として，この
部分の抵抗を大きくし，電圧降下をここに集中させるこ
とにより，同様の効果を実現できる。また，第２の半導
電性材料からなる膜を均一にバッファ層上に設けられた
半導電性膜の上に信号線路に接近させて形成することに
より，同様の効果が期待できる。
また，以上の半導電性膜に関する記述は導体を極めて
薄く形成することによっても実現できる。これは，超伝
導体でないかぎり導体も０より大きい体積抵抗率を持つ
ため，膜厚を薄くするにつれて抵抗値は増大するためで
ある。
〔実施例〕
第１図は本発明になる変調器の構成を示す一例であ
る。
第１図において、１は第12図同様に電気光学結晶であ
るニオブ酸リチウム（LiNbO3）よりなる導波路基板であ
る。
また該導波路基板１表面には、チタン（Ti）をパター
ニング形成した後に1050℃の温度で10時間加熱して上記
チタンを導波路基板１に熱拡散させた径が７μｍ程度の
帯状の光導波路２（２−１、２−２）が形成されてい
る。このようにして形成されたマッハツェンダ型導波路
の二本に分岐した導波路は分岐角１°で導波路と導波路
の間が15μｍとなるように形成されている。この上に厚
さ0.5μｍの二酸化シリコン（SiO2）からなるバッファ
層３が形成されている。この上に分岐した導波路２−１
と導波路２−２の間の中央で４μｍの間隔を以て分離形
成されたシリコン（Si）からなる半導電性膜9,9′が厚
さ約0.20μｍ形成されている。この後，メッキにより，
厚さ約10μｍで幅７μｍの信号線路電極５および，同じ
く厚さ約10μｍの接地用電極６が導波路上に形成されて
いる。この半導電性膜の比抵抗は0.001から100000Ω・
ｍの広い範囲に渡り設計選択することが可能であり，こ
の変調器を数MHz以上で使用する場合には比抵抗は100Ω
・ｍ程度にしておけば良い。この値はもちろん膜厚や電
極間隔，膜間の間隔などによって変化する。
このような構造とすることにより，電極5,6間に印加
されたDC電圧や数十Hzの低周波数電圧成分は半導電性膜
9,9′の隙間に集中してかかるため，導波路２−1,2−２
にはあまり影響を及ぼさない。しかし，数MHz程度の周
波数となると半導電性膜9,9′は電圧の変化に対応して
電荷移動ができなくなり，誘電体膜と見なして良くな
る。このため電圧は電極5,6間にかかり，導波路２−1,2
−２の屈折率を有効に変化させる。この結果，この変調
器では印加電圧のDC成分は無視でき,DCドリフトの影響
も小さくなる。
第２図から第６図までの構成は同様の効果を実現する
ために取られた他の構成例である。
第２図は半導電性膜９を基板表面全体に付けた後，電
極５、６間で二分するように膜厚の薄い部分ａを設ける
ことによりDC電圧や低周波数電圧をこの薄い部分ａに集
中させて同様の効果を得ている。第３図は第１図と同じ
く半導電性膜9,9′が分離され，さらに半導電性膜９が
信号電極５の近傍にだけ形成された例であり，信号線路
下の半導電性膜９の幅も設計に有効に活用できるため，
周波数特性がより良好となるように設計できる。第４図
は同じく第２図における半導電性膜９を信号用電極５の
近傍にだけ形成した例であり，同じく周波数特性をより
良好に設計できる。第５図は全面に形成された半導電性
膜４の上にシリコンへのドーパントの量を変えるなどし
て形成された比抵抗値の異なる材料からなる半導電性膜
９が示されている。非対称電極では接地用電極６の下の
導波路の電界は弱いため，第５図のように信号用電極５
の下にだけ半導電性膜９を設けてこれと接地用電極６と
の間にDC電界を集中させても接地用電極６の下の導波路
屈折率に与える影響は小さく，このような方法でも効果
を得ることができる。また，第６図は接地用電極６側に
も異なる材料からなる半導電性膜９′が設けられた例で
あり，設計パラメータが多い分だけより有効に設計・最
適化でき，より良い効果を得ることができる。
第７図は信号用電極の外側に第３の電極10を設けた例
であり，信号用電極５から50μｍ程度離して形成するこ
とにより，特性インピーダンスへの影響を小さくおさえ
ることができる。この電極10にDC電圧または数kHz以下
の低周波を印加するとそれに対応して信号用電極５の下
の導波路屈折率を変化させることができる。この電極10
に印加している電源と信号用電極５に電圧を供給してい
る電源とは独立しており，相互干渉はほとんどない。こ
のため,DCドリフトやストレスなどによる動作点変動を
電極10による電圧印加によって容易に補償することがで
きる。
第７図の場合には第３の電極10として金属を用いた
が，金属の代わりに充分抵抗の大きな半導電性膜を用い
ることにより，さらに効果的にDCドリフトなどの補償を
行うことができる。第８図はこの一例を示したもので，
信号用電極５の外側にシリコンなどの半導電性膜からな
る電極10′が信号用電極５から15μｍ離して形成してあ
る。この場合、電極10の半導電性膜の比抵抗を100Ωm,
厚さを0.2μｍに選ぶことにより,DC電圧または数百Hz以
下の低周波数の電圧に対しては電極として機能するが，
数MHz以上の高周波数の電圧に対しては膜抵抗が大きい
ため，電荷が電界の変化に追従して移動できず，むしろ
誘電体膜とみなすことができる。このため，この半導電
性膜の存在は特性インピーダンスにはほとんど影響を及
ぼさないとともに信号用線路に充分接近して設置されて
いるため信号用線路の下の導波路屈折率を効率良く変化
させることができる。このため,DCドリフトやストレス
などによる動作特性の変動をこの電極にDC電圧または低
周波数の電圧を印加することにより，より効率的に補償
できる。
第９図はバッファ層の上に温度変化に対する動作特性
の安定化を図るため，すでに半導電性膜４が設置されて
いる。この上に第８図と同じように信号用線路に接近さ
せて比抵抗が半導電性膜４より例えば２けた小さい半導
電性膜からなる電極10′を形成すれば、該電極10′に印
加した電圧を該電極10′と信号用電極５の間に印加でき
る。この結果，信号用電極５の下にある導波路２−１の
屈折率をこの場合にも有効に変化させることができる。
この例の場合には異なる抵抗値の半導電性膜を用いた
が，半導電性膜の厚さを部分的に変え，電界を集中した
い場所の厚さを薄くすることで同様な効果を期待でき
る。
第10図の場合には第９図と同様にバッファ層３の上に
温度変化に対する動作特性の安定化を図るため，半導電
性膜４が形成され，かつ，異なる抵抗値を有する第２半
導電性膜９、９′、10′が信号用電極５、接地用電極
６、および，第３の電極10の下にも設けられ，お互いに
分離されている。この構成は第６図で説明したDCドリフ
トの抑制と第９図で説明したDCドリフトやストレスによ
る動作特性変動の補償を同時に実現できる構成となって
いる。
第11図はニオブ酸リチウム導波路デバイスの温度特性
改善のためになされた半導電性膜，たとえばシリコン膜
によって生ずる変調特性の劣化を改善するものである。
第12図がシリコン膜が付けられた従来の変調器を示
す。第12図で電極5,6巻にDC電圧を印加すると，充分時
間が経過した後では電極5,6間で直線的に電圧降下が生
じ，電極５の外側（電極６の反対側）のシリコンの電位
は電極５と等電位となってしまう。このため，電極5,6
間に印加された電圧によって生じる電気力線は電極５に
集中せず外側のシリコンにも分散してしまう。つまり，
電極５の下の導波路の屈折率を有効に変化させることが
できない。
この対策として第11図に示すように，電極５の外側
に，信号用電極の特性インピーダンスにあまり影響を与
えないように充分離して電極10を設け，これを接地する
ことが有効である。このようにすると電極５と10の間で
電圧降下が直線的に生じ，電極５の近傍の電気力線が増
加する。また，第11図の構成で電極５と10の間のシリコ
ン膜の厚さを変え，電極５の近傍を薄くすれば，ここに
電圧降下が集中し，より有効に電極５に電気力線を集中
させることができる。
以上，マッハツェンダ型変調器について説明を行って
来たが，以上の事項は光スイッチなど他の導波路型デバ
イスにも同様に適用できる。
また，本発明はDCドリフトなどの抑止，補償だけでな
く，低周波信号と高周波信号を独立して印加して動作さ
せる光導波路デバイスに活用できる。
〔発明の効果〕
上述の如く本発明により、光導波路デバイスのDCドリ
フトの抑止や,DCドリフトやストレスによる動作特性変
動の補償を効果的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
第１図から第11図は本発明による実施例の構造を示す図
で、第２〜６図は一実施例の断面図、第７〜11図の
（ａ）（ｂ）は更に他の一実施例を示す平面図と断面図
である。 第12図（ａ）（ｂ）は従来のマッハツェンダ型変調器の
構造を示す平面図と断面図である。 〔符号の説明〕 １は導波路基板,2は導波路,2−1,2−２は分岐した導波
路,3は二酸化シリコン・バッファ層,4,9,9′は半導電性
膜,5は信号用電極,6は接地用電極,10は第３の電極,7は
電気信号源,8は終端抵抗，を示している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久保田 嘉伸 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 土居 正治 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02F 1/035 G02F 1/313

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電気光学結晶基板の表面に電気光学効果を
    有する光導波路が形成され、 該光導波路上には信号用と接地用の一対の駆動電極を形
    成し、 該基板表面の該光導波路上にはバッファ層を形成し、 該駆動用電極と該バッファー層との間には該電極の幅よ
    り広く且つ該電極の該信号用電極と該接地用電極間で分
    割された半導電性膜を形成し、 DC電圧または低周波数において該駆動電極間よりも狭く
    形成された該半導電性膜間に電界が集中するようにした
    ことを特徴とする光導波路デバイス。
  2. 【請求項２】電気光学結晶基板の表面に電気光学効果を
    有する光導波路が形成され、該光導波路上には信号用と
    接地用の一対の駆動電極を形成し、 該基板表面の該光導波路上にはバッファ層を形成し、 前記駆動電極と前記バッファー層との間に前記基板表面
    を被うように半導電性膜を構成し、 該半導電性膜は前記駆動電極の前記信号用電極と前記接
    地用電極間に形成された厚さの薄い部分を設け、該薄い
    部分に電圧降下を集中させ、DC電圧または低周波数の電
    界をこの近傍に集中させることを特徴とする光導波路デ
    バイス。
  3. 【請求項３】電気光学結晶基板の表面に電気光学効果を
    有する光導波路が形成され、該光導波路上には信号用と
    接地用の一対の駆動電極を形成し、 該基板表面の該光導波路上にはバッファ層を形成し、 該バッファ層と電極の間には該バッファ層を被うように
    形成した第１の半導電性膜形成し、 該信号用電極と該第１の半導電性膜との間にのみ該信号
    用電極の幅より広く且つ該第１の半導電性膜と異なる抵
    抗値を持つ第２の半導電性膜を形成したことを特徴とす
    る光導波路デバイス。
  4. 【請求項４】該半導電性膜と該バッファ層間に該バッフ
    ァ層を被い、該半導電性膜とは異なる抵抗値を有した第
    ２の半導電性膜を設けたことを特徴とする請求項１記載
    の光導波路デバイス。
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