JPH02114243A - 光制御デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光波の変調、光路切換え等を行なう光制御デバ
イスに関し、特に基板中に設けた光導波路を用いて制御
を行なう導波形の光制御デバイスに関する。

（従来の技術） 光通信システムの実用化が進むにつれ、さらに大容量や
多機能をもつ高度のシステムが求められている。より高
速の光信号の発生や光伝送路の切換え、交換等の新たな
機能の付加が必要とされている。現在の実用システムで
は光信号は直接半導体レーザや発光ダイオードの注入電
流を変調することによって得られている。ところが、直
接変調には、緩和振動等の効果のため数ＧＨｚ以上の高
速変調が難しいこと、波長変動が発生ずるためコヒーレ
ント光伝送方式には適用が難しいこと等の欠点がある。

これを解決する手段としては、外部光変調器を使用する
方法があり、特に基板中に形成した光導波路により構成
した導波形の光変調器は、小形、高効率、高速という特
徴がある。一方、光伝送路の切ＩＱえやネットワークの
交換低能を得る手段としては光スイッチが使用される。

現在実用されている光スィッチは、プリズム、ミラーフ
ァイバー等を機械的に移動させるものである。

この形式の光スィッチには、低速であること、信顆性が
不十分、形状が大きくマトリクス化に不適等の欠点があ
る。これを解決する手段として開発が進められているも
のはやはり光導波路を用いた導波形の光スィッチであり
、高速、多素子の集積化が可能、高信頼等の特長がある
。特にニオブ酸リチウム（Ｌ　ｉ　Ｎｂ０ｉ　）結晶等
の強誘電体材料を用いたものは、光吸収が小さく低損失
であること、大きな電気光学効果を有しているから、高
効率である等の特長があり、従来からも方向性結合形光
変調器またはスイッチ、全反射形光スイッチ等の種々の
方式の光制御素子が報告されている。

このような導波形の光制御素子が実際の光通信システム
に適用する場合、低損失、高速性等の基本的性能と同時
に特に、動作の安定性が実用上不可欠である。

（発明が解決しようとする課題） しかし、従来の導波形の光制御デバイスでは、安定性に
関しては十分な特性は得られていない。

第３図に従来の光制御デバイスの一例として方向性結合
型光スィッチを示づ一０木Ｅ；ＩＩ　（ａ　＞はその平
面図１本図（ｂ）はその断面図である。第３図＜ａ）に
おいてＺ軸に垂直に切り出したニオブ酸リチウム結晶基
板１の上にチタンを拡散して屈折率を基板よりも大きく
して形成した帯状の光導波ｉ？８２及び３が形成されて
おり、光導波路２及び３は基板の中火部で互いに数μｍ
７１程度まで近接し、方向性結合器４を構成している。

また、方向性結合器４を構成する光導波路上には電（炉
による光吸収を防ぐためのへンフｒ膜６を介して制御型
、衝５が形成されている。第３図（ｂ）は方向性結合器
４の部分を光導波路２，３に垂直な面で切断して示す断
面図である。

第３図において、光導波路２に入射した入射光７は方向
性結合器４の部分を伝搬するに従って近接した光導波路
３へ徐々に光エネルギーが移り、方向性結合器４を通過
後は光導波路３にほぼ１００％エネルギーか移って出射
光８となる。一方、制御な極５に電圧を印加した場合、
電気光学効果により電極下の光導波路の屈折率が変化し
、光導波路２と３を伝搬する導波モードの間に位相速Ｉ
σの不整合が生じ、両者の間の結合状態は変化する。

印加電圧を上昇するに従って光導波Ｆ＃Ｉ２から３への
光エネルギーの移行量は減少し、ある電圧値Ｖｓでは、
入射光７は方向性結合器４を通過後に光エネルギーの１
００％が光導波路２にもどってしまう状態となる。すな
わち、制御電極５への印加電圧の有無により入射光７は
光導波路２からの出射光９スは光導波路３からの出射光
８となる。

しかし、第３図に示すような従来の光スィッチでは、温
度が変化した場合やＤＣ電圧を印加した場合の特性の不
安定性が生じていた。特性の不安定性は、温度が変化し
た場合に焦電効果によって誘起される結晶中の局部的な
電界の不均一性や、ＤＣＥ圧印圧印上り結晶中やバッフ
ァ層中の電荷が移動し結晶や膜の界面に局部的に蓄積さ
れて光波に作用する電界強度が変化することにより生ず
る。

従来、バッファ層に起因する特性の不安定性を除く手段
として、バッファ層を設置しないで、電極を透明電極と
して直接基板上に設置する構成が報告されている。しか
し、この場合でもＤＣ電界や焦電効果によって結晶表面
付近に誘起された電荷を介した不安定性は残ってしまう
。

本発明の目的は、上述の従来の光制御デバイスの欠点を
除き、安定性が高く、かつ製作の容易な光制御デバイス
及びその製造方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明による光制御デバイスは、電気光学効果を有する
誘電体結晶基板表面に形成された光導波路と、該光導波
路の近傍に設置された電極とを備えてなる光制御デバイ
スであって、前記電極が透明導電体でなり、屈折率が前
記透明導電体とほぼ同じであり、比抵抗が前記誘導体結
晶基板よりも小さく、かつ前記透明導電体の１０５倍以
上の値である透明半導体膜が前記電極の周囲に形成され
ていることを特徴とする。

また、本発明による光制御デバイスの製造方法は、電気
光学効果を有する誘電体結晶基板表面に光導波路を形成
した後、該基板表面上に透明導電体又は透明半導体膜を
コーティングし、その膜の電極パターンが形成されるべ
き領域、または電極パターンが形成されるべき領域以外
の領域のうちのいずれか一方の領域に不純物を導入する
工程を含むことを特徴とする。

（作用） 本発明の光制御デバイスでは、透明電極の周囲に透明で
屈折率が透明電極とほぼ等しく、かつ比抵抗が基板より
も小さく、かつ透明電極よりも１０５倍以上大きい値を
もつ透明半導体膜を設置することにより基板上に局所的
に蓄積された電荷を均一化して動作の不安定性を除く、
この場合、本発明では透明半導体膜の比抵抗が透明′ｒ
ｊｈ極の比抵抗に比べて十分大きいので、透明電極に印
加する電圧により透明電極付近の光導波路中に充分な大
きさの電界を印加することかできる。また、本発明の光
制御デバイスでは、透明電極と透明半導体膜の屈折率が
ほぼ等しいから、両者の下側に形成された光導波路中を
伝搬する光波の導波モードはほぼ等しくなり、導波光が
＝　Ｆｉｉエッヂ部分を通過する際の散乱損失が少なく
、光回路の設計が容易である。

また本発明による光制御デバイスの製造方法によれば、
同一の材料膜の一部を不純物導入によって低抵抗化又は
高抵抗化することによって透明電極部と透明半導体膜の
部分を形成するので、同じ屈折率をもつ電極及び半導体
膜が容易に形成できる。

（実施例） 第１図は本発明による光制御デバイスの一実施例である
方向性結合型光スィッチを示し、同図（ａ、）はその平
面図であり、同図（ｂ）はその断面図である。第３図の
従来例と同様にニオブ酸リチウム結晶基板１の上にチタ
ンを９００〜１１００℃程度で数時間熱拡散して形成さ
れた深さ３〜１０μｍ程度の光導波路２及び３が設置さ
れ、基板の中央部で両光導波路は互いに数μＩｎまで近
接して方向性結合器４を構成している。さらに光導波路
上には透明電極１５が形成され、その周囲に透明半導体
膜１６がコーティングされている０本実施例では。

透明型［！１５はＡρを１％程度ドープしたＺｎＯ膜か
らなり、また、透明半導体膜１６は不純物の少ないＺｎ
０ｐＡからなっており、スパッタよって形成されている
。また、透明電極１５の比抵抗は１０−１〜１０−３Ω
・ｃｍであり、透明半導体膜１６の比抵抗は１０４〜１
０６Ω・ｃｍである。透明電極１５の幅、長さ、電極間
隔はそれぞれ、１０〜２０μ■口、１〜２０ｍｍ、５〜
１０μｍ、であり、厚さは０．１〜１．０μｍ程度であ
るため、２つの電極間の抵抗よりも電極内の抵抗の方が
十分小さくなり、印加電圧により光導波路中に十分な電
界が印加される。また、透明半導体膜１６の比抵抗が高
いため印加電圧によるリーク電流は十分小さいが、ニオ
ブ酸リチウム結晶基板に比べると比抵抗が十分に小さい
から、結晶表面に誘起された空間電荷は均一化され、特
性の安定化がはかれる。

本実施例では、透明電極及び透明半導体膜材料としてＺ
ｎＯを用いたが、光導波路よりも屈折率の小さい他の酸
化物材料、例えばＡ　’）　２０　ｓ等や存樋材料番：
を用いることができる。

第２図は本発明による光制御デバイスの製造方法の一実
施例を示す。第１図の実施例と同様に光導波路が形成さ
れたニオブ酸リチウム結晶基板上に先ず一様に半導体で
あるＺｎ０ｒｆ！Ａ２１がスパッタコーティングされる
（第２図（ａ））。その後第２図＜ｂ＞に示すように制
御電極パターンの開口をもつマスク２２が形成され、そ
の上から、イオン注入又は不Ｋｌ物拡散によって不純物
が導入される。

上記マスクが除去され、第２図（Ｃ）に示す低い比抵抗
をもつ透明電極部２３と透明半導体膜の部分２４とが形
成される。本実施例ではＺｎＯ膜を用いたがＡＮ２０ｓ
　、Ｓｉｎ、ＭｇＯ，５ｎＣ）ｚ等の他の酸化膜やフッ
化膜等の透明膜を用いることができる。

（発明の効果） 以上に述べたように本発明の光制御デバイスでは、安定
性か高く、かつ製作の容易な光制御デバイス及びその製
造方法が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図＜ａ）は本発明による光制御デバイスの一実施例
を示す平面図、第１図（ｂ）はその実施例の断面図、第
２図は本発明による光制御デバイスの製造方法の一例を
示す図、第３図（ａ）は従来の光制御デバイスの一例を
示す平面図、第３図（ｂ）はその従来の光制御デバイス
の断面図である。 図において、１はニオブ酸リチウム結晶基板、２．３は
光導波路、１５は透明電極、１６は透明半導体膜である
。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）電気光学効果を有する誘電体結晶基板表面に形成
   された光導波路と、該光導波路の 近傍に設置された電極とを備えてなる光制 御デバイスにおいて、 前記電極が透明導電体でなり、 屈折率が前記透明導電体とほぼ同じであ り、比抵抗が前記誘電体結晶基板よりも小 さく、かつ前記透明導電体の１０＾５倍以上の値である
   透明半導体膜が前記電極の周囲に 形成されていることを特徴とする光制御デ バイス。
2. （２）透明導電体と透明半導体膜が同一材料で構成され
   、かつ互いに不純物濃度が異なつ ていることを特徴とする請求項１記載の光 制御デバイス。
3. （３）透明半導体膜がＺｎＯ膜であり、透明導電体が不
   純物をドープされたＺｎＯ膜であ ることを特徴とする請求項１記載の光制御 デバイス。
4. （４）電気、光学効果を有する誘電体結晶基板表面に光
   導波路を形成した後、該基板表面上 に透明導電体又は透明半導体膜をコーティ ングし、その膜の電極パターンが形成され るべき領域、または電極パターンが形成さ れるべき領域以外の領域のうちのいずれか 一方の領域に、不純物を導入する工程を含 むことを特徴とする光制御デバイスの製造 方法。