JPH03202810A - 光導波路デバイスおよびその製造方法 - 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】 〔概要〕 光導波路デバイスとその製造方法に関し、高速・高安定
動作を求められる光導波路デノ＼イス、たとえば、外部
光変調器において、周囲温度の変化による動作点の変動
などを防止することを目的とし、 電気光学効果と焦電効果を有する基板の一方の主面上に
、第１および第２の分岐光導波路を有する光導波路を設
け、前記分岐光導波路の上方に第１の制御電極および第
２の制御電極を配設してなる光導波路デバイスにおいて
、前記基板の２つの主面のうちの少なくとも前記制御電
極が配設された一方の主面と、前記基板の２つの側端面
のうちの少なくとも入力信号用の第１の制御電極に近接
した一方の側端面とに半導電性膜を形成して光導波路デ
バイスを構成する。そして、前記光導波路デバイスは電
気光学効果と焦電効果を有する基板用ウェーハに光導波
路を形成する工程と、前記ウェーハ上にバッファ層を形
成する工程と、第１の分岐光導波路に近接してウェーハ
に溝を形成する工程と、バッファ層の上と溝の内側面に
半導電性膜を形成する工程と、分岐光導波路の上方に前
記バッファ層と半導電性膜を介して第１および第２の制
御電極を形成する工程と、前記溝の部分でウェーハを切
断して光導波路デバイスチップを形成する工程とから製
造することができる。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、高速・高安定な光導波路デバイス。

とくに、電気光学結晶を基板とした外部光変調器の温度
特性の改善に関する。

最近の光通信システムの光送信系において、たとえば、
１．６ＧＨｚ程度までの光通信システムにおいては、レ
ーザダイオード（Ｌ　Ｄ）を直接変調する方式を用いて
きたが、変調周波数がより高くなると変調光波長の時間
的微小変動、いわゆる、波長チャーピング現象が起こり
高速化と長距離通信への限界となる。

一方、今後ますます大容量・長距離通信の要求が強まっ
てくるので、より高速、かつ、温度安定性の高い光導波
路デバイス、たとえば、外部光変調器の開発が求められ
ている。

〔従来の技術〕

高速光変調方式としては、半導体レーザ光を外部で変調
する外部変調方式、とくに、電気光学結晶基板上に分岐
光導波路を設け、進行波電極で駆動するマツハツエンダ
型光変調器が知られている。

第８図は光変調器の基本構成例を示す図で、同図（イ）
は平面図、同図（ロ）はＹ−Ｙ’断面図である。

図中、１は平面に加工した電気光学効果を有する基板、
たとえば、ＬｉＮｂＯ３基板である。２は光導波路で中
間に分岐光導波路２ａ、　２ｂが形成されている。この
光導波路は通常基板の表面にＴｉなどの金属を、光導波
路部分だけに選択的に拡散させ、その部分の屈折率を回
りの部分よりも少し大きくなるようにしである）３は第
１の制御電極で、たとえば、進行波信号電極、４は第２
の制御電極、たとえば、接地電極である。５は光導波路
上の金属電極層への光の吸収を小さくするためのバッフ
ァ崩て、通常、ＳｉＯ□などの薄膜が用いられている。

第１の制御電極３と第２の制御電極４はバッファ層５を
介して光導波路上に、Ａｕなどの金属を蒸着あるいはメ
ツキによって形成している。

いま、たとえば、こ＼には図示してない半導体レーザか
ら発した直流光が左側の光導波路２から入り、分岐光導
波路２ａ、　２ｂで２つに分けられ、その間に、第１の
制御電極３に高周波変調信号源８から信号電圧を印加す
ると、基板上に設けられた前記分岐光導波路２ａ、　２
ｂにおける電気光学効果によって分岐された両光に位相
差が生じる。この両光を再び合流させて、右側の一本の
光導波路２から変調された光信号出力を取り出し、二＼
に図示してない光検知器で電気信号に変換するように構
成されている。前記分岐光導波路２ａ、　２ｂにおける
両光の位相差が０．あるいは、πになるように駆動電圧
を印加すれば、たとえば、光信号出力はＯＮ−ＯＦＦの
パルス信号として得られる。なお、ＲＴは終端抵抗であ
る。

第９図は温度変化による焦電効果を示す断面図である。

通常、基板ｌには電気光学効果の大きい酸化物単結晶Ｌ
ｉＮｂ０．、あるいは、ＬｉＴａＯ５の２カツト板が用
いられている。これらの単結晶はいずれも菱面体晶系に
属し比較的大きな焦電効果を有することが知られている
。したがって、基板温度の上昇、あるいは、下降にとも
なって、たとえば、図示したごとき分極を生じ、基板の
両面には正負の電荷か発生するが、バッファ層５を介し
て金属膜からなる第１および第２の制御電極３，４があ
るために基板ｌ中の電界分布が乱され、その結果第１お
よび第２の分岐光導波路（２ａ’、２ｂ）の屈折率が異
なること＼なる。このことは、光変調器で言えば温度変
化にともなって動作点がシフトするということであり、
光変調器の不安定動作を招くことになる。

このような焦電効果による不安定性を改善する方法がす
でに提案されており、たとえば、第５図は従来の焦電効
果の影響を防止する例を示す断面図である。すなわち、
バッファ層５の上に動作電圧特性に影響を及ぼさない程
度の比較的高抵抗の半導電性膜６ｃ、たとえば、Ｓｉ膜
を形成しである。

これによって、図示したごとく基板１の中の電界分布は
一様となり、したがって、第１および第２の分岐光導波
路（２ａ、　２ｂ）に屈折率の差が生じることはなく、
温度変化があっても光変調器の動作点がシフトせず、極
めて安定な光変調器が得られる。

第７図は焦電効果にもとづく動作点シフトを示す図で、
縦軸に動作点シフトを、横軸に温度をとっである。図中
、■の点線は前記第８図、第９図で説明した基本構成例
の場合で、温度変化に対して極めて不安定な動作を示す
ことがわかる。一方、■の破線は前記第５図で説明した
半導電性膜６ｃを設けた従来例のデータで広い範囲にわ
たって極めて安定な動作をすることがわかる。

しかし、最近は光変調器素子の小形化の要求が強く、ま
た、その巾方向の寸法をできるだけ小さくすることによ
って、同一基板からとれる光変調器チップの数量を増や
して光変調器の価格低減を図るために、進行波信号電極
である第１の制御電極３に近接したぎりぎりのところま
でカントするようになってきた。

第６図は基板中を狭くした光変調器素子と電界分布を示
す断面図である。すなわち、第１の制御電極３のエツジ
と基板１の側端部との間隔ｄ１は。

たとえば、０．１ｍｍ以下であり、第５図の場合のｄｏ
が、たとえば２ｍｍ以上であるのに比較してｌ／２０以
下と極めて小さな値になっている。

〔発明が解決しようとした課題〕

しかし、上記第６図に示したように第１の制御電極３の
エツジと基板１の側端部との間隔ｄ１が極めて小さくな
ってくると、図示したようにそのエツジ部分で電界分布
が乱れ、その結果、第１および第２の分岐光導波路２ａ
、　２ｂの屈折率が異なることになり、その屈折率差は
温度変化にともなって変動し、光変調器の不安定動作を
招くことになる。

第７図の■の一点鎖線はその動作点シフトの例を示した
もので、ｌＯｏＣから５０°Ｃの範囲で約１．５ｖのシ
フトがあり、このま＼では実用的に使用することができ
ないという問題があり、その解決が必要であった。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は、電気光学効果と焦電効果を有する基板１
の一方の主面上に、第１および第２の分岐光導波路２ａ
、　２ｂを有する光導波路２を設け、前記分岐光導波路
２ａ、　２ｂの上方に第１の制御電極３および第２の制
御電極４を配設してなる光導波路デバイスにおいて、前
記基板１の２つの主面のうちの少なくとも前記制御電極
３および４が配設された一方の主面と、前記基板１の２
つの側端面のうちの少なくとも入力信号用の第１の制御
電極３に近接した一方の側端面とに半導電性膜６を形成
した光導波路デバイスにより解決することができる。

そして、前記光導波路デバイスは電気光学効果と焦電効
果を有する基板用ウェーハ１０に第１および第２の分岐
光導波路２ａ、　２ｂを有する光導波路２を形成する工
程と、前記ウェーハＩＯ上にバッファ層５を形成する工
程と、前記第１の分岐光導波路２ａに近接して前記ウェ
ーハ１０に溝７を形成する工程と、前記ウェーハｌＯに
形成されたバッファ層５の上と前記溝７の内側面に半導
電性膜６を形成する工程と、前記分岐光導波路２ａ、　
２ｂの上方に前記バッファ層５と半導電性膜６を介して
第１および第２の制御電極３．４を形成する工程と、前
記溝７の部分で前記ウェーハ１０を切断して光導波路デ
バイスチップを形成する工程とを少なくとも含む方法に
より製造することができる。

〔作用〕

本発明の構成によれば、光導波路デバイスの巾が細い場
合でも、基板１の主面だけでなくその側端部まで連続し
て高抵抗の半導電性膜６で覆っであるので、基板ｌの側
端部で電気力線が外部空間に洩れるのを極めて小さく抑
えることができる。

したがって、２つの分岐光導波路２ａ、　２ｂ近傍での
電界分布の乱れがほとんどなく、温度変化に起因する屈
折率変化が生ぜず光変調器の動作点シフトや消光比の変
動は起こらない。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例を示す断面図である。

図中、６（６ａ、　６ｃ）は半導電性膜である。

なお、前記従来例の諸図面で説明したものと同等の部分
については同一符号を付し、かつ、同等部分についての
説明は省略する。

基板１には大きさ６０ｍｍＸ２　ｍｍ、厚さ１ｍｍのＬ
ｔＮｂＯｓの２板の表面を鏡面研磨して使用した。

この基板の上にＴｉを約９０ｎｍの厚さに真空蒸着し、
分岐光導波路２ａおよび２ｂを含む光導波路２に相当す
る部分にＴｉが残るように通常のホトエツチング法で処
理したのち、約８００°ＣでＴｉをＬｉＮｂ０ａ中に熱
拡散して全光導波路２を形成した。

分岐光導波路部分の長さは５０ｍ　ｍ　、光導波路の幅
は全て７μｍになるように調整した。バッファ層５は厚
さ３００ｎｍのＳｉＯ□膜を用いた。

半導電性膜６（６ａ、　６ｃ）は厚さ１１００ｎのＳｉ
膜を用い、基板１の一方の主面と一方の側端面とに。

たとえば、蒸着により形成し、その膜抵抗は第１および
第２の制御電極間で０．１〜５ＭΩの範囲になるように
調整した。第１の制御電極３はＡｕ／Ｔｉの２層膜を蒸
着したのち、分岐光導波路２ａの上に巾９μｍの電極形
状にパターンエツチングし、さらに、その上に厚さ３μ
ｍのＡｕをメツキにより付着形成した。第１の制御電極
３のエツジと基板ｌの側端部との間隔ｄ１は０．１ｍｍ
になるようにした。

第２の制御電極４は第１の制御電極３と同様のプロセス
で巾広く、すなわち、接地電極として有効に働くように
第１の制御電極形成と同時形成した。

第２図は本発明の効果を示す断面図で、縦軸に動作点シ
フトを、横軸に温度をとっである。

図中、■の実線は前記本発明実施例の温度変化にともな
う動作点シフトを示すデータである。−方、２の一点鎖
線は第７図の■の一点鎖線と同じもので、すなわち、分
岐光導波路２ａ、　２ｂや第１および第２の制御電極３
，４の配置は前記第１図で説明した実施例と同一であり
、たマ異なるのは基板１の側端部に半導電性膜６ａが形
成されていない従栽例のデータである０本発明実施例か
従来の光変調器に比較して、広い温度変化領域にわたっ
て極めて安定に動作可能であることがわかる。

第３図は本発明の他の実施例を示す断面図である。本実
施例の場合は基板ｌの側面だけでなく、基板ｌのもう一
方の主面、すなわち、裏面にも半導電性膜６（６ｂ）を
形成して、さらに、安定化効果を高めるようにしたもの
である。

次に、本発明による素子を具体的に形成するための製造
方法の実施例を以下に示す。

第４図は本発明の製造方法の主な工程を示す断面図であ
る。図中、７は溝、ＩＯはウェーハである。

なお、前記の諸図面で説明したものと同等の部分につい
ては同一符号を付し、かつ、同等部分についての説明は
省略する。

工程（１）：ウエーハ１０．たとえば、直径１００　ｍ
ｍφ、厚さ１ｍｍのＺカットＬｉＮｂＯ５単結晶板の一
方の主面に、第１および第２の分岐光導波路２ａ、　２
ｂを有する光導波路２をＴｉを熱拡散することによって
多数形成する。

工程（２）：上記処理ウェーへの上に厚さ３００ｎｍの
Ｓ　ｉ０２膜からなるバッファ層５をＣＶＤ法で形成す
る。

工程（３）二上記処理ウェーハの第１の分岐光導波路２
ａに近接して、たとえば、間隔ｄ、＝０．１５ｍｍとな
るように前記ウェーハｌＯに溝７．たとえば、巾０．３
ｍｍ、深さ０．４ｍｍの溝を、たとえば、ダイヤモンド
ブレードを用いたカッティングマシンで形成する。

工程（４）二上記処理ウェーハのバッファ層５の上と溝
７の周内側面に、半導電性膜６（６ａ、　６ｃ）を、た
とえば、厚さ１１００ｎのＳｉ膜を、たとえば、蒸着に
より形成する。その膜抵抗は第１および第２の制御電極
間で０．１〜５ＭΩの範囲になるように調整すればよい
。

工程（５）：上記処理ウェーハの分岐光導波路２ａ、２
ｂの上方に第１および第２の制御電極３．４を、たとえ
ば、厚さ０．３μｍのＡｕ／Ｔｉの膜を蒸着したあと所
定の形状にパターンエツチングし、その上に厚さ３μｍ
のＡｕのメツキを行う。

工程（６）二上記処理ウェーハを前記溝７の部分とそれ
に直交する各デバイスの境界部分で、たとえば、０．２
ｍｍφのワイヤソーを用いて切断し個別光導波路デバイ
スチップを形成する。

かくして、基板ｌの一方の主面と両方の側端面の一部分
までに、連続したＳｉ膜からなる半導電性膜６（６ａ、
　６ｃ）が形成された本発明の光導波路デバイス、たと
えば、光変調器が得られる。

なお、半導電性膜６（６ａ、　６ｃ）は側端面全体でな
く、本実施例のごとくその一部分であっても光導波路２
ａ、　２ｂの深さに対して十分に深いところまで被覆し
てあれば大きな効果が得られることを確認した。

また、半導電性膜６は、たとえば、上記の範囲のごとき
抵抗値のものであれば、それによる光導波路デバイス、
たとえば、光変調器の高周波特性の劣化などは認められ
なかった。

以上述べた実施例は数例を示したもので、光変調器だけ
でなく、方向性結合器型スイッチ、全反射型スイッチな
ど焦電効果を有する基板を用いたその他の光導波路デバ
イスにも有効であり、また、本発明の趣旨に添うもので
ある限り、使用する素材や構成９寸法、製作プロセスな
ど適宜好ましいもの、あるいはその組み合わせを用いる
ことができることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば光導波路デバイス
の巾が細い場合でも、基板ｌの主面だけでなくその側端
部まで連続して高抵抗の半導電性膜６で覆っであるので
、基板ｌの側端部で電気力線が外部空間に洩れるのを極
めて小さく抑えることができる。したがって、２つの分
岐光導波路２ａ。

２ｂ近傍での電界分布の乱れがほとんどなく、温度変化
に起因する屈折率変化が生ぜず光変調器の動作点シフト
が起こらないので、光導波路デバイス、たとえば、光変
調器の性能および品質の向上に寄与するところが極めて
大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す断面図、第２図は本発明
の効果を示す図、 第３図は本発明の他の実施例を示す断面図、第４図は本
発明の製造方法の主な工程を示す断面図、 第５図は従来の焦電効果の影響を防止する例をを示す断
面図、 第７図は焦電効果にもとづく動作点シフトを示す図、 第８図は光変調器の基本構成例を示す図、第９図は温度
変化による焦電効果を示す断面図である。 図において、 １は基板、２は光導波路、 ２ａおよび２ｂは第１および第２の分岐光導波路、３は
第１の制御電極、４は第２の制御電極、５はバッファ層
、６（６ａ、　６ｂ、　６ｃ）は半導電性膜、７は溝、
ｌＯはウェーハである。 ：’ｒｅ日Ｆ！／ｌ　実施例乞＃ＶｒｔｆｍＤ番　　１
　図 第 図 不発ｅ目ｎ・他ｎ実矩例Σ示４竹面口 笛　　３　　回 ′促宋の賞、電りカ果の動響乞アｉ止するり１１Σ示す
ｔ丁面（２）第　　５　　図 萼しに轡吊乞）天へし丁二岸！３カ割官召素子ヒ、電界
分牟Ｅ勺ｚ−４「今市図番　　　ｂ　　図 ９、ｆｉｉ＃ｔｔｉ：：’、ｔ＝”ニーすｒ＝Ｆ、４、
シ□　７ＦＫ７ＦＹｒヨ１　７　　も す発明ｆ）製造力強の主１工竹Ｅ示ず前面旧＄　　４　
　図 （ロ）Ｙ−Ｙ’前面（２） 走変詞話／）某事横べ例乞示す圓 冨　８　図 ）久度変′イビ７１；よう汚、嘔ｒｅ−ｔｔ果乞示１ｒ
−テｄわＢ］箒　　ｑ　　閏

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電気光学効果と焦電効果を有する基板（１）の一
   方の主面上に、第１および第２の分岐光導波路（２ａ、
   ２ｂ）を有する光導波路（２）を設け、前記分岐光導波
   路（２ａ、２ｂ）の上方に第１の制御電極（３）および
   第２の制御電極（４）を配設してなる光導波路デバイス
   において、 前記基板（１）の２つの主面のうちの少なくとも前記制
   御電極（３、４）が配設された一方の主面と、前記基板
   （１）の２つの側端面のうちの少なくとも入力信号用の
   第１の制御電極（３）に近接した一方の側端面とに半導
   電性膜（６）を形成することを特徴とした光導波路デバ
   イス。
2. （２）電気光学効果と焦電効果を有する基板用ウェーハ
   （１０）に第１および第２の分岐光導波路（２ａ、２ｂ
   ）を有する光導波路（２）を形成する工程と、前記ウェ
   ーハ（１０）上にバッファ層（５）を形成する工程と、 前記第１の分岐光導波路（２ａ）に近接して前記ウェー
   ハ（１０）に溝（７）を形成する工程と、前記ウェーハ
   （１０）に形成されたバッファ層（５）の上と前記溝（
   ７）の内側面に半導電性膜（６）を形成する工程と、 前記分岐光導波路（２ａ、２ｂ）の上方に前記バッファ
   層（５）と半導電性膜（６）を介して第１および第２の
   制御電極（３、４）を形成する工程と、前記溝（７）の
   部分で前記ウェーハ（１０）を切断して光導波路デバイ
   スチップを形成する工程とを少なくとも含むことを特徴
   とした請求項（１）記載の光導波路デバイスの製造方法
   。