光導波路素子及びその製造方法

【課題】ＤＣドリフトを安定化し、製造工程も複雑化せず、製品の特性も精度良くコントロール可能な光導波路素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】電気光学効果を有する基板１と、該基板に形成された光導波路２と、該光導波路の上に形成されたＳｉＯ_２を主原料とするバッファ層５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３，４とを有する光導波路素子において、該バッファ層の該基板側には、Ｌｉの含有量が１×１０^２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上となる領域６が形成されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光導波路素子及びその製造方法に関し、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おけるＤＣドリフトを安定化した光導波路素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。図１は、光導波路素子の一部を示す断面図であり、電気光学効果を有する基板１に、Ｔｉ等の熱拡散部を形成することで光導波路２を形成している。光導波路に電界を印加する変調電極として、信号電極３及び接地電極４が光導波路２の近傍に配置されている。
【０００３】
ＬＮなどの電気光学効果を有する基板で作製された光導波路素子は、バイアス制御用のＤＣ電圧を印加すると、バイアス点がシフトする、所謂、ＤＣドリフト現象が発生する。光通信システムの中で光導波路素子を使用するには、長期的な安定駆動を実現する必要があり、このＤＣドリフト現象の低減などＤＣドリフトの安定化が課題となっている。
【０００４】
このような問題に対して、特許文献１では、ＤＣドリフト現象の発生要因として、基板からのＬｉがバッファ層において可動イオンとなることが考えられ、このＬｉの拡散を抑制する膜を基板とバッファ層との間に挿入し、特性を安定化させることが提案されている。
【０００５】
また、特許文献２においては、光導波路素子の外部から進入する汚染源が原因と考え、汚染源がバッファ層に進入を防ぐため、バッファ層に保護膜を形成する方法が提案されている。
【０００６】
さらに、特許文献３においては、酸素の乾燥ガス雰囲気中でアニール処理を行うことで、基板やバッファ層内のＯＨ量などをコントロールし、ＤＣドリフト特性の安定化を行っている。
【０００７】
しかしながら、特許文献１や特許文献２に係る技術では、主に基板や外部からの可動イオンとなり得る、不純物の進入を防ぐために、拡散抑制層や保護膜層を用いている。これらの膜は、その効果発揮させるため、拡散係数が小さく、またイオン分極が発生し難い材料を用いることが必要となる。このため、これら材料として、主に金属や半導体が利用される。このような材料を、光導波路が形成される基板とその上部にあるバッファ層との間に敷設すると、その材料の屈折率や光吸収作用により、光導波路素子における光損失や消光比などの特性を劣化させる原因となる。
【０００８】
また、バッファ層の上部に敷設する場合も同様に、信号電極などの信号の伝搬損失や電界の印加効率の低下を引き起こす可能性があり、光導波路素子の特性が劣化する原因となる。また、特性の劣化を抑制するため、部分的に敷設することなどの対策も考えられるが、この場合にはリソグラフィの技術などを用いたパターン形成などを行う必要があり、生産性が悪いなどの問題を生じる。
【０００９】
また、バッファ層の抵抗値を下げたり、膜質をコントールするために、バッファ層に不純物を注入する方法があるが、このような技術では、基板や電極とのバランスが問題となり、実質デバイスとしての特性安定化を行う際には、そのコントロールを厳密に行う必要があり特性の安定化が実質的に難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平７−６４１２６号公報
【特許文献２】特開２００１−１３３７４３号公報
【特許文献３】特開平７−１２８６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上述した問題を解消し、ＤＣドリフトを安定化し、製造工程も複雑化せず、製品の特性も精度良くコントロール可能な光導波路素子及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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、該光導波路の上に形成されたＳｉＯ_２を主原料とするバッファ層と、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、該バッファ層の該基板側には、Ｌｉの含有量が１×１０^２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上となることを特徴とする。
【００１３】
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、該バッファ層におけるＬｉを１×１０^２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上含有する領域の厚みが、膜厚方向に１／４以上を占めることを特徴とする。
【００１４】
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、該バッファ層には、Ｉｎ又はＴｉの少なくともいずれかがドープされていることを特徴とする。
【００１５】
請求項４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、該光導波路の上に形成されたＳｉＯ_２を主原料とするバッファ層と、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の製造方法において、少なくとも該バッファ層を形成した後、主に酸素雰囲気中で、４００〜１０００℃で熱処理することによって、該バッファ層の該基板側には、Ｌｉの含有量が１×１０^２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上となる領域を形成することを特徴とする。
【００１６】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の光導波路素子の製造方法において、該熱処理に際して、Ｌｉを含む材料を一緒の雰囲気中で熱処理することを特徴とする。
【００１７】
請求項６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、該光導波路の上に形成されたＳｉＯ_２を主原料とするバッファ層と、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の製造方法において、該バッファ層を真空成膜法で形成する際に、成膜材料にＬｉを含む材料を混ぜ、該バッファ層のＬｉの含有量が１×１０^２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上となるよう形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
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、該光導波路の上に形成されたＳｉＯ_２を主原料とするバッファ層と、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、該バッファ層の該基板側には、Ｌｉの含有量が１×１０^２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上となり、Ｌｉ−Ｏの結合が強くなるため、電界によるＬｉの移動が抑制されＤＣドリフトを減少させるなど、ＤＣドリフトを安定化することが可能となる。しかも、熱処理によりＬｉを含有させるため、温度調整することでＬｉの含有量を容易にコントロールでき、製造工程も複雑化せず、製品の特性も精度良くコントロールすることが可能となる。
【００１９】
請求項２に係る発明により、バッファ層におけるＬｉを１×１０^２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上含有する領域の厚みが、膜厚方向に１／４以上を占めることで、ＤＣドリフトの安定化をより確実に実現することが可能となる。
【００２０】
請求項３に係る発明により、バッファ層には、Ｉｎ又はＴｉの少なくともいずれかがドープされているため、バッファ層の抵抗値を下げることができ、より一層ＤＣドリフトの特性を安定化することが可能となる。
【００２１】
請求項４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、該光導波路の上に形成されたＳｉＯ_２を主原料とするバッファ層と、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の製造方法において、少なくとも該バッファ層を形成した後、主に酸素雰囲気中で、４００〜１０００℃で熱処理することによって、該バッファ層の該基板側には、Ｌｉの含有量が１×１０^２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上となる領域を形成するため、熱処理の温度を制御するだけで、製造工程が複雑化せずに、バッファ層におけるＬｉの含有量を精度良くコントロールでき、ＤＣドリフトの特性を安定化した光導波路素子を提供することが可能となる。
【００２２】
請求項５に係る発明により、熱処理に際して、Ｌｉを含む材料を一緒の雰囲気中で熱処理するため、バッファ層の表面からもＬｉの侵入を促進でき、ＤＣドリフトの特性を安定化した光導波路素子を効率的に製造することが可能となる。
【００２３】
請求項６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、該光導波路の上に形成されたＳｉＯ_２を主原料とするバッファ層と、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の製造方法において、該バッファ層を真空成膜法で形成する際に、成膜材料ににＬｉを含む材料を混ぜ、該バッファ層のＬｉの含有量が１×１０^２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上となるよう形成するため、バッファ層を形成する際に予めＬｉを含有させることができ、製造工程を複雑化させず、ＤＣドリフトの特性を安定化した光導波路素子を効率良く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来の光導波路素子の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の光導波路素子を示す断面図である。
【図３】熱処理温度が２００℃でのＬｉの分布状況を示すグラフである。
【図４】熱処理温度が５００℃でのＬｉの分布状況を示すグラフである。
【図５】熱処理温度が６００℃でのＬｉの分布状況を示すグラフである。
【図６】熱処理温度が７００℃でのＬｉの分布状況を示すグラフである。
【図７】熱処理を行わない場合と３００℃又は６００℃で熱処理した場合の光導波路素子のＤＣドリフトの変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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２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１と、該基板に形成された光導波路２と、該光導波路の上に形成されたＳｉＯ_２を主原料とするバッファ層５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（３，４）とを有する光導波路素子において、該バッファ層の該基板側には、Ｌｉの含有量が１×１０^２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上となる領域６が形成されていることを特徴とする。
【００２６】
バッファ層内にＬｉの含有量が１×１０^２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上となる領域を形成させ、Ｌｉ−Ｏの結合を強くすることで、変調信号やＤＣバイアスアなどの電界によるＬｉの移動が抑制されＤＣドリフトを減少させ、ＤＣドリフトの特性を安定化することが可能となる。しかも、熱処理の温度をコントロールすることで、Ｌｉを含有量を容易にコントロールできるため、製造工程も複雑化せず、製品の特性も精度良くコントロールすることが可能となる。
【００２７】
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、熱処理によってバッファ層内にＬｉを含有させる場合には、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）結晶などＬｉを豊富に含む基板が好適に利用される。
【００２８】
基板に光導波路を形成する方法としては、Ｔｉなどを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。リッジ形状の場合には、導波路近傍の電界効率が高いため、Ｌｉの移動が起こりやすいため、本発明をより好適に適用することが可能である。
【００２９】
光導波路素子では、基板１上に信号電極３や接地電極４などの変調電極が形成される。このような電極は、Ｔｉ・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。
【００３０】
光導波路２と変調電極（３，４）との間には、バッファ層５が設けられている。バッファ層は、光導波路形成後に、主に平行平板型のマグネトロンスパッタでＳｉＯ_２のターゲットを用いてスパッタリングにより０．５μｍから１．０μｍ程度のＳｉＯ２膜を形成する。特に、ＳｉＯ_２ターゲットは、ＤＣドリフトの特性安定化のために、膜の抵抗値を下げる目的でＩｎやＴｉなどの金属を微量Ｄｏｐｅしたものを使用することが可能である。
【００３１】
本発明の光導波路素子では、バッファ層内にＬｉの含有量が１×１０^２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上となる領域を形成することで、電界によるＬｉの移動を抑制している。しかも、バッファ層におけるＬｉを１×１０^２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上含有する領域の厚みが、膜厚方向に１／４以上を占めることで、ＤＣドリフトの安定化をより確実に実現することが可能となる。
【００３２】
バッファ層内にＬｉを含有させる方法として、電気光学効果を有する基板であるニオブ酸リチウム基板などからは、Ｌｉが豊富に供給でき、ＳｉＯ_２を主に含むバッファ層を形成した後、基板全体を熱処理することで、容易にバッファ層内にＬｉを含有させることができる。光デバイスに使用されるバッファ層の材質であるＳｉＯ_２などは拡散係数が大きく、Ｌｉは容易に拡散することが可能である。
【００３３】
また、Ｌｉの含有量の制御においては、熱処理温度で容易にコントールでき、４００〜１０００℃の範囲の温度であれば、Ｌｉを十分拡散させることが可能である。特に、６００℃以上で熱拡散させると、１×１０^２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上含有する領域を容易に形成することが可能である。熱処理温度は、数度単位では無く、もっと粗い温度制御でもＬｉ拡散をコントロールすることが可能である。
【００３４】
Ｌｉは、ＳｉＯ_２内で可動するイオンでもあり、Ｌｉの量によりバッファ層の抵抗率や静電容量値もコントロールされる。Ｌｉは、熱処理なしや２００℃程度の低温でもバッファ層内に進入するが、バッファ層の密度やＬｉと酸素の結合状態によりＬｉがバッファ層内で移動度が異なる。本発明では、４００〜１０００℃、好ましくは６００℃以上の酸素雰囲気中で熱処理することで、Ｌｉ−Ｏの結合が強まり、また、バッファ層自体が緻密になる。その結果、Ｌｉの移動度を小さくし、ＤＣドリフトの悪化要素となる電界によるＬｉの移動を抑制することが可能となる。
【００３５】
図３〜図６は、ＬＮ基板上にＳｉＯ_２のバッファ層を０．６〜０．８μｍ程度形成したものを、２００℃，５００℃，６００℃及び７００℃で熱処理を行い、バッファ層内におけるＬｉの含有量の分布を計測したグラフである。
【００３６】
図３は、２００℃で熱処理した場合であるが、バッファ層におけるＬｉの含有量は、１×１０^１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下となっている。図４は、５００℃で熱処理した場合であるが、バッファ層におけるＬｉの含有量は、１×１０^２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上の領域の厚みが０．４μｍ程度となっている。図５は、６００℃で熱処理した場合であるが、バッファ層におけるＬｉの含有量は、１×１０^２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上の領域の厚みが０．６μｍ程度となっている。さらに、図６は、７００℃で熱処理した場合であるが、バッファ層におけるＬｉの含有量は、１×１０^２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上の領域の厚みが０．８μｍ程度とほぼ全てのバッファ層内に広がっている。
【００３７】
図７では、熱処理を行わない光導波路素子と、３００℃又は６００℃で熱処理を行った光導波路素子について、１５０℃の温度環境におけるＤＣドリフトの様子を示したグラフである。熱処理を行わない光導波路素子や３００℃で熱処理を行った光導波路素子と比較し、６００℃で熱処理した光導波路素子は、同じ試験環境下でのＤＣドリフトが減少しており、特性が安定化していることが容易に理解される。同様に、実験を行った結果、４００℃以上で熱処理を行なった場合には、ＤＣドリフトの減少が見られ、特に６００℃以上の場合では、ほぼ同じ結果が得られた。なお、１０００℃を超える場合には、Ｌｉの拡散効果に違いは無く、むしろ、Ｔｉ熱拡散で光導波路を形成しており、Ｔｉの拡散が進行するなどの弊害も発生する。
【００３８】
バッファ層にＬｉを含有させる方法としては、さらに、熱処理に際して、ＬｉＣｌやＬｉ_２ＯなどＬｉを豊富に含む材料を一緒の雰囲気中で熱処理することで、バッファ層の表面からもＬｉの侵入を促進でき、ＤＣドリフトの特性を安定化した光導波路素子を効率的に製造することが可能となる。
【００３９】
また、基板に光導波路を形成した後、その上にＳｉＯ_２を主原料とするバッファ層をスパッタ法・蒸着法・ＣＶＤ法等の真空成膜法で形成する。特に、好ましくはスパッタ法で形成する。このバッファ層を形成する際に、成膜材料、例えばスパッタ法のターゲットにＬｉ_２ＯなどのＬｉを含む材料を混ぜ、該バッファ層のＬｉの含有量が１×１０^２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上となるよう形成することも可能である。バッファ層を形成する際に予めＬｉを含有させることができ、製造工程を複雑化させず、ＤＣドリフトの特性を安定化した光導波路素子を効率良く製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上説明したように、本発明によれば、ＤＣドリフトを安定化し、製造工程も複雑化せず、製品の特性も精度良くコントロール可能な光導波路素子及びその製造方法を提供することが可能となる。
【符号の説明】
【００４１】
１電気光学効果を有する基板
２光導波路
３信号電極
４接地電極
５バッファ層
６Ｌｉ含有領域

【特許請求の範囲】
【請求項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、該光導波路の上に形成されたＳｉＯ_２を主原料とするバッファ層と、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、
該バッファ層の該基板側には、Ｌｉの含有量が１×１０^２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上となることを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光導波路素子において、該バッファ層におけるＬｉを１×１０^２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上含有する領域の厚みが、膜厚方向に１／４以上を占めることを特徴とする光導波路素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該バッファ層には、Ｉｎ又はＴｉの少なくともいずれかがドープされていることを特徴とする光導波路素子。
【請求項４】
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、該光導波路の上に形成されたＳｉＯ_２を主原料とするバッファ層と、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の製造方法において、
少なくとも該バッファ層を形成した後、主に酸素雰囲気中で、４００〜１０００℃で熱処理することによって、該バッファ層の該基板側には、Ｌｉの含有量が１×１０^２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上となる領域を形成することを特徴とする光導波路素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の光導波路素子の製造方法において、該熱処理に際して、Ｌｉを含む材料を一緒の雰囲気中で熱処理することを特徴とする光導波路素子の製造方法。
【請求項６】
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、該光導波路の上に形成されたＳｉＯ_２を主原料とするバッファ層と、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の製造方法において、
該バッファ層を真空成膜法で形成する際に、成膜材料にＬｉを含む材料を混ぜ、該バッファ層のＬｉの含有量が１×１０^２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上となるよう形成することを特徴とする光導波路素子の製造方法。

【図１】