(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路が形成された誘電体からなる基板と、
該基板上に設けられた絶縁性のバッファ層と、
該バッファ層上に設けられた半導電性膜と、
該基板の該光導波路に対応して互いに離間して配置された金属からなる一対の電極と、
該半導電性膜と該電極との間に介在するように設けられた絶縁性の拡散抑制層とを備えた誘電体光導波路デバイス。
【請求項２】
前記基板はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）である請求項１に記載の誘電体光導波路デバイス。
【請求項３】
前記半導電性膜はケイ素（Ｓｉ）であり、前記電極は金（Ａｕ）である請求項１に記載の誘電体光導波路デバイス。
【請求項４】
前記拡散抑制層は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）である請求項３に記載の誘電体光導波路デバイス。
【請求項５】
前記バッファ層は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）である請求項４に記載の誘電体光導波路デバイス。
【請求項６】
前記拡散抑制層の層厚は前記バッファ層の層厚よりも小さい請求項５に記載の誘電体光導波路デバイス。
【請求項７】
光導波路が形成された誘電体からなる基板と、
該基板の該光導波路に対応して互いに離間して配置された金属からなる一対の電極と、
該基板と該電極との間に設けられ、該一対の電極で挟まれた部分に対応する部分の一部に、該電極の相対部分の両端方向に渡って半導電性の第１の半導電部を有し、該第１の半導電部の周囲に絶縁性の第１の絶縁部を有する第１の層と、
該第１の層と該電極との間に介在し、該第１の半導電部に概略対応する部分に絶縁性の第２の絶縁部を有し、該第２の絶縁部の周囲に該第１の半導電部の周囲近傍に接合された半導電性の第２の半導電部を有する第２の層とを備えた誘電体光導波路デバイス。
【請求項８】
前記基板はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）である請求項７に記載の誘電体光導波路デバイス。
【請求項９】
前記第１の層の前記第１の半導電部及び前記第２の層の前記第２の半導電部はケイ素（Ｓｉ）であり、前記電極は金（Ａｕ）である請求項７に記載の誘電体光導波路デバイス。
【請求項１０】
前記第１の層の前記第１の半導電部及び前記第２の層の前記第２の絶縁部は、それぞれ互いに離間して複数存在する請求項７に記載の誘電体光導波路デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、誘電体光導波路デバイスに関する。
光変調器等の光デバイスの一態様として、光導波路デバイスがある。光導波路デバイスは、構造上小形軽量化が容易でプレーナ技術等を用いて量産することができる等の利点を有している。
【０００２】
特に、強誘電体結晶からなる基板に金属又はその酸化物を熱拡散して光導波路を形成するとともに、一対の金属電極を配置して構成される誘電体光導波路デバイスは、印加電圧によって屈折率の制御が可能であるため、各種の光デバイスに応用されている。
【０００３】
本発明は、この種の誘電体光導波路デバイスの高信頼化、長寿命化を図るための改良技術に関するものである。
【０００４】
【従来の技術】
従来の誘電体光導波路デバイスは、例えば、強誘電体結晶からなる基板表面の一部に金属又はその酸化物を熱拡散して光導波路を形成し、これの表面に絶縁性のバッファ層を形成し、さらに半導電性膜を形成し、この半導電性膜上に金属からなる一対の電極を互いに離間して配置して構成される。
【０００５】
基板上に絶縁性のバッファ層を配置するのは、電極への光の吸収を小さくするためであり、該電極を半導電性膜上に配置するのは、温度変化に伴う焦電効果による電荷を電極の下に集中させないようにするためである。この半導電性膜の形成材料としては、製造性及び安定性等の観点からケイ素（Ｓｉ）が用いられ、また、電極の形成材料としては金（Ａｕ）が用いられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の誘電体光導波路デバイスにおいては、ケイ素等からなる半導電性膜は金等からなる電極に対し、その接合部で固相合金反応を起こし、例えば、ケイ素と金の場合には金シリサイドが形成される。この反応は時間と共に進行し、最終的には一対の電極間が短絡されるという問題がある。特に高温になる程固相反応の進行が早いので問題が大きい。
【０００７】
なお、固相合金反応とは、金属固体とこれに接合する固体間でおこる化学変化であり、金属の分子又は原子がこれに接合する固体内に拡散することにより合金化が進行する反応である。一般に高温になるほどその進行速度が早い。
【０００８】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電極間の短絡の発生を抑制し、誘電体光導波路デバイスの高信頼化、長寿命化を図ることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明第１の構成
本発明の誘電体光導波路デバイスは、光導波路が形成された誘電体からなる基板と、該基板上に設けられた絶縁性のバッファ層と、該バッファ層上に設けられた半導電性膜と、該基板の該光導波路に対応して互いに離間して配置された金属からなる一対の電極と、該半導電性膜と該電極との間に介在するように設けられた絶縁性の拡散抑制層とを備えて構成される。
【００１０】
拡散抑制層は、一対の電極間に渡って一様に形成されていてよく、あるいは、前記電極に対応する部分のみに互いに離間して形成されていてもよい。
前記基板はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３  ）とし、前記半導電性膜はケイ素（Ｓｉ）とし、前記電極は金（Ａｕ）とすることができる。また、前記バッファ層及び前記拡散抑制層は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２  ）とすることができ、望ましくは、前記拡散抑制層の層厚は前記バッファ層の層厚よりも小さくする。
（２）本発明第２の構成
また、本発明の誘電体光導波路デバイスは、光導波路が形成された誘電体からなる基板と、該基板上に設けられた絶縁性のバッファ層と、該バッファ層上に設けられた半導電性膜と、該基板の該光導波路に対応して互いに離間して配置された金属からなる一対の電極と、該半導電性膜と該電極との間に介在し、該電極と該半導電性膜との固相合金反応についての拡散定数よりも、該半導電性膜との固相合金反応についての拡散定数が小さい金属からなり、該電極に対応する部分のみに互いに離間して設けられている拡散抑制層とを備えて構成される。
【００１１】
なお、固相合金反応についての拡散定数とは、金属がこれに接合する物体に固相反応することにより拡散する程度を示す値をいう。
前記基板はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３  ）とし、前記半導電性膜はケイ素（Ｓｉ）とし、前記電極は金（Ａｕ）とすることができる。また、この場合における前記拡散抑制層の形成材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、銀（Ａｇ）、インジウム（Ｉｎ）、及び白金（Ｐｔ）のうちの一の材料、あるいはその合金を採用することができる。
（３）本発明第３の構成
さらに、本発明による光導波路デバイスは、光導波路が形成された誘電体からなる基板と、該基板の該光導波路に対応して互いに離間して配置された一対の電極と、該基板と該電極との間に設けられ、該一対の電極で挟まれた部分に対応する部分の一部に、該電極の相対部分の両端方向に渡って半導電性の第１の半導電部を有し、該第１の半導電部の周囲に絶縁性の第１の絶縁部を有する第１の層と、該第１の層と該電極との間に介在し、該第１の半導電部に概略対応する部分に絶縁性の第２の絶縁部を有し、該第２の絶縁部の周囲に該第１の半導電部の周囲近傍に接合された半導電性の第２の半導電部を有する第２の層とを備えて構成される。
【００１２】
前記基板はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３  ）とし、前記第１の層の前記第１の半導電部及び前記第２の層の前記第２の半導電部はケイ素（Ｓｉ）とし、前記電極は金（Ａｕ）とすることができる。また、前記第１の層の前記第１の半導電部及び前記第２の層の前記第２の絶縁部は、それぞれ互いに離間して複数設けて構成することができる。
【００１３】
【作用】
（１）本発明第１の構成
本発明第１の構成によると、前記半導電性膜と前記一対の電極との間には、絶縁性の拡散抑制層が介在しており、この拡散抑制層により半導電性膜と電極との固相合金反応が抑制される。従って、該一対の電極が半導電性膜を介して経時的に短絡されるということが少なくなり、誘電体光導波路デバイスの高信頼化及び長寿命化を図ることができる。
【００１４】
また、半導電性膜がケイ素で構成される場合には、拡散抑制層の形成材料としては二酸化ケイ素を採用すると合理的である。なぜなら、製造過程において、バッファ層上に半導電性膜を形成した後に、その表面を加熱処理して酸化させることにより、容易に二酸化ケイ素膜からなる拡散抑制層を形成することができるからである。
【００１５】
この拡散抑制層の層厚は、固相合金反応を抑制するという観点からは大きいほど効果的であるが、電極に印加する駆動電圧の上昇を招くため、少なくともバッファ層の層厚よりも小さいことが望ましい。
（２）本発明第２の構成
本発明第２の構成によると、前記半導電性膜と前記一対の電極との間には、金属からなる拡散抑制層が介在しており、この拡散抑制層により半導電性膜と電極との固相合金反応が抑制される。従って、該一対の電極が半導電性膜を介して経時的に短絡されるということが少なくなり、誘電体光導波路デバイスの高信頼化及び長寿命化を図ることができる。
【００１６】
なお、この拡散抑制層は、前記電極と前記半導電性膜との拡散定数よりも、該半導電性膜との拡散定数が小さい金属を用い、且つ電気的に離間した状態で配置される必要がある。一対の電極間が短絡されることは許されないからである。
（３）本発明第３の構成
本発明第３の構成によると、第２の層の一対の電極で挟まれた部分には、一対の電極の相対部分の両端方向に渡る第２の絶縁部が存在し、この第２の絶縁部に概略対応して第１の層に第１の半導電部が存在するようにしたので、電極と第２の半導電部との固相合金反応の進行は第２の絶縁部にて阻害され、固相合金反応の進行経路が複雑化する。従って、該一対の電極が経時的に短絡されるまでの時間を大きくすることができ、誘電体光導波路デバイスの高信頼化及び長寿命化を図ることができる。
【００１７】
そして、第２の層に第２の絶縁部を設けたことにより、電極下への不均一な電荷分布の発生による特性変化（温度ドリフト）を抑制するという第２の層の本来的な目的が阻害される可能性があるが、第２の絶縁部は第１の半導電部により補われているので、このような心配はない。
【００１８】
第１の層の第１の半導電部及び第２の層の第２の絶縁部は、それぞれ互いに離間して複数設けることにより、さらに、固相合金反応の進行経路が複雑化し、誘電体光導波路デバイスの高信頼化及び長寿命化を図ることができる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明することにする。
（１）第１実施例
図１及び図２は本発明第１の構成に対応する第１実施例を示す図であり、図１はマッハツェンダ型光変調器の要部の断面図、図２は同じく平面図である。
【００２０】
同図において、１はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３  ）結晶板からなる基板であり、基板１の表面にはその両端部近傍で結合された一対の光導波路２が形成されている。この光導波路２は基板１表面にチタン（Ｔｉ）等の金属を熱拡散させて、その部分の屈折率を高めることにより形成される。
【００２１】
３は一対の光導波路２に対応してそれぞれ設けられた金（Ａｕ）からなる電極であり、その一方が進行波制御電極であり、他方は接地電極である。
基板１の光導波路２が形成された表面には、二酸化シリコン（ＳｉＯ２  ）からなるバッファ層４が一様に形成されている。このバッファ層４は光導波路２上に対応して配置される電極３による光の吸収を小さくするためのものである。
【００２２】
このバッファ層４上には、シリコン（Ｓｉ）からなる高抵抗の半導電性膜５が一様に形成されている。基板１を構成するニオブ酸リチウム結晶は焦電効果が大きく、基板１の温度変化により基板１表面に電荷を生じるが、この電荷が電極３の下に集中することにより、光導波路２の屈折率に影響し、光変調器の場合には動作点が変化（温度ドリフト）して動作が不安定になる。半導電性膜５は、このような温度ドリフトを防止する。
【００２３】
さらに、この半導電性膜５上には、二酸化シリコン（ＳｉＯ２  ）からなる拡散抑制層としての絶縁性膜６が一様に形成されている。この絶縁性膜６は、例えば、前記の半導電性膜５を所要の厚さより厚く形成し、その表面を加熱して酸化することにより容易に形成することができる。また、この絶縁性膜６は絶縁性であるから、電極３への駆動電圧の上昇を防止する観点からバッファ層４の層厚よりも小さい層厚とすることが望ましい。電極３はこの絶縁性膜６上に、蒸着あるいはメッキ等により形成される。
【００２４】
この光変調器の動作原理を簡単に説明しておくと、光導波路の一端からの入射光は分岐されて、一対の光導波路２に至り、ここで電極３に駆動電圧が印加されることにより、電気光学効果により分岐された両光に位相差が生じ、これら両光を再び結合させて光信号出力として取り出す。両光の位相差を例えば零又はπになるように駆動電圧を印加すれば、例えば、ＯＮ−ＯＦＦのパスル信号を得ることができる。
【００２５】
本実施例によると、半導電性膜５と一対の電極３との間には、絶縁性膜６が介在しており、電極３は半導電性膜５に直接的に接合されていないから、電極３と半導電性膜５との固相合金反応が抑制される。従って、一対の電極３が経時的に短絡されるということが少なくなり、高信頼性で長寿命な光変調器が得られる。
（２）第２実施例
図３は本発明第２の構成に対応する第２実施例を示す図であり、マッハツェンダ型光変調器の要部の断面図である。前記第１実施例と同一の構成部分には同一の番号を付し、異なる部分のみについて説明する。
【００２６】
即ち、第１実施例では、半導電性膜５と一対の電極３の間に拡散抑制層として絶縁性膜６を介在させているが、この実施例では、半導電性膜５と一対の電極３の間に拡散抑制層として金属膜７を介在させている。この金属膜７は、一対の電極３に対応する部分のみに互いに電気的に離間して設けられている。
【００２７】
この金属膜７は、電極３（Ａｕ）の半導電性膜５（Ｓｉ）に対する固相合金反応についての拡散定数よりも、半導電性膜５に対する固相合金反応についての拡散定数が小さい、例えば、クロム（Ｃｒ）から構成される。また、金属膜７の形成材料としては、クロムの他に、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、銀（Ａｇ）、インジウム（Ｉｎ）、及び白金（Ｐｔ）のうちの一の材料、あるいはその合金を採用することができる。
【００２８】
本実施例によると、半導電性膜５と一対の電極３との間には、金属膜７が介在しており、金属膜７と半導電性膜５との固相合金反応についての拡散定数は、電極３と半導電性膜５の拡散定数よりも小さいから、従来の構造と比較して半導電性膜５の固相合金反応の進行は少ない。従って、一対の電極３が経時的に短絡されるということが少なくなり、高信頼で長寿命な光変調器が得られる。
（３）第３実施例
図４乃至図６は本発明第３の構成に対応する第３実施例を示す図であり、図４はマッハツェンダ型光変調器の要部の断面図、図５は同じく平面図、図６は同じく製造工程図である。前記第１又は第２実施例と同一の構成部分については同一の番号を付して説明する。
【００２９】
まず、図４及び図５を参照する。同図において、１はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３  ）結晶板からなる基板であり、基板１の表面にはその両端部近傍で結合された一対の光導波路２が形成されている。
【００３０】
３は一対の光導波路２に対応してそれぞれ設けられた金（Ａｕ）からなる電極であり、その一方が進行波制御電極であり、他方は接地電極である。
基板１の光導波路２が形成された表面には、主として二酸化シリコン（ＳｉＯ２  ）からなるバッファ層として機能する第１の層８が一様に形成されている。この第１の層８は光導波路２上に配置される電極３による光の吸収を小さくするためのものである。
【００３１】
そして、この第１の層８は、一対の電極３に挟まれた部分に対応する部分に、一対の電極３の相対部分の両端方向に渡ってシリコン（Ｓｉ）からなる一対の半導電部（第１の半導電部）８Ａを有しており（図５参照）、その余の部分に二酸化シリコンからなる絶縁部８Ｂを有している。
【００３２】
この第１の層８上には、主としてシリコン（Ｓｉ）からなる高抵抗の半導電性膜からなる第２の層９が一様に形成されている。そして、この第２の層９の一部には、第１の層８の半導電部８Ａにそれぞれ対応して、二酸化シリコン（ＳｉＯ２  ）からなる一対の絶縁部９Ａが設けられている。この絶縁部９Ａ以外の部分はシリコン（Ｓｉ）からなる半導電部９Ｂである。
【００３３】
絶縁部９Ａは半導電部８Ａよりも僅かに小さく形成されており、第１の層８の半導電部８Ａの周囲近傍は、第２の層９の半導電部９Ｂに接合されている。即ち、第２の層９の絶縁部９Ａが第１の層８の半導電部８Ａにより補完されており、半導電部９Ｂ及び半導電部８Ａにより、前記第１又は第２実施例における半導電性膜５に相当する機能が営まれる。
【００３４】
基板１を構成するニオブ酸リチウム結晶は焦電効果が大きく、基板１の温度変化により基板１表面に電荷を生じるが、この電荷が電極３の下に集中することにより、光導波路２の屈折率に影響し、光変調器の場合には動作点が変化（温度ドリフト）して動作が不安定になる。この第２の層９の半導電部９Ｂ及び第１の層８の半導電部８Ａにより、このような温度変化による動作点の変化が防止される。電極３は第２の層９の半導電部９Ｂ上に配置される。
【００３５】
ここで、図６を参照して、この光変調器の製造工程の一例を簡単に説明する。まず、同図（ａ）に示されるように、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３  ）結晶板からなる基板１表面に、チタン（Ｔｉ）等の金属を熱拡散させて、その部分の屈折率を高めることにより光導波路２を形成し、これの表面に二酸化シリコン（ＳｉＯ２  ）膜１０を全体的に一様に形成する。次に、同図（ｂ）に示されるように、後に形成される一対の電極３の間の部分に相当する部分の一部をエッチング除去することにより溝１１を形成し、同図（ｃ）に示されるように、溝１１を含むその表面にシリコン（Ｓｉ）膜１２を形成する。
【００３６】
そして、同図（ｄ）に示されるように、シリコン膜１２の一部をエッチング除去することにより（溝１１内のシリコン膜１３は残す）、溝１４を形成し、さらに、同図（ｅ）に示されるように、溝１４内に二酸化シリコン膜１５を充填するように形成し、同図（ｆ）に示されるように、シリコン膜１２上に金を蒸着あるいはメッキして電極３を形成する。
【００３７】
本実施例によると、第２の層９の一対の電極３で挟まれた部分に、一対の絶縁部９Ａが設けられ、この一対の絶縁部９Ａに概略対応して第１の層８に半導電部８Ａが設けられているので、一対の電極３間に存する半導電部９Ｂ及び８Ａは、図４からも明らかなように段差状となっており、その経路が複雑化しており、半導電部９Ｂ及び８Ａのシリサイド化が進行したとしても、短絡に至るまでには、長時間を要するようになる。従って、光変調器の高信頼化及び長寿命化を図ることができる。
【００３８】
なお、第２の層９に絶縁部９Ａを設けたことにより、電極３の下への不均一な電荷分布の発生による特性変化（温度ドリフト）を抑制するという本来的な機能が阻害されることが危惧されるが、第２の層９の絶縁部９Ａは第１の層８の半導電部８Ａにより補われているので、このような心配はない。
【００３９】
また、この実施例においては、第１の層８の半導電部８Ａ及び第２の層９の絶縁部９Ａは、それぞれ２本設けて構成しているが、本発明はこれに限定されることはなく、第１の層８の半導電部８Ａ及び第２の層９の絶縁部９Ａは、それぞれ１本でもよく、さらに、それぞれ３本以上設けて構成してもよい。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成したので、固相合金反応による電極間の短絡の発生が抑制され、誘電体光導波路デバイスの高信頼化、長寿命化を図ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第１実施例の断面図である。
【図２】本発明第１実施例の平面図である。
【図３】本発明第２実施例の断面図である。
【図４】本発明第３実施例の断面図である。
【図５】本発明第３実施例の平面図である。
【図６】本発明第３実施例の製造工程図である。
【符号の説明】
１  基板
２  光導波路
３  電極
４  バッファ層
５  半導電性膜
６  絶縁性膜（拡散抑制層）
７  金属膜（拡散抑制層）
８  第１の層
８Ａ  半導電部（第１の半導電部）
８Ｂ  絶縁部（第１の絶縁部）
９  第２の層
９Ａ  絶縁部（第２の絶縁部）
９Ｂ  半導電部（第２の半導電部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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