(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体結晶からなる基板に形成された光導波路デバイスの製造方法であって、
前記基板にチタン拡散により光導波路を形成する第１のステップと、
前記光導波路を形成した前記基板にバッファ層を形成する第２のステップと、
前記バッファ層上に電極を形成する第３のステップと、
前記電極を形成した基板のアニールを行う第４のステップと、
からなる光導波路デバイスの製造方法。
【請求項２】
前記光導波路デバイスをウエハから切り出すステップをさらに備え、
該ステップの後に前記第２のステップが行われる請求項１に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項３】
前記第２のステップは、前記電極の少なくとも一部の電気抵抗を測定するステップを含み、その測定値の変化が飽和したことをもって前記光導波路デバイスの動作特性が安定化したことが確認される請求項１に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記光導波路デバイスはマッハツェンダ型光変調器である請求項１に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記光導波路デバイスは、前記基板の前記光導波路の近傍に形成されたダミー光導波路と、該ダミー光導波路に電界を加える対称な少なくとも２つのダミー電極とを有し、
前記ダミー光導波路及び前記ダミー電極は前記マッハツェンダ型光変調器と同等の光学的特性を有するダミー光変調器を構成し、
前記第２のステップは前記マッハツェンダ型光変調器の動作点が前記ダミー光変調器の動作点に等しくなったことをもって前記マッハツェンダ型光変調器の動作点が安定化したことが確認される請求項４に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項６】
前記強誘電体結晶がニオブ酸リチウムである請求項１に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項７】
前記強誘電体結晶がタンタル酸リチウムである請求項１に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、強誘電体結晶からなる基板に形成された光導波路に電界を加える非対称な少なくとも２つの電極を有する光導波路デバイスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３  ）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３  ）等の強誘電体結晶からなる基板の表面にＴｉ等の金属或いはその酸化物を熱拡散させることにより光導波路を形成してなる光導波路素子は、低損失、広帯域であると共に、プレーナ技術を用いて量産が可能であるという特徴を有しており、広く研究、開発され、実用段階に至っている。特に、光導波路に対応して強誘電体結晶基板上に電極を配置し、電極に印加する電圧を制御することにより光導波路の屈折率を調整し、これにより変調動作等を行うようにした光変調器その他の光導波路デバイスがその高速性から注目されている。
【０００３】
この種の光導波路デバイスとしては、例えば、Ｙ分岐型、交差（Ｘ）型、方向性結合器型、マッハツェンダ型（分岐緩衝型）、バランスブリッジ型のものが知られている。
【０００４】
Ｙ分岐型光スイッチは、光導波路分岐部の屈折率を印加電圧により制御して分岐比を変えることによりスイッチング動作を行うようにした１×２スイッチであり、多段化することにより１×Ｎのマトリックススイッチが得られる。
【０００５】
交差（Ｘ）型光スイッチは、光導波路の交差部の屈折率を印加電圧により制御することにより、回折、全反射、モード干渉のいずれかによりスイッチング動作を行う２×２スイッチであり、多段化することによりＮ×Ｎのマトリックススイッチを得ることができる。
【０００６】
方向性結合器型光スイッチは、２本の平行な光導波路を近接させた場合に起こる光パワーの移行を支配している２本の光導波路間の位相差を印加電圧による屈折率変化で制御する２×２スイッチであり、やはり多段化することによりＮ×Ｎのマトリックススイッチを構成することができる。
【０００７】
マッハツェンダ型光変調器は、その両端が結合された２本の光導波路間で、電圧印加により分岐後の両光に位相差が生じるように屈折率を変化させ、結合時の干渉により変調動作を行うようにしたものである。
【０００８】
バランスブリッジ型光スイッチは、方向性結合器型とマッハツェンダ型を組み合わせることにより、２×２光スイッチを構成したものであり、動作原理はマッハツェンダ型とほぼ同じである。
【０００９】
ここで、マッハツェンダ型光変調器を例にとり、その構成及び動作を簡単に説明する。マッハツェンダ型光変調器は、例えば、Ｚカットされたニオブ酸リチウムの基板の表面に、チタンを熱拡散させて屈折率を高めることによりその両端部近傍でそれぞれ結合された一対の光導波路を形成し、その上にＳｉＯ２  からなるバッファ層を形成し、更にこれの上に各光導波路に対応して一対の金属電極を形成して構成される。電極の一方は信号電極であり、他方は接地電極である。
【００１０】
入射された光は分岐されて、一対の光導波路に至り、ここで信号電極及び接地電極間に駆動電圧が加えられることにより、電気光学効果により、分岐された両光に位相差が生じる。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。
【００１１】
両光の位相差が０，πになるように駆動電圧を設定すれば、例えば、オン−オフのデジタル信号が得られる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述したマッハツェンダ型光変調器においては、ＤＣ電圧の印加により動作点が変動したり（ＤＣドリフト）、温度変化により動作点が変動する（温度ドリフト）ため、動作安定性に欠けるという問題がある。後者の温度ドリフトは、強誘電体結晶が電気光学効果だけでなく焦電効果（温度変化により結晶表面に電荷が発生する現象）や光弾性効果（機械的ひずみの印加により屈折率が変化する現象）を呈することに起因している。
【００１３】
焦電効果による温度特性は、強誘電体結晶と電極との間にバッファ層（例えばＳｉＯ２  ）及び導電性膜（例えばＳｉ）を介在させることにより大幅に改善されることが知られている。光弾性効果の影響は、強誘電体結晶が電極から受けるひずみが経時的に変化するために、動作点が徐々に変動するという問題を内在している。
【００１４】
以上、マッハツェンダ型光変調器が有する問題点について説明したが、この問題は強誘電性結晶を有する光導波路デバイスに共通のものである。
本発明の目的は、動作安定性が良好な光導波路デバイスの製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、強誘電体結晶からなる基板に形成された光導波路に電界を加える非対称な少なくとも２つの電極を有する光導波路デバイスの製造方法であって、上記基板上に上記電極を形成する第１のステップと、上記基板及び上記電極について高温下でアニールを行って上記光導波路デバイスの動作特性を安定化させる第２のステップとを備えた光導波路デバイスの製造方法が提供される。
また、本発明によると、強誘電体結晶からなる基板に形成された光導波路デバイスの製造方法であって、前記基板にチタン拡散により光導波路を形成する第１のステップと、前記光導波路を形成した前記基板にバッファ層を形成する第２のステップと、前記バッファ層上に電極を形成する第３のステップと、前記電極を形成した基板のアニールを行う第４のステップと、からなる光導波路デバイスの製造方法が提供される。
【００１６】
【作用】
ニオブ酸リチウム等の強誘電体結晶の誘電率は高いので、強誘電体結晶からなる基板上に電極を形成して光導波路デバイスを製造する場合には、その高速動作性を確保するために、電極を厚く形成することが有効である。そのための電極形成方法として、金メッキによるものがある。通常、メッキは８０°Ｃ前後の温度下で行われるので、メッキにより形成された電極には内部応力が発生しており、この応力により電極の下の光導波路にひずみが生じ、その屈折率が変化することとなる。
【００１７】
この屈折率変化により、例えばマッハツェンダ型光変調器にあっては、応力が加わっていない場合と比べて動作点電圧がずれる。また、電極の内部応力が緩和される過程において、動作点が経時変化することとなる。
【００１８】
もし、光導波路に電界を加えるための電極が光導波路に対して対称な形状を有しているとすれば、光導波路には均等なひずみが生じるので上述の動作点のずれは顕著なものではない。
【００１９】
しかし、光導波路に電界を加えるための電極が非対称な形状を有している場合には、温度ドリフトは実用上甚だ有害である。
非対称な形状を有する電極は、高速変調用のマッハツェンダ型光変調器に代表されるような進行波型の光導波路デバイスにおいて使用される。進行波型のマッハツェンダ型光変調器においては、信号電極を伝播する電気信号と光導波路を伝播する光とが同じ方向に進行するようにするために信号電極は光導波路に沿って細長く形成されており、これに対して、接地電極は、広帯域化を図るために大きな面積を有するように設計される。このような信号電極及び接地電極の非対称性により温度ドリフトは避けられない。
【００２０】
発明者の実験によると、電極に生じた内部応力は高温下でアニールを行うことによって緩和され、また、アニール温度が高いほど緩和に要する時間が短くなることが明らかになった。
【００２１】
本発明の光導波路デバイスの製造方法においては、強誘電体結晶からなる基板に電極を形成した後に、基板及び電極について高温下でアニールを行うようにしているので、経時的変動を解消して光導波路デバイスの動作特性（例えばマッハツェンダ型光変調器の動作点）を安定化させることができる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面に沿って詳細に説明する。
図１は本発明を適用可能なマッハツェンダ型光変調器の一例を示す平面図、図２はＡ−Ａ断面図である。この光変調器は、ＺカットＬｉＮｂＯ３  （ニオブ酸リチウム）からなる基板にＴｉ（チタン）を熱拡散させて光導波路を形成し、この光導波路に電界を印加させるための各電極を設けて構成されている。
【００２３】
基板２上に形成された光導波路は、図示しない光源からの光が供給される入力ポート４と、入力ポート４からの光を二分岐して伝播させる一対の分岐導波路６及び８と、分岐導波路６及び８の伝播光を合流して出力する出力ポート１０とを有している。
【００２４】
一方の分岐導波路６上には信号電極１２が設けられており、他方の分岐導波路８上には接地電極１４が設けられている。基板２と各電極との間には、ＳｉＯ２  等の絶縁体からなるバッファ層１６と、各電極の抵抗率よりは十分に大きいが電荷の移動を可能にする程度の抵抗率を有するＳｉ等からなる導電層１８とがこの順に積層されている。導電層１８は焦電効果による温度特性の変動を抑制するためのものである。尚、バッファ層１６及び導電層１８は図面が不明瞭にならないように図１には図示されていない。
【００２５】
駆動信号は信号電極１２と接地電極１４の間に印加される。信号電極１２は、駆動信号により電界が分岐導波路６の伝搬光の伝搬方向と同一の方向に伝搬するように、進行波型に構成されている。即ち、信号電極１２は分岐導波路６に沿って細長く形成されている。
【００２６】
これに対して、接地電極１４は、広帯域化を図るために、十分に大きな面積を有するように設けられている。このような信号電極１２及び接地電極１４の非対称性により動作点ドリフトが生じることは前述した通りである。
【００２７】
駆動信号は、信号電極１２の上記伝搬方向上流側の端部１２Ａから供給される。また、信号電極１２の上記伝搬方向下流側の端部１２Ｂと接地電極１４の間には例えば５０Ωの終端抵抗器が接続される。
【００２８】
信号電極１２を進行波型に構成することによって、そうでない場合と比較してより高速な変調が可能になる。
図３は、図１及び図２に示される光変調器２の入出力特性を示す図である。符号２０は動作点ドリフトを生ずる前の特性を示し、符号２２は動作点ドリフトを生じた場合の特性を示す。
【００２９】
ここで、「動作点ドリフト」は、出力光強度と駆動電圧の関係を表す動作特性曲線の電圧増減方向へのドリフトのことである。マッハツェンダ型光変調器の動作特性曲線は、図示されるように電圧の変化に対して周期性を有する。
【００３０】
従って、駆動信号の各論理値（「０」及び「１」）に対応して出力光強度の極小値及び極大値が得られる駆動電圧Ｖ０  及びＶ１  を用いることにより、効率的な２値変調を行うことができる。
【００３１】
出力される光信号にあっては、動作点ドリフトが発生するときに、駆動電圧Ｖ０  及びＶ１  が一定であると、上述の周期性により波形歪み及び消光比劣化が生じる。このため、動作点ドリフトが発生したときに、そのドリフトをｄＶとすると、駆動電圧Ｖ０  及びＶ１  をそれぞれＶ０  ＋ｄＶ及びＶ１  ＋ｄＶとして、動作点ドリフトを補償することが望ましい。
【００３２】
動作点ドリフトを補償するための自動バイアス制御回路としては、例えば、駆動信号の一方又は両方の論理レベルに低周波信号を重畳して光変調器を駆動し、出力される光信号から検出される低周波信号の位相により動作点を制御するようにしたものが知られている。
【００３３】
しかし、このような自動バイアス制御回路が採用されている場合であっても、駆動信号の振幅が約５Ｖであるのに対して温度ドリフトが１〜２Ｖあることを考慮すると、動作点の初期設定の容易化という観点からは、ドリフトはできるだけ小さいことが望ましい。
【００３４】
本実施例では、動作点ドリフト、特に温度ドリフトをできるだけ小さく抑えるために、次のような製造工程が採用される。
図４は、本発明の実施例におけるマッハツェンダ型光変調器の製造工程を示すフローチャートである。まず、ステップ１０１では、図２の基板２の母材となるＺカットＬｉＮｂＯ３  からなるウエハ２４（図５参照）にＴｉを熱拡散させて複数の光導波路２６を形成する。各光導波路には図２の分岐導波路６及び８がそれぞれ含まれている。光導波路２６の形成に際しては、レジスト及びマスキングを用いた通常のプレーナ技術を採用することができる。
【００３５】
続いてステップ１０２では、図２のバッファ層１６に相当するバッファ層がウエハ２４上に形成される。そしてステップ１０３では、バッファ層の上に図２の導電層１８に相当する導電層が形成される。
【００３６】
さらにステップ１０４では、図２の信号電極１２及び接地電極１４がそれぞれの光導波路２６に対して形成される。
しかる後、ステップ１０５では、各光変調器がウエハ２４から切り出され、光導波路２６の数に相当する数の光変調器が得られる。
【００３７】
最後にステップ１０６では、各光変調器について高温下でのアニーリングが行われる。
ここで、光変調器をウエハから切り出した後にアニーリングを行っているのは次の理由による。即ち、ウエハのままでアニーリングを行うと、加熱に際して焦電効果によりウエハの表裏面に生じる大きな電位差によって表裏面間で放電が生じ、ウエハの縁に位置する光導波路等が破壊される恐れがあるのに対して、各光変調器を切り出した後であれば、その表面積がウエハの全表面積よりも十分に小さいことにより放電の恐れが少ないからである。
【００３８】
図６はアニーリングに際しての動作点の経時変動を示すグラフである。縦軸は動作点の変化（Ｖ）、横軸は時間（Ｈｒ）を表している。
このグラフは、同一条件で製作されたマッハツェンダ型光変調器を８５°Ｃ及び１１０°Ｃの各温度でアニーリングした場合の経過時間とその各経過時間後に常温に戻して測定した動作点電圧の変化との関係を示している。アニーリングを行うことにより、動作点が飽和し、動作点の安定化が可能になっている。
【００３９】
これは、８０°Ｃ前後でメッキにより作成された金電極の構造内部或いはその直下の光導波路に生じた内部応力がアニーリングにより緩和されることや、メッキに際して金電極の内部に残留した不純物がアニーリングにより蒸発して金電極が粗構造になり基板への応力が小さくなることが要因と考えられる。
【００４０】
発明者の実験によると、アニーリングに際しての動作点の変化に伴って、接地電極及び信号電極の電気抵抗が変化することが明らかになった。即ち、例えば信号電極の両端の電気抵抗を測定しながらアニーリングを行うと、電気抵抗の測定値は図６における動作点の変化と同様に変化するのである。
【００４１】
従って、信号電極又は接地電極の少なくとも一部の電気抵抗を測定しながらアニーリングを行い、電気抵抗の測定値の変化が飽和したことをもって動作特性が安定したと確認することができるのである。
【００４２】
この発見は極めて重要である。なぜならば、動作点の変化を実際に測定するためには光導波路に光を結合させておく必要があり、そのためには一般に光導波路の端部に光ファイバを結合しておくわけであるが、この場合光ファイバの使用可能温度に制限されてあまり高温でのアニーリングを行うことができないからである。つまり、電極の電気抵抗の測定によって動作点の変化の測定に代えることによって、アニーリング温度の制限がなくなるのである。
【００４３】
動作点の安定化は経験上次のようにして知ることもできる。ここでは、基板の光導波路の近傍にダミー光導波路とダミー光導波路に電界を与える対称な少なくとも２つのダミー電極とからなるダミー光変調器を設けておき、特性を安定化させるべきマッハツェンダ型光変調器の動作点がダミー光変調器の動作点に等しくなったことをもってアニーリングを終了させる。ダミー光導波路はマッハツェンダ型光変調器と同等の光学的特性を有するように設定される。この設計は容易である。なぜならば、プレーナ技術によって極めて近似した形状の光導波路を基板上に形成することができるからである。
【００４４】
以上の実施例はマッハツェンダ型光変調器についてのものであるが、本発明はバランスブリッジ型光スイッチその他の光導波路デバイスにも適用可能である。また、基板の材質がニオブ酸リチウムであるとしたが、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３  ）その他の強誘電体結晶からなる基板を用いた光導波路デバイスにも本発明は適用可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、動作安定性が良好な光導波路デバイスの製造方法の提供が可能になるという効果が生じる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能なマッハツェンダ型光変調器の一例を示す平面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】マッハツェンダ型光変調器の動作特性を示す図である。
【図４】本発明の実施例における製造工程を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施例におけるウエハの平面図である。
【図６】本発明の実施例における動作点変化と時間の関係を表すグラフである。
【符号の説明】
２  基板
６，８  分岐光導波路
１２  信号電極
１４  接地電極
【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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