(57)【要約】  上面及び下面を有する電気−光学結晶基板(10)と、この電気−光学結晶基板の面内に形成された光導波路(14a,14b)と、この光導波路の上に配置されて、光導波路に電界を印加するための少なくとも１つの電極(12a,12b,13)と、シリコンチタンオキシニトライド層(16)と、このシリコンチタンオキシニトライド層を、光導波路が形成された面とは逆の電気−光学結晶基板の別の面に相互接続するための接続層(17)とを備えた光導波路型デバイス。
2005515499.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面及び下面を有する電気−光学結晶基板と、
上記電気−光学結晶基板の面内に形成された光導波路と、
上記光導波路の上に配置され、上記光導波路に電界を印加する少なくとも１つの電極と、
シリコンチタンオキシニトライド層と、
上記シリコンチタンオキシニトライド層を、上記光導波路が形成された面の反対側にある上記電気−光学結晶基板の別の面に相互接続するコネクタと、
を備える、光導波路型デバイス。
【請求項２】
光信号を上記光導波路内に光学的に閉じ込めるために、上記電気−光学結晶基板に非ドープの二酸化シリコン層を配置した、請求項１に記載の光導波路型デバイス。
【請求項３】
上記シリコンチタンオキシニトライド層は、熱的安定化を与えるよう構成され、
時間的安定化のための付加的なシリコンチタンオキシニトライド層は、上記シリコンチタンオキシニトライド層と上記電気−光学結晶基板との間に配置されている、請求項２に記載の光導波路型デバイス。
【請求項４】
時間的安定化のための上記付加的なシリコンチタンオキシニトライド層におけるシリコン対チタンの比は、熱的安定化のための上記シリコンチタンオキシニトライド層におけるシリコン対チタンの比より大きい、請求項３に記載の光導波路型デバイス。
【請求項５】
時間的安定化のための上記付加的なシリコンチタンオキシニトライド層は、インジウムでドープされる、請求項３に記載の光導波路型デバイス。
【請求項６】
時間的安定化のための上記付加的なシリコンチタンオキシニトライド層は、シリコン対チタンの比が勾配変化をもつように形成される、請求項４に記載の光導波路型デバイス。
【請求項７】
時間的安定化のための付加的なシリコンチタンオキシニトライド層が、上記シリコンチタンオキシニトライド層と上記電気−光学結晶基板との間に配置され、
上記シリコンチタンオキシニトライド層は、熱的安定化を与えるよう構成される、請求項１に記載の光導波路型デバイス。
【請求項８】
時間的安定化のための上記付加的なシリコンチタンオキシニトライド層に、周期表の列３〜１６の金属を金属又は酸化物の形態でドープする、請求項７に記載の光導波路型デバイス。
【請求項９】
時間的安定化のための上記付加的なシリコンチタンオキシニトライド層におけるシリコン対チタンの比は、熱的安定化のための上記シリコンチタンオキシニトライド層におけるシリコン対チタンの比より大きい、請求項７に記載の光導波路型デバイス。
【請求項１０】
時間的安定化のための上記付加的なシリコンチタンオキシニトライド層におけるシリコン対チタンの比は、該シリコン対チタンの比が勾配変化をもつように形成される、請求項７に記載の光導波路型デバイス。
【請求項１１】
上記シリコンチタンオキシニトライド層は、熱的及び時間的安定化のためのものであり、且つ上記電気−光学結晶基板に配置されていて、
上記シリコンチタンオキシニトライド層におけるシリコン対チタンの比は、該シリコン対チタンの比が勾配変化をもつように形成される、請求項１に記載の光導波路型デバイス。
【請求項１２】
上記シリコンチタンオキシニトライド層に、周期表の列３〜１６の金属を金属又は酸化物の形態でドープする、請求項１１に記載の光導波路型デバイス。
【請求項１３】
Ｚ面をもつ上面とＺ面をもつ下面とを有するＺカットの電気−光学結晶基板と、
上記電気−光学結晶基板の上面内に形成された光導波路と、
シリコン、周期表の列４（ＩＶＢ）の元素、酸素及び窒素を含む熱的安定化緩衝層を有する、上記光導波路の上に配置された緩衝層構造体と、
上記緩衝層構造体に配置され、上記光導波路に電界を印加する少なくとも１つの電極と、
上記電気−光学結晶基板の側面にあって、上記熱安定化緩衝層を上記電気−光学結晶基板の上記下面へ相互接続する接続層と、
を備える、光導波路型デバイス。
【請求項１４】
光信号を上記光導波路内に光学的に閉じ込めるために上記電気−光学結晶基板の上面に非ドープの二酸化シリコン層を配置した、請求項１３に記載の光導波路型デバイス。
【請求項１５】
シリコン、周期表の列４（ＩＶＢ）の元素、酸素及び窒素を含む時間的安定化緩衝層が、上記熱的安定化緩衝層と上記電気−光学結晶基板との間に配置される、請求項１４に記載の光導波路型デバイス。
【請求項１６】
上記時間的安定化緩衝層における窒素対酸素の比は、上記熱的安定化緩衝層における窒素対酸素の比より小さい、請求項１５に記載の光導波路型デバイス。
【請求項１７】
上記時間的安定化緩衝層に、周期表の列３〜１６の金属を金属又は酸化物の形態でドープする、請求項１５に記載の光導波路型デバイス。
【請求項１８】
上記時間的安定化緩衝層は、窒素対酸素の比が勾配変化をもつように形成される、請求項１６に記載の光導波路型デバイス。
【請求項１９】
上記熱的安定化緩衝層と上記電気−光学結晶基板の上面との間に時間的安定化緩衝層が配置される、請求項１３に記載の光導波路型デバイス。
【請求項２０】
上記時間的安定化緩衝層に、周期表の列３〜１６の金属を金属又は酸化物の形態でドープする、請求項１９に記載の光導波路型デバイス。
【請求項２１】
上記時間的安定化緩衝層における窒素対酸素の比は、上記熱的安定化緩衝層における窒素対酸素の比より小さい、請求項１９に記載の光導波路型デバイス。
【請求項２２】
上記時間的安定化緩衝層は、窒素対酸素の比が勾配変化をもつように形成される、請求項２１に記載の光導波路型デバイス。
【請求項２３】
上記熱的安定化緩衝層が、時間的安定化も与えるよう構成されると共に、上記電気−光学結晶基板に配置され、
上記緩衝層における窒素対酸素の比は、該窒素対酸素の比が勾配変化をもつように形成される、請求項１３に記載の光導波路型デバイス。
【請求項２４】
上記緩衝層に、周期表の列３〜１６の金属を金属又は酸化物の形態でドープする、請求項２３に記載の光導波路型デバイス。
【請求項２５】
上記接続層は、導電性ペイント、半田、半導体、セラミック及び導電性エポキシの１つを含む、請求項１３に記載の光導波路型デバイス。
【請求項２６】
光導波路型デバイスを形成する方法であって、前記方法は、
電気−光学結晶基板の面内に光導波路を形成するステップと、
上記光導波路の上に配置され、シリコン、周期表の列４（ＩＶＢ）の元素、酸素及び窒素を含む緩衝層を形成するステップと、
上記緩衝層の上に配置されて、上記光導波路に電界を印加する少なくとも１つの電極を形成するステップと、
上記熱的安定化の緩衝層を、上記光導波路が形成された面の反対側にある上記電気−光学結晶基板の別の面に相互接続する接続手段を形成するステップと、
を備える方法。
【請求項２７】
上記緩衝層は、窒化シリコン及び周期表の列４（ＩＶＢ）の元素の窒化物で構成されたターゲットを使用してスパッタ堆積される、請求項２６に記載の光導波路型デバイス形成方法。
【請求項２８】
上記緩衝層は、Ｏ２及びＮ２を含む雰囲気中でスパッタ堆積される、請求項２７に記載の光導波路型デバイス形成方法。
【請求項２９】
上記ターゲットは、更に、周期表の列３〜１６の金属を金属又は酸化物の形態で含む、請求項２７に記載の光導波路型デバイス形成方法。
【請求項３０】
上記緩衝層がスパッタ堆積される間、周期表の列３〜１６の金属を金属又は酸化物の形態で含む付加的なターゲットが露出される、請求項２７に記載の光導波路型デバイス形成方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本願は、２００２年１月４日に出願された米国特許出願第１０／０３５，１９３の一部継続出願であり、該特許出願の開示を参考としてここに援用する。
【発明の分野】
【０００２】
本発明は、光導波路型変調器に係り、より詳細には、光導波路型デバイスに改良された熱的及び時間的バイアス安定性を与えることに係る。
【関連技術の説明】
【０００３】
光変調器として使用されるマッハ−ツェンダー干渉計（ＭＺＩ）は、高データレートの光ファイバー通信システムとして関心が高まっている。７０年代の中頃に導入されて以来、この形式のデバイスを開発するために多大な研究が行なわれてきた。Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路型システムの実用性は、これらデバイスを現在の光通信システムに巾広く導入できるようにした。
【０００４】
図１は、光信号の変調に使用される関連技術のＺカットのニオブ酸リチウムマッハ−ツェンダー干渉計を示す平面図である。光導波路４が、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）基板１の表面内に形成され、この導波路４は、第１導波路４ａと第２導波路４ｂとに分岐し、次いで、再結合して単一導波路４’へと戻る。これら光導波路４ａ及び４ｂは、例えば、チタンのような金属の拡散により形成されてもよいし、或いはニオブ酸リチウム基板１に光学路を形成する他のドーパントで形成されてもよい。第１及び第２の光導波路上に各々配置された電極２ａ及び３を経て、第１の光導波路４ａ及び第２の光導波路４ｂに電界が印加される。より詳細には、第１の光導波路４ａ上の電極２ａは、接地電極であり、一方、第２の光導波路４ｂ上の電極３は、入力電極である。更に、別の接地電極２ｂが基板上に配置され、接地電極２ａ及び２ｂは入力電極３の各側にあって、第１及び第２の光導波路４ａ及び４ｂに印加される電界を更に制御する。これら電極２ａ、２ｂ及び３は、緩衝層５によって基板１から分離される。電界を印加すると、その印加される電界の量に比例して光導波路の屈折率が変化する。電極２ａ、２ｂ及び３を経て印加される電界の量を制御することにより、光導波路を通過する光信号を変調することができる。
【０００５】
図２は、図１のＢ−Ｂ’線に沿った関連技術のＺカットのニオブ酸リチウムのマッハ−ツェンダー干渉計を示す断面図である。緩衝層５は、透明な誘電体膜で構成され、電気−光学的結晶基板１と電極２ａ、２ｂ及び３との間に配置される。緩衝層５は、金属電極２ａ及び３による光学モードの光吸収を防止する。しかしながら、緩衝層５は、電極３から発する電界が第１の光導波路４ａ又は第２の光導波路４ｂのいずれか又は両方における屈折率変化に影響を与えることを可能にする。通常、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）が、その光学的透明度が１．５５ミクロンで且つ誘電率が低いことから、緩衝層として使用される。
【０００６】
又、図２に示すように、関連技術のＺカットのニオブ酸リチウムのマッハ−ツェンダー干渉計の電気−光学結晶基板１は、その結晶配向のＹ軸がニオブ酸リチウム基板１の長手方向に導波路４ａ及び４ｂに沿って延びるように形成される。結晶配向のＺ軸は、電気−光学結晶基板１の厚み方向に延びて、ニオブ酸リチウム基板１の上面及び下面が基板の結晶格子構造に関して各々−Ｚ及び＋Ｚ面となるようにされる。光導波路は、一般に、ニオブ酸リチウム基板の−Ｚ面内にあるものとして示される。
【０００７】
ＺカットのＬｉＮｂＯ３デバイスが初期に導入された際の実際的な問題の１つは、デバイスにわたって温度変化や勾配を受けたときにデバイス内に大きな内部電界の発生を招くＬｉＮｂＯ３のパイロ電気感度である。これは、ＬｉＮｂＯ３の強誘電特性のために、温度が変化すると、自発的分極を変化させるからである。図２に示すように、これは、電気−光学結晶基板１のＺ面間の電荷の不平衡を招き、デバイスの導波路４ａ及び４ｂに沿ってＺ方向に垂直に電界が発生される。ＬｉＮｂＯ３の抵抗率が非常に高いために、これらの電荷は、電気−光学結晶基板１を経て移動してそれら自体を中性化するのに長い時間を要する。この電荷不平衡は、導波路４ａ又は４ｂ上の電極２ａ、２ｂ及び３からの電界の作用を妨げ又は減少し、従って、光信号を変調する際の有効性又は制御性を低減させる。初期の変調器は、熱的変化の影響を著しく受け、デバイスを熱的に安定化させるために厳格な環境制御が必要であった。
【０００８】
熱的作用により変調制御性が失われるのを防止し又は変調制御性を維持するための初期の解決策は、ＬｉＮｂＯ３基板のＺ面間の電荷不平衡を断ち切るか又は打ち消すことである。Ｃ．Ｈ．バルマー氏等（著者の１人は本出願の発明者である）の「PyroelectricEffects in LiNbO3 Channel Waveguide Devices」、アプライド・フィジックス・レターズ４８、第１０３６ページ、１９８６年には、Ｚ面を金属化し、それらを高導電率経路に電気的に接続して、不平衡電荷を急速に中性化させ、Ｘカットデバイスの改良された熱的安定性を生じさせることが開示されている。それにも関わらず、Ｚカットデバイスでは導波路がＺ面にあるのでこの解決策では困難であり、この面上の金属化層がデバイスの電極を短絡させ、デバイスを無効又は不作動にしてしまう。
【０００９】
金属化層に代わって、Ｐ．スキュース氏等（著者の１人は本出願の発明者である）の「Novel Electrostatic Mechanism in the Thermal Stability of Z-Cut LiNbO3 Interferometers」、アプライド・フィジックス・レターズ４９、第１２２１ページ、１９８６年、及びＩ．サワキ氏等のConference on Lasers and Electro-Optics、ＭＦ２、第４６−４７ページ、サンフランシスコ、１９８６年には、Ｚカットデバイスの電極の下に設けられたＺ面上の半導体層又は半絶縁層が示唆されている。この半導体層又は半絶縁層は、ＬｉＮｂＯ３基板のＺ面間の不平衡電荷を伝達するが、電極を短絡することはない。Ｘカットデバイスは、一般に、金属層又は他の導電層をＺ面上に設け、それら導電層を相互接続することにより処理されるが、どんな半導体層又は半絶縁層がＺカットデバイスに使用するのに最良であるか又は適切に指定できるかに関して研究が続けられている。
【００１０】
過去に試みられた解決策は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、シリコン（Ｓｉ）及び窒化シリコンチタン（ＳｉｘＴｉｙＮｚ）層を含み、これらは、Ｚカットの光導波路型デバイスにおいて通常のＳｉＯ２緩衝層に代わって又はその上に付着される。参考としてここに援用する１９９９年９月７日付のミンフォード氏等の「Apparatus and Method for Dissipating Charge from Lithium Niobate Devices」と題する米国特許第５，９４９，９４４号は、シリコン／チタン比を調整することにより抵抗率を調整できるという効果を有する窒化シリコンチタン層を提案している。しかしながら、堆積システムに残留するバックグランドガスから窒化シリコンチタン緩衝層に酸素汚染が生じるために、抵抗率の制御が満足に行なわれない。その結果、窒化シリコンチタン緩衝層の抵抗率は、その運転ごとの変化が受け入れられないものとなる。更に、窒化シリコンチタン緩衝層のための堆積システムは、希望の範囲にわたり緩衝層の組成を変化させるために異なる組成を伴う種々のターゲットを必要とするスパッタリングプロセスを含み、従って、抵抗率を適当に制御する実際的なプロセスではない。
【００１１】
電界の作用と、導波路に印加される時間に伴う電界の作用の一貫性（即ち時間的安定性）は、緩衝層の特性により相当に影響される。緩衝層内の電荷変化又はニオブ酸リチウム基板の電荷不平衡により影響される電極からの電界の量は、デバイスのバイアスドリフトと称される。ＺカットのＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ３デバイスの時間的安定性は、参考としてここに援用するセイノ氏等の１９９５年４月４日付の「Optical Waveguide Device」と題する米国特許第５，４０４，４１２号に説明されている。セイノ氏等は、Ｚカットデバイスの緩衝層にまたがって繰り返し又は常時電圧を印加すると、最終的に緩衝層に電荷スクリーニングプロセスが生じ、導波路にかかる電界を著しく減少させることを示している。更に、セイノ氏等は、酸化チタン及びインジウム、又は周期表の族ＩＩＩからＶＩＩＩ，Ｉｂ及びＩＩｂまで（列３〜１６）の他の酸化金属をＳｉＯ２緩衝層に添加することで、得られるバイアスドリフトが減少される（時間的に遅延される）ことも示している。
【発明の概要】
【００１２】
従って、本発明は、関連技術の制約及び欠点による問題の１つ以上を実質的に回避するＬｉＮｂＯ３デバイスに向けられる。
【００１３】
本発明の１つの態様は、ＬｉＮｂＯ３電気−光学デバイスのパイロ電気的又は熱的安定化に係る。
【００１４】
本発明の別の態様は、ＬｉＮｂＯ３電気−光学デバイスの時間的安定化に係る。
【００１５】
本発明の更に別の態様は、電気−光学デバイスのための緩衝層構造において抵抗率を制御できるようにする方法にも係る。
【００１６】
本発明の付加的な特徴及び効果は、以下の説明に記載され、又、その一部分は、以下の説明から明らかであり、或いは本発明を実施することで学習できよう。本発明の目的及び他の効果は、以下の説明、特許請求の範囲及び添付図面に特に指摘された構造体により実現及び達成されよう。
【００１７】
上述した一般的説明及び以下の詳細な説明は、請求の範囲に規定された発明を例示すると共に、更に詳細に説明するためのものであることを理解されたい。
【００１８】
本発明を更に理解するために含まれ本明細書に組み込まれてその一部分を構成する添付図面は、本発明の実施形態を示すと共に、以下の説明と一緒に、本発明の原理を説明するのに役立つものである。
【好適な実施形態の説明】
【００１９】
本発明の好適な実施形態は、窒素及び非反応ガス環境内に窒化シリコン窒化チタンのターゲットを配して行なうスパッタ堆積プロセス中にＯ２を慎重に導入することにより形成されたシリコンチタンオキシニトライド緩衝層構造に係る。シリコンチタンオキシニトライドの堆積中のＯ２濃度は、得られる緩衝層の抵抗率を調整するための同調パラメータである。Ｏ２濃度の調整とは別に又はそれに加えて、得られる緩衝層の抵抗率を調整するための別の同調パラメータとしてＮ２濃度を堆積中に変えてもよい。プロセスの制御が容易であるために、単一固定比の窒化シリコン−窒化チタンターゲットから広範囲な抵抗率にわたる緩衝層を形成することができる。更に、緩衝層の堆積中にＯ２及び／又はＮ２の量を制御することにより抵抗率勾配をもつ緩衝層を形成することができる。
【００２０】
本発明によれば、非反応性スパッタリングガス（即ちＡｒ）、所定量のＮ２及び所定量のＯ２を含む雰囲気中で５０％のＳｉ３Ｎ４−５０％のＴｉＮターゲットからスパッタリングすることにより、種々の例示的シリコンチタンオキシニトライド膜が生成された。５０％のＳｉ３Ｎ４／５０％のＴｉＮターゲットと、１及び５ｍTorrの２つのチャンバー圧力とを使用して、４０ｓｃｃｍ（標準立方ｃｍ）のＡｒ及び２０ｓｃｃｍのＮ２のガス流が各膜に対して反応チャンバーに導入された。各膜の抵抗率は、各膜に対し０．５−１０ｓｃｃｍである９５％Ａｒ／５％Ｏ２混合物の流量により制御された。条件の一例を上述したが、異なる割合の組成を有するＳｉ３Ｎ４／ＴｉＮターゲットに対してガスの混合及び流量を変えてもよいし、さもなければ、異なるものでもよい。
【００２１】
膜を堆積した後に、抵抗率が測定され、ＸＰＳ分析を使用して膜の酸素含有量が原子パーセントで測定された。その結果が、抵抗率対酸素濃度をプロットした図３のチャートに示されている。膜の抵抗率は、約１０５から１０１０Ω−ｃｍまで変化し、一方、膜の酸素濃度は、約５％から６５％（原子％）まで変化した。膜の抵抗率は、数ヶ月の周期にわたって安定しており、又、空気中で一晩中１２５℃の熱処理を受けたときにも安定していた。チャンバー内のＯ２及びＮ２ガス流が正確に制御されると共に、Ｏ２チャンバー濃度が残留バックグランドガスに比して大きかったので、運転ごとの抵抗率の再現性が良好であった。
【００２２】
更に、本発明によれば、Ｓｉ３Ｎ４−ＴｉＮターゲットとしてＳｉ３Ｎ４及びＴｉＮについて他の組成割合を使用すると、前記プロセスにより達成できる抵抗率の範囲が更に拡張される。例えば、ターゲットにおいてＴｉＮの割合を高くすると（即ち、４０％のＳｉ３Ｎ４／６０％のＴｉＮ）、より低い抵抗率の範囲を冗長に正確に得ることができ、Ｓｉ３Ｎ４の割合を高くすると（即ち、６０％のＳｉ３Ｎ４／４０％のＴｉＮ）、より高い抵抗率の範囲を冗長に正確に得ることができる。所定の固定割合組成のＳｉ３Ｎ４−ＴｉＮターゲットでは、その固定割合比のターゲットに対する抵抗率の範囲内の所定抵抗率を、スパッタリングガス中のＯ２濃度又はＮ２／Ｏ２比の制御により冗長に正確に得ることができる。
【００２３】
図４は、広帯域進行波マッハ−ツェンダー干渉計における熱（即ちパイロ電気）作用を抑制するための緩衝層としてシリコンチタンオキシニトライド膜を有する本発明の第１実施形態の断面図である。マッハ−ツェンダー干渉計は、Ｚカットのニオブ酸リチウム基板１０を備え、例えばチタンのようなドーパントを拡散して光導波路を形成することにより、光導波路１４ａ及び１４ｂが形成される。電極１２ａ及び１３は、各々、第１の光導波路１４ａ及び第２の光導波路１４ｂの上に配置される（即ち、そこから垂直方向に分離される）か、又はその真上に配置される（即ち、そこから垂直方向に分離されて重畳される）。より詳細には、第１の光導波路１４ａの上の電極１２ａは、接地電極であると共に、第２の光導波路１４ｂの上の電極１３は、入力電極である。更に、別の接地電極１２ｂが基板上に配置され、接地電極１２ａ及び１２ｂは、入力電極１３の各側にあって、第１及び第２の光導波路１４ａ及び１４ｂに印加される電界を更に制御する。Ｚカットのニオブ酸リチウム基板１０の表面上で光導波路１４ａ及び１４ｂの上に非ドープのＳｉＯ２緩衝層１５が形成される。この非ドープのＳｉＯ２緩衝層１５と電極１２ａ、１２ｂ及び１３との間で、Ｚカットのニオブ酸リチウム基板１０の光導波路１４ａ及び１４ｂの上には、シリコンチタンオキシニトライド緩衝層１６が配置される。シリコンチタンオキシニトライド緩衝層１６の厚みは、約０．１から１．０ミクロンであり、ＳｉＯ２緩衝層１５の厚みは、約０．１から１．５ミクロンである。非ドープのＳｉＯ２緩衝層１５は、導波路１４ａ及び１４ｂ内の光学フィールドを低い誘電率の金属電極から分離するが、１．５５ミクロンの光波長に対して光透明度を有する。
【００２４】
接続層１７は、ニオブ酸リチウム基板１０の両側（図４に示すように）又は片側において、ニオブ酸リチウム基板１０の−Ｚ面（上面）上のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層１６とその＋Ｚ面（下面）を相互接続する。炭素又は銀のペイント、半田ペースト、導電性エポキシ又は他の導電性材料を接続層１７として使用することができる。更に、半導体又はセラミックのような抵抗性材料が接続層１７として使用されてもよい。或いは又、シリコンチタンオキシニトライド緩衝層１６と、ニオブ酸リチウム基板１０の＋Ｚ面（下面）との両方をデバイスのハウジング（図示せず）に共通に接続することができる。接続層１７は、図４ではシリコンチタンオキシニトライド１０の上面に重畳するものとして示されているが、接続層１７は、シリコンチタンオキシニトライド緩衝層１６の側面に接触するだけでもよい。
【００２５】
上述した第１実施形態による３つのデバイスを、約８．０ｘ１０４から２．５ｘ１０５Ω−ｃｍまで変化する異なるシリコンチタンオキシニトライド緩衝層抵抗率を有するように製造した。シリコンチタンオキシニトライド緩衝層１６の下のＳｉＯ２緩衝層１５の抵抗率は、約２ｘ１０１１Ω−ｃｍであった。これら３つのデバイスをホットプレートにおいて加熱し、デバイスの温度が２５から４５℃へ上昇し、次いで、４５から２５℃へ下降するときに、干渉計の固有の位相変化を監視した。干渉計の固有位相は、ニオブ酸リチウム基板１０内の熱（即ちパイロ電気）作用のために温度が変化するときに変化する。シリコンチタンオキシニトライド緩衝層をもつ３つのデバイスと、ＳｉＯ２緩衝層だけをもつ制御デバイスとに対して、熱作用による干渉計の固有位相を図５に示す。制御サンプルにおけるＳｉＯ２緩衝層の抵抗率は、約２ｘ１０１１Ω−ｃｍであった。より詳細には、図５は、温度が上昇し（左から右へ）、次いで、温度が下降する（右から左へ）ときの干渉計の固有位相の変化を示す。シリコンチタンオキシニトライド緩衝層をもつ３つのデバイスは、約２−２．５°／℃の熱感度（干渉計の位相変化／温度の変化）を示し、これは、シリコンチタンオキシニトライド緩衝層をもたない制御サンプルよりほぼ１桁小さい。それ故、図５のチャートは、シリコンチタンオキシニトライド緩衝層が熱的安定化を達成し、パイロ電気作用を軽減することを実証する。更に、３つのデバイスは、シリコンチタンオキシニトライド緩衝層の存在による他の性能低下を示さない。
【００２６】
シリコンチタンオキシニトライド緩衝層は、ＺカットのＬｉＮｂＯ３デバイスの時間的及び熱的安定化に有用である。オキシニトライドは、一般的に、従来のＳｉＯ２緩衝層を利用したものに比べ、より強化されたＬｉＮｂＯ３デバイスの時間的安定化を提供する幾つかの構造的および化学的な特性を示す。第一に、オキシニトライドはより高い密度を有し、オキシニトライド・マトリックスは原子レベルにおいてＳｉＯ２より堅固である。これに関連して、オキシニトライドは、酸素に対してより低い拡散速度およびＬｉといった不純物イオンを示す。第二に、オキシニトライドの原子構造は、結合していないＮ及びＯイオンの濃度を増加に導く。これらダングリングボンドは、Ｌｉ等の移動イオンに対して閉じ込めサイトとして作用し、電荷拡散を防ぎ、ローカリゼーションとなる。緩衝層での移動Ｌｉイオンの拡散が不安定メカニズムとして提案されている（セイノ氏等、米国特許第５、４０４、４１２）ことから、シリコンチタンオキシニトライド緩衝層で予測されるＬｉ拡散の抑制はＬｉＮｂＯ３デバイスでのバイアス電圧ドリフトの抑制を導くに違いない。図４を参照して上述したように、ニオブ酸リチウム基板におけるＳｉＯ２緩衝層は、導波路の光学フィールドを金属電極から分離する。更に、ＳｉＯ２は、屈折率が約１．４５であり、これは、ニオブ酸リチウムより著しく小さく、従って、光信号が電極により吸収されるのを防止する。しかしながら、適当な組成構造をもつシリコンチタンオキシニトライド層は、ＳｉＯ２緩衝層に置き換わることができる。それ故、緩衝層構造を単一プロセスで単一層に形成することができる。
【００２７】
この用途の場合、シリコンチタンオキシニトライドの単一緩衝層構造に対して望まれる膜特性は、光導波路型デバイスの熱的安定化だけに使用される図４を参照して上述したＳｉＯ２／シリコンチタンオキシニトライド緩衝層構造とは異なる。熱的及び時間的の両安定化については、シリコンチタンオキシニトライド膜は、ＳｉＯ２緩衝層の性能に若干類似するが層全体にわたり抵抗率の程度を制御するように、緩衝層とニオブ酸リチウム基板１０との間の界面に低いＮ／Ｏ比をもたねばならない。これは、シリコンチタンオキシニトライド緩衝層がニオブ酸リチウム基板に堆積されるときにスパッタ堆積プロセスの雰囲気中でＮ２／Ｏ２比を適当に制御することにより達成できる。堆積中にＮ２／Ｏ２比を高くすると、層内のＮ／Ｏ比に勾配が生じ、ひいては、段階的シリコンチタンオキシニトライド緩衝層を形成する。堆積の初期部分中にＮ２／Ｏ２比が低いと、緩衝層とニオブ酸リチウム基板との間の界面付近で段階的シリコンチタンオキシニトライド緩衝層内に低いＮ／Ｏ比を生じさせる。緩衝層の下部においてＮ／Ｏ比が低いと、光の拘束を維持し、時間的安定化を改善するように働く。堆積の後続部分中にＮ２／Ｏ２比が高いと、緩衝層の上面において段階的シリコンチタンオキシニトライド緩衝層内に高いＮ／Ｏ比を生じさせる。緩衝層の上部においてＮ／Ｏ比が高いと、熱的安定性が改善される。
【００２８】
図６は、広帯域進行波マッハ−ツェンダー干渉計において熱的及び時間的の両作用を抑制するための単一緩衝層としてシリコンチタンオキシニトライド膜を有する本発明の第２実施形態の断面図である。マッハ−ツェンダー干渉計は、Ｚカットのニオブ酸リチウム基板２０を備え、例えばチタンのようなドーパントを拡散して光導波路を形成することにより、光導波路２４ａ及び２４ｂが形成される。電極２２ａ及び２３は、各々、光導波路の上に配置されるか、又はその真上に配置される。更に、別の電極２２ｂが基板上に配置され、電極２２ａ及び２２ｂは、入力信号電極である電極２３の各側に存在する。Ｓｉ／Ｔｉ比及び／又はＮ／Ｏ比に勾配を有する段階的シリコンチタンオキシニトライド緩衝層２６が、電極２２ａ、２２ｂ及び２３の下で（即ちそこから垂直方向に分離されて）且つＺカットのニオブ酸リチウム基板２０の光導波路２４ａ及び２４ｂの上で、Ｚカットのニオブ酸リチウム基板上に配置される（即ちそれに接触される）。段階的シリコンチタンオキシニトライド緩衝層２６の厚みは、約０．１−１．５ミクロンである。図４を参照して上述したのと同様に、ニオブ酸リチウム基板２０の側部の接続層２７は、ニオブ酸リチウム基板２０の−Ｚ面にある段階的シリコンチタンオキシニトライド緩衝層２６をニオブ酸リチウム基板２０の＋Ｚ面に相互接続する。
【００２９】
段階的シリコンチタンオキシニトライド緩衝層２６は、時間的安定性を更に改善するために、インジウム又は周期表の列３〜１６の他の金属が金属又は酸化物の形態でドープされてもよい。好ましくは、金属は、少なくとも段階的シリコンチタンオキシニトライド緩衝層２６内で、この緩衝層とニオブ酸リチウム基板２０との間の界面付近になければならない。これは、段階的シリコンチタンオキシニトライド緩衝層２６の初期堆積中に堆積チャンバー内に別のターゲット（即ちマルチソース堆積）を露出させることにより達成できる。
【００３０】
段階的シリコンチタンオキシニトライド緩衝層のスパッタ堆積中にＮ２対Ｏ２の比を高くすることにより、層内のＮ／Ｏ比が光の拘束を維持し、デバイスの熱的及び時間的の両安定化を改善する。しかしながら、図６を参照して上述した本発明は、勾配を有する単一層構造に代わって２層緩衝構造として適用することもできる。２層緩衝構造は、各層の堆積に異なる割合の固定ターゲットを使用できるので、各層に得られる抵抗率の範囲を更に広げる。
【００３１】
図７は、広帯域進行波マッハ−ツェンダー干渉計において熱的及び時間的の両作用を抑制するためのシリコンチタンオキシニトライドの２つの緩衝層を有する本発明の第３実施形態の断面図である。マッハ−ツェンダー干渉計は、Ｚカットのニオブ酸リチウム基板３０を備え、例えばチタンのようなドーパントを拡散して光導波路を形成することにより、光導波路３４ａ及び３４ｂが形成される。電極３２ａ及び３３は、各々、光導波路の上に配置されるか、又はその真上に配置される。更に、別の電極３２ｂが基板上に配置され、電極３２ａ及び３２ｂは、入力信号電極である電極３３の各側に存在する。第１のＳｉ／Ｔｉ比及び第１のＮ／Ｏ比を有する第１のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層３６が、Ｚカットのニオブ酸リチウム基板３０において電極３２ａ、３２ｂ及び３３の下で且つ光導波路３４ａ及び３４ｂの上に配置される。又、第２のＳｉ／Ｔｉ比及び第２のＮ／Ｏ比を有する第２のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層３７が、第１のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層において電極３２ａ、３２ｂ及び３３の下で且つ光導波路３４ａ及び３４ｂの上に配置される。第１のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層３６の厚みは、約０．１−１．５ミクロンであり、第２のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層３７の厚みも、約０．１−１．５ミクロンである。図４を参照して上述したのと同様に、ニオブ酸リチウム基板３０の側部の接続層３８が、第２のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層をニオブ酸リチウム基板３０の＋Ｚ面（下面）に相互接続する。
【００３２】
第１のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層３６における第１のＳｉ／Ｔｉ比は、マッハ−ツェンダーデバイスを時間的に安定化させるために第２のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層３７における第２のＳｉ／Ｔｉ比より大きい。第２のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層３７における第２のＮ／Ｏ比は、マッハ−ツェンダーデバイスを時間的に安定化させるために第１のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層３６における第１のＮ／Ｏ比より大きい。必要とされる抵抗率に基づいて、第１及び第２のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層３６及び３７は、異なる固定割合のターゲットにより異なるＳｉ／Ｔｉ比で形成される。或いは又、第１のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層は、図６を参照して述べた段階的シリコンチタンオキシニトライド緩衝層のようにＮ／Ｏの比に勾配変化を伴って形成できるが、勾配変化は僅かなものである。
【００３３】
別の態様では、時間的安定性を更に改善するために、図７におけるニオブ酸リチウム基板上の第１のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層３６に、インジウム又は他の金属を金属又は酸化物の形態でドープしてもよい。これは、第１のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層３６の堆積中に堆積チャンバー内に別のターゲット（即ちＳｉ３Ｎ４−ＴｉＮターゲット及びドーパントターゲットの両方を含むマルチソース堆積）を露出させることにより達成できる。別の方法は、時間的安定性を改善するためにドーパントを含む単一のＳｉ３Ｎ４−ＴｉＮターゲットで第１のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層３６を形成することである。
【００３４】
図８は、マッハ−ツェンダー干渉計において電極により光信号が吸収されるのを更に防止するＳｉＯ２緩衝層に関連して熱的及び時間的の両作用を抑制するためのシリコンチタンオキシニトライドの２つの緩衝層を有する本発明の第４実施形態を示す断面図である。マッハ−ツェンダー干渉計は、Ｚカットのニオブ酸リチウム基板４０を備え、光導波路４４ａ及び４４ｂに例えばチタンのようなドーパントを拡散して、光導波路を形成する。電極４２ａ及び４３は、各々、第１の光導波路４４ａ及び第２の光導波路４４ｂの上に配置されるか、又はその真上に配置される。更に、別の電極４２ｂが基板上に配置され、電極４２ａ及び４２ｂは、入力信号電極である電極４３の各側に存在する。Ｚカットのニオブ酸リチウム基板４０の表面において光導波路４４ａ及び４４ｂの上に非ドープのＳｉＯ２緩衝層４５が形成される。第１のＳｉ／Ｔｉ比及び第１のＮ／Ｏ比を有する第１のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層４６が、非ドープのＳｉＯ２緩衝層４５において電極４２ａ、４２ｂ及び４３の下で且つ光導波路４４ａ及び４４ｂの上に配置される。又、第２のＳｉ／Ｔｉ比及び第２のＮ／Ｏ比を有する第２のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層４７が、第１のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層４６において電極４２ａ、４２ｂ及び４３の下で且つ光導波路４４ａ及び４４ｂの上に配置される。非ドープのＳｉＯ２緩衝層４５の厚みは、約０．１−１．５ミクロンである。第１のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層４６の厚みは、約０．１−１．０ミクロンであり、第２のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層４７の厚みも、約０．１−１．０ミクロンである。図４を参照して上述したのと同様に、ニオブ酸リチウム基板４０の側部の接続層４８が、第２のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層４７をニオブ酸リチウム基板４０の＋Ｚ面（下面）に相互接続する。
【００３５】
第１のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層４６における第１のＳｉ／Ｔｉ比は、マッハ−ツェンダーデバイスを時間的に安定化させるために第２のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層４７における第２のＳｉ／Ｔｉ比より大きい。第２のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層４７における第２のＮ／Ｏ比は、マッハ−ツェンダーデバイスを時間的に安定化させるために第１のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層４６における第１のＮ／Ｏ比より大きい。必要とされる抵抗率に基づいて、第１及び第２のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層４６及び４７は、異なる固定割合のターゲットにより異なるＳｉ／Ｔｉ比で形成される。或いは又、第１のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層は、図６を参照して述べた段階的シリコンチタンオキシニトライド緩衝層のようにＮ／Ｏの比に勾配変化を伴って形成できるが、勾配変化は僅かなものである。図６及び７を参照して上述したように、時間的安定性を更に改善するために、非ドープのＳｉＯ２バッファ層４５上の第１のシリコンチタンオキシニトライド緩衝層４６に、インジウム又は他の金属を金属又は酸化物の形態でドープしてもよい。
【００３６】
上述したシリコンチタンオキシニトライド膜は、Ｚカットの光学的デバイスのものであったが、これらの膜は、いかなる配向のＬｉＮｂＯ３に使用されてもよい。例えば、時間的安定化のために、高Ｓｉ／Ｔｉ比及び低Ｎ／Ｏ比のシリコンチタンオキシニトライドがＸカットのＬｉＮｂＯ３デバイスの上面に使用されてもよい。又、図２に示すデバイスは、結晶配向のＸ軸がニオブ酸リチウム基板１の長手方向に導波路４ａ及び４ｂに沿って延びるように形成されてもよく、ここでは、Ｙ軸が図示されたＸ軸に置き換えられる。更に、上述した緩衝構造は、熱的及び／又は時間的安定化のために、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３又は同様の電気−光学材料内に形成される他の光学デバイス、例えば、偏光器又は光学スイッチに使用することもできる。更に、周期表の列４（ＩＶＢ）における他の元素、例えば、ジルコニウム（Ｚｒ）を、前記開示におけるチタンに置き換えることができる。例えば、図８のデバイスにおける第１緩衝層が、シリコンジルコニウムオキシニトライドで、第２緩衝層が、窒化シリコンチタンであってもよい。
【００３７】
当業者であれば、本発明の光導波路型デバイスにおいて本発明の精神又は範囲から逸脱せずに種々の変更や修正がなされ得ることが明らかであろう。従って、本発明は、特許請求の範囲及びそれらの等効物の範囲内に入る本発明の変更や修正も包含するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】関連技術のＺカットのニオブ酸リチウムのマッハ−ツェンダー干渉計を示す平面図である。
【図２】関連技術のＺカットのニオブ酸リチウムのマッハ−ツェンダー干渉計を図１のＢ−Ｂ’線に沿って示す断面図である。
【図３】本発明の緩衝層の抵抗率対酸素濃度を例示するチャートである。
【図４】本発明の第１実施形態によるＺカットのニオブ酸リチウム導波路型デバイスを示す断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態によるＺカットのニオブ酸リチウム導波路型デバイスの熱感度を示すチャートである。
【図６】本発明の第２実施形態によるＺカットのニオブ酸リチウム導波路型デバイスを示す断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態によるＺカットのニオブ酸リチウム導波路型デバイスを示す断面図である。
【図８】本発明の第４実施形態によるＺカットのニオブ酸リチウム導波路型デバイスを示す断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０・・・Ｚカットのニオブ酸リチウム基板、１４ａ、１４ｂ・・・光導波路、１２ａ、１２ｂ、１３・・・電極、１５・・・非ドープのＳｉＯ２緩衝層、１６・・・シリコンチタンオキシニトライド緩衝層、１７・・・接続層、２０・・・Ｚカットのニオブ酸リチウム基板、２４ａ、２４ｂ・・・光導波路、２２ａ、２２ｂ、２３・・・電極、２６・・・段階的シリコンチタンオキシニトライド緩衝層、２７・・・接続層、３０・・・Ｚカットのニオブ酸リチウム基板、３４ａ、３４ｂ・・・光導波路、３２ａ、３２ｂ、３３・・・電極、３６・・・第１シリコンチタンオキシニトライド緩衝層、３７・・・第２シリコンチタンオキシニトライド緩衝層、３８・・・接続層、４０・・・Ｚカットのニオブ酸リチウム基板、４４ａ、４４ｂ・・・光導波路、４２ａ、４２ｂ、４３・・・電極、４５・・・非ドープのＳｉＯ２緩衝層、４６・・・第１シリコンチタンオキシニトライド緩衝層、４７・・・第２シリコンチタンオキシニトライド緩衝層、４８・・・接続層
【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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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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