(57)【要約】【課題】安価で時間の経過に対して比較的変化の小さなドリフト特性を有するＬＮ光変調器を提供する。【解決手段】バッファ層２１が、周期律表の三から八族あるいは一ｂ族と二ｂ族に属する金属元素もしくはその酸化物、及びＳｉ以外の半導体元素もしくはその酸化物の少なくとも１つのドーパントからなるドーパント層３１と、前記金属元素もしくはその酸化物、及びＳｉ以外の半導体元素もしくはその酸化物のいずれをも含まないか、前記金属元素もしくはその酸化物、及びＳｉ以外の半導体元素もしくはその酸化物の少なくとも１つをドーパント層３１よりも低い濃度で含むドーパント低濃度層３０とを備え、ドーパント低濃度層３０とドーパント層３１とを交互に積層し、かつ電極４に電圧を印加してからの時間経過において実用上フラットなＤＣドリフト特性となる厚みを有するドーパント低濃度層３０とドーパント層３１とを具備する。【選択図】図２
2008242042.tif 000002
【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を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる電極と、前記中心導体もしくは前記接地導体の少なくとも一方と前記光導波路の間に形成されたバッファ層とを具備し、前記光導波路が前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路を有する光変調器において、
前記バッファ層は、周期律表の三から八族あるいは一ｂ族と二ｂ族に属する金属元素もしくはその酸化物、及びＳｉ以外の半導体元素もしくはその酸化物の少なくとも１つのドーパントからなるドーパント層と、
周期律表の三から八族あるいは一ｂ族と二ｂ族に属する金属元素もしくはその酸化物、及びＳｉ以外の半導体元素もしくはその酸化物のいずれをも含まないか、周期律表の三から八族あるいは一ｂ族と二ｂ族に属する金属元素もしくはその酸化物、及びＳｉ以外の半導体元素もしくはその酸化物の少なくとも１つを前記ドーパント層よりも低い濃度で含むドーパント低濃度層とを備え、
前記ドーパント低濃度層と前記ドーパント層とを交互に積層し、かつ前記電極に電圧を印加してからの時間経過において、実用上フラットなＤＣドリフト特性となる厚みを有する前記ドーパント低濃度層と前記ドーパント層とを具備することを特徴とする光変調器。
【請求項２】
電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる電極と、前記中心導体もしくは前記接地導体の少なくとも一方と前記光導波路の間に形成されたバッファ層とを具備し、前記光導波路が前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路を有する光変調器において、
前記バッファ層は、酸化物もしくは酸化物でないインジウム、酸化物もしくは酸化物でないチタン、及び酸化物もしくは酸化物でない錫、酸化物もしくは酸化物でないゲルマニウム、酸化物もしくは酸化物でないアルミニウムの少なくとも１つのドーパントからなるドーパント層と、
周期律表の三から八族あるいは一ｂ族と二ｂ族に属する金属元素もしくはその酸化物、及びＳｉ以外の半導体元素もしくはその酸化物のいずれをも含まないか、前記ドーパントの少なくとも１つを前記ドーパント層よりも低い濃度で含むドーパント低濃度層とを備え、
前記ドーパント低濃度層と前記ドーパント層とを交互に積層し、かつ前記電極に電圧を印加してからの時間経過において、実用上フラットなＤＣドリフト特性となる厚みを有する前記ドーパント低濃度層と前記ドーパント層とを具備することを特徴とする光変調器。
【請求項３】
電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる電極と、前記中心導体もしくは前記接地導体の少なくとも一方と前記光導波路の間に形成されたバッファ層とを具備し、前記光導波路が前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路を有する光変調器において、
前記バッファ層は、酸化物もしくは酸化物でないインジウム、酸化物もしくは酸化物でないチタン、及び酸化物もしくは酸化物でない錫、酸化物もしくは酸化物でないゲルマニウム、酸化物もしくは酸化物でないアルミニウムの少なくとも１つのドーパントからなるドーパント層と、
前記ドーパントを含まないか、前記ドーパントの少なくとも１つを前記ドーパント層よりも低い濃度で含むドーパント低濃度層とを備え、
前記ドーパント低濃度層と前記ドーパント層とを交互に積層し、かつ前記電極に電圧を印加してからの時間経過において、実用上フラットなＤＣドリフト特性となる厚みを有する前記ドーパント低濃度層と前記ドーパント層とを具備することを特徴とする光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光変調器に係り、特に、高速で駆動電圧が低く、かつＤＣドリフトが小さく、製作の歩留まりが良い光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、光変調器において、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、リチウムナイオベート基板をＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ／ｓ、１０Ｇｂｉｔ／ｓの大容量光伝送システムに適用されている。
【０００３】
このようなＬＮ光変調器は、最近ではさらに４０Ｇｂｉｔ／ｓの超大容量光伝送システムにも適用が検討されており、大容量光伝送システムにおけるキーデバイスとして期待されている。
【０００４】
［第１の従来技術］
図１２は、第１の従来技術によるｚ−カットＬＮ基板を用いて構成したＬＮ光変調器の構成を示す斜視図である。図１３は、図１２のＡ−Ａ'における断面図である。
【０００５】
図中、１はｚ−カットＬＮ基板、２はＳｉＯ２からなるバッファ層、３はＴｉを１０５０℃で約１０時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系（あるいは、マッハツェンダ光導波路）を構成している。５はＬＮ光変調器の温度ドリフトを抑圧するためのＳｉ導電層である。
【０００６】
なお、図中、３ａ、３ｂは電気信号と光が相互作用する部位（相互作用部という）における光導波路（あるいは、相互作用光導波路）、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームであり、不図示のＹ分岐光導波路などによって光導波路３を分岐したものである。
【０００７】
また、図中、４は進行波電極であり、この進行波電極４としては、一例として１つの中心導体４ａと２つの接地導体４ｂ、４ｃを有するコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）を用いる場合について述べるが、その他の電極構造でも良い。
【０００８】
光導波路３を導波する光が進行波電極である金属（一般に、Ａｕを用いる）から受ける吸収損を抑え、また中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃからなる進行波電極４を導波する電気信号のマイクロ波等価屈折率（あるいは、進行波電極のマイクロ波等価屈折率）ｎｍを低減し相互作用光導波路３ａ、３ｂを導波する光の等価屈折率（あるいは、光導波路の等価屈折率）ｎｏに近づけ、さらに特性インピーダンスを極力５０Ωに近づけるために、進行波電極４とｚ−カットＬＮ基板１との間には、通常、４００ｎｍ〜１μｍ程度の厚い酸化シリコンからなるバッファ層２が形成される。
【０００９】
ここでは、バッファ層２としては酸化シリコンの代表であるＳｉＯ２を想定する。なお、ＳｉＯ２からなるバッファ層２の堆積に当たっては、一般にスパッタ装置が使用され、そのターゲット材料としては、Ｓｉや酸化シリコン、その中でも特にＳｉＯ２が選択されることが多い。
【００１０】
なお、このバッファ層２は電気信号即ちマイクロ波の等価屈折率ｎｍを相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の等価屈折率ｎｏに近づけることにより、光変調帯域を拡大するという重要な働きをしている。
【００１１】
次に、このように構成されるＬＮ光変調器の動作について説明すると、このＬＮ光変調器を動作させるには、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間に直流バイアス（以下、ＤＣバイアスという）と高周波電気信号（以下、ＲＦ電気信号という）とを印加する必要がある。
【００１２】
図１４に示す電圧−光出力特性において、実線の曲線はある状態でのＬＮ光変調器の電圧−光出力特性であり、Ｖｂはその際のＤＣバイアス電圧である。
【００１３】
この図１４に示すように、通常、ＤＣバイアス電圧Ｖｂは光出力特性の山と底の中点に設定される。
【００１４】
一般に、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃとの間には通常５Ｖから１０ＶのＤＣバイアス電圧が印加されるが、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間のギャップが通常１０μｍから４０μｍ程度であることから、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃとの間には数１００ｋＶ／ｍから１０００ｋＶ／ｍもの高い電界が印加されることになる。
【００１５】
このように高い電界の下では、ＳｉＯ２などのシリコン酸化物からなるバッファ層２内に誘起された電荷が移動する結果、図１４において破線の曲線で示すように電圧−光出力特性が矢印で示す方向に変化してしまうため、ＤＣバイアス電圧をＶｂからＶｂ'のように設定変更する必要がある。
【００１６】
そして、ＬＮ光変調器の環境温度が一定の場合におけるこのＤＣバイアス電圧Ｖｂの変化がＤＣドリフトと呼ばれている。
【００１７】
次に、図１２及び図１３に示したｚ−カット基板ＬＮ光変調器の等価回路図を図１５に示す。この図１５を用いてＤＣドリフト現象について考察する。なお、図１５では、図１２及び図１３に示したｚ−カット基板ＬＮ光変調器の対称性を考慮し、左半分のみについて表している。
【００１８】
ここで、ＣＢ、ＲＢは各々バッファ層２の等価的なキャパシタンスと電気的抵抗を、またＣＬＮ、ＲＬＮはそれぞれ相互作用光導波路３ａを含むｚ−カットＬＮ基板１の等価的なキャパシタンスと電気的抵抗を表している。
【００１９】
ＤＣバイアス電圧Ｖｂが印加された瞬間における電圧の分配はバッファ層２のキャパシタンスＣＢとｚ−カットＬＮ基板１のキャパシタンスＣＬＮにより決定される。つまり、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間に印加されたＤＣバイアス電圧をＶｂとすると、相互作用光導波路３ａ、３ｂに印加される電圧ＶＬＮは
ＶＬＮ＝Ｖｂ・ＣＢ／（ＣＢ＋２ＣＬＮ）    （１）
として与えられる。
【００２０】
ところが、時間が充分に経過すると、電圧の分配はＳｉＯ２バッファ層２の電気的抵抗ＲＢとｚ−カットＬＮ基板１の電気的抵抗ＲＬＮにより決定される。つまり、相互作用光導波路３ａ、３ｂに印加される電圧ＶＬＮは
ＶＬＮ＝Ｖｂ・ＲＬＮ／（ＲＬＮ＋２ＲＢ）    （２）
となる。
【００２１】
さて、第１の従来技術のように相互作用光導波路３ａ、３ｂの上に形成するバッファ層の材料としてＳｉＯ２を使用する場合には、バッファ層２の電気的抵抗ＲＢがｚ−カットＬＮ基板１の電気的抵抗ＲＬＮよりも大きいので、印加したＤＣバイアス電圧Ｖｂのうちの多くがバッファ層２の電気的抵抗ＲＢに加わってしまう。そのため、ｚ−カットＬＮ基板１の電気的抵抗ＲＬＮにおける電圧降下は時間の経過とともに急速に小さくなる。
【００２２】
つまり、この場合には、ＤＣバイアス電圧Ｖｂを加えても、ｚ−カットＬＮ基板１の電気的抵抗ＲＬＮにはあまり印加されないことになり、相互作用光導波路３ａ、３ｂには大きな印加電圧を作用させることはできない。その結果、ＤＣバイアス電圧Ｖｂとしてはより大きな値が必要になってくることになる。
【００２３】
この様子を図１６に示す。ここで、ＤＣドリフト量Ｓは
Ｓ＝（Ｖｂ'−Ｖｂ）／Ｖｂ        （３）
と定義した。ここで、ＶｂとＶｂ'は初期と時間経過後のＤＣバイアス電圧に対応する。また、ＳｉＯ２バッファ層２の厚みＤ２は１．０μｍとした。なお、この実験におけるＬＮ光変調器の環境温度はＤＣドリフトを加速するために実際のシステムの環境温度よりも大幅に高い１００℃とした。この第１の従来技術を説明する図１６のように経過時間とともにＤＣドリフト量Ｓが大きくなり続ける現象を正のＤＣドリフト（あるいは、簡単に正のドリフト）と呼んでいる。
【００２４】
この設定変更されたＤＣバイアス電圧Ｖｂ'が電気制御回路により制御できる範囲を超える場合には電気的に制御不可能となり、ＬＮ光変調器としての寿命が尽きたことに対応する。これは図１６において、ＤＣドリフト量Ｓが例えば１００％になった時をＬＮ光変調器の寿命と定義すると、図中の時間Ｔ１が寿命となる。
【００２５】
光通信システムでは、このＴ１は装置が使用される環境温度において２０年あるいは２５年といった長い寿命が要求される。そのため、このＤＣドリフトを低減することはＬＮ光変調器を光通信システムにおいて使用する上で、極めて重要となる。
【００２６】
［第２の従来技術］
このＤＣドリフトを解決するために、ｚ−カットＬＮ基板を使用するＬＮ光変調器について特許文献１、あるいは特許文献２として提案された技術を第２の従来技術として説明する。
【００２７】
この第２の従来技術では、第１の従来技術で使用した絶縁体であるＳｉＯ２からなるバッファ層２にやや導電性のある酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）や酸化チタン（ＴｉＯ２）、あるいは酸化錫（ＳｎＯ２）などの金属の酸化物をドーピングすることにより、ＳｉＯ２単体の場合よりもバッファ層の抵抗値が小さくなるように、さらには最適な値となるように調整しようとするものである。
【００２８】
図１７にはこの第２の従来技術に基づくＬＮ光変調器を製作する際にバッファ層を堆積するスパッタ装置のチャンバー部について、その横断面図を示す。図中、６は真空チャンバー、７はｚ−カットＬＮウェーハ８を保持しつつ回転するドラム、９はＳｉＯ２ターゲット、１０はＩｎ２Ｏ３ターゲット、１１はＴｉＯ２ターゲット、１２はＳｎＯ２ターゲットである。
【００２９】
なお、Ｉｎ２Ｏ３ターゲット１０は金属であるインジウム（Ｉｎ）を、ＴｉＯ２ターゲット１１は金属であるチタン（Ｔｉ）を、ＳｎＯ２ターゲット１２は金属である錫（Ｓｎ）を酸化させた後に成形する工程を経て製造される。いずれのターゲットも酸化物とはいえある程度の導電性を有している。
【００３０】
このスパッタ装置を使用して、実際にＬＮ光変調器を製作するに当たっては、スパッタ装置の真空チャンバー６内においてガスプラズマを発生させることにより、回転するドラム７に固定したｚ−カットＬＮウェーハ８の上に、ＳｉＯ２ターゲット９からはＳｉＯ２を、Ｉｎ２Ｏ３ターゲット１０からはＩｎ２Ｏ３を、ＴｉＯ２ターゲット１１からはＴｉＯ２を、ＳｎＯ２ターゲット１２からはＳｎＯ２を堆積させる。
【００３１】
こうして製作したＬＮ光変調器の一例を図１８に示す。ここで、図１３に示した第１の従来技術ではＳｉＯ２で構成されるバッファ層２が使用されているが、図１８に示すこの第２の従来技術では、導電性を有する酸化物であるＩｎ２Ｏ３層１５がＳｉＯ２層１４の中にほぼ均質にドーピングされているとみなせるほど、ＳｉＯ２層１４とＩｎ２Ｏ３層１５とが極めて緻密に積層されている。
【００３２】
つまり、この第２の従来技術では相互作用光導波路３ａ、３ｂと、中心導体４ａ、接地導体４ｂ、４ｃ、及びＳｉ導電層５の間にあるバッファ層全体が導電性酸化物混合バッファ層１３により構成されている。
【００３３】
なお、ここでは導電性酸化物混合バッファ層１３を成膜するに当たって、ＳｉＯ２ターゲット９とＩｎ２Ｏ３ターゲット１０の２つを使用する場合について説明したが、ＴｉＯ２ターゲット１１やＳｎＯ２ターゲット１２、あるいはこれらを組み合わせて使用しても良い。
【００３４】
ここで、第１の従来技術として示した図１５に対応する等価回路を図１９に記す。導電性酸化物混合バッファ層１３の等価的なキャパシタンスと電気的抵抗を各々ＣＢ'、ＲＢ'とする。第２の従来技術における第１の従来技術からの大きな変更点は、第２の従来技術における導電性酸化物混合バッファ層１３の等価的な電気的抵抗ＲＢ'が第１の従来技術におけるＳｉＯ２からなるバッファ層２の等価的な電気的抵抗ＲＢに比べて小さいことである。つまり、
ＲＢ'＜ＲＢ      （４）
とした点である。
【００３５】
さらに、その抵抗値ＲＢ'も次に述べるようにＬＮ光変調器の信頼性の観点から有利なＤＣドリフト特性となるように最適化されている。即ち、初期の経過時間において大きな負のドリフト（後述）を起こさせて、ＬＮ光変調器の寿命を延ばすように最適化されている。なお、正確にはキャパシタンスＣＢ'も第１の従来技術のキャパシタンスＣＢと異なってはいるが、ここでは主要な働きをする電気的抵抗ＲＢ'とＲＢに着目して議論している。
【００３６】
この第２の従来技術のＤＣドリフト特性（ＤＣドリフト量Ｓ）を図２０に示す。ここで、ＬＮ光変調器の環境温度は図１６の場合と同じく１００℃とした。図１６に示した第１の従来技術と比較して、ＤＣドリフト特性は大幅に改善されていることがわかる。さらに、この第２の従来技術では、初期の経過時間（日数）の領域（図２０においてＩとして示した領域）ではＤＣドリフト量Ｓの時間に関する微係数が極めて大きな負となっている。なお、ここではＩｎ２Ｏ３をバッファ層全体に対して６ｍｏｌ％含有させることにより、大きな負のドリフトを実現している。
【００３７】
このようにＤＣドリフト量Ｓの時間に関する微係数が負になる現象を負のＤＣドリフト（あるいは、簡単に負のドリフト）と呼んでいる。負のドリフトが生じる場合には、印加したＤＣバイアス電圧は時間の経過とともに、まずその符号が反対の電圧に向かって大きく変化し、その後初期に印加したＤＣバイアス電圧の符号の方向に大きくなる。つまり、最初にプラスのＤＣバイアス電圧を印加した場合には、ＤＣバイアス電圧はまずマイナスに向かって大きく減少し、その後、プラス方向への増加に転ずる。逆に、最初にマイナスのＤＣバイアス電圧を印加した場合には、ＤＣバイアス電圧はまずプラスに向かって大きく増加し、その後、マイナス方向にその絶対値が大きくなる。
【００３８】
なお、金属Ｉｎの酸化物であるＩｎ２Ｏ３を用いると大きな負のドリフトが発生することが知られている。これまで大きな負のドリフトが好ましいと考えられ、その実現に注力されてきた。
【００３９】
さて図２０において領域Ｉとして示した時間経過の初期における大きな負のドリフトはその後に始まる長期的なＤＣドリフトに対して極めて有利になると特許文献１には述べられている。なお、バッファ層の厚み方向における電気的抵抗を小さくすることにより、ＤＣドリフトを抑圧する、さらには負のドリフトを発生させる構造は特許文献１の前にすでに特許文献２として提案されている。
【００４０】
つまり、特許文献２には電圧を印加した初期には等価的なキャパシタンスＣＢ'に電圧が印加され、時間とともに今度は等価的な電気的抵抗ＲＢ'に電圧が印加されることと、その等価的なキャパシタンスＣＢ'と等価的な電気的抵抗ＲＢ'の値を適切に設定することにより、負のドリフトを生じさせることができることが述べられている。特許文献２における段落〔００２２〕の「また、動作点をロッキングする場合、初期の設定電圧Ｖｅに対して、バイアス電圧を次第に小さくすればよく、」という記述と図２はまさに負のドリフトが発生することを示唆している。
【００４１】
従って、特許文献１が特許文献２と異なる点は、特許文献１では極めて大きな負のドリフトを発生させ、それをＬＮ光変調器の寿命を延ばすことに利用することである。まず、特許文献１の図１６、図１３、あるいは図１４などに示されているように、バッファ層全体に金属の酸化物などの不純物をドーピングして、なるべく大きな負のドリフトを生じさせることにより、一旦急激に減少したＤＣバイアス電圧が上昇に転ずる電圧をなるべく低くする。
【００４２】
次に、特許文献１の図１３や図１４などに示され、またその図１５、図１７などから推測されるように、ＤＣバイアス電圧が初期値に戻るまでの時間をできる限り長くすることにより、ＬＮ光変調器の寿命となるＤＣバイアス電圧までの時間を稼ごうとするものである。
【００４３】
従って、特許文献１では、ＬＮ光変調器としての寿命を稼ぐという観点からこの負のドリフトの後にＤＣバイアス電圧が初期値に戻る時間はＬＮ光変調器が寿命となる時間の中で大きな割合を占めるほど充分長くなるように構成されている。
【００４４】
ところが、この第２の従来技術には重大な問題点がある。ＤＣバイアス電圧が大きく変化するために、トランスポンダの中の制御回路としては広い範囲の電圧の制御を行う必要があることと、その変化が激しい場合にはＤＣバイアス電圧制御のロックが外れることもあり、実際には制御回路の観点からあまり望ましくない。また、特に短い時間において微細な測定を行う必要がある測定器用のＬＮ光変調器としては特に好ましくない。
【００４５】
また、スパッタ装置用のターゲットとしては図１７に示したようなドラム式でない場合には、例えば上面図として図２１に示す構造のターゲットを用いる場合もある。なお、図２２には図２１のＣ−Ｃ'における断面図を示す。このスパッタ装置用のターゲットではＳｉＯ２１６の中に、酸化物であるＩｎ２Ｏ３ペレット１７が埋め込まれている。このターゲットを使用する場合にはドーパントは酸化物混合バッファ層の中により一層緻密にかつ極めて均質にドーピングされる。
【００４６】
なお、ＳｉＯ２ターゲット９を用いて堆積するＳｉＯ２へのドーパントを生成するために、Ｉｎ２Ｏ３ターゲット１０、ＴｉＯ２ターゲット１１、ＳｎＯ２ターゲット１２のような金属の酸化物を使用している。
【００４７】
例えば、ＤＣドリフト抑圧に特に有効なＩｎ２Ｏ３ターゲット１０を用いる場合、元々金属として高価なＩｎをさらに酸化させたＩｎ２Ｏ３を成形してＩｎ２Ｏ３ターゲット１０を製作する。
【００４８】
この酸化させる工程と酸化物を成形する工程のためにＩｎ２Ｏ３ターゲット１０はスパッタ装置用のターゲットとしてより一層高価となり、ＬＮ光変調器のコスト上昇をもたらしている。
【００４９】
さらに、ＴｉＯ２やＳｎＯ２などをターゲット材料として使用する場合についても、それぞれ金属であるＴｉやＳｎを酸化する工程と得られた酸化物を成形する工程が必要であるため、やはりスパッタ装置用ターゲットとしてのコストを上昇させてしまい、その結果、ＬＮ光変調器のコストを高くしている
図２３には図１８に示した第２の従来技術の導電性酸化物混合バッファ層１３へドーピングしたドーパントＩｎ２Ｏ３の濃度を変数とした場合における相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の伝搬損失の測定結果を示す。図からわかるように、ドーパントＩｎ２Ｏ３は酸化物とはいえ、元々は金属である。そのため、光の伝搬損失はドーパントＩｎ２Ｏ３のドーピング濃度に大きく依存しており、ドーピング量が増えると光の伝搬損失は著しく大きくなることがわかる。
【００５０】
一般に、光導波路３の全長（つまりｚ−カットＬＮ基板１の全長）は７ｃｍから８ｃｍ程度と長いので、伝搬損失が例えば０．１ｄＢ／ｃｍ程度の増加であっても、ＬＮ光変調器としての全挿入損失は０．７ｄＢから０．８ｄＢと約１ｄＢ程度も増えてしまう。そのため、ＬＮ光変調器としての挿入損失を小さくしたい用途の場合には伝搬損失の増加を極力抑える必要がある。
【００５１】
さて、ＳｉＯ２の比誘電率は実数であり、虚部は無視できるほどに充分小さい。一方、ドーパントＩｎ２Ｏ３はある程度の導電性を持っているので、ドーパントＩｎ２Ｏ３をドーピングした導電性酸化物混合バッファ層１３の比誘電率εｒ＊は以下のように複素数となる。
【００５２】
εｒ＊  ＝  Ｒｅ（εｒ＊）−ｊ・Ｉｍ（εｒ＊）    （５）
ここで、Ｒｅ（εｒ＊）は複素比誘電率εｒ＊の実部であり、Ｉｍ（εｒ＊）は複素比誘電率εｒ＊の虚部である。なお、ｊは純虚数を表している。
【００５３】
一般に、導電性媒質の複素比誘電率εｒ＊の虚部は複素比誘電率εｒ＊の実部よりも大きくなる。そして、ドーパントＩｎ２Ｏ３を導電性酸化物混合バッファ層１３にドーピングした場合も、その導電性が高くなるにつれて導電性酸化物混合バッファ層１３の複素比誘電率εｒ＊の虚部Ｉｍ（εｒ＊）の値は複素比誘電率εｒ＊の実部の値Ｒｅ（εｒ＊）（約４）よりも大きくなる。そのため、ドーパントＩｎ２Ｏ３のドーピング濃度が高くなるにつれて高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率ｎｍが光の等価屈折率ｎｏよりも大きくなる。その結果、高周波電気信号と光との速度の差が拡大する。さらに高周波電気信号の伝搬損失も増加し、これらのことから光変調帯域が劣化してしまう。
【００５４】
この現象を説明するために、図２４には図１８に示した第２の従来技術の導電性酸化物混合バッファ層１３へドーピングしたドーパントＩｎ２Ｏ３のドーピング濃度を変数とした場合における光変調帯域の測定結果を示す。図からわかるように、導電性酸化物混合バッファ層１３へドーピングしたドーパントＩｎ２Ｏ３の濃度が高くなると高周波電気信号と光の速度不整合、及び高周波電気信号の伝搬損失のために、光変調帯域が劣化していることがわかる。従って、ＬＮ光変調器としての光変調帯域を確保したい用途の場合には、高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率と高周波電気信号の伝搬損失の増加を極力抑える必要がある。
【特許文献１】特開平５−２５７１０５号公報
【特許文献２】特開平４−３４６３１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００５５】
以上のように、第２の従来技術により第１の従来技術と比較してＤＣドリフトは改善できたが、強烈な負のドリフト現象が生じるためＤＣバイアス電圧が大きく変化し、トランスポンダの中の制御回路としては広い範囲の電圧の制御を行う必要があった。このことは制御回路の観点から望ましくない。特に負のドリフト現象が激しい場合には、制御回路が追従できずにＤＣバイアス点のロックが外れるという問題が生じた。また、特に短い時間において微細な測定を行う必要がある測定器用のＬＮ光変調器としては特に好ましくなかった。つまり、時間の経過とともにＤＣバイアス電圧があまり変わらないｚ−カットＬＮ光変調器はこれまで開発されていなかった。また、光と高周波電気信号の吸収損失があり、かつ高周波電気信号の等価屈折率を高くするという悪影響を有する複素誘電率の虚部が大きい金属酸化物をバッファ層全体に緻密かつ均質にドーピングしていたので、光の挿入損失が増える、さらには光変調帯域が劣化するなどの問題もあった。
【００５６】
そこで、本発明は、以上のような従来技術の問題点を解消することにより、安価で時間の経過に対して比較的変化の小さなドリフト特性を有するＬＮ光変調器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００５７】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる電極と、前記中心導体もしくは前記接地導体の少なくとも一方と前記光導波路の間に形成されたバッファ層とを具備し、前記光導波路が前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路を有する光変調器において、前記バッファ層は、周期律表の三から八族あるいは一ｂ族と二ｂ族に属する金属元素もしくはその酸化物、及びＳｉ以外の半導体元素もしくはその酸化物の少なくとも１つのドーパントからなるドーパント層と、周期律表の三から八族あるいは一ｂ族と二ｂ族に属する金属元素もしくはその酸化物、及びＳｉ以外の半導体元素もしくはその酸化物のいずれをも含まないか、周期律表の三から八族あるいは一ｂ族と二ｂ族に属する金属元素もしくはその酸化物、及びＳｉ以外の半導体元素もしくはその酸化物の少なくとも１つを前記ドーパント層よりも低い濃度で含むドーパント低濃度層とを備え、前記ドーパント低濃度層と前記ドーパント層とを交互に積層し、かつ前記電極に電圧を印加してからの時間経過において、実用上フラットなＤＣドリフト特性となる厚みを有する前記ドーパント低濃度層と前記ドーパント層とを具備することを特徴とする。
【００５８】
本発明の請求項２の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる電極と、前記中心導体もしくは前記接地導体の少なくとも一方と前記光導波路の間に形成されたバッファ層とを具備し、前記光導波路が前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路を有する光変調器において、前記バッファ層は、酸化物もしくは酸化物でないインジウム、酸化物もしくは酸化物でないチタン、及び酸化物もしくは酸化物でない錫、酸化物もしくは酸化物でないゲルマニウム、酸化物もしくは酸化物でないアルミニウムの少なくとも１つのドーパントからなるドーパント層と、周期律表の三から八族あるいは一ｂ族と二ｂ族に属する金属元素もしくはその酸化物、及びＳｉ以外の半導体元素もしくはその酸化物のいずれをも含まないか、前記ドーパントの少なくとも１つを前記ドーパント層よりも低い濃度で含むドーパント低濃度層とを備え、前記ドーパント低濃度層と前記ドーパント層とを交互に積層し、かつ前記電極に電圧を印加してからの時間経過において、実用上フラットなＤＣドリフト特性となる厚みを有する前記ドーパント低濃度層と前記ドーパント層とを具備することを特徴とする。
【００５９】
本発明の請求項３の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる電極と、前記中心導体もしくは前記接地導体の少なくとも一方と前記光導波路の間に形成されたバッファ層とを具備し、前記光導波路が前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路を有する光変調器において、前記バッファ層は、酸化物もしくは酸化物でないインジウム、酸化物もしくは酸化物でないチタン、及び酸化物もしくは酸化物でない錫、酸化物もしくは酸化物でないゲルマニウム、酸化物もしくは酸化物でないアルミニウムの少なくとも１つのドーパントからなるドーパント層と、前記ドーパントを含まないか、前記ドーパントの少なくとも１つを前記ドーパント層よりも低い濃度で含むドーパント低濃度層とを備え、前記ドーパント低濃度層と前記ドーパント層とを交互に積層し、かつ前記電極に電圧を印加してからの時間経過において、実用上フラットなＤＣドリフト特性となる厚みを有する前記ドーパント低濃度層と前記ドーパント層とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００６０】
導電性のある酸化物を極めて緻密かつ均質にバッファ層全体に含ませ、強烈な負のドリフトが生じる特許文献１と異なり、本発明に係る光変調器では、ドーパントがないか、あるいは低い濃度でドーピングされているドーパント低濃度層と高い濃度となっているドーパント層に厚みを持たせることにより各々を明確に分けて、これらを交互に堆積するとともに、ドーパント低濃度層の材料と厚みを適切に選択することにより、時間の経過においてフラットで比較的変化の小さなドリフト特性を実現できる。このような時間の経過に対してフラットで比較的変化の小さなドリフト特性は本発明のように、ドーパント低濃度層の材料と厚みがＤＣドリフト特性に与える影響を明らかにした結果、得られた効果である。また、ドーパント低濃度層の厚みをバッファ層の厚み方向において異ならしめることにより、光変調器として光の挿入損失を小さくする、光変調帯域を確保する、あるいは光の挿入損失を小さくしつつ、かつ光変調帯域も確保するなど使用目的に応じた光変調器を実現できる。さらに、選択する構造によっては、ドーパントに起因する光の挿入損失の増加、光変調帯域の劣化を同時に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６１】
以下、本発明の実施形態について説明するが、図１２乃至図２４に示した従来技術と同一の符号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一の符号を持つ機能部の説明を省略する。
【００６２】
［第１の実施形態］
図１に本発明のＬＮ光変調器を製作する際にバッファ層を堆積するスパッタ装置のチャンバー部についての横断面図を示す。基本構造は第２の従来技術の説明で示した図１７と同様であり、６は真空チャンバー、７はｚ−カットＬＮウェーハ８を保持しつつ回転するドラム、９はＳｉＯ２ターゲット、２０はＳｉＯｘターゲットである。
【００６３】
バッファ層へのドーパントを生成するためのターゲットとして、図１７に示したようなＩｎ２Ｏ３ターゲット１０やＴｉＯ２ターゲット１１など金属の酸化物をターゲットとして用いる第２の従来技術とは異なり、本発明においてはＩｎターゲット１８、Ｔｉターゲット１９のように、酸化物ではない金属あるいはＳｉ以外の半導体の元素からなるターゲットを使用した。
【００６４】
製作したＬＮ光変調器の一例を本発明の第１の実施形態として図２に示す。本実施形態のＬＮ光変調器の製造工程を以下に簡単に述べる。
【００６５】
（１）光導波路の製作
ＬＮ光変調器の通常の製造工程を通して、図１２で示したようにｚ−カットＬＮ基板１に光導波路３を形成する。
【００６６】
（２）バッファ層の堆積
次の製造工程として、図１で説明したスパッタ装置を使用して光導波路３の上にバッファ層を形成するが、図２に示すようにこのバッファ層（ここでは、ドーパント混合バッファ層２１）はドーパントを含まないか、あるいは低い濃度でドーピングされているドーパント低濃度層３０と高い濃度となっているドーパント層３１に厚みを持たせることにより各々を明確に分け、これらを交互に堆積して構成するとともに、ドーパント低濃度層３０の材料と厚みを適切に選択する。こうして、ＬＮ光変調器として時間の経過において比較的変化が小さく、ＤＣドリフト特性として最も厳しいフラット性が要求される測定器用のＬＮ光変調器にも適用できるレベルの実用上フラットなＤＣドリフト特性を実現できる。
【００６７】
なお、前述のようにドーパント低濃度層３０とドーパント層３１に厚みを持たせることにより各々を明確に分けて堆積するために、ＳｉＯ２ターゲット９やＩｎターゲット１８などのターゲットからスパッタリングする際に、各ターゲットからの材料の飛散量を多くし、かつドラム７をゆっくりと回転させることが重要である。
【００６８】
なお、ドーパント層３１はＩｎ２Ｏ３層を高い濃度で含んでいる（Ｉｎ２Ｏ３の代わりに金属であるＩｎを含んでいる場合もあるが、説明を簡単にするためにここではドーパント層３１をＩｎ２Ｏ３層３１とも呼ぶ）。一方、ドーパント低濃度層３０は基本的にＳｉＯ２層から成る。このドーパント低濃度層３０であるＳｉＯ２層はドーパントを含んでいなくても良いが、実際にはこのＳｉＯ２層の中には、ドーパント層３１を構成するＩｎ２Ｏ３層がバックグラウンドのドーパントとして含有されていたり、ＳｉＯ２層そのものにＳｎやＴｉ、あるいはそれらの酸化物をごくわずかだけドーピングすることも有り得るので、このＳｉＯ２層をドーパント低濃度層３０（ここでは、簡略にＳｉＯ２層３０とも呼ぶ）と呼ぶ。
【００６９】
ドーパント混合バッファ層２１の堆積では、スパッタ装置の真空チャンバー６内において、酸素（Ｏ２）もしくはＯ２を含むガスプラズマ（以下、Ｏ２ガスプラズマと省略する）を発生させることにより、回転するドラム７に固定したｚ−カットＬＮウェーハ８の上にＳｉＯ２ターゲット９からはＳｉＯ２層３０を、Ｉｎターゲット１８からはＩｎ２Ｏ３層３１を堆積させる。なお、この時、Ａｒなど、酸素を含まないガスプラズマ（以下、Ａｒガスプラズマと省略する）により堆積させると、ＳｉＯ２ターゲット９からはＳｉＯ２層３０が堆積されるが、Ｉｎターゲット１８により堆積されるＩｎ２Ｏ３層３１の中のＩｎ２Ｏ３に金属Ｉｎが含有されている場合には、少ないＩｎターゲット１８の消費量にも関わらず、ドーパント層３１としてより高い導電性を実現することができる。
【００７０】
前述のように、本実施形態の構造では、Ｉｎ２Ｏ３層からなるドーパント層３１と、主成分がＳｉＯ２層からなるドーパント低濃度層３０とに厚みを持たせることにより各々を明確に分けるとともに、ＤＣドリフト特性がフラットになるようにドーパント低濃度層３０の材料と厚みを適切に設定する。
【００７１】
換言すると、ドーパント低濃度層３０の厚みとドーパント層３１の厚みを各々適切に設定することにより、ドーパント混合バッファ層２１の中において、ドーパント低濃度層３０の厚み方向の抵抗と、ドーパント層３１の横方向の抵抗を適切に設定し、その結果ＤＣドリフト特性をフラットにしている。
【００７２】
本発明の目的は、これによりＤＣドリフト特性をフラットにするものであり、バッファ層全体にドーパントを緻密かつ均質に混合させることにより大きな負のドリフトを実現し、負のドリフトから正のドリフトに変化するＤＣバイアス電圧を極度に低くし、その結果ＤＣバイアス電圧が初期値に戻るまでの時間を寿命時間に大きく影響するほど稼ごうとする特許文献１とは大きく異なっている。
【００７３】
（３）バッファ層のアニール
上記（２）で形成したドーパント低濃度層３０とドーパント層３１の密度を上げるためと、ドーパント層３１の中のドーパントを酸化させるために、数百度の温度で数時間アニールを行う。但し、ドーパント層３１の中に酸化物でない、即ち金属Ｉｎの成分を多く残すにはＡｒやＮ２などＯ２を含まないガスを流しながらアニールをすれば良い。
【００７４】
（４）Ｓｉ導電層の堆積と電極の形成
ＬＮ光変調器の通常の製造工程を通して、図１２で示したように温度ドリフト対策用のＳｉ導電層５を堆積した後に、進行波電極４を形成する。
【００７５】
図１８に示した第２の従来技術では、導電性酸化物混合バッファ層１３の内部にはＩｎ２Ｏ３層１５がほぼ均質に分布しているといえるほど、ＳｉＯ２層１４と導電性を有する酸化物であるＩｎ２Ｏ３層１５とが導電性酸化物混合バッファ層１３の中で互いに極めて緻密に積層されている。そして、この緻密性・均質性が大きな負のドリフトを生み出していた。
【００７６】
一方、図２に示す本発明の第１の実施形態では、ドーパント低濃度層３０（ＳｉＯ２層３０）と金属の酸化物であるドーパント層３１（Ｉｎ２Ｏ３層であるが、この中に金属Ｉｎが含まれていても良い）の２種類に明確に区別できる層から構成されている。
【００７７】
なお、ドーパント低濃度層３０の厚みは今回の試作では２５ｎｍから０．２μｍ程度であったが、これらの範囲以外の厚みでも良いことは言うまでもない。
【００７８】
なお、ドーパント低濃度層３０とドーパント層３１を成膜するに当たって、ＳｉＯ２ターゲット９とＩｎターゲット１８の２つを使用する場合について説明したが、この他にＴｉターゲット１９を用いても良いし、あるいはこれらを組み合わせて使用しても良い。また、前述のように、ドーパント低濃度層３０にＴｉやＳｎ、あるいはこれらの酸化物を少量ドーピングしても良い。そしてこれらのことは以下の議論においても成り立つ。
【００７９】
図２に示した本実施形態のドーパント混合バッファ層２１を含む構成について、その等価回路を図３に示す。ここで、ＣＢ''、ＲＢ'' は各々等価的なキャパシタンスと電気的抵抗を、またＣＬＮ、ＲＬＮはそれぞれ相互作用光導波路３ａを含むｚ−カットＬＮ基板１の等価的なキャパシタンスと電気的抵抗を表している。本実施形態ではその電気的抵抗ＲＢ''は第１の従来技術のＲＢに比べて小さく設定している。
【００８０】
ここで、図２に示した本実施形態のドーパント混合バッファ層２１について、その詳細な内部の構成に関する等価回路の厚み方向の一周期分を図４に記す。ここで、ＣＳｉＯ２、ＲＳｉＯ２は各々ドーパント低濃度層３０の厚み方向における等価的なキャパシタンスと電気的抵抗である。一方、ＣＩｎ２Ｏ３、ＲＩｎ２Ｏ３は各々ドーパント層３１の等価的なキャパシタンスと電気的抵抗である。一般に、ドーパント低濃度層３０の厚み方向における等価的な電気的抵抗ＲＳｉＯ２は、ドーパント層３１の等価的な電気的抵抗ＲＩｎ２Ｏ３よりも大きいが、前述のようにドーパント低濃度層３０にもドーピングすることができるので、必ずしもこの限りではない。
【００８１】
図５には、ドーパント混合バッファ層２１としてのドーピング濃度を６ｍｏｌ％と一定にした状態で（つまり、ドーパント低濃度層３０の厚みＤ３０とドーパント層３１の厚みＤ３１の比を一定に保ったまま）、ドーパント低濃度層３０の厚みＤ３０を各種異ならしめた場合のＤＣドリフト特性の測定結果を示す。ドーパント混合バッファ層２１全体の厚みは１．０μｍとした。なお、温度は１００℃とした。
【００８２】
図５において、（ａ）は特許文献に示された構成からなる図２０に示した第２の従来技術のＤＣドリフト特性とほぼ同じである。この場合においては、ドーパント低濃度層３０の厚みＤ３０が２ｎｍ以下と極めて小さく、バッファ層内にほぼ均質に分布しており、このことが極めて明瞭な負のドリフト（領域Ｉ）を生み出している。
【００８３】
逆に、（ｇ）はドーパント混合バッファ層２１のほぼ全体がドーパント低濃度層３０により構成されている場合であり、（ａ）の対極に当り、図１６に示した第１の従来技術とよく似た振る舞いをしている。そして、ドーパント低濃度層３０の厚みＤ３０を厚くするに従い、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）と表記しているようにＤＣドリフト特性が変化する。そして、例えば、図に示すようにフラットなＤＣドリフト特性を実現できる。なお、この第１の実施形態においては、ドーパント混合バッファ層２１の中においてドーピング濃度を一定に保つために、ドーパント低濃度層３０の厚みＤ３０とドーパント層３１の厚みＤ３１の比を一定とした。
【００８４】
図５から明らかにわかるように、時間経過においてフラットなＤＣドリフト特性を実現するという本発明の目的に関しては、ドーパント低濃度層３０の厚みＤ３０として最適な厚みがあることがわかる（なお、ドーピング濃度は一定であるので、ドーパント低濃度層３０の厚みＤ３０を厚くするとドーパント層３１の厚みＤ３１も厚くなる）。
【００８５】
このことは図４の等価回路において、特にドーパント混合バッファ層２１の厚み方向の抵抗に影響を及ぼす電気的抵抗ＲＳｉＯ２を適切な値となるように大きくし、かつドーパント混合バッファ層２１の横方向の抵抗に影響を及ぼすＲＩｎ２Ｏ３を適切な値になるように小さくすることにより、負のドリフトを小さくできる、あるいはなくすことが可能となることを意味している。
【００８６】
図６では、図５を別の観点から議論する。図５と同じ条件下において、ドーパント混合バッファ層２１へのドーピング濃度を一定とし、ドーパント低濃度層３０の厚みＤ３０を変数とした（ドーピング濃度が一定であるので、ドーパント低濃度層３０の厚みＤ３０に応じてドーパント層３１の厚みＤ３１も変化する）場合の１日経過後でのＤＣドリフト特性（ＤＣドリフト量Ｓ）の測定結果を図６に示す。
【００８７】
図６から、ドーパント低濃度層３０の厚みＤ３０に応じてＤＣドリフト特性が変化することがわかる。そして、ドーパント低濃度層３０の厚みＤ３０を適切に設定することにより、負のドリフトを抑圧でき、フラットなＤＣドリフト特性を実現することが可能となる。
【００８８】
図７には、同じく図５と同じ条件下において、ドーパント混合バッファ層２１へのドーピング濃度と、ドーパント低濃度層３０の厚みＤ３０を一定としたまま（ドーピング濃度が一定であるので、ドーパント層３１の厚みＤ３１も一定である）、ドーパント低濃度層３０の厚み方向の電気的抵抗率を変数とした場合の１日経過後でのＤＣドリフト量（ＤＣドリフト量Ｓ）の測定結果を示す。
【００８９】
図７から、ドーパント低濃度層３０の電気的抵抗率に対応してＤＣドリフト特性が変化することがわかる。なお、図６において、ドーパント低濃度層３０の厚みＤ３０が厚くなるとその厚み方向の電気的抵抗が増えることからも図７の傾向を推測できる。そして、図７からわかるように、ドーパント低濃度層３０の抵抗率を適切に設定すると負のドリフトを抑圧でき、フラットなＤＣドリフト特性を実現することが可能となる。そして、一般にドーパント低濃度層３０の厚みとしては、５ｎｍ以上が好ましく、また１０ｎｍ以上、あるいは２１ｎｍ以上、さらには５０ｎｍ以上において明らかにフラットなＤＣドリフト特性を実現できた。
【００９０】
このように、実際にフラットなＤＣドリフト特性を実現するには、図４に示したように、ドーパント低濃度層３０の厚みＤ３０と厚み方向の電気的抵抗ＲＳｉＯ２の他に、実際にはドーパント混合バッファ層２１の中におけるドーパント層３１の横方向の電気的抵抗ＲＩｎ２Ｏ３も影響する（勿論、各層のキャパシタンスＣＳｉＯ２、ＣＩｎ２Ｏ３も影響するが、ここでは議論を簡単にするため、電気的抵抗のみに着目して議論している）。
【００９１】
特許文献２では、〔００１７〕以降に指摘されているように、ＤＣドリフト特性は厚み方向におけるバッファ層全体としての電気的抵抗とキャパシタンス、基板の光導波路間（もしくは、中心導体−接地導体間）の抵抗とキャパシタンス、及び基板−バッファ層界面の抵抗とバッファ層の電極間の表面抵抗のように、マクロな物理定数で決まるとしているが、実際のＤＣドリフト現象はそう簡単ではない。つまり、ドーパント混合バッファ層２１の中のドーパント低濃度層３０の厚み方向の電気的抵抗ＲＳｉＯ２やドーパント層３１の横方向の電気的抵抗ＲＩｎ２Ｏ３というミクロな物理定数が重要な働きをする。
【００９２】
従って、特許文献２において指摘されているようなドーパント混合バッファ層２１の全体としての抵抗ＲＢ''やキャパシタンスＣＢ''だけで決まるほど実際のＤＣドリフト現象は物理現象として簡単ではない。我々はそのことをバッファ層としてＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２）を使用することにより確認している。つまり、導電性を調整できるＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２）をバッファ層に使用することにより、バッファ層のキャパシタンスや電気的抵抗を調整できる。従って、特許文献２によればＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２）を用いることにより、ＤＣドリフトを抑圧できるはずである。しかしながら、多くの実験を行った結果、本発明のようなフラットなＤＣドリフト特性を実現することはできず、本発明を開発した。なお、このことが特許文献１についても言えることは先に述べた通りである。
【００９３】
本発明に基づく第１の実施形態についてその一例を述べる。この実施形態の製作に当たって、ドーパント層３１の堆積においてはＩｎターゲット１８を使用した。このＩｎターゲット１８のスパッタ時において、ドーパント層３１とドーパント低濃度層３０を堆積する際にはＯ２ガスプラズマを用いた（なお、ドーパント層３１に金属Ｉｎもドーパントとして残す場合にはＡｒガスプラズマを用いた）。
【００９４】
Ｉｎ２Ｏ３をドーパント層３１としてドーパント混合バッファ層２１に６ｍｏｌ％ドーピングした（なお、酸化物Ｉｎ２Ｏ３と導電性の高い金属Ｉｎにより同じＤＣドリフト抑圧効果を得るには、ドーパント混合バッファ層２１にわずか０．２４〜１ｍｏｌ％程度をドーピングすれば良かった）。ここで、ドーパント混合バッファ層２１の中において、ドーパント低濃度層３０の厚みＤ３０とドーパント層３１の厚みＤ３１は一定とした。また、ドーパント低濃度層３０の厚みＤ３０は５０ｎｍとした。
【００９５】
また、ドーパント層３１とドーパント低濃度層３０のアニール条件は、Ｏ２ガスを用いて、７００℃、１時間とした（なお、ドーパント層３１に金属Ｉｎをドーピングし、アニール後も金属Ｉｎを残すには金属としての酸化を防ぐために、Ａｒあるいは窒素（Ｎ２）ガスを用いれば良い）。
【００９６】
なお、この実施形態の一例では、ドーパント層３１のドーパントとしてはＩｎ２Ｏ３（あるいはＩｎ）を用いたが、ＴｉＯ２（Ｔｉ）やＳｎＯ２（あるいはＳｎ）など他の金属をドーパントとして用いても良いし、Ｉｎ２Ｏ３（あるいはＩｎ）とそれらを組み合わせてドーピングしても良い。
【００９７】
ここで中心導体４ａの幅は１２μｍで接地導体４ｂ、４ｃとのギャップは１５μｍとした。ドーパント混合バッファ層２１の厚みＤ２１は１．０μｍとした。以上の条件と図５の（ｄ）として示したバッファ層構成条件により製作した実施形態についてＤＣドリフト特性（ＤＣドリフト量Ｓ）を測定した。
【００９８】
図８に示す本実施形態では、ドーパント混合バッファ層２１におけるドーピング濃度を６ｍｏｌ％と一定に保ちつつ、ドーパント層３１とドーパント低濃度層３０の厚みを適切に設定したことによりＤＣドリフト特性を調整できている。なお、ＬＮ光変調器の環境温度は図１６や図２０の場合と同じく１００℃とした。図８からわかるように、本実施形態によるＬＮ光変調器のＤＣドリフト特性は、特に初期の経過時間において第２の従来技術として図２０に示した大きな負のドリフト（領域Ｉ）は存在せず、フラットである。そして、ＬＮ光変調器としての最終的な寿命Ｔ１は図１６に示した第１の従来技術と比較して、極めて改善されており、また図２０に示した第２の従来技術と遜色なく、あるいはより優れた実用上充分な信頼性を有している。
【００９９】
このように、本発明の目的は、バッファ層全体に緻密かつ均質にドーパントを混合し、初期の経過時間において大きな負のドリフトを起こさせる第２の従来技術と全く異なり、ドーパント低濃度層３０とドーパント層３１に厚みを持たせることにより各々を明確に分けて堆積することにより、図８の中に領域ＩＩとして示したような時間経過に対してフラットなＤＣドリフト特性を得ることである。こうした時間経過に対してフラットなＤＣドリフト特性は大きな負のドリフトが発生する第２の従来技術では決して得ることができない特性である。
【０１００】
つまり、本発明では、第２の従来技術のように初期における大きな負のドリフトを発生させることにより、ＤＣバイアス電圧についてのＬＮ光変調器の寿命を稼ぐという概念は全くないので、初期の時間経過においてＬＮ光変調器の寿命を延ばすために負のドリフトを発生させる必要性は完全にない。従って、負のドリフトは実用上あるいは全く発生せず、時間の経過に対してフラットなＤＣドリフト特性を実現できる。
【０１０１】
従って、ＤＣバイアス電圧の制御という観点から、トランスポンダの中の制御回路にとって追従しやすく、また特に短い時間において微細な測定を行う必要がある測定器にも大変扱いやすいＬＮ光変調器を提供できる。
【０１０２】
ここで、負のＤＣドリフトを実用上有さないとは、通常２５年という長い期間で使用されるＬＮ光変調器について、その寿命を延ばすという観点からの（換言すると、寿命に影響を及ぼすほどの強烈で時間的に長い）負のドリフトは存在しないということである。
【０１０３】
また、バッファ層にＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２）を使用した例について述べたように、特許文献２において指摘されているようなドーパント混合バッファ層２１の全体としての抵抗ＲＢ''やキャパシタンスＣＢ''だけの考え方でも図８に示したフラットなＤＣドリフト特性を実現することはできず、本願の考え方により初めて実現した。
【０１０４】
［第２の実施形態］
図９に本発明の第２の実施形態を示す。本実施形態では、図２に示した第１の実施形態におけるドーパント混合バッファ層２１を、相互作用光導波路３ａ、３ｂに近い方の下側のドーパント混合バッファ層２２と、進行波電極４の中心導体４ａ、接地導体４ｂ、４ｃに近い側にある上側のドーパント混合バッファ層２３に２分割する。
【０１０５】
下側のドーパント混合バッファ層２２はドーパント低濃度層３００（ＳｉＯ２層３００）とドーパント層３０１（Ｉｎ２Ｏ３層３０１）から、上側のドーパント混合バッファ層２３はドーパント低濃度層４００（ＳｉＯ２層４００）とドーパント層４０１（Ｉｎ２Ｏ３層４０１）から構成されている。
【０１０６】
この第２の実施形態においては、下側のドーパント混合バッファ層２２におけるドーパント層３０１の厚みＤ３０１と上側のドーパント混合バッファ層２３におけるドーパント層４０１の厚みＤ４０１と等しくする（Ｄ３０１＝Ｄ４０１）とともに、下側のドーパント混合バッファ層２２におけるドーパント低濃度層３００の厚みＤ３００を上側のドーパント混合バッファ層２３におけるドーパント低濃度層４００の厚みＤ４００よりも厚くしている（Ｄ３００＞Ｄ４００）。換言すると、下側のドーパント混合バッファ層２２のドーピング濃度を上側のドーパント混合バッファ層２３のドーピング濃度よりも小さくし、平均的に図２に示した第１の実施形態と等しくしている。
【０１０７】
こうすることにより、ＤＣドリフト特性を図２の第１の実施形態とほぼ同じに保ちつつ、相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の損失を低減することができる。つまり、図９に示した第２の実施形態は光の損失が小さなＬＮ光変調器を実現するのに適している。なお、その効果はやや小さくなるが、Ｄ３００＞Ｄ４００さえ成り立っていれば、下側のドーパント混合バッファ層２２のドーピング濃度と上側のドーパント混合バッファ層２３のドーピング濃度を等しくしても良い。
【０１０８】
［第３の実施形態］
図１０に本発明の第３の実施形態を示す。本実施形態は言わば図９に示した第２の実施形態において下側のドーパント混合バッファ層２２と上側のドーパント混合バッファ層２３の上下を入れ替えた構成である。
【０１０９】
つまり、図１０からわかるように、この第３の実施形態においては、下側のドーパント混合バッファ層２４におけるドーパント層４１１（Ｉｎ２Ｏ３層４１１）の厚みＤ４１１と上側のドーパント混合バッファ層２５におけるドーパント層３１１（Ｉｎ２Ｏ３層３１１）の厚みＤ３１１と等しくする（Ｄ３１１＝Ｄ４１１）とともに、今度は上側のドーパント混合バッファ層２５におけるドーパント低濃度層３１０（ＳｉＯ２層３１０）の厚みＤ３１０を下側のドーパント混合バッファ層２４におけるドーパント低濃度層４１０（ＳｉＯ２層４１０）の厚みＤ４１０よりも厚くしている（Ｄ３１０＞Ｄ４１０）。換言すると、上側のドーパント混合バッファ層２５のドーピング濃度を下側のドーパント混合バッファ層２４のドーピング濃度よりも小さくし、平均的に図２に示した第２の実施形態と等しくしている。
【０１１０】
こうすることにより、ＤＣドリフト特性を図２の第１の実施形態とほぼ同じに保ちつつ、高周波電気信号の伝搬損失を小さくするとともに、高周波電気信号の等価屈折率を小さくすることができる。つまり、図１０に示した第３の実施形態は光変調帯域に関して有利なＬＮ光変調器を実現するのに適している。なお、その効果はやや小さくなるが、Ｄ３１０＞Ｄ４１０さえ成り立っていれば、下側のドーパント混合バッファ層２４のドーピング濃度と上側のドーパント混合バッファ層２５のドーピング濃度を等しくしても良い。
【０１１１】
［第４の実施形態］
図１１に本発明の第４の実施形態を示す。本実施形態では、図２に示した第１の実施形態と、図３に示した第２の実施形態の双方における良い点を取り入れている。
【０１１２】
つまり、相互作用光導波路３ａ、３ｂに近い方の下側のドーパント混合バッファ層２６と同じ構成として上側のドーパント混合バッファ層２８を設けている。そして、それらの間に中間のドーパント混合バッファ層２７を構成した。下側のドーパント混合バッファ層２６（及び、上側のドーパント混合バッファ層２８）の中におけるドーパント低濃度層３２０の厚みＤ３２０を、中間のドーパント混合バッファ層２７の中におけるドーパント低濃度層４２０の厚みＤ４２０よりも厚くしている（Ｄ３２０＞Ｄ４２０）。換言すると、下側のドーパント混合バッファ層２６と上側のドーパント混合バッファ層２８のドーピング濃度を中間のドーパント混合バッファ層２７のドーピング濃度よりも小さくし、平均的に図２に示した第２の実施形態と等しくしている。
【０１１３】
こうすることにより、ＤＣドリフト特性を図２の第１の実施形態とほぼ同じに保ちつつ、相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光と高周波電気信号の伝搬損失、高周波電気信号の等価屈折率を低減することができる。つまり、図１１に示した第２の実施形態により光の挿入損失が小さく、かつ光の変調帯域が広いＬＮ光変調器を実現できる。なお、その効果はやや小さくなるが、Ｄ３２０＞Ｄ４２０さえ成り立っていれば、下側のドーパント混合バッファ層２６、中間のドーパント混合バッファ層２７、上側のドーパント混合バッファ層２８についてドーピング濃度の全て、もしくは２つを等しくしても良い。さらには、４層以上に分割しても良いし、ドーパント低濃度層の厚みやドーピング濃度を徐々に変えても良い。なお、これらのことは本発明の全ての実施形態について当てはまる。
【０１１４】
［各実施形態について］
本発明による光変調器用の基板としてはＬＮ基板を例に用いて説明したが、リチウムタンタレートなど、電気光学効果を有するその他の各種基板でも良いし、半導体基板でも良い。
【０１１５】
また、ドーパント混合バッファ層を構成する主たるバッファ層であるドーパント低濃度バッファ層として主にＳｉＯ２について説明したが、その他の酸化シリコンつまりＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２）でも良いし、さらにはＳｉＯｘのｘは０＜ｘ＜２．５のように、２以上であっても良い。また、Ａｌ２Ｏ３やＳｉＮなどその他の非シリコン系あるいはシリコン系の材料を組み合わせて使用しても良い。
【０１１６】
さらに、ドーパント混合バッファ層へのドーパントとしては主にＩｎ２Ｏ３、ＴｉＯ２、あるいはＳｎＯ２などの金属酸化物について説明したが、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、クロム（Ｃｒ）などの酸化物でも良いし、周期律表の三から八族あるいは一ｂ族と二ｂ族に属する各種金属元素の酸化物、もしくはＳｉ以外の各種半導体元素の酸化物でも良いし、これらが酸化物でない、即ち金属の元素や半導体の元素でも良い。さらに、これらを組み合わせてドーピングしても良い。
【０１１７】
また、酸化物をドーピングする場合の濃度は特に３〜６ｍｏｌ％程度で、また金属をドーピングする場合にはその濃度として１ｍｏｌ％強程度で顕著な効果が見られる。但し、０．５〜１０ｍｏｌ％などこれらの値以外のドーピング量でも本発明の効果を得ることができるのは言うまでもない。なお以上においてはドーパント混合バッファ層の中において、ドーパント低濃度層やドーパント層の厚み、及びドーピング濃度を一定としたが、これらをドーパント混合バッファ層内において徐々にあるいは階段状に変化させても良い。
【０１１８】
以上の説明では、バッファ層の成膜装置としてスパッタ装置を用いる場合について説明したが、電子ビーム蒸着装置などその他の装置を用いても良いことは言うまでもない。
【０１１９】
また、先に述べたように、各実施形態を説明する際のＬＮ光変調器の構造として中心導体の中心に左右対称な構造として主に説明したが、勿論、左右対称でなくても良いことは言うまでもない。
【０１２０】
さらに、進行波電極としてはＣＰＷ電極を例にとり説明したが、非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）や対称コプレーナストリップ（ＣＰＳ）などの各種進行波電極、あるいは集中定数型の電極でも良いことは言うまでもない。さらに、ＤＣバイアスを印加する部分とＲＦ電気信号とを印加する部分と分離した、いわゆるＤＣバイアス分離型の構造にも適用可能である。また、電界センサーにも適用可能である。
【０１２１】
また、光導波路としてはマッハツェンダ光導波路の他に、方向性結合器や直線など、その他の光導波路でも良いことは言うまでもない。そして、勿論リッジ構造にも適用可能である。
【０１２２】
以上の各実施形態においては、ｚ−カットの面方位を持つ基板としたが、以上に述べた各実施形態での面方位を主たる面方位とし、これらに他の面方位が副たる面方位として混在しても良いことは言うまでもないし、ｘ−カットやｙ−カットの面方位を持つ基板でも良いことは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１２３】
以上のように、本発明に係る光変調器は、ＤＣドリフトを抑圧しつつＬＮ光変調器のコストを低減するとともに、挿入損失や光変調帯域を改善することを可能とし、コスト、性能及び信頼性の観点から優れた光変調器として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明の実施形態によるＬＮ光変調器を製作するためのスパッタ装置の内部を示す模式図
【図２】本発明の第１の実施形態によるＬＮ光変調器の断面図
【図３】本発明の第１の実施形態の等価回路を説明する図
【図４】本発明の第１の実施形態のＤＣドリフト抑圧の原理を説明する図
【図５】本発明の第１の実施形態の原理を説明する図
【図６】本発明の第１の実施形態の原理を説明する図
【図７】本発明の第１の実施形態の原理を説明する図
【図８】本発明の第１の実施形態によるＬＮ光変調器のＤＣドリフト特性
【図９】本発明の第２の実施形態によるＬＮ光変調器の断面図
【図１０】本発明の第３の実施形態によるＬＮ光変調器の断面図
【図１１】本発明の第４の実施形態によるＬＮ光変調器の断面図
【図１２】第１の従来技術によるＬＮ光変調器の斜視図
【図１３】図１２のＡ−Ａ'における断面図
【図１４】第１の従来技術による光変調器の動作原理を説明する図
【図１５】第１の従来技術によるＬＮ光変調器の等価回路図
【図１６】第１の従来技術によるＬＮ光変調器のＤＣドリフト特性
【図１７】第２の従来技術によるＬＮ光変調器を製作するためのスパッタ装置の内部を示す模式図
【図１８】第２の従来技術によるＬＮ光変調器の断面図
【図１９】第２の従来技術によるＬＮ光変調器の等価回路図
【図２０】第２の従来技術によるＬＮ光変調器のＤＣドリフト特性
【図２１】第２の従来技術によるＬＮ光変調器を製作するためのその他のターゲット構成を説明する図
【図２２】図２１のＣ−Ｃ'における断面図
【図２３】第２の従来技術の問題点を説明する図
【図２４】第２の従来技術の問題点を説明する図
【符号の説明】
【０１２５】
１：ｚ−カットＬＮ基板（ＬＮ基板、基板）
２：ＳｉＯ２バッファ層（バッファ層）
３：光導波路（マッハツェンダ光導波路）
３ａ、３ｂ：相互作用光導波路（光導波路）
４：進行波電極（電極）
４ａ：中心導体
４ｂ、４ｃ：接地導体
５：Ｓｉ導電層
６：真空チャンバー
７：ドラム
８：ｚ−カットＬＮウェーハ
９：ＳｉＯ２ターゲット
１０：Ｉｎ２Ｏ３ターゲット
１１：ＴｉＯ２ターゲット
１２：ＳｎＯ２ターゲット
１３：導電性酸化物混合バッファ層
１４：ＳｉＯ２層
１５：Ｉｎ２Ｏ３層
１６：ＳｉＯ２
１７：Ｉｎ２Ｏ３ペレット
１８：Ｉｎターゲット
１９：Ｔｉターゲット
２１：ドーパント混合バッファ層（バッファ層）
２２、２４、２６：下側のドーパント混合バッファ層
２３、２５、２８：上側のドーパント混合バッファ層
２７：中間のドーパント混合バッファ層
３０、３００、３１０、３２０、４００、４１０、４２０：ドーパント低濃度層（ＳｉＯ２層）
３１、３０１、３１１、３２１、４０１、４１１、４２１：ドーパント層（Ｉｎ２Ｏ３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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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