(57)【要約】【課題】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を提供する。【解決手段】電気光学効果を有する基板１と、基板に形成された光を導波するための光導波路３と、光を変調するための電圧を印加する、基板の一方の面側に形成された中心導体４ａ及び接地導体４ｂからなる電極４と、中心導体もしくは接地導体の少なくとも一方と光導波路の間に形成されたバッファ層と、光導波路が中心導体と接地導体との間に電圧を印加することにより光の位相を変調するための相互作用光導波路とを具備する光変調器において、バッファ層は、インジウムの酸化物、チタンの酸化物、及び錫の酸化物の少なくとも１つと酸化シリコンとを含む第１の層２１と、酸化物でないインジウム、酸化物でないチタン、及び酸化物でない錫の少なくとも１つと酸化シリコンとを含む第２の層２２とを具備する。【選択図】図２
2007199500.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、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とを具備する光変調器において、
前記バッファ層は、インジウムの酸化物、チタンの酸化物、及び錫の酸化物の少なくとも１つと酸化シリコンとを含む第１の層と、酸化物でないインジウム、酸化物でないチタン、及び酸化物でない錫の少なくとも１つと酸化シリコンとを含む第２の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、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とを具備する光変調器において、
前記バッファ層は、ゲルマニウムの酸化物、亜鉛の酸化物、及びアルミニウムの酸化物の少なくとも１つと酸化シリコンとを含む第１の層と、酸化物でないゲルマニウム、酸化物でない亜鉛、及び酸化物でないアルミニウムの少なくとも１つと酸化シリコンとを含む第２の層とを具備することを特徴とする光変調器。
【請求項３】
前記光変調器のＤＣドリフト特性が時間経過とともに、初期には負のドリフトを発生し、その後に正のドリフトを発生することを特徴とする請求項１乃至請求項２に記載の光変調器。
【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、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とを具備する光変調器において、
前記バッファ層は前記光変調器のＤＣドリフト特性が時間経過とともに、初期には負のドリフトを発生し、その後に正のドリフトを発生するように、
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の酸化物もしくはＳｉ以外の半導体元素の酸化物の少なくとも一つと酸化シリコンとを含む第１の層と、周期律表の三から八族あるいは一ｂ族と二ｂ族に属する酸化物でない金属元素の少なくとも１つと酸化シリコンとを含む第２の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９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１０は、図９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（相互作用部と言う）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、１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成るバッファ層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から成るバッファ層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１１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１１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成るバッファ層２内に誘起された電荷が移動する結果、図１１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９及び図１０に示したｚ−カット基板ＬＮ光変調器の等価回路図を図１２に示す。この図１２を用いてＤＣドリフト現象について考察する。なお、図１２では、図９及び図１０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の抵抗ＲＢとＬＮ基板１の抵抗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の抵抗ＲＢがＬＮ基板１の抵抗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の抵抗ＲＢに加わってしまう。そのため、ｚ−カットＬＮ基板１の抵抗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１３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１３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１３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から成るバッファ層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１４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１例を図１５に示す。ここで、図１０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１５に示すこの第２の従来技術では、ＳｉＯ２層１４と導電性を有する酸化物であるＩｎ２Ｏ３層１５とが積層された導電性酸化物混合バッファ層１３が使用されている。
【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１２に対応する等価回路を図１６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。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１７に示す。ここで、ＬＮ光変調器の環境温度は図１３の場合と同じく１００℃とした。図１３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１７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負となっている。
【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ドリフトと呼んでいる。負のドリフトが生じる場合には時間の経過とともにＤＣバイアス電圧が小さくて済むことを意味しており、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となる。なお負のドリフト発生とその後の長期にわたるＤＣドリフトについては、金属Ｉｎの酸化物であるＩｎ２Ｏ３が特に有効であることが知られている。
【００３８】
また、スパッタ装置用のターゲットとしては図１４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１８に示す構造のターゲットを用いる場合もある。なお、図１９には図１８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。
【００３９】
このように、特許文献１に示される第２の従来技術はＬＮ光変調器におけるＤＣドリフトを抑圧できるので、ＬＮ光変調器を実用化する上で有効な手段である。
【００４０】
しかしながら、この第２の従来技術では、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。
【００４１】
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。
【００４２】
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っている。また、Ｉｎ２Ｏ３は金属であるＩｎと比較して導電率が小さいので、バッファ層を所望の抵抗率に設定する際にＩｎ２Ｏ３の使用量が多くなる。この２点がＬＮ光変調器のコスト上昇をもたらす一因となっている。
【００４３】
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。
【００４４】
以上のことは図１８や図１９に示した金属酸化物のペレット（これらの図ではＩｎ２Ｏ３ペレット１７）を使用する場合にも言えるし、バッファ層を電子ビームにより蒸着して形成する場合にもＳｉＯ２へのドーパントとして金属酸化物を用いる限りは成り立つ。
【００４５】
このようにバッファ層形成に使用するターゲットが高価であることがＬＮ光変調器のコストを上昇させる一因となっている。
【特許文献１】特開平５−２５７１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４６】
以上のように、第２の従来技術によりＤＣドリフトは効果的に改善できたが、バッファ層を成膜する際にＳｉＯ２へのドーパントの生成に使用するスパッタ装置用のターゲットは金属を酸化させる工程とそれを成形する工程を経て製作されるためターゲットのコストが高く、ＬＮ光変調器のコストを上昇させていた。また、バッファ層へのドーパントとして導電性の小さな金属酸化物のみを使用しているので、所望の導電性を得るために必要なドーパントの量が多かった。これらは特にＤＣドリフト抑圧に効果があるＩｎ２Ｏ３の場合に、ＬＮ光変調器のコストをより一層上昇させていた。
【００４７】
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ＤＣドリフトの小さな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】
【００４８】
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、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とを具備する光変調器において、前記バッファ層は、インジウムの酸化物、チタンの酸化物、及び錫の酸化物の少なくとも１つと酸化シリコンとを含む第１の層と、酸化物でないインジウム、酸化物でないチタン、及び酸化物でない錫の少なくとも１つと酸化シリコンとを含む第２の層とを具備することを特徴とする。
【００４９】
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、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とを具備する光変調器において、前記バッファ層は、ゲルマニウムの酸化物、亜鉛の酸化物、及びアルミニウムの酸化物の少なくとも１つと酸化シリコンとを含む第１の層と、酸化物でないゲルマニウム、酸化物でない亜鉛、及び酸化物でないアルミニウムの少なくとも１つと酸化シリコンとを含む第２の層とを具備することを特徴とする。
【００５０】
本発明の請求項３の光変調器は、請求項１乃至請求項２に記載の光変調器において、前記光変調器のＤＣドリフト特性が時間経過とともに、初期には負のドリフトを発生し、その後に正のドリフトを発生することを特徴とする。
【００５１】
本発明の請求項４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、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とを具備する光変調器において、前記バッファ層は前記光変調器のＤＣドリフト特性が時間経過とともに、初期には負のドリフトを発生し、その後に正のドリフトを発生するように、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の酸化物もしくはＳｉ以外の半導体元素の酸化物の少なくとも一つと酸化シリコンとを含む第１の層と、周期律表の三から八族あるいは一ｂ族と二ｂ族に属する酸化物でない金属元素の少なくとも１つと酸化シリコンとを含む第２の層とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００５２】
本発明に係る光変調器では、安価なターゲットを用いることにより、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ことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
以下、本発明の実施形態について説明するが、図９乃至図１９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。
【００５４】
［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１４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ターゲットである。また製作したＬＮ光変調器の１例を図２に示す。
【００５５】
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１４に示したようなＩｎ２Ｏ３ターゲット１０、ＴｉＯ２ターゲット１１、あるいはＳｎＯ２ターゲット１２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、Ｓｎターゲット２０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する。
【００５６】
本実施形態の光変調器の製造工程を以下に簡単に述べる。
【００５７】
（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９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。
【００５８】
（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は大きく分けて２つの層から構成されている。つまり、実際のＬＮ光変調器製作に当たっては、光導波路３の上にまず第１の層として酸化物混合バッファ層２１を形成した後に、第２の層として金属混合バッファ層２２を堆積している。
【００５９】
酸化物混合バッファ層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１４を、Ｉｎターゲット１８からはＩｎ２Ｏ３層１５を堆積させる。
【００６０】
次に、酸化物混合バッファ層２１の上に金属混合バッファ層２２を堆積させるが、スパッタ装置の真空チャンバー６内において、アルゴン（Ａｒ）ガスプラズマなど、Ｏ２を含まないガスプラズマを発生させることにより、酸化物混合バッファ層２１の上にＳｉＯ２ターゲット９からはＳｉＯ２層１４を、Ｉｎターゲット１８からはＩｎ層２３を堆積させる。
【００６１】
（３）バッファ層のアニール
上記（２）で形成した酸化物混合バッファ層２１と金属混合バッファ層２２からなる２つの層のバッファ層を緻密にするために、数１００度の温度で数時間アニールを行うが、その際にも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ることが望ましい。
【００６２】
（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９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。
【００６３】
図１５に示した第２の従来技術ではＳｉＯ２層１４と導電性を有する酸化物であるＩｎ２Ｏ３層１５とが積層された導電性酸化物混合バッファ層１３が使用されていた。
【００６４】
一方、図２に示す本実施形態では大きく分けて、ＳｉＯ２層１４と金属の酸化物であるＩｎ２Ｏ３層１５からなる酸化物混合バッファ層２１と、ＳｉＯ２層１４と金属であるＩｎ層２３とが積層された金属混合バッファ層２２の２つの層から構成されている。
【００６５】
なお、酸化物混合バッファ層２１を構成するＳｉＯ２層１４とＩｎ２Ｏ３層１５、及び金属混合バッファ層２２の２つの層を構成するＳｉＯ２層１４と金属であるＩｎ層２３の各層の厚みは５ｎｍから０．３μｍ程度である。
【００６６】
なお、ここでは酸化物混合バッファ層２１と金属混合バッファ層２２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、Ｔｉターゲット１９やＳｎターゲット２０、あるいはこれらを組み合わせて使用しても良いことは言うまでもないし、このことは以下の議論においても成り立つ。
【００６７】
ここで、本実施形態の等価回路を図３に記す。ここで、酸化物混合バッファ層２１の等価的なキャパシタンスと抵抗を各々ＣＢ’’、ＲＢ’’、金属混合バッファ層２２の等価的なキャパシタンスと抵抗を各々ＣＢ’’’、ＲＢ’’’とする。
【００６８】
図１６に示した第２の従来技術と同様に、第１の従来技術と本実施形態との大きな差異は、本実施形態における酸化物混合バッファ層２１の等価的な抵抗ＲＢ’’と金属混合バッファ層２２の等価的な抵抗ＲＢ’’’の和であるＲＢ’’＋ＲＢ’’’が第１の従来技術におけるＳｉＯ２からなるバッファ層２の等価的な抵抗ＲＢに比べて小さい、つまり、
ＲＢ’’＋ＲＢ’’’＜ＲＢ      （５）
となることである。
【００６９】
次に、図３に示した酸化物混合バッファ層２１の厚みＤ２１と金属混合バッファ層２２の厚みＤ２２について考える。なお、酸化物混合バッファ層２１と金属混合バッファ層２２からなるバッファ層全体の厚みをＤｔｏｔ（＝Ｄ２１＋Ｄ２２）とする。
【００７０】
さて、酸化物混合バッファ層２１に含まれる金属の酸化物（Ｉｎ２Ｏ３）は光の損失に対しては有利であるが抵抗が大きい。一方、金属混合バッファ層２２に含まれる金属元素（Ｉｎ）は光の損失に対してはやや不利ではあるが抵抗が小さい。
【００７１】
図４には、バッファ層全体の厚みＤｔｏｔが約１μｍの場合において、金属混合バッファ層２２の厚みＤ２２と、酸化物混合バッファ層２１と金属混合バッファ層２２からなるバッファ層全体の厚みＤｔｏｔとの比（Ｄ２２／Ｄｔｏｔ）を変数とした場合の相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の伝搬損失を示す。
【００７２】
相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光は酸化物混合バッファ層２１と金属混合バッファ層２２からなるバッファ層内にもごくわずか染み出している。そのため、図４からわかるように、バッファ層全体の厚みＤｔｏｔを一定とすると、金属混合バッファ層２２の厚みＤ２２が薄い（つまり、酸化物混合バッファ層２１の厚みＤ２１が厚い）と光の伝搬損失は小さい。逆に、金属混合バッファ層２２の厚みＤ２２が厚い（つまり、酸化物混合バッファ層２１の厚みＤ２１が薄い）と光の伝搬損失はやや大きくなる。
【００７３】
図５には、図４と同じ厚みの場合において、金属混合バッファ層２２の厚みＤ２２と、バッファ層全体の厚みＤｔｏｔとの比（Ｄ２２／Ｄｔｏｔ）を変数とした場合の酸化物混合バッファ層２１の等価的な抵抗ＲＢ’’と金属混合バッファ層２２の等価的な抵抗ＲＢ’’’の和ＲＢ’’＋ＲＢ’’’を示す。図からわかるように、バッファ層全体の厚みＤｔｏｔを一定とすると、金属混合バッファ層２２の厚みＤ２２が薄い（つまり、酸化物混合バッファ層２１の厚みＤ２１が厚い）と抵抗の和ＲＢ’’＋ＲＢ’’’は大きく、逆に金属混合バッファ層２２の厚みＤ２２が厚い（つまり、酸化物混合バッファ層２１の厚みＤ２１が薄い）と抵抗の和ＲＢ’’＋ＲＢ’’’は小さくなる。
【００７４】
つまり、光の伝搬損失の観点からは金属混合バッファ層２２の厚みＤ２２は薄い方が望ましいが、ＤＣドリフトを抑えるためにバッファ層の抵抗を下げるという観点からは金属混合バッファ層２２の厚みＤ２２は厚い方が望ましい。
【００７５】
ところが、幸いなことに、相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の酸化物混合バッファ層２１と金属混合バッファ層２２からなるバッファ層内への染み出しは約０．２〜０．３μｍ程度とごくわずかである。そのため、必要以上に酸化物混合バッファ層２１の厚みＤ２１を厚くすることは抵抗の観点から得策ではない。
【００７６】
つまり、バッファ層の全厚みＤｔｏｔの内、酸化物混合バッファ層２１の厚みＤ２１は光の伝搬損失を抑えることができる最小限とするとともに、残りの厚み（Ｄｔｏｔ−Ｄ２１）を金属混合バッファ層２２の厚みＤ２２に割り振ることにより、酸化物混合バッファ層２１により光の伝搬損失を抑えつつ、少ない量の金属Ｉｎを用いてバッファ層としての抵抗を有効に下げることが可能となる。つまり、本発明では金属Ｉｎを含む金属混合バッファ層２２が持つ高い導電性をフルに活用している。その結果、光の伝搬損失が小さく、かつＤＣドリフトが小さな光変調器を実現しつつＩｎターゲット１８の消費量を抑えることが可能となる。
【００７７】
さらに、バッファ層としての抵抗の和ＲＢ’’＋ＲＢ’’’も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することも可能である。その場合にも、本発明では金属混合バッファ層２２を用いるので、金属Ｉｎの使用量を少なくでき、ひいてはＩｎターゲット１８の消費量を抑えることが可能となる。
【００７８】
なお、正確には酸化物混合バッファ層２１の等価的なキャパシタンスＣＢ’’と金属混合バッファ層２２の等価的キャパシタンスＣＢ’’’の和、つまりＣＢ’’・ＣＢ’’’／（ＣＢ’’＋ＣＢ’’’）も第１の従来技術のキャパシタンスＣＢとは異なっているが、ここでは主要な働きをする抵抗ＲＢ’’、ＲＢ’’’とＲＢに着目して議論している。
【００７９】
本発明に基づく実施形態の１例について述べる。この実施形態の製作に当たって、酸化物混合バッファ層２１と金属混合バッファ層２２のドーパント生成においては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、酸化物混合バッファ層２１を堆積する際にはＯ２ガスプラズマを用い、金属混合バッファ層２２を堆積する際にはＡｒガスプラズマを用いた。
【００８０】
なお、酸化物混合バッファ層２１にはＩｎ２Ｏ３を５ｍｏｌ％ドーピングし、金属混合バッファ層２２にはＩｎを０．２ｍｏｌ％ドーピングした。
【００８１】
また、酸化物混合バッファ層２１と金属混合バッファ層２２のアニールに当たっては、金属Ｉｎの酸化を防ぐために、窒素（Ｎ２）ガスを用いて、７００℃、１時間とした。
【００８２】
なお、この実施形態の１例では、酸化物混合バッファ層２１へのドーパントとしてはＩｎ２Ｏ３を用いたが、ＴｉＯ２やＳｎＯ２など他の金属をドーパントとして用いても良いし、Ｉｎ２Ｏ３とそれらを組み合わせてドーピングしても良い。
【００８３】
また金属混合バッファ層２２へのドーパントとしてＩｎのみを用いたが、ＴｉやＳｎなど他の金属をドーパントとして用いても良いし、Ｉｎとそれらを組み合わせてドーピングしても良い。
【００８４】
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。酸化物混合バッファ層２１の厚みＤ２１と金属混合バッファ層２２の厚みＤ２２は各々０．２μｍ、０．８μｍとした（Ｄｔｏｔ＝１．０μｍ）。以上の条件により製作した実施形態について測定したＤＣドリフト特性（ＤＣドリフト量Ｓ）を図６に示す。
【００８５】
なお、ＬＮ光変調器の環境温度は図１３や図１７の場合と同じく１００℃とした。図１７に示した第２の従来技術とほぼ同レベル、もしくはより改善されたＤＣドリフト特性を実現できていることがわかる。
【００８６】
さらに、本実施形態においても、初期の経過時間（日数）の領域（図６においてＩＩ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負となっており、負のドリフトも実現できている。これまでの検討によればＲＢ’’としては１０１７Ωｃｍ以下とすることにより比較的容易に負のドリフトを実現できた（なお、負のドリフトの大きさは、酸化物混合バッファ層２１の厚みＤ２１と金属混合バッファ層２２の厚みＤ２２の和Ｄｔｏｔが厚いほど大きくなった）。またその後の長期ＤＣドリフト特性も図１７に示した第２の従来技術と比較して遜色なく、かえって良い位のＤＣドリフト特性となっている。
【００８７】
このことにより、金属混合バッファ層２２に金属Ｉｎが少ない量で含有されているにも関わらず、金属Ｉｎの導電性が高いためＤＣドリフト抑圧の効果が著しいことがわかる。
【００８８】
なお、負のドリフト発生とその後の長期にわたるＤＣドリフトについては、バッファ層全体が酸化物の場合と同じく、金属Ｉｎを含む場合が特に有効であることを確認した。
【００８９】
また、スパッタ装置用のターゲットとしては図１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７に示す構造のターゲットを用いても良い。なお、図８には図７のＤ−Ｄ’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、金属であるＩｎペレット２４が埋め込まれている。
【００９０】
本実施形態ではバッファ層を形成するためのスパッタ装置用のターゲット材料として、金属を酸化させるとともにそれを成形した導電性酸化物を用いる第２の従来技術と異なり、Ｉｎ、Ｔｉ、あるいはＳｎなどの酸化物でない金属やＳｉ以外の酸化物でない半導体の元素を直接用いている。
【００９１】
そのため、ターゲットを製作する際に、金属を酸化させる工程が不要であるので、スパッタ装置で使用するためのターゲットとしてのコストが低減する。また、スパッタ装置で使用するためのターゲットとして成形する際には、酸化物よりも金属そのものの方がはるかに成形しやすく、このこともターゲットのコストを低減できることに寄与する。
【００９２】
また金属の方がその酸化物よりも導電性が高いので、バッファ層全体を酸化物で構成する場合よりもドーパントとして使用する量も少なくて済み、第２の従来技術で使用する導電性酸化物から製作したターゲットよりも多くのＬＮ光変調器を生産することが可能となる。このこともＬＮ光変調器のコスト低減に役立つ。
【００９３】
［実施形態について］
以上のように本発明では、酸化物混合バッファ層を使用することにより光の伝搬損失を低減するとともに、金属元素や半導体元素の高い導電率を利用できる金属混合バッファ層を適用することにより、少ないドーピング量でＤＣドリフト抑圧の効果を発揮している。
【００９４】
本発明による光変調器において用いる基板としては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。
【００９５】
また、主たるバッファ層として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、Ａｌ２Ｏ３などその他の材料でも良い。
【００９６】
さらに、酸化物混合バッファ層へのドーパントとしては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以外各種半導体元素の酸化物でも良い。
【００９７】
一方、金属混合バッファ層へのドーパントしては、Ｉｎ、Ｔｉ、あるいはＳｎなどの金属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族に属する酸化物でない各種金属元素もしくはＳｉ以外の酸化物でない各種半導体元素でも良い。さらにはインジウムリン（ＩｎＰ）など、これらの元素と酸素以外の他の元素との化合物でも良い。
【００９８】
またドーピングする各元素もしくは各元素の酸化物の量は０．０００１ｍｏｌ％〜４０ｍｏｌ％程度でＤＣドリフトに対して効果がある。酸化物混合バッファ層へのドーパントとしては、特に４ｍｏｌ％程度で、また金属混合バッファ層へのドーパントとしては、特に１ｍｏｌ％強程度で顕著な効果が見られる。但し、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。
【００９９】
以上では、酸化物混合バッファ層と金属混合バッファ層が各１層ずつの場合について説明したが、これらの層の片方もしくは両方が複数あっても本発明としての効果を発揮できることは言うまでもない。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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】
【０１０５】
以上のように、本発明にかかる光変調器は安価なターゲットを用いることにより、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ことを可能とし、コストと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】
【０１０６】
【図１】本発明の実施形態を製作するためのスパッタ装置の内部
【図２】本発明の実施形態の断面図
【図３】本発明の実施形態のＤＣドリフト抑圧の原理を説明する図
【図４】本発明の原理を説明する図
【図５】本発明の原理を説明する図
【図６】本発明の実施形態のＤＣドリフト特性
【図７】本発明の実施形態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８】図７のＤ−Ｄ’における断面図
【図９】第１の従来技術によるＬＮ光変調器の斜視図
【図１０】図９のＡ−Ａ’における断面図
【図１１】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１２】第１の従来技術によるＬＮ光変調器の等価回路図
【図１３】第１の従来技術によるＬＮ光変調器のＤＣドリフト特性
【図１４】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
【図１５】第２の従来技術によるＬＮ光変調器の断面図
【図１６】第２の従来技術によるＬＮ光変調器の等価回路図
【図１７】第２の従来技術によるＬＮ光変調器のＤＣドリフト特性
【図１８】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１９】図１８のＣ−Ｃ’における断面図
【符号の説明】
【０１０７】
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
２０：Ｓｎターゲット
２１：酸化物混合バッファ層
２２：金属混合バッファ層
２３：Ｉｎ層
２４：Ｉｎペレット
【図１】
2007199500.tif 000003
【図２】
2007199500.tif 000004
【図３】
2007199500.tif 000005
【図４】
2007199500.tif 000006
【図５】
2007199500.tif 000007
【図６】
2007199500.tif 000008
【図７】
2007199500.tif 000009
【図８】
2007199500.tif 000010
【図９】
2007199500.tif 000011
【図１０】
2007199500.tif 000012
【図１１】
2007199500.tif 000013
【図１２】
2007199500.tif 000014
【図１３】
2007199500.tif 000015
【図１４】
2007199500.tif 000016
【図１５】
2007199500.tif 000017
【図１６】
2007199500.tif 000018
【図１７】
2007199500.tif 000019
【図１８】
2007199500.tif 000020
【図１９】
2007199500.tif 000021