JP2003066393A - 集積化光導波路デバイス - Google Patents
集積化光導波路デバイスInfo
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Abstract
(57)【要約】 (修正有)
【課題】焦電または圧電効果によるDCドリフト現象を
抑圧した集積化光導波路デバイスの提供。 【解決手段】自発分極の方向に垂直な第1及び第2の表
面を有する強誘電材料基板を備える光集積回路デバイ
ス。少なくとも1本の導波路の少なくとも軸方向導波路
区画が第1の表面の第1の自発分極配向を有する第1の
基板領域に形成される。第1の配向とは逆の第2の自発
分極配向を有する少なくとも1つの第2の基板領域が軸
方向基板区画に対して横方向に、第1の基板領域に隣接
して設けられる。焦電、圧電及び光誘起屈折率効果の内
の少なくとも1つにより発生する分極または自由電荷の
結果、第1の表面に対して接線方向の電場成分が発現す
る。可動電荷を含む材料層が第1の表面に結合され、接
線方向電場成分が可動電荷の変位を誘起して基板の分極
または自由電荷を実質的に補償し、少なくとも軸方向基
板区画の垂直方向電場成分を小さくする。
抑圧した集積化光導波路デバイスの提供。 【解決手段】自発分極の方向に垂直な第1及び第2の表
面を有する強誘電材料基板を備える光集積回路デバイ
ス。少なくとも1本の導波路の少なくとも軸方向導波路
区画が第1の表面の第1の自発分極配向を有する第1の
基板領域に形成される。第1の配向とは逆の第2の自発
分極配向を有する少なくとも1つの第2の基板領域が軸
方向基板区画に対して横方向に、第1の基板領域に隣接
して設けられる。焦電、圧電及び光誘起屈折率効果の内
の少なくとも1つにより発生する分極または自由電荷の
結果、第1の表面に対して接線方向の電場成分が発現す
る。可動電荷を含む材料層が第1の表面に結合され、接
線方向電場成分が可動電荷の変位を誘起して基板の分極
または自由電荷を実質的に補償し、少なくとも軸方向基
板区画の垂直方向電場成分を小さくする。
Description
【0001】説明
本発明は全般的には光集積回路の分野に関する。さらに
詳しくは、本発明は、基板材料に集積された光導波路を
通って光ビームが伝搬する集積化光導波路デバイスに関
する。特に、ただし限定する意味はもたずに、本発明
は、動作が電気光学効果に基づくデバイスである、周波
数変換器及び電気光学変調器に関する。電気光学変調器
の例は位相変調器または強度変調器であり、例えばマッ
ハ−ツェンダー型の干渉計式変調器である。
詳しくは、本発明は、基板材料に集積された光導波路を
通って光ビームが伝搬する集積化光導波路デバイスに関
する。特に、ただし限定する意味はもたずに、本発明
は、動作が電気光学効果に基づくデバイスである、周波
数変換器及び電気光学変調器に関する。電気光学変調器
の例は位相変調器または強度変調器であり、例えばマッ
ハ−ツェンダー型の干渉計式変調器である。
【0002】変調器及びスイッチのような集積化光導波
路デバイスは、強誘電材料の基板の上に作製されること
が多い。既知の全ての基板材料の中では、リチウムナイ
オベート(LiNbO3)が、電気光学特性が優れている
こと及び低損失光導波路の作成を提供できることから、
おそらくは最も広く用いられている。その他の既知の基
板材料は、例えばリチウムタンタレート(LiTaO3)
である。
路デバイスは、強誘電材料の基板の上に作製されること
が多い。既知の全ての基板材料の中では、リチウムナイ
オベート(LiNbO3)が、電気光学特性が優れている
こと及び低損失光導波路の作成を提供できることから、
おそらくは最も広く用いられている。その他の既知の基
板材料は、例えばリチウムタンタレート(LiTaO3)
である。
【0003】電気光学効果は、テンソルであることを特
徴とする二次非線形特性である。このテンソルは材料の
光周波数における分極の変化(すなわち屈折率変化)を、
光場の周波数よりかなり低い周波数における変調電場で
ある、低周波変調電場と関係付ける。光場の位相及び振
幅変調は、電気光学効果により材料の屈折率を変化させ
る、外部電場の印加により得ることができる。
徴とする二次非線形特性である。このテンソルは材料の
光周波数における分極の変化(すなわち屈折率変化)を、
光場の周波数よりかなり低い周波数における変調電場で
ある、低周波変調電場と関係付ける。光場の位相及び振
幅変調は、電気光学効果により材料の屈折率を変化させ
る、外部電場の印加により得ることができる。
【0004】簡単のため、電気光学効果のテンソル的性
質を無視すれば、光周波数ωにおける屈折率変化Δn
(ω)は、電気光学係数rと変調電場Eoとの積に比例す
る:すなわちΔn(ω)∝r・Eoである。
質を無視すれば、光周波数ωにおける屈折率変化Δn
(ω)は、電気光学係数rと変調電場Eoとの積に比例す
る:すなわちΔn(ω)∝r・Eoである。
【0005】LiNbO3結晶の場合、最大値を有する
電気光学係数はr33〜30pm/Vである。電気光学
係数r33は、c(zとも称される)結晶軸に沿って偏極
した電磁波に作用する屈折率変化を同じ軸に沿う変調電
場成分と関係付ける。
電気光学係数はr33〜30pm/Vである。電気光学
係数r33は、c(zとも称される)結晶軸に沿って偏極
した電磁波に作用する屈折率変化を同じ軸に沿う変調電
場成分と関係付ける。
【0006】この理由のため、LiNbO3結晶基板に
は、z結晶軸が最大面積の表面に垂直なzカット薄板
が、比較的高い変調周波数においてさえも優れた変調性
能を確保できる形態であることから、一般に利用され
る。
は、z結晶軸が最大面積の表面に垂直なzカット薄板
が、比較的高い変調周波数においてさえも優れた変調性
能を確保できる形態であることから、一般に利用され
る。
【0007】電気光学特性に加えて、強誘電材料は、焦
電性、圧電性及び光誘起屈折性のようなその他の特性を
示す。
電性、圧電性及び光誘起屈折性のようなその他の特性を
示す。
【0008】知られているように、焦電効果は比較的速
い温度ドリフトによる材料の自発分極における変化であ
り、一方圧電効果は材料の変形を生じさせる機械的応力
による自発分極における変化である。光誘起屈折率効果
は、屈折率における光誘起変化を意味する。
い温度ドリフトによる材料の自発分極における変化であ
り、一方圧電効果は材料の変形を生じさせる機械的応力
による自発分極における変化である。光誘起屈折率効果
は、屈折率における光誘起変化を意味する。
【0009】これらの特性は、光集積回路デバイスに有
害な効果であり、光集積回路デバイスによる所望の機能
の実行を阻害する。
害な効果であり、光集積回路デバイスによる所望の機能
の実行を阻害する。
【0010】強誘電材料基板に温度ドリフト、機械的応
力及び短波長光強度のような、パラメータの変化を受け
させると、実際に、自由電荷または分極電荷を強誘電材
料基板に発生させることができる。これらの電荷は、光
学モードを伝搬させるための導波路が配置された基板領
域においてかなりの大きさの電場を誘起し得る。
力及び短波長光強度のような、パラメータの変化を受け
させると、実際に、自由電荷または分極電荷を強誘電材
料基板に発生させることができる。これらの電荷は、光
学モードを伝搬させるための導波路が配置された基板領
域においてかなりの大きさの電場を誘起し得る。
【0011】電気光学効果により、上記電場はかなりの
大きさの屈折率変化を生じさせる。屈折率に対する上記
電場の効果は変調電場の効果と同様である;自由電荷ま
たは分極電荷により材料に誘起される電場をEとすれ
ば、光周波数ωにおける屈折率変化は、Δn(ω)∝r・
Eである。
大きさの屈折率変化を生じさせる。屈折率に対する上記
電場の効果は変調電場の効果と同様である;自由電荷ま
たは分極電荷により材料に誘起される電場をEとすれ
ば、光周波数ωにおける屈折率変化は、Δn(ω)∝r・
Eである。
【0012】特に、結晶のz軸に沿う電場は、電磁波が
それに沿って通常偏極されて最大の電気光学変調を受け
る軸である、z軸自体に沿う屈折率変化を生じさせるか
ら、より密接に関連する電場である。
それに沿って通常偏極されて最大の電気光学変調を受け
る軸である、z軸自体に沿う屈折率変化を生じさせるか
ら、より密接に関連する電場である。
【0013】リチウムナイオベートでは、優れた電気的
特性に、他の強誘電材料に比較してより強い焦電、圧電
及び光誘起屈折率特性がともなう。さらにリチウムナイ
オベートでは、焦電場、すなわち焦電効果により材料に
発生する電場が、上述したように最も大きい電気光学係
数を示す軸でもある、z結晶軸に沿う向きをもつ。
特性に、他の強誘電材料に比較してより強い焦電、圧電
及び光誘起屈折率特性がともなう。さらにリチウムナイ
オベートでは、焦電場、すなわち焦電効果により材料に
発生する電場が、上述したように最も大きい電気光学係
数を示す軸でもある、z結晶軸に沿う向きをもつ。
【0014】代表的な状況の例として、マッハ−ツェン
ダー型集積化導波路電気光学変調器を考えることにす
る。そのようなデバイスは、例えば光ビームの強度を変
調できるため、光集積回路に広く用いられている。
ダー型集積化導波路電気光学変調器を考えることにす
る。そのようなデバイスは、例えば光ビームの強度を変
調できるため、光集積回路に広く用いられている。
【0015】温度、機械的応力及び光照射の変化は、自
由または分極電荷の出現を決定し、したがって干渉計ア
ームが形成された基板領域に電場をつくることができ
る。これらの電荷は、導波路を通る光学モード伝搬を変
化させる屈折率変化を、電気光学効果により誘起する。
言い換えれば、干渉計アームを通る光学モードの伝搬
は、印加変調電場によるだけでなく、圧電及び/または
焦電効果により発生する電場によっても影響される。上
記の変化によりデバイスの光応答にいわゆるDCドリフ
トが生じ、よってデバイスの光応答が長い時定数をもっ
て変化する。
由または分極電荷の出現を決定し、したがって干渉計ア
ームが形成された基板領域に電場をつくることができ
る。これらの電荷は、導波路を通る光学モード伝搬を変
化させる屈折率変化を、電気光学効果により誘起する。
言い換えれば、干渉計アームを通る光学モードの伝搬
は、印加変調電場によるだけでなく、圧電及び/または
焦電効果により発生する電場によっても影響される。上
記の変化によりデバイスの光応答にいわゆるDCドリフ
トが生じ、よってデバイスの光応答が長い時定数をもっ
て変化する。
【0016】温度または機械的応力の変化が十分に緩慢
であれば、(フリンジ効果すなわち符号が逆の電荷の不
完全遮蔽により発生する)外部電場が、内部分極電荷を
補償するに十分な自由電荷を基板表面に引きつけること
ができる。内部分極電荷の補償は、体積導電度に関係す
る、結晶を通る電流によることもできる。このようにし
て、疑似中性状況が回復され、電場が低められる。
であれば、(フリンジ効果すなわち符号が逆の電荷の不
完全遮蔽により発生する)外部電場が、内部分極電荷を
補償するに十分な自由電荷を基板表面に引きつけること
ができる。内部分極電荷の補償は、体積導電度に関係す
る、結晶を通る電流によることもできる。このようにし
て、疑似中性状況が回復され、電場が低められる。
【0017】温度及び/または機械的応力に比較的速い
変化があり、よって電荷補償プロセスの生起が妨げられ
る場合には、状況が異なる。
変化があり、よって電荷補償プロセスの生起が妨げられ
る場合には、状況が異なる。
【0018】さらに、変調器の幾何学的構造における
(例えば金属電極に対する2本の導波路アームの位置に
おける)非対称性は、焦電及び/または圧電効果の不均
一な影響を生じさせ、よってデバイス応答における変化
をさらに劇的にし、制御困難なものとし得る。
(例えば金属電極に対する2本の導波路アームの位置に
おける)非対称性は、焦電及び/または圧電効果の不均
一な影響を生じさせ、よってデバイス応答における変化
をさらに劇的にし、制御困難なものとし得る。
【0019】上記の効果の影響に関する認識を提供する
ため、導波路領域がz軸に垂直な表面の1つの下に配置
された、zカットリチウムナイオベート基板を考えるこ
ととする。基板が焦電効果を受けることを想定してみる
(この論法は、圧電または光起電力効果のような、同様
の態様で電荷を生じさせる別の効果に拡張できる)。比
較的速い温度変化があれば、-4×10-5C/km2程
度の未補償表面電荷密度が形成されるであろう。この係
数の負号は、温度が上昇したときに、結晶のz+表面
(すなわち、それに向けてz軸が配向されている表面)に
符号が負の分極電荷が集まり、一方対向するz−表面に
は正の分極電荷が集まるであろうことを意味する。温度
の低下に対しては、この逆が成立する。上記の表面電荷
分布の結果、結晶内部のほぼ全体で一様な電場Eが、z
軸に沿って誘起されるであろう。実際には基板の縁端に
おいてフリンジ電場効果があるであろうが、通常は基板
縁端から離して配置される導波路領域に、そのような非
一様性が有意に影響することはない。基板自体は通常、
その厚さに比較して大きい。したがって、電場Eは一様
であると見なされ、導波路領域においてz軸に沿う方向
を有し、1Kごとの温度変化に対してほぼ1.6×10
5V/mの大きさをもつ。
ため、導波路領域がz軸に垂直な表面の1つの下に配置
された、zカットリチウムナイオベート基板を考えるこ
ととする。基板が焦電効果を受けることを想定してみる
(この論法は、圧電または光起電力効果のような、同様
の態様で電荷を生じさせる別の効果に拡張できる)。比
較的速い温度変化があれば、-4×10-5C/km2程
度の未補償表面電荷密度が形成されるであろう。この係
数の負号は、温度が上昇したときに、結晶のz+表面
(すなわち、それに向けてz軸が配向されている表面)に
符号が負の分極電荷が集まり、一方対向するz−表面に
は正の分極電荷が集まるであろうことを意味する。温度
の低下に対しては、この逆が成立する。上記の表面電荷
分布の結果、結晶内部のほぼ全体で一様な電場Eが、z
軸に沿って誘起されるであろう。実際には基板の縁端に
おいてフリンジ電場効果があるであろうが、通常は基板
縁端から離して配置される導波路領域に、そのような非
一様性が有意に影響することはない。基板自体は通常、
その厚さに比較して大きい。したがって、電場Eは一様
であると見なされ、導波路領域においてz軸に沿う方向
を有し、1Kごとの温度変化に対してほぼ1.6×10
5V/mの大きさをもつ。
【0020】焦電または圧電効果によるDCドリフト現
象を抑制するためのいくつかの解決策が提案されてい
る。
象を抑制するためのいくつかの解決策が提案されてい
る。
【0021】提案された解決策の内のいくつかは、電荷
の高速再分布を生じさせ、よって有害な電場の低減また
は抑制をおこさせるための、可動電荷をもつ導電性材料
膜の使用を必要とする。
の高速再分布を生じさせ、よって有害な電場の低減また
は抑制をおこさせるための、可動電荷をもつ導電性材料
膜の使用を必要とする。
【0022】例えば米国特許第5,621,839号は、
LiNbO3,LiTaO3,Li(Nbx,Ta
1−x)O3のようなxカット強誘電結晶からつくられ
た基板を有し、光導波路がxカット基板の主表面の1つ
に形成された、光導波路デバイスを説明している。第1
及び第2の導電層がそれぞれz−及びz+基板結晶面上
に形成される。第1及び第2の導電層は、主表面に形成
された導電層を介して電気的に接続される。
LiNbO3,LiTaO3,Li(Nbx,Ta
1−x)O3のようなxカット強誘電結晶からつくられ
た基板を有し、光導波路がxカット基板の主表面の1つ
に形成された、光導波路デバイスを説明している。第1
及び第2の導電層がそれぞれz−及びz+基板結晶面上
に形成される。第1及び第2の導電層は、主表面に形成
された導電層を介して電気的に接続される。
【0023】言い換えれば、z+及びz−基板面、すな
わち、それに沿って焦電場が発現するz結晶軸に垂直な
基板面は、導電性材料で覆われ、導電経路を介して互い
に接続される。
わち、それに沿って焦電場が発現するz結晶軸に垂直な
基板面は、導電性材料で覆われ、導電経路を介して互い
に接続される。
【0024】この解決策は、x結晶軸に垂直な基板面の
内の1つの対応する位置に光導波路が集積されるxカッ
ト基板に対しては、極めて直截的である。しかし、xカ
ット基板に形成されたデバイスは、電気光学応答に関し
て、基板のz面の内の1つの対応する位置に導波路が集
積される、zヵット基板に作られたデバイスよりも、効
率が低い。
内の1つの対応する位置に光導波路が集積されるxカッ
ト基板に対しては、極めて直截的である。しかし、xカ
ット基板に形成されたデバイスは、電気光学応答に関し
て、基板のz面の内の1つの対応する位置に導波路が集
積される、zヵット基板に作られたデバイスよりも、効
率が低い。
【0025】zカット基板に集積されたデバイスへの上
述の解決策の実施は、導電材料で覆われるべき表面の内
の1つが変調電場を印加するための駆動電極が配置され
る表面でもあるから、困難である。この場合には、駆動
電極間に短絡が生じないように、特殊な材料が用いられ
なければならず、及び/または特殊な処理が考え出され
なければならない。
述の解決策の実施は、導電材料で覆われるべき表面の内
の1つが変調電場を印加するための駆動電極が配置され
る表面でもあるから、困難である。この場合には、駆動
電極間に短絡が生じないように、特殊な材料が用いられ
なければならず、及び/または特殊な処理が考え出され
なければならない。
【0026】例えば、米国特許第5,153,930号で
は、焦電効果を示す材料の基板を用いるデバイスが説明
されている。このデバイスは、zヵット単結晶LiNb
O3の基板に2本のTi拡散導波路を形成して作製され
ている。次いで、SiO2のバッファ層が基板表面の上
に形成される。高導電状態のチタン薄膜がバッファ層上
に被着され、次にAl層がチタン薄膜上に被着されて、
2つの個別電極及びチタン薄膜の周縁を囲んで広がるリ
ングを定めるようにパターニングされる。Al層は基板
裏面上にも被着される。次いでこの構造が、酸素及び窒
素の雰囲気において、約250℃より高い温度でベーク
される。ベーク中に、チタン薄膜の露出部分は高抵抗状
態に転換される。次いで、リングを裏面上に被着された
Al層に接続するために、導電性塗料の線条が基板の側
面に塗布される。温度変化が基板面間に焦電場を発生さ
せると、導電性塗料の線条が、基板内に正味の電場が存
在しないように、リングと表面及び裏面のAl層との間
で電荷を再分布させて対抗電場を生じさせることができ
る。これはミリ秒程度の時間内におこり、したがって、
焦電場と表面電荷による電場との間の平衡を達成するに
必要な時間は非常に短く、ほとんどの目的に対して、温
度変化によるスイッチの性能の不安定性は全く観察され
ない。
は、焦電効果を示す材料の基板を用いるデバイスが説明
されている。このデバイスは、zヵット単結晶LiNb
O3の基板に2本のTi拡散導波路を形成して作製され
ている。次いで、SiO2のバッファ層が基板表面の上
に形成される。高導電状態のチタン薄膜がバッファ層上
に被着され、次にAl層がチタン薄膜上に被着されて、
2つの個別電極及びチタン薄膜の周縁を囲んで広がるリ
ングを定めるようにパターニングされる。Al層は基板
裏面上にも被着される。次いでこの構造が、酸素及び窒
素の雰囲気において、約250℃より高い温度でベーク
される。ベーク中に、チタン薄膜の露出部分は高抵抗状
態に転換される。次いで、リングを裏面上に被着された
Al層に接続するために、導電性塗料の線条が基板の側
面に塗布される。温度変化が基板面間に焦電場を発生さ
せると、導電性塗料の線条が、基板内に正味の電場が存
在しないように、リングと表面及び裏面のAl層との間
で電荷を再分布させて対抗電場を生じさせることができ
る。これはミリ秒程度の時間内におこり、したがって、
焦電場と表面電荷による電場との間の平衡を達成するに
必要な時間は非常に短く、ほとんどの目的に対して、温
度変化によるスイッチの性能の不安定性は全く観察され
ない。
【0027】言い換えれば、露出されている最上層に
は、電極に印加された電力の過大な散失を誘起すること
なく、焦電場の補償を可能にするに十分な導電性がある
ことが根本である。
は、電極に印加された電力の過大な散失を誘起すること
なく、焦電場の補償を可能にするに十分な導電性がある
ことが根本である。
【0028】しかし、電極間のチタン薄膜の高抵抗露出
部分の抵抗値は有限であって、無限大ではないから、基
板表面が基板裏面上のAl層に電気的に接続されている
という事実により、デバイスの低周波における挙動が悪
影響を受ける。
部分の抵抗値は有限であって、無限大ではないから、基
板表面が基板裏面上のAl層に電気的に接続されている
という事実により、デバイスの低周波における挙動が悪
影響を受ける。
【0029】米国特許第5,214,724号は、低周波
帯域で導電体として作用するシリコン半導体層が、温度
等の変化により生じる表面電荷の分布を一様にし、光導
波路デバイスの特性を安定化するように、二酸化シリコ
ンのバッファ層と駆動電極との間に、バッファ層全面を
覆って形成される、zカットリチウムナイオベート基板
を用いる光導波路デバイスを説明している。本質的に、
シリコン層は、焦電効果により誘起される電場のような
低周波電場に対しては導電体として作用し、より周波数
の高い変調電場に対しては誘電体として作用する。
帯域で導電体として作用するシリコン半導体層が、温度
等の変化により生じる表面電荷の分布を一様にし、光導
波路デバイスの特性を安定化するように、二酸化シリコ
ンのバッファ層と駆動電極との間に、バッファ層全面を
覆って形成される、zカットリチウムナイオベート基板
を用いる光導波路デバイスを説明している。本質的に、
シリコン層は、焦電効果により誘起される電場のような
低周波電場に対しては導電体として作用し、より周波数
の高い変調電場に対しては誘電体として作用する。
【0030】言い換えれば、この場合の意図は、温度変
化により誘起された分極電荷により導波路に生じる電場
を一様にすることにある。
化により誘起された分極電荷により導波路に生じる電場
を一様にすることにある。
【0031】上述したように、強誘電材料の屈折率の変
化は、光誘起屈折率効果により、光によっても誘起され
得る。この場合には、光起電力効果及び電気光学効果に
より電荷が基板に発生し、この結果生じる電場が屈折率
を変化させる。
化は、光誘起屈折率効果により、光によっても誘起され
得る。この場合には、光起電力効果及び電気光学効果に
より電荷が基板に発生し、この結果生じる電場が屈折率
を変化させる。
【0032】光誘起屈折率効果は、リチウムナイオベー
トのレーザダイオードベース二次高調波発生(SHG)デ
バイス、端的には周波数変換器に関連して研究されてき
た。Appl. Phys. Lett.誌,第67巻(1995年),1
957ページの,V.プルネリ(V. Pruneri)等:「周期
分極化リチウムナイオベートにおける自己組織化光誘起
散乱」、Optics Letters誌,第21巻(1996年),8
57ページの、M.タヤ(M. Taya)等:「周期分極化強誘
電体における光誘起屈折率効果」、及びAppl. Phys. Let
t.誌,第49巻(1996年),1349ページの,B.
スターマン(B.Sturman)等:「周期分極化リチウムナイオ
ベートにおける自己組織化光誘起散乱機構」に報告され
ているように、周期分極化された、すなわち強誘電分域
が周期的に反転された、リチウムナイオベートは、非線
形光過程の疑似位相整合を保証するだけでなく、光誘起
屈折率効果により生じるビーム歪も低減する。この低減
の背後にある機構は、光起電力電流がz軸方向にしたが
い、よって周期的に符号が変わる空間電荷分布がレーザ
ビームの両側に生じるという事実にある。このことは、
ビーム径が構造の周期より大きい場合に、z軸に沿う電
場がかなり低められることを意味する。実際上、それで
も電場変調は(レーザビームの縁から)周期的分域構造の
周期と同等の深さにかけて現れる。
トのレーザダイオードベース二次高調波発生(SHG)デ
バイス、端的には周波数変換器に関連して研究されてき
た。Appl. Phys. Lett.誌,第67巻(1995年),1
957ページの,V.プルネリ(V. Pruneri)等:「周期
分極化リチウムナイオベートにおける自己組織化光誘起
散乱」、Optics Letters誌,第21巻(1996年),8
57ページの、M.タヤ(M. Taya)等:「周期分極化強誘
電体における光誘起屈折率効果」、及びAppl. Phys. Let
t.誌,第49巻(1996年),1349ページの,B.
スターマン(B.Sturman)等:「周期分極化リチウムナイオ
ベートにおける自己組織化光誘起散乱機構」に報告され
ているように、周期分極化された、すなわち強誘電分域
が周期的に反転された、リチウムナイオベートは、非線
形光過程の疑似位相整合を保証するだけでなく、光誘起
屈折率効果により生じるビーム歪も低減する。この低減
の背後にある機構は、光起電力電流がz軸方向にしたが
い、よって周期的に符号が変わる空間電荷分布がレーザ
ビームの両側に生じるという事実にある。このことは、
ビーム径が構造の周期より大きい場合に、z軸に沿う電
場がかなり低められることを意味する。実際上、それで
も電場変調は(レーザビームの縁から)周期的分域構造の
周期と同等の深さにかけて現れる。
【0033】米国特許第5,278,924号では、電気
光学変調器に関連して、周期分極化が光変調とRF電気
信号との間の位相速度不整合を補償するための方法とし
て提案された。さらに詳しくは、非対称コプレーナ型進
行波電極をもつ集積化光マッハ−ツェンダー干渉計が、
反転領域及び非反転領域をもつ強誘電分域を有する基板
に形成される。反転及び非反転領域は、干渉計アームに
対して横方向に、すなわち導波路に対して横方向に、ア
ームに沿って交互する逐次連続領域列をなして、互いに
平行に延びる。それぞれの干渉計アームにおける光信号
は、強誘電分域の反転及び非反転領域を通過する。反転
領域と非反転領域との間の遷移毎に、光信号の誘起位相
変調の符号が変わる。これが、RF電気信号と光信号と
の間の位相速度不整合により生じる、光信号の変調とR
F信号との間の180°位相差を補償する。
光学変調器に関連して、周期分極化が光変調とRF電気
信号との間の位相速度不整合を補償するための方法とし
て提案された。さらに詳しくは、非対称コプレーナ型進
行波電極をもつ集積化光マッハ−ツェンダー干渉計が、
反転領域及び非反転領域をもつ強誘電分域を有する基板
に形成される。反転及び非反転領域は、干渉計アームに
対して横方向に、すなわち導波路に対して横方向に、ア
ームに沿って交互する逐次連続領域列をなして、互いに
平行に延びる。それぞれの干渉計アームにおける光信号
は、強誘電分域の反転及び非反転領域を通過する。反転
領域と非反転領域との間の遷移毎に、光信号の誘起位相
変調の符号が変わる。これが、RF電気信号と光信号と
の間の位相速度不整合により生じる、光信号の変調とR
F信号との間の180°位相差を補償する。
【0034】米国特許第6,055,342号では、強誘
電分域反転が、集積化光強度変調器において、低挿入損
失及び低駆動電圧で光波を変調するために、光波分布モ
ードが導波路の中心に対して非対称であるように、光導
波路の屈折率をスタガーパターンをもって不連続にする
ために利用されている。基板の自発分極の方向から反転
した分域を有する分域反転領域は、光導波路の周りにス
タガーパターンで配置され、分域反転領域と自発分極領
域との間の境界は光導波路の中心にある。
電分域反転が、集積化光強度変調器において、低挿入損
失及び低駆動電圧で光波を変調するために、光波分布モ
ードが導波路の中心に対して非対称であるように、光導
波路の屈折率をスタガーパターンをもって不連続にする
ために利用されている。基板の自発分極の方向から反転
した分域を有する分域反転領域は、光導波路の周りにス
タガーパターンで配置され、分域反転領域と自発分極領
域との間の境界は光導波路の中心にある。
【0035】日本国特許第07-191352号は、導
波路間で光波エネルギーの相互交換がおこる、方向性結
合型光スイッチのような光導波路デバイスの問題を論じ
ている。このデバイスは、zカットLiNbO3結晶か
らつくられた結晶基板を含み、この基板の表面に2本の
光導波路が隣り合わせで平行に形成されている。デバイ
スは結合領域、すなわち導波路間で光波エネルギーの相
互交換がおこる基板領域を有する。正電極及び負電極が
バッファ層を介して光導波路と同じ基板表面に形成さ
れ、それぞれの導波路にある程度重ねられて互いに平行
に延びる。2本の導波路においてz結晶軸に対してほぼ
逆方向に作用する、正電極から曲線を描いて負電極に向
かう電場が発生する。
波路間で光波エネルギーの相互交換がおこる、方向性結
合型光スイッチのような光導波路デバイスの問題を論じ
ている。このデバイスは、zカットLiNbO3結晶か
らつくられた結晶基板を含み、この基板の表面に2本の
光導波路が隣り合わせで平行に形成されている。デバイ
スは結合領域、すなわち導波路間で光波エネルギーの相
互交換がおこる基板領域を有する。正電極及び負電極が
バッファ層を介して光導波路と同じ基板表面に形成さ
れ、それぞれの導波路にある程度重ねられて互いに平行
に延びる。2本の導波路においてz結晶軸に対してほぼ
逆方向に作用する、正電極から曲線を描いて負電極に向
かう電場が発生する。
【0036】日本国特許第07-191352号によれ
ば、上記の構成では、2本の光導波路における電場の作
用の方向はほぼ逆であるに過ぎず、よって方向が完全に
逆の場合に比較して電場の作用に大きな損失がある。さ
らに、両光導波路への電場の最も効率的な作用を確保す
るには、微細な位置調節が必要である。例として、電場
の密区画が光導波路に集中されるように、電極の縁端区
画が光導波路のデバイスの中心領域における最適位置に
整合される。微細光導波路でのこの種の高精度位置調節
は極めて困難であり、生産性向上を阻害する。さらに、
正及び負電極が基板の同じ表面上に並べて形成されるか
ら、両電極間のバッファ層の存在により動作電圧が変動
する現象(DCドリフト)が生じ、この現象は実用上重大
な問題となる。
ば、上記の構成では、2本の光導波路における電場の作
用の方向はほぼ逆であるに過ぎず、よって方向が完全に
逆の場合に比較して電場の作用に大きな損失がある。さ
らに、両光導波路への電場の最も効率的な作用を確保す
るには、微細な位置調節が必要である。例として、電場
の密区画が光導波路に集中されるように、電極の縁端区
画が光導波路のデバイスの中心領域における最適位置に
整合される。微細光導波路でのこの種の高精度位置調節
は極めて困難であり、生産性向上を阻害する。さらに、
正及び負電極が基板の同じ表面上に並べて形成されるか
ら、両電極間のバッファ層の存在により動作電圧が変動
する現象(DCドリフト)が生じ、この現象は実用上重大
な問題となる。
【0037】したがって、この特許においては上記問題
を解決するとされるデバイスが説明される。説明される
デバイスでは、zカットリチウムナイオベート結晶基板
の表面に形成された一対の光導波路が、基板の結合領域
において光波エネルギーの相互交換を行う。光導波路が
つくられる結晶のz軸方向は互いに逆向きに形成され、
対向する平行平板の正及び負電極が結晶基板の上表面及
び下表面に配置される。この構成に基づけば、対向平行
平板電極間に形成される、線形で一様な平行電場の作用
により、光導波路のz軸に対してそれぞれ逆方向の作用
が行われる。
を解決するとされるデバイスが説明される。説明される
デバイスでは、zカットリチウムナイオベート結晶基板
の表面に形成された一対の光導波路が、基板の結合領域
において光波エネルギーの相互交換を行う。光導波路が
つくられる結晶のz軸方向は互いに逆向きに形成され、
対向する平行平板の正及び負電極が結晶基板の上表面及
び下表面に配置される。この構成に基づけば、対向平行
平板電極間に形成される、線形で一様な平行電場の作用
により、光導波路のz軸に対してそれぞれ逆方向の作用
が行われる。
【0038】上記特許によれば、電極構造が対向構造で
あり、電極間に誘電体があるという事実の結果、電極間
で発生し、従来技術のデバイスの問題の本質をなすDC
ドリフト現象を抑制できる。
あり、電極間に誘電体があるという事実の結果、電極間
で発生し、従来技術のデバイスの問題の本質をなすDC
ドリフト現象を抑制できる。
【0039】上で論じた技術の現状に鑑みて、出願人の
目的は、例えば位相変調器及び強度変調器のような変調
電場を外部から印加するための駆動電極を有するデバイ
ス、及び例えば周波数変換器のような電極を必要としな
いデバイスのいずれにおいても上記現象の実質的な軽減
を可能にする、集積化光導波路デバイスにおけるDCド
リフト問題に対する解決策を見いだすことにあった。
目的は、例えば位相変調器及び強度変調器のような変調
電場を外部から印加するための駆動電極を有するデバイ
ス、及び例えば周波数変換器のような電極を必要としな
いデバイスのいずれにおいても上記現象の実質的な軽減
を可能にする、集積化光導波路デバイスにおけるDCド
リフト問題に対する解決策を見いだすことにあった。
【0040】本発明にしたがえば:強誘電材料の自発分
極の方向に垂直な第1及び第2の表面を有する、強誘電
材料の基板;少なくとも第2の表面は外部発生電場の基
板への印加操作に対して実質的に反応しない;及び基板
の第1の表面の対応する位置で基板に集積された少なく
とも1本の導波路;を備える、集積化光導波路デバイス
が提供される。
極の方向に垂直な第1及び第2の表面を有する、強誘電
材料の基板;少なくとも第2の表面は外部発生電場の基
板への印加操作に対して実質的に反応しない;及び基板
の第1の表面の対応する位置で基板に集積された少なく
とも1本の導波路;を備える、集積化光導波路デバイス
が提供される。
【0041】少なくとも1本の導波路の少なくとも軸方
向導波路区画が第1の自発分極配向を有するそれぞれの
第1の基板領域に形成される。
向導波路区画が第1の自発分極配向を有するそれぞれの
第1の基板領域に形成される。
【0042】焦電効果、圧電効果及び光誘起屈折率効果
の内の1つまたはそれより多くにより発生する分極電荷
または自由電荷によって第1の表面に対して接線方向の
電場成分が発現するように、軸方向区画に対して横方向
に第1の基板領域と隣接し、第2の自発分極配向を有す
る、少なくとも1つの第2の基板領域が第1の基板領域
に設けられる。
の内の1つまたはそれより多くにより発生する分極電荷
または自由電荷によって第1の表面に対して接線方向の
電場成分が発現するように、軸方向区画に対して横方向
に第1の基板領域と隣接し、第2の自発分極配向を有す
る、少なくとも1つの第2の基板領域が第1の基板領域
に設けられる。
【0043】さらに、可動電荷を含む材料層が第1の表
面に結合され、よって前記接線方向電場成分の作用の下
で、基板の分極または自由電荷を実質的に補償して、少
なくとも軸方向導波路区画が集積されている第1の表面
に垂直な電場成分を実質的に低める、可動電荷の変位が
誘起される。
面に結合され、よって前記接線方向電場成分の作用の下
で、基板の分極または自由電荷を実質的に補償して、少
なくとも軸方向導波路区画が集積されている第1の表面
に垂直な電場成分を実質的に低める、可動電荷の変位が
誘起される。
【0044】言い換えれば、本発明の結果、焦電効果ま
たは圧電効果によりつくられる分極電荷による電場及び
光誘起屈折率効果によりつくられる自由電荷により発生
する電場のいずれもが、実質的に一様になるだけでな
く、少なくとも1本の光導波路が集積される基板表面の
少なくとも対応する位置において実質的に相殺される。
たは圧電効果によりつくられる分極電荷による電場及び
光誘起屈折率効果によりつくられる自由電荷により発生
する電場のいずれもが、実質的に一様になるだけでな
く、少なくとも1本の光導波路が集積される基板表面の
少なくとも対応する位置において実質的に相殺される。
【0045】一実施形態において、前記第1の表面は外
部発生電場の基板への印加操作に対して反応する表面で
あり、デバイスは導波路の屈折率を電気光学的に変調す
るための変調周波数範囲を有する変調電場を外部から印
加するための、第1の表面に結合された電極の、コプレ
ーナ型配置を含む。一方で第2の表面には電極がない。
前記材料層は、第1の表面と電極との間に挿入され、変
調周波数範囲において実質的に絶縁体として作用する。
部発生電場の基板への印加操作に対して反応する表面で
あり、デバイスは導波路の屈折率を電気光学的に変調す
るための変調周波数範囲を有する変調電場を外部から印
加するための、第1の表面に結合された電極の、コプレ
ーナ型配置を含む。一方で第2の表面には電極がない。
前記材料層は、第1の表面と電極との間に挿入され、変
調周波数範囲において実質的に絶縁体として作用する。
【0046】この場合、前記材料層はシリコン層である
ことが好ましい。
ことが好ましい。
【0047】一実施形態において、デバイスは干渉計式
電気光学変調器のそれぞれのアームを形成する少なくと
も2本の導波路を備える。前記少なくとも2本の導波路
は、デバイス変調領域の少なくとも導波路区画にかけ
て、導波路区画に対して横方向の軸に沿う自発分極が互
いに逆に配向されたそれぞれの基板領域に形成される。
電気光学変調器のそれぞれのアームを形成する少なくと
も2本の導波路を備える。前記少なくとも2本の導波路
は、デバイス変調領域の少なくとも導波路区画にかけ
て、導波路区画に対して横方向の軸に沿う自発分極が互
いに逆に配向されたそれぞれの基板領域に形成される。
【0048】前記それぞれの基板領域は、前記横方向の
軸に沿って互いに隣接することができる。
軸に沿って互いに隣接することができる。
【0049】前記少なくとも1つの第2の基板領域は、
前記導波路区画の軸方向に、導波路区画の両側に並べて
配置され、前記第1の基板領域を間に挟む、少なくとも
2つの第2の基板領域を含むことができる。
前記導波路区画の軸方向に、導波路区画の両側に並べて
配置され、前記第1の基板領域を間に挟む、少なくとも
2つの第2の基板領域を含むことができる。
【0050】詳しくは、前記少なくとも2本の導波路
は、干渉計式電気光学変調器のそれぞれのアームを形成
することができ、少なくとも導波路区画にかけて、前記
第1の基板領域に形成され得る。
は、干渉計式電気光学変調器のそれぞれのアームを形成
することができ、少なくとも導波路区画にかけて、前記
第1の基板領域に形成され得る。
【0051】別の実施形態においては、前記第1の表面
も外部発生電場の基板への印加操作に対して実質的に反
応せず、この場合、2つの表面のいずれにも電極はな
い。
も外部発生電場の基板への印加操作に対して実質的に反
応せず、この場合、2つの表面のいずれにも電極はな
い。
【0052】この場合には、前記材料層は金属層であ
る。
る。
【0053】この場合にも、前記少なくとも1つの第2
の基板領域は、導波路区画の軸方向に、導波路区画の両
側に並べて配置され、前記第1の基板領域を間に挟む、
少なくとも2つの第2の基板領域を含むことができる。
の基板領域は、導波路区画の軸方向に、導波路区画の両
側に並べて配置され、前記第1の基板領域を間に挟む、
少なくとも2つの第2の基板領域を含むことができる。
【0054】本発明の特徴及び利点は、添付図面に示さ
れる、非限定的例として提供されるに過ぎない、本発明
のいくつかの実施形態に関する以下の詳細な説明により
明らかになるであろう。
れる、非限定的例として提供されるに過ぎない、本発明
のいくつかの実施形態に関する以下の詳細な説明により
明らかになるであろう。
【0055】以下の説明では、説明される相異なる実施
形態において、同じであるか、類似するかまたは対応す
る要素を識別するために、同じ参照数字が適用される。
形態において、同じであるか、類似するかまたは対応す
る要素を識別するために、同じ参照数字が適用される。
【0056】図1及び2はそれぞれ、本発明の第1の実
施形態にしたがうデバイスを、上面図及び断面図で簡略
に示す。詳しくは、デバイスはコプレーナ型導波路(C
PW)マッハ−ツェンダー集積化電気光学変調器であ
る。
施形態にしたがうデバイスを、上面図及び断面図で簡略
に示す。詳しくは、デバイスはコプレーナ型導波路(C
PW)マッハ−ツェンダー集積化電気光学変調器であ
る。
【0057】本デバイスは、zヵット強誘電材料、例え
ばLiNbO3またはLiTaO3のような無機結晶
の、z結晶軸に垂直な上表面11及び下表面12を有す
る基板を備える。
ばLiNbO3またはLiTaO3のような無機結晶
の、z結晶軸に垂直な上表面11及び下表面12を有す
る基板を備える。
【0058】基板10は、少なくとも、光場と電場との
間の相互作用のために設けられたデバイス変調領域13
に、強誘電分域が互いに反転された、すなわち互いに逆
方向に分極された、少なくとも2つの強誘電分域領域1
4,15を含む。このことは、2つの領域14,15に
おいてz結晶軸の、領域14においては基板の上表面1
1に向かい、領域15においては基板の下表面12に向
かう、相異なり、対向する配向により図面に簡略に示さ
れる。
間の相互作用のために設けられたデバイス変調領域13
に、強誘電分域が互いに反転された、すなわち互いに逆
方向に分極された、少なくとも2つの強誘電分域領域1
4,15を含む。このことは、2つの領域14,15に
おいてz結晶軸の、領域14においては基板の上表面1
1に向かい、領域15においては基板の下表面12に向
かう、相異なり、対向する配向により図面に簡略に示さ
れる。
【0059】本デバイスはさらに:上表面11の対応す
る位置で基板10に従来技法で集積された、入力光導波
路16すなわち入力チャネル;入力導波路16に沿って
伝搬する入力光信号を、例えばy結晶軸方向に延び、干
渉計アームを形成する、2本の概ね平行な光導波路1
8,19に沿って伝搬する2つの光信号に分割するため
の第1のY−接合17;及び、y軸に沿って第1のY−
接合から隔てられた、前記2つの光信号を出力光導波路
111すなわち出力チャネルに沿って伝搬する出力光信
号に結合するための第2のY−接合110を備える。
る位置で基板10に従来技法で集積された、入力光導波
路16すなわち入力チャネル;入力導波路16に沿って
伝搬する入力光信号を、例えばy結晶軸方向に延び、干
渉計アームを形成する、2本の概ね平行な光導波路1
8,19に沿って伝搬する2つの光信号に分割するため
の第1のY−接合17;及び、y軸に沿って第1のY−
接合から隔てられた、前記2つの光信号を出力光導波路
111すなわち出力チャネルに沿って伝搬する出力光信
号に結合するための第2のY−接合110を備える。
【0060】2本の導波路18,19はそれぞれ、強誘
電分域領域14,15のそれぞれに形成される。
電分域領域14,15のそれぞれに形成される。
【0061】図示した例では、2つの領域14,15は
変調領域13の全長にわたり導波路18,19に対して
軸方向に延びる。2つの強誘電分域領域14と15との
間の境界112は、2本の導波路14と15との間でx
結晶軸に沿う中間の位置にある。しかし、2つの領域1
4及び15が例えばデバイス変調領域13の一部分だけ
にかけて延びることがあり得るから、上記のことが本発
明を限定すると見なされるべきではない。2つの領域1
4及び15がデバイス変調領域13の一部分だけにかけ
て延びる場合には、それぞれの導波路18,19が、領
域14,15と同様であって交互する強誘電分域配向を
有する領域の、軸方向逐次連続列を通過することができ
る。
変調領域13の全長にわたり導波路18,19に対して
軸方向に延びる。2つの強誘電分域領域14と15との
間の境界112は、2本の導波路14と15との間でx
結晶軸に沿う中間の位置にある。しかし、2つの領域1
4及び15が例えばデバイス変調領域13の一部分だけ
にかけて延びることがあり得るから、上記のことが本発
明を限定すると見なされるべきではない。2つの領域1
4及び15がデバイス変調領域13の一部分だけにかけ
て延びる場合には、それぞれの導波路18,19が、領
域14,15と同様であって交互する強誘電分域配向を
有する領域の、軸方向逐次連続列を通過することができ
る。
【0062】変調領域13においては、好ましくは金で
つくられる金属電極が、基板10の上表面11に重ねて
配置される。したがって、上表面11は、外部発生変調
電場のデバイスへの印加操作に対して反応する表面であ
る。一方で下表面12には電極が設けられず、したがっ
て下表面12は外部発生電場の印加操作に対して反応し
ない表面である。
つくられる金属電極が、基板10の上表面11に重ねて
配置される。したがって、上表面11は、外部発生変調
電場のデバイスへの印加操作に対して反応する表面であ
る。一方で下表面12には電極が設けられず、したがっ
て下表面12は外部発生電場の印加操作に対して反応し
ない表面である。
【0063】詳しくは、電極113が導波路18,19
に重ねられて、導波路の軸方向区画にかけて延びる。2
つの電極114,115がy軸に沿い、電極113に並
んで延びる。
に重ねられて、導波路の軸方向区画にかけて延びる。2
つの電極114,115がy軸に沿い、電極113に並
んで延びる。
【0064】電極114及び115は基準電位(接地電
位)と電気的に結合されるべく設けられ、したがって接
地電極として作用する。電極113は変調電位Vに電気
的に接続されるべく設けられ、したがって活電極として
作用する。電極のレイアウトは、デバイスの動作を変調
電場のスペクトルのマイクロ波領域まで可能にするよう
に、適切に設計される。
位)と電気的に結合されるべく設けられ、したがって接
地電極として作用する。電極113は変調電位Vに電気
的に接続されるべく設けられ、したがって活電極として
作用する。電極のレイアウトは、デバイスの動作を変調
電場のスペクトルのマイクロ波領域まで可能にするよう
に、適切に設計される。
【0065】2つの層116,117からなる積層が基
板上表面11と電極113,114,115との間に挿
入される。積層の下層116、すなわちバッファ層は、
光場の減衰を回避するように、導波路18,19におけ
る光場から金属電極を隔てるために、従来通りに設けら
れる。バッファ層は二酸化シリコンまたは、好ましく
は、誘電定数が二酸化シリコンより若干低く、したがっ
て光学モードと変調電場との間の位相整合の度合が確実
に高められ、特に変調電場がマイクロ波スペクトル領域
にある場合に損失が確実に低められる、ベンゾシクロブ
テン(BCB)の層とすることができる。
板上表面11と電極113,114,115との間に挿
入される。積層の下層116、すなわちバッファ層は、
光場の減衰を回避するように、導波路18,19におけ
る光場から金属電極を隔てるために、従来通りに設けら
れる。バッファ層は二酸化シリコンまたは、好ましく
は、誘電定数が二酸化シリコンより若干低く、したがっ
て光学モードと変調電場との間の位相整合の度合が確実
に高められ、特に変調電場がマイクロ波スペクトル領域
にある場合に損失が確実に低められる、ベンゾシクロブ
テン(BCB)の層とすることができる。
【0066】バッファ層116に重ねて、半導体材料層
117が設けられる。半導体材料であることは、本明細
書では、材料が変調電場の代表的な周波数においては実
質的に非導電性であり、一方焦電、圧電及び光誘起屈折
率効果が特徴的に示される低周波においては、そのよう
な材料が導電体として作用することを意味する。適切な
材料は例えばシリコンである。
117が設けられる。半導体材料であることは、本明細
書では、材料が変調電場の代表的な周波数においては実
質的に非導電性であり、一方焦電、圧電及び光誘起屈折
率効果が特徴的に示される低周波においては、そのよう
な材料が導電体として作用することを意味する。適切な
材料は例えばシリコンである。
【0067】それぞれの強誘電分域領域は、2本の干渉
計式変調器アームの内の1本の導波路を含めるに十分な
大きさが(導波路に対して横方向に、すなわちx方向に)
なければならない。強誘電分域領域は、それぞれの導波
路を通って伝搬する光学モードの横方向プロファイル全
体を包含することが好ましい。強誘電分域領域厚に関す
る限り、反転領域が導波路表面から深くなるほど、屈折
率変化の光学モードとの重なり、すなわち光学モードに
作用する実効屈折率変化が大きくなる。
計式変調器アームの内の1本の導波路を含めるに十分な
大きさが(導波路に対して横方向に、すなわちx方向に)
なければならない。強誘電分域領域は、それぞれの導波
路を通って伝搬する光学モードの横方向プロファイル全
体を包含することが好ましい。強誘電分域領域厚に関す
る限り、反転領域が導波路表面から深くなるほど、屈折
率変化の光学モードとの重なり、すなわち光学モードに
作用する実効屈折率変化が大きくなる。
【0068】変調器に入る光信号を変調するため、変調
電場が電極に印加されるように、電極113,114及
び115は、電圧が時間的に変化する電源に電気的に接
続される。
電場が電極に印加されるように、電極113,114及
び115は、電圧が時間的に変化する電源に電気的に接
続される。
【0069】変調電場の方向及び配向が2本の導波路1
8,19と同じであるにも関わらず、2本の導波路1
8,19が、符号が互いに逆の電気光学係数をもつ、互
いに反転された強誘電分域配向を有する基板領域に形成
されるという事実により、2本の導波路の屈折率は互い
に逆の変化を受け、対応して、そのような導波路に沿っ
て伝搬する光信号は互いに逆の位相シフトを受ける。す
なわち、デバイスはプッシュ−プル構成をもつと称され
る。
8,19と同じであるにも関わらず、2本の導波路1
8,19が、符号が互いに逆の電気光学係数をもつ、互
いに反転された強誘電分域配向を有する基板領域に形成
されるという事実により、2本の導波路の屈折率は互い
に逆の変化を受け、対応して、そのような導波路に沿っ
て伝搬する光信号は互いに逆の位相シフトを受ける。す
なわち、デバイスはプッシュ−プル構成をもつと称され
る。
【0070】出願人は、変調領域における電場の分布を
調べるために、図1及び2の構造について数値計算を実
施した。
調べるために、図1及び2の構造について数値計算を実
施した。
【0071】簡単のため、金属電極113,114,1
15は接地されているとして計算を実施した。言い換え
れば、金属電極の電位をゼロ(基板寸法よりかなり大き
い距離における電位と同じ値)に設定した。このように
することで、どのような電荷分離(すなわちLiNbO
3強誘電分域における分極変化)による電場分布の変化
も解析できた。問題の線形性を前提とすれば、電極への
いかなる外部印加電位(例えばデバイスの機能を保証す
る変調電圧)も、接地電極に対して計算された電場分布
についての変化を変遷させることはないであろう。本モ
デルでは、低周波において理想的に無限大の導電度を有
すると仮定される半導体材料層117は、接地されるこ
とになる。
15は接地されているとして計算を実施した。言い換え
れば、金属電極の電位をゼロ(基板寸法よりかなり大き
い距離における電位と同じ値)に設定した。このように
することで、どのような電荷分離(すなわちLiNbO
3強誘電分域における分極変化)による電場分布の変化
も解析できた。問題の線形性を前提とすれば、電極への
いかなる外部印加電位(例えばデバイスの機能を保証す
る変調電圧)も、接地電極に対して計算された電場分布
についての変化を変遷させることはないであろう。本モ
デルでは、低周波において理想的に無限大の導電度を有
すると仮定される半導体材料層117は、接地されるこ
とになる。
【0072】図2を参照して:
基板厚d1: 1mm;
基板幅d2: 2.4mm;
層116の厚さ: 1μm;
層117の厚さ: 1μm;
層116,117からなる積層及び金属電極の総厚d
4: 30μm; 電極の総幅d3: 1mm; 活電極幅d5; 40μm; 接地電極間の間隙幅d6; 80μm; の寸法を有するデバイスについて数値計算を実施した。
4: 30μm; 電極の総幅d3: 1mm; 活電極幅d5; 40μm; 接地電極間の間隙幅d6; 80μm; の寸法を有するデバイスについて数値計算を実施した。
【0073】図3及び4は数値計算で得られた電場分布
を示す。詳しくは、1Kの温度変化に対して生じる電場
の、図3はx成分Exの値を示し、一方図4は電場のz
成分Ezを示す。
を示す。詳しくは、1Kの温度変化に対して生じる電場
の、図3はx成分Exの値を示し、一方図4は電場のz
成分Ezを示す。
【0074】図4を調べれば、導波路領域における電場
のEz成分の値が0から2.5×104V/mの範囲で変
化することが容易に見てとれる。このことは、Ez成分
が、強誘電分極反転がない場合につくられるはずの電場
のEz成分よりほぼ1桁小さいことを意味する。事実、
先に述べたように、単一分域リチウムナイオベート基板
に1Kの温度変化毎に発現する電場のEz成分はほぼ
1.6×105V/mである。
のEz成分の値が0から2.5×104V/mの範囲で変
化することが容易に見てとれる。このことは、Ez成分
が、強誘電分極反転がない場合につくられるはずの電場
のEz成分よりほぼ1桁小さいことを意味する。事実、
先に述べたように、単一分域リチウムナイオベート基板
に1Kの温度変化毎に発現する電場のEz成分はほぼ
1.6×105V/mである。
【0075】上記結果の説明は以下の通りである。互い
に逆に配向された強誘電分域を有する2つの基板領域1
4及び15の存在の結果、2つの基板表面11,12の
対応する位置において基板に誘起される分極電荷は2つ
の領域14,15において互いに逆の符号を有する。詳
しくは、領域14の上表面には負電荷が存在するが、領
域15の上表面における電荷は正である。このことが、
図3及び4で、基板の上表面11のすぐ下の“+”及び
“−”符号で簡略に示されている。
に逆に配向された強誘電分域を有する2つの基板領域1
4及び15の存在の結果、2つの基板表面11,12の
対応する位置において基板に誘起される分極電荷は2つ
の領域14,15において互いに逆の符号を有する。詳
しくは、領域14の上表面には負電荷が存在するが、領
域15の上表面における電荷は正である。このことが、
図3及び4で、基板の上表面11のすぐ下の“+”及び
“−”符号で簡略に示されている。
【0076】2つの領域14,15の表面における、自
発分極により生成される符号が互いに逆の電荷の存在
が、基板が単一強誘電分域を形成する場合に対して電場
のEz成分をかなり小さくする。
発分極により生成される符号が互いに逆の電荷の存在
が、基板が単一強誘電分域を形成する場合に対して電場
のEz成分をかなり小さくする。
【0077】さらに、2つの領域14,15の表面にお
ける、自発分極の変化により生成される符号が互いに逆
の電荷の存在は、強いExすなわち接線方向電場成分を
誘起する。そのようなEx成分は、続いて、このような
周波数では導電体として作用する半導体材料層117に
表面電流を誘起する。よって、電荷の分離が半導体材料
層117及び金属電極に生じる。層117及び電極に発
生した自由電荷は、自発分極の変化より発生した基板の
上表面における電荷に対して、逆の符号を有する。これ
らの自由電荷は、分極電荷を少なくともある程度補償す
る。このことにより、導波路領域に、そのような領域に
おける電場のEz成分をさらに小さくする、中和過程が
おこる。
ける、自発分極の変化により生成される符号が互いに逆
の電荷の存在は、強いExすなわち接線方向電場成分を
誘起する。そのようなEx成分は、続いて、このような
周波数では導電体として作用する半導体材料層117に
表面電流を誘起する。よって、電荷の分離が半導体材料
層117及び金属電極に生じる。層117及び電極に発
生した自由電荷は、自発分極の変化より発生した基板の
上表面における電荷に対して、逆の符号を有する。これ
らの自由電荷は、分極電荷を少なくともある程度補償す
る。このことにより、導波路領域に、そのような領域に
おける電場のEz成分をさらに小さくする、中和過程が
おこる。
【0078】上記理由の結果、温度変化、機械的応力、
光強度により基板材料に誘起される分極電荷により生じ
るデバイス動作点への有害な効果が、大きく弱められ
る。
光強度により基板材料に誘起される分極電荷により生じ
るデバイス動作点への有害な効果が、大きく弱められ
る。
【0079】領域14と15との間の境界の周りの基板
表面の大部分を覆う金属電極の存在により、既に電場の
Ez成分の低減が可能となっていることは、注目に値す
る。この効果は、半導体材料層117を設けることによ
り強められる。
表面の大部分を覆う金属電極の存在により、既に電場の
Ez成分の低減が可能となっていることは、注目に値す
る。この効果は、半導体材料層117を設けることによ
り強められる。
【0080】図5は、本発明の第2の実施形態にしたが
う集積化光導波路デバイスの単純化した断面図を示す。
詳しくは、この第2の実施形態のデバイスは、コプレー
ナ型導波路(“CPW”)マッハ−ツェンダー干渉計式電
気光学変調器である。
う集積化光導波路デバイスの単純化した断面図を示す。
詳しくは、この第2の実施形態のデバイスは、コプレー
ナ型導波路(“CPW”)マッハ−ツェンダー干渉計式電
気光学変調器である。
【0081】図1及び2のデバイスと異なり、この場合
は2本の導波路18,19が、強誘電分域が第1の配
向、例えば図に示される“上向き”配向を有する単一強
誘電分域結晶領域をなす、同じ基板領域50に形成され
ている。基板領域50は、やはり単一の強誘電分域結晶
領域をなしているが、強誘電分域が領域50の配向とは
逆の第2の配向、例えば“下向き”配向を有する、2つ
の基板領域51,52に挟まれている。
は2本の導波路18,19が、強誘電分域が第1の配
向、例えば図に示される“上向き”配向を有する単一強
誘電分域結晶領域をなす、同じ基板領域50に形成され
ている。基板領域50は、やはり単一の強誘電分域結晶
領域をなしているが、強誘電分域が領域50の配向とは
逆の第2の配向、例えば“下向き”配向を有する、2つ
の基板領域51,52に挟まれている。
【0082】領域50,51及び52は、デバイス変調
領域の全長にわたって、またはデバイス変調領域の一部
分だけにかけて、延びることができる。後者の場合、導
波路18,19は、領域50と同様であり、交互する強
誘電分域配向を有する領域の、軸方向逐次連続列を通過
することができる。そのような軸方向逐次連続領域列に
並べて、やはり強誘電分域配向が交互する、別の2つ
の、領域51及び52と同様の領域の軸方向逐次連続列
が設けられるであろう。
領域の全長にわたって、またはデバイス変調領域の一部
分だけにかけて、延びることができる。後者の場合、導
波路18,19は、領域50と同様であり、交互する強
誘電分域配向を有する領域の、軸方向逐次連続列を通過
することができる。そのような軸方向逐次連続領域列に
並べて、やはり強誘電分域配向が交互する、別の2つ
の、領域51及び52と同様の領域の軸方向逐次連続列
が設けられるであろう。
【0083】2本の導波路の内の1本、本例では導波路
19が、中央活電極113の下に配置される。他方の導
波路18は、2つの接地電極の内の1つ、本例では電極
114の下に配置される。
19が、中央活電極113の下に配置される。他方の導
波路18は、2つの接地電極の内の1つ、本例では電極
114の下に配置される。
【0084】先の実施形態と同様に、バッファ層116
及び半導体層117からなる積層が金属電極と基板の上
表面11との間に挿入される。
及び半導体層117からなる積層が金属電極と基板の上
表面11との間に挿入される。
【0085】出願人は、図5の構造について、導波路領
域における電場の中央基板領域50の(図5に寸法d7
で示される)幅に対する依存性を解析するために、この
パラメータの様々な値に対して数値計算を実施した。
域における電場の中央基板領域50の(図5に寸法d7
で示される)幅に対する依存性を解析するために、この
パラメータの様々な値に対して数値計算を実施した。
【0086】先に説明した実施形態と同様に、金属電極
113,114,115が接地されているとして計算を
実施した。この場合の数値計算の意図は、いかなる電荷
分離による屈折率変化への寄与も可能な限りゼロに近
い、寸法d7の値を見いだすことであった:屈折率変化
への寄与が可能な限りゼロに近いことは、デバイスの動
作点におけるDCドリフトが無視可能になるであろうこ
とを意味する。
113,114,115が接地されているとして計算を
実施した。この場合の数値計算の意図は、いかなる電荷
分離による屈折率変化への寄与も可能な限りゼロに近
い、寸法d7の値を見いだすことであった:屈折率変化
への寄与が可能な限りゼロに近いことは、デバイスの動
作点におけるDCドリフトが無視可能になるであろうこ
とを意味する。
【0087】図5を参照して:
基板厚d1: 1mm;
基板幅d2: 2.4mm;
層116の厚さ: 1μm;
層117の厚さ: 1μm;
層116,117からなる積層及び金属電極の総厚d
4: 30μm; 電極配置の総幅d3: 1mm; 活電極幅d5; 9μm; 接地電極間の間隙幅d6; 57μm; の寸法を有する構造について数値計算を実施した。
4: 30μm; 電極配置の総幅d3: 1mm; 活電極幅d5; 9μm; 接地電極間の間隙幅d6; 57μm; の寸法を有する構造について数値計算を実施した。
【0088】図6から13は実施した計算から得られた
電場分布を示す。詳しくは、図6及び7は、1.02m
mに等しい寸法d7の値に対して計算した電場のx成分
Ex及びz成分Ezの値を示す。図8及び9は、0.9
4mmに等しい寸法d7の値に対して計算した電場のx
成分Ex及びz成分Ezの値を示す。図10及び11
は、0.9mmに等しい寸法d7の値に対して計算した
電場のx成分Ex及びz成分Ezの値を示す。最後に、
図12及び13は、0.85mmに等しい寸法d7の値
に対して計算した電場のx成分Ex及びz成分Ezの値
を示す。計算においては、1Kの温度変化を仮定した。
電場分布を示す。詳しくは、図6及び7は、1.02m
mに等しい寸法d7の値に対して計算した電場のx成分
Ex及びz成分Ezの値を示す。図8及び9は、0.9
4mmに等しい寸法d7の値に対して計算した電場のx
成分Ex及びz成分Ezの値を示す。図10及び11
は、0.9mmに等しい寸法d7の値に対して計算した
電場のx成分Ex及びz成分Ezの値を示す。最後に、
図12及び13は、0.85mmに等しい寸法d7の値
に対して計算した電場のx成分Ex及びz成分Ezの値
を示す。計算においては、1Kの温度変化を仮定した。
【0089】実施した数値計算により、強誘電分域領域
50の横への2つの強誘電分域領域51,52の設置及
び半導体層117の存在の結果、電場のx成分Exが極
めて小さくなることが示される。先に開示した実施形態
に関して与えられた説明を再び参照し、半導体層がない
とすれば、強誘電体分域反転を与えたことにより電場の
強いx成分Exの生成が定められる。半導体層117が
設けられると、そのような強いExは、基板に発生した
分極電荷を少なくともある程度は補償する、自由電荷の
分離を半導体層に誘起する。この結果、デバイス動作点
におけるDCドリフトの原因となる成分である、電場の
z成分Ezもかなり低められる。
50の横への2つの強誘電分域領域51,52の設置及
び半導体層117の存在の結果、電場のx成分Exが極
めて小さくなることが示される。先に開示した実施形態
に関して与えられた説明を再び参照し、半導体層がない
とすれば、強誘電体分域反転を与えたことにより電場の
強いx成分Exの生成が定められる。半導体層117が
設けられると、そのような強いExは、基板に発生した
分極電荷を少なくともある程度は補償する、自由電荷の
分離を半導体層に誘起する。この結果、デバイス動作点
におけるDCドリフトの原因となる成分である、電場の
z成分Ezもかなり低められる。
【0090】図6から13に報告される数値計算結果を
考察すれば、電場成分Ex及びEzがいずれも最小化さ
れ、特にEz成分がほとんどゼロにまで低められる寸法
d7に対する値を見いだし得ると推論することもでき
る。上記の寸法をもつ、図5の構造に対しては、寸法d
7のそのような値は0.9mmと0.94mmとの間にあ
る。事実、寸法d7が1.02mm(図6及び7)から0.
94mm(図8及び9)に縮小されると、電場のEz成分
は、正のままであるが、かなり低められ、ほぼ1.22
×104V/mからほぼ4.2×103V/mに低下して
いる。寸法d7を0.9mm(図10及び11)までさら
に縮小すると、Ez成分は負になり、ほぼ−2.3×1
03V/mに等しくなる。寸法d7を0.85mm(図1
2及び13)までさらになお縮小するとEz成分の絶対
値の増加が定められ、ほぼ−6×103V/mになる。
考察すれば、電場成分Ex及びEzがいずれも最小化さ
れ、特にEz成分がほとんどゼロにまで低められる寸法
d7に対する値を見いだし得ると推論することもでき
る。上記の寸法をもつ、図5の構造に対しては、寸法d
7のそのような値は0.9mmと0.94mmとの間にあ
る。事実、寸法d7が1.02mm(図6及び7)から0.
94mm(図8及び9)に縮小されると、電場のEz成分
は、正のままであるが、かなり低められ、ほぼ1.22
×104V/mからほぼ4.2×103V/mに低下して
いる。寸法d7を0.9mm(図10及び11)までさら
に縮小すると、Ez成分は負になり、ほぼ−2.3×1
03V/mに等しくなる。寸法d7を0.85mm(図1
2及び13)までさらになお縮小するとEz成分の絶対
値の増加が定められ、ほぼ−6×103V/mになる。
【0091】本発明の第3の実施形態にしたがうデバイ
スが図14に示される。詳しくは、この場合のデバイス
は、図5と同様の断面図で簡略に示される、二重コプレ
ーナ型ストリップ(“CPS”)マッハ−ツェンダー干渉
計式強度変調器である。
スが図14に示される。詳しくは、この場合のデバイス
は、図5と同様の断面図で簡略に示される、二重コプレ
ーナ型ストリップ(“CPS”)マッハ−ツェンダー干渉
計式強度変調器である。
【0092】図5のCPWマッハ−ツェンダー干渉形式
強度変調器と同様に、干渉計アームを形成する2本の導
波路18,19が、強誘電分域が例えば“上向き”配向
を有する単一強誘電分域結晶領域をなす、同じ基板領域
50に形成される。基板領域50は、強誘電分域が領域
50の配向とは逆の配向、例えば“下向き”配向を有す
る、やはり単一強誘電結晶領域をなす2つの基板領域5
1と52との間に挟まれる。
強度変調器と同様に、干渉計アームを形成する2本の導
波路18,19が、強誘電分域が例えば“上向き”配向
を有する単一強誘電分域結晶領域をなす、同じ基板領域
50に形成される。基板領域50は、強誘電分域が領域
50の配向とは逆の配向、例えば“下向き”配向を有す
る、やはり単一強誘電結晶領域をなす2つの基板領域5
1と52との間に挟まれる。
【0093】本デバイスは、導波路18,19が集積さ
れる基板表面11の対応する位置への金属電極配置を備
える。電極配置は2つの活電極113A,113Bを含
む。導波路18,19のそれぞれは、それぞれの活電極
113A,113Bの下に配置される。接地電極114
及び115が対の活電極113A,113Bに並んで延
びる。基板表面11と電極との間に、二酸化シリコンの
バッファ層116及び半導体材料層117からなる積層
が設けられる。
れる基板表面11の対応する位置への金属電極配置を備
える。電極配置は2つの活電極113A,113Bを含
む。導波路18,19のそれぞれは、それぞれの活電極
113A,113Bの下に配置される。接地電極114
及び115が対の活電極113A,113Bに並んで延
びる。基板表面11と電極との間に、二酸化シリコンの
バッファ層116及び半導体材料層117からなる積層
が設けられる。
【0094】先の2つの実施形態と同様に、出願人は、
電場分布を解析するために図14の構造について数値計
算を実施した。
電場分布を解析するために図14の構造について数値計
算を実施した。
【0095】ここでもまた、金属電極113A,113
B,114及び115は接地されているとして計算を実
施した。
B,114及び115は接地されているとして計算を実
施した。
【0096】図15から18は:
基板厚d1: 1mm;
基板幅d2: 2.4mm;
電極配置の総幅d3: 0.94mm;
層116,117からなる積層及び金属電極の総厚d
4: 30μm; バッファ層116の厚さ: 1μm; 半導体層117の厚さ: 1μm; 活電極間の間隙幅d8: 60μm; 活電極と隣り合う接地電極との間の間隙幅d9; 20
μm; 活電極幅d10; 9μm; の寸法を仮定して図14の構造について計算した、電場
のx成分Ex及びz成分Ezの分布を示す。
4: 30μm; バッファ層116の厚さ: 1μm; 半導体層117の厚さ: 1μm; 活電極間の間隙幅d8: 60μm; 活電極と隣り合う接地電極との間の間隙幅d9; 20
μm; 活電極幅d10; 9μm; の寸法を仮定して図14の構造について計算した、電場
のx成分Ex及びz成分Ezの分布を示す。
【0097】寸法d7,すなわち導波路が形成される基
板領域50の幅の値は、図15及び16においては0.
94mmに等しく、一方図17及び18においてはこの
値は0.9mmである。
板領域50の幅の値は、図15及び16においては0.
94mmに等しく、一方図17及び18においてはこの
値は0.9mmである。
【0098】図5の構造の場合と同様に、デバイス動作
点のDCドリフトに有害な効果を有する電場のEz成分
が、同様のデバイス構造ではあるが分域反転及び半導体
層が設けられていない構造に比較して、かなり低められ
ると推論することができる。さらに、寸法d7に対し
て、電場のEz成分がほぼゼロまで低められる値を見い
だすことができる。上で与えた寸法では、寸法d7に対
するそのような値は0.9mmから0.94mmの間にあ
る。
点のDCドリフトに有害な効果を有する電場のEz成分
が、同様のデバイス構造ではあるが分域反転及び半導体
層が設けられていない構造に比較して、かなり低められ
ると推論することができる。さらに、寸法d7に対し
て、電場のEz成分がほぼゼロまで低められる値を見い
だすことができる。上で与えた寸法では、寸法d7に対
するそのような値は0.9mmから0.94mmの間にあ
る。
【0099】これまで説明した、全てがマッハ−ツェン
ダー電気光学変調器に関係する本発明の実施形態に関わ
らず、このことを、本発明を限定するものとして考えて
はないことは明らかである。
ダー電気光学変調器に関係する本発明の実施形態に関わ
らず、このことを、本発明を限定するものとして考えて
はないことは明らかである。
【0100】本発明には別のタイプのデバイスにも適用
される。
される。
【0101】例えば、本発明は、その動作がやはり駆動
電極により外部から印加される変調電場によって誘起さ
れる屈折率の電気光学変調に基づく、位相変調器に適用
できる。
電極により外部から印加される変調電場によって誘起さ
れる屈折率の電気光学変調に基づく、位相変調器に適用
できる。
【0102】本発明は、その動作に外部印加変調電場を
必要とせず、したがって駆動電極を必要としない、集積
化光導波路デバイスにも適用できる。この場合は、いず
れの基板表面も外部発生変調電場のデバイスへの印加操
作に対して反応しない。そのようなデバイスは、例えば
周波数変換器である。そのようなデバイスでは、駆動電
極を必要とするデバイスと異なり、電極間の短絡を避け
るという課題が存在しない。したがって半導体層117
を、金属層のような、周波数範囲に無関係に導電体とし
て作用する材料の層で置き換えることができる。
必要とせず、したがって駆動電極を必要としない、集積
化光導波路デバイスにも適用できる。この場合は、いず
れの基板表面も外部発生変調電場のデバイスへの印加操
作に対して反応しない。そのようなデバイスは、例えば
周波数変換器である。そのようなデバイスでは、駆動電
極を必要とするデバイスと異なり、電極間の短絡を避け
るという課題が存在しない。したがって半導体層117
を、金属層のような、周波数範囲に無関係に導電体とし
て作用する材料の層で置き換えることができる。
【0103】相異なる配向をもつ強誘電分域領域の形成
方法に関しては、相異なる極性をもつ領域を含み、した
がってz結晶軸の方向及び配向に依存する特性の反転を
示すLiNbO3結晶の作製を可能にする、様々な分域
反転技法が既に報告されている。
方法に関しては、相異なる極性をもつ領域を含み、した
がってz結晶軸の方向及び配向に依存する特性の反転を
示すLiNbO3結晶の作製を可能にする、様々な分域
反転技法が既に報告されている。
【0104】強誘電分域反転を達成するための方法のい
くつかは、結晶のキュリー点に近い高温度でのイオンの
拡散に依存する。
くつかは、結晶のキュリー点に近い高温度でのイオンの
拡散に依存する。
【0105】例えば、Jap. J. Appl. Phys.誌,第16
巻(1977年),1069ページのN.オオニシ(N. Oh
nishi):「LiNbO3の正分域表面における熱誘起層
のエッチング調査」に報告されているように、800〜
1100℃で1ないし20時間加熱されたLiNbO3
結晶のz+面におけるLi2O外方拡散により、分域反
転を誘起することができる。
巻(1977年),1069ページのN.オオニシ(N. Oh
nishi):「LiNbO3の正分域表面における熱誘起層
のエッチング調査」に報告されているように、800〜
1100℃で1ないし20時間加熱されたLiNbO3
結晶のz+面におけるLi2O外方拡散により、分域反
転を誘起することができる。
【0106】J. Appl. Phys.誌,第50巻(1979
年),4599ページのS.ミヤザワ(S. Miyazawa):
「Ti拡散LiNbO3光導波路における強誘電分域反
転」では、空気中、950〜1100℃で5ないし10
時間行われたTi拡散により、z+面に強誘電分域反転
を生じさせ得ることが報告されている。
年),4599ページのS.ミヤザワ(S. Miyazawa):
「Ti拡散LiNbO3光導波路における強誘電分域反
転」では、空気中、950〜1100℃で5ないし10
時間行われたTi拡散により、z+面に強誘電分域反転
を生じさせ得ることが報告されている。
【0107】Appl. Phys. Lett.誌,第56巻(1990
年),1535ページのK.ナカムラ(K. Nakamura)及び
H.シミズ(H. Shimizu):「プロトン交換LiTaO3
の熱処理により形成された強誘電反転層」は、プロトン
交換及びこれに続くキュリー温度に近い熱処理により、
LiNbO3のz+面において強誘電分域反転ができた
ことを報告している。
年),1535ページのK.ナカムラ(K. Nakamura)及び
H.シミズ(H. Shimizu):「プロトン交換LiTaO3
の熱処理により形成された強誘電反転層」は、プロトン
交換及びこれに続くキュリー温度に近い熱処理により、
LiNbO3のz+面において強誘電分域反転ができた
ことを報告している。
【0108】Electronics Lett.誌,第27巻(1991
年),1207ページのM.フジムラ(M. Fujimura)等:
「LiNbO3導波路SHGのためのSiO2クラッデ
ィングにより誘起された強誘電分域反転」に報告されて
いるように、SiO2のクラッディング及びこれに続く
キュリー温度近くでの数時間の熱処理もLiNbO3を
刺激してLi2O外方拡散をおこさせるために用いら
れ、強誘電分域反転は被覆領域の下のz+面におこる。
年),1207ページのM.フジムラ(M. Fujimura)等:
「LiNbO3導波路SHGのためのSiO2クラッデ
ィングにより誘起された強誘電分域反転」に報告されて
いるように、SiO2のクラッディング及びこれに続く
キュリー温度近くでの数時間の熱処理もLiNbO3を
刺激してLi2O外方拡散をおこさせるために用いら
れ、強誘電分域反転は被覆領域の下のz+面におこる。
【0109】Appl. Phys. Lett.誌,第65巻(1994
年),1763ページのL.ファン(L. Huang)及びN.
A.F.イエーガー(N. A. F. Jaeger):「LiNbO3
における分域反転の考察」では、強誘電分域反転が、高
温度におけるLi2O外方拡散によりつくられるNbL
i欠陥及び自由電荷から生じる、数100V/cmの空
間電荷電場と関係付けられる、簡単なモデルが提案され
た。
年),1763ページのL.ファン(L. Huang)及びN.
A.F.イエーガー(N. A. F. Jaeger):「LiNbO3
における分域反転の考察」では、強誘電分域反転が、高
温度におけるLi2O外方拡散によりつくられるNbL
i欠陥及び自由電荷から生じる、数100V/cmの空
間電荷電場と関係付けられる、簡単なモデルが提案され
た。
【0110】例えばAppl. Phys. Lett.誌,第48巻(1
986年),698ページのP.W.ヘイコック(P. W.
Haycock)及びP.D.タウンゼンド(P. D. Townsend):
「Tc以下でのLiNbO3及びLiTaO3の分極方
法」で論じられた、LiNbO3及びLiTaO3にお
いて強誘電分域反転を達成するための別の方法は、電子
ビームの使用に基づく。最初の試行は、10V/cm程
度の低電場を用い、約600℃(LiNbO3)の温度で
実施された。発想は、分子状態で結合している酸素イオ
ンは本来の単イオン状態より小さく、リチウムイオンの
酸素面の向こう側への通り抜けが容易になるというもの
であった。
986年),698ページのP.W.ヘイコック(P. W.
Haycock)及びP.D.タウンゼンド(P. D. Townsend):
「Tc以下でのLiNbO3及びLiTaO3の分極方
法」で論じられた、LiNbO3及びLiTaO3にお
いて強誘電分域反転を達成するための別の方法は、電子
ビームの使用に基づく。最初の試行は、10V/cm程
度の低電場を用い、約600℃(LiNbO3)の温度で
実施された。発想は、分子状態で結合している酸素イオ
ンは本来の単イオン状態より小さく、リチウムイオンの
酸素面の向こう側への通り抜けが容易になるというもの
であった。
【0111】既知の強誘電分域反転または分極技法のい
ずれであっても、原理的には、本発明により規定される
強誘電分域領域の形成に用いることができるであろう。
ずれであっても、原理的には、本発明により規定される
強誘電分域領域の形成に用いることができるであろう。
【0112】しかし、高温度におけるイオン拡散により
得られる強誘電分域反転領域は通常浅く(表面から数μ
mの深さまで)、したがって導波路用途にしか適してい
ない。さらに、上記の強誘電分域反転領域では分域形状
が三角形(Ti拡散、Li2O外方拡散、SiO2クラ
ッディング)または半円形(プロトン交換とこれに続く熱
処理)であって、反転領域と導波路モードとの間の重な
りが最適にならないことがあるという事実が問題をおこ
し得る。電子ビーム照射技法は、試料全体の厚さ(0.1
〜1mm)にわたり真っ直ぐに延びる分域をつくること
ができ、上記重なりを改善する可能性を与える。
得られる強誘電分域反転領域は通常浅く(表面から数μ
mの深さまで)、したがって導波路用途にしか適してい
ない。さらに、上記の強誘電分域反転領域では分域形状
が三角形(Ti拡散、Li2O外方拡散、SiO2クラ
ッディング)または半円形(プロトン交換とこれに続く熱
処理)であって、反転領域と導波路モードとの間の重な
りが最適にならないことがあるという事実が問題をおこ
し得る。電子ビーム照射技法は、試料全体の厚さ(0.1
〜1mm)にわたり真っ直ぐに延びる分域をつくること
ができ、上記重なりを改善する可能性を与える。
【0113】チョクラルスキー成長及びレーザ加熱ペデ
スタル結晶成長中のドーピングを含むその他の方法も、
強誘電分域反転を得るために用いられた。
スタル結晶成長中のドーピングを含むその他の方法も、
強誘電分域反転を得るために用いられた。
【0114】今までのところ最も効率的な分極化デバイ
スは、例えばAppl. Phys. Lett.誌,第62巻(1993
年),435ページのM.ヤマダ(M. Yamada)等:「高効
率青色二次好調波発生のための外部電場印加により周期
分極化された一次疑似位相整合LiNbO3導波路」に
論じられたような、室温における電場分極化技法を用い
て得られた。どこに分域反転をおこさせるかに対応し
て、外部電場が抗場力値(LiNbO3については約2
0kV/mm)を上まわるように、高電圧パルスがzヵッ
ト基板に印加される。電場分極化技法により、全厚にわ
たって真っ直ぐに延びる分域を、(いくつかの疑似位相
整合周波数変換プロセスのために作製された周期で示さ
れているように、数μmの)高解像度で得ることができ
る。さらに、電場分極化技法は他の方法に比較して簡単
で費用がかからない。
スは、例えばAppl. Phys. Lett.誌,第62巻(1993
年),435ページのM.ヤマダ(M. Yamada)等:「高効
率青色二次好調波発生のための外部電場印加により周期
分極化された一次疑似位相整合LiNbO3導波路」に
論じられたような、室温における電場分極化技法を用い
て得られた。どこに分域反転をおこさせるかに対応し
て、外部電場が抗場力値(LiNbO3については約2
0kV/mm)を上まわるように、高電圧パルスがzヵッ
ト基板に印加される。電場分極化技法により、全厚にわ
たって真っ直ぐに延びる分域を、(いくつかの疑似位相
整合周波数変換プロセスのために作製された周期で示さ
れているように、数μmの)高解像度で得ることができ
る。さらに、電場分極化技法は他の方法に比較して簡単
で費用がかからない。
【0115】反転及び非反転強誘電分域領域の厚さに関
する限り、そのような領域が必ずしも基板の下表面まで
深く延びている必要はない。例えば図5を参照すると、
領域50,51及び52の厚さは領域50,51及び5
2の幅と同等であれば十分である。
する限り、そのような領域が必ずしも基板の下表面まで
深く延びている必要はない。例えば図5を参照すると、
領域50,51及び52の厚さは領域50,51及び5
2の幅と同等であれば十分である。
【0116】様々な基板領域を波路の形成前または形成
後に形成することができる。
後に形成することができる。
【0117】本明細書でこれまで論じた実施形態におい
ては焦電効果でつくられる分極電荷の効果しか考慮して
いないにもかかわらず、圧電効果でつくられる分極電荷
または光起電力効果でつくられる自由電荷を考慮した場
合にも同じ結論に達し得ることに、注意すべきである。
ては焦電効果でつくられる分極電荷の効果しか考慮して
いないにもかかわらず、圧電効果でつくられる分極電荷
または光起電力効果でつくられる自由電荷を考慮した場
合にも同じ結論に達し得ることに、注意すべきである。
【0118】本発明をいくつかの実施形態により開示
し、説明したが、特許請求の範囲で定められる本発明の
範囲を逸脱することなく、説明した実施形態に対するい
くつかの改変だけでなく、本発明のその他の実施形態も
可能であることが、当業者には明らかである。
し、説明したが、特許請求の範囲で定められる本発明の
範囲を逸脱することなく、説明した実施形態に対するい
くつかの改変だけでなく、本発明のその他の実施形態も
可能であることが、当業者には明らかである。
【図1】本発明の第1の実施形態にしたがう集積化光導
波路デバイスの、単純化された上面図
波路デバイスの、単純化された上面図
【図2】図1の線II-IIに沿ってとられた、単純化され
た断面図
た断面図
【図3】デバイス内の電場のx成分の分布を示す、図2
と同様の、拡大された断面図
と同様の、拡大された断面図
【図4】デバイス内の電場のz成分の分布を示す、図2
と同様の、拡大された断面図
と同様の、拡大された断面図
【図5】本発明の第2の実施形態にしたがう集積化光導
波路デバイスの、単純化された断面図
波路デバイスの、単純化された断面図
【図6】第1のデバイス寸法につくられた、図5のデバ
イス内の電場のx成分の分布を示す
イス内の電場のx成分の分布を示す
【図7】第1のデバイス寸法につくられた、図5のデバ
イス内の電場のz成分の分布を示す
イス内の電場のz成分の分布を示す
【図8】第2のデバイス寸法につくられた、図5のデバ
イス内の電場のx成分の分布を示す
イス内の電場のx成分の分布を示す
【図9】第2のデバイス寸法につくられた、図5のデバ
イス内の電場のz成分の分布を示す
イス内の電場のz成分の分布を示す
【図10】第3のデバイス寸法につくられた、図5のデ
バイス内の電場のx成分の分布を示す
バイス内の電場のx成分の分布を示す
【図11】第3のデバイス寸法につくられた、図5のデ
バイス内の電場のz成分の分布を示す
バイス内の電場のz成分の分布を示す
【図12】第4のデバイス寸法につくられた、図5のデ
バイス内の電場のx成分の分布を示す
バイス内の電場のx成分の分布を示す
【図13】第4のデバイス寸法につくられた、図5のデ
バイス内の電場のz成分の分布を示す
バイス内の電場のz成分の分布を示す
【図14】本発明の第3の実施形態にしたがう集積化光
導波路デバイスの、単純化された断面図
導波路デバイスの、単純化された断面図
【図15】第1のデバイス寸法につくられた、図14の
デバイス内の電場のx成分の分布を示す
デバイス内の電場のx成分の分布を示す
【図16】第1のデバイス寸法につくられた、図14の
デバイス内の電場のz成分の分布を示す
デバイス内の電場のz成分の分布を示す
【図17】第2のデバイス寸法につくられた、図14の
デバイス内の電場のx成分の分布を示す
デバイス内の電場のx成分の分布を示す
【図18】第2のデバイス寸法につくられた、図14の
デバイス内の電場のz成分の分布を示す
デバイス内の電場のz成分の分布を示す
10 基板
11 上表面
12 下表面
13 デバイス変調領域
14,15 強誘電分域領域
16 入力光導波路
17,110 Y−接合
18,19 光導波路
111 出力光導波路
112 強誘電分域領域境界
113 活電極
114,115 接地電極
116 バッファ層
117 半導体材料層
Claims (10)
- 【請求項1】 集積化光導波路デバイスにおいて:強誘
電材料の基板(10);前記基板は前記強誘電材料の自発
分極の方向に垂直な第1の表面(11)及び第2の表面
(12)を有し;少なくとも前記第2の表面は前記基板へ
の外部発生電場の印加操作に対して実質的に反応しな
い;前記基板の前記第1の表面の対応する位置で前記基
板に集積化された少なくとも1本の導波路(18,1
9);第1の自発分極配向を有するそれぞれの第1の基
板領域(14,15;50)に形成された前記少なくとも
1本の導波路の少なくとも軸方向導波路区画;を備える
集積化光導波路デバイスであって:前記軸方向導波路区
画に対して横方向に前記第1の基板領域に隣接し、焦
電、圧電及び光誘起屈折率効果の内の1つまたはそれよ
り多くにより発生する分極または自由電荷の結果として
前記第1の表面に対して接線方向の電場成分を発現させ
るように、前記第1の配向に対向する、第2の自発分極
配向を有する、前記第1の基板領域上の少なくとも1つ
の第2の基板領域(15,14;51,52);及び前記
第1の表面に結合され、可動電荷を含み、よって、前記
接線方向電場成分の作用の下における前記可動電荷の変
位が、前記基板の前記分極または自由電荷を実質的に補
償して、少なくとも前記軸方向導波路区画が集積された
前記第1の表面に垂直な電場成分を有意に低減する材料
層(117);をさらに備えることを特徴とする集積化光
導波路デバイス。 - 【請求項2】 前記第1の表面が前記基板への外部発生
電場の印加操作に対して反応し;前記デバイスが、前記
導波路の屈折率を電気光学的に変調するための変調周波
数範囲を有する変調電場を外部から印加するための、前
記第1の表面に結合されたコプレーナ型配置の電極(1
13,114,115;113A,113B,114,
115)を含み;前記第2の表面には電極がなく;前記
材料層が前記第1の表面と前記電極との間に挿入され、
前記変調周波数範囲において実質的に絶縁体として作用
することを特徴とする請求項1に記載の集積化光導波路
デバイス。 - 【請求項3】 前記材料層がシリコン層であることを特
徴とする請求項2に記載の集積化光導波路デバイス。 - 【請求項4】 干渉計式電気光学変調器のそれぞれのア
ームを形成する少なくとも2本の導波路を備え;前記少
なくとも2本の導波路が、デバイス変調領域の導波路区
画に対して横方向の軸に沿って互いに逆の自発分極配向
を有するそれぞれの基板領域において、少なくとも前記
導波路区画にかけて形成されることを特徴とする請求項
2または3に記載の集積化光導波路デバイス。 - 【請求項5】 前記それぞれの基板領域が前記横方向に
互いに隣接することを特徴とする請求項4に記載の集積
化光導波路デバイス。 - 【請求項6】 前記少なくとも1つの第2の基板領域
が、前記導波路区画の軸方向に沿って前記導波路区画の
両側に配置され、それぞれの間に前記第1の基板領域を
挟む、少なくとも2つの第2の基板領域を含むことを特
徴とする請求項2または3に記載の集積化光導波路デバ
イス。 - 【請求項7】 干渉計式電気光学変調器のそれぞれのア
ームを形成する少なくとも2本の導波路を備え;前記少
なくとも2本の導波路が、前記第1の基板領域におい
て、少なくとも導波路区画にかけて形成されることを特
徴とする請求項6に記載の集積化光導波路デバイス。 - 【請求項8】 前記第1の表面も、前記基板への外部発
生電場の印加操作に対して実質的に反応しないことを特
徴とする請求項1に記載の集積化光導波路デバイス。 - 【請求項9】 前記材料層が金属層であることを特徴と
する請求項8に記載の集積化光導波路デバイス。 - 【請求項10】 前記少なくとも1つの第2の基板領域
が、前記導波路区画の軸方向に沿って前記導波路区画の
両側に配置され、それぞれの間に前記第1の基板領域を
挟む、少なくとも2つの第2の基板領域を含むことを特
徴とする請求項8または9に記載の集積化光導波路デバ
イス。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP01115857A EP1271221A1 (en) | 2001-06-28 | 2001-06-28 | Integrated optical waveguide device |
EP01115857.3 | 2001-06-28 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003066393A true JP2003066393A (ja) | 2003-03-05 |
Family
ID=8177885
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002189716A Withdrawn JP2003066393A (ja) | 2001-06-28 | 2002-06-28 | 集積化光導波路デバイス |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP1271221A1 (ja) |
JP (1) | JP2003066393A (ja) |
CN (1) | CN1432845A (ja) |
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WO2008117449A1 (ja) * | 2007-03-27 | 2008-10-02 | Fujitsu Limited | 光デバイス |
JP2012123395A (ja) * | 2012-01-16 | 2012-06-28 | Fujitsu Optical Components Ltd | 光デバイス |
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CN101221296A (zh) * | 2003-08-21 | 2008-07-16 | 日本碍子株式会社 | 光波导器件以及行波型光学调制器 |
DE102012203293B4 (de) * | 2012-03-02 | 2021-12-02 | Robert Bosch Gmbh | Halbleitermodul mit integriertem Wellenleiter für Radarsignale |
FR3051979B1 (fr) * | 2016-05-25 | 2018-05-18 | Soitec | Procede de guerison de defauts dans une couche obtenue par implantation puis detachement d'un substrat |
CN108153001B (zh) * | 2016-12-05 | 2021-04-27 | 上海新微科技服务有限公司 | 一种大带宽硅基光调制器 |
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---|---|---|---|---|
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