JP2003066393A

JP2003066393A - 集積化光導波路デバイス

Info

Publication number: JP2003066393A
Application number: JP2002189716A
Authority: JP
Inventors: Valerio Pruneri; プルネーリヴァレリオ
Original assignee: Corning OTI SRL
Current assignee: Corning OTI SRL
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2003-03-05
Also published as: CN1432845A; EP1271221A1

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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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(ＬｉＮｂＯ_３)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(ＬｉＴａＯ_３)
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。

【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。

【０００５】ＬｉＮｂＯ_３結晶の場合、最大値を有する
電気光学係数はｒ_３３〜３０ｐｍ/Ｖである。電気光学
係数ｒ_３３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、ＬｉＮｂＯ_３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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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/ｋｍ^２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。

【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。

【００２２】例えば米国特許第５,６２１,８３９号は、
ＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_３，Ｌｉ(Ｎｂ_ｘ，Ｔａ
_１−ｘ)Ｏ_３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。

【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。

【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。

【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
Ｏ_３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、ＳｉＯ_２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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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ＬｉＮｂＯ_３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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００５２】この場合には、前記材料層は金属層であ
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。

【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。

【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。

【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。

【００５７】本デバイスは、ｚヵット強誘電材料、例え
ばＬｉＮｂＯ_３またはＬｉＴａＯ_３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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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２.５×１０^４Ｖ/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
１.６×１０^５Ｖ/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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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
×１０^４Ｖ/ｍからほぼ４.２×１０^３Ｖ/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
０^３Ｖ/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−６×１０^３Ｖ/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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【０１００】本発明には別のタイプのデバイスにも適用
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。

【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。

【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ＬｉＮｂＯ_３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。

【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)：「ＬｉＮｂＯ_３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ＬｉＮｂＯ_３
結晶のｚ＋面におけるＬｉ_２Ｏ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ＬｉＮｂＯ_３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ＬｉＴａＯ_３
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、
ＬｉＮｂＯ_３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：
「ＬｉＮｂＯ_３導波路ＳＨＧのためのＳｉＯ_２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、ＳｉＯ_２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ＬｉＮｂＯ_３を
刺激してＬｉ_２Ｏ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)：「ＬｉＮｂＯ_３
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Ｌｉ_２Ｏ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ＬｉＮｂＯ_３及びＬｉＴａＯ_３の分極方
法」で論じられた、ＬｉＮｂＯ_３及びＬｉＴａＯ_３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℃(ＬｉＮｂＯ_３)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。

【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、Ｌｉ_２Ｏ外方拡散、ＳｉＯ_２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。

【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ＬｉＮｂＯ_３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(ＬｉＮｂＯ_３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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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

【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

【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

【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

【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

【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

【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

【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

【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

【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

【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

【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

【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

【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

【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

【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

【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

【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

【符号の説明】

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１７，１１０Ｙ−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

【特許請求の範囲】

【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。