JP2018097159A - 薄板ｌｎ光制御デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】ＤＣドリフトの発生を抑制し、量産性にすぐれた薄板ＬＮ光制御デバイスを提供すること。【解決手段】ニオブ酸リチウムを用いた基板に、Ｔｉを熱拡散して形成した光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とが設けられ、かつ、該基板の少なくとも一部が薄板化されている薄板ＬＮ光導波路素子と、該薄板ＬＮ光導波路素子を気密封止して収容する筐体とを備えた薄板ＬＮ光制御デバイスにおいて、該筐体内部の封入ガスには、酸素が含まれていることを特徴とする。【選択図】なし

Description

本発明は、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）を用いた基板に光導波路と、光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極、とを形成したＬＮ光導波路素子と、該ＬＮ光導波路素子を気密封止して収容する筐体とを備えたＬＮ光制御デバイスにおいて、特に該ＬＮ光導波路素子を薄板化したものを用いたＬＮ光制御デバイス（薄板ＬＮ光制御デバイスという）に関する。
光通信分野や光計測分野において、高速応答を可能にする、電気光学効果を有するＬＮを用いた光制御デバイスがある。ＬＮ光制御デバイスのひとつとして、ＬＮ基板にＴｉ（チタン）を熱拡散して形成するマッハツェンダ型光導波路と、光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを形成したＬＮ光導波路素子を筐体に収容したＬＮ光変調器がある。
ＬＮ光変調器の性能のひとつである光帯域は、駆動電圧とトレードオフの関係にある。より広帯域で低駆動電圧の性能を持つＬＮ光変調器を実現するための方法のひとつとして、光導波路を形成するＬＮ基板もしくはＬＮ光導波路素子を薄板化する方法がある（特許文献１参照）。
ＬＮ光導波路素子は、接着剤を用いて筐体内部に固定される。また、ＬＮ光導波路素子の制御電極を含む電気配線は、金属を用いている。接着剤のような有機物は、水分を含む雰囲気に放置されると、付着力が低下することがある。また、電気配線は、水分が含有する雰囲気で電圧を印加しつづけると、マイグレーションによる断線や短絡が生じることがある。
また、ＬＮ光変調器固有の現象としてＤＣドリフトが知られている。ＤＣドリフトとは、ＬＮ光変調器の制御電極にＤＣ電圧を印加し続けると、ＬＮ光変調器を駆動するための動作点の電圧（制御電圧という）が、ＤＣ電圧印加時間の経過と共に変化する現象である（特許文献２参照）。
このようなＬＮ光変調器の信頼性に関する課題を解決するために、ＬＮ光導波路素子を収容した筐体の内部は、水分を含まない不活性ガス（例えば窒素、ヘリウム）で置換し、筐体外部の雰囲気を遮断するために、気密封止する構造が用いられている（非特許文献１参照）。
本発明者は、薄板化したＬＮ光導波路素子(薄板ＬＮ光導波路素子)を、水分を含まない不活性ガスで置換した気密封止構造の筐体に収容した薄板ＬＮ光変調器を作製した。この薄板ＬＮ光変調器のＤＣドリフトに関する評価を実施したところ、薄板化を施さなかったＬＮ光変調器のＤＣドリフトと比較すると、ＤＣドリフト量（所定の温度・初期制御電圧にて、一定時間後の制御電圧の変動量）が大きくなること、サンプル間のＤＣドリフト量のばらつきが大きくなること、さらには、再現性（同一サンプルを用いて、ＤＣドリフトを複数回測定したときの、ＤＣドリフトの量・挙動の再現性）が低いことが確認された。
また、ＬＮ基板は、結晶成長したブールを数１００μｍから１ｍｍ程度の厚さにスライスし、ＬＮ基板の表面を研磨して平滑化する。ＬＮ基板の厚さが、数１００μｍ程度ある場合、ＬＮ基板表面に形成された加工ダメージは、薬液や熱アニールにより除去する、もしくは、回復させることが可能である。
しかしながら、数十μｍ以下まで薄板化したＬＮ基板は、破損する恐れがあるため、補強用基板に接着剤を用いて固定している。従って、上述した化学的および熱的処理を行うことは容易ではない。さらに、加工ダメージを発生させない機械的加工条件は、量産性が低く、検査工程が必要となる。
特開２０１０−８５７３８号公報 特開平７−１５２００７号公報
Hiroshi NAGATA and Naoki MITSUGI, "Mechanical Reliabilty of LiNbO3 Optical Modulators Hermetically Sealed in Stainless Steel Packages", OPTICAL FIBER TECHNOLOGY, Volume2, page216-224(1996)
本発明が解決しようとする課題は、上述した薄板化されたＬＮ光導波路素子を、筐体に、水分をふくまない不活性ガスで置換し、気密封止構造を用いて収容した薄板ＬＮ光制御デバイスにおいて発生する、ＤＣドリフト量が大きくなること、サンプル間ばらつきがおおきいこと、および再現性が低いことを改善することである。そして、低駆動電圧、広光帯域で、かつ、信頼性が高く、量産性に優れた、薄板ＬＮ光制御デバイスを提供することである。
上記課題を解決するため、本発明の薄板ＬＮ光制御デバイスは、以下のような技術的特徴を有する。
（１） ニオブ酸リチウムを用いた基板に、Ｔｉを熱拡散させて形成した光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とが設けられ、かつ、該基板の少なくとも一部が薄板化されている薄板ＬＮ光導波路素子と、該薄板ＬＮ光導波路素子を気密封止して収容する筐体とを備えた薄板ＬＮ光制御デバイスにおいて、該筐体内部の封入ガスには、酸素が含まれていることを特徴とする。
（２） 上記（１）に記載の薄板ＬＮ光制御デバイスにおいて、該封入ガス中の酸素のモル濃度が３％以上であることを特徴とする。
（３） 上記（１）又は（２）に記載の薄板ＬＮ光制御デバイスにおいて、該薄板ＬＮ光導波路素子は、該基板の厚みが１０μｍ以下であることを特徴とする。
（４） 上記（１）又は（２）に記載の薄板ＬＮ光制御デバイスにおいて、該薄板ＬＮ光導波路素子は、該基板の表面もしくは裏面にリッジが形成されていることを特徴とする。
本発明により、ＬＮ基板にＴｉを熱拡散して形成した光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とが設けられ、かつ、該基板の少なくとも一部が薄板化されている薄板ＬＮ光導波路素子と、該薄板ＬＮ光導波路素子を気密封止して収容する筐体とを備えた薄板ＬＮ光制御デバイスにおいて、該筐体内部の封入ガスには、酸素が含まれているため、ＤＣドリフト量の増大を抑制でき、サンプル間ばらつきが小さく、良好な再現性が得られ、量産性に優れた薄板ＬＮ光制御デバイスを得ることが可能となる。
薄板ＬＮ光制御デバイスのひとつである薄板ＬＮ光変調器の薄板ＬＮ光導波路素子の断面図を示す図である。 図１の薄板ＬＮ光導波路素子を筐体に気密封止構造をもちいて収容した薄板ＬＮ光変調器において、筐体内部の雰囲気を、真空から空気に切り替えた場合のＤＣドリフト量の時間変化を示すグラフである。 図１の薄板ＬＮ光導波路素子を筐体に気密封止構造をもちいて収容した薄板ＬＮ光変調器において、筐体内部の雰囲気を、水分を含まない窒素雰囲気と水分を含まない空気雰囲気との場合における制御電極間電流の時間変化を示すグラフである。 制御電極間電流の時間変化の発生要因を特定するために用いた試験体１の断面構造を説明する図である。 制御電極間電流の時間変化の発生要因を特定するために用いた試験体２（Ｔｉ熱拡散処理を施したもの）の断面構造を説明する図である。 制御電極間電流の時間変化の発生要因を特定するために用いた試験体３（研磨加工処理を施したもの）の断面構造を説明する図である。 図４Ａの試験体１に関し、水分を含まない窒素雰囲気と水分を含まない空気雰囲気との場合において、電極間電流の時間変化を示すグラフである。 図４Ｂの試験体２に関し、水分を含まない窒素雰囲気と水分を含まない空気雰囲気との場合において、電極間電流の時間変化を示すグラフである。 図４Ｃの試験体３に関し、水分を含まない窒素雰囲気と水分を含まない空気雰囲気との場合において、電極間電流の時間変化を示すグラフである。 図４Ｃの試験体３に関し、水分を含まない窒素雰囲気において、途中で水分を含まない酸素を導入した場合における電極間電流の時間変化を示すグラフである。 図４Ｃの試験体３に関し、水分を含まない酸素のモル濃度に対する電極間電流値を示すグラフである。
以下、本発明に係る薄板ＬＮ光制御デバイスについて、詳細に説明する。
本発明は、ニオブ酸リチウムを用いた基板に、Ｔｉを熱拡散させて形成した光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とが設けられ、かつ、該基板の少なくとも一部が薄板化されている薄板ＬＮ光導波路素子と、該薄板ＬＮ光導波路素子を気密封止して収容する筐体とを備えた薄板ＬＮ光制御デバイスにおいて、該筐体内部の封入ガスには、酸素が含まれていることを特徴とする。
本発明における「薄板化」とは、研磨や切削等の機械加工により、基板の少なくとも一部の厚みを薄く加工した状態を意味する。基板全体を薄くするだけで無く、基板の表面又は裏面にリッジを形成する場合も包含される。加工された基板部分の厚みは、３０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下の場合において、本発明が効果的に適用される。また、基板で薄くなった部分が、光導波路近傍や制御電極により電界が印加される基板部分に近い箇所に存在する場合、さらに、雰囲気に曝される基板表面に加工ダメージが存在する場合には、本発明の効果がより高い。また、機械加工により基板に残った加工ダメージに対し、薬液や熱アニールにより除去する処理を施さない場合にも、本発明がより好ましく適用される。
本発明者らが鋭意研究した結果、薄板ＬＮ光変調器において、筐体内部の封入ガスによってＤＣドリフトの挙動が大きく異なり、封止ガスに、酸素が含まれている場合には、ＤＣドリフト量に相当するパラメータである制御電極間電流値の増大が抑制され、サンプル間ばらつきが小さくなること、かつ、良好な再現性が得られることを見出した。さらに、封止ガスについては、接着剤の付着力低下や、電気配線の断線や短絡を防止する観点から、水分を含まないガスを用いることがより好ましい。
まず、薄板ＬＮ光変調器のＤＣドリフトが、筐体内部の雰囲気によって異なる挙動を示すため、図１に示すような断面形状をもつ薄板ＬＮ光導波路素子を準備した。
薄板ＬＮ光導波路素子は、以下のように作製した。まず、フォトリソグラフィー技術を用いて、ＸカットＬＮ基板の一方の表面にマッハツェンダ構造にパターンニングされたＴｉ膜を形成する。その後、Ｔｉ膜をＬＮ基板内に熱拡散させることで、Ｔｉ拡散光導波路を形成した。
Ｔｉ拡散光導波路を形成した面と反対の面（裏面）は、研磨により９μｍのＬＮ基板の厚さになるように薄板化し、補強のため、厚さ５００μｍのＸカットＬＮ基板に、接着剤を介して貼り付けた。
次に、Ｔｉ拡散光導波路を伝搬する光波を制御する制御電極は、Ｔｉ拡散光導波路を形成した面にシード層としてＴｉ,Ａｕの順に真空蒸着法により成膜し、セミアディテブ法と電解金メッキを用いて形成した。
制御電極は、コプレーナ構造を用いた。信号電極（図１の中央の電極）は、マッハツェンダ構造を持つＴｉ拡散光導波路のアームの間に、接地電極は、両アームの外側に形成した。信号電極と接地電極との間隔は、１４μｍとした。また、制御電極において、Ｔｉ拡散光導波路を伝搬する光波を制御する部分の長さ（図の紙面に垂直な方向）は、１０ｍｍにした。制御電極の厚さは、４０μｍにした。その後、切断し、チップにした。
薄板ＬＮ光導波路素子は、ステンレスの金属筐体内に接着剤を介して固定し、収容し、薄板ＬＮ光導波路素子の両端面の光導波路端に光ファイバをバットジョイントにて結合した。筐体には、ガスを導入および置換を可能とする構造を設けた。具体的には、筐体側面に、ガス継手を設けた。薄板ＬＮ光導波路素子を収容した筐体は、蓋をシーム溶接することで、封止した。尚、光ファイバの筐体への導入部も、封止を可能とする構造および工法を用いた。
図１の薄板ＬＮ光導波路素子を上述した筐体に収容した薄板ＬＮ光変調器は、８５℃の試験環境温度にて、初期制御電圧３．５ＶのＤＣ電圧を制御電極に印可し、制御電圧の時間変化を計測した。
筐体内部の雰囲気は、測定開始から１７時間までは真空であり、その後、真空から水分を含まない合成空気（酸素２０％、窒素８０％）に置換した。図２は、上述した雰囲気における薄板ＬＮ光変調器の制御電圧の時間変化を示すグラフである。
図２のグラフから、筐体内部の雰囲気が真空においては、制御電圧が、３．５Ｖから５.０Ｖ程度までプラスの方向に変化し、筐体内の雰囲気を乾燥空気に置換した直後から、制御電圧が、急激にマイナス方向に変化していることが判る。このことは、薄板ＬＮ光変調器のＤＣドリフトが、筐体内部の雰囲気に強く影響を受けることを示している。
薄板ＬＮ光変調器のＤＣドリフトの雰囲気依存は、制御電極が形成されたＬＮ基板表面に曝されている雰囲気によって、信号電極と接地電極間の電気抵抗が経時変化し、この時の変化（抵抗の絶対値や経時変化の時定数等）が異なることが原因ではないかと推測した。そこで、測定の容易さから、薄板ＬＮ光変調器の制御電圧の時間変化の測定のかわりに、制御電極間電流（光導波路を挟む制御電極（信号電極と接地電極）の間に流れる電流）の測定を実施した。
まず、上述した薄板ＬＮ光変調器を用い、筐体内部の雰囲気が、水分を含まない窒素である場合と、水分を含まない空気（合成空気）である場合、における制御電極間の電流の時間変化を測定した。試験環境温度は、８５℃とし、制御電極間に印加する電圧は、１００Ｖにした。窒素雰囲気中で測定した個体数は１２個で、合成空気雰囲気中で測定した個体数は、５個である。
図３は、上述した雰囲気における薄板ＬＮ光変調器の制御電極間の電流の時間変化を示すグラフである。図３において、実線は、窒素雰囲気における制御電極間の電流の時間変化であり、太線は平均値を示し、上下の細線は、「平均値＋標準偏差」（上線）、「平均値−標準偏差」（下線）を示している。また、図３において、点線は、合成空気雰囲気における制御電極間の電流の時間変化であり、太線および細線らは、窒素雰囲気におけるそれらと同じである。
図３のグラフから、窒素雰囲気と比較して、合成空気雰囲気での制御電極間電流が小さいこと、合成空気雰囲気でのばらつきが小さいことが解る。
上述した制御電極間電流の時間変化が雰囲気に依存する帰結として、窒素雰囲気は、合成空気雰囲気よりもＤＣドリフト量の増大及びばらつきが大きくなることが想定できる。
次に、制御電極間電流が雰囲気に依存する要因を分析するため、図４Ａから図４Ｃの３種類の試験体を準備し、図３の結果を得たのと同じ、筐体内部の雰囲気および測定条件で、電極間電流（光導波路を形成しない試験体の電極間に流れる電流）の時間変化を測定した。
図４Ａの試験体１は、厚さ１ｍｍのＸカットＬＮ基板に、図１と同じ構造を持つ電極を形成したものである。
図４Ｂの試験体２は、厚さ１ｍｍのＸカットＬＮ基板の一方の表面に、厚さ１００ｎｍのＴｉを成膜し、熱拡散した後、試験体１と同じ電極構造を形成したものである。
図４Ｃの試験体３は、厚さ１ｍｍのＸカットＬＮ基板の一方の表面を、図１の裏面の研磨方法で研磨を行なった後、研磨したＬＮ基板の表面に、試験体１と同じ電極構造を形成したものである。
図５乃至図７は、それぞれ、試験体１、試験体２および試験３の筐体内部の雰囲気が水分を含まない窒素雰囲気の場合と、水分を含まない合成空気の場合における電極間電流の時間変化を示す図である。
図５のグラフを見ると、試験開始直後に電極間電流は多少の変動が見られるが、その後は、変化が止まり、ほぼ一定の状態を維持していることがわかる。また、雰囲気による電極間電流の違いはほとんどみられない。
図６のグラフを見ると、時間と共に電極間電流が徐々に増加しているのが分かる。電極間電流の時間変化は試験体１とは異なるが、雰囲気による電極間電流の違いはみられない。
図７のグラフを見ると、窒素雰囲気の場合は、試験開始直後に電極間電流が急激に増加し、その後、変化は一定となることがわかる。これに対し、合成空気雰囲気の場合は、試験開始直後に電極間電流が緩やかに減少し、変化は一定となることがわかる。また、電極間電流の変化が一定となった経過時間における電極間電流値は、窒素雰囲気の方が空気雰囲気よりも遥かに大きくなっている。さらに、空気雰囲気では、電極間電流値が、試験体１の電極間電流値と同程度になっていることも分かる。
これらの結果から、研磨加工を施した薄板ＬＮ光導波路素子においても、窒素雰囲気では、ＤＣドリフト量が大きくなり易く、一方、合成空気雰囲気では、ＤＣドリフト量が小さくなることが想定される。
筐体内部の雰囲気によって、ＤＣドリフトの挙動および制御電極間電流が変化する本質的な原因は、現在のところ特定できていない。しかしながら、研磨加工処理によってＬＮ基板表面近傍に生じる研磨ダメージによって、ＬＮ基板表面のバンド構造が変化したと想定される。
バンド構造の変化がＬＮ基板表面に不均一に分布する場合、バンドギャップの変化や不均一な空間電荷や欠陥準位を生じさせるため、制御電極間電流値に影響を与えると考えられる。さらに、研磨ダメージがあるＬＮ基板表面が、酸素を含む雰囲気にさらされると、酸素や酸素イオンが空間電荷や欠陥準位に吸着することで、変化したバンド構造を補償していると想定している。
図４Ｃの試験体３において、研磨した面は、筐体内部の雰囲気に曝されている。一方、図１の薄板ＬＮ光導波路素子は、研磨した面（ＬＮ基板の裏面）は、接着剤層により、筐体内部の雰囲気に曝されておらず、ＤＣドリフトの挙動および制御電極間電流は、雰囲気に依存しないと考えられる。
しかしながら、図２に示すように、動作点の時間変化は、雰囲気に依存している。この原因は、ＬＮ基板の裏面に研磨によって生じた研磨ダメージが、ＬＮ基板の光導波路を形成した面（表面）近傍まで到達していることが想定される。
次に、図３および図５から図７の測定結果から、封入ガスの成分である酸素に着目し、試験体３を用いて、以下の２つの試験を行った。
まず、最初の試験は、８５℃の試験温度にて、試験体３の電極間に１００ＶのＤＣ電圧を印可した状態で、封入ガスの違いによる電極間電流の時間変化を測定する試験である。
封入ガスは、最初は窒素であり、途中で酸素を導入（酸素モル濃度は２３％）し、再び窒素で置換した。図８は、その測定結果を示すグラフである。
図８からわかるように、最初の窒素雰囲気においては、図７の窒素雰囲気の結果と同様に、電極間電流は、増加し、その後、定常状態となることがわかる。その後、酸素を導入すると、電極間電流は減少し、再び窒素で置換すると、電極間電流の増加していることが確認できる。
この試験結果から、電極間電流は、酸素により減少することがわかる。
そこで、次の試験では、電極間電流値の酸素モル濃度に対する依存性を調べた。試験条件は、８５℃の試験温度にて、電極間に１００ＶのＤＣ電圧を印加した状態で、異なる酸素モル濃度の雰囲気にて、電極間電流値を測定する試験である。電極間電流値の測定は、電極間電流が電圧印可開始からほぼ一定値になる、３時間経過後に測定した。
図９は、その結果を示すグラフである。図９から、酸素モル濃度が増えるにつれて、電極間電流値が小さくなることがわかる。また、３％の酸素モル濃度では、電極間電流が、１０−１１（Ａ）以下になり、特に、酸素濃度が５％以上では、電極間電流は、酸素モル濃度によらずほぼ一定の値となることが分かる。
以上のことから、ＬＮを用いた基板にＴｉを熱拡散することで形成した光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御する制御電極、とを形成したＬＮ光導波路素子を薄板化した薄板ＬＮ光導波路素子を、筐体内部に気密封止した構造において、筐体内の封入ガスに酸素を含有させることで、ＤＣドリフトを効果的に抑制できることがわかる。
特に、薄板ＬＮ光導波路素子の厚さが、研磨により、１０μｍ程度まで薄板化された場合には、酸素によるＤＣドリフトの抑制効果は顕著となる。上記試験では、機械的加工として研磨加工を中心に説明したが、ＬＮ基板に形成したＴｉ拡散光導波路をリッジ構造にするため、光導波路の両側近傍を除去する際のプラズマエッチング加工や、サンドブラスト加工なども同様に、ＬＮ基板表面にダメージを発生することが想定されるため、酸素によるＤＣドリフトの抑制が期待できる。
また、図６から、Ｔｉの熱拡散した場合の電極間電流値は、１０−１１（Ａ）から、電圧印加時間が経過するにつれて、増加することから、ＤＣドリフト量が増加することが予想される。従って、Ｔｉを熱拡散することで形成した光導波路を形成したＬＮ光導波路素子に、さらに機械的加工を施す場合には、本発明を適用することにより、ＤＣドリフトを抑制することが期待できる。
本実施例では、薄板ＬＮ光制御デバイスとして、薄板ＬＮ光変調器を例として説明したが、本発明は、例えば、方向性結合器やＹ分岐構造を用いた薄板ＬＮ光スイッチにおけるＤＣドリフト量をも抑制することは言うまでもない。
以上、説明したように、本発明によれば、ＤＣドリフトの発生を抑制し、量産性にすぐれた薄板ＬＮ光制御デバイスを提供することが可能となる。

Claims (4)

  1. ニオブ酸リチウムを用いた基板に、Ｔｉを熱拡散させて形成した光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とが設けられ、かつ、該基板の少なくとも一部が薄板化されている薄板ＬＮ光導波路素子とを、該薄板ＬＮ光導波路素子を気密封止して収容する筐体とを備えた薄板ＬＮ光制御デバイスにおいて、
    該筐体内部の封入ガスには、酸素が含まれていることを特徴とする薄板ＬＮ光制御デバイス。
  2. 請求項１に記載の薄板ＬＮ光制御デバイスにおいて、該封入ガス中の酸素のモル濃度が３％以上であることを特徴とする薄板ＬＮ光制御デバイス。
  3. 請求項１又は２に記載の薄板ＬＮ光制御デバイスにおいて、該薄板ＬＮ光導波路素子は、該基板の厚みが１０μｍ以下であることを特徴とする薄板ＬＮ光制御デバイス。
  4. 請求項１又は２に記載の薄板ＬＮ光制御デバイスにおいて、該薄板ＬＮ光導波路素子は、該基板の表面もしくは裏面にリッジが形成されていることを特徴とする薄板ＬＮ光制御デバイス。
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