JP2798350B2 - 直流電圧のドリフトが制御されている導波路型電気光学素子の選別方法 - Google Patents
直流電圧のドリフトが制御されている導波路型電気光学素子の選別方法Info
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Description
リフトが制御されている導波路型電気光学素子の選別方
法に関するものである。更に詳しく述べるならば、本発
明は、Ti:LiNbO3 製の導波路型変調器素子で代
表されるような、電気光学素子において、その出力光を
制御するための直流制御電圧のドリフトが所定値に制御
されている素子の簡単な選別方法に関するものである。
素子で代表されるような、電気光学素子からの出力光を
制御するための制御電圧のドリフト現象を評価する手段
として、一定値の直流バイアス電圧を素子に印加し、出
力光の動作点の経時変化をモニターする方法が既に報告
されている(例えば、H.Nagata and K.Kiuch, J.Appl.P
hys.73(1993)4162. およびK.Seino, T. Nakazawa, Y.Ku
bota, M.Doi, T.Yamaneand H.Hakogi, Proceedings of
the OFC'92, San Jose, February 8-11, 1992(Optical
Soc.of America)p.325)。
光の動作点をある初期値に直流バイアス電圧により調整
し、ここに交流(高周波)電圧を重ね合わせることによ
り、前記外部電圧信号に対応した出力光強度の変調状態
を得ている。このため、前記直流バイアス電圧は一定値
に固定されるものではなく、出力光の動作点を常に初期
値の状態に維持するために、刻々と調整変化されるもの
である。この、出力光の動作点を常に初期値の状態に維
持するために必要なバイアス電圧(制御電圧)の経時変
化が、真のDCドリフト現象である。そして、この動作
バイアス電圧(制御電圧)の変化が、システムの許容値
を超過してしまうと、素子は制御不能の状態になる。
アス電圧のみを印加した状態において、当該光素子のD
Cドリフトを評価してもそれは実際のシステムにおける
素子動作に対応したものではない。しかし、固定直流バ
イアス電圧印加方式の利点は、評価される素子性能の個
体差に関わりなく、ある規定された一定値のバイアス電
圧を連続印加すれば、サンプルが複数個であっても、出
力光の位相変化あるいは強度変化を時間経過にしたがっ
て順次モニターしていくだけで、動作点の経時変化を、
一つの測定系で、複数サンプルを非常に簡便に測定・評
価できることである。
回路によって、素子の実際の動作中に生ずるバイアス電
圧(制御電圧)のドリフトを直接測定・評価することも
可能である(例えば、H.Jumonji and T.Nozawa, IEICE
Transaction, J75-C-1(1992)17)。しかし、測定系が前
者に比べ複雑となり、それぞれドリフト特性が異なる複
数個のサンプルを評価する場合、サンプルと制御回路を
一対一対応させる必要が生じ、系はさらに複雑になる。
ドリフトの程度を簡便に測定し、かつ製造工程中の検査
項目として、大きなドリフト、特に制御電圧が発散して
しまうような不良特性をもつ素子(製品)を選別・ふる
い分けることのできる方法を提供する。上記目的のた
め、基本的な測定手段としては、従来の固定直流バイア
ス電圧印加方式を採用することが、測定の簡便さおよび
複数同時評価の能力の点で好ましい。またこの固定直流
バイアス電圧印加方式により測定されるドリフト特性値
と、実際のシステムにおける制御電圧のドリフト現象と
の対応を明確にすることにより、実際の動作時に生ずる
DCドリフトを考慮した、光素子の判定基準を与える必
要がある。
囲気温度を高くすることにより加速される現象であるた
め(前出の文献参照)、雰囲気温度をできる限り高く保
つことで、測定時間を短縮することができる。
子を、その出力変調光の動作点を規定位置に調整するた
めの直流バイアス電圧を印加した状態で動作させる際、
前記動作点を規定位置に維持するために必要となるバイ
アス電圧が経時変化する現象として定義される「制御電
圧のドリフト」の程度を推定し、前記制御電圧のドリフ
トが発散しない、つまり制御不能にならない素子を選別
する方法であって、室温(30℃程度)よりも高く、か
つ100℃以下の任意の一定温度環境下に保持した前記
素子に、任意一定値の直流バイアス電圧を連続印加した
状態で前記素子を動作させ、その出力光の動作点(例え
ば変調光強度のピーク位置)の経時変化もモニターし、
前記出力光の動作点の経時変化、いわゆるDCドリフ
ト、から電圧量を単位として求めた見かけの飽和ドリフ
ト量(VC)と、定値印加した前記バイアス電圧(V
B)の比(A=VC/VB)が、少なくとも1より小さ
い素子を選別することにより、製品のふるい分けを容易
に行うことができる。
室温よりも高くすることにより、測定時間をより短くす
ることができるが、素子の組立に使用されている、接着
剤等の熱劣化を抑えるために、加熱温度は100℃以下
であることが望ましい。雰囲気温度80℃で測定した場
合、上記のドリフト特性値「A」を導出するに要する測
定時間は、後述の実施例においては、数10時間(およ
そ1日間)で充分であった。
れている導波路型電気光学素子は、室温以上の所定温度
を保持された導波路型電気光学素子に所望値の直流バイ
アス電圧を連続印加した状態で、前記素子に光を入力
し、この素子から出力する光の動作点の経時変化をモニ
ターしたとき、飽和電圧ドリフト量VCと、前記印加さ
れた直流バイアス電圧(VB)の比、A=VC/VBが
1未満であることを特徴とする、ものである。
されている導波路型電気光学素子の選別方法は、導波路
型電気光学素子を室温よりも高く100℃以下の所定温
度に保持し、これらの素子に所定値の直流バイアス電圧
を印加し、この電圧印加された素子に光を入力し、この
素子の出力光の動作点の経時変化をモニターし、電圧の
ドリフト量の飽和値(VC)と、前記印加された直流バ
イアス電圧(VB)との比:A=VC/VBを算出し、
この比Aとして1未満の値を示す素子を選別することを
特徴とするものである。
記比Aの値が0.5以下であることが好ましく、このよ
うにすることにより素子に対する直流制御電圧のドリフ
ト量をより低く維持することができる。
ハツェンダー強度変調器素子について、固定直流バイア
ス電圧連続印加方式で測定したDCドリフトと、動作時
間、(70℃において)を示す。印加固定直流バイアス
電圧を−5,0,1,2,4,5Vの6水準にと変化さ
せて、それぞれ雰囲気温度70℃で測定した。
bO3 基板の表面に、Tiを熱拡散(980℃)させる
ことにより光導波路パタンを形成し、次にスパッタリン
グ法を用いてSiO2 バッファ層(高帯域用変調器で
は、通常、厚さ500nm〜1μm)を堆積、600℃
酸素気流中で熱処理した後、進行波型の電極パタン(A
u)を蒸着および電界メッキにより配設したものであ
る。導波路の両端の片方には薄膜型の偏光子を介して、
光ファイバが、紫外線硬化型の低屈折率エポキシ系接着
剤で固定されている。電極パタンの入出力部には、高周
波用の市販電極コネクタが、ボンディングされている。
これらの部品は、通常、金属筐体中にパッケージされる
が、本発明における一連の実験では、特に気密封止を施
さない筐体に実装したサンプルを用いた。
定では、素子に上記固定DCバイアス電圧と同時に、1
kHz の±20V交流電圧を印加し、素子から出力される
強度変調された光(入力光の波長1.55μm)強度を
オシロスコープ上でモニターし、ある特定のピーク位置
(便宜上、横軸の印加電圧値OVの位置に最も近いピー
クをとった)の経時変化を追跡した(変化の単位は、電
圧値(V)である)。図1において初期状態からの、こ
の変化量(電圧単位)をDC電圧ドリフト量として図示
した。同様なドリフト測定は、交流電圧を印加せずに、
固定直流バイアス電圧のみを印加した状態でも測定でき
る。その場合、ドリフトは出力光強度変化として測定さ
れるが、素子の初期動作点、半波長電圧がわかっていれ
ば、測定された強度変化を、電圧単位のドリフト量に換
算することは容易である。
アス電圧(−5,1,4V:白ぬき記号で示してある)
を連続して印加した状態でDC電圧ドリフトを測定し、
次に、ドリフト値がほぼ飽和した段階で、印加していた
バイアス電圧をゼロにして測定したドリフト値(黒記
号)を示してある。図2より、印加していたDCバイア
ス電圧を切ると、それまでのバイアス印加により生じた
DCドリフト値が、ほぼ同じ時間かかって回復すること
が明らかに理解できる。
電界(バイアス)を印加した場合の分極現象、特に比較
的長い緩和時間を有する配向分極、あるいはイオン分極
現象に類似している。観察されたDCドリフトが全て分
極の寄与によるものであるとは限らないが、素子を構成
する材料が酸化物誘電体および強誘電体であること、お
よび観察されるドリフトが数時間もの長時間を必要とす
る現象であることを考慮すると、素子中の電子の移動に
よる現象ではなく、少なくともイオンの変位・泳動によ
るものであることが推測できる。
し、バイアス電圧を切るとドリフトが回復することよ
り、イオン伝導的なメカニズムよりも、イオンあるいは
イオン対の変位、つまり分極現象が大きく関与している
と考えられる。つまり、バイアス電圧を印加することに
より、時間的な遅れ(緩和時間)をもって、電界(バイ
アス)を打ち消す方向に分極が生じ、素子に実効的に印
加されているバイアス電圧が徐々に小さくなって、これ
がDC電圧ドリフト現象として観察されるものと思われ
る。分極のメカニズムは、現段階では明らかでないが、
誘電体の構成イオン自身、酸化物材料中に不純物として
含まれる水素に基づく−OH基、および素子中に不純物
として含有される水分子等に生ずるものと考えられる。
な、単一の一定値DCバイアス電圧を連続印加した場合
に観察される、時間遅れを有する電圧ドリフト現象は、
緩和現象に関する一般式、 V(t)=V(∞){1−exp(−t/τ)} (0) で表すことができる。上記式においてtは時間、τは緩
和時間を表す。
のデータを、動作時間とlog(V(∞)−V(t))
の関係に換算してプロットした。V(∞)は見かけの飽
和ドリフト電圧、V(t)は時刻tにおけるドリフト電
圧である。図3より、固定DCバイアス電圧方式で観察
されるDC電圧ドリフト現象は、式(0)で表すことが
可能で、(雰囲気温度70℃での)緩和時間は、図3中
において、括弧内に記したように、およそ4時間である
ことがわかった。
Cドリフト現象に関する上記考察をもとに、固定バイア
ス電圧方式による測定データと実際のシステムにおける
制御電圧のドリフトとの関連づけを行った。実際の素子
動作では、まず素子の動作点を最適な電圧位置に調整す
るために、初期バイアス電圧を印加する。この初期バイ
アス電圧により、時間Δt後にドリフトV(Δt)が生
ずると、そこでドリフト分の電圧V(Δt)を初期バイ
アス電圧に追加する。このような操作を繰り返していく
ことにより、出力光の動作点(変調状態)を、常に、初
期状態と同一に維持することが可能になる。
ドリフト特性値をもとに、実際の素子動作(follo
wing up制御方式)で現れる制御電圧のドリフト
を推測するための関係式を導出することができる。
B を印加した場合、時刻tにおけるDCドリフトV
(t)は、周囲温度が一定であれば、下記式(1):
り変化していく場合、総ドリフトV(t)は、(1)式
に基づき、各追加バイアスに対するドリフトの和により
与えられる、と仮定する。上記の仮定より、素子に初期
バイアス電圧V0 を印加した場合、時刻t=nΔtで、
素子からの出力光の動作点を初期動作点と同じ状態に維
持するために追加するバイアス電圧(BnΔt)の値を
求める。
より求められる。
t)を追印加する。 2.時刻t=2Δtでの電圧ドリフト値:V(2Δt)
は、図4に示されているように、V1 +V2 となる。つ
まり下記式により求められる。
Δt)は、図4に示されているように、下記式により求
められる。
アス電圧B(3Δt),B(4Δt)は下記式により求
められる。
圧B(nΔt)は、下記式(2)により求められる。
ト量V(nΔt)は、前記式(2)に基づき、下記式
(3)により求められる。
式(4): B(nΔt)<B((n−1)Δt) (4) が成立することが、必要である。よってこの関係を満た
すための条件を求めると、B(nΔt)とB((n−
1)Δt)との差は、下記式(5)から求められる。
関係が満たされ、V(nΔt)が収束することがわか
る。またA=1の時は式(5)により B(nΔt)=B((n−1)Δt) となり、つまりV(nΔt)は線型に発散することがわ
かる。また、式(3)よりV(nΔt)の収束状況は、
パラメータA,Δt、およびτに依存することがわか
る。
のドリフト量は、制御間隔Δt、固定バイアス電圧方式
で測定した緩和時間τと、固定バイアス電圧方式で測定
した、見かけの飽和ドリフト量(電圧単位)の印加バイ
アス電圧に対する比A、に依存することがわかった。そ
して、制御電圧のドリフトが発散せず、収束するための
条件は、式(5)より比A<1、つまり、固定バイアス
方式で得られる見かけの飽和ドリフト量(VC)が、印
加バイアス電圧(VB)よりも小さいことである。Δt
は、システムに依存するパラメータである。τは、温度
に依存するパラメータであり、温度加速係数が予めわか
っていれば、高温の加速環境下で測定したτの値に加速
係数を乗ずることにより、任意の温度でのドリフト量を
見積もることもできる。素子のドリフト特性を選別する
ための基準値として、少なくともA<1を示したが、こ
れとは別に、τが大きい素子ほどドリフトが遅いことは
明かである。したがって、当然、τの値も素子の選別基
準に使うことは可能である。
算した結果を示す。図1,図3の測定例に従い、τの値
を4時間とした。初期バイアス電圧は、素子の半波長電
圧に相当する3.5Vとし、Δtの値は、便宜上1時間
とし、Aの値が1,0.8,0.5,0.2,0.1の
場合について計算した。A=1の場合は、式(5)から
もわかるように、動作時間の経過に従い、必要となる制
御電圧(VB)は線形に増大し、発散してしまう。
スケールにとり直したものである。図5、および図6か
らわかるように、A<1であれば制御電圧は発散しない
が、より低い制御電圧の範囲、特に10V(初期バイア
スを含む)以内で素子を動作させるためには、A≦0.
5であることが好ましい。
和時間:4時間、A=0.5の条件で、Δtの値を5〜
240分間の範囲で変化させて計算したときの動作時間
−動作電圧の関係を示す。Δtを大きくするほど、少な
くとも初期のドリフト電圧は小さくなる。したがって、
式(3)から制御電圧ドリフトの絶対量を見積もる場合
は、Δtをできる限り小さくして計算するのが安全であ
る。Δt→0として、式(3)を積分して一般式、ある
いは近似式を導いてもよい。
た。図1に示した素子サンプルは、Aの値がほぼ1で、
発散型のドリフトを示すため、A<1の素子を作製し
た。この素子は、図1に示したものと形態は同一であっ
たが、SiO2 バッファ層を、スパッタリング法ではな
く、真空蒸着法で作製した。
圧5Vの固定バイアス電圧方式で測定した、DCドリフ
トである。ドリフトは最初負の方向に生じ、途中から図
8にみられるような正方向のドリフトに転じた。初期の
負方向のドリフト発生の原因は不明であるが、最終的に
は、分極現象等に基づくものと思われるドリフトが優勢
になるものと考えて、式(3)との対応を検討した。ド
リフトが一度負方向に起こるため、見かけの飽和ドリフ
ト量として、図8中に示したように、1.4V(A=
0.28)と2.3V(A=0.46)の二つが与えら
れた。
ように、8.4時間であった。(プロットの傾きの逆
数)。
つまりドリフトによる動作点変化を補償するためにバイ
アス電圧を随時制御(5分間隔)していく方式で測定し
た制御電圧のドリフト値と、式(3)により計算した結
果の対応を示している。直線は、緩和時間=8.4時
間、A=0.46の場合、破線はA=0.28の条件
で、Δt=1時間として計算した結果である。初期バイ
アス電圧は、実測、計算いずれも3.5Vとした。式
(3)が多くの仮定をもとに導出した第一近似的なもの
であることを考慮すると、A=0.28の場合の計算と
実測値は、比較的よい一致をみせている。
る場合は、仮に制御電圧上限値が決められた条件で、素
子選別のためのしきい値を判断するには、確認のため若
干の予備測定を行っておくことが好ましい。
DC電圧ドリフト特性を有するものおよびその選別を行
う方法が提供された。
ツェンダー強度変調器素子について、固定バイアス連続
印加方式で測定したDCドリフトの一例を示すグラフ。
(−5,1,4V:白ぬき記号で示してある)を連続し
て印加した状態におけるDC電圧ドリフトの一例、およ
びドリフトがほぼ飽和した段階で、印加していたバイア
スをゼロにして測定したドリフト(黒記号)の一例を示
すグラフ。
(V(∞)−V(t))の関係に直してプロットして示
したグラフ。
電圧方式で観察されるドリフト現象と制御電圧のドリフ
ト現象との関連性を示すグラフ。
に実際に値を代入して計算した結果を示すグラフ。
において、動作時間をlogスケールにとり直したグラ
フ。
間、A=0.5の条件で、Δtの値を5〜240分間ま
で変化させて計算したときの動作時間−動作電圧の関係
を示すグラフ。
の固定バイアス方式で測定したときの動作時間−DCド
リフト関係を示すグラフ。
を求めるための、動作時間−ln{V(∞)−V
(0)}関係を示すグラフ。
りドリフトによる位相変化を補償するためにバイアス電
圧を随時制御(5分間隔)していく方式で測定した制御
電圧のドリフトと、式(3)により計算した結果の対応
を示すための動作時間−動作電圧関係を示すグラフ。
Claims (2)
- 【請求項1】 複数個の導波路型電気光学素子を室温よ
りも高く100℃以下の所定温度に保持し、これらの素
子に所定値の直流バイアス電圧を印加し、この電圧印加
された素子に光を入力し、この素子の出力光の動作点の
経時変化をモニターし、電圧ドリフト量の飽和値(V
C)と、前記印加された直流バイアス電圧(VB)との
比:A=VC/VBを算出し、この比Aとして1未満の
値を示す素子を選別することを特徴とする、印加直流電
圧のドリフトが制御されている導波路型電気光学素子の
選別方法。 - 【請求項2】 前記比Aの値が0.5以下である、請求
項1に記載の導波路型電気光学素子の選別方法。
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- 1993-11-30 JP JP30042093A patent/JP2798350B2/ja not_active Expired - Fee Related
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