WO2016158650A1 - 導波路型光素子 - Google Patents

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哲平 柳川
勝利 近藤
藤野　哲也
市川　潤一郎
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住友大阪セメント株式会社
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    • G02F2202/20—LiNbO3, LiTaO3

Definitions

  • the present invention relates to a method for driving a waveguide type optical element including an optical waveguide and an electrode for controlling a light wave propagating through the optical waveguide, and more particularly, a waveguide including a bias electrode for compensating for so-called drift.
  • the present invention relates to a type optical element.
  • a waveguide type optical element such as an optical modulator in which an optical waveguide is arranged on a substrate having an electro-optic effect are often used.
  • a waveguide type optical element generally includes an electrode for controlling a light wave propagating in the optical waveguide together with the optical waveguide.
  • a Mach-Zehnder type optical modulator using a ferroelectric crystal lithium niobate (LiNbO 3 ) (also referred to as “LN”) as a substrate is widely used.
  • the Mach-Zehnder type optical modulator includes an incident waveguide for introducing light from the outside, a branching unit for propagating the light introduced by the incident waveguide in two paths, and a branching unit after the branching unit.
  • Mach-Zehnder type optical waveguide composed of two parallel waveguides for propagating each of the generated light and an output waveguide for combining the light propagated through the two parallel waveguides and outputting them to the outside Is provided.
  • the Mach-Zehnder type optical modulator includes an electrode for changing and controlling the phase of the light wave propagating in the parallel waveguide by applying the voltage and utilizing the electro-optic effect.
  • the electrodes generally include an RF (high frequency) signal electrode (hereinafter referred to as an “RF electrode”) disposed on or near the parallel waveguide, and a ground electrode disposed separately from the RF electrode. It consists of
  • the optical output characteristics with respect to the applied voltage shift due to the so-called DC drift phenomenon and temperature drift phenomenon.
  • distortion occurs in the optical modulation waveform output from the modulator.
  • Changes in modulation characteristics may occur.
  • a bias electrode is disposed along a parallel waveguide, and the bias is applied.
  • a method of compensating for a voltage shift amount (hereinafter also referred to as “DC drift voltage”) due to the drift phenomenon by appropriately applying an appropriate voltage to an electrode is known (Patent Document 1).
  • the voltage shift amount is adjusted by applying a voltage to the bias electrode to generate an appropriate refractive index difference between the two parallel waveguides.
  • the buffer layer is made of one or more selected from silicon oxide, metal elements of Groups 3 to 8, 1b and 2b of the periodic table, and semiconductor elements excluding silicon. It is known to be composed of a mixture of at least one oxide of the element or a transparent insulator of an oxide of silicon and one or more elements selected from the metal elements and semiconductor elements ( Patent Document 2).
  • Patent Document 2 In this configuration, as time elapses, negative DC drift characteristics are initially shown, and the additive affects the movement of mobile electrons and ions, so that the increase in DC drift can be flattened compared to the prior art. This is a useful technique that can improve DC drift characteristics over a long period of time.
  • the Mach-Zehnder is used.
  • the RF electrode length is increased in order to reduce the half-wave voltage (V ⁇ ), and as a result, the length of the bias electrode may be decreased.
  • V ⁇ half-wave voltage
  • the electric field required to generate the desired refractive index difference between the parallel waveguides is increased, and thus the voltage applied to the bias electrode is also increased.
  • the drift phenomenon may be accelerated by applying a high electric field to the LN substrate via the bias electrode.
  • a configuration capable of effectively preventing the acceleration of a drift phenomenon that occurs when a high electric field is applied to the substrate via the bias electrode is realized. Is desired.
  • One aspect of the present invention is a waveguide-type optical element, which is disposed on the substrate, a substrate having an electro-optic effect, two optical waveguides disposed on the substrate surface, and A refractive index difference between the two optical waveguides by applying an electric field to the two optical waveguides disposed on the nonconductive layer and a non-conductive layer made of a material having a lower dielectric constant than the substrate.
  • the non-conductive layer includes silicon oxide, indium oxide, and titanium oxide, and the ratio of titanium oxide molar concentration to indium oxide molar concentration is 1 It is made of a material that is 2 or more.
  • the control electrode includes a base layer disposed on the non-conductive layer and an upper layer disposed on the base layer.
  • the substrate is made of lithium niobate
  • the two optical waveguides are two parallel waveguides constituting a Mach-Zehnder type optical waveguide
  • the control electrode compensates for a drift phenomenon. This is a bias electrode.
  • FIG. 1 It is a figure which shows the structure of the waveguide type optical element which concerns on one Embodiment of this invention. It is an AA cross-sectional arrow view of the waveguide type optical element shown in FIG. It is a figure which shows an example of the evaluation result of the time change of drift voltage at the time of using the buffer layer which has a various composition. It is the figure which plotted the composition of the buffer layer of the waveguide type optical element used for evaluation of the time change of drift voltage.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a waveguide optical device according to an embodiment of the present invention.
  • the waveguide optical device 10 is a Mach-Zehnder optical modulator in which a Mach-Zehnder (MZ) optical waveguide 102 is disposed on a substrate 100.
  • MZ Mach-Zehnder
  • the substrate 100 is a substrate made of lithium niobate (LN) which is an electro-optic material, for example, a Z-cut LN substrate.
  • a nonconductive layer 120 made of a nonconductive material is disposed on the substrate 100.
  • the non-conductive layer 120 is a so-called buffer layer provided for the purpose of, for example, preventing light waves propagating through the MZ type optical waveguide 102 from being absorbed by an electrode 108 or the like described later to cause optical loss.
  • it is made of a material having a dielectric constant lower than that of the substrate 100 (specific materials will be described later).
  • the MZ type optical waveguide 102 has parallel waveguides 104 and 106. Directly above the parallel waveguides 104 and 106, radio frequency (RF) electrodes 108 and 110 are arranged along the parallel waveguides 104 and 106, respectively, and a predetermined separation distance from each of the RF electrodes 108 and 110 is provided.
  • the ground electrodes 112, 114, and 116 are arranged so as to sandwich the RF electrodes 108 and 110 apart from each other.
  • High-frequency signals for controlling light waves propagating through the parallel waveguides 104 and 106 are applied between the RF electrode 108 and the ground electrodes 112 and 114 and between the RF electrode 110 and the ground electrodes 114 and 116, respectively. The By these high-frequency signals, light input from the left end of the MZ type optical waveguide 102 is modulated (for example, intensity modulated) and output from the right end of the figure.
  • a bias electrode 150 which is a control electrode for controlling the refractive index difference between the parallel waveguides 104 and 106 by applying electric fields to the two parallel waveguides 104 and 106, respectively, is disposed. Yes.
  • the bias electrode 150 is disposed immediately above the parallel waveguides 104 and 106 at a predetermined distance from the operation electrodes 152 and 154 disposed along the parallel waveguides 104 and 106, and the operation electrodes 152 and 154, respectively.
  • the reference electrodes 160, 162, and 164 are provided so as to sandwich the working electrodes 152 and 154 at a distance.
  • a reference potential is applied to the reference electrodes 160, 162, and 164, and a positive voltage or a negative voltage with respect to the reference potential is applied to the working electrodes 152 and 154.
  • a refractive index difference is generated between the parallel waveguides 104 and 106, and a voltage shift amount (that is, a voltage shift amount necessary for an optical modulation operation by the RF electrodes 108 and 110) caused by the drift phenomenon described above is generated. Compensated.
  • the electrodes 108, 110, 112, 114, 116, 152, 154, 160, 162 and 164 described above are disposed on the non-conductive layer 120.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the waveguide type optical element 10 shown in FIG.
  • Each of the working electrodes 152 and 154 and the reference electrodes 160, 162, and 164 constituting the bias electrode 150 is provided between the upper layers 252a, 254a, 260a, 262a, and 264a, and between each of these upper layers and the non-conductive layer 120.
  • the underlayers 252b, 254b, 260b, 262b, and 264b are disposed on the substrate.
  • the upper layers 252a, 254a, 260a, 262a, 264a are made of, for example, gold (Au), and the base layers 252b, 254b, 260b, 262b, 264b are made of, for example, titanium (Ti).
  • one of the causes of acceleration of the drift phenomenon due to the application of a high electric field to the LN substrate or the like via the bias electrode is as follows. It is considered that carriers are injected into the buffer layer (corresponding to the nonconductive layer 120 in this embodiment) existing under the bias electrode or the LN substrate.
  • the inventors of the present invention evaluated the degree of acceleration of the drift phenomenon due to the application of a high electric field to the LN substrate via the bias electrode by variously changing the material of the buffer layer based on the above-described knowledge.
  • the buffer layer is configured to include silicon oxide, indium oxide, and titanium oxide, and the ratio of the titanium oxide molar concentration to the indium oxide molar concentration in the buffer layer is 1.2 or more.
  • the non-conductive layer 120 corresponding to the buffer layer includes SiO 2 , In 2 O 3 which is an oxide of indium, and titanium. is configured to include a TiO 2 which is an oxide, such that the ratio of titanium oxide molar concentration of indium oxide molar concentration of 1.2 or more, for example, titanium molar concentration of 9.0 mol%, indium mole Concentration is composed of 3.4 mol%.
  • Table 1 An example of an experimental sample used when obtaining the above knowledge is shown in Table 1.
  • the time change of the DC drift voltage was measured by the following procedure. First, light is incident from one end of the MZ type optical waveguide 102, and a positive initial bias voltage is applied only to the working electrode 152 with the reference electrodes 160, 162, 164 as the ground potential. In this state, the bias voltage applied to the working electrode 152 is adjusted so that the intensity of the light output from the other end of the MZ optical waveguide 102 is constant, and the applied voltage to the working electrode 152 after the adjustment is applied. The amount of variation of the bias voltage from the initial bias voltage is recorded with the passage of time after application of the initial bias voltage.
  • the reference electrodes 160, 162, 164 and the working electrode 152 are short-circuited and left at a high temperature for a long time, and then one end of the MZ-type optical waveguide 102 as described above.
  • a negative initial bias voltage is applied only to the working electrode 152 with the reference electrodes 160, 162 and 164 as ground potential.
  • the bias voltage applied to the working electrode 152 is adjusted so that the intensity of the light output from the other end of the MZ optical waveguide 102 is constant, and the applied voltage to the working electrode 152 after the adjustment is applied.
  • the amount of variation of the bias voltage from the initial bias voltage is recorded with the passage of time after application of the initial bias voltage.
  • FIG. 3 shows a measurement result of the time change of the DC drift voltage for the sample b and the sample e as a representative example.
  • FIG. 3A shows the time change of the bias voltage in the sample b
  • FIG. 3B shows the time change in the sample e.
  • a curve 300 shown in FIG. 3A shows a time change of the DC drift voltage measured by applying an initial bias voltage of +3.5 V to the working electrode 152 for the sample b, and a curve 302 shows the application of the bias voltage of the sample.
  • the graph shows the time variation of the DC drift voltage measured by applying an initial bias voltage of ⁇ 3.5 V to the working electrode 152 after returning the history to the initial state.
  • a curve 304 shows a time change of the DC drift voltage measured by applying an initial bias voltage of +10.0 V to the working electrode 152 after returning the bias voltage application history of the sample to the initial state
  • a curve 306 shows the sample 306
  • the graph shows the time change of the DC drift voltage measured by applying the initial bias voltage of -10.0 V to the working electrode 152 after the bias voltage application history is returned to the initial state.
  • the distance between the electrodes for applying the DC bias of these samples is 14 ⁇ m
  • the thickness of the buffer layer is 0.6 ⁇ m.
  • curve 310 shown in FIG. 3 (b) shows the time variation of the DC drift voltage measured for sample e with an initial bias voltage of + 3.5V applied to working electrode 152
  • curve 312 represents the sample.
  • the graph shows the time variation of the DC drift voltage measured by applying the initial bias voltage of ⁇ 3.5 V to the working electrode 152 after the bias voltage application history is returned to the initial state.
  • Curve 314 shows the time change of the DC drift voltage measured by applying the initial bias voltage of +10.0 V to the working electrode 152 after returning the bias voltage application history of the sample to the initial state
  • curve 316 shows the sample 316
  • the graph shows the time change of the DC drift voltage measured by applying the initial bias voltage of -10.0 V to the working electrode 152 after the bias voltage application history is returned to the initial state.
  • a modulator having a buffer layer containing TiO 2 and In 2 O 3 no clear change is observed even when an electric field of 2 V / ⁇ m or more is applied between the bias electrodes.
  • the bias drift of a modulator having a buffer layer is mainly caused by the space charge of the carriers in the buffer layer, and the carrier injection from the metal electrode to the LN and the carrier injection from the dielectric buffer layer to the LN are The cause of this phenomenon is presumed to be different in likelihood.
  • the pass / fail judgment standard as a characteristic that can be put to practical use is, for example, the change amount of each DC drift voltage when the initial value of the bias voltage is positive and negative at an elapsed time of 500 hours.
  • samples a to f shown in Table 1 are expressed as shown in Table 2 (in the table, “small” indicates the change ratio). Is smaller than 2, “large” indicates that the change ratio is 2 or more), grouped into a group of samples a to c having a small drift voltage change and a group of samples d to f having a large change (Two groups each surrounded by a dotted line).
  • FIG. 4 is a diagram in which the composition of the non-conductive layer 120 of the samples a to f is plotted in a triangle composed of three sides indicating the composition ratios of SiO 2 , In 2 O 3 , and TiO 2 , respectively.
  • the white circles in the figure are plots, and the names of the corresponding samples (a to f) are shown in the white circles.
  • the non-conductive layer 120 is particularly configured so that the concentration ratio is> 1.2, thereby reducing the variation with time of the drift voltage.
  • the voltage at which the drift is rapidly accelerated at the time of the negative initial bias voltage also depends on the thickness of the buffer layer. It has been empirically found that even if the electrode spacing is the same and the buffer layer composition is the same, the thinner the buffer layer, the lower the voltage at which drift increases, and the higher the thicker the voltage. When the buffer layer is 0.55 ⁇ m and 1.0 ⁇ m, the voltages at which the drift increases rapidly are about 14 V and 17 V, respectively, and the electric fields are about 1.0 V / ⁇ m and 1.2 V / ⁇ m, respectively. .
  • the buffer layer may be doped with an appropriate amount of tin (Sn).
  • Sn tin
  • the tin concentration ratio should be suppressed to 1.5 mol% or less.
  • the non-conductive layer 120 includes silicon oxide, indium oxide, and titanium oxide, and the titanium oxide molar concentration and indium Since the ratio to the oxide molar concentration is 1.2 or more, carrier injection to the buffer layer when an electric field of 1 V / ⁇ m or more is applied to the substrate can be effectively suppressed.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Waveguide type optical element, 100 ... Substrate, 102 ... MZ type optical waveguide, 104, 106 ... Parallel waveguide, 108, 110 ... RF electrode, 112, 114, 116 .. Ground electrode, 120... Non-conductive layer, 150... Bias electrode, 152, 154... Working electrode, 160, 162, 164 ... Reference electrode, 252 a, 254 a, 260 a, 262 a, 264 a ..Upper layer, 252b, 254b, 260b, 262b, 264b...

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Abstract

　導波路型光素子において、バイアス電極を介して基板に高電界が印加されることにより発生するドリフト現象の加速を効果的に防止すること。　電気光学効果を有する基板（１００）と、前記基板表面に配置された２つの光導波路（１０４、１０６）と、前記基板上に配置された、当該基板より誘電率の低い材料から成る非導電層（１２０）と、前記非導電層上に配置された、前記２つの光導波路に電界をそれぞれ印加して当該２つの光導波路間に屈折率差を発生させるための制御電極（１５０）と、を備え、前記非導電層は、酸化シリコンとインジウムの酸化物とチタンの酸化物とを含み、チタン酸化物モル濃度とインジウム酸化物モル濃度との比が１．２以上である材料により構成され、前記制御電極には、前記基板に１Ｖ／μｍ以上の電界を発生させる電圧が印加される。

Description

導波路型光素子
　本発明は、光導波路と当該光導波路を伝搬する光波を制御するための電極とを備えた導波路型光素子の駆動方法に関し、特に、いわゆるドリフトを補償するためのバイアス電極を備えた導波路型光素子に関する。
　近年、光通信や光計測の分野においては、電気光学効果を有する基板上に光導波路を配置した、光変調器などの導波路型光素子が多く用いられている。導波路型光素子は、一般に、上記光導波路と共に当該光導波路内を伝搬する光波を制御するための電極を備える。
　このような導波路型光素子として、例えば強誘電体結晶であるニオブ酸リチウム（LiNbO3）（「ＬＮ」とも称する）を基板に用いたマッハツェンダ型光変調器が広く用いられている。マッハツェンダ型光変調器は、外部から光を導入するための入射導波路と、当該入射導波路により導入された光を２つの経路に分けて伝搬させるための分岐部と、分岐部の後段に分岐されたそれぞれの光を伝搬させる２本の並行導波路と、当該２本の並行導波路を伝搬した光を合波して外部へ出力するための出射導波路とにより構成されるマッハツェンダ型光導波路を備える。また、マッハツェンダ型光変調器は、電圧を印加することで、電気光学効果を利用して上記並行導波路内を伝搬する光波の位相を変化させて制御するための電極を備える。当該電極は、一般に、上記並行導波路の上部又はその近傍に配置されたＲＦ（高周波）信号電極（以下、「ＲＦ電極」と称する）と、当該ＲＦ電極に離間して配置された接地電極とで構成されている。
　ＬＮを基板に用いたマッハツェンダ型光変調器では、いわゆるＤＣドリフト現象や温度ドリフト現象により、印加電圧に対する光出力特性がシフトするため、例えば変調器から出力される光変調波形に歪等が発生し、変調特性の変化（例えば、波形品質の劣化）が生じ得る。
　このようなドリフト現象に起因した変調特性の変化を防止する方法として、高周波信号電圧を印加するための上記ＲＦ電極および接地電極のほかに、並行導波路に沿ってバイアス電極を配置し、当該バイアス電極に適切な電圧を適宜印加することにより上記ドリフト現象による電圧シフト量（以下、「ＤＣドリフト電圧」とも称する）を補償する方法が知られている（特許文献１）。
　すなわち、バイアス電極に電圧を印加して、当該２つの並行導波路間に適切な屈折率差を発生させることで、上記電圧シフト量を調整する。
　また、ドリフト現象を軽減する技術として、バッファ層を、酸化シリコンと周期律表の三～八族、一ｂ族および二ｂ族の金属元素およびシリコンを除く半導体元素から選ばれる１種またはそれ以上の元素の酸化物の少なくとも１種との混合物、またはシリコンと前記金属元素および半導体元素から選ばれる１種またはそれ以上の元素との酸化物の透明絶縁体で構成することが知られている（特許文献２）。この構成では、時間の経過に従い、初期には負のＤＣドリフト特性を示し、また可動電子やイオンの動きに添加物が影響を及ぼして、ＤＣドリフト増加が従来に比べ平坦化することができ、長期に渡ってＤＣドリフト特性を改善することができる、有用な技術である。
　しかしながら、上述したこれらの従来技術では、当該導波路型光素子のサイズが大きさなどから制限を受けた長さの並行導波路に沿ってＲＦ電極とバイアス電極とを個別に配置する場合、マッハツェンダ型光変調器において、半波長電圧（Vπ）を小さくするためにＲＦ電極長を長くすることになり、結果としてバイアス電極の長さが短くなってしまう場合がある。このような場合には、並行導波路間に所望の屈折率差を発生させるため必要な電界は大きくなり、従ってバイアス電極への印加電圧も高くなる。
　その結果、上記バイアス電極を介したＬＮ基板への高電界印加により上記ドリフト現象が加速されるという現象が生じ得る。
特開平５－２２４１６３号公報 特開平５－２５７１０５号公報
　上記背景より、バイアス電極を有する導波路型光素子において、当該バイアス電極を介して基板に高電界が印加されることにより発生するドリフト現象の加速を、効果的に防止することのできる構成の実現が望まれている。
　本発明の一の態様は、導波路型光素子であり、当該導波路型光素子は、電気光学効果を有する基板と、前記基板表面に配置された２つの光導波路と、前記基板上に配置された、当該基板より誘電率の低い材料から成る非導電層と、前記非導電層上に配置された、前記２つの光導波路に電界をそれぞれ印加して当該２つの光導波路間に屈折率差を発生させるための制御電極と、を備え、前記非導電層は、酸化シリコンとインジウムの酸化物とチタンの酸化物とを含み、チタン酸化物モル濃度とインジウム酸化物モル濃度との比が１．２以上である材料により構成されている。
　本発明の他の態様によると、前記制御電極は、前記非導電層上に配置される下地層と、当該下地層上に配置される上部層と、により構成されている。
　本発明の他の態様によると、前記基板はニオブ酸リチウムから成り、前記２つの光導波路は、マッハツェンダ型光導波路を構成する２つの並行導波路であって、前記制御電極は、ドリフト現象を補償するためのバイアス電極である。
本発明の一実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。 図１に示す導波路型光素子のＡＡ断面矢視図である。 種々の組成を有するバッファ層を用いた場合の、ドリフト電圧の時間変化の評価結果の一例を示す図である。 ドリフト電圧の時間変化の評価に用いた導波路型光素子の、バッファ層の組成をプロットした図である。
　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
　図１は、本発明の一実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。
　本導波路型光素子１０は、基板１００上にマッハツェンダ（ＭＺ、Mach-Zehnder）型光導波路１０２が配置された、マッハツェンダ型光変調器である。
　基板１００は、電気光学材料であるニオブ酸リチウム（ＬＮ）から成る基板であり、例えばＺカットのＬＮ基板である。基板１００上には、非導電性の材料から成る非導電層１２０が配置されている。この非導電層１２０は、例えば、ＭＺ型光導波路１０２を伝搬する光波が後述する電極１０８等により吸収されて光損失を生ずるのを避けること等を目的として設けられる、いわゆるバッファ層であるものとすることができ、例えば基板１００よりも誘電率の低い材料（具体的な材料については後述する）により構成される。
　ＭＺ型光導波路１０２は、並行導波路１０４、１０６を有する。並行導波路１０４、１０６の直上部には、それぞれ、当該並行導波路１０４、１０６に沿って高周波（ＲＦ）電極１０８、１１０が配置されており、ＲＦ電極１０８、１１０のそれぞれから所定の離間距離だけ離れて当該ＲＦ電極１０８、１１０を挟むように、接地電極１１２、１１４、１１６が配置されている。ＲＦ電極１０８と接地電極１１２、１１４との間、及びＲＦ電極１１０と接地電極１１４、１１６との間には、並行導波路１０４、１０６を伝搬する光波を制御するための高周波信号がそれぞれ印加される。これらの高周波信号により、ＭＺ型光導波路１０２の図示左端から入力された光が変調（例えば、強度変調）されて、図示右端から出力される。
　また、基板１００上には、２つの並行導波路１０４、１０６にそれぞれ電界を印加して並行導波路１０４、１０６間の屈折率差を制御するための制御電極であるバイアス電極１５０が配置されている。バイアス電極１５０は、並行導波路１０４、１０６の直上部に、それぞれ、当該並行導波路１０４、１０６に沿って配置された動作電極１５２、１５４と、当該動作電極１５２、１５４のそれぞれから所定の離間距離だけ離れて当該動作電極１５２、１５４を挟むように設けられた基準電極１６０、１６２、１６４とで構成されている。
　基準電極１６０、１６２、１６４には、基準となる電位が印加され、動作電極１５２、１５４には、当該基準となる電位に対する正電圧又は負電圧が印加される。これにより、並行導波路１０４、１０６の間に屈折率差を発生させて、上述したドリフト現象により生ずる電圧シフト量（すなわち、ＲＦ電極１０８、１１０による光変調動作に必要な電圧のシフト量）が補償される。
　なお、上述した各電極１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、１５２、１５４、１６０、１６２、１６４は、非導電層１２０上に配置されている。
　図２は、図１に示す導波路型光素子１０のＡＡ断面矢視図である。バイアス電極１５０を構成する動作電極１５２、１５４及び基準電極１６０、１６２、１６４のそれぞれは、上部層２５２ａ、２５４ａ、２６０ａ、２６２ａ、２６４ａと、これらの上部層のそれぞれと非導電層１２０との間に配置された下地層２５２ｂ、２５４ｂ、２６０ｂ、２６２ｂ、２６４ｂとにより構成されている。上部層２５２ａ、２５４ａ、２６０ａ、２６２ａ、２６４ａは、例えば金（Ａｕ）で構成され、下地層２５２ｂ、２５４ｂ、２６０ｂ、２６２ｂ、２６４ｂは、例えばチタン（Ｔｉ）で構成される。
　本願発明の発明者の知見によると、バイアス電極を介したＬＮ基板等への高電界印加に起因するドリフト現象の加速の要因の一つは、バイアス電極への高電圧印加により、バイアス電極から、当該バイアス電極下に存在するバッファ層（本実施形態では非導電層１２０に対応する）又はＬＮ基板にキャリヤが注入されることであると考えられる。
　そして、本願発明の発明者は、上述した知見に基づき、バッファ層の素材を種々変更してバイアス電極を介したＬＮ基板への高電界印加に起因するドリフト現象の加速の程度を評価した。その結果、バッファ層を、酸化シリコンとインジウムの酸化物とチタンの酸化物とを含む構成とし、且つ当該バッファ層におけるチタン酸化物モル濃度とインジウム酸化物モル濃度との比が１．２以上となる構成とすることで、基板におよそ１Ｖ／μｍ以上の電界（ここで電界は、印加電圧／電極間隔で算出される平均的な電界である）を印加した際のバッファ層へのキャリヤ注入を有効に抑制することができる、との更なる知見を得た。
　本願発明は、上記知見に基づくものであり、本実施形態においては、特に、上記バッファ層に対応する非導電層１２０が、ＳｉＯ２と、インジウムの酸化物であるＩｎ２Ｏ３と、チタンの酸化物であるＴｉＯ２とを含んで構成されており、チタン酸化物モル濃度とインジウム酸化物モル濃度との比が１．２以上となるように、例えばチタンモル濃度が９．０ｍｏｌ％、インジウムモル濃度が３．４ｍｏｌ％で構成されている。
　上記知見を得る際に用いた実験サンプルの一例を表１に示す。各サンプルの構成は、図１、図２に示す導波路型光素子１０と同様であり、表１には、ＳｉＯ２を主材料とする非導電層１２０に添加したＩｎ２Ｏ３及びＴｉＯ２のモル濃度比（単位：ｍｏｌ％）と、Ｉｎ２Ｏ３とＴｉＯ２とのモル濃度比の濃度比率（＝［ＴｉＯ２のモル濃度比］／［Ｉｎ２Ｏ３のモル濃度比］）とが示されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　サンプルａ～ｆのそれぞれについて、ＤＣドリフト電圧の時間変化を以下の手順で測定した。
　まず、ＭＺ型光導波路１０２の一端から光を入射し、基準電極１６０、１６２、１６４を接地電位として、動作電極１５２にのみ、正の初期バイアス電圧を印加する。この状態で、ＭＺ型光導波路１０２の他端から出力される光の強度が一定となるように、動作電極１５２に印加されているバイアス電圧を調整し、当該調整後の動作電極１５２への印加バイアス電圧の上記初期バイアス電圧からの変動量を、当該初期バイアス電圧の印加後の時間の経過と共に記録する。
　次に、サンプルの電圧印加履歴を初期状態に戻すために、基準電極１６０，１６２、１６４と動作電極１５２を短絡し高温下で、長時間放置した後、上記同様にＭＺ型光導波路１０２の一端から光を入射し、基準電極１６０、１６２、１６４を接地電位として、動作電極１５２にのみ負の初期バイアス電圧を印加する。この状態で、ＭＺ型光導波路１０２の他端から出力される光の強度が一定となるように、動作電極１５２に印加されているバイアス電圧を調整し、当該調整後の動作電極１５２への印加バイアス電圧の上記初期バイアス電圧からの変動量を、当該初期バイアス電圧の印加後の時間の経過と共に記録する。
　図３は、代表例として、サンプルｂ及びサンプルｅについての、ＤＣドリフト電圧の時間変化の測定結果である。図３（ａ）は、サンプルｂにおけるバイアス電圧の時間変化、図３（ｂ）はサンプルｅにおける時間変化を示している。
　図３（ａ）、（ｂ）において、縦軸は、ＤＣドリフト電圧（単位：Ｖ）、横軸は経過時間（単位：時間）である。図３（ａ）に示す曲線３００は、サンプルｂについての、動作電極１５２に＋３．５Ｖの初期バイアス電圧を加えて測定したＤＣドリフト電圧の時間変化を示し、曲線３０２は、サンプルのバイアス電圧印加履歴を初期状態に戻した後、動作電極１５２に－３．５Ｖの初期バイアス電圧を加えて測定したＤＣドリフト電圧の時間変化を示している。また、曲線３０４は、サンプルのバイアス電圧印加履歴を初期状態に戻した後、動作電極１５２に＋１０．０Ｖの初期バイアス電圧を加えて測定したＤＣドリフト電圧の時間変化を示し、曲線３０６は、サンプルのバイアス電圧印加履歴を初期状態に戻した後、動作電極１５２に－１０．０Ｖの初期バイアス電圧を加えて測定したＤＣドリフト電圧の時間変化を示している。また、これらのサンプルのＤＣバイアス印加用の電極の間隔は１４μｍであり、バッファ層の厚さは０．６μｍである。
　同様に、図３（ｂ）に示す曲線３１０は、サンプルｅについての、動作電極１５２に＋３．５Ｖの初期バイアス電圧を加えて測定したＤＣドリフト電圧の時間変化を示し、曲線３１２は、サンプルのバイアス電圧印加履歴を初期状態に戻した後、動作電極１５２に－３．５Ｖの初期バイアス電圧を加えて測定したＤＣドリフト電圧の時間変化を示している。また、曲線３１４は、サンプルのバイアス電圧印加履歴を初期状態に戻した後、動作電極１５２に＋１０．０Ｖの初期バイアス電圧を加えて測定したＤＣドリフト電圧の時間変化を示し、曲線３１６は、サンプルのバイアス電圧印加履歴を初期状態に戻した後、動作電極１５２に－１０．０Ｖの初期バイアス電圧を加えて測定したＤＣドリフト電圧の時間変化を示している。
　図３（ａ）においては、曲線３００～３０６が示すように、ドリフト電圧の絶対値は緩やかに増加するか（３００、３０２）、又は或る一定値の電圧に向かって漸近していくような傾向（３０４、３０６）がある。
　これに対し図３（ｂ）においては、曲線３１０～３１４は、図３（ａ）の曲線３００～３０４とほぼ同じ傾向を示すが、曲線３１６が示すように、負の初期バイアス電圧－１０．０Ｖでのドリフト電圧は、時間経過と共にその絶対値が急激に増大していく。
　印加バイアス電圧が±１４Vの範囲では、正の印加、負の印加ともに同じような傾向をしめすが、負の初期電圧の場合、印加バイアス電圧が－１５V付近からその絶対値が急激に変化しており、ドリフト現象が加速している。その原因は、おそらくは、電極からバッファ層への電子注入によりバッファ層中のキャリヤが増加し、バッファ層中の空間電荷が電極間の電位差による外部電界を打ち消す働きが強まるためと考えられる。サンプルの変調器の電極間隔は１４μmであるため、このときの印加電界はおよそ１．１V／μｍである。
　正のバイアス電圧を印加した際においても、図３（ａ）に示すサンプルｂより、印加電圧の変化が大きいが、負のバイアス電圧印加の場合ほどの大きな差は無い。なお、バッファ層がないタイプのＬＮ光変調器において、おおむね２Ｖ／μｍ程度の電界強度で、正のバイアス電圧印加と負のバイアス電圧印加との間で、ＤＣドリフトの挙動に差が顕著に見られるようになることから、その電界強度で金属電極からＬＮ結晶中へのキャリヤ注入、極性から判断しておそらくは電子注入が起こりはじめると考えられる。
　ＴｉＯ２、Ｉｎ２０３を含んだバッファ層のある変調器では、バイアス電極間に、２Ｖ／μｍあるいはそれ以上の電界をかけても、明確な変化は見られない。バッファ層を有する変調器のバイアスドリフトは、おもにバッファ層中のキャリヤの空間電荷によってもたらされること、また、金属電極からのＬＮへのキャリヤ注入と誘電体であるバッファ層からＬＮへのキャリヤ注入は、起こりやすさが異なることが、この現象の原因と推定される。
　このような１Ｖ／μｍ程度の電界の負の印加におけるＤＣドリフト電圧の急激な増加現象は、上述したＩｎ２Ｏ３とＴｉＯ２とのモル濃度比の濃度比率（＝［ＴｉＯ２のモル濃度比］／［Ｉｎ２Ｏ３のモル濃度比］）に依存する。上記のようなＤＣドリフトの増加量について、実用に供し得る特性としての良否判定基準を、例えば経過時間５００時間において、バイアス電圧初期値が正及び負である場合のそれぞれのＤＣドリフト電圧の変化量（絶対値）の比（変化比）が、２以下であること、とすれば、表１に示すサンプルａ～ｆは、表２のように表され（表中の「小」は上記変化比が２より小さいことを、「大」は当該変化比が２以上であることを示す）、ドリフト電圧変化の小さいサンプルａ～ｃの群と、当該変化の大きいサンプルｄ～ｆの群にグループ化される（それぞれ点線で囲まれた２つのグループ）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　そして、表１及び表２の比較から、これら２つのグループの境界値として、Ｉｎ２Ｏ３とＴｉＯ２とのモル濃度比の濃度比率＝１．２を得ることができる。図４は、サンプルａ～ｆの非導電層１２０の組成を、ＳｉＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＴｉＯ２の組成比をそれぞれ示す３つの辺で構成された三角形の中にプロットした図である。図中の白丸がプロットであり、白丸の中に対応するサンプルの名前（ａ～ｆ）が示されている。同図においても、サンプルａ～ｃとサンプルｄ～ｆの群が、濃度比率＝１．２を示す直線４００を境界として２つの群に分かれることが判る。本願発明は、このような知見を基に、特に当該濃度比率が＞１．２となるように非導電層１２０を構成することで、ドリフト電圧の経時的な変動を軽減するものである。
　なお、負の初期バイアス電圧の際にドリフトが急激に加速される電圧は、バッファ層の厚さにも依存する。電極間隔が同じでバッファ層の組成が同じであっても、バッファ層が薄いと、ドリフトが増大する電圧が低くなる、厚いと高くなる傾向があることが体験的にわかっている。バッファ層が０．５５μｍの場合と１．０μｍの場合、ドリフトが急激に増大する電圧は、それぞれおよそ１４Ｖ、１７Ｖ程度であり、電界はそれぞれおよそ１．０Ｖ／μｍ、１．２Ｖ／μｍである。
　バッファ層中にＩｎ、Ｔｉに加えて、すず（Ｓｎ）を適量ドープしても良い。ＬＮにＴｉ拡散導波路を形成する際の雰囲気条件、リッジ導波路化する際の加工条件、加工後のアニール処理条件、バッファ層の形成条件、バッファ層のアニール条件などとの組合わせ条件次第では、正の印加、負の印加ともにドリフト抑制効果が高まる。ただし、Ｓｎあるいは酸化すず（ＳｎＯ２）の蒸気圧が高いためバッファ層組成の再現性確保は難しくなるため、すずの濃度比は１．５モル％以下に抑えておくのが良い。
　以上、説明したように、本実施形態に示す導波路型光素子１０では、非導電層１２０が、酸化シリコンとインジウムの酸化物とチタンの酸化物とを含み、且つチタン酸化物モル濃度とインジウム酸化物モル濃度との比が１．２以上となっているので、基板に１Ｖ／μｍ以上の電界を印加した際のバッファ層へのキャリヤ注入を有効に抑制することができる。
　１０・・・導波路型光素子、１００・・・基板、１０２・・・ＭＺ型光導波路、１０４、１０６・・・並行導波路、１０８、１１０・・・ＲＦ電極、１１２、１１４、１１６・・・接地電極、１２０・・・非導電層、１５０・・・バイアス電極、１５２、１５４・・・動作電極、１６０、１６２、１６４・・・基準電極、２５２ａ、２５４ａ、２６０ａ、２６２ａ、２６４ａ・・・上部層、２５２ｂ、２５４ｂ、２６０ｂ、２６２ｂ、２６４ｂ・・・下地層。

Claims (3)

  1. 　電気光学効果を有する基板と、
    　前記基板表面に配置された２つの光導波路と、
    　前記基板上に配置された、当該基板より誘電率の低い材料から成る非導電層と、
    　前記非導電層上に配置された、前記２つの光導波路に電界をそれぞれ印加して当該２つの光導波路間に屈折率差を発生させるための制御電極と、
    を備え、
    　前記非導電層は、酸化シリコンとインジウムの酸化物とチタンの酸化物とを含み、チタン酸化物モル濃度とインジウム酸化物モル濃度との比が１．２以上である材料により構成され、
    　前記制御電極には、前記基板に１Ｖ／μｍ以上の電界を発生させる電圧が印加される、
    　導波路型光素子。
  2. 　前記制御電極は、前記非導電層上に配置される下地層と、当該下地層上に配置される上部層と、により構成され、
    　前記下地層はチタンである、
    　請求項１に記載の導波路型光素子。
  3. 　前記基板はニオブ酸リチウムから成り、
    　前記２つの光導波路は、マッハツェンダ型光導波路を構成する２つの並行導波路であって、
    　前記制御電極は、ドリフト現象を補償するためのバイアス電極である、
    　請求項１又は２に記載の導波路型光素子。
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