波导型光控制元件及其制造方法技术

一种波导型光控制元件，具有：光波导，其由具有电光效应或热光效应的绝缘材料构成；控制用电极，其接触或接近于光波导而被设置，并且，光波导的传播损耗在波长为１．３～１．６μｍ时为１ｄＢ／ｃｍ以下，其特征在于，由其载流子电子浓度为５．５×１０↑［２０］个／ｃｍ↑［３］以下、且电阻率在９．５×１０↑［－４］Ωｃｍ以下的导电氧化物膜构成上述控制用电极，而且导电氧化物膜对波长为１．５５μｍ的光波的衰减系数为０．２４０以下。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于在光纤通信、光纤计测中控制光波的强度、相位、偏振状态的波导型光控制元件。
技术介绍
在光纤通信系统及光纤计测系统中，需要对光波的强度、相位、偏振状态等进行种种处理。因此，例如光强度调制器、光开关、关衰减器等，已经在开发应用中。在这些光处理技术中有一门光波导技术。光波导技术具有易实现低电压、集成化、牢固、能够进行大批且廉价的制造的优点。用于光波导基板材料的有半导体材料、氧化物结晶材料、玻璃等多种材料。其中，对于光波导强度调制器，作为基板材料而多用以铁电体铌酸锂或锆钛酸铅镧(leadlanthanum zirconate titanate)等为代表的、具有电光效应的氧化物结晶材料。这里，利用以下式(1)、式(2)来说明接触或接近于光波导而设置的控制用电极的作用。Δф＝(2π/λ)·δn·L (1)δn＝(-1/2)·n3·r·Γ·(V/G) (2)在上述式(1)中，Δф是因施加电压而产生的相位变化量，λ是输入波长，δn是所导致的折射率变化，L是电极长度。另外，在式(2)中，n表示折射率，r表示基板结晶的电光常数(electro-opticconstant)，Γ表示光波及电场重叠参数，V表示施加电压，G表示电极间间隔。并且，由式(1)、式(2)可知，要得到尽可能大的相位变化Δф，则需要得到尽可能大的折射率变化δn。因此，以下几点变得重要。(1)尽可能缩小电极间间隔G。由此能够增强电场。(2)增大光波及电场重叠参数。为此，尽可能增大电极宽度，而在光波导模式分布的基板内使深的区域的电力线增多，从而得到足够强的电场。通常，由于在受到所利用的光波导的面积的限制范围内，将电极宽度构成为最大，所以电极宽度的可增大的程度受到限制。因此，研究如何缩小电极间间隔G。这里，整理表示使用铌酸锂基板而利用了该基板材料的电光效应的波导型光控制元件所共有的典型的结构、以及制作该元件的步骤。作为这种波导型光控制元件的一个例子，而在图6中例示出马赫-泽德(Mach-Zehnder)干涉仪型光强度调制器的光电路(optical circuit)结构及其结构元件。通过光刻技术，在铌酸锂基板11上形成宽度为10μm左右的、金属Ti的条带(strip)，然后在1000℃左右对基板进行处理，而使Ti原子扩散到铌酸锂基板内部。其结果，Ti原子扩散到深度为5μm左右、宽度为10μm左右的范围内而形成分布。在该部分，折射率大致与Ti原子的浓度成正比而上升。该折射率的上升区域成为光波导12a、12b、13a、13b、15。在该区域，将在光纤通信系统中所使用的波长为1.3～1.55μm的光波，以单一模式进行传播。紧接着光波导的形成，在铌酸锂基板的光波导面上蒸镀SiO2而形成缓冲(buffer)层。缓冲层的作用是使使用于电极的金属不吸收上述光波。然后，在缓冲层的表面蒸镀金属薄膜，并刻画图案而作成图6中的14a、14b所示的电极。在刻画电极的图案时，与形成上述的光波导时同样，使用光刻技术。即，例如在蒸镀Ti、Cr而形成的膜上均匀地蒸镀Au，然后执行通过化学蚀刻来除去不需要部分的蚀刻法、形成了刻画图案的光致抗蚀膜之后蒸镀金属材料接着溶解除去光致抗蚀膜的剥离(lift off)法。作为电极的第一层而使用Ti、Cr，这是由于这些例如与称为铌酸锂结晶的基板材料和用作缓冲层的SiO2的附着性也很出众。另外，作为第二层而使用Au，这是由于Au的导电性能、耐环境性能优越、且引线接合容易。然而，如上所述，缓冲层的作用是使电极所使用的金属不吸收传播在光波导内的光波，但存在因存在缓冲层而发生的问题。例如，DC漂移(Drift)。针对所谓的DC漂移是哪种现象进行说明。光波导区域的电场E，可用式(3)表示，其中，V表示外部施加电压，g表示电极间间隔。E＝V/g (3) 但是，在此，g并不是在式(1)中所利用的实际的电极间间隔G，而是为了直观地理解而导入了有效的电极间间隔值g。若根据式(3)，则只要能够将V保持为一定，就能够将E保持为一定，从而能够将光输出保持为一定值。但是，即使将外部施加电压V保持为一定，E也会发生随时间的变化，其结果，出现无法将光输出保持为一定的现象。这就是DC漂移。该DC漂移是作为在缓冲层自身以及缓冲层与光波导基板的界面上的、有效的容量成分与电阻成分的效应而发生的现象。为了实际使用光开关、光调制器等波导型光控制元件，而需要抑制DC漂移。为了消除DC漂移而除去了缓冲层时，为了防止电极吸收光波而需要某种可替代缓冲层的对策。特别地，在单一模式光纤系统中通常偏振状态不为随时间一定，所以在其中所使用的波导型光控制元件中，对于电场振动方向平行于基板面且电极的吸收不显著的TE模式、和电场振动方向随时间垂直且电极的吸收显著的TM模式的两种模式要求体现出相同的行为，即要求无偏振依赖性。另外，在利用了热光效应的波导型光控制元件中，基板采用石英玻璃或高分子材料等、透明性高且折射率的温度依赖性适当大的材料。并且，将Cr等金属导体条带只设置在干涉仪的单方支路(Arm)上，并使电流流过其中而产生焦耳热，而通过该热来仅使单方支路的折射率发生变化，其结果，在两个支路之间产生相位差。利用该相位差来使输出光量变化的这一点，与电光效应完全相同。并且，金属导体与上述电极同样吸收光波，所以在不使用缓冲层时，需要使金属导体从光波导远离一定距离，另外，在使用了缓冲层时，虽然能够使之更为接近，但需要进行设置缓冲层的工序。作为对于这种复杂问题的解决对策，而提出了将ITO膜(Indium TinOxide膜、In2O3:Sn膜)用于控制用电极的结构，其中，上述ITO膜是在可见区透明的导电氧化物(参照德国专利DE3724634号公报)。据此，则在光波导上成膜ITO膜而作为电极，并在其上设置保护膜层。通常，当光入射到物质时，一部分被反射，而剩余部分的一部分被吸收到物质内，进而其剩下的部分被透过。In2O3类的导电氧化物材料是n型半导体，而存在载流子电子，其移动贡献于导电。在这种导电氧化物膜中的载流子电子吸收及反射近红外区的光。导电氧化物膜中的载流子电子越多，则对近红外光的反射及吸收量就变得越多(参照欧姆(OHM)公司、日本学术振兴会编，《透明导电膜技术》P55～57)，从而导电氧化物膜的衰减系数变得越大。虽然现在被广泛应用的ITO膜的电阻低，但载流子电子浓度变为8×1020个/cm3以上时，在波长为1.3～1.6μm的近红外区，反射及吸收变得显著。若将这种膜接触或接近光波导而用作控制用电极，则传播在光波导内的波长为1.3～1.6μm的近红外光的损耗变得显著。因此，作为使用波长为1.3～1.6μm的红外光的光波导用的控制用电极，而需要载流子电子的浓度小。另一方面，物质的电阻率ρ(导电率1/ρ)依赖于载流子电子浓度n与载流子电子的迁移率μ的积(1/ρ＝enμ、e电荷量)。为了实现载流子电子浓度低、且导电率高的电极材料，而需要载流子电子的迁移率μ变大。ITO膜的载流子电子的迁移率约为10～35cm2/Vsec。作为n型半导体的氧化铟(In2O3)类材料的载流子电子的迁移率，主要取决于离子化杂质散射(ionizedimpurity scattering)或中性杂质散射(关于杂质，将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波导型光控制元件，具有：光波导，其由具有电光效应或热光效应的绝缘材料构成；控制用电极，其接触或接近于光波导而被设置，并且，在波长为１．３～１．６μｍ时的上述光波导的传播损耗为１ｄＢ／ｃｍ以下，其特征在于，由载流子电子浓度为５．５ ×１０↑［２０］个／ｃｍ↑［３］以下、且电阻率为９．５×１０↑［－４］Ωｃｍ以下的导电氧化物膜构成上述控制用电极的同时，导电氧化物膜对波长为１．５５μｍ的光波的衰减系数为０．２４０以下。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿部能之，森宏，寺岛彰，
申请(专利权)人：住友金属矿山株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]