JP4926985B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、光変調器に関し、より詳細には、電気光学結晶を用いて電気信号により光の位相を変える光変調器に関する。

従来、電気光学結晶を用いた様々な光機能部品が実用化されている。これら光機能部品は、電気光学結晶に電圧を印加すると、電気光学効果により結晶の屈折率が変化することを利用している。例えば、ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、以下、ＫＴＮという）結晶では、常誘電体から強誘電体への相転移時の温度領域では、比誘電率が発散して１０，０００に達し、誘電率の２乗に比例する２次の電気光学効果が極めて大きくなる。

電気光学結晶を用いた光位相変調器は、結晶の屈折率の変化により、結晶を通過する光の速度を変化させて、光の位相を変化させる。変調器の構造は、例えば、平行平板型、平行ストリップ型、櫛形電極型、貫通電極型がある。櫛形電極型の電極は、電極の幅が最も狭く、１μｍ程度である。

図１に、従来の多層構造の電極構造を示す。半導体またはガラスからなる基板１０１に電極を形成する際、多層構造の電極とするのが一般的である。典型的には、基板１０１に接するＴｉ電極１０２ａ，ｂと、Ｐｔ電極１０３ａ，ｂと、Ａｕ電極１０４ａ，ｂの３層構造の電極を用いる。Ｔｉは、密着性にすぐれているため、接着剤として用いられる。他に密着性の優れた金属として、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ等がある。ただし、Ｍｏは耐水性に劣るため信頼性に欠け、Ａｌは耐アルカリ性に劣り、Ｃｒは環境問題を有している。

Ａｕは、電気抵抗率が低いために、電極材料としては最も優れている。他に電気抵抗率の低い金属として、Ａｇ、Ｃｕ等がある。いずれも膜酸化により耐熱変化を起こす点で、Ａｕの方が優れている。Ｐｔは、仕事関数が大きく、Ａｕから電子が半導体に入り込まないようにブロック層として機能する。以上述べたように、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ層は、順に接着層／ブロック層／電極本体として機能している。

半導体またはガラス基板に接する層にＴｉを使わない場合、電極がはがれることがある。図２に、Ｐｔ／Ｔｉ／Ａｕ層からなる電極を作製したときの基板表面の写真を示す。図２（ａ），（ｃ）は、ガラス基板上にパターン化された電極を形成した場合を示す。図２（ｂ），（ｄ）は、シリコン基板上にパターン化された電極を形成した場合を示す。それぞれの基板上に、様々な大きさ、形状のパターンにより電極を形成した。このうち、図２（ｃ）の符号１１１で示す矢印から右側に形成された電極（白丸囲いの部分）、および図２（ｄ）の符号１１２で示す矢印から右側に形成された電極（黒丸囲いの部分）は、基板からはがれている部分（図を見ると薄く消えかかっているように見える部分）を示している。この部分のパターンは、幅２μｍのパターンであるにもかかわらず、剥離が生じている。従って、基板に接する層にＴｉを使わない場合、幅１μｍの櫛形電極を形成することは、困難である。

国際公開第０６／１３７４０８号

一方、ＫＴＮ結晶を用いた光変調器において、ＫＴＮ結晶からなる基板に接する層にＴｉを用いると、電子がＫＴＮ結晶に注入され、偏向作用を生ずるという問題があった（例えば、特許文献１参照）。偏向作用は、偏向器として用いる場合には有効であるが、変調器として用いる場合には不要であり、光変調器を透過する光ビームの位置は変動しないことが好ましい。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、信頼性が高く、偏向作用の生じない電極構造を有する光変調器を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、電気光学効果を有し、ＫＴａ _１−ｘ Ｎｂ _ｘ Ｏ _３ （０＜ｘ＜１）である電気光学結晶と、該電気光学結晶を透過する光の光軸に対して垂直に電界を印加するために、互いに平行な前記電気光学結晶の面に対向して形成された電極対とを備え、該電極対は、前記電気光学結晶に接する金属の仕事関数が前記電気光学結晶の仕事関数より大きいＰｔであり、前記電気光学結晶に接する面から順にＰｔ、ＴｉおよびＡｕが積層されていることを特徴とする。

前記電気光学結晶は、Ｋの一部がＬｉに置換されたＫ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）が好適である。

以上説明したように、本発明によれば、電極対は、電気光学結晶に接する金属の仕事関数が電気光学結晶の仕事関数より大きいＰｔであり、電気光学結晶に接する面から順にＰｔ、ＴｉおよびＡｕが積層されているので、キャリアの注入効率が低くなり、偏向作用が小さくなる。また、電極対と電気光学結晶との密着性がよいので、信頼性の高い変調器を構成することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。特許文献１によれば、ＫＴＮ結晶からなる基板に接する層にＴｉを用いると、理想的なオーミック接触が実現され、注入効率が最大となる。電極材料の仕事関数が大きくなるにつれて、ショットキー接触に近づき、キャリアの注入効率は減少する。すなわち、伝導電子の注入が抑えられ、偏向作用が小さくなる。ＫＴＮ結晶の仕事関数が５．０ｅＶであることから、電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合には、基板に接する層の電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ以上であることが好ましい。

仕事関数が５．０ｅＶ以上の電極材料として、Ｃｏ（５．０）、Ｇｅ（５．０）、Ａｕ（５．１）、Ｐｄ（５．１２）、Ｎｉ（５．１５）、Ｉｒ（５．２７）、Ｐｔ（５．６５）、Ｓｅ（５．９）を用いることができる。ただし、Ａｕは、接着層として用いる場合に加工性が悪いので、これ以外の材料がより好ましい。また、上記材料を複数用いた合金であってもよいし、複数の材料を積層してもよい。

また、２次の電気光学定数が大きい電気光学結晶として、Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、以下、ＫＬＴＮという）を用いることもできる。ＫＬＴＮ結晶の仕事関数も５．０ｅＶであり、上記材料を基板に接する層に用いることにより、伝導電子の注入が抑えられ、偏向作用が小さくなる。

図３に、本発明の一実施形態にかかる光強度変調器を示す。光位相変調器と偏光子および検光子とを組み合わせた光強度変調器である。図３（ａ）に示すように、ＫＴＮ結晶からなる基板１には、対向する面に正極２と負極３とが形成されている。基板１の入射側に偏光子４を配置し、出射側に検光子５を配置する。偏光子４を通過した光の電界成分のうち、ｘ軸に平行な成分をＥｘ、ｙ軸に平行な成分をＥｙとする。偏光子４の偏光角が、基板１のｘ軸に対して４５度の場合には、Ｅｘ＝Ｅｙである。

正極２と負極３との間に電圧Ｖを印加したときのＥｘおよびＥｙの位相の変化は、それぞれ式（１），（２）で与えられる。検光子５の偏光角が、基板１のｘ軸に対して４５度の場合、検光子５を通過した出射光の強度は、次式で与えられる。

ＥｘとＥｙとが等しい場合には、

として、次式で与えられる。

このようにして、図３（ｂ）に示したように、電圧Ｖに応じて、検光子５を通過した出射光の強度を０％〜１００％の間で変調することができる。

図３に示した光強度変調器の電極材料として、Ｐｔ、Ｔｉの２種類を用意する。ＫＴＮ結晶において電気伝導に寄与するキャリアは電子である。図４に、電極材料Ｔｉの光強度変調器の動作特性を示す。印加電圧が増大するのに伴って、出射光の強度は変化するが、オンオフ時の光強度の比（以下、消光比という）が劣化しているのがわかる。これは、電気光学結晶に電圧を印加することにより、電気光学結晶の内部に空間電荷が生じ、電圧の印加方向に電界の傾斜が生じるためにビームが偏向し、垂直偏光と水平偏光との間でずれ角が生じるからである。結晶に印加する電圧の増加に伴って、垂直偏光と水平偏光のずれ角が大きくなり、図４に示したように、消光比が劣化する。

図５に、電極材料Ｐｔの光強度変調器の動作特性を示す。Ｐｔは、Ｔｉと比較して電極材料の仕事関数が大きく、ＫＴＮ結晶の仕事関数より大きいので、電極からＫＴＮ結晶へのキャリアの注入効率は減少する。キャリアの注入効率が低くなるほど、電界の傾斜が小さくなるので、偏向作用も小さくなる。正負電極間に５８Ｖの電圧を印加したとき、出射光の偏光方向が入射光の偏光方向に対して、９０度回転する。正極２と負極３との間の印加電圧が増大するのに伴って、出射光がオンオフを繰り返す。

図６に、実施例１にかかる電極の多層構造を示す。ＫＴＮ結晶からなる基板１１に接するＰｔ電極１２ａ，ｂと、Ａｕ電極１３ａ，ｂの２層構造の電極を用いる。Ｐｔは、仕事関数がＫＴＮ結晶からなる基板よりも大きく、キャリアの注入効率は減少し、偏向作用を生じない。

また、ＫＴＮ結晶は、半導体基板、ガラス基板と比較すると、基板表面に微小な凹凸があり、そこにＰｔが入り込むように固着するために密着性がよく、電極の剥離が生じにくい。具体例は、実施例２を参照して説明する。従って、基板に接する層にＴｉを使う必要がなく、信頼性の高い光変調器を構成することができる。

図７に、実施例２にかかる電極の多層構造を示す。ＫＴＮ結晶からなる基板２１に接するＰｔ電極２２ａ，ｂと、Ｔｉ電極２３ａ，ｂと、Ａｕ電極２４ａ，ｂの３層構造の電極を用いる。Ｐｔは、金属との密着性がわるいために、Ａｕとの密着性を確保するために、Ｔｉを用いた。また、Ｐｔは、ブロック層としても機能するので、ＴｉおよびＡｕからの電子がＫＴＮ結晶に入り込まないようにする。

図８に、実施例２にかかる電極を作製したときの基板表面の写真を示す。Ｐｔ／Ｔｉ／Ａｕ層からなる電極を、ＥＢ蒸着により、１００／７０／２００ｎｍの厚さで形成する。符号「．５５」は、幅０．５５μｍの複数のパターンからなる電極を示し、符号「．６５」は、幅０．６５μｍの複数のパターンからなる電極を示している。一部変形しているものの剥離は生じていない。符号「．７」は、幅０．７０μｍの複数のパターンからなる電極を示し、幅０．７μｍ以上の電極では、剥離も変形もない。剥離を生じているのは、符号「．５」の幅０．５０μｍの電極だけである。従って、幅０．７μｍを超える電極を形成することができるので、櫛形電極も問題なく形成することができる。

従来の多層構造の電極構造を示す断面図である。 Ｐｔ／Ｔｉ／Ａｕ層からなる電極を作製したときの基板表面を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる光強度変調器を示す図である。 電極材料Ｔｉの光強度変調器の動作特性を示す図である。 電極材料Ｐｔの光強度変調器の動作特性を示す図である。 実施例１にかかる電極の多層構造を示す断面図である。 実施例２にかかる電極の多層構造を示す断面図である。 実施例２にかかる電極を作製したときの基板表面を示す図である。

符号の説明

１１，２１，１０１ 基板
１２，２２，１０３ Ｐｔ電極
１３，２４，１０４ Ａｕ電極
２３，１０２ Ｔｉ電極

Claims (2)

1. 電気光学効果を有し、ＫＴａ _１−ｘ Ｎｂ _ｘ Ｏ _３ （０＜ｘ＜１）である電気光学結晶と、
   該電気光学結晶を透過する光の光軸に対して垂直に電界を印加するために、互いに平行な前記電気光学結晶の面に対向して形成された電極対とを備え、
   該電極対は、前記電気光学結晶に接する金属の仕事関数が前記電気光学結晶の仕事関数より大きいＰｔであり、前記電気光学結晶に接する面から順にＰｔ、ＴｉおよびＡｕが積層されていることを特徴とする光変調器。
2. 前記電気光学結晶は、Ｋの一部がＬｉに置換されたＫ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）であることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。