(57)【要約】      （修正有）【課題】偏光無依存性を確実に発現できる電気光学特性に優れた新たな構成の光学素子、及びそれを用いた可変光モジュールを提供する。【解決手段】光学素子１は、Ｓｉ基板等の基板３上に設けられており、且つ、電気光学膜１０が上部電極２０及び下部電極３０に挟持されてなるものである。下部電極３０は、基板３上面の略全体にわたって形成されており、電気光学膜１０を介して対向する上部電極２０は、所定の任意形状に形成されている。また、電気光学膜１０は、電界存在下で屈折率が変化する強誘電体の酸化物である、例えばＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴ、ＢａＴｉＯ3といった電気光学材料からなる正方晶構造を有しており、且つ、ｃドメイン１０ｃ及びａドメイン１０ａを含むａ−ｃドメイン構造が形成されたものである。【選択図】図１
2010185900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された電気光学効果を有する少なくとも１層の電気光学膜と、
前記電気光学膜の膜厚方向に電圧を印加するための電極対と、
を備えており、
前記電気光学膜は、正方晶構造の電気光学材料からなり、且つ、ａ−ｃドメイン構造を有するものである、
光学素子。
【請求項２】
前記電気光学膜は、前記ａ−ｃドメイン構造を構成する各ドメインのサイズが、前記電気光学膜に入射する光の波長よりも小さく形成されたものである、
請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
前記ａ−ｃドメイン構造は、ｃドメインのｃ軸方向が一方向に沿って形成された第１の領域と、該第１の領域とはｃドメインのｃ軸方向が反転した方向に沿って形成された第２の領域とを有する、
請求項１又は２記載の光学素子。
【請求項４】
前記基板がシリコンである、
請求項１〜３のいずれか１項記載の光学素子。
【請求項５】
光導波路が形成されており、且つ、光の入射端及び光の出射端を有する光導波層を備える可変光モジュールであって、
前記光導波路は、基板と、前記基板上に形成された電気光学効果を有する少なくとも１層の電気光学膜と、前記電気光学膜の膜厚方向に電圧を印加するための電極対とを備えており、
前記電気光学膜が、正方晶構造の電気光学材料からなり、且つ、ａ−ｃドメイン構造を有する、
可変光モジュール。
【請求項６】
前記光導波路は、
前記光の入射端及び／又は前記光の出射端に光学的に接続された外部光導波路を有する、
請求項５記載の可変光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気光学効果を有する光学素子、及び可変光モジュールに関する。ここで、可変光モジュールとは、光スイッチ、光偏向器、光変調器、可変光減衰器、波長可変フィルタ、可変分散補償器等の、電気的に光信号を可変に制御する光モジュールを総称するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバを使用した光通信で用いられる光部品の中でも、光ファイバと光ファイバとの間に挿入される光部品には、偏光無依存（「偏波無依存」ともいう）であることが必要とされる。すなわち、例えば、発光手段としての半導体レーザ等のレーザから出射される光が直線偏光であったとしても、光ファイバを伝搬する際にその光の偏光状態が崩れるため、そのような光が入射する光部品には、偏光無依存性が必要となる。特に、誘電体結晶等に電場を印加すると屈折率が変化する電気光学効果を有する光学素子を用いた導波路構造では、一般に、ＴＥモード（光波の伝搬方向に電場成分を有しない導波モード）とＴＭモード（波の伝搬方向に磁場成分を有しない導波モード）での特性が大きく異なるため、光学素子の偏光無依存化が大きな技術課題となっている。
【０００３】
ここで、特許文献１には、偏光無依存な光学素子が提案されており、電気光学膜が偏光無依存となる理由として、同文献の段落［００３３］に「偏光無依存である為には、結晶の自発分極方向または歪み方向とは異なる方向に電場を印加することが必須であることを知得し、また、その結果、偏光依存性が無い光学素子を実現するには、結晶の自発分極方向または歪み方向と異なる方向に電場を印加すると良いことを認識した。ここで謂う自発分極方向又は歪み方向とは、菱面体の結晶構造では＜１１１＞軸方向、単斜晶の結晶構造では＜１１０＞軸方向、正方晶の結晶構造では＜１００＞軸方向を意味している。」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２６６６３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、本発明者らが上記従来の電気光学効果を有する光学素子について詳細に検討したところ、光学素子の結晶構造によっては、その結晶の自発分極方向と異なる方向に電場を印加したとしても、偏光無依存を実現できない場合があることが判明した。
【０００６】
そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、偏光無依存性を確実に発現できる電気光学特性に優れた新たな構成の光学素子、及びそれを用いた可変光モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明による光学素子は、基板と、基板上に形成された電気光学効果を有する少なくとも１層の電気光学膜と、電気光学膜の膜厚方向に電圧を印加するための電極対とを備えており、電気光学膜は、正方晶構造の電気光学材料からなり、且つ、ａ−ｃドメイン構造を有するものである。
【０００８】
ここで、「ａ−ｃドメイン」（a-c domain）構造とは、電気光学膜の膜厚方向とその電気光学膜の正方晶の自発分極方向（ｃ軸）が平行なドメイン（ｃドメイン）と、膜厚方向に垂直なドメイン（ａドメイン）とが混在している状態を示す（野口祐二他、「強誘電体結晶のドメインプロービング」、表面科学、Ｖｏｌ．２６、Ｎｏ．４、（２００５）、２０８頁〜２１４頁参照：特に当該文献のＦｉｇ．２（ｂ）参照）。
【０００９】
後述の如く、電気光学膜がａドメインやｃドメインのいずれか一方のドメイン構造を有するように結晶軸が一方向に配向している場合、ＴＥモードとＴＭモードの導波光に対する屈折率変化が同等とならないのに対し、上述した本発明の如く、電気光学膜が、正方晶構造の電気光学材料からなり、且つ、ａ−ｃドメイン構造を有するものであると、電気光学膜に入射する光の波長によっては、ａドメインとｃドメインによる屈折率変化の効果が平均化され、偏光無依存性が発現され得る。
【００１０】
この観点において、電気光学膜は、ａ−ｃドメイン構造を構成する各ドメイン（ａドメイン、ｃドメイン）のサイズが、その電気光学膜に入射する光の波長よりも小さく形成されたものであると好適である。
【００１１】
具体的には、電気光学膜は、ａ−ｃドメイン構造におけるｃドメインの自発分極方向が、電圧の印加方向と平行であり、ａ−ｃドメイン構造におけるａドメインの自発分極方向が、電圧の印加方向と垂直である構成が挙げられる。
【００１２】
また、ａ−ｃドメイン構造は、ｃドメインのｃ軸方向（自発分極方向）が一方向に沿って形成された領域であることが好ましい。さらに、ｃドメインのｃ軸方向（自発分極方向）が一方向に沿って形成された第１の領域と、該第１の領域とはｃドメインのｃ軸方向が反転した方向に沿って形成された第２の領域とを有すると好ましい。
【００１３】
本発明によるａ−ｃドメイン構造を有する電気光学膜を備える光学素子では、正負の電圧に対して直線的に屈折率が変化するので、第１の領域と第２の領域のｃ軸方向が反転する（反対方向を向く）ようにすれば、第１の領域における屈折率変化と、第２の領域における屈折率変化が相殺されることなく合算されるので、同じ電圧を印加した場合（同じ電界強度の場合）でも、入射光をより屈折させることができる。換言すれば、同じ屈折の程度を得るために必要な電圧を低減することができるとも言える。
【００１４】
さらに、本発明の光学素子におけるａ−ｃドメイン構造を有する電気光学膜を形成する場合、基板がシリコン（Ｓｉ）であると有用である。ここで、電気光学膜を構成する材料としては、電界存在下で屈折率が変化する強誘電体の酸化物である、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）、ＰＭＮ−ＰＴ（マグネシウム酸ニオブ酸鉛−チタン酸鉛混晶）、ＰＺＮ−ＰＴ（亜鉛酸ニオブ酸鉛−チタン酸鉛混晶）、ＢａＴｉＯ3（チタン酸バリウム）といった電気光学材料が挙げられ、本発明者の知見によれば、この場合、基板としてシリコン基板を用いると、シリコン基板上に電気光学膜を結晶成長させるとき、両者の熱膨張率の差異により（但し、作用はこれに限定されない。）、電気光学膜にａ−ｃドメイン構造が有効に形成されることが確認された。
【００１５】
また、本発明の可変光モジュールは、本発明による光学素子からなる光導波路を備えて有効に構成されるものであり、すなわち、光導波路が形成されており、且つ、光の入射端及び光の出射端を有する光導波層を備える可変光モジュールであって、光導波路は、基板と、基板上に形成された電気光学効果を有する少なくとも１層の電気光学膜と、電気光学膜の膜厚方向に電圧を印加するための電極対とを備えており、その電気光学膜が、正方晶構造の電気光学材料からなり、且つ、ａ−ｃドメイン構造を有するものである。
【００１６】
この場合、より具体的には、光導波路が、光の入射端及び／又は前記光の出射端に光学的に接続された外部光導波路を更に有していてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の光学素子、及び、可変光モジュールによれば、基板上に形成された電気光学膜が、正方晶構造の電気光学材料からなり、且つ、ａ−ｃドメイン構造を有することにより、従来提案されているものとは異なり、確実に偏光無依存を実現することができるので、導入される光の偏光状態が崩れていても、光信号の減衰を十分に抑えて良好な電気光学特性（導波特性）を達成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による光学素子の好適な一実施形態の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】電気光学膜１０の平面図を示し、ｃドメイン１０ｃ及びａドメイン１０ａの分極軸の状態の一例を示す図である。
【図３】電気光学膜１０の平面図を示し、ｃドメイン１０ｃ及びａドメイン１０ａの分極軸の状態の他の例を示す図である。
【図４】本発明による光学素子の好適な他の実施形態の構成を概略的に示す断面図である。
【図５】実施例１で形成したＰＺＴ膜を上面方向から走査型プローブ顕微鏡により観察した結果を示す写真である。
【図６】実施例１で形成したＰＺＴ膜における印加電界に対する屈折率変化を示すグラフである。
【図７】本発明による可変光モジュールの好適な一実施形態の構成、及びその光結合系の概念を示す概略平面図である。
【図８】本発明による可変光モジュールの好適な他の実施形態の構成、及びその光結合系の概念を示す概略平面図である。
【図９】図８におけるＩＸ−ＩＸ線における模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、図面中、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。また、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。さらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。
【００２０】
図１は、本発明による光学素子の好適な一実施形態の構成を概略的に示す断面図である。光学素子１は、基板３上に設けられており、且つ、電気光学膜１０が上部電極２０及び下部電極３０に挟持されてなるものである。基板３の材料や厚さは特に制限されず、例えば、厚さ数百μｍのＳｉ基板等が挙げられる。また、下部電極３０は、基板３上面の略全体にわたって形成されており、電気光学膜１０を介して対向する上部電極２０は、所定の任意形状に形成されている。
【００２１】
電気光学膜１０を構成する材料としては、前述の如く、電界存在下で屈折率が変化する強誘電体の酸化物である、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）、ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴ、ＢａＴｉＯ3といった電気光学材料が挙げられ、本発明において、電気光学膜１０は、正方晶構造のものである。また、電気光学膜１０は、ａ−ｃドメイン構造を有しており、図示において模式的に示すように、基板３の面に対して垂直な方向、すなわち、電気光学膜１０の厚さ方向（上部電極２０及び下部電極３０によって形成される電界に平行な方向）とｃ軸方向（正方晶構造では、電気光学膜材料の自発分極方向）とが一致するようにｃ軸配向しているｃドメイン１０ｃと、ａ軸配向しているａドメイン１０ａとが規則的に又は不規則的に混在してなるものである。つまり、電気光学膜１０では、同図において矢印で示すように、ｃドメイン１０ｃにおける自発分極方向Ｙｃとａドメイン１０ａにおける自発分極方向Ｙａは、互いに直交している。
【００２２】
ここで、電気光学効果（膜）が偏光無依存となる条件として、従来の特許文献１に記載された内容を再掲すると、以下の通りである。すなわち、「偏光無依存である為には、結晶の自発分極方向または歪み方向とは異なる方向に電場を印加することが必須であることを知得し、また、その結果、偏光依存性が無い光学素子を実現するには、結晶の自発分極方向または歪み方向と異なる方向に電場を印加すると良いことを認識した。ここで謂う自発分極方向又は歪み方向とは、菱面体の結晶構造では＜１１１＞軸方向、単斜晶の結晶構造では＜１１０＞軸方向、正方晶の結晶構造では＜１００＞軸方向を意味している」。
【００２３】
つまり、特許文献１によれば、偏光無依存と結晶の自発分極方向との関係でいえば、偏光無依存化のためには、結晶の自発分極方向と異なる方向に電場を印加する必要があり、この場合、結晶の自発分極方向と電界方向は異なる。これに対し、図１に示す如く、本発明による光学素子１の電気光学膜１０では、ｃドメイン１０ｃの領域では、その自発分極方向Ｙｃと、上部電極２０及び下部電極３０によって形成される電界方向（電気光学膜１０の膜厚方向）とが一致しており、電気光学膜１０は、特許文献１に記載された電気光学膜の条件とは相反する構成を有している。
【００２４】
また、電気光学効果（膜）が偏光無依存となる他の条件として、特開２００６−１５４１４５号公報（以下、「特許文献２」という）の段落［００３１］及び同［００３２］には、以下のとおり記載されている。
【００２５】
すなわち、「本発明者は、以上の考察を踏まえ、電気光学効果膜において、以下のような電気光学効果が偏光無依存となるいくつかの必要条件に想到した。
（１）分極軸を有しない構造であること。分極軸を有しない構造であれば、複屈折は生じ 得ない。
（２）分極軸を１つでも有する場合、入射光のＴＥモード成分及びＴＭモード成分に対して分極軸が全て等価となるように形成されていること。ここで、２種以上のドメインを有する場合には、入射光のＴＥモード成分及びＴＭモード成分に対して当該各ドメインの分極軸が全て等価となるように形成されていることを要する。入射光のＴＥモード成分及びＴＭモード成分に対して当該各ドメインの分極軸が全て等価となれば、電気光学効果膜に電圧を印加したときにドメインの回転が生じたとしても 複屈折は生じない。
（３）単一のドメインを有する構造であること。ドメインが１種のみであれば、ドメインの回転は生じ得ず、複屈折は生じない。従って当然に、入射光のＴＥモード成分及びＴＭモード成分に対して当該ドメインの分極軸が全て等価となる」。「上記の（１）〜（３）のいずれか１つの条件を満たせば、電気光学効果が偏光無依存な電気光学効果膜が実現することになる。具体的に実現容易な構成として考えられるものとしては、（１）の条件を満たす構成として、立方晶構造の電気光学材料が挙げられる。また、（２）の条件を満たす構成として、菱面体構造を示す電気光学材料からなり、（１００）の結晶方位に成長された電気光学効果膜が挙げられる。また、（３）の条件を満たす構成として、単一のドメインを有する擬立方晶構造の電気光学材料が挙げられる」。
【００２６】
これに関し、本発明による光学素子１の電気光学膜１０は、上述の如く、正方晶構造をなすので分極軸を有し、且つ、ａ−ｃドメイン構造を有するので、単一のドメイン構造からなるものではない。そうすると、電気光学膜１０は、特許文献２に記載された（２）に該当すし、この場合の条件としては、特許文献２によれば、入射光のＴＥモード成分及びＴＭモード成分に対して各ドメインの分極軸が全て等価となれば複屈折を生じず、故に、偏光無依存となることが明示されている。ここで、特許文献２におけるＴＥモード成分とは、電気光学膜の面内方向の成分であり、同ＴＭモード成分とは、電気光学膜に垂直な方向の成分である。
【００２７】
これに対し、本発明における電気光学膜１０では、図１に示す如く、ｃドメイン１０ｃにおいては、その自発分極方向Ｙｃは、電気光学膜に垂直な方向の成分であるＴＭモード成分と平行であり、ａドメイン１０ａにおいては、その自発分極方向Ｙａは、電気光学膜の面内方向の成分であるＴＥモード成分と平行である。すなわち、電気光学膜１０においては、各ドメイン１０ａ，１０ｃの分極軸が、入射光のＴＥモード成分及びＴＭモード成分に対して等価になっているどころか、それぞれのモード成分の方向に極端に遍在している構成が生起されている。このように、電気光学膜１０は、特許文献２に記載された電気光学膜の条件とも全く異なる構成を有している。
【００２８】
ここで、電気光学効果について、補足的に説明すると、まず、電気光学材料に電界を印加したとき、屈折率楕円体は、下記式（１）及び式（２）で表される。
【００２９】
【数１】
2010185900.tif 000003
【００３０】
【数２】
2010185900.tif 000004
【００３１】
上式において、ｘ、ｙ、及びｚは、それぞれ電気光学材料の結晶の主軸であり、ｎx、ｎy、及びｎzは、それぞれの軸における主屈折率を示し、ｒijは電気光学係数を示す。この場合、正方晶構造において、ｚ軸を自発分極方向（分極軸方向、すなわちｃ軸方向）とすると、下記式（３）が満たされる。
【００３２】
【数３】
2010185900.tif 000005
【００３３】
また、正方晶構造では、結晶の対称性より、下記式（４）で表わされるように、独立な電気光学係数は、ｒ13、ｒ33、ｒ51の3つとなる。
【００３４】
【数４】
2010185900.tif 000006
【００３５】
ここで、図１に示す如くｘｙｚ座標系を定義する。この場合、電気光学膜１０内を導波される光の進行方向をＺ方向とし、電気光学膜１０の膜面に垂直な方向をＸ方向とする。
【００３６】
このとき、膜面に対して正方晶構造を有する結晶が（００１）又は（１００）に配向しているエピタキシャル膜を仮定すると、結晶の分極軸として考えられる方向は６通り存在する。すなわち、光の進行方向（Ｚ方向）と結晶の一つ軸が平行な場合は、図２（電気光学膜１０の平面図）に示すとおり、分極軸（ｃ軸）の方向は、ｃドメイン１０ｃが＋Ｘ、−Ｘの２通り、ａドメイン１０ａが＋Ｚ、−Ｚ、＋Ｙ、−Ｙの４通りとなる。なお、電界を印加しない場合の結晶の主軸は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸である。
【００３７】
ここで、＋Ｘ方向に電界Ｅを印加した場合の電気光学効果による屈折率変化を考えると、ｃ軸の方向が＋Ｘの場合（ｃドメイン１０ｃ）の屈折率変化は、下記式（５）；
【数５】
2010185900.tif 000007
に示す関係で表わされる。
【００３８】
通常、ｒ33＞ｒ13であるので、ΔｎXとΔｎYは等しくならず、偏光無依存とはならない。なお、ΔｎXは、ＴＭモードの導波光に対する屈折率変化に、ΔｎYは、ＴＥモードの導波光に対する屈折率変化に対応している。一方、ｃ軸の方向が−Ｘの場合（ｃドメイン１０ｃ）の屈折率変化は、上記式（５）と符号が逆になり、同様に偏光無依存とはならない。
【００３９】
他方、ｃ軸の方向が±Ｚ及び±Ｙの場合（ａドメイン１０ａ）は、主軸が回転するため、屈折率変化を表す関係は複雑な数式となるので、ここでの記載を省略するが、結果として、ΔｎXとΔｎYは等しくならず、±Ｘ方向と同じく、偏光無依存とはならない。
【００４０】
また、図３（電気光学膜１０の平面図）に示す如く、ａドメイン１０ａにおいて、分極軸であるｃ軸の方向が光の進行方向（Ｚ軸方向）に対して角度を有する場合も想定されるが、ｃ軸の方向が±Ｚ及び±Ｙの場合と同様に、結果として、ΔｎXとΔｎYが等しくはならず、偏光無依存とはならない。
【００４１】
以上のとおり、電気光学膜１０膜厚方向に電界を印加する場合、ｃドメイン１０ｃ及びａドメイン１０ａのそれぞれに着目すると、ｃドメイン１０ｃ、及びａドメイン１０ａのそれぞれの領域では偏光無依存化が達成できないこととなり、従来の特許文献１において、偏光無依存化を実現するためには、結晶の自発分極方向と異なる方向に電界を印加する必要があると条件を設定しているのも、上記の理由による。
【００４２】
これに対し、そのような従来の常識とは全く相反する構成、すなわち、個々には偏光無依存が実現できないｃドメイン１０ｃ及びａドメイン１０ａを有しているにも拘わらず、それらが混在するａ−ｃドメイン構造を有する正方晶構造をなす電気光学膜１０全体としては、偏光無依存を実現できることが確認された。
【００４３】
かかる作用効果の詳細は未だ不明であるが、その要因として、電気光学膜１０を構成するｃドメイン１０ｃ及びａドメイン１０ａのそれぞれの形状サイズと、光の波長との関係が深く関わっているものと推測される（但し、作用はそれに限定されない。）。
【００４４】
本発明者の更なる検討によれば、例えば、ｃドメイン１０ｃ及びａドメイン１０ａが、入射する光の波長に比して、ある程度よりも小さい、すなわち、その光の波長に対してある程度微細な構造を有する場合、ｃドメイン１０ｃ及びａドメイン１０ａのそれぞれの個々の領域では、偏光無依存が成立し難いものの、その程度の大きさのｃドメイン１０ｃ及びａドメイン１０ａが混在することにより、個々のドメイン１０ｃ，１０ａがその波長の光に対しては独立的な存在とはならず、両ドメイン１０ｃ，１０ａを平均化したような特性が生じることとなり、その結果、電気光学膜１０全体として、偏光無依存を実現できるものと推定される（但し、作用はこれにも限定されない。）。
【００４５】
この観点より、電気光学膜１０は、ａ−ｃドメイン構造を構成するｃドメイン１０ｃ及びａドメイン１０ａのサイズが、電気光学膜１０に入射する光の波長よりも小さくなるように形成されたものであると、両ドメイン１０ｃ，１０ａが平均化されたような特性を得易くなり、偏光無依存化が特に実現され易くなるので好適である。
【００４６】
また、電気光学膜１０のａ−ｃドメイン構造においては、ｃドメイン１０ｃの自発分極方向Ｙｃ（分極軸であるｃ軸の向き）が互いに反対向きの領域（膜面に対して上下逆向きの領域）では、電気光学効果による屈折率変化の符号が逆になるため、両者が何ら制御されることなく、不規則に（ランダム）混在していると、電気光学膜１０全体としての電気光学効果が小さくなってしまう。したがって、この観点によれば、自発分極方向Ｙｃが互いに反対向きのｃドメイン１０ｃが何ら制御されることなく全体として平均化されて存在しているよりも、ｃドメイン１０ｃの自発分極方向Ｙｃは、図１に示すように、一方向（図示上向き）に揃っていた方が望ましい。このような構造は、電気光学膜１０に抗電界以上の電界を印加するといった分極処理を施すことにより、形成することができる。
【００４７】
この観点とは逆に、ｃドメイン１０ｃの自発分極方向Ｙｃを制御することにより、屈折率変化をより大きくすることも可能である。図４は、かかる本発明による光学素子の好適な他の実施形態の構成を概略的に示す断面図である。光学素子２は、電気光学膜１０に代えて電気光学膜４０を備えること以外は、図１に示す光学素子１と同様に構成されたものである。
【００４８】
電気光学膜４０は、図示上向き（下部電極３０から上部電極２０へ向かう向き）に自発分極方向Ｙｃ（ｃ軸の向き）が揃った複数のｃドメイン１０ｃを有する領域Ｒ１と、図示下向き（上部電極２０から下部電極３０へ向かう向き）に自発分極方向Ｙｃ’が揃った複数のｃドメイン１０ｃ’を有する領域Ｒ２とを備えるものであり、言わば、ｃドメイン１０ｃ，１０ｃ’の分極反転構造が生起された構成を有する。
【００４９】
このようにすれば、領域Ｒ１と領域Ｒ２とでは、電界に対する屈折率変化の符号が逆となるので、領域Ｒ１と領域Ｒ２との境界を含む範囲に電界を印加することにより、屈折率変化を２倍にすることができるという顕著な効果が奏される。このように、偏光無依存の分極反転構造を実現できることは、本発明により大きな利点の一つである。これに対し、上記従来の特許文献１に記載されたような構成では、先述したとおり、結晶の自発分極方向と異なる方向に電界を印加する必要があるため、分極反転構造そのものを構成することができず、当然ながら、光学素子２の如く屈折率変化を２倍に増強することは不可能であった。
【実施例１】
【００５０】
ここで、本発明による光学素子を製造して、そのａ−ｃドメイン構造、及び屈折率変化の特性を測定評価した一例について説明する。まず、基板３としてのＳｉ基板上にバッファ層、下部電極３０となるＰｔ膜、及びバッファ層を順次積層した後、その上に、スパッタ法により電気光学膜１０，４０としてのＰＺＴ膜を成膜した。このＰＺＴ膜は、組成がＰｂＺｒ0.52Ｔｉ0.48Ｏ3であり、その膜厚は６．５μｍであった。また、このＰＺＴ膜をＸ線回折分析装置（スペクトリス株式会社ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ社製、装置名：Ｘ’Ｐｅｒｔ ＰＲＯ ＭＰＤ）によって構造を解析したところ、ａ軸及びｃ軸に配向した領域が混在した（すなわち、ｃドメインとａドメインが混在した）正方晶構造を有するエピタキシャル膜であることが判明した。
【００５１】
図５は、そのＰＺＴ膜を上面方向から走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope、エスアイアイ・ナノテクノロジー社製、装置名：Ｅ−Ｓｗｅｅｐ）を用いてＳＮＤＭモード（ＳＮＤＭ：走査型非線形誘電率顕微法）により観察した結果を示す写真である。同図において、黒色の部位が、ｃ軸に配向したドメインであり、白色の部位がａ軸に配向したドメインを示す。この走査型プローブ顕微鏡による観察結果より、ＰＺＴ膜がａ−ｃドメイン構造を有すること、ｃドメインの自発分極方向（ｃ軸の向き）が一方向に揃っていること、各ドメインのサイズが０．２μｍ前後の幅であることが確認された。なお、ＳＮＤＭモードではなく、圧電応答モードを用いても、同様のドメイン構造が観察された。
【００５２】
また、このＰＺＴ膜において、プリズムカプラ法により１５５０ｎｍの波長を有するレーザ光の屈折率を測定した結果、ＴＥモードでの屈折率が２．４４５であり、ＴＭモードでの屈折率が２．４４４と、略等しい値を示すことが判明した。
【００５３】
さらに、そのＰＺＴ膜上に、上部電極２０としてのＰｔの極薄膜を成膜し、上部電極２０と下部電極３０の間に−３０Ｖ〜＋３０Ｖの電圧を印加しながら、プリズムカプラ法（測定波長は、１５５０ｎｍ）により電気光学特性を測定したところ、ＴＥモード及びＴＭモードともに、電気光学係数は２７ｐｍ／Ｖと等しく、偏光無依存であることが確認された。また、このときの屈折率変化を表１及び図６に示す。
【００５４】
【表１】
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【００５５】
これらの結果より、実施例１で得たＰＺＴ膜は、ＴＥモード及びＴＭモードともに、正負の印加電圧に対して直線的な変化を有し、電圧応答特性にも優れる良好な電気光学特性を有することが確認された。
【００５６】
図７は、本発明による光可変モジュールの好適な一実施形態の構成、及びその光結合系の概念を示す概略平面図である。スラブ導波路光モジュール１００（光導波路、可変光モジュール）は、電気光学効果を有するコア層（電気光学膜、光導波層）の両側にクラッド層が積層されたスラブ導波路１１における光の入射端面１１ａ（入射端）及び出射端面１１ｂ（出射端）に、それぞれ入力側光ファイバ１３ａ（外部光導波路）、及び出力側光ファイバ１３ｂ（外部光導波路）が光学的に結合されたものである。
【００５７】
コア層は、上述した電気光学膜１０，４０と同様に、例えばＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴ、ＢａＴｉＯ3といった電気光学材料から形成された正方晶構造を有しており、且つ、ａ−ｃドメイン構造を有する。これにより、コア層は偏光無依存性を有しており、優れた電気光学特性を呈する。また、入力側光ファイバ１３ａ及び出力側光ファイバ１３ｂの種類は、特に制限されず、例えば、シングルモード光ファイバ、及び、マルチモード光ファイバのいずれを用いてもよく、その先端部にグレーデッドインデックス（ＧＩ）ファイバ等が接続された複合光ファイバを使用することもできる。
【００５８】
このスラブ導波路１１の入力側及び出力側の上面には、それぞれ、略円状又は楕円状をなす複数の上部電極１５ａ，１５ｂが、スラブ導波路１１の延在方向（光軸Ａ方向）に沿って連設されており、かつ、同下面の略全体には下部電極（図示せず）が設けられており、上部電極１５ａ，１５ｂと下部電極との間に所定の電圧が印加されることにより、スラブ導波路１１のコア層における上部電極１５ａ，１５ｂの下方部位に電気光学レンズとしての入力側薄膜レンズＲ１１ａ、及び、出力側薄膜レンズＲ１１ｂが形成されるようになっている。
【００５９】
さらに、スラブ導波路１１の上面における入射端面１１ａと上部電極１５ａの間には、上部電極１７ａが設けられている。上部電極１７ａは、入射端面１１ａから上部電極１５ａに向かって、その幅が徐々に大きくされており、この上部電極１７ａと下部電極との間に所定の電圧が印加されることにより、スラブ導波路１１のコア層における上部電極１７ａの下方部位に、その部位以外の部位よりも屈折率が比較的大きい領域の幅が徐々に大きくなるようなスポットサイズ変換部Ｓ１７ａが形成されるようになっている。
【００６０】
一方、スラブ導波路１１の上面における出射端面１１ｂと上部電極１５ｂの間には、上部電極１７ｂが設けられている。上部電極１７ｂは、上部電極１５ａから出射端面１１ｂに向かって、その幅が徐々に小さくされており、この上部電極１７ｂと下部電極との間に所定の電圧が印加されることにより、スラブ導波路１１のコア層における上部電極１７ｂの下方部位に、その部位以外の部位よりも屈折率が比較的大きい領域の幅が徐々に小さくなるようなスポットサイズ変換部Ｓ１７ｂが形成されるようになっている。
【００６１】
このような構成のスラブ導波路光モジュール１００においては、入力側光ファイバ１３ａから入射端面１１ａに入力された光ビームＢ（光信号）は、スラブ導波路１１のコア層の面内を光軸Ａに沿って進み、まず、スポットサイズ変換部Ｓ１７ａで、そのスポットサイズがｗ１からｗ４へと徐々に大きくされた後、最前段の入力側薄膜レンズＲ１１ａに入射する。その光ビームＢは、多段に設けられた入力側薄膜レンズＲ１１ａで集光又はコリメートされながら進行し（スラブ導波路１１の中心におけるスポットサイズがｗ２）、最後段の入力側薄膜レンズＲ１１ａを通過したコリメート光が、多段に設けられた出力側薄膜レンズＲ１１ｂによって集束され、スポットサイズ変換部Ｓ１７ａに入射する。スポットサイズ変換部Ｓ１７ｂでは、集束された光ビームＢのスポットサイズがｗ５からｗ３へと徐々に小さくされ、その状態で出射端面１１ｂから入力側光ファイバ１３ａへ出力される。
【００６２】
図８は、本発明による可変光モジュールの好適な他の実施形態の構成、及びその光結合系の概念を示す概略平面図であり、図９は、図８におけるＩＸ−ＩＸ線における模式断面図である。
【００６３】
光スイッチモジュール２００（可変光モジュール）は、上部電極１７ａ，１７ｂに代えて、上部電極２７ａ，２７ｂを備え、且つ、スラブ導波路２１の上面における上部電極１５ａ，１５ｂよりも中心寄りに上部電極２９ａ，２９ｂが設けられており、さらに、光軸Ａに沿って配設された入力側光ファイバ１３ａ、各上部電極２７ａ，１５ａ，２９ａ，２９ｂ，１５ｂ，２７ｂ、及び出力側光ファイバ１３ｂを含む光結合系が、スラブ導波路２１の面方向に、一定の距離Ｐ（例えば、数十μｍ〜数百μｍ程度）を隔てて複数併設されていること以外は、図７に示すスラブ導波路光モジュール１００と同様の構成を有するものである。このように、光スイッチモジュール２００は、２×２チャネルの光スイッチとして機能するものである。なお、図９においては、複数の上部電極１５ａ、及び、複数の上部電極２９ａを、模式的にまとめて一つの部材として図示した。
【００６４】
図９に示す如く、スラブ導波路２１は、基板３上に設けられており、スラブ導波路２１と基板３との間には、上述した下部電極３０がスラブ導波路２１の略全面にわたって形成されている。
【００６５】
また、スラブ導波路２１は、コア層Ｃ２１がクラッド層Ｋ２１，Ｋ２１によって挟持された構成を有しており、例えば、１０μｍ程度の径を有するコア層Ｃ１３ａと１００μｍ程度の径を有するクラッド層Ｋ１３ａが同芯状に設けられたシングルモード光ファイバ等からなる入力側光ファイバ１３ａが、例えば適宜の接着剤等で接合されている。スラブ導波路２１のコア層Ｃ２１及びクラッド層Ｋ２１は、上述した電気光学膜１０，４０と同様に、例えばＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴ、ＢａＴｉＯ3といった電気光学材料から形成された正方晶構造を有しており、且つ、ａ−ｃドメイン構造を有するものである。これにより、これらのコア層Ｃ２１及びクラッド層Ｋ２１は偏光無依存性を有しており、優れた電気光学特性を呈する。
【００６６】
また、コア層Ｃ２１及びクラッド層Ｋ２１は、両層の組成の差異により、クラッド層Ｋ２１の屈折率がコア層Ｃ２１の屈折率より小さくされており、これにより、光導波路構造が画成され、入力側光ファイバ１３ａから入射した光は、図示Ｘ方向においてコア層Ｃ２１に略閉じ込められて、Ｚ方向に伝搬する。さらに、コア層Ｃ２１及びクラッド層Ｋ２１の厚さは、例えば、数μｍ程度とすることができる。
【００６７】
上部電極２７ａ，２７ｂは、図５に示す上部電極１７ａ，１７ｂと幅広部（上部電極１５ａ，１５ｂ寄りの先端部）の平面形状が若干異なるものの、入射端面１１ａから上部電極１５ａに向かって、その幅が実質的に徐々に大きくされており、その上部電極２７ａ，２７ｂと下部電極３０との間に所定の電圧が印加されることにより、スラブ導波路１１のコア層Ｃ２１における上部電極２７ａ，２７ｂの下方部位に、その部位以外の部位よりも屈折率が比較的大きい領域の幅が実質的に徐々に大きくなるようなスポットサイズ変換部Ｓ２７ａ、及びスポットサイズ変換部Ｓ２７ｂが形成される。
【００６８】
また、上部電極２９ａ，２９ｂは、三角状をなしており、一つの頂角が、スラブ導波路２１の内側に位置するように配置されており、これらの上部電極２９ａ，２９ｂと下部電極３０との間に所定の電圧が印加されることにより、入力側薄膜レンズＲ１１ａの後段に入力側薄膜プリズムＰ２９ａ（光偏向部）が形成され、出力側薄膜レンズＲ１１ｂの前段に出力側薄膜プリズムＰ２９ｂ（光偏向部）が形成されようになっている。
【００６９】
なお、上述したとおり、本発明は上記の各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、上述した寸法等の各種数値は、あくまでも一例であり、それらの値に限定されるものではない。また、図１においては、ｃドメイン１０ｃ及びａドメイン１０ａが膜面方向に交互に延在している単一層からなる電気光学膜１０を例示したが、電気光学膜１０は、単一層に制限されず、ｃドメイン１０ｃ及びａドメイン１０ａが膜厚方向に混在していてもよい（図４においても同様）。さらに、スポットサイズ変換部Ｓ１７ａ，Ｓ１７ｂ，Ｓ２７ａ，Ｓ２７ｂ、入力側薄膜レンズＲ１１ａ、出力側薄膜レンズＲ１１ｂ、入力側薄膜プリズムＰ２９ａ、及び、出力側薄膜プリズムＰ２９ｂを形成するための上部電極１７ａ，１７ｂ，２７ａ，２７ｂ，１５ａ，１５ｂ，２９ａ，２９ｂの形状も、上述の形状に制限されず、それらの機能を有する形状であれば、適宜変更が可能である。
【００７０】
またさらに、本発明による可変光モジュールは、スラブ導波路光モジュールや光スイッチに限定されるものではなく、本発明の光学素子を備えていれば、光変調器、可変光減衰器、波長可変フィルタ等の各種の可変光モジュールに利用することができる。例えば、図８及び図９に示す実施形態において、入力側薄膜プリズムＰ２９ａに印加する電圧を可変にすることにより、光変調器や可変光減衰器を実現することもできる。さらに、同実施形態では、光結合系の間に薄膜プリズムを配置したが、これに限定されるものではなく、例えば、くし形電極を配置し、高周波電圧を印加して音響光学効果により回折格子を形成することで、波長可変フィルタを実現することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
以上説明した通り、本発明の光学素子及び可変光モジュールによれば、基板上に形成された電気光学膜が、正方晶構造の電気光学材料からなり、且つ、ａ−ｃドメイン構造を有することにより、確実に偏光無依存を実現することができ、これにより導入される光の偏光状態が崩れていたり、導波モードが異なったり或るいは複数の導波モードを有していたりしても、光信号の減衰を十分に抑えて良好な電気光学特性（導波特性）を達成することが可能となるので、例えば、光通信分野で使用される光デバイス、機器、システムや、光を用いた測定、分析、計装システム等で使用される装置等に適用される光導波路や可変光モジュールとして、広く且つ有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１，２…光学素子、３…基板、１０，４０…電気光学膜、１０ａ…ａドメイン、１０ｃ，１０ｃ’…ｃドメイン、１１，２１…スラブ導波路、１１ａ…入射端面（入射端）、１１ｂ…出射端面（出射端）、１３ａ…入力側光ファイバ（外部光導波路）、１３ｂ…出力側光ファイバ（外部光導波路）、１５ａ，１５ｂ…上部電極、１７ａ，１７ｂ…上部電極、２０…上部電極、２７ａ，２７ｂ…上部電極、２９ａ，２９ｂ…上部電極、３０…下部電極、１００…スラブ導波路光モジュール（可変光モジュール）、２００…光スイッチモジュール（可変光モジュール）、Ａ…光軸、Ｂ…光ビーム、Ｃ１３ａ…コア層、Ｃ２１…コア層、Ｋ１３ａ…クラッド層、Ｋ２１…クラッド層、Ｐ２９ａ…入力側薄膜プリズム、Ｐ２９ｂ…出力側薄膜プリズム、Ｒ１…領域（第１の領域）、Ｒ１１ａ…入力側薄膜レンズ、Ｒ１１ｂ…出力側薄膜レンズ、Ｒ２…領域（第２の領域）、Ｓ１７ａ，Ｓ２７ａ…スポットサイズ変換部、Ｓ１７ｂ，Ｓ２７ｂ…スポットサイズ変換部、ｗ１，ｗ２，ｗ３，ｗ４，ｗ５…スポットサイズ、Ｙａ，Ｙｃ…自発分極方向。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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