(57)【要約】【課題】光モジュールとしての特性を実現できる程度に十分な光結合系を構成することが可能な電気光学レンズを利用した光導波路及び可変光モジュールを提供する。【解決手段】スラブ導波路光モジュール１０は、電気光学効果を有するコア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及び出射端面１１ｂに、それぞれ入力側光ファイバ１３ａ、及び出力側光ファイバ１３ｂが光学的に結合されたものである。スラブ導波路１１の上面には、上部電極１５ａ，１５ｂが連設され、かつ、同下面には下部電極が設けられ、電圧の印加により、入力側薄膜レンズＲ１１ａ等が形成される。また、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が設けられており、電圧印加によりスポットサイズ変換部Ｓ１７ａが形成される。【選択図】図５
2010096917.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する材料からなり、かつ、光の入射端及び光の出射端を有する光導波層と、
前記光導波層に形成され、前記入射端から入射した光のスポットサイズを拡大する第１のスポットサイズ変換部と、
前記光導波層に形成され、前記第１のスポットサイズ変換部でスポットサイズが拡大された光を集光又はコリメートする第１の電気光学レンズ部と、
を備える光導波路。
【請求項２】
前記光導波層に形成され、前記第１の電気光学レンズ部で集光又はコリメートされた光を集束させる第２の電気光学レンズ部と、
前記光導波層に形成され、前記第２の電気光学レンズ部で集束された光のスポットサイズを縮小する第２のスポットサイズ変換部と、
を備える請求項１記載の光導波路。
【請求項３】
前記第１のスポットサイズ変換部は、前記光導波層における光軸に沿って、屈折率が比較的大きい領域の幅が徐々に大きくなる部位を含むように形成されるものである、
請求項１記載の光導波路。
【請求項４】
前記第２のスポットサイズ変換部は、前記光導波層における光軸に沿って、屈折率が比較的大きい領域の幅が徐々に小さくなる部位を含むように形成されるものである、
請求項２記載の光導波路。
【請求項５】
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備える、
請求項１〜４のいずれか１項記載の光導波路。
【請求項６】
電気光学効果を有する材料からなり、かつ、光の入射端及び光の出射端を有する光導波層と、
前記光導波層に形成され、前記入射端から入射した光のスポットサイズを拡大する第１のスポットサイズ変換部と、
前記光導波層に形成され、前記第１のスポットサイズ変換部でスポットサイズが拡大された光を集光又はコリメートする第１の電気光学レンズ部と、
を有する光導波路を備える光可変モジュール。
【請求項７】
前記光導波路は、
前記光導波層に形成され、前記第１の電気光学レンズ部で集光又はコリメートされた光を集束させる第２の電気光学レンズ部と、
前記光導波層に形成され、前記第２の電気光学レンズ部で集束された光のスポットサイズを縮小する第２のスポットサイズ変換部と、
を備えるものである、
請求項６記載の可変光モジュール。
【請求項８】
前記光導波路は、
前記光導波層に形成され、前記第１の電気光学レンズ部で集光又はコリメートされた光を偏向する光偏向部を有する、
請求項６又は７記載の可変光モジュール。
【請求項９】
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６〜８のいずれか１項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、光導波路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】
現在、光通信分野で広く用いられている光導波路として、光モジュールや光集積回路における光スイッチング素子等に用いられる様々な種類の平面型光導波路（Planar Optical Waveguide）が知られている。その中でも、単層又は多層構造を有する誘電体等の平面層状媒質で構成され、その面方向に光を伝搬する導波路であるスラブ導波路（Slab Waveguide）は、比較的簡略な構造を有しているが、面に対して垂直な方向（層厚方向）では導波路構造が形成されており、光はその導波路に閉じ込められて伝搬するものの、面内では自由空間におけるのと同様に伝搬するので、光ビームの拡がりを考慮しつつ、その光路を制御する必要がある。そのため、スラブ導波路を用いた光モジュール等では、レンズが必須要素となっている。
【０００３】
かかるスラブ導波路にレンズを形成する方法としては、例えば、異なる材料又は異なる組成を有する２種類の強誘電体薄膜といった材料を用いる方法が挙げられる（特許文献１）。一般に、バルク材のレンズでは、レンズ面が高精度に鏡面研磨されるとともに、無反射膜や反射防止膜を形成することにより、光の反射を十分に低減することが比較的容易であるが、スラブ導波路に形成されるような薄膜レンズは、通常、微細加工プロセスによってそのレンズ形状が形成されるため、２種類の材料の境界面を高精度に鏡面仕上げすること、及び、境界面に無反射膜や反射防止膜を設けることは、技術的に極めて困難である。そのため、低損失かつ高効率な薄膜レンズを実現することは非常に難しく、かかる構造を有するスラブ導波路を用いた光モジュールでは、一般に、損失が非常に大きいことが問題となっている。また、２種類の材料を用いるため、製造工程が複雑となるので、生産コストが高くなってしまうといった問題も生じ得る。
【０００４】
一方、薄膜レンズを形成せずに、スラブ導波路の外部に、レンズを別体に設けるという構成も知られているが、この場合、損失増大を抑制し得るものの、光モジュールを構成する部品点数が増大してしまうので、それらの多くの部品について高精度な光軸合わせが必要となり、その結果、組立コストが増大してしまうとともに、装置の安定性、温度特性、信頼性等の点で課題が残る。
【０００５】
他方、これらの問題を解決するための手段として、例えば、特許文献２及び３には、それぞれ、電気光学効果を利用したレンズ（電気光学レンズ）が形成されるシングルモード光プレーナー導波路（スラブ導波路）を用いた光スイッチ、及び、電気光学レンズが形成されるスラブ導波路を用いた可変光減衰器が提案されている。
【特許文献１】特開平１１−１９４２２３号公報
【特許文献２】特開２００４−１３１５５号公報（特に図２）
【特許文献３】特開２００４−２１２９９８号公報（特に図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、本発明者が、上記従来の電気光学レンズを利用した光スイッチや可変光減衰器について詳細に検討したところ、それらのデバイス構成ではレンズ効果が不十分であり、スラブ導波路において、光モジュールとしての特性を実現できる程度に十分な光結合系を構成することが困難であることを見出した。具体的には、以下のとおりである。
【０００７】
まず、スラブ導波路における光結合系の基本概念について説明する。図１は、スラブ導波路の光の入射側及び出射側にそれぞれ単一の電気光学レンズが形成される従来の光結合系の基本構成を示す概略平面図であり、特許文献２の図２や特許文献３の図３に記載された従来の構成の光導波路に相当するものを示す図である。
【０００８】
スラブ導波路光モジュール１００は、電気光学効果を有するコア層の両側にクラッド層が積層されたスラブ導波路１０１の両端面（光の入射端面１０１ａ及び出射端面１０１ｂ）に、それぞれ入力側光ファイバ１０３ａ、及び出力側光ファイバ１０３ｂが光学的に結合されたものである。このスラブ導波路１０１の入力側及び出力側の上面には、それぞれ、略円状をなす上部電極１０５ａ，１０５ｂが設けられており、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１０５ａ，１０５ｂ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１０１のコア層における上部電極１０５ａ，１０５ｂの下部に電気光学レンズ（図１において、便宜上、入力側薄膜レンズＲ１０１ａ、及び、出力側薄膜レンズＲ１０１ｂと記す）が形成されるようになっている。
【０００９】
入力側光ファイバ１０３ａから入射端面１０１ａに入力された光（光信号）は、コア層の面内を面方向に拡がりながら伝搬し、入力側薄膜レンズＲ１０１ａでコリメートされた後、そのコリメート光が出力側薄膜レンズＲ１０１ｂによって出射端面１０１ｂに集束され、出力側光ファイバ１０３ｂへ出力される。
【００１０】
このような光ビーム（図示矢印Ｂ）の伝搬及び変換を、ガウシアンビームのスポットサイズ（ビームウエストの径：図示においては、半径とした。）を用いて説明すると、入力側薄膜レンズＲ１０１ａは、スポットサイズｗ１のビームをスポットサイズｗ２の光ビームに変換するように機能し、出力側薄膜レンズＲ１０１ｂは、スポットサイズｗ２のビームをスポットサイズｗ３の光ビームに変換するように機能する。なお、スラブ導波路光モジュール１００として、スラブ導波路１０１の光軸Ａ方向の中心に対して入力側及び出力側が光学的に対称（コア層が一様であれば、実質的には幾何学的に対称）となる系を仮定すれば、入力側薄膜レンズＲ１０１ａ及び出力側薄膜レンズＲ１０１ｂは、機能的に等価である。
【００１１】
そして、そのような光学的に対称なスラブ導波路光モジュール１００において、光ビームＢの入射端面１０１ａにおけるビームウエスト位置と入力側薄膜レンズＲ１０１ａとの距離をｄ１、入力側薄膜レンズＲ１０１ａとスラブ導波路１０１の中心位置との距離をｄ２１とした場合、スラブ導波路光モジュール１００の光結合系は、光ビームＢのスポットサイズｗ１，ｗ２、及び距離ｄ２１に対して、距離ｄ１、並びに、入力側薄膜レンズの形状寸法（上部電極１０５ａの形状寸法）及び屈折率（印加電圧）を最適化することによって構成することができる。なお、スラブ導波路光モジュール１００の対称性により、スラブ導波路１０１の中心位置と出力側薄膜レンズＲ１０１ｂとの距離ｄ２２は、距離ｄ２１と同等であり、また、出力側薄膜レンズＲ１０１ｂと光ビームの出射端面１０１ｂにおけるビームウエスト位置との距離ｄ３は、距離ｄ１と同等と考えてよい。
【００１２】
例えば、入力側光ファイバ１０３ａに用いられる通常の光ファイバでは、光ビームＢのスポットサイズｗ１は５μｍ程度の値であり、スポットサイズｗ２としては、コア層の材料に依存するものの、光ビームＢが数ｍｍ程度以上の距離をそれ程拡がらずに伝搬するためには、２５μｍ程度以上にする必要がある。
【００１３】
図２は、従来のスラブ導波路光モジュール１００のより具体的な構成条件において、入力側薄膜レンズＲ１０１ａとコア層との屈折率差Δｎの変化に対する、コリメート光のスポットサイズｗ２、及び、入力側薄膜レンズＲ１０１ａとスラブ導波路１０１の中心位置との距離ｄ２１の変化のシミュレーション計算結果を示すグラフである。図示においては、実線で示す曲線Ｃ１００がスポットサイズｗ２を表し、破線で示す曲線Ｃ１０１が距離ｄ２１を表す。
【００１４】
シミュレーション計算条件として、より具体的には、スラブ導波路１０１のコア層の屈折率＝２.４５、入力側薄膜レンズＲ１０１ａのレンズ形状＝球レンズ、入力側薄膜レンズＲ１０１ａの屈折率＝２.４５＋Δｎ、入力側薄膜レンズＲ１０１ａの直径＝２５０μｍ、スポットサイズｗ１＝５μｍ、距離ｄ１＝１．５ｍｍ、光ビームＢの波長＝１５５０ｎｍとして、屈折率差Δｎを変化させて、光ビームＢのスポットサイズｗ２及び距離ｄ２１を算出した。
【００１５】
図２において、屈折率差Δｎが０．１以下と小さい場合には、距離ｄ２１＜０となっているが、これは、入力側薄膜レンズＲ１０１ａの界面で光ビームＢが屈折する効果が小さいため、光ビームＢが集束されずに発散してしまっていることを示している。つまり、距離ｄ２１＜０の条件では、光結合系が成立し得ない。一方、屈折率差Δｎが０．１より大きい場合には、距離ｄ２１＞０となり、これは、光ビームＢが集光又はコリメートされていることを示すので、光結合系を実現できることとなる。すなわち、逆に言えば、従来の構成を備えるスラブ導波路光モジュール１００では、概ね、屈折率差Δｎが０．１程度より大きくなければ、光結合系を構成することができない。ところが、電気光学効果による屈折率変化は極めて小さく、電気光学効果が大きいことが知られているＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）の場合でも、現状、測定されている屈折率差Δｎの最大値は０．０１程度である。したがって、図２に示す結果から、たとえ０．０１程度の屈折率差Δｎを達成できたとしても、従来構成のスラブ導波路光モジュール１００では、光結合系が成立し得ないことが容易に理解される。
【００１６】
また、電気光学効果の微小な屈折率変化を補うために、複数個の電気光学レンズを配置することも考えられる。図３は、そのような複数個の電気光学レンズが配設されたスラブ導波路光モジュールの他の例を示す概略平面図である。スラブ導波路光モジュール２００は、上部電極１０５ａ，１０５ｂを複数有し、入力側薄膜レンズＲ１０１ａ及び出力側薄膜レンズＲ１０１ｂが複数形成されること以外は、図１に示す従来のスラブ導波路光モジュール１００と同様に構成されたものである。
【００１７】
また、図４（Ａ）は、スラブ導波路光モジュール２００における入力側薄膜レンズＲ１０１ａの設置個数Ｎに対する、コリメート光のスポットサイズｗ２、及び、入力側薄膜レンズＲ１０１ａ（図示最も中心寄りのもの）とスラブ導波路１０１の中心位置との距離ｄ２１の変化のシミュレーション計算結果を示すグラフである。同図においては、実線で示す曲線Ｃ２００がスポットサイズｗ２を表し、破線で示す曲線Ｃ２０１が距離ｄ２１を表す。
【００１８】
シミュレーション計算条件としては、入力側薄膜レンズＲ１０１ａの屈折率差Δｎ＝０．００２、及び、入力側薄膜レンズＲ１０１ａの設置間隔＝０．１ｍｍとしたこと以外は、図２に結果示すシミュレーション計算と同一の条件とした。図４に示す結果から、入力側薄膜レンズＲ１０１ａを２４個以上並設することにより、距離ｄ２１＞０となり、見かけ上、光結合系が構成され得る。しかし、前段の入力側薄膜レンズＲ１０１ａでの光ビームＢの集光効果が小さいため、光ビームが伝搬するにしたがって、後段側の入力側薄膜レンズＲ１０１ａの外側を通過してしまう光が多く、結合損失が増大し実用的な結合系にはなっていない。
【００１９】
さらに、入力側薄膜レンズＲ１０１ａの設置個数Ｎを低減する手法として、上部電極１０５ａと下部電極間に印加する電圧を増大させて入力側薄膜レンズＲ１０１ａの屈折率差Δｎをこれまで以上に大きくすることも考えられる。ここで、図４（Ｂ）は、屈折率差Δｎ＝０．００５として、その他の条件は、図４に示すのと同じ条件でシミュレーション計算した結果を示すグラフである。同図においては、実線で示す曲線Ｃ２０２がスポットサイズｗ２を表し、破線で示す曲線Ｃ２０３が距離ｄ２１を表す。図４（Ｂ）より、屈折率差Δｎ＝０．００５とした場合には、入力側薄膜レンズＲ１０１ａを１５個以上並設することにより、距離ｄ２１＞０となり、計算上、光結合系が構成され得る。しかし、０．００５の屈折率差Δｎを達成するには、上述したＰＬＺＴを用いても、上部電極１０５ａと下部電極間にかなりの程度の高電圧を印加する必要があり、こうなると、絶縁破壊や分極反転が極めて生じ易くなってしまうという問題がある。
【００２０】
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、光モジュール（デバイス）としての特性を実現できる程度に十分な光結合系を構成することが可能な電気光学レンズを利用した光導波路、及び、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】
【００２１】
上記課題を解決するために、本発明による光導波路は、電気光学効果を有する材料からなり、かつ、光の入射端、及び光の出射端を有する光導波層と、光導波層に形成され、前記入射端から入射した光のスポットサイズを拡大する第１のスポットサイズ変換部と、光導波層に形成され、第１のスポットサイズ変換部でスポットサイズが拡大された光を集光又はコリメートする第１の電気光学レンズ部とを備える。また、光の入射端、及び／又は、光の出射端に光学的に接続された外部光導波路を備えていてもよい。なお、光の「スポットサイズ」とは、上述の如く、光をガウシアンビームと仮定したときの、そのビームウエストにおける径（半径又は直径）を示す。
【００２２】
このように構成された光導波路においては、入射端から光導波層に入力（導光）された光は、第１のスポットサイズ変換部によってそのスポットサイズが拡大された状態で、第１の電気光学レンズ部に入射し、集光又はコリメートされる。すなわち、光導波層に入力された光は、そのまま直接的に第１の電気光学レンズ部を通過するのではなく、第１のスポットサイズ変換部によって予め拡径された光ビームとして、第１の電気光学レンズ部に入射するので、光導波層における第１の電気光学レンズ部と他の部位との屈折率差が小さくても、光ビームが発散することなく十分に集光又はコリメートされる光結合系が構成される。
【００２３】
具体的には、光導波層に形成され、かつ、第１の電気光学レンズ部で集光又はコリメートされた光を集束させる第２の電気光学レンズ部と、記光導波層に形成され、かつ、第２の電気光学レンズ部で集束された光のスポットサイズを縮小する第２のスポットサイズ変換部とを備える構成が挙げられる。
【００２４】
この場合、第１の電気光学レンズ部で集光又はコリメートされた光は、入射端から光導波層に入力（導光）された光は、第２の電気光学レンズ部で集束された後、第２のスポットサイズ変換部でスポットサイズが縮小され、出射端から外部へ出射され得る。よって、第２の電気光学レンズ部と他の部位との屈折率差が小さくても、光ビーム径が十分に絞られた状態で光導波路から出射される。
【００２５】
このような第１の電気光学レンズ、及び、第２の電気光学レンズを形成するには、例えば、光導波層が、電圧を印加することにより、その部位の屈折率が他の部位の屈折率より大きくなる材料からなる場合、光導波層の厚さ方向の上下面に、それらの電気光学レンズの形状に対応した形状の電極対を設け、その電極間に所定の電圧を印加する構成が挙げられ、より具体的には、電極対の一方の電極を、光導波層の一の面の略全体にわたって形成し、電極対の他方の電極を電気光学レンズの形状に対応した領域に形成した形態を例示できる。また、例えば、光導波層が、電圧を印加することにより、その部位の屈折率が他の部位の屈折率より小さくなる材料からなる場合、電極対の他方の電極を、電気光学レンズの形状に対応した領域以外の領域に形成した形態を例示できる
【００２６】
また、第１のスポットサイズ変換部は、入射端から入射した光のスポットサイズを徐々に大きくするように、光導波層に形成されるものであると好適である。図１５（Ａ）は、かかる第１のスポットサイズ変換部の一般的な構成の一例を模式的に示す平面図であり、図示の如く、光導波層１１における光軸Ａ（矢印は光の進行方向を示す。）に沿って幅が徐々に大きくなる第１の領域Ｍ１を形成し、その第１の領域Ｍ１の周囲に、第１の領域Ｍ１よりも屈折率が小さい第２の領域Ｍ２を形成したものを例示できる。
【００２７】
ここで、そのような第１のスポットサイズ変換部を具体的に形成するには、第１の電気光学レンズ、及び、第２の電気光学レンズと同様に、例えば、光導波層が、電圧を印加することにより、その部位の屈折率が他の部位の屈折率より大きくなる材料からなる場合、光導波層の厚さ方向の上下面に、上述した第１の領域Ｍ１の形状に対応した形状の電極対を設け、その電極間に所定の電圧を印加する構成が挙げられ、より具体的には、電極対の一方の電極を、光導波層の一の面の略全体にわたって形成し、電極対の他方の電極を第１の領域Ｍ１に形成した形態を例示できる。また、例えば、光導波層が、電圧を印加することにより、その部位の屈折率が他の部位の屈折率より小さくなる材料からなる場合、或いは、ある極性の電圧を印加したときに屈折率が他の部位の屈折率より大きくなる材料に逆電圧を印加したときに、逆に屈折率が他の部位の屈折率より小さくなる場合、電極対の他方の電極を、上述した第２の領域Ｍ２に形成した形態を例示できる。
【００２８】
このようにすれば、第１のスポットサイズ変換部として、第１の電気光学レンズ部と同種の電気光学効果を有する材料を用いることができるので、光導波層における光の結合損失が十分に抑制され、かつ、異種材料を用いる必要がないので、製造工程が煩雑となって生産コストが増大してしまうことも防止される。
【００２９】
また、第２のスポットサイズ変換部は、第２の電気光学レンズ部で集束された光のスポットサイズを徐々に小さくするように、光導波層に形成されるものであると好適である。図１５（Ｂ）は、かかる第２のスポットサイズ変換部の一般的な構成の一例を模式的に示す平面図であり、図示の如く、光導波層１１における光軸Ａ（矢印は光の進行方向を示す。）に沿って幅が徐々に小さくなる第３の領域Ｍ３を形成し、その第３の領域Ｍ３の周囲に、第３の領域Ｍ３よりも屈折率が小さい第４の領域Ｍ４を形成したものを例示できる。
【００３０】
ここで、かかる第２のスポットサイズ変換部を具体的に形成するには、上述した第１のスポットサイズ変換部と同様の電極構造を適用することが可能である。すなわち、例えば、光導波層が、電圧を印加することにより、その部位の屈折率が他の部位の屈折率より大きくなる材料からなる場合、光導波層の厚さ方向の上下面に、上述した第３の領域Ｍ３の形状に対応した形状の電極対を設け、その電極間に所定の電圧を印加する構成が挙げられ、より具体的には、電極対の一方の電極を、光導波層の一の面の略全体にわたって形成し、電極対の他方の電極を第３の領域Ｍ３に形成した形態を例示できる。また、例えば、光導波層が、電圧を印加することにより、その部位の屈折率が他の部位の屈折率より小さくなる材料からなる場合、或いは、ある極性の電圧を印加したときに屈折率が他の部位の屈折率より大きくなる材料に逆電圧を印加したときに、逆に屈折率が他の部位の屈折率より小さくなる場合、電極対の他方の電極を、上述した第４の領域Ｍ４に形成した形態を例示できる。
【００３１】
このようにすれば、第２のスポットサイズ変換部として、第１のスポットサイズ変換部、第１の電気光学レンズ部、及び、第２の電気光学レンズ部と同種の電気光学効果を有する材料を用いることができるので、光導波層における光の損失が更に十分に抑制され、かつ、異種材料を用いる必要がないので、製造工程が煩雑となって生産コストが増大してしまうことがより確実に防止される。
【００３２】
また、第１のスポットサイズ変換部、及び、第２のスポットサイズ変換部の別の具体例として、導波層の一部を除去することにより、それぞれ、上述した第２の領域Ｍ２及び第４の領域Ｍ４を空気層とした構造を例示できる。さらに、導波層を除去した後、その部位に導波層より屈折率の小さい層を堆積させてもよい。
【００３３】
また、本発明による可変光モジュールは、本発明の光導波路の構成を備えて有効に機能するものであり、電気光学効果を有する材料からなり、かつ、光の入射端、及び、光の出射端を有する光導波層と、光導波層に形成され、入射端から入射した光のスポットサイズを拡大する第１のスポットサイズ変換部と、光導波層に形成され、スポットサイズ変換部でスポットサイズが拡大された光を集光又はコリメートする第１の電気光学レンズ部とを有する光導波路を備える。
【００３４】
さらに、光導波路が、光導波層に形成され、かつ、第１の電気光学レンズ部で集光又はコリメートされた光を集束させる第２の電気光学レンズ部と、光導波層に形成され、かつ、第２の電気光学レンズ部で集束された光のスポットサイズを縮小する第２のスポットサイズ変換部とを有していてもよい。
【００３５】
またさらに、光導波路が、光導波層に形成され、かつ、第１の電気光学レンズ部で集光又はコリメートされた光を偏向する光偏向部を有してもよく、この場合、光偏向部で偏向された光が第２の電気光学レンズ部に入射するようにすれば、光スイッチを構成することができ、第２の電気光学レンズを複数設けることにより、多段の光スイッチを構成することもでき、このとき、第１の電気光学レンズ部を複数設けてもよい。さらにまた、光導波路は、光の入射端、及び／又は、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好適である。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の光導波路、及び、可変光モジュールによれば、光導波層に入力された光が、そのまま直接的に第１の電気光学レンズ部を通過するのではなく、第１のスポットサイズ変換部によって予め拡径された光ビームとして、第１の電気光学レンズ部に入射するので、光導波層における第１の電気光学レンズ部と他の部位との屈折率差が小さくても、光ビームが発散することなく、光デバイスとしての特性を実現できる程度に十分に集光又はコリメートされる光結合系を実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
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。
【００３８】
図５は、本発明による光導波路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１０（光導波路）は、電気光学効果を有するコア層（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。
【００３９】
コア層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ＬｉＮｂＯ3、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）といった電気光学材料が挙げられる。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。
【００４０】
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（第１の電気光学レンズ部）、及び、出力側薄膜レンズＲ１１ｂ（第２の電気光学レンズ部）が形成されるようになっている。
【００４１】
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（第１のスポットサイズ変換部）が形成されるようになっている。
【００４２】
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（第２のスポットサイズ変換部）が形成されるようになっている。
【００４３】
このような構成のスラブ導波路光モジュール１０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。
【００４４】
ここで、図６は、スラブ導波路光モジュール１０における入力側薄膜レンズＲ１１ａの設置個数Ｎに対する、コリメート光のスポットサイズｗ２、及び、入力側薄膜レンズＲ１１ａ（図示最も中心寄りのもの）とスラブ導波路１１の中心位置との距離ｄ２１の変化のシミュレーション計算結果を示すグラフである。同図においては、実線で示す曲線Ｃ１０がスポットサイズｗ２を表し、破線で示す曲線Ｃ１１が距離ｄ２１を表す。
【００４５】
シミュレーション計算条件としては、スラブ導波路１１のコア層の屈折率＝２.４５、入力側薄膜レンズＲ１１ａのレンズ形状＝球レンズ、入力側薄膜レンズＲ１１ａの屈折率差Δｎ＝０．００１（すなわち、入力側薄膜レンズＲ１１ａの屈折率＝２.４５＋０．００１）、入力側薄膜レンズＲ１１ａの直径＝２５０μｍ、入力側薄膜レンズＲ１１ａの設置間隔＝０．１ｍｍ、入射した光ビームＢの初期のスポットサイズｗ１＝５μｍ、スポットサイズ変換部Ｓ１７ａで拡大された光ビームＢスポットサイズｗ４＝７０μｍ、光ビームＢの波長＝１５５０ｎｍとした。なお、上記屈折率差Δｎ＝０．００１は、上述したＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）といったコア層を構成する電気光学材料を用いて実用的に十分に達成可能な値である。
【００４６】
図６に示す結果より、入力側薄膜レンズＲ１１ａが１個の場合でも、距離ｄ２１＞０の条件を満たし、このことから、スラブ導波路光モジュール１０では、入力側薄膜レンズＲ１１ａを１個以上設けることにより、光ビームＢを入射端面１１ａから出射端面１１ｂへ有効に伝搬させることが可能な光結合系を構成できることが確認された。また、スラブ導波路光モジュール１０における上述した条件では、入力側薄膜レンズＲ１１ａを６個配置した場合に、距離ｄ２１が最大になることが判明した。
【００４７】
このように、スラブ導波路光モジュール１０によれば、入射端面１１ａからスラブ導波路１１のコア層に入力された光ビームＢは、直ちに入力側薄膜レンズＲ１１ａに入射するのではなく、スポットサイズ変換部Ｓ１７ａによってそのスポットサイズが拡大された状態で、すなわち、スポットサイズ変換部Ｓ１７ａによって予め拡径された光ビームＢとして、入力側薄膜レンズＲ１１ａに入射するので、スラブ導波路１１のコア層における入力側薄膜レンズＲ１１ａとそれ以外の部位との屈折率差Δｎが小さくても、光ビームＢが発散することなく十分に集光又はコリメートされる光結合系を構成することができる。
【００４８】
また、スポットサイズ変換部Ｓ１７ａ，Ｓ１７ｂ、並びに、入力側薄膜レンズＲ１１ａ、及び出力側薄膜レンズＲ１１ｂを、同一のコア層に形成することができるので、光ビームＢの結合損失を十分に抑制することができる。すなわち、上部電極１５ａ，１７ａと下部電極との間に電圧を印加することにより、電気光学素子であるコア層に電界分布が発生し、その電気光学効果によって、スポットサイズ変換部Ｓ１７ａ，１７ｂ、並びに、入力側薄膜レンズＲ１１ａ、及び出力側薄膜レンズＲ１１ｂを含む部位に屈折率分布が生じるところ、電気光学素子においては電界が連続的に変化しているので、その屈折率も連続的に（つまり、徐々に）変化するとともに、その屈折率の変化量も極めて小さいことから、異種材料を用いたレンズを設けた場合に懸念されるような反射や散乱を無視することができる。よって、これにより、非常に低損失な光導波を実現することができる。
【００４９】
また、異種材料を用いる必要がないので、製造工程が煩雑となって生産コストが増大してしまうことを抑止することもできる。さらに、上部電極１５ａ，１７ａと下部電極との間に印加する電圧を調整することで屈折率変化を所望に調節できるので、光ビームＢの光結合量を簡易にかつ精度よく調整することが可能となる。その結果、形状のばらつきや上部電極１５ａ，１７ａ等を設ける位置等の作製誤差が生じても、印加電圧の調整によって光結合の程度を平易に最適化することができるので、作製ばらつきを補正して、再現性良く高特性の光モジュールを実現でき、かつ、量産性を高めることも可能となる。
【００５０】
さらに、入力側薄膜レンズＲ１１ａ、出力側薄膜レンズＲ１１ｂ、又は、スポットサイズ変換部Ｓ１７ａ，Ｓ１７ｂにおいて、上部電極と下部電極間に印加する電圧を可変にすることにより、光ビームＢの結合量を可変にすることができるので、例えば光通信システムにおいて極めて重要な機能の一つである光量調整が可能な可変光減衰器の機能を、容易に付加することができるので、極めて有利である。
【００５１】
図７は、本発明による光導波路及びそれを備え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り、図８は、図７におけるＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における模式断面図である。
【００５２】
光スイッチモジュール２０（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、かつ、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５に示すスラブ導波路光モジュール１０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２０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８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。
【００５３】
図８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。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。
【００５４】
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、上述したように、例えばＬｉＮｂＯ3、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）といった電気光学材料で形成することができ、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。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。
【００５５】
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（第１のスポットサイズ変換部）、及びスポットサイズ変換部Ｓ２７ｂ（第２のスポットサイズ変換部）が形成される。
【００５６】
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。
【００５７】
ここで、図９、図１０、及び図１１は、それぞれ、スポットサイズ変換部Ｓ２７ａ，２７ｂ形成用の上部電極２７ａ，２７ｂ、入力側薄膜レンズＲ１１ａ及び出力側薄膜レンズＲ１１ｂ形成用の上部電極１５ａ，１５ｂ、及び、入力側薄膜プリズムＰ２９ａ及び出力側薄膜プリズムＰ２９ｂ形成用の上部電極２９ａ，２９ｂの形状の一例を示す模式平面図である。なお、これらの各上部電極は、例えば、数百ｎｍ程度の厚さのＰｔ薄膜導体等で形成することができる。
【００５８】
上部電極２７ａ，２７ｂの各部寸法の一例としては、入射端面１１ａ及び出射端面１１ｂにそれぞれ対峙する幅細の基部の幅Ｌ１＝１０μｍ、幅広の頭部の幅Ｌ２＝１８０μｍ、基部から頭部までの長さＬ３＝６．８ｍｍ、頭部の長さＬ４＝１．２ｍｍが挙げられる。また、上部電極１５ａ，１５ｂについては、それらの直径Ｌ１１＝２３０μｍ、電極間距離Ｌ１２=２００μｍを例示できる。さらに、上部電極２９ａ，２９ｂとしては、高さＬ２１=０．２ｍｍ、底辺の長さＬ２２＝２ｍｍを例示できる。
【００５９】
またさらに、光スイッチモジュール２０における他の寸法の一例としては、入力側光ファイバ１３ａ，１３ａ間の距離Ｐ（出力側光ファイバ１３ｂ，１３ｂ間の距離も同じ）＝２５０μｍ、スラブ導波路２１のＹ方向幅＝１ｍｍ、Ｚ方向長さ＝４５ｍｍ等が挙げられる。
【００６０】
このように構成された光スイッチモジュール２０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２１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Ｓ２７ａで、そのスポットサイズが徐々に大きくされる。より具体的には、上述した各寸法条件において、スラブ導波路２１のコア層Ｃ２１の波長１５５０ｎｍにおける屈折率を２．４５、及び、電圧印加時の屈折率差Δｎが０．００１大きくなる場合、入射した光ビームＢのスポットサイズ（半径）は、５μｍから７０μｍ程度に拡大される。
【００６１】
このようにスポットサイズが拡大された光ビームＢは、入力側薄膜レンズＲ１１ａによって集光又はコリメートされる。図１０に示す幾何学的配置の上部電極１５ａを６個配設し、上述のとおり、電圧印加によって屈折率差Δｎが０．００１大きくなる場合、スポットサイズ変換部Ｓ２７ａで７０μｍ程度のスポットサイズに拡大された光ビームが、５０μｍ程度のスポットサイズとなるように集光され、そのビーム状態で、入力側薄膜プリズムＰ２９ａへ導光される。
【００６２】
入力側薄膜プリズムＰ２９ａにおいては、上部電極２９ａと下部電極３０間に、スポットサイズ変換部Ｓ２７ａ及び入力側薄膜レンズＲ１１ａにおいて印加した電圧とは逆向きの電圧を印加することにより、電気光学効果によって上部電極２９ａの下方領域はその周りの領域よりも屈折率が小さくされるので、光ビームＢの進行方向を、所定の角度θ、変化させることができる（図７における破線矢印で示す光ビームＢ）。例えば、上述した各種寸法等の条件では、図７における図示上方に位置する入力側光ファイバ１３ａから入射した光ビームＢを、図示下方に位置する出力側光ファイバ１３ｂ側へ偏向するには、図１１に示す幾何学的配置の上部電極２９ａをＺ方向に４個並設（全長Ｌｐ＝８ｍｍ）すればよい。一方、上部電極２９ａと下部電極３０間に電圧を印加しない場合には、入力側薄膜レンズＲ１１ａを通過した光ビームＢの進行方向は変わらない。
【００６３】
なお、出力側薄膜プリズムＰ２９ｂ、出力側薄膜レンズＲ１１ｂ、及び、スポットサイズ変換部Ｓ２７ｂは、それぞれ入力側と同一形状の各上部電極から形成されるので、その機能も入力側のものと同様である。
【００６４】
出力側薄膜プリズムＰ２９ｂにおいては、Ｚ方向に平行に入射した光ビームＢ（図７において、図示上側の入力側光ファイバ１３ａから入射し、直進して図示上側の出力側薄膜プリズムＰ２７ｂに入射した実線で示される光ビームＢ）に対しては、上部電極２７ｂと下部電極３０間に電圧を印加せず、偏向されて入射した光ビームＢ（図７において、図示上側の入力側薄膜プリズムＰ２９ａで角度θ偏向され、図示下側の出力側薄膜プリズムＰ２９ｂに入射した破線で示される光ビームＢ）に対しては、電圧を印加して図示上向きに偏向させてその進行方向をＺ方向と平行にする。出力側薄膜プリズムＰ２９ｂを通過し、上述した各種寸法等の条件において、５０μｍ程度のスポットサイズで発散してくる光ビームＢは、出力側薄膜レンズＲ１１ｂによって、７０μｍ程度のスポットサイズに集束され、さらに、スポットサイズ変換部Ｓ２７ｂにおいて、７０μｍ程度のそのスポットサイズが５μｍ程度のスポットサイズに変換され、高効率で出力側光ファイバ１３ｂに出力される。
【００６５】
上述した入力側薄膜プリズムＰ２９ａ、及び、出力側薄膜プリズムＰ２９ｂによる、光スイッチング動作は、図７における図示下側の入力側光ファイバ１３ａからスラブ導波路２１へ入力される光ビームＢについても同様である。このようにして、光スイッチモジュール２０の光結合系により、高効率で光信号の伝送及びスイッチングを行うことができる２×２チャネルの多段光スイッチを実現できる。
【００６６】
ここで、 図１２は、光ビーム伝搬法によるシミュレーションにより、上述した光スイッチモジュール２０の各種構成条件において、光ビームＢの伝搬状態を計算した結果を示す図であり、図示符合［丸印１］の入力側光ファイバ１３ａ（図７における図示下側の入力側光ファイバ１３ａに相当）から、図示符合［丸印３］又は［丸印４］の出力側光ファイバ（それぞれ、図７における図示上側及び下側の出力側光ファイバ１３ｂに相当）へ光ビームＢを伝搬させたときのその伝搬経路を示すものである。
【００６７】
図１２における上半分の画像は、入力側薄膜プリズムＰ２９ａ及び出力側薄膜プリズムＰ２９ｂ形成用の上部電極２９ａ，２９ｂに所定の電圧を印加し、光ビームＢを、入力側光ファイバ１３ａ［丸印１］から出力側光ファイバ１３ｂ［丸印４］へスイッチングして伝搬させたときの結果を示す。この画像において、符合［丸印１］から符合［丸印４］へ連続して延びる曲線状の部分が光ビームＢの経路を示している。このときの入力側光ファイバ１３ａ［丸印１］から出力側光ファイバ１３ｂ［丸印４］への結合損失は０．１１ｄＢであり、入力側光ファイバ１３ａ［丸印１］から出力側光ファイバ１３ｂ［丸印３］への結合損失は３７ｄＢであった。
【００６８】
また、図１２における下半分の画像は、入力側薄膜プリズムＰ２９ａ及び出力側薄膜プリズムＰ２９ｂ形成用の上部電極２９ａ，２９ｂに電圧を印加せずに、光ビームＢを入力側光ファイバ１３ａ［丸印１］から出力側光ファイバ１３ｂ［丸印３］へ直進伝搬させたときの結果を示す。この画像において、符合［丸印１］から符合［丸印３］へ連続して延びる直線状の部分が光ビームＢの経路を示している。このときの入力側光ファイバ１３ａ［丸印１］から出力側光ファイバ１３ｂ［丸印３］への結合損失は０．１４ｄＢであり、入力側光ファイバ１３ａ［丸印１］から出力側光ファイバ１３ｂ［丸印４］への結合損失は５３ｄＢであった。
【００６９】
これらの結果より、光スイッチモジュール２０によれば、光ビームＢのスイッチングを行った場合も行わない場合も、入力側光ファイバ１３ａからスラブ導波路２１に入射した光ビームＢが、出力側光ファイバ１３ｂへ効率良く光結合し、これにより、良好な特性の光スイッチを実現できることが更に確認された。
【００７０】
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、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。
【００７１】
具体的には、スポットサイズ変換部Ｓ１７ａ，Ｓ１７ｂ，Ｓ２７ａ，Ｓ２７ｂを形成するための上部電極１７ａ，１７ｂ，２７ａ，２７ｂを、それぞれ一体部材の電極として例示したが、別体に形成された複数の部材の集合体として設けてもよい。また、スポットサイズ変換部Ｓ１７ａ，Ｓ１７ｂ，Ｓ２７ａ，Ｓ２７ｂ、入力側薄膜レンズＲ１１ａ、及び、出力側薄膜レンズＲ１１ｂを形成するための上部電極１７ａ，１７ｂ，２７ａ，２７ｂ，１５ａ，１５ｂの形状として、電圧を印加することによりその部位の屈折率が大きくなる場合について例示したが、電圧を印加することによりその部位の屈折率が小さくなる場合には、例えば、図１３及び図１４に示すような形状の上部電極を設ければよい。
【００７２】
すなわち、図１３に示す入力側薄膜レンズＲ１１ａ、及び、出力側薄膜レンズＲ１１ｂを形成するための上部電極４０は、Ｐｔ薄膜等の導体から形成された凹状をなす一対の導体層４１，４１が、それぞれの凹部が対向するように設けられたものであり、矩形状の導体膜から上部電極１５ａ，１５ｂの形状に相当する円形状の部位が除去された形状（言わば、上部電極１５ａ，１５ｂのネガパターン）を有する。また、図１４に示すスポットサイズ変換部Ｓ２７ａ，Ｓ２７ｂを形成するための上部電極５０は、Ｐｔ薄膜等の導体から形成された凹状をなす長尺の一対の導体層５１，５１が、それぞれの凹部が対向するように設けられたものであり、やはり矩形状の導体膜から上部電極２７ａ，２７ｂの形状に相当する部位が除去された形状（言わば、上部電極２７ａ，２７ｂのネガパターン）を有する。また、印加される電圧に対して屈折率が１次又は２次に変化する各種の電気光学材料が知られているが、上部電極の形状は、それらの材料に適した電極形状を採用することができる。
【００７３】
さらに、光ビームの入力手段である外部光導波路として、光ファイバに代えて、レーザーダイオード（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子を用いてもよい。またさらに、上記実施形態では、現実的に容易に実現可能な電気光学材料の屈折率差Δｎを０．００１としたときの各種評価を行ったが、屈折率差Δｎがより大きい電気光学材料を用いる場合には、入力側薄膜レンズＲ１１ａ及び出力側薄膜レンズＲ１１ｂの数量、すなわち、上部電極１５ａ，１５ｂの数量を低減することができ、また、これにより、スラブ導波路１１，２１の長さを短縮することもできる。またさらに、図示においては、上部電極等の形状を模式的に簡略化して示しており、電極に接続される引出配線の領域が別途形成されていることは言うまでもない。
【００７４】
また、スポットサイズ変換部Ｓ１７ａ，Ｓ１７ｂ，Ｓ２７ａ，Ｓ２７ｂとして、電気光学効果を利用する構成を例示したが、これ以外にも、例えば、光ビームＢが導波しない部分の領域のコア層を、エッチング等により除去して光路の拡がりを規制するような形状を採用することができる。ここで、図１６は、本発明による光導波路及びそれを備える可変光モジュールの好適な他の一実施形態の構成、及びその光結合系の概念を示す概略平面図である。
【００７５】
光スイッチモジュール６０（可変光モジュール）は、スポットサイズ変換部Ｓ２７ａ，Ｓ２７ｂに代えて、スポットサイズ変換部Ｓ６７ａ，Ｓ６７ｂ（それぞれ、第１及び第２のスポットサイズ変換部）を備えること以外は、図７及び図８に示す光スイッチモジュール６０と同様に構成されたものである。スポットサイズ変換部Ｓ６７ａは、導波層２１の一部を除去することにより、光軸Ａに沿って幅が徐々に大きくなるように形成された領域６１（第１の領域）と、その周囲に形成された空気層６２（第２の領域）とから構成されている。また、スポットサイズ変換部Ｓ６７ｂは、導波層２１の一部を除去することにより、光軸Ａに沿って幅が徐々に小さくなるように形成された領域６３（第３の領域）と、その周囲に形成された空気層６４（第４の領域）とから構成されている。このようなスポットサイズ変換部Ｓ６７ａ，Ｓ６７ｂの構成により、光ビームＢのスポットサイズを徐々に拡大又は縮小することができる。
【００７６】
この場合、導波層２１を除去して画成される空気層６２，６４に、領域６１，６３よりも屈折率が小さい部材を堆積させた層を形成してもよい。また、領域６１，６３の幅を直線的に変化させているが、曲線状に変化させてもよく（図７及び図９に示す上部電極２７ａ，２７ｂの幅、並びに、図１４に示す導体層５１，５１間の幅についても同様）、実際には、損失が最小となるような適宜の形状とすることができる。
【００７７】
また、本発明による可変光モジュールの一実施形態として光スイッチの例を示したが、これに限定されるものではなく、本発明は、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７及び図８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、特許文献１の図１０に示されている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。
【００７８】
またさらに、上述した実施形態においては、屈折率を大きくする（又は小さくする）領域の形状に合わせて上部電極を形成する例について述べたが、これに限定されるものではない。例えば、電気光学レンズでは、図１７に示す如く、導波層において分極が反転した領域Ｍｒをレンズ形状（図示平面視において円形状）に形成し、電極Ｅは、両方の領域（分極が反転した領域Ｍｒとその周りの領域）を跨ぐように形成してもよい。一次の電気光学係数を有する材料では、分極の向きにより、電圧を印加した際の屈折率変化の符号が異なるため、電圧を印加すると分極反転領域Ｍｒとそうでない領域とで屈折率差が生じる。この分極反転構造では、電圧に対して２倍の屈折率変化が生じるので、低電圧化に有効である。同様に、スポットサイズ変換部や光偏向部を、分極反転構造を用いて形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
以上説明した通り、本発明の光導波路及び可変光モジュールによれば、光導波層における光の入射端と電気光学レンズ部との間にスポットサイズ変換部を備え、これにより、光導波層における電気光学レンズ部と他の部位との屈折率差が小さくても、光ビームが発散することなく十分に集光又はコリメートされ、低損失な光結合系を構成することができるので、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。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】スラブ導波路の光の入射側及び出射側にそれぞれ単一の電気光学レンズが形成される従来の光結合系の基本構成を示す概略平面図である。
【図２】従来のスラブ導波路光モジュール１００において、入力側薄膜レンズとコア層との屈折率差Δｎの変化に対する、コリメート光のスポットサイズｗ２、及び、入力側薄膜レンズとスラブ導波路の中心位置との距離ｄ２１の変化のシミュレーション計算結果を示すグラフである。
【図３】複数個の電気光学レンズが配設されたスラブ導波路光モジュールの他の例を示す概略平面図である。
【図４】（Ａ）及び（Ｂ）は、スラブ導波路光モジュール２００における入力側薄膜レンズの設置個数Ｎに対する、コリメート光のスポットサイズｗ２、及び、入力側薄膜レンズとスラブ導波路の中心位置との距離ｄ２１の変化のシミュレーション計算結果を示すグラフである。
【図５】本発明による光導波路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６】本発明によるスラブ導波路光モジュール１０における入力側薄膜レンズの設置個数Ｎに対する、コリメート光のスポットサイズｗ２、及び、入力側薄膜レンズとスラブ導波路の中心位置との距離ｄ２１の変化のシミュレーション計算結果を示すグラフである。
【図７】本発明による光導波路及びそれを備え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】図７におけるＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における模式断面図である。
【図９】スポットサイズ変換部Ｓ２７ａ，２７ｂ形成用の上部電極２７ａ，２７ｂの形状の一例を示す模式平面図である。
【図１０】入力側薄膜レンズＲ１１ａ及び出力側薄膜レンズＲ１１ｂ形成用の上部電極１５ａ，１５ｂの形状の一例を示す模式平面図である。
【図１１】入力側薄膜プリズムＰ２９ａ及び出力側薄膜プリズムＰ２９ｂ形成用の上部電極２９ａ，２９ｂの形状の一例を示す模式平面図である。
【図１２】光ビーム伝搬法によるシミュレーションにより、光スイッチモジュール２０の各種構成条件において、光ビームＢの伝搬状態を計算した結果を示す図である。
【図１３】入力側薄膜レンズＲ１１ａ、及び、出力側薄膜レンズＲ１１ｂを形成するための上部電極の他の形状の一例を示す概略平面図である。
【図１４】スポットサイズ変換部Ｓ２７ａ，Ｓ２７ｂを形成するための上部電極の他の形状の一例を示す概略平面図である。
【図１５】（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、第１のスポットサイズ変換部、及び、第２のスポットサイズ変換部の一般的な構成の一例を模式的に示す平面図である。
【図１６】本発明による光導波路及びそれを備える可変光モジュールの好適な他の一実施形態の構成、及びその光結合系の概念を示す概略平面図である。
【図１７】導波層における分極反転領域Ｍｒと電極Ｅとの関係を模式的に示す平面図である。
【符号の説明】
【００８１】
３…基板、１０…スラブ導波路光モジュール（光導波路）、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、２７ａ，２７ｂ…上部電極、２９ａ，２９ｂ…上部電極、２０…光スイッチモジュール（可変光モジュール）、３０…下部電極、４０…上部電極、４１…導体層、５０…上部電極、５１…導体層、６１…領域（第１の領域）、６２…空気層（第２の領域）、６３…領域（第３の領域）、６４…空気層（第４の領域）、１００…スラブ導波路光モジュール、１０１…スラブ導波路、１０１ａ…入射端面、１０１ｂ…出射端面、１０３ａ…入力側光ファイバ、１０３ｂ…出力側光ファイバ、１０５ａ，１０５ｂ…上部電極、２００…スラブ導波路光モジュール、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、Ｍ１…第１の領域、Ｍ２…第２の領域、Ｍ３…第３の領域、Ｍ４…第４の領域、Ｐ２９ａ…入力側薄膜プリズム（光偏向部）、Ｐ２９ｂ…出力側薄膜プリズム（光偏向部）、Ｒ１０１ａ…入力側薄膜レンズ、Ｒ１０１ｂ…出力側薄膜レンズ、Ｒ１１ａ…入力側薄膜レンズ（第１の電気光学レンズ部）、Ｒ１１ｂ…出力側薄膜レンズ（第２の電気光学レンズ部）、Ｓ１７ａ，Ｓ２７ａ，Ｓ６７ａ…スポットサイズ変換部（第１のスポットサイズ変換部）、Ｓ１７ｂ，Ｓ２７ｂ，Ｓ６７ｂ…スポットサイズ変換部（第２のスポットサイズ変換部）、ｗ１，ｗ２，ｗ３，ｗ４…スポットサイズ。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１２】
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