(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニオブ酸リチウム基板と、
前記ニオブ酸リチウム基板の表面上に前記ニオブ酸リチウム基板とは異なった材料で形成されたストライプ状の異種材料光導波路と、
前記ニオブ酸リチウム基板の前記ストライプ状の異種材料光導波路に対向する表面側に前記異種材料光導波路中を伝搬する光が漏れ出して形成される基板内光導波部分、或いは、前記異種材料光導波路に対向する表面側に形成したＴｉ若しくはプロトンを導入した基板内光導波路のいずれか一方と、
前記異種材料光導波路と、前記基板内光導波部分或いは前記基板内光導波路のいずれか一方とに変調電圧を印加する第１の電極と第２の電極と
を有し、
前記異種材料光導波路と、前記基板内光導波部分或いは前記基板内光導波路とが、前記異種材料光導波路の全長にわたって積層方向において投影的に重なっている光機能導波路。
【請求項２】
前記第１の電極と第２の電極の一方が前記異種材料光導波路の頂面に設けられ、前記第１の電極と第２の電極の他方が前記ニオブ酸リチウム基板の裏面に設けられている請求項１に記載の光機能導波路。
【請求項３】
前記第１の電極と第２の電極が、前記ニオブ酸リチウム基板の表面に前記異種材料光導波路を挟んで対向するように設けられている請求項１に記載の光機能導波路。
【請求項４】
前記第１の電極と第２の電極の一方が前記異種材料光導波路の頂面に設けられ、前記第１の電極と第２の電極の他方が異種材料光導波路を挟んで対向するように前記ニオブ酸リチウム基板の表面に設けられている請求項１に記載の光機能導波路。
【請求項５】
前記ニオブ酸リチウム基板に前記異種材料光導波路の両側面に沿った一対の溝が形成されているとともに、前記異種材料光導波路を挟んで対向するように設ける電極を前記溝内に設けた請求項３または請求項４に記載の光機能導波路。
【請求項６】
ニオブ酸リチウム基板と、
前記ニオブ酸リチウム基板内にＴｉまたはプロトンのいずれかを導入して形成された複数のニオブ酸リチウム光導波路と、
前記ニオブ酸リチウム基板の表面に前記複数のニオブ酸リチウム光導波路を光結合するように設けられた前記ニオブ酸リチウム基板とは異なった材料で形成された結合用の異種材料光導波路と
を有する光機能導波路。
【請求項７】
前記異種材料光導波路の前記ニオブ酸リチウム光導波路と結合する側の端部が、テーパ状になっている請求項６に記載の光機能導波路。
【請求項８】
前記異種材料光導波路の少なくとも一方の端部が、分岐導波路を構成する請求項６または請求項７に記載の光機能導波路。
【請求項９】
前記異種材料光導波路が、Ｓｉ、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＴｉＯ２、或いはＴａ２Ｏ３のいずれかからなる請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の光機能導波路。
【請求項１０】
前記異種材料光導波路が、互いに組成の異なる複数の光導波路要素からなる請求項９に記載の光機能導波路。
【請求項１１】
前記光導波路要素の少なくとも一部に、希土類元素が添加されている請求項１０に記載の光機能導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光機能導波路に関するものであり、例えば、ニオブ酸リチウム基板に形成される基板内光導波部分或いは基板内光導波路と異種材料からなる光導波路とを組み合わせることによって、光導波路を小型化且つ高機能化するための構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電気光学結晶であるＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）基板にＴｉ或いはプロトンを拡散して光導波路を形成し、この光導波路に電圧を印加することによって光変調器や光スイッチを構成し、この光変調器や光スイッチを光通信システムに用いている。
【０００３】
この場合、Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ３光導波路を伝搬する光のほぼ１００％がＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ３光導波路中を伝搬するため、光の群速度は素子構造によらず一定である。したがって、マイクロ波が伝搬する電極形状と位置を制御することによって、マイクロ波の伝搬速度と伝搬光の群速度を一致させている。
【０００４】
このような平坦構造のＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ３光導波路は、電気光学効果を誘起するための電界を光導波路に集中して印加することが困難である。そこで、ＬｉＮｂＯ３基板にストライプ状のリッジを構成し、このリッジを光導波路にすることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ３光導波路は、導波路の最小曲げ半径が５ｍｍ程度と大きいために、多段の光回路を構成することが困難である。そこで、導波路の最小曲げ半径を小さくするために、Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ３光導波路の近傍に深い溝を掘って光閉じ込め効果を強くすることが検討されている。
【０００６】
しかし、ＬｉＮｂＯ３は垂直なエッチングが非常に難しい材料であり、上述のリッジや深い溝を作製することは現実には非常に困難である。
【０００７】
そこで、後者の最小曲げに関する問題については、硫化砒素（Ａｓ２Ｓ３）をＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ３光導波路を形成した基板上に積層して、曲げ半径を小さくすることが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００８】
一方、石英系光導波路においては、小型の曲げ導波路を実現するために、リッジ状の石英系光導波路上に、ＳｉＮ光導波路を設けることが提案されている（例えば、非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−３２６８５３号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｍ．Ｅ．Ｓｏｌｍａｚ，ｅｔ  ａｌ．，“Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｂｅｎｄｓ  ｆｏｒ  Ａｃｈｉｅｖｉｎｇ  Ｈｉｇｈｅｒ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  Ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ  ｆｏｒ  ＬｉＮｂＯ３  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ”，ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｈｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．９，ｐｐ．５５７−５５９（２００９）
【非特許文献２】Ｙ．Ｋｏｋｕｂｕｎ，ｅｔ  ａｌ．，“Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｂｅｎｄｓ  ａｎｄ  Ｂｒａｎｃｈｅｓ  ｆｏｒ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｇａｔｅ−Ａｒｒａｙ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｕｓｉｎｇ  Ｃｒｏｓｓ−Ｇｒｉｄ  Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ”，Ｊｐｎ．Ｊ．ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．１２，ｐｐ．８０８０−８０８４（２００４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述のように、ＬｉＮｂＯ３は垂直なエッチングが非常に難しい材料であり、リッジや深い溝を作製することが困難であるため、実デバイスとしては、依然として電界を光導波路に集中して印加することができないという問題がある。
【００１２】
また、Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ３光導波路を伝搬する伝搬光の群速度と、印加するマイクロ波の伝搬速度を一致させるための手段はマイクロ波が伝搬する電極形状と位置であり、素子設計自由度が小さいという問題がある。
【００１３】
また、上記の非特許文献１の場合は、硫化砒素は猛毒な材料であり、着火すると有毒な酸化砒素ガスが生ずるなど、実用には適さない材料である。したがって、この材料系で実際の光通信システムを構成することはできないという問題がある。
【００１４】
さらに、上記の非特許文献２の場合には、使用する材料であるＳｉＯ２やＳｉＮは電気光学効果を実効的に有していないので、電圧印加による光変調素子や電圧印加による光スイッチを構成することができない。即ち、このような構成を現状の光通信システムに光変調素子或いは光スイッチとして組み込むことはできないという問題がある。
【００１５】
したがって、本発明は、高度な加工技術を要することなく、無害なニオブ酸リチウム基板を用いた光機能導波路を小型化且つ高機能化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
（１）上記の課題を解決するために、本発明は、光機能導波路であって、ニオブ酸リチウム基板と、前記ニオブ酸リチウム基板の表面上に前記ニオブ酸リチウム基板とは異なった材料で形成されたストライプ状の異種材料光導波路と、前記ニオブ酸リチウム基板の前記異種材料光導波路に対向する表面側に前記異種材料光導波路中を伝搬する光が漏れ出して形成された基板内光導波部分、或いは、前記異種材料光導波路に対向する表面側に形成したＴｉ若しくはプロトンを導入した基板内光導波路のいずれか一方と、前記異種材料光導波路と、前記基板内光導波部分或いは前記基板内光導波路のいずれか一方とに変調電圧を印加する第１の電極と第２の電極とを有し、前記異種材料光導波路と、前記基板内光導波部分或いは前記基板内光導波路とが、前記異種材料光導波路の全長にわたって積層方向において投影的に重なっている。
【００１７】
このように、電気光学効果に優れたニオブ酸リチウム基板に形成された基板内光導波部分、或いは、異種材料光導波路に対向する表面側に形成したＴｉ若しくはプロトンを導入した基板内光導波路のいずれか一方と、加工性に優れた異種材料光導波路とを組合せることによって、小型で且つ高速な光機能導波路を実現することができる。
【００１８】
（２）また、本発明は、上記（１）において、第１の電極と第２の電極の一方を前記異種材料光導波路の頂面に設け、前記第１の電極と第２の電極の他方を前記ニオブ酸リチウム基板の裏面に設ける。
【００１９】
このように、第１の電極と第２の電極を配置することによって、基板内光導波部分或いは基板内光導波路に確実に変調電圧を印加することが可能になる。なお、この場合には、縦方向、即ち、Ｚ方向に電圧を印加するのでニオブ酸リチウム基板としては、Ｚカットニオブ酸リチウム基板を用いることが望ましい。
【００２０】
（３）また、本発明は、上記（１）において、第１の電極と第２の電極とを前記ニオブ酸リチウム基板の表面に前記異種材料光導波路を挟んで対向するように設ける。
【００２１】
このように、第１の電極と第２の電極を配置することによって、ニオブ酸リチウム基板の厚さに依存することなくインピーダンスマッチングを取ることができる。なお、この場合には、横方向に電圧を印加するのでニオブ酸リチウム基板としては、横方向がＺ軸となるＸカットニオブ酸リチウム基板を用いることが望ましい。
【００２２】
（４）また、本発明は、上記（１）において、第１の電極と第２の電極の一方を前記異種材料光導波路の頂面に設け、第１の電極と第２の電極の他方を前記異種材料光導波路を挟んで対向するように前記ニオブ酸リチウム基板の表面に設ける。
Ｘカットニオブ酸リチウム基板を用いる場合には、このような電極配置を採用しても良い。
【００２３】
（５）また、本発明は、上記（３）または（４）において、ニオブ酸リチウム基板に前記異種材料光導波路の両側面に沿った一対の溝が形成されているとともに、前記異種材料光導波路を挟んで対向するように設ける電極を前記溝内に設ける。
【００２４】
このように、ニオブ酸リチウム基板に溝を設け、異種材料光導波路を挟んで対向するように設ける電極を溝内に設けることによって、変調電圧を電気光学効果のより大きな基板内光導波部分或いは基板内光導波路に確実に印加することが可能になる。
【００２５】
（６）また、本発明は、光機能導波路であって、ニオブ酸リチウム基板と、前記ニオブ酸リチウム基板内にＴｉまたはプロトンのいずれかを導入して形成された複数のニオブ酸リチウム光導波路と、前記ニオブ酸リチウム基板の表面に前記複数のニオブ酸リチウム光導波路を光結合するように設けられた前記ニオブ酸リチウム基板とは異なった材料で形成された結合用の異種材料光導波路とを有する。
【００２６】
このように、複数のニオブ酸リチウム光導波路を整形加工性に優れた異種材料光導波路で結合することによって、微小面積での光結合が容易になり、それによって、光機能導波路の小型化が可能になる。
【００２７】
（７）また、本発明は、上記（６）において、異種材料光導波路の前記ニオブ酸リチウム光導波路と結合する側の端部を、テーパ状にする。
このように、異種材料光導波路の前記ニオブ酸リチウム光導波路と結合する側の端部をテーパ状にすることによって、テーパ端におけるビーム径を拡大することができ、それによって、光結合効率を高めることができる。
【００２８】
（８）また、本発明は、上記（７）において、異種材料光導波路の少なくとも一方の端部が、分岐導波路を構成する。
このように、異種材料光導波路の少なくとも一方の端部を分岐導波路とすることによって、分波器或いは合波器の小型化を容易に実現することができる。
【００２９】
（９）また、本発明は、上記（１）乃至（８）のいずれかにおいて、異種材料光導波路が、Ｓｉ、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＴｉＯ３、或いはＴａ２Ｏ３のいずれかからなる。
なお、異種材料光導波路として、ニオブ酸リチウムより屈折率の高い材料を用いることによって、より断面サイズの小さな光機能導波路を構成することが可能になる。
【００３０】
（１０）また、本発明は、上記（９）において、異種材料光導波路が、互いに組成の異なる複数の光導波路要素からなる。
このように、異種材料光導波路を互いに組成の異なる複数の光導波路要素で構成することにより、屈折率の変化を段階的にすることができる。その結果、反射損失を低減することができるので、効率的な光伝送が可能になる。
【００３１】
（１１）また、本発明は、上記（１０）において、光導波路要素の少なくとも一部に、希土類元素が添加されている。
このように、光導波路要素の少なくとも一部に、Ｅｒ或いはＰｒ等の希土類元素を添加することによって利得導波路を構成することができ、それによって、マッハツェンダー型干渉素子等の更なる多機能化が可能になる。
【発明の効果】
【００３２】
開示の光機能導波路によれば、高度な加工技術を要することなく、無害なニオブ酸リチウム基板を用いて小型で且つ高機能な光機能導波路を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態の光機能導波路の構成説明図である。
【図２】光機能導波路とＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路との結合部の概念的斜視図である。
【図３】本発明の実施例１の光機能導波路の構成説明図である。
【図４】本発明の実施例２の光機能導波路の構成説明図である。
【図５】本発明の実施例３の光機能導波路の構成説明図である。
【図６】本発明の実施例４の光機能導波路の光軸に垂直な方向の概念的断面図である。
【図７】本発明の実施例５の光機能導波路の光軸に垂直な方向の概念的断面図である。
【図８】本発明の実施例６の光機能導波路の構成説明図である。
【図９】本発明の実施例７の光機能導波路の構成説明図である。
【図１０】本発明の実施例６及び実施例７におけるテーパ導波路部の一例の説明図である。
【図１１】本発明の実施例６及び実施例７におけるテーパ導波路部の他の一例の説明図である。
【図１２】本発明の実施例８の光機能導波路の構成説明図である。
【図１３】本発明の実施例９の光機能導波路の概念的平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
ここで、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施の形態の光機能導波路の構成説明図であり、図１（ａ）は概念的斜視図であり、図１（ｂ）は、概念的正面図である。図に示すように、ＬｉＮｂＯ３基板１上に誘電体膜２を介して、Ｓｉ、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＴｉＯ２、或いはＴａ２Ｏ３からなる異種材料光導波路３を形成し、この異種材料光導波路３を誘電体膜４で被覆する。なお、誘電体膜２及び誘電体膜４は電極材料のマイグレーションを防止するために設けるものであり、ＳｉＯ２等の異種材料光導波路３を構成する材料と異なった材料を用いる。なお、誘電体膜２，４は必須ではない。
【００３５】
この異種材料光導波路３の頂面に誘電体膜４を介して第１の電極５を形成し、一方、ＬｉＮｂＯ３基板１の裏面に第２の電極６を設け、第１の電極５と第２の電極６との間にマイクロ波を印加する。この場合の第１の電極５と第２の電極６は、異種材料光導波路３内を伝搬するレーザ光の群速度と印加するマイクロ波の伝搬速度を一致させるように、厚さ或いは幅等の形状を設定する。
【００３６】
したがって、電圧は縦方向、即ち、Ｚ方向に印加されるので、ＬｉＮｂＯ３の有する電気光学効果を最大限に利用するためには、ＬｉＮｂＯ３基板１としてＺカットＬｉＮｂＯ３結晶を用いることが望ましい。但し、効果は劣るもののＸカットＬｉＮｂＯ３結晶を用いることを妨げるものではない。
【００３７】
異種材料光導波路３にレーザ光が入射すると、レーザ光の一部はＬｉＮｂＯ3 基板１側に漏れだしてＬｉＮｂＯ３基板１の異種材料光導波路３と対向する表面側が基板内光導波部分７となってレーザ光を伝搬する。この時、異種材料光導波路３内を伝搬するレーザ光の群速度は異種材料光導波路３の形状によって制御することができる。したがって、異種材料光導波路３内を伝搬するレーザ光の群速度と印加するマイクロ波の伝搬速度を一致させる場合の設計自由度が大きくなる。なお、ここでは、異種材料光導波路３中を伝搬する光が漏れ出して形成された基板内光導波部分を利用しているが、異種材料光導波路３に対向する表面側にＴｉ若しくはプロトンを導入して基板内光導波路を形成しても良い。
【００３８】
なお、第１の電極５及び第２の電極６の配置は、図示した配置に限られるものではなく、第１の電極５と第２の電極６と異種材料光導波路３を挟んで対向する位置に設けても良い。或いは、第１の電極５を異種材料光導波路３の頂面に設け、２本の第２の電極６を異種材料光導波路３を挟んで対向する位置に設けてコプレーナ型伝送線路にしても良い。
【００３９】
また、第１の電極５と第２の電極６と異種材料光導波路３を挟んで対向する位置に設ける場合、或いは、２本の第２の電極６を異種材料光導波路３を挟んで対向する位置に設ける場合には、ＬｉＮｂＯ３基板１の異種材料光導波路３の両側に沿って溝を設け、この溝に電極を配置しても良い。それによって、電極は基板内光導波部分７の側面に位置することになるので、電気光学効果を有する基板内光導波部分７に電界を集中して印加することが可能になる。
【００４０】
図２は、図１に示した光機能導波路とＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路との結合部の概念的斜視図であり、ＬｉＮｂＯ３基板１にＴｉを拡散して形成したＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路８と結合する異種材料光導波路３の端部にテーパ部９を設ける。テーパ部９の長さは３０μｍ〜５００μｍとする。
【００４１】
このテーパ部９は、図に示すようにストライプ状導波路の幅が変化するテーパ部でも或いは厚さが変化するテーパ部でも良い。さらには、ライン＆スペースパターンのライン／スペース比が徐々に小さくなる微小分割型モード変換導波路でも良い。
【００４２】
また、異種材料光導波路３を湾曲させて２本のＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路８を光結合させても良い。この場合は、加工性に優れた異種材料光導波路３を用いてリッジ状の形状にしているのでより小さい曲率半径の湾曲部により２本のＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路８を光結合することが可能になり、光機能導波路を小型化することができる。
【００４３】
さらには、異種材料光導波路３を複数の組成の異なった異種材料光導波路要素で構成しても良く、例えば、異種材料光導波路３をＳｉＯＮで形成する場合には、Ｓｉの組成比を大きくすることによって屈折率を大きくすることができる。これにより、屈折率の変化を段階的にすることができるので、反射損失を低減することができる。
【００４４】
また、異種材料光導波路３をＳｉＯＮやＳｉＯ２で構成する場合に、ＳｉＯＮやＳｉＯ２に希土類元素、例えば、Ｅｒ（エルビウム）やＰｒ（プラセオジウム）等をドープすることによって利得導波路を構成しても良い。
【実施例１】
【００４５】
次に、図３を参照して、本発明の実施例１の光機能導波路を説明する。図３は、本発明の実施例１の光機能導波路の構成説明図であり、図３（ａ）は概念的斜視図であり、図３（ｂ）は光軸に垂直な方向の概念的断面図である。ＺカットＬｉＮｂＯ３基板１１上に、例えば、ＣＶＤ法により厚さが、例えば、１００ｎｍのＳｉＯ２バッファ層１２を形成したのち、厚さが、４００ｎｍ以下、例えば、３００ｎｍの多結晶Ｓｉ層を形成する。
【００４６】
次いで、多結晶Ｓｉ層を例えば、幅が４００ｎｍ以下、３００ｎｍになるようにエッチングして断面が３００ｎｍ×３００ｎｍのストライプ状のＳｉ導波路１３を形成する。次いで、再び、ＣＶＤ法により厚さが、例えば、１００ｎｍのＳｉＯ２バッファ層１４を形成する。次いで、Ｓｉ導波路１３の頂部にＡｕ上部電極１５を形成するとともに、ＺカットＬｉＮｂＯ３基板１１の裏面にＡｕ下部電極１６を形成する。
【００４７】
ここで、Ａｕ下部電極１６を接地し、Ａｕ上部電極１５に例えば、１０ＧＨｚの高周波信号を印加することによって、高速の光位相変調器として動作する。また、Ｓｉ導波路１３の断面サイズは４００ｎｍ角以下の３００ｎｍ角であるので、レーザ光はＳｉ導波路１３中をシングルモードで伝搬することになる。
【００４８】
なお、ＺカットＬｉＮｂＯ３基板１１の厚さを含めた入力インピーダンスは、例えば、設定した５０Ωにマッチングするように、Ａｕ上部電極１５とＡｕ下部電極１６の厚さを設計する。なお、光位相変調器の光軸に沿った長さは、例えば、８ｍｍとする。
【００４９】
この実施例１においては、Ｓｉ導波路１３に入力したレーザ光の一部は、ＺカットＬｉＮｂＯ３基板１１側に漏れだして、ＺカットＬｉＮｂＯ３基板１１の表面の一部を基板内光導波部分１７として伝搬する。したがって、Ａｕ上部電極１５に印加される高周波信号は電気光学効果を有する基板内光導波部分１７の部分に集中して印加されることになる。
【００５０】
また、実施例１の光機能導波路においては、Ｓｉ導波路１３の形状を変化させることによって伝搬光の群速度を変えることができるので、設計自由度が増し、伝搬光とマイクロ波の速度整合が容易になる。
【００５１】
また、この光機能導波路を各種の光機能回路と多段に接続する場合には、Ｓｉ導波路を延長して曲げ導波路を形成しても良い。その場合には、Ｓｉ導波路は比屈折率差を大きくすることができるので、１０μｍ以下の曲率半径の曲げ導波路を形成することができる。
【実施例２】
【００５２】
次に、図４を参照して、本発明の実施例２の光機能導波路を説明する。図４は、本発明の実施例２の光機能導波路の構成説明図であり、図４（ａ）は概念的斜視図であり、図４（ｂ）は光軸に垂直な方向の概念的断面図である。ＸカットＬｉＮｂＯ３基板２１上に、例えば、ＣＶＤ法により厚さが、例えば、１００ｎｍのＳｉＯ２バッファ層２２を形成したのち、厚さが、４００ｎｍ以下、例えば、３００ｎｍの多結晶Ｓｉ層を形成する。
【００５３】
次いで、多結晶Ｓｉ層を例えば、幅が４００ｎｍ以下、３００ｎｍになるようにエッチングして断面が３００ｎｍ×３００ｎｍのストライプ状のＳｉ導波路２３を形成する。次いで、再び、ＣＶＤ法により厚さが、例えば、１００ｎｍのＳｉＯ２バッファ層２４を形成する。次いで、Ｓｉ導波路１３の両側にＡｕ電極２５，２６を形成する。
【００５４】
ここで、Ａｕ電極２５とＡｕ電極２６の両方に例えば、１０ＧＨｚの高周波信号を印加することによって、高速の光位相変調器として動作する。この場合も、Ｓｉ導波路２３に入力したレーザ光の一部は、ＸカットＬｉＮｂＯ３基板２１側に漏れ出して、ＸカットＬｉＮｂＯ３基板２１の表面の一部を基板内光導波部分２７として伝搬する。
【００５５】
この実施例２においては、Ａｕ電極２５とＡｕ電極２６を平行に配置しているので、上述の実施例１に比べてインピーダンス整合を図るためのＸカットＬｉＮｂＯ３基板２１の厚さに対する制限が緩くなり、素子設計と作製が容易になる。
【実施例３】
【００５６】
次に、図５を参照して、本発明の実施例３の光機能導波路を説明する。図５は、本発明の実施例３の光機能導波路の構成説明図であり、図５（ａ）は概念的斜視図であり、図５（ｂ）は光軸に垂直な方向の概念的断面図である。基本的構成は上記の実施例２と同様であり、電極配置を変えたものである。ＸカットＬｉＮｂＯ３基板２１上に、例えば、ＣＶＤ法により厚さが、例えば、１００ｎｍのＳｉＯ２バッファ層２２を形成したのち、厚さが、４００ｎｍ以下、例えば、３００ｎｍの多結晶Ｓｉ層を形成する。
【００５７】
次いで、多結晶Ｓｉ層を例えば、幅が４００ｎｍ以下、３００ｎｍになるようにエッチングして断面が３００ｎｍ×３００ｎｍのストライプ状のＳｉ導波路２３を形成する。次いで、再び、ＣＶＤ法により厚さが、例えば、１００ｎｍのＳｉＯ２バッファ層２４を形成する。
【００５８】
次いで、Ｓｉ導波路２３の頂部にＡｕ上部電極２８を形成するとともに、Ｓｉ導波路２３の両側にＡｕ電極２５，２６を形成する。ここで、Ａｕ電極２５，２６の両方を接地して、Ａｕ上部電極２８に例えば、１０ＧＨｚの高周波信号を印加することによって、高速の光位相変調器として動作する。
【００５９】
この実施例３においては、２つの接地電極となるＡｕ電極２５，２６の間に信号電極となるＡｕ上部電極２８を配置したコプレーナ型伝送線路となり、対称な構成であるので、上述の実施例３に比べて変調光のチャーピングが少なくなる。
【実施例４】
【００６０】
次に、図６を参照して、本発明の実施例４の光機能導波路を説明する。図６は、本発明の実施例４の光機能導波路の光軸に垂直な方向の概念的断面図である。基本的構成は上記の実施例２と同様であり、電極を配置する溝を形成したものである。ＸカットＬｉＮｂＯ３基板２１に例えば、イオンミリング法を用いて例えば、幅が５μｍで深さが０．５μｍの溝２９，３０を例えば、４００ｎｍの間隔だけ離して形成する。
【００６１】
次いで、例えば、ＣＶＤ法により厚さが、例えば、１００ｎｍのＳｉＯ２バッファ層２２を形成したのち、厚さが、４００ｎｍ以下、例えば、３００ｎｍの多結晶Ｓｉ層を形成する。
【００６２】
次いで、溝２９と溝３０の間の多結晶Ｓｉ層を例えば、幅が４００ｎｍ以下、３００ｎｍになるようにエッチングして断面が３００ｎｍ×３００ｎｍのストライプ状のＳｉ導波路２３を形成する。次いで、再び、ＣＶＤ法により厚さが、例えば、１００ｎｍのＳｉＯ２バッファ層２４を形成する。
【００６３】
次いで、Ｓｉ導波路２３の両側の溝２９，３０の側面にＡｕ電極２５，２６を形成する。ここで、Ａｕ電極２５，２６の両方を接地して、Ａｕ上部電極２８に例えば、１０ＧＨｚの高周波信号を印加することによって、高速の光位相変調器として動作する。
【００６４】
この実施例４においては、Ｓｉ導波路２３の両側に溝２９，３０を設け、この溝２９，３０の側面にＡｕ電極２５，２６を形成しているので、上述の実施例２に比べて電界が基板内光導波部分２７に効率的に印加されることになり、変調効率が高くなる。
【実施例５】
【００６５】
次に、図７を参照して、本発明の実施例５の光機能導波路を説明する。図７は、本発明の実施例５の光機能導波路の光軸に垂直な方向の概念的断面図である。基本的構成は上記の実施例３と同様であり、電極を配置する溝を形成したものである。ＸカットＬｉＮｂＯ３基板２１に例えば、イオンミリング法を用いて例えば、幅が５μｍで深さが０．５μｍの溝２９，３０を例えば、４００ｎｍの間隔だけ離して形成する。
【００６６】
次いで、例えば、ＣＶＤ法により厚さが、例えば、１００ｎｍのＳｉＯ２バッファ層２２を形成したのち、厚さが、４００ｎｍ以下、例えば、３００ｎｍの多結晶Ｓｉ層を形成する。
【００６７】
次いで、溝２９と溝３０の間の多結晶Ｓｉ層を例えば、幅が４００ｎｍ以下、３００ｎｍになるようにエッチングして断面が３００ｎｍ×３００ｎｍのストライプ状のＳｉ導波路２３を形成する。次いで、再び、ＣＶＤ法により厚さが、例えば、１００ｎｍのＳｉＯ２バッファ層２４を形成する。
【００６８】
次いで、Ｓｉ導波路２３の頂部にＡｕ上部電極２８を形成するとともに、溝２９，３０の側面にＡｕ電極２５，２６を形成する。ここで、Ａｕ電極２５，２６の両方を接地して、Ａｕ上部電極２８に例えば、１０ＧＨｚの高周波信号を印加することによって、高速の光位相変調器として動作する。
【００６９】
この実施例５においては、Ｓｉ導波路２３の両側に溝２９，３０を設け、この溝２９，３０の側面にＡｕ電極２５，２６を形成しているので、上述の実施例３に比べて電界が基板内光導波部分２７に効率的に印加されることになり、変調効率が高くなる。
【実施例６】
【００７０】
次に、図８を参照して、本発明の実施例６の光機能導波路を説明する。図８は、本発明の実施例６の光機能導波路の構成説明図であり、図８（ａ）は９０°曲げ導波路の概念的斜視図であり、図８（ｂ）は１８０°曲げ導波路の概念的斜視図である。
【００７１】
いずれの場合も、ＸカットＬｉＮｂＯ３基板３１に選択的にＴｉを拡散して、幅が２μｍ〜３μｍのＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路３２１〜３２４を形成し、これらのＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路３２１〜３２４を相互に結合するように、ＳｉＯ２バッファ層３３を介してＳｉを用いた９０°曲げ導波路４０或いは１８０°曲げ導波路４２を形成したものである。また、９０°曲げ導波路４０或いは１８０°曲げ導波路４２の両端には長さが３０μｍ〜５００μｍのテーパ導波路部４１１〜４１４が形成されている。
【００７２】
この実施例６においては、高速動作が可能で信頼性の高いＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路３２１〜３２４を光位相変調器とし、比屈折率差が大きく加工が容易なＳｉにより小型な９０°曲げ導波路４０或いは１８０°曲げ導波路４２を形成している。したがって、光位相変調器を直列、並列或いは直並列に接続して折り畳んで複雑な光変調回路や光マトリックススイッチを集積化する場合により小型化が可能になる。
【００７３】
また、９０°曲げ導波路４０或いは１８０°曲げ導波路４１の両端には長さが３０μｍ〜５００μｍのテーパ導波路部４１１〜４１４を形成しているので、Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路３２１〜３２４と９０°曲げ導波路４０或いは１８０°曲げ導波路４２を伝搬する光のモードを断熱的に変換することができ、光結合効率を高くすることができる。
【実施例７】
【００７４】
次に、図９を参照して、本発明の実施例７の光機能導波路を説明する。図９は、本発明の実施例７の光機能導波路の構成説明図であり、図９（ａ）はＹ型分岐導波路の概念的斜視図であり、図９（ｂ）はマルチモード干渉型分岐導波路の概念的斜視図である。
【００７５】
この場合も、ＸカットＬｉＮｂＯ３基板３１に選択的にＴｉを拡散して、幅が２μｍ〜３μｍのＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路３２５〜３２１０を形成し、これらのＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路３２５〜３２１０を相互に分波或いは合波結合するように、ＳｉＯ２バッファ層３３を或いはＹ型分岐導波路４３或いはマルチモード干渉型分岐導波路４４を形成したものである。また、Ｙ型分岐導波路４３或いは分岐導波路４４の両端には長さが３０μｍ〜５００μｍのテーパ導波路部４１５〜４１１０が形成されている。
【００７６】
この実施例７においては、高速動作が可能で信頼性の高いＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路３２５〜３２１０を光位相変調器とし、比屈折率差が大きく加工が容易なＳｉにより加工精度の高い小型なＹ型分岐導波路４３或いは分岐導波路４４を形成している。
【００７７】
即ち、従来のＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路で分岐導波路を形成した場合には、拡散工程が入るために正確に１：１の比率に分岐するように作製することは困難であった。しかし、この実施例７においては、分岐路自体は加工精度に優れるＳｉ導波路で形成しているので、分岐比を正確に１：１にすることが容易になる。
【００７８】
特に、Ｓｉ導波路をレーザトリミング等でエッチングすればより精度の高い分岐が可能になり、例えば、非常に消光比の高いマッハツェンダー型光変調器を実現することが可能になる。
【００７９】
また、この場合も、Ｙ型分岐導波路４３或いは分岐導波路４４の両端には長さが３０μｍ〜５００μｍのテーパ導波路部４１５〜４１１０を形成しているので、Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路３２５〜３２１０とＹ型分岐導波路４３或いは分岐導波路４４を伝搬する光のモードを断熱的に変換することができ、光結合効率を高くすることができる。
【００８０】
図１０は、実施例６及び実施例７におけるテーパ導波路部の一例の説明図であり、図１０（ａ）は概念的斜視図であり、図１０（ｂ）は概念的平面図であり、図１０（ｃ）は概念的側断面図である。この場合のテーパ導波路部は、長さが、例えば、３０μｍ〜５００μｍであり、幅がテーパ状に変化した横方向テーパ導波路部５１としている。なお、ここでは、図８における９０°曲げ導波路４０、１８０°曲げ導波路４２或いは図９におけるＹ型分岐導波路４３、マッハツェンダー型分岐導波路４４の一端側をＳｉ導波路５０として図示している。
【００８１】
図１１は、実施例６及び実施例７におけるテーパ導波路部の他の一例の説明図であり、図１１（ａ）は概念的斜視図であり、図１１（ｂ）は概念的平面図であり、図１１（ｃ）は概念的側断面図である。この場合のテーパ導波路部は、長さが、例えば、３０μｍ〜５００μｍであり、厚さがテーパ状に変化した縦方向テーパ導波路部５２としている。なお、ここでも、図８における９０°曲げ導波路４０、１８０°曲げ導波路４２或いは図９におけるＹ型分岐導波路４３、マッハツェンダー型分岐導波路４４の一端側をＳｉ導波路５０として図示している。
【実施例８】
【００８２】
次に、図１２を参照して、本発明の実施例８の光機能導波路を説明するが、上述の実施例６或いは実施例７の光機能導波路におけるテーパ導波路部を微小分割型モード変換導波路に置き換えたものである。図１２は、本発明の実施例８の光機能導波路の構成説明図であり、図１２（ａ）は概念的斜視図であり、図１２（ｂ）は概念的平面図であり、図１２（ｃ）は概念的側断面図である。
【００８３】
図１２（ａ）乃至（ｃ）に示すように、Ｓｉ光導波路５０とＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路３２との結合部に長さが例えば、３０μｍ〜５００μｍの微小分割型モード変換導波路５３を設ける。この場合の微小分割型モード変換導波路５３は、例えば、５００ｎｍの周期でライン＆スペースのライン／スペース比を４００／１００から１００／４００へと徐々に変化させる。なお、ここでも、図８における９０°曲げ導波路４０、１８０°曲げ導波路４２或いは図9におけるＹ型分岐導波路４３、マッハツェンダー型分岐導波路４４の一端側をＳｉ導波路５０として図示している。
【００８４】
この微小分割型モード変換導波路５３は、テーパ導波路に比べて設計自由度が大きいので効率的なモード変換が可能である、その結果、Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路３２と各Ｓｉ導波路との光結合効率を高めることができる。
【実施例９】
【００８５】
次に、図１３を参照して、本発明の実施例９の光機能導波路を説明する。図１３は、本発明の実施例９の光機能導波路の概念的平面図であり、ここでは、マッハツェンダー型光強度変調器として説明する。ＸカットＬｉＮｂＯ３基板６１上に、ＳｉＯ２バッファ層６２を介して、ＥｒドープＳｉＯＮ導波路６３，６４、ＳｉＯＮ分岐導波路６５，６６、ＳｉリッチＳｉＯＮ導波路６７〜７０、及び、Ｓｉ導波路７１，７２を集積化する。なお、図示は省略するものの、Ｓｉ導波路７１，７２は上記の図４に示した構造の光位相変調器を構成している。なお、ＳｉＯＮ分岐導波路６５，６６は上述のように、レーザトリミングにより精度の高い分岐比が得られるようにする。
【００８６】
ＥｒドープＳｉＯＮ導波路６３，６４は、１．４８μｍの励起光を入射すると利得導波路となり、伝搬損失を補償することが可能になる。また、ＳｉＯＮ分岐導波路６５，６６とＳｉ導波路７１，７２との間にＳｉＯＮより比屈折率の大きなＳｉリッチＳｉＯＮ導波路６７〜７０を設けているので、屈折率が段階的に変化している。その結果、ＳｉＯＮ分岐導波路６５，６６とＳｉ導波路７１，７２とを直接接続する場合に比べて接続損失を低減することができる。ここで、Ｓｉ導波路７１，７２に実施例４と同様にマイクロ波信号を印加することによって、マッハツェンダー型光強度変調器として機能する。
【００８７】
なお、ＳｉＯＮはＳｉより比屈折率が低いので、シングルモードのレーザ光を伝搬させる場合のＳｉＯＮ分岐導波路６５，６６やＳｉリッチＳｉＯＮ導波路６７〜７０の断面サイズはＳｉ導波路７１，７２の断面サイズより大きくなる。したがって、ＳｉリッチＳｉＯＮ導波路６７〜７０とＳｉ導波路７１，７２との接続箇所において、ＳｉリッチＳｉＯＮ導波路６７〜７０の断面サイズをＳｉ導波路７１，７２の断面サイズに合うようにテーパ状にしても良い。
【符号の説明】
【００８８】
１  ＬｉＮｂＯ３基板
２  誘電体膜
３  異種材料光導波路
５  第１の電極
６  第２の電極
７  基板内光導波部分
８  Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路
９  テーパ部
１１  ＺカットＬｉＮｂＯ３基板
１２，２２，３３，６２  ＳｉＯ２バッファ層
１３，２３  Ｓｉ導波路
１４，２４  ＳｉＯ２バッファ層
１５，２８  Ａｕ上部電極
１６  Ａｕ下部電極
１７，２７  基板内光導波部分
２１，３１，６１  ＸカットＬｉＮｂＯ３基板
２５，２６  Ａｕ電極
２９，３０  溝
３２，３２１〜３２１０  Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路
４０  ９０°曲げ導波路
４１１〜４１１０  テーパ導波路部
４２  １８０°曲げ導波路
４３  Ｙ型分岐導波路
４４  マルチモード干渉型分岐導波路
５０  Ｓｉ導波路
５１  横方向テーパ導波路部
５２  縦方向テーパ導波路部
５３  微小分割型モード変換導波路
６３，６４  ＥｒドープＳｉＯＮ導波路
６５，６６  ＳｉＯＮ分岐導波路
６７〜７０  ＳｉリッチＳｉＯＮ導波路
７１，７２  Ｓｉ導波路
【図１】
0005467414.tif 000002
【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】
0005467414.tif 000008
【図８】
0005467414.tif 000009
【図９】
0005467414.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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