(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板と、該基板上形成された０．１〜７００ＭＰａのヤング率、透明、薄膜化可能材料からなるカットオフ長以上５ミクロン以下の厚みの光導波路と、該導波路を圧縮する応力を付加する機構を有することを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
前記０．１〜７００ＭＰａのヤング率、透明、薄膜化可能材料が、無機・有機ハイブリッドであることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
【請求項３】
前記無機・有機ハイブリッドが金属アルコキシドと末端シラノールポリジメチルシロキサンとからなることを特徴とする請求項２記載の光スイッチ。
【請求項４】
前記光導波路が三次元光導波路であることを特徴とする請求項１、２または３記載の光デバイス。
【請求項５】
前記光導波路の厚みがカットオフ長よりわずかに大きく、該導波路を圧縮する応力を付加する機構が光導波路の厚みをカットオフ長より小さくすることができるものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信・情報処理・機械などの分野で応用される光スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路の導波光の変調方法としては、電気光学効果、音響光学効果、磁気光学効果、熱光学効果、非線形光学効果を利用したものが知られている。このうち、熱光学効果以外のものは、これらの効果が大きいとして知られているニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、磁性ガーネットなど特定の光学結晶においてしか利用することができない。しかし、これらの光学結晶の屈折率は２以上で、光ファイバに使われるガラスの屈折率１．５４に比べてかなり高い。このため、これらの光学結晶を用いて作製したデバイスは、光ファイバと接続したとき光の結合効率が低く、光ファイバとの接続が容易なガラス質の材料でも光変調ができる方法が望まれていた。
【０００３】
熱光学効果は、熱による材料の屈折率変化を利用して導波光を制御しようとするもので、特定の結晶に限らず、ガラスを含む種々の導波路材料に利用できる。熱光学効果を利用した光変調では、光導波路の一部に低誘電率の誘電体層を介して金属薄膜ヒータをつけて光導波路に熱を与えて屈折率を変化させる。この際、金属薄膜を直接、光導波路の上につけると伝搬損失が著しく増大するので、低誘電率の誘電体層をまず光導波路上につけ、その上に金属薄膜を載せる構造をとる必要がある。低誘電率の誘電体層としては、通常ＳｉＯ2 ガラスが用いられ、数ミクロンの厚みでつける。この方法では、電力印加により金属薄膜ヒータで加熱してから、光導波路に熱を伝え、屈折率を変えるというメカニズムをとっているため、秒単位の時間がかかり、応答性が悪いという問題点がある。
【０００４】
本発明者らは、柔軟性を持つ無機・有機ハイブリッド（特願平８−２５３４７３）および無機・有機ハイブリッドを利用した光導波路（特願平７−１７５８８２，特願平８−６８１１１）を提案している。無機・有機ハイブリッドによる光導波路は、光透過特性がよいこと、ガラスに比べて低温で作製可能なため有機色素などを含有した新しいデバイスが作製可能なこと、柔軟性があること、有機ポリマーに比べて耐熱性があること、無機と有機の組成の組み合わせにより広い範囲で屈折率が制御できるため光ファイバに屈折率を合わせられること、といった特徴を備えている。しかし、無機・有機ハイブリッドは、電気光学効果、音響光学効果、磁気光学効果を示さない材料であり、これらの効果を利用した光変調を行うことができない。熱光学効果を利用した光変調は可能であるが、この方法は前述したように、応答性の悪い変調方法である。このため、無機・有機ハイブイリッドで作製した光導波路において、応答の速い光変調方法が望まれていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、無機・有機ハイブリッドなど低ヤング率、透明、薄膜化可能材料を用いて光導波路を形成し、応力付加機構で屈折率を高速変化させることにより、通信・情報処理・機械などの分野で応用される、光ファイバとの接続が容易でかつ、高速の光スイッチを提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題は
（１）  誘電体基板と、該基板上形成された０．１〜７００ＭＰａのヤング率、透明、薄膜化可能材料からなるカットオフ長以上５ミクロン以下の厚みの光導波路と、該導波路を圧縮する応力を付加する機構を有することを特徴とする光スイッチ、
（２）  前記０．１〜７００ＭＰａのヤング率、透明、薄膜化可能材料が、無機・有機ハイブリッドであることを特徴とする（１）記載のスイッチ、
（３）  前記無機・有機ハイブリッドが金属アルコキシドと末端シラノールポリジメチルシロキサンとからなることを特徴とする（２）記載の光スイッチ、
（４）  前記光導波路が三次元光導波路であることを特徴とする（１）、（２）または（３）記載の光スイッチ、
（５）  前記光導波路の厚みがカットオフ長よりわずかに大きく、該導波路を圧縮する応力を付加する機構が光導波路の厚みをカットオフ長より小さくすることができるものであることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項記載の光スイッチ、により達成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、誘電体基板上に作製されたヤング率が低く、透明で、薄膜可能な光導波路は、応力を付加することにより変調できることを発明した。
本発明における光スイッチでは、光導波路を支持するための基板が必要である。基板材料としては、大きく誘電体（絶縁体）、半導体、金属と区分されるが、半導体と金属は、光導波路の伝搬損失を大きくするため使用することができない。誘電体基板としては、ガラス、無機・有機ハイブイリッド、ニオブ酸リチウム・ＫＴｉＯＰＯ４などの光学結晶があげられる。
【０００８】
該誘電体基板上に作製される光導波路としては、基板全面に形成する平面導波路と、特定の経路を通って光が伝搬するよう加工された三次元導波路とがあげられる。三次元光導波路は、フォトリソグラフィにより導波路パターンを転写して作製される。三次元光導波路の方が、所定の経路で光を伝搬させられるため、デバイス作製上の自由度が平面導波路に比べて大きい。
該光導波路の形成材料は、光導波路を適当な応力で変形させ光変調をさせることを可能とするため、ヤング率が低いことが必要である。光導波路を変形させることにより、光変調が可能になる理由を以下説明する。光導波路は平面導波路でも三次元導波路でも同じ原理が適用されるので、平面導波路について説明する。
【０００９】
一定の屈折率を有する誘電体基板上に作製された二次元光導波路の実効屈折率は、光導波路の厚さ、および光導波路を形成する材料の屈折率によって決定される。光導波路の実効屈折率は、基板の屈折率と光導波路を形成する材料の屈折率の間の値をとり、厚さが増すにつれて実効屈折率は増加し、光導波路形成材料の屈折率に漸近する。一方、厚さが薄くなると実効屈折率は減少し、ある一定の厚さ（カットオフ長）になると、実効屈折率が基板の屈折率と同じ値になり、それ以下の厚さでは全く光を伝搬することができなくなる。
【００１０】
ヤング率の低い材料を利用して作製した光導波路においては、光導波路部分に加重をかけることにより光導波層の厚さが変わり、それによって実効屈折率を変化させることができる。この実効屈折率の変化をもとに、光強度や位相を変えて光変調を行うことができる。応力に対する弾性変形は高い応答性を示すので、熱変調に比べると６桁以上速い変調を行うことができる。このような変調を行うためにのヤング率の範囲は０．１ＭＰａ以上７００ＭＰａ以下、望ましくは１ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下である。このような低ヤング率の材料としては、イソプレン系ゴム、ブタジエン系ゴム、シリコーンゴムなどが知られている。
【００１１】
光導波路を形成する材料は、光スイッチとして使用する波長領域の光に対して、透明でなければならない。たとえば光源としてＹＡＧレーザを用いる場合、波長１０６４ｎｍの光に対して９９％以上の高い透過率を有することが望まれる。従来、低ヤング率材料として知られている各種のゴムは、強度を保つためにフィラーを分散させているため半透明〜不透明である。このため、光導波路材料には適さない。
【００１２】
光導波路として光を伝搬させるためには、薄膜状に成膜することが必要である。膜厚は、応力をかけない状態でカットオフ長より厚くすることが必要である。基板の上に光導波路材料を成膜すると、ある膜厚より薄いと光の伝搬ができなくなるが、この膜厚がカットオフ長である。膜厚が厚くなると、導波モードが多モード化するが、原理的には問題がない。しかし、膜厚変化が引き起こす実効屈折率の変化は、カットオフ長を超えた瞬間の厚さにおいて最大であり、膜厚が厚くなるにつれ実効屈折率の変化が小さくなる。この変化の仕方は図２に示したようになり、直線的ではない。従って、変化量の比較的大きい領域までの厚さに導波路を成膜し、応力により膜厚を減少させて屈折率変化を検知することが望ましい。厚くなりすぎると、応力による膜厚変化が引き起こす実効屈折率の変化が小さくなるので、一般的には５ミクロン程度までの膜厚が適当である。
【００１３】
応力付加機構は、重りなどで加重をかけたり、指で圧縮したりするというような機械的な方法、圧電素子などを利用した電気的な方法などがあげられる。
このような光導波路に応力を付加することにより変調を行う光デバイスとしては、光スイッチがあげられる。光スイッチは、応力によりカットオフ長以下の厚さまで光導波路を薄くすることにより光をＯＦＦし、その応力を取り除いて光導波層を元の厚さに戻すことにより光をＯＮさせることを利用して作製することができる。
【００１４】
ヤング率が低く、透明で、薄膜化可能な光導波路材料としては、たとえば無機・有機ハイブリッド材料があげられる。本発明による無機・有機ハイブリッドによる光導波路は、たとえば、金属アルコキシドと末端シラノールポリジメチルシロキサンから合成することができる。特に分子量４００から４５００の末端シラノールポリジメチルシロキサンを用いたとき、低ヤング率で透明なものが得られる。ポリジメチルシロキサンのかわりに、種々のアルキルアルコキシシランを用いてもよい。このような無機・有機ハイブリッド型エラストマーを構成するアルコキシドは特に限定しないが、例えば、メトキシド、エトキシド、プロポキシド、ブトキシドなどが挙げられる。また、アルコキシ基の一部をβ−ジケトン、β−ケトエステル、アルカノールアミン、アルキルアルカノールアミン、有機酸等で置換したアルコキシド誘導体も使用できる。
【００１５】
【実施例】
（実施例１）  エタノール、末端シラノールポリジメチルシロキサン（分子量１５００）、Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５）５、アセト酢酸エチルを攪拌した溶液中に、水を加えて加水分解し、ゾルを作製する。末端シラノールポリジメチルシロキサン、Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５）５、アセト酢酸エチル、水のモル比は、０．１：１：２：２とする。このゾルを屈折率１．５２のガラス基板上に塗布する。３００℃で２０分間熱処理し、エリプソメータで測定したところ、厚さ０．７ミクロン、屈折率１．６６３の無機・有機ハイブリッドによる光導波層を得た。屈折率を測定した波長は６６３ｎｍである。この光導波路に一定の底面積を有する分銅を載せて応力をかけた。厚さを２０％減少させるのに必要な応力は、５．８ｇ／ｍｍ２であった。ヤング率は２８２ＭＰａであった。この光導波路の厚さと実効屈折率の計算結果を図２に示す。カットオフ長は０．２ミクロンであり、応力により０．２ミクロンより導波層を薄くすると光が伝搬しなくなった。
【００１６】
（実施例２）エタノール、ジメチルジエトキシシラン、Ｔｉ（ＯＣ2 Ｈ5 ）4 、アセチルアセトンを攪拌した溶液中に、水を加えて加水分解し、ゾルを作製する。ジメチルジエトキシシラン、Ｔｉ（ＯＣ2 Ｈ5 ）4 、アセチルアセトン、水のモル比は、１０：１：２：２とする。このゾルを屈折率１．５２のガラス基板上に塗布する。３００℃で２０分間熱処理し、エリプソメータで測定したところ、厚さ１．２ミクロン屈折率１．５８０の無機・有機ハイブリッドによる光導波層を得た。ヤング率は２．４Mpa であった。ドライエッチングによりパターニングした光導波層のエッチングを行い、幅１２ミクロン、厚さ１．２ミクロンのリッジ型の三次元光導波路を作製した。カットオフ長は０．６ミクロンであった。
【００１７】
図１において、この光導波路４を圧力印加部５と無負荷部６に途中で分岐させる。圧力印加部５と無負荷部６は同一の幅と厚みを有する全く同じ光導波路である。分岐の一方に圧力をかけて光を伝搬させ、もう一方は無負荷で光を伝搬させ、２つの分岐導波路からの光を合わせると、温度変化など周囲の影響による屈折率変化はキャンセルされるので、圧力による実効屈折率の変化のみが光波の位相のずれに現れ光強度が減少する。応力印加部７は重りを載せて応力を付加するものである。入射用レーザ光源２から６３３ｎｍのレーザ光３ｍＷを入れる。圧力を印加する方の光導波路に１２g/mm2 の圧力をかけるよう重りを載せることにより出射光強度を０、圧力を取り除くことにより２．４ｍＷの出射光強度を光検出器３で得ることができた。これは光スイッチとして機能するものである。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は、ヤング率が低く、透明で、薄膜化可能な材料よりなる光導波路を形成することにより、光ファイバとの接続が容易で応答の速い新しい光変調方法を利用した光スイッチを提供するものである。本発明により、これまで高速の光変調ができなかった無機・有機ハイブリッドにおいても、光変調が可能となるため光スイッチを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様である光スイッチの構成を示す図である。
【図２】ガラス基板上に成膜した無機・有機ハイブリッドからなる光導波層のモード分散曲線である。基本モードのみ示してある。
【符号の説明】
１  ガラス基板
２  入射用レーザ光源
３  光検出器
４  光導波路
５  圧力印加部
６  無負荷部
７  応力印加部
【図１】
0003725647.tif 000002
【図２】
0003725647.tif 000003