(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の結晶軸に対する電界の強さに従って屈折率が変化する電気光学結晶からなる基板に複数の光導波路が形成されてなる光導波路型デバイスであって、該複数の光導波路は基板の導波エネルギー結合領域内において導波エネルギーを互いにやりとりする１対の光導波路グループを形成し、かつ、一方の光導波路グループに属する光導波路の上記特定の結晶軸と他方の光導波路グループに属する光導波路の上記特定の結晶軸とは互いに逆方向となるように形成され、平行で一様な電界が導波エネルギー結合領域内の全ての光導波路に同様に作用するよう正負の電極が導波エネルギー結合領域を電極間に有して配設される構成としてなる光導波路型デバイス。
【請求項２】
基板が特定の結晶軸を基板面に垂直な方向に有するように形成されるものであって、正負の電極が結晶基板の表面側および裏面側に各々配設されるものである請求項１記載の光導波路型デバイス。
【請求項３】
導波エネルギーを互いにやりとりすることが、導波エネルギーの一部又は全部の移動、干渉、分岐、又は進路変更である請求項１記載の光導波路型デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光のスイッチング・分配・干渉・変調・分岐・進路変更などの機能を有する光導波路型デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路型デバイスは、光信号や導波エネルギーを扱う素子であり、素子内の光導波路に入力された光線に対して制御電界を作用させ、複数の導波路間でスイッチングや変調などの操作を行うものである。この導波路間での導波エネルギーの授受や干渉の原理及び操作を以下に概略的に述べる。
【０００３】
近接する２つの光導波路間では、両光導波路を形成する物質の各々の伝搬定数が互いに同じ値や異なる値となる様に変化するとき、光導波路に沿った結合長と呼ばれる特定の距離において、一方の光導波路と他方の光導波路との間で、導波エネルギーの移動や干渉が生じる。この伝搬定数の値は、主に光導波路を形成する物質の屈折率によって決定されるものである。
一方、ポッケルス効果やカー効果等の電気光学効果、または非線形光学効果を示す結晶が知られている。このような結晶は、該結晶の結晶軸のうち、特定の結晶軸に対して電界を作用させると、その電界の方向と強さに応じて屈折率が変化する性質を有する。即ち、外部から電界を作用させることによって伝搬定数の値をコントロールできるのである。
従って、上記のような結晶を用いて基板を形成し、該基板上に２つの光導波路を近接して形成すれば、外部から電界を作用させて光導波路の伝搬定数を互いに同じ値や異なる値になるよう操作することによって、光導波路間のエネルギーの移動量や干渉の程度が制御できる。
【０００４】
本明細書においては、上記のような電気光学効果を示す性質を有する結晶を「電気光学結晶」といい、該電気光学結晶の結晶軸のうち電界を作用させるべき特定の結晶軸を「電気光学軸」といい、該電気光学軸が所定の方向となる様に形成された電気光学結晶からなる基板を「結晶基板」という。
また、光導波路間で導波エネルギーの移動や干渉が行われるのに必要な空間であって、制御電界を作用させる対象となる領域を「導波エネルギー結合領域（以下、単に「結合領域」）という。結合領域内には、制御対象となる光導波路が幅方向・深さ方向共に含まれる。また、長手方向としては、光導波路間で導波エネルギーの移動や干渉が行われるために必要な特定の距離、例えば、方向性結合における結合長などが含まれる。
さらに、光導波路間における導波エネルギーの一部又は全部の移動、干渉、分岐、方向変換などを、「導波エネルギーの互いのやりとり」という。
【０００５】
上記のような電気光学効果を利用した従来の光導波路型デバイスの構造とその問題点を以下に説明する。ここでは、結晶基板をＬi Ｎb Ｏ3 結晶からなるものとし、その表層に２つの光導波路を近接して平行に形成した方向性結合型光スイッチを例として説明する。Ｌi Ｎb Ｏ3 結晶は、光導波路型デバイスに有用な電気光学結晶の１つとして知られている強誘電体であり、その光学軸である「Ｚ軸」が、上述の電気光学結晶における「電気光学軸」に相当する。本例の結晶基板は、Ｌi Ｎb Ｏ3 結晶のＺ軸に垂直な面（Ｚ面）が基板の表裏面となるように形成された基板（以下、「Ｚ板Ｌi Ｎb Ｏ3 」という。）である。
【０００６】
図６は、従来の光導波路型デバイスの結合領域における光導波路に垂直な断面を模式的に示す図である。同図において、ａはＺ板Ｌi Ｎb Ｏ3 であり、その表層に不純物拡散法などによって平行な光導波路１，２が形成され、電極４，５による制御用の電界Ｅ１をこれらに対して各々逆方向に作用させることによって、両光導波路１，２の伝搬定数を互いに異なる値に操作する構成となっている。ただし、図中、ｓがＺ軸を表現し、矢印の示す方向がＺ軸の正方向である。また、電極による導波光の吸収を軽減するために、ＳｉＯ2 膜などのバッファ層３が保護膜として設けられる。
上記構成において、制御用の電界Ｅ１を光導波路１，２に対して各々逆方向に作用させるためには、正負の平板電極４，５を基板の同一面上に同一方向に向かって形成し、正の電極４から負の電極５に向かう湾曲した電界Ｅ１を発生させている。即ち、この構成によって電界Ｅ１は、光導波路１のＺ軸に対しては＋Ｚ方向、光導波路２のＺ軸に対しては−Ｚ方向というように、各々の光導波路のＺ軸に対しては近似的に逆方向に作用することになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところがこのような従来の構成では、先ず、各々の光導波路のＺ軸方向に対する電界Ｅ１の作用方向は、あくまで近似的に逆方向であって、完全な逆方向に比べて電界作用のロスが大きい。
また、両光導波路に電界を最も効果的に作用させるためには、各光導波路に電界Ｅ１の密な部分が集中するように、光導波路の各中心付近の最適位置の上に電極４，５の各エッジ部分を一致させるなど精密な位置合わせが必要となる。微細な光導波路に対するこのような高精度な位置合わせは極めて困難であり、生産性向上の障害となっている。
さらに、正負の両電極４，５が結晶基板ａの同一面上に並んで形成される構成であるために、両電極４，５の間に存在するバッファ層３内及び結晶基板ａ内での電荷移動により動作電圧が変動する現象（ＤＣドリフト）が生じ、実用上大きな問題となっている。
【０００８】
本発明の目的は上記問題を解消し、簡単な電極構造で、光導波路と電極との位置合わせに従来のような精密さを必要とせず、低電圧で効果的な導波エネルギーの制御が可能な、光スイッチや光変調器などの光導波路型デバイスを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、導波エネルギーをやりとりする関係にある光導波路の各々の電気光学軸を、互いに逆方向の関係となるよう形成することによって、対向する平行な平板電極間に形成されるような直線的で一様な平行電界を、全ての光導波路に同様に作用させるだけで、導波エネルギーのやりとりを効果的に制御できることを見出し本発明を完成した。
即ち、本発明の光導波路型デバイスは、結晶基板に複数の光導波路が形成されてなる光導波路型デバイスであって、該複数の光導波路は結晶基板の結合領域内において導波エネルギーを互いにやりとりする１対の光導波路グループを形成し、かつ、一方の光導波路グループに属する光導波路の上記特定の結晶軸と他方の光導波路グループに属する光導波路の上記特定の結晶軸とは互いに逆方向となるように形成され、平行で一様な電界が結合領域内の全ての光導波路に同様に作用するよう正負の電極が結合領域を該電極間に含んで配設される構成としてなるものである。
【００１０】
【作用】
２つの光導波路の電気光学軸の方向を、互いに逆方向となるように形成することによって、簡単な構造の対向電極間に生じる直線的で一様な電界を、これらの光導波路に同様に作用させるだけで、電気光学軸の方向が等しい２つの光導波路に各々逆方向の電界が作用する。
【００１１】
本発明が対象とする結晶基板上の光導波路の数は複数である。光導波路が機械的に分離されない一体的な状態であっても、電気光学効果等によって光導波路内に光線が偏在し複数の光導波路が集合しているかのような場合は、これを複数の光導波路という。例えば、Ｙ字分岐における分岐前の部分や、Ｘ字交差における交差部分などは、光導波路が一体となっていても２つの光導波路である。
また、光導波路の入口と出口が各々１つであっても、制御の対象となる領域において複数に分岐するものであるならば、これも複数の光導波路である。
【００１２】
導波エネルギーのやりとりは光導波路間で行われるが、本発明が制御の対象とする導波エネルギーのやりとりは、光導波路がどれほど多数形成されても、１対の光導波路グループのいずれかに属するものとし、この１対の光導波路グループ間で導波エネルギーが互いにやりとりされるものとして考える。例えば、光導波路が５本の場合は、１対４，２対３などの比をもって１対の光導波路グループに別れ、該グループ間で導波エネルギーをやりとりするように制御する。
また、結晶基板が十分に広い場合や特殊な効果を得る目的で、結合領域内に１対の光導波路グループを複数組形成させてもよい。
以下、便宜上、２つの光導波路について説明する。
【００１３】
反転すべき光導波路の電気光学軸の方向は、光導波路が２つの場合は互いに逆方向であるが、光導波路が３つ以上の場合は、上記のように光導波路が属する同じ光導波路グループ内では全て同一方向であり、２つのグループ間で逆方向となるように形成される。換言すれば、複数の光導波路が１対の光導波路グループのどちらに属するかは、電気光学軸の方向によって知ることができる。
【００１４】
正負の電極は、平行で一様な電界を作用させ得るものであればどの様なものであってもよいが、特に平板状の電極が好ましく、これらを平行に対向して配設することによって、平行で一様な電界が電極間に容易に形成される。
正負の電極の面積は、導波路内を伝搬する光の電磁界と制御電界とのオーバラップが最も大きくなるように該電極面積を設定することが好ましい。
正負の電極の配設位置は、電極間に結合領域を有し、結合領域内の全ての光導波路に対して、平行で一様な電界が同様に作用しうる位置に配設する。
正負の電極の配設方向は、
(1) 結晶基板の基板面拡張方向。
(2) 結晶基板の基板面に垂直な方向。
(3) 結晶基板の基板面に対して任意の角度をなす方向（特殊な結晶軸や特殊な効果を目的とする場合）。
等が例示され、この方向に正負の電極が対向して配設される。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明を実施例にもとづき、より具体的に説明する。
本実施例では、本発明による光導波路型デバイスの一例として、Ｚ板Ｌi Ｎb Ｏ3 結晶基板の表層に２つの光導波路を形成し、導波エネルギーの種々のやりとりを制御する構成を示す。
図１は、本発明による光導波路型デバイスの結合領域における光導波路に垂直な断面を模式的に示す図である。同図に示すように、Ｚ板Ｌi Ｎb Ｏ3 からなる結晶基板ａの表層に光導波路１，２が形成され、その上にバッファ層３が一種の保護層として形成され、両光導波路を形成する結晶のＺ軸方向は互いに逆方向となるように形成され、平行で一様な電界Ｅが結合領域全体に対して基板面に垂直方向に作用するように、対向する平行で平板な正負の電極４，５が結晶基板ａの表裏に配設される構成となっている。また、同図の例では、矢印ｓが電気光学軸であるＺ軸を意味し、該矢印の示す方向がＺ軸の正方向である。
このような構成によって、対向する平板電極４，５間に形成される直線的で一様な平行電界Ｅを作用させるだけで、両光導波路１，２のＺ軸に対しては、各々逆方向に作用することになる。
【００１６】
上記結晶基板に用いられる材料としては、外部からの電圧，電界の作用によって屈折率が変化する材料であればどのようなものであってもよく、Ｌi Ｎb Ｏ3 の他に、Ｌi Ｔa Ｏ3 ，ＫＴi ＯＰＯ4 等の無機光学材料や、ポールドポリマ等の有機光学材料などが例示される。
特に、Ｌi Ｎb Ｏ3 やＬi Ｔa Ｏ3 などの強誘電体は、著しい電気光学効果を示すものであって、本発明の光導波路型デバイスに有用な基板材料である。
結晶基板の形成方法は、気相・液相のエピタキシャル成長法など、材料に最も適した公知の結晶成長法を用いればよい。
【００１７】
結晶基板に光導波路を形成する方法は公知の方法でよい。例えば、結晶基板に対してＴｉ等を拡散する方法（不純物拡散法）やイオン交換法等による結晶基板中の所定部分の屈折率を任意に変更して光導波路とする方法や、光導波路とする部分だけに異なる成分組成の結晶を成長させる方法などが挙げられる。
【００１８】
結晶基板に形成される光導波路の態様としては、上記例のように複数の光導波路が基板の同一面に並ぶような態様の他、光導波路が層状に重なって形成され、異なる層間で導波エネルギーをやりとりする態様、さらに、これら複合された態様などが挙げられる。
これらの態様の中で特に、２つの光導波路が同一面上に並ぶような場合の種々の導波路パターンを図３（ａ）〜（ｄ）に示す。同図において、一点鎖線で囲まれた領域ｆが結合領域であり、電気光学軸が互いに逆方向であることをハッチングで区別することによって示している。
図３（ａ）は方向性結合器の例であり、光導波路１，２の間で導波エネルギーのスイッチングや分配等の機能を有する。
図３（ｂ）は干渉器の例であり、光導波路１，２の間で波動の干渉を生じさせ、フィルター等の機能を有する。これら図３（ａ）（ｂ）では、両光導波路が平行の場合を示しているが、意図的にある角度を設ける場合もある。
図３（ｃ）は分岐の例、図３（ｄ）は交差の例であり、どちらも導波エネルギーの方向変換や分配等の機能を有する。
【００１９】
電気光学軸は、電気光学結晶ごとに固有の性質を有するものであり、上述のように、電気光学軸に作用する電界の方向と強さに応じて、結晶の屈折率は種々の変化を示す。
上記電気光学材料が有する種々の電気光学軸の中でも、Ｌi Ｎb Ｏ3 やＬi Ｔa Ｏ3 などの強誘電体におけるＺ軸は最も有用な電気光学軸の例である。この場合のＺ軸は屈折率楕円体の主軸に相当し、外部から作用させる電界に対して最大の電気光学効果を与え、また、結晶の分極方向と一致するものである。
このような電気光学軸を有する結晶としては、他にＫＴｉＯＰＯ4 などが例示される。
【００２０】
電気光学軸を反転する範囲は、結合領域において少なくとも一方の光導波路を含む範囲であればよいが、制御電界を全体に作用させたときに、周囲の結晶からの導波エネルギーのやりとりを阻害するような悪影響を抑制するため、該光導波路周囲の結晶も光導波路と同じ方向となるよう反転することが好ましい。
例えば、図１のように、電気光学軸ｓが結晶基板に垂直である場合、光導波路２側の電気光学軸を反転するのであれば、幅方向には光導波路２を適度に包含し、深さ方向には基板の表から裏まで全て反転するのが最も好ましい。
【００２１】
結晶基板面に対する電気光学軸の方向と光導波路の方向とは、結晶の種類によって種々の組み合わせが可能である。図４は、結晶基板の電気光学軸方向と、光導波路の態様との組み合わせを示す図である。図中、矢印で示す方向が電気光学軸の正の方向である。図４（ａ）は、図１と同じ構成であって、電気光学軸が結晶基板面に垂直の場合である。図４（ｂ）は、電気光学軸が結晶基板の平面拡張方向と同じ場合であって、かつ、光導波路の伝送方向に対して垂直方向の場合である。図４（ｃ）は、電気光学軸が結晶基板の平面拡張方向と同じ場合であって、かつ、光導波路の伝送方向と同じ場合である。
これらは、光導波路が結晶基板の同一面に形成される場合の例であるが、光導波路が層状に形成される場合であっても、電気光学軸方向と光導波路との関係は同様である。
【００２２】
電気光学軸の方向を互いに逆方向にする方法としては、以下の様に種々の方法が例示されるが、上記Ｌi Ｎb Ｏ3 やＬi Ｔa Ｏ3 等のような強誘電体を用いた結晶基板においては、２つの光導波路のうちの一方の光導波路の結晶構造を分極反転構造とする方法が有用である。強誘電体結晶における分極反転構造とは、強誘電体結晶が有する自発分極の方向を外部から電界，熱，圧力などの力を作用させ、反転させた構造である。
例えば、Ｚ板Ｌi Ｎb Ｏ3 結晶のＺ軸に関する分極反転構造は、＋Ｚ面側に電極を設け基板の−Ｚ面から適当な条件下で電子ビーム照射を行うことによって得られる。またこの場合、基板表層だけでなく基板の裏面までを貫く深い反転構造の形成が可能である。
他の分極反転方法としては、Ｌi Ｎb Ｏ3 結晶基板にＴi イオンを拡散させて加熱処理する方法、基板の表・裏面に電極を配置し、高圧電源などにより電界を与える方法、Ｓi Ｏ2 膜を装荷し熱処理する方法等が例示される。
また、上記強誘電体だけでなく、本発明に有用な全ての結晶基板の電気光学軸を互いに反転する方法として、先ず結晶基板を機械的に分割し、電気光学軸の方向が基板に垂直であるならば他方の表裏を反転し、また、電気光学軸の方向が基板面の拡張方向であるならば他方の軸方向を１８０度回転して再度接合する方法などが例示される。
以上の例において、光導波路の形成は、電気光学軸の反転に対して先または後のどちらに行なってもよい。
【００２３】
電極の配設位置は、平行で一様な電界が結合領域内の全ての光導波路に同様に作用するように、結晶基板の基板面拡張方向、基板面に垂直な方向、又はこれらの中間的な方向等に対向して配設される。
図５は、光導波路の形成方向と電極の配設方向との組み合わせ例を示す模式図である。図５（ａ）は、同一基板面に形成される２つの光導波路に対して、電極が基板面に垂直な方向、即ち、基板の表裏に配置される例である。図５（ｂ）は、電極が結晶基板の基板面拡張方向、即ち、基板の任意の両端縁に配置される例である。
【００２４】
正負の電極の面積は、前記したように、導波路内を伝搬する光の電磁界と制御電界とのオーバラップが最も大きくなるように該電極面積を設定することが好ましい。しかし実使用上においては、無限大に広がる光の電磁界全体のうち、光導波路の中心軸付近の特定の領域内に光の電磁界の有効な部分が集中していると考え、この部分の結晶基板に対してのみ電界を集中的に作用させることが効果的な場合がある。
図２は、このような光導波路の中心軸付近の特定の部分に対して電界を集中させる電極の構造例を模式的に示す図である。同図は図１と同様、光導波路型デバイスの結合領域における光導波路に垂直な断面を示したものであり、電極構造以外は全て同様である。同図に示すように、光導波路１上には電極４ａ、光導波路２上には電極４ｂ（本例ではこれらは正極）が設けられ、これらの電極４ａ，４ｂに各々対応するように異極の電極５ａ，５ｂが基板裏面に配設される構成となっている。
上記電極の構成によって、少ない電力で最も効果的に導波エネルギーを制御しうるデバイス構造の１つとなり得る。
【００２５】
上記、図５に示す光導波路の形成方向と電極の配設方向との組み合わせに対して、さらに光導波路が層状に形成される場合を加えて、これら各々に対して、図４（ａ）〜（ｃ）に示す電気光学軸方向の組み合わせが存在する。さらには、特殊な効果を目的として、これらの組み合わせの複合、中間的な角度，構造が存在する。これら組み合わせの決定には、電気光学結晶及び電気光学軸の性質、素子に求められる形状，機能などが参照される。
【００２６】
〔性能比較実験〕
本発明による光導波路型デバイスと従来の光導波路型デバイスとを比較するため、Ｚ板Ｌi Ｎb Ｏ3 結晶基板上に方向性結合器を形成し、動作を確認した。
本発明による光導波路型デバイスのサンプルとして図１に示すような構成のものを用い、また、従来のサンプルとして図６に示す構成のものを用いた。
上記２つの方向性結合器を動作させ、同様のスイッチング効果を得るために要した印加電圧を比較したところ、本発明のデバイスが従来のデバイスの約７５％の印加電圧で同様の動作を示すことが確認できた。
また、これらサンプルを製作するにあたっては、従来のサンプルが電極位置調整に長時間を要したのに対して、本発明のサンプルでは電極の位置調整が従来ほどの精密さを必要としない構造であるために、短時間で製作を完了した。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の光導波路型デバイスは、以下の効果を奏する。
簡単な構造の対向電極間に生じるような直線的で一様な平行電界を２つの光導波路に同様に作用させるだけで、これら光導波路間に伝搬定数差を生じさせ得るので、光導波路と電極との位置合わせ工程において従来ほどの精密さを必要とせず、生産性が向上する。
また、従来の湾曲した制御電界が電気光学軸に対して角度をもって作用していたのに比べて、本発明の構造では制御電界の方向と電気光学軸の方向とが一致するために、制御電界が電気光学軸に対して最も効率よく作用し、より低い電圧での動作が可能となる。
さらに、電極構造が誘電体を間に挟む対向構造となったことで、従来問題となっていた電極間に生じるＤＣドリフト現象を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光導波路型デバイスの結合領域における光導波路に垂直な断面を模式的に示す図である。
【図２】光導波路の中心軸付近の特定の部分に対して電界を集中させる電極の構造例を模式的に示す図である。
【図３】本発明による光導波路型デバイスにおいて、２つの光導波路が同一面上に形成される場合の種々の構成例を模式的に示す図である。
【図４】本発明による光導波路型デバイスにおいて、結晶基板の電気光学軸方向と、電極の配設方向との組み合わせ例を示す模式図である。
【図５】本発明による光導波路型デバイスにおいて、結晶基板に対する光導波路の形成方向と、電極の配設方向の組み合わせ例を示す模式図である。
【図６】従来の光導波路型デバイスにおいて、導波エネルギーの結合部における光導波路に垂直な断面を模式的に示す図である。
【符号の説明】
ａ      結晶基板
ｓ      電気光学軸
Ｅ      電界
１      光導波路
２      光導波路
４      正の電極
５      負の電極
【図１】
0003638300.tif 000002
【図２】
0003638300.tif 000003
【図３】
0003638300.tif 000004
【図４】
0003638300.tif 000005
【図５】
0003638300.tif 000006
【図６】
0003638300.tif 000007