(57)【要約】【課題】従来技術によるＱスイッチ素子は、偏光を９０°回転させるため、数１００以上もの高電圧で、高速な立ち下がりまたは立ち上がり時間のスイッチング電圧印加しなければならない。導波路型光Ｑスイッチでは、数Ｖで高速なスイッチングが可能であるが、チタン拡散法により作製されたニオブ酸リチウム導波路では、光損傷が生じる。光損傷を避けるために、動作可能な入力光パワーの上限は、高々２００ｍＷ程度に留まっていた。【解決手段】本発明のスイッチ素子は、コアおよび下部クラッドからなるチャネル型導波路構造の光導波路と、コア上面および下部クラッドの上面にそれぞれ設けられた第１および第２の電極を備え、第１および第２の電極間に電圧をオンオフ可能に印加するＱスイッチ駆動装置とを備える。屈折率の異なるコア材料およびクラッド材料を直接接合法により接合することによって作製される。【選択図】図１
2014211528.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を用いて光強度を変化させるスイッチ素子において、
光を伝搬させる高屈折率の電気光学材料と、
前記電気光学材料と接合され、前記電気光学材料に比べて低屈折率の誘電体材料と
を有し、前記電気光学材料がコアリッジを構成するチャネル型構造を有した光導波路と、
前記光導波路の前記コアリッジの最上面に形成され、前記電気光学材料の誘電率を変化させるための駆動電圧が印加される第１の電極と、
前記誘電体材料の上に形成され、前記駆動電圧が印加される第２の電極と
を備えたことを特徴とする導波路型スイッチ素子。
【請求項２】
前記第１の電極および前記コアリッジの間、または、前記第２の電極および前記誘電体材料の間の少なくとも一方に、非晶質材料薄膜を設けたことを特徴とする請求項１に記載の導波路型スイッチ素子。
【請求項３】
前記電気光学材料は、ＺｎＯを添加したＬｉＮｂＯ３(ＬＮ)結晶、低屈折率材料にＭｇＯを添加したＬＮ結晶、ＬｉＴａＯ３(ＬＴ)結晶、水晶結晶または非晶質材料のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の導波路型スイッチ素子。
【請求項４】
前記非晶質材料薄膜は、ＳｉＯ２で構成されることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の導波路型スイッチ素子。
【請求項５】
前記光導波路のチャネル構造は、ドライエッチ法により作製されることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の導波路型スイッチ素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の導波路型スイッチ素子と、
前記第１の電極および前記第２の電極に駆動電圧を供給する駆動装置と、
該導波路型スイッチ素子への光の偏光を選択する偏光子と、
該導波路型スイッチ素子の前記コアリッジを通過する光が入射するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質および前記導波路型スイッチ素子を透過する光路の両端に配置された２つの反射装置と、
前記レーザ媒質および前記偏光子との間に置かれたコリメート装置と
を備えたことを特徴とするＱスイッチレーザ発振装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、電気光学効果を用いた光導波路型スイッチ素子、および、スイッチ素子を用いたＱスイッチレーザ装置に関する。
【０００２】
レーザ発振器は、光通信だけではなく医療技術やレーザ加工などの様々な産業分野にも利用されている。レーザ発振器の動作には、大別して連続発振（ＣＷ）およびパルス発振が知られている。パルス発振動作の一例としては、後述するようにＱスイッチ法による発振器が知られており、電子部品、半導体部品などの精密部品へのマイクロ加工、穴加工、マーキングなどに利用されている。
【０００３】
従来技術のＱスイッチ法による発振器において利用されるＱスイッチ素子の一例として、ポッケルスセル（Ｐｏｃｋｅｌｓ ｃｅｌｌ）効果を有する電気光学結晶を用いたＱスイッチ素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。電気光学結晶を用いたＱスイッチ素子は、偏光分離スプリッタ、および、薄膜偏光子などの偏光子を組み合わせて、共振器内に構成される。ポッケルスセルの偏光の向きを電気的に制御して偏光子の透過成分と反射成分との比を変更し、共振器内のＱ値を変えることにより、Ｑスイッチパルスを得るように動作する。
【０００４】
また、従来技術のＱスイッチ法による発振器において利用される他のＱスイッチ素子としては、可飽和吸収体を光導波路材料に用いた光導波路型のＱスイッチ素子が提案されている（例えば、非特許文献１を参照）。非特許文献１に開示された光導波路型Ｑスイッチ素子における可飽和吸収体は、光を吸収すると除々に透明になる物質である。可飽和吸収体を共振器内に挿入した場合、励起開始時においては、可飽和吸収体は損失となる。しかしながら、励起を開始するとレーザ発振を抑制しながら徐々に透明になり、やがて利得が損失よりも大きくなると、急速にレーザ発振を開始してＱスイッチパルスを得るように動作する。
【０００５】
また、特許文献２には、従来技術によるＱスイッチレーザ装置の一例が開示されている。特許文献２に開示されたレーザ装置は、出力鏡および全反射鏡からなる共振器と、この共振器内に配置されたレーザ光の発生源（レーザロッド、偏光子およびポッケルスセル）と、レーザロッドを励起するフラッシュランプと、ポッケルスセルへの印加電圧を変化させるポッケルスセル駆動回路とにより構成されている。このＱスイッチレーザ装置においては、ポッケルスセルへの印加電圧によって共振器内の偏光方向の制御を行い、偏光子との組み合わせによって共振器内のＱ値を変えることにより、ジャイアントパルスを得るように動作する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−６４４４８号公報
【特許文献２】特開昭６１−１６８９７９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｊ．Ｉ．Mackenzie「End-pumped、passively Q-Switched Yb：YAG double−clad waveguide laser」OPTICS LETTERS／ Vol．27，NO．24／December 15，2002
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来技術によるＱスイッチ素子およびこれを用いたＱスイッチレーザ装置は、以下に述べるような様々な問題を抱えていた。特許文献１に開示されたＱスイッチ素子および特許文献２に開示されたＱスイッチレーザ装置のいずれの場合も、偏光を９０°回転させるために、数１００〜数ｋＶもの高電圧であって、高速な立ち下がりまたは立ち上がり時間を持つスイッチング電圧をＱスイッチ素子に印加しなければならない。このような高電圧・高速の制御電圧を駆動可能なスイッチング回路は、大掛かりなものとなり、レーザ装置全体の部品点数が増えるという問題があった。
【０００９】
また、Ｎｄ：ＹＡＧなどの材料をレーザ媒質に用いた場合には、熱複屈折によるＤｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ損失（偏光解消損失）が生じて、Ｑスイッチ素子に印加すべき電圧が増加し、駆動回路における効率が低下するという問題があった。
【００１０】
さらに、非特許文献１に開示された光導波路型Ｑスイッチ素子においては、可飽和吸収体の残留損失によって効率が低下するという問題があった。発振器のピークパワーを大きくするためには、可飽和吸収体の光学濃度（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）を濃くする必要がある。このとき、可飽和吸収体の残留損失が光学濃度に比例して大きくなることから、パルス幅が広がりピークパワーが減少して、効率の低下が大きくなる。さらに、可飽和吸収体を利用する場合、正確なパルスの発振タイミングの制御が困難であり、励起光の強度ばらつきなどに起因する発振タイミングのばらつきが大きいという問題もあった。
【００１１】
上述のような背景から、Ｑスイッチレーザ装置内のポッケルスセルにおける駆動電圧を低減することが可能な、ポッケルス効果を有する光学材料を用いた導波路型の光スイッチが望まれている。
【００１２】
現在、導波路型光スイッチとしては、高速性および低駆動電圧性の観点から、チタン拡散法によるニオブ酸リチウム導波路がよく用いられている。この方法では、ＬＮ基板にＴｉを拡散することによって、拡散された部分の屈折率を周囲に比べて上昇させ、導波構造を実現している。駆動電圧として半波長駆動電圧Ｖπが数Ｖで、高速なスイッチングが可能である。
【００１３】
しかしながら、上述のチタン拡散法により作製されたニオブ酸リチウム導波路では、Ｔｉの拡散により発生した欠陥に起因するフォトリフラクティブ効果のため、大きな光パワーを入射すると、屈折率が変化して導波構造が破壊される、いわゆる光損傷が生じる。この光損傷を避けるために、動作可能な入力光パワーの上限は、高々２００ｍＷ程度に留まってしまう。チタン拡散法により作製されたニオブ酸リチウム導波路を、Ｑスイッチレーザ装置に要求されるようなＷ級の光を扱うレーザ装置へ適用することができなかった。
【００１４】
本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高い消光比、超小型、低駆動電圧を実現した光導波路型スイッチ素子を実現するところにある。また、光導波路型スイッチ素子を用いたＱスイッチレーザ装置において、高い光出力を確保しながら、部品点数を抑えて、小型で高効率、かつ正確なタイミング制御を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、電気光学効果を用いて光強度を変化させるスイッチ素子において、光を伝搬させる高屈折率の電気光学材料と、前記電気光学材料と接合され、前記電気光学材料に比べて低屈折率の誘電体材料とを有し、前記電気光学材料がコアリッジを構成するチャネル型構造を有した光導波路と、前記光導波路の前記コアリッジの最上面に形成され、前記電気光学材料の誘電率を変化させるための駆動電圧が印加される第１の電極と、前記誘電体材料の上に形成され、前記駆動電圧が印加される第２の電極とを備えたことを特徴とする導波路型スイッチ素子である。前記電気光学材料と、前記誘電体材料とは、直接接合されてコアリッジを構成するのが好ましい。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１の導波路型スイッチ素子であって、前記第１の電極および前記コアリッジの間、または、前記第２の電極および前記誘電体材料の間の少なくとも一方に、非晶質材料薄膜を設けたことを特徴とする。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２の導波路型スイッチ素子であって、前記電気光学材料は、ＺｎＯを添加したＬｉＮｂＯ３(ＬＮ)結晶、低屈折率材料にＭｇＯを添加したＬＮ結晶、ＬｉＴａＯ３(ＬＴ)結晶、水晶結晶または非晶質材料のいずれかであることを特徴とする。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかの導波路型スイッチ素子であって、前記非晶質材料薄膜は、ＳｉＯ２で構成されることを特徴とする。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４いずれかの導波路型スイッチ素子であって、前記光導波路のチャネル構造は、ドライエッチ法により作製されることを特徴とする。
【００２０】
本発明は、レーザ発振装置としても実現可能であって、上述の導波路型スイッチ素子と、前記第１の電極および前記第２の電極に駆動電圧を供給する駆動装置と、該導波路型スイッチ素子への光の偏光を選択する偏光子と、該導波路型スイッチ素子の前記コアリッジを通過する光が入射するレーザ媒質と、前記レーザ媒質および前記導波路型スイッチ素子を透過する光路の両端に配置された２つの反射装置と、前記レーザ媒質および前記偏光子との間に置かれたコリメート装置とを備えたことを特徴とするＱスイッチレーザ発振装置を実現できる。        
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明によれば、直接接合法により作製された光導波路における電気光学効果による光偏光、または光導波路内の屈折率変化によって、低電圧の駆動が可能で、高い消光比で光を制御し、高光パワー耐性を持つ小型化された光導波路型スイッチ素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の実施例１の光導波路型スイッチ素子の構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の実施例１の光導波路型スイッチ素子の構成を示す、図１のＡ−Ａ´線を含む断面図である。
【図３】図３は、本発明の光スイッチ素子を含むＱスイッチレーザ発振装置の構成を示す図である。
【図４】図４は、実施例１の光導波路型スイッチ素子（クラッドがＭｇＬＮ結晶）における電極間の電圧印加により発生する光導波路素子内の電界分布を示す図である。
【図５】図５は、実施例１の光導波路型スイッチ素子の透過率の応答特性示す図である。
【図６】図６は、実施例２の光導波路型スイッチ素子（クラッドがＬＴ結晶）における電極間の電圧印加により発生する光導波路素子内の電界分布を示す図である。
【図７】図７は、実施例２の光導波路型スイッチ素子の透過率の応答特性示す図である。
【図８】図８は、実施例３の光導波路型スイッチ素子（クラッドがＳｉＯ２基板）における電極間の電圧印加により発生する光導波路素子内の電界分布を示す図である。
【図９】図９は、実施例３の光導波路型スイッチ素子の透過率の応答特性示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明のスイッチ素子は、コアおよび下部クラッドからなるチャネル型導波路構造の光導波路と、コア上面および下部クラッドの上面にそれぞれ設けられた第１および第２の電極を備え、第１および第２の電極間に電圧をオンオフ可能に印加するＱスイッチ駆動装置とを備える。クラッドは、コア内の光を閉じ込めるために、コアの下面側に設けられる。上述の第１の電極および第２の電極は、電気伝導性が高い材料からなり、コアリッジ上および下部クラッド面上にそれぞれ形成されている。
【００２４】
本発明のスイッチ素子は、光が電極材料により減衰することを防止するために、第１の電極とコアリッジとの間、または、第２の電極と下部クラッドとの間に、光学バッファー手段が設けられた構造を持つ。コアは、電気光学結晶からなり、両端面の電極の相互間に電界が印加されると電気光学効果によってその屈折率が変化する材料からなる。
【００２５】
本発明のスイッチ素子における光導波路は、従来技術のようなチタン拡散法を用いず、屈折率の異なるコア材料およびクラッド材料を直接接合法により接合することによって作製される。以下、本発明のスイッチ素子の構成および作製方法についてより詳細に説明する、以下の各実施例は例示のために示されており、本発明の技術思想が含まれている限り、必ずしもこれらの実施例に限定されないのは言うまでもない。
【実施例１】
【００２６】
図１は、本発明の実施例１の光導波路型スイッチ素子の構成を示す斜視図である。図１では、光導波路型スイッチ素子１０のほか、Ｑスイッチ駆動装置７、偏光子８を含むレーザ装置の一部も描かれている。
【００２７】
図２は、本発明の実施例１の光導波路型スイッチ素子の、図１のＡ−Ａ´線を含む面の断面図である。まず図２を参照すると、光導波路型スイッチ素子１０は、チャネル型光導波路１０から構成される。光導波路１０は、コアリッジ３と、その下にある下部クラッド４と、コアリッジ３およびクラッド４の全面を覆う光学バッファー層５により構成される。コアリッジ３の上面には第１の電極１が形成され、クラッド４の上面には光学バッファー層５を介して、第２の電極２ａ、２ｂが形成される。
【００２８】
すなわち、本発明の光スイッチ素子は、電気光学効果を用いて光強度を変化させるスイッチ素子であって、光を伝搬させる高屈折率の電気光学材料と、前記電気光学材料と接合され、前記電気光学材料に比べて低屈折率の誘電体材料とを有し、前記電気光学材料がコアリッジを構成するチャネル型構造を有した光導波路と、前記光導波路の前記コアリッジの最上面に形成され、前記電気光学材料の誘電率を変化させるための駆動電圧が印加される第１の電極と、前記誘電体材料の上に形成され、前記駆動電圧が印加される第２の電極とを備えている。
【００２９】
再び図１を参照すれば、光導波路型スイッチ素子１０の第１の電極１および第２の電極２ａ、２ｂは、Ｑスイッチ駆動装置７に接続される。光導波路型スイッチ素子１０のコアリッジ３の一端に対して、偏光子８を通過したｘ軸に対して４５度の直線偏光の光６のみが入射する。コアリッジ３内をｚ方向に伝播し、他端からは、偏光を受けた光９が出射光９として放出される。光学バッファー層５は、電極１において導波光の一部が吸収され伝搬損失が増加することを防ぐために設けられている。すなわち、本発明の光スイッチ素子では、第１の電極およびコアリッジの間、または、第２の電極および誘電体材料の間の少なくとも一方に、非晶質材料薄膜を設けたことを特徴とする。
【００３０】
図３は、本発明の光スイッチ素子を含むＱスイッチレーザ発振装置の構成を示す図である。Ｑスイッチレーザ発振装置１００は、２つの反射装置１６、１７の間に置かれた、レーザ媒質１２および本発明の光スイッチ素子１０を備える。光スイッチ素子１０およびレーザ媒質１２の間の光路には、偏光子８および第１のコリメート装置１１が備えられる。さらに、出力光１７を取り出す反射装置１４とレーザ媒質１２との間にも、第２のコリメート装置１３が、また、光スイッチ素子１０と反射装置１６との間にも、第３のコリメート装置１３が備えられる。
【００３１】
レーザ媒質１２としては、例えばＮｄ：ＹＡＧ、ＣＯ２、色素レーザなどがある。本実施例では、発振波長は１．０６μｍである。各コリメート装置１１、１３、１５は、レーザビームが共振器中の往復する際に、レーザビーム径が広がる等して、レーザ媒質や導波路型素子の導波モードに効率よく光が入射しなくなることを防ぐ。具体的には、各コリメート装置として光学レンズ系を用いて、レーザ媒質１２や導波モードに最適なビーム径で入出力させる。ただし、この光学レンズ系によるビーム径の最適化は共振器用の反射装置（ミラー）１４、１６の形状を凹面にしたりすることでも可能である。したがって、各反射装置１４、１７に隣接する第２のコリメート装置１３、第３のコリメート装置１５を省略することも可能である。
【００３２】
再び図２に戻ると、本実施例の光スイッチ素子では、コア材料としてＺｎＯを添加したＺカットＬＮ結晶基板(ＺｎＬＮ)を、クラッド材料として、ＭｇＯを添加した同様にＺカットＬＮ結晶基板を用いた。これらの２つの基板を直接接合により接合する。その後、ドライエッティングによりコアリッジ３を形成し、さらに光学バッファー層５としてＳｉＯ２膜をスパッタにより形成した。光導波路を作製した後、蒸着によって金電極の成膜を行い、ウェットエッチプロセスによりコアリッジ上の第１の電極１およびクラッド上の第２の電極２ａ、２ｂを作製した。次に、図１および図２に示した本発明の実施例１の光スイッチの動作について説明する。
【００３３】
図４は、実施例１の光導波路型スイッチ素子における電極間の電圧印加により発生する光導波路素子内の電界分布を示す説明図である。図４の（ａ）は光導波路素子の電界分布を計算した場所を示す断面図であり、対称性を考慮して素子の右半分の領域のみを示している。図４の（ｂ）は、（ａ）の破線で囲まれた矩形領域に概ね対応した領域について電極間に単位電圧（１Ｖ）を印加した場合の電界分布を示している。図４の（ｂ）における横軸の０および６０の位置は、図４の（ａ）の矩形領域の両端に対応する。図４の（ｂ）における縦軸の２０の位置は（ａ）の矩形領域の上端に対応し、縦軸の０の位置は（ａ）のコアリッジ３とクラッド４との境界に対応する。図４の（ｂ）における各軸の単位は、μｍである。
【００３４】
図４の（ｂ）の各三角形の小領域は、有限要素法における解析単位である。本実施例の光導波路型Ｑスイッチ素子のコアリッジ厚、コア幅（図２におけるコア３の上辺）、および電極間隔（電極１と電極２ａまたは２ｂとの間の、ｘ軸方向のギャップ）は、それぞれ７μｍ、９μｍ、５μｍである。図４の（ｂ）の電界分布から分かるように、コア３の中心では主に縦方向のｙ方向の電界が支配的となり横方向のｘ方向の電界はほぼ無視できる。
【００３５】
したがって、電極間に電圧Ｖを加えたとき、１次の電気光学効果によりコアの屈折率は、ｘ方向およびｙ方向について、以下のように変化する。
Δｎｘ＝−０．５×ｎｘ３×ｒ１３×ａ×Ｖ          式（１）
Δｎｙ＝−０．５×ｎｙ３×ｒ３３×ａ×Ｖ          式（２）
式（１）、式（２）で、ａは印加した電圧のうちどの程度コア中心のｙ方向電界に寄与するかを表す係数であり、本実施例の光導波路型スイッチ素子の使用材料、導波路サイズおよび電極配置においては、およそａ＝０．０５５×１０６である。ｎｘ、ｎｙは、それぞれコア材料の基板に対して平行な方向、垂直な方向の屈折率を示し、ｒ１３、ｒ３３は、それぞれコア材料の基板に対して平行な方向、垂直な方向の屈折率電気光学定数を示す。また、複屈折変化量Δｎは次式によって表される。
Δｎ＝０．５ （ｎｙ３ｒ３３ − ｎｘ３ｒ１３）
ここで電極長をＬとすると、導波光は電極を通過した後、次式で表される固有偏光間の位相差φ、すなわちリタデーションを生じる。
φ ＝２πλ−１ΔｎＬ
【００３６】
レーザ共振器内では、偏光子８によりｘ軸に対して４５度の直線偏光の光６のみが光導波路型スイッチ素子のコア３に入射し、図１示されていない共振器のミラーで反射される。反射光は、再び光導波路素子のコア３を通過することで、リタデーション量は２倍となり、全体として次式の位相差が生じる。
φｔｏｔａｌ ＝ ２×φ
Φｔｏｔａｌがπとなれば、発振器の反射鏡で反射してスイッチ素子１を透過し、４５度の偏光子８を透過後は、再び偏光子８の透過軸に対して直交した直線偏光となる。このため、光を遮断することが可能となって、レーザ共振器のＱ値を制御可能となる。
【００３７】
したがって、本発明はＱスイッチレーザ発振装置に適用が可能であって、上述の導波路型スイッチ素子と、前記第１の電極および前記第２の電極に駆動電圧を供給する駆動装置と、該導波路型スイッチ素子への光の偏光を選択する偏光子と、該導波路型スイッチ素子の前記コアリッジを通過する光が入射するレーザ媒質と、前記レーザ媒質および前記導波路型スイッチ素子を透過する光路の両端に配置された２つの反射装置と、前記レーザ媒質および前記偏光子との間に置かれたコリメート装置とを備えたことを特徴とするＱスイッチレーザ発振装置を実現できる。
【００３８】
Ｑスイッチレーザ発振装置では、よく知られているように、光を遮断することでＱ値を低くでき、発振しないように大きな反転分布が得られるようにする。そして、反転分布が最大となる時間に合わせて光を透過させ急激に高いＱ値にすることで、急激に発振がおこり短い光パルスが得られる。本実施例のスイッチ素子では、電極長を４０ｍｍとし、スイッチ電圧は約２．４Ｖであった。
【００３９】
図５は、本実施例の光導波路型スイッチ素子の透過率の応答特性を示した図である。光導波路スイッチ素子１の電極間に、評価用の正弦波発振器を接続して、駆動電圧を印加した。左の縦軸には電極１および電極２ａ、２ｂの間に印加した駆動電圧の正弦波を、右の縦軸にはそのときの光透過率を示している。駆動電圧（ｐ−ｐ）が約２．４Ｖで、高い消光比の変調特性が得られている。消光比を、透過率最小値／透過率最大値のデシベル表記とすれば、１３ｄＢの消光比が得られている。また周波数１ＧＨｚの入力信号に対する応答を示しており、本発明の導波路型スイッチ素子レーザは、Ｑスイッチとして使用するのに十分な帯域を持っていることを確認できた。
【００４０】
図１に示した本発明のスイッチ素子１において、ｚ方向の縮尺と、ｘ軸およびｙ軸方向の縮尺とは、正確に比例して描かれてはいない点に留意されたい。すなわち、ｚ軸方向の電極長さは、必要な他の条件にしたがって適宜調整されるものであって、図１に描かれたスイッチ素子の各方向の寸法の関係に限定されない。
【００４１】
本実施例の光導波路型スイッチ素子では、導波路化した構成とすることによって電極間隔を極めて狭くすることが可能となった。このため、従来技術のＱスイッチ素子（数１００Ｖ以上）と比べて大幅に駆動電圧を低電圧化して、約２．４Ｖの駆動電圧で十分となる。追加の周辺回路が不要な、一般的に容易に入手可能な信号発生装置を用いて電圧をオンオフすることによりＱスイッチ動作させ、パルス幅が５ｎｓで、光強度が２Ｗの光パルスを、光損傷を抑制しながら安定して発生することができた。
【実施例２】
【００４２】
実施例２の光導波路型スイッチ素子の構成は、実施例１の図１、図２に示した構成と同様である。本実施例では、実施例１とは異なる基板材料を使用しており、コア材料としてＺカットＺｎＬＮ結晶基板を、クラッド材料としてＺカットＬＴ結晶基板を用いた。これらの２つの基板を直接接合により接合する。その後、ドライエッティングによりコアリッジを形成した後、光学バッファー層としてのＳｉＯ２膜を、実施例１のスパッタとは異なりＣＶＤ法によって形成した。光導波路を作製した後で、蒸着によって金電極を成膜し、ウェットエッチプロセスによりコアリッジの上面およびクラッドの上面に電極を作製した。
【００４３】
図６は、実施例２の光導波路型スイッチ素子における電極間の電圧印加により発生する光導波路素子内の電界分布を示す説明図である。図６の（ａ）は光導波路素子の電界分布を計算した場所を示す断面図であり、対称性を考慮して素子の右半分の領域のみを示している。図４の（ｂ）は、（ａ）に示した破線で囲まれた矩形領域に概ね対応した領域について電極間に単位電圧（１Ｖ）を印加した場合の電界分布を示している。図６の（ａ）と（ｂ）との関係は、図４と同様である。本実施例の光導波路型スイッチ素子のコアリッジ厚、コア幅、および電極間隔は、それぞれ５．２μｍ、６μｍ、５μｍである。実施例１の場合と同様、コア中心では主に縦方向のｙ方向の電界が支配的となり、横方向のｘ方向の電界はほぼ無視することができる。
【００４４】
係数ａは、本実施例の光導波路型スイッチ素子の使用材料、導波路サイズおよび電極配置においては、およそ０．０５８×１０６である。本実施例では電極長を３５ｍｍとしたため、スイッチ電圧は約２．６Ｖであった。
【００４５】
図７は、実施例２の光導波路型スイッチ素子の透過率の応答特性を示した図である。右側縦軸には電極２１および電極２２ａ、２２ｂの間に印加した正弦波の駆動電圧を、左側縦軸にはそのときの透過率を示している。駆動電圧（ｐ−ｐ）が約２．６Ｖで高い消光比の変調特性が得られている。また本実施例では、周波数２ＧＨｚの入力信号に対する応答を示しており、本実施例の光導波路型スイッチ素子を、レーザＱスイッチとして使用するのに十分な帯域を持っていることを確認した。
【００４６】
本実施例の光導波路型スイッチ素子においても、導波路化することにより電極間隔を非常に狭くすることが可能となったため、駆動電圧は約２．６Ｖで済む。追加の周辺回路が不要な、一般的に入手可能な簡便な信号発生装置を用いて電圧をオンオフすることによりＱスイッチ動作させて、パルス幅が約３ｎｓで、光強度が３Ｗの光パルスを、光損傷を抑制しながら安定して発生することができた。
【実施例３】
【００４７】
実施例３の光導波路型スイッチ素子の構成も、実施例１で示した図１および図２に示した構成と同様である。本実施例では、実施例１および実施例２とは異なる基板材料を使用しており、コア材料としてＺカットＺｎＬＮ結晶基板を、クラッド材料としてＳｉＯ２基板を用いた。これらの２つの基板を、直接接合によって接合する。その後、ドライエッティングによりコアリッジを形成した後、光学バッファー層として、ＳｉＯ２膜を、実施例２同様にＣＶＤ法によって形成した。光導波路を作製した後で、蒸着によって金電極を成膜し、ウェットエッチプロセスによりコアリッジの上面およびクラッドの上面にそれぞれ電極を作製した。
【００４８】
図８は、実施例３の光導波路型スイッチ素子における電極間の電圧印加により発生する光導波路素子内の電界分布を示す図である。図８の（ａ）は光導波路素子の電界分布を計算した場所を示す断面図であり、対称性を考慮して素子の右半分の領域を示している。図８の（ｂ）は、（ａ）に示した破線で囲まれた矩形領域に概ね対応した領域について電極間に単位電圧（１Ｖ）を印加した場合の電界分布を示している。図８の（ａ）と（ｂ）との関係は、図４と同様である。本実施例の光導波路型スイッチ素子のコアリッジ厚、コア幅、および電極間隔は、それぞれ５μｍ、５μｍ、５μｍである。本実施例でも実施例１の場合と同様、コア中心では主に縦方向のｙ方向の電界が支配的となり、横方向のｘ方向の電界をほぼ無視することができる。
【００４９】
係数ａは、本実施例の光導波路型スイッチ素子の使用材料、導波路サイズおよび電極配置においては、およそ０．０２６×１０６である。本実施例では、電極長を５０ｍｍとし、このときのスイッチ電圧は約４．０Ｖであった。
【００５０】
図９は、本実施例の光導波路型スイッチ素子の透過率の応答特性を示した図である。右側縦軸には電極３１および電極３２ａ、３２ｂの間に印加した駆動電圧の正弦波を、左側縦軸にはそのときの透過率を示している。駆動電圧（ｐ−ｐ）が約４．０Ｖで高い消光比の変調特性が得られている。また周波数１ＧＨｚの入力信号に対する応答を示しており、本実施例の光導波路型スイッチ素子を、レーザＱスイッチとして使用するのに十分な帯域を持っていることを確認できた。
【００５１】
本実施例の光導波路型スイッチ素子においても、導波路化することによって電極間隔を非常に狭くすることが可能となったため、駆動電圧は約４．０Ｖで済む。一般的に入手可能な簡便な信号発生装置を用いて電圧をオンオフすることによりＱスイッチ動作させ、パルス幅が約０．０２μｓで、光強度が３．５Ｗの光パルスを、光損傷を抑制しながら安定して発生することができた。
【００５２】
以上詳細に説明してきたように、本発明によれば、直接接合法により作製された光導波路における電気光学効果による光偏光、または光導波路内の屈折率変化によって、低電圧の駆動が可能で、高い消光比で光を制御し、高光パワー耐性を持つ小型化された光導波路型スイッチ素子を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、一般的にレーザ発振装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１、２ａ、２ｂ、２１、２２ａ、２２ｂ、３１、３２ａ、３２ｂ  電極
３  コアリッジ
４  クラッド
５  光バッファー層
６  入射光
７  Ｑスイッチ駆動装置
８  偏光子
９  出射光
１０  チャネル型光導波路
１１、１３、１５  コリメート装置
１２  レーザ媒質
１４、１６  反射装置
１００  Ｑスイッチレーザ発振装置
【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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