(57)【要約】【課題】従来の、電気光学効果を利用した光導波路素子では導波路と同一平面に電界を制御する電極を配置するため、このために制御効率にロスが発生していた。【解決手段】第１の光学基板１０１と第２の基板１０２とを接合してなり、第１の光学基板１０１はリッジ型導波路を有し、この導波路のリッジ頂部に電極１０４、および第１の光学基板１０１のリッジ頂部とは反対側に電極１０７を備えたもので、これにより導波光１０８に直接電界を印加できることでリッジ高さ方向の電界制御効率の向上が図れる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光学基板と第２の基板とを接合してなり、前記第１の光学基板はリッジ型導波路を有し、この導波路のリッジ頂部、および前記第１の光学基板の前記リッジ頂部とは反対側に、電極を備えた光導波路。
【請求項２】
第１の光学基板と第２の基板とは、直接接合により接合されている請求項１記載の光導波路。
【請求項３】
第１の光学基板と第２の基板とは、金属層を介して接合されている請求項１記載の光導波路。
【請求項４】
電極と第１の光学基板との間に、バッファ層を設けた請求項１記載の光導波路。
【請求項５】
電極材料に、第１の光学基板よりも屈折率の小さい透明電極を用いた請求項１記載の光導波路。
【請求項６】
第２の基板にスルーホールを有し、このスルーホールを介して、第１の基板の接合面側に設けた電極から外部に電気的接続を行った請求項１記載の光導波路。
【請求項７】
第１の光学基板と第２の基板とを接合してなり、前記第１の光学基板はマッハツェンダー導波路を構成するリッジ型の第１の導波路と第２の導波路を有し、前記第１の導波路のリッジ頂部および前記第１の光学基板の前記リッジ頂部とは反対側に、前記リッジ型導波路内に電界をかけるための電極を備えた光スイッチ。
【請求項８】
第２の導波路のリッジ頂部および第１の光学基板の前記リッジ頂部とは反対側に、前記リッジ型導波路内に電界をかけるための電極を備え、前記第２の導波路のリッジ頂部の電極と第１の導波路のリッジ頂部とは反対側の電極とを電気的に接続し、前記第１の導波路のリッジ頂部の電極と第２の導波路のリッジ頂部とは反対側の電極とを電気的に接続した請求項７記載の光スイッチ。
【請求項９】
第１の光学基板と第２の基板とを接合してなり、前記第１の光学基板はリッジ型の導波路を有し、この導波路のリッジ頂部および前記第１の光学基板の前記リッジ頂部とは反対側に、前記リッジ型導波路内に電界をかけるための電極を備え、前記導波路の入射部および出射部に偏向子を備えた光スイッチ。
【請求項１０】
第１の光学基板と第２の基板とを接合してなり、前記第１の光学基板は周期的分極反転を有するリッジ型の導波路を備え、前記導波路のリッジ頂部および前記第１の光学基板の前記リッジ頂部とは反対側に、前記リッジ型導波路内に電界をかけるための電極を備えた光スイッチ。
【請求項１１】
第１の光学基板と第２の基板とを接合してなり、前記第１の光学基板はお互いに斜交するリッジ型の第１の導波路および第２の導波路を有し、前記斜交する部分のリッジ頂部および前記第１の光学基板の前記リッジ頂部とは反対側に、前記リッジ型導波路斜交部に電界をかけるための電極を備えた光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光通信システム等に用いられる光導波路およびこれを用いた光スイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光変調素子は伝搬信号を制御するもので光通信システムを構成する上で重要な回路素子である。現在、光変調素子の性能は光波を４０ＧＨｚの電気信号で変調が可能であり現在実用化されている。次期の光通信システムに要求される光変調素子の性能は超高速度化が求められている。しかし、通信を超高速化する場合、光変調素子を駆動する変調電気信号のドライバから得られる出力電圧に制限があり超高速光変調器の開発には低電圧駆動の光変調素子の技術開発が不可欠である。
【０００３】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１が知られている。
【特許文献１】特開２００４−００４５８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来構成では、導波路上の一部の屈折率を電場によって制御するもので電場を制御する電極を導波路と同一平面に配置する構成であり、動作を制御する駆動電圧を低減する上で限界があるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記従来の課題を解決するために、第１の光学基板と第２の基板とを接合してなり、第１の光学基板はリッジ型導波路を有し、この導波路のリッジ頂部、および第１の光学基板のリッジ頂部とは反対側に、電極を備えたものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、リッジ型導波路に直接電界を印加することができ、これにより低電圧駆動の光スイッチ、光変調素子等の光導波路デバイスを得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
（実施の形態１）
以下に本発明の実施の形態１における光導波路について、図面を参照しながら説明する。
【０００８】
図１は本発明の実施の形態１における光導波路の平面図と断面図である。
【０００９】
図１において、光学研磨されたＺ板のＭｇドープニオブ酸リチウム（ＭｇＬＮ）からなる第１の基板１０１と光学研磨されたニオブ酸リチウム（ＬＮ）からなる第２の基板１０２とを、直接接合面１１０で直接接合させたもので、リッジ頂部に設けた電極１０４と頂部と反対側に設けた電極１０７を設けたものである。電界成分１１１は、導波光と十分なオーバラップを実現しており、電極間隔は、導波路の厚みとほぼ等しい。
【００１０】
本発明の構成において、導波路の上下に電極を形成することにより、導波路に直接電界を印加することが可能となり、低電圧駆動が可能となる。本発明の実施の形態１の構成は、結晶のＺ軸方向に電界を印加し、ＭｇＬＮの電気光学効果により導波路の屈折率を変化させて導波光を制御する構成で有る。ＭｇＬＮの電気光学効果として最大の定数であるｒ３３を用いるのが有効で有る。ｒ３３を利用するには、結晶のＺ軸方向に電界を印加する必要が有るが、従来のプレーナ構造では、結晶の表面に形成した電極を用いていたため、電極間距離を短くすると、電界分布と導波光のオーバラップが十分とれないため、低電圧駆動に限界があった。これに対して、本発明の構成は、導波路直下に電極を形成するため、導波路表面に形成した電極との間で導波路を伝搬する光の通過部分に直接電界印加が可能となる。電極間距離が極端に短縮できるため、低電圧駆動が可能となる。また電界印加部分と導波光のオーバラップが十分とれるため、導波光への影響を大きくとれ、高効率化が容易となる。
【００１１】
光導波路を伝搬する導波光を導波路間で結合させ、かつ結合状態を電極等により制御するには、導波路を伝搬する光がシングルモード伝搬していることが望ましい。シングルモード条件を満足する導波路の形状は導波路を伝搬する光の波長に依存するが、例えば光の波長が１μｍ〜２μｍ程度であれば、導波路の表面から裏面までの厚みは４〜１０μｍ程度であることが望ましい。また光の波長が１μｍ以下の場合は導波路の厚みは２〜５μｍ程度である。また導波路厚みの伝搬方向のバラツキは±５％以下、できれば±２％以下の精度が要求される。この様な高精度な膜厚を大面積に渡り形成するには、第１の基板と第２の基板の接合精度、接合部の厚みのバラツキを±０．１μｍ以下に抑える必要があり、直接接合を用いるのが望ましい。
【００１２】
リッジ部１０３と凹部１０９の作用によってリッジ幅方向ならびにリッジ高さ方向に屈折率差を形成している。この効果によって導波光１０８の光閉じ込めを可能にしている。このリッジ部を形成した光導波路構造は、導波光の横方向閉じ込めが強くなることで、導波路伝搬モードであるＴＥ（Transverse  Electric）モードとＴＭ（Transverse  Magnetic）モードの伝搬定数をほとんど同じに設計できる。機械加工によって製作される光導波路の特徴は、プロトン交換導波路と異なり金属拡散導波路と同様にＴＥ、ＴＭの両モードの導波が可能となる点にある。両モードの伝搬が可能となれば、光通信分野への応用に必要不可欠な無偏光の導波路デバイスが実現できる。しかしながら、無偏光の特性を利用するためには、光導波路を伝搬するＴＥ、ＴＭモードの伝搬定数の制御が必要となる。従来の光導波路では、横方向の閉じ込めが弱いため、両モードの伝搬定数を一致させるのが難しかった。これに対して、リッジ部を形成することで、光導波路の横方向の閉じ込めを独立に制御することが可能になり、ＴＥモード、ＴＭモードの伝搬定数の一致が可能となる。さらに、導波路、厚み方向、幅方向共に、ほぼ対称なステップ状屈折率分布を実現できる。このため、導波モードが対称構造である光ファイバーとの高効率結合も可能となる。
【００１３】
リッジ頂部に設けた電極１０４と頂部と反対側に設けた電極１０７によって導波光１０８に対し伝搬方向に直交する電界をかけることが可能になる。電界１１１に示すように、電界分布は、光導波路を伝搬する導波光１０８の電界分布と十分なオーバラップが実現できる。導波路の屈折率変化は電界により生じるため、導波光の伝搬部分全体の屈折率を変化させることで効率よく導波光を制御できる。
【００１４】
また、電極１０４とリッジ部１０３の間に設けたＳｉＯ2よりなる厚さ約３００ｎｍのバッファ層１０５は、第１の基板１０１とバッファ層１０５の界面で全反射させることにより、電極１０４、１０７による導波光の吸収の影響を少なくするためのものである。
【００１５】
電極による吸収を低減するために、第１の基板１０１よりも屈折率が小さい透明電極を用いるのも有効である。ＩＴＯ（Indium  Tin  Oxide）からなる透明電極を用いることで、透明電極がバッファ層の役割も果たすため、プロセスが容易になる。
【００１６】
図２は、本発明の実施の形態１における別の光導波路の断面図である。光学研磨されたＺ板のＭｇドープニオブ酸リチウム（ＭｇＬＮ）からなる第１の基板２０１とシリコンからなる第２の基板２０２とを、金からなる金属層２０３を介して接合させたもので、第１の基板２０１と金属層２０３との間にはＳｉＯ2よりなるバッファ層２０４が形成されている。第１の基板２０１の接合面とは反対の面にリッジ部２０５が形成される事で光導波路を構成し、リッジ頂部にはバッファ層２０６およびその上に電極２０７を設ける。第２の基板２０２にはスルーホール２０８が設けられ、スルーホール２０８を通して金属層２０３と外部端子２０９とが電気的に接続されている。このようにすることにより光導波路に効率よく電界をかけることができる。なお、金属層２０３は、素子全体にわたって形成されているが、図１の直接接合部のように、一部であってもかまわない。
【００１７】
製造方法としては、まず第１の基板にバッファ層および金属層をスパッタにより形成する。一方第２の基板にもスパッタにより金属層を形成し、真空中でアルゴン等のプラズマを金属層に照射することにより金属層表面を活性化させ、金属層同士を接合する。このようにすることにより、加熱せずに接合することができ、線膨張率の異なる材料同士でも接合することができる。第２の基板にスルーホールを設けるには、例えば第２の基板にシリコンを用いている場合は、一般的に行われているドライエッチングで容易に形成することができる。次に第１の基板を所定の厚さに研磨し、バッファ層および金属層を形成し、レジストパターンを形成した後に、ドライエッチングによりリッジ加工し、光導波路を得る。なおリッジ頂部のバッファ層および金属層は、リッジ加工の後で形成してもよく、またスルーホールの形成およびそのあとの外部端子の形成、金属層との電気的接続も、どの段階でもかまわない。
【００１８】
なお、接合面側の電極から外部端子への取り出し方については、図１のように凹部を有するものであっても、第２の基板にスルーホールを設けて、これを通して電気的接続をとることができる。
【００１９】
（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明について説明する。本実施の形態２に係る発明は、実施の形態１にかかる発明では光導波路に関するものであるのに対して、本実施の形態２にかかる発明では、これを用いてマッハツェンダー導波路として光スイッチを構成した点で実施の形態１と相違する。
【００２０】
図３においては、実施の形態１と同様に、光学研磨されたＺ板のＭｇドープニオブ酸リチウム（ＭｇＬＮ）からなる第１の基板３０１と光学研磨されたニオブ酸リチウム（ＬＮ）からなる第２の基板３０２とを、直接接合面３１０で直接接合させたもので、第１の基板３０１を加工してリッジ部を形成し、第１の導波路３０３および第２の導波路３０４を設け、第１の導波路３０３の頂部およびその反対側にバッファ層３０６、３０７および電極３０８、３０９を設ける。
【００２１】
入射光３１２は分岐導波路３０５によって分岐される、第１の導波路３０３の電極３０８と３０９との間に電圧を加えることにより、ニオブ酸リチウムのＺ軸方向に直接的に電界３２０が加わる構造が可能になる。電極３０８、３０９間に電圧を加えることにより、第１の導波路３０３を通る導波光の位相を１８０°シフトさせ、再度第１の導波路３０３を通る導波光と第２の導波路３０４を通る導波光と合わせると、位相が反転しているためキャンセルし合い、出射光として出なくなる。即ちマッハツェンダー導波路を用いた光スイッチを構成することができる。
【００２２】
本発明の構成は、電極を導波路の表裏面に形成することで、低電圧駆動のスイッチングが可能となった。またマッハツェンダー導波路の場合、Ｙ分岐での光の分岐比がスイッチングの消光比に大きく影響する。直接接合あるいは金属層を介して接合して形成した導波路は、面内での導波路形状のバラツキが非常に少ないため、分岐比はほぼ１：１の特性が得られた。これによって、消光比２５ｄＢ以上の良好な特性が得られた。またリッジ導波路により横方向に強い導波光の閉じ込めが実現できた。これにより分岐後の導波路間距離を５μｍ以下にできるため、デバイスの小型化が可能となった。
【００２３】
図４は、本実施の形態２の別の形態のマッハツェンダー導波路を用いた光スイッチであり、第１の導波路４０１、第２の導波路４０２両方に電極を設け、お互いに逆方向の電界をかけられるようにしたものである。即ち第１の導波路４０１のリッジ頂部に電極４０３、その反対側に電極４０４を、第２の導波路４０２のリッジ頂部に電極４０５、その反対側に電極４０６を設け、電極４０３と電極４０６とを電気的に接続し、さらに電極４０４と電極４０５とを電気的に接続したもので、このようにすることにより、お互いに逆方向の電界をかけることができ、一方にのみ電極を設けたものに対し、半分の電圧で動作させることができる。
【００２４】
（実施の形態３）
以下、実施の形態３を用いて、本発明について説明する。本実施の形態３に係る発明は、実施の形態２にかかる発明ではマッハツェンダー導波路として光スイッチを構成した点であるのに対して、本実施の形態３にかかる発明では、１つの導波路により光スイッチを構成した点で実施の形態２と相違する。
【００２５】
図５においては、実施の形態１と同様に、光学研磨されたＺ板のＭｇドープニオブ酸リチウム（ＭｇＬＮ）からなる第１の基板５０１と光学研磨されたニオブ酸リチウム（ＬＮ）からなる第２の基板５０２とを、直接接合面５１０で直接接合させたもので、第１の基板５０１を加工してリッジ部を形成して導波路５０３を設け、リッジ頂部に電極５０４およびその反対側に電極５０５を設け、導波路５０３の入射部および出射部にそれぞれ偏光子５０６、５０７を設けたものである。
【００２６】
この電極構造は、導波光の偏光方向を電界印加により制御するものであり、本構成の導波路は、導波路の外形状によりステップ状の屈折率分布を有するため、導波路のＴＥ、ＴＭ両偏光の導波が可能であり、かつ２つの導波光の伝搬定数をほぼ等しく制御できる。図５において、導波路の上下に形成した電極に印加する電圧により導波光の偏光方向を変化させることができる。偏光子５０６によって直線偏光が光学素子に入射する。入射した導波光５０８は、電極５０４と電極５０５との間に印加された電界５１１によって、導波路５０３の結晶の屈折率が変化する。屈折率差を制御することで偏光の角度が変化する。この電圧をかけることによりスイッチとして、あるいは偏光子５０７を通した出射光の強度変調が可能になる。導波路の上下に電極を設けることで、低電圧での駆動が可能となる。また相互作用長を短くできるため素子の小型化を実現できる。
【００２７】
以上により、１つの導波路で光スイッチを構成することができ、マッハツェンダー導波路型と比べて、光スイッチの小型化、高集積化が可能となる。
【００２８】
なお、本実施の形態では偏向子５０６と偏向子５０７とは、偏向方向が９０°異なるものを用いて、電圧を印加したときのみ導波光が出射されるようにしたが、偏向子５０６と偏向子５０７の偏向方向を同じにして、電圧を印加したときのみ導波光が出射されないようにしてもかまわない。
【００２９】
（実施の形態４）
以下、実施の形態４を用いて、本発明について説明する。本実施の形態４に係る発明は、実施の形態３にかかる発明では偏向子を用いて光スイッチを構成した点であるのに対して、本実施の形態４にかかる発明では、偏向子なしで１つの導波路により光スイッチを構成した点で実施の形態３と相違する。
【００３０】
図６においては、実施の形態１と同様に、光学研磨されたＺ板のＭｇドープニオブ酸リチウム（ＭｇＬＮ）からなる第１の基板６０１と光学研磨されたニオブ酸リチウム（ＬＮ）からなる第２の基板６０２とを、直接接合面６１０で直接接合させたもので、第１の基板６０１に分極反転部６０４を形成し、さらにリッジ部を形成して導波路６０３を設け、リッジ頂部に電極６０５およびその反対側に電極６０６を設けたものである。
【００３１】
分極反転部６０４を形成することにより、疑似位相整合による２倍高調波発生器を構成した光学素子である。入射光６１２は光学素子によって２倍高調波が発生する。しかし、疑似位相整合条件が成立しない場合は２倍高調波を発生することができない。電極６０５と電極６０６に印加する電圧を制御し第１の基板６０１の屈折率を変化させて疑似位相整合条件をＯＮ・ＯＦＦすることで２倍高調波の出射光６１３をＯＮ・ＯＦＦする光スイッチを構成することができる。
【００３２】
（実施の形態５）
以下、実施の形態５を用いて、本発明について説明する。本実施の形態５に係る発明は、実施の形態２にかかる発明では光をＯＮ・ＯＦＦする光スイッチを構成した点であるのに対して、本実施の形態５にかかる発明では、導波路を切り替えるスイッチを構成した点で実施の形態２と相違する。
【００３３】
図７においては、実施の形態１と同様に、光学研磨されたＺ板のＭｇドープニオブ酸リチウム（ＭｇＬＮ）からなる第１の基板７０１と光学研磨されたニオブ酸リチウム（ＬＮ）からなる第２の基板７０２とを、直接接合面７１０で直接接合させたもので、お互いに斜交するリッジ型の第１の導波路７０３および第２の導波路７０４を有し、斜交する部分のリッジ頂部に電極７０５およびこのリッジ頂部とは反対側に電極７０６を設けたものである。斜交する部分のリッジ頂部に設けた電極７０５は、導波路が交差してできる菱形部分の、長い方の対角線に沿って設けるのが望ましい。
【００３４】
電極７０５、７０６間に電圧を印加しないときは、入射光７１２は第１の導波路７０３に沿って直進するが電圧を加えると電極部分の屈折率が電気光学効果のため高くなるので入射光は反射され交差するもう一方の第２の導波路７０４に移る。反射型のスイッチは多モード動作が可能である。しかし、多モード伝搬の場合、各モードの全反射角が少しずつ異なるためすべてのモードを全反射させるには大きな屈折率変化が必要である。大きな屈折率の変化をこの電極構造によって実現し、すべてのモードを全反射することを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によれば、リッジ型導波路に直接電界を印加することができ、これにより低電圧駆動の光スイッチ、光変調素子等の光導波路デバイスを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態１における光導波路の構造を示す平面図と断面図
【図２】本発明の実施の形態１における別の光導波路の断面図
【図３】本発明の実施の形態２における光スイッチの構造を示す図
【図４】本発明の実施の形態２における別の光スイッチの構造を示す図
【図５】本発明の実施の形態３における光スイッチの構造を示す図
【図６】本発明の実施の形態４における光スイッチの構造を示す図
【図７】本発明の実施の形態５における光スイッチの構造を示す図
【符号の説明】
【００３７】
１０１  第１の基板
１０２  第２の基板
１０３  リッジ部
１０４  電極
１０５、１０６  バッファ層
１０７  電極
１０８  導波光
１０９  凹部
１１０  直接接合部
１１１  電界
１１２  入射光
２０１  第１の基板
２０２  第２の基板
２０３  金属層
２０４  バッファ層
２０５  リッジ部
２０６  バッファ層
２０７  電極
２０８  スルーホール
２０９  外部端子
３０１  第１の基板
３０２  第２の基板
３０３  第１の導波路
３０４  第２の導波路
３０５  分岐導波路
３０６、３０７  バッファ層
３０８、３０９  電極
３２０  電界
４０１  第１の導波路
４０２  第２の導波路
４０３、４０４、４０５、４０６  電極
５０１  第１の基板
５０２  第２の基板
５０３  導波路
５０４、５０５  電極
５０６、５０７  偏光子
５１１  電界
６０１  第１の基板
６０２  第２の基板
６０３  導波路
６０４  分極反転部
６０５、６０６  電極
６１２  入射光
６１３  出射光
７０１  第１の基板
７０２  第２の基板
７０３  第１の導波路
７０４  第２の導波路
７０５、７０６  電極
７１２  入射光
【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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