(57)【要約】【課題】コアとなる電気光学材料に電荷が注入されるのを抑制し、電気光学素子の内部を伝搬する光ビームのビーム形状歪みを防止することが可能な電気光学素子を提供する。【解決手段】本発明の電気光学素子１は、電気光学材料からなる薄膜をコア層４としてコア層４の両側に誘電体材料からなるクラッド層を介して光導波路２が形成されかつコア層４はクラッド層を介して対向する一対の電極層７ａ、７ｂの間に配置され、一対の電極層７ａ、７ｂに電圧Ｖを印加することによりコア層４の屈折率が変化する。  クラッド層は第１クラッド層５ａ、５ｂと第２クラッド層６ａ、６ｂとからなる。第２クラッド層６ａ、６ｂの誘電率は第１クラッド層５ａ、５ｂの誘電率よりも大きく、かつ、第２クラッド層６ａ、６ｂの膜厚は第１クラッド層５ａ、５ｂの膜厚よりも厚い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学材料からなる薄膜をコア層として該コア層の両側に誘電体材料からなるクラッド層を介して光導波路が形成されかつ前記コア層は前記クラッド層を介して対向する一対の電極層の間に配置され、前記一対の電極層に電圧を印加することにより前記コア層の屈折率が変化する電気光学素子であって、
前記クラッド層が第１クラッド層と第２クラッド層とからなり、該第２クラッド層の誘電率が第１クラッド層の誘電率よりも大きく、かつ、第２クラッド層の膜厚が第１クラッド層の膜厚よりも厚いことを特徴とする電気光学素子。
【請求項２】
第１クラッド層の膜厚が前記コア層を伝搬する光の波長より小さいことを特徴とする請求項１に記載の電気光学素子。
【請求項３】
前記第２クラッド層の屈折率が前記コア層の屈折率より大きいことを特徴とする請求項１に記載の電気光学素子。
【請求項４】
前記第２クラッド層の光透過率が前記第１クラッド層の光透過率より低いことを特徴とする請求項３に記載の電気光学素子。
【請求項５】
前記電極層が少なくとも２種類以上の金属薄膜からなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電気光学素子。
【請求項６】
前記第１クラッド層と前記第２クラッド層との少なくとも一方が微細構造を有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の電気光学素子。
【請求項７】
前記コア層が分極反転領域を有することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の電気光学素子。
【請求項８】
前記コア層を構成する電気光学材料が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸バリウム、ＫＴＮ、ＳＴＯ、ＢＴＯ、ＳＢＮ、ＫＴＮ、ＰＬＺＴ、ＰＺＴ、ＤＡＳＴのいずれか一つ以上の材料を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の電気光学素子。
【請求項９】
前記第２クラッド層の材料が、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸バリウム、ＫＴＮ、ＳＴＯ、ＢＴＯ、ＳＢＮ、ＫＴＮ、ＰＬＺＴ、ＰＺＴ、ＤＡＳＴのいずれかを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の電気光学素子。
【請求項１０】
前記コア層に１０ｋＶ／ｍｍの電界が印加されたときに、前記コア層に流れる電流密度が２ｎＡ／ｍｍ2以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の電気光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気光学素子の改良に関し、とりわけ、導波路型の電気光学素子の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電気光学効果を利用した光学素子として電気光学素子が知られている。この電気光学素子は、電界の変化に対する応答速度が極めて速いという性質があるので、光強度変調器、Ｑスイッチ素子、光ビームスキャナ等に用いられている。
【０００３】
電気光学効果とは、一般に、光が透過する物質に電場をかけると屈折率が変化する物理現象をいい、また、電場の強さに比例して屈折率が変化する効果をポッケルス効果といい、その屈折率変化量は以下の（１）式で与えられる。
[数１]
Δｎ ∝ ｒij × Ｖ ／ ｄ  ・・・（１）
ここで、ｒijは電気光学定数（ポッケルス定数）、Ｖは印加電圧、ｄは電圧を印加する電極の間隔である。
【０００４】
電気光学効果による屈折率変化量は比較的小さく、例えば、典型的な電気光学材料であるニオブ酸リチウムを用いた場合、Δｎ＝０．００１程度の屈折率変化を与えるためには、6ｋＶ／ｍｍ程度の大きな電界を電気光学結晶（ＥＯ結晶）に印加する必要がある。
実用的には、電気光学素子には、低電圧で動作可能でかつ幅広い周波数帯域で応答特性が良好であることが求められる。
低電圧で大きな屈折率変化を得るためには、式（１）から明らかなように、電極の間隔ｄを小さくすることが有効である。
【０００５】
一方、電気光学材料に導波路を形成する代表例として、ニオブ酸リチウム等の電気光学結晶にチタンを局所的に拡散して、その拡散領域のみの屈折率を上昇させて光導波路構造を形成するという不純物拡散による光導波路形成技術が知られている。この光導波路構造では、電極は電気光学結晶の表面の不純物拡散により形成された光導波領域の近傍に設けられる。
【０００６】
また、電気光学材料に光導波路を形成する他の例として、研磨等によって電気光学結晶を薄膜化し、薄膜化された電気光学結晶基板の上面と下面とに電極層を設けて光導波路を形成する光導波路形成技術も知られている。
この場合、電界の印加方向は電気光学結晶基板の上面と下面とに対して垂直である。この電気光学素子に光導波路を形成する技術によれば、電気光学結晶が有する本来の電気光学効果の特性を保ったまま光導波路構造を実現できるので、低電圧動作に対して有効な電気光学素子を提供できる。
【０００７】
このような薄膜型の電気光学素子では、導波光を光導波路のコア層としての電気光学結晶基板からなる薄膜の内部に閉じ込めて伝搬させるために、薄膜と電極層との間にコア層である薄膜の屈折率よりも屈折率の低い透明材料をクラッド層として介在させる必要がある。クラッド層を形成するための典型的なクラッド材料として、SiO2のような誘電体材料がある。
【０００８】
このクラッド層とコア層とによって形成された光導波路に電圧を印加した場合、コア層に印加される電圧は、以下の（２）式により与えられる。
[数２]
Vco ＝ Ｖ ／ ［  １  ＋  （  ｄcl／ｄco  ・  εco／εcl）  ］  ・・・（２）
ここで、Ｖは光導波路への印加電圧、Ｖcoはコア層に印加される電圧、ｄcoはコア層の膜厚、ｄclはクラッド層の膜厚、εcoはコア層の誘電率、εclはクラッド層の誘電率である。
【０００９】
その式（２）から分かるように、クラッド層を設けると、式（２）の右辺の分母は「１」よりも大きくなるので、電気光学結晶基板そのものに印加される電圧、すなわち、コア層に印加される電圧Ｖcoは低くくなる。
【００１０】
例えば、ニオブ酸リチウム薄膜をコア層、ＳｉＯ2をクラッド層とする導波路型の電気光学素子では、コア層の層厚を1０マイクロメートル、クラッド層の層厚を１マイクロメートルと仮定すると、電気光学結晶自体（電気光学材料であるニオブ酸リチウム）に印加される電圧は、電気光学素子全体に印加した電圧の０．４倍程度にしかならならず、このため、電気光学素子それ自体の動作電圧が高くなる。
【００１１】
従って、電気光学材料に印加される電圧を高くするためには、クラッド層の厚さを薄くすることが必要となる。例えば、クラッド層を０．２マイクロメートル程度に薄くした場合、電気光学材料に印加される電圧は電気光学素子に印加した電圧の０．８倍程度となり、動作電圧の低減を考えた場合には実用的である。このように、従来の導波路型の電気光学素子ではクラッド層をできる限り薄くすることが低電圧駆動には有効である（例えば、特許文献１参照）。
【００１２】
この特許文献１には、シリコンを基板として強誘電体材料をコア層とする電気光学素子において、クラッド層における電圧降下を抑制するために、高誘電率を有する薄膜をクラッド層として用いる構成及びそのクラッド層の形成に有効な製造方法が開示されている。
この特許文献１に開示の技術と本発明とは、薄膜化されたクラッド層が多層構造を有する点で類似している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、特許文献１に開示の技術では、クラッド層の厚さがが薄いために電気光学素子に高電界を印加した際に絶縁破壊が発生するおそれ、すなわち、電界強度が大きな電圧を印加して電気光学素子を動作させることにすると、クラッド層が絶縁破壊を生じる恐れがある。電気光学素子に電圧を印加した場合に、クラッド層に印加される電界強度は以下の（３）式で与えられる。
[数３]
Ｅcl ＝εco／εcl  ・  Ｅco  ・・・（３）
ここで、Ｅcl及びＥcoはそれぞれクラッド層及びコア層に印加される電界強度である。
【００１４】
例えば、ニオブ酸リチウム薄膜をコア層、ＳｉＯ2をクラッド層とする光導波路型の電気光学素子では、εco／εclは７程度であり、電気光学材料の７倍もの高電界がクラッド層に印加されることになる。
一例として、厚さ１０マイクロメートルのニオブ酸リチウム薄膜に１００Ｖの電圧を印加して動作させるような電気光学素子では、ニオブ酸リチウムに印加される電界強度は１０ｋＶ／ｍｍとなり、ＳｉＯ2クラッド層には７０ｋＶ／ｍｍもの高電界が印加される。
【００１５】
一般的な石英ガラスの絶縁破壊電圧は４０ｋＶ／ｍｍ程度であり、クラッド層において絶縁破壊が発生する可能性が非常に高い。
クラッド層において絶縁破壊が発生した場合、電気光学素子には以下に説明する悪影響が発生する。
まず、クラッド層の成膜時の膜厚分布や、膜の表面粗さ、或いはコア層との密着性の領域依存性等の理由により、絶縁破壊はクラッド層全領域で同時に発生するわけではなく、クラッド層の一部の領域に局所的に発生すると考えられる。
【００１６】
絶縁破壊が発生した箇所では、本来絶縁体であるクラッド層はほぼ導電体として振舞うから、絶縁破壊領域が微小である場合、その絶縁破壊箇所では電極に微小な突起を設けた場合と同様の作用をもつと考えられる。
このような微小突起には電界が集中することが知られており、コア層である電気光学材料も絶縁破壊を生じる可能性がある。また、電気光学材料の絶縁破壊までには至らなくとも、クラッド層に導電領域が形成されることにより、その導電領域を介して電気光学材料の内部に電荷が注入される可能性がある。
【００１７】
電気光学材料に局所的に絶縁破壊が発生した場合でも、クラッド層を介して電気光学材料の内部に電荷が注入された場合であっても、いずれも電気光学材料内部に不均一に電荷が注入される。この注入電荷が存在すると、この注入電荷によって電気光学材料の内部に形成される電界が終端される。従って、電気光学素子を動作させる際に、局所的な電荷注入によって電気光学材料の内部に形成される電界強度が不均一となる。
【００１８】
電気光学素子を動作させる際には、電気光学材料の内部に均一に電界が印加されていることが重要である。特に、光導波路の内部の電界が不均一となる場合、電界によって誘起される屈折率変化量も領域毎に異なることになり、その結果、光導波路を伝搬した光ビームの形状に大きな歪みが生じる。
【００１９】
特に、光導波路が横方向に閉じ込める構造を持たないスラブ導波路の場合、この電界不均一によるビーム形状の歪みが顕著に現れる。ビーム形状の歪みは電気光学素子を変調器として用いた場合には消光比の低下につながり、また、光ビームスキャナとして用いた場合には、出射ビームそのものの光ビームの形状の劣化や、スキャナによって分解できる解像点数の低減を引き起こす。
【００２０】
このように、従来のクラッド層では、光導波路を通過する光ビームのビーム形が歪み、その結果電気光学素子の性能を悪化させるという問題があった。
本発明は、光導波路型の電気光学素子において、コア層となる電気光学材料に電荷が注入されるのを抑制し、電気光学素子の内部を伝搬する光ビームのビーム形状の歪みを防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の電気光学素子は、電気光学材料からなる薄膜をコア層としてこのコア層の両側に誘電体材料からなるクラッド層を介して光導波路が形成されかつこのコア層はそのクラッド層を介して対向する一対の電極層の間に配置され、その一対の電極層に電圧を印加することによりそのコア層の屈折率が変化する。
そのクラッド層は第１クラッド層と第２クラッド層とからなる。第２クラッド層の誘電率は第１クラッド層の誘電率よりも大きく、かつ、その第２クラッド層の膜厚は第１クラッド層の膜厚よりも厚いことを特徴とする。
その第１クラッド層の膜厚はコア層を伝搬する光の波長より小さいことが望ましい。
その第２クラッド層の屈折率はそのコア層の屈折率より大きいことが望ましい。
その第２クラッド層の光透過率はその第１クラッド層の光透過率より低いことが望ましい。
その電極層は少なくとも２種類以上の金属薄膜からなることが望ましい。
その第１クラッド層とその第２クラッド層との少なくとも一方は微細構造を有することが望ましい。
コア層には分極反転領域を形成しても良い。
そのコア層を構成する電気光学材料には、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸バリウム、ＫＴＮ、ＳＴＯ、ＢＴＯ、ＳＢＮ、ＫＴＮ、ＰＬＺＴ、ＰＺＴ、ＤＡＳＴのいずれか一つ以上の材料が含まれる。
その第２クラッド層の材料には、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸バリウム、ＫＴＮ、ＳＴＯ、ＢＴＯ、ＳＢＮ、ＫＴＮ、ＰＬＺＴ、ＰＺＴ、ＤＡＳＴのいずれかが含まれる。
そのコア層に１０ｋＶ／ｍｍの電界が印加されたときに、そのコア層に流れる電流密度が２ｎＡ／ｍｍ2以下であることが望ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、電気光学素子を構成する光導波路において、クラッド層を低誘電率を有する薄膜と、高誘電率を有する厚膜とが順に形成された多層構造とすることにより、高誘電率を有するクラッド層が電気光学素子の動作時の電極からの電荷注入を抑制し、かつ低誘電率を有するクラッド層がコア層への光閉じ込めを可能にするので、光導波路型の電気光学素子において、コア層となる電気光学材料への電荷の注入を抑制することができ、その結果、電気光学素子を駆動したときの光ビームの形状歪みを防止することができる。
また、電気光学素子を伝搬する導波光のうち高次モードの導波光が伝搬することを抑制する効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は本発明の実施例１に係わる電気光学素子を構成する光導波路断面構造の説明図である。
【図２】図２は本発明の実施例２に係わる電気光学素子を構成する光導波路断面構造の説明図である。
【図３Ａ】図３Ａは本発明の実施例３に係わる電気光学素子を構成する光導波路断面構造の説明図であって、第１クラッド層に微細構造が形成されている光導波路断面構造の説明図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは本発明の実施例３に係わる電気光学素子を構成する光導波路断面構造の説明図であって、第２クラッド層に微細構造が形成されている光導波路断面構造の説明図である。
【図４】図４は本発明の実施例４に係わる電気光学素子を構成するコア層に分極反転領域が形成されている状態を示す説明図である。
【図５】図５は従来の一般的な電気光学素子の光導波路断面構造の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００２４】
（実施例１）
この実施例１は、請求項１〜請求項４に記載の発明に対応している。
【００２５】
図１は本発明に係わる電気光学素子の光導波路断面構造の実施例１の説明図である。
図１において、符号１は電気光学素子である。この電気光学素子１は光導波路２を有する。その光導波路２は、電気光学材料としての電気光学結晶からなるコア層４を有する。コア層４の下面４ａには第１クラッド層５ａが形成され、この第１クラッド層５ａの下面には第２クラッド層６ａが形成されている。コア層４の上面４ｂには第１クラッド層５ｂが形成され、第１クラッド層５ｂの上面には第２クラッド層６ｂが形成されている。
【００２６】
光導波路２はコア層４を核としてコア層４から順に第１クラッド層５ａ（５ｂ）、第２クラッド層６ａ（６ｂ）を積層することにより構成される。第２クラッド層６ａの下面には第１電極層（下部電極層）７ａが形成され、第２クラッド層６ｂの上面には第１電極層（上部電極層）７ｂが形成される。
電気光学素子１はコア層４から順に第１クラッド層５ａ（５ｂ）、第２クラッド層６ａ（６ｂ）、第１電極層７ａ（７ｂ）を積層することにより構成される。
【００２７】
コア層４は第１クラッド層５ａ、５ｂ、第２クラッド層６ａ、６ｂを介して対向する一対の第１電極層７ａ、７ｂ間に配置される。第１電極層７ａ、７ｂに電圧Ｖを印加すると、コア層４の屈折率が変化する。
コア層４の厚さは、例えば、数１００ナノメートルから数１０マイクロメートルである。コア層４の表面から順に第１クラッド層５ａ（５ｂ）と第２クラッド層６ａ（６ｂ）を設けたのは、コア層４に効果的に導波光を閉じ込めて伝搬させるためである。
【００２８】
第１クラッド層５ａ（５ｂ）と第２クラッド層６ａ（６ｂ）とは互いに異なる誘電率を有する誘電体であり、第２クラッド層６ａ（６ｂ）の誘電率は第１クラッド層５ａ（５ｂ）の誘電率よりも大きい。また、少なくとも第１クラッド層５ａ（５ｂ）の屈折率にはコア層４の屈折率よりも低いものが用いられる。さらに、第２クラッド層６ａ（６ｂ）の膜厚が第１クラッド層５ａ（５ｂ）の膜厚よりも厚いものが用いられる。
【００２９】
コア層４を形成する電気光学材料には、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、ＫＴＰ（KTiOPO4）、ＳＢＮ、ＫＴＮのような非線形光学結晶を用いるのが好適である。
これらの光学結晶は、支持基板（図示を略す）に接着後、これらの電気光学結晶に研磨を施すことにより、電気光学結晶の特性を保持したまま薄膜化され得る。
【００３０】
また、クラッド層５ａ（５ｂ）、６ａ（６ｂ）を構成する材料には、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）や、酸化タンタル（Ta2O5）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）等の誘電体及びこれらの混合ガラスを用いることができる。第１電極層７ａ（７ｂ）を構成する材料には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒのような金属材料を用いる他、ＩＴＯ等の透明電極が好適である。
【００３１】
（請求項１に係わる発明に対応する実施例の効果）
請求項１に係わる発明に対応する実施例の効果を説明する前に、一般的な光導波路構造について説明する。
一般的な光導波路構造として、電気光学結晶からなるコア層に一層のみからなるクラッド層が設けられている光導波路に電圧を印加する場合について考える。
【００３２】
図５はその一般的な光導波路構造を示す説明図である。その図５において、符号１’は電気光学素子である。
この電気光学素子１’は光導波路２’を有する。その光導波路２’は電気光学材料としての電気光学結晶からなるコア層４’を有する。コア層４’の下面４ａ’にはクラッド層５ａ’が形成され、このクラッド層５ａ’の下面には電極層７ａ’が形成されている。、コア層４’の上面４ｂ’にはクラッド層５ｂ’が形成され、このクラッド層５ｂ’の上面には電極層７ｂ’が形成されている。
【００３３】
光導波路２’の内部に導波光を効果的に閉じ込めるには、クラッド層５ａ’を構成する材料として屈折率が小さいものほど好ましい。
しかしながら、このようなクラッド層５ａ’を構成する材料は、一般的に誘電率が小さい。電気光学結晶は一般的に誘電率が大きく、クラッド層５ａ’の誘電率εclに対するコア層４’の誘電率εcoの比εco／εclが大きくなる。
従って、電気光学素子１’に電圧Ｖを印加したとき、クラッド層５ａ’における電圧降下を抑制するためには、コア層４’に印加される印加電圧Ｖcoが光導波路２’に印加する印加電圧Ｖに近づけるには、式（２）から明らかなように、コア層４’の膜厚ｄcoに対するクラッド層５ａ’の膜厚ｄclの比ｄcl／ｄcoを小さくすれば良い。すなわち、クラッド層５ａ’の膜厚ｄclを薄くすることが求められる。
【００３４】
例えば、ニオブ酸リチウム薄膜をコア層４’、ＳｉＯ2をクラッド層５ａ’とする光導波路型の電気光学素子１’の場合、クラッド層５ａ’を０．２マイクロメートルの膜厚まで薄くすると、ニオブ酸リチウムの薄膜に印加される印加電圧Ｖcoは、電気光学素子１’に印加した印加電圧Ｖの０．８倍程度に抑えられる。
【００３５】
しかし、極端にクラッド層５ａ’（５ｂ’）を薄くした場合、電圧Ｖの印加によってクラッド層５ａ’（５ｂ’）を貫いて電極７ａ’（７ｂ’）から電気光学結晶（コア層４’）の内部に電荷が注入され得る。
電気光学結晶の内部に電荷が注入されると、電気光学結晶の内部に形成された電界分布が乱れ、光導波路２’を伝搬する光ビームの形状に歪みが生じる。従って、電気光学素子１’に電圧を印加する際に、電気光学結晶の内部への電荷注入を抑制することが要求される。
【００３６】
この要求を満たすため、この実施例１では、クラッド層を第１クラッド層５ａ、５ｂと第２クラッド層６ａ、６ｂとから構成し、第２クラッド層６ａ、６ｂには高誘電率を有する材料を用い、第２クラッド層６ａ、６ｂを低屈折率を有する第１クラッド層５ａ、５ｂの外側に設けている。
第２クラッド層６ａ、６ｂは誘電率が高いため、その厚さｄclを厚くしても第２クラッド層６ａ（６ｂ）における電圧降下が小さい。更に、膜厚そのものが厚いために、電圧印加時に第１電極層７ａ、７ｂから電荷がコア内部に注入することを抑制することが可能である。
【００３７】
例えば、ニオブ酸リチウム薄膜をコア層、Ｔａ2Ｏ5を第２クラッド層６ａ、６ｂとする光導波路型の電気光学素子１では、ニオブ酸リチウムとＴａ2Ｏ5の誘電率が比較的近いことから、Ｔａ2Ｏ5の膜厚ｄclを１マイクロメートル程度に厚くしても、ニオブ酸リチウムに印加される電圧Ｖcoは電気光学素子１に印加した電圧Ｖの０．８倍程度に抑えられる。
【００３８】
更に、第２クラッド層６ａ、６ｂは膜厚ｄclが厚いため、第１電極層７ａ、７ｂからの電荷注入を抑制することが可能であり、結果として電気光学素子１に高電圧を印加した際にコア層４への電荷注入を抑制することができる。
【００３９】
厚さ１０マイクロメートルのニオブ酸リチウムをコア層４、厚さ１マイクロメートルのＴａ2Ｏ5を第２クラッド層６ａ、６ｂとした電気光学素子１において、電気光学素子１に電圧Ｖ＝１００Ｖの電圧を印加したとき、電気光学素子１に流れる電流密度は２ｎＡ／ｍｍ2以下であった。
【００４０】
厚さ０．２マイクロメートルのＳｉＯ2のみをクラッド層５ａ’として用いた電気光学素子１’と比較すると、電流密度は１／１０以下であり、本発明による電荷注入抑制の効果を確認できた。
【００４１】
この場合、低屈折率材料で構成される第１クラッド層５ａ（５ｂ）はその膜厚ｄclを極めて薄くすることが可能である。第１クラッド層５ａ（５ｂ）に要求される膜厚ｄclは、電気光学素子１を構成する光導波路２におけるコア層４の屈折率と厚さに依存する。
【００４２】
例えば、ニオブ酸リチウムをコア層４、ＳｉＯ2を第１クラッド層５ａ（５ｂ）として仮定し、コア層４の厚さを１０マイクロメートルと仮定すると、光導波路２はマルチモード導波路となるが、コア層４と第１クラッド層５ａ（５ｂ）との屈折率差が０．７以上と極めて大きいため、第１クラッド層５ａ（５ｂ）を０．２マイクロメートル程度に形成すれば、ほぼ全ての光パワーを電気光学結晶の内部に閉じ込めることが可能である。
【００４３】
更に、高次モードの伝搬を抑制するために、より一層、第１クラッド層５ａ（５ｂ）の厚さを薄くすることも有効である。光導波路２を伝搬する光は、一般に高次モードほど第１クラッド層５ａ、５ｂに大きく染み出すが、極めて薄い第１クラッド層５ａ（５ｂ）の外側にまで染み出した伝搬光は第２クラッド層６ａ（６ｂ）の内部にまで達する。
【００４４】
ここでは、第１クラッド層５ａ（５ｂ）の屈折率より第２クラッド層６ａ（６ｂ）の屈折率の方が大きいので、第２クラッド層６ａ（６ｂ）に達した光成分は第２クラッド層６ａ（６ｂ）の内部に保持されたまま光導波路２の内部を伝搬する。第２クラッド層６ａ（６ｂ）には直接第１電極層７ａ、７ｂが接しているから、そのような光成分は第１電極層７ａ、７ｂで吸収されるか、損失を伴う反射を繰り返して光導波路２の内部から消失する。
【００４５】
この効果を利用して、光導波路２において高次モードが伝搬することを抑制することが可能である。多くの導波路型の電気光学素子１では伝搬モードが異なると屈折率変化量がことなるため、光導波路２がマルチモード導波路である場合、高次モードの光の伝搬を抑制することが好ましい。すなわち、第１クラッド層５ａ、５ｂの膜厚を電気光学素子１を伝搬する光の波長よりも小さくすると、高次モードの伝搬を抑制することにも効果がある。
【００４６】
また、一般的に、図５に示すような光導波路構造では、クラッド層５ａ’、５ｂ’の屈折率はコア層４’の屈折率よりも小さい。
これに対して、この実施例１では、図１に示す第２クラッド層６ａ、６ｂの材料はコア層４の材料の屈折率に依存せずに選択することが可能である。例えば、コア層４の材料としてＫＴＰを選択した場合について考える。
【００４７】
ＫＴＰの屈折率は１．８３程度であり、電気光学結晶の中では比較的に屈折率が低い。そこで、一般的には、クラッド層の材料として屈折率の低い誘電体材料を選択することになる。
しかし、この実施例１では、第２クラッド層６ａ、６ｂの材料にコア層４の屈折率よりも屈折率の大きな材料、例えば、Ｔａ2Ｏ5を選んでも構わない。
【００４８】
この場合、第１クラッド層５ａ、５ｂの材料に例えばＳｉＯ2のような低屈折率材料を用い、第１クラッド層５ａ、５ｂとコア層４との境界において、基本モードの光閉じ込めを実現し、第２クラッド層６ａ、６ｂがコア層４への電荷注入の抑制を担う。屈折率の大きな第２クラッド層６ａ、６ｂは光導波路２の内部を高次モードが伝搬することを抑制することに有効となる。
【００４９】
更に、第２クラッド層６ａ、６ｂは透明体である必要はない。第２クラッド層６ａ、６ｂの材料としては高い誘電率を有する材料が好適である。しかし、そのような材料の中には光を吸収あるいは散乱しやすい材料も含まれる。
【００５０】
本発明によれば、そのような高誘電体も第２クラッド層６ａ、６ｂの材料として用いることができる。具体的には、樹脂材料にセラミック材料を分散させた混合材料を塗布することや、セラミック材料をエアロゾルデポジション等の成膜プロセスで第１クラッド層５ａ、５ｂの外側に成膜することが有効である。
【００５１】
このような光導波路構造においても、第１クラッド層５ａ、５ｂとコア層４との境界において基本モードの光閉じ込めを実現し、第２クラッド層６ａ、６ｂがコア層４への電荷注入の抑制を担う。また、第２クラッド層６ａ、６ｂでは光が吸収あるいは散乱されるため、光導波路２の内部を高次モードが伝搬することを抑制することが可能である。
【００５２】
（実施例２）
図２は本発明に係わる電気光学素子の光導波路断面構造の実施例２の説明図である。その図２において、図１に示す電気光学素子の構成要素と同一構成要素については、同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
この実施例２では、電極層は２種類以上の金属薄膜からなる多層構造とされ、ここでは、電極層は第１電極層７ａ（７ｂ）と第２電極層８ａ（８ｂ）とから構成されている。
【００５３】
この実施例２では、第１電極層７ａ（７ｂ）と第２電極層８ａ（８ｂ）とは、異なる材料から構成されている。電気光学素子１の最表面となる第２電極層８ａ（８ｂ）には周囲環境変化に対して影響を受けにくい材料が好ましく、例えばAuやPt等が好適である。
このような材料と第２クラッド層６ａ（６ｂ）との密着性が悪い場合には、両者のいずれに対しても密着性の良好な別の電極材料を第１電極層７ａ（７ｂ）として介在させることが有効である。
【００５４】
また、電極層に用いる電極材料が異なると、その仕事関数が異なるから、電気光学素子１への電荷注入量も異なってくることが知られている。従って、第１電極層７ａ（７ｂ）として電荷注入が発生しにくい電極材料を選ぶことが好ましい。
【００５５】
具体的には、仕事関数の小さいCrやTi、Al等が好適である。これらの金属は比較的酸化しやすいため、長時間の動作の間に電極材料の組成が変化し、電極層として有効に機能しなくなる恐れがある。このような問題を解決するためにも、第１電極層７ａ（７ｂ）に続けて酸化しにくい第２電極層８ａ（８ｂ）を形成することが有効である。
【００５６】
（実施例３）
図３Ａ、図３Ｂは、本発明に係わる電気光学素子を構成する光導波路断面構造の実施例３の説明図である。
図３Ａには、第１クラッド層５ａ、５ｂに微細構造５ａ”、５ｂ”が形成されている例が示されている。第２クラッド層６ａ、６ｂは、その微細構造５ａ”、５ｂ”を被覆するようにして第１クラッド層５ａ、５ｂの表面に形成され、第１電極層７ａ、７ｂがその第２クラッド層６ａ、６ｂの表面に形成されている。
【００５７】
この微細構造５ａ”、５ｂ”は、例えば、第１クラッド層５ａ、５ｂを成膜した後、ドライエッチング技術を用いて微細孔を形成することにより得られる。
また、この微細構造５ａ”、５ｂ”は、研磨加工、ウェットエッチング等によって第１クラッド層５ａ、５ｂの表面粗さを増加させることにより、簡便に形成できる。
【００５８】
その微細構造５ａ”、５ｂ”の凹凸は、光の伝搬方向（矢印Ｘ−Ｘ方向）に等間隔又はランダムに間隔を開けて形成されている。その微細構造５ａ”、５ｂ”の間隔Ｈは、光導波路２を伝搬する光の波長程度か又はそれ以下の大きさが好ましい。
クラッド層を多層構造とすることによる電荷注入の抑制効果については、実施例１、２と同様である。
【００５９】
この実施例３では、第１クラッド層５ａ、５ｂに微細構造５ａ”、５ｂ”を設けることによって電荷注入の抑制やコア層４への光閉じ込めがより一層効果的になる。
例えば、図３Ａに示す光導波路構造において、第１クラッド層５ａ、５ｂを極めて薄くすると、光導波路４を伝搬する光が感じるクラッド層の等価的な屈折率を、第１クラッド層５ａ、５ｂと第２クラッド層６ａ、６ｂの中間の値に設定することができる。
【００６０】
このクラッド層の等価的な屈折率は、微細構造５ａ”、５ｂ”の単位面積当たりの凹凸の個数（密度）を変えることにより任意の値に調整可能である。これによって、第２クラッド層６ａ、６ｂに基づくコア層４への電荷注入を抑制する共にクラッド層の屈折率を任意に設定でき、光導波路２の設計が容易になる。
【００６１】
図３Ｂには、第２クラッド層６ａ、６ｂに微細構造６ａ”、６ｂ”が形成されている例が示されている。第１電極層７ａ、７ｂはその微細構造６ａ”、６ｂ”を被覆するようにしてその第２クラッド層６ａ、６ｂの表面に形成されている。その微細構造６ａ”、６ｂ”の形成方法は微細構造５ａ”、５ｂ”の形成方法と同様の方法を用いることができる。
【００６２】
その微細構造６ａ”、６ｂ”は、光の伝搬方向（矢印Ｘ−Ｘ方向）に等間隔又はランダムに間隔を開けて形成されている。その微細構造６ａ”、６ｂ”の間隔Ｈは、光導波路２を伝搬する光の波長程度か又はそれ以下の大きさが好ましい。
【００６３】
図３Ａに示す光導波路構造と異なり、この図３Ｂに示す光導波路構造のように、第２クラッド層６ａ、６ｂに微細構造６ａ”、６ｂ”を設けることにより、第１電極層７ａ、７ｂから第２クラッド層６ａ、６ｂに注入される電荷量を制御することができる。
【００６４】
その微細構造６ａ”、６ｂ”によって、第２クラッド層６ａ、６ｂの内部に均一に電荷が注入されるため、第１クラッド層５ａ、５ｂにおいて電界の集中が発生することが抑制され、第１クラッド層５ａ、５ｂ、第２クラッド層６ａ、６ｂの絶縁破壊の発生を抑制することが可能である。
【００６５】
（実施例４）
図４は本発明に係わる電気光学素子の実施例４の説明図であって、電気光学材料からなる光導波路のコア層を示す図である。
ここでは、電気光学素子１を光偏光器として用いる実施例について説明する。
電気光学素子１を光偏向器として用いるためには、プリズム構造体４Ａをコア層４を構成する電気光学材料に形成することが有効である。具体的な電気光学材料としては、ニオブ酸リチウム結晶やタンタル酸リチウム結晶等が考えられる。
【００６６】
コア層４には三角形状（プリズム形状）の分極反転領域４ａから構成され、この分極反転領域４ａの結晶軸の向きは残余の領域４ｂとは逆になっている。この分極反転領域４ａは光ビーム（導波光）Ｐの伝搬方向に規則的に配列されている。分極反転領域４ａの結晶軸の向きは、例えば、図４においては、紙面の裏側から紙面の表側に向かう方向（矢の先で示す）であり、残余の領域４ｂの結晶軸の向きは紙面の裏側から紙面の表側に向かう方向（矢羽で示す）である。
【００６７】
コア層４に一様な電圧が印加されると、分極反転領域４ａと残余の領域４ｂとで屈折率変化量の符号が逆転する。このため、コア層４にプリズム構造体４Ａが生成される。
そのプリズム構造体４Ａは、複数個のプリズムの集合からなり、コア層４の内部を伝搬する光ビームＰは各プリズムの境界において伝搬角が曲がり、電気光学素子１からの出射時には光ビーム（導波光）Ｐの進行方向が電気光学素子１の入射時とは異なって、すなわち、偏向されて出力される。印加電圧Ｖの大きさに対応してビーム偏向角を異ならせることができ、電気光学素子１をビーム偏向器として利用することができる。
【００６８】
電気光学結晶の内部にこのような分極反転領域４ａを形成するには、各種の方法が知られている。一般的には、電気光学結晶に抗電界以上の高い電界に相当する高電圧を結晶材料に印加すればよい。三角形状（プリズム形状）の分極反転領域４ａを形成したい部分を絶縁体でマスクした状態で高電圧を印加することによって、三角形状（プリズム形状）分極反転領域４ａを形成することができる。一般的なフォトレジストを絶縁体を用いて分極反転領域４ａを十分に形成可能である。
【００６９】
プリズム型の光偏向器は印加電圧が大きいほど偏向角度が大きくなるため、電気光学素子１には１００V以上の電圧が印加される可能性がある。コア層４の厚さがマイクロメートルオーダーの場合、電気光学結晶及び第１クラッド層５ａ、５ｂ、第２クラッド層６ａ、６ｂの材料には極めて大きな電界が形成される。
これに伴って、第１電極層７ａ、７ｂからコア層４への電荷注入が発生して、電気光学素子１の電気光学的特性、性能の劣化が懸念されるが、本発明に係わる多層のクラッド層を形成することにより、電気光学素子１に高電圧を印加する際にも電極層からコア層４への電荷注入を抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００７０】
１…電気光学素子
２…光導波路
４…コア層
５ａ、５ｂ…第１クラッド層
６ａ、６ｂ…第２クラッド層
７ａ、７ｂ…第１電極層
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７１】
【特許文献１】特開２００９‐０８０３７８号公報
【図１】
2011048067.tif 000003
【図２】
2011048067.tif 000004
【図３Ａ】
2011048067.tif 000005
【図３Ｂ】
2011048067.tif 000006
【図４】
2011048067.tif 000007
【図５】
2011048067.tif 000008