(57)【要約】【課題】  低電圧駆動の高速波長当可変フィルタを提供する。【解決手段】  本発明に係る波長可変フィルタは、ＫＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１）およびＫ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）の少なくとも一方からなる組成の結晶材料である、複数の三次元光導波路と、三次元光導波路上に設けられた電極とからなるアレイ光導波路を有するアレイ光導波路格子波長可変フィルタである。アレイ光導波路格子波長可変フィルタは、チャネル光導波路の１本に対して、三次元光導波路を挟んで平行に対向する２つの電極が配置されている導波路電気光学位相シフタを有する。【選択図】      図４３
2008065354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＫＴａxＮｂ1-xＯ3（０＜ｘ＜１）およびＫxＬｉ1-xＴａyＮｂ1-yＯ3（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）の少なくとも一方からなる組成の結晶材料である、複数の三次元光導波路と、該三次元光導波路上に設けられた電極とからなるアレイ光導波路を有するアレイ光導波路格子波長可変フィルタであって、
前記三次元光導波路の１本に対して、該三次元光導波路を挟んで平行に対向する２つの電極が配置されている導波路電気光学位相シフタを有することを特徴とするアレイ光導波路格子波長可変フィルタ。
【請求項２】
請求項１に記載のアレイ光導波路格子波長可変フィルタにおいて、
前記三次元光導波路上に１つの電極が配置されている導波路電気光学位相シフタを有することを特徴とするアレイ光導波路格子波長可変フィルタ。
【請求項３】
請求項１に記載のアレイ光導波路格子波長可変フィルタにおいて、
前記三次元光導波路に沿って電極の正極及び負極が交互に配置されている導波路電気光学位相シフタを有することを特徴とするアレイ光導波路格子波長可変フィルタ。
【請求項４】
少なくとも１本の入力ポートチャネル光導波路と、
光路長が互いに異なるチャネル光導波路からなるチャネル光導波路アレイと、
少なくとも１本の出力ポートチャネル光導波路と、
前記入力ポートチャネル光導波路及び前記チャネル光導波路アレイを結ぶ第１のスラブ光導波路と、
前記出力ポートチャネル光導波路及び前記チャネル光導波路アレイを結ぶ第２のスラブ光導波路と、
前記チャネル光導波路アレイの一部からなり、ＫＴａxＮｂ1-xＯ3（０＜ｘ＜１）
およびＫxＬｉ1-xＴａyＮｂ1-yＯ3（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）の少なくとも一方からなる組成の第１の結晶材料であり、コア厚を有するコアと、前記第１の結晶材料とは異なる屈折率を有するＫＴａxＮｂ1-xＯ3（０＜ｘ＜１）およびＫxＬｉ1-xＴａyＮｂ1-yＯ3（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）の少なくとも一方からなる組成の第２の結晶材料であるクラッドとを備えた三次元光導波路と、前記三次元光導波路を挟んで平行に対向する２つの電極とを備え、前記コアは、前記コアの下面が前記クラッドの下面に対して第１の距離であり、前記コアの上面が前記クラッドの上面に対して第２の距離になるように、前記クラッドに埋め込まれ、前記クラッドは、０≦第１の距離，第２の距離≦３×コア厚の範囲のクラッド厚を有する導波路電気光学位相シフタとを備えることを特徴とするアレイ光導波路格子波長可変フィルタ。
【請求項５】
少なくとも１本の入力ポートチャネル光導波路と、
光路長が互いに異なるチャネル光導波路からなるチャネル光導波路アレイと、
少なくとも１本の出力ポートチャネル光導波路と、
前記入力ポートチャネル光導波路及び前記チャネル光導波路アレイを結ぶ第１のスラブ光導波路と、
前記出力ポートチャネル光導波路及び前記チャネル光導波路アレイを結ぶ第２のスラブ光導波路と、
ＫＴａxＮｂ1-xＯ3（０＜ｘ＜１）およびＫxＬｉ1-xＴａyＮｂ1-yＯ3（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）の少なくとも一方からなる組成の第１の結晶材料であり、コア幅を有するコアと、前記第１の結晶材料とは異なる屈折率を有するＫＴａxＮｂ1-xＯ3（０＜ｘ＜１）およびＫxＬｉ1-xＴａyＮｂ1-yＯ3（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）の少なくとも一方からなる組成の第２の結晶材料であるクラッドとを備えた三次元光導波路と、前記三次元光導波路を挟んで平行に対向する２つの電極とを備え、前記コアは、前記コアの上面が前記クラッドの上面に対して第１の距離になるように、前記クラッドに埋め込まれ、前記クラッドは、０≦第１の距離≦３×コア幅の範囲のクラッド厚を有する導波路電気光学位相シフタと備えることを特徴とするアレイ光導波路格子波長可変フィルタ。
【請求項６】
請求項１乃至５に記載のアレイ光導波路格子波長可変フィルタにおいて、
前記ＫＴａxＮｂ1-xＯ3またはＫxＬｉ1-xＴａyＮｂ1-yＯ3の温度を、該ＫＴａxＮｂ1-xＯ3またはＫxＬｉ1-xＴａyＮｂ1-yＯ3に対する正方晶から立方晶への相転移温度近傍に制御する温度コントローラをさらに備えることを特徴とするアレイ光導波路格子波長可変フィルタ。
【請求項７】
請求項１乃至３のいずれかに記載のアレイ光導波路格子可変フィルタにおいて、
前記電極による電界印加方向は、前記三次元光導波路に対して所定の結晶軸方向であることを特徴とするアレイ光導波路格子可変フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信用部品に使用する光スイッチ、光変調器および波長可変フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、光通信システムの大容量、高速化ならびに高機能化に対する要求は、急激に高まっている。このような、光通信システムに用いられる光信号処理デバイスとして期待されているのが、光スイッチや光変調器である。特に、近年のネットワークの高機能化に向けた光クロスコネクト用スイッチの重要性は急速に高まっている。このような光スイッチとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）と呼ばれるマイクロマシーン技術を用いた光スイッチと、石英系光導波路の熱光学効果を用いた光スイッチとが開発されている。また、導波路交差部分に導波路と等しい屈折率を有するオイルを充填しておき、過熱により気泡を発生させ、交差部分での光の反射を発生させることにより光路を切り替える光スイッチ等も開発されている。
【０００３】
しかし、これらの光スイッチの動作速度はｍｓｅｃの領域である。次世代光ネットワークに求められる光パケットのルーティングに必要な動作速度は１〜１０ｎｓｅｃである。
１〜１０ｎｓｅｃの動作速度が実現可能な光スイッチとしては、ＬｉＮｂＯ3（ＬＮとも呼ぶ）の電気光学効果を用いたスイッチがある。この光スイッチはＬＮの有する１次の電気光学効果により導波路屈折率を変化させることにより実現されている。
【０００４】
ＬＮを用いた電気光学効果の光スイッチを作製する方法としては、ＬＮ基板上に、Ｔｉ熱拡散法により、Ｙ分岐の形態をもつ導波路パタンを形成する。その上にバッファ層を形成し、さらにその上に導波路パタンに対応する電極を配設するという方法が知られている（西原、春名、栖原共著「光集積回路」、オーム社、ＰＰ．３１０−３２６（１９８５）参照）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、ＬＮは三方晶の結晶であり、もっとも大きい電気光学定数であるｒ33を用いるためには、複屈折性のある方位に光を導波させる必要がある。このため、光スイッチは光の偏光に対し動作が異なる偏波依存性を有することになる。偏波依存性は光の伝送においてエラーを起こす原因となるため、光スイッチには偏波無依存であることが重要である。そこで、ＬＮにおいても偏波無依存動作する光スイッチの作製が検討されている。しかしながら、複屈折性のない結晶方位を持った場合、電気光学定数の小さいｒ13を利用することとなり、駆動電圧が４０Ｖ以上になるという問題があった。
【０００６】
高速で動作する光スイッチとしては、半導体材料で構成された対称マッハツェンダ干渉計を用いるものが提案されている。しかしながら、マッハツェンダ干渉計は、スイッチングにコントロール光を用い、同期を取るなどの複雑な構成が必要であり、実用性に乏しい。
【０００７】
また、モード分布を制御するデジタル型光スイッチも提案されている。しかしながら、他の種類の光スイッチと比較して駆動電圧が高くなる問題がある。
【０００８】
ところで、電気光学効果は、結晶を構成する原子の電子状態が電界によって変化する現象であるから、電界の変化に対する応答速度は極めて速い。よって、フェムト秒レベルの電界変化に瞬時に応答するため超高速用光変調器として利用するのに最も適した物理現象といえる。特に、ＬＮは、Ｔｉなどの不純物の拡散やイオン交換などの方法により光導波路を比較的容易に作製できる。従って、一次の電気光学効果を利用した光変調器としても最も広く用いられている材料である（西原、春名、栖原共著「光集積回路」、オーム社、ＰＰ．３１０−３２６（１９８５）、特開昭５３−６０５４号公報、特開昭５３−５４０４０号公報参照）。
【０００９】
一般に、電気光学効果は、結晶の方位に応じた依存性があり、最も大きい電気光学定数を有する結晶軸に電界を印加して屈折率を変調する。ＬＮの場合は、上述のｒ33（３０ｐｍ／Ｖ）を利用する。また、光変調器を実現する場合、重要な性能パラメータは、動作速度および変調電圧である。位相変調量は、電極長に比例するため、電極長が長いほど変調電圧は低くてすむ。しかしながら、電極長が１ｃｍ以上であると、集中定数型電極を用いて、ＧＨｚ程度の高周波を一様にかけることは、変調信号の周期と電界が電極内で端から端まで到達する時間と同程度になるため難しくなる。逆に、応答速度を向上させようとして電極長を短くした場合、高電圧電源が必要となる。よって、この場合、現実に利用できる電源は非常に高価なものになってしまう。
【００１０】
本発明は、単純な構成で、低駆動電圧、偏波無依存かつ高速の光スイッチ、光変調器および波長可変フィルタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一実施形態は、立方晶かつ２次の電気光学効果を有する誘電体結晶からなり、光を伝播する三次元光導波路と、三次元光導波路に電界を印加する電極とを備え、光導波路デバイスを動作させる温度は、上記誘電体結晶の、立方晶から正方晶への相転移温度近傍である光導波路デバイスである。三次元光導波路は、基板表面に対して垂直な方向のみならず、平行な方向に光を閉じ込めることができるものであれば良い。例えば、埋め込み型光導波路やリッジ状光導波路であっても良い。
【００１２】
他の実施形態は、ＫＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１）（ＫＴＮとも呼ぶ）及びＫ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）（ＫＬＴＮとも呼ぶ）、又はＫＴＮ若しくはＫＬＴＮからなる組成の結晶材料であり、光を伝播する三次元光導波路と、三次元光導波路に電界を印加する電極とを備え、導波路電気光学位相シフタを動作させる温度は、上記結晶材料の、立方晶から正方晶への相転移温度近傍である導波路電気光学位相シフタである。
【００１３】
他の実施形態は、入力側に設けられた３ｄＢカップラと出力側に設けられた３ｄＢカップラと入力側３ｄＢカップラ及び出力側３ｄＢカップラを接続する２本の光導波路とにより構成されたマッハツェンダ干渉計と、２本の三次元光導波路の一方又は両方に電界を印加する電極とを備える光スイッチである。この光スイッチにおいて、少なくとも２本の三次元光導波路は、ＫＴＮ及びＫＬＴＮ、又はＫＴＮ若しくはＫＬＴＮからなる組成の結晶材料であり、上記光スイッチを動作させる温度は、上記結晶材料の、立方晶から正方晶への相転移温度近傍である。
【００１４】
他の実施形態は、ＫＴaＯ3、ＫＮbＯ3またはＫＴＮのいずれかの材料からなる基板上にＫＬＴＮまたはＫＴＮのいずれかの材料からなるコア導波路を配置する。コア導波路と比較して僅かに屈折率が低いＫＬＴＮをクラッド層とした三次元光導波路の下部クラッド層の下方若しくは上部クラッド層上方の少なくとも一方に形成されたコア導波路に電界を与えるための電極を備える。三次元光導波路により構成され、送られてきた光信号を受け取るための入力端を有する第１の入力光導波路と、第１の入力導波路から分岐する第２の出力光導波路と第３の出力光導波路とを含み、第２の出力光導波路および第３の出力光導波路に電極を備えたＹ分岐型導波路とを備える。上記光スイッチを動作させる温度は、上記コア導波路に含まれる材料の、立方晶から正方晶への相転移温度近傍である。
【００１５】
他の実施形態は、ＫＴＮおよびＫＬＴＮの少なくとも一方からなる組成の結晶材料を導波路材料に用いて、少なくとも１つの入力導波路と、１つの出力導波路と、入力導波路に接続された３ｄＢカップラと、出力導波路に接続された３ｄＢカップラと、２つの３ｄＢカップラを接続する２つの三次元光導波路とを有するマッハ・ツェンダ型の光変調器である。この三次元光導波路の少なくとも一方に、電極が配置されている電気光学位相シフタを有する。上記光変調器を動作させる温度は、上記結晶材料の、立方晶から正方晶への相転移温度近傍である。
【００１６】
他の実施形態は、ＫＴＮまたはＫＬＴＮのいずれかの材料からなる基板と、ＫＴＮまたはＫＬＴＮのいずれかの材料からなる三次元光導波路とを備える広帯域光変調器である。
また、三次元光導波路に沿って形成され、マイクロ波と光波との速度整合をとる進行波電極からなる複数の電極を備える。上記広帯域光変調器を動作させる温度は、上記三次元光導波路に含まれる材料の、立方晶から正方晶への相転移温度近傍である。
他の実施形態は、ＫＴＮおよびＫＬＴＮの少なくとも一方からなる組成の第１の結晶材料であり、コア厚を有するコアと、第１の結晶材料とは異なる屈折率を有するＫＴＮおよびＫＬＴＮの少なくとも一方からなる組成の第２の結晶材料であるクラッドとを備えた三次元光導波路とを備える導波路電気光学位相シフタである。また、三次元光導波路を挟んで平行に対向する２つの電極を備える。このコアは、コアの下面がクラッドの下面に対して第１の距離であり、コアの上面がクラッドの上面に対して第２の距離になるように、クラッドに埋め込まれる。クラッドは、０≦第１の距離，第２の距離≦３×コア厚の範囲のクラッド厚を有する。上記導波路電気光学位相シフタを動作させる温度は、上記第１の結晶材料の、立方晶から正方晶への相転移温度近傍である。
【００１７】
他の実施形態は、ＫＴＮおよびＫＬＴＮの少なくとも一方からなる組成の第１の結晶材料であり、コア幅を有するコアと、第１の結晶材料とは異なる屈折率を有するＫＴＮおよびＫＬＴＮの少なくとも一方からなる組成の第２の結晶材料であるクラッドとを備えた三次元光導波路を備える導波路電気光学位相シフタである。また、三次元光導波路を挟んで平行に対向する２つの電極を備える。このコアは、コアの上面がクラッドの上面に対して第１の距離になるように、クラッドに埋め込まれる。クラッドは、０≦第１の距離≦３×コア幅の範囲のクラッド厚を有する。上記導波路電気光学位相シフタを動作させる温度は、上記第１の結晶材料の、立方晶から正方晶への相転移温度近傍である。
【００１８】
他の実施形態は、ＫＴＮおよびＫＬＴＮの少なくとも一方からなる組成の結晶材料である、複数の三次元光導波路と、三次元光導波路上に設けられた電極とからなるアレイ光導波路を有するアレイ光導波路格子波長可変フィルタである。アレイ光導波路格子波長可変フィルタは、チャネル光導波路の１本に対して、三次元光導波路を挟んで平行に対向する２つの電極が配置されている導波路電気光学位相シフタを有する。上記アレイ光導波路格子波長可変フィルタを動作させる温度は、上記結晶材料の、立方晶から正方晶への相転移温度近傍である。
【００１９】
他の実施形態は、少なくとも１本の入力ポートチャネル光導波路と、光路長が互いに異なるチャネル光導波路からなるチャネル光導波路アレイと、少なくとも１本の出力ポートチャネル光導波路と、入力ポートチャネル光導波路及びチャネル光導波路アレイを結ぶ第１のスラブ光導波路と、出力ポートチャネル光導波路及びチャネル光導波路アレイを結ぶ第２のスラブ光導波路とを備えるアレイ光導波路格子波長可変フィルタである。また、チャネル光導波路アレイの一部からなり、ＫＴＮおよびＫＬＴＮの少なくとも一方からなる組成の第１の結晶材料であり、コア厚を有するコアと、第１の結晶材料とは異なる屈折率を有するＫＴＮおよびＫＬＴＮの少なくとも一方からなる組成の第２の結晶材料であるクラッドとを備えた三次元光導波路と、三次元光導波路を挟んで平行に対向する２つの電極とを備える。また、コアは、コアの下面がクラッドの下面に対して第１の距離であり、コアの上面がクラッドの上面に対して第２の距離になるように、クラッドに埋め込まれ、クラッドは、０≦第１の距離，第２の距離≦３×コア厚の範囲のクラッド厚を有する導波路電気光学位相シフタを備える。上記アレイ光導波路格子波長可変フィルタを動作させる温度は、前記第１の結晶材料の、立方晶から正方晶への相転移温度近傍である。
【００２０】
他の実施形態は、少なくとも１本の入力ポートチャネル光導波路と、光路長が互いに異なるチャネル光導波路からなるチャネル光導波路アレイと、少なくとも１本の出力ポートチャネル光導波路と、入力ポートチャネル光導波路及びチャネル光導波路アレイを結ぶ第１のスラブ光導波路と、出力ポートチャネル光導波路及びチャネル光導波路アレイを結ぶ第２のスラブ光導波路とを備えるアレイ光導波路格子波長可変フィルタである。また、ＫＴＮおよびＫＬＴＮの少なくとも一方からなる組成の第１の結晶材料であり、コア幅を有するコアと、第１の結晶材料とは異なる屈折率を有するＫＴＮおよびＫＬＴＮの少なくとも一方からなる組成の第２の結晶材料であるクラッドとを備えた三次元光導波路と、三次元光導波路を挟んで平行に対向する２つの電極とを備える。また、コアは、コアの上面がクラッドの上面に対して第１の距離になるように、クラッドに埋め込まれ、クラッドは、０≦第１の距離≦３×コア幅の範囲のクラッド厚を有する導波路電気光学位相シフタを備える。上記アレイ光導波路格子波長可変フィルタを動作させる温度は、前記第１の結晶材料の、立方晶から正方晶への相転移温度近傍である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明をより詳細に説述するために、添付の図面に従ってこれを説明する。
【００２２】
本実施形態に係る光スイッチおよび光変調器では、立方晶かつ大きい２次の電気光学効果を有する誘電体結晶を用いる。具体的には、ＫＴＮ（ＫＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１））及びＫＬＴＮ（Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１））、又はＫＴＮ若しくはＫＬＴＮからなる組成の結晶材料を用いる。本発明の一実施形態は、これらの結晶材料で構成された光導波路デバイスを用いることを特徴としている。ここで、ＸはＴａ及びＮｂに対するＮｂの組成比であり、ＹはＫ及びＬｉに対するＬｉの組成比である。
【００２３】
ＫＴＮに対して、外部電極を結晶軸方向に印加すると、ＫＴＮは二次の電気光学効果を示す。その値は（１２００〜８０００ｐｍ／Ｖ）であり、ＬＮの有する非線形定数３０ｐｍ／Ｖに比べて著しく大きい。
【００２４】
また、ＫＴＮは、組成に依存し、−２７３℃〜４００℃のキュリー転移温度で強誘電転移を生じる。このキュリー温度を境に、比誘電率が約３０００〜約２００００に大きく変化する。非線形効果に基づく屈折率変化は、比誘電率の２乗に比例する。このため、転移温度近傍では、より低電圧で屈折率を制御することが可能となる。さらに、キュリー温度は、ＫＴａ1-xＮｂxＯ3の組成ｘの値に応じて変化するが、ＬｉをＫＴＮに添加するこ
とによっても、その温度範囲を調整することができる。
【００２５】
なお、ＫＴＮ、ＫＬＴＮ結晶の他に、ＫＴＮ、ＫＬＴＮ結晶と同様に立方晶かつ大きい２次の電気光学効果を有する誘電体結晶を用いてもよい。例えば、ＫＴＮ結晶のＫをＢａで、Ｔａ及びＮｂを両方ともＴｉで置き換えた結晶材料であるＢａＴｉＯ3（ＢＴＯ）は、室温では正方晶の構造をとる。しかしながら、ＢＴＯは、約１００℃以上において構造相転移して立方晶となる。したがって、この状態でならば、本発明のＫＴＮ、ＫＬＴＮ結晶を用いた方法により、本発明の光スイッチおよび光変調器を構成することができる。また、動作温度などで使い勝手に差はあるものの、ＫＴＮ結晶のＫをＳｒで置き換えたＳＴＯや、Ｃａで置き換えたＣＴＯも同様の性質を有する。さらに、ＢＴＯとＳＴＯとＣＴＯとの３つの材料のうち、２つ以上の材料を混合して得られる材料も同様である。さらなる変形として、ＢＴＯのＢａをＰｂとＬａとで置換し、Ｔｉの一部をＺｒで置換した材料であっても良い。換言すれば、ＫＴＮ結晶のＫをＰｂとＬａとで置換し、Ｔａ及びＮｂをＴｉとＺｒとで置換した材料（一般にＰＬＺＴと称する結晶材料）も、全く同様に用いることができる。なお、上記変形は、ＫＴＮ結晶と同様に、ＫＬＴＮ結晶へも適用可能であり、その場合、Ｌｉを、Ｂａ、Ｓｒ、ＣａやＰｂ、Ｌａへ置き換える。
【００２６】
ＫＴＮ、ＫＬＴＮ結晶は、立方晶から正方晶さらに菱面体晶へと温度により結晶系を変える性質を有している。これらの結晶は、立方晶においては、大きい２次の電気光学効果を有することが知られている。特に、立方晶から正方晶への相転移温度に近い領域では、比誘電率が発散する現象が起こり、比誘電率の自乗に比例する２次の電気光学効果はきわめて大きい値となる。したがって、光スイッチを駆動する電圧も１Ｖ以下とすることが可能となり、電源への負荷が小さく、ＩＣでの駆動が可能となる。
【００２７】
又、２次の電気光学効果を利用する光スイッチおよび光変調器の動作温度は、ＫＴＮ、ＫＬＴＮ結晶の立方晶から正方晶への相転移近傍が望ましい。ＫＴＮ、ＫＬＴＮ結晶は、ＴａとＮｂの組成比を変化させることにより、常誘電性から強誘電性（結晶系は立方晶から正方晶）への相転移温度を、ほぼ絶対零度から４００℃まで変化させることが可能である。そのため、ＫＴＮ、ＫＬＴＮ結晶を用いて作製した光スイッチおよび光変調器は、その動作温度を室温付近に容易に設定できるという利点もある。加えて、本発明に係る光スイッチおよび光変調器は、立方晶の領域の結晶を光導波路に使用するため、光導波路としては複屈折性がなく、光スイッチとしても偏波無依存動作が可能となる。
【００２８】
上記特徴を最も発揮するＫＴＮ、ＫＬＴＮ結晶材料の組成比としては、ＫＴＮについては、０＜ｘ＜１であればよく、また、ＫＬＴＮについては、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１であればよい。ただし、組成比Ｘ（ＴａおよびＮｂに対するＮｂの比）は０．５５以上かつ０．９０以下の範囲が好ましく、組成比Ｙ（ＫおよびＬｉに対するＬｉの比）は０より大きくかつ０．１未満の範囲が好ましい。組成比Ｘが０．５５〜０．９０の範囲以外である場合は、結晶の相転移温度が高すぎたり低すぎたりするため適切でなく、組成比Ｙが０．１以上の場合は、結晶構造が変わるため適切でない。
【００２９】
（第１の実施形態）  
第1の実施形態に係る光スイッチは、光を伝搬する光導波路と、光導波路に電界を印加する電極とを有する。その光導波路として、ＫＴＮ、ＫＬＴＮ結晶等の立方晶かつ大きい２次の電気光学効果を有する誘電体結晶を用いる。
【００３０】
具体的な構成としては、より小さい屈折率変化でスイッチングが可能な、すなわち低駆動電圧でスイッチングが可能なマッハツェンダ干渉計型の光スイッチがある。この光スイッチでは、偏波無依存動作にするため、２次の電気光学効果による屈折率変化がＴＥ方向、ＴＭ方向で正確に等しくなる必要がある。本実施形態で用いるＫＴＮ、ＫＬＴＮ結晶は、ＴＥ方向及びＴＭ方向における屈折率変化が原理的に等しい電界方位が存在する。すなわち、光の伝搬方向に平行になるような電界を印加する電極を構成することで、偏波無依存動作可能な光スイッチを実現できる（後述の実施例３参照）。また、本実施形態では、同一の光導波路において、光の伝搬方向に直交するような電界を印加する電極を複数組み合わせて構成する。この構成によれば、仮に電界に対する屈折率変化がＴＥ方向とＴＭ方向とに対して異方性を持つ方位に電界を印加したとしても、偏波無依存動作可能な光スイッチを実現できる（後述の実施例１参照）。
【００３１】
本実施形態に係る光スイッチは、その動作として２次の電気光学効果を用いており、高い比誘電率を有する材料を用いている。このため、ＣＲ時定数による速度制限があることを考慮しなければならない。しかしながら、本発明に係る光スイッチでは、その２次の電気光学効果が高いことにより、素子のサイズを極めて小さくすることが可能となる。また、その素子部分の静電容量を小さく設計することができる。その結果、上記偏波無依存動作に加えて、さらに、１〜１０ｎｓｅｃの高速動作を実現することが可能となる。
【００３２】
以上のことから、本実施形態に係る光スイッチは、単純な構成で、１〜１０ｎｓｅｃの高速動作、１Ｖ以下の低駆動電圧、偏波無依存動作という、従来の光スイッチでは実現できなかった高機能性を実現することできる。よって、このような光スイッチは、光パケットルーティングに利用することが可能となる。そこで、上記特徴を有する本発明に係る光スイッチの実施形態を、いくつかの実施例を用いて説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【００３３】
（実施例１）  
図１は、本発明に係る実施形態の一例を示す光スイッチの構成図である。光スイッチは、マッハツェンダ干渉計を有する。この光スイッチの光導波路は誘電体結晶で作製されている。なお、本実施形態の他の実施例においても、図１に示したマッハツェンダ干渉計を有する光スイッチをベースに説明する。
【００３４】
図１に示すように、本発明に係る光スイッチは、入力側に設けられた３ｄＢカップラ１６と、出力側に設けられた３ｄＢカップラ１７と、入力側３ｄＢカップラ１６及び出力側３ｄＢカップラ１７とを接続する２本の光導波路（アーム導波路）とを含んで構成されたマッハツェンダ干渉計である。また、位相調整部分１８として、２本の光導波路の一方に電界を印加する電極を備えている。なお、入力側３ｄＢカップラ１６及び出力側３ｄＢカップラ１７の結合定数は、精密に３ｄＢになるよう設計されている。
【００３５】
本実施例の光スイッチでは、コア１４、クラッド１５に用いた誘電体結晶材料は、ともにＫＬＴＮ結晶であり、Ｌｉの濃度とＮｂの濃度を調整することにより、比屈折率差０．７５％の光導波路を実現している。なお、光導波路の断面は、後述の図２に示すように、コア１４がクラッド１５に囲まれた埋め込み導波路となっている。コア１４、クラッド１５の誘電体結晶の相転移温度は、それぞれ１０℃、７℃であり、本実施例に係る光スイッチの動作温度は１２℃である。１２℃におけるコア１４、クラッド１５の誘電体結晶の比誘電率は、それぞれ１８０００と１５０００であった。
【００３６】
本実施例の光スイッチでは、図１に示すように、入力ポート１１から光を入力する。位相変調部分１８において光導波路に電界を印加しない場合（ＯＦＦの場合）は、出力ポート１２へすべての光が出力される。位相変調部分１８において光導波路に電界を印加する場合（ＯＮの場合）は、位相変調部分１８よって位相をπ変化させることで、光の出力が出力ポート１３へ切り替わる。
【００３７】
図２は、図１の光スイッチのマッハツェンダ干渉計の一方の光導波路に形成した位相変調部分１８を示す構成図である。又、図３Ａは図２のＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ線矢視断面図であり、図３Ｂは図２のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線矢視断面図である。
【００３８】
図２、図３ＡおよびＢに示すように、位相変調部分１８は、位相変調部２４、位相変調部２５の２つの位相変調部から構成される。これら２種類の位相変調部は、各々異なる電極構造を有する。具体的には、位相変調部２４では、コア１４直上に透明電極２２が設けられ、その両側にグランド電極２３が配置されている。この電極構造では、図３Ａに示すように、コア１４から基板に向かう方向（伝搬する光のＴＭ方向に平行な方向）に電界が印加される。一方、位相変調部２５では、コア１４を挟むように透明電極２２、グランド電極２３が配置されている。よって、図３Ｂに示すように、基板に平行な方向（伝搬する光のＴＥ方向に平行な方向）に電界が印加される。このような電極構造により、光の伝搬方向に対して直交し、かつ、互いに直交する２方向に電界を印加することができる。
【００３９】
ここで、ＫＴＮ、ＫＬＴＮ結晶の２次の電気光学効果は、その対称性から下記のように表すことができる。
【００４０】
【数１】
2008065354.tif 000003
【００４１】
【数２】
2008065354.tif 000004
【００４２】
上式において、Δｎ//は印加電界に平行な方向の屈折率変化であり、Δｎ⊥は印加電界に垂直な方向の屈折率変化であり、ｎ0はＫＴＮ、ＫＬＴＮの電場印加前の屈折率であり、ｇ11およびｇ12はＫＴＮ、ＫＬＴＮの非線形定数であり、ε0は真空の誘電率であり、εaは結晶の比誘電率であり、Ｅは印加電界である。
【００４３】
ＫＴＮ、ＫＬＴＮ結晶の電気光学定数は、それぞれｇ11＝０．１３６ｍ4／Ｃ2、ｇ12＝−０．０３８ｍ4／Ｃ2である。このため、電界に平行な屈折率は、電界の印加により小さくなり、電界に垂直な方向の屈折率は電界の印加により大きくなる。さらに、電界に平行な屈折率の変化量が、電界に垂直な方向の屈折率の変化量の３〜４倍程度大きいことがわかる。このような電界の印加前、印加後の光の伝搬方向に直交する屈折率を図示すると、図４のように変化することがわかる。したがって、図２に示した位相変調部分１８では、式（１）、（２）より、互いに直交する２つの電界が等しい場合には、式（１）と（２）との加算分の屈折率変化が、ＴＥ方向、ＴＭ方向の両偏光に等しく生じる。そのため、位相変調部分１８では位相変調量は偏光に依存しないことになり、本発明の光スイッチが偏光無依存で動作することがわかる。
【００４４】
本実施形態に係る光スイッチでは、電極から印加される電界を光が導波するコアに有効に作用させるため、電極直下のクラッド厚を極めて薄くした。さらに、光電界の閉じ込めを考慮して、電極の一部又は全部、特にコア直上の電極を、１．５５μｍの波長の光に対して透明となる材料（例えば、ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）で構成する。これにより、印加電界をほぼドロップさせることなくコアに印加することが可能となる。
【００４５】
又、図２に示した２種類の電極の長さはそれぞれ４ｍｍであり、両電極で約８ｍｍとする。この光スイッチの挿入損は約３ｄＢであり、ＫＬＴＮ結晶を用いて作製されたマッハツェンダ干渉計を含む光導波路は、極めて低損失となる。
【００４６】
図５は、本発明に係る光スイッチの動作特性を示すグラフである。
【００４７】
位相変調部２４、２５に等しくバイアス電界（電圧）１Ｖを印加し、スイッチングに必要な電界を印加したときに、出力ポート１２、１３に出力される光パワーを測定した結果である。図５に示すように、光出力が電界（電圧）の印加により切り替わることがわかる。本実施例の光スイッチの場合、２次の電気光学効果を用いているため、印加電界（電圧）が大きくなるに従い屈折率変化が大きくなる。そのため、位相がπ変化するために必要な電界（電圧）が次第に小さくなっていく様子がわかる。本実施例の光スイッチの構成並びに駆動条件では、動作に必要な電圧（Ｖπ）は０．８５Ｖであり、スイッチの消光比は３２ｄＢと良好な値を示した。さらに、矩形波の電界をスイッチに印加して測定したスイッチング速度は約１．５ｎｓｅｃであり、パケットスイッチに必要となる高速動作も可能である。
【００４８】
なお、本実施例では、屈折率制御を容易にするためにＫＬＴＮ結晶を用いた。しかしながら、ＫＴＮ結晶を用いても同様の光スイッチを作製でき、０．８７Ｖの駆動電圧、１．２ｎｓｅｃのスイッチング速度、さらに、偏波無依存動作を確認した。
【００４９】
（実施例２）  
本実施例の光スイッチは、マッハツェンダ干渉計の光導波路（アーム導波路）の一方側に図２に示した位相変調部分１８の位相変調部２４を設け、他方側に位相変調部分８の位相変調部２５を設けた構成である。それ以外の構成は、実施例１の光スイッチとほぼ同様の構成である。本実施例は、このような構成の光スイッチを作製して、その動作を確認した。
【００５０】
実施例１の光スイッチの構成では、マッハツェンダ干渉計の一方のアーム導波路のみに電界をかけるため、屈折率変化が式（１）、（２）の加算になる。実施例１において説明したように、ＫＴＮ、ＫＬＴＮ結晶の２次の電気光学定数は直交する方向で符号が反対である。従って、式（１）、（２）の加算により、偏光に対する屈折率依存性はなくなるが、屈折率変化量は小さくなる方向に働く。
【００５１】
そこで、実施例２の光スイッチでは、印加電界に対してさらに有効的にスイッチング動作を行うため、両方のアーム導波路にそれぞれ位相変調部分１８（図２参照）を作製した。そして、一方のアーム導波路の位相変調部２４と他方のアーム導波路の位相変調部２５とに同じ電界を印加する。光出力をスイッチングする場合には、逆に、一方のアーム導波路の位相変調部２５と他方のアーム導波路の位相変調部２４へ同じ電界を印加することとした。これにより、プッシュプル動作が可能になり、屈折率変化は式（１）と（２）の差分となり、さらに低電圧でのスイッチングを実現することができた。この場合の駆動電圧Ｖπは０．５３Ｖであり、その他のスイッチング特性は実施例１の光スイッチと同様であった。つまり、本実施例の構成により、光スイッチの高速、偏波無依存の特性を保ちつつ、さらに低電圧で駆動できることが明らかになった。
【００５２】
（実施例３）  
図６は、本実施形態に係る光スイッチの実施形態の他の一例であり、その位相変調部分の構成を示す図である。又、図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線矢視断面に該当し、櫛型電極を用いた位相変調部分の電界方向を示す図である。
【００５３】
実施例３の光スイッチの構成は、実施例１の光スイッチと同様にマッハツェンダ干渉計を用いたものであるが、マッハツェンダ干渉計の光導波路（アーム導波路）の位相変調部分に、図６に示す櫛型の電極構造を用いたことが、大きく異なる点である。
【００５４】
図６、図７に示すように、本実施例の位相変調部分は、基板６１上に形成したクラッド６３に、コア６２が囲まれるように形成された埋め込み導波路となっている。コア６２の上部には、その長さ方向に櫛型状の櫛型電極６４とグランド電極６５が、互いの電極が交互の配置になるように形成されている。又、図７に示すように（図６では図示せず）、上部側の櫛型電極６４及びグランド電極６５にそれぞれ対向するように、基板６１とクラッド１７の界面に、下部側の櫛型電極６４及びグランド電極６５がそれぞれ形成されている。
【００５５】
櫛型電極６４及びグランド電極６５によって印加される電界は、図７に示す電界Ｅ１、Ｅ２のように、光の伝搬方向に平行な方向に複数形成される。そして、隣り合う電界Ｅ１、Ｅ２の方向が、交互に逆転する向きを持つ。対向する櫛型電極６４、グランド電極６５の極性が同相となるように電極が作製されている。従って、コア６２に直交する方向の電界が打ち消され、コア６２に平行する電界のみが残る。
【００５６】
このような電界の印加前、印加後の光の伝搬方向に直交する屈折率を図示すると、図８のように変化することがわかる。実施例３の場合、光の伝搬方向に直交する方向の屈折率変化は、式（２）の屈折率変化に対応している。つまり、図８から明らかなように、この屈折率変化の方向は等方的であり、偏光に対して等方的に屈折率変化が生じる。よって、偏波無依存となることがわかる。
【００５７】
実施例３の櫛型状の電極構造では、図７に示すように電界Ｅ１、Ｅ２の方向が交互に逆転しているにもかかわらず、電界の方向に依らず一定方向の屈折率変化が得られる特徴がある。これは、２次の電気光学効果を用いているため、電界の符号（電界の方向）に関係なく、その絶対値の２乗に比例する屈折率変化を得ることができるからである。これが、２次の電気光学効果を利用している大きな利点であり、櫛型電極を用いることを可能としている。
【００５８】
更に、櫛型電極を用いる場合、櫛型電極のピッチを変えることで、電界の大きさを変えることができるという利点がある。サンドイッチ型の電極構造の場合、光導波路の厚み以下には電極間隔を小さくすることができず、電界を大きくするには大きい電圧を印加するしかない。しかしながら、櫛型電極の場合は正負の電極が同じ平面上にあり、その間隔を任意に変えることができる。よって、その間隔を小さくすることで、同じ印加電圧でありながら大きい電界を得ることができる。つまり、２次の電気光学効果を有する誘電体結晶に、櫛型電極を用いることで、小さい印加電圧でありながら大きい電界が印加できる。さらに、交互に電界の方向が変化しても一定方向に屈折率を変化させることができるため、屈折率が光の伝搬方向に一様に大きく変化した光導波路を得ることができる。したがって、実施例３の櫛型状の電極構造を用いた位相変調部分を、マッハツェンダ干渉計の一方（又は両方）のアーム導波路に用いることにより、偏波無依存かつ低駆動電圧の光スイッチを容易に実現することができる。
【００５９】
なお、実施例３のような櫛型状の電極構造に限らず、光の伝搬方向に平行な方向であり、かつ、光の伝搬方向に順方向のみ又は逆方向のみの電界を形成するような電極構造の場合でも、偏波無依存の光スイッチを実現することができる。
【００６０】
実施例３では、実施例１とほぼ等しい相転移温度を有するＫＴＮ結晶でマッハツェンダ干渉計を含む光導波路を作製した。また、下部電極に白金、上部電極にＩＴＯを用いて、光スイッチを作製した。電極は導電性のあるものであればスイッチング動作が可能である。上部及び下部のクラッド厚を薄くし、電界印加効率を上げた場合、透明電極を使用したほうが、電極材料による光吸収の影響を抑制することができる。その結果として挿入損失を低下させることができる。又、位相変調部分の長さを１ｃｍ、バイアス電圧を１Ｖとした場合、本実施例の光スイッチの駆動電圧Ｖπは０．９８Ｖであり、消光比は３５ａＢと良好な特性を示し、偏波無依存で動作する。
【００６１】
なお、実施例１乃至実施例３の光スイッチにおいて、バイアス電圧を印加して動作させている。このバイアス電圧にスイッチングに必要な変調電圧を重畳することは、回路構成として容易である。又、２次の電気光学効果を用いているため、バイアス電圧を印加することで、電界変化に対する屈折率変化量を大きくすることが可能である。よって、電源回路に負荷をかけない程度のバイアス電圧を印加することで、さらに効率よいスイッチングが可能であることが明らかになった。
【００６２】
（実施例４）  
実施例４の光スイッチの構成は、実施例１の光スイッチと同様にマッハツェンダ干渉計を用いたものである。２本のアーム導波路をＫＬＴＮ結晶により形成して、実施例１と同様の位相変調部分を両方のアーム導波路に作製した。但し、入力側３ｄＢカップラ及び出力側３ｄＢカップラは石英系導波路で作製されている。これらの材料を用いて、位相変調部分側のＫＬＴＮ結晶の端面を研磨してＡＲコートを施した上で、その端面を入力側３ｄＢカップラ及び出力側３ｄＢカップラと光学接着剤で接合して光スイッチを構成した。
【００６３】
実施例４の光スイッチは、その駆動電圧やスイッチング速度は、実施例１とほぼ同様である。しかしながら、挿入損失ならびに消光比が改善され、それぞれ２．４ｄＢ、４２ｄＢとなる。これは、石英系導波路で作製された３ｄＢカップラが、ＫＬＴＮ結晶で作製された３ｄＢカップラより低損失で高精度であることを示している。このように、位相変調部分のみにＫＴＮ、ＫＬＴＮ結晶の光導波路を用い、その他の部分を石英系等の他の光導波路で構成しても、同様の光スイッチが作製できることが明らかになった。
【００６４】
（実施例５）  
実施例５の光スイッチは、実施例１の光スイッチと同等の構成であるが、光導波路がＢＴＯ結晶等で作製されている点が異なる。このような構成の光スイッチを作製し、その動作を確認した。
【００６５】
実施例５の光スイッチにおいて、ＢＴＯ導波路部分を１１０℃に制御して動作させると、駆動電圧Ｖπ、は１．５Ｖ必要である。しかしながら、実施例１の光スイッチと同様の性能が得られ、さらに、スイッチング速度は１ｎｓ以下である。また、ＢＴＯとＳＴＯを０．７３：０．２７の割合で混合した、Ｂａ0.73Ｓｒ0.27ＴｉＯ3の単結晶からなる導波路を作製し、これを用いて同様な光スイッチを作製する。この場合、導波路温度１０℃にて、ＢＴＯの導波路を用いた場合と同様な特性が得られる。その他、ＰＬＺＴを導波路材料とした光スイッチでも同様な動作が可能であった。
【００６６】
（実施例６）  
実施例６では、実施例２の光スイッチを４インチの基板上に高密度に集積することで、１６×１６のマトリクススイッチを作製する。作製した光スイッチはノンブロッキング構成であり、その数は２５６個である。光スイッチは偏波無依存で動作し、挿入損は８．５ｄＢ、消光比は４３ｄＢ、駆動電圧０．９Ｖ、スイッチングに使用した消費電力は０．８Ｗである。実施例６の光スイッチの場合、スイッチ部分の電気容量に対応する充放電をスイッチング時に繰り返すため、スイッチング速度に対応する電力消費が生じる。具体的には、１ＧＨｚで連続的にスイッチング動作が起きる場合、その最大の消費電力は０．８Ｗである。これにより、従来の光スイッチに比べ、極めて小さい電力消費であることが明らかになった。
【００６７】
（実施例７）  
本実施形態では、マッハツェンダ干渉型の光スイッチについて説明してきた。実施例７では、方向性結合器について説明する。
【００６８】
図９に示すように、実施例７の導波路型デバイスではコア９１、クラッド９２に用いた導波路材料は共にＫＬＴＮ結晶である。これら材料に対してＬiの濃度とＮbの濃度を調整することにより比屈折率差０．５％の光導波路を実現した。コアリッジはリソグラフィーとドライエッチングによりほぼ６μｍ×６μｍのサイズに加工されている。
【００６９】
実施例７は方向性結合型光分岐素子９６を備えており、入力ポート９３から光を入力すると相互作用領域において２つの導波路間にモード結合が生じ、エネルギーが移行する。
コア間のギャップＧ及び相互作用領域Ｌを調節することにより１：１の分岐比を有する素子、すなわち３ｄＢカップラを実現することができる。
【００７０】
コアギャップＧ及び相互作用長Ｌを変化させた方向性結合型光分岐素子を複数作製した。入力ポート９３から波長１．５５μｍの光を入力し出力ポート９４，９５からの出力光の強度を測定し、分岐比が１：１となる典型的な条件を示したグラフが図１０である。図１０より、作製した方向性結合型光分岐素子の過剰損失は概ね０．ｌｄＢ以下と優れた光学特性を示した。
【００７１】
（実施例８）  
実施例７における方向性結合器において、一方の光導波路の直上に電極（図示せず）を形成し、分岐比可変導波路型分岐素子を作製した。その構造を図１１に示す。
【００７２】
実施例８の導波路型分岐素子では、図１１に示すように入力ポート１１１から光を入力すると、位相変調部分１１２において、入力された光が一度もう一方の光導波路に移行した後、再び元の光導波路へ移行する。このとき、出力ポート１１４へすべての光が出力されるようバイアス電圧が印加されている。位相変調部分１１２において光導波路に分岐比制御用電界を印加する場合（ＯＮの場合）は、位相変調部分１１２の電界の印加により片側導波路の実効屈折率が変化する。その結果、２つの導波路間の伝搬定数に差が生じ位相不整合が生じる。この位相不整合量を分岐比制御用電界で変化させることで、光の出力が出力ポート１１３へ移行し分岐比が変化することになる。
【００７３】
図１２は、図１１における方向性結合器の一方の光導波路に形成した位相変調部分１１２を示す構成図である。また、図１３Ａは図１２のＸＩＩＡ−ＸＩＩＡ断面図であり、図１３Ｂは図１２のＸＩＩＢ−ＸＩＩＢ断面図である。
【００７４】
図１２、図１３ＡおよびＢに示すように、位相変調部分１１２は、位相変調部１２１、位相変調部１２２の２つの位相変調部から構成されている。それぞれの位相変調部は、２種類の、各々異なる電極構造を有する。具体的には、位相変調部１２１ではコア９１直上に電極１２３が配置されており、その両側にグランド電極１２４が配置されている。この電極構造では、図１３Ａに示すように、コア９１から基板に向かう方向（伝搬する光のＴＭ方向に平行な方向）に電界が印加される。一方、位相変調部１２２では、コア９１をはさむように電極１２３、グランド電極１２４が配置されている。よって、図１３Ｂに示すように、基板に平行な方向（伝搬する光のＴＥ方向に平行な方向）に電界が印加される。
このような電極構造により、光の伝搬方向に対して直交し、かつ、互いに直交する２方向に電界を印加することが可能である。
【００７５】
すなわち、式（１）−（２）より、図１１に示した位相変調部分１１２では、互いに直行する２つの電界が等しい場合には式（１）と（２）の加算分の屈折率変化がＴＥ方向、ＴＭ方向の両変更に等しく生じる。そのため、位相変調部分１１２では、位相変調量は偏光に依存しないことになり本実施形態の光スイッチが偏光無依存で分岐比可変動作することがわかる。
【００７６】
図１２に示した２種類の電極の長さはそれぞれ４ｍｍであり、両電極で約８ｍｍとした。この光スイッチの挿入損失は約２．５ｄＢであり、ＫＬＴＮ結晶を用いた方向性結合器を含む導波路デバイスが極めて低損失である。
【００７７】
図１４は、本実施形態に係る光スイッチの分岐特性を示すグラフである。上述のように位相変調部１２１，１２２に等しくバイアス電界（電圧）３Ｖを印加し、分岐比を変化させるために必要な電界を印加したときに、出力ポート１１３，１１４に出力される光パワーを測定した結果である。図１４に示すように、光出力が電界の印加により切り替わることがわかる。実施例８の導波路型デバイスが分岐比可変であり、さらにスイッチング機能を有することがわかる。実施例８では、２次の電気光学効果を用いているため、印加電界が大きくなるに従い屈折率変化が大きくなる。このため、スイッチング動作に必要な電界が次第に小さくなっていく様子がわかる。本実施例の光スイッチの構成並びに駆動条件ではスイッチング動作に必要な電圧は０．９５Ｖであり、スイッチの消光比は３０ｄＢと良好な値を示した。さらに、矩形波の電界をスイッチに印加して測定したスイッチング速度は約２ｎｓｅｃである。よって、本実施例の光スイッチにより、パケットスイッチングに必要となる高速動作も可能である。
【００７８】
なお、実施例８では、ＫＬＴＮ結晶を用いたが、ＫＴＮ結晶を用いても同様の光スイッチが作製でき、０．９７Ｖの駆動電圧、１．７ｎｓｅｃのスイッチング速度、さらに、偏波無依存動作を確認した。また、位相変調を与えるための電極構成は図１３ＡおよびＢに示した２つの位相変調部からなる構成を用いたが櫛型電極等の構成を用いても偏波無依存操作を確認した。
【００７９】
（実施例９）  
実施例９では、実施例８の光スイッチを４インチの基板上に高密度に集積することで、１６×１６のマトリックススイッチを作製した。作製した光スイッチはノンプロッキング構造であり、その数は２５６個である。図１５はその中で１６個の要素１５１を示している。各要素１５１は図１１に示した方向性結合器を用いた光スイッチである。この光スイッチは偏波無依存で動作し、挿入損失は８．０ｄＢ、消光比は４５ｄＢ、駆動電圧０．９０Ｖ、スイッチングに使用した消費電力は０．８３Ｗであった。
【００８０】
本スイッチの場合、スイッチ部分の電気容量に対応する充放電をスイッチング時に繰り返すため、スイッチング速度に対応する電力消費が生じる。具体的にはｌＧＨｚで連続的にスイッチング動作が起きる場合、その最大消費電力は０．８Ｗであり従来の光スイッチに比べ、きわめて小さい消費電力であった。
【００８１】
第１の実施形態に係る光スイッチでは、ＫＴＮやＫＬＴＮ等に対してキュリー転移温度近傍で動作させるために、温度コントローラを備えることができる。温度コントローラは、ペルチェ素子であっても良い。
【００８２】
以上説明してきたように、第1の実施形態によれば、ＫＴＮ、ＫＬＴＮ結晶等を光導波路として用いることにより、従来では実現できなかった高速、低電圧駆動、偏波無依存の光スイッチを実現することができる。低電圧で駆動できるため、高価な高速動作の電源を使用する必要がなく、替わりにＩＣ等で直接駆動することができる。また、第１の実施形態に係る光スイッチは、集積回路やボード実装等を用いて、高密度のスイッチボードとして安価に作製することができる。更に、マトリクス構成することが容易であり、大規模なマトリクススイッチを構成することができる。よって、第１の実施形態に係る光スイッチは、光パケットルーターのコアスイッチとして有用である。
【００８３】
（第２の実施形態）  
第２の実施形態は、ＫＴＮ結晶を基本とした光導波路を用いてデジタル光スイッチを構成する。例えば、図１６に示すように、ＫＴＮ若しくはＫＬＴＮをコア１６１とし、これより僅かに屈折率が低いＫＴＮ若しくはＫＬＴＮをクラッド層１６２とした埋め込み型三次元光導波路を用いる。図１６中では、省略されているが、この埋め込み型三次導波路は、ＫＴaＯ3（ＫＴ）、ＫＮbＯ3(ＫＮ)若しくはＫＴＮ基板上に設けられている。
【００８４】
このような埋め込み型三次元光導波路を利用した１×２デジタル光スイッチを図１７に示す。この光スイッチは、光の導波路方向にのみ電界Ｅ1を印加するため、下層クラッドの下方かつ上層クラッドの上方に櫛形電極を具備する。
【００８５】
即ち、基板１７３上には、コア１７８とクラッド層１７４とよりなる埋め込み型三次元光導波路として、一つの入力光導波路（入力ポート）１７５から二つの出力導波路（出力ポート）１７６，１７７へ分岐するＹ分岐型導波路を構成する。下側のクラッド層１７４の下方及び上側のクラッド層１７４の上方であって、Ｙ分岐の近傍における出力導波路１７６，１７７には、コア１７８に電界を与えるために櫛形電極１７１，１７２を配置する。
【００８６】
このようなデジタル光スイッチは、後述するように、ＴＥ，ＴＭ両方の屈折率変化が等しい屈折率変化を受けることが可能となり、偏光依存性が除去できる。本実施形態で用いるＫＴＮは誘電体結晶材料であり、キュリー温度以上で立方晶構造を有する。これに対して、図１６に示すように、外部電場Ｅ1，Ｅ2，Ｅ3を結晶軸方向ａ1，ａ2，ａ3に印加すると、二次の電気光学効果を示す。
【００８７】
立方晶でのＴＥ，ＴＭ各モードの屈折率の電場依存性は、Ｅ2若しくはＥ3が０の時には、以下のように記述できる。
【００８８】
【数３】
2008065354.tif 000005
【００８９】
上式において、ｎ0はＫＴＮまたはＫＬＴＮの電場印加前の屈折率であり、ｇ11およびｇ12はＫＴＮ、ＫＬＴＮの非線形定数であり、εaはＫＴＮ、ＫＬＴＮの比誘電率である。ここで、Ｅ1，Ｅ2，Ｅ3の電界方向は、図１６に示したコア１０８の主軸方向の電場に各々対応する。Ｅ2若しくはＥ3が０の時には、屈折率楕円体の主軸は変化せず、モード変換は起こらない。また、Ｅ3が０でない時には、ｇ11とｇ12との符号が異なるため、屈折率変化の方向が異なる。
【００９０】
そして、ｎTEはＥ3の増加に伴い減少する。一方、ｎTMはＥ3の増加に伴い増加するためスイッチ動作の偏波依存性を生じてしまう。そこで、光の導波方向の電界Ｅ1のみを印加すると、屈折率変化は両モードとも下式のように同一の式で与えられ、偏波依存性を除去できる。
【００９１】
【数４】
2008065354.tif 000006
【００９２】
そこで、図１７のように、光の導波方向の電界Ｅ1のみを印加するために、コア１７８である出力ポート１７６、１７７の上下に櫛形電極１７１，１７２を配置した。
【００９３】
櫛形電極１７１，１７２が配置されたＹ分岐導波路の断面図を図１８Ａに、櫛形電極の平面図を図１８Ｂに示す。
【００９４】
図１８Ａに示すように、基板１８３上にはクラッド層１８４とコア１８２とからなる埋め込み型三次元光導波路が設けられている。また、上側のクラッド層１８４の上方及び下側のクラッド層１８４の下側にはそれぞれ櫛型電極１８１が配置されている。図１８Ｂに示すように、櫛型電極１８１は、＋極１８１ａと、−極１８１ｂとを一定間隔で交互に配置している。そして、上下の櫛型電極１８１の同極が向き合ように配置されている。
【００９５】
そのため、コア１８２を上下に貫く電界Ｅ3は、上下の櫛型電極１８１からの電界成分の打ち消し合いにより理想的には０となる。よって、本実施例の櫛形電極１８１により、光の導波方向にのみ電界Ｅ1を効果的に印加することができる。更に、本発明の電界効果は、２次の電気光学効果を利用しているため電場の二乗に比例する。従って、二つの出力ポート１７６，１７７に予めＤＣバイアス電圧を印加しておいて、スイッチ動作により光路を切り替えたい二つの出力ポート１７６又は出力ポート１７７のみに電圧を印加することにより、より低消費電力でスイッチ動作できる。
【００９６】
一方、図１９に示すように、上側のクラッド層１９３の表面において、コア１９２の左右に＋極、−極の電極１９１を配置し、光導波方向に対して垂直方向に電圧を印加した場合、基板に平行であってコア１９２を横切る方向の電界Ｅ2が主に発生する。その場合、屈折率変化は、以下の式で表せて、ｎTEは減少して、ｎTMは増加する。
【００９７】
【数５】
2008065354.tif 000007
【００９８】
このような原理を利用した１×２偏波スプリッタを図２０に示す。即ち、図２０に示すように、基板２０３上には、コア２０８とクラッド層２０４とよりなる埋め込み型三次元光導波路として、一つの入力ポート２０５から二つの出力ポート２０６，２０７へ分岐するＹ分岐型導波路を設けた。クラッド層２０４の表面には、Ｙ分岐の近傍における出力ポート２０６，２０７のそれぞれ左右両側にスイッチング用電極２０１，２０２を配置した。
【００９９】
従って、入力ポート２０５にＴＭ光、ＴＥ光を入射させて、一方のスイッチング用電極２０１に電圧を印加すると、基板に平行であってコア２０８を横切る方向の電界Ｅ2が発生する。このため、ＴＭ光は出力ポート２０６へ、ＴＥ光は出力ポート２０７へ出力される。従って、ＴＥモードとＴＭモードとを分離可能な偏波スプリッタが実現できる。
【０１００】
また、図２１ＡおよびＢにこのＹ分岐型導波路を５個ツリー状に組み合わせた１×２偏波無依存光スイッチの模式図を示す。即ち、第一のＹ分岐型導波路２１１で一つの導波路を二つの導波路に分岐する。第二、第三のＹ分岐型導波路２１２，２１３で二つの導波路を四つに分岐する。第四、第五のＹ分岐型導波路２１４，２１５で交差した導波路と直線的な導波路をそれぞれ二つの導波路に結合させている。また、各Ｙ分岐型導波路２１１〜２１５の出力導波路にはそれぞれスイッチング用電極が配置されている。図２１ＡおよびＢ中に黒色で示す電極に実際に電圧が印加される。
【０１０１】
図２１Ａの場合、ＴＭ光、ＴＥ光は矢印で示した光路をそれぞれ伝播して、最終的には共に図中上側の出力ポートに出力される。一方、図２１Ｂの場合、ＴＭ光、ＴＥ光は矢印で示した光路をそれぞれ伝播して、最終的には共に図中下側の出力ポートに出力される。
【０１０２】
また、図２２ＡおよびＢにこのＹ分岐型導波路を７個ツリー状に組み合わせた１×２偏波無依存光スイッチの模式図を示す。即ち、第一のＹ分岐型導波路２２１で一つの導波路を二つの導波路に分岐する。第二、第三のＹ分岐型導波路２２２，２２３で二つの導波路を更に四つの導波路に分岐する。第四のＹ分岐型導波路２２４で二つの導波路を一つの導波路に結合して第五のＹ分岐型導波路２２５で一つの導波路を二つの導波路に分岐する。
更に、第六、第七のＹ分岐型導波路２２６，２２７で四つの導波路を二つの導波路に結合させている。これら各Ｙ分岐型導波路２２１〜２２７の出力導波路にはそれぞれスイッチング用電極が配置されている。図２２ＡおよびＢ中に黒色で示す電極に実際に電圧が印加される。
【０１０３】
図２２Ａの場合、ＴＭ光、ＴＥ光はそれぞれ矢印で示した光路を伝播して、最終的には共に図中上側の出力ポートに出力される。一方、図２２Ｂの場合、ＴＭ光、ＴＥ光は矢印で示した光路を伝播して、最終的には共に下側の出力ポートに出力される。
【０１０４】
以上のように、多段にＹ分岐型導波路を連結することにより偏波無依存型の光スイッチが実現できる。図２１ＡおよびＢ、ならびに図２２ＡおよびＢのように、Ｙ分岐型導波路を５〜７個のツリー状に連結することで最小の小型の偏波無依存型のスイッチを実現できる。
【０１０５】
一方、図２３のように下側のクラッド層２３３の下方かつ上側のクラッド層２３３の上方の両方に＋電極２３１及び−電極２３１を配置する。光導波方向に対して垂直方向に電圧を印加した場合、基板に垂直であってコア導波路２３２を横切る方向の電界Ｅ3が主に発生する。
【０１０６】
【数６】
2008065354.tif 000008
【０１０７】
この場合、電圧印加時には、ｎTEは増加して、ｎTMは減少する。
【０１０８】
このような原理を利用した１×２偏波スプリッタを図２４に示す。図２４に示すように、基板２４８上には、コア２４１とクラッド層２４４とよりなる埋め込み型三次元光導波路として、一つの入力ポート２４５から二つの出力ポート２４６，２４７へ分岐するＹ分岐型導波路を設けた。クラッド層２４４の上面及びその下面には、Ｙ分岐の近傍における出力ポート２４６，２４７のそれぞれに沿ってスイッチング用電極２４２，２４３を配置した。
【０１０９】
このような構成で、入力ポート２４５にＴＭ光、ＴＥ光を入射させて、一方のスイッチング用電極２４２に電圧を印加すると、基板に垂直であってコア２４６を横切る方向の電界Ｅ3を発生させる。よって、ＴＥ光は出力ポート２４６へ、ＴＭ光は出力ポート２４７へ出力される。従って、同様にＴＥモードとＴＭモードとを分離可能な偏波スプリッタが実現できる。
【０１１０】
また、図２５ＡおよびＢにこのＹ分岐型導波路を５個ツリー状に組み合わせた１×２偏波無依存光スイッチの模式図を示す。即ち、第一のＹ分岐型導波路２５１で一つの導波路を二つの導波路に分岐する。第二、第三のＹ分岐型導波路２５２，２５３で二つの導波路を四つに分岐する。第四、第五のＹ分岐型導波路２５４，２５５で交差した導波路と直線的な導波路をそれぞれ二つの導波路に結合させている。これら各Ｙ分岐型導波路２５１〜２５５の出力ポートにはそれぞれスイッチング用電極が配置されている。図２５Ａ、Ｂ中に黒色で示す電極に実際に電圧が印加される。
【０１１１】
図２５Ａの場合、ＴＭ光、ＴＥ光は矢印で示した光路をそれぞれ伝播して、最終的には共に図中上側の出力ポートに出力される。一方、図２５Ｂの場合、ＴＭ光、ＴＥ光は矢印で示した光路をそれぞれ伝播して、最終的には共に図中下側の出力ポートに出力される。
【０１１２】
また、図２６ＡおよびＢにこのＹ分岐型導波路を７つ組み合わせた１×２偏波無依存光スイッチの模式図を示す。即ち、第一のＹ分岐型導波路２６１で一つの導波路を二つの導波路に分岐する。第二、第三のＹ分岐型導波路２６２，２６３で二つの導波路を更に四つの導波路に分岐する。第四のＹ分岐型導波路２６４で二つの導波路を一つの導波路に結合して第五のＹ分岐型導波路２６５で一つの導波路を二つの導波路に分岐する。更に第六、第七のＹ分岐型導波路２６６，２６７で四つの導波路を二つの導波路に結合させている。
【０１１３】
各Ｙ分岐型導波路２６１〜２６７の出力ポートにはそれぞれスイッチング用電極が配置されている。図２６ＡおよびＢ中に黒色で示す電極に実際に電圧が印加される。
【０１１４】
図２６Ａの場合、ＴＭ光、ＴＥ光は矢印で示した光路をそれぞれ伝播して、最終的には共に図中上側の出力ポートに出力される。一方、図２６Ｂの場合、ＴＭ光、ＴＥ光は矢印で示した光路をそれぞれ伝播して、最終的には共に図中下側の出力ポートに出力される。
以上のように、多段にＹ分岐型導波路を連結することにより偏波無依存型の光スイッチが実現できる。
【０１１５】
以下に、上記の手法により作製した光スイッチの実施例を示すが、スイッチ作製手法は記述の内容に限定されるものではない。
【０１１６】
（実施例１）  
フォトリソグラフィーなどの手法により、ＫＴＮ結晶の表面に白金櫛形電極を作製した。そしてその上に、Ｌi濃度を調整して屈折率の高いＫＬＴＮをＹ分岐型のコアとし屈折率の低いＫＬＴＮをクラッド層としたＹ分岐埋め込み導波路を作製する。そこで、コアとクラッドとの比屈折率差はΔｎ＝０．３％とした。コアサイズは、８×８μｍ2とする。
更に、フォトリソグラフィーなどの手法により、上層クラッド結晶の表面に白金櫛形電極を作製して駆動用電極とする。
【０１１７】
電極長は、短いほどＣＲ定数で決定される応答速度に有利である。しかしながら、クロストークは電極長が長いほど有利である。よって、電極長を変えたパタンを有する複数の光スイッチでその光学特性を評価し、最適値を得た。キュリー転移温度近傍で動作させるため、この光スイッチをペルチェ素子で温度調整する。ＤＣバイアス３Ｖを双方のスイッチング用電極に印加し、ＯＮポート側のスイッチング用電極に変調電圧を印加し、スイッチ動作させる。この１×２デジタル型ＥＯスイッチは、動作電圧＜１Ｖ（ＤＣバイアス３Ｖ）、クロストーク＜−３０ｄＢ、応答速度＜１ｎｓの光学特性を示した。
【０１１８】
（実施例２）  
フォトリソグラフィーなどの手法により、ＫＴＮ結晶の表面に白金の櫛形電極を作製する。そしてその上に、Ｔa／Ｎb濃度比を調整して屈折率の高いＫＴＮをコアとし屈折率の低いＫＴＮをクラッド層としたＹ分岐埋め込み導波路を作製する。コアとクラッドとの比屈折率差はΔｎ＝０．３％とした。コアサイズは、８×８μｍ2とする。更に、フォトリソグラフィーなどの手法により、上層クラッド結晶の表面に白金櫛形電極を作製して駆動用電極とする。
【０１１９】
電極長は、短いほどＣＲ定数で法定される応答速度に有利である。しかしながら、クロストークは電極長が長いほど有利である。よって、クロストークは電極長が長いほど有利であるため、電極長を変えたパタンを有する複数の光スイッチでその光学特性を評価し、最適値を得た。キュリー転移温度近傍で動作させるために、この光スイッチをペルチェ素子で温度調整する。ＤＣバイアス３Ｖを双方のスイッチング用電極に印加し、一方のスイッチング用電極に変調電圧を印加し、スイッチ動作させる。この１×２デジタル型ＥＯスイッチは、動作電圧＜１Ｖ（ＤＣバイアス３Ｖ）、ク回ストーク＜−３０ｄＢ、応答速度＜１ｎｓの光学特性を示した。
【０１２０】
（実施例３）  
Ｔa／Ｎb濃度比を調整して屈折率の高いＫＴＮをコアとし屈折率の低いＫＴＮをクラッド層とした導波路を作製する。この導波路を用いて、図２２ＡおよびＢに示したようにＹ分岐型導波路２２１〜２２７を７段に連結した構造の埋め込み導波路を作製する。コアとクラッドとの比屈折率差はΔ＝０．３％とした。コアサイズは、８×８μｍ2とする。更に、フォトリソグラフィーなどの手法により、上層クラッド結晶の表面に白金表面電極を作製してスイッチング用電極とする。キュリー転移温度近傍で動作させるために、この光スイッチをペルチェ素子で温度調整する。
【０１２１】
図２２ＡおよびＢの黒色で示す電極に変調電圧を印加し、スイッチ動作させる。この１×２デジタル型ＥＯスイッチは、動作電圧＜１Ｖ（ＤＣバイアス３Ｖ）、クロストーク＜−３０ｄＢ、応答速度＜１ｎｓの光学特性を示した。
【０１２２】
（実施例４）  
Ｔa／Ｎb濃度比を調整して屈折率の高いＫＴＮをコアとし屈折率の低いＫＴＮをクラッド層とした導波路を作製する。この導波路を用いて、図２１ＡおよびＢに示したようにＹ分岐型導波路２１１〜２１５を５段に連結した構造の埋め込み導波路を作製する。コアとクラッドとの比屈折率蓬はΔｎ＝０．３％とした。コアサイズは、８×８μｍ2とする。
更に、フォトリソグラフィーなどの手法により、上層クラッド結晶の表面に白金表面電極を作製して駆動用電極とする。キュリー転移温度近傍で動作させるために、この光スイッチをペルチェ素子で温度調整する。
【０１２３】
図２１ＡおよびＢの黒色で示す電極に変調電圧を印加しスイッチ動作させる。この１×２デジタル型ＥＯスイッチは、動作電圧＜１Ｖ（ＤＣバイアス３Ｖ）、クロストーク＜−３０ｄＢ、応答速度＜１ｎｓの光学特性を示した。
【０１２４】
（実施例５）  
フォトリソグラフィーなどの手法により、ＫＴＮ結晶の表面に白金のスイッチ用電極を作製する。そしてその上に、Ｔa／Ｎb濃度比を調整して屈折率の高いＫＴＮをコアとし屈折率の低いＫＴＮをクラッド層とした導波路を作製する。その導波路を用いて、図２５ＡおよびＢに示したようにＹ分岐型導波路２５１〜２５５を５段に連結した構造の埋め込み導波路を作製する。そこで、コアとクラッドとの比屈折率差はΔｎ＝０．３％とした。コアサイズは、８×８μｍ2とする。更に、フォトリソグラフィーなどの手法により、上層クラッド結晶の表面及び下層クラッド結晶下部に白金電極を作製してスイッチング用電極とする。キュリー転移温度近傍で動作させるために、この光スイッチをペルチェ素子で温度調整する。
【０１２５】
図２５ＡおよびＢの黒色で示す電極に変調電圧を印加し、スイッチ動作させる。この１×２デジタル型ＥＯスイッチは、動作電圧＜１Ｖ（ＤＣバイアス３Ｖ）、クロストーク＜−３０ｄＢ、応答速度＜１ｎｓの光学特性を示した。
【０１２６】
（実施例６）  
フォトリソグラフィーなどの手法により、ＫＴＮ結晶の表面に白金のスイッチ用電極を作製する。そしてその上に、Ｔa／Ｎb濃度比を調整して屈折率の高いＫＴＮをコアとし屈折率の低いＫＴＮをクラッド層とした導波路を作製する。この導波路を用いて、図２６ＡおよびＢに示したようなＹ分岐型導波路２６１〜２６７が７段に連結した構造の埋め込み導波路を作製する。そこで、コアとクラッドとの比屈折率差はΔｎ＝０．３％とした。コアサイズは、８×８μｍ2とする。更に、フォトリソグラフィーなどの手法により、上層クラッド結晶の表面及び下層クラッド結晶下部に白金電極を作製して駆動用電極とする。
キュリー転移温度近傍で動作させるために、この光スイッチをペルチェ素子で温度調整する。
【０１２７】
図２６ＡおよびＢの黒色で示す電極に変調電圧を印加し、スイッチ動作させる。この１×２デジタル型ＥＯスイッチは、動作電圧＜１Ｖ（ＤＣバイアス３Ｖ）、クロストーク＜−３０ｄＢ、応答速度＜１ｎｓの光学粋性を示した。
【０１２８】
（実施例７）  
実施例７の光スイッチは、実施例１の光スイッチと同等の構成であるが、光導波路がＢＴＯ結晶等で作製されている点が異なる。このような構成の光スイッチを作製し、その動作を確認した。
【０１２９】
実施例７の光スイッチにおいて、ＢＴＯ導波路部分を１１０℃に制御して動作させると、動作電圧は１．５Ｖ必要である。しかしながら、実施例１の光スイッチと同様の性能が得られ、さらに、スイッチング速度は１ｎｓ以下である。また、ＢＴＯとＳＴＯを０．７３：０．２７の割合で混合した、Ｂａ0.73Ｓｒ0.27ＴｉＯ3の単結晶からなる導波路を作製し、これを用いて同様な光スイッチを作製する。この場合、導波路温度１０℃にて、ＢＴＯの導波路を用いた場合と同様な特性が得られる。その他、ＰＬＺＴを導波路材料とした光スイッチでも同様な動作が可能であった。
【０１３０】
第２の実施形態に係る光スイッチでは、ＫＴＮやＫＬＴＮ等に対してキュリー転移温度近傍で動作させるために、温度コントローラを備えることができる。温度コントローラは、ペルチェ素子であっても良い。
【０１３１】
以上説明したように、本実施形態は、誘電体結晶基板と誘電体結晶導波路とを用いた光デバイスに関し、具体的には、ＫＴaＯ3若しくはＫＮbＯ3若しくはＫＴＮ基板と、この基板上にＫＬＴＮをコアとし、コアより僅かに屈折率が低いＫＬＴＮ導波路をクラッド層とした埋め込み型光導波路と、電界を与える電極とを具備した光デバイスである。
【０１３２】
以上説明したように、第２の実施形態によれば、偏波無依存動作可能な光スイッチなどの導波路型デバイスを実現できる。つまり、第の実施形態では、ＫＴＮ／ＫＬＴＮ結晶材料を用いた埋め込み型導波路にスイッチング用電極を具備するので、小型で安価な高速電源を用いてスイッチ動作が可能という効果がある。
【０１３３】
更に、偏波無依存、集積化できるためネットワークシステム用の高速スイッチ、例えば、光パケットスイッチとして用いることができ、新規なネットワークシステムを提供できるという効果がある。
【０１３４】
（第３の実施形態）  
第３の実施形態は、電気光学定数が極めて大きい立方晶かつ２次の電気光学定数を有する誘電体結晶を基本とした位相シフタを用いて構成した光変調器を特徴とするものである。本実施形態では、上述の誘電体結晶として、ＫＴＮ、ＫＬＴＮを用いている。
【０１３５】
立方晶でのＴＥ，ＴＭ各モードの屈折率の電場依存性は、Ｅ2もしくはＥ3が０の時に
は、以下のように記述できる。つまり、ＴＥ，ＴＭ各モードの屈折率の電場依存性は、Ｅ2もしくはＥ3が０の時には、以下のように記述できる。
【０１３６】
【数７】
2008065354.tif 000009
【０１３７】
【数８】
2008065354.tif 000010
【０１３８】
上式において、ｎ0はＫＴＮまたはＫＬＴＮの電場印加前の屈折率であり、ｇ11およびｇ12はＫＴＮ、ＫＬＴＮの非線形定数であり、εaはＫＴＮ、ＫＬＴＮの比誘電率である。また、ｇ11＝０．１３６であり、ｇ12＝−０．０３８である。
【０１３９】
図２７は、誘電体結晶材料の導波路の結晶方位と電界方向を示す立体図で、図中符号２７１はコア、符号２７２はクラッドを示している。ここで、Ｅ1，Ｅ2，Ｅ3の電界方向
は、ＫＴＮ導波路の主軸方向の電場に各々対応する。Ｅ2もしくはＥ3が０の時には、屈
折率楕円形の主軸は変化せず、モード変換はおこらない。
【０１４０】
図２８Ａ，Ｂは、櫛形電極付光導波路の構成図である。図２８Ａは、櫛形電極付光導波路の斜視図であり、図２８Ｂは図２８ＡのＸＸＶＩＩＩＢ−ＸＸＶＩＩＩＢ線切断断面図である。図中符号２８１はコア、符号２８２はクラッド、符号２８３は基板、符号２８４は櫛型電極を示している。コア２８１の上下を挟むようにして櫛型電極２８４が配置される。この櫛型電極２８４は、長手方向に正極及び負極が交互に配置されている。つまり、基板２８３上には、クラッド２８２が形成され、このクラッド２８２中にはコア２８１が埋め込まれている。クラッド２８２の上下には櫛形状電極２８４が配設されている。
【０１４１】
図２８ＡおよびＢに示すように、電極２８４によりＥ1のみに電界をかけると、屈折率変化は両モードとも下記の式のように同一の式で与えられる。よって、偏波依存性を除去できる。
【０１４２】
【数９】
2008065354.tif 000011
【０１４３】
【数１０】
2008065354.tif 000012
【０１４４】
図２９ＡおよびＢは、電極付光導波路の構成図である。図２９Ａは電極付導波路の斜視図であり、図２９Ｂは図２９ＡのＸＸＩＸＢ−ＸＸＩＸＢ線切断断面図である。図中符号２９１はコア、２９２はクラッド、２９３は基板、２９４は電極を示している。この電極２９４は、コア２９１の上方でクラッド２９２面上にその直上及びその両側に３つ配置されている。
【０１４５】
図２９ＡおよびＢに示すように、電極２９４によりＥ2のみに電界をかけると、屈折率変化は下式のように与えられる。  
【０１４６】
【数１１】
2008065354.tif 000013
【０１４７】
【数１２】
2008065354.tif 000014
【０１４８】
図３０ＡおよびＢは、電極付光導波路の構成図である。図３０Ａは電極付導波路の斜視図であり、図３０Ｂは図３０ＡのＸＸＸＢ−ＸＸＸＢ線切断断面図である。図中符号３０１はコア、３０２はクラッド、３０３は基板、３０４は電極を示している。この電極３０４は、コア３０１の上方でクラッド３０２面上にその直上の両側に２つ配置されている。
【０１４９】
図３０ＡおよびＢに示すように、電極３０４によりＥ3のみに電界をかけると、屈折率変化は下式のように与えられる。
【０１５０】
【数１３】
2008065354.tif 000015
【０１５１】
【数１４】
2008065354.tif 000016
【０１５２】
後者の２つの電界印加配置では、屈折率の変化が両モードにおいて逆符号となる。図３１（実施例１５で詳説する）には、マッハ・ツェンダ型の光変調器の基本構造が示されている。入力光は３ｄＢカップラ３１２によって２分され、Ｙ分岐光導波路３１４に導かれる。このＹ分岐光導波路３１４の一方は光位相変調器として動作し、そこを通過する光の位相を変調する。
【０１５３】
Ｙ分岐光導波路３１４からの光波が同位相で入射した場合は、２つの光波はそのまま足しあわされて出力ポートに導かれる。しかしながら、両者の位相が１８０度ずれている場合には、光は放射モードとしてＹ分岐光導波路３１４から外へ放射されるために出力ポート３１６へは導かれない。ＫＴＮは大きな２次の電気光学効果を有するために、電流長を短くしても式（７）または（８）、あるいは（１１）乃至式（１４）から導かれる屈折率変化に応じた位相の変化により効率よく光強度変調を実現できる。
【０１５４】
図３１に示した電極構造を用いると偏波無依存動作を実現できるが、図３２（実施例１６で詳説する）及び図３３（実施例１７で詳説する）に応じた電極を用いると偏波依存動作になる。しかしながら、図３２および図３３に応じた電極を用いると、より大きな非線形定数（ｇ11）を用いることが可能で、より低電圧での強度変調が可能になる。通常、
強度変調する光源としては、偏光したレーザ光を変調する場合が多い。よって、偏光依存動作でもレーザ偏光に応じた光を変調することが可能であれば実用上は問題にならないと考えられる。
【０１５５】
さらに、図３４（実施例１８で詳説する）に示すように、一方のＹ分岐光導波路３４４に図２９ＡおよびＢの電極を、他方のＹ分岐光導波路３４４に図３０ＡおよびＢの電極を用いた場合、非線形定数が逆符号のため位相変調の方向を互いに逆相にしたプッシュープル動作によって変調能率を増加することも可能である。
【０１５６】
ところで、相転移近傍のＫＴＮの誘電率は、他材料に比べて非常に大きい。このため、電気容量を小さくするための工夫が必要である。表面電極を用いる場合、デバイスの電気容量は、電極間ギャップが小さく、かつ光導波路層の厚みが大きいほど大きくなると考えられる。電極間ギャップは狭いほど、強電界をコアに印加することが可能である。よって、電極間ギャップは、可能な限り狭いほうが望ましい。そこで、コア厚をｈｃとしたとき、下層クラッド厚ｈｕ及び上層クラッド厚ｈｏが、０≦ｈｕ，ｈｏ≦３ｈｃの範囲にある埋め込み導波路は、１ＧＨｚ以上の高速動作のため十分低い電気容量であることが確かめられた。
【０１５７】
しかしながら、クラッド層が１μｍ以下の薄層になると、単純な金属電極を用いた場合、ＴＭモードの導波路光は、メタルクラディングの影響により、１００ｄＢ/ｃｍ以上におよぶ大きな損失を生じる。そこで、通信波長帯で高い透明性を有するＩＴＯ及びＺｎＯを電極材料に用いて、低損失な位相シフタを実現する。また、１μｍを超えるクラッド厚の場合、単純な金属、例えば、Ｐｔ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｔｉ，Ｃｕに代表される金属やこれらの合金を電極材料として用いることも可能である。
【０１５８】
また、コアとクラッドの比屈折率差を大きくすることによって、コア層の厚さを薄層化することにより、電気容量を小さくすることも可能である。例えば、屈折率差を１．５％にすれば、シングルモード導波のためのコア厚は、４μｍまで小さくすることができる。
屈折率差の大きいコア及びクラッドを用いることにより、低い電気容量を有するデバイスを実現することが可能となった。基板に用いられる結晶材料として、導波路を構成する結晶材料の比誘電率よりも一桁以上低い比誘電率をもつものとすると、なお一層電気容量の低下に対して効果がある。以上に示した、低電圧駆動位相シフタを用いると、高い変調指数を有する光強度変調器を広帯域で実現することが可能となる。
【０１５９】
さらに、より効果的な駆動電圧の低減法として、コア上のクラッド厚が重要なパラメータであることを確かめた。クラッド厚が小さいほど、駆動電圧を低減できる。そこで、コア幅をＷとしたとき、コア上のクラッドの厚さｈ及び電極のギャップｇが、０≦ｈ≦３Ｗ、０≦ｇ≦３Ｗの範囲にあれば、１ＧＨｚ以上の高速動作のため十分低い駆動電圧であることを確認している。しかし、クラッド厚が１μｍ以下の薄層になると、単純な金属電極を用いた場合、ＴＭモードの導波路光はメタルクラディングの影響により１００ｄＢ／ｃｍ以上におよぶ大きな損失を生じる。そこで、通信波長帯で高い透明性を有するＩＴＯおよびＺｎＯを電極材料に用いて、低損失な位相シフタを実現する。
【０１６０】
さらに、ＫＴＮ材料は２次の電気光学効果を示すため、バイアス電圧を印加すれば駆動電圧を低減できる。一般に、駆動電圧は位相シフタ中の導波路の位相がπ変化するＶπで定義される。Ｖπとバイアス電圧Ｖｂ印加時の駆動電圧Ｖｍは以下の関係がある。  
【０１６１】
【数１５】
2008065354.tif 000017
【０１６２】
上式に従って、駆動電圧を低減することが可能である。例えば、無バイアス時のＶπが２．５Ｖの位相シフタにおいて、６Ｖのバイアスを印加すると駆動電圧は０．５Ｖにまで低減する。
【０１６３】
また、１μｍを超えるクラッド厚の場合は、単純な金属例えば、Ｐｔ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｔｉ，Ｃｕに代表される金属やこれらの合金を電極用材料として用いることも可能である。
以上に示した低電圧駆動位相シフタを用いると、高い変調指数を有する光強度変調器を実現することが可能となる。
【０１６４】
以下に実施例を示すが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。  
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。  
（実施例１）  
実施例１は、図３０ＡおよびＢの電極を用いた場合の導波路電気光学位相シフタの実施例である。
【０１６５】
本実施形態の導波路電気光学位相シフタは、立方晶で２次の電気光学効果を有する結晶を用いている。コア幅ｗを有するコア３０１上のオーバー（上層）クラッド厚ｈが、０≦ｈ≦３ｗの範囲の厚みを有する埋め込み型のチャネル光導波路を備えた導波路電気光学位相シフタである。チャネル光導波路を挟んで平行に対向する２つの電界印加用薄膜電極（単に電極とも呼ぶ）３０４が配置されている。
【０１６６】
また、電極間のギャップｇは、０≦ｇ≦３ｗの範囲の長さを有している。また、結晶として、ＫＴＮ及びＫＬＴＮからなる組成の結晶材料を用いている。さらに、電極として、Ａｌ，Ｇａ，ＩｎおよびＢの中の少なくとも１つがドーピングされたＺｎＯもしくはＳｎ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｒａ，Ｗ，Ｇｅ，Ｍｏ，Ｓｂ，Ｔｅ，Ａｕ，ＰｔおよびＰｇの中の少なくとも１つがドーピングされたＩＴＯを電極材料として用いている。
【０１６７】
以下、実施例１の導波路電気光学位相シフタの作製方法について説明する。
【０１６８】
まず、Ｔａ／Ｎｂ濃度比を調整して、屈折率２．１８４を有するＫＴＮをコアとし、屈折率の低いＫＴＮをクラッドとした埋め込み型光導波路を作製する。また、さらに精密な屈折率の調整法としては、Ｌｉをクラッド、コア各層にドープして制御する。光導波路のコア断面サイズは６μｍ×６μｍとする。コア上のクラッド厚を０μｍに設定する。
【０１６９】
さらに、光導波路上にＩＴＯ膜をスパッター法で形成し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング法を用いてギャップ幅６μｍ、電極幅１００μｍ、厚さ１μｍ、ギャップ幅６μｍのＳｎドープされたＩＴＯからなる電界印加用電極を作製する。電極長は１ｍｍとする。印加電圧の反射を抑えるために、電極を５０オームに終端した。波長１．５５μｍのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。
駆動時には、デバイス温度を相転移近傍にコントロールした。変調動作電圧は、無バイアス時、２．５Ｖ以下であった。また、６Ｖのバイアス電圧印加時には、変調動作電圧は０．５Ｖ以下であった。
【０１７０】
（実施例２）  
本実施例２は、図２９ＡおよびＢの電極を用いた場合の導波路電気光学位相シフタの実施例である。以下、実施例２の導波路電気光学位相シフタの作製方法について説明する。
【０１７１】
まず、Ｔａ／Ｎｂ濃度比を調整して、屈折率２．１８４を有するＫＴＮをコアとし、屈折率の低いＫＴＮをクラッドとした埋め込み型光導波路を作製する。また、さらに精密な屈折率の調整法としては、Ｌｉをクラッド、コア各層にドープして制御する。光導波路のコア断面サイズは６μｍ×６μｍとする。コア上のクラッド厚を０μｍに設定する。
【０１７２】
さらに、光導波路上にＩＴＯ膜をスパッター法で形成し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング法を用いてギャップ幅６μｍ、電極幅１００μｍ、厚さ１μｍ、ギャップ幅６μｍのＡｌドープされたＩＴＯからなる電界印加用電極を作製する。電極長は１ｍｍとする。印加電圧の反射を抑えるために、電極を５０オームに終端した。波長１．５５μｍのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。
駆動時には、デバイス温度を相転移近傍にコントロールした。変調動作電圧は、無バイアス時、２．５Ｖ以下であった。また、６Ｖのバイアス電圧印加時には、変調動作電圧は０．５Ｖ以下であった。
【０１７３】
（実施例３）  
本実施例３は、単純な金属を電極材料に用いて、図３０ＡおよびＢの電極を用いた場合の導波路電気光学位相シフタの実施例である。Ｔａ／Ｎｂ濃度比を調整して、屈折率２．１８４を有するＫＴＮをコアとし、屈折率の低いＫＴＮをクラッドとした埋め込み型光導波路を作製する。また、さらに精密な屈折率の調整法としては、Ｌｉをクラッド、コア各層にドープして制御する。光導波路のコア断面サイズは６μｍ×６μｍとする。コア上のクラッド厚を６μｍに設定する。
【０１７４】
さらに、光導波路上に金薄膜をスパッター法で形成し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング法を用いてギャップ幅６μｍ、電極幅１００μｍ、厚さ１μｍ、ギャップ幅６μｍのＡｕからなる電界印加用電極を作製する。電極長は３ｍｍとする。印加電圧の反射を抑えるために、電極を５０オームに終端した。駆動時には、デバイス温度を相転移近傍にコントロールした。波長１．５５μｍのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。変調動作電圧は、無バイアス時、６Ｖ以下であった。
【０１７５】
（実施例４）  
本実施例４は、単純な金属を電極材料に用いて、図２９ＡおよびＢの電極を用いた場合の導波路電気光学位相シフタの実施例である。Ｔａ／Ｎｂ濃度比を調整して、屈折率２．１８４を有するＫＴＮをコア部とし、屈折率の低いＫＴＮをクラッド部とした埋め込み型光導波路を作製する。また、さらに精密な屈折率の調整法としては、Ｌｉをクラッド、コア各層にドープして制御する。光導波路のコア断面サイズは６μｍ×６μｍとする。コア上のクラッド厚を６μｍに設定する。
【０１７６】
さらに、光導波路上に金薄膜をスパッター法で形成し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング法を用いてギャップ幅６μｍ、電極幅１００μｍ、厚さ１μｍ、ギャップ幅６μｍのＰｔからなる電界印加用電極を作製する。電極長は３ｍｍとする。印加電圧の反射を抑えるために、電極を５０オームに終端した。駆動時には、デバイス温度を相転移近傍にコントロールした。波長１．５５μｍのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。ＴＥ，ＴＭ両モードとも、変調指数が直流値の１／２に低下する帯域幅は５ＧＨｚで、変調動作電圧は、無バイアス時、６Ｖ以下であった。抵抗に終端抵抗を用いて５０オームに調整した。波長１．５５μｍのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。変調動作電圧は６Ｖ以下であった。
【０１７７】
（実施例５）  
図３４は、図２９ＡおよびＢ並びに図３０ＡおよびＢに示した電極を導波路電気光学位相シフタとして用いた場合の本実施形態に係るマッハ・ツェンダ光強度変調器の実施例を示す構成図である。図中符号３４０はクラッド、符号３４１は入力ポート、符号３４２は３ｄＢカップラ、符号３４３ａ、ｂおよびｃは電極（電界印加部）、符号３４４はＹ分岐光導波路（三次元光導波路）、符号３４５は３ｄＢカップラ、符号３４６は出力ポート、符号３４７は印加用電源を示している。このマッハ・ツェンダ光強度変調器は、１個の入力ポート３４１と、この入力ポート３４１に連結された３ｄＢカップラ３４２と、この３ｄＢカップラ３４２に連結された三次元光導波路３４４と、この三次元光導波路３４４に連結された３ｄＢカップラ３４５と、この３ｄＢカップラ３４５に連結された出力導波路３４６とを供えている。また、手前のチャネル導波路には図３０ＡおよびＢに示す電極を配置し、奥のチャネル導波路には図２９ＡおよびＢに示す電極を配置した構成である。
【０１７８】
このような構成にすれば、図２９ＡおよびＢと図３０ＡおよびＢとに示した電極を有する位相シフタのＴＥモードとＴＭモードとに対する位相シフタが相補的になる。よって、この構成の光強度変調器は、偏波無依存動作が可能になる。実際、ＴＥ、ＴＭ両モードとも、変調指数が直流値の１／２に低下する帯域幅は５ＧＨｚであり、無バイアス時の変調動作電圧は２．５Ｖ以下であった。
【０１７９】
しかしながら、偏波が固定されているのであれば、入射光がＴＥモードであるかＴＭモードであるかに応じて、２つのチャネル導波路の何れか一方に図２９ＡおよびＢあるいは図３０ＡおよびＢに示した電極を配置すれば、同様の効果を奏することは言うまでもない。
【０１８０】
（実施例６）  
図３５ＡおよびＢは、本発明に係る電極を用いた場合の導波路電気光学位相シフタの実施例６を説明するための構成図である。図３５Ａは導波路電気光学位相シフタを説明するための斜視図であり、図３５Ｂは図３９ＡのＸＸＸＶＢ−ＸＸＸＶＢ線断面図である。図中符号３５０はコア、符号３５１はクラッド、符号３５２は基板、符号３５３は電極を示している。
【０１８１】
本実施形態の導波路電気光学位相シフタは、立方晶で２次の電気光学効果を有する結晶を用いている。その結晶のコア厚をｈｃとしたとき、下層クラッド厚ｈｕ及び上層クラッド厚ｈｏが、０≦ｈｕ，ｈｏ≦３ｈｃの範囲の厚みを有する埋め込み型の三次元光導波路を備えた導波路電気光学位相シフタである。その位相シフタには、三次元光導波路を挟んで平行に対向する２つの電極３５３が配置されている。
【０１８２】
また、結晶として、ＫＴＮおよびＫＬＴＮからなる組成の結晶材料を用いた基板上に、ＫＴＮおよびＫＬＴＮからなる組成の結晶材料を導波路として用いている。
【０１８３】
また、結晶材料の組成比として、組成比Ｘを０以上かつ１以下とし、組成比Ｙを０より大きく０．１未満としている。また、導波路の材料としてＫＴＮおよびＫＬＴＮの比誘電率が、基板に用いられている結晶材料の比誘電率よりも一桁以上大きいようになっている。
【０１８４】
さらに、コアとクラッドの比屈折率差が、０％より大きく１．５％以下である。また、電極として、Ａｌ，Ｇａ，ＩｎおよびＢの中の少なくとも１つがドーピングされたＺｎＯもしくはＳｎ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｒａ，Ｗ，Ｇｅ，Ｍｏ，Ｓｂ，Ｔｅ，Ａｕ，ＰｔおよびＰｇの中の少なくとも１つがドーピングされたＩＴＯを用いている。
【０１８５】
以下、実施例６の導波路電気光学位相シフタの作製方法について説明する。  
まず、Ｔａ／Ｎｂ濃度比を調整して、屈折率２．１８４を有するＫＴＮをコア部とし、屈折率の低いＫＴＮをクラッド部とした埋め込み型光導波路を作製する。導波層の比誘電率は、基板３５２のそれよりも一桁以上大きいことが確かめられる。さらに精密な屈折率の調整法としては、Ｌｉをクラッド、コア各層にドープして制御する。コア３５０とクラッド３５１との屈折率差は０．５％として、光導波路のコア断面サイズは６μｍ×６μｍとする。コア３５０下の下層クラッド厚ｈｕを６μｍ、コア３５０上の上層クラッド厚ｈｏを１μｍに設定する。
【０１８６】
さらに、光導波路上に金薄膜をスパッター法で形成し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング法を用いてギャップ幅６μｍ、電極幅１００μｍ、厚さ１μｍ、ギャップ幅６μｍのＳｎドープされたＩＴＯからなる電界印加用電極を作製する。電極長は１ｍｍとする。印加電圧の反射を抑えるために、電極を５０オームに終端した。波長１．５５μｍのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。駆動時には、デバイス温度を相転移近傍にコントロールした。変調動作電圧は、無バイアス時、２．５Ｖ以下であった。また、６Ｖのバイアス電圧印加時には、変調動作電圧は０．５Ｖ以下であった。また、１０ＧＨｚ程度まで応答特性は劣化しないことを確かめた。
【０１８７】
（実施例７）  
図３６ＡおよびＢは、本実施形態に係る電極を用いた場合の導波路電気光学位相シフタの実施例７を説明するための構成図である。図３６Ａは導波路電気光学シフタを説明するための斜視図であり、図３６Ｂは図３６ＡのＸＸＸＶＩＢ−ＸＸＸＶＩＢ線断面図である。図中符号３６０はコア、符号３６１はクラッド、符号３６２は基板、符号３６３は電極を示している。この実施例７の位相シフタは、三次元光導波路を挟んで平行に対向する２つの電極３６３が配置されているとともに、チャネル導波路上に１つの電極３６３が配置されている。
【０１８８】
以下、実施例７の導波路電気光学位相シフタの作製方法について説明する。  
まず、Ｔａ／Ｎｂ濃度比を調整して、屈折率２．１８４を有するＫＴＮをコアとし、屈折率の低いＫＴＮをクラッドとした埋め込み型光導波路を作製する。導波層の比誘電率は、基板３６２のそれよりも一桁以上大きいことが確かめられる。また、さらに精密な屈折率の調整法としては、Ｌｉをクラッド、コア各層にドープして制御する。コア３６０とクラッド３６１の屈折率差は０．５％として、光導波路のコア断面サイズは６μｍ×６μｍとする。コア３６０下の下層クラッド厚ｈｕを６μｍ、コア３６０上の上層クラッド厚ｈｏを１μｍに設定する。
【０１８９】
さらに、光導波路上にＩＴＯ膜をスパッター法で形成し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング法を用いてギャップ幅６μｍ、電極幅１００μｍ、厚さ１μｍ、ギャップ幅６μｍのＳｎドープされたＩＴＯからなる電界印加用電極を作製する。電極長は１ｍｍとする。印加電圧の反射を抑えるために、電極を５０オームに終端した。波長１．５５μｍのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。
駆動時には、デバイス温度を相転移近傍にコントロールした。変調動作電圧は、無バイアス時、２．５Ｖ以下であった。また、６Ｖのバイアス電圧印加時には、変調動作電圧は０．５Ｖ以下であった。また、１０ＧＨｚ程度まで応答特性は劣化しないことを確かめた。
【０１９０】
（実施例８）  
本実施例８は、単純な金属を電極材料に用いて、図３５ＡおよびＢの電極を用いた場合の導波路電気光学位相シフタの実施例である。
【０１９１】
以下、実施例８の導波路電気光学位相シフタの作製方法について説明する。  
まず、Ｔａ／Ｎｂ濃度比を調整して、屈折率２．１８４を有するＫＴＮをコアとし、屈折率の低いＫＴＮをクラッドとした埋め込み型光導波路を作製する。さらに精密な屈折率の調整法としては、Ｌｉをクラッド、コア各層にドープして制御する。コア３５０とクラッド３５１の屈折率差は０．５％として、光導波路のコア断面サイズは６μｍ×６μｍとする。コア３５０下の下層クラッド厚ｈｕを１μｍ、コア３５０上の上層クラッド厚ｈｏを６μｍに設定する。
【０１９２】
さらに、光導波路上に金薄膜をスパッター法で形成し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング法を用いてギャップ幅６μｍ、電極幅１００μｍ、厚さ１μｍ、ギャップ幅６μｍのＡｕからなる電界印加用電極を作製する。電極長は３ｍｍとした。印加電圧の反射を抑えるために、電極を５０オームに終端した。駆動時には、デバイス温度を相転移近傍にコントロールした。波長１．５５μｍのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。変調動作電圧は、無バイアス時、６Ｖ以下であった。また、１０ＧＨｚ程度まで応答特性は劣化しないことを確かめた。
【０１９３】
（実施例９）  
本実施例９は、単純な金属を電極材料に用いて、図３６ＡおよびＢの電極を用いた場合の導波路電気光学位相シフタの実施例である。
【０１９４】
以下、実施例９の導波路電気光学位相シフタの作製方法について説明する。  
まず、Ｔａ／Ｎｂ濃度比を調整して、屈折率２．１８４を有するＫＴＮをコアとし、屈折率の低いＫＴＮをクラッドとした埋め込み型光導波路を作製する。さらに精密な屈折率の調整法としては、Ｌｉをクラッド、コア各層にドープして制御する。コア３６０とクラッド３６１の屈折率差は０．５％として、光導波路のコア断面サイズは６μｍ×６μｍとする。コア３６０下の下層クラッド厚ｈｕを１μｍ、コア３６０上の上層クラッド厚ｈｏを６μｍに設定する。
【０１９５】
さらに、光導波路上に金薄膜をスパッター法で形成し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング法を用いてギャップ幅６μｍ、電極幅１００μｍ、厚さ１μｍ、ギャップ幅６μｍのＰｔからなる電界印加用電極を作製する。電極長は３ｍｍとする。印加電圧の反射を抑えるために、電極を５０オームに終端した。駆動時には、デバイス温度を相転移近傍にコントロールした。波長１．５５μｍのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。変調動作電圧は、無バイアス時、６Ｖ以下であった。また、１０ＧＨｚ程度まで応答特性は劣化しないことを確かめた。
【０１９６】
（実施例１０）  
図３７ＡおよびＢは、本実施形態に係る電極を用いた場合の導波路電気光学位相シフタの実施例１０を説明するための構成図である。図３７Ａは導波路電気光学位相シフタを説明するための斜視図であり、図３７Ｂは図３７ＡのＸＸＸＶＩＩＢ−ＸＸＸＶＩＩＢ線断面図である。図中符号３７０はコア、符号３７１はクラッド、符号３７２は基板、符号３７３は電極を示している。この実施例１０の位相シフタは、三次元光導波路を挟んで平行に対向する２つの電極３７３が配置されている。図３５ＡおよびＢにおける下層クラッドを用いずに、基板３７２上に直接コア３７０を形成し、電極３７３を用いた場合を示している。
【０１９７】
以下、実施例１０の導波路電気光学位相シフタの作製方法について説明する。  
まず、Ｔａ／Ｎｂ濃度比を調整して、屈折率２．１８４を有するＫＴＮをコアとし、屈折率の低いＫＴＮをクラッドとした埋め込み型光導波路を作製する。導波層の比誘電率は、基板３７２のそれよりも一桁以上大きいことが確かめられる。さらに精密な屈折率の調整法としては、Ｌｉをクラッド、コア各層にドープして制御する。コア３７０とクラッド３７１との屈折率差は１．５％として、光導波路のコア断面サイズは６μｍ×６μｍとした。コア３７０上のクラッド厚ｈｏを１μｍに設定する。
【０１９８】
さらに、光導波路上に金薄膜をスパッター法で形成し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング法を用いてギャップ幅６μｍ、電極幅１００μｍ、厚さ１μｍ、ギャップ幅６μｍのＳｎドープされたＩＴＯからなる電極を作製する。電極長は１ｍｍとする。印加電圧の反射を抑えるために、電極を５０オームに終端した。波長１．５５μｍのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。駆動時には、デバイス温度を相転移近傍にコントロールした。変調動作電圧は、無バイアス時、２．５Ｖ以下であった。また、６Ｖのバイアス電圧印加時には、変調動作電圧は０．５Ｖ以下であった。また、１０ＧＨｚ程度まで応答特性は劣化しないことを確かめた。
【０１９９】
（実施例１１）  
図３８ＡおよびＢは、本実施形態に係る電極を用いた場合の導波路電気光学位相シフタの実施例１１を説明するための構成図である。図３８Ａは導波路電気光学位相シフタを説明するための斜視図であり、図３８Ｂは図３８ＡのＸＸＸＶＩＩＩＢ−ＸＸＸＶＩＩＩＢ線断面図である。図中符号３８０はコア、符号３８１はクラッド、符号３８２は基板、符号３８３は電極を示している。この実施例１１の位相シフタは、三次元光導波路を挟んで平行に対向する２つの電極３８３が配置されているとともに、チャネル導波路上に１つの電界印加用薄膜電極４２３が配置されている。そして、下層クラッドを用いずに、基板３８２上に直接コア３８０を形成し、電極３８３を用いた場合を示している。
【０２００】
以下、実施例１１の導波路電気光学位相シフタの作製方法について説明する。  
まず、Ｔａ／Ｎｂ濃度比を調整して、屈折率２．１８４を有するＫＴＮをコアとし、屈折率の低いＫＴＮをクラッドとした埋め込み型光導波路を作製する。導波層の比誘電率は、基板３８２のそれよりも一桁以上大きいことが確かめられる。さらに精密な屈折率の調整法としては、Ｌｉをクラッド、コア各層にドープして制御する。コア３８０とクラッド３８１との屈折率差は１．５％として、光導波路のコア断面サイズは４μｍ×４μｍとする。コア４２０上のクラッド厚ｈｏを０μｍに設定する。
【０２０１】
さらに、光導波路上にＩＴＯ膜をスパッター法で形成し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング法を用いてギャップ幅６μｍ、電極幅１００μｍ、厚さ１μｍ、ギャップ幅６μｍのＳｎドープされたＩＴＯからなる電界印加用電極を作製する。電極長は１ｍｍとする。印加電圧の反射を抑えるために、電極を５０オームに終端した。波長１．５５μｍのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。
駆動時には、デバイス温度を相転移近傍にコントロールした。変調動作電圧は、無バイアス時、２．５Ｖ以下であった。６Ｖのバイアス電圧印加時には、変調動作電圧は０．５Ｖ以下であった。また、１０ＧＨｚ程度まで応答特性は劣化しないことを確かめた。
【０２０２】
（実施例１２）  
図３１は、本実施形態の光変調器の実施例１２を説明するための構成図である。図２８ＡおよびＢに示した電極付光導波路の電極を電気光学位相シフタとして用いた場合の光変調器の実施例を示す図である。
【０２０３】
図中符号３１０はクラッド、符号３１１は入力ポート、符号３１２は３ｄＢカップラ、符号３１３は電極（電界印加部）、符号３１４はＹ分岐光導波路（三次元光導波路）、符号３１５は３ｄＢカップラ、符号３１６は出力ポート、符号３１７は印加用電源を示している。なお、電極３１３の長手方向の断面は図２８Ｂに対応している。
【０２０４】
図３１に示すように、本実施形態の光変調器は、１個の入力ポート３１１と、この入力ポート３１１に連結された３ｄＢカップラ３１２と、この３ｄＢカップラ３１２に連結されたＹ分岐光導波路３１４と、このＹ分岐光導波路３１４に連結された３ｄＢカップラ３１５と、この３ｄＢカップラ３１５に連結された出力ポート３１６と、Ｙ分岐光導波路３１４の少なくとも一方に配置された１個の電界印加部３１３とから構成されている。
【０２０５】
つまり、本実施形態の光変調器は、立方晶で２次の電気光学効果を有する結晶を導波路材料に用いて、少なくとも１つの入力ポート３１１と、２つの３ｄＢカップラ３１２，３１５と、２つの三次元光導波路（Ｙ分岐光導波路）３１４と、１つの出力ポート３１６とを有するマッハ・ツェンダ型の光変調器である。そして、三次元光導波路３１４の少なくいとも一方に、電極３１３が配置されている電気光学位相シフタを有している。この電極３１３が、チャネル導波路３１４上に１つ配置されている。また、電極３１３は、三次元光導波路３１４に対して垂直方向にそれぞれ正極及び負極が交互に配置されている。
【０２０６】
３ｄＢカップラ３１２，３１５は、その形状が所定の曲率半径を持った扇形となっている。Ｔａ／Ｎｂ濃度比を調整して、屈折率２．１８４を有するＫＴＮをコアとし、屈折率の低いＫＴＮをクラッドとした埋め込み導波路を作製する。また、さらに精密な屈折率の調整法としては、Ｌｉをクラッド、コア各層にドープして制御する。
【０２０７】
誘電体結晶として、ＫＴＮおよびＫＬＴＮからなる組成の結晶材料を用いる。また、結晶材料の組成比として、組成比Ｘを０以上、１以下とし、組成比Ｙを０より大きく０．１未満とする。
【０２０８】
Ｙ分岐光導波路３１４のコア断面サイズは６μｍ×６μｍとする。Ｙ分岐光導波路３１４上に金属膜をスパッタ法で形成し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング法を用いて、設計の幅１０μｍ、厚さ１μｍの電界印加用電極３１３を作製する。電極長は１ｍｍとする。反射を抑えるために、電極の抵抗に終端抵抗を用いて５０オームに調整した。波長１．５５μｍのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。ＴＥ，ＴＭ両モードとも、変調指数が直流値の１／２に低下する帯域幅は５ＧＨｚで、変調動作電圧は５Ｖ以下であった。
【０２０９】
（実施例１３）  
図３２は、本発明の誘電体結晶を用いた光変調器の実施例１３を説明するための構成図である。図３０ＡおよびＢに示した電極付光導波路の電極を電気光学位相シフタとして用いた場合の光変調器の実施例を示す図である。
【０２１０】
図中符号３２０はクラッド、符号３２１は入力ポート、符号３２２は３ｄＢカップラ、符号３２３は電極（電界印加部）、符号３２４はＹ分岐光導波路（三次元光導波路）、符号３２５は３ｄＢカップラ、符号３２６は出力ポート、符号３２７は印加用電源を示している。なお、電極３２３の断面は図３０Ｂに対応している。
【０２１１】
この実施例１３においては、電極３２３が、一方の三次元光導波路３２４を挟んで平行に対向して２つ配置されている。また、電極３２３は、三次元光導波路３２４に対して垂直方向にそれぞれ正極及び負極が交互に配置されている。
【０２１２】
本実施例１３による光変調器の作製方法は、上述した実施例１２にならい、電極長は１ｍｍとする。反射を抑えるために、電極の抵抗に終端抵抗を用いて５０オームに調整した。波長１．５５μｍのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。ＴＭモードに関して、変調指数が直流値の１／２に低下する帯域幅は５ＧＨｚで、変調動作電圧は３Ｖ以下であった。
【０２１３】
（実施例１４）  
図３３は、本実施形態の光変調器の実施例１４を説明するための構成図である。図２９ＡおよびＢに示した電極付光導波路の電極を電気光学位相シフタとして用いた場合の光変調器の実施例を示す図である。
【０２１４】
図中符号３３０はクラッド、符号３３は入力ポート、符号３３２は３ｄＢカップラ、符号３３３ａおよび７３ｂは電極（電界印加部）、符号３３４はＹ分岐光導波路（三次元光導波路）、符号３３５は３ｄＢカップラ、符号３３６は出力ポート、符号３３７は印加用電源を示している。なお、電極３３３ａおよび３３３ｂの断面は図２９Ｂに対応している。
【０２１５】
この実施例１４においては、電極３３３ｂが、一方の三次元光導波路３３４を挟んで平行に対向して２つ配置されているとともに、電極３３３ａが、チャネル導波路３３４上に１つ配置されている。また、電極３３３ａおよび３３３ｂは、三次元光導波路３３４に対して垂直方向にそれぞれ正極及び負極が交互に配置されている。
【０２１６】
本実施例１４による光変調器の作製方法は、上述した実施例１２にならい、電極長は１ｍｍとする。反射を抑えるために、電極の抵抗を終端抵抗に用いて５０オームに調整する。波長１．５５μｍのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。ＴＭモードに関して、変調指数が直流値の１／２に低下する帯域幅は５ＧＨｚで、変調動作電圧は３Ｖ以下であった。
【０２１７】
（実施例１５）  
本実施例１５は、図２９ＡおよびＢならびに図３０ＡおよびＢに示した電極付光導波路の電極を電気光学位相シフタとして用いた場合の光変調器の実施例を示す図である。
【０２１８】
本実施例１５による光変調器の作製方法は、上述した実施例１２にならい、電極長は１ｍｍとする。反射を抑えるために、電極の抵抗に終端抵抗を用いて５０オームに調整する。波長１．５５μｍのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。ＴＭ，ＴＥ両モードに関して、変調指数が直流値の１／２に低下する帯域幅は５ＧＨｚで、変調動作電圧は２．５Ｖ以下であった。
【０２１９】
図３４では、手前のチャネル導波路には図３０ＡおよびＢに示す電極を配置し、奥のチャネル導波路には図２９ＡおよびＢに示す電極を配置した場合を示している。しかしながら、これに限定されることなく、図３０ＡおよびＢに示した電極の代わりに図３７ＡおよびＢに示した電極を配置し、または図２９ＡおよびＢに示した電極の代わりに図３８ＡおよびＢに示した電極を配置しても同様の効果を奏することは言うまでもない。
【０２２０】
このような構成にすれば、図３０ＡおよびＢ（または図３７ＡおよびＢ）と図２９ＡおよびＢ（または図３８ＡおよびＢ）に示した電極を有する位相シフタのＴＥモードとＴＭモードに対する位相シフタが相補的になるため、偏波無依存動作が可能になる。しかしながら、偏波が固定されているのであれば、入射光がＴＥモードであるかＴＭモードであるかに応じて、２つのチャネル導波路の何れか一方に図３０ＡおよびＢ（または図３７ＡおよびＢ）あるいは図２９ＡおよびＢ（または図３８ＡおよびＢ）に示した電極を配置すれば、同様の効果を奏することは言うまでもない。
【０２２１】
（実施例１６）  
実施例１６の光変調器は、実施例１２の光変調器と同等の構成であるが、光導波路がＢＴＯ結晶等で作製されている点が異なる。このような構成の光変調器を作製し、その動作を確認した。
【０２２２】
実施例１６の光スイッチにおいて、ＢＴＯ導波路部分を１１０℃に制御して動作させると、実施例１２の光変調器と同様の変調特性が得られた。また、ＢＴＯとＳＴＯを０．７３：０．２７の割合で混合した、Ｂａ0.73Ｓｒ0.27ＴｉＯ3の単結晶からなる導波路を作製し、これを用いて同様な光変調器を作製する。この場合、導波路温度１０℃にて、ＢＴＯの導波路を用いた場合と同様な特性が得られる。その他、ＰＬＺＴを導波路材料とした光変調器でも同様な動作が可能であった。
【０２２３】
以下で、第３の実施形態に係る光変調器において、進行波電極を用いた光変調器について説明する。
【０２２４】
上述のＫＴＮおよびＫＬＴＮを用い、進行波電極を用いて光変調器を実現しようとした場合、光導波路中を進行する光と、電極中を伝播するマイクロ波との速度は大きく異なっている。立方晶であるＫＴＮにける光の屈折率は約２．１４であるが、誘電率は上述するように２００００に達する。従って、マイクロ波の実効屈折率は約１４１となり、光の屈折率の約７０倍に達する。このように、マイクロ波と光波とがＫＴＮを通過する際に、速度不整合が生じ、光変調器の動作速度に限界が生じてしまう。よって、進行波電極ならびにＫＴＮおよびＫＬＴＮを用いた光デバイスは、高い電気光学定数を有するが、誘電率も高いためＧＨｚ以上の高速変調器を実現するのは困難であった。
【０２２５】
第３の実施形態に係る進行波電極を用いた光変調器（広帯域光変調器）は、光を伝搬する光導波路と、光導波路に電界を印加する電極とを有する。その光導波路として、ＫＴＮ、ＫＬＴＮ結晶等の立方晶かつ大きい２次の電気光学効果を有する誘電体結晶を用いる。
また、その電極として、進行波電極を用いる。第３の実施形態の広帯域光変調器では、変調用の電極を進行波電極とし、マイクロ波と光波との速度整合をとることを特徴としている。より具体的には、電極を厚膜化することによってマイクロ波のＫＴＮおよびＫＬＴＮに対する実効屈折率を小さくし、マイクロ波と光波との速度整合を図っている。
【０２２６】
（実施例１７）  
図３９は、第３の実施形態の実施例１７についての光変調器の断面図である。図３９において、ＫＴＮ基板３９０にはＫＴＮからなる埋め込み光導波路３９１が形成されている。さらに、厚さ約２０μｍのＡｕ電極３９２を基板３９０上に形成されている。その作製法としては、厚さ２５μｍ程度のフォトレジストを埋め込み導波路上に形成する。続いて、このパタンをガイドとして電界メッキ法により厚さ約２５μｍのＡｕ電極パタンを形成する。電極間の凹内には、誘電率１０以下の構造保持用誘電体３９３を配置している。この光変調器の３ｄＢ帯域を測定したところ約１０ＧＨｚであることを確認した。
【０２２７】
（実施例１８）  
図４０は、第３の実施形態の実施例１８についての光変調器の断面図である。実施例１８では、光導波路をリッジ化し電極を備えることによって、マイクロ波の実効屈折率を光の実効屈折率に近づけるようにしている。ＫＴＮ基板４００上にはＫＴＮからなるリッジ状光導波路４０１が形成されている。さらに、このリッジ状光導波路４０１を挟み込むように変調用のＡｕ電極４０３を作製する。この構成により、リッジ状光導波路４０１に対して基板４００と平行な方向に電圧を印加することができる。その作製法は、実施例１７の通りである。図４０の符号４０２に示した領域には誘電率１０以下の低誘電体材料を埋め込む。この光変調器の３ｄＢ帯域を測定したところ約１０ＧＨｚであることを確認した。
【０２２８】
（実施例１９）  
図４１は、第３の実施形態の実施例１９についての光変調器の断面図である。ＫＴＮ基板４１０にはＫＴＮからなるリッジ状光導波路４１１が形成されている。さらに、電界を基板４１０に対して垂直に印加するために、このリッジ状光導波路の上面および４１０基板の直上に変調用のＡｕ電極４１２および４１３を作製する。この構成により、リッジ状光導波路４１１に対して基板４１０と垂直な方向に電圧を印加することができる。この光変調器の３ｄＢ帯域を測定したところ約１０ＧＨｚであることを確認した。
【０２２９】
（実施例２０）  
図４２は、第３の実施形態の実施例２０についての光変調器の断面図である。ＫＴＮ基板４２０にはＫＴＮからなる埋め込み光導波路４２１、および変調用のＡｕ電極４２２が形成されている。さらに、Ａｕ電極４２２上に、Ａｕ電極を伝播するマイクロ波の実効屈折率が光導波路４２１を伝播する光の実効屈折率に近くなる条件の厚さを有する空気を介して、アース電極４２３が固定されている。アース電極４２４の作製にあたっては、電界メッキ法により電極を作製した後に、フォトレジストによりアース電極のパタンを形成し、ドライエッチング法により空気層の厚さが所望の厚さになるように電極層を加工する。
この光変調器の３ｄＢ帯域を測定したところ約１０ＧＨｚであることを確認した。
【０２３０】
（実施例２１）  
実施例２１の光変調器は、実施例１７の光変調器と同等の構成であるが、光導波路がＢＴＯ結晶等で作製されている点が異なる。このような構成の光変調器を作製し、その動作を確認した。
【０２３１】
実施例２１の光スイッチにおいて、ＢＴＯ導波路部分を１１０℃に制御して動作させると、実施例１７の光変調器と同様の変調特性が得られた。また、ＢＴＯとＳＴＯを０．７３：０．２７の割合で混合した、Ｂａ0.73Ｓｒ0.27ＴｉＯ3の単結晶からなる導波路を作製し、これを用いて同様な光変調器を作製する。この場合、導波路温度１０℃にて、ＢＴＯの導波路を用いた場合と同様な特性が得られる。その他、ＰＬＺＴを導波路材料とした光変調器でも同様な動作が可能であった。
【０２３２】
上述の実施例１７〜２０では、基板および光導波路の材料としてＫＴＮについて説明したが、これに限定されず、基板としてＫＬＴＮを用いても良い。
【０２３３】
第３の実施形態に係る位相シフタおよび光変調器では、ＫＴＮやＫＬＴＮ等に対してキュリー転移温度近傍で動作させるために、温度コントローラを備えることができる。温度コントローラは、ペルチェ素子であっても良い。
【０２３４】
以上説明したように、第３の実施形態によれば、立法晶で２次の電気光学効果を有する誘電体結晶であるＫＴＮおよびＫＬＴＮからなる組成の結晶材料を基本とした光導波路を用いて、高速低電圧駆動の位相シフタ、それを用いた光変調器を実現することができる。
それにより、短い電極でかつ低電圧で変調可能な光変調器が実現できるという効果を奏する。
【０２３５】
また、光変調器の電極として進行波電極を用いる場合でも、マイクロ波と光波との速度整合をとることができる。
【０２３６】
（第４の実施形態）  
第４の実施形態は、第３の実施形態で詳細に説明した位相シフタを用いて構成したアレイ光導波路格子波長可変フィルタ（単に、波長可変フィルタとも呼ぶ）を特徴とするものである。
【０２３７】
図４３に示すアレイ光導波路格子波長可変フィルタにおいて（具体的には後述する）、入力された信号光は、第１のスラブ光導波路４３０をへて各アレイ光導波路に分配される。導波光は、等差数列的な光路長差（ΔＬ）をつけた位相シフタ４３７を通過し、第２のスラブ光導波路４３２をへて分岐ポート光導波路４３４へ集光する。その透過中心波長λcenは以下で与えられる。
【０２３８】
【数１６】
2008065354.tif 000018
【０２３９】
ここで、ｎはアレイ導波路の透過屈折率、ｍは回折次数を表す。このアレイ導波路上の各導波路に対して電界印加用電極を配置する。２次の電気光学効果を用いて、等差数列的な光路長差（ΔＬh）をつけたアレイ導波路上の各導波路の屈折率をΔｎ変化させた場合、上述した中心透過波長から波長フィルタは以下に示すΔλだけ透過中心波長がシフトする。
【０２４０】
【数１７】
2008065354.tif 000019
【０２４１】
図４４から図４６に示すように（具体的には後述する）、電界印加用電極をアレイ導波路上に対向するように配置した場合、第１及び第２電極では、式（１７）に示したΔＬhが逆符号のため、透過波長が逆方向にシフトする。よって、両電極を切り替えて使用した場合、２倍の波長可変帯域を実現できる。図４４に示した電極構成では、Ｅ1のみに電界をかけることが可能である。従って、波長可変フィルタは偏波無依存動作を実現できる。
一方、図４５及び図４６に示した電極構成の場合、両モード間で透過波長が異なる。
【０２４２】
上記特徴を有する第４の実施形態に係る波長可変フィルタの実施形態を、いくつかの実施例を用いて説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【０２４３】
（実施例１）  
図４３は、第３の実施形態にて説明した導波路電気光学位相シフタを具備した波長可変フィルタの構成図である。図中符号４３０は第１のスラブ光導波路、符号４３１はチャネル光導波路アレイ、符号４３２は第２のスラブ光導波路、符号４３３は入力ポートチャネル光導波路、符号４３４は出力ポートチャネル光導波路、符号４３５は第１の電界印加部、符号４３６は第２の電界印加部、符号４３７は導波路電気光学位相シフタを示している。
【０２４４】
第４の実施形態に係るアレイ光導波路格子波長可変フィルタは、少なくとも１本の入力ポートチャネル光導波路４３３と、光路長が互いに異なるチャネル光導波路からなるチャネル光導波路アレイ４３１と、少なくとも１本の出力ポートチャネル光導波路４３４と、入力ポートチャネル光導波路４３３及びチャネル光導波路アレイ４３１を結ぶ第１のスラブ光導波路４３０と、出力ポートチャネル光導波路４３４及びチャネル光導波路アレイ４３１を結ぶ第２のスラブ光導波路４３２と、チャネル光導波路アレイ４３１の一部からなる電気光学位相シフタ４３７とを備える。この電気光学位相シフタ４３７は、第１の電界印加部４３５と第２の電界印加部４３６とを備えている。光導波路は、上述した特性を示すＫＴＮ、ＫＬＴＮ結晶を用いて作製されている。
【０２４５】
図４４は、本実施形態に係る波長可変フィルタ用の電気光学位相シフタの電極構造を示す構成図である。図４４では、アレイ導波路上の各導波路に対して等差数列的な長さを有した電界印加用電極構成を示している。図中符号４４０および４４１は電極、符号４４２は共通のアース、符号４４３は導波路を示している。
【０２４６】
導波路４４３及び電極４４０，４４１は、電極位相シフタ用チャネル光導波路アレイを構成している。中央を境にして上下対称に設けられている。また、電極４４０，４４１は、光導波路毎にΔＬhずつ長さが変えられて、電極４４０とアース４４２との組み合わせで第１の電極を構成し、電極４４１とアース４４２とにより第２の電極を構成している。
【０２４７】
なお、図２８ＡおよびＢに示す櫛形電極付光導波路によって上述の可変フィルタを達成する場合、クラッド２８２中にアレイ光導波路のコアが埋め込まれる。
【０２４８】
図４３に示すように、２個の入出力導波路４３３と４３４、２個のスラブ光導波路４３０と４３２と、位相シフタ用チャネル光導波路アレイ４３１と、１個の第１の電界印加部４３５と、１個の第２の電界印加部４３６とを備えている。スラブ光導波路４３０と４３２とは、その形状が所定の曲率半径を持った扇形となっている。第１の電界印加部４３５と、第２の電界印加部４３６とについては、図４４に示されている。電極４４２が共通のアースになっており、電極４４０及び４４１が電界印加用電極となっている。
【０２４９】
アレイ光導波路の本数は１２０本、アレイ光導波路の間隔は２５μｍ、隣接したアレイ光導波路長差は３５．５μｍ、回折次数は５０、隣接アレイ光導波路ヒータ長差はΔＬh＝３００μｍとした。屈折率２．１８４のＫＴＮ結晶をコアに、上述した設計の光導波路を作製した。ＫＴＮ光導波路の作製方法は、「強誘電体膜の加工方法」（特願２００２−２１５７７９号）に準じる。コア断面サイズは６μｍ×６μｍとする。光導波路上に金薄膜をスパッター法で形成し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング法を用いて上述した設計の幅１０μｍ、厚さ１μｍの電界印加用電極を作製する。
【０２５０】
波長１．５５μｍ帯のＡＳＥ広帯域光源および光スペクトルアナライザをそれぞれ入出力ポートに接続してフィルタ特性を測定した。電極に電界を与えない場合の波長フィルタ特性は、透過中心波長１，５５０ｎｍ、挿入損失５．５ｄＢ、クロストーク−３０ｄＢ（１，５５０±０．８ｎｍ）であった。第１の電極４４０に電圧を与えたとき、透過中心波長は与えた電圧の２乗に比例して長波長シフトした。一方、第２の電極４４１に電圧を与えたときは、短波長シフトした。コアに電界を０〜０．５Ｖ／μｍを与えることで、透過中心波長はＴＥモード、ＴＥモード両方とも、１．５４５〜１．５６５ｎｍの範囲で可変した。また、透過中心波長変化に伴う挿入損失およびクロストークの顕著な増加は認められなかった。
【０２５１】
（実施例２）  
上述した実施例１と同様に、図４３の波長可変フィルタを作製した。位相シフタ用電極として、図４５に示す構成の電極を用いる。この図４５は、本発明に係る波長可変フィルタ用の電気光学位相シフタの電極構造の他の実施例を示す構成図である。図中符号４５０および４５１は電極、符号４５２は共通のアース、符号４５３は導波路を示している。
【０２５２】
ＴＥモードに関しては、第１の電極４５０に電圧を与えたとき、透過中心波長は与えた電圧の２乗に比例して短波長シフトした。一方、第２の電極４５１に電圧を与えたときは、長波長シフトした。ＴＭモードに関しては、透過中心波長は逆方向にシフトした。ＴＭモードは、コアに電界を０〜０．１７Ｖ／μｍを与えることで、透過中心波長は１，５４５〜１，５６５ｎｍの範囲で可変した。また、透過中心波長変化に伴う挿入損失およびクロストークの顕著な増加は認められなかった。
【０２５３】
（実施例３）  
上述した実施例２と同様に、図４３の波長可変フィルタを作製する。位相シフタ用電極として、図４６に示す構成の電極を用いる。図４６は、本発明に係る波長可変フィルタ用の電気光学位相シフタの電極構造の他の実施例を示す平面図である。図中符号４６０および４６１は電極、符号４６２は共通のアース、符号４６３は導波路を示している。
【０２５４】
ＴＥモードに関しては、第１の電極４６０に電圧を与えたとき、透過中心波長は与えた電圧の２乗に比例して短波長シフトした。一方、第２の電極４６１に電圧を与えたときは、長波長シフトした。ＴＭモードに関しては、逆方向にシフトした。ＴＭモードは、コアに加電界を０〜０．１７Ｖ／μｍを与えることで、透過中心波長は１，５４５〜１，５６５ｎｍの範囲で可変した。また、透過中心波長変化に伴う挿入損失およびクロストークの顕著な増加は認められなかった。
【０２５５】
（実施例４）  
実施例４の波長可変フィルタは、実施例１の波長可変フィルタと同等の構成であるが、光導波路がＢＴＯ結晶等で作製されている点が異なる。このような構成の波長可変フィルタを作製し、その動作を確認した。
【０２５６】
実施例４の波長可変フィルタにおいて、ＢＴＯ導波路部分を１１０℃に制御して動作させると、実施例１の波長可変フィルタと同様のフィルタ特性が得られた。また、ＢＴＯとＳＴＯを０．７３：０．２７の割合で混合した、Ｂａ0.73Ｓｒ0.27ＴｉＯ3の単結晶からなる導波路を作製し、これを用いて同様な波長可変フィルタを作製する。この場合、導波路温度１０℃にて、ＢＴＯの導波路を用いた場合と同様なフィルタ特性が得られる。その他、ＰＬＺＴを導波路材料とした波長可変フィルタでも同様な動作が可能であった。
【０２５７】
第４の実施形態に係る波長可変フィルタでは、ＫＴＮやＫＬＴＮ等に対してキュリー転移温度近傍で動作させるために、温度コントローラを備えることができる。温度コントローラは、ペルチェ素子であっても良い。
【０２５８】
以上説明したように、第４の実施形態によれば、立法晶で２次の電気光学効果を有する誘電体結晶であるＫＴＮおよびＫＬＴＮからなる組成の結晶材料を基本とした光導波路を用いて、高速低電圧駆動のアレイ光導波路格子波長可変フィルタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０２５９】
【図１】本発明の一実施形態に係る光スイッチの構成図である。
【図２】第１図の光スイッチのマッハツェンダ干渉計の一方の光導波路に形成した位相変調部分を示す構成図である。
【図３】図３Ａ：第２図のＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ線矢視断面図である。    図３Ｂ：第２図のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線矢視断面図である。
【図４】第３図ＡおよびＢの位相変調部における電界の印加による屈折率変化を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る光スイッチの動作特性を示すグラフである。
【図６】本発明の本実施形態に係る光スイッチの位相変調部分の構成を示す図である。
【図７】第６図のＶＩＩ−ＶＩＩ線矢視断面に該当し、櫛型電極を用いた位相変調部分の電界方向を示す図である。
【図８】第７図の位相変調部分における電界の印加による屈折率変化を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る光スイッチの構成図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る方向性結合型光分岐素子の分岐比が１：１となる典型的な条件を示したグラフである。
【図１１】本発明の一実施形態に係る分岐比可変導波路型分岐素子の構成図である。
【図１２】第１１図における方向性結合器の一方の光導波路に形成した位相変調部分を示す構成図である。
【図１３】図１３Ａ：第１２図のＸＩＩＩＡ−ＸＩＩＩＡ断面図である。    図１３Ｂ：第１２図のＸＩＩＩＢ−ＸＩＩＩＢ断面図である。
【図１４】本発明の一実施形態に係る光スイッチの動作特性を示すグラフである。
【図１５】本発明の一実施形態に係る１６×１６のマトリックススイッチの概略図である。
【図１６】本発明の一実施形態に係る導波路を示す構成図である。
【図１７】本発明の一実施形態に係る１×２デジタル光スイッチの構成図である。
【図１８】図１８Ａ：第１７図のＸＶＩＩＩＡ−ＸＶＩＩＩＡＡ線断面図であり、    図１８Ｂ：第１７図中の櫛形電極の平面図である。
【図１９】本発明の一実施形態に係る電界印加法(基板平行)を示す説明図である。
【図２０】本発明の一実施形態に係る１×２偏波スプリッタ(電界基板平行印加)の構成図である。
【図２１】図２１Ａ：本発明の一実施形態に係る１×２偏波無依存光スイッチ(３段接続、電界基板平行印加)の説明図である。    図２１Ｂ：本発明の一実施形態に係る１×２偏波無依存光スイッチ(３段接続、電界基板平行印加)の説明図である。
【図２２】図２２Ａ：本発明の一実施形態に係る１×２偏波無依存光スイッチ(５段接続、電界基板平行印加)の説明図である。    図２２Ｂ：本発明の一実施形態に係る１×２偏波無依存光スイッチ(５段接続、電界基板平行印加)の説明図である。
【図２３】本発明の一実施形態に係る電界印加法(基板垂直)を示す説明図である。
【図２４】本発明の一実施形態に係る１×２偏波スプリッタ(電界基板垂直印加)の構成図である。
【図２５】図２５Ａ：本発明の一実施形態に係る１×２偏波無依存光スイッチ(３段接続、電界基板垂直印加)の説明図である。    図２５Ｂ：本発明の一実施形態に係る１×２偏波無依存光スイッチ(３段接続、電界基板垂直印加)の説明図である。
【図２６】図２６Ａ：本発明の一実施形態に係る１×２偏波無依存光スイッチ(５段接続、電界基板垂直印加)の説明図である。    図２６Ｂ：本発明の一実施形態に係る１×２偏波無依存光スイッチ(５段接続、電界基板垂直印加)の説明図である。
【図２７】本発明の一実施形態に係る導波路を示す構成図である。
【図２８】図２８Ａ：本実施形態に係る導波路の斜視図である。    図２８Ｂ：第２８Ａ図のＸＸＶＩＩＩＢ−ＸＸＶＩＩＩＢ線切断断面図である。
【図２９】図２９Ａ：本発明の一実施形態に係る導波路の斜視図である。    図２９Ｂ：第２９Ａ図のＸＸＩＸＢ−ＸＸＩＸＢ線切断断面図である。
【図３０】図３０Ａ：本発明の一実施形態に係る導波路の斜視図である。    図３０Ｂ：第２９Ａ図のＸＸＸＢ−ＸＸＸＢ線切断断面図である。
【図３１】本発明の一実施形態に係る光変調器の構成図である。
【図３２】本発明の一実施形態に係る光変調器の構成図である。
【図３３】本発明の一実施形態に係る光変調器の構成図である。
【図３４】本発明の一実施形態に係る光変調器の構成図である。
【図３５】図３５Ａ本発明の一実施形態に係る導波路電気光学位相シフタを説明するための斜視図である。    図３５Ｂ：第３５Ａ図のＸＸＸＶＢ−ＸＸＸＶＢ線断面図である。
【図３６】図３６Ａ：本発明の一実施形態に係る導波路電気光学位相シフタを説明するための斜視図である。    図３６Ｂ：第３６Ａ図のＸＸＸＶＩＢ−ＸＸＸＶＩＢ線断面図である。
【図３７】図３７Ａ：本発明の一実施形態に係る導波路電気光学位相シフタを説明するための斜視図である。    図３７Ｂ：第３７Ａ図のＸＸＸＶＩＩＢ−ＸＸＸＶＩＩＢ線断面図である。
【図３８】図３８Ａ：本発明の一実施形態に係る導波路電気光学位相シフタを説明するための斜視図である。    図３８Ｂ：第３８Ａ図のＸＸＸＶＩＩＩＢ−ＸＸＸＶＩＩＩＢ線断面図である。
【図３９】本発明の一実施形態に係る光変調器の断面図である。
【図４０】本発明の一実施形態に係る光変調器の断面図である。
【図４１】本発明の一実施形態に係る光変調器の断面図である。
【図４２】本発明の一実施形態に係る光変調器の断面図である。
【図４３】本発明の一実施形態に係る導波路電気光学位相シフタを具備した波長可変フィルタの構成図である。
【図４４】本発明の一実施形態に係る波長可変フィルタ用の電気光学位相シフタの電極構造を示す構成図である。
【図４５】本発明の一実施形態に係る波長可変フィルタ用の電気光学位相シフタの電極構造を示す構成図である。
【図４６】本発明の一実施形態に係る波長可変フィルタ用の電気光学位相シフタの電極構造を示す構成図である。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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