(57)【要約】【課題】低電圧、高速応答動作が可能で、挿入損失およびクロストークが小さい光スイッチ、光減衰器、光変調器等の非線形光デバイスを得ること。【解決手段】光デバイスとしてＹ分岐型の１×２光スイッチ２０１は、下部電極となるＮｂドープＳｒＴｉＯ３単結晶半導体からなる基板２２１上に、ＫＴａＹＮｂ１−ＹＯ３（ＫＴＮ）からなるエピタキシャルバッファ層２２２と、ＫＴＮよりなる光導波路層２２３が、この順に積層された構造となっている。基板２２１は接地２２４されている。光導波路層２２３の上には第１および第２の上部電極２１２、２１３が形成されている。これらは、図示しない駆動回路を介して、同じく図示しない電源に接続されている。２次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体を使用し、光導波路の所定の部位に電圧を印加して光導波路の屈折率を変化させるので、高速応答が可能である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体からなり、所定の入射ポートから入力された光を導波して出力ポートに導く光導波路を基板上に形成した光導波路層と、
この光導波路の所定の部位に電圧を印加するための一対の電極と、
これら一対の電極に電圧を印加することで前記光導波路の屈折率を変化させる屈折率制御手段
とを具備することを特徴とする非線形光デバイス。
【請求項２】
前記酸化物常誘電体は、一般式ＫＴａＹＮｂ１−ＹＯ３（０．５≦Ｙ≦１．０）で表わされる物質であることを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項３】
導電性を有する基板を備え、前記一対の電極の一方はこの基板が兼用していることを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項４】
前記基板とその表面部分に形成された導電性膜とを備え、この導電性膜が前記一対の電極の一方を構成していることを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項５】
前記基板は単結晶基板であることを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項６】
前記基板はガラス基板であることを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項７】
基板は有機ポリマ基板であることを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項８】
前記酸化物常誘電体は、固溶相を示し、単結晶膜で構成されていることを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項９】
前記酸化物常誘電体は、固溶相を示し、配向膜で構成されていることを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項１０】
前記酸化物常誘電体は、固溶相を示し、多結晶膜で構成されていることを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項１１】
前記酸化物常誘電体は、固溶相を示し、アモルファス膜で構成されていることを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項１２】
前記基板は有機ポリマ基板であり、その上に前記光導波路層およびバッファ層が成膜されていることを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項１３】
前記光導波路層は下側に隣接する層に凸状に設けられたリッジ構造を有することを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項１４】
前記光導波路層は上側に隣接する層に凸状に設けられたリッジ構造を有することを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項１５】
前記光導波路層と前記一対の電極の一方を構成する上部電極の間に酸化物よりなり、前記光導波路層よりも屈折率の小さいクラッド層を具備することを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項１６】
前記電極の一方は酸化物よりなり、前記光導波路層よりも屈折率の小さいクラッド層を有することを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項１７】
前記光導波路は入射用光経路と出射用光経路とを分岐する分岐部に電圧が印加されることにより光経路が切り替えられることを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項１８】
前記光導波路はＹ分岐型の光導波路であり、前記一対の電極によるＹ分岐型の光導波路のＹ字型の分岐部への電圧印加により光経路の切り替えを制御するデジタル型光スイッチとしての制御が行われることを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項１９】
前記光導波路はＸ分岐型の光導波路であり、前記一対の電極によるＸ分岐型の光導波路の分岐部への電圧印加により光経路の切り替えを制御するデジタル型光スイッチとしての制御が行われることを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項２０】
前記光導波路はＸ分岐型の光導波路であり、前記一対の電極によるＸ分岐型の光導波路の分岐部への電圧印加により光の全反射あるいは透過によって光経路の切り替えを制御する光スイッチとしての制御が行われることを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項２１】
前記光導波路はＸ分岐型の光導波路であり、前記一対の電極によるＸ分岐型の光導波路の分岐部への電圧印加により光経路の切り替えを制御するブラッグ反射型光スイッチとしての制御が行われることを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項２２】
前記光導波路はＸ分岐型の光導波路であり、前記一対の電極によるＸ分岐型の光導波路の分岐部への電圧印加により光導波路間における光経路の切り替えを制御する方向性結合器型光スイッチとしての制御が行われることを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項２３】
前記光導波路がマッハツェンダ干渉型の光導波路であり、前記一対の電極による光導波路の分岐部への電圧印加により光経路の切り替えを制御するマッハツェンダ干渉型光スイッチとしての制御が行われることを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項２４】
同一基板上に前記スイッチが複数個マトリックス状に配置されていることを特徴とする請求項１８〜請求項２３いずれかに記載の非線形光デバイス。
【請求項２５】
同一基板上に前記スイッチが複数個ツリー状に配置されていることを特徴とする請求項１８〜請求項２３いずれかに記載の非線形光デバイス。
【請求項２６】
前記光導波路は方向性結合型の光導波路であり、前記一対の電極による光導波路の分岐部への電圧印加により光干渉を制御する方向性結合器型光減衰器としての制御が行われることを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【請求項２７】
前記光導波路がマッハツェンダ干渉型の光導波路であり、前記一対の電極による光導波路の分岐部への電圧印加により光干渉を制御するマッハツェンダ干渉型光変調器としての制御が行われることを特徴とする請求項１記載の非線形光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光スイッチ、光減衰器、光変調器等の光デバイスに係わり、特に２次の電気光学効果を用いた非線形光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インターネットを始めとした通信ネットワークの急激な成長やマルチメディアコンテンツの豊富化と共に光ファイバを用いた光通信技術の開発が活発に行われている。たとえば、ＳＯＮＥＴ／ＳＤＨ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ／Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ）網では、同一の多数の情報ストリームを同時に流せるようにするために、光ファイバを伝送される光信号を多重化する波長分割多重通信方式としてのＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を使用している。
【０００３】
従来から光通信ネットワークでは、２つの固定地点間を結ぶポイント・ツー・ポイント（Ｐｏｉｎｔ−ｔｏ−Ｐｏｉｎｔ）型の比較的単純な光通信が主流であった。波長分割多重通信方式が採用されると共に、送受信機能を有する２箇所のポイントの間に中継器を配置して、その中継地点で高集積の光波長のアド・ドロップ・マルチプレクシング（ＡＤＭ（Ａｄｄ−Ｄｒｏｐ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ））を行うための光スイッチや、メッシュ型やリング型と呼ばれる大容量の次世代光通信ネットワーク形態における複数のノード間での全光クロスコネクトスイッチング機能を有する光スイッチングデバイスが求められている。このような技術的背景の下で、複数の光スイッチや光ゲートを用いたマトリックス型の光スイッチが注目されている。これらの光スイッチを使用することで、複数の光ファイバ間の伝送路を任意に切り替えたり、故障の際の迂回ルートの形成を行うなど、柔軟性が高く、高伝送容量の光通信システムを構築することができ、その意味で光スイッチングデバイスとして必須のものになると考えられている。
【０００４】
ところで、光スイッチングデバイスは、数十μｍ（マイクロメートル）から数ｍｍ（ミリメートル）の空間ビームを利用したバルク型と数μｍから数十μｍの空間ビームを利用した媒質中光導波路型に分類することができる。このうちのバルク型は、数ｍｍサイズの半径方向に屈折率分布を有するＧＲＩＮレンズ（ロッドレンズ）や小型レンズ、ミラー、プリズム、光ファイバ等の光学部品を機械的に動作させて光路の切り替えを行う。代表的なものとしては、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）型光スイッチを挙げることができる。このような光学部品を使用した光スイッチングデバイスは、温度依存性が少なく比較的低損失な特長がある。しかしながらスイッチング速度が遅く、振動や衝撃特性で劣る。また、小型化が難しく光ファイバの取り回し等が煩雑であるため自動組立て工程を採用しにくく、低価格大量生産に適さない。
【０００５】
これに対して媒質中光導波路型は、小型で、安価であるだけでなく、高速スイッチングならびに高集積化に優れている。このため光導波路型のマトリックス型光スイッチとして各種のタイプが提案されている。光導波路型光スイッチは、主に酸化物強誘電体、化合物半導体、石英、有機ポリマがその材料として用いられている。特に酸化物強誘電体ではＬｉＮｂＯ３やＬｉＴａＯ３が代表的に使用されている。これらの材料でリッジ構造や埋め込み構造等を形成することで、各種光導波路構造を形成し、入射ポートの交差部などに電気的に光の伝搬方向を制御するための光スイッチ、あるいは電気的に光の進行を開閉して制御する光ゲートの機能を光導波路内に形成している。
【０００６】
これらのうち、石英を用いた光導波路型光スイッチは、光ファイバと同成分系であるため、コア径を光ファイバのコア径と同等にすることができる。波長１５５０ｎｍ用の単一モードファイバではコア直径は約１０μｍと極小サイズである。しかしながら光導波路型光スイッチでこれと同寸法のコアを形成することにより、光ファイバと光導波路部分の結合効率を十分高くすることができ、挿入損失を低くできる特長がある。
【０００７】
しかしながら、石英を用いた光導波路型光スイッチでは、光導波路表面に形成されたヒータ電極部に電流を流して熱光学効果による屈折率変化を利用して光の伝搬方向を切り替える。このためスイッチングの応答が遅いという問題がある。たとえば、丸野  透、“光スイッチの最新研究開発動向”、ＮＴＴ  Ｒ＆Ｄ  ｖｏｌ．５１  Ｎｏ．１１  ２００２．には、応答時間が１〜３ｍｓ（ミリ秒）に及ぶことが示されている。また、この光導波路型光スイッチでは、ヒータ電極部に電流を流して加熱する。このため、単位スイッチ当りの動作電力が４５ｍＷ（ミリワット）程度となり、たとえば１６×１６マトリックス型光スイッチではこれらのスイッチを全部通電制御すると総消費電力が１．４Ｗにも達すると報告されている。このため、石英を用いた光導波路型光スイッチはその利用分野が限られてしまうという問題がある。
【０００８】
次に、Ｙ分岐型構造を用いた有機ポリマによる光導波路型光スイッチについて考察する。有機ポリマを使用した光導波路型光スイッチは、石英系に比べて１桁以上大きな熱光学効果を有し、波長依存性が少ない等の特長がある。しかしながら、ポリマ材料を用いた場合にも石英を用いた光導波路型光スイッチと同様に光スイッチングを行う場合には、光導波路表面に形成されたヒータ電極部に電流を流して熱光学効果による屈折率変化を利用して光の伝搬方向を切り替える。このため、同様に応答が遅いという問題がある。前記した文献によれば、応答時間は３．４ｍｓから６．０ｍｓで、消費電力は単位スイッチ当りの動作電力が約５６ｍＷ程度にも達し、１×８のＹ分岐型光スイッチで総消費電力が４５０ｍＷに達すると報告されている。
【０００９】
次に、液体バブル反射を利用したバブル反射型光スイッチについて考察する。バブル反射型光スイッチはＸ交差あるいはＹ交差などの交差光導波路に溝を形成し、この溝の中を光導波路のコア領域と同じ屈折率を有する屈折率調整液を出し入れすることで、溝部分での光伝搬の全反射あるいは光透過を制御するようになっている。液体の出し入れには、インクジェットプリンタの技術を利用して液体中で気泡を発生する手法と、加熱により泡の位置を移動させる手法のいずれかが採用されている。いずれの手法も全反射条件を利用して光スイッチングを行うため、波長依存性が少ないという特長がある。しかしながら、泡の膨張・移動・消滅というメカニズムを使用するために、液体の粘性を最適に調整しても応答時間は約１０ｍｓに制限されるという問題がある。
【００１０】
次に、化合物半導体を利用した光導波路型光スイッチについて考察する。この光導波路型光スイッチでは半導体増幅器（ＳＯＡ）を作製し、この半導体増幅器をオン状態にして光を透過させるか、オフ状態にして光を吸収させるかによってスイッチングを行う。これにより、ナノ秒程度の高速応答特性を達成する。しかしながら、特にＧａＡｓ系の化合物半導体の場合には、屈折率が３以上であるために、コア径がおよそ３μｍ程度と小さくなってしまう。このため、光ファイバと光導波路部分の結合効率が悪くなり、挿入損失が大きくなるという問題がある。
【００１１】
次に、最も代表的な光スイッチング材料であり酸化物強誘電体の一つであるＬｉＮｂＯ３について考察する。ＬｉＮｂＯ３の場合には、１次の電気光学効果が利用されている。光スイッチの電極間に電圧を印加すると電気光学効果により屈折率が変化することによって高速に光の状態が変わり、どの状態を設定するかによって光の進行方向が変化する。これにより、各光スイッチは２つの入力ポートからの光信号成分をそれぞれ２つの出力ポートへ選択的に出力することが可能になる。したがって、各光スイッチで光の進行方向を適切に設定すれば、入力ポートからの光信号成分を所望の出力ポートへ送ることができる。
【００１２】
また、ＬｉＮｂＯ３を用いる光スイッチでは、一般的に単結晶ウエハにＴｉ拡散型光導波路やプロトン交換型光導波路が作製される。この場合、コア径を光ファイバのコア径と同程度にすることができ、光ファイバと光導波路間の結合効率が良好となるため挿入損失を小さくすることができる。しかしながらこのＬｉＮｂＯ３を用いる光スイッチは、光導波路表面にプレーナ型の電極を形成して電圧を印加する方式を採用している。このため電極間の距離が大きくなり光導波路断面内の電界分布が理想的な状態とならない。たとえば、西原、春名、栖原著、“光集積回路”、７章  ｐ２１７、オーム社．に示されているように電界分布ベクトルがコア内部で一方向とはならない。この結果、偏波無依存とするためには、印加電圧を４０ボルト以上と高くする必要がある。また、駆動電圧を高くならないようにするために光導波路方向の相互作用長を長くする必要があり、電極の長さは４ｍｍ以上とする必要がある。更に、単結晶ウエハにＴｉ拡散やプロトン交換により光導波路を形成するために、光導波路の実効屈折率をその周囲のクラッド層の実効屈折率よりも十分に高くできず、屈折率差を大きくできない。これにより、Ｓ字型光導波路の曲率半径を５０ｍｍと大きくする必要も生じている。したがって、光導波路型光スイッチとしては大面積を要するという問題点があった。
【００１３】
以上説明したこれらの光スイッチの光経路の切り替え原理には幾つかの種類が存在する。すなわち（ｉ）２本の光導波路を近接配置した方向性結合器に電界を加えて光の経路を制御する方法、（ｉｉ）入力光を方向性結合器によって２つに分離し、それぞれの経路を通る光の間に電界により生じさせた屈折率で位相差をつけ出口側の方向性結合器での干渉状態を制御して出力端を切り替えるマッハツェンダ型の方法、（ｉｉｉ）Ｘ交差部での光モード間の干渉を制御することで光の経路を切り替える方法、（ｉｖ）Ｙ分岐部または非対称Ｘ交差部において、光モードの横方向の分布を電界により生じさせ、屈折率で制御して光の経路を切り替える方法、（ｖ）Ｘ交差部に電極を設けて印加電圧による電気光学効果を用いて屈折率を制御することによって全反射またはブラッグ反射を行い光の経路を切り替える方法等が存在する（たとえば特許文献１や上述の西原、春名、栖原著、“光集積回路”、ｐ３２１、オーム社．参照）。
【００１４】
【特許文献１】
特開平７−３１８９８６号公報（第００２７、第００２８段落、図１）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、印加する制御電圧に対して、採り得る光スイッチの状態がオンかオフの２状態のみからなり、あるしきい値電圧以上で同じ状態を採る機能を有する光スイッチを、デジタル型光スイッチと呼ぶことができる。デジタル型光スイッチは、動作電圧のトレランスに優れており、偏波無依存化が可能であり、波長依存性も小さい等の特長がある。しかしながら、その反面、他の光スイッチに比べて、駆動電圧が高くなったり、電極長が長くなるといった問題がある。また、デジタル型光スイッチのＹ分岐型光導波路については、クロストークとの関係で大きな印加電圧が必要であるという問題があった。これを次に説明する。
【００１７】
図２３は、デジタル型光スイッチのＹ分岐型光導波路の理想形状についてその要部を示したものである。デジタル型光スイッチ１０１のＹ分岐型光導波路１０２はＹ字型の分岐部１０３を形成している。この分岐部１０３では、２本の光導波路部分が、この図に示したように開き角度１度未満の角度で交差して、導波路間の幅ｄが分岐部１０３に近づくに従って次第に狭くなりその距離がゼロになるのが理想である。
【００１８】
図２４は、デジタル型光スイッチのＹ分岐型光導波路を実際の形状に製作した場合の形状の要部を示したものである。フォトリソグラフィによるＹ分岐型光導波路１０２Ａのパターニング工程では、分解能の限界から理想形状を形成することは困難である。通常はこの図２４に示したデジタル型光スイッチ１０１Ａのように、分岐部１０３Ａの導波路間距離ｄが１．５μｍ程度となったところで鋭角部分の先端を切った、なまった形状となる。
【００１９】
このような理想形状からのずれは、損失にはあまり大きな影響を与えないが、クロストークに非常に大きく影響する。Ｙ分岐の開き角度を０．５度とし、分岐した導波路部分のひとつの屈折率を電気光学効果などにより０．０００８程度低下させた場合、図２３の理想形状ではクロストークを２０ｄＢ以下とすることが可能である。これが図２４の形状の場合には、クロストークは１２ｄＢ程度まで劣化する。この結果、クロストークを２０ｄＢとするためにはより大きな屈折率変化、すなわち大きな印加電圧が必要になる。
【００２０】
このような光導波路の作製上の問題は、Ｙ分岐型光導波路の分岐部だけでなく、非対称Ｘ交差型光導波路の分岐部においても、同様に起こりうる。
【００２１】
以上説明したように、ＬｉＮｂＯ３、化合物半導体、石英、ポリマ、バブル反射型のいずれの材料を用いた場合においても、光スイッチについてそのサイズ、駆動電圧（あるいは駆動電流または消費電力）、スイッチング速度、クロストーク、挿入損失、および温度安定性の問題を同時に満足する導波路型光スイッチを得ることができない。
【００２２】
以上、光スイッチングデバイスについての従来技術とその問題を説明した。次に通信ネットワークの発展によって光スイッチと共に注目されている光減衰器や光変調器といったその他の光デバイスについても簡単に説明する。まず、光減衰器について述べる。
【００２３】
従来から、光減衰器には、以上説明した光スイッチと同様な原理を用いた光減衰器が使用されている。これらは、（ｉ）数十μｍから数ｍｍの空間ビームを利用したバルク型と、（ｉｉ）数μｍから数十μｍの空間ビームを利用した媒質中光導波路型に分類することができる。
【００２４】
このうち（ｉ）のバルク型としては、数ｍｍサイズの半径方向に屈折率分布を有するＧＲＩＮレンズや小型レンズ、ミラー、プリズム、光ファイバ等の光学部品の間に１次元方向に膜厚勾配をもつ金属膜を蒸着したＮＤ（ｎｅｕｔｒａｌ  ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタの位置をスライドして減衰率を調整する方式が開示されている（たとえば特許文献２）。
【００２５】
また、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）技術を用いて、送信用ファイバと受信用ファイバの間に小型遮蔽板を挿入して、その位置をＭＥＭＳによる駆動制御を行い、ファイバ間の結合損失を制御するＭＥＭＳ型光減衰器も開示されている（たとえば特許文献３）。温度依存性が少なく比較的低損失な特長があるが、前者はスイッチング速度が１秒以上と遅く、後者は振動・衝撃特性で劣る。
【００２６】
これに対して、（ｉｉ）の光導波路型は、機械的運動を伴わず、小型、安価、高速スイッチング、高集積化等に優れており、種々のタイプのものが提案されている。たとえばＬｉＮｂＯ３結晶等の強誘電体結晶基板を用いた導波路型光減衰器がそれである（たとえば特許文献４〜特許文献６）。ただし、これら光導波路型光減衰器は、光スイッチの場合と同様の原理で光量の減衰調整を行うため、光スイッチと同様の問題を抱えている。上記した引用文献５を例に挙げると、最大の減衰率を得るときに、半波長電圧が１１．４Ｖにも達する。このため、高額な高速高電圧駆動ドライバを要することになる。
【００２７】
次に光変調器について説明する。光変調器は以上説明した光スイッチ、光減衰器と基本的に同様な原理で動作する。特に光通信分野における光変調器では高速応答特性が求められる。このため、光変調器には光導波路型光変調器が主として使用されてきた（たとえば特許文献５または特許文献７）。このうちの特許文献７では半波長電圧が５．１Ｖであるが、より低電圧で駆動する方がよく、３．３Ｖで高速電子デバイスを用いて駆動することができる。
【００２８】
これらの光減衰器や光変調器についても、光スイッチングデバイスと基本的な構造が共通するので、これと同様の問題がある。
【００２９】
【特許文献２】
特開２０００−５６２４２号公報（第００２４段落、図５）
【特許文献３】
特開２００３−６６２６８号公報（第００２６、第００２７段落、図５）
【特許文献４】
特開２００１−２４９３０９号公報（第００２３段落、図３）
【特許文献５】
特開２０００−２２７５８１号公報（第００１３段落、図４）
【特許文献６】
特開平１０−１４２５６９号公報（第００２６段落、図１）
【特許文献７】
特開平６−３００９９５号公報（第１７段落、図１）
【００３０】
そこで本発明の目的は、低電圧、高速応答動作が可能で、挿入損失およびクロストークが小さい光スイッチ、光減衰器、光変調器等の非線形光デバイスを提供することにある。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、（イ）２次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体からなり、所定の入射ポートから入力された光を導波して出力ポートに導く光導波路を基板上に形成した光導波路層と、（ロ）この光導波路の所定の部位に電圧を印加するための一対の電極と、（ハ）これら一対の電極に電圧を印加することで光導波路の屈折率を変化させる屈折率制御手段とを非線形光デバイスに具備させる。
【００３２】
酸化物強誘電体では比誘電率が高く、静電容量が大きくなる傾向にあるのに対して常誘電体では比誘電率が強誘電体に比べて極めて小さいことを利用している。このため、本発明はより高速応答を要求する場合に適する。
【００３３】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスで酸化物常誘電体は、一般式ＫＴａＹＮｂ１−ＹＯ３（０．５≦Ｙ≦１．０）で表わされる物質であることを特徴としている。
【００３４】
ＫＴａＹＮｂ１−ＹＯ３（以下、ＫＴＮという。）は、Ｔａ原子とＮｂ原子の組成比を０〜１．０の間で任意に変えても完全固溶相あるいは固溶相を示し、単結晶膜、配向膜、多結晶膜、アモルファス膜のいずれをも形成することができる。更にはＴａ原子とＮｂ原子の組成比率を“０”以上“１”以下の間で適当に選択することにより、強誘電体と常誘電体の転移温度（キュリー温度）は−２６０℃から＋４３５℃の間で任意に得ることができるので、光部品等で適用される室温を含む−４０℃から＋８５℃の温度範囲で、酸化物強誘電体あるいは酸化物常誘電体を選択的に形成することが可能となる特長をもっている。これに対して、特許文献３等に記載された材料では酸化物強誘電体としての使用のみに制限していた。
【００３５】
ＫＴＮでは、Ｔａ原子とＮｂ原子の組成比を０〜１．０の間で変更することにより、たとえば波長０．６３３μｍにおいて屈折率を２．０から２．３程度の広い範囲に渡って選択することができる。したがって、使用温度を考慮して常誘電体の状態を維持し得る組成比範囲内において、決定することができる。組成を変えることに対してエピタキシャル膜あるいは配向膜においては格子定数の変化は十分小さく、相互の結晶整合性も良好である。
【００３６】
ここで前記した固溶相について説明を行う。エピタキシャル、あるいは単一配向膜を形成する場合には下地面との格子整合条件を満足する必要がある。この整合条件は材料系により異なるが、概ね格子定数のずれが１０％以下であることが条件となる。光導波路層を構成する酸化物常誘電体薄膜は複数の材料から構成される場合には固溶相を満足する条件で適用する必要がある。なぜなら、固溶相条件でない場合には、それぞれの材料成分が完全に混ざり合わず、それぞれの材料成分が薄膜内で均一にならず、マイクロサイズの固まりとして析出した状態で形成されてしまうからである。その場合、その固まりが、光信号が伝搬する光導波路層内に存在するとそれぞれの材料の屈折率が異なるためにフレネル反射や、光信号の伝搬方向の乱れを誘発し、光導波路としての基本的機能に影響を及ぼすからである。ペロブスカイト結晶構造において固溶相条件を満足する材料系として、（ＫＴａＯ３−ＫＮｂＯ３）、（ＢａＴｉＯ３−ＳｒＴｉＯ３）、（ＮａＴａＯ３−ＮａＮｂＯ３）、（ＡｇＴａＯ３−ＡｇＮｂＯ３）、（ＰｂＴｉＯ３−ＰｂＺｒＯ３）、（Ｐｂ１−ＸＬａＸ（Ｚｒ１−ＹＴｉＹ）１−Ｘ／４Ｏ３）
但し（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）など広範に存在する。
【００３７】
請求項３記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスが導電性を有する基板を備え、一対の電極の一方はこの基板が兼用していることを特徴としている。
【００３８】
請求項４記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスが基板とその表面部分に形成された導電性膜とを備え、この導電性膜が一対の電極の一方を構成していることを特徴としている。
【００３９】
請求項３および請求項４記載の発明は、電極の構成の態様を示している。なお、非線形光デバイスは、その下部電極となる単結晶基板上に設けられた導電性または半導電性薄膜が、たとえばエピタキシャル膜または配向膜または多結晶膜またはアモルファス膜の薄膜となる。
【００４０】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の非線形光デバイスの基板が単結晶基板であることを特徴としている。
【００４１】
請求項６記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスの基板はガラス基板であることを特徴としている。
【００４２】
光導波路構造体およびバッファ層が、結晶構造を問わずエピタキシャル膜あるいは配向膜あるいは多結晶膜あるいはアモルファス膜でもよいので、たとえば特開２０００−５６３４３号公報、特開２０００−５６３４４号公報あるいは、特開２０００−３０５１１７号公報に開示されたエピタキシャルあるいは単一配向性という制限がなくなる。したがって、結晶基板のみならず、安価なガラス基板や、有機ポリマ基板等の上にデバイスの各部品を形成することも可能になる。特に有機ポリマ基板上に成膜できると、非線形光デバイスを形成後、フレキシブルに曲げたり、変形したりできるので、さらなる高密度で適用範囲の広い安価な非線形光デバイスを提供することができる。
【００４３】
請求項７記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスで基板は有機ポリマ基板であることを特徴としている。有機ポリマ基板には、有機低分子ポリマ基板と有機高分子ポリマ基板がある。
【００４４】
請求項８記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスで、酸化物常誘電体は固溶相を示し、単結晶膜で構成されていることを特徴としている。
【００４５】
請求項９記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスで、酸化物常誘電体は固溶相を示し、配向膜で構成されていることを特徴としている。
【００４６】
請求項１０記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスで、酸化物常誘電体は、固溶相を示し、多結晶膜で構成されていることを特徴としている。
【００４７】
請求項１１記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスで、酸化物常誘電体は、固溶相を示し、アモルファス膜で構成されていることを特徴としている
【００４８】
請求項１２記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスで、基板は有機ポリマ基板であり、その上に光導波路層およびバッファ層が成膜されていることを特徴としている。
【００４９】
導電性基板に適用波長範囲内において吸収があると、基板上に形成された光導波路に光が入力されたとき、光導波路内の入射光電界分布の一部は基板内にも存在し、その電界振幅は基板内において吸収損失を生じる。基板内の電界振幅は、屈折率が光導波路層材料の屈折率よりも小さいバッファ層で置き換えれば、バッファ層がこの光導波路層と導電性基板の隔離層として機能し、基板での吸収損失は無くなり伝搬損失の低減が可能になる。
【００５０】
請求項１３記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスで、光導波路層は下側に隣接する層に凸状に設けられたリッジ構造を有することを特徴としている。
【００５１】
請求項１４記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスで、光導波路層は上側に隣接する層に凸状に設けられたリッジ構造を有することを特徴としている。
【００５２】
請求項１５記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスで、光導波路層と一対の電極の一方を構成する上部電極の間に酸化物よりなり、光導波路層よりも屈折率の小さいクラッド層を具備することを特徴としている。
【００５３】
光導波路層の上に上部電極としての金属電極が設けられた際、光導波路層中の光の振動周波数が金属電極のプラズマ振動数を越えると、光伝搬にともない金属電極中への電界振幅の染み出した成分が金属中のキャリアによって強く吸収され、伝搬損失となる。しかし、この染み出しの起こる領域を、屈折率が光導波路層材料よりも小さいクラッド層で置き換えれば、クラッド層がこのように光導波路層と金属電極の隔離層として機能し、上部電極（金属電極）による吸収はなくなり、伝搬損失の低減が可能になる。
【００５４】
請求項１６記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスで、電極の一方は酸化物よりなり、光導波路層よりも屈折率の小さいクラッド層を有することを特徴としている。
【００５５】
光導波路層の上に上部電極としての金属電極が設けられた際、光導波路層中の光の振動周波数が金属電極のプラズマ振動数を越えると、光伝搬にともない金属電極中への電界振幅の染み出した成分が金属中のキャリアによって強く吸収され、伝搬損失となる。しかし、この染み出しの起こる領域を、屈折率が光導波路層材料よりも小さいクラッド層で置き換えれば、クラッド層がこのように光導波路層と金属電極の隔離層として機能し、上部電極（金属電極）による吸収はなくなり、伝搬損失の低減が可能になる。
【００５６】
請求項１７記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスで、光導波路は入射用光経路と出射用光経路を分岐する分岐部に電圧が印加されることにより光経路が切り替えられることを特徴としている。
【００５７】
請求項１８記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスで、光導波路はＹ分岐型のＹ字型の光導波路であり、一対の電極によるＹ分岐型の光導波路の分岐部への電圧印加により光経路の切り替えを制御するデジタル型光スイッチとしての制御が行われることを特徴としている。
【００５８】
デジタル型光デバイスは、一定の電圧で光経路が切り替わった後、それ以上の電圧を印加しても、その状態を保持し複数の動作点が発生しないこと、動作電圧のトレランスに優れており、偏波無依存化が可能であり、波長依存性も小さいなどの特長がある。
【００５９】
請求項１９記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスで、光導波路はＸ分岐型の光導波路であり、一対の電極によるＸ分岐型の光導波路の分岐部への電圧印加により光経路の切り替えを制御するデジタル型光スイッチとしての制御が行われることを特徴としている。
【００６０】
デジタル型光デバイスは、一定の電圧で光経路が切り替わった後、それ以上の電圧を印加しても、その状態を保持し複数の動作点が発生しないこと、動作電圧のトレランスに優れており、偏波無依存化が可能であり、波長依存性も小さいなどの特長がある。
【００６１】
請求項２０記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスで、光導波路はＸ分岐型の光導波路であり、一対の電極によるＸ分岐型の光導波路の分岐部への電圧印加により全反射型あるいは透過によって光経路の切り替えを制御する光スイッチとしての制御が行われることを特徴としている。
【００６２】
請求項２１記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスで、光導波路はＸ分岐型の光導波路であり、一対の電極によるＸ分岐型の光導波路の分岐部への電圧印加により光経路の切り替えを制御するブラッグ反射型光スイッチとしての制御が行われることを特徴としている。
【００６３】
請求項２２記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスで、光導波路はＸ分岐型の光導波路であり、一対の電極によるＸ分岐型の光導波路の分岐部への電圧印加により光導波路間における光経路の切り替えを制御する方向性結合器型光スイッチとしての制御が行われることを特徴としている。
【００６４】
請求項２３記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスで、光導波路がマッハツェンダ干渉型の光導波路であり、一対の電極による光導波路の分岐部への電圧印加により光経路の切り替えを制御するマッハツェンダ干渉型光スイッチとしての制御が行われることを特徴としている。
【００６５】
請求項２４記載の発明では、請求項１８〜請求項２３いずれかに記載の非線形光デバイスで、スイッチが複数個マトリックス状に配置されていることを特徴としている。
【００６６】
本発明の非線形光デバイスは、同一基板上に、非線形光デバイスをマトリックス状に配列し、複数の入射用光経路より、所望の入射用光経路から複数の出射用光経路へと、光経路を切り替えることを特徴とするマトリックス型の非線形光デバイスである。適切な間隔のポート間の切り替えを低電圧で駆動でき、電極長や曲がり光導波路長も必要に応じて短縮できるため、従来と同様のサイズの基板ウエハへ、より大規模なマトリックス型の非線形光デバイスを形成することができる。
【００６７】
請求項２５記載の発明では、請求項１８〜請求項２３いずれかに記載の非線形光デバイスで、同一基板上にスイッチが複数個ツリー状に配置されていることを特徴としている。
【００６８】
本発明の非線形光デバイスは、同一基板上に、非線形光デバイスをツリー状に配列し、複数の入射用光経路より、所望の入射用光経路から複数の出射用光経路へと、光経路を切り替えることを特徴とするツリー型の非線形光デバイスである。適切な間隔のポート間の切り替えを低電圧で駆動でき、電極長や曲がり光導波路長も必要に応じて短縮できるため、従来と同様のサイズの基板ウエハへ、より大規模なツリー型の非線形光デバイスを形成することができる。
【００６９】
請求項２６記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスで、光導波路は方向性結合型の光導波路であり、一対の電極による光導波路の分岐部への電圧印加により光干渉を制御する方向性結合器型光減衰器としての制御が行われることを特徴としている。
【００７０】
請求項２７記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスで、光導波路がマッハツェンダ干渉型の光導波路であり、一対の電極による光導波路の分岐部への電圧印加により光干渉を制御するマッハツェンダ干渉型光変調器としての制御が行われることを特徴としている。
【００７１】
【発明の実施の形態】
【００７２】
【実施例】
以下実施例につき本発明を詳細に説明する。
【００７３】
＜第１の実施例＞
【００７４】
図１は本発明の第１の実施例における光デバイスとしてＹ分岐型の１×２光スイッチを示したものである。この１×２光スイッチ２０１は、入射端面２０２と、これと反対側に配置された出射端面２０３を有している。入射端面２０２には１つの入射ポート２０４が配置されており、出射端面２０３には第１および第２の出射ポート２０５、２０６が所定の間隔を置いて配置されている。入射ポート２０４と図で示したＹ字分岐部２０７との間には、１本の直線型光導波路２０８が配置されている。また、第１および第２の出射ポート２０５、２０６とＹ字分岐部２０７の間には、それぞれＳ字型に湾曲した第１または第２のＳ字型光導波路２０９、２１０が配置されており、これらの端部は直線型光導波路２０８の一端側と合流してＹ字分岐部２０７を形成している。
【００７５】
これら直線型光導波路２０８と第１および第２のＳ字型光導波路２０９、２１０の存在する層の上部には第１の上部電極２１２と第２の上部電極２１３が直線型光導波路２０８で線対称となるような形状で配置されている。第１の上部電極２１２は、Ｙ字分岐部２０７から所定長だけ第１のＳ字型光導波路２０９に沿うように配置された帯状電極部分とこれに対して直角方向に折れ曲がった幅広電極部分から構成されている。第２の上部電極２１３も、Ｙ字分岐部２０７から所定長だけ第２のＳ字型光導波路２１０に沿って配置された帯状電極部分とこれに対して直角方向に折れ曲がった幅広電極部分から構成されている。
【００７６】
図２は、図１に示した１×２光スイッチをＡ−Ａ方向に切断したものである。１×２光スイッチ２０１は、下部電極となるＮｂドープＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶半導体からなる基板２２１上に、波長１．５μｍで屈折率が２．２０のＫＴａＹＮｂ１−ＹＯ３（以下、ＫＴＮと称する。）からなるエピタキシャルバッファ層２２２と、同波長での屈折率が２．２５の組成のＫＴＮよりなるエピタキシャル膜あるいは配向膜からなる光導波路層２２３が、この順に積層された構造となっている。基板２２１は接地２２４されている。また、光導波路層２２３の上にはアルミニウム薄膜からなる第１および第２の上部電極２１２、２１３が形成されている。第１および第２の上部電極２１２、２１３は、図示しない制御回路に接続された駆動回路を介して、同じく図示しない電源に接続されている。
【００７７】
なお、本明細書で次のような定義を行う。
（ａ）「配向膜」とは、多結晶膜において更に、同Ｘ線回折パターンによって一つの面指数とその高次ピークが現われるものをいう。
（ｂ）「多結晶膜」とは同Ｘ線回折パターンによって、単相ではあるが色々な面指数が混在する膜状態のものをいう。これは結晶方位に対応する回折強度が全体の回折強度の１％以上であると同定されるものを意味する。
（ｃ）「エピタキシャル膜」とは配向膜において更にＸ線ポールフィギャやＲＨＥＥＤ（反射高速電子線回折）、ＬＥＥＤ（低速電子線回折）等によって、面内の結晶方位が各結晶粒でバラバラな「面内ランダム配向膜」と、２種類以上の特定の方向に配向した結晶粒が混在する「面内選択配向膜」と、完全に一つの方向に配向した「面内配向膜」を含むものをいう。
（ｃ）「アモルファス膜」とはθ−２θＸ線回折パターンによって結晶方位に対応するピークがない膜状態をいう。結晶方位に対応する回折強度が全体の回折強度の１％以下であると同定されるものを意味する。
【００７８】
図２に示す基板２２１を構成するＮｂドープＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶の格子定数は３．９０５Åであり、バッファ層２２２を構成するＫＴＮ単結晶膜の格子定数は３．９０Åである。このため、格子不整合は０．１３％と極めて小さく、良好なエピタキシャル成長が可能となる。光導波路層２２３には、図１に示す直線型光導波路２０８および第１または第２のＳ字型光導波路２０９、２１０が形成されている。エピタキシャル膜あるいは配向膜からなる光導波路層２２３上には、Ｙ分岐部２０７（図１）に電圧を印加するためのアルミニウム薄膜からなる第１および第２の上部電極２１２、２１３が設けられている。
【００７９】
このような第１の実施例の１×２光スイッチ２０１は、スピンコーティング法を適用して次のようにして製造した。
【００８０】
（１）バッファ層形成
エトキシカリウムＫＯＣ３Ｈ５、ペンタエトキシニオブＮｂ（ＯＣ３Ｈ５）５、およびペンタエトキシタンタルＴａ（ＯＣ３Ｈ５）５を出発材料として、これらをエタノールに溶解し室温にて３０分間攪拌した。以上の工程では全てのアルコキシドが湿気に影響を受ける。そこでこれらの工程は窒素ガス雰囲気中で処理された。なお、溶液の状態と以下の加熱固化処理の過程ではＴａとＮｂの組成比が変動する。したがって、最終的に所望のＴａとＮｂの組成比のＫＴＮバッファ層になるようにペンタエトキシニオブＮｂ（ＯＣ３Ｈ５）５、およびペンタエトキシタンタルＴａ（ＯＣ３Ｈ５）５の容量を調整することで、所望のＫＴＮバッファ層用前駆体溶液を得た。
【００８１】
このバッファ層用前駆体溶液を、洗浄、エッチングならびに乾燥を予め行ったＮｂドープＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板上にスピンコーティングし、乾燥させた。その後、酸素雰囲気中でヒータにより加熱して、３００℃にて１時間保持した後、冷却した。これを繰り返すことにより固相エピタキシャル成長を行い、屈折率が２．２０の組成のＫＴＮエピタキシャルバッファ層を１．２μｍの膜厚で形成した。
【００８２】
次に、前の工程で得たＫＴＮバッファ層用前駆体溶液をＫＴＮエピタキシャルバッファ層上に窒素雰囲気中にてスピンコーティングし乾燥させた。その後、酸素雰囲気中でヒータで加熱して３００℃にて１時間保持した後、冷却した。これを繰り返すことにより、ＫＴＮアモルファスバッファ層を０．２３μｍの膜厚で形成した。
【００８３】
次にフォトレジストをスピンコートし、プリベーク後、露光し、現像を行った。ポストベーク後、ＨＣｌ水溶液でＫＴＮバッファ層の一部をウエットエッチングによって除去し、図２に示すように幅５μｍで光導波路の深さ方向に０．２３μｍのエッチングを行い、エピタキシャルバッファ層上にパターンを形成した。次にリムーバによってレジスト材を剥離した。
【００８４】
次にバッファ層２２２上に光導波路層２２３を形成する工程について説明する。
【００８５】
（２）光導波路層形成
先に説明したエッチングによりパターン形成されたＫＴＮアモルファスバッファ層の上に、ＫＴＮバッファ層用前駆体溶液と同様にして調整したＫＴＮ光導波路層用前駆体溶液を窒素雰囲気中でスピンコートし乾燥させた。その後、酸素雰囲気中でヒータで加熱して３００℃にて１時間保持した後、冷却することによりエピタキシャル成長後の屈折率が２．２５の組成のＫＴＮアモルファス光導波路層を０．２３μｍの膜厚で形成した。更に７００℃にて１時間加熱することにより、ＫＴＮアモルファスバッファ層とＫＴＮアモルファス光導波路層の固相エピタキシャル成長を行った。
【００８６】
更に、その表面に、ＫＴＮ光導波路層用前駆体溶液を窒素雰囲気中でスピンコーティングし乾燥させた。その後、酸素雰囲気中でヒータで加熱して３００℃に保持し、更に７００℃にて１時間保持した後、冷却した。これを繰り返すことにより、固相エピタキシャル成長を行い、屈折率が２．２５の組成のＫＴＮエピタキシャル光導波路層を１．４μｍの膜厚で形成した。一度に厚いアモルファス層を固相エピタキシャル成長するよりも、このように薄い膜厚で固相エピタキシャル成長を繰り返すことが結晶品質の点で望ましい。もちろん、これに限定されるものではなく、必要に応じて繰返し数と各回の膜厚を選定することができる。図１に示したＹ分岐部２０７のＫＴＮエピタキシャル光導波路層上にスパッタリング法により膜厚２００ｎｍのＡｌ薄膜を形成した後、リフト・オフ法によって同じく図１に示した幅５μｍ、長さ２０００μｍの形状の第１および第２の上部電極２１２、２１３を形成して１×２光スイッチ２０１を作製した。なお、入射端面と出射端面には研磨処理が施された。
【００８７】
積層した各層の結晶学的関係は次の表現構造（１）として表わすことができる。なお、層の間にはスラッシュ“／”を付けている。以下同様である。
エピタキシャルあるいは単一配向ＫＴＮ（１００）光導波路層／ＫＴＮ（１００）バッファ層／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ３（１００）基板、および面内方位ＫＴＮ［００１］光導波路層／ＫＴＮ［００１］バッファ層／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ３［００１］基板  ……  （１）
ＫＴＮ光導波路層の２次の電気光学係数Ｒは次の（２）式の通りである。
Ｒ＝２×１０−１５  （ｍ２／Ｖ２）  ……（２）
【００８８】
以上のようにして得られた１×２光スイッチ２０１の入射ポート２０４に波長１．５μｍのレーザ光を入射させたところ、Ｙ分岐部２０７で３ｄＢ（５０％）の光パワーで第１および第２のＳ字型光導波路２０９、２１０に分岐して第１および第２の出射ポート２０５、２０６からレーザ光が出力された。この際、下部に配置されたＮｂ−ＳｒＴｉＯ３から成る基板２２１の図示しない電極と、第１あるいは第２の上部電極２１２、２１３のいずれか一方に電圧を印加することにより、電極間の屈折率が変化する。
【００８９】
図３は、この印加電圧と変化する屈折率の関係を示したものである。この特性図は、本実施例の１×２光スイッチ２０１と同様の積層構造で、光導波路層を構成する酸化物常誘電体の印加電圧に対する屈折率の変化量を測定したものである。図１に示した第１あるいは第２の上部電極２１２、２１３が正電圧となるように０Ｖから次第に印加電圧を増加させていくと屈折率は減少する方向に作用し、放物線状の２次関数的な振舞いを示す。およそ２０Ｖの印加電圧に対して、屈折率は−０．００３だけ変動することが分かる。
【００９０】
今、図２に示す基板２２１の前記した電極を接地して、第１あるいは第２の上部電極２１２、２１３に印加電圧として５Ｖを印加したとする。一例として第１の上部電極２１２に電圧を印加すると、その下の第１のＳ字型光導波路２０９の屈折率は減少し、第２のＳ字型光導波路２１０の屈折率は減少しない。この結果として、入射ポート２０４から入射された波長１．５μｍのレーザ光はＹ分岐部２０７で、電圧が印加されておらず屈折率が減少していない第２の上部電極２１３の下の第２のＳ字型光導波路２１０のみを通過して第２の出射ポート２０６より出射される。
【００９１】
逆に第１の出射ポート２０５よりレーザ光を出射させるためには第２の上部電極２１３にのみ電圧５Ｖを印加すればよい。本実施例の１×２光スイッチ２０１の場合、スイッチング周波数が１００ＭＨｚ以上で、クロストークが２０ｄＢ以下となり、挿入損失も５ｄＢ以下であり、偏波無依存の良好な特性を確保することができた。
【００９２】
＜第２の実施例＞
【００９３】
図４は本発明の第２の実施例における光デバイスとしてＹ分岐型の１×８光スイッチを示したものである。この１×８光スイッチ３０１は、入射端面３０２とこれと反対側に位置する出射端面３０３を有している。入射端面３０２には１つの入射ポート３０４が配置されており、出射端面３０３には第１〜第８の出射ポート３０５〜３１２が所定の間隔を置いて配置されている。入射ポート３０４には第１の実施例の１×２光スイッチ２０１と同一構成の第１の光スイッチ部３２１の入射ポート側が接続されており、その第１の出射ポート側には同一構成の第２の光スイッチ部３２２の入射ポート側が接続されている。また、第２の光スイッチ部３２２の第１の出射ポート側には同一構成の第３の光スイッチ部３２３の入射ポート側が接続されている。この第３の光スイッチ部３２３の出射ポート側には第１および第２の出射ポート３０５、３０６が接続されている。同様に、第２の光スイッチ部３２２の第２の出射ポート側には同一構成の第４の光スイッチ部３２４の入射ポート側が接続されている。この第４の光スイッチ部３２４の出射ポート側には第３および第４の出射ポート３０７、３０８が接続されている。また、第１の光スイッチ部３２１の第２の出射ポート側には第５の光スイッチ部３２５の入射ポート側が接続されている。この第５の光スイッチ部３２５の第１の出射ポート側には第６の光スイッチ部３２６の入射ポート側が接続されており、第２の出射ポート側には第７の光スイッチ部３２７の入射ポート側が接続されている。これら第６および第７の光スイッチ部３２６、３２７の出射ポート側に第５〜第８の出射ポート３０９〜３１２が接続されている。
【００９４】
図５は第１の光スイッチ部のみを取り出してその構成を示したものである。図４に示した第２〜第７の光スイッチ部３２２〜３２７は第１の光スイッチ部３２１と具体的なサイズが異なる場合があるものの、それらの構造は実質的に同一である。また、第１の光スイッチ部３２１は図１に示した第１の実施例の１×２光スイッチ２０１とその構造が実質的に同一である。そこで、第１の光スイッチ部３２１で１×２光スイッチ２０１と同一部分にはそれらの符号に「Ａ」を追加しており、これらの説明を適宜省略する。なお、第１〜第７の光スイッチ部３２１〜３２７の断面構造の説明では適宜図２を使用することにする。
【００９５】
（１）バッファ層形成
第１の実施例の１×２光スイッチ２０１と同様に１×８光スイッチ３０１の製造でも、洗浄、エッチング、乾燥を予め行ったＮｂドープＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板上に、屈折率が２．２０の組成のＫＴＮエピタキシャルバッファ層を１．２μｍの膜厚で形成した。次に、屈折率が２．２０の組成のＫＴＮアモルファスバッファ層を０．２３μｍの膜厚で形成した。次にフォトレジストをスピンコートし、プリベーク後、露光し、現像を行った。ポストベーク後、ＨＣｌ水溶液でＫＴＮバッファ層の一部をウエットエッチングで除去し図２に示すように、幅５μｍで光導波路の深さ方向に０．２３μｍのエッチングを行いパターンを形成した。次にリムーバによってレジスト材を剥離した。
【００９６】
次にＫＴＮバッファ層上にＫＴＮ光導波路層を形成する工程について説明する。
【００９７】
（２）光導波路層形成
先に説明したエッチングによりパターン形成されたＫＴＮアモルファスバッファ層の上に、ＫＴＮバッファ層と同様に、屈折率が２．２５の組成のＫＴＮエピタキシャル光導波路層を１．６μｍの膜厚で形成した。Ｙ分岐部のＫＴＮエピタキシャル光導波路層上にスパッタリング法により膜厚２００ｎｍのＡｌ薄膜を形成した後、リフト・オフ法によって図１に示したように幅５μｍ、長さ２０００μｍの形状の第１の上部電極２１２と第２の上部電極２１３を、第１〜第７の光スイッチ部３２１〜３２７ごとに形成して１×２光スイッチごとに形成した。そして、図１に示す１×２光スイッチ２０１を基本単位とした３段の計７個からなる１×８光スイッチ３０１を作製した。この１×８光スイッチ３０１の入射端面３０２の入射ポート３０４には図示しない１本の光ファイバを配置し、出射端面３０３の第１〜第８の出射ポート３０５〜３１２には２５０μｍ間隔で８本の光ファイバ（共に図示せず）を配置した。なお、入射端面３０２と出射端面３０３には研磨処理が施された。
【００９８】
積層した各層の結晶学的関係は第１の実施例の１×２光スイッチ２０１と同様に、先の表現構造（１）として表わすことができる。また、ＫＴＮ光導波路層の２次の電気光学係数Ｒは先の（２）式の通りである。
【００９９】
この１×８光スイッチを構成するひとつの１×２光スイッチとして、たとえば図５に示す第１の光スイッチ部３２１に着目してその特性を説明する。上部電極の入射ポート２０４Ａに波長１．５μｍのレーザ光を入射させたところ、Ｙ分岐２０７Ａ部で３ｄＢ（５０％）の光パワーで第１および第２のＳ字型光導波路２０９Ａ、２１０Ａに分岐して第１および第２の出射ポート２０５Ａ、２０６Ａからレーザ光が出力された。この際、下部に配置されたＮｂ−ＳｒＴｉＯ３からなる基板２２１の図示しない電極と、第１あるいは第２の上部電極２１２Ａ、２１３Ａのうちのいずれかの電極の間に電圧を印加することにより、電極間の屈折率が変化する。
【０１００】
このときの印加電圧と変化する屈折率の関係については、すでに図３で説明した。すなわち、第１あるいは第２の上部電極２１２Ａ、２１３Ａが正電圧となるように０Ｖから次第に印加電圧を増加させていくと屈折率は減少する方向に作用し、放物線状の２次関数的な振舞いを示す。およそ２０Ｖの印加電圧に対して、屈折率は−０．００３だけ変動することが分かる。
【０１０１】
逆に第１あるいは第２の上部電極２１２Ａ、２１３Ａが負電圧となるように０Ｖから次第に印加電圧を減少させていくと、正電圧を印加したときと同様に屈折率は減少する方向に作用し、およそ２０Ｖの印加電圧に対して、屈折率は−０．００３だけ変動することが分かる。印加電圧を０Ｖに戻すことで、ヒステリシスのない再現性の高い電圧制御による屈折率調整が可能である。
【０１０２】
今、図２に示す基板２２１の前記した電極を接地して、第１あるいは第２の上部電極２１２Ａ、２１３Ａに印加電圧として５Ｖを印加したとする。一例として第１の上部電極２１２Ａに電圧を印加すると、その下の第１のＳ字型光導波路２０９Ａの屈折率は減少し、第２のＳ字型光導波路２１０Ａの屈折率は減少しない。この結果として、入射ポート２０４Ａから入射された波長１．５μｍのレーザ光はＹ分岐部２０７Ａで、電圧が印加されておらず屈折率が減少していない第２の上部電極２１３Ａの下の第２のＳ字型光導波路２１０Ａのみを通過して第２の出射ポート２０６Ａより図４に示す第５の光スイッチ部３２５の入射ポート側に入射される。
【０１０３】
逆に第１の出射ポート２０５Ａよりレーザ光を第２の光スイッチ部３２２に入射させるためには、図５に示す第２の上部電極２１３Ａにのみ電圧５Ｖを印加すればよい。以上を計７箇所から構成される第１〜第７の光スイッチ部３２１〜３２７でそれぞれ独自に制御することにより、８本からなる第１〜第８の出射ポート３０５〜３１２のいずれかに光をスイッチすることができる。
【０１０４】
この第２の実施例の１×８光スイッチ３０１の場合、スイッチング周波数１００ＭＨｚ以上、クロストーク２０ｄＢ以下、挿入損失７ｄＢ以下であり、偏波無依存の良好な特性を確保することができた。
【０１０５】
＜第２の実施例の変形例＞
【０１０６】
図６は本発明の第２の実施例の１×８光スイッチの変形例としての第１の光スイッチ部の断面構造を原理的に表わしたものである。この変形例の１×８光スイッチの平面構造は、図４および図５に示した第２の実施例における１×８光スイッチ３０１と実質的に同一である。このためこれらと同一部分にはこれらの構成部品を示す数字の後に符号「Ｂ」を付して、または「Ａ」を「Ｂ」に置き換えて、これらの説明を適宜省略する。また、第２〜第７の光スイッチ部３２２Ｂ〜３２７Ｂの図示は省略し、第１の光スイッチ部３２１Ｂの図および説明を適宜援用する。
【０１０７】
図６に示したようにこの変形例のＹ分岐型の１×８光スイッチ３０１Ｂにおける第１の光スイッチ部３２１Ｂは、基板２２１Ｂの材料として絶縁特性を有するＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板を使用している。そこで、図２で示した実施例では下部Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ３基板２２１自体が下部電極を構成し、これを接地するようにしていたが、この変形例ではＳｒＴｉＯ３単結晶基板２２１Ｂの上に下部電極層３５１を形成し、これを接地するようにしている。下部電極層３５１はＳｒＴｉＯ３単結晶基板２２１Ｂ上に形成したＰｔ薄膜である。この下部電極層３５１の上部に、波長１．５μｍで屈折率が２．２０の組成のＫＴＮからなるエピタキシャルバッファ層２２２Ｂと、同波長での屈折率が２．２３の組成のＫＴＮよりなるエピタキシャル膜あるいは配向膜からなる光導波路層２２３Ｂが順に形成されており、更にその上には屈折率が２．２０の組成のＫＴＮエピタキシャルクラッド層３６１が形成されている。
【０１０８】
ＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板２２１Ｂの格子定数は３．９０５Åであるが、下部電極層３５１を構成するＰｔ薄膜の格子定数は３．９２４Åである。また、エピタキシャルバッファ層２２２Ｂを構成するＫＴＮ単結晶膜の格子定数は３．９０Åであるので、格子不整合は０．６％以下と極めて小さく、良好なエピタキシャル成長が可能である。光導波路層２２３Ｂ内には、前記した光導波路が形成され、エピタキシャル膜あるいは配向膜からなる光導波路層２２３Ｂ上には、クラッド層３６１を介してＹ分岐部に電圧を印加するためのアルミニウム薄膜からなる第１の上部電極２１２Ｂと第２の上部電極２１３Ｂが設けられている。これら第１の上部電極２１２Ｂと第２の上部電極２１３Ｂは、図示しない制御回路に接続された同じく図示しない駆動回路を介して図示しない電源に接続されており、下部電極層３５１および電源は接地されている。
【０１０９】
次にこの変形例の１×８光スイッチ３０１Ｂの製造方法について説明する。
【０１１０】
（１）バッファ層形成
第１の実施例の１×２光スイッチ２０１と同様に洗浄、エッチング、乾燥を予め行ったＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板上２２１Ｂにスパッタリング法により下部電極層３５１としてＰｔエピタキシャル膜を厚さ５０ｎｍだけ積層する。その上に屈折率が２．２０の組成のＫＴＮエピタキシャルバッファ層を２μｍの膜厚で形成した。次に、屈折率が２．２０の組成のＫＴＮアモルファスバッファ層を５００ｎｍの膜厚で形成した。
【０１１１】
次に図２で示したのと同様の方法で、ＨＣｌ水溶液でＫＴＮバッファ層２２２Ｂの一部をウエットエッチングで除去し図２に示すように、幅５μｍで光導波路の深さ方向２３０ｎｍのエッチングを行いパターンを形成した。次にリムーバによってレジスト材を剥離した。
【０１１２】
次にＫＴＮバッファ層上に形成するＫＴＮ光導波路層について説明する。
【０１１３】
（２）光導波路層形成
エッチングによりパターン形成されたＫＴＮアモルファスバッファ層の上に、ＫＴＮバッファ層と同様に、屈折率が２．２３の組成のＫＴＮエピタキシャル光導波路層を５００ｎｍの膜厚で形成した。この後、ＫＴＮアモルファスバッファ層とＫＴＮアモルファス光導波路層を固相エピタキシャル成長させ、ＫＴＮエピタキシャルバッファ層とＫＴＮエピタキシャル光導波路層２２３Ｂとした。
【０１１４】
次にＫＴＮエピタキシャル光導波路層２２３Ｂの上に屈折率２．２０の組成のＫＴＮエピタキシャルクラッド層３６１を固相エピタキシャル成長により２μｍの膜厚で形成した。Ｙ分岐部のＫＴＮエピタキシャル光導波路層２２３Ｂの上にスパッタリング法により膜厚２００ｎｍのＡｌ薄膜を形成した後、リフト・オフ法によって図１のような幅５μｍ、長さ３０００μｍの形状の上部電極として第１の上部電極２１２Ｂと第２の上部電極２１３Ｂを形成する。以上を第１〜第７の光スイッチ部３２１〜３２７（１×２光スイッチ）ごとに形成して、図５に示す１×２光スイッチを基本単位とした３段のツリー構造をした計７個からなる１×８光スイッチ３０１Ｂを作製した。この１×８光スイッチ３０１Ｂの１段目の入射端面には図示しない１本の光ファイバを配置し、３段目の出射端面には２５０μｍ間隔で同じく図示しない８本の光ファイバを配置した。なお、入射端面と出射端面には研磨処理が施された。
【０１１５】
積層した各層の結晶学的関係は次の表現構造（３）として表わすことができる。
エピタキシャルあるいは単一配向ＫＴＮ（１００）クラッド層／エピタキシャルあるいは単一配向ＫＴＮ（１００）光導波路層／ＫＴＮ（１００）バッファ層／Ｐｔ（１００）エピタキシャル電極層／ＳｒＴｉＯ３（１００）基板、および面内方位ＫＴＮ［００１］クラッド層／ＫＴＮ［００１］光導波路層／ＫＴＮ［００１］バッファ層／Ｐｔ［００１］層／ＳｒＴｉＯ３［００１］基板  ……  （３）
ＫＴＮ光導波路層の２次の電気光学係数Ｒは先の（２）式の通りである。
【０１１６】
この１×８光スイッチを構成するひとつの１×２光スイッチとして、たとえば第１の光スイッチ部３２１Ｂ（図５の第１の光スイッチ部３２１を参照）に着目してその特性を説明する。上部電極の入射ポート２０４Ｂに波長１．５μｍのレーザ光を入射させたところ、Ｙ分岐２０７Ｂ部で３ｄＢ（５０％）の光パワーで第１および第２のＳ字型光導波路２０９Ｂ、２１０Ｂに分岐して第１および第２の出射ポート２０５Ｂ、２０６Ｂからレーザ光が出力された。この際、下部に配置されたＮｂ−ＳｒＴｉＯ３からなる基板２２１Ｂ上に形成された下部電極層３５１に接続された電極と、第１あるいは第２の上部電極２１２Ｂ、２１３Ｂのうちのいずれかの電極の間に電圧を印加することにより、電極間の屈折率が変化する。
【０１１７】
このときの印加電圧と変化する屈折率の関係は、すでに図３で説明した。すなわち、第１あるいは第２の上部電極２１２Ｂ、２１３Ｂが正電圧となるように０Ｖから次第に印加電圧を増加させていくと屈折率は減少する方向に作用し、放物線状の２次関数的な振舞いを示す。およそ２０Ｖの印加電圧に対して、屈折率は−０．００３だけ変動することが分かる。
【０１１８】
逆に第１あるいは第２の上部電極２１２Ｂ、２１３Ｂが負電圧となるように０Ｖから次第に印加電圧を減少させていくと、正電圧を印加したときと同様に屈折率は減少する方向に作用し、およそ２０Ｖの印加電圧に対して、屈折率は−０．００３だけ変動することが分かる。印加電圧を０Ｖに戻すことで、ヒステリシスのない再現性の高い電圧制御による屈折率調整が可能である。
【０１１９】
今、図６に示す下部電極層３５１を接地して、第１あるいは第２の上部電極２１２Ｂ、２１３Ｂに印加電圧として５Ｖを印加するものとする。一例として第１の上部電極２１２Ｂに電圧を印加すると、その下の第１のＳ字型光導波路２０９Ｂ（図５の対応する部品の符号ＡをＢに置き換えている。以下、同様。）の屈折率は減少し、第２のＳ字型光導波路２１０Ｂの屈折率は減少しない。この結果として、入射ポート２０４Ｂから入射された波長１．５μｍのレーザ光はＹ分岐部２０７Ｂで、電圧が印加されておらず屈折率が減少していない第２の上部電極２１３Ｂの下の第２のＳ字型光導波路２１０Ｂのみを通過して第２の出射ポート２０６Ｂより図４に示す第５の光スイッチ部３２５の入射ポート側に入射される。
【０１２０】
逆に第１の出射ポート２０５Ｂよりレーザ光を第２の光スイッチ部３２２に入射させるためには、図６に示す第２の上部電極２１３Ｂにのみ電圧５Ｖを印加すればよい。以上を計７箇所から構成される第１〜第７の光スイッチ部３２１〜３２７でそれぞれ独自に制御することにより、８本からなる第１〜第８の出射ポート３０５〜３１２のいずれかに光をスイッチすることができる。
【０１２１】
クラッド層３６１の形成は光導波路内の伝搬損失を、より低減したい場合に行われる。クラッド層３６１の膜厚を厚くすると低損失特性が得られて望ましい効果を発揮する。しかしながらクラッド層３６１の膜厚が厚いと、光導波路層２２３Ｂへ印加される実効電圧が減少する。そこで、スイッチング電圧と損失特性を勘案の上、クラッド層３６１の膜厚を設定することになる。
【０１２２】
この変形例では、スイッチング周波数が１００ＭＨｚ以上、クロストークが２０ｄＢ以下、挿入損失が６ｄＢ以下であり、第２の実施例の場合と比べて損失が改善されており、偏波無依存の良好な特性を確保することができた。
【０１２３】
＜第３の実施例＞
【０１２４】
図７は本発明の第３の実施例における８×８光スイッチの構造の概要を示したものである。この８×８光スイッチ４０１は、２×２光スイッチを６４個組み合わせたクロスバ構成の８×８光スイッチであり、入射端面４０２と、これと反対側に配置された出射端面４０３を有している。入射端面４０２には８個ずつ２群に分かれ、そのうちの半分のポートがダミーとなった第１〜第４の入射ポート４１１〜４１４および第５〜第８の入射ポート４１５〜４１８が配置されている。また、出射端面４０３には８個ずつ２群に分かれ、そのうちの半分のポートがダミーとなった第１〜第４の出射ポート４２１〜４２４および第５〜第８の出射ポート４２５〜４２８が配置されている。
【０１２５】
図８は、図７に示した８×８光スイッチがＸ字型に交差した合計６４個のＸ交差部の１つを拡大して示したものである。Ｘ交差部４３１は、図７に示した入射端面４０２側に位置する第１および第２のＸ入射ポート４３２、４３３と、図７に示した出射端面４０３側に位置する第１および第２のＸ出射ポート４３４、４３５と、第１のＸ入射ポート４３２と第２のＸ出射ポート４３５を接続する第１の直線型光導波路４３６と、第２のＸ入射ポート４３３と第１のＸ出射ポート４３４を接続する第２の直線型光導波路４３７からなり、それぞれの中間部分がＸ交差位置４３８で交差している。このＸ交差位置４３８の上部には、第１の直線型光導波路４３６と第２の直線型光導波路４３７からそれぞれ等距離となる所定長の上部電極４３９がその中央位置をＸ交差位置４３８の直上位置と一致させるように配置されている。
【０１２６】
図７に示す８×８光スイッチ４０１は、直線状の第１および第２の直線型光導波路４３６、４３７を中間部に備えたＳ字型あるいは逆Ｓ字型の導波路がそれぞれＸ交差していることになる。そして、それぞれのＸ交差の部分は、図８に示すように第１のＸ入射ポート４３２側から第１および第２のＸ出射ポート４３４、４３５を見ると、第１の実施例の場合と同様のＹ分岐型光スイッチとなる。同様に第２のＸ入射ポート４３３側から第１および第２のＸ出射ポート４３４、４３５を見ると、同様のＹ分岐型光スイッチとなる。したがって、上部電極４３９に印加する電圧の制御によって第１〜第８の入射ポート４１１〜４１８から入射する信号光を選択して第１〜第８の出射ポート４２１〜４２８から出力させることができる。
【０１２７】
図９は、８×８光スイッチにおける１つのＸ交差部を図８に示したＢ−Ｂ方向に切断した状態を原理的に表わしたものである。８×８光スイッチ４０１は、基板４４１の材料として絶縁特性を有するＭｇＯ（１００）単結晶基板を使用している。このため、図６に示した第２の実施例の変形例と同様にその上に下部電極層４４２を形成し、これを接地するようにしている。下部電極層４４２はＡｇエピタキシャル膜である。この下部電極層４４２の上部に、波長１．５μｍで屈折率が２．２０の組成のＫＴＮエピタキシャルバッファ層４４３と、同波長での屈折率が２．２３の組成のＫＴＮよりなるエピタキシャル膜あるいは配向膜からなる光導波路層４４４が順に形成されており、更にその上にはＸ分岐部４３８に電圧を印加するためのアルミニウム薄膜からなる上部電極４３９が配置されている。上部電極４３９は、図示しない制御回路に接続された同じく図示しない駆動回路を介して図示しない電源に接続されており、下部電極層４４２および電源は接地されている。
【０１２８】
次にこの第３の実施例の変形例の８×８光スイッチ４０１の製造方法について図８および図９と共に説明する。
【０１２９】
洗浄、エッチング、乾燥を予め行ったＭｇＯ（１００）単結晶基板４４１上にＲＦマグネトロンスパッタリング法により下部電極層４４２としてＡｇエピタキシャル膜を厚さ１００ｎｍだけ積層する。その上にＲＦマグネトロンスパッタリング法により屈折率が２．２０の組成のＫＴＮエピタキシャルバッファ層４４３を１５００ｎｍの膜厚で形成した。その上に屈折率が２．２５の組成のＫＴＮエピタキシャル光導波路層を１８００ｎｍの膜厚で形成した。
【０１３０】
次にＸ交差部４３１の形成および下地電極層を露出させるためにレジストパターンを用いて、その一部を残して、ＫＴＮアモルファスバッファ層およびＫＴＮアモルファス光導波路層をリアクティブイオンエッチングにより除去した。そして図７に示すようなクロスバ構成の光導波路を、高さ３００ｎｍ、幅５μｍの凸部として加工した後、ＫＴＮアモルファスバッファ層およびＫＴＮアモルファス光導波路層を固相エピタキシャル成長してＫＴＮエピタキシャルバッファ層４４３およびＫＴＮエピタキシャル光導波路層４４４とする。
【０１３１】
Ｘ交差部４３１の中央のＫＴＮエピタキシャル光導波路層の上に、スパッタリング法により膜厚２００ｎｍのＡｌ薄膜と膜厚３００ｎｍのＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ：インジウムスズ酸化物）から成る積層薄膜を形成した後、リフト・オフ法によって幅１μｍ長さ３０００ｎｍの形状の上部電極４３９を形成する。これらは図８に示すＸ交差部４３１としての２×２光スイッチごとに形成する。これにより、図８に示す２×２光スイッチを基本単位として合計６４個からなる８×８光スイッチ４０１を作製する。図７に示す８×８光スイッチ４０１の入射端面４０２の第１〜第４の入射ポート４１１〜４１４に１本ずつ合計４本の図示しない光ファイバを配置し、出射端面４０３には第１〜第４の出射ポート４２１〜４２４および第５〜第８の出射ポート４２５〜４２８に１本ずつ合計８本の光ファイバ（図示せず）を配置した。なお、入射端面４０２と出射端面４０３は研磨処理が施された。
【０１３２】
積層した各層の結晶学的関係は次の表現構造（４）として表わすことができる。
エピタキシャルあるいは単一配向ＫＴＮ（１００）光導波路層／ＫＴＮ（１００）バッファ層／Ａｇ（１００）エピタキシャル電極層／ＭｇＯ（１００）基板、および面内方位ＫＴＮ［００１］光導波路層／ＫＴＮ［００１］バッファ層／Ａｇ［００１］層／ＭｇＯ［００１］基板  ……  （４）
【０１３３】
この８×８光スイッチ４０１を構成するひとつの２×２光スイッチとして、図８に示す１つのＸ交差部４３１に着目する。このＸ交差部４３１の第１のＸ入射ポート４３２に波長１．５μｍのレーザ光を入射させたところ、各々３ｄＢ（５０％）の光パワーで第１および第２のＸ出射ポート４３４、４３５に分岐された。この際、下部電極層４４２と、上部電極４３９の間に電圧を印加することにより、電極間の屈折率が変化する。先に示した図３は、本実施例の光スイッチと同様の積層構造において、光導波路層を構成する酸化物常誘電体の印加電圧に対する屈折率の変化量を測定したものである。
【０１３４】
上部電極４３９が正電圧となるように０Ｖから次第に印加電圧を増加させていくと屈折率は減少する方向に作用し、放物線状の２次関数的な振舞いを示す。およそ２０Ｖの印加電圧に対して、屈折率は−０．００３だけ変動することが分かる。
【０１３５】
逆に上部電極４３９が負電圧となるように０Ｖから次第に印加電圧を減少させていくと、正電圧を印加したときと同様に屈折率は減少する方向に作用し、およそ２０Ｖの印加電圧に対して、屈折率は−０．００３だけ変動することが分かる。印加電圧を０Ｖに戻すことで、ヒステリシスのない再現性の高い電圧制御による屈折率調整が可能である。今、下部電極層４４２を接地して、上部電極４３９に５Ｖを印加すると、上部電極４３９の下の光導波路の屈折率は減少し、その結果、全反射型のスイッチ制御となる。すなわち第１のＸ入射ポート４３２から入射した波長１．５μｍのレーザ光はＸ分岐部４３８で全反射して、第１のＸ出射ポート４３４から出射される。上部電極４３９に電圧が印加されず屈折率が減少しない状態では、第１のＸ入射ポート４３２から入射したこのレーザ光はそのままＸ分岐部４３８を直進して第２のＸ出射ポート４３５から出射される。
【０１３６】
次に、第１のＸ入射ポート４３２に波長１５５０ｎｍの光信号が、また第２のＸ入射ポート４３３に波長１５６０ｎｍの光信号が入射している場合を説明する。上部電極４３９に電圧が印加されていない場合には、第１のＸ入射ポート４３２の波長１５５０ｎｍの光信号はＸ分岐部４３８でそのまま直進し第２のＸ出射ポート４３５から出射される。また第２のＸ入射ポート４３３の波長１５６０ｎｍの光信号もＸ分岐部４３８でそのまま直進し第１のＸ出射ポート４３４から出射される。
【０１３７】
これに対して上部電極４３９に電圧が印加されて全反射条件を満足する場合には、第１のＸ入射ポート４３２に入射した波長１５５０ｎｍの光信号はＸ分岐部４３８で全反射され第１のＸ出射ポート４３４から出射される。また波長１５６０ｎｍの光信号もＸ分岐部４３８で全反射され第２のＸ出射ポート４３５から出射される。以上を計６４箇所から構成される８×８光スイッチ部においてそれぞれ独自に制御することにより、第１〜第８の入射ポート４１１〜４１８から入射する信号光を第１〜第８の出射ポート４２１〜４２８のいずれかにスイッチすることができる。
【０１３８】
本実施例の８×８光スイッチ４０１の場合には、スイッチング周波数が１００ＭＨｚ以上、クロストークが２０ｄＢ以下、挿入損失が８ｄＢ以下であり、偏波無依存の良好な特性を確保することができた。
【０１３９】
＜第４の実施例＞
【０１４０】
図１０は本発明の第４の実施例における光デバイスとして方向性結合器型の２×２光スイッチを示したものである。本実施例の２×２光スイッチ４５１は、中央部分で所定長だけ平行状態となって互いに近接すると共に、その両端部でカーブを描くように互いに離間した互いに線対称の関係にある一対の光導波路４５２、４５３を備えており、全体としてＸ交差部を形成している。これら第１および第２の光導波路４５２、４５３の上部には、これの導波路部分に沿って配置された帯状電極部分とこれに対して直角方向に折れ曲がった幅広電極部分から構成され、同様に互いに線対称の関係にある第１および第２の上部電極４５４、４５５が配置されている。
【０１４１】
図１１はこの２×２光スイッチのＣ−Ｃ方向の断面構造を原理的に表わしたものである。第４の実施例の２×２光スイッチ４５１はガラス基板４６１を使用している。このガラス基板４６１上に、まず下部電極層４６２としてアモルファスＳｒＲｕＯ３薄膜をイオンビームスパッタリング法により１０００ｎｍの膜厚で形成し、続いて屈折率２．１５のＫＴＮアモルファスバッファ層４６３を１０００ｎｍの膜厚で形成するようにしている。更にその上に、屈折率が２．２３のＫＴＮアモルファス光導波路層４６４が１５００ｎｍの膜厚で形成されている。このＫＴＮアモルファス光導波路層４６４はその一部を残してイオンエッチングにより除去される。このようにして、図１０に示す方向性結合スイッチ形状の第１および第２の光導波路４５２、４５３を、高さ２００ｎｍ、幅５．０μｍの凸部として加工形成する。次にＫＴＮアモルファス光導波路層４６４上に屈折率２．１８の組成のＫＴＮアモルファスクラッド層４６５をイオンビームスパッタリング法により１２００ｎｍの膜厚で形成する。
【０１４２】
Ｘ交差部の中央部のＫＴＮアモルファスクラッド層４６５上には、イオンビームスパッタリング法によりＡｌ電極を２００ｎｍの膜厚で形成した後、リフト・オフ法によって第１および第２の上部電極４５４、４５５が形成される。これにより、第３の実施例のＸ交差部４３１（図８参照）と同様のシングルモードのＸ交差型の２×２光スイッチ４５１を作製することができる。
【０１４３】
なお、この第４の実施例の２×２光スイッチ４５１の駆動方法の原理は第１の実施例とほぼ同様であるので、説明を省略する。また、第４の実施例の２×２光スイッチ４５１では方向性結合器型の２×２光スイッチを使用したが、この代わりに、ブラッグ反射型光スイッチを適用して同様の光スイッチを構成することも可能である。
【０１４４】
＜第５の実施例＞
【０１４５】
図１２は、本発明の第５の実施例における２×２光スイッチの構造の概要を示したものである。本実施例の２×２光スイッチ５０１は、シングルモードのマッハ・ツェンダ干渉型の２×２光スイッチである。この方向性結合器型の２×２光スイッチ５０１は、２つのＸ交差部５０２、５０３と、これらの間に設けられた互いに平行な導波路部分５０４とを備えた互いに線対称の関係にある第１および第２の光導波路５０６、５０７と、平行な導波路部分５０４のそれぞれに沿って配置された帯状電極部分とこれに対して直角方向に折れ曲がった幅広電極部分から構成される互いに線対称となる形状の第１および第２の上部電極５０８、５０９から構成されている。
【０１４６】
図１３は、この２×２光スイッチのＤ−Ｄ方向の断面構造を原理的に表わしたものである。第５の実施例の２×２光スイッチ５０１はガラス基板５１１を使用している。このガラス基板５１１上に、まず下部電極層５１２としてアモルファスＳｒＲｕＯ３薄膜をイオンビームスパッタリング法により１０００ｎｍの膜厚で形成し、続いて屈折率２．２７のＫＴＮアモルファスバッファ層５１３を１０００ｎｍの膜厚で形成するようにしている。更にその上に、屈折率が２．３８のＫＴＮアモルファス光導波路層５１４が１５００ｎｍの膜厚で形成されている。このＫＴＮアモルファス光導波路層５１４はその一部を残してイオンエッチングにより除去される。このようにして、図１２に示す方向性結合スイッチ形状の第１および第２の光導波路５０６、５０７を、高さ３００ｎｍ、幅５．０μｍの凸部として加工形成する。次にＫＴＮアモルファス光導波路層５１４上に屈折率２．１８の組成のＫＴＮアモルファスクラッド層５１５をイオンビームスパッタリング法により１２００ｎｍの膜厚で形成する。
【０１４７】
２つの交差部５０２、５０３の間の平らな導波路部分５０４（図１２参照）のＫＴＮアモルファスクラッド層５１５上には、イオンビームスパッタリング法によりＡｌ電極を２００ｎｍの膜厚で形成した後、リフト・オフ法によって第１および第２の上部電極５０８、５０９が形成される。これにより、シングルモードのマッハ・ツェンダ干渉型の２×２光スイッチ５０１を作製することができる。なお、この第５の実施例の２×２光スイッチ５０１の駆動方法の原理は第１の実施例とほぼ同様であるので、説明を省略する。また、第５の実施例の２×２光スイッチ５０１では方向性結合器型の２×２光スイッチを使用したが、この代わりに、ブラッグ反射型光スイッチを適用して同様の光スイッチを構成することも可能である。
【０１４８】
＜第６の実施例＞
【０１４９】
図１４は、本発明の第６の実施例におけるシングルモードのマッハ・ツェンダ干渉型の１×２光減衰器を表わしたものである。この１×２光減衰器５５１は、入射端面５５２と、これと反対側に配置された出射端面５５３を有している。入射端面５５２には１つの入射ポート５５４が配置されており、出射端面５５３にも１つの出射ポート５５５が配置されている。これらのポート５５４、５５５の間には、入射端面５５２側から直線型光導波路５６１と、この直線型光導波路５６１の一端に一端をそれぞれ接続（Ｙ分岐）した一対のＳ字型光導波路５６２、５６３と、これらのＳ字型光導波路５６２、５６３の他端と互いに一端を接続した互いに平行な直線型光導波路５６４、５６５と、これらの直線型光導波路５６４、５６５の他端に一端をそれぞれ接続した一対のＳ字型光導波路５６６、５６７と、これらのＳ字型光導波路５６６、５６７の合流点に一端を接続し出射ポート５５５に他端を接続した直線型光導波路５６８が配置されている。これら各光導波路５６１〜５６８の上には、直線型光導波路５６１とＳ字型光導波路５６２、５６３の分岐箇所から一対の直線型光導波路５６４、５６５の線対称の位置に沿って所定距離だけ設けられた帯状電極部とこれに対して直角方向に折れ曲がった幅広電極部分からなる上部電極５７１と、直線型光導波路５６４、５６５のそれぞれと１つずつ対応させてこれらに近接して配置された第１および第２の接地電極５７２、５７３が配置されている。また、直線型光導波路５６８の途中にはこれを横断する形で溝が切られ、この溝の部分に偏光子５７４が装着されている。この１×２光減衰器５５１の用途によっては偏光子５７４を省略し、減衰器としてのコストダウンを図ることができる。
【０１５０】
図１５は、このような第６の実施例の１×２光減衰器をＥ−Ｅ方向に切断した端面構造を表わしたものである。この１×２光減衰器５５１は、ポリマ基板５８１上にバッファ層５８２となる屈折率２．１８のＫＴＮアモルファスバッファ層をイオンアシスト蒸着法を用いて１０００ｎｍの膜厚で形成し、次に、屈折率が２．２３のＫＴＮアモルファス光導波路層５８３を１５００ｎｍの膜厚で形成するようになっている。次にＫＴＮアモルファス光導波路層５８３をその一部を残してイオンエッチングにより除去し、マッハ・ツェンダ干渉型の光導波路（図では直線型光導波路５６４、５６５の部分）を、高さ３００ｎｍ、幅９．０μｍの凸部として加工形成する。
【０１５１】
次に、ＫＴＮアモルファス光導波路層５８３上に、クラッド層５８４を形成し、その上にイオンアシスト蒸着法によりＡｌ電極を２００ｎｍの膜厚で形成した後、リフト・オフ法によって図１４に示す形状の上部電極５７１および第１および第２の接地電極５７２、５７３を形成し、シングルモードのマッハ・ツェンダ干渉型の１×２光減衰器を作製することができる。
【０１５２】
この１×２光減衰器５５１の入射ポート５５４に波長１．５μｍのレーザ光を入射させたところ、直線型光導波路５６１と一対のＳ字型光導波路５６２、５６３が接続したＹ分岐部で３ｄＢ（５０％）の光パワーで分岐して、２つの直線型光導波路５６４、５６５（２つの出射ポート）に分岐された。この際、上部電極５７１と、第１および第２の接地電極５７２、５７３の間に電圧を印加することにより、電極間の屈折率が変化する。
【０１５３】
図１６は、この第６の実施例の１×２光減衰器の特性を示したものである。この図で横軸は２つの光導波路の間の結合長Ｌを示しており、縦軸は出射ポート５５５から出力されるレーザ光の光強度を示している。結合長Ｌが“０”から完全結合長“Ｌｃ”の２倍の“２Ｌｃ”まで変化すると、それに応じて干渉効果が増加あるいは減少し、その結果、出射ポート５５５から出力されるレーザ光の光強度が変化する。本実施例の１×２光減衰器５５１では、この変化を光導波路層の屈折率を変化させることで実行している。
【０１５４】
図１７はこの第６の実施例の１×２光減衰器と同様の構造で、光導波路層を構成する酸化物常誘電体の印加電圧に対する屈折率の変化を測定した結果を示している。図１４に示した上部電極５７１が正電圧となるように０Ｖから次第に印加電圧を増加させていくと屈折率は減少する方向に作用し、放物線状の２次関数的振る舞いを示す。接地電極の光伝搬方向の長さｋを完全結合長Ｌｃの偶数倍とする。印加電圧が完全結合長Ｌｃに相当する場合に最大の光減衰率が得られ、光強度は６０ｄＢ以下に減衰することができる。逆に上部電極５７１が負電圧となるように０Ｖから次第に印加電圧を減少させていく場合でも、正電圧を印加したときと同様に屈折率は減少する方向に作用する。
【０１５５】
この第７の実施例の１×２光減衰器５５１の場合、光減衰周波数１００ＭＨｚ以上、挿入損失５ｄＢ以下であり、良好な特性を得ることができた。
【０１５６】
＜第７の実施例＞
【０１５７】
図１８は、本発明の第７の実施例における方向性結合型の光減衰器を示したものである。この方向性結合型の光減衰器６０１は、入射端面６０２と、これと反対側に配置された出射端面６０３を有している。入射端面６０２には１つの入射ポート６０４が配置されており、出射端面６０３にも１つの出射ポート６０５が配置されている。これら入射ポート６０４と出射ポート６０５の間には１本の直線型光導波路６０６が形成されている。また、その図で上側には入射端面６０２側がＳ字状に湾曲し出射端面６０３側が直線型となった第１の光導波路６０７が形成され、更にこの図の下側には入射端面６０２に近い側がＳ字状に湾曲し出射端面６０３側が直線型となった第２の光導波路６０８が形成されている。更にこれらの上部には、直線型光導波路６０６および第１の光導波路６０７を挟むような形で３つの第１の制御電極６１１が配置された第１の方向性結合器６１２が入射端面６０２に近い側に構成されている。また、この隣には直線型光導波路６０６および第２の光導波路６０８を挟むような形で３つの第２の制御電極６１３が配置され、第２の方向性結合器６１４が構成されている。
【０１５８】
図１９は、この方向性結合型の光減衰器を図１８でＦ−Ｆ方向に切断した端面構造を表わしたものである。この方向性結合型の光減衰器６０１は、ＭｇＯ基板６２１の上にＫＴＮ単一配向クラッド層６２２を形成し、その一部にＫＴＮ単一配向光導波路からなる直線型光導波路６０６および第１の光導波路６０７を形成している。ＫＴＮ単一配向クラッド層６２２の上にはバッファ層６２４を介して３つの第１の制御電極６１１が形成され、第１の方向性結合器６１２（図１８）を構成している。
【０１５９】
このような方向性結合型の光減衰器６０１は次のように製造される。まず、ＭｇＯ基板６２１上にスパッタリング法を用いて、屈折率が２．１６のＫＴＮ単一配向クラッド層６２２を２５００ｎｍの膜厚で形成する。次にＫＴＮ単一配向クラッド層の一部をチタン（Ｔｉ）を熱拡散することで、屈折率２．１９のＫＴＮ単一配向光導波路６２３を形成する。熱拡散のためには、膜厚５００ｎｍ程度のＴｉ膜蒸着形成した後、１０００℃程度の温度に加熱することでこの図に示すように、Ｔｉ原子がＫＴＮ単一配向クラッド層６２２内に熱拡散し、その領域の屈折率が上昇しコアを形成する。Ｔｉの代わりにプロトン交換を施すことでも光導波路を形成することができる。
【０１６０】
導波路伝搬損失を特に軽減したい場合には、他のバッファ層を形成してもよい。すなわちスパッタリング法を用いて、屈折率が２．１６のＫＴＮ単一配向バッファ層を１１００ｎｍの膜厚で形成する。バッファ層が介在しないと光導波路内を伝搬するモードフィールドの一部で金属電極において吸収損失が発生する。バッファ層を形成することで、モードフィールド内を低損失な媒質で形成することができる。
【０１６１】
次に、電極形成について説明する。電極はＫＴＮ単一配向バッファ層６２４上に、電子ビーム蒸着法によりＡｕ電極を第１の制御電極６１１として２００ｎｍの膜厚で形成しする。膜密着を考慮すれば、間にＣｒ（クロム）やＴｉ（チタン）等の金属を１〜５０ｎｍ程度蒸着した後にＡｕ電極を形成すればよい。電極の長さは完全結合長Ｌｃの２倍とするが、これに制限されるものではなく偶数倍であればよい。図１８に示す形状の電極を形成し、シングルモードの２段からなる方向性結合型の光減衰器を作製することができる。
【０１６２】
この方向性結合型の光減衰器６０１の入射ポート６０４に波長１．５μｍの信号光を入射させた状態で、第１および第２の制御電極６１１、６１３に電圧を印加しない場合は、ほぼ１００％の信号光が出射ポート６０５から出射される。入射ポート６０４から入射した信号光の光量を減衰したい場合には、第１および第２の方向性結合器６１２、６１４に配置されている第１および第２の制御電極６１１、６１３にＤＣ（直流）電圧を印加し、これら第１および第２の方向性結合器６１２、６１４を形成する近接した導波路間（直線型光導波路６０６と第１の光導波路６０７あるいは第２の光導波路６０８の間）に外部電界を作用させる。すると、それぞれの光導波路間は位相不整合状態となり、信号光の一部は直線型光導波路６０６から第１の光導波路６０７あるいは第２の光導波路６０８へ移行する。この結果、直線型光導波路６０６の出射ポート６０５から出射する信号光の減衰が実現する。
【０１６３】
以上のように本実施例では２つの方向性結合器６１２、６１４を縦列接続しているので、単体では製造上１５〜０ｄＢ程度の可変光減衰量が限界であったが、本構成の場合、４０〜６０ｄＢのダイナミックレンジの大きい可変光減衰器を実現することができる。方向性結合器の数は３つ以上であってもよい。
【０１６４】
＜第８の実施例＞
【０１６５】
図２０は、本発明の第８の実施例におけるマッハ・ツェンダ型の光変調器を示したものである。このマッハ・ツェンダ型の光変調器６５１は、入射端面６５２と、これと反対側に配置された出射端面６５３を有している。入射端面６５２には１つの入射ポート６５４が配置されており、出射端面６５３には出射ポート６５５が配置されている。これらの間には入射端面６５２側から直線型光導波路６６１と、この直線型光導波路６６１の一端に一端をそれぞれ接続（Ｙ分岐）した一対のＳ字型光導波路６６２、６６３と、これらのＳ字型光導波路６６２、６６３の他端と互いに一端を接続した互いに平行な直線型光導波路６６４、６６５と、これらの直線型光導波路６６４、６６５の他端に一端をそれぞれ接続した一対のＳ字型光導波路６６６、６６７と、これらのＳ字型光導波路６６６、６６７の合流点に一端を接続し出射ポート６５５に他端を接続した直線型光導波路６６８が配置されている。これら各光導波路６６１〜６６８の上には、直線型光導波路６６１とＳ字型光導波路６６２、６６３の分岐箇所から一対の直線型光導波路６６４、６６５の線対称の位置に沿って一対のＳ字型光導波路６６６、６６７の合流箇所まで設けられた第１の帯状電極部と、この合流箇所から直角方向にＬ字型に折れ曲がった第２の帯状電極部と、前記したＹ分岐の部分から第２の帯状電極部と反対方向に直角に折れ曲がった幅広電極部分とからなる上部電極６７１と、直線型光導波路６６４、６６５のそれぞれと１つずつ対応させてこれらに近接して配置された第１および第２の接地電極６７２、６７３が配置されている。また、直線型光導波路６６１、６６８の途中にはこれを横断する形で入射ポート６５４に近い側と出射ポート６５５に近い側とに溝が切られ、これらの溝の部分に偏光子６７４、６７５がそれぞれ装着されている。このマッハ・ツェンダ型の光変調器６５１は用途によっては偏光子６７４、６７５を省略し、光変調器としてのコストダウンを図ることができる。
【０１６６】
図２１は、このマッハ・ツェンダ型の光変調器を図２０でＧ−Ｇ方向に切断した端面構造を表わしたものである。このマッハ・ツェンダ型の光変調器６５１は、ガラス基板６８１の上にＫＴＮアモルファスクラッド層６８２を形成し、その一部にＫＴＮアモルファス光導波路からなる直線型光導波路６６４、６６５を形成している。ＫＴＮアモルファスクラッド層６８２の上にはバッファ層６８４を介して上部電極６７１と第１および第２の接地電極６７２、６７３が形成されている。
【０１６７】
マッハ・ツェンダ型の光変調器６５１は次のように製造される。まず、ガラス基板６８１上にスパッタリング法を用いて、屈折率が２．１６のＫＴＮアモルファスクラッド層６８２を２５００ｎｍの膜厚で形成する。次にＫＴＮアモルファスクラッド層６８２の一部を、チタン（Ｔｉ）を熱拡散することで、屈折率２．１９のＫＴＮアモルファス光導波路を形成する。熱拡散のためには、膜厚５００ｎｍ程度のＴｉ膜蒸着形成した後、１０００℃程度の温度に加熱する。これにより、Ｔｉ原子がＫＴＮアモルファスクラッド層６８２内に熱拡散し、その領域の屈折率が上昇しこの図に示すようにコアを形成する。Ｔｉの代わりにプロトン交換を施すことでも光導波路を形成することができる。
【０１６８】
導波路伝搬損失を特に軽減したい場合には、他のバッファ層を形成してもよい。すなわち、スパッタリング法を用いて、屈折率が１．４６の二酸化珪素（ＳｉＯ２）バッファ層を１１００ｎｍの膜厚で形成する。バッファ層が介在しないと光導波路内を伝搬するモードフィールドの一部で金属電極において吸収損失が発生する。バッファ層を形成することで、モードフィールド内を低損失な媒質で形成することができる。
【０１６９】
次に、電極形成について説明する。電極はＳｉＯ２アモルファスバッファ層上に、電子ビーム蒸着法によりＡｕ電極を上部電極６７１ならびに第１および第２の接地電極６７２、６７３として２００ｎｍの膜厚で形成しする。膜密着を考慮すれば、間にＣｒ（クロム）やＴｉ（チタン）等の金属を１〜５０ｎｍ程度蒸着した後にＡｕ電極を形成するとよい。上部電極６７１は図２０に示すように光導波路を構成する２箇所のＹ分岐点間の長さとし、光導波路に平行に形成する。図２１に示す形状の電極を形成し、マッハ・ツェンダ型の光変調器を作製することができる。
【０１７０】
この光変調器６５１の入射ポート６５４に波長１．５μｍの信号光を入射させた状態で、上部電極６７１と第１および第２の接地電極６７２、６７３の間に、上部電極６７１と接続された信号源６７８（図２０）からＤＣ電圧を印加する。すると、上部電極６７１と第１および第２の接地電極６７２、６７３の間の電圧によって一対の直線型光導波路６６４、６６５の一方を伝搬する光波の位相のみがシフトされる。２つの直線型光導波路６６４、６６５を伝搬する光波がＹ結合点（合流点）で合波された際に互いの位相が半波長ずれていると、打ち消しあい、出射ポート６５５からは信号は出力されない。逆に互いの位相が波長の整数倍であると、元の入射信号光量で出射ポート６５５から信号が出力される。
【０１７１】
このように本発明の第８の実施例の光変調器６５１は光の強度を変調するものである。図２０ではこのような分岐型の好ましい態様として、マッハ・ツェンダ型の光導波路を例示している。なお第８の実施例では、偏光子６７４、６７５を光変調器６５１の入射側と出射側との双方に設けている。しかしながら、前記したようにこれらの偏光子６７４、６７５は必ずしも必要とされるものではない。したがって、偏光子６７４、６７５のいずれか一方あるいは双方を省略することができる。偏光子６７４、６７５を全く設けない場合でも、光変調器６５１としての機能を十分に達成することができる。
【０１７２】
本実施例で信号源６７８から電圧を印加して駆動電圧を調べたところ半波長電圧Ｖπは２．８Ｖであった。従来のＬｉＮｂＯ３を用いた導波路型光変調器では半波長電圧は５．１Ｖ程度であったが、格段に低電圧、低消費電力の光変調器が得られる。周波数応答特性を調べたところ、周波数帯域は１８ＧＨｚと従来のＬｉＮｂＯ３光変調器と同等の良好な特性であった。また、従来はＬｉＮｂＯ３の単結晶基板を用いて光変調器を構成していたが、本実施例のようにガラス基板６８１上への成膜法によれば、従来に比べて低電圧かつ安価な光変調器を実現することができる。
【０１７３】
＜第９の実施例＞
【０１７４】
図２２は、本発明の第９の実施例における光減衰器と光スイッチを組み合わせた複合光デバイスを示したものである。この複合光デバイス７０１は、入射ポート７０２を備えた図で左半分が光減衰器７０３を構成し、第１および第２の出射ポート７０４、７０５を備えた右半分が光スイッチ７０６を構成している。光減衰器７０３は図１４に示した本発明の第６の実施例におけるシングルモードのマッハ・ツェンダ干渉型の１×２光減衰器５５１と同一の構成となっている。したがって、光減衰器７０３の各部にはこれらと同一の符号を付している。また、光スイッチ７０６は図１０に示した本発明の第４の実施例における光デバイスとして方向性結合器型の２×２光スイッチ４５１と同一の構成となっている。したがって、光スイッチ７０６の各部にはこれらと同一の符号を付している。なお、光スイッチ７０６の図で上部には図１１で示した下部電極層４６２が接地のために露出している。
【０１７５】
ところでＫＴＮ薄膜は、Ｔａ原子とＮｂ原子の組成比を制御することで、室温付近で強誘電体、あるいは常誘電体を形成することができる。この第９の実施例の複合光デバイス７０１で、光減衰器７０３は第６の実施例と同様な製造工程をとり、光スイッチ７０６は第４の実施例と同様な製造工程をとるが、組成比Ｘを０．５以下にすることで、室温付近で強誘電体とすることが可能となりメモリ効果を発揮できる。ここでメモリ効果とは、印加電圧を加えている状態より印加電圧を０ボルトに落としても、屈折率変化にヒステリシスが存在し、スイッチ機能が保持される効果である。この効果は強誘電体でのみ発現する効果である。光スイッチの場合には、特に、メモリ効果により印加電圧を落としても、スイッチング状態を維持したい場合があり、この場合にこの効果は有益である。
【０１７６】
次にこの複合光デバイス７０１の具体的製造方法を説明する。概略を先に説明する。基本的には図示しないマスクを使用して、光減衰器７０３を構成するＫＴＮ常誘電体を、続いて光スイッチ７０６を構成するＫＴＮ強誘電体を順次基板上に形成する。最後に、光減衰器７０３および光スイッチ７０６の各上部電極を形成する。
【０１７７】
具体的には、まず始めに光減衰器７０３を構成するＫＴＮ常誘電体を以下の手順で形成する。なお、図１５を適宜使用して説明する。ＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板上にバッファ層５８２となる屈折率２．１９のＫＴＮエピタキシャルバッファ層をスパッタリング法を用いて１０００ｎｍの膜厚で形成する。次に、屈折率が２．２３のＫＴＮエピタキシャル光導波路層を１５００ｎｍの膜厚で形成する。次にＫＴＮエピタキシャル光導波路層をその一部を残してイオンエッチングにより除去し、図１５に示すのと同様のマッハ・ツェンダ干渉型の光導波路層を、高さ３００ｎｍ、幅９．０μｍの凸部として加工形成する。更にその上には屈折率が２．１９の組成のＫＴＮエピタキシャルクラッド層を厚さ１５００ｎｍだけ形成し、この順に積層された構造とする。
【０１７８】
ＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板５８１の格子定数は３．９０５Åであるが、ＫＴＮ単結晶膜の格子定数は３．９０Åと格子不整合は０．２％以下と極めて小さく良好なエピタキシャル成長が可能である。光導波路層５８３内には、直線型光導波路５６４、５６５が形成される。
【０１７９】
続いて、別のマスク（図示せず）を用いて、ＫＴＮ常誘電体からなる光減衰器７０３（５５１）は遮蔽し、ＫＴＮ強誘電体からなる光スイッチ７０６（４５１）を以下の手順で形成する。なお、図１１を適宜使用して説明する。
【０１８０】
ＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板４６１上に、下部電極として、Ａｇ薄膜を１００ｎｍの厚さだけ形成し、その上に波長１．５μｍでの屈折率が２．２１の組成比がＸ＝０．１のＫＴＮからなる厚さ９００ｎｍのエピタキシャルバッファ層と、同波長での屈折率が２．２５の組成比Ｘが０．２２のＫＴＮよりなるエピタキシャル膜あるいは配向膜からなる厚さ１５００ｎｍの光導波路層が形成される。次にＫＴＮエピタキシャル光導波路層をその一部を残してイオンエッチングにより除去し、光導波路層４６４を、高さ３００ｎｍ、幅９．０μｍの凸部として加工形成する。さらにその上に屈折率が２．２１の組成のＫＴＮエピタキシャルクラッド層４６５を厚さ１５００ｎｍだけ形成し、この順に積層された構造とする。組成比Ｘが“０”〜“０．５”のＫＴＮエピタキシャル膜の格子定数は３．９５Å〜４．０４Åであるが、下面電極Ａｇエピタキシャル薄膜の格子定数は４．０８６Åと格子不整合は３．４％以下と極めて小さく良好なエピタキシャル成長が可能である。ここでも光導波路層４６４内には、一対の光導波路４５２、４５３が形成される。
【０１８１】
続いて第１および第２の上部電極４５４、４５５を以下の手順で形成する。まず、図示しない上部電極形成用マスクを用いて、ＫＴＮエピタキシャルバッファ層上にスパッタリング法により膜厚２００ｎｍのＡｌ薄膜を形成した後、リフト・オフ法によって図１１に示すような第１および第２の上部電極４５４、４５５を形成する。以上により、１枚の基板上にＫＴＮ常誘電体からなる光減衰器７０３（５５１）、およびＫＴＮ強誘電体からなる光スイッチ７０６（４５１）が形成される。光減衰器７０３（５５１）と光スイッチ７０６（４５１）の境界では、界面の光導波路の屈折率がそれぞれ、２．２３および２．２４であるが、界面でのフレネル反射は２×１０−３％と十分低く、光信号伝搬に際して、光反射効果による障害は無視してよい程度である。
【０１８２】
なお、以上説明した実施例および変形例ではＫＴＮすなわちＫＴａＹＮｂ１−ＹＯ３で表わされる２次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体を例に挙げて説明したが、これに限るものではない。すなわち、次の表１に示すように一般式ＡＢＯ３で表わされるペロブスカイト構造の酸化物薄膜は格子定数が３．９Åから４．０４Åの間にあり、可視域から赤外域まで透明で安価な基板であるＭｇＯや、ＳｒＴｉＯ３単結晶基板の格子定数に近く、格子整合が容易である利点がある。また、例えばＰｔ、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕなどの金属膜の格子定数とも近いので、多様なエピタキシャルあるいは単一配向膜の酸化物常誘電体として好適な条件が揃っている。これらの材料についても本発明を同様に適用することができる。
【０１８３】
【表１】
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【０１８４】
なお、ＫＴＮに近い格子定数を有する材料としては、一般にＳｒＴｉＯ３、ＭｇＯあるいはＰｔが用いられる。
【０１８５】
また、実施例および変形例では非線形光デバイスを電子ビーム蒸着法、イオンアシスト蒸着法、ＲＦマグネトロンスパッタ法あるいはイオンビームスパッタ法を用いて製造したが、この他にＤＣマグネトロンスパッタ法、イオンプレーティング法、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法、化学気相蒸着（ＣＶＤ）、ディップコーティング法等の各種の成膜法を用いて製造が可能であることは当然である。
【０１８６】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、２次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体を使用し、光導波路の所定の部位に電圧を印加して光導波路の屈折率を変化させることにした。常誘電体は酸化物強誘電体と比べて比誘電率が極めて小さいので、高速応答の要求に応えることができる。
【０１８７】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の非線形光デバイスで酸化物常誘電体は、一般式ＫＴａＹＮｂ１−ＹＯ３（０．５≦Ｙ≦１．０）で表わされる物質であるので、光部品等で適用される室温を含む−４０℃から＋８５℃の温度範囲で、酸化物強誘電体あるいは酸化物常誘電体を選択的に形成することが可能となる。ＫＴＮでは、Ｔａ原子とＮｂ原子の組成比を０〜１．０の間で変更することにより、たとえば波長０．６３３μｍにおいて屈折率を２．０から２．３程度の広い範囲に渡って選択することができる。したがって、使用温度を考慮して常誘電体の状態を維持し得る組成比範囲内において、決定することができる。また、組成を変えることに対してエピタキシャル膜あるいは配向膜においては格子定数の変化は十分小さく、相互の結晶整合性も良好である。
【０１８８】
更に請求項４〜請求項７記載の発明に示すように、光導波路構造体およびバッファ層が、結晶構造を問わずエピタキシャル膜あるいは配向膜あるいは多結晶膜あるいはアモルファス膜でもよいので、結晶基板のみならず、安価なガラス基板や、有機ポリマ基板等の上にデバイスの各部品を形成することも可能になる。特に有機ポリマ基板上に成膜できると、非線形光デバイスを形成後、フレキシブルに曲げたり、変形したりできるので、さらなる高密度で適用範囲の広い安価な非線形光デバイスを提供することができる。
【０１８９】
また請求項１８あるいは請求項１９記載の発明によれば一対の電極による光導波路の分岐部への電圧印加により光経路の切り替えを制御するデジタル型光スイッチとしての制御が行われるので、一定の電圧で光経路が切り替わった後、それ以上の電圧を印加しても、その状態を保持し複数の動作点が発生しないこと、動作電圧のトレランスに優れており、偏波無依存化が可能であり、波長依存性も小さい等の特長がある。
【０１９０】
更に、請求項２４または請求項２５記載の発明によれば、同一基板上に、非線形光デバイスを複数配列し、複数の入射用光経路より、所望の入射用光経路から複数の出射用光経路へと、光経路を切り替えることにしたので、適切な間隔のポート間の切り替えを低電圧で駆動でき、電極長や曲がり光導波路長も必要に応じて短縮できるため、従来と同様のサイズの基板ウエハへ、より大規模な非線形光デバイスを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例におけるＹ分岐型の１×２光スイッチの平面図である。
【図２】図１に示した１×２光スイッチのＡ−Ａ断面図である。
【図３】本実施例の１×２光スイッチと同様の積層構造で、酸化物常誘電体の印加電圧に対する屈折率の変化量を測定した特性図である。
【図４】本発明の第２の実施例における光デバイスとしてＹ分岐型の１×８光スイッチの平面図である。
【図５】第２の実施例における第１の光スイッチ部を拡大して示した平面図である。
【図６】第２の実施例の変形例としての第１の光スイッチ部の要部断面図である。
【図７】本発明の第３の実施例における８×８光スイッチの構造の概要を示した平面図である。
【図８】第３の実施例の８×８光スイッチのＸ交差部を示した拡大平面図である。
【図９】第３の実施例の８×８光スイッチのＸ交差部を図８に示したＢ−Ｂ方向に切断した要部断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施例における光デバイスとして方向性結合器型の２×２光スイッチの平面図である。
【図１１】図１０の２×２光スイッチのＣ−Ｃ方向の断面図である。
【図１２】本発明の第５の実施例における２×２光スイッチの構造の概要を示した平面図である。
【図１３】図１２の２×２光スイッチのＤ−Ｄ方向の断面図である。
【図１４】本発明の第６の実施例におけるマッハ・ツェンダ干渉型の１×２光減衰器の平面図である。
【図１５】第６の実施例の１×２光減衰器をＥ−Ｅ方向に切断した端面図である。
【図１６】第６の実施例の１×２光減衰器の結合長と光強度の関係を示した特性図である。
【図１７】光導波路層を構成する酸化物常誘電体の印加電圧に対する屈折率の変化を示した特性図である。
【図１８】本発明の第７の実施例における方向性結合型の光減衰器の平面図である。
【図１９】第７の実施例の方向性結合型の光減衰器をＦ−Ｆ方向に切断した端面図である。
【図２０】本発明の第８の実施例におけるマッハ・ツェンダ型の光変調器の平面図である。
【図２１】第８の実施例のマッハ・ツェンダ型の光変調器をＧ−Ｇ方向に切断した端面図である。
【図２２】本発明の第９の実施例における光減衰器と光スイッチを組み合わせた複合光デバイスの平面図である。
【図２３】デジタル型光スイッチのＹ分岐型光導波路の理想形状を示した要部説明図である。
【図２４】デジタル型光スイッチのＹ分岐型光導波路を実際の形状に製作した場合の要部説明図である。
【符号の説明】
２０１  １×２光スイッチ
２０８、２０８Ａ、４３６、４３７、５６１、５６４、５６５、５６８、６０６、６６１、６６８、６６４、６６５  直線型光導波路
２０９、２０９Ａ、２１０、２１０Ａ、５６２、５６３、５６６、５６７、６６２、６６３、６６６、６６７  Ｓ字型光導波路
２１２、２１２Ａ、２１２Ｂ、２１３、２１３Ａ、２１３Ｂ、４３９、４５４、４５５、５０８、５０９、５７１、６７１  上部電極
２２３、２２３Ｂ、４４４、４６４、５１４  光導波路層
３０１  １×８光スイッチ
３２１〜３２７  光スイッチ部
４０１  ８×８光スイッチ
４５２、４５３、５０６、５０７、６０７、６０８  光導波路
４５１、７０６  光スイッチ
５５１、７０３  光減衰器
５７２、５７３、６７２、６７３  接地電極
６０１  方向性結合型の光減衰器
６１１、６１３  制御電極
６１２、６１４  方向性結合器
６７８  信号源
７０１  複合光デバイス
【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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