(57)【要約】【課題】小型，かつ高機能の光変調素子及び光学装置を提供する。【解決手段】光変調素子１０１は、基板１０２の主面上に設けられた光導波路１０３を備え、光導波路１０３は、屈折率一定部１０４と電気光学材料からなる屈折率変化部１０５とを交互に設けて構成されている。導波路電極−裏面電極間に印加される電界に応じ、屈折率変化部１０５及び屈折率一定部１０４の屈折率が一致・不一致に切り換えて、光導波路１０３が入力光に対するミラー又は透明体として機能するように変化させることにより、光導波路１０３に入力された強度一定の光をパルス信号に変換するなどの光変調が可能になる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
上記基板の主面上に設けられ、上記主面に沿って横方向に交互に重ねられた各々複数の第１及び第２の光透過部を有する光導波路と、
上記光導波路を挟んで設けられた２つの電極とを備え、
上記光導波路は、上記電極間に印加される電界に応じ、上記第１及び第２の光透過部の屈折率が実質的に相等しい第１の状態と、上記第１及び第２の光透過部の屈折率が相異なる第２の状態とに変化可能に構成されている光変調素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光変調素子において、
上記第１の光透過部は、上記電極間の電界に対して屈折率が実質的に変化しない材料により構成され、
上記第２の光透過部は、上記電極間の電界に応じて屈折率が変化する材料により構成されていることを特徴とする光変調素子。
【請求項３】
請求項２に記載の光変調素子において、
上記第１の光透過部は、上記基板と共通の材料により構成され、かつ、上記基板の主面から縦方向に延びており、
上記第２の光透過部は、上記基板を構成する材料とは異なる材料を上記第１の光透過部間に埋め込んで形成されていることを特徴とする光変調素子。
【請求項４】
請求項１に記載の光変調素子において、
上記第１及び第２の光透過部は、いずれも上記電極間の電界に応じて屈折率が変化する材料により構成されており、
上記第１及び第２の光透過部の電界の変化に対する屈折率の変化特性が相異なっていることを特徴とする光変調素子。
【請求項５】
請求項１に記載の光変調素子において、
上記第１及び第２の光透過部は、上記電極間の電界に応じて屈折率が変化する共通の材料により構成されており、
上記第１及び第２の光透過部のうちいずれか一方が紫外線，放射線及び電子線のうち少なくともいずれか１つの照射を受けることにより、各光透過部の電界の変化に対する屈折率の変化特性が相異なっていることを特徴とする光変調素子。
【請求項６】
請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の光変調素子において、
上記第１及び第２の光透過部のうち少なくともいずれか一方が電気光学効果を示す材料によって構成されていることを特徴とする光変調素子。
【請求項７】
請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の光変調素子において、
上記第１及び第２光透過部は、いずれも上記基板の主面に直交する層状であることを特徴とする光変調素子。
【請求項８】
請求項７に記載の光変調素子において、
上記第１及び第２光透過部が少なくとも８００周期以上設けられていることを特徴とする光変調素子。
【請求項９】
請求項８に記載の光変調素子において、
上記第１及び第２光透過部が少なくとも１５００周期以上設けられていることを特徴とする光変調素子。
【請求項１０】
請求項７に記載の光変調素子において、
上記第１及び第２の光透過部の光の進行方向における厚みは、使用する光の波長を各々の光透過部の屈折率の４倍で除した値の奇数倍であることを特徴とする光変調素子。
【請求項１１】
請求項１０に記載の光変調素子において、
上記第１及び第２の光透過部の光の進行方向における厚みは、上記光導波路の上記第２の状態における反射率が０．５以上となるように定められていることを特徴とする光変調素子。
【請求項１２】
請求項１１に記載の光変調素子において、
上記第１及び第２の光透過部の光の進行方向における厚みは、上記光導波路の上記第２の状態における反射率が０．９以上となるように定められていることを特徴とする光変調素子。
【請求項１３】
請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の光変調素子において、
上記第１及び第２光透過部のうちの一方の光透過部が上記基板の主面に直交する柱状であり、
上記第１及び第２光透過部のうちの他方の光透過部が、上記一方の光透過部の周囲を埋めていることを特徴とする光変調素子。
【請求項１４】
請求項１３に記載の光変調素子において、
上記他方の光透過部は、上記基板の主面の上に設けられ、かつ、その表面部には規則状に配置された複数のトレンチが形成されており、
上記一方の光透過部は、上記複数のトレンチのうち少なくとも一列に並ぶトレンチ内に埋め込まれた透明材料によって構成されていることを特徴とする光変調素子。
【請求項１５】
基板と、
上記基板の主面上に設けられ、上記主面に沿って横方向に交互に重ねられた各々複数の第１及び第２の光透過部を有する光導波路と、
上記光導波路を挟んで設けられた２つの電極と、
上記２つの電極に、上記光導波路を光が透過する第１の状態と、上記光導波路によって光が遮断される第２の状態とに変化させる変調用信号を供給するための信号供給手段とを備え、
上記第１の状態では上記第１及び第２の光透過部の屈折率の差が所定範囲以下であり、上記第２の状態では上記第１及び第２の光透過部の屈折率の差が所定範囲よりも大きいことを特徴とする光学装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の光学装置において、
上記光導波路に入力された光の透過・遮断を切り換える光シャッターとして機能することを特徴とする光学装置。
【請求項１７】
請求項１５に記載の光学装置において、
上記信号供給手段は、上記２つの電極に上記信号としてパルス信号を印加するものであり、
上記光導波路に入力された直流の光信号がパルス状の光信号に変調されて光導波路から出力されることにより、パルス信号生成回路として機能することを特徴とする光学装置。
【請求項１８】
請求項１５に記載の光学装置において、
平面上で上記光導波路に斜めに交差する方向から光を入力し、
上記第１の状態では、上記光導波路から上記光の入力方向に平行な方向に光を出力し、
上記第２の状態では、上記光導波路からブラッグ反射された光を出力する光スイッチとして機能することを特徴とする光学装置。
【請求項１９】
請求項１５に記載の光学装置において、
平面上で上記光導波路に斜めに交差する方向からスペクトル光を入力し、
上記第２の状態で、上記光導波路からブラッグ反射された所定波長範囲の光のみを出力する帯域フィルタとして機能することを特徴とする光学装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の光学装置において、
上記光導波路として、ブラッグ反射する光の波長範囲が相隣接して又はオーバーラップしてずれるように構成された複数の光導波路を備えていることを特徴とする光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システム等において用いられる，誘電体導波路を用いた光変調素子及び光学装置に係り、特に高速・高効率に光変調を行なうための対策に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光変調素子（又はこれを用いた光学装置）として、大きく分けて２種類のものが知られている。そのうちの１つは電気光学効果を用いた位相変調素子（又は位相変調器）であり、もう１つは半導体材料のシュタルク効果を利用した電界吸収型光変調素子（又は光学装置）である。
【０００３】
前者は、電気光学効果を有する材料（例えばＬｉＮｂＯ３  単結晶）からなる基板と、この基板の表面部に形成された光導波路とを備えたものである。このような構造を有する光変調素子においては、光導波路の周辺に電界を印加すると光導波路の屈折率が変化するので、光の位相を変化させることにより光変調を行なうものである。
【０００４】
特に、この方式で広い変調帯域幅を有するものに進行波型光変調素子（又は光学装置）がある。これは、電極の一端から電気信号を入力し、電気信号を電極に伝播させた後、電極の他端で電気信号を終端させるものである。変調は、電気信号が電極を伝播している間に行なわれる。
【０００５】
【非特許文献１】
「光集積回路」，西原浩，春名正光，栖原敏明共著，オーム社発行，第１１９頁
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の技術においては、それぞれ以下のような不具合があった。
【０００７】
前者の進行波型の光変調素子又は光学装置においては、光の位相を変化させる領域である変調領域は４０〜５０ｍｍ程度あるので、どうしてもサイズが大型になる。また、電気信号を変調させるのに必要な半波長電圧も数Ｖ程度と大きな電圧が必要となる。そして、光導波路が長くなるにしたがって、電極を伝播する電気信号と光導波路を伝播する光との速度差が大きくなり、効果的な変調に限界を生じていた。
【０００８】
それに対し、後者の半導体材料のシュタルク効果を利用するものは、電界を印加することによる半導体材料のバンドギャップの変化を利用するもので、電気光学効果を用いた位相変調器と比較してかなり小型であるが、高い周波数で変調を行なう際、変調後の光波形が歪むチャーピングと呼ばれる現象が生じ、高い周波数帯では使用が困難であった。
【０００９】
本発明の目的は、高い周波数帯である場合においても小型・高効率な光変調素子及び光学装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の光変調素子は、基板と、上記基板の主面上に設けられ、上記主面に沿って横方向に交互に重ねられた各々複数の第１及び第２の光透過部を有する光導波路と、上記光導波路を挟んで設けられた２つの電極とを備え、上記光導波路は、上記電極間に印加される電界に応じ、上記第１及び第２の光透過部の屈折率が実質的に相等しい第１の状態と、上記第１及び第２の光透過部の屈折率が相異なる第２の状態とに変化可能に構成されている。
【００１１】
これにより、光導波路に入力される光を第１の状態では透過させ、第２の状態では遮断する機能が得られる。したがって、光導波路のこのような機能を利用して、光の変調を行なうことが可能な光学装置を実現することができる。
【００１２】
上記第１の光透過部は、上記電極間の電界に対して屈折率が実質的に変化しない材料により構成され、上記第２の光透過部は、上記電極間の電界に応じて屈折率が変化する材料により構成されていることにより、一方の光透過部の屈折率のみを変化させればよいので、光変調素子を光学装置に用いた場合の制御が簡素化される。
【００１３】
上記第１の光透過部は、上記基板と共通の材料により構成され、かつ、上記基板の主面から縦方向に延びており、上記第２の光透過部は、上記基板を構成する材料とは異なる材料を上記第１の光透過部間に埋め込んで形成されていることにより、製造の容易化を図ることができる。
【００１４】
上記第１及び第２の光透過部は、いずれも上記電極間の電界に応じて屈折率が変化する材料により構成されており、上記第１及び第２の光透過部の電界の変化に対する屈折率の変化特性が相異なっていてもよい。
【００１５】
上記第１及び第２の光透過部は、上記電極間の電界に応じて屈折率が変化する共通の材料により構成されており、上記第１及び第２の光透過部のうちいずれか一方が紫外線，放射線及び電子線のうち少なくともいずれか１つの照射を受けることにより、各光透過部の電界の変化に対する屈折率の変化特性が相異なっていてもよい。
【００１６】
上記第１及び第２の光透過部のうち少なくともいずれか一方が電気光学効果を示す材料によって構成されていることが好ましい。
【００１７】
上記第１及び第２光透過部は、いずれも上記基板の主面に直交する層状であることが好ましい。
【００１８】
その場合、上記第１及び第２光透過部が少なくとも８００周期以上設けられていることがより好ましく、上記第１及び第２光透過部が少なくとも１５００周期以上設けられていることがさらに好ましい。
【００１９】
上記第１及び第２の光透過部の光の進行方向における厚みは、使用する光の波長を各々の光透過部の屈折率の４倍で除した値の奇数倍であることにより、光導波路をミラーとして用いる場合の反射率が向上する。
【００２０】
上記第１及び第２の光透過部の光の進行方向における厚みは、上記光導波路の上記第２の状態における反射率が０．５以上となるように定められていることが好ましい。
【００２１】
また、上記第１及び第２の光透過部の光の進行方向における厚みは、上記光導波路の上記第２の状態における反射率が０．９以上となるように定められていることがより好ましい。
【００２２】
上記第１及び第２光透過部のうちの一方の光透過部が上記基板の主面に直交する柱状であり、上記第１及び第２光透過部のうちの他方の光透過部が、上記一方の光透過部の周囲を埋めていることができる。
【００２３】
上記他方の光透過部は、上記基板の主面の上に設けられ、かつ、その表面部には規則状に配置された複数のトレンチが形成されており、上記一方の光透過部は、上記複数のトレンチのうち少なくとも一列に並ぶトレンチ内に埋め込まれた透明材料によって構成されていることができる。
【００２４】
本発明の光学装置は、基板と、上記基板の主面上に設けられ、上記主面に沿って横方向に交互に重ねられた各々複数の第１及び第２の光透過部を有する光導波路と、上記光導波路を挟んで設けられた２つの電極と、上記２つの電極に、上記光導波路を光が透過する第１の状態と、上記光導波路によって光が遮断される第２の状態とに変化させる変調用信号を供給するための信号供給手段とを備え、上記第１の状態では上記第１及び第２の光透過部の屈折率の差が所定範囲以下であり、上記第２の状態では上記第１及び第２の光透過部の屈折率の差が所定範囲よりも大きい。
【００２５】
これにより、光導波路の光の透過・遮断状態の変化を利用して、光スイッチ，光シャッター，光シャッターなどとして機能する光学装置が得られる。
【００２６】
上記信号供給手段は、上記２つの電極に上記信号としてパルス信号を印加するものであり、上記光導波路に入力された直流の光信号がパルス状の光信号に変調されて光導波路から出力されることにより、パルス信号生成回路として機能する光学装置が得られる。
【００２７】
平面上で上記光導波路に斜めに交差する方向から光を入力し、上記第１の状態では、上記光導波路から上記光の入力方向に平行な方向に光を出力し、上記第２の状態では、上記光導波路からブラッグ反射された光を出力する光スイッチとして機能させることもできる。
【００２８】
平面上で上記光導波路に斜めに交差する方向からスペクトル光を入力し、上記第２の状態で、上記光導波路からブラッグ反射された所定波長範囲の光のみを出力する帯域フィルタとして機能させることもできる。
【００２９】
上記光導波路として、ブラッグ反射する光の波長範囲が相隣接して又はオーバーラップしてずれるように構成された複数の光導波路を備えていることにより、帯域フィルタとして用いる場合の通過波長範囲を適宜広げることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態は、光変調素子と、光変調素子を用いた光スイッチとして機能する光学装置とに関するものである。
【００３１】
−光変調素子の構造−
図１（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ順に、本発明の第１の実施形態に係る光変調素子の構成を示す斜視図、光変調素子の一部を拡大して示す部分平面図、及び光変調素子の一部を拡大して示す部分断面図である。
【００３２】
図１（ａ）に示すように、本実施形態の光変調素子１０１は、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート，屈折率ｎ１  ＝１．５４３）からなる基板１０２と、基板１０２の主面上に凸状に設けられた光導波路１０３とを備えている。なお、光導波路１０３の入力光の進行方向に直交する断面の寸法は、例えば５μｍ角である。また、図１（ａ）に破線で示されるように、基板１０２の裏面上には裏面電極が設けられ、光導波路１０３の上面上には導波路電極が設けられている。
【００３３】
なお、本実施形態における導波路電極及び裏面電極の代わりに、光導波路の両側面上に２つの電極を設けても、本実施形態と同じ効果が得られる。
【００３４】
図１（ｂ），（ｃ）に拡大して示すように、光導波路１０３は、基板１０２の一部に形成され，光の進行方向に直交する方向にリッジ状に延びる屈折率一定部１０４（光透過部）と、各屈折率一定部１０４間の溝に、屈折率一定部１０４（及び基板１０２）とは電界が印加されていない状態での屈折率が異なる材料（例えば３ＲＤＣＶＸＹ（ｄｉｃｙａｎｏｖｉｎｙｌ−ｔｅｒｍｉｎａｔｅｄ，  ｄｉｍｅｔｈｙｌ−ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ  ｄｉａｚｏ  ：屈折率ｎ２  ＝１．５４５）を埋め込んでなる屈折率変化部１０５（光透過部）とを横方向に交互に重ねた多層膜状に形成されている。
【００３５】
本実施形態における屈折率一定部１０４及び屈折率変化部１０５の光の進行方向における厚みｄは、下記式（１）
ｄ＝λ／（４・ｎ）                                      （１）
に基づいて定められている。ただし、使用する光の波長をλ，各部１０４，１０５の屈折率をｎとし、屈折率変化部の屈折率は、導波路をミラーとして機能させるときの電界値に対応する値である。なお、屈折率一定部１０４，屈折率変化部１０５は、必ずしも光の進行方向に直交する平面内に設けられている必要はなく、光の進行方向に対して斜めに交差する面内に設けられていてもよい。したがって、本実施形態のように、屈折率一定部１０４，屈折率変化部１０５は、光の進行方向に直交する平面内に設けられている場合のみ、上記厚みｄが各部１０４，１０５の膜厚と一致することになる。
【００３６】
また、光導波路１０３を光が透過可能な状態にする場合、２つの電極１１４，１１５に印加する電圧の誤差や、製造された光変調素子の各部の寸法誤差，材料組成のばらつきなどが存在するので、屈折率一定部１０４，屈折率変化部１０５の屈折率が完全に一致することはほとんど不可能である。よって、光導波路から信号としての利用が可能な強度の出力光が出力される程度に屈折率一定部１０４，屈折率変化部１０５の屈折率が所定範囲内にあればよい。本実施形態においては、両者の屈折率差が１×１０−３以下であることが好ましく、１×１０−４以下であることがより好ましい。逆に、両者の屈折率差が上記所定範囲よりも大きい場合には、光の反射があるので、ミラーとしての利用が可能になる。
【００３７】
なお、導波路の構造は、本実施形態のような基板１０２の一部にリッジ状の屈折率一定部１０４を設けた構造に限定されるものではない。例えば、平板状の光学材料膜にＴｉなどの金属を拡散する，あるいは安息香酸の溶融液中でプロトン交換を行なうことにより、後述する本実施形態の効果と同じ効果を発揮することができる。その場合、屈折率変化部をさらにリッジ状に加工したものであっても、後述する本実施形態の効果と同様の効果が得られる。また、導波路全体が基板上に凸状に設けられている必要はなく、例えば導波路の上面と基板の上面とが実質的に同じ平面上に位置していてもよい。
【００３８】
なお、本実施形態では、光導波路１０３の縦断面寸法は５μｍ角であるが、光導波路１０３の形状や寸法は、本実施形態に限定されるものではない。例えば、光導波路１０３の縦断面形状が長方形であってもよいし、光導波路１０３の縦断面寸法が、５μｍ角以外の寸法の正方形であっても、同様の効果を発揮することができる。
【００３９】
−光変調素子の製造工程−
図２（ａ）〜（ｇ）は、第１の実施形態に係る光変調素子の製造工程を示す断面図である。
【００４０】
まず、図２（ａ）に示す工程で、ＰＭＭＡからなる基板１０２を準備する。基板１０２を構成するＰＭＭＡは、基が部分的に置換されて屈折率ｎ１  が１．５４３に調整されており、基板１０２の表面は洗浄されている。
【００４１】
次に、図２（ｂ）に示す工程で、基板１０２の一部をエッチングにより除去して、光導波路となる凸部１０２ａを残す。この凸部１０２ａの形成方法としては、基板１０２に加熱した金型を押し付けて整形するスタンプ法を用いてもよい。既に説明したように、本実施形態では、凸部１０２ａの断面形状は５μｍ角の正方形であるが、例えば、凸部１０２ａの縦断面形状が長方形であってもよいし、凸部１０２ａの縦断面寸法が、５μｍ角以外の寸法の正方形であっても、同様の効果を発揮することができる。
【００４２】
次に、図２（ｃ）に示す工程で、凸部１０２ａの上にレジストパターン１１０を形成し、図２（ｄ）に示す工程で、レジストパターン１１０の上方から凸部１０２ａにイオンビーム露光を行なって、凸部１０２ａに多数の微細な溝１１１を掘り込んで、多数のリッジ状の屈折率一定部１０４を形成した後、図２（ｅ）に示す工程で、レジストパターン１１０を除去する。この時の溝１１１の深さは、凸部１０２ａの高さ（５μｍ）と同じ寸法としている。また、本実施形態の場合、波長６３３ｎｍのレーザ光を変調することを考慮して、溝１１１の光の進行方向における幅（本実施形態では溝幅）を１０２．６ｎｍ（ｎ２  ・λ／４）とし、屈折率一定部１０４の光の進行方向における幅（本実施形態では膜厚）を１０２．４ｎｍ（ｎ１  ・λ／４）としている。
【００４３】
なお、このイオンビーム露光工程に代えて、イオンビーム直接描画法を用いることにより、レジストパターンを形成することなく、図２（ｅ）に示すような溝１１１と屈折率一定部１０４とを形成することができる。
【００４４】
次に、図２（ｆ）に示す工程で、凸部１０２ａに形成された溝１１１内に電気光学材料として、側鎖型高分子電気光学ポリマーの一つである３ＲＤＣＶＸＹを注入する。溝１１１内に３ＲＤＣＶＸＹを注入した後、溝１１１内の３ＲＤＣＶＸＹ膜にポーリング電界を１〜２ＭＶ／ｃｍ程度印加しながら、３ＲＤＣＶＸＹ膜を１４０℃で数時間程度加熱した後、室温まで冷却する。３ＲＤＣＶＸＹ膜を冷却している間、３ＲＤＣＶＸＹ膜に電界を印加し続けることで、電気光学ポリマーである３ＲＤＣＶＸＹのポーリング（分極）を行なって、屈折率変化部１０５を形成する。
【００４５】
次に、図２（ｇ）に示す工程で、基板１０２の裏面に裏面電極１１３を形成するとともに、屈折率一定部１０４及び屈折率変化部１０５の上に導波路電極１１４を形成する。これにより、光変調素子１０１が形成される。
【００４６】
−光変調素子の動作−
次に、この光変調素子の動作原理について、図３〜図４（ｂ）を参照しながら説明する。図３は、裏面電極１１３と導波路電極１１４との間に印加される電界、つまり電圧によって生じる電界、に対する屈折率一定部１０４の屈折率ｎ１  及び屈折率変化部１０５の屈折率ｎ２  の変化を示す図である。図４（ａ），（ｂ）は、導波路電極−裏面電極との間の電界によって変化する，光導波路１０３に入射された光の透過・遮断状態を示す図である。
【００４７】
図３の直線Ｌ１  に示すように、基板１０２の一部である屈折率一定部１０４の屈折率ｎ１  は電界の変化に拘わらず一定であるが、図３の特性線Ｌ２  に示すように、屈折率変化部１０５の屈折率ｎ２  は電界に応じて変化する。つまり、屈折率変化部１０５の屈折率ｎ２  は電界の関数となっており、電界が定まると屈折率ｎ２  が定まる。
【００４８】
ここで、本明細書でいう「電気光学材料」とは、物質に電界を加えたときに屈折率が変化する“電気光学効果”を示す材料を指しており、電気光学効果には電界を変数としたときの一次項であるポッケルス効果と、２次項であるカー効果とがあり、本発明においては、主としてポッケルス効果を示す材料を用いているが、カー効果を示す材料を用いることも可能である。
【００４９】
図３に示すように、導波路電極−裏面電極間の電界がＶ１  のときには、屈折率変化部１０５の屈折率ｎ２  と屈折率一定部１０４（基板１０２）の屈折率ｎ１  とが一致するので、入力光は光導波路１０３を透過する。一方、導波路電極−裏面電極間の電界がＶ１  以外の場合には、屈折率変化部１０５の屈折率ｎ２  と屈折率一定部１０４（基板１０２）の屈折率ｎ１  とが一致しない。そして、電界が０のとき（屈折率変化部１０５の屈折率ｎ２  がｎ２’のとき）には、屈折率一定部１０４と屈折率変化部１０５とによって生じる多重反射によって光導波路１０３がミラーとして作用し、入力光は反射されて光導波路１０３を透過しない。この電界の印加・非印加に応じて光導波路１０３における入力光の透過・遮断を行なわせることにより、光スイッチ（又は光シャッター）としての変調動作を行なわせることができる。
【００５０】
−光学装置の構造と動作−
図５は、本実施形態の光変調素子を用いた光学装置１５０の構成及び制御方法を示す図である。同図に示すように、本実施形態の光学装置１５０は、既に説明した光変調素子１０１と、光変調素子１０１の裏面電極１１３及び導波路電極１１４に信号を印加する信号を生成するための信号源１５１と、信号源１５１から受けた信号をパルス信号に変換するためのパルス信号変換回路１５２とを備えている。そして、信号源１５１から電気信号が出力され、この両信号を受けたパルス信号変換回路１５２により、例えば図５に示すようなパルス信号が生成される。この信号源１５１及びパルス信号変換回路１５２により、２つの電極１１３，１１４に変調用信号を供給するための信号供給手段が構成されている。
【００５１】
なお、信号源１５１で生成される電気信号は、ＦＭ変調信号でもよいし、デジタル信号でもよい。本実施形態においては、パルス信号変換回路１５２において、パルス信号の幅及び高さは一定であるが、パルス間隔が変化する信号が生成される。そして、パルス信号が“Ｈ”のときには、図４（ａ）に示すように入力光の透過状態になり、パルス信号が“０”のときには、図４（ｂ）に示すように入力光の遮断状態になる（つまり、ミラーになる）ように、光変換素子１０１が制御される。その結果、図５に示すように、時間変化のない一定強度の入力光が光変換素子１０１の光導波路１０３（図１参照）の一方の端部に入力されると、光導波路１０３の他端からは、図５に示すような周波数変調された波形の出力光が得られる。
【００５２】
つまり、本実施形態の光学装置１５０においては、光変調素子１０１に一定強度の入力光（直流光信号）を入力すると、信号源１５１から出力される電気信号に応じて周波数変調された光信号が出力されることになる。つまり、本実施形態の光学装置は、パルス信号生成回路などの光信号変換回路として機能することになる。
【００５３】
なお、図３に示すように、本実施形態の光学装置においては、２つの電極間の電圧と導波路全体の反射率との関係も非線形であるために、振幅変調によって電気−光信号の変換を行なう場合、信号源からの電気信号が忠実に出力光に変換されないおそれもある。したがって、本実施形態のごとく、直流（一定強度）の光信号を周波数変調された光信号（図５に示す出力光）に変換するか、あるいは、直流（一定強度）の光信号をパルス幅変調又は位相変調された光信号に変換し、この出力光を送信する場合に用いることが好ましい。
【００５４】
また、出力光として、デジタル信号を取り扱う際には、ＡＳＫ（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  ｓｈｉｔ  ｋｅｙｉｎｇ  ）方式，ＰＳＫ（ｐｈａｓｅ  ｓｈｉｆｔ  ｋｅｙｉｎｇ）方式，ＦＳＫ（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｈｉｆｔ  ｋｅｙｉｎｇ）方式等の変調方式を採用するのがより好ましい。
【００５５】
−効果−
本実施形態の光変調素子によると、以下の効果を発揮することができる。本実施形態の光変調素子においては、屈折率変化部１０５を構成する材料（ＰＭＭＡ）と、屈折率一定部１０４を構成する材料（３ＲＤＣＶＸＹ）とでは、屈折率差が０．００１〜０．００２程度であり、一般的な多重干渉を利用する場合の２層の屈折率差に比べると、非常に小さい。
【００５６】
従来、しばしば利用されてきた多重反射ミラーの場合には、ＥＢ蒸着法やスパッタ法で屈折率の相異なる２種類の膜を縦方向に交互に積層してなる構造であったために、現実的な製造コストを確保するためには、せいぜい１０周期程度が限度である。そのために、本実施形態のような屈折率差の小さい２種類の膜を用いた場合には、特に図４（ｂ）に示す入力光の遮断状態において、反射率の高いミラーとして機能させることは困難である。ところが、電気光学材料からなる屈折率変化部を利用する場合、屈折率変化部（本実施形態における屈折率変化部１０４）を挟む２つの電極（本実施形態の裏面電極１１３及び導波路電極１１４）間に印加される電圧値には、消費電力などから受ける制限があるので、それほど高い電界を屈折率変化部に印加することはできない。したがって、電圧印加時に大きな屈折率差が生じる２種類の膜を有する導波路を設けるのは困難である。
【００５７】
それに対し、本実施形態の光変調素子の場合には、周期数が１６００〜２０００回の程度で、光導波路１０３の全長が５００μｍ程度の寸法に仕上げた場合、入力光の遮断状態で反射率９０％〜９７％のミラーとして機能する光変調素子を形成することが可能である。つまり、本実施形態においては、基板上に形成された複数の溝に基板とは異なる屈折率を有する材料を埋め込む工程を用いて、入力光の遮断状態において、横方向に交互に２種類の膜を重ねた多層膜により、多重反射を生じるミラーとして機能する導波路を形成しているために、横方向の多層膜の周期数を製造コストにほとんど影響を与えることなく増加させることができる。その結果、本実施形態の光変調素子により、従来の方法では困難であった屈折率差の小さい２つの膜を用いつつ、入力光の遮断状態で反射率９７％以上のミラーとして機能する光変調素子を実現することができる。
【００５８】
そして、以上のような光変調素子を利用した本実施形態の光学装置によると、光変調素子１０１の光導波路１０３の屈折率変化部１０５に、光導波路１０３全体が光の透過状態と遮断状態とに変化するような電気信号を印加して、光学装置を光信号変換回路として機能させることにより、光の入力信号を電気信号に応じて変調してなる出力光を得ることができる。例えば、光強度が一定値の入力光（直流光信号）を周波数変調，パルス幅変調又は位相変調された光信号などに変換することができる。
【００５９】
また、光導波路１０３を入力光に対して透明体又はミラーとして機能させるために、電気光学材料からなる屈折率変化部１０５を設けているので、屈折率変化部１０５に電界を印加することにより、光導波路１０３の反射率を大幅に変化させることが可能となり、超小型の変調機構を実現することが可能となる。
【００６０】
−本実施形態の光変調素子の変形例−
次に、第１の実施形態とは異なる基板材料を用いた例である第１の実施形態の変形例について説明する。
【００６１】
図６（ａ）〜（ｇ）は、第１の実施形態の変形例における光変調素子の製造工程を示す断面図である。
【００６２】
まず、図６（ａ）に示す工程で、電気光学材料であるリチウムテトラボレート（Ｌｉ２  Ｂ４  Ｏ７  ）からなる基板１２２を準備する。基板１２２を構成するＬｉ２  Ｂ４  Ｏ７  は、電界を印加しない状態での屈折率ｎ２  が１．５４４であり、基板１２２の表面は洗浄されている。
【００６３】
次に、図６（ｂ）に示す工程で、基板１２２の一部を反応性イオンエッチング法により除去して、光導波路となる凸部１２２ａを残す。この凸部１２２ａの形成方法としては、０．２規定のシュウ酸溶液と１０倍に希釈された塩酸溶液とを１：１で混合した溶液を用いたウエットエッチング法を用いてもよい。
【００６４】
この変形例では、凸部１２２ａの断面形状は５μｍ角の正方形であるが、例えば、凸部１２２ａの縦断面形状が長方形であってもよいし、凸部１２２ａの縦断面寸法が、５μｍ角以外の寸法の正方形であっても、同様の効果を発揮することができる。
【００６５】
次に、図６（ｃ）に示す工程で、凸部１２２ａの上にレジストパターン１３０を形成し、図６（ｄ）に示す工程で、レジストパターン１３０の上方から凸部１２２ａにイオンビーム露光を行なって、凸部１２２ａに多数の微細な溝１３１を掘り込んで、多数のリッジ状の屈折率変化部１２４を形成した後、図６（ｅ）に示す工程で、レジストパターン１３０を除去する。この時の溝１３１の深さは、凸部１２２ａの高さ（５μｍ）と同じ寸法としている。また、本変形例の場合、波長６３３ｎｍのレーザ光を変調することを考慮して、溝１３１の光の進行方向における幅（本変形例では溝幅）を１０２．５ｎｍ（ｎ１  ・λ／４）とし、屈折率変化部１０４の光の進行方向における幅（本変形例では膜厚）を１０２．４ｎｍ（ｎ２  ・λ／４）としている。このイオンビーム露光工程に代えて、位相マスクによる干渉露光法を用いた、フォトレジスト工程を行なうことによっても、図６（ｅ）に示すような溝１３１と屈折率変化部１０４とを形成することができる。
【００６６】
次に、図６（ｆ）に示す工程で、凸部１２２ａに形成された溝１３１内に電気光学効果がほとんどない材料として、高分子ポリマーであるＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート：ｎ＝１．５４３）を注入する。その後、基板１２２を１４０℃で数時間程度加熱した後、室温まで冷却して、各屈折率変化部１２４間に屈折率一定部１２５を形成する。
【００６７】
次に、図６（ｇ）に示す工程で、基板１２２の裏面に裏面電極１３３を形成するとともに、屈折率一定部１２５及び屈折率変化部１２４の上に導波路電極１２４を形成する。これにより、光変調素子１２０が形成される。
【００６８】
本変形例においては、第１の実施形態とは異なり、基板１２２を電気光学効果を有する材料により構成し、基板１２２の一部にリッジ状の屈折率変化部１２４を形成している。そして、各屈折率変化部１２４間の溝に一次の電気光学効果をほとんど有しない材料を埋め込んで屈折率一定部１２５を形成している。その結果、第１の実施形態と同様に、屈折率が互いに異なる２つの膜を横方向に積層した多層膜構造からなる光導波路１２３が形成される。
【００６９】
したがって、この変形例においても、裏面電極−導波路電極間の電界に応じ、図３に示すような屈折率変化部１２４の屈折率ｎ２  と屈折率一定部１２５の屈折率ｎ１  との一致・不一致状態が得られる。よって、電界の変化に応じて光導波路１０３における入力光の透過・遮断を行なわせることにより、光変調素子１２０を利用して光スイッチ，光シャッター，パルス信号生成回路などの光信号変換回路を実現することができる。
【００７０】
なお、第１の実施形態及びその変形例において、導波路電極及び裏面電極を形成する前に、各電極の下地上にＳｉＯ２  ，ＳｉＮ等で表面をコーティングしておくことが望ましい。これにより、光導波路への電極材料の侵入を有効に抑制することができるからである。
【００７１】
また、本実施形態及びその変形例においては、電気光学材料として、有機材料である３ＲＤＣＶＸＹ或いはリチウムテトラボレートを用い、一次の電気光学効果を持たない材料として、ＰＭＭＡを使用したが、屈折率が０．００１程度離れた電気光学効果を持つ材料と持たない材料の組み合わせであれば、いかなる材料の組み合わせも可能である。
【００７２】
ただし、本実施形態のように、無機材料からなる基板を用いた場合には、有機材料に比べて経時変化（疲労）などが少なく、耐環境性が良好であるという利点がある。
【００７３】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態は、同一の材料で形成され、光・放射線といった電磁波の照射により屈折率が変化した導波路構造を有する光変調素子に関する。
【００７４】
−光変調素子の製造方法及び構造−
本実施形態においても、光変調素子の基本的な構造は、図１に示す第１の実施形態の光変調素子とほとんど同じであり、具体的には、後述する図７（ｇ）に示されている。
【００７５】
図７（ａ）〜（ｇ）は、第２の実施形態に係る光変調素子の製造工程を示す断面図である。
【００７６】
まず、図７（ａ）に示す工程で、ガラスからなる基板２０１を準備する。基板２０２を構成するガラスの種類は、コーニング社製のコーニング７０５９である。本実施形態では、基板２０１を約１０分間水洗した後、約５分間アセトンによる洗浄を行ない、その後、約１分間フッ化アンモニウム水溶液（１４％）で洗浄する。その後、基板２０１を約１０分間再び水洗することにより、基板洗浄を行なう。ただし、このような手順及び洗浄液による洗浄を必ずしも行なう必要はなく、各種の洗浄方法を用いることができる。なお、基板洗浄を行なう際、どのような洗浄液を使用する場合も超音波洗浄とすることが望ましい。
【００７７】
次に、図７（ｂ）に示す工程で、洗浄された基板２０１をリンサードライヤーにて乾燥し、基板２０１上に電気光学材料として側鎖型高分子電気光学ポリマーの一つである３ＲＤＣＶＸＹ（ｄｉｃｙａｎｏｖｉｎｙｌ−ｔｅｒｍｉｎａｔｅｄ，  ｄｉｍｅｔｈｙｌ−ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ  ｄｉａｚｏ  ：屈折率ｎ２  ＝１．５４５）をスピンコートにより塗布して、３ＲＤＣＶＸＹ膜２０２を形成する。その後、３ＲＤＣＶＸＹ膜２０２にポーリング電界を１〜２ＭＶ／ｃｍ程度印加しながら、３ＲＤＣＶＸＹ膜２０２を１４０℃で数時間程度加熱した後、室温まで冷却する。３ＲＤＣＶＸＹ膜２０２を冷却している間、３ＲＤＣＶＸＹ膜２０２に電界を印加し続けることで、電気光学ポリマーである３ＲＤＣＶＸＹのポーリング（分極）を行なう。
【００７８】
次に、図７（ｃ）に示す工程で、３ＲＤＣＶＸＹ膜の上に、位相差マスク２１０を密着させ、図７（ｄ）に示す工程で、紫外光（ＵＶ）を照射して３ＲＤＣＶＸＹ膜２０２を露光する方法を採用した。光源としては、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）を用い、フォトブリーチング法により光を照射した部分の屈折率を低下させて、屈折率ｎ３  の高屈折率部２０４と、屈折率ｎ４  の低屈折率部２０５とを形成する。これにより、共に電気光学材料からなり、かつ、屈折率が相異なる２つの膜を横方向に交互に並べた多層膜構造が形成される。
【００７９】
この図７（ｄ）に示す工程においては、照射する光の強度あるいは照射時間を変化させることにより屈折率変化の程度を適宜調整することが可能である。
【００８０】
次に、図７（ｅ）に示す工程で、位相差マスク２１０を除去した後、公知のフォトリソグラフィー工程によって、３ＲＤＣＶＸＹ膜（高屈折率部２０４及び低屈折率部２０５）の上に、光導波路となる部分を覆うレジストパターン２１１を形成し、酸素プラズマによる反応性イオンエッチング法によって３ＲＤＣＶＸＹ膜をパターニングすることにより、基板２０１上に光導波路２０３を形成する。
【００８１】
次に、図７（ｆ）に示す工程でレジストパターン２１１を除去し、図７（ｇ）に示す工程で、基板２０１の裏面に裏面電極２１３を形成するとともに、高屈折率部２０４及び低屈折率部２０５の上に導波路電極２１４を形成する。これにより、光変調素子２００が形成される。
【００８２】
−光変調素子の動作−
図８は、第２の実施形態における光変調素子２００の２つの電極２１３，２１４間に印加される電界と光導波路２０３の高屈折率部２０４及び低屈折率部２０５の屈折率との関係を示す図である。同図において、特性線Ｌ３  は紫外光が照射されなかった３ＲＤＣＶＸＹからなる高屈折率部２０４の電界−屈折率の関係を示す。一方、特性線Ｌ４  は紫外光の照射によってフォトブリーチングされた３ＲＤＣＶＸＹからなる低屈折率部２０４の電界−屈折率の関係を示す。一般に、３ＲＤＣＶＸＹのような有機電気光学材料にフォトブリーチングを施した場合、その部分の屈折率が低下するばかりではなく、電気光学定数も低下するので、電界−屈折率の関係を示す特性線Ｌ４  の傾きは、特性線Ｌ３  の傾きよりも小さくなる。したがって、２つの特性線Ｌ３  ，Ｌ４  が交わる点が必ず存在する。つまり、高屈折率部２０４と低屈折率部２０５との屈折率が互いに等しくなって光導波路２０３が入力光に対して透明体として機能する電界（図８に示す電界Ｖ４  ）が必ず存在する。一方、電界Ｖ４  以外の電界（例えば図８に示す電界Ｖ３  ）が２つの電極２１３，２１４間に印加されたときには、光導波路２０３がミラーとして機能するので、光導波路２０３に入力された光が遮断される。
【００８３】
つまり、本実施形態の光変調素子を利用して、第１の実施形態の光学装置と同様に、２つの電極２１３，２１４間に印加する電界をＶ３  ，Ｖ４  とに変化させるための信号源やパルス信号変換回路（図５参照）を設けることにより、第１の実施形態と同様に、光スイッチ，光シャッター，パルス信号生成回路などの光信号変換回路として機能する光学装置が得られることになる。
【００８４】
よって、本実施形態の光変調素子及び光学装置により、第１の実施形態の光変調素子及び光学装置と同じ効果を発揮することができる。
【００８５】
加えて、本実施形態の光変調素子及び光学装置によると、電気光学ポリマー（本実施形態においては３ＲＤＣＶＸＹ）への紫外線照射によるフォトブリーチングの際に、照射する光の強度あるいは照射時間を変化させることにより、電気光学ポリマーの屈折率変化の量を適宜調整することができる。したがって、使用する電源電圧に応じて、入力光の透過・遮断の変化をより確実に行なうことができるという利点がある。
【００８６】
さらに、本実施形態の光変調素子及び光学装置によると、有機材料である３ＲＤＣＶＸＹ膜に微細な溝を形成するので、第１の実施形態に比べて加工が容易であるという利点がある。
【００８７】
なお、紫外線だけでなく放射線や電子線を照射することによっても、電気光学材料の電界の変化に対する屈折率の変化特性が変わることがあるので、紫外線に代えて放射線や電子線を電気光学材料に照射してもよい。
【００８８】
また、紫外線等の照射を行なわなくても、本来的に屈折率の変化特性が相異なる２種の電気光学材料からなる層を設けてもよい。
【００８９】
−第２の実施形態の変形例−
第２の実施形態においては、ガラス基板の上に有機電気光学結晶（電気光学ポリマー）からなる膜（３ＲＤＣＶＸＹ膜）を形成する方法について示したが、基板を電気光学ポリマーによって構成する方法も可能である。
【００９０】
図９（ａ）〜（ｆ）は、第２の実施形態の変形例に係る光変調素子の製造工程を示す断面図である。
【００９１】
まず、図９（ａ）に示す工程で、電気光学ポリマーからなる基板２２１を準備する。基板２２１を構成するとして、有機電気光学結晶の１つであるＤＡＳＴ結晶（４−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾニウム−トシレート：屈折率１．６３５）を用いる。
【００９２】
次に、図９（ｂ）に示す工程で、基板２２１の上に、光導波路となる領域を覆うフォトレジスト膜２３０を形成する。そして、図９（ｃ）に示す工程で、フォトレジスト膜２３０をマスクとして、酸素プラズマによる反応性イオンエッチングを行なって、凸部２２１ａを形成する。このとき、凸部２２１ａは、ＤＡＳＴ結晶のｂ軸方向に平行な方向が光導波路の光の進行方向に一致するように、形成される。
【００９３】
次に、図９（ｄ）に示す工程で、凸部２２１ａ上に位相マスク２３１を密着させて、紫外光（ＵＶ）を照射して３ＲＤＣＶＸＹからなる凸部２２１ａを露光する方法を採用した。光源としては、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）を用い、フォトブリーチング法により光を照射した部分の屈折率を低下させて、凸部２２１ａに屈折率ｎ３  の高屈折率部２２４と、屈折率ｎ４  の低屈折率部２２５とを形成する。これにより、共に電気光学材料からなり、かつ、屈折率が相異なる２つの膜を横方向に交互に並べた多層膜構造である光導波路２２３が形成される。
【００９４】
この図９（ｄ）に示す工程においては、照射する光の強度あるいは照射時間を変化させることにより屈折率変化の程度を適宜調整することが可能である。
【００９５】
次に、図９（ｅ）に示す工程で、位相差マスク２３１を除去し、図９（ｆ）に示す工程で、基板２２１の裏面に裏面電極２３３を形成するとともに、高屈折率部２２４及び低屈折率部２２５の上に導波路電極２３４を形成する。これにより、光変調素子２２０が形成される。
【００９６】
この変形例においても、基本的には第２の実施形態と同じ効果が得られる。この変形例においては、電気光学ポリマーを用いているので、第２の実施形態の製造工程に比べて、微細溝を加工するのが容易であるという利点がある。
【００９７】
（第３の実施形態）
上記第１，第２の実施形態においては、光導波路として、基板から突出させた光導波路を設けたが、本発明の光変調素子及び光学装置変調器は、凸状でない導波路を設けたものであってもよい。
【００９８】
図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ順に、本発明の第３の実施形態に係る光変調素子の構成を示す斜視図、光変調素子の一部を拡大して示す部分平面図、及び光変調素子の一部を拡大して示す部分断面図である。ただし、本実施形態の光変調素子は、図１０（ａ）に破線に示される２つの電極を備えている。
【００９９】
図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、本実施形態の光変調素子３００は、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート，屈折率ｎ１  ＝１．５４３）からなる基板３０１を備え、基板３０１の表面部３０１ａには、多数の円柱状のトレンチ３０２が形成されている。そして、トレンチ３０２のうち光の進行方向に沿った１列のトレンチには、屈折率が異なる材料（例えば３ＲＤＣＶＸＹ（ｄｉｃｙａｎｏｖｉｎｙｌ−ｔｅｒｍｉｎａｔｅｄ，  ｄｉｍｅｔｈｙｌ−ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ  ｄｉａｚｏ  ：屈折率ｎ２  ＝１．５４５）が埋め込まれている。つまり、光導波路３０３は、基板３０１の表面部３０１ａの一部に形成されており、基板３０１と同じ材料からなる屈折率一定部３０５と、屈折率一定部３０５（基板３０１）とは屈折率が異なる屈折率変化部３０４とが交互に設けられていることになる。
【０１００】
光導波路３３のトレンチ３０２の直径は、０．１〜０．８μｍ程度であり、トレンチ３０２同士の間隔は０．１〜１．０μｍ程度である。トレンチ３０２は、平面上で稠密六方型結晶のｃ面の中心位置及び頂点位置に一致するように、つまり、ハニカム状に配置されている。
【０１０１】
本実施形態の光変調素子３００において、図１０（ａ）の破線に示す２つの電極間に電界を印加すると、第１の実施形態における図３に示すように、屈折率変化部３０４の屈折率ｎ２  が屈折率一定部３０５の屈折率ｎ１  に一致して、入力光が透過する（図４（ａ）に示す状態）。一方、２つの電極間に電界を印加しないときには、光導波路３０３全体がミラーとなって、入力光が遮断される（図４（ｂ）に示す状態）。
【０１０２】
したがって、第１の実施形態と同様に、２つの電極にパルス信号を供給するための信号源やパルス信号変換回路などを設けることにより、第１の実施形態と同様に、一定強度の入力光を電気信号によって変調された出力光に変換する光信号変換回路として機能させることができる。特に、本実施形態においては、光導波路として機能する部分以外に光が漏れないように、比較的小さく絞ったレーザビームを光導波路３０３の一方から入力させ、光導波路３０３の光の出口に光ファイバーを設置することが好ましい。
【０１０３】
本実施形態においては、一列に並ぶトレンチ内に電気光学材料を埋め込んて光導波路を形成したが、複数列のトレンチ内に電気光学材料を埋め込んで光導波路を形成してもよい。
【０１０４】
第１〜第３の実施形態及びそれらの変形例において、後述するように、屈折率が相異なる２つの層が８００周期以上設けられていることが好ましく、１５００周期以上設けられていることがより好ましい。また、この周期数には基本的に上限がないが、光導波路の全長が、出力光の強度が信号として利用困難な程度に低下するほど長くならない範囲であればよく、光変調素子の用途や構成材料の種類に応じて、適宜定められることになる。
【０１０５】
上記第１〜第３の実施形態の光変調素子においては、電界の非印加時にミラーとして機能し、電界の印加時に入力光に対して透明体として機能する光導波路を有している場合について主に述べたが、逆に、光変調素子が電界の印加時にミラーとして機能し、電界の非印加時に入力光に対して透明体として機能する光導波路を有していてもよい。
【０１０６】
なお、上記第１〜第３の実施形態において、電界に応じて屈折率が変化する電気光学材料として電気光学ポリマーを用いる場合、大気中の湿気あるいは熱によって材料特性の劣化が生じ、変調用電界あるいは変調特性に掲示劣化が生じることがある。そこで、電気光学ポリマーを用いた光変調素子を長時間使用する場合には、乾燥空気，窒素・アルゴン等の不活性ガス，あるいは液状フッ素化合物系不活性液体（フロリナート等）内に密封するか、樹脂モールド内に光変調素子を密封することが好ましい。
【０１０７】
（第４の実施形態）
本発明の光学装置は、進行波型光学装置に応用することも可能である。本実施形態においては、光変調素子を光学装置に応用した例について説明する。
【０１０８】
図１１は、本実施形態の光学装置４００の構成を示す斜視図である。ただし、全体構造を見やすくするために、図１１においては、上下２つの電極が破線で示されている。
【０１０９】
図１１に示すように、本実施形態の光学装置４００は、基板４０１上に設けられた光導波路４０３を備えている。図１１には、例として、屈折率一定部４０４と屈折率変化部４０５とを有する光導波路４０３を備えた第１の実施形態の光変調素子の構造が図示されているが、本実施形態に餅いつ光変調素子は、図１１に示すものに限られるものではなく、第１〜第３の実施形態及びそれらの変形例のものを用いることができる。そして、図１１に示すように、光導波路４０３の上面上には光導波路が設けられ、基板４０１の裏面上には裏面電極が設けられている。
【０１１０】
また、本実施形態の光学装置においても、図５に示すような機能を有する信号源４１０とパルス信号変換回路４１１とが設けられている。さらに、導波路電極と裏面電極との間には、終端用抵抗体４１２が設けられている。この終端抵抗体４１２の抵抗は、例えば５０Ω程度である。
【０１１１】
本実施形態の光学装置４００においては、終端用抵抗体４１２が設けられていることにより、以下の作用が得られる。一般に、パルス信号変換回路４１１から出力されるパルス信号に応じて、基板４０１の上面に沿って電気信号の進行波が生じやすくなる。この進行波の位相と光導波路４０３中の光の位相とが整合しないと、光の変調効率が低下するおそれがある。それに対し、本実施形態の光学装置においては、終端用抵抗体４１２の抵抗を適宜設定することにより、基板４０１の上面に沿って生じる進行波が定在波となるように焼成することができ、進行波の位相と光の位相との整合を確実に確保することができ、高効率の光変調を行なうことが可能になる。
【０１１２】
ただし、光導波路の全長が数ｍｍを越える程度まで長くない場合には、一般的には、電気信号の進行波の位相と光の位相とのずれは、あまり生じないので、通常は、本実施形態における終端用抵抗体を設ける必要はない。
【０１１３】
（第５の実施形態）
図１２は、本発明の第５の実施形態に係る光変調素子の構造及び機能を示す斜視図である。図１３は、本発明の第５の実施形態に係る光変調素子の図１２に示すＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線における断面図である。
【０１１４】
同図に示すように、本実施形態の光変調素子５００は、ガラス等の透明体からなる基板５０１と、基板５０１の中央部付近に設けられた光導波路５０３及び光通路５０６と、基板５０１の裏面上に設けられた金属からなる裏面電極５１２と、光導波路５０３の上面上に設けられた金属からなる導波路電極５１３とを備えている。
【０１１５】
図１３に示すように、本実施形態の光変調素子５００においては、図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に直交するように延びる高屈折率部５０４と低屈折率部５０５とを交互に１５００〜２０００周期程度設けた光導波路５０３と、屈折率が一定の光通路５０６とが設けられている。このような構造は、例えば、ガラス基板に凹部を形成した後、凹部に３ＲＤＣＶＸＹ等の電気光学材料を埋め込んで、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）を用い、フォトブリーチング法により光を照射した部分の屈折率を低下させて、屈折率が高い高屈折率部５０４と、屈折率が低い低屈折率部５０５とを形成することで実現される。
【０１１６】
そして、本実施形態の光学装置においては、光導波路５０３中の高屈折率部５０４及び低屈折率部５０５に対して斜め方向から入力光が入力される。そのとき、図１２に示すように、２つの電極５１２，５１３の電界の状態に応じ、光導波路５０３が入力光に対して透明体として機能する場合には、入力光と同じ進行方向に透過光が出力され、光導波路５０３がミラーとして機能する場合には、光導波路５０３中の高屈折率部５０４及び低屈折率部５０５によってブラッグ反射された光が反射光として出力される。
【０１１７】
ただし、本実施形態の光導波路は、高屈折率部と低屈折率部とを有する構造に限定されるものではなく、第１，第３のの実施形態及びその変形例のように、屈折率一定部と屈折率変化部とを有する構造であってもよい。その場合にも、光導波路が、電界の非印加時にミラーとして機能するものであってもよいし、電圧の非印加時に入力光に対して透明体として機能するものであってもよい。
【０１１８】
本実施形態によると、出力光の出力方向を２方向に切り換え可能な光スイッチが得られる。すなわち、第１〜第３の実施形態においては、光の透過・遮断を制御する光スイッチ，光シャッター，パルス信号生成回路などの光信号変換回路として機能する光学装置が得られるが、本実施形態においては、光の出力方向を切り換え可能な小型，高速，高効率の光スイッチが得られることになる。
【０１１９】
また、本実施形態の光変調素子の反射光のみを利用して、広いスペクトルを有する入力光のうちある波長成分のみを取り出す帯域フィルタとして機能する光学装置を得ることもできる。
【０１２０】
（反射率特性に関するデータ）
図１４（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ順に、本発明の光導波路の電界非印加時，中間電界印加時及び高電界印加時における反射率の波長依存性を示す図である。図１４（ａ）〜（ｃ）に示すデータは、ＰＭＭＡからなる屈折率一定部と、３ＲＤＣＶＸＹからなる屈折率変化部とを２０００周期配置した光導波路を有する光変調素子サンプルを用いて測定したものである。また、入力光の波長は６３３ｎｍとして設計されている。そして、３ＲＤＣＶＸＹからなる屈折率変化部の光の進行方向における厚みは１０２．４ｎｍであり、ＰＭＭＡからなる屈折率一定部の光の進行方向における厚みは１０２．６ｎｍである。この厚みは、第１の実施形態で説明したように、式（１）、つまり、λ／（４・ｎ）（λは光の波長，ｎは屈折率）に基づいて設計されている。また、このサンプルにおける光導波路の図１２に示すＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に平行な方向の長さは４００μｍである。
【０１２１】
図１５は、この光変調素子サンプルの光導波路における屈折率一定部及び屈折率変化部の周期数に対する反射率の依存性を示すデータである。図１５に示すように、ＰＭＭＡからなる屈折率一定部と３ＲＤＣＶＸＹからなる屈折率変化部とを有する光導波路においては、８００周期以上の周期数を有する場合に、反射率が５０％以上となるので、実用上、８００周期以上の周期数を有することが好ましい。さらに、１５００周期以上の周期数を有する場合に、反射率が９０％近くになるので、実用上、１５００周期以上の周期数を有する屈折率一定部及び屈折率変化部を設けることが好ましい。なお、周期数が１６００周期以上になると、９０％以上の反射率が得られる。
【０１２２】
なお、第２の実施形態のごとく、高屈折率部と低屈折率部とを有する光導波路を備えた光変調素子においても、高屈折率部と低屈折率部との屈折率差に応じて、適正な周期数を設定することができるが、現実には屈折率一定部及び屈折率変化部を有する光導波路とあまり変わらない屈折率差を得ることができるので、その場合にも、周期数が８００周期以上であることが好ましく、１５００周期以上であることがより好ましい。
【０１２３】
そして、図１４（ａ）〜（ｃ）に示すように、２つの電極間に印加する電界の程度に応じて反射光の反射率を変化させることができる。すなわち、図１４（ａ）に示すように、電界を印加しない場合、波長６３３ｎｍにおける光導波路の反射率は９６．８％であり、図１４（ｂ）に示すように、電界を印加するに従い光導波路の反射率が小さくなり、高電界を印加すると反射率がノイズレベルである０．２％以下となって、光導波路が光を透過する状態になる。
【０１２４】
−光導波路を構成する２つの層の光の進行方向における厚み−
次に、光導波路を構成する互いに屈折率の異なる２つの層（屈折率一定部及び屈折率変化部、あるいは高屈折率部及び低屈折率部）の光の進行方向における厚みについて説明する。  本発明の各実施形態においては、式（１）に基づいて算出された厚みを光の進行方向における厚みとして採用しているが、その厚みをさらにｍ倍（ｍは整数）したものを用いることも可能である。
【０１２５】
図１６は、光導波路を構成する２つの層の式（１）から算出された厚みをｍ倍したときの反射率を、ｍを変化させて示す図である。ここでは、第１の実施形態における屈折率一定部及び屈折率変化部を２０００周期有する光導波路の例について示すが、第２の実施形態における高屈折率部及び低屈折率部からなる光導波路においても、図１６とほぼ同様の傾向がみられる。
【０１２６】
図１６に示すように、２つの層の光の進行方向における厚みが式（１）から算出される厚みの奇数倍でなければ、反射されないことが分かる。また、ｍが奇数の場合においても、ｍが９を超えると、反射率が９０％を下回るようになり、実用上好ましくないことが分かった。
【０１２７】
ここで、反射率が９０％を下回ると、以下のような不具合が生じる。一般に、光通信システムでは、光の損失が非常に少ないことが重要となる。これらのシステムを構成している光ファイバなどの光導波路、あるいは、レンズ，光変調器といった光デバイスそれぞれに反射ロスが存在するために、ここのデバイスにおいて反射ロスを最小限にすることが望まれている。そこで、本発明の光素子においても、反射率が９０％以上であることがより望ましい。
【０１２８】
（第６の実施形態）
次に、ミラーとして機能するための光の波長が互いに異なる複数の光導波路を備えた光変調素子に関する第６の実施形態について説明する。
【０１２９】
第１〜第５の実施形態における光変調素子は、狭い波長帯域の光のみについてしか高い反射率を発揮することができない。したがって、例えば第５の実施形態の光変調素子を帯域フィルタとして利用する場合には、使用条件によっては使いづらいことがあり得る。そこで、本実施形態においては、高い反射率を発揮する波長帯域を拡大するための対策について説明する。
【０１３０】
図１７（ａ），（ｂ）は、それぞれ順に、第１〜第５の実施形態における光変調素子（光学装置）の構造、及び第６の実施形態の光変調素子（光学装置）の構造を比較して示す図である。
【０１３１】
図１７（ａ）に示すように、第１〜第５の実施形態の光変調素子（光学装置）は、屈折率変化部（又は高屈折率部）６０４と、屈折率一定部（又は低屈折率部）６０５とを有し、波長６３３ｎｍ付近でミラーとして機能する単一の光導波路６０３を有している。
【０１３２】
それに対し、図１７（ｂ）に示すように、本実施形態の光変調素子（光学装置）は、波長６３３ｎｍ付近でミラーとして機能する光導波路６０３に加えて、屈折率変化部（又は高屈折率部）６１４と屈折率一定部（又は低屈折率部）６１５とを有し、波長（６３３−ｘ）ｎｍ付近でミラーとして機能する光導波路６１３と、屈折率変化部（又は高屈折率部）６２４と屈折率一定部（又は低屈折率部）６２５とを有し、波長（６３３−２ｘ）ｎｍ付近でミラーとして機能する光導波路６２３と、屈折率変化部（又は高屈折率部）６３４と屈折率一定部（又は低屈折率部）６３５とを有し、波長（６３３＋ｘ）ｎｍ付近でミラーとして機能する光導波路６３３と、屈折率変化部（又は高屈折率部）６４４と屈折率一定部（又は低屈折率部）６４５とを有し、波長（６３３＋２ｘ）ｎｍ付近でミラーとして機能する光導波路６４３とを有している（ｘは、例えば０．５ｎｍ）。
【０１３３】
このような構造は、例えば、光導波路６１３，６２３，６３３，６４３の屈折率変化部（又は高屈折率部）６１４，６２４，６３４，６４４と屈折率一定部（又は低屈折率部）６１５，６２５，６３５，６４５の光の進行方向における厚み（第１〜第４の実施形態の構造においては膜厚に一致）を、それぞれ、波長（６３３−ｘ）ｎｍ、（６３３−２ｘ）ｎｍ，（６３３＋ｘ）ｎｍ，（６３３＋２ｘ）ｎｍの入力光に対してミラーとして機能するように設計することで実現される。つまり、ミラーとして機能する光の波長範囲が相隣接してあるいはオーバーラップして少しずつずれるように、２つの層の厚みを変化させるのである。なお、ミラーとして機能するために光導波路に印加する電界は０であってもよいし、比較的高い値であってもよい。
【０１３４】
図１８（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ順に、第１〜第５の実施形態の光変調素子、第６の実施形態の第１例における光変調素子、及び第６の実施形態の第２例における光変調素子において光導波路がミラーとして機能する場合の反射率スペクトルを示す図である。
【０１３５】
ここで、図１８（ａ）は、波長６３３ｎｍ付近においてミラーとして機能する単一の光導波路を、屈折率一定部及び屈折率変化部を２０００周期設けた場合の反射率スペクトルを示す。図１８（ｂ）は、光の反射波長を０．５ｎｍずつずらした５つの光導波路の各屈折率一定部及び屈折率変化部を、それぞれ４００周期ずつ設けた場合の反射率スペクトルを示す。図１８（ｃ）は、光の反射波長を１．０ｎｍずつずらした５つの光導波路の各屈折率一定部及び屈折率変化部を、それぞれ２００周期ずつ設けた場合の反射率スペクトルを示す。
【０１３６】
図１８（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施形態の光変調素子（光学装置）においては、ミラーとして機能する波長帯域が少しずつずれた複数の光導波路が設けられていることにより、反射光の帯域が広がっていることがわかる。なお、反射光の帯域が広がるにつれて反射率が低下しているが、この反射率の低下は、１つの導波路を構成する屈折率一定部及び屈折率変化部（又は高屈折率部及び低屈折率部）の周期数（層数）を例えば１０００周期以上に増加させることによって、抑制することができる。
【０１３７】
なお、本実施形態では、５つの導波路６０３，６１３，６２３，６３３，６４４がミラーとして機能するための光の波長を線形に変化させたが、線形に限らず非線形に変化させても、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１３８】
本実施形態の光変調素子又は光学装置によると、光が反射するための波長帯域を少しずつずらせた複数の導波路を設けることにより、屈折率差が小さい２種類の材料によって構成された導波路をミラーとして機能させる光変調素子又は光学装置において、安定した動作が可能となり、容易な使用・調整を実現することができる。
【０１３９】
なお、上記各実施形態においては、電界に応じて屈折率の変化する材料として電気光学材料を用いたが、圧電効果を生じる圧電材料においても、電界に応じた屈折率の変化がみられるので、圧電材料を用いることもできる。
【０１４０】
【発明の効果】
本発明によれば、電界に応じて屈折率が変化する特性を有する材料を利用して、光変調を行なうことが可能な小型，かつ高機能の光変調素子又は光学装置の提供を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ順に、本発明の第１の実施形態に係る光変調素子の構成を示す斜視図、光変調素子の一部を拡大して示す部分平面図、及び光変調素子の一部を拡大して示す部分断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｇ）は、第１の実施形態に係る光変調素子の製造工程を示す断面図である。
【図３】第１の実施形態における２つの電極間に印加される電界に対する屈折率一定部の屈折率及び屈折率変化部の屈折率の変化を示す図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、第１の実施形態の２つの電極間の電界によって変化する，光導波路に入射された光の透過・遮断状態を示す図である。
【図５】第１の実施形態の光変調素子を用いた光学装置の構成及び制御方法を示す図である。
【図６】（ａ）〜（ｇ）は、第１の実施形態の変形例における光変調素子の製造工程を示す断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｇ）は、第２の実施形態に係る光変調素子の製造工程を示す断面図である。
【図８】第２の実施形態における光変調素子の２つの電極間に印加される電界と光導波路の高屈折率部及び低屈折率部の屈折率との関係を示す図である。
【図９】（ａ）〜（ｆ）は、第２の実施形態の変形例に係る光変調素子の製造工程を示す断面図である。
【図１０】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ順に、本発明の第３の実施形態に係る光変調素子の構成を示す斜視図、光変調素子の一部を拡大して示す部分平面図、及び光変調素子の一部を拡大して示す部分断面図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態の光学装置の構成を示す斜視図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態に係る光変調素子の構造及び機能を示す斜視図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態に係る光変調素子の図１２に示すＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線における断面図である。
【図１４】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ順に、本発明の光導波路の電界非印加時，中間電界印加時及び高電界印加時における反射率の波長依存性を示す図である。
【図１５】本発明の光変調素子サンプルの光導波路における屈折率一定部及び屈折率変化部の周期数に対する反射率の依存性を示すデータである。
【図１６】本発明の光変調素子サンプルの光導波路を構成する２つの層の式から算出された厚みをｍ倍したときの反射率を、ｍを変化させて示す図である。
【図１７】（ａ），（ｂ）は、それぞれ順に、第１〜第５の実施形態における光変調素子（光学装置）の構造、及び第６の実施形態の光変調素子（光学装置）の構造を比較して示す図である。
【図１８】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ順に、第１〜第５の実施形態の光変調素子、第６の実施形態の第１例における光変調素子、及び第６の実施形態の第２例における光変調素子において光導波路がミラーとして機能する場合の反射率スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１０１  光変調素子
１０２  基板
１０２ａ  凸部
１０３  光導波路
１０４  屈折率変化部
１０５  屈折率一定部
１１１  溝
１１３  裏面電極
１１４  導波路電極
１５０  光学装置
１５１  信号源
１５２  パルス信号変換回路
【図１】
2004157255.tif 000003
【図２】
2004157255.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004157255.tif 000006
【図５】
2004157255.tif 000007
【図６】
2004157255.tif 000008
【図７】
2004157255.tif 000009
【図８】
2004157255.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2004157255.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2004157255.tif 000014
【図１３】
2004157255.tif 000015
【図１４】
2004157255.tif 000016
【図１５】
2004157255.tif 000017
【図１６】
2004157255.tif 000018
【図１７】
2004157255.tif 000019
【図１８】
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