(57)【要約】【目的】分岐光導波路部の省スペース化を実現し，小型化・低伝播損失化を可能とする光変調器を提供することを目的とする。【構成】高屈折率光導波層９を挟むように低屈折率電気光学結晶クラッド層１０と低屈折率空気クラッド層が形成されている３層スラブ構造をした基板内に、屈折率の周期構造となるように前記高屈折率光導波層９面内に四角柱状の低屈折率の空気穴１１が形成されており、且つ前記空気穴１１が存在しないことで構成される光導波路１２が面内に形成された構造をしている。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極間に電圧を印加して光導波路中に発生する電界により結晶の光に対する屈折率が変化する電気光学効果を利用して光導波路部分の屈折率を変化させて光変調を行う光変調器において、前記光導波路の一部、もしくは全部にフォトニック結晶構造を用いたことを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記光導波路の一箇所、もしくは数箇所にフォトニック結晶構造を利用した分岐光導波路を有することを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記光導波路の一部、もしくは全部が３層スラブ構造により縦方向の光の閉じ込めが行われ、且つ横方向を屈折率の周期的変化を持った２次元フォトニック結晶構造によって閉じ込められていることを特徴とする請求項１または２に記載の光変調器。
【請求項４】
前記光導波路をマッハツェンダ型とし、かつ変調用電極を前記マッハツェンダ型導波路の各分岐に個別に装荷して、光の強度変調が行えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光変調器。
【請求項５】
前記フォトニック結晶構造を作製するのに、プロトン交換もしくはイオン注入を行った後に選択エッチングを行うことを特徴とする請求項１から４のいずれかの光変調器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶の電気光学効果を利用した光変調器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光変調器は図３に示すものが知られている。図のように、電気光学結晶基板１上にＴｉ熱拡散により光導波路２が描かれており、その構造はＹ字分岐３を２つ合わせたマッハツェンダ型になっている。Ｙ字分岐部３では伝播する光が分波・合波をするが、その際に光が減衰しないように浅い分岐角度と十分な長さが取られている。また電界を印加するため金属表面電極４が電気光学結晶基板上のＳｉＯ２バッファ層５を介して素子表面に装荷されている。前記金属表面電極４に電圧を印加すると、Ｔｉ拡散された光導波路２中に電界が生じ、電気光学効果によって結晶の光に対する屈折率が変化し、光導波路２中を伝播する光の位相が変化する。この位相変化と光の干渉効果を利用して、マッハツェンダ型導波路を用いた光強度変調器が実現されている。
【０００３】
一方で、低伝播損失の光導波路作製には、フォトニック結晶構造が有効であることが知られている。前記構造を適用したフォトニック結晶光導波路については、納富雅也他著「Ｓｉフォトニクスに向けたＳｉ系フォトニック結晶材料」レーザー研究２００２年２月・第３０巻第２号ｐ６５〜６９などに記載されている。
【０００４】
図２は、公開特許公報・特開平１１−２１８６２７などに示される従来の２次元フォトニック結晶光導波路を示す。フォトニック結晶光導波路は、２層の低屈折率クラッド層７に挟まれた高屈折率なフォトニック結晶構造の導波層８から成り、その材質にはＳｉ、ＳｉＯ２などのシリコン系材料や、Ａｌなどの金属材料、ＧａＡｓなどの化合物半導体材料が用いられている。これらの材質に共通しているのは、エッチング技術や薄膜積層技術が確立しているため、高精度・高アスペクト比を持った２次元フォトニック結晶構造が現行の技術で容易に作製できるといった点である。このような２次元フォトニック結晶構造を用いることで、低伝播損失の光導波路が実現されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記従来の光変調器においては、Ｙ字分岐をしたマッハツェンダ型光導波路を用いているため、一方の分岐部分のみで約５ｍｍもの幅を占めてしまい、変調器の小型化に対する弊害となっている。その一方で、Ｙ字分岐部分の分岐角度を現行より深くすると、分岐部分での光の伝播損失が起きるといった問題がある。
【０００６】
また一方で、前記従来の２次元フォトニック結晶構造を作製するには高精度な微細加工技術を必要とする。光変調器で用いられているＬｉＮｂＯ３結晶やＬｉＴａＯ３結晶などは、エッチング技術や薄膜積層技術を用いた高精度・高アスペクト比の微細加工技術が確立していないため、低伝播損失の２次元フォトニック結晶構造を作製するのが困難であるといった問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、上記の課題を克服するため低伝播損失の２次元フォトニック結晶構造を作製し、それを用いることで伝播損失を抑えながらも前記分岐角度を深くすることができ、これによって変調器の小型化を可能とした光変調器を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電極間に電圧を印加して光導波路中に電界を発生し、この電界により結晶の光に対する屈折率が変化する電気光学効果を利用して光導波路部分の屈折率を変化させて光変調を行う光変調器において、前記光導波路の一部、もしくは全部にフォトニック結晶構造を用いたことを特徴とする光変調器である。
【０００９】
本発明に従えば、光変調器内部を伝播する光の損失をほとんどゼロにすることができる。
【００１０】
さらに本発明は、前記光導波路の一部、もしくは数箇所にフォトニック結晶構造を利用した分岐光導波路を有することが好ましい。
【００１１】
このように電気光学結晶上に描かれた前記光導波路の分岐部分にフォトニック結晶構造を利用した分岐光導波路を用いることで、Ｔ字分岐などの直角分岐光導波路が適用できるようになり、低伝播損失を維持しながらの分岐部分の省スペース化により変調器を小型化することができる。
【００１２】
さらに本発明は、前記光導波路の一部、もしくは全部が３層スラブ構造により縦方向の光の閉じ込めが行われ、且つ横方向を屈折率の周期的変化を持った２次元フォトニック結晶構造によって閉じ込められていることが好ましい。
【００１３】
このように縦方向の光の閉じ込めには３層スラブ構造を、横方向の光の閉じ込めには２次元フォトニック結晶構造を適用することで、簡便なプロセスでありながら低伝播損失と小型化の両立が可能となる。
【００１４】
さらに本発明は、前記光導波路をマッハツェンダ型とし、かつ変調用電極を前記マッハツェンダ型導波路の各分岐に個別に装荷して、光の強度変調が行えることが好ましい。
【００１５】
このような構造で光の強度変調を行えるようにすることで、従来とほとんど変わらない強度変調器のシステムでありながら、変調器の小型化・低伝播損失化ができる。
さらに本発明は、前記フォトニック結晶構造を作製するのに、プロトン交換もしくはイオン注入を行った後に選択エッチングを行うことを特徴とする。
【００１６】
このようにプロトン交換技術、もしくはイオン注入技術を用いた選択エッチング技術を適用することで、高精度・高アスペクト比なフォトニック結晶構造を作製することができ、低伝播損失化が可能となる。
【００１７】
【発明の実施形態】
本発明者らは、選択エッチング技術により作製した３層スラブの２次元フォトニック結晶構造を電気光学結晶基板に適用し、且つ前記２次元フォトニック結晶構造面内に光導波路を形成することで、所望の周波数帯の光をほぼ完全に前記光導波路内に閉じ込めることが可能であることを見出した。さらにこの効果を用いることで、マッハツェンダ型光導波路の基本部分でもあるＹ字分岐部分を、低伝播損失を維持しながら小さくできることを見出した。したがって本発明では、電気光学結晶中に描かれている光導波路の一部、もしくは全部にフォトニック結晶構造を用いることで、分岐光導波路部の省スペース化を実現し、変調器の小型化・低伝播損失化をする。
【００１８】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
【００１９】
（実施例１）
本発明の一実施例を、図１を用いて説明する。本実施例の構造は、高屈折率光導波層９を挟むように低屈折率電気光学結晶クラッド層１０と低屈折率空気クラッド層が形成されている３層スラブ構造をした基板内に、屈折率の周期構造となるように前記高屈折率光導波層９面内に四角柱状の低屈折率の空気穴１１が形成されており、且つ前記空気穴１１が存在しないことで構成される光導波路１２が面内に形成された構造をしている。また、前記光導波路１２はマッハツェンダ型に構成されており、分岐部分はＴ字型１３で形成されており、かつ各分岐路に個別に変調用電極１４が装荷されることで、光の強度変調が行えるような構造をしている。
【００２０】
フォトニック結晶構造をした屈折率の周期構造と、その面内に形成された光導波路の作製方法についてその一例を、図４〜図６を用いて説明する。まずＬｉＮｂＯ３電気光学結晶基板１６の上部全面に０．１〜１０ｕｍ程の深さまでＴｉ拡散１７をする。これによって、高屈折率Ｔｉ拡散光導波層１７を挟むように低屈折率ＬｉＮｂＯ３電気光学結晶クラッド層１６と低屈折率空気クラッド層が形成された３層スラブ構造基板ができる（図４（ａ））。次に前記基板上にレジスト１８を塗り、干渉露光を方向を変えて２回行い、現像することで０．１ｕｍ〜１ｕｍの所望の周期間隔をした格子状のパターニングを全面に形成する（図４（ｂ））。次に所望の導波路パターンが形成されたフォトマスクを使用して露光と現像をすることで、格子状に切られた前記レジスト面内に導波路構造１９を作製する（図４（ｃ））。上記の過程で作製された基板上にＳｉＯ２蒸着をすると、レジストが現像で除去された部分にＳｉＯ２マスク２０が形成される（図５（ａ））。さらに残りのレジスト部分を除去することで、４角形の穴２１が開いたＳｉＯ２マスクが基板上に作製された形になる（図５（ｂ）および断面の図６（ａ））。以上の過程により作製されたＳｉＯ２マスク２０付きＬｉＮｂＯ３電気光学結晶基板１６を溶融安息香酸に浸して、ＳｉＯ２マスクが無い部分をプロトン交換してプロトン交換部２２を形成する（断面の図６（ｂ））。この際、プロトン交換する深さが前記Ｔｉ拡散をした深さよりも大きくなるように、温度や浸漬時間を選択する。その後、前記ＳｉＯ２マスクパターンと前記プロトン交換部２２が形成されたＬｉＮｂＯ３電気光学結晶基板をフッ酸溶液に浸して、前記ＳｉＯ２マスクパターンと前記プロトン交換された部分を選択的にエッチング除去することで、面内に４角柱状の空気穴２３が周期的に形成されたフォトニック結晶構造と、光導波路２４が形成されたＬｉＮｂＯ３電気光学結晶基板が作製される（図５（ｃ）および断面の図６（ｃ））。
【００２１】
従来の変調器に使用されているＬｉＮｂＯ３電気光学結晶基板２５と、上記の過程で作製された本実施例のＬｉＮｂＯ３電気光学結晶基板２６の比較を図７に示す。図７（ａ）のような従来のＹ字分岐部分を、本発明により図７（ｂ）のようなＴ字分岐に変更した結果、結晶基板長さが１０ｍｍ程短く改善されるのがわかる。また、所望の周波数帯の光を制御できるように屈折率周期構造が結晶面内全域に形成されているので、光損失も従来と比べて大幅に低下する。
【００２２】
さらに、前記フォトニック結晶構造作製過程におけるフォトマスク露光工程のみを変更することで、図８に示す様な光導波路を持つＬｉＮｂＯ３電気光学結晶基板２７も作製することができ、よりいっそう小型化することが可能である。
【００２３】
本実施例では、電気光学結晶基板にＬｉＮｂＯ３結晶を用いたが、ＬｉＴａＯ３結晶、ＢａＴｉＯ３結晶なども適用可能である。また本実施例では、高屈折率光導波層にＴｉ拡散光導波層を適用したが、外拡散光導波層やプロトン交換導波層、Ｈｅ＋やＳｉ＋などの各種イオン注入導波層も適用可能である。また、格子状のパターニングをする際に干渉露光法を用いたが、ＥＢ描画によるパターニングや鋳型押し付けによるパターニングなども適用できる。また、マスク材料としてＳｉＯ２マスクが使用されたが、Ａｌ２Ｏ３やＴｉＯ２などの金属酸化物や、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓなどの化合物半導体なども適用できる。また四角柱状の空気穴を作製するのに、プロトン交換部分を選択エッチングする方法を適用したが、イオン注入された部分が選択的にエッチングされる技術を適用することもできる。さらに、本実施例では屈折率周期構造部に四角柱状の空気穴を適用したが、ＬｉＮｂＯ３より屈折率が低い金属酸化物などを使用してその四角柱部分を埋め込んだ形にしても、同様に作製できる。また本実施例では、屈折率周期構造部に四角柱形状を用いたが、それが円柱状でも三角柱状でも同様にフォトニック結晶構造を作製することができる。また選択エッチング方法として、フッ酸水溶液によるウェットエッチングを使用したが、ドライエッチングなども適用可能である。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の光変調器を用いれば、分岐部分の省スペース化による素子の小型化が可能となり、且つフォトニック結晶構造を適用することで低伝播損失化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光変調器を説明する図である。
【図２】従来の２次元フォトニック結晶光導波路を説明する図である。
【図３】従来の光変調器を説明する図である。
【図４】本発明の一例の光変調器の製造方法を説明する図である。
【図５】本発明の一例の光変調器の製造方法を説明する図である。
【図６】本発明の一例の光変調器の製造方法の一部を断面で説明する図である。
【図７】本発明と従来のＬｉＮｂＯ３光変調器の一例を比較を表した図である。
【図８】本発明のＬｉＮｂＯ３光変調器の別の一例を示した図である。
【符号の説明】
１　　電気光学結晶基板、　　　　　　　　２　　Ｔｉ拡散光導波路
３　　Ｙ字分岐、　　　　　　　　　　　　　　　　　４　　変調用金属表面電極
５　　ＳｉＯ２バッファ層、　　　　　　　　　６　　変調用電源
７　　高屈折率光導波層、　　　　　　　８　　低屈折率ＳｉＯ２クラッド層
９　　高屈折率Ｓｉフォトニック結晶導波層
１０　　低屈折率電気光学結晶クラッド層
１１　　低屈折率４角柱状空気穴、１２　　高屈折率光導波路
１３　　Ｔ字分岐、　　　　　　　　　　　　　　　１４　　変調用金属表面電極
１５　　変調用電源、　　　　　　　　　　　　　１６　　ＬｉＮｂＯ３電気光学結晶基板
１７　　Ｔｉ拡散高屈折率光導波層、　　　　　　１８　　レジスト
１９　　導波路、　　　　　　　　　　　　　　　　　　２０　　ＳｉＯ２マスク
２１　　４角柱状空気穴（ＳｉＯ２マスク内）
２２　　プロトン交換部、　　　　　　２３　　４角柱状空気穴（Ｔｉ拡散層面内）
２４　　Ｔｉ拡散高屈折率光導波路
２５　　Ｙ字型分岐光導波路を所用したＬｉＮｂＯ３電気光学結晶基板
２６　　Ｔ字型分岐光導波路を所用したＬｉＮｂＯ３電気光学結晶基板
２７　　矢印型分岐光導波路を所用したＬｉＮｂＯ３電気光学結晶基板
【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】
2004037587.tif 000008
【図７】
2004037587.tif 000009
【図８】
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