(57)【要約】【課題】  光学素子に関し、電気光学効果が偏光無依存となる理由を解明し、それを基礎として偏光無依存な光学素子を実現させようとする。【解決手段】  強誘電体結晶又は誘電体結晶から成るクラッド層１２、コア層１３、クラッド層１４で構成されたスラブ型光導波路１５、及び、強誘電体結晶又は誘電体結晶の自発分極方向又は歪み方向とは異なる方向に電場を印加する電極１６を備える。【選択図】        図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体結晶又は誘電体結晶で構成され、その自発分極方向又は歪み方向とは異なる方向に電場を印加する電極が設けられてなること
を特徴とする光学素子。
【請求項２】
菱面体の結晶構造をもつ強誘電体結晶又は誘電体結晶で構成され、電場を＜１１１＞軸方向以外に印加する電極が設けられてなること
を特徴とする光学素子。
【請求項３】
単斜晶の結晶構造をもつ強誘電体結晶又は誘電体結晶で構成され、電場を＜１１０＞軸方向以外に印加する電極が設けられてなること
を特徴とする光学素子。
【請求項４】
正方晶の結晶構造をもつ強誘電体結晶又は誘電体結晶で構成され、電場を＜１００＞軸方向以外に印加する電極が設けられてなること
を特徴とする光学素子。
【請求項５】
組成が０≦ｘ≦０．３、０．０≦ｙ≦１．０の範囲にある
Ｐｂ1-x Ｌａx （Ｚｒy Ｔｉ1-y ）1-x/4 Ｏ3                                       からなる光学素子であって、自発分極方向又は歪み方向が＜１１１＞軸方向である結晶に＜１１１＞軸方向以外に電場を印加する電極が設けられてなること
を特徴とする光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信や光信号処理などの分野に於いて光変調器、光偏向素子、光スイッチなどを構成するのに用いて好結果が得られる光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、誘電体結晶、或いは、強誘電体結晶に電場を印加すると屈折率が変化する。この現象は電気光学効果と呼ばれ、光変調器、光偏向素子、光スイッチなど様々な光学素子に利用されている。
【０００３】
前記結晶中を伝播する光に於けるＴＭモードと平行に電場Ｅを印加した場合、屈折率変化は、ＴＥモードとＴＭモードとのそれぞれについて下記の数式１で表される。
【０００４】
【数１】
2005266638.tif 000003
【０００５】
数式１に於いて、Δｎは屈折率変化量、添字のTE及びTMはＴＥモード及びＴＭモード、ｎは屈折率、ｎTE及びｎTMはＴＥモード及びＴＭモードの屈折率、ｒ13及びｒ33は電気光学定数をそれぞれ示している。
【０００６】
屈折率変化量Δｎは電圧の強さ、電気光学定数、ｎ3 に比例するので、電気光学定数と屈折率が大きい材料が求められている。バルクなどの特性で一般に使用される電気光学効果ｒc は下記の数式２で表される。電気光学効果ｒc については、バルクのＰＬＺＴ（８／６５／３５）でｒc ＝５００ｐｍ／Ｖという大きな値が得られている。
【０００７】
【数２】
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【０００８】
通常の単一モード光ファイバを伝播する信号光には、ＴＥモードの導波光とＴＭモードの導波光とが存在する。その為、光の導波方向を変更する光スイッチに於いては、印加電圧に対する屈折率変化量をＴＥモードとＴＭモードとで等しくする必要がある。
【０００９】
数式１にならうとｎTE＝ｎTM、ｒ13＝ｒ33が条件になるが、数式２で表すと、ｒc ＝０の性質となる。然しながら、通常、結晶に一方向の電圧を印加したときのＴＥモードとＴＭモードの屈折率変化量は異なる。この屈折率変化量を同じにして、単一モード光ファイバに対応した光学素子を実現する為、様々な技術が開発されてきた。
【００１０】
特許文献１に開示された発明では、入射光と結晶のＣ軸を平行とし、ＴＥモードとＴＭモードの電気光学効果に依る屈折率変化量を同じにしている。電気光学定数としてはｒ33を使用せず、ｒ13のみを使用することになる。特許文献２に開示された発明では、結晶の三軸方向を回転させ、ＴＥモードとＴＭモードの電気光学効果に依る屈折率変化量が同じであるようにした。特許文献３に開示された発明では、電極の数を増し、ＴＥモードの光だけでなく、ＴＭモードの光にも平行に電場を印加するようにした。
【００１１】
然しながら、前記各公知文献に開示されている何れの発明に於いても、電気光学効果が小さく、また、構造、例えば電極構造が複雑になるなどの問題がある。
【００１２】
ところで、ＰＬＺＴ（９／６５／３５）について知られているバルク特性に於いて、その電気光学効果ｒc は非常に大きいのであるが、単結晶基板にエピタキシャル成長させたＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜は、ＴＥモードとＴＭモードとの屈折率変化量が同じになるとされている（例えば、非特許文献１を参照。）。
【００１３】
然しながら、非特許文献１に開示されたエピタキシャル成長ＰＬＺＴ薄膜に見られる偏光無依存な振る舞いは、バルクに於ける電気光学効果の特性と比較しても原因は判然としていない。その為、ＰＬＺＴに於いて高い屈折率を示す領域の組成が産業上利用されることはなかった。因に、屈折率が高い場合、電場を印加したときの屈折率変化量は数式１から明らかなように大きくなる。
【００１４】
また、近年の環境に対する配慮の高まりと共に鉛を含まない材料を用いることが強く希求されるようになってきた。そこで、優れた特性を示す鉛含有材料に代替できる鉛非含有材料を開発する為にも、偏光無依存となる機構を解明し、且つ、把握することが望まれている。
【特許文献１】特公平７−２１５９５号公報
【特許文献２】特許第２８２４３０６号公報
【特許文献３】特許第２８５６８８０号公報
【非特許文献１】梨本恵一、「ＰＬＺＴ薄膜導波路光スイッチ」、ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ、日本、オプトロニクス社、（２００１）、Ｎｏ．２、１１８頁〜１２３頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明では、電気光学効果が偏光無依存となる理由を解明し、それを基礎として偏光無依存な光学素子を実現させようとする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に依る光学素子に於いては、強誘電体結晶又は誘電体結晶で構成され、その自発分極方向又は歪み方向とは異なる方向に電場を印加する電極が設けられてなることを基本とする。
【発明の効果】
【００１７】
前記手段を採ることに依り、結晶に電場を印加した場合に於ける電気光学効果の変化量がＴＥモード、ＴＭモードに拘わらず同じである光学素子が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
Ｎｂ−ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ3 ）基板上にＰＬＺＴ（９／６５／３５）をゾルゲル法で作製して電気光学効果を調べた。この場合のＮｂ−ＳＴＯ基板は＜１００＞軸方位のもの、及び、＜１１１＞軸方位のものを用い、それぞれの基板上に厚さ約２．５μｍのＰＬＺＴ（９／６５／３５）膜を形成した。
【００１９】
前記作製したＰＬＺＴ膜の結晶性をＸＲＤ（Ｘ−ｒａｙ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）法を適用して調べたところ図１及び図２に見られるＸＲＤ曲線の線図が得られた。
【００２０】
前記作製したＰＬＺＴ膜の電気光学効果はプリズムカップリング法で測定した。尚、ＰＬＺＴ膜に電圧を印加するための電極は、スパッタリング法を適用し、ＰＬＺＴ膜表面にタングステンを蒸着することで作製した。
【００２１】
図１及び図２から明らかなように、前記＜１００＞軸方位のＮｂ−ＳＴＯ基板、及び、＜１１１＞軸方位のＮｂ−ＳＴＯ基板のそれぞれに成長したＰＬＺＴ膜は、何れも各基板の方位と同じ方位に成長されているのでエピタキシャル成長していることが判る。
【００２２】
また、それぞれの方位に於ける電気光学効果の結果が図３及び図４の線図に示されている。図３に依れば、＜１００＞軸方向に成長したＰＬＺＴ（９／６５／３５）膜では、ＴＥモードとＴＭモードとの変化量は同じであり、ｒ13＝ｒ33であることが判る。
【００２３】
これに対し、＜１１１＞軸方位に成長したＰＬＺＴ（９／６５／３５）膜は、かなり異なる振る舞いをした。即ち、図４に見られるように、ｒ13は屈折率が増加する方向へと変化し、ｒ33は＜１００＞軸方位に成長させたものと比較すると３倍以上も変化した。
【００２４】
前記したところを纏めると次のようになる。即ち、＜１００＞軸方向に成長したＰＬＺＴ（９／６５／３５）膜では、ｒ13＝ｒ33となり、且つ、ｒc ＝０であることが判り、そして、＜１１１＞軸方位に成長したＰＬＺＴ（９／６５／３５）膜では、ｒ13≠ｒ33となり、且つ、ｒc が値をもち、バルクの特性と同じ振る舞いをすることが判る。
【００２５】
前記の諸特性を簡単なモデルに依って解析する。まず、電気光学効果を光の偏光方向に依らない等方的な成分ｒh と２×ｒv TE＋ｒv TM＝０を満たす成分に分ける。尚、ｒv はｒh 以外の成分を表している。
【００２６】
前記後者の成分、即ち、ｒv は圧電現象に於けるドメインの効果の概念を取り入れ、電気光学効果に適用する。ＴＭモード方向に電気光学効果が大きくなれば、それを打ち消すようにＴＭモードの電気光学効果がＴＥモードと反対に生じること意味する。
【００２７】
まず、＜１１１＞軸方位の電気光学効果は等方的な成分ｒh と２×ｒv TE＋ｒv TM＝０を満たす成分の両者が混在しているとする。＜１１１＞軸方位のＴＥモードとＴＭモードの電場に対する屈折率変化の実験結果から、下記の数式３を用いて等方的な成分ｒh を求める。
【００２８】
【数３】
2005266638.tif 000005
【００２９】
数式３に示されているｒh を＜１００＞軸方位の電気光学効果の実験結果と併せてプロットして線図にすると図５に見られるようになり、ＴＥモードとＴＭモードとは一致することが看取される。従って、＜１００＞軸方位に成長したＰＬＺＴ（９／６５／３５）膜について、＜１００＞軸に平行に電場を印加した場合には、等方的な成分ｒh のみが現れることが判る。
【００３０】
これに対し、＜１１１＞軸方位に成長したＰＬＺＴ（９／６５／３５）膜について、＜１１１＞軸に平行に電場を印加した場合には、等方的な成分ｒh と２×ｒv TE＋ｒv TM＝０を満たす成分の両者が混在することが判る。                                        
【００３１】
ところで、ＰＬＺＴ（９／６５／３５）は擬立方晶の結晶構造であって、立方晶から僅かに菱面体へと歪んでいる。その為、電場を＜１１１＞軸方位に印加した場合にはドメインの回転が生じると考えられ、この効果が２×ｒv TE＋ｒv TM＝０を満たす大きな異方性を生じた原因であると推測される。
【００３２】
これに対し、電場を＜１００＞軸方位に印加した場合、それぞれの＜１１１＞ドメインに働く力が打ち消しあい、ドメインの回転は生じない。その為、電気光学効果に２×ｒv TE＋ｒv TM＝０を満たす成分が生じなかったと考えられる。２×ｒv TE＋ｒv TM＝０を満たす成分が必ずドメインの回転に結び付くというわけではないと思われるが、ドメイン回転を考えると偏光の出現を理解し易くなる。
【００３３】
本発明者等は、以上の実験結果から、偏光無依存である為には、結晶の自発分極方向または歪み方向とは異なる方向に電場を印加することが必須であることを知得し、また、その結果、偏光依存性が無い光学素子を実現するには、結晶の自発分極方向または歪み方向と異なる方向に電場を印加すると良いことを認識した。ここで謂う自発分極方向又は歪み方向とは、菱面体の結晶構造では＜１１１＞軸方向、単斜晶の結晶構造では＜１１０＞軸方向、正方晶の結晶構造では＜１００＞軸方向を意味している。
【００３４】
立方晶の結晶構造では、電場を印加した際、菱面体、単斜晶、正方晶などの結晶構造に於いて、どれが安定するかで結晶の種類が決まることになる。菱面体が安定した場合には＜１１１＞軸方向、単斜晶が安定した場合には＜１１０＞方向、正方晶が安定した場合には＜１００＞方向が自発分極方向または歪み方向となる。
【００３５】
また、強誘電体の誘電特性、圧電特性、光学特性が高くなる組成相境界（Ｍｏｒｐｈｏｔｒｏｐｉｃ  Ｐｈａｓｅ  Ｂｏａｒｄａｒｙ：ＭＰＢ）では混晶系となる場合があり、そのときには、混晶となっているそれぞれの結晶構造の自発分極方向或いは歪み方向と異なる方向に電場を印加する。但し、混晶系では、混晶を構成している何れかの結晶構造は電場印加に対して応答しなくなることがある。
【００３６】
前記したところから、本発明では、強誘電体結晶または誘電体結晶について、自発分極方向または歪み方向とは異なる方向に電場を印加する構成にすることで、偏光に依存しない光学素子を実現することができた。
【実施例１】
【００３７】
図６乃至図８は本発明に依る偏光無依存な光学素子を製造する工程について説明する為の工程要所に於ける光学素子を表す要部切断側面図、図９は要部平面図、図１０は要部切断側面図であり、以下、これ等の図を参照しつつ説明する。
【００３８】
ここでは、ＰＬＺＴ膜の作製をゾル−ゲル法を適用して行うので、まず、ＰＬＺＴ用のゾル−ゲル溶液について説明する。
【００３９】
構成金属元素の有機化合物であるＰｂ（ＣＨ3 ＣＯＯ）2 ・３Ｈ2 Ｏ〔酢酸鉛〕、Ｌａ（ｉ−ＯＣ3 Ｈ7 ）3 〔ランタンイソプロポキシド〕、Ｔｉ（ｉ−ＯＣ3 Ｈ7 ）4 〔チタニウムイソプロポキシド〕、Ｚｒ（ＯＣ3 Ｈ7 ）4 〔ジルコニウムプロポキシド〕、そして、安定剤としてのＣＨ3 ＣＯＣＨ2 ＣＯＣＨ3 （２，４−ペンタンジオン）を溶剤であるＣＨ3 ＯＣＨ2 Ｈ4 ＯＨ〔２−メトキシエタノール〕で還流によって合成した。
【００４０】
ＰＬＺＴ（９／６５／３５）を得るには、Ｐｂ（ＣＨ3 ＣＯＯ）2 ・３Ｈ2 Ｏ／Ｌａ（ｉ−ＯＣ3 Ｈ7 ）3 のモル比を１０１／９とし、また、Ｚｒ（ＯＣ3 Ｈ7 ）4 ／Ｔｉ（ｉ−ＯＣ3 Ｈ7 ）4 のモル比を６５／３５とすれば良い。
【００４１】
前記説明したゾルゲル溶液を用いて屈折率を異にするクラッド層／コア層／クラッド層からなる光学素子を作製する。
【００４２】
図６参照
（１）  スピンコート法を適用することに依り、（１００）面を主面とするＮｂ１％ド        ープＳｒＴｉＯ3 基板１１上にＰＬＺＴ（１１／６５／３５）ゾル−ゲル前駆体        を塗布する。
【００４３】
（２）  ホットプレートを用い、１４０℃の温度で５分間、３５０℃の温度で５分間の        ベーキングを行う。
【００４４】
（３）  赤外線炉を用い、酸素雰囲気中に於いて温度を７００℃として焼成する。ゾル        −ゲル前駆体を塗布してから、ここまでの工程で厚さが１００ｎｍ〜２００ｎｍ        の薄膜が形成されるので、これを繰り返し実施して、例えば厚さ２μｍのＰＬＺ        Ｔ（１１／６５／３５）からなるクラッド層１２を形成する。
【００４５】
図７参照
（４）  ＰＬＺＴ（９／６５／３５）ゾル−ゲル前駆体を用い、クラッド層１２上に前        記（１）〜（３）で説明した工程と同様な工程を採って、例えば厚さ５μｍのコ        ア層１３を形成する。
【００４６】
図８参照
（５）  ＰＬＺＴ（１１／６５／３５）ゾル−ゲル前駆体を用い、コア層１３上に前記        （１）〜（３）で説明した工程と同様な工程を採って、例えば厚さ３μｍのクラ        ッド層１４を形成する。
【００４７】
以上の工程を経ることで、クラッド層／コア層／クラッド層からなる光偏向素        子が得られる。ＰＬＺＴ（１１／６５／３５）からなるクラッド層１２、１４の        屈折率は１．５５μｍの波長に対して２３９であり、また、ＰＬＺＴ（９／６５        ／３５）からなるコア層１３の屈折率は１．５５μｍの波長に対して２４０とな        る。このクラッド層１２／コア層１３／クラッド層１４からなる光偏向素子はス        ラブ型光導波路１５として動作させることが可能である。
【００４８】
図９及び図１０参照
（６）  マスクを用いた真空蒸着法を適用することに依り、クラッド層１４上にＣｕ／        Ｗ膜からなる三角形状の偏向電極１６を形成する。尚、図１０は図９に見られる        線Ｘ−Ｘに沿う要部切断側面を示している。
【００４９】
前記のようにして作製された光学素子に於いては、ＰＬＺＴに於ける結晶の自発分極方向或いは歪み方向と異なる方向に電場を印加することができ、電気光学効果はＴＥモード及びＴＭモードに拘わらず略同じになる。
【００５０】
本発明に於いては、前記説明した実施例を含め、多くの形態で実施することができ、以下、それを付記として例示する。                                                  
【００５１】
（付記１）
強誘電体結晶又は誘電体結晶で構成され、その自発分極方向又は歪み方向とは異なる方向に電場を印加する電極が設けられてなること
を特徴とする光学素子。
【００５２】
（付記２）
強誘電体結晶又は誘電体結晶で構成され、その自発分極方向又は歪み方向から０．１°以上ずれた方向に電場を印加する電極が設けられてなること
を特徴とする光学素子。
【００５３】
（付記３）
菱面体の結晶構造をもつ強誘電体結晶又は誘電体結晶で構成され、電場を＜１１１＞軸方向以外に印加する電極が設けられてなること
を特徴とする光学素子。
【００５４】
（付記４）
単斜晶の結晶構造をもつ強誘電体結晶又は誘電体結晶で構成され、電場を＜１１０＞軸方向以外に印加する電極が設けられてなること
を特徴とする光学素子。
【００５５】
（付記５）
正方晶の結晶構造をもつ強誘電体結晶又は誘電体結晶で構成され、電場を＜１００＞軸方向以外に印加する電極が設けられてなること
を特徴とする光学素子。
【００５６】
（付記６）
菱面体の結晶構造をもつ強誘電体結晶又は誘電体結晶で構成され、電場を＜１１１＞軸方向から０．１°以上ずれた方向に印加する電極が設けられてなること
を特徴とする光学素子。
【００５７】
（付記７）
単斜晶の結晶構造をもつ強誘電体結晶又は誘電体結晶で構成され、電場を＜１１０＞軸方向から０．１°以上ずれた方向に印加する電極が設けられてなること
を特徴とする光学素子。
【００５８】
（付記８）
正方晶の結晶構造をもつ強誘電体結晶又は誘電体結晶で構成され、電場を＜１００＞軸方向から０．１°以上ずれた方向に印加する電極が設けられてなること
を特徴とする光学素子。
【００５９】
（付記９）
組成が０≦ｘ≦０．３、０．０≦ｙ≦１．０の範囲にある
Ｐｂ1-x Ｌａx （Ｚｒy Ｔｉ1-y ）1-x/4 Ｏ3                                       からなる光学素子であって、自発分極方向又は歪み方向が＜１１１＞軸方向である結晶に＜１１１＞軸方向以外に電場を印加する電極が設けられてなること
を特徴とする光学素子。（５）
【００６０】
（付記１０）
組成が０≦ｘ≦０．３、０．０≦ｙ≦１．０の範囲にある
Ｐｂ1-x Ｌａx （Ｚｒy Ｔｉ1-y ）1-x/4 Ｏ3                                       からなる光学素子であって、自発分極方向又は歪み方向が＜１１０＞軸方向である結晶に＜１１０＞軸方向以外に電場を印加する電極が設けられてなること
を特徴とする光学素子。
【００６１】
（付記１１）                                                                    組成が０≦ｘ≦０．３、０．０≦ｙ≦１．０の範囲にある
Ｐｂ1-x Ｌａx （Ｚｒy Ｔｉ1-y ）1-x/4 Ｏ3                                       からなる光学素子であって、自発分極方向又は歪み方向が＜１００＞軸方向である結晶に＜１００＞軸方向以外に電場を印加する電極が設けられてなること
を特徴とする光学素子。
【００６２】
（付記１２）
組成が０≦ｘ≦０．３、０．０≦ｙ≦１．０の範囲にある
Ｐｂ1-x Ｌａx （Ｚｒy Ｔｉ1-y ）1-x/4 Ｏ3                                       からなる光学素子であって、自発分極方向又は歪み方向が＜１１１＞軸方向である結晶に＜１１１＞軸方向から０．１°以上ずれた方向に電場を印加する電極が設けられてなること
を特徴とする光学素子。
【００６３】
（付記１３）                                                                    組成が０≦ｘ≦０．３、０．０≦ｙ≦１．０の範囲にある
Ｐｂ1-x Ｌａx （Ｚｒy Ｔｉ1-y ）1-x/4 Ｏ3                                       からなる光学素子であって、自発分極方向又は歪み方向が＜１１０＞軸方向である結晶に＜１１０＞軸方向から０．１°以上ずれた方向に電場を印加する電極が設けられてなること
を特徴とする光学素子。
【００６４】
（付記１４）                                                                    組成が０≦ｘ≦０．３、０．０≦ｙ≦１．０の範囲にある
Ｐｂ1-x Ｌａx （Ｚｒy Ｔｉ1-y ）1-x/4 Ｏ3                                       からなる光学素子であって、自発分極方向又は歪み方向が＜１００＞軸方向である結晶に＜１００＞軸方向から０．１°以上ずれた方向に電場を印加する電極が設けられてなること
を特徴とする光学素子。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】＜００１＞軸方位に成長したＰＬＺＴ（９／６５／３５）のＸＲＤ曲線を表す線図である。
【図２】＜１１１＞軸方位に成長したＰＬＺＴ（９／６５／３５）のＸＲＤ曲線を表す線図である。
【図３】＜００１＞軸方位に成長したＰＬＺＴ（９／６５／３５）に電場を印加したときの屈折率変化を表す線図である。
【図４】＜１１１＞軸方位に成長したＰＬＺＴ（９／６５／３５）に電場を印加したときの屈折率変化を表す線図である。
【図５】＜１１１＞軸方位に成長したＰＬＺＴ（９／６５／３５）から計算した等方的な屈折率変化を表す線図である。
【図６】本発明に依る偏光無依存な光学素子を製造する工程について説明する為の工程要所に於ける光学素子を表す要部切断側面図である。
【図７】本発明に依る偏光無依存な光学素子を製造する工程について説明する為の工程要所に於ける光学素子を表す要部切断側面図である。
【図８】本発明に依る偏光無依存な光学素子を製造する工程について説明する為の工程要所に於ける光学素子を表す要部切断側面図である。
【図９】本発明に依る偏光無依存な光学素子を製造する工程について説明する為の工程要所に於ける光学素子を表す要部平面図である。
【図１０】本発明に依る偏光無依存な光学素子を製造する工程について説明する為の工程要所に於ける光学素子を表す要部切断側面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１１  Ｎｂ１％ドープＳｒＴｉＯ3 基板
１２  ＰＬＺＴ（１１／６５／３５）からなるクラッド層
１３  ＰＬＺＴ（９／６５／３５）からなるコア層
１４  ＰＬＺＴ（１１／６５／３５）からなるクラッド層
１５  スラブ型光導波路
１６  偏向電極
【図１】
2005266638.tif 000006
【図２】
2005266638.tif 000007
【図３】
2005266638.tif 000008
【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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