(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折格子が形成されたプラスチック製の導波路層と、この導波路層の外周に形成され、かつこの導波路層よりも低屈折率のプラスチック製のクラッド層を備え、前記導波路層の一端から入射された光を回折格子の作用により回折光として導波路層の上方の外部空間に出射する光偏向素子であって、
前記導波路層の回折格子は、導波路層の上部に周期的な鋸歯状の凹凸を形成して構成され、前記クラッド層のうち、導波路層の上側に位置して回折光が通過する部分が外方に向けて凸状となっており、前記導波路層から出射される回折光の光路を避ける位置にヒータが配置されており、
このヒータによって、前記導波路層の温度を変化させて回折光の偏向角を変化させるようにしたことを特徴とする熱光学効果型光偏向素子。
【請求項２】
請求項１に記載の熱光学効果型光偏向素子が筐体に収められてなることを特徴とする熱光学効果型光偏向素子モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱光学効果型光偏光素子に関し、特に最大偏向角が大きいものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光偏向素子としては、半導体の導波路に回折格子が形成されてなり、電圧印加による量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を利用したものがある。
図１４は従来の光偏向素子の一例を示したもので、素子の光軸に平行な断面および光軸に垂直な断面の双方を示した図である。この図に示す光偏向素子１は、ｎ−ＩｎＰ基板２の上にｎ−ＩｎＰバッファ層３、井戸層とバリア層が交互に積層された多重量子井戸（Multi Quantum Well）層４が順次積層され、その上に導波路層５がストライプ状に形成され、フォトリソグラフィー・エッチング技術により導波路層５の上に回折格子６が形成されたものである。そして、導波路層５の上にはｐ−ＩｎＰクラッド層７が形成されるとともに、その側方にはポリイミド層８が形成されている。また、この積層構造の下面には下部電極層９が、光の入射面と反対側の端面に近い側の上面には上部電極層１０が形成されている。また、これらの電極層９、１０は、例えばＣｒとＡｕとの積層構造などからなる金属膜で構成されている。なお、寸法の一例としては、素子１の光軸方向の長さが３〜４ｍｍ程度、上部電極層９の一辺が１００μｍ程度である。
【０００３】
このような構成の光偏向素子１に光Ｓ0を入射すると、回折格子６の作用によりブラッグの式に従う回折角をもって光は上方に回折するが、この際、上部、下部電極層９、１０間に電圧（逆バイアス）を印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果により電圧の大きさに見合う量だけ導波路層５の屈折率が変化するため、屈折率変化に伴って光Ｓ1が回折する角度が変化する。したがって、電圧の大きさを調節することにより、回折光Ｓ1を所望の角度（偏向角）だけ偏向させて、導波路層５の光信号の進行方向側（プラス側）に傾いた回折光Ｓ2あるいはその反対側（マイナス側）に傾いた回折光Ｓ3を得ることができる。
なお、偏向していない回折光Ｓ1の位置を中心として導波路層５の進行方向側（Ｓ3側）と反対方向側（Ｓ2側）とに偏向させることができる角度の合計（Ψ）を最大偏向角いう。また、単に偏向角という場合は回折光Ｓ1 の位置をゼロとし、導波路層５の光信号の進行方向側に偏向したときの角度をプラス、反対側に偏向したときの角度をマイナスで表したものとする。
この回折光の偏向機能を利用することによって、光コンピュータにおける光スイッチングや並列光情報伝送システムなどの光インターコネクションに、この光偏向素子１を送信側素子として適用することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、量子閉じ込めシュタルク効果による屈折率変化は光の吸収量の増大を伴う。すなわち、導波路層５における屈折率変化を大きくすると信号光の損失が大きくなるため、実用上、屈折率変化量は約０．３％程度が限界であり、最大偏向角は１０度程度が限界であった。
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、最大偏向角を大きくすることができる光偏向素子を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の熱光学効果型光偏向素子は、回折格子が形成されたプラスチック製の導波路層と、この導波路層の外周に形成され、かつこの導波路層よりも低屈折率のプラスチック製のクラッド層を備え、前記導波路層の一端から入射された光を回折格子の作用により回折光として導波路層の上方の外部空間に出射する光偏向素子であって、前記導波路層の回折格子は、導波路層の上部に周期的な鋸歯状の凹凸を形成して構成され、前記クラッド層のうち、導波路層の上側に位置して回折光が通過する部分が外方に向けて凸状となっており、前記導波路層から出射される回折光の光路を避ける位置にヒータが配置されており、このヒータによって、前記導波路層の温度を変化させて回折光の偏向角を変化させるようにしたことを特徴とする。
また、この熱光学効果型光偏向素子を筐体に収めて光学効果型光偏向素子モジュールを構成することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の熱光学効果型光偏向素子の一例を示したもので、素子の光軸に平行な断面および光軸に垂直な断面の双方を示した図である。この熱光学効果型光偏向素子２１は、長方形板状の基板２２の上にクラッド層２３が形成され、その内部に断面略正方形の柱状の導波路層２４が形成されている。導波路層２４は光を導波するため前記クラッド層２３よりも高屈折率である。なお、導波路層２４の上面には回折格子２４ａが形成されており、クラッド層２３の上面には導波路層２４をはさんでヒータ２５、２６が対称に設けられている。ヒータ２５は、導波路層２４の長さ方向に平行な直線状のヒータ部２５ａと、その両端部に設けられた外部電極を装着するための電極パット部２５ｂ、２５ｂとから構成されている。ヒータ２６も同様に直線状の２６ａとその両端部の電極パット部２６ｂ、２６ｂとから構成されている。
【０００７】
基板２２としては表面を酸化処理したシリコン基板などが用いられる。
導波路層２４は、熱光学効果が大きいたため、プラスチックから形成され、例えばシリコーン樹脂、フッ化ポリイミド樹脂などのポリイミド系樹脂、フッ化メタクリレートなどのメタクリル系樹脂などが用いられるが、ポリイミド系樹脂が好ましい。クラッド層２３は好ましくは導波路層２４の材料として例示したものと同様のプラスチックなどから形成される。
具体的なクラッド層２３および導波路層２４の材料としては、特開平９−２１９２０号公報に開示されている、複屈折の大きさが同程度の２種類のポリイミドの共重合体などを用いることができる。この２種類のポリイミドの例としては、例えば２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン二無水物（６ＦＤＢ）と２，２’−ビス（トリフルオロメチル）−４，４’−ジアミノビフェニル（ＴＦＤＢ）から合成されるポリイミド（６ＦＤＡ／ＴＦＤＢ）と、６ＦＤＡと４，４’−オキシジアニリン（４，４’−ＯＤＡ）から合成されるポリイミド（６ＦＤＡ／４，４’−ＯＤＡ）などを挙げることができる。そして、これらのポリイミドの共重合比を変更することによって、導波路層２４とクラッド層２３との屈折率差を変化させることができる。
ヒータ２５、２６は金属製の薄膜からなり、特に限定するものではないが、例えば金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、クロム（Ｃｒ）、ニクロム（ＮｉＣｒ合金）、タングステン（Ｗ）などが用いられる。
【０００８】
この熱光学効果型光偏向素子２１は、例えば以下のようにして製造することができる。
基板２２の上に、スピンコート法などにより、導波路層２４の下のクラッド層２３の厚さに相当する下部クラッド層を形成し、その上面全体に導波路層２４の厚さに相当する導波路形成層を形成する。そして、この導波路形成層を導波路層２４のパターンに沿ってイオンエッチング法などによって加工して導波路層２４を形成するとともに、導波路層２４の周囲に下部クラッド層を露出させる。そして、さらにスピンコート法などにより、これら下部クラッド層と導波路層２４の上に上部クラッド層を形成し、下部クラッド層と上部クラッド層とが一体化したクラッド層２３を完成させる。
ついで、このクラッド層２３上に、蒸着法などによって上述のヒータ２５、２６の材料として例示した金属などからなる導電体薄膜を形成し、この導電体薄膜を加工してパターンを形成し、ヒータ２５、２６を完成させる。この加工方法としては、フォトリソグラフィーなどを適用することができる。
【０００９】
このような構成の熱光学効果型光偏向素子に、図２に示したように光Ｓ0を入射すると、回折格子２４ａの作用によりブラッグの式に従う回折角をもって光は上方に回折する。
この際、図３に示したようにヒータ２５、２６を作動させると導波路層２４の温度が変化し、熱光学効果によって導波路層２４の屈折率が変化する。そして、この屈折率変化に伴って光Ｓ1が偏向する。したがって、ヒータ２５、２６によって導波路層２４の温度を調節することにより、回折光Ｓ1を偏向させて、素子のクラッド層２３の上面から所定の角度で偏向した回折光Ｓ2またはＳ3を外部空間に出射することができる。
熱光学効果型光偏向素子において、偏向角θは以下の式で表される。
【００１０】
【数１】
0004498528.tif 000002
ここで、Ｉは回折次数で１、２，３…の値をとる。λ0は入射光の波長、ｎeffは導波路層２４の実効屈折率、Λは回折格子２４ａの周期である。導波路層２４の材料として用いられるプラスチックの加熱温度は、例えばポリイミドであってもせいぜい３５０℃が限界である。そのため、ｎｅｆｆの限界により、最大偏向角は２０〜３０度が限界となる。しかしながら、この導波路層２４の材料のプラスチックの熱光学係数は、例えば１．５×１０-4程度であって、通常導波路層として用いられる石英系の材料の約１０倍であり、石英系の材料を用いた場合と比較しても、図１４に示したタイプのものと比較しても最大偏向角をかなり大きくすることができる。
【００１１】
寸法の一例としては、熱光学効果型光偏向素子２１の厚さが約１ｍｍ、導波路層２４の長さ方向に平行な長さが２０ｍｍ、これに直交する幅方向の長さが５ｍｍであり、基板２２の厚さが１ｍｍ、クラッド層２３の厚さが３０μｍ、回折格子２４ａの断面寸法が略７μｍ×７μｍ、ヒータ２５、２６のヒータ部２５ａ、２６ａの長さが１６ｍｍである。
なお、回折格子２４ａの周期Λは、光の波長λ0、導波路層の実効屈折率、所望の最大偏向角などによって適宜選択されるが、例えば７００〜１４００μｍの範囲とされる。
【００１２】
図４は、この寸法例にしたがって回折格子２４ａの周期Λを１０２７ｎｍとして製造した熱光学効果型光偏向素子２１において、導波路層２４の温度と偏向角との関係を示したものであって、波長１．５５μｍの信号光を入射した状態でヒータ２５、２６に印加する電圧を変化させることによって偏向角を変化させたときの値である。
なお、この熱光学効果型光偏向素子は、周期Λを調節することにより、１３７．５℃で偏向角がゼロ（図２におけるＳ1の位置）になるように設定されており、温度が２５〜３００℃の範囲で変化する間に、回折光の出射方向（偏向角）はプラス側（図２におけるＳ3側）、すなわち光信号の進行方向側から、徐々に垂直（０度）になり、さらに反対側のマイナス側（図２におけるＳ2側）に変化する。その結果、最大偏向角は２５度程度となる。
図５は  横軸に示した各最高温度において、最高温度と室温（２５℃）との中間の温度のときに１次回折光の偏向角が０度になるように周期Λを設定した熱光学効果型光偏向素子を用意し、各熱光学効果型光偏向素子において、波長１．５５μｍの光信号を入射した状態で、室温（２５℃）から最高温度まで温度を変化させたときの最大偏向角を示したシミュレーション結果である。すなわち、Λは最高温度毎に異なる。最高温度を大きく設定する程、最大偏向角が大きくなることがわかる。
【００１３】
図６は本発明の熱光学効果型光偏向素子の他の例を示したもので、図１に示したものと異なるのは、導波路層２４の基板２２との対向面に回折格子２４ａが形成され、ヒータ２５、２６が基板２２とクラッド層２３との間に設けられている点である。
ヒータ２５の両端部の電極パット部２５ｂ、２５ｂの上には、それぞれクラッド層２３を貫通するスルーホール２５ｃ、２５ｃが設けられ、クラッド層２３の上面のこれらスルーホール２５ｃ、２５の周囲には、外部電極を装着する電極パッド部２５ｄ、２５ｄが設けられている。電極パッド部２５ｄ、２５ｄは電極パット部２５ｂ、２５ｂと同様の導電性材料からなり、スルーホール２５ｃ、２５ｃの内面にも同様の導電性材料からなる薄膜層が形成されている。その結果、電極パッド部２５ｄ、２５ｄに外部電極から電力を印加すると、スルーホール２５ｃ、２５の内面と電極パット部２５ｂを介してヒータ部２５ａ、２５ａの温度が上昇し、導波路層２４が加熱される。
ヒータ２６にも同様にスルーホール２６ｃと、クラッド層２３の上面に形成された電極パッド部２６ｄが設けられている。
【００１４】
また、図７に示したように導波路層２４の直下にひとつのヒータ２７を設けた構成とすることもできる。
このヒータ２７は、導波路層２４の長さ方向に平行な直線状のヒータ部２７ａと、その両端部に設けられた外部電極を装着するための電極パット部２７ｂ、２７ｂを有し、一方の電極パッド２７ｄの上にはクラッド層２３の側面と上面に開口するスルーホール２７ｄが設けられ、クラッド層２３の上面のスルーホール２７ｄの周囲には、外部電極を装着する電極パッド部２７ｃが設けられている。
他方の電極パット部２７ｂの上には、クラッド層２３を貫通するスルーホール２７ｅが設けられ、クラッド層２３の上面のスルーホール２７ｅの周囲には、外部電極を装着する電極パッド部２７ｆが設けられている。
本発明においては、導波路層２４の温度を変化させることができればヒータの数、位置などは特に限定せず、図６、図７に示した熱光学効果型光偏向素子においても図１に示したものと同様の効果が得られる。
【００１５】
なお、従来の石英系材料からクラッド層２３を形成した場合は、図８に示したようにクラッド層２３の上面は平坦になる。その結果、図９に示したように、回折光を構成する光の成分のうち、導波路層２４と平行な方向の成分Ａは広がりにくいが、導波路層２４に直交する方向の成分Ｂは広がりやすく、集光させにくくなる。
一方、本発明の熱光学効果型光偏向素子はクラッド層２３がプラスチックからなるため、熱光学効果型光偏向素子の製造工程において、図１０に示したようにクラッド層２３が硬化する際に導波路層２４の上のクラッド層２３の上面が収縮し、凸状となる。そしてこの凸状の部分がレンズの役割を果たし、図１１に示したように成分Ｂが広がりにくくなるという利点がある。そのため、回折光を容易に集光させることができる。
【００１６】
図１２は本発明の熱光学効果型光偏向素子を用いた熱光学効果型光偏向素子モジュール３１の構成の一例を示したものである。符号３３は中空直方体状の筐体であって、この筐体３３は本体３１と板状の蓋３２とからなり、蓋には回折光を取り出す窓３２ａが設けられている。熱光学効果型光偏向素子２１はこの筐体３３内に収められ、外部の光ファイバ３５がこの熱光学効果型光偏向素子２１にコネクタ３４を介して接続されている。筐体３３は通常アルミニウム、コバール（ＦｅＮｉＣｏ合金）などから形成したものが用いられる。
本発明の熱光学効果型光偏向素子モジュールの構成は、このように回折光を取り出すことのできる構成を備えた筐体内に熱光学効果型光偏向素子が収められ、かつ熱光学効果型光偏向素子が、この熱光学効果型光偏向素子に光を入射する手段と接続されていればその構成について特に制限はなく、用途に応じて種々の形態を選択することができる。
【００１７】
図１３はこの熱光学効果型光偏向素子モジュール３０を用いた光スイッチングモジュールの構成例を示したもので、板状のベース３６の上に熱光学効果型光偏向素子モジュール３０が配置されている。光ファイバ３５を介して光信号を熱光学効果型光偏向素子モジュール３０に入射し、得られた回折光は窓３２ａからマイクロレンズアレイ３７、導波素子３８を介して出力ポート３９から出射されるようになっている。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の熱光学効果型光偏向素子は、回折格子が形成されたプラスチック製の導波路層と、この導波路層の外周上に形成され、かつこの導波路層よりも低屈折率のプラスチック製のクラッド層と、該導波路層を加熱するヒータが設けられた熱光学効果型光偏向素子であって、当該ヒータによる前記導波路層の温度を変化させることにより、回折光の偏向角を変化させるものであるため、最大偏向角を従来よりも格段に大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の熱光学効果型光偏向素子の一例を示したもので、素子の光軸に平行な断面および光軸に垂直な断面の双方を示した図である。
【図２】  図１に示した熱光学効果型光偏向素子の回折光の偏向の様子を示した説明図である。
【図３】  図２に示した熱光学効果型光偏向素子のヒータによる導波路層の加熱の様子を示した説明図である。
【図４】  本発明の熱光学効果型光偏向素子の導波路層の温度と偏向角の関係を示したグラフである。
【図５】  本発明の熱光学効果型光偏向素子の導波路層の温度と最大偏向角の関係を示したグラフである。
【図６】  本発明の熱光学効果型光偏向素子の他の例を示したもので、素子の光軸に平行な断面および光軸に垂直な断面の双方を示した図である。
【図７】  本発明の熱光学効果型光偏向素子の他の例を示したもので、素子の光軸に平行な断面および光軸に垂直な断面の双方を示した図である。
【図８】  石英系材料を用いた熱光学効果型光偏向素子の回折光の状態を説明した断面図である。
【図９】  石英系材料を用いた熱光学効果型光偏向素子の回折光の状態を説明した斜視図である。
【図１０】  本発明の熱光学効果型光偏向素子の回折光の状態を説明した断面図である。
【図１１】  本発明の熱光学効果型光偏向素子の回折光の状態を説明した斜視図である。
【図１２】  本発明の熱光学効果型光偏向素子を用いた熱光学効果型光偏向素子モジュールの構成の一例を示した斜視図である。
【図１３】  図１２に示した熱光学効果型光偏向素子モジュールを用いた光スイッチングモジュールの構成例を示した概略構成図である。
【図１４】  従来の光偏向素子の一例を示したもので、素子の光軸に平行な断面および光軸に垂直な断面の双方を示した図である。
【符号の説明】
２１…熱光学効果型光偏向素子、２３…クラッド層、２４…導波路層、
２４ａ…回折格子、２５、２６…ヒータ、２５ａ、２６ａ…ヒータ部、
３０…熱光学効果型光偏向素子モジュール、３３…筐体。
【図１】
0004498528.tif 000003
【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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