(57)【要約】【課題】電気光学効果を有する光学結晶薄膜をコアにもつ光制御素子、光スイッチングユニットおよび光変調器において、小型かつ低電圧で駆動する屈折率変調型の光制御素子、光スイッチングユニットおよび光変調器を提供する。【解決手段】電気光学効果を備える光学結晶薄膜の一部から形成されるコアの周囲を、クラッドにて囲む。このクラッドはコアより低屈折率の誘電体材料で形成され、コアとクラッドとでチャネル形状の光導波路を形成している。さらに、クラッドの外側に光導波路を挟持して対向するよう少なくとも一対の電極を配置して、この電極に電圧を印加する。これにより、光導波路内に効果的な電界を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアとクラッドとを備えた光導波路と、前記コアの配置領域に電界を形成する電極とを有する光制御素子であって、
前記コアは、電気光学効果を有する光学結晶薄膜の一部で形成され、且つ、チャネル形状を有し、
前記電極は、前記コアを挟持して対向するよう少なくとも一対配置され、
前記クラッドは、前記コアと前記電極との間に形成されたことを特徴とする光制御素子。
【請求項２】
前記クラッドは、前記コアと異なる材料で形成され、
前記クラッドの材料は、前記コアの有する屈折率より低い誘電体であることを特徴とする請求項１記載の光制御素子。
【請求項３】
前記光導波路は、基板上に形成され、
前記電極は、前記コアの前記配置領域の上部および下部から、前記コアを挟持するように配置されたことを特徴とする請求項１または２記載の光制御素子。
【請求項４】
前記光導波路は、基板上に形成され、
前記電極は、前記コアの前記配置領域の左部および右部から、前記コアを挟持するように配置されたことを特徴とする請求項１または２記載の光制御素子。
【請求項５】
異なる屈折率を有する少なくとも２以上の前記クラッドを備え、
前記コアを左右から挟持する前記クラッドの前記屈折率は、前記コアを上下から挟持する前記クラッドの前記屈折率よりも低いことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の光制御素子。
【請求項６】
前記電極は、前記コアを上下または左右から一対の前記電極にて挟持したとき、前記一対の電極のうち少なくともいずれか一方の前記電極の幅または厚みが、前記コアの幅または厚みと等しいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の光制御素子。
【請求項７】
前記コアは、ニオブ酸リチウム、または、タンタル酸リチウムにて形成されたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の光制御素子。
【請求項８】
Ｙ字形の分岐路を有する光導波路と、前記光導波路の近傍に電圧を印加して電界を形成する電圧印加手段とを有し、
前記分岐路にて分岐された後の前記光導波路の一部に、請求項１から７のいずれか１項記載の光制御素子を備えたことを特徴とする光スイッチングユニット。
【請求項９】
少なくとも２以上の光導波路を備えた方向性結合器と、前記光導波路の近傍に電圧を印加して電界を形成する電圧印加手段とを有し、
前記光導波路の一部に、請求項１から７のいずれか１項記載の光制御素子を備えたことを特徴とする光スイッチングユニット。
【請求項１０】
環状の光導波路と、該環状の光導波路に近接して配置された直線状の光導波路と、前記環状の光導波路の近傍に電圧を印加して電界を形成する電圧印加手段とを有し、
前記環状の光導波路の一部に、請求項１から７のいずれか１項記載の光制御素子を備えたことを特徴とする光スイッチングユニット。
【請求項１１】
少なくとも２以上の光導波路を備えたマッハ・ツェンダ干渉計と、前記光導波路の近傍に電圧を印加して電界を形成する電圧印加手段とを有し、
前記光導波路の一部に、請求項１から７のいずれか１項記載の光制御素子を備えたことを特徴とする光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光制御素子、光スイッチングユニットおよび光変調器に関し、特に、光伝送、光計測、光メモリ、光書き込み等の各種分野に適用可能な光スイッチや光強度変調器などの光制御素子、光スイッチングユニットおよび光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ニオブ酸リチウム（ＬＮ）、タンタル酸リチウム（ＬＴ）等の電気光学結晶は、いわゆるポッケルス効果（一次電気光学効果）によって外部から結晶内に形成された電界に比例した屈折率変化が生じる。この結晶の電気光学効果は非常に高速な応答であるため、光通信用の光変調器や光スイッチなど、さまざまな光制御素子に応用されている。
【０００３】
光変調器等においては、光学結晶の屈折率を高速で変調するために、一般に光導波路型の構造が用いられる。電気光学結晶の特定領域の屈折率を高めて光導波路構造を形成し、屈折率を高めた領域に光を閉じ込めることで、光制御素子の駆動電力と静電容量を低減でき高速に駆動することが可能となる。
【０００４】
一般的な導波路構造の作成方法としては、コアとなる部分にＴｉを拡散する方法や、Ｌｉイオンをプロトンに変換するイオン交換法があり、またエッチングによって光学結晶表面にリッジ形状を作成して光導波路とする方法もある。さらには、特許文献１や特許文献２に開示された発明のように、光導波路型の光変調および光スイッチング素子に対して、導波路のコア領域に電界を形成する方法も提案されている。
【特許文献１】特許第２９６３９８９号公報
【特許文献２】特公平７−０５０２６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来は、バルク状の結晶の表面近傍に、Ｔｉ拡散等によりわずかに周囲より屈折率を高めた領域を設けることで光導波路構造を作成していた。図１２から図１５は、従来の光導波路を模式的に示す図である。例えば、図１２、図１３および図１５に示すように、従来では、電極は基板の表面に装荷して電圧を印加して光導波路に電界を形成している。
【０００６】
したがって、光導波路のコア形成領域に対して完全に垂直方向あるいは水平方向に電界を形成することが困難であり、動作電圧の増大や電極の面積が大きくなるなどの問題があった。また、従来は電気光学結晶の厚さは１００ミクロン程度までしか薄くできなかったため、図１４に示すように、基板の上下方向から電圧を加えた場合には、電極間の距離が１００ミクロン以上となり、低電圧での屈折率変調が困難であった。
【０００７】
これに対して、バルク状の光学結晶から薄膜を形成する方法が提案されており、例えば、イオンスライス法と呼ばれる光学結晶の薄膜形成法を用いることによって、厚さ１ミクロン以下のLN薄膜を製造することができる。
【０００８】
光学結晶は、比較的高い屈折率を有しており、例えば前述したLNは、２．２程度の屈折率をもつ。したがって、光学結晶薄膜をチャネル化、すなわち、細線形状に加工してコアに用い、さらにその周囲に低屈折率のクラッド材料形成することで、コアとクラッドとの屈折率の差が大きい光導波路を形成することができる。
【０００９】
これによって、光導波路内に光を強く閉じ込めて伝搬させることが可能となり、また、光導波路をミクロンオーダーの微小な曲率で曲げることができるため、従来の導波路型光制御素子と比較して、素子サイズを劇的に微小化することが可能となる。
【００１０】
このような課題に鑑み、本発明は、光学結晶薄膜をコアとする光導波路に対して、電極を対向配置する光制御素子、光スイッチングユニットおよび光変調器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、コアとクラッドとを備えた光導波路と、コアの配置領域に電界を形成する電極とを有する光制御素子であって、コアは、電気光学効果を有する光学結晶薄膜の一部で形成され、且つ、チャネル形状を有し、電極は、コアを挟持して対向するよう少なくとも一対配置され、クラッドは、コアと電極との間に形成されたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の光制御素子において、クラッドは、コアと異なる材料で形成され、クラッドの材料は、コアの有する屈折率より低い誘電体であることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の光制御素子において、光導波路は、基板上に形成され、電極は、コアの配置領域の上部および下部から、コアを挟持するように配置されたことを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２記載の光制御素子において、光導波路は、基板上に形成され、電極は、コアの配置領域の左部および右部から、コアを挟持するように配置されたことを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項記載の光制御素子において、異なる屈折率を有する少なくとも２以上のクラッドを備え、コアを左右から挟持するクラッドの屈折率は、コアを上下から挟持するクラッドの屈折率よりも低いことを特徴とする。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項記載の光制御素子において、電極は、コアを上下または左右から一対の電極にて挟持したとき、一対の電極のうち少なくともいずれか一方の電極の幅または厚みが、コアの幅または厚みと等しいことを特徴とする。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか１項記載の光制御素子において、コアは、ニオブ酸リチウム、または、タンタル酸リチウムにて形成されたことを特徴とする。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、Ｙ字形の分岐路を有する光導波路と、光導波路の近傍に電圧を印加して電界を形成する電圧印加手段とを有し、分岐路にて分岐された後の光導波路の一部に、請求項１から７のいずれか１項記載の光制御素子を備えた光スイッチングユニットであることを特徴とする。
【００１９】
請求項９に記載の発明は、少なくとも２以上の光導波路を備えた方向性結合器と、光導波路の近傍に電圧を印加して電界を形成する電圧印加手段とを有し、光導波路の一部に、請求項１から７のいずれか１項記載の光制御素子を備えた光スイッチングユニットであることを特徴とする。
【００２０】
請求項１０に記載の発明は、環状の光導波路と、環状の光導波路に近接して配置された直線状の光導波路と、環状の光導波路の近傍に電圧を印加して電界を形成する電圧印加手段とを有し、環状の光導波路の一部に、請求項１から７のいずれか１項記載の光制御素子を備えた光スイッチングユニットであることを特徴とする。
【００２１】
請求項１１に記載の発明は、少なくとも２以上の光導波路を備えたマッハ・ツェンダ干渉計と、光導波路の近傍に電圧を印加して電界を形成する電圧印加手段とを有し、光導波路の一部に、請求項１から７のいずれか１項記載の光制御素子を備えたであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
以上、本発明の光制御素子、光スイッチングユニットおよび光変調器によれば、光学結晶薄膜をコアとする光導波路に対して、電極を対向配置することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、本実施形態の光制御素子、光スイッチングユニットおよび光変調器を、図面を用いて説明する。なお、本実施形態は以下に述べるものに限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が可能である。
図１は、本実施形態の光学制御素子の構成を示す断面図である。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態の光学制御素子は、コア１０１と、クラッド１０２と、上部電極１０３と、下部電極１０４とで構成される。コア１０１は、光学結晶薄膜からなる光導波路のコアであり、周囲をクラッド１０２に囲まれている。さらにこのクラッド１０２は、上部電極１０３および下部電極１０４によって上下から挟み込むよう配置されている。
【００２５】
コア１０１は、電気光学効果を有する光学結晶薄膜からなり、コア内に電界が形成されることによって屈折率が変化する。コアを構成する光学結晶薄膜の厚さは、光導波路が単一モードで動作する条件を満たすように設計される。具体的には、１ミクロン程度かそれ以下の厚さである。
【００２６】
コア１０１内に形成される電界は、上部電極１０３と下部電極１０４との間に電位差を持たせて電圧をかけることにより、光導波路に対して垂直方向に形成することが可能である。また、電気光学材料として、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）、タンタル酸リチウム（ＬＴ）、ＫＴＰ等の無機結晶や、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ等のセラミックスを用いることができる。
【００２７】
光導波路のクラッド１０２としては、コア１０１より低い屈折率を有する材料を用いてコア１０１の周囲を囲む。これによって、チャネル形状の光導波路を形成して光をコア１０１の内部およびその近傍の領域に閉じ込めることができる。
【００２８】
ここで、チャネル形状とは、コアの周囲をコア材料と異なるクラッド材料で囲った光導波路のことを指す。クラッドを形成する材料は、コアより低い屈折率を有する誘電体材料であって、例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＯＮ等のガラス材料や、ポリマー等を用いることが好ましい。したがって、本実施形態のクラッド１０２の電気光学効果による屈折率変化量は、コア１０１に比べて非常に小さい。
【００２９】
本実施形態によるチャネル形状の光導波路構造において、クラッド材料を適切に選択することによって、コア１０１とクラッド１０２との屈折率差を自由に制御することができる。また、本実施形態の光導波路において、コア１０１とクラッド１０２との屈折率差の指標を比屈折率差Δとして、コアの屈折率をｎ1、クラッドの屈折率をｎ2としたとき、
Δ＝（ｎ12−ｎ22）／２ｎ22
で定義される比屈折率差Δを、４０％程度まで高くすることも可能となる。
【００３０】
また、図１ではコア１０１の断面形状を長方形として示しているが、三角形、台形、円形、楕円やこれらに類似する形状も含まれることは言うまでもない。また、本実施形態では、薄膜化した光学結晶をリッジ形状に加工して、薄膜の上下に低屈折率材料で形成されるクラッドを付加した光導波路構造とすることも可能である。このように、本実施形態におけるチャネル形状光導波路は、従来の光学結晶材料を用いた光導波路とは異なる、新規の導波路構造である。
【００３１】
例えば、前述した従来例にあるような、結晶中に不純物を拡散する方法や、結晶イオンの一部を他のイオンに交換する方法などによって、バルク状の光学結晶の特定領域における屈折率をわずかに変化させて形成した光導波路では、コアとクラッドとを構成する材質がほとんど等しい。また、これら従来例の比屈折率差は、せいぜい１％以下程度までしか高めることができない。
【００３２】
また、電圧の印加により、コアおよびクラッドはいずれも屈折率が変化するが、従来例とは異なり、本実施形態におけるチャネル形状の光導波路は、クラッド材料として誘電体材料を用いてコアの周囲を囲っている。したがって、光導波路の屈折率差を大きくすることが可能となり、また、電界の形成によってコアの屈折率がクラッドの屈折率と比べて大きく変化する。
【００３３】
また、図１５に示すようなリッジ形状の光導波路は、１００ミクロン以上の厚さを有する光学結晶バルク基板上に、光伝搬領域のみ相対的に結晶の厚さを厚くするように加工しており、光導波路は単一の材料で構成される。これに対し、本実施形態におけるチャネル形状の光導波路は、光学結晶を１ミクロン以下に薄膜化した光学結晶薄膜によってコアを形成し、その上下に配置されるクラッドを、コア材料より屈折率の低い誘電体材料で形成する光導波路構造である。したがって、リッジ形状の光導波路とは構造が全く異なる。
【００３４】
また、本実施形態のチャネル形状の光導波路によれば、比屈折率差Δを大きくすることによって、微小断面をもつチャネル光導波路内に光を強く閉じ込めることが可能となり、また、光導波路を微小な曲率で曲げることが可能になる。ミクロンオーダーの曲率での曲げを可能とするために、Δの値は５％以上がよく、より好ましくは１５％以上である。
【００３５】
前述したように、従来例での比屈折率差Δはせいぜい１％以下であり、前述したようなミクロンオーダーでの微小曲げができない。これに対して、本実施形態におけるチャネル形状光導波路によれば、低屈折率を有する材料をクラッド材料に用いることで、１５％以上のΔを達成できる。
【００３６】
また、本実施形態において、光導波路のコア１０１に電界を形成する上部電極１０３および下部電極１０４は、コア１０１とクラッド１０２とを挟むように対面して、光導波路の近傍に配置される。この上部電極１０３と下部電極１０４との電極間隔が近ければ、印可電圧を小さくすることが可能となる。したがって、電極間隔を近づけることが好ましいが、光導波路内を伝搬する伝搬光の電磁界分布を計算して、その分布のピーク値の１０-2となる距離以上、コアから離して電極を形成している。これにより、光導波路を伝搬する光に対して過剰な損失をほとんど与えることなく、光導波路に電界を形成することが可能になる。
【００３７】
次に、具体的な光制御素子の構成例を示す。
例えば、コア１０１の材料としてＬＮを用いた場合には、その屈折率は２．２程度であり、光導波路が単一モードで動作するためには、コア１０１の幅および厚さを１ミクロン程度以下にすることが望ましい。より具体的には、コア１０１の断面構造として正方形を仮定し、その周囲のクラッド１０２を１．４５の屈折率を有するＳｉＯ2で構成した場合、コア１０１の寸法を３４０ｎｍ×３４０ｎｍ程度の正方形にすれば波長８５０ｎｍにおいて光導波路は単一モードで動作する。
【００３８】
この場合、光導波路の比屈折率差Δの値を２８％程度と極端に高くすることが可能となり、光電力は電気光学材料から成るコア内部に強く閉じ込められる。光導波路内に閉じ込められる電磁界分布は、コアの中心から半径１．５ミクロン程度の円内に局在し、その外側の領域での光電磁界の大きさは無視できるほど小さい。
【００３９】
このように、光電磁界が存在しない領域に電極を配置することによって、光導波路を伝搬する光に損失を与えることなく、光導波路内に電界を形成することが可能となる。また、前述した例では、上部電極１０３と下部電極１０４との距離を３ミクロン程度まで近づけることが可能となる。さらに、上部電極１０３と下部電極１０４との電極ペアを対面させて、上下からコア１０１を挟むように配置しているため、光導波路のコア領域に形成される電界の方向を、従来例と比べて安定させることが可能となる。したがって、従来例と同等の屈折率変化を得る場合にも、より低い電圧の印加による屈折率変化が可能となる。
【００４０】
上部電極１０３および下部電極１０４を構成する材料としては、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｌなど一般的な金属薄膜の他、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）等の透明電極材料を用いることができる。なお、本実施形態の上部電極１０３と下部電極１０４とを構成する材料は、同じ材料であっても異なる材料であっても問題はない。
【００４１】
このように、本実施形態の光学制御素子によれば、コア材料を電気光学結晶とした光導波路に対して、導波路の垂直あるいは水平方向に効果的な電界を形成することができる。したがって、小型で高速な光変調器、光スイッチ等の光制御素子を低消費電力で動作させることが可能となる。
【００４２】
次に、図２は、本実施形態の光学制御素子の他の一例を模式的に示す図である。
【００４３】
図２に示す光学制御素子は、コア２０１と、クラッド２０２と、上部電極２０３と、下部電極２０４と、基板２０５とで構成される。コア２０１と、コア２０１を内包するクラッド２０２とは、基板２０５上に積層されている。さらに、光導波路を上下から上部電極２０３および下部電極２０４によって挟み込むよう配置されている。下部電極２０４は、クラッド２０２と基板２０５との間に配置される。
【００４４】
基板２０５の厚さは、１００〜１０００ミクロン程度であり、その材料は光導波路のコア２０１と同じ材料である光学結晶であってもよいし、より安価なシリコン基板や石英基板など異なる材料であってもよい。本実施形態では、光学結晶からなるコア２０１を有するチャネル光導波路において、このチャネル光導波路内の微小領域に光が閉じ込められるため、上部電極２０３と下部電極２０４との距離を短くすることができる。
【００４５】
このように、本実施形態に示すような構成により、基板表面に対して垂直方向に電界が形成される。例えば、ＬＮのＺカット板を利用した際に、光導波路のコアに対して効果的な電界を形成することができるため、光導波路の屈折率変調に有効であり、したがって、小型で高速な光変調器、光スイッチ等の光制御素子を低消費電力で動作させることができる。
【００４６】
次に、図３は、本実施形態の光学制御素子において、電極を左右に配置した場合を示す図である。
【００４７】
図３に示す光学制御素子は、コア３０１と、クラッド３０２と、左部電極３０３と、右部電極３０４と、基板３０５とで構成される。コア３０１と、コア３０１を内包するクラッド３０２とは、基板３０５上に積層されている。さらに、光導波路の左右に左部電極３０３および右部電極３０４を備えており、この左部電極３０３、右部電極３０４によって光導波路を挟み込むよう配置されている。
【００４８】
基板３０５の厚さは、１００〜１０００ミクロン程度であり、その材料は光導波路のコア３０１と同じ材料である光学結晶であってもよいし、より安価なシリコン基板や石英基板など異なる材料であってもよい。なお、ここでクラッド層であるクラッド３０２の幅は、光導波路のコア３０１の幅よりも広く設けられている。
【００４９】
またクラッド３０２の幅としては、光導波路に閉じ込められた光電力が、クラッド３０２内にて十分減衰するように設定されればよく、すなわち、コア３０１の幅よりも１ミクロン程度広くするだけでよい。そしてさらに、前述したように構成されたクラッド３０２およびコア３０１を左右から挟みこむ形で、左部電極３０３および右部電極３０４を設けている。
【００５０】
この左部電極３０３と右部電極３０４との間に電圧を印加することによって、基板３０５の表面に対して平行な方向に電界を形成することが可能となる。電気光学材料薄膜によって形成されたコア３０１は、電界が形成されることによってその屈折率が変化する。本実施形態では、光導波路に対して平行方向に電界が形成されるので、例えば、ＬＮのＸカット板を利用した際の屈折率変調に有効となる。
【００５１】
また、本実施形態によれば、左部電極３０３と右部電極３０４との距離を数ミクロンにすることが可能となる。さらに、光導波路のコア近傍にのみ電界が形成されるため、低電圧による屈折率変調が可能となる。したがって、本実施形態によれば、電気光学結晶からなるコア材料に効果的に電界を形成することが可能となり、小型で高速な光変調器、光スイッチ等の光制御素子を提供することができる。
【００５２】
次に、図４は、本実施形態の光学制御素子において、コアの周囲を囲むクラッドの屈折率を上下と左右とで異ならせた場合を示す図である。
【００５３】
図４に示す光学制御素子は、コア４０１と、クラッド４０２，４０３，４０４，４０５と、上部電極４０６と、下部電極４０７と、基板４０８とで構成される。コア４０１は、上部クラッド４０２と、下部クラッド４０３と、左部クラッド４０４と、右部クラッド４０５とによって周囲を囲まれている。また、コア４０１と、コア４０１を内包する各クラッド４０２〜４０５とは、基板４０８上に積層される。さらに、光導波路近傍に上部電極４０６と下部電極４０７とを備え、この２つの電極にてクラッドを挟み込むよう配置されている。
【００５４】
ここで、各クラッド４０２〜４０５は、コア４０１の左右に配置される左部クラッド４０４と右部クラッド４０５との屈折率が、コア４０１の上下に配置される上部クラッド４０２と下部クラッド４０３との屈折率よりも小さくなるように、異なる材質のクラッドを用いて構成される。
【００５５】
なお、図４（ａ）の構成では、上部クラッド４０２および下部クラッド４０３の高さを、コア４０１の高さと等しくして配置しているが、図４（ｂ）に示すように、コア４１１を上下から挟む上部クラッド４１２および下部クラッド４１３の幅を、コア４１１の幅と等しくして配置する構成としてもよい。
【００５６】
光導波路において、伝搬光に損失を与えることなく曲げることができる曲率半径は、主に、コアの左右に配置されたクラッドの屈折率とコアの屈折率との差で決定される。したがって、本実施形態のように、左部クラッド４０４および右部クラッド４０５に対して低屈折率材料を使用することで、曲率半径を小さくすることができ、光制御素子の微小化が可能となる。
【００５７】
具体的には、左部クラッド４０４，４１４および右部クラッド４０５，４１５を構成する材料として、空気や、ＳｉＯ2などの低屈折率ガラス、ポリマー等の材料を用いることが好ましい。本実施形態では、例えば、コア４０１，４１１をＬＮ、クラッドを空気とした場合、Δの値を４０％程度と極めて高くすることが可能である。これに対して、コア４０１，４１１の上下に配置された上部クラッド４０２，４１２および下部クラッド４０３，４１３の材質は、基板やコア材料、および電極材料との密着性等を考慮して効果的な電界形成に適した材料を選択することができる。
【００５８】
ここで、図４の構成において、上部電極４０６，４１６および下部電極４０７，４１７の幅を、光導波路のコア４０１，４１１の幅よりも広くする。これにより、電極間に電圧を印加する際に、基板に対して垂直な方向に電界を形成することができる。
【００５９】
これは、電極の両端付近では、基板に対して完全に垂直な方向には電界が形成されないが、電極の中央付近においては、形成される電界の方向が基板面に対して垂直となるからである。したがって、本実施形態のように、電極の幅を光導波路のコア幅より広くして、電極の中央付近にのみ光導波路が存在するような構成とすることで、導波路が電圧を印加される際にはコア領域は電極の端部の影響を受けず、すなわち、光導波路の垂直方向に均一な電界を形成することが可能となる。
【００６０】
次に、光制御素子の具体的な設計例を説明する。
例えば、図４（ａ）におけるコア４０１をＬＮ、上部クラッド４０２および下部クラッド４０３をＳｉＯ2、左部クラッド４０４および右部クラッド４０５を空気として仮定した場合、光の波長を８５０ｎｍとすると、コアの寸法を３６０ｎｍ×３６０ｎｍ程度の正方形にすれば光導波路は単一モードで動作する。
【００６１】
また、光導波路内を伝搬する光の電磁界は、コア４０１の中心から半径１ミクロン程度の円内に閉じ込められ、その外側の領域では光電磁界は十分に減衰している。したがって、上部電極４０６および下部電極４０７をその外側の領域に配置すれば、電極構造が伝搬光に損失を与えることは無い。すなわち、電極間の距離は２ミクロン程度離せば十分であり、電極間の距離を従来構造の１／５以下に短縮できる。また、光導波路に対してほぼ完全に垂直に電界を形成することが可能であり、さらに効果的な屈折率変調が可能である。
【００６２】
また、上部電極４０６および下部電極４０７を構成する材料としては、一般的な金属材料であればよく、例えば、ＣｒやＡｕ、Ａｌ等が好ましい。また、支持基板となる基板４０８は、電極材料との密着性を考慮して選択することが可能であり、シリコンや石英などが好適である。もちろんＬＮを支持基板としてもよい。
【００６３】
以上の構成による光導波路は、曲率半径が５ミクロン以上であれば損失なく光を曲げることが可能であり、光制御素子の基本配線要素として用いることによって、光制御素子の素子サイズの劇的な微小化を可能としている。
【００６４】
なおここまで、光導波路を挟み込む電極は、上部電極４０６，４１６および下部電極４０７，４１７にて上下から挟み込む場合の構成として説明した。しかし、本実施形態はこの構成に限定されず、例えば、図３にて説明したように、光導波路の左右から挟み込むようにして電極を配置することとしてもよく、上下から挟み込む場合と同様の効果が得られる。この場合には、光導波路に対してほぼ水平方向に効果的な電界が形成され、低電圧での屈折率変調が可能となる。
【００６５】
このように、本実施形態によれば、電気光学結晶をコアとした光導波路を微小領域で曲げることが可能となり、かつ、導波路材料に対して効果的に電界を形成することができるため、小型で高速な光変調器、光スイッチ等の光制御素子を提供することができる。
【００６６】
次に、図５は、本実施形態の光学制御素子において、コアと電極との幅を等しくした場合を示す図である。
【００６７】
図５（ａ）に示す光学制御素子は、コア５０１と、上部クラッド５０２と、下部クラッド５０３と、上部電極５０４と、下部電極５０５と、基板５０６とで構成される。コア５０１は、上部クラッド５０２と下部クラッド５０３とによって、上下を挟まれている。そしてこのコア５０１と、上部クラッド５０２および下部クラッド５０３は、さらに上部電極５０４と下部電極５０５とにより上下を挟み込まれている。
【００６８】
すなわち図５（ａ）では、図２での構成において、上部クラッド５０２，下部クラッド５０３，上部電極５０４，下部電極５０５の幅を、コア５０１の幅と等しくしている。上部電極５０４と下部電極５０５との間に電圧を印加することで、電気光学結晶からなるコア材料の近傍にのみ電界が形成される。
【００６９】
また、図５（ｂ）に示すように、上部電極５１４の幅のみが光導波路のコア５１１の幅と等しい構成としてもよい。なお、ここで幅が等しいと述べているが、導波路のコア５１１の幅と上部電極５１４の幅とが厳密に等しくなるように構成することまでは要求されない。素子の製造上における問題から、電極幅とコア幅とには１０％程度の差が出ることが予想されるが、この程度の差があっても本実施形態の効果が失われることはない。
【００７０】
このように、本実施形態によれば、コア材料の近傍にのみ効果的な電界を形成することが可能となり、すなわち、所望の光導波路のみ、屈折率変調によって伝搬特性を変化させることができる。したがって、個別に伝搬特性を制御することが可能な光導波路を、高密度に集積化することが可能となり、小型で高速な光変調器、光スイッチ等の光制御素子を提供することが可能となる。
【００７１】
なお、前述してきた本実施形態は、電気光学効果を有する光学結晶を光導波路のコアとして用いたあらゆる光導波路に対して有効であるが、より具体的な材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）等が好ましい。
【００７２】
チャネル形状導波路の形成には、ＬＮやＬＴなど、これらの材料を１ミクロン以下に薄膜化することが必要である。しかし、結晶成長によって薄膜を形成する場合には、基板の格子定数を薄膜材料の格子定数と等しくする必要があるため、基板と光学結晶薄膜層との間に電極およびクラッド層を挟むような構造を形成することは困難である。また、実際に成長によって形成された薄膜の電気光学定数は、バルクほど大きくない場合もある。したがって、コアとなる光学結晶薄膜は、バルク状結晶から薄膜化して形成することが好ましい。
【００７３】
バルク状の光学結晶から１ミクロン以下の薄膜を形成する方法の一つとして、イオンスライス法を適用することが可能である。イオンスライス法は、以下の工程により、バルク結晶から薄膜を形成する方法である。
【００７４】
まず、光学結晶中に質量数の小さい水素イオンもしくはヘリウムイオンを注入し、その注入領域を改質させる。この結果、その他の結晶領域とは熱膨張係数やウェットエッチングにおける選択比を異ならせることが可能となる。その後、例えばイオン注入を施したバルク結晶を加熱することで、注入領域を境界としてバルク上の結晶から薄片を剥離することができる。
【００７５】
また、このようなイオンスライス法によって得られる薄膜の膜厚は、バルク基板表面からのイオン注入深さで決定され、この深さは、イオン注入エネルギーによって制御可能である。具体的には、２００ｋｅＶのエネルギーを有するヘリウムイオンをニオブ酸リチウム基板に注入することによって、７００ｎｍ程度の膜厚を有するニオブ酸リチウムの薄膜が得られる。このように、注入エネルギーを制御することで、１ミクロン以下の膜厚を有するＬＮの薄膜を、極めて膜厚精度よく形成することが可能である。
【００７６】
ここで、本実施形態の光学制御素子の製造方法について説明する。
図１０は、本実施形態の光学制御素子の製造方法において、製造される過程ごとの光学制御素子を模式的に示す図である。また、図１１は、本実施形態の光学制御素子の製造方法を示すフローチャートである。本実施形態の光制御素子は、以下の手順により、本実施形態の光学制御素子が製造される。
【００７７】
まず、光学結晶基板にイオンを注入する（ステップＳ１０１）。また一方、支持基板上に、下部電極層および下部クラッド層を成膜する（ステップＳ１０２）。このようにして形成されたイオン注入後の光学結晶基板と、下部電極層および下部クラッド層を成膜された支持基板とを接合する（ステップＳ１０３）。
【００７８】
次に、接合処理を施したこの接合基板を加熱し、光学結晶基板を剥離して薄膜化する（ステップＳ１０４）。そして、薄膜化された光学結晶薄膜上に、上部クラッド層および上部電極層を成膜して（ステップＳ１０５）、電極をパターニングする（ステップＳ１０６）。最後に、パターン化した電極をマスクしてコアおよびクラッド層をエッチングし、チャネル導波路を形成する（ステップＳ１０７）。このようにして、本実施形態の光学制御素子は形成される。
【００７９】
なお、基板の材料としては、薄膜化する結晶と同じ材料であるニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）が好適である。イオンスライス法による薄膜形成プロセスに含まれる加熱処理時には、結晶の熱膨張が発生するが、基板材料と薄膜化結晶材料とに同じ材料を用いることによって、結晶の熱膨張の影響を軽減することができる。また、薄膜化する結晶と異なる材料である、より安価なシリコンや石英等の基板を用いてもよい。また、基板とコアとの間、および、コアの上に形成されるクラッドの材料としては、２．１以下の屈折率を有するＳｉＯ2やＳｉＯＮ等のガラス材料や、ポリマー材料が好適である。
【００８０】
また、電極層およびクラッド層の成膜には、真空蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、スピンコート法等の成膜法を利用することができる。また電極のパターニングには、通常の半導体プロセスで用いられるフォトリソグラフィー技術を利用することが可能であり、さらにエッチングにおいては、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチングプロセスが有効である。
【００８１】
このように、本実施形態によれば、図５（ｂ）に示すような光学制御素子構造を製造することができる。また、このプロセス工程の一部を変更または拡張することで、図５（ｂ）に図示した光制御素子以外の、本実施形態の光制御素子を製造することも勿論可能である。
【００８２】
次に、図６は、本実施形態の光学制御素子にＹ分岐形光制御素子を用いた場合を示す図である。
【００８３】
図６に示すように、本実施形態の光学制御素子はＹ分岐型の光制御素子であり、入力導波路６０１と、出力導波路６０２，６０３と、屈折率変調部６０４，６０５とを備えている。この屈折率変調部６０４，６０５は、出力導波路６０２，６０３の一部にそれぞれ備えられている。そして、前述した本実施形態による電界形成手段を有しており、所望の光導波路の部位に対して電界を形成することにで、その部位の材料屈折率を変化させることができる。
【００８４】
屈折率変調部６０４，６０５にて、いずれの屈折率変調部でも電圧を印加しない場合には、入力導波路６０１から入力された光は、屈折率変調部６０４，６０５から光電力が２等分されて出力される。
【００８５】
一方、例えば、電極を含む屈折率変調部６０５に対して電圧を印加して電界を形成することで、導波路のコアの屈折率を低下させることが可能である。この場合、光電力は、コアの屈折率が相対的に高い出力導波路６０２からのみ出力されることになる。すなわち、電圧印加部位を、屈折率変調部６０４，６０５にて高速で切り替えることによって、図６に示した光制御素子に高速な光スイッチング機能を与えることが可能となる。
【００８６】
次に、図７は、本実施形態の光学制御素子のさらに他の一例を模式的に示す図である。
図７（ａ）は、一般に方向性結合器と呼ばれ、入力導波路７０１，７０３と、出力導波路７０２，７０４と、光結合導波路７０５，７０６とによる直接導波路群、および、屈折率変調部７０７によって構成される。
【００８７】
入力導波路７０１と入力導波路７０３、および、出力導波路７０２と出力導波路７０４はそれぞれが互いに光結合を起こさない程度の距離、すなわち、光の波長の１０倍程度以上の距離だけ離れている。これに対して、光結合導波路７０５と光結合導波路７０６は、互いの距離を光の波長程度まで近づけており、この近距離（間隔）において光結合が生じる。
【００８８】
例えば、入力導波路７０１へ入力された光信号が、光結合導波路７０５，７０６を介して出力導波路７０４から出力させることも可能である。このときの光結合導波路７０５，７０６の光導波路長をビート長と呼ぶ。このビート長は、光結合導波路７０５，７０６の光路長の変化に依存する。したがって、光結合部を構成する導波路の材料における屈折率を変化させることによって、光信号が、出力導波路７０２と出力導波路７０４とのうちのどちらから出力されるかを制御することができる。
【００８９】
光導波路のコアを電気光学結晶薄膜によって構成した場合には、光導波路の比屈折率差Δを大きくすることが可能となり、また、光制御素子のサイズを小さくすることも可能となる。しかしその一方で、方向性結合器の結合部における光導波路間隔が非常に狭くなる。したがって、従来の電界形成法では各光導波路に対して独立に効果的な屈折率変調を与えることが困難であったが、本実施形態によれば、この問題点が解決可能となる。
【００９０】
また、屈折率変調部７０７は、前述した本実施形態の電界形成手段を備えているので、例えば、図７（ｂ）に示すような構成が可能である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の７０８における光導波路の断面図である。
【００９１】
図７（ｂ）では、上部電極７１７，７１９および下部電極７１８，７２０の幅を、光導波路のコア７１１，７１２の幅とほぼ等しく設けている。このように構成することで、２つの光導波路に対してそれぞれ個別に電界を形成することが可能となる。図７（ｂ）に示す構成により、基板に対して垂直方向の電界を形成することが可能であり、さらには、２つの光導波路において、印加する電圧の方向を逆にすることで、屈折率変化の符号を逆にすることも可能である。したがって、屈折率変調の効果をより高めることができる。
【００９２】
また、図７（ｃ）は、図７（ａ）に示した方向性結合器の結合部に対する電界の形成例である。
図７（ｃ）では、光導波路のコア７３１とコア７３２との間に電極７３６を設けている。光結合部での光電力の遷移の際に電極による光吸収を防ぐため、電極７３６を構成する材料としては、使用する波長帯域において透明であることが好ましい。
【００９３】
図７（ｃ）の構成により、基板に対して平行方向の電界を形成することが可能となり、さらには、２つの光導波路において、印加する電圧の方向を逆にすることで、屈折率変化の符号を逆にすることも可能である。したがって、屈折率変調の効果をより高めることができる。
【００９４】
このように、本実施形態によれば、高屈折率を有する電気光学結晶薄膜を光導波路のコアに用いることで、光導波路中に光電力を強く閉じ込めることが可能となる。したがって、光制御素子のサイズを小型化することができ、さらに、高速の屈折率変調を利用することによって、超高速な小型光スイッチング素子を提供することが可能となる。
【００９５】
次に、図８は、本実施形態の光学制御素子にリング共振形の光制御素子を用いた場合を示す図である。
【００９６】
図８に示す光学制御素子は、直線導波路形光導波路８０１，８０２，８０３，８０４と、リング形光導波路８０５と、屈折率変調部８０６，８０７とを備えている。また、リング形の光導波路８０５は、直線導波路形の光導波路８０１−８０２と、同じく直線導波路型の光導波路８０３−８０４との間に挿入されている。
【００９７】
リング形光導波路８０５は、波長選択素子として機能している。また、各直線形光導波路８０１，８０２，８０３，８０４は、リング形光導波路８０５との光電力の授受を担っている。例えば、直線形光導波路８０１から様々な波長の光信号を入力すると、リング形光導波路８０５において共振する波長信号のみが、このリング形光導波路８０５を介して直線形光導波路８０３へと出力する。また一方、その他の波長の光信号は、直線形光導波路８０２から出力される。
【００９８】
リング形光導波路８０５において共振する波長は、リング形光導波路８０５の光路長に依存するため、リング形光導波路８０５を構成する材料の屈折率を変化させることで、共振波長を変化させることが可能である。
【００９９】
また、本実施形態の光制御素子では、リング形光導波路８０５の一部に屈折率変調部８０６，８０７を備えている。この屈折率変調部８０６，８０７は、前述した本実施形態に特有の電界形成手段を有している。すなわち、リング形光導波路８０５の特定部位のみにて、効果的に屈折率を変化させることで、直線形光導波路８０３から出力される波長を変化させることを可能としている。
【０１００】
また、光導波路のコア材料を電気光学結晶によって構成することによって、超高速での屈折率の変化が可能となる。したがって、図８に示した光制御素子は、波長選択性の高速光スイッチング素子として機能することができる。
【０１０１】
さらに、リング形光導波路のコアを電気光学結晶とすれば、比屈折率差Δを４０％程度に高めることができ、急激な導波路の曲がりが可能となるため、リング形光導波路の曲率半径を１０ミクロン以下に微小化することができる。したがって、本実施形態の構成によって、超高速な小型光スイッチング素子を提供することが可能となる。
【０１０２】
次に、図９は、本実施形態の光学制御素子にマッハ・ツェンダ干渉計形光制御素子を用いた場合を示す図である。
【０１０３】
図９に示す光学制御素子は、入力導波路９０１と、出力導波路９０２と、光分岐部９０３と、光結合部９０４と、位相変調用光導波路９０５，９０６と、屈折率変調部９０７，９０８とを備えている。
【０１０４】
この図９に示すような光制御素子は、一般にマッハ・ツェンダ干渉計と呼ばれ、入力導波路９０１と出力導波路９０２との間に、光分岐部９０３および光結合部９０４を備えている。また、入力導波路９０１へ入力された光電力は、光分岐部９０３にて光電力が二分されて、それぞれ位相変調用光導波路９０５，９０６を伝搬する。
【０１０５】
また、位相変調用光導波路９０５，９０６の導波路中の両方あるいはいずれか一方に、前述した本実施形態の光制御素子にて構成された屈折率変調部が形成される。図９では、位相変調用光導波路９０５に屈折率変調部９０７が形成され、位相変調用光導波路９０６に屈折率変調部９０８が形成されている。
【０１０６】
屈折率変調部９０７，９０８が同一構造を有する場合には、入力導波路９０１にて入力された光は、光分岐部９０３にて分岐されても、光結合部９０４で光結合される際に光の位相が揃って結合することになる。したがって、入力導波路９０１にて入力された光が、そのまま出力導波路９０２から出力される。
【０１０７】
なお、ここで例えば、屈折率変調部９０７，９０８の両方あるいはいずれか一方に電圧を印加して、光導波路内のコアの屈折率を異ならせる。するとこのとき、位相変調用光導波路９０５，９０６を伝搬した光は、それぞれコアの屈折率の変化によって、位相がずれた状態で光結合部９０４にて合波される。このずれは、ちょうど位相がπだけずれたときに合波させると、互いの光が打ち消しあい、出力導波路９０２から光は出力されない。
【０１０８】
本実施形態のように、電気光学結晶導波路によって構成された屈折率調部において、電気光学効果を利用して高速にコアの屈折率を変化させることで、出力光の強度を高速に変化させることが可能な光変調器を提供することができる。ここで、光分岐部９０３および光結合部９０４は、Ｙ分岐形光導波路や方向性結合器、高次モード間の干渉を利用した分岐素子等によって構成される。
【０１０９】
また、高屈折率を有する電気光学結晶薄膜を光導波路のコアに用いることで、微小断面を有する光導波路中に光電力を強く閉じ込めることができる。また、光変調器の素子サイズを小型化でき、さらに、光変調器のコア領域に効果的に電界を形成することができるので、光変調に必要な電圧を低減することが可能となる。したがって、本実施形態の構成によって、小型かつ低消費電力の光変調器を提供することが可能となる。
【０１１０】
以上、本実施形態の光制御素子、光スイッチングユニットおよび光変調器によれば、コア材料として電気光学結晶を用いた光導波路に対して、導波路の垂直あるいは水平方向に効果的な電界を形成することが可能となり、低電圧駆動での屈折率変調を可能する電界形成手段をもつ光制御素子を提供することができる。
【０１１１】
また、電気光学結晶薄膜をコアとする光導波路を微小な曲率で曲げることが可能となり、かつ、低電圧駆動での屈折率変調を可能にする電界形成手段をもつ光制御素子を提供することができる。
【０１１２】
また、電気光学結晶薄膜をコアとする光導波路に対して、コア領域の近傍にのみ効果的に電界を形成することが可能となり、低電圧での屈折率変調が可能にする電界形成手段をもつ光制御素子を提供することができる。
【０１１３】
また、低電圧で駆動可能であり、かつ、高速に経路切替または光変調を可能にする光制御素子を提供することができる。
【０１１４】
さらに、電気光学結晶薄膜をコアとする光導波路に対して効果的な電界形成が可能となり、低電圧で駆動する光変調器や高速光スイッチ等の微小光制御素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本実施形態の光学制御素子の構成を示す断面図である。
【図２】本実施形態の光学制御素子の他の一例を模式的に示す図である。
【図３】本実施形態の光学制御素子において、電極を左右に配置した場合を示す図である。
【図４】本実施形態の光学制御素子において、コアの周囲を囲むクラッドの屈折率を上下と左右とで異ならせた場合を示す図である。
【図５】本実施形態の光学制御素子において、コアと電極との幅を等しくした場合を示す図である。
【図６】本実施形態の光学制御素子にＹ分岐形光制御素子を用いた場合を示す図である。
【図７】本実施形態の光学制御素子のさらに他の一例を模式的に示す図である。
【図８】本実施形態の光学制御素子にリング共振形の光制御素子を用いた場合を示す図である。
【図９】本実施形態の光学制御素子にマッハ・ツェンダ干渉計形光制御素子を用いた場合を示す図である。
【図１０】本実施形態の光学制御素子の製造方法において、製造される過程ごとの光学制御素子を模式的に示す図である。
【図１１】本実施形態の光学制御素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図１２】従来の光学制御素子の構成を示す図である。
【図１３】従来の光学制御素子の構成を示す図である。
【図１４】従来の光学制御素子の構成を示す図である。
【図１５】従来の光学制御素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１０１，２０１，３０１，４０１，４１１，５０１，５１１，７１１，７１２，７３１，７３２    コア
１０２，２０２，３０２，７３３，７３４，    クラッド
１０３，４０６，４１６，５０４，５１４，７１７，７１９    上部電極
１０４，４０７，４１７，５０５，５１５，７１８，７２０，    下部電極
２０５，３０５，４０８，４１８，５０６，５１６，７２１，７３８，    基板
３０３    左部電極
３０４    右部電極
４０２，４１２，５０２，５１２，７１３，７１５，    上部クラッド
４０３，４１３，５０３，５１３，７１４，７１６，    下部クラッド
４０４，４１４，    左部クラッド
４０５，４１５，    右部クラッド
６０１，７０１，７０３，９０１    入力導波路
６０２，６０３，７０２，７０４，９０２    出力導波路
６０４，６０５，７０７，８０６，８０７，９０７，９０８    屈折率変調部
７０５，７０６，    光結合導波路
７３５，７３６，７３７，１２０５，１２０６，１３０３，１３０４，１４０３，１４０４，１５０３    電極
８０１，８０２，８０３，８０４    直線導波路形光導波路
８０５    リング形光導波路
９０３    光分岐部
９０４    光結合部
９０５，９０６    位相変調用光導波路
１２０１，１２０２，１３０１，１４０１    バルク結晶中に形成されたコア
１２０３，１２０４，１４０２，１５０２    バッファ層
１２０７，１３０５，１４０５，１５０４    光学結晶
１５０１    光伝搬領域
【図１】
2007212787.tif 000003
【図２】
2007212787.tif 000004
【図３】
2007212787.tif 000005
【図４】
2007212787.tif 000006
【図５】
2007212787.tif 000007
【図６】
2007212787.tif 000008
【図７】
2007212787.tif 000009
【図８】
2007212787.tif 000010
【図９】
2007212787.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2007212787.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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