(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
この基板上あるいはその表面に形成された光導波路と、
格子並び方向がこの光導波路に沿う向きにして前記基板上に配設され、該光導波路に密接または近接して導波光を回折させる作用位置と、該光導波路から大きく離れて導波光を回折させることができない退避位置との間で移動自在とされた可撓性の回折格子と、
前記基板上に形成され、前記回折格子を前記退避位置から前記作用位置に、あるいは作用位置から退避位置に移動させる電界を加えるための電極とからなり、
前記回折格子が、両端部が前記基板に一体化され、それらの端部の間の部分が前記基板から浮いて光導波路を跨ぐ状態に形成されたＳｉＮｘ製格子部が複数並設されてなるものであり、
前記電極が、前記光導波路の近傍において前記格子部の基板から浮いた部分に基板側から対面する下部電極と、この下部電極に回折格子を介して対面する上部電極とから構成されていることを特徴とする光変調素子。
【請求項２】
前記上部電極が、前記光導波路に対面する位置から外れて配設されていることを特徴とする請求項１記載の光変調素子。
【請求項３】
前記光導波路が３次元光導波路であることを特徴とする請求項１または２記載の光変調素子。
【請求項４】
前記回折格子が、前記電界が生じる静電力によって前記退避位置と前記作用位置との間を移動するものであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の光変調素子。
【請求項５】
請求項１から４いずれか１項記載の光変調素子を作製する方法において、
前記基板上に光導波路および、この光導波路の近傍位置に配された下部電極を形成し、
前記光導波路および下部電極を覆う犠牲層を形成し、
この犠牲層の上に前記回折格子および上部電極を形成し、
その後前記犠牲層を除去することを特徴とする光変調素子の作製方法。
【請求項６】
前記犠牲層の上に前記回折格子の材料層および上部電極の材料層をそれぞれ一様に形成し、
その後これらの材料層を所定の格子パターンに加工し、
前記上部電極の材料層を、光導波路に対面する部分は除去して上部電極を形成することを特徴とする請求項５記載の光変調素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光変調素子に関し、特に詳細には、光導波路を導波する光をそこに密接または近接させた回折格子によって光導波路外に放射させるようにした光変調素子に関するものである。
【０００２】
また本発明は、上述のような光変調素子を作製する方法に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来、光導波路を伝搬する光を変調あるいはスイッチングする素子として、電気光学効果を利用したマッハツェンダー型素子や、方向性結合器等のソリッドステートデバイスが多く利用されて来た。この種の素子は可動部分が無く、高速動作が可能であるが、素子材料が電気光学効果を有するものに限られるという難点がある。またこの種の素子は、光導波路を曲げて形成する必要があることから、ある程度長い光路長が求められ、そのために素子サイズが大きくなりやすい、光導波路の曲がり部分で伝搬損が生じるので光利用効率が低い、といった問題がある。
【０００４】
また近時、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）技術を用いた微小光変調素子が種々提案されている。例えばR.M.Boysel et al.,SPIE Integrated Optics and Microstructures,vol.1793,pp34-39(1992)や、G.A.Magel,SPIE Integrated Optics and MicrostructuresIII,vol.2686,pp54-63(1996)には、光導波路を伝搬する光を該光導波路に接触させた金属薄膜に吸収させて変調、スイッチングする素子が提案されている。この光変調素子は、光導波路を曲げる必要がないことから、上述の問題を防止できるものとなっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の金属薄膜を利用する光変調素子においては、金属薄膜に吸収された光が熱に変換されるために、熱膨張等の影響で動作が不安定になる、高強度の光を使用する場合は熱によって素子が破壊してしまう等の問題が認められている。
【０００６】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、光導波路を伝搬する光を変調、スイッチングすることが可能で、素子サイズを小さくすることができ、光利用効率が高く、そして発熱による動作不安定および破壊の問題を招くことのない光変調素子を提供することを目的とする。
【０００７】
また本発明は、そのような光変調素子を作製可能な方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による光変調素子は、
基板と、
この基板上あるいはその表面に形成された光導波路と、
格子並び方向がこの光導波路に沿う向きにして前記基板上に配設され、該光導波路に密接または近接して導波光を回折させる作用位置と、該光導波路から大きく離れて導波光を回折させることができない退避位置との間で移動自在とされた可撓性の回折格子と、
前記基板上に形成され、前記回折格子を前記退避位置から前記作用位置に、あるいは作用位置から退避位置に移動させる電界を加えるための電極とを備えてなることを特徴とするものである。
【０００９】
また、上記の構成において回折格子は、その両端部が基板に一体化され、それらの端部の間の部分が基板から浮いて光導波路を跨ぐ状態に形成されたＳｉＮｘ製格子部を複数並設して構成され、その一方電極は、光導波路の近傍において上記格子部の基板から浮いた部分に基板側から対面する下部電極と、この下部電極に回折格子を介して対面する上部電極とから構成される。その場合上部電極は、光導波路に対面する位置から外れて配設されていることが望ましい。
【００１０】
また本発明の光変調素子において、光導波路は３次元光導波路であることが望ましい。
【００１１】
また上記回折格子は、前記電界が生じる静電力によって上記退避位置と作用位置との間を移動するものであることが望ましい。
【００１２】
一方、本発明による光変調素子の作製方法は、電場印加用の電極が上述のような下部電極および上部電極から構成されてなる光変調素子を作製する方法において、
前記基板上に光導波路および、この光導波路の近傍位置に配された下部電極を形成し、
前記光導波路および下部電極を覆う犠牲層を形成し、
この犠牲層の上に前記回折格子および上部電極を形成し、
その後前記犠牲層を除去することを特徴とするものである。
【００１３】
なおこの光変調素子の作製方法においては、
前記犠牲層の上に前記回折格子の材料層および上部電極の材料層をそれぞれ一様に形成し、
その後これらの材料層を所定の格子パターンに加工し、
前記上部電極の材料層を、光導波路に対面する部分は除去して上部電極を形成するのが好ましい。
【００１４】
【発明の効果】
上記構成の本発明による光変調素子においては、電極を介して印加される電界をON-OFFして、回折格子に作用する例えば静電力を制御することにより、可撓性の回折格子を作用位置と退避位置のいずれかに選択的に設定することができる。回折格子が作用位置にある場合は、光導波路を伝搬する導波光がその回折格子と結合して回折し、光導波路外に放射される。一方、回折格子が退避位置にある場合は、光導波路を伝搬する導波光は回折せずそのまま導波する。
【００１５】
したがって、例えば光導波路の出射端から出射する光を使用光とする場合は、上記電界のON-OFFに応じて使用光強度を大（回折格子が退避位置にあるとき）、小（回折格子が作用位置にあるとき）に切り換えて変調可能となる。また、回折格子で回折して放射される光を使用光とする場合は、反対に回折格子が作用位置にあるとき使用光強度を大、回折格子が退避位置にあるとき使用光強度を小に切り換えて変調可能となる。なおここで「使用光強度が小」ということは、使用光強度がゼロの場合も含むものとする。
【００１６】
また、強度大の使用光に着目すると、それは電界のON-OFFに応じて光導波路の出射端から、あるいは回折格子から出射することになるから、本素子は光の出射方向を切り替えるスイッチング素子として利用することも可能である。
【００１７】
以上の通り本発明の光変調素子は、光導波路を伝搬する光を回折格子によって光導波路外に放射させるか否かによって光変調するものであるから、光導波路を特に曲げる必要は無いものである。それによりこの光変調素子は、サイズを小さくすることができ、光導波路の曲がり部での損失が無くて光利用効率も高いものとなる。
【００１８】
また本発明の光変調素子は、光導波路に密接または近接させた回折格子で導波光を回折させるものであるから、光導波路に密接させた部材に光を吸収させる場合のような大きな発熱を招くことはない。よってこの光変調素子は、熱膨張等の影響で動作が不安定になることがなく、また高強度の光を使用する場合でも発熱による破壊を防止できる。
【００１９】
さらに本発明の光変調素子は、回折格子が微小であるからそれと光導波路との接触面積は極めて小さく、よって該回折格子と光導波路とが密着したままの状態になる、いわゆるスティッキングを起こすおそれも低いものとなる。
【００２０】
その上本発明の光変調素子は、上述の通り微小な回折格子を移動させるものであるから、可動部の重量および移動距離が小さいことにより、変調動作を高速化できるという効果も奏する。
【００２１】
なお特に上記回折格子が、その両端部が基板に一体化され、それらの端部の間の部分が基板から浮いて光導波路を跨ぐ状態に形成された上で、電極が、光導波路の近傍において回折格子の基板から浮いた部分に基板側から対面する下部電極と、この下部電極に回折格子を介して対面する上部電極とから構成された場合は、上記電界のON-OFFに応じて、回折格子の両端部の間の部分が光導波路に密接または近接し、あるいはそこから大きく離れるようになる。
【００２２】
この場合、上部電極が、光導波路に対面する位置から外れて配設されていれば、この上部電極が光導波路に接することによって発熱することを防止できる。
【００２３】
回折格子を上述のような構造とする場合、一般には常時つまり電界OFF時に回折格子が退避位置を取り、電界ON時に回折格子が作用位置を取るように構成するのが好ましいが、それと反対に回折格子が常時作用位置を取り、電界ON時に退避位置を取るようにしても構わない。
【００２４】
一方、本発明による光変調素子の作製方法においては、前述の通りの犠牲層を形成し、この犠牲層の上に回折格子および上部電極を形成し、その後に犠牲層を除去するようにしているから、基板から浮いた部分を有する回折格子も容易に形成することができる。
【００２５】
そして回折格子は、多数の格子部が互いに間隙を置いて周期的に並んだ形状のものであるから、上記方法においては、それらの間隙を利用して犠牲層を容易に除去することができる。
【００２６】
なおこの本発明による光変調素子の作製方法において、特に犠牲層の上に回折格子の材料層および上部電極の材料層をそれぞれ一様に形成し、その後これらの材料層を所定の格子パターンに加工し、上部電極の材料層を、光導波路に対面する部分は除去して上部電極を形成する場合は、所定パターンの回折格子および、前述のように光導波路に接して発熱することのない上部電極を容易に形成可能となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１と図２はそれぞれ、本発明の一実施の形態による光変調素子１の平面形状、斜視形状を示すものである。図示のようにこの光変調素子１は、Ｓｉ基板10と、この基板10上に形成された３次元チャンネル光導波路20と、格子並び方向がこの光導波路20のコア22に沿う向きにして基板10上に配設された可撓性の回折格子30と、基板10上において上記コア22を間に挟む状態に形成された１対の下部電極40、41と、回折格子30の各格子部31の上面の一部に被着した部分をそれぞれ有する１対の上部電極50、51とから構成されている。
【００２８】
上記チャンネル光導波路20は、Ｓｉ基板10の上に形成されたＳｉＯ２からなるクラッド層21および、その上に形成されたＳｉＮｘからなる直線状のコア22から構成されている。下部電極40、41および上部電極50、51は、本実施の形態ではＡｌから形成されている。なおこれらの電極は、一般に電極材料として用いられるその他の材料、例えばＡｕ等から形成されてもよい。また回折格子30は一例として可撓性のＳｉＮｘ薄膜からなり、細い格子部31が所定周期で繰り返すパターンに形成されている。
【００２９】
次に図６および図７を参照して、上記光変調素子１の作製方法について説明する。なお図６は図１のＡ−Ａ線に沿った断面の形状を示し、図７は図１のＢ−Ｂ線に沿った断面の形状を示している。
【００３０】
まず図６の(1)に示すように、Ｓｉ基板10の上にＳｉＯ２クラッド層21および、コアを形成するためのＳｉＮｘ膜22’を例えばプラズマＣＶＤによって成膜する。次いでＳｉＮｘ膜コア22’を例えばドライエッチングによりエッチングすることにより、同図(2)に示すような直線状のコア22を形成する。なおこのとき、ＳｉＯ２クラッド層21も若干エッチングされる。
【００３１】
次に同図(3)に示すように、エッチングあるいはリフトオフによる通常のリソグラフィを用いて、クラッド層21の上においてコア22の両側に下部電極40、41を形成する。そしてその上に犠牲層レジスト33を塗布し、この犠牲層レジスト33を図６(4)および図７(1)に示すように、コア22および下部電極40、41を覆う所定形状にパターニングする。その後、この犠牲層レジスト33が溶解しないように例えば200℃×60分のハードベークを行なって、該犠牲層レジスト33のリフトオフに使用するレジストの溶剤、およびリフトオフ時にレジストを除去するために使用する溶剤への耐性を向上させる。
【００３２】
なお、この犠牲層レジスト33の厚さが、後述する回折格子30のON−OFF動作の変位量を決定するので、OFF時に回折格子30が光導波路20と光学的に結合しないよう、コア22上の犠牲層レジスト33のハードベーク後の厚さが、導波光の波長以上となるように条件を設定する。
【００３３】
次に図６(5)および図７(2)に示すように、スパッタ／リフトオフにより、格子部31が所定周期で繰り返すパターンを有するＳｉＮｘ薄膜からなる回折格子30および、その上に積層されたＡｌからなる上部電極層52を形成する。次に図６(6)および図７(3)に示すように、上部電極層52のコア22に対面する部分を通常のリソグラフィ／エッチングにより除去して、１対の上部電極50、51とする。
【００３４】
次いで基板10を所定の素子サイズに切断し、端面を研磨し、必要に応じて反射防止等のコーティングを施す。その後図６(7)および図７(4)に示すように、ハードベークした犠牲層レジスト33をＯ２プラズマエッチングにより除去すると、本実施の形態の光変調素子１が完成する。
【００３５】
なお、犠牲層レジスト33の上に形成された回折格子30および上部電極50、51は、互いに間隙を置いて周期的に並ぶ部分を有するものであるから、この犠牲層レジスト33の除去はその間隙を利用して容易になされ得る。また、一旦この犠牲層レジスト33の上に回折格子30を形成した後、犠牲層レジスト33を除去するようにしているので、コア22から浮いた部分を有する回折格子30を容易に作製することができる。
【００３６】
以下、上記構成の光変調素子１の作用について説明する。図１に示すようにこの光変調素子１の下部電極40、41と上部電極50、51との間には、直流電源60からスイッチ61を介して電界が印加されるようになっている。図２は、この光変調素子１のOFF状態、つまり下部電極40、41と上部電極50、51との間に電界が印加されない時の状態を示している。一方図３は、この光変調素子１のON状態、つまり下部電極40、41と上部電極50、51との間に電界が印加された時の状態を示している。なおこれらの図２および図３において、直流電源60およびスイッチ61は省略してある。
【００３７】
図４に側断面形状を示すように、被変調光としての例えばレーザ光Ｌは、光導波路20のコア22の一端から入射されて、そこを導波モードで伝搬する。上記のOFF状態では、同図に示すように、回折格子30の各格子部31が光導波路20のコア22から離れた位置（退避位置）にあるので、導波するレーザ光Ｌは回折格子30と作用せず、そのままコア22の他端から出射する。
【００３８】
一方上記のON状態では、上部電極50、51と下部電極40、41との間に印加された電界によって回折格子30が静電力を受けて撓み、図５に側断面形状を示すように、回折格子30の各格子部31が光導波路20のコア22に密接する位置（作用位置）を取る。そこで、光導波路20のコア22を導波するレーザ光Ｌの大部分が回折格子30に結合し、該回折格子30から出射する。したがってコア22の他端からは、回折格子30と結合しなかった微弱なレーザ光Ｌのみが出射する。なお図４および図５の曲線ａ、ｂおよびｃは、コア22あるいは回折格子30から出射するレーザ光Ｌの界分布を概略的に示している。
【００３９】
以上のようにして本実施の形態の光変調素子１においては、上部電極50、51と下部電極40、41との間に印加する電界をON−OFFすることにより、コア22の他端から出射する使用光としてのレーザ光Ｌの強度を変調可能となっている。この変調における消光比を大きく確保する上では、電界のON時により多くのレーザ光Ｌを回折格子30と結合させることが必要であり、そのためには、回折格子30の長さをより大きくすればよい。
【００４０】
以上説明の通りこの光変調素子１は、光導波路20のコア22を伝搬するレーザ光Ｌを回折格子30によって光導波路外に放射させるか否かによって光変調するものであるから、本素子１においては、光導波路のコア22を従来の方向性結合器等におけるように曲げる必要は特に無い。それによりこの光変調素子１は、サイズを小さくすることができ、コアの曲がり部での損失が無くて光利用効率も高いものとなる。
【００４１】
またこの光変調素子１は、光導波路20のコア22に密接させた回折格子30で導波光を回折させるものであるから、光導波路に密接させた部材に光を吸収させる場合のような大きな発熱を招くことはない。よってこの光変調素子１は、熱膨張等の影響で動作が不安定になることがなく、また高強度の光を使用する場合でも発熱による破壊を防止できる。
【００４２】
またこの光変調素子１は、微小な回折格子30と光導波路20のコア22との接触面積が極めて小さいので、それら両者が密着したままの状態になる、いわゆるスティッキングを起こすおそれも低いものとなっている。またこの光変調素子１は、薄膜からなる微小な回折格子30を移動させて光変調するものであるから、可動部の重量および移動距離が小さいことにより、変調動作を高速化できるという効果も奏する。
【００４３】
さらに本実施の形態の光変調素子１においては、上部電極50、51が、光導波路20のコア22に対面する位置から外れて配設されているので、この上部電極50、51が回折格子30を介してコア22に接することによって発熱することも防止可能である。
【００４４】
なお、回折格子30から出射するレーザ光Ｌを使用光としてもよく、その場合は上記電界がONのときに使用光の強度が大となり、電界がOFFのときに使用光の強度がゼロとなる。
【００４５】
またこの光変調素子１においては、上記電界がOFFのときに強度大のレーザ光Ｌがコア22の他端から出射し、電界がONのときに強度大のレーザ光Ｌが回折格子30から出射するようになっているので、本素子１は光の出射方向を切り替えるスイッチング素子として利用することも可能である。
【００４６】
さらに、上記の実施の形態では、回折格子30を光導波路のコア22に密接させているが、回折格子30を光導波路のコア22に近接させて導波光を回折させる構成を採用することもできる。
【００４７】
また上記の実施の形態では、回折格子を退避位置に支持するために、回折格子および電極材のブリッジを使用しているが、別途支柱となる構造を作製し、そこに回折格子および電極を設置するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による光変調素子を示す平面図
【図２】図１の光変調素子の電界OFF時の状態を示す斜視図
【図３】図１の光変調素子の電界ON時の状態を示す斜視図
【図４】図１の光変調素子の電界OFF時の状態を示す側断面図
【図５】図１の光変調素子の電界ON時の状態を示す側断面図
【図６】図１の光変調素子の作製方法を示す説明図
【図７】図１の光変調素子の作製方法を示す説明図
【符号の説明】
１    光変調素子
10    Ｓｉ基板
20    チャンネル光導波路
21    クラッド層
22    コア
30    回折格子
31    回折格子の格子部
33    犠牲層レジスト
40、41    下部電極
50、51    上部電極
60    直流電源
61    スイッチ
Ｌ    レーザ光
【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】
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【図７】
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