(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学材料である一軸結晶基板の表層部に光導波路が形成され、当該光導波路の上方に配置された第１の電極と、当該第１の電極の両側に配置された第２および第３の電極とを備えた光機能デバイスであって、
前記光導波路が、前記一軸結晶基板の結晶構造における光学軸に対して、光伝播の臨界角よりも小さい特定の角度だけ傾いた方向に沿って形成され、
前記特定の角度が、前記光導波路内の光伝播方向と直交する面におけるＴＥモード光の実効屈折率とＴＭモード光の実効屈折率とが一致するように設定されており、
前記第１の電極と前記第２の電極との間、および前記第１の電極と前記第３の電極との間にモード変換のための共通の駆動電圧が印加される
ことを特徴とする光機能デバイス。
【請求項２】
前記光導波路が、前記一軸結晶基板における前記表層部に対応した表面と平行で且つ前記光学軸に対して前記特定の角度だけ傾いた方向に沿って形成されてなる
請求項１記載の光機能デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一軸結晶構造の電気光学材料を用いて光導波路を形成した光機能デバイスに関する。
【０００２】
光通信によるマルチメディア情報網の構築が進む中で、電気光学効果を利用した各種の光機能デバイスの需要が急増している。
【０００３】
【従来の技術】
図３は従来のモード変換器８の模式図である。図３（Ｂ）は図３（Ａ）のｂ−ｂ矢視断面の構造を示している。
【０００４】
モード変換器８は、ＸカットのＬｉＮｂＯ3 結晶からなる基板２０、基板２０のＸ方向の表層部に形成された光導波路２１、基板表面を覆うバッファ層２２、光導波路２１の上方に配置された電極２３、電極２３の両側に１つずつ配置された電極２４，２５から構成されている。
【０００５】
各電極２３〜２５は光導波路２１に沿って延びている。そして、電極２３及び電極２５は、外部の電源と接続するために、電極２４を囲むように基板２０のＹ方向の一端まで導出されている。
【０００６】
ＬｉＮｂＯ3 結晶は三方晶系の一軸結晶である。光導波路２１は、チタンの熱拡散によって形成されており、基板２０の結晶構造における光学軸であるＺ方向に沿って延びている。
【０００７】
電極２３と電極２４との間に駆動電圧Ｖ１を印加すると、図３（Ｂ）に鎖線の矢印で示すように、光導波路２１に対してＸ方向の電界が加わり、屈折率の変化により光導波路２１内を伝播する光の偏光面が伝播にともなって回転する。つまり、直線偏光を入射させると光導波路２１内で楕円偏光になる。電圧Ｖ１に応じて光導波路２１の後端での偏光面の方向が変化する。したがって、光導波路２１にＴＥモード光又はＴＭモード光を入射させ、光導波路２１の後端に入射光に対する直交関係の偏光モードの光を透過させる検光子を設けることにより、強度変調器を構成することができる。
【０００８】
また、モード変換器８により、偏光モードをＴＥモードからＴＭモードに、又はＴＭモードからＴＥモードに変換する偏波制御を行うことができる。すなわちモード変換器８と位相シフターとを組み合わせることにより、任意の偏波を得る偏波制御器を構成することができる。
【０００９】
ところで、一軸結晶における光学軸と直交する面（ＸＹ面）は、屈折率の等方性を有している。つまり、結晶構造上は、Ｘ方向及びＹ方向の屈折率（常光線屈折率ｎo ）が等しい。しかし、実際には、光導波路２１の断面形状の非対称性に起因して、Ｘ方向とＹ方向との間に屈折率の微妙な差異が生じる。
【００１０】
例えば、ＸカットのＬｉＮｂＯ3 結晶では、Ｙ方向の屈折率がＸ方向に比べて大きく、ＴＥモード光の実効屈折率ＮTEとＴＭモード光の実効屈折率ＮTMとの間に約１×１０-4の差（複屈折率）が生じる。
【００１１】
このような複屈折率（＝｜ＮTE−ＮTM｜）が生じると、楕円偏光における互いに直交する２方向の偏波成分の位相差が適正値からずれてしまい、所定の機能を実現することができなくなる。
【００１２】
そこで、従来は、電極２４と電極２５との間に位相整合電圧と呼称される第２の電圧Ｖ２を印加していた。位相整合電圧Ｖ２を印加すると、図３（Ｂ）に破線の矢印で示すように、光導波路２１に対してＹ方向の電界が加わり、Ｙ方向の屈折率が変化する。位相整合電圧Ｖ２の値を適当に選定することにより、光導波路２１の断面形状の非対称性に起因する屈折率の異方性が等方性に補正される。すなわち、駆動電圧Ｖ１を印加しない状態での光導波路２１内のＸ方向及びＹ方向の屈折率が等しくなる。ＸカットのＬｉＮｂＯ3 結晶において、約１×１０-4の複屈折率を打ち消す位相整合電圧Ｖ２の値は３０ボルト程度である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来のモード変換器８では、駆動電圧Ｖ１だけでなく位相整合電圧Ｖ２を印加しなければならなかった。つまり、使用に際して２系統の電圧源が必要であった。
【００１４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、光導波路の断面形状の非対称性を補う位相整合電圧の印加を不要とし、駆動系の回路構成の簡単化を図ることを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明のデバイスは、電気光学材料である一軸結晶基板の表層部に光導波路が形成され、当該光導波路の上方に配置された第１の電極と、当該第１の電極の両側に配置された第２および第３の電極とを備えた光機能デバイスであって、前記光導波路が、前記一軸結晶基板の結晶構造における光学軸に対して、光伝播の臨界角よりも小さい特定の角度だけ傾いた方向に沿って形成され、前記特定の角度が、前記光導波路内の光伝播方向と直交する面におけるＴＥモード光の実効屈折率とＴＭモード光の実効屈折率とが一致するように設定されており、前記第１の電極と前記第２の電極との間、および前記第１の電極と前記第３の電極との間にモード変換のための共通の駆動電圧が印加されるものである。
【００１６】
請求項２の発明のデバイスは、前記光導波路が、前記一軸結晶基板における前記表層部に対応した表面と平行で且つ前記光学軸に対して前記特定の角度だけ傾いた方向に沿って形成されてなる。
【００１７】
【作用】
一軸結晶において、光学軸方向の屈折率（異常光線屈折率ｎe ）は、光学軸と直交する面内の屈折率（常光線屈折率ｎo ）と値が異なる。したがって、光導波路の延長方向である光伝播方向を光学軸に対して傾けると、光学軸と光伝播方向とを含む面内において、光伝播方向と直交する方向の屈折率が常光線屈折率ｎo から異常光線屈折率ｎe に近づく。光学軸と光伝播方向とを含む面と直交する方向の屈折率は変わらず、常光線屈折率ｎo と同じ値である。
【００１８】
つまり、光導波路の断面形状の非対称性といった結晶構造以外の要因に起因して常光線屈折率ｎo の異方性が生じたとしても、光導波路（光伝播方向）を光学軸に対して傾けることにより、光伝播方向と直交する面内において、互いに直交する２方向の一方の屈折率のみを変化させて２方向の屈折率を一致させることができる。
【００１９】
光伝播方向が光学軸と一致するときに生じる複屈折率をΔＮとすると、ＴＥモード光の実効屈折率ＮTEとＴＭモード光の実効屈折率ＮTMとが一致するような光伝播方向の光学軸に対する傾き角度θは、近似的に（１）式で表される。
【００２０】
θ＝ｃｏｓ-1〔（ｎo −ΔＮ）／ｎo 〕    …（１）
ｎo ：常光線屈折率
ΔＮ：複屈折率（＝｜ＮTE−ＮTM｜）
【００２１】
【実施例】
図１は本発明のモード変換器１の模式図である。図１（Ｂ）は図１（Ａ）のｂ−ｂ矢視断面の構造を示している。また、図２は図１に対応した実効屈折率の補正の内容を示す図である。
【００２２】
モード変換器１は、例えば波長１．５５μｍのレーザ光による光通信用の光機能デバイスであり、ＸカットのＬｉＮｂＯ3 結晶からなる基板１０、基板１０のＸ方向の表層部に形成された直線状の光導波路１１、バッファ層１２、光導波路１１の上方に配置された電極１３、電極１３の両側に１つずつ配置された電極１４，１５から構成されている。
【００２３】
各電極１３〜１５は光導波路１１に沿って延びている。そして、電極１３及び電極１５は、外部の電源と接続するために、電極１４を囲むように基板１０のＹ方向の一端まで導出されている。
【００２４】
光導波路１１は、基板１０のＸ方向の表面と平行で且つＺ方向に対して角度θだけ傾いた方向Ｚ’に沿って、基板１０におけるＺ方向の一端から他端まで延びている。Ｚ方向は一軸結晶の光学軸方向である。そして、角度θは後述のように０．５４°に設定されている。
【００２５】
このような光導波路１１は、チタンの熱拡散によって形成されている。すなわち、基板１０のＸ方向の表面に１０００Å程度の厚さのチタン膜を設け、数μｍ程度の幅の帯状にパターニングする。そして、湿潤酸素雰囲気中で基板１０を１０５０℃に加熱し、その状態を１０時間にわたって保持する。この一連の処理により光導波路１１が形成される。
【００２６】
バッファ層１２は、厚さ０．５μｍ程度の二酸化珪素層であり、主に電極１３による光吸収を防止するために設けられている。電極１３〜１５は、バッファ層１２を設けた後に、金を蒸着してパターニングする薄膜工程によって形成されている。
【００２７】
モード変換器１の使用に際しては、光導波路１１の両側の電極１４，１５を電気的に共通化し、これらの電極１４，１５と残りの電極１３との間に駆動電圧Ｖ１を印加する。駆動電圧Ｖ１の印加によって、図１（Ｂ）に鎖線の矢印で示すように、光導波路１１に対してＸ方向の電界が効率的に加わり、Ｘ方向の屈折率が変化して光導波路２１内を伝播する光の偏光面が回転する。モード変換器１も従来のモード変換器８と同様の用途に利用できる。
【００２８】
モード変換器１では、光伝播方向である光導波路１１の延長方向が上述のように光学軸（Ｚ方向）に対して角度θだけ傾いているので、従来例とは違って位相整合電圧Ｖ２（図３参照）を印加する必要がない。
【００２９】
以下、モード変換器１における実効屈折率の補正について説明する。なお、以下の説明では、Ｘ方向に電界成分が振動する直線偏光の光を光導波路１１に入射させるものとする。
【００３０】
図２（Ａ）はＬｉＮｂＯ3 結晶における波長１．５５μｍの光に対応する屈折率楕円体を示しており、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の屈折率楕円体のＹ軸及びＺ軸を含む断面を示している。
【００３１】
結晶構造の上では、Ｘ方向及びＹ方向の屈折率である常光線屈折率ｎo はともに２．２である。しかし、熱拡散によって光導波路１１を形成すると、必然的に光導波路１１の断面形状がＸ方向に短い偏平形状となる。そのため、光導波路１１が光学軸に沿って延びる場合には、図２（Ｃ）に破線で示すように、Ｙ方向に対応するＴＥモード光の実効屈折率ＮTEが、Ｘ方向に対応するＴＭモード光の実効屈折率ＮTMより大きくなり、約１×１０-4の複屈折率ΔＮが生じる。
【００３２】
一方、Ｚ方向の屈折率である異常光線屈折率ｎe は、常光線屈折率ｎo より小さい２．１４である。すなわち、図２（Ｂ）のように屈折率楕円体のＹＺ平面と平行な断面は、Ｚ方向を短軸方向とする楕円である。このことから、光伝播方向Ｚ’をＹＺ平面（光導波路１１の形成面）に沿ってＺ方向（光学軸）に対して傾けると、ＹＺ平面内で光伝播方向Ｚ’と直交する方向Ｙ’の屈折率ｎo ’が常光線屈折率ｎo （＝２．２）と異常光線屈折率ｎe （＝２．１４）との間の値になる。Ｘ方向の屈折率は変わらない。
【００３３】
屈折率ｎo ’と常光線屈折率ｎo との差αが、複屈折率ΔＮを打ち消す値となるように光伝播方向Ｚ’の傾きの角度θを選定することによって、光導波路１１の断面形状に起因する実効屈折率の異方性を等方性に補正することができる。つまり、図２（Ｃ）に実線で示すように、光伝播方向Ｚ’と直交する面（ＸＹ’平面）におけるＴＥモード光の実効屈折率ＮTEとＴＭモード光の実効屈折率ＮTMとを一致させることができる。
【００３４】
ＸカットのＬｉＮｂＯ3 結晶における適正な角度θを（１）式によって求めると、その結果は０．５４°である。ＬｉＮｂＯ3 結晶の研磨精度は±０．０３°程度であるので、角度θについて実用上の十分な精度を確保することができる。
【００３５】
また、角度θの適正値（０．５４°）は、入射光が全反射して光伝播状態が漏れモードとなる臨界角（通常は５°程度）と比べて十分に小さいので、ＴＥモード光及びＴＥモード光の伝播損失は小さく、実用に支障はない。
【００３６】
上述の実施例によれば、光導波路１１の両側の電極１４，１５を共通化して駆動電圧Ｖ１の印加に用いたので、従来例のように片側の電極２４のみを駆動電圧Ｖ１の印加に用いる場合と比べて、光導波路１１に対して効率的に電界を作用させることができる。
【００３７】
上述の実施例によれば、チタンに代表される熱拡散材料の膜のパターニング形状を選定するだけで容易に光導波路１１を光学軸に対して傾けることができる。
上述の実施例において、基板１０の材料として、ＹカットのＬｉＮｂＯ3 結晶、Ｘカット又はＹカットのＬｉＴａＯ3 結晶などの他の三方晶系一軸結晶、六方晶系又は正方晶系の一軸結晶を用いることができる。
【００３８】
上述の実施例において、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の屈折率の大小関係に応じて、必要により基板１０の光導波路形成面の斜めに研磨するなどして、光導波路１１を基板１０の厚さ方向（Ｘ方向又はＹ方向）の面内で光学軸に対して傾けてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１及び請求項２の発明によれば、位相整合電圧の印加が不要であり、単一の電源で駆動することができるので、駆動系の回路構成の簡単化を図ることができる。また、光導波路に対して効率的に電界を作用させることができる。
【００４０】
請求項２の発明によれば、光導波路を光学軸に対して傾けるための特別の工程が不要であり、容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のモード変換器の模式図である。
【図２】図１に対応した実効屈折率の補正の内容を示す図である。
【図３】従来のモード変換器の模式図である。
【符号の説明】
１  モード変換器（光機能デバイス）
１０  基板（一軸結晶基板）
１１  光導波路
Ｚ  結晶構造のＺ方向（光学軸）
Ｚ’光伝播方向
θ  角度（特定の角度）
【図１】
0003969756.tif 000002
【図２】
0003969756.tif 000003
【図３】
0003969756.tif 000004