(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する基板と、
互いにほぼ平行で近接した結合部および、この結合部よりも互いに大きく離間して互いに平行に延びる分離部を有する、前記基板に形成された２本のチャンネル光導波路と、
前記結合部において前記光導波路に電圧を印加する手段とを備えてなる方向性結合型電気光学素子において、
前記基板が、ＬｉＮｂx Ｔａ1-x Ｏ3 （０≦ｘ≦１）基板またはそれにＭｇＯあるいはＺｎＯがドープされた基板であり、
前記２本のチャンネル光導波路が、プロトン交換後にアニールして形成されたものであり、
前記２本のチャンネル光導波路の前記結合部における導波路幅が、前記分離部における導波路幅よりも小さくされ、かつ、
前記２本のチャンネル光導波路のそれぞれの前記結合部と分離部とが、結合部から離れるのに従って他方の光導波路との距離が次第に大きくなる中間部によって接続され、
前記中間部が、前記結合部から離れるのに従って次第に拡幅するテーパ形状とされていることを特徴とする方向性結合型電気光学素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光導波路を利用した方向性結合型電気光学素子、すなわち、電気光学効果を有する基板に互いに近接した部分を有する２本のチャンネル光導波路を形成し、両光導波路間の導波光の乗り移りを、光導波路に電圧を印加して制御するようにした方向性結合型電気光学素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、画像信号等に基づいて光を変調する光変調素子や、光の進路を切り換える光スイッチ等を構成するために、光導波路を利用した方向性結合型電気光学素子が広く適用されている（例えば特開平４−３３３８３５１号参照）。
【０００３】
この方向性結合型電気光学素子は、一例として図１２に示すように、電気光学効果を有するＬｉＮｂx Ｔａ1-x Ｏ3 （０≦ｘ≦１）結晶等からなる基板１に、例えば数μｍ程度の間隔を置いて互いに近接する部分を有する２本のチャンネル光導波路２、３を形成し、両光導波路間の導波光の乗り移りを、光導波路２、３への印加電圧を変えて制御するようにしたものである。
【０００４】
つまり、チャンネル光導波路２、３の相近接した部分（結合部）の側方には電極４、５、６が形成され、光導波路２のポートＡから入力されてそこを導波する光は、電極４、５、６による印加電圧が０の場合は、上記結合部において他方の光導波路３に完全に乗り移る状態（完全結合状態）となってクロスポートつまりポートＢ’から出力され、電極４、５、６によって光導波路２、３に所定電圧が印加されると乗り移りが抑制されて、ポートＡ’から出力されるようになる。
【０００５】
なお、チャンネル光導波路２、３の互いに大きく離間して平行に延びる部分  （分離部）は、間隔が数10μｍ程度とされるので、この部分では光波分布の重なりが全くなく、２本のチャンネル光導波路２、３は互いに独立したものとなる。またこのようなチャンネル光導波路２、３は、一般にプロトン交換後にアニールして形成され、従来それらの幅は全長に亘って一定とされていた。
【０００６】
原理的には、上記分離部を形成せずに結合部のみとしても、方向性結合型電気光学素子としての基本機能は得られるが、実際上は以下の理由により、分離部も形成する必要がある。すなわち、チャンネル光導波路の両端面は光学研磨されて光入出力部とされるが、研磨ロットに応じて結合部の長さが異なる素子が形成されることになる。そうであると特性バラツキが顕著になり、完全結合を果たし得ない素子も作製されてしまう。
【０００７】
また分離部が無い場合、２つのポートから出力される光は空間的に十分に分離せず、特定のポートから出力される光のみを利用光として使うことが極めて困難となる。
【０００８】
なお上記図１２の例はＸあるいはＹカットの基板１を用いたものであるが、図１３に示すようにＺカットの基板１’を用いた上で、各チャンネル光導波路２、３の直上部分に電極７および８を配設してもよい。要するに電極は、基板のＺ軸方向に電界が加わるように配置される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこの従来の方向性結合型電気光学素子においては、特性バラツキが大きくて、上記印加電圧が０のときに完全結合状態が得られないような特性の不良品も多く形成され、作製の歩留まりがかなり低いという問題が認められていた。このような不良品は、作製時にプロセス条件が僅かに変動しただけで発生する。
【００１０】
そこで本発明は、作製容易にして完全結合状態が得られる、特性バラツキの少ない方向性結合型電気光学素子を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による方向性結合型電気光学素子は、
電気光学効果を有する基板と、
前述したような結合部およびこの結合部よりも互いに大きく離間して互いに平行に延びる分離部を有する、上記基板に形成された２本のチャンネル光導波路と、
上記結合部において光導波路に電圧を印加する手段とを備えてなる方向性結合型電気光学素子において、
基板が、ＬｉＮｂx Ｔａ1-x Ｏ3 （０≦ｘ≦１）基板またはそれにＭｇＯあるいはＺｎＯがドープされた基板であり、
前記２本のチャンネル光導波路がプロトン交換後にアニールして形成されたものであり、
前記２本のチャンネル光導波路の前記結合部における導波路幅が、上記分離部における導波路幅よりも小さくされ、かつ、
前記２本のチャンネル光導波路のそれぞれの前記結合部と分離部とが、結合部から離れるのに従って他方の光導波路との距離が次第に大きくなる中間部によって接続され、
前記中間部が、前記結合部から離れるのに従って次第に拡幅するテーパ形状とされたことを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の効果】
本発明者の研究によると、上述した従来の方向性結合型電気光学素子における特性バラツキは、２本のチャンネル光導波路の結合部における間隔（以下、これをギャップＧという）のバラツキに起因していることが判明した。そこで、図１２に示したタイプの方向性結合型電気光学素子を、チャンネル光導波路２、３の幅Ｗを７、８、９および10μｍに変え、そして各光導波路幅Ｗ毎にギャップＧを１、２、３、４、５、６および７μｍに変えたもの28通りを作製し、各素子において印加電圧が０のときの導波光の乗り移りを調べた。
【００１３】
なおこの場合、基板１としてはＸカットのＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3 結晶基板を用い、プロトン交換条件は150 ℃で64分、アニール条件は350 ℃で60分とし、両光導波路２、３の結合長（結合部の長さ）は８ｍｍとした。そして、半導体レーザから発せられた波長850 ｎｍの光をポートＡから入力させ、クロスポートつまりポートＢ’から出力される光パワーを測定した。
【００１４】
その結果を図１４に示す。なおこの図１４中でクロスポートの光パワーは、入力光のパワーに対する比で示してある。ここに示されるように、光導波路幅Ｗ＝７μｍの場合はギャップＧ＝４、５、６μｍとすると完全結合状態が得られる。一方光導波路幅Ｗ＝８μｍの場合はギャップＧ＝１、２μｍのときのみ、また光導波路幅Ｗ＝９μｍの場合はギャップＧ＝２μｍのときのみ完全結合状態が得られ、そして光導波路幅Ｗ＝10μｍの場合はギャップＧの値に拘らず完全結合状態が得られない。
【００１５】
ここでギャップＧは、プロトン交換を行なう際に基板表面に形成されるマスクパターンの線幅（２本のチャンネル光導波路に対応する２つの開口間の線幅）、光導波路幅Ｗはマスクパターンの上記開口の幅で定義する設計値であるが、通常の紫外線露光によるフォトリソグラフィ技術では、２μｍ以下の線幅のパターンを正確に安定して作製するのは困難である。
【００１６】
そこで、光導波路幅Ｗをできるだけ小さくして、つまり上記例の範囲ではＷ＝７μｍとして方向性結合型電気光学素子を形成すれば、ギャップＧの許容幅すなわちプロセス条件の許容幅が大きくなり、また線幅の点からも素子作製が容易になると考えられる。
【００１７】
しかしここで、周知の通りチャンネル光導波路の分散曲線は大略図１５に示すようになっており、光導波路をシングルモード化するためには光導波路幅Ｗをある一定範囲内に設定する必要がある。光導波路幅Ｗがこの範囲よりも小さいと導波不能のカットオフ導波路となり、反対にこの範囲よりも大きいとマルチモード導波路となってしまう。なお通常、光変調等に方向性結合型電気光学素子を適用する場合は、光導波路がシングルモード導波路であることが必須となる。
【００１８】
そして本発明者の研究によると、方向性結合型電気光学素子におけるシングルモード領域は、図１６に示すように結合部と分離部とで相異なり、シングル導波路となる光導波路幅Ｗの下限値は、結合部より分離部の方が大である。また光導波路幅Ｗがシングルモード領域にあっても、それが上記の下限値に近付くほど、導波光のビームプロファイルはガウスビームのプロファイルから大きくかけ離れたものとなってしまう。
【００１９】
結合部においては、このようなビームプロファイルの乱れは特に問題にならないが、光導波路外の光学系と結合する分離部においては、このビームプロファイルの乱れが大きいと、各種収差が大きくなる等の問題を招く。
【００２０】
そこで本発明の方向性結合型電気光学素子において、チャンネル光導波路の結合部の幅を分離部の幅よりも小さくすれば、結合部においては光導波路幅をできるだけ小さくして前述のようにプロセス条件の許容幅を大きくし、また線幅の点からも素子作製を容易にして歩留まりを高めることができ、その一方分離部においては光導波路幅をできるだけ大きくして、ビームプロファイルの乱れを抑えることができる。
【００２１】
なお、結合部と分離部において導波路条件が異なるのは、以下の理由によるものと推察される。プロトン交換アニール導波路は、まず基板を構成するＬｉＮｂＯ3 等の結晶の表面のＬｉ+ とＨ+ （プロトン）とをイオン交換するプロトン交換処理と、その後、結晶中に取り込まれたＨ+ を基板内部に拡散するアニール処理とによって形成される。図１７の（１）と（２）はそれぞれ、結合部と分離部におけるＨ+ 拡散の様子を模式的に示すものであるが、ここに示される通り、結合部では２本のチャンネル光導波路２、３が近接しているため、各光導波路のＨ+ 拡散領域が重なるのに対し、分離部ではチャンネル光導波路が比較的大きく離れているため、各光導波路のＨ+ 拡散領域が重なっていないものと考えられる。
【００２２】
実際に、ＬｉＮｂＯ3 結晶基板を用いたプロトン交換アニール導波路のＨ+ 濃度分布を、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）により分析した。プロトン交換処理のみでは、交換厚つまりＨ+ の厚さは概ね0.1 〜0.3 μｍであった。その後アニール処理を行なうと、Ｈ+ がＬｉＮｂＯ3 結晶基板内に拡散し、拡散深さは数μｍ〜10μｍとなった。
【００２３】
このことから、数μｍ程度の小さいギャップＧを置いて近接している結合部の各光導波路では、アニールしたときのＨ+ の拡散領域が相互に交わることが分かった。それに対して分離部では、２本のチャンネル光導波路が数10μｍ程度離れているので、このようなことが起こらず、１本のチャンネル光導波路を形成した場合と同様に各光導波路が形成されるものと推定される。
【００２４】
【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は、本発明の一つの実施形態による方向性結合型電気光学素子の平面形状を示すものである。図示されるようにこの方向性結合型電気光学素子は、ＭｇＯが５ mol％ドープされたＬｉＮｂＯ3 （以下、ＭｇＯ−ＬＮと称する）の結晶基板10上に形成された２本のチャンネル光導波路11、12と、結合部においてこれらの光導波路11、12の各々の側方に形成された平板状電極13、14、15とを有している。
【００２５】
基板10としてはＸカットのＭｇＯ−ＬＮ結晶基板が用いられ、その縦横寸法は16ｍｍ×４ｍｍである。チャンネル光導波路11、12は、基板10の表面にフォトリソグラフィにより該光導波路11、12の形状に対応した開口を有するマスクを形成し、このマスクの開口から露出している基板部分をプロトン交換、アニール処理して形成される。本例では、プロトン交換条件は150 ℃で64分、アニール条件は350 ℃で60分とした。
【００２６】
また両光導波路11、12の結合長、つまり互いに平行で近接した結合部の長さは８ｍｍ、分離部の長さは２ｍｍ、中間部（結合部と分離部との間の部分）の長さは２ｍｍである。一方各光導波路11、12の幅は、分離部においては９μｍ、結合部においてはそれよりも小さい７μｍとされ、上記中間部においては７μｍから９μｍにテーパ状に変化するように設定されている。
【００２７】
そして両光導波路11、12のギャップは、結合部においては５μｍ、分離部においては数10μｍとされ、上記中間部においては５μｍから数10μｍに連続的に変化するように設定されている。
【００２８】
また本実施形態において、一方の光導波路11は出力ポートＡ’側の中間部において折れ曲がった形状とされ、他方の光導波路12はそれと反対側の中間部において折れ曲がった形状とされている。この折れ曲がり部で光導波路11、12の中心線が互いになす角度（分離角）は、一例として0.5 °とされている。
【００２９】
上記構成の方向性結合型電気光学素子において、入力ポートＡから光導波路11に光を入力させたとき、平板状電極13、14、15を介して光導波路11、12に電圧を印加しなければ、光導波路11を導波する光は結合部において光導波路12に完全に乗り移り、出力ポートＢ’から出射する。また平板状電極13、14、15を介して光導波路11、12に所定の電圧を印加すると、光導波路11を導波する光は結合部において光導波路12に乗り移ることなく、出力ポートＡ’から出射する。
【００３０】
以上のようにして、入力ポートＡから入力させた光を、出力ポートＢ’とＡ’のいずれかから選択的に出射するようにスイッチングすることができる。また、出力ポートＢ’あるいはＡ’のいずれか一方のみから出射する光を利用光とする場合、上記電圧の印加を画像信号等に基づいて制御することにより、その利用光を変調することができる。
【００３１】
そしてこの方向性結合型電気光学素子においては、各光導波路11、12の幅を結合部においては十分に小さい７μｍとしているので、光導波路11、12を形成する際のフォトリソグラフィのプロセス条件が変動する等して両光導波路11、12間のギャップＧが設計値の５μｍからある程度外れても、電圧非印加時に光導波路11を導波する光が結合部において完全に光導波路12に乗り移る完全結合状態が得られるようになる。その詳しい理由は、先に図１４を参照して説明した通りである。それによりこの方向性結合型電気光学素子は、高い歩留まりで作製され得るものとなる。
【００３２】
また各光導波路11、12の幅を、分離部においては上記７μｍよりも大きい９μｍとしているので、出力ポートＢ’あるいはＡ’から出射する光のビームプロファイルの乱れを防止できる。その理由も、先に説明した通りである。
【００３３】
次に図２〜図１１を参照して、本発明において採用され得る光導波路11、12の形状例を説明する。なおこれらの図においては、電圧印加用の電極は省略して、光導波路11、12の形状のみを示してある。
【００３４】
まず図２の（１）は、上記実施形態における光導波路11、12の形状を示すものである。また同図の（２）の例では、（１）におけるように光導波路11、12の各一部を比較的大きな角度で折り曲げる代わりに、光導波路11、12を結合部の前と後の双方において折り曲げ、折り曲げの角度は比較的小さく抑えるようにしている。同図の（３）の例では、一方の光導波路12のみを結合部の前と後の双方において折り曲げ、他方の光導波路11は折り曲げないようにしている。
【００３５】
図３の（１）、（２）および（３）の例はそれぞれ、図２の（１）、（２）および（３）に示したものから、光導波路11、12の光入力側の分離部を取り除いた形に構成されたものである。そこでこれら光導波路11、12は、結合部よりも光入力側では前述の中間部のみを有する形状となっているが、この中間部においても光導波路11、12は、結合部から離れるのにつれて該結合部よりも拡幅しているので、上記実施形態におけるのと同様の効果が得られる。
【００３６】
また図４の（１）、（２）および（３）の例はそれぞれ、図２の（１）、（２）および（３）に示したものから、光導波路11、12の光入力側および光出力側の分離部を取り除いた形に構成されたものである。この図４あるいは図３に示したものは、素子長を短くする上で効果的である。この光導波路形状を採用する場合も、光導波路11、12の中心線が互いになす角度（分離角）を数°以内と小さくすれば、特に問題も無く上記実施形態におけるのと同様の効果が得られる。
【００３７】
以上説明した例は、光入力ポートと光出力ポートがともに２つのものであるが、図５〜図１０には、光入力ポートが１つで光出力ポートが２つとされたものを示す。
【００３８】
まず図５の（１）、（２）および（３）の例はそれぞれ、図２の（１）、（２）および（３）に示したものから、一方の光導波路12の光入力側の分離部の一部を取り除いた形に構成されたものである。
【００３９】
図６の（１）、（２）および（３）の例はそれぞれ、図２の（１）、（２）および（３）に示したものから、一方の光導波路12の光入力側の分離部を全て取り除いた形に構成されたものである。
【００４０】
図７の（１）、（２）および（３）の例はそれぞれ、図２の（１）、（２）および（３）に示したものから、一方の光導波路12の光入力側の分離部並びに中間部を取り除いた形に構成されたものである。
【００４１】
次に図８の（１）、（２）および（３）の例はそれぞれ、図５の（１）、（２）および（３）に示したものから、光導波路11、12の光出力側の分離部を取り除いた形に構成されたものである。
【００４２】
図９の（１）、（２）および（３）の例はそれぞれ、図６の（１）、（２）および（３）に示したものから、光導波路11、12の光出力側の分離部を取り除いた形に構成されたものである。
【００４３】
図１０の（１）、（２）および（３）の例はそれぞれ、図７の（１）、（２）および（３）に示したものから、光導波路11、12の光出力側の分離部を取り除いた形に構成されたものである。
【００４４】
なお光導波路11、12を折り曲げた形状とする場合は、図１１に示すように、弧を描いて滑らかに曲がる導波路形状を採用することもできる。
【００４５】
また光導波路を形成する基板は、前述のＭｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ3 基板に限らず、その他ＺｎＯがドープされたＬｉＮｂＯ3 基板、ＬｉＮｂＯ3 基板、ＬｉＴａＯ3 基板、ＭｇＯがドープされたＬｉＴａＯ3 基板、ＺｎＯがドープされたＬｉＴａＯ3 基板等を利用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施形態である方向性結合型電気光学素子の平面図
【図２】本発明の方向性結合型電気光学素子における光導波路の別の形状例を示す平面図
【図３】本発明の方向性結合型電気光学素子における光導波路のさらに別の形状例を示す平面図
【図４】本発明の方向性結合型電気光学素子における光導波路のさらに別の形状例を示す平面図
【図５】本発明の方向性結合型電気光学素子における光導波路のさらに別の形状例を示す平面図
【図６】本発明の方向性結合型電気光学素子における光導波路のさらに別の形状例を示す平面図
【図７】本発明の方向性結合型電気光学素子における光導波路のさらに別の形状例を示す平面図
【図８】本発明の方向性結合型電気光学素子における光導波路のさらに別の形状例を示す平面図
【図９】本発明の方向性結合型電気光学素子における光導波路のさらに別の形状例を示す平面図
【図１０】本発明の方向性結合型電気光学素子における光導波路のさらに別の形状例を示す平面図
【図１１】本発明の方向性結合型電気光学素子における光導波路のさらに別の形状例を示す平面図
【図１２】従来の方向性結合型電気光学素子の例を示す平面図
【図１３】従来の方向性結合型電気光学素子の別の例を示す平面図
【図１４】方向性結合型電気光学素子における、光導波路の結合部のギャップと光結合の程度との関係を説明するグラフ
【図１５】チャンネル光導波路の分散曲線を示すグラフ
【図１６】方向性結合型電気光学素子における、光導波路幅とシングルモード領域との関係を示す概略図
【図１７】方向性結合型電気光学素子における、光導波路の結合部と分離部でのプロトン拡散の様子を説明する概略図
【符号の説明】
10    ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3 基板
11、12    チャンネル光導波路
13、14、15    電極
【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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【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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