(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響光学基板上に形成された光導波路と、前記光導波路と交差して該光導波路に沿って弾性表面波を伝搬させるトランスデューサとを備え、該トランスデューサに加える電気信号により制御可能な弾性表面波（グレーティング）の下で前記光導波路を伝搬する光波に各種の相互作用を生じさせる音響光学デバイスにおいて、
前記トランスデューサの指電極は、前記光導波路と交差する部分ではバッファ層を介して該光導波路と間接的に接触し、少なくとも一部が直接基板に接触していることを特徴とする音響光学デバイス。
【請求項２】
バッファ層は、トランスデューサの指電極と光導波路との全交差部に渡って帯状に連続していることを特徴とする請求項１に記載の音響光学デバイス。
【請求項３】
バッファ層は、トランスデューサの指電極と光導波路との各交差部の回りで画成されていることを特徴とする請求項１に記載の音響光学デバイス。
【請求項４】
バッファ層は、入力光に対して透明性を有すると共に、その屈折率は音響光学基板の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１に記載の音響光学デバイス。
【請求項５】
指電極は、バッファ層を挟んで両側で音響光学基板に接して形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１に記載の音響光学デバイス。
【請求項６】
指電極は、バッファ層に接している部分と音響光学基板に接している部分との長さの比が１対４以上の比率の差となるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１に記載の音響光学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は音響光学デバイスに関し、更に詳しくは音響光学基板上に形成された光導波路と、前記光導波路と交差して該光導波路に沿って弾性表面波を伝搬させるトランスデューサとを備え、該トランスデューサに加える電気信号により制御可能な弾性表面波（グレーティング）の下で前記光導波路を伝搬する光波に各種の相互作用を生じさせる音響光学デバイスに関する。
【０００２】
この種の導波形デバイスは、外部信号による光制御領域を光導波路近傍に限定する構成により、低い外部信号レベルで光を制御できる優れた特徴を備えており、この基本的な構造を基に、入力光のＴＥ／ＴＭ波を出力光のＴＭ／ＴＥ波に変換するＴＥ−ＴＭモード変換器、更には特定の偏波を抽出するポラライザと組合わせた音響光学チューナブル波長フィルタ、強度変調器、光スイッチ等の様々な機能デバイスを実現できる。
【０００３】
【従来の技術】
図３は従来技術を説明する図で、図３（Ａ）はＴＥ−ＴＭモード変換器への適用例を示している。
図において、１は例えばＸカット板（Ｙ軸伝搬）のＬｉＮｂＯ3 よりなる音響光学基板、２はＴｉの高濃度拡散領域、３はＴｉ拡散光導波路（チャンネル光導波路）、４は導波路３上に弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave)を励起させるためのトランスデューサ（ＩＤＴ：Interdigital Transducer)、４ａ，４ｂは金属（Ａｌ等）の薄膜からなる指電極、５ａ，５ｂはワックスやゴム等の柔軟な材質からなる弾性表面波の吸収体である。
【０００４】
基板１の両側にＴｉの高濃度拡散領域２ａ，２ｂを設け、該領域２ａ，２ｂにおける音速を増すことで、ＳＡＷパワーを基板１の表面のかつ領域２ａ，２ｂ間に閉じ込め、ＳＡＷ駆動電力の低減化を図っている。
中央のＴｉ拡散光導波路３はＴｉの熱拡散により形成されている。熱拡散法によれば、常光線と異常光線の各屈折率ｎo ，ｎe を共に同程度変化させることができる。
【０００５】
基板１の一方の端（光入力側）に図示の如くトランスデューサ４を基板１に直接に装荷し、両指電極４ａ，４ｂ間に高周波（ＲＦ）信号を印加することで、ＬｉＮｂＯ3 の圧電性を利用してＳＡＷを発生する。指電極４ａ，４ｂ間の距離ｌとＳＡＷ波長Λとの間には、例えば、ｌ＝Λ／２、の関係がある。この時、基板１に生成されるＳＡＷパワーは入力のＲＦ信号電力にトランスデューサ４の効率を掛けたものである。光入力側に向かうＳＡＷは吸収体５ａで吸収され、直ちに消滅する。一方、光出力側に向かうＳＡＷは領域２ａ，２ｂの間の基板１上を音速（位相速度）ｖで伝搬する。
【０００６】
この状態で、導波路入力端にＴＥ（又はＴＭ）モード光の偏波を入力すると、該偏波は導波路伝搬中のＳＡＷの及ぼす弾性光学効果により、所定の作用長Ｌを経過した所でその偏波面が９０°回転し（但し、ＳＡＷパワーにより調整可）、ＴＭ（又はＴＥ）モード光の偏波にモード変換される。この位置に吸収体５ｂを設けることで、その後の導波路３ではＳＡＷとの相互作用が行われず、よって導波路出力端からＴＭ（又はＴＥ）モードの偏波を取り出せる。
【０００７】
この場合に、２つの導波モードＴＥ，ＴＭの伝搬定数をβTE，βTM、実効屈折率をＮTE，ＮTMとし、かつＳＡＷの波長Λ、周波数ｆ、位相速度ｖとすると、位相整合条件は（１）式、
0003836950.tif 000002
の関係となり、上記（１）式を満たす周波数ｆのＳＡＷによりモード変換が生じ、その変換効率はＳＡＷパワーにより制御可能である。
【０００８】
上記（１）式より、（２）式の関係が得られる。
λ＝Λ｜ＮTE−ＮTM｜                                      （２）
一例の数値例を述べると、ＬｉＮｂＯ3 を用いる場合の複屈折率｜ＮTE−ＮTM｜は約０．０７２であるため、光通信で使用する波長λ＝１．５５ｍの光で上記モード変換を生じさせるためには、Λ≒２１．５μｍとなる。また基板１上の音速（位相速度）ｖは約３７００ｍ／ｓであるため、ＲＦ信号の周波数ｆ（＝ｖ／Λ）としては、１７２ＭＨZ が必要となる。また入力のＲＦパワーは、入力光とＳＡＷとの相互作用長Ｌに依存するが、仮にＬ＝３０ｍｍとすると、ＲＦパワーは１０ｍＷ程度である。
【０００９】
かくして、少ないＲＦ信号レベル及びＲＦパワーで入力光のＴＥ／ＴＭ波を出力光のＴＭ／ＴＥ波に効率良く変換できる。
なお、後段にＴＭ（又はＴＥ）波を抽出するためのポラライザを設けることにより、広帯域な音響光学チューナブル波長フィルタを構成できる。
しかし、上記図３（Ａ）の構成では、トランスデューサの指電極４ａ，４ｂが導波路３の表面に直接装荷されているため、該導波路中を伝搬する光が金属の影響により指電極４ａ，４ｂに吸収されて光の伝搬損が発生する問題があった。その理由は、一般に、光波長領域では、金属中の電荷の慣性効果により、金属は誘電率が負で損失の大きい誘電体としてふるまうため、とされる。特に、ＴＭモードの電磁界分布は金属中により深く浸透するため、金属の影響を強く（ＴＥモードの場合の１０倍程度）受ける。
【００１０】
この点、従来は、上記トランスデューサ４による光吸収損を抑えるため、トランスデューサ４と基板１との間の全面に誘電体膜ＳｉＯ2 からなるバッファ層６を設けたものが知られている。
バッファ層６を設けることで金属の影響は軽減され、バッファ層６の厚みを増すと導波光の伝搬損失は急激に減少する。ＴＭ0 モードのみを伝搬可能な単一モード導波路ではＳｉＯ2 の膜厚を０．１６μｍ以上とすることで、伝搬損０．１ｄＢ以下にできることが知られている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記トランスデューサ４と基板１との間の全面にバッファ層６が介在する構成であると、ＳＡＷの励振効率が著しく低下し、ＲＦパワーが増大する欠点があった。その理由としては、バッファ層６の電気絶縁性のために基板１に十分な強度の電界を供給できないこと、またバッファ層６の機械的応力によりＳＡＷの発生及び伝搬が妨げられること、等が考えられる。
【００１２】
本発明は上記従来技術の問題点に鑑み成されたもので、その目的とする所は、トランスデューサによる光吸収損を抑えると共に、ＳＡＷの励振効率を大幅に改善した音響光学デバイスを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は例えば図１の構成により解決される。即ち、本発明（１）の音響光学デバイスは、音響光学基板１上に形成された光導波路３と、前記光導波路３と交差して該光導波路に沿って弾性表面波を伝搬させるトランスデューサ４とを備え、該トランスデューサ４に加える電気信号により制御可能な弾性表面波（グレーティング）の下で前記光導波路３を伝搬する光波に各種の相互作用を生じさせる音響光学デバイスにおいて、前記トランスデューサ４の指電極４ａ，４ｂは、前記光導波路３と交差する部分ではバッファ層７を介して該光導波路３と間接的に接触し、少なくとも一部が直接基板１に接触しているものである。
【００１４】
ここで、上記グレーティングとは光波長程度の微細な周期的構造を言う。また上記光導波路を伝搬する光波に生じさせる各種の相互作用には、進行方向が平行な２波間のコリニア結合（同方向結合，逆方向結合）、入射波と異なるモードの波が発生するモード変換、ＴＥ−ＴＥモード結合、ＴＭ−ＴＭモード結合、ＴＥ−ＴＭモード結合、ＴＭ−ＴＥモード結合等、この種の音響光学構造で生じ得る様々な相互作用が含まれる。
【００１５】
本発明（１）によれば、係る音響光学デバイスにおいて、トランスデューサ４の指電極４ａ，４ｂは、光導波路３と交差する部分ではバッファ層７を介して該光導波路３と間接的に接触しているため、指電極４ａ，４ｂの金属の影響による光吸収損を十分に抑止できる。また指電極４ａ，４ｂのそれ以外の部分では音響光学基板１に直接接触しているため、トランスデューサ４の入力パワーを効率良く音響光学基板１上のＳＡＷパワーに変換できる。
【００１６】
従って、本発明（１）による低損失かつ高駆動効率の音響光学デバイスを利用することで、ＴＥ−ＴＭモード変換器、同調可能な光波長フィルタ等の様々な機能デバイスを高性能に実現できる。
好ましくは、本発明（２）においては、上記本発明（１）において、バッファ層７は、例えば図１に示す如く、トランスデューサ４の指電極４ａ，４ｂと光導波路３との全交差部に渡って帯状に連続している。
【００１７】
本発明（２）によれば、この様なバッファ層７は、構造簡単なため、製造容易である。またバッファ層７と指電極４ａ，４ｂとの間の配置精度も高い精度を要求されない。またバッファ層７の幅は導波路３の幅よりも僅かに広い程度で良いため、基板表面のＳＡＷパワーの発生、伝搬に対する機械的応力も小さい。
また好ましくは、本発明（３）においては、上記本発明（１）において、バッファ層８は、例えば図２に示す如く、トランスデューサ４の指電極４ａ，４ｂと光導波路３との各交差部の回りで画成（独立に構成）されている。
【００１８】
本発明（３）によれば、バッファ層８はトランスデューサ４の指電極４ａ，４ｂと光導波路３との各交差部の回りで画成されているため、基板表面のＳＡＷパワーの発生、伝搬に対する機械的応力は一層小さい。またこの機械的応力が小さいため、各バッファ層８の機械的疲労も少ない。
また好ましくは、本発明（４）においては、上記本発明（１）〜（３）において、バッファ層７／８は、例えば図１／図２に示す如く、入力光に対して透明性を有すると共に、その屈折率は音響光学基板１（又は導波路３）の屈折率よりも小さい。
【００１９】
従って、入力光に対する良質なバッファ層７／８となると共に、それ自体が透明であるため、導波路３からのしみだし光を減衰させることもなく、良質な上部クラッド層となる。
また好ましくは、本発明（５）においては、上記本発明（１）〜（３）において、例えば図１／図２（Ｄ）に示す如く、指電極４ａ／４ｂは、バッファ層７／８を挟んで両側で音響光学基板１に接して形成されている。
【００２０】
従って、バッファ層７／８を挟む両側基板１上で夫々に弾性表面波が効率良く励起されると共に、これらの弾性表面波は回折効果により単一の平面波（又は円弧状の波）となって音響光学基板１（即ち、光導波路３）上を伝搬する。
また好ましくは、本発明（６）においては、上記本発明（１）〜（３）において、例えば図１／図２（Ｄ）に示す如く、指電極４ａ／４ｂは、バッファ層７／８に接している部分と音響光学基板１に接している部分との長さの比が１対４以上の比率の差となるように形成されている。
【００２１】
ここで、長さの比が１対４以上の比率の差とは、例えば１対５である。これにより、ＳＡＷ導波路（即ち、光導波路３）上に良好な分布の弾性表面波を伝搬させることが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に従って本発明に好適なる複数の実施の形態を詳細に説明する。なお、全図を通して同一符号は同一又は相当部分を示すものとする。
図１は第１の実施の形態による音響光学デバイスを説明する図で、図１（Ａ）はＴＥ−ＴＭモード変換器への適用例を示し、かつバッファ層７がトランスデューサ４の指電極と光導波路３との全交差部に渡って帯状に連続している場合を示している。
【００２３】
この音響光学デバイスでは、音響光学基板１にＸカット（Ｙ伝搬）のＬｉＮｂ０3 を用い、その表面に例えば幅７μｍのＴｉ膜をパターニングしてこれを熱拡散することにより高屈折率の光導波路（チャンネル導波路）３を形成している。基板１の一例のサイズは幅１．５ｍｍ、長さ６０ｍｍ、厚さ１ｍｍ程度である。またＳＡＷパワーを基板１に閉じ込めるための幅２００μｍ、長さ３０ｍｍ（ＳＡＷとの干渉長Ｌ＝３０ｍｍに対応）の各Ｔｉ高濃度拡散領域２ａ，２ｂを、光導波路３を挟む形で、かつＳＡＷのシングルモード伝搬が可能な様に、例えば１４０μｍ離して形成してある。この時の熱拡散はＴｉ厚１５００Å、１０５０℃、３０時間で行った。これによる熱拡散の深さはＳＡＷパワーの大部分が集中するＳＡＷ周期Λ（１０〜２０μｍ）程度となっている。
【００２４】
なお、実際の製造時には長時間を要するＴｉ高濃度拡散領域２ａ，２ｂの熱拡散を先に行い、その後に光導波路３の熱拡散を行う。
各Ｔｉ高濃度拡散領域２ａ，２ｂの両端の基板１上にはＳＡＷを吸収するためのレジスト等による吸収体５ａ，５ｂが夫々設けられ、また吸収体５ａの近傍にはトランスデューサ４が設けられる。
【００２５】
図１（Ｂ）にトランスデューサ部の拡大平面図を示す。
バッファ層７は、基板１上に例えば厚さ０．５μｍ程度のＳｉＯ2 膜を形成し、これを上記幅７μｍの光導波路３を覆う様な、幅１０μｍ、かつ長さ２１０μｍの矩形形状にパターニングすることで形成されている。ＳｉＯ2 膜の屈折率は１．４４程度であり、これはＴｉ拡散光導波路３（及びＬｉＮｂＱ3 基板１）の屈折率よりも小さい。またＳｉＯ2 膜は光通信で使用する波長λ＝１．５５ｍの光に対して十分な透明性を有する。更にＳｉＯ2 の膜形成技術も確立しており、膜の性質も安定である。従って、この様なバッファ層７は光導波路３に対する良質な上部クラッド層となり得る。
【００２６】
なお、ＳｉＯ2 膜以外でも、導波光の吸収がなく、かつ基板１よりも屈折率が小さい誘電体であればこれをバッファ層７に使用できる。
トランスデューサ４は、バッファ層７及び基板１上に例えば厚さ０．１μｍ程度の金属層（Ａｌ，Ａｕ等）を蒸着し、これを図示の如く幅５μｍ、かつ電極ピッチ２１．５μｍを有するような指電極４ａ，４ｂの形状にパターニングすることで形成されている。この例の電極対数Ｎ＝１０であるが、Ｎを増すことでＳＡＷのＱが高くなる。またトランスデューサ４の開口長（即ち、指電極４ａ，４ｂの端部間の距離）をＴｉ高濃度拡散領域２ａ，２ｂで挟まれる幅と同程度の１４０μｍとなすことで、ＳＡＷ伝搬の直進性（平面波性）を確保している。
【００２７】
図１（Ｃ）にトランスデューサ部のｃ−ｃ断面図を模式的に示す。
トランスデューサの指電極４ａ，４ｂは導波路３と交差する以外の部分では基板１と直接に接触することで該基板１（ひいては光導波路３）の表面にＳＡＷを効率良く生成する。その際には、バッファ層７の幅は導波路３の幅よりも僅かに広い程度で良いため、基板表面におけるＳＡＷパワーの発生、伝搬に対する機械的応力は小さい。一方、導波路３中の導波光はバッファ層７と基板１とからなる良質な上下クラッド層の間をロス無く伝搬する。
【００２８】
ＴＥ−ＴＭモード変換の動作及びその際の位相整合条件等については上記図３の構成につき述べたものと同様で良い。本第１の実施の形態では、トランスデューサ４に加えるＲＦパワーに関しては１０ｍＷ程度、バッファ層７の光伝搬損に関しては０．１ｄＢ以下の結果が得られた。
なお、後段にＴＭ（又はＴＥ）波を抽出するためのポラライザを設けることにより、広帯域な音響光学チューナブル波長フィルタを構成できる。
【００２９】
図１（Ｄ）にトランスデューサ部のｄ−ｄ断面図を示す。
音響光学基板１内に形成された光導波路３と、該光導波路３上に形成されたバッファ層７と、基板１及びバッファ層７に接する様に構成された指電極４ａ（指電極４ｂも同様）とが示されており、ここでは指電極４ａはバッファ層７を挟み込む形で基板１上に形成されている。
【００３０】
一般に、指電極からなるＳＡＷトランスデューサで発生した弾性表面波は、指電極が十分に長い場合は平面波となり、また短い場合は円弧状に広がって伝搬する。上記いずれの場合も、図１（Ｂ）の様なＳＡＷ導波路にモードとして結合させたり、あるいは導波路上に平面的にレンズ効果等により収束させたりして用いる。
【００３１】
この場合に、指電極４ａ（指電極４ｂも同様）の途中にバッファ層７が設置された部分があると、この部分では基板１上に弾性表面波は殆ど発生せず、このため平面波、円弧状に広がる波の両者共に波面が乱れ、ＳＡＷ導波路上又は光導波路３上に夫々良好なモード状態又は分布の弾性表面波を伝搬させることが出来ない。
【００３２】
本発明者等は、指電極４ａ（指電極４ｂも同様）がバッファ層７に接している部分と音響光学基板１に接している部分との長さの比と、ＳＡＷ導波路上又は光導波路上に良好なモード状態又は分布の弾性表面波を伝搬させる条件との関係を調べた結果、上記長さの比率に１：４以上の格差がある場合には良好な結果が得られることを実験により確認した。これは、ＳＡＷの回折効果によって波面の乱れが補償されるためと考えられる。因みに、本第１の実施の形態による指電極４ａ（又は４ｂ）がバッファ層７に接している部分と音響光学基板１に接している部分との長さの比は１０μ：１４０μ＝１：１４であり、十分な比率となっている。なお、この場合に、実験結果はバッファ層７に接している部分が指電極４ａ（又は４ｂ）の長手方向の中央に近い部分に設置されている程良い結果が得られている。
【００３３】
図２は第２の実施の形態による音響光学デバイスを説明する図で、図２（Ａ）はＴＥ−ＴＭモード変換器への適用例を示し、かつバッファ層８がトランスデューサ４の指電極と光導波路３との各交差部の回りで画成されている場合を示している。
図２（Ｂ）にトランスデューサ部の拡大平面図を示す。
【００３４】
バッファ層８は、基板１上に厚さ０．５μｍ程度のＳｉＯ2 膜を形成し、これを光導波路３と各指電極４ａ，４ｂとの各交差部（７×５μｍの矩形領域）を夫々に覆う様な、幅１０μｍ、かつ長さ６μｍの各ブロック形状にパターニングすることで形成されている。
図２（Ｃ）にトランスデューサ部のｃ−ｃ断面図を模式的に示す。
【００３５】
トランスデューサの指電極４ａ，４ｂは導波路３と交差する以外の部分では基板１と直接に接触することで該基板１（光導波路３）の表面にＳＡＷを効率良く生成する。その際には、各バッファ層８は各交差部の回りで好ましくは必要最小限の面積で画成されているため、基板表面におけるＳＡＷパワーの発生、伝搬に対する機械的応力は極めて小さい。一方、光導波路３中の導波光はバッファ層８と基板１とからなる良質な上下クラッド層の間をロス無く伝搬する。
【００３６】
本第２の実施の形態においても、トランスデューサ４に加えるＲＦパワーに関しては１０ｍＷ程度、バッファ層７の光伝搬損に関しては０．１ｄＢ以下の結果が得られた。
図２（Ｄ）にトランスデューサ部のｄ−ｄ断面図を示す。
音響光学基板１内に形成された光導波路３と、該光導波路３上に形成（画成）されたバッファ層８と、基板１及びバッファ層８に接する様に構成された指電極４ａ（指電極４ｂも同様）とが示されており、ここでは指電極４ａはバッファ層８を挟み込む形で基板１上に形成されている。
【００３７】
本第２の実施の形態による指電極４ａ（又は４ｂ）がバッファ層８に接している部分と音響光学基板１に接している部分との長さの比は１０μ：１４０μ＝１：１４であり、十分な比率となっている。なお、この場合に、実験結果はバッファ層８に接している部分が指電極４ａ（又は４ｂ）の長手方向の中央に近い部分に設置されている程良い結果が得られている。
【００３８】
なお、上記各実施の形態ではＴＥ−ＴＭモード変換器への適用例を述べたが、本発明による音響光学デバイスの基本的な構造を基に、他の様々な機能デバイスを実現できることは言うまでも無い。
また、上記各実施の形態ではＴｉ高濃度拡散領域２ａ，２ｂにより囲まれたＳＡＷ導波路を備える場合を述べたが、ＳＡＷを光導波路３上に伝搬させる方法は他のレンズ等による方法でも良い。
【００３９】
また、上記本発明に好適なる複数の実施の形態を述べたが、本発明思想を逸脱しない範囲内で、各部の構成、制御、及びこれらの組合せの様々な変更が行えることは言うまでも無い。
【００４０】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、トランスデューサの指電極が、光導波路と交差する部分ではバッファ層を介して該光導波路と間接的に接触し、かつそれ以外の部分では音響光学基板に直接接触している構成により、低光損失でかつ高駆動効率の音響光学デバイスを提供でき、この基本構造を備える各種機能デバイスの進歩、性能向上に寄与する所が極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は第１の実施の形態による音響光学デバイスを説明する図である。
【図２】図２は第２の実施の形態による音響光学デバイスを説明する図である。
【図３】図３は従来技術を説明する図である。
【符号の説明】
１  音響光学基板
２ａ，２ｂ  Ｔｉの高濃度拡散領域
３  光導波路
４  トランスデューサ
４ａ，４ｂ  指電極
５ａ，５ｂ  吸収体
６〜８  バッファ層
【図１】
0003836950.tif 000003
【図２】
0003836950.tif 000004
【図３】
0003836950.tif 000005