CN101031842A - 光功能器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光功能器件。光功能器件具备：电介质基板(5)；配置在电介质基板(5)上且由具有光电效果的材质构成的铁电体薄层(10)；以及配置在该铁电体薄层(10)上的电极(3A、3B)。使铁电体薄层(10)的一部分作为光波导的芯(9)起作用，使电介质基板(5)作为光波导的金属包层起作用，光波导(9)在铁电体薄层(10)的至少深度方向D作为多模波导而构成。

Description

光功能器件
技术领域
本发明涉及光功能器件。
背景技术
伴随多媒体的发展，通讯的宽带化的需要提高，超过10Gb/s的光传输系统得以实用，并期待高速化。作为将10Gb/s以上的电信号(微波信号)调制成光的器件，使用了LN光调制器。
为了使光调制器的调制带域宽带化，发明了通过将光波导基板变薄而成为微波和光波的速度匹配的构造(日本特开2002-169133号公报)。
本申请人在特开2002-330325号中公开了在厚度30μm以下的薄光波导基板的背面侧设置厚度大致一定的粘接层来粘接保持基体的技术。
另外，本申请人还在特愿2003-136740号公报中公开了用粘接层来粘接保持基体和基板主体，并使保持基体中的热膨胀系数的最小值为基板主体中的热膨胀系数的最小值的1/5倍以上，而且使保持基体中的热膨胀系数的最大值为基板主体中的热膨胀系数的5倍以下的技术。
如特愿2002-330325号、特愿2003-136740号那样，通过将形成光波导的铁电体基板变薄，使施加给基板内的电场强度增大而使施加给光波导的实际电场变大，从而能够相应地降低驱动光功能器件时的Vπ·L。
为了使驱动光功能器件时的Vπ·L进一步减小，减小在光波导传播的光斑的直径是有效的。但是，在光波导传播的光斑的直径，通常根据向基板内扩散的钛或质子那样的不纯物的量或处理温度而大致确定，如果加强光波导的封闭来减小光斑的直径，则由于光波导多模化并产生器件特性上的问题，所以认为通过减小光斑的直径来降低驱动电压Vπ·L很困难。
发明内容
本发明的课题是，能够减小在光波导传播的光斑的直径，由此可降低光功能器件的驱动电压Vπ·L。
本发明的光功能器件具备：电介质基板；配置在该电介质基板上且由具有光电效果的材质构成的铁电体薄层；以及配置在该铁电体薄层上的电极，其特征在于，使铁电体薄层的一部分作为光波导的芯起作用，使铁电体基板作为光波导的金属包层起作用，该光波导在铁电体薄层的深度方向作为多模波导而构成，在横向作为单膜或多模波导而构成。
本发明的发明者，以各种类型的高速光调制器件的原理为基础进一步研究，完成了本发明。
例如图1(a)所示，在具有足够大的机械强度的铁电体基板1(X板)的表面区域形成光波导2，在信号电极3A和接地电极3B之间施加信号电压，对在光波导传播的光进行调制。在该类型的光调制器件中，因为基板1厚，所以施加给光波导的电场密度变低若干。另外，在如此厚的基板1内形成光波导的情况下，光波导和其周围的折射率差一般较小，因此光斑易于扩大，难以减小光斑直径。为了增强光的封闭，需要增大光波导2和其周围的折射率差。因此，需要增加向光波导2的不纯物的扩散量。这种情况下，使纵横一同多模化，光损失增大。由于这些原因，超过某种程度降低驱动电压是困难的。
在图1(b)所示的类型中，在铁电体基板5上形成电介质层(例如二氧化硅或聚合物)6，在电介质层6中，埋入由比铁电体基板5折射率高的铁电体构成的光波导7。在这种器件中，使光波导7和基板5的折射率差增大是困难的。另外，由于电介质层6的介电常数相对铁电体基板5、光波导7来说较小，所以施加给光波导7的电场强度低，驱动电压相对高。
在图1(c)所示那种类型的器件中，在电介质基板(二氧化硅或聚合物)1上形成铁电体(铌酸锂)构成的脊型光波导8，并在其两侧面形成电极3A、3B。该场合也与图1(b)的器件相同，使光波导和基板的折射率差增大是困难的。另外，施加给光波导的电场强度低，驱动电压相对高。
根据这些问题点，本发明的发明者研究了例如图2(a)所示那种方式的光功能器件。在该器件中，在电介质基板5上设有铁电体薄层10，在铁电体薄层10中设置光波导9的芯，电介质基板5作为金属包层起作用。在铁电体薄层10的表面上形成信号电极3A和接地电极3B。在该实施方式中，光波导9通过向铁电体薄层10的不纯物的内扩散而形成。
在该结构中，如果使铁电体薄层10的厚度减小，则伴随信号电压的施加而产生的信号电极3A和接地电极3B之间的基板侧的电力线较多，但因基板5的低介电常数性而集中于铁电体薄层10中，所以铁电体薄层的电场强度增强，特别是在与电极相接的表面附近电力线集中。
另一方面，由于电介质基板5的折射率相对较小，该结构理论上成为铁电体薄层10用作芯、电介质基板5用作金属包层的那种多模平面波导。在铁电体薄层10的厚度Tsub足够大的场合，平面波导的高阶(1阶)模深度方向光斑直径大致与铁电体薄层10的厚度相同，相对光波导9的基本(0阶)模的深度方向光斑直径(将Tsub＝500μm时的基模的深度方向光斑直径表示为Dyo)或光纤的传播光斑直径足够大。因此，实际使用上，对该多模性的特性的影响极小，仅基模与器件特性有关系(即，实际使用时，深度、横方向均处于单模状态)，因此器件动作时没有问题。
这里，如果铁电体薄层10的厚度减小，则平面波导的高阶(1阶)模深度方向光斑直径根据其厚度减小，达到某种厚度(Tsub约为Dyo的5倍：依赖于光波导形成条件和电介质基板的材质)时，成为光波导9的基模的深度方向光斑直径的数倍的大小。还有，厚度减小时，该高阶模深度方向光斑直径与基模的光斑直径都减小，依赖于光波导制造时的扩散条件，光波导9向铁电体薄层10的深度方向实际动作中，出现多模化现象。换言之，在向深度方向观察铁电体薄层10时，可知其被平面波导化。
作为制造光波导时的扩散条件，如果在极端光封闭效果弱(例如将Ti图形的膜厚或宽度设定得小)，则铁电体薄层10的厚度达到足够厚(例如Tsub＝500μm)的场合、并成为所谓的斜切状态，处于没有光波导的基模(没有横向的封闭)的状态。但是，与上述同样，若使铁电体薄层10的厚度减小、达到某种厚度以下(依赖于光波导形成条件和电介质基板的材质)，则产生在光波导部的横向封闭现象(在横向的基模)，体现出作为光波导的功能。并且，若使铁电体薄层10的厚度减小，则光波导的光斑直径缩小，在该场合，深度方向也多模化。
详细调查在图2(b)所示的图2(a)中的光波导中心部截面的折射率分布和光波导基模传播光的等效折射率(传播常数)的关系的结果，以上的光斑直径缩小的效果，从理论分析或实验可知与该等效折射率的降低现象相互结合产生的现象。
即，铁电体薄层10的厚度Tsub足够厚的场合，光波导的等效折射率Neff有Nfs＜Neff＜NP的关系(但是，斜切状态的场合，为铁电体基板平面波导模，为Neff＜Nfs的关系)。这里，Np、Nfs、Nds、Nair分别表示光波导的不纯物扩散中央表面部的折射率最大值、铁电体层10的非扩散部的折射率、电介质基板5的折射率、空气层的折射率。若Tsub减小，则不久Neff也开始减小，光波导的光斑直径在深度方向及横向缩小。此时，相当于上述的深度方向的多模化状态。并且，若Tsub减小，则不久处于Neff Nfs的关系，可知光波导的光斑直径在深度方向及横向明显缩小。
另外，光波导传播光的等效折射率可用例如棱镜结合法或者光波导法布里珀罗共振法(调查以光波导作为法布里珀罗共振器来构成时，共振器长度与法布里珀罗共振波长的关系)等测定。
这样，若铁电体薄层10向深度方向多模化，则光波导的深度方向和横向的光封闭效果增强，光斑直径在深度方向D以及宽度方向W双方皆缩小。尤其是若Tsub达到Dyo的2倍以下，则基模的光斑直径明显缩小，观察到在铁电体薄层表面部附近与电力线的集中效果相互作用而可大幅度减低驱动电压，从而实现本发明。
附图说明
图1(a)、图1(b)、图1(c)是模式地表示各种类型的光调制器件的主要部位的剖视图。
图2(a)是模式地表示本发明的一实施方式的光调制器件的主要部位的剖视图，图2(b)模式地表示空气层、电介质基板、铁电体薄层、光波导的各折射率的关系的图表。
图3是模式地表示本发明的其他实施方式的光功能器件的主要部位的剖视图，形成有脊部分11。
图4是模式地表示本发明的其他实施方式的光功能器件的主要部位的剖视图，在铁电体薄层10的表面形成有缓冲层12。
图5是模式地表示本发明的其他实施方式的光功能器件的主要部位的剖视图，在脊部分11的两侧形成有槽13。
图6是模式地表示本发明的其他实施方式的光功能器件的主要部位的剖视图，铁电体薄层10和电介质基板5由粘接层14粘接。
图7是模式地表示本发明的其他实施方式的光功能器件的主要部位的剖视图，使用Z板来作为铁电体薄层10。
图8是表示电极间间隙G、驱动电压以及基板厚度Tsub之间的关系的曲线图。
图9是表示电极间间隙G、驱动电压以及基板厚度Tsub之间的关系的曲线图。
图10是表示钛层的宽度和厚度、基板厚度以及宽度方向的光斑尺寸之间的关系的曲线图。
图11是表示钛层的宽度和厚度、基板厚度以及深度方向的光斑尺寸之间的关系的曲线图。
图12是表示钛层的宽度和厚度、基板厚度以及宽度方向的光斑尺寸之间的关系的曲线图。
图13是表示钛层的宽度和厚度、基板厚度以及深度方向的光斑尺寸之间的关系的曲线图。
图14是表示钛层的宽度和厚度、基板厚度Tsub以及宽度方向的光斑尺寸之间的关系的曲线图。
图15是表示钛层的宽度和厚度、基板厚度Tsub以及深度方向的光斑尺寸之间的关系的曲线图。
图16是表示脊部分的高度、脊部分的宽度以及驱动电压之间的关系的曲线图。
图17是表示脊部分的高度、脊部分的宽度以及驱动电压之间的关系的曲线图。
图18是表示脊部分的高度、脊部分的宽度以及驱动电压之间的关系的曲线图。
图19是表示基板厚度Tsub、电极间间隙G以及驱动电压之间的关系的曲线图。
具体实施方式
在优选的实施方式中，光波导在铁电体薄层10的宽度方向W满足单模条件。在宽度方向处于多模状态时，因光纤模径(10μm以下)的影响，输出光的消光比劣化，出现了例如趋于20db以下的倾向。因此，铁电体层的宽度方向最好单模化。这可通过调整铁电体薄层的厚度和光波导生成时的扩散条件(封闭光的强度)来实现。
光在铁电体薄层的深度方向、宽度方向是为多模还是单模，例如，可通过单模光纤激励，使光纤相对光波导的芯一边进行对位调整一边使光传播，并通过观察其强度分布来决定。
在优选实施例中，光波导通过不纯物的扩散而形成。该扩散的不纯物只要是能使铁电体的折射率发生变化的物质就没有特别限定，但是优选通过所谓内扩散法或离子交换法形成的光波导，例如可以是钛扩散光波导、质子交换光波导。
图2(a)的光功能器件具备电介质基板5以及铁电体薄层10。在本例中，铁电体薄层10的厚度大致一定。在铁电体薄层的表面形成有规定的电极3A、3B。在本例中，虽然采用所谓共面型(Coplanar waveguide：CPW电极)的电极配置，但是电极的配置方式没有特别限定。例如也可以是ACPS类型。另外，在本例中，在相邻的电极3A、3B之间形成光波导9，相对光波导9沿大致水平方向施加信号电压。该光波导构成平面观察的话为所谓马赫增德型的光波导，但该平面的图形本身是众所周知的，所以省略。可在铁电体薄层10和电介质基板5之间设置粘接层。
另外，光波导可以是脊型光波导。该光波导既可以是直接形成于铁电体薄层的表面上的脊型光波导，也可以是通过其他层形成于铁电体薄层的表面上的脊型光波导。
脊型光波导可通过激光加工、机械加工形成。或者，在铁电体薄层10上形成高折射率膜，通过对该高折射率膜进行机械加工或激光磨损加工，能够形成脊型的三维光波导。高折射率膜例如能够通过化学的气相生长法、物理的气相生长法、有机金属化学的气相生长法、溅射法、液相外延法形成。
图3是表示与该例有关的光功能器件的图。在电介质基板5上设置铁电体薄层10，在铁电体薄层10的表面上形成信号电极3A以及接地电极3B。在电极3A和3B之间，铁电体薄层10的一部分突出并形成脊部11。在本例中，在脊部11内还设有光波导(芯)9。即使在这种方式的光功能器件中，通过适当调整光波导形成时的扩散条件以及铁电体薄层10的厚度或脊部分的高度Hr，在光波导9的深度方向D观察时为多模状态，在宽度方向观察时为单模状态。这样，在脊部分11内形成芯9的情况下，能够减小在光波导传播的光斑的宽度方向尺寸，有效地降低驱动电压。
在优选实施方式中，将脊部分的高度设定为Hr、将铁电体薄层的厚度设定为Tsub时，满足以下的关系。
Hr/Tsub 3/4(特别好是2/3)
这样，通过将脊部分的高度限制在比铁电体薄层的厚度小，在光波导传播的光斑易于向深度方向多模化，从而易于减小光斑尺寸。
另外，在优选实施方式中，将电极的间隙设定为G、将铁电体薄层的厚度设定为Tsub时，满足以下的关系。
G/Tsub 2(特别好是1以下)
另外，在优选实施方式中，电极的间隙G在30μm以下。G在25μm以下更好。
通过这样减小间隙G，增大施加给在光波导传播的光的电场强度，从而能够降低光功能器件的驱动电压。
还有，铁电体薄层的厚度一般在100μm以下，理想的是在50μm以下，更理想的是在40μm以下，最理想的是在25μm以下。另外，在使光波导的形状为脊型结构的场合，铁电体薄层的厚度在8μm以下特别理想，在6μm以下更理想。通过这样减小铁电体薄层的厚度，虽然根据光波导形成时的扩散条件或扩散种类，但向深度方向D观察时多模化变的容易。
特别是，在优选实施方式中，在由与铁电体薄层相同的材料构成、厚度500μm的铁电体基板上形成光波导时，在使光波导传播的光斑的直径为Dyo时，满足以下关系。
Tsub/Dyo 5(特别好是2以下)
即，在使铁电体薄层的厚度充分大到500μm时的光斑的直径为Dyo时，在铁电体薄层的厚度Tsub还没有大时保持单模条件。但是，在Tsub减小时，向深度方D观察时光变成多模化，光斑减小。
另外，特别是在光向光波导的封闭较弱的场合，在成为Tsub/Dyo 1的情况下，易于发现该作用效果。
另外，Dyo为与铁电体薄层相同材质构成的厚度500μm的基板中的光波导的光斑尺寸。这是在由与测定对象的铁电体薄层相同材质构成的厚度500μm的基板上，以与测定对象的光波导相同的制造条件形成光波导时的光斑尺寸。一般说来，在厚度500μm的基板上形成光波导后，首先测定它的光斑尺寸，并使其为Dyo。其次，从与光波导相反一侧加工而使基板变薄，从而能够形成铁电体薄层。
铁电体薄层的材料由铁电性的光电材料、最好是单晶构成。这种晶体只要可以进行光调制就没有特别限定，可例举出：铌酸锂、钽酸锂、铌酸锂-钽酸锂固溶体、铌酸锂钾、KTP、GaAs以及水晶等。铌酸锂单晶、钽酸锂单晶、铌酸锂-钽酸锂固溶体单晶特别好。
电极只要是低电阻、阻抗特性优良的材料就没有特别限定，可由金、银、铜等材料构成。
电极设在铁电体薄层的表面侧，既可以直接形成于铁电体薄层的表面，也可以借助于低介电常数层或缓冲层来形成。低介电常数层或缓冲层可以使用氧化硅、氟化镁、氮化硅以及氧化铝等公知的材料。这里所说的低介电常数层是指，由具有比构成铁电体薄层的材质的介电常数低的介电常数的材料构成的层，根据满足光和微波的速度匹配条件的观点，介电常数低的材料较理想。
例如，在图4所示的光功能器件中，铁电体薄层10的表面被缓冲层12覆盖，并在缓冲层12上形成电极3A、3B。
另外，也可以在铁电体薄层10上形成槽。例如，在图5所示的光功能器件中，在脊部分11的两侧形成细长的槽13。并且，在本例中，槽13的深度与脊部分的高度Hr一致。通过如此地在铁电体薄层10内设置槽，在形成脊部分的全部或一部分的情况下，与没有设置槽的情况相比，易于使传播光多模化。
另外，如图6所示，通过粘接层14可将铁电体薄层10粘接在电介质基板5上。粘接剂的具体例没有特别限定，可例举出：环氧系粘接剂、热硬化型粘接剂、紫外线硬化性粘接剂、有与铌酸锂等具有光电效果的材料比较接近的热膨胀系数的アロン陶瓷C(商品名、东亚合成社制)(热膨胀系数13×10-16/K)。
还有，作为粘接用玻璃，最好是低介电常数、粘接温度(作业温度)约为600℃以下。另外，最好是在加工时得到足够的粘接强度。具体地说，最好是使氧化硅、氧化铅、氧化铝、氧化镁、氧化钙、氧化硼等的组成多种组合的所谓玻璃焊药。
再有，可通过粘接剂的薄片接合铁电体薄层10和电介质基板5之间。最好是，使由热硬化性、光硬化性或光增粘性的树脂粘接剂构成的薄片介于基板主体4的里面和保持基板之间并使薄片硬化。作为这种薄片，300μm以下的薄膜树脂为宜。
在铁电体薄层中，特别好是晶体的极化轴与基板的一个主面(表面)大致平行。在这种情况下，最好是由铌酸锂单晶、钽酸锂单晶、铌酸锂-钽酸锂固溶体单晶构成的X板或Y板。图1-6中示出了将本发明应用于X板或Y板的例子。
另外，在其他优选实施方式中，构成铁电体薄层的晶体极化轴与基板的一个主面(表面)大致垂直。在这种情况下，最好是由铌酸锂单晶、钽酸锂单晶、铌酸锂-钽酸锂固溶体单晶构成的Z板。在这种情况下，例如图7所示，在电极之下形成光波导19。另外，在使用了Z板的情况下，光波导必须设在电极的正下方，为了降低光的传播损失，最好在基板的表面和电极之间设置缓冲层18。
电介质基板5的材质没有特别限定，有石英玻璃等玻璃或聚合物。在优选实施方式中，使铁电体薄层10中的热膨胀系数的最小值为电介质基板5中的热膨胀系数的最小值的1/5倍以上，而且使铁电体薄层10中的热膨胀系数的最大值为电介质基板5中的热膨胀系数的5倍以下。
这里，在分别构成铁电体薄层10、电介质基板5的各光电材料中热膨胀系数没有各向异性的情况下，铁电体薄层10、电介质基板5中的最小热膨胀系数和最大热膨胀系数一致。在构成铁电体薄层10、电介质基板5的各光电材料中热膨胀系数有各向异性的情况下，存在热膨胀系数在每个轴发生变化的情况。例如，构成铁电体薄层10的各光电材料为铌酸锂的场合，X轴方向、Y轴方向的热膨胀系数为16×10-6/℃，此为最大值。Z轴方向的热膨胀系数为5×10-6/℃，此为最小值。因此，电介质基板5的热膨胀系数的最小值为1×10-6/℃以上，铁电体薄层10的热膨胀系数的最大值为80×10-6/℃以下。另外，例如石英玻璃的热膨胀系数为0.5×10-6/℃，例如不满1×10-6/℃。
根据这种观点，使电介质基板5的热膨胀系数的最小值为铁电体薄层10中的热膨胀系数的最小值的1/2倍以上更好。而且，使电介质基板5的热膨胀系数的最大值为铁电体薄层10中的热膨胀系数的最大值的2倍以下更好。
电介质基板5的具体材质只要满足上述的条件就没有特别限定，可例举出铌酸锂、钽酸锂、铌酸锂-钽酸锂固溶体、铌酸锂钾等。该场合，根据热膨胀系数的观点，理想的是铁电体薄层和电介质基板为同种材质，更理想的是铌酸锂单晶。
光功能器件的功能没有特别限定，但理想的是光调制器。作为光调制器以外的功能，可应用于光开关、偏振转环、电场或磁场传感器等利用了铁电体的光电效果的所有光功能器件。
下面说明实施例。
(试验1)
制造图2(a)所示的光调制器1。具体地说，使用X斜切的3英寸晶片(LiNbO3单晶)构成的基板，利用钛扩散方法和光刻法，在晶片的表面形成马赫增德型的光波导3。扩散时的钛层的厚度Tti为0.08μm、宽度Wti为7μm，使光封闭比原有例处于较弱状态。另外，钛扩散时的温度为1050℃。
其次，利用电镀工序形成CPW电极。使信号电极3B和接地电极3A的间隙G为40、30、25、20、15、10、5、2μm，使电极长度为35mm。接着，为了进行薄型研磨而将研磨样品粘贴在研磨平台上，在其上用热可塑性树脂粘贴调制器基板，并使电极面向下。然后用横型研磨以及抛光(CMP)，对铁电体薄层10进行薄型加工直到成为图8所示的各种厚度(2-15μm)。之后将平板状的电介质基板5粘接固定在铁电体薄层10上，对光纤的连接部进行端面研磨并通过刻模切断成芯片。粘接固定用的树脂使用了树脂厚度50μm的环氧树脂薄膜。芯片的宽度以及包含加强基板在内的总厚度分别为4.4mm和1mm。将在输入侧保持1.55μm频段光纤的单芯光纤阵列与行波形光调制器芯片耦合，将在输出侧保持单模光纤的单芯光纤阵列与行波形光调制器芯片耦合，并对光纤和光波导进行调芯，然后用紫外线硬化型树脂粘接。
另外，制作了图1(a)-(c)所示的各种光调制器。但是铁电体基板的材质或钛的扩散方法与上述同样。铁电体基板1、5的厚度为500μm。这里，在铁电体基板的非扩散部的折射率是Nfs＝2.137。
对于各调制器件，在图8中示出了电极间间隙G和驱动电压Vπ·L的关系。这里，在图1(c)以及基板厚度Tsub为15μm以下的器件中，在样品制作中途的基板厚度为500μm时，传播光的深度方向的光斑直径Dyo约为4μm、光波导的等效折射率Neff＝2.143-2.141(在铁电体薄层的非扩散部的折射率Nfs＝2.137)。在图1(a)、图1(b)、图1(c)的器件中，深度方向D以及宽度方向W的任一个中，传播光都是单模。与此相对，在基板厚度Tsub为20μm以下的例子中，传播光在深度方向D以及宽度方向W多模化。其结果判断出，利用光斑尺寸的缩小效果，驱动电压全面降低的同时，在Tsub为8μm以下的例子中，等效折射率Neff达到Neff＝2.140以下，相对G的减少驱动电压反应灵敏，从而大幅度降低。
在Tsub为5μm以下的例子中，等效折射率Neff达到Neff＝2.137以下，驱动电压进一步大幅度降低。
(试验2)
与试验1同样，按照图9的各例所示的条件制作了图2(a)的光调制器件。但是，钛扩散时的钛层的厚度Tti为0.06μm、宽度Wti为5μm。铁电体薄层的厚度Tsub，除了500μm以外，以15-2μm进行了变更。将电极间间隙G和驱动电压Vπ·L的关系表示在图9中。在本例中，钛扩散时的钛量比试验1的例子要少，因此，光的封闭相对较弱。
在基板厚度500μm的场合，传播光的深度方向的光斑直径Dyo约为100μm，光波导的等效折射率Neff为Neff＝2.1371，比在铁电体层的非扩散部的折射率Nfs＝2.137略大一点，在深度方向D、宽度方向W，传播光均为单模。与此相对，在基板厚度Tsub为15μm以下的例子中，Neff＝2.137或其以下(Tsub为6μm时，Neff＝2.135)，在深度方向D，传播光为多模化，在宽度方向W，传播光为单模化。其结果判断出，利用光斑尺寸的缩小效果，驱动电压全面降低的同时，相对G的减少驱动电压反应灵敏，从而大幅度降低。
(试验3)
与试验1同样，按照图10的各例所示的条件制作了图2(a)的光调制器件。但是，钛扩散时的钛层的厚度Tti以及宽度Wti如图10所示那样进行了变更。将在宽度方向W观察到的光斑尺寸和基板厚度Tsub的关系表示在图11中。
在Tti＝0.08μm、Wti＝7μm的场合，Tsub＝500μm时的Dyo为4μm，Neff＝2.141，Tsub为20μm以上时光斑直径尺寸几乎没有变化，但是在10μm以下、Neff＝2.141以下、在Tsub＝4μm以下、Neff＝2.137以下，光斑直径尺寸在深度方向特别明显地减少。在Tti＝0.06μm、Wti＝5μm的场合(Tsub＝500μm时Neff＝2.1371、Dyo＝100μm)，在宽度方向W全部为单模，在深度方向D，Tsub＝200μm以下、Neff＝2.137以下时为多模。但是，Tsub＝100μm以上时，横及深度方向的光斑直径变大，实用性降低。
在Tti＝0.05μm、Wti＝4μm的场合(Dyo＝约500μm：没有在横方向W的封闭的斜切状态)，Tsub为100μm以下、Neff＝2.136以下时光斑尺寸大幅度减小。但是，在Tsub100μm以上时，由于处于没有在横方向W的封闭的斜切状态，所以作为器件实际上没有起作用。
(试验4)
与试验1同样，按照图12的各例所示的条件制作了图2(a)的光调制器件。但是，钛扩散时的钛层的厚度Tti以及宽度Wti如图12所示那样进行了变更。将在宽度方向W观察到的光斑尺寸和基板厚度Tsub的关系表示在图12中，并将在深度方向D观察到的光斑尺寸和基板厚度Tsub的关系表示在图13中。
在Tti＝0.08μm、Wti＝3μm的场合，Dyo＝约500μm(斜切状态)。该场合，Tsub＝50μm以上时处于斜切状态，作为器件实际上没有起作用。Tsub＝40μm以下时、表现出在横方向W的封闭效果，此时的等效折射率Neff为Neff＝2.137以下且在宽度方向W全部为多模，在深度方向D，Tusb为500μm以下且为多膜。在Tti＝0.08μm、Wti＝5μm的场合(Tsub＝500μm时、Neff＝2.138、Dyo＝9μm)，在宽度方向W，Tsub＝12μm以下、Neff＝2.138以下时为多模化，在深度方向D，Tsub＝40μm以下为多模。Tti＝0.8μm、Wti＝7μm的场合(Tsub＝500μm时、Neff＝2.141、Dyo＝4μm)，在宽度方向W，Tsub＝20μm以下、Neff＝2.14以下时为多模化，在深度方向D，Tsub＝20μm以下且被多模化。
(试验5)
与试验1同样，按照图14的各例所示的条件制作了图2(a)的光调制器件。但是，钛扩散时的钛层的厚度Tti以及宽度Wti如图14所示那样进行了变更。将在宽度方向W观察到的光斑尺寸和基板厚度Tsub的关系表示在图14中，并将在深度方向D观察到的光斑尺寸和基板厚度Tsub的关系表示在图15中。
在Tti＝0.06μm、Wti＝3μm的场合，(Dyo＝500μm(斜切状态))，Tsub＝50μm以上时处于斜切状态，作为器件实际上没有起作用。Tsub为40μm以下、Neff＝2.137以下，在宽度方向W全部为多模，在深度方向D，Tusb为500μm以下且为多膜。在Tti＝0.06μm、Wti＝6μm的场合(Tsub＝500μm时、Neff＝2.1373、Dyo＝25μm)，在宽度方向W全部为单模，在深度方向D，Tsub为100μm以下、Neff＝2.137以下时被多模化，光斑尺寸大幅度减小。在Tti＝0.06μm、Wti＝7μm的场合(Tsub＝500μm时、Neff＝2.137、Dyo＝9μm)，在宽度方向W，Tsub＝12μm以下、Neff＝2.138以下时被多模化，在深度方向D，Tsub＝40μm以下且被多模化。
(试验6)
与试验1同样，按照图16的各例所示的条件制作了图3的光调制器件。但是，钛扩散时的钛层的厚度Tti为0.06μm、宽度Wti为5μm，铁电体薄层10的厚度Tsub为6μm，电极间隙宽度G为20μm(G/Tsub＝10/3)。脊部分11通过机械加工法和激光磨损法而形成。将脊宽度Wr和驱动电压Vπ·L的关系表示在图16中。另外，确认了图中的器件任何一个在深度方向D都被多模化。
如从图16所知那样，通过采用脊形状虽然表现出了驱动电压降低的效果，但是，如果脊高度Hr增大，则驱动电压表现出增大的倾向。
(试验7)
与试验6同样，按照图17的各例所示的条件制作了图3的光调制器件。
但是，钛扩散时的钛层的厚度Tti为0.06μm、宽度Wti为5μm，铁电体薄层10的厚度Tsub为6μm，电极间隙宽度G为10μm(G/Tsub＝5/3)。将脊宽度Wr和驱动电压Vπ·L的关系表示在图17中。图中的器件任何一个在深度方向D都被多模化。
如从图17所知那样，脊高度Hr为4.5μm以下，驱动电压有降低的倾向，Hr为1.5μm时最低。
(试验8)
与试验6同样，按照图18的各例所示的条件制作了图3的光调制器件。但是，钛扩散时的钛层的厚度Tti为0.06μm、宽度Wti为5μm，铁电体薄层10的厚度Tsub为6μm，电极间隙宽度G为5μm(G/Tsub＝5/6)。将脊宽度Wr和驱动电压Vπ·L的关系表示在图18中。图中的器件任何一个在深度方向D都被多模化。
如从图18所知那样，与电极间隙宽度G＝20、10μm(图16、17)的场合相比较，特别是，脊高度Hr为4.5μm以下时，全都表现出明显的驱动电压降低的效果，特别是Hr为4.5或3μm时表现出最低的倾向。
(试验9)
与试验6同样，按照图19的各例所示的条件制作了图3的光调制器件。但是，钛扩散时的钛层的厚度Tti为0.06μm、宽度Wti为5μm，脊宽度Wr为8、6、4、1.6μm，脊高度Hr为1、2、3、3.5、4.5、6μm，变更了铁电体薄层10的厚度Tsub、电极间隙宽度G。将电极间隙G和驱动电压Vπ·L的关系表示在图19中。该场合，确认了图中的器件任何一个在深度方向D都被多模化。
如从图19所知那样，如果做成脊形状并使基板厚度Tsub减小到6μm，成为Hr/Tsub 3/4、G/Tsub 2的结构，则驱动电压几乎与G成比例减小，驱动电压明显下降。特别是在电极间隙G＝10μm以下的区域该倾向明显。

Claims (12)

1.一种光功能器件，具备：电介质基板；配置在该电介质基板上且由具有光电效果的材质构成的铁电体薄层；以及配置在该铁电体薄层上的电极，其特征在于，
使所述铁电体薄层的一部分作为光波导的芯起作用，使所述电介质基板作为光波导的金属包层起作用，该光波导在所述铁电体薄层的深度方向作为多模波导而构成，在横向作为单模或多模波导而构成。
2.根据权利要求1所述的光功能器件，其特征在于：，
所述光波导由不纯物的扩散而形成。
3.根据权利要求1或2所述的光功能器件，其特征在于，
在所述铁电体薄层上形成脊部分，并使该脊部分的一部分作为所述光波导的芯起作用。
4.根据权利要求1至3任一项所述的光功能器件，其特征在于，
在将所述脊部分的高度设为Hr、将所述铁电体薄层的厚度设为Tsub时，满足以下关系：Hr/Tsub 3/4。
5.根据权利要求1至4任一项所述的光功能器件，其特征在于，
在将所述电极的间隙设为G、将所述铁电体薄层的厚度设为Tsub时，满足以下关系：G/Tsub 2。
6.根据权利要求1至5任一项所述的光功能器件，其特征在于，
所述铁电体薄层的厚度为40μm以下。
7.根据权利要求1至6任一项所述的光功能器件，其特征在于，
在将所述铁电体薄层的厚度设为Tsub、并在由与所述铁电体薄层相同材料构成、厚度500μm的铁电体基板上形成所述光波导时，将在所述光波导中传播的光斑直径设为Dyo时，满足以下关系：Tsub/Dyo 5。
8.根据权利要求1至7任一项所述的光功能器件，其特征在于，
所述电极的间隙G为30μm以下。
9.根据权利要求1至8任一项所述的光功能器件，其特征在于，
所述光波导在所述铁电体薄层的宽度方向满足单模条件。
10.根据权利要求1至9任一项所述的光功能器件，其特征在于，
具备设置在所述电介质基板和所述铁电体薄层之间的粘接层。
11.根据权利要求1至10任一项所述的光功能器件，其特征在于，
使所述电介质基板中的热膨胀系数的最小值为所述铁电体薄层中的热膨胀系数的最小值的1/5倍以上，而且使所述电介质基板中的热膨胀系数的最大值为所述铁电体薄层中的热膨胀系数的最大值的5倍以下。
12.根据权利要求11所述的光功能器件，其特征在于，
所述电介质基板和所述铁电体薄层为相同材质。
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