CN105829957A - 电光元件 - Google Patents

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市川润郎
市川润一郎
及川哲
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细川洋一
前田大辅
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Kyushu University NUC
Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Nissan Chemical Corp
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Abstract

本发明提供一种电光元件，其通过由无机化合物构成的芯层、由以夹住该芯层的方式层叠的电介质材料构成的第1包层及第2包层来构成光波导，以夹住所述芯层、所述第1包层及所述第2包层的方式形成第1电极层及第2电极层而成，其中，所述第1包层及所述第2包层中的至少一层含有具有电光效应的有机电介质材料，所述第1包层及所述第2包层的折射率低于所述芯层的折射率。

Description

电光元件
技术领域
本发明涉及一种电光元件，更详细而言，涉及一种适合用于使用光纤的长距离光通信的电光元件。
本申请主张基于2013年12月11日于日本申请的日本专利2013-256545号的优选权，并将其内容援用于此。
背景技术
近年来，随着高速且大容量的光纤通信系统的进步，以外部调制器为代表，使用波导型光学元件的光调制器已实现实用化并逐渐被广泛使用。
作为这种光调制器，提出使用具有电光效应的铌酸锂(LiNbO3，有时简称为LN)及钽酸锂(LiTaO3)等非线性光学金属氧化物的光调制器，并走向实用化(专利文献1)。并且，还提出使用非线性光学活性聚合物的光调制器(专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开2000-056282号公报
专利文献2：日本专利公开2009-98195号公报
非专利文献
非专利文献1：山本等的使用低电阻率聚合物包层的电光聚合物波导的评价，第59回应用物理学相关联合演讲会，演讲预稿集18a-GP4-12012年
发明内容
发明要解决的技术课题
然而，以往使用铌酸锂(LiNbO3)等非线性光学金属氧化物的光调制器中，虽然能够进行高速调制，但非线性光学金属氧化物的电光系数较小，而且折射率分散、介电常数分散较大，因此存在频率超过10GHz的高频区域不能进行高速调制的问题。
并且，由于该非线性光学金属氧化物为单晶，因此存在难以实现光调制器的薄膜化、集成化及微细化的问题。
另一方面，使用非线性光学活性聚合物的光波导元件其折射率分散、介电常数分散较小而高频区域的调制动作比较容易。以往，使用非线性光学活性聚合物的光波导元件中，在光电场强度高的光波导芯部分使用了非线性光学活性聚合物。若要作为光波导发挥功能，则作为包层部分的材料必须选择折射率小于芯部分材料的材料，而且需要选择光的吸收或散射小的材料。并且，对于该构成，若要使非线性光学活性聚合物有效地显现电光效应，则需要选择包层部分的电阻值更小的材料(非专利文献1)。因此，由于具有高性能的非线性光学活性聚合物的电阻率较低，因此包层材料的种类极为有限。虽然也使用通过添加杂质来能够调整电阻值的溶胶凝胶类材料等，但存在由溶胶凝胶材料膜的形成所必要的热处理导致非线性光学活性聚合物的劣化及难以获得膜的光学特性或电特性的再现性的问题。
本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供一种即使在频率超过10GHz的高频区域也能够进行高速调制，而且能够实现集成化、微细化及低功耗化的电光元件。
用于解决技术课题的手段
本发明人等，为了解决上述课题进行深入研究的结果发现如下情况，即针对通过由无机化合物构成的芯层、由以夹住该芯层的方式层叠的电介质材料构成的第1包层及第2包层来构成光波导，并且以夹住所述芯层、所述第1包层及所述第2包层的方式形成第1电极层及第2电极层而成的电光元件，若将第1包层及第2包层中的至少一层设定为含有具有电光效应的有机电介质材料的层，并且使该第1包层及第2包层的折射率低于芯层的折射率，则该包层中包含的有机电介质材料的电光系数较大且折射率分散及介电常数分散较小，因此即使在频率超过10GHz的高频区域也能够进行高速调制，从而完成了本发明。
即，本发明的电光元件，其通过由无机化合物构成的芯层、由以夹住该芯层的方式层叠的电介质材料构成的第1包层及第2包层来构成光波导，并且以夹住所述芯层、所述第1包层及所述第2包层的方式形成第1电极层及第2电极层而成，其中，所述第1包层及所述第2包层中的至少一层含有具有电光效应的有机电介质材料，所述第1包层及所述第2包层的折射率低于所述芯层的折射率。
所述第1包层及所述第2包层的膜厚优选厚于所述芯层的膜厚。
所述无机化合物优选含有选自氧化钛、氮化硅、氧化铌、氧化钽、氧化铪、氧化铝、硅、金刚石、铌酸锂、钽酸锂、铌酸钾、钛酸钡、KTN、STO、BTO、SBN、KTP、PLZT及PZT的组中的1种或2种以上。
所述第1电极层及所述第2电极层优选含有选自金、银、铜、铂、钌、铑、钯、锇、铱及铝的组中的1种或2种以上。
所述有机电介质材料优选为非线性光学有机化合物。
优选所述第1电极层及所述第2电极层中的一层为带状，并且通过对这些第1电极层及第2电极层之间施加电压，以微带型电极或堆叠对型电极对所述光波导施加电场，以控制在所述光波导中传播的光的相位及模式形状中的任一方或双方。而且设置屏蔽状的第3电极，并可作为带状线路(Stripline)状，也可作为屏蔽微带线路(ShieldmicrStripline)状或屏蔽状堆叠对线路(ShieldStackedPairline)状。
优选所述第1电极层及所述第2电极层中的任一层为共面状，并且通过对这些第1电极层及第2电极层之间施加电压，以G-CPW型电极对所述光波导施加电场，以控制在所述光波导中传播的光的相位及模式形状中的任一方或双方。
发明效果
根据本发明的电光元件，由于将第1包层及第2包层中的至少一层设定为含有具有电光效应的有机电介质材料，并且使这些第1包层及第2包层的折射率低于芯层的折射率，因此该包层中包含的有机电介质材料的电光系数减小且折射率分散、介电常数分散也增大，从而即使在频率超过10GHz的高频区域也能够进行高速调制。
并且，由于第1包层及第2包层中的至少一层含有具有电光效应的有机电介质材料，因此该有机电介质材料能够适应于进一步的集成化及微细化，因此，能够谋求电光元件的集成化、微细化及低功耗化。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式的电光元件的俯视图。
图2是沿图1的A-A线的剖视图。
图3是表示本发明的第1实施方式的电光元件的光波导结构(作用部)的变形例的剖视图。
图4是表示本发明的第1实施方式的电光元件的光波导结构(作用部)的变形例的剖视图。
图5是表示本发明的第2实施方式的电光元件的结构的剖视图。
图6是表示本发明的第2实施方式的电光元件的电极结构的变形例的剖视图。
图7是表示本发明的第2实施方式的电光元件的光波导结构(作用部)的变形例的剖视图。
图8是表示本发明的第2实施方式的电光元件的电极结构的变形例的剖视图。
图9是表示本发明的第2实施方式的电光元件的光波导结构(作用部)的变形例的剖视图。
图10是表示本发明的第3实施方式的电光元件的平行平板电极型的例子的剖视图。
具体实施方式
根据附图对本发明的电光元件的实施方式进行说明。
另外，该方式是为了更好地理解发明精神而进行的具体说明，若无特别指定，则并不限定本发明。例如，从改善材料之间的紧贴性或防止材料之间的反应/变质等制造工序上的理由方面考虑，可在芯与包层之间或包层与电极材料之间夹入薄的膜体。并且各层可由薄的膜体构成的复合材料构成。
[第1实施方式]
图1是表示本发明的第1实施方式的电光元件的俯视图，图2是沿图1的A-A线的剖视图，使用具备微带型电极的MMl-MZ光开关(以下，简称为光开关)说明第1实施方式的电光元件。
该光开关1为由具备微带型电极的薄膜构成的光开关，由入射侧的光波导(入射侧)2；与该光波导(入射侧)2的出射端光连接的光分路部3；与该光分路部3的出射端光连接的一对光波导(作用部)4、5；分别在这些光波导(作用部)4、5上独立设置的电极6、7；与这些光波导(作用部)4、5的出射端光连接的光分路合波部8；及与该光分路合波部8的出射侧光连接的一对光输出用光波导(出射侧)9、10构成。
如图2所示，第1实施方式的电光元件，通过由无机化合物构成的芯层11、由以夹住该芯层11的方式层叠的电介质材料构成的(第1)包层12及(第2)包层13来构成光波导结构部14，并且以夹住这些芯层11、包层12及包层13的方式形成微带线路的(第1)电极层15及由平面电极构成的(第2)电极层16。
芯层11为通过朝向电极层15的方向带状扩大光波导区域11a的膜厚而使其厚于光波导区域11a以外的区域即非光波导区域11b的膜厚的薄膜。芯层11含有无机化合物例如选自氧化钛(TiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化铌(Nb2O5)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铪(HfO2)、氧化铝(Al2O3)、硅(Si)、金刚石(C)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、铌酸钾(KNbO3)、钛酸钡(BaTiO3)、KTN(K(TaxNb1-x)O3)、钛酸锶(SrTiO3：STO)、钛酸铋(Bi12TiO20：BTO)、SBN(SrxBa1-xNb2O3)、KTP(KTiOPO4)、PLZT(Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x/4O3)及PZT(Pb(ZrxTi1-x)1-x/4O3)的组中的1种或2种以上。
这些无机化合物中，考虑到电光系数及折射率分散、介电常数分散，优选氧化钛(TiO2)、五氧化铌(Ta2O5)及五氧化钽(Ta2O5)等或将它们作为固溶材料来包含的材料。并且，当芯层11的材料中使用铌酸锂(LiNbO3)及钽酸锂(LiTaO3)等具有电光效应的材料时，使芯部分材料的电光效应与包层部分材料的电光效应协作而能够进一步提高元件的效率或功能。
包层12、13为从膜厚方向的两侧夹住芯层11的薄膜，这些包层12、13中的至少一层含有具有电光效应的有机电介质材料。
另外，为了更有效地显现电光效应，优选包层12、13均含有具有电光效应的有机电介质材料。
作为具有该电光效应的有机电介质材料优选为非线性光学有机化合物，作为该非线性光学有机化合物优选下面举出的非线性光学有机化合物(1)及(2)。
非线性光学有机化合物(1)：
以下述化学式(1)来表示的含有呋喃环基的有机化合物。
[化学式1]
(式中，R1及R2为相互独立的基团且各基团为氢原子、碳原子数1～5的烷基、碳原子数1～5的卤烷基及碳原子数6～10的芳基中的任一种，X为与其他有机化合物的连接键。)
作为由式(1)表示的含有呋喃环基的有机化合物，可举出以下述的化学式(2)来表示的非线性光学有机化合物。
[化学式2]
(式中，R3及R4相互独立且为氢原子、可具有取代基的碳原子数1～10的烷基及可具有取代基的碳原子数6～10的芳基中的任一种，R5～R8相互独立且为氢原子、碳原子数1～10的烷基或羟基、碳原子数1～10的烷氧基、碳原子数2～11的烷基羰氧基、碳原子数4～10的芳氧基、碳原子数5～11的芳基羰氧基、具有碳原子数1～6的烷基及苯基的甲硅烷氧基、具有碳原子数1～6的烷基或苯基的甲硅烷氧基及卤原子中的任一种，Ar1为二价芳香族基。)
在此，作为二价芳香族基Ar1，优选以下述的化学式(3)或(4)来表示的二价芳香族基。
[化学式3]
[化学式4]
(式(3)或式(4)中，R9～R14相互独立且为氢原子、可具有取代基的碳原子数1～10的烷基及可具有取代基的碳原子数6～10的芳基中的任一种。
非线性光学有机化合物(2)：
包含以下述的化学式(5)来表示的重复单元的非线性光学活性聚合物。
[化学式5]
(式中，R15为氢原子或甲基，L为碳原子数1～30的二价烃基，Z为显现非线性光学活性的原子团。)
该二价烃基可含有醚基、酯基及酰胺基等。
作为显现该非线性光学活性的原子团Z，可举出以下述的化学式(6)来表示的具有呋喃环基的原子团。
[化学式6]
(式中，R16及R17相互独立且为氢原子、碳原子数1～5的烷基、碳原子数1～5的卤烷基及碳原子数6～10的芳基中的任一种，Y为连接键)
并且，作为显现该非线性光学活性的原子团Z，可举出从以下述的化学式(7)来表示的有机化合物衍生的原子团。
[化学式7]
(式中，R18及R19相互独立且为氢原子、可具有取代基的碳原子数1～10的烷基及可具有取代基的碳原子数6～10的芳基中的任一种，R20～R23相互独立且为氢原子、碳原子数1～10的烷基、羟基、碳原子数1～10的烷氧基、碳原子数2～11的烷基羰氧基、碳原子数4～10的芳氧基、碳原子数5～11的芳基羰氧基、具有碳原子数1～6的烷基及苯基的甲硅烷氧基、具有碳原子数1～6的烷基或苯基的甲硅烷氧基及卤原子中的任一种，Ar2为二价芳香族基。)
作为上述取代基可以是可与异氰酸酯基反应的基团。
在此，作为二价芳香族基Ar2优选以下述的化学式(8)或(9)来表示的二价芳香族基。
[化学式8]
[化学式9]
(式(8)或式(9)中，R24～R29相互独立且为氢原子、可具有取代基的碳原子数1～10的烷基及可具有取代基的碳原子数6～10的芳基中的任一种。)
作为上述取代基可以是可与异氰酸酯基反应的基团。
该光波导结构部14中，包层12、13的折射率低于芯层11的光波导区域11a的折射率。
例如，芯层11中使用氧化钛(TiO2；折射率n＝2.2)，包层12、13中使用以上述的化学式(2)及(3)来表示的非线性光学活性聚合物(折射率n＝1.61)等。
该光波导结构部14中，包层12、13的膜厚厚于芯层11的光波导区域11a的膜厚。
例如，当芯层11中使用氧化钛(TiO2；折射率n＝2.2)，包层12、13中使用以上述的化学式(2)及(3)来表示的非线性光学活性聚合物(折射率n＝1.61)，芯层11的光波导区域11a的膜厚设定为0.1～0.5μm，包层12、13的膜厚设定为1μm～5μm的范围时，在通信波段中，能够兼顾光的单一模式下的传播及对向由非线性光学活性聚合物构成的包层渗出的光电场的电极之间的高电场的有效施加。
该光波导结构部14中，包层12、13中的至少一层含有非线性光学有机化合物，因此对包含该非线性光学有机化合物的包层12(13)，以其非线性光学有机化合物的玻璃化转变温度Tg附近的温度来施加电场，并在该包层12(13)内对非线性光学有机化合物中的有机分子进行取向(轮询)，由此能够在该非线性光学有机化合物中附加电光效应(EO效应)。
若要在该非线性光学有机化合物中附加高的电光系数(EO系数)，除了需要依赖于该非线性光学有机化合物的种类之外，通常，需要对该包层12(13)以非线性光学有机化合物的玻璃化转变温度Tg附近的温度来施加50V/μm以上优选80V/μm以上的高电场的处理(轮询处理)。
由此，包层12(13)显现电光效应(普克尔斯效应)，并且成为具有电光系数(EO系数)的层。
该光波导结构部14中，从轮询处理效率的一般的观点考虑，包层12(13)的玻璃化转变温度Tg附近的温度下的电阻率优选高于芯层11的电阻率，更优选以电阻率换算计高出一位以上。
在此，对于Tg附近的温度上的芯层11的电阻率优选上述条件的理由是因为，在使包层显现电光效应而进行轮询处理时，能够对由非线性光学活性聚合物构成的包层部有效地施加电场。轮询处理中施加的电压为直流或低频信号，由芯层11及包层12(13)构成的电路可视为电阻器的串联电路，对各部施加的电压是以各部的电阻值即各部的电阻率与膜厚的乘积的平衡来确定。当包层12(13)的电阻率高于芯层11部的电阻率时，施加在包层部的电压相对变高，因此包层部中电场效率变高，能够有效地进行轮询处理。
相反，若Tg附近的温度上的芯层11的电阻率高于由非线性光学活性聚合物构成的包层12(13)部分的电阻率，则施加在芯层11的电压相对变大，施加在包层12(13)的电压相对变小。即，轮询处理时，不容易对非线性光学活性聚合物部有效地施加轮询电场，因此轮询处理所必要的电压变高。但是，若在轮询处理时施加高电压，则由放电或介电击穿导致的元件击穿的危险性变高。
于此相比，本实施方式所涉及的光波导结构部14的结构中，芯层11的厚度较薄，因此即使在包层12(13)的玻璃化转变温度Tg附近的温度下的电阻率低于芯层11的电阻率时，施加在芯层11的电压也会相对变小。因此，对包层12(13)也施加有足够的电压，所以用低的电压也能够进行轮询处理。
另外，对于元件的使用温度，若包层12、13中的至少一层的电阻率为与半导体相同程度或其以下(1×105Ωm以下)，则不能忽略材料中由载波移动等引起的高频信号的损耗及光的损耗，因此不是优选的材料选择。对于芯层11也相同。
当这些包层12、13中的一层含有具有电光效应的有机电介质材料时，另一层可含有由溶胶凝胶构成的电介质材料。
作为由该溶胶凝胶构成的电介质材料，可举出SiO2类材料及为了调整导电性或折射率而添加了Zr或Ti等的SiO2类材料等。
实用上电极层15、16优选使用含有高频时具有良好的导电性的材料例如含有选自金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铂(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(lr)及铝(Al)的组中的1种或2种以上的材料。
只要导电性良好，电极层15、16的材料并不限定于金属。虽然元件的使用温度有所限制，但可使用超导材料。若要提高施加于光波导结构部14的高频信号的电场，则使包层12(13)变薄以缩小电极6与电极7的间隔较有效，但在光波导结构部14中传播的光的损耗会随之增加。作为减少光损耗的方法，也可在电极层15或电极层16中使用兼备小的光吸收损耗及良好导电性的导电性材料即所谓的透明电极。作为这种导电性材料优选由氧化铟锡(IndiumTinOxide：ITO)、氧化锡锑(AntimonyTinOxide：ATO)及氧化锡(SnO2)等构成的透明电极。
当为本发明的元件结构时，关于相对于高频信号的向芯层11与包层12(13)的电压的分配，可视为将各个层视为电容器的电容器串联电路。施加于各层的电压的分配根据各电容器的容量即各层的介电常数与膜厚之比来确定。芯层11比包层12(13)介电常数大且膜厚薄，因此作为电容器容量较大。因此，分配于芯层11的高频信号的电压的分配相对较小，大部分电压施加在包层部分。本结构的元件中，利用由非线性光学活性聚合物构成的包层12(13)部分的折射率根据来自高频信号的外部电场发生变化而进行动作的原理，因此有利于提高包层12(13)部分的电压。
这些电极层15、16的膜厚优选为0.05μm以上且50μm，更优选为0.3μm以上且20μm以下。
在此，若这些电极层15、16的膜厚小于0.05μm，则对于高频信号由集肤电阻导致高频信号的衰减较大，因此不优选。另一方面，若电极层15、16的膜厚超过20μm，则高频信号的损耗将会降低，但因芯层与包层的线膨胀系数的差导致的应力/变形，成为引起电极的剥离、芯或包层的折射率的变化及光波导的实效光学路径长度的变化的原因，因此不优选。
若要确保良好的电场效率，电极层15的宽度比芯层11的带状的光波导区域11a的宽度宽即可。并且，若要确保元件良好的高频响应性，关于光波导区域11a的宽度，需要考虑芯层及包层的介电常数及厚度来设计电极宽度及高度以便成为作为高频线路适合的特性阻抗。
对于该光开关1，可通过对电极层15、16之间施加电压，作为微带型电极对光波导4施加电场，以控制在该光波导(作用部)4中传播的光的相位及模式形状(光电场分布)中的任一方或双方。当电压较低时，模式形状的变化小到可以忽略不计，实际上可视为只有相位发生变化。当电压较高时，光的相位和模式形状均发生变化。该现象是由芯及包层中所使用的材料的电光效应引起的，在直流至太赫兹频带高频的宽频率范围内发挥功能。
首先，若在光波导(入射侧)2入射入射光，则该入射光通过光分路部3分为两个方向的光，这些分路后的光入射于光波导(作用部)4及光波导(作用部)5。光波导(作用部)4及光波导(作用部)5中，传播的光的电场分布并不只留在芯层11的光波导区域11a的内部，还向包层12、13渗出光。即，在芯层11的光波导区域11a部中传播的光的模式的有效折射率或光的电场分布是以芯层11的折射率或厚度、光波导区域11a的折射率或大小形状及包层12、13的折射率等来确定。即使各部的厚度或形状没有发生变化，只要通过外部电场的施加而任意部位的折射率发生变化，在光波导区域11a传播的光的模式的有效折射率或光的电场分布则发生变化。
在此，当只在光波导(作用部)4施加电压而在光波导(作用部)5没有施加电压时，光波导(作用部)4的芯层11的光波导区域11a的有效折射率相应于所施加的电压的大小及极性发生变化。因此，若光传播在具有该变化后的折射率的光波导区域11a，则在该光波导区域11a传播的光的相位提前或延迟。提前还是延迟是以所施加的电压的极性来确定，光的相位的变化量是以电压的强度来确定。即，通过控制电压的强度及极性，能够将光的相位变化量自如地改变。
另一方面，由于光波导(作用部)5中没有施加电压，因此光波导(作用部)5的芯层的光波导区域的折射率不会变高而维持与施加前相同的折射率。因此，即使光传播在光波导区域，在该光波导区域传播的光的相位不会发生变化。
若控制施加于光波导(作用部)4的电压而将相位仅延迟半波长份的光及相位没有变化的光入射于光分路合波部8，则这些光通过相互干涉而相互抵消，从光分路合波部8出射的光的输出成为“0”。
并且，当光波导4、5均未施加电压时，芯层11的光波导区域11a的有效折射率不变而维持与施加前相同的有效折射率。因此，即使光传播在光波导区域，在该光波导区域传播的光的速度(或相位)也不会变化。
如此，若将速度(或相位)没有变化的两种光入射于光分路合波部8，则这些光通过相互干涉而重合，从光分路合波部8出射的光的输出成为“1”。如上所述，该光开关1通过接通/切断电极层15、16之间的电压，能够接通/切断从光分路合波部8出射的光的输出。
另外，通过适当设计光分路合波部8及光波导(出射侧)9、10，不仅能够进行上述中说明的光输出强度的接通、切断动作，还能够进行将光的输出处切换为光波导(出射侧)9、10中的任一个的动作。
如以上说明，根据本实施方式的光开关1，由于使包层12、13含有具有电光效应的有机电介质材料，并使这些包层12、13的折射率低于芯层11的折射率，因此该包层12、13中包含的有机电介质材料的电光系数较大且折射率分散及介电常数分散较小，从而即使在频率超过10GHz的高频区域也能够进行高速调制。
并且，由于使包层12、13含有具有电光效应的有机电介质材料，因此该有机电介质材料能够适应于进一步的集成化及微细化，因此，能够谋求电光元件的集成化、微细化及低功耗化。
为验证元件的效率及制作可能性，芯层11中使用TiO2，包层12中作为非线性光学聚合物使用含有FTC类色素(C-60)的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate))，包层中使用不具有电光效应的SiO2，并且将非光波导区域11b的厚度设定为0.15μm，将光波导区域11a的厚度及宽度分别设定为0.25μm及2.0μm，将包层12的厚度设定为4.0μm，将包层13的厚度设定为1.5μm，以试制元件并进行轮询处理，根据元件的调制特性估算包层12的电光常数r33的结果为70～105pm/V。该电光常数r33的值高于为了比较而将非线性光学聚合物成膜于ITO膜上并进行轮询处理的膜的电光效应(约60pm/V)，确认了进行良好的轮询处理。
本实施方式中，光波导结构部14可用作马赫曾德干涉型的光接通/切断或光路切换开关上的光波导(作用部)4、5，也可用于波长选择开关等的环形的波长开关的环波导部或定向性耦合部。
例如，在直径100μm的环波导型波长的开关中适用时，确认了转换电压2V的低功耗下的动作。若转换电压为2V，则驱动中无需使用化合物半导体类的驱动器而能够以低功耗且廉价的SiGe类驱动器来进行驱动。通过元件结构的设计改变或改善效率如包层12、13均使用非线性光学聚合物等，能够进一步降低驱动电压。如此，确认了本实施方式结构的元件为小型且以高效率来动作的非常实用的元件。
并且，在此省略图示，但可以是由介电损耗小的材料形成电极层15的外涂层并在外涂层上形成接地电极的结构，即带状线或屏蔽微带线路状的结构。低介电常数材料优选介电常数小的材料，相对介电常数为3.0以下，优选与包层中使用的材料的相对介电常数相等或其以下的材料为佳。可以不设置低介电常数层而形成上部的接地电极。通过设置带状线或屏蔽微带线路状的结构，能够改善高频信号的传播损耗及大幅提高对特性阻抗或相对于微波的折射率(传播速度)的设计自由度。
在外涂层的上部不设置接地电极的结构，在防止电极层15的剥离及防止轮询工序时的放电等方面具有优点。并且，可以以特性阻抗或相对于微波的折射率(传播速度)为目的形成外涂层。
本发明结构的元件不是以电极层15与电极层16之间的电信号的强度而是以电压差来进行驱动，因此即使电信号的强度分布于光波导结构部14以外的部分，效率也不会降低。设定为包含高频成分的电信号的传播损耗小的电极结构是元件设计上的要点。
并且，由于折射率分散及介电常数分散小的材料占光波导结构部14的大部分因此实现光与微波的速度匹配的设计是比较容易的结构，但适合于芯层11的材料即TiO2、Nb2O5及Ta2O5的折射率分散及介电常数分散较大，因此需要考虑到这些材料特性的元件的特性设计。作为以高频来驱动的设备需要考虑特性阻抗是显而易见的。
图3是表示本实施方式的光开关1的光波导结构(作用部)4的变形例的剖视图。具备该光开关的微带型电极结构的作用部17与上述的光开关1的光波导4的不同点在于：上述的光波导结构(作用部)4设为紧贴芯层11与包层13的结构，与此相比，具备该微带型电极结构的作用部17设为，在芯层11与包层13之间设置由通过溶胶凝胶法制备的氧化硅(SiO2)构成的保护层18，并且层叠了这些包层12、芯层11、保护层18及包层13的光波导结构部19。对于该点以外的构成要件与上述光开关1完全相同，因此省略说明。
芯层11中使用TiO2，包层12、13中使用含有FTC色素的非线性光学聚合物(单层膜状下进行了轮询处理时的电光常数r33＝150pm/V)，作为保护层18使用通过溶胶凝胶法制备的氧化硅，并且将非光波导区域11b的厚度设定为0.15μm，将光波导区域11a的厚度及宽度分别设定为0.30μm及2.0μm，将包层12的厚度设定为1.3μm，将包层13的厚度设定为2.5μm，保护层18的厚度设定为0.3μm，以试制元件并进行轮询处理，从元件的调制特性估算包层12、13的电光常数r33的结果为120pm/V，得到原来材料特性的80％，确认到进行良好的轮询处理。
并且，调制的效率指数即Vπ·L(半波长电压与作用部电极的长度的乘积)得到3.7V·cm的良好的调制效率，也确认到50GHz以上的宽频带动作。
在具备该光开关的微带型电极结构的作用部17中，也能够发挥与上述的光开关1的光波导(作用部)4同样的效应。
而且，在芯层11与包层13之间设置有由通过溶胶凝胶法制备的氧化硅(SiO2)构成的保护层18，因此该保护层18能够保护构成包层13的具有电光效应的有机电介质材料不受在层叠成膜时由试剂引起的溶出及材料之间反应等元件制作工序时的损伤。其结果，能够减小该包层13的电光系数且增加折射率分散及介电常数分散。因此，即使在频率超过10GHz的高频区域也能够进行高速调制。
在此，图示了在包层13与芯层11之间形成保护层18的例子，但根据元件的制作工序，可在包层12与芯层11之间形成，也可在包层12与芯层11之间及包层13与芯层11之间这双方均形成材料、厚度适当的保护层。并且，也可以以改善包层12、13与芯层11的紧贴性为目的来使用。
另外，保护层18的厚度越薄越能够获得元件的效率，但当采用与包层同样厚度时也能够获得实用上的效率。并且，可用作通过溶胶凝胶法制备的氧化硅(SiO2)包层12、13中的一层。
图4是表示本实施方式的光开关1的光波导结构(作用部)4的变形例的剖视图。具备该光开关的微带型电极结构的作用部21与上述的光开关1的光波导结构(作用部)4的不同点在于：上述的光波导结构(作用部)4为设定成将芯层11通过朝向电极层15的方向带状扩大光波导区域11a的膜厚而使其厚于光波导区域11a以外的区域即非光波导区域11b的膜厚的薄膜，与此相比，具备该微带型电极结构的作用部21设为，通过朝向电极层16的方向带状扩大芯层22的光波导区域22a的膜厚而使其厚于光波导区域22a以外的区域即非光波导区域22b的膜厚，并且将该芯层22以一对包层12、13来夹住的层叠结构的光波导结构部23。对于该点以外的构成要件与上述光开关1完全相同，因此省略说明。
在具备该光开关的微带型电极结构的作用部21中，也能够发挥与上述的光开关1的光波导(作用部)4同样的效应。
而且，朝向电极层16的方向带状扩大芯层22的光波导区域22a的膜厚，因此能够进一步提高电场效率。
并且，可朝向电极层15及电极层16两个方向带状扩大芯层22的光波导区域22a的膜厚，也能够获得同样的效应。
[第2实施方式]
图5是表示本发明的第2实施方式的电光元件的光波导与电极的配置的剖视图，是作为该电光元件具有G-CPW线路的电极的光开关的例子。
具有该光开关的G-CPW型电极结构的作用部31与上述的光开关1的光波导结构(作用部)4的不同点在于：上述的光波导结构(作用部)4，通过朝向电极层15的方向带状扩大其芯层11的光波导区域11a的膜厚而使其厚于非光波导区域11b的膜厚，并且以夹住该芯层11、包层12及包层13的方式形成带状的电极层15及由平面电极构成的电极层16，于此相比，具备该G-CPW型电极结构作用部31设为，通过朝向电极层16的方向带状扩大芯层22的光波导区域22a的膜厚而使其厚于非光波导区域22b的膜厚，并且以一对包层12、13夹住该芯层22的层叠结构的光波导结构部34，而且，在包层12上以夹住电极层15的方式形成了与电极层16等电位(接地电位)的共面带状配置的接地电极层32、33。对于该点以外的构成要件与上述光开关1完全相同，因此省略说明。
在具备该光开关的G-CPW型电极结构的作用部31中，也能够通过对电极层15与电极层32、33之间施加电压，以G-CPW线路的方式对光波导结构部34施加电场，以控制在该光波导结构部34中传播的光的相位及模式形状中的任一方或双方。
而且，G-CPW线路其线路的特性阻抗及高频信号的折射率(传播速度)等的特性设计的自由度较高，因此即使在芯层11中使用介电常数高的电介质材料时，也能够提高对高频的响应性。通过使用G-CPW线路，能够防止微带线路中发生的高次模式或放射的发生。
图6是表示本实施方式的电光元件即具备光开关的G-CPW型电极结构的作用部31的电极结构的变形例的剖视图。具备该光开关的G-CPW型电极结构的作用部41与具备上述的光开关的G-CPW型电极结构的作用部31的不同点在于：具备上述的G-CPW型电极结构的作用部31形成有由平面电极构成的电极层16，与此相比，具备该G-CPW型电极结构的作用部41设为，通过选择性除去由平面电极构成的电极层中与芯层22的光波导区域22a对应的区域，形成槽线状或共面带状线状配置的接地电极层42、43。对于该点以外的构成要件，与具备上述光开关的G-CPW型电极结构的作用部31完全相同，因此省略说明。
在具备该光开关的G-CPW型电极结构的作用部41中，也能够发挥与具备上述的光开关的G-CPW型电极结构的作用部31同样的效应。
而且，由于设为将接地电极槽线状或共面带状配置的接地电极层42、43，因此能够进一步提高用于调整特性阻抗的设计自由度尤其提高阻抗的设计自由度。在光波导结构部34中传播的光的光电场与外部电场的重叠效率，与切口的情形相比略微下降，但重叠效率在实用上足够高。并且，不是以槽线状或共面带状切开接地电极，而是以网孔状切开，也同样能够进一步提高用于调整特性阻抗的设计自由度。
图7是表示本实施方式的电光元件即具备光开关的G-CPW型电极结构的光波导结构(作用部)31的变形例的剖视图。
具备该光开关的G-CPW型电极结构的元件51与具备上述的光开关的G-CPW型电极结构的作用部31的不同点在于：具备上述的G-CPW型电极结构的元件31通过朝向电极层16的方向带状扩大一个光波导区域22a的膜厚而使其厚于非光波导区域22b的膜厚，与此相比，具备该G-CPW型电极结构的作用部51设为，通过在芯层52中与带状电极层15的两侧部对应的位置形成朝向电极层16的方向条纹状扩大膜厚的光波导区域52a、52b，从而使它们的膜厚厚于光波导区域52a、52b以外的区域即非光波导区域52c的膜厚，并且以一对包层12、13夹住该芯层52的层叠结构的光波导结构部53。对于该点以外的构成要件与具备上述光开关的G-CPW型电极结构的元件31完全相同，因此省略说明。
在具备该光开关的G-CPW型电极结构的元件51中，也能够发挥与具备上述的光开关的G-CPW型电极结构的元件31同样的效应。
而且，由于在芯层52中与带状电极层15的两侧部对应的位置形成朝向电极层16的方向条纹状扩大膜厚的光波导区域52a、52b，因此能够将以单一模式在光波导结构部53中传播的光的光电场分布的大部分向包层13部分扩张，并能够提高元件的效率。并且，能够使包层12、芯层52及包层13的整体厚度变薄，因此能够将作为具备G-CPW型电极结构的作用部31的阻抗设定在规定范围内。因此，能够进一步提高电场效率。
而且，通过在芯层52中设置多个条纹状的形状，作为光波导的结构分散特性的设计自由度大幅提高。例如，若减小光波导的结构分散，则能够降低元件特性的波长依赖性，能够实现与宽波段域对应的光调制元件或转换元件。相反，若增加结构分散，则光信号分散补偿能够实现波长选择开关等功能。芯层52的膜厚扩张的部分，并不限定于两个，越多光波导与特性的设计自由度越高，或膜厚扩张的方位并不限定于单侧，这是显而易见的。
图8是表示本实施方式的电光元件即具备光开关的G-CPW型电极结构的作用部31的电极结构的变形例的剖视图。具备该光开关的G-CPW型电极结构的作用部61与具备上述的光开关的G-CPW型电极结构的作用部31的不同点在于：具备上述的G-CPW型电极结构的作用部31形成有由具有导电性的材料构成的电极层15，与此相比，具备该G-CPW型电极结构的作用部61设为，在由具有导电性的材料构成的电极层62形成开口于包层12侧的带状的凹部63，在该凹部63中填充了低介电常数的材料64例如空气、低介电损耗材料的苯并环丁烯(Benzo-Cyclo-Butene)(BCB)及SiO2等。对于该点以外的构成要件与具备上述光开关的G-CPW型电极结构的作用部31完全相同，因此省略说明。
在具备该光开关的G-CPW型电极结构的61中，也能够发挥与具备上述的光开关的G-CPW型电极结构的作用部31同样的效应。
而且，在由具有导电性的材料构成的电极层62形成带状的凹部63，并在该凹部63中填充了低介电常数的材料64，因此通过选择所填充的低介电常数的材料，能够提高具备G-CPW型电极结构的61的设计自由度。
图9是表示本实施方式的电光元件即具备光开关的G-CPW型电极结构的光波导结构(作用部)31的变形例的剖视图。
具备该光开关的G-CPW型电极结构的作用部71与具备上述的光开关的G-CPW型电极结构的作用部31的不同点在于：具备上述的G-CPW型电极结构的作用部31通过朝向电极层16的方向带状扩大光波导区域22a的膜厚而使其厚于非光波导区域22b的膜厚，与此相比，具备该G-CPW型电极结构的作用部71设为，将由平面电极构成的电极层16设定为共面带状或槽线状配置的接地电极层42、43，在芯层22中，与电极层15、32、33对应的区域以外的区域即光波导区域22a及非光波导区域22b的外侧的区域形成沿这些光波导区域22a及非光波导区域22b的条纹状的开口部72，在这些开口部72填充电介质材料73，并且以一对包层12、13夹住该芯层22的层叠结构的光波导结构部74。对于该点以外的构成要件，与具备上述光开关的G-CPW型电极结构的作用部31及其变形的41完全相同，因此省略说明。
作为该电介质材料73优选含有具有电光效应的有机电介质材料的电介质材料。作为具有该电光效应的有机电介质材料优选为非线性光学有机化合物。作为该非线性光学有机化合物优选上述的非线性光学有机化合物(1)、(2)。
在具备该光开关的G-CPW型电极结构的作用部71中，也能够发挥与具备上述的光开关的G-CPW型电极结构的作用部31同样的效应。
而且，当开口部72中作为电介质材料73填充了具有电光效应的有机电介质材料时，渗出于开口部72的传播光的部分电光效应变得有效，因此元件的效率进一步提高。
而且，在使用TiO2、Nb2O5及Ta2O5等介电常数高的材料的芯层设置开口部72，由此介电常数高的部分的构成比率降低，并且将接地电极的一部分设定为切口共面带状或槽线状配置的接地电极层42、43，因此能够进一步提高特性阻抗的设计自由度尤其提高阻抗的设计自由度。
[第3实施方式]
图10是表示本发明的第3实施方式的电光元件的光波导的剖视图，是作为该电光元件的多层结构的堆叠耦合型光开关的例子。
该层叠结构光波导开关81与图5所示的具备G-CPW型电极结构的作用部31的不同点在于：具备上述的G-CPW型电极结构的作用部31设为，将具有带状光波导区域22a及其两侧的非光波导区域22b的芯层22以一对包层12、13夹住的层叠结构的光波导结构部34，并且以夹住这些包层12、芯层22及包层13的方式形成G-CPW线路的电极层15、电极层32、33及由平面电极构成的电极层16，与此相比，该层叠结构光波导开关81，对具有带状的光波导区域22a及其两侧的非光波导区域22b的芯层22隔着与包层12、13相同组成的第3包层83相对配置具有与芯层22相同组成的带状光波导区域82a及其两侧的非光波导区域82b的芯层82，通过层叠这些包层12、芯层22、包层83、芯层82及包层13构成光波导结构部84，并且以夹住这些包层12～包层13的方式形成电极层16及与该电极层16相同组成的由平面电极构成的电极层85。
该层叠结构光波导开关81中，将包层12的极化方位93、包层83的极化方位94及包层13的极化方位95设定为同一方位。
在该层叠结构光波导开关81中，也能够通过对电极层85与接地电位的电极层16之间施加电压来对光波导结构部84施加电场，以控制在该光波导结构部84的芯层22的光波导区域22a及芯层82的光波导区域82a传播的光的相位及模式形状中的任一方或双方。
在此，若在电极层85与接地电位的电极层16之间施加电压，则光波导区域22a及光波导区域82a各自的有效折射率发生变化，但若施加电压较大，则分别在光波导区域22a及光波导区域82a传播的光的模式直径发生变化。利用该现象，能够进行光的调制动作及开关动作。
为了使分别在光波导区域22a及光波导区域82a传播的光的模式直径变大，即为了使在各自区域传播的光的模式的封闭状态变弱，若在电极层85与接地电位的电极层16之间施加电压，则光波导区域22a及光波导区域82a，不是独立的并行的波导，而是作为定向性耦合器的耦合器来发挥功能。耦合强度(耦合系数)能够以施加的电压来控制，能够实现切换光传播的光波导区域的转换功能。也可以预先以未施加电压的状态设置成发挥作为定向性耦合器的功能，在电极层85与接地电位的电极层16之间施加电压时，使分别在光波导区域22a及光波导区域82a传播的光的模式的直径变小，即，使在各自区域传播的光的模式的封闭状态变强，以进行光路的转换动作。通过适当改变芯层22、82的材料及厚度；光波导区域22a及光波导区域82a的材料、形状及大小；包层12、13、83的材料及厚度，能够调整光波导区域22a及光波导区域82a的耦合难易度，通过电极层85与接地电位的电极层16之间电压，能够控制耦合状态。
图10示出了电极层85与接地电位的电极层16均为平板状的形状的事例，但电极的结构也可以是图2所示的微带型电极结构或图5的G-CPW型电极结构，这种结构更有利于元件的效率及高频动作。对于该效果，与第1实施方式及第2实施方式中叙述的情形完全相同，因此省略说明。并且，图10示出了光波导区域堆叠了两层的事例，但也可以用堆叠了三层以上的结构来进行转换动作。
产业上的可利用性
根据本发明的电光元件，即使在频率超过10GHz的高频区域也能够进行高速调制。并且，能够谋求电光元件的集成化、微细化及低功耗化，因此产业上有用。
符号说明
1-光开关，2-光波导(入射侧)，3-光分路部，4、5-光波导(作用部)，6、7-电极，8-光分路合波部，9、10-光波导(出射侧)，11-芯层，11a-光波导区域，11b-非光波导区域，12-第1包层，13-第2包层，14-光波导结构部，15-第1电极层，16-第2电极层，17-具备微带型电极结构的作用部，18-保护层，19-光波导结构部，21-具备微带型电极结构的作用部，22-芯层，22a-光波导区域，22b-非光波导区域，23-光波导结构部，31-具备G-CPW型电极结构的作用部，32、33-共面带状配置的接地电极层，34-光波导结构部，41-具备G-CPW型电极结构的作用部，42、43-槽线状或共面带状配置的接地电极层，51-具备G-CPW型电极结构的作用部，52-芯层，52a、52b-光波导区域，52c-非光波导区域，53-光波导结构部，61-具备G-CPW型电极结构的作用部，62-电极层，64-低介电常数的材料，71-具备G-CPW型电极结构的作用部，73-电介质材料，74-光波导结构部，81-层叠结构光波导开关，82-芯层，82a-光波导区域，83-第3包层，84-光波导结构部，85-电极层。

Claims (7)

1.一种电光元件，其通过由无机化合物构成的芯层以及由以夹住该芯层的方式层叠的电介质材料构成的第1包层和第2包层来构成光波导，
并以夹住所述芯层、所述第1包层和所述第2包层的方式形成第1电极层及第2电极层而成，所述电光元件的特征在于，
所述第1包层和所述第2包层中的至少一层含有具有电光效应的有机电介质材料，
所述第1包层和所述第2包层的折射率低于所述芯层的折射率。
2.根据权利要求1所述的电光元件，其特征在于，所述第1包层和所述第2包层的膜厚厚于所述芯层的膜厚。
3.根据权利要求1或2所述的电光元件，其特征在于，所述无机化合物含有选自氧化钛、氮化硅、氧化铌、氧化钽、氧化铪、氧化铝、硅、金刚石、铌酸锂、钽酸锂、铌酸钾、钛酸钡、KTN、STO、BTO、SBN、KTP、PLZT及PZT的组中的1种或2种以上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电光元件，其特征在于，所述第1电极层及所述第2电极层含有选自金、银、铜、铂、钌、铑、钯、锇、铱及铝的组中的1种或2种以上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电光元件，其特征在于，所述有机电介质材料为非线性光学有机化合物。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电光元件，其特征在于，
所述第1电极层及所述第2电极层中的任意一层为带状，
通过对这些第1电极层及第2电极层之间施加电压，作为微带型电极或堆叠对型电极对所述光波导施加电场，以控制在所述光波导中传播的光的相位和模式形状中的任意一方或双方。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的电光元件，其特征在于，
所述第1电极层及所述第2电极层中的任意一层为共面状，
通过对这些第1电极层及第2电极层之间施加电压，作为G-CPW型电极对所述光波导施加电场，以控制在所述光波导中传播的光的相位和模式形状中的任意一方或双方。
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