JP2002244168A - Method of designing optical switch and optical switch - Google Patents

Method of designing optical switch and optical switch

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JP2002244168A
JP2002244168A JP2001045645A JP2001045645A JP2002244168A JP 2002244168 A JP2002244168 A JP 2002244168A JP 2001045645 A JP2001045645 A JP 2001045645A JP 2001045645 A JP2001045645 A JP 2001045645A JP 2002244168 A JP2002244168 A JP 2002244168A
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JP
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optical waveguide
optical switch
optical
channel
refractive index
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JP2001045645A
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Japanese (ja)
Inventor
Keiichi Nashimoto
恵一 梨本
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Fujifilm Business Innovation Corp
Original Assignee
Fuji Xerox Co Ltd
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Publication date
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of designing an optical switch including channels of small radii of curvature, without impairing radiation loss in manufacturing the optical switch having epitaxial or unidirectional channel optical waveguides composed of PLZT. SOLUTION: In designing the optical switch formed with the epitaxial or unidirectional channel optical waveguides, composed of Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x/4 O3(0<x<0.3, 0<y<1.0) on a single-crystal substrate, the optical switch is designed by determining the effective refractive index difference between the channel optical waveguides and the circumferences thereof, in such a manner that the radiation loss becomes <=1 dB according to the radii of curvature of the channels, when the channel optical waveguides include the channels of <=70 mm in the radii of curvature.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバ等の光
経路切り替えや光論理回路に利用可能な光スイッチの設
計方法及び光スイッチに関し、詳しくは、電気光学効果
を有するPLZTで構成されたエピタキシャルなチャン
ネル光導波路を有する光スイッチであって、曲率半径の
小さなチャンネルを含む光スイッチを設計する光スイッ
チの設計方法、及びその設計方法に従って得られた光ス
イッチに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for designing an optical switch which can be used for switching an optical path of an optical fiber or the like or an optical logic circuit and an optical switch, and more particularly, to an epitaxial switch composed of PLZT having an electro-optical effect. The present invention relates to an optical switch having a simple channel optical waveguide, a method of designing an optical switch including a channel having a small radius of curvature, and an optical switch obtained according to the design method.

【0002】[0002]

【従来の技術】光通信ネットワークは個別にノード間を
結ぶポイント間の光通信から、ポイント間で光波長レベ
ルによって信号を分岐、挿入するADM(Add-Drop Mul
tiplexing)を行う光通信、さらに複数のノード間を電
気信号に変換することなく光信号のままで結ぶ光通信に
発展しようとしている。このため、これに必要な光分岐
結合器、光合分波器、光スイッチ等の各種光部品の開発
が重要になっているが、その中でも複数の光スイッチ
(または光ゲート)を用いたマトリクス光スイッチは複
数の光ファイバー間を需要に応じて切り替えたり、ネッ
トワークが故障した際に迂回路を確保するために切り替
えたりと、各種光部品の中でも、最も重要な部品の一つ
である。
2. Description of the Related Art In an optical communication network, an ADM (Add-Drop Mull) which branches and inserts a signal according to an optical wavelength level between points from optical communication between points individually connecting nodes.
Optical communication that performs tiplexing) and optical communication that connects multiple nodes as they are without converting them into electrical signals are being developed. For this reason, it is important to develop various optical components such as an optical branching coupler, an optical multiplexer / demultiplexer, and an optical switch. Among them, a matrix optical device using a plurality of optical switches (or optical gates) is important. A switch is one of the most important components among various optical components, such as switching between a plurality of optical fibers according to demand, and switching to secure a detour when a network fails.

【0003】光スイッチの形態としては、バルク型と光
導波路型等に分けることができる。バルク型光スイッチ
は、プリズム、ミラー、ファイバ等を機械的に可動させ
て光路を切り換えるもので、波長依存性が少なく、比較
的低損失という利点があるが、スイッチング速度が遅
く、小型化が困難であるためマトリックス化に不向きで
あることに加え、組立調整工程が煩雑であるため量産に
は適さず高価格である、という問題点がある。一方、光
導波路型光スイッチは、スイッチング速度が速く、小型
化及び集積化に適しており、量産性にも優れている。こ
のため、光導波路型マトリックス光スイッチについて、
非常に多くの検討が行われている。
[0003] Optical switches can be classified into a bulk type and an optical waveguide type. The bulk-type optical switch switches the optical path by mechanically moving a prism, mirror, fiber, etc., and has the advantages of low wavelength dependency and relatively low loss, but has a slow switching speed and is difficult to miniaturize. Therefore, in addition to being unsuitable for matrix formation, there is a problem that the assembly and adjustment process is complicated and not suitable for mass production, so that the cost is high. On the other hand, the optical waveguide type optical switch has a high switching speed, is suitable for miniaturization and integration, and has excellent mass productivity. For this reason, regarding the optical waveguide type matrix optical switch,
Numerous considerations have been made.

【0004】また、光導波路型光スイッチは、形態上、
大きく2種類に分けることが可能である。第1の形態
は、入力ポートと出力ポートとを接続する分岐型チャン
ネル光導波路を、ある原理の光スイッチまたは光ゲート
を複数組み合わせて切り替えるものである。第2の形態
は、入力ポートと出力ポートとの間に光偏向器を設けて
入力ポートの光を出力ポートへ向けて偏向するものであ
る。これらの中では、設計に対する柔軟性、光の損失の
少なさ等から、第1の形態の光導波路型光スイッチにつ
いて、最も多く検討が行われている。
Further, the optical waveguide type optical switch has a
It can be roughly divided into two types. In the first mode, a branch-type channel optical waveguide connecting an input port and an output port is switched by combining a plurality of optical switches or optical gates based on a certain principle. In the second embodiment, an optical deflector is provided between an input port and an output port to deflect light from the input port toward the output port. Of these, the optical waveguide type optical switch of the first embodiment has been studied most frequently because of its flexibility in design and low loss of light.

【0005】光導波路型光スイッチは、一般に、LiN
bO3、化合物半導体、石英、あるいはポリマーにチャ
ンネル光導波路を形成し、各経路の交差部などに電気的
に光の進行方向を制御するための光スイッチ、あるいは
電気的に光の進行を開閉して制御する光ゲートを設けた
ものである。
An optical waveguide type optical switch is generally made of LiN
A channel optical waveguide is formed in bO 3 , a compound semiconductor, quartz, or a polymer, and an optical switch for electrically controlling the traveling direction of light at the intersection of each path, or for electrically opening and closing the traveling of light. This is provided with an optical gate for controlling the pressure.

【0006】石英、あるいはポリマーを用いた光導波路
型光スイッチは、コア・サイズを光ファイバのモード・
フィールド径と同程度にでき、光ファイバからの光結合
効率が良好であるために挿入損失が小さいという特長が
あるが、光導波路表面に設けられたヒータに電流を流
し、熱光学効果により屈折率を変化させて光の進行方向
を切り替えるために、応答が遅いという問題がある。例
えば、T. Watanabe et al., J. Lightwave Tech. 16 (1
998) 1049.には、応答が6msにも及ぶことが示されい
る。また、ヒータによる加熱方式をとるために、1つの
電極だけで数百mWもの消費電力を必要とすることもあ
り、利用分野が限られてしまうという問題がある。
The optical waveguide type optical switch using quartz or polymer has a core size of an optical fiber mode mode.
It has the advantage that the insertion loss is small due to the good optical coupling efficiency from the optical fiber due to the fact that it can be about the same as the field diameter. The response is slow because the direction of travel of light is switched by changing the distance. For example, T. Watanabe et al., J. Lightwave Tech. 16 (1
998) 1049. shows that the response can be as long as 6 ms. In addition, since a heating method using a heater is used, power consumption of several hundred mW may be required for only one electrode, and thus there is a problem that the application field is limited.

【0007】ポリマーを用いた光導波路型光スイッチの
1つに、有機非線形光学材料を用いた光導波路型光スイ
ッチがある。一般に、有機非線形光学材料で構成された
光導波路は、ポリマー中に有機非線形分子をドープして
作製するか、あるいはポリマーの側鎖または主鎖に非線
形構造を付与し、電場印加によってポーリングを行った
電場配向ポリマーとして作製する。例えば、この電場配
向ポリマーで構成された光導波路を上下電極でサンドイ
ッチ状に挟んだ構造によって、低電圧で駆動可能な光ス
イッチを構成できる可能性があるが、戒能, O plus E,
186 (1995) 98.などに示されているように、電場配向ポ
リマーは酸化物強誘電体材料と比較して温度安定性など
の問題があり、実用に足る素子の開発は進んでいないの
が現状である。
One of the optical waveguide type optical switches using a polymer is an optical waveguide type optical switch using an organic nonlinear optical material. Generally, an optical waveguide composed of an organic nonlinear optical material is prepared by doping an organic nonlinear molecule in a polymer, or by imparting a nonlinear structure to a side chain or a main chain of the polymer, and performing poling by applying an electric field. Fabricated as an electric field oriented polymer. For example, there is a possibility that an optical switch that can be driven at a low voltage may be configured by sandwiching an optical waveguide composed of this electric field oriented polymer between upper and lower electrodes in a sandwich shape.
186 (1995) 98.Electric field oriented polymers have problems such as temperature stability compared to oxide ferroelectric materials, and the development of practical devices has not been advanced. It is the current situation.

【0008】化合物半導体または量子井戸を用いた光導
波路型光スイッチの場合には、高速化が可能であり、光
導波路コアの上下から電圧を印加できるために駆動電圧
の低下も期待できるが、小泉等、光学、24 (1995) 324.
にも示されているように、コア・サイズが小さく、光フ
ァイバからの光結合効率が悪いために挿入損失が大きく
なるという問題があり、各種の努力がなされている。そ
の他にも、電場印加によるスイッチングと同時に光吸収
が生じるためにスイッチング特性が劣化しまうという問
題、ウエハサイズが限られているために大規模なマトリ
ックス光スイッチを構成しにくいなどの問題があった。
In the case of an optical waveguide type optical switch using a compound semiconductor or a quantum well, it is possible to increase the speed and to apply a voltage from above and below the optical waveguide core. Et al., Optics, 24 (1995) 324.
As described above, there is a problem that the insertion loss increases due to a small core size and poor optical coupling efficiency from an optical fiber, and various efforts have been made. In addition, there are problems such as deterioration of switching characteristics due to light absorption occurring simultaneously with switching by application of an electric field, and difficulty in constructing a large-scale matrix optical switch due to limited wafer size.

【0009】最も代表的な光スイッチ材料であり酸化物
強誘電体の一つであるLiNbO3の場合には、光スイ
ッチの電極に電圧を印加すると電気光学効果により屈析
率が変化することによって高速に光の状態が変わり、ど
の状態を設定するかによって光の進行方向が変化する。
これにより、各光スイッチでは2つの入力端からの光を
それぞれ2つの出力端へ選択的に出力することが可能で
ある。従って、各段で光の進行方向を適切に設定すれ
ば、入力ポートからの光を所望の出力ポートヘ送ること
ができる。
In the case of LiNbO 3 , which is the most typical optical switch material and one of the oxide ferroelectrics, when a voltage is applied to the electrodes of the optical switch, the refractive index changes due to the electro-optic effect. The state of light changes at high speed, and the traveling direction of light changes depending on which state is set.
Thus, each optical switch can selectively output light from two input terminals to two output terminals. Therefore, if the traveling direction of light is appropriately set in each stage, light from an input port can be sent to a desired output port.

【0010】また、LiNbO3を用いる光スイッチで
は、単結晶ウエハにTi拡散型光導波路やプロトン交換
型光導波路を作製するが、コア・サイズを光ファイバー
のモード・フィールド径と同程度にでき、光ファイバか
らの光結合効率が良好であるために、挿入損失が小さく
実用レベルの光スイッチとして知られている。
In an optical switch using LiNbO 3 , a Ti diffusion type optical waveguide or a proton exchange type optical waveguide is manufactured on a single crystal wafer, but the core size can be made approximately equal to the mode field diameter of the optical fiber. Since the optical coupling efficiency from the fiber is good, it is known as a practical level optical switch with a small insertion loss.

【0011】しかしながら、光導波路表面にコプレーナ
型の電極を配置して電圧を印加する構成であるために、
電極間距離が大きくなるとともに電場プロファイルが理
想的にならず、例えば、H. Okayama and M. Kawahara,
Electron. Lett.29 (1993) 765.に示されているよう
に、偏波無依存とするためには駆動電圧が40ボルトと
高くなる。また、駆動電圧をそれ以上極端に高くしない
ためには4mm以上の電極長が必要である。また、単結
晶ウエハにTi拡散やプロトン交換によって光導波路を
作製するために、チャンネル光導波路の実効屈折率をそ
のまわりの実効屈折率より十分に高くできず、屈折率差
を大きくできないことに加えて、制御も容易ではない。
このため、S字型チャンネル光導波路の曲率半径を50
mmと大きくする必要も生じ、H. Okayama等の例では、
8×8のマトリックス光スイッチのサイズは70mm程
度と大きくなっている。
However, since the voltage is applied by arranging a coplanar electrode on the surface of the optical waveguide,
As the distance between the electrodes increases, the electric field profile becomes less than ideal, for example, H. Okayama and M. Kawahara,
As shown in Electron. Lett. 29 (1993) 765., the drive voltage is as high as 40 volts in order to be polarization independent. In addition, an electrode length of 4 mm or more is required to prevent the driving voltage from being extremely increased. In addition, in order to fabricate an optical waveguide on a single crystal wafer by Ti diffusion or proton exchange, the effective refractive index of the channel optical waveguide cannot be made sufficiently higher than the effective refractive index around the channel optical waveguide. And it is not easy to control.
Therefore, the radius of curvature of the S-shaped channel optical waveguide is set to 50.
mm, and in the example of H. Okayama and others,
The size of the 8 × 8 matrix optical switch is as large as about 70 mm.

【0012】なお、これら光スイッチの光経路の切り替
え原理としては、2本の光導波路を近接配置した方向性
結合器に電界を加えて光の経路を制御する方法、入力光
を方向性結合器にて2つに分離し、それぞれの経路を通
る光の間に電界により生じさせた屈折率で位相差をつけ
出口側の方向性結合器での干渉状態を制御して出力端を
切り替えるマッハツェンダー型の方法、X交差部での光
モード間の干渉を制御することで光の経路を切り替える
方法、Y分岐部または非対称X交差部において、光モー
ドの横方向の分布を電界により生じさせた屈折率で制卸
して光の経路を切り替えるデジタル型と呼ばれる方法、
X交差部に電極を設けて屈折率を制御することによって
全反射またはブラッグ反射させて光の経路を切り替える
方法などがあり、例えば、上述のH. Okayama and M. Ka
wahara, Electron. Lett.29 (1993) 765.や、特開平7
−318986号公報、特公平6−5350号公報など
に示されている。
The switching principle of the optical paths of these optical switches is based on a method of controlling an optical path by applying an electric field to a directional coupler in which two optical waveguides are arranged close to each other, and a method of controlling input light by using a directional coupler. Mach-Zehnder switches between the output terminals by controlling the interference state at the directional coupler on the exit side by adding a phase difference with the refractive index created by the electric field between the light passing through each path and controlling the interference state at the exit side Type method, method of switching light path by controlling interference between optical modes at X intersection, refraction caused by electric field caused lateral distribution of optical mode at Y branch or asymmetric X intersection A method called digital type that controls the light path by controlling at a rate,
There is a method of switching the optical path by performing total reflection or Bragg reflection by controlling the refractive index by providing an electrode at the X intersection, and for example, the above-mentioned H. Okayama and M. Ka
Wahara, Electron. Lett. 29 (1993) 765.
Japanese Patent Publication No. 318986 and Japanese Patent Publication No. 6-5350.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】以上の通り、LiNb
3、化合物半導体、石英、あるいはポリマーのいずれ
の材料を用いた場合においても、光スイッチ・サイズ、
駆動電圧(あるいは駆動電流または消費電力)、スイッ
チング速度、挿入損失、及び温度安定性の問題を同時に
満足する光導波路型マトリクス光スイッチを得ることが
できなかった。
As described above, LiNb
Regardless of whether O 3 , compound semiconductor, quartz, or polymer is used, the optical switch size,
It has not been possible to obtain an optical waveguide type matrix optical switch that simultaneously satisfies the problems of drive voltage (or drive current or power consumption), switching speed, insertion loss, and temperature stability.

【0014】これらの問題を解決するために、本発明者
は、特開2000−305117号等に、電気光学効果
を有する酸化物強誘電体であるPLZT:Pb1-xLax
(ZryTi1-y1-x/43(0<x<0.3、0<y<
1.0)で構成されたエピタキシャルまたは単一配向性
のチャンネル光導波路を用いた光スイッチを提案してい
る。この光スイッチは、高速駆動が可能で温度安定性に
優れ、駆動電圧が低く、挿入損失も小さいが、エピタキ
シャルまたは単一配向性の薄膜光導波路を形成するため
の基板サイズが制限される。このためマトリックス光ス
イッチのチップサイズを小さくする必要がある。
In order to solve these problems, the present inventor has disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-305117 or the like a PLZT: Pb 1-x La x which is an oxide ferroelectric having an electro-optic effect.
(Zr y Ti 1-y) 1-x / 4 O 3 (0 <x <0.3,0 <y <
1.0), an optical switch using an epitaxial or mono-oriented channel optical waveguide is proposed. This optical switch can be driven at high speed, has excellent temperature stability, has a low driving voltage, and has a small insertion loss. However, the size of a substrate for forming an epitaxial or unidirectional thin film optical waveguide is limited. For this reason, it is necessary to reduce the chip size of the matrix optical switch.

【0015】しかしながら、大規模なマトリックス光ス
イッチを作製するためにチャンネル光導波路の曲率半径
を小さくすると、放射損失が大きくなる、という問題が
あった。
However, when the radius of curvature of the channel optical waveguide is reduced in order to manufacture a large-scale matrix optical switch, there is a problem that the radiation loss increases.

【0016】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、本発明の目的は、PLZTで構成されたエピタキ
シャルまたは単一配向性のチャンネル光導波路を備えた
光スイッチを製造するに際し、放射損失を損なうことな
く、曲率半径の小さなチャンネルを含むコンパクトな光
スイッチを設計するための光スイッチの設計方法を提供
することにある。また、本発明の他の目的は、PLZT
で構成されたエピタキシャルまたは単一配向性のチャン
ネル光導波路を備えた光スイッチであって、放射損失が
少なく、曲率半径の小さなチャンネルを含むコンパクト
な光スイッチを提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing an optical switch having an epitaxial or unidirectional channel optical waveguide composed of PLZT. An object of the present invention is to provide a method of designing an optical switch for designing a compact optical switch including a channel having a small radius of curvature without impairing the optical switch. Another object of the present invention is to provide a PLZT
An optical switch provided with an epitaxial or unidirectional channel optical waveguide constituted by the above, is to provide a compact optical switch including a channel with small radiation loss and a small radius of curvature.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1に記載の発明は、単結晶基板上に、Pb
1-xLax(ZryTi1-y1-x/43(0<x<0.3、
0<y<1.0)で構成されたエピタキシャルまたは単
一配向性のチャンネル光導波路が形成された光スイッチ
を設計する、光スイッチの設計方法であって、前記チャ
ンネル光導波路が曲率半径70mm以下のチャンネルを
含む場合に、該チャンネルの曲率半径に応じて、放射損
失が1dB以下となるようにチャンネル光導波路とその
周囲との実効屈折率差を求め、該実効屈折率差に基づい
て光スイッチを設計することを特徴とする。

In addition, the invention according to claim 1 provides a method for forming Pb on a single crystal substrate.
1-xLax(ZryTi1-y)1-x / 4OThree(0 <x <0.3,
0 <y <1.0)
Optical switch with unidirectional channel optical waveguide
A method for designing an optical switch, comprising:
Channel optical waveguide has a channel with a radius of curvature of 70 mm or less.
If included, the radiation loss depends on the radius of curvature of the channel.
The channel optical waveguide and its
Find the effective refractive index difference from the surroundings, based on the effective refractive index difference
And designing an optical switch.

【0018】請求項2に記載の発明は、単結晶基板上
に、Pb1-xLax(ZryTi1-y1- x/43(0<x<
0.3、0<y<1.0)で構成されたエピタキシャル
または単一配向性のチャンネル光導波路が形成された光
スイッチであって、前記チャンネル光導波路が曲率半径
70mm以下のチャンネルを含み、該チャンネルの曲率
半径に応じて、チャンネル光導波路とその周囲との実効
屈折率差が、放射損失が1dB以下となるように決定さ
れていることを特徴とする。この光スイッチにおいて
は、実効屈折率差を0.1%以上とすることが好まし
い。
[0018] According to a second aspect of the invention, on a single crystal substrate, Pb 1-x La x ( Zr y Ti 1-y) 1- x / 4 O 3 (0 <x <
0.3, 0 <y <1.0), wherein the channel optical waveguide comprises a channel having a radius of curvature of 70 mm or less; The effective refractive index difference between the channel optical waveguide and its surroundings is determined according to the radius of curvature of the channel so that the radiation loss is 1 dB or less. In this optical switch, the effective refractive index difference is preferably set to 0.1% or more.

【0019】LiNbO3などの一般的な電気光学効果
を有するチャンネル光導波路を備えた光スイッチは、チ
ャンネルの曲率半径が70mm以下では、チャンネル光
導波路とその周囲との実効屈折率差の変動により放射損
失が大幅に変化する。
An optical switch provided with a channel optical waveguide having a general electro-optical effect, such as LiNbO 3 , emits light when the radius of curvature of the channel is 70 mm or less due to the fluctuation of the effective refractive index difference between the channel optical waveguide and its surroundings. Losses vary greatly.

【0020】一方、PLZTで構成されたエピタキシャ
ルまたは単一配向性のチャンネル光導波路を備えた光ス
イッチでは、基板上へのPLZT薄膜のエピタキシャル
成長によりバッファ層や光導波路層を形成すると共に、
フォトリソグラフィとエッチングとによりチャンネル光
導波路を形成するので、各種形状のチャンネル光導波路
を精度良く形成することができ、チャンネルの曲率半径
に応じて、実効屈折率差を正確に制御することができ
る、という特徴を有している。
On the other hand, in an optical switch having an epitaxial or mono-oriented channel optical waveguide composed of PLZT, a buffer layer and an optical waveguide layer are formed by epitaxially growing a PLZT thin film on a substrate, and
Since the channel optical waveguide is formed by photolithography and etching, channel optical waveguides of various shapes can be accurately formed, and the effective refractive index difference can be accurately controlled according to the radius of curvature of the channel. It has the feature of.

【0021】本発明の光スイッチの設計方法では、上記
特徴に基づき、放射損失が0.1dB以下となるよう
に、チャンネルの曲率半径に応じて実効屈折率差を求
め、この実効屈折率差が得られるように光スイッチを設
計するので、放射損失が無視できるレベルの光スイッチ
を確実に得ることができる。これにより、放射損失が少
なく、曲率半径の小さなチャンネルを含むコンパクトな
光スイッチを得ることができ、ひいては大規模なマトリ
ックス光スイッチを構成することができる。
In the method for designing an optical switch according to the present invention, based on the above characteristics, the effective refractive index difference is determined according to the radius of curvature of the channel so that the radiation loss is 0.1 dB or less. Since the optical switch is designed to be obtained, it is possible to reliably obtain an optical switch having a negligible radiation loss. This makes it possible to obtain a compact optical switch including a channel having a small radiation loss and a small radius of curvature, and thus to constitute a large-scale matrix optical switch.

【0022】なお、本発明において「単一配向性」と
は、少なくともθ−2θX線回折パターンによって結晶
方位が一方向に単一配向している、即ち、ランダム配向
面が単一配向面の回折強度の1%以下であると同定され
るものを意味する。また、Pb 1-xLax(Zry
1-y1-x/43(0<x<0.3、0<y<1.0)
は、x及びyの値によりPZT、PLT、またはPLZ
Tと称される。
In the present invention, the term “unidirectional” is used.
Is at least crystallized by θ-2θ X-ray diffraction pattern.
The orientation is unidirectionally oriented in one direction, that is, random orientation
Plane is identified as less than 1% of the diffraction intensity of the single orientation plane
Means something. Also, Pb 1-xLax(ZryT
i1-y)1-x / 4OThree(0 <x <0.3, 0 <y <1.0)
Is PZT, PLT, or PLZ depending on the values of x and y.
Called T.

【0023】[0023]

【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。 (第1の実施の形態)図1は、第1の実施の形態に係る
Y分岐型の1×2光スイッチの平面図であり、図2は、
そのY分岐部における断面図である。図1に示すよう
に、この光スイッチは、入射端面14と出射端面15と
を有し、入射端面14には1つの入射ポート16が設け
られ、出射端面15には2つの出射ポート17及び18
が設けられている。これら入射ポート16と出射ポート
17、18とは、S字型チャンネル光導波路10と直線
状チャンネル光導波路11とによりY分岐部9で接合さ
れている。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. (First Embodiment) FIG. 1 is a plan view of a Y-branch 1 × 2 optical switch according to a first embodiment, and FIG.
It is sectional drawing in the Y branch part. As shown in FIG. 1, the optical switch has an input end face 14 and an output end face 15, and the input end face 14 is provided with one input port 16, and the output end face 15 is provided with two output ports 17 and 18.
Is provided. The input port 16 and the output ports 17 and 18 are joined at the Y-branch 9 by an S-shaped channel optical waveguide 10 and a linear channel optical waveguide 11.

【0024】また、図2に示すように、この光スイッチ
では、下部電極となるNbドープSrTiO3(10
0)単結晶半導体からなる基板3上に、波長1.55μ
mでの屈折率(以下、屈折率という場合は、波長1.5
5μmでの屈折率を意味する)が2.395の組成のP
ZTからなるエピタキシャルまたは単一配向性のバッフ
ァ層4が積層されている。バッファ層4の表面には溝部
20が設けられており、この溝部20を埋めるように、
バッファ層4上に屈折率が2.450の組成のPZTよ
りなるエビタキシャルまたは単一配向性の光導波路層6
が積層されて、上述したチャンネル光導波路10、11
が形成されている。
Further, as shown in FIG. 2, in this optical switch, Nb-doped SrTiO 3 (10
0) A wavelength of 1.55 μm is formed on a substrate 3 made of a single crystal semiconductor.
m (hereinafter referred to as the refractive index, wavelength 1.5
(Meaning the refractive index at 5 μm) is 2.395
An epitaxial or unidirectional buffer layer 4 made of ZT is laminated. A groove 20 is provided on the surface of the buffer layer 4.
Epitaxial or unidirectional optical waveguide layer 6 made of PZT having a composition with a refractive index of 2.450 on buffer layer 4
Are stacked, and the above-described channel optical waveguides 10 and 11 are stacked.
Are formed.

【0025】光導波路層6上には、Y分岐部9に電圧を
印加するための、Au薄膜とITO薄膜とからなる上部
電極12、13が設けられている。上部電極12,13
は、制御回路Cに接続された駆動回路Dを介して、電源
Sに接続されており、下部電極となる基板3、及び電源
Sは接地されている。なお、以下の実施形態において
は、駆動回路M、制御回路C、及び電源Sの図示は省略
する。
On the optical waveguide layer 6, upper electrodes 12 and 13 made of an Au thin film and an ITO thin film for applying a voltage to the Y branch portion 9 are provided. Upper electrodes 12, 13
Is connected to a power supply S via a drive circuit D connected to a control circuit C, and the substrate 3 serving as a lower electrode and the power supply S are grounded. In the following embodiments, the illustration of the drive circuit M, the control circuit C, and the power supply S is omitted.

【0026】本実施の形態では、Y分岐部9の開き角度
は0.2度、S字型チャンネル光導波路10の曲率半径
は14mm、直線状チャンネル光導波路11の間隔は1
25μmである。また、各チャンネルの深さは0.40
μmであり、各チャンネルの幅は5.0μmである。
In the present embodiment, the opening angle of the Y branch portion 9 is 0.2 degrees, the radius of curvature of the S-shaped channel optical waveguide 10 is 14 mm, and the interval between the linear channel optical waveguides 11 is 1.
25 μm. The depth of each channel is 0.40
μm, and the width of each channel is 5.0 μm.

【0027】次に、上記材料で構成された光スイッチに
おいて、放射損失を無視できるレベルまで減少させるこ
とができる、チャンネル光導波路とその周囲との実効屈
折率差Δnを求める。図3に、上記の光スイッチにおけ
る、放射損失が1dBとなる場合の実効屈折率差Δn及
びS字型チャンネル光導波路の曲率半径の関係(実線で
示す)、及び放射損失が10dBとなる場合の実効屈折
率差Δn及びS字型チャンネル光導波路の曲率半径の関
係(点線で示す)を示す。
Next, an effective refractive index difference Δn between the channel optical waveguide and its periphery, which can reduce the radiation loss to a negligible level, in the optical switch made of the above-mentioned material is determined. FIG. 3 shows the relationship between the effective refractive index difference Δn and the radius of curvature of the S-shaped channel optical waveguide (shown by a solid line) when the radiation loss is 1 dB, and the radiation loss is 10 dB in the above optical switch. The relationship between the effective refractive index difference Δn and the radius of curvature of the S-shaped channel optical waveguide (shown by a dotted line) is shown.

【0028】図から分かるように、S字型チャンネル光
導波路の曲率半径が70mm以下では、実効屈折率差Δ
nの変動により放射損失が大幅に変化し、実効屈折率差
Δnを少し増加することで、放射損失を無視できるレベ
ルまで減少させることができる。例えば、S字型チャン
ネル光導波路の曲率半径を70mmとすると、実効屈折
率差0.10%では放射損失は1.0dBであるが、実
効屈折率差0.12%では放射損失は0.1dBと無視
できるレベルまで減少する。
As can be seen from the figure, when the radius of curvature of the S-shaped channel optical waveguide is 70 mm or less, the effective refractive index difference Δ
The radiation loss changes greatly due to the change in n, and the radiation loss can be reduced to a negligible level by slightly increasing the effective refractive index difference Δn. For example, if the radius of curvature of the S-shaped channel optical waveguide is 70 mm, the radiation loss is 1.0 dB when the effective refractive index difference is 0.10%, but the radiation loss is 0.1 dB when the effective refractive index difference is 0.12%. And to a negligible level.

【0029】本実施の形態の光スイッチでは、S字型チ
ャンネル光導波路の曲率半径は14mmであるため、チ
ャンネル光導波路とその周囲との実効屈折率差を0.2
%以上とすることにより、放射損失を0.1dB以下と
することができる。
In the optical switch of the present embodiment, since the radius of curvature of the S-shaped channel optical waveguide is 14 mm, the effective refractive index difference between the channel optical waveguide and its surroundings is 0.2.
%, The radiation loss can be reduced to 0.1 dB or less.

【0030】ここで、チャンネル光導波路とその周囲と
の実効屈折率差Δnの算出方法を説明する。まず、バッ
ファ層の屈折率と、光導波路層の上層(本実施の形態で
は、空気層)の屈折率と、チャンネル光導波路を取り囲
むスラブ状光導波路の膜厚及び屈折率とを用いて、スラ
ブ部分の実効屈折率をモード分散方程式から計算する。
次に、バッファ層の屈折率と、光導波路層の上層の屈折
率と、チャンネル光導波路の膜厚及び屈折率とを用い
て、チャンネル光導波路の実効屈折率をモード分散方程
式から計算する。そして、両実効屈折率の差をスラブ状
光導波路の実効屈折率で除して、実効屈折率差Δnが算
出される。また、プリズム・カップリングの方法により
測定したスラブ部分及びチャンネル光導波路の実効屈折
率から、実効屈折率差Δnを算出してもよい。
Here, a method of calculating the effective refractive index difference Δn between the channel optical waveguide and its surrounding will be described. First, using the refractive index of the buffer layer, the refractive index of the upper layer of the optical waveguide layer (the air layer in the present embodiment), and the thickness and refractive index of the slab optical waveguide surrounding the channel optical waveguide, The effective refractive index of the part is calculated from the mode dispersion equation.
Next, using the refractive index of the buffer layer, the refractive index of the upper layer of the optical waveguide layer, the thickness and the refractive index of the channel optical waveguide, the effective refractive index of the channel optical waveguide is calculated from the mode dispersion equation. Then, the difference between the two effective refractive indices is divided by the effective refractive index of the slab optical waveguide to calculate the effective refractive index difference Δn. The effective refractive index difference Δn may be calculated from the effective refractive indexes of the slab portion and the channel optical waveguide measured by the prism coupling method.

【0031】従って、放射損失を無視できるレベルまで
減少させることができる、チャンネル光導波路とその周
囲との実効屈折率差が求められれば、バッファ層の屈折
率、光導波路層の上層の屈折率、チャンネル光導波路を
取り囲むスラブ部分の膜厚及び屈折率、及びチャンネル
光導波路の膜厚及び屈折率のいずれかを適宜変更して、
実効屈折率差をその値にすることができる。
Accordingly, if the effective refractive index difference between the channel optical waveguide and its surroundings can be determined so that the radiation loss can be reduced to a negligible level, the refractive index of the buffer layer, the refractive index of the upper layer of the optical waveguide layer, The thickness and the refractive index of the slab portion surrounding the channel optical waveguide, and any of the thickness and the refractive index of the channel optical waveguide are appropriately changed,
The effective refractive index difference can be set to that value.

【0032】以上の通り、本実施の形態では、PLZT
で構成されたエピタキシャルまたは単一配向性のチャン
ネル光導波路を備えた光スイッチでは、基板上へのPL
ZT薄膜のエピタキシャル成長によりバッファ層や光導
波路層を形成すると共に、フォトリソグラフィとエッチ
ングとによりチャンネル光導波路を形成するので、各種
形状のチャンネル光導波路を精度良く形成することがで
き、チャンネルの曲率半径に応じて、実効屈折率差を正
確に制御することができる、という特徴に基づき、放射
損失が0.1dB以下となるように、S字型チャンネル
光導波路の曲率半径に応じて実効屈折率差Δnを求め、
この実効屈折率差が得られるように光スイッチを設計す
るので、放射損失が無視できるレベルの光スイッチを得
ることができる。
As described above, in this embodiment, the PLZT
In an optical switch with an epitaxial or unidirectional channel optical waveguide composed of
Since a buffer layer and an optical waveguide layer are formed by epitaxial growth of a ZT thin film, and a channel optical waveguide is formed by photolithography and etching, channel optical waveguides of various shapes can be accurately formed, and the curvature radius of the channel can be reduced. Accordingly, based on the characteristic that the effective refractive index difference can be accurately controlled, the effective refractive index difference Δn is adjusted according to the radius of curvature of the S-shaped channel optical waveguide so that the radiation loss becomes 0.1 dB or less. ,
Since the optical switch is designed so as to obtain this effective refractive index difference, it is possible to obtain an optical switch whose radiation loss is negligible.

【0033】また、得られた光スイッチは、高効率の電
気光学効果を有するPLZTで構成されたエピタキシャ
ルまたは単一配向性のチャンネル光導波路を備えている
ので、従来の光スイッチに比べ駆動電圧が低く、スイッ
チング速度が速く、温度安定性に優れ、挿入損失も小さ
い。
Further, the obtained optical switch has an epitaxial or unidirectional channel optical waveguide made of PLZT having a high efficiency electro-optical effect, and therefore, the driving voltage is lower than that of the conventional optical switch. Low, fast switching speed, excellent temperature stability, and low insertion loss.

【0034】次に、本実施の形態に係る光スイッチの実
施例について説明する。
Next, an example of the optical switch according to this embodiment will be described.

【0035】まず、無水酢酸鉛Pb(CH3COO)2
ジルコニウム・イソプロポキシドZr(O−i-C37
4、及びチタン・イソプロポキシドTi(O−i-C
374を出発原料として、バッファ層の組成に応じて
各々所定量を2−メトキシエタノールに溶解し、蒸留と
還流を行い、最終的にPb濃度で0.6Mのバッファ層
用前駆体溶液を得た。
First, anhydrous lead acetate Pb (CH 3 COO) 2 ,
Zirconium isopropoxide Zr (O-i-C 3 H 7)
4 and titanium isopropoxide Ti (O-i-C
Using 3 H 7 ) 4 as a starting material, a predetermined amount is dissolved in 2-methoxyethanol according to the composition of the buffer layer, and distillation and reflux are performed. Finally, a precursor for a buffer layer having a Pb concentration of 0.6 M is obtained. A solution was obtained.

【0036】このバッファ層用前駆体溶液を、洗浄、エ
ッチング、乾燥を予め行ったNbドープSrTiO
3(100)単結晶基板上へスピンコーティングし、O2
雰囲気中で昇温して350℃にて保持し、さらに750
℃にて保持の後、冷却した。これを繰り返すことにより
固相エピタキシャル成長を行い、屈折率が2.395の
組成のPZTエピタキシャル薄膜を2.6μmの膜厚で
形成した。
This buffer layer precursor solution is washed, etched and dried in advance with Nb-doped SrTiO.
3 (100) was spin coated onto a single crystal substrate, O 2
The temperature was raised in the atmosphere and kept at 350 ° C.
After holding at ℃, it was cooled. By repeating this, solid-phase epitaxial growth was performed, and a PZT epitaxial thin film having a composition with a refractive index of 2.395 was formed with a thickness of 2.6 μm.

【0037】次に、前記バッファ層用前駆体溶液を、こ
のPZTエピタキシャル薄膜上へスピンコーティング
し、O2雰囲気中で昇温して350℃にて保持した後、
冷却した。これを繰り返すことにより、PZTアモルフ
ァス薄膜を0.4μmの膜厚で形成した。次に、フォト
レジストをスピンコートし、プリベークの後、露光し、
現像を行うことにより、チャンネル光導波路に対応する
開口を有するレジスト・パターンを形成した。ポストベ
ークの後、HCl水溶液でPZTアモルファス薄膜の一
部をウエット・エッチングにより除去した。
Next, the above-mentioned buffer layer precursor solution was spin-coated on the PZT epitaxial thin film, heated in an O 2 atmosphere and kept at 350 ° C.
Cool. By repeating this, a PZT amorphous thin film was formed with a thickness of 0.4 μm. Next, the photoresist is spin-coated, exposed after pre-baking,
By performing development, a resist pattern having an opening corresponding to the channel optical waveguide was formed. After the post-baking, a part of the PZT amorphous thin film was removed by wet etching using an aqueous HCl solution.

【0038】以上のようにして、PZTアモルファス薄
膜を加工して、開き角度0.2度のY分岐部、曲率半径
14mmのS字型チャンネル光導波路、及び間隔125
μmの直線状チャンネル光導波路の各々に対応する、深
さ0.4μm、幅5.0μmの凹型形状の溝部(トレン
チ)を形成した。次に、リムーバによってレジストを剥
離した後、加工後のPZTアモルファス薄膜の固相エピ
タキシャル成長を行い、先に形成したPZTエピタキシ
ャル薄膜と一体化させ、表面に凹型形状の溝部が形成さ
れたPZTエピタキシャル・バッファ層を形成した。
As described above, the PZT amorphous thin film is processed, and the Y branch portion having an opening angle of 0.2 degrees, the S-shaped channel optical waveguide having a curvature radius of 14 mm, and the interval 125
A concave groove (trench) having a depth of 0.4 μm and a width of 5.0 μm corresponding to each of the linear channel optical waveguides of μm was formed. Next, after removing the resist with a remover, the processed PZT amorphous thin film is subjected to solid phase epitaxial growth to be integrated with the previously formed PZT epitaxial thin film, and a PZT epitaxial buffer having a concave groove formed on the surface. A layer was formed.

【0039】更に、PZTエピタキシャル・バッファ層
の表面に、バッファ層用前駆体溶液と同様にして調製し
た光導波路層用前駆体溶液をスピンコーティングし、O
2雰囲気中で昇温して350℃にて保持し、さらに75
0℃にて保持の後、冷却した。これを繰り返すことによ
り固相エピタキシャル成長を行い、屈折率が2.450
の組成のPZTエビタキシャル光導波路層を2.2μm
の膜厚で形成した。
Further, the surface of the PZT epitaxial buffer layer was spin-coated with a precursor solution for the optical waveguide layer prepared in the same manner as the precursor solution for the buffer layer.
2 Raise the temperature in the atmosphere and hold at 350 ° C.
After holding at 0 ° C., it was cooled. By repeating this, solid phase epitaxial growth is performed and the refractive index becomes 2.450.
PZT epitaxial optical waveguide layer having a composition of 2.2 μm
It formed with the film thickness of.

【0040】以上のプロセスによって、周囲との実効屈
折率差が0.2%のチャンネル光導波路が形成された。
By the above process, a channel optical waveguide having an effective refractive index difference of 0.2% from the surroundings was formed.

【0041】Y分岐部のPZTエピタキシャル光導波路
層上に、スパッタリング法によって膜厚200nmのA
lと膜厚200nmのITOからなる積層薄膜を成膜し
た後、リフト・オフ法によって、幅5.0μm、長さ
3.0mmの形状の上部電極を形成して、シングル・モ
ードの1×2光スイッチを作製した。なお、入射端面及
び出射端面は、研磨によって形成した。
On the PZT epitaxial optical waveguide layer at the Y branch portion, a 200 nm-thick A
1 and a 200 nm-thick laminated thin film made of ITO, and then a lift-off method is used to form an upper electrode having a width of 5.0 μm and a length of 3.0 mm. An optical switch was manufactured. The incident end face and the outgoing end face were formed by polishing.

【0042】積層した各層の結晶学的関係は、単一配向
PZT(100)光導波路層//PZT(100)バッ
ファ層//Nb−SrTiO3(100)基板、及び、
面内方位PZT[001]光導波路層//PZT[00
1]バッファ層//Nb−SrTiO3[001]基板
となった。
The crystallographic relationship of the stacked layers is as follows: a single-oriented PZT (100) optical waveguide layer // PZT (100) buffer layer // Nb-SrTiO 3 (100) substrate;
In-plane orientation PZT [001] optical waveguide layer // PZT [00
1] Buffer layer // Nb-SrTiO 3 [001] substrate.

【0043】PZT光導波路層の電気光学係数r=50
pm/Vが得られた。PZTバッファ層の比誘電率60
0、及びPZT光導波路層の比誘電率900より求めら
れるPZT光導波路層の実効電圧は47%となり、バッ
ファ層を介しているにも拘らず、高い効率で電圧を印加
することが可能である。
The electro-optic coefficient r = 50 of the PZT optical waveguide layer
pm / V was obtained. Relative dielectric constant of PZT buffer layer 60
The effective voltage of the PZT optical waveguide layer obtained from 0 and the relative dielectric constant 900 of the PZT optical waveguide layer is 47%, and it is possible to apply a voltage with high efficiency despite the interposition of the buffer layer. .

【0044】この光スイッチの入射端面及び出射端面に
シングル・モード光ファイバを配置し、配置した光ファ
イバから波長1.55μmのレーザ光を入射端面の入射
ポートへ導入すると、Y分岐部で3dB(50%)の強
度で2つのチャンネルに分岐され、出射端面の出射ポー
ト及びの2本の光ファイバへ等しい強度で分配された。
これに対し、下部NbドープSrTiO3基板電極と2
つの上部電極のうちの一方の電極との間に5Vの電圧を
印加した場合には、電圧の印加された側の光導波路の屈
折率が低下するため、入射端面から導入されたレーザ光
は、Y分岐部で電圧が印加されておらず屈折率が低下し
ていないチャンネルを選択し、デジタル型スイッチにお
いて光ファイバ経路の切り替えがなされた。
When a single mode optical fiber is disposed on the input end face and the output end face of this optical switch, and a laser beam having a wavelength of 1.55 μm is introduced from the disposed optical fiber to the input port of the input end face, 3 dB ( (50%) and split into two channels with equal intensity to the output port of the output end face and the two optical fibers.
On the other hand, the lower Nb-doped SrTiO 3 substrate electrode
When a voltage of 5 V is applied to one of the two upper electrodes, the refractive index of the optical waveguide on the side to which the voltage is applied decreases, so that the laser light introduced from the incident end face is At the Y branch, a channel to which no voltage was applied and the refractive index did not decrease was selected, and the optical fiber path was switched by the digital switch.

【0045】また、本実施例の1×2光スイッチは、曲
率半径14mmのS字型チャンネル光導波路を含んで全
長10mm程度と小型化されたにも拘らず、放射損失が
0.1dB以下であり、従来の方法で1×2光スイッチ
を構成した場合と比べると、駆動電圧が5Vと従来の1
0分の1程度で済み、スイッチング周波数50MHz以
上、クロストーク20dB以下、挿入損失3dB以下で
あり、偏波無依存と特性も良好であった。
Further, the 1 × 2 optical switch of this embodiment has a radiation loss of 0.1 dB or less, despite the fact that the total length is reduced to about 10 mm including an S-shaped channel optical waveguide having a curvature radius of 14 mm. In comparison with the case where a 1 × 2 optical switch is formed by the conventional method, the driving voltage is
The switching frequency was 50 MHz or more, the crosstalk was 20 dB or less, the insertion loss was 3 dB or less, and the polarization was independent and the characteristics were good.

【0046】(第2の実施の形態)図4は、第2の実施
の形態に係る1×8光スイッチの平面図であり、図5
は、その分岐部の拡大図である。図4に示すように、こ
の1×8光スイッチは、第1の実施形態に係る1×2光
スイッチを3段に組み合わせたシングル・モードのデジ
タル型1×8光スイッチであり、光スイッチの積層構造
及び積層材料は、第1の実施の形態の光スイッチと同様
である。また、S字型チャンネル光導波路の曲率半径も
14mmと第1の実施の形態の光スイッチと同様である
ため、チャンネル光導波路とその周囲との実効屈折率差
を0.2%以上とすることにより、放射損失を0.1d
B以下とすることができる。
(Second Embodiment) FIG. 4 is a plan view of a 1 × 8 optical switch according to a second embodiment, and FIG.
Is an enlarged view of the branch portion. As shown in FIG. 4, the 1 × 8 optical switch is a single mode digital 1 × 8 optical switch in which the 1 × 2 optical switches according to the first embodiment are combined in three stages. The laminated structure and the laminated material are the same as those of the optical switch according to the first embodiment. Further, since the radius of curvature of the S-shaped channel optical waveguide is also 14 mm, which is the same as that of the optical switch of the first embodiment, the effective refractive index difference between the channel optical waveguide and its surroundings should be 0.2% or more. The radiation loss is 0.1d
B or less.

【0047】以上の通り、本実施の形態では、第1の実
施の形態と同様に、PLZTで構成されたエピタキシャ
ルまたは単一配向性のチャンネル光導波路を備えた光ス
イッチの上記特徴に基づき、放射損失が0.1dB以下
となるように、S字型チャンネル光導波路の曲率半径に
応じて実効屈折率差Δnを求め、この実効屈折率差が得
られるように光スイッチを設計するので、放射損失が無
視できるレベルの光スイッチを得ることができる。
As described above, in the present embodiment, as in the first embodiment, based on the above-described characteristics of the optical switch having the epitaxial or unidirectional channel optical waveguide formed of PLZT, The effective refractive index difference Δn is determined according to the radius of curvature of the S-shaped channel optical waveguide so that the loss is 0.1 dB or less, and the optical switch is designed so as to obtain the effective refractive index difference. Can obtain an optical switch of a negligible level.

【0048】また、得られた光スイッチは、高効率の電
気光学効果を有するPLZTで構成されたエピタキシャ
ルまたは単一配向性のチャンネル光導波路を備えている
ので、従来の光スイッチに比べ駆動電圧が低く、スイッ
チング速度が速く、温度安定性に優れ、挿入損失も小さ
い。
Further, the obtained optical switch has an epitaxial or unidirectional channel optical waveguide composed of PLZT having a high efficiency electro-optic effect, so that the driving voltage is lower than that of the conventional optical switch. Low, fast switching speed, excellent temperature stability, and low insertion loss.

【0049】次に、第2の実施の形態に係る光スイッチ
の実施例について説明する。
Next, an example of the optical switch according to the second embodiment will be described.

【0050】バッファ層の組成に応じて調整したバッフ
ァ層用前駆体溶液を、洗浄、エッチング、乾燥を予め行
ったNbドープSrTiO3(100)単結晶基板上へ
スピンコーティングし、O2雰囲気中で昇温して350
℃にて保持し、さらに750℃にて保持の後、冷却し
た。これを繰り返すことにより固相エピタキシャル成長
を行い、屈折率が2.395の組成のPZTエピタキシ
ャル薄膜を2.6μmの膜厚で形成した。
[0050] The precursor solution for the buffer layer is adjusted according to the composition of the buffer layer, cleaning, etching, drying by spin coating to a previously went Nb-doped SrTiO 3 (100) single crystal substrate, in an O 2 atmosphere Increase the temperature to 350
After it was kept at 750 ° C., it was cooled. By repeating this, solid-phase epitaxial growth was performed, and a PZT epitaxial thin film having a composition with a refractive index of 2.395 was formed with a thickness of 2.6 μm.

【0051】次に、このPZTエピタキシャル薄膜上
へ、前記バッファ層用前駆体溶液をスピンコーティング
し、O2雰囲気中で昇温して350℃にて保持した後、
冷却した。これを繰り返すことにより、PZTアモルフ
ァス薄膜を0.4μmの膜厚で形成した。次に、フォト
レジストをスピンコートし、プリベークの後、露光し、
現像を行うことにより、チャンネル光導波路に対応する
開口を有するレジスト・パターンを形成した。ポストベ
ークの後、HCl水溶液でPZTアモルファス薄膜の一
部をウエット・エッチングにより除去した。
Next, the precursor solution for the buffer layer was spin-coated on the PZT epitaxial thin film, heated in an O 2 atmosphere and kept at 350 ° C.
Cool. By repeating this, a PZT amorphous thin film was formed with a thickness of 0.4 μm. Next, the photoresist is spin-coated, exposed after pre-baking,
By performing development, a resist pattern having an opening corresponding to the channel optical waveguide was formed. After the post-baking, a part of the PZT amorphous thin film was removed by wet etching using an aqueous HCl solution.

【0052】以上のようにして、PZTアモルファス薄
膜を加工して、開き角度0.2度のY分岐部、曲率半径
14mmのS字型チャンネル光導波路、及び間隔250
μmの直線状チャンネル光導波路の各々に対応する、深
さ0.4μm、幅5.0μmの凹型形状の溝部を形成し
た。次に、リムーバによってレジストを剥離した後、加
工後のPZTアモルファス薄膜の固相エピタキシャル成
長を行い、先に形成したPZTエピタキシャル薄膜と一
体化させ、表面に凹型形状の溝部が形成されたPZTエ
ピタキシャル・バッファ層を形成した。
As described above, the PZT amorphous thin film is processed, and a Y branch portion having an opening angle of 0.2 degree, an S-shaped channel optical waveguide having a curvature radius of 14 mm, and a spacing of 250 mm are formed.
A concave groove having a depth of 0.4 μm and a width of 5.0 μm was formed corresponding to each of the linear channel optical waveguides of μm. Next, after removing the resist with a remover, the processed PZT amorphous thin film is subjected to solid phase epitaxial growth to be integrated with the previously formed PZT epitaxial thin film, and a PZT epitaxial buffer having a concave groove formed on the surface. A layer was formed.

【0053】更に、PZTエピタキシャル・バッファ層
の表面に、バッファ層用前駆体溶液と同様にして調製し
た光導波路層用前駆体溶液をスピンコーティングし、O
2雰囲気中で昇温して350℃にて保持し、さらに75
0℃にて保持の後、冷却した。これを繰り返すことによ
り固相エピタキシャル成長を行い、屈折率が2.450
の組成のPZTエビタキシャル光導波路層を2.2μm
の膜厚で形成した。
Further, the surface of the PZT epitaxial buffer layer was spin-coated with the precursor solution for the optical waveguide layer prepared in the same manner as the precursor solution for the buffer layer.
2 Raise the temperature in the atmosphere and hold at 350 ° C.
After holding at 0 ° C., it was cooled. By repeating this, solid phase epitaxial growth is performed and the refractive index becomes 2.450.
PZT epitaxial optical waveguide layer having a composition of 2.2 μm
It formed with the film thickness of.

【0054】以上のプロセスによって、周囲との実効屈
折率差が0.2%のチャンネル光導波路が形成された。
Through the above process, a channel optical waveguide having an effective refractive index difference of 0.2% from the surroundings was formed.

【0055】Y分岐部のPZTエピタキシャル光導波路
層上に、スパッタリング法によって膜厚200nmのA
lと膜厚200nmのITOからなる積層薄膜を成膜し
た後、リフト・オフ法によって、幅5.0μm、長さ
3.0mmの形状の上部電極を各1×2光スイッチごと
に形成して、1×2光スイッチを3段にしたシングル・
モードのデジタル型1×8光スイッチを作製した。
On the PZT epitaxial optical waveguide layer at the Y branch portion, a 200 nm-thick A
After forming a laminated thin film made of l and ITO having a thickness of 200 nm, an upper electrode having a width of 5.0 μm and a length of 3.0 mm is formed for each 1 × 2 optical switch by a lift-off method. Single with three 1 × 2 optical switches
A digital 1 × 8 optical switch of mode was fabricated.

【0056】この光スイッチの入射端面に1本のシング
ル・モード光ファイバを配置し、出射端面には250μ
m間隔で8本のシングル・モード光ファイバを配置し
た。入射端面に配置した光ファイバから波長1.55μ
mのレーザ光を本実施の形態の1×8光スイッチの入射
ポートへ導入すると、各Y分岐部で3dB(50%)の
強度で2つのチャンネルに分岐され、出射端面の出射ポ
ートの8本の光ファイバへ等しい強度で分配される。
One single mode optical fiber is arranged on the input end face of this optical switch, and 250 μm is set on the output end face.
Eight single mode optical fibers were arranged at m intervals. 1.55μ wavelength from the optical fiber placed on the incident end face
When m laser light is introduced into the input port of the 1 × 8 optical switch according to the present embodiment, each Y branch is branched into two channels at an intensity of 3 dB (50%), and eight of the output ports on the output end face are provided. With equal intensity.

【0057】これに対し、3段に設けられた各1×2光
スイッチについて、下部NbドープSrTiO3基板電
極と各1×2光スイッチに設けられた2つ上部電極のう
ちの1つの電極との間に5Vの電圧を印加した場合に
は、電圧の印加された側の光導波路の屈折率が低下する
ため、入射端面から導入されたレーザ光は、各1×2光
スイッチで電圧の印加されていない、即ち屈折率の低下
のないチャンネルを選択し、デジタル型スイッチにおい
て光ファイバ経路の切り替えがなされる。
On the other hand, for each 1 × 2 optical switch provided in three stages, the lower Nb-doped SrTiO 3 substrate electrode and one of the two upper electrodes provided in each 1 × 2 optical switch were used. When a voltage of 5 V is applied during this time, the refractive index of the optical waveguide on the side to which the voltage is applied decreases, so that the laser light introduced from the incident end face is applied with a voltage by each 1 × 2 optical switch. A channel which is not selected, that is, has no refractive index reduction, is selected, and the optical fiber path is switched in the digital type switch.

【0058】また、本実施例の1×8光スイッチは、曲
率半径14mmのS字型チャンネル光導波路を含んで全
長24mm程度と小型化されたにも拘らず、放射損失が
0.1dB以下であり、従来の方法で1×8光スイッチ
を構成した場合と比べると、駆動電圧が5Vと従来の1
0分の1程度で済み、スイッチング周波数50MHz以
上、クロストーク20dB以下、挿入損失4dB以下で
あり、偏波無依存と特性も良好であった。
Further, the 1 × 8 optical switch of this embodiment has a radiation loss of 0.1 dB or less, despite its miniaturization of about 24 mm in length including an S-shaped channel optical waveguide having a radius of curvature of 14 mm. In comparison with the case where a 1 × 8 optical switch is configured by the conventional method, the driving voltage is
The switching frequency was 50 MHz or more, the crosstalk was 20 dB or less, the insertion loss was 4 dB or less, and the polarization was independent and the characteristics were good.

【0059】(第3の実施の形態)第3の実施の形態に
係る光スイッチは、図6に示すように、第1の実施の形
態に係る光スイッチと同様の原理のY分岐型の1×2光
スイッチ112個をツリー状に配列した、デジタル型の
完全非閉塞型8×8光スイッチである。この光スイッチ
の積層構造及び積層材料は、第1の実施の形態の光スイ
ッチと同様であるが、各チャンネルの深さは0.50μ
m、S字型チャンネル光導波路の曲率半径は9mmとさ
れている。
(Third Embodiment) As shown in FIG. 6, the optical switch according to the third embodiment is a Y-branch type optical switch having the same principle as the optical switch according to the first embodiment. This is a digital type completely non-blocking type 8 × 8 optical switch in which 112 × 2 optical switches are arranged in a tree shape. The laminated structure and laminated material of this optical switch are the same as those of the optical switch of the first embodiment, but the depth of each channel is 0.50 μm.
The radius of curvature of the m, S-shaped channel optical waveguide is 9 mm.

【0060】第1の実施の形態と同様に、図3に示す関
係に基づいて、放射損失を無視できるレベルまで減少さ
せることができるチャンネル光導波路とその周囲との実
効屈折率差Δnを求めることができる。本実施の形態の
光スイッチでは、S字型チャンネル光導波路の曲率半径
は9mmであるため、チャンネル光導波路とその周囲と
の実効屈折率差を0.26%以上とすることにより、放
射損失を0.1dB以下とすることができる。
Similarly to the first embodiment, based on the relationship shown in FIG. 3, the effective refractive index difference Δn between the channel optical waveguide capable of reducing the radiation loss to a negligible level and the periphery thereof is obtained. Can be. In the optical switch according to the present embodiment, since the radius of curvature of the S-shaped channel optical waveguide is 9 mm, the radiation loss is reduced by setting the effective refractive index difference between the channel optical waveguide and its periphery to 0.26% or more. It can be 0.1 dB or less.

【0061】以上の通り、本実施の形態では、第1の実
施の形態と同様に、PLZTで構成されたエピタキシャ
ルまたは単一配向性のチャンネル光導波路を備えた光ス
イッチの上記特徴に基づき、放射損失が0.1dB以下
となるように、S字型チャンネル光導波路の曲率半径に
応じて実効屈折率差Δnを求め、この実効屈折率差が得
られるように光スイッチを設計するので、放射損失が無
視できるレベルの光スイッチを得ることができる。
As described above, in the present embodiment, as in the first embodiment, based on the above-described features of the optical switch having the epitaxial or unidirectional channel optical waveguide constituted by PLZT, The effective refractive index difference Δn is determined according to the radius of curvature of the S-shaped channel optical waveguide so that the loss is 0.1 dB or less, and the optical switch is designed so as to obtain the effective refractive index difference. Can obtain an optical switch of a negligible level.

【0062】また、得られた光スイッチは、高効率の電
気光学効果を有するPLZTで構成されたエピタキシャ
ルまたは単一配向性のチャンネル光導波路を備えている
ので、従来の光スイッチに比べ駆動電圧が低く、スイッ
チング速度が速く、温度安定性に優れ、挿入損失も小さ
い。
Further, the obtained optical switch has an epitaxial or unidirectional channel optical waveguide composed of PLZT having a high efficiency electro-optical effect, so that the driving voltage is lower than that of the conventional optical switch. Low, fast switching speed, excellent temperature stability, and low insertion loss.

【0063】次に、第3の実施の形態に係る光スイッチ
の実施例について説明する。
Next, an example of the optical switch according to the third embodiment will be described.

【0064】バッファ層の組成に応じて調整したバッフ
ァ層用前駆体溶液を、洗浄、エッチング、乾燥を予め行
ったNbドープSrTiO3(100)単結晶基板上へ
スピンコーティングし、O2雰囲気中で昇温して350
℃にて保持し、さらに750℃にて保持の後、冷却し
た。これを繰り返すことにより固相エピタキシャル成長
を行い、屈折率が2.395の組成のPZTエピタキシ
ャル薄膜を2.6μmの膜厚で形成した。
The buffer layer precursor solution adjusted in accordance with the composition of the buffer layer is spin-coated on an Nb-doped SrTiO 3 (100) single crystal substrate which has been washed, etched and dried in advance, and is subjected to an O 2 atmosphere. Increase the temperature to 350
After it was kept at 750 ° C., it was cooled. By repeating this, solid-phase epitaxial growth was performed, and a PZT epitaxial thin film having a composition with a refractive index of 2.395 was formed with a thickness of 2.6 μm.

【0065】次に、このPZTエピタキシャル薄膜上
へ、前記バッファ層用前駆体溶液をスピンコーティング
し、O2雰囲気中で昇温して350℃にて保持した後、
冷却した。これを繰り返すことにより、PZTアモルフ
ァス薄膜を0.5μmの膜厚で形成した。次に、フォト
レジストをスピンコートし、プリベークの後、露光し、
現像を行うことにより、チャンネル光導波路に対応する
開口を有するレジスト・パターンを形成した。ポストベ
ークの後、HCl水溶液でPZTアモルファス薄膜の一
部をウエット・エッチングにより除去した。
Next, the buffer layer precursor solution was spin-coated on the PZT epitaxial thin film, and the temperature was raised in an O 2 atmosphere and maintained at 350 ° C.
Cool. By repeating this, a PZT amorphous thin film was formed with a thickness of 0.5 μm. Next, the photoresist is spin-coated, exposed after pre-baking,
By performing development, a resist pattern having an opening corresponding to the channel optical waveguide was formed. After the post-baking, a part of the PZT amorphous thin film was removed by wet etching using an aqueous HCl solution.

【0066】以上のようにして、PZTアモルファス薄
膜を加工して、開き角度0.2度のY分岐部、曲率半径
9mmのS字型チャンネル光導波路、及び直線状チャン
ネル光導波路の各々に対応する、深さ0.5μm、幅
5.0μmの凹型形状の溝部を形成した。次に、リムー
バによってレジストを剥離した後、加工後のPZTアモ
ルファス薄膜の固相エピタキシャル成長を行い、先に形
成したPZTエピタキシャル薄膜と一体化させ、表面に
凹型形状の溝部が形成されたPZTエピタキシャル・バ
ッファ層を形成した。
As described above, the PZT amorphous thin film is processed to correspond to each of the Y-branch portion having an opening angle of 0.2 °, the S-shaped channel optical waveguide having a radius of curvature of 9 mm, and the linear channel optical waveguide. And a concave groove having a depth of 0.5 μm and a width of 5.0 μm. Next, after the resist is removed by a remover, the processed PZT amorphous thin film is subjected to solid phase epitaxial growth to be integrated with the previously formed PZT epitaxial thin film, and a PZT epitaxial buffer having a concave groove formed on the surface. A layer was formed.

【0067】更に、PZTエピタキシャル・バッファ層
の表面に、バッファ層用前駆体溶液と同様にして調製し
た光導波路層用前駆体溶液をスピンコーティングし、O
2雰囲気中で昇温して350℃にて保持し、さらに75
0℃にて保持の後、冷却した。これを繰り返すことによ
り固相エピタキシャル成長を行い、屈折率が2.450
の組成のPZTエビタキシャル光導波路層を2.2μm
の膜厚で形成した。
Further, the surface of the PZT epitaxial buffer layer was spin-coated with the optical waveguide layer precursor solution prepared in the same manner as the buffer layer precursor solution, and
2 Raise the temperature in the atmosphere and hold at 350 ° C.
After holding at 0 ° C., it was cooled. By repeating this, solid phase epitaxial growth is performed and the refractive index becomes 2.450.
PZT epitaxial optical waveguide layer having a composition of 2.2 μm
It formed with the film thickness of.

【0068】以上のプロセスによって、周囲との実効屈
折率差が0.3%のチャンネル光導波路が形成された。
Through the above process, a channel optical waveguide having an effective refractive index difference of 0.3% from the surroundings was formed.

【0069】Y分岐部のPZTエピタキシャル光導波路
層上に、スパッタリング法によって膜厚200nmのA
lと膜厚200nmのITOからなる積層薄膜を成膜し
た後、リフト・オフ法によって、幅5.0μm、長さ
2.5mmの形状の上部電極を各1×2光スイッチごと
に形成して、1×2光スイッチを6段にしたシングル・
モードのデジタル型8×8光スイッチを作製した。
On the PZT epitaxial optical waveguide layer at the Y branch portion, a 200 nm-thick A
After forming a laminated thin film made of l and 200 nm thick ITO, an upper electrode having a width of 5.0 μm and a length of 2.5 mm is formed for each 1 × 2 optical switch by a lift-off method. Single with six 1 × 2 optical switches
A mode digital 8 × 8 optical switch was fabricated.

【0070】この光スイッチの入射端面に8本のシング
ル・モード光ファイバを配置し、出射端面にも8本のシ
ングル・モード光ファイバを配置した。入射端面に配置
した光ファイバから波長1.55μmのレーザ光を本実
施の形態の8×8光スイッチの入射ポートへ導入する
と、各Y分岐部で3dB(50%)の強度で2つのチャ
ンネルに分岐され、出射端面の出射ポートの8本の光フ
ァイバへ等しい強度で分配される。
Eight single mode optical fibers were arranged on the incident end face of this optical switch, and eight single mode optical fibers were also arranged on the emission end face. When a laser beam having a wavelength of 1.55 μm is introduced from the optical fiber disposed on the incident end face to the incident port of the 8 × 8 optical switch according to the present embodiment, each Y-branch unit has two channels with an intensity of 3 dB (50%). The light is branched and distributed with equal intensity to the eight optical fibers at the exit port on the exit end face.

【0071】これに対し、6段に設けられた各1×2光
スイッチについて、下部NbドープSrTiO3基板電
極と各1×2光スイッチに設けられた2つ上部電極のう
ちの1つの電極との間に5Vの電圧を印加した場合に
は、電圧の印加された側の光導波路の屈折率が低下する
ため、入射端面から導入されたレーザ光は、各1×2光
スイッチで電圧の印加されていない、即ち屈折率の低下
のないチャンネルを選択し、デジタル型スイッチにおい
て光ファイバ経路の切り替えがなされる。
On the other hand, for each 1 × 2 optical switch provided in six stages, the lower Nb-doped SrTiO 3 substrate electrode and one of the two upper electrodes provided in each 1 × 2 optical switch were When a voltage of 5 V is applied during this time, the refractive index of the optical waveguide on the side to which the voltage is applied decreases, so that the laser light introduced from the incident end face is applied with a voltage by each 1 × 2 optical switch. A channel which is not selected, that is, has no refractive index reduction, is selected, and the optical fiber path is switched in the digital type switch.

【0072】また、本実施例の8×8光スイッチは、曲
率半径9mmのS字型チャンネル光導波路を含んで全長
38mm程度と小型化されたにも拘らず、放射損失が
0.1dB以下であり、従来の方法で8×8光スイッチ
を構成した場合と比べると、駆動電圧が5Vと従来の1
0分の1程度で済み、スイッチング周波数50MHz以
上、クロストーク40dB以下、挿入損失5dB以下で
あり、偏波無依存と特性も良好であった。
The 8 × 8 optical switch according to the present embodiment has a radiation loss of 0.1 dB or less, despite its miniaturization of about 38 mm in length including an S-shaped channel optical waveguide having a curvature radius of 9 mm. In comparison with the case where an 8 × 8 optical switch is configured by a conventional method, the driving voltage is 5 V, which is 1
The switching frequency was 50 MHz or more, the crosstalk was 40 dB or less, the insertion loss was 5 dB or less, and the polarization was independent and the characteristics were good.

【0073】(第4の実施形態)第4の実施の形態に係
る光スイッチは、第1の実施の形態に係る光スイッチと
同様の原理のY分岐型の1×2光スイッチをツリー状に
配列した、デジタル型の完全非閉塞型4×4光スイッチ
である。
(Fourth Embodiment) An optical switch according to a fourth embodiment is a tree-shaped 1 × 2 Y-branch optical switch having the same principle as the optical switch according to the first embodiment. An array of digital, completely non-occluding 4 × 4 optical switches.

【0074】この光スイッチの積層構造は、第1の実施
の形態の光スイッチと同様であるが、各チャンネルの深
さは0.15μm、S字型チャンネル光導波路の曲率半
径は70mmとされている。また、この光スイッチは、
屈折率が2.250の組成のPLZTからなるエピタキ
シャルまたは単一配向性のバッファ層と、屈折率が2.
450の組成のPLZTよりなるエビタキシャルまたは
単一配向性の光導波路層と、を備えている。
The laminated structure of this optical switch is the same as that of the optical switch of the first embodiment, except that the depth of each channel is 0.15 μm and the radius of curvature of the S-shaped channel optical waveguide is 70 mm. I have. Also, this optical switch
An epitaxial or unidirectional buffer layer made of PLZT having a composition with a refractive index of 2.250, and a buffer layer with a refractive index of 2.
And an optical waveguide layer composed of PLZT having a composition of 450 and having an arbitral or unidirectional orientation.

【0075】次に、上記材料で構成された光スイッチに
おいて、放射損失が1dBとなる場合の実効屈折率差Δ
n及びS字型チャンネル光導波路の曲率半径の関係を調
べ、上記材料で構成された光スイッチにおいて、放射損
失を無視できるレベルまで減少させることができる、チ
ャンネル光導波路とその周囲との実効屈折率差Δnを求
めると、本実施の形態の光スイッチでは、S字型チャン
ネル光導波路の曲率半径は70mmであり、チャンネル
光導波路とその周囲との実効屈折率差を0.1%以上と
することにより、放射損失を0.1dB以下とすること
ができることが分かった。
Next, in the optical switch made of the above material, the effective refractive index difference Δ when the radiation loss is 1 dB
The relationship between the radii of curvature of the n- and S-shaped channel optical waveguides is examined, and the effective refractive index between the channel optical waveguide and the periphery thereof can be reduced to a negligible level in the optical switch made of the above-mentioned material. When the difference Δn is obtained, in the optical switch according to the present embodiment, the radius of curvature of the S-shaped channel optical waveguide is 70 mm, and the effective refractive index difference between the channel optical waveguide and its periphery is set to 0.1% or more. It was found that the radiation loss can be reduced to 0.1 dB or less.

【0076】以上の通り、本実施の形態では、第1の実
施の形態と同様に、PLZTで構成されたエピタキシャ
ルまたは単一配向性のチャンネル光導波路を備えた光ス
イッチの上記特徴に基づき、放射損失が0.1dB以下
となるように、S字型チャンネル光導波路の曲率半径に
応じて実効屈折率差Δnを求め、この実効屈折率差が得
られるように光スイッチを設計するので、放射損失が無
視できるレベルの光スイッチを得ることができる。
As described above, in the present embodiment, as in the first embodiment, based on the above-described characteristics of the optical switch having the epitaxial or unidirectional channel optical waveguide constituted by PLZT, The effective refractive index difference Δn is determined according to the radius of curvature of the S-shaped channel optical waveguide so that the loss is 0.1 dB or less, and the optical switch is designed so as to obtain the effective refractive index difference. Can obtain an optical switch of a negligible level.

【0077】また、得られた光スイッチは、高効率の電
気光学効果を有するPLZTで構成されたエピタキシャ
ルまたは単一配向性のチャンネル光導波路を備えている
ので、従来の光スイッチに比べ駆動電圧が低く、スイッ
チング速度が速く、温度安定性に優れ、挿入損失も小さ
い。
Further, since the obtained optical switch has an epitaxial or unidirectional channel optical waveguide composed of PLZT having a high efficiency electro-optical effect, the driving voltage is lower than that of the conventional optical switch. Low, fast switching speed, excellent temperature stability, and low insertion loss.

【0078】次に、本実施の形態に係る光スイッチの実
施例について説明する。
Next, an example of the optical switch according to the present embodiment will be described.

【0079】バッファ層の組成に応じて調整したバッフ
ァ層用前駆体溶液を、洗浄、エッチング、乾燥を予め行
ったNbドープSrTiO3(100)単結晶基板上へ
スピンコーティングし、O2雰囲気中で昇温して350
℃にて保持し、さらに750℃にて保持の後、冷却し
た。これを繰り返すことにより固相エピタキシャル成長
を行い、屈折率が2.250の組成のPLZTエピタキ
シャル薄膜を2.0μmの膜厚で形成した。
The buffer layer precursor solution adjusted according to the composition of the buffer layer is spin-coated on an Nb-doped SrTiO 3 (100) single crystal substrate which has been washed, etched and dried in advance, and is then dried in an O 2 atmosphere. Increase the temperature to 350
After it was kept at 750 ° C., it was cooled. By repeating this, solid phase epitaxial growth was performed, and a PLZT epitaxial thin film having a composition with a refractive index of 2.250 was formed with a thickness of 2.0 μm.

【0080】次に、前記バッファ層用前駆体溶液を、P
LZTエピタキシャル薄膜上へスピンコーティングし、
2雰囲気中で昇温して350℃にて保持した後、冷却
した。これを繰り返すことにより、PZTアモルファス
薄膜を0.15μmの膜厚で形成した。次に、フォトレ
ジストをスピンコートし、プリベークの後、露光し、現
像を行うことにより、チャンネル光導波路に対応する開
口を有するレジスト・パターンを形成した。ポストベー
クの後、HCl水溶液でPZTアモルファス薄膜の一部
をウエット・エッチングにより除去した。
Next, the buffer layer precursor solution was added to P
Spin coating on LZT epitaxial thin film,
The temperature was raised in an O 2 atmosphere, maintained at 350 ° C., and then cooled. By repeating this, a PZT amorphous thin film was formed with a thickness of 0.15 μm. Next, a photoresist was spin-coated, prebaked, exposed, and developed to form a resist pattern having openings corresponding to the channel optical waveguides. After the post-baking, a part of the PZT amorphous thin film was removed by wet etching using an aqueous HCl solution.

【0081】以上のようにして、PZTアモルファス薄
膜を加工して、開き角度0.2度のY分岐部、曲率半径
70mmのS字型チャンネル光導波路、及び直線状チャ
ンネル光導波路の各々に対応する、深さ0.15μm、
幅5.0μmの凹型形状の溝部を形成した。次に、リム
ーバによってレジストを剥離した後、加工後のPZTア
モルファス薄膜の固相エピタキシャル成長を行い、先に
形成したPZTエピタキシャル薄膜と一体化させ、表面
に凹型形状の溝部が形成されたPZTエピタキシャル・
バッファ層を形成した。
As described above, the PZT amorphous thin film is processed to correspond to each of the Y-branch portion having an opening angle of 0.2 °, the S-shaped channel optical waveguide having a radius of curvature of 70 mm, and the linear channel optical waveguide. , Depth 0.15 μm,
A concave groove having a width of 5.0 μm was formed. Next, after the resist is removed by a remover, the processed PZT amorphous thin film is subjected to solid-phase epitaxial growth to be integrated with the previously formed PZT epitaxial thin film, and a PZT epitaxial thin film having a concave groove formed on the surface.
A buffer layer was formed.

【0082】更に、PZTエピタキシャル・バッファ層
の表面に、PZTバッファ層用前駆体溶液と同様にして
調製したPZT光導波路層用前駆体溶液をスピンコーテ
ィングし、O2雰囲気中で昇温して350℃にて保持
し、さらに750℃にて保持の後、冷却した。これを繰
り返すことにより固相エピタキシャル成長を行い、屈折
率が2.450の組成のPLZTエビタキシャル光導波
路層を2.2μmの膜厚で形成した。
Further, a PZT optical waveguide layer precursor solution prepared in the same manner as the PZT buffer layer precursor solution was spin-coated on the surface of the PZT epitaxial buffer layer, and the temperature was raised to 350 ° C. in an O 2 atmosphere. After it was kept at 750 ° C., it was cooled. By repeating this, solid-phase epitaxial growth was performed to form a PLZT epitaxial optical waveguide layer having a composition with a refractive index of 2.450 with a film thickness of 2.2 μm.

【0083】以上のプロセスによって、周囲との実効屈
折率差が0.1%のチャンネル光導波路が形成された。
By the above process, a channel optical waveguide having an effective refractive index difference of 0.1% from the surroundings was formed.

【0084】Y分岐部のPZTエピタキシャル光導波路
層上に、スパッタリング法によって膜厚200nmのA
lと膜厚200nmのITOからなる積層薄膜を成膜し
た後、リフト・オフ法によって、幅5μm、長さ6.0
mmの形状の上部電極を各1×2光スイッチごとに形成
して、1×2光スイッチを4段にしたシングル・モード
のデジタル型4×4光スイッチを作製した。
On the PZT epitaxial optical waveguide layer at the Y branch portion, a 200 nm-thick A was formed by sputtering.
1 and a 200 nm-thick laminated thin film made of ITO, and then 5 μm in width and 6.0 in length by a lift-off method.
An upper electrode having a shape of mm was formed for each 1 × 2 optical switch, thereby producing a single mode digital 4 × 4 optical switch having four 1 × 2 optical switches.

【0085】この光スイッチの入射端面に4本のシング
ル・モード光ファイバを配置し、出射端面にも4本のシ
ングル・モード光ファイバを配置した。入射端面に配置
した光ファイバから波長1.55μmのレーザ光を入射
端面の入射ポートへ導入すると、Y分岐部で3dB(5
0%)の強度で2つのチャンネルに分岐され、出射端面
の出射ポート及びの2本の光ファイバへ等しい強度で分
配された。これに対し、下部NbドープSrTiO3
板電極と2つの上部電極のうちの一方の電極との間に5
Vの電圧を印加した場合には、電圧の印加された側の光
導波路の屈折率が低下するため、入射端面から導入され
たレーザ光は、Y分岐部で電圧が印加されておらず屈折
率が低下していないチャンネルを選択し、デジタル型ス
イッチにおいて光ファイバ経路の切り替えがなされた。
Four single mode optical fibers were arranged on the incident end face of this optical switch, and four single mode optical fibers were also arranged on the exit end face. When a laser beam having a wavelength of 1.55 μm is introduced from the optical fiber disposed on the incident end face to the incident port on the incident end face, 3 dB (5
(0%) and split into two channels with equal intensity to the output port of the output end face and the two optical fibers. On the other hand, between the lower Nb-doped SrTiO 3 substrate electrode and one of the two upper electrodes, 5
When a voltage of V is applied, the refractive index of the optical waveguide on the side to which the voltage is applied decreases, so that the laser light introduced from the incident end face does not receive a voltage at the Y-branch and the refractive index Was selected, and the optical fiber path was switched in the digital switch.

【0086】また、本実施例の4×4光スイッチは、曲
率半径70mmのS字型チャンネル光導波路を含んで全
長44mm程度と2インチ基板に納まるように小型化さ
れたにも拘らず、放射損失が0.1dB以下であり、従
来の方法で4×4光スイッチを構成した場合と比べる
と、駆動電圧が5Vと従来の10分の1程度で済み、ス
イッチング周波数20MHz以上、クロストーク40d
B以下、挿入損失5dB以下であり、偏波無依存と特性
も良好であった。
The 4 × 4 optical switch according to the present embodiment has a total length of about 44 mm including an S-shaped channel optical waveguide having a curvature radius of 70 mm. The loss is less than 0.1 dB, the driving voltage is 5 V, which is about one tenth of the conventional one, the switching frequency is 20 MHz or more, and the crosstalk is 40 d compared to the case where a 4 × 4 optical switch is formed by the conventional method.
B, the insertion loss was 5 dB or less, and the polarization was independent and the characteristics were good.

【0087】以上、本発明の光スイッチの設計方法及び
その設計方法に基づき作製された光スイッチの具体的な
実施の形態を示したが、本発明はこれらに限定されるも
のではなく、以下に述べる通り、他の材料を用いて作製
されていてもよく、他の薄膜形成方法を使用して作製さ
れていてもよい。また、その構造も、本発明の効果を損
なわない範囲で、適宜、変更されていてもよい。
Although the optical switch design method of the present invention and the specific embodiments of the optical switch manufactured based on the design method have been described above, the present invention is not limited to these embodiments. As described, it may be manufactured using another material, or may be manufactured using another thin film forming method. Further, the structure thereof may be appropriately changed without impairing the effects of the present invention.

【0088】本発明において下部電極として用いること
ができる基板は、導電性または半導電性の単結晶基板、
あるいはエピタキシャルまたは単一配向性の導電性また
は半導電性の薄膜を表面に設けた基板である。
The substrate that can be used as the lower electrode in the present invention is a conductive or semiconductive single crystal substrate,
Alternatively, it is a substrate provided with an epitaxial or unidirectional conductive or semiconductive thin film on the surface.

【0089】導電性または半導電性の基板材料として
は、NbやLaなどをドープしたSrTiO3、Alを
ドープしたZnO、In23、RuO2、BaPbO3
SrRuO3、YBa2Cu37-x、SrVO3、LaN
iO3、La0.5Sr0.5CoO3、ZnGa24、CdG
24、CdGa24、Mg2TiO4、MgTi24
どの酸化物、Si,Ge,ダイヤモンドなどの単体半導
体、AlAs,AlSb,AlP,GaAs,GaS
b,InP,InAs,InSb,AlGaP,AlL
nP,AlGaAs,AlInAs,AlAsSb,G
aInAs,GaInSb,GaAsSb,InAsS
bなどのIII−V族系の化合物半導体、ZnS,ZnS
e,ZnTe,CaSe,Cdte,HgSe,HgT
e,CdSなどのII−VI族系の化合物半導体、Pd、P
t、Al、Au、Agなどの金属等を用いることができ
る。この中でも、上部に配置する酸化物強誘電体からな
る光導波路層の膜質にとって有利であることから、基板
材料には酸化物を用いることが好ましい。
As the conductive or semiconductive substrate material, SrTiO 3 doped with Nb or La, ZnO doped with Al, In 2 O 3 , RuO 2 , BaPbO 3 ,
SrRuO 3 , YBa 2 Cu 3 O 7-x , SrVO 3 , LaN
iO 3 , La 0.5 Sr 0.5 CoO 3 , ZnGa 2 O 4 , CdG
a 2 O 4, CdGa 2 O 4, Mg 2 TiO 4, oxides such as MgTi 2 O 4, Si, Ge , elemental semiconductors such as diamond, AlAs, AlSb, AlP, GaAs , GaS
b, InP, InAs, InSb, AlGaP, All
nP, AlGaAs, AlInAs, AlAsSb, G
aInAs, GaInSb, GaAsSb, InAsS
III-V compound semiconductors such as b, ZnS, ZnS
e, ZnTe, CaSe, Cdte, HgSe, HgT
Group II-VI compound semiconductors such as e, CdS, Pd, P
Metals such as t, Al, Au, and Ag can be used. Among them, it is preferable to use an oxide as the substrate material because it is advantageous for the film quality of the optical waveguide layer made of an oxide ferroelectric disposed on the top.

【0090】これらの導電性または半導電性の単結晶基
板、あるいは導電性または半導電性のエピタキシャルま
たは単一配向性の薄膜は、光導波路層を構成する酸化物
強誘電体の結晶構造、及び偏向速度、スイッチング速
度、または変調速度によって必要とされるキャリア・モ
ビリティに応じて選ばれることが望ましい。
The conductive or semiconductive single-crystal substrate or the conductive or semiconductive epitaxial or single-oriented thin film has a crystal structure of an oxide ferroelectric constituting an optical waveguide layer, and Preferably, it is chosen according to the carrier mobility required by the deflection speed, switching speed or modulation speed.

【0091】また、強誘電体材料の比誘電率は数10か
ら数1000であるが、このような強誘電体材料からな
る光導波路素子でも1kHz以上の応答を示すために
は、基板の抵抗率を104Ω・cm以下とするのが好ま
しく、RC時定数、及び電圧降下の点から102Ω・c
m以下とするのがより好ましい。
The relative dielectric constant of the ferroelectric material is several tens to several thousands. However, in order for an optical waveguide element made of such a ferroelectric material to exhibit a response of 1 kHz or more, the resistivity of the substrate is required. Is preferably 10 4 Ω · cm or less, and from the viewpoint of RC time constant and voltage drop, 10 2 Ω · c
m is more preferable.

【0092】エピタキシャルまたは単一配向性の導電性
または半導電性の薄膜を基板表面に設ける場合、基板と
して用いることが可能な材料としては、SrTiO3
BaTiO3、BaZrO3、LaAlO3、ZrO2、Y
238%−ZrO2、MgO、MgAl24、LiNb
3、LiTaO3、Al23、ZnOなどの酸化物、S
i,Ge,ダイヤモンドなどの単体半導体、AlAs,
AlSb,AlP,GaAs,GaSb,InP,In
As,InSb,AlGaP,AlLnP,AlGaA
s,AlInAs,AlAsSb,GaInAs,Ga
InSb,GaAsSb,InAsSbなどのIII−V
族系の化合物半導体、ZnS,ZnSe,ZnTe,C
aSe,Cdte,HgSe,HgTe,CdSなどの
II−VI族系の化合物半導体などを用いることができる。
導電性または半導電性の薄膜を表面に設ける場合でも、
上部に配置する酸化物強誘電体からなる光導波路層の膜
質にとって有利であることから、基板材料には酸化物を
用いることが好ましい。
When an epitaxial or unidirectionally conductive or semiconductive thin film is provided on the substrate surface, materials that can be used as the substrate include SrTiO 3 ,
BaTiO 3 , BaZrO 3 , LaAlO 3 , ZrO 2 , Y
2 O 3 8% —ZrO 2 , MgO, MgAl 2 O 4 , LiNb
Oxides such as O 3 , LiTaO 3 , Al 2 O 3 , ZnO, S
Simple semiconductors such as i, Ge, and diamond, AlAs,
AlSb, AlP, GaAs, GaSb, InP, In
As, InSb, AlGaP, AlLnP, AlGaAs
s, AlInAs, AlAsSb, GaInAs, Ga
III-V such as InSb, GaAsSb, InAsSb, etc.
Group compound semiconductor, ZnS, ZnSe, ZnTe, C
aSe, Cdte, HgSe, HgTe, CdS, etc.
A II-VI group compound semiconductor or the like can be used.
Even if a conductive or semiconductive thin film is provided on the surface,
It is preferable to use an oxide as the substrate material because it is advantageous for the film quality of the optical waveguide layer made of an oxide ferroelectric disposed on the top.

【0093】導電性基板と光導波路層の間にバッファ層
が存在すると、上下電極間に印加した電圧は光導波路層
とバッファ層のそれぞれの容量に従って分配され、光導
波路層に印加できる実効電圧は低下する。しかし、一定
の膜厚を有する高誘電率のバッファ層を用いることによ
り、高い実効電圧を光導波路層に印加することが可能と
なる。このためバッファ層には、光導波路層材料よりも
小さい屈折率を有し、かつ、バッファ層の比誘電率と光
導波路層の比誘電率の比が0.002以上、望ましくは
0.006以上であり、かつ、バッファ層自身のの比誘
電率が8以上となる酸化物を選択することが好ましい。
When a buffer layer exists between the conductive substrate and the optical waveguide layer, the voltage applied between the upper and lower electrodes is distributed according to the respective capacities of the optical waveguide layer and the buffer layer, and the effective voltage that can be applied to the optical waveguide layer is descend. However, a high effective voltage can be applied to the optical waveguide layer by using a buffer layer having a constant thickness and a high dielectric constant. Therefore, the buffer layer has a refractive index smaller than that of the optical waveguide layer material, and the ratio of the relative dielectric constant of the buffer layer to the relative dielectric constant of the optical waveguide layer is 0.002 or more, preferably 0.006 or more. It is preferable to select an oxide in which the relative dielectric constant of the buffer layer itself is 8 or more.

【0094】また、バッファ層材料は、光導波路表面や
光導波路中の粒界などによる散乱に起因する光伝播損失
を実用レベルに低減するために、導電性基板材料と光導
波路材料とのエピタキシ関係を保持できることが必要で
ある。このエピタキシ関係を保持できる条件としては、
バッファ層材料が導電性基板材料と光導波路層材料の結
晶構造に類似で、格子定数の差が10%以下であること
が望ましいが、エピタキシ関係を保持できれば、必ずし
もこの関係に従わなくとも良い。
Further, the material of the buffer layer is made of an epitaxy between the conductive substrate material and the optical waveguide material in order to reduce the light propagation loss caused by the scattering due to the surface of the optical waveguide or the grain boundaries in the optical waveguide to a practical level. It is necessary to be able to hold Conditions that can maintain this epitaxy relationship include:
It is desirable that the buffer layer material is similar to the crystal structure of the conductive substrate material and the optical waveguide layer material and the difference in lattice constant is 10% or less. However, if the epitaxy relationship can be maintained, this relationship does not necessarily have to be followed.

【0095】本発明で用いるバッファ層材料としては、
具体的には、ABO3型のペロブスカイト型酸化物で
は、正方晶、斜方晶または擬立方晶系として、例えば、
SrTiO3、BaTiO3、(Sr1-xBax)TiO3
(0<x<1.0)、PbTiO3、Pb1-xLax(Z
yTi1-y1-x/43(0<x<0.3、0<y<1.
0、x及びyの値によりPZT、PLT、PLZTと称
される)、Pb(Mg1/ 3Nb2/3)O3、KNbO3
ど、六方晶系として例えばLiNbO3、LiTaO3
どに代表される強誘電体、タングステンブロンズ型酸化
物ではSrxBa1- xNb26、PbxBa1-xNb26
ど、またこの他に、Bi4Ti312、Pb2KNb
515、K3Li2Nb515、ZnO、さらに以上の化合
物の置換誘導体より選ばれる。
The buffer layer material used in the present invention includes:
Specifically, in an ABO 3 type perovskite oxide, a tetragonal system, an orthorhombic system or a pseudo-cubic system, for example,
SrTiO 3 , BaTiO 3 , (Sr 1-x Ba x ) TiO 3
(0 <x <1.0), PbTiO 3 , Pb 1-x La x (Z
r y Ti 1-y) 1 -x / 4 O 3 (0 <x <0.3,0 <y <1.
0, PZT by the values of x and y, PLT, referred to as PLZT), Pb (Mg 1/ 3 Nb 2/3) O 3, KNbO 3 , etc., representative example, such as LiNbO 3, LiTaO 3 as a hexagonal Sr x Ba 1 -x Nb 2 O 6 , Pb x Ba 1 -x Nb 2 O 6 and the like in addition to ferroelectrics and tungsten bronze type oxides, and Bi 4 Ti 3 O 12 and Pb 2 KNb
5 O 15 , K 3 Li 2 Nb 5 O 15 , ZnO, and substituted derivatives of the above compounds.

【0096】光導波路層には、高い電気光学係数を有
し、バッファ層材料よりも大きい屈折率を有する酸化物
強誘電体材料が選択される。本発明で用いる光導波路層
材料としては、具体的にはABO3型のペロブスカイト
型では正方晶、斜方晶または擬立方晶系として例えばB
aTiO3、PbTiO3、Pb1-xLax(Zry
1-y1-x/43(x及びyの値によりPZT、PL
T、PLZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、KNb
3など、六方晶系として例えばLiNbO3、LiTa
3などに代表される強誘電体、タングステンブロンズ
型ではSrxBa1-xNb2 6、PbxBa1-xNb26
ど、またこのほかに、Bi4Ti312、Pb2KNb 5
15、K3Li2Nb515、さらに以上の置換誘導体など
より選ばれる。
The optical waveguide layer has a high electro-optic coefficient.
And an oxide having a larger refractive index than the buffer layer material
A ferroelectric material is selected. Optical waveguide layer used in the present invention
As the material, specifically, ABOThreeVintage perovskite
In the type, as tetragonal, orthorhombic or pseudo-cubic, for example, B
aTiOThree, PbTiOThree, Pb1-xLax(ZryT
i1-y)1-x / 4OThree(PZT, PL depending on the values of x and y
T, PLZT), Pb (Mg1/3Nb2/3) OThree, KNb
OThreeFor example, as a hexagonal system, for example, LiNbOThree, LiTa
O ThreeFerroelectric, tungsten bronze
In the type SrxBa1-xNbTwoO 6, PbxBa1-xNbTwoO6What
In addition to this, BiFourTiThreeO12, PbTwoKNb FiveO
15, KThreeLiTwoNbFiveO15And further substituted derivatives and the like
Selected from

【0097】バッファ層の膜厚と光導波路層の膜厚との
比は、伝搬損失を1dB/cm以下に低減するために
は、少なくとも0.1以上であることが好ましく、TE
0のシングルモードでの動作を前提とする際には、0.
5以上とすることがより好ましい。また、同時に、バッ
ファ層の膜厚が10nm以上であることが好ましい。光
導波路層の膜厚は、通常0.1μmから10μmの間に
設定されるが、これは目的によって適当に選択すること
ができる。
The ratio of the thickness of the buffer layer to the thickness of the optical waveguide layer is preferably at least 0.1 in order to reduce the propagation loss to 1 dB / cm or less.
When the operation in the single mode of 0 is assumed,
More preferably, it is 5 or more. At the same time, the thickness of the buffer layer is preferably 10 nm or more. The thickness of the optical waveguide layer is usually set between 0.1 μm and 10 μm, but this can be appropriately selected depending on the purpose.

【0098】光導波路層の表面に、上部電極の光吸収に
よる伝搬損失を低減するためのクラッド層を設けること
ができる。例えば、図7に示すように、下部電極となる
単結晶基板3上に、表面に溝部20が設けられたPZT
からなるエピタキシャルまたは単一配向性のバッファ層
4、PZTよりなるエビタキシャルまたは単一配向性の
光導波路層6、及びPZTよりなるエビタキシャルまた
は単一配向性のクラッド層7を、この順に積層し、この
クラッド層7の表面に、Y分岐部9に電圧を印加するた
めの上部電極12、13を設けてもよい。
A cladding layer for reducing propagation loss due to light absorption of the upper electrode can be provided on the surface of the optical waveguide layer. For example, as shown in FIG. 7, on a single crystal substrate 3 serving as a lower electrode, a PZT
An epitaxial or mono-oriented buffer layer 4 of PZT, an epitaxial or mono-oriented optical waveguide layer 6 of PZT, and an epitaxial or uni-oriented cladding layer 7 of PZT are laminated in this order. On the surface of the cladding layer 7, upper electrodes 12 and 13 for applying a voltage to the Y branch portion 9 may be provided.

【0099】クラッド層を設ける場合には、クラッド層
材料にはバッファ層と同様のものを用いることができ
る。すなわち、光導波路層材料よりも小さい屈折率を有
し、かつクラッド層の比誘電率と前記光導波路の比誘電
率の比が0.002以上、望ましくはクラッド層の比誘
電率と前記光導波路の比誘電率の比が0.006以上で
あり、かつクラッド層の比誘電率が8以上である材料が
選ばれる。
When a clad layer is provided, the same material as the buffer layer can be used for the clad layer material. That is, the material has a smaller refractive index than the material of the optical waveguide layer, and the ratio of the relative dielectric constant of the cladding layer to the relative dielectric constant of the optical waveguide is 0.002 or more. A material having a relative dielectric constant ratio of 0.006 or more and a relative dielectric constant of the cladding layer of 8 or more is selected.

【0100】クラッド層材料については、光導波路層に
対してエピタキシ関係を保持できることは必ずしも必要
ではなく、多結晶薄膜でも良いが、光導波路材料とのエ
ピタキシ関係を保持する場合には、均一な界面を得るこ
とができ好ましい。エピタキシ関係を保持できる条件と
しては、クラッド層材料が光導波路層材料の結晶構造に
類似で、格子常数の差が10%以下であることが望まし
いが、エピタキシ関係を保持できれば、必ずしもこの関
係に従わなくとも良い。
The material of the cladding layer is not necessarily required to be able to maintain the epitaxy relationship with the optical waveguide layer, and may be a polycrystalline thin film. However, when maintaining the epitaxy relationship with the optical waveguide material, a uniform interface is required. Is preferable. As a condition for maintaining the epitaxy relationship, it is desirable that the cladding layer material is similar to the crystal structure of the optical waveguide layer material and the difference in lattice constant is 10% or less. It is not necessary.

【0101】本発明で用いるクラッド層材料としては、
具体的には、ABO3型のペロブスカイト型酸化物で
は、正方晶、斜方晶または擬立方晶系として例えばSr
TiO 3、BaTiO3、(Sr1-xBax)TiO3、P
bTiO3、Pb1-xLax(Zr yTi1-y1-x/43
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、KNbO3など、六方晶系
として例えばLiNbO3、LiTaO3などに代表され
る強誘電体、タングステンブロンズ型酸化物ではSrx
Ba1-xNb26、PbxBa1-xNb26など、またこ
のほかに、Bi4Ti312、Pb2KNb515、K3
2Nb515、ZnOさらに以上の化合物の置換誘導体
より選ばれる。
The clad layer material used in the present invention includes:
Specifically, ABOThreePerovskite oxide
Is represented as tetragonal, orthorhombic or pseudo-cubic, for example Sr
TiO Three, BaTiOThree, (Sr1-xBax) TiOThree, P
bTiOThree, Pb1-xLax(Zr yTi1-y)1-x / 4OThree,
Pb (Mg1/3Nb2/3) OThree, KNbOThreeSuch as hexagonal
For example, LiNbOThree, LiTaOThreeRepresented by
Ferroelectric, tungsten bronze type oxidex
Ba1-xNbTwoO6, PbxBa1-xNbTwoO6Etc.
Besides, BiFourTiThreeO12, PbTwoKNbFiveO15, KThreeL
iTwoNbFiveO15, ZnO and substituted derivatives of the above compounds
Selected from

【0102】クラッド層の膜厚と光導波路層の膜厚との
比は、バッファ層と同様、少なくとも0.1以上である
ことが好ましく、0.5以上とすることがより好まし
い。また、同時に、クラッド層の膜厚が10nm以上で
あることが好ましい。
The ratio between the thickness of the cladding layer and the thickness of the optical waveguide layer is preferably at least 0.1, more preferably 0.5 or more, as in the buffer layer. At the same time, the thickness of the cladding layer is preferably 10 nm or more.

【0103】下部電極基板、バッファ層、光導波路層、
クラッド層の材料の組み合わせとしては上記の条件を満
たす各種のものが可能であるが、その中でも、ドープし
たSrTiO3単結晶半導体基板またはドープしたSr
TiO3半導体薄膜を下部電極として設けた基板を用い
るのが好ましく、この基板材料に対して、同様のペロブ
スカイト構造を有し、格子常数の差も小さいために良好
なエピタキシャル成長が可能であり、これら基板材料の
屈折率(2.399)よりも屈折率が大きく、かつ、高
い電気光学係数を有し、組成比(すなわちPb,La,
Zr,Tiの比)を変化させるだけで屈折率を大きく変
化させることが可能であるために、バッファ層、光導波
路層、クラッド層の各層の材料には、Pb1-xLax(Z
yTi1-y1-x/43を用いることが最も有効である。
A lower electrode substrate, a buffer layer, an optical waveguide layer,
Various combinations of materials for the cladding layer satisfying the above conditions are possible. Among them, the doped SrTiO 3 single crystal semiconductor substrate or the doped SrTiO 3
It is preferable to use a substrate provided with a TiO 3 semiconductor thin film as a lower electrode. This substrate material has a similar perovskite structure and a small difference in lattice constant, so that good epitaxial growth is possible. The material has a higher refractive index than the refractive index of the material (2.399), has a high electro-optic coefficient, and has a composition ratio (ie, Pb, La,
Since it is possible to greatly change the refractive index only by changing the ratio of Zr and Ti, the material of each of the buffer layer, the optical waveguide layer, and the cladding layer is Pb 1-x La x (Z
it is most effective to use a r y Ti 1-y) 1 -x / 4 O 3.

【0104】上部電極には、Al、Ti、Cr、Ni、
Cu、Pd、Ag、In、Sn、Ta、W、Ir、P
t、Auなどの各種金属や合金、AlドープZnO、I
23、ITO、RuO2、BaPbO3、SrRu
3、YBa2Cu37-x、SrVO 3、LaNiO3、L
0.5Sr0.5CoO3、ZnGa24、CdGa24
CdGa24、Mg2TiO4、MgTi24などの酸化
物を用いることが可能である。クラッド層を用いる場合
には微細加工が容易な金属電極を用いることが望まし
く、クラッド層を用いない場合には酸化物電極、望まし
くは透明酸化物電極を用いることが有効である。また、
動作時間に伴って疲労やDCドリフトなどが生じる場合
には酸化物を用いることが有効である。
For the upper electrode, Al, Ti, Cr, Ni,
Cu, Pd, Ag, In, Sn, Ta, W, Ir, P
Various metals and alloys such as t and Au, Al-doped ZnO, I
nTwoOThree, ITO, RuOTwo, BaPbOThree, SrRu
OThree, YBaTwoCuThreeO7-x, SrVO Three, LaNiOThree, L
a0.5Sr0.5CoOThree, ZnGaTwoOFour, CdGaTwoOFour,
CdGaTwoOFour, MgTwoTiOFour, MgTiTwoOFourSuch as oxidation
Things can be used. When using a cladding layer
It is desirable to use metal electrodes that are easy to process finely
When no cladding layer is used, an oxide electrode is preferable.
Alternatively, it is effective to use a transparent oxide electrode. Also,
When fatigue or DC drift occurs with the operation time
It is effective to use an oxide.

【0105】チャンネル光導波路を有する光スイッチ
は、その光経路の切り替え原理により、マッハツェンダ
干渉型スイッチ、方向性結合型スイッチ、全反射型スイ
ッチ、ブラッグ反射型スイッチ、及びデジタル型スイッ
チに分類される。本発明の光スイッチの設計方法は、こ
れら総てのタイプの光スイッチに適用することができ
る。
Optical switches having channel optical waveguides are classified into Mach-Zehnder interference switches, directional coupling switches, total reflection switches, Bragg reflection switches, and digital switches according to the switching principle of the optical path. The optical switch design method of the present invention can be applied to all these types of optical switches.

【0106】例えば、シングル・モードのマッハツェン
ダ干渉型の2×2光スイッチ(図9)や、シングル・モ
ードの方向性結合器型の2×2光スイッチ(図10)に
も適用することができる。これらの光スイッチでは、下
部電極となる単結晶基板上にバッファ層4が積層され、
バッファ層4の表面には溝部20が設けられている。こ
の溝部20を埋めるようにバッファ層4上に光導波路層
6が積層されて、チャンネル光導波路(点線で示す)が
形成されている。光導波路層6上には、チャンネル光導
波路へ電圧を印加するための上部電極12、13が設け
られている。また、全反射型のスイッチ(図11)にも
適用することができる。この光スイッチは、X交差型の
チャンネル19を含むチャンネル光導波路を備えてお
り、X交差型のチャンネル上には、チャンネル光導波路
へ電圧を印加するための上部電極8が設けられている。
For example, the present invention can be applied to a single mode Mach-Zehnder interference type 2 × 2 optical switch (FIG. 9) and a single mode directional coupler type 2 × 2 optical switch (FIG. 10). . In these optical switches, a buffer layer 4 is laminated on a single crystal substrate serving as a lower electrode,
A groove 20 is provided on the surface of the buffer layer 4. The optical waveguide layer 6 is laminated on the buffer layer 4 so as to fill the groove 20, so that a channel optical waveguide (shown by a dotted line) is formed. On the optical waveguide layer 6, upper electrodes 12, 13 for applying a voltage to the channel optical waveguide are provided. Further, the present invention can be applied to a total reflection type switch (FIG. 11). This optical switch includes a channel optical waveguide including an X-crossing type channel 19, and an upper electrode 8 for applying a voltage to the channel optical waveguide is provided on the X-crossing type channel.

【0107】種々の光スイッチの中でも、デジタル型ス
イッチが、一定の電圧で光経路が切り替わった後、それ
以上の電圧を印加してもその状態を保持し、複数の動作
点が発生しないこと、動作電圧のトレランスに優れるこ
と、偏波無依存化が可能であること、波長依存性が小さ
いことなどの点から最も望ましい。
[0107] Among various optical switches, a digital type switch maintains its state even when a higher voltage is applied after the optical path is switched at a constant voltage, and a plurality of operating points are not generated. It is most desirable in terms of excellent operating voltage tolerance, being able to be independent of polarization, and having small wavelength dependence.

【0108】また、本発明の光スイッチは、例えば図8
に示すように、光導波路層の上方に凸状に形成されたチ
ャンネル光導波路を有する光スイッチとして構成するこ
とができる。この光スイッチでは、下部電極となる単結
晶基板3上に、PZTからなるエピタキシャルまたは単
一配向性のバッファ層4が積層されている。バッファ層
4上には、PZTよりなるエビタキシャルまたは単一配
向性の光導波路層6が積層され、この光導波路層6の表
面に凸部21を設けることにより、チャンネル光導波路
が形成されている。そして、光導波路層6の表面に設け
られた凸部21上には、Y分岐部9に電圧を印加するた
めの上部電極8が設けられている。
The optical switch according to the present invention is, for example, shown in FIG.
As shown in (1), it can be configured as an optical switch having a channel optical waveguide formed in a convex shape above the optical waveguide layer. In this optical switch, an epitaxial or unidirectional buffer layer 4 made of PZT is laminated on a single crystal substrate 3 serving as a lower electrode. On the buffer layer 4, an optical waveguide layer 6 made of PZT is laminated, and a channel optical waveguide is formed by providing a convex portion 21 on the surface of the optical waveguide layer 6. . An upper electrode 8 for applying a voltage to the Y-branch 9 is provided on the protrusion 21 provided on the surface of the optical waveguide layer 6.

【0109】チャンネル光導波路は、分岐型、交差型、
方向性結合型、マッハツェンダ干渉型、S字型、直線
型、及びX交差型のいずれでもよい。また、複数のタイ
プを組み合わせたチャンネル光導波路でもよい。また、
チャンネル光導波路は、埋め込み型、リッジ型、リブ型
のいずれの構造でもよいが、本発明では、基板上への薄
膜の積層によりバッファ層や光導波路層を形成するた
め、作製の容易さを考慮すると、光導波路層に凸部を設
けたチャンネル光導波路構造、光導波路層に凸部を設け
た後にクラッド層を設けるチャンネル光導波路構造、あ
るいはバッファ層に凹部を設けた後に光導波路層を設け
たチャンネル光導波路構造が好ましい。
The channel optical waveguide has a branch type, a cross type,
It may be any of a directional coupling type, a Mach-Zehnder interference type, an S-shaped type, a linear type, and an X-cross type. Further, a channel optical waveguide combining a plurality of types may be used. Also,
The channel optical waveguide may have any structure of a buried type, a ridge type, and a rib type. In the present invention, the buffer layer and the optical waveguide layer are formed by laminating a thin film on a substrate. Then, a channel optical waveguide structure in which a convex portion was provided in the optical waveguide layer, a channel optical waveguide structure in which a cladding layer was provided after providing the convex portion in the optical waveguide layer, or an optical waveguide layer was provided after providing a concave portion in the buffer layer. A channel optical waveguide structure is preferred.

【0110】本発明では、基板上への薄膜の積層により
バッファ層及び光導波路層を形成するため、チャンネル
光導波路の幅、高さ、及び深さを、容易に最適化するこ
とができる。また、湾曲方向の異なるS字型チャンネル
光導波路間や、S字型チャンネル光導波路と直線型チャ
ンネル光導波路との間には、必要に応じてオフセットを
設けることが好ましい。オフセットを設けることによっ
て、光伝搬損失を低下させることができる。
In the present invention, since the buffer layer and the optical waveguide layer are formed by laminating a thin film on the substrate, the width, height and depth of the channel optical waveguide can be easily optimized. It is preferable to provide an offset between the S-shaped channel optical waveguides having different bending directions or between the S-shaped channel optical waveguide and the linear channel optical waveguide as necessary. By providing the offset, the light propagation loss can be reduced.

【0111】前記のバッファ層、光導波路層、クラッド
層の形成方法としては、電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸
着、イオン・プレーティング、Rf−マグネトロン・ス
パッタリング、イオン・ビーム・スパッタリング、レー
ザー・アブレーション、MBE(分子線エピタキシ)、
CVD(化学気相蒸着法)、プラズマCVD、MOCV
D(有機金属化学気相蒸着法)などより選ばれる気相エ
ピタキシャル成長法、上記気相成長によってアモルファ
ス薄膜を形成した後にこのアモルファス薄膜を加熱・結
晶化することによる固相エピタキシャル成長法、また
は、ゾルゲル法、MOD(Metal Organic
Deposition)法などのウエット・プロセス
により作製されたアモルファス薄膜の加熱・結晶化によ
る固相エピタキシャル成長法等の薄膜形成方法を用いる
ことができる。
The method for forming the buffer layer, the optical waveguide layer, and the cladding layer includes electron beam evaporation, flash evaporation, ion plating, Rf-magnetron sputtering, ion beam sputtering, laser ablation, and MBE (MBE). Molecular beam epitaxy),
CVD (Chemical Vapor Deposition), Plasma CVD, MOCV
D (organic metal-organic chemical vapor deposition) or the like, a solid-phase epitaxial growth method in which an amorphous thin film is formed by the above-mentioned vapor-phase growth and then heated and crystallized, or a sol-gel method , MOD (Metal Organic)
A thin film forming method such as a solid phase epitaxial growth method by heating and crystallization of an amorphous thin film manufactured by a wet process such as a deposition method can be used.

【0112】この中でも、導波路品質及び導波路パター
ンニングの点より、固相エピタキシャル成長法によって
各層を形成することが望ましい。特に、ゾルゲル法やM
OD法などのウエット・プロセスにより、金属アルコキ
シドや有機金属塩などの有機金属化合物の溶液を基板に
塗布し、加熱することによってアモルファス薄膜を形成
した後に、このアモルファス薄膜を加熱・結晶化するこ
とによる固相エピタキシャル成長は、各種気相成長法と
比較して設備コストが低く、基板面内での均一性が良い
だけでなく、バッファ層、光導波路層、及びクラッド層
を形成する上で重要な屈折率の制御が、有機金属化合物
前駆体の配合組成を変えるだけで容易に、再現性良く実
現でき、光伝搬損失も低いバッファ層、光導波路層、及
びクラッド層の成長が可能であり、アモルファス薄膜の
形成工程を含むために、パターンニングにも最も適して
いる。
Among these, it is desirable to form each layer by solid phase epitaxial growth from the viewpoint of waveguide quality and waveguide patterning. In particular, the sol-gel method and M
By applying a solution of an organometallic compound such as a metal alkoxide or an organometallic salt to a substrate by a wet process such as an OD method and heating the amorphous thin film, and then heating and crystallizing the amorphous thin film. Solid-phase epitaxial growth has lower equipment costs and better uniformity on the substrate surface than various vapor-phase growth methods, and is important in forming a buffer layer, an optical waveguide layer, and a cladding layer. It is possible to control the rate easily and with good reproducibility simply by changing the composition of the organometallic compound precursor, and it is possible to grow the buffer layer, optical waveguide layer, and cladding layer with low light propagation loss, and to form an amorphous thin film. Is most suitable for patterning as well.

【0113】ウエット・プロセスに用いられる有機金属
化合物は、各種の金属と、有機化合物、望ましくは常圧
での沸点が80℃以上である有機化合物との反応生成物
であり、代表的なものとして、金属アルコキシド、金属
塩が挙げられるが、これに限定されるわけではない。金
属アルコキシド化合物の有機配位子としては、R1O−
またはR2OR3O−より選ばれる(式中、R1及びR2
脂肪族炭化水素基を表し、R3はエーテル結合を有して
もよい2価の脂肪族炭化水素基を表す)。このような金
属アルコキシド化合物は、金属を入れた、R1OHまた
はR2OR3OHで表される有機溶媒中で、蒸留や還流を
行うことによって合成することができ、R1及びR2の脂
肪族炭化水素基としては、炭素数1〜4のアルキル基が
好ましく、R3は、炭素数2〜4のアルキレン基、炭素
数2〜4のアルキレン基がエーテル結合によって結合し
ている全炭素数4〜8の2価の基が好ましい。
The organometallic compound used in the wet process is a reaction product of various metals with an organic compound, preferably an organic compound having a boiling point of 80 ° C. or more at normal pressure. , Metal alkoxides, and metal salts, but are not limited thereto. As the organic ligand of the metal alkoxide compound, R 1 O—
Or R 2 OR 3 O— (wherein R 1 and R 2 represent an aliphatic hydrocarbon group, and R 3 represents a divalent aliphatic hydrocarbon group which may have an ether bond) . Such metal alkoxide compound, was placed a metal, in an organic solvent represented by R 1 OH or R 2 OR 3 OH, can be synthesized by performing distillation or reflux, of R 1 and R 2 As the aliphatic hydrocarbon group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms is preferable, and R 3 is an alkylene group having 2 to 4 carbon atoms, all carbon atoms having an alkylene group having 2 to 4 carbon atoms bonded by an ether bond. Divalent groups of the formulas 4 to 8 are preferred.

【0114】ウエット・プロセスでは、これらの有機金
属化合物は所定の組成にて溶媒と反応させられた後(ま
たは、溶媒中に溶解させられた後)、基板へ塗布され
る。有機金属化合物は加水分解をした後に塗布をするこ
とも可能であるが、エピタキシャル強誘電体薄膜を得る
ためには加水分解をさせないことが望ましい。さらに、
溶媒との反応または溶媒への溶解は、乾燥した窒素やア
ルゴン雰囲気中にて行うことが、得られる薄膜の品質の
点より望ましい。
In a wet process, these organometallic compounds are reacted with a solvent in a predetermined composition (or dissolved in a solvent), and then applied to a substrate. Although the organometallic compound can be applied after being hydrolyzed, it is desirable not to hydrolyze it in order to obtain an epitaxial ferroelectric thin film. further,
The reaction with the solvent or the dissolution in the solvent is preferably performed in a dry nitrogen or argon atmosphere from the viewpoint of the quality of the obtained thin film.

【0115】溶媒は、常圧での沸点が80℃以上である
アルコール類、ジケトン類、ケトン酸類、アルキルエス
テル類、オキシ酸類、オキシケトン類、及び酢酸などよ
り選択されることが好ましい。沸点が80℃以上である
溶媒としては、具体的には、金属アルコキシドのアルコ
ール交換反応が容易なものが好ましく、例えば、(CH
32CHOH(沸点82.3℃)、CH3(C25)C
HOH(沸点99.5℃)、(CH32CHCH2OH
(沸点108℃)、C49OH(沸点117.7℃)、
(CH32CHC24OH(沸点130.5℃)、CH
3OCH2CH2OH(沸点124.5℃)、C25OC
2CH2OH(沸点135℃)、C49OCH2CH2
H(沸点171℃)などのアルコール類が最も好ましい
が、これらに限定されるものではなく、C25OH(沸
点78.3℃)なども使用可能である。
The solvent is preferably selected from alcohols, diketones, ketone acids, alkyl esters, oxyacids, oxyketones, acetic acid and the like having a boiling point at normal pressure of 80 ° C. or higher. As the solvent having a boiling point of 80 ° C. or higher, specifically, a solvent which facilitates an alcohol exchange reaction of a metal alkoxide is preferable.
3 ) 2 CHOH (boiling point 82.3 ° C), CH 3 (C 2 H 5 ) C
HOH (boiling point 99.5 ° C.), (CH 3 ) 2 CHCH 2 OH
(Boiling point 108 ° C.), C 4 H 9 OH (boiling point 117.7 ° C.),
(CH 3 ) 2 CHC 2 H 4 OH (boiling point 130.5 ° C.), CH
3 OCH 2 CH 2 OH (boiling point 124.5 ° C.), C 2 H 5 OC
H 2 CH 2 OH (boiling point 135 ° C.), C 4 H 9 OCH 2 CH 2 O
Alcohols such as H (boiling point 171 ° C.) are most preferred, but not limited thereto, and C 2 H 5 OH (boiling point 78.3 ° C.) can be used.

【0116】有機金属化合物の溶液を単結晶基板上に塗
布する方法としては、スピンコート法、ディッピング
法、スプレー法、スクリーン印刷法、インクジェット法
等が挙げられる。これらの塗布工程は、乾燥した窒素や
アルゴン雰囲気中にて行うことが得られる薄膜の品質の
点より望ましい。
Examples of the method for applying the solution of the organometallic compound on the single crystal substrate include a spin coating method, a dipping method, a spray method, a screen printing method, and an ink jet method. These coating steps are preferable in terms of the quality of a thin film obtained in a dry nitrogen or argon atmosphere.

【0117】塗布後、必要に応じて、前処理として酸素
を含む雰囲気中、望ましくは酸素中にて、0.1〜10
00℃/秒の昇温速度、望ましくは1〜100℃/秒の
昇温速度で基板を加熱し、100℃〜500℃、望まし
くは200℃〜400℃の結晶化の起こらない温度範囲
で塗布層を熱分解することによりアモルファス状の薄膜
を形成する。さらに、酸素を含む雰囲気中、望ましくは
酸素中にて、1〜500℃/秒の昇温速度、望ましくは
10〜100℃/秒の昇温速度で高速加熱し、500℃
〜1200℃、望ましくは600℃〜900℃の温度範
囲で加熱することにより、強誘電体薄膜を基板表面より
固相エピタキシャル成長させる。
After the application, if necessary, a pretreatment is carried out in an atmosphere containing oxygen, preferably in oxygen, at 0.1 to 10%.
The substrate is heated at a heating rate of 00 ° C./sec, preferably 1 to 100 ° C./sec, and is applied at a temperature in a range of 100 ° C. to 500 ° C., preferably 200 ° C. to 400 ° C. where crystallization does not occur. An amorphous thin film is formed by thermally decomposing the layer. Further, in an atmosphere containing oxygen, desirably in oxygen, high-speed heating is performed at a heating rate of 1 to 500 ° C./sec, preferably 10 to 100 ° C./sec.
The ferroelectric thin film is solid-phase epitaxially grown from the substrate surface by heating at a temperature in the range of from 1200 to 1200 ° C., preferably from 600 to 900 ° C.

【0118】このエピタキシャル結晶化においては、上
記の温度にて1秒間から24時間、望ましくは10秒間
から12時間の加熱を行う。これらの酸素雰囲気として
は少なくとも一定時間乾燥した酸素雰囲気を用いること
が得られる薄膜の品質の点より望ましいが、必要に応じ
て加湿することも可能である。これらのエピタキシャル
結晶化工程においては、1回に1層の膜厚が10nm〜
1000nm、望ましくは10nm〜200nmの強誘
電体薄膜を固相エピタキシャル成長することが好まし
く、膜厚さが厚い場合には数回に分けて固相エピタキシ
ャル成長を行うことが好ましい。それぞれのエピタキシ
ャル成長の後には0.01〜100℃/秒の冷却速度で
冷却を行なうことが好ましい。
In this epitaxial crystallization, heating is performed at the above temperature for 1 second to 24 hours, preferably 10 seconds to 12 hours. As these oxygen atmospheres, it is desirable to use an oxygen atmosphere dried for at least a certain time from the viewpoint of the quality of the obtained thin film, but it is also possible to humidify as necessary. In these epitaxial crystallization steps, the thickness of one layer at a time is 10 nm or more.
It is preferable to carry out solid phase epitaxial growth of a ferroelectric thin film having a thickness of 1000 nm, preferably 10 nm to 200 nm. When the thickness is large, it is preferable to carry out solid phase epitaxial growth in several steps. After each epitaxial growth, cooling is preferably performed at a cooling rate of 0.01 to 100 ° C./sec.

【0119】上部電極は、電子ビーム蒸着、フラッシュ
蒸着、イオン・プレーティング、Rf−マグネトロン・
スパッタリング、イオン・ビーム・スパッタリング、レ
ーザー・アブレーション、MBE、CVD、プラズマC
VD、MOCVDなどより選ばれる気相成長法、また
は、ゾルゲル法、MOD法などのウエット・プロセスに
より作製される。なお、上部電極の形状は、光スイッチ
の形態に応じて適宜選択され、上部電極のパターンニン
グは、ウエット・エッチング、ドライ・エッチング、及
びリフトオフから選択される方法によって行うことが可
能である。
The upper electrode is formed by electron beam evaporation, flash evaporation, ion plating, Rf-magnetron
Sputtering, ion beam sputtering, laser ablation, MBE, CVD, plasma C
It is manufactured by a vapor phase growth method selected from VD, MOCVD, or the like, or a wet process such as a sol-gel method or a MOD method. The shape of the upper electrode is appropriately selected according to the form of the optical switch, and the patterning of the upper electrode can be performed by a method selected from wet etching, dry etching, and lift-off.

【0120】チャンネル光導波路間のパターンニング
は、ウエット・エッチング、ドライ・エッチング、及び
リフト・オフから選択される方法によって行うことが可
能である。固相エピタキシャル成長法を利用して、エピ
タキシャル薄膜表面のアモルファス薄膜をエッチングす
る場合においては、各層の組成や結晶性の相違を利用し
たエッチストップが容易であり、アモルファス薄膜表面
にフォトレジスト、あるいは電子線レジストを塗布した
後、露光、エッチングすることによって、エピタキシャ
ル薄膜表面にあるアモルファス薄膜のみをパターンニン
グできる。
The patterning between the channel optical waveguides can be performed by a method selected from wet etching, dry etching, and lift-off. When the amorphous thin film on the surface of the epitaxial thin film is etched using the solid-phase epitaxial growth method, it is easy to perform an etch stop utilizing the difference in the composition and crystallinity of each layer, and a photoresist or an electron beam is applied to the surface of the amorphous thin film. After applying the resist, by exposing and etching, only the amorphous thin film on the surface of the epitaxial thin film can be patterned.

【0121】エッチングは、HCl、HNO3、HF、
2SO4、H3PO4、C222、NH4Fなどの水溶液
やその混合水溶液によるウエット・エッチング、CCl
4、CCl22、CHClFCF3などや、それらのO2
との混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチン
グ、またはイオンビーム・エッチングなどのドライ・エ
ッチングなどが使用できるが、ウエット・エッチングに
よって速いエッチング速度で、容易にエッチングするこ
とが可能である。
Etching is performed using HCl, HNO 3 , HF,
Wet etching using an aqueous solution of H 2 SO 4 , H 3 PO 4 , C 2 H 2 O 2 , NH 4 F or a mixed aqueous solution thereof, CCl
4 , CCl 2 F 2 , CHClFCF 3 etc., and their O 2
Dry etching such as reactive ion etching or ion beam etching using a gas mixture of the above can be used, but etching can be easily performed at a high etching rate by wet etching.

【0122】即ち、エピタキシャル薄膜表面にアモルフ
ァス薄膜を形成する、固相エピタキシャル成長という手
法を採用するため、ウエット・エッチングと組み合わせ
た場合には、早いエッチング速度で、容易にエッチング
することが可能であると共に、チャンネルの深さ方向の
エッチングはエピタキシャル層表面でストップするが、
チャンネルの幅方向のエッチングはマスク下のアモルフ
ァス層がアンダー・エッチまたはサイド・エッチされる
ため、深さと幅とを別々に制御することができ好まし
い。
That is, since a technique called solid phase epitaxial growth, in which an amorphous thin film is formed on the surface of an epitaxial thin film, is employed, when combined with wet etching, etching can be easily performed at a high etching rate and at the same time. , Etching in the depth direction of the channel stops at the surface of the epitaxial layer,
The etching in the channel width direction is preferable because the amorphous layer under the mask is under-etched or side-etched, so that the depth and the width can be separately controlled.

【0123】具体的には、以下の〜の方法により光
導波路層を形成するのが好ましい。
Specifically, it is preferable to form an optical waveguide layer by the following methods (1) to (4).

【0124】単結晶半導体の下部電極基板上へエピタ
キシャル・バッファ層を固相エピタキシャル成長後、エ
ピタキシャル・バッファ層となるアモルファス薄膜を形
成し、該アモルファス薄膜にウエット・エッチングによ
ってチャンネル形状の凹部を形成し、加熱による固相エ
ピタキシャル成長を行い、さらにその上部に光導波路層
を固相エピタキシャル成長する方法、 下部電極基板上へエピタキシャル・バッファ層を固相
エピタキシャル成長後、エピタキシャル・バッファ層と
なるアモルファス薄膜を形成し、該アモルファス薄膜に
ウエット・エッチングによってチャンネル形状の凹部を
形成し、その上部に光導波路層となるアモルファス薄膜
を形成し、さらに加熱による固相エピタキシャル成長を
行う方法、 下部電極基板上へエピタキシャル・バッファ層を固相
エピタキシャル成長後、エピタキシャル光導波路層を固
相エピタキシャル成長し、エピタキシャル光導波路層と
なるアモルファス薄膜を形成し、該アモルファス薄膜に
ウエット・エッチングによってチャンネル形状の凸部を
形成した後、加熱による固相エピタキシャル成長を行う
方法、上記した及びの光導波路層の形成方法は、Y
分岐または非対称X交差におけるチャンネル光導波路の
交差部の鋭角部を理想形状に制御性良く加工でき、特に
デジタル型光スイッチの作製に好適である。また、の
光導波路層の形成方法は、チャンネル形状の凹部が形成
されたアモルファス・バッファ層とアモルファス・光導
波路層とを同時に固相エピタキシャル成長するため、バ
ッファ層の凹部が高温で酸素等に曝される時間が少なく
平滑な面が得られるため特に好ましい。
After an epitaxial buffer layer is solid-phase epitaxially grown on a lower electrode substrate of a single crystal semiconductor, an amorphous thin film serving as an epitaxial buffer layer is formed, and a channel-shaped concave portion is formed in the amorphous thin film by wet etching. A method in which solid phase epitaxial growth is performed by heating, and further, a solid phase epitaxial growth of an optical waveguide layer is performed thereon; A method in which a channel-shaped recess is formed in an amorphous thin film by wet etching, an amorphous thin film serving as an optical waveguide layer is formed thereon, and solid phase epitaxial growth is performed by heating. After the solid buffer layer is grown by solid phase epitaxial growth, the epitaxial optical waveguide layer is grown by solid phase epitaxial growth to form an amorphous thin film to be an epitaxial optical waveguide layer, and after forming a channel-shaped convex portion on the amorphous thin film by wet etching. , A method of performing solid phase epitaxial growth by heating, and a method of forming an optical waveguide layer described above,
An acute angle at the intersection of the channel optical waveguides at the branching or asymmetric X intersection can be processed into an ideal shape with good controllability, and is particularly suitable for manufacturing a digital optical switch. In the method of forming an optical waveguide layer, since the amorphous buffer layer having the channel-shaped concave portion and the amorphous optical waveguide layer are simultaneously subjected to solid phase epitaxial growth, the concave portion of the buffer layer is exposed to oxygen or the like at a high temperature. This is particularly preferable because a smooth surface can be obtained in a short time.

【0125】なお、入出射のための端面加工は、研磨、
研削、へき開、エッチングから選択される方法によって
行うことが可能である。
The end face processing for input / output is performed by polishing,
It can be performed by a method selected from grinding, cleavage, and etching.

【0126】以上の通り、従来の電気光学効果を有する
チャンネル光導波路を備えた光スイッチは、チャンネル
の曲率半径が70mm以下では、チャンネル光導波路と
その周囲との実効屈折率差の変動により放射損失が大幅
に変化する。一方、PLZTで構成されたエピタキシャ
ルまたは単一配向性のチャンネル光導波路を備えた光ス
イッチでは、基板上へのPLZT薄膜のエピタキシャル
成長によりバッファ層や光導波路層を形成すると共に、
フォトリソグラフィとエッチングとによりチャンネル光
導波路を形成するので、各種形状のチャンネル光導波路
を精度良く形成することができ、チャンネルの曲率半径
に応じて、実効屈折率差を正確に制御することができ
る、という特徴を有している。
As described above, in the conventional optical switch having the channel optical waveguide having the electro-optical effect, when the radius of curvature of the channel is 70 mm or less, the radiation loss due to the fluctuation of the effective refractive index difference between the channel optical waveguide and its surroundings. Changes significantly. On the other hand, in an optical switch having an epitaxial or mono-oriented channel optical waveguide composed of PLZT, a buffer layer and an optical waveguide layer are formed by epitaxially growing a PLZT thin film on a substrate,
Since the channel optical waveguide is formed by photolithography and etching, channel optical waveguides of various shapes can be accurately formed, and the effective refractive index difference can be accurately controlled according to the radius of curvature of the channel. It has the feature of.

【0127】本発明の光スイッチの設計方法では、上記
特徴に基づき、放射損失が0.1dB以下となるよう
に、チャンネルの曲率半径に応じて実効屈折率差を求
め、この実効屈折率差が得られるように光スイッチを設
計するので、放射損失が無視できるレベルの光スイッチ
を確実に得ることができる。これにより、放射損失が少
なく、曲率半径の小さなチャンネルを含むコンパクトな
光スイッチを得ることができ、ひいては大規模なマトリ
ックス光スイッチを構成することができる。
In the method for designing an optical switch according to the present invention, based on the above characteristics, the effective refractive index difference is determined according to the radius of curvature of the channel so that the radiation loss is 0.1 dB or less. Since the optical switch is designed to be obtained, it is possible to reliably obtain an optical switch having a negligible radiation loss. This makes it possible to obtain a compact optical switch including a channel having a small radiation loss and a small radius of curvature, and thus to constitute a large-scale matrix optical switch.

【0128】また、本発明の光スイッチは、高効率の電
気光学効果を有するPLZTで構成されたエピタキシャ
ルまたは単一配向性のチャンネル光導波路を備えている
ので、従来の光スイッチに比べ駆動電圧が低く、高速ス
イッチングが可能で、温度安定性に優れ、クロストーク
及び挿入損失が小さい。
Further, the optical switch of the present invention has an epitaxial or unidirectional channel optical waveguide made of PLZT having a high efficiency electro-optic effect, so that the driving voltage is lower than that of the conventional optical switch. Low, capable of high-speed switching, excellent in temperature stability, and low in crosstalk and insertion loss.

【0129】[0129]

【発明の効果】本発明の光スイッチの設計方法によれ
ば、PLZTで構成されたエピタキシャルまたは単一配
向性のチャンネル光導波路を備えた光スイッチを製造す
るに際し、放射損失を損なうことなく、曲率半径の小さ
なチャンネルを含むコンパクトな光スイッチを設計する
ことができる。
According to the method for designing an optical switch of the present invention, when manufacturing an optical switch having an epitaxial or unidirectional channel optical waveguide composed of PLZT, the curvature can be reduced without impairing radiation loss. A compact optical switch including a small-radius channel can be designed.

【0130】また、本発明によれば、PLZTで構成さ
れたエピタキシャルまたは単一配向性のチャンネル光導
波路を備えた光スイッチであって、放射損失が少なく、
曲率半径の小さなチャンネルを含むコンパクトな光スイ
ッチが提供される。
Further, according to the present invention, there is provided an optical switch having an epitaxial or unidirectional channel optical waveguide composed of PLZT, which has a small radiation loss,
A compact optical switch including a channel with a small radius of curvature is provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施の形態に係るY分岐型の1
×2光スイッチの平面図である。
FIG. 1 shows a Y-branch type 1 according to a first embodiment of the present invention.
It is a top view of a * 2 optical switch.

【図2】本発明の第1の実施の形態に係るY分岐型の1
×2光スイッチの断面図である。
FIG. 2 shows a Y-branch type 1 according to the first embodiment of the present invention.
It is sectional drawing of a * 2 optical switch.

【図3】本発明の第1の実施の形態に係る光スイッチに
おける実効屈折率差及びS字型チャンネル光導波路の曲
率半径の関係を示す線図である。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the effective refractive index difference and the radius of curvature of the S-shaped channel optical waveguide in the optical switch according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第2の実施の形態に係る1×8光スイ
ッチの平面図である。
FIG. 4 is a plan view of a 1 × 8 optical switch according to a second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第2の実施の形態に係る1×8光スイ
ッチの分岐部の拡大図である。
FIG. 5 is an enlarged view of a branch section of a 1 × 8 optical switch according to a second embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第3の実施の形態にかかる8×8光ス
イッチの平面図である。
FIG. 6 is a plan view of an 8 × 8 optical switch according to a third embodiment of the present invention.

【図7】クラッド層を備えた光スイッチの断面図であ
る。
FIG. 7 is a cross-sectional view of an optical switch including a cladding layer.

【図8】凸型チャンネル光導波路を備えた光スイッチの
断面図である。
FIG. 8 is a cross-sectional view of an optical switch including a convex channel optical waveguide.

【図9】マッハツェング干渉スイッチの平面図である。FIG. 9 is a plan view of the Mach-Zeng interference switch.

【図10】方向性結合器型スイッチの平面図である。FIG. 10 is a plan view of a directional coupler switch.

【図11】全反射型スイッチの平面図である。FIG. 11 is a plan view of a total reflection switch.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

3 基板 4 バッファ層 6 光導波路層 7 クラッド層 8、12、13 上部電極 9 Y分岐部 10 S字型チャンネル光導波路 11 直線型チャンネル光導波路 14 入射端面 15 出射端面 16 入射ポート 17、18 出射ポート 19 X交差部 20 溝部 21 凸部 Reference Signs List 3 substrate 4 buffer layer 6 optical waveguide layer 7 cladding layer 8, 12, 13 upper electrode 9 Y branch 10 S-shaped channel optical waveguide 11 linear channel optical waveguide 14 entrance end face 15 exit end face 16 entrance port 17, 18 exit port 19 X intersection 20 Groove 21 Convex

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】単結晶基板上に、Pb1-xLax(Zry
1-y1-x/43(0<x<0.3、0<y<1.0)
で構成されたエピタキシャルまたは単一配向性のチャン
ネル光導波路が形成された光スイッチを設計する、光ス
イッチの設計方法であって、 前記チャンネル光導波路が曲率半径70mm以下のチャ
ンネルを含む場合に、該チャンネルの曲率半径に応じ
て、放射損失が1dB以下となるようにチャンネル光導
波路とその周囲との実効屈折率差を求め、該実効屈折率
差に基づいて光スイッチを設計する光スイッチの設計方
法。
To 1. A single crystal substrate, Pb 1-x La x ( Zr y T
i 1-y ) 1-x / 4 O 3 (0 <x <0.3, 0 <y <1.0)
An optical switch design method for designing an optical switch in which an epitaxial or mono-oriented channel optical waveguide is formed, wherein the channel optical waveguide includes a channel having a radius of curvature of 70 mm or less. An optical switch design method for determining an effective refractive index difference between a channel optical waveguide and its surroundings so that radiation loss is 1 dB or less according to a radius of curvature of a channel, and designing an optical switch based on the effective refractive index difference .
【請求項2】単結晶基板上に、Pb1-xLax(Zry
1-y1-x/43(0<x<0.3、0<y<1.0)
で構成されたエピタキシャルまたは単一配向性のチャン
ネル光導波路が形成された光スイッチであって、 前記チャンネル光導波路が曲率半径70mm以下のチャ
ンネルを含み、該チャンネルの曲率半径に応じて、チャ
ンネル光導波路とその周囲との実効屈折率差が、放射損
失が1dB以下となるように決定されている光スイッ
チ。
To 2. A single crystal substrate, Pb 1-x La x ( Zr y T
i 1-y ) 1-x / 4 O 3 (0 <x <0.3, 0 <y <1.0)
An optical switch having an epitaxial or mono-oriented channel optical waveguide formed by: wherein the channel optical waveguide includes a channel having a radius of curvature of 70 mm or less, and wherein the channel optical waveguide is formed according to the radius of curvature of the channel. An optical switch in which the effective refractive index difference between the optical switch and its surroundings is determined so that the radiation loss is 1 dB or less.
【請求項3】前記実効屈折率差を0.1%以上とした請
求項3に記載の光スイッチ。
3. The optical switch according to claim 3, wherein said effective refractive index difference is 0.1% or more.
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