JP2002372693A - 光学デバイス - Google Patents
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- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
- G02F1/035—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure
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- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
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- G02F1/0018—Electro-optical materials
- G02F1/0027—Ferro-electric materials
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- G02F2202/20—LiNbO3, LiTaO3
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- G—PHYSICS
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- G02F2203/00—Function characteristic
- G02F2203/07—Polarisation dependent
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- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高誘電性電子光材料を、容易にＯＩＣに組み
込むことが出来る、光学変調器を提供する。 【解決手段】 （Ａ）有効電子−光学計数（ｒeff）と
光学損失（α）を有する強誘電体材料体と、（Ｂ）前記
強誘電材料体は、波長λの光学放射を少なくともその領
域の一部で伝搬し、（Ｃ）屈折率を変化させるために、
前記領域に電界を加える手段とを有し、前記領域は、多
結晶体で波長λ０において、有効電子−光学計数ｒeff
が高く、かつ光学損失αが低くなるような平均粒子サイ
ズを有することを特徴とする光学デバイス。
込むことが出来る、光学変調器を提供する。 【解決手段】 （Ａ）有効電子−光学計数（ｒeff）と
光学損失（α）を有する強誘電体材料体と、（Ｂ）前記
強誘電材料体は、波長λの光学放射を少なくともその領
域の一部で伝搬し、（Ｃ）屈折率を変化させるために、
前記領域に電界を加える手段とを有し、前記領域は、多
結晶体で波長λ０において、有効電子−光学計数ｒeff
が高く、かつ光学損失αが低くなるような平均粒子サイ
ズを有することを特徴とする光学デバイス。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、強誘電性の光学デ
バイスに関し、特に、多結晶強誘電性光学変調器に関す
る。
バイスに関し、特に、多結晶強誘電性光学変調器に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】強誘電性ペロブスカイト材料は、光電子
技術分野での有用性がある為に知られている。例えば、
単結晶リチウムナイオバイト（lithium niobate）は、
レーザ送信器用の外部電子−光学変調器の設計用に市場
で用いられている。単結晶のバリウムチタネト（barium
titanate：ＢＴＯ）の電子−光学係数が比較的大きい
ために、これらの材料もまた類似のアプリケーションに
適したものである。これに関しては、例えばM.Zgonik e
t al.,Phys.Rev.B,Vol.50,pp.59415949(1994)を参照の
こと。
技術分野での有用性がある為に知られている。例えば、
単結晶リチウムナイオバイト（lithium niobate）は、
レーザ送信器用の外部電子−光学変調器の設計用に市場
で用いられている。単結晶のバリウムチタネト（barium
titanate：ＢＴＯ）の電子−光学係数が比較的大きい
ために、これらの材料もまた類似のアプリケーションに
適したものである。これに関しては、例えばM.Zgonik e
t al.,Phys.Rev.B,Vol.50,pp.59415949(1994)を参照の
こと。
【０００３】他の文献でもまた、良好な構造特性を有す
るＢＴＯの単結晶薄膜フィルムを、公知のパルスレーザ
堆積（pulsed laser deposition：ＰＬＤ）技術を用い
て、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と、多結晶性基板状に
成長させることが出来る事が示されている。これに関し
ては、例えばL.Beckers et al.,J.Appl.Phys.,Vol.83,N
o.6,3305-3310(1998)とM.Siegert et al.,Mat.Res.Soc.
Symp.Proc.,Vol.597,pp.706-711(2000)を参照のこと。
るＢＴＯの単結晶薄膜フィルムを、公知のパルスレーザ
堆積（pulsed laser deposition：ＰＬＤ）技術を用い
て、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と、多結晶性基板状に
成長させることが出来る事が示されている。これに関し
ては、例えばL.Beckers et al.,J.Appl.Phys.,Vol.83,N
o.6,3305-3310(1998)とM.Siegert et al.,Mat.Res.Soc.
Symp.Proc.,Vol.597,pp.706-711(2000)を参照のこと。
【０００４】この種の変調器を光学集積回路（optical
integrated circuits：ＯＩＣ）に組み込むこと、特に
公知のシリコン−光学−ベンチ（silicon-optical-benc
h：ＳｉＯＢ）技術を用いて形成したＯＩＣに組み込む
ことが好ましい。この技術においては、シリカ製光学導
波路を単結晶シリコン製基板上に形成している。これら
の導波路は、約１１００−１５５０ｎｍの波長の光学放
射を導波することができ、シリコン基板に結合される
（漏れる）放射を最小にするように設計されている。こ
のシリコン製基板は、これらの波長におけるシリカの屈
折率（約１．５）よりも遥かに高い屈折率（約３．５）
を有している。
integrated circuits：ＯＩＣ）に組み込むこと、特に
公知のシリコン−光学−ベンチ（silicon-optical-benc
h：ＳｉＯＢ）技術を用いて形成したＯＩＣに組み込む
ことが好ましい。この技術においては、シリカ製光学導
波路を単結晶シリコン製基板上に形成している。これら
の導波路は、約１１００−１５５０ｎｍの波長の光学放
射を導波することができ、シリコン基板に結合される
（漏れる）放射を最小にするように設計されている。こ
のシリコン製基板は、これらの波長におけるシリカの屈
折率（約１．５）よりも遥かに高い屈折率（約３．５）
を有している。
【０００５】この設計においては、エピタキシャルＭｇ
Ｏ光学絶縁層をシリコン製基板上に形成して、基板に結
合される放射量を低減している。電子−光変調器をこの
設計に組み込むアプローチは、例えば単結晶ＢＴＯをＭ
ｇＯ層上に堆積することである。これに関しては、米国
特許第6,103,008号（発明者 R.A.McKee et al.on Augus
t 15,2000）を参照のこと。しかしこれらの層を、シリ
コン製基板上に堆積することは困難である。第１の理由
として、光学損失を低く維持するために、ＭｇＯ層とＢ
ＴＯ層を比較的厚く形成しなければならない点である。
第２の理由として、これらの層の熱膨張係数はシリコン
製基板のそれとは異なる点である。第３の理由として、
これらの層を高温で堆積しそして冷却する時には、厚い
層とは異なる熱膨張係数の組み合わせにより大きな歪み
が発生し、それが原因で層にひびが発生する点である。
Ｏ光学絶縁層をシリコン製基板上に形成して、基板に結
合される放射量を低減している。電子−光変調器をこの
設計に組み込むアプローチは、例えば単結晶ＢＴＯをＭ
ｇＯ層上に堆積することである。これに関しては、米国
特許第6,103,008号（発明者 R.A.McKee et al.on Augus
t 15,2000）を参照のこと。しかしこれらの層を、シリ
コン製基板上に堆積することは困難である。第１の理由
として、光学損失を低く維持するために、ＭｇＯ層とＢ
ＴＯ層を比較的厚く形成しなければならない点である。
第２の理由として、これらの層の熱膨張係数はシリコン
製基板のそれとは異なる点である。第３の理由として、
これらの層を高温で堆積しそして冷却する時には、厚い
層とは異なる熱膨張係数の組み合わせにより大きな歪み
が発生し、それが原因で層にひびが発生する点である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】かくして、高誘電性の
電子光材料を容易にＯＩＣに組み込むことが出来る光学
変調器の設計が必要である。
電子光材料を容易にＯＩＣに組み込むことが出来る光学
変調器の設計が必要である。
【０００７】あるアプローチは、電子−光学単結晶層を
多結晶層で置換することである。この設計は集積化を容
易にする、即ち堆積温度を低くすることができ、エピタ
キシャル絶縁層をアモルファス二酸化シリコン層で置換
することができ、これにより上記の厚さの制約事項を解
決することが出来る。
多結晶層で置換することである。この設計は集積化を容
易にする、即ち堆積温度を低くすることができ、エピタ
キシャル絶縁層をアモルファス二酸化シリコン層で置換
することができ、これにより上記の厚さの制約事項を解
決することが出来る。
【０００８】しかし、このアプローチもまた困難であ
る。多結晶の電子−光学材料は、電子−光学係数が高い
波長領域では、高い光学散乱を引き起こす傾向がある。
多結晶ＺｎＳ平面状導波路のポッケルス効果に関して
は、B.Wong et al.,J.Appl.Phys.,Vol.70,No.3,pp.1180
-1184(1991)を参照のこと。また、鉛ベースの強誘電性
薄膜フィルムの光学特性に関しては、E.Dogheche et a
l.,Microelctronic Engineering,Vol.29,pp.315-318(19
95)を参照のこと。
る。多結晶の電子−光学材料は、電子−光学係数が高い
波長領域では、高い光学散乱を引き起こす傾向がある。
多結晶ＺｎＳ平面状導波路のポッケルス効果に関して
は、B.Wong et al.,J.Appl.Phys.,Vol.70,No.3,pp.1180
-1184(1991)を参照のこと。また、鉛ベースの強誘電性
薄膜フィルムの光学特性に関しては、E.Dogheche et a
l.,Microelctronic Engineering,Vol.29,pp.315-318(19
95)を参照のこと。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の一態様によれ
ば、本発明の光学デバイスは請求項１に記載した特徴を
有する。即ち（Ａ）有効電子−光学係数（γｅｆｆ）と
光学損失（α）を有する強誘電体材料体と、（Ｂ）前記
強誘電材料体は、波長λの光学放射を少なくともその領
域の一部で伝搬し、（Ｃ）屈折率を変化させるために、
前記領域に電界を加える手段とを有し、前記領域は多結
晶体で、波長λ０において、有効電子−光学係数γ
ｅｆｆが高く、かつ光学損失αが低くなるような平均粒
子サイズを有することを特徴とする光学デバイスであ
る。さらに本発明の一実施例によれば、本発明は請求項
２及び３に記載した特徴を有する。即ち、前記領域の平
均粒子サイズは、１０／λ０であることを特徴とする光
学デバイスである。前記領域の平均粒子サイズは、８−
２０ｎｍの範囲内であることを特徴とする光学デバイス
である。これらは特に、１，０００から１，６００ｎｍ
の範囲の近赤外線波長で動作するデバイスに適したもの
である。本発明は、請求項４．５に記載した特徴を有す
る。即ち、前記強誘電体材料はペロブスカイト材料であ
ることを特徴とする。前記ペロブスカイト材料ＢＴＯを
含むことを特徴とする。
ば、本発明の光学デバイスは請求項１に記載した特徴を
有する。即ち（Ａ）有効電子−光学係数（γｅｆｆ）と
光学損失（α）を有する強誘電体材料体と、（Ｂ）前記
強誘電材料体は、波長λの光学放射を少なくともその領
域の一部で伝搬し、（Ｃ）屈折率を変化させるために、
前記領域に電界を加える手段とを有し、前記領域は多結
晶体で、波長λ０において、有効電子−光学係数γ
ｅｆｆが高く、かつ光学損失αが低くなるような平均粒
子サイズを有することを特徴とする光学デバイスであ
る。さらに本発明の一実施例によれば、本発明は請求項
２及び３に記載した特徴を有する。即ち、前記領域の平
均粒子サイズは、１０／λ０であることを特徴とする光
学デバイスである。前記領域の平均粒子サイズは、８−
２０ｎｍの範囲内であることを特徴とする光学デバイス
である。これらは特に、１，０００から１，６００ｎｍ
の範囲の近赤外線波長で動作するデバイスに適したもの
である。本発明は、請求項４．５に記載した特徴を有す
る。即ち、前記強誘電体材料はペロブスカイト材料であ
ることを特徴とする。前記ペロブスカイト材料ＢＴＯを
含むことを特徴とする。
【００１０】本明細書において、「強誘電性材料」と
は、材料がゼロの電界または磁界において自然偏光（sp
ontaneous polarzation）を維持せず、かつ大きな電子
−光学係数を示すような平均粒子材料を有する擬似電子
（paraelectric）材料を含む。
は、材料がゼロの電界または磁界において自然偏光（sp
ontaneous polarzation）を維持せず、かつ大きな電子
−光学係数を示すような平均粒子材料を有する擬似電子
（paraelectric）材料を含む。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１において、電子−光学変調器
１０は、少なくとも１つの光学導波路１２．１と、堆積
して形成された多結晶強誘電性材料本体２０とを有し、
導波路内を伝搬する光学放射の少なくとも一部が多結晶
強誘電性材料本体２０に結合している。同図において、
多結晶強誘電性材料本体２０は、光学導波路１２．１の
上に形成され、この光学導波路１２．１は、平坦な多結
晶強誘電性材料本体上面２０．３と、傾斜側面２０．
１，２０．２を有する台形のプリズムとして形成され
る。傾斜側面２０．１，２０．２は、テーパ状の光学入
力カプラと出力カプラを形成して、光学導波路１２．１
内の放射光の一部を多結晶強誘電性材料本体２０に結合
したり、切り離したりしている。他の光学カプラも本発
明に用いることが出来る。他の光学カプラ（例えば、公
知の側面導波路カプラ）も用いることも出来る。
１０は、少なくとも１つの光学導波路１２．１と、堆積
して形成された多結晶強誘電性材料本体２０とを有し、
導波路内を伝搬する光学放射の少なくとも一部が多結晶
強誘電性材料本体２０に結合している。同図において、
多結晶強誘電性材料本体２０は、光学導波路１２．１の
上に形成され、この光学導波路１２．１は、平坦な多結
晶強誘電性材料本体上面２０．３と、傾斜側面２０．
１，２０．２を有する台形のプリズムとして形成され
る。傾斜側面２０．１，２０．２は、テーパ状の光学入
力カプラと出力カプラを形成して、光学導波路１２．１
内の放射光の一部を多結晶強誘電性材料本体２０に結合
したり、切り離したりしている。他の光学カプラも本発
明に用いることが出来る。他の光学カプラ（例えば、公
知の側面導波路カプラ）も用いることも出来る。
【００１２】電界が、多結晶強誘電性材料本体２０に細
長い電極１６．２，１６．３の手段により印加される。
電極は、多結晶強誘電性材料本体２０の上面２０．３の
上に配置され、下の光学導波路１２．１をまたぐ。この
電界が強誘電性体の屈折率を変化させ、それにより変調
器内を伝搬する光学放射のパラメータ（例、強度、位
相、周波数）を変調する（変える）。この放射は、変調
すべき光学入力信号１４．１により表され、この光学信
号は光学導波路１２．１の一端に入力され光学変調出力
信号１４．２として光学導波路１２．１の反対側から取
り出される。
長い電極１６．２，１６．３の手段により印加される。
電極は、多結晶強誘電性材料本体２０の上面２０．３の
上に配置され、下の光学導波路１２．１をまたぐ。この
電界が強誘電性体の屈折率を変化させ、それにより変調
器内を伝搬する光学放射のパラメータ（例、強度、位
相、周波数）を変調する（変える）。この放射は、変調
すべき光学入力信号１４．１により表され、この光学信
号は光学導波路１２．１の一端に入力され光学変調出力
信号１４．２として光学導波路１２．１の反対側から取
り出される。
【００１３】説明を容易にするため、及び以下に説明す
るような変調器の性能の様々な側面を明らかにするため
に、電子ー光学変調器１０は、３本の集積された光学導
波路１２．１，１２．２，１２．３を有し、そしてこれ
らの導波路は幅が異なり、後者の２本の導波路は、光学
導波路１２．１の両側に配置されている。３本以上の導
波路あるいは３本未満の導波路も本発明で用いることが
出来る。これらの導波路においては、更に２個の電極１
６．１，１６．４が、多結晶強誘電性材料本体２０の上
面２０．３の上に配置され、その結果４個の電極が３本
の導波路をまたいだ形になっている。
るような変調器の性能の様々な側面を明らかにするため
に、電子ー光学変調器１０は、３本の集積された光学導
波路１２．１，１２．２，１２．３を有し、そしてこれ
らの導波路は幅が異なり、後者の２本の導波路は、光学
導波路１２．１の両側に配置されている。３本以上の導
波路あるいは３本未満の導波路も本発明で用いることが
出来る。これらの導波路においては、更に２個の電極１
６．１，１６．４が、多結晶強誘電性材料本体２０の上
面２０．３の上に配置され、その結果４個の電極が３本
の導波路をまたいだ形になっている。
【００１４】本発明の一実施例においては、変調器１０
は、基板２２と基板２２の上に形成された層１８とを有
し、この層１８の上に光学導波路１２．１，１２．２，
１２．３が形成されている。本発明の一実施例において
は、本発明の変調器は、公知のシリコン光学ベンチ（Ｓ
ｉＯＢ）技術を用いて構成され、この技術においては、
基板２２は、単結晶シリコンであり、層１８は二酸化シ
リコン（silica）であり、光学導波路１２．１−１２．
３は、シリカでドーピングされ、多結晶強誘電性材料本
体２０は、多結晶の強誘電性材料である。好ましくは、
強誘電性材料は、ペロブスカイト材料、例えばリチウム
ナイオバイトあるいはＢＴＯである。本発明の重要な特
徴は、多結晶の多結晶強誘電性材料本体２０の平均粒子
サイズを制御できることであり、その結果光学入力信号
（例光学入力信号１４．１）の波長においては、比較的
大きな有効電子−光学係数（electro-optic coefficien
t）γｅｆｆが比較的高いが、しかし光学損失αは比較
的低い。
は、基板２２と基板２２の上に形成された層１８とを有
し、この層１８の上に光学導波路１２．１，１２．２，
１２．３が形成されている。本発明の一実施例において
は、本発明の変調器は、公知のシリコン光学ベンチ（Ｓ
ｉＯＢ）技術を用いて構成され、この技術においては、
基板２２は、単結晶シリコンであり、層１８は二酸化シ
リコン（silica）であり、光学導波路１２．１−１２．
３は、シリカでドーピングされ、多結晶強誘電性材料本
体２０は、多結晶の強誘電性材料である。好ましくは、
強誘電性材料は、ペロブスカイト材料、例えばリチウム
ナイオバイトあるいはＢＴＯである。本発明の重要な特
徴は、多結晶の多結晶強誘電性材料本体２０の平均粒子
サイズを制御できることであり、その結果光学入力信号
（例光学入力信号１４．１）の波長においては、比較的
大きな有効電子−光学係数（electro-optic coefficien
t）γｅｆｆが比較的高いが、しかし光学損失αは比較
的低い。
【００１５】この点の重要性を理解するために、図２に
は、２個のパラメータ即ち電子−光学係数γｅｆｆと光
学散乱損失αosが、結晶の特性の長さｌｘｔａｌ（例え
ば、平均粒子サイズ）でいかに変わるかを示している。
実線のカーブＩは、光学散乱損失αｏｓを表し、結晶の
特性長さが結晶内を伝搬する光学信号の波長λ０にほぼ
等しい時ピークを示す（即ち結晶が通常のレイレー散乱
を示す）。これに対し、点線のカーブＩＩとＩＩＩは、
有効電子−光学係数γｅｆｆを表す。カーブＩＩは、ｌ
ｘｔａｌがλ０より大きい場合を表し、γｅｆｆが高く
同時にαｏｓが低い状態（regime）が存在しないことを
表している。かくして、このような材料を用いて形成し
た変調器は、損失が受け入れがたい程高いが有効な変調
を表すかあるいはその逆を表すかのいずれかである。
は、２個のパラメータ即ち電子−光学係数γｅｆｆと光
学散乱損失αosが、結晶の特性の長さｌｘｔａｌ（例え
ば、平均粒子サイズ）でいかに変わるかを示している。
実線のカーブＩは、光学散乱損失αｏｓを表し、結晶の
特性長さが結晶内を伝搬する光学信号の波長λ０にほぼ
等しい時ピークを示す（即ち結晶が通常のレイレー散乱
を示す）。これに対し、点線のカーブＩＩとＩＩＩは、
有効電子−光学係数γｅｆｆを表す。カーブＩＩは、ｌ
ｘｔａｌがλ０より大きい場合を表し、γｅｆｆが高く
同時にαｏｓが低い状態（regime）が存在しないことを
表している。かくして、このような材料を用いて形成し
た変調器は、損失が受け入れがたい程高いが有効な変調
を表すかあるいはその逆を表すかのいずれかである。
【００１６】一方、カーブＩＩＩは、ｌｘｔａｌがλ０
より小さい場合を表し、好ましい両方の特性を同時に示
す、即ち高いγｅｆｆと低いαｏｓを示す範囲Ｒがある
ことを示している。一般的にデバイスが後者の領域で動
作できるためには、lｘｔａ ｌはλ０／１０よりも小さ
くなければならない。光学散乱損失αoａと光学吸収αo
sの組み合わせである全光学散乱損失αを考慮する場合
にも同様な原理が適用される。
より小さい場合を表し、好ましい両方の特性を同時に示
す、即ち高いγｅｆｆと低いαｏｓを示す範囲Ｒがある
ことを示している。一般的にデバイスが後者の領域で動
作できるためには、lｘｔａ ｌはλ０／１０よりも小さ
くなければならない。光学散乱損失αoａと光学吸収αo
sの組み合わせである全光学散乱損失αを考慮する場合
にも同様な原理が適用される。
【００１７】本発明の一実施例においては、この範囲は
１０００−１６００ｎｍの近赤外線波長における多結晶
強誘電性材料において、粒子サイズが約８−２０ｎｍに
対応し、これはまた多結晶ＢＴＯにも当てはまることで
ある。
１０００−１６００ｎｍの近赤外線波長における多結晶
強誘電性材料において、粒子サイズが約８−２０ｎｍに
対応し、これはまた多結晶ＢＴＯにも当てはまることで
ある。
【００１８】実験例 この実験例は、導波路構造をＳiＯＢ技術を用いて構成
し、電子−光変調材料が多結晶ＢＴＯを含む本発明によ
る電子−光変調器である。様々な材料、寸法、動作条件
は特に断らない限り単なる一実施例で、本発明の範囲を
制限するものではない。本明細書においては、用語「ア
ンドープ(undoped)」とは、意図的にドーピングしてな
い特定の層あるいは領域を意味し、通常このような領域
または層のドーピング量は比較的低く、かつこのような
ドーピングは、デバイスの層を堆積あるいは成長するの
に用いられるチェンバ内の残留ドーピングから発生する
ものである。
し、電子−光変調材料が多結晶ＢＴＯを含む本発明によ
る電子−光変調器である。様々な材料、寸法、動作条件
は特に断らない限り単なる一実施例で、本発明の範囲を
制限するものではない。本明細書においては、用語「ア
ンドープ(undoped)」とは、意図的にドーピングしてな
い特定の層あるいは領域を意味し、通常このような領域
または層のドーピング量は比較的低く、かつこのような
ドーピングは、デバイスの層を堆積あるいは成長するの
に用いられるチェンバ内の残留ドーピングから発生する
ものである。
【００１９】図１に示すように、導波路の下部構造を形
成するために、公知のＳｉＯＢ技術を用いる。この構造
体は単結晶の（１００）方向の基板２２上に堆積された
層１８と、層１８内に部分的に埋め込まれた複数のドー
ピングしたシリカ製の光学導波路１２．１〜１２．３を
含む。上部のドーピングしていないシリカ製クラッド層
は、通常多くのＳｉＯＢ設計で用いられているが、同図
では省いている。層１８は、１５μｍ厚で公知の高圧酸
化（high-pressure oxidation（ＨＩＰＯＸ））技術を
用いて堆積された。光学導波路１２．１，１２．２，１
２．３は、全て約５μｍ深さ、約２−９μｍの幅で（し
かし、２−８μｍ用のデータが図５で示されている）あ
り、全てリンでもって薄くドーピングされている。Ｓｉ
ＯＢ技術の詳細は、例えばY.P.Li et al.,Optical Fibe
r Communications,IIIB,edited by I.P.Kaminow et a
l.,Ch.8,Academic Press(1997)参照のこと。
成するために、公知のＳｉＯＢ技術を用いる。この構造
体は単結晶の（１００）方向の基板２２上に堆積された
層１８と、層１８内に部分的に埋め込まれた複数のドー
ピングしたシリカ製の光学導波路１２．１〜１２．３を
含む。上部のドーピングしていないシリカ製クラッド層
は、通常多くのＳｉＯＢ設計で用いられているが、同図
では省いている。層１８は、１５μｍ厚で公知の高圧酸
化（high-pressure oxidation（ＨＩＰＯＸ））技術を
用いて堆積された。光学導波路１２．１，１２．２，１
２．３は、全て約５μｍ深さ、約２−９μｍの幅で（し
かし、２−８μｍ用のデータが図５で示されている）あ
り、全てリンでもって薄くドーピングされている。Ｓｉ
ＯＢ技術の詳細は、例えばY.P.Li et al.,Optical Fibe
r Communications,IIIB,edited by I.P.Kaminow et a
l.,Ch.8,Academic Press(1997)参照のこと。
【００２０】多結晶ＢＴＯ層は、台形状のプリズムボデ
ィ多結晶強誘電性材料本体２０に形成され、シリカ製光
学導波路１２．１−１２．３と層１８の両方の上部表面
上に直接堆積される。そして、この導波路とシリカ層は
両方ともアモルファスである。本発明においては、ＢＴ
Ｏを堆積するために公知のパルスレーザ堆積（pulsedla
sser deposition（ＰＬＤ））技術を用いている。具体
的に説明すると、基板をインコネル製のプレート上に搭
載し、これを水晶製ランプでもって９００℃まで加熱し
た。堆積する前にチェンバ内を−６０Ｐａの圧力まで真
空引きをした。基板を所望の成長温度まで加熱した後、
約１Ｐａの酸素雰囲気をチェンバー内に形成した。
ィ多結晶強誘電性材料本体２０に形成され、シリカ製光
学導波路１２．１−１２．３と層１８の両方の上部表面
上に直接堆積される。そして、この導波路とシリカ層は
両方ともアモルファスである。本発明においては、ＢＴ
Ｏを堆積するために公知のパルスレーザ堆積（pulsedla
sser deposition（ＰＬＤ））技術を用いている。具体
的に説明すると、基板をインコネル製のプレート上に搭
載し、これを水晶製ランプでもって９００℃まで加熱し
た。堆積する前にチェンバ内を−６０Ｐａの圧力まで真
空引きをした。基板を所望の成長温度まで加熱した後、
約１Ｐａの酸素雰囲気をチェンバー内に形成した。
【００２１】堆積を行うために、約２０Ｈｚの繰り返し
レートで動作するＫｒＦエキシマレーザ（Lambda model
LPX305）をＢＴＯの焼結ディスクにあてた、このよう
な条件の元で、約３Ｊｃｍ２のエネルギー密度がディス
ク上に形成された。基板（即ち、シリカ製導波路がその
上に形成されたシリコン製基板）とターゲットとの間の
距離は約７ｃｍに設定され、その結果約０．４ｎｍ／ｓ
の堆積速度が得られた。
レートで動作するＫｒＦエキシマレーザ（Lambda model
LPX305）をＢＴＯの焼結ディスクにあてた、このよう
な条件の元で、約３Ｊｃｍ２のエネルギー密度がディス
ク上に形成された。基板（即ち、シリカ製導波路がその
上に形成されたシリコン製基板）とターゲットとの間の
距離は約７ｃｍに設定され、その結果約０．４ｎｍ／ｓ
の堆積速度が得られた。
【００２２】テーパ状のカプラの傾斜側面２０．１，２
０．２は、基板の端部をシャドウマスクでカバーするこ
とにより実現された。本発明における堆積パラメータ
は、基板からシャドウマスクまでの距離を約４ｍｍの長
さにすると、約３ｍｍの長さの傾斜が得られた。最後に
Ｃｒ／Ａｕ製の長方形をした電極１６．１−１６．４を
標準の堆積リソグラフ、リフトオフ技術を用いて堆積し
パターン化した。電極の寸法は次の通りである。内側エ
ッジ間のスペースは３０ｍｍで、長さは５ｍｍで、幅は
５０μｍまたは１００μｍである。
０．２は、基板の端部をシャドウマスクでカバーするこ
とにより実現された。本発明における堆積パラメータ
は、基板からシャドウマスクまでの距離を約４ｍｍの長
さにすると、約３ｍｍの長さの傾斜が得られた。最後に
Ｃｒ／Ａｕ製の長方形をした電極１６．１−１６．４を
標準の堆積リソグラフ、リフトオフ技術を用いて堆積し
パターン化した。電極の寸法は次の通りである。内側エ
ッジ間のスペースは３０ｍｍで、長さは５ｍｍで、幅は
５０μｍまたは１００μｍである。
【００２３】ＢＴＯ層をRuther-ford Backscattering S
pectrometry（ＲＢＳ）とx-ran diffraction（ＸＲＤ）
用いて構造の特徴を調べた。堆積したＢＴＯ層の組成と
厚さは、２ＭｅＶＨｅイオンを用いたＲＢＳで測定し
た。Ｂａ対Ｔｉの比率は所定の測定解像度で約１対１で
あった。
pectrometry（ＲＢＳ）とx-ran diffraction（ＸＲＤ）
用いて構造の特徴を調べた。堆積したＢＴＯ層の組成と
厚さは、２ＭｅＶＨｅイオンを用いたＲＢＳで測定し
た。Ｂａ対Ｔｉの比率は所定の測定解像度で約１対１で
あった。
【００２４】これらの測定を行うために、ＢＴＯ層は均
一で約４００ｎｍの厚さで（テーパ状のカプラは形成さ
れていない）で、４００℃から５００℃の範囲の温度で
堆積された。これらの層はＸＲＤの手段により検査され
た。ＸＲＤpole figure検査（図示せず）によれば、Ｂ
ＴＯ層は＜１００＞が優位のわずかにテキスチャ（text
ured）状態に有る。
一で約４００ｎｍの厚さで（テーパ状のカプラは形成さ
れていない）で、４００℃から５００℃の範囲の温度で
堆積された。これらの層はＸＲＤの手段により検査され
た。ＸＲＤpole figure検査（図示せず）によれば、Ｂ
ＴＯ層は＜１００＞が優位のわずかにテキスチャ（text
ured）状態に有る。
【００２５】θ-２θスキャンの（２００）ピークを図
３に示す。成長温度を上げることにより、これらのピー
クを形成し鋭くなり、アモルファス（約４００℃以上）
から多結晶（約４１３℃以上）の遷移がはっきりと見て
とれる。ピークのＦＷＨＭが決定され、粒子サイズが公
知の下記のシェラ（Scherrer,s）公式を用いて計算され
た。 ｄ＝（κλｘ/Ｗ）cosθ （１） ここでｄは、多結晶ＢＴＯの平均粒子サイズで有り、κ
＝０．８９で形状係数であり、λｘはＸ線波長で、Ｗは
ＦＷＨＭにおける（２００）ピークの幅で有り、θは
（２００）ピークの位置である。測定したデータを次ぎ
に示す。
３に示す。成長温度を上げることにより、これらのピー
クを形成し鋭くなり、アモルファス（約４００℃以上）
から多結晶（約４１３℃以上）の遷移がはっきりと見て
とれる。ピークのＦＷＨＭが決定され、粒子サイズが公
知の下記のシェラ（Scherrer,s）公式を用いて計算され
た。 ｄ＝（κλｘ/Ｗ）cosθ （１） ここでｄは、多結晶ＢＴＯの平均粒子サイズで有り、κ
＝０．８９で形状係数であり、λｘはＸ線波長で、Ｗは
ＦＷＨＭにおける（２００）ピークの幅で有り、θは
（２００）ピークの位置である。測定したデータを次ぎ
に示す。
【００２６】 温度（℃） ２θ（°） Ｗ（°） ｄ（ｎｍ） ５００ ４４．２３ ０．４８ １７．７３ ４５０ ４４．３３ ０．４６ １８．５０ ４３８ ４４．２９ ０．６９ １２．２３ ４２５ ４４．２３ ０．８４ １０．１３ ４１３ ４４．４８ ０．８７ ９．７８ ４００ −−− −−− −−−
【００２７】このデータは、９．８ｎｍから１８．５ｎ
ｍの平均粒子サイズは、４１３−５００℃の範囲の温度
で、多結晶ＢＴＯをＰＬＤ成長することにより実現され
たことを示している。５００℃で粒子サイズは、出願人
が所有するＸ線装置の解像度の限界に達するが、平均粒
子サイズは、温度が５００℃以上に増加すると、さらに
増加し続けると予測される。この表と、図示していない
他のデータにより、約８−２０ｎｍの平均粒子サイズが
得られ、これは通常１０００−１６００ｎｍの近赤外線
波長で動作するデバイスの使用に特に適したものであ
る。
ｍの平均粒子サイズは、４１３−５００℃の範囲の温度
で、多結晶ＢＴＯをＰＬＤ成長することにより実現され
たことを示している。５００℃で粒子サイズは、出願人
が所有するＸ線装置の解像度の限界に達するが、平均粒
子サイズは、温度が５００℃以上に増加すると、さらに
増加し続けると予測される。この表と、図示していない
他のデータにより、約８−２０ｎｍの平均粒子サイズが
得られ、これは通常１０００−１６００ｎｍの近赤外線
波長で動作するデバイスの使用に特に適したものであ
る。
【００２８】光学的特性は、ＢＴＯ層の屈折率の測定値
（図４）と、これらの層の光学損失（図５）と、変調器
の応答（図６）と、ＢＴＯ層の電子−光学係数（図７）
の測定値を含む。具体的に説明すると、ＢＴＯ層の屈折
率と厚さは、前掲のL.Beckers et al.,論文に記載され
たプリズムの設定を用いて、約６３３ｎｍの波長で測定
した。その結果を図４に示す。約４００℃と約４１３℃
で成長したサンプルについては、ＴＭモードのみを測定
した。
（図４）と、これらの層の光学損失（図５）と、変調器
の応答（図６）と、ＢＴＯ層の電子−光学係数（図７）
の測定値を含む。具体的に説明すると、ＢＴＯ層の屈折
率と厚さは、前掲のL.Beckers et al.,論文に記載され
たプリズムの設定を用いて、約６３３ｎｍの波長で測定
した。その結果を図４に示す。約４００℃と約４１３℃
で成長したサンプルについては、ＴＭモードのみを測定
した。
【００２９】約４００℃で成長したアモルファスサンプ
ルは、わずか２．０の屈折率を示すだけであるが、層が
多結晶になるように成長温度を上げると、屈折率は増加
する。例えば４１３℃では屈折率が２．２５で、４５０
℃では２．３である。（これは、バルクのＢＴＯの単結
晶材料の値に近く、即ち通常光と異常光のそれぞれに対
し、２．４１と２．３６であった）。温度を上げること
に伴って、屈折率が増加する傾向は、温度が上がること
に伴って平均粒子サイズが増加することに対応する。
ルは、わずか２．０の屈折率を示すだけであるが、層が
多結晶になるように成長温度を上げると、屈折率は増加
する。例えば４１３℃では屈折率が２．２５で、４５０
℃では２．３である。（これは、バルクのＢＴＯの単結
晶材料の値に近く、即ち通常光と異常光のそれぞれに対
し、２．４１と２．３６であった）。温度を上げること
に伴って、屈折率が増加する傾向は、温度が上がること
に伴って平均粒子サイズが増加することに対応する。
【００３０】次に簡単な損失の測定を行った。ファイバ
で接続したダイオードレーザからの１．５４μｍの出力
を、５μｍのコアの標準ファイバから当接結合（butt-c
oupled）した各変調器の導波路に結合したり、切り離し
たりした。（例えば、光学導波路１２．１−１２．３
で、この場合デバイスは幅が２，３，４，５，６，７，
８μｍの７本の導波路を有する。）入力部分がテーパ状
のカプラが、光学入力信号１４．１の一部を多結晶強誘
電性材料本体２０に結合するが、これは、カブ構造のシ
リカ製導波路の屈折率（１．５）よりもより高い屈折率
（２．３）を有することに一部起因する。
で接続したダイオードレーザからの１．５４μｍの出力
を、５μｍのコアの標準ファイバから当接結合（butt-c
oupled）した各変調器の導波路に結合したり、切り離し
たりした。（例えば、光学導波路１２．１−１２．３
で、この場合デバイスは幅が２，３，４，５，６，７，
８μｍの７本の導波路を有する。）入力部分がテーパ状
のカプラが、光学入力信号１４．１の一部を多結晶強誘
電性材料本体２０に結合するが、これは、カブ構造のシ
リカ製導波路の屈折率（１．５）よりもより高い屈折率
（２．３）を有することに一部起因する。
【００３１】その後、信号は下のシリカ製導波路よりガ
イドされる多結晶強誘電性材料本体２０内を伝搬する
（ストリップ負荷導波路に類似する）。出力部分がテー
パ状のカプラは、信号を光学導波路１２．１に戻して結
合し、そこで光学変調出力信号１４．２として出力され
る。光学変調出力信号１４．２の光学強度をファイバパ
ワーメータで測定した。ファイバが別のファイバに当接
結合された場合には、ゼロｄＢに分配強度が更正される
（即ち、それらの間にシリカ製導波路が存在しないもの
とする）。図５は２−８μｍの範囲のシリカ製導波路の
幅と、測定した光学損失との関係を示す。７本のこれら
の導波路の上にあるＢＴＯ層は、平坦な中心部分で約１
２０ｎｍの厚さを有し、４２５℃で堆積された。テーパ
状カプラの長さ（即ち、図１の傾斜側面２０．１と傾斜
側面２０．２の長さ）は、約３ｍｍであった。最小損失
は、ＴＥモードに対しては−１．５ｄＢで、ＴＭモード
に対しては、−２．５ｄＢであり、これは３−５μｍの
導波路幅に対し達成されたものであり、また、これは光
学入力信号変調器に分配する、光ファイバに最適にマッ
チしたモードフィールドを有する。この範囲以下（即
ち、２μｍ幅）の導波路に対し、光学損失は、入力ファ
イバからシリカ製導波路への結合の際の放射損失（radi
ation lost）が支配的であり、一方この範囲以上（即ち
３−９μｍ幅）の導波路に対して、光学損失は、シリカ
製導波路から出力用ファイバへの結合の際の放射損失が
支配的である。
イドされる多結晶強誘電性材料本体２０内を伝搬する
（ストリップ負荷導波路に類似する）。出力部分がテー
パ状のカプラは、信号を光学導波路１２．１に戻して結
合し、そこで光学変調出力信号１４．２として出力され
る。光学変調出力信号１４．２の光学強度をファイバパ
ワーメータで測定した。ファイバが別のファイバに当接
結合された場合には、ゼロｄＢに分配強度が更正される
（即ち、それらの間にシリカ製導波路が存在しないもの
とする）。図５は２−８μｍの範囲のシリカ製導波路の
幅と、測定した光学損失との関係を示す。７本のこれら
の導波路の上にあるＢＴＯ層は、平坦な中心部分で約１
２０ｎｍの厚さを有し、４２５℃で堆積された。テーパ
状カプラの長さ（即ち、図１の傾斜側面２０．１と傾斜
側面２０．２の長さ）は、約３ｍｍであった。最小損失
は、ＴＥモードに対しては−１．５ｄＢで、ＴＭモード
に対しては、−２．５ｄＢであり、これは３−５μｍの
導波路幅に対し達成されたものであり、また、これは光
学入力信号変調器に分配する、光ファイバに最適にマッ
チしたモードフィールドを有する。この範囲以下（即
ち、２μｍ幅）の導波路に対し、光学損失は、入力ファ
イバからシリカ製導波路への結合の際の放射損失（radi
ation lost）が支配的であり、一方この範囲以上（即ち
３−９μｍ幅）の導波路に対して、光学損失は、シリカ
製導波路から出力用ファイバへの結合の際の放射損失が
支配的である。
【００３２】１５０ｎｍ以上の厚さのＢＴＯレイヤに対
しては、下のシリカ製導波路は、デバイス内の伝搬する
損失を低く維持するには光学信号の導波は弱すぎる。即
ち、信号が隣接する導波路内に散乱する。より厚いＢＴ
Ｏ層は、ＢＴＯ層の上にＢＴＯ層の上と、下のシリカ製
導波路の上に、浅いＢＴＯリブを形成することにより実
現され、このような設計は公知のリッジ導波路構造に類
似する。この実施例においては、表面散乱を低減するこ
とにより、約１ｄＢ／ｃｍ以下に損失を減らすことが期
待出来る。
しては、下のシリカ製導波路は、デバイス内の伝搬する
損失を低く維持するには光学信号の導波は弱すぎる。即
ち、信号が隣接する導波路内に散乱する。より厚いＢＴ
Ｏ層は、ＢＴＯ層の上にＢＴＯ層の上と、下のシリカ製
導波路の上に、浅いＢＴＯリブを形成することにより実
現され、このような設計は公知のリッジ導波路構造に類
似する。この実施例においては、表面散乱を低減するこ
とにより、約１ｄＢ／ｃｍ以下に損失を減らすことが期
待出来る。
【００３３】本発明の変調器において、電子−光学測定
を実行するために、発明者等は以下の設定（装置）を用
いた。１本のシリカ製導波路への入力光学信号は、１．
５４μｍの半導体ダイオードレーザにより生成された。
レーザの出力はファイバの偏光化器を介して伝搬され、
入力信号を変調器の常備表面の法線方向に対し、約４５
度に調整した。レーザの出力は、ファイバ偏光化器を通
過させて、入力信号の偏光方向を変調器の上部表面の法
線方向に約４５度傾けた。かくして、ＴＥモードとＴＭ
モードが、同位相かつ等強度でもって導波路内に放射さ
れた。しかし、これらのモードの伝搬定数が異なるため
に、導波路の出力端において、これらのモード間に位相
差が発生する。従って出力信号は楕円型（elliptically
polarized）に偏光された。
を実行するために、発明者等は以下の設定（装置）を用
いた。１本のシリカ製導波路への入力光学信号は、１．
５４μｍの半導体ダイオードレーザにより生成された。
レーザの出力はファイバの偏光化器を介して伝搬され、
入力信号を変調器の常備表面の法線方向に対し、約４５
度に調整した。レーザの出力は、ファイバ偏光化器を通
過させて、入力信号の偏光方向を変調器の上部表面の法
線方向に約４５度傾けた。かくして、ＴＥモードとＴＭ
モードが、同位相かつ等強度でもって導波路内に放射さ
れた。しかし、これらのモードの伝搬定数が異なるため
に、導波路の出力端において、これらのモード間に位相
差が発生する。従って出力信号は楕円型（elliptically
polarized）に偏光された。
【００３４】この、光学出力信号は、マイクロスコープ
レンズにより、焦点が合わせられ、偏光化器を通過させ
て、約−４５度に設定され、光検出器に入射された。変
調器にかけた電界を変えることにより、両方のモードの
屈折率がわずかだけ変化するがこのことは、モード間の
位相差も変化したことを意味する。位相差が０またはπ
に等しいときには、光検出器の強度は、最小または最大
であり、位相差Γは次式で与えられる。 Γ＝Γ０−（π/λ０）（γＴＥｎＴＥ ３−γＴＭｎＴＭ ３）ＥＬｅ （ ２） ここで、Γ０＝κ０（ｎＴＥ−ｎＴＭ）Ｌdは、電界が
無い場合の位相差であり、κ０＝２π/λ０は伝搬定数
であり、λ０は光学入力信号の中心波長であり、ｎＴＥ
とｎＴＭは、それぞれＴＥモードとＴＭモードの屈折率
であり、Ｌdは入力から出力まで測定された物理的長さ
であり、Ｌeは信号の伝搬方向に沿って測定した電極の
長さであり、Ｅは印加された電界の強度である。
レンズにより、焦点が合わせられ、偏光化器を通過させ
て、約−４５度に設定され、光検出器に入射された。変
調器にかけた電界を変えることにより、両方のモードの
屈折率がわずかだけ変化するがこのことは、モード間の
位相差も変化したことを意味する。位相差が０またはπ
に等しいときには、光検出器の強度は、最小または最大
であり、位相差Γは次式で与えられる。 Γ＝Γ０−（π/λ０）（γＴＥｎＴＥ ３−γＴＭｎＴＭ ３）ＥＬｅ （ ２） ここで、Γ０＝κ０（ｎＴＥ−ｎＴＭ）Ｌdは、電界が
無い場合の位相差であり、κ０＝２π/λ０は伝搬定数
であり、λ０は光学入力信号の中心波長であり、ｎＴＥ
とｎＴＭは、それぞれＴＥモードとＴＭモードの屈折率
であり、Ｌdは入力から出力まで測定された物理的長さ
であり、Ｌeは信号の伝搬方向に沿って測定した電極の
長さであり、Ｅは印加された電界の強度である。
【００３５】我々の実験では、γＴＥとγＴＭを独立に
測定することは出来なかった。しかし、有効電子−光学
係数γｅｆｆは次式で与えられ、測定することが出来
た。 （３） γｅｆｆ＝γＴＥ−ｎＴＭ ３/ｎＴＭ ３γＴＭ
測定することは出来なかった。しかし、有効電子−光学
係数γｅｆｆは次式で与えられ、測定することが出来
た。 （３） γｅｆｆ＝γＴＥ−ｎＴＭ ３/ｎＴＭ ３γＴＭ
【００３６】変調器の応答は以下の方法で測定された。
測定を行う前にＢＴＯ層を３００Ｖで数分間ポール化し
（Poled）、その結果１０Ｖ/ｃｍの電界が得られた。ポ
ーリング（Poling）プロセスが完了した後、電圧を徐々
に９１回のステップで０Ｖまで落とし、各ステップは１
００ｍｓの長さであった。このプロセスはダウン方向ス
キャンと称する。その後、電圧を同一の方法で、３００
Ｖまで再びステップ状に上げた。これをアップ方向スキ
ャン（upward scan）と称する。その結果得られた光学
出力信号の強度を測定し、この測定された強度を電界対
両方のスキャン（アップワードスキャンとダウンワード
スキャン）に対しプッロトしたこれを図６に示す。これ
らの測定を行うために電極の長さは、約５ｍｍで内側エ
ッジ間のスペースは約３０μｍであった。
測定を行う前にＢＴＯ層を３００Ｖで数分間ポール化し
（Poled）、その結果１０Ｖ/ｃｍの電界が得られた。ポ
ーリング（Poling）プロセスが完了した後、電圧を徐々
に９１回のステップで０Ｖまで落とし、各ステップは１
００ｍｓの長さであった。このプロセスはダウン方向ス
キャンと称する。その後、電圧を同一の方法で、３００
Ｖまで再びステップ状に上げた。これをアップ方向スキ
ャン（upward scan）と称する。その結果得られた光学
出力信号の強度を測定し、この測定された強度を電界対
両方のスキャン（アップワードスキャンとダウンワード
スキャン）に対しプッロトしたこれを図６に示す。これ
らの測定を行うために電極の長さは、約５ｍｍで内側エ
ッジ間のスペースは約３０μｍであった。
【００３７】図６は変調器のヒステリシス特性を示す、
即ちダウン方向のスキャンのカーブ（実線）はアップ方
向スキャンのカーブ（点線）とはずれている。重要なこ
とはこの両方のスキャンは５Ｖ／μｍ以下の中間電界以
下の二次強度を示している点である。５Ｖ／μｍ以上の
高電界のみで、線型の電子−光学効果が観測された。こ
の効果は。低電界のネットポーリング（net poling）の
損失で説明することが出来る。結晶は小さすぎて残余偏
光を維持できない可能性が高い。外部電界が存在しない
場合には、内部偏光は維持できない。外部電界は、偏光
を形成し電気−光学効果が目に見えるようになる。この
有効電子−光学係数を両方のスキャンに対し、図７にプ
ロットした。
即ちダウン方向のスキャンのカーブ（実線）はアップ方
向スキャンのカーブ（点線）とはずれている。重要なこ
とはこの両方のスキャンは５Ｖ／μｍ以下の中間電界以
下の二次強度を示している点である。５Ｖ／μｍ以上の
高電界のみで、線型の電子−光学効果が観測された。こ
の効果は。低電界のネットポーリング（net poling）の
損失で説明することが出来る。結晶は小さすぎて残余偏
光を維持できない可能性が高い。外部電界が存在しない
場合には、内部偏光は維持できない。外部電界は、偏光
を形成し電気−光学効果が目に見えるようになる。この
有効電子−光学係数を両方のスキャンに対し、図７にプ
ロットした。
【００３８】８Ｖ／μｍの電界においては、２０ｐｍ／
Ｖ（例えばe.g.,ｒｅｆｆ≫２４ｐｍ／Ｖ）を越えた有
効電子−光学係数は、約１．５ｄＢ以下の光学損失（例
１．４ｄＢ）で達成され多結晶材料で変調器を形成出来
る利点と組み合わせると、極めて魅力的である。
Ｖ（例えばe.g.,ｒｅｆｆ≫２４ｐｍ／Ｖ）を越えた有
効電子−光学係数は、約１．５ｄＢ以下の光学損失（例
１．４ｄＢ）で達成され多結晶材料で変調器を形成出来
る利点と組み合わせると、極めて魅力的である。
【００３９】上記の本発明の説明は、単なる一実施例で
ある。様々な変形が本発明により達成可能であるがこれ
らは全て本発明範囲以内に入る。上記の説明は変調器の
アプリケーションに的を絞って説明したが、他の光学デ
バイス（例えば、調整可能な減スイ器、光学スイッチ、
調整可能なカプラ、周波数シフタ用のポールされた強誘
電体材料も多結晶の強誘電体材料の利用による利点を教
示することが出来る。
ある。様々な変形が本発明により達成可能であるがこれ
らは全て本発明範囲以内に入る。上記の説明は変調器の
アプリケーションに的を絞って説明したが、他の光学デ
バイス（例えば、調整可能な減スイ器、光学スイッチ、
調整可能なカプラ、周波数シフタ用のポールされた強誘
電体材料も多結晶の強誘電体材料の利用による利点を教
示することが出来る。
【００４０】特許請求の範囲の発明の要件の後に括弧で
記載した番号がある場合は、本発明の一実施例の対応関
係を示すものであって、本発明の範囲を限定するものと
解釈すべきではない。
記載した番号がある場合は、本発明の一実施例の対応関
係を示すものであって、本発明の範囲を限定するものと
解釈すべきではない。
【図１】本発明の一実施例による、複数の導波路を有す
る光学変調器の斜視図。
る光学変調器の斜視図。
【図２】光学散乱損失（αｏｓ）と、有効電子−光学係
数（γｅｆｆ）を縦軸に、結晶の特性寸法（lxtal）例
えば平均粒子（粒子サイズ）を横軸に取ったグラフ。
数（γｅｆｆ）を縦軸に、結晶の特性寸法（lxtal）例
えば平均粒子（粒子サイズ）を横軸に取ったグラフ。
【図３】４００℃から５００℃の様々な基板温度におい
て、ＰＬＤで堆積した多結晶ＢＴＯフィルムのＸ線解析
（ＸＲＤ）グラフであり、（２００）がピークである。
て、ＰＬＤで堆積した多結晶ＢＴＯフィルムのＸ線解析
（ＸＲＤ）グラフであり、（２００）がピークである。
【図４】ＴＥモードとＴＭモードの両方に対する６３３
ｎｍの波長における屈折率を縦軸に、アモルファスと多
結晶のＢＴＯフィルムの成長温度を横軸に取ったグラフ
であり、実線はこれらの測定点を見やすくつないだもの
である。
ｎｍの波長における屈折率を縦軸に、アモルファスと多
結晶のＢＴＯフィルムの成長温度を横軸に取ったグラフ
であり、実線はこれらの測定点を見やすくつないだもの
である。
【図５】図１の、光学変調器のＴＥモードとＴＭモード
の光学損失を縦軸に、導波路の幅を横軸に取ったグラフ
であり、この実施例においては、多結晶ＢＴＯ層は１２
０ｎｍ厚で、シリカ製導波路状に４２５℃で堆積された
場合である。
の光学損失を縦軸に、導波路の幅を横軸に取ったグラフ
であり、この実施例においては、多結晶ＢＴＯ層は１２
０ｎｍ厚で、シリカ製導波路状に４２５℃で堆積された
場合である。
【図６】図１と図５の変調器に対する応答を示すグラフ
で、縦軸を光学強度で横軸を電界に取ったグラフであ
る。この応答は、電界が３００Ｖから０Ｖに下げて、再
び３００Ｖに上げるよう周期的にかけられた場合の、最
低損失の導波路（即ち、入力光学信号が分配される光フ
ァイバに最もモードフィルドがマッチした導波路）に対
し測定されたものである。内側のエッジ間の電極のスペ
ースは３０μmであった。
で、縦軸を光学強度で横軸を電界に取ったグラフであ
る。この応答は、電界が３００Ｖから０Ｖに下げて、再
び３００Ｖに上げるよう周期的にかけられた場合の、最
低損失の導波路（即ち、入力光学信号が分配される光フ
ァイバに最もモードフィルドがマッチした導波路）に対
し測定されたものである。内側のエッジ間の電極のスペ
ースは３０μmであった。
【図７】図７は、電界に依存する電子−光学係数を表す
グラフ。実線は電界を上げる場合で、点線は電界を下げ
る場合である。
グラフ。実線は電界を上げる場合で、点線は電界を下げ
る場合である。
１２ 光学導波路 ２０ 多結晶強誘電性材料本体 ２０．１ 傾斜側面 ２０．２ 傾斜側面 ２０．３ 上面 １４．１ 光学入力信号 １４．２ 光学変調出力信号 １８ 層 ２２ 基板 １６ 電極 １０ 変調器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｖｅｎｕｅ, Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ， Ｎｅｗ Ｊｅ ｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 マーカス ジェーピー ジガート ドイツ連邦共和国、ケールン 50674、ロ ーンストー 38 Ｆターム(参考） 2H079 AA02 AA12 BA03 CA05 DA03 DA22 EA03
Claims (10)
- 【請求項１】（Ａ）有効電子−光学係数（γｅｆｆ）と
光学損失（α）を有する強誘電体材料体と（Ｂ） 前記
強誘電材料体は、波長λの光学放射を少なくともその領
域の一部で伝搬し（Ｃ） 前記領域の屈折率を変化させ
るために前記領域に電界を加える手段とを有し前記領域
は、多結晶体で、波長λ０において、有効電子−光学係
数γｅｆｆが高く、かつ光学損失αが低くなるような平
均粒子サイズを有することを特徴とする光学デバイス。 - 【請求項２】 前記領域の平均粒子サイズは、１０／λ
０である。ことを特徴とする請求項１記載の光学デバイ
ス。 - 【請求項３】 前記領域の平均粒子サイズは、８−２０
ｎｍの範囲内である。ことを特徴とする請求項２記載の
光学デバイス。 - 【請求項４】 前記強誘電体材料は、ペロブスカイト材
料であることを特徴とする請求項３記載の光学デバイ
ス。 - 【請求項５】 前記ペロブスカイト材料は、バリウムチ
タネト（barium titanate：ＢＴＯ）を含むことを特徴
とする請求項４記載の光学デバイス。 - 【請求項６】 前記ペロブスカイト材料は、リチウムナ
イオバイト（lithium niobate）を含むことを特徴とす
る請求項４記載の光学デバイス。 - 【請求項７】 前記光学デバイスは、電子−光変調器を
含むことを特徴とする請求項１記載の光学デバイス。 - 【請求項８】 前記光学デバイスは、集積光学導波路を
含み、前記導波路内を、前記光学放射が伝搬し前記領域
は、前記導波路の少なくとも一部に隣接して配置される
ことを特徴とする請求項１記載の光学デバイス。 - 【請求項９】 前記光学デバイスは、 前記導波路を形成する基板を有し、 前記強誘電材料体は、前記導波路の上に形成され、 前記強誘電材料体は、 前記導波路からの放射の少なくとも一部を前記領域に結
合する第１カプラと前記領域からの放射の一部を前記導
波路に戻して結合する第２カプラとを有し前記光学放射
のパラメータは、印加された電界に依存して変わること
を特徴とする請求項８記載の光学デバイス。 - 【請求項１０】（Ａ） １０００−１６００ｎｍの波長
で、光学放射を伝搬するシリカ製光学導波路と（Ｂ）
有効電子−光学係数γｅｆｆと光学損失αとを示す強誘
電体のＢＴＯ材料体と（Ｃ） 前記導波路からの放射を
前記材料体に結合したり、切り離したりする光学カプラ
と（Ｄ） 屈折率を変えるために、前記材料体に電界を
加える電極とからなり前記材料体は、多結晶であり、８
−２０ｎｍの平均粒子サイズを有し、 前記波長においてγｅｆｆは、少なくとも約２０ｐｍ／
Ｖで、 前記波長における光学損失は、１．４ｄＢ／ｃｍ以下で
あることを特徴とする電子−光変調器。
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| US09/826528 | 2001-04-05 | ||
| US09/826,528 US6694082B2 (en) | 2001-04-05 | 2001-04-05 | Polycrystalline ferroelectric optical devices |
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|---|---|
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|---|---|
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| EP (1) | EP1248140A1 (ja) |
| JP (1) | JP2002372693A (ja) |
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| US5753300A (en) * | 1995-06-19 | 1998-05-19 | Northwestern University | Oriented niobate ferroelectric thin films for electrical and optical devices and method of making such films |
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-
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- 2002-03-15 CA CA002376940A patent/CA2376940A1/en not_active Abandoned
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