JP2004258107A

JP2004258107A - 光導波路素子

Info

Publication number: JP2004258107A
Application number: JP2003045951A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Ishii; 雅俊石井; Yasuo Yamagishi; 康男山岸
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】光導波路素子に関し、光導波路の複屈折率を小さくして波形の伝送なまりを低減するとともに、電気光学効果を大きくする。
【解決手段】基板上に互いに組成の異なるＰｂ_１−ｘＬａ_ｘ（Ｚｒ_ｙＴｉ_１−ｙ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３を順次積層して構成したクラッド層／コア層／クラッド層からなる光導波路の少なくともコア層のＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_２を、同じＬａ組成比ｘにおける三方晶と正方晶との境界のモルフォトロピック相境界組成におけるＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_１に対して０．９ｙ_１≦ｙ_２≦１．１ｙ_１とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光導波路素子に関するものであり、特に、高速・大容量の信号を伝送する光通信システムに使用する光導波路構造を利用した光偏向素子等の光導波路素子における波形の伝送なまりを低減するための構成に特徴のある光導波路素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の通信需要の飛躍的な増大に伴い、波長の異なる複数の信号光を多重化することで一本の光ファイバで伝送する波長多重化（ＷＤＭ：ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｔｉｐｌｅｘ）技術と相まって高速且つ大容量化が進んでいるが、基幹通信ネットワークにおける光ファイバ網のハードウエアのインフラを構築するために、伝播光を高速に切換える光スイッチの開発が求められている。
【０００３】
この様な光スイッチとしては、コリメートされた伝播光を電気光学効果または電気音響効果により偏向させることにより光路を切換える構造の光スイッチが用いられるが、この光スイッチはスラブ型の光導波路とハイブリッド的に組み合わされて光スイッチモジュールを構成する。
【０００４】
ここで、図５を参照して、従来の光スイッチモジュールの一例を説明する。
図５参照
図５は、従来の光スイッチモジュールの概略的平面図であり、光入力側と光出力側とは対称的に構成されている。
まず、光偏向素子２１，２５としては、光導波路上にプリズム状電極２２，２３，２６，２７を多段に構成したものであり、図においては２段構成としており、且つ、夫々のプリズム状電極２２，２３，２６，２７を点対称的に組み合わせることによって偏向角の偏向方向を任意にしている。
【０００５】
この光入力側の光偏向素子２１と光出力側の光偏向素子２５とをスラブ導波路構造の共通導波路２４を介して対向させるとともに、光入力側の光偏向素子２１の入力側には入力側光ファイバ３０、個別導波路２９、及び、二次元レンズ２８が設けられ、一方、光出力側の光偏向素子２５の出力側には出力側光ファイバ３３、個別導波路３２、及び、二次元レンズ３１が配置された構成となる。
【０００６】
従来、このような光偏向素子等を形成するための光導波路を、ＰＬＺＴ／ＰＺＴ／ＰＬＺＴ構造（例えば、特許文献１参照）や、Ｐｂ_１−ｘＬａ_ｘ（Ｚｒ_ｙＴｉ_１−ｙ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３／Ｐｂ_１−ｖＬａ_ｖ（Ｚｒ_ｗＴｉ_１−ｗ）_{１−ｖ／４}Ｏ_３／Ｐｂ_１−ｘＬａ_ｘ（Ｚｒ_ｙＴｉ_１−ｙ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３構造（例えば、特許文献２或いは特許文献３参照）で構成することが提案されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−０５６３４４号公報
【特許文献２】
特開２０００−３２９９５９号公報
【特許文献３】
特開昭６３−１１６１３０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の提案においては、組成比が限定されていなかったり、或いは、限定された組成比においては複屈折率が大きいという問題があり、高速光通信においては波形の伝送なまりが問題となる。
【０００９】
即ち、光導波路のＸ軸方向の屈折率とＹ軸方向の屈折率の差で表される複屈折率が大きいと、ＴＥモードとＴＭモードの伝送速度が異なるため、偏波保持特性は優れているものの、伝送中に波形がなまり、高速光通信においてノイズが発生するという問題がある。
【００１０】
したがって、本発明は、光導波路の複屈折率を小さくして波形の伝送なまりを低減するとともに、電気光学定数を大きくして電気光学効果を大きくすることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
図１は、本発明の原理的構成図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記の課題を解決するために、本発明は、光導波路素子において、基板１上に互いに組成の異なるＰｂ_１−ｘＬａ_ｘ（Ｚｒ_ｙＴｉ_１−ｙ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３を順次積層して構成したクラッド層／コア層／クラッド層からなる光導波路の少なくともコア層のＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_２が、同じＬａ組成比ｘにおける三方晶と正方晶との境界のモルフォトロピック相境界組成におけるＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_１に対して０．９ｙ_１≦ｙ_２≦１．１ｙ_１であることを特徴とする。
【００１２】
このように、Ｐｂ_１−ｘＬａ_ｘ（Ｚｒ_ｙＴｉ_１−ｙ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３、即ち、ＰＬＺＴでクラッド層とコア層を構成するために屈折率を組成比で制御する際に、Ｌａ添加量とＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比を複屈折率の小さな正方晶系（ｔｅｔｏｒａｇｏｎａｌｓｙｓｔｅｍ）と三方晶系（ｒｈｏｍｂｏｈｅｄｒａｌｓｙｓｔｅｍ）の境界領域であるモルフォトロピック相境界（ＭｏｒｐｈｏｔｒｏｐｉｃＰｈａｓｅＢｏｕｎｄａｒｙ：ＭＰＢ）組成上で変化させることにより波形の伝送なまりを低減することができる。
【００１３】
即ち、ＭＰＢ組成では、擬立方晶（ｐｓｅｕｄｏｃｕｂｉｃ）、即ち、正方晶と三方晶とが混在した状態となるので複屈折率が小さくなり、ＴＥモードとＴＭモードの伝播速度の差が小さくなるので、波形の伝送なまりが小さくなる。
また、ＭＰＢ組成では、比誘電率が高くなるので、電気光学定数が大きくなり、光偏向素子を形成した場合に、偏向角を大きくすることができる。
【００１４】
なお、この時のＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_２としては、同じＬａ組成比ｘにおける三方晶と正方晶との境界のモルフォトロピック相境界組成におけるＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_１に対して０．９ｙ_１≦ｙ_２≦１．１ｙ_１、より好適には、０．９５ｙ_１≦ｙ_２≦１．０５ｙ_１にすることが望ましい。
【００１５】
特に、コア層のＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_２としては、同じＬａ組成比ｘにおける三方晶と正方晶との境界のモルフォトロピック相境界組成におけるＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_１に対して０．９ｙ_１≦ｙ_２≦ｙ_１、即ち、正方晶側に１０％ずらした範囲内に設定することが望ましく、結晶作製上、安定した結晶を得ることが可能になる。
【００１６】
また、光導波路のクラッド層のＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_４も、同じＬａ組成比ｘにおける三方晶と正方晶との境界のモルフォトロピック相境界組成におけるＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_３に対して０．９ｙ_３≦ｙ_４≦１．１ｙ_３とすることが望ましい。
【００１７】
また、コア層の複屈折率としては０．０１以下が望ましく、且つ、比誘電率としては５００以上が望ましく、それによって、波形の伝送なまりの低減と大きな電気光学効果の両方を実現することができる。
【００１８】
また、光導波路の一部に少なくとも光偏向素子が設けることによって、大きな偏向角を実現することができ、それによって、光偏向素子の小型化が可能になり、ひいては、光スイッチモジュール等の小型化も可能になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
ここで、図２乃至図４を参照して、本発明の実施の形態の光導波路素子を説明する。
図２（ａ）参照
まず、（１００）面を主面とするＮｂ１％ドープＳｒＴｉＯ_３基板１１上に、ＰＬＺＴ（９／６５／３５）ゾル−ゲル前駆体を塗布した後、ホットプレート上で、例えば、１８０℃で５分間、次いで、４００℃で５分間のベークを行ったのち、酸素雰囲気中において７００℃で焼成することにより厚さが、例えば、３μｍのＰｂ_０．９１Ｌａ_０．０９（Ｚｒ_０．６５Ｔｉ_０．３５）_{０．９７７５}Ｏ_３組成のＰＬＺＴクラッド層１２を形成する。
【００２０】
この場合、ＰＬＺＴ用のゾル−ゲル原料溶液としては、構成金属元素の有機化合物であるＰｂ（ＣＨ_３ＣＯＯ）_２・３Ｈ_２Ｏ〔酢酸鉛〕、Ｌａ（ｉ−ＯＣ_３Ｈ_７）_３〔ランタンイソプロポキシド〕、Ｔｉ（ｉ−ＯＣ_３Ｈ_７）_４〔チタニウムイソプロポキシド〕、Ｚｒ（ＯＣ_３Ｈ_７）_４〔ジルコニウムプロポキシド〕、及び、安定剤としてのＣＨ_３ＣＯＣＨ_２ＣＯＣＨ_３（２，４−ペンタンジオン）を溶剤であるＣＨ_３ＯＣ_２Ｈ_４ＯＨ〔２−メトキシエタノール〕で還流により合成した。
【００２１】
因に、ＰＬＺＴ（９／６５／３５）組成のＰＬＺＴを作製する場合には、Ｐｂ（ＣＨ_３ＣＯＯ）_２・３Ｈ_２Ｏ／Ｌａ（ｉ−ＯＣ_３Ｈ_７）_３のモル比を１０１／９とし、Ｚｒ（ＯＣ_３Ｈ_７）_４／Ｔｉ（ｉ−ＯＣ_３Ｈ_７）_４のモル比を６５／３５とすれば良い。
【００２２】
図２（ｂ）参照
次いで、同様の手法で、ＰＬＺＴ（３／５５／４５）ゾル−ゲル前駆体を塗布して、厚さが、例えば、４μｍのＰｂ_０．９７Ｌａ_０．０３（Ｚｒ_０．５５Ｔｉ_０．４５）_{０．９９２５}Ｏ_３組成のＰＬＺＴコア層１３を形成する。
【００２３】
図２（ｃ）参照
次いで、同様の手法で、再び、ＰＬＺＴ（９／６５／３５）ゾル−ゲル前駆体を塗布して、厚さが、例えば、３μｍのＰｂ_０．９１Ｌａ_０．０９（Ｚｒ_０．６５Ｔｉ_０．３５）_{０．９７７５}Ｏ_３組成のＰＬＺＴクラッド層１４を形成する。
【００２４】
この場合、Ｐｂ_０．９１Ｌａ_０．０９（Ｚｒ_０．６５Ｔｉ_０．３５）_{０．９７７５}Ｏ_３組成のＰＬＺＴクラッド層１２，１４の屈折率ｎは、１．５５μｍの波長に対してｎ＝２．３６となり、Ｐｂ_０．９７Ｌａ_０．０３（Ｚｒ_０．５５Ｔｉ_０．４５）_{０．９９２５}Ｏ_３組成のＰＬＺＴコア層１３の屈折率ｎは、１．５５μｍの波長に対してｎ＝２．４３となるのでスラブ型光導波路１５が構成される。
【００２５】
図３（ａ）及び（ｂ）参照
次いで、上部のＰＬＺＴクラッド層１４上に、ＩＴＯ膜を三角形状のマスク蒸着することによって偏向電極１６を形成することによって偏向電極１６を備えた光導波路素子が得られる。
なお、図３（ａ）は概略的平面図であり、また、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った概略的断面図である。
【００２６】
図４参照
図４は、室温におけるＰＬＺＴ系の相図である（必要ならば、ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＡｍｅｒｉｃａｎｃｅｒａｍｉｃｓｏｃｉｅｔｙ，Ｖｏｌ．５４，Ｎｏ．１，ｐ．１，１９７１参照）。
なお、図における数字は比誘電率を表す。
【００２７】
図から明らかなように、上記のＰＬＺＴクラッド層１２，１４とＰＬＺＴコア層１３の組成比は、正方晶系（ｔｅｔｏｒａｇｏｎａｌｓｙｓｔｅｍ）と三方晶系（ｒｈｏｍｂｏｈｅｄｒａｌｓｙｓｔｅｍ）の境界領域であるＭＰＢ組成であるので比誘電率が非常に大きく、したがって、電気光学定数を大きくすることができる。
因に、ＰＬＺＴ（９／６５／３５）の電気光学定数は１００ｐｍ／Ｖであり、ＰＬＺＴ（３／５５／４５）の電気光学定数は５２ｐｍ／Ｖである。
【００２８】
また、ＭＰＢ組成では、正方晶と三方晶とが混在した擬立方晶（ｐｓｅｕｄｏｃｕｂｉｃ）となるので複屈折率が小さくなり、ＴＥモードとＴＭモードの伝播速度の差が小さくなるので、波形の伝送なまりが小さくなる。
因に、ＰＬＺＴ（９／６５／３５）の複屈折率は０．００８３であり、ＰＬＺＴ（３／５５／４５）の複屈折率は０．００３である。
【００２９】
したがって、本発明の実施の形態においては、波形の伝送なまりが小さく、且つ、電気光学効果の大きな光導波路素子を実現することができ、それによって、高速の光偏光素子或いは高速の光スイッチモジュールを小型化することができる。
【００３０】
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明は実施の形態に記載した構成に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記実施の形態の説明においては、光導波路素子を構成するＰＬＺＴクラッド層及びＰＬＺＴコア層としてＭＰＢ組成のＰＬＺＴを用いているが、少なくともコア層がＭＰＢ組成のＰＬＺＴであれば良い。
【００３１】
また、ＰＬＺＴクラッド層及びＰＬＺＴコア層は厳密にＭＰＢ組成である必要はなく、ＭＰＢ組成のＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比をｙ_１とした場合に、同じＬａ比ｘにおけるコア層及びクラッド層のＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_２に対して０．９ｙ_１≦ｙ_２≦１．１ｙ_１、より好適には、０．９５ｙ_１≦ｙ_２≦１．０５ｙ_１の範囲にすることが望ましい。
【００３２】
さらに、ＭＰＢ組成から三方晶側に組成がずれた結晶はピーキーな特性、即ち、微小な組成ずれが結晶の特性に大きな変化をもたらす性質を有し結晶作製上安定な結晶を得ることは困難であるので、ＭＰＢ組成から正方晶側に組成がずれた結晶の方が望ましい。
【００３３】
また、上記の実施の形態においては、光偏向素子のみを例示しているが、図５に示した従来の光スイッチモジュールと同様に、スラブ型の共通導波路、二次元レンズ、個別導波路、光ファイバ等と組み合わせて、波形の伝送なまりが小さく、偏向角の大きな光スイッチモジュールを実現することができ、それによって、光スイッチモジュールの全体構成を小型化することができる。
【００３４】
また、上記の実施の形態においては、クラッド層及びコア層を形成する際に、ゾル−ゲル法を用いているが、ゾル−ゲル法に限られるものではなく、レーザ蒸着法を用いても良いものであり、或いは、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いても良いものである。
【００３５】
ここで、再び図１を参照して、本発明の詳細な特徴を説明する。
再び、図１参照
（付記１）基板１上に互いに組成の異なるＰｂ_１−ｘＬａ_ｘ（Ｚｒ_ｙＴｉ_１−ｙ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３を順次積層して構成したクラッド層１／コア層２／クラッド層３からなる光導波路の少なくともコア層２のＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_２が、同じＬａ組成比ｘにおける三方晶と正方晶との境界のモルフォトロピック相境界組成におけるＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_１に対して０．９ｙ_１≦ｙ_２≦１．１ｙ_１であることを特徴とする光導波路素子。
（付記２）上記コア層２のＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_２が、同じＬａ組成比ｘにおける三方晶と正方晶との境界のモルフォトロピック相境界組成におけるＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_１に対して０．９ｙ_１≦ｙ_２≦ｙ_１であることを特徴とする付記１記載の光導波路素子。
（付記３）上記コア層２が、三方晶と正方晶の両方の結晶相を含むことを特徴とする付記１または２に記載の光導波路素子。
（付記４）上記光導波路のクラッド層１，３のＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_４が、同じＬａ組成比ｘにおける三方晶と正方晶との境界のモルフォトロピック相境界組成におけるＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_３に対して０．９ｙ_３≦ｙ_４≦１．１ｙ_４であることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１に記載の光導波路素子。
（付記５）基板１上に互いに組成の異なるＰｂ_１−ｘＬａ_ｘ（Ｚｒ_ｙＴｉ_１−ｙ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３を順次積層して構成したクラッド層１／コア層２／クラッド層３からなる光導波路の少なくともコア層２の複屈折率が０．０１以下で、且つ、比誘電率が５００以上であることを特徴とする光導波路素子。
（付記６）上記光導波路の一部に少なくとも光偏向素子が設けられていることを特徴とする付記１乃至５のいずれか１に記載の光導波路素子。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、光導波路を正方晶と三方晶のＭＰＢ組成の近傍の組成のＰＬＺＴで構成しているので、電気光学効果が大きく、且つ、複屈折率が小さい光導波路を構成することができ、それによって、光導波路素子の波形の伝送なまりを小さくするとともに小型化が可能になり、ひいては、さらなる高速光通信の実現に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態の光導波路素子の途中までの製造工程の説明図である。
【図３】本発明の実施の形態の光導波路素子の図２以降の製造工程の説明図である。
【図４】室温におけるＰＬＺＴ系の相図である。
【図５】従来の光スイッチモジュールの概略的平面図である。
【符号の説明】
１クラッド層
２コア層
３クラッド層
４基板
１１Ｎｂ１％ドープＳｒＴｉＯ_３基板
１２ＰＬＺＴクラッド層
１３ＰＬＺＴコア層
１４ＰＬＺＴクラッド層
１５スラブ型光導波路
１６偏向電極
２１光偏向素子
２２プリズム状電極
２３プリズム状電極
２４共通導波路
２５光偏向素子
２６プリズム状電極
２７プリズム状電極
２８二次元レンズ
２９個別導波路
３０入力側光ファイバ
３１二次元レンズ
３２個別導波路
３３出力側光ファイバ

Claims

基板上に互いに組成の異なるＰｂ_１−ｘＬａ_ｘ（Ｚｒ_ｙＴｉ_１−ｙ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３を順次積層して構成したクラッド層／コア層／クラッド層からなる光導波路の少なくともコア層のＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_２が、同じＬａ組成比ｘにおける三方晶と正方晶との境界のモルフォトロピック相境界組成におけるＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_１に対して０．９ｙ_１≦ｙ_２≦１．１ｙ_１であることを特徴とする光導波路素子。
上記コア層のＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_２が、同じＬａ組成比ｘにおける三方晶と正方晶との境界のモルフォトロピック相境界組成におけるＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_１に対して０．９ｙ_１≦ｙ_２≦ｙ_１であることを特徴とする請求項１記載の光導波路素子。
上記コア層が、三方晶と正方晶の両方の結晶相を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路素子。
上記光導波路のクラッド層のＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_４が、同じＬａ組成比ｘにおける三方晶と正方晶との境界のモルフォトロピック相境界組成におけるＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比ｙ_３に対して０．９ｙ_３≦ｙ_４≦１．１ｙ_３であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光導波路素子。
上記光導波路の一部に少なくとも光偏向素子が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光導波路素子。