JP2004325536A - Nonlinear optical device - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a nonlinear optical device such as an optical switch which is driven on a low voltage, operates at high response speed and brings about less insertion loss and crosstalk, an optical attenuator, an optical modulator and so on. <P>SOLUTION: Y branch 1×2 optical switch 201 as the optical device is constructed by laminating an epitaxial buffer layer 222 composed of KTa<SB>Y</SB>Nb<SB>1-Y</SB>O<SB>3</SB>(KTN) and an optical waveguide layer 223 composed of KTN on a substrate 221 composed of Nb doped SrTiO<SB>3</SB>single crystal semiconductor to be a lower electrode in this order. The substrate 221 is connected to ground 224. First and second upper electrodes 212, 213 are formed on the optical waveguide layer 223. These are connected to a power source not shown in the figure, via a driving circuit also not shown in the figure. A refractive index of the optical waveguide is varied by using an oxide paraelectric material with second order electro-optic effect and applying voltage to a specified portion of the optical waveguide. Consequently the high response speed becomes feasible. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は光スイッチ、光減衰器、光変調器等の光デバイスに係わり、特に2次の電気光学効果を用いた非線形光デバイスに関する。
【0002】
【従来の技術】
インターネットを始めとした通信ネットワークの急激な成長やマルチメディアコンテンツの豊富化と共に光ファイバを用いた光通信技術の開発が活発に行われている。たとえば、SONET/SDH(Synchronous Optical Network/Synchronous Digital Hierarchy)網では、同一の多数の情報ストリームを同時に流せるようにするために、光ファイバを伝送される光信号を多重化する波長分割多重通信方式としてのWDM(Wavelength division multiplexing)を使用している。
【0003】
従来から光通信ネットワークでは、2つの固定地点間を結ぶポイント・ツー・ポイント(Point−to−Point)型の比較的単純な光通信が主流であった。波長分割多重通信方式が採用されると共に、送受信機能を有する2箇所のポイントの間に中継器を配置して、その中継地点で高集積の光波長のアド・ドロップ・マルチプレクシング(ADM(Add−Drop multiplexing))を行うための光スイッチや、メッシュ型やリング型と呼ばれる大容量の次世代光通信ネットワーク形態における複数のノード間での全光クロスコネクトスイッチング機能を有する光スイッチングデバイスが求められている。このような技術的背景の下で、複数の光スイッチや光ゲートを用いたマトリックス型の光スイッチが注目されている。これらの光スイッチを使用することで、複数の光ファイバ間の伝送路を任意に切り替えたり、故障の際の迂回ルートの形成を行うなど、柔軟性が高く、高伝送容量の光通信システムを構築することができ、その意味で光スイッチングデバイスとして必須のものになると考えられている。
【0004】
ところで、光スイッチングデバイスは、数十μm(マイクロメートル)から数mm(ミリメートル)の空間ビームを利用したバルク型と数μmから数十μmの空間ビームを利用した媒質中光導波路型に分類することができる。このうちのバルク型は、数mmサイズの半径方向に屈折率分布を有するGRINレンズ(ロッドレンズ)や小型レンズ、ミラー、プリズム、光ファイバ等の光学部品を機械的に動作させて光路の切り替えを行う。代表的なものとしては、MEMS(Micro Electro−Mechanical Structure)型光スイッチを挙げることができる。このような光学部品を使用した光スイッチングデバイスは、温度依存性が少なく比較的低損失な特長がある。しかしながらスイッチング速度が遅く、振動や衝撃特性で劣る。また、小型化が難しく光ファイバの取り回し等が煩雑であるため自動組立て工程を採用しにくく、低価格大量生産に適さない。
【0005】
これに対して媒質中光導波路型は、小型で、安価であるだけでなく、高速スイッチングならびに高集積化に優れている。このため光導波路型のマトリックス型光スイッチとして各種のタイプが提案されている。光導波路型光スイッチは、主に酸化物強誘電体、化合物半導体、石英、有機ポリマがその材料として用いられている。特に酸化物強誘電体ではLiNbOやLiTaOが代表的に使用されている。これらの材料でリッジ構造や埋め込み構造等を形成することで、各種光導波路構造を形成し、入射ポートの交差部などに電気的に光の伝搬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の機能を光導波路内に形成している。
【0006】
これらのうち、石英を用いた光導波路型光スイッチは、光ファイバと同成分系であるため、コア径を光ファイバのコア径と同等にすることができる。波長1550nm用の単一モードファイバではコア直径は約10μmと極小サイズである。しかしながら光導波路型光スイッチでこれと同寸法のコアを形成することにより、光ファイバと光導波路部分の結合効率を十分高くすることができ、挿入損失を低くできる特長がある。
【0007】
しかしながら、石英を用いた光導波路型光スイッチでは、光導波路表面に形成されたヒータ電極部に電流を流して熱光学効果による屈折率変化を利用して光の伝搬方向を切り替える。このためスイッチングの応答が遅いという問題がある。たとえば、丸野 透、“光スイッチの最新研究開発動向”、NTT R&D vol.51 No.11 2002.には、応答時間が1〜3ms(ミリ秒)に及ぶことが示されている。また、この光導波路型光スイッチでは、ヒータ電極部に電流を流して加熱する。このため、単位スイッチ当りの動作電力が45mW(ミリワット)程度となり、たとえば16×16マトリックス型光スイッチではこれらのスイッチを全部通電制御すると総消費電力が1.4Wにも達すると報告されている。このため、石英を用いた光導波路型光スイッチはその利用分野が限られてしまうという問題がある。
【0008】
次に、Y分岐型構造を用いた有機ポリマによる光導波路型光スイッチについて考察する。有機ポリマを使用した光導波路型光スイッチは、石英系に比べて1桁以上大きな熱光学効果を有し、波長依存性が少ない等の特長がある。しかしながら、ポリマ材料を用いた場合にも石英を用いた光導波路型光スイッチと同様に光スイッチングを行う場合には、光導波路表面に形成されたヒータ電極部に電流を流して熱光学効果による屈折率変化を利用して光の伝搬方向を切り替える。このため、同様に応答が遅いという問題がある。前記した文献によれば、応答時間は3.4msから6.0msで、消費電力は単位スイッチ当りの動作電力が約56mW程度にも達し、1×8のY分岐型光スイッチで総消費電力が450mWに達すると報告されている。
【0009】
次に、液体バブル反射を利用したバブル反射型光スイッチについて考察する。バブル反射型光スイッチはX交差あるいはY交差などの交差光導波路に溝を形成し、この溝の中を光導波路のコア領域と同じ屈折率を有する屈折率調整液を出し入れすることで、溝部分での光伝搬の全反射あるいは光透過を制御するようになっている。液体の出し入れには、インクジェットプリンタの技術を利用して液体中で気泡を発生する手法と、加熱により泡の位置を移動させる手法のいずれかが採用されている。いずれの手法も全反射条件を利用して光スイッチングを行うため、波長依存性が少ないという特長がある。しかしながら、泡の膨張・移動・消滅というメカニズムを使用するために、液体の粘性を最適に調整しても応答時間は約10msに制限されるという問題がある。
【0010】
次に、化合物半導体を利用した光導波路型光スイッチについて考察する。この光導波路型光スイッチでは半導体増幅器(SOA)を作製し、この半導体増幅器をオン状態にして光を透過させるか、オフ状態にして光を吸収させるかによってスイッチングを行う。これにより、ナノ秒程度の高速応答特性を達成する。しかしながら、特にGaAs系の化合物半導体の場合には、屈折率が3以上であるために、コア径がおよそ3μm程度と小さくなってしまう。このため、光ファイバと光導波路部分の結合効率が悪くなり、挿入損失が大きくなるという問題がある。
【0011】
次に、最も代表的な光スイッチング材料であり酸化物強誘電体の一つであるLiNbOについて考察する。LiNbOの場合には、1次の電気光学効果が利用されている。光スイッチの電極間に電圧を印加すると電気光学効果により屈折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、各光スイッチは2つの入力ポートからの光信号成分をそれぞれ2つの出力ポートへ選択的に出力することが可能になる。したがって、各光スイッチ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信号成分を所望の出力ポートへ送ることができる。
【0012】
また、LiNbOを用いる光スイッチでは、一般的に単結晶ウエハにTi拡散型光導波路やプロトン交換型光導波路が作製される。この場合、コア径を光ファイバのコア径と同程度にすることができ、光ファイバと光導波路間の結合効率が良好となるため挿入損失を小さくすることができる。しかしながらこのLiNbOを用いる光スイッチは、光導波路表面にプレーナ型の電極を形成して電圧を印加する方式を採用している。このため電極間の距離が大きくなり光導波路断面内の電界分布が理想的な状態とならない。たとえば、西原、春名、栖原著、“光集積回路”、7章 p217、オーム社.に示されているように電界分布ベクトルがコア内部で一方向とはならない。この結果、偏波無依存とするためには、印加電圧を40ボルト以上と高くする必要がある。また、駆動電圧を高くならないようにするために光導波路方向の相互作用長を長くする必要があり、電極の長さは4mm以上とする必要がある。更に、単結晶ウエハにTi拡散やプロトン交換により光導波路を形成するために、光導波路の実効屈折率をその周囲のクラッド層の実効屈折率よりも十分に高くできず、屈折率差を大きくできない。これにより、S字型光導波路の曲率半径を50mmと大きくする必要も生じている。したがって、光導波路型光スイッチとしては大面積を要するという問題点があった。
【0013】
以上説明したこれらの光スイッチの光経路の切り替え原理には幾つかの種類が存在する。すなわち(i)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、(ii)入力光を方向性結合器によって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型の方法、(iii)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、(iv)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、屈折率で制御して光の経路を切り替える方法、(v)X交差部に電極を設けて印加電圧による電気光学効果を用い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を行い光の経路を切り替える方法等が存在する(たとえば特許文献1や上述の西原、春名、栖原著、“光集積回路”、p321、オーム社.参照)。
【0014】
【特許文献1】
特開平7−318986号公報(第0027、第0028段落、図1)
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
ところで、印加する制御電圧に対して、採り得る光スイッチの状態がオンかオフの2状態のみからなり、あるしきい値電圧以上で同じ状態を採る機能を有する光スイッチを、デジタル型光スイッチと呼ぶことができる。デジタル型光スイッチは、動作電圧のトレランスに優れており、偏波無依存化が可能であり、波長依存性も小さい等の特長がある。しかしながら、その反面、他の光スイッチに比べて、駆動電圧が高くなったり、電極長が長くなるといった問題がある。また、デジタル型光スイッチのY分岐型光導波路については、クロストークとの関係で大きな印加電圧が必要であるという問題があった。これを次に説明する。
【0017】
図23は、デジタル型光スイッチのY分岐型光導波路の理想形状についてその要部を示したものである。デジタル型光スイッチ101のY分岐型光導波路102はY字型の分岐部103を形成している。この分岐部103では、2本の光導波路部分が、この図に示したように開き角度1度未満の角度で交差して、導波路間の幅dが分岐部103に近づくに従って次第に狭くなりその距離がゼロになるのが理想である。
【0018】
図24は、デジタル型光スイッチのY分岐型光導波路を実際の形状に製作した場合の形状の要部を示したものである。フォトリソグラフィによるY分岐型光導波路102Aのパターニング工程では、分解能の限界から理想形状を形成することは困難である。通常はこの図24に示したデジタル型光スイッチ101Aのように、分岐部103Aの導波路間距離dが1.5μm程度となったところで鋭角部分の先端を切った、なまった形状となる。
【0019】
このような理想形状からのずれは、損失にはあまり大きな影響を与えないが、クロストークに非常に大きく影響する。Y分岐の開き角度を0.5度とし、分岐した導波路部分のひとつの屈折率を電気光学効果などにより0.0008程度低下させた場合、図23の理想形状ではクロストークを20dB以下とすることが可能である。これが図24の形状の場合には、クロストークは12dB程度まで劣化する。この結果、クロストークを20dBとするためにはより大きな屈折率変化、すなわち大きな印加電圧が必要になる。
【0020】
このような光導波路の作製上の問題は、Y分岐型光導波路の分岐部だけでなく、非対称X交差型光導波路の分岐部においても、同様に起こりうる。
【0021】
以上説明したように、LiNbO、化合物半導体、石英、ポリマ、バブル反射型のいずれの材料を用いた場合においても、光スイッチについてそのサイズ、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、クロストーク、挿入損失、および温度安定性の問題を同時に満足する導波路型光スイッチを得ることができない。
【0022】
以上、光スイッチングデバイスについての従来技術とその問題を説明した。次に通信ネットワークの発展によって光スイッチと共に注目されている光減衰器や光変調器といったその他の光デバイスについても簡単に説明する。まず、光減衰器について述べる。
【0023】
従来から、光減衰器には、以上説明した光スイッチと同様な原理を用いた光減衰器が使用されている。これらは、(i)数十μmから数mmの空間ビームを利用したバルク型と、(ii)数μmから数十μmの空間ビームを利用した媒質中光導波路型に分類することができる。
【0024】
このうち(i)のバルク型としては、数mmサイズの半径方向に屈折率分布を有するGRINレンズや小型レンズ、ミラー、プリズム、光ファイバ等の光学部品の間に1次元方向に膜厚勾配をもつ金属膜を蒸着したND(neutral density)フィルタの位置をスライドして減衰率を調整する方式が開示されている(たとえば特許文献2)。
【0025】
また、MEMS(Micro Electro−Mechanical Structure)技術を用いて、送信用ファイバと受信用ファイバの間に小型遮蔽板を挿入して、その位置をMEMSによる駆動制御を行い、ファイバ間の結合損失を制御するMEMS型光減衰器も開示されている(たとえば特許文献3)。温度依存性が少なく比較的低損失な特長があるが、前者はスイッチング速度が1秒以上と遅く、後者は振動・衝撃特性で劣る。
【0026】
これに対して、(ii)の光導波路型は、機械的運動を伴わず、小型、安価、高速スイッチング、高集積化等に優れており、種々のタイプのものが提案されている。たとえばLiNbO結晶等の強誘電体結晶基板を用いた導波路型光減衰器がそれである(たとえば特許文献4〜特許文献6)。ただし、これら光導波路型光減衰器は、光スイッチの場合と同様の原理で光量の減衰調整を行うため、光スイッチと同様の問題を抱えている。上記した引用文献5を例に挙げると、最大の減衰率を得るときに、半波長電圧が11.4Vにも達する。このため、高額な高速高電圧駆動ドライバを要することになる。
【0027】
次に光変調器について説明する。光変調器は以上説明した光スイッチ、光減衰器と基本的に同様な原理で動作する。特に光通信分野における光変調器では高速応答特性が求められる。このため、光変調器には光導波路型光変調器が主として使用されてきた(たとえば特許文献5または特許文献7)。このうちの特許文献7では半波長電圧が5.1Vであるが、より低電圧で駆動する方がよく、3.3Vで高速電子デバイスを用いて駆動することができる。
【0028】
これらの光減衰器や光変調器についても、光スイッチングデバイスと基本的な構造が共通するので、これと同様の問題がある。
【0029】
【特許文献2】
特開2000−56242号公報(第0024段落、図5)
【特許文献3】
特開2003−66268号公報(第0026、第0027段落、図5)
【特許文献4】
特開2001−249309号公報(第0023段落、図3)
【特許文献5】
特開2000−227581号公報(第0013段落、図4)
【特許文献6】
特開平10−142569号公報(第0026段落、図1)
【特許文献7】
特開平6−300995号公報(第17段落、図1)
【0030】
そこで本発明の目的は、低電圧、高速応答動作が可能で、挿入損失およびクロストークが小さい光スイッチ、光減衰器、光変調器等の非線形光デバイスを提供することにある。
【0031】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明では、(イ)2次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体からなり、所定の入射ポートから入力された光を導波して出力ポートに導く光導波路を基板上に形成した光導波路層と、(ロ)この光導波路の所定の部位に電圧を印加するための一対の電極と、(ハ)これら一対の電極に電圧を印加することで光導波路の屈折率を変化させる屈折率制御手段とを非線形光デバイスに具備させる。
【0032】
酸化物強誘電体では比誘電率が高く、静電容量が大きくなる傾向にあるのに対して常誘電体では比誘電率が強誘電体に比べて極めて小さいことを利用している。このため、本発明はより高速応答を要求する場合に適する。
【0033】
請求項2記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスで酸化物常誘電体は、一般式KTaNb1−Y(0.5≦Y≦1.0)で表わされる物質であることを特徴としている。
【0034】
KTaNb1−Y(以下、KTNという。)は、Ta原子とNb原子の組成比を0〜1.0の間で任意に変えても完全固溶相あるいは固溶相を示し、単結晶膜、配向膜、多結晶膜、アモルファス膜のいずれをも形成することができる。更にはTa原子とNb原子の組成比率を“0”以上“1”以下の間で適当に選択することにより、強誘電体と常誘電体の転移温度(キュリー温度)は−260℃から+435℃の間で任意に得ることができるので、光部品等で適用される室温を含む−40℃から+85℃の温度範囲で、酸化物強誘電体あるいは酸化物常誘電体を選択的に形成することが可能となる特長をもっている。これに対して、特許文献3等に記載された材料では酸化物強誘電体としての使用のみに制限していた。
【0035】
KTNでは、Ta原子とNb原子の組成比を0〜1.0の間で変更することにより、たとえば波長0.633μmにおいて屈折率を2.0から2.3程度の広い範囲に渡って選択することができる。したがって、使用温度を考慮して常誘電体の状態を維持し得る組成比範囲内において、決定することができる。組成を変えることに対してエピタキシャル膜あるいは配向膜においては格子定数の変化は十分小さく、相互の結晶整合性も良好である。
【0036】
ここで前記した固溶相について説明を行う。エピタキシャル、あるいは単一配向膜を形成する場合には下地面との格子整合条件を満足する必要がある。この整合条件は材料系により異なるが、概ね格子定数のずれが10%以下であることが条件となる。光導波路層を構成する酸化物常誘電体薄膜は複数の材料から構成される場合には固溶相を満足する条件で適用する必要がある。なぜなら、固溶相条件でない場合には、それぞれの材料成分が完全に混ざり合わず、それぞれの材料成分が薄膜内で均一にならず、マイクロサイズの固まりとして析出した状態で形成されてしまうからである。その場合、その固まりが、光信号が伝搬する光導波路層内に存在するとそれぞれの材料の屈折率が異なるためにフレネル反射や、光信号の伝搬方向の乱れを誘発し、光導波路としての基本的機能に影響を及ぼすからである。ペロブスカイト結晶構造において固溶相条件を満足する材料系として、(KTaO−KNbO)、(BaTiO−SrTiO)、(NaTaO−NaNbO)、(AgTaO−AgNbO)、(PbTiO−PbZrO)、(Pb1−XLa(Zr1−YTi1−X/4
但し(0≦X≦1、0≦Y≦1)など広範に存在する。
【0037】
請求項3記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスが導電性を有する基板を備え、一対の電極の一方はこの基板が兼用していることを特徴としている。
【0038】
請求項4記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスが基板とその表面部分に形成された導電性膜とを備え、この導電性膜が一対の電極の一方を構成していることを特徴としている。
【0039】
請求項3および請求項4記載の発明は、電極の構成の態様を示している。なお、非線形光デバイスは、その下部電極となる単結晶基板上に設けられた導電性または半導電性薄膜が、たとえばエピタキシャル膜または配向膜または多結晶膜またはアモルファス膜の薄膜となる。
【0040】
請求項5記載の発明は、請求項1記載の非線形光デバイスの基板が単結晶基板であることを特徴としている。
【0041】
請求項6記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスの基板はガラス基板であることを特徴としている。
【0042】
光導波路構造体およびバッファ層が、結晶構造を問わずエピタキシャル膜あるいは配向膜あるいは多結晶膜あるいはアモルファス膜でもよいので、たとえば特開2000−56343号公報、特開2000−56344号公報あるいは、特開2000−305117号公報に開示されたエピタキシャルあるいは単一配向性という制限がなくなる。したがって、結晶基板のみならず、安価なガラス基板や、有機ポリマ基板等の上にデバイスの各部品を形成することも可能になる。特に有機ポリマ基板上に成膜できると、非線形光デバイスを形成後、フレキシブルに曲げたり、変形したりできるので、さらなる高密度で適用範囲の広い安価な非線形光デバイスを提供することができる。
【0043】
請求項7記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスで基板は有機ポリマ基板であることを特徴としている。有機ポリマ基板には、有機低分子ポリマ基板と有機高分子ポリマ基板がある。
【0044】
請求項8記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスで、酸化物常誘電体は固溶相を示し、単結晶膜で構成されていることを特徴としている。
【0045】
請求項9記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスで、酸化物常誘電体は固溶相を示し、配向膜で構成されていることを特徴としている。
【0046】
請求項10記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスで、酸化物常誘電体は、固溶相を示し、多結晶膜で構成されていることを特徴としている。
【0047】
請求項11記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスで、酸化物常誘電体は、固溶相を示し、アモルファス膜で構成されていることを特徴としている
【0048】
請求項12記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスで、基板は有機ポリマ基板であり、その上に光導波路層およびバッファ層が成膜されていることを特徴としている。
【0049】
導電性基板に適用波長範囲内において吸収があると、基板上に形成された光導波路に光が入力されたとき、光導波路内の入射光電界分布の一部は基板内にも存在し、その電界振幅は基板内において吸収損失を生じる。基板内の電界振幅は、屈折率が光導波路層材料の屈折率よりも小さいバッファ層で置き換えれば、バッファ層がこの光導波路層と導電性基板の隔離層として機能し、基板での吸収損失は無くなり伝搬損失の低減が可能になる。
【0050】
請求項13記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスで、光導波路層は下側に隣接する層に凸状に設けられたリッジ構造を有することを特徴としている。
【0051】
請求項14記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスで、光導波路層は上側に隣接する層に凸状に設けられたリッジ構造を有することを特徴としている。
【0052】
請求項15記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスで、光導波路層と一対の電極の一方を構成する上部電極の間に酸化物よりなり、光導波路層よりも屈折率の小さいクラッド層を具備することを特徴としている。
【0053】
光導波路層の上に上部電極としての金属電極が設けられた際、光導波路層中の光の振動周波数が金属電極のプラズマ振動数を越えると、光伝搬にともない金属電極中への電界振幅の染み出した成分が金属中のキャリアによって強く吸収され、伝搬損失となる。しかし、この染み出しの起こる領域を、屈折率が光導波路層材料よりも小さいクラッド層で置き換えれば、クラッド層がこのように光導波路層と金属電極の隔離層として機能し、上部電極(金属電極)による吸収はなくなり、伝搬損失の低減が可能になる。
【0054】
請求項16記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスで、電極の一方は酸化物よりなり、光導波路層よりも屈折率の小さいクラッド層を有することを特徴としている。
【0055】
光導波路層の上に上部電極としての金属電極が設けられた際、光導波路層中の光の振動周波数が金属電極のプラズマ振動数を越えると、光伝搬にともない金属電極中への電界振幅の染み出した成分が金属中のキャリアによって強く吸収され、伝搬損失となる。しかし、この染み出しの起こる領域を、屈折率が光導波路層材料よりも小さいクラッド層で置き換えれば、クラッド層がこのように光導波路層と金属電極の隔離層として機能し、上部電極(金属電極)による吸収はなくなり、伝搬損失の低減が可能になる。
【0056】
請求項17記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスで、光導波路は入射用光経路と出射用光経路を分岐する分岐部に電圧が印加されることにより光経路が切り替えられることを特徴としている。
【0057】
請求項18記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスで、光導波路はY分岐型のY字型の光導波路であり、一対の電極によるY分岐型の光導波路の分岐部への電圧印加により光経路の切り替えを制御するデジタル型光スイッチとしての制御が行われることを特徴としている。
【0058】
デジタル型光デバイスは、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ており、偏波無依存化が可能であり、波長依存性も小さいなどの特長がある。
【0059】
請求項19記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスで、光導波路はX分岐型の光導波路であり、一対の電極によるX分岐型の光導波路の分岐部への電圧印加により光経路の切り替えを制御するデジタル型光スイッチとしての制御が行われることを特徴としている。
【0060】
デジタル型光デバイスは、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ており、偏波無依存化が可能であり、波長依存性も小さいなどの特長がある。
【0061】
請求項20記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスで、光導波路はX分岐型の光導波路であり、一対の電極によるX分岐型の光導波路の分岐部への電圧印加により全反射型あるいは透過によって光経路の切り替えを制御する光スイッチとしての制御が行われることを特徴としている。
【0062】
請求項21記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスで、光導波路はX分岐型の光導波路であり、一対の電極によるX分岐型の光導波路の分岐部への電圧印加により光経路の切り替えを制御するブラッグ反射型光スイッチとしての制御が行われることを特徴としている。
【0063】
請求項22記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスで、光導波路はX分岐型の光導波路であり、一対の電極によるX分岐型の光導波路の分岐部への電圧印加により光導波路間における光経路の切り替えを制御する方向性結合器型光スイッチとしての制御が行われることを特徴としている。
【0064】
請求項23記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスで、光導波路がマッハツェンダ干渉型の光導波路であり、一対の電極による光導波路の分岐部への電圧印加により光経路の切り替えを制御するマッハツェンダ干渉型光スイッチとしての制御が行われることを特徴としている。
【0065】
請求項24記載の発明では、請求項18〜請求項23いずれかに記載の非線形光デバイスで、スイッチが複数個マトリックス状に配置されていることを特徴としている。
【0066】
本発明の非線形光デバイスは、同一基板上に、非線形光デバイスをマトリックス状に配列し、複数の入射用光経路より、所望の入射用光経路から複数の出射用光経路へと、光経路を切り替えることを特徴とするマトリックス型の非線形光デバイスである。適切な間隔のポート間の切り替えを低電圧で駆動でき、電極長や曲がり光導波路長も必要に応じて短縮できるため、従来と同様のサイズの基板ウエハへ、より大規模なマトリックス型の非線形光デバイスを形成することができる。
【0067】
請求項25記載の発明では、請求項18〜請求項23いずれかに記載の非線形光デバイスで、同一基板上にスイッチが複数個ツリー状に配置されていることを特徴としている。
【0068】
本発明の非線形光デバイスは、同一基板上に、非線形光デバイスをツリー状に配列し、複数の入射用光経路より、所望の入射用光経路から複数の出射用光経路へと、光経路を切り替えることを特徴とするツリー型の非線形光デバイスである。適切な間隔のポート間の切り替えを低電圧で駆動でき、電極長や曲がり光導波路長も必要に応じて短縮できるため、従来と同様のサイズの基板ウエハへ、より大規模なツリー型の非線形光デバイスを形成することができる。
【0069】
請求項26記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスで、光導波路は方向性結合型の光導波路であり、一対の電極による光導波路の分岐部への電圧印加により光干渉を制御する方向性結合器型光減衰器としての制御が行われることを特徴としている。
【0070】
請求項27記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスで、光導波路がマッハツェンダ干渉型の光導波路であり、一対の電極による光導波路の分岐部への電圧印加により光干渉を制御するマッハツェンダ干渉型光変調器としての制御が行われることを特徴としている。
【0071】
【発明の実施の形態】
【0072】
【実施例】
以下実施例につき本発明を詳細に説明する。
【0073】
<第1の実施例>
【0074】
図1は本発明の第1の実施例における光デバイスとしてY分岐型の1×2光スイッチを示したものである。この1×2光スイッチ201は、入射端面202と、これと反対側に配置された出射端面203を有している。入射端面202には1つの入射ポート204が配置されており、出射端面203には第1および第2の出射ポート205、206が所定の間隔を置いて配置されている。入射ポート204と図で示したY字分岐部207との間には、1本の直線型光導波路208が配置されている。また、第1および第2の出射ポート205、206とY字分岐部207の間には、それぞれS字型に湾曲した第1または第2のS字型光導波路209、210が配置されており、これらの端部は直線型光導波路208の一端側と合流してY字分岐部207を形成している。
【0075】
これら直線型光導波路208と第1および第2のS字型光導波路209、210の存在する層の上部には第1の上部電極212と第2の上部電極213が直線型光導波路208で線対称となるような形状で配置されている。第1の上部電極212は、Y字分岐部207から所定長だけ第1のS字型光導波路209に沿うように配置された帯状電極部分とこれに対して直角方向に折れ曲がった幅広電極部分から構成されている。第2の上部電極213も、Y字分岐部207から所定長だけ第2のS字型光導波路210に沿って配置された帯状電極部分とこれに対して直角方向に折れ曲がった幅広電極部分から構成されている。
【0076】
図2は、図1に示した1×2光スイッチをA−A方向に切断したものである。1×2光スイッチ201は、下部電極となるNbドープSrTiO(100)単結晶半導体からなる基板221上に、波長1.5μmで屈折率が2.20のKTaNb1−Y(以下、KTNと称する。)からなるエピタキシャルバッファ層222と、同波長での屈折率が2.25の組成のKTNよりなるエピタキシャル膜あるいは配向膜からなる光導波路層223が、この順に積層された構造となっている。基板221は接地224されている。また、光導波路層223の上にはアルミニウム薄膜からなる第1および第2の上部電極212、213が形成されている。第1および第2の上部電極212、213は、図示しない制御回路に接続された駆動回路を介して、同じく図示しない電源に接続されている。
【0077】
なお、本明細書で次のような定義を行う。
(a)「配向膜」とは、多結晶膜において更に、同X線回折パターンによって一つの面指数とその高次ピークが現われるものをいう。
(b)「多結晶膜」とは同X線回折パターンによって、単相ではあるが色々な面指数が混在する膜状態のものをいう。これは結晶方位に対応する回折強度が全体の回折強度の1%以上であると同定されるものを意味する。
(c)「エピタキシャル膜」とは配向膜において更にX線ポールフィギャやRHEED(反射高速電子線回折)、LEED(低速電子線回折)等によって、面内の結晶方位が各結晶粒でバラバラな「面内ランダム配向膜」と、2種類以上の特定の方向に配向した結晶粒が混在する「面内選択配向膜」と、完全に一つの方向に配向した「面内配向膜」を含むものをいう。
(c)「アモルファス膜」とはθ−2θX線回折パターンによって結晶方位に対応するピークがない膜状態をいう。結晶方位に対応する回折強度が全体の回折強度の1%以下であると同定されるものを意味する。
【0078】
図2に示す基板221を構成するNbドープSrTiO(100)単結晶の格子定数は3.905Åであり、バッファ層222を構成するKTN単結晶膜の格子定数は3.90Åである。このため、格子不整合は0.13%と極めて小さく、良好なエピタキシャル成長が可能となる。光導波路層223には、図1に示す直線型光導波路208および第1または第2のS字型光導波路209、210が形成されている。エピタキシャル膜あるいは配向膜からなる光導波路層223上には、Y分岐部207(図1)に電圧を印加するためのアルミニウム薄膜からなる第1および第2の上部電極212、213が設けられている。
【0079】
このような第1の実施例の1×2光スイッチ201は、スピンコーティング法を適用して次のようにして製造した。
【0080】
(1)バッファ層形成
エトキシカリウムKOC、ペンタエトキシニオブNb(OC、およびペンタエトキシタンタルTa(OCを出発材料として、これらをエタノールに溶解し室温にて30分間攪拌した。以上の工程では全てのアルコキシドが湿気に影響を受ける。そこでこれらの工程は窒素ガス雰囲気中で処理された。なお、溶液の状態と以下の加熱固化処理の過程ではTaとNbの組成比が変動する。したがって、最終的に所望のTaとNbの組成比のKTNバッファ層になるようにペンタエトキシニオブNb(OC、およびペンタエトキシタンタルTa(OCの容量を調整することで、所望のKTNバッファ層用前駆体溶液を得た。
【0081】
このバッファ層用前駆体溶液を、洗浄、エッチングならびに乾燥を予め行ったNbドープSrTiO(100)単結晶基板上にスピンコーティングし、乾燥させた。その後、酸素雰囲気中でヒータにより加熱して、300℃にて1時間保持した後、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2.20の組成のKTNエピタキシャルバッファ層を1.2μmの膜厚で形成した。
【0082】
次に、前の工程で得たKTNバッファ層用前駆体溶液をKTNエピタキシャルバッファ層上に窒素雰囲気中にてスピンコーティングし乾燥させた。その後、酸素雰囲気中でヒータで加熱して300℃にて1時間保持した後、冷却した。これを繰り返すことにより、KTNアモルファスバッファ層を0.23μmの膜厚で形成した。
【0083】
次にフォトレジストをスピンコートし、プリベーク後、露光し、現像を行った。ポストベーク後、HCl水溶液でKTNバッファ層の一部をウエットエッチングによって除去し、図2に示すように幅5μmで光導波路の深さ方向に0.23μmのエッチングを行い、エピタキシャルバッファ層上にパターンを形成した。次にリムーバによってレジスト材を剥離した。
【0084】
次にバッファ層222上に光導波路層223を形成する工程について説明する。
【0085】
(2)光導波路層形成
先に説明したエッチングによりパターン形成されたKTNアモルファスバッファ層の上に、KTNバッファ層用前駆体溶液と同様にして調整したKTN光導波路層用前駆体溶液を窒素雰囲気中でスピンコートし乾燥させた。その後、酸素雰囲気中でヒータで加熱して300℃にて1時間保持した後、冷却することによりエピタキシャル成長後の屈折率が2.25の組成のKTNアモルファス光導波路層を0.23μmの膜厚で形成した。更に700℃にて1時間加熱することにより、KTNアモルファスバッファ層とKTNアモルファス光導波路層の固相エピタキシャル成長を行った。
【0086】
更に、その表面に、KTN光導波路層用前駆体溶液を窒素雰囲気中でスピンコーティングし乾燥させた。その後、酸素雰囲気中でヒータで加熱して300℃に保持し、更に700℃にて1時間保持した後、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2.25の組成のKTNエピタキシャル光導波路層を1.4μmの膜厚で形成した。一度に厚いアモルファス層を固相エピタキシャル成長するよりも、このように薄い膜厚で固相エピタキシャル成長を繰り返すことが結晶品質の点で望ましい。もちろん、これに限定されるものではなく、必要に応じて繰返し数と各回の膜厚を選定することができる。図1に示したY分岐部207のKTNエピタキシャル光導波路層上にスパッタリング法により膜厚200nmのAl薄膜を形成した後、リフト・オフ法によって同じく図1に示した幅5μm、長さ2000μmの形状の第1および第2の上部電極212、213を形成して1×2光スイッチ201を作製した。なお、入射端面と出射端面には研磨処理が施された。
【0087】
積層した各層の結晶学的関係は次の表現構造(1)として表わすことができる。なお、層の間にはスラッシュ“/”を付けている。以下同様である。
エピタキシャルあるいは単一配向KTN(100)光導波路層/KTN(100)バッファ層/Nb−SrTiO(100)基板、および面内方位KTN[001]光導波路層/KTN[001]バッファ層/Nb−SrTiO[001]基板 …… (1)
KTN光導波路層の2次の電気光学係数Rは次の(2)式の通りである。
R=2×10−15 (m/V) ……(2)
【0088】
以上のようにして得られた1×2光スイッチ201の入射ポート204に波長1.5μmのレーザ光を入射させたところ、Y分岐部207で3dB(50%)の光パワーで第1および第2のS字型光導波路209、210に分岐して第1および第2の出射ポート205、206からレーザ光が出力された。この際、下部に配置されたNb−SrTiOから成る基板221の図示しない電極と、第1あるいは第2の上部電極212、213のいずれか一方に電圧を印加することにより、電極間の屈折率が変化する。
【0089】
図3は、この印加電圧と変化する屈折率の関係を示したものである。この特性図は、本実施例の1×2光スイッチ201と同様の積層構造で、光導波路層を構成する酸化物常誘電体の印加電圧に対する屈折率の変化量を測定したものである。図1に示した第1あるいは第2の上部電極212、213が正電圧となるように0Vから次第に印加電圧を増加させていくと屈折率は減少する方向に作用し、放物線状の2次関数的な振舞いを示す。およそ20Vの印加電圧に対して、屈折率は−0.003だけ変動することが分かる。
【0090】
今、図2に示す基板221の前記した電極を接地して、第1あるいは第2の上部電極212、213に印加電圧として5Vを印加したとする。一例として第1の上部電極212に電圧を印加すると、その下の第1のS字型光導波路209の屈折率は減少し、第2のS字型光導波路210の屈折率は減少しない。この結果として、入射ポート204から入射された波長1.5μmのレーザ光はY分岐部207で、電圧が印加されておらず屈折率が減少していない第2の上部電極213の下の第2のS字型光導波路210のみを通過して第2の出射ポート206より出射される。
【0091】
逆に第1の出射ポート205よりレーザ光を出射させるためには第2の上部電極213にのみ電圧5Vを印加すればよい。本実施例の1×2光スイッチ201の場合、スイッチング周波数が100MHz以上で、クロストークが20dB以下となり、挿入損失も5dB以下であり、偏波無依存の良好な特性を確保することができた。
【0092】
<第2の実施例>
【0093】
図4は本発明の第2の実施例における光デバイスとしてY分岐型の1×8光スイッチを示したものである。この1×8光スイッチ301は、入射端面302とこれと反対側に位置する出射端面303を有している。入射端面302には1つの入射ポート304が配置されており、出射端面303には第1〜第8の出射ポート305〜312が所定の間隔を置いて配置されている。入射ポート304には第1の実施例の1×2光スイッチ201と同一構成の第1の光スイッチ部321の入射ポート側が接続されており、その第1の出射ポート側には同一構成の第2の光スイッチ部322の入射ポート側が接続されている。また、第2の光スイッチ部322の第1の出射ポート側には同一構成の第3の光スイッチ部323の入射ポート側が接続されている。この第3の光スイッチ部323の出射ポート側には第1および第2の出射ポート305、306が接続されている。同様に、第2の光スイッチ部322の第2の出射ポート側には同一構成の第4の光スイッチ部324の入射ポート側が接続されている。この第4の光スイッチ部324の出射ポート側には第3および第4の出射ポート307、308が接続されている。また、第1の光スイッチ部321の第2の出射ポート側には第5の光スイッチ部325の入射ポート側が接続されている。この第5の光スイッチ部325の第1の出射ポート側には第6の光スイッチ部326の入射ポート側が接続されており、第2の出射ポート側には第7の光スイッチ部327の入射ポート側が接続されている。これら第6および第7の光スイッチ部326、327の出射ポート側に第5〜第8の出射ポート309〜312が接続されている。
【0094】
図5は第1の光スイッチ部のみを取り出してその構成を示したものである。図4に示した第2〜第7の光スイッチ部322〜327は第1の光スイッチ部321と具体的なサイズが異なる場合があるものの、それらの構造は実質的に同一である。また、第1の光スイッチ部321は図1に示した第1の実施例の1×2光スイッチ201とその構造が実質的に同一である。そこで、第1の光スイッチ部321で1×2光スイッチ201と同一部分にはそれらの符号に「A」を追加しており、これらの説明を適宜省略する。なお、第1〜第7の光スイッチ部321〜327の断面構造の説明では適宜図2を使用することにする。
【0095】
(1)バッファ層形成
第1の実施例の1×2光スイッチ201と同様に1×8光スイッチ301の製造でも、洗浄、エッチング、乾燥を予め行ったNbドープSrTiO(100)単結晶基板上に、屈折率が2.20の組成のKTNエピタキシャルバッファ層を1.2μmの膜厚で形成した。次に、屈折率が2.20の組成のKTNアモルファスバッファ層を0.23μm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、プリベーク後、露光し、現像を行った。ポストベーク後、HCl水溶液でKTNバッファ層の一部をウエットエッチングで除去し図2に示すように、幅5μmで光導波路の深さ方向に0.23μmのエッチングを行いパターンを形成した。次にリムーバによってレジスト材を剥離した。
【0096】
次にKTNバッファ層上にKTN光導波路層を形成する工程について説明する。
【0097】
(2)光導波路層形成
先に説明したエッチングによりパターン形成されたKTNアモルファスバッファ層の上に、KTNバッファ層と同様に、屈折率が2.25の組成のKTNエピタキシャル光導波路層を1.6μmの膜厚で形成した。Y分岐部のKTNエピタキシャル光導波路層上にスパッタリング法により膜厚200nmのAl薄膜を形成した後、リフト・オフ法によって図1に示したように幅5μm、長さ2000μmの形状の第1の上部電極212と第2の上部電極213を、第1〜第7の光スイッチ部321〜327ごとに形成して1×2光スイッチごとに形成した。そして、図1に示す1×2光スイッチ201を基本単位とした3段の計7個からなる1×8光スイッチ301を作製した。この1×8光スイッチ301の入射端面302の入射ポート304には図示しない1本の光ファイバを配置し、出射端面303の第1〜第8の出射ポート305〜312には250μm間隔で8本の光ファイバ(共に図示せず)を配置した。なお、入射端面302と出射端面303には研磨処理が施された。
【0098】
積層した各層の結晶学的関係は第1の実施例の1×2光スイッチ201と同様に、先の表現構造(1)として表わすことができる。また、KTN光導波路層の2次の電気光学係数Rは先の(2)式の通りである。
【0099】
この1×8光スイッチを構成するひとつの1×2光スイッチとして、たとえば図5に示す第1の光スイッチ部321に着目してその特性を説明する。上部電極の入射ポート204Aに波長1.5μmのレーザ光を入射させたところ、Y分岐207A部で3dB(50%)の光パワーで第1および第2のS字型光導波路209A、210Aに分岐して第1および第2の出射ポート205A、206Aからレーザ光が出力された。この際、下部に配置されたNb−SrTiOからなる基板221の図示しない電極と、第1あるいは第2の上部電極212A、213Aのうちのいずれかの電極の間に電圧を印加することにより、電極間の屈折率が変化する。
【0100】
このときの印加電圧と変化する屈折率の関係については、すでに図3で説明した。すなわち、第1あるいは第2の上部電極212A、213Aが正電圧となるように0Vから次第に印加電圧を増加させていくと屈折率は減少する方向に作用し、放物線状の2次関数的な振舞いを示す。およそ20Vの印加電圧に対して、屈折率は−0.003だけ変動することが分かる。
【0101】
逆に第1あるいは第2の上部電極212A、213Aが負電圧となるように0Vから次第に印加電圧を減少させていくと、正電圧を印加したときと同様に屈折率は減少する方向に作用し、およそ20Vの印加電圧に対して、屈折率は−0.003だけ変動することが分かる。印加電圧を0Vに戻すことで、ヒステリシスのない再現性の高い電圧制御による屈折率調整が可能である。
【0102】
今、図2に示す基板221の前記した電極を接地して、第1あるいは第2の上部電極212A、213Aに印加電圧として5Vを印加したとする。一例として第1の上部電極212Aに電圧を印加すると、その下の第1のS字型光導波路209Aの屈折率は減少し、第2のS字型光導波路210Aの屈折率は減少しない。この結果として、入射ポート204Aから入射された波長1.5μmのレーザ光はY分岐部207Aで、電圧が印加されておらず屈折率が減少していない第2の上部電極213Aの下の第2のS字型光導波路210Aのみを通過して第2の出射ポート206Aより図4に示す第5の光スイッチ部325の入射ポート側に入射される。
【0103】
逆に第1の出射ポート205Aよりレーザ光を第2の光スイッチ部322に入射させるためには、図5に示す第2の上部電極213Aにのみ電圧5Vを印加すればよい。以上を計7箇所から構成される第1〜第7の光スイッチ部321〜327でそれぞれ独自に制御することにより、8本からなる第1〜第8の出射ポート305〜312のいずれかに光をスイッチすることができる。
【0104】
この第2の実施例の1×8光スイッチ301の場合、スイッチング周波数100MHz以上、クロストーク20dB以下、挿入損失7dB以下であり、偏波無依存の良好な特性を確保することができた。
【0105】
<第2の実施例の変形例>
【0106】
図6は本発明の第2の実施例の1×8光スイッチの変形例としての第1の光スイッチ部の断面構造を原理的に表わしたものである。この変形例の1×8光スイッチの平面構造は、図4および図5に示した第2の実施例における1×8光スイッチ301と実質的に同一である。このためこれらと同一部分にはこれらの構成部品を示す数字の後に符号「B」を付して、または「A」を「B」に置き換えて、これらの説明を適宜省略する。また、第2〜第7の光スイッチ部322B〜327Bの図示は省略し、第1の光スイッチ部321Bの図および説明を適宜援用する。
【0107】
図6に示したようにこの変形例のY分岐型の1×8光スイッチ301Bにおける第1の光スイッチ部321Bは、基板221Bの材料として絶縁特性を有するSrTiO(100)単結晶基板を使用している。そこで、図2で示した実施例では下部Nb−SrTiO基板221自体が下部電極を構成し、これを接地するようにしていたが、この変形例ではSrTiO単結晶基板221Bの上に下部電極層351を形成し、これを接地するようにしている。下部電極層351はSrTiO単結晶基板221B上に形成したPt薄膜である。この下部電極層351の上部に、波長1.5μmで屈折率が2.20の組成のKTNからなるエピタキシャルバッファ層222Bと、同波長での屈折率が2.23の組成のKTNよりなるエピタキシャル膜あるいは配向膜からなる光導波路層223Bが順に形成されており、更にその上には屈折率が2.20の組成のKTNエピタキシャルクラッド層361が形成されている。
【0108】
SrTiO(100)単結晶基板221Bの格子定数は3.905Åであるが、下部電極層351を構成するPt薄膜の格子定数は3.924Åである。また、エピタキシャルバッファ層222Bを構成するKTN単結晶膜の格子定数は3.90Åであるので、格子不整合は0.6%以下と極めて小さく、良好なエピタキシャル成長が可能である。光導波路層223B内には、前記した光導波路が形成され、エピタキシャル膜あるいは配向膜からなる光導波路層223B上には、クラッド層361を介してY分岐部に電圧を印加するためのアルミニウム薄膜からなる第1の上部電極212Bと第2の上部電極213Bが設けられている。これら第1の上部電極212Bと第2の上部電極213Bは、図示しない制御回路に接続された同じく図示しない駆動回路を介して図示しない電源に接続されており、下部電極層351および電源は接地されている。
【0109】
次にこの変形例の1×8光スイッチ301Bの製造方法について説明する。
【0110】
(1)バッファ層形成
第1の実施例の1×2光スイッチ201と同様に洗浄、エッチング、乾燥を予め行ったSrTiO(100)単結晶基板上221Bにスパッタリング法により下部電極層351としてPtエピタキシャル膜を厚さ50nmだけ積層する。その上に屈折率が2.20の組成のKTNエピタキシャルバッファ層を2μmの膜厚で形成した。次に、屈折率が2.20の組成のKTNアモルファスバッファ層を500nmの膜厚で形成した。
【0111】
次に図2で示したのと同様の方法で、HCl水溶液でKTNバッファ層222Bの一部をウエットエッチングで除去し図2に示すように、幅5μmで光導波路の深さ方向230nmのエッチングを行いパターンを形成した。次にリムーバによってレジスト材を剥離した。
【0112】
次にKTNバッファ層上に形成するKTN光導波路層について説明する。
【0113】
(2)光導波路層形成
エッチングによりパターン形成されたKTNアモルファスバッファ層の上に、KTNバッファ層と同様に、屈折率が2.23の組成のKTNエピタキシャル光導波路層を500nmの膜厚で形成した。この後、KTNアモルファスバッファ層とKTNアモルファス光導波路層を固相エピタキシャル成長させ、KTNエピタキシャルバッファ層とKTNエピタキシャル光導波路層223Bとした。
【0114】
次にKTNエピタキシャル光導波路層223Bの上に屈折率2.20の組成のKTNエピタキシャルクラッド層361を固相エピタキシャル成長により2μmの膜厚で形成した。Y分岐部のKTNエピタキシャル光導波路層223Bの上にスパッタリング法により膜厚200nmのAl薄膜を形成した後、リフト・オフ法によって図1のような幅5μm、長さ3000μmの形状の上部電極として第1の上部電極212Bと第2の上部電極213Bを形成する。以上を第1〜第7の光スイッチ部321〜327(1×2光スイッチ)ごとに形成して、図5に示す1×2光スイッチを基本単位とした3段のツリー構造をした計7個からなる1×8光スイッチ301Bを作製した。この1×8光スイッチ301Bの1段目の入射端面には図示しない1本の光ファイバを配置し、3段目の出射端面には250μm間隔で同じく図示しない8本の光ファイバを配置した。なお、入射端面と出射端面には研磨処理が施された。
【0115】
積層した各層の結晶学的関係は次の表現構造(3)として表わすことができる。
エピタキシャルあるいは単一配向KTN(100)クラッド層/エピタキシャルあるいは単一配向KTN(100)光導波路層/KTN(100)バッファ層/Pt(100)エピタキシャル電極層/SrTiO(100)基板、および面内方位KTN[001]クラッド層/KTN[001]光導波路層/KTN[001]バッファ層/Pt[001]層/SrTiO[001]基板 …… (3)
KTN光導波路層の2次の電気光学係数Rは先の(2)式の通りである。
【0116】
この1×8光スイッチを構成するひとつの1×2光スイッチとして、たとえば第1の光スイッチ部321B(図5の第1の光スイッチ部321を参照)に着目してその特性を説明する。上部電極の入射ポート204Bに波長1.5μmのレーザ光を入射させたところ、Y分岐207B部で3dB(50%)の光パワーで第1および第2のS字型光導波路209B、210Bに分岐して第1および第2の出射ポート205B、206Bからレーザ光が出力された。この際、下部に配置されたNb−SrTiOからなる基板221B上に形成された下部電極層351に接続された電極と、第1あるいは第2の上部電極212B、213Bのうちのいずれかの電極の間に電圧を印加することにより、電極間の屈折率が変化する。
【0117】
このときの印加電圧と変化する屈折率の関係は、すでに図3で説明した。すなわち、第1あるいは第2の上部電極212B、213Bが正電圧となるように0Vから次第に印加電圧を増加させていくと屈折率は減少する方向に作用し、放物線状の2次関数的な振舞いを示す。およそ20Vの印加電圧に対して、屈折率は−0.003だけ変動することが分かる。
【0118】
逆に第1あるいは第2の上部電極212B、213Bが負電圧となるように0Vから次第に印加電圧を減少させていくと、正電圧を印加したときと同様に屈折率は減少する方向に作用し、およそ20Vの印加電圧に対して、屈折率は−0.003だけ変動することが分かる。印加電圧を0Vに戻すことで、ヒステリシスのない再現性の高い電圧制御による屈折率調整が可能である。
【0119】
今、図6に示す下部電極層351を接地して、第1あるいは第2の上部電極212B、213Bに印加電圧として5Vを印加するものとする。一例として第1の上部電極212Bに電圧を印加すると、その下の第1のS字型光導波路209B(図5の対応する部品の符号AをBに置き換えている。以下、同様。)の屈折率は減少し、第2のS字型光導波路210Bの屈折率は減少しない。この結果として、入射ポート204Bから入射された波長1.5μmのレーザ光はY分岐部207Bで、電圧が印加されておらず屈折率が減少していない第2の上部電極213Bの下の第2のS字型光導波路210Bのみを通過して第2の出射ポート206Bより図4に示す第5の光スイッチ部325の入射ポート側に入射される。
【0120】
逆に第1の出射ポート205Bよりレーザ光を第2の光スイッチ部322に入射させるためには、図6に示す第2の上部電極213Bにのみ電圧5Vを印加すればよい。以上を計7箇所から構成される第1〜第7の光スイッチ部321〜327でそれぞれ独自に制御することにより、8本からなる第1〜第8の出射ポート305〜312のいずれかに光をスイッチすることができる。
【0121】
クラッド層361の形成は光導波路内の伝搬損失を、より低減したい場合に行われる。クラッド層361の膜厚を厚くすると低損失特性が得られて望ましい効果を発揮する。しかしながらクラッド層361の膜厚が厚いと、光導波路層223Bへ印加される実効電圧が減少する。そこで、スイッチング電圧と損失特性を勘案の上、クラッド層361の膜厚を設定することになる。
【0122】
この変形例では、スイッチング周波数が100MHz以上、クロストークが20dB以下、挿入損失が6dB以下であり、第2の実施例の場合と比べて損失が改善されており、偏波無依存の良好な特性を確保することができた。
【0123】
<第3の実施例>
【0124】
図7は本発明の第3の実施例における8×8光スイッチの構造の概要を示したものである。この8×8光スイッチ401は、2×2光スイッチを64個組み合わせたクロスバ構成の8×8光スイッチであり、入射端面402と、これと反対側に配置された出射端面403を有している。入射端面402には8個ずつ2群に分かれ、そのうちの半分のポートがダミーとなった第1〜第4の入射ポート411〜414および第5〜第8の入射ポート415〜418が配置されている。また、出射端面403には8個ずつ2群に分かれ、そのうちの半分のポートがダミーとなった第1〜第4の出射ポート421〜424および第5〜第8の出射ポート425〜428が配置されている。
【0125】
図8は、図7に示した8×8光スイッチがX字型に交差した合計64個のX交差部の1つを拡大して示したものである。X交差部431は、図7に示した入射端面402側に位置する第1および第2のX入射ポート432、433と、図7に示した出射端面403側に位置する第1および第2のX出射ポート434、435と、第1のX入射ポート432と第2のX出射ポート435を接続する第1の直線型光導波路436と、第2のX入射ポート433と第1のX出射ポート434を接続する第2の直線型光導波路437からなり、それぞれの中間部分がX交差位置438で交差している。このX交差位置438の上部には、第1の直線型光導波路436と第2の直線型光導波路437からそれぞれ等距離となる所定長の上部電極439がその中央位置をX交差位置438の直上位置と一致させるように配置されている。
【0126】
図7に示す8×8光スイッチ401は、直線状の第1および第2の直線型光導波路436、437を中間部に備えたS字型あるいは逆S字型の導波路がそれぞれX交差していることになる。そして、それぞれのX交差の部分は、図8に示すように第1のX入射ポート432側から第1および第2のX出射ポート434、435を見ると、第1の実施例の場合と同様のY分岐型光スイッチとなる。同様に第2のX入射ポート433側から第1および第2のX出射ポート434、435を見ると、同様のY分岐型光スイッチとなる。したがって、上部電極439に印加する電圧の制御によって第1〜第8の入射ポート411〜418から入射する信号光を選択して第1〜第8の出射ポート421〜428から出力させることができる。
【0127】
図9は、8×8光スイッチにおける1つのX交差部を図8に示したB−B方向に切断した状態を原理的に表わしたものである。8×8光スイッチ401は、基板441の材料として絶縁特性を有するMgO(100)単結晶基板を使用している。このため、図6に示した第2の実施例の変形例と同様にその上に下部電極層442を形成し、これを接地するようにしている。下部電極層442はAgエピタキシャル膜である。この下部電極層442の上部に、波長1.5μmで屈折率が2.20の組成のKTNエピタキシャルバッファ層443と、同波長での屈折率が2.23の組成のKTNよりなるエピタキシャル膜あるいは配向膜からなる光導波路層444が順に形成されており、更にその上にはX分岐部438に電圧を印加するためのアルミニウム薄膜からなる上部電極439が配置されている。上部電極439は、図示しない制御回路に接続された同じく図示しない駆動回路を介して図示しない電源に接続されており、下部電極層442および電源は接地されている。
【0128】
次にこの第3の実施例の変形例の8×8光スイッチ401の製造方法について図8および図9と共に説明する。
【0129】
洗浄、エッチング、乾燥を予め行ったMgO(100)単結晶基板441上にRFマグネトロンスパッタリング法により下部電極層442としてAgエピタキシャル膜を厚さ100nmだけ積層する。その上にRFマグネトロンスパッタリング法により屈折率が2.20の組成のKTNエピタキシャルバッファ層443を1500nmの膜厚で形成した。その上に屈折率が2.25の組成のKTNエピタキシャル光導波路層を1800nmの膜厚で形成した。
【0130】
次にX交差部431の形成および下地電極層を露出させるためにレジストパターンを用いて、その一部を残して、KTNアモルファスバッファ層およびKTNアモルファス光導波路層をリアクティブイオンエッチングにより除去した。そして図7に示すようなクロスバ構成の光導波路を、高さ300nm、幅5μmの凸部として加工した後、KTNアモルファスバッファ層およびKTNアモルファス光導波路層を固相エピタキシャル成長してKTNエピタキシャルバッファ層443およびKTNエピタキシャル光導波路層444とする。
【0131】
X交差部431の中央のKTNエピタキシャル光導波路層の上に、スパッタリング法により膜厚200nmのAl薄膜と膜厚300nmのITO(Indium Tin Oxide:インジウムスズ酸化物)から成る積層薄膜を形成した後、リフト・オフ法によって幅1μm長さ3000nmの形状の上部電極439を形成する。これらは図8に示すX交差部431としての2×2光スイッチごとに形成する。これにより、図8に示す2×2光スイッチを基本単位として合計64個からなる8×8光スイッチ401を作製する。図7に示す8×8光スイッチ401の入射端面402の第1〜第4の入射ポート411〜414に1本ずつ合計4本の図示しない光ファイバを配置し、出射端面403には第1〜第4の出射ポート421〜424および第5〜第8の出射ポート425〜428に1本ずつ合計8本の光ファイバ(図示せず)を配置した。なお、入射端面402と出射端面403は研磨処理が施された。
【0132】
積層した各層の結晶学的関係は次の表現構造(4)として表わすことができる。
エピタキシャルあるいは単一配向KTN(100)光導波路層/KTN(100)バッファ層/Ag(100)エピタキシャル電極層/MgO(100)基板、および面内方位KTN[001]光導波路層/KTN[001]バッファ層/Ag[001]層/MgO[001]基板 …… (4)
【0133】
この8×8光スイッチ401を構成するひとつの2×2光スイッチとして、図8に示す1つのX交差部431に着目する。このX交差部431の第1のX入射ポート432に波長1.5μmのレーザ光を入射させたところ、各々3dB(50%)の光パワーで第1および第2のX出射ポート434、435に分岐された。この際、下部電極層442と、上部電極439の間に電圧を印加することにより、電極間の屈折率が変化する。先に示した図3は、本実施例の光スイッチと同様の積層構造において、光導波路層を構成する酸化物常誘電体の印加電圧に対する屈折率の変化量を測定したものである。
【0134】
上部電極439が正電圧となるように0Vから次第に印加電圧を増加させていくと屈折率は減少する方向に作用し、放物線状の2次関数的な振舞いを示す。およそ20Vの印加電圧に対して、屈折率は−0.003だけ変動することが分かる。
【0135】
逆に上部電極439が負電圧となるように0Vから次第に印加電圧を減少させていくと、正電圧を印加したときと同様に屈折率は減少する方向に作用し、およそ20Vの印加電圧に対して、屈折率は−0.003だけ変動することが分かる。印加電圧を0Vに戻すことで、ヒステリシスのない再現性の高い電圧制御による屈折率調整が可能である。今、下部電極層442を接地して、上部電極439に5Vを印加すると、上部電極439の下の光導波路の屈折率は減少し、その結果、全反射型のスイッチ制御となる。すなわち第1のX入射ポート432から入射した波長1.5μmのレーザ光はX分岐部438で全反射して、第1のX出射ポート434から出射される。上部電極439に電圧が印加されず屈折率が減少しない状態では、第1のX入射ポート432から入射したこのレーザ光はそのままX分岐部438を直進して第2のX出射ポート435から出射される。
【0136】
次に、第1のX入射ポート432に波長1550nmの光信号が、また第2のX入射ポート433に波長1560nmの光信号が入射している場合を説明する。上部電極439に電圧が印加されていない場合には、第1のX入射ポート432の波長1550nmの光信号はX分岐部438でそのまま直進し第2のX出射ポート435から出射される。また第2のX入射ポート433の波長1560nmの光信号もX分岐部438でそのまま直進し第1のX出射ポート434から出射される。
【0137】
これに対して上部電極439に電圧が印加されて全反射条件を満足する場合には、第1のX入射ポート432に入射した波長1550nmの光信号はX分岐部438で全反射され第1のX出射ポート434から出射される。また波長1560nmの光信号もX分岐部438で全反射され第2のX出射ポート435から出射される。以上を計64箇所から構成される8×8光スイッチ部においてそれぞれ独自に制御することにより、第1〜第8の入射ポート411〜418から入射する信号光を第1〜第8の出射ポート421〜428のいずれかにスイッチすることができる。
【0138】
本実施例の8×8光スイッチ401の場合には、スイッチング周波数が100MHz以上、クロストークが20dB以下、挿入損失が8dB以下であり、偏波無依存の良好な特性を確保することができた。
【0139】
<第4の実施例>
【0140】
図10は本発明の第4の実施例における光デバイスとして方向性結合器型の2×2光スイッチを示したものである。本実施例の2×2光スイッチ451は、中央部分で所定長だけ平行状態となって互いに近接すると共に、その両端部でカーブを描くように互いに離間した互いに線対称の関係にある一対の光導波路452、453を備えており、全体としてX交差部を形成している。これら第1および第2の光導波路452、453の上部には、これの導波路部分に沿って配置された帯状電極部分とこれに対して直角方向に折れ曲がった幅広電極部分から構成され、同様に互いに線対称の関係にある第1および第2の上部電極454、455が配置されている。
【0141】
図11はこの2×2光スイッチのC−C方向の断面構造を原理的に表わしたものである。第4の実施例の2×2光スイッチ451はガラス基板461を使用している。このガラス基板461上に、まず下部電極層462としてアモルファスSrRuO薄膜をイオンビームスパッタリング法により1000nmの膜厚で形成し、続いて屈折率2.15のKTNアモルファスバッファ層463を1000nmの膜厚で形成するようにしている。更にその上に、屈折率が2.23のKTNアモルファス光導波路層464が1500nmの膜厚で形成されている。このKTNアモルファス光導波路層464はその一部を残してイオンエッチングにより除去される。このようにして、図10に示す方向性結合スイッチ形状の第1および第2の光導波路452、453を、高さ200nm、幅5.0μmの凸部として加工形成する。次にKTNアモルファス光導波路層464上に屈折率2.18の組成のKTNアモルファスクラッド層465をイオンビームスパッタリング法により1200nmの膜厚で形成する。
【0142】
X交差部の中央部のKTNアモルファスクラッド層465上には、イオンビームスパッタリング法によりAl電極を200nmの膜厚で形成した後、リフト・オフ法によって第1および第2の上部電極454、455が形成される。これにより、第3の実施例のX交差部431(図8参照)と同様のシングルモードのX交差型の2×2光スイッチ451を作製することができる。
【0143】
なお、この第4の実施例の2×2光スイッチ451の駆動方法の原理は第1の実施例とほぼ同様であるので、説明を省略する。また、第4の実施例の2×2光スイッチ451では方向性結合器型の2×2光スイッチを使用したが、この代わりに、ブラッグ反射型光スイッチを適用して同様の光スイッチを構成することも可能である。
【0144】
<第5の実施例>
【0145】
図12は、本発明の第5の実施例における2×2光スイッチの構造の概要を示したものである。本実施例の2×2光スイッチ501は、シングルモードのマッハ・ツェンダ干渉型の2×2光スイッチである。この方向性結合器型の2×2光スイッチ501は、2つのX交差部502、503と、これらの間に設けられた互いに平行な導波路部分504とを備えた互いに線対称の関係にある第1および第2の光導波路506、507と、平行な導波路部分504のそれぞれに沿って配置された帯状電極部分とこれに対して直角方向に折れ曲がった幅広電極部分から構成される互いに線対称となる形状の第1および第2の上部電極508、509から構成されている。
【0146】
図13は、この2×2光スイッチのD−D方向の断面構造を原理的に表わしたものである。第5の実施例の2×2光スイッチ501はガラス基板511を使用している。このガラス基板511上に、まず下部電極層512としてアモルファスSrRuO薄膜をイオンビームスパッタリング法により1000nmの膜厚で形成し、続いて屈折率2.27のKTNアモルファスバッファ層513を1000nmの膜厚で形成するようにしている。更にその上に、屈折率が2.38のKTNアモルファス光導波路層514が1500nmの膜厚で形成されている。このKTNアモルファス光導波路層514はその一部を残してイオンエッチングにより除去される。このようにして、図12に示す方向性結合スイッチ形状の第1および第2の光導波路506、507を、高さ300nm、幅5.0μmの凸部として加工形成する。次にKTNアモルファス光導波路層514上に屈折率2.18の組成のKTNアモルファスクラッド層515をイオンビームスパッタリング法により1200nmの膜厚で形成する。
【0147】
2つの交差部502、503の間の平らな導波路部分504(図12参照)のKTNアモルファスクラッド層515上には、イオンビームスパッタリング法によりAl電極を200nmの膜厚で形成した後、リフト・オフ法によって第1および第2の上部電極508、509が形成される。これにより、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501を作製することができる。なお、この第5の実施例の2×2光スイッチ501の駆動方法の原理は第1の実施例とほぼ同様であるので、説明を省略する。また、第5の実施例の2×2光スイッチ501では方向性結合器型の2×2光スイッチを使用したが、この代わりに、ブラッグ反射型光スイッチを適用して同様の光スイッチを構成することも可能である。
【0148】
<第6の実施例>
【0149】
図14は、本発明の第6の実施例におけるシングルモードのマッハ・ツェンダ干渉型の1×2光減衰器を表わしたものである。この1×2光減衰器551は、入射端面552と、これと反対側に配置された出射端面553を有している。入射端面552には1つの入射ポート554が配置されており、出射端面553にも1つの出射ポート555が配置されている。これらのポート554、555の間には、入射端面552側から直線型光導波路561と、この直線型光導波路561の一端に一端をそれぞれ接続(Y分岐)した一対のS字型光導波路562、563と、これらのS字型光導波路562、563の他端と互いに一端を接続した互いに平行な直線型光導波路564、565と、これらの直線型光導波路564、565の他端に一端をそれぞれ接続した一対のS字型光導波路566、567と、これらのS字型光導波路566、567の合流点に一端を接続し出射ポート555に他端を接続した直線型光導波路568が配置されている。これら各光導波路561〜568の上には、直線型光導波路561とS字型光導波路562、563の分岐箇所から一対の直線型光導波路564、565の線対称の位置に沿って所定距離だけ設けられた帯状電極部とこれに対して直角方向に折れ曲がった幅広電極部分からなる上部電極571と、直線型光導波路564、565のそれぞれと1つずつ対応させてこれらに近接して配置された第1および第2の接地電極572、573が配置されている。また、直線型光導波路568の途中にはこれを横断する形で溝が切られ、この溝の部分に偏光子574が装着されている。この1×2光減衰器551の用途によっては偏光子574を省略し、減衰器としてのコストダウンを図ることができる。
【0150】
図15は、このような第6の実施例の1×2光減衰器をE−E方向に切断した端面構造を表わしたものである。この1×2光減衰器551は、ポリマ基板581上にバッファ層582となる屈折率2.18のKTNアモルファスバッファ層をイオンアシスト蒸着法を用いて1000nmの膜厚で形成し、次に、屈折率が2.23のKTNアモルファス光導波路層583を1500nmの膜厚で形成するようになっている。次にKTNアモルファス光導波路層583をその一部を残してイオンエッチングにより除去し、マッハ・ツェンダ干渉型の光導波路(図では直線型光導波路564、565の部分)を、高さ300nm、幅9.0μmの凸部として加工形成する。
【0151】
次に、KTNアモルファス光導波路層583上に、クラッド層584を形成し、その上にイオンアシスト蒸着法によりAl電極を200nmの膜厚で形成した後、リフト・オフ法によって図14に示す形状の上部電極571および第1および第2の接地電極572、573を形成し、シングルモードのマッハ・ツェンダ干渉型の1×2光減衰器を作製することができる。
【0152】
この1×2光減衰器551の入射ポート554に波長1.5μmのレーザ光を入射させたところ、直線型光導波路561と一対のS字型光導波路562、563が接続したY分岐部で3dB(50%)の光パワーで分岐して、2つの直線型光導波路564、565(2つの出射ポート)に分岐された。この際、上部電極571と、第1および第2の接地電極572、573の間に電圧を印加することにより、電極間の屈折率が変化する。
【0153】
図16は、この第6の実施例の1×2光減衰器の特性を示したものである。この図で横軸は2つの光導波路の間の結合長Lを示しており、縦軸は出射ポート555から出力されるレーザ光の光強度を示している。結合長Lが“0”から完全結合長“Lc”の2倍の“2Lc”まで変化すると、それに応じて干渉効果が増加あるいは減少し、その結果、出射ポート555から出力されるレーザ光の光強度が変化する。本実施例の1×2光減衰器551では、この変化を光導波路層の屈折率を変化させることで実行している。
【0154】
図17はこの第6の実施例の1×2光減衰器と同様の構造で、光導波路層を構成する酸化物常誘電体の印加電圧に対する屈折率の変化を測定した結果を示している。図14に示した上部電極571が正電圧となるように0Vから次第に印加電圧を増加させていくと屈折率は減少する方向に作用し、放物線状の2次関数的振る舞いを示す。接地電極の光伝搬方向の長さkを完全結合長Lcの偶数倍とする。印加電圧が完全結合長Lcに相当する場合に最大の光減衰率が得られ、光強度は60dB以下に減衰することができる。逆に上部電極571が負電圧となるように0Vから次第に印加電圧を減少させていく場合でも、正電圧を印加したときと同様に屈折率は減少する方向に作用する。
【0155】
この第7の実施例の1×2光減衰器551の場合、光減衰周波数100MHz以上、挿入損失5dB以下であり、良好な特性を得ることができた。
【0156】
<第7の実施例>
【0157】
図18は、本発明の第7の実施例における方向性結合型の光減衰器を示したものである。この方向性結合型の光減衰器601は、入射端面602と、これと反対側に配置された出射端面603を有している。入射端面602には1つの入射ポート604が配置されており、出射端面603にも1つの出射ポート605が配置されている。これら入射ポート604と出射ポート605の間には1本の直線型光導波路606が形成されている。また、その図で上側には入射端面602側がS字状に湾曲し出射端面603側が直線型となった第1の光導波路607が形成され、更にこの図の下側には入射端面602に近い側がS字状に湾曲し出射端面603側が直線型となった第2の光導波路608が形成されている。更にこれらの上部には、直線型光導波路606および第1の光導波路607を挟むような形で3つの第1の制御電極611が配置された第1の方向性結合器612が入射端面602に近い側に構成されている。また、この隣には直線型光導波路606および第2の光導波路608を挟むような形で3つの第2の制御電極613が配置され、第2の方向性結合器614が構成されている。
【0158】
図19は、この方向性結合型の光減衰器を図18でF−F方向に切断した端面構造を表わしたものである。この方向性結合型の光減衰器601は、MgO基板621の上にKTN単一配向クラッド層622を形成し、その一部にKTN単一配向光導波路からなる直線型光導波路606および第1の光導波路607を形成している。KTN単一配向クラッド層622の上にはバッファ層624を介して3つの第1の制御電極611が形成され、第1の方向性結合器612(図18)を構成している。
【0159】
このような方向性結合型の光減衰器601は次のように製造される。まず、MgO基板621上にスパッタリング法を用いて、屈折率が2.16のKTN単一配向クラッド層622を2500nmの膜厚で形成する。次にKTN単一配向クラッド層の一部をチタン(Ti)を熱拡散することで、屈折率2.19のKTN単一配向光導波路623を形成する。熱拡散のためには、膜厚500nm程度のTi膜蒸着形成した後、1000℃程度の温度に加熱することでこの図に示すように、Ti原子がKTN単一配向クラッド層622内に熱拡散し、その領域の屈折率が上昇しコアを形成する。Tiの代わりにプロトン交換を施すことでも光導波路を形成することができる。
【0160】
導波路伝搬損失を特に軽減したい場合には、他のバッファ層を形成してもよい。すなわちスパッタリング法を用いて、屈折率が2.16のKTN単一配向バッファ層を1100nmの膜厚で形成する。バッファ層が介在しないと光導波路内を伝搬するモードフィールドの一部で金属電極において吸収損失が発生する。バッファ層を形成することで、モードフィールド内を低損失な媒質で形成することができる。
【0161】
次に、電極形成について説明する。電極はKTN単一配向バッファ層624上に、電子ビーム蒸着法によりAu電極を第1の制御電極611として200nmの膜厚で形成しする。膜密着を考慮すれば、間にCr(クロム)やTi(チタン)等の金属を1〜50nm程度蒸着した後にAu電極を形成すればよい。電極の長さは完全結合長Lcの2倍とするが、これに制限されるものではなく偶数倍であればよい。図18に示す形状の電極を形成し、シングルモードの2段からなる方向性結合型の光減衰器を作製することができる。
【0162】
この方向性結合型の光減衰器601の入射ポート604に波長1.5μmの信号光を入射させた状態で、第1および第2の制御電極611、613に電圧を印加しない場合は、ほぼ100%の信号光が出射ポート605から出射される。入射ポート604から入射した信号光の光量を減衰したい場合には、第1および第2の方向性結合器612、614に配置されている第1および第2の制御電極611、613にDC(直流)電圧を印加し、これら第1および第2の方向性結合器612、614を形成する近接した導波路間(直線型光導波路606と第1の光導波路607あるいは第2の光導波路608の間)に外部電界を作用させる。すると、それぞれの光導波路間は位相不整合状態となり、信号光の一部は直線型光導波路606から第1の光導波路607あるいは第2の光導波路608へ移行する。この結果、直線型光導波路606の出射ポート605から出射する信号光の減衰が実現する。
【0163】
以上のように本実施例では2つの方向性結合器612、614を縦列接続しているので、単体では製造上15〜0dB程度の可変光減衰量が限界であったが、本構成の場合、40〜60dBのダイナミックレンジの大きい可変光減衰器を実現することができる。方向性結合器の数は3つ以上であってもよい。
【0164】
<第8の実施例>
【0165】
図20は、本発明の第8の実施例におけるマッハ・ツェンダ型の光変調器を示したものである。このマッハ・ツェンダ型の光変調器651は、入射端面652と、これと反対側に配置された出射端面653を有している。入射端面652には1つの入射ポート654が配置されており、出射端面653には出射ポート655が配置されている。これらの間には入射端面652側から直線型光導波路661と、この直線型光導波路661の一端に一端をそれぞれ接続(Y分岐)した一対のS字型光導波路662、663と、これらのS字型光導波路662、663の他端と互いに一端を接続した互いに平行な直線型光導波路664、665と、これらの直線型光導波路664、665の他端に一端をそれぞれ接続した一対のS字型光導波路666、667と、これらのS字型光導波路666、667の合流点に一端を接続し出射ポート655に他端を接続した直線型光導波路668が配置されている。これら各光導波路661〜668の上には、直線型光導波路661とS字型光導波路662、663の分岐箇所から一対の直線型光導波路664、665の線対称の位置に沿って一対のS字型光導波路666、667の合流箇所まで設けられた第1の帯状電極部と、この合流箇所から直角方向にL字型に折れ曲がった第2の帯状電極部と、前記したY分岐の部分から第2の帯状電極部と反対方向に直角に折れ曲がった幅広電極部分とからなる上部電極671と、直線型光導波路664、665のそれぞれと1つずつ対応させてこれらに近接して配置された第1および第2の接地電極672、673が配置されている。また、直線型光導波路661、668の途中にはこれを横断する形で入射ポート654に近い側と出射ポート655に近い側とに溝が切られ、これらの溝の部分に偏光子674、675がそれぞれ装着されている。このマッハ・ツェンダ型の光変調器651は用途によっては偏光子674、675を省略し、光変調器としてのコストダウンを図ることができる。
【0166】
図21は、このマッハ・ツェンダ型の光変調器を図20でG−G方向に切断した端面構造を表わしたものである。このマッハ・ツェンダ型の光変調器651は、ガラス基板681の上にKTNアモルファスクラッド層682を形成し、その一部にKTNアモルファス光導波路からなる直線型光導波路664、665を形成している。KTNアモルファスクラッド層682の上にはバッファ層684を介して上部電極671と第1および第2の接地電極672、673が形成されている。
【0167】
マッハ・ツェンダ型の光変調器651は次のように製造される。まず、ガラス基板681上にスパッタリング法を用いて、屈折率が2.16のKTNアモルファスクラッド層682を2500nmの膜厚で形成する。次にKTNアモルファスクラッド層682の一部を、チタン(Ti)を熱拡散することで、屈折率2.19のKTNアモルファス光導波路を形成する。熱拡散のためには、膜厚500nm程度のTi膜蒸着形成した後、1000℃程度の温度に加熱する。これにより、Ti原子がKTNアモルファスクラッド層682内に熱拡散し、その領域の屈折率が上昇しこの図に示すようにコアを形成する。Tiの代わりにプロトン交換を施すことでも光導波路を形成することができる。
【0168】
導波路伝搬損失を特に軽減したい場合には、他のバッファ層を形成してもよい。すなわち、スパッタリング法を用いて、屈折率が1.46の二酸化珪素(SiO2)バッファ層を1100nmの膜厚で形成する。バッファ層が介在しないと光導波路内を伝搬するモードフィールドの一部で金属電極において吸収損失が発生する。バッファ層を形成することで、モードフィールド内を低損失な媒質で形成することができる。
【0169】
次に、電極形成について説明する。電極はSiOアモルファスバッファ層上に、電子ビーム蒸着法によりAu電極を上部電極671ならびに第1および第2の接地電極672、673として200nmの膜厚で形成しする。膜密着を考慮すれば、間にCr(クロム)やTi(チタン)等の金属を1〜50nm程度蒸着した後にAu電極を形成するとよい。上部電極671は図20に示すように光導波路を構成する2箇所のY分岐点間の長さとし、光導波路に平行に形成する。図21に示す形状の電極を形成し、マッハ・ツェンダ型の光変調器を作製することができる。
【0170】
この光変調器651の入射ポート654に波長1.5μmの信号光を入射させた状態で、上部電極671と第1および第2の接地電極672、673の間に、上部電極671と接続された信号源678(図20)からDC電圧を印加する。すると、上部電極671と第1および第2の接地電極672、673の間の電圧によって一対の直線型光導波路664、665の一方を伝搬する光波の位相のみがシフトされる。2つの直線型光導波路664、665を伝搬する光波がY結合点(合流点)で合波された際に互いの位相が半波長ずれていると、打ち消しあい、出射ポート655からは信号は出力されない。逆に互いの位相が波長の整数倍であると、元の入射信号光量で出射ポート655から信号が出力される。
【0171】
このように本発明の第8の実施例の光変調器651は光の強度を変調するものである。図20ではこのような分岐型の好ましい態様として、マッハ・ツェンダ型の光導波路を例示している。なお第8の実施例では、偏光子674、675を光変調器651の入射側と出射側との双方に設けている。しかしながら、前記したようにこれらの偏光子674、675は必ずしも必要とされるものではない。したがって、偏光子674、675のいずれか一方あるいは双方を省略することができる。偏光子674、675を全く設けない場合でも、光変調器651としての機能を十分に達成することができる。
【0172】
本実施例で信号源678から電圧を印加して駆動電圧を調べたところ半波長電圧Vπは2.8Vであった。従来のLiNbOを用いた導波路型光変調器では半波長電圧は5.1V程度であったが、格段に低電圧、低消費電力の光変調器が得られる。周波数応答特性を調べたところ、周波数帯域は18GHzと従来のLiNbO光変調器と同等の良好な特性であった。また、従来はLiNbOの単結晶基板を用いて光変調器を構成していたが、本実施例のようにガラス基板681上への成膜法によれば、従来に比べて低電圧かつ安価な光変調器を実現することができる。
【0173】
<第9の実施例>
【0174】
図22は、本発明の第9の実施例における光減衰器と光スイッチを組み合わせた複合光デバイスを示したものである。この複合光デバイス701は、入射ポート702を備えた図で左半分が光減衰器703を構成し、第1および第2の出射ポート704、705を備えた右半分が光スイッチ706を構成している。光減衰器703は図14に示した本発明の第6の実施例におけるシングルモードのマッハ・ツェンダ干渉型の1×2光減衰器551と同一の構成となっている。したがって、光減衰器703の各部にはこれらと同一の符号を付している。また、光スイッチ706は図10に示した本発明の第4の実施例における光デバイスとして方向性結合器型の2×2光スイッチ451と同一の構成となっている。したがって、光スイッチ706の各部にはこれらと同一の符号を付している。なお、光スイッチ706の図で上部には図11で示した下部電極層462が接地のために露出している。
【0175】
ところでKTN薄膜は、Ta原子とNb原子の組成比を制御することで、室温付近で強誘電体、あるいは常誘電体を形成することができる。この第9の実施例の複合光デバイス701で、光減衰器703は第6の実施例と同様な製造工程をとり、光スイッチ706は第4の実施例と同様な製造工程をとるが、組成比Xを0.5以下にすることで、室温付近で強誘電体とすることが可能となりメモリ効果を発揮できる。ここでメモリ効果とは、印加電圧を加えている状態より印加電圧を0ボルトに落としても、屈折率変化にヒステリシスが存在し、スイッチ機能が保持される効果である。この効果は強誘電体でのみ発現する効果である。光スイッチの場合には、特に、メモリ効果により印加電圧を落としても、スイッチング状態を維持したい場合があり、この場合にこの効果は有益である。
【0176】
次にこの複合光デバイス701の具体的製造方法を説明する。概略を先に説明する。基本的には図示しないマスクを使用して、光減衰器703を構成するKTN常誘電体を、続いて光スイッチ706を構成するKTN強誘電体を順次基板上に形成する。最後に、光減衰器703および光スイッチ706の各上部電極を形成する。
【0177】
具体的には、まず始めに光減衰器703を構成するKTN常誘電体を以下の手順で形成する。なお、図15を適宜使用して説明する。SrTiO(100)単結晶基板上にバッファ層582となる屈折率2.19のKTNエピタキシャルバッファ層をスパッタリング法を用いて1000nmの膜厚で形成する。次に、屈折率が2.23のKTNエピタキシャル光導波路層を1500nmの膜厚で形成する。次にKTNエピタキシャル光導波路層をその一部を残してイオンエッチングにより除去し、図15に示すのと同様のマッハ・ツェンダ干渉型の光導波路層を、高さ300nm、幅9.0μmの凸部として加工形成する。更にその上には屈折率が2.19の組成のKTNエピタキシャルクラッド層を厚さ1500nmだけ形成し、この順に積層された構造とする。
【0178】
SrTiO(100)単結晶基板581の格子定数は3.905Åであるが、KTN単結晶膜の格子定数は3.90Åと格子不整合は0.2%以下と極めて小さく良好なエピタキシャル成長が可能である。光導波路層583内には、直線型光導波路564、565が形成される。
【0179】
続いて、別のマスク(図示せず)を用いて、KTN常誘電体からなる光減衰器703(551)は遮蔽し、KTN強誘電体からなる光スイッチ706(451)を以下の手順で形成する。なお、図11を適宜使用して説明する。
【0180】
SrTiO(100)単結晶基板461上に、下部電極として、Ag薄膜を100nmの厚さだけ形成し、その上に波長1.5μmでの屈折率が2.21の組成比がX=0.1のKTNからなる厚さ900nmのエピタキシャルバッファ層と、同波長での屈折率が2.25の組成比Xが0.22のKTNよりなるエピタキシャル膜あるいは配向膜からなる厚さ1500nmの光導波路層が形成される。次にKTNエピタキシャル光導波路層をその一部を残してイオンエッチングにより除去し、光導波路層464を、高さ300nm、幅9.0μmの凸部として加工形成する。さらにその上に屈折率が2.21の組成のKTNエピタキシャルクラッド層465を厚さ1500nmだけ形成し、この順に積層された構造とする。組成比Xが“0”〜“0.5”のKTNエピタキシャル膜の格子定数は3.95Å〜4.04Åであるが、下面電極Agエピタキシャル薄膜の格子定数は4.086Åと格子不整合は3.4%以下と極めて小さく良好なエピタキシャル成長が可能である。ここでも光導波路層464内には、一対の光導波路452、453が形成される。
【0181】
続いて第1および第2の上部電極454、455を以下の手順で形成する。まず、図示しない上部電極形成用マスクを用いて、KTNエピタキシャルバッファ層上にスパッタリング法により膜厚200nmのAl薄膜を形成した後、リフト・オフ法によって図11に示すような第1および第2の上部電極454、455を形成する。以上により、1枚の基板上にKTN常誘電体からなる光減衰器703(551)、およびKTN強誘電体からなる光スイッチ706(451)が形成される。光減衰器703(551)と光スイッチ706(451)の境界では、界面の光導波路の屈折率がそれぞれ、2.23および2.24であるが、界面でのフレネル反射は2×10−3%と十分低く、光信号伝搬に際して、光反射効果による障害は無視してよい程度である。
【0182】
なお、以上説明した実施例および変形例ではKTNすなわちKTaYNb1−Yで表わされる2次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体を例に挙げて説明したが、これに限るものではない。すなわち、次の表1に示すように一般式ABOで表わされるペロブスカイト構造の酸化物薄膜は格子定数が3.9Åから4.04Åの間にあり、可視域から赤外域まで透明で安価な基板であるMgOや、SrTiO単結晶基板の格子定数に近く、格子整合が容易である利点がある。また、例えばPt、Ag、Al、Auなどの金属膜の格子定数とも近いので、多様なエピタキシャルあるいは単一配向膜の酸化物常誘電体として好適な条件が揃っている。これらの材料についても本発明を同様に適用することができる。
【0183】
【表1】

Figure 2004325536
【0184】
なお、KTNに近い格子定数を有する材料としては、一般にSrTiO、MgOあるいはPtが用いられる。
【0185】
また、実施例および変形例では非線形光デバイスを電子ビーム蒸着法、イオンアシスト蒸着法、RFマグネトロンスパッタ法あるいはイオンビームスパッタ法を用いて製造したが、この他にDCマグネトロンスパッタ法、イオンプレーティング法、分子線エピタキシ(MBE)法、化学気相蒸着(CVD)、ディップコーティング法等の各種の成膜法を用いて製造が可能であることは当然である。
【0186】
【発明の効果】
以上説明したように請求項1記載の発明によれば、2次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体を使用し、光導波路の所定の部位に電圧を印加して光導波路の屈折率を変化させることにした。常誘電体は酸化物強誘電体と比べて比誘電率が極めて小さいので、高速応答の要求に応えることができる。
【0187】
請求項2記載の発明では、請求項1記載の非線形光デバイスで酸化物常誘電体は、一般式KTaNb1−Y(0.5≦Y≦1.0)で表わされる物質であるので、光部品等で適用される室温を含む−40℃から+85℃の温度範囲で、酸化物強誘電体あるいは酸化物常誘電体を選択的に形成することが可能となる。KTNでは、Ta原子とNb原子の組成比を0〜1.0の間で変更することにより、たとえば波長0.633μmにおいて屈折率を2.0から2.3程度の広い範囲に渡って選択することができる。したがって、使用温度を考慮して常誘電体の状態を維持し得る組成比範囲内において、決定することができる。また、組成を変えることに対してエピタキシャル膜あるいは配向膜においては格子定数の変化は十分小さく、相互の結晶整合性も良好である。
【0188】
更に請求項4〜請求項7記載の発明に示すように、光導波路構造体およびバッファ層が、結晶構造を問わずエピタキシャル膜あるいは配向膜あるいは多結晶膜あるいはアモルファス膜でもよいので、結晶基板のみならず、安価なガラス基板や、有機ポリマ基板等の上にデバイスの各部品を形成することも可能になる。特に有機ポリマ基板上に成膜できると、非線形光デバイスを形成後、フレキシブルに曲げたり、変形したりできるので、さらなる高密度で適用範囲の広い安価な非線形光デバイスを提供することができる。
【0189】
また請求項18あるいは請求項19記載の発明によれば一対の電極による光導波路の分岐部への電圧印加により光経路の切り替えを制御するデジタル型光スイッチとしての制御が行われるので、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ており、偏波無依存化が可能であり、波長依存性も小さい等の特長がある。
【0190】
更に、請求項24または請求項25記載の発明によれば、同一基板上に、非線形光デバイスを複数配列し、複数の入射用光経路より、所望の入射用光経路から複数の出射用光経路へと、光経路を切り替えることにしたので、適切な間隔のポート間の切り替えを低電圧で駆動でき、電極長や曲がり光導波路長も必要に応じて短縮できるため、従来と同様のサイズの基板ウエハへ、より大規模な非線形光デバイスを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例におけるY分岐型の1×2光スイッチの平面図である。
【図2】図1に示した1×2光スイッチのA−A断面図である。
【図3】本実施例の1×2光スイッチと同様の積層構造で、酸化物常誘電体の印加電圧に対する屈折率の変化量を測定した特性図である。
【図4】本発明の第2の実施例における光デバイスとしてY分岐型の1×8光スイッチの平面図である。
【図5】第2の実施例における第1の光スイッチ部を拡大して示した平面図である。
【図6】第2の実施例の変形例としての第1の光スイッチ部の要部断面図である。
【図7】本発明の第3の実施例における8×8光スイッチの構造の概要を示した平面図である。
【図8】第3の実施例の8×8光スイッチのX交差部を示した拡大平面図である。
【図9】第3の実施例の8×8光スイッチのX交差部を図8に示したB−B方向に切断した要部断面図である。
【図10】本発明の第4の実施例における光デバイスとして方向性結合器型の2×2光スイッチの平面図である。
【図11】図10の2×2光スイッチのC−C方向の断面図である。
【図12】本発明の第5の実施例における2×2光スイッチの構造の概要を示した平面図である。
【図13】図12の2×2光スイッチのD−D方向の断面図である。
【図14】本発明の第6の実施例におけるマッハ・ツェンダ干渉型の1×2光減衰器の平面図である。
【図15】第6の実施例の1×2光減衰器をE−E方向に切断した端面図である。
【図16】第6の実施例の1×2光減衰器の結合長と光強度の関係を示した特性図である。
【図17】光導波路層を構成する酸化物常誘電体の印加電圧に対する屈折率の変化を示した特性図である。
【図18】本発明の第7の実施例における方向性結合型の光減衰器の平面図である。
【図19】第7の実施例の方向性結合型の光減衰器をF−F方向に切断した端面図である。
【図20】本発明の第8の実施例におけるマッハ・ツェンダ型の光変調器の平面図である。
【図21】第8の実施例のマッハ・ツェンダ型の光変調器をG−G方向に切断した端面図である。
【図22】本発明の第9の実施例における光減衰器と光スイッチを組み合わせた複合光デバイスの平面図である。
【図23】デジタル型光スイッチのY分岐型光導波路の理想形状を示した要部説明図である。
【図24】デジタル型光スイッチのY分岐型光導波路を実際の形状に製作した場合の要部説明図である。
【符号の説明】
201 1×2光スイッチ
208、208A、436、437、561、564、565、568、606、661、668、664、665 直線型光導波路
209、209A、210、210A、562、563、566、567、662、663、666、667 S字型光導波路
212、212A、212B、213、213A、213B、439、454、455、508、509、571、671 上部電極
223、223B、444、464、514 光導波路層
301 1×8光スイッチ
321〜327 光スイッチ部
401 8×8光スイッチ
452、453、506、507、607、608 光導波路
451、706 光スイッチ
551、703 光減衰器
572、573、672、673 接地電極
601 方向性結合型の光減衰器
611、613 制御電極
612、614 方向性結合器
678 信号源
701 複合光デバイス[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical device such as an optical switch, an optical attenuator, and an optical modulator, and more particularly to a nonlinear optical device using a secondary electro-optic effect.
[0002]
[Prior art]
With the rapid growth of communication networks such as the Internet and the enrichment of multimedia contents, the development of optical communication technology using optical fibers is being actively carried out. For example, a SONET / SDH (Synchronous Optical Network / Synchronous Digital Hierarchy) network employs a wavelength division multiplexing communication system for multiplexing optical signals transmitted through optical fibers in order to allow a large number of identical information streams to flow simultaneously. WDM (Wavelength division multiplexing) is used.
[0003]
2. Description of the Related Art Conventionally, in an optical communication network, relatively simple optical communication of a point-to-point type connecting two fixed points has been mainstream. A wavelength division multiplexing communication system is adopted, and a repeater is arranged between two points having a transmission / reception function, and a highly integrated optical wavelength add-drop multiplexing (ADM (Add- There is a demand for an optical switch for performing drop multiplexing) and an optical switching device having an all-optical cross-connect switching function between a plurality of nodes in a large-capacity next-generation optical communication network called a mesh type or a ring type. I have. Under such a technical background, a matrix-type optical switch using a plurality of optical switches and optical gates has attracted attention. By using these optical switches, a flexible and high-capacity optical communication system can be constructed, such as arbitrarily switching the transmission path between multiple optical fibers or forming a detour route in the event of a failure. In this sense, it is considered to be essential as an optical switching device.
[0004]
By the way, optical switching devices are classified into a bulk type using a spatial beam of several tens μm (micrometer) to several mm (mm) and an optical waveguide medium medium using a spatial beam of several μm to several tens μm. Can be. Among them, the bulk type mechanically operates optical components such as a GRIN lens (rod lens), a small lens, a mirror, a prism, and an optical fiber having a refractive index distribution of several mm in a radial direction to switch an optical path. Do. A typical example is a MEMS (Micro Electro-Mechanical Structure) type optical switch. An optical switching device using such an optical component has a feature that it has little temperature dependency and relatively low loss. However, the switching speed is slow, and the vibration and impact characteristics are poor. In addition, it is difficult to reduce the size of the optical fiber, and it is difficult to manage the optical fiber.
[0005]
On the other hand, the medium optical waveguide type is not only small and inexpensive, but also excellent in high-speed switching and high integration. For this reason, various types have been proposed as matrix type optical switches of the optical waveguide type. The optical waveguide type optical switch mainly uses an oxide ferroelectric, a compound semiconductor, quartz, and an organic polymer as its material. Especially for oxide ferroelectrics, LiNbO 3 And LiTaO 3 Is typically used. By forming a ridge structure or a buried structure with these materials, various optical waveguide structures are formed, and an optical switch for electrically controlling the light propagation direction at the intersection of the entrance port, etc. The function of an optical gate that controls opening and closing of the light is controlled in the optical waveguide.
[0006]
Among them, the optical waveguide type optical switch using quartz has the same component system as the optical fiber, so that the core diameter can be made equal to the core diameter of the optical fiber. In a single mode fiber for a wavelength of 1550 nm, the core diameter is as small as about 10 μm. However, by forming a core of the same size with the optical waveguide type optical switch, the coupling efficiency between the optical fiber and the optical waveguide can be sufficiently increased, and the insertion loss can be reduced.
[0007]
However, in an optical waveguide type optical switch using quartz, a current flows through a heater electrode formed on the surface of the optical waveguide, and the light propagation direction is switched using a refractive index change due to a thermo-optic effect. Therefore, there is a problem that switching response is slow. For example, Toru Maruno, "Latest R & D Trends in Optical Switches", NTT R & D vol. 51 No. 11 2002. Shows that the response time ranges from 1 to 3 ms (millisecond). In this optical waveguide type optical switch, an electric current is applied to the heater electrode to heat the heater electrode. For this reason, it is reported that the operating power per unit switch is about 45 mW (milliwatt). For example, in a 16 × 16 matrix type optical switch, it is reported that when all these switches are energized, the total power consumption reaches 1.4 W. For this reason, there is a problem that the application field of the optical waveguide type optical switch using quartz is limited.
[0008]
Next, an optical waveguide type optical switch using an organic polymer using a Y-branch type structure will be considered. The optical waveguide type optical switch using an organic polymer has a thermo-optic effect that is at least one order of magnitude greater than that of a quartz-based optical switch, and has characteristics such as a small wavelength dependence. However, even when a polymer material is used, when optical switching is performed in the same manner as an optical waveguide type optical switch using quartz, a current flows through a heater electrode portion formed on the surface of the optical waveguide to cause refraction by the thermo-optic effect. The light propagation direction is switched using the rate change. Therefore, there is a problem that the response is similarly slow. According to the above-mentioned document, the response time is 3.4 ms to 6.0 ms, the power consumption reaches about 56 mW per unit switch, and the total power consumption is 1 × 8 Y-branch type optical switch. It is reported to reach 450 mW.
[0009]
Next, a bubble reflection type optical switch using liquid bubble reflection will be considered. In the bubble reflection type optical switch, a groove is formed in a crossed optical waveguide such as an X-crossing or a Y-crossing, and a refractive index adjusting liquid having the same refractive index as that of the core region of the optical waveguide is put in and out of the groove, thereby forming a groove portion. To control the total reflection or light transmission of the light propagation. Either a method of generating bubbles in the liquid using the technology of the ink jet printer or a method of moving the position of the bubbles by heating is used for taking in and out of the liquid. All of the methods perform optical switching using a total reflection condition, and thus have a feature that wavelength dependency is small. However, there is a problem that the response time is limited to about 10 ms even if the viscosity of the liquid is adjusted optimally because the mechanism of expansion, movement, and disappearance of bubbles is used.
[0010]
Next, an optical waveguide type optical switch using a compound semiconductor will be considered. In this optical waveguide type optical switch, a semiconductor amplifier (SOA) is manufactured, and switching is performed depending on whether the semiconductor amplifier is turned on to transmit light or is turned off to absorb light. This achieves a high-speed response characteristic of about nanosecond. However, especially in the case of a GaAs-based compound semiconductor, the core diameter is reduced to about 3 μm because the refractive index is 3 or more. For this reason, there is a problem that the coupling efficiency between the optical fiber and the optical waveguide portion is deteriorated, and the insertion loss is increased.
[0011]
Next, LiNbO, which is the most typical optical switching material and one of oxide ferroelectrics, 3 Is considered. LiNbO 3 In the case of (1), the first-order electro-optic effect is used. When a voltage is applied between the electrodes of the optical switch, the state of light changes at high speed due to a change in the refractive index due to the electro-optic effect, and the traveling direction of the light changes depending on which state is set. Thus, each optical switch can selectively output optical signal components from two input ports to two output ports. Therefore, by appropriately setting the traveling direction of light in each optical switch, an optical signal component from an input port can be sent to a desired output port.
[0012]
In addition, LiNbO 3 In general, in an optical switch using, a Ti diffusion type optical waveguide or a proton exchange type optical waveguide is manufactured on a single crystal wafer. In this case, the core diameter can be made approximately equal to the core diameter of the optical fiber, and the coupling efficiency between the optical fiber and the optical waveguide is improved, so that the insertion loss can be reduced. However, this LiNbO 3 The optical switch using the method employs a method of forming a planar electrode on the surface of an optical waveguide and applying a voltage. For this reason, the distance between the electrodes increases, and the electric field distribution in the cross section of the optical waveguide does not become an ideal state. For example, Nishihara, Haruna, Suhara, “Optical Integrated Circuit”, Chapter 7, p.217, Ohmsha. The electric field distribution vector does not become one direction inside the core as shown in FIG. As a result, in order to be polarization independent, it is necessary to increase the applied voltage to 40 volts or more. Further, it is necessary to increase the interaction length in the optical waveguide direction so as not to increase the driving voltage, and the length of the electrode needs to be 4 mm or more. Furthermore, since an optical waveguide is formed on a single crystal wafer by Ti diffusion or proton exchange, the effective refractive index of the optical waveguide cannot be sufficiently higher than the effective refractive index of the surrounding cladding layer, and the refractive index difference cannot be increased. . Accordingly, it is necessary to increase the radius of curvature of the S-shaped optical waveguide to 50 mm. Therefore, there is a problem that a large area is required for the optical waveguide type optical switch.
[0013]
There are several types of switching principles of the optical paths of these optical switches described above. That is, (i) 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 (ii) input light is separated into two by a directional coupler, and each path is separated. Mach-Zehnder method of switching the output end by controlling the interference state at the exit side directional coupler by providing a phase difference with the refractive index caused by the electric field between the light passing through, and (iii) at the X intersection A method of switching light paths by controlling interference between optical modes; (iv) in a Y-branch or an asymmetric X-crossing part, a lateral distribution of optical modes is generated by an electric field and controlled by a refractive index to control light; And (v) a method of switching the light path by performing total reflection or Bragg reflection by providing an electrode at the X intersection and controlling the refractive index using an electro-optic effect by an applied voltage, and the like. (T Patent Document 1 and the above-mentioned Nishihara if example, Haruna, Suhara al., "Optical integrated circuit", p321, Ohm Corporation. Reference).
[0014]
[Patent Document 1]
JP-A-7-318986 (paragraphs 0027 and 0028, FIG. 1)
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
[0016]
By the way, an optical switch having only two states, ON and OFF, which can be taken with respect to a control voltage to be applied and having a function of taking the same state at a certain threshold voltage or more, is called a digital optical switch. Can be called. The digital optical switch has features such as excellent operating voltage tolerance, polarization independence, and small wavelength dependence. However, on the other hand, there are problems such as a higher driving voltage and a longer electrode length than other optical switches. Further, the Y-branch optical waveguide of the digital optical switch has a problem that a large applied voltage is required in relation to crosstalk. This will be described below.
[0017]
FIG. 23 shows an essential part of an ideal shape of a Y-branch optical waveguide of a digital optical switch. The Y-branch optical waveguide 102 of the digital optical switch 101 forms a Y-shaped branch 103. In this branch portion 103, the two optical waveguide portions intersect at an angle of less than 1 degree as shown in this figure, and the width d between the waveguides becomes gradually narrower as approaching the branch portion 103. Ideally, the distance would be zero.
[0018]
FIG. 24 shows a main part of the shape when the Y-branch optical waveguide of the digital optical switch is manufactured in an actual shape. In the patterning step of the Y-branch optical waveguide 102A by photolithography, it is difficult to form an ideal shape due to the limit of resolution. Normally, as in the digital optical switch 101A shown in FIG. 24, when the distance d between the waveguides of the branching portion 103A becomes about 1.5 μm, the tip of the acute angle portion is cut off, and the shape becomes blunt.
[0019]
Such a deviation from the ideal shape does not significantly affect the loss but has a very large effect on the crosstalk. When the opening angle of the Y-branch is 0.5 degrees and the refractive index of one of the branched waveguide portions is reduced to about 0.0008 by the electro-optic effect or the like, the crosstalk is set to 20 dB or less in the ideal shape of FIG. It is possible. When this is the shape shown in FIG. 24, the crosstalk is degraded to about 12 dB. As a result, in order to reduce the crosstalk to 20 dB, a larger change in the refractive index, that is, a larger applied voltage is required.
[0020]
Such a problem in manufacturing the optical waveguide can occur not only in the branch portion of the Y-branch type optical waveguide but also in the branch portion of the asymmetric X-cross type optical waveguide.
[0021]
As described above, LiNbO 3 When using any of the following materials: compound semiconductor, quartz, polymer, and bubble reflection type, the size, drive voltage (or drive current or power consumption), switching speed, crosstalk, insertion loss, and temperature of the optical switch It is not possible to obtain a waveguide type optical switch that simultaneously satisfies the stability problem.
[0022]
In the foregoing, the conventional technology and the problem with the optical switching device have been described. Next, other optical devices, such as optical attenuators and optical modulators, which have attracted attention together with optical switches due to the development of communication networks, will be briefly described. First, the optical attenuator will be described.
[0023]
Conventionally, an optical attenuator using the same principle as the optical switch described above has been used as an optical attenuator. These can be classified into (i) a bulk type using a spatial beam of several tens μm to several mm, and (ii) an optical waveguide in a medium using a spatial beam of several μm to several tens μm.
[0024]
Among them, the bulk type (i) has a one-dimensional film thickness gradient between optical components such as a GRIN lens, a small lens, a mirror, a prism, and an optical fiber having a refractive index distribution of several mm in the radial direction. A method is disclosed in which the position of an ND (neutral density) filter on which a metal film is deposited is slid to adjust the attenuation factor (for example, Patent Document 2).
[0025]
In addition, a small shielding plate is inserted between the transmission fiber and the reception fiber by using MEMS (Micro Electro-Mechanical Structure) technology, and the position is controlled by MEMS to control the coupling loss between the fibers. A MEMS type optical attenuator is disclosed (for example, Patent Document 3). Although the temperature dependency is small and the loss is relatively low, the former has a slow switching speed of 1 second or more, and the latter has poor vibration / shock characteristics.
[0026]
On the other hand, the optical waveguide type (ii) does not involve mechanical movement, is excellent in small size, low cost, high speed switching, high integration, and the like, and various types are proposed. For example, LiNbO 3 This is a waveguide type optical attenuator using a ferroelectric crystal substrate such as a crystal (for example, Patent Documents 4 to 6). However, these optical waveguide type optical attenuators have the same problem as the optical switch because they adjust the attenuation of the light amount based on the same principle as that of the optical switch. Taking the above cited document 5 as an example, the half-wave voltage reaches 11.4 V when the maximum attenuation rate is obtained. For this reason, an expensive high-speed high-voltage driving driver is required.
[0027]
Next, the optical modulator will be described. The optical modulator operates on basically the same principle as the optical switch and the optical attenuator described above. In particular, a high-speed response characteristic is required for an optical modulator in the optical communication field. For this reason, an optical waveguide type optical modulator has been mainly used as the optical modulator (for example, Patent Document 5 or Patent Document 7). In Patent Document 7, the half-wave voltage is 5.1 V, but it is better to drive at a lower voltage, and it is possible to drive at 3.3 V using a high-speed electronic device.
[0028]
These optical attenuators and optical modulators also have the same problem as the optical switching device because they have the same basic structure.
[0029]
[Patent Document 2]
JP-A-2000-56242 (paragraph 0024, FIG. 5)
[Patent Document 3]
JP-A-2003-66268 (paragraphs 0026 and 0027, FIG. 5)
[Patent Document 4]
JP 2001-249309 A (Paragraph 0023, FIG. 3)
[Patent Document 5]
JP-A-2000-227581 (paragraph 0013, FIG. 4)
[Patent Document 6]
JP-A-10-142569 (paragraph 0026, FIG. 1)
[Patent Document 7]
JP-A-6-300995 (17th paragraph, FIG. 1)
[0030]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a nonlinear optical device such as an optical switch, an optical attenuator, and an optical modulator that can perform low-voltage, high-speed response operation and has small insertion loss and crosstalk.
[0031]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, (a) an optical waveguide made of an oxide paraelectric material having a second-order electro-optic effect, which guides light input from a predetermined incident port and guides the light to an output port, is provided on the substrate. (B) a pair of electrodes for applying a voltage to a predetermined portion of the optical waveguide; and (c) a refractive index of the optical waveguide by applying a voltage to the pair of electrodes. The nonlinear optical device is provided with a refractive index control means for changing the refractive index.
[0032]
The fact that the relative permittivity of an oxide ferroelectric is high and the capacitance thereof tends to be large, whereas the fact that the relative permittivity of a paraelectric is extremely smaller than that of a ferroelectric is used. Therefore, the present invention is suitable for a case where a faster response is required.
[0033]
According to a second aspect of the present invention, in the nonlinear optical device according to the first aspect, the oxide paraelectric substance has a general formula of KTa. Y Nb 1-Y O 3 It is characterized by being a substance represented by (0.5 ≦ Y ≦ 1.0).
[0034]
KTa Y Nb 1-Y O 3 (Hereinafter, referred to as KTN) indicates a completely solid solution phase or a solid solution phase even when the composition ratio of Ta atoms and Nb atoms is arbitrarily changed between 0 and 1.0, and indicates a single crystal film, an alignment film, and a polycrystalline film. Either a crystalline film or an amorphous film can be formed. Furthermore, the transition temperature (Curie temperature) between the ferroelectric and the paraelectric is -260 ° C. to + 435 ° C. by appropriately selecting the composition ratio of the Ta atom and the Nb atom between “0” and “1”. The oxide ferroelectric or oxide paraelectric can be selectively formed in a temperature range of −40 ° C. to + 85 ° C., including room temperature, applied to optical components and the like, since it can be obtained arbitrarily. It has the feature that it becomes possible. On the other hand, the materials described in Patent Literature 3 and the like are limited to use only as oxide ferroelectrics.
[0035]
In KTN, by changing the composition ratio between Ta atoms and Nb atoms between 0 and 1.0, for example, the refractive index is selected over a wide range of about 2.0 to 2.3 at a wavelength of 0.633 μm. be able to. Therefore, it can be determined within the composition ratio range that can maintain the state of the paraelectric substance in consideration of the use temperature. When the composition is changed, the change in the lattice constant is sufficiently small in the epitaxial film or the oriented film, and the mutual crystal matching is good.
[0036]
Here, the above-described solid solution phase will be described. When forming an epitaxial or single orientation film, it is necessary to satisfy the condition of lattice matching with the underlying surface. This matching condition varies depending on the material system, but it is generally required that the deviation of the lattice constant is 10% or less. When the oxide paraelectric thin film constituting the optical waveguide layer is composed of a plurality of materials, it must be applied under conditions that satisfy the solid solution phase. This is because, unless the solid-solution phase condition is satisfied, the respective material components are not completely mixed, and the respective material components are not uniform in the thin film, and are formed in a state of being precipitated as a micro-sized mass. is there. In that case, if the mass exists in the optical waveguide layer through which the optical signal propagates, the refractive index of each material is different, so that Fresnel reflection or disturbance in the propagation direction of the optical signal is induced, and the fundamental as the optical waveguide is generated. This is because it affects the function. As a material system satisfying the solid solution phase condition in the perovskite crystal structure, (KTaO 3 -KNbO 3 ), (BaTiO) 3 -SrTiO 3 ), (NaTaO) 3 -NaNbO 3 ), (AgTaO) 3 -AgNbO 3 ), (PbTiO 3 -PbZrO 3 ), (Pb 1-X La X (Zr 1-Y Ti Y ) 1-X / 4 O 3 )
However, there is a wide range such as (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1).
[0037]
According to a third aspect of the present invention, the nonlinear optical device according to the first aspect includes a substrate having conductivity, and the substrate also serves as one of a pair of electrodes.
[0038]
According to a fourth aspect of the present invention, the nonlinear optical device according to the first aspect includes a substrate and a conductive film formed on a surface portion thereof, and the conductive film forms one of a pair of electrodes. Features.
[0039]
The third and fourth aspects of the present invention show aspects of the configuration of the electrode. In a nonlinear optical device, a conductive or semiconductive thin film provided on a single crystal substrate serving as a lower electrode is, for example, an epitaxial film, an alignment film, a polycrystalline film, or an amorphous film.
[0040]
The invention according to claim 5 is characterized in that the substrate of the nonlinear optical device according to claim 1 is a single crystal substrate.
[0041]
According to a sixth aspect of the present invention, the substrate of the nonlinear optical device according to the first aspect is a glass substrate.
[0042]
Since the optical waveguide structure and the buffer layer may be an epitaxial film, an alignment film, a polycrystalline film, or an amorphous film regardless of the crystal structure, for example, JP-A-2000-56343, JP-A-2000-56344, or The limitation of epitaxial or single orientation disclosed in JP-A-2000-305117 is eliminated. Therefore, it is possible to form each component of the device on not only a crystal substrate but also an inexpensive glass substrate, an organic polymer substrate, or the like. In particular, if a film can be formed on an organic polymer substrate, the nonlinear optical device can be flexibly bent or deformed after the formation, so that an inexpensive nonlinear optical device having a higher density and a wider application range can be provided.
[0043]
According to a seventh aspect of the present invention, in the nonlinear optical device according to the first aspect, the substrate is an organic polymer substrate. The organic polymer substrate includes an organic low molecular polymer substrate and an organic polymer polymer substrate.
[0044]
According to an eighth aspect of the present invention, in the nonlinear optical device according to the first aspect, the oxide paraelectric substance shows a solid solution phase and is constituted by a single crystal film.
[0045]
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided the nonlinear optical device according to the first aspect, wherein the oxide paraelectric substance shows a solid solution phase and is composed of an alignment film.
[0046]
According to a tenth aspect of the present invention, in the nonlinear optical device according to the first aspect, the oxide paraelectric substance exhibits a solid solution phase and is formed of a polycrystalline film.
[0047]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the nonlinear optical device according to the first aspect, the oxide paraelectric substance shows a solid solution phase and is formed of an amorphous film.
[0048]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the nonlinear optical device according to the first aspect, the substrate is an organic polymer substrate, and the optical waveguide layer and the buffer layer are formed thereon.
[0049]
If light is input to the optical waveguide formed on the substrate when the conductive substrate has absorption within the applicable wavelength range, part of the incident optical electric field distribution in the optical waveguide also exists in the substrate, and The electric field amplitude causes absorption loss in the substrate. If the electric field amplitude in the substrate is replaced by a buffer layer whose refractive index is smaller than that of the optical waveguide layer material, the buffer layer functions as an isolation layer between this optical waveguide layer and the conductive substrate, and the absorption loss in the substrate is reduced. Thus, the propagation loss can be reduced.
[0050]
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the nonlinear optical device according to the first aspect, the optical waveguide layer has a ridge structure provided in a layer adjacent to the lower side in a convex shape.
[0051]
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the nonlinear optical device according to the first aspect, the optical waveguide layer has a ridge structure provided in a layer adjacent to the upper side in a convex shape.
[0052]
According to a fifteenth aspect of the present invention, in the non-linear optical device according to the first aspect, the cladding is made of an oxide between the optical waveguide layer and the upper electrode constituting one of the pair of electrodes, and has a smaller refractive index than the optical waveguide layer. It is characterized by having a layer.
[0053]
When a metal electrode as an upper electrode is provided on the optical waveguide layer and the vibration frequency of the light in the optical waveguide layer exceeds the plasma frequency of the metal electrode, the electric field amplitude into the metal electrode due to light propagation increases. The exuded component is strongly absorbed by the carrier in the metal, resulting in a propagation loss. However, if the area where this seeping occurs is replaced by a cladding layer having a smaller refractive index than the material of the optical waveguide layer, the cladding layer thus functions as an isolation layer between the optical waveguide layer and the metal electrode, and the upper electrode (metal electrode). ) Is eliminated, and the propagation loss can be reduced.
[0054]
According to a sixteenth aspect of the present invention, in the nonlinear optical device according to the first aspect, one of the electrodes is made of an oxide and has a cladding layer having a smaller refractive index than the optical waveguide layer.
[0055]
When a metal electrode as an upper electrode is provided on the optical waveguide layer and the vibration frequency of the light in the optical waveguide layer exceeds the plasma frequency of the metal electrode, the electric field amplitude into the metal electrode due to light propagation increases. The exuded component is strongly absorbed by the carrier in the metal, resulting in a propagation loss. However, if the area where this seeping occurs is replaced by a cladding layer having a smaller refractive index than the material of the optical waveguide layer, the cladding layer thus functions as an isolation layer between the optical waveguide layer and the metal electrode, and the upper electrode (metal electrode). ) Is eliminated, and the propagation loss can be reduced.
[0056]
According to a seventeenth aspect of the present invention, in the nonlinear optical device according to the first aspect, the optical waveguide is configured such that the optical path is switched by applying a voltage to a branch portion that branches the incident optical path and the output optical path. Features.
[0057]
According to the eighteenth aspect of the present invention, in the nonlinear optical device according to the first aspect, the optical waveguide is a Y-branch Y-shaped optical waveguide, and a voltage applied to a branch portion of the Y-branch optical waveguide by a pair of electrodes. It is characterized in that control as a digital optical switch that controls switching of an optical path by application is performed.
[0058]
The digital optical device is excellent in the tolerance of the operating voltage because the optical path is switched at a certain voltage, and even if a higher voltage is applied, the state is maintained and multiple operating points are not generated. It has features such as being polarization independent and having small wavelength dependence.
[0059]
In the nineteenth aspect of the present invention, in the nonlinear optical device according to the first aspect, the optical waveguide is an X-branch type optical waveguide, and an optical path is formed by applying a voltage to a branch portion of the X-branch type optical waveguide by a pair of electrodes. This is characterized in that control is performed as a digital optical switch for controlling switching.
[0060]
The digital optical device is excellent in the tolerance of the operating voltage because the optical path is switched at a certain voltage, and even if a higher voltage is applied, the state is maintained and multiple operating points are not generated. It has features such as being polarization independent and having small wavelength dependence.
[0061]
According to a twentieth aspect of the present invention, in the nonlinear optical device according to the first aspect, the optical waveguide is an X-branch type optical waveguide, and total reflection is performed by applying a voltage to a branch portion of the X-branch type optical waveguide by a pair of electrodes. It is characterized in that control as an optical switch for controlling switching of an optical path by a mold or transmission is performed.
[0062]
According to a twenty-first aspect of the present invention, in the nonlinear optical device according to the first aspect, the optical waveguide is an X-branch optical waveguide, and the optical path is formed by applying a voltage to a branch portion of the X-branch optical waveguide by a pair of electrodes. It is characterized in that control is performed as a Bragg reflection type optical switch for controlling the switching of.
[0063]
According to a twenty-second aspect of the present invention, in the nonlinear optical device according to the first aspect, the optical waveguide is an X-branch optical waveguide, and the optical waveguide is formed by applying a voltage to a branch portion of the X-branch optical waveguide by a pair of electrodes. It is characterized in that control is performed as a directional coupler type optical switch that controls switching of an optical path between the optical switches.
[0064]
According to a twenty-third aspect of the present invention, in the nonlinear optical device according to the first aspect, the optical waveguide is a Mach-Zehnder interference type optical waveguide, and switching of an optical path is controlled by applying a voltage to a branch portion of the optical waveguide by a pair of electrodes. This is characterized in that control as a Mach-Zehnder interference type optical switch is performed.
[0065]
According to a twenty-fourth aspect of the present invention, in the nonlinear optical device according to any one of the eighteenth to twenty-third aspects, a plurality of switches are arranged in a matrix.
[0066]
The nonlinear optical device of the present invention has a configuration in which the nonlinear optical devices are arranged in a matrix on the same substrate, and the optical path is changed from a plurality of input optical paths to a desired output optical path to a plurality of output optical paths. This is a matrix type nonlinear optical device characterized by switching. Since switching between ports at appropriate intervals can be driven at low voltage, and the electrode length and bent optical waveguide length can be shortened as necessary, a larger matrix type nonlinear light can be transferred to a substrate wafer of the same size as before. A device can be formed.
[0067]
According to a twenty-fifth aspect of the present invention, in the nonlinear optical device according to any one of the eighteenth to twenty-third aspects, a plurality of switches are arranged in a tree on the same substrate.
[0068]
The nonlinear optical device of the present invention arranges nonlinear optical devices in a tree shape on the same substrate, and forms an optical path from a plurality of input optical paths to a desired output optical path to a plurality of output optical paths. It is a tree-type nonlinear optical device characterized by switching. Since switching between ports at appropriate intervals can be driven at low voltage, and the electrode length and the bent optical waveguide length can be shortened as necessary, a larger tree-type nonlinear light can be transferred to a substrate wafer of the same size as before. A device can be formed.
[0069]
According to a twenty-sixth aspect of the present invention, in the nonlinear optical device according to the first aspect, the optical waveguide is a directional coupling type optical waveguide, and optical interference is controlled by applying a voltage to a branch portion of the optical waveguide by a pair of electrodes. It is characterized in that control as a directional coupler type optical attenuator is performed.
[0070]
According to a twenty-seventh aspect of the present invention, in the nonlinear optical device according to the first aspect, the optical waveguide is a Mach-Zehnder interference type optical waveguide, and Mach-Zehnder for controlling optical interference by applying a voltage to a branch portion of the optical waveguide by a pair of electrodes. It is characterized in that control as an interference type optical modulator is performed.
[0071]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0072]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.
[0073]
<First embodiment>
[0074]
FIG. 1 shows a 1 × 2 Y-branch optical switch as an optical device according to a first embodiment of the present invention. The 1 × 2 optical switch 201 has an input end face 202 and an output end face 203 arranged on the opposite side. One entrance port 204 is arranged on the entrance end face 202, and first and second exit ports 205 and 206 are arranged on the exit end face 203 at a predetermined interval. One linear optical waveguide 208 is arranged between the incident port 204 and the Y-shaped branch portion 207 shown in the drawing. Further, between the first and second emission ports 205 and 206 and the Y-shaped branch portion 207, first or second S-shaped optical waveguides 209 and 210 curved in an S-shape are disposed, respectively. These ends merge with one end of the linear optical waveguide 208 to form a Y-shaped branch 207.
[0075]
A first upper electrode 212 and a second upper electrode 213 are lined with the linear optical waveguide 208 above the layer where the linear optical waveguide 208 and the first and second S-shaped optical waveguides 209 and 210 exist. They are arranged in a symmetrical shape. The first upper electrode 212 is composed of a strip-shaped electrode portion arranged along the first S-shaped optical waveguide 209 by a predetermined length from the Y-shaped branch portion 207 and a wide electrode portion bent at a right angle to the strip-shaped electrode portion. It is configured. The second upper electrode 213 also includes a strip-shaped electrode portion disposed along the second S-shaped optical waveguide 210 by a predetermined length from the Y-shaped branch portion 207 and a wide electrode portion bent at a right angle to the strip-shaped electrode portion. Have been.
[0076]
FIG. 2 shows the 1 × 2 optical switch shown in FIG. 1 cut in the AA direction. The 1 × 2 optical switch 201 is composed of Nb-doped SrTiO serving as a lower electrode. 3 KTa having a wavelength of 1.5 μm and a refractive index of 2.20 on a substrate 221 made of a (100) single crystal semiconductor. Y Nb 1-Y O 3 An epitaxial buffer layer 222 made of KTN (hereinafter referred to as KTN) and an optical waveguide layer 223 made of an epitaxial film or oriented film made of KTN having a composition having a refractive index of 2.25 at the same wavelength are laminated in this order. It has a structure. The substrate 221 is grounded 224. Further, on the optical waveguide layer 223, first and second upper electrodes 212 and 213 made of an aluminum thin film are formed. The first and second upper electrodes 212 and 213 are also connected to a power source (not shown) via a drive circuit connected to a control circuit (not shown).
[0077]
The following definition is made in this specification.
(A) "Orientation film" means a polycrystalline film in which one plane index and its higher order peak appear by the same X-ray diffraction pattern.
(B) "Polycrystalline film" refers to a film having a single phase but various surface indices mixed according to the same X-ray diffraction pattern. This means that the diffraction intensity corresponding to the crystal orientation is identified as 1% or more of the entire diffraction intensity.
(C) The term “epitaxial film” refers to an “alignment film” in which the in-plane crystal orientation of each crystal grain varies by X-ray pole figure, RHEED (reflection high-speed electron diffraction), LEED (slow electron diffraction), or the like. In-plane random alignment film "," In-plane selective alignment film "in which crystal grains oriented in two or more specific directions coexist, and" In-plane alignment film "completely oriented in one direction Say.
(C) “Amorphous film” refers to a film state in which there is no peak corresponding to the crystal orientation in a θ-2θ X-ray diffraction pattern. It means that the diffraction intensity corresponding to the crystal orientation is identified as 1% or less of the entire diffraction intensity.
[0078]
Nb-doped SrTiO constituting the substrate 221 shown in FIG. 3 The lattice constant of the (100) single crystal is 3.905 °, and the lattice constant of the KTN single crystal film forming the buffer layer 222 is 3.90 °. Therefore, the lattice mismatch is as small as 0.13%, and good epitaxial growth is possible. In the optical waveguide layer 223, a linear optical waveguide 208 and first or second S-shaped optical waveguides 209 and 210 shown in FIG. 1 are formed. On the optical waveguide layer 223 made of an epitaxial film or an alignment film, first and second upper electrodes 212 and 213 made of an aluminum thin film for applying a voltage to the Y branch portion 207 (FIG. 1) are provided. .
[0079]
The 1 × 2 optical switch 201 of the first embodiment is manufactured as follows by applying the spin coating method.
[0080]
(1) Buffer layer formation
Ethoxy potassium KOC 3 H 5 , Pentaethoxy niobium Nb (OC 3 H 5 ) 5 , And pentaethoxy tantalum Ta (OC 3 H 5 ) 5 These were dissolved in ethanol and stirred at room temperature for 30 minutes. In the above steps, all alkoxides are affected by moisture. Therefore, these steps were performed in a nitrogen gas atmosphere. It should be noted that the composition ratio of Ta and Nb fluctuates in the state of the solution and in the process of the following heat solidification treatment. Therefore, pentaethoxyniobium Nb (OC) is finally formed so that a KTN buffer layer having a desired composition ratio of Ta and Nb is obtained. 3 H 5 ) 5 , And pentaethoxy tantalum Ta (OC 3 H 5 ) 5 Was adjusted to obtain a desired precursor solution for a KTN buffer layer.
[0081]
This buffer layer precursor solution is washed, etched and dried in advance with Nb-doped SrTiO. 3 It was spin-coated on a (100) single crystal substrate and dried. Then, it heated by the heater in an oxygen atmosphere, hold | maintained at 300 degreeC for 1 hour, and cooled. By repeating this, solid phase epitaxial growth was performed, and a KTN epitaxial buffer layer having a composition with a refractive index of 2.20 was formed with a thickness of 1.2 μm.
[0082]
Next, the precursor solution for a KTN buffer layer obtained in the previous step was spin-coated on a KTN epitaxial buffer layer in a nitrogen atmosphere and dried. Thereafter, the resultant was heated with a heater in an oxygen atmosphere, kept at 300 ° C. for 1 hour, and then cooled. By repeating this, a KTN amorphous buffer layer was formed with a thickness of 0.23 μm.
[0083]
Next, a photoresist was spin-coated, prebaked, exposed, and developed. After the post-baking, a part of the KTN buffer layer was removed by wet etching with an aqueous HCl solution, and as shown in FIG. 2, etching was performed at a width of 5 μm and a depth of 0.23 μm in the depth direction of the optical waveguide to form a pattern on the epitaxial buffer layer. Was formed. Next, the resist material was peeled off by a remover.
[0084]
Next, a step of forming the optical waveguide layer 223 on the buffer layer 222 will be described.
[0085]
(2) Optical waveguide layer formation
A KTN optical waveguide layer precursor solution prepared in the same manner as the KTN buffer layer precursor solution was spin-coated and dried in a nitrogen atmosphere on the KTN amorphous buffer layer patterned by the etching described above. . Then, after heating with a heater in an oxygen atmosphere and maintaining at 300 ° C. for 1 hour, the KTN amorphous optical waveguide layer having a composition having a refractive index of 2.25 after epitaxial growth is cooled to a thickness of 0.23 μm by cooling. Formed. Further, by heating at 700 ° C. for 1 hour, solid phase epitaxial growth of the KTN amorphous buffer layer and the KTN amorphous optical waveguide layer was performed.
[0086]
Further, the precursor solution for the KTN optical waveguide layer was spin-coated on a surface thereof in a nitrogen atmosphere and dried. Then, it was heated at 300 ° C. by a heater in an oxygen atmosphere, further kept at 700 ° C. for 1 hour, and then cooled. By repeating this, solid-phase epitaxial growth was performed, and a KTN epitaxial optical waveguide layer having a composition with a refractive index of 2.25 was formed with a thickness of 1.4 μm. It is more desirable to repeat solid phase epitaxial growth with such a thin film thickness than in the case of solid phase epitaxial growth of a thick amorphous layer at a time in terms of crystal quality. Of course, the present invention is not limited to this, and the number of repetitions and the film thickness of each time can be selected as necessary. After an Al thin film having a thickness of 200 nm is formed on the KTN epitaxial optical waveguide layer of the Y branch portion 207 shown in FIG. 1 by a sputtering method, the same 5 μm width and 2000 μm length shown in FIG. The first and second upper electrodes 212 and 213 were formed to manufacture a 1 × 2 optical switch 201. The incident end face and the outgoing end face were polished.
[0087]
The crystallographic relationship between the stacked layers can be expressed as the following expression structure (1). Note that a slash "/" is provided between the layers. The same applies hereinafter.
Epitaxial or single orientation KTN (100) optical waveguide layer / KTN (100) buffer layer / Nb-SrTiO 3 (100) substrate and in-plane orientation KTN [001] optical waveguide layer / KTN [001] buffer layer / Nb-SrTiO 3 [001] Substrate ... (1)
The secondary electro-optic coefficient R of the KTN optical waveguide layer is represented by the following equation (2).
R = 2 × 10 -15 (M 2 / V 2 …… (2)
[0088]
When a laser beam having a wavelength of 1.5 μm is made incident on the incident port 204 of the 1 × 2 optical switch 201 obtained as described above, the first and second laser beams are output by the Y branching unit 207 with an optical power of 3 dB (50%). Laser light was output from the first and second emission ports 205 and 206 after being branched into two S-shaped optical waveguides 209 and 210. At this time, the Nb-SrTiO 3 By applying a voltage to one of the electrodes (not shown) of the substrate 221 and one of the first and second upper electrodes 212 and 213, the refractive index between the electrodes changes.
[0089]
FIG. 3 shows the relationship between the applied voltage and the changing refractive index. This characteristic diagram is obtained by measuring the amount of change in the refractive index with respect to the applied voltage of the oxide paraelectric material constituting the optical waveguide layer in the same laminated structure as the 1 × 2 optical switch 201 of this embodiment. When the applied voltage is gradually increased from 0 V so that the first or second upper electrode 212 or 213 shown in FIG. 1 becomes a positive voltage, the refractive index acts in a decreasing direction, and a parabolic quadratic function is obtained. Behavior. It can be seen that for an applied voltage of about 20 V, the refractive index varies by -0.003.
[0090]
Now, suppose that the above-mentioned electrode of the substrate 221 shown in FIG. 2 is grounded, and 5 V is applied to the first or second upper electrode 212, 213 as an applied voltage. For example, when a voltage is applied to the first upper electrode 212, the refractive index of the first S-shaped optical waveguide 209 thereunder decreases, and the refractive index of the second S-shaped optical waveguide 210 does not decrease. As a result, the laser light having a wavelength of 1.5 μm incident from the incident port 204 is applied to the Y branch 207 at the second lower electrode 213 below the second upper electrode 213 where no voltage is applied and the refractive index is not reduced. Then, the light passes through only the S-shaped optical waveguide 210 and is emitted from the second emission port 206.
[0091]
Conversely, in order to emit laser light from the first emission port 205, a voltage of 5 V may be applied only to the second upper electrode 213. In the case of the 1 × 2 optical switch 201 of the present embodiment, the switching frequency is 100 MHz or more, the crosstalk is 20 dB or less, the insertion loss is 5 dB or less, and good characteristics independent of polarization can be secured. .
[0092]
<Second embodiment>
[0093]
FIG. 4 shows a Y-branch 1 × 8 optical switch as an optical device according to a second embodiment of the present invention. The 1 × 8 optical switch 301 has an incident end face 302 and an exit end face 303 located on the opposite side. One entrance port 304 is arranged on the entrance end face 302, and first to eighth exit ports 305 to 312 are arranged on the exit end face 303 at predetermined intervals. The input port 304 is connected to the input port side of the first optical switch section 321 having the same configuration as the 1 × 2 optical switch 201 of the first embodiment, and the first output port side is connected to the first optical switch section 321 having the same configuration. The input port side of the second optical switch unit 322 is connected. Further, the input port side of the third optical switch section 323 having the same configuration is connected to the first output port side of the second optical switch section 322. The first and second emission ports 305 and 306 are connected to the emission port side of the third optical switch unit 323. Similarly, the input port side of the fourth optical switch section 324 having the same configuration is connected to the second output port side of the second optical switch section 322. The third and fourth emission ports 307 and 308 are connected to the emission port side of the fourth optical switch unit 324. Further, the input port side of the fifth optical switch section 325 is connected to the second output port side of the first optical switch section 321. The input port side of the sixth optical switch section 326 is connected to the first output port side of the fifth optical switch section 325, and the input of the seventh optical switch section 327 is connected to the second output port side. The port side is connected. The fifth to eighth emission ports 309 to 312 are connected to the emission port sides of the sixth and seventh optical switch units 326 and 327, respectively.
[0094]
FIG. 5 shows the structure of only the first optical switch section taken out. Although the specific sizes of the second to seventh optical switch units 322 to 327 shown in FIG. 4 may be different from those of the first optical switch unit 321, their structures are substantially the same. The first optical switch section 321 has substantially the same structure as the 1 × 2 optical switch 201 of the first embodiment shown in FIG. Therefore, in the first optical switch section 321, the same portions as those of the 1 × 2 optical switch 201 are added with “A” to their reference numerals, and the description thereof is omitted as appropriate. FIG. 2 will be used as appropriate in the description of the cross-sectional structures of the first to seventh optical switch units 321 to 327.
[0095]
(1) Buffer layer formation
Similarly to the 1 × 2 optical switch 201 of the first embodiment, in the manufacture of the 1 × 8 optical switch 301, Nb-doped SrTiO that has been previously washed, etched and dried is used. 3 On a (100) single crystal substrate, a KTN epitaxial buffer layer having a composition with a refractive index of 2.20 was formed with a thickness of 1.2 μm. Next, a KTN amorphous buffer layer having a composition with a refractive index of 2.20 was formed with a thickness of 0.23 μm. Next, a photoresist was spin-coated, prebaked, exposed, and developed. After the post-baking, a part of the KTN buffer layer was removed by wet etching with an aqueous HCl solution, and as shown in FIG. 2, a pattern was formed by performing etching with a width of 5 μm and a depth of 0.23 μm in the depth direction of the optical waveguide. Next, the resist material was peeled off by a remover.
[0096]
Next, a step of forming a KTN optical waveguide layer on the KTN buffer layer will be described.
[0097]
(2) Optical waveguide layer formation
A KTN epitaxial optical waveguide layer having a composition with a refractive index of 2.25 having a thickness of 1.6 μm was formed on the KTN amorphous buffer layer patterned by the etching described above, similarly to the KTN buffer layer. After forming an Al thin film having a thickness of 200 nm on the KTN epitaxial optical waveguide layer at the Y branch portion by a sputtering method, a first upper portion having a width of 5 μm and a length of 2000 μm as shown in FIG. 1 by a lift-off method. The electrode 212 and the second upper electrode 213 were formed for each of the first to seventh optical switches 321 to 327, and were formed for each 1 × 2 optical switch. Then, a 1 × 8 optical switch 301 composed of a total of seven stages of three stages using the 1 × 2 optical switch 201 shown in FIG. 1 as a basic unit was manufactured. One optical fiber (not shown) is disposed at the input port 304 of the input end face 302 of the 1 × 8 optical switch 301, and eight optical fibers are provided at 250 μm intervals at the first to eighth output ports 305 to 312 of the output end face 303. Of optical fibers (both not shown). Note that the input end face 302 and the output end face 303 were polished.
[0098]
The crystallographic relationship between the stacked layers can be expressed as the expression structure (1) as in the 1 × 2 optical switch 201 of the first embodiment. The secondary electro-optic coefficient R of the KTN optical waveguide layer is as shown in the above equation (2).
[0099]
As one 1 × 2 optical switch constituting the 1 × 8 optical switch, for example, the characteristics of the first optical switch unit 321 shown in FIG. 5 will be described. When a laser beam having a wavelength of 1.5 μm is incident on the incident port 204A of the upper electrode, the Y-branch 207A branches to the first and second S-shaped optical waveguides 209A and 210A with an optical power of 3 dB (50%). Then, laser light was output from the first and second emission ports 205A and 206A. At this time, the Nb-SrTiO 3 When a voltage is applied between an electrode (not shown) of the substrate 221 and any one of the first and second upper electrodes 212A and 213A, the refractive index between the electrodes changes.
[0100]
The relationship between the applied voltage and the changing refractive index at this time has already been described with reference to FIG. That is, as the applied voltage is gradually increased from 0 V so that the first or second upper electrode 212A, 213A becomes a positive voltage, the refractive index acts in the direction of decreasing, and the parabolic quadratic function behaves. Is shown. It can be seen that for an applied voltage of about 20 V, the refractive index varies by -0.003.
[0101]
Conversely, if the applied voltage is gradually reduced from 0 V so that the first or second upper electrode 212A, 213A becomes a negative voltage, the refractive index acts in the direction of decreasing the same as when a positive voltage is applied. , It can be seen that for an applied voltage of about 20 V, the refractive index fluctuates by -0.003. By returning the applied voltage to 0 V, it is possible to adjust the refractive index by high-reproducible voltage control without hysteresis.
[0102]
Now, it is assumed that the above-mentioned electrode of the substrate 221 shown in FIG. 2 is grounded and 5 V is applied to the first or second upper electrode 212A, 213A as an applied voltage. For example, when a voltage is applied to the first upper electrode 212A, the refractive index of the first S-shaped optical waveguide 209A below it decreases, and the refractive index of the second S-shaped optical waveguide 210A does not decrease. As a result, the laser light having a wavelength of 1.5 μm incident from the incident port 204A is applied to the second branch 207A under the second upper electrode 213A to which no voltage is applied and the refractive index is not reduced in the Y branch 207A. Then, the light passes through only the S-shaped optical waveguide 210A and enters the second output port 206A to the incident port side of the fifth optical switch unit 325 shown in FIG.
[0103]
Conversely, in order for laser light to enter the second optical switch unit 322 from the first emission port 205A, a voltage of 5 V may be applied only to the second upper electrode 213A shown in FIG. The above is independently controlled by the first to seventh optical switch sections 321 to 327 each having a total of seven places, so that light is transmitted to any of the eight first to eighth emission ports 305 to 312. Can be switched.
[0104]
In the case of the 1 × 8 optical switch 301 of the second embodiment, the switching frequency was 100 MHz or more, the crosstalk was 20 dB or less, and the insertion loss was 7 dB or less, and good polarization-independent good characteristics could be secured.
[0105]
<Modification of Second Embodiment>
[0106]
FIG. 6 shows in principle the sectional structure of a first optical switch section as a modification of the 1 × 8 optical switch of the second embodiment of the present invention. The planar structure of the 1 × 8 optical switch of this modified example is substantially the same as the 1 × 8 optical switch 301 of the second embodiment shown in FIGS. Therefore, the same portions as those described above are denoted by reference numerals “B” after the numbers indicating these components, or “A” is replaced with “B”, and the description thereof will be omitted as appropriate. In addition, illustration of the second to seventh optical switch units 322B to 327B is omitted, and the drawing and description of the first optical switch unit 321B are appropriately used.
[0107]
As shown in FIG. 6, the first optical switch portion 321B of the Y-branch type 1 × 8 optical switch 301B of this modification is made of SrTiO 2 having insulating properties as a material of the substrate 221B. 3 (100) A single crystal substrate is used. Therefore, in the embodiment shown in FIG. 2, the lower Nb-SrTiO 3 The substrate 221 itself constitutes the lower electrode, which is grounded. In this modification, SrTiO 2 is used. 3 The lower electrode layer 351 is formed on the single crystal substrate 221B, and is grounded. The lower electrode layer 351 is made of SrTiO 3 It is a Pt thin film formed on a single crystal substrate 221B. On the lower electrode layer 351, an epitaxial buffer layer 222B made of KTN having a wavelength of 1.5 μm and a composition having a refractive index of 2.20, and an epitaxial film made of KTN having a composition having a refractive index of 2.23 at the same wavelength. Alternatively, an optical waveguide layer 223B made of an alignment film is formed in order, and a KTN epitaxial cladding layer 361 having a composition having a refractive index of 2.20 is further formed thereon.
[0108]
SrTiO 3 The lattice constant of the (100) single crystal substrate 221B is 3.905 °, while the lattice constant of the Pt thin film forming the lower electrode layer 351 is 3.924 °. Further, since the KTN single crystal film constituting the epitaxial buffer layer 222B has a lattice constant of 3.90 °, the lattice mismatch is extremely small at 0.6% or less, and good epitaxial growth is possible. The above-described optical waveguide is formed in the optical waveguide layer 223B. An aluminum thin film for applying a voltage to the Y branch portion via the cladding layer 361 is formed on the optical waveguide layer 223B made of an epitaxial film or an alignment film. A first upper electrode 212B and a second upper electrode 213B are provided. The first upper electrode 212B and the second upper electrode 213B are connected to a power supply (not shown) via a drive circuit (not shown) connected to a control circuit (not shown), and the lower electrode layer 351 and the power supply are grounded. ing.
[0109]
Next, a method of manufacturing the 1 × 8 optical switch 301B of this modification will be described.
[0110]
(1) Buffer layer formation
SrTiO previously cleaned, etched and dried in the same manner as the 1 × 2 optical switch 201 of the first embodiment. 3 A Pt epitaxial film having a thickness of 50 nm is formed as the lower electrode layer 351 on the (100) single crystal substrate 221B by sputtering. A KTN epitaxial buffer layer having a composition with a refractive index of 2.20 was formed thereon with a thickness of 2 μm. Next, a KTN amorphous buffer layer having a composition with a refractive index of 2.20 was formed with a thickness of 500 nm.
[0111]
Next, in the same manner as shown in FIG. 2, a part of the KTN buffer layer 222B is removed by wet etching with an aqueous HCl solution, and as shown in FIG. 2, etching of 5 μm in width and 230 nm in the depth direction of the optical waveguide is performed. A pattern was formed. Next, the resist material was peeled off by a remover.
[0112]
Next, the KTN optical waveguide layer formed on the KTN buffer layer will be described.
[0113]
(2) Optical waveguide layer formation
A KTN epitaxial optical waveguide layer having a composition with a refractive index of 2.23 having a thickness of 500 nm was formed on the KTN amorphous buffer layer patterned by etching, similarly to the KTN buffer layer. Thereafter, the KTN amorphous buffer layer and the KTN amorphous optical waveguide layer were subjected to solid-phase epitaxial growth to obtain a KTN epitaxial buffer layer and a KTN epitaxial optical waveguide layer 223B.
[0114]
Next, a KTN epitaxial cladding layer 361 having a composition with a refractive index of 2.20 was formed on the KTN epitaxial optical waveguide layer 223B to a thickness of 2 μm by solid phase epitaxial growth. After an Al thin film having a thickness of 200 nm is formed on the KTN epitaxial optical waveguide layer 223B at the Y branch portion by a sputtering method, a lift-off method is used to form an upper electrode having a width of 5 μm and a length of 3000 μm as shown in FIG. One upper electrode 212B and a second upper electrode 213B are formed. The above is formed for each of the first to seventh optical switch sections 321 to 327 (1 × 2 optical switch) to form a three-stage tree structure with the 1 × 2 optical switch shown in FIG. A 1 × 8 optical switch 301B composed of the individual pieces was manufactured. One optical fiber (not shown) is arranged on the first-stage incident end face of the 1 × 8 optical switch 301B, and eight optical fibers (not shown) are arranged at an interval of 250 μm on the third-stage exit end face. The incident end face and the outgoing end face were polished.
[0115]
The crystallographic relationship between the stacked layers can be expressed as the following expression structure (3).
Epitaxial or single-oriented KTN (100) cladding layer / epitaxial or single-oriented KTN (100) optical waveguide layer / KTN (100) buffer layer / Pt (100) epitaxial electrode layer / SrTiO 3 (100) Substrate and in-plane orientation KTN [001] cladding layer / KTN [001] optical waveguide layer / KTN [001] buffer layer / Pt [001] layer / SrTiO 3 [001] Substrate (3)
The secondary electro-optic coefficient R of the KTN optical waveguide layer is as in the above equation (2).
[0116]
As one 1 × 2 optical switch constituting the 1 × 8 optical switch, for example, attention is paid to a first optical switch section 321B (see the first optical switch section 321 in FIG. 5), and its characteristics will be described. When a laser beam having a wavelength of 1.5 μm is incident on the incident port 204B of the upper electrode, the Y-branch 207B branches to the first and second S-shaped optical waveguides 209B and 210B with an optical power of 3 dB (50%). Then, laser light was output from the first and second emission ports 205B and 206B. At this time, the Nb-SrTiO 3 By applying a voltage between the electrode connected to the lower electrode layer 351 formed on the substrate 221B made of and any one of the first or second upper electrodes 212B and 213B, a voltage between the electrodes is increased. Changes.
[0117]
The relationship between the applied voltage and the changing refractive index at this time has already been described with reference to FIG. That is, when the applied voltage is gradually increased from 0 V so that the first or second upper electrode 212B, 213B becomes a positive voltage, the refractive index acts in a decreasing direction, and the parabolic quadratic function behaves. Is shown. It can be seen that for an applied voltage of about 20 V, the refractive index varies by -0.003.
[0118]
Conversely, when the applied voltage is gradually reduced from 0 V so that the first or second upper electrodes 212B and 213B become a negative voltage, the refractive index acts in the direction of decreasing as in the case where a positive voltage is applied. , It can be seen that for an applied voltage of about 20 V, the refractive index fluctuates by -0.003. By returning the applied voltage to 0 V, it is possible to adjust the refractive index by high-reproducible voltage control without hysteresis.
[0119]
Now, it is assumed that the lower electrode layer 351 shown in FIG. 6 is grounded, and 5 V is applied to the first or second upper electrode 212B, 213B as an applied voltage. As an example, when a voltage is applied to the first upper electrode 212B, refraction of the first S-shaped optical waveguide 209B thereunder (the reference character A of the corresponding component in FIG. 5 is replaced with B. The same applies hereinafter). The index decreases, and the refractive index of the second S-shaped optical waveguide 210B does not decrease. As a result, the laser light having a wavelength of 1.5 μm incident from the incident port 204B is applied to the Y-branch 207B at the second lower electrode 213B where no voltage is applied and the refractive index is not reduced. Then, the light passes through only the S-shaped optical waveguide 210B and enters the second optical output port 206B to the incident port side of the fifth optical switch unit 325 shown in FIG.
[0120]
Conversely, in order for laser light to enter the second optical switch unit 322 from the first emission port 205B, a voltage of 5 V may be applied only to the second upper electrode 213B shown in FIG. The above is independently controlled by the first to seventh optical switch sections 321 to 327 each having a total of seven places, so that light is transmitted to any of the eight first to eighth emission ports 305 to 312. Can be switched.
[0121]
The formation of the cladding layer 361 is performed when it is desired to further reduce the propagation loss in the optical waveguide. When the thickness of the cladding layer 361 is increased, low loss characteristics are obtained, and a desired effect is exhibited. However, when the thickness of the cladding layer 361 is large, the effective voltage applied to the optical waveguide layer 223B decreases. Therefore, the thickness of the cladding layer 361 is set in consideration of the switching voltage and the loss characteristics.
[0122]
In this modification, the switching frequency is 100 MHz or more, the crosstalk is 20 dB or less, the insertion loss is 6 dB or less, the loss is improved as compared with the case of the second embodiment, and the polarization independent good characteristics are obtained. Could be secured.
[0123]
<Third embodiment>
[0124]
FIG. 7 shows an outline of the structure of an 8 × 8 optical switch according to the third embodiment of the present invention. This 8 × 8 optical switch 401 is an 8 × 8 optical switch having a crossbar configuration in which 64 2 × 2 optical switches are combined, and has an input end face 402 and an output end face 403 arranged on the opposite side. I have. The incident end face 402 is divided into two groups of eight, and half of the ports are dummy, and the first to fourth incident ports 411 to 414 and the fifth to eighth incident ports 415 to 418 are arranged. I have. In addition, the output end face 403 is divided into two groups of eight, and the first to fourth output ports 421 to 424 and the fifth to eighth output ports 425 to 428 in which half of the ports are dummy are arranged. Have been.
[0125]
FIG. 8 is an enlarged view of one of a total of 64 X intersections where the 8 × 8 optical switches shown in FIG. 7 intersect in an X shape. The X intersection 431 includes first and second X incident ports 432 and 433 located on the incident end face 402 side shown in FIG. 7 and first and second X incident ports 432 and 433 located on the exit end face 403 side shown in FIG. X emission ports 434 and 435, a first linear optical waveguide 436 connecting the first X incidence port 432 and the second X emission port 435, a second X incidence port 433, and a first X emission port 434 are connected to each other, and the intermediate portions of the second linear optical waveguides 437 intersect at an X intersection position 438. Above the X-crossing position 438, an upper electrode 439 of a predetermined length, which is equidistant from the first linear optical waveguide 436 and the second linear-type optical waveguide 437, is located at the center position directly above the X crossing position 438. It is arranged to match the position.
[0126]
The 8 × 8 optical switch 401 shown in FIG. 7 has S-shaped or inverted S-shaped waveguides having linear first and second linear optical waveguides 436 and 437 in the middle thereof, each of which crosses X. Will be. Then, when the first and second X emission ports 434 and 435 are viewed from the first X incidence port 432 side as shown in FIG. 8, the respective X intersections are the same as those in the first embodiment. Of the Y-branch type optical switch. Similarly, when the first and second X emission ports 434 and 435 are viewed from the second X incidence port 433 side, a similar Y-branch type optical switch is obtained. Therefore, by controlling the voltage applied to the upper electrode 439, the signal light incident from the first to eighth incident ports 411 to 418 can be selected and output from the first to eighth exit ports 421 to 428.
[0127]
FIG. 9 illustrates a state in which one X intersection in the 8 × 8 optical switch is cut in the BB direction shown in FIG. 8 in principle. The 8 × 8 optical switch 401 uses an MgO (100) single crystal substrate having insulating properties as a material of the substrate 441. Therefore, a lower electrode layer 442 is formed thereon similarly to the modification of the second embodiment shown in FIG. 6, and this is grounded. The lower electrode layer 442 is an Ag epitaxial film. On top of this lower electrode layer 442, a KTN epitaxial buffer layer 443 having a composition of a refractive index of 2.20 at a wavelength of 1.5 μm and an epitaxial film or orientation of a KTN having a composition of a refractive index of 2.23 at the same wavelength. An optical waveguide layer 444 made of a film is formed in order, and further thereon, an upper electrode 439 made of an aluminum thin film for applying a voltage to the X branch portion 438 is arranged. The upper electrode 439 is connected to a power supply (not shown) via a drive circuit (not shown) connected to a control circuit (not shown), and the lower electrode layer 442 and the power supply are grounded.
[0128]
Next, a method of manufacturing an 8 × 8 optical switch 401 according to a modification of the third embodiment will be described with reference to FIGS.
[0129]
On the MgO (100) single crystal substrate 441 which has been washed, etched and dried in advance, an Ag epitaxial film having a thickness of 100 nm is laminated as the lower electrode layer 442 by RF magnetron sputtering. A KTN epitaxial buffer layer 443 having a composition with a refractive index of 2.20 was formed thereon with a thickness of 1500 nm by RF magnetron sputtering. A KTN epitaxial optical waveguide layer having a composition with a refractive index of 2.25 was formed thereon with a thickness of 1800 nm.
[0130]
Next, the KTN amorphous buffer layer and the KTN amorphous optical waveguide layer were removed by reactive ion etching using a resist pattern to form the X intersection portion 431 and expose the underlying electrode layer, leaving a part thereof. Then, after processing the optical waveguide having the crossbar structure as shown in FIG. 7 as a projection having a height of 300 nm and a width of 5 μm, the KTN amorphous buffer layer and the KTN amorphous optical waveguide layer are subjected to solid-phase epitaxial growth, and the KTN epitaxial buffer layer 443 and The KTN epitaxial optical waveguide layer 444 is used.
[0131]
On the KTN epitaxial optical waveguide layer at the center of the X intersection 431, a laminated thin film made of a 200 nm thick Al thin film and a 300 nm thick ITO (Indium Tin Oxide) is formed by sputtering. An upper electrode 439 having a width of 1 μm and a length of 3000 nm is formed by a lift-off method. These are formed for each 2 × 2 optical switch as the X intersection 431 shown in FIG. In this way, a total of 64 8 × 8 optical switches 401 using the 2 × 2 optical switches shown in FIG. 8 as a basic unit are manufactured. A total of four optical fibers (not shown) are arranged one by one at the first to fourth entrance ports 411 to 414 of the entrance end face 402 of the 8 × 8 optical switch 401 shown in FIG. A total of eight optical fibers (not shown) are arranged in each of the fourth emission ports 421 to 424 and the fifth to eighth emission ports 425 to 428. Note that the input end face 402 and the output end face 403 were polished.
[0132]
The crystallographic relationship between the stacked layers can be expressed as the following expression structure (4).
Epitaxial or single-oriented KTN (100) optical waveguide layer / KTN (100) buffer layer / Ag (100) epitaxial electrode layer / MgO (100) substrate, and in-plane orientation KTN [001] optical waveguide layer / KTN [001] Buffer layer / Ag [001] layer / MgO [001] substrate (4)
[0133]
As one 2.times.2 optical switch constituting the 8.times.8 optical switch 401, attention is paid to one X intersection 431 shown in FIG. When a laser beam having a wavelength of 1.5 μm is made incident on the first X incidence port 432 of the X intersection 431, the first and second X emission ports 434 and 435 are respectively emitted with an optical power of 3 dB (50%). Branched. At this time, by applying a voltage between the lower electrode layer 442 and the upper electrode 439, the refractive index between the electrodes changes. FIG. 3 shows the measurement of the change in the refractive index with respect to the applied voltage of the oxide paraelectric material constituting the optical waveguide layer in the same laminated structure as that of the optical switch of the present embodiment.
[0134]
When the applied voltage is gradually increased from 0 V so that the upper electrode 439 becomes a positive voltage, the refractive index acts in a decreasing direction, and exhibits a parabolic quadratic function. It can be seen that for an applied voltage of about 20 V, the refractive index varies by -0.003.
[0135]
Conversely, if the applied voltage is gradually decreased from 0 V so that the upper electrode 439 becomes a negative voltage, the refractive index acts in the direction of decreasing as in the case of applying the positive voltage, and the applied voltage is about 20 V. Thus, it can be seen that the refractive index changes by -0.003. By returning the applied voltage to 0 V, it is possible to adjust the refractive index by high-reproducible voltage control without hysteresis. Now, when the lower electrode layer 442 is grounded and 5 V is applied to the upper electrode 439, the refractive index of the optical waveguide below the upper electrode 439 decreases, and as a result, total reflection switch control is performed. That is, the laser light having a wavelength of 1.5 μm incident from the first X incidence port 432 is totally reflected by the X branch portion 438 and is emitted from the first X emission port 434. In a state where no voltage is applied to the upper electrode 439 and the refractive index does not decrease, the laser light incident from the first X incident port 432 goes straight through the X branch portion 438 and exits from the second X exit port 435. You.
[0136]
Next, a case where an optical signal having a wavelength of 1550 nm is incident on the first X incident port 432 and an optical signal having a wavelength of 1560 nm is incident on the second X incident port 433 will be described. When no voltage is applied to the upper electrode 439, the optical signal having a wavelength of 1550 nm at the first X incidence port 432 proceeds straight as it is at the X branching section 438 and is emitted from the second X emission port 435. The optical signal having a wavelength of 1560 nm at the second X incidence port 433 also proceeds straight as it is at the X branching section 438 and is emitted from the first X emission port 434.
[0137]
On the other hand, when a voltage is applied to the upper electrode 439 and the total reflection condition is satisfied, the optical signal having a wavelength of 1550 nm that has entered the first X incidence port 432 is totally reflected by the X branching section 438 and the first signal is emitted. The light is emitted from the X emission port 434. Also, an optical signal having a wavelength of 1560 nm is totally reflected by the X branching section 438 and emitted from the second X emission port 435. The above is independently controlled in each of the 8 × 8 optical switch sections including a total of 64 points, so that the signal light incident from the first to eighth incident ports 411 to 418 can be transmitted to the first to eighth exit ports 421. To 428.
[0138]
In the case of the 8 × 8 optical switch 401 of the present embodiment, the switching frequency is 100 MHz or more, the crosstalk is 20 dB or less, the insertion loss is 8 dB or less, and good characteristics independent of polarization can be secured. .
[0139]
<Fourth embodiment>
[0140]
FIG. 10 shows a directional coupler type 2 × 2 optical switch as an optical device according to the fourth embodiment of the present invention. The 2 × 2 optical switch 451 of this embodiment is a pair of optical waveguides which are parallel to each other by a predetermined length at a central portion and are close to each other, and which are separated from each other so as to draw a curve at both ends and have a line-symmetrical relationship with each other. Wave paths 452 and 453 are provided to form an X intersection as a whole. Above the first and second optical waveguides 452 and 453, there are formed a strip-shaped electrode portion arranged along the waveguide portion and a wide electrode portion bent at a right angle to the strip-shaped electrode portion. First and second upper electrodes 454 and 455 having a line-symmetric relationship with each other are arranged.
[0141]
FIG. 11 shows in principle the sectional structure of the 2 × 2 optical switch in the CC direction. The 2 × 2 optical switch 451 of the fourth embodiment uses a glass substrate 461. On this glass substrate 461, first, an amorphous SrRuO 3 A thin film is formed with a thickness of 1000 nm by an ion beam sputtering method, and subsequently, a KTN amorphous buffer layer 463 having a refractive index of 2.15 is formed with a thickness of 1000 nm. Further thereon, a KTN amorphous optical waveguide layer 464 having a refractive index of 2.23 is formed with a thickness of 1500 nm. The KTN amorphous optical waveguide layer 464 is removed by ion etching except for a part thereof. In this way, the first and second optical waveguides 452 and 453 having the shape of the directional coupling switch shown in FIG. 10 are processed and formed as protrusions having a height of 200 nm and a width of 5.0 μm. Next, a KTN amorphous cladding layer 465 having a composition with a refractive index of 2.18 is formed on the KTN amorphous optical waveguide layer 464 to a thickness of 1200 nm by an ion beam sputtering method.
[0142]
On the KTN amorphous cladding layer 465 at the center of the X intersection, an Al electrode having a thickness of 200 nm is formed by an ion beam sputtering method, and first and second upper electrodes 454 and 455 are formed by a lift-off method. It is formed. Thus, a single mode X-crossing type 2 × 2 optical switch 451 similar to the X-crossing portion 431 (see FIG. 8) of the third embodiment can be manufactured.
[0143]
Note that the principle of the method of driving the 2 × 2 optical switch 451 of the fourth embodiment is almost the same as that of the first embodiment, and a description thereof will be omitted. Although the 2 × 2 optical switch 451 of the fourth embodiment uses a directional coupler type 2 × 2 optical switch, a similar optical switch is configured by applying a Bragg reflection type optical switch instead. It is also possible.
[0144]
<Fifth embodiment>
[0145]
FIG. 12 shows an outline of the structure of a 2 × 2 optical switch according to the fifth embodiment of the present invention. The 2 × 2 optical switch 501 of the present embodiment is a single mode Mach-Zehnder interference type 2 × 2 optical switch. The directional coupler type 2 × 2 optical switch 501 has a line symmetry relationship with two X crossing portions 502 and 503 and a mutually parallel waveguide portion 504 provided therebetween. The first and second optical waveguides 506 and 507 are linearly symmetrical with each other and are formed of a strip-shaped electrode portion disposed along each of the parallel waveguide portions 504 and a wide electrode portion bent at right angles thereto. The first and second upper electrodes 508 and 509 have the following shapes.
[0146]
FIG. 13 shows in principle the sectional structure of the 2 × 2 optical switch in the DD direction. The 2 × 2 optical switch 501 of the fifth embodiment uses a glass substrate 511. On this glass substrate 511, first, an amorphous SrRuO 3 A thin film is formed with a thickness of 1000 nm by an ion beam sputtering method, and subsequently, a KTN amorphous buffer layer 513 having a refractive index of 2.27 is formed with a thickness of 1000 nm. Further thereon, a KTN amorphous optical waveguide layer 514 having a refractive index of 2.38 is formed with a thickness of 1500 nm. The KTN amorphous optical waveguide layer 514 is removed by ion etching except for a part thereof. In this manner, the first and second optical waveguides 506 and 507 having the shape of the directional coupling switch shown in FIG. 12 are processed and formed as convex portions having a height of 300 nm and a width of 5.0 μm. Next, a KTN amorphous cladding layer 515 having a composition with a refractive index of 2.18 is formed on the KTN amorphous optical waveguide layer 514 to a thickness of 1200 nm by an ion beam sputtering method.
[0147]
After forming an Al electrode to a thickness of 200 nm by ion beam sputtering on the KTN amorphous cladding layer 515 of the flat waveguide portion 504 (see FIG. 12) between the two intersections 502 and 503, the lift-off is performed. First and second upper electrodes 508 and 509 are formed by the off method. Thereby, a single mode Mach-Zehnder interference type 2 × 2 optical switch 501 can be manufactured. Note that the principle of the method of driving the 2 × 2 optical switch 501 of the fifth embodiment is almost the same as that of the first embodiment, and a description thereof will be omitted. In the 2 × 2 optical switch 501 of the fifth embodiment, a directional coupler type 2 × 2 optical switch is used. Instead, a similar optical switch is configured by applying a Bragg reflection type optical switch. It is also possible.
[0148]
<Sixth embodiment>
[0149]
FIG. 14 shows a single mode Mach-Zehnder interference type 1 × 2 optical attenuator according to the sixth embodiment of the present invention. This 1 × 2 optical attenuator 551 has an incident end face 552 and an output end face 553 arranged on the opposite side. One incident port 554 is arranged on the incident end face 552, and one exit port 555 is arranged on the exit end face 553. Between these ports 554 and 555, a linear optical waveguide 561 from the incident end face 552 side, and a pair of S-shaped optical waveguides 562 each having one end connected to one end of the linear optical waveguide 561 (Y branch), 563, parallel linear optical waveguides 564, 565 which are connected at one end to the other ends of the S-shaped optical waveguides 562, 563, and one ends at the other ends of the linear optical waveguides 564, 565, respectively. A pair of connected S-shaped optical waveguides 566 and 567 and a linear optical waveguide 568 having one end connected to the junction of the S-shaped optical waveguides 566 and 567 and the other end connected to the output port 555 are arranged. I have. On these optical waveguides 561 to 568, a predetermined distance is provided along a line symmetric position of the pair of linear optical waveguides 564 and 565 from a branch point of the linear optical waveguide 561 and the S-shaped optical waveguides 562 and 563. The upper electrode 571 composed of the provided strip-shaped electrode portion, the wide electrode portion bent in a direction perpendicular to the strip-shaped electrode portion, and the linear optical waveguides 564 and 565 are disposed in close proximity to the respective linear optical waveguides 564 and 565. First and second ground electrodes 572 and 573 are arranged. A groove is cut in the middle of the linear optical waveguide 568 so as to cross it, and a polarizer 574 is mounted on the groove. Depending on the application of the 1 × 2 optical attenuator 551, the polarizer 574 can be omitted, and the cost as an attenuator can be reduced.
[0150]
FIG. 15 shows an end face structure obtained by cutting the 1 × 2 optical attenuator of the sixth embodiment in the EE direction. This 1 × 2 optical attenuator 551 is formed by forming a KTN amorphous buffer layer having a refractive index of 2.18 as a buffer layer 582 with a thickness of 1000 nm on a polymer substrate 581 using an ion-assisted vapor deposition method. The KTN amorphous optical waveguide layer 583 having a ratio of 2.23 is formed with a thickness of 1500 nm. Next, the KTN amorphous optical waveguide layer 583 is removed by ion etching except for a part thereof, and a Mach-Zehnder interference type optical waveguide (portions of linear optical waveguides 564 and 565 in the figure) is 300 nm in height and 9 mm in width. It is processed and formed as a 0.0 μm convex portion.
[0151]
Next, a clad layer 584 is formed on the KTN amorphous optical waveguide layer 583, and an Al electrode is formed thereon with a thickness of 200 nm by ion-assisted vapor deposition. By forming the upper electrode 571 and the first and second ground electrodes 572 and 573, a single mode Mach-Zehnder interference type 1 × 2 optical attenuator can be manufactured.
[0152]
When a laser beam having a wavelength of 1.5 μm is made incident on the incident port 554 of the 1 × 2 optical attenuator 551, 3 dB is produced at the Y branch where the linear optical waveguide 561 and the pair of S-shaped optical waveguides 562 and 563 are connected. (50%), and split into two linear optical waveguides 564 and 565 (two output ports). At this time, by applying a voltage between the upper electrode 571 and the first and second ground electrodes 572 and 573, the refractive index between the electrodes changes.
[0153]
FIG. 16 shows the characteristics of the 1 × 2 optical attenuator of the sixth embodiment. In this figure, the horizontal axis indicates the coupling length L between the two optical waveguides, and the vertical axis indicates the light intensity of the laser light output from the emission port 555. When the coupling length L changes from “0” to “2Lc” which is twice the complete coupling length “Lc”, the interference effect increases or decreases accordingly, and as a result, the light of the laser beam output from the emission port 555 The intensity changes. In the 1 × 2 optical attenuator 551 of this embodiment, this change is performed by changing the refractive index of the optical waveguide layer.
[0154]
FIG. 17 shows the result of measuring the change in the refractive index with respect to the applied voltage of the oxide paraelectric material constituting the optical waveguide layer in the same structure as the 1 × 2 optical attenuator of the sixth embodiment. When the applied voltage is gradually increased from 0 V so that the upper electrode 571 shown in FIG. 14 becomes a positive voltage, the refractive index acts in a decreasing direction, and exhibits a parabolic quadratic behavior. The length k of the ground electrode in the light propagation direction is an even multiple of the complete coupling length Lc. When the applied voltage corresponds to the complete coupling length Lc, the maximum light decay rate is obtained, and the light intensity can be attenuated to 60 dB or less. Conversely, even when the applied voltage is gradually reduced from 0 V so that the upper electrode 571 becomes a negative voltage, the refractive index acts in the direction of decreasing similarly to the case where the positive voltage is applied.
[0155]
In the case of the 1 × 2 optical attenuator 551 of the seventh embodiment, the optical attenuation frequency was 100 MHz or more and the insertion loss was 5 dB or less, and good characteristics were obtained.
[0156]
<Seventh embodiment>
[0157]
FIG. 18 shows a directional coupling type optical attenuator according to a seventh embodiment of the present invention. The directional coupling type optical attenuator 601 has an incident end face 602 and an exit end face 603 arranged on the opposite side. One entrance port 604 is arranged on the entrance end face 602, and one exit port 605 is also arranged on the exit end face 603. One linear optical waveguide 606 is formed between the input port 604 and the output port 605. In addition, a first optical waveguide 607 is formed on the upper side in the figure in which the incident end face 602 side is curved in an S shape and the output end face 603 side is linear, and further on the lower side in FIG. A second optical waveguide 608 whose side is curved in an S shape and whose exit end face 603 side is linear is formed. Furthermore, a first directional coupler 612 on which three first control electrodes 611 are arranged so as to sandwich the linear optical waveguide 606 and the first optical waveguide 607 is provided on the incident end face 602 above these. It is configured on the near side. Next to this, three second control electrodes 613 are arranged so as to sandwich the linear optical waveguide 606 and the second optical waveguide 608, and a second directional coupler 614 is configured.
[0158]
FIG. 19 shows an end face structure of the directional coupling type optical attenuator cut in the FF direction in FIG. This directional coupling type optical attenuator 601 has a KTN unidirectionally oriented cladding layer 622 formed on an MgO substrate 621, and a linear optical waveguide 606 composed of a KTN unidirectionally oriented optical waveguide and a first optical waveguide 606. An optical waveguide 607 is formed. Three first control electrodes 611 are formed on the KTN uni-oriented cladding layer 622 via the buffer layer 624, and constitute a first directional coupler 612 (FIG. 18).
[0159]
Such a directional coupling type optical attenuator 601 is manufactured as follows. First, a KTN single-oriented cladding layer 622 having a refractive index of 2.16 is formed to a thickness of 2500 nm on the MgO substrate 621 by a sputtering method. Next, titanium (Ti) is thermally diffused through a part of the KTN single-orientation cladding layer to form a KTN single-orientation optical waveguide 623 having a refractive index of 2.19. For the thermal diffusion, a Ti film having a film thickness of about 500 nm is formed and then heated to a temperature of about 1000 ° C. so that Ti atoms are thermally diffused into the KTN unidirectional cladding layer 622 as shown in this figure. Then, the refractive index in that region increases, forming a core. An optical waveguide can also be formed by performing proton exchange instead of Ti.
[0160]
If it is desired to particularly reduce the waveguide propagation loss, another buffer layer may be formed. That is, a single-layer KTN buffer layer having a refractive index of 2.16 is formed to a thickness of 1100 nm by a sputtering method. Without the buffer layer, absorption loss occurs in the metal electrode in a part of the mode field propagating in the optical waveguide. By forming the buffer layer, the mode field can be formed with a low-loss medium.
[0161]
Next, the formation of the electrodes will be described. As the electrode, an Au electrode is formed as a first control electrode 611 with a thickness of 200 nm on the KTN unidirectional buffer layer 624 by an electron beam evaporation method. In consideration of film adhesion, an Au electrode may be formed after evaporating a metal such as Cr (chromium) or Ti (titanium) to a thickness of about 1 to 50 nm. The length of the electrode is twice the complete coupling length Lc, but is not limited to this, and may be any even number. By forming an electrode having the shape shown in FIG. 18, a directional-coupling optical attenuator including two single-mode stages can be manufactured.
[0162]
When a voltage is not applied to the first and second control electrodes 611 and 613 in a state where signal light having a wavelength of 1.5 μm is incident on the incident port 604 of the directional coupling type optical attenuator 601, almost 100 % Of the signal light is emitted from the emission port 605. When it is desired to attenuate the amount of signal light incident from the incident port 604, DC (direct current) is applied to the first and second control electrodes 611 and 613 disposed in the first and second directional couplers 612 and 614. ) A voltage is applied between adjacent waveguides forming the first and second directional couplers 612 and 614 (between the linear optical waveguide 606 and the first optical waveguide 607 or the second optical waveguide 608). ) Is applied with an external electric field. Then, the respective optical waveguides are in a phase mismatch state, and a part of the signal light moves from the linear optical waveguide 606 to the first optical waveguide 607 or the second optical waveguide 608. As a result, attenuation of the signal light emitted from the emission port 605 of the linear optical waveguide 606 is realized.
[0163]
As described above, in the present embodiment, the two directional couplers 612 and 614 are connected in cascade, so that the variable optical attenuation of about 15 to 0 dB is the limit in terms of manufacturing by itself, but in the case of this configuration, A variable optical attenuator having a large dynamic range of 40 to 60 dB can be realized. The number of directional couplers may be three or more.
[0164]
<Eighth embodiment>
[0165]
FIG. 20 shows a Mach-Zehnder type optical modulator according to an eighth embodiment of the present invention. This Mach-Zehnder type optical modulator 651 has an incident end face 652 and an exit end face 653 arranged on the opposite side. One entrance port 654 is arranged on the entrance end face 652, and an exit port 655 is arranged on the exit end face 653. Between them, a linear optical waveguide 661 from the incident end face 652 side, a pair of S-shaped optical waveguides 662 and 663 each having one end connected (Y-branched) to one end of the linear optical waveguide 661, Linear optical waveguides 664, 665 connected to the other ends of the U-shaped optical waveguides 662, 663 and one end thereof, respectively, and a pair of S-shaped one ends connected to the other ends of the linear optical waveguides 664, 665, respectively. Type optical waveguides 666 and 667, and a linear optical waveguide 668 having one end connected to the junction of the S-shaped optical waveguides 666 and 667 and the other end connected to the emission port 655. On each of these optical waveguides 661 to 668, a pair of S is formed along a line symmetrical position of the pair of linear optical waveguides 664 and 665 from the branch point of the linear optical waveguide 661 and the S-shaped optical waveguides 662 and 663. A first band-shaped electrode portion provided up to the junction of the U-shaped optical waveguides 666 and 667, a second band-shaped electrode portion bent in an L-shape at right angles from the junction, and the Y-branch portion described above. An upper electrode 671 composed of a wide electrode portion bent at a right angle in a direction opposite to the second strip-shaped electrode portion, and a linear optical waveguide 664, 665, which is disposed adjacent to and adjacent to each of the linear optical waveguides 664, 665, one by one. First and second ground electrodes 672 and 673 are arranged. In the middle of the linear optical waveguides 661 and 668, grooves are cut on the side close to the input port 654 and the side close to the output port 655 so as to cross them, and polarizers 674 and 675 are formed in these groove portions. Are attached. In this Mach-Zehnder type optical modulator 651, the polarizers 674 and 675 can be omitted depending on the application, and the cost as the optical modulator can be reduced.
[0166]
FIG. 21 shows an end face structure of the Mach-Zehnder type optical modulator cut in a direction GG in FIG. In the Mach-Zehnder type optical modulator 651, a KTN amorphous cladding layer 682 is formed on a glass substrate 681, and linear optical waveguides 664 and 665 made of a KTN amorphous optical waveguide are formed in a part thereof. On the KTN amorphous cladding layer 682, an upper electrode 671 and first and second ground electrodes 672 and 673 are formed via a buffer layer 684.
[0167]
The Mach-Zehnder type optical modulator 651 is manufactured as follows. First, a KTN amorphous cladding layer 682 having a refractive index of 2.16 is formed to a thickness of 2500 nm on a glass substrate 681 by a sputtering method. Next, a part of the KTN amorphous cladding layer 682 is thermally diffused with titanium (Ti) to form a KTN amorphous optical waveguide having a refractive index of 2.19. For thermal diffusion, a Ti film having a thickness of about 500 nm is deposited and then heated to a temperature of about 1000 ° C. As a result, Ti atoms are thermally diffused into the KTN amorphous cladding layer 682, the refractive index of the region is increased, and a core is formed as shown in FIG. An optical waveguide can also be formed by performing proton exchange instead of Ti.
[0168]
If it is desired to particularly reduce the waveguide propagation loss, another buffer layer may be formed. That is, a silicon dioxide (SiO 2) buffer layer having a refractive index of 1.46 is formed to a thickness of 1100 nm by a sputtering method. Without the buffer layer, absorption loss occurs in the metal electrode in a part of the mode field propagating in the optical waveguide. By forming the buffer layer, the mode field can be formed with a low-loss medium.
[0169]
Next, the formation of the electrodes will be described. The electrode is SiO 2 An Au electrode is formed with a thickness of 200 nm on the amorphous buffer layer as an upper electrode 671 and first and second ground electrodes 672 and 673 by an electron beam evaporation method. In consideration of film adhesion, it is preferable to form an Au electrode after evaporating a metal such as Cr (chromium) or Ti (titanium) to a thickness of about 1 to 50 nm. As shown in FIG. 20, the upper electrode 671 has a length between two Y branch points constituting the optical waveguide, and is formed in parallel with the optical waveguide. By forming electrodes having the shape shown in FIG. 21, a Mach-Zehnder type optical modulator can be manufactured.
[0170]
The upper electrode 671 was connected between the upper electrode 671 and the first and second ground electrodes 672 and 673 with the signal light having a wavelength of 1.5 μm being incident on the incident port 654 of the optical modulator 651. A DC voltage is applied from a signal source 678 (FIG. 20). Then, only the phase of the light wave propagating through one of the pair of linear optical waveguides 664 and 665 is shifted by the voltage between the upper electrode 671 and the first and second ground electrodes 672 and 673. When light waves propagating through the two linear optical waveguides 664 and 665 are multiplexed at the Y-coupling point (merging point) and their phases are shifted by half a wavelength, they cancel each other out, and a signal is output from the output port 655. Not done. Conversely, if the phases are integer multiples of the wavelength, a signal is output from the output port 655 at the original incident signal light amount.
[0171]
Thus, the optical modulator 651 according to the eighth embodiment of the present invention modulates the intensity of light. FIG. 20 illustrates a Mach-Zehnder type optical waveguide as a preferable example of such a branch type. In the eighth embodiment, polarizers 674 and 675 are provided on both the entrance side and the exit side of the optical modulator 651. However, as described above, these polarizers 674 and 675 are not always required. Therefore, one or both of the polarizers 674 and 675 can be omitted. Even when the polarizers 674 and 675 are not provided at all, the function as the optical modulator 651 can be sufficiently achieved.
[0172]
In this embodiment, when a driving voltage was examined by applying a voltage from the signal source 678, the half-wave voltage Vπ was 2.8V. Conventional LiNbO 3 Although the half-wavelength voltage is about 5.1 V in the waveguide type optical modulator using the above, an optical modulator with remarkably low voltage and low power consumption can be obtained. When the frequency response characteristics were examined, the frequency band was 18 GHz, which was 3 The characteristics were as good as those of the optical modulator. Conventionally, LiNbO 3 Although the optical modulator was configured using the single crystal substrate of the above, according to the film forming method on the glass substrate 681 as in the present embodiment, a low voltage and inexpensive optical modulator was realized as compared with the conventional one. can do.
[0173]
<Ninth embodiment>
[0174]
FIG. 22 shows a composite optical device combining an optical attenuator and an optical switch according to the ninth embodiment of the present invention. In the composite optical device 701, the left half of the figure provided with the input port 702 constitutes the optical attenuator 703, and the right half provided with the first and second exit ports 704, 705 constitutes the optical switch 706. I have. The optical attenuator 703 has the same configuration as the single mode Mach-Zehnder interference type 1 × 2 optical attenuator 551 shown in FIG. 14 in the sixth embodiment of the present invention. Therefore, each part of the optical attenuator 703 is denoted by the same reference numeral. The optical switch 706 has the same configuration as the directional coupler type 2 × 2 optical switch 451 as the optical device in the fourth embodiment of the present invention shown in FIG. Therefore, each part of the optical switch 706 is given the same reference numeral. The lower electrode layer 462 shown in FIG. 11 is exposed above the optical switch 706 for grounding.
[0175]
By the way, the KTN thin film can form a ferroelectric or paraelectric near room temperature by controlling the composition ratio of Ta atoms and Nb atoms. In the composite optical device 701 of the ninth embodiment, the optical attenuator 703 takes the same manufacturing steps as the sixth embodiment, and the optical switch 706 takes the same manufacturing steps as the fourth embodiment. By setting the ratio X to 0.5 or less, a ferroelectric substance can be obtained around room temperature, and a memory effect can be exhibited. Here, the memory effect is an effect in which even if the applied voltage is reduced to 0 volt from the state where the applied voltage is applied, there is a hysteresis in the change in the refractive index and the switch function is maintained. This effect is manifested only in ferroelectrics. In the case of an optical switch, in particular, there is a case where it is desired to maintain the switching state even when the applied voltage is reduced due to the memory effect. In this case, this effect is useful.
[0176]
Next, a specific method for manufacturing the composite optical device 701 will be described. The outline will be described first. Basically, a KTN paraelectric material forming the optical attenuator 703 and a KTN ferroelectric material forming the optical switch 706 are sequentially formed on a substrate using a mask (not shown). Finally, upper electrodes of the optical attenuator 703 and the optical switch 706 are formed.
[0177]
Specifically, first, a KTN paraelectric material constituting the optical attenuator 703 is formed by the following procedure. This will be described with reference to FIG. SrTiO 3 A KTN epitaxial buffer layer having a refractive index of 2.19 and serving as a buffer layer 582 is formed to a thickness of 1000 nm on a (100) single crystal substrate by a sputtering method. Next, a KTN epitaxial optical waveguide layer having a refractive index of 2.23 is formed with a thickness of 1500 nm. Next, the KTN epitaxial optical waveguide layer is removed by ion etching while leaving a part thereof, and a Mach-Zehnder interference type optical waveguide layer similar to that shown in FIG. 15 is formed by a convex portion having a height of 300 nm and a width of 9.0 μm. Processed as Further, a KTN epitaxial cladding layer having a composition with a refractive index of 2.19 is formed thereon to a thickness of 1500 nm, and is laminated in this order.
[0178]
SrTiO 3 Although the lattice constant of the (100) single crystal substrate 581 is 3.905 °, the lattice constant of the KTN single crystal film is 3.90 °, and the lattice mismatch is extremely small at 0.2% or less, and good epitaxial growth is possible. In the optical waveguide layer 583, linear optical waveguides 564 and 565 are formed.
[0179]
Subsequently, using another mask (not shown), the optical attenuator 703 (551) made of KTN paraelectric material is shielded, and an optical switch 706 (451) made of KTN ferroelectric material is formed in the following procedure. I do. This will be described with reference to FIG.
[0180]
SrTiO 3 An Ag thin film having a thickness of 100 nm is formed as a lower electrode on a (100) single crystal substrate 461, and a refractive index at a wavelength of 1.5 μm is 2.21 and a composition ratio is X = 0.1. An epitaxial buffer layer made of KTN having a thickness of 900 nm and an optical waveguide layer made of an epitaxial film made of KTN or an alignment film having a composition ratio X of 0.22 and a refractive index of 2.25 at the same wavelength and having a thickness of 1500 nm are formed. Is done. Next, the KTN epitaxial optical waveguide layer is removed by ion etching while leaving a part thereof, and the optical waveguide layer 464 is processed and formed as a projection having a height of 300 nm and a width of 9.0 μm. Further, a KTN epitaxial cladding layer 465 having a composition with a refractive index of 2.21 is formed thereon to a thickness of 1500 nm, and the structure is formed in this order. The KTN epitaxial film having a composition ratio X of “0” to “0.5” has a lattice constant of 3.95 ° to 4.04 °, but the lower electrode Ag epitaxial thin film has a lattice constant of 4.086 ° and a lattice mismatch of 3 Very small and excellent epitaxial growth of 0.4% or less is possible. Here, a pair of optical waveguides 452 and 453 are also formed in the optical waveguide layer 464.
[0181]
Subsequently, first and second upper electrodes 454 and 455 are formed in the following procedure. First, an Al thin film having a thickness of 200 nm is formed on a KTN epitaxial buffer layer by a sputtering method using a mask for forming an upper electrode (not shown), and then the first and second Al films as shown in FIG. Upper electrodes 454 and 455 are formed. As described above, the optical attenuator 703 (551) made of KTN paraelectric and the optical switch 706 (451) made of KTN ferroelectric are formed on one substrate. At the boundary between the optical attenuator 703 (551) and the optical switch 706 (451), the refractive index of the optical waveguide at the interface is 2.23 and 2.24, respectively, but the Fresnel reflection at the interface is 2 × 10 -3 %, Which is negligible when disturbing the optical signal propagation due to the light reflection effect.
[0182]
In the embodiment and the modification described above, KTN, that is, KTaYNb 1-Y O 3 The description has been made by taking the oxide paraelectric substance having the secondary electro-optic effect represented by the following example as an example, but the present invention is not limited to this. That is, as shown in the following Table 1, the general formula ABO 3 The oxide thin film having a perovskite structure represented by the formula has a lattice constant between 3.9 ° and 4.04 °, and is a transparent and inexpensive substrate such as MgO or SrTiO from the visible region to the infrared region. 3 There is an advantage that the lattice constant is close to the lattice constant of the single crystal substrate and lattice matching is easy. In addition, since the lattice constant of a metal film such as Pt, Ag, Al, or Au is close to the lattice constant, conditions suitable for various epitaxial or mono-oriented film oxide paraelectrics are prepared. The present invention can be similarly applied to these materials.
[0183]
[Table 1]
Figure 2004325536
[0184]
In general, a material having a lattice constant close to KTN is SrTiO. 3 , MgO or Pt is used.
[0185]
In the examples and the modified examples, the non-linear optical device was manufactured by using the electron beam evaporation method, the ion assist evaporation method, the RF magnetron sputtering method or the ion beam sputtering method. In addition, the DC magnetron sputtering method and the ion plating method were used. It can be naturally manufactured using various film forming methods such as molecular beam epitaxy (MBE), chemical vapor deposition (CVD), and dip coating.
[0186]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, an oxide paraelectric material having a secondary electro-optic effect is used, and a voltage is applied to a predetermined portion of the optical waveguide to reduce the refractive index of the optical waveguide. I decided to change it. Since the paraelectric substance has an extremely small relative dielectric constant as compared with the oxide ferroelectric substance, it can meet the demand for high-speed response.
[0187]
According to a second aspect of the present invention, in the nonlinear optical device according to the first aspect, the oxide paraelectric substance has a general formula of KTa. Y Nb 1-Y O 3 (0.5 ≦ Y ≦ 1.0), the oxide ferroelectric or oxide paraelectric in a temperature range of −40 ° C. to + 85 ° C. including room temperature applied to optical parts and the like. The body can be selectively formed. In KTN, by changing the composition ratio between Ta atoms and Nb atoms between 0 and 1.0, for example, the refractive index is selected over a wide range of about 2.0 to 2.3 at a wavelength of 0.633 μm. be able to. Therefore, it can be determined within the composition ratio range that can maintain the state of the paraelectric substance in consideration of the use temperature. In addition, when the composition is changed, the change in the lattice constant of the epitaxial film or the alignment film is sufficiently small, and the mutual crystal matching is good.
[0188]
Further, as described in claims 4 to 7, the optical waveguide structure and the buffer layer may be an epitaxial film, an alignment film, a polycrystalline film, or an amorphous film regardless of the crystal structure. Instead, it is also possible to form each component of the device on an inexpensive glass substrate, an organic polymer substrate, or the like. In particular, if a film can be formed on an organic polymer substrate, the nonlinear optical device can be flexibly bent or deformed after the formation, so that an inexpensive nonlinear optical device having a higher density and a wider application range can be provided.
[0189]
According to the invention described in claim 18 or claim 19, control as a digital type optical switch for controlling switching of an optical path is performed by applying a voltage to a branch portion of an optical waveguide by a pair of electrodes. After the optical path is switched, even if a higher voltage is applied, the state is maintained and multiple operating points are not generated, the operating voltage tolerance is excellent, and polarization independence is possible. It has features such as small wavelength dependence.
[0190]
Further, according to the invention as set forth in claim 24 or claim 25, a plurality of nonlinear optical devices are arranged on the same substrate, and a plurality of outgoing optical paths are shifted from a desired incoming optical path to a plurality of outgoing optical paths from the plurality of incoming optical paths. Since the optical path is switched, switching between ports at appropriate intervals can be driven at a low voltage, and the electrode length and bent optical waveguide length can be shortened as necessary. Larger nonlinear optical devices can be formed on a wafer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a Y-branch type 1 × 2 optical switch according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA of the 1 × 2 optical switch shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a characteristic diagram in which the amount of change in the refractive index with respect to an applied voltage of an oxide paraelectric substance is measured in a laminated structure similar to the 1 × 2 optical switch of the present example.
FIG. 4 is a plan view of a Y-branch 1 × 8 optical switch as an optical device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an enlarged plan view illustrating a first optical switch unit according to a second embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part of a first optical switch unit as a modification of the second embodiment.
FIG. 7 is a plan view showing the outline of the structure of an 8 × 8 optical switch according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an enlarged plan view showing an X intersection of the 8 × 8 optical switch according to the third embodiment.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a main part of the 8 × 8 optical switch according to the third embodiment, taken along the X-B direction shown in FIG.
FIG. 10 is a plan view of a directional coupler type 2 × 2 optical switch as an optical device according to a fourth embodiment of the present invention.
11 is a cross-sectional view of the 2 × 2 optical switch of FIG. 10 taken along the line CC.
FIG. 12 is a plan view showing the outline of the structure of a 2 × 2 optical switch according to a fifth embodiment of the present invention.
13 is a cross-sectional view of the 2 × 2 optical switch of FIG. 12 in the DD direction.
FIG. 14 is a plan view of a Mach-Zehnder interference type 1 × 2 optical attenuator according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is an end view of the 1 × 2 optical attenuator of the sixth embodiment cut in the EE direction.
FIG. 16 is a characteristic diagram showing a relationship between the coupling length and the light intensity of the 1 × 2 optical attenuator of the sixth embodiment.
FIG. 17 is a characteristic diagram showing a change in a refractive index with respect to an applied voltage of an oxide paraelectric material constituting an optical waveguide layer.
FIG. 18 is a plan view of a directional coupling type optical attenuator according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 19 is an end view of the directional coupling-type optical attenuator of the seventh embodiment cut along the FF direction.
FIG. 20 is a plan view of a Mach-Zehnder type optical modulator according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 21 is an end view of the Mach-Zehnder type optical modulator according to the eighth embodiment, which is cut in the GG direction.
FIG. 22 is a plan view of a composite optical device combining an optical attenuator and an optical switch according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 23 is an explanatory view of a main part showing an ideal shape of a Y-branch optical waveguide of the digital optical switch.
FIG. 24 is an explanatory view of a main part when the Y-branch optical waveguide of the digital optical switch is manufactured in an actual shape.
[Explanation of symbols]
201 1 × 2 optical switch
208, 208A, 436, 437, 561, 564, 565, 568, 606, 661, 668, 664, 665 Linear optical waveguide
209, 209A, 210, 210A, 562, 563, 566, 567, 662, 663, 666, 667 S-shaped optical waveguide
212, 212A, 212B, 213, 213A, 213B, 439, 454, 455, 508, 509, 571, 671 Upper electrode
223, 223B, 444, 464, 514 Optical waveguide layer
301 1 × 8 optical switch
321-327 Optical switch section
401 8 × 8 optical switch
452, 453, 506, 507, 607, 608 Optical waveguide
451,706 Optical switch
551, 703 Optical attenuator
572, 573, 672, 673 Ground electrode
601 Directional coupling type optical attenuator
611, 613 Control electrode
612,614 Directional coupler
678 signal source
701 Composite optical device

Claims (27)

2次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体からなり、所定の入射ポートから入力された光を導波して出力ポートに導く光導波路を基板上に形成した光導波路層と、
この光導波路の所定の部位に電圧を印加するための一対の電極と、
これら一対の電極に電圧を印加することで前記光導波路の屈折率を変化させる屈折率制御手段
とを具備することを特徴とする非線形光デバイス。
An optical waveguide layer formed of an oxide paraelectric having a secondary electro-optic effect, and formed on a substrate, an optical waveguide for guiding light input from a predetermined incident port and guiding the light to an output port;
A pair of electrodes for applying a voltage to a predetermined portion of the optical waveguide,
A non-linear optical device, comprising: a refractive index controller that changes a refractive index of the optical waveguide by applying a voltage to the pair of electrodes.
前記酸化物常誘電体は、一般式KTaNb1−Y(0.5≦Y≦1.0)で表わされる物質であることを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。2. The nonlinear optical device according to claim 1, wherein the oxide paraelectric substance is a substance represented by a general formula KTa Y Nb 1- YO 3 (0.5 ≦ Y ≦ 1.0). 3. 導電性を有する基板を備え、前記一対の電極の一方はこの基板が兼用していることを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。2. The nonlinear optical device according to claim 1, further comprising a substrate having conductivity, wherein one of the pair of electrodes is also used by the substrate. 前記基板とその表面部分に形成された導電性膜とを備え、この導電性膜が前記一対の電極の一方を構成していることを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。2. The nonlinear optical device according to claim 1, further comprising: the substrate and a conductive film formed on a surface portion thereof, wherein the conductive film forms one of the pair of electrodes. 前記基板は単結晶基板であることを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。The nonlinear optical device according to claim 1, wherein the substrate is a single crystal substrate. 前記基板はガラス基板であることを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。The nonlinear optical device according to claim 1, wherein the substrate is a glass substrate. 基板は有機ポリマ基板であることを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。2. The nonlinear optical device according to claim 1, wherein the substrate is an organic polymer substrate. 前記酸化物常誘電体は、固溶相を示し、単結晶膜で構成されていることを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。2. The nonlinear optical device according to claim 1, wherein the oxide paraelectric exhibits a solid solution phase and is formed of a single crystal film. 前記酸化物常誘電体は、固溶相を示し、配向膜で構成されていることを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。2. The nonlinear optical device according to claim 1, wherein the oxide paraelectric exhibits a solid solution phase and is composed of an alignment film. 前記酸化物常誘電体は、固溶相を示し、多結晶膜で構成されていることを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。2. The nonlinear optical device according to claim 1, wherein the oxide paraelectric exhibits a solid solution phase and is formed of a polycrystalline film. 前記酸化物常誘電体は、固溶相を示し、アモルファス膜で構成されていることを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。2. The nonlinear optical device according to claim 1, wherein the oxide paraelectric exhibits a solid solution phase and is formed of an amorphous film. 前記基板は有機ポリマ基板であり、その上に前記光導波路層およびバッファ層が成膜されていることを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。2. The nonlinear optical device according to claim 1, wherein the substrate is an organic polymer substrate, and the optical waveguide layer and the buffer layer are formed thereon. 前記光導波路層は下側に隣接する層に凸状に設けられたリッジ構造を有することを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。2. The nonlinear optical device according to claim 1, wherein the optical waveguide layer has a ridge structure provided in a layer adjacent to the lower side in a convex shape. 前記光導波路層は上側に隣接する層に凸状に設けられたリッジ構造を有することを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。2. The nonlinear optical device according to claim 1, wherein the optical waveguide layer has a ridge structure provided on an upper adjacent layer in a convex shape. 前記光導波路層と前記一対の電極の一方を構成する上部電極の間に酸化物よりなり、前記光導波路層よりも屈折率の小さいクラッド層を具備することを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。The nonlinear structure according to claim 1, further comprising a cladding layer made of an oxide and having a smaller refractive index than the optical waveguide layer, between the optical waveguide layer and an upper electrode constituting one of the pair of electrodes. Optical device. 前記電極の一方は酸化物よりなり、前記光導波路層よりも屈折率の小さいクラッド層を有することを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。2. The nonlinear optical device according to claim 1, wherein one of said electrodes is made of an oxide and has a cladding layer having a smaller refractive index than said optical waveguide layer. 前記光導波路は入射用光経路と出射用光経路とを分岐する分岐部に電圧が印加されることにより光経路が切り替えられることを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。2. The nonlinear optical device according to claim 1, wherein the optical path of the optical waveguide is switched by applying a voltage to a branch portion that branches the incident optical path and the output optical path. 前記光導波路はY分岐型の光導波路であり、前記一対の電極によるY分岐型の光導波路のY字型の分岐部への電圧印加により光経路の切り替えを制御するデジタル型光スイッチとしての制御が行われることを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。The optical waveguide is a Y-branch optical waveguide, and is controlled as a digital optical switch that controls switching of an optical path by applying a voltage to the Y-branch of the Y-branch optical waveguide using the pair of electrodes. The nonlinear optical device according to claim 1, wherein 前記光導波路はX分岐型の光導波路であり、前記一対の電極によるX分岐型の光導波路の分岐部への電圧印加により光経路の切り替えを制御するデジタル型光スイッチとしての制御が行われることを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。The optical waveguide is an X-branch optical waveguide, and a control as a digital optical switch that controls switching of an optical path is performed by applying a voltage to a branch portion of the X-branch optical waveguide by the pair of electrodes. The nonlinear optical device according to claim 1, wherein: 前記光導波路はX分岐型の光導波路であり、前記一対の電極によるX分岐型の光導波路の分岐部への電圧印加により光の全反射あるいは透過によって光経路の切り替えを制御する光スイッチとしての制御が行われることを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。The optical waveguide is an X-branch optical waveguide, and the optical switch as an optical switch that controls switching of an optical path by total reflection or transmission of light by applying a voltage to a branch portion of the X-branch optical waveguide by the pair of electrodes. 2. The nonlinear optical device according to claim 1, wherein control is performed. 前記光導波路はX分岐型の光導波路であり、前記一対の電極によるX分岐型の光導波路の分岐部への電圧印加により光経路の切り替えを制御するブラッグ反射型光スイッチとしての制御が行われることを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。The optical waveguide is an X-branch optical waveguide, and a voltage is applied to a branch portion of the X-branch optical waveguide by the pair of electrodes to control a switching of an optical path as a Bragg reflection type optical switch. The nonlinear optical device according to claim 1, wherein: 前記光導波路はX分岐型の光導波路であり、前記一対の電極によるX分岐型の光導波路の分岐部への電圧印加により光導波路間における光経路の切り替えを制御する方向性結合器型光スイッチとしての制御が行われることを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。The optical waveguide is an X-branch optical waveguide, and a directional coupler type optical switch that controls switching of an optical path between the optical waveguides by applying a voltage to the branch portion of the X-branch optical waveguide by the pair of electrodes. The nonlinear optical device according to claim 1, wherein the control is performed as follows. 前記光導波路がマッハツェンダ干渉型の光導波路であり、前記一対の電極による光導波路の分岐部への電圧印加により光経路の切り替えを制御するマッハツェンダ干渉型光スイッチとしての制御が行われることを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。The optical waveguide is a Mach-Zehnder interference type optical waveguide, and control is performed as a Mach-Zehnder interference type optical switch that controls switching of an optical path by applying a voltage to a branch portion of the optical waveguide by the pair of electrodes. The nonlinear optical device according to claim 1. 同一基板上に前記スイッチが複数個マトリックス状に配置されていることを特徴とする請求項18〜請求項23いずれかに記載の非線形光デバイス。24. The nonlinear optical device according to claim 18, wherein a plurality of the switches are arranged in a matrix on the same substrate. 同一基板上に前記スイッチが複数個ツリー状に配置されていることを特徴とする請求項18〜請求項23いずれかに記載の非線形光デバイス。24. The nonlinear optical device according to claim 18, wherein a plurality of switches are arranged in a tree on the same substrate. 前記光導波路は方向性結合型の光導波路であり、前記一対の電極による光導波路の分岐部への電圧印加により光干渉を制御する方向性結合器型光減衰器としての制御が行われることを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。The optical waveguide is a directional coupling type optical waveguide, and control is performed as a directional coupler type optical attenuator that controls optical interference by applying a voltage to a branch portion of the optical waveguide by the pair of electrodes. The nonlinear optical device according to claim 1, wherein: 前記光導波路がマッハツェンダ干渉型の光導波路であり、前記一対の電極による光導波路の分岐部への電圧印加により光干渉を制御するマッハツェンダ干渉型光変調器としての制御が行われることを特徴とする請求項1記載の非線形光デバイス。The optical waveguide is a Mach-Zehnder interference type optical waveguide, and control is performed as a Mach-Zehnder interference type optical modulator that controls optical interference by applying a voltage to a branch portion of the optical waveguide by the pair of electrodes. The nonlinear optical device according to claim 1.
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