JP2005134499A - 誘電体結晶光回路の特性調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 局所的な屈折率の制御を可能として、ＫＴＮ（またはＫＬＴＮ）光回路の作製上の微小な変動等を修正する。
【解決手段】 非対称型のＭＺ干渉計１０は、ＫＴＮ基板１３上に形成した方向性結合器１１ａ，１１ｂと光導波路１２ａ，１２ｂにより構成されており、光ファイバ１４ａ〜１４ｄが接続されている。ＭＺ干渉計１０の一方のアームには、位相調整用電極１５を備え、この位相調整用電極１５に電圧を印加して、一方のアーム（光導波路１２ａ）に電界を印加して屈折率の調整をする。この場合、光導波路を伝搬する光のＴＭ方向に平行な電界と、ＴＥ方向に平行な電界を印加することにより、偏光に依存しないで位相調整量を行うことができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電気光学効果を有する誘電体結晶材料を用いて形成した光回路の特性を調整する方法に関するものである。

導波路型光スイッチには、位相変調を利用した干渉型スイッチとモード分布を制御するデジタル型光スイッチが知られている。干渉型スイッチの代表であるＭＺスイッチは、駆動電圧及びクロストークが低いことや作製トレランスに優れるため現在、導波路型光スイッチによく採用されている。

また、両スイッチとも外部刺激によって屈折率を変調し動作させるが、その物理的効果として、熱光学（ＴＯ）効果，音響光学（ＡＯ）効果，電気光学（ＥＯ）効果等が知られている。
このうち、ＴＯスイッチはｍｓ，ＡＯスイッチはμｓ，ＥＯスイッチはｎｓ〜数百ｐｓの応答速度を有する。

これらのスイッチを通信システムに用いる場合、応答速度や光学特性に応じて使いわけられており、例えば石英ＰＬＣを用いたＴＯスイッチは基幹系システムの光路切り替えとして用いられている。

一方、ＥＯスイッチは、応答速度が非常に高速であるため光パケット用の光路切り替えスイッチとして期待されている。
ＥＯ効果が大きい材料としては、無機材料ではニオブ酸リチウム（ＬＮ）、また有機材料では色素系のポリマ、高分子材料が知られているが、有機材料は動作の安定性や信頼性に問題があり、現在では主にＬＮがＥＯスイッチ用材料として使われている。

しかし、ＬＮは三方晶の結晶であり、最も大きい電気光学定数であるｒ₃₃を用いるためには、複屈折性のある方位に光を導波させる必要がある。このため、光スイッチは光の偏光に対し動作が異なる偏波依存性を有することになる。偏波依存性は光の伝送においてエラーを起こす原因となるため、光スイッチには偏波無依存であることが重要である。そこでＬＮにおいても偏波無依存動作する光スイッチの作製が検討されているが、複屈折性のない結晶方位を持った場合、電気光学定数の小さいｒ₁₃を利用することとなり、駆動電圧が４０Ｖ以上になるという問題があった。
この駆動電圧は、主にＬＮの電気光学定数（３１ｐｍ／Ｖ）で決められておりより大きな電気光学定数を有する材料を用いたＥＯスイッチが強く求められていた。

さらにＬＮの導波路はＴｉ拡散やプロトン交換によって作製されているため、コア・クラッド間の屈折率差を大きくとることが難しいため小型化には限界がある。また、埋め込み導波路のような明確な屈折率分布を有していないため、方向性結合器のような導波路コアを近接させ、それらの相互作用を利用したデバイスの作製が困難であった。

Ｋ_xＬi_1-xＴａ_yＮｂ_1-yＯ₃（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）（ＫＬＴＮ）、ＫＴａ_yＮｂ_1-yＯ₃（０＜ｙ＜１）（ＫＴＮ）結晶は立方晶の領域で光学的に等方であり、また立方晶から正方晶へ移行する相転移温度付近において、強いカー効果、すなわち２次の電気光学効果を示す結晶として知られている。そのため前述した特徴を生かして、より高機能化高集積化した平面型光回路の作製が可能である。その中で、光の位相を利用した光回路は、電子回路では実現しにくい回路を可能にするため、重要度が高い。

ＫＴＮあるいはＫＴＬＮ結晶導波路では、ＫＴＮなどの基板上にアンダークラッド層をＬＰＥ法等により成膜→コア層成膜→コアエッチング→オーバークラッド層成膜という作製プロセスを施すことにより、コア・クラッドの埋め込み構造を形成することが可能であるため、ＬＮ結晶を用いた光回路に比べ設計の自由度が高いという特徴を有する。

しかし、ＫＴＮあるいはＫＴＬＮ結晶導波路は作製時の数回にわたる加熱・冷却による温度変化の影響から、その内部に屈折率の揺らぎ、応力等が残存すること、または作製誤差などにより光回路の特性が劣化するという問題があった。

光の位相を利用した高機能高集積化光回路において、光の位相は導波路の屈折率と伝搬長（光路長）に依存するので、作製上の微小な屈折率や導波路形状の変動および導波路にかかる応力が素子特性に大きく影響する。従って、高機能化高集積化ＫＴＮ（ＫＬＴＮ）光回路において、生産性を向上させるためには、作製上の微小な変動等を修正する必要があり、局所的な屈折率の制御を可能とするＫＴＮ（ＫＬＴＮ）光回路の特性調整方法の実現が望まれていた。

前述した平面型光回路を構成する重要な要素である。マッハツェンダ（Mach-Zehnder：ＭＺ）干渉計を一例として挙げ、以下に局部的な屈折率制御の重要性について述べる。ＭＺ干渉計は光スイッチや光分波器を構成する上で欠かすことのできない部品であり、図１にその一例を示す。

図１において、１ａ，１ｂは２つの方向性結合器、２ａ，２ｂは該方向性結合器１ａ，１ｂを結ぶ２本の光導波路であり、これらはＫＴＮ基板３上に形成されている。また、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは２本の光導波路２ａ，２ｂの両端に接続された光ファイバである。

ＭＺ干渉計では、ＫＴＮ結晶導波路に限らず、微小な屈折率や導波路形状の変動及び導波路にかかる応力が素子特性に大きく影響する。前述した２本の光導波路２ａ，２ｂの光路長差がｎ_f・Ｌ₁であるとすると、出力光強度は、入射光の周波数ｆ（又は波長λ）に関して、ｆ_sr＝ｃ／ｎ_f・Ｌ₁（但し、ｃは光の速度）を周期とする特性を有することが知られており、この出力光強度の周期特性を利用して、光スイッチ、光周波数合分波器等として動作する光デバイスが実現されている。

しかしながら、導波路の屈折率，幅等の作製誤差は、光干渉計の周期特性の位相によるずれをもたらし、光スイッチ，光周波数合分波器としての動作特性に著しい劣化を生じさせることになる。従って、ＭＺ干渉計を用いた光回路において生産性を向上させるためには、作製上の微小な変動を補償する必要性があり、効果的な調節法が望まれていた。

石英系光回路の中で、光干渉計において位相誤差を補償する方法の一つとして、可視光もしくは紫外レーザ光を照射することによって生じる屈折率変化（光誘起屈折率変化）を利用する方法が報告されている（例えば、ＰＴＬ，（３），１９９１，Hibino, et al.,
pp640-642 参照）。

ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．３，ＮＯ．７，ＪＵＬＹ，１９９１，Hibino, et al.,pp640-642

本発明は前記従来の問題点に鑑み、光回路を構成するＫＴＮあるいはＫＬＴＮ結晶導波路の局部的な屈折率もしくは光路長の制御を効率良く行うことを可能とする光回路の特性調整方法を提供することを目的とする。

本発明では前記目的を達成するため、基板上に形成された、ＫＴＮあるいはＫＬＴＮ結晶のコア及びクラッドからなる光導波路で構成される光回路の特性調整方法であって、前記光導波路部に位相調整用電極を備えて光導波路に電界を印加する工程を備えるか、あるいは前記光導波路に局部的に可視光又は紫外光を照射する工程を備えた光回路の特性調整方法を提案する。

本発明は、ＫＴＮ結晶導波路およびＫＬＴＮ結晶導波路においても、可視光もしくは紫外レーザ光を照射することにより屈折率変化を見出した。さらに可視光もしくは紫外レーザ光の照射強度、および時間により屈折率変化を制御可能であり、長期間に渡り、屈折率変化が安定であることを見出した。すなわちＫＴＮ結晶導波路およびＫＬＴＮ結晶導波路で光誘起屈折率変化現象を利用した位相調整が可能であることを見出し、本発明に至った。

また、ＫＴＮあるいはＫＬＴＮ結晶は、前述のように、大きい２次の電気光学効果を有しているため、導波路に電界を印加することにより光の位相調整が可能である。

本発明の特性調整方法によれば、ＫＴＮ光回路またはＫＬＴＮ光回路の光導波路に対して、局部的に、電界印加や可視光（紫外光）照射をすることにより位相調整ができるので、作製上の微小な変動等を容易・確実に修正することができる。

以下に、本発明の最良の実施の形態を実施例を用いて説明する。

図２は本発明の第１の実施例を示すもので、ここでは、ＫＬＴＮ光導波路において光導波路部の位相調整用電極に電界を印加することによりＭＺ干渉計の特性を調節した例を示す。

図２において、１０はＭＺ干渉計であり、ＫＴＮ基板１３上に形成された２つの方向性結合器１１ａ，１１ｂ及びこれらを結ぶ２本の光導波路１２ａ，１２ｂからなっている。また、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは２本の光導波路１２ａ，１２ｂの両端に接続された光ファイバである。

前記ＭＺ干渉計１０は非対称型であり、光導波路１２ａが光導波路１２ｂより長くなっている。このタイプのＭＺ干渉計１０は周波数又は波長分波器として動作する。ここでは、２つの光導波路１２ａ，１２ｂの光路長差ΔＬ₂を約０．８ｃｍとし、周波数１０ＧＨｚ間隔で入射光を分波できるように設計した。

以下、本発明方法を説明する。
まず、通常の方法でＫＴＮ基板１３上にＫＬＴＮ結晶導波路型のＭＺ干渉計１０を作製した。ここで、光導波路１２ａ，１２ｂのコアは矩形とし、サイズは６μｍ×６μｍとした。また、コアとクラッドとの屈折率差は０．５％とした。方向性結合器１１ａ，１１ｂでは結合率が波長１．５５μｍでほぼ５０％になるようにした。

作製したＫＬＴＮ結晶導波路型のＭＺ干渉計１０の一方のアームに位相調整用電極１５をフォトリソグラフィーとリフトオフ法により形成した。図３は位相調整用電極１５の構成例の１つである。

図３、図４（ａ），（ｂ）に示すように、位相調整部分（位相調整用電極）１５は、位相調整部２４，位相調整部２５の２つの位相調整部から構成され、２種類の、各々異なる電極構造を有する。具体的には、位相調整部２４では光導波路１２ａのコアの直上に電極２６があり、その両側にグランド電極２７が配置されている。この電極構造では、図４（ａ）に示すように、光導波路１２ａのコアから基板に向かう方向（伝搬する光のＴＭ方向に平行な方向）に電界が印加される。一方、位相調整部２５では、光導波路１２ａのコアをはさむように電極２６，グランド電極２７が配置されており、図４（ｂ）に示すように、基板に平行な方向（伝搬する光のＴＥ方向に平行な方向）に電界が印加される。このような電極構造により、光の伝搬方向に対して直交し、かつ、互いに直交する２方向に電界を印加することが可能である。

ここで、ＫＬＴＮ結晶の２次の電気光学効果は、その対称性から下記のように表すことができる。
Δｎ_H＝−０．５ｎ_o ³ε_o ²ε²ｇ₁₁Ｅ² （1）
Δｎ_V＝−０．５ｎ_o ³ε_o ²ε²ｇ₁₂Ｅ² （2）

上式において、Δｎ_Hは印加電界に平行な方向の屈折率変化、Δｎ_Vは印加電界に垂直な方向の屈折率変化、ｎ₀は電界印加前の屈折率、ε₀は真空の誘電率、εは結晶の比誘電率、ｇ₁₁は加電界に平行な方向の電気光学定数、ｇ₁₂は電界に垂直な方向の電気光学定数、Ｅは印加電界である。

ＫＬＴＮ結晶の電気光学定数は、それぞれｇ₁₁＝０．１３６ｍ⁴／Ｃ²、ｇ₁₂＝−０．０３８ｍ⁴／Ｃ²である。このため、電界に平行な屈折率は電界の印加により小さくなり、電界に垂直な屈折率は電界の印加により大きくなる。さらに、電界に平行な屈折率変化量が、電界に垂直な方向の屈折率の変化率の変化量の３から４倍程度大きいことがわかる。

式（１）−式（２）より、図３に示した位相調整部分１５では互いに直交する２つの電界が等しい場合には式（１）と式（２）の加算分の屈折率変化がＴＥ方向、ＴＭ方向の両偏光に等しく生じる。そのため、位相調整部分１５では位相変調量は偏光に依存しないことになり本発明の位相調整が偏光無依存で動作することがわかる。

図３に示した２種類の電極の長さはそれぞれ４ｍｍであり、両電極で約８ｍｍとした。
前述したＭＺ干渉計１０の特性を調べるため、中心波長１．５５μｍの電流掃引型半導体レーザを光ファイバ１４ｂから導入した。
本実施例では、電界印加時にＭＺ干渉計１０の特性変化をモニターすることができた。

図５は光ファイバ１４ｃからの出力の波長依存性を、電界の印加前と比較して示すものである。図５に示すように、印加前は光周波数ｆ_iで消光していたＭＺ干渉計１０の特性を、印加後、所望の光周波数ｆ_oで消光するように調整することができた。このときの印加電圧は０．１２Ｖであった。この光周波数ｆ_iからｆ_oへの調整は位相調整用電極により誘起されたＫＬＴＮ結晶の屈折率変化によるものである。

図６は本発明の第２の実施例を示すもので、ここでは、ＫＬＴＮ光導波路においてエキシマレーザによりＭＺ干渉計の特性を調節した例を示す。

図６において、１１０はＭＺ干渉計であり、ＫＴＮ基板１１３上に形成された２つの方向性結合器１１１ａ，１１１ｂ及びこれらを結ぶ２本の光導波路１１２ａ，１１２ｂからなっている。また、１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄは２本の光導波路１１２ａ，１１２ｂの両端に接続された光ファイバ、１２０は遮蔽用の金属膜、１２０ａは金属膜１２０に形成した窓、１３０はＫｒＦエキシマレーザ、１３１はミラー、１３２はレンズ、１３３はシリンドリカルレンズである。

前記ＭＺ干渉計１１０は非対称型であり、光導波路１１２ａが光導波路１１２ｂより長くなっている。このタイプのＭＺ干渉計１１０は周波数又は波長分波器として動作する。ここでは、２つの光導波路１１２ａ，１１２ｂの光路長差ΔＬ₂を約０．６ｃｍとし、周波数１０ＧＨｚ間隔で入射光を分波できるように設計した。

以下、本発明方法を説明する。
まず、通常の方法でＫＴＮ基板１１３上にＫＬＴＮ結晶導波路型のＭＺ干渉計１１０を作製した。ここで、光導波路１１２ａ，１１２ｂのコアは矩形とし、サイズは７μｍ×７μｍとした。また、コアとクラッドとの屈折率差は０．５５％とした。方向性結合器１１１ａ，１１１ｂでは結合率が波長１．３μｍでほぼ５０％になるようにした。

作製した導波路型ＭＺ干渉計１１０に、ＫｒＦエキシマレーザ１３０よりミラー１３１，レンズ１３２，シリンドリカルレンズ１３３及び窓１２０ａを介して、波長２４８ｎｍの紫外レーザ光を照射し、照射前後の特性変化を調べた。レーザ光はＭＺ干渉計１１０の上部より、金属膜１２０で覆われていない部分（窓１２０ａから露出した部分）を照射した。従って、該レーザ光は光導波路１１２ａの一部分だけに屈折率変化を誘起することになる。

この際、ＫｒＦエキシマレーザ１３０の照射パワーは１００ｍＪ／ｃｍ²・pulse 、パルス繰り返し周波数５Ｈｚ、照射時間は２分間とした。
前述したＭＺ干渉計１１０の特性を調べるため、中心波長１．３μｍの電流掃引型半導体レーザを光ファイバ１１４ａから導入した。
本実施例では、レーザ光の照射中にＭＺ干渉計１０の特性変化をモニターすることができた。

図７は２分間照射後における光ファイバ１１４ｃからの出力の波長依存性を、照射前と比較して示すものである。図７に示すように、照射前は光周波数ｆ_iで消光していたＭＺ干渉計１１０の特性を、照射後、所望の光周波数ｆ_oで消光するように調整することができた。この光周波数ｆ_iからｆ_oへの調整はＫｒＦエキシマレーザ光照射による光誘起屈折率変化Δｎによるものである。

ＫＴＮあるいはＫＬＴＮ結晶導波路を複数用意し、使用するレーザを変え、屈折率変化に必要なレーザの種類を検討した。その結果、本発明で使用するレーザは、Ｈｅ−Ｃｄレーザ，Ｎ₂レーザ，各種エキシマレーザ，Ａｒイオンレーザ，Ｎｄ₃₊：ＹＡＧレーザ，アレキサンドライト（Ｃｒ₃₊：ＢｅＡｌ₂Ｏ₄）レーザの第２次，３次，４次高調波等、紫外・可視領域の波長を有するものであれば良いことがわかった。
また、本発明は、光ファイバ１１４ａ〜１１４ｄに偏波保持性を有する光ファイバを用いることを妨げるものではない。

図８は本発明の第３の実施例を示すもので、ここでは、ＫＬＴＮ光導波路においてエキシマレーザによりＭＺ干渉型光スイッチの特性を調節した例を示す。
図８において、２１０はＭＺ干渉計であり、ＫＴＮ基板２１３上に形成された２つの方向性結合器２１１ａ，２１１ｂ及びこれらを結ぶ２本の光導波路２１２ａ，２１２ｂからなっている。また、２１４ａ，２１４ｂ，２１４ｃ，２１４ｄは２本の光導波路２１２ａ，２１２ｂの両端に接続された光ファイバ、２２０は遮蔽用の金属膜、２２０ａは金属膜２２０に形成した窓である。また本光スイッチ内のＭＺ干渉計２１０は対称型である。更に、２３０ａ，２３０ｂはＭＺ干渉計２１０をスイッチング動作させるための作動用電極である。

以下、本発明方法を説明する。
まず、通常の方法でＫＴＮ基板２１３上にＫＬＴＮ結晶導波路型のＭＺ干渉計２１０を作製した。ここで、光導波路２１２ａ，２１２ｂのコアは矩形とし、サイズは７μｍ×７μｍとした。また、コアとクラッドとの屈折率差は０．５５％とした。方向性結合器２１１ａ，２１１ｂでは結合率が波長１．３μｍでほぼ５０％になるようにした。

作製した導波路型ＭＺ干渉計２１０に、図６のＫｒＦエキシマレーザ１３０より、ミラー１３１，レンズ１３２，シリンドリカルレンズ１３３及び窓２２０ａを介して、波長２４８ｎｍの紫外レーザ光を照射し、照射前後の特性変化を調べた。レーザ光はＭＺ干渉計２１０の上部より、金属膜２２０で覆われていない部分（窓２２０ａから露出した部分）を照射した。従って、該レーザ光は光導波路２１２ｂの一部分だけに屈折率変化を誘起することになる。この際、ＫｒＦエキシマレーザ１３０の照射パワーは１００ｍＪ／ｃｍ²・pulse、パルス繰り返し周波数は５Ｈｚ、照射時間は２分間とした。

前述したＭＺ干渉型光スイッチの特性を調べるため、中心波長１．３μｍの半導体レーザを光ファイバ２１４ａから導入した。本実施例では、レーザ光の照射中にＭＺ干渉型光スイッチの特性変化をモニターすることができた。

図９は２分間照射後における光ファイバ２１４ｃと光ファイバ２１４ｄからの出力の印加電圧依存性を、照射前と比較して示すものである。図９（ａ）に示すように、照射前は印加電圧が０Ｖにおいて位相誤差あるいは作製誤差により光ファイバ２１４ｃの出力（ポート１）と光ファイバ２１４ｄの出力（ポート２）で十分な消光比が得られていなかったＭＺ干渉型スイッチの特性を、照射後は図９（ｂ）に示すように、印加電圧が０Ｖにおいて最大の消光比が得られるように調整することができた。このスイッチの動作点の移動はレーザの照射による光誘起屈折率変化によるものである。

上記実施例では、光導波路がＫＬＴＮの例であるが、光導波路がＫＴＮの誘電体結晶光回路に対しても、光導波路部に、電界印加や、可視光または紫外光照射をすることにより、光の位相調整をすることができる。

ＭＺ干渉計を示す構成図。 本発明の第１の実施例を示す構成図。 位相調整用電極を示す構成図。 位相調整用電極を示す断面図。 第１の実施例における出力光の波長依存性を、電界印加前後で比較して示す特性図。 本発明の第２の実施例を示す構成図。 第２の実施例における出力光の波長依存性を、電界印加前後で比較して示す特製図。 本発明の第３の実施例を示す構成図。 第３の実施例における出力光の波長依存性を示す特性図であり、（ａ）は電界印加前の特性、（ｂ）は電界印加後の特性である。

符号の説明

１ａ，１ｂ，１１ａ，１１ｂ，１１１ａ，１１１ｂ，２１１ａ，２１１ｂ 方向性結合器
２ａ，２ｂ，１２ａ，１２ｂ,１１２ａ，１１２ｂ，２１２ａ，２１２ｂ 光導波路
３，１３，１１３，２１３ ＫＴＮ基板
４ａ〜４ｄ，１４ａ〜１４ｄ，１１４ａ〜１１４ｄ，２１４ａ〜２１４ｄ 光ファイバ
１０，１１０，２１０ ＭＺ干渉計
２４，２５ 位相調整部
１２０，２２０ 金属膜
１２０ａ，２２０ａ 窓

Claims (5)

1. コア及びクラッドのいずれか若しくは両方がＫ_xＬi_1-xＴａ_yＮｂ_1-yＯ₃（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）なる組成の誘電体結晶材料により形成される光回路の特性調整方法であって、
   前記光回路内のマッハツェンダ干渉計のアームのうち、少なくとも１本以上の光導波路部に位相調整用電極を備え、この位相調整用電極により前記光導波路に電界を印加する工程を備えたことを特徴とする誘電体結晶光回路の特性調整方法。
2. コア及びクラッドのいずれか若しくは両方がＫＴａ_yＮｂ_1-yＯ₃（０＜ｙ＜１）なる組成の誘電体結晶材料により形成される光回路の特性調整方法であって、
   前記光回路内のマッハツェンダ干渉計のアームのうち、少なくとも１本以上の光導波路部に位相調整用電極を備え、この位相調整用電極により前記光導波路に電界を印加する工程を備えたことを特徴とする誘電体結晶光回路の特性調整方法。
3. 前記位相調整用電極は、前記光導波路を伝搬する光のＴＭ方向に平行な方向の電界を印加する第１の位相調整部と、前記光導波路を伝搬する光のＴＥ方向に平行な方向の電界を印加する第２の位相調整部を有することを特徴とする請求項１または請求項２の誘電体結晶光回路の特性調整方法。
4. コア及びクラッドのいずれか若しくは両方がＫ_xＬi_1-xＴａ_yＮｂ_1-yＯ₃（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）なる組成の誘電体結晶材料により形成される光回路の特性調整方法であって、
   前記光回路内のマッハツェンダ干渉計のアームのうち、少なくとも１本以上の光導波路部に局所的に可視光または紫外光を照射する工程を備えたことを特徴とする誘電体結晶光回路の特性調整方法。
5. コア及びクラッドのいずれか若しくは両方がＫＴａ_yＮｂ_1-yＯ₃（０＜ｙ＜１）なる組成の誘電体結晶材料により形成される光回路の特性調整方法であって、
   前記光回路内のマッハツェンダ干渉計のアームのうち、少なくとも１本以上の光導波路部に局所的に可視光または紫外光を照射する工程を備えたことを特徴とする誘電体結晶光回路の特性調整方法。

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