JP2005202073A - 光分岐素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造を容易にすると共に、比較的低電圧の制御電圧で光の分岐制御を行う光分岐素子を提供する。
【解決手段】 平板状の基板１に単一の光導波路を備えた電気光学効果プリズム部ＰＲと、複数の第２の光導波路を備えた光導波路部ＯＷと、このＰＲとＯＷの間で屈折角の拡大を行うスーパープリズムフォトニック結晶部ＰＣとを設ける。電気光学効果プリズム部ＰＲの導波路を伝搬する光は電極７に対する電圧印加に応じてスーパープリズムフォトニック結晶部ＰＣに対する入射角度が偏向し、スーパープリズムフォトニック結晶部ＰＣでその屈折角が拡大されて光導波路ＯＷの複数の光導波路のうち所定の導波路に入射する。これにより光分岐を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信および光信号処理システムにおいて使用される光導波路型光スイッチング機能を備えた光分岐素子に関するものである。

従来、入射される光源の波長とは異なるフォトニックバンドギャップ波長を有するように設計されたフォトニック結晶を用い、そのフォトニック結晶にエネルギーを印加し、フォトニック結晶の入射側に入射した光を偏向させ、光に対して所望の角度をなす透過光をフォトニック結晶の入射側以外の他側面から取り出すようにした光偏向素子が特許文献１に示されている。

また、フォトニック結晶を挟むように電極を配置し、その電極間に電圧を印加することによってフォトニック結晶領域の基板の屈折率を変化させるようにした光デバイスが特許文献２に示されている。

また、外部から光を入射した場合に、その光によって誘起される透過波をフォトニックバンドギャップ内に存在させ、回折波のみをフォトニックバンドギャップ外へ伝搬させるようにしたフォトニック結晶材料が特許文献３に示されている。

さらに、屈折率の異なる２種類以上の媒質を周期的に規則正しく配列したフォトニック結晶構造とスラブ型光導波路の構成とを備え、フォトニック結晶構造が線欠陥導波路を有して、この線欠陥導波路の屈折率を変化させることによって、線欠陥部分に光を閉じ込めて導波するようにした光スイッチが特許文献４に示されている。この光スイッチは、電極を通して電圧を印加した場合にフォトニック結晶の屈折率が変化し、光の閉込め効果が消滅して光スイッチが閉じる。
特開２００２−３５０９０８公報 特開２００２−１３１７１５公報 特開２０００−６６００２公報 特開２００２−３０３８３６公報

特許文献１・２に示されている装置では、フォトニック結晶のバンドギャップの位置を変えるために、光が伝搬する部分の周期構造体の屈折率（すなわち誘電率）を一桁のレベルで大きく変える必要がある。しかしながら、特許文献１・２の構造では、フォトニック結晶を挟むように電極を配置し、その電極間に電圧を印加するようにしているので、周期構造体の各球状部分に加わる電界は小さく、電気光学効果による屈折率の差Δｎが大変小さいためフォトニックバンドギャップの移動は大変小さく、大きな偏向角度を得ることはできない。

また、特許文献２に示されている装置では、特許文献１に比べて比較的大きな電界を印加することができるが、フォトニック結晶に直接電極を形成し、電界を加えられるようにするには、サブミクロンサイズでの立体形状への電極の形成が必要であるが、そのことは技術的に大変困難である。

また、特許文献３に示されているフォトニック結晶では、所謂スーパープリズム効果により、負の屈折角またはスネルの法則を満足する屈折角より大きな屈折角を示す光学材料として用いることができるが、光制御を行うようには構成されていない。

また、特許文献４に示されている光スイッチでは、欠陥を用いた光導波路のフォトニックバンドギャップの条件が不成立になるぎりぎりの条件にフォトニック結晶構造の構成条件を設定し、僅かな屈折率の条件変化でその条件を未成立にして光導波路上に光が通過する量を減少させ、光スイッチにしている。この方法では電流注入で光の透過を防ぐことができるが、入射光はフォトニック結晶内で分散して漏れるため光を分岐させる機能はない。

そこで、この発明の目的は、製造を容易にすると共に、比較的低電圧の制御電圧で光の分岐を行う光分岐素子を提供することにある。

この発明は、平板状の基板に単一の第１の光導波路と複数の第２の光導波路とを備え、複数の第２の光導波路の各端部と第１の光導波路の端部との間にフォトニック結晶を配置するとともに、第２の光導波路の各端部をフォトニック結晶のそれぞれ異なった位置に配置し、第１の光導波路の少なくともフォトニック結晶に向かう端部を電気光学効果を有する物質による光導波路で構成し、フォトニック結晶の入出射位置または入出射角度を変化させるように第１の光導波路の電気光学効果を有する物質による光導波路に対して電界を印加する手段を設けたことを特徴としている。

また、この発明は、前記基板の主面に沿って広がり、且つ端辺が前記第１の光導波路の光伝搬方向に対して傾斜する形状の電極を設けて、第１の光導波路に対して電界を印加するようにしたことを特徴としている。

また、この発明は、第１・第２の光導波路は電気光学効果を備える層に構成し、フォトニック結晶は電気光学効果を備える層にエアーホールを配列して構成したことを特徴としている。

また、この発明は、前記フォトニック結晶をＳｉＯ₂ を主体とするフォトニック結晶としたことを特徴としている。

また、この発明は、第１・第２の光導波路は電気光学効果を備える単結晶基板の表面に構成し、基板の面に略平行な方向に電界を印加する、互いに非平行な辺を有する電極を単結晶基板の表面に形成したことを特徴としている。

この発明によれば、フォトニック結晶に向かう第１の光導波路の端部を電気光学効果を有する物質による光導波路で構成し、この光導波路に対して電界を印加するようにしたので、フォトニック結晶に対する電極の微細加工が不要であり、容易に製造できるようになる。また、フォトニック結晶に対して電界を印加する場合に比べて、電気光学効果を有する物質への電界変化を容易に高めることができ、大きな屈折角変化を得ることができる。この電気光学効果を有する物質による光導波路での光の屈折角はフォトニック結晶のスーパープリズム効果によって拡大されて、フォトニック結晶の入出射位置または入出射角度が大きく変化する。

また、この発明によれば、前記基板の主面に沿って広がり、且つ端辺が第１の光導波路の光伝搬方向に対して傾斜する形状の電極を設けたことにより、その電極に対して電圧が印加された状態で、屈折率の異なる領域の界面が、伝搬する光の向きに対して傾斜することになり、電極への印加電圧に対するフォトニック結晶への光の入射角変化を容易に高めることができる。また、電気光学効果物質の基板表面に電極を形成するだけであるので、その製造が容易になる。

また、この発明によれば、第１・第２の光導波路を電気光学効果を備える層に構成し、フォトニック結晶を電気光学効果を備える層にエアーホールを配列して構成したことにより、光導波路部分とフォトニック結晶部分を同一材料の連続性のある層内に構成することができ、界面での不整合性を回避でき、低挿入損失化を図れる。

また、この発明によれば、前記フォトニック結晶をＳｉＯ₂ を主体とするフォトニック結晶としたことにより、電気光学効果を有する物質による光導波路部分と、フォトニック結晶部分とを別に、それぞれに適したプロセスで加工できるので、全体の製造が容易となる。

また、この発明によれば、第１・第２の光導波路を電気光学効果を備える単結晶基板の表面に構成し、基板の面に略平行な方向に電界を印加する、互いに非平行な辺を有する電極を単結晶基板の表面に形成したことにより、電気光学効果を備える単結晶基板を用いながらも光導波路を伝搬する光の偏向が可能となる。

この発明の第１の実施形態に係る光分岐素子の構成を図１〜図３を参照して説明する。
図１は光分岐素子の斜視図、図２はこの光分岐素子の各部の断面図である。この光分岐素子は電気光学効果プリズム部ＰＲ、スーパープリズムフォトニック結晶部ＰＣ、および光導波路部ＯＷを備えている
図１において電気光学効果プリズム部ＰＲには１つの光導波路を構成していて、この光導波路からスーパープリズムフォトニック結晶部（以下、単に「フォトニック結晶部」と言う。）ＰＣに対して所定の入射角で入射する。フォトニック結晶部ＰＣから出射した光は光導波路部ＯＷの２つの導波路のうち何れか一方を伝搬する。

図２の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は何れも図１に示した光分岐素子の光の伝搬方向に対して垂直な面での断面図であり、（Ａ）は電気光学効果プリズム部ＰＲ部分の断面図、（Ｂ）はフォトニック結晶部ＰＣ部分の断面図、（Ｃ）は光導波路部ＯＷ部分の断面図である。電気光学効果プリズム部ＰＲでは図２の（Ａ）に示すように、導波路凹部層３部分を紙面に垂直方向に光が伝搬し、フォトニック結晶部ＰＣでは（Ｂ）のようにフォトニック結晶部４′部分を紙面に垂直方向に光が伝搬し、光導波路部ＯＷでは（Ｃ）に示す導波路凹部層３ａまたは３ｂの何れか一方を紙面に垂直方向に光が伝搬する。

電気光学効果プリズム部ＰＲは図２の（Ａ）に示すように、Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ₃ から成る基板１の上部にＰＬＺＴから成るバッファ層２、ＰＬＺＴから成る導波路凹部層３、およびＰＺＴから成る導波路層４を備えている。この下部導波路凹部層３と導波路層４とによって１つのチャンネル光導波路を構成している。

導波路層４の上面にはＩＴＯから成る透明電極６を形成していて、更にその上面にＡｌから成る電極７を形成している。この透明電極６と電極７とによって上部電極６７を構成している。この上部電極６７の平面形状は、導波路凹部層３を伝搬する光の伝搬方向に対して斜めに交わる辺を備えた直角三角形状を成している。

基板１の下面には電極を設けていて、この基板１側の電極と電極７との間に電圧を印加すれば、バッファ層２、導波路凹部層３、および導波路層４の、上部電極６７と基板１とで挟まれる領域に電界がかかり、その領域の屈折率が、電界のかからない他の領域の屈折率に比べて高くなる。その結果、上部電極６７と基板１とで挟まれる三角形状の領域がプリズムとして作用する。

フォトニック結晶部ＰＣは、図２の（Ｂ）に示すように、Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ₃ から成る基板１の上部で導波路層４と同一の物質内に、それとは屈折率の異なった円柱形状の領域を基板１の面に沿って二次元上に周期性をもって配置したものである。この構造によってフォトニック結晶部４′を構成している。

光導波路部ＯＷは、図２の（Ｃ）に示すように、Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ₃ から成る基板１の上部にＰＬＺＴから成るバッファ層２、ＰＺＴから成る導波路凹部層３ａ，３ｂ、およびＰＺＴから成る導波路層４を備えている。この導波路凹部層３ａ，３ｂと導波路層４とによって２つのチャンネル光導波路を構成している。この２つのチャンネル光導波路が、フォトニック結晶部４′の所定箇所から出射する光を受けるように、導波路層４の内部に所定間隔を隔てて２つの導波路凹部層３ａ，３ｂを配置している。

電気光学効果プリズム部ＰＲの長さＬｐｒは３００μｍ、フォトニック結晶部ＰＣの長さＬｐｃは１ｍｍ、光導波路部ＯＷの長さＬｏｗは３００μｍである。またこれらの幅Ｗは５００μｍである。基板１の厚みｔ１は５００μｍ、導波路凹部層３，３ａ，３ｂの下部と基板１との間隔ｔ２は２．４μｍ、導波路凹部層３，３ａ，３ｂの厚みｔ３は０．５μｍ、導波路層４の厚みｔ４は１．５μｍ、透明電極６の厚みは２００ｎｍ、電極７の厚みｔ７は２００ｎｍである。

図３は電気光学効果プリズム部ＰＲでの光導波路と電極との関係を示している。（Ａ）はその部分の平面図、（Ｂ）は電極に対する電圧印加時のプリズム効果について示している。電極７は（Ａ）に示すように光導波路ＯＷＧから伝搬する光の伝搬方向に対して垂直な辺Ｓｉとその光導波路を伝搬する光の伝搬方向に対して傾斜している辺（斜辺）Ｓｏとを備えている。そのため、光導波路ＯＷＧを伝搬する光は辺Ｓｉでは屈折せず、斜辺Ｓｏで図３の（Ｂ）に示すように屈折する。

（Ｂ）に示すように、屈折率の異なった物質の境界面に対する光の入射角はθ１、出射角はθ２で表される。光導波路ＯＷＧに対する電極７の斜辺Ｓｏの角度をθｏとすると、θ１＝９０°−θｏである。

電極７に対する印加電圧を０Ｖから１０Ｖに変化させると、光導波路部分の屈折率は２．５から２．４９９５に減少する。電極７に対する電圧印加時の電極７の下部（電界印加部）の屈折率をｎ１、電極の無い電界非印加部の屈折率をｎ２で表すと、θ１の変化に対するθ２の変化は表１のようになる。また、フォトニック結晶部ＰＣの光の入射端から出射端までを直線で結んだ時の屈折角度をθ３で表せば、θ１−θ２に対するθ３の関係は表１のようになる。

〔表１〕
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
ｎ１ ｎ２ θ１ θ２ θ１−θ２ θ３
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
2.4995 2.5 88.0° 87.695° 0.305° 3.047°
2.4995 2.5 89.0° 88.479° 0.521° 5.213°
2.4995 2.5 89.5° 88.750° 0.750° 7.507°
2.4995 2.5 89.9° 88.854° 1.146° 11.459°
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

ここでθ１＝８８．０（θｏ＝２．０）とすれば、電極７に対する制御電圧を０Ｖと１０Ｖに切り替えることによって電気光学効果プリズム部ＰＲでの出射角を０から約０．３度変化させることができ、フォトニック結晶部ＰＣがこれを約１０倍に拡大して、０から約３．０度の変化として得られる。

次の表２はフォトニック結晶部ＰＣの長さと、その出射端での光の分離距離との関係を示している。

〔表２〕
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
角度［°］ 進行距離［μｍ］ 分離距離［μｍ］
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
1 10 0.175
1 50 0.873
1 100 1.746
1 1000 17.455
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

図１に示した例ではフォトニック結晶部ＰＣの長さＬｐｃが１．０ｍｍであるので、その出射端で約１７．５μｍの距離で光を分離させることができる。これに合わせて光導波路部ＯＷのフォトニック結晶部ＰＣに対向する部分での２つの導波路凹部層３ａ，３ｂの間隔を１７．５μｍとしている。

次に、この光分岐素子の製造方法を工程順に説明する。
〔工程１〕
ＮｂをドーピングしたＳｒＴｉＯ₃ 単結晶基板（以下、Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ₃ 基板という。）を洗浄し、エッチングし、乾燥を行う。
ＰＬＺＴの組成をＰｂ_1-x Ｌａ_x （Ｚｒ_1-y Ｔｉ_y ）_1-(x/4) Ｏ₃ で表したとき、組成比ｘ：ｙ：（１−ｙ）が、（９：６５：３５）であるＰＬＺＴ、すなわちＰＬＺＴ（９／６５／３５）（以下、このように「ＰＬＺＴ（ｘ／ｙ／(1-y) ）」形式で表す。）のゾルゲル前駆体溶液を、Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ₃ 単結晶基板の結晶面（１００）へスピンコーティングし、高速昇温炉（ＲＴＡ炉）を用いて、Ｏ₂ 雰囲気中で昇温して３５０℃にて保持し、さらに７５０℃にて保持した後、冷却する。

この処理を繰り返すことによりＰＬＺＴ薄膜を固相エピタキシャル成長させ、膜厚が２．４μｍのＰＬＺＴ（９／６５／３５）エピタキシャル薄膜を形成する。このＰＬＺＴ薄膜の屈折率は２．３９５である。

〔工程２〕
次に、前記ＰＬＺＴ（９／６５／３５）前駆体溶液を、上記ＰＬＺＴ（９／６５／３５）エピタキシャル薄膜上へスピンコーティングし、高速昇温炉（ＲＴＡ炉）を用いて、Ｏ₂ 雰囲気中で昇温して３５０℃にて保持した後、冷却する。この処理を繰り返すことにより、膜厚０．５μｍのＰＬＺＴアモルファス薄膜を形成する。

以上の工程１と工程２とによって、図２に示したバッファ層２を構成する。

〔工程３〕
次に、フォトレジストをスピンコーティングし、プリベークの後、露光し、現像を行うことにより、チャンネル光導波路のコアに対応する開口を有するレジスト・パターンを形成する。続いて、ポストベークの後、ＨＣｌ水溶液でＰＬＺＴアモルファス薄膜の一部をウエット・エッチングにより除去する。

この処理により、上記ＰＬＺＴアモルファス薄膜を加工して、電気光学効果プリズム部ＰＲと光導波路部ＯＷの各チャンネル光導波路の各々に対応する、深さ０．５μｍ、幅５．０μｍの凹型形状の溝部（トレンチ）を形成する。

〔工程４〕
次に、リムーバによって上記フォトレジストの膜を剥離した後、加工後の上記ＰＬＺＴアモルファス薄膜を固相エピタキシャル成長させ、先に形成したＰＬＺＴエピタキシャル薄膜と一体化させ、表面に断面略凹字型の溝部を有するバッファ層２を構成する。

〔工程５〕
上記ＰＬＺＴ（９／６５／３５）エピタキシャル薄膜からなるバッファ層２の表面に、ＰｂＺｒ_1-y Ｔｉ_y Ｏ₃ と表したとき、組成比ｘ：ｙが、（５２：４８）であるＰＺＴ、すなわちＰＺＴ（５２／４８）（以下、このように「ＰＺＴ（ｘ／ｙ）」形式で表す。）のゾルゲル前駆体溶液をスピンコーティングし、高速昇温炉（ＲＴＡ炉）を用いてＯ₂ 雰囲気中で昇温して３５０℃にて保持し、さらに７５０℃にて保持の後、冷却する。

この処理を繰り返すことによりＰＺＴ薄膜を固相エピタキシャル成長させ、膜厚が１．５μｍのＰＺＴ（５２／４８）エピタキシャル薄膜を形成する。このＰＺＴ薄膜の屈折率は２．４５０である。

この工程５によって導波路凹部層３，３ａ，３ｂと導波路層４を構成する。

〔工程６〕
フォトニック結晶部分は基板面に電子線レジストを塗布し、露光してマスクを作成し、ＲＩＥエッチング（反応性イオンエッチング）によりフォトニック結晶のエアーホールを作成し、リムーバによって上記電子線レジストの膜を剥離する。

以上のプロセスによって、導波路層４、導波路凹部層３，３ａ，３ｂとの実効屈折率差が０．２％のチャンネル光導波路が形成され、スーパープリズム効果のあるフォトニック結晶部４′を構成する。

〔工程７〕
次に、ＰＺＴエピタキシャル薄膜からなる上記導波路層４上に、スパッタリング法によって膜厚２００ｎｍのＡｌと膜厚２００ｎｍのＩＴＯからなる積層薄膜を成膜した後、リフト・オフ法によって、底辺６．０μｍ、高さ１７２μｍの直角三角形状の上部電極６７を形成する。

〔工程８〕
光分岐素子の入射端面および出射端面を研磨して滑らかな面を形成する。
以上の工程によって光分岐素子を製造する。

積層した上記各層の結晶学的関係は、単一配向ＰＺＴ（１００）導波路層／／ＰＬＺＴ（１００）バッファ層／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ₃ （１００）基板、および面内方位ＰＺＴ［００１］導波路層／／ＰＬＺＴ［００１］バッファ層／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ₃ ［００１］基板と表せる。

この光分岐素子の入射端面および出射端面にシングル・モード光ファイバを配置し、配置した光ファイバから波長１．５５μｍのレーザ光を入射端面（入射ポート）へ導入する。Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ₃ 基板１と電極７との間に電圧を印加していない状態では、導入された光は電気光学効果プリズム部ＰＲのチャンネル光導波路を直行する。この光はフォトニック結晶部ＰＣを直進し、光導波路部ＯＷの一方のチャンネル光導波路の入射し、そのチャンネル光導波路を伝搬する。

これに対し、Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ₃ 基板と電極７との間に１０Ｖの電圧を印加した場合には、電圧の印加された三角形状の領域の屈折率が０．０００５低下するため、入射端面から導入されたレーザ光は、上記三角形状の領域で０．３°屈折する。上述したように、その屈折角はフォトニック結晶部ＰＣのスーパープリズム効果により、約１０倍の３°に拡大され、光導波路部ＯＷの１７μｍ離れたもう一方のチャンネル光導波路に入射される。

なお、電気光学効果プリズム部ＰＲのチャンネル光導波路の上記三角形状の領域外から三角形状の領域への光の入射角を９０°近くになる様に設計し、上記プリズムとして作用する三角形状の領域から出る光の角度が電気光学効果で最大限に変化するように設計する。また、フォトニック結晶部ＰＣでスーパープリズム効果が最も効果的に現れるように、フォトニック結晶部ＰＣへの入射角度を設計する。

また、バッファ層２であるＰＬＺＴの屈折率は２．４３３であり、導波路層４、導波路凹部層３，３ａ，３ｂであるＰＺＴの屈折率は２．４５０である。このように、バッファ層２の屈折率を導波路層４と導波路凹部層３，３ａ，３ｂの屈折率より小さくしたことにより、導波路層４と導波路凹部層３，３ａ，３ｂから基板１側（バッファ層側）へ光が漏れることを防いでいる。

このようにして、低電圧の電圧制御による小型の光分岐素子を構成する。

次に、第２の実施形態に係る光分岐素子の構成を図４・図５を基に説明する。
図４は光分岐素子の斜視図、図５は図４に示した光分岐素子の各部の断面図である。図１に示した例では基板１、バッファ層２、導波路層４をそれぞれ同一物質で実質上同時に形成したが、この第２の実施形態では、電気光学効果プリズム部ＰＲ、スーパープリズムフォトニック結晶部ＰＣ、および光導波路部ＯＷのそれぞれについて、共通の基板１の上部にそれぞれ個別の層を積み上げて構成している。完成後の各部の作用効果については第１の実施形態の場合と同様である。

図５の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は何れも図４に示した光分岐素子の光の伝搬方向に対して垂直な面での断面図であり、（Ａ）は電気光学効果プリズム部ＰＲ部分の断面図、（Ｂ）はフォトニック結晶部ＰＣ部分の断面図、（Ｃ）は光導波路部ＯＷ部分の断面図である。電気光学効果プリズム部ＰＲでは図５の（Ａ）に示すように、導波路凹部層３部分を紙面に垂直方向に光が伝搬し、フォトニック結晶部ＰＣでは（Ｂ）のようにフォトニック結晶部９部分を紙面に垂直方向に光が伝搬し、光導波路部ＯＷでは（Ｃ）に示すコア８ａまたは８ｂの何れか一方を紙面に垂直方向に光が伝搬する。

電気光学効果プリズム部ＰＲは図５の（Ａ）に示すように、Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ₃ から成る基板１の上部にＰＬＺＴから成るバッファ層２、ＰＺＴから成る導波路層４および導波路凹部層３を備えている。この導波路層４と導波路凹部層３とによって１つのチャンネル光導波路を構成している。

導波路層４の上面にはＩＴＯから成る透明電極６を形成していて、更にその上面にＡｌから成る電極７を形成している。この透明電極６と電極７とによって上部電極６７を構成している。この上部電極６７の平面形状は、導波路凹部層３を伝搬する光の伝搬方向に対して斜めに交わる辺を備えた直角三角形状を成している。

この電気光学効果プリズム部ＰＲの作用は第１の実施形態で示した電気光学効果プリズム部ＰＲと同様である。

フォトニック結晶部ＰＣは、図５の（Ｂ）に示すように、Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ₃ から成る基板１の上部にＳｉＯ₂ から成るバッファ層１０、その上にＧｅを添加した高屈折率ＳｉＯ₂ の層内に円柱形状のエアーホールを基板１の面に沿って二次元上に周期性をもって配置したフォトニック結晶部９を備えている。

光導波路部ＯＷは、図５の（Ｃ）に示すように、Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ₃ から成る基板１の上部にＳｉＯ₂ から成るクラッド層１０、Ｇｅ- ＳｉＯ₂ から成るコア８ａ，８ｂを備えている。このコア８ａ，８ｂ、およびクラッド層１０によって２つのチャンネル光導波路を構成している。この２つのチャンネル光導波路が、フォトニック結晶部４′の所定箇所から出射する光を受けるように、クラッド層１０の内部に所定間隔を隔てて２つのコア８ａ，８ｂを配置している。

この図４・図５に示した光分岐素子の製造方法は次の通りである。
〔工程１〕
ＮｂをドーピングしたＳｒＴｉＯ₃ 単結晶基板（Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ₃ 基板）に、ＭＯ−ＣＶＤ法でＰＬＺＴ（９／６５／３５）を１．９μｍ成膜し、続いてＰＺＴ（５２／４８）を１．７μｍ成膜する。電気光学効果プリズム部ＰＲの導波路層４と導波路凹部層３は第１の実施形態の場合と同様に作成する。

〔工程２〕
レジストを塗布、露光してマスクを作成し、電気光学効果プリズム部ＰＲ以外のＰＬＺＴ膜とＰＺＴ膜をＲＩＥエッチング法により除去する。

〔工程３〕
その後、除去部分にプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ₂ を成膜し、フォトニック結晶部ＰＣと光導波路部ＯＷのクラッド層１０を形成する。このクラッド層１０のＳｉＯ₂ の屈折率は１．４６である。

〔工程４〕
プラズマＣＶＤ法によりＧｅを１５mol ％添加した高屈折率ＳｉＯ₂ をフォトニック結晶部ＰＣと光導波路部ＯＷに成膜する。このＧｅ−ＳｉＯ₂ 膜の屈折率は１．４８であり、フォトニック結晶部ＰＣと光導路波路部ＯＷにおけるクラッド層１０のＳｉＯ₂ 膜の屈折率より大きい。

〔工程５〕
上記Ｇｅ−ＳｉＯ₂ 膜に電子線レジストを塗布し、露光してマスクを作成し、ＲＩＥエッチング法によりフォトニック結晶のエアーホール部と光導波路部ＯＷのコア８ａ，８ｂ以外の部分とをエッチングし、リムーバによってレジストを剥離する。これによりＧｅ−ＳｉＯ₂ 層のフォトニック結晶部分とコア８ａ，８ｂを構成する。

〔工程６〕
光導波路部ＯＷにプラズマＣＶＤ法で低屈折率のＳｉＯ₂ を成膜する。これにより、光導波路部ＯＷのクラッド層１０を構成する。

〔工程７〕
次に、電気光学効果プリズム部ＰＲのＰＺＴエピタキシャル薄膜からなる上記クラッド層４上に、スパッタリング法によって膜厚２００ｎｍのＡｌと膜厚２００ｎｍのＩＴＯからなる積層薄膜を成膜した後、フォトリゾグラフィーによって、底辺６．０μｍ、高さ１７２μｍの直角三角形状の上部電極６７を形成する。

〔工程８〕
光分岐素子の入射端面および出射端面を研磨して滑らかな面を形成する。
以上の工程によって光分岐素子を製造する。

この第２の実施形態によれば、電気光学効果プリズム部ＰＲは電気光学効果の大きなＰＺＴを用いつつ、これとは別に、加工の容易なＳｉＯ₂ を用いてフォトニック結晶部ＰＣと光導波路部ＯＷを形成できるので、全体の製造が容易にできる。

次に第３の実施形態に係る光分岐素子の構成を図６〜図８を参照して説明する。
第１・第２の実施形態では電気光学効果を備える層をエピタキシャル薄膜で構成したが、この第３の実施形態ではＬｉＮｂＯ₃ の単結晶基板を用いる。図６は光分岐素子の斜視図である。この光分岐素子は電気光学効果プリズム部ＰＲ、スーパープリズムフォトニック結晶部ＰＣ、および光導波路部ＯＷを備えている。電気光学効果プリズム部ＰＲには、基板１の表面にコア８を形成している。またこの基板１の上面には非平行関係にある２つの電極７ａ，７ｂを形成している。

フォトニック結晶部ＰＣには、基板１の表面にスーパープリズム効果を奏するフォトニック結晶部を構成している。

光導波路部ＯＷには、基板１の表面付近に２つのコア８ａ，８ｂを形成している。

このような電気光学効果を有する単結晶基板を用いる場合には、その厚み方向に電圧を印加することが困難であるので、基板１の表面に平面電極７ａ，７ｂを形成している。図７の（Ａ）はその部分の平面図、（Ｂ）は光導波路８の光伝搬方向に垂直な面での断面図である。（Ａ）に示す矢印は電極７ａ−７ｂ間に生じる電界の向きと強度分布について示している。このような２つの電極７ａ−７ｂ間の電界は基板１に形成したコア８部分に印加されて、電界強度の高い箇所ほど屈折率が低下する。

このように光の伝搬方向の左右で屈折率勾配があるので、コア８を伝搬する光はその伝搬方向に対して左右方向に偏向する。すなわち、電極７ａ−７ｂ間に印加する電圧によって、光導波路８を伝搬する光の偏向制御が可能となる。この偏向角度はフォトニック結晶部ＰＣで拡大されて、その出射端で２つのコア８ａ，８ｂのうち何れか一方に入射することになる。

図８は、図６・図７に示した光分岐素子の製造方法について示している。この光分岐素子の製造工程は次のとおりである。
〔工程１〕
図８の（ａ）〜（ｄ）に示すように、厚さ１ｍｍのＬｉＮｂＯ₃ 単結晶基板にレジストを塗布し、露光してマスクを作成し、後にコアとなる部分にＴｉを蒸着し、さらにレジスト膜を除去する。

〔工程２〕
１０００℃、５時間の熱処理によりＬｉＮｂＯ₃ 単結晶基板にＴｉを拡散させ、電気光学効果プリズム部ＰＲと光導波路部ＯＷに、厚さ４μｍ程度のコア８，８ａ，８ｂを形成する。

この様にチタンを拡散させたコアは基材よりも屈折率が大きくなり、光はそのコア中に閉じ込められる。

〔工程３〕
電子線レジストを塗布、露光してマスクを作成し、ＲＩＥエッチング法によりフォトニック結晶部ＰＣのエアーホール部をエッチングし、リムーバによってレジストを剥離する。これによりフォトニック結晶部ＰＣを構成する。

〔工程４〕
次に、ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶基板１上に、スパッタリング法によってＴｉ，Ｐｄ，Ａｕの順に積層薄膜を成膜して、Ｔｉ−Ｐｄ−Ａｕ電極膜を形成た後、フォトリゾグラフィーによって、図７に示したような形状の電極７ａ，７ｂを形成する。

〔工程５〕
光分岐素子の入射端面および出射端面を研磨して滑らかな面を形成する。
以上の工程によって光分岐素子を製造する。

第１の実施形態に係る光分岐素子の斜視図 同光分岐素子の各部の断面図 同光分岐素子における電気光学効果プリズム部の構成と作用を示す図 第２の実施形態に係る光分岐素子の構成を示す斜視図 同光分岐素子の各部の断面図 第３の実施形態に係る光分岐素子の構成を示す斜視図 同光分岐素子の電気光学効果プリズム部の構成を示す図 同光分岐素子のコア部分の製造過程を示す斜視図

符号の説明

１−基板
２−バッファ層
３−導波路凹部層
４−導波路層
６−透明電極
７−電極
６７−上部電極
８−コア
４′，９−スーパープリズムフォトニック結晶部
１０−クラッド層
ＰＲ−電気光学効果プリズム部
ＰＣ−スーパープリズムフォトニック結晶部
ＯＷ−光導波路部
ＯＷＧ−光導波路

Claims (5)

1. 平板状の基板に単一の第１の光導波路と複数の第２の光導波路とを備え、
   複数の第２の光導波路の各端部と第１の光導波路の端部との間にフォトニック結晶を配置するとともに、第２の光導波路の各端部を前記フォトニック結晶のそれぞれ異なった位置に配置し、
   第１の光導波路の少なくとも前記フォトニック結晶に向かう端部を電気光学効果を有する物質による光導波路で構成し、前記フォトニック結晶の入出射位置または入出射角度を変化させるように前記第１の光導波路の電気光学効果を有する物質による光導波路に対して電界を印加する手段を設けたことを特徴とする光分岐素子。
2. 前記第１の光導波路に対して電界を印加する手段は、前記基板の主面に沿って広がり、且つ前記第１の光導波路の光伝搬方向に対する２つの端辺の傾斜角が異なった形状の電極からなる請求項１に記載の光分岐素子。
3. 前記第１・第２の光導波路は電気光学効果を備える層に構成し、前記フォトニック結晶は電気光学効果を備える層にエアーホールを配列して構成した、請求項１または２に記載の光分岐素子。
4. 前記フォトニック結晶はＳｉＯ₂ を主体とするフォトニック結晶である請求項１または２に記載の光分岐素子。
5. 前記第１・第２の光導波路は電気光学効果を備える単結晶基板の表面に構成し、前記第１の光導波路に対して電界を印加する手段は、前記基板の面に略平行な方向に電界を印加する、前記単結晶基板の表面に形成した互いに非平行な辺を有する電極からなる請求項１〜４のいずれかに記載の光分岐素子。

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