JP2006126296A

JP2006126296A - 光偏向素子及び光スイッチ

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Publication number: JP2006126296A
Application number: JP2004311365A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Aoki; 剛青木; Masao Kondo; 正雄近藤; Kazuaki Kurihara; 和明栗原
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2004-10-26
Filing date: 2004-10-26
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2024-10-26
Also published as: US20060088240A1; CN100390589C; KR20060044566A; KR100730253B1; CN1766683A; JP4672331B2; US7218798B2

Abstract

【課題】フォトニック結晶を用いて光を所望の大きな偏向角で偏向させるとともに、偏向角を広い範囲内で精緻に高速制御することを可能とし、装置サイズの更なる縮小化・高集積化に寄与する光偏向素子を実現する。
【解決手段】光偏向素子１０は、光導波路３上に設けられたプリズム電極４と、光進行方向で光がプリズム電極４を通過した前方に設けられた第１のフォトニック結晶構造５と、第１のフォトニック結晶構造５上で光導波路３を介して対向電極層２と対向するように設けられた制御電極６と、光進行方向に並行してプリズム電極４の側方に設けられた第２のフォトニック結晶構造７とを備えて構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光を偏向させる光偏向素子及び入力した光信号を所望のチャネルに出力する光スイッチに関する。

近年では、フォトニックネットワークの更なる高速駆動化及び大容量化の要請が高まり、光信号は広帯域且つ多重化され、フォトニックネットワークの伝送装置にも高速駆動化及び多チャネル化が求められている。フォトニックネットワークのノードとなる光クロスコネクト装置でも、チャネル数の増加、高速切り替えの必要に迫られており、現在のＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)などのマイクロマシンによるミラー型の光クロスコネクト装置に代わって、例えば特許文献１のような光導波路型の光スイッチが必要とされている。

光導波路型光スイッチでは、高速駆動化及び多チャネル化に対応して光偏向角を調節することが必須となる。光導波路型の光スイッチにおいて、大きな光偏向を得るべく、屈折率の異なる複数種類の物質が周期的に配列してなる、所謂フォトニック結晶を用いることが着目されている。フォトニック結晶とは、屈折率の異なる複数の媒質が周期的に配設されてなる結晶構造である。フォトニック結晶は、従来の光デバイスを数ミクロンサイズまで小型化可能な要素技術として期待されている。フォトニック結晶の内部では、その配列周期、形状及び屈折率などにより、半導体等における電子のバンド構造と同様に、光のバンド構造が変調され、特異なバンド構造を形成する。例えばブリルアンゾーン近傍では、フォトニックバンドギャップと呼ばれる光の禁制帯が形成され、この周波数帯域ではフォトニック結晶の内部で光が存在できない。また、フォトニックバンドギャップ近傍のフォトニックバンドは大きく変調されており、その周波数分散面は通常の光学結晶とは大きく異なる。例えば非特許文献１において、フォトニックバンドの波数が作る周波数分散面に適当な波長の光を選択することにより、スーパープリズム効果と呼ばれる大きな光偏向が観測されることが報告されている。

フォトニック結晶を用いた光スイッチの具体例としては、例えば特許文献２〜４の技術が挙げられる。
特許文献２では、フォトニック結晶に電圧等のエネルギーを印加することにより偏向角を調節できる旨の原理的発明が開示されている。
特許文献３では、フォトニック結晶により光導波路のコアを構成し、フォトニック結晶に線欠陥導波路を形成して光路とする発明が開示されている。
特許文献４では、特許文献２と同様に、フォトニック結晶により光導波路のコアを構成し、フォトニック結晶に上記の周期構造配列を満たさない部位を形成し、これを光路とする発明が開示されている。

特開平３−８７８１７号公報特開２００２−３５０９０８号公報特開２００２−３０３８３６号公報特開２００３−２１５３６７号公報 H. Kosaka et al. Phys. Rev. B 58, R10099 (1998).、H Kosaka et al. Appl. Phys. Lett. 74, 1212 (1999).、H Kosaka et al. Appl. Phys. Lett. 74, 1370 (1999).

上述したような従来のフォトニック結晶を用いた光スイッチにおいては、光路を画定し、大きな偏向角を得ることができるものの、偏向角の調節精度がさほど優れているとは言えないという問題がある。近時における光スイッチの高速駆動化及び多チャネル化の要請は益々高まりつつあり、この要請に十分に応えるには、偏向角の調節精度を大幅に向上させる必要があり、そのための技術が模索されている現況にある。

本発明は、上記の諸問題に鑑みてなされたものであり、フォトニック結晶を用いて光を所望の大きな偏向角で偏向させるとともに、偏向角を広い範囲内で精緻に高速制御することを可能とし、装置サイズの更なる縮小化・高集積化に寄与する光偏向素子を提供することを目的とする。

また、本発明は、光信号を所望の広い偏向角範囲内で精緻に高速制御することを可能とする光偏向素子を用いて、装置サイズの大幅な縮小化・高集積化に寄与する高速駆動の多チャネル・光スイッチを提供することを目的とする。

本発明の光偏向素子は、電気光学材料からなる光導波路と、前記光導波路上に設けられた第１の光偏向手段と、光進行方向で光が前記第１の光偏向手段を通過した前方（光進行方向に対して奥側）に設けられ、前記第１の光偏向手段よりも偏向角範囲の広い第２の光偏向手段とを含み、前記第２の光偏向手段は、屈折率の異なる複数種類の物質が周期的に配列してなる第１のフォトニック結晶構造と、前記第１のフォトニック結晶構造に印加する電圧を調節して前記第１のフォトニック結晶構造による光の屈折率を制御する制御電極とを備える。

本発明の光スイッチは、光信号が入力する複数の入力チャネルと、前記各入力チャネル毎に設けられてなる複数の光偏向素子と、光信号が出力する複数の出力チャネルと
を備え、前記各光偏向素子は、電気光学材料からなる光導波路と、前記光導波路上に設けられた第１の光偏向手段と、光進行方向で光が前記第１の光偏向手段を通過した前方に設けられ、前記第１の光偏向手段よりも偏向角範囲の広い第２の光偏向手段とを含み、前記第２の光偏向手段は、屈折率の異なる複数種類の物質が周期的に配列してなる第１のフォトニック結晶構造と、前記第１のフォトニック結晶構造に印加する電圧を調節して前記第１のフォトニック結晶構造による光の屈折率を制御する制御電極とを備える。

本発明の一態様では、光進行方向に並行して、隣接する前記第１の光偏向手段間の領域に設けられており、屈折率の異なる複数種類の物質が周期的に配列してなる第２のフォトニック結晶構造を更に含む。

本発明によれば、フォトニック結晶を用いて光を所望の大きな偏向角で偏向させるとともに、偏向角を広い範囲内で精緻に高速制御することを可能とし、装置サイズの更なる縮小化・高集積化に寄与する光偏向素子が実現する。

本発明によれば、光信号を所望の広い偏向角範囲内で精緻に高速制御することを可能とする光偏向素子を用いて、これを複数並列させることにより、小型で高速スイッチング動作が可能な光スイッチが実現する。

−本発明の基本骨子−
本発明者は、光を大きな偏向角で偏向させるとともに、偏向角を広い範囲内で精緻に高速制御すべく、２種類の偏向手段を光進行方向に直列に配設し、偏向手段を２段構成とすることにより光偏向を広い角度範囲でしかも精緻に制御することに想到した。具体例として、第１の光偏向手段にはプリズム電極を、第２の光偏向手段にはフォトニック結晶（第１のフォトニック結晶構造）と、フォトニック結晶に印加する電圧を調節してフォトニック結晶による光の屈折率を制御する制御電極とを用いる。

本発明では、光導波路に電気光学効果（誘電体結晶や強誘電体結晶に電場を印加すると屈折率が変化する効果）を有する材料（電気光学材料）を用い、光進行方向に第１の光偏向手段、第２の光偏向手段の順に配設する。先ず、１段目の偏向手段（第１の光偏向手段）で光偏向を微小に調節した後、２段目の偏向手段（第２の光偏向手段）で光偏向を広偏向角範囲で調節する。例えばプリズム電極による光偏向ではその偏向角が小さい。１段目の光偏向としては、例えば第１の光偏向手段にプリズム電極を用いて入射光を左右いずれかに微小角だけ偏向させる。続いて、２段目の光偏向として、第２の光偏向手段に第１のフォトニック結晶構造を用い、第１の光偏向手段で左右いずれかに微小角偏向した光を第１のフォトニック結晶構造により、左右いずれかの微小角を大きく拡大することができる。このとき第２の光偏向手段では、制御電極から第１のフォトニック結晶構造に所望の電圧を印加する。この電圧印加により、フォトニック結晶内部のフォトニックバンドギャップを変調させ、光の偏向角をフォトニック結晶による広い偏向角範囲内で所望に変化させることができる。

フォトニック結晶のスーパープリズム効果による光偏向は、入射角度及び入射光の波長に極めて敏感であるため、フォトニック結晶に入射する光の微小な角度に反応して大きく偏向する。従って、フォトニック結晶のみでは光の大きな偏向角は得られる反面、当該偏向角を精緻に調節することはできない。本発明では、このようなフォトニック結晶の性質を積極的に利用し、先ず入射光を左右いずれかの微小角だけ偏向させておき、続いて当該微小角を、第１のフォトニック結晶構造により制御電極で調節しながら大きくしかも精緻に偏向させる。このように偏向角を制御することにより、入射光の波長が一意的でなくとも、スーパープリズム効果を発生させる波長選択性が広がるとともに、光の偏向角制御をきめ細かく正確に、しかも高速で行うことができる。

更に本発明では、光路に並行するように、第１のフォトニック結晶構造と周期構造が異なる第２のフォトニック結晶構造を配設する。この第２のフォトニック結晶構造はフォトニックバンドギャップを有しており、これにより光路が絞り込まれて指向性の高い光偏向制御が可能となる。

更に本発明では、複数の入出力チャネルを備えた光スイッチに上記の光偏向素子を適用する。即ち、各入力チャネル毎に上記の光偏向素子を配設する。各光偏向素子には第１及び第２の光偏向手段が設けられており、２段階の偏向角調節により光信号の偏向が広い偏向角範囲で精緻に制御され、各入力チャネルから所望の出力チャネルに正確且つ高速に光信号を伝達させることができる。この場合、第２のフォトニック結晶構造が光路に並行して隣接する入力チャネル間の領域に設けられており、各入力チャネル毎に入射光信号の光路が峻別され、入力チャネル間のクロストークが大幅に低減する。

−本発明を適用した具体的な諸実施形態−
（第１の実施形態）
本実施形態では、本発明を適用した光偏向素子の具体的構成を開示する。
図１は、第１の実施形態による光偏向素子の主要構成を示しており、（ａ）が概略平面図、（ｂ）が（ａ）中の一点鎖線Ｉ−Ｉに沿った概略断面図、（ｃ）が（ａ）中の一点鎖線ＩＩ−ＩＩに沿った概略断面図である。また、図２及び図３は、第１の実施形態による光偏向素子の製造方法を工程順に示す概略断面図（図１（ａ）中の一点鎖線Ｉ−Ｉに沿った概略断面に対応する。）である。

本実施形態の光偏向素子１０は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、素子基板１上に対向電極層２を介して電気光学材料からなる光導波路３と、光導波路３を介して対向電極層２と対向するように光導波路３上に設けられたプリズム電極４と、光進行方向で光がプリズム電極４を通過した前方に設けられた第１のフォトニック結晶構造５と、第１のフォトニック結晶構造５上で光導波路３を介して対向電極層２と対向するように設けられた制御電極６と、光進行方向に並行してプリズム電極４の側方に設けられた第２のフォトニック結晶構造７とを備えて構成されている。

光導波路３は、スラブ型導波路であり、下部クラッド層１１と上部クラッド層１３との間に光路が形成されるコア層１２が挟持されて構成されている。光導波路３の電気光学材料としては、大きな電気光学効果を持つ強誘電体であるペロブスカイト系のＢａＴｉＯ₃、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃（ＰＺＴ）、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ₃（ＰＬＴ）、(Ｐｂ，Ｌａ)（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃（ＰＬＺＴ）が望ましく、正方晶系のＫＨ₂ＰＯ₄（ＫＤＰ）、イルメナイト系のＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＫＮｂＯ₃、タングステンブロンズ系の（Ｓｒ，Ｂａ）Ｎｂ₂Ｏ₆（ＳＢＮ）でも良い。これらの中から任意の屈折率を持つ材料を選択し、光導波路３の材料とする。

プリズム電極４は、三角形状の一対の電極が対向するように配設されてなるものであり、これが第１の光偏向手段として機能する。

第１のフォトニック結晶構造５は、屈折率の異なる複数種類の物質が周期的に配列してなるフォトニック結晶からなるものである。ここでは、光進行方向と直交する方向ように光導波路３に複数の貫通孔１４が形成され、これら貫通孔１４が光導波路３の電気光学材料と異なる屈折率の材料、ここでは透明樹脂１５が充填されており、透明樹脂１５及びその周囲の電気光学材料の２種類の物質が周期的に配列されている。この場合、所望のスーパープリズム効果が得られるように、周期構造、即ち貫通孔１４のサイズや形状、配列周期が適宜調節されている。透明樹脂１５を貫通孔１４の充填材とすることにより、充填材を用いない空気の場合と比べて耐電圧性が向上し、放電を防止することができる。充填材としては、電気光学材料と異なる屈折率の材料であれば良く、例えばシリカ等でも好適である。

制御電極６は、第１のフォトニック結晶構造５を対向電極層２と挟持するように配設されている。第１のフォトニック結晶構造５及び制御電極６により第２の光偏向手段として機能する。

第２のフォトニック結晶構造７は、第１のフォトニック結晶構造５と同様に、光進行方向と直交する方向ように光導波路３に複数の貫通孔１６が形成され、これら貫通孔１６が光導波路３の電気光学材料と異なる屈折率の材料、ここでは透明樹脂１５が充填されており、透明樹脂１５及びその周囲の電気光学材料の２種類の物質が周期的に配列されている。この場合、第１のフォトニック結晶構造５と異なる周期構造（貫通孔１６のサイズや形状、配列周期）、ここではフォトニックバンドギャップを形成する周期構造を有しており、これにより光路が絞り込まれて指向性の高い光偏向制御が可能となる。

この光偏向素子１０では、２段階の光偏向を行う。先ず、入射光Ｌ₁がプリズム電極４に入射する。プリズム電極４には対向電極層２との間で所定の電圧が印加されており、この電圧印加により光導波路３内にプリズム状の屈折率変化が生じ、入射光Ｌ₁が左右いずれかに微小角だけ偏向して第１の偏向光Ｌ₂となる（勿論、入射光Ｌ₁を何等偏向させることなく直進させても良い。）。図示の例では、左右双方（図１の一点鎖線Ｉ−Ｉに対して上下双方）に偏向された各第１の偏向光Ｌ₂をそれぞれ示す。このとき、プリズム電極４の側方には第２のフォトニック結晶構造７が設けられており、フォトニックバンドギャップでは光の存在が許されないため、このフォトニックバンドギャップによりプリズム電極４内に光路が絞り込まれる。

プリズム電極４を通過した第１の偏向光Ｌ₂は、第１のフォトニック結晶構造５へ入射する。第１のフォトニック結晶構造５には、制御電極６により対向電極層２との間で所定に調節された電圧が印加されており、この電圧調節により、第１のフォトニック結晶構造５のフォトニックバンドギャップが変調し、プリズム電極４により微小角だけ偏向した第１の偏向光Ｌ₂がフォトニック結晶による広い偏向角範囲内で精緻に所期の偏向角に制御され、第２の偏向光Ｌ₃となって出射される。図示の例では、第１の偏向光Ｌ₂に起因して左右双方に大きく偏向された各第２の偏向光Ｌ₃をそれぞれ示す。

ここで、本実施形態による光偏向素子１０の製造方法について図２及び図３を用いて説明する。
先ず、図２（ａ）に示すように、例えばＳｒＴｉＯ₃（ＳＴＯ）又はＭｇＯからなる素子基板１を用意し、この素子基板１上に対向電極層２を形成する。
具体的には、図２（ｂ）に示すように、例えばＳＲＯ、ＩｒＯ₂等の酸化物膜、Ｐｔ、Ｔｉ等の金属膜をスパッタ法により基板１上に堆積し、対向電極層２を形成する。この場合、基板１としてＮｂやＬａ等を添加したＳＴＯ等の導電性単結晶基板を用い、対向電極層２の形成を省略しても良い。

続いて、対向電極層２上に下部クラッド層１１を形成する。
具体的には、図２（ｃ）に示すように、例えばゾルゲル法により、一例として強誘電体のＰＬＺＴ（9/65/35）膜を膜厚２μｍ程度にエピタキシャル成長させ、対向電極層２上に下部クラッド層１１を形成する。なお、ＰＬＺＴの前躯体溶液を対向電極層２上にディップ法又はスピンコート法を用いて複数回塗布することにより、ＰＬＺＴ膜の膜厚を制御することができる。

続いて、下部クラッド層１１上にコア層１２を積層形成する。
具体的には、図２（ｄ）に示すように、例えばゾルゲル法により、ＰＺＴ（52/48）膜を下部クラッド層１１上に膜厚３μｍ程度にエピタキシャル成長させ、コア層１２を積層形成する。なお同様に、ＰＺＴの前躯体液を下部クラッド層１１上に複数回塗布することにより、ＰＺＴ膜の膜厚を制御することができる。

続いて、コア層１２上に上部クラッド層１３を積層形成する。
具体的には、図２（ｅ）に示すように、例えばゾルゲル法により、ＰＬＺＴ膜をコア層１２上に膜厚２μｍ程度にエピタキシャル成長させ、上部クラッド層１３を積層形成する。この場合も同様に、ＰＺＴの前躯体液をコア層１２上に複数回塗布することにより、ＰＺＴ膜の膜厚を制御することができる。このとき、下部クラッド層１１、コア層１２及び上部クラッド層１３が積層されてなる光導波路３が形成される。以上、ゾルゲル法で電気光学材料の光導波路３を形成する場合を例示したが、ゾルゲル法以外でもスパッタ法、パルスレーザ蒸着法、エアロゾル法及びＭＯＣＶＤ法等の任意の強誘電体膜作製プロセス法を利用することができる。

続いて、第１のフォトニック結晶構造５の貫通孔１４及び第２のフォトニック結晶構造７の貫通孔１６を複数パターン形成する。なお、図示の例では、断面の位置に応じて貫通孔１４のみが示される（以下同様）。
具体的には、先ず図２（ｆ）に示すように、例えば電子線レジスト１７を光導波路３上に塗布し、電子線レジスト１７の所定部位にそれぞれ貫通孔１４，１６の各パターン（図示の例では貫通孔１４のパターン１７ａのみ示す。）を電子線直描及び現像等により形成する。続いて、図２（ｇ）に示すように、電子線レジスト１７をマスクとして、例えばＣＦ₄やＳＦ₆のエッチングガスを用いたドライエッチ法により、光導波路３を対向電極層２の表面が露出するまでエッチングする。このエッチングにより、光導波路３には電子線レジスト１７のパターンに倣った貫通孔１４，１６が形成される。そして、図３（ａ）に示すように、電子線レジスト１７を灰化処理等により除去する。

続いて、貫通孔１４，１６内に透明樹脂１５を充填する。
具体的には、図３（ｂ）に示すように、透明樹脂１５として、例えばフッ素化ポリイミド等をスピンコート法、ディップコート法等により貫通孔１４，１６内に注入し、例えば反応性イオンエッチング法で溢れ出た透明樹脂を除去する。

以上により、貫通孔１４，１６内に透明樹脂１５が充填されてなり、周囲の電気光学材料と共にそれぞれ所定の周期構造を有してなる第１及び第２のフォトニック結晶構造５，７が形成される。

続いて、光導波路３上にプリズム電極４及び制御電極６をパターン形成する。
具体的には、先ず図３（ｃ）に示すように、例えば電子線レジスト１８を光導波路３上に塗布し、電子線レジスト１８の所定部位にそれぞれプリズム電極４及び制御電極６の各パターン１８ａ，１８ｂを電子線直描及び現像等により形成する。続いて、図３（ｄ）に示すように、例えばＳＲＯ、ＩｒＯ₂等の酸化物膜、Ｐｔ、Ｔｉ等の金属膜をスパッタ法により全面に堆積する。このとき、電子線レジスト１８がマスクとなって、光導波路３上には各パターン１８ａ，１８ｂにより露出した部位のみに酸化物膜又は金属膜が堆積される。そして、図３（ｅ）に示すように、リフトオフ法により電子線レジスト１８及び電子線レジスト１８上の酸化物膜又は金属膜を除去し、プリズム電極４及び制御電極６をパターン形成する。

以上の工程及び諸々の後工程を経ることにより、本実施形態の光偏向素子１０を完成させる。
なお、本発明は以上述べてきた第１の実施形態に限定されるものではない。例えば、対向電極２や光導波路３、プリズム電極４及び制御電極６の厚みには、ある程度自由がある。また、入射光がプリズム電極４の所望の偏向角を満たさない場合、プリズム電極４の形状を適宜変更することが可能であり、また、プリズム電極４を多段となるように複数直列に配設しても良い。第１及び第２のフォトニック結晶構造５，７の各周期配列についても、図示の例では正方格子配列を示したが、これに限られず三角格子配列やハニカム格子配列等でも好適である。

以上説明したように、本実施形態によれば、フォトニック結晶を用いて光を所望の大きな偏向角で偏向させるとともに、偏向角を広い範囲内で精緻に高速制御することを可能とし、装置サイズの更なる縮小化・高集積化に寄与する光偏向素子１０が実現する。

（第２の実施形態）
本実施形態では、本発明を適用した光スイッチの具体的構成を開示する。
図４は、第２の実施形態による光スイッチの概略構成を示しており、（ａ）が光スイッチの主要構成部のみの概略平面図、（ｂ）が（ａ）中の一点鎖線Ｉ−Ｉに沿った光スイッチの概略断面図である。なお、第１の実施形態と同様の構成部材等については、同符号を付して詳しい説明は省略する。

本実施形態の光スイッチ２０は、第１の実施形態による光偏向素子１０を複数並列に配設した構成を採る。
この光スイッチ２０は、Ｎ×Ｎ（Ｎ：２以上の整数、図示の例ではＮ＝４）配列の光スイッチであり、光偏向機構を備えた主要構成部２１と、主要構成部２１が配設されるチャネル形成部２２とを備えて構成されている。

チャネル形成部２２は、チャネル基板３１上にチャネル導波路３２が設けられて構成されている。
チャネル導波路３２は、下部クラッド層４１と上部クラッド層４３との間に、光路が形成されるコア層４２が挟持されており、光信号の入力チャネルＩ₁〜Ｉ₄及び出力チャネルＯ₁〜Ｏ₄を備えている。入力チャネルＩ₁〜Ｉ₄は、それぞれ先端部位に信号光をコリメートするマイクロレンズ４４が設けられており、各々等間隔に並設されている。出力チャネルＯ₁〜Ｏ₄も同様に、それぞれ後端部位にマイクロレンズ４４が設けられており、各々等間隔に並設されている。このチャネル導波路３２には、主要構成部２１が実装される溝４５が形成されており、チャネル基板３１表面の溝４５の底部に露出する部位には、各種配線層４６がパターン形成されている。

チャネル形成部２２においては、例えばＳｉからなるチャネル基板３１の表面を熱酸化して膜厚５μｍ程度のＳｉＯ₂膜を形成した後、ＳｉＯ₂膜の表面から３μｍ程度の深さまで例えばＧａをドープして、膜厚２μｍ程度の下部クラッド層４１及び膜厚２μｍ程度のコア層４２を形成する。その後、ゾルゲル法又はスパッタ法等により、コア層４２上に膜厚２μｍ程度のＳｉＯ₂膜を形成し、上部クラッド層４３を形成する。そして、例えばＣＦ₄系ガスをエッチングガスとして上部クラッド層４３、コア層４２及び下部クラッド層４１をドライエッチングし、溝４５をパターン形成する。

光スイッチ２０の主要構成部２１は、各入力チャネルＩ₁〜Ｉ₄に対応して第１の実施形態による光偏向素子１０がそれぞれ配設されて構成されている。
各光偏向素子１０は、素子基板１上に対向電極層２を介して光導波路３が設けられ、この光導波路３上にプリズム電極４と、光進行方向で光がプリズム電極４を通過した前方に設けられた第１のフォトニック結晶構造５と、第１のフォトニック結晶構造５上で光導波路３を介して対向電極層２と対向するように設けられた制御電極６と、光進行方向に並行してプリズム電極４の側方に設けられた第２のフォトニック結晶構造７とを備えて構成されている。

即ち、光導波路３上に各入力チャネルＩ₁〜Ｉ₄に対応してそれぞれプリズム電極４、第１のフォトニック結晶構造５及び制御電極６が設けられ、プリズム電極４の側方、ここでは隣接するプリズム電極４間の領域に第２のフォトニック結晶構造７が設けられている。

上記のように構成された主要構成部２１は、図４（ｂ）のように上下面を反転させて、チャネル導波路３２の溝４５内に導波路３とチャネル導波路３２との位置が整合するように嵌合され、プリズム電極４及び制御電極６が例えば半田ボール４７により所定の配線層４６とそれぞれ接続される。

この光スイッチ２０では、２段階の光偏向を行う。ここでは、入力チャネルＩ₂に光信号が入力する場合を例に採って説明する。
先ず、入力チャネルＩ₂を通過した入射光Ｌ₁がプリズム電極４に入射する。プリズム電極４には対向電極層２との間で所定の電圧が印加されており、この電圧印加により光導波路３内にプリズム状の屈折率変化が生じ、入射光Ｌ₁が左右いずれかに微小角だけ偏向して第１の偏向光Ｌ₂となる。図示の例では、左右双方に偏向された信号光及び直進する信号光を各第１の偏向光Ｌ₂としてそれぞれ示す。このとき、プリズム電極４の側方には第２のフォトニック結晶構造７が設けられており、フォトニックバンドギャップでは光の存在が許されないため、このフォトニックバンドギャップにより各入力チャネルＩ₁〜Ｉ₄毎に信号光の光路が峻別されて絞り込まれ、隣接する入力チャネル間の信号光のクロストークが大幅に低減する。

プリズム電極４を通過した第１の偏向光Ｌ₂は、第１のフォトニック結晶構造５へ入射する。第１のフォトニック結晶構造５には、制御電極６により対向電極層２との間で所定に調節された電圧が印加されており、この電圧調節により、第１のフォトニック結晶構造５のフォトニックバンドギャップが変調し、プリズム電極４により微小角だけ偏向した第１の偏向光Ｌ₂がフォトニック結晶による広い偏向角範囲内で精緻に所期の偏向角に制御され、第２の偏向光Ｌ₃となって出射され、所期の出力チャネルへ出力される。図示の例では、第１の偏向光Ｌ₂に起因して左右双方に大きく偏向されて出力チャネルＯ₁，Ｏ₄へ出力される信号光及び直進してＯ₂へ出力される信号光を各第２の偏向光Ｌ₃としてそれぞれ示す。

なお、本発明は以上述べてきた第２の実施形態に限定されるものではない。例えば、光偏向素子は光スイッチへの応用に限らず、レーザプリンタ、バーコード読み取り機等への応用も可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、光信号を所望の広い偏向角範囲内で精緻に高速制御することを可能とする光偏向素子１０を用いて、これを複数並列させることにより、小型で高速スイッチング動作が可能な光スイッチ２０が実現する。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）電気光学材料からなる光導波路と、
前記光導波路上に設けられた第１の光偏向手段と、
光進行方向で前記第１の光偏向手段を通過した前方に設けられ、前記第１の光偏向手段よりも偏向角範囲の広い第２の光偏向手段と
を含み、
前記第２の光偏向手段は、屈折率の異なる複数種類の物質が周期的に配列してなる第１のフォトニック結晶構造と、前記第１のフォトニック結晶構造に印加する電圧を調節して前記第１のフォトニック結晶構造による光の屈折率を制御する制御電極とを備えることを特徴とする光偏向素子。

（付記２）前記第１の光偏向手段は、プリズム電極であることを特徴とする付記１に記載の光偏向素子。

（付記３）前記制御電極と前記導波路を介して対向するように設けられてなる対向電極を更に含み、
前記プリズム電極及び前記制御電極は、それぞれ前記対向電極との間に電圧を印加することを特徴とする付記２に記載の光偏向素子。

（付記４）光進行方向に並行して前記第１の光偏向手段の側方に設けられており、屈折率の異なる複数種類の物質が周期的に配列してなる第２のフォトニック結晶構造を更に含むことを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の光偏向素子。

（付記５）前記第２のフォトニック結晶構造は、前記第１のフォトニック結晶構造と周期構造が異なることを特徴とする付記４に記載の光偏向素子。

（付記６）前記第２のフォトニック結晶構造の少なくとも一部は、強誘電体材料からなることを特徴とする付記４又は５に記載の光偏向素子。

（付記７）前記第２のフォトニック結晶構造の少なくとも一部は、透明樹脂からなることを特徴とする付記４〜６のいずれか１項に記載の光偏向素子。

（付記８）前記第１のフォトニック結晶構造の少なくとも一部は強誘電体材料からなることを特徴とする付記１〜７のいずれか１項に記載の光偏向素子。

（付記９）前記第１のフォトニック結晶構造の少なくとも一部は透明樹脂からなることを特徴とする付記１〜８のいずれか１項に記載の光偏向素子。

（付記１０）光信号が入力する複数の入力チャネルと、
前記各入力チャネル毎に設けられてなる複数の光偏向素子と、
光信号が出力する複数の出力チャネルと
を備え、
前記各光偏向素子は、
電気光学材料からなる光導波路と、
前記光導波路上に設けられた第１の光偏向手段と、
光進行方向で前記第１の光偏向手段を通過した前方に設けられ、前記第１の光偏向手段よりも偏向角範囲の広い第２の光偏向手段と
を含み、
前記第２の光偏向手段は、屈折率の異なる複数種類の物質が周期的に配列してなる第１のフォトニック結晶構造と、前記第１のフォトニック結晶構造に印加する電圧を調節して前記第１のフォトニック結晶構造による光の屈折率を制御する制御電極とを備えることを特徴とする光スイッチ。

（付記１１）前記第１の光偏向手段は、プリズム電極であることを特徴とする付記１０に記載の光スイッチ。

（付記１２）前記制御電極と前記導波路を介して対向するように設けられてなる対向電極を更に含み、
前記プリズム電極及び前記制御電極は、それぞれ前記対向電極との間に電圧を印加することを特徴とする付記１１に記載の光スイッチ。

（付記１３）光進行方向に並行して、隣接する前記第１の光偏向手段間の領域に設けられており、屈折率の異なる複数種類の物質が周期的に配列してなる第２のフォトニック結晶構造を更に含むことを特徴とする付記１０〜１２のいずれか１項に記載の光スイッチ。

（付記１４）前記第２のフォトニック結晶構造は、前記第１のフォトニック結晶構造と周期構造が異なることを特徴とする付記１３に記載の光スイッチ。

（付記１５）前記第２のフォトニック結晶構造の少なくとも一部は、強誘電体材料からなることを特徴とする付記１３又は１４に記載の光スイッチ。

（付記１６）前記第２のフォトニック結晶構造の少なくとも一部は、透明樹脂からなることを特徴とする付記１３〜１５のいずれか１項に記載の光スイッチ。

（付記１７）前記第１のフォトニック結晶構造の少なくとも一部は強誘電体材料からなることを特徴とする付記１０〜１６のいずれか１項に記載の光スイッチ。

（付記１８）前記第１のフォトニック結晶構造の少なくとも一部は透明樹脂からなることを特徴とする付記１０〜１７のいずれか１項に記載の光スイッチ。

第１の実施形態による光偏向素子の主要構成を示す模式図である。第１の実施形態による光偏向素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。図２に引き続き、第１の実施形態による光偏向素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。第２の実施形態による光スイッチの概略構成を示す模式図である。

符号の説明

１素子基板
２対向電極層
３光導波路
４プリズム電極
５第１のフォトニック結晶構造
６制御電極
７第２のフォトニック結晶構造
１０光偏向素子
１１，４１下部クラッド層
１２，４２コア層
１３，４３上部クラッド層
１４，１６貫通孔
１５透明樹脂
２０光スイッチ
２１主要構成部
２２チャネル形成部
３１チャネル基板
３２チャネル導波路
４４マイクロレンズ
４５溝
４６配線層
４７半田ボール
Ｉ₁〜Ｉ₄入力チャネル
Ｏ₁〜Ｏ₄ 出力チャネル

Claims

電気光学材料からなる光導波路と、
前記光導波路上に設けられた第１の光偏向手段と、
光進行方向で前記第１の光偏向手段を通過した前方に設けられ、前記第１の光偏向手段よりも偏向角範囲の広い第２の光偏向手段と
を含み、
前記第２の光偏向手段は、屈折率の異なる複数種類の物質が周期的に配列してなる第１のフォトニック結晶構造と、前記第１のフォトニック結晶構造に印加する電圧を調節して前記第１のフォトニック結晶構造による光の屈折率を制御する制御電極とを備えることを特徴とする光偏向素子。
前記第１の光偏向手段は、プリズム電極であることを特徴とする請求項１に記載の光偏向素子。
前記制御電極と前記導波路を介して対向するように設けられてなる対向電極を更に含み、
前記プリズム電極及び前記制御電極は、それぞれ前記対向電極との間に電圧を印加することを特徴とする請求項２に記載の光偏向素子。
光進行方向に並行して前記第１の光偏向手段の側方に設けられており、屈折率の異なる複数種類の物質が周期的に配列してなる第２のフォトニック結晶構造を更に含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光偏向素子。
前記第２のフォトニック結晶構造は、前記第１のフォトニック結晶構造と周期構造が異なることを特徴とする請求項４に記載の光偏向素子。
光信号が入力する複数の入力チャネルと、
前記各入力チャネル毎に設けられてなる複数の光偏向素子と、
光信号が出力する複数の出力チャネルと
を備え、
前記各光偏向素子は、
電気光学材料からなる光導波路と、
前記光導波路上に設けられた第１の光偏向手段と、
光進行方向で前記第１の光偏向手段を通過した前方に設けられ、前記第１の光偏向手段よりも偏向角範囲の広い第２の光偏向手段と
を含み、
前記第２の光偏向手段は、屈折率の異なる複数種類の物質が周期的に配列してなる第１のフォトニック結晶構造と、前記第１のフォトニック結晶構造に印加する電圧を調節して前記第１のフォトニック結晶構造による光の屈折率を制御する制御電極とを備えることを特徴とする光スイッチ。
前記第１の光偏向手段は、プリズム電極であることを特徴とする請求項６に記載の光スイッチ。
前記制御電極と前記導波路を介して対向するように設けられてなる対向電極を更に含み、
前記プリズム電極及び前記制御電極は、それぞれ前記対向電極との間に電圧を印加することを特徴とする請求項７に記載の光スイッチ。
光進行方向に並行して、隣接する前記第１の光偏向手段間の領域に設けられており、屈折率の異なる複数種類の物質が周期的に配列してなる第２のフォトニック結晶構造を更に含むことを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の光スイッチ。
前記第２のフォトニック結晶構造は、前記第１のフォトニック結晶構造と周期構造が異なることを特徴とする請求項９に記載の光スイッチ。