JP2007127674A - 電気光学デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低電圧で動作させることができ、複雑な駆動回路を必要とせず、高効率であり、光ファイバー等との結合損失が小さい電気光学デバイスを提供する。
【解決手段】 主光導波路３と、主光導波路から分岐された第１，第２の光導波路４，５とが形成されている電気光学基板２と、電気光学基板２の上面において、第１，第２の光導波路の少なくとも一部において、各光導波路の少なくとも一部を覆うように設けられた第１，第２の上部電極９，１０と、第１，第２の上部電極９，１０と対向するように第１，第２の光導波路４，５の下面側に設けられた第１，第２の下部電極７，８とを備え、第１の上部電極９と、第２の下部電極８とが同電位に、第２の上部電極１０と第１の下部電極７とが同電位に接続され、第１，第２の上部電極９，１０が、異なる電位に接続されるように構成されている、電気光学デバイス１。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば光スイッチや光変調器などを構成するのに用いられる電気光学デバイス及びその製造方法に関し、より詳細には、主光導波路と、主光導波路の一端から分岐された第１，第２の分岐光導波路を有し、第１，第２の分岐光導波路の構成が異ならされている電気光学デバイス及びその製造方法に関する。

光通信技術に用いられる光スイッチとして、高速化を図り得るため、電気光学効果を利用した光スイッチが種々提案されている。この種の光スイッチの中でも、デジタル型のＹ分岐型または非対称Ｘ交叉型光スイッチが注目を集めている。これらのデジタル型の光スイッチでは、一定電圧が印加されて光経路が切り換えられた後、それ以上の電圧が印加されたとしても、その状態が保持される。このため、デジタル型の光スイッチは、動作電圧のトレランス性に優れており、かつ偏波無依存化が可能である。

しかしながら、デジタル型の光スイッチでは、動作電圧が高くなったり、素子の長さ寸法が長くなったりするという問題があった。

下記の非特許文献１には、ＺカットＬｉＮｂＯ₃単結晶基板を用いたＹ分岐型光スイッチが開示されている。ここでは、光導波路表面に配置された表面電極に電圧が印加される。このような表面電極を用いた場合、電気光学効果に寄与する電界は、トータルの電界Ｅの内、厚み方向の電界成分Ｅｚのみである。すなわち、電場プロファイルが理想的にならないため、駆動電圧が非常に高くなるという問題があった。例えば、非特許文献１に示されている例では、偏波無依存動作を実現するに必要な電圧は、±１０５Ｖであった。

他方、下記の特許文献１には、図１８及び図１９に示す光変調器が開示されている。ここでは、印加電界の全ての成分が電気光学効果に寄与するようにエピタキシャル強誘電体薄膜に光導波路が形成されている。

すなわち、図１８に示すように、光変調器１０１では、ＬｉＮｂＯ₃基板１０２上に、ＺｎＯ結晶からなる下部電極１０３が形成されている。そして、下部電極１０３上に、ＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜１０４及びＳｉＯ₂膜１０５が積層されている。また、上記ＬｉＮｂＯ₃結晶薄膜１０４において、光導波路１０６が設けられている。光導波路１０６は、主光導波路１０６ａと、主光導波路１０６ａから分岐された第１，第２の分岐光導波路１０６ｂ，１０６ｃを有する。また、第１，第２の分岐光導波路１０６ｂ，１０６ｃの主光導波路１０６ａと反対側の端部は、主光導波路１０６ｄに接続されている。そして、第１，第２の分岐光導波路１０６ｂ，１０６ｃ上に、上部電極１０７，１０８がそれぞれ設けられている。

また、下記の特許文献２には、図２０に示す光デバイス１１１が開示されている。光デバイス１１１では、単結晶基板１１２上に、エピタキシャルバッファ層１１３が積層されており、該エピタキシャルバッファ層１１３上に、エピタキシャル光導波路層１１４が積層されている。そして、光導波路層１１４上において、表面電極１１５，１１６が設けられている。
"Ｐｉｇｔａｉｌｅｄ Ｔｒｅｅ−Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ８×８ＬｉＮｂＯ3 Ｓｗｉｔｃｈ Ｍａｔｒｉｘ ｗｉｔｈ １１２ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｗｉｔｃｔｅｓ"，Ｐ．Ｇｒａｎｅｓ ｔｒａｎｄ ｅｔ ａｌ，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．６，ＮＯ．１，ｐｐ．７１−７３ １９９４ 特許第２９６３９８９号 特開２０００−３０５１１７号公報

特許文献１に記載の光変調器１０１や特許文献２に記載されている光デバイス１１１では、エピタキシャル強誘電体薄膜に光導波路が形成されており、光導波路の上下に電極が配置されている。従って、光変調器１０１や光デバイス１１１では、印加電界の多くの成分が電気光学効果に寄与するため、駆動電圧を低くすることができる。

しかしながら、エピタキシャル薄膜を用いて光導波路を構成する場合、エピタキシャル薄膜を成長させる際に発生する結晶内の歪みにより、厚い膜を形成することが困難であった。そのため、例えばコア径が約１０μｍの光ファイバーを結合した場合、結合損失が大きくなるという問題があった。

また、エピタキシャル薄膜を形成するための格子整合条件により、利用可能な材料の組み合わせが限定されるという問題もあった。

そのため、特許文献２に記載の構成では、単結晶基板１１２として、Ｎｂがドープされた高価なＳｒＴｉＯ₃単結晶半導体基板が用いられている。しかも、下部電極の上にエピタキシャル薄膜を成長させるには、下部電極は素子全面に渡り均一なエピタキシャル膜あるいは導電性単結晶基板より構成されねばならない。

また、特許文献１では、一方の上部電極１０７に正電圧、他方の上部電極１０８に負電圧を同期させて印加しなければならなかった。

従って、特許文献１に記載の構成では、駆動回路が複雑にならざるを得ず、特許文献２に記載の構成では、一方の光導波路にのみ電圧を印加するため、動作の効率を高めることができないという問題があった。

本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、比較的低い電圧で駆動することができ、複雑な駆動回路を必要とせず、効率を効果的に高めることが可能とされており、光ファイバー等との結合損失が小さい、電気光学デバイス及びその製造方法を提供することにある。

本発明は、電気光学効果を有する電気光学基板と、前記電気光学基板において並設された第１，第２の光導波路とを備える電気光学デバイスにおいて、前記第１，第２の光導波路の少なくとも一部の上方において、第１，第２の光導波路の少なくとも一部を覆うように、前記電気光学基板の上面に設けられた第１，第２の上部電極と、第１，第２の上部電極と対向するように、第１，第２の光導波路の下方に設けられた第１，第２の下部電極とを有し、前記第１の上部電極と、前記第２の下部電極とが同電位に、第２の上部電極と、第１の下部電極とが同電位に接続され、かつ第１，第２の上部電極が異なる電位に接続されるように構成されていることを特徴とする。

本発明に係る電気光学デバイスのある特定の局面では、前記電気光学基板に形成された主光導波路をさらに備え、前記第１，第２の光導波路が、該主光導波路から分岐されている。

本発明に係る電気光学デバイスの他の特定の局面では、前記第１，第２の光導波路が少なくとも一部において近接されて結合されている。

本発明に係る電気光学デバイスのある特定の局面では、前記第１の上部電極と前記第１の下部電極とが第１の光導波路を介して対向している部分と、第２の上部電極と第２の下部電極とが第２の光導波路を介して対向している部分とが厚み方向において逆方向の電界を印加されるように構成されている。

本発明に係る電気光学デバイスのさらに他の特定の局面では、前記第１の上部電極と、前記第２の下部電極とが正または負の極性を有するように電圧が印加され、前記第２の上部電極と前記第１の下部電極とがグラウンド電位に接続されるように構成されている。

本発明に係る電気光学デバイスのさらに別の特定の局面では、前記第１の上部電極と前記第２の下部電極とに正または負の電圧が印加され、前記第２の上部電極と前記第１の下部電極とがグラウンド電位に接続されている状態と、前記第１の上部電極と前記第２の下部電極とがグラウンド電位に接続され、前記第２の上部電極と前記第１の下部電極とに正または負の電圧が印加される状態とを切りかえられるように構成されている。

本発明に係る電気光学デバイスのさらに他の特定の局面では、前記電気光学基板の下面に設けられたバッファ層をさらに備え、該バッファ層の下面に前記第１，第２の下部電極が形成されている。

本発明に係る電気光学デバイスのさらに別の特定の局面では、前記バッファ層の下面側から該バッファ層に積層されており、前記電気光学基板よりも厚みの厚いベース基板がさらに備えられている。

本発明に係る電気光学デバイスのさらに別の特定の局面では、前記第１の上部電極と第１の下部電極とが対向している領域及び第２の上部電極と第２の下部電極とが対向している領域における動作時の光強度が最大である電気光学基板内の高さ位置と電気光学基板の上面との距離と、前記電気光学基板の厚みのとの比が０．９２５以下、好ましくは０．６３７以上、より好ましくは、０．７２５〜０．８４５とされている。

本発明に係る電気光学デバイスのさらに別の特定の局面では、前記電気光学基板の光学軸が、該電気光学基板の厚み方向とされている。

本発明に係る電気光学デバイスでは、上記電気光学基板は、好ましくはニオブ酸リチウム単結晶基板により構成されている。

本発明に係る電気光学デバイスのさらに別の特定の局面では、第１，第２の光導波路が、金属イオンの熱拡散により形成された拡散型光導波路である。

本発明に係る電気光学デバイスでは、好ましくは、電気光学基板の厚みは４０μｍ以下、より好ましくは８μｍ以上、さらに好ましくは１１〜１９μｍの範囲とされる。

本発明の電気光学デバイスのさらに他の特定の局面では、前記第１，第２の光導波路の一方端部が第１，第２の入力ポートとされ、第１，第２の光導波路の他方端部が第１，第２の出力ポートとされ、それによって光学スイッチが構成されている。

本発明の電気光学デバイスのさらに別の特定の局面では、前記第１，第２の光導波路がＹ分岐型あるいはＸ交差型の光導波路を構成しており、それによりデジタル型の光学スイッチが構成されている。

本発明に係る電気光学デバイスのさらに別の特定の局面では、電気光学効果により第１，第２の光導波路の屈折率が異ならされ、それによって光変調器が構成されている。

本発明に係る電気光学デバイスの製造方法は、並設された第１，第２の光導波路を有する電気光学デバイスの製造方法であって、前記第１，第２の光導波路を有する電気光学基板を用意する工程と、前記電気光学基板の下面側において、前記第１，第２の光導波路の少なくとも一部において、光導波路の少なくとも一部を覆うように第１，第２の下部電極を形成する工程と、電気光学基板の上面に第１，第２の上部電極を、前記第１，第２の下部電極と厚み方向に対向するように形成する工程とが備えられる。

本発明に係る電気光学デバイスの製造方法のさらに他の特定の局面では、前記第１，第２の下部電極を覆うように前記電気光学基板の下面に、該電気光学基板よりも厚みが厚いベース基板を貼り合わせる工程と、前記電気光学基板の厚みを減らすように電気光学基板を研磨する工程とがさらに備えられる。

本発明に係る電気光学デバイスの製造方法のさらに他の特定の局面では、前記第１，第２の下部電極を形成するに先立ち、前記電気光学基板の下面にバッファ層を形成し、該バッファ層の下面に第１，第２の下部電極が形成される。

本発明に係る電気光学デバイスでは、第１，第２の光導波路の少なくとも一部において、各光導波路をはさむように、第１，第２の上部電極と、第１，第２の下部電極とが設けられており、第１の上部電極と、第２の下部電極とが同電位に、第２の上部電極と第１の下部電極とが同電位に接続され、かつ第１，第２の上部電極が異なる電位に接続されるように構成されているため、複雑な駆動回路を必要とすることなく、比較的低電圧で駆動でき、かつ高効率であり、光ファイバー等との結合に際しての結合損失が小さい電気光学デバイスを提供することができる。

また、本発明において、主光導波路がさらに備えられており、第１，第２の光導波路が主光導波路から分岐されている構造では、上記第１，第２の光導波路が分岐された構造を有する光スイッチや光変調器を構成することができる。

さらに、本発明において、第１，第２の光導波路が少なくとも一部において近接された結合されている構造では、第１，第２の光導波路が結合されている光スイッチや光変調器を本発明に従って提供することができる。

本発明において、第１の上部電極と第１の下部電極とが第１の光導波路を介して対向している部分と、第２の上部電極と第２の下部電極とが第２の光導波路を介して対向している部分とが厚み方向において逆方向の電界を有するように構成されている場合には、比較的低い印加電圧で両対向部分に充分な強度の電界が形成される。

第１の上部電極と、第２の下部電極とが正または負の極性を有するように電圧が印加され、第２の上部電極と第１の下部電極とがグラウンド電位に接続されている場合には、第１の上部電極と第２の下部電極とに印加する電圧の極性を変更することにより、本発明に従って高効率の光スイッチなどを容易に提供することができる。

また、前記第１の上部電極と前記第２の下部電極とに正または負の電圧が印加され、前記第２の上部電極と前記第１の下部電極とがグラウンド電位に接続されている状態と、前記第１の上部電極と前記第２の下部電極とがグラウンド電位に接続され、前記第２の上部電極と前記第１の下部電極とに正または負の電圧が印加される状態とを切りかえられるように構成されている場合には、上記のように切りかえられる高効率の光スイッチを提供することができる。

電気光学基板の下面にバッファ層が設けられており、バッファ層の下面に第１，第２の下部電極が形成されている場合には、電気光学基板の下面に直接第１，第２の下部電極が形成された場合に生じる挿入損失の悪化を防ぐことができる。

バッファ層の下面側からバッファ層に積層されており、電気光学基板よりも厚みの厚いベース基板がさらに備えられている場合には、該ベース基板により機械的強度が高められる。また、ベース基板に支持された状態で電気光学基板の加工等を行うことができる。

第１の上部電極と、第１の下部電極とが対向している領域及び第２の上部電極と第２の下部電極とが対向している領域における動作時の光強度が最大である電気光学基板内の高さ位置と電気光学基板の上面との距離と、電気光学基板の厚みとの比が０．９２５以下とされている場合には、従来の電気光学デバイスに比べてより低電圧で動作され得る電気光学デバイスを提供することができる。特に、上記比率が０．６３７以上、より好ましくは０．７２５以上、０．８４５以下である場合には、コア径１０μｍ程度の光ファイバーとの結合損失が少ない電気光学デバイスを提供することができる。

電気光学基板の光学軸が、電気光学基板の厚み方向とされている場合には、本発明に従って低電圧で動作可能な電気光学デバイスを提供することができる。

電気光学基板が、ニオブ酸リチウム単結晶基板により構成されている場合には、電気光学効果が大きく、かつ低電圧で動作可能であり、安価な電気光学デバイスを提供することができる。

光導波路が、金属イオンの熱拡散により形成された拡散型光導波路である場合には、電気光学効果が大きく、かつ低電圧で動作可能であり、安価な光導波路を本発明に従って構成することができる。

電気光学基板の厚みが４０μｍ以下である場合には、より一層低電圧で動作可能な電気光学デバイスを提供することができる。

電気光学基板の厚みが８μｍ以上である場合には、コア径１０μｍの光ファイバーとの結合損失の小さい電気光学デバイスを提供することができる。

特に、電気光学基板の厚みが１１〜１９μｍの範囲とした場合には、コア径１０μｍ以下の光ファイバーとの結合損失をより一層小さくすることができる。

第１，第２の光導波路の一方の端部が入力ポートとされており、第１，第２の光導波路の他方の端部がそれぞれ出力ポートとされている場合には、本発明に従って、低電圧で動作され得る光学スイッチを提供することができる。

また、第１，第２の光導波路がＹ分岐型あるいはＸ交差型の光導波路を構成している場合には、このような光導波路を有するデジタル型の光学スイッチを本発明に従って提供することができる。

第１，第２の光導波路において電気光学効果により屈折率が異ならされる場合には、本発明に従って、低電圧で動作され得る光変調器を提供することができる。

本発明に係る電気光学デバイスの製造方法では、第１，第２の光導波路を有する電気光学基板を用意した後、電気光学基板の下面側において、第１，第２の下部電極を形成し、電気光学基板の上面に第１，第２の上部電極を形成することにより、本発明に係る低電圧で動作可能な高効率の電気光学デバイスを提供することができる。

特に、第１，第２の下部電極を覆うように、電気光学基板の下面にベース基板を貼り合わせた後、厚みを減らすように電気光学基板を研磨する各工程を備える場合には、ベース基板により補強されるので、電気光学基板の厚みを薄くすることができる。

また、第１，第２の下部電極に先立ち、電気光学基板の下面にバッファ層を形成し、バッファ層の下面に第１，第２の下部電極を形成する場合には、電気光学基板の下面に直接第１，第２の下部電極が形成された場合に生じる挿入損失の悪化を防ぐことができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１は、本発明の一実施形態に係る電気光学デバイスの斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ方向から見た断面図である。電気光学デバイス１では、光スイッチが構成されている。この電気光学デバイス１は、矩形板状の電気光学基板２を有する。電気光学基板２は、Ｚカット−ＬｉＮｂＯ₃単結晶基板により構成されている。電気光学基板２には、端面２ａ側から中央に向かって延びるように主光導波路３が構成されている。主光導波路３の端面２ａ側とは反対側の端部は、第１，第２の光導波路としての第１，第２の分岐光導波路４，５に連ねられている。第１，第２の分岐光導波路４，５は、主光導波路３に連ねられており、第１，第２の分岐光導波路４，５の主光導波路３と連ねられている側とは反対側の端部は、それぞれ、端面２ｂに至っている。図１から明らかなように、第１，第２の分岐光導波路４，５は電気光学基板２において並設されている。

上記主光導波路３及び第１，第２の分岐光導波路４，５は、電気光学基板２にＴｉやＺｎなどの金属イオンを熱拡散することにより構成されている。

本実施形態では、光スイッチを形成するために、図１に示す平面形状の主光導波路３及び第１，第２の分岐光導波路４，５が形成されているが、電気光学デバイスの種類に応じて、様々な平面形状の第１，第２の分岐光導波路及び導波路を形成することができる。また、特定の偏光に対してのみ動作する光変調器などを作製する場合には、異常光線に対する屈折率のみが高くなるプロトン交換法などにより、導波路を形成してもよい。

図１に示すように、電気光学基板２の下面には、バッファ層６が形成されている。本実施形態では、バッファ層６は、ＳｉＯ₂薄膜により形成されている。バッファ層６は、電気光学基板の下面に直接第１，第２の下部電極が形成された場合に生じる挿入損失の悪化を防ぐために設けられている。

バッファ層６の下面には、下部電極７，８が形成されている。下部電極７，８は、上方に位置する第１，第２の分岐光導波路４，５の少なくとも一部にそれぞれ対向するように形成されている。第１，第２の下部電極７，８は、本実施形態では、Ａｌにより形成されている。もっとも、Ａｌ以外の適宜の金属材料により下部電極７，８を形成することができる。

他方、電気光学基板２の上面においては、第１，第２の下部電極７，８と対向するように、第１，第２の上部電極９，１０が形成されている。第１，第２の上部電極９，１０は、Ａｌにより構成されているが、第１，第２の下部電極７，８と同様に、適宜の金属材料により構成され得る。

上記のように、第１，第２の上部電極９，１０は、第１，第２の下部電極７，８と対向するように形成されている。言い換えれば、第１，第２の分岐光導波路４，５の少なくとも一部が、それぞれ、第１の下部電極７と第１の上部電極９、及び第２の下部電極８と第２の上部電極１０とにより挟まれた構造を有する。

なお、本実施形態では、第１，第２の下部電極７，８及び第１，第２の上部電極９，１０は、第１，第２の分岐光導波路４，５だけでなく、主光導波路３の一部の上方または下方にも至るように形成されているが、第１，第２の下部電極７，８及び第１，第２の上部電極９，１０は、主光導波路３の上方または下方に至るように形成されている必要は必ずしもない。

電気光学基板２の下面側には、バッファ層６の下面に、さらにベース基板１１が貼り合わされている。本実施形態では、ベース基板１１は、Ｚカット−ＬｉＮｂＯ₃単結晶基板により構成されている。なお、ベース基板１１は、電気光学デバイス１において必ずしも設けられずともよい。もっとも、後述の製造方法から明らかなように、ベース基板１１を用いることにより電気光学基板２の厚みを薄くし、それによって高効率の電気光学デバイス１をより一層容易に製造することができる。

次に、上記電気光学デバイス１の製造方法の一例を図３を参照しつつ説明する。ここでは、厚み０．５ｍｍのＺカット−ＬｉＮｂＯ₃単結晶基板を電気光学基板材料として用意し、Ｔｉの熱拡散により、主光導波路３及び分岐光導波路４，５を形成した。なお、主光導波路３及び分岐光導波路４，５を形成するための、
Ｔｉ熱拡散前の厚みは６０ｎｍとした。また、主光導波路３及び分岐光導波路４，５のいずれも、幅方向寸法は７μｍとなるように構成した。さらに、第１，第２の分岐光導波路４，５間の分岐角度θ（図１参照）は、０．１度とした。すなわち、図１では、分岐角度θは理解を容易とするために、大きく図示されているが、実際には、０．１度と非常に小さくされている。

上記のような主光導波路３及び分岐光導波路４，５の形成に際しては、Ｔｉを１０５０℃の温度で８時間熱拡散することにより行った。

次に、上記電気光学基板材料の上面に、ＳｉＯ₂からなる厚み０．３μｍのバッファ層６をスパッタ法により形成した。さらに、バッファ層６の上面に、Ａｌからなる下部電極７，８をリフトオフ法により形成した。なお、下部電極７，８の長さ方向寸法すなわち、主光導波路３の長さ方向に沿う寸法は１０ｍｍ、幅方向寸法は３０μｍ、第１，第２の下部電極７，８間の間隔は２μｍとした。

次に、上記下部電極７，８を形成した後、厚み０．５ｍｍのＺカット−ＬｉＮｂＯ₃単結晶基板からなるベース基板１１をバッファ層６上に貼り合わせた。

しかる後、ベース基板１１の貼り合わせにより補強した後、電気光学基板材料を厚み１２μｍとなるように研磨した。このようにして図１に示すように、厚み１２μｍと非常に薄い電気光学基板２を形成した。なお、図３では、全体が上下逆転して示されている。しかる後、図３に示す状態から電気光学基板２を上記のように研磨した後、上下を逆転し、第１，第２の上部電極９，１０を形成し、電気光学デバイス１を得た。

上記電気光学デバイス１では、図２に示すように、第１の下部電極７と、第２の上部電極１０とをグラウンド電位に接続した状態で、第１の上部電極９及び第２の下部電極８に正の電圧を印加すると、図２に矢印で示す電界が生じる。すなわち、第１の下部電極７と、第１の上部電極９とが対向している部分では、下向きの矢印で示す方向の電界が生じ、他方、第２の下部電極８と第２の上部電極１０とが対向している部分では、上向きの矢印で示す方向の電界が生じる。下向きの方向の電界と、上向きの方向の電界は同時に生じる。

その結果、第１の下部電極７と第１の上部電極９とが対向している部分、すなわち、第１の分岐光導波路４側の屈折率が高まることになる。他方、第２の下部電極８と第２の上部電極１０とが対向している部分に挟まれた第２の分岐光導波路５の屈折率は低下することとなる。そのため、主光導波路３から入射した入射光は、第１の分岐光導波路を通過し、第１の分岐光導波路４の出力端である第１の出射ポートから出射される。すなわち、第１の分岐光導波路４の端面２ｂに至っている部分である第１の出射ポートから光が出射されることとなる。

逆に、第１の上部電極９と、第２の下部電極８とにマイナスの電圧を印加した場合には、図２に示した方向と逆方向に電界が生じる。従って、その場合には、第２の分岐光導波路の屈折率が上昇し、第２の分岐光導波路５の出力端である第２の出射ポートから光が出射されることになる。すなわち、第１の上部電極９と第２の下部電極８とに印加する電圧の極性を切り換えることにより、主光導波路３から入射された光の経路を変えることができる。

なお、上記印加される電圧の向きと、屈折率変化の関係は、電気光学基板のＺ軸の向きによって異なる。Ｚ−ＬｉＮｂＯ₃単結晶基板では、ＴＥ光を制御するための電気光学定数ｒ１３が、ＴＭ光を制御するための電気光学定数ｒ３３よりも小さい。従って、ＴＥ光をスイッチングするための電圧は高くなる。よって、本実施形態で構成される光スイッチを、偏光無依存性を有するように動作させるには、ＴＥ光を制御するのに必要な電圧を印加しなければならない。

図４は、ＴＥ光に対する印加電圧と、第１，第２の出射ポートにおける光損失との関係を示す図である。なお、入射光の波長は１．５５μｍとした。図４における光損失０ｄＢとは、入射ポートに結合される光ファイバーと出射ポートに結合される光ファイバーとを電気光学デバイス１を介さずに直結させたときの光損失に相当する。なお、ここでは、正の極性の電圧が印加されているため、第１の出射ポートがオン状態となる。図４から明らかなように、印加電圧が約＋２４Ｖの場合に、第１の出力ポートと、第２の出力ポートとにおける光出力の比が１５ｄＢとなることがわかる。なお、図面は省略するが、印加電圧を約−２４Ｖとした場合には、逆に、第２の出射ポートがオン状態となり、その場合の第２の出力ポートと、第１の出力ポートとの光出力の比は同様に１５ｄＢとなることが確かめられた。

すなわち、±２４Ｖ電圧を印加することにより、オン状態にある出力ポートと、オフ状態にある出力ポートにおける光出力比が１５ｄＢとなる偏光無依存性の光スイッチング動作を実現し得ることがわかる。

比較のために、例として、図５及び図６に示すデジタル光スイッチを作製した。この比較例のデジタル光スイッチ９１では、電気光学基板９２上に、バッファ層９３が形成されており、バッファ層９３上に、第１，第２の表面電極９４，９５が形成されている。電気光学基板９２内には、主光導波路９６と、第１，第２分岐光導波路９７，９８とが構成されている。

ここで、電気光学基板９２を構成する材料、主光導波路９６及び分岐光導波路９７，９８、バッファ層９３の材料及び厚みは、上記実施形態の電気光学デバイス１と同様とした。また、第１，第２の表面電極９４，９５は、実施形態の第１，第２の上部電極９，１０と同様に構成した。但し、光スイッチ９１では、電気光学基板９２として、厚み０．５ｍｍのＺカット−ＬｉＮｂＯ₃基板を用いた。すなわち、このような厚みの厚い電気光学基板９２に主光導波路９６及び第１，第２の分岐光導波路９７，９８を形成した後、バッファ層９３及び表面電極９４，９５を形成した。

光スイッチ９１において、第２の表面電極９５を図６に示すようにグラウンド電位に接続し、第１の表面電極９４に正あるいは負の電圧を印加することにより、光の経路を切り換えることができる。すなわち、第１の表面電極９４に正の電圧を印加することにより、図６に矢印で示すように電界が生じる。従って、第１の分岐光導波路の屈折率が低下し、第２の分岐光導波路９８の屈折率が高まり、第２の分岐光導波路９８側に光が伝搬することとなる。

逆に、第１の表面電極９４に負の電圧を印加した場合には、第１の分岐光導波路９７側に光を伝搬させることができる。光スイッチ９１のＴＥ光に対する印加電圧と、第１，第２の分岐光導波路９７，９８の出力端である第１，第２の出射ポートにおける光損失の関係を図７に示す。図７から明らかなように、オン状態にある第２の出射ポートの光出力と、オフ状態にある第１の出射ポートにおける光出力との比を１５ｄＢとするには、約４０Ｖの電圧が必要となることがわかる。すなわち、図４と図７との比較から明らかなように、上記実施形態の電気光学デバイス１では、比較例の光スイッチ９１に比べて、動作電圧を６０％に低減し得ることがわかる。

次に、上記実施形態の電気光学デバイス１と同様にして、但し電気光学基板の厚みを種々異ならせ、複数種の電気光学デバイスを作製し、その動作電圧を求めた。図８の□は、電気光学基板の厚みと動作電圧との関係を示す。図８から明らかなように、電気光学基板の厚みが５０μｍよりも厚い場合には、表面電極のみを備えた比較例の動作電圧と同程度（約４０Ｖ）であるが、厚みが４０μｍ以下となると、後述の図１０における厚み比率では０．９２５以下であれば、電気光学基板が薄くなるほど、低電圧でスイッチングが可能であることがわかる。

他方、図８の○は、入力側光ファイバーと主光導波路の入力端である入射ポートとの結合損失と、出射ポートと出射側光ファイバーとの結合損失とを合算した全体としての結合損失の基板厚みに対する依存性を示している。なお、入射側光ファイバー及び出射側光ファイバーのコア径はいずれも１０μｍとした。また、図９は、図８の上記結合損失と電気光学基板の厚みとの関係の要部を拡大して示す図である。

図８及び図９に示した結果では、横軸は、電気光学基板の厚み、すなわち厚みの絶対値とされていた。これに対して、図１０及び図１１は、図８及び図９に示した結果を、それぞれ、横軸を光強度最大値／基板厚みと規格して書き直した図である。ここで、光強度最大値／基板厚みとは、光強度が最大値である電気光学基板内の高さ位置と電気光学基板の上面との距離の電気光学基板の厚みに対する比率をいうものとする。

図８及び図９から明らかなように、電気光学基板の厚みが８μｍよりも薄い場合、また、図１０及び図１１では上記厚み比率が０．６３７よりも小さい場合、光ファイバーとの結合損失は急激に悪化している。もっとも、光ファイバーと入射ポート及び出射ポートとの間に、光学レンズなどを配置すれば、結合損失の悪化を抑制することができる。

さらに、電気光学基板の厚みが８μｍ以上すなわち、上記厚み比率が０．６３７以上であれば、コア径１０μｍの入出力側光ファイバーと入射ポート及び出射ポートとの間の結合損失は、実用レベルである２ｄＢ以下となることがわかる。このため、電気光学基板の厚みを８μｍ以上すなわち上記厚み比率を０．６３７以上とすれば、上記光学レンズなどを省略することができ、安価な端面直接結合法を用いて、低損失の電気光学装置を実現し得ることがわかる。

さらに、図９，図１１から明らかなように、電気光学基板の厚みが１１μｍ以上、１９μｍ以下の範囲すなわち、上記厚み比率が０．７２５〜０．８４５の範囲であれば、動作電圧が低く、かつ比較例に比べて非常に低損失の電気光学デバイスを実現し得ることがわかる。

上記のように、電気光学基板の厚みを選択することにより、言い換えれば、電気光学基板内の光強度が最大となる高さ位置の電気光学基板の厚みに対する比率を制御すれば上記のような効果が得られるのは以下の理由によると考えられる。一般に、金属イオンの熱拡散により形成された光導波路では、屈折率変化を与える金属イオン濃度は、電気光学基板の深さ方向に対して指数関数的に減少する。従って、図１２に示すように、導波モードの光界分布は、深さ方向に対して非対称な分布となる。これに対して、光ファイバーの導波モードは対称、すなわちガウス分布であるため、図１２のような光界分布を有する電気光学基板を光ファイバーと結合した場合、結合損失は大きくなる。しかしながら、電気光学基板の厚みを、上記特定の範囲とすれば、図１３に示すように、光導波路の導波モードは、厚み方向の閉じ込めが強くなった対称な光界分布に近づくため、光ファイバーとの結合損失が小さくなっていると考えられる。

なお、図１２，図１３では、電気光学基板に金属イオンを熱拡散させた面を基板表面としているが、図１に示す実施形態では、この面が電気光学基板の下面となっている。

なお、上記実施形態では、Ｙ分岐型の光スイッチが構成されていたが、図１８に示した電気光学デバイスと同様に、第１，第２の分岐光導波路の出力側が接続されて、第２の主光導波路に連ねられている導波路を形成してもよい。その場合には、第１，第２の分岐光導波路に加わる電界を制御することにより、本発明に従って、低電圧で動作可能な光変調器を構成することができる。

上述してきた実施形態では、電気光学基板に主光導波路と、主光導波路に接続された第１，第２の分岐光導波路とが設けられていた。本発明は、このように、第１，第２の光導波路として、分岐された第１，第２の分岐光導波路を有するものに限定されるものではない。すなわち、第１，第２の光導波路は、主光導波路から分岐されている必要は必ずしもなく、第１，第２の光導波路が近接されて結合されている構造であってもよい。このような第１，第２の光導波路を有する実施形態を図１４及び図１５を参照して説明する。

図１４及び図１５に示す電気光学デバイス２１は、第１，第２の光導波路からなる方向性結合器を利用した光スイッチである。

電気光学デバイス２１は、矩形板状の電気光学基板２２を用いて構成されている。この電気光学基板２２の下面には、バッファ層２６及びベース基板３１が積層されており、電気光学基板２２、バッファ層２６及びベース基板３１は、第１の実施形態の電気光学基板２、バッファ層６及びベース基板１１と同様に構成されている。

他方、電気光学基板２２においては、第１，第２の光導波路２４，２５が構成されている。本実施形態では、第１，第２の光導波路２４，２５は、図示のように一部において近接され、該近接される部分において結合されている。すなわち、第１，第２の光導波路２４，２５は、方向性結合器を構成している。

第１，第２の光導波路２４，２５の各一方の端部２４ａ，２５ａは、電気光学基板２２の一方の端面２２ａに引き出されている。他方、光導波路２４，２５の他方端部は、電気光学基板２２の端面２２ａとは対向している反対側の端面２２ｂに至っている。電気光学基板２２の長さ方向中央において、第１，第２の光導波路２４，２５が上記のように近接されている。

上記第１，第２の光導波路２４，２５は、電気光学基板２２に、ＴｉやＺｎなどの金属イオンを熱拡散することにより形成され得る。

また、上記第１の光導波路２４及び第２の光導波路２５が近接されている部分において、第１，第２の光導波路２４，２５の上方には、第１，第２の上部電極２９，３０が形成されている。また、第１，第２の光導波路２４，２５の下方には、第１，第２の上部電極２９，３０と対向するように第１，第２の下部電極２７，２８が形成されている。第１，第２の上部電極２９，３０及び第１，第２の下部電極２７，２８は、第１の実施形態の第１，第２の上部電極９，１０及び第１，第２の下部電極７，８と同様の材料で同様にして形成される。

また、電極光学デバイス２１は、上記のように第１，第２の光導波路２４，２５が形成されていることを除いては、第１の実施形態の電気光学デバイスと同様の製造方法により製造され得る。

本実施形態の電気光学デバイス２１では、第１，第２の光導波路２４，２５の一方の端部２４ａ，２５ａが、第１，第２の入力ポート、第１，第２の光導波路２４，２５の他方の端部２４ｂ，２５ｂが第１，第２の出力ポートとして用いられる。

図１５を参照して、ごの電気光学デバイス２１におけるスイッチング動作を説明する。

図１５は、図１４の上記上部電極２９，３０及び下部電極２７，２８が設けられている部分の横断面図である。

今、第１の上部電極２９と、第２の下部電極２８とが電気的に接続されており、第２の上部電極３０と第１の下部電極２７とが電気的に接続されている。

上部電極２９，３０及び下部電極２７，２８を用いて電圧が印加されていない場合には、第１の入力ポートである第１の光導波路２４の端部２４ａから入射された光は、上記方向性結合器を構成している部分において、第２の上部電極３０と第２の下部電極２８とに挟まれている第２の光導波路２５側に光パワーが移行するように構成されている。そして、第２の光導波路２５の端部２５ｂである第２の出力ポートから出射されるように構成されている。

すなわち、印加電圧が０Ｖのときには、第１の出力ポートがオフ状態であり、第２の出力ポートがオン状態とされる。

この光スイッチにおいて、図１５に示されているように、第２の上部電極３０と第１の下部電極２７とをアース電位に接続し、第１の上部電極２９と第２の下部電極２８に正の電圧Ｖ１を印加すると、図１５に矢印で示されているように、第１の光導波路２４が設けられている部分では下向きの電界が、第２の光導波路が構成されている部分では上向きの電界が同時に印加されることになる。これらの電界により、第１，第２の光導波路２４，２５を伝搬する導波光に伝搬定数差が生じ、光パワーは第１の上部電極２９と第１の下部電極２７とにより挟まれた第１の光導波路２４を導波し、第１の出力ポートから出射されることになる。すなわち、印加電圧がＶ１のときには、第１の出力ポートがオン状態、第２の出力ポートがオフ状態となる。

従って、上記電圧Ｖ１の印加により、光の経路を切り換えることができ、光スイッチとして動作させることができる。

図１６及び図１７は、図１４及び図１５の比較例としての従来の光スイッチを説明するための斜視図及び横断面である。図１６に示す光スイッチ１２１では、電気光学基板１２２上に、バッファ層１２３が形成されている。そして、電気光学基板１２２においては、第１，第２の光導波路１２４，１２５が、上記第１，第２の光導波路２４，２５と同様に設けられている。そして、バッファ層１２３の上面には、第１，第２の表面電極１２６，１２７が形成されている。

ここでは、例えば図１７に示すように、第１の表面電極１２６に正の電圧を印加し、第２の表面電極１２７をアース電位に接地することにより、図示の矢印の方向で示す電界が生じる。この場合に、第１，第２の表面電極１２６，１２７間に加わる電圧をＶ２とする。すなわち、電気光学デバイス１２１におけるスイッチングに必要な動作電圧をＶ２とする。

図１７に示されているように、この比較例では、光導波路１２４，１２５が構成されている部分において、電界が斜め方向に印加され、従って、電界が効率よく印加され難い。よって、上記実施形態の電気光学デバイス２１におけるスイッチングに必要な動作電圧Ｖ１に比べて、上記動作電圧Ｖ２は大きくならざるを得ない。言い換えれば、上記実施形態の電気光学デバイス２１によれば、比較例の従来の電気光学デバイス１２１に比べてスイッチングに必要な動作電圧を低減することができる。

なお、電気光学デバイス２１では、第１，第２の光導波路がその一部において近接されて結合されて、光スイッチが構成されていたが、本発明においては、このように第１，第２の光導波路の一部が近接されて結合されている様々な光変調器や光スイッチに適用することができる。この場合、第１，第２の光導波路が近接されて結合されている部分は複数箇所設けられていてもよい。

また、本発明においては、光スイッチを構成する場合、第１，第２の入力ポートの内、一方のみが入力ポートとして用いられてもよく、また上述した第１の実施形態のように第１，第２の入力ポートに相当する第１，第２の分岐光導波路の入力端が主光導波路に連ねられ、１つの入力ポートとされてもよい。すなわち、、第１，第２の入力ポートは、共通化されて１つの入力ポートとされていてもよい。

本発明の一実施形態に係る電気光学デバイスの外観を示す斜視図。 図１のＡ−Ａ方向から見た断面を示す断面図。 図１に示した電気光学デバイスの製造方法を説明するための斜視図。 図１に示した実施形態の電気光学デバイスにおける印加電圧と第１，第２の分岐光導波路の出力端における光損失との関係を示す図。 比較のために用意した比較例の光学スイッチを示す斜視図。 図５に示した光学スイッチの動作を説明するための模式的断面図。 比較例の光学スイッチにおける第１，第２の分岐光導波路の出力端における光損失と印加電圧との関係を示す図。 本実施形態の電気光学デバイスにおける電気光学基板の厚みと、動作電圧及び結合損失との関係を示す図。 図８の結合損失と電気光学基板の厚みとの関係の要部を拡大して示す図。 図８の横軸を光強度が最大である電気光学基板内の高さ位置と電気光学基板の厚みとの比率で書き換えた図。 図９の横軸を光強度が最大である電気光学基板内の高さ位置と、電気光学基板の厚みとの比率に書き換えた図。 電気光学基板における厚み方向の光界分布を説明するための図。 光強度が最大である位置の電気光学基板の厚みに対する比率を適切な範囲とした場合の電気光学基板における光界分布を示す図。 本発明のさらに他の実施形態に係る電気光学デバイスの斜視図。 図１４に示した電気光学デバイスの第１，第２の光導波路が結合されている部分の横断面図。 比較のために用意した従来の電気光学デバイスの斜視図。 図１６に示した電気光学デバイスの第１，第２の光導波路が結合されている部分を示す横断面図。 従来の光学変調器の一例を示す斜視図。 図１８に示した光学変調器の側面断面図。 従来の電気光学デバイスの他の例を説明するための断面図。

符号の説明

１…電気光学デバイス
２…電気光学基板
２ａ…端面
２ｂ…端面
３…主光導波路
４，５…第１，第２の分岐光導波路
６…バッファ層
７，８…第１，第２の下部電極
９，１０…第１，第２の上部電極
２１…電気光学デバイス
２２…電気光学基板
２６…バッファ層
２７，２８…第１，第２の下部電極
２９，３０…第１，第２の上部電極
３１…ベース基板

Claims (23)

1. 電気光学効果を有する電気光学基板と、
   前記電気光学基板において並設された第１，第２の光導波路とを備える電気光学デバイスにおいて、
   前記第１，第２の光導波路の少なくとも一部の上方において、第１，第２の光導波路の少なくとも一部を覆うように、前記電気光学基板の上面に設けられた第１，第２の上部電極と、
   第１，第２の上部電極と対向するように、第１，第２の光導波路の下方に設けられた第１，第２の下部電極とを有し、
   前記第１の上部電極と、前記第２の下部電極とが同電位に、第２の上部電極と、第１の下部電極とが同電位に接続され、かつ第１，第２の上部電極が異なる電位に接続されるように構成されていることを特徴とする、電気光学デバイス。
2. 前記電気光学基板に形成された主光導波路をさらに備え、
   前記第１，第２の光導波路が、該主光導波路から分岐されている、請求項１に記載の電気光学デバイス。
3. 前記第１，第２の光導波路が少なくとも一部において近接されて結合されている、請求項１に記載の電気光学デバイス。
4. 前記第１の上部電極と前記第１の下部電極とが第１の光導波路を介して対向している部分と、第２の上部電極と第２の下部電極とが第２の光導波路を介して対向している部分とが厚み方向において逆方向の電界を印加されるように構成されている、請求項１〜３いずれか１項に記載の電気光学デバイス。
5. 前記第１の上部電極と、前記第２の下部電極とが正または負の極性を有するように電圧が印加され、前記第２の上部電極と前記第１の下部電極とがグラウンド電位に接続されるように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気光学デバイス。
6. 前記第１の上部電極と前記第２の下部電極とに正または負の電圧が印加され、前記第２の上部電極と前記第１の下部電極とがグラウンド電位に接続されている状態と、前記第１の上部電極と前記第２の下部電極とがグラウンド電位に接続され、前記第２の上部電極と前記第１の下部電極とに正または負の電圧が印加される状態とを切りかえられるように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気光学デバイス。
7. 前記電気光学基板の下面に設けられたバッファ層をさらに備え、該バッファ層の下面に前記第１，第２の下部電極が形成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気光学デバイス。
8. 前記バッファ層の下面側から該バッファ層に積層されており、前記電気光学基板よりも厚みの厚いベース基板をさらに備える、請求項７に記載の電気光学デバイス。
9. 前記第１の上部電極と第１の下部電極とが対向している領域及び第２の上部電極と第２の下部電極とが対向している領域における動作時の光強度が最大である電気光学基板内の高さ位置と電気光学基板の上面との距離と、前記電気光学基板の厚みとの比が０．９２５以下とされている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の電気光学デバイス。
10. 前記比率が０．６３７以上の請求項９に記載の電気光学デバイス。
11. 前記比率が０．７２５以上０．８４５以下の請求項１０に記載の電気光学デバイス。
12. 前記電気光学基板の光学軸が、該電気光学基板の厚み方向とされている、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電気光学デバイス。
13. 前記電気光学基板が、ニオブ酸リチウム単結晶基板からなる、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電気光学デバイス。
14. 第１，第２の光導波路が、金属イオンの熱拡散により形成された拡散型光導波路である、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の電気光学デバイス。
15. 前記電気光学基板の厚みが４０μｍ以下である、請求項１３または１４に記載の電気光学デバイス。
16. 前記電気光学基板の厚みが８μｍ以上である、請求項１５に記載の電気光学デバイス。
17. 前記電気光学基板の厚みが１１μｍ〜１９μｍの範囲にある、請求項１５に記載の電気光学デバイス。
18. 前記第１，第２の光導波路の一方端部が第１，第２の入力ポートとされており、第１，第２の光導波路の他方端部が第１，第２の出力ポートとされており、それによって光学スイッチが構成されている、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の電気光学デバイス。
19. 前記第１，第２の光導波路がＹ分岐型あるいはＸ交差型の光導波路を構成しており、それによりデジタル型の光学スイッチが構成されている、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の電気光学デバイス。
20. 電気光学効果により第１，第２の光導波路の屈折率が異ならされ、それによって光変調器が構成されている、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の電気光学デバイス。
21. 並設された第１，第２の光導波路を有する電気光学デバイスの製造方法であって、
    前記第１，第２の光導波路を有する電気光学基板を用意する工程と、
    前記電気光学基板の下面側において、前記第１，第２の光導波路の少なくとも一部において、光導波路の少なくとも一部を覆うように第１，第２の下部電極を形成する工程と、
    電気光学基板の上面に第１，第２の上部電極を、前記第１，第２の下部電極と厚み方向に対向するように形成する工程とを備える、請求項１に記載の電気光学デバイスの製造方法。
22. 前記第１，第２の下部電極を覆うように前記電気光学基板の下面に、該電気光学基板よりも厚みが厚いベース基板を貼り合わせる工程と、
    前記電気光学基板の厚みを減らすように電気光学基板を研磨する工程とをさらに備える、請求項２１に記載の電気光学デバイスの製造方法。
23. 前記第１，第２の下部電極を形成するに先立ち、前記電気光学基板の下面にバッファ層を形成し、該バッファ層の下面に第１，第２の下部電極が形成される、請求項２１または２２に記載の電気光学デバイスの製造方法。
    

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