JP2007212787A - Optical control element, optical switching unit, and optical modulator - Google Patents

Optical control element, optical switching unit, and optical modulator Download PDF

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修一 鈴木
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical control element which has a core of an electro-optical effect crystal thin film and is small and operating on a low voltage changing its refractivity to use in an optical switching unit and an optical modulator, and to provide an optical switching unit and an optical modulator. <P>SOLUTION: The core formed by partly using an optical crystal thin film, having electro-optical effect is enclosed with a cladding. This clad is made of a dielectric materials, having a refractivity smaller than the core, and an optical waveguide is formed in a shape of a channel by using the core and the cladding. Furthermore, at least, a pair of electrodes are arranged, facing each other with the optical waveguide in between outside the cladding and a voltage is applied to the electrodes. Thus, an effective electrical field is produced inside the optical waveguide. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、光制御素子、光スイッチングユニットおよび光変調器に関し、特に、光伝送、光計測、光メモリ、光書き込み等の各種分野に適用可能な光スイッチや光強度変調器などの光制御素子、光スイッチングユニットおよび光変調器に関する。   The present invention relates to a light control element, a light switching unit, and a light modulator, and in particular, a light control element such as a light switch or a light intensity modulator applicable to various fields such as light transmission, light measurement, light memory, light writing, etc. The present invention relates to an optical switching unit and an optical modulator.

ニオブ酸リチウム(LN)、タンタル酸リチウム(LT)等の電気光学結晶は、いわゆるポッケルス効果(一次電気光学効果)によって外部から結晶内に形成された電界に比例した屈折率変化が生じる。この結晶の電気光学効果は非常に高速な応答であるため、光通信用の光変調器や光スイッチなど、さまざまな光制御素子に応用されている。   Electrooptic crystals such as lithium niobate (LN) and lithium tantalate (LT) undergo a refractive index change proportional to the electric field formed in the crystal from the outside due to the so-called Pockels effect (primary electrooptic effect). Since the electro-optic effect of this crystal is a very high-speed response, it is applied to various light control elements such as an optical modulator and an optical switch for optical communication.

光変調器等においては、光学結晶の屈折率を高速で変調するために、一般に光導波路型の構造が用いられる。電気光学結晶の特定領域の屈折率を高めて光導波路構造を形成し、屈折率を高めた領域に光を閉じ込めることで、光制御素子の駆動電力と静電容量を低減でき高速に駆動することが可能となる。   In an optical modulator or the like, an optical waveguide type structure is generally used to modulate the refractive index of an optical crystal at high speed. Drive the optical control element at high speed by reducing the drive power and capacitance of the light control element by forming the optical waveguide structure by increasing the refractive index of the specific region of the electro-optic crystal and confining the light in the region where the refractive index is increased. Is possible.

一般的な導波路構造の作成方法としては、コアとなる部分にTiを拡散する方法や、Liイオンをプロトンに変換するイオン交換法があり、またエッチングによって光学結晶表面にリッジ形状を作成して光導波路とする方法もある。さらには、特許文献1や特許文献2に開示された発明のように、光導波路型の光変調および光スイッチング素子に対して、導波路のコア領域に電界を形成する方法も提案されている。
特許第2963989号公報 特公平7−050265号公報
As a general method for creating a waveguide structure, there are a method of diffusing Ti in a core portion and an ion exchange method for converting Li ions into protons. Also, a ridge shape is created on the surface of an optical crystal by etching. There is also a method of using an optical waveguide. Furthermore, as in the inventions disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2, a method of forming an electric field in the core region of the waveguide is proposed for the optical waveguide type optical modulation and switching element.
Japanese Patent No. 2996389 Japanese Patent Publication No. 7-050265

しかしながら、従来は、バルク状の結晶の表面近傍に、Ti拡散等によりわずかに周囲より屈折率を高めた領域を設けることで光導波路構造を作成していた。図12から図15は、従来の光導波路を模式的に示す図である。例えば、図12、図13および図15に示すように、従来では、電極は基板の表面に装荷して電圧を印加して光導波路に電界を形成している。   However, conventionally, an optical waveguide structure has been created by providing a region having a slightly higher refractive index than the surroundings by Ti diffusion or the like in the vicinity of the surface of the bulk crystal. 12 to 15 are diagrams schematically showing a conventional optical waveguide. For example, as shown in FIGS. 12, 13, and 15, conventionally, electrodes are loaded on the surface of a substrate and a voltage is applied to form an electric field in the optical waveguide.

したがって、光導波路のコア形成領域に対して完全に垂直方向あるいは水平方向に電界を形成することが困難であり、動作電圧の増大や電極の面積が大きくなるなどの問題があった。また、従来は電気光学結晶の厚さは100ミクロン程度までしか薄くできなかったため、図14に示すように、基板の上下方向から電圧を加えた場合には、電極間の距離が100ミクロン以上となり、低電圧での屈折率変調が困難であった。   Therefore, it is difficult to form an electric field completely in a vertical direction or a horizontal direction with respect to the core formation region of the optical waveguide, and there are problems such as an increase in operating voltage and an increase in electrode area. Conventionally, since the thickness of the electro-optic crystal can only be reduced to about 100 microns, as shown in FIG. 14, when a voltage is applied from above and below the substrate, the distance between the electrodes becomes 100 microns or more. It is difficult to modulate the refractive index at a low voltage.

これに対して、バルク状の光学結晶から薄膜を形成する方法が提案されており、例えば、イオンスライス法と呼ばれる光学結晶の薄膜形成法を用いることによって、厚さ1ミクロン以下のLN薄膜を製造することができる。   On the other hand, a method of forming a thin film from a bulk optical crystal has been proposed. For example, an LN thin film having a thickness of 1 micron or less is manufactured by using an optical crystal thin film forming method called an ion slice method. can do.

光学結晶は、比較的高い屈折率を有しており、例えば前述したLNは、2.2程度の屈折率をもつ。したがって、光学結晶薄膜をチャネル化、すなわち、細線形状に加工してコアに用い、さらにその周囲に低屈折率のクラッド材料形成することで、コアとクラッドとの屈折率の差が大きい光導波路を形成することができる。   The optical crystal has a relatively high refractive index. For example, the above-described LN has a refractive index of about 2.2. Therefore, the optical crystal thin film is channelized, that is, processed into a thin line shape and used for the core, and further, a low refractive index cladding material is formed around the optical waveguide, thereby producing an optical waveguide having a large refractive index difference between the core and the cladding. Can be formed.

これによって、光導波路内に光を強く閉じ込めて伝搬させることが可能となり、また、光導波路をミクロンオーダーの微小な曲率で曲げることができるため、従来の導波路型光制御素子と比較して、素子サイズを劇的に微小化することが可能となる。   This allows light to be confined and propagated strongly in the optical waveguide, and since the optical waveguide can be bent with a minute curvature on the order of microns, compared to conventional waveguide-type light control elements, It is possible to dramatically reduce the element size.

このような課題に鑑み、本発明は、光学結晶薄膜をコアとする光導波路に対して、電極を対向配置する光制御素子、光スイッチングユニットおよび光変調器を提供することを目的としている。   In view of such a problem, an object of the present invention is to provide a light control element, an optical switching unit, and an optical modulator in which electrodes are disposed to face an optical waveguide having an optical crystal thin film as a core.

上記の目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、コアとクラッドとを備えた光導波路と、コアの配置領域に電界を形成する電極とを有する光制御素子であって、コアは、電気光学効果を有する光学結晶薄膜の一部で形成され、且つ、チャネル形状を有し、電極は、コアを挟持して対向するよう少なくとも一対配置され、クラッドは、コアと電極との間に形成されたことを特徴とする。   In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is an optical control element having an optical waveguide provided with a core and a clad, and an electrode for forming an electric field in a region where the core is disposed. Formed of a part of an optical crystal thin film having an electro-optic effect, and having a channel shape, and at least a pair of electrodes are arranged so as to face each other with the core sandwiched therebetween, and the clad is interposed between the core and the electrode It is formed.

請求項2に記載の発明は、請求項1記載の光制御素子において、クラッドは、コアと異なる材料で形成され、クラッドの材料は、コアの有する屈折率より低い誘電体であることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the light control element according to the first aspect, the clad is formed of a material different from that of the core, and the material of the clad is a dielectric having a refractive index lower than that of the core. To do.

請求項3に記載の発明は、請求項1または2記載の光制御素子において、光導波路は、基板上に形成され、電極は、コアの配置領域の上部および下部から、コアを挟持するように配置されたことを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the light control element according to the first or second aspect, the optical waveguide is formed on the substrate, and the electrode sandwiches the core from the upper and lower portions of the core arrangement region. It is arranged.

請求項4に記載の発明は、請求項1または2記載の光制御素子において、光導波路は、基板上に形成され、電極は、コアの配置領域の左部および右部から、コアを挟持するように配置されたことを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the light control element according to the first or second aspect, the optical waveguide is formed on the substrate, and the electrode sandwiches the core from the left part and the right part of the core arrangement region. It is arranged as follows.

請求項5に記載の発明は、請求項1から4のいずれか1項記載の光制御素子において、異なる屈折率を有する少なくとも2以上のクラッドを備え、コアを左右から挟持するクラッドの屈折率は、コアを上下から挟持するクラッドの屈折率よりも低いことを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the light control element according to any one of the first to fourth aspects, the refractive index of the clad including at least two clads having different refractive indexes and sandwiching the core from the left and right is The refractive index of the clad sandwiching the core from above and below is lower.

請求項6に記載の発明は、請求項1から5のいずれか1項記載の光制御素子において、電極は、コアを上下または左右から一対の電極にて挟持したとき、一対の電極のうち少なくともいずれか一方の電極の幅または厚みが、コアの幅または厚みと等しいことを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in the light control element according to any one of the first to fifth aspects, the electrode has at least one of the pair of electrodes when the core is sandwiched between the pair of electrodes from the top and bottom or the left and right. The width or thickness of any one of the electrodes is equal to the width or thickness of the core.

請求項7に記載の発明は、請求項1から6のいずれか1項記載の光制御素子において、コアは、ニオブ酸リチウム、または、タンタル酸リチウムにて形成されたことを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, in the light control device according to any one of the first to sixth aspects, the core is formed of lithium niobate or lithium tantalate.

請求項8に記載の発明は、Y字形の分岐路を有する光導波路と、光導波路の近傍に電圧を印加して電界を形成する電圧印加手段とを有し、分岐路にて分岐された後の光導波路の一部に、請求項1から7のいずれか1項記載の光制御素子を備えた光スイッチングユニットであることを特徴とする。   The invention according to claim 8 includes an optical waveguide having a Y-shaped branch path, and voltage applying means for forming an electric field by applying a voltage in the vicinity of the optical waveguide, and after being branched at the branch path An optical switching unit comprising the light control element according to any one of claims 1 to 7 in a part of the optical waveguide.

請求項9に記載の発明は、少なくとも2以上の光導波路を備えた方向性結合器と、光導波路の近傍に電圧を印加して電界を形成する電圧印加手段とを有し、光導波路の一部に、請求項1から7のいずれか1項記載の光制御素子を備えた光スイッチングユニットであることを特徴とする。   The invention according to claim 9 includes a directional coupler including at least two or more optical waveguides, and voltage applying means for forming an electric field by applying a voltage in the vicinity of the optical waveguides. It is an optical switching unit provided with the light control element of any one of Claims 1-7 in a part.

請求項10に記載の発明は、環状の光導波路と、環状の光導波路に近接して配置された直線状の光導波路と、環状の光導波路の近傍に電圧を印加して電界を形成する電圧印加手段とを有し、環状の光導波路の一部に、請求項1から7のいずれか1項記載の光制御素子を備えた光スイッチングユニットであることを特徴とする。   The invention according to claim 10 is an annular optical waveguide, a linear optical waveguide disposed close to the annular optical waveguide, and a voltage that forms an electric field by applying a voltage in the vicinity of the annular optical waveguide. An optical switching unit comprising an optical control element according to any one of claims 1 to 7 in a part of an annular optical waveguide.

請求項11に記載の発明は、少なくとも2以上の光導波路を備えたマッハ・ツェンダ干渉計と、光導波路の近傍に電圧を印加して電界を形成する電圧印加手段とを有し、光導波路の一部に、請求項1から7のいずれか1項記載の光制御素子を備えたであることを特徴とする。   The invention according to claim 11 includes a Mach-Zehnder interferometer having at least two or more optical waveguides, and voltage applying means for applying an electric voltage in the vicinity of the optical waveguides to form an electric field. A part of the light control element according to any one of claims 1 to 7 is provided.

以上、本発明の光制御素子、光スイッチングユニットおよび光変調器によれば、光学結晶薄膜をコアとする光導波路に対して、電極を対向配置することができる。   As described above, according to the light control element, the optical switching unit, and the optical modulator of the present invention, the electrode can be disposed to face the optical waveguide having the optical crystal thin film as a core.

以下に、本実施形態の光制御素子、光スイッチングユニットおよび光変調器を、図面を用いて説明する。なお、本実施形態は以下に述べるものに限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が可能である。
図1は、本実施形態の光学制御素子の構成を示す断面図である。
Hereinafter, the light control element, the optical switching unit, and the optical modulator of this embodiment will be described with reference to the drawings. In addition, this embodiment is not limited to what is described below, A various change is possible in the range which does not deviate from the meaning.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the optical control element of this embodiment.

図1に示すように、本実施形態の光学制御素子は、コア101と、クラッド102と、上部電極103と、下部電極104とで構成される。コア101は、光学結晶薄膜からなる光導波路のコアであり、周囲をクラッド102に囲まれている。さらにこのクラッド102は、上部電極103および下部電極104によって上下から挟み込むよう配置されている。   As shown in FIG. 1, the optical control element of this embodiment includes a core 101, a clad 102, an upper electrode 103, and a lower electrode 104. The core 101 is an optical waveguide core made of an optical crystal thin film, and is surrounded by a clad 102. Further, the clad 102 is disposed so as to be sandwiched from above and below by the upper electrode 103 and the lower electrode 104.

コア101は、電気光学効果を有する光学結晶薄膜からなり、コア内に電界が形成されることによって屈折率が変化する。コアを構成する光学結晶薄膜の厚さは、光導波路が単一モードで動作する条件を満たすように設計される。具体的には、1ミクロン程度かそれ以下の厚さである。   The core 101 is made of an optical crystal thin film having an electro-optic effect, and the refractive index changes when an electric field is formed in the core. The thickness of the optical crystal thin film constituting the core is designed so as to satisfy the condition that the optical waveguide operates in a single mode. Specifically, the thickness is about 1 micron or less.

コア101内に形成される電界は、上部電極103と下部電極104との間に電位差を持たせて電圧をかけることにより、光導波路に対して垂直方向に形成することが可能である。また、電気光学材料として、ニオブ酸リチウム(LN)、タンタル酸リチウム(LT)、KTP等の無機結晶や、PZT、PLZT等のセラミックスを用いることができる。   The electric field formed in the core 101 can be formed in a direction perpendicular to the optical waveguide by applying a voltage with a potential difference between the upper electrode 103 and the lower electrode 104. Further, as the electro-optic material, inorganic crystals such as lithium niobate (LN), lithium tantalate (LT), and KTP, and ceramics such as PZT and PLZT can be used.

光導波路のクラッド102としては、コア101より低い屈折率を有する材料を用いてコア101の周囲を囲む。これによって、チャネル形状の光導波路を形成して光をコア101の内部およびその近傍の領域に閉じ込めることができる。   As the cladding 102 of the optical waveguide, a material having a lower refractive index than the core 101 is used to surround the core 101. As a result, a channel-shaped optical waveguide can be formed and light can be confined in the core 101 and in the vicinity thereof.

ここで、チャネル形状とは、コアの周囲をコア材料と異なるクラッド材料で囲った光導波路のことを指す。クラッドを形成する材料は、コアより低い屈折率を有する誘電体材料であって、例えば、SiO2、SiON等のガラス材料や、ポリマー等を用いることが好ましい。したがって、本実施形態のクラッド102の電気光学効果による屈折率変化量は、コア101に比べて非常に小さい。 Here, the channel shape refers to an optical waveguide having a core surrounded by a clad material different from the core material. The material for forming the cladding is a dielectric material having a refractive index lower than that of the core. For example, a glass material such as SiO 2 or SiON, a polymer, or the like is preferably used. Therefore, the amount of change in refractive index due to the electro-optic effect of the clad 102 of this embodiment is very small compared to the core 101.

本実施形態によるチャネル形状の光導波路構造において、クラッド材料を適切に選択することによって、コア101とクラッド102との屈折率差を自由に制御することができる。また、本実施形態の光導波路において、コア101とクラッド102との屈折率差の指標を比屈折率差Δとして、コアの屈折率をn1、クラッドの屈折率をn2としたとき、
Δ=(n1 2−n2 2)/2n2 2
で定義される比屈折率差Δを、40%程度まで高くすることも可能となる。
In the channel-shaped optical waveguide structure according to the present embodiment, the refractive index difference between the core 101 and the clad 102 can be freely controlled by appropriately selecting the clad material. In the optical waveguide of the present embodiment, when the index of refractive index difference between the core 101 and the clad 102 is a relative refractive index difference Δ, the refractive index of the core is n 1 , and the refractive index of the clad is n 2 ,
Δ = (n 1 2 −n 2 2 ) / 2n 2 2
It is also possible to increase the relative refractive index difference Δ defined by (1) to about 40%.

また、図1ではコア101の断面形状を長方形として示しているが、三角形、台形、円形、楕円やこれらに類似する形状も含まれることは言うまでもない。また、本実施形態では、薄膜化した光学結晶をリッジ形状に加工して、薄膜の上下に低屈折率材料で形成されるクラッドを付加した光導波路構造とすることも可能である。このように、本実施形態におけるチャネル形状光導波路は、従来の光学結晶材料を用いた光導波路とは異なる、新規の導波路構造である。   Moreover, although the cross-sectional shape of the core 101 is shown as a rectangle in FIG. 1, it goes without saying that a triangle, a trapezoid, a circle, an ellipse, and similar shapes are also included. In the present embodiment, the thinned optical crystal can be processed into a ridge shape to form an optical waveguide structure in which clads formed of a low refractive index material are added above and below the thin film. Thus, the channel-shaped optical waveguide in the present embodiment is a novel waveguide structure that is different from the conventional optical waveguide using an optical crystal material.

例えば、前述した従来例にあるような、結晶中に不純物を拡散する方法や、結晶イオンの一部を他のイオンに交換する方法などによって、バルク状の光学結晶の特定領域における屈折率をわずかに変化させて形成した光導波路では、コアとクラッドとを構成する材質がほとんど等しい。また、これら従来例の比屈折率差は、せいぜい1%以下程度までしか高めることができない。   For example, the refractive index in a specific region of the bulk optical crystal is slightly reduced by the method of diffusing impurities in the crystal or the method of exchanging part of the crystal ions with other ions as in the conventional example described above. In the optical waveguide formed by changing the material, the materials constituting the core and the clad are almost equal. Further, the relative refractive index difference of these conventional examples can be increased only to about 1% or less.

また、電圧の印加により、コアおよびクラッドはいずれも屈折率が変化するが、従来例とは異なり、本実施形態におけるチャネル形状の光導波路は、クラッド材料として誘電体材料を用いてコアの周囲を囲っている。したがって、光導波路の屈折率差を大きくすることが可能となり、また、電界の形成によってコアの屈折率がクラッドの屈折率と比べて大きく変化する。   In addition, the refractive index of both the core and the clad changes due to voltage application, but unlike the conventional example, the channel-shaped optical waveguide in this embodiment uses a dielectric material as the clad material around the core. Surrounding. Therefore, the refractive index difference of the optical waveguide can be increased, and the refractive index of the core greatly changes compared to the refractive index of the cladding due to the formation of the electric field.

また、図15に示すようなリッジ形状の光導波路は、100ミクロン以上の厚さを有する光学結晶バルク基板上に、光伝搬領域のみ相対的に結晶の厚さを厚くするように加工しており、光導波路は単一の材料で構成される。これに対し、本実施形態におけるチャネル形状の光導波路は、光学結晶を1ミクロン以下に薄膜化した光学結晶薄膜によってコアを形成し、その上下に配置されるクラッドを、コア材料より屈折率の低い誘電体材料で形成する光導波路構造である。したがって、リッジ形状の光導波路とは構造が全く異なる。   Also, the ridge-shaped optical waveguide as shown in FIG. 15 is processed on an optical crystal bulk substrate having a thickness of 100 microns or more so that only the light propagation region is relatively thick. The optical waveguide is made of a single material. On the other hand, the channel-shaped optical waveguide in this embodiment forms a core by an optical crystal thin film obtained by thinning an optical crystal to 1 micron or less, and the clad disposed above and below the core has a refractive index lower than that of the core material. This is an optical waveguide structure formed of a dielectric material. Therefore, the structure is completely different from the ridge-shaped optical waveguide.

また、本実施形態のチャネル形状の光導波路によれば、比屈折率差Δを大きくすることによって、微小断面をもつチャネル光導波路内に光を強く閉じ込めることが可能となり、また、光導波路を微小な曲率で曲げることが可能になる。ミクロンオーダーの曲率での曲げを可能とするために、Δの値は5%以上がよく、より好ましくは15%以上である。   Further, according to the channel-shaped optical waveguide of the present embodiment, it is possible to confine the light strongly in the channel optical waveguide having a minute cross section by increasing the relative refractive index difference Δ, and the optical waveguide can be made minute. It becomes possible to bend with an appropriate curvature. In order to enable bending with a micron-order curvature, the value of Δ is preferably 5% or more, more preferably 15% or more.

前述したように、従来例での比屈折率差Δはせいぜい1%以下であり、前述したようなミクロンオーダーでの微小曲げができない。これに対して、本実施形態におけるチャネル形状光導波路によれば、低屈折率を有する材料をクラッド材料に用いることで、15%以上のΔを達成できる。   As described above, the relative refractive index difference Δ in the conventional example is 1% or less at most, and the micro bending on the micron order as described above cannot be performed. On the other hand, according to the channel-shaped optical waveguide in the present embodiment, Δ of 15% or more can be achieved by using a material having a low refractive index for the cladding material.

また、本実施形態において、光導波路のコア101に電界を形成する上部電極103および下部電極104は、コア101とクラッド102とを挟むように対面して、光導波路の近傍に配置される。この上部電極103と下部電極104との電極間隔が近ければ、印可電圧を小さくすることが可能となる。したがって、電極間隔を近づけることが好ましいが、光導波路内を伝搬する伝搬光の電磁界分布を計算して、その分布のピーク値の10-2となる距離以上、コアから離して電極を形成している。これにより、光導波路を伝搬する光に対して過剰な損失をほとんど与えることなく、光導波路に電界を形成することが可能になる。 Further, in the present embodiment, the upper electrode 103 and the lower electrode 104 that form an electric field in the core 101 of the optical waveguide face each other so as to sandwich the core 101 and the clad 102 and are disposed in the vicinity of the optical waveguide. If the electrode interval between the upper electrode 103 and the lower electrode 104 is close, the applied voltage can be reduced. Therefore, it is preferable to reduce the distance between the electrodes, but the electromagnetic field distribution of the propagating light propagating in the optical waveguide is calculated, and the electrodes are formed apart from the core by a distance equal to or more than 10 −2 of the peak value of the distribution. ing. This makes it possible to form an electric field in the optical waveguide with almost no excessive loss for the light propagating through the optical waveguide.

次に、具体的な光制御素子の構成例を示す。
例えば、コア101の材料としてLNを用いた場合には、その屈折率は2.2程度であり、光導波路が単一モードで動作するためには、コア101の幅および厚さを1ミクロン程度以下にすることが望ましい。より具体的には、コア101の断面構造として正方形を仮定し、その周囲のクラッド102を1.45の屈折率を有するSiO2で構成した場合、コア101の寸法を340nm×340nm程度の正方形にすれば波長850nmにおいて光導波路は単一モードで動作する。
Next, a specific configuration example of the light control element is shown.
For example, when LN is used as the material of the core 101, its refractive index is about 2.2. In order for the optical waveguide to operate in a single mode, the width and thickness of the core 101 are about 1 micron. The following is desirable. More specifically, assuming that the cross-sectional structure of the core 101 is a square and the surrounding cladding 102 is made of SiO 2 having a refractive index of 1.45, the dimension of the core 101 is a square of about 340 nm × 340 nm. Thus, the optical waveguide operates in a single mode at a wavelength of 850 nm.

この場合、光導波路の比屈折率差Δの値を28%程度と極端に高くすることが可能となり、光電力は電気光学材料から成るコア内部に強く閉じ込められる。光導波路内に閉じ込められる電磁界分布は、コアの中心から半径1.5ミクロン程度の円内に局在し、その外側の領域での光電磁界の大きさは無視できるほど小さい。   In this case, the value of the relative refractive index difference Δ of the optical waveguide can be extremely increased to about 28%, and the optical power is strongly confined inside the core made of the electro-optic material. The electromagnetic field distribution confined in the optical waveguide is localized in a circle having a radius of about 1.5 microns from the center of the core, and the magnitude of the photoelectric magnetic field in the outer region is negligibly small.

このように、光電磁界が存在しない領域に電極を配置することによって、光導波路を伝搬する光に損失を与えることなく、光導波路内に電界を形成することが可能となる。また、前述した例では、上部電極103と下部電極104との距離を3ミクロン程度まで近づけることが可能となる。さらに、上部電極103と下部電極104との電極ペアを対面させて、上下からコア101を挟むように配置しているため、光導波路のコア領域に形成される電界の方向を、従来例と比べて安定させることが可能となる。したがって、従来例と同等の屈折率変化を得る場合にも、より低い電圧の印加による屈折率変化が可能となる。   As described above, by arranging the electrode in the region where the photoelectric magnetic field does not exist, it is possible to form an electric field in the optical waveguide without giving a loss to the light propagating through the optical waveguide. In the example described above, the distance between the upper electrode 103 and the lower electrode 104 can be reduced to about 3 microns. Furthermore, since the electrode pair of the upper electrode 103 and the lower electrode 104 is opposed to each other so as to sandwich the core 101 from above and below, the direction of the electric field formed in the core region of the optical waveguide is compared with the conventional example. And can be stabilized. Therefore, even when a refractive index change equivalent to that of the conventional example is obtained, a refractive index change by applying a lower voltage is possible.

上部電極103および下部電極104を構成する材料としては、Cr、Au、Alなど一般的な金属薄膜の他、ITO(Indium Tin Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)等の透明電極材料を用いることができる。なお、本実施形態の上部電極103と下部電極104とを構成する材料は、同じ材料であっても異なる材料であっても問題はない。   As a material constituting the upper electrode 103 and the lower electrode 104, a transparent metal material such as ITO (Indium Tin Oxide) or IZO (Indium Zinc Oxide) may be used in addition to general metal thin films such as Cr, Au, and Al. it can. In addition, there is no problem even if the material which comprises the upper electrode 103 and the lower electrode 104 of this embodiment is the same material or a different material.

このように、本実施形態の光学制御素子によれば、コア材料を電気光学結晶とした光導波路に対して、導波路の垂直あるいは水平方向に効果的な電界を形成することができる。したがって、小型で高速な光変調器、光スイッチ等の光制御素子を低消費電力で動作させることが可能となる。   Thus, according to the optical control element of the present embodiment, an effective electric field can be formed in the vertical or horizontal direction of the waveguide with respect to the optical waveguide whose core material is an electro-optic crystal. Therefore, it is possible to operate a light control element such as a small and high-speed optical modulator or optical switch with low power consumption.

次に、図2は、本実施形態の光学制御素子の他の一例を模式的に示す図である。   Next, FIG. 2 is a diagram schematically illustrating another example of the optical control element of the present embodiment.

図2に示す光学制御素子は、コア201と、クラッド202と、上部電極203と、下部電極204と、基板205とで構成される。コア201と、コア201を内包するクラッド202とは、基板205上に積層されている。さらに、光導波路を上下から上部電極203および下部電極204によって挟み込むよう配置されている。下部電極204は、クラッド202と基板205との間に配置される。   The optical control element shown in FIG. 2 includes a core 201, a clad 202, an upper electrode 203, a lower electrode 204, and a substrate 205. The core 201 and the clad 202 that encloses the core 201 are stacked on the substrate 205. Furthermore, the optical waveguide is disposed so as to be sandwiched between the upper electrode 203 and the lower electrode 204 from above and below. The lower electrode 204 is disposed between the clad 202 and the substrate 205.

基板205の厚さは、100〜1000ミクロン程度であり、その材料は光導波路のコア201と同じ材料である光学結晶であってもよいし、より安価なシリコン基板や石英基板など異なる材料であってもよい。本実施形態では、光学結晶からなるコア201を有するチャネル光導波路において、このチャネル光導波路内の微小領域に光が閉じ込められるため、上部電極203と下部電極204との距離を短くすることができる。   The thickness of the substrate 205 is about 100 to 1000 microns, and the material thereof may be an optical crystal that is the same material as the core 201 of the optical waveguide, or may be a different material such as a cheaper silicon substrate or quartz substrate. May be. In the present embodiment, in the channel optical waveguide having the core 201 made of an optical crystal, light is confined in a minute region in the channel optical waveguide, so that the distance between the upper electrode 203 and the lower electrode 204 can be shortened.

このように、本実施形態に示すような構成により、基板表面に対して垂直方向に電界が形成される。例えば、LNのZカット板を利用した際に、光導波路のコアに対して効果的な電界を形成することができるため、光導波路の屈折率変調に有効であり、したがって、小型で高速な光変調器、光スイッチ等の光制御素子を低消費電力で動作させることができる。   Thus, an electric field is formed in the direction perpendicular to the substrate surface by the configuration shown in the present embodiment. For example, when an LN Z-cut plate is used, an effective electric field can be formed with respect to the core of the optical waveguide, which is effective for refractive index modulation of the optical waveguide. Light control elements such as modulators and optical switches can be operated with low power consumption.

次に、図3は、本実施形態の光学制御素子において、電極を左右に配置した場合を示す図である。   Next, FIG. 3 is a diagram showing a case where electrodes are arranged on the left and right in the optical control element of the present embodiment.

図3に示す光学制御素子は、コア301と、クラッド302と、左部電極303と、右部電極304と、基板305とで構成される。コア301と、コア301を内包するクラッド302とは、基板305上に積層されている。さらに、光導波路の左右に左部電極303および右部電極304を備えており、この左部電極303、右部電極304によって光導波路を挟み込むよう配置されている。   The optical control element shown in FIG. 3 includes a core 301, a clad 302, a left electrode 303, a right electrode 304, and a substrate 305. The core 301 and the clad 302 that encloses the core 301 are stacked on the substrate 305. Further, a left electrode 303 and a right electrode 304 are provided on the left and right sides of the optical waveguide, and the optical waveguide is disposed between the left electrode 303 and the right electrode 304.

基板305の厚さは、100〜1000ミクロン程度であり、その材料は光導波路のコア301と同じ材料である光学結晶であってもよいし、より安価なシリコン基板や石英基板など異なる材料であってもよい。なお、ここでクラッド層であるクラッド302の幅は、光導波路のコア301の幅よりも広く設けられている。   The thickness of the substrate 305 is about 100 to 1000 microns, and the material thereof may be an optical crystal that is the same material as the core 301 of the optical waveguide, or may be a different material such as a cheaper silicon substrate or quartz substrate. May be. Here, the width of the clad 302 as the clad layer is wider than the width of the core 301 of the optical waveguide.

またクラッド302の幅としては、光導波路に閉じ込められた光電力が、クラッド302内にて十分減衰するように設定されればよく、すなわち、コア301の幅よりも1ミクロン程度広くするだけでよい。そしてさらに、前述したように構成されたクラッド302およびコア301を左右から挟みこむ形で、左部電極303および右部電極304を設けている。   Further, the width of the clad 302 may be set so that the optical power confined in the optical waveguide is sufficiently attenuated in the clad 302, that is, it is only required to be about 1 micron wider than the width of the core 301. . Further, a left electrode 303 and a right electrode 304 are provided so as to sandwich the clad 302 and the core 301 configured as described above from the left and right.

この左部電極303と右部電極304との間に電圧を印加することによって、基板305の表面に対して平行な方向に電界を形成することが可能となる。電気光学材料薄膜によって形成されたコア301は、電界が形成されることによってその屈折率が変化する。本実施形態では、光導波路に対して平行方向に電界が形成されるので、例えば、LNのXカット板を利用した際の屈折率変調に有効となる。   By applying a voltage between the left electrode 303 and the right electrode 304, an electric field can be formed in a direction parallel to the surface of the substrate 305. The refractive index of the core 301 formed of the electro-optic material thin film changes when an electric field is formed. In the present embodiment, an electric field is formed in a direction parallel to the optical waveguide, which is effective for refractive index modulation when an LN X-cut plate is used, for example.

また、本実施形態によれば、左部電極303と右部電極304との距離を数ミクロンにすることが可能となる。さらに、光導波路のコア近傍にのみ電界が形成されるため、低電圧による屈折率変調が可能となる。したがって、本実施形態によれば、電気光学結晶からなるコア材料に効果的に電界を形成することが可能となり、小型で高速な光変調器、光スイッチ等の光制御素子を提供することができる。   Further, according to the present embodiment, the distance between the left electrode 303 and the right electrode 304 can be set to several microns. Furthermore, since the electric field is formed only near the core of the optical waveguide, the refractive index can be modulated by a low voltage. Therefore, according to the present embodiment, an electric field can be effectively formed in the core material made of an electro-optic crystal, and a light control element such as a small and high-speed optical modulator or optical switch can be provided. .

次に、図4は、本実施形態の光学制御素子において、コアの周囲を囲むクラッドの屈折率を上下と左右とで異ならせた場合を示す図である。   Next, FIG. 4 is a diagram showing a case where the refractive index of the clad surrounding the core is made different between the upper and lower sides and the left and right sides in the optical control element of the present embodiment.

図4に示す光学制御素子は、コア401と、クラッド402,403,404,405と、上部電極406と、下部電極407と、基板408とで構成される。コア401は、上部クラッド402と、下部クラッド403と、左部クラッド404と、右部クラッド405とによって周囲を囲まれている。また、コア401と、コア401を内包する各クラッド402〜405とは、基板408上に積層される。さらに、光導波路近傍に上部電極406と下部電極407とを備え、この2つの電極にてクラッドを挟み込むよう配置されている。   The optical control element shown in FIG. 4 includes a core 401, claddings 402, 403, 404, and 405, an upper electrode 406, a lower electrode 407, and a substrate 408. The core 401 is surrounded by an upper cladding 402, a lower cladding 403, a left cladding 404, and a right cladding 405. The core 401 and the clads 402 to 405 that enclose the core 401 are stacked on the substrate 408. Further, an upper electrode 406 and a lower electrode 407 are provided in the vicinity of the optical waveguide, and are arranged so that the clad is sandwiched between the two electrodes.

ここで、各クラッド402〜405は、コア401の左右に配置される左部クラッド404と右部クラッド405との屈折率が、コア401の上下に配置される上部クラッド402と下部クラッド403との屈折率よりも小さくなるように、異なる材質のクラッドを用いて構成される。   Here, each of the clads 402 to 405 has a refractive index of the left clad 404 and the right clad 405 arranged on the left and right of the core 401 so that the upper clad 402 and the lower clad 403 arranged on the upper and lower sides of the core 401 The clad is made of a different material so as to be smaller than the refractive index.

なお、図4(a)の構成では、上部クラッド402および下部クラッド403の高さを、コア401の高さと等しくして配置しているが、図4(b)に示すように、コア411を上下から挟む上部クラッド412および下部クラッド413の幅を、コア411の幅と等しくして配置する構成としてもよい。   In the configuration of FIG. 4A, the height of the upper clad 402 and the lower clad 403 is arranged to be equal to the height of the core 401. However, as shown in FIG. The upper clad 412 and the lower clad 413 sandwiched from above and below may have the same width as that of the core 411.

光導波路において、伝搬光に損失を与えることなく曲げることができる曲率半径は、主に、コアの左右に配置されたクラッドの屈折率とコアの屈折率との差で決定される。したがって、本実施形態のように、左部クラッド404および右部クラッド405に対して低屈折率材料を使用することで、曲率半径を小さくすることができ、光制御素子の微小化が可能となる。   In the optical waveguide, the radius of curvature that can bend without causing loss to propagating light is mainly determined by the difference between the refractive index of the clad disposed on the left and right of the core and the refractive index of the core. Therefore, by using a low refractive index material for the left cladding 404 and the right cladding 405 as in this embodiment, the radius of curvature can be reduced and the light control element can be miniaturized. .

具体的には、左部クラッド404,414および右部クラッド405,415を構成する材料として、空気や、SiO2などの低屈折率ガラス、ポリマー等の材料を用いることが好ましい。本実施形態では、例えば、コア401,411をLN、クラッドを空気とした場合、Δの値を40%程度と極めて高くすることが可能である。これに対して、コア401,411の上下に配置された上部クラッド402,412および下部クラッド403,413の材質は、基板やコア材料、および電極材料との密着性等を考慮して効果的な電界形成に適した材料を選択することができる。 Specifically, it is preferable to use a material such as air, low refractive index glass such as SiO 2 , polymer, or the like as the material constituting the left cladding 404, 414 and the right cladding 405, 415. In the present embodiment, for example, when the cores 401 and 411 are LN and the clad is air, the value of Δ can be extremely high as about 40%. On the other hand, the materials of the upper clad 402 and 412 and the lower clad 403 and 413 disposed above and below the cores 401 and 411 are effective in consideration of adhesion to the substrate, the core material, and the electrode material. A material suitable for electric field formation can be selected.

ここで、図4の構成において、上部電極406,416および下部電極407,417の幅を、光導波路のコア401,411の幅よりも広くする。これにより、電極間に電圧を印加する際に、基板に対して垂直な方向に電界を形成することができる。   Here, in the configuration of FIG. 4, the widths of the upper electrodes 406 and 416 and the lower electrodes 407 and 417 are made wider than the widths of the cores 401 and 411 of the optical waveguide. Thereby, when a voltage is applied between the electrodes, an electric field can be formed in a direction perpendicular to the substrate.

これは、電極の両端付近では、基板に対して完全に垂直な方向には電界が形成されないが、電極の中央付近においては、形成される電界の方向が基板面に対して垂直となるからである。したがって、本実施形態のように、電極の幅を光導波路のコア幅より広くして、電極の中央付近にのみ光導波路が存在するような構成とすることで、導波路が電圧を印加される際にはコア領域は電極の端部の影響を受けず、すなわち、光導波路の垂直方向に均一な電界を形成することが可能となる。   This is because the electric field is not formed in the direction completely perpendicular to the substrate near both ends of the electrode, but the direction of the formed electric field is perpendicular to the substrate surface near the center of the electrode. is there. Therefore, as in this embodiment, the electrode is made wider than the core width of the optical waveguide, and the optical waveguide is present only near the center of the electrode, so that a voltage is applied to the waveguide. In this case, the core region is not affected by the end of the electrode, that is, it is possible to form a uniform electric field in the vertical direction of the optical waveguide.

次に、光制御素子の具体的な設計例を説明する。
例えば、図4(a)におけるコア401をLN、上部クラッド402および下部クラッド403をSiO2、左部クラッド404および右部クラッド405を空気として仮定した場合、光の波長を850nmとすると、コアの寸法を360nm×360nm程度の正方形にすれば光導波路は単一モードで動作する。
Next, a specific design example of the light control element will be described.
For example, assuming that the core 401 in FIG. 4A is LN, the upper clad 402 and the lower clad 403 are SiO 2 , and the left clad 404 and the right clad 405 are air, the light wavelength is 850 nm. If the dimension is a square of about 360 nm × 360 nm, the optical waveguide operates in a single mode.

また、光導波路内を伝搬する光の電磁界は、コア401の中心から半径1ミクロン程度の円内に閉じ込められ、その外側の領域では光電磁界は十分に減衰している。したがって、上部電極406および下部電極407をその外側の領域に配置すれば、電極構造が伝搬光に損失を与えることは無い。すなわち、電極間の距離は2ミクロン程度離せば十分であり、電極間の距離を従来構造の1/5以下に短縮できる。また、光導波路に対してほぼ完全に垂直に電界を形成することが可能であり、さらに効果的な屈折率変調が可能である。   The electromagnetic field of light propagating in the optical waveguide is confined within a circle having a radius of about 1 micron from the center of the core 401, and the photoelectric magnetic field is sufficiently attenuated in the outer region. Therefore, if the upper electrode 406 and the lower electrode 407 are arranged in the outer region, the electrode structure does not cause a loss in the propagation light. That is, it is sufficient if the distance between the electrodes is about 2 microns, and the distance between the electrodes can be reduced to 1/5 or less of the conventional structure. In addition, the electric field can be formed almost completely perpendicular to the optical waveguide, and more effective refractive index modulation is possible.

また、上部電極406および下部電極407を構成する材料としては、一般的な金属材料であればよく、例えば、CrやAu、Al等が好ましい。また、支持基板となる基板408は、電極材料との密着性を考慮して選択することが可能であり、シリコンや石英などが好適である。もちろんLNを支持基板としてもよい。   Moreover, as a material which comprises the upper electrode 406 and the lower electrode 407, what is necessary is just a general metal material, for example, Cr, Au, Al, etc. are preferable. The substrate 408 serving as a support substrate can be selected in consideration of adhesion with an electrode material, and silicon, quartz, or the like is preferable. Of course, LN may be used as the support substrate.

以上の構成による光導波路は、曲率半径が5ミクロン以上であれば損失なく光を曲げることが可能であり、光制御素子の基本配線要素として用いることによって、光制御素子の素子サイズの劇的な微小化を可能としている。   The optical waveguide having the above configuration can bend light without loss if the radius of curvature is 5 microns or more. By using it as a basic wiring element of the light control element, the element size of the light control element can be dramatically reduced. Miniaturization is possible.

なおここまで、光導波路を挟み込む電極は、上部電極406,416および下部電極407,417にて上下から挟み込む場合の構成として説明した。しかし、本実施形態はこの構成に限定されず、例えば、図3にて説明したように、光導波路の左右から挟み込むようにして電極を配置することとしてもよく、上下から挟み込む場合と同様の効果が得られる。この場合には、光導波路に対してほぼ水平方向に効果的な電界が形成され、低電圧での屈折率変調が可能となる。   Heretofore, the electrode sandwiching the optical waveguide has been described as a configuration in which the upper electrode 406, 416 and the lower electrode 407, 417 are sandwiched from above and below. However, the present embodiment is not limited to this configuration. For example, as described with reference to FIG. 3, the electrodes may be disposed so as to be sandwiched from the left and right of the optical waveguide. Is obtained. In this case, an effective electric field is formed in a substantially horizontal direction with respect to the optical waveguide, and refractive index modulation can be performed at a low voltage.

このように、本実施形態によれば、電気光学結晶をコアとした光導波路を微小領域で曲げることが可能となり、かつ、導波路材料に対して効果的に電界を形成することができるため、小型で高速な光変調器、光スイッチ等の光制御素子を提供することができる。   As described above, according to the present embodiment, an optical waveguide having an electro-optic crystal as a core can be bent in a minute region, and an electric field can be effectively formed on the waveguide material. It is possible to provide a light control element such as a small and high-speed optical modulator or optical switch.

次に、図5は、本実施形態の光学制御素子において、コアと電極との幅を等しくした場合を示す図である。   Next, FIG. 5 is a diagram showing a case where the widths of the core and the electrode are equal in the optical control element of the present embodiment.

図5(a)に示す光学制御素子は、コア501と、上部クラッド502と、下部クラッド503と、上部電極504と、下部電極505と、基板506とで構成される。コア501は、上部クラッド502と下部クラッド503とによって、上下を挟まれている。そしてこのコア501と、上部クラッド502および下部クラッド503は、さらに上部電極504と下部電極505とにより上下を挟み込まれている。   The optical control element shown in FIG. 5A includes a core 501, an upper clad 502, a lower clad 503, an upper electrode 504, a lower electrode 505, and a substrate 506. The core 501 is sandwiched between an upper clad 502 and a lower clad 503. The core 501, the upper clad 502 and the lower clad 503 are further sandwiched between the upper electrode 504 and the lower electrode 505.

すなわち図5(a)では、図2での構成において、上部クラッド502,下部クラッド503,上部電極504,下部電極505の幅を、コア501の幅と等しくしている。上部電極504と下部電極505との間に電圧を印加することで、電気光学結晶からなるコア材料の近傍にのみ電界が形成される。   That is, in FIG. 5A, the width of the upper clad 502, the lower clad 503, the upper electrode 504, and the lower electrode 505 in the configuration shown in FIG. By applying a voltage between the upper electrode 504 and the lower electrode 505, an electric field is formed only in the vicinity of the core material made of an electro-optic crystal.

また、図5(b)に示すように、上部電極514の幅のみが光導波路のコア511の幅と等しい構成としてもよい。なお、ここで幅が等しいと述べているが、導波路のコア511の幅と上部電極514の幅とが厳密に等しくなるように構成することまでは要求されない。素子の製造上における問題から、電極幅とコア幅とには10%程度の差が出ることが予想されるが、この程度の差があっても本実施形態の効果が失われることはない。   Further, as shown in FIG. 5B, only the width of the upper electrode 514 may be equal to the width of the core 511 of the optical waveguide. Although it is described here that the widths are equal, it is not required to configure the waveguide core 511 and the upper electrode 514 so that the width is strictly equal. Due to problems in the manufacture of the device, a difference of about 10% is expected to appear between the electrode width and the core width, but the effect of this embodiment is not lost even if there is such a difference.

このように、本実施形態によれば、コア材料の近傍にのみ効果的な電界を形成することが可能となり、すなわち、所望の光導波路のみ、屈折率変調によって伝搬特性を変化させることができる。したがって、個別に伝搬特性を制御することが可能な光導波路を、高密度に集積化することが可能となり、小型で高速な光変調器、光スイッチ等の光制御素子を提供することが可能となる。   Thus, according to the present embodiment, an effective electric field can be formed only in the vicinity of the core material, that is, only the desired optical waveguide can change the propagation characteristics by refractive index modulation. Therefore, it becomes possible to integrate optical waveguides whose propagation characteristics can be individually controlled with high density, and to provide light control elements such as small and high-speed optical modulators and optical switches. Become.

なお、前述してきた本実施形態は、電気光学効果を有する光学結晶を光導波路のコアとして用いたあらゆる光導波路に対して有効であるが、より具体的な材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム(LN)やタンタル酸リチウム(LT)等が好ましい。   In addition, although this embodiment mentioned above is effective with respect to all the optical waveguides which used the optical crystal which has an electrooptic effect as a core of an optical waveguide, as a more concrete material, for example, lithium niobate ( LN) and lithium tantalate (LT) are preferred.

チャネル形状導波路の形成には、LNやLTなど、これらの材料を1ミクロン以下に薄膜化することが必要である。しかし、結晶成長によって薄膜を形成する場合には、基板の格子定数を薄膜材料の格子定数と等しくする必要があるため、基板と光学結晶薄膜層との間に電極およびクラッド層を挟むような構造を形成することは困難である。また、実際に成長によって形成された薄膜の電気光学定数は、バルクほど大きくない場合もある。したがって、コアとなる光学結晶薄膜は、バルク状結晶から薄膜化して形成することが好ましい。   In forming a channel-shaped waveguide, it is necessary to make these materials, such as LN and LT, thinner to 1 micron or less. However, when forming a thin film by crystal growth, it is necessary to make the lattice constant of the substrate equal to the lattice constant of the thin film material, so a structure in which an electrode and a clad layer are sandwiched between the substrate and the optical crystal thin film layer Is difficult to form. In addition, the electro-optic constant of a thin film actually formed by growth may not be as large as the bulk. Therefore, it is preferable that the optical crystal thin film serving as the core is formed by thinning from a bulk crystal.

バルク状の光学結晶から1ミクロン以下の薄膜を形成する方法の一つとして、イオンスライス法を適用することが可能である。イオンスライス法は、以下の工程により、バルク結晶から薄膜を形成する方法である。   As one of the methods for forming a thin film of 1 micron or less from a bulk optical crystal, an ion slice method can be applied. The ion slicing method is a method of forming a thin film from a bulk crystal by the following steps.

まず、光学結晶中に質量数の小さい水素イオンもしくはヘリウムイオンを注入し、その注入領域を改質させる。この結果、その他の結晶領域とは熱膨張係数やウェットエッチングにおける選択比を異ならせることが可能となる。その後、例えばイオン注入を施したバルク結晶を加熱することで、注入領域を境界としてバルク上の結晶から薄片を剥離することができる。   First, hydrogen ions or helium ions having a small mass number are implanted into the optical crystal, and the implanted region is modified. As a result, the thermal expansion coefficient and the selectivity in wet etching can be made different from those of other crystal regions. Thereafter, for example, by heating the bulk crystal subjected to ion implantation, the flakes can be separated from the crystal on the bulk with the implanted region as a boundary.

また、このようなイオンスライス法によって得られる薄膜の膜厚は、バルク基板表面からのイオン注入深さで決定され、この深さは、イオン注入エネルギーによって制御可能である。具体的には、200keVのエネルギーを有するヘリウムイオンをニオブ酸リチウム基板に注入することによって、700nm程度の膜厚を有するニオブ酸リチウムの薄膜が得られる。このように、注入エネルギーを制御することで、1ミクロン以下の膜厚を有するLNの薄膜を、極めて膜厚精度よく形成することが可能である。   Further, the film thickness of the thin film obtained by such an ion slicing method is determined by the ion implantation depth from the surface of the bulk substrate, and this depth can be controlled by the ion implantation energy. Specifically, a lithium niobate thin film having a thickness of about 700 nm is obtained by injecting helium ions having an energy of 200 keV into a lithium niobate substrate. Thus, by controlling the implantation energy, it is possible to form an LN thin film having a film thickness of 1 micron or less with extremely high film thickness accuracy.

ここで、本実施形態の光学制御素子の製造方法について説明する。
図10は、本実施形態の光学制御素子の製造方法において、製造される過程ごとの光学制御素子を模式的に示す図である。また、図11は、本実施形態の光学制御素子の製造方法を示すフローチャートである。本実施形態の光制御素子は、以下の手順により、本実施形態の光学制御素子が製造される。
Here, a method for manufacturing the optical control element of this embodiment will be described.
FIG. 10 is a diagram schematically showing an optical control element for each process to be manufactured in the method for manufacturing an optical control element of the present embodiment. FIG. 11 is a flowchart showing a method for manufacturing the optical control element of this embodiment. The light control element of the present embodiment is manufactured by the following procedure.

まず、光学結晶基板にイオンを注入する(ステップS101)。また一方、支持基板上に、下部電極層および下部クラッド層を成膜する(ステップS102)。このようにして形成されたイオン注入後の光学結晶基板と、下部電極層および下部クラッド層を成膜された支持基板とを接合する(ステップS103)。   First, ions are implanted into the optical crystal substrate (step S101). On the other hand, a lower electrode layer and a lower cladding layer are formed on the support substrate (step S102). The optical crystal substrate thus formed after ion implantation is bonded to the support substrate on which the lower electrode layer and the lower cladding layer are formed (step S103).

次に、接合処理を施したこの接合基板を加熱し、光学結晶基板を剥離して薄膜化する(ステップS104)。そして、薄膜化された光学結晶薄膜上に、上部クラッド層および上部電極層を成膜して(ステップS105)、電極をパターニングする(ステップS106)。最後に、パターン化した電極をマスクしてコアおよびクラッド層をエッチングし、チャネル導波路を形成する(ステップS107)。このようにして、本実施形態の光学制御素子は形成される。   Next, the bonded substrate subjected to the bonding process is heated, and the optical crystal substrate is peeled off to form a thin film (step S104). Then, an upper clad layer and an upper electrode layer are formed on the thinned optical crystal thin film (step S105), and the electrode is patterned (step S106). Finally, the patterned electrode is masked to etch the core and the clad layer to form a channel waveguide (step S107). In this way, the optical control element of this embodiment is formed.

なお、基板の材料としては、薄膜化する結晶と同じ材料であるニオブ酸リチウム(LN)やタンタル酸リチウム(LT)が好適である。イオンスライス法による薄膜形成プロセスに含まれる加熱処理時には、結晶の熱膨張が発生するが、基板材料と薄膜化結晶材料とに同じ材料を用いることによって、結晶の熱膨張の影響を軽減することができる。また、薄膜化する結晶と異なる材料である、より安価なシリコンや石英等の基板を用いてもよい。また、基板とコアとの間、および、コアの上に形成されるクラッドの材料としては、2.1以下の屈折率を有するSiO2やSiON等のガラス材料や、ポリマー材料が好適である。 As the substrate material, lithium niobate (LN) or lithium tantalate (LT) which is the same material as the crystal to be thinned is preferable. During the heat treatment included in the thin film formation process by the ion slicing method, thermal expansion of the crystal occurs. By using the same material for the substrate material and the thinned crystal material, the influence of the thermal expansion of the crystal can be reduced. it can. Alternatively, a cheaper substrate such as silicon or quartz, which is a different material from the crystal to be thinned, may be used. Further, as a material for the clad formed between the substrate and the core and on the core, a glass material such as SiO 2 or SiON having a refractive index of 2.1 or less, or a polymer material is suitable.

また、電極層およびクラッド層の成膜には、真空蒸着法、スパッタ法、CVD法、スピンコート法等の成膜法を利用することができる。また電極のパターニングには、通常の半導体プロセスで用いられるフォトリソグラフィー技術を利用することが可能であり、さらにエッチングにおいては、反応性イオンエッチング(RIE)等のドライエッチングプロセスが有効である。   In addition, film formation methods such as vacuum deposition, sputtering, CVD, and spin coating can be used for forming the electrode layer and the clad layer. For patterning the electrodes, a photolithography technique used in a normal semiconductor process can be used. Further, in etching, a dry etching process such as reactive ion etching (RIE) is effective.

このように、本実施形態によれば、図5(b)に示すような光学制御素子構造を製造することができる。また、このプロセス工程の一部を変更または拡張することで、図5(b)に図示した光制御素子以外の、本実施形態の光制御素子を製造することも勿論可能である。   Thus, according to this embodiment, an optical control element structure as shown in FIG. 5B can be manufactured. It is of course possible to manufacture the light control element of the present embodiment other than the light control element shown in FIG. 5B by changing or expanding a part of the process steps.

次に、図6は、本実施形態の光学制御素子にY分岐形光制御素子を用いた場合を示す図である。   Next, FIG. 6 is a diagram illustrating a case where a Y-branch light control element is used as the optical control element of the present embodiment.

図6に示すように、本実施形態の光学制御素子はY分岐型の光制御素子であり、入力導波路601と、出力導波路602,603と、屈折率変調部604,605とを備えている。この屈折率変調部604,605は、出力導波路602,603の一部にそれぞれ備えられている。そして、前述した本実施形態による電界形成手段を有しており、所望の光導波路の部位に対して電界を形成することにで、その部位の材料屈折率を変化させることができる。   As shown in FIG. 6, the optical control element of the present embodiment is a Y-branch type light control element, and includes an input waveguide 601, output waveguides 602 and 603, and refractive index modulation units 604 and 605. Yes. The refractive index modulators 604 and 605 are provided in part of the output waveguides 602 and 603, respectively. And it has the electric field formation means by this embodiment mentioned above, By forming an electric field with respect to the site | part of a desired optical waveguide, the material refractive index of the site | part can be changed.

屈折率変調部604,605にて、いずれの屈折率変調部でも電圧を印加しない場合には、入力導波路601から入力された光は、屈折率変調部604,605から光電力が2等分されて出力される。   When no voltage is applied to any of the refractive index modulation units in the refractive index modulation units 604 and 605, the light input from the input waveguide 601 is divided into two equal parts of the optical power from the refractive index modulation units 604 and 605. Is output.

一方、例えば、電極を含む屈折率変調部605に対して電圧を印加して電界を形成することで、導波路のコアの屈折率を低下させることが可能である。この場合、光電力は、コアの屈折率が相対的に高い出力導波路602からのみ出力されることになる。すなわち、電圧印加部位を、屈折率変調部604,605にて高速で切り替えることによって、図6に示した光制御素子に高速な光スイッチング機能を与えることが可能となる。   On the other hand, for example, the refractive index of the waveguide core can be lowered by applying a voltage to the refractive index modulation unit 605 including electrodes to form an electric field. In this case, the optical power is output only from the output waveguide 602 having a relatively high refractive index of the core. That is, it is possible to provide a high-speed optical switching function to the light control element shown in FIG. 6 by switching the voltage application portion at high speed with the refractive index modulation units 604 and 605.

次に、図7は、本実施形態の光学制御素子のさらに他の一例を模式的に示す図である。
図7(a)は、一般に方向性結合器と呼ばれ、入力導波路701,703と、出力導波路702,704と、光結合導波路705,706とによる直接導波路群、および、屈折率変調部707によって構成される。
Next, FIG. 7 is a diagram schematically illustrating still another example of the optical control element of the present embodiment.
FIG. 7A is generally called a directional coupler, and includes a direct waveguide group including an input waveguide 701, 703, an output waveguide 702, 704, and an optical coupling waveguide 705, 706, and a refractive index. The modulation unit 707 is configured.

入力導波路701と入力導波路703、および、出力導波路702と出力導波路704はそれぞれが互いに光結合を起こさない程度の距離、すなわち、光の波長の10倍程度以上の距離だけ離れている。これに対して、光結合導波路705と光結合導波路706は、互いの距離を光の波長程度まで近づけており、この近距離(間隔)において光結合が生じる。   The input waveguide 701 and the input waveguide 703, and the output waveguide 702 and the output waveguide 704 are separated from each other by a distance that does not cause optical coupling with each other, that is, a distance that is about 10 times the wavelength of light. . On the other hand, the optical coupling waveguide 705 and the optical coupling waveguide 706 are close to each other to the wavelength of light, and optical coupling occurs at this short distance (interval).

例えば、入力導波路701へ入力された光信号が、光結合導波路705,706を介して出力導波路704から出力させることも可能である。このときの光結合導波路705,706の光導波路長をビート長と呼ぶ。このビート長は、光結合導波路705,706の光路長の変化に依存する。したがって、光結合部を構成する導波路の材料における屈折率を変化させることによって、光信号が、出力導波路702と出力導波路704とのうちのどちらから出力されるかを制御することができる。   For example, an optical signal input to the input waveguide 701 can be output from the output waveguide 704 via the optical coupling waveguides 705 and 706. The optical waveguide length of the optical coupling waveguides 705 and 706 at this time is called a beat length. This beat length depends on the change in the optical path length of the optical coupling waveguides 705 and 706. Therefore, by changing the refractive index in the waveguide material constituting the optical coupling portion, it is possible to control which of the output waveguide 702 and the output waveguide 704 outputs the optical signal. .

光導波路のコアを電気光学結晶薄膜によって構成した場合には、光導波路の比屈折率差Δを大きくすることが可能となり、また、光制御素子のサイズを小さくすることも可能となる。しかしその一方で、方向性結合器の結合部における光導波路間隔が非常に狭くなる。したがって、従来の電界形成法では各光導波路に対して独立に効果的な屈折率変調を与えることが困難であったが、本実施形態によれば、この問題点が解決可能となる。   When the core of the optical waveguide is composed of an electro-optic crystal thin film, the relative refractive index difference Δ of the optical waveguide can be increased, and the size of the light control element can be reduced. However, on the other hand, the distance between the optical waveguides in the coupling portion of the directional coupler is very small. Therefore, in the conventional electric field forming method, it has been difficult to independently provide effective refractive index modulation to each optical waveguide. However, according to the present embodiment, this problem can be solved.

また、屈折率変調部707は、前述した本実施形態の電界形成手段を備えているので、例えば、図7(b)に示すような構成が可能である。図7(b)は、図7(a)の708における光導波路の断面図である。   Further, since the refractive index modulation unit 707 includes the electric field forming unit of the present embodiment described above, for example, a configuration as shown in FIG. 7B is possible. FIG. 7B is a cross-sectional view of the optical waveguide at 708 in FIG.

図7(b)では、上部電極717,719および下部電極718,720の幅を、光導波路のコア711,712の幅とほぼ等しく設けている。このように構成することで、2つの光導波路に対してそれぞれ個別に電界を形成することが可能となる。図7(b)に示す構成により、基板に対して垂直方向の電界を形成することが可能であり、さらには、2つの光導波路において、印加する電圧の方向を逆にすることで、屈折率変化の符号を逆にすることも可能である。したがって、屈折率変調の効果をより高めることができる。   In FIG. 7B, the widths of the upper electrodes 717 and 719 and the lower electrodes 718 and 720 are substantially equal to the widths of the cores 711 and 712 of the optical waveguide. By configuring in this way, it is possible to individually form electric fields for the two optical waveguides. With the configuration shown in FIG. 7B, it is possible to form an electric field in a direction perpendicular to the substrate. Further, by reversing the direction of the applied voltage in the two optical waveguides, the refractive index It is also possible to reverse the sign of the change. Therefore, the effect of refractive index modulation can be further enhanced.

また、図7(c)は、図7(a)に示した方向性結合器の結合部に対する電界の形成例である。
図7(c)では、光導波路のコア731とコア732との間に電極736を設けている。光結合部での光電力の遷移の際に電極による光吸収を防ぐため、電極736を構成する材料としては、使用する波長帯域において透明であることが好ましい。
FIG. 7C shows an example of forming an electric field for the coupling portion of the directional coupler shown in FIG.
In FIG. 7C, an electrode 736 is provided between the core 731 and the core 732 of the optical waveguide. In order to prevent light absorption by the electrode during the transition of optical power at the optical coupling portion, the material constituting the electrode 736 is preferably transparent in the wavelength band to be used.

図7(c)の構成により、基板に対して平行方向の電界を形成することが可能となり、さらには、2つの光導波路において、印加する電圧の方向を逆にすることで、屈折率変化の符号を逆にすることも可能である。したがって、屈折率変調の効果をより高めることができる。   With the configuration of FIG. 7C, it becomes possible to form an electric field in a direction parallel to the substrate. Furthermore, in the two optical waveguides, the direction of the applied voltage is reversed, thereby changing the refractive index. It is also possible to reverse the sign. Therefore, the effect of refractive index modulation can be further enhanced.

このように、本実施形態によれば、高屈折率を有する電気光学結晶薄膜を光導波路のコアに用いることで、光導波路中に光電力を強く閉じ込めることが可能となる。したがって、光制御素子のサイズを小型化することができ、さらに、高速の屈折率変調を利用することによって、超高速な小型光スイッチング素子を提供することが可能となる。   As described above, according to this embodiment, it is possible to strongly confine optical power in the optical waveguide by using the electro-optic crystal thin film having a high refractive index for the core of the optical waveguide. Therefore, it is possible to reduce the size of the light control element, and to provide an ultra-high-speed small optical switching element by using high-speed refractive index modulation.

次に、図8は、本実施形態の光学制御素子にリング共振形の光制御素子を用いた場合を示す図である。   Next, FIG. 8 is a diagram showing a case where a ring resonance type light control element is used as the optical control element of the present embodiment.

図8に示す光学制御素子は、直線導波路形光導波路801,802,803,804と、リング形光導波路805と、屈折率変調部806,807とを備えている。また、リング形の光導波路805は、直線導波路形の光導波路801−802と、同じく直線導波路型の光導波路803−804との間に挿入されている。   The optical control element shown in FIG. 8 includes straight waveguide type optical waveguides 801, 802, 803, and 804, a ring type optical waveguide 805, and refractive index modulation units 806 and 807. The ring-shaped optical waveguide 805 is inserted between the linear waveguide optical waveguide 801-802 and the linear waveguide optical waveguide 803-804.

リング形光導波路805は、波長選択素子として機能している。また、各直線形光導波路801,802,803,804は、リング形光導波路805との光電力の授受を担っている。例えば、直線形光導波路801から様々な波長の光信号を入力すると、リング形光導波路805において共振する波長信号のみが、このリング形光導波路805を介して直線形光導波路803へと出力する。また一方、その他の波長の光信号は、直線形光導波路802から出力される。   The ring-shaped optical waveguide 805 functions as a wavelength selection element. Each of the linear optical waveguides 801, 802, 803, and 804 is responsible for transferring optical power to and from the ring optical waveguide 805. For example, when optical signals of various wavelengths are input from the linear optical waveguide 801, only the wavelength signal that resonates in the ring optical waveguide 805 is output to the linear optical waveguide 803 via the ring optical waveguide 805. On the other hand, optical signals of other wavelengths are output from the linear optical waveguide 802.

リング形光導波路805において共振する波長は、リング形光導波路805の光路長に依存するため、リング形光導波路805を構成する材料の屈折率を変化させることで、共振波長を変化させることが可能である。   The wavelength that resonates in the ring-shaped optical waveguide 805 depends on the optical path length of the ring-shaped optical waveguide 805. Therefore, the resonant wavelength can be changed by changing the refractive index of the material constituting the ring-shaped optical waveguide 805. It is.

また、本実施形態の光制御素子では、リング形光導波路805の一部に屈折率変調部806,807を備えている。この屈折率変調部806,807は、前述した本実施形態に特有の電界形成手段を有している。すなわち、リング形光導波路805の特定部位のみにて、効果的に屈折率を変化させることで、直線形光導波路803から出力される波長を変化させることを可能としている。   In the light control element of the present embodiment, the refractive index modulators 806 and 807 are provided in part of the ring-shaped optical waveguide 805. The refractive index modulators 806 and 807 have electric field forming means unique to the present embodiment described above. That is, the wavelength output from the linear optical waveguide 803 can be changed by effectively changing the refractive index only at a specific portion of the ring-shaped optical waveguide 805.

また、光導波路のコア材料を電気光学結晶によって構成することによって、超高速での屈折率の変化が可能となる。したがって、図8に示した光制御素子は、波長選択性の高速光スイッチング素子として機能することができる。   Further, by forming the core material of the optical waveguide from an electro-optic crystal, it is possible to change the refractive index at an ultra high speed. Therefore, the light control element shown in FIG. 8 can function as a wavelength-selective high-speed optical switching element.

さらに、リング形光導波路のコアを電気光学結晶とすれば、比屈折率差Δを40%程度に高めることができ、急激な導波路の曲がりが可能となるため、リング形光導波路の曲率半径を10ミクロン以下に微小化することができる。したがって、本実施形態の構成によって、超高速な小型光スイッチング素子を提供することが可能となる。   Furthermore, if the core of the ring-shaped optical waveguide is an electro-optic crystal, the relative refractive index difference Δ can be increased to about 40%, and the waveguide can be bent sharply. Can be reduced to 10 microns or less. Therefore, the configuration of the present embodiment makes it possible to provide an ultra-high speed small optical switching element.

次に、図9は、本実施形態の光学制御素子にマッハ・ツェンダ干渉計形光制御素子を用いた場合を示す図である。   Next, FIG. 9 is a diagram showing a case where a Mach-Zehnder interferometer type light control element is used as the optical control element of the present embodiment.

図9に示す光学制御素子は、入力導波路901と、出力導波路902と、光分岐部903と、光結合部904と、位相変調用光導波路905,906と、屈折率変調部907,908とを備えている。   The optical control element shown in FIG. 9 includes an input waveguide 901, an output waveguide 902, an optical branching unit 903, an optical coupling unit 904, optical waveguides 905 and 906 for phase modulation, and refractive index modulation units 907 and 908. And.

この図9に示すような光制御素子は、一般にマッハ・ツェンダ干渉計と呼ばれ、入力導波路901と出力導波路902との間に、光分岐部903および光結合部904を備えている。また、入力導波路901へ入力された光電力は、光分岐部903にて光電力が二分されて、それぞれ位相変調用光導波路905,906を伝搬する。   The light control element as shown in FIG. 9 is generally called a Mach-Zehnder interferometer, and includes an optical branching unit 903 and an optical coupling unit 904 between an input waveguide 901 and an output waveguide 902. The optical power input to the input waveguide 901 is divided into two by the optical branching unit 903 and propagates through the phase modulation optical waveguides 905 and 906, respectively.

また、位相変調用光導波路905,906の導波路中の両方あるいはいずれか一方に、前述した本実施形態の光制御素子にて構成された屈折率変調部が形成される。図9では、位相変調用光導波路905に屈折率変調部907が形成され、位相変調用光導波路906に屈折率変調部908が形成されている。   In addition, a refractive index modulation unit configured by the light control element of the present embodiment described above is formed in both or one of the waveguides of the phase modulation optical waveguides 905 and 906. In FIG. 9, a refractive index modulation section 907 is formed in the phase modulation optical waveguide 905, and a refractive index modulation section 908 is formed in the phase modulation optical waveguide 906.

屈折率変調部907,908が同一構造を有する場合には、入力導波路901にて入力された光は、光分岐部903にて分岐されても、光結合部904で光結合される際に光の位相が揃って結合することになる。したがって、入力導波路901にて入力された光が、そのまま出力導波路902から出力される。   When the refractive index modulation units 907 and 908 have the same structure, the light input through the input waveguide 901 is optically coupled by the optical coupling unit 904 even if it is branched by the optical branching unit 903. The phases of light are aligned and coupled. Therefore, the light input through the input waveguide 901 is output from the output waveguide 902 as it is.

なお、ここで例えば、屈折率変調部907,908の両方あるいはいずれか一方に電圧を印加して、光導波路内のコアの屈折率を異ならせる。するとこのとき、位相変調用光導波路905,906を伝搬した光は、それぞれコアの屈折率の変化によって、位相がずれた状態で光結合部904にて合波される。このずれは、ちょうど位相がπだけずれたときに合波させると、互いの光が打ち消しあい、出力導波路902から光は出力されない。   Here, for example, a voltage is applied to both or one of the refractive index modulators 907 and 908 to change the refractive index of the core in the optical waveguide. Then, at this time, the light propagated through the phase modulation optical waveguides 905 and 906 is multiplexed by the optical coupling unit 904 in a state of being out of phase due to a change in the refractive index of the core. If this shift is combined when the phase is shifted by π, the lights cancel each other and no light is output from the output waveguide 902.

本実施形態のように、電気光学結晶導波路によって構成された屈折率調部において、電気光学効果を利用して高速にコアの屈折率を変化させることで、出力光の強度を高速に変化させることが可能な光変調器を提供することができる。ここで、光分岐部903および光結合部904は、Y分岐形光導波路や方向性結合器、高次モード間の干渉を利用した分岐素子等によって構成される。   As in the present embodiment, in the refractive index adjusting unit configured by the electro-optic crystal waveguide, the intensity of the output light is changed at high speed by changing the refractive index of the core at high speed using the electro-optic effect. It is possible to provide an optical modulator that can be used. Here, the optical branching unit 903 and the optical coupling unit 904 are configured by a Y-branch optical waveguide, a directional coupler, a branching element using interference between higher-order modes, and the like.

また、高屈折率を有する電気光学結晶薄膜を光導波路のコアに用いることで、微小断面を有する光導波路中に光電力を強く閉じ込めることができる。また、光変調器の素子サイズを小型化でき、さらに、光変調器のコア領域に効果的に電界を形成することができるので、光変調に必要な電圧を低減することが可能となる。したがって、本実施形態の構成によって、小型かつ低消費電力の光変調器を提供することが可能となる。   Further, by using an electro-optic crystal thin film having a high refractive index for the core of the optical waveguide, the optical power can be confined strongly in the optical waveguide having a minute cross section. In addition, the element size of the optical modulator can be reduced, and an electric field can be effectively formed in the core region of the optical modulator, so that the voltage required for optical modulation can be reduced. Therefore, the configuration of the present embodiment can provide a small and low power consumption optical modulator.

以上、本実施形態の光制御素子、光スイッチングユニットおよび光変調器によれば、コア材料として電気光学結晶を用いた光導波路に対して、導波路の垂直あるいは水平方向に効果的な電界を形成することが可能となり、低電圧駆動での屈折率変調を可能する電界形成手段をもつ光制御素子を提供することができる。   As described above, according to the light control element, the optical switching unit, and the optical modulator of the present embodiment, an effective electric field is formed in the vertical or horizontal direction of the waveguide with respect to the optical waveguide using the electro-optic crystal as the core material. Therefore, it is possible to provide a light control element having an electric field forming means capable of modulating the refractive index with low voltage driving.

また、電気光学結晶薄膜をコアとする光導波路を微小な曲率で曲げることが可能となり、かつ、低電圧駆動での屈折率変調を可能にする電界形成手段をもつ光制御素子を提供することができる。   Further, it is possible to provide an optical control element having an electric field forming means that enables an optical waveguide having an electro-optic crystal thin film as a core to be bent with a small curvature and enables refractive index modulation with low voltage driving. it can.

また、電気光学結晶薄膜をコアとする光導波路に対して、コア領域の近傍にのみ効果的に電界を形成することが可能となり、低電圧での屈折率変調が可能にする電界形成手段をもつ光制御素子を提供することができる。   In addition, the optical waveguide having an electro-optic crystal thin film as a core can effectively form an electric field only in the vicinity of the core region, and has an electric field forming means that enables refractive index modulation at a low voltage. A light control element can be provided.

また、低電圧で駆動可能であり、かつ、高速に経路切替または光変調を可能にする光制御素子を提供することができる。   In addition, it is possible to provide a light control element that can be driven with a low voltage and that can perform path switching or light modulation at high speed.

さらに、電気光学結晶薄膜をコアとする光導波路に対して効果的な電界形成が可能となり、低電圧で駆動する光変調器や高速光スイッチ等の微小光制御素子を提供することができる。   Furthermore, an effective electric field can be formed for an optical waveguide having an electro-optic crystal thin film as a core, and a minute light control element such as an optical modulator or a high-speed optical switch driven at a low voltage can be provided.

本実施形態の光学制御素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the optical control element of this embodiment. 本実施形態の光学制御素子の他の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically another example of the optical control element of this embodiment. 本実施形態の光学制御素子において、電極を左右に配置した場合を示す図である。It is a figure which shows the case where the electrode is arrange | positioned on either side in the optical control element of this embodiment. 本実施形態の光学制御素子において、コアの周囲を囲むクラッドの屈折率を上下と左右とで異ならせた場合を示す図である。In the optical control element of this embodiment, it is a figure which shows the case where the refractive index of the clad surrounding the circumference | surroundings of a core is varied with the upper and lower sides and right and left. 本実施形態の光学制御素子において、コアと電極との幅を等しくした場合を示す図である。In the optical control element of this embodiment, it is a figure which shows the case where the width | variety of a core and an electrode is made equal. 本実施形態の光学制御素子にY分岐形光制御素子を用いた場合を示す図である。It is a figure which shows the case where a Y branch type light control element is used for the optical control element of this embodiment. 本実施形態の光学制御素子のさらに他の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically another example of the optical control element of this embodiment. 本実施形態の光学制御素子にリング共振形の光制御素子を用いた場合を示す図である。It is a figure which shows the case where a ring resonance type light control element is used for the optical control element of this embodiment. 本実施形態の光学制御素子にマッハ・ツェンダ干渉計形光制御素子を用いた場合を示す図である。It is a figure which shows the case where a Mach-Zehnder interferometer type light control element is used for the optical control element of this embodiment. 本実施形態の光学制御素子の製造方法において、製造される過程ごとの光学制御素子を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the optical control element for every process manufactured in the manufacturing method of the optical control element of this embodiment. 本実施形態の光学制御素子の製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the optical control element of this embodiment. 従来の光学制御素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional optical control element. 従来の光学制御素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional optical control element. 従来の光学制御素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional optical control element. 従来の光学制御素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional optical control element.

符号の説明Explanation of symbols

101,201,301,401,411,501,511,711,712,731,732 コア
102,202,302,733,734, クラッド
103,406,416,504,514,717,719 上部電極
104,407,417,505,515,718,720, 下部電極
205,305,408,418,506,516,721,738, 基板
303 左部電極
304 右部電極
402,412,502,512,713,715, 上部クラッド
403,413,503,513,714,716, 下部クラッド
404,414, 左部クラッド
405,415, 右部クラッド
601,701,703,901 入力導波路
602,603,702,704,902 出力導波路
604,605,707,806,807,907,908 屈折率変調部
705,706, 光結合導波路
735,736,737,1205,1206,1303,1304,1403,1404,1503 電極
801,802,803,804 直線導波路形光導波路
805 リング形光導波路
903 光分岐部
904 光結合部
905,906 位相変調用光導波路
1201,1202,1301,1401 バルク結晶中に形成されたコア
1203,1204,1402,1502 バッファ層
1207,1305,1405,1504 光学結晶
1501 光伝搬領域
101, 201, 301, 401, 411, 501, 511, 711, 712, 731, 732 Core 102, 202, 302, 733, 734, Cladding 103, 406, 416, 504, 514, 717, 719 Upper electrode 104, 407, 417, 505, 515, 718, 720, lower electrode 205, 305, 408, 418, 506, 516, 721, 738, substrate 303 left electrode 304 right electrode 402, 412, 502, 512, 713, 715 , Upper clad 403, 413, 503, 513, 714, 716, lower clad 404, 414, left clad 405, 415, right clad 601, 701, 703, 901 input waveguide 602, 603, 702, 704, 902 Output waveguides 604, 605, 707, 06, 807, 907, 908 Refractive index modulator 705, 706, Optical coupling waveguide 735, 736, 737, 1205, 1206, 1303, 1304, 1403, 1404, 1503 Electrode 801, 802, 803, 804 Linear waveguide type Optical waveguide 805 Ring-shaped optical waveguide 903 Optical branching portion 904 Optical coupling portion 905, 906 Phase modulation optical waveguide 1201, 1202, 1301, 1401 Cores 1203, 1204, 1402, 1502 Buffer layers 1207, 1305 formed in the bulk crystal , 1405, 1504 Optical crystal 1501 Light propagation region

Claims (11)

コアとクラッドとを備えた光導波路と、前記コアの配置領域に電界を形成する電極とを有する光制御素子であって、
前記コアは、電気光学効果を有する光学結晶薄膜の一部で形成され、且つ、チャネル形状を有し、
前記電極は、前記コアを挟持して対向するよう少なくとも一対配置され、
前記クラッドは、前記コアと前記電極との間に形成されたことを特徴とする光制御素子。
An optical control element having an optical waveguide including a core and a clad, and an electrode for forming an electric field in an arrangement region of the core,
The core is formed of a part of an optical crystal thin film having an electro-optic effect, and has a channel shape,
The electrodes are arranged in at least a pair so as to face each other with the core interposed therebetween,
The light control element, wherein the clad is formed between the core and the electrode.
前記クラッドは、前記コアと異なる材料で形成され、
前記クラッドの材料は、前記コアの有する屈折率より低い誘電体であることを特徴とする請求項1記載の光制御素子。
The cladding is formed of a material different from the core;
2. The light control element according to claim 1, wherein the clad material is a dielectric having a lower refractive index than the core.
前記光導波路は、基板上に形成され、
前記電極は、前記コアの前記配置領域の上部および下部から、前記コアを挟持するように配置されたことを特徴とする請求項1または2記載の光制御素子。
The optical waveguide is formed on a substrate;
The light control element according to claim 1, wherein the electrode is disposed so as to sandwich the core from above and below the arrangement region of the core.
前記光導波路は、基板上に形成され、
前記電極は、前記コアの前記配置領域の左部および右部から、前記コアを挟持するように配置されたことを特徴とする請求項1または2記載の光制御素子。
The optical waveguide is formed on a substrate;
The light control element according to claim 1, wherein the electrode is arranged so as to sandwich the core from a left part and a right part of the arrangement region of the core.
異なる屈折率を有する少なくとも2以上の前記クラッドを備え、
前記コアを左右から挟持する前記クラッドの前記屈折率は、前記コアを上下から挟持する前記クラッドの前記屈折率よりも低いことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項記載の光制御素子。
Comprising at least two or more claddings having different refractive indices;
5. The light control according to claim 1, wherein the refractive index of the cladding sandwiching the core from the left and right is lower than the refractive index of the cladding sandwiching the core from above and below. element.
前記電極は、前記コアを上下または左右から一対の前記電極にて挟持したとき、前記一対の電極のうち少なくともいずれか一方の前記電極の幅または厚みが、前記コアの幅または厚みと等しいことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項記載の光制御素子。   The electrode has a width or thickness of at least one of the pair of electrodes equal to the width or thickness of the core when the core is sandwiched between the pair of electrodes from above and below or from the left and right. The light control device according to claim 1, wherein the light control device is a light control device. 前記コアは、ニオブ酸リチウム、または、タンタル酸リチウムにて形成されたことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項記載の光制御素子。   The light control element according to claim 1, wherein the core is made of lithium niobate or lithium tantalate. Y字形の分岐路を有する光導波路と、前記光導波路の近傍に電圧を印加して電界を形成する電圧印加手段とを有し、
前記分岐路にて分岐された後の前記光導波路の一部に、請求項1から7のいずれか1項記載の光制御素子を備えたことを特徴とする光スイッチングユニット。
An optical waveguide having a Y-shaped branch path, and voltage applying means for applying an electric voltage in the vicinity of the optical waveguide to form an electric field;
An optical switching unit comprising the light control element according to claim 1 in a part of the optical waveguide after being branched by the branch path.
少なくとも2以上の光導波路を備えた方向性結合器と、前記光導波路の近傍に電圧を印加して電界を形成する電圧印加手段とを有し、
前記光導波路の一部に、請求項1から7のいずれか1項記載の光制御素子を備えたことを特徴とする光スイッチングユニット。
A directional coupler including at least two or more optical waveguides, and voltage applying means for applying an electric voltage in the vicinity of the optical waveguides to form an electric field,
An optical switching unit comprising the light control element according to claim 1 in a part of the optical waveguide.
環状の光導波路と、該環状の光導波路に近接して配置された直線状の光導波路と、前記環状の光導波路の近傍に電圧を印加して電界を形成する電圧印加手段とを有し、
前記環状の光導波路の一部に、請求項1から7のいずれか1項記載の光制御素子を備えたことを特徴とする光スイッチングユニット。
An annular optical waveguide, a linear optical waveguide disposed close to the annular optical waveguide, and a voltage applying means for forming an electric field by applying a voltage in the vicinity of the annular optical waveguide,
An optical switching unit comprising the light control element according to claim 1 in a part of the annular optical waveguide.
少なくとも2以上の光導波路を備えたマッハ・ツェンダ干渉計と、前記光導波路の近傍に電圧を印加して電界を形成する電圧印加手段とを有し、
前記光導波路の一部に、請求項1から7のいずれか1項記載の光制御素子を備えたことを特徴とする光変調器。
A Mach-Zehnder interferometer having at least two or more optical waveguides, and voltage applying means for applying an electric voltage in the vicinity of the optical waveguides to form an electric field,
An optical modulator comprising the light control element according to claim 1 at a part of the optical waveguide.
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