JP2008065030A - 光制御素子及び複合光制御素子 - Google Patents

Abstract

【課題】リング共振器を応用し、マルチレーザ光源を提供するための新規な光制御素子を実現する。
【解決手段】入力部１０７より入射した光を複数の出力部１０８へ分岐させる光分岐素子１０２と、この光分岐素子１０２の対応した出力部１０８に接続された入力用光導波路１０３、これに対応した出力用光導波路１０５、及び両光導波路１０３，１０５間に設けられたリング共振器１０４の組み合わせが複数組、基板１０１上に形成された１入力多出力の光制御素子。リング共振器１０４のコアの屈折率変化を生じさせる電界を発生させるための電圧が印加される電極がリング共振器１０４に対応して設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、リング共振器を用いた１入力多出力の光制御素子に関する。

レーザを光源とするプリンターや光ディスクドライブにおいて、より高性能化を目指すためには、光源のマルチビーム化が必要である。

レーザプリンターでは、ポリゴンミラーなどの偏向器の実用的な動作範囲で高機能化するために、光源であるレーザを複数用いてマルチビーム化する方式が採られる。例えば、特許文献１に見られるように、複数のレーザを光学的に合成することでマルチビーム化する方式がある。しかしながら、このようにレーザビームを合成する方式では、ビームを集光するための光学系が複雑化し、またレーザの実装精度が厳しくなる。さらに、マルチビーム光源といっても、光源の個数分だけのレーザを必要とするために、実際上、数ビーム程度のアレー化ができるに過ぎないといった課題がある。

そこで、特許文献２や特許文献３に見られるように、レーザ自体に複数の発光点を持たせることでマルチビーム化を行う方式が提案されている。しかしながら、レーザ自体をマルチビーム化するためには特殊なレーザを用いる必要がある。さらには、通常の端面発光レーザでは、そのビーム間隔を数１００ミクロン程度までにしか近づけることができないなどの課題がある。

近年、面発光レーザによるマルチビーム化がレーザプリンターで実用化されており、数１０ビームのマルチ光源化が実現されている。しかしながら、面発光レーザは、その活性層体積が極めて小さいために光出力が小さく、１０ｍＷ以上の高出力化は困難であるという課題がある。出力を増大させるためにビーム径を広げる方法があるが、ビーム径を広げるとシングルモードでの発光が得られない。つまり、ビームスポットのサイズはレーザの出力と関係しているが、出力を増大させるためにはビームスポットを大きくする必要があり、シングルモードのビームスポットサイズと出力との間にはトレードオフの関係があるのである。また、面発光レーザは、１０ミクロン程度の間隔をあけて配置できるが、それ以上の高密度化にはレーザの配置を工夫するなどの必要がある。さらには、近接した面発光レーザのレーザ特性が不均一になるという課題もある。波長に関しては、７８０ｎｍよりも短波長である赤色（波長６００ｎｍから７００ｎｍ）、青色（波長４００ｎｍから４５０ｎｍ）の波長帯域の面発光レーザの実現には、活性層の形成と多層膜の形成の点で課題が多い。

レーザの直接変調以外にも、高出力のレーザと外部共振器を用いることで、光源をマルチビーム化する方式が考えられる。光通信用の外部変調器として幾つかの方式が実用化されている。ひとつは、光学結晶のポッケルス効果を用いた強度変調器であり、典型的な例としてニオブ酸リチウムを用いた光強度変調方式がある。電界を加えることにより屈折率変化を起こさせ、位相のズレから強度変調を実現している。このニオブ酸リチウムは、レーザプリンターや光ディスクドライブの光源として用いられている可視領域の波長帯域に対して透明であるが、その屈折率変化による位相変化は小さいため、そのデバイスサイズが数ｃｍと大きくなる。そのため、変調デバイスを複数用意してマルチレーザ光源としても、サイズ縮小効果は顕著に現れることがない。

近年、リング共振器が注目されている。リング共振器は波長フィルタとして利用することが可能であり、さらにそのサイズを１ｍｍ以下にすることが可能であるため、素子の微小化が容易である。また、リング共振器に関しては、特許文献４に見られるように、半導体材料を用いることで外部制御による波長スイッチが提案されている。しかしながら、半導体材料は可視域の波長に対して吸収が大きいため、この波長スイッチは可視域で利用することが困難である。
特開２０００−８１５８２号公報 特開２００４−１５１１２９号公報 特開平３−１０７９１０号公報 特表２００６−５０４１４５号公報

本発明はリング共振器の新たなアプリケーションに関するものであって、その目的は、レーザプリンターや光ディスクドライブといった機器のマルチビーム光源などとして好適な、リング共振器を用いた新規な１入力多出力の光制御素子を提供することである。

請求項１記載の発明に係る光制御素子は、
１つの入力部と複数の出力部を有し、該入力部に外部より入射した光を該複数の出力部へ分岐出力させる光分岐素子、並びに、
前記光分岐素子の対応した１の出力部に一端が接続された入力用光導波路、出力用光導波路、及び、該入力用光導波路と該出力用光導波路の間に位置するリング共振器の組み合わせが複数組、基板に一体的に形成されてなるものである。

請求項２記載の発明に係る光制御素子は、請求項１記載の発明に係る光制御素子であって、前記各リング共振器は、電界を加えることにより屈折率が変化する材料で形成され、前記各リング共振器に対応させて外部より電圧を印加するための電極がさらに前記基板に形成されたことを特徴とする。

請求項３記載の発明に係る光制御素子は、請求項２記載の発明に係る光制御素子であって、前記各リング共振器は、その共振器長で決まる共振ピーク周波数間隔が、前記材料の屈折率変化よる共振ピーク周波数の最大変化量以下であることを特徴とする。

請求項４記載の発明に係る光制御素子は、請求項１記載の発明に係る光制御素子であって、前記各リング共振器は、外場を加えることにより屈折率が変化する材料で形成され、前記リング共振器は、その共振器長で決まる共振ピーク周波数間隔が、前記材料の屈折率変化よる共振ピーク周波数の最大変化量以下であることを特徴とする。

請求項５記載の発明に係る光制御素子は、請求項１，２又は３記載の発明に係る光制御素子であって、前記各出力用光導波路は、シングルモードで伝搬するコアサイズを有する高屈折率差光導波路からなることを特徴とする。

請求項６記載の発明に係る光制御素子は、請求項１乃至５のいずれか１項記載の発明に係る光制御素子であって、対応した前記入力用光導波路の、前記光分岐素子の出力部に接続された端と反対側の端に接続された複数の光検出用光導波路がさらに前記基板に形成され、前記各光検出用光導波路は接続された前記入力用光導波路より入射した光を外部へ出射する出力部を有することを特徴とする。

請求項７記載の発明に係る光制御素子は、請求項６記載の発明に係る光制御素子であって、前記光検出用光導波路は開口数が１以上の光導波路であることを特徴とする。

請求項８記載の発明に係る光制御素子は、請求項１乃至５のいずれか１項記載の発明に係る光制御素子であって、対応した前記入力用光導波路の、前記光分岐素子の出力部に接続された端と反対側の端に接続された複数の光検出用光導波路と、対応した前記光検出用光導波路と光結合される複数の光検出素子とがさらに前記基板に形成されたことを特徴とする。

請求項９記載の発明に係る光制御素子は、請求項１記載の発明に係る光制御素子であって、前記入力用光導波路、前記リング共振器及び前記出力用光導波路が同一平面内に形成されたことを特徴とする。

請求項１０記載の発明に係る光制御素子は、請求項１記載の発明に係る光制御素子であって、前記リング共振器と、前記入力用光導波路及び前記出力用光導波路とが、それぞれ異なる平面に形成されたことを特徴とする。

請求項１１記載の発明に係る光制御素子は、請求項１記載の発明に係る光制御素子であって、前記入力用光導波路、前記出力用光導波路及び前記リング共振器がフォトニック結晶欠陥導波路からなることを特徴とする。

請求項１２記載の発明に係る複合光制御素子は、請求項１乃至１１のいずれか１項記載の発明に係る光制御素子が複数個、積層されたものである。

後述の実施形態に関連して詳細に説明するように、本発明によれば、十分な出力光とシングルモード形状を両立した１入力多出力のマルチビーム光源を提供することができる。それぞれの出力光源が独立かつ高速に制御できる光制御素子を提供できる。入力光源の波長変動に柔軟に対応できる光制御素子を提供できる。複数の光制御素子を積層した複合光背魚素子によって、数１０ビーム以上の出力ビーム数をもつ光源を提供できる、等々の効果を得られる。

以下、本発明の実施形態について説明する。以下の説明において参照される図面において、作図の便宜上あるいは見やすさのために、破線で表すべき部分が実線で表されることがある。

図１は、本発明に係る光制御素子の基本的構成を説明するための模式的な平面図である。本発明に係る光制御素子は、構成要素として、光分岐素子１０２、入力用光導波路１０３、リング共振器１０４、出力用光導波路１０５、光検出用光導波路１０６を含み、これら構成要素は基板１０１上に形成されている。

なお、入力用光導波路１０３、リング共振器１０４、出力用光導波路１０５及び光検出用光導波路１０６の組み合わせは、実際には複数組設けられ、その組数は最大、光分岐素子１０２の分岐数に等しい。その組数が４の例を図２に示す。この例では、入力用光導波路１０３Ａ、リング共振器１０４Ａ、出力用光導波路１０５Ａ及び光検出用光導波路１０６Ａの組と、入力用光導波路１０３Ｂ、リング共振器１０４Ｂ、出力用光導波路１０５Ｂ及び光検出用光導波路１０６Ｂの組と、入力用光導波路１０３Ｃ、リング共振器１０４Ｃ、出力用光導波路１０５Ｃ及び光検出用光導波路１０６Ｃの組と、入力用光導波路１０３Ｄ、リング共振器１０４Ｄ、出力用光導波路１０５Ｄ及び光検出用光導波路１０６Ｄの組とが基板１０１上に形成され、各組の入力用光導波路１０３Ａ〜１０３Ｄの一端がそれぞれ光分岐素子１０２の対応した出力部１０８に接続されている。つまり、これは１入力４出力の光制御素子の例である。

図１に戻り説明を続ける。入力用光導波路１０３、リング共振器１０４、出力用光導波路１０５及び光検出用光導波路１０６はすべて光導波路である。光導波路は、主に光が伝搬するコアと、コアよりも屈折率が低いクラッドから構成されており、コアとクラッドの界面での全反射によって光を伝搬させる構造であり、コアは厚み方向に数１００ｎｍから数ミクロンの厚さを有する。このような構造は、コアとなる材料をあらかじめ成膜しておき、その後、リソグラフィーなどの方法を用いてパターニングすることによって実現することができる。

光分岐素子１０２は、１つの入力部１０７と複数の出力部１０８を有する。光は、外部から入力部１０７へ入射され、各出力部１０８に光強度が分岐される。この光強度の分岐は基本的には等分配であるが、パワーの分岐比率は必ずしも一様である必要はない。光分岐素子１０２としては、図示するような単純に回折による光スポットの広がりを利用する構成のものに限定されず、光導波路で分岐する構成のもの、その他光のパワーを分岐できる任意の構成のものでよい。光は入力部１０７から入射されるが、光の入射方法としては、外部からレーザ光を入力部１０７に集光する方法でも、光導波路や光ファイバのような光伝送線路を用いて入力部１０７に結合する方法でも、レーザを近接配置して直接結合により入射される方法でも良く、光学系に応じた適切な構成を採用してよい。

入力用光導波路１０３は、その一端が光分岐素子１０２の１つの出力部１０８に接続され、リング共振器１０４を介して出力用光導波路１０５と結合される。なお、図２の例では、入力用光導波路１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ，１０３Ｄは、それぞれの一端が光分岐素子１０２の対応した１の出力部１０８に接続されている。

さて、光分岐素子１０２の出力部１０８より入力用光導波路１０３へ入射した光は入力用光導波路１０３を伝搬し、リング共振器１０４の「光路長」に対応した光の周波数成分が出力用光導波路１０５へ結合される。リング共振器１０４の光路長は、リングの直径とリングを形成している光導波路の屈折率の積で決定されるため、リング直径または光導波路の屈折率を調整することで、リングへの結合強度を操作可能である。つまり、結合させたい光の波長に対応して共振器長を決定しておき、リング共振器１０４を構成する光導波路に対する外場制御により屈折率を制御することによって、出力用光導波路１０５への光の結合強度を調整することができる。リングの直径は、コアとクラッドの屈折率差の調整により１０ミクロン程度の大きさから数１００ミクロンの大きさまで比較的自由に設計することが可能であるので、適切な光路長のリング共振器１０４を比較的容易に製作可能である。

出力用光導波路１０５は、光を外部へ放射する端面１０９を有する構造である。この端面１０９をエッチングなどにより形成することも可能であるし、基板を裁断することにより端面１０９を形成させることも可能である。図１では、光分岐素子１０７の入力部１０７と反対側の端面１０９から光を放射させるために出力用光導波路１０５をＵ字状に大きく曲げているが、その曲がり部分の曲率半径はコアとクラッドの屈折率差により数ミクロン程度にまで小さくできる。ただし、出力用光導波路１０５からの光の出射方向は任意に設定できる。また、出力用光導波路１０５の断面形状は、パターニングにより容易に変化させることができるので、出力ビームの近視野像を希望する形状にすることができる。ここでは、３次元的にガウシアン形状のビームプロファイルを想定しているので、断面形状はシングルモード幅の正方形状としている。

入力用光導波路１０３の光分岐素子１０２の出力部１０８と接続された端とは反対側の端に、光検出用光導波路１０６の一端が接続されている。図１では、入力用光導波路１０３と光検出用光導波路１０６とはコアサイズが異なるものとして図示されているが、コアサイズが同一のものであっても良い。

光検出用光導波路１０６は、反射、回折現象などを利用して光を外部へ放射するための光導波路である。光は出力用光導波路１０５と同一面内で同じ方向に出射されても良いし、迷光を抑制するためには異なる方向へ出射しても良い。光配線により光を曲げることで、出力用光導波路１０５からの光の出射方向とは異なる方向に出射させる構造や、光検出用光導波路１０６に層厚方向への光出射構造を形成することによって基板１０１の表側又は裏側へ光を出射させることもできる。図２の例では、各光検出用光導波路１０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｃ，１０６Ｄに、基板１０１の表面側へ光を出射するための検出光出力部１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃ，１１０Ｄが設けられている（請求項６）。

図１に戻る。入力用光導波路１０３に入射した光のリング共振器１０４で共振しない波長成分は光検出用光導波路１０６へ結合される。光検出用光導波路１０６に結合する光と、リング共振器１０４を介して出力用光導波路１０５へ結合される光との和は一定であるので、光導波路の接続部分や結合部分での損失などをあらかじめ把握しておけば、光検出用光導波路１０６から外部へ出射される光の強度を検知することによって、出力用光導波路１０９からの出力光の強度を正確に検出することができる。かかる構成は、出力用光導波路１０５の出力光ビームの一部を利用して出力光強度検出を行う構成とは違い、出力用光導波路１０５の出力ビームを全て利用可能になる利点がある。ただし、光検出用光導波路１０６は必須ではなく、省くことも可能であり、かかる態様の光制御素子も本発明に包含される。

さて、リング共振器１０４を構成する光導波路の屈折率を外場制御することによって、出力用光導波路１０５への光の結合強度を調整することができるが、この外場制御を実現するための最も簡単な手段は、リング共振器１０４毎に制御可能な電界を発生させるための電極を設けることであろう。ただし、光導波路の屈折率の制御を、電界以外の磁界や熱等によって行うことも可能であり、かかる態様も本発明に包含される。

次に、光導波路の屈折率を制御するための電界を発生させるために設けられる電極と、リング共振器１０４の構造について図３乃至図５により説明する（請求項２）。

本発明の一実施例によれば、リング共振器１０４の部分は図３に示すような構造とされる。すなわち、基板２０１上に、下部電極層２０２が形成され、その上に下部クラッド層２０３が形成されている。下部クラッド層２０３の上にリング形状のコア２０４が形成され、このコア２０４を覆うように上部クラッド２０５が形成され、この上部クラッド２０５の上面にコア２０４に対向させたプレート状の電極２０６が形成されている。云うまでもなく、リング形状のコア２０４とクラッド層２０３，２０５からなる光導波路によってリング共振器１０４が構成されている。

図示のように電極２０６と下部電極層２０２との間に電圧を印加することで、ｚ方向の電界を発生させることができる。したがって、例えばリング共振器１０４のコア２０４をｚ方向の電界によって屈折率の変化する材料により形成するならば、印加電圧に応じてリング共振器１０４の光路長を変化させることにより、共振ピークの周波数を変化させることができる。

電界により屈折率が変化する材料は広く知られており、ｎｓオーダの高速で屈折率を変化させることが可能な電気光学効果を示す光学結晶や半導体、有機材料がある。高速の屈折率変化を与える光学結晶材料の代表的な例として、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどがあり、その結晶方位の調整により、ｚ方向への電界印可によって屈折率変化量を最大にすることが可能である。一実施例では、可視領域の波長に対して透明な光学結晶を用いてリング共振器１０４のコア２０４が形成される。

本発明の一実施例によれば、リング共振器１０４のリング形状コアに対向させて、リング形状の電極が形成される。図４は、そのような構造を示しており、基板２１１上にリング共振器のコア２１４が形成され、その上部にクラッド２１２が形成され、その上にリング形状の電極２１３が形成されている。なお、基板２１１側には図３の例と同様に下部電極層と下部クラッド層が形成される。

このような構造では、リング共振器１０４の側面を屈折率の異なる材料で覆うことが可能となる。たとえば、電極２１３間に誘電体クラッドを形成し、側面は空気に露出した構造であれば、側面でのコアとクラッド（空気）との屈折率差をより大きくすることが可能であるため、光閉じ込めを強くすることができる。光閉じ込めを強くすることができれば、光の伝搬損失の増加なしにリング半径をより小さくできる。

本発明の一実施例によれば、リング共振器１０４は図５に示すような構造とされる。図５の（ａ）はリング共振器１０４の部分の模式的平面図であり、（ｂ）はＡ−Ａ’線での模式的断面図である。この例では、基板２２１上にクラッド層２２３が形成され、このクラッド層２２３内に埋設する形でリング形状のコア２２２が形成されている。そして、クラッド層２２３の上面に図示のようにパターニングされた形で電極２２４，２２５が形成されている。このような構造にすることで、電極２２４，２２５間に電圧を印可することによりｘ方向の電界を発生させることができる。したがって、このような構造は、ｘ方向の電界による屈折率変化が最も大きい電気光学材料をコア２２２に用いる場合に効果的である。

さて、図２に示した１入力４出力の光制御素子の例では、図３により説明した電極構造を採用しており、リング共振器１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃ，１０４Ｄに対応した電極１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄが形成され、これら電極と不図示の下部電極との間に電圧を印加することにより、リング共振器１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃ，１０４Ｄ毎にコアの屈折率を制御することができる。外部からの入力光は光分岐素子２３１で４分割され、入力用光導波路１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃ，１０４Ｄにそれぞれ入射される。そして、電極１１２ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄへの印加電圧を制御することにより、出力用光導波路１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃ，１０５Ｃからの光出力を独立に制御することができる。

このように、複数の出力用光導波路それぞれの光出力を独立に制御することができる構造の光制御素子では、光分岐素子への入射光源としてのレーザを連続出力もしくは長周期パルス出力で駆動すればよいため、直接変調によるレーザ特性の変化の影響を受けにくくなり、レーザ光源の波長品質などを高品質に保つことができる。また、後述のような高屈折率差の光導波路を出力用光導波路として用いることで、１ミクロン間隔で波長程度のスポットサイズを有する高密度マルチ光出力を実現することができる。

最大光出力はレーザ光源のパワーによって容易に変化させることができる。例えば、光出力を３ｍＷと仮定したときに、有効な光量が１００ｍＷのレーザ光源を用いることができれば、３０アレー以上の出力が実現することができ、出力用光導波路のコアとクラッドの屈折率差を十分に大きくすることによって、高密度で十分にスポットサイズが小さいマルチアレー光源を実現できる。さらに、レーザ光源を複数用意し、集光光学系により光分岐素子に光を入力できれば、１００ｍＷ以上の光を容易に得ることできるので、さらに多出力にすることができる。

このような外部変調器の構造は、デバイス構造を調節することで光源の波長が変化しても対応させることが可能であり、赤外から可視域までの様々な波長の光源に対応させることも比較的容易である。光源として用いられる半導体レーザは、デバイスが置かれている環境の温度変化により無視できない波長変動を起こす。

この波長変動に対して安定な光スイッチングを可能にするため、本発明の一実施例によれば、光制御素子を構成するリング共振器の共振器長により決まる共振ピーク周波数間隔が、コアの屈折率変化による共振ピーク周波数の最大変化量以下となるように、共振器長が決定される（請求項３，４）。以下、この実施例について説明する。

リング共振器１０４のコアは、電界により屈折率が好ましくはｎｓオーダの高速で変化する材料で形成される。リング共振器は、ある広い周波数帯域をもつ光が入射された場合、出射光は特定の周波数に対して共振ピークをもつ透過特性を示す。

共振ピーク周波数間隔ｆ_ＦＳＲは、リング共振器のコアの屈折率をｎ、共振器長をＬ、真空中の光速をｃとすると、
ｆ_ＦＳＲ＝ｃ／(２ｎＬ)
で表され、共振器長Ｌと屈折率ｎに反比例する。なお、共振ピーク波長間隔はＦＳＲ（Ｆree Ｓpectrum Ｒange）と呼ばれる。

図６に周波数に対する光出力特性を模式的に示す。リング共振器のｆ_ＦＳＲは図６の実線の共振ピーク周波数間隔である。一方、共振器長Ｌを一定としたとき、外場を加えることにより、リング共振器の屈折率を変化させると、それに対応した量だけ共振ピーク周波数も左右に移動する。図６では外場を加えたときの周波数特性を破線で示している。

周波数ｆ０の光に着目すると、実線で表された共振ピークのひとつがｆ０と一致しているときに、その光は透過する。リング共振器の屈折率変化をさせ破線のような周波数特性になると、その光はほとんど透過しない。このような透過特性の変化を利用することで、ある特定の波長に対して光を変調することが可能である。

屈折率変化による共振ピーク周波数の最大変化量をｆｍとする。ｆｍを、リング共振器の共振器長Ｌで決まる共振ピーク周波数間隔ｆ_ＦＳＲより大きくすることができれば、注目している周波数帯域内の任意の周波数に対応した光変調が可能となる。仮に、入射したレーザ光の周波数が、図示したｆ１のような、共振ピークからわずかに外れた周波数であるならば、外場を加えることによる屈折率の調整により、共振ピークをｆ１に一致させることが可能である。

光学結晶を用いると、電気光学効果であるポッケルス効果は連続変化する効果であるため、リング共振器の電極間に印加する電圧を調整することで、共振ピークを所望の周波数に調整することができる。さらに正負の電圧を印可させることにより、共振ピーク周波数を上げることも下げることも可能であるので、実際には半分の屈折率変化で共振ピークを所望の周波数に調整することができる。

以上述べたように、共振ピーク周波数間隔ｆ_ＦＳＲが、屈折率変化による共振ピーク周波数の最大変化量ｆｍ以下であれば、屈折率調整によって全ての周波数に共振ピークを合わせることができるため、レーザ光源の波長変動に柔軟に対応することができる。そして、屈折率変化速度がスイッチング時間よりも十分に高速であるならば、レーザ出力光の検出信号に応じてリング共振器の電極に印加される電圧のフィードバック制御を行うことによって、レーザ光源の波長変動に追従させてリング共振器の共振周波数を調整し、安定な光スイッチングを行わせることが可能である。

以下に、光学結晶の電気光学効果を用いた構造に対するシミュレーション結果について説明する。

ここでは、コアの材料としてニオブ酸リチウム（屈折率２．１７０９）を用い、クラッドの材料として石英（屈折率１．４５２５）を用いた、高屈折率差光導波路によるリング共振器を仮定している。また、入力用光導波路と出力用光導波路のコアの材料もニオブ酸リチウムとしている。

ニオブ酸リチウムのポッケルス係数（３０．８ｐＶ／ｍｍ）から算出した、電界強度に対する屈折率変化を図７に示す。通常のニオブ酸リチウムの絶縁破壊電界強度以下の電界を印可することを想定し、２０Ｖ／μｍまでの電界を印可できるとすると、最大で０．００３３程度の屈折率変化を起こすことができる。

中心波長λ＝８５０ｎｍ、コアの屈折率ｎとして、コアの屈折率変化Δｎによる中心波長変化量Δλを、
Δλ＝（λ／ｎ）Δｎ
から算出すると、屈折率変化Δｎ＝０．００３に対してΔλ＝１．３ｎｍとなり、正負の電圧の印可を考えると、リング共振器の共振ピーク波長間隔ＦＳＲが２．５ｎｍ以下であれば、共振ピーク波長間隔ＦＳＲの全範囲を屈折率変化によりカバーすることが可能となる。

リング共振器のリング半径Ｒと共振ピーク波長間隔ＦＳＲとの間には、
ＦＳＲ＝λ／(２πＲｎ)
の関係があるので、リング半径Ｒに対するＦＳＲの変化は図８のようになる。この図からリング半径Ｒを見積もると、２．５ｎｍの共振ピーク波長間隔ＦＳＲを与えるリング半径Ｒは２０μｍと決定できる。

図１や図２に示したような真円構造のリング共振器はリング半径を小さくすることが可能であるが、結合距離などのパラメータ依存性が強いためにトレランスを取ることが難しい。設計トレランスを緩和するため、図９のようなレーストラック形状のリング共振器１０４でシミュレーションを行った。レーストラック形状のリング共振器は、直線部分と円弧部分に分かれており、一周あたりの光導波路長が２π×２０μｍとなるように結合距離Ｌと曲率半径Ｒを調整することで、必要な共振ピーク波長間隔ＦＳＲを得ている。

シミュレーション方法として２次元の時間領域差分法（ＦＤＴＤ）を用いた。リング共振器の光導波路のサイズは０．４ミクロンとしている。

Ｌ＝８μｍ、Ｒ＝１７．４μｍとし、入力用光導波路１０３及び出力用光導波路１０５とリング共振器１０４の間隔（Ｇａｐ）を０．２４μｍとしたとき、図１０のような共振特性が得られる。このときの共振ピーク波長間隔ＦＳＲは２．５ｎｍとなる。ここで、ドロップポートとは出力用光導波路１０５への光出力であり、スルーポートとは入力用光導波路１０３の光出力である。共振ピーク波長では、スルーポートとドロップポートとの消光比は−１５ｄＢ以上となる。リング共振器のＱ値を調整することで、この消光比をさらに増大させることができる。

リング部分の屈折率変化を０．００１、０．００２、０．００３としたときの共振ピーク波長の変化を図１０に示す。屈折率変化＝０．００３のとき、波長８４８．３ｎｍの光がオフになり、消光比が最大になる。これは、ＦＳＲの半値だけ共振ピーク波長をずらした場合に相当し、消光比は２０ｄＢ程度取ることができ、１００：１のコントラスト比の変調が可能となる。リング共振器の消光比はＦＳＲの半値全幅から決定される。したがって、リング共振器のＱ値を大きく（半値全幅を小さく）することにより、共振ピークで線幅が細くなり、消光比を増大させることができる。

また、ポッケルス効果は線形に変化させることが可能である。印加電界の方向を逆にすることにより、屈折率変化を−０．００１から−０．００３としたときの共振ピーク波長の変化を図１２に示す。屈折率変化を大きくするにつれて、共振ピーク波長が短波長側に移動していき、屈折率変化＝−０．００３で、波長８４８．３ｎｍの光に対する消光比を−２０ｄＢとすることができる。

リング共振器の屈折率変調による共振ピーク波長の変化を図１３に示す。屈折率変化を増大させるにつれて、共振ピーク波長は長波長側へシフトしていき、屈折率変化＝０．００３３で隣の共振ピーク波長とほぼ等しくなる。つまり、±０．００３３の屈折率変化をさせることでＦＳＲの全帯域をカバーすることが可能となる。

以上のシミュレーション結果から、屈折率変化に対応した共振ピーク波長の最大変化量を、共振器長から決まる共振ピーク波長間隔ＦＳＲより大きくなるように設計すれば（屈折率変化に対応した共振ピーク周波数の最大変化量を、共振器長から決まる共振ピーク周波数間隔ｆ_ＦＳＲより大きくなるように設計すれば）、レーザ光源の波長変動に共振ピーク波長を対応させて消光比を調整することができることがわかる。屈折率の変化速度が光スイッチングスピードよりも十分に高速ならば、前述のように、電界発生のための電極への印加電圧のフィードバック制御によって、安定な光スイッチングを行わせることができる。

図１４にリング共振器の屈折率変化に対する消光比の変化量を示す。屈折率変化を増大させることにより、消光比を増加させることができる。このことは、光検出用光導波路による検出光量に応じて電極への印加電圧をフィードバック制御することによって、光出力を調整することが可能であることを示している。光出力を１０ｍＷ程度とし、検出光量を０．０１ｍＷ程度とすることで光出力の１０ビットの階調制御が可能となる。また、光出力を３ｍＷとし、検出光量を０．０１ｍＷとしても８ビットの階調制御が可能となる。入力光を増大することで光出力をさらに増大させることができるので、階調制御トレランスを大きくすることは容易である。

光スイッチングの様子を視覚的に表すため、図１５に光の電磁界分布を示す。入力用光導波路からリング共振器の共振波長の光を入力している。図１５の（ａ）は屈折率変化がないときのフィールド分布である。このときは、入力光の波長はリング共振器の共振波長と一致するので、光はリング共振器から出力用光導波路へ結合していくことがわかる。図１５の（ｂ）は屈折率変化＝０．００３を与えたときのフィールド分布である。このとき、光はリング共振器に結合せずに入力用光導波路をそのまま伝搬していく。

図１６に、入力用光導波路から出力用光導波路への光の伝搬速度を示すためのグラフである。横軸は時間軸であるが、時間に光速を乗じて距離に換算されている。Ａは入力用光導波路のリング共振器と結合する部分における光強度の時間的変化を示し、Ｂは出力用光導波路から出力される光強度の時間的変化を示す。このグラフから分かるように１０ｐｓ程度の時間で、入力用光導波路に入力された光はほぼ完全に出力用光導波路より出力される。このように、光のスイッチングスピードをｎｓオーダと仮定すると、入力用光導波路からリング共振器経由の出力用光導波路への伝搬の過渡応答は無視できる。つまり、上に述べた高速フィードバック制御が可能であるということである。

本発明の一実施例によれば、光制御素子は、その全ての構成要素が同一平面内に配置された構造とされる（請求項９）。図１７は、このような構造の光制御素子の例を説明するための図であり、（ａ）は模式的な平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ’線で切断した模式的な断面図である。この例では、図１７の（ａ）に示されるように、基板５０１上に下部クラッド５０２が形成され、この下部クラッド５０２の上に入力用光導波路１０３のコア５０３、リング共振器１０４としての光導波路のコア５０４、出力用光導波路５０５のコア５０５、それに図示されていないが光検出用光導波路１０６のコアと光分岐素子１０２を構成するための光導波路のコアが形成され、これらコアを覆うように上部クラッド５０６が形成されている。このように全ての構成要素が同一平面内に配置される構造は、リソグラフィーとエッチングにより比較的容易に全ての構成要素を一括形成できる利点がある。なお、入力用光導波路１０３、リング共振器１０４、出力用光導波路１０５及び光検出用光導波路１０６の組み合わせは、例えば図２に示すように複数組設けられ、各組の入力用光導波路１０３は光分岐素子１０２の対応した出力部に接続される。

本発明の一実施例によれば、光制御素子は、その一部の構成要素が他の構成要素と異なった平面に配置された構造とされる（請求項１０）。このような構造は、光制御素子の全ての構成要素を同一平面内に配置する構造に比べ、一部の構成要素を他の構成要素と異なる材料で形成することが容易になり、また、構成要素の間隔などの設計トレランスが緩和される等の利点がある。

この実施例による光制御素子の例を図１８に示す。図１８の（ａ）は模式的平面図であり、（ｂ）はＣ−Ｃ’線で切断した模式的断面図である。この例では、基板６０１上に、リング共振器１０４のコア６０３と、それを覆うクラッド６０５からなる層６０２と、他の構成要素１０２，１０３，１０５，１０６のコア６０６とそれを覆うクラッド６１０からなる層６０３が形成されている。層６０２と層６０３の間には、リング共振器１０４と入力用光導波路１０３及び出力用光導波路１０５との結合間隔を制御するためのスペーサー層６１１が設けられている。このスペーサー層６１１は、層６０２又は層６０３のクラッドと同じ材料で形成してよい。

この例のように、リング共振器１０４を他の構成要素と異なる平面内に形成する構造は、リング共振器１０４の材料として屈折率変化が大きい材料を使用できることや、リング共振器１０４と入，出力光導波路１０３，１０５との結合間隔を、積層構造によって比較的容易に制御できといったメリットがある。

なお、この例ではリング共振器１０４のみ他の構成要素と異なった平面内に配置されたが、リング共振器以外の一部の構成要素も他の構成要素と異なった平面に配置する構造も可能である。

本発明の一実施例によれば、光制御素子の出力光導波路は、シングルモードで伝搬するコアサイズを有する高屈折率差光導波路とされる（請求項５）。以下、この実施例について説明する。

出力用光導波路が高屈折率差光導波路であると、光が強くコア内に閉じ込められるため、波長オーダのビームスポットと、数ミクロンでの高密度光配線が可能となる。ここで、高屈折率差光導波路とは、コアとクラッドの屈折率差を大きくした光導波路のことである。コアとクラッドの屈折率差の大きさを示す指数として、比屈折率差Δを用いる。コアの屈折率をｎ１、クラッドの屈折率をｎ２としたときに、比屈折率差Δ［％］は、
Δ＝（ｎ１^２−ｎ２^２）／(２・ｎ１^２)
で定義される。

高屈折率差光導波路は、この比屈折率差が５％以上、より好ましくは１０％以上の光導波路のことを指す。例えば、シリコンをコアとし、二酸化シリコンをクラッドとした光導波路であれば、光通信帯赤外波長に対してシリコンの屈折率が３．５、二酸化シリコンの屈折率が１．４５であることから、比屈折率差が４１％と極めて大きな値をとり、上記条件を満たす。また、ニオブ酸リチウムのような光学結晶をコアとし、二酸化シリコンをクラッドとした光導波路であれば、ニオブ酸リチウムの屈折率を２．２、二酸化シリコンの屈折率を１．４５としたときには、比屈折率差が２８％となり、上記条件を満たす。

出力用光導波路を、このような高屈折率差光導波路とした場合、シングルモードでの伝搬を実現するためには、コアサイズを伝搬波長程度のサイズにまで縮小する必要がある。例えば、比屈折率差が４０％であるとコアサイズを０．３ミクロン角程度、比屈折率差が２０％であるとコアサイズを０．４ミクロン角程度とする必要がある。

このような高屈折率差光導波路を出力用光導波路として用いた場合、コア内に光が極めて強く閉じ込められるため、コア同士を１ミクロン程度離しておけば、相互干渉をすることなく光を出射させることができる。さらに、光導波路の開口数（ＮＡ）が極めて大きくなるため、コアから出射されるビームスポットが点光源的になり、ビーム形状を均一なガウシアン形状にすることが可能である。例えば、コア間隔を１ミクロンとして３０アレーを実現しても、その幅は３０ミクロンと極めて微小な部分に高密度な出射点を形成させることができるので、ポリゴンミラーなどの面倒れの影響を受けにくい。なお、高屈折率差光導波路は曲率半径をミクロンオーダにまで小さくすることが可能であるので、リング共振器や入力用光導波路など他の要素にも高屈折率差光導波路を用いてもよい。

本発明の一実施例によれば、光制御素子の光検出用光導波路は開口数が１以上の光導波路とされる（請求項７）。以下、この実施例について説明する。

一般的に、光導波路のコアの屈折率をｎ１、クラッドの屈折率をｎ２としたときに、その光導波路の開口数ＮＡ１は、
ＮＡ１＝ｓｑｒｔ（ｎ１^２−ｎ２^２）
で定義できる。つまり、開口数はコアとクラッドの屈折率によって決定される値である。この開口数と、開口数を与える最大受光角θ１と、出射端面での媒質の屈折率ｎ３との間には、
ＮＡ１＝ｎ３・ｓｉｎ（θ１）
という関係がある。出射端面での媒質が空気であればｎ３＝１である。

一方、高屈折率差光導波路としてシリコンをコアに持ち、二酸化シリコンをクラッドにもつ光導波路を考えると、コアの屈折率を１．５、クラッドの屈折率を１．４５とすれば、開口数は理論上３．２と極めて大きな値となる。また、コアをニオブ酸リチウムのような光学結晶とし、クラッドを二酸化シリコンとした場合では、コアの屈折率を２．２、クラッドの屈折率を１．４５とすれば、開口数は１．６５となる。

このような１以上の開口数を持つということは、最大受光角θ１が９０°以上の大きな放射角をもつことを意味する。つまり、光導波路を伝搬してきた光は、その導波方向とは垂直方向へ放射されることとなる。これは、端面での屈折率差が大きいために、端面まできた光が端面で反射されて上部へ放射していると考えることもできる。

そして、光検出用光導波路がこのような光導波路であると、光検出用光導波路に特殊な構造を付加することなく、基板の層厚方向へ光を出射させることができる。これが、この実施例で得られるメリットである。

本発明の一実施例によれば、光制御素子に、その光検出用光導波路と光結合する光検出素子が設けられる（請求項８）。この実施例による光制御素子の例を図１９に示す。図１９の（ａ）は模式的平面図であり、（ｂ）はＤ−Ｄ’線で切断した模式的断面図である。この例では、半導体プロセスでＰＩＮフォトダイオードなどの光検出素子７０２を予め形成したシリコン基板などが基板７０１として用いられる。この基板７０１上に、下部クラッド７０３が成膜形成され、その上にコア材料層が成膜により形成される。そして、コア材料層に対するリソグラフィーとエッチングにより、光検出用光導波路７０２のコア７０５、出力用光導波路１０５のコア、図１９（ｂ）は示されていないが入力用光導波路１０３のコア、リング共振器１０４としての光導波路のコア、光分岐素子１０２としての光導波路のコアが形成される。その後、これらコアを覆う上部クラッド７０８が形成される。

この例では光検出用光導波路７０２は光検出素子７０２の直上に配置されたが、その上下関係を逆にすることも可能である。光検出素子７０２は光検出用光導波路７０２より出射された光を検出し電気信号に変換する。光検出用光導波路と光検出素子７０２の光結合については、光検出用光導波路１０６を高屈折率差光導波路として開口数ＮＡを極めて大きくする方法や、反射もしくは回折を利用して上下への光散乱を起こさせる方法を採用できる。光検出素子７０２と光検出用光導波路１０６とを同一面に平行に形成することにより、エバネッセント結合により光検出を可能にする方法を採用することもできる。

本発明の一実施例によれば、光制御素子のリング共振器などの構成要素の全て又は一部の光導波路がフォトニック結晶欠陥導波路とされる（請求項１１）。図２０の（ａ），（ｂ）は、そのような例を示す模式的な平面図である。

図２０において、８０１は基板であり、その上にフォトニック結晶配列８０２が形成されている。フォトニック結晶配列は、光の波長程度の誘電体周期構造である。図示の例では誘電体薄膜上に周期的な円孔を形成することでフォトニック結晶配列としている。フォトニック結晶配列では、フォトニックバンドギャップと呼ばれる光子に対するバンド構造を形成し、光の透過特性を抑制することができる。光導波路としては、３次元的な光閉じ込め構造、又は、上下の閉じ込めを全反射で実現する擬似３次元的閉じ込め構造が可能である。図２０に示す例は、後者の擬似３次元的な光閉じ込め構造であるフォトニック結晶スラブ構造である。このような構造は、屈折率の異なる薄膜を形成し、そこにフォトニック結晶配列を形成することで、比較的容易に製作することが可能である。

図２０の例では、フォトニック結晶配列８０２は誘電体薄膜上に周期的な円孔を形成することで実現されている。その円孔が形成されていない部分がフォトニック結晶の欠陥であり、８０３，８０４，８０５のように線状に欠陥が形成されているのが線欠陥導波路と呼ばれる光導波路となる。光導波路の面内方向ではフォトニック結晶によるフォトニックバンドギャップで光が閉じ込められ、面垂直方向では全反射により光が閉じ込められる。

光導波路８０４はリング共振器になっており、光導波路８０３を伝搬する光のリング共振器で共振する波長成分が光導波路８０５と結合する。つまり、光導波路８０３が入力用光導波路として、光導波路８０５が出力用光導波路として機能する。リング共振器は、（ｂ）に示した点欠陥８０６のような、ひとつもしくは複数の欠陥から構成してもよい。この点欠陥で共振する波長の光だけが反対側の光導波路に結合していく。

ここでは、入力用光導波路、出力用光導波路、リング共振器だけを示しているが、光分岐素子、光検出用光導波路もフォトニック結晶導波路で実現することも可能であることは云うまでもない。

本発明の一実施例によれば、以上に説明したような１入力多出力の光制御素子を複数層、積層することにより、より多出力の複合型光制御素子か実現される（請求項１２）。図２１は、そのような例を示した模式的な斜視図である。図２１において、９０１が４個の出力部９０２を有する１入力４出力の光制御素子が形成された層であり、同様の層９０１が３層積層されている。製作プロセスとしては、各層の光制御素子を形成した後、張り合わせプロセスにより形成する方法や、基板上にトップダウンで各層を順に形成していく方法を採ることができる
本発明の光制御素子は、レーザプリンターの光書き込み部分や光ディスクドライブのピックアップ等に応用可能である。

そのようなマルチビーム光学系の一例を図２２に示す。（ａ）は光学系の模式的な正面図、（ｂ）は光学系の模式的な側面図である。

図２２において、１００３は本発明の光制御素子である。ここでは、光制御素子１００３は図２に示した構成のものとするが、これはあくまで例にすぎない。

レーザ光源１００１からの光はレンズ１００２で集光され、光制御素子１００３の光分岐素子の入力部１０７（図１参照）に入射する。光制御素子１００３の４つの光出力部つまり出力用光導波路１０５Ａ〜１０５Ｄの端面１０９Ａ〜１０９Ｄから出射されるレーザビームは、リング共振器１０４Ａ〜１０４Ｄの電極１１２Ａ〜１１２Ｄの印加電圧を制御することによって変調される。変調されたレーザビームはレンズ１００６で集光されて情報記録媒体１００７に照射され、情報記録媒体１００７の表面を変化させる。一方、光検出導波路１０６Ａ〜１０６Ｄの検出光出力部１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃ，１１０Ｄより出射される検出光はレンズ１００９で集光されて光検出器１０１０に入射される。光検出器１０１０に入射する検出光と、光出力部からの出力光の和は一定であるので、光検出器１０１０の検出信号をモニターすることで、出力光をビームスプリッタ等で分光することなく、情報記録媒体１００７への照射パワーを正確に把握することができる。

なお、図１９で説明したように光検出素子自体に光検出用光導波路に光結合した光検出素子が設けられている場合には、その光検出素子の出力信号をモニターすればよいので、レンズ１００９と光検出器１０１０は不要である。

本発明の光制御素子の基本構成を説明するための模式的平面図である。 本発明による１入力４出力の光制御素子を示す模式的平面図である。 リング共振器と電極の構造の一例を説明するための模式図である。 リング共振器と電極の構造の一例を説明するための模式図である。 リング共振器と電極の構造の一例を説明するための模式的な平面図及び断面図である。 リング共振器の共振ピークの外場による移動の説明図である。 電界の強さと屈折率変化量の関係を示すグラフである。 リング共振器のリング半径と共振ピーク波長間隔の関係を示すグラフである。 シミュレーションに用いられたレーストラック形状のリング共振器の説明図である。 波長と消光比の関係を説明するためのグラフである。 リング共振器のコアの屈折率変化量と共振波長の関係を説明するためのグラフである。 リング共振器のコアの屈折率変化量と共振波長の関係を説明するためのグラフである。 リング共振器のコアの屈折率変化量と共振波長の関係を説明するためのグラフである。 リング共振器のコアの屈折率変化量と消光比の関係を説明するためのグラフである。 光制御素子の共振時と比共振時の電磁界分布を対比して示す図である。 光制御素子における光伝搬の過渡応答を説明するためのグラフである。 本発明の一実施例を説明するための模式的な平面図と断面図である。 本発明の一実施例を説明するための模式的な平面図と断面図である。 本発明の一実施例を説明するための模式的な平面図と断面図である。 本発明の一実施例を説明するための模式的な平明図である。 本発明の一実施例を説明するための模式的斜視図である。 本発明の光制御素子が用いられたマルチビーム光学系の一例を説明するための模式的な正面図と側面図である。

符号の説明

１０２ 光分岐素子
１０３，１０３Ａ〜１０３Ｄ 入力用光導波路
１０４，１０４Ａ〜１０４Ｄ リング共振器
１０５，１０５Ａ〜１０５ｄ 出力用光導波路
１０６，１０６Ａ〜１０６Ｄ 光検出用光導波路
１０７ 光分岐素子の入力部
１０８ 光分岐素子の出力部
１０９，１０９Ａ〜１０９Ｄ 出力用光導波路の端面（出力部）
１１０Ａ〜１１０Ｄ 光検出用光導波路の光出力部
１１２Ａ〜１１２Ｄ リング共振器対応の電極
７０２ 光検出素子

Claims (12)

1. １つの入力部と複数の出力部を有し、該入力部に外部より入射した光を該複数の出力部へ分岐出力させる光分岐素子、並びに、
   前記光分岐素子の対応した１の出力部に一端が接続された入力用光導波路、出力用光導波路、及び、該入力用光導波路と該出力用光導波路の間に位置するリング共振器の組み合わせが複数組、基板に一体的に形成されてなる光制御素子。
2. 前記各リング共振器は、電界を加えることにより屈折率が変化する材料で形成され、
   前記各リング共振器に対応させて外部より電圧を印加するための電極がさらに前記基板に形成されたことを特徴とする請求項１記載の光制御素子。
3. 前記各リング共振器は、その共振器長で決まる共振ピーク周波数間隔が、前記材料の屈折率変化よる共振ピーク周波数の最大変化量以下であることを特徴とする請求項２記載の光制御素子。
4. 前記各リング共振器は、外場を加えることにより屈折率が変化する材料で形成され、
   前記リング共振器は、その共振器長で決まる共振ピーク周波数間隔が、前記材料の屈折率変化よる共振ピーク周波数の最大変化量以下であることを特徴とする請求項１記載の光制御素子。
5. 前記各出力用光導波路は、シングルモードで伝搬するコアサイズを有する高屈折率差光導波路からなることを特徴とする請求項１，２又は３記載の光制御素子。
6. 対応した前記入力用光導波路の、前記光分岐素子の出力部に接続された端と反対側の端に接続された複数の光検出用光導波路がさらに前記基板に形成され、
   前記各光検出用光導波路は接続された前記入力用光導波路より入射した光を外部へ出射する出力部を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の光制御素子。
7. 前記光検出用光導波路は開口数が１以上の光導波路であることを特徴とする請求項６記載の光制御素子。
8. 対応した前記入力用光導波路の、前記光分岐素子の出力部に接続された端と反対側の端に接続された複数の光検出用光導波路と、
   対応した前記光検出用光導波路と光結合される複数の光検出素子と、
   がさらに前記基板に形成されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の光制御素子。
9. 前記入力用光導波路、前記リング共振器及び前記出力用光導波路が同一平面内に形成されたことを特徴とする請求項１記載の光制御素子。
10. 前記リング共振器と、前記入力用光導波路及び前記出力用光導波路とが、それぞれ異なる平面に形成されたことを特徴とする請求項１記載の光制御素子。
11. 前記入力用光導波路、前記出力用光導波路及び前記リング共振器がフォトニック結晶欠陥導波路からなることを特徴とする請求項１記載の光制御素子。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項記載の光制御素子が複数個、積層された複合光制御素子。

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