JP2014085398A - 光変調器及び光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の電気光学変調器に比べて、駆動電圧が低く高速動作が可能な光変調器及び光偏向器を提供する。
【解決手段】電気光学材料で構成されたコア層と電気光学材料よりも低屈折率の第１の誘電体で構成され且つコア層を挟み込むように配置された一対のクラッド層とを含み、光が伝搬する間にコア層で生じた電気光学効果により入射光を変調する光導波路層と、光導波路層の比誘電率よりも高い比誘電率の第２の誘電体で構成され光導波路層を挟み込むように配置された一対の高誘電率層と、光導波路層及び一対の高誘電率層を挟み込むように配置され光導波路層に対し光伝搬方向と垂直な方向に電界を印加する一対の電極と、を有し、第１の電極の幅が第２の電極の幅よりも狭く、一対の高誘電率層の各々の幅が第１の電極の幅と同じか第１の電極の幅よりも狭い、光変調器とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光変調器及び光偏向器に関する。

電気光学効果を用いた光変調器は一般に電気光学変調器と称される。電気光学変調器は、電気光学材料で構成された光導波路を有している。ここでの電気光学材料とは、印加される電界の強度に応じて屈折率が変化する等の電気光学効果を示す材料である。電気光学変調器に入射した光は、光導波路を伝搬する間に生じた電気光学効果により振幅や位相が変調されて出力される。例えば、屈折率変化により光の位相が変調される。

従来、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）を用いた電気光学変調器が実用化されている。また、出願人は、電気光学材料としてフォトニック結晶を用いた電気光学変調器（光偏向素子）を提案している（特許文献１参照）。

特開２０１０−２２３９８０号公報

しかしながら、従来の電気光学変調器は、駆動電圧が高く、駆動回路による高速動作が困難であった。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、従来の電気光学変調器に比べて、駆動電圧が低く高速動作が可能な光変調器及び光偏向器を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の光変調器は、印加される電界の強度に応じて電気光学効果を示す電気光学材料で構成されたコア層と、前記電気光学材料よりも低屈折率の第１の誘電体で構成され且つ前記コア層を挟み込むように配置された一対のクラッド層と、を含み、光が伝搬する間にコア層で生じた電気光学効果により入射光を変調する光導波路層と、前記光導波路層の比誘電率よりも高い比誘電率の第２の誘電体で構成され、前記光導波路層を挟み込むように配置された一対の高誘電率層と、前記光導波路層及び前記一対の高誘電率層を挟み込むように配置され、前記光導波路層に対し光伝搬方向と垂直な方向に電界を印加する一対の電極と、を有し、前記一対の電極が第１の電極と第２の電極とで構成され、前記第１の電極の幅が前記第２の電極の幅よりも狭く、前記一対の高誘電率層の各々の幅が前記第１の電極の幅と同じか前記第１の電極の幅よりも狭い、光変調器である。

上記の光変調器において、前記光導波路層及び前記一対の高誘電率層が、前記第２の誘電体よりも比誘電率が低い誘電体内に埋め込まれていてもよい。前記第２の誘電体よりも比誘電率が低い誘電体は、前記第１の誘電体であってもよく、前記第１の誘電体より高誘電率で且つ前記第２の誘電体より低誘電率の第３の誘電体であってもよい。

前記電気光学材料としては、電気光学樹脂又はフォトニック結晶を用いることができる。前記第１の誘電体としては、空気、シリコン、金属酸化物又は樹脂を用いることができる。前記第２の誘電体としては、セラミクス又は金属酸化物を用いることができる。

上記目的を達成するために本発明の光偏向器は、印加される電界の強度に応じて屈折率変化を示す電気光学材料で構成されたコア層と、前記電気光学材料よりも低屈折率の第１の誘電体で構成され且つ前記コア層を挟み込むように配置された一対のクラッド層と、を含み、光が伝搬する間にコア層で生じた屈折率変化により入射光の伝播方向を変化させる光導波路層と、前記光導波路層の比誘電率よりも高い比誘電率の第２の誘電体で構成され、前記光導波路層を挟み込むように配置された一対の高誘電率層と、前記光導波路層及び前記一対の高誘電率層を挟み込むように配置され、前記光導波路層に対し光伝搬方向と垂直な方向に電界を印加する一対の電極と、を有し、前記一対の電極が第１の電極と第２の電極とで構成され、前記第１の電極の幅が前記第２の電極の幅よりも狭く、前記一対の高誘電率層の各々の幅が前記第１の電極の幅と同じか前記第１の電極の幅よりも狭い光偏向器である。

上記の光偏向器において、前記コア層が、第１方向で伝播された入射光が入射する入射端面、前記入射端面から入射されて伝播する伝播光を反射する少なくとも１つの反射面、及び前記反射面で反射された伝播光が前記第１方向とは異なる第２方向に出射する出射端面を少なくとも有するフォトニック結晶構造を含んでいてもよい。

また、入射光を入射位置から前記入射端面まで導光する入射ポートと、前記出射端面からの出射光を出射位置まで導光する出射ポートとを更に備えていてもよい。この場合は、前記出射ポートが前記出射端面から離間して配置されるようにしてもよい。

本発明によれば、従来の電気光学変調器に比べて、駆動電圧が低く高速動作が可能な光変調器及び光偏向器が提供される。

（Ａ）は本発明の実施の形態に係る光変調器の構成の一例を示す模式図である。（Ｂ）は光導波路層周辺の構成の一例を示す部分拡大図である。 （Ａ）はシミュレーション計算に用いた本発明の実施の形態に係る光変調器の構成を示す模式図である。（Ｂ）はシミュレーション計算の結果を示すグラフである。 （Ａ）はシミュレーション計算に用いた比較例に係る光変調器の構成を示す模式図である。（Ｂ）はシミュレーション計算の結果を示すグラフである。 変形例に係る光変調器の構成を示す模式図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は光変調器の第１の製造方法の各工程を示す工程図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は光変調器の第１の製造方法の各工程を示す工程図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は光変調器の第１の製造方法の各工程を示す工程図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は光変調器の第２の製造方法の各工程を示す工程図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は光変調器の第２の製造方法の各工程を示す工程図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は光変調器の第２の製造方法の各工程を示す工程図である。 本発明の実施の形態に係る光偏向器の構成の一例を示す斜視図である。 （Ａ）は図１１に示す光偏向器の構成を示す平面図である。（Ｂ）は図１１に示す光偏向器の光軸に沿った断面図である。 変形例に係る光偏向器の構成を示す平面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。

＜光変調器＞
（光変調器の構成）
まず、本発明の実施の形態に係る光変調器の構成について説明する。図１（Ａ）は本発明の実施の形態に係る光変調器の構成の一例を示す模式図である。図１（Ｂ）は光導波路層周辺の構成の一例を示す部分拡大図である。図１（Ａ）及び（Ｂ）は光伝搬方向と直交する断面における断面図である。ここで「光伝搬方向」とは、図１（Ａ）の右下に図示した通り、紙面に垂直な方向である。

図１（Ａ）に示すように、光変調器１０はコア層１２を有している。コア層１２は、印加される電界の強度に応じて電気光学効果を示す電気光学材料で構成されている。図１（Ｂ）に示すように、コア層１２の両側には、コア層１２を挟み込むように一対のクラッド層１４、１６が配置されている。クラッド層１４、１６の各々は、電気光学材料よりも低屈折率の第１の誘電体で構成されている。コア層１２と一対のクラッド層１４、１６とで光導波路層１８が構成される。この構成により、光導波路層１８を光が伝搬する間に、コア層１２で生じた電気光学効果により入射光が変調される、

光導波路層１８の両側には、光導波路層１８を挟み込むように一対の高誘電率層２０、２２が配置されている。高誘電率層２０、２２の各々は、光導波路層１８の比誘電率よりも高い比誘電率の第２の誘電体で構成されている。即ち、光導波路層１８は、高誘電率層２０、２２よりも比誘電率の低い低誘電率領域となる。なお、光導波路層１８の比誘電率とは、コア層１２及び一対のクラッド層１４、１６全体における平均的な比誘電率である。光導波路層１８及び高誘電率層２０、２２が積層された積層体は、第３の誘電体２４内に埋め込まれている。後述する電極と接触する高誘電率層２０、２２の表面だけが第３の誘電体２４から露出している。

なお、積層体において「表面」とは、隣接する誘電体層がない側の面である。図１（Ａ）に示す例では、第３の誘電体２４は、第１の誘電体より高誘電率で且つ第２の誘電体より低誘電率の誘電体で構成されている。これら種々の誘電体からなる領域を誘電体層１９と総称する。

誘電体層１９の両側には、誘電体層１９を挟み込むように一対の電極２６、２８が配置されている。本実施の形態に係る光変調器は、いわゆる横型光変調器である。一対の電極、即ち、第１の電極２６、第２の電極２８の各々は、光導波路層１８に対して光伝搬方向と垂直な方向に電界を印加する制御電極として機能する。ここで「光伝搬方向」とは、図１（Ａ）の右下に図示した通り、紙面に垂直な方向である。

第１の電極２６は、高誘電率層２０の表面側に設けられている。第２の電極２８は、高誘電率層２２が露出した誘電体層１９の片面全面を覆うように、高誘電率層２２の表面側に設けられている。第１の電極２６の幅Ｗ１は、第２の電極の幅Ｗ２より狭い。また、高誘電率層２０、２２の幅は、第１の電極２６の幅Ｗ１と同じか、第１の電極２６の幅Ｗ１よりも狭い。

コア層１２を構成する電気光学材料としては、ＥＯポリマー等の電気光学樹脂、フォトニック結晶等を用いることができる。フォトニック結晶とは、第１の媒質中に屈折率の異なる第２の媒質が光の波長程度の周期で配列された結晶構造を有し、フォトニックバンド構造を備えた結晶体である。図１（Ｂ）に示す例では、第１の媒質１２Ａ（例えば、シリコン）中に、屈折率の異なる第２の媒質１２Ｂ（例えば、空気）が配列された例を示している。

フォトニックバンド構造とは、特定の波長範囲の光の存在が禁止されるフォトニックバンドギャップが現れる特性である。フォトニック結晶は、このフォトニックバンド構造に起因して、従来の光学結晶とは異なる特有の光学特性を示す。フォトニック結晶に特有の光学特性の１つとして、スーパープリズム効果がある。スーパープリズム効果とは、入射角や波長の僅かな変化に対して屈折角を大きく変化させる効果である。フォトニック結晶で構成されたプリズムは、通常の光学プリズムの１００倍〜１０００倍の光分解能を有する。

クラッド層１４、１６を構成する第１の誘電体としては、空気、シリコン（比誘電率：約２）、酸化ケイ素等の金属酸化物、低誘電率の樹脂等を用いることができる。低誘電率の樹脂としては、例えば、日本ゼオン社製の「ZEONEX480（登録商標）」（比誘電率：２．２〜２．３)等が挙げられる。

高誘電率層２０、２２を構成する第２の誘電体としては、いわゆるHigh-ｋ（高誘電率）材料を用いることができる。High-ｋ材料としては、アルミナ（酸化アルミニウム）系セラミクス等のセラミクス（比誘電率：１２）、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム等の金属酸化物が挙げられる。アルミナ系セラミクスとしては、アスザック社製の「ブラックアルミナ（登録商標）」等が挙げられる。

第３の誘電体２４としては、シリコン（比誘電率：２．４）や上記の低誘電率の樹脂（比誘電率：２．２〜２．３）、ＥＯポリマー（比誘電率：４〜５）等の樹脂、酸化ケイ素（比誘電率：３．９）等の金属酸化物を用いることができる。第１の電極２６、第２の電極２８としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属電極を用いることができる。

なお、誘電体層１９内で比誘電率が上記の分布を有していればよく、後述する電界分布の変化を得るという目的においては、特に材料が制限される訳ではない。半導体、結晶、酸化物、樹脂、空気等の材料を適宜組み合わせて使用してもよい。ここで「誘電体」とは、電界を加えると誘電分極を生じる物質である。「比誘電率」とは、真空の誘電率ε_０を１とする比誘電率ε_ｒ（＝ε/ε_０）である。以下では、適宜「ε_ｒ」と略称する。

例えば、電気光学材料と誘電体とを以下のような組み合わせとしてもよい。
電気光学材料：シリコン中にＥＯポリマー柱が配列されたフォトニック結晶（ε_ｒ＝４）
第１の誘電体：空気（ε_ｒ＝１）
第２の誘電体：アルミナ系セラミクス（ε_ｒ＝１２）
第３の誘電体：低誘電率の樹脂
日本ゼオン社製の「ZEONEX480（登録商標）」（ε_ｒ＝２．２５）

（光変調器の動作）
次に、光変調器１０の動作について説明する。
第１の電極２６と第２の電極２８との間に電圧を印加する。一対の電極間への電圧印加により、光導波路層１８のコア層１２に対して光伝搬方向と垂直な方向に電界が印加される。コア層１２では、印加される電界の強度に応じて電気光学効果が発生する。光導波路層１８を光が伝搬する間に生じた電気光学効果により入射光が変調される。

本実施の形態では、低誘電率領域である光導波路層１８を一対の高誘電率層２０、２２で挟み込む構造としたことにより電界分布が変化して、これらの層を有しない従来の構造に比べて、光導波路層１８における電位勾配（即ち、電界強度）が大きくなる。従って、一定の駆動電圧下では、従来の構造に比べてコア層１２における電気光学効果が大きくなる。換言すれば、光変調器１０の駆動電圧が、従来の構造の光変調器に比べて低下する。駆動電圧の低下により、高速動作が可能となる。

（電界分布の変化）
次に、電界分布の変化について説明する。
図２（Ａ）はシミュレーション計算に用いた本発明の実施の形態に係る光変調器の構成を示す模式図である。図２（Ａ）に示す光変調器は、図１に示す光変調器１０と同じ構成を有している。このため同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。併記した数値の単位はマイクロメートル（μｍ）である。図２（Ａ）から分かるように、各部の幅及び厚さ、各部を構成する材料は以下の通りである。なお、第２の電極２８の幅及び厚さ等、シミュレーション計算と無関係な部分の説明は省略する。また、白色部分は空気（ε_ｒ＝１）である。

光導波路層１８：幅２μｍ、厚さ０．４５μｍ、ε_ｒ＝４
高誘電率層２０：幅２μｍ、厚さ０．９μｍ、
アルミナ系セラミクス、ε_ｒ＝１２
高誘電率層２２：幅２μｍ、厚さ３．１５μｍ、
アルミナ系セラミクス、ε_ｒ＝１２
第１の電極２６：幅２μｍ、厚さ１μｍ、
誘電体層１９： 幅２０μｍ、厚さ４．５μｍ
第３の誘電体２４：（幅９μｍ、厚さ４．５μｍ）×２
低誘電率の樹脂／日本ゼオン社製の「ZEONEX480（登録商標）」
ε_ｒ＝２．２５

また、光導波路層１８は、フォトニック結晶からなるコア層１２とＥＯポリマーからなるクラッド層１４，１６とを備えている。コア層１２を構成するフォトニック結晶は、第１の媒質（シリコン、ε_ｒ＝２．４）中に第２の媒質（ＥＯポリマー、ε_ｒ＝４．８）が配列された構造を有している。光導波路層１８の比誘電率（ε_ｒ＝４）は、コア層１２及びクラッド層１４，１６からなる低誘電率領域の比誘電率として計算されたものである。

図２（Ｂ）はシミュレーション計算の結果を示すグラフである。縦軸は電位を表す。電位の単位はボルト（Ｖ）である。横軸はＧＮＤ（０Ｖ）である第２の電極２８からの距離を表す。単位はμｍである。図２（Ａ）に示す構造の光変調器１０において、第１の電極２６と第２の電極２８との間に１Ｖの電圧を印加するとしてシミュレーション計算を行った。シミュレーション計算の結果として、光変調器１０の中心線Ｌに沿った電位分布が得られた。各層との関係を併記する。図２（Ｂ）によれば、高誘電率層２０と高誘電率層２２とに挟まれた低誘電率領域である光導波路層１８において、他の部分より電位勾配が急になり、電界強度が大きくなっていることが分かる。

上記の計算結果を、比誘電率が一定の誘電体層に電圧を印加する場合（比較例）の計算結果と比較する。図３（Ａ）はシミュレーション計算に用いた比較例に係る光変調器の構成を示す模式図である。併記した数値の単位はμｍである。図３（Ｂ）はシミュレーション計算の結果を示すグラフである。縦軸は電位を表す（単位：Ｖ）。横軸はＧＮＤである第２の電極２８からの距離を表す（単位：μｍ）。

図３（Ａ）に示す光変調器１０Ｒは、図１に示す光変調器１０の誘電体層１９全体を第３の誘電体２４で構成したものである。同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。図３（Ａ）から分かるように、各部の幅及び厚さ、各部を構成する材料は以下の通りである。

第１の電極２６：幅２μｍ、厚さ１μｍ、
誘電体層１９（＝第３の誘電体２４）
：幅２０μｍ、厚さ４．５μｍ
低誘電率の樹脂／日本ゼオン社製の「ZEONEX480（登録商標）」
ε_ｒ＝２．２５

図３（Ｂ）から分かるように、図３（Ａ）に示す構造の光変調器１０Ｒにおいて、第１の電極２６と第２の電極２８との間に１Ｖの電圧を印加するとしてシミュレーション計算を行うと、誘電体層１９（＝第３の誘電体２４）での電位勾配は一定となることが分かる。即ち、本実施の形態のように、一対の高誘電率層２０、２２に挟まれた光導波路層１８でなければ、電位勾配は急に変化しない。

（変形例に係る光変調器）
なお、上記の実施の形態では、積層体を第１の誘電体より高誘電率で且つ第２の誘電体より低誘電率の第３の誘電体の中に埋め込む例について説明したが、低誘電率層が空気以外の材料で構成される場合等には、積層体を第１の誘電体に埋め込むようにしてもよい。

図４は変形例に係る光変調器の構成を示す模式図である。図４は、図１（Ａ）と同様に、光伝搬方向と直交する断面における断面図である。変形例に係る光変調器１０Ａでは、誘電体層１９のうちコア層１２及び高誘電率層２０、２２以外の領域は、第１の誘電体２５で充填されている。第１の誘電体２５は、コア層１２を構成する電気光学材料よりも低屈折率である。コア層１２の両側には、クラッド層１４、１６の代わりに、第１の誘電体２５が配置される。換言すれば、コア層１２の両側に配置された第１の誘電体２５が、クラッド層として機能する。

例えば、電気光学材料と誘電体とを以下のような組み合わせとしてもよい。
電気光学材料：ＥＯポリマー（ε_ｒ＝４〜５）
第１の誘電体：低誘電率の樹脂／日本ゼオン社製の「ZEONEX480（登録商標）」
ε_ｒ＝２．２５
第２の誘電体：アルミナ系セラミクス（ε_ｒ＝１２）

（光変調器の製造方法）
次に、光変調器の製造方法について説明する。ここでは、図１（Ａ）に示す構成の光変調器を製造するための「第１の製造方法」と、図４に示す構成の光変調器を製造するための「第２の製造方法」とについて説明する。なお、以下では、複数の光変調器を同時に製造する量産化に適した方法について説明する。２個の光変調器が同時に製造される工程を図示するが、光変調器の個数に制限はない。複数の光変調器を同時に製造する工程では、最後に個々の光変調器が切り出されて個片化される。

−第１の製造方法−
第１の製造方法では、以下の材料で構成された光変調器を製造する方法を例示する。
電気光学材料：シリコン中にＥＯポリマー柱が配列されたフォトニック結晶
第１の誘電体：酸化ケイ素
第２の誘電体：酸化ハフニウム
第３の誘電体：シリコン

光変調器の第１の製造方法では、図５（Ａ）〜（Ｄ）に示す工程により部材Ｂを作製し、図６（Ａ）〜（Ｅ）に示す工程により光変調器の基本部材を作製して、図７（Ａ）〜（Ｄ）の工程で基本部材と部材Ｂとを貼り合せる。以下、順を追って説明する。

（部材Ｂの作製）
まず、部材Ｂの作製工程について説明する。
図５（Ａ）に示すように、第３の誘電体２４を形成するためにシリコン基板２４Ａを用意する。次に、図５（Ｂ）に示すように、シリコン基板２４Ａの一方の面に酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を堆積させて、酸化ケイ素からなるクラッド層１４を形成する。酸化ケイ素の堆積には、プラズマ化学気相成長法（PECVD：Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）が用いられる。なお、堆積させた酸化ケイ素膜を、化学研磨等により平坦化してもよい。

次に、図５（Ｃ）に示すように、シリコン基板２４Ａに、高誘電率層２０を配置するための凹部２０Ｃを形成する。凹部２０Ｃの形成には、反応性イオンエッチング等のドライエッチングが用いられる。ドライエッチングには、例えば、フッ化硫黄（ＳＦ_６）と酸素（Ｏ_２）との混合ガスによる反応性イオンエッチングを用いてもよい。

次に、図５（Ｄ）に示すように、凹部２０Ｃ内に第２の誘電体（高誘電率材料）である酸化ハフニウムを堆積して、高誘電率層２０を形成する。これにより、部材Ｂが完成する。

（基本部材の作製）
次に、光変調器の基本部材の作製工程について説明する。
図６（Ａ）に示すように、シリコン基板２４Ａ上に酸化ケイ素層とシリコン層とが積層されたＳＯＩ基板を用意する。酸化ケイ素層はクラッド層１６とされる。シリコン層はコア層１２を形成するための第１媒体層１２Ａとされる。

次に、図６（Ｂ）に示すように、フォトニック結晶構造を作り込むために、フォトリソグラフィを用いてシリコンからなる第１媒体層１２Ａに複数の貫通孔１２Ｃを形成する。例えば、貫通孔１２Ｃを形成する領域以外の第１媒体層１２Ａの表面をマスクで覆い、マスクを用いたドライエッチングにより貫通孔１２Ｃを形成する。ドライエッチングには、フッ化炭素（ＣＦ_４）プラズマによる反応性イオンエッチングを用いてもよい。なお、不要なマスクは、酸素プラズマによる反応性イオンエッチング等により除去すればよい。

次に、図６（Ｃ）に示すように、シリコン基板２４Ａに、高誘電率層２２を配置するための凹部２２Ｃを形成する。凹部２２Ｃの形成には、凹部２０Ｃの形成と同様に、反応性イオンエッチング等のドライエッチングが用いられる。次に、図６（Ｄ）に示すように、凹部２２Ｃ内に第２の誘電体である酸化ハフニウムを堆積して、高誘電率層２２を形成する。

次に、図６（Ｅ）に示すように、貫通孔１２Ｃに第２の媒体１２ＢであるＥＯポリマーを充填する。例えば、ＥＯポリマーとしては、電気光学効果を有するポリマーである「ＡＪ-ＣＫＬ１」と、母材であるＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）との混合物を用いてもよい。この混合物を溶剤である1,1,2-トリクロロエチレンに溶解させた溶液を、スピンコーティング等により第１媒体層１２Ａに塗布する。加熱等により溶剤を除去すると、貫通孔１２ＣにＥＯポリマーが充填されたフォトニック結晶構造のコア層１２が形成される。これにより、基本部材が完成する。

（基本部材と部材Ｂの貼り合せ）
次に、基本部材と部材Ｂの貼り合せ工程について説明する。
図７（Ａ）に示すように、基本部材のコア層１２と部材Ｂのクラッド層１４とが接着されるように、図６（Ｅ）に示す基本部材と図５（Ｄ）に示す部材Ｂとを貼り合せる。次に、図７（Ｂ）に示すように、シリコン基板２４Ａを高誘電率層２０、２２の表面が露出するまで研磨して、余分なシリコン基板２４Ａを除去する。これにより、第３の誘電体２４が形成される。

次に、図７（Ｃ）に示すように、電極を形成するために、誘電体の両側の面に金属薄膜２６Ａ、２８を形成する。金属薄膜２６Ａ、２８は、アルミニウム（Ａｌ）をスパッタリングして成膜してもよい。次に、図７（Ｄ）に示すように、フォトリソグラフィを用いて金属薄膜２６Ａをパターニングし、所望の形状の第１の電極２６を形成する。なお、金属薄膜２８は裏面全面に設けられるので、金属薄膜２８はそのまま第２の電極２８とされる。

例えば、第１の電極２６を形成する金属薄膜２６Ａの表面をマスクで覆い、マスクを用いたドライエッチングにより所望の形状の第１の電極２６を形成する。ドライエッチングには、塩素（Ｃｌ）プラズマによる反応性イオンエッチングを用いてもよい。なお、不純物残渣は不要なマスクは、Ａｌ残渣除去液等により除去すればよい。

本実施の形態では、コア層１２の第２の媒体にＥＯポリマーを用いているので、次に、ＥＯポリマーを機能させるための「配向」という処理を行う。例えば、対象物を加熱しながら第１の電極２６と第２の電極２８との間に数Ｖから数十Ｖの電圧を印加することで、ＥＯポリマーを配向させる。最後に、スクライビング等により個々の光変調器を切り出して個片化し、光変調器が完成する。

−第２の製造方法−
第２の製造方法では、以下の材料で構成された光変調器を製造する方法を例示する。
電気光学材料：シリコン中にＥＯポリマー柱が配列されたフォトニック結晶
第１の誘電体：低誘電率の樹脂/日本ゼオン社製の「ZEONEX480（登録商標）」
第２の誘電体：アルミナ系セラミクス

光変調器の第１の製造方法では、図８（Ａ）〜（Ｃ）に示す工程により部材Ａを作製し、図９（Ａ）〜（Ｅ）、図１０（Ａ）に示す工程により光変調器の基本部材を作製して、図１０（Ｂ）〜（Ｅ）の工程で基本部材と部材Ａとを貼り合せる。なお、光変調器の基本部材の作製工程においても部材Ａが用いられる。以下、順を追って説明する。

（部材Ａの作製）
まず、部材Ａの作製工程について説明する。
図８（Ａ）に示すように、アルミナ系セラミクスを第２の誘電体として用いて、一方の面に複数の凸部２２Ｂと複数の凹部２２Ｃとを有する板状部材２２Ａを焼成する。アルミナ系セラミクスとしては、アスザック社製の「ブラックアルミナ（登録商標）」を用いてもよい。次に、図８（Ｂ）に示すように、板状部材２２Ａの凹凸が形成された面に、第１の誘電体２５Ａである日本ゼオン社製の「ZEONEX480（登録商標）」を加熱下で圧着する。

「ZEONEX480（登録商標）」は１２０℃〜１６０℃の温度で成型可能である。加熱下で圧着されることにより、図８（Ｃ）に示すように、板状部材２２Ａの凹凸に嵌め合わされた第１の誘電体２５が形成される。即ち、板状部材２２Ａの複数の凹部２２Ｃは、第１の誘電体２５で充填される。これにより、下部用の部材Ａが完成する。

同様に、複数の凸部２０Ｂと複数の凹部２０Ｃとを有する板状部材２０Ａに、第１の誘電体２５Ａを加熱下で圧着することで、板状部材２０Ａの凹凸に嵌め合わされた第１の誘電体２５が形成される。これにより、上部用の部材Ａが完成する。

（基本部材の作製）
次に、光変調器の基本部材の作製工程について説明する。
図９（Ａ）に示すように、シリコン基板５０上に酸化ケイ素層５２とシリコン層とが積層されたＳＯＩ基板を用意する。シリコン層はコア層１２を形成するための第１媒体層１２Ａとされる。

次に、図９（Ｂ）に示すように、フォトニック結晶構造を作り込むために、フォトリソグラフィを用いてシリコンからなる第１媒体層１２Ａに複数の貫通孔１２Ｃを形成する。次に、図９（Ｃ）に示すように、貫通孔１２Ｃに第２の媒体１２ＢであるＥＯポリマーを充填する。これにより第１の媒体１２Ａ（シリコン）中に第２の媒体１２Ｂ（ＥＯポリマー）が配列されたフォトニック結晶構造を有するコア層１２が形成される。

次に、図９（Ｄ）に示すように、基本部材のコア層１２と下部用の部材Ａの第１の誘電体２５とが接着されるように、図９（Ｃ）に示す基本部材を逆さまにして、図８（Ｃ）に示す下部用の部材Ａと貼り合せる。次に、図９（Ｅ）に示すように、シリコン基板５０を研磨により除去する。次に、図１０（Ａ）に示すように、酸化ケイ素層５２を研磨により除去する。これにより、基本部材が完成する。

（基本部材と部材Ａの貼り合せ）
次に、基本部材と上部用の部材Ａの貼り合せ工程について説明する。
図１０（Ｂ）に示すように、基本部材のコア層１２と上部用の部材Ａの第１の誘電体２５とが接着されるように、図１０（Ａ）に示す基本部材と図８（Ｃ）に示す部材Ａとを貼り合せる。次に、図１０（Ｃ）に示すように、板状部材２０Ａ、２２Ａの各々を第１の誘電体２５の表面が露出するまで研磨して、余分な板状部材２０Ａ、２２Ａを除去する。これにより、光変調器の誘電体部分が形成される。

次に、図１０（Ｄ）に示すように、電極を形成するために、誘電体の両側の面にスパッタリング等により金属薄膜２６Ａ、２８を形成する。次に、図１０（Ｅ）に示すように、フォトリソグラフィを用いて金属薄膜２６Ａをパターニングし、所望の形状の第１の電極２６を形成する。なお、金属薄膜２８は第２の電極２８とされる。

第１の製造方法と同様に、コア層１２の第２の媒体にＥＯポリマーを用いているので、次に、ＥＯポリマーを機能させるための「配向」処理を行う。最後に、スクライビング等により個々の光変調器を切り出して個片化し、光変調器が完成する。

＜光偏向器＞
（光偏向器の構成）
次に、本発明の実施の形態に係る光偏向器の構成について説明する。
図１１は本発明の実施の形態に係る光偏向器の構成の一例を示す斜視図である。図１２（Ａ）は図１１に示す光偏向器の構成を示す平面図である。図１２（Ｂ）は図１１に示す光偏向器の光軸に沿った断面図である。

図１１に示すように、光偏向器３０は、導電性基板３２、光偏向部３４、入射ポート３６、出射ポート３８、第１の電極３７及び第２の電極３９を有している。光偏向部３４、入射ポート３６及び出射ポート３８の各々は、導電性生基板３２の主面３２Ａ上に配置されている。入射ポート３６は光偏向部３４の光入射側に配置され、出射ポート３８は光偏向器の光出射側に配置されている。出射ポート３８は、後述するフォトニック結晶の出射端面から離間して配置されている。出射ポート３８を離間して配置すると、消光比が高くなる。

図１２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、光偏向部３４は、電気光学効果により入射光を変調するコア層４０Ｍを有している。本実施の形態では、コア層４０Ｍは、第１の媒体からなる第１媒体層４０の一部に形成されたフォトニック結晶である。コア層４０Ｍの両側には、コア層４０Ｍを挟み込むように一対のクラッド層４２Ａ、４２Ｂが配置されている。一対のクラッド層４２Ａ、４２Ｂの各々は、電気光学材料より低屈折率の第１の誘電体で構成されている。コア層４０Ｍと一対のクラッド層４２Ａ、４２Ｂとで光導波路層が構成される。光導波路層（即ち、コア層４０Ｍと一対のクラッド層４２Ａ、４２Ｂ）は、低誘電率領域となる。

低誘電率領域の両側には、低誘電率領域を挟み込むように一対の高誘電率層４４Ａ、４４Ｂが配置されている。一対の高誘電率層４４Ａ、４４Ｂの各々は、第１の誘電体より高誘電率の第２の誘電体で構成されている。低誘電率領域及び高誘電率層４４Ａ、４４Ｂが積層された積層体は、第３の誘電体４６内に埋め込まれている。高誘電率層４４Ａ、４４Ｂの表面は、第３の誘電体４６から露出している。第１の電極３７は、光偏向部３４のコア層（フォトニック結晶）４０Ｍに対応する領域に設けられている。第２の電極３９は、基板３２の裏面全面に設けられている。

なお、本実施の形態では、クラッド層４２Ａ、４２Ｂの各々は、コア層４０Ｍから離間されて配置されている。クラッド層４２Ａ、４２Ｂの各々とコア層４０Ｍとの間には、第３の誘電体４６が充填されている。また、高誘電率層４４Ａは、クラッド層４２Ａから離間されて配置されている。高誘電率層４４Ａとクラッド層４２Ａとの間には、第３の誘電体４６が充填されている。

コア層４０Ｍは、第１媒体層４０の一部に複数の貫通孔が周期的に配列されたフォトニック結晶である。以下では、コア層４０Ｍを「フォトニック結晶４０Ｍ」と適宜言い換える。貫通孔の各々は、円形の開口部を有し、内部が第１の媒体より低誘電率の誘電体で満たされている。例えば、第１媒体層４０をシリコンで構成し、第３の誘電体４６をＥＯポリマー等の樹脂とした場合、貫通孔の内部は樹脂で満たされる。

本実施の形態では、フォトニック結晶４０Ｍは、平面視が直角三角形に近似した台形状である。フォトニック結晶４０Ｍは、入射光Ｂ_ｉｎが入射する入射端面Ｓ_ｉｎ、入射端面Ｓ_ｉｎから入射されて結晶内を伝播する伝播光を反射する反射面Ｓ_ｒ、及び反射面Ｓ_ｒで反射された伝播光が出射光Ｂ_ｏｕｔとして出射する出射端面Ｓ_ｏｕｔを備えている。入射端面Ｓ_ｉｎが１組の平行な対辺の一方を構成する下底であり、入射端面Ｓ_ｉｎと出射端面Ｓ_ｏｕｔとが対向し、反射面Ｓ_ｒと残りの端面とがもう１組の対辺を構成している。

フォトニック結晶は、高い分散関係を有している。このため、外部媒体とフォトニック結晶との界面では、スネルの法則は成立せず、スーパープリズム効果と称される全く異なる屈折効果を得ることができる。スーパープリズム効果とは、入射角や波長の僅かな変化に対して屈折角を大きく変化させる効果である。例えば、フォトニック結晶で構成されたプリズムは、通常の光学プリズムの１００倍〜１０００倍の光分解能を有する。

なお、図１２（Ｂ）から分かるように、入射ポート３６及び出射ポート３８の各々は、第１媒体層４０と第３の誘電体４６とで構成されて光を伝搬する。導電性基板３２としては、導電性シリコン基板等を用いることができる。その他の各部の材料については、光変調器と同様であるため説明を省略する。

例えば、電気光学材料と誘電体とを以下のような組み合わせとしてもよい。
電気光学材料：シリコン中にＥＯポリマー柱が配列されたフォトニック結晶（ε_ｒ＝３〜４）
第１の誘電体：空気（ε_ｒ＝１）
第２の誘電体：アルミナ系セラミクス（ε_ｒ＝１２）
第３の誘電体：ＥＯポリマー（ε_ｒ＝４）

上記の光偏向器は、導電性基板３２を挿入するための工程を加える以外は、上記の光変調器と同様の方法で製造することができる。

（光偏向器の動作）
次に、光偏向器３０の動作について説明する。
上記の光偏向器３０では、入射ポート３６により、入射光Ｂ_ｉｎが入射位置からフォトニック結晶４０Ｍの入射端面Ｓ_ｉｎまで導光される。入射光Ｂ_ｉｎが、入射端面Ｓ_ｉｎからフォトニック結晶４０Ｍに入射する。入射光Ｂ_ｉｎは、周辺媒体とフォトニック結晶４０Ｍとの境界面でスーパープリズム効果により屈折されて、フォトニック結晶４０Ｍ内を伝播する。フォトニック結晶４０Ｍ内を伝播する伝播光は、反射面Ｓ_ｒで反射される。

反射面Ｓ_ｒで反射された伝播光は、出射端面Ｓ_ｏｕｔから出射する。出射光Ｂ_ｏｕｔは、フォトニック結晶４０Ｍと周辺媒体との境界面でスーパープリズム効果により屈折されて、外部媒体を入射方向とは異なる方向に伝播する。即ち、入射光Ｂ_ｉｎは光偏向部３４により矢印Ａ方向に偏向される。出射端面Ｓ_ｏｕｔから出射された出射光Ｂ_ｏｕｔは、出射ポート３８により出射位置まで導光されて、出射位置から光偏向器３０の外部に出射される。

本実施の形態では、第１の電極３７と第２の電極３９との間に電圧を印加する。一対の電極間への電圧印加により、光導波路層のコア層であるフォトニック結晶４０Ｍに対して光伝搬方向と垂直な方向に電界が印加される。フォトニック結晶４０Ｍでは、印加される電界の強度に応じて屈折率が変化する。光が伝搬する間に生じた屈折率変化に応じて入射光Ｂ_ｉｎが偏向される。

印加する電圧を制御してフォトニック結晶の屈折率を変化させる光偏向器は存在する（特開２００６−１７８３６３号公報）が、一般に駆動電圧が高く高速動作が困難である。本実施の形態では、低誘電率領域である光導波路層を一対の高誘電率層４４Ａ、４４Ｂで挟み込む構造としたことにより電界分布が変化して、これらの層を有しない従来の構造に比べて、低誘電率領域における電位勾配（即ち、電界強度）が大きくなる。

従って、一定の駆動電圧下では、従来の構造に比べてフォトニック結晶４０Ｍにおける屈折率変化がより大きくなる。換言すれば、光偏向器３０の駆動電圧は、従来の構造の光偏向器に比べて低下する。駆動電圧の低下により、高速動作が可能となる。

また、スーパープリズム効果に基づく２回の超屈折を利用することにより、１回の超屈折を利用する場合よりも偏向角度を大きくすることが可能である。本実施の形態では、低誘電率領域における電界強度を大きくすることで、屈折率変化がより大きくなるので、偏向角度を更に大きくすることが可能である。

（変形例に係る光偏向器）
次に、光偏向器の変形例について説明する。
図１３は変形例に係る光偏向器の構成を示す平面図である。変形例に係る光偏向器３０Ａは、出射ポート３８に代えて、光偏向部３４内に形成されたグレーティング構造５０を有している。グレーティング構造５０は、フォトニック結晶４０Ｍの光出射側に配置される。グレーティング構造５０としては、放射性グレーティング等を用いることができる。グレーティング構造５０を配置することで、Blazing効果(一方向にエネルギーを集中して放射させる)により、出射光Ｂ_ｏｕｔを所望の出射位置から出射させることができる。

＜その他の変形例＞
なお、上記各実施の形態で説明した光変調器及び光偏向器の構成は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内においてその構成を変更してもよいことは言うまでもない。

例えば、上記では主に光導波路層のコア層がフォトニック結晶である場合について説明したが、電気光学樹脂等の他の電気光学材料を用いてもよい。低誘電率領域に配置される光導波路層が電気光学材料で構成されていれば、低誘電率領域における電界強度が大きくなった場合に、より大きな電気光学効果を得ることができる。

また、上記では、コア層であるフォトニック結晶の全体により大きな電界が印加される例について説明したが、光導波路層の光変調に関わる変調領域に局所的により大きな電界を印加してもよい。変調領域に対し電極、高誘電率層の形状、配置等を適宜設計することで、変調領域に局所的により大きな電界が印加される。

１０、１０Ｒ、１０Ａ 光変調器
１２ コア層
１２Ａ 第１媒質
１２Ｂ 第２媒質
１４、１６ クラッド層
１８ 光導波路層（低誘電率領域）
１９ 誘電体層
２０、２２ 高誘電率層
２４ 第３の誘電体
２５ 第１の誘電体
２６ 第１の電極
２８ 第２の電極
３０、３０Ａ 光偏向器
３２ 導電性基板
３２Ａ 主面
３４ 光偏向部
３６ 入射ポート
３７ 第１の電極
３８ 出射ポート
３９ 第２の電極
４０Ｍ コア層（フォトニック結晶）
４０ 第１媒体層
４２Ａ、４２Ｂ クラッド層
４４Ａ 、４４Ｂ 高誘電率層
４６ 第３の誘電体
５０ グレーティング構造
Ｂ_ｉｎ 入射光
Ｂ_ｏｕｔ 出射光
Ｌ 中心線
Ｓ_ｉｎ 入射端面
Ｓ_ｏｕｔ 出射端面
Ｓ_ｒ 反射面

Claims (10)

1. 印加される電界の強度に応じて電気光学効果を示す電気光学材料で構成されたコア層と、前記電気光学材料よりも低屈折率の第１の誘電体で構成され且つ前記コア層を挟み込むように配置された一対のクラッド層と、を含み、光が伝搬する間にコア層で生じた電気光学効果により入射光を変調する光導波路層と、
   前記光導波路層の比誘電率よりも高い比誘電率の第２の誘電体で構成され、前記光導波路層を挟み込むように配置された一対の高誘電率層と、
   前記光導波路層及び前記一対の高誘電率層を挟み込むように配置され、前記光導波路層に対し光伝搬方向と垂直な方向に電界を印加する一対の電極と、
   を有し、
   前記一対の電極が第１の電極と第２の電極とで構成され、前記第１の電極の幅が前記第２の電極の幅よりも狭く、前記一対の高誘電率層の各々の幅が前記第１の電極の幅と同じか前記第１の電極の幅よりも狭い、
   光変調器。
2. 前記光導波路層及び前記一対の高誘電率層が、前記第２の誘電体よりも比誘電率が低い誘電体内に埋め込まれた請求項１に記載の光変調器。
3. 前記第２の誘電体よりも比誘電率が低い誘電体が、前記第１の誘電体である請求項２に記載の光変調器。
4. 前記第２の誘電体よりも比誘電率が低い誘電体が、前記第１の誘電体より高誘電率で且つ前記第２の誘電体より低誘電率の第３の誘電体である請求項２に記載の光変調器。
5. 前記電気光学材料が、電気光学樹脂又はフォトニック結晶である請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の光変調器。
6. 前記第１の誘電体が、空気、シリコン、金属酸化物又は樹脂である請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の光変調器。
7. 前記第２の誘電体が、セラミクス又は金属酸化物である請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の光変調器。
8. 印加される電界の強度に応じて屈折率変化を示す電気光学材料で構成されたコア層と、前記電気光学材料よりも低屈折率の第１の誘電体で構成され且つ前記コア層を挟み込むように配置された一対のクラッド層と、を含み、光が伝搬する間にコア層で生じた屈折率変化により入射光の伝播方向を変化させる光導波路層と、
   前記光導波路層の比誘電率よりも高い比誘電率の第２の誘電体で構成され、前記光導波路層を挟み込むように配置された一対の高誘電率層と、
   前記光導波路層及び前記一対の高誘電率層を挟み込むように配置され、前記光導波路層に対し光伝搬方向と垂直な方向に電界を印加する一対の電極と、
   を有し、
   前記一対の電極が第１の電極と第２の電極とで構成され、前記第１の電極の幅が前記第２の電極の幅よりも狭く、前記一対の高誘電率層の各々の幅が前記第１の電極の幅と同じか前記第１の電極の幅よりも狭い、
   光偏向器。
9. 前記コア層が、第１方向で伝播された入射光が入射する入射端面、前記入射端面から入射されて伝播する伝播光を反射する少なくとも１つの反射面、及び前記反射面で反射された伝播光が前記第１方向とは異なる第２方向に出射する出射端面を少なくとも有するフォトニック結晶構造を含む請求項８に記載の光偏向器。
10. 入射光を入射位置から前記入射端面まで導光する入射ポートと、前記出射端面からの出射光を出射位置まで導光する出射ポートとを更に備え、前記出射ポートが前記出射端面から離間して配置された請求項８または９に記載の光偏向器。