JP2022084971A - 光位相変調器、および光位相変調方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気光学効果を利用して、光導波路を伝搬する光の位相を大きくかつ高速に変調することができる光位相変調器を提供する。
【解決手段】光位相変調器は、少なくとも第１の方向に延びた構造を有し、ポッケルス効果またはカー効果によって屈折率が変化する電気光学材料層と、前記電気光学材料層に接し、少なくとも前記第１の方向に延びた構造を有する電解質層と、前記電気光学材料層および前記電解質層に電圧を印加するための第１の電極および第２の電極と、前記電圧を制御して前記電気光学材料層の前記屈折率を変化させることにより、前記電気光学材料層または前記電解質層を前記第１の方向に沿って伝搬する光の位相を変調する制御回路と、を備える。
【選択図】図１Ａ

Description

本開示は、光位相変調器、および光位相変調方法に関する。

従来、屈折率を変化させる多くのデバイスが提案されている（例えば、特許文献１および２、ならびに非特許文献１から４）。屈折率は、様々な光学効果によって変化させることができる。光導波路の屈折率を変化させれば、光導波路を伝搬する光の位相を変調することができる。

特開２０１７－４４８５６号公報 特開平７－１６８２１４号公報

N. Hosseini, et. Al., "Stress-optic modulator in TriPleX platform using a piezoelectric lead zirconate titanate (PZT) thin film"Opt. Exp., 23, 14018 (2015). M. R. Watts, "Adiabatic thermo-optic Mach-Zehnder switch", Opc. Lett., 38, 733 (2013). A. Yaacobi, "Integrated phased array for wide-angle beam steering", Opt. Lett., 39, 4575 (2014). K. Fujiwara, et. al., "KTN optical waveguide devices with an extremely large electro-optic effect", Proc. of SPIE, 5623, 518 (2005).

本開示は、電気光学効果を用いて、光導波路を伝搬する光の位相を大きくかつ高速に変調することができる光位相変調器を提供する。

本開示の一態様に係る光位相変調器は、少なくとも第１の方向に延びた構造を有し、ポッケルス効果またはカー効果によって屈折率が変化する電気光学材料層と、前記電気光学材料層に接し、少なくとも前記第１の方向に延びた構造を有する電解質層と、前記電気光学材料層および前記電解質層に電圧を印加するための第１の電極および第２の電極と、前記電圧を制御して前記電気光学材料層の前記屈折率を変化させることにより、前記電気光学材料層または前記電解質層を前記第１の方向に沿って伝搬する光の位相を変調する制御回路と、を備える。

本開示によれば、電気光学効果を用いて、光導波路を伝搬する光の位相を大きくかつ高速に変調することができる。

図１Ａは、本開示の例示的な実施形態における光位相変調器を模式的に示すＸ方向から見た側面図である。 図１Ｂは、本開示の例示的な実施形態における光位相変調器を模式的に示すＹ方向から見た側面図である。 図２Ａは、一対の電極に電圧を印加したときの、一対の電極、電気光学材料層、および電解質層内の電荷分布を模式的に示す図である。 図２Ｂは、一対の電極間での、第１の電極の上面からＺ方向に沿った距離と、電位との関係を模式的に示す図である。 図２Ｃは、一対の電極間での、第１の電極の上面からＺ方向に沿った距離と、電界の強度との関係を模式的に示す図である。 図３Ａは、電解質層が光導波層として機能する光位相変調器の例を模式的に示すＸ方向から見た側面図である。 図３Ｂは、電解質層が光導波層として機能する光位相変調器の例を模式的に示すＹ方向から見た側面図である。 図４は、第１の変形例における光位相変調器を模式的に示す図である。 図５は、第２の変形例における光位相変調器を模式的に示す図である。 図６Ａは、第３の変形例における光位相変調器を模式的に示す図である。 図６Ｂは、第４の変形例における光位相変調器を模式的に示す図である。 図６Ｃは、第５の変形例における光位相変調器を模式的に示す図である。 図６Ｄは、第６の変形例における光位相変調器を模式的に示す図である。 図６Ｅは、第７の変形例における光位相変調器を模式的に示す図である。 図６Ｆは、第８の変形例における光位相変調器を模式的に示す図である。 図６Ｇは、第９の変形例における光位相変調器を模式的に示す図である。 図７は、光位相変調器の製造工程を示すフローチャートである。 図８は、マッハ・ツェンダー型の光スイッチングデバイスの例を模式的に示す平面図である。 図９Ａは、光フェーズドアレイの第１の例を模式的に示す図である。 図９Ｂは、光フェーズドアレイの第２の例を模式的に示す図である。

本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。

非特許文献１は、応力によって屈折率が変化する応力光学効果（ｓｔｒｅｓｓ－ｏｐｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔ）を用いた光位相変調器を開示している。非特許文献１に開示されている光位相変調器では、光導波路上に積層された圧電体に電圧を印加することにより、圧電体が変形する。圧電体の変形に起因して、光導波路に応力がかかり、光導波路の屈折率が変化する。屈折率の変化に起因して、光導波路中を伝搬する光の位相が変調される。圧電体による光導波路の屈折率の変化量は小さく、例えば１０^－６程度のオーダーである。このため、光導波路を長くしなければ、光の位相を大きく変調することができない。光導波路を長くすることは、光位相変調器の大型化を招く。

非特許文献２および３は、熱によって屈折率が変化する熱光学効果（ｔｈｅｒｍｏ－ｏｐｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔ）を用いた光位相変調器を開示している。熱光学効果による屈折率の変化量は大きく、例えば１０^－２程度のオーダーである。このため、光位相変調器が小さい場合でも、光の位相を大きく変調することができる。しかし、熱光学効果による屈折率の変調速度は低く、例えば数百ｋＨｚを超える高速の変調を実現することができない。

非特許文献４は、電界を印加することによって屈折率が変化する電気光学効果（ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔ）を用いた光位相変調器を開示している。代表的な電気光学効果として、ポッケルス（Ｐｏｃｋｅｌｓ）効果、およびカー（Ｋｅｒｒ）効果が知られている。電界が印加されていないとき、屈折率の変化量はゼロである。ポッケルス効果では、屈折率の変化量は、電気光学材料固有の電気光学定数と、印加された電界の強度との積によって決定される。カー効果では、屈折率の変化量は、電気光学定数と、印加された電界の強度の２乗との積によって決定される。屈折率の変化により、電気光学材料を伝搬する光の位相が変調される。電気光学効果による屈折率の変調速度は高く、例えば数十ＭＨｚ以上の変調を実現することができる。

電気光学効果を用いた光位相変調器では、印加された電界が強いほど、屈折率の変化量は大きい。しかし、印加される電界の強度は、電気光学材料の絶縁破壊電界強度よりも低い強度に制限される。このため、屈折率の変化量は１０^－４程度のオーダーであり、それほど大きくならない。

特許文献１は、電気光学効果を用いた光変調装置を開示している。特許文献１に開示されている装置では、電気光学材料層が電解質層に接している。電気光学材料層および電解質層に外部から電圧を印加すると、電気光学材料層と電解質層との界面付近で、強い電界が発生する。当該電界の強度は、電気光学材料層の絶縁破壊電界強度を超える。そのような強い電界が印加されることにより、電気光学材料層の屈折率を大きく変化させることができる。特許文献１に開示されている装置では、電気光学材料層の屈折率を変化させることにより、電気光学材料層を光が透過する状態と、電気光学材料層で光が反射される状態とを切り替えることができる。この光変調装置は、光スイッチング素子として利用される。電気光学材料層または電解質層を光導波路として利用することは想定されていない。

特許文献２は、エレクトロクロミック効果（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｒｏｍｉｃ ｅｆｆｅｃｔ）を用いた光スイッチを開示している。特許文献２に開示されている光スイッチでは、光導波路が、エレクトロクロミック材料層によって囲まれている。エレクトロクロミック材料層は電解質層に接している。エレクトロクロミック材料層および電解質層に電圧が印加される。これにより、当該エレクトロクロミック材料層内で、酸化還元反応が生じ、エレクトロクロミック材料層の電子構造が変化する。当該電子構造の変化により、エレクトロクロミック材料層の屈折率が変化する。酸化反応または還元反応は、外部から印加される電圧の極性に応じて可逆的に生じる。電圧を印加しなくても、酸化状態または還元状態が保持される。言い換えれば、一旦屈折率を変化させた後は、逆極性の電圧を印加しなければ、屈折率を戻すことはできない。この構造では、屈折率の変化量は１０^－３程度のオーダーである。変調速度は非常に遅く、せいぜい数Ｈｚである。この光スイッチでは、電解質層は、エレクトロクロミック材料層を酸化または還元させるために設けられている。

以上のように、上記のデバイスのいずれにおいても、光導波路を伝搬する光の位相を大きくかつ高速に変調することはできない。

本発明者は、以上の検討に基づき、光導波路を伝搬する光の位相を大きくかつ高速に変調することができる以下の項目に記載の光位相変調器に想到した。

第１の項目に係る光位相変調器は、少なくとも第１の方向に延びた構造を有し、ポッケルス効果またはカー効果によって屈折率が変化する電気光学材料層と、前記電気光学材料層に接し、少なくとも前記第１の方向に延びた構造を有する電解質層と、前記電気光学材料層および前記電解質層に電圧を印加するための第１の電極および第２の電極と、前記電圧を制御して前記電気光学材料層の前記屈折率を変化させることにより、前記電気光学材料層または前記電解質層を前記第１の方向に沿って伝搬する光の位相を変調する制御回路と、を備える。

この光位相変調器では、電気光学材料層と電解質層との界面付近で発生する強電界、および電気光学材料層の速い応答性により、電気光学材料層または電解質層を伝搬する光の位相を大きくかつ高速に変調することができる。

第２の項目に係る光位相変調器は、第１の項目に係る光位相変調器において、前記第１の電極および前記第２の電極の少なくとも一方の幅が、前記電気光学材料層と前記電解質層との界面の幅よりも大きい。

この光位相変調器では、第１の電極と第２の電極と間に発生する電界は、界面に垂直な方向に、より平行になる。これにより、電気光学材料層および電解質層に、有効に電界を印加することができる。

第３の項目に係る光位相変調器は、第１または第２の項目に係る光位相変調器において、前記電解質層の幅が、前記電気光学材料層の幅よりも大きい。

この光位相変調器では、電気光学材料層のうち、電気光学材料層と電解質層と界面を含む表面全体に、電気二重層を形成することができる。

第４の項目に係る光位相変調器は、第１または第２の項目に係る光位相変調器において、前記電気光学材料層の幅が、前記電解質層の幅よりも大きい。

この光位相変調器では、電解質層のうち、電気光学材料層と電解質層と界面を含む表面全体に、電気二重層を形成することができる。

第５の項目に係る光位相変調器は、第１から第４の項目のいずれかに係る光位相変調器において、前記電気光学材料層が、前記電気光学材料層と前記電解質層との界面に垂直な方向に沿って配向した結晶構造を有する。

この光位相変調器では、電気光学材料層の屈折率は、界面に垂直な方向において最も大きく変化する。これにより、当該方向に平行な電界を有する光の位相を大きく変調することができる。

第６の項目に係る光位相変調器は、第１から第５の項目のいずれかに係る光位相変調器において、前記電気光学材料層が、前記電解質層に埋め込まれている。

この光位相変調器では、電気光学材料層および電解質層の上記の配置は、電気光学材料層の幅よりも広い領域に電解質層を堆積することによって容易に実現することができる。

第７の項目に係る光位相変調器は、第１から第６の項目のいずれかに係る光位相変調器において、前記第１の電極および前記第２の電極の少なくとも一方が、透明電極である。

この光位相変調器では、電気光学材料層または電解質層を伝搬する光のエバネッセント光が第１の電極または第２の電極に到達しても、光のロスを無視することができる。

第８の項目に係る光位相変調器は、第１から第７の項目のいずれかに係る光位相変調器において、前記電気光学材料層が、タンタル酸ニオブ酸カリウムから形成されている。

この光位相変調器では、電気光学材料層は、常温付近で高い電気光学効果を示す。

第９の項目に係る光位相変調器は、各々が少なくとも第１の方向に延びた構造を有し、ポッケルス効果またはカー効果によって各々の屈折率が変化する、複数の電気光学材料層と、前記複数の電気光学材料層の各々に接し、少なくとも前記第１の方向に延びた構造を有する電解質層と、各々が、前記複数の電気光学材料層の１つと前記電解質層との界面の少なくとも一部に交差する方向において、前記複数の電気光学材料層の前記１つおよび前記電解質層を直接的または間接的に挟む、複数対の電極と、前記複数対の電極の各々に電圧を印加して前記複数の電気光学材料層の１つの前記屈折率を変化させることにより、前記複数の電気光学材料層の前記１つを前記第１の方向に沿って伝搬する光の位相を変調する制御回路と、を備える。

この光位相変調器では、複数の電気光学材料層を伝搬する光の位相を、別々に、大きくかつ高速に調整することができる。

第１０の項目に係る光位相変調方法は、光位相変調器を用いた光位相変調方法である。前記光位相変調器は、少なくとも第１の方向に延びた構造を有し、ポッケルス効果またはカー効果によって屈折率が変化する電気光学材料層と、前記電気光学材料層に接し、少なくとも前記第１の方向に延びた構造を有する電解質層と、前記電気光学材料層と前記電解質層とに電圧を印加するための第１の電極および第２の電極と、を備える。前記光位相変調方法は、前記電気光学材料層または前記電解質層に、前記第１の方向に沿って光を伝搬させ、前記電圧を制御して前記屈折率を変化させることにより、前記光の位相を変調する。

この光位相変調方法では、電気光学材料層と電解質層との界面付近で発生する強電界、および電気光学材料層の速い応答性により、電気光学材料層または電解質層を伝搬する光の位相を大きくかつ高速に変調することができる。

第１１の項目に係る光位相変調方法は、第１０の項目に係る光位相変調方法において、前記光の位相を変調する期間では、前記光が前記電気光学材料層と前記電解質層との界面で全反射する状態が保たれる。

この光位相変調方法では、電気光学材料層および電解質層のうち、一方を伝搬する光が、他方に移ることはない。

本開示において、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部、またはブロック図における機能ブロックの全部または一部は、例えば、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、またはＬＳＩ（ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む１つまたは複数の電子回路によって実行され得る。ＬＳＩまたはＩＣは、１つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、１つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、もしくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、またはＬＳＩ内部の接合関係の再構成またはＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。

さらに、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部の機能または動作は、ソフトウェア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウェアは１つまたは複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウェアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウェアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システムまたは装置は、ソフトウェアが記録されている１つまたは複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、および必要とされるハードウェアデバイス、例えばインターフェースを備えていてもよい。

本開示において、「光」とは、可視光（波長が約４００ｎｍ～約７００ｎｍ）だけでなく、紫外線（波長が約１０ｎｍ～約４００ｎｍ）および赤外線（波長が約７００ｎｍ～約１ｍｍ）を含む電磁波を意味する。

以下、図面を参照しながら、本開示のより具体的な実施形態を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略することがある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。

（実施形態）
図１Ａおよび図１Ｂは、本開示の例示的な実施形態における光位相変調器１００を模式的に示す図である。以下の説明において、図１Ａおよび図１Ｂに示す互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸からなる座標系を用いる。説明の便宜上、＋Ｚ方向を「上方向」と称し、－Ｚ方向を「下方向」と称する。これらの呼称は、便宜上のものにすぎず、現実に使用される光位相変調器１００の配置または姿勢を限定することを意図するものではない。以下の説明では、Ｘ方向における寸法を「長さ」と称し、Ｙ方向における寸法を「幅」と称し、Ｚ方向における寸法を「厚さ」と称する。

図１Ａは、＋Ｘ方向から見た光位相変調器１００の構造を模式的に示している。図１Ｂは、－Ｙ方向から見た光位相変調器１００の構造を模式的に示している。

光位相変調器１００は、基板１０と、第１の電極２０ａおよび第２の電極２０ｂと、電気光学材料層３０と、電解質層４０と、制御回路５０とを備える。

基板１０は、ＸＹ平面に平行な主面１０ｓを有する。第１の電極２０ａは、基板１０の主面１０ｓ上に位置する。電気光学材料層３０は、第１の電極２０ａ上に位置する。電解質層４０は、電気光学材料層３０上に位置する。第２の電極２０ｂは、電解質層４０上に位置する。すなわち、基板１０、第１の電極２０ａ、電気光学材料層３０、電解質層４０、および第２の電極２０ｂは、この順に積層されている。第１の電極２０ａおよび第２の電極２０ｂを、「一対の電極２０」と称することがある。基板１０と、第１の電極２０ａおよび第２の電極２０ｂと、電気光学材料層３０と、電解質層４０とは、少なくともＸ方向に延びた構造を有する。

以下に、各構成要素をより具体的に説明する。

基板１０は、一対の電極２０、電気光学材料層３０、および電解質層４０を支持する。基板１０は、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）、およびα－アルミナ（α－Ａｌ_２Ｏ_３）からなる群から選択される少なくとも１つから形成され得る。基板１０は、不要であれば省略してもよい。

一対の電極２０は、Ｚ方向において、電気光学材料層３０および電解質層４０を直接的または間接的に挟む。「直接的に挟む」とは、第１の電極２０ａと電気光学材料層３０とが接し、第２の電極２０ｂと電解質層４０とが接することを意味する。「間接的に挟む」とは、第１の電極２０ａと電気光学材料層３０との間、および／または、第２の電極２０ｂと電解質層４０との間に他の部材が位置することを意味する。当該他の部材は、誘電体部材であってもよいし、空気などの気体であってもよし、水などの液体であってもよい。本明細書では、Ｘ方向を「第１の方向」と称し、Ｙ方向を「第２の方向」と称し、Ｚ方向を「第３の方向」と称することがある。

一対の電極２０の各々は、ＸＹ平面に平行な面を有する。一対の電極２０には、直流電圧が印加される。これにより、電気光学材料層３０および電解質層４０に、電界が印加される。直流電圧は、直流パルス電圧であってもよい。直流パルス電圧の電圧値の時間平均を直流電圧の値として扱ってもよい。直流パルス電圧のデューティ比を変えることにより、電圧の時間平均値を調整することができる。一対の電極２０の各々は、金属電極であってもよいし、透明電極であってもよい。第１の電極２０ａは、例えば、ＬａドープＳｒＳｎＯ_３（ＬＳＳＯ）、およびＡドープＳｒ_ｘＢａ_１－ｘＳｎＯ_３（Ａ＝Ｌａ、Ｔａ、またはＮｂ）からなる群から選択された少なくとも１つから形成された透明電極であり得る。第１の電極２０ａの厚さは、例えば１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり得る。第２の電極２０ｂは、例えば、ＳｎＯ_２ドープＩｎ_２Ｏ_３（ＩＴＯ）、ＦドープＳｎＯ_２（ＦＴＯ）、およびＳｂドープＴｉＯ_２（ＡＴＯ）からなる群から選択された少なくとも１つから形成された透明電極であり得る。第２の電極２０ｂの厚さは、例えば１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり得る。

電気光学材料層３０は、図１Ｂに示すように、全反射によって光３２をＸ方向に沿って伝搬させる光導波層として機能する。図１Ａに示す楕円は、光３２の強度が当該楕円内で高いことを表している。電気光学材料層３０の屈折率は、光位相変調器１００の周辺の媒質の屈折率、ならびに基板１０および電解質層４０のそれぞれの屈折率よりも高い。第１の電極２０ａが透明電極である場合、電気光学材料層３０の屈折率は、第１の電極２０ａの屈折率よりも高い。第１の電極２０ａの屈折率は、基板１０の屈折率よりも高い。これにより、基板１０は光導波層として機能しない。第１の電極２０ａが透明電極である場合、光３２のロスは無視できる。

電気光学材料層３０の屈折率は、ポッケルス効果またはカー効果により、印加された電界の強度に応じて変化する。印加された電界が強いほど、電気光学材料層３０の屈折率の変化量が大きくなる。電界を印加しないときは、当該変化量はゼロになる。この点で、本実施形態の装置は、前述のエレクトロクロミック効果を利用した装置とは異なる。本実施形態によれば、電圧が印加されているときだけ屈折率が初期値から変化するので、光位相変調器１００のオンおよびオフが容易である。電界印加による電気光学材料層３０の屈折率の変化により、電気光学材料層３０内を伝搬する光３２の位相を変調することができる。電気光学効果の速い応答性により、位相の変調速度は高く、例えば数十ＭＨｚ以上にすることができる。

光３２の空気中での波長をλ、電界が印加されていないときの電気光学材料層３０の屈折率をｎ_０、電界の印加による電気光学材料層３０の屈折率の変化量をΔｎ、電気光学材料層３０の長さをＬ、電気光学材料層３０を伝搬する前の光３２の位相をφ＝０とする。このとき、電気光学材料層３０を伝搬した後の光３２の位相は、φ＝（２π／λ）（ｎ_０＋Δｎ）Ｌである。このうち、電界の印加による光３２の位相の変化量は、Δφ＝（２π／λ）ΔｎＬである。

前述のように、第１の電極２０ａおよび第２の電極２０ｂの各々は、透明電極であってもよいし、金属電極であってもよい。第１の電極２０ａが透明電極である場合、光３２のロスは無視できる。電解質層４０の厚さが十分に大きい場合、光３２のエバネッセント光は、第２の電極２０ｂまで達しない。したがって、電解質層４０の厚さが十分に大きい場合は、第２の電極２０ｂが金属電極であっても、光３２のロスは無視できる。

電気光学材料層３０は、バルクから形成されていてもよいし、薄膜から形成されていてもよい。薄膜の厚さは、例えば０．１μｍ以上１０μｍ以下であり得る。薄膜のコストは、バルクのコストよりも低い。ポッケルス効果を用いる場合、電気光学材料層３０は、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、リン酸二水素カリウム（ＫＨ_２ＰＯ_４）、およびリン酸二水素アンモニウム（ＮＨ_４Ｈ_２ＰＯ_４）からなる群から選択される少なくとも１つから形成され得る。カー効果を用いる場合、電気光学材料層３０は、例えば、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、チタン酸カリウム（ＫＴａＯ_３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ_１－ｘＬａ_ｘ）（Ｚｒ_ｙＴｉ_１－ｙ）_{１－ｘ／４}Ｏ_３：ＰＬＺＴ）、およびタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ_１－ｘＮｂ_ｘＯ_３：ＫＴＮ）からなる群から選択される少なくとも１つから形成され得る。この中でも、ＫＴＮは、ＮｂとＴａとの組成比を適切な比に設定することにより、常温付近で高い電気光学効果を示す。ＫＴＮは、光通信に用いられる光の波長１５５０ｎｍで透明である。したがって、ＫＴＮの光デバイスへの応用が期待されている。

電解質層４０は、電気光学材料層３０の少なくとも一部に接している。電解質層４０は、少なくともＸ方向に延びた構造を有する。電解質層４０は、イオン伝導体から形成されている。イオン伝導体では、正イオンおよび負イオンの少なくとも一方が、外部からの電界の印加によって移動する。電解質層４０は、典型的には固体電解質層である。固体電解質層は、その組成に応じて、１０^－８Ｓ／ｃｍから１０^－２Ｓ／ｃｍ程度のオーダーのイオン伝導度を有し得る。電解質層４０の厚さは、例えば５００ｎｍ以上２．５μｍ以下であり得る。電解質層４０の厚さが５００ｎｍよりも薄いと、光３２のエバネッセント光が、第２の電極２０ｂに達する可能性がある。電解質層４０の厚さが２．５μｍよりも厚いと、電解質層４０の内部抵抗の増加により、電気光学材料層３０および電解質層４０に印加された電界の強度が減少する可能性がある。電解質層４０は、例えば、薄膜化が容易であるリン酸リチウムオキシナイトライド（Ｌｉ_３ＰＯ_４－ｙＮ_ｙ：ＬｉＰＯＮ）から形成され得る。ＬｉＰＯＮのイオン伝導度は、１０^－６Ｓ／ｃｍ程度のオーダーである。

制御回路５０は、一対の電極２０に直流電圧を印加する。図１Ａに示す矢印付きの破線は、制御回路５０から一対の電極２０に信号が入力されることを表している。制御回路５０は、一対の電極２０に電圧を印加して電気光学材料層３０の屈折率を変化させることにより、電気光学材料層３０をＸ方向に沿って伝搬する光３２の位相を変調する。光３２の位相を変調する期間において、光３２が界面３５で全反射する状態が保たれる。すなわち、光位相変調器１００では、電気光学材料層３０の屈折率を変化させても、電気光学材料層３０の屈折率と、電解質層４０の屈折率との大小関係は、逆転しない。したがって、電気光学材料層３０および電解質層４０のうち、一方を伝搬する光が、他方に移ることはない。

制御回路５０は、例えばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などのプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、または中央演算処理装置（ＣＰＵ）もしくは画像処理用演算プロセッサ（ＧＰＵ）とコンピュータプログラムとの組み合わせによって実現されてもよい。なお、以下の図では、制御回路５０を省略することがある。

図２Ａは、一対の電極２０に電圧を印加したときの、一対の電極２０、電気光学材料層３０、および電解質層４０内の電荷分布を模式的に示す図である。図２Ａの上段は、図１に示す光位相変調器１００を表している。図２Ａの下段は、上段に示す太線によって囲まれた領域における電荷分布の例を模式的に表している。第２の電極２０ｂの電位が第１の電極２０ａの電位よりも高い場合、一対の電極２０間には、下向きの電界が発生する。図２の下段は、このときの第１の電極２０ａ内の負の電荷（－）、第２の電極２０ｂ内の正の電荷（＋）、電気光学材料層３０内の分極（＋－）、ならびに電解質層４０内の正イオン（＋）および負イオン（－）の分布を模式的に表している。

第１の電極２０ａに含まれる負の電荷は、電気光学材料層３０の側に分布する。第２の電極２０ｂに含まれる正の電荷は、電解質層４０の側に分布する。一対の電極２０の間に発生する下方向の電界により、電解質層４０に含まれるイオンのうち、正イオンは、電気光学材料層３０の側に移動し、負イオンは、第２の電極２０ｂの側に移動する。電気光学材料層３０内では、正の電荷および負の電荷を一対とする分極が発生する。電解質層４０内の正イオンおよび負イオンの移動に起因して、電気光学材料層３０と電解質層４０との界面３５には、破線によって囲まれた電気二重層が形成される。同様に、電解質層４０と第２の電極２０ｂとの界面にも、破線によって囲まれた電気二重層が形成される。電気二重層は、キャパシタとして機能する。

次に、図２Ｂおよび図２Ｃを参照して、電気光学材料層３０、および電解質層４０内に生じる電位および電界の強度を説明する。ただし、電気光学材料層３０は、キャリア注入されたＫＴＮから形成されているとする。

図２Ｂは、一対の電極２０間での、第１の電極２０ａの上面からＺ方向に沿った距離Ｚと、電位Ｖとの関係を模式的に示す図である。Ｚ＝０は、第１の電極２０ａの上面の位置を表している。Ｚ＝Ｚ_１は、電気光学材料層３０と電解質層４０との界面３５の位置を表している。Ｚ＝Ｚ_２は、第２の電極２０ｂの下面の位置を表している。Ｖ_１は、第１の電極２０ａの電位を表し、Ｖ_２は、第２の電極２０ｂの電位を表している。Ｚ＝Ｚ_１付近およびＺ＝Ｚ_２付近では、電気二重層の形成により、電位Ｖが、距離Ｚの増加に伴い急峻に増加する。電気光学材料層３０のうち、Ｚ＝Ｚ_１から離れた部分では、電位Ｖは、上記のキャリア注入に起因して、距離Ｚの増加に伴いほぼ放物線的に増加する。電解質層４０のうち、Ｚ＝Ｚ_１およびＺ＝Ｚ_２から離れた部分では、電位Ｖはほぼ一定である。

図２Ｃは、一対の電極２０間での、第１の電極２０ａの上面からＺ方向に沿った距離Ｚと、電界の強度Ｅとの関係を模式的に示す図である。図２Ｃに示す電界の強度Ｅは、図２Ｂに示す電位Ｖの勾配の絶対値に相当する。電気光学材料層３０のうち、Ｚ＝Ｚ_１から離れた部分では、電界の強度Ｅは、距離Ｚの増加に伴い、ほぼ直線的に増加する。電気光学材料層３０のうち、Ｚ＝Ｚ_１付近の部分では、電界の強度Ｅは、最大になる（Ｅ＝Ｅ_ｍ）。電解質層４０のうち、Ｚ＝Ｚ_１付近の部分では、電界の強度Ｅは、距離Ｚの増加に伴い急峻に減少する。電解質層４０のうち、Ｚ＝Ｚ_１およびＺ＝Ｚ_２から離れた部分では、電界の強度Ｅはほぼゼロである（Ｅ＝０）。電解質層４０のうち、Ｚ＝Ｚ_２付近の部分では、電界の強度Ｅは、距離Ｚの増加に伴い急峻に増加する。

図２Ｃに示すように、電気光学材料層３０のうち、界面３５付近の部分では、Ｅ_ｍの強度を有する強い電界が発生する。当該電界の強度が局所的に絶縁破壊電界の強度を超えていても、電気光学材料層３０は破壊されない。絶縁破壊電界の制限がないことから、電気光学材料層３０のうち、界面３５付近の部分の屈折率の変化量は、例えば１０^－２以上のオーダーになることが期待できる。当該屈折率の変化量は、電解質層４０がない場合と比較して大きい。一方、界面３５付近から離れた部分の屈折率の変化量は平均して１０^－３程度のオーダーである。このように、電気光学材料層３０の屈折率の変化量は、場所によって異なる。簡単のために、電気光学材料層３０の屈折率の変化量の空間での平均値を、電気光学材料層３０の屈折率の変化量Δｎとしてもよい。

以上の構成により、光位相変調器１００では、速い応答性の電気光学効果を用いて、電気光学材料層３０を伝搬する光３２の位相を大きくかつ高速に変調することができる。

本実施形態における電気光学材料層３０と電解質層４０との界面３５は平坦である。界面３５は必ずしも厳密に平坦でなくてもよく、多少の傾斜または凹部もしくは凸部を有する部分が存在していてもよい。しかし、界面３５が全体にわたって凹部または凸部を有する場合、凹部または凸部で発生する電界が弱め合い、界面３５付近には、強い電界が集中しない可能性がある。その場合、電気光学材料層３０のうち、界面３５付近の部分の屈折率の変化量が小さくなる可能性がある。また、界面３５の凹部または凸部による光３２の散乱により、光３２のロスが生じ得る。これに対し、界面３５が平坦である場合、界面３５付近には、Ｚ方向に強い電界が集中する。これにより、電気光学材料層３０の界面３５付近の部分の屈折率の変化量を大きくできる。また、平坦な界面３５により、光３２のロスが抑制される。

電気光学材料層３０の屈折率の変化量は、テンソルによって記述される。したがって、印加された電界の方向に応じて、電気光学材料層３０の屈折率は、複数の方向において変化し得る。電気光学材料層３０の屈折率の変化量は、当該複数の方向に応じて異なる。図１Ａおよび図１Ｂに示す例において、Ｚ方向に沿って配向した結晶構造を有する電気光学材料層３０に、電界をＺ方向に印加すると、電気光学材料層３０の屈折率は、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向において変化する。電気光学材料層３０の屈折率の変化量は、Ｚ方向において最大になる。これにより、ＴＭ（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ）モードでの光３２の位相を大きく変調することができる。ＴＭモードでの光３２は、Ｚ方向に平行な電界を有する。

上記の例では、電気光学材料層３０が光導波層として機能する。電気光学材料層３０の代わりに、電解質層４０が光導波層として機能するように光位相変調器１００を構成してもよい。

図３Ａおよび図３Ｂは、電解質層４０が光導波層として機能する光位相変調器１００の例を模式的に示す図である。図３Ａは、＋Ｘ方向から見た光位相変調器１００の構造を模式的に示している。図３Ｂは、－Ｙ方向から見た光位相変調器１００の構造を模式的に示している。

この例における電解質層４０は、図３Ｂに示すように、全反射によって光４２をＸ方向に沿って伝搬させる光導波層として機能する。図３Ａに示す実線の楕円は、光４２の強度が当該実線の楕円内で高いことを表している。図３Ａに示す破線の楕円は、光４２が有するエバネッセント光４４の広がりを表している。電解質層４０の屈折率は、光位相変調器１００の周辺の屈折率、および電気光学材料層３０の屈折率よりも高い。第２の電極２０ｂが透明電極である場合、電気光学材料層３０の屈折率は、第２の電極２０ｂの屈折率よりも高い。第２の電極２０ｂが透明電極である場合、光４２のロスは無視できる。

エバネッセント光４４の一部は、電気光学材料層３０に染み出す。したがって、一対の電極２０に電圧を印加して電気光学材料層３０の屈折率を変化させることにより、エバネッセント光４４の一部を介して、光４２の位相を変調することができる。第１の電極２０ａは、透明電極であってもよいし、金属電極であってもよい。電気光学材料層３０の厚さが十分厚ければ、光４２のエバネッセント光４４は、第１の電極２０ａまで達しない。したがって、第１の電極２０ａが金属電極であっても、光４２のロスは無視できる。

電気光学材料層３０および／または電解質層４０が、所定値以上の幅および厚さを有するとき、導波モードが存在する。これにより、電気光学材料層３０および／または電解質層４０は、光導波層として機能する。電気光学材料層３０および電解質層４０の各々の幅および厚さは、電気光学材料層３０および電解質層４０の少なくとも一方がＸ方向に沿って光３２または光４２を伝搬させる光導波層を形成する値に設定されている。

図１Ａおよび図１Ｂに示す例では、基板１０と、一対の電極２０と、電気光学材料層３０と、電解質層４０とは、Ｘ方向に延びた構造を有する。すなわち、電気光学材料層３０および／または電解質層４０は、チャネル光導波路として機能する。基板１０と、一対の電極２０と、電気光学材料層３０と、電解質層４０とは、Ｘ方向だけでなく、Ｙ方向にも延びた構造を有していてもよい。すなわち、電気光学材料層３０および／または電解質層４０は、平板光導波路として機能してもよい。

（変形例）
以下に、光位相変調器１００の変形例を説明する。

図４は、第１の変形例における光位相変調器１１０を模式的に示す図である。図４に示す例では、電気光学材料層３０は、電解質層４０に埋め込まれている。電解質層４０は、電気光学材料層３０の上面および両側面に接する部分を有する。このとき、電気光学材料層３０および電解質層４０は、ＸＹ平面に平行な第１の界面３５ａ、ならびにＸＺ平面に平行な第２の界面３５ｂおよび第３の界面３５ｃを有する。一対の電極２０は、電気光学材料層３０および電解質層４０を直接的または間接的に挟む。光３２が電気光学材料層３０内を全反射によってＸ方向に伝搬する場合、電気光学材料層３０の屈折率は、電解質層４０の屈折率よりも高い。

図４に示す電気光学材料層３０および電解質層４０の配置は、電気光学材料層３０の幅よりも広い領域に電解質層４０を堆積することによって容易に実現することができる。また、電界をＹ方向に印加することにより、第２の界面３５ｂおよび第３の界面３５ｃ付近に、強い電界を発生させることができる。

図５は、第２の変形例における光位相変調器１２０を模式的に示す図である。図５に示す例では、電気光学材料層３０の代わりに、第１の電気光学材料層３０ａ、第２の電気光学材料層３０ｂ、および第３の電気光学材料層３０ｃが位置している。第１の電気光学材料層３０ａ、第２の電気光学材料層３０ｂ、および第３の電気光学材料層３０ｃの各々の屈折率は、電解質層４０の屈折率よりも高い。図５に示す例では、図４に示す第２の電極２０ｂの代わりに、第３の電極２０ｂａ、第４の電極２０ｂｂ、および第５の電極２０ｂｃが位置している。第３の電極２０ｂａ、第４の電極２０ｂｂ、および第５の電極２０ｂｃには、それぞれ、直流電圧が印加される。第３の電極２０ｂａ、第４の電極２０ｂｂ、および第５の電極２０ｂｃの各々と、対向する第１の電極２０ａの一部とを、一対の電極と考えることができる。

図５に示す例では、第３の電極２０ｂａ、第４の電極２０ｂｂ、および第５の電極２０ｂｃにより、第１の電気光学材料層３０ａ、第２の電気光学材料層３０ｂ、および第３の電気光学材料層３０ｃの屈折率をそれぞれ別々に変化させることができる。これにより、第１の電気光学材料層３０ａ、第２の電気光学材料層３０ｂ、および第３の電気光学材料層３０ｃをそれぞれ伝搬する第１の光３２ａ、第２の光３２ｂ、および第３の光３２ｃの位相を別々に調整することができる。

以上のように、本変形例における光位相変調器１２０は、複数の電気光学材料層と、電解質層４０と、複数対の電極と、制御回路５０とを備える。複数の電気光学材料層の各々は、少なくともＸ方向に延びた構造を有する。複数の電気光学材料層の各々の屈折率は、ポッケルス効果またはカー効果によって変化する。電解質層４０は、複数の電気光学材料層の各々の少なくとも一部に接する。電解質層４０は、少なくともＸ方向に延びた構造を有する。複数対の電極の各々は、複数の電気光学材料層の１つと、電解質層４０との界面に交差する方向において、電気光学材料層の当該１つおよび電解質層４０を直接的または間接的に挟む。複数の電気光学材料層の各々の幅および厚さは、Ｘ方向に沿って光を伝搬させる光導波層を形成する値に設定されている。制御回路５０は、複数の電極の各々に電圧を印加して複数の電気光学材料層の１つの屈折率を変化させることにより、複数の電気光学材料層の当該１つを伝搬する光の位相を変調する。

図６Ａから図６Ｇは、それぞれ第３から第９の変形例における光位相変調器１３０ａから光位相変調器１３０ｇを模式的に示す図である。光位相変調器１３０ａから光位相変調器１３０ｇのうち、光位相変調器１３０ｅ以外は、図１Ａに示す構成要素に加えて、誘電体部材６０をさらに備える。図６Ａから図６Ｃに示す例では、電気光学材料層３０が光導波層として機能する。図６Ｄから図６Ｇに示す例では、電解質層４０が光導波層として機能する。

図６Ａから図６Ｆに示す例では、一対の電極２０の少なくとも一方が、界面３５の幅以上である。一対の電極２０間に発生する電界は、よりＺ方向に平行になる。これにより、Ｚ方向から見たとき、電気光学材料層３０のうち、界面３５に重なる部分全体、および、電解質層４０のうち、界面３５に重なる部分全体に、有効に電界を印加することができる。その結果、電気光学材料層３０の屈折率の変化量は大きくなる。図６Ａおよび図６Ｄに示すように、一対の電極２０の両方が、界面３５の幅以上であるとき、上記の部分全体に、より有効に電界を印加することができる。図６Ａに示す例では、一対の電極２０の両方が、電気光学材料層３０の幅以上である。図６Ｂに示す例では、第１の電極２０ａが、電気光学材料層３０の幅以上である。図６Ｃに示す例では、第２の電極２０ｂが、電気光学材料層３０の幅以上である。図６Ｄに示す例では、一対の電極２０の両方が、電解質層４０の幅以上である。図６Ｅに示す例では、第１の電極２０ａが、電解質層４０の幅以上である。図６Ｆに示す例では、第２の電極２０ｂが、電解質層４０の幅以上である。

図６Ａから図６Ｇに示す例では、電気光学材料層３０および電解質層４０の一方の幅が、他方の幅以上である。図６Ａから図６Ｃに示す例では、電解質層４０の幅が、電気光学材料層３０の幅以上である。図６Ｄから図６Ｇに示す例では、電気光学材料層３０の幅が、電解質層４０の幅以上である。すなわち、電気光学材料層３０および電解質層４０のうち、光導波層として機能しない方の幅が、光導波層として機能する方の幅以上に設定されている。これにより、図６Ａから図６Ｇに示す例では、光導波層として機能する方のうち、界面３５を含む表面全体に、電気二重層が形成される。図１Ａおよび図３Ａに示す例では、電気光学材料層３０の幅と、電解質層４０の幅とを等しく設計したとしても、実際には、光導波層として機能しない方の幅が、光導波層として機能する方の幅よりも狭くなり得る。このため、光導波層として機能する方のうち、界面３５を含む表面の両端には、電気二重層が形成されない可能性がある。この場合、当該両端付近では、屈折率を大きく変調することができない可能性がある。図６Ａから図６Ｇに示す例では、そのような可能性はない。

図６Ａおよび図６Ｂに示す例では、誘電体部材６０は、電気光学材料層３０の両側に位置する。図６Ｃに示す例では、誘電体部材６０は、第１の電極２０ａの両側および電気光学材料層３０の両側に位置する。図６Ａから図６Ｃに示す誘電体部材６０により、電解質層４０の幅を電気光学材料層３０の幅以上に積層することができる。図６Ａから図６Ｃに示す例では、誘電体部材６０の屈折率は、電気光学材料層３０の屈折率よりも低い。

図６Ｄに示す例では、誘電体部材６０は、電解質層４０の両側に位置する。図６Ｆに示す例では、誘電体部材６０は、第１の電極２０ａの両側、および電解質層４０の両側に位置する。図６Ｇに示す例では、誘電体部材６０は、第１の電極２０ａの両側に位置する。図６Ｄおよび図６Ｆに示す、電解質層４０の両側に位置する誘電体部材６０により、第２の電極２０ｂの幅を、電解質層４０の幅以上にすることができる。図６Ｆおよび図６Ｇに示す、第１の電極２０ａの両側に位置する誘電体部材６０により、電気光学材料層３０の幅を、電解質層４０の幅以上にすることができる。図６Ｄから図６Ｇに示す例では、誘電体部材６０の屈折率は、電解質層４０の屈折率よりも低い。なお、図６Ｆおよび図６Ｇに示す、第１の電極２０ａの両側に位置する誘電体部材６０の屈折率は、電解質層４０の屈折率よりも低い必要はなく、電解質層４０の屈折率以上であってもよい。

（製造方法）
以下に、光位相変調器１００の製造方法を説明する。

図７は、光位相変調器１００の製造工程を示すフローチャートである。光位相変調器１００の製造方法は、以下のステップＳ１０１からステップＳ１０４を含む。

ステップＳ１０１において、ＭｇＯ（１００）単結晶から形成されたＭｇＯ基板が用意される。ＭｇＯ基板は、図１Ａおよび図１Ｂに示す基板１０に相当する。

ステップＳ１０２において、ＭｇＯ基板の主面上に、ＬＳＳＯ層およびＫＴＮ層が、この順に、エピタキシャル成長によって形成される。ＬＳＳＯ層は、図１Ａおよび図１Ｂに示す第１の電極２０ａに相当する。ＬＳＳＯ層は、電気伝導性を示す。ＬＳＳＯ層は、［１００］方向に配向している。ＬＳＳＯ層の厚さは、２００ｎｍである。ＫＴＮ層は、図１Ａおよび図１Ｂに示す電気光学材料層３０に相当する。ＫＴＮ層の厚さは５００ｎｍである。

ＬＳＳＯ層およびＫＴＮ層の形成には、パルスレーザ堆積（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＬＤ）が用いられる。真空チャンバ内に、ＭｇＯ基板と、ＬＳＳＯから形成されたターゲットとが対向して配置される。対向距離は４０ｍｍである。真空チャンバ内を真空排気した後Ｏ_２ガスを注入することにより、真空チャンバ内の圧力が１０Ｐａになる。ＭｇＯ基板は７００℃に加熱される。ＬＳＳＯから形成されたターゲットは、エキシマレーザで照射される。これにより、ＭｇＯ基板の主面１０ｓ上に、ＬＳＳＯ層が堆積される。同様の手法により、ＬＳＳＯ層が主面１０ｓ上に形成されたＭｇＯ基板が７００℃に加熱され、ＫＴＮから形成されたターゲットがエキシマレーザで照射される。これにより、ＬＳＳＯ層上に、ＫＴＮ層が堆積される。冷却後、ＬＳＳＯ層およびＫＴＮ層を含むＭｇＯ基板が、真空チャンバから取り出される。

ステップＳ１０３において、ＫＴＮ層上に、ＬｉＰＯＮ層が形成される。ＬｉＰＯＮ層は、図１Ａおよび図１Ｂに示す電解質層４０に相当する。ＬｉＰＯＮ層の厚さは、６００ｎｍである。ＬｉＰＯＮ層の形成には、スパッタ法が用いられる。高周波スパッタ装置の真空チャンバ内に、ＬＳＳＯ層およびＫＴＮ層を含むＭｇＯ基板と、ＬｉＰＯＮから形成されたターゲットが対向して配置される。対向距離は４５ｍｍである。真空チャンバ内を真空排気した後Ａｒ／Ｏ_２（７：３）ガスを注入することにより、真空チャンバ内の圧力が１．５Ｐａになる。ＲＦパワー５０Ｗで１時間スパッタリングすることにより、ＬｉＰＯＮ層が、ＫＴＮ層上に堆積される。

ステップＳ１０４において、ＬｉＰＯＮ層上に、１０ｗｔ％ＳｎＯ_２ドープＩｎ_２Ｏ_３から形成されたＩＴＯ層が形成される。ＩＴＯ層は、図１Ａおよび図１Ｂに示す第２の電極２０ｂに相当する。第２の電極２０ｂの厚さは、１００ｎｍである。ＩＴＯ層の形成には、上記と同様のスパッタ法が用いられる。

ＬＳＳＯ層、ＫＴＮ層、およびＬｉＰＯＮ層の屈折率は、それぞれ、２．０、２．２および１．７程度である。したがって、一番高い屈折率のＫＴＮ層が、光導波層として機能する。一対の電極２０に電圧を印加することにより、ＫＴＮ層の屈折率を、約２．０から約２．２の範囲内で変化させることができる。これにより、ＫＴＮ層を伝搬する光３２の位相を変調することができる。

ステップＳ１０１からステップＳ１０４によって製造された積層構造は、フォトリソグラフィおよびドライエッチングにより、任意の形状にパターニングすることができる。上記のＫＴＮ層において、空気中での波長が１５５０ｎｍである０次のＴＭモードが存在するために、当該積層構造の幅は、例えば１μｍに設計される。当該積層構造は、後述するマッハ・ツェンダー（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ）型の光スイッチングデバイス、または光フェーズドアレイにパターニングしてもよい。

（応用例）
本実施形態における光位相変調器１００では、制御回路５０は、一対の電極２０に印加される直流電圧の値を変化させることにより、電気光学材料層３０の屈折率を変化させる。これにより、電気光学材料層３０内を伝搬する光３２の位相が変調される。以下に、光３２の位相変調を利用した応用例を説明する。

本実施形態における光位相変調器１００は、例えば、マッハ・ツェンダー型の光スイッチングデバイスに適用することができる。図８は、マッハ・ツェンダー型の光スイッチングデバイス２００の例を模式的に示す平面図である。光スイッチングデバイス２００は、入力導波路２００ａ、分岐された２つの光導波路２００ｂ、および出力導波路２００ｃを備える。分岐された２つの光導波路２００ｂは、入力導波路２００ａと出力導波路２００ｃとの間に位置する。図８に示す例では、入力導波路２００ａ側の分岐点Ａ、および出力導波路２００ｃ側の分岐点Ｂでの光の反射は考慮されない。分岐された２つの光導波路２００ｂのうち、一方の光導波路は、本実施形態における光位相変調器１００を含む。

当該一方の光導波路内を伝搬する光の位相は、他方の光導波路内を伝搬する光の位相と比較して、Δφ＝（２π／λ）ΔｎＬだけシフトする。光位相変調器１００における一対の電極２０に印加する直流電圧の値が０Ｖのとき、Δφ＝０である。このとき、分岐された２つの光導波路２００ｂからそれぞれ出力された光の位相は、同位相である。このため、同位相の２つの光が出力導波路２００ｃに入力すると、当該２つの光は重なり合う。したがって、出力導波路２００ｃから出力された光の強度Ｉ_ｏｕｔは、入力導波路２００ａに入力された光の強度Ｉ_ｉｎに等しい。

一方、光位相変調器１００における一対の電極２０に印加する直流電圧の値を調整することにより、Δφ＝πにすることができる。このとき、分岐された２つの光導波路２００ｂからそれぞれ出力された光の位相は、逆位相になる。このため、逆位相の２つの光が出力導波路２００ｃに入力すると、当該２つの光は打ち消しあう。したがって、出力導波路２００ｃから出力された光の強度Ｉ_ｏｕｔは０になる。

以上のように、光位相変調器１００における一対の電極２０に印加する直流電圧を変化させることにより、光スイッチングデバイス２００の出力導波路２００ｃから出力された光の強度Ｉ_ｏｕｔを、Ｉ_ｉｎから０まで連続的に調整することができる。屈折率を大きくかつ高速に変調することができる光位相変調器１００により、光スイッチングデバイス２００の小型化、および光スイッチングデバイス２００から出力された光の強度変調の高速化が可能になる。

また、本実施形態における光位相変調器１００は、例えば、光フェーズドアレイ３００に適用することができる。図９Ａおよび図９Ｂは、光フェーズドアレイ３００の例を模式的に示す図である。光フェーズドアレイ３００は、Ｙ方向に配列された複数の光導波路３００ｗを備える。複数の光導波路３００ｗの各々は、本実施形態における光位相変調器１００を含む。複数の光導波路３００ｗからそれぞれ出力された複数の光は、互いに干渉する。これにより、光フェーズドアレイ３００から出力された干渉光は、特定の方向に伝搬する。図９Ａおよび図９Ｂに示す例において、破線は、複数の光導波路３００ｗからそれぞれ出力された複数の光の波面を表している。実線は、光フェーズドアレイ３００から出力された干渉光の波面を表している。図９Ａおよび図９Ｂに示す例において、複数の光導波路３００ｗは、等間隔で配列されているが、異なる間隔で配列されていてもよい。

図９Ａに示す例では、光位相変調器１００における一対の電極２０に印加する直流電圧の値が０Ｖのとき、複数の光導波路３００ｗから出力される光の位相は、同位相である。したがって、光フェーズドアレイ３００から出力された干渉光は、複数の光導波路３００ｗが延びるＸ方向と同じ方向に伝搬する。

図９Ｂに示す例では、光位相変調器１００における一対の電極２０に印加する直流電圧の値を調整することにより、複数の光導波路３００ｗから出力される光の位相は、Ｙ方向に沿ってΔφずつ増加する。したがって、光フェーズドアレイ３００から出力された干渉光は、複数の光導波路３００ｗが延びるＸ方向とは異なる方向に伝搬する。

以上のように、光位相変調器１００における一対の電極２０に印加する直流電圧を変化させることにより、光フェーズドアレイ３００から出力された干渉光の伝搬方向を調整することができる。すなわち、光ビームスキャンが可能になる。さらに、光フェーズドアレイ３００は、特定の方向から入射する光を検出することも可能である。図９Ａおよび図９Ｂに示す例では、光フェーズドアレイ３００は、矢印とは逆の方向から入射した光を検出することができる。屈折率を大きくかつ高速に変調することができる光位相変調器１００により、光フェーズドアレイ３００の小型化、ならびに、光フェーズドアレイ３００における光スキャンの高速化および広角度化が可能になる。

光フェーズドアレイ３００は、例えば、ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）システムなどの光スキャンシステムおよび／または光検出システムにおけるアンテナとして用いられ得る。ＬｉＤＡＲシステムでは、ミリ波などの電波を用いたレーダシステムと比較して、可視光、赤外線、または紫外線などの短波長の電磁波が用いられる。このため、物体の距離分布を高い分解能でスキャンおよび検出することができる。そのようなＬｉＤＡＲシステムは、例えば自動車、ＵＡＶ（Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ、所謂ドローン）、またはＡＧＶ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの移動体に搭載され、衝突回避技術の１つとして使用され得る。

本開示の実施形態における光デバイスは、例えば、マッハ・ツェンダー型の光スイッチングデバイス、または自動車、ＵＡＶ、もしくはＡＧＶなどの車両に搭載されるＬｉＤＡＲシステムの用途に利用できる。

１０ ：基板
１０ｓ ：主面
２０ ：電極
２０ａ ：第１の電極
２０ｂ ：第２の電極
２０ｂａ ：第３の電極
２０ｂｂ ：第４の電極
２０ｂｃ ：第５の電極
３０ ：電気光学材料層
３０ａ ：第１の電気光学材料層
３０ｂ ：第２の電気光学材料層
３０ｃ ：第３の電気光学材料層
３２ ：光
３２ａ ：第１の光
３２ｂ ：第２の光
３２ｃ ：第３の光
３５ ：界面
３５ａ ：第１の界面
３５ｂ ：第２の界面
３５ｃ ：第３の界面
４０ ：電解質層
４２ ：光
４４ ：エバネッセント光
５０ ：制御回路
６０ ：誘電体部材
１００、１１０、１２０：光位相変調器
１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ、１３０ｅ、１３０ｆ、１３０ｇ：光位相変調器
２００ ：光スイッチングデバイス
２００ａ ：入力導波路
２００ｂ ：光導波路
２００ｃ ：出力導波路
３００ ：光フェーズドアレイ
３００ｗ ：光導波路

Claims (11)

1. 少なくとも第１の方向に延びた構造を有し、ポッケルス効果またはカー効果によって屈折率が変化する電気光学材料層と、
   前記電気光学材料層に接し、少なくとも前記第１の方向に延びた構造を有する電解質層と、
   前記電気光学材料層および前記電解質層に電圧を印加するための第１の電極および第２の電極と、
   前記電圧を制御して前記電気光学材料層の前記屈折率を変化させることにより、前記電気光学材料層または前記電解質層を前記第１の方向に沿って伝搬する光の位相を変調する制御回路と、
   を備える、
   光位相変調器。
2. 前記第１の電極および前記第２の電極の少なくとも一方の幅は、前記電気光学材料層と前記電解質層との界面の幅よりも大きい、
   請求項１に記載の光位相変調器。
3. 前記電解質層の幅は、前記電気光学材料層の幅よりも大きい、
   請求項１または２に記載の光位相変調器。
4. 前記電気光学材料層の幅は、前記電解質層の幅よりも大きい、
   請求項１または２に記載の光位相変調器。
5. 前記電気光学材料層は、前記電気光学材料層と前記電解質層との界面に垂直な方向に沿って配向した結晶構造を有する、
   請求項１から４のいずれかに記載の光位相変調器。
6. 前記電気光学材料層は、前記電解質層に埋め込まれている、
   請求項１から５のいずれかに記載の光位相変調器。
7. 前記第１の電極および前記第２の電極の少なくとも一方は、透明電極である、
   請求項１から６のいずれかに記載の光位相変調器。
8. 前記電気光学材料層は、タンタル酸ニオブ酸カリウムから形成されている、
   請求項１から７のいずれかに記載の光位相変調器。
9. 各々が少なくとも第１の方向に延びた構造を有し、ポッケルス効果またはカー効果によって各々の屈折率が変化する、複数の電気光学材料層と、
   前記複数の電気光学材料層の各々に接し、少なくとも前記第１の方向に延びた構造を有する電解質層と、
   各々が、前記複数の電気光学材料層の１つと前記電解質層との界面の少なくとも一部に交差する方向において、前記複数の電気光学材料層の前記１つおよび前記電解質層を直接的または間接的に挟む、複数対の電極と、
   前記複数対の電極の各々に電圧を印加して前記複数の電気光学材料層の１つの前記屈折率を変化させることにより、前記複数の電気光学材料層の前記１つを前記第１の方向に沿って伝搬する光の位相を変調する制御回路と、を備える、
   光位相変調器。
10. 光位相変調器を用いた光位相変調方法であって、
    前記光位相変調器は、
    少なくとも第１の方向に延びた構造を有し、ポッケルス効果またはカー効果によって屈折率が変化する電気光学材料層と、
    前記電気光学材料層に接し、少なくとも前記第１の方向に延びた構造を有する電解質層と、
    前記電気光学材料層と前記電解質層とに電圧を印加するための第１の電極および第２の電極と、を備え、
    前記電気光学材料層または前記電解質層に、前記第１の方向に沿って光を伝搬させ、
    前記電圧を制御して前記屈折率を変化させることにより、前記光の位相を変調する、
    光位相変調方法。
11. 前記光の位相を変調する期間において、前記光が前記電気光学材料層と前記電解質層との界面で全反射する状態が保たれる、
    請求項１０に記載の光位相変調方法。

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