JP2022133031A - ハイブリッドアレイ導波路型光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】ポーリング処理が簡易なハイブリッドアレイ導波路型光偏向器を提供する。【解決手段】ハイブリッドアレイ導波路型光偏向器は、基板２０上にコアおよびクラッドを有する導波路構造が形成され、入力される光の位相を制御して光変調を行う光変調部を備えるハイブリッドアレイ導波路型光偏向器であって、導波路構造のクラッドは、電気光学材料からなり平面状に形成されたスラブ状クラッド５４と、スラブ状クラッドとは異なる材料からなりコア周辺に形成された周辺クラッド５１，５６と、を含んでおり、光変調部５０は、複数のコア５２と、スラブ状クラッド５４と、周辺クラッド５１，５６と、を備え、複数のコア５２に並列に入射するそれぞれの光の位相をスラブ状クラッド５４の電気光学効果による屈折率変化によって変調することを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、ハイブリッドアレイ導波路型光偏向器に係り、特に、電気光学効果を利用するハイブリッドアレイ導波路型光偏向器に関する。

光偏向器は、光の偏向を制御するものであり、例えば３Ｄ映像表示、ＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）などの３次元測距、バイオメディカルイメージングなど様々な分野で多岐の用途を有する。偏向器の技術分野では、従来から、ポリゴンミラーやガルバノミラーによる光の偏向制御や、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）と呼ばれるマイクロマシン技術を利用した偏向器も提案されている。

近年では、機械的稼働部を持たないナノフォトニクス技術を利用した光偏向デバイスの研究が盛んに行われている。そのような一例として熱光学（ＴＯ：Thermo-Optic）効果や電気光学（ＥＯ：Electro-Optic）効果を利用したアレイ導波路型光偏向器が挙げられる。この種の偏向器は、光の回折と干渉を利用した光偏向器であり、アレイ導波路の各導波路を導波される光を対象にしてＴＯ効果やＥＯ効果などによって光の位相を制御することで干渉パターンを変えて光偏向を実現している。

光導波路は、屈折率の高いコアと、コアより屈折率の小さいクラッドと、を備え、光をコアに閉じ込めて伝搬させる。例えば、アレイ導波路型光偏向器は、光入射部と、光スプリッタと、光の位相を制御する光変調部と、光出射部と、を備えているものが多い。光変調部には、主にＴＯ効果やＥＯ効果を用いたものが知られている。

アレイ導波路型光偏向器において、ＴＯ効果を利用したものとしては、コアに、主にシリコン（Ｓｉ）を用いたもの（以下、従来例１という）や、主に窒化シリコン（化学式はＳｉ₃Ｎ₄：略称はＳｉＮ）を用いたもの（以下、従来例２という）が挙げられる。これらの光偏向器は、コアに対してヒータを介して熱を与えることでコアにＴＯ効果を発現させ、ＴＯ効果によってコアの屈折率を変化させることで光の位相を制御する。また、非特許文献１には、ＴＯ効果を利用しコアにＳｉを用いた光偏向器である光フェーズドアレイについて、キャリアプラズマ効果と呼ばれる、Ｓｉにおける自由キャリア密度変化による屈折率変化を利用した技術が記載されている。

アレイ導波路型光偏向器において、ＥＯ効果を利用したものとしては、コアに、例えばＥＯポリマーを用いたもの（以下、従来例３という）や、ニオブ酸リチウム（化学式はＬｉＮｂＯ₃：略称はＬＮ）などの結晶材料を用いたもの（以下、従来例４という）などが挙げられる。これらの光偏向器は、コアに対して電圧を印加することでコアにＥＯ効果を発現させ、ＥＯ効果によってコアの屈折率を変化させることで光の位相を制御する。なお、非特許文献２には、ＥＯポリマーを用いた光フェーズドアレイが記載されている。

アレイ導波路型光偏向器から出射される光の偏向角度は、光の回折・干渉の原理から、光出射部において隣接する導波路間の配列間隔（導波路ピッチ）に依存する。詳細には、偏向角度θは、次の式（１）で表される。ここで、ｐは導波路ピッチ、λは光の波長、Δφは隣接する導波路間の位相差をそれぞれ示す。

式（１）によれば、導波路ピッチｐが小さいほど、つまり、隣接する導波路コアの配列間隔が狭ピッチであるほど、偏向角度θの拡大が可能である。狭ピッチ化のためには、導波路コアを小さくし、かつ、クラッドに光が染み出さないようコアに光を閉じ込めることが必要になる。このうちコアへの光閉じ込めに関しては、導波路のコアとクラッドとの屈折率差が大きいほど光閉じ込めを強くできることが知られている。つまり、コアには高い屈折率を有する材料が求められ、クラッドには低い屈折率を有する材料が求められる。

導波路コアに適用される材料としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）、ポリマーが挙げられる。ポリマーは、例えば、ポリイミド系、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、アモルファスパーフルオロ樹脂（サイトップ）、エポキシ樹脂などをベースとしたものが挙げられる。導波路クラッドに適用される材料としては、屈折率が約１．５の二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）やポリマーが用いられることが多い。

また、光導波路の材料として無機材料と有機材料とを両方とも用いたハイブリッド光導波路構造が知られている。一例として、有機材料のコア部分としてのＥＯポリマーコアと、無機材料のコア部分としてのＳｉＮコアと、を接合したハイブリッド光導波路構造が挙げられる（以下、従来例５という）。従来例５の構造は、無機材料の屈折率を持った所定形状のコアの導波路と、有機材料の屈折率を持った別形状のコアの導波路とを接合した構造である。なお、非特許文献３には、他のハイブリッド光導波路構造として、シリコンコアと、ＥＯポリマークラッドと、を用いたハイブリッド光導波路変調器が記載されている。

Karel Van Acoleyen, et al., "One-dimensional off-chip beam steering and shaping using optical phased arrays on silicon-on-insulator", Journal of Lightwave Technology Vol.29, No.23, 2011, p.3500-3505 平野芳邦、外４名、「電気光学ポリマーを用いた光フェーズドアレーの動作解析」、NHK技研 R&D、2017年11月、No.166、p.46-52 Feng Qiu, et al. "Ultra-thin silicon/electro-optic polymer hybrid waveguide modulators", Appl. Phys. Lett. September 21, 2015, Volume 107, Issue 12, (123302)

従来例１のアレイ導波路型光偏向器では、導波路コアに用いるＳｉの屈折率が３．５程度であることから、狭ピッチ化が可能であって偏向角度θを拡大する効果を有すると共に、ＴＯ効果やキャリアプラズマ効果による光変調が可能である。しかし、この従来例１では、導波路コアに用いるＳｉが、可視光波長域に強い光吸収特性を有するため、光偏向器として使用できる光の波長帯域が、ブロードバンドとは言えず、赤外光領域だけになってしまうという制約がある。

従来例２のアレイ導波路型光偏向器では、導波路コアに用いるＳｉＮが、可視光から赤外までの幅広い波長域の光透過特性を有し、また、ＳｉＮの屈折率が２という高い値を有することから、幅広い波長域、かつ狭ピッチ化された導波路アレイが実現できる。しかし、この従来例２では、導波路コアに用いるＳｉＮのＴＯ係数が、ＳｉのＴＯ係数に比べて１桁程度も小さい値であるため、低い変調効率が課題である。なお、ＴＯ係数は、ＴＯ効果の度合を示すものであり、その値が大きいほど、光変調効率が高くなる指標である。

従来例３のアレイ導波路型光偏向器では、導波路コアにＥＯポリマーを用いているので、可視光から赤外までの幅広い波長域の光の伝播が可能である。また、ＥＯポリマーのＥＯ効果は、有機材料の電子分極に基づくものであるから、印加電界に対する応答が速く、ＴＯ効果やキャリアプラズマ効果と比べても更なる高速動作が可能である。しかし、この従来例３では、導波路コアに用いるポリマーの屈折率が１．６程度であるため、コアに光を閉じ込めるために必要なコア径が、ＳｉコアやＳｉＮコアに比べて大きくなることから、導波路の狭ピッチ化が難しい。

従来例４のアレイ導波路型光偏向器では、導波路コアに無機材料としてＬＮ結晶を用いるので、ＥＯ効果を利用できる。しかし、この従来例４では、導波路コアに用いるＬＮが結晶材料であるため、ポリマーなどに比べて微細加工が難しく、そのため、狭ピッチ光導波路には適さない。

従来例５のハイブリッド光導波路構造では、導波路コアが、ＥＯポリマーコアとＳｉＮコアとを接合して形成されているので、ＥＯポリマーの高速応答性能と、ＳｉＮによる狭ピッチ化による光の大偏向動作を、ブロードバンドな波長域で得ることが可能である。しかし、この従来例５では、屈折率およびコア形状が互いに異なる２つの導波路を接合した構造なので、２つの異なる導波路の接続部において、スポットサイズ変換を使ったコア変換が必須であり、この接続部で光の反射が生じて光損失の要因になる。

また、ＥＯポリマーのＥＯ係数を大きくしてＥＯ効果を発現するためには、偏向器の製造工程において電場配向処理（ポーリング）工程が必要である。ポーリングとは、材料をガラス転移温度まで昇温させ、かつ強電場を与えることで極性分子を配向させることである。従来例５の構造では、コアのＥＯポリマーに対して均一にポーリング処理が行えなかったり、または、絶縁破壊を予防するために高電界によるポーリング処理が行えずに低いＥＯ効果しか得られなかったりするなどの問題がある。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、ポーリング処理が簡易なハイブリッドアレイ導波路型光偏向器を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明に係るハイブリッドアレイ導波路型光偏向器は、基板上にコアおよびクラッドを有する導波路構造が形成され、入力される光の位相を制御して光変調を行う光変調部を備えるハイブリッドアレイ導波路型光偏向器であって、前記導波路構造のクラッドは、電気光学材料からなり平面状に形成されたスラブ状クラッドと、前記スラブ状クラッドとは異なる材料からなりコア周辺に形成された周辺クラッドと、を含んでおり、前記光変調部は、複数のコアと、前記スラブ状クラッドと、前記周辺クラッドと、を備え、複数のコアに並列に入射するそれぞれの光の位相を前記スラブ状クラッドの電気光学効果による屈折率変化によって変調する、こととした。

本発明によれば、ポーリング処理が簡易なハイブリッドアレイ導波路型光偏向器を提供することができる。

本発明の実施形態に係るハイブリッドアレイ導波路型光偏向器を模式的に示す全体概略図である。 光スプリッタの構成例であって、（ａ）は１×８ＭＭＩカプラ、（ｂ）は１×２ＭＭＩカプラのカスケード接続による構成例をそれぞれ示している。 光変調部における光導波路断面図であって、図１のＡ－Ａ線断面矢視図である。 光変調部以外の光導波路断面図であって、図１のＢ－Ｂ線断面矢視図である。 実施例に係る光変調部における導波路断面図である。 実施例に係る光変調部における位相分布の一例を示す図である。 実施例に係る光変調部に対する印加電圧と隣接する導波路の位相差との関係を示すグラフである。

ハイブリッドアレイ導波路型光偏向器の構成について図面を参照して説明する。なお、各図面に示される部材のサイズや位置関係は、説明を明確にするため誇張していることがある。図１に示すハイブリッドアレイ導波路型光偏向器１０は、基板上にコアおよびクラッドを有する導波路構造が形成され、入力される光の位相を制御して光変調を行う光変調部を備えるハイブリッドアレイ導波路型光偏向器である。

以下では、ハイブリッドアレイ導波路型光偏向器１０を単に光偏向器１０と呼称する。光偏向器１０は、光の使用波長域を可視光から赤外まで適用することを前提とする。ここでは、図１に示すように、光偏向器１０の光出射方向におけるデバイス中心軸をＺ軸に一致させ、Ｚ軸の正の方向を正面としているものとして説明する。図１に示すように光偏向器１０は、例えば８本の光導波路を備えている。これらの光導波路（チャネル）を区別する場合、図１に示したようにチャネル１（ｃｈ１）、…、チャネル８（ｃｈ８）と呼ぶ場合がある。光偏向器１０は、光導波路コアの周囲にクラッドを備えているが、図１ではクラッドの一部の図示を省略した。光偏向器１０は、基板２０と、光入射部３０と、光スプリッタ４０と、光変調部５０と、中継導波路部６０と、光出射部７０と、を備えている。

基板２０は、様々な材料を用いて形成することができる。例えば、基板２０の材料としては、ソーダガラス、ＳｉＯ₂、石英、メチルアクリレート、Ｓｉ、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、アルミナ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＰ等を用いることが可能である。中でも、積層される各層を支持できる機械的強度があるものを使用することができ、各層との線膨張係数値の差が小さいものを選ぶことが望ましい。そのような基板としては例えば、ガラス基板やＳｉ基板などを挙げることができる。基板２０の一方の面には、光入射部３０と、光スプリッタ４０と、光変調部５０と、中継導波路部６０と、光出射部７０と、が形成されている。

光入射部３０は、外部から光偏向器１０に光を入力するものである。光の入力方法として、本実施形態では、光入射部３０は、例えば光偏向器１０の端面の導波路から光を入力することとする。なお、他の入力方法として、光入射部３０をグレーティングカプラー構造にすることで面直方向から光を入射することとしてもよい。また、光入射部３０は、本実施形態では、図１に示すように例えば１入力とする。なお、光入力数は複数でもよく、２以上の整数をＮとして、Ｎ入力の光入射部を構成するようにしてもよい。
使用する光源は、例えば、コヒーレンス性が優れ、偏波を整えられるレーザーが好ましい。また、光源として、ＬＥＤ（light emitting diode）やＳＬＤ（Super luminescent diode）を用いてもよい。

光スプリッタ４０は、入力した光を、光変調部５０を構成する導波路の本数分だけ光を等強度で分配するものである。本実施形態では、光スプリッタ４０は、図１および図２（ａ）に示すように、１入力８分岐の多モード干渉、すなわち、１×８ＭＭＩ（Multi Mode Interference）を用いて８本の導波路に光分配する。なお、光スプリッタ４０は、図２（ｂ）に示すように、１×２ＭＭＩやＹ分岐からなる７個の分離部４１をカスケード状に配置した構成を用いて８本の導波路に光分配することとしてもよい。

光変調部５０は、入力される光の位相を制御して光変調を行うものである。光変調部５０は、チャネルごとに光変調可能に構成されている。本実施形態では、上部電極５５ごとに光変調可能にした。具体的には、光変調部５０には、信号線９ａ，９ｂを介して電圧が印加される。光変調部５０の各導波路（チャネル１～チャネル８）は、信号線９ａ，９ｂを介して電圧源Ｖ₁～電圧源Ｖ₈がそれぞれ接続されている。例えばチャネル１の上部電極５５は、信号線９ａを介して電圧源Ｖ₁の一方の極性の端子に接続されている。電圧源Ｖ₁の他方の極性の端子は、信号線９ｂを介して全チャネル共通の電極である下部電極５３（図３参照）に接続されている。

信号線９ａ，９ｂの材料としては、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｃｒなどの金属を用いることができる。信号線９ａ，９ｂを透明電極としてもよく、その場合、材料としては、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide：インジウム亜鉛酸化物）やＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム－スズ酸化物）などを挙げることができる。

光変調部５０において、コア層は導波路形状がパターニングされ、削られた箇所はクラッドで埋められている。導波路構造のクラッドは、電気光学材料からなり平面状に形成されたスラブ状クラッドと、スラブ状クラッドとは異なる材料からなりコア周辺に形成された周辺クラッドと、を含んでいる。光変調部５０は、複数のコアと、スラブ状クラッドと、周辺クラッドと、を備え、複数のコアに並列に入射するそれぞれの光の位相をスラブ状クラッドの電気光学効果による屈折率変化によって変調する。ここで、スラブ状とは、平面状または平板状といった形状を意味する。なお、詳細は後記するが、スラブ状クラッドは上下を電極で挟まれている。

図３は、光変調部５０の断面構造を示す図である。光変調部５０は、図３に示すように、基板２０の上に、下部クラッド５１と、コア５２と、下部電極５３と、スラブ状クラッド５４と、上部電極５５と、上部クラッド５６と、を備えている。光変調部５０の断面視における各部材の配置は次の通りである。下部クラッド５１は、基板２０に積層されている。下部クラッド５１の上には、並列に複数のコア５２が積層されている。複数のコア５２の間には上部クラッド５６が形成されている。複数のコア５２の上で複数のコア５２に重なる領域には下部電極５３が形成されている。下部電極５３を覆うスラブ状クラッド５４は、電気光学効果を発現する材料で平面状に形成されている。スラブ状クラッド５４の上にはコア５２毎に複数の上部電極５５が形成されている。
以下、各部材の構成について詳細に説明する。

（下部クラッド５１、上部クラッド５６）
下部クラッド５１および上部クラッド５６は、スラブ状クラッド５４とは異なる材料からなりコア５２周辺に形成された周辺クラッドである。下部クラッド５１は、周辺クラッドの一部であり、コア５２の下面から下側に配置されているクラッドである。上部クラッド５６は、周辺クラッドの一部であり、下部クラッド５１よりも上側に配置されているクラッドである。上部クラッド５６は、コア５２の側面等の周辺を埋めるクラッド材料や、コア５２の上側に配置されるクラッド材料を含んでいる。下部クラッド５１と上部クラッド５６とは例えば異なる製造工程で形成される。

下部クラッド５１や上部クラッド５６の材料としては、その屈折率がコア材料の屈折率よりも小さく、コア材料との屈折率差がなるべく大きなものがよい。一例として、屈折率が１．４８のＳｉＯ₂を用いることができる。他の例として、例えば、屈折率が１．５前後のポリマー樹脂などを用いてもよい。下部クラッド５１の材料と上部クラッド５６の材料とは同じでもよいし、異なっていてもよい。
下部クラッド５１の厚みは、コア５２を伝搬する光が基板２０へ到達しない厚みが必要であり、最低限の必要な厚みはコア５２の厚みや光の波長によって異なる。

（コア５２）
コア５２の材料としては、クラッドに比べて屈折率が高いものを適用することが望ましい。本実施形態のように使用波長域を可視光から赤外まで適用する場合、コア５２の材料としては、例えば、屈折率２．０１の窒化シリコン（ＳｉＮ）、屈折率２．１６の五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、屈折率２．３３の五酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）を用いることができる。なお、使用波長域を１．３～１．６μｍの通信帯域の用途に限る場合には、コア５２の材料として、例えば、屈折率３．５のＳｉなどを選択してもよい。コア５２の大きさは、シングルモード伝搬を許容する大きさが望ましい。

（下部電極５３、上部電極５５）
上部電極５５および下部電極５３の一方はパターニングする必要があるため、電極材料は、パターニング可能な材料であることが望ましい。本実施形態では、上部電極５５をパターニングし、下部電極５３をパターニングしないことにする。パターニングしない下部電極５３は、平面状に全面成膜とし、各導波路の共通電極とする。そのため、下部電極５３は、複数のコア５２の上で複数のコア５２すべてに重なる領域に形成されている。また、上部電極５５は、スラブ状クラッド５４の上にコア５２毎に形成されている。
上部電極５５および下部電極５３に用いる材料としては、例えばＴｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｃｕの金属電極、または、ＺｎＯ，ＩＴＯ，ＩＺＯなどの透明電極を選択できる。上部電極５５の材料と下部電極５３の材料とは同じでもよいし、異なっていてもよい。

（スラブ状クラッド５４）
スラブ状クラッド５４は、下部電極５３を覆うように形成されている。スラブ状クラッド５４の材料は、電圧印加により屈折率が変化する電気光学材料が利用できる。そのような電気光学材料は、例えば、ＥＯポリマー、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）が挙げられる。なお、使用波長域を１．０～１．６μｍの通信帯域の用途に限る場合には、スラブ状クラッド５４の材料として、ＧａＡｓ（屈折率３．３）やＩｎＰ（屈折率３．２）を選択しても良い。本実施形態では、スラブ状クラッド５４の材料は、ＥＯポリマーであるものとする。ＥＯポリマーは、基本骨格樹脂にＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）を用いて、ＥＯ色素としてDisperse red系などを適用することが可能である。

スラブ状クラッド５４は、平面状に形成されているため、ポリマー（スラブ状クラッド５４）のポーリング処理において、全面的に電場を印加することができる。
また、本実施形態の光変調部５０は、スラブ状クラッド５４を上下電極で挟んだ構造であり、電極間にはスラブ状クラッド５４以外に構造物がない。そのため、ポーリング処理において、構造物のエッジなどに誘発される電界集中から生じる絶縁破壊を避けることができる。前記した従来例５のようなハイブリッド構造では、ポーリング処理の際に、絶縁破壊を防ぐためにポーリングに要する電圧を下げる必要があった。しかしながら、本実施形態では、ポーリング処理の際に、このような従来の絶縁破壊予防の電圧値まで電圧を下げる必要がなく、材料が壊れない程度の最大電圧を印加することが可能となる。したがって、本実施形態では、効率よくポーリングを行うことができ、従来よりも高いＥＯ効果を得ることができる。加えて、前記した従来例５におけるＳｉＮコアとＥＯポリマーコアとの接続構造と対比すると、本実施形態では、従来例５のようなスポットサイズ変換を使ったコア変換が不要であるため、コア変換によって異なるコアを伝播した際に生じる結合損失等の光損失が抑制し、光利用効率を向上できる効果も奏する。

中継導波路部６０は、光変調部５０で変調された光を光出射部７０へ中継するものである。本実施形態では、中継導波路部６０は、曲げ光導波路を含み、ピッチコンバータとして機能する。すなわち、中継導波路部６０（ピッチコンバータ）を介して、光出射部７０における光導波路ピッチは、光変調部５０における光導波路ピッチよりも小さくなっている。図４は、光変調部５０以外の断面構造の一例として中継導波路部６０の断面構造を示す図である。なお、光変調部５０以外の断面構造は、中継導波路部６０の断面構造と同様である。中継導波路部６０においては、基板２０の上に、下部クラッド５１と、コア５２と、上部クラッド５６と、を備えており、下部電極５３、スラブ状クラッド５４および上部電極５５が積層されていない。ここでは、光変調部５０におけるコア５２と、中継導波路部６０におけるコア５２とは、同じ形状かつ同じサイズで連続的に形成されている。

光出射部７０は、光偏向器１０の外部へ光を出力するものである。光の出射方法として、本実施形態では、光出射部７０は、光偏向器１０の端面から光を出力することとする。なお、他の出射方法として、光出射部７０をグレーティングカプラー構造にすることで面直方向へ光を出射することとしてもよい。

［光変調の原理］
次に、光変調部５０における光変調の原理について説明する。
光変調部５０のスラブ状クラッド５４の材料は、電圧印加により屈折率が変化する電気光学材料である。電気光学材料は、電圧が印加されることで、次の式（２）で示される電気光学効果による屈折率変化を起こす。電気光学材料が、例えば、ＥＯポリマーであれば、式（２）の右辺のｎは電圧を印加していない状態でのポリマーの屈折率を示し、ｒはポリマーの電気光学係数を示し、Ｅはポリマーに印加される印加電場を示す。

導波路コア中に閉じ込められる光は、コアとクラッドの屈折率差から全反射を繰り返して伝搬する。厳密には、波動方程式から導かれるモードと呼ばれる光の電磁界分布を有して伝搬し、モードの性質は進行方向に関する波数に相当する伝搬定数βで記述される。光の電磁界分布をΦとし、虚数単位をｊとして、伝搬方向をｚ軸にとると、モードは次の式（３）で表されることが知られている。

モードが存在するためには、波動方程式におけるコア・クラッド間での境界条件を満たすことが必要であることから、モードは、コアやクラッドの形状、コアやクラッドの材料自体の屈折率に依存する。これらを考慮した、伝搬するモードに対する実効的な屈折率値である実効屈折率ｎ_effを使って伝播について記述すれば、真空中での波数をｋ₀として伝搬定数βは次の式（４）で表される。

なお、屈折率には、材料自体の屈折率と実効屈折率という２種類の屈折率がある。実効屈折率とは、光から見た、ある媒質の構造中を伝搬する際に実質的に受けている屈折率である。詳細は、例えば、参考非特許文献「國分泰雄、光波光学、共立出版株式会社、1999年、p.45-53」に記載されている。

光はコアを伝搬するが、コアの周囲に染み出した電磁界分布は、コアに近接したクラッド材料にもかかってくるので、本実施形態では、コアに近接したクラッド材料の屈折率変化を利用して光の位相を制御することとした。本実施形態においてＥＯポリマー（スラブ状クラッド５４）は、コア５２の上部に積層されている。ＥＯポリマーは、電圧が印加されることによって、ＥＯポリマーの材料自体の屈折率が変化する。そして、ＥＯポリマー、すなわち、スラブ状クラッド５４の屈折率が変化すると、スラブ状クラッド５４の下に配置されたコア５２を伝播するモードに対する実効屈折率ｎ_effを変化させることができる。実効屈折率ｎ_effを変化させることは、式（４）によれば、伝搬定数βを変化させることと同義である。これにより、光変調が可能となり、光出射部７０から出力した光ビームの偏向動作を得ることが可能となる。したがって、本実施形態の光偏向器１は、ポーリング処理が簡易であり、かつ可視光から赤外域まで対応し高速・大偏向角動作をすることができる。

［ハイブリッドアレイ導波路型光偏向器の製造方法］
次に、光偏向器の製造方法について説明する。光偏向器１０は、一般的な半導体装置製造プロセスにより製造することができる。一例として、２つの観点の製造方法の概略を説明する。
（第１の製造方法）
第１の製造方法は、例えば、下部クラッド形成工程と、コア形成工程と、光変調部５０の予定領域に対してそれぞれ行う下部電極形成工程、スラブ状クラッド形成工程、上部電極形成工程およびポーリング工程と、を含んでいる。なお、図３は光変調部５０の断面構造を示している。下部クラッド形成工程は、基板２０に下部クラッド５１を製膜する工程である。コア形成工程は、パターニングにより下部クラッド５１の上に並列に複数のコア５２を形成する工程である。下部電極形成工程は、複数のコア５２すべてに重なる領域に下部電極５３を形成する工程である。スラブ状クラッド形成工程は、下部電極５３を覆うスラブ状クラッド５４を電気光学材料を用いて形成する工程である。スラブ状クラッド５４は、平面状なので製造に際しパターンを作る必要がない。上部電極形成工程は、パターニングによりスラブ状クラッド５４の上にコア５２毎の上部電極５５を形成する工程である。ポーリング工程は、下部電極５３と上部電極５５との間に所定の高温状態で所定の高電圧を印加することでスラブ状クラッド５４のポーリング処理を行う工程である。以上の工程により、光偏向器１０を製造することができる。

（第２の製造方法）
第２の製造方法は、例えば、基板２０上で行う下部クラッド形成工程およびコア形成工程と、別の第２の基板においてそれぞれ行う上部電極形成工程、スラブ状クラッド形成工程、下部電極形成工程およびポーリング工程と、基板貼合工程と、を備えている。下部クラッド形成工程は、基板２０に下部クラッド５１を形成する工程である。コア形成工程は、下部クラッド５１の上に並列に複数のコア５２を形成する工程である。上部電極形成工程は、第２の基板にコア５２毎の上部電極５５を形成する工程である。スラブ状クラッド形成工程は、コア５２毎の上部電極５５を覆うスラブ状クラッド５４を電気光学材料を用いて形成する工程である。下部電極形成工程は、スラブ状クラッド５４を覆う下部電極５３を形成する工程である。ポーリング工程は、第２の基板において下部電極５３と上部電極５５との間に所定の高温状態で所定の高電圧を印加することでスラブ状クラッド５４のポーリング処理を行う工程である。基板貼合工程は、基板２０とポーリング処理が行われた第２の基板とを、複数のコア５２と下部電極５３とが対向するように貼り合わせる工程である。以上の工程によっても、光偏向器１０を製造することができる。

［シミュレーション］
本願発明者らは、以下のシミュレーションを行うことで、光偏向器１０の効果を確認した。まず、図５を参照（適宜他の図面を参照）してシミュレーションの条件について説明する。図５には実施例としての光変調部５０の断面構造を示す。
（全体構成の条件）
光偏向器１０は、８本の光導波路を備えている。光偏向器１０は、光の使用波長域を可視光から赤外まで適用するため、一例として、使用する光の波長が６３０ｎｍであることとした。
（光変調部５０の条件）
光変調部の長さ（Ｌ、図７参照）：Ｌ＝１．５ｍｍ
＜基板２０＞
基板の種類：Ｓｉ基板
＜下部クラッド５１＞
下部クラッドの材料：ＳｉＯ₂
下部クラッドの厚み（Ｔ１、図５参照）：Ｔ１＝３μｍ
＜コア５２＞
コアの材料：ＳｉＮ
コアの幅（Ｗ２、図５参照）：Ｗ２＝０．６μｍ
コアの厚み（Ｔ２、図５参照）：Ｔ２＝０．６μｍ
＜下部電極５３＞
下部電極の材料：ＩＴＯ（屈折率１．９）
このＩＴＯは６３０ｎｍの光に対して透明である。
下部電極の厚み（Ｔ３、図５参照）：Ｔ３＝１００ｎｍ
＜スラブ状クラッド５４＞
スラブ状クラッドの材料：ＥＯポリマー（屈折率１．６６）
ＥＯポリマーのＥＯ係数＝６７ｐｍ／Ｖ
ＥＯ係数とは、ＥＯ効果の発現度合いを示す値である。ｐは１０^-12を表す。
スラブ状クラッドの厚み（Ｔ４、図５参照）：Ｔ４＝０．３μｍ
＜上部電極５５＞
上部電極の材料：ＩＴＯ（屈折率１．９）
上部電極の厚み（Ｔ５、図５参照）：Ｔ５＝１００ｎｍ
上部電極の幅（Ｗ５、図５参照）：Ｗ５＝０．９μｍ
電極幅Ｗ５は、コアの幅Ｗ２＝０．６μｍと比較すると、１．５倍の幅である。
＜上部クラッド５６＞
上部クラッドの材料：ＳｉＯ₂
上部クラッドの厚み（Ｔ６、図５参照）：Ｔ６＝４μｍ
この上部クラッドの厚みとは、下部クラッドの上面から測った膜厚である。

（中継導波路部６０における条件について）
＜基板２０＞
基板の種類：Ｓｉ基板
＜下部クラッド５１＞
下部クラッドの材料：ＳｉＯ₂
下部クラッドの厚み（Ｔ１、図５および図４参照）：Ｔ１＝３μｍ
＜コア５２＞
コアの材料：ＳｉＮ
コアの幅（Ｗ２、図５および図４参照）：Ｗ２＝０．６μｍ
コアの厚み（Ｔ２、図５および図４参照）：Ｔ２＝０．６μｍ
導波路間ピッチ：２０μｍ
＜上部クラッド５６＞
上部クラッドの材料：ＳｉＯ₂
上部クラッドの厚み（Ｔ６、図５および図４参照）：Ｔ６＝４μｍ

（実験１）
実験１では、光変調部５０への印加電圧、すなわち、上部電極５５と下部電極５３との間の電位差を３０［Ｖ］とする条件で以下の実験を行った。具体的には、チャネルが奇数番目の導波路（ｃｈ１、ｃｈ３、ｃｈ５、ｃｈ７）それぞれに電圧（３０［Ｖ］）を印加し、偶数番目の導波路（ｃｈ２、ｃｈ４、ｃｈ６、ｃｈ８）それぞれには電圧を印加しなかった。

（実験結果１）
３０［Ｖ］の電圧を印加することで、前記した式（２）に基づくＥＯ効果により、ポリマー（スラブ状クラッド５４）の屈折率は、材料自体の屈折率が１．６６から１．６４６９へ変化した。
また、このときの導波路形状に依存する実効屈折率ｎ_effを、導波路断面におけるシミュレーションプログラム（会社名Optiwave Systems Inc.：商品名：OptiMode）を用いて計算した。
ポリマーの屈折率が変化する前の実効屈折率ｎ_effは、１．９１３５６７であった。
一方、３０［Ｖ］の電圧印加後の実効屈折率ｎ_effは、１．９１３３６９に変化した。
この変化量は、電気光学効果によるポリマーの屈折率変化の影響を受けて、導波路を伝搬する光（伝搬モード）が実際に感じ取る屈折率がどの程度変化したかを示している。前記した式（３）および式（４）により、実効屈折率ｎ_eff（伝搬モード）が変化することは、光の位相が変化することに相当する。

また、このときの光変調部５０における位相分布を図６に示す。ここでは、簡便のため、光変調部５０に相当する部分だけを計算対象としてシミュレーションを行った。また、光が、光変調部５０Ａの図６における左から入力し、光変調部５０Ａの図６における右から各導波路の導波路ピッチを変えずに光出射部７０Ａから出射することとした。なお、光出射部７０Ａの長さＬは１．５ｍｍ、導波路間ピッチは２０μｍとした。図６において光出射部７０Ａの右に記載された数字１～８は、チャネル１～チャネル８を示している。また、図６において下に記載されたスケールは、ラジアン単位の－３．１４～３．１４（－π～π）の光の位相と、シミュレーション結果の濃淡表示との対応関係を示している。

図６では、所定の導波路だけに着目すると、光変調部５０Ａの左端（光入射部に相当）から測った光導波路の距離が長くなるにつれて、光の位相は、例えば、０から－πまで徐々に変化し、－πになった直後に＋πになって、πから０まで徐々に変化し、再び０から－πまで徐々に変化するという変化を何度も繰り返しながら光出射部７０Ａに到達することを示している。

また、図６では、光変調部５０Ａの左端（光入射部に相当）では、チャネル１～チャネル８の位相がすべて揃っていていることを示している。全チャネルに着目すると、光入射部の位置で揃っていた位相が、図６の例えばＣ－Ｃ線上では、偶数番目のチャネルの位相と、奇数番目のチャネルの位相とがおよそπだけずれることが分かる。すなわち、光出射部７０Ａにおいて隣接する導波路間の位相差をπとすることにより、最大出射角度方向に出射される光ビームが成形可能であることを確かめることができた。

（実験２）
実験２では、光変調部５０の奇数番目の導波路に印加する電圧を、０Ｖから３０Ｖまで、５Ｖ刻みで変化させて、それぞれ異なる印加電圧を用いて光出射部７０Ａにおける隣接導波路間位相差を求めた。その他の実験条件は、実験１と同様である。
（実験結果２）
異なる印加電圧を用いた６回の実験結果のそれぞれについて、計算した位相差をプロットした結果を図７に示す。図７に示すグラフの横軸は、印加電圧であり、縦軸は、隣接する導波路の位相差である。前記した式（２）に示すように屈折率変化ｎ（Ｅ）は、電場（印加電圧Ｅ）に比例する。また、図７によれば、隣接する導波路の位相差は、印加電圧に比例する。これらの関係から、コア５２上部にあるＥＯポリマー（スラブ状クラッド５４）の屈折率変化ｎ（Ｅ）によって、位相変調を得られていることが図７から確かめることができた。なお、この実験２でも、光変調部５０の偶数番目の導波路には電圧を印加しないので、図７の結果は、１つの導波路に、電圧を印加したときに光出射部７０Ａで得られる位相と、印加しないときに得られる位相との差に相当している。

［変形例］
前記実施形態に係る光偏向器１０においては、光変調部５０の上部電極をパターニングして下部電極をパターニングしないこととして説明したが、これらを入れ替えて下部電極をパターニングして上部電極をパターニングしないこととしても同様の効果を奏することができる。このようにする場合、パターニングしない上部電極５５は、平面状に全面成膜とし、各導波路の共通電極とする。そのため、上部電極５５は、スラブ状クラッド５４の上で複数のコア５２すべてに重なる領域に形成される。また、下部電極５５は、複数のコア５２の上にコア毎に形成される。

使用する光の波長域に応じて、スラブ状クラッド５４を挟む上下電極の材料や周辺クラッド（ＳｉＯ₂）の構造を適宜変更してもよい。例えば、図５に示す実施例では、可視光を前提に上部電極および下部電極の材料をＩＴＯ電極としているため、コア５２の上部と下部電極５３との間に、ＳｉＯ₂からなるクラッド材料のマージンは無いものとしたが、コア５２の上部にもクラッド材料があってもよい。すなわち、コア５２と下部電極５３との間にもクラッド材料が存在してもよい。例えば製造プロセスの都合上、クラッドを積層してもよい。あるいは、使用する光の波長域に応じて、クラッドを積層してもよい。例えば赤外光は、ＺｎＯ系電膜以外に対して吸収を示すものが多い。そのため、透明電極（ＩＴＯ）を使う実施形態と同様の構造で赤外光（１．５５ｍｍ）を使用したい場合、コア５２上部にクラッド材料を積層させて下部電極５３とコア５２とが直接接触しないようにすることが望ましい。その場合にコア５２と下部電極５３との間に配置されるクラッド厚みは、使用波長やコアの構造ごとに異なるため、数値解析などより減衰が生じない厚みを求めればよい。また、コア５２と下部電極５３との間にクラッドを配置しない構造で赤外光（１．５５ｍｍ）を使用したい場合には、透明電極材料を、赤外光の吸収が少ないＺｎＯ系（ジンクオキサイド）に置換することで対策することも可能である。

また、下部電極５３とスラブ状クラッド５４との間にもクラッド材料が存在してもよいし、スラブ状クラッド５４と上部電極５５との間にもクラッド材料が存在してもよい。
また、光変調部５０以外の中継導波路部６０等においては、周辺クラッドの一部である上部クラッド５６が空気層でも構わない。
また、光偏向器１０として、光導波路の本数が８本である形態を説明したが、これに限らず、本数は例えば１６本、あるいはそれ以上でも構わない。

以上、本発明の実施形態に係るハイブリッドアレイ導波路型光偏向器について説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変などしたものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。

１０ 光偏向器（ハイブリッドアレイ導波路型光偏向器）
２０ 基板
３０ 光入射部
４０ 光スプリッタ
５０ 光変調部
５１ 下部クラッド
５２ コア
５３ 下部電極
５４ スラブ状クラッド
５５ 上部電極
５６ 上部クラッド
６０ 中継導波路部
７０ 光出射部

Claims (5)

1. 基板上にコアおよびクラッドを有する導波路構造が形成され、入力される光の位相を制御して光変調を行う光変調部を備えるハイブリッドアレイ導波路型光偏向器であって、
   前記導波路構造のクラッドは、電気光学材料からなり平面状に形成されたスラブ状クラッドと、前記スラブ状クラッドとは異なる材料からなりコア周辺に形成された周辺クラッドと、を含んでおり、
   前記光変調部は、複数のコアと、前記スラブ状クラッドと、前記周辺クラッドと、を備え、複数のコアに並列に入射するそれぞれの光の位相を前記スラブ状クラッドの電気光学効果による屈折率変化によって変調することを特徴とするハイブリッドアレイ導波路型光偏向器。
2. 前記光変調部は、
   前記周辺クラッドの一部であって前記基板に積層された下部クラッドと、
   前記下部クラッドの上に並列に積層された複数の前記コアと、
   前記周辺クラッドの一部であって複数の前記コアの間に形成された上部クラッドと、
   複数の前記コアの上で複数の前記コアすべてに重なる領域に形成された下部電極と、
   前記下部電極を覆うように形成された前記スラブ状クラッドと、
   前記スラブ状クラッドの上に前記コア毎に形成された複数の上部電極と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドアレイ導波路型光偏向器。
3. 前記光変調部は、
   前記周辺クラッドの一部であって前記基板に積層された下部クラッドと、
   前記下部クラッドの上に並列に積層された複数の前記コアと、
   複数の前記コアの上に前記コア毎に形成された複数の下部電極と、
   前記周辺クラッドの一部であって複数の前記コアの間に形成された上部クラッドと、
   複数の前記下部電極を覆うように形成された前記スラブ状クラッドと、
   前記スラブ状クラッドの上で複数の前記コアすべてに重なる領域に形成された上部電極と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドアレイ導波路型光偏向器。
4. 前記スラブ状クラッドは、ＥＯポリマーで形成されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のハイブリッドアレイ導波路型光偏向器。
5. 前記コアは、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｔａ₂Ｏ₅、およびＮｂ₂Ｏ₅からなる群から選択される１つの材料で形成されていることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一項に記載のハイブリッドアレイ導波路型光偏向器。

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