JP5135244B2

JP5135244B2 - 光導波路スイッチ

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Publication number: JP5135244B2
Application number: JP2009013051A
Authority: JP
Inventors: 康文榎波
Original assignee: Hiroshima University NUC
Current assignee: Hiroshima University NUC
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2013-02-06
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Also published as: JP2010169945A

Description

この発明は、光導波路スイッチに関し、特に、異なる材料からなる複数の導波路を用いた光導波路スイッチに関するものである。

従来、基板に垂直な方向に導波光を遷移させるポリマ光変調器Ａが知られている（非特許文献１）。このポリマ光変調器Ａは、ゾルゲルガラスからなる第１のコアと、ゾルゲルガラスからなる第１のクラッドと、電気光学ポリマからなる第２および第３のコアと、第１の底部電極と、第１の上部電極とを備える。

第１のコアは、第１のクラッド中に配置され、２個のＹ型分岐を有するマッハツェンダー型の導波路構造からなる。第１の底部電極は、マッハツェンダー型の導波路構造において、第１のコアの分岐した２個の導波路に対向して２個の導波路の下側に配置される。第２のコアは、マッハツェンダー型の導波路構造において、第１のコアの分岐した２個の導波路のうちの一方の導波路に接して一方の導波路上に配置される。第３のコアは、マッハツェンダー型の導波路構造において、第１のコアの分岐した２個の導波路のうちの他方の導波路に接して他方の導波路上に配置される。第１の上部電極は、マッハツェンダー型の導波路構造において、第１のコアの分岐した２個の導波路に対向して２個の導波路と第２および第３のコアとの上側に配置される。

そして、第１のコアは、第１のクラッドの屈折率よりも大きい屈折率を有し、第２および第３のコアは、第１のコアの屈折率よりも大きく、かつ、相互に同じ屈折率を有する。

このポリマ変調器Ａにおいては、導波光が第１のコアの一方端からポリマ変調器Ａに入射すると、導波光は、第１のコアの直線部分を伝搬し、１個目のＹ型分岐によって第１のコアの２個の導波路へ分岐される。その後、導波光は、２個の導波路において、第１のコアから第２および第３のコアへと基板に垂直な方向へ遷移しながら２個の導波路中を伝搬する。

そして、第１の上部電極と第１の底部電極とによって２個の導波路の部分に電圧が印加されていない場合、２個の導波路中を伝搬する２個の導波光は、相互に同じ位相を有し、２個目のＹ分岐の部分で強め合って合成され、第１のコア中を伝搬して出射される。

一方、第１の上部電極と第１の底部電極とによって２個の導波路の部分に電圧が印加されている場合、２個の導波路中を伝搬する２個の導波光は、相互に１８０°だけ異なる位相を有し、２個目のＹ分岐の部分で弱め合って合成される。

このように、従来のポリマ変調器Ａは、マッハツェンダー型の導波路構造において基板に垂直な方向に導波光を遷移させながら光を変調する。

また、基板の面内方向に導波光を遷移させるポリマ光変調器Ｂも知られている（非特許文献２）。このポリマ変調器Ｂは、ゾルゲルガラスからなる第４のコアと、ゾルゲルガラスからなる第２のクラッドと、電気光学ポリマからなる第５および第６のコアと、第２の底部電極と、第２の上部電極とを備える。

第４のコアは、第２のクラッド中に配置され、直線形状を有する。第５のコアは、基板の面内方向において第３のコアの一方の側面に接して配置される。第６のコアは、基板の面内方向において第３のコアの他方の側面に接して配置される。第２の底部電極は、第５および第６のコアに対向して第４から第６のコアの下側に配置される。第２の上部電極は、第４から第６のコアに対向して第４から第６のコアの上側に配置される。

そして、第４のコアは、第２のクラッドよりも大きい屈折率を有し、第５および第６のコアは、第４のコアよりも大きい屈折率を有する。

ポリマ変調器Ｂにおいては、導波光が第４のコアの一方端からポリマ変調器Ｂに入射すると、導波光は、第４のコア中を伝搬する。その後、導波光は、第５および第６のコアが両側に配置された第４のコアの部分に到達すると、第４のコアから第５および第６のコアへ分岐され、第５および第６のコア中を伝搬する。

そして、第２の上部電極と第２の底部電極とによって第５および第６のコアに電圧が印加されていない場合、第５および第６のコア中を伝搬する２個の導波光は、相互に同じ位相を有し、第５および第６のコアの端部で第５および第６のコアから第４のコアへ遷移して強め合って合成される。その後、導波光は、第４のコア中を伝搬して出射される。

一方、第２の上部電極と第２の底部電極とによって第５および第６のコアに電圧が印加されている場合、第５および第６のコア中を伝搬する２個の導波光は、相互に１８０°だけ異なる位相を有し、第５および第６のコアの端部で第５および第６のコアから第４のコアへ遷移して弱め合って合成される。

このように、従来のポリマ変調器Ｂは、Ｙ型分岐を有しないマッハツェンダー型の導波路構造において基板の面内方向に導波光を遷移させながら光を変調する。

ゾルゲルガラス溶液は、ゾルゲルシリカ溶液と屈折率調整剤であるＺｒＰＯとの混合液に０．１ＮＨＣＬを加え、ＭＡＰＴＭＳ加水分解を開始させることにより作成する。

ＵＶ照射とイソプロピルアルコールによるウエットエッチングを行なう溶液については、加水分解開始剤としてＩＲＧＣＵＲＥ１８４（ＣＩＢＡ）を加える（非特許文献３）。そして、ウエットエッチング処理を必要としないゾルゲルシリカに対しては加水分解開始剤を加えない。

Y. Enami, D. Mathine, C. T. DeRose, and R. A. Norwood, "Hybrid cross-linkable polymer/sol-gel waveguide modulators with 0.65V half wave voltage at 1550nm," Applied Physics Letters 91, 093505, 2007. Y. Enami, D. Mathine, C. T. DeRose, R. A. Norwood, J. Luo, A. K.-Y. Jen, and N. Peyghambarian, "Transversely tapered hybrid electro-optic plymer/sol-gel Mach-Zehnder waveguide modulators," Applied Physics Letters, 392, 193508, 2008. Y. ENAMI, C. T. DEROSE, D. MATHINE, C. LOYCHIK, C. GREENLEE, R. A. NORWOOD, T. D. KIM, J. LUO, Y. TIAN, A. K.-Y. JEN AND N. PEYGHAMBARIAN, "Hybrid polymer/sol-gel waveguide modulators with exceptionally large electro-optic coefficients," nature photonics, Vol. 1, pp.180-186, 2007.

しかし、従来のポリマ変調器Ａにおいては、第１のコアと第２および第３のコアとを基板に垂直な方向に配置しているため、第１の上部電極と第１の底部電極との距離を短くすることが困難であり、ポリマ変調器Ａの駆動電圧が高くなるという問題がある。

また、従来のポリマ変調器Ｂは、導波光を第４のコアから第５および第６のコアへ分岐する部分と、導波光を第５および第６のコアから第４のコアへ合成する部分とを備えるため、導波路の全長を短くすることが困難であるという問題がある。

そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、駆動電圧を低くし、かつ、全長を短くすることが可能な光導波路スイッチを提供することである。

この発明によれば、光導波路スイッチは、基板と、底部電極と、第１および第２のクラッドと、第１から第３のコアと、第１および第２の上部電極とを備える。底部電極は、基板の一主面に形成される。第１のクラッドは、底部電極上に形成され、第１の屈折率を有するゾルゲルガラスからなる。第１のコアは、第１のクラッド中に配置され、第１の屈折率よりも大きい第２の屈折率を有するゾルゲルガラスからなる。第２のコアは、第１のクラッド中に配置されるとともに、一部が基板の面内方向において第１のコアの第１の側面に接して形成され、第２の屈折率よりも大きい第３の屈折率を有する電気光学ポリマからなる。第３のコアは、第１のクラッド中に配置されるとともに、一部が基板の面内方向において第１のコアの第１の側面に対向する第２の側面に接して形成され、第３の屈折率を有する電気光学ポリマからなる。第２のクラッドは、第１のクラッド中に配置されるとともに、導波光の進行方向における第１のコアの端部と第２および第３のコアの基板の面内方向における一部の側面とに接して形成され、第２のコア中を伝搬する導波光と第３のコア中を伝搬する導波光とを相互作用させる。第１の上部電極は、基板の法線方向において、第２のコアに対向して第２のコアの上側に配置される。第２の上部電極は、基板の法線方向において、第３のコアに対向して第３のコアの上側に配置される。そして、第２のコアと第１のコアとの接触面と反対側の第２のコアの側面は、導波光の進行方向に対して第２のコアの幅が広くなるテーパ構造になっている。また、第３のコアと第１のコアとの接触面と反対側の第３のコアの側面は、導波光の進行方向に対して第３のコアの幅が広くなるテーパ構造になっている。さらに、第２および第３のコアのテーパ構造からなる部分は、導波光の進行方向に対して屈折率が連続的に変化している。

好ましくは、第２のクラッドは、第２の屈折率よりも大きく、かつ、第３の屈折率よりも小さい第４の屈折率を有する電気光学ポリマからなる。

好ましくは、第３の屈折率と第４の屈折率との差は、０．００１〜０．００２である。

好ましくは、第１の上部電極は、第２のコアのうち、第２のクラッドと接触する第１の部分にのみ対向して第１の部分の上側に形成され、第２の上部電極は、第３のコアのうち、第２のクラッドと接触する第２の部分にのみ対向して第２の部分の上側に形成される。

好ましくは、第１の上部電極は、第２の上部電極に印加される電圧と逆極性の電圧が印加される。

好ましくは、光導波路スイッチは、上部クラッドをさらに備える。上部クラッドは、第２の屈折率を有するとともに、第１のコアの光入射側において、第１のコアおよび第１のクラッドに接して第１のコアおよび第１のクラッド上に配置される。

この発明による光導波路スイッチは、第１のコアと異なる材料からなる第２および第３のコアを基板の面内方向において第１のコアの両側に配置した構造を有するので、光導波路スイッチにおいては、導波光を基板の面内方向に遷移させることができる。

その結果、基板の法線方向における底部電極と第２から第４のコアとの距離を短くすることができた。したがって、底部電極と第１および第２の上部電極との距離を短くでき、第１および第２の電極に印加する電圧を従来の２分の１に低減できた。

また、光導波路スイッチは、第１のコアと第２および第３のコアとの接触をテーパ構造によって実現した。その結果、Ｙ型分岐を用いずに導波光を基板の面内方向へ遷移させることができ、導波光を第１のコアから第２および第３のコアへ分岐させることができる。

従来の光導波路スイッチにおいては、Ｙ型分岐を用いて導波光を２つの導波路へ分岐していたため、分岐された２つの導波光を相互作用させる領域の長さが相対的に長くなっていた。

しかし、この発明による光導波路スイッチにおいては、上述したように、Ｙ型分岐を用いずにテーパ構造によって第１のコアと第２および第３のコアとの接触を実現し、導波光を第１のコアから第２および第３のコアへ分岐するようにしたので、第２のコア中を伝搬する導波光と第３のコア中を伝搬する導波光とが相互作用する領域の長さを従来よりも短くできた。その結果、光導波路スイッチの全長を短くできた。

したがって、この発明によれば、光導波路スイッチの駆動電圧を低減でき、かつ、光導波路スイッチの全長を短くできる。

また、この発明による光導波路スイッチにおいては、第４のコアは、第２および第３のコアと同じ電気光学ポリマからなる。その結果、第２から第４のコアを形成する場合、同じ電気光学ポリマをスピンコートによって塗布すればよい。

したがって、この発明によれば、第１のコアと異なる材料からなる第２から第４のコアを容易に作製できる。

さらに、この発明による光導波路スイッチにおいては、第１の上部電極は、第２のコア中を伝搬する導波光と第３のコア中を伝搬する導波光とが相互作用する第２のコアの一部の領域上に設けられ、第２の上部電極は、第２のコア中を伝搬する導波光と第３のコア中を伝搬する導波光とが相互作用する第３のコアの一部の領域上に設けられる。

したがって、この発明によれば、導波光を出射するコアを第２のコアと第３のコアとの間で容易に切換えることができる。

さらに、この発明による光導波路スイッチにおいては、第１の上部電極と第２の上部電極には、相互に逆極性の電圧が印加される。

したがって、この発明によれば、第１および第２の上部電極の各々に印加される電圧の絶対値を低くでき、消費電力を少なくできる。

この発明の実施の形態による光導波路スイッチの平面図である。図１に示す線ＩＩ−ＩＩ間における光導波路スイッチの断面図である。図１に示すコアのテーパ構造の拡大図である。図１および図２に示す光導波路スイッチの製造方法を説明するための第１の工程図である。図１および図２に示す光導波路スイッチの製造方法を説明するための第２の工程図である。図１および図２に示す光導波路スイッチの製造方法を説明するための第３の工程図である。図１および図２に示す光導波路スイッチの製造方法を説明するための第４の工程図である。図１および図２に示す光導波路スイッチの製造方法を説明するための第５の工程図である。図１および図２に示す光導波路スイッチの製造方法を説明するための第６の工程図である。図１および図２に示す光導波路スイッチの製造方法を説明するための第７の工程図である。図１および図２に示す光導波路スイッチの製造方法を説明するための第８の工程図である。図１および図２に示す光導波路スイッチの動作を説明するための模式図である。図１および図２に示す光導波路スイッチの光ファイバーとの接続方法を示す概念図である。この発明の実施の形態による他の光導波路スイッチの斜視図である。図１４に示す光導波路スイッチの製造方法を説明するための一部の工程図である。図１４に示す光導波路スイッチの製造方法を説明するための一部の工程図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態による光導波路スイッチの平面図である。また、図２は、図１に示す線ＩＩ−ＩＩ間における光導波路スイッチの断面図である。

図１および図２を参照して、この発明の実施の形態による光導波路スイッチ１０は、基板１と、電極２，１３，１４と、クラッド３と、コア４，６，７と、方向性結合相互作用領域のクラッド５と、バッファ８とを備える。

光導波路スイッチ１０は、略長方形の平面形状を有する。基板１は、シリコン基板１１と、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜１２とからなる。ＳｉＯ_２膜１２は、６μｍの厚みを有し、シリコン基板１１の一主面に形成される。

電極２は、たとえば、クロム（Ｃｒ）／金（Ａｕ）／クロム（Ｃｒ）の多層膜からなり、基板１のＳｉＯ_２膜１２上に形成される。そして、２つのＣｒの各々は、１２．５ｎｍの厚みを有し、Ａｕは、１００ｎｍの厚みを有する。したがって、電極２は、全体で１２５ｎｍの厚みを有する。このように、電極２をＣｒとＡｕとの多層膜によって構成することによって、電極２とＳｉＯ_２膜１２との接着性を向上させることができる。

クラッド３は、たとえば、３−（トリメトキシシリル）プロピルメタクリレート（ＭＡＰＴＭＳ：Ｍｅｔｈａｃｒｙｌｏｙｌｏｘｙｐｒｏｐｙｌｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ）を主成分とするゾルゲルガラスからなり、電極２およびＳｉＯ_２膜１２上に形成される。そして、クラッド３は、１５５０ｎｍの波長に対して１．４８７の屈折率を有する。

コア４は、たとえば、ＭＡＰＴＭＳを主成分とするゾルゲルガラスからなり、クラッド３中において光導波路スイッチ１０の長さ方向ＤＲ１に沿って光導波路スイッチ１０の一方端１０Ａから光導波路スイッチ１０の略中央部までの間に配置される。そして、コア４は、６〜８μｍの幅、３〜４μｍの厚みおよび１〜３ｍｍの長さを有する。また、コア４は、１．５の屈折率を有する。

方向性結合相互作用領域のクラッド５は、たとえば、ポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ：Ｐｏｌｙ−ｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）を主成分とする電気光学ポリマからなり、クラッド３中においてコア４の長さ方向ＤＲ１における端面およびコア６，７の一部の側面に接して配置される。そして、方向性結合相互作用領域のクラッド５は、６〜８μｍの幅、３〜４μｍの厚みおよび１．５ｍｍの長さを有する。また、方向性結合相互作用領域のクラッド５は、１．６３０の屈折率を有する。

コア６は、方向性結合相互作用領域のクラッド５と同じ材料からなり、クラッド３中において、基板１の面内方向ＤＲ２におけるコア４，５の一方の側面に接して配置される。そして、コア６とコア４との接触部は、光導波路スイッチ１０の一方端１０Ａから他方端１０Ｂへ向かう方向（＝導波光の進行方向）に幅が広くなるテーパ構造になっており、コア６と方向性結合相互作用領域のクラッド５との接触部およびこの接触部よりも他方端１０Ｂ側のコア６の部分は、約４μｍの一定の幅を有する。また、コア６は、１．６３２の屈折率を有する。さらに、コア６のテーパ構造からなる部分は、光導波路スイッチ１０の一方端１０Ａから他方端１０Ｂへ向かう方向（＝導波光の進行方向）に対して屈折率が１．５から１．６３２へ連続的に変化している。

コア７は、方向性結合相互作用領域のクラッド５と同じ材料からなり、クラッド３中において、基板１の面内方向ＤＲ２におけるコア４，５の他方の側面に接して配置される。そして、コア７とコア４との接触部は、光導波路スイッチ１０の一方端１０Ａから他方端１０Ｂへ向かう方向（＝導波光の進行方向）に幅が広くなるテーパ構造になっており、コア７と方向性結合相互作用領域のクラッド５との接触部およびこの接触部よりも他方端１０Ｂ側のコア７の部分は、約４μｍの一定の幅を有する。また、コア７は、１．６３２の屈折率を有する。さらに、コア７のテーパ構造からなる部分は、光導波路スイッチ１０の一方端１０Ａから他方端１０Ｂへ向かう方向（＝導波光の進行方向）に対して屈折率が１．５から１．６３２へ連続的に変化している。

このように、方向性結合相互作用領域のクラッド５は、コア４の屈折率よりも大きく、かつ、コア６，７の屈折率よりも０．００１〜０．００２だけ小さい屈折率を有する。

バッファ８は、たとえば、フッ素系ポリマ樹脂からなり、クラッド３中において方向性結合相互作用領域のクラッド５およびコア６，７に接して方向性結合相互作用領域のクラッド５およびコア６，７上に配置される。そして、バッファ８は、方向性結合相互作用領域のクラッド５およびコア６，７中の導波光が電極１３，１４によって損失するのを抑制する。

電極１３は、たとえば、Ａｕからなり、コア６の方向性結合相互作用領域のクラッド５に接する部分に対向し、かつ、バッファ８に接してバッファ８上に配置される。電極１４は、電極１３と同じ材料からなり、コア７の方向性結合相互作用領域のクラッド５に接する部分に対向し、かつ、バッファ８に接してバッファ８上に配置される。

そして、光導波路スイッチ１０においては、方向性結合相互作用領域のクラッド５およびコア６，７と電極２との距離は、３〜４μｍである。また、方向性結合相互作用領域のクラッド５およびコア６，７の上面からクラッド３および電極１３，１４の上面までの距離は、４〜５μｍである。その結果、光導波路スイッチ１０は、１０μｍから１３μｍの厚みを有する。

図３は、図１に示すコア６のテーパ構造の拡大図である。図３を参照して、コア６のテーパ構造の部分は、１〜３ｍｍの長さＬを有し、４μｍの最も広い幅ｗを有する。したがって、テーパ構造の部分は、最大で角度θ＝ｔａｎ^−１（４／１０００）＝０．２２９°の傾きを有する。

なお、コア７のテーパ構造の部分も、コア６のテーパ構造の部分と同じ構造からなる。

図４から図１１は、それぞれ、図１および図２に示す光導波路スイッチ１０の製造方法を説明するための第１から第８の工程図である。

図４を参照して、光導波路スイッチ１０の製造が開始されると、酸素（Ｏ_２）ガスを用いてシリコン基板１１を１０００℃の温度で酸化し、シリコン基板１１の一主面にＳｉＯ_２膜１２を形成する。これによって、基板１が作製される（工程（ａ）参照）。

その後、Ｃｒ／Ａｕ／Ｃｒの多層膜をＳｉＯ_２膜１２上に蒸着して電極２をＳｉＯ_２膜１２上に形成する（工程（ｂ）参照）。

引き続いて、ＭＡＰＴＭＳとＺｒＰＯ（ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ（ＩＶ）−ｎ−ｐｒｏｐｏｘｉｄｅ）とのモル比ＭＡＰＴＭＳ／ＺｒＰＯを９５％／５％に設定したゾルゲルシリカ溶液を作製し、その作製したゾルゲルシリカ溶液をスピンコートによって基板１および電極２上に塗布する。この場合、塗布したゾルゲルシリカ溶液の厚みは、３〜４μｍである。

そして、１５０℃の温度で１時間、ゾルゲルシリカ溶液をベーキングしてクラッド３の一部分（コア４〜７よりも下側の部分）２１を基板１および電極２上に形成する（工程（ｃ）参照）。

図５を参照して、工程（ｃ）の後、ＭＡＰＴＭＳとＺｒＰＯとのモル比ＭＡＰＴＭＳ／ＺｒＰＯを８５％／１５％に設定したゾルゲルシリカ溶液を作製し、その作製したゾルゲルシリカ溶液をスピンコートによってクラッド３の一部分２１の全面に塗布する。この場合、塗布したゾルゲルシリカ溶液の厚みは、３〜４μｍである。

そして、その塗布したゾルゲルシリカ溶液を８０℃の温度で１０分、ベーキングする。これによって、ゾルゲルシリカ２２がクラッド３の一部分２１の上に形成される（工程（ｄ）参照）。

その後、水銀ランプのｉ線（波長＝３６５ｎｍ）からなるＵＶ光をマスク２３を介してゾルゲルシリカ２２に照射する。この場合、ＵＶ光の照射強度は、１１ｍＷ／ｃｍ^２であり、照射時間は、１０分間である。これによって、ゾルゲルシリカ２２のうちの一部分２２１にＵＶ光が照射される（工程（ｅ）参照）。

そして、ゾルゲルシリカ２２のうちの一部分２２１をウエットエッチングによって除去し、コア４をクラッド３の一部分２１の上に形成する（工程（ｆ）参照）。この場合、ウエットエッチングは、試料をイソプロピルアルコール中に３０秒〜１分の間、浸漬することによって行なわれる。

図６を参照して、工程（ｆ）の後、ＭＡＰＴＭＳとＺｒＰＯとのモル比ＭＡＰＴＭＳ／ＺｒＰＯを９５％／５％に設定したゾルゲルシリカ溶液を作製し、その作製したゾルゲルシリカ溶液をスピンコートによってクラッド３の一部分２１の上に塗布する。この場合、塗布したゾルゲルシリカ溶液の厚みは、３〜４μｍである。

そして、８０℃の温度で１０分、ゾルゲルシリカ溶液をソフトベーキングする。これによって、クラッド３の一部分２１の上にゾルゲルシリカ２４が形成される（工程（ｇ）参照）。

その後、ｉ線（波長＝３６５ｎｍ）からなるＵＶ光をマスク２５を介してゾルゲルシリカ２４に照射する。これによって、ゾルゲルシリカ２４のうちの一部分２４１にＵＶ光が照射される。この場合、ＵＶ光の照射強度は、１１ｍＷ／ｃｍ^２であり、照射時間は、４〜５分間である。（工程（ｈ）参照）。この一部分２４１は、図１に示す方向性結合相互作用領域のクラッド５およびコア６，７が配置される領域の形状と同じ形状を有する。

図７を参照して、工程（ｈ）の後、上述したウエットエッチングと同じ条件を用いてゾルゲルシリカ２４のうちの一部分２４１を除去する。これによって、クラッド３のうち、方向性結合相互作用領域のクラッド５およびコア６，７に接する部分２４がクラッド３の一部分２１の上に形成されるとともに、方向性結合相互作用領域のクラッド５およびコア６，７が配置される領域に穴２７が形成される（工程（ｉ）参照）。この場合、穴２７の底面は、クラッドの一部分２１の上面に一致している。

そして、最後に、ゾルゲルガラスからなるコア４およびクラッド２４を形成後に、１５０℃の温度で１時間、ハードベーキングを行なう。

その後、たとえば、ＰＭＭＡにクロモフォアをドープした電気光学ポリマ溶液（溶媒：たとえば、サイクロペンタノン）２８を穴２７の中に塗布する。この場合、塗布した電気光学ポリマ２８の上面は、クラッド３の一部分２４の上面に一致している。

電気光学ポリマ２８を塗布後、溶媒を除去するために８０℃で一昼夜、電気光学ポリマ２８を真空オーブンで加熱する（工程（ｊ）参照）。そして、電気光学ポリマ２８の一部分２８１，２８２にグレースケールマスク２９を介してｉ線（波長＝３６５ｎｍ）からなるＵＶ光を照射する（工程（ｋ）参照）。この場合、ＵＶ光の強度は、１１ｍＷ／ｃｍ^２であり、ＵＶ光の照射時間は、１４時間である。

このグレースケールマスク２９は、屈折率を連続的に変化させるためのマスクである。そして、このＵＶ光の照射によって、コア６，７のテーパ構造の部分の屈折率が連続的に変化される。

図８を参照して、工程（ｋ）の後、マスク３０を介してｉ線（波長＝３６５ｎｍ）からなるＵＶ光を電気光学ポリマ２８の残りの部分２８３に照射する（工程（ｌ）参照）。この場合、ＵＶ光のエネルギーは、９．９Ｊ／ｃｍ^２（照射強度＝１１ｍＷ／ｃｍ^２）であり、ＵＶ光の照射時間は、１５分である。このＵＶ光の照射によって、方向性結合相互作用領域のクラッド５に相当する部分が形成される。

その後、Ａｕを方向性結合相互作用領域のクラッド５およびコア６，７になる部分の上に蒸着し、ポーリング電極３１を方向性結合相互作用領域のクラッド５およびコア６，７になる部分の上に形成する。そして、電気光学ポリマのガラス遷移温度、たとえば、１５０℃の温度において、電極２とポーリング電極３１との間に３００〜７００Ｖの電圧を印加し、電気光学ポリマ２８に対してポーリング処理を行なう（工程（ｍ）参照）。

ポーリング処理が終了すると、２．５ｇの沃素と５．０ｇの沃化カリウムとからなる水溶液によってＡｕをエッチングし、ポーリング電極３１を除去する。

これによって、方向性結合相互作用領域のクラッド５およびコア６，７がクラッド３中に形成される（工程（ｎ）参照）。

このように、ｉ線（波長＝３６５ｎｍ）からなるＵＶ光を照射することによって、同じ電気光学ポリマからなり、屈折率が異なる方向性結合相互作用領域のクラッド５とコア６，７とを容易に作製できる。

また、方向性結合相互作用領域のクラッド５およびコア６，７は、同じ電気光学ポリマからなるので、方向性結合相互作用領域のクラッド５およびコア６，７が形成される領域に電気光学ポリマをスピンコートによって塗布すればよく、コア４と異なる材料からなる方向性結合相互作用領域のクラッド５およびコア６，７を容易に作製できる。

工程（ｎ）の後、フッ素系ポリマ樹脂３２をスピンコートによって試料の全面に塗布する（工程（ｏ）参照）。この場合、フッ素系ポリマ樹脂３２は、バッファ８と同じ厚みを有する。

図１０を参照して、工程（ｏ）の後、マスク３４を用いてＡｕをフッ素系ポリマ樹脂３２の一部分３２１上に蒸着する（工程（ｐ）参照）。これによって、Ａｕ薄膜３３がフッ素系ポリマ樹脂３２の一部分３２１上に形成される（工程（ｑ）参照）。

その後、フォトリソグラフィを用いてＡｕ薄膜３３をパターンニングし、バッファ８に接する電極１３，１４を形成する。これによって、光導波路スイッチ１０が完成する（工程（ｒ）参照）。

なお、上述した一部分２１，２４は、クラッド３を構成する。

また、光導波路スイッチ１０は、上述したように、全工程をウエットエッチングによって行なうことによって作製されるので、光導波路スイッチ１０を短時間で作製できる。

図１２は、図１および図２に示す光導波路スイッチ１０の動作を説明するための模式図である。図１２の（ａ）は、電圧が電極１３，１４に印加されていない場合を示し、図１２の（ｂ）は、電圧が電極１３，１４に印加されている場合を示す。

図１２の（ａ）を参照して、電圧が電極１３，１４に印加されていない場合、コア４に入射した導波光は、コア４中を伝搬し、基板１の面内方向ＤＲ２において両側にコア６，７が形成されているコア４の領域に到達すると、コア６，７の屈折率がコア４の屈折率よりも大きいため、基板１の面内方向ＤＲ２に遷移し、コア６，７中を伝搬する。

その後、コア６，７中を伝搬する２つの導波光は、方向性結合相互作用領域のクラッド５に接して配置されたコア６，７の領域に達すると、相互作用する。これは、方向性結合相互作用領域のクラッド５の屈折率がコア６，７の屈折率よりも０．００２だけ小さく、かつ、方向性結合相互作用領域のクラッド５が配置された領域においてはコア６とコア７との間隔が６〜８μｍと小さいからである。そして、相互作用した導波光は、たとえば、コア７中を伝搬し、コア７から外部へ出射される。

このように、方向性結合相互作用領域のクラッド５は、コア６中を伝搬する導波光とコア７中を伝搬する導波光とを相互作用させる機能を有する。したがって、方向性結合相互作用領域のクラッド５と、方向性結合相互作用領域のクラッド５に接して配置されたコア６，７の一部分とは、「相互作用領域」を構成する。

そして、この相互作用領域を通過した導波光がコア６，７のうちのいずれのコアから出射されるかは、長さ方向ＤＲ１における方向性結合相互作用領域のクラッド５の長さ（＝結合長）によって決定される。すなわち、長さ方向ＤＲ１における方向性結合相互作用領域のクラッド５の長さを調整することによって、導波光をコア６から出射させることもできれば、導波光をコア７から出射させることもできる。

電圧が電極１３，１４に印加されていない状態で導波光がコア７から出射されるように設計された光導波路スイッチ１０において、電圧が電極１３，１４に印加されると、方向性結合相互作用領域のクラッド５に接するコア６，７の部分の屈折率が変化し、相互作用領域における導波光の位相が変化する。その結果、導波光は、コア６から外部へ出射される。この場合、＋７．９Ｖの電圧が電極１３に印加され、−７．９Ｖの電圧が電極１４に印加される。

このように、２つの電極１３，１４に絶対値が同じである逆極性の電圧を印加することによって、電極１３，１４に印加する電圧の絶対値を低下させることができ、消費電力を低減できる。

上述したように、光導波路スイッチ１０においては、方向性結合相互作用領域のクラッド５に接して配置されたコア６，７の一部分（＝相互作用領域）への電圧の印加／不印加を制御することによって、導波光を出射するコアを切換えることができる。

なお、光導波路スイッチ１０においては、コア６，７のテーパ構造の部分の長さは、コア４の長さと同じに設定されてもよい。

光導波路スイッチ１０は、コア４と異なる材料からなるコア６，７を基板１の面内方向ＤＲ２においてコア４の両側に配置した構造を有するので、光導波路スイッチ１０においては、導波光を基板１の面内方向ＤＲ２に遷移させることができる。

その結果、基板１の法線方向における電極２と方向性結合相互作用領域のクラッド５およびコア６，７との距離を従来の７〜８μｍから３〜４μｍに短くすることができた。したがって、電極２と電極１３，１４との距離を従来よりも短くでき、電極１３，１４に印加する電圧を従来の２分の１に低減できた。

また、光導波路スイッチ１０は、コア４とコア６，７との接触をテーパ構造によって実現した。その結果、Ｙ型分岐を用いずに導波光を基板１の面内方向ＤＲ２へ遷移させることができ、導波光をコア４からコア６，７へ分岐させることができる。

従来の光導波路スイッチにおいては、Ｙ型分岐を用いて導波光を２つの導波路へ分岐していたため、分岐された２つの導波光を相互作用させる領域の長さが５ｍｍと長くなっていた。

しかし、この発明の実施の形態による光導波路スイッチ１０においては、上述したように、Ｙ型分岐を用いずにテーパ構造によってコア４とコア６，７との接触を実現し、導波光をコア４からコア６，７へ分岐するようにしたので、相互作用領域の長さ（＝方向性結合相互作用領域のクラッド５の長さ）を１．５ｍｍまで短くできた。その結果、光導波路スイッチ１０の全長を短くできた。

したがって、この発明によれば、光導波路スイッチ１０の駆動電圧を低減でき、かつ、光導波路スイッチ１０の全長を短くできる。

さらに、光導波路スイッチ１０は、リング型光スイッチに比べ、温度依存性が小さいと言う特徴を有する。すなわち、光導波路スイッチ１０は、温度が変化しても、安定した光スイッチング特性を得ることができる。

光導波路スイッチ１０の全長を短くできる結果、パーソナルコンピュータの内部における光回路用のディジタル光スイッチとして光導波路スイッチ１０を実用化できる。

また、光導波路スイッチ１０の熱安定性が良い結果、光導波路スイッチ１０を用いた実用的なデバイスを容易に作製できる。

さらに、光導波路スイッチ１０をウエットエッチングによって作製できるので、短時間で光導波路スイッチ１０を製造できる。また、材料自身も安価であるため、光導波路スイッチ１０の製造コストを低減できる。

さらに、光導波路スイッチ１０は、方向結合性の素子であるため、マッハツェンダ型の変調素子に対して次の優位性を有する。光導波路スイッチ１０においては、印加電気信号に応じて光信号が出力されるので、変調の線形性が高い。また、光導波路スイッチ１０では、電極１３，１４への電圧のオン／オフによって出力光を２ポート（コア６またはコア７）から出力できる。マッハツェンダ型の変調素子において、電圧のオン／オフによって出力光が出力されたり、出力されなかったりする。

図１３は、図１および図２に示す光導波路スイッチ１０の光ファイバーとの接続方法を示す概念図である。

図１３を参照して、光導波路スイッチ１０を光回路に用いる場合、光導波路スイッチ１０を光ファイバーと接続する必要がある。光導波路スイッチ１０のコア４は、１．５の屈折率を有するため、コア４と光ファイバー４０とを直接接続する。

一方、コア６，７は、１．６３２の屈折率を有するため、コア６，７を光ファイバーと直接接続すると、その接続部における光損失が大きくなる。

そこで、コア６，７のコア４と接する部分と反対側にテーパ構造を有するゾルゲルガラスからなるコア５０を形成し、コア４，５０に接するようにコア６，７を形成する。このコア５０は、コア４と同じ屈折率を有する。そして、コア５０を光ファイバー６０と接続する。コア６，７とコア５０との界面は、テーパ構造になっているため、コア６，７とコア５０との界面における光損失は、低減される。また、コア５０は、１．５の屈折率を有するため、コア５０と光ファイバー６０とを直接接続しても光損失は、低減される。

上述した方法によって光導波路スイッチ１０の両端に光ファイバー４０，６０を接続することによって、光導波路スイッチ１０を光回路における光スイッチとして用いることができる。

図１４は、この発明の実施の形態による他の光導波路スイッチの斜視図である。この発明の実施の形態による光導波路スイッチは、図１４に示す光導波路スイッチであってもよい。

図１４を参照して、光導波路スイッチ１０Ａは、図１および図２に示す光導波路スイッチ１０に上部クラッド７０を追加したものであり、その他は、光導波路スイッチ１０と同じである。

上部クラッド７０は、側面がコア４の光入射側の端面に一致するようにクラッド３およびコア４に接してクラッド３およびコア４上に形成される。そして、上部クラッド７０は、クラッド３と同じ材料からなり、クラッド３と同じ屈折率を有する。また、上部クラッド７０は、３〜４μｍの厚みを有する。

図１５および図１６は、図１４に示す光導波路スイッチ１０Ａの製造方法を説明するための一部の工程図である。

図１４に示す光導波路スイッチ１０Ａは、上述した工程（ａ）〜工程（ｒ）の工程（ｉ）と工程（ｊ）との間に図１５および図１６に示す工程（ｉ１）〜（ｉ３）を追加した工程に従って製造される。

図１５を参照して、光導波路スイッチ１０Ａの製造が開始されると、上述した工程（ａ）〜工程（ｎ）が順次実行される。そして、工程（ｎ）の後、ＭＡＰＴＭＳとＺｒＰＯとのモル比ＭＡＰＴＭＳ／ＺｒＰＯを９５％／５％に設定したゾルゲルシリカ溶液を作製し、その作製したゾルゲルシリカ溶液をスピンコートによって試料の全面に塗布する。この場合、塗布したゾルゲルシリカ溶液の厚みは、３〜４μｍである。

そして、８０℃の温度で１０分間、ゾルゲルシリカ溶液をソフトベーキングしてゾルゲルガラス３４を形成する（工程（ｉ１）参照）。

その後、ｉ線（波長＝３６５ｎｍ）からなるＵＶ光をマスク３５を介してゾルゲルシリカ３４に照射する。この場合、ＵＶ光の照射強度は、１１ｍＷ／ｃｍ^２であり、照射時間は、１０分間である。これによって、ゾルゲルシリカ３４のうちの一部分３４１にＵＶ光が照射される（工程（ｉ２）参照）。

図１６を参照して、工程（ｉ２）の後、ゾルゲルシリカ３４のうちの一部分３４１をウエットエッチングによって除去し、上部クラッド７０を形成する（工程（ｉ３）参照）。
なお、ウエットエッチングは、試料をイソプロピルアルコール中に３０秒〜１分の間、浸漬することによって行なわれる。そして、工程（ｉ３）の後、１５０℃の温度で１時間のハードベーキングが行なわれる。

その後、上述した工程（ｊ）〜工程（ｒ）が順次実行され、光導波路スイッチ１０Ａが完成する。

光導波路スイッチ１０Ａは、光導波路スイッチ１０に加え、光ファイバー４０をコア４に接続するときの光損失を更に減少できるという効果を有する。

上記においては、コア４は、ＭＡＰＴＭＳを主成分とするゾルゲルガラスからなると説明したが、この発明の実施の形態においては、これに限らず、コア４は、ＭＡＰＴＭＳ以外のゾルゲル材料を主成分とするゾルゲル材料からなっていてもよく、方向性結合相互作用領域のクラッド５およびコア６，７は、ＰＭＭＡをホストポリマとする電気光学ポリマ以外の電気光学ポリマからなっていてもよい。

なお、この発明の実施の形態においては、コア４は、「第１のコア」を構成し、コア６は、「第２のコア」を構成し、コア７は、「第３のコア」を構成する。

また、クラッド３は、「第１のクラッド」を構成し、方向性結合相互作用領域のクラッド５は、「第２のクラッド」を構成する。

さらに、この発明の実施の形態においては、電極２は、「底部電極」を構成し、電極１３は、「第１の上部電極」を構成し、電極１４は、「第２の上部電極」を構成する。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、駆動電圧を低くし、かつ、全長を短くすることが可能な光導波路スイッチに適用される。

３クラッド、４〜７コア、１０光導波路スイッチ、１３，１４電極。

Claims

基板と、
前記基板の一主面に形成された底部電極と、
前記底部電極上に形成され、第１の屈折率を有するゾルゲルガラスからなる第１のクラッドと、
前記第１のクラッド中に配置され、前記第１の屈折率よりも大きい第２の屈折率を有するゾルゲルガラスからなる第１のコアと、
前記第１のクラッド中に配置されるとともに、一部が前記基板の面内方向において前記第１のコアの第１の側面に接して形成され、前記第２の屈折率よりも大きい第３の屈折率を有する電気光学ポリマからなる第２のコアと、
前記第１のクラッド中に配置されるとともに、一部が前記基板の面内方向において前記第１のコアの前記第１の側面に対向する第２の側面に接して形成され、前記第３の屈折率を有する電気光学ポリマからなる第３のコアと、
前記第１のクラッド中に配置されるとともに、導波光の進行方向における前記第１のコアの端部と前記第２および第３のコアの前記基板の面内方向における一部の側面とに接して形成され、前記第２のコア中を伝搬する導波光と前記第３のコア中を伝搬する導波光とを相互作用させる第２のクラッドと、
前記基板の法線方向において、前記第２のコアに対向して前記第２のコアの上側に配置された第１の上部電極と、
前記基板の法線方向において、前記第３のコアに対向して前記第３のコアの上側に配置された第２の上部電極とを備え、
前記第２のコアと前記第１のコアとの接触面と反対側の前記第２のコアの側面は、前記導波光の進行方向に対して前記第２のコアの幅が広くなるテーパ構造になっており、
前記第３のコアと前記第１のコアとの接触面と反対側の前記第３のコアの側面は、前記導波光の進行方向に対して前記第３のコアの幅が広くなるテーパ構造になっており、
前記第２および第３のコアの前記テーパ構造からなる部分は、前記導波光の進行方向に対して屈折率が連続的に変化している、光導波路スイッチ。
前記第２のクラッドは、前記第２の屈折率よりも大きく、かつ、前記第３の屈折率よりも小さい第４の屈折率を有する電気光学ポリマからなる、請求項１に記載の光導波路スイッチ。
前記第３の屈折率と前記第４の屈折率との差は、０．００１〜０．００２である、請求項２に記載の光導波路スイッチ。
前記第１の上部電極は、前記第２のコアのうち、前記第２のクラッドと接触する第１の部分にのみ対向して前記第１の部分の上側に形成され、
前記第２の上部電極は、前記第３のコアのうち、前記第２のクラッドと接触する第２の部分にのみ対向して前記第２の部分の上側に形成される、請求項１に記載の光導波路スイッチ。
前記第１の上部電極は、前記第２の上部電極に印加される電圧と逆極性の電圧が印加される、請求項１に記載の光導波路スイッチ。
前記第２の屈折率を有するとともに、前記第１のコアの光入射側において、前記第１のコアおよび前記第１のクラッドに接して前記第１のコアおよび前記第１のクラッド上に配置された上部クラッドをさらに備える、請求項１に記載の光導波路スイッチ。