JP6264011B2 - 電気光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、電気光学素子に関し、さらに詳しくは、光ファイバを用いた長距離の光通信に用いて好適な電気光学素子に関するものである。

近年、高速かつ大容量の光ファイバ通信システムの進歩に伴い、外部変調器に代表されるように、導波路型光学素子を用いた光変調器が実用化され、広く用いられるようになってきている。
このような光変調器としては、電気光学効果を有するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３、ＬＮと略称することもある）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）等の非線形光学金属酸化物を用いた光変調器が提案され、実用化されている（特許文献１）。

再公表ＷＯ２００７／１１４３６７号公報

ところで、従来のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）等の強誘電体を用いた光変調器の場合、電気光学効果が比較的高いＬｉＮｂＯ_３でも電気光学係数ｒ_３３が３２ｐｍ／Ｖ程度であり、しかも屈折率分散・誘電率分散が大きいことから、高効率でかつ広帯域の変調が難しいという問題点があった。この現象は、周波数が１０ＧＨｚを超える高周波数領域では顕著に表れる。その改善策として、特許文献１のような薄い非線形光学金属酸化物の基板とＧ−ＣＰＷ構造の電極を配する構造が提案されており、コア層にＬｉＮｂＯ_３、クラッド層にＳｉＯ_２を用いた構成の特性が詳細に示されている。この材料組合せの場合、高効率にするため、ＬｉＮｂＯ_３の基板を薄くし、協同して作用する電極間隔を小さくすることは非常に有効な設計指針であるが、コア層を薄くしすぎると、光がコア層からＳｉＯ_２に染み出し易くなり、光変調効率がかえって悪化してしまうという問題点があった。

そこで、特許文献１の構成の変調器でクラッドにも非線形光学効果、電気光学効果を有する低誘電質の材料である非線形光学活性ポリマーを用いれば、効率の低下を防ぐことができ、コア層の基板をより薄くできる。また、最近開発された巨大な電気光学効果を有する電気光学ポリマーをクラッド層に用いれば、伝搬光がクラッドにしみ出していても、高効率の光変調を行うことができる。
しかしながら、この変調器においても、コア層のＬｉＮｂＯ_３と電気光学ポリマーの極性（電気光学係数の正負符号）が一致するように構成されていなければ、高効率の変調を行うことができない。一方、その極性が逆の場合には、屈折率の変化の符号も逆になり、伝搬光の実効屈折の変化が相殺され、位相変調の効率が悪化してしまうという問題点があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、コア層をより薄くすることができ、電界が光導波部分に作用する効率が高く、周波数が１０ＧＨｚを超える高周波数領域においても高速な光変調や光スイッチング動作が可能であり、さらには集積化、微細化及び低消費電力化が可能な電気光学素子を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記の課題を解決するべく鋭意検討を行った結果、コア層と、当該コア層を挟むように積層された第１のクラッド層及び第２のクラッド層とにより光導波路が構成され、前記コア層、前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層を挟むように第１の電極層及び第２の電極層が形成されてなる電気光学素子について、コア層を強誘電体結晶を含有したものとするとともに、第１のクラッド層及び第２のクラッド層の少なくとも一つを、電気光学効果を有する有機系誘電体材料を含有したものとし、この第１のクラッド層及び第２のクラッド層の屈折率をコア層の屈折率より低くすれば、コア層をより薄くすることができ、電界が光導波部分に作用する効率が高く、周波数が１０ＧＨｚを超える高周波数領域においても高速な光変調や光スイッチング動作が可能であり、さらには集積化、微細化及び低消費電力化が可能であることを知見し、本発明を完成するに到った。

すなわち、本発明の電気光学素子は、コア層と、当該コア層を挟むように積層された第１のクラッド層及び第２のクラッド層とにより光導波路が構成され、前記コア層、前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層を挟むように第１の電極層及び第２の電極層が形成されてなる電気光学素子であって、前記コア層は強誘電体結晶を含有しており、前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層の少なくとも一つは、電気光学効果を有する有機系誘電体材料を含有しており、前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層の屈折率は、前記コア層の屈折率より低いことを特徴とする。

前記コア層の分極方位は、前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層の分極方位と同一の方位であることが好ましい。
前記コア層の分極方位は、前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層の分極方位と異なった方位であってもよい。
前記コア層は、複数の層状のコア部からなり、前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層は、３つ以上の層状のクラッド部からなり、３つ以上の前記層状のクラッド部と、複数の前記層状のコア部とは、交互に積層されて多層構造の光導波路とされていることが好ましい。

前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層の膜厚は、前記コア層の膜厚より厚いことが好ましい。
前記強誘電体結晶は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸バリウム、ＫＴＮ、チタン酸ストロンチウム、チタン酸ビスマス、ＳＢＮ、ＫＴＰ、ＰＬＺＴ、ＰＺＴの群から選択される１種または２種以上を含有してなることが好ましい。
前記第１の電極層及び前記第２の電極層は、金、銀、銅、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、アルミニウムの群から選択される１種または２種以上を含有してなることが好ましい。
前記有機系誘電体材料は、非線形光学有機化合物であることが好ましい。

前記第１の電極層及び前記第２の電極層のうちいずれか一方はストライプ状であり、これら第１の電極層及び第２の電極層との間に電圧を印加することにより、マイクロストリップ型光導波路またはツイストペア型光導波路として前記光導波路に電界を印加し、前記光導波路を伝搬する光の位相及びモード形状のうちいずれか一方または双方を制御することが好ましい。

前記第１の電極層及び前記第２の電極層のうちいずれか一方はコプレーナ状であり、これら第１の電極層及び第２の電極層との間に電圧を印加することにより、Ｇ−ＣＰＷ型光導波路として前記光導波路に電界を印加し、前記光導波路を伝搬する光の位相及びモード形状のうちいずれか一方または双方を制御することが好ましい。

本発明の電気光学素子によれば、コア層を強誘電体結晶を含有したものとし、第１のクラッド層及び第２のクラッド層の少なくとも一つを電気光学効果を有する有機系誘電体材料を含有したものとし、第１のクラッド層及び第２のクラッド層の屈折率を、コア層の屈折率より低くしたので、コア層をより薄くすることができる。
強誘電体結晶を含有するコア層を、電気光学効果を有する有機系誘電体材料を含有するクラッド層にて挟んでいるので、周波数が１０ＧＨｚを超える高周波数領域においても高速変調を行うことができる。
第１のクラッド層及び第２のクラッド層の少なくとも一つが電気光学効果を有する有機系誘電体材料を含有したので、この有機系誘電体材料がさらなる集積化及び微細化に対応することができ、したがって、電気光学素子のさらなる集積化、微細化及び低消費電力化を図ることができる。

本発明の第１の実施形態のＧ−ＣＰＷ型電極構成の電気光学素子を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態のＧ−ＣＰＷ型電極構成の電気光学素子の変形例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態の電気光学素子である光スイッチング素子を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態の電気光学素子である光スイッチング素子を示す断面図である。

本発明の電気光学素子を実施するための形態について、図面に基づき説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態のＧ−ＣＰＷ型電極構成の電気光学素子を示す断面図であり、この電気光学素子としてクラッド層３、４に電気光学効果を有する有機系誘電体材料を用い、コア層２の強誘電体結晶とクラッド層３，４の電気光学ポリマーの極性を一致させたＧ−ＣＰＷ型の光位相変調器の例である。
この電気光学素子の光導波路部１は、コア層２と、このコア層２を挟むように積層された（第１の）クラッド層３及び（第２の）クラッド層４とにより光導波部５が構成され、これらクラッド層３、コア層２及びクラッド層４を挟むようにコプレーナ型の（第１の）電極層６及び（第２の）電極層７、８と平面電極からなる（第２の）電極層９が形成されている。

コア層２は、光導波領域２ａの膜厚を電極層９の方向に向かってストライプ状に拡大することにより、光導波領域２ａ以外の領域である非光導波領域２ｂの膜厚より厚くした薄膜であり、強誘電体結晶、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、ＫＴＮ（Ｋ（Ｔａ_ｘＮｂ_１−ｘ）Ｏ_３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３：ＳＴＯ）、チタン酸ビスマス（Ｂｉ_１２ＴｉＯ_２０：ＢＴＯ）、ＳＢＮ（Ｓｒ_ｘＢａ_１−ｘＮｂ_２Ｏ_３）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ_４）、ＰＬＺＴ（Ｐｂ_１−ｘＬａ_ｘ（Ｚｒ_ｙＴｉ_１−ｙ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３）、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３）の群から選択される１種または２種以上を含有している。
これらの強誘電体結晶の中でも、電気光学係数、屈折率分散及び誘電率分散を考慮すると、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）等が好適である。

クラッド層３、４は、コア層２を膜厚方向から挟む膜であり、これらクラッド層３、４は、電気光学効果をより効率的に発現するために電気光学効果を有する有機系誘電体材料を含有している。
この電気光学効果を有する有機系誘電体材料としては、非線形光学有機化合物であることが好ましく、この非線形光学有機化合物としては、次に挙げる非線形光学有機化合物（１）、（２）が好ましい。

（１）下記の化学式（１）

（式中、Ｒ^１及びＲ^２は、互いに独立した基であり、かつそれぞれの基が水素原子、炭素原子数１〜５のアルキル基、炭素原子数１〜５のハロアルキル基、炭素原子数６〜１０のアリール基のいずれかであり、Ｘは他の有機化合物との結合手である）
にて表されるフラン環基含有有機化合物。

このフラン環基含有有機化合物を有する非線形光学有機化合物としては、下記の化学式（２）

（式中、Ｒ^３及びＲ^４は互いに独立しており、かつ水素原子、置換基を有していてもよい炭素原子数１〜１０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素原子数６〜１０のアリール基のいずれかであり、Ｒ^５〜Ｒ^８は互いに独立しており、かつ水素原子、炭素原子数１〜１０のアルキル基またはヒドロキシ基、炭素原子数１〜１０のアルコキシ基、炭素原子数２〜１１のアルキルカルボニルオキシ基、炭素原子数４〜１０のアリールオキシ基、炭素原子数５〜１１のアリールカルボニルオキシ基、炭素原子数１〜６のアルキル基及びフェニル基を有するシリルオキシ基、炭素原子数１〜６のアルキル基またはフェニル基を有するシリルオキシ基、ハロゲン原子のいずれかであり、Ａｒ^１は二価の芳香族基である。）
にて表される非線形光学有機化合物が挙げられる。

ここで、二価の芳香族基Ａｒ^１としては、下記の化学式（３）または（４）にて表される二価の芳香族基が好ましい。

（式（３）または式（４）中、Ｒ^９〜Ｒ^１４は互いに独立しており、かつ水素原子、置換基を有していてもよい炭素原子数１〜１０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素原子数６〜１０のアリール基のいずれかである。）

（２）下記の化学式（５）

（式中、Ｒ^１５は水素原子またはメチル基であり、Ｌは炭素原子数１〜３０の二価の炭化水素基であり、Ｚは非線形光学活性を発現する原子団である。）
にて表される繰り返し単位を含む非線形光学活性ポリマー。
この二価の炭化水素基は、エーテル基、エステル基、アミド基等を含有していてもよい。

この非線形光学活性を発現する原子団Ｚとしては、下記の化学式（６）

（式中、Ｒ^１６及びＲ^１７は互いに独立しており、かつ水素原子、炭素原子数１〜５のアルキル基、炭素原子数１〜５のハロアルキル基、炭素原子数６〜１０のアリール基のいずれかであり、Ｙは非線形光学活性を発現する原子団Ｚを構成する残余の構造との結合手である）
にて表されるフラン環基を有する原子団が挙げられる。

この非線形光学活性を発現する原子団Ｚとしては、下記の化学式（７）

（式中、Ｒ^１８及びＲ^１９は互いに独立しており、かつ水素原子、置換基を有していてもよい炭素原子数１〜１０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素原子数６〜１０のアリール基のいずれかであり、Ｒ^２０〜Ｒ^２３は互いに独立しており、かつ水素原子、炭素原子数１〜１０のアルキル基、ヒドロキシ基、炭素原子数１〜１０のアルコキシ基、炭素原子数２〜１１のアルキルカルボニルオキシ基、炭素原子数４〜１０のアリールオキシ基、炭素原子数５〜１１のアリールカルボニルオキシ基、炭素原子数１〜６のアルキル基及びフェニル基を有するシリルオキシ基、炭素原子数１〜６のアルキル基またはフェニル基を有するシリルオキシ基、ハロゲン原子のいずれかであり、Ａｒ^２は二価の芳香族基である。）
にて表される有機化合物から誘導される原子団が挙げられる。
上記の置換基としては、イソシアネート基と反応し得る基であってもよい。

ここで、二価の芳香族基Ａｒ^２としては、下記の化学式（８）または（９）にて表される二価の芳香族基が好ましい。

（式（８）または式（９）中、Ｒ^２４〜Ｒ^２９は互いに独立しており、かつ水素原子、置換基を有していてもよい炭素原子数１〜１０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素原子数６〜１０のアリール基のいずれかである。）
上記の置換基としては、イソシアネート基と反応し得る基であってもよい。

この光導波路においては、クラッド層３、４の屈折率は、コア層２の光導波領域２ａの屈折率より低くなっている。
例えば、コア層２にニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３；屈折率ｎ＝２．２９）等のオーダーディスオーダー相転移型の強誘電体材料を用い、クラッド層３、４に上記の化学式（２）及び（３）にて表される非線形光学活性ポリマー（屈折率ｎ＝１．６１）を用いる等である。
このオーダーディスオーダー相転移型の強誘電体材料はキュリー点が高く、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）のキュリー点は１１９５±１５℃である。したがって、このオーダーディスオーダー相転移型の強誘電体材料は、室温（２５℃）からキュリー点までの温度範囲では、電気光学効果を有する三方晶系の結晶構造を維持し続けることができ、その結果、結晶転移に起因する屈折率、誘電率等の物理定数の変動を抑制することができる。

この光導波部５においては、クラッド層３、４の膜厚は、コア層２の光導波領域２ａの膜厚より厚くなっている。
例えば、コア層２にニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３；屈折率ｎ＝２．２９）を用い、クラッド層３、４に上記の化学式（２）及び（３）にて表される非線形光学活性ポリマー（屈折率ｎ＝１．６１）を用いた場合、コア層２の光導波領域２ａの膜厚は０．１μｍ〜３．０μｍの範囲であり、クラッド層３、４の膜厚は０．５μｍ〜５．０μｍの範囲である。

この光導波部５においては、クラッド層３、４に非線形光学有機化合物が含まれているので、この非線形光学有機化合物を含むクラッド層３、４に、その非線形光学有機化合物のガラス転移温度Ｔｇ近傍にて電界を印加し、これらのクラッド層３、４内にて非線形光学有機化合物中の有機分子を配向（ポーリング）することにより、この非線形光学有機化合物に電気光学効果（ＥＯ効果）を付加することができる。

この非線形光学有機化合物に高い電気光学係数（ＥＯ係数）を付加するためには、この非線形光学有機化合物の種類にもよるが、通常は、これらのクラッド層３、４に、非線形光学有機化合物のガラス転移温度Ｔｇ付近の温度にて、５０Ｖ／μｍ以上、好ましくは８０Ｖ／μｍ以上の高電界を印加する必要がある。
これにより、クラッド層３、４それぞれは、１０〜３００ｐｍ／Ｖの範囲の電気光学係数（ＥＯ係数）を有するものとなる。

ポーリング処理に印加する電圧は、直流あるいは低周波の信号であり、コア層２、クラッド層３、４からなる回路は、抵抗器の直列回路と見なすことができ、各部にかかる電圧は各部の抵抗値、つまり各部の抵抗率と膜厚の積のバランスで決定される。クラッド層３、４の抵抗率が、コア層２部の抵抗率より高い場合は、クラッド部にかかる電圧が相対的に高くなるので、クラッド部における電界効率が高くなり、効果的にポーリング処理を行うことができる。

逆に、Ｔｇ付近の温度におけるコア層１１の抵抗率が、非線形光学活性ポリマーからなるクラッド層３、４部分の抵抗率より高いと、コア層２にかかる電圧が相対的に大きくなり、クラッド層３、４にかかる電圧は、相対的に小さくなる。つまり、ポーリング処理の際に非線形光学活性ポリマー部に効果的にポーリング電界がかからず、ポーリング処理に必要な電圧をより高くする必要があり、放電や誘電破壊による素子の破壊の危険性が高まる。

電極層６〜９は、高周波において良好な導電性を有する材料、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、アルミニウム（Ａｌ）の群から選択される１種または２種以上を含有しているものを用いることが、実用上好ましい。

電極層６、９の材料は導電性が良好であればよく、金属に限定されない。素子の使用温度が制限されるが、超伝導材料を用いても良い。
光導波路にかかる高周波信号の電界を高めるためには、クラッド層３、４を薄くして電極６と電極９の間隔を小さくすることが有効であるが、光導波路を伝搬する光の損失の増大を伴う。光を損失を低減する方法として、電極６や電極層９に、小さな光の吸収損失と良好な導電性を兼ね備える導電性材料、いわゆる透明電極材料を用いることもできる。このような導電性材料としては、スズ添加酸化インジウム（Indium Tin Oxide:ＩＴＯ）、アンチモン添加酸化インジウム（Antimony Tin Oxide:ＡＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）等からなる透明電極が好ましい。

本発明の素子構造の場合、高周波信号に対するコア層２とクラッド層３、４への電圧の配分については、各々の層をコンデンサと見なしたコンデンサの直列回路の様に見なすことができる。各層にかかる電圧の配分は、各コンデンサの容量、つまり、各層における誘電率と膜厚の比によってきまる。コア層２は、クラッド層３、４にくらべ、誘電率が大きく膜厚が薄いので、コンデンサとしての容量が大きい。よって、コア層２に配分される高周波信号の電圧の配分は相対的に小さく、電圧の大部分はクラッド部分にかかる。
本構成の素子では、クラッド層３，４に高周波信号からの外部電界に応じて非線形光学活性ポリマーを用いているので、クラッド層２、３部分の電圧がコア層２の部分の電圧より高くとも、高効率な変調を行うことができる。

これら電極層６〜９の膜厚は、０．０５μｍ以上かつ５０μｍ以下が好ましく、より好ましくは０．３μｍ以上かつ２０μｍ以下である。
ここで、電極層６〜９各々の膜厚が０．０５μｍ未満であると、高周波信号においては表皮抵抗に起因する高周波波信号の減衰が大きいので好ましくなく、一方、膜厚が２０μｍを超えると、高周波信号の損失は低くなるものの、コア層２、クラッド層３，４との線膨張係数の差に筋する応力・歪みにより、電極の剥離、コアやクラッドの屈折率の変化や光導波路の実効的光路長の変化を引き起こす原因となるので好ましくない。

この電極層６の幅は、良好な電界効率を確保するには、コア層２のストライプ状の光導波領域２ａの幅より広ければよく、特に限定されないが、素子の良好な高周波応答性を確保するには、コア層、クラッド層の材料の誘電率、厚みを考慮し、高周波線路として適した特性インピーダンスとなるように電極幅と高さを設計することが必要である。

ここで、コア層２がクラッド層３，４より厚い場合、屈折率分散・誘電率分散が大きなコア材料が電極６と電極層９の間の光導波部５の大部分を占めるので、光とマイクロ波の速度整合と適した特性インピーダンスを両立する構成の設計範囲は制限されるが、コア層２がクラッド層３，４より厚い場合は、光とマイクロ波の速度整合と適した特性インピーダンスを両立する構成の設計の自由度は大きい。

一方、コア層２の厚みが０．５μｍ以下でクラッド層３，４の厚さが２μｍ以上の場合は、Ｇ−ＣＰＷ型の電極構成でなく、マイクロストリップ型やツイストペア型の電極構成であっても、光の速度と電気信号の速度を整合させることが可能であり、さらに特性インピーダンスを５０Ωに設定することとも両立も可能である。さらに、電気光学デバイスの駆動に有利なように５０Ω以上の高インピーダンスと光の速度と電気信号の速度整合を両立させた設計をすることも可能である。
光がクラッド層３，４に浸みだし、コア層に変調効率が下げる問題は、クラッド層３，４にコア層の強誘電体と同じ極性の電気光学ポリマー層を配することで補償される。

この構成の光変調素子１においては、光導波部５におけるコア層２の分極方位１１と、クラッド層３の分極方位１２及びクラッド層４の分極方位１３とは膜厚方向に揃っており（同一方位）、しかも、これらの分極方位の極性は一致している。
このように、分極方位１１と、分極方位１２、１３とを膜厚方向に揃えることにより、次の様な効果を得ることができる。

（１）コア層２の光導波領域２ａを伝搬する光がクラッド層３、４に染み出した様な場合においても、光導波領域２ａに高効率の光変調を掛けることができる。したがって、コア層２の光導波領域２ａが薄くなり過ぎた様な場合であっても、光変調を高効率にて行うことができる。
（２）周波数が１０ＧＨｚを超える高周波数領域においても、高速変調を高効率にて行うことができる。
（３）コア層２とクラッド層３、４との間のインピーダンスを容易に高くすることができる。

この構成の光変調素子１においては、信号電極６と接地電位である電極層７，８，９との間に電圧を印加することにより、Ｇ−ＣＰＷ型光導波路として光導波部５に電界を印加し、この光導波部５のコア層２の光導波領域２ａを伝搬する光の位相及びモード形状のうちいずれか一方または双方を制御することができる。

ここで、印加する電圧が低い場合は、モード形状の変化は無視できるほど小さく、実質的には伝搬する光の位相のみが変化していると見なせる。
一方、印加する電圧が高い場合は、光の位相もモード形状やモードの大きさも変化する。光の伝搬損失や放射損失は、このモードの形状やモード大きさに大きく依存するため、印加する電圧によって、光の強度を変化させることもできる。つまり、光量調整機能や光アッテネーターや光のＯＮ／ＯＦＦスイッチング機能を実現できる。

この機能は、コア層２がクラッド層３，４より厚く光の閉じこめが強い場合においても、原理的には起こっているのだが、モードの形状変化や大きさの変化があまりにも小さいため、光量の変化の実験的な検出さえ難しい。コア層２がクラッド層３，４より薄い場合に、現実的な印加電圧で発現する機能である。この現象はコアやクラッドに用いる材料の電気光学効果によるものであり、直流からテラヘルツ帯の高周波まで広い周波数で機能する。

ここで、この光導波路のコア層２の光導波領域２ａに光を入射させた場合に、このコア層２の光導波領域２ａに電圧を印加すると、このコア層２の光導波領域２ａの実効屈折率は、印加される電圧の大きさに対応して変化する。したがって、この高くなった実効屈折率を有する光導波領域２ａを光が伝搬すると、この光導波領域２ａを伝搬する光は位相が早まるかあるいは遅延する。

一方、このコア層２の光導波領域２ａに電圧を印加しなかった場合には、このコア層２の光導波領域２ａの屈折率は変化せず、印加される前と同一の屈折率を維持する。したがって、この光導波領域２ａを光が伝搬しても、この光導波領域２ａを伝搬する光の位相は変化しない。
このように、早まるか遅延するかは、印加する電圧の極性によって決まり、光の位相の変化量は、電圧の強度によってきまる。電圧の強度と極性を制御することにより、光の位相変化量を自在に変化させることができる。つまり、電気信号によって、光の位相を自在に操り変調することができる。

以上説明したように、本実施形態の電気光学素子の光導波路部１は、強誘電体結晶からなるコア層２を、電気光学効果を有する有機系誘電体材料からなるクラッド層３、４にて挟むことにより積層構造の光導波路とし、これらクラッド層３、４の屈折率をコア層２の屈折率より低くしたので、これらのクラッド層３、４に含まれる有機系誘電体材料の電気光学係数が大きく、かつ屈折率分散及び誘電率分散が小さいことから、コア層２をより薄くすることができる。

強誘電体結晶を含有するコア層２を、電気光学効果を有する有機系誘電体材料を含有するクラッド層３、４にて挟んでいるので、周波数が１０ＧＨｚを超える高周波数領域においても高速変調を行うことができる。
クラッド層３、４が電気光学効果を有する有機系誘電体材料を含有したので、この有機系誘電体材料がさらなる集積化及び微細化に対応することができ、したがって、電気光学素子のさらなる集積化、微細化及び低消費電力化を図ることができる。

図２は、本実施形態のＧ−ＣＰＷ型電極構成の電気光学素子の変形例を示す断面図であり、この光導波路部２１が上述した光導波路部１と異なる点は、上述した光導波路部１が、コア層２の分極方位１１と、クラッド層３の分極方位１２及びクラッド層４の分極方位１３とを膜厚方向に揃え、これらの分極の極性を同じ方位としたのに対し、この光導波路部２１は、コア層２の分極方位２２に対して、クラッド層３の分極方位２３及びクラッド層４の分極方位２４を正反対の方位とした点であり、この点以外の構成要素については上記の光導波路部１と全く同様であるから、説明を省略する。

この光導波路部２１においても、電極層６と接地電位である電極層７〜９との間に電圧を印加することにより、Ｇ−ＣＰＷ型光導波路として光導波部５に電界を印加し、この光導波部５のコア層２の光導波領域２ａを伝搬する光の位相及びモード形状のうちいずれか一方または双方を制御することができる。

ここで、電極層６と接地電位である電極層７〜９との間に電圧を印加すると、コア層２の光導波領域２ａの屈折率がΔｎ_{ｃｏｒｅ２}だけ高くなる一方、クラッド層３、４の屈折率がΔｎ_{ｃｌａｄ３}、Δｎ_{ｃｌａｄ４}だけ低くなり、伝搬する光のモードが小さくなる。したがって、この光をコア層２の光導波領域２ａ内に良好に閉じ込めることができ、光の強度を高く保ったまま伝送損失を小さくすることができる。

一方、電極層６と接地電位である電極層７〜９との間に逆極性の電圧を印加すると、コア層２の光導波領域２ａの屈折率がΔｎ_{ｃｏｒｅ２}だけ低くなる一方、クラッド層３、４の屈折率がΔｎ_{ｃｌａｄ３}、Δｎ_{ｃｌａｄ４}だけ高くなり、伝搬する光のモードが大きくなる。したがって、コア層２の光導波領域２ａから光が漏洩することとなり、その結果、この光をコア層２の光導波領域２ａ内に良好に閉じ込めることができなくなり、光の強度も低下し、光の伝送損失も大きくなる。光導波路を屈曲して伝搬する構成にしておけば、屈曲部における放射損失が大きくなり、光の強度を大きく低下させることができる。

このように、電極層６と電極層７〜９との間に正または負の電圧を印加することにより、コア層２の光導波領域２ａの屈折率及びクラッド層３、４の屈折率を逆の符号の変化量で変化させることができ、よって、伝搬する光の強度を制御することができる。この光の強度制御を用いることにより、カットオフ型の光スイッチ素子を実現することができる。

［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態の電気光学素子である光スイッチング素子を示す断面図であり、この電気光学素子としてＧ−ＣＰＷ型の光スイッチの例である。
このＧ−ＣＰＷ型光スイッチの光導波路部３１が、図２に示す光スイッチング素子の光導波路部２１と異なる点は、上述した光導波路部２１が、そのコア層２に１本のストライプ状の光導波領域２ａを形成し、この光導波領域２ａの両側を非光導波領域２ｂとしたのに対し、この光導波路部３１は、コア層２と同一組成のコア層３２に互いに平行な２本のストライプ状の光導波領域３２ａ、３２ｂを形成し、これらの光導波領域３２ａ、３２ｂの間及びこれらの光導波領域３２ａ、３２ｂの外側を非光導波領域３２ｃとし、これらクラッド層３、コア層３２及びクラッド層４により光導波部３３を構成した点であり、この点以外の構成要素については上記の光導波路部２１と全く同様であるから、説明を省略する。

この光導波路部３１においても、電極層６と接地電位である電極層７〜９との間に電圧を印加することにより、Ｇ−ＣＰＷ型光導波路として光導波部３３に電界を印加し、この光導波部３３のコア層３２の光導波領域３２ａ、３２ｂを伝搬する光の位相及びモード形状のうちいずれか一方または双方を制御することができる。

ここで、電極層６と接地電位である電極層７〜９との間に電圧を印加すると、コア層３２の光導波領域３２ａ、３２ｂの屈折率がΔｎ_{ｃｏｒｅ３２}だけ高くなる一方、クラッド層３、４の屈折率がΔｎ_{ｃｌａｄ３}、Δｎ_{ｃｌａｄ４}だけ低くなり、伝搬する光のモードが小さくなる。したがって、この光をコア層３２の光導波領域３２ａ、３２ｂ内に良好に閉じ込めることができ、光の強度を高く保ったまま伝送損失を小さくすることができる。これにより、光導波領域３２ａ、３２ｂそれぞれを伝搬する光は、互いに干渉や結合をすることなく、互いに独立を保ったまま伝送されることとなる。

一方、電極層６と接地電位である電極層７〜９との間に逆の電圧を印加すると、コア層３２の光導波領域３２ａ、３２ｂの屈折率がΔｎ_{ｃｏｒｅ３２}だけ低くなる一方、クラッド層３、４の屈折率がΔｎ_{ｃｌａｄ３}、Δｎ_{ｃｌａｄ４}だけ高くなり、伝搬する光のモードが大きくなる。したがって、光導波領域３２ａ内を伝搬する光と、光導波領域３２ｂ内を伝搬する光とは、互いに重なり合って結合され、この結合された光は、結合の強さや互いの位相関係にしたがって、光導波領域３２ａ、３２ｂそれぞれから出射されることとなる。

このように、電極層６と電極層７〜９との間に正または負の電圧を印加することにより、コア層３２の光導波領域３２ａ、３２ｂの屈折率及びクラッド層３、４の屈折率を変化させることができ、よって、伝搬する光の結合を制御することができる。この光の結合を用いることにより、方向性結合型スイッチを実現することができる。

［第３の実施形態］
図４は、本発明の第３の実施形態の電気光学素子である光スイッチング素子を示す断面図であり、この電気光学素子として多層構造のスタック結合型光スイッチの例である。
このスタック結合型光スイッチの光導波路部４１が、図２に示す光導波路部２１と異なる点は、上述した光導波路部２１が、ストライプ状の光導波領域２ａ及びその両側の非光導波領域２ｂを有するコア層２を、一対のクラッド層３、４により挟んだ積層構造の光導波部５とし、これらクラッド層３、コア層２及びクラッド層４を挟むように電極層６及び電極層７、８と平面電極からなる電極層９を形成したのに対し、この光導波路部４１は、ストライプ状の光導波領域２ａ及びその両側の非光導波領域２ｂを有するコア層２に、コア層２と同一組成でありストライプ状の光導波領域４２ａ及びその両側の非光導波領域４２ｂを有するコア層４２を、クラッド層３、４と同一組成の（第２の）クラッド層４３を介して対向配置させ、これらクラッド層３、コア層２、クラッド層４３、コア層４２及びクラッド層４を積層することにより光導波部４４が構成され、これらクラッド層３〜クラッド層４を挟むように、（第２の）電極層９及びこの電極層９と同一組成の平面電極からなる（第１の）電極層４５が形成されている点である。

この光導波路部４１では、コア層２の分極方位２２とコア層４２の分極方位４６を同一方位とし、クラッド層３の分極方位２３、クラッド層４３の分極方位４７及びクラッド層４の分極方位２４を同一方位とし、さらに、コア層２の分極方位２２及びコア層４２の分極方位４６に対して、クラッド層３の分極方位２３、クラッド層４３の分極方位４７及びクラッド層４の分極方位２４を正反対の方位としている。

この光導波路部４１においても、電極層４５と接地電位である電極層９との間に電圧を印加することにより光導波部４４に電界を印加し、この光導波部４４のコア層３２の光導波領域３２ａ及びコア層４２の光導波領域４２ａを伝搬する光の位相及びモード形状のうちいずれか一方または双方を制御することができる。

ここで、電極層４５と接地電位である電極層９との間に電圧を印加すると、コア層２の光導波領域２ａ及びコア層４２の光導波領域４２ａそれぞれの屈折率がΔｎ_{ｃｏｒｅ２}、Δｎ_{ｃｏｒｅ４２}だけ高くなる一方、クラッド層３、４３、４それぞれの屈折率がΔｎ_{ｃｌａｄ３}、Δｎ_{ｃｌａｄ４３}、Δｎ_{ｃｌａｄ４}だけ低くなり、伝搬する光のモードが小さくなる。したがって、この光をコア層２の光導波領域２ａ内及びコア層４２の光導波領域４２ａ内それぞれに良好に閉じ込めることができ、光の強度を高く保ったまま伝送損失を小さくすることができる。これにより、光導波領域２ａ、４２ａそれぞれを伝搬する光は、互いに干渉することなく、所望の位相を保ったまま伝送されることとなる。

一方、電極層４５と接地電位である電極層９との間に逆極性の電圧を印加すると、コア層２の光導波領域２ａ及びコア層４２の光導波領域４２ａそれぞれの屈折率がΔｎ_{ｃｏｒｅ２}、Δｎ_{ｃｏｒｅ４}だけ低くなる一方、クラッド層３、４３、４それぞれの屈折率がΔｎ_{ｃｌａｄ３}、Δｎ_{ｃｌａｄ４３}、Δｎ_{ｃｌａｄ４}だけ高くなり、伝搬する光のモードが大きくなる。したがって、光導波領域２ａ内を伝搬する光と、光導波領域４２ａ内を伝搬する光とは、互いに重なり合って結合され、この結合された光は、結合の強さや互いの位相関係にしたがって、光導波領域２ａ、４２ａそれぞれから出射されることとなる。

このように、電極層４５と電極層９との間に正または負の電圧を印加することにより、コア層２の光導波領域２ａ及びコア層４２の光導波領域４２ａそれぞれの屈折率と、クラッド層３、４３、４の屈折率を変化させることができ、よって、伝搬する光の結合を制御することができる。この光の結合を用いることにより、スタック結合型スイッチを実現することができる。

１ 電気光学素子の光導波路部
２ コア層
３ （第１の）クラッド層
４ （第２の）クラッド層
５ 光導波部
６ （第１の）電極層
７〜９ （第２の）電極層
１１〜１３ 分極方位
２１ 電気光学素子の光導波路部
２２〜２４ 分極方位
３１ 電気光学素子の光導波路部
３２ コア層
３３ 光導波部
４１ 電気光学素子の光導波路部
４２ コア層
４３ （第２の）クラッド層
４４ 光導波部
４５ （第１の）電極層

Claims (8)

1. コア層と、当該コア層を挟むように積層された第１のクラッド層及び第２のクラッド層とにより光導波路が構成され、前記コア層、前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層を挟むように第１の電極層及び第２の電極層が形成されてなる電気光学素子であって、
   前記コア層は強誘電体結晶を含有しており、前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層の少なくとも一つは、電気光学効果を有する有機系誘電体材料を含有しており、
   前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層の屈折率は、前記コア層の屈折率より低く、前記コア層の分極方位は、前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層の分極方位と異なった方位であることを特徴とする電気光学素子。
2. 前記コア層は、複数の層状のコア部からなり、
   前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層は、３つ以上の層状のクラッド部からなり、
   ３つ以上の前記層状のクラッド部と、複数の前記層状のコア部とは、交互に積層されて多層構造の光導波路とされていることを特徴とする請求項１記載の電気光学素子。
3. 前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層の膜厚は、前記コア層の膜厚より厚いことを特徴とする請求項１又は２に記載の電気光学素子。
4. 前記強誘電体結晶は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸バリウム、ＫＴＮ、チタン酸ストロンチウム、チタン酸ビスマス、ＳＢＮ、ＫＴＰ、ＰＬＺＴ、ＰＺＴの群から選択される１種または２種以上を含有してなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の電気光学素子。
5. 前記第１の電極層及び前記第２の電極層は、金、銀、銅、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、アルミニウムの群から選択される１種または２種以上を含有してなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の電気光学素子。
6. 前記有機系誘電体材料は、非線形光学有機化合物であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載の電気光学素子。
7. 前記第１の電極層及び前記第２の電極層のうちいずれか一方はストライプ状であり、
   これら第１の電極層及び第２の電極層との間に電圧を印加することにより、マイクロストリップ型光導波路またはツイストペア型光導波路として前記光導波路に電界を印加し、前記光導波路を伝搬する光の位相及びモード形状のうちいずれか一方または双方を制御することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項記載の電気光学素子。
8. 前記第１の電極層及び前記第２の電極層のうちいずれか一方はコプレーナ状であり、
   これら第１の電極層及び第２の電極層との間に電圧を印加することにより、Ｇ−ＣＰＷ型光導波路として前記光導波路に電界を印加し、前記光導波路を伝搬する光の位相及びモード形状のうちいずれか一方または双方を制御することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項記載の電気光学素子。

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