JPWO2005008304A1 - 光導波路材料および光導波路 - Google Patents

Abstract

ＴａとＮｂとの比を変えることなく、屈折率を変化させることのできる光導波路材料を提供すること。本発明の光導波路材料が適用される光導波路の一例として、アンダークラッド層１と、アンダークラッド層１上に形成され、アンダークラッド層１よりも屈折率の高いコア２とを有する光導波路を示す。例えば、コア２として、ＫＴＮ（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３）を用い、クラッド層として構成元素の一部が、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｎのうち少なくとも一つの元素により置換され、ＫＴＮと同じペロブスカイト型結晶構造を有する材料を用いる。ＫＴＮの屈折率を大幅に低下させることができ、光導波路デバイスの設計自由度が広がる。

Description

本発明は、光導波路材料および光導波路に関し、より詳細には、光通信用の光導波路デバイスに使用する光導波路材料およびその製造方法、ならびにこの光導波路材料を用いた光導波路に関する。

屈折率の高い物質を、それよりも屈折率の低い物質で囲んだ構造物は、高屈折率領域の近傍に光エネルギーを閉じ込めて伝搬させる光導波路となる。屈折率の高い部分をコア、低い部分をクラッドまたはクラッディングと称している。光導波路は、光通信用を始めとしてさまざまな光部品へと応用されている。

光導波路材料の一例として、タンタル酸ニオブ酸カリウムが知られている。ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（以下、ＫＴＮという）は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する物質であり、図１に、ＫＴＮ結晶の単位胞を示す。カリウムイオンを格子点に配置した単純立方格子を考えたとき、その体心位置にタンタルまたはニオブのイオンが配置され、面心位置に酸素イオンが配置される。ＫＴＮは、電界を印加することによって屈折率が変化する現象である電気光学効果が非常に大きい結晶材料である（例えば、特許文献１参照）。また、組成が変わると屈折率も変わるため、組成を変えてクラッドとコアを作製することにより、光導波路を構成することができる。

ＫＴＮを用いた光導波路は、適当な電極を設けることにより、電気光学効果によって伝搬する光の位相を変調することができる。このため、開発が先行しているＬｉＮｂＯ_３の場合と同様に、光変調器などの光部品を作製することができる。ＫＴＮは、ＬｉＮｂＯ_３と比べると電気光学効果が著しく大きいことから、動作電圧が低いなど、より高い性能の光部品が得られるという利点がある。

また、ＫＴＮのＫの一部をＬｉで置換したＫ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（以下、ＫＬＴＮという）も、ＫＴＮと同じペロブスカイト型の結晶構造を有し、ＫＴＮよりも大きい電気光学効果を持つ有望な材料である。

しかしながら、上述したＫＴＮ及びＫＬＴＮは、ＴａとＮｂとの比を変えることによって屈折率が変わると同時に、電気光学係数や誘電率が変化する。このため、これらのパラメータを独立に変化させて、光部品の特性を最適化することが困難であった。

例えば、光導波路素子の高性能化のため、コアとクラッドとの屈折率の差を０．０１１以上にすると、両者の誘電率も大きく違ってしまうため、光導波路に有効に電界を印加することが出来ず、大きな電気光学効果を十分に活かした光部品を作製することができなかった。

ＫＴａＯ_３（以下、ＫＴという）は、上述したＫＴＮ、ＫＬＴＮと比較して、電気光学効果は小さいものの、高屈折率の光導波路材料として知られ、波長３５０ｎｍまでの光に対して透明である。ＫＴは、ＫＴＮとＫＬＴＮの端成分となる結晶であり、ＫＴＮ、ＫＬＴＮと同じペロブスカイト型結晶構造を有する。すなわち、ＫＴのＴａの一部をＮｂで置換するとＫＴＮとなり、ＫＴのＴａの一部をＮｂで置換し、Ｋの一部をＬｉで置換するとＫＬＴＮとなる。従って、ＫＴは、ＫＴＮ、ＫＬＴＮ結晶を成長させる基板材料として用いられる。ＫＴを用いて光導波路を構成すると、Ｎｂが含まれていないため、ＴａとＮｂとの比を変えて屈折率を制御することができない。

本発明の目的は、ＴａとＮｂとの比を変えることなく、屈折率を変化させることのできる光導波路材料を提供することにある。

特開２００３−３５８３１号公報

本発明は、このような目的を達成するために、ＫＴａＯ_３（ＫＴ）なる組成を有する結晶からなる光導波路材料であって、構成元素の一部が、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｎのうち少なくとも一つの元素により置換され、ＫＴと同じペロブスカイト型結晶構造を有することを特徴とする。

ＫＴの構成元素の一部が、他の元素で置換された組成を有することもできる。また、Ｔａの一部が、Ｎｂで置換された組成を有する結晶（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３：ＫＴＮ：０≦ｘ≦１）とすることもできる。さらに、Ｋの一部が、Ｌｉで置換された組成を有する結晶（Ｋ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３：ＫＬＴＮ：０≦ｘ，ｙ≦１）とすることもできる。

［図１］図１は、ＫＴＮ結晶の単位胞を示す図。
［図２］図２は、本発明の光導波路材料が適用される光導波路の構成を示す斜視図。
［図３］図３は、Ｚｒの添加量と屈折率との関係を示す図。
［図４］図４は、添加量０．５ｍｏｌ．％のときに得られるＫＴＮ結晶の屈折率を示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施の態様について説明する。
図２は、本発明の光導波路材料が適用される光導波路の構成を示す斜視図である。光導波路の基本構造は、リッジ型光導波路であり、外場印加機構の一例として、電極によって電界を印加する構造を有する。基板は、アンダークラッド層１に相当し、その上に、基板よりも屈折率の高いコア２が形成されている。コア２の上面には、電界を印加するための電極４が設けられている。なお、コア２を覆い、コア２よりも屈折率の低いオーバクラッド層（カバー層）６を設けて、埋め込み型導波路とすることもできる。アンダークラッド層１、コア２およびオーバクラッド層６は、すべてＫＴ、ＫＴＮまたはＫＬＴＮのいずれかの材料からなるように構成されている。

ここで、コアとクラッドの屈折率差は、コアとクラッドが同じ組成の結晶からなっていても、その結晶の構成元素の一部を置換しているＺｒ、Ｈｆ、Ｓｎのうち少なくとも一つの元素の量により制御することができる。後述するように、ＫＴ、ＫＴＮまたはＫＬＴＮの構成元素の一部を、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｎのうち少なくとも一つの元素により置換することにより、屈折率を低下することができるからである。屈折率の低下量は、置換しているＺｒ、Ｈｆ、Ｓｎのうち少なくとも一つの元素の量に比例する。従って、本実施形態の光導波路においては、ＴａとＮｂとの比を変えることなく、コアとクラッドの屈折率差を制御することができる。

このような構成により、光入力信号３は、光導波路端面から入力され、コア２を伝搬する。コア２は、電極４によって印加された外部電圧信号による屈折率変化を生ずる。これにより、伝搬する光信号は、コア２を通過する際、位相が変調される。変調を受けた光信号は、光出力信号５として対向する端面から外部に取り出される。なお、上述した光導波路の構成は、一例を示したもので、本発明の光導波路材料が、この光導波路の構成のみに適用されるものでないことは明らかである。

本発明の一実施形態において、アンダークラッド層１、コア２およびオーバクラッド層６の少なくとも一つに、ＫＴ、ＫＴＮ、ＫＬＴＮなる組成の結晶であって、構成元素の一部が、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｎのうち少なくとも一つの元素により置換され、ＫＴと同じペロブスカイト型結晶構造を有する材料を用いる。以下、本発明の光導波路材料についてより具体的に説明する。

結晶材料に微量の添加物を加えることにより、任意の透明媒質の屈折率を制御できることが、よく知られている。ところが、高分子材料、ガラス、セラミックスなどでは比較的簡単に添加することができるが、単結晶への添加は、一般には簡単ではない。何故ならば、単結晶が成長するときに、安定な結晶構造を形成することを阻害する不純物が排除されるためである。

ＫＴ、ＫＴＮ、ＫＬＴＮの単結晶は、酸化カリウム（Ｋ_２Ｏ）をフラックスとして加えて融解し、ゆっくりと冷却することにより、成長させることができる。この結晶に他の元素を添加するには、その元素を原料と共に融解して、その融液から結晶を成長させるのが通例である。

融液中の添加物のモル濃度Ｘに対する結晶中の添加物のモル濃度ｘの比率ｋ＝ｘ／Ｘを偏析係数と称している。上述したように、大抵の不純物は、結晶中に取り込まれにくく、ｋは非常に小さい。例えば、銅（Ｃｕ）を添加する場合、条件にもよるが、ｋは１０^−３から１０^−２程度である。このことが主たる原因で、屈折率を０．００１以上（０．０５％以上）変化させることは難しい。一般的に、ある透明媒質にどの添加物が取り込まれやすく、また、屈折率変調に効果があるかを予測することは簡単ではない。

本発明の発明者らは、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、錫（Ｓｎ）は、他の添加物と比較して、ＫＴ、ＫＴＮまたはＫＬＴＮ系材料の単結晶に非常に取り込まれやすく、偏析係数ｋは１を越えていることを見出した。このため、これらの元素を添加すると、０．０１にも及ぶ大きな屈折率低下を起こすことができる。

ＫＴＮ、ＫＬＴＮを含むＫＴ系導波路材料の屈折率は、約２．２であるから、この屈折率変化は、比率では０．５％になる。これは、一般的な光導波路でのコア−クラッド間の屈折率差と同程度である。つまり、ＴａとＮｂとの比を変えなくても、この発明を実施することで、十分に光導波路の屈折率を制御することが可能で、誘電率などの電気的性質と同時に最適化したデバイスを作製することが可能となる。その結果、これらの単結晶を用いた光導波路デバイスの設計自由度が広がり、動作電圧や帯域などの性能を向上させることができる。

炭酸カリウム（Ｋ_２ＣＯ_３）と酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）の粉末をモル比３：２で混合し、白金るつぼに充填、電気炉にて１４００℃まで加熱して十分に反応させる。その後、８００℃まで１０日間で徐冷して、ＫＴａＯ_３の結晶を析出させる。取り出した単結晶の屈折率は、波長１５５０ｎｍで２．１５４２である。

同様にして、炭酸カリウムと酸化タンタルを混合した粉末に、モル比１％のＺｒＯ_２を混合し、ＫＴａＯ_３の結晶を成長させる。Ｚｒが添加されたＫＴａＯ_３単結晶の屈折率は、波長１５５０ｎｍで２．１４０７である。これにより、０．０１３５の屈折率差をつけることができる。

図３に、Ｚｒの添加量と屈折率との関係を示す。Ｋ_２ＣＯ_３とＴａ_２Ｏ_５の原料に混合したＺｒＯ_２の量を横軸に、得られた単結晶の屈折率を縦軸にとったものである。添加量の増加に伴い、単調に屈折率を下げていくことができることがわかる。なお、Ｚｒの偏析係数は２．６である。

次に、ＺｒＯ_２を１ｍｏｌ．％添加した原料から析出させた単結晶をスライスして、基板を作製する。この基板上に、何も添加しないＫＴａＯ_３単結晶からなる光導波路コア部を形成し、コア部を覆うようにＺｒＯ_２を１ｍｏｌ．％添加したＫＴａＯ_３単結晶の膜を成長させて光導波路のクラッドとする。作製した光導波路は、設計どおり、コア周辺に光を閉じ込めて伝播させることができる。

実施例１における原料中の酸化タンタルの一部を、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）に置換して、ＫＴＮの結晶を成長させる。その結果、ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３の組成比ｘの値に関わらず、ＺｒＯ_２を１ｍｏｌ．％添加した場合には、屈折率が概ね０．０１低下する。

さらに、実施例２における原料中の炭酸カリウムの一部を炭酸リチウムで置き換えて、ＫＬＴＮの結晶を成長させる。ＺｒＯ_２を１ｍｏｌ．％添加することによって、屈折率を概ね０．０１低下させることができる。なお、炭酸リチウムの代わりに、炭酸ナトリウムで置換して、結晶成長を行っても、ＺｒＯ_２を添加することにより、結晶の屈折率変化は、同様に０．０１低下させることができる。

ＫＴ、ＫＴＮおよびＫＬＴＮのそれぞれについて、ＺｒＯ_２の替わりにＨｆＯ_２添加する。ＨｆＯ_２を１ｍｏｌ．％添加することによって、０．０１５だけ屈折率を低下させることができる。同様にして、ＳｎＯ_２を添加する場合は、同じ添加量で０．００６だけ屈折率を低下させることができる。

図４に、添加量０．５ｍｏｌ．％のときに得られるＫＴＮ結晶の屈折率を示す。図４から明らかなように、他の添加物は、殆どＫＴＮの屈折率を変化させることができないが、ＺｒＯ_２、ＳｎＯ_２、ＨｆＯ_２においては、効果的に屈折率が低下していることが分かる。

本発明は、光通信用の光部品などに使用する光導波路材料に関し、ＴａとＮｂとの比を変えることなく、屈折率を変化させることのできる光導波路材料を提供することができる。また、これらの単結晶を用いた光導波路デバイスの設計自由度が広がり、動作電圧や帯域などの性能を向上させることができる。

Claims (12)

1. ＫＴａＯ_３（ＫＴ）なる組成を有する結晶からなる光導波路材料であって、
   構成元素の一部が、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｎのうち少なくとも一つの元素により置換され、前記ＫＴと同じペロブスカイト型結晶構造を有することを特徴とする光導波路材料。
2. 前記ＫＴの構成元素の一部が、他の元素で置換された組成を有することを特徴とする請求項１に記載の光導波路材料。
3. 前記Ｔａの一部が、Ｎｂで置換された組成を有する結晶（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３：ＫＴＮ：０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路材料。
4. 前記Ｋの一部が、Ｌｉで置換された組成を有する結晶（Ｋ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３：ＫＬＴＮ：０≦ｘ，ｙ≦１）からなることを特徴とする請求項３に記載の光導波路材料。
5. ＫＴａＯ_３（ＫＴ）なる組成を有する結晶からなり、ペロブスカイト型結晶構造を有する光導波路材料の作製方法であって、
   ＫおよびＴａを含む主原料に、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｈｆのうち少なくとも一つの元素を含む材料を混合する第１工程と、
   混合された原料を加熱して、高温融液を作製する第２工程と、
   前記高温融液を徐冷して、結晶を析出させる第３工程と
   を備えたことを特徴とする光導波路材料の作製方法。
6. 前記ＫＴの構成元素の一部が、他の元素で置換された組成を有することを特徴とする請求項５に記載の光導波路材料の作製方法。
7. 前記第１工程は、前記主原料にＮｂを含む材料をさらに混合することを特徴とする請求項５または６に記載の光導波路材料の作製方法。
8. 前記第１工程は、前記主原料にＬｉを含む材料をさらに混合することを特徴とする請求項７に記載の光導波路材料の作製方法。
9. コアと該コアよりも屈折率が低いクラッドとからなる光導波路において、
   前記コアの材料と、前記クラッドの材料の少なくとも一方は、ＫＴａＯ_３（ＫＴ）なる組成を有する結晶であって、構成元素の一部が、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｎのうち少なくとも一つの元素により置換され、前記ＫＴと同じペロブスカイト型結晶構造を有し、
   前記コアと前記クラッドとの屈折率差が、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｎのうち少なくとも一つの元素の量により制御されていることを特徴とする光導波路。
10. 前記ＫＴの構成元素の一部が、他の元素で置換された組成を有することを特徴とする請求項９に記載の光導波路。
11. 前記Ｔａの一部が、Ｎｂで置換された組成を有する結晶（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３：ＫＴＮ：０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする請求項９または１０に記載の光導波路。
12. 前記Ｋの一部が、Ｌｉで置換された組成を有する結晶（Ｋ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３：ＫＬＴＮ：０≦ｘ，ｙ≦１）からなることを特徴とする請求項１１に記載の光導波路。

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