JPWO2015087988A1

JPWO2015087988A1 - 電気光学素子

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Publication number: JPWO2015087988A1
Application number: JP2015516360A
Authority: JP
Inventors: 士吉横山; フンチュウ; 市川　潤一郎; 潤一郎市川; 哲及川; 洋一細川; 前田　大輔; 大輔前田
Original assignee: Kyushu University NUC; Sumitomo Osaka Cement Co Ltd; Nissan Chemical Corp
Current assignee: Kyushu University NUC; Sumitomo Osaka Cement Co Ltd; Nissan Chemical Corp
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2017-03-16
Anticipated expiration: 2034-12-11
Also published as: US20160313579A1; JP5930124B2; WO2015087988A1; CN105829957A

Abstract

本発明は、無機化合物からなるコア層と、当該コア層を挟むように積層された誘電体材料からなる第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、前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層のうち少なくとも一方は、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電気光学素子を提供する。

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。
本願は、２０１３年１２月１１日に、日本に出願された特願２０１３−２５６５４５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

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）。また、非線形光学活性ポリマーを用いた光変調器も提案されている（特許文献２）。

特開２０００−０５６２８２号公報特開２００９−９８１９５号公報

山本ら、低抵抗率ポリマークラッドを用いた電気光学ポリマー導波路の評価、第５９回応用物理学関係連合講演会講演予稿集１８ａ−ＧＰ４−１２０１２年

ところで、従来のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）等の非線形光学金属酸化物を用いた光変調器においては、高速変調が可能ではあるものの、非線形光学金属酸化物の電気光学係数が小さく、しかも屈折率分散、誘電率分散が大きいことから、周波数が１０ＧＨｚを超える高周波数領域では高速変調が出来ないという問題点があった。
また、この非線形光学金属酸化物が単結晶であることから、光変調器の薄膜化、集積化、微細化が難しいという問題点があった。
一方、非線形光学活性ポリマーを用いた光導波路素子は、屈折率分散、誘電率分散が小さく高周波領域での変調動作が比較的容易である。従来、非線形光学活性ポリマーを用いた光導波路素子では、光電界強度の高い光導波路のコア部分に非線形光学活性ポリマーを用いていた。光導波路して機能させるためには、クラッド部分の材料としてコア部分の材料より屈折率の小さな材料を選ぶことが必須であり、さらに材料の光吸収や散乱が小さい材料を選ぶ必要がある。また、この構成においては、非線形光学活性ポリマーに電気光学効果を効率よく発現させるには、より電気抵抗値の小さな材料を選ぶ必要がある（非特許文献１）。したがって、高い性能を有する非線形光学活活性ポリマーの電気抵抗率は低いため、クラッド材料の種類は極めて限定される。不純物の添加によって抵抗値の調整が可能であるゾルゲル系の材料なども用いられているが、ゾルゲル材料膜の形成に必要な熱処理による非線形光学活活性ポリマーの劣化、膜の光学的な特性や電気的な特性の再現性が得にくいなどの問題点があった。

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、周波数が１０ＧＨｚを超える高周波数領域においても高速変調が可能であり、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、無機化合物からなるコア層と、当該コア層を挟むように積層された誘電体材料からなる第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、第１のクラッド層及び第２のクラッド層のうち少なくとも一方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、このクラッド層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、誘電率分散が小さいことから、周波数が１０ＧＨｚを超える高周波数領域においても高速変調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、無機化合物からなるコア層と、当該コア層を挟むように積層された誘電体材料からなる第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、前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層のうち少なくとも一方は、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。
前記無機化合物は、酸化チタン、窒化ケイ素、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、ケイ素、ダイヤモンド、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、ＳＴＯ、ＢＴＯ、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リップ状であり、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電極またはスタックドペア型電極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。さらにシールド状の第３の電極を設け、ストリップ線路としても良いし、シールドマイクロストリップ線路やシールドスタックドペア線路状としても良い。

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型電極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、第１のクラッド層及び第２のクラッド層のうち少なくとも一方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、これら第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、このクラッド層に含まれる有機系誘電体材料の電気光学係数が小さく、かつ屈折率分散、誘電率分散も大きく、よって、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。
また、第１のクラッド層及び第２のクラッド層のうち少なくとも一方を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の実施形態の電気光学素子を示す平面図である。図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。本発明の第１の実施形態の電気光学素子の光導波路構造(作用部)の変形例を示す断面図である。本発明の第１の実施形態の電気光学素子の光導波路構造(作用部)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の構造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の電極構造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の光導波路構造(作用部)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の電極構造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の光導波路構造(作用部)の変形例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の平行平板電極型の例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。例えば、材料同士の密着性の改善や材料同士の反応・変質の防止などの製造プロセス上の理由で、コアとクラッドとの間やクラッドと電極材料のとの間に、薄い膜体を挟んでいてもよい。また各層が薄い膜体からなる複合材料で構成されていても良い。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態の電気光学素子を示す平面図、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、マイクロストリップ型電極を備えたＭＭＩ−ＭＺ光スイッチ（以下、単に光スイッチと略称する）を用いて、第１の実施形態の電気光学素子を説明する。
この光スイッチ１は、マイクロストリップ型電極を備えた薄膜からなる光スイッチであり、入射側の光導波路（入射側）２と、この光導波路（入射側）２の出射端に光接続された光分岐部３と、この光分岐部３の出射端に光接続された一対の光導波路（作用部）４、５と、これらの光導波路（作用部）４、５それぞれに独立して設けられた電極６、７と、これら光導波路（作用部）４、５の出射端に光接続された光分岐合波部８と、この光分岐合波部８の出射側に光接続された一対の光出力用の光導波路（出射側）９、１０とから構成されている。

図２に示すように、第１の実施形態の電気光学素子は、無機化合物からなるコア層１１と、このコア層１１を挟むように積層された誘電体材料からなる（第１の）クラッド層１２及び（第２の）クラッド層１３とにより光導波路構造部１４が構成され、これらコア層１１、クラッド層１２及びクラッド層１３を挟むようにマイクロストリップ線路の（第１の）電極層１５及び平面電極からなる（第２の）電極層１６が形成されている。

コア層１１は、光導波領域１１ａの膜厚を電極層１５の方向に向かってストリップ状に拡大することにより、光導波領域１１ａ以外の領域である非光導波領域１１ｂの膜厚より厚くした薄膜である。コア層１１は、無機化合物、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、ケイ素（Ｓｉ）、ダイヤモンド（Ｃ）、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。
これらの無機化合物の中でも、電気光学係数及び屈折率分散、誘電率分散を考慮すると、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、五酸化ニオブ（Ｔａ_２Ｏ_５）、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）等やそれらを固溶材料として含む材料が好適である。また、コア層１１の材料にニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などの電気光学効果を有する材料を用いた場合には、コア部分材料の電気光学効果とクラッド部分材料の電気光学効果が協同させ、素子の効率や機能をより高めることができる。

クラッド層１２、１３は、コア層１１を膜厚方向の両側から挟む薄膜であり、これらのクラッド層１２、１３のうち少なくとも一方は、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。
なお、電気光学効果をより効率的に発現するためには、クラッド層１２、１３共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とが好ましい。
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。

非線形光学有機化合物（１）：
下記の化学式（１）にて表されるフラン環基を含有する有機化合物。

（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。）

式（１）で表されるフラン環基を含有する有機化合物としては、下記の化学式（２）にて表される非線形光学有機化合物が挙げられる。

（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。）

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。）

非線形光学有機化合物（２）：
下記の化学式（５）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。

（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。）
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）にて表されるフラン環基を有する原子団が挙げられる。

（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は結合手である）

また、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）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。

（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。）
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。

この光導波路構造部１４においては、クラッド層１２、１３の屈折率は、コア層１１の光導波領域１１ａの屈折率より低くなっている。
例えば、コア層１１に酸化チタン（ＴｉＯ_２；屈折率ｎ＝２．２）を用い、クラッド層１２、１３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。

この光導波路構造部１４においては、クラッド層１２、１３の膜厚は、コア層１１の光導波領域１１ａの膜厚より厚くなっている。
例えば、コア層１１に酸化チタン（ＴｉＯ_２；屈折率ｎ＝２．２）を用い、クラッド層１２、１３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、コア層１１の光導波領域１１ａの膜厚は０．1〜０．５μｍ、クラッド層１２、１３の膜厚は１μｍ〜５μｍの範囲とした場合、通信波長帯において、光のシングルモードでの伝搬と外部電界の光導波と、非線形光学活性ポリマーからなるクラッドにしみ出した光電場への電極間の高い電界の効率的な印加を両立することが可能である。

この光導波路構造部１４においては、クラッド層１２、１３の少なくとも一方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１２（１３）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、このクラッド層１２（１３）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、このクラッド層１２（１３）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処理（ポーリング処理）が必要である。
これにより、クラッド層１２（１３）は、電気光学効果（ポッケルス効果）を発現し、電気光学係数（ＥＯ係数）を有するものとなる。

この光導波路構造部１４においては、ポーリング処理効率の一般的な観点からは、クラッド層１２（１３）のガラス転移温度Ｔｇ付近の温度における電気抵抗率は、コア層１１の電気抵抗率より高いことが好ましく、より好ましくは、抵抗率換算で、一桁以上高くする。
ここで、Ｔｇ付近の温度におけるコア層１１の抵抗を上記の条件が好ましいとした理由は、クラッド層に電気光学効果を発現させるポーリング処理に際に、非線形光学活性ポリマーからなるクラッド部に効果的に電界をかける為である。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（１１）、クラッド層１２（１３）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１２（１３）の抵抗率が、コア層１１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ため、クラッド部に電界効率が高くなり、効果的にポーリング処理が行える。

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１２（１３）部分の抵抗率より高いと、コア層１１にかかる電圧が相対的に大きくなり、クラッド層１２（１３）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りにくくなるため、ポーリング処理に必要な電圧が高くなる。しかしポーリング処理時に高電圧を印加すると放電や誘電破壊による素子破壊の危険性が高まる。

これに対して、本実施形態に係る光導波路構造部１４の構成においては、コア層１１の厚さは薄いため、クラッド層１２（１３）のガラス転移温度Ｔｇ付近の温度における電気抵抗がコア層１１の電気抵抗率より低い場合であっても、コア層１１にかかる電圧は相対的に小さくなる。そのため、クラッド層１２（１３）にも電圧が十分にかかるので、低い電圧でもポーリング処理を行うことが可能である。

なお、素子の使用温度において、クラッド層１２、１３のうち少なくとも一方の抵抗率が半導体と同程度かそれ以下（１ｘ１０^５Ωｍ以下）であると、材料中のキャリア移動など起因する高周波信号の損失や光の損失が無視できないため、好ましい材料選定でない。コア層１１についても、同様である。

これらのクラッド層１２、１３のうち一方が、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場合、他方は、ゾルゲルからなる誘電体材料を含有していてもよい。
このゾルゲルからなる誘電体材料としては、ＳｉＯ_２系のもの、導電性や屈折率の調整のためにＺｒやＴｉ等を添加したＳｉＯ_２系のもの等が挙げられる。

電極層１５、１６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、実用上望ましい。

導電性が良好であれば、電極層１５、１６の材料は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。光導波路構造部１４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１２（１３）を薄くして電極６と電極７の間隔を小さくすることが有効であるが、光導波路構造部１４を伝搬する光の損失の増大を伴う。光の損失を低減する方法として、電極層１５や電極層１６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１１とクラッド層１２（１３）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決まる。コア層１１は、クラッド層１２（１３）にくらべ、誘電率が大きく膜厚が薄いため、コンデンサとしての容量が大きい。よって、コア層１１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、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からなるクラッド層１２（１３）部分の屈折率が変化して動作する原理であるため、クラッド層１２（１３）部分の電圧が高いことは有利に働く。

これらの電極層１５、１６の膜厚は、０．０５μｍ以上かつ５０μｍ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、これらの電極層１５、１６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い。一方、電極層１５、１６の膜厚が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、クラッド層との線膨張係数の差に起因する応力・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。

電極層１５の幅は、良好な電界効率を確保するには、コア層１１のストリップ状の光導波領域１１ａの幅より広ければよい。また、素子の良好な高周波応答性を確保するには、光導波領域１１ａの幅は、コア層、クラッド層の誘電率、厚さを考慮し、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。

この光スイッチ１においては、電極層１５、１６間に電圧を印加することにより、マイクロストリップ型電極として光導波路４に電界を印加し、この光導波路（作用部）４を伝搬する光の位相及びモード形状（光電界分布）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。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、実質的には位相のみが変化していると見なせる。電圧が高い場合は、光の位相もモード形状も変化する。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。

まず、光導波路（入射側）２に入射光を入射させると、この入射光は、光分岐部３にて２方向の光に分岐され、これら分岐された光は、光導波路（作用部）４と、光導波路（作用部）５とに入射する。光導波路（作用部）４と、光導波路（作用部）５では、伝搬する光の電界分布はコア層１１の光導波領域１１ａの内部にのみにとどまるのではなく、クラッド層１２，１３にも光はしみ出している。つまり、コア層１１の光導波領域１１ａ部を伝搬する光のモードの実効屈折率や光の電界分布は、コア層１１の屈折率や厚さ、光導波領域１１ａの屈折率や大きさ形状、および、クラッド層１２，１３の屈折率などにより決まる。各部も厚さや形状が変化しなくとも、外部電界の印加によりいずれかの部位の屈折率が変化すれば、光導波領域１１ａを伝搬する光のモードの実効屈折率や光の電界分布は変化する。
ここで、光導波路（作用部）４のみに電圧を印加し、光導波路（作用部）５には電圧を印加しなかった場合、光導波路（作用部）４のコア層１１の光導波領域１１ａの実効屈折率は、印加される電圧の大きさと極性に対応して変化する。したがって、この変化した屈折率を有する光導波領域１１ａを光が伝搬すると、この光導波領域１１ａを伝搬する光は位相が早まるかあるいは遅延する。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決まる。すなわち、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。

一方、光導波路（作用部）５には電圧が印加されていないので、光導波路（作用部）５のコア層の光導波領域の屈折率は高くならず、印加される前と同一の屈折率を維持する。したがって、光導波領域を光が伝搬しても、この光導波領域を伝搬する光の位相は変化しない。
光導波路（作用部）４に印加する電圧を制御し半波長分だけ位相が遅延した光と、位相が変化しない光を光分岐合波部８に入射すると、これらの光は、互いの干渉により相殺され、光分岐合波部８から出射する光の出力は「０」となる。

また、光導波路４、５共に電圧を印加しなかった場合、コア層１１の光導波領域１１ａの実効屈折率は変化せず、印加される前と同一の実効屈折率を維持する。したがって、光導波領域を光が伝搬しても、この光導波領域を伝搬する光の速度（または位相）は変化しない。
このように、速度（または位相）が変化しない２種類の光を光分岐合波部８に入射すると、これらの光は相互の干渉により重なり合って、光分岐合波部８から出射する光の出力は「１」となる。
以上により、この光スイッチ１は、電極層１５、１６間の電圧をＯＮ／ＯＦＦすることにより、光分岐合波部８から出射する光の出力をＯＮ／ＯＦＦすることができる。
なお、光分岐合波部８および光導波路（出射側）９，１０を適切に設計することにより、上記に説明した光出力強度のＯＮ，ＯＦＦの動作でなく、光の出力先を光導波路（出射側）９，１０のいずれかに切り替える動作をさせることもできる。

以上説明したように、本実施形態の光スイッチ１によれば、クラッド層１２、１３に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、これらクラッド層１２、１３の屈折率をコア層１１の屈折率より低くしたので、このクラッド層１２、１３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、誘電率分散が小さく、よって、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。
また、クラッド層１２、１３に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、電気光学素子の集積化、微細化及び低消費電力化を図ることができる。

素子の効率の検証および製作可能性の検証のために、コア層１１にＴｉＯ_２、クラッド層１２に非線形光学ポリマーとしてＦＴＣ系の色素（Ｃ−６０）を含有したＰＭＭＡ（Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、クラッド層に電気光学効果を有さないＳｉＯ_２を用い、非光導波領域１１ｂの厚さ０．１５μｍ、光導波領域１１ａの厚さと幅をそれぞれ０．２５μｍ、２．０μｍ、クラッド層１２の厚さ４．０μｍ、クラッド層１３の厚さ１．５μｍとして、素子を試作しポーリング処理を行い、素子の変調特性からクラッド層１２の電気光学定数ｒ_３３を見積もったところ７０〜１０５ｐｍ／Ｖであった。この電気光学定数ｒ_３３の値は、比較のために非線形光学ポリマーをＩＴＯ膜上に成膜してポーリング処理した膜の電気光学効果（約６０ｐｍ／Ｖ）より高く、良好なポーリング処理が行われていることが確認された。

本実施形態において、光導波路構造部１４は、マッハツエンダー干渉型の光ＯＮ／ＯＦＦや光路切替えスイッチにおける光導波路（作用部）４，５として用いられても良いし、波長選択スイッチ等におけるリング型の波長スイッチにリング導波路部や方向性結合部に用いられても良い。
例えば、直径１００μｍのリング導波路型の波長スイッチへの適用では、スイッチング電圧２Ｖの低消費電力での動作を確認した。スイッチング電圧が２Ｖであれば、駆動に化合物半導体系のドライバを用いる必要はなく、低消費電力で安価なＳｉＧｅ系のドライバでの駆動が可能である。素子構造の設計の変更やクラッド層１２，１３ともに非線形光学ポリマーを用いるなどの効率の改善により、さらなる駆動電圧の低減が可能である。このように、本実施形態の構成の素子が小型かつ高効率で動作する実用的なものであることが確認された。

また、ここでは図示を省くが、誘電損失が小さい材料が電極層１５のオーバーコート層を形成され、オーバーコート層上に接地電極を形成された構成、つまりストリップライン、あるいはシールドマイクロストリップ線路状の構成としてもよい。低誘電率材料は、誘電率が小さい方が好ましくは、比誘電率が３．０以下、望ましくはクラッド層に用いる材料と同等かそれ以下である方が良い。低誘電率層を設けずに、上部の接地電極を形成しても良い。ストリップライン、あるいはシールドマイクロストリップ線路状の構成にすることで、高周波信号の伝搬損失の改善、および、特性インピーダンスやマイクロ波に対する屈折率（伝搬速度）の設計自由度を大幅に向上させられる。
オーバーコート層の上部に接地電極を設けない構成は、電極層１５の剥離防止や、ポーリングプロセスの際の放電防止などで利点がある。また、特性インピーダンスやマイクロ波に対する屈折率（伝搬速度）を目的として、オーバーコート層を形成しても良い。

本発明の構成の素子は、電極層１５と電極層１６の間の電気信号の強度でなく、電圧差で駆動するため、電気信号の強度が光導波路構造部１４以外の部分に分布していても、効率の低下はない。高周波成分を含む電気信号の伝搬損失を小さい電極構成にすることが、素子の設計上で重要なポイントである。
また、光導波路構造部１４の大部分は、屈折率分散、誘電率分散が小さい材料が占めるため、光とマイクロ波の速度整合を実現する設計は比較的容易な構成であるものの、コア層１１に適する材料であるＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５やＴａ_２Ｏ_５の屈折折率分散、誘電率分散が大きいため、これらの材料の特性を考慮した素子の特性設計が必要である。高周波で駆動させるデバイスとして、特性インピーダンス考慮が必要であることは、言うまでもない。

図３は、本実施形態の光スイッチ１の光導波路構造（作用部）４の変形例を示す断面図である。この光スイッチのマイクロストリップ型の電極構成を備える作用部１７が上述した光スイッチ１の光導波路４と異なる点は、上述した光導波路構造（作用部）４が、コア層１１とクラッド層１３を密着させた構造としたのに対し、このマイクロストリップ型の電極構成を備える作用部１７は、コア層１１とクラッド層１３との間に、ゾルゲル法により作製された酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）からなる保護層１８を設け、これらクラッド層１２、コア層１１、保護層１８及びクラッド層１３を積層した光導波路構造部１９とした点である。この点以外の構成要素については上記の光スイッチ１と全く同様であるから、説明を省略する。

コア層１１にＴｉＯ_２、クラッド層１２，１３にＦＴＣ色素を含有した非線形光学ポリマー（単層膜状においてポーリング処理した際の電気光学定数ｒ_３３＝１５０ｐｍ／Ｖ）、保護層１８としてゾルゲル法により作製された酸化ケイ素を用い、非光導波領域１１ｂの厚さ０．１５μｍ、光導波領域１１ａの厚さと幅をそれぞれ０．３０μｍ、２．０μｍ、クラッド層１２の厚さ１．３μｍ、クラッド層１３の厚さ２．５μｍ、保護層１８の厚さを０．３μｍとして、素子を試作しポーリング処理を行い、素子の変調特性からクラッド層１２，１３の電気光学定数ｒ_３３を見積もったところ１２０ｐｍ／Ｖと本来の材料特性の８０％が得られており、良好なポーリング処理が行われていることが確認された。
また、変調の効率指数であるＶπ・Ｌ（半波長電圧と作用部電極の長さの積）は、３．７Ｖ・ｃｍを良好な変調効率が得られおり、５０ＧＨｚ以上の広帯域動作も確認された。

この光スイッチのマイクロストリップ型の電極構成を備える作用部１７においても、上述した光スイッチ１の光導波路（作用部）４と同様の効果を奏することができる。
しかも、コア層１１とクラッド層１３との間にゾルゲル法により作製された酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）からなる保護層１８を設けたので、この保護層１８がクラッド層１３を構成する電気光学効果を有する有機系誘電体材料を積層成膜時の試薬による溶出、材料同士の反応などの素子作成プロセス時のダメージから保護することができる。その結果、このクラッド層１３の電気光学係数を小さくすることができ、かつ屈折率分散、誘電率分散を大きくすることができる。したがって、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。

ここでは、クラッド層１３とコア層１１の間に、また、保護層１８を形成した例を図示したが、素子の作成プロセスに応じて、クラッド層１２とコア層１１の間に形成しても良いし、クラッド層１２とコア層１１の間、クラッド層１３とコア層１１の間の双方に適する材料、厚さの保護層を形成しても良い。また、クラッド層１２，１３とコア層１１との密着性の改善を目的として用いても良い。
なお、保護層１８の厚さは薄くした方が素子の効率が得られるが、クラッド層同様に厚くした場合でも、実用的な効率が得られる。また、ゾルゲル法により作製された酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）クラッド層１２，１３の一方として使用することもできる。

図４は、本実施形態の光スイッチ１の光導波路構造（作用部）４の変形例を示す断面図である。この光スイッチのマイクロストリップ型の電極構成を備える作用部２１が上述した光スイッチ１の光導波路構造（作用部）４と異なる点は、上述した光導波路構造（作用部）４が、コア層１１を、光導波領域１１ａの膜厚を電極層１５の方向に向かってストリップ状に拡大することにより、光導波領域１１ａ以外の領域である非光導波領域１１ｂの膜厚より厚くした薄膜であるのに対し、このマイクロストリップ型の電極構成を備える作用部２１は、コア層２２の光導波領域２２ａの膜厚を電極層１６の方向に向かってストリップ状に拡大することにより、光導波領域２２ａ以外の領域である非光導波領域２２ｂの膜厚より厚くし、このコア層２２を、一対のクラッド層１２、１３により挟んだ積層構造の光導波路構造部２３とした点である。この点以外の構成要素については上記の光スイッチ１と全く同様であるから、説明を省略する。

この光スイッチのマイクロストリップ型の電極構成を備える作用部２１においても、上述した光スイッチ１の光導波路（作用部）４と同様の効果を奏することができる。
しかも、コア層２２の光導波領域２２ａの膜厚を電極層１６の方向に向かってストリップ状に拡大したので、電界効率をさらに向上させることができる。
また、コア層２２の光導波領域２２ａの膜厚を電極層１５、電極層１６の両方向に向かってストリップ状に拡大しても良く、同様の効果が得られる。

［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態の電気光学素子の光導波路と電極の配置を示す断面図であり、この電気光学素子としてＧ−ＣＰＷ線路の電極を有する光スイッチの例である。
この光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１が、上述した光スイッチ１の光導波路構造（作用部）４と異なる点は、上述した光導波路構造（作用部）４が、そのコア層１１の光導波領域１１ａの膜厚を電極層１５の方向に向かってストリップ状に拡大することにより非光導波領域１１ｂの膜厚より厚くし、このコア層１１、クラッド層１２及びクラッド層１３を挟むようにストリップ状の電極層１５及び平面電極からなる電極層１６を形成したのに対し、このＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１は、コア層２２の光導波領域２２ａの膜厚を電極層１６の方向に向かってストリップ状に拡大することにより非光導波領域２２ｂの膜厚より厚くし、このコア層２２を、一対のクラッド層１２、１３により挟んだ積層構造の光導波路構造部３４とし、さらに、クラッド層１２上に、電極層１５を挟むように、電極層１６と等電位（接地電位）のコプレーナストリップ状に配置された接地電極層３２、３３を形成した点である。この点以外の構成要素については上記の光スイッチ１と全く同様であるから、説明を省略する。

この光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１においても、電極層１５と電極層３２、３３との間に電圧を印加することにより、Ｇ−ＣＰＷ線路として光導波路構造部３４に電界を印加し、この光導波路構造部３４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。
さらに、Ｇ−ＣＰＷ線路は、線路の特性インピーダンスや高周波信号の屈折率（伝搬速度）などの特性設計の自由度が高いため、コア層１１に誘電率の高い誘電体材料を用いた場合でも、高周波に対する応答性を高めることができる。Ｇ−ＣＰＷ線路を用いることで、マイクロストリップライン線路で、発生する高次モードや放射の発生を防ぐこともできる。

図６は、本実施形態の電気光学素子である光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１の電極構造の変形例を示す断面図である。この光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部４１が上述した光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１と異なる点は、上述したＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１が、平面電極からなる電極層１６を形成したのに対し、このＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部４１は、平面電極からなる電極層のうちコア層２２の光導波領域２２ａに対応する領域を選択除去することにより、スロットライン状あるいはコプレーナストリップライン状に配置された接地電極層４２、４３とした点である。この点以外の構成要素については上記の光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１と全く同様であるから、説明を省略する。

この光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部４１においても、上述した光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１と同様の効果を奏することができる。
しかも、接地電極をスロットライン状あるいはコプレーナストリップ状に配置された接地電極層４２、４３としたので、特性インピーダンスの調整のための設計自由度、特にインピーダンスを高くする設計の自由度をさらに向上させることができる。光導波路構造部３４を伝搬する光の光電場と外部電界の重畳効率は、切り欠きの場合よりも若干低下するが、重畳効率は実用上十分に高い。また、接地電極をスロットライン状あるいはコプレーナストリップ状に切り欠くのではなく、メッシュ状に切り欠くことでも、同様に特性インピーダンスの調整のための設計自由度をさらに向上させることができる。

図７は、本実施形態の電気光学素子である光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える光導波路構造（作用部）３１の変形例を示す断面図である。この光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える素子５１が上述した光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１と異なる点は、上述したＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える素子３１が、１つの光導波領域２２ａの膜厚を電極層１６の方向に向かってストリップ状に拡大することにより非光導波領域２２ｂの膜厚より厚くしたのに対し、このＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部５１は、コア層５２のうちストリップ状の電極層１５の両側部に対応する位置に、膜厚を電極層１６の方向に向かってストライプ状に拡大した光導波領域５２ａ、５２ｂを形成することにより、光導波領域５２ａ、５２ｂ以外の領域である非光導波領域５２ｃの膜厚より厚くし、このコア層５２を、一対のクラッド層１２、１３により挟んだ積層構造の光導波路構造部５３とした点である。この点以外の構成要素については上記の光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える素子３１と全く同様であるから、説明を省略する。

この光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える素子５１においても、上述した光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える素子３１と同様の効果を奏することができる。
しかも、コア層５２のうちストリップ状の電極層１５の両側部に対応する位置に、膜厚を電極層１６の方向に向かってストライプ状に拡大した光導波領域５２ａ、５２ｂを形成したので、シングルモードで光導波路構造部５３を伝搬する光の光電界分布の大きな部分をクラッド層１３部分に張り出させることが可能となり、素子の効率が高めることができる。また、クラッド層１２、コア層５２及びクラッド層１３の全体の厚みを薄くすることができるので、Ｇ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１としてのインピーダンスを所定の範囲内とすることができる。したがって、電界効率をさらに向上させることができる。
さらに、コア層５２に複数のストライプ状の形状を設けることで、光導波路としての構造分散特性の設計自由度が飛躍的に向上する。たとえば、光導波路の構造分散を小さくすれば、素子の特性の波長依存性を低減でき、広い波長帯域に対応した光変調素子やスイッチング素子を実現できる。逆に構造分散を大きくすれば、光信号分散補償は波長選択スイッチングなどの機能を実現できる。コア層５２の膜厚が拡張している部分は、２つに限られることで無く、多いほど、光導波路と特性の設計自由度が高いことや、膜厚が拡張する方位が片方に限定されるものでないことは、言うまでもない。

図８は、本実施形態の電気光学素子である光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１の電極構造の変形例を示す断面図である。この光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部６１が上述した光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１と異なる点は、上述したＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１が、導電性を有する材料からなる電極層１５としたのに対し、このＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部６１は、導電性を有する材料からなる電極層６２に、クラッド層１２側に開口するストリップ状の凹部６３を形成し、この凹部６３に低誘電率の材料６４、例えば、空気、低誘電損失材料であるＢｅｎｚｏ−Ｃｙｃｌｏ−Ｂｕｔｅｎｅ（ＢＣＢ）、ＳｉＯ_２等を充填した点である。この点以外の構成要素については上記の光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１と全く同様であるから、説明を省略する。

この光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える６１においても、上述した光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１と同様の効果を奏することができる。
しかも、導電性を有する材料からなる電極層６２にストリップ状の凹部６３を形成し、この凹部６３に低誘電率の材料６４を充填したので、充填する低誘電率の材料を選択することにより、Ｇ−ＣＰＷ型の電極構成を備える６１の設計自由度を向上させることができる。

図９は、本実施形態の電気光学素子である光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える光導波路構造（作用部）３１の変形例を示す断面図である。この光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部７１が上述した光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１と異なる点は、上述したＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１が、光導波領域２２ａの膜厚を電極層１６の方向に向かってストリップ状に拡大することにより、非光導波領域２２ｂの膜厚より厚くしたのに対し、このＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部７１は、平面電極からなる電極層１６をコプレーナストリップ状あるいはスロットライン状に配置された接地電極層４２、４３とし、コア層２２のうち、電極層１５、３２、３３に対応する領域以外の領域、すなわち光導波領域２２ａ及び非光導波領域２２ｂの外側の領域に、これら光導波領域２２ａ及び非光導波領域２２ｂに沿うストライプ状の開口部７２を形成し、これらの開口部７２に誘電体材料７３を充填し、このコア層２２を、一対のクラッド層１２、１３により挟んだ積層構造の光導波路構造部７４とした点である。この点以外の構成要素については上記の光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１やその変形である４１と全く同様であるから、説明を省略する。

この誘電体材料７３としては、電気光学効果を有する有機系誘電体材料を含有する誘電体材料が好ましい。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い。この非線形光学有機化合物としては、上述した非線形光学有機化合物（１）、（２）が好ましい。
この光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部７１においても、上述した光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１と同様の効果を奏することができる。
さらに、開口部７２に誘電体材料７３として電気光学効果を有する有機系誘電体材料を充填し他場合、開口部７２にしみ出した伝搬光の部分の電気光学効果が有効になるため、素子の効率がさらに向上する。
しかも、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５など誘電率の高い材料を用いるコア層に開口部７２を設けることにより誘電率の高い部分の構成比率が下がるとともに、接地電極の一部を切り欠きコプレーナストリップ状あるいはスロットライン状に配置された接地電極層４２、４３としたので、特性インピーダンスの設計自由度、特にインピーダンスを高くする設計の自由度をさらに向上させることができる。

［第３の実施形態］
図１０は、本発明の第３の実施形態の電気光学素子の光導波路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。
この積層構造光導波路スイッチ８１が、図５に示すＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１と異なる点は、上述したＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１が、ストリップ状の光導波領域２２ａ及びその両側の非光導波領域２２ｂを有するコア層２２を、一対のクラッド層１２、１３により挟んだ積層構造の光導波路構造部３４とし、これらクラッド層１２、コア層２２及びクラッド層１３を挟むようにＧ−ＣＰＷ線路の電極層１５及び電極層３２、３３と平面電極からなる電極層１６を形成したのに対し、この積層構造光導波路スイッチ８１は、ストリップ状の光導波領域２２ａ及びその両側の非光導波領域２２ｂを有するコア層２２に、コア層２２と同一組成でありストリップ状の光導波領域８２ａ及びその両側の非光導波領域８２ｂを有するコア層８２を、クラッド層１２、１３と同一組成の第３のクラッド層８３を介して対向配置させ、これらクラッド層１２、コア層２２、クラッド層８３、コア層８２及びクラッド層１３を積層することにより光導波路構造部８４が構成され、これらクラッド層１２〜クラッド層１３を挟むように、電極層１６及びこの電極層１６と同一組成の平面電極からなる電極層８５が形成されている点である。

この積層構造光導波路スイッチ８１では、クラッド層１２の分極方位９３、クラッド層８３の分極方位９４及びクラッド層１３の分極方位９５を同一方位としている。

この積層構造光導波路スイッチ８１においても、電極層８５と接地電位である電極層１６との間に電圧を印加することにより光導波路構造部８４に電界を印加し、この光導波路構造部８４のコア層２２の光導波領域２２ａ及びコア層８２の光導波領域８２ａ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８５と接地電位である電極層１６との間に電圧を印加すると、光導波領域２２ａ及び光導波領域８２ａそれぞれの実効屈折率が変化するが、印加電圧が大きいと、光導波領域２２ａ及び光導波領域８２ａそれぞれを伝搬するモードの径が変化する。この現象を利用して、光の変調動作やスイッチング動作を行うことができる。

光導波領域２２ａ及び光導波領域８２ａそれぞれを伝搬するモードの径が大きくなるよう、つまりそれぞれを伝搬するモードの閉じこめ状態が弱くなるように、電極層８５と接地電位である電極層１６との間に電圧を印加すれば、光導波領域２２ａ及び光導波領域８２ａは、独立した並行の導波路ではなく、方向性結合器としての結合器として機能するようになる。結合の強さ（結合係数）は、印加する電圧で制御可能であり、光が伝搬する光導波を切替えるスイッチング機能を実現できる。あらかじめ、電圧を印加しない状態で方向性結合器として機能するようしておき、電極層８５と接地電位である電極層１６との間に電圧をかけた際に、光導波領域２２ａ及び光導波領域８２ａそれぞれを伝搬するモードの径が小さくなるよう、つまりそれぞれを伝搬するモードの閉じこめ状態が強くなるようにして、光路のスイッチング動作をさせても良い。コア層２２、８２の材料や厚さ、光導波領域２２ａ及び光導波領域８２ａの材料、形状や大きさ、クラッド層１２，１３，８３の材料や厚さを適宜変更することで、光導波領域２２ａ及び光導波領域８２ａの結合のしやすさを調整でき、電極層８５と接地電位である電極層１６との間に電圧により、結合の状態を制御することができる。

図１０には、電極層８５と接地電位である電極層１６にともに平板状の形状の事例を示したが、電極の構成は、図２に示すマイクロストリップ型の電極構成や図５のＧ−ＣＰＷ型の電極構成にしても良く、その方が素子の効率や高周波動作に有利である。この効果については、第１の実施形態および第２の実施形態で述べてきたことと全く同様であるから、説明を省略する。また、図１０には、光導波領域が二層スタックした事例をしめしたが、三層以上スタックした構成でスイッチング動作をさせても良い。

本発明の電気光学素子によれば、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。また、電気光学素子の集積化、微細化及び低消費電力化を図ることができるので、産業上有用である。

１光スイッチ
２光導波路（入射側）
３光分岐部
４、５光導波路（作用部）
６、７電極
８光分岐合波部
９、１０光導波路（出射側）
１１コア層
１１ａ光導波領域
１１ｂ非光導波領域
１２第１のクラッド層
１３第２のクラッド層
１４光導波路構造部
１５第１の電極層
１６第２の電極層
１７マイクロストリップ型の電極構成を備える作用部
１８保護層
１９光導波路構造部
２１マイクロストリップ型の電極構成を備える作用部
２２コア層
２２ａ光導波領域
２２ｂ非光導波領域
２３光導波路構造部
３１Ｇ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部
３２、３３コプレーナストリップ状に配置された接地電極層
３４光導波路構造部
４１Ｇ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部
４２、４３スロットライン状あるいはコプレーナストリップ状に配置された接地電極層
５１Ｇ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部
５２コア層
５２ａ、５２ｂ光導波領域
５２ｃ非光導波領域
５３光導波路構造部
６１Ｇ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部
６２電極層
６４低誘電率の材料
７１Ｇ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部
７３誘電体材料
７４光導波路構造部
８１積層構造光導波路スイッチ
８２コア層
８２ａ光導波領域
８３第３のクラッド層
８４光導波路構造部
８５電極層

すなわち、本発明の電気光学素子は、無機化合物からなるコア層と、当該コア層を挟むように積層された誘電体材料からなる第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、前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層は、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。
前記コア層は、光導波領域と、前記光導波領域以外の領域である非光導波領域とを有し、
前記光導波領域は、前記第１の電極層または前記第２の電極層の少なくとも一方の方向にストリップ状に拡大し、前記非光導波領域よりも厚いことが好ましい。

図７は、本実施形態の電気光学素子である光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える光導波路構造（作用部）３１の変形例を示す断面図である。この光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える素子５１が上述した光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１と異なる点は、上述したＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える素子３１が、１つの光導波領域２２ａの膜厚を電極層１６の方向に向かってストリップ状に拡大することにより非光導波領域２２ｂの膜厚より厚くしたのに対し、このＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部５１は、コア層５２のうちストリップ状の電極層１５の両側部に対応する位置に、膜厚を電極層１６の方向に向かってストリップ状に拡大した光導波領域５２ａ、５２ｂを形成することにより、光導波領域５２ａ、５２ｂ以外の領域である非光導波領域５２ｃの膜厚より厚くし、このコア層５２を、一対のクラッド層１２、１３により挟んだ積層構造の光導波路構造部５３とした点である。この点以外の構成要素については上記の光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える素子３１と全く同様であるから、説明を省略する。

この光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える素子５１においても、上述した光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える素子３１と同様の効果を奏することができる。
しかも、コア層５２のうちストリップ状の電極層１５の両側部に対応する位置に、膜厚を電極層１６の方向に向かってストリップ状に拡大した光導波領域５２ａ、５２ｂを形成したので、シングルモードで光導波路構造部５３を伝搬する光の光電界分布の大きな部分をクラッド層１３部分に張り出させることが可能となり、素子の効率が高めることができる。また、クラッド層１２、コア層５２及びクラッド層１３の全体の厚みを薄くすることができるので、Ｇ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１としてのインピーダンスを所定の範囲内とすることができる。したがって、電界効率をさらに向上させることができる。
さらに、コア層５２に複数のストリップ状の形状を設けることで、光導波路としての構造分散特性の設計自由度が飛躍的に向上する。たとえば、光導波路の構造分散を小さくすれば、素子の特性の波長依存性を低減でき、広い波長帯域に対応した光変調素子やスイッチング素子を実現できる。逆に構造分散を大きくすれば、光信号分散補償は波長選択スイッチングなどの機能を実現できる。コア層５２の膜厚が拡張している部分は、２つに限られることで無く、多いほど、光導波路と特性の設計自由度が高いことや、膜厚が拡張する方位が片方に限定されるものでないことは、言うまでもない。

図９は、本実施形態の電気光学素子である光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える光導波路構造（作用部）３１の変形例を示す断面図である。この光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部７１が上述した光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１と異なる点は、上述したＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１が、光導波領域２２ａの膜厚を電極層１６の方向に向かってストリップ状に拡大することにより、非光導波領域２２ｂの膜厚より厚くしたのに対し、このＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部７１は、平面電極からなる電極層１６をコプレーナストリップ状あるいはスロットライン状に配置された接地電極層４２、４３とし、コア層２２のうち、電極層１５、３２、３３に対応する領域以外の領域、すなわち光導波領域２２ａ及び非光導波領域２２ｂの外側の領域に、これら光導波領域２２ａ及び非光導波領域２２ｂに沿うストリップ状の開口部７２を形成し、これらの開口部７２に誘電体材料７３を充填し、このコア層２２を、一対のクラッド層１２、１３により挟んだ積層構造の光導波路構造部７４とした点である。この点以外の構成要素については上記の光スイッチのＧ−ＣＰＷ型の電極構成を備える作用部３１やその変形である４１と全く同様であるから、説明を省略する。

すなわち、本発明の電気光学素子は、無機化合物からなるコア層と、当該コア層を挟むように積層された誘電体材料からなる第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、前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層は、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、前記コア層は、光導波領域と、前記光導波領域以外の領域である非光導波領域とを有し、前記光導波領域は、前記第１の電極層または前記第２の電極層の少なくとも一方の方向にストリップ状に拡大し、前記非光導波領域よりも厚く、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、前記光導波領域の膜厚より厚く、前記光導波路に含まれる前記光導波領域と交差する断面において、前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層の幅は、前記光導波領域の幅より広く、かつ前記第１の電極層及び前記第２の電極層は、前記光導波領域の幅よりも広いことを特徴とする。

前記無機化合物は、酸化チタン、窒化ケイ素、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、ケイ素、ダイヤモンド、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、ＳＴＯ、ＢＴＯ、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。

Claims

無機化合物からなるコア層と、当該コア層を挟むように積層された誘電体材料からなる第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、
前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層のうち少なくとも一方は、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電気光学素子。
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記載の電気光学素子。
前記無機化合物は、酸化チタン、窒化ケイ素、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、ケイ素、ダイヤモンド、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、ＳＴＯ、ＢＴＯ、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または２記載の電気光学素子。
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３のいずれか１項記載の電気光学素子。
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４のいずれか１項記載の電気光学素子。
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リップ状であり、
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電極またはスタックドペア型電極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５のいずれか１項記載の電気光学素子。
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型電極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５のいずれか１項記載の電気光学素子。