WO1984003155A1

WO1984003155A1 - Optical switch

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Publication number: WO1984003155A1
Application number: PCT/JP1984/000039
Authority: WO
Inventors: Takao Kawaguchi; Hideaki Adachi; Kentaro Setsune; Kenzo Ohji; Kiyotaka Wasa
Original assignee: Matsushita Electric Ind Co Ltd
Priority date: 1983-02-10
Filing date: 1984-02-10
Publication date: 1984-08-16
Also published as: EP0137851A4; DE3482287D1; EP0137851A1; US4715680A; EP0137851B1

Description

明細書

発明の名称

光スイッチ .

技術分野

本発明は、電気光学材料を用いて構成した、分岐路を有する光導波路上に電極を配置しておき、この電極に印加する電圧によって、光の伝搬路をスィツチングすることのできる光スィッチに関するものである。

冃示技術

光スィッチとして、マッハツエンダ型が知られている。従来、この種の光スィツチは T i 拡散型 LiNb0₃光導波路によ構成されていた。この T i拡散型 L iNb0₃光導波路において、 Y分岐させた一方の導波路を伝搬する光を電気光学効果によ ]9位相変調を行い、再び Y分岐によ 1 本の導波路に戻すことによる光の干渉効果によスイッチング動作をしている。

しかし、前記 T i拡散型 L iNb0₃光導波路では、電気光学効果による屈折率の変化量が小さく、その値はたとえば通常のスィツチング動作に要する電界を 2 kVymmとすると O · 2 X 1 Ο"³である。したがって、位相干渉によスイッチング動作を 5 V程度の電圧で行うには、素子寸法が 2 O丽以上が必要とされていた。光スィッチの集積ィ _ヒには、実用性に欠けていた。すなわち、 4個の光スィッチを集積化するには、光スイツチ間の光導波路での連結部を含めると 1 O O丽以上と j？、集積化には.あま適しているかった。

このため、鉑，チタン，ジルコンおよびランタンの複合酸ィ匕 • 物からる P L Z Tを光スィッチに応用することが考えられた。しかし、この物質の大きい電気光学効果および透明度を利用してたとえば光集積回路用の光スィツチを作る場合、本体の厚さを^ m オーダの寸法にする必要があるが、セラミックスを；

5 オーダに研摩し、それを接着することはきわめて困難であ、実際的で ¾い。

： - 方、サフアイャ基板上に鉛，チタン，ジルコンおよびランタンの酸化物を焼結透明化させた P L Z Tを用いた光スィッチが提案されている。しかし、前記のごとくオーダの厚さま l O でに研摩することは、不可能とっても過言で。

一方、蒸着法たとえば真空蒸着法を用いると、材料の薄型化に容為であると知らされているカ、鉛，チタンおよびランタンの複合酸化物材料を使用する場合には、この種の蒸着法を用いても、所望の組成が一般には得られいため、工業的にはこの s 種の複合酸化物材料の薄膜化は現在の技術では不可能であると考えられていた。

さらに、スパッタ法によ J)ェピタキシャル P L Z T系薄膜の報告が ¾されてる。基板材料としては、 MgO ， S r T i 0₃ の立方晶単結晶基板が用いられていた。しかし、透明性と大きい 0 電気光学効果の両者を満足させうる P L Z T系薄膜は形成されていず、現在の技術ではその形成は不可能であると考えられていた o

また、上記 T i拡散型 L i Nb0₃光導波路では、伝搬光の他の光学素子との結合および素子寸法の微小化の困難 ¾グレイテッ 25 ドィンデックス構造（屈折率が光導波路周辺領域においておよ

OMPI そ 2次関数的に屈折率分布を変化させる構造 )からるる単一モ - ドでければモ - ド変換が大きいので光伝搬損失が増加し、また消光比も大きぐとることができなかった。さらに、たとえば半導体の個別、部品である m - V族からる光検出用のダイ才一ドを集積化することはできないという欠点を有していた。さらに、微小光学部品、たとえばマイクロレンズ，プリズムるどを形成するものも、 Ί 1 Ο Ο 1Cの高温での熱処理における拡散処理のため導波路の境界が広が ]?微小化がむずかしく、高密度の光デバイスたとえば光集積回路用基板としては実用性に欠けるという欠点があった。

発明者らは、イオン衝撃蒸着法たとえば高周波スパック法を用いて、上記複合酸化物薄膜を形成すると、透光性に優れかつ大きい電気光学効果を示す薄膜が、スパッタ用タ -ゲットの組成さえ選べば、意外にも再現性よく形成され得ることを発見した ₀

発明者らは、この種の光スィッチに前記 P L Z T系薄膜光導波路を用いることによ ]?、従来の光スィツチにあった問題を解決することができた。

発明の開示

本発明は前記発見に基いて ¾されたものであ i 、その目的は良好る透光性を有し、かつ大きな電気光学特性を有する鉛，チタンおよびランタンを会む複合酸化物材料の P L Z T系薄膜を用、光検出素子との一体化が可能で、微小化 ·集積化が容易光スイッチを得るものである。

特に本発明は、電気光学材料からなる少ぐとも一つの入力光導波路および二つの分岐光導波路と伝搬制御電極とを有し、前記入力光導波路から前記分岐光導波路へ分岐する分岐部を設け、前記入力光導波路あるいは分岐光導波路上に所定の間隔を有する空隙をもつて相対する伝搬制御電極を設け、前記伝搬制御電極間に電圧を印加することによ前記空隙下の光導波路の屈折率を変化させて、前記入力光導波路および分岐光導波路を伝搬する導.波光を制御する光スィ'ッチにおいて、前記入力光導波路および分岐光導波路をサフアイャ（ a—アルミナ） C面基板上にェピタキシャル成長させた P L Z T ( ( Pb , La ) ( Zr , Ti )0₃)系薄膜から構成することを主たる特徵とする光スィッチである。

さらに本発 §1において、特に鉛.（Pb) とチタン（Ti ) のモル比率 Pb/T iが、

O .65 < Pb /Ί i < O . 90

の範囲にある P L Z. T系薄膜で前記入力光導波路および分岐光導波路を構成すると、透光性に優れかつ電気光学効果が大きいため、スイツチング動作時に低電正で駆動が可能であるという著しい効果を有している。

加えて、本発明においては P L Z T系薄膜の表面を（ 1 11 ) 面で構成すると大きな電気光学効果が得られるという利点を有している。

図面の簡単 ¾説明 '

第¹ 図は本発明にかかる光スィツチの第 1 の実施例の斜視図である。第 2図は薄膜の組成 Pb i に対して 2 kV/ の電圧印加時の複屈折変化を示しえもので、比較のため LiNb0₃の値

OMPI

、 —菌も示している。第 3図は本発明の実施例における強誘電性薄膜の、印加電圧に対する複屈折変化を示す図である。第 4図は本発明にかかる光スィツチの第²の実施例を示す平面図、第 5図はこの第²の実施例の要部斜視図、第 6図は第²の実施例における光強度の電圧依存性を示す図である。第ァ図から第 1 1 図まではそれぞれ本発明にかかる光スィッチの他の実施例の斜視図である。

発明を実施するための最良の形態

本発明は、 T i拡散型 L iNb0₃光導波路を用いた光スィツチでなく、透明でかつ電気光学効果の大きい P L Z T系薄膜光導波路を利用した光スィッチを提供するものである。

本発明の一実施例を第図に示し、以下に説明する。第 1 図において、電気光学材料からるる少ぐとも一つの入力光導波路および二つの分岐光導波路 1 ² a , 1 2 b と伝搬制御電極 1 3 a , 1 3 b とを有し、入力光が伝搬する入力光導波路 1 ¹ から前記分岐光導波路 1 2 a， 1 ² bへ分岐する分岐部¹⁴ を設け、前記入力光導波路 1 ²あるいは分岐光 2， 3 が伝搬する導波路 1 2 a , 1 2 b上に所定の間隔を有する空隙 1 3 c をもつ.て相対するように伝搬制御電極 ¹ 3 a， 1 3 bを設け、前記伝搬制御電極 1 3 a， 1 3 b間に電圧を印.加することによ ]9前記空隙 1 3 c下の光導波路の屈折率を変化させて、前記入力光導波路 1 1 および分岐光導波路 1 2 a， 1 2 bを伝搬する導波光強度を制御する光スィッチにおいて、前記入力光導波路 1 1 および分岐光導波路 1 2 a， 1 2 bをサフアイャ（なーァルミナ ) C面基板 t ⁵上にェピタキシル成長させた P L Z τ ( ( Pb , La ) ( Zr , T i )0₃ )系薄膜 1 6から構成している。特に、 P L Z T系薄膜 1 6が、少くとも鉛，チタンおよびランタンの酸化物から ¾ 、薄膜の組成としては、モル比率 Pb/Ti が0.65<?1> でく0.90の範囲にぁるものである。第 2図は Pb/ i の比率を変えたときの電気光学効果の実測値を示す。すなわち、第²図において、 '曲線 2 1 は、鉛，チタンおよびランタンの酸化物蘀膜.の電気光学効果の組成による変化（Pb/Ti の比率の変化）を示す。比較のために、曲線 2 2に現在この種の光集積回路用材料で広ぐ用られている LiNb0₃単結晶の特性を示す。同図から、 Pb/T iの比率が 0。 65く PbZT i く

Ο . ΘΟの範囲では LiNb0₃ よ D も大きい電気光学効果が得られることがわか]?、実用上有効である。この場合、 Pb/ i≤0,65 あるいは Pbノ T i^O . SOのときには LiNBOg 程度かそれ以下であるから実用性に欠く。お従来のセラミックス材料においては、この 0.65く Pb/ i<0 * SO 範囲の組成領域では大きな電気光学効果は期待されておらず、測定データもなかった。発明者らは、この組成範囲を含む領域で薄膜化を試み、第 2図に示すような、セラミックス材料では予想され ¾かった大きな電気光学効果を持つ領域を発見し、それに基いて、動作電圧の低い光スィッチの発明を行った。さらに発明者らは、この種の F L Z T系薄膜の基板材料，結晶構造についての詳細を調べた結果、最適の基板材料および結晶方位が存在することを確認した。この種の薄膜の成長面としては、（ ¹ 1 1 )面，（ 1 1 o ) 面あるいは（ 1 o o )面がある。通常、これらの面のうち、通常、電気光学効果は必ずしも（ 1 1 ¹ )面がもつとも大きい値

OMPI

、 WIPO を示すとは考えられいが、発明者らはこの（ 1 1 ¹ )面が第 2図に示すようる、大き電気光学効果を示すことを確認した。さらに、この種の薄膜をたとえばサファィャ C面基板上に形成しょうとすると、薄膜の（ 1 1 1 ) 面とサフアイャ C面の格子適合性がそれほど良くいにもかかわらず薄膜の（ 1 1 1 )面が成長しやすいことを発見し、この種の光スィッチ用の基板にサフアイャ C面が最適であることを発明者らは確認した。

以下に具体的な実施例に基いて本発明について説明する。銥，チタンおよびランタンの酸ィ匕物粉末を、それぞれのモル比率が鉛（Pb )対ランタン（ La )対チタン ( T i ) を 0.マ 2:0.2S ： O .93 になるように秤取し、混合 ·焼成した後、その粉末を皿に盛ったものをターゲットとしてスパッター蒸着を行なう。基板 1 5にはサフアイャ C面を用い、基板温度を 5 S O 、基板とターゲットとの間隔を 3.Son とする。また混合ガス比は、アルゴン対酸素を ³対 2とし、ガス王を 5 X ¹0^_z To r r としてマグネトロンスパッタ装置によ 1 時間スパックすると、約 400 nm の厚さの薄膜 1 6が形成された。

薄膜結晶性は、 X線回折，電子線回折によ調べたところ、 ( 1 1 1 )面が成長した単結晶薄膜であることが確認された。薄膜.¹ 6の組成は、 X線マイクロアナライザーによると、

Pb/ i-O .75であった。電気光学効果の評価は電圧を印加したときの複屈折変化を測定して行ない、 2 kVノの印加に対して複屈折変化は 9X 10_⁴ とな ]?、これは LiNb0₃ の約⁴倍の値であった。上記電気光学効果の測定における、電圧対複屈折変化の関係を第 3図に示す。すなわち第 3図において、. 曲線 3 1

O PI • は印加電圧に対する複屈折変化を示すが、これよ ]?電圧に対して 2乗依存の様相を現わしていることがわかつた。

以上のように本発明においては、従来のセラミックスあるいは薄膜において得られなかつた領域において、大きな電気光学

5 効果を利用した光スィツチを発明した。また、半導体薄膜、たとえば S i ， G aA s の（ 1 1 1 )_:面もこの（ 0 0 0 1 )面に例えば気相成長法によェピタ'キシ:ャル成長することを確認した。これらの半導体薄膜は通常の半導体プロセスによ ]?、たとえば p— _nあるは p— i 一 n構造を形成し、光検出素子を形成でo きるので、変調素子と光検出素子とを一体化することが可能である。

発明者は、この種の構成をさらに'詳細に調べた結果、有用 ¾ 構成を発見し、これらの発見に基いてさらに有効な光スィッチを発明した。するわち、第 4図において、第 1 図の実施例と対5 応する部分には同じ符号を付している。第 4図では、前記分岐部 1 4を前記入力光導波路 1 1 の導波光を均等に分割する Y分岐 1 ⁴ a とし、前記二つの分岐光導波路 ¹ 2 a， 1 2 bを平行に保持し、他端において再び前記 Y分岐¹ 4 aによ一つの出力光導波路 2 1 を違結させ、前記伝搬制御電極 1 ³ a， 1 3 bΩ を少くとも一つの前記分岐光導波路 1 2 aを介して設け、前記伝搬制御電極 1 3 a , 1 3 bに電圧を印加することによ、前記分岐光導波路 ¹ 2 aの屈折率を低下させて、前記分岐光導波路 1 2 a， 1 2 bを伝搬する光を位相千渉させて、前記出力光導波路 2 1 へ伝搬する導波光を制御させる構造である。さら5 に望ましくは、第 5図に示すように P L Z T系薄膜 1 6の表面に |£b部から ¾るリッジ部 ⁵ 1 を設けて、前記入力，出力光導波路 1 1， 2 1 および分岐光導波路 1 2 a， 1 2 bを構成する。

発明者らはこの構造において従来の光スィツチにおけるグレィテツドインデックス構造で単一モードであるのと異！）、

P L Z T系薄膜でリッジ部の有する光導波路構造でもモード変換も少なく、また光伝搬損失が少ないため、光変調素子.として実際に使用できることを見い出し、これらの発見にもとづいて本発明にかかる光スィッチが実現そきた。

すなわち、第 4図および第⁵図に示したように、本発明は従来の光スィッチにおけるグレイデットィンデックス構造の Ti -拡散型 LiNb0₃ 光導波路と異¾ 、通常光導波路として用いられる膜厚 0. 1 〜2. 111の PL Z T:系薄膜で、光導波路幅 3~30 、リッジ部 5 1 と周辺部との膜厚すなわちステップ高がリツジ部 P L Z T系薄膜以下の構造でマルチモード光導波路を形成しても、モード変換は問題なく、光伝搬損失も 2 O dBZ 以下（波長 1 .06 m )で、素子として充分実用に供し得ることを発明者らは見い出し、これらの発見に基いて本発明にかかる光スィツチが実現できた。その光変調度は 9 O 以上で実用上問題ぐ、加えてマルチモードであるために他の光学部品との結合も容易であることを確認した。この場合ステッブ高がリッジ部 P L. Z T系薄膜の％以上あるいは光導波路幅 3 jum 未満では光伝搬損失が 2 O dB/ を越え、光導波路幅 3 0 m を越える場合には素子寸法が大きぐなかつ制御電極ギヤッブも広がる- ため、動作電 Eが高ぐ実用的でない。

さらに、上記構造では、熱拡散による光導波路の広がが ¾

O PI

WIPO いため、微小マイクロレンズを容易に組み込むことができることを確認した。

この種の光スィツチでは、第 4図に示すように伝搬制御電極 1 3 a , 1 3 bが直接光導波路にかかるのでは光伝搬損失が增加するため、第 S図に示すようにバッファ層 5 2を設けて光導波路と伝搬制御電極を分離していた。しるに従来、 P L Z T 系の材料は現在主に用いられてる LiNbO^単結晶よ電気光学効果が大きいけれども、誘電率が大きぐ、したがってバッファ層は通常低誘電材料であるため、電界が光導波路に充分に印加-されず、変調には伝搬制御電極に高電圧を印加しるければなら¾いと信じられていた。この場合、たとえば誘電率 2 0 00 の膜厚 O . 35μτη の P L Ζ Τ系薄膜-上に誘電率 2 Οの膜厚 0.2 txm の酸化タンタル層を設け、ギャッブ幅 5 ~ 2 O im の位相制御電極を設けると、光導波路には 1 O〜 5 O 程度しか電圧が印加されいと考えられていたけれども、本発明にかかる変調素子では予想外に 5 O ~ 8 O 以上の電圧が実効的に印加されていることを発見し、実用上有効であることを確認した。

具体的に一実施例について以下に説明する。するわち、第 4 図に示すごとく基板 1 S として表面研摩されたサフアイャ（ a 一アルミナ） C面基板（ O O O 1 ) を用い、上記サフアイャ C 面基板 ¹ 5上に高周波マグネトンスパッタ法によ、厚さ Ο . μταの P L Z T系薄膜 1 6を形成した。この場合タ一ゲットの組成は、 P L Ζ Τ ( 28 Ό/ 1 00 ) 、スパッタ中のサファィャ基板の温度は 5 8 O TC、スパッタ電力は 2 O O Wである。形成された P L Ζ Τ系薄膜 ¹ 6の構造は（ 1 ¹ 1 )面の単結晶

OMPI であ ]?、屈折率は Ηθ -Ν·β レーザ（波長 Ο . 6328^m) で 2.6 であった。次に、この P L Z T系薄膜の表面をたとえば光導波路幅 2 O m で第 ⁴図に示す構成にフォトレジストでマスキングをして、上記 P L Z T系薄膜 ^{1 6}をイオンビ― ムによたとえば 6 5 nm だけエッチングしてリッジ部 5 1 を形成した。光導波路解析で一殷に用いられてる実効屈折率は、第 5図に示すようにリッジ部 5 1 を含む高膜厚領域 5 2において低膜厚領域 ⁵ 3 よも大きので、光は高膜厚領域 5 2に閉じ込めら高膜厚領域 ^{5 2}が光導波路として用いられることができる。次に、. これらの薄膜上の少ぐとも伝搬制御電極と光導波路との間に、 T a ₂0₅膜をマグネト口ンスパッタ法によバッファ層として形成した。形成された Ta₂0₅膜は非結晶であ、屈折率は He - We レーザ（波長 O . 6328〃m ) で 2. 1 であった。次に伝搬制御電極 1 3 a , 1 3 bを蒸着 A1 で形成し、第 4図に示す光スィッチを構成した。

上記構成において、電圧を一方の光導波路たとえば分岐光導波路 1 2 aのみ印加したときの光強度変調の測定結果を第 6図に示す。同図において、曲線 6 1 は光強度の電圧による変化を示し、 6 O Vのバイアス電圧印加時において、強度変調の半波長電圧は 1 O Vであった。これは同一寸法の素子で構成された

T i拡散型 L iNb0₃光導波路からる従来の光スィッチの約％の値で、従来の LiNb0₃の性能を上回るものであ ])、従来のこの種の光スィッチの形状を％以下に小型化することができた。

発明者らは、. この種の構成をさらに詳細に調べた結果、前記構成の P L Z Γ系薄膜からる光導波路以外にも、. 同等の効果

OMPI

、 wipo Λ • を有す光導波路構成を発見し、これらの発見に基き有効る光スィツチを発見した。するわち、第ァ図に示すように構造でも同等の効果の得られることを確認した。第 7図におて、第 1 図に示した実施例の構成要素と対応する部分には同じ符号を付し

5 ている。第 7図では、 P L Z T系薄膜 ¹ 6の表面に誘電体材料からなる口 - ド層 7 ¹ とから構成された。この場 -、光をロード層 7 1 下の P L Z T層 1 6からるるロード導波路 7 2のみ通過させるベく、絶椽性基板 1 5と絶檨性ロード層 7 tの光の屈折率を P L Z T層 1 6よ小さぐする。さらに、発明者らは、 i o この構成に最適の構成材料があることを見い出し、それに基いて高性能の光スィツチを作製した。すなわち、この構成の光導波路において、上述したサフアイ.ャ基板 1 5と P L Z T層 1 6 および口― ド層との結晶整合の問題、および屈折率の関係が同時に満足されるようる最適の搆成材料が i ロ - ド層，絶緣性基

15 体にあることを見出し、これによ ]?、特性の優れた光スィッチが実現されることを見い出した。発明者らは上記口一ド層ァ 1 を、酸イヒチタン，酸ィ匕タンタル，酸ィ匕ニオブ，酸ィヒジルコン，羧化アルミニゥム ¾どの酸化物、窒化珪素との窒化物の少¾ くとも一種で樗成することが適していることを見出した。する

20 わち、この種の構成林料をたとえば a F一 2極型スパッタ法，マグネトロンスノッタ法，イオンビームスパッタ法るどで形成すると、予想に反して P L Z T単結晶膜上におても非晶質林料では結晶粒が生ぜず、また結晶林料、たとえば酸化亜錯では c翰配向膜が形成されることを見い出した。さらに発明者らは

25

上記口一ド材料を酸化タンタルで構成すると特に適しているこ

― _OMPI • とを見出した。するわち、酸化タンタルをたとえばマグネトロンスバッタ法どで形成すると、特に優れた口一ド層が形成されることを見い出した。

前記構成を具体的に述べると、まず P L Z T膜 1 6上に酸化

5 タンタル薄膜を O . 2 i m程度、マグネトロンスパッタリング法

, で蒸着する。この場合、蒸着時の基板温度を 1 s o t:以下で蒸着すると、透明 ¾非晶質酸化タンタル膜が形成される。次にこの酸化タンタル薄膜を、通常の半導体プロセスに用いるフォト - リソ法によ導波路パターンにエッチング加工すると、本実施 to 例にかかる構成の光導波路が形成でき、伝搬制御電極をさらに設けることによ D光スィッチが形成された。

' さらに、ロード層も酸化タンタ.ル以外にも、酸化チタン, 酸化-ォブ，駿化ジルコウム，酸化ァルミ二ゥムどの酸化物、窒化珪素どの窒化物 ¾ども、酸化タンタルと同様の形成プロ 1 5 セスで非晶質薄膜を P L Z T膜上に形成でき、本実施例にかかる光スィッチの構成材料として有効であることを確認した。ま -た、酸化亜錯どを、たとえば R F スパッタ法で P L Z T薄膜上に形成すると、透明 ¾ C軸.配向膜が形成され、酸化タンタルと同様のプロセスで光スィッチが形成されることを確認した。

20 . また、前記実施例ではロード層 7 1 が P L Z T薄膜上の带状の構造例について述べたが、口 - ド層ァ 1 としては、 P L Z T 薄膜 1 6の実効屈折率を光を閉じ込めることができるように增加されればよいので、？？で薄膜 6上の帯状構造に限定されるものではい。たとえば第⁸図 (a), (b)の構造でも可能である。第 8図 (a)は、サフアイャ C面基板 1 5上に P L Z T層 1 6

ΟΜΡΙ を設け、さらに P L Z T層 ^{1 6}上に膜厚に差のあるロード層⁸¹ からなる。この場合、たとえば口一ド層 S ¹ を酸化タンタル層で構成し、酸化タンタル層の膜厚を厚領域 S ²で 0.² πι，薄領域 S 3で O . OOS mとすると、 P L Z T層の実効屈折率はタンタル層の厚領域下^{8 4}で、薄領埭下 8 5よ D大きく ¾_:]？、光はタンタル層の厚い領域下 S 4に閉じ込められ PL ZT 驥中を伝搬する。第 S図 (b)は、サフアイャ C面基板 1 5 lbに膜厚に差のある P L Z T層^{8 6}を設け、さらに P L Z T膜厚の厚い領域 Sァ上にロード層 S 8からるる。この場合、 P L Z T層 8 6は、たとえば厚領域 8 ァで O * 薄い領埭 8 9で

O .4 /xm とし、 π— ド層 S 8としてたとえば酸化タンタルを O .Zj , 厚領域⁸ ァ上に設け.ると厚い領球⁸ァの実効屈折率は薄領域 S 1 よ大きくる、光は厚領域 8アに閉じ込められた状態で伝搬することができ、光スィッチが実現される。

第⁹図は、第 1 図の本発明の実施例を応用した光スィツチの構成を示す図で、第¹ 図の実施例の構成要素と対応する部分には同じ符号を付してる。同図において、前記入力光導波路¹¹ を延長して構成した第 f の分岐光導波路 9 1 aを含めて主光導波路 ⁹ 2とし、前記主導波路 9 2における前記入力光導波路 ¹1 と前記第 1 の分岐光導波路 9 1 a との結合部 1 4に第 2の分岐光導波路 9 1 bを結合して第 2の Y分岐 ¹ 4 c とし、前記第 2 の Y分岐 ^{1 4} c上に前記伝搬歸御電極—¹ 3 a, 1 3 bを設ける。この電極 ¹ 3 a, ^{1 3} は、主光導波路 9 2と第 2の分岐光導波路 9 1 b とがなす挾角の頂点 Oから主光導波路 9 2の対向する辺に向かって、主光導波路^{9 2}内を伝搬する導波光 ■! が全反射して第²の分岐光導波路 9 1 b内を伝搬するよう角度で、主光導波路 9 2上を斜めに横断する直線 Lを挾んで所定の間隙をおて相対するように配設する。さらに望ましぐは漏洩制御電極 1 3 b, 9 3とが、主光導波路 & 2と第 2の分岐光導波路 9 1 おとの境界部を挾んで所定の間隙をおて相対している。本実施冽では集積化図るため、伝搬制御電極 ¹ 3 bを漏拽制御電極としても使用し共通化した。上記の搆成におて、具体的に説明すると.、 ^{1 5}はサフアイャ C面基板で、その表面にスパッタ蒸着によ ])、電気光学効果の大き材料である P L Z T の P L Z T ( 1 1 1 ) 面の単結晶が厚さ O. 5^mで形成された後、フォトリソグラフの技術を使用して²本の光導波路 9 2および 9 1 bがそれぞれ 4〜 S O μτο. の.路幅で形成されてる。 13a , 1 3 bおよび 9 3は光導波路 9 1 bおよび 9 2上にそれぞれ形成された電極で、本実施例では各電極 1 ァ， ¹ S， ¹ 9および 2 O間の間隙はそれぞれ 2 ~ 6 ^in としている。電極 1 3 aおよび 1 3 bを同電位として電極 9 3 との間に電圧を印加すると、電極 1 3 b と電極 ⁹ 3 との間隙下だけに屈折率減少層が形成され、 - 主光導波路^{9 2}を伝搬する導波光は屈折率減少層で全反射され、第 2の分岐光導波路⁹ 1 bに漏洩することなく主光導波路 9 2中を直進する。次に、電極 1 3 a と電極 1 3 b との間に全反射条件を満足させる所定の電圧を印加し、電極 1 3 bを電極 9 3と同電位にすると、電極 ^{1 3} a と電極 ¹ 3 b との間隙下だけに屈折率滅少層が形成され、主光導波路 9 2を伝搬する導波光は屈折率減少層で全反射され、第 2の分岐光導波路 9 1 b へ伝搬される。このように、電極 1 3 a , 1 3 bおよび 9 3を

OMPI

/ WIPO — 10—

• 組み合わせて選択的に電圧を印加することによ、主光導波路

9 2に入射した導波光を主光導波路 9 2および第 2の分岐光導波路 ⁹ 1 bに、良好消光比で切 D換えて伝搬することができ O

5 お、本実施例におて、所定の電極間に 5 O Vの電圧を印加した場合^:、導波光の直進時および全反射時のいずれにおいても、 '本実施例は 2 O d B 以上の良好消光比を得ることができた。：

第¹ O図は、第 9図の実施例を応用した光スィッチの構造を 10 示し 7C図であ 3· ο

同図において本発明にかかる光スィツチは、主光導波路 9 2 と上記主光導波路 9 ²と連結する第 2の分岐光導波 9 1 と、両光導波路 9 1 b , Θ 2の形成する第²の Y分岐 1 4 σ上の銳角る交差角の二等分線上に配置された一定間隔の空隙 1 3 C I S を有する伝搬制御電極 1 3 a， 1 3 b と、第 2の Y分岐 1 4 σ

におて主光導波路 9 2の導波光のうち上記第 2の分岐光導波路 9 1 bへ漏洩する漏筏光を制御する一定間隔の第 2の空隙 f O 1 を有する漏浅制御電極 9 3とからな ])、上記第 2の空隙 1 O 1 は空隙 ¹ 3 cに平行に上記第 2の Y分岐 1 4 c近傍の少 0 ぐとも第²の分岐光導波路上に配置されている。

従来、このよう構造では空隙 1 3 cに第 2の空隙 1 O 1が平行なので、第 2の空隙 1 O ¹ に電界を印加し電気光学効果によ第 2の空隙下の導波路に低屈折率層を形成し、主光導波路 9²の導波光 i のうち第²の分岐光導波路 9 1 bへの漏 ¾光 5 は上記低屈折率層で全反射されるが、幾何学的配置が主光導波

OMPI • 路 9 2へ漏 ¾光全て戻るように ¾つていいので、分岐比が十分改善され ¾いと考えられていた。しかし、発明者らは本実施例にかかる構造においても、空隙 1 ³ cに電界を印加せず、第 2の空隙 1 O 1 にのみ電界を印加すると、主光導波路 9 ²の導波 '光は第²の分岐光導波路^{9 1} bに漏洩することぐ伝搬することを見い出し、新規の光スィッチを発明した。すなわち、動作原理の細ば明確にるつてい ¾ぃが、第 2の空隙 ¹ O ¹ 下の導波路に形成された低屈折率層によ、導波光 ·！のうちの漏洩成分が低下し、屈折率の高い主導波路内へ導波光が閉じ込められ、副導波路へ漏洩すること .く伝搬するものと考えられ本実施例にかかる造を詳細に検討した結果、導波路幅に最適の範囲のあることを見出した。すわち、導波路幅 4〜20 μπι が最適である。 ⁴ m 以下では、電極空隙が² - m が適当であるので、. 本構成を実現することが不可である。また、 2 O jum を越えると、前記実施例で示した構造でも同様に実現可能である。たとえば、前記実施例と同一構造で光導波路を形成し、次に第²の Y分岐 ^{1 4} cに膜厚 O . Hm , 空隙幅⁴ m の伝搬制御電極 1 3 a , 1 3 bおよび漏 ¾制御電極^{9 3}を A 1 の真空蒸着およびリフトオフの技術で形成し、光スィツチとする。以上の構成において、電極 1 3 a , 1 3 b , 9 3は等電位とし、電極 ^{1 3} b ， ⁹ 3間に電圧をたとえば ¹ O VZ mの電界となるよう印加して、空隙 ¹ 3 c下の導波路中に低屈折率を形成すると、主光導波路 ⁹ 2の導波路光^ i は第 2の分岐光導波路 9 1 bに漏浅することく直進した。この場合、分岐比

OMPI

曹 o は、 2 O dB 以上を得ることができた。スイツチ動作させる場合、電極 1 3 b , 9 3を等電位にし、電極 1 3 aと 1 3 b間に電 Eを 1 O ν μταの電界とるよう印加させると、導波光

は空隙 1 3 c下の導波路中に形成された低屈折率層で全反射され、導波光 ₃ と ¾る。この場合、分岐比は 20 dB 以上得られ o - 第 ¹ 1 図は、蕖 8図の本発明の実施例を応用した光スィツチの構造を示す図で、第 1 図，第 9図に示した装置の構成要素と対応する部分には同じ符号を付してる。同図において、第 2 分岐光導波路 9 1 bを延長し、第 2の入力光導波路¹ 1 1 を設 . け、分岐部を第 3の Y分岐 1 1 ²を構成し、前記第³の Y分岐

1 1 -2近傍の前記第 1，第 2の入力光導波路 1.1 1 1 1 および第¹ , 第²の分岐光導波路 9 ¹ a , ⁹ "t bの線路幅

を第

3の Y分岐 ¹ 1 2の中心へ向かって増加させかつ滑らかに接続させ、前記第¹ 第²の入力光導波路¹ 1， 1 1 1 と前記第 1，第²の分岐光導波路^{9 1} a , ^{9 1} bによ ]?構成された外周線

1 1 3を双曲線状に構成した。

従来、このよう構成では導波光の自然拡が]?を制限することはいと考えられ、したがつて分岐比を十分得ることはできないと考えられていた。また、たとえば導波路 1 1 の職

は、膜厚と導波路幅との関係から決定される放物線型の外周線のように連結されていないので、伝搬モードが保存されず、分岐比を劣化させる高次モードの発生が多ぐ生じると考えられていた。しかし、発明者らは、本発明にかかる構造においても導波光 4 は、交差部を通過する際にも導波路 ¹— 2 bに漏洩る

/ 〇ΜΡϊ ヽことなく、そのまま直進し導波路 1 2 aに導波することを見出し、新規の光スィッチを発明した。

本発明にかかる構造を詳細に検討した結果、導波路幅に最適の範囲のあることを見い出した。すわち、導波路幅&〜 ³ O «πι が最適である。導波路幅が 5 μτα. よも狭いと導波光の交差路内で自然拡がが大き -く、良好な分岐比を得ることができなかった。また、そが 3:0 im よ ]? も広いと、交差路寸法が大きく ]?、小型化が困難であつて積化には適さい。導波路の交差角も 1 ~ ⁵:° を含む範囲内が最適であった。交差角が 1 ⁰ 未満では導波光の自然拡が ]?による漏洩が生じていたと考えられる。 5 ° 以上では交差路形状に工夫を加えなくとも分岐比が良好で 2 0 dB 以上が容易に得られ、本発明の意義がない。さらに、この場合、交差路寸法 L. を ³丽以下とし、上記構成で光スィツチを作製すると、導波路幅を双曲線状に加工するだけで、 1 5 dB 以上の分岐比を得ることができた。したがって、この種の構成の光スィツチでは、従来のものに比べて寸法公差に余裕を持ちつつ小型でしかも分岐比特性に優れ、故に消光比の良好素子を形成することができた。

本発明の動作原理については十分には解明されているいが、上記の結果から、マルチモ- ド導波路内を低次モ - ド導波光を交差部に導波させるが、交差部の外周線を双曲線状であるため、導波光は準静的に導波路の拡が]?に対応する同じ低次モ - ド導波光に変逼する。また、この場合交差路中央部で導波路幅は 1 O 〜 40 μτα. 程度となるため光波の自然拡が ]9が小さくるので、漏筏が少なく導波すると考えられる。さらに、交差路中

O PI • 央部への光波の導入と同様に、準静的に導波光は細く ¾ i?つつ導波路へ伝搬するので良好分眩比が得られたと考えられる。たとえば、形成された膜厚 O . 3 ^mの P L Z T薄膜上に第 1 1 図に示す構造を通常の半導体製造プロセスに使用されるフォトリソ技術を使用し、形成する。たとえば、フォトリソ技術のうちリフト法を用い、ネガティブ 'ターン形成されたレジスト層上に膜厚 O . 2 /«mの T a ₂0₅膜-をたとえばマグネトロンスパブタ法で蒸着し、アセトンでレジスト層を除去することによ！）、ロード装置型光導波路が形成できる。この構造において、光は a ₂O_s膜下に閉じ込められて伝搬する。交差部近傍での構造は、たとえば第 1 ¹ 図に示すように光導波路の線幅 Wi を⁴ Λα , 交差角での場合、交差部中央.での幅 W₂ を⁴ Ο ΑΠΙとして、交差部近傍の長さ L _t の長さ 2 丽の間で徐々に線幅を広げ、交差部中心から徐々に線幅を狭くし、かつ滑らかに接続させる構造としえ。以上の構成にすると、. たとえば光導波路 1 1 の伝搬光は 1 ⁶ d B の分岐比の得られることを確認した。

産業上の利用可能性

以上のように本発明でかかる光スィッチにおいては、従来の

T i 型拡散光スィッチにおいて形成のできかつた光検出素子を一体化でき、さらに微小光学素子も容易に形成できる。したがって、光デバイスの集積化が容易とな、その工業的価値は ilr ひ 5

CMPI

Claims

• 請求の範囲

1 . 電気光学材料からる少くとも一つの入力光導波路および二つの分岐光導波路と伝搬制御電極とを有し、前記入力光導波路から前記分岐光導波路へ分岐する分岐部を設け、前記入方 s 光導波路あるいは分岐光導波路上に所定の間隔を有する空隙を持ち相対するように伝搬制御電極をけ、前記伝搬制御電極間に電圧を印加することによ前 I己空^下の光導波路の屈折率を変化させて、前記入力光導波路および分岐光導波路を伝搬する導波光を制御する光スィツチにおいて、前記入力光導波路およ ί θ び分岐光導波路がサフアイャ（ « —アル、ナ） c面基板上にェビタキシャル成長させた P L Z T ( ( P b , L a ) ( Z r , Τ i ) 0₃ ) 系薄膜で構成され: r ることを特徴'とする光スィッチ。

2 . 請求の範囲第 ¹ 項において、錯 ( F ) とチタン（ T i )のモル比率 P h/T i 力;、

1 5 O . 6 5 < P b /Ί i < O . 90

の範囲にある P L Z T系薄膜で前記入力光導波路および分岐光導波路を構成したととを特徴とする光スィッチ。

3 . 請求の範囲第²項において、 P L Z T系薄膜の表面が

( 1 ¹ 1 ) 面であることを特徵とする光スィッチ。

0 4 . 請求の範囲第 1 項にいて、 P L Z T系薄膜の表面に凸部からなるリッジ部を設けて前記入力光導波路および分岐光導波路を構成したことを特徵とする光スィツチ。

5 . 請求の範囲第¹ 項において、 P L Z T系薄膜の表面に誘電体材料からなる α — ド層を設けて前記入力光導波路および分岐 5 光導波路を構成したことを特徴とする光スィッチ

OMPI • 6 . 請求の範囲第⁵項において、ロード層を酸化チタン，酸化タンタル，酸化-ォブ，酸化ジルコン, 酸化亜鉛，酸化アルミ -ゥムおよび窒化ケィ素のうちの少るくとも一種で構成したことを特徵とする光スィッチ。

S ァ，電気光学材料からる少なぐとも一つの入力光導波路および二つの分岐光導波路と伝搬制御電極とをし、前記入力光導波路から前記分岐光導波路へ分岐す分眩部を設け、前記入力光導波路あるは分岐光導 ^路上に所定の:間隔を有する空隙を持ち相対するように伝搬制御電極を設け、前記伝搬制御電極間 o に電 Eを印加することによ ])前記空隙下の光導波路の屈折率を変化させて、前記入力光導波路および分岐光導波路を伝搬する導波光を制御する光スィツチにおて、前記入力光導波路および分岐光導波路がサフアイャ（一アルミナ） C面基板上にェビタキシャル成長させた P L Z T ( ( P b , L a ) ( Z r , T i ) 0₃ ) 系薄膜で構成されてお j?、かつ前記分岐部を前記入力光導波路の導波光を均等に分割する Y分岐とし、前記二つの分岐光導波路を平行に保持し、他端において再び前記 Y分岐によーつの出力光導波路を連結させ、. 前記伝搬制御電極を少くとも一つの前記分岐光導波路を介して設け、前記伝搬制御電極に電圧を 0 印加することによ導波光を位相干渉させて導波光を制御することを特徵とする光スィツチ。

S . 請求の範囲第 7項において、銥（P b ) とチタン（T i )のモル比率 P b/ i力、

O . β β < P b/T i < 0 . 90

25 の範囲にある P L Z T系薄膜で前記入力光導波路および分岐光

- • 導波路を構成したことを特徵とする光スィッチ。

9. 請求の範囲第 8項において、 P L Z T系薄膜の表面が

( 1 1 1 ) 面であることを特徵とする光スィッチ。

10. 請求の範囲第 7項において、 PL ZT系薄膜の表面に _ώ部からなるリッジ部を設けて前記入力光導波路および分岐光導波路を構成したことを特徵とする光スィッチ。；

1 1 . 請求の範囲第ァ項において、 Ρ I· ZT?系薄膜の表面に誘電体材料からなる口一ド層を設けて前記入力光導波路および分岐光導波路を構成したことを特徵とする光スィツチ。

12. 請求の範囲第^{1 1} 項において、ロード層を酸化チタン，酸化タンタル，酸化: -ォブ，酸化ジルコン，酸化亜鉛，酸化ァルミ - ゥムおよび窒化ケィ素のうちの少くとも一種で構成したことを特徴とする光スィッチ。

13. 電気光学材料からる少なくとも一つの入力光導波路および二つの分岐光導波路と伝搬制御電極とを有し、前記入力光導波路から前記分岐光導波路へ分岐する分岐部を設け、前記入力光導波路あるいは分岐光導波路上に所定の間隔を有する空隙を持ち相対するように伝搬制御電極を設け、前記伝搬制御電極間に電圧を印加することによ 1?前記空隙下の光導波路の屈折率を変化させて、前記入力光導波路および分岐光導波路を伝搬する導波光を制御する光スィツチにおいて、前記入力光導波路および分岐光導波路がサフアイャ（一アルミナ） c面基板上にェビタキシャル成長させた P L Ζ Τ ( (Pb , La ) ( Zr , Ti )0₃ ) 系薄膜で構成されてお、かつ前記入力光導波路と前記入力光導波路を延長して構成しえ第¹ の分岐光導波路を含めて主光導 • 波路とし、前記主導波路における前記入力光導波路と前記第¹ ■の分岐光導波路との結合部に第²の分岐光導波路を結合して第 2の Y分岐とし、前記第 2の Y分岐上に前記伝搬制御電極を設け、前記伝搬制御電極に電圧を印加することによ ]3前記第2の S Y分岐の前記空隙下の屈折率を低下させ、前記主光導波路を伝搬する導波光を前言己第 2の Y分岐において直進または前記第 2 め分岐光導波路に全反射させて伝搬させること'を特徵とする光スィッチ。

14- 請求の範囲第 1 3項において、鉛（Pb)とチタン（Ti )のo モル比率 Pbノ T i力；、

O .65 < P b/T i < O .90

の範囲にある P L Z T系薄膜で前記入力光導波路および分岐光導波路を構成したとを特徵とする光スィッチ。

15. 請求の範囲第 1 3項において、 P L z τ系薄膜の表面が5 ( 1 1 1 )面であることを特徵とする光スィツチ。

16, 請求の範囲第 1 3項において、漏洩制御電極を前記主光導波路と前記第 2の分岐光導波路との境界部を挾んで所定の間隔を有する第 2の空隙を持ち相対するように配設し、前記伝搬制御電極よび副数個の前記漏筏制御電極に所定の組合せで選択0 的に電 Εを印加することによ、前記主導波路を伝搬する導波光を直進または前記第²の分岐光導波路に全反射させて伝搬させることを特徵とする光スィッチ。

1 Τ. 請求の範囲第 1 6項において、前記第²の空隙を前記空隙に平行に配設したことを特徵とする光スィッチ。

5 1 S. 請求の範囲第 1 6項において、前記第 2の分岐光導波路を

ΟΜΡΓ • 延長し、第²の入力光導波路を設け、分岐部を'第³の γ分岐を構成し、前記第³の Y分岐近傍の前記第¹ , 第²の入力光導波路および前記第 ¹ ，第²の分岐光導波路の線路幅を第³の ^γ分岐の中心に向かって增加させ、かつ滑らかに接続させ、前記第 . 1 , 第 2の入力光導波路と前記第 ¹，第²の分岐光導波路によ ]9構成された外周線を双曲線状としたことを特徴とする光スィッチ。

OMPI