WO2004083953A1

WO2004083953A1 - 光スイッチ、光変調器および波長可変フィルタ

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Publication number: WO2004083953A1
Application number: PCT/JP2004/003665
Authority: WO
Inventors: Seiji Toyoda; Kazuo Fujiura; Masahiro Sasaura; Koji Enbutsu; Makoto Shimokozono; Tadayuki Imai; Akiyuki Tate; Touru Matsuura; Takashi Kurihara; Hiroshi Fushimi
Original assignee: Nippon Telegraph And Telephone Corporation
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2004-09-30
Also published as: JP2008065354A; JP2008097023A; CN100410796C; US20070086691A1; JP4711351B2; US7336854B2; KR100888299B1; EP1605303A1; KR100888297B1; JP2008090320A; US20070058896A1; US20070253659A1; EP1605303B1; KR20080021162A; KR20050093764A; KR100876503B1; JP4313798B2; US20070092181A1; US7492975B2; KR20080021843A

Abstract

　単純な構成で、低駆動電圧、偏波無依存かつ高速の光スイッチ、光変調器および波長可変フィルタを提供する。本発明に係る光スイッチは、入力側に設けられた３ｄＢカップラ（１６）と出力側に設けられた３ｄＢカップラ（１７）と入力側３ｄＢカップラ及び出力側３ｄＢカップラを接続する２本の光導波路とを備えている。また、２本の光導波路の一方又は両方に電界を印加する位相変調部（１８）を備える。少なくとも２本の光導波路は、ＫＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１）及びＫ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、又はＫＴａ1-xＮｂxＯ3若しくはＫ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3からなる組成の結晶材料である。

Description

明細書光スィッチ、光変調器および波長可変フィルタ技術分野

本発明は光通信用部品に使用する光スィッチ、光変調器および波長可変フィルタに関する。背景技術

現在、光通信システムの大容量、高速化ならびに高機能化に対する要求は、急激に高まっている。このような、光通信システムに用いられる光信号処理デパイスとして期待されているのが、光スィッチや光変調器である。特に、近年のネットワークの高機能化に向けた光クロスコネクト用スィッチの重要性は急速に高まっている。このような光スィッチとして、 M E M S (Micro Electro Mechanical System) と呼ばれるマイクロマシーン技術を用いた光スィッチと、石英系光導波路の熱光学効果を用いた光スィツチとが開発されている。また、導波路交差部分に導波路と等しい屈折率を有するオイルを充填しておき、過熱により気泡を発生させ、交差部分での光の反射を発生させることにより光路を切り替える光スィツチ等も開発されている。

しかし、これらの光スィッチの動作速度は m s e cの領域である。次世代光ネットワークに求められる光バケツトのルーティングに必要な動作速度は 1〜 1 0 n s e cである。 l〜1 0 n s e cの動作速度が実現可能な光スィツチとしては、 L i N b〇₃ (L Nとも呼ぶ)の電気光学効果を用いたスィツチがある。この光スィッチは L Nの有する 1次の電気光学効果により導波路屈折率を変化させることにより実現されている。 L Nを用いた電気光学効果の光スィッチを作製する方法としては、 L N基板上に、 T i熱拡散法により、 Y分岐の形態をもつ導波路パタンを形成する。その上にバッファ層を形成し、さらにその上に導波路パタンに対応する電極を配設するという方法が知られている（西原、春名、栖原共著「光集積回路」、ォーム社、 P P . 3 1 0 - 3 2 6 ( 1 9 8 5 ) 参照) 。

ところが、 L. Nは三方晶の結晶であり、もっとも大きい電気光学定数である r _{3 3} を用いるためには、複屈折性のある方位に光を導波させる必要がある。このため、光スィッチは光の偏光に対し動作が異なる偏波依存性を有することになる。偏波依存性は光の伝送においてエラーを起こす原因となるため、光スイツチには偏波無依存であることが重要である。そこで、 L Nにおいても偏波無依存動作する光スィッチの作製が検討されている。しかしながら、複屈折性のない結晶方位を持った場合、電気光学定数の小さい r _{1 3} を利用することとなり、駆動電圧が 4 0 V以上になるという問題があった。

高速で動作する光スィッチとしては、半導体材料で構成された対称マッハツエンダ干渉計を用いるものが提案されている。しかしながら、マッハツエンダ干渉計は、ズイッチングにコントロール光を用い、同期を取るなどの複雑な構成が必要であり、実用性に乏しい。

また、モード分布を制御するデジタル型光スィッチも提案されている。しかしながら、他の種類の光スィッチと比較して駆動電圧が高くなる問題がある。ところで、電気光学効果は、結晶を構成する原子の電子状態が電界によって変化する現象であるから、電界の変化に対する応答速度は極めて速い。よって、フェムト秒レベルの電界変化に瞬時に応答するため超高速用光変調器として利用するのに最も適した物理現象といえる。特に、 L Nは、 T iなどの不純物の拡散やイオン交換などの方法により光導波路を比較的容易に作製できる。従つて、一次の電気光学効果を利用した光変調器としても最も広く用いられている材料である（西原、春名、栖原共著「光集積回路」、ォ一ム社、 PP. 310

- 326 (1985) 、特開昭 53— 6054号公報、特開昭 53— 5404

0号公報参照）。

一般に、電気光学効果は、結晶の方位に応じた依存性があり、最も大きい電気光学定数を有する結晶軸に電界を印加して屈折率を変調する。 LNの場合は、上述の r ₃₃ ( 30 pm/V) を利用する。また、光変調器を実現する場合、重要な性能パラメ一夕は、動作速度および変調電圧である。位相変調量は、電極長に比例するため、電極長が長いほど変調電圧は低くてすむ。しかしながら、電極長が 1 cm以上であると、集中定数型電極を用いて、 GHz程度の高周波を一様にかけることは、変調信号の周期と電界が電極内で端から端まで到達する時間と同程度になるため難しくなる。逆に、応答速度を向上させようとして電極長を短くした場合、高電圧電源が必要となる。よって、この場合、現実に利用できる電源は非常に高価なものになってしまう。

本発明は、単純な構成で、低駆動電圧、偏波無依存かつ高速の光スィッチ、光変調器および波長可変フィルタを提供することを目的とする。発明の開示

本発明の一実施形態は、立方晶かつ 2次の電気光学効果を有する誘電体結晶からなり、光を伝播する三次元光導波路と、三次元光導波路に電界を印加する電極とを備える光導波路デバイスである。三次元光導波路は、基板表面に対して垂直な方向のみならず、平行な方向に光を閉じ込めることができるものであれば良い。例えば、埋め込み型光導波路やリッジ状光導波路であっても良い。他の実施形態は、 KTa,— _xNb_xO₃ ( 0 く X く 1 ) ( K T N とも呼ぶ ) 及び L i_y Ta,— _xNb_∑0₃ ( 0 く x く 1 、 0 < y < 1 ) ( K L T N とも呼ぶ）、又は KTN若しくは KLTNからなる組成の結晶材料であり、光を伝播する三次元光導波路と、三次元光導波路に電界を印加する電極とを備える導波路電気光学位相シフタである。

他の実施形態は、入力側に設けられた 3 d Bカツブラと出力側に設けられた 3 dBカツブラと入力側 3 dBカップラ及び出力側 3 dBカップラを接続する 2本の光導波路とにより構成されたマッハツエンダ干渉計と、 2本の三次元光導波路の一方又は両方に電界を印加する電極とを備える光スィッチである。この光スィッチにおいて、少なくとも 2本の三次元光導波路は、 KTN及び KL TN、又は KTN若しくは KLTNからなる組成の結晶材料である。

他の実施形態は、 KTa0₃、 KNb0₃ または KTNのいずれかの材料からなる基板上に KLTNまたは KTNのいずれかの材料からなるコア導波路を配置する。コア導波路と比較して僅かに屈折率が低い KLTNをクラッド層とした三次元光導波路の下部クラッド層の下方若しくは上部クラッド層上方の少なくとも一方に形成されたコア導波路に電界を与えるための電極を備える。三次元光導波路により構成され、送られてきた光信号を受け取るための入力端を有する第 1の入力光導波路と、第 1の入力導波路から分岐する第 2の出力光導波路と第 3の出力光導波路とを含み、第 2の出力光導波路および第 3の出力光導波路に電極を備えた Y分岐型導波路とを備える。

他の実施形態は、 KTNおよび KLTNからなる組成の結晶材料を導波路材料に用いて、少なくとも 1つの入力導波路と、 1つの出力導波路と、入力導波路に接続された 3 dBカツブラと、出力導波路に接続された 3 dBカツブラと、 2つの 3 dBカップラを接続する 2つの三次元光導波路とを有するマツ八'ツエンダ型の光変調器である。この≡次元光導波路の少なくとも一方に、電極が配置されている電気光学位相シフタを有する。

他の実施形態は、 KTNまたは KLTNのいずれかの材料からなる基板と、 KTNまたは KLTNのいずれかの材料からなる三次元光導波路とを備える広帯域光変調器である。また、三次元光導波路に沿って形成され、マイクロ波と光波との速度整合をとる進行波電極からなる複数の電極を備える。

他の実施形態は、 K T NぉょぴK L T Nからなる組成の第 1の結晶材料でありコア厚を有するコアと、第 1の結晶材料とは異なる屈折率を有する K T N および K L T Nからなる組成の第 2の結晶材料であるクラッドとを備えた三次元光導波路とを備える導波路電気光学位相シフタである。また、三次元光導波路を挾んで平行に対向する 2つの電極を備える。このコアは、コアの下面がクラッドの下面に対して第 1の g巨離であり、コアの上面がクラッドの上面に対して第 2の距離になるように、クラッドに埋め込まれる。クラッドは、 0≤第 1 の距離，第 2の距離≤3 Xコア厚の範囲のクラッド厚を有する。

他の実施形態は、 K T Nおよび K L T Nからなる組成の第 1の結晶材料であり、コア幅を有するコアと、第 1の結晶材料とは異なる屈折率を有する K T N および K L T Nからなる組成の第 2の結晶材料であるクラッドとを備えた三次元光導波路を備える導波路電気光学位相シフタである。また、三次元光導波路を挟んで平行に対向する 2つの電極を備える。このコアは、コアの上面がクラッドの上面対して第 1の距離になるように、クラッドに埋め込まれる。クラッドは、 0≤第 1の距離≤ 3 Xコア幅の範囲のクラッド厚を有する。

他の実施形態は、複数の三次元光導波路と、三次元光導波路上に設けられた電極とからなるァレイ光導波路を有するァレイ光導波路格子波長可変フィルタである。アレイ光導波路格子波長可変フィルタは、チャネル光導波路の 1本に対して、三次元光導波路を挟んで平行に対向する 2つの電極が配置されている導波路電気光学位相シフタを有する。

他の実施形態は、少なくとも 1本の入力ポートチャネル光導波路と、光路長が互いに異なるチャネル光導波路からなるチャネル光導波路アレイと、少なくとも 1本の出力ポートチャネル光導波路と、入力ポートチャネル光導波路及びチャネル光導波路アレイを結ぶ第 1のスラブ光導波路と、出力ポートチャネル光導波路及びチャネル光導波路アレイを結ぶ第 2のスラブ光導波路とを備えるアレイ光導波路格子波長可変フィル夕である。またチャネル光導波路アレイの一部からなり、 K T Nおよび K L T Nからなる組成の第 1の結晶材料であり、コア厚を有するコアと、第 1の結晶材料とは異なる屈折率を有する K T Nおよび K L T Nからなる組成の第 2の結晶材料であるクラッドとを備えた三次元光導波路と、三次元光導波路を挟んで平行に対向する 2つの電極とを備える。また、コアは、コアの下面がクラッドの下面に対して第 1の距離であり、コアの上面がクラッドの上面に対して第 2の距離になるように、クラッドに埋め込まれ、クラッドは、 0≤第 1の距離，第 2の距離≤3 Xコア厚の範囲のクラッド厚を有する導波路電気光学位相シフ夕を備える。

他の実施形態は、少なくとも 1本の入力ポートチャネル光導波路と、光路長が互いに異なるチャネル光導波路からなるチャネル光導波路アレイと、少なくとも 1本の出力ポートチヤネル光導波路と、入力ポートチヤネル光導波路及びチャネル光導波路アレイを結ぶ第 1のスラブ光導波路と、出力ポートチャネル光導波路及びチャネル光導波路ァレイを結ぶ第 2のスラブ光導波路とを備えるアレイ光導波路格子波長可変フィルタである。また、 K T Nおよび K L T Nからなる組成の第 1の結晶材料であり、コア幅を有するコアと、第 1の結晶材料とは異なる屈折率を有する K T Nおよび K L T Nからなる組成の第 2の結晶材料であるクラッドとを備えた三次元光導波路と、三次元光導波路を挟んで平行に対向する 2つの電極とを備える。また、コアは、コアの上面がクラッドの上面に対して第 1の距離になるように、クラッドに埋め込まれ、クラッドは、 0 ≤第 1の距離≤ 3 Xコァ幅の範囲のクラッド厚を有する導波路電気光学位相シフタを備える。図面の簡単な説明

第 1図は、本発明の一実施形態に係る光スィツチの構成図である。

第 2図は、第 1図の光スィツチのマツハツヱンダ干渉計の一方の光導波路に形成した位相変調部分を示す構成図である。

第 3 A図は、第 2図の ΠΙ A— IE A線矢視断面図である。

第 3 B図は、第 2図の ΙΠ Β— K B線矢視断面図である。

第 4図は、第 3図 Aおよび Bの位相変調部における電界の印加による屈折率変化を示す図である。

第 5図は、本発明の一実施形態に係る光スィツチの動作特性を示すグラフである。

第 6図は、本発明の本実施形態に係る光スィッチの位相変調部分の構成を示す図である。

第 7図は、第 6図の W— VE線矢視断面に該当し、櫛型電極を用いた位相変調部分の電界方向を示す図である。

第 8図は、第 7図の位相変調部分における電界の印加による屈折率変化を示す図であ。

第 9図は、本発明の一実施形態に係る光スィッチの構成図である。

第 1 0図は、本発明の一実施形態に係る方向性結合型光分岐素子の分岐比が 1 ： 1となる典型的な条件を示したグラフである。

第 1 1図は、本発明の一実施形態に係る分岐比可変導波路型分岐素子の構成図である。

第 1 2図は、第 1 1図における方向性結合器の一方の光導波路に形成した位相変調部分を示す構成図である。

第 1 3 A図は、第 1 2図の ΧΠΙΑ— ΧΠΙ Α断面図である。

第 1 3 B図は、第 1 2図の ΧΙΠ Β— ΧΠΙ Β断面図である。第 1 4図は、本発明の一実施形態に係る光スィッチの動作特性を示すグラフである ₀

第 1 5図は本発明の一実施形態に係る 1 6 X 1 6のマトリックススィツチの概略図である。

第 1 6図は、本発明の一実施形態に係る導波路を示す構成図である。

第 1 7図は、本発明の一実施形態に係る 1 X 2デジタル光スィツチの構成図 C、あ ₀

第 1 8 A図は、第 1 7図の XHA— X IA線断面図であり、

第 1 8 B図は、第 1 7図中の櫛形電極の平面図である。

第 1 9図は、本発明の一実施形態に係る電界印加法 (基板平行）を示す説明図である。

第 2 0図は、本発明の一実施形態に係る 1 X 2偏波スプリッ夕（電界基板平行印加）の構成図である。

第 2 1 A図は、本発明の一実施形態に係る 1 X 2偏波無依存光スィッチ（3段接続、電界基板平行印加）の説明図である。

第 2 1 B図は、本発明の一実施形態に係る 1 X 2偏波無依存光スィッチ（3段接続、電界基板平行印加）の説明図である。

第 2 2 A図は、本発明の一実施形態に係る 1 X 2偏波無依存光スィッチ（5段接続、電界基板平行印加）の説明図である。

第 2 2 B図は、本発明の一実施形態に係る I X 2偏波無依存光スィッチ（5段接続、電界基板平行印加）の説明図である。

第 2 3図は、本発明の一実施形態に係る電界印加法 (基板垂直）を示す説明図である。

第 2 4図は、本発明の一実施形態に係る 1 X 2偏波スプリッ夕（電界基板垂直印加）の構成図である。

第 2 5 A図は、本発明の一実施形態に係る 1 X 2偏波無依存光スイッチ（ 3段接続.. 電界基板垂直印加）の説明図である。

第 2 5 B図は、本発明の一実施形態に係る I X 2偏波無依存光スィッチ（3段接続、電界基板垂直印加）の説明図である。

第 2 6 A図は、本発明の一実施形態に係る 1 X 2偏波無依存光スィッチ（5段接続、電界基板垂直印加）の説明図である。

第 2 6 B図は、本発明の一実施形態に係る 1 X 2偏波無依存光スィッチ（5段接続、電界基板垂直印加）の説明図である。

第 2 7図は、本発明の一実施形態に係る導波路を示す構成図である。

第 2 8 A図は、本実施形態に係る導波路の斜視図である。

第 2 8 B図は、第 2 8八図の 8— 8線切断断面図でぁる。

第 2 9 A図は、本発明の一実施形態に係る導波路の斜視図である。

第 2 9 B図は、第 2 9 A図の XXIXB— XXIXB線切断断面図である。

第 3 O A図は、本発明の一実施形態に係る導波路の斜視図である。

第 3 0 B図は、第 2 9 A図の XXXB— XXXB線切断断面図である。

第 3 1図は、本発明の一実施形態に係る光変調器の構成図である。

第 3 2図は、本発明の一実施形態に係る光変調器の構成図である。

第 3 3図は、本発明の一実施形態に係る光変調器の構成図である。

第 3 4図は、本発明の一実施形態に係る光変調器の構成図である。

第 3 5 A図は本発明の一実施形態に係る導波路電気光学位相シフ夕を説明するための斜視図である。

第 3 5 B図は第 3 5 A図の XXXVB— XXXVB線断面図である。

第 3 6 A図は本発明の一実施形態に係る導波路電気光学位相シフ夕を説明するための斜視図である。第 36 B図は第 36 A図の XXXVIB— XXXVIB線断面図である。

第 37 A図は本発明の一実施形態に係る導波路電気光学位相シフタを説明するための斜視図である。

第 37 B図は第 37 A図の XXXWB— XXX IB線断面図である。

第 38 A図は本発明の一実施形態に係る導波路電気光学位相シフタを説明するための斜視図である。

第 38 B図は第 38 A図の X X XVI B— X X X B線断面図である。

第 39図は、本発明の一実施形態に係る光変調器の断面図である。

第 40図は、本発明の一実施形態に係る光変調器の断面図である。

第 41図は、本発明の一実施形態に係る光変調器の断面図である。

第 42図は、本発明の一実施形態に係る光変調器の断面図である。

第 43図は、本発明の一実施形態に係る導波路電気光学位相シフタを具備した波長可変フィル夕の構成図である。

第 44図は、本発明の一実施形態に係る波長可変フィルタ用の電気光学位相シフタの電極構造を示す構成図である。

第 45図は、本発明の一実施形態に係る波長可変フィル夕用の電気光学位相シフ夕の電極構造を示す構成図である。

第 46図は、本発明の一実施形態に係る波長可変フィル夕用の電気光学位相シフタの電極構造を示す構成図である。発明を実施するための最良の形態

本発明をより詳細に説述するために、添付の図面に従ってこれを説明する。本実施形態に係る光スィツチおよび光変調器では、立方晶かつ大きい 2次の電気光学効果を有する誘電体結晶を用いる。具体的には、 KTN (KTa,__xN b_x〇₃ ( 0 < x < 1 ) ) 及び KLTN (K,__yL i _yTa,_„Nb_x0₃ ( 0 < χ < 1 、 0 < y < 1 ) ) 、又は KTN若しくは KLTNからなる組成の結晶材料を用いる。本発明の一実施形態は、これらの結晶材料で構成された光導波路デバイスを用いることを特徴としている。ここで、 Xは Ta及び Nbに対する Nbの組成比であり、 Yは K及び L iに対する iの組成比である。

KTNに対して、外部電極を結晶軸方向に印加すると、 KTNは二次の電気光学効果を示す。その値は（1200〜 8000 pm/V) であり、 LNの有する非線形定数 30 pm/Vに比べて著しく大きい。

また、 KTNは、組成に依存し、ー273°C〜400°Cのキュリー転移温度で強誘電転移を生じる。このキュリー温度を境に、比誘電率が約 3000〜約 20000に大きく変化する。非線形効果に基づく屈折率変化は、比誘電率の 2乗に比例する。このため、転移温度近傍では、より低電圧で屈折率を制御することが可—能となる。さらに、キュリー温度は、

〇₃の組成 X の値に応じて変化するが、 L iを KTNに添加することによつても、その温度範囲を調整することができる。

なお、 KTN、 KLTN結晶の他に、 KTN、 KLTN結晶と同様に立方晶かつ大きい 2次の電気光学効果を有する誘電体結晶を用いてもよい。例えば、 KTN結晶の Kを B aで、丁&及ぴ?^13を両方とも丁 iで置き換えた結晶材料である B aT i〇₃ (BTO)は、室温では正方晶の構造をとる。しかしながら、 BTOは、約 100°C以上において構造相転移して立方晶となる。したがって、この状態でならば、本発明の KTN、 KLTN結晶を用いた方法により、本発明の光スィッチおよび光変調器を構成することができる。また、動作温度などで使い勝手に差はあるものの、 KTN結晶の Kを S rで置き換えた S TOや、 C aで置き換えた C TOも同様の性質を有する。さらに、 BTOと STOと C T〇との 3つの材料のうち、 2つ以上の材料を混合して得られる材料も同様である。さらなる変形として、 BTOの B aを Pbと L aとで置換し、 T iの一部を Z rで置換した材料であっても良い。換言すれば、 KTN結晶の Kを Pb と L aとで置換し、 Ta及び Nbを T iと Z rとで置換した材料（一般に PL ZTと称する結晶材料) も、全く同様に用いることができる。なお、上記変形は、 KTN結晶と同様に、 KLTN結晶へも適用可能であり、その場合、 L i を Ba、 S r、 &ゃ？13、 Laへ置き換える。

KTN, KLTN結晶は、立方晶から正方晶さらに菱面体晶へと温度により結晶系を変える性質を有している。これらの結晶は、立方晶においては、大きい 2次の電気光学効果を有することが知られている。特に、立方晶から正方晶への相転移温度に近い領域では、比誘電率が発散する現象が起こり、比誘電率の自乗に比例する 2次の電気光学効果はきわめて大きい値となる。したがって、光スィツチを駆動する電圧も 1 V以下とすることが可能となり、電源への負荷が小さく、 I Cでの駆動が可能となる。

又、 2次の電気光学効果を利用する光スィツチおよび光変調器の動作温度は、 KTN、 KLTN結晶の立方晶から正方晶への相転移近傍が望ましい。 KTN、 KLTN結晶は、 T aと Nbの組成比を変化させることにより、常誘電性から強誘電性（結晶系は立方晶から正方晶）への相転移温度を、ほぼ絶対零度から 400°Cまで変化させることが可能である。そのため、 KTN、 KLTN結晶を用いて作製した光スィツチおよび光変調器は、その動作温度を室温付近に容易に設定できるという利点もある。加えて、本発明に係る光スィッチおよび光変調器は、立方晶の領域の結晶を光導波路に使用するため、光導波路としては複屈折性がなく、光スィツチとしても偏波無依存動作が可能となる。

上記特徴を最も発揮する KTN、 KLTN結晶材料の組成比としては、 KT Nについては、 0く χ<1であればよく、また、 KLTNについては-. 0<x く 1、 0く yく 1であればよい。ただし、組成比 X (Taおよび Nbに対する N bの比）は 0 . 5 5以上かつ 0 . 9 0以下の範囲が好ましく、組成比 Y (K および L iに対する L iの比) は 0より大きくかつ 0 . 1未満の範囲が好ましい。組成比 Xが 0 . 5 5〜 9 0の範囲以外である場合は結晶の相転移温度が高すぎたり低すぎたりするため適切でなく、組成比 Yが 0 . 1以上の場合は、結晶構造が変わるため適切でない。

(第 1の実施形態）

第 1 の実施形態に係る光スィッチは、光を伝搬する光導波路と、光導波路に電界を印加する電極とを有する。その光導波路として、 K T N、 K L T N結晶等の立方晶かつ大きい 2次の電気光学効果を有する誘電体結晶を用いる。

具体的な構成としては、より小さい屈折率変化でスイッチングが可能な、すなわち低駆動電圧でスィツチングが可能なマッハツエンダ干渉計型の光スィッチがある。この光スィッチでは、偏波無依存動作にするため、 2次の電気光学効果による屈折率変化が T E方向、 TM方向で正確に等しくなる必要がある。本実施形態で用いる K TN、 K L TN結晶は、 T E方向及び TM方向における屈折率変化が原理的に等しい電界方位が存在する。すなわち、光の伝搬方向に平行になような電界を印加する電極を構成することで、偏波無依存動作可能な光スィッチを実現できる（後述の実施例 3参照）。また、本実施形態では、同一の光導波路において、光の伝搬方向に直交するような電界を印加する電極を複数組み合わせて構成する。この構成によれば、仮に電界に対する屈折率変化が T E方向と TM方向とに対して異方性を持つ方位に電界を印加したとしても、偏波無依存動作可能な光スィッチを実現できる（後述の実施例 1参照）。本実施形態に係る光スィッチは、その動作として 2次の電気光学効果を用いており、高い比誘電率を有する材料を用いている。このため、 C R時定数による速度制限があることを考盧しなければならない。しかしながら、本発明に係る光スィッチでは、その 2次の電気光学効果が高いことにより、素子のサイズを極めて小さくすることが可能となる。また、その素子部分の静電容量を小さく設計することができる。その結果、上記偏波無依存動作に加えて、さらに、 l〜10n s e cの.高速動作を実現することが可能となる。

以上のことから、本実施形態に係る光スィッチは単純な構成で、 1〜10 n s e cの高速動作、 IV以下の低駆動電圧、偏波無依存動作という、従来の光スィッチでは実現できなかった高機能性を実現することできる。よって、このような光スィツチは、光バケツ卜ルーティングに利用することが可能となる。そこで、上記特徴を有する本発明に係る光スィッチの実施形態を、いくつかの実施例を用いて説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

(実施例 1 )

図 1は、本発明 ίこ係る実施形態の一例を示す光スィッチの構成図である。光スィッチは、マッハツエンダ干渉計を有する。この光スィッチの光導波路は誘電体結晶で作製されている。なお、本実施形態の他の実施例においても、図 1 に示したマツハッェンダ干渉計を有する光スイッチをベースに説明する。

図 1に示すように、本発明に係る光スィッチは、入力側に設けられた 3 dB カップラ ί 6と、出力側に設けられた 3 dBカップラ 17と、入力側 3 dBカツブラ 16及び出力側 3 d Bカップラ 17とを接続する 2本の光導波路（アーム導波路）とを含んで構成されたマッハツエンダ干渉計である。また、位相調整部分 18として、 2本の光導波路の一方に電界を印加する電極を備えている。なお、入力側 3 d Bカップラ 16及び出力側 3 d Bカップラ 17の結合定数は、精密に 3 dBになるよう設計されている。

本実施例の光スィツチでは、コア 14、クラッド 15に用いた誘電体結晶材料は、ともに KLTN結晶であり、 L iの濃度と Nbの濃度を調整することにより比屈折率差 0. 75%の光導波路を実現している。なお、光導波路の断面は、後述の図 2に示すように、コア 14がクラッド 15に囲まれた埋め込み導波路となっている。コア 14、クラッド 15の誘電体結晶の相転移温度は、それぞれ 10°C、 7°Cであり、本実施例に係る光スィッチの動作温度は 12°C である。 12 におけるコア 14、クラッド 15の誘電体結晶の比誘電率はそれぞれ 18000と 15000であった。

本実施例の光スィッチでは、図 1に示すように、入力ポー卜 11から光を入力する。位相変調部分 18において光導波路に電界を印加しない場合（OFF の場合) は、出力ポート 12へすベての光が出力される。位相変調部分 18において光導波路に電界を印加する場合（ONの場合）は、位相変調部分 18よつて位相を T変化させることで、光の出力が出力ポー卜 13へ切り替わる。

図 2は、図 1の光スィッチのマッハツエンダ干渉計の一方の光導波路に形成した位相変調部分 18を示す構成図である。又、図 3 Aは図 2の ΙΠΑ— HA線矢視断面図であり、図 3 Bは図 2の ΠΙΒ— ΠΙΒ線矢視断面図である。

図 2、図 3 Aおよび Bに示すように、位相変調部分 18は、位相変調部 24、位相変調部 25の 2つの位相変調部から構成される。これら 2種類の位相変調部は、各々異なる電極構造を有する。具体的には、位相変調部 24では、コア 14直上透明電極 22が設けられ、その両側にグランド電極 23が配置されている。この電極構造では、図 3Aに示すように、コア 14から基板に向かう方向（伝搬する光の TM方向に平行な方向）に電界が印加される。一方、位相変調部 25では、コア 14を挟むように透明電極 22、グランド電極 23が配置されている。よって、図 3 Bに示すように、基板に平行な方向（伝搬する光の TE方向に平行な方向）に電界が印加される。このような電極構造により、光の伝搬方向に対して直交し、かつ、互いに直交する 2方向に電界を印加することができる。

ここで、 KTN、 K L TN結晶の 2次の電気光学効果は、その対称性から下記のように表すことができる。【数 1】

An,/ =-l/2xn_u x ε₀ ² ε,. g„ xE² (1)

【数 2】

Δη丄 =—1/2〉《η₀ ³ χε₀ χε_Γ g_I2 E² (2) 上式において、 Δη//は印加電界に平行な方向の屈折率変化であり、 Δη丄は印加電界に垂直な方向の屈折率変化であり、 η。は KTN、 KLTNの電場印加前の屈折率であり、 g_uおよび g₁₂は KTN、KLTNの非線形定数であり、 ε。は真空の誘電率であり、 ε _a は結晶の比誘電率であり、 Eは印加電界である。

KTN、 KLTN結晶の電気光学定数は、それぞれ gu^O. 136mVC ²、 g₁₂=-0. 03 Sn^ZC²である。このため、電界に平行な屈折率は、電界の印加により小さくなり、電界に垂直な方向の屈折率は電界の印加により大きくなる。さらに、電界に平行な屈折率の変化量が、電界に垂直な方向の屈折率の変化量の 3〜4倍程度大きいことがわかる。このような電界の印加前、印加後の光め伝搬方向に直交する屈折率を図示すると、図 4のように変化することがわかる。したがって、図 2に示した位相変調部分 18では、式（1) 、（2) より、互いに直交する 2つの電界が等しい場合には、式（1) と（2) との加算分の屈折率変化が、 TE方向、 TM方向の両偏光に等しく生じる。そのため、位相変調部分 18では位相変調量は偏光に依存しないことになり、本発明の光スィツチが偏光無依存で動作することがわかる。

本実施形態に係る光スィッチでは、電極から印加される電界を光が導波するコアに有効に作用させるため、電極直下のクラッド厚を極めて薄くした。さらに、光電界の閉じ込めを考慮して、電極の一部又は全部、特にコア直上の電極を、 1. 55 mの波長の光に対して透明となる材料（例えば、 I TO : Indium Tin Oxide) で構成する。これにより、印加電界をほぼドロップさせることなくコァに印加することが可能となる。

又図 2に示した 2種類の電極の長さはそれぞれ 4 mmであり .，両電極で約 8 mmとする。この光スィッチの揷入損は約 3 d Bであり、 K L T N結晶を用いて作製されたマッハツエンダ干渉計を含む光導波路は、極めて低損失となる。図 5は-. 本発明に係る光スィツチの動作特性を示すグラフである。

位相変調部 2 4、 2 5に等しくバイアス電界（電圧) I Vを印加し、スイツチングに必要な電界を印加したときに、出力ポート 1 2、 1 3に出力される光パワーを測定した結果である。図 5に示すように、光出力が電界（電圧）の印加により切り替わることがわかる。本実施例の光スィッチの場合、 2次の電気光学効果を用いているため、印加電界（電圧）が大きくなるに従い屈折率変化が大きくなる。そのため、位相が 7T変化するために必要な電界（電圧）が次第に小さくなつていく様子がわかる。本実施例の光スィッチの構成並びに駆動条件では、動作に必要な電圧（ν_π ) は 0 . 8 5 Vであり、スィッチの消光比は 3 2 d Bと良好な値を示した。さらに、矩形波の電界をスィッチに印加して測定したスイッチング速度は約 1 . 5 n s e cであり、パケットスィッチに必要となる高速動作も可能である。

なお、本実施例では、屈折率制御を容易にするために K L TN結晶を用いた。しかしながら、 K T N結晶を用いても同様の光スィッチを作製でき、 0 . 8 7 Vの駆動電圧、 1 . 2 n s e cのスイッチング速度、さらに、偏波無依存動作き確認した。

(実施例 2 )

本実施例の光スィッチは、マッ八ッェンダ干渉計の光導波路 (アーム導波路) の一方側に図 2に示した位相変調部分 1 8の位相変調部 2 4を設け、他方側に位相変調部分 8の位相変調部 2 5を設けた構成である。それ以外の構成は、実施例 1の光スィッチとほぼ同様の構成である。本実施例は、このような構成の光スィッチを作製して、その動作を確認した。

実施例 1の光スィツチの構成では-, マッハツエンダ干渉計の一方のァ一ム導波路のみに電界をかけるため屈折率変化が式（1 ) 、（2 ) の加算になる。実施例 1において説明したように、 KTN、 K L T N結晶の 2次の電気光学定数は直交する方向で符号が反対である。従って、式（1 ) 、（2 ) の加算により、偏光に対する屈折率依存性はなくなるが、屈折率変化量は小さくなる方向に働く。

そこで、実施例 2の光スィッチでは、印加電界に対してさらに有効的にスイツチング動作を行うため、両方のアーム導波路にそれぞれ位相変調部分 1 8 (図 2参照）を作製した。そして、一方のアーム導波路の位相変調部 2 4と他方のアーム導波路の位相変調部 2 5とに同じ電界を印加する。光出力をスィッチングする場合には、逆に、一方のアーム導波路の位相変調部 2 5と他方のアーム導波路の位相変調部 2 4へ同じ電界を印加することとした。これにより、プッシュプル動作が可能になり、屈折率変化は式（1 ) と（2 ) の差分となり、さらに低電庄でのスィツチングを実現することができた。この場合の駆動電圧 V _π は 0 . 5 3 Vであり、その他のスィツチング特性は実施例 1の光スィツチと同様であった。つまり、本実施例の構成により、光スィッチの高速、偏波無依存の特性を保ちつつ、さらに低電圧で駆動できることが明らかになつた。

(実施例 3 )

図 6は、本実施形態に係る光スィツチの実施形態の他の一例であり、その位相変調部分の構成を示す図である。又、図 7は、図 6の YE— YE線矢視断面に該当し、櫛型電極を用いた位相変調部分の電界方向を示す図である。

実施例 3の光スィツチの構成は、実施例 1の光スィツチと同様にマツハツヱンダ干渉計を用いたものであるが、マッハツエンダ干渉計の光導波路（アーム導波路）の位相変調部分に、図 6に示す櫛型の電極構造を用いたことが、大きく異なる点である。

図 6、図 7に示すように本実施例の位相変調部分は、基板 6 1上に形成したクラッド 6 3に、コア 6 2が囲まれるように形成された埋め込み導波路となつている。コア 6 2の上部には、その長さ方向に櫛型状の櫛型電極 6' 4とグランド電極 6 5が、互いの電極が交互の配置になるように形成されている。又図 7に示すように (図 6では図示せず) 、上部側の櫛型電極 6 4及びグランド電極 6 5にそれぞれ対向するように、基板 6 1とクラッド 1 7の界面に、下部側の櫛型電極 6 4及びグランド電極 6 5がそれぞれ形成されている。

櫛型電極 6 4及びグランド電極 6 5によって印加される電界は、図 7に示す電界 E l、 E 2のように、光の伝搬方向に平行な方向に複数形成される。そして、隣り合う電界 E l、 E 2の方向が、交互に逆転する向きを持つ。対向する櫛型電極 6 4、グランド電極 6 5の極性が同相となるように電極が作製されている。従って、コア 6 2に直交する方向の電界が打ち消され、コア 6 2に平行する電界のみが残る。

このよう'な電界の印加前、印加後の光の伝搬方向に直交する屈折率を図示すると、図 8のように変化することがわかる。実施例 3の場合、光の伝搬方向に直交する方向の屈折率変化は、式（2 ) の屈折率変化に対応している。つまり、図 8から明らかなように、この屈折率変化の方向は等方的であり、偏光に対して等方的に屈折率変化が生じる。よって、偏波無依存となることがわかる。実施例 3の櫛型状の電極構造では、図 7に示すように電界 E l、 E 2の方向が交互に逆転しているにもかかわらず、電界の方向に依らず一定方向の屈折率変化が得られる特徴がある。これは、 2次の電気光学効果を用いているため、電界の符号（電界の方向）に関係なく、その絶対値の 2乗に比例する屈折率変化を得ることができるからである。これが、 2次の電気光学効果を利用している大きな利点であり、櫛型電極を用いることを可能としている。

更に、櫛型電極を用いる場合、櫛型電極のピッチを変えることで、電界の大きさを変えることができるという利点がある。サンドイッチ型の電極構造の場合光導波路の厚み以下には電極間隔を小さくすることができず、電界を大きくするには大きい電圧を印加するしかない。しかしながら、櫛型電極の場合は正負の電極が同じ平面上にあり、その間隔を任意に変えることができる。よつて、その間隔を小さくすることで、同じ印加電圧でありながら大きい電界を得ることができる。つまり、 2次の電気光学効果を有する誘電体結晶に、櫛型電極を用いることで、小さい印加電圧でありながら大きい電界が印加できる。さらに、交互に電界の方向が変化しても一定方向に屈折率を変化させることができるため、屈折率が光の伝搬方向に一様に大きく変化した光導波路を得ることができる。したがって、実施例 3の櫛型状の電極構造を用いた位相変調部分を、マッハツエンダ干渉計の一方（又は両方）のアーム導波路に用いることにより、偏波無依存かつ低駆動電圧の光スィツチを容易に実現することができる。

なお、実施例 3のような櫛型状の電極構造に限らず、光の伝搬方向に平行な方向であり、かつ、光の伝搬方向に順方向のみ又は逆方向のみの電界を形成するような電極構造の場合でも、偏波無依存の光スィッチを実現することができる。

実施例 3では、実施例 1とほぼ等しい相転移温度を有する KT N結晶でマツハツヱンダ干渉計を含む光導波路を作製した。また、下部電極に白金、上部電極に I T Oを用いて、光スィッチを作製した。電極は導電性のあるものであればスイッチング動作が可能である。上部及び下部のクラッド厚を薄くし、電界印加効率を上げた場合、透明電極を使用したほうが、電極材料による光吸収の影響を抑制することができる。その結果として挿入損失を低下させることができる。又、位相変調部分の長さを 1 c m、バイアス電圧を I Vとした場合、本実施例の光スィッチの駆動電圧 ν_π は 0. 98 Vであり、消光比は 35 aBと良好な特性を示し、偏波無依存で動作する。

なお実施例 1乃至実施例 3の光スイッチにおいてバイアス電圧を印加して動作させている。このバイアス電圧にスイッチングに必要な変調電圧を重畳することは、回路構成として容易である。又、 2次の電気光学効果を用いているため、バイアス電圧を印加することで、電界変化に対する屈折率変化量を大きくすることが可能である。よって、電源回路に負荷をかけない程度のバイァス電圧を印加することで、さらに効率よぃスィツチングが可能であることが明らかになつた。

(実施例 4)

実施例 4の光スィッチの構成は、実施例 1の光スイッチと同様にマツハッェンダ干渉計を用いたものである。 2本のアーム導波路を KLTN結晶により形成して、実施例 1と同様の位相変調部分を両方のアーム導波路に作製した。伹し、入力側 3 dBカップラ及び出力側 3 dBカップラは石英系導波路で作製されている。これらの材料を用いて、位相変調部分側の KLTN結晶の端面を研磨して AR'コ一トを施した上で、その端面を入力側 3 dBカップラ及び出力側 3 d Bカップラと光学接着剤で接合して光スィツチを構成した。

実施例 4の光スィッチは、その駆動電圧やスイッチング速度は、実施例 1とほぼ同様である。しかしながら、揷入損失ならびに消光比が改善され、それぞれ 2. 4 dB, 42 dBとなる。これは、石英系導波路で作製された 3 d Bカツブラが、 K L T N結晶で作製された 3 d Bカツブラより低損失で高精度であることを示している。このように、位相変調部分のみに K T N、 KLTN結晶の光導波路を用い、その他の部分を石英系等の他の光導波路で構成しても、同様の光スィッチが作製できることが明らかになつた。

(実施例 5) 実施例 5の光スィッチは、実施例 1の光スィッチと同等の構成であるが、光導波路が. B T〇結晶等で作製されている点が異なる。このような構成の光スイツチを作製し、その動作を確認した。

実施例 5の光スィッチにおいて、 B TO導波路部分を 110°Cに制御して動作させると、駆動電圧 ν_π、は 1. 5V必要である。しかしながら、実施例 1 の光スィッチと同様の性能が得られ、さらに、スイッチング速度は 1 n s以下である。また、 ΒΤΟと STOを 0. 73 : 0. 27の割合で混合した、 B a ₀.₇₃S r₀.₂₇T i 0₃の単結晶からなる導波路を作製し、これを用いて同様な光スィッチを作製する。この場合、導波路温度 10°Cにて、 BTOの導波路を用いた場合と同様な特性が得られる。その他、 PL ZTを導波路材料とした光スィツチでも同様な動作が可能であった。

(実施例 6)

実施例 6では、実施例 2の光スィツチを 4インチの基板上に高密度に集積することで、 16 X 16のマトリクススィッチを作製する。作製した光スィッチはノンブロッキング構成であり、その数は 256個である。光スィッチは偏波無依存で動作し、挿入損は 8. 5 dB、消光比は 43 dB、駆動電圧 0. 9V、スイッチングに使用した消費電力は 0. 8Wである。実施例 6の光スィッチの場合、スィッチ部分の電気容量に対応する充放電をスイッチング時に繰り返すため、スイッチング速度に対応する電力消費が生じる。具体的には、 1GHz で連続的にスイッチング動作が起きる場合、その最大の消費電力は 0. 8Wである。これにより、従来の光スィッチに比べ、極めて小さい電力消費であることが明らかになった。

(実施例 7)

本実施形態では、マッハツエンダ干渉型の光スィッチについて説明してきた。実施例 7では、方向性結合器について説明する。図 9に示すように、実施例 7の導波路型デバイスではコア 9 1、クラッド 9 2に用いた導波路材料は共に K L T N結晶である。これら材料に対して L iの濃度と Nbの濃度を調整することにより比屈折率差 0 . 5 %の光導波路を実現した。コアリッジはリソグラフィ一とドライエッチングによりほぼ 6 ," m x 6 n m(D サイズに加工されている。

実施例 7は方向性結合型光分岐素子 9 6を備えており、入力ポー卜 9 3から光を入力すると相互作用領域において 2つの導波路間にモード結合が生じ、ェネルギ一が移行する。コァ間のギヤップ G及び相互作用領域 Lを調節することにより 1 ： 1の分岐比を有する素子、すなわち 3 d Bカップラを実現することができる。

コアギャップ G及び相互作用長 Lを変化させた方向性結合型光分岐素子を複数作製した。入力ポート 9 3から波長 1 . 5 5 の光を入力し出力ポート 9 4， 9 5からの出力光の強度を測定し、分岐比が 1 ： 1となる典型的な条件を示したグラフが図 1 0である。図 1 0より、作製した方向性結合型光分岐素子の過剰損失は概ね 0 . 1 d B以下と優れた光学特性を示した。

(実施例 8 )

実施例 7における方向性結合器において、一方の光導波路の直上に電極（図示せず）を形成し、分岐比可変導波路型分岐素子を作製した。その構造を図 1 1に示す。

実施例 8の導波路型分岐素子では、図 1 1に示すように入力ポート 1 1 1から光を入力すると、位相変調部分 1 1 2において、入力された光が一度もう一方の光導波路に移行した後、再び元の光導波路へ移行する。このとき、出力ポート 1 1 4へすベての光が出力されるようバイアス電圧が印加されている。位相変調部分 1 1 2において光導波路に分岐比制御用電界を印加する場合（O Nの場合）は、位相変調部分 1 1 2の電界の印加により片側導波路の実効屈折率が変化する。その結果、 2つの導波路間の伝搬定数に差が生じ位相不整合が生じる。この位相不整合量を分岐比制御用電界で変化させることで、光の出力が出力ポート 113へ移行し分岐比が変化することになる。

図 12は、図 11における方向性結合器の一方の光導波路に形成した位相変調部分 112を示す構成図である。また、図 13 Aは図 12の ΧΠΑ— XHA 断面図であり、図 13Bは図 12の ΧΠΒ— ΧΠΒ断面図である。

図 12、図 13 Aおよび Bに示すように、位相変調部分 112は、位相変調部 121、位相変調部 122の 2つの位相変調部から構成されている。それぞれの位相変調部は、 2種類の、各々異なる電極構造を有する。具体的には、位相変調部 121ではコァ 91直上に電極 123が配置されており、その両側にグランド電極 124が配置されている。この電極構造では、図 13Aに示すように、コア 91から基板に向かう方向（伝搬する光の TM方向に平行な方向）に電界が印加される。一方、位相変調部 122では、コア 91をはさむように電極 123、グランド電極 124が配置されている。よって、図 13 Bに示すように、基板に平行な方向（伝搬する光の TE方向に平行な方向）に電界が印加される。'このような電極構造により、光の伝搬方向に対して直交し、かつ、互いに直交する 2方向に電界を印加することが可能である。

すなわち、式（1) ― (2) より、図 11に示した位相変調部分 112では、互いに直行する 2つの電界が等しい場合には式（1) と（2) の加算分の屈折率変化が TE方向、 TM方向の両変更に等しく生じる。そのため、位相変調部分 112では、位相変調量は偏光に依存しないことになり本実施形態の光スイツチが偏光無依存で分岐比可変動作することがわかる。

図 12に示した 2種類の電極の長さはそれぞれ 4 mmであり、両電極で約 8 mmとした。この光スィッチの揷入損失は約 2. 5 dBであり、 KLTN結晶を用いた方向性結合器を含む導波路デバイスが極めて低損失である。図 14は、本実施形態に係る光スィッチの分岐特性を示すグラフである。上述のように位相変調部 121, 122に等しくバイアス電界 (電圧） 3 Vを印加し分岐比を変化させるために必要な電界を印加したときに出力ポート 1 13, 114に出力される光パワーを測定した結果である。図 14に示すように、光出力が電界の印加により切り替わることがわかる。実施例 8の導波路型デバイスが分岐比可変であり、さらにスィツチング機能を有することがわかる。実施例 8では、 2次の電気光学効果を用いているため、印加電界が大きくなるに従い屈折率変化が大きくなる。このため、スイッチング動作に必要な電界が次第に小さくなつていく様子がわかる。本実施例の光スィッチの構成並びに駆動条件ではスィツチング動作に必要な電圧は 0. 95 Vであり、スィツチの消光比は 30 dBと良好な値を示した。さらに、矩形波の電界をスィッチに印加して測定したスイッチング速度は約 2 n s e cである。よって、本実施例の光スィッチにより、バケツトスイッチングに必要となる高速動作も可能である。なお、実施例 8では、 KLTN結晶を用いたが、 KTN結晶を用いても同様の光スィッチが作製でき、 0. 97 Vの駆動電圧、 1. 7n s e cのスィッチング速度、 'さらに、傭波無依存動作を確認した。また、位相変調を与えるための電極構成は図 13 Aおよび Bに示した 2つの位相変調部からなる構成を用いたが櫛型電極等の構成を用いても偏波無依存操作を確認した。

(実施例 9)

実施例 9では、実施例 8の光スィッチを 4インチの基板上に高密度に集積することで、 16 X 16のマトリックススィッチを作製した。作製した光スイツチはノンプロッキング構造であり、その数は 256個である。図 15はその中で 16個の要素 151を示している。各要素 151は図 11に示した方向性結合器を用いた光スィッチである。この光スィッチは偏波無依存で動作し、挿入損失は 8. 0 dB、消光比は 45 dB、駆動電圧 0. 90 V、スイッチングに使用した消費電力は 0. 83Wであった。

本スィツチの場合、スィツチ部分の電気容量に対応する充放電をスィッチング時に繰り返すため、スイッチング速度に対応する電力消費が生じる。具体的には 1 GHzで連続的にスイッチング動作が起きる場合、その最大消費電力は 0. 8 Wであり従来の光スィツチに比べ、きわめて小さい消費電力であった。第 1の実施形態に係る光スィツチでは、 KTNや KLTN等に対してキュリ一転移温度近傍で動作させるために、温度コントローラを備えることができる。温度コントローラは、ペルチェ素子であっても良い。

以上説明してきたように、第 1 の実施形態によれば、 KTN、 KLTN結晶等を光導波路として用いることにより、従来では実現できなかった高速、低電圧駆動、偏波無依存の光スィッチを実現することができる。低電圧で駆動できるため、高価な高速動作の電源を使用する必要がなく、替わりに I C等で直接駆動することができる。また、第 1の実施形態に係る光スィッチは、集積回路やポード実装等を用いて、高密度のスィツチポ一ドとして安価に作製することができる。更に、マトリクス構成することが容易であり、大規模なマトリクススィッチを構成することができる。よって、第 1の実施形態に係る光スィッチは、光バケツ卜ルーターのコアスィッチとして有用である。

(第 2の実施形態）

第 2の実施形態は、 KTN結晶を基本とした光導波路を用いてデジタル光スイッチを構成する。例えば、図 16に示すように、 KTN若しくは KLTNをコア 161とし、これより僅かに屈折率が低い KTN若しくは KLTNをクラッド層 162とした埋め込み型三次元光導波路を用いる。図 16中では、省略されているが、この埋め込み型三次導波路は、 KTa〇₃ (KT)、 KNb0₃ (KN) 若しくは KTN基板上に設けられている。

このような埋め込み型三次元光導波路を利用した 1 X 2デジタル光スィツチを図 17に示す。この光スィッチは、光の導波路方向にのみ電界を印加するため、下層クラッドの下方かつ上層クラッドの上方に櫛形電極を具備する。即ち基板 173上には、コア 178とクラッド層 174とよりなる埋め込み型三次元光導波路として、一つの入力光導波路 (入力ポ一ト) 175から二つの出力導波路（出力ポート） 176， 177へ分岐する Y分岐型導波路を構成する。下側のクラッド層 174の下方及び上側のクラッド層 174の上方であって、 Y分岐の近傍における出力導波路 176, 177には、コア 178に電界を与えるために櫛形電極 171， 172を配置する。

このようなデジタル光スィッチは、後述するように、 TE, TM両方の屈折率変化が等しい屈折率変化を受けることが可能となり、偏光依存性が除去できる。本実施形態で用いる KTNは誘電体結晶材料であり、キュリー温度以上で立方晶構造を有する。これに対して、図 16に示すように、外部電場 Ε,, E₂, E₃を結晶軸方向 a,, a₂, a₃に印加すると、二次の電気光学効果を示す。立方晶での TE, TM各モードの屈折率の電場依存性は、 E₂若しくは E₃力 S 0の時には、以下のように記述できる。

【数 3】 n_TE f_a ²E₃ ²

n_m

( 3 )

( >0 <0) 上式において、 n。は KTNまたは KLTNの電場印加前の屈折率であり、 g および g₁₂ は KTN、 KLTNの非線形定数であり、 ε₃ は KTN、 KLT Νの比誘電率である。ここで、 Ε,, Ε₂， Ε₃の電界方向は、図 16に示したコァ 108の主軸方向の電場に各々対応する。 Ε₂若しくは Ε₃が 0の時には、屈折率楕円体の主軸は変化せず、モード変換は起こらない。また、 Ε₃が 0でない時には、 g_u と g₁₂ との符号が異なるため、屈折率変化の方向が異なる。そして、 n_{T E}は E₃の増加に伴い減少する。一方、 n_{T M}は E₃の増加に伴い増加するためスィッチ動作の偏波依存性を生じてしまう。そこで、光の導波方向の電界 E , のみを印加すると、屈折率変化は両モードとも下式のように同一の式で与えられ、偏波依存性を除去できる。

[数 4】

»TM = η₀ - 0.5¾^₀¾₁₂ ² ( )

そこで、図 1 7のように、光の導波方向の電界のみを印加するために、コァ 1 7 8である出力ポート 1 7 6、 1 7 7の上下に櫛形電極 1 7 1 , 1 7 2を配置した。

櫛形電極 1 7 1 , 1 7 2が配置された Y分岐導波路の断面図を図 1 8 Aに、櫛形電極の平面図を図 1 8 Bに示す。

図 1 8 Aに示すように、基板 1 8 3上にはクラッド層 1 8 4とコア 1 8 2とからなる埋め込み型三次元光導波路が設けられている。また、上側のクラッド層 1 8 4の上方及び下側のクラッド層 1 8 4の下側にはそれぞれ櫛型電極 1 8 1が配置されている。図 1 8 Bに示すように、櫛型電極 1 8 1は、 +極 1 8 1 aと、 —極 1 8 1 bとを一定間隔で交互に配置している。そして、上下の櫛型電極 1 8 1の同極が向き合ように配置されている。

そのため、コア 1 8 2を上下に貫く電界 E₃は、上下の櫛型電極 1 8 1からの電界成分の打ち消し合いにより理想的には 0となる。よって、本実施例の櫛形電極 1 8 1により、光の導波方向にのみ電界を効果的に印加することができる。更に、本発明の電界効果は、 2次の電気光学効果を利用しているため電場の二乗に比例する。従って、二つの出力ポート 1 7 6 , 1 7 7に予め D Cバイァス電圧を印加しておいて、スィッチ動作により光路を切り替えたい二つの出力ポート 1 7 6又は出力ポート 1 7 7のみに電圧を印加することにより、より低消費電力でスィツチ動作できる。

一方、図 1 9に示すように、上側のクラッド層 1 9 3の表面において、コア 1 9 2の左右に +極、 —極の電極 1 9 1を配置し、光導波方向に対して垂直方向に電圧を印加した場合、基板に平行であってコア 1 9 2を横切る方向の電界 E₂が主に発生する。その場合、屈折率変化は、以下の式で表せて、 n_{T E}は減少して、 n_{T M}は増加する。

【数 5】

( 5 )

feu > 0，g₁₂ < 0) このような原理を利用した 1 X 2偏波スプリツ夕を図 2 0に示す。即ち、図 2 0に示すように、基板 2 0 3上には、コア 2 0 8とクラッド層 2 0 4とよりなる埋め込み型三次元光導波路として、一つの入力ポート 2 0 5から二つの出力ポート 2 0 6， 2 0 7へ分岐する Y分岐型導波路を設けた。クラッド層 2 0 4の表面には、 Y分岐の近傍における出力ポート 2 0 6 , 2 0 7のそれぞれ左右両側にスィツチング用電極 2 0 1， 2 0 2を配置した。

従って、入力ポート 2 0 5に T M光、 Τ Ε光を入射させて、一方のスィッチング用電極 2 0 1に電圧を印加すると、基板に平行であってコア 2 0 8を横切る方向の電界 Ε ₂が発生する。このため、 ΤΜ光は出力ポート 2 0 6へ、 Τ Ε光は出力ポート 2 0 7へ出力される。従って、 Τ Εモードと Τ Μモードとを分離可能な偏波スプリッ夕が実現できる。

また、図 2 1 Aおよび Βにこの Υ分岐型導波路を 5個ッリ一状に組み合わせた 1 X 2偏波無依存光スィッチの模式図を示す。即ち、第一の Υ分岐型導波路 2 1 1で一つの導波路を二つの導波路に分岐する。第二、第三の Υ分岐型導波路 2 1 2 , 2 1 3で二つの導波路を四つに分岐する。第四、第五の Y分岐型導波路 2 1 4 , 2 1 5で交差した導波路と直線的な導波路をそれぞれ二つの導波路に結合させている。また各 Y分岐型導波路 2 1 1〜2 1 5の出力導波路にはそれぞれスイツチング用電極が配置されている。図 2 1 Aおよび B中に黒色で示す電極に実際に電圧が印加される。

図 2 1 Aの場合、 TM光、 T E光は矢印で示した光路をそれぞれ伝播して最終的には共に図中上側の出力ポートに出力される。一方、図 2 1 Bの場合、 TM光、 T E光は矢印で示した光路をそれぞれ伝播して、最終的には共に図中下側の出力ポートに出力される。

また、図 2 2 Aおよび Bにこの Y分岐型導波路を 7個ツリー状に組み合わせた I X 2偏波無依存光スィッチの模式図を示す。即ち、第一の Y分岐型導波路 2 2 1で一つの導波路を二つの導波路に分岐する。第二、第三の Y分岐型導波路 2 2 2， 2 2 3で二つの導波路を更に四つの導波路に分岐する。第四の Y分岐型導波路 2 2 4で二つの導波路を一つの導波路に結合して第五の Y分岐型導波路 2 2 5で一つの導波路を二つの導波路に分岐する。更に、第六、第七の Y 分岐型導波路 2 2 6 , 2 2 7で四つの導波路を二つの導波路に結合させている。これら各 Y分岐型導波路 2 2 1〜2 2 7の出力導波路にはそれぞれスィッチング用電極が配置されている。図 2 2 Aおよび B中に黒色で示す電極に実際に電圧が印加される。

図 2 2 Aの場合、 TM光、 T E光はそれぞれ矢印で示した光路を伝播して、最終的には共に図中上側の出力ポートに出力される。一方、図 2 2 Bの場合、 TM光、 T E光は矢印で示した光路を伝播して、最終的には共に下側の出力ポートに出力される。

以上のように、多段に Y分岐型導波路を連結することにより偏波無依存型の光スィッチが実現できる。図 2 1 Aおよび B、ならびに図 2 2 Aおよび Bのように、 Y分岐型導波路を 5〜 7個のッリ一状に連結することで最小の小型の偏波無依存型のスィツチを実現できる。

一方図 2 3のように下側のクラッド層 2 3 3の下方かつ上側のクラッド層 2 3 3の上方の両方に +電極 2 3 1及び—電極 2 3 1を配置する。光導波方向に対して垂直方向に電圧を印加した場合、基板に垂直であってコア導波路 2 3 2を横切る方向の電界 Ε₃が主に発生する。

【数 6】

"ΤΕ = ' - 0·⁵"0 Sl2 ^£0 ^εΙ^Ε1

(gu >。， ₂ < 0) この場合、電圧印加時には、 η_{Τ Ε}は増加して、 η_{Τ Μ}は減少する。

このような原理を利用した 1 X 2偏波スプリツタを図 2 4に示す。図 2 4に示すように、基板 2 4 8上には、コア 2 4 1とクラッド層 2 4 4とよりなる埋め込み型次元光導波路として、一つの入力ポート 2 4 5から二つの出力ポート 2 4 6 , 2 4 7へ分岐する Υ分岐型導波路を設けた。クラッド層 2 4 4の上面及びそめ下面には、 Υ分岐の近傍における出力ポート 2 4 6， 2 4 7のそれぞれに沿ってスィツチング用電極 2 4 2， 2 4 3を配置した。

このような構成で、入力ポート 2 4 5に ΤΜ光、 Τ Ε光を入射させて、一方のスイッチング用電極 2 4 2に電圧を印加すると、基板に垂直であってコア 2 4 6を横切る方向の電界 Ε₃を発生させる。よって、 Τ Ε光は出力ポート 2 4 6 へ、 ΤΜ光は出力ポート 2 4 7へ出力される。従って、同様に Τ Εモードと Τ Μモードとを分離可能な偏波スプリッ夕が実現できる。

また、図 2 5 Αおよび Βにこの Υ分岐型導波路を 5個ツリー状に組み合わせた I X 2偏波無依存光スィッチの模式図を示す。即ち、第一の Y分岐型導波路 2 5 1で一つの導波路を二つの導波路に分岐する。第二、第三の Y分岐型導波路 2 5 2， 2 5 3で二つの導波路を四つに分岐する。第四、第五の Y分岐型導波路 2 5 4 , 2 5 5で交差した導波路と直線的な導波路をそれぞれ二つの導波路に結合させている。これら各 Y分岐型導波路 2 5 1〜2 5 5の出力ポ一トにはそれぞれスイツチング用電極が配置されている。図 2 5 A、 B中に黒色で示す電極に実際に電圧が印加される。

図 2 5 Aの場合、 TM光, T E光は矢印で示した光路をそれぞれ伝播して、最終的には共に図中上側の出力ポートに出力される。一方、図 2 5 Bの場合、 TM光、 T E光は矢印で示した光路をそれぞれ伝播して、最終的には共に図中下側の出力ポートに出力される。

また、図 2 6 Aおよび Bにこの Y分岐型導波路を 7つ組み合わせた 1 X 2偏波無依存光スィッチの模式図を示す。即ち、第一の Y分岐型導波路 2 6 1で一つの導波路を二つの導波路に分岐する。第二、第三の Y分岐型導波路 2 6 2， 2 6 3で二つの導波路を更に四つの導波路に分岐する。第四の Y分岐型導波路 2 6 4で二つの導波路を一つの導波路に結合して第五の Y分岐型導波路 2 6 5 で一つの導波路を二つの導波路に分岐する。更に第六、第七の Y分岐型導波路 2 6 6 , 2' 6 7で四つの導波路を二つの導波路に結合させている。

各 Y分岐型導波路 2 6 1〜2 6 7の出力ポートにはそれぞれスイッチング用電極が配置されている。図 2 6 Aおよび B中に黒色で示す電極に実際に電圧が印加される。

図 2 6 Aの場合、 TM光、 T E光は矢印で示した光路をそれぞれ伝播して、最終的には共に図中上側の出力ポートに出力される。一方、図 2 6 Bの場合、 TM光、 T E光は矢印で示した光路をそれぞれ伝播して、最終的には共に図中下側の出力ポートに出力される。以上のように、多段に Y分岐型導波路を連結することにより偏波無依存型の光スィツチが実現できる。

以下に、上記の手法により作製した光スィッチの実施例を示すが、スィッチ作製手法は記述の内容に限定されるものではない。

(実施例 1 )

フォトリソグラフィ一などの手法により、 KTN結晶の表面に白金櫛形電極を作製した。そしてその上に、 Li濃度を調整して屈折率の高い KLTNを Y分岐型のコァとし屈折率の低い KLTNをクラッド層とした Y分岐埋め込み導波路を作製する。そこで、コアとクラッドとの比屈折率差は Δη = 0. 3%とした。コアサイズは、 8Χ 8〃ΠΊ² とする。更に、フォトリソグラフィ一などの手法により、上層クラッド結晶の表面に白金櫛形電極を作製して駆動用電極とする。

電極長は、短いほど CR定数で決定される応答速度に有利である。しかしながら、クロスト一クは電極長が長いほど有利である。よって、電極長を変えたパタンを有する複数の光スィッチでその光学特性を評価し、最適値を得た。キュリー転移温度近傍で動作させるため、この光スィツチをペルチェ素子で温度調整する。 DCバイアス 3 Vを双方のスイッチング用電極に印加し、 ONポ一ト側のスイッチング用電極に変調電圧を印加し、スィッチ動作させる。この I X 2デジタル型 EOスィッチは、動作電圧く IV (DCバイアス 3 V) 、クロストーク <一 30 dB、応答速度ぐ I n sの光学特性を示した。

(実施例 2)

フォトリソグラフィ一などの手法により、 KTN結晶の表面に白金の櫛形電極を作製する。そしてその上に、 TaZNb濃度比を調整して屈折率の高い KT Nをコアとし屈折率の低い KTNをクラッド層とした Y分岐埋め込み導波路を作製する。コアとクラッドとの比屈折率差は Δη = 0. 3%とした。コアサイズは、 8 X 8.am² とする。更に、フォトリソグラフィーなどの手法により、上層クラッド結晶の表面に白金 ff形電極を作製して駆動用電極とする。

電極長は、短いほど CR定数で法定される応答速度に有利である。しかしながら、クロスト一クは電極長が長いほど有利である。よって、クロストークは電極長が長いほど有利であるため、電極長を変えたパタンを有する複数の光スイッチでその光学特性を評価し.，最適値を得た。キュリー転移温度近傍で動作させるために、この光スィッチをペルチェ素子で温度調整する。 DCバイアス 3 Vを双方のスィツチング用電極に印加し、一方のスイッチング用電極に変調電圧を印加し、スィッチ動作させる。この 1 X 2デジタル型 EOスィッチは、動作電圧 < 1 V (DCバイアス 3 V) 、ク回ストーク <— 30 dB、応答速度 <1 n sの光学特性を示した。

(実施例 3)

Ta/Nb濃度比を調整して屈折率の高い KTNをコアとし屈折率の低い KT Nをクラッド層とした導波路を作製する。この導波路を用いて、図 22 Aおよび Bに示したように Y分岐型導波路 22 1〜227を 7段に連結した構造の埋め込み導波路を作製する。コアとクラッドとの比屈折率差は△=(). 3%とした。コアサイズは、 8X 8 m² とする。更に、フォトリソグラフィーなどの手法により、上層クラッド結晶の表面に白金表面電極を作製してスイッチング用電極とする。キュリー転移温度近傍で動作させるために、この光スィッチをべルチェ素子で、温度調整する。

図 22 Aおよび Bの黒色で示す電極に変調電圧を印加し、スィッチ動作させる。この 1 X 2デジタル型 EOスィッチは、動作電圧 < IV (DCバイアス 3 V) 、クロストークく一 30 dB、応答速度 <1 n sの光学特性を示した。

(実施例 4)

Ta/Nb濃度比を調整して屈折率の高い K T Nをコアとし屈折率の低い K T Nをクラッド層とした導波路を作製する。この導波路を用いて、図 21Aおよび Bに示したように Y分岐型導波路 21 1〜2 1 5を 5段に連結した構造の埋め込み導波路を作製する。コアとクラッドとの比屈折率蓬は Δη=0. 3%とした。コアサイズは、 8 Χ 8 Π1² とする。更に、フォトリソグラフィーなどの手法により、上層クラッド結晶の表面に白金表面電極を作製して駆動用電極とする。キユリ一転移温度近傍で動作させるためにこの光スィッチをペルチェ素子で温度調整する。

図 21 Aおよび Bの黒色で示す電極に変調電圧を印加しスィツチ動作させる。この 1 X 2デジタル型 E〇スィッチは..動作電圧 < 1 V (DCバイアス 3 V)、クロストーク <一 30 dB、応答速度 < 1 n sの光学特性を示した。

(実施例 5 )

フォトリソグラフィ一などの手法により、 KTN結晶の表面に白金のスイツチ用電極を作製する。そしてその上に、 Ta/Nb濃度比を調整して屈折率の高い KTNをコアとし屈折率の低い KTNをクラッド層とした導波路を作製する。その導波路を用いて、図 25 Aおよび Bに示したように Y分岐型導波路 251 〜255を 5段に連結した構造の埋め込み導波路を作製する。そこで、コアとクラッドとの比屈折率差は Δη = 0. 3%とした。コアサイズは、 8X8 m² とする。更に、フォトリソグラフィ一などの手法により、上層クラッド結晶の表面及び卞層クラッド結晶下部に白金電極を作製してスイッチング用電極とする。キュリー転移温度近傍で動作させるために、この光スィッチをペルチェ素子で温度調整する。

図 25 Aおよび Bの黒色で示す電極に変調電圧を印加し、スィッチ動作させる。この 1 X 2デジタル型 E〇スィッチは、動作電圧 < IV (DCバイアス 3 V) 、クロストーク <— 30 dB、応答速度 < 1 n sの光学特性を示した。

(実施例 6 )

フォトリソグラフィーなどの手法により、 KTN結晶の表面に白金のスィッチ用電極を作製する。そしてその上に、 Ta/Nb濃度比を調整して屈折率の高い KTNをコアとし屈折率の低い KTNをクラッド層とした導波路を作製する。この導波路を用いて、図 26 Aおよび Bに示したような Y分岐型導波路 261 〜267が 7段に連結した構造の埋め込み導波路を作製する。そこで、コアとクラッドとの比屈折率差は Δη = 0. 3 %とした。コアサイズは. 8 X 8 rn² とする。更に、フォトリソグラフィーなどの手法により、上層クラッド結晶の表面及ぴ下層クラッド結晶下部に白金電極を作製して駆動用電極とする。キュリー転移温度近傍で動作させるために、この光スィツチをペルチェ素子で温度調整する。

図 26 Aおよび Bの黒色で示す電極に変調電圧を印加し、スィッチ動作させる。この 1 X 2デジタル型 EOスィッチは、動作電圧く IV (DCバイアス 3 V) 、クロストークく一 30 d B、応答速度く 1 n sの光学粋性を示した。

(実施例 7 )

実施例 7の光スィッチは、実施例 1の光スィッチと同等の構成であるが、光導波路が BTO結晶等で作製されている点が異なる。このような構成の光スイツチを作製し、その動作を確認した。

実施例 7の光スィッチにおいて、 BTO導波路部分を 110°Cに制御して動作させると、動作電圧は 1. 5 V必要である。しかしながら、実施例 1の光スイッチと同様の性能が得られ、さらに、スイッチング速度は 1 n s以下である。また、 8丁〇と3丁0を0. 73 : 0. 27の割合で混合した、 B a_e.₇₃S r o.₂₇T i 0₃の単結晶からなる導波路を作製し、これを用いて同様な光スィッチを作製する。この場合、導波路温度 10°Cにて、 BTOの導波路を用いた場合と同様な特性が得られる。その他、 PL ZTを導波路材料とした光スィッチでも同様な動作が可能であつた。

第 2の実施形態に係る光スィッチでは、 K T Nや K L T N等に対してキュリ一転移温度近傍で動作させるために、温度コントローラを備えることができる。温度コント口一ラは、ぺ^/チェ素子であっても良い。以上説明したように、本実施形態は、誘電体結晶基板と誘電体結晶導波路とを用いた光デバイスに関し、具体的には、 KTa0₃若しくは KNb〇₃若しくは KTN基板と、この基板上に KLTNをコアとしコアより僅かに屈折率が低い KLTN導波路をクラッド層とした埋め込み型光導波路と、電界を与える電極とを具備した光デバイスである。

以上説明したように、第 2の実施形態によれば、偏波無依存動作可能な光スイッチなどの導波路型デバイスを実現できる。つまり、第の実施形態では、 K TNZKLTN結晶材料を用いた埋め込み型導波路にスイッチング用電極を具備するので、小型で安価な高速電源を用いてスィツチ動作が可能という効果がある。

更に、偏波無依存、集積化できるためネットワークシステム用の高速スイツチ、例えば、光パケットスイッチとして用いることができ、新規なネットヮークシステムを提供できるという効果がある。

(第 3の実施形態）

第 3の実施形態は、電気光学定数が極めて大きい立方晶かつ 2次の電気光学定数を有する誘電体結晶を基本とした位相シフタを用いて構成した光変調器を特徴とするものである。本実施形態では、上述の誘電体結晶として、 KTN、 KLTNを用いている。

立方晶での TE， TM各モードの屈折率の電場依存性は、 E₂ もしくは E₃が 0の時には、以下のように記述できる。つまり、 TE, TM各モードの屈折率の電場依存性は、 E₂ もしくは E₃が 0の時には、以下のように記述できる。【数 7】

= -

ε_α ² (g₁₂ j² + g_u E )- Q.5nl g₁₂ ( 7ノ

【数 8】

g₁₂(E_x ² + )-0.5n³ ₀ g_u Ε₃ ² (8) 上式において、 n。は KTNまたは KLTNの電場印加前の屈折率であり、 g _H および g₁₂ は KTN、 KLTNの非線形定数であり、 £_a は KTN、 KLT

Nの比誘電率である。また、 1 36であり ₁₂ = - 0. 038である。

図 27は、誘電体結晶材料の導波路の結晶方位と電界方向を示す立体図で、図中符号 271はコア、符号 272はクラッドを示している。ここで、 E, , Ε₂ , E₃ の電界方向は、 KTN導波路の主軸方向の電場に各々対応する。 E₂ もしくは E₃が 0の時には、屈折率楕円形の主軸は変化せず、モード変換はおこらない。

図 2 8A， Bは、櫛形電極付光導波路の構成図である。図 2 8 Aは、櫛形電極付光導波路の斜視図であり、図 2 8 Bは図 2 8 Aの XXHB— XX^B線切断断 ®図である。図中符号 2 8 1はコア、符号 2 8 2はクラッド、符号 28 3 は基板、符号 2 84は櫛型電極を示している。コア 2 8 1の上下を挟むようにして櫛型電極 2 84が配置される。この櫛型電極 2 84は、長手方向に正極及び負極が交互に配置されている。つまり、基板 2 8 3上には、クラッド 2 8 2 が形成され、このクラッド 28 2中にはコア 2 8 1が埋め込まれている。クラッド 2 82の上下には櫛形状電極 2 84が配設されている。

図 2 8 Aおよび Bに示すように、電極 2 84によりのみに電界をかけると、屈折率変化は両モードとも下記の式のように同一の式で与えられる。よつて、偏波依存性を除去できる。

【数 9】

【数 10】

An_TO

£Q g"E ν 1 0 )

図 2 9Αおよび Βは、電極付光導波路の構成図である。図 2 9Αは電極付導波路の斜視図であり、図 29 Bは図 29 Aの XXKB— XXKB線切断断面図である。図中符号 29 1はコア、 292はクラッド、 293は基板、 294は電極を示している。この電極 294はコア 291の上方でクラッド 292面上にその直上及びその両側に 3つ配置されている。

図 29 Aおよび Bに示すように、電極 294により E₂のみに電界をかけると、屈折率変化は下式のように与えられる。

[数 1 1】

An_TC

、1 1)

【数 12】

Δη_ΓΛί=- 0.5 " εΐ ε_α ² g_n Ε₂ ² (12)

図 3 OAおよび Βは、電極付光導波路の構成図である。図 3 OAは電極付導波路の斜視図であり、図 30Bは図 30 Aの XXXB— XXXB線切断断面図である。図中符号 30 1はコア、 302はクラッド、 303は基板、 304は電極を示している。この電極 304は、コア 30 1の上方でクラッド 302面上にその直上の両側に 2つ配置されている。

図 3 OAおよび Bに示すように、電極 304により E₃ のみに電界をかけると、屈折率変化は下式のように与えられる。

【数 13】

= - 0.5ng 8Q ε g E3 、13)

[数 14】

後者の 2つの電界印加配置では、屈折率の変化が両モードにおいて逆符号となる。図 3 1 (実施例 1 5で詳説する) には、マッハ ·ツェング型の光変調器の基本構造が示されている。入力光は 3 d Bカップラ 312によって 2分され、 Y分岐光導波路 3 14に導かれる。この Y分岐光導波路 314の一方は光位相変調器として動作し、そこを通過する光の位相を変調する。

Y分岐光導波路 3 1 4からの光波が同位相で入射した場合は、 2つの光波はそのまま足しあわされて出力ボートに導かれる。しかしながら、両者の位相が 1 8 0度ずれている場合には、光は放射モードとして Y分岐光導波路 3 1 4から外へ放射されるために出力ポート 3 1 6へは導かれない。 KT Nは大きな 2 次の電気光学効果を有するために、電流長を短くしても式（7 ) または（8 )、あるいは ( 1 1 ) 乃至式 ( 1 4 ) から導かれる屈折率変化に応じた位相の変化により効率よく光強度変調を実現できる。

図 3 1に示した電極構造を用いると偏波無依存動作を実現できるが、図 3 2 (実施例 1 6で詳説する）及び図 3 3 (実施例 1 7で詳説する）に応じた電極を用いると偏波依存動作になる。しかしながら、図 3 2および図 3 3に応じた電極を用いると、より大きな非線形定数（g i ₁ ) を用いることが可能で、より低電圧での強度変調が可能になる。通常、強度変調する光源としては、偏光したレーザ光を変調する場合が多い。よって、偏光依存動作でもレーザ偏光に応じた光を変調することが可能であれば実用上は問題にならないと考えられる。さらに、'図 3 4 (実施例 1 8で詳説する）に示すように、一方の Y分岐光導波路 3 4 4に図 2 9 Aおよび Bの電極を、他方の Y分岐光導波路 3 4 4に図 3 0 Aおよび Bの電極を用いた場合、非線形定数が逆符号のため位相変調の方向を互いに逆相にしたプッシュ一プル動作によって変調能率を増加することも可能である。

ところで、相転移近傍の KT Nの誘電率は、他材料に比べて非常に大きい。このため、電気容量を小さくするための工夫が必要である。表面電極を用いる場合、デバイスの電気容量は、電極間ギャップが小さく、かつ光導波路層の厚みが大きいほど大きくなると考えられる。電極間ギャップは狭いほど、強電界をコアに印加することが可能である。よって、電極間ギャップは、可能な限り狭いほうが望ましい。そこで、コア厚を h eとしたとき、下層クラッド厚 hu 及び上層クラッド厚 h oが、 0≤hu, h o≤3 h cの範囲にある埋め込み導波路は ·> 1 GHz以上の高速動作のため十分低い電気容量であることが確かめられた。

しかしながら、クラッド層が 1 m以下の薄層になると、単純な金属電極を用いた場合、 TMモードの導波路光は、メタルクラデイングの影響により、 1 00 dB/ cm以上におよぶ大きな損失を生じる。そこで、通信波長帯で高い透明性を有する I TO及ぴ ZnOを電極材料に用いて、低損失な位相シフ夕を実現する。また、 1 xmを超えるクラッド厚の場合、単純な金属、例えば、 P t， Au, P d, T i， Cuに代表される金属やこれらの合金を電極材料として用いることも可能である。

また、コアとクラッドの比屈折率差を大きくすることによって、コア層の厚さを薄層化することにより、電気容量を小さくすることも可能である。例えば、屈折率差を 1. 5%にすれば、シングルモード導波のためのコア厚は、 4 m まで小さくすることができる。屈折率差の大きいコア及びクラッドを用いることにより、'低い電気容量を有するデバイスを実現することが可能となった。基板に用いられる結晶材料として、導波路を構成する結晶材料の比誘電率よりも一桁以上低い比誘電率をもつものとすると、なお一層電気容量の低下に対して効果がある。以上に示した、低電圧駆動位相シフ夕を用いると、高い変調指数を有する光強度変調器を広帯域で実現することが可能となる。

さらに、より効果的な駆動電圧の低減法として、コア上のクラッド厚が重要なパラメ一夕であることを確かめた。クラッド厚が小さいほど、駆動電圧を低減できる。そこで、コア幅を Wとしたとき、コア上のクラッドの厚さ h及び電極のギャップ gが、 0≤h≤3W、 0≤g≤ 3Wの範囲にあれば、 1 GHz以上の高速動作のため十分低い駆動電圧であることを確認している。しかし、クラッド厚が 1 以下の薄層になると、単純な金属電極を用いた場合、 TMモ一ドの導波路光はメタルクラデイングの影響により 100 dBZcm以上におよぶ大きな損失を生じる。そこで、通信波長帯で高い透明性を有する I TOおよび Z ηθを電極材料に用いて、低損失な位相シフタを実現する。

さらに、 KTN材料は 2次の電気光学効果を示すため、バイアス電圧を印加すれば駆動電圧を低減できる。一般に、駆動電圧は位相シフ夕中の導波路の位相が T変化する V πで定義される。 V %とバイァス電圧 V b印加時の駆動電圧 Vmは以下の関係がある。

【数 15】

(V_b +V_m)²-V_b ² =ν_π ² (15)

上式に従って、駆動電圧を低減することが可能である。例えば、無バイアス時の VTTが 2. 5 Vの位相シフタにおいて、 6 Vのバイアスを印加すると駆動電圧は 0. 5 Vにまで低減する。

また、 1 xmを超えるクラッド厚の場合は、単純な金属例えば、 P t, Au, P d, T i , Cuに代表される金属やこれらの合金を電極用材料として用いることも可能である。以上に示した低電圧駆動位相シフタを用いると、高い変調指数を有する光強度変調器を実現することが可能となる。

以下に実施例を示すが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

(実施例 1 )

実施例 1は、図 3 OAおよび Bの電極を用いた場合の導波路電気光学位相シフタの実施例である。

本実施形態の導波路電気光学位相シフタは、立方晶で 2次の電気光学効果を有する結晶を用いている。コア幅 wを有するコア 301上のオーバー（上層）クラッド厚 hが、 0≤h≤ 3 wの範囲の厚みを有する埋め込み型のチャネル光導波路を備えた導波路電気光学位相シフ夕である。チャネル光導波路を挟んで平行に対向する 2つの電界印加用薄膜電極（単に電極とも呼ぶ） 304が配置されている。

また、電極間のギャップ gは、 0≤g≤ 3wの範囲の長さを有している。また、結晶として、 KTN及び KLTNからなる組成の結晶材料を用いている。さらに、電極として、 A 1 , Ga， I nおよび Bの中の少なくとも 1つがドービングされた Z n〇もしくは S n, T i , Z r , Η f , Nb, R a, W, Ge, Mo, Sb， Te, Au, P tおよび P gの中の少なくとも 1つがドーピングされた I TOを電極材料として用いている。

以下、実施例 1の導波路電気光学位相シフタの作製方法について説明する。まず、 TaZNb濃度比を調整して、屈折率 2. 184を有する KTNをコァとし、屈折率の低い KTNをクラッドとした埋め込み型光導波路を作製する。また、さらに精密な屈折率の調整法としては、 L iをクラッド、コア各層にドープして制御する。光導波路のコア断面サイズは 6 mX 6 mとする。コア上のクラッド厚を 0 imに設定する。

さらに、光導波路上に I TO膜をスパッ夕一法で形成し、フォトリソグラフィ一およびドライエッチング法を用いてギャップ幅 6 ^m、電極幅 l O O^m 厚さ 1 m、ギャップ幅 6 mの S nドープされた I TOからなる電界印加用電極を作製する。電極長は lmmとする。印加電圧の反射を抑えるために、電極を 50オームに終端した。波長 1. 55 mのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。駆動時には、デパイス温度を相転移近傍にコントロールした。変調動作電圧は、無バイアス時、 2. 5 V 以下であった。また、 6 Vのバイアス電圧印加時には、変調動作電圧は 0. 5 V以下であった。

(実施例 2) 本実施例 2は、図 29 Aおよび Bの電極を用いた場合の導波路電気光学位相シフ夕の実施例である。以下、実施例 2の導波路電気光学位相シフ夕の作製方法について説明する。

まず、 TaZNb濃度比を調整して、屈折率 2. 184を有する KTNをコァとし、屈折率の低い KTNをクラッドとした埋め込み型光導波路を作製する。また、さらに精密な屈折率の調整法としては、 L iをクラッド、コア各層にド一プして制御する。光導波路のコア断面サイズは 6 , mx 6 とする。コア上のクラッド厚を 0 mに設定する。

さらに、光導波路上に I T O膜をスパッ夕一法で形成し、フォトリソグラフィ一およぴドライエッチング法を用いてギャップ幅 6 m、電極幅 100 ΠΙ、厚さ 1 、ギャップ幅 6 の A 1 ド一プされた I TOからなる電界印加用電極を作製する。電極長は lmmとする。印加電圧の反射を抑えるために、電極を 50オームに終端した。波長 1. 55 imのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。駆動時には、デバイス温度を相転移近傍にコントロールした。変調動作電圧は、無バイアス時、 2. 5 V 以下であった。また、 6 Vのバイアス電圧印加時には、変調動作電圧は 0. 5 V以下であった。

(実施例 3)

本実施例 3は、単純な金属を電極材料に用いて、図 3 OAおよび Bの電極を用いた場合の導波路電気光学位相シフタの実施例である。 TaZNb濃度比を調整して、屈折率 2. 184を有する KTNをコアとし、屈折率の低い KTN をクラッドとした埋め込み型光導波路を作製する。また、さらに精密な屈折率の調整法としては、 L iをクラッド、コア各層にドープして制御する。光導波路のコア断面サイズは 6 ητιΧ 6 mとする。コア上のクラッド厚を 6 mに設定する。さらに、光導波路上に金薄膜をスパッ夕一法で形成し、フォトリソグラフィ一およびドライエッチング法を用いてギャップ幅 6 ^m、電極幅 l O O^rru 厚さ 1 n in, ギヤップ幅 6 mの A uからなる電界印加用電極を作製する。電極長は 3 mmとする。印加電圧の反射を抑えるために、電極を 50オームに終端した。駆動時には、デバイス温度を相転移近傍にコントロールした。波長 1. 55 mのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。変調動作電圧は、無バイアス時、 6 V以下であった。

(実施例 4)

本実施例 4は、単純な金属を電極材料に用いて、図 29Aおよび Bの電極を用いた場合の導波路電気光学位相シフ夕の実施例である。 Ta/Nb濃度比を調整して、屈折率 2. 184を有する KTNをコア部とし、屈折率の低い KT Nをクラッド部とした埋め込み型光導波路を作製する。また、さらに精密な屈折率の調整法としては、 L iをクラッド、コア各層にド一プして制御する。光導波路のコア断面サイズは 6 imX 6 とする。コア上のクラッド厚を 6 mに設定する。

さらに、光導波路上に金薄膜をスパッ夕一法で形成し、フォトリソグラフィ一およびドライエッチング法を用いてギャップ幅 6 m、電極幅 100 m、厚さ l m、ギャップ幅 6 の P tからなる電界印加用電極を作製する。電極長は 3mmとする。印加電圧の反射を抑えるために、電極を 50オームに終端した。駆動時には、デバイス温度を相転移近傍にコントロールした。波長 1. 55 mのレ一ザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。 TE, TM両モードとも、変調指数が直流値の 1 / 2に低下する帯域幅は 5 GHzで、変調動作電圧は、無バイアス時、 6 V以下であった。抵抗に終端抵抗を用いて 50オームに調整した。波長 1. 55 mのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。変調動作電圧は 6 V以下であつた。

(実施例 5 )

図 3 4は、図 2 9 Aおよび B並びに図 3 0 Aおよび Bに示した電極を導波路電気光学位相シフ夕として用いた場合の本実施形態に係るマッハ。ツエンダ光強度変調器の実施例を示す構成図である。図中符号 3 4 0はクラクド、符号 3 4 1は入力ポート、符号 3 4 2は 3 d Bカップラ、符号 3 4 3 a、 bおよび c は電極（電界印加部）、符号 3 4 4は Y分岐光導波路（三次元光導波路）、符号 3 4 5は 3 d Bカップラ、符号 3 4 6は出力ポー卜、符号 3 4 7は印加用電源を示している。このマッハ ·ツエンダ光強度変調器は、 1個の入力ポート 3 4 1と、この入力ポート 3 4 1に連結された 3 d Bカップラ 3 4 2と、この 3 d Bカップラ 3 4 2に連結された三次元光導波路 3 4 4と、この三次元光導波路 3 4 4に連結された 3 d Bカップラ 3 4 5と、この 3 d Bカップラ 3 4 5に連結された出力導波路 3 4 6とを供えている。また、手前のチャネル導波路には図 3 O Aおよび Bに示す電極を配置し、奥のチャネル導波路には図 2 9 Aおよび Bに示す電極を配置した構成である。

このような構成にすれば、図 2 9 Aおよび Bと図 3 O Aおよび Bとに示した電極を有する位相シフ夕の T Eモードと TMモードとに対する位相シフ夕が相補的になる。よって、この構成の光強度変調器は、偏波無依存動作が可能になる。実際、 T E、 TM両モードとも、変調指数が直流値の 1 2に低下する帯域幅は 5 GH zであり、無バイアス時の変調動作電圧は 2 . 5 V以下であった。しかしながら、偏波が固定されているのであれば、入射光が T Eモードであるか TMモードであるかに応じて、 2つのチヤネル導波路の何れか一方に図 2 9 Aおよび Bあるいは図 3 O Aおよび Bに示した電極を配置すれば、同様の効果を奏することは言うまでもない。

(実施例 6 ) 図 35 Aおよび Bは、本発明に係る電極を用いた場合の導波路電気光学位相シフタの実施例 6を説明するための構成図である。図 35 Aは導波路電気光学位相シフ夕を説明するための斜視図であり、図 35Bは図 39八の ∑ ¥6 — XXXVB線断面図である。図中符号 350はコア、符号 351はクラッド、符号 352は基板、符号 353は電極を示している。

本実施形態の導波路電気光学位相シフタは、立方晶で 2次の電気光学効果を有する結晶を用いている。その結晶のコア厚を h cとしたとき、下層クラッド厚 hu及び上層クラッド厚 h oが、 0≤hu, h o≤3 h cの範囲の厚みを有する埋め込み型の三次元光導波路を備えた導波路電気光学位相シフタである。その位相シフタには、三次元光導波路を挟んで平行に対向する 2つの電極 35 3が配置されている。

また、結晶として、 KTNおよび KLTNからなる組成の結晶材料を用いた基板上に、 K T Nおよび K L T Nからなる組成の結晶材料を導波路として用いている。

また、結晶材料の組成比として、組成比 Xを 0以上かつ 1以下とし、組成比 Yを 0より大きく 0. 1未満としている。また、導波路の材料として K T Nおよび L T Nの比誘電率が、基板に用いられている結晶材料の比誘電率よりも一桁以上大きいようになつている。

さらに、コアとクラッドの比屈折率差が、 0%より大きく 1. 5%以下である。また、電極として、 A l， Ga, I nおよび Bの中の少なくとも 1つがド一ビングされた Zn〇もしくは Sn， T i , Z r, H f , Nb, R a, W, Ge, Mo, S b, Te， Au， P tおよび P gの中の少なくとも 1つがドーピングされた I TOを用いている。

以下、実施例 6の導波路電気光学位相シフタの作製方法について説明する。まず、 Ta/Nb濃度比を調整して、屈折率 2. 184を有する KTNをコァ部とし、屈折率の低い KTNをクラッド部とした埋め込み型光導波路を作製する。導波層の比誘電率は、基板 352のそれよりも一桁以上大きいことが確かめられる。さらに精密な屈折率の調整法としては、 L iをクラッド.，コア各層にドープして制御する。コア 350とクラッド 351との屈折率差は 0. 5 % として、光導波路のコア断面サイズは 6 mx 6 mとする。コア 350下の下層クラッド厚 huを 6 m、コア 350上の上層クラッド厚 h oを 1 xmに fi又疋る。

さらに、光導波路上に金薄膜をスパッタ一法で形成し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング法を用いてギャップ幅 6 /im、電極幅 l O O im 厚さ l m、ギャップ幅 6 ^ mの S nド一プされた I TOからなる電界印加用電極を作製する。電極長は lmmとする。印加電圧の反射を抑えるために、電極を 50オームに終端した。波長 1. 55 mのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。駆動時には、デバイス温度を相転移近傍にコントロールした。変調動作電圧は、無バイアス時、 2. 5 V 以下であった。また、 6 Vのバイアス電圧印加時には、変調動作電圧は 0. 5 V以下であった。また、 10 GHz程度まで応答特性は劣化しないことを確かめた。

(実施例 7)

図 36 Aおよび Bは、本実施形態に係る電極を用いた場合の導波路電気光学位相シフタの実施例 7を説明するための構成図である。図 36Aは導波路電気光学シフタを説明するための斜視図であり、図 36Bは図 36 Aの XXXVIB 一 XXXVIB線断面図である。図中符号 360はコア、符号 361はクラッド、符号 362は基板、符号 363は電極を示している。この実施例 7の位相シフ夕は、三次元光導波路を挾んで平行に対向する 2つの電極 363が配置されているとともに、チャネル導波路上に 1つの電極 363が配置されている。以下、実施例 7の導波路電気光学位相シフタの作製方法について説明する。まず、 TaZNb濃度比を調整して、屈折率 2. 184を有する KTNをコァとし屈折率の低い KTNをクラッドとした埋め込み型光導波路を作製する。導波層の比誘電率は、基板 362のそれよりも一桁以上大きいことが確かめられる。また、さらに精密な屈折率の調整法としては、 L iをクラッド、コア各層にドープして制御する。コア 360とクラッド 361の屈折率差は 0. 5 % として、光導波路のコア断面サイズは 6 mx 6 / mとする。コア 360下の下層クラッド厚 huを 6 ΠΙ、コア 360上の上層クラッド厚 h 0を 1 mに設定する。

さらに、光導波路上に I T〇膜をスパッ夕一法で形成し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング法を用いてギャップ幅 6 ^m、電極幅 100^m、厚さ 1 、ギャップ幅 6 mの S nドープされた I TOからなる電界印加用電極を作製する。電極長は lmmとする。印加電圧の反射を抑えるために、電極を 50オームに終端した。波長 1. 55 のレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。駆動時には、デバイス温度を相転移近傍にコントロールした。変調動作電圧は、無バイアス時、 2. 5 V 以下であった。また、 6 Vのバイアス電圧印加時には、変調動作電圧は 0. 5 V以下であった。また、 10GHz程度まで応答特性は劣化しないことを確かめた。

(実施例 8)

本実施例 8は、単純な金属を電極材料に用いて、図 35Aおよび Bの電極を用いた場合の導波路電気光学位相シフタの実施例である。

以下、実施例 8の導波路電気光学位相シフ夕の作製方法について説明する。まず、 TaZNb濃度比を調整して、屈折率 2. 184を有する KTNをコァとし、屈折率の低い KTNをクラッドとした埋め込み型光導波路を作製する。さらに精密な屈折率の調整法としては、 L iをクラッド、コア各層にドープして制御する。コア 350とクラッド 35 1の屈折率差は 0. 5%として、光導波路のコア断面サイズは 6 , mX 6 mとする。コア 350下の下層クラッド厚 liuを 1 xm、コア 350上の上層クラッド厚 h oを 6 xmに設定する。さらに、光導波路上に金薄膜をスパッ夕一法で形成し、フォ卜リゾグラフィ一およびドライエッチング法を用いてギャップ幅 6 m、電極幅 1 00 /1111、厚さ l ^m、ギャップ幅 6 mの Auからなる電界印加用電極を作製する。電極長は 3 mmとした。印加電圧の反射を抑えるために、電極を 50オームに終端した。駆動時には、デバイス温度を相転移近傍にコントロールした。波長 1. 55 mのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。変調動作電圧は、無バイアス時、 6 V以下であった。また、 1 0GHz程度まで応答特性は劣化しないことを確かめた。

(実施例 9)

本実施例 9は、単純な金属を電極材料に用いて、図 36Aおよび Bの電極を用いた場合の導波路電気光学位相シフ夕の実施例である。

以下、実施例 9の導波路電気光学位相シフタの作製方法について説明する。まず、 Ta/Nb濃度比を調整して、屈折率 2. 184を有する KTNをコァとし、屈折率の低い KTNをクラッドとした埋め込み型光導波路を作製する。さらに精密な屈折率の調整法としては、 L iをクラッド、コア各層にドープして制御する。コア 360とクラッド 36 1の屈折率差は 0. 5%として、光導波路のコア断面サイズは 6 tmx 6 mとする。コア 360下の下層クラッド厚 huを 1 、コア 360上の上層クラッド厚 h oを 6 ,umに設定する。さらに、光導波路上に金薄膜をスパッ夕一法で形成し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング法を用いてギャップ幅 6 m、電極幅 100 m、厚さ l ^m、ギャップ幅 6 の P tからなる電界印加用電極を作製する。電極長は 3mmとする。印加電圧の反射を抑えるために、電極を 50オームに終端した。駆動時には、デバイス温度を相転移近傍にコントロールした。波長 1.

55 mのレ一ザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。変調動作電圧は、無バイアス時， 6 V以下であった。また、 1 0 GHz程度まで応答特性は劣化しないことを確かめた。

(実施例 10 )

図 37 Aおよび Bは、本実施形態に係る電極を用いた場合の導波路電気光学位相シフタの実施例 10を説明するための構成図である。図 37 Aは導波路電気光学位相シフタを説明するための斜視図であり、図 37Bは図 37 Aの XX XWB— XXXWB線断面図である。図中符号 370はコア、符号 371はクラッド，符号 372は基板、符号 373は電極を示している。この実施例 10 の位相シフタは、三次元光導波路を挟んで平行に対向する 2つの電極 373が配置されている。図 35 Aおよび Bにおける下層クラッドを用いずに、基板 3 72上に直接コア 370を形成し、電極 373を用いた場合を示している。以下、実施例 10の導波路電気光学位相シフタの作製方法について説明する。まず、 T'a/Nb濃度比を調整して、屈折率 2. 184を有する KTNをコァとし、屈折率の低い KTNをクラッドとした埋め込み型光導波路を作製する。導波層の比誘電率は、基板 372のそれよりも一桁以上大きいことが確かめられる。さらに精密な屈折率の調整法としては、 L iをクラッド、コア各層にドープして制御する。コア 370とクラッド 371との屈折率差は 1. 5%として、光導波路のコア断面サイズは 6 umX 6； timとした。コア 370上のクラッド厚 h oを 1 , mに設定する。

さらに、光導波路上に金薄膜をスパッ夕一法で形成し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング法を用いてギヤップ幅 6 m、電極幅 100.am、厚さ l im、ギャップ幅 6 mの S nドープされた I TOからなる電極を作製する。電極長は lmmとする。印加電圧の反射を抑えるために、電極を 50ォ一ムに終端した。波長 1. 55 mのレーザ光源を入力ポートに接続してオシ口スコ一プを用いて変調特性を測定した。駆動時には、デバイス温度を相転移近傍にコントロールした。変調動作電圧は、無バイアス時、 2. 5 V以下であつた。また、 6 Vのバイアス電圧印加時には、変調動作電圧は 0. 5V以下であつた。また、 10 GHz程度まで応答特性は劣化しないことを確かめた。

(実施例 11 )

図 38 Aおよび Bは、本実施形態に係る電極を用いた場合の導波路電気光学位相シフタの実施例 1 1を説明するための構成図である。図 38Aは導波路電気光学位相シフ夕を説明するための斜視図であり、図 38Bは図 38Aの XX XWB— XXXHB線断面図である。図中符号 380はコア、符号 381はクラッド、符号 382は基板、符号 383は電極を示している。この実施例 1 1 の位相シフタは、三次元光導波路を挟んで平行に対向する 2つの電極 383が配置されているとともに、チャネル導波路上に 1つの電界印加用薄膜電極 42 3が配置されている。そして、下層クラッドを用いずに、基板 382上に直接コア 38 (3を形成し、電極 383を用いた場合を示している。

以下、実施例 11の導波路電気光学位相シフタの作製方法について説明する。まず、 TaZNb濃度比を調整して、屈折率 2. 184を有する KTNをコァとし、屈折率の低い KT Nをクラッドとした埋め込み型光導波路を作製する。導波層の比誘電率は、基板 382のそれよりも一桁以上大きいことが確かめられる。さらに精密な屈折率の調整法としては、 L iをクラッド、コア各層にドープして制御する。コア 380とクラッド 381との屈折率差は 1. 5%として、光導波路のコア断面サイズは 4 X 4 mとする。コア 420上のクラッド厚 h oを 0 xmに設定する。

さらに、光導波路上に I T〇膜をスパッ夕一法で形成し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング法を用いてギャップ幅 6 im、電極幅 100 m、厚さ 1 im、ギャップ幅 6 mの S nドープされた I T〇からなる電界印加用電極を作製する。電極長は 1mmとする。印加電圧の反射を抑えるために、電極を 50オームに終端した。波長 1. 55 mのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。駆動時には、デバイス温度を相転移近傍にコントロールした。変調動作電圧は、無バイアス時、 2. 5 V 以下であった。 6 Vのバイアス電圧印加時には、変調動作電圧は 0. 5V以下であった。また、 10 GHz程度まで応答特性は劣化しないことを確かめた。

(実施例 12)

図 31は、本実施形態の光変調器の実施例 12を説明するための構成図である。図 28 Aおよび Bに示した電極付光導波路の電極を電気光学位相シフタとして用いた場合の光変調器の実施例を示す図である。

図中符号 310はクラッド、符号 311は入力ポート、符号 312は 3 dB カップラ、符号 313は電極（電界印加部）、符号 314は Y分岐光導波路（三次元光導波路）、符号 315は 3 dBカップラ、符号 316は出力ポート、符号 317は印加用電源を示している。なお、電極 313の長手方向の断面は図

28 Bに対応している。

図 31に示すように、本実施形態の光変調器は、 1個の入力ポート 311と、この入力ポート 31 1に連結された 3 dBカップラ 312と、この 3 dBカツブラ' 312に連結された Y分岐光導波路 314と、この Y分岐光導波路 314 に連結された 3 dBカップラ 315と、この 3 d Bカップラ 315に連結された出力ポー卜 316と、 Y分岐光導波路 314の少なくとも一方に配置された

1個の電界印加部 313とから構成されている。

つまり、本実施形態の光変調器は、立方晶で 2次の電気光学効果を有する結晶を導波路材料に用いて、少なくとも 1つの入力ポート 311と、 2つの 3 d Bカップラ 312, 315と、 2つの三次元光導波路（Y分岐光導波路） 31 4と、 1つの出力ポー卜 316とを有するマッハ ·ツエンダ型の光変調器である„ そして、三次元光導波路 314の少なくいとも一方に、電極 313が配置されている電気光学位相シフタを有している。この電極 313が、チャネル導波路 314上に 1つ配置されている。また、電極 313は、三次元光導波路 3 14に対して垂直方向にそれぞれ正極及び負極が交互に配置されている。

3 dBカップラ 312, 315は、その形状が所定の曲率半径を持つた扇形となっている。 TaZNb濃度比を調整して、屈折率 2. 184を有する KT Nをコアとし、屈折率の低い KTNをクラッドとした埋め込み導波路を作製する。また、さらに精密な屈折率の調整法としては、 L iをクラッド、コア各層にドープして制御する。

誘電体結晶として、 K T Nおよび K L T Nからなる組成の結晶材料を用いる。また、結晶材料の組成比として、組成比 Xを 0以上、 1以下とし、組成比 Yを 0より大きく 0. 1未満とする。

Y分岐光導波路 314のコア断面サイズは 6 mX 6 mとする。 Y分岐光導波路 314上に金属膜をスパッ夕法で形成し、フォトリソグラフィ一およびドライエッチング法を用いて、設計の幅 10 m、厚さ 1 mの電界印加用電極 313を作製する。電極長は lmmとする。反射を抑えるために、電極の抵抗に終端抵抗を用いて 50オームに調整した。波長 1. 55 zmのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。 TE， TM両モ一ドとも、変調指数が直流値の 1/2に低下する帯域幅は 5 GH zで、変調動作電圧は 5 V以下であつた。

(実施例 13)

図 32は、本発明の誘電体結晶を用いた光変調器の実施例 13を説明するための構成図である。図 3 OAおよび Bに示した電極付光導波路の電極を電気光学位相シフタとして用いた場合の光変調器の実施例を示す図である。

図中符号 3 2 0はクラッド、符号 3 2 1は入力ポート、符号 3 2 2は 3 d B カップラ符号 3 2 3は電極（電界印加部）符号 3 2 4は Y分岐光導波路（三次元光導波路）、符号 3 2 5は 3 d Bカップラ.。符号 3 2 6は出力ポート符号 3 2 7は印加用電源を示している。なお、電極 3 2 3の断面は図 3 0 Bに対応している。

この実施例 1 3においては、電極 3 2 3が、一方の三次元光導波路 3 2 4を挟んで平行に対向して 2つ配置されている。また、電極 3 2 3は、三次元光導波路 3 2 4に対して垂直方向にそれぞれ正極及び負極が交互に配置されている。本実施例 1 3による光変調器の作製方法は、上述した実施例 1 2にならい、電極長は l mmとする。反射を抑えるために、電極の抵抗に終端抵抗を用いて 5 0オームに調整した。波長 1 . 5 5 mのレ一ザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。 TMモードに関して、変調指数が直流値の 1 Z 2に低下する帯域幅は 5 GH zで、変調動作電圧は 3 V以下であった。

(実施例 1 4 )

図 3 3は、本実施形態の光変調器の実施例 1 4を説明するための構成図である。図 2 9 Aおよび Bに示した電極付光導波路の電極を電気光学位相シフ夕として用いた場合の光変調器の実施例を示す図である。

図中符号 3 3 0はクラッド、符号 3 3は入力ポート、符号 3 3 2は 3 d Bカツブラ、符号 3 3 3 aおよび 7 3 bは電極（電界印加部）、符号 3 3 4は Y分岐光導波路（三次元光導波路）、符号 3 3 5は 3 d Bカップラ、符号 3 3 6は出力ポート、符号 3 3 7は印加用電源を示している。なお、電極 3 3 3 aおよび 3 3 3 bの断面は図 2 9 Bに対応している。

この実施例 1 4においては、電極 3 3 3 bが、一方の三次元光導波路 3 3 4 を挟んで平行に対向して 2つ配置されているとともに、電極 3 3 3 aが、チヤネル導波路 3 3 4上に 1つ配置されている。また、電極 3 3 3 aおよび 3 3 3 bは三次元光導波路 3 3 4に対して垂直方向にそれぞれ正極及び負極が交互に配置されている。

本実施例 1 4による光変調器の作製方法は、上述した実施例 1 にならい、電極長は l mmとする。反射を抑えるために、電極の抵抗を終端抵抗に用いて 5 0オームに調整する。波長 1 . 5 5 mのレ一ザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。 TMモードに関して、変調指数が直流値の 1 / 2に低下する帯域幅は 5 GH zで、変調動作電圧は 3 V以下であった。

(実施例 1 5 )

本実施例 1 5は、図 2 9 Aおよび Bならびに図 3 O Aおよび Bに示した電極付光導波路の電極を電気光学位相シフタとして用いた場合の光変調器の実施例を示す図である。

本実施例 1 5による光変調器の作製方法は、上述した実施例 1 2にならい、電極長は l mmとする。反射を抑えるために、電極の抵抗に終端抵抗を用いて 5 0オームに調整する。波長 1 . 5 5 mのレーザ光源を入力ポートに接続してオシロスコープを用いて変調特性を測定した。 TM, T E両モードに関して、変調指数が直流値の 1 Z 2に低下する帯域幅は 5 GH zで、変調動作電圧は 2 . 5 V以下であった。

図 3 4では、手前のチャネル導波路には図 3 O Aおよび Bに示す電極を配置し、奥のチャネル導波路には図 2 9 Aおよび Bに示す電極を配置した場合を示している。しかしながら、これに限定されることなく、図 3 O Aおよび Bに示した電極の代わりに図 3 7 Aおよび Bに示した電極を配置し、または図 2 9 A および Bに示した電極の代わりに図 3 8 Aおよび Bに示した電極を配置しても同様の効果を奏することは言うまでもない。

このような構成にすれば、図 3 OAおよび B (または図 37 Aおよび B) と図 29Aおよび B (または図 38 Aおよび B) に示した電極を有する位相シフ夕の T Eモードと T Mモードに対する位相シフ夕が相補的になるため、偏波無依存動作が可能になる。しかしながら、偏波が固定されているのであれば、入射光が TEモードであるか TMモードであるかに応じて、 2つのチャネル導波路の何れか一方に図 3 OAおよび B (または図 37 Aおよび B) あるいは図 2 9 Aおよび B (または図 38 Aおよび B) に示した電極を配置すれば、同様の効果を奏することは言うまでもない。

(実施例 16)

実施例 16の光変調器は、実施例 12の光変調器と同等の構成であるが、光導波路が B TO結晶等で作製されている点が異なる。このような構成の光変調器を作製し、その動作を確認した。

実施例 16の光スィッチにおいて、 B TO導波路部分を 110°Cに制御して動作させると、実施例 12の光変調器と同様の変調特性が得られた。また、 B TOと STOを 0. 73 : 0. 27の割合で混合した、 B a。.₇₃ S r。， ₂₇T i o₃の単結晶からなる導波路を作製し、これを用いて同様な光変調器を作製する。この場合、導波路温度 10°Cにて、 BTOの導波路を用いた場合と同様な特性が得られる。その他、 PLZTを導波路材料とした光変調器でも同様な動作が可能であった。

以下で、第 3の実施形態に係る光変調器において、進行波電極を用いた光変調器について説明する。

上述の KTNおよび KLTNを用い、進行波電極を用いて光変調器を実現しようとした場合、光導波路中を進行する光と、電極中を伝播するマイクロ波との速度は大きく異なっている。立方晶である KTNにける光の屈折率は約 2. 14であるが、誘電率は上述するように 20000に達する。従って、マイク口波の実効屈折率は約 141となり、光の屈折率の約 70倍に達する。このようにマイクロ波と光波とが KTNを通過する際に、速度不整合が生じ、光変調器の動作速度に限界が生じてしまう。よって、進行波電極ならびに KTNおよび KLTNを用いた光デバイスは、高い電気光学定数を有するが、誘電率も高いため GHz以上の高速変調器を実現するのは困難であった。

第 3の実施形態に係る進行波電極を用いた光変調器（広帯域光変調器）は、光を伝搬する光導波路と、光導波路に電界を印加する電極とを有する。その光導波路として、 KTN、 KLTN結晶等の立方晶かつ大きい 2次の電気光学効果を有する誘電体結晶を用いる。また、その電極として、進行波電極を用いる。第 3の実施形態の広帯域光変調器では、変調用の電極を進行波電極とし、マイクロ波と光波との速度整合をとることを特徴としている。より具体的には、電極を厚膜化することによってマイクロ波の KTNおよび KLTNに対する実効屈折率を小さくし、マイクロ波と光波との速度整合を図っている。

(実施例 17)

図 39ば、第 3の実施形態の実施例 17についての光変調器の断面図である。図 39において、 KTN基板 390には KTNからなる埋め込み光導波路 39 1が形成されている。さらに、厚さ約 20 mの Au電極 392を基板 390 上に形成されている。その作製法としては、厚さ 25 m程度のフォトレジストを埋め込み導波路上に形成する。続いて、このパタンをガイドとして電界メッキ法により厚さ約 2 5 mの Au電極パタンを形成する。電極間の凹内には、誘電率 10以下の構造保持用誘電体 393を配置している。この光変調器の 3 dB帯域を測定したところ約 10 GHzであることを確認した。

(実施例 18)

図 40は、第 3の実施形態の実施例 18についての光変調器の断面図である。実施例 18では、光導波路をリッジ化し電極を備えることによって、マイクロ波の実効屈折率を光の実効屈折率に近づけるようにしている。 KTN基板 40 0上には KTNからなるリッジ状光導波路 401が形成されている。さらにこのリツジ状光導波路 401を挟み込むように変調用の A u電極 403を作製する。この構成により、リッジ状光導波路 401に対して基板 400と平行な方向に電圧を印加することができる。その作製法は、実施例 17の通りである。図 40の符号 402に示した領域には誘電率 10以下の低誘電体材料を埋め込む。この光変調器の 3 dB帯域を測定したところ約 10 GHzであることを確認した。

(実施例 19)

図 41は、第 3の実施形態の実施例 19についての光変調器の断面図である。

KTN基板 410には KTNからなるリッジ状光導波路 411が形成されている。さらに、電界を基板 410に対して垂直に印加するために、このリッジ状光導波路の上面おょぴ 410基板の直上に変調用の Au電極 412および 41 3を作製する。この構成により、リッジ状光導波路 411に対して基板 410 と垂直な方向に電圧を印加することができる。この光変調器の 3 dB帯域を測定したところ約 10 GHzであることを確認した。

(実施例 20)

図 42は、第 3の実施形態の実施例 20についての光変調器の断面図である。

KTN基板 420には KTNからなる埋め込み光導波路 421、および変調用の Au電極 422が形成されている。さらに、 Au電極 422上に、 Au電極を伝播するマイクロ波の実効屈折率が光導波路 421を伝播する光の実効屈折率に近くなる条件の厚さを有する空気を介して、アース電極 423が固定されている。アース電極 424の作製にあたっては、電界メツキ法により電極を作製した後に、フォトレジストによりアース電極のパタンを形成し、ドライエツチング法により空気層の厚さが所望の厚さになるように電極層を加工する。この光変調器の 3 d B帯域を測定したところ約 10 G H zであることを確認した。

(実施例 21 )

実施例 2 1の光変調器は実施例 1 7の光変調器と同等の構成であるが、光導波路が B TO結晶等で作製されている点が異なる。このような構成の光変調器を作製し、その動作を確認した。

実施例 2 1の光スィッチにおいて、 B TO導波路部分を 1 10でに制御して動作させると、実施例 17の光変調器と同様の変調特性が得られた。また、 B TOと STOを 0. 73 : 0. 27の割合で混合した、 B a。 .₇₃ S r。 .₂₇ T i 0₃の単結晶からなる導波路を作製し、これを用いて同様な光変調器を作製する。この場合、導波路温度 10°Cにて、 B TOの導波路を用いた場合と同様な特性が得られる。その他、 PL ZTを導波路材料とした光変調器でも同様な動作が可能であった。

上述の実施例 1 7〜20では、基板および光導波路の材料として KTNについて説明したが、これに限定されず、基板として KLTNを用いても良い。第 3の実施形態に係る位相シフタおよび光変調器では、 KTNや KLTN等に対してキュリー転移温度近傍で動作させるために、温度コントローラを備えることができる。温度コントローラは、ペルチェ素子であっても良い。

以上説明したように、第 3の実施形態によれば、立法晶で 2次の電気光学効果を有する誘電体結晶である K T Nおよび K L T Nからなる組成の結晶材料を基本とした光導波路を用いて、高速低電圧駆動の位相シフ夕、それを用いた光変調器を実現することができる。それにより、短い電極でかつ低電圧で変調可能な光変調器が実現できるという効果を奏する。

また、光変調器の電極として進行波電極を用いる場合でも、マイクロ波と光波との速度整合をとることができる。 (第 4の実施形態）

第 4の実施形態は、第 3の実施形態で詳細に説明した位相シフタを用いて構成したアレイ光導波路格子波長可変フィルタ（単に、波長可変フィル夕とも呼ぶ）を特徴とするものである。

図 43に示すアレイ光導波路格子波長可変フィル夕において（具体的には後述する）、入力された信号光は、第 1のスラブ光導波路 430をへて各アレイ光導波路に分配される。導波光は、等差数列的な光路長差（AL) をつけた位相シフタ 437を通過し、第 2のスラブ光導波路 432をへて分岐ポート光導波路 434へ集光する。その透過中心波長 A_cenは以下で与えられる。

【数 16】

λ_∞η =nxAL/m (i g)

ここで、 nはアレイ導波路の透過屈折率、 mは回折次数を表す。このアレイ導波路上の各導波路に対して電界印加用電極を配置する。 2次の電気光学効果を用いて、等差数列的な光路長差（AL_h) をつけたアレイ導波路上の各導波路の屈折率を Δη変化させた場合、上述した中心透過波長から波長フィルタは以下に示す Δ'λだけ透過中心波長がシフトする。

【数 17】

ΔΛ = Δη X AL. / m ( ヽ

図 44から図 46に示すように（具体的には後述する）、電界印加用電極をアレイ導波路上に対向するように配置した場合、第 1及び第 2電極では、式（1 7) に示した AL_hが逆符号のため、透過波長が逆方向にシフトする。よって、両電極を切り替えて使用した場合、 2倍の波長可変帯域を実現できる。図 44 に示した電極構成では、のみに電界をかけることが可能である。従って、波長可変フィルタは偏波無依存動作を実現できる。一方、図 45及ぴ図 46に示した電極構成の場合、両モード間で透過波長が異なる。上記特徴を有する第 4の実施形態に係る波長可変フィル夕の実施形態を、いくつかの実施例を用いて説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

(実施例 1 )

図 4 3は、第 3の実施形態にて説明した導波路電気光学位相シフ夕を具備した波長可変フィルタの構成図である。図中符号 4 3 0は第 1のスラブ光導波路、符号 4 3 1はチャネル光導波路アレイ、符号 4 3 2は第 2のスラブ光導波路、符号 4 3 3は入力ポートチャネル光導波路、符号 4 3 4は出力ポートチャネル光導波路、符号 4 3 5は第 1の電界印加部、符号 4 3 6は第 2の電界印加部、符号 4 3 7は導波路電気光学位相シフタを示している。

第 4の実施形態に係るアレイ光導波路格子波長可変フィル夕は、少なくとも 1本の入力ポートチャネル光導波路 4 3 3と、光路長が互いに異なるチャネル光導波路からなるチャネル光導波路ァレイ 4 3 1と、少なくとも 1本の出力ポ一トチャネル光導波路 4 3 4と、入力ポートチャネル光導波路 4 3 3及びチヤネル光導波路アレイ 4 3 1を結ぶ第 1のスラブ光導波路 4 3 0と、出力ポートチヤネル光導波路 4 3 4及びチャネル光導波路アレイ 4 3 1を結ぶ第 2のスラブ光導波路 4 3 2と、チャネル光導波路アレイ 4 3 1の一部からなる電気光学位相シフタ 4 3 7とを備える。この電気光学位相シフ夕 4 3 7は、第 1の電界印加部 4 3 5と第 2の電界印加部 4 3 6とを備えている。光導波路は、上述した特性を示す K T N、 K L T N結晶を用いて作製されている。

図 4 4は、本実施形態に係る波長可変フィルタ用の電気光学位相シフタの電極構造を示す構成図である。図 4 4では、アレイ導波路上の各導波路に対して等差数列的な長さを有した電界印加用電極構成を示している。図中符号 4 4 0 および 4 4 1は電極、符号 4 4 2は共通のアース、符号 4 4 3は導波路を示している。導波路 443及び電極 440, 441は、電極位相シフタ用チヤネル光導波路アレイを構成している。中央を境にして上下対称に設けられている。また、電極 440。 441は、光導波路毎に△ L _hずつ長さが変えられて、電極 440 とアース 442との組み合わせで第 1の電極を構成し、電極 441とァ一ス 4 42とにより第 2の電極を構成している。 ·

なお、図 28 Aおよび Bに示す櫛形電極付光導波路によって上述の可変フィル夕を達成する場合、クラッド 282中にアレイ光導波路のコアが埋め込まれる。

図 43に示すように、 2個の入出力導波路 433と 434、 2個のスラブ光導波路 430と 432と、位相シフタ用チャネル光導波路アレイ 431と、 1 個の第 1の電界印加部 435と、 1個の第 2の電界印加部 436とを備えている。スラブ光導波路 430と 432とは、その形状が所定の曲率半径を持った扇形となっている。第 1の電界印加部 435と、第 2の電界印加部 436とについては、図 44に示されている。電極 442が共通のアースになっており、電極 440及び441が電界印加用電極となっている。

アレイ光導波路の本数は 120本、アレイ光導波路の間隔は 25 m 隣接したアレイ光導波路長差は 35. 5 urn, 回折次数は 50、隣接アレイ光導波路ヒ一夕長差は AL_h=300 mとした。屈折率 2. 184の KTN結晶をコァに、上述した設計の光導波路を作製した。 KTN光導波路の作製方法は、「強誘電体膜の加工方法」（特願 2002— 215779号）に準じる。コア断面サイズは 6 ΐη 6 mとする。光導波路上に金薄膜をスパッター法で形成し、フォトリソグラフィ一およびドライエツチング法を用いて上述した設計の幅 1 0 urn, 厚さ 1 mの電界印加用電極を作製する。

波長 1. 55 m帯の AS E広帯域光源および光スペクトルアナライザをそれぞれ入出力ポートに接続してフィルタ特性を測定した。電極に電界を与えない場合の波長フィル夕特性は、透過中心波長 1， 550 nm、揷入損失 5. 5 dB、クロス！ ^一クー 30 d B (1, 550 ± 0. 8 nm) であった。第 1の電極 440に電圧を与えたとき、透過中心波長は与えた電圧の 2乗に比例して長波長シフトした。一方、第 2の電極 441に電圧を与えたときは、短波長シフトした。コアに電界を 0〜0. 5 VZ mを与えることで、透過中心波長は TEモード、 TEモード両方とも、 1. 545〜1. 565 nmの範囲で可変した。また、透過中心波長変化に伴う揷入損失およびクロストークの顕著な増加は認められなかった。

(実施例 2)

上述した実施例 1と同様に、図 43の波長可変フィル夕を作製した。位相シフタ用電極として、図 45に示す構成の電極を用いる。この図 45は、本発明に係る波長可変フィルタ用の電気光学位相シフタの電極構造の他の実施例を示す構成図である。図中符号 450および 451は電極、符号 452は共通のァ一ス、符号 453は導波路を示している。

TEモードに関しては、第 1の電極 450に電圧を与えたとき、透過中心波長は与え广こ電圧の 2乗に比例して短波長シフトした。一方、第 2の電極 451 に電圧を与えたときは、長波長シフトした。 TMモードに関しては、透過中心波長は逆方向にシフトした。 TMモードは、コアに電界を 0〜0. 17VZ mを与えることで、透過中心波長は 1, 545〜1, 565 nmの範囲で可変した。また、透過中心波長変化に伴う挿入損失およびクロストークの顕著な増加は認められなかった。

(実施例 3)

上述した実施例 2と同様に、図 43の波長可変フィル夕を作製する。位相シフタ用電極として、図 46に示す構成の電極を用いる。図 46は、本発明に係る波長可変フィルタ用の電気光学位相シフ夕の電極構造の他の実施例を示す平面図である。図中符号 460および 461は電極、符号 462は共通のアース、符号 463は導波路を示している。

TEモードに関しては、第 1の電極 460に電圧を与えたとき、透過中心波長は与えた電圧の 2乗に比例して短波長シフトした。一方、第 2の電極 46 1 に電圧を与えたときは、長波長シフトした。 TMモ一ドに関しては、逆方向にシフトした。 TMモードは、コアに加電界を 0〜0. 1 7V/ mを与えることで、透過中心波長は 1， 545〜1， 565 nmの範囲で可変した。また、透過中心波長変化に伴う挿入損失およびクロストークの顕著な増加は認められなかった。

(実施例 4)

実施例 4の波長可変フィルタは、実施例 1の波長可変フィル夕と同等の構成であるが、光導波路が BTO結晶等で作製されている点が異なる。このような構成の波長可変フィルタを作製し、その動作を確認した。

実施例 4の波長可変フィルタにおいて、 BTO導^路部分を 1 10°Cに制御して動作させると、実施例 1の波長可変フィルタと同様のフィルタ特性が得られた。まだ、 BTOと STOを 0. 73 : 0. 27の割合で混合した、 B a。，₇₃ S r₀.₂₇T.i 0₃の単結晶からなる導波路を作製し、これを用いて同様な波長可変フィルタを作製する。この場合、導波路温度 10°Cにて、 BTOの導波路を用いた場合と同様なフィル夕特性が得られる。その他、 PLZTを導波路材料とした波長可変フィルタでも同様な動作が可能であつた。

第 4の実施形態に係る波長可変フィル夕では、 KTNや KLTN等に対してキユリ一転移温度近傍で動作させるために、温度コントローラを備えることができる。温度コントローラは、ペルチェ素子であっても良い。

以上説明したように、第 4の実施形態によれば、立法晶で 2次の電気光学効果を有する誘電体結晶である KTNおよび KLTNからなる組成の結晶材料を基本とした光導波路を用いて、高速低電圧駆動のアレイ光導波路格子波長可変フィル夕を実現することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 立方晶かつ 2次の電気光学効果を有する誘電体結晶からなり、光を伝播する三次元光導波路と、

前記三次元光導波路に電界を印加する電極と

を備えることを特徴とする光導波路デバイス。

2 . 請求項 1に記載の光導波路デバイスにおいて、

前記電極は、前記三次元光導波路の所定の結晶軸方向に垂直または平行に電界を印加するように配置されていることを特徴とする光導波路デバイス。

3 . 請求項 1に記載の光導波路デバイスにおいて、

前記電極は、前記三次元光導波路を挟んで平行に対向して 2つ配置されていることを特徴とする光導波路デバイス。

4. 請求項 1に記載の光導波路デバイスにおいて、

前記電極は、前記三次元光導波路を挟んで平行に対向して 2つ配置されていると共に、'前記三次元光導波路上に 1つ配置されていることを特徴とする光導波路デバイス。

5 . 請求項 1に記載の光導波路デバイスにおいて、

前記電極は、前記三次元光導波路に沿って正極および負極が交互に配置されていることを特徴とする導波路デバイス。

6 . 請求項 3乃至 5のいずれかに記載の光導波路デバィスにおいて、

前記電極による電界印加方向は、前記三次元光導波路に対して所定の結晶軸方向であることを特徴とする光導波路デバイス。

7 . 請求項 1乃至 5のいずれかに記載の光導波路デバィスにおいて、

前記誘電体結晶は、 KT a ,— _x N b_x〇₃ ( 0 < x < 1 ) 及び K^ L i _y Ta,__xNb_x0₃ ( 0 < χ < 1 、 0 < y < 1 ) 、又は KTa^Nt^ 〇₃若しくは Kい _y L i_yTa,._xNb_x0₃からなる組成の結晶材料であることを特徴とする光導波路デバイス。

8. 請求項 1乃至 5のいずれかに記載の光導波路デバイスにおいて、

前記誘電体結晶の温度を、該誘電体結晶に対する正方晶から立方晶への相転移温度に制御する温度コントローラをさらに備えることを特徴とする光導波路デバイス。

9. KTa,__xNb_x0₃ ( 0 く x < 1 ) 及び K〖— _y L i_yTaい _xNb_x0₃ ( 0 < x く 1 、 0 < y < 1 ) 、又は KTat _xNb_x〇₃ 若しくは K ,__yL i_yTa₁„_xNb_x0₃からなる組成の結晶材料であり、光を伝播する三次元光導波路と、

前記三次元光導波路に電界を印加する電極と

を備えることを特徴とする導波路電気光学位相シフ夕。

10. 請求項 9に記載の導波路電気光学位相シフ夕において、

前記電極は、前記三次元光導波路の所定の結晶軸方向に垂直または平行に電界を印加するように配置されていることを特徴とする導波路電気光学位相シフ夕。

11. 請求項 9に記載の導波路電気光学位相シフタにおいて、

前記電極は、前記三次元光導波路を挟んで平行に対向して 2つ配置されていることを特徴とする導波路電気光学位相シフタ。

12. 請求項 9に記載の導波路電気光学位相シフタにおいて、

前記電極は、前記三次元光導波路を挟んで平行に対向して 2つ配置されていると共に、前記三次元光導波路上に 1つ配置されていることを特徴とする導波路電気光学位相シフ夕。

13. 請求項 9に記載の導波路電気光学位相シフ夕において、前記電極は、前記三次元光導波路に沿って正極および負極が交互に配置されていることを特徴とする導波路電気光学位相シフタ。

14. 請求項 1 1乃至 13のいずれかに記载の導波路電気光学シフ夕において、

前記電極による電界印加方向は、前記三次元光導波路に対して所定の結晶軸方向であることを特徴とする導波路電気光学シフ夕。

15. 請求項 9乃至 13のいずれかに記載の導波路電気光学位相シフ夕において、

前記誘電体結晶の温度を、該誘電体結晶に対する正方晶から立方晶への相転移温度に制御する温度コントローラをさらに備えることを特徴とする導波路電気光学位相シフ夕。

16. 入力側に設けられた 3 dBカツブラと出力側に設けられた 3 dBカツブラと前記入力側 3 d Bカツブラ及び前記出力側 3 d Bカップラを接続する 2 本の三次元光導波路とにより構成されたマッハツエンダ干渉計と、前記 2本の三次元光導波路の一方又は両方に電界を印加する電極とを備える光スィッチにおいて、

少なくとも前記 2本の三次元光導波路が、

( 0 < x < 1 ) 及び Kt yL i_yTa,— _xNb_x0₃ ( 0 < x < 1 , 0 く y く 1 ) 、又はKTa₁__xNb_x0₃若しくは i _y T a , __x N b_x 0₃からなる組成の結晶材料であることを特徴とする光スィッチ。

17. 請求項 16記載の光スィッチにおいて、

前記入力側 3 d Bカツプラ及び前記出力側 3 d Bカップラを構成する三次元光導波路が、石英系光導波路からなることを特徴とする光スィッチ。

18. 請求項 16に記載の光スィツチにおいて、

前記 2本の三次元光導波路の一方又は両方に電界を印加する電極は、伝搬する光の T E方向及び TM方向のそれぞれに平行な方向となる電界を形成する 2 種類の電極構造を有することを特徴とする光スィッチ。

1 9 . 請求項 1 6に記載の光スィツチにおいて

前記 2本の三次元光導波路の一方又は両方に電界を印加する電極は、前記三次元光導波路を挟んで平行に対向して 2つ配置されていることを特徴とする光スィッチ。

2 0 . 請求項 1 6に記載の光スィツチにおいて、

前記 2本の三次元光導波路の一方又は両方に電界を印加する電極は、前記三次元光導波路を挟んで平行に対向して 2つ配置されていると共に、前記三次元光導波路上に 1つ配置されていることを特徴とする光スィツチ。

2 1 . 請求項 1 6に記載の光スィツチにおいて、

前記 2本の三次元光導波路の一方又は両方に電界を印加する電極は、前記三次元光導波路に沿って正極および負極が交互に配置されていることを特徴とする光スィツチ。

2 2 . 請求項 1 9乃至 2 1のいずれかに記載の光スィッチにおいて、

前記電極による電界印加方向は、前記三次元光導波路に対して所定の結晶軸方向であることを特徴とする光スィッチ。

2 3 . 請求項 1 6に記載の光スィツチにおいて、

前記電極の一部あるいは全部が、 1 . 5 5 z mの波長に光に対して透明である材料で構成されたことを特徴とする光スィッチ。

2 4 . 請求項 1 6記載の光スィッチにおいて、

前記結晶材料の組成比として、組成比 Xを 0 . 5 5以上かつ 0 . 9 0以下とし、組成比 Yを 0より大きくかつ 0 . 1未満とし、ここで、 Xは T a及び N b に対する N bの組成比とし、 Yは K及び L iに対する L iの組成比とすことを特徴とする光スィッチ。

25. 請求項 16乃至 21のいずれかに記載の光スィッチにおいて、前記 KTa^ _xNb_x0₃若しくは K卜 _yL i_yT a!__xNb_x0₃の温度を、該 K Ta,._>;Nb.0₃若しくは K卜 _yL i _y T a！ __x N b_x 0₃に対する正方晶から立方晶への相転移温度に制御する温度コントローラをさらに備えることを特徴とする光スィッチ。 ^

26. KTaOい KNb0₃または KTa_xNb卜 _χ0₃ (0<χ<1) のいずれかの材料からなる基板と、

前記基板上に K_xLiい xTavNbi— _y0₃ (0<χ<1, 0<y<l) または K

(0<χ<1) のいずれかの材料からなるコア導波路と、該コア導波路と比較して僅かに屈折率が低い Κ_ΧΙ^ _xTa_yNb卜 _y〇₃をクラッド層とした三次元光導波路と、

前記三次元光導波路の下部クラッド層の下方若しくは上部クラッド層上方の少なくとも一方に形成されたコア導波路に電界を与えるための電極と、

前記三次元光導波路により構成され、送られてきた光信号を受け取るための入力端を有する第 1の入力光導波路と、該第 1の入力導波路から分岐する第 2 の出力光導波路と第 3の出力光導波路とを含み、前記第 2の出力光導波路および前記第 3の出力光導波路に前記電極を備えた Y分岐型導波路と

を備えることを特徴とする光スィツチ。

27. 請求項 26に記載の光スィッチにおいて、

前記電極は、正極と負極が交互に配列した櫛形電極であることを特徴とする光スィッチ。

28. 請求項 26に記載の光スィツチにおいて、

前記電極は、光路の切り替えのために、前記 Y分岐型導波路の上部クラッド表面若しくは下部クラッド層の下方かつ上部クラッド層上方の両方であって、 Y分岐の近傍における第 2の出力光導波路と第 3の出力光導波路に設けられることを特徴とする光スィッチ。

29. 請求項 27または 28に記載の光スィツチにおいて、

前記電極による電界印加方向は前記三次元光導波路に対して所定の結晶軸方向であることを特徴とする光スィツチ。

30. 請求項 28に記載の光スィッチにおいて、

前記 Y分岐型導波路を 3個乃至 5個ッリ一状態に連結したことを特徴とする光スィツチ。

31. 請求項 26乃至 28のいずれかに記載の光スィツチにおいて、

前記 KTa_xNl^-_x0₃ 若しくは K_xLi卜 xTayNb!— _y〇₃ の温度を、該 KTa_x Nb_t._x0₃若しくは K_x L _x Ta_y N b,__y O_sに対する正方晶から立方晶への相転移温度近傍に制御する温度コントローラをさらに備えることを特徴とする光スィツチ。

32. 請求項 26に記載の光スィッチにおいて、

前記 Y分岐型導波路は、 1入力を 2出力に分岐する構成であり、かつ、前記電極に印加する電圧を変えて分岐比を制御する機能を有することを特徴とする光スイツ ^。

33. 請求項 32に記載の光スィッチにおいて、

前記 1入力を 2出力に分岐する構成は、光方向性結合器であることを特徴とする光スィッチ。

34. 請求項 32または 33に記載の光スィツチにおいて、

分岐比制御のための電極を一つ以上備えることを特徴とする光スィッチ。

35. 請求項 34に記載の光スィッチにおいて、

単一基板上にマトリクス状に集積されていることを特徴とする光スィツチ。

36. KTa_x b,._x0₃ ( 0く xく 1 ) および K_x L — _x Ta_y N bト _y 0₃ (0く χ<1， 0<y<l) からなる組成の結晶材料を導波路材料に用いて、少なくとも 1つの入力導波路と、 1つの出力導波路と、前記入力導波路に接続された 3 d Bカツブラと、前記出力導波路に接続された 3 d Bカツブラと、 2つの前記 3 d B力ッブラを接続する 2つの三次元光導波路とを有するマッハツエンダ型の光変調器において、

前記三次元光導波路の少なくとも一方に、電極が配置されている電気光学位相シフタを有することを特徴とする誘電体結晶を用いた光変調器。

3 7 . 請求項 3 6に記載の光変調器において、

前記電極が、前記一方の三次元光導波路を挟んで平行に対向して 2つ配置されていることを特徴とする光変調器。

3 8 . 請求項 3 6に記載の光変調器において、

前記電極が、前記一方の三次元光導波路を挟んで平行に対向して 2つ配置されているとともに、前記一方の三次元光導波路上に 1つ配置されていることを特徴とする光変調器。

3 9 . 請求項 3 6に記載の光変調器において、

前記三次元光導波路の一方には、該チャネル導波路を挟んで平行に対向する 2つの電極及び前記一方の三次元光導波路上に 1つの電極が配置されているとともに、前記三次元光導波路の他方には、該三次元光導波路を挟んで平行に対向して 2つ電極が配置されていることを特徴とする光変調器。

4 0 . 請求項 3 6に記載の光変調器において、

前記電極が、前記三次元光導波路に沿って正極及び負極が交互に配置されていることを特徴とする光変調器。

4 1 . 請求項 3 7乃至 3 9のいずれかに記載の光変調器において、

前記電極による電界印加方向は、前記三次元光導波路に対して所定の結晶軸方向であることを特徴とする光変調器。

4 2 . 請求項 3 6乃至 4 0のいずれかに記載の光変調器において、前記 KTa_xNb卜 _x〇₃ および K_xLi卜 _xTa_yNb卜 _y0₃ の温度を、該 KTa_xN

に対する正方晶から立方晶への相転移温度近傍に制御する温度コントロ一ラをさらに備えることを特徴とする光変調器。

43. KTa_xNb卜 _x0₃ (0く xく 1) または K_x L i卜 _x Ta_y N b卜 _y〇₃ (0< xく 1, 0<y<l) のいずれかの材料からなる基板と、

KTa_xNb,._x0₃ また

のいずれかの材料からなる三次元光導波路と、

該三次元光導波路に沿って形成され、マイクロ波と光波との速度整合をとる進行波電極からなる複数の電極と

を備えることを特徴とする広帯域光変調器。

44. 請求項 43に記載の広帯域光変調器において、

前記電極は、厚さが 20 mであり、前記電極間に凹部を形成するように前記基板に形成され、前記凹部内には誘電率 10以下の構造保持を目的とした誘電体材料が埋め込まれていることを特徴とする広帯域光変調器。

45. 請求項 44に記載の広帯域光変調器において、

前記基板はリッジ構造を有しており、前記リッジ構造の中に前記三次元光導波路が設けられており、前記電極は、前記リッジ構造の中の三次元光導波路の所定の結晶軸方向に対して平行な方向に電圧を印加することを特徴とする広帯域光変調器。

46. 請求項 44に記載の広帯域光変調器において、

前記基板はリッジ構造を有しており、前記リッジ構造の中に前記三次元光導波路が設けられており、前記電極は、前記リッジ構造の中の三次元光導波路の所定の結晶軸方向に対して垂直な方向に電圧を印加するように配置されていることを特徴とする広帯域光変調器。

47. 請求項 45に記載の広帯域光変調器において、

前記電極の上に、空気層を介してアース電極を設置することを特徴とする広帯域光変調器。

48. 請求項 43乃至 47に記載の広帯域光変調器において、

前記 KTaxNb!— _x0₃ または K_x Li卜 _x

の温度を、'該 KTa_xN b,._x0₃または K_x L Ta_y 0₃に対する正方晶から立方晶への相転移温度近傍に制御する温度コントローラをさらに備えることを特徴とする広帯域光変調 ¾。

49. KTa_xNb,__x03 ( 0く xく 1 ) および K_x L Ta_y N bト _y 0₃ (0< x<l， 0<y<l) からなる組成の第 1の結晶材料であり、コア厚を有するコアと、

前記第 1の結晶材料とは異なる屈折率を有する KTa_x Nb,__xO₃(0<x<l) および

(0く xく 1, 0<y<l) からなる組成の第 2の結晶材料であるクラッドとを備えた三次元光導波路と、

前記三次元光導波路を挟んで平行に対向する 2つの電極とを備え、

前記コアば、前記コアの下面が前記クラッドの下面に対して第 1の距離であり、前記コアの上面が前記クラッドの上面に対して第 2の距離になるように、前記クラッドに埋め込まれ、前記クラッドは、 0≤第 1の距離，第 2の距離≤3X コア厚の範囲のクラッド厚を有することを特徴とする導波路電気光学位相シフ夕。

50. KTa_xNb,._x0₃ ( 0 <xく 1 ) および K_x L i卜 _x Ta_y N b卜 _y〇₃ (0く x<l, 0< ^<D からなる組成の第 1の結晶材料であり、コア幅を有するコアと、

前記第 1の結晶材料とは異なる屈折率を有する

く Xく 1) および KxLi,— xTayNb,— _y〇₃ (0く xく 1, 0<y<l) からなる組成の第 2の結晶材料であるクラッドとを備えた三次元光導波路と、前記三次元光導波路を挟んで平行に対向する 2つの電極とを備え、前記コアは前記コアの上面が前記クラッドの上面に対して第 1の距離になるように、前記クラッドに埋め込まれ、前記クラッドは 0≤第 1の距離≤ 3 Xコァ幅の範囲のクラッド厚を有することを特徴とする導波路電気光学位相シフタ。

51. 請求項 49または 50に記載の導波路電気光学シフタにおいて、前記電極による電界印加方向は、前記三次元光導波路に対して所定の結晶軸方向であることを特徴とする導波路電気光学シフ夕。

52. 請求項 49または 50に記載の導波路電気光学位相シフタにおいて、前記三次元光導波路上に 1つの電極が配置されていることを特徴とする導波路電気光学位相シフタ。

53. 請求項 52に記載の導波路電気光学シフタにおいて、

前記電極による電界印加方向は、前記三次元光導波路に対して所定の結晶軸方向であることを特徴とする導波路電気光学シフタ。

54. 請求項 50に記載の導波路電気光学位相シフ夕において、

前記平行に対向する 2つの電極間のギヤップが、 0≤キャップ≤ 3 Xコア幅の範囲の長さを有することを特徴とする導波路電気光学位相シフタ。

55. 請求項 49または 50に記載の導波路電気光学位相シフタにおいて、前記電極として、 A l， Ga, I nおよび Bの中の少なくとも 1つがドーピングされた Z n〇もしくは S n, T i, Z r , H f , Nb， R a, W, Ge, Mo, S b, Te， Au, P tおよび P gの中の少なくとも 1つがドーピングされた I T oを電極材料として用いることを特徴とする導波路電気光学位相シフタ。

56. 請求項 49または 50に記載の導波路電気光学位相シフタにおいて、前記クラッドは、 KTa _ _x Nb_x 〇₃および _ _y L i _y Ta_x _ _x N b_x 0₃からなる組成の第 3の結晶材料を用いた基板上に形成されることを特徴とする導波路電気光学位相シフ夕。

57. 請求項 56に記載の導波路電気光学位相シフタにおいて、

前記第 3の結晶材料の組成比として、組成比 Xを 0以上かつ 1以下とし、組成比 Yを 0より大きく 0. 1未満としたことを特徴とする導波路電気光学位相シフ夕。

58. 請求項 49または 50に記載の導波路電気光学位相シフタにおいて、前記コアと前記クラッドの比屈折率差が、 0%より大きく 1. 5%以下であることを特徴とする導波路電気光学位相シフタ。

59. 請求項 49または 50に記載の導波路電気光学位相シフタにおいて、前記 KTa_xNbい _x〇₃ またはK_xLi₁__xTa_yNb₁__y0₃ の温度を、該 KTa_xN b,._x0₃またはK_xLi₁__xTa_yNb₁__y〇₃に対する正方晶から立方晶への相転移温度近傍に制御する温度コントローラをさらに備えることを特徴とする導波路電気光学位相シフ夕。

60. KTa_xNbト _x0₃ ( 0 <x< 1 ) および K_x L iト _x Ta_y N bい _y〇₃ (0< x< l , 0<y< l ) からなる組成の結晶材料である、複数の三次元光導波路と、該三次元光導波路上に設けられた電極とからなるアレイ光導波路を有するァレイ光導波路格子波長可変フィルタであって、

前記三次元光導波路の 1本に対して、該三次元光導波路を挟んで平行に対向する 2つの電極が配置されている導波路電気光学位相シフタを有することを特徵とするアレイ光導波路格子波長可変フィル夕。

61. 請求項 60に記載のァレイ光導波路格子波長可変フィル夕において、前記三次元光導波路上に 1つの電極が配置されている導波路電気光学位相シフタを有することを特徴とするアレイ光導波路格子波長可変フィルタ。

62. 請求項 60に記載のアレイ光導波路格子波長可変フィルタにおいて、前記三次元光導波路に沿って電極の正極及び負極が交互に配置されている導波路電気光学位相シフタを有することを特徴とするァレイ光導波路格子波長可変フィルタ。

63. 少なくとも 1本の入力ポートチャネル光導波路と、

光路長が互いに異なるチャネル光導波路からなるチャネル光導波路アレイと、少なくとも 1本の出力ポートチャネル光導波路と、

前記入力ポー卜チヤネル光導波路及び前記チャネル光導波路ァレイを結ぶ第 1のスラブ光導波路と、

前記出力ポートチャネル光導波路及び前記チャネル光導波路アレイを結ぶ第 2のスラブ光導波路と、

前記チャネル光導波路アレイの一部からなり、

(0く Xく 1) および K_xLi卜

(0<χ<1, 0<yく 1) からなる組成の第 1の結晶材料であり、コア厚を有するコアと、前記第 1の結晶材料とは異なる屈折率を有する KTa_xNb卜 _x0₃ (0く Xく 1) および K_xLi卜

(0<χ<1, 0<y<l) からなる組成の第 2の結晶材料であるクラッドとを備えた三次元光導波路と、前記三次元光導波路を挟んで平行に対向する 2つの電極とを備え、前記コアは、前記コアの下面が前記クラッドの下面に対して第 1の距離であり、前記コアの上面が前記クラッドの上面に対して第 2の距離になるように、前記クラッドに埋め込まれ、前記クラッドは、 0≤第 1の距離，第 2の距離≤ 3 Xコア厚の範囲のクラッド厚を有する導波路電気光学位相シフ夕と

を備えることを特徴とするアレイ光導波路格子波長可変フィルタ。

64. 少なくとも 1本の入力ポートチャネル光導波路と、

前記入力ポー.卜チャネル光導波路及ぴ前記チャネル光導波路アレイを結ぶ第 1のスラブ光導波路と、

前記出力ポー卜チャネル光導波路及び前記チャネル光導波路アレイを結ぶ第 2のスラブ光導波路と、 '

KTa_xNb,._x0₃ (0<—く1)ぉょび1^1^ト_![丁& 113₁ 0₃ (0<χ<1, 0<3^<1) からなる組成の第 1の結晶材料であり、コア幅を有するコアと、前記第 1の結晶材料とは異なる屈折率を有する KTa_x Nb^ 0₃ (0<χ<1) および K_xLi卜 _xTa_yNb,— _y0₃ (0<χ<1, 0く yく 1) からなる組成の第 2の結晶材料であるクラッドとを備えた三次元光導波路と、前記三次元光導波路を挟んで平行に対向する 2つの電極とを備え、前記コアは、前記コアの上面が前記クラッドの上面に対して第 1の距離になるように、前記クラッドに埋め込まれ、前記クラッドは、 0≤第 1の距離≤3Xコア幅の範囲のクラッド厚を有する導波路電気光学位相シフタと

65. 請求項 60乃至 64に記載のアレイ光導波路格子波長可変フィルタにおいて、

前記 ΚΤ^Ν^— _x0₃ または KxLi, _xTa_yNb卜 _y0₃ の温度を、該 KTa_xN b,._x0₃または K_x L i, __x Ta_y N b卜 _y〇₃に対する正方晶から立方晶への相転移温度近傍に制御する温度コントローラをさらに備えることを特徴とするアレイ光導波路格子波長可変フィルタ。

66. 請求項 60乃至 62のいずれかに記載のアレイ光導波路格子可変フィルタにおいて、

前記電極による電界印加方向は、前記三次元光導波路に対して所定の結晶軸方向であることを特徴とするァレイ光導波路格子可変フィル夕。