WO2014203931A1 - 光制御素子 - Google Patents

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門田 道雄
倉谷 康浩
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Definitions

  • the present invention relates to a light control element used as, for example, an optical switch or a light modulation element, and more particularly to a light control element using a LiNbO 3 film.
  • Patent Document 1 discloses a light control element formed by bonding a first substrate made of X-cut or Y-cut LiNbO 3 and a second substrate made of Z-cut LiNbO 3. Yes.
  • the first substrate made of X-cut LiNbO 3 the direction perpendicular to both the light propagation direction and the normal direction of the substrate surface is the optical axis.
  • the second substrate made of Z-cut LiNbO 3 the normal direction of the substrate surface is the optical axis.
  • Optical waveguides are provided on the first substrate and the second substrate.
  • the first substrate and the second substrate are joined so that the optical waveguide of the first substrate and the optical waveguide of the second substrate are connected in cascade in the light propagation direction. Further, control electrodes are provided on the first substrate and the second substrate, respectively, so that an electric field in the optical axis direction component is generated in the optical waveguide of the first substrate and the optical waveguide of the second substrate, respectively. .
  • the optical waveguides of the first substrate and the optical waveguides of the second substrate must be accurately connected in cascade. Therefore, highly accurate positioning is required, and the manufacturing process is complicated.
  • An object of the present invention is to provide a light control element that is easy to manufacture and has no loss of light propagation due to the presence of a junction.
  • the light control element according to the present invention includes an X-cut LiTaO 3 substrate, a dielectric film, a LiNbO 3 film, first and second control electrodes, and third and fourth control electrodes.
  • the top surface of the X-cut LiTaO 3 substrate has a first region and a second region.
  • the dielectric film is provided in the second region.
  • the LiNbO 3 film is formed from the first region on the upper surface of the X-cut LiTaO 3 substrate to the dielectric film in the second region.
  • the LiNbO 3 film is oriented in the a-axis direction in the first region and oriented in the c-axis direction in the second region.
  • An optical waveguide is provided in the LiNbO 3 film.
  • the first and second control electrodes are provided so that an electric field in the c-axis direction is generated in the optical waveguide in the first region.
  • the third and fourth control electrodes are provided in the second region so that an electric field is generated in the c-axis direction in the optical waveguide.
  • the first and second control electrodes face each other in the a-axis direction across the optical waveguide, and In the second region, the third and fourth control electrodes face each other in the c-axis direction with the optical waveguide interposed therebetween.
  • the dielectric film has conductivity, and may also serve as the fourth control electrode.
  • the optical waveguide may be provided by diffusing a metal in the LiNbO 3 film.
  • the optical waveguide may be a ridge type optical waveguide configured by patterning a LiNbO 3 film.
  • the LiNbO 3 film is provided so as to cover at least a portion where the optical waveguide is provided on a surface opposite to the X-cut LiTaO 3 substrate side.
  • the second dielectric film is further provided.
  • the LiNbO 3 film is formed from the first region to the second region, and the LiNbO 3 film is formed between the first region and the second region. There is no joint part. Therefore, the loss of light propagation due to the presence of the junction can be eliminated. In addition, the optical waveguide connecting operation that requires high-precision positioning is not required during manufacturing. Therefore, the light control element of the present invention is easy to manufacture.
  • FIG. 1A and 1B are a perspective view of a light control element according to a first embodiment of the present invention, a plan view of a state where an SiO 2 film is removed, and FIG. FIG. FIG. 2 is a schematic front cross-sectional view showing a portion where the third and fourth control electrodes of the light control element according to the first embodiment of the present invention are provided.
  • FIG. 3 is a diagram showing an XRD spectrum of a structure in which a dielectric film made of SiO 2 is laminated on an X-cut LiTaO 3 substrate and a LiNbO 3 film is further formed.
  • FIG. 4 is a view showing an XRD spectrum of a structure formed by forming a LiNbO 3 film on an X-cut LiTaO 3 substrate.
  • FIG. 5A and 5B are a perspective view and a plan view of a light control element according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 5C is a ridge-shaped light guide according to the second embodiment. It is a partial enlarged front view of a waveguide.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining the laminated structure in the second region of the light control element according to the modification of the second embodiment.
  • FIGS. 1A and 1B are a perspective view of a light control element 1 according to the first embodiment of the present invention and a plan view in a state in which a SiO 2 film described later is removed, and FIG. FIG.
  • the light control element 1 is used as an optical switch.
  • the light control element 1 has an X-cut LiTaO 3 substrate 2.
  • the optical axis is the direction of the arrow X in FIG.
  • the arrow Y direction in FIG. 1A is the light propagation direction in the light control element 1 of the present embodiment.
  • the upper surface 2a of the X-cut LiTaO 3 substrate 2 has a first region and a second region.
  • the first region and the second region are connected in the Y direction, that is, the light propagation direction.
  • a broken line A in FIGS. 1B and 1C corresponds to a portion that divides the first region and the second region.
  • the dielectric film 3 is formed on the upper surface 2 a of the X-cut LiTaO 3 substrate 2.
  • the dielectric film 3 is made of SiO 2.
  • the formation method of the dielectric film 3 is not particularly limited, and an appropriate thin film formation method such as sputtering or CVD can be used.
  • the dielectric film 3 is an SiO 2 film, but the dielectric material constituting the dielectric film 3 is not particularly limited. Further, as the dielectric film 3, a conductive dielectric film may be used as will be described later.
  • the region where the dielectric film 3 is formed constitutes the second region.
  • the LiNbO is formed so as to extend from the first region to the dielectric film 3 in the second region, that is, in the first region and the second region.
  • Three films 4 are formed.
  • the LiNbO 3 film 4 can be formed by a deposition method such as sputtering and CVD.
  • a SiO 2 film 13 having a thickness of 300 nm is formed as a second dielectric film by a deposition method such as sputtering or CVD.
  • the SiO 2 film is provided in order to suppress the attenuation of guided light by the electrode, but is not essential.
  • the second dielectric film may be formed of another dielectric material.
  • the base of the LiNbO 3 film 4 is the X-cut LiTaO 3 substrate 2 in the first region, the crystallinity is inherited and the optical axis is oriented in the X direction in FIG.
  • the base is the dielectric film 3 that is not oriented, the optical axis of the LiNbO 3 film 4 is oriented in the Z direction of FIG. It becomes.
  • the LiNbO 3 film 4 formed by the deposition method has the optical axis in the X direction in FIG. 1A in the first region and the Z direction in FIG. 1A in the second region. It becomes. Therefore, it is not necessary to join LiNbO 3 films having different optical axis directions. That is, the LiNbO 3 film in the first region and the second region is formed as an integral film by a deposition method.
  • a first optical waveguide 5 and a second optical waveguide 6 are formed in the LiNbO 3 film 4.
  • the first and second optical waveguides 5 and 6 can be formed by diffusing a metal such as Ti from the upper surface of the LiNbO 3 film 4. That is, the optical waveguides 5 and 6 are formed by diffusion of a metal such as Ti.
  • a diffusion type optical waveguide can be provided according to a well-known method of forming an optical waveguide.
  • the first control electrodes 7 and 8 and the second control electrode 9 are formed on the upper surface of the LiNbO 3 film 4.
  • the second control electrode 9 is disposed between the portions where the first optical waveguide 5 and the second optical waveguide 6 face each other in the X direction.
  • the first control electrode 7 faces the second control electrode 9 across the first optical waveguide 5 in the X direction.
  • the first control electrode 8 is also opposed to the second control electrode 9 across the second optical waveguide 6 in the X direction.
  • third control electrodes 10 and 11 are provided on part of the upper surfaces of the first and second optical waveguides 5 and 6.
  • the fourth control electrode 12a is provided so as to face the Z direction, that is, the c-axis direction.
  • the fourth control electrode 12 a is provided on the lower surface of the dielectric film 3.
  • the fourth control electrode 12 a may be provided on the upper surface of the dielectric film 3.
  • a fourth control electrode 12 b is similarly provided below the third control electrode 11.
  • an electric field is applied between the third control electrode 10 and the fourth control electrode 12a in the Z direction of FIG. Can do.
  • a voltage in the direction opposite to the direction of the electric field in the first optical waveguide is applied between the third control electrode 11 and the fourth control electrode 12b.
  • the first and second control electrodes 7 to 9 and the third and fourth control electrodes 10 to 12b can be formed of an appropriate metal or alloy such as Ag, Cu, W, or Pt.
  • the optical axis direction that is, the orientation direction, of the LiNbO 3 film 4 is different between the first region and the second region. This will be clarified by examples.
  • FIG. 3 is a diagram showing an XRD spectrum of this stacked structure.
  • FIG. 4 is a view showing an XRD spectrum of a structure in which a LiNbO 3 film is formed on the same X-cut LiTaO 3 substrate 2.
  • LiNbO 3 film is formed directly on an X-cut LiTaO 3 substrate as described above, the LiNbO 3 film is oriented in the a-axis. Further, the X-cut LiTaO 3 substrate, forming a dielectric film, further forming the LiNbO 3 film by a deposition method, LiNbO 3 film is seen to be oriented in the c-axis. Therefore, it can be seen that the alignment state of the LiNbO 3 film in the first region and the second region can be made different as in the above embodiment.
  • the light control element 1 of the present embodiment does not require a complicated process of joining LiNbO 3 substrates having different alignment states so that the optical waveguides are accurately matched. Therefore, the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced. In addition, since there is no junction portion, there is no loss of light propagation due to the presence of the junction portion. Therefore, it is possible to provide a light control element such as an optical switch with low loss and low cost.
  • FIGS. 5A and 5B are a perspective view and a plan view of a light control element according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 5C is a ridge-shaped light guide according to the second embodiment. It is a partial enlarged front view of a waveguide.
  • the light control element 21 of the second embodiment includes an X-cut LiTaO 3 substrate 22 as in the first embodiment.
  • the light propagation direction is the Y direction
  • the X direction is a direction orthogonal to the Y direction in the upper surface 22 a of the X-cut LiTaO 3 substrate 22.
  • the fourth control electrodes 24A and 24B and the dielectric film 23 are laminated in this order.
  • the dielectric film 23 is made of SiO 2 as in the first embodiment. Also in this embodiment, in FIG.5 (b), one side is a 1st area
  • a ridge-type first optical waveguide 25 and a second optical waveguide 26 are formed on the upper surface 22 a of the X-cut LiTaO 3 substrate 22.
  • the ridge-type first and second optical waveguides 25 and 26 are formed by patterning a LiNbO 3 film.
  • the SiO 2 film 30 has a thickness of 300 nm on the upper surface and side surfaces of the optical waveguide 25 formed from the LiNbO 3 film, and a deposition method such as sputtering and CVD. It is formed by.
  • An SiO 2 film 30 is also formed on the upper and side surfaces of the optical waveguide 26.
  • the SiO 2 film 30 is provided to suppress attenuation of guided light by the electrode, but is not essential.
  • a dielectric film made of another dielectric may be provided.
  • a LiNbO 3 film is first formed on the upper surface 22a of the X-cut LiTaO 3 substrate 22 by a deposition method in the same manner as in the first embodiment so as to reach the second region from the first region. Film. Therefore, the orientation direction of the LiNbO 3 film differs between the first region and the second region, as in the case of the first embodiment.
  • the LiNbO 3 film takes over the crystal direction of the underlying LiTaO 3 substrate and is oriented in the a-axis direction. That is, the optical axis is in the X direction in FIG.
  • the LiNbO 3 film is oriented in the c-axis direction. That is, the optical axis is in the Z direction in FIG.
  • the LiNbO 3 film is patterned by a photolithography method.
  • patterning is performed so as to leave only that part. May be.
  • a SiO 2 film 30 is formed on the entire surface.
  • the first and second optical waveguides 25 and 26 shown in FIGS. 5A and 5B are formed.
  • the ridge-type first and second optical waveguides 25 and 26 protrude as a ridge shape on the upper surface 22 a of the X-cut LiTaO 3 substrate 22 and on the dielectric film 23.
  • the first control electrode 27 and the second control electrode 28 face each other in the X direction via the ridge-type first optical waveguide 25.
  • the first and second control electrodes 27 and 28 are provided on a pair of side surfaces extending in the Z-axis direction of the first optical waveguide 25.
  • the first and second control electrodes 27 and 28 are similarly provided.
  • third control electrodes 29 a and 29 b are provided on the upper surfaces of the first and second optical waveguides 25 and 26.
  • the third control electrodes 29a and 29b are opposed to the fourth control electrodes 24A and 24B positioned below via the first and second optical waveguides 25 and 26 in the Z-axis direction. Therefore, in the second region, by applying an appropriate voltage between the third control electrodes 29a and 29b and the fourth control electrodes 24A and 24B, the optical waveguides 25 and 26 are applied. Electric fields in opposite directions can be applied in the Z-axis direction.
  • the optical waveguide is not the diffusion type but the ridge type and the ridge type optical waveguides 25 and 26, the first to fourth optical waveguides.
  • the control electrode is the same as the first embodiment except that the formation position of the control electrode is different. Therefore, also in the second embodiment, it is not necessary to join LiNbO 3 substrates having different orientation axes so that the optical waveguides are connected in the first region and the second region. That is, since there is no junction portion, the light control element 21 of the second embodiment also does not cause a light propagation loss due to the presence of the junction portion. In addition, the manufacturing process can be simplified.
  • the fourth control electrodes 24A and 24B are provided so as to reach the end in the width direction of the X-cut LiTaO 3 substrate 22.
  • the fourth control electrodes 24C and 24D may be provided only at positions overlapping the third control electrodes 29A and 29B on the optical waveguides 25 and 26.
  • the fourth control electrodes 12a, 12b, 24A, and 24B are formed on the upper and lower surfaces of the dielectric films 3 and 23. If a dielectric film having a property is used, the fourth control electrode can be omitted. That is, the dielectric films 3 and 23 may also serve as the fourth control electrode. At this time, the dielectric film 23 may be patterned so as to be divided into two regions so as not to be electrically connected to each other like the fourth control electrodes 24A and 24B. Thereby, voltages in opposite directions can be applied to the optical waveguides 25 and 26. The same applies to the dielectric film 3. Examples of such a material include a material in which ZnO is doped with GaAlAs or the like.
  • the light control element of the present invention can be widely used for other light control elements such as a light modulation element.

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Abstract

 接合部の存在による光伝搬の損失がなく、製造が容易な光制御素子を提供する。 XカットLiTaO基板2の上面2a上の第2の領域に誘電体膜3が設けられており、第1の領域から第2の領域において誘電体膜3上に至るようにLiNbO膜4が成膜されており、LiNbO膜4が第1の領域においてa軸に配向しており、第2の領域においてc軸に配向しており、LiNbO膜4に光導波路5,6が設けられており、第1の領域に第1の制御用電極7,8が、第2の領域に第3,第4の制御用電極10,11,12a,12bが設けられている、光制御素子1。

Description

光制御素子
 本発明は、例えば光スイッチや光変調素子として用いられる光制御素子に関し、より詳細には、LiNbO膜を用いた光制御素子に関する。
 従来、電気光学効果を有する基板に光導波路が形成されている光制御素子が種々提案されている。例えば、下記の特許文献1には、XカットまたはYカットのLiNbOからなる第1の基板と、ZカットのLiNbOからなる第2の基板とを接合してなる光制御素子が開示されている。特許文献1に記載の光制御素子では、XカットのLiNbOからなる第1の基板では、光の伝搬方向と基板表面の法線方向との両方に垂直な方向が光学軸である。ZカットのLiNbOからなる第2の基板では、基板表面の法線方向が光学軸となる。第1の基板及び第2の基板に光導波路が設けられている。
 第1の基板の光導波路と第2の基板の光導波路とを光伝搬方向において縦続接続するように、第1の基板と第2の基板とが接合されている。また、第1の基板の光導波路及び第2の基板の光導波路において、それぞれ、光学軸方向成分の電界が発生するように、第1及び第2の基板にそれぞれ制御用電極が設けられている。
WO2008/090685 A1
 特許文献1に記載の光制御素子では、第1の基板の光導波路と第2の基板の光導波路とを正確に合致させて縦続接続しなければならなかった。従って、高精度な位置決めが必要であり、製造工程が煩雑であった。
 加えて、接合部を有するため、接合部分における光伝搬の損失が大きいという問題があった。
 本発明の目的は、製造が容易であり、接合部の存在による光伝搬の損失がない、光制御素子を提供することにある。
 本発明に係る光制御素子は、XカットLiTaO基板と、誘電体膜と、LiNbO膜と、第1,第2の制御用電極と、第3,第4の制御用電極とを備える。上記XカットLiTaO基板の上面は、第1の領域と第2の領域とを有する。誘電体膜は第2の領域に設けられている。
 LiNbO膜は、XカットLiTaO基板の上面の第1の領域上から上記第2の領域において該誘電体膜上に至るように成膜されている。
 LiNbO膜は、第1の領域においてa軸方向に配向しており、第2の領域においてc軸方向に配向している。
 LiNbO膜には光導波路が設けられている。第1,第2の制御用電極は、第1の領域において上記光導波路にc軸方向の電界が生じるように設けられている。
 第3,第4の制御用電極は、第2の領域において、光導波路にc軸方向に電界が生じるように設けられている。
 本発明に係る光制御素子のある特定の局面では、上記第1の領域において、上記第1,第2の制御用電極が上記光導波路を挟んで上記a軸方向に対向し合っており、上記第2の領域において、上記第3,第4の制御用電極が上記光導波路を挟んでc軸方向に対向している。
 本発明に係る光制御素子では、誘電体膜が導電性を有し、上記第4の制御用電極を兼ねていてもよい。
 本発明に係る光制御素子では、上記光導波路は、上記LiNbO膜内に金属を拡散することにより設けられていてもよい。
 本発明に係る光制御素子では、上記光導波路は、LiNbO膜がパターニングされて構成されているリッジ型光導波路であってもよい。
 本発明に係る光制御素子のさらに他の特定の局面では、上記LiNbO膜の上記XカットLiTaO基板側とは反対側の面において少なくとも上記光導波路が設けられている部分を覆うように設けられた第2の誘電体膜がさらに備えられている。
 本発明に係る光制御素子では、LiNbO膜が、第1の領域から第2の領域に至るように成膜されており、第1の領域と第2の領域との間で、LiNbO膜の接合部分が存在しない。従って、接合部分の存在による光伝搬の損失をなくすことができる。また、製造に際して、高精度な位置決めを必要とする光導波路接続作業を必要としない。よって、本発明の光制御素子は、製造容易でもある。
図1(a)及び(b)は、本発明の第1の実施形態に係る光制御素子の斜視図、SiO膜を除去した状態の平面図及び図1(c)は、該光制御素子の正面図である。 図2は、本発明の第1の実施形態に係る光制御素子の第3及び第4の制御用電極が設けられている部分を示す模式的正面断面図である。 図3は、XカットLiTaO基板上に、SiOからなる誘電体膜を積層し、さらにLiNbO膜を成膜した構造のXRDスペクトルを示す図である。 図4は、XカットLiTaO基板上に、LiNbO膜を成膜してなる構造のXRDスペクトルを示す図である。 図5(a)及び図5(b)は、本発明の第2の実施形態に係る光制御素子の斜視図、平面図及び図5(c)は、第2の実施形態におけるリッジ状の光導波路の部分拡大正面図である。 図6は、第2の実施形態の変形例に係る光制御素子の第2の領域における積層構造を説明するための断面図である。
 以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
 図1(a)及び(b)は、本発明の第1の実施形態に係る光制御素子1の斜視図及び後述のSiO膜を除去した状態の平面図であり、(c)は、正面図である。光制御素子1は、光スイッチとして用いられるものである。
 光制御素子1は、XカットLiTaO基板2を有する。XカットLiTaO基板2では、光学軸は、図1(a)の矢印X方向である。図1(a)の矢印Y方向が、本実施形態の光制御素子1における光伝搬方向である。
 XカットLiTaO基板2の上面2aは、第1の領域と第2の領域とを有する。第1の領域と第2の領域とは、Y方向すなわち光伝搬方向において連ねられている。図1(b)及び(c)の破線Aは、第1の領域と第2の領域とを区画する部分に相当する。第2の領域において、XカットLiTaO基板2の上面2a上に、誘電体膜3が形成されている。本実施形態では、誘電体膜3は、SiOからなる。誘電体膜3の形成方法は特に限定されず、スパッタリング、CVDなどの適宜の薄膜形成方法を用いることができる。
 なお、本実施形態では誘電体膜3は、SiO膜であるが、誘電体膜3を構成する誘電体材料は特に限定されない。また、誘電体膜3としては、後述するように、導電性を有する誘電体膜を用いてもよい。
 上記誘電体膜3が形成されている領域が上記第2の領域を構成している。
 光制御素子1では、XカットLiTaO基板2の上面2aにおいて、第1の領域から第2の領域の誘電体膜3上に至るように、すなわち第1の領域及び第2の領域に、LiNbO膜4が形成されている。LiNbO膜4は、スパッタリング及びCVDなどの堆積法により形成することができる。
 また、LiNbO膜4上には、第2の誘電体膜として、SiO膜13が厚み300nmで、スパッタリングおよびCVDなどの堆積法により形成されている。当該SiO膜は、電極による導波光の減衰を抑制するために設けられるが、必須ではない。
 また、SiO膜13などの酸化ケイ素膜に代えて、他の誘電体材料により第2の誘電体膜を形成してもよい。
 LiNbO膜4は、第1の領域においては、下地がXカットLiTaO基板2であるため、その結晶性を引き継いで、光学軸は図1(a)のX方向に配向することとなる。他方、第2の領域においては、下地が配向していない誘電体膜3であるため、LiNbO膜4の光学軸は、堆積方向である図1(a)のZ方向すなわちc軸配向することとなる。
 本実施形態では、堆積法により形成されたLiNbO膜4が、第1の領域においては光学軸が図1(a)のX方向となり、第2の領域においては図1(a)のZ方向となる。従って、光学軸の方向が異なるLiNbO膜同士を接合する必要がない。すなわち、第1の領域及び第2の領域におけるLiNbO膜は、堆積法により一体の膜として形成されている。
 LiNbO膜4内には、第1の光導波路5及び第2の光導波路6が形成されている。この第1及び第2の光導波路5,6は、LiNbO膜4の上面からTiなどの金属を拡散させることにより形成することができる。すなわち、Tiなどの金属の拡散により上記光導波路5,6が形成されている。このような拡散型の光導波路は、周知の光導波路の形成方法に従って設けることができる。
 第1の領域においては、第1の光導波路5及び第2の光導波路6において、図1(a)のX方向すなわちa軸方向に電界を印加する必要がある。そのため、LiNbO膜4の上面に、第1の制御用電極7,8と第2の制御用電極9とが形成されている。第2の制御用電極9は、第1の光導波路5と第2の光導波路6とがX方向において対向している部分の間に配置されている。第1の制御用電極7は、X方向において、第1の光導波路5を挟んで第2の制御用電極9と対向している。同様に、第1の制御用電極8も、X方向において第2の制御用電極9と第2の光導波路6を挟んで対向している。
 従って、第1の制御用電極7,8と、第2の制御用電極9との間に電界を印加することができる。したがって、図1(a)のX方向すなわちa軸方向に電界を印加することができる。
 第2の領域においては、第1及び第2の光導波路5,6の上面の一部に、第3の制御用電極10,11が設けられている。図1(a)では図示されていないが、図2に模式的正面断面図で示すように、第1の光導波路5においては、第3の制御用電極10と第1の光導波路5を介してZ方向すなわちc軸方向に対向するように第4の制御用電極12aが設けられている。第4の制御用電極12aは、誘電体膜3の下面に設けられている。もっとも、第4の制御用電極12aは、誘電体膜3の上面に設けられていてもよい。なお、第2の光導波路6においても、第3の制御用電極11の下方に、第4の制御用電極12bが同様に設けられている。
 従って、第1の光導波路5においては、第3の制御用電極10と、第4の制御用電極12aとの間に、図1(a)のZ方向すなわちc軸方向に電界を印加することができる。第2の光導波路6においても同様に、第3の制御用電極11と、第4の制御用電極12bとの間に、第1の光導波路における電界の向きとは逆方向の電圧を印加することにより、図1(a)のZ方向すなわちc軸方向で逆向きの電界を印加することができる。
 上記第1,第2の制御用電極7~9及び第3,第4の制御用電極10~12bは、Ag、Cu、W、Ptなどの適宜の金属もしくは合金により形成することができる。
 上記のように、本実施形態においては、LiNbO膜4の光学軸方向すなわち配向方向が、第1の領域と第2の領域において異なっている。これを、実施例により明らかにする。
 XカットLiTaO基板2上に、SiO膜13を300nmの膜厚にスパッタリング法により形成し、さらにLiNbO膜4をスパッタリング法により3μmの膜厚となるように成膜した。図3は、この積層構造のXRDスペクトルを示す図である。
 また、図4は、同じXカットLiTaO基板2上に、LiNbO膜を成膜した構造のXRDスペクトルを示す図である。
 図3では、c軸方向に配向しているLiNbO膜のピークが矢印cで示すように2θ=39°付近に表れている。また、図3では、矢印aで示すように、2θ=62.5°付近にa軸に移行している部分の結晶性に基づくピークが表れている。これは、図4に示すように、XカットLiTaO基板上に、LiNbO膜のみを同様に成膜した場合のピークが、2θ=62.4°付近に表れていることからも裏付けられる。
 さらに、上記のようにXカットLiTaO基板上に直接LiNbO膜を成膜すると、LiNbO膜はa軸に配向する。また、XカットLiTaO基板上に、誘電体膜を形成し、さらにLiNbO膜を堆積法により成膜すると、LiNbO膜はc軸に配向することが分かる。従って、上記実施形態のように、第1の領域と第2の領域におけるLiNbO膜の配向状態を異ならせ得ることが分かる。
 よって、本実施形態の光制御素子1では、配向状態が異なるLiNbO基板同士を光導波路が正確に合致するように接合するという煩雑な工程を必要としない。従って、製造工程の簡略化及び製造コストの低減を果たすことができる。加えて、接合部分を有しないため、接合部分の存在による光伝搬の損失も生じない。よって、低損失かつ安価な光スイッチなどの光制御素子を提供することができる。
 図5(a)及び(b)は、本発明の第2の実施形態に係る光制御素子の斜視図及び平面図であり、図5(c)は、第2の実施形態におけるリッジ状の光導波路の部分拡大正面図である。
 第2の実施形態の光制御素子21は、第1の実施形態と同様に、XカットLiTaO基板22を有する。ここでも、光伝搬方向がY方向であり、X方向はXカットLiTaO基板22の上面22a内においてY方向と直交する方向となる。
 XカットLiTaO基板22の上面22aの第2の領域において、第4の制御用電極24A,24B及び誘電体膜23がこの順序で積層されている。誘電体膜23は、第1の実施形態と同様にSiOからなる。本実施形態においても、図5(b)において、一方側が第1の領域で、他方側が第2の領域である。
 本実施形態では、XカットLiTaO基板22の上面22a上において、リッジ型の第1の光導波路25及び第2の光導波路26が形成されている。リッジ型の第1及び第2の光導波路25,26は、LiNbO膜のパターニングにより形成されている。
 なお、図5(c)に拡大して示すように、LiNbO膜より形成された光導波路25の上面及びその側面上には、SiO膜30が厚み300nmで、スパッタリングおよびCVDなどの堆積法により形成されている。光導波路26の上面及び側面上にもSiO膜30が形成されている。当該SiO膜30は、電極による導波光の減衰を抑制するために設けられるが、必須ではない。上記SiO膜30などの酸化ケイ素膜に代えて、他の誘電体からなる誘電体膜を設けてもよい。
 本実施形態では、上記XカットLiTaO基板22の上面22a上において、第1の実施形態と同様にして、まず第1の領域から第2の領域に至るようにLiNbO膜を堆積法により成膜する。従って、第1の領域と第2の領域において、第1の実施形態の場合と同様に、LiNbO膜の配向方向が異なることとなる。第1の領域では、LiNbO膜は下地となるLiTaO基板の結晶方向を引継ぎ、a軸方向に配向する。すなわち、光学軸は図1(a)のX方向となる。また、第2の領域では、LiNbO膜はc軸方向に配向する。すなわち光学軸は、図1(a)のZ方向となる。
 本実施形態の製造に際しては、LiNbO膜をフォトリソグラフィー法によりパターニングする。このLiNbO膜のパターニングは第1の実施形態の場合と同様に、LiNbO膜4の上面からTiなどの金属を拡散させることにより光導波路を形成したのち、その部分だけを残すようにパターニングしてもよい。次にSiO膜30を全面に成膜する。このようにして、図5(a)及び(b)に示す第1,第2の光導波路25,26が形成される。このリッジ型の第1,第2の光導波路25,26は、XカットLiTaO基板22の上面22a上及び誘電体膜23上においてリッジ状の形状として突出している。
 本実施形態では、第1の制御用電極27と第2の制御用電極28とがリッジ型の第1の光導波路25を介してX方向において対向している。言い換えれば、第1の光導波路25のZ軸方向に延びる一対の側面に、第1,第2の制御用電極27,28が設けられている。第2の光導波路26においても、第1,第2の制御用電極27,28が同様に設けられている。他方、第2の領域では、第1,第2の光導波路25,26の上面に、第3の制御用電極29aおよび29bが設けられている。第3の制御用電極29aおよび29bは、下方に位置している第4の制御用電極24Aおよび24BとZ軸方向において第1,第2の光導波路25,26を介して対向している。よって、第2の領域においては、第3の制御用電極29aおよび29bと、第4の制御用電極24Aおよび24Bとの間に適当な電圧を印加することにより、光導波路25,26に対してZ軸方向にそれぞれ逆方向の電界を印加することができる。
 上記のように、第2の実施形態の光制御素子21は、光導波路が、拡散型でなく、リッジ型であることと、リッジ型の光導波路25,26であるため、第1~第4の制御用電極の形成位置が異なることを除いては、第1の実施形態と同様とされている。従って、第2の実施形態においても、第1の領域と第2の領域において、光導波路を接続されるように配向軸が異なるLiNbO基板同士を接合する必要はない。すなわち接合部分を有しないため、第2の実施形態の光制御素子21においても、接合部の存在による光伝搬の損失が生じない。また、製造工程の簡略化も果たし得る。
 なお、上記第2の実施形態では、第4の制御電極24A,24Bは、XカットLiTaO基板22の幅方向端部に至るように設けられていたが、図6に示す変形例のように、第4の制御用電極24C,24Dは光導波路25,26上の第3の制御用電極29A,29Bと重なり合う位置にのみ設けられていてもよい。
 なお、第1及び第2の実施形態では、誘電体膜3,23の上面または下面に第4の制御用電極12a,12b,24A,24Bを形成したが、誘電体膜3,23として、導電性を有する誘電体膜を用いれば、第4の制御用電極を省略することができる。すなわち、誘電体膜3,23が、第4の制御用電極を兼ねていてもよい。このとき、第4の制御用電極24A,24Bのように、互いに電気的に接続されないように2つの領域に分けるように、誘電体膜23をパターニングすればよい。それによって、光導波路25,26に対して互いに逆方向の電圧を印可することができる。誘電体膜3についても同様である。このような材料としては、例えば、ZnOにGaAlAsなどがドープされている材料などを挙げることができる。
 なお、上記第1,第2の実施形態では、光スイッチにつき説明したが、本発明の光制御素子は、光変調素子などの他の光制御素子にも広く用いることができる。
1…光制御素子
2…XカットLiTaO基板
2a…上面
3…誘電体膜
4…LiNbO
5…第1の光導波路
6…第2の光導波路
7,8…第1の制御用電極
9…第2の制御用電極
10,11…第3の制御用電極
12…第4の制御用電極
12a、12b…第4の制御用電極
13…SiO
21…光制御素子
22…XカットLiTaO基板
22a…上面
23…誘電体膜
24A,24B…第4の制御用電極
24C,24D…第4の制御用電極
25…第1の光導波路
26…第2の光導波路
27…第1の制御用電極
28…第2の制御用電極
29a,29b…第3の制御用電極
29A,29B…第3の制御用電極
30…SiO

Claims (6)

  1.  上面に第1及び第2の領域を有するXカットLiTaO基板と、
     前記XカットLiTaO基板の前記上面の前記第1及び第2の領域の内、前記第2の領域に設けられた誘電体膜と、
     前記XカットLiTaO基板の前記上面の前記第1の領域上から前記第2の領域において該誘電体膜上に至るように成膜されているLiNbO膜とを備え、
     前記LiNbO膜が前記第1の領域においてa軸方向に配向しており、前記第2の領域においてc軸方向に配向しており、
     前記LiNbO膜に、光導波路が設けられており、
     前記第1の領域において、前記光導波路にc軸方向の電界が生じるように設けられた第1,第2の制御用電極と、
     前記第2の領域において、前記光導波路に前記c軸方向に電界が生じるように設けられた第3,第4の制御用電極とをさらに備える、光制御素子。
  2.  前記第1の領域において、前記第1,第2の制御用電極が、前記光導波路を挟んで前記a軸方向に対向し合っており、前記第2の領域において、前記第3,第4の制御用電極が、前記光導波路を挟んでc軸方向に対向している、請求項1に記載の光制御素子。
  3.  前記誘電体膜が導電性を有し、前記第4の制御用電極を兼ねている、請求項2に記載の光制御素子。
  4.  前記光導波路が、前記LiNbO膜内に金属を拡散することにより設けられている、請求項1~3のいずれか1項に記載の光制御素子。
  5.  前記光導波路が、前記LiNbO膜がパターニングされて構成されているリッジ型光導波路である、請求項1~4のいずれか1項に記載の光制御素子。
  6.  前記LiNbO膜の前記XカットLiTaO基板側とは反対側の面において少なくとも前記光導波路が設けられている部分を覆うように設けられた第2の誘電体膜をさらに備える、請求項1~5のいずれか1項に記載の光制御素子。
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