WO2020044516A1 - 光学素子 - Google Patents

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峻佑 阿部
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Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide.
  • an optical waveguide in which an electro-optic polymer is sandwiched by Si is known (for example, see FIG. 12 of Patent Document 1).
  • an electric field is intensively applied to the electro-optic polymer. This changes the refractive index of the electro-optic polymer (electro-optic effect).
  • the phase of the light can be controlled.
  • Patent Document 2 (for example, see FIG. 1A) also discloses an optical waveguide having a structure similar to that of the above-described conventional technology.
  • Patent Document 3 (for example, see the abstract) discloses an optical waveguide using a photonic crystal.
  • the phase of the light leaked from the electro-optic polymer cannot be controlled. Therefore, the phase of the light given to the optical waveguide cannot be sufficiently controlled.
  • an object of the present invention is to better control the phase of light applied to an optical waveguide.
  • An optical element includes two convex portions separated by a concave portion, and a connecting portion disposed below the concave portion and connecting the two convex portions, and has a first electro-optical effect that has an electro-optical effect.
  • Member having a concave member disposed in the concave portion, comprising a second electro-optical member having an electro-optical effect, the dielectric constant of the first electro-optical member, the dielectric constant of the second electro-optical member Higher, the refractive index of the first electro-optical member is higher than the refractive index of the second electro-optical member, so that light to be transmitted is given to the concave member while an electric field is applied. Be composed.
  • the first electro-optical member includes the two convex portions separated by the concave portion and the connecting portion disposed below the concave portion and connecting the two convex portions. And have an electro-optic effect.
  • the second electro-optical member has a concave member disposed in the concave portion, and has an electro-optical effect.
  • the dielectric constant of the first electro-optical member is higher than the dielectric constant of the second electro-optical member.
  • the refractive index of the first electro-optical member is higher than the refractive index of the second electro-optical member. While the electric field is being applied, light to be transmitted is given to the concave member.
  • the first electro-optical member may be a ferroelectric.
  • the second electro-optical member may be an electro-optical polymer.
  • the second electro-optical member may further include an upper member disposed above the protrusion.
  • the first electro-optical member may have a side region separated from the concave portion by the convex portion.
  • the side region may be a photonic crystal.
  • the side region may be lower than the convex portion.
  • FIG. 1 is a perspective view of an optical element 1 according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a front view of the optical element 1 according to the first embodiment. It is a perspective view of optical element 1 concerning a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV of an optical element 1 according to a second embodiment.
  • FIG. 1 is a perspective view of an optical element 1 according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a front view of the optical element 1 according to the first embodiment.
  • the optical element 1 includes a substrate 2, an electrode 3, a first electro-optical member 4, and a second electro-optical member 6.
  • the electrode 3 is not shown in FIG.
  • the substrate 2 is, for example, a sapphire substrate.
  • the first electro-optical member 4 is disposed on the substrate 2 and has an electro-optical effect.
  • the electro-optic effect here means a change in the refractive index due to an electric field. That is, when an electric field is applied to the first electro-optical member 4, the refractive index of the first electro-optical member 4 changes.
  • the first electro-optical member 4 has convex portions 42a and 42b, concave portions 44, connecting portions 46, and side regions 48a and 48b. Note that the protrusions 42a and 42b, the recess 44, the connection portion 46, and the side regions 48a and 48b may be integrated.
  • the concave portion 44 has a groove shape extending substantially from the center to the center of the first electro-optical member 4.
  • the side wall of the concave portion 44 may be steep at a steep angle with respect to the bottom of the concave portion 44.
  • the two convex portions 42a and 42b extend from the front to the back of the first electro-optical member 4 in parallel with each other.
  • the two convex portions 42a and 42b are separated by a concave portion 44.
  • the width of the convex portions 42a and 42b may be wider than the width of the concave portions 44.
  • the height of the protrusions 42a and 42b with respect to the bottom of the recess 44 may be larger than the width of the recess 44.
  • the connecting portion 46 is arranged below the concave portion 44 and connects the two convex portions 42a and 42b.
  • the side region 48a is located on the side of the convex portion 42a and is separated from the concave portion 44 by the convex portion 42a.
  • the side region 48a is lower than the protrusion 42a.
  • the side region 48b is located on the side of the convex portion 42b and is separated from the concave portion 44 by the convex portion 42b.
  • the side region 48b is lower than the protrusion 42b.
  • the first electro-optical member 4 is, for example, PLZT, LiNbO 3 , BaTiO 3 .
  • the first electro-optical member 4 is made of PLZT, (1) since the dielectric constant is as high as 400 to 700 and the refractive index is as high as 2.4, the electric field and light are concentrated between the concave portions 44.
  • An advantageous effect such as a high electro-optic effect (an EO coefficient of about 100 pm / V) is obtained.
  • the first electro-optical member 4 may be a ferroelectric.
  • the second electro-optical member 6 has an electro-optical effect. That is, when an electric field is applied to the second electro-optical member 6, the refractive index of the second electro-optical member 6 changes.
  • the second electro-optical member 6 has a concave member 62 and a clad (upper member) 64 (see FIG. 2).
  • the concave member 62 and the clad (upper member) 64 may be integrated.
  • the concave member 62 is a member disposed in the concave 44 (see FIG. 2).
  • the cladding (upper member) 64 is disposed above the convex portions 42a and 42b (see FIG. 2).
  • the second electro-optical member 6 is, for example, an electro-optical polymer. If the second electro-optical member 6 is made of an electro-optical polymer, (1) since the dielectric constant is as low as about 3 and the refractive index is as low as 1.5, the electric field and light are concentrated between the concave portions 44; (3) The electro-optic effect is high (the EO coefficient is 100 pm / V or more). (3) By flowing the electro-optic polymer into the concave portion 44, there is an advantageous effect that the concave member 62 is easily arranged in the concave portion 44.
  • the dielectric constant of the first electro-optical member 4 is higher than the dielectric constant of the second electro-optical member 6.
  • the refractive index of the first electro-optical member 4 is higher than the refractive index of the second electro-optical member 6.
  • the dielectric constant (400 to 700) of the first electro-optical member 4 is (About 3) higher.
  • the refractive index (2.4) of the first electro-optical member 4 is higher than the refractive index (1.5) of the second electro-optical member 6.
  • the electrode 3 is disposed on the first electro-optical member 4.
  • the electrodes 3 are arranged on the left and right sides of the recess 44.
  • the electrode 3 is connected to a DC voltage source not shown.
  • the electrode 3 on the left side of the concave portion 44 is connected to the anode of the DC voltage source, and the electrode 3 on the right side of the concave portion 44 is connected to the cathode of the DC voltage source.
  • the optical element 1 While an electric field is being applied to the optical element 1 via the electrode 3 by a DC voltage source (not shown), light to be transmitted by the optical element 1 is given to the concave member 62.
  • the optical element 1 functions as an optical waveguide for transmitting light.
  • phase control of the light to be transmitted by the optical element 1 can be performed.
  • the phase of the light concentrated on the concave member 62 can be controlled by the electro-optical effect of the second electro-optical member 6.
  • the light leaked from the concave member 62 can be received by the convex portions 42a and 42b. Further, the electric field applied to the concave member 62 is also applied to the convex portions 42a and 42b from the concave member 62 through the connection portion 46. Thereby, the phase of the light leaked from the concave member 62 can be controlled by the electro-optical effect of the first electro-optical member 4.
  • the optical element 1 which functions as an optical waveguide is provided.
  • the phase of the reflected light can be better controlled.
  • optical element 1 according to the second embodiment is different from the optical element 1 according to the first embodiment in that the side regions 48a and 48b are photonic crystals.
  • FIG. 3 is a perspective view of the optical element 1 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an IV-IV sectional view of the optical element 1 according to the second embodiment.
  • the electrode 3 is not shown in FIG.
  • the optical element 1 according to the second embodiment includes a substrate 2, an electrode 3, a first electro-optical member 4, a second electro-optical member 6, and a hole 8.
  • the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment, and description thereof is omitted.
  • the substrate 2, the electrode 3, and the second electro-optical member 6 are the same as those in the first embodiment, and the description is omitted.
  • the first electro-optical member 4 is substantially the same as the first embodiment.
  • the side region 48a has the same height as the protrusion 42a.
  • the side region 48b has the same height as the protrusion 42b.
  • the hole 8 is a columnar hole formed in the side regions 48a and 48b.
  • the second electro-optical member 6 enters the inside of the hole 8.
  • the side regions 48a and 48b become photonic crystals due to the presence of the holes 8.
  • the operation of the second embodiment is almost the same as the operation of the first embodiment.
  • the speed of light is lower in the side regions 48a and 48b that are photonic crystals than in the side regions 48a and 48b according to the first embodiment.
  • the second embodiment effects similar to those of the first embodiment can be obtained. Furthermore, according to the second embodiment, since the speed of light in the side regions 48a and 48b is lower, the control amount of the light phase can be made larger than in the first embodiment.

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Abstract

光導波路に与えた光の位相をより良く制御する。　光学素子１は、凹部４４により隔てられた２つの凸部４２ａ、４２ｂと、凹部４４の下に配置され２つの凸部４２ａ、４２ｂを接続する接続部４６とを有し、電気光学効果を奏する第一電気光学部材４と、凹部４４内に配置された凹部部材６２を有し、電気光学効果を奏する第二電気光学部材６とを備える。さらに、第一電気光学部材４の誘電率が、第二電気光学部材６の誘電率よりも高い。しかも、第一電気光学部材４の屈折率が、第二電気光学部材６の屈折率よりも高い。なお、電極３を通じて電界が印加されている間に、伝送すべき光が凹部部材６２に与えられる。

Description

光学素子
　本発明は、光導波路に関する。
　従来より、電気光学ポリマをＳｉで挟み込んだ光導波路が知られている（例えば、特許文献１の図１２を参照）。このような光導波路によれば、電気光学ポリマに集中的に電界が印加される。これにより、電気光学ポリマの屈折率が変化する（電気光学効果）。ここで、電気光学ポリマに光を与えると、光の位相を制御することができる。
　なお、特許文献２（例えば、図１Ａ参照）にも、上記の従来技術と類似した構造の光導波路が開示されている。また、特許文献３（例えば、要約を参照）には、フォトニック結晶を用いた光導波路が開示されている。
国際公開第２０１１／１０８６１７号 国際公開第２００９／１０７８１１号 特開２００１－２８１４８０号公報
　しかしながら、上記のような従来技術にかかる光導波路によれば、電気光学ポリマから漏れた光については、光の位相を制御することができない。よって、光導波路に与えた光の位相を充分に制御することができない。
　そこで、本発明は、光導波路に与えた光の位相をより良く制御することを課題とする。
　本発明にかかる光学素子は、凹部により隔てられた２つの凸部と、前記凹部の下に配置され前記２つの凸部を接続する接続部とを有し、電気光学効果を奏する第一電気光学部材と、前記凹部内に配置された凹部部材を有し、電気光学効果を奏する第二電気光学部材とを備え、前記第一電気光学部材の誘電率が、前記第二電気光学部材の誘電率よりも高く、前記第一電気光学部材の屈折率が、前記第二電気光学部材の屈折率よりも高く、電界が印加されている間に、伝送すべき光が前記凹部部材に与えられるように構成される。
　上記のように構成された光学素子によれば、第一電気光学部材が、凹部により隔てられた２つの凸部と、前記凹部の下に配置され前記２つの凸部を接続する接続部とを有し、電気光学効果を奏する。第二電気光学部材が、前記凹部内に配置された凹部部材を有し、電気光学効果を奏する。前記第一電気光学部材の誘電率が、前記第二電気光学部材の誘電率よりも高い。前記第一電気光学部材の屈折率が、前記第二電気光学部材の屈折率よりも高い。電界が印加されている間に、伝送すべき光が前記凹部部材に与えられる。
　なお、本発明にかかる光学素子は、前記第一電気光学部材が強誘電体であるようにしてもよい。
　なお、本発明にかかる光学素子は、前記第二電気光学部材が電気光学ポリマであるようにしてもよい。
　なお、本発明にかかる光学素子は、前記第二電気光学部材が、さらに、前記凸部の上方に配置された上方部材を有するようにしてもよい。
　なお、本発明にかかる光学素子は、前記第一電気光学部材が、前記凸部によって前記凹部と隔てられている側方領域を有するようにしてもよい。
　なお、本発明にかかる光学素子は、前記側方領域がフォトニック結晶であるようにしてもよい。
　なお、本発明にかかる光学素子は、前記側方領域が、前記凸部よりも低いようにしてもよい。
本発明の第一の実施形態にかかる光学素子１の斜視図である。 第一の実施形態にかかる光学素子１の正面図である。 本発明の第二の実施形態にかかる光学素子１の斜視図である。 第二の実施形態にかかる光学素子１のIV-IV断面図である。
　以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
　第一の実施形態
　図１は、本発明の第一の実施形態にかかる光学素子１の斜視図である。図２は、第一の実施形態にかかる光学素子１の正面図である。
　第一の実施形態にかかる光学素子１は、基板２、電極３、第一電気光学部材４、第二電気光学部材６を備える。ただし、図２においては、電極３を図示省略する。
　基板２は、例えばサファイアの基板である。
　第一電気光学部材４は、基板２上に配置されており、電気光学効果を奏する。ただし、ここでいう電気光学効果は、電界による屈折率の変化を意味する。すなわち、第一電気光学部材４に電界を印加すると、第一電気光学部材４の屈折率が変化する。
　第一電気光学部材４は、凸部４２ａ、４２ｂ、凹部４４、接続部４６、側方領域４８ａ、４８ｂを有する。なお、凸部４２ａ、４２ｂ、凹部４４、接続部４６および側方領域４８ａ、４８ｂは、一体であってもよい。
　凹部４４は、第一電気光学部材４のほぼ中央に、手前から奥にかけて延伸する溝状のものである。凹部４４の側壁は、凹部４４の底に対して、急な角度で切り立っているようにしてもよい。
　２つの凸部４２ａ、４２ｂは、互いに平行に、第一電気光学部材４の手前から奥にかけて延伸する。２つの凸部４２ａ、４２ｂは、凹部４４により隔てられている。凸部４２ａおよび凸部４２ｂの幅は、凹部４４の幅よりも広いようにしてもよい。凸部４２ａおよび凸部４２ｂの凹部４４の底に対する高さは、凹部４４の幅よりも大きいようにしてもよい。
　接続部４６は、凹部４４の下に配置されており、２つの凸部４２ａ、４２ｂを接続している。
　側方領域４８ａは、凸部４２ａの側方に位置しており、凸部４２ａによって凹部４４と隔てられている。側方領域４８ａは、凸部４２ａよりも低い。
　側方領域４８ｂは、凸部４２ｂの側方に位置しており、凸部４２ｂによって凹部４４と隔てられている。側方領域４８ｂは、凸部４２ｂよりも低い。
　第一電気光学部材４は、例えば、ＰＬＺＴ、ＬｉＮｂＯ３、ＢａＴｉＯ３である。なお、第一電気光学部材４をＰＬＺＴとすると、（１）誘電率が４００～７００と高く、屈折率も２．４と高いので、凹部４４の間に電界および光が集中する、（２）電気光学効果が高い（ＥＯ係数が１００ｐｍ／Ｖ程度）、といった有利な効果を奏する。なお、第一電気光学部材４は、強誘電体であってもよい。
　第二電気光学部材６は、電気光学効果を奏する。すなわち、第二電気光学部材６に電界を印加すると、第二電気光学部材６の屈折率が変化する。
　第二電気光学部材６は、凹部部材６２、クラッド（上方部材）６４を有する（図２参照）。なお、凹部部材６２およびクラッド（上方部材）６４は、一体であってもよい。
　凹部部材６２は、凹部４４内に配置されている部材である（図２参照）。
　クラッド（上方部材）６４は、凸部４２ａおよび凸部４２ｂの上方に配置されている（図２参照）。
　第二電気光学部材６は、例えば、電気光学ポリマである。なお、第二電気光学部材６を電気光学ポリマとすると、（１）誘電率が３程度と低く、屈折率も１．５と低いので、凹部４４の間に電界および光が集中する、（２）電気光学効果が高い（ＥＯ係数が１００ｐｍ／Ｖ以上）、（３）電気光学ポリマを凹部４４内に流し込むことにより、凹部４４内に凹部部材６２を配置しやすい、といった有利な効果を奏する。
　なお、第一電気光学部材４の誘電率は、第二電気光学部材６の誘電率よりも高いものとする。また、第一電気光学部材４の屈折率は、第二電気光学部材６の屈折率よりも高いものとする。
　例えば、第一電気光学部材４をＰＬＺＴとし、第二電気光学部材６をＥＯポリマとした場合、第一電気光学部材４の誘電率（４００～７００）は、第二電気光学部材６の誘電率（３程度）よりも高い。また、第一電気光学部材４の屈折率（２．４）は、第二電気光学部材６の屈折率（１．５）よりも高い。
　電極３は、第一電気光学部材４上に配置されている。電極３は、凹部４４の左側および右側に配置されている。電極３は、図示省略した直流電圧源に接続されている。例えば、凹部４４の左側の電極３が直流電圧源の陽極に接続され、凹部４４の右側の電極３が直流電圧源の陰極に接続されている。
　次に、第一の実施形態の動作を説明する。
　図示省略した直流電圧源により、電極３を介して、光学素子１に電界が印加されている間に、光学素子１により伝送すべき光が凹部部材６２に与えられる。いわば、光学素子１は光を伝送するための光導波路としての機能を果たす。
　凹部部材６２には、電界および光が集中する。これにより、凹部部材６２に与えられた光は、凹部部材６２に印加された電界による第二電気光学部材６の電気光学効果によって、位相が変化する。光学素子１に印加する電界によって、凹部部材６２に印加する電界を制御できるので、凹部部材６２に与えられた光の位相を制御できる。
　また、凹部部材６２から漏れた光は、凸部４２ａ、４２ｂが受ける。さらに、凹部部材６２に印加された電界は、凹部部材６２から接続部４６を通って凸部４２ａ、４２ｂにも印加される。これにより、凸部４２ａ、４２ｂに漏れた光は、凸部４２ａ、４２ｂに印加された電界による第一電気光学部材４の電気光学効果によって、位相が変化する。光学素子１に印加する電界によって、凸部４２ａ、４２ｂに印加する電界を制御できるので、凸部４２ａ、４２ｂに漏れた光の位相を制御できる。
　これにより、光学素子１により伝送すべき光の位相制御を行うことができる。
　第一の実施形態によれば、光学素子１に与えた光のうち、凹部部材６２に集中した光の位相を、第二電気光学部材６の電気光学効果によって、制御できる。
　しかも、凹部部材６２から漏れた光を凸部４２ａ、４２ｂによって受けることができる。さらに、凹部部材６２に印加された電界は、凹部部材６２から接続部４６を通って凸部４２ａ、４２ｂにも印加される。これにより、凹部部材６２から漏れた光の位相についても、第一電気光学部材４の電気光学効果によって、制御できる。
　よって、第一の実施形態によれば、凹部部材６２に集中した光についてのみならず、凹部部材６２から漏れた光についても位相を制御できるため、光導波路としての機能を果たす光学素子１に与えた光の位相をより良く制御することができる。
　第二の実施形態
　第二の実施形態にかかる光学素子１は、側方領域４８ａ、４８ｂがフォトニック結晶である点が、第一の実施形態にかかる光学素子１と異なる。
　図３は、本発明の第二の実施形態にかかる光学素子１の斜視図である。図４は、第二の実施形態にかかる光学素子１のIV-IV断面図である。ただし、図４においては、電極３を図示省略する。
　第二の実施形態にかかる光学素子１は、基板２、電極３、第一電気光学部材４、第二電気光学部材６、孔部８を備える。ここで、第一の実施形態と同様な部分は、第一の実施形態と同一の番号を付して説明を省略する。
　基板２、電極３および第二電気光学部材６は、第一の実施形態と同様であり、説明を省略する。
　第一電気光学部材４は、第一の実施形態とほぼ同様である。ただし、側方領域４８ａは凸部４２ａと同じ高さである。また、側方領域４８ｂは凸部４２ｂと同じ高さである。
　孔部８は、側方領域４８ａ、４８ｂに開けられた円柱状の孔である。孔部８の内部に第二電気光学部材６が入り込んでいる。側方領域４８ａ、４８ｂは、孔部８の存在により、フォトニック結晶となる。
　第二の実施形態の動作は、第一の実施形態の動作とほぼ同様である。ただし、フォトニック結晶である側方領域４８ａ、４８ｂにおいては、第一の実施形態にかかる側方領域４８ａ、４８ｂよりも、光の速度が遅くなる。
　第二の実施形態によれば、第一の実施形態と同様な効果を奏する。さらに、第二の実施形態によれば、側方領域４８ａ、４８ｂにおいて光の速度が遅くなるため、第一の実施形態よりも、光の位相の制御量をより大きくすることができる。
　１　光学素子
　２　基板
　３　電極
　４　第一電気光学部材
　４２ａ、４２ｂ　凸部
　４４　凹部
　４６　接続部
　４８ａ、４８ｂ　側方領域
　６　第二電気光学部材
　６２　凹部部材
　６４　クラッド（上方部材）
　８　孔部

Claims (7)

  1. 　凹部により隔てられた２つの凸部と、前記凹部の下に配置され前記２つの凸部を接続する接続部とを有し、電気光学効果を奏する第一電気光学部材と、
    　前記凹部内に配置された凹部部材を有し、電気光学効果を奏する第二電気光学部材と、
    　を備え、
    　前記第一電気光学部材の誘電率が、前記第二電気光学部材の誘電率よりも高く、
    　前記第一電気光学部材の屈折率が、前記第二電気光学部材の屈折率よりも高く、
    　電界が印加されている間に、伝送すべき光が前記凹部部材に与えられる、
    　光学素子。
  2. 　請求項１に記載の光学素子であって、
    　前記第一電気光学部材が強誘電体である、
    　光学素子。
  3. 　請求項１に記載の光学素子であって、
    　前記第二電気光学部材が電気光学ポリマである、
    　光学素子。
  4. 　請求項１に記載の光学素子であって、
    　前記第二電気光学部材が、さらに、前記凸部の上方に配置された上方部材を有する、
    　光学素子。
  5. 　請求項１に記載の光学素子であって、
    　前記第一電気光学部材が、前記凸部によって前記凹部と隔てられている側方領域を有する、
    　光学素子。
  6. 　請求項５に記載の光学素子であって、
    　前記側方領域がフォトニック結晶である光学素子。
  7. 　請求項５に記載の光学素子であって、
    　前記側方領域が、前記凸部よりも低い、
    　光学素子。
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