WO2020208877A1 - 光位相変調器、および光位相変調方法 - Google Patents

光位相変調器、および光位相変調方法 Download PDF

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WO2020208877A1
WO2020208877A1 PCT/JP2019/050337 JP2019050337W WO2020208877A1 WO 2020208877 A1 WO2020208877 A1 WO 2020208877A1 JP 2019050337 W JP2019050337 W JP 2019050337W WO 2020208877 A1 WO2020208877 A1 WO 2020208877A1
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electro
optical
material layer
optical material
layer
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PCT/JP2019/050337
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宏幸 高木
尚徳 増子
山岡　義和
安寿 稲田
内藤　康幸
平澤　拓
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
    • G02F1/035—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical phase modulator and an optical phase modulation method.
  • Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Documents 1 to 4 have been proposed (for example, Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Documents 1 to 4).
  • the index of refraction can be varied by various optical effects.
  • the phase of the light propagating in the optical waveguide can be modulated.
  • the present disclosure provides an optical phase modulator capable of modulating the phase of light propagating through an optical waveguide in a large and high speed by using an electro-optical effect.
  • the optical phase modulator has a structure extending in at least the first direction, and is in contact with an electro-optical material layer whose refractive index changes due to the Pockels effect or the Carr effect and the electro-optic material layer. , At least an electrolyte layer having a structure extending in the first direction, a first electrode and a second electrode for applying a voltage to the electro-optical material layer and the electrolyte layer, and controlling the voltage.
  • the present invention includes a control circuit that modulates the phase of light propagating along the first direction of the electro-optical material layer or the electrolyte layer by changing the refractive index of the electro-optical material layer.
  • the phase of light propagating in an optical waveguide can be modulated at a large speed and at high speed by using an electro-optical effect.
  • FIG. 1A is a side view schematically showing the optical phase modulator in the exemplary embodiment of the present disclosure as viewed from the X direction.
  • FIG. 1B is a side view of the optical phase modulator in the exemplary embodiment of the present disclosure schematically shown from the Y direction.
  • FIG. 2A is a diagram schematically showing the charge distribution in the pair of electrodes, the electro-optical material layer, and the electrolyte layer when a voltage is applied to the pair of electrodes.
  • FIG. 2B is a diagram schematically showing the relationship between the electric potential and the distance between the pair of electrodes along the Z direction from the upper surface of the first electrode.
  • FIG. 2C is a diagram schematically showing the relationship between the distance between the pair of electrodes from the upper surface of the first electrode along the Z direction and the strength of the electric field.
  • FIG. 3A is a side view seen from the X direction schematically showing an example of an optical phase modulator in which the electrolyte layer functions as an optical waveguide layer.
  • FIG. 3B is a side view seen from the Y direction schematically showing an example of an optical phase modulator in which the electrolyte layer functions as an optical waveguide layer.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing an optical phase modulator in the first modification.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing an optical phase modulator in the second modification.
  • FIG. 6A is a diagram schematically showing an optical phase modulator in the third modification.
  • FIG. 6B is a diagram schematically showing an optical phase modulator in the fourth modification.
  • FIG. 6C is a diagram schematically showing an optical phase modulator in the fifth modification.
  • FIG. 6D is a diagram schematically showing an optical phase modulator in the sixth modification.
  • FIG. 6E is a diagram schematically showing an optical phase modulator in the seventh modification.
  • FIG. 6F is a diagram schematically showing an optical phase modulator in the eighth modification.
  • FIG. 6G is a diagram schematically showing an optical phase modulator in the ninth modification.
  • FIG. 7 is a flowchart showing a manufacturing process of the optical phase modulator.
  • FIG. 8 is a plan view schematically showing an example of a Mach-Zehnder type optical switching device.
  • FIG. 9A is a diagram schematically showing a first example of an optical phased array.
  • FIG. 9B is a diagram schematically showing a second example of an optical phased array.
  • Non-Patent Document 1 discloses an optical phase modulator using a stress-optic effect in which the refractive index changes with stress.
  • the piezoelectric body is deformed by applying a voltage to the piezoelectric body laminated on the optical waveguide. Due to the deformation of the piezoelectric body, stress is applied to the optical waveguide, and the refractive index of the optical waveguide changes. Due to the change in refractive index, the phase of light propagating in the optical waveguide is modulated.
  • the amount of change in the refractive index of the optical waveguide due to the piezoelectric material is small, for example, on the order of about 10-6 . Therefore, the phase of light cannot be significantly modulated unless the optical waveguide is lengthened. Lengthening the optical waveguide leads to an increase in the size of the optical phase modulator.
  • Non-Patent Documents 2 and 3 disclose an optical phase modulator using a thermo-optic effect in which the refractive index changes with heat.
  • the amount of change in refractive index due to thermo-optic effect is large, for example, 10 -2 order. Therefore, even when the optical phase modulator is small, the phase of light can be largely modulated.
  • the modulation speed of the refractive index due to the thermo-optical effect is low, and it is not possible to realize high-speed modulation exceeding, for example, several hundred kHz.
  • Non-Patent Document 4 discloses an optical phase modulator using an electro-optic effect in which the refractive index changes by applying an electric field.
  • electro-optical effects the Pockels effect and the Kerr effect are known. When no electric field is applied, the amount of change in the refractive index is zero.
  • the amount of change in the refractive index is determined by the product of the electro-optical constant inherent in the electro-optical material and the strength of the applied electric field.
  • the Kerr effect the amount of change in the refractive index is determined by the product of the electro-optic constant and the square of the strength of the applied electric field.
  • the change in the refractive index modulates the phase of the light propagating through the electro-optical material.
  • the modulation speed of the refractive index due to the electro-optical effect is high, and for example, modulation of several tens of MHz or more can be realized.
  • the stronger the applied electric field the greater the amount of change in the refractive index.
  • the strength of the applied electric field is limited to a strength lower than the dielectric breakdown electric field strength of the electro-optical material. Therefore, the amount of change in the refractive index is on the order of about 10-4 and does not become so large.
  • Patent Document 1 discloses an optical modulation device using an electro-optical effect.
  • the electro-optical material layer is in contact with the electrolyte layer.
  • an external voltage is applied to the electro-optical material layer and the electrolyte layer, a strong electric field is generated near the interface between the electro-optic material layer and the electrolyte layer.
  • the strength of the electric field exceeds the dielectric breakdown electric field strength of the electro-optical material layer.
  • the state in which light is transmitted through the electro-optical material layer and the state in which light is reflected by the electro-optical material layer are switched by changing the refractive index of the electro-optical material layer.
  • This optical modulation device is used as an optical switching element. It is not envisioned that the electro-optical material layer or electrolyte layer will be used as an optical waveguide.
  • Patent Document 2 discloses an optical switch using an electrochromic effect.
  • the optical waveguide is surrounded by an electrochromic material layer.
  • the electrochromic material layer is in contact with the electrolyte layer.
  • a voltage is applied to the electrochromic material layer and the electrolyte layer.
  • a redox reaction occurs in the electrochromic material layer, and the electronic structure of the electrochromic material layer changes.
  • the refractive index of the electrochromic material layer changes due to the change in the electronic structure.
  • the oxidation reaction or reduction reaction occurs reversibly depending on the polarity of the voltage applied from the outside. The oxidized or reduced state is maintained even when no voltage is applied.
  • the amount of change in the refractive index is on the order of about 10-3 .
  • the modulation rate is very slow, at most a few Hz.
  • the electrolyte layer is provided to oxidize or reduce the electrochromic material layer.
  • the phase of the light propagating in the optical waveguide cannot be modulated in a large and high speed.
  • the present inventor has come up with the optical phase modulator described in the following items, which can modulate the phase of light propagating through the optical waveguide in a large and high speed manner.
  • the optical phase modulator according to the first item has a structure extending at least in the first direction, and is in contact with an electro-optical material layer whose refractive index changes due to the Pockels effect or the Kerr effect and the electro-optic material layer.
  • An electrolyte layer having a structure extending at least in the first direction, a first electrode and a second electrode for applying a voltage to the electro-optical material layer and the electrolyte layer, and the voltage controlled.
  • a control circuit that modulates the phase of light propagating along the first direction of the electro-optical material layer or the electrolyte layer by changing the refractive index of the electro-optical material layer is provided.
  • the phase of light propagating in the electro-optical material layer or the electrolyte layer is increased due to the strong electric field generated near the interface between the electro-optic material layer and the electrolyte layer and the rapid response of the electro-optic material layer. And it can be modulated at high speed.
  • the optical phase modulator according to the second item is the optical phase modulator according to the first item, in which the width of at least one of the first electrode and the second electrode is the electro-optical material layer and the electrolyte. It is larger than the width of the interface with the layer.
  • the electric field generated between the first electrode and the second electrode becomes more parallel in the direction perpendicular to the interface.
  • an electric field can be effectively applied to the electro-optical material layer and the electrolyte layer.
  • the width of the electrolyte layer is larger than the width of the electro-optical material layer in the optical phase modulator according to the first or second item.
  • an electric double layer can be formed on the entire surface including the electro-optical material layer, the electrolyte layer, and the interface among the electro-optical material layers.
  • the width of the electro-optical material layer is larger than the width of the electrolyte layer in the optical phase modulator according to the first or second item.
  • an electric double layer can be formed on the entire surface including the electro-optical material layer, the electrolyte layer, and the interface among the electrolyte layers.
  • the optical phase modulator according to the fifth item is the optical phase modulator according to any one of the first to fourth items, in which the electro-optical material layer is located at the interface between the electro-optical material layer and the electrolyte layer. It has a crystal structure oriented along the vertical direction.
  • the refractive index of the electro-optical material layer changes most in the direction perpendicular to the interface.
  • the phase of light having an electric field parallel to the direction can be greatly modulated.
  • the optical phase modulator according to the sixth item is the optical phase modulator according to any one of the first to fifth items, in which the electro-optical material layer is embedded in the electrolyte layer.
  • the above arrangement of the electro-optical material layer and the electrolyte layer can be easily realized by depositing the electrolyte layer in a region wider than the width of the electro-optic material layer.
  • the optical phase modulator according to the seventh item is the optical phase modulator according to any one of the first to sixth items, wherein at least one of the first electrode and the second electrode is a transparent electrode. ..
  • the optical phase modulator according to the eighth item is the optical phase modulator according to any one of the first to seventh items, in which the electro-optical material layer is formed of potassium niobate tantalate.
  • the electro-optical material layer shows a high electro-optical effect near room temperature.
  • the optical phase modulator according to the ninth item includes a plurality of electro-optic material layers, each of which has a structure extending in at least the first direction and whose refractive index is changed by the Pockels effect or the Kerr effect.
  • An electrolyte layer having a structure in contact with each of the plurality of electro-optical material layers and extending in at least the first direction, and at least a part of an interface between one of the plurality of electro-optical material layers and the electrolyte layer, respectively.
  • a voltage is applied to each of the plurality of pairs of electrodes and the plurality of pairs of electrodes that directly or indirectly sandwich the one of the plurality of electro-optical material layers and the electrolyte layer in a direction intersecting the above.
  • a control circuit that modulates the phase of light propagating along the first direction of the one of the plurality of electro-optical material layers by changing the refractive index of one of the plurality of electro-optical material layers. To be equipped.
  • the phase of light propagating through a plurality of electro-optical material layers can be adjusted separately, large and at high speed.
  • the optical phase modulation method is an optical phase modulation method using an optical phase modulator.
  • the optical phase modulator has a structure extending at least in the first direction, and is in contact with an electro-optical material layer whose refractive index changes due to the Pockels effect or the Kerr effect and the electro-optical material layer, and at least the first one. It includes an electrolyte layer having a structure extending in a direction, and a first electrode and a second electrode for applying a voltage to the electro-optical material layer and the electrolyte layer.
  • the optical phase modulation method light is propagated through the electro-optical material layer or the electrolyte layer along the first direction, and the voltage is controlled to change the refractive index, thereby changing the phase of the light. Modulate.
  • the phase of light propagating in the electro-optic material layer or the electrolyte layer is increased due to the strong electric field generated near the interface between the electro-optic material layer and the electrolyte layer and the rapid response of the electro-optic material layer. And it can be modulated at high speed.
  • the optical phase modulation method according to the eleventh item is the optical phase modulation method according to the tenth item, in which the light is at the interface between the electro-optical material layer and the electrolyte layer during the period of modulating the phase of the light. The state of total reflection is maintained.
  • the light propagating in one of the electro-optical material layer and the electrolyte layer does not transfer to the other.
  • all or part of a circuit, unit, device, member or part, or all or part of a functional block in a block diagram is, for example, a semiconductor device, a semiconductor integrated circuit (IC), or an LSI (range scale integration). ) Can be performed by one or more electronic circuits.
  • the LSI or IC may be integrated on one chip, or may be configured by combining a plurality of chips.
  • functional blocks other than the storage element may be integrated on one chip.
  • it is called an LSI or an IC, but the name changes depending on the degree of integration, and it may be called a system LSI, a VLSI (very large scale integration), or a ULSI (ultra large scale integration).
  • a Field Programmable Gate Array (FPGA) programmed after the LSI is manufactured, or a reconfigurable logistic device capable of reconfiguring the junction relationship inside the LSI or setting up the circuit partition inside the LSI can also be used for the same purpose.
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • circuits, units, devices, members or parts can be performed by software processing.
  • the software is recorded on a non-temporary recording medium such as one or more ROMs, optical discs, hard disk drives, etc., and when the software is executed by a processor, the functions identified by the software It is executed by a processor and peripheral devices.
  • the system or device may include one or more non-temporary recording media on which the software is recorded, a processor, and the required hardware devices, such as an interface.
  • light refers to electromagnetic waves including not only visible light (wavelength of about 400 nm to about 700 nm) but also ultraviolet rays (wavelength of about 10 nm to about 400 nm) and infrared rays (wavelength of about 700 nm to about 1 mm). means.
  • FIGS. 1A and 1B are diagrams schematically showing an optical phase modulator 100 in an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • the coordinate system including the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis which are orthogonal to each other shown in FIGS. 1A and 1B is used.
  • the + Z direction is referred to as "upward”
  • the -Z direction is referred to as "downward”.
  • These designations are for convenience only and are not intended to limit the arrangement or orientation of the optical phase modulator 100 in practice.
  • the dimension in the X direction is referred to as "length”
  • the dimension in the Y direction is referred to as "width”
  • the dimension in the Z direction is referred to as "thickness”.
  • FIG. 1A schematically shows the structure of the optical phase modulator 100 as viewed from the + X direction.
  • FIG. 1B schematically shows the structure of the optical phase modulator 100 as viewed from the ⁇ Y direction.
  • the optical phase modulator 100 includes a substrate 10, a first electrode 20a and a second electrode 20b, an electro-optical material layer 30, an electrolyte layer 40, and a control circuit 50.
  • the substrate 10 has a main surface 10s parallel to the XY plane.
  • the first electrode 20a is located on the main surface 10s of the substrate 10.
  • the electro-optical material layer 30 is located on the first electrode 20a.
  • the electrolyte layer 40 is located on the electro-optical material layer 30.
  • the second electrode 20b is located on the electrolyte layer 40. That is, the substrate 10, the first electrode 20a, the electro-optical material layer 30, the electrolyte layer 40, and the second electrode 20b are laminated in this order.
  • the first electrode 20a and the second electrode 20b may be referred to as a "pair of electrodes 20".
  • the substrate 10, the first electrode 20a and the second electrode 20b, the electro-optical material layer 30, and the electrolyte layer 40 have a structure extending at least in the X direction.
  • the substrate 10 supports a pair of electrodes 20, an electro-optical material layer 30, and an electrolyte layer 40.
  • the substrate 10 can be formed from, for example, at least one selected from the group consisting of magnesium oxide (MgO), spinel (MgAl 2 O 4 ), and ⁇ -alumina ( ⁇ -Al 2 O 3 ).
  • the substrate 10 may be omitted if it is unnecessary.
  • the pair of electrodes 20 directly or indirectly sandwich the electro-optical material layer 30 and the electrolyte layer 40 in the Z direction.
  • “Directly sandwiching” means that the first electrode 20a and the electro-optical material layer 30 are in contact with each other, and the second electrode 20b and the electrolyte layer 40 are in contact with each other.
  • “Indirectly sandwiching” means that another member is located between the first electrode 20a and the electro-optical material layer 30 and / or between the second electrode 20b and the electrolyte layer 40. To do.
  • the other member may be a dielectric member, a gas such as air, or a liquid such as water.
  • the X direction may be referred to as a "first direction”
  • the Y direction may be referred to as a "second direction”
  • the Z direction may be referred to as a "third direction”.
  • Each of the pair of electrodes 20 has a plane parallel to the XY plane.
  • a DC voltage is applied to the pair of electrodes 20.
  • the DC voltage may be a DC pulse voltage.
  • the time average of the voltage value of the DC pulse voltage may be treated as the value of the DC voltage. By changing the duty ratio of the DC pulse voltage, the time average value of the voltage can be adjusted.
  • Each of the pair of electrodes 20 may be a metal electrode or a transparent electrode.
  • the thickness of the first electrode 20a can be, for example, 100 nm or more and 200 nm or less.
  • the second electrode 20b was formed from, for example, at least one selected from the group consisting of SnO 2- doped In 2 O 3 (ITO), F-doped SnO 2 (FTO), and Sb-doped TiO 2 (ATO). It can be a transparent electrode.
  • the thickness of the second electrode 20b can be, for example, 100 nm or more and 200 nm or less.
  • the electro-optical material layer 30 functions as an optical waveguide layer that propagates light 32 along the X direction by total reflection.
  • the thickness and width shall allow light in one or more modes to propagate.
  • the ellipse shown in FIG. 1A indicates that the intensity of the light 32 is high within the ellipse.
  • the refractive index of the electro-optical material layer 30 is higher than the refractive index of the medium around the optical phase modulator 100 and the refractive index of each of the substrate 10 and the electrolyte layer 40.
  • the refractive index of the electro-optical material layer 30 is higher than the refractive index of the first electrode 20a.
  • the refractive index of the first electrode 20a is higher than that of the substrate 10.
  • the substrate 10 does not function as an optical waveguide layer.
  • the loss of light 32 can be ignored.
  • the refractive index of the electro-optical material layer 30 changes according to the strength of the applied electric field due to the Pockels effect or the Kerr effect. The stronger the applied electric field, the greater the amount of change in the refractive index of the electro-optical material layer 30. When no electric field is applied, the amount of change becomes zero.
  • the apparatus of this embodiment is different from the apparatus utilizing the electrochromic effect described above.
  • the refractive index changes from the initial value only when a voltage is applied, it is easy to turn on and off the optical phase modulator 100.
  • the phase of the light 32 propagating in the electro-optical material layer 30 can be modulated by the change in the refractive index of the electro-optical material layer 30 due to the application of an electric field. Due to the fast response of the electro-optic effect, the phase modulation rate can be high, for example, several tens of MHz or higher.
  • the wavelength of the light 32 in the air is ⁇
  • the refractive index of the electro-optical material layer 30 when no electric field is applied is n 0
  • the amount of change in the refractive index of the electro-optical material layer 30 due to the application of an electric field is ⁇ n
  • electricity is applied.
  • the length of the optical material layer 30 is L
  • each of the first electrode 20a and the second electrode 20b may be a transparent electrode or a metal electrode.
  • the loss of light 32 can be ignored. If the thickness of the electrolyte layer 40 is sufficiently large, the evanescent light of the light 32 does not reach the second electrode 20b. Therefore, when the thickness of the electrolyte layer 40 is sufficiently large, the loss of light 32 can be ignored even if the second electrode 20b is a metal electrode.
  • the electro-optical material layer 30 may be formed from a bulk or a thin film.
  • the thickness of the thin film can be, for example, 0.1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the cost of thin films is lower than the cost of bulk.
  • the electro-optical material layer 30 is composed of, for example, lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ), and ammonium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ). It can be formed from at least one selected from the group consisting of NH 4 H 2 PO 4 ).
  • the electro-optical material layer 30 is, for example, for example, barium titanate (BaTiO 3), strontium titanate (SrTiO 3), potassium titanate (KTiO 3), zirconate lead lanthanum titanate ((Pb 1-x La x) (Zr y Ti 1-y) 1-x / 4 O 3: PLZT), and potassium tantalate niobate (KTa 1-x Nb x O 3: is selected from the group consisting of KTN) It can be formed from at least one. Among these, KTN exhibits a high electro-optical effect near room temperature by setting the composition ratio of Nb and Ta to an appropriate ratio. KTN is transparent at a wavelength of 1550 nm for light used in optical communication. Therefore, application of KTN to optical devices is expected.
  • the electrolyte layer 40 is in contact with at least a part of the electro-optical material layer 30.
  • the electrolyte layer 40 has a structure extending at least in the X direction.
  • the electrolyte layer 40 is formed of an ionic conductor. In an ionic conductor, at least one of a positive ion and a negative ion moves by applying an electric field from the outside.
  • the electrolyte layer 40 is typically a solid electrolyte layer.
  • the solid electrolyte layer depending on its composition, may have a 10 -2 S / cm order of the order of the ion conductivity of 10 -8 S / cm.
  • the thickness of the electrolyte layer 40 can be, for example, 500 nm or more and 2.5 ⁇ m or less.
  • the evanescent light of the light 32 may reach the second electrode 20b.
  • the thickness of the electrolyte layer 40 is thicker than 2.5 ⁇ m, the strength of the electric field applied to the electro-optical material layer 30 and the electrolyte layer 40 may decrease due to the increase in the internal resistance of the electrolyte layer 40.
  • the electrolyte layer 40 can be formed from, for example, lithium phosphate oxynitride (Li 3 PO 4-y N y : LiPON), which is easy to thin.
  • the ionic conductivity of LiPON is on the order of about 10-6 S / cm.
  • the control circuit 50 applies a DC voltage to the pair of electrodes 20.
  • the broken line with an arrow shown in FIG. 1A indicates that a signal is input from the control circuit 50 to the pair of electrodes 20.
  • the control circuit 50 modulates the phase of the light 32 propagating in the electro-optical material layer 30 along the X direction by applying a voltage to the pair of electrodes 20 to change the refractive index of the electro-optical material layer 30. During the period of modulating the phase of the light 32, the state in which the light 32 is totally reflected at the interface 35 is maintained.
  • the optical phase modulator 100 even if the refractive index of the electro-optical material layer 30 is changed, the magnitude relationship between the refractive index of the electro-optical material layer 30 and the refractive index of the electrolyte layer 40 is not reversed. Therefore, the light propagating in one of the electro-optical material layer 30 and the electrolyte layer 40 does not transfer to the other.
  • the control circuit 50 includes, for example, a programmable logic device (PLD) such as a digital signal processor (DSP) or a field programmable gate array (FPGA), or a central processing unit (CPU) or an image processing arithmetic processor (GPU) and a computer program. It may be realized by the combination of. In the following figure, the control circuit 50 may be omitted.
  • PLD programmable logic device
  • DSP digital signal processor
  • FPGA field programmable gate array
  • CPU central processing unit
  • GPU image processing arithmetic processor
  • FIG. 2A is a diagram schematically showing the charge distribution in the pair of electrodes 20, the electro-optical material layer 30, and the electrolyte layer 40 when a voltage is applied to the pair of electrodes 20.
  • the upper part of FIG. 2A represents the optical phase modulator 100 shown in FIG.
  • the lower part of FIG. 2A schematically shows an example of charge distribution in the region surrounded by the thick line shown in the upper part.
  • the lower part of FIG. 2 shows the negative charge (-) in the first electrode 20a, the positive charge (+) in the second electrode 20b, and the polarization (+-) in the electro-optical material layer 30 at this time.
  • the distribution of positive ions (+) and negative ions ( ⁇ ) in the electrolyte layer 40 is schematically shown.
  • the negative charge contained in the first electrode 20a is distributed on the side of the electro-optical material layer 30.
  • the positive charge contained in the second electrode 20b is distributed on the side of the electrolyte layer 40. Due to the downward electric field generated between the pair of electrodes 20, positive ions among the ions contained in the electrolyte layer 40 move toward the electro-optical material layer 30, and negative ions move to the side of the second electrode 20b. Move to the side.
  • polarization of a pair of positive and negative charges occurs. Due to the movement of positive and negative ions in the electrolyte layer 40, an electric double layer surrounded by a broken line is formed at the interface 35 between the electro-optical material layer 30 and the electrolyte layer 40. Similarly, an electric double layer surrounded by a broken line is formed at the interface between the electrolyte layer 40 and the second electrode 20b.
  • the electric double layer functions as a capacitor.
  • the strengths of the electric potentials and electric fields generated in the electro-optical material layer 30 and the electrolyte layer 40 will be described. However, it is assumed that the electro-optical material layer 30 is formed from carrier-injected KTN.
  • FIG. 2B is a diagram schematically showing the relationship between the potential V and the distance Z along the Z direction from the upper surface of the first electrode 20a between the pair of electrodes 20.
  • V 1 represents the potential of the first electrode 20a, and V 2 represents the potential of the second electrode 20b.
  • the potential V sharply increases as the distance Z increases due to the formation of the electric double layer.
  • the potential V increases substantially parabolic with the increase in distance Z due to the carrier injection described above.
  • the potential V is substantially constant.
  • FIG. 2C is a diagram schematically showing the relationship between the distance Z between the pair of electrodes 20 along the Z direction from the upper surface of the first electrode 20a and the strength E of the electric field.
  • the electric field strength E shown in FIG. 2C corresponds to the absolute value of the gradient of the potential V shown in FIG. 2B.
  • the electric field strength E increases substantially linearly as the distance Z increases.
  • the electric field strength E sharply decreases as the distance Z increases.
  • the electro-optic material layer 30 in the portion near the interface 35, a strong electric field having an intensity of E m is generated. Even if the strength of the electric field locally exceeds the strength of the dielectric breakdown electric field, the electro-optical material layer 30 is not destroyed. Since there is no limitation on the dielectric breakdown electric field, the amount of change in the refractive index of the portion of the electro-optical material layer 30 near the interface 35 can be expected to be on the order of, for example, 10-2 or more. The amount of change in the refractive index is larger than that in the case without the electrolyte layer 40. On the other hand, the amount of change in the refractive index of the portion away from the interface 35 is on the order of about 10-3 on average.
  • the amount of change in the refractive index of the electro-optical material layer 30 varies depending on the location.
  • the average value of the change in the refractive index of the electro-optical material layer 30 in space may be the change ⁇ n in the refractive index of the electro-optical material layer 30.
  • the optical phase modulator 100 can modulate the phase of the light 32 propagating through the electro-optical material layer 30 at a large speed and at high speed by using a fast-responsive electro-optical effect.
  • the interface 35 between the electro-optical material layer 30 and the electrolyte layer 40 in this embodiment is flat.
  • the interface 35 does not necessarily have to be strictly flat and may have a portion having some inclination or recesses or protrusions.
  • the electric fields generated in the concave portion or the convex portion may weaken each other, and a strong electric field may not be concentrated in the vicinity of the interface 35. In that case, the amount of change in the refractive index of the portion of the electro-optical material layer 30 near the interface 35 may be small. Further, the light 32 may be lost due to the scattering of the light 32 by the concave or convex portion of the interface 35.
  • the interface 35 when the interface 35 is flat, a strong electric field is concentrated in the Z direction near the interface 35. As a result, the amount of change in the refractive index of the portion of the electro-optical material layer 30 near the interface 35 can be increased. Further, the flat interface 35 suppresses the loss of light 32.
  • the amount of change in the refractive index of the electro-optical material layer 30 is described by a tensor. Therefore, the refractive index of the electro-optical material layer 30 can change in a plurality of directions depending on the direction of the applied electric field. The amount of change in the refractive index of the electro-optical material layer 30 differs depending on the plurality of directions.
  • the refractive index of the electro-optical material layer 30 changes in the X direction and Y. It changes in the direction and the Z direction.
  • the amount of change in the refractive index of the electro-optical material layer 30 becomes maximum in the Z direction.
  • the phase of the light 32 in the TM (transverse magnetic) mode can be greatly modulated.
  • the light 32 in the TM mode has an electric field parallel to the Z direction.
  • the electro-optical material layer 30 functions as an optical waveguide layer.
  • the optical phase modulator 100 may be configured so that the electrolyte layer 40 functions as an optical waveguide layer.
  • FIG. 3A and 3B are diagrams schematically showing an example of an optical phase modulator 100 in which the electrolyte layer 40 functions as an optical waveguide layer.
  • FIG. 3A schematically shows the structure of the optical phase modulator 100 as viewed from the + X direction.
  • FIG. 3B schematically shows the structure of the optical phase modulator 100 as viewed from the ⁇ Y direction.
  • the electrolyte layer 40 in this example functions as an optical waveguide layer that propagates light 42 along the X direction by total reflection.
  • the solid ellipse shown in FIG. 3A indicates that the intensity of the light 42 is high within the solid ellipse.
  • the dashed ellipse shown in FIG. 3A represents the spread of the evanescent light 44 possessed by the light 42.
  • the refractive index of the electrolyte layer 40 is higher than the refractive index around the optical phase modulator 100 and the refractive index of the electro-optical material layer 30.
  • the second electrode 20b is a transparent electrode
  • the refractive index of the electro-optical material layer 30 is higher than the refractive index of the second electrode 20b.
  • the loss of light 42 can be ignored.
  • a part of the evanescent light 44 exudes into the electro-optical material layer 30. Therefore, by applying a voltage to the pair of electrodes 20 to change the refractive index of the electro-optical material layer 30, the phase of the light 42 can be modulated through a part of the evanescent light 44.
  • the first electrode 20a may be a transparent electrode or a metal electrode. If the thickness of the electro-optical material layer 30 is sufficiently thick, the evanescent light 44 of the light 42 does not reach the first electrode 20a. Therefore, even if the first electrode 20a is a metal electrode, the loss of the light 42 can be ignored.
  • a waveguide mode is present when the electro-optical material layer 30 and / or the electrolyte layer 40 has a width and thickness equal to or greater than a predetermined value.
  • the electro-optical material layer 30 and / or the electrolyte layer 40 functions as an optical waveguide layer.
  • the width and thickness of each of the electro-optical material layer 30 and the electrolyte layer 40 form an optical waveguide layer in which at least one of the electro-optical material layer 30 and the electrolyte layer 40 propagates light 32 or 42 along the X direction. It is set to a value.
  • the substrate 10, the pair of electrodes 20, the electro-optical material layer 30, and the electrolyte layer 40 have a structure extending in the X direction. That is, the electro-optical material layer 30 and / or the electrolyte layer 40 functions as a channel optical waveguide.
  • the substrate 10, the pair of electrodes 20, the electro-optical material layer 30, and the electrolyte layer 40 may have a structure extending not only in the X direction but also in the Y direction. That is, the electro-optical material layer 30 and / or the electrolyte layer 40 may function as a flat plate optical waveguide.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the optical phase modulator 110 in the first modification.
  • the electro-optical material layer 30 is embedded in the electrolyte layer 40.
  • the electrolyte layer 40 has portions in contact with the upper surface and both side surfaces of the electro-optical material layer 30.
  • the electro-optical material layer 30 and the electrolyte layer 40 have a first interface 35a parallel to the XY plane, and a second interface 35b and a third interface 35c parallel to the XZ plane.
  • the pair of electrodes 20 directly or indirectly sandwich the electro-optical material layer 30 and the electrolyte layer 40.
  • the refractive index of the electro-optical material layer 30 is higher than the refractive index of the electrolyte layer 40.
  • the arrangement of the electro-optical material layer 30 and the electrolyte layer 40 shown in FIG. 4 can be easily realized by depositing the electrolyte layer 40 in a region wider than the width of the electro-optical material layer 30. Further, by applying an electric field in the Y direction, a strong electric field can be generated in the vicinity of the second interface 35b and the third interface 35c.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing the optical phase modulator 120 in the second modification.
  • the first electro-optical material layer 30a, the second electro-optic material layer 30b, and the third electro-optical material layer 30c are located instead of the electro-optical material layer 30, the first electro-optical material layer 30a, the second electro-optic material layer 30b, and the third electro-optical material layer 30c are located.
  • the refractive index of each of the first electro-optical material layer 30a, the second electro-optical material layer 30b, and the third electro-optical material layer 30c is higher than the refractive index of the electrolyte layer 40.
  • the third electrode 20ba, the fourth electrode 20bb, and the fifth electrode 20bc are located in place of the second electrode 20b shown in FIG.
  • a DC voltage is applied to the third electrode 20ba, the fourth electrode 20bb, and the fifth electrode 20bc, respectively.
  • Each of the third electrode 20ba, the fourth electrode 20bb, and the fifth electrode 20bc and a part of the first electrode 20a facing each other can be considered as a pair of electrodes.
  • the third electrode 20ba, the fourth electrode 20bb, and the fifth electrode 20bc allow the first electro-optical material layer 30a, the second electro-optical material layer 30b, and the third electricity.
  • the refractive index of the optical material layer 30c can be changed separately.
  • the first light 32a, the second light 32b, and the third light 32b propagating through the first electro-optical material layer 30a, the second electro-optical material layer 30b, and the third electro-optical material layer 30c, respectively.
  • the phase of the light 32c can be adjusted separately.
  • the optical phase modulator 120 in this modification includes a plurality of electro-optical material layers, an electrolyte layer 40, a plurality of pairs of electrodes, and a control circuit 50.
  • Each of the plurality of electro-optical material layers has a structure extending at least in the X direction.
  • the refractive index of each of the plurality of electro-optical material layers changes due to the Pockels effect or the Kerr effect.
  • the electrolyte layer 40 is in contact with at least a part of each of the plurality of electro-optical material layers.
  • the electrolyte layer 40 has a structure extending at least in the X direction.
  • Each of the plurality of pairs of electrodes directly or indirectly sandwiches the one of the plurality of electro-optical material layers and the electrolyte layer 40 in a direction intersecting the interface with the electrolyte layer 40. ..
  • the width and thickness of each of the plurality of electro-optical material layers are set to values that form an optical waveguide layer that propagates light along the X direction.
  • the control circuit 50 applies a voltage to each of the plurality of pairs of electrodes to change the refractive index of one of the plurality of electro-optical material layers, thereby propagating the phase of light propagating in the one of the plurality of electro-optical material layers. Modulate.
  • control circuit 50 may apply a voltage to all of the plurality of pairs of electrodes to modulate the phase of the propagating light in all of the plurality of electro-optical material layers. Further, the control circuit 50 may selectively apply a voltage to any one of a plurality of pairs of electrodes to modulate the phase of light propagating in the electro-optical material layer corresponding to the pair of electrodes.
  • FIGS. 6A to 6G are diagrams schematically showing the optical phase modulators 130a to 130g in the third to ninth modifications, respectively.
  • a dielectric member 60 is further provided in addition to the components shown in FIG. 1A.
  • the electro-optical material layer 30 functions as an optical waveguide layer.
  • the electrolyte layer 40 functions as an optical waveguide layer.
  • At least one of the pair of electrodes 20 is equal to or larger than the width of the interface 35.
  • the electric field generated between the pair of electrodes 20 becomes more parallel in the Z direction.
  • the electric field can be effectively applied to the entire portion of the electro-optical material layer 30 that overlaps the interface 35 and the entire portion of the electrolyte layer 40 that overlaps the interface 35 when viewed from the Z direction. ..
  • the amount of change in the refractive index of the electro-optical material layer 30 becomes large.
  • FIGS. 6A and 6D when both of the pair of electrodes 20 are equal to or greater than the width of the interface 35, an electric field can be applied more effectively to the entire portion.
  • both of the pair of electrodes 20 are equal to or greater than the width of the electro-optical material layer 30.
  • the first electrode 20a is equal to or larger than the width of the electro-optical material layer 30.
  • the second electrode 20b is equal to or larger than the width of the electro-optical material layer 30.
  • both of the pair of electrodes 20 are equal to or greater than the width of the electrolyte layer 40.
  • the first electrode 20a is equal to or larger than the width of the electrolyte layer 40.
  • the second electrode 20b is equal to or larger than the width of the electrolyte layer 40.
  • the width of one of the electro-optical material layer 30 and the electrolyte layer 40 is equal to or greater than the width of the other.
  • the width of the electrolyte layer 40 is equal to or larger than the width of the electro-optical material layer 30.
  • the width of the electro-optical material layer 30 is equal to or larger than the width of the electrolyte layer 40. That is, the width of the electro-optical material layer 30 and the electrolyte layer 40 that do not function as the optical waveguide layer is set to be equal to or larger than the width of the one that functions as the optical waveguide layer.
  • the electric double layer is formed on the entire surface including the interface 35 among those functioning as the optical waveguide layer.
  • the width that does not actually function as the optical waveguide layer is the width of the optical waveguide layer.
  • the dielectric member 60 is located on both sides of the electro-optical material layer 30.
  • the dielectric member 60 is located on both sides of the first electrode 20a and on both sides of the electro-optical material layer 30.
  • the width of the electrolyte layer 40 can be laminated to be equal to or larger than the width of the electro-optical material layer 30.
  • the refractive index of the dielectric member 60 is lower than the refractive index of the electro-optical material layer 30.
  • the dielectric member 60 is located on both sides of the electrolyte layer 40.
  • the dielectric member 60 is located on both sides of the first electrode 20a and on both sides of the electrolyte layer 40.
  • the dielectric member 60 is located on both sides of the first electrode 20a.
  • the width of the second electrode 20b can be made wider than or equal to the width of the electrolyte layer 40 by the dielectric members 60 located on both sides of the electrolyte layer 40 shown in FIGS. 6D and 6F.
  • the width of the electro-optical material layer 30 can be made larger than the width of the electrolyte layer 40 by the dielectric members 60 located on both sides of the first electrode 20a shown in FIGS. 6F and 6G.
  • the refractive index of the dielectric member 60 is lower than the refractive index of the electrolyte layer 40.
  • the refractive index of the dielectric members 60 located on both sides of the first electrode 20a shown in FIGS. 6F and 6G does not have to be lower than the refractive index of the electrolyte layer 40, and is equal to or higher than the refractive index of the electrolyte layer 40. There may be.
  • FIG. 7 is a flowchart showing the manufacturing process of the optical phase modulator 100.
  • the method for manufacturing the optical phase modulator 100 includes the following steps S101 to S104.
  • step S101 an MgO substrate formed from an MgO (100) single crystal is prepared.
  • the MgO substrate corresponds to the substrate 10 shown in FIGS. 1A and 1B.
  • the LSSO layer and the KTN layer are formed on the main surface of the MgO substrate by epitaxial growth in this order.
  • the LSSO layer corresponds to the first electrode 20a shown in FIGS. 1A and 1B.
  • the LSSO layer exhibits electrical conductivity.
  • the LSSO layer is oriented in the [100] direction.
  • the thickness of the LSSO layer is 200 nm.
  • the KTN layer corresponds to the electro-optical material layer 30 shown in FIGS. 1A and 1B.
  • the thickness of the KTN layer is 500 nm.
  • Pulsed Laser Deposition is used to form the LSSO layer and the KTN layer.
  • the MgO substrate and the target formed from LSSO are arranged to face each other.
  • the facing distance is 40 mm.
  • O 2 gas By injecting O 2 gas after evacuating the inside of the vacuum chamber, the pressure inside the vacuum chamber becomes 10 Pa.
  • the MgO substrate is heated to 700 ° C.
  • the target formed from the LSSO is irradiated with an excimer laser. As a result, the LSSO layer is deposited on the main surface 10s of the MgO substrate.
  • the MgO substrate on which the LSSO layer is formed on the main surface 10s is heated to 700 ° C., and the target formed from KTN is irradiated with an excimer laser. As a result, the KTN layer is deposited on the LSSO layer. After cooling, the MgO substrate containing the LSSO layer and the KTN layer is removed from the vacuum chamber.
  • a LiPON layer is formed on the KTN layer.
  • the LiPON layer corresponds to the electrolyte layer 40 shown in FIGS. 1A and 1B.
  • the thickness of the LiPON layer is 600 nm.
  • a sputtering method is used to form the LiPON layer.
  • the MgO substrate containing the LSSO layer and the KTN layer and the target formed from LiPON are arranged so as to face each other.
  • the facing distance is 45 mm.
  • Ar / O 2 (7: 3) gas By injecting Ar / O 2 (7: 3) gas after evacuating the inside of the vacuum chamber, the pressure inside the vacuum chamber becomes 1.5 Pa.
  • the LiPON layer is deposited on the KTN layer by sputtering at an RF power of 50 W for 1 hour.
  • step S104 an ITO layer formed of 10 wt% SnO 2- doped In 2 O 3 is formed on the LiPON layer.
  • the ITO layer corresponds to the second electrode 20b shown in FIGS. 1A and 1B.
  • the thickness of the second electrode 20b is 100 nm.
  • the same sputtering method as described above is used for forming the ITO layer.
  • the refractive indexes of the LSSO layer, the KTN layer, and the LiPON layer are about 2.0, 2.2, and 1.7, respectively. Therefore, the KTN layer having the highest refractive index functions as an optical waveguide layer.
  • the refractive index of the KTN layer can be changed in the range of about 2.0 to about 2.2. As a result, the phase of the light 32 propagating in the KTN layer can be modulated.
  • the laminated structure produced by steps S101 to S104 can be patterned into an arbitrary shape by photolithography and dry etching.
  • the width of the laminated structure is designed to be, for example, 1 ⁇ m because there is a 0th-order TM mode in which the wavelength in air is 1550 nm.
  • the laminated structure may be patterned on a Mach-Zehnder type optical switching device or an optical phased array described later.
  • the control circuit 50 changes the refractive index of the electro-optical material layer 30 by changing the value of the DC voltage applied to the pair of electrodes 20. As a result, the phase of the light 32 propagating in the electro-optical material layer 30 is modulated.
  • An application example using the phase modulation of the light 32 will be described below.
  • the optical phase modulator 100 in this embodiment can be applied to, for example, a Mach-Zehnder type optical switching device.
  • FIG. 8 is a plan view schematically showing an example of a Mach-Zehnder type optical switching device 200.
  • the optical switching device 200 includes an input waveguide 200a, two branched optical waveguides 200b, and an output waveguide 200c.
  • the two branched optical waveguides 200b are located between the input waveguide 200a and the output waveguide 200c.
  • the reflection of light at the branch point A on the input waveguide 200a side and the branch point B on the output waveguide 200c side is not considered.
  • one of the optical waveguides includes the optical phase modulator 100 in this embodiment.
  • ⁇ 2 ⁇ / ⁇
  • ⁇ nL 2 ⁇ / ⁇
  • the phases of the light output from the two branched optical waveguides 200b are in phase with each other. Therefore, when two lights having the same phase are input to the output waveguide 200c, the two lights overlap each other. Therefore, the intensity I out of the light output from the output waveguide 200c is equal to the intensity I in of the light input to the input waveguide 200a.
  • ⁇ ⁇ can be set by adjusting the value of the DC voltage applied to the pair of electrodes 20 in the optical phase modulator 100.
  • the phases of the light output from the two branched optical waveguides 200b are opposite to each other. Therefore, when two lights having opposite phases are input to the output waveguide 200c, the two lights cancel each other out. Therefore, the intensity I out of the light output from the output waveguide 200c becomes 0.
  • the intensity I out of the light output from the output waveguide 200c of the optical switching device 200 is changed from I in to 0. Can be adjusted continuously.
  • the optical phase modulator 100 capable of modulating the refractive index at a large speed and at a high speed enables the optical switching device 200 to be miniaturized and the intensity modulation of the light output from the optical switching device 200 to be accelerated.
  • optical phase modulator 100 in this embodiment can be applied to, for example, an optical phased array 300.
  • 9A and 9B are diagrams schematically showing an example of an optical phased array 300.
  • the optical phased array 300 includes a plurality of optical waveguides 300w arranged in the Y direction.
  • Each of the plurality of optical waveguides 300w includes the optical phase modulator 100 in this embodiment.
  • the plurality of lights output from the plurality of optical waveguides 300w interfere with each other.
  • the interference light output from the optical phased array 300 propagates in a specific direction.
  • the broken lines represent the wave planes of the plurality of lights output from the plurality of optical waveguides 300w, respectively.
  • the solid line represents the wave surface of the interference light output from the optical phased array 300.
  • the plurality of optical waveguides 300w are arranged at equal intervals, but may be arranged at different intervals.
  • the phases of the light output from the plurality of optical waveguides 300w are in phase. Therefore, the interference light output from the optical phased array 300 propagates in the same direction as the X direction in which the plurality of optical waveguides 300w extend.
  • the phase of the light output from the plurality of optical waveguides 300w is ⁇ along the Y direction. It increases little by little. Therefore, the interference light output from the optical phased array 300 propagates in a direction different from the X direction in which the plurality of optical waveguides 300w extend.
  • the propagation direction of the interference light output from the optical phased array 300 can be adjusted by changing the DC voltage applied to the pair of electrodes 20 in the optical phase modulator 100. That is, light beam scanning becomes possible. Further, the optical phased array 300 can also detect light incident from a specific direction. In the example shown in FIGS. 9A and 9B, the optical phased array 300 can detect incident light from the direction opposite to the arrow.
  • the optical phase modulator 100 capable of modulating the refractive index at high speed makes it possible to reduce the size of the optical phased array 300 and to increase the speed and widening of the optical scan of the optical phased array 300.
  • the optical phased array 300 can be used, for example, as an antenna in an optical scanning system such as a LiDAR (Light Detection and Ranking) system and / or an optical detection system.
  • an optical scanning system such as a LiDAR (Light Detection and Ranking) system and / or an optical detection system.
  • the LiDAR system electromagnetic waves having a short wavelength such as visible light, infrared rays, or ultraviolet rays are used as compared with a radar system using radio waves such as millimeter waves. Therefore, the distance distribution of the object can be scanned and detected with high resolution.
  • a LiDAR system can be mounted on a moving body such as an automobile, a UAV (Unmanned Aerial Vehicle, so-called drone), or an AGV (Automated Guided Vehicle), and can be used as one of collision avoidance technologies.
  • UAV Unmanned Aerial Vehicle, so-called drone
  • AGV Automatic Guided Vehicle
  • the optical device according to the embodiment of the present disclosure can be used, for example, as a Mach-Zehnder type optical switching device or a LiDAR system mounted on a vehicle such as an automobile, UAV, or AGV.

Landscapes

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Abstract

光位相変調器は、少なくとも第１の方向に延びた構造を有し、ポッケルス効果またはカー効果によって屈折率が変化する電気光学材料層と、前記電気光学材料層に接し、少なくとも前記第１の方向に延びた構造を有する電解質層と、前記電気光学材料層および前記電解質層に電圧を印加するための第１の電極および第２の電極と、前記電圧を制御して前記電気光学材料層の前記屈折率を変化させることにより、前記電気光学材料層または前記電解質層を前記第１の方向に沿って伝搬する光の位相を変調する制御回路と、を備える。

Description

光位相変調器、および光位相変調方法
　本開示は、光位相変調器、および光位相変調方法に関する。
　従来、屈折率を変化させる多くのデバイスが提案されている（例えば、特許文献１および２、ならびに非特許文献１から４）。屈折率は、様々な光学効果によって変化させることができる。光導波路の屈折率を変化させれば、光導波路を伝搬する光の位相を変調することができる。
特開２０１７－４４８５６号公報 特開平７－１６８２１４号公報
N. Hosseini, et. Al., "Stress-optic modulator in TriPleX platform using a piezoelectric lead zirconate titanate (PZT) thin film"Opt. Exp., 23, 14018 (2015). M. R. Watts, "Adiabatic thermo-optic Mach-Zehnder switch", Opc. Lett., 38, 733 (2013). A. Yaacobi, "Integrated phased array for wide-angle beam steering", Opt. Lett., 39, 4575 (2014). K. Fujiwara, et. al., "KTN optical waveguide devices with an extremely large electro-optic effect", Proc. of SPIE, 5623, 518 (2005).
　本開示は、電気光学効果を用いて、光導波路を伝搬する光の位相を大きくかつ高速に変調することができる光位相変調器を提供する。
　本開示の一態様に係る光位相変調器は、少なくとも第１の方向に延びた構造を有し、ポッケルス効果またはカー効果によって屈折率が変化する電気光学材料層と、前記電気光学材料層に接し、少なくとも前記第１の方向に延びた構造を有する電解質層と、前記電気光学材料層および前記電解質層に電圧を印加するための第１の電極および第２の電極と、前記電圧を制御して前記電気光学材料層の前記屈折率を変化させることにより、前記電気光学材料層または前記電解質層を前記第１の方向に沿って伝搬する光の位相を変調する制御回路と、を備える。
　本開示によれば、電気光学効果を用いて、光導波路を伝搬する光の位相を大きくかつ高速に変調することができる。
図１Ａは、本開示の例示的な実施形態における光位相変調器を模式的に示すＸ方向から見た側面図である。 図１Ｂは、本開示の例示的な実施形態における光位相変調器を模式的に示すＹ方向から見た側面図である。 図２Ａは、一対の電極に電圧を印加したときの、一対の電極、電気光学材料層、および電解質層内の電荷分布を模式的に示す図である。 図２Ｂは、一対の電極間での、第１の電極の上面からＺ方向に沿った距離と、電位との関係を模式的に示す図である。 図２Ｃは、一対の電極間での、第１の電極の上面からＺ方向に沿った距離と、電界の強度との関係を模式的に示す図である。 図３Ａは、電解質層が光導波層として機能する光位相変調器の例を模式的に示すＸ方向から見た側面図である。 図３Ｂは、電解質層が光導波層として機能する光位相変調器の例を模式的に示すＹ方向から見た側面図である。 図４は、第１の変形例における光位相変調器を模式的に示す図である。 図５は、第２の変形例における光位相変調器を模式的に示す図である。 図６Ａは、第３の変形例における光位相変調器を模式的に示す図である。 図６Ｂは、第４の変形例における光位相変調器を模式的に示す図である。 図６Ｃは、第５の変形例における光位相変調器を模式的に示す図である。 図６Ｄは、第６の変形例における光位相変調器を模式的に示す図である。 図６Ｅは、第７の変形例における光位相変調器を模式的に示す図である。 図６Ｆは、第８の変形例における光位相変調器を模式的に示す図である。 図６Ｇは、第９の変形例における光位相変調器を模式的に示す図である。 図７は、光位相変調器の製造工程を示すフローチャートである。 図８は、マッハ・ツェンダー型の光スイッチングデバイスの例を模式的に示す平面図である。 図９Ａは、光フェーズドアレイの第１の例を模式的に示す図である。 図９Ｂは、光フェーズドアレイの第２の例を模式的に示す図である。
　本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。
　非特許文献１は、応力によって屈折率が変化する応力光学効果（ｓｔｒｅｓｓ－ｏｐｔｉｃ　ｅｆｆｅｃｔ）を用いた光位相変調器を開示している。非特許文献１に開示されている光位相変調器では、光導波路上に積層された圧電体に電圧を印加することにより、圧電体が変形する。圧電体の変形に起因して、光導波路に応力がかかり、光導波路の屈折率が変化する。屈折率の変化に起因して、光導波路中を伝搬する光の位相が変調される。圧電体による光導波路の屈折率の変化量は小さく、例えば１０－６程度のオーダーである。このため、光導波路を長くしなければ、光の位相を大きく変調することができない。光導波路を長くすることは、光位相変調器の大型化を招く。
　非特許文献２および３は、熱によって屈折率が変化する熱光学効果（ｔｈｅｒｍｏ－ｏｐｔｉｃ　ｅｆｆｅｃｔ）を用いた光位相変調器を開示している。熱光学効果による屈折率の変化量は大きく、例えば１０－２程度のオーダーである。このため、光位相変調器が小さい場合でも、光の位相を大きく変調することができる。しかし、熱光学効果による屈折率の変調速度は低く、例えば数百ｋＨｚを超える高速の変調を実現することができない。
　非特許文献４は、電界を印加することによって屈折率が変化する電気光学効果（ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃ　ｅｆｆｅｃｔ）を用いた光位相変調器を開示している。代表的な電気光学効果として、ポッケルス（Ｐｏｃｋｅｌｓ）効果、およびカー（Ｋｅｒｒ）効果が知られている。電界が印加されていないとき、屈折率の変化量はゼロである。ポッケルス効果では、屈折率の変化量は、電気光学材料固有の電気光学定数と、印加された電界の強度との積によって決定される。カー効果では、屈折率の変化量は、電気光学定数と、印加された電界の強度の２乗との積によって決定される。屈折率の変化により、電気光学材料を伝搬する光の位相が変調される。電気光学効果による屈折率の変調速度は高く、例えば数十ＭＨｚ以上の変調を実現することができる。
　電気光学効果を用いた光位相変調器では、印加された電界が強いほど、屈折率の変化量は大きい。しかし、印加される電界の強度は、電気光学材料の絶縁破壊電界強度よりも低い強度に制限される。このため、屈折率の変化量は１０－４程度のオーダーであり、それほど大きくならない。
　特許文献１は、電気光学効果を用いた光変調装置を開示している。特許文献１に開示されている装置では、電気光学材料層が電解質層に接している。電気光学材料層および電解質層に外部から電圧を印加すると、電気光学材料層と電解質層との界面付近で、強い電界が発生する。当該電界の強度は、電気光学材料層の絶縁破壊電界強度を超える。そのような強い電界が印加されることにより、電気光学材料層の屈折率を大きく変化させることができる。特許文献１に開示されている装置では、電気光学材料層の屈折率を変化させることにより、電気光学材料層を光が透過する状態と、電気光学材料層で光が反射される状態とを切り替えることができる。この光変調装置は、光スイッチング素子として利用される。電気光学材料層または電解質層を光導波路として利用することは想定されていない。
　特許文献２は、エレクトロクロミック効果（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｒｏｍｉｃ　ｅｆｆｅｃｔ）を用いた光スイッチを開示している。特許文献２に開示されている光スイッチでは、光導波路が、エレクトロクロミック材料層によって囲まれている。エレクトロクロミック材料層は電解質層に接している。エレクトロクロミック材料層および電解質層に電圧が印加される。これにより、当該エレクトロクロミック材料層内で、酸化還元反応が生じ、エレクトロクロミック材料層の電子構造が変化する。当該電子構造の変化により、エレクトロクロミック材料層の屈折率が変化する。酸化反応または還元反応は、外部から印加される電圧の極性に応じて可逆的に生じる。電圧を印加しなくても、酸化状態または還元状態が保持される。言い換えれば、一旦屈折率を変化させた後は、逆極性の電圧を印加しなければ、屈折率を戻すことはできない。この構造では、屈折率の変化量は１０－３程度のオーダーである。変調速度は非常に遅く、せいぜい数Ｈｚである。この光スイッチでは、電解質層は、エレクトロクロミック材料層を酸化または還元させるために設けられている。
　以上のように、上記のデバイスのいずれにおいても、光導波路を伝搬する光の位相を大きくかつ高速に変調することはできない。
　本発明者は、以上の検討に基づき、光導波路を伝搬する光の位相を大きくかつ高速に変調することができる以下の項目に記載の光位相変調器に想到した。
　第１の項目に係る光位相変調器は、少なくとも第１の方向に延びた構造を有し、ポッケルス効果またはカー効果によって屈折率が変化する電気光学材料層と、前記電気光学材料層に接し、少なくとも前記第１の方向に延びた構造を有する電解質層と、前記電気光学材料層および前記電解質層に電圧を印加するための第１の電極および第２の電極と、前記電圧を制御して前記電気光学材料層の前記屈折率を変化させることにより、前記電気光学材料層または前記電解質層を前記第１の方向に沿って伝搬する光の位相を変調する制御回路と、を備える。
　この光位相変調器では、電気光学材料層と電解質層との界面付近で発生する強電界、および電気光学材料層の速い応答性により、電気光学材料層または電解質層を伝搬する光の位相を大きくかつ高速に変調することができる。
　第２の項目に係る光位相変調器は、第１の項目に係る光位相変調器において、前記第１の電極および前記第２の電極の少なくとも一方の幅が、前記電気光学材料層と前記電解質層との界面の幅よりも大きい。
　この光位相変調器では、第１の電極と第２の電極と間に発生する電界は、界面に垂直な方向に、より平行になる。これにより、電気光学材料層および電解質層に、有効に電界を印加することができる。
　第３の項目に係る光位相変調器は、第１または第２の項目に係る光位相変調器において、前記電解質層の幅が、前記電気光学材料層の幅よりも大きい。
　この光位相変調器では、電気光学材料層のうち、電気光学材料層と電解質層と界面を含む表面全体に、電気二重層を形成することができる。
　第４の項目に係る光位相変調器は、第１または第２の項目に係る光位相変調器において、前記電気光学材料層の幅が、前記電解質層の幅よりも大きい。
　この光位相変調器では、電解質層のうち、電気光学材料層と電解質層と界面を含む表面全体に、電気二重層を形成することができる。
　第５の項目に係る光位相変調器は、第１から第４の項目のいずれかに係る光位相変調器において、前記電気光学材料層が、前記電気光学材料層と前記電解質層との界面に垂直な方向に沿って配向した結晶構造を有する。
　この光位相変調器では、電気光学材料層の屈折率は、界面に垂直な方向において最も大きく変化する。これにより、当該方向に平行な電界を有する光の位相を大きく変調することができる。
　第６の項目に係る光位相変調器は、第１から第５の項目のいずれかに係る光位相変調器において、前記電気光学材料層が、前記電解質層に埋め込まれている。
　この光位相変調器では、電気光学材料層および電解質層の上記の配置は、電気光学材料層の幅よりも広い領域に電解質層を堆積することによって容易に実現することができる。
　第７の項目に係る光位相変調器は、第１から第６の項目のいずれかに係る光位相変調器において、前記第１の電極および前記第２の電極の少なくとも一方が、透明電極である。
　この光位相変調器では、電気光学材料層または電解質層を伝搬する光のエバネッセント光が第１の電極または第２の電極に到達しても、光のロスを無視することができる。
　第８の項目に係る光位相変調器は、第１から第７の項目のいずれかに係る光位相変調器において、前記電気光学材料層が、タンタル酸ニオブ酸カリウムから形成されている。
　この光位相変調器では、電気光学材料層は、常温付近で高い電気光学効果を示す。
　第９の項目に係る光位相変調器は、各々が少なくとも第１の方向に延びた構造を有し、ポッケルス効果またはカー効果によって各々の屈折率が変化する、複数の電気光学材料層と、前記複数の電気光学材料層の各々に接し、少なくとも前記第１の方向に延びた構造を有する電解質層と、各々が、前記複数の電気光学材料層の１つと前記電解質層との界面の少なくとも一部に交差する方向において、前記複数の電気光学材料層の前記１つおよび前記電解質層を直接的または間接的に挟む、複数対の電極と、前記複数対の電極の各々に電圧を印加して前記複数の電気光学材料層の１つの前記屈折率を変化させることにより、前記複数の電気光学材料層の前記１つを前記第１の方向に沿って伝搬する光の位相を変調する制御回路と、を備える。
　この光位相変調器では、複数の電気光学材料層を伝搬する光の位相を、別々に、大きくかつ高速に調整することができる。
　第１０の項目に係る光位相変調方法は、光位相変調器を用いた光位相変調方法である。前記光位相変調器は、少なくとも第１の方向に延びた構造を有し、ポッケルス効果またはカー効果によって屈折率が変化する電気光学材料層と、前記電気光学材料層に接し、少なくとも前記第１の方向に延びた構造を有する電解質層と、前記電気光学材料層と前記電解質層とに電圧を印加するための第１の電極および第２の電極と、を備える。前記光位相変調方法は、前記電気光学材料層または前記電解質層に、前記第１の方向に沿って光を伝搬させ、前記電圧を制御して前記屈折率を変化させることにより、前記光の位相を変調する。
　この光位相変調方法では、電気光学材料層と電解質層との界面付近で発生する強電界、および電気光学材料層の速い応答性により、電気光学材料層または電解質層を伝搬する光の位相を大きくかつ高速に変調することができる。
　第１１の項目に係る光位相変調方法は、第１０の項目に係る光位相変調方法において、前記光の位相を変調する期間では、前記光が前記電気光学材料層と前記電解質層との界面で全反射する状態が保たれる。
　この光位相変調方法では、電気光学材料層および電解質層のうち、一方を伝搬する光が、他方に移ることはない。
　本開示において、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部、またはブロック図における機能ブロックの全部または一部は、例えば、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、またはＬＳＩ（ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む１つまたは複数の電子回路によって実行され得る。ＬＳＩまたはＩＣは、１つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、１つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、もしくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、またはＬＳＩ内部の接合関係の再構成またはＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ　ｌｏｇｉｃ　ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。
　さらに、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部の機能または動作は、ソフトウェア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウェアは１つまたは複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウェアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウェアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システムまたは装置は、ソフトウェアが記録されている１つまたは複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、および必要とされるハードウェアデバイス、例えばインターフェースを備えていてもよい。
　本開示において、「光」とは、可視光（波長が約４００ｎｍ～約７００ｎｍ）だけでなく、紫外線（波長が約１０ｎｍ～約４００ｎｍ）および赤外線（波長が約７００ｎｍ～約１ｍｍ）を含む電磁波を意味する。
　以下、図面を参照しながら、本開示のより具体的な実施形態を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略することがある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。
　（実施形態）
　図１Ａおよび図１Ｂは、本開示の例示的な実施形態における光位相変調器１００を模式的に示す図である。以下の説明において、図１Ａおよび図１Ｂに示す互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸からなる座標系を用いる。説明の便宜上、＋Ｚ方向を「上方向」と称し、－Ｚ方向を「下方向」と称する。これらの呼称は、便宜上のものにすぎず、現実に使用される光位相変調器１００の配置または姿勢を限定することを意図するものではない。以下の説明では、Ｘ方向における寸法を「長さ」と称し、Ｙ方向における寸法を「幅」と称し、Ｚ方向における寸法を「厚さ」と称する。
　図１Ａは、＋Ｘ方向から見た光位相変調器１００の構造を模式的に示している。図１Ｂは、－Ｙ方向から見た光位相変調器１００の構造を模式的に示している。
　光位相変調器１００は、基板１０と、第１の電極２０ａおよび第２の電極２０ｂと、電気光学材料層３０と、電解質層４０と、制御回路５０とを備える。
　基板１０は、ＸＹ平面に平行な主面１０ｓを有する。第１の電極２０ａは、基板１０の主面１０ｓ上に位置する。電気光学材料層３０は、第１の電極２０ａ上に位置する。電解質層４０は、電気光学材料層３０上に位置する。第２の電極２０ｂは、電解質層４０上に位置する。すなわち、基板１０、第１の電極２０ａ、電気光学材料層３０、電解質層４０、および第２の電極２０ｂは、この順に積層されている。第１の電極２０ａおよび第２の電極２０ｂを、「一対の電極２０」と称することがある。基板１０と、第１の電極２０ａおよび第２の電極２０ｂと、電気光学材料層３０と、電解質層４０とは、少なくともＸ方向に延びた構造を有する。
　以下に、各構成要素をより具体的に説明する。
　基板１０は、一対の電極２０、電気光学材料層３０、および電解質層４０を支持する。基板１０は、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、およびα－アルミナ（α－Ａｌ２Ｏ３）からなる群から選択される少なくとも１つから形成され得る。基板１０は、不要であれば省略してもよい。
　一対の電極２０は、Ｚ方向において、電気光学材料層３０および電解質層４０を直接的または間接的に挟む。「直接的に挟む」とは、第１の電極２０ａと電気光学材料層３０とが接し、第２の電極２０ｂと電解質層４０とが接することを意味する。「間接的に挟む」とは、第１の電極２０ａと電気光学材料層３０との間、および／または、第２の電極２０ｂと電解質層４０との間に他の部材が位置することを意味する。当該他の部材は、誘電体部材であってもよいし、空気などの気体であってもよし、水などの液体であってもよい。本明細書では、Ｘ方向を「第１の方向」と称し、Ｙ方向を「第２の方向」と称し、Ｚ方向を「第３の方向」と称することがある。
　一対の電極２０の各々は、ＸＹ平面に平行な面を有する。一対の電極２０には、直流電圧が印加される。これにより、電気光学材料層３０および電解質層４０に、電界が印加される。直流電圧は、直流パルス電圧であってもよい。直流パルス電圧の電圧値の時間平均を直流電圧の値として扱ってもよい。直流パルス電圧のデューティ比を変えることにより、電圧の時間平均値を調整することができる。一対の電極２０の各々は、金属電極であってもよいし、透明電極であってもよい。第１の電極２０ａは、例えば、ＬａドープＳｒＳｎＯ３（ＬＳＳＯ）、およびＡドープＳｒｘＢａ１－ｘＳｎＯ３（Ａ＝Ｌａ、Ｔａ、またはＮｂ）からなる群から選択された少なくとも１つから形成された透明電極であり得る。第１の電極２０ａの厚さは、例えば１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり得る。第２の電極２０ｂは、例えば、ＳｎＯ２ドープＩｎ２Ｏ３（ＩＴＯ）、ＦドープＳｎＯ２（ＦＴＯ）、およびＳｂドープＴｉＯ２（ＡＴＯ）からなる群から選択された少なくとも１つから形成された透明電極であり得る。第２の電極２０ｂの厚さは、例えば１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり得る。
　電気光学材料層３０は、図１Ｂに示すように、全反射によって光３２をＸ方向に沿って伝搬させる光導波層として機能する。電気光学材料層が光導波層として機能する時、厚さおよび幅は、一つ以上のモードの光が伝搬できるものとする。図１Ａに示す楕円は、光３２の強度が当該楕円内で高いことを表している。電気光学材料層３０の屈折率は、光位相変調器１００の周辺の媒質の屈折率、ならびに基板１０および電解質層４０のそれぞれの屈折率よりも高い。第１の電極２０ａが透明電極である場合、電気光学材料層３０の屈折率は、第１の電極２０ａの屈折率よりも高い。第１の電極２０ａの屈折率は、基板１０の屈折率よりも高い。これにより、基板１０は光導波層として機能しない。第１の電極２０ａが透明電極である場合、光３２のロスは無視できる。
　電気光学材料層３０の屈折率は、ポッケルス効果またはカー効果により、印加された電界の強度に応じて変化する。印加された電界が強いほど、電気光学材料層３０の屈折率の変化量が大きくなる。電界を印加しないときは、当該変化量はゼロになる。この点で、本実施形態の装置は、前述のエレクトロクロミック効果を利用した装置とは異なる。本実施形態によれば、電圧が印加されているときだけ屈折率が初期値から変化するので、光位相変調器１００のオンおよびオフが容易である。電界印加による電気光学材料層３０の屈折率の変化により、電気光学材料層３０内を伝搬する光３２の位相を変調することができる。電気光学効果の速い応答性により、位相の変調速度は高く、例えば数十ＭＨｚ以上にすることができる。
　光３２の空気中での波長をλ、電界が印加されていないときの電気光学材料層３０の屈折率をｎ０、電界の印加による電気光学材料層３０の屈折率の変化量をΔｎ、電気光学材料層３０の長さをＬ、電気光学材料層３０を伝搬する前の光３２の位相をφ＝０とする。このとき、電気光学材料層３０を伝搬した後の光３２の位相は、φ＝（２π／λ）（ｎ０＋Δｎ）Ｌである。このうち、電界の印加による光３２の位相の変化量は、Δφ＝（２π／λ）ΔｎＬである。
　前述のように、第１の電極２０ａおよび第２の電極２０ｂの各々は、透明電極であってもよいし、金属電極であってもよい。第１の電極２０ａが透明電極である場合、光３２のロスは無視できる。電解質層４０の厚さが十分に大きい場合、光３２のエバネッセント光は、第２の電極２０ｂまで達しない。したがって、電解質層４０の厚さが十分に大きい場合は、第２の電極２０ｂが金属電極であっても、光３２のロスは無視できる。
　電気光学材料層３０は、バルクから形成されていてもよいし、薄膜から形成されていてもよい。薄膜の厚さは、例えば０．１μｍ以上１０μｍ以下であり得る。薄膜のコストは、バルクのコストよりも低い。ポッケルス効果を用いる場合、電気光学材料層３０は、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、リン酸二水素カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）、およびリン酸二水素アンモニウム（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４）からなる群から選択される少なくとも１つから形成され得る。カー効果を用いる場合、電気光学材料層３０は、例えば、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、チタン酸カリウム（ＫＴｉＯ３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ１－ｘＬａｘ）（ＺｒｙＴｉ１－ｙ）１－ｘ／４Ｏ３：ＰＬＺＴ）、およびタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ１－ｘＮｂｘＯ３：ＫＴＮ）からなる群から選択される少なくとも１つから形成され得る。この中でも、ＫＴＮは、ＮｂとＴａとの組成比を適切な比に設定することにより、常温付近で高い電気光学効果を示す。ＫＴＮは、光通信に用いられる光の波長１５５０ｎｍで透明である。したがって、ＫＴＮの光デバイスへの応用が期待されている。
　電解質層４０は、電気光学材料層３０の少なくとも一部に接している。電解質層４０は、少なくともＸ方向に延びた構造を有する。電解質層４０は、イオン伝導体から形成されている。イオン伝導体では、正イオンおよび負イオンの少なくとも一方が、外部からの電界の印加によって移動する。電解質層４０は、典型的には固体電解質層である。固体電解質層は、その組成に応じて、１０－８Ｓ／ｃｍから１０－２Ｓ／ｃｍ程度のオーダーのイオン伝導度を有し得る。電解質層４０の厚さは、例えば５００ｎｍ以上２．５μｍ以下であり得る。電解質層４０の厚さが５００ｎｍよりも薄いと、光３２のエバネッセント光が、第２の電極２０ｂに達する可能性がある。電解質層４０の厚さが２．５μｍよりも厚いと、電解質層４０の内部抵抗の増加により、電気光学材料層３０および電解質層４０に印加された電界の強度が減少する可能性がある。電解質層４０は、例えば、薄膜化が容易であるリン酸リチウムオキシナイトライド（Ｌｉ３ＰＯ４－ｙＮｙ：ＬｉＰＯＮ）から形成され得る。ＬｉＰＯＮのイオン伝導度は、１０－６Ｓ／ｃｍ程度のオーダーである。
　制御回路５０は、一対の電極２０に直流電圧を印加する。図１Ａに示す矢印付きの破線は、制御回路５０から一対の電極２０に信号が入力されることを表している。制御回路５０は、一対の電極２０に電圧を印加して電気光学材料層３０の屈折率を変化させることにより、電気光学材料層３０をＸ方向に沿って伝搬する光３２の位相を変調する。光３２の位相を変調する期間において、光３２が界面３５で全反射する状態が保たれる。すなわち、光位相変調器１００では、電気光学材料層３０の屈折率を変化させても、電気光学材料層３０の屈折率と、電解質層４０の屈折率との大小関係は、逆転しない。したがって、電気光学材料層３０および電解質層４０のうち、一方を伝搬する光が、他方に移ることはない。
　制御回路５０は、例えばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などのプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、または中央演算処理装置（ＣＰＵ）もしくは画像処理用演算プロセッサ（ＧＰＵ）とコンピュータプログラムとの組み合わせによって実現されてもよい。なお、以下の図では、制御回路５０を省略することがある。
　図２Ａは、一対の電極２０に電圧を印加したときの、一対の電極２０、電気光学材料層３０、および電解質層４０内の電荷分布を模式的に示す図である。図２Ａの上段は、図１に示す光位相変調器１００を表している。図２Ａの下段は、上段に示す太線によって囲まれた領域における電荷分布の例を模式的に表している。第２の電極２０ｂの電位が第１の電極２０ａの電位よりも高い場合、一対の電極２０間には、下向きの電界が発生する。図２の下段は、このときの第１の電極２０ａ内の負の電荷（－）、第２の電極２０ｂ内の正の電荷（＋）、電気光学材料層３０内の分極（＋－）、ならびに電解質層４０内の正イオン（＋）および負イオン（－）の分布を模式的に表している。
　第１の電極２０ａに含まれる負の電荷は、電気光学材料層３０の側に分布する。第２の電極２０ｂに含まれる正の電荷は、電解質層４０の側に分布する。一対の電極２０の間に発生する下方向の電界により、電解質層４０に含まれるイオンのうち、正イオンは、電気光学材料層３０の側に移動し、負イオンは、第２の電極２０ｂの側に移動する。電気光学材料層３０内では、正の電荷および負の電荷を一対とする分極が発生する。電解質層４０内の正イオンおよび負イオンの移動に起因して、電気光学材料層３０と電解質層４０との界面３５には、破線によって囲まれた電気二重層が形成される。同様に、電解質層４０と第２の電極２０ｂとの界面にも、破線によって囲まれた電気二重層が形成される。電気二重層は、キャパシタとして機能する。
　次に、図２Ｂおよび図２Ｃを参照して、電気光学材料層３０、および電解質層４０内に生じる電位および電界の強度を説明する。ただし、電気光学材料層３０は、キャリア注入されたＫＴＮから形成されているとする。
　図２Ｂは、一対の電極２０間での、第１の電極２０ａの上面からＺ方向に沿った距離Ｚと、電位Ｖとの関係を模式的に示す図である。Ｚ＝０は、第１の電極２０ａの上面の位置を表している。Ｚ＝Ｚ１は、電気光学材料層３０と電解質層４０との界面３５の位置を表している。Ｚ＝Ｚ２は、第２の電極２０ｂの下面の位置を表している。Ｖ１は、第１の電極２０ａの電位を表し、Ｖ２は、第２の電極２０ｂの電位を表している。Ｚ＝Ｚ１付近およびＺ＝Ｚ２付近では、電気二重層の形成により、電位Ｖが、距離Ｚの増加に伴い急峻に増加する。電気光学材料層３０のうち、Ｚ＝Ｚ１から離れた部分では、電位Ｖは、上記のキャリア注入に起因して、距離Ｚの増加に伴いほぼ放物線的に増加する。電解質層４０のうち、Ｚ＝Ｚ１およびＺ＝Ｚ２から離れた部分では、電位Ｖはほぼ一定である。
　図２Ｃは、一対の電極２０間での、第１の電極２０ａの上面からＺ方向に沿った距離Ｚと、電界の強度Ｅとの関係を模式的に示す図である。図２Ｃに示す電界の強度Ｅは、図２Ｂに示す電位Ｖの勾配の絶対値に相当する。電気光学材料層３０のうち、Ｚ＝Ｚ１から離れた部分では、電界の強度Ｅは、距離Ｚの増加に伴い、ほぼ直線的に増加する。電気光学材料層３０のうち、Ｚ＝Ｚ１付近の部分では、電界の強度Ｅは、最大になる（Ｅ＝Ｅｍ）。電解質層４０のうち、Ｚ＝Ｚ１付近の部分では、電界の強度Ｅは、距離Ｚの増加に伴い急峻に減少する。電解質層４０のうち、Ｚ＝Ｚ１およびＺ＝Ｚ２から離れた部分では、電界の強度Ｅはほぼゼロである（Ｅ＝０）。電解質層４０のうち、Ｚ＝Ｚ２付近の部分では、電界の強度Ｅは、距離Ｚの増加に伴い急峻に増加する。
　図２Ｃに示すように、電気光学材料層３０のうち、界面３５付近の部分では、Ｅｍの強度を有する強い電界が発生する。当該電界の強度が局所的に絶縁破壊電界の強度を超えていても、電気光学材料層３０は破壊されない。絶縁破壊電界の制限がないことから、電気光学材料層３０のうち、界面３５付近の部分の屈折率の変化量は、例えば１０－２以上のオーダーになることが期待できる。当該屈折率の変化量は、電解質層４０がない場合と比較して大きい。一方、界面３５付近から離れた部分の屈折率の変化量は平均して１０－３程度のオーダーである。このように、電気光学材料層３０の屈折率の変化量は、場所によって異なる。簡単のために、電気光学材料層３０の屈折率の変化量の空間での平均値を、電気光学材料層３０の屈折率の変化量Δｎとしてもよい。
　以上の構成により、光位相変調器１００では、速い応答性の電気光学効果を用いて、電気光学材料層３０を伝搬する光３２の位相を大きくかつ高速に変調することができる。
　本実施形態における電気光学材料層３０と電解質層４０との界面３５は平坦である。界面３５は必ずしも厳密に平坦でなくてもよく、多少の傾斜または凹部もしくは凸部を有する部分が存在していてもよい。しかし、界面３５が全体にわたって凹部または凸部を有する場合、凹部または凸部で発生する電界が弱め合い、界面３５付近には、強い電界が集中しない可能性がある。その場合、電気光学材料層３０のうち、界面３５付近の部分の屈折率の変化量が小さくなる可能性がある。また、界面３５の凹部または凸部による光３２の散乱により、光３２のロスが生じ得る。これに対し、界面３５が平坦である場合、界面３５付近には、Ｚ方向に強い電界が集中する。これにより、電気光学材料層３０の界面３５付近の部分の屈折率の変化量を大きくできる。また、平坦な界面３５により、光３２のロスが抑制される。
　電気光学材料層３０の屈折率の変化量は、テンソルによって記述される。したがって、印加された電界の方向に応じて、電気光学材料層３０の屈折率は、複数の方向において変化し得る。電気光学材料層３０の屈折率の変化量は、当該複数の方向に応じて異なる。図１Ａおよび図１Ｂに示す例において、Ｚ方向に沿って配向した結晶構造を有する電気光学材料層３０に、電界をＺ方向に印加すると、電気光学材料層３０の屈折率は、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向において変化する。電気光学材料層３０の屈折率の変化量は、Ｚ方向において最大になる。これにより、ＴＭ（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｍａｇｎｅｔｉｃ）モードでの光３２の位相を大きく変調することができる。ＴＭモードでの光３２は、Ｚ方向に平行な電界を有する。
　上記の例では、電気光学材料層３０が光導波層として機能する。電気光学材料層３０の代わりに、電解質層４０が光導波層として機能するように光位相変調器１００を構成してもよい。
　図３Ａおよび図３Ｂは、電解質層４０が光導波層として機能する光位相変調器１００の例を模式的に示す図である。図３Ａは、＋Ｘ方向から見た光位相変調器１００の構造を模式的に示している。図３Ｂは、－Ｙ方向から見た光位相変調器１００の構造を模式的に示している。
　この例における電解質層４０は、図３Ｂに示すように、全反射によって光４２をＸ方向に沿って伝搬させる光導波層として機能する。図３Ａに示す実線の楕円は、光４２の強度が当該実線の楕円内で高いことを表している。図３Ａに示す破線の楕円は、光４２が有するエバネッセント光４４の広がりを表している。電解質層４０の屈折率は、光位相変調器１００の周辺の屈折率、および電気光学材料層３０の屈折率よりも高い。第２の電極２０ｂが透明電極である場合、電気光学材料層３０の屈折率は、第２の電極２０ｂの屈折率よりも高い。第２の電極２０ｂが透明電極である場合、光４２のロスは無視できる。
　エバネッセント光４４の一部は、電気光学材料層３０に染み出す。したがって、一対の電極２０に電圧を印加して電気光学材料層３０の屈折率を変化させることにより、エバネッセント光４４の一部を介して、光４２の位相を変調することができる。第１の電極２０ａは、透明電極であってもよいし、金属電極であってもよい。電気光学材料層３０の厚さが十分厚ければ、光４２のエバネッセント光４４は、第１の電極２０ａまで達しない。したがって、第１の電極２０ａが金属電極であっても、光４２のロスは無視できる。
　電気光学材料層３０および／または電解質層４０が、所定値以上の幅および厚さを有するとき、導波モードが存在する。これにより、電気光学材料層３０および／または電解質層４０は、光導波層として機能する。電気光学材料層３０および電解質層４０の各々の幅および厚さは、電気光学材料層３０および電解質層４０の少なくとも一方がＸ方向に沿って光３２または光４２を伝搬させる光導波層を形成する値に設定されている。
　図１Ａおよび図１Ｂに示す例では、基板１０と、一対の電極２０と、電気光学材料層３０と、電解質層４０とは、Ｘ方向に延びた構造を有する。すなわち、電気光学材料層３０および／または電解質層４０は、チャネル光導波路として機能する。基板１０と、一対の電極２０と、電気光学材料層３０と、電解質層４０とは、Ｘ方向だけでなく、Ｙ方向にも延びた構造を有していてもよい。すなわち、電気光学材料層３０および／または電解質層４０は、平板光導波路として機能してもよい。
　（変形例）
　以下に、光位相変調器１００の変形例を説明する。
　図４は、第１の変形例における光位相変調器１１０を模式的に示す図である。図４に示す例では、電気光学材料層３０は、電解質層４０に埋め込まれている。電解質層４０は、電気光学材料層３０の上面および両側面に接する部分を有する。このとき、電気光学材料層３０および電解質層４０は、ＸＹ平面に平行な第１の界面３５ａ、ならびにＸＺ平面に平行な第２の界面３５ｂおよび第３の界面３５ｃを有する。一対の電極２０は、電気光学材料層３０および電解質層４０を直接的または間接的に挟む。光３２が電気光学材料層３０内を全反射によってＸ方向に伝搬する場合、電気光学材料層３０の屈折率は、電解質層４０の屈折率よりも高い。
　図４に示す電気光学材料層３０および電解質層４０の配置は、電気光学材料層３０の幅よりも広い領域に電解質層４０を堆積することによって容易に実現することができる。また、電界をＹ方向に印加することにより、第２の界面３５ｂおよび第３の界面３５ｃ付近に、強い電界を発生させることができる。
　図５は、第２の変形例における光位相変調器１２０を模式的に示す図である。図５に示す例では、電気光学材料層３０の代わりに、第１の電気光学材料層３０ａ、第２の電気光学材料層３０ｂ、および第３の電気光学材料層３０ｃが位置している。第１の電気光学材料層３０ａ、第２の電気光学材料層３０ｂ、および第３の電気光学材料層３０ｃの各々の屈折率は、電解質層４０の屈折率よりも高い。図５に示す例では、図４に示す第２の電極２０ｂの代わりに、第３の電極２０ｂａ、第４の電極２０ｂｂ、および第５の電極２０ｂｃが位置している。第３の電極２０ｂａ、第４の電極２０ｂｂ、および第５の電極２０ｂｃには、それぞれ、直流電圧が印加される。第３の電極２０ｂａ、第４の電極２０ｂｂ、および第５の電極２０ｂｃの各々と、対向する第１の電極２０ａの一部とを、一対の電極と考えることができる。
　図５に示す例では、第３の電極２０ｂａ、第４の電極２０ｂｂ、および第５の電極２０ｂｃにより、第１の電気光学材料層３０ａ、第２の電気光学材料層３０ｂ、および第３の電気光学材料層３０ｃの屈折率をそれぞれ別々に変化させることができる。これにより、第１の電気光学材料層３０ａ、第２の電気光学材料層３０ｂ、および第３の電気光学材料層３０ｃをそれぞれ伝搬する第１の光３２ａ、第２の光３２ｂ、および第３の光３２ｃの位相を別々に調整することができる。
　以上のように、本変形例における光位相変調器１２０は、複数の電気光学材料層と、電解質層４０と、複数対の電極と、制御回路５０とを備える。複数の電気光学材料層の各々は、少なくともＸ方向に延びた構造を有する。複数の電気光学材料層の各々の屈折率は、ポッケルス効果またはカー効果によって変化する。電解質層４０は、複数の電気光学材料層の各々の少なくとも一部に接する。電解質層４０は、少なくともＸ方向に延びた構造を有する。複数対の電極の各々は、複数の電気光学材料層の１つと、電解質層４０との界面に交差する方向において、電気光学材料層の当該１つおよび電解質層４０を直接的または間接的に挟む。複数の電気光学材料層の各々の幅および厚さは、Ｘ方向に沿って光を伝搬させる光導波層を形成する値に設定されている。制御回路５０は、複数対の電極の各々に電圧を印加して複数の電気光学材料層の１つの屈折率を変化させることにより、複数の電気光学材料層の当該１つを伝搬する光の位相を変調する。すなわち、制御回路５０は、複数対の電極の全てに電圧を印加し、複数の電気光学材料層の全てにおいて、伝搬する光の位相を変調してもよい。また、制御回路５０は、複数対の電極のうち何れか一つに選択的に電圧を印加し、その電極対に対応する電気光学材料層を伝搬する光の位相を変調してもよい。
　図６Ａから図６Ｇは、それぞれ第３から第９の変形例における光位相変調器１３０ａから光位相変調器１３０ｇを模式的に示す図である。光位相変調器１３０ａから光位相変調器１３０ｇのうち、光位相変調器１３０ｅ以外は、図１Ａに示す構成要素に加えて、誘電体部材６０をさらに備える。図６Ａから図６Ｃに示す例では、電気光学材料層３０が光導波層として機能する。図６Ｄから図６Ｇに示す例では、電解質層４０が光導波層として機能する。
　図６Ａから図６Ｆに示す例では、一対の電極２０の少なくとも一方が、界面３５の幅以上である。一対の電極２０間に発生する電界は、よりＺ方向に平行になる。これにより、Ｚ方向から見たとき、電気光学材料層３０のうち、界面３５に重なる部分全体、および、電解質層４０のうち、界面３５に重なる部分全体に、有効に電界を印加することができる。その結果、電気光学材料層３０の屈折率の変化量は大きくなる。図６Ａおよび図６Ｄに示すように、一対の電極２０の両方が、界面３５の幅以上であるとき、上記の部分全体に、より有効に電界を印加することができる。図６Ａに示す例では、一対の電極２０の両方が、電気光学材料層３０の幅以上である。図６Ｂに示す例では、第１の電極２０ａが、電気光学材料層３０の幅以上である。図６Ｃに示す例では、第２の電極２０ｂが、電気光学材料層３０の幅以上である。図６Ｄに示す例では、一対の電極２０の両方が、電解質層４０の幅以上である。図６Ｅに示す例では、第１の電極２０ａが、電解質層４０の幅以上である。図６Ｆに示す例では、第２の電極２０ｂが、電解質層４０の幅以上である。
　図６Ａから図６Ｇに示す例では、電気光学材料層３０および電解質層４０の一方の幅が、他方の幅以上である。図６Ａから図６Ｃに示す例では、電解質層４０の幅が、電気光学材料層３０の幅以上である。図６Ｄから図６Ｇに示す例では、電気光学材料層３０の幅が、電解質層４０の幅以上である。すなわち、電気光学材料層３０および電解質層４０のうち、光導波層として機能しない方の幅が、光導波層として機能する方の幅以上に設定されている。これにより、図６Ａから図６Ｇに示す例では、光導波層として機能する方のうち、界面３５を含む表面全体に、電気二重層が形成される。図１Ａおよび図３Ａに示す例では、電気光学材料層３０の幅と、電解質層４０の幅とを等しく設計したとしても、実際には、光導波層として機能しない方の幅が、光導波層として機能する方の幅よりも狭くなり得る。このため、光導波層として機能する方のうち、界面３５を含む表面の両端には、電気二重層が形成されない可能性がある。この場合、当該両端付近では、屈折率を大きく変調することができない可能性がある。図６Ａから図６Ｇに示す例では、そのような可能性はない。
　図６Ａおよび図６Ｂに示す例では、誘電体部材６０は、電気光学材料層３０の両側に位置する。図６Ｃに示す例では、誘電体部材６０は、第１の電極２０ａの両側および電気光学材料層３０の両側に位置する。図６Ａから図６Ｃに示す誘電体部材６０により、電解質層４０の幅を電気光学材料層３０の幅以上に積層することができる。図６Ａから図６Ｃに示す例では、誘電体部材６０の屈折率は、電気光学材料層３０の屈折率よりも低い。
　図６Ｄに示す例では、誘電体部材６０は、電解質層４０の両側に位置する。図６Ｆに示す例では、誘電体部材６０は、第１の電極２０ａの両側、および電解質層４０の両側に位置する。図６Ｇに示す例では、誘電体部材６０は、第１の電極２０ａの両側に位置する。図６Ｄおよび図６Ｆに示す、電解質層４０の両側に位置する誘電体部材６０により、第２の電極２０ｂの幅を、電解質層４０の幅以上にすることができる。図６Ｆおよび図６Ｇに示す、第１の電極２０ａの両側に位置する誘電体部材６０により、電気光学材料層３０の幅を、電解質層４０の幅以上にすることができる。図６Ｄから図６Ｇに示す例では、誘電体部材６０の屈折率は、電解質層４０の屈折率よりも低い。なお、図６Ｆおよび図６Ｇに示す、第１の電極２０ａの両側に位置する誘電体部材６０の屈折率は、電解質層４０の屈折率よりも低い必要はなく、電解質層４０の屈折率以上であってもよい。
　（製造方法）
　以下に、光位相変調器１００の製造方法を説明する。
　図７は、光位相変調器１００の製造工程を示すフローチャートである。光位相変調器１００の製造方法は、以下のステップＳ１０１からステップＳ１０４を含む。
　ステップＳ１０１において、ＭｇＯ（１００）単結晶から形成されたＭｇＯ基板が用意される。ＭｇＯ基板は、図１Ａおよび図１Ｂに示す基板１０に相当する。
　ステップＳ１０２において、ＭｇＯ基板の主面上に、ＬＳＳＯ層およびＫＴＮ層が、この順に、エピタキシャル成長によって形成される。ＬＳＳＯ層は、図１Ａおよび図１Ｂに示す第１の電極２０ａに相当する。ＬＳＳＯ層は、電気伝導性を示す。ＬＳＳＯ層は、［１００］方向に配向している。ＬＳＳＯ層の厚さは、２００ｎｍである。ＫＴＮ層は、図１Ａおよび図１Ｂに示す電気光学材料層３０に相当する。ＫＴＮ層の厚さは５００ｎｍである。
　ＬＳＳＯ層およびＫＴＮ層の形成には、パルスレーザ堆積（Ｐｕｌｓｅｄ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＬＤ）が用いられる。真空チャンバ内に、ＭｇＯ基板と、ＬＳＳＯから形成されたターゲットとが対向して配置される。対向距離は４０ｍｍである。真空チャンバ内を真空排気した後Ｏ２ガスを注入することにより、真空チャンバ内の圧力が１０Ｐａになる。ＭｇＯ基板は７００℃に加熱される。ＬＳＳＯから形成されたターゲットは、エキシマレーザで照射される。これにより、ＭｇＯ基板の主面１０ｓ上に、ＬＳＳＯ層が堆積される。同様の手法により、ＬＳＳＯ層が主面１０ｓ上に形成されたＭｇＯ基板が７００℃に加熱され、ＫＴＮから形成されたターゲットがエキシマレーザで照射される。これにより、ＬＳＳＯ層上に、ＫＴＮ層が堆積される。冷却後、ＬＳＳＯ層およびＫＴＮ層を含むＭｇＯ基板が、真空チャンバから取り出される。
　ステップＳ１０３において、ＫＴＮ層上に、ＬｉＰＯＮ層が形成される。ＬｉＰＯＮ層は、図１Ａおよび図１Ｂに示す電解質層４０に相当する。ＬｉＰＯＮ層の厚さは、６００ｎｍである。ＬｉＰＯＮ層の形成には、スパッタ法が用いられる。高周波スパッタ装置の真空チャンバ内に、ＬＳＳＯ層およびＫＴＮ層を含むＭｇＯ基板と、ＬｉＰＯＮから形成されたターゲットが対向して配置される。対向距離は４５ｍｍである。真空チャンバ内を真空排気した後Ａｒ／Ｏ２（７：３）ガスを注入することにより、真空チャンバ内の圧力が１．５Ｐａになる。ＲＦパワー５０Ｗで１時間スパッタリングすることにより、ＬｉＰＯＮ層が、ＫＴＮ層上に堆積される。
　ステップＳ１０４において、ＬｉＰＯＮ層上に、１０ｗｔ％ＳｎＯ２ドープＩｎ２Ｏ３から形成されたＩＴＯ層が形成される。ＩＴＯ層は、図１Ａおよび図１Ｂに示す第２の電極２０ｂに相当する。第２の電極２０ｂの厚さは、１００ｎｍである。ＩＴＯ層の形成には、上記と同様のスパッタ法が用いられる。
　ＬＳＳＯ層、ＫＴＮ層、およびＬｉＰＯＮ層の屈折率は、それぞれ、２．０、２．２および１．７程度である。したがって、一番高い屈折率のＫＴＮ層が、光導波層として機能する。一対の電極２０に電圧を印加することにより、ＫＴＮ層の屈折率を、約２．０から約２．２の範囲内で変化させることができる。これにより、ＫＴＮ層を伝搬する光３２の位相を変調することができる。
　ステップＳ１０１からステップＳ１０４によって製造された積層構造は、フォトリソグラフィおよびドライエッチングにより、任意の形状にパターニングすることができる。上記のＫＴＮ層において、空気中での波長が１５５０ｎｍである０次のＴＭモードが存在するために、当該積層構造の幅は、例えば１μｍに設計される。当該積層構造は、後述するマッハ・ツェンダー（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ）型の光スイッチングデバイス、または光フェーズドアレイにパターニングしてもよい。
　（応用例）
　本実施形態における光位相変調器１００では、制御回路５０は、一対の電極２０に印加される直流電圧の値を変化させることにより、電気光学材料層３０の屈折率を変化させる。これにより、電気光学材料層３０内を伝搬する光３２の位相が変調される。以下に、光３２の位相変調を利用した応用例を説明する。
　本実施形態における光位相変調器１００は、例えば、マッハ・ツェンダー型の光スイッチングデバイスに適用することができる。図８は、マッハ・ツェンダー型の光スイッチングデバイス２００の例を模式的に示す平面図である。光スイッチングデバイス２００は、入力導波路２００ａ、分岐された２つの光導波路２００ｂ、および出力導波路２００ｃを備える。分岐された２つの光導波路２００ｂは、入力導波路２００ａと出力導波路２００ｃとの間に位置する。図８に示す例では、入力導波路２００ａ側の分岐点Ａ、および出力導波路２００ｃ側の分岐点Ｂでの光の反射は考慮されない。分岐された２つの光導波路２００ｂのうち、一方の光導波路は、本実施形態における光位相変調器１００を含む。
　当該一方の光導波路内を伝搬する光の位相は、他方の光導波路内を伝搬する光の位相と比較して、Δφ＝（２π／λ）ΔｎＬだけシフトする。光位相変調器１００における一対の電極２０に印加する直流電圧の値が０Ｖのとき、Δφ＝０である。このとき、分岐された２つの光導波路２００ｂからそれぞれ出力された光の位相は、同位相である。このため、同位相の２つの光が出力導波路２００ｃに入力すると、当該２つの光は重なり合う。したがって、出力導波路２００ｃから出力された光の強度Ｉｏｕｔは、入力導波路２００ａに入力された光の強度Ｉｉｎに等しい。
　一方、光位相変調器１００における一対の電極２０に印加する直流電圧の値を調整することにより、Δφ＝πにすることができる。このとき、分岐された２つの光導波路２００ｂからそれぞれ出力された光の位相は、逆位相になる。このため、逆位相の２つの光が出力導波路２００ｃに入力すると、当該２つの光は打ち消しあう。したがって、出力導波路２００ｃから出力された光の強度Ｉｏｕｔは０になる。
　以上のように、光位相変調器１００における一対の電極２０に印加する直流電圧を変化させることにより、光スイッチングデバイス２００の出力導波路２００ｃから出力された光の強度Ｉｏｕｔを、Ｉｉｎから０まで連続的に調整することができる。屈折率を大きくかつ高速に変調することができる光位相変調器１００により、光スイッチングデバイス２００の小型化、および光スイッチングデバイス２００から出力された光の強度変調の高速化が可能になる。
　また、本実施形態における光位相変調器１００は、例えば、光フェーズドアレイ３００に適用することができる。図９Ａおよび図９Ｂは、光フェーズドアレイ３００の例を模式的に示す図である。光フェーズドアレイ３００は、Ｙ方向に配列された複数の光導波路３００ｗを備える。複数の光導波路３００ｗの各々は、本実施形態における光位相変調器１００を含む。複数の光導波路３００ｗからそれぞれ出力された複数の光は、互いに干渉する。これにより、光フェーズドアレイ３００から出力された干渉光は、特定の方向に伝搬する。図９Ａおよび図９Ｂに示す例において、破線は、複数の光導波路３００ｗからそれぞれ出力された複数の光の波面を表している。実線は、光フェーズドアレイ３００から出力された干渉光の波面を表している。図９Ａおよび図９Ｂに示す例において、複数の光導波路３００ｗは、等間隔で配列されているが、異なる間隔で配列されていてもよい。
　図９Ａに示す例では、光位相変調器１００における一対の電極２０に印加する直流電圧の値が０Ｖのとき、複数の光導波路３００ｗから出力される光の位相は、同位相である。したがって、光フェーズドアレイ３００から出力された干渉光は、複数の光導波路３００ｗが延びるＸ方向と同じ方向に伝搬する。
　図９Ｂに示す例では、光位相変調器１００における一対の電極２０に印加する直流電圧の値を調整することにより、複数の光導波路３００ｗから出力される光の位相は、Ｙ方向に沿ってΔφずつ増加する。したがって、光フェーズドアレイ３００から出力された干渉光は、複数の光導波路３００ｗが延びるＸ方向とは異なる方向に伝搬する。
　以上のように、光位相変調器１００における一対の電極２０に印加する直流電圧を変化させることにより、光フェーズドアレイ３００から出力された干渉光の伝搬方向を調整することができる。すなわち、光ビームスキャンが可能になる。さらに、光フェーズドアレイ３００は、特定の方向から入射する光を検出することも可能である。図９Ａおよび図９Ｂに示す例では、光フェーズドアレイ３００は、矢印とは逆の方向から入射した光を検出することができる。屈折率を大きくかつ高速に変調することができる光位相変調器１００により、光フェーズドアレイ３００の小型化、ならびに、光フェーズドアレイ３００における光スキャンの高速化および広角度化が可能になる。
　光フェーズドアレイ３００は、例えば、ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｒａｎｇｉｎｇ）システムなどの光スキャンシステムおよび／または光検出システムにおけるアンテナとして用いられ得る。ＬｉＤＡＲシステムでは、ミリ波などの電波を用いたレーダシステムと比較して、可視光、赤外線、または紫外線などの短波長の電磁波が用いられる。このため、物体の距離分布を高い分解能でスキャンおよび検出することができる。そのようなＬｉＤＡＲシステムは、例えば自動車、ＵＡＶ（Ｕｎｍａｎｎｅｄ　Ａｅｒｉａｌ　Ｖｅｈｉｃｌｅ、所謂ドローン）、またはＡＧＶ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ　Ｇｕｉｄｅｄ　Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの移動体に搭載され、衝突回避技術の１つとして使用され得る。
　本開示の実施形態における光デバイスは、例えば、マッハ・ツェンダー型の光スイッチングデバイス、または自動車、ＵＡＶ、もしくはＡＧＶなどの車両に搭載されるＬｉＤＡＲシステムの用途に利用できる。
　　１０　　　：基板
　　１０ｓ　　：主面
　　２０　　　：電極
　　２０ａ　　：第１の電極
　　２０ｂ　　：第２の電極
　　２０ｂａ　：第３の電極
　　２０ｂｂ　：第４の電極
　　２０ｂｃ　：第５の電極
　　３０　　　：電気光学材料層
　　３０ａ　　：第１の電気光学材料層
　　３０ｂ　　：第２の電気光学材料層
　　３０ｃ　　：第３の電気光学材料層
　　３２　　　：光
　　３２ａ　　：第１の光
　　３２ｂ　　：第２の光
　　３２ｃ　　：第３の光
　　３５　　　：界面
　　３５ａ　　：第１の界面
　　３５ｂ　　：第２の界面
　　３５ｃ　　：第３の界面
　　４０　　　：電解質層
　　４２　　　：光
　　４４　　　：エバネッセント光
　　５０　　　：制御回路
　　６０　　　：誘電体部材
　　１００、１１０、１２０　：光位相変調器
　　１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ、１３０ｅ、１３０ｆ、１３０ｇ　：光位相変調器
　　２００　　：光スイッチングデバイス
　　２００ａ　：入力導波路
　　２００ｂ　：光導波路
　　２００ｃ　：出力導波路
　　３００　　：光フェーズドアレイ
　　３００ｗ　：光導波路

Claims (11)

  1. 　少なくとも第１の方向に延びた構造を有し、ポッケルス効果またはカー効果によって屈折率が変化する電気光学材料層と、
    　前記電気光学材料層に接し、少なくとも前記第１の方向に延びた構造を有する電解質層と、
    　前記電気光学材料層および前記電解質層に電圧を印加するための第１の電極および第２の電極と、
    　前記電圧を制御して前記電気光学材料層の前記屈折率を変化させることにより、前記電気光学材料層または前記電解質層を前記第１の方向に沿って伝搬する光の位相を変調する制御回路と、を備える、光位相変調器。
  2. 　前記第１の電極および前記第２の電極の少なくとも一方の幅は、前記電気光学材料層と前記電解質層との界面の幅よりも大きい、請求項１に記載の光位相変調器。
  3. 　前記電解質層の幅は、前記電気光学材料層の幅よりも大きい、請求項１または２に記載の光位相変調器。
  4. 　前記電気光学材料層の幅は、前記電解質層の幅よりも大きい、請求項１または２に記載の光位相変調器。
  5. 　前記電気光学材料層は、前記電気光学材料層と前記電解質層との界面に垂直な方向に沿って配向した結晶構造を有する、請求項１から４のいずれかに記載の光位相変調器。
  6. 　前記電気光学材料層は、前記電解質層に埋め込まれている、請求項１から５のいずれかに記載の光位相変調器。
  7. 　前記第１の電極および前記第２の電極の少なくとも一方は、透明電極である、請求項１から６のいずれかに記載の光位相変調器。
  8. 　前記電気光学材料層は、タンタル酸ニオブ酸カリウムから形成されている、請求項１から７のいずれかに記載の光位相変調器。
  9. 　各々が少なくとも第１の方向に延びた構造を有し、ポッケルス効果またはカー効果によって各々の屈折率が変化する、複数の電気光学材料層と、
    　前記複数の電気光学材料層の各々に接し、少なくとも前記第１の方向に延びた構造を有する電解質層と、
    　各々が、前記複数の電気光学材料層の１つと前記電解質層との界面の少なくとも一部に交差する方向において、前記複数の電気光学材料層の前記１つおよび前記電解質層を直接的または間接的に挟む、複数対の電極と、
    　前記複数対の電極の各々に電圧を印加して前記複数の電気光学材料層の１つの前記屈折率を変化させることにより、前記複数の電気光学材料層の前記１つを前記第１の方向に沿って伝搬する光の位相を変調する制御回路と、を備える、光位相変調器。
  10. 　光位相変調器を用いた光位相変調方法であって、
    　前記光位相変調器は、
    　　少なくとも第１の方向に延びた構造を有し、ポッケルス効果またはカー効果によって屈折率が変化する電気光学材料層と、
    　　前記電気光学材料層に接し、少なくとも前記第１の方向に延びた構造を有する電解質層と、
    　　前記電気光学材料層と前記電解質層とに電圧を印加するための第１の電極および第２の電極と、を備え、
    　前記電気光学材料層または前記電解質層に、前記第１の方向に沿って光を伝搬させ、
    　前記電圧を制御して前記屈折率を変化させることにより、前記光の位相を変調する、光位相変調方法。
  11. 　前記光の位相を変調する期間において、前記光が前記電気光学材料層と前記電解質層との界面で全反射する状態が保たれる、請求項１０に記載の光位相変調方法。
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