WO2021131387A1 - 光デバイス - Google Patents

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WO2021131387A1
WO2021131387A1 PCT/JP2020/042354 JP2020042354W WO2021131387A1 WO 2021131387 A1 WO2021131387 A1 WO 2021131387A1 JP 2020042354 W JP2020042354 W JP 2020042354W WO 2021131387 A1 WO2021131387 A1 WO 2021131387A1
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WO
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electro
layer
material layer
optical
optical material
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/042354
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English (en)
French (fr)
Inventor
尚徳 増子
宏幸 高木
平澤　拓
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Publication date
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    • 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
    • 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
    • G02F1/29—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 position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/295—Analog deflection from or in an optical waveguide structure]

Definitions

  • This disclosure relates to optical devices.
  • 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 device capable of large and high-speed modulation of the phase of light propagating through an optical waveguide using an electro-optical effect.
  • the optical device includes an electrically insulating substrate, an electro-optical material layer supported by the substrate, at least one electrolyte layer in contact with the electro-optical material layer, the electro-optical material layer, and the electro-optical material layer.
  • a first electrode and a second electrode for applying a voltage to the electrolyte layer are provided, and the first electrode and the two electrodes are (A) a first surface of the electro-optical material layer facing the substrate. , The position between the second surface of the substrate facing the electro-optical material layer, and (B) the third surface of the electro-optical material layer facing the electrolyte layer and the electro-optical material of the electrolyte layer. It is not provided at any of the positions between the fourth surface facing the 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 diagram schematically showing an optical device according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1B is a plan view of the optical device shown in FIG. 1A.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the charge distribution in the electro-optical material layer, the electrolyte layer, and the pair of electrodes in the configuration of FIG. 1A.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing an example of an optical device in the first modification of the present embodiment.
  • FIG. 4A is a diagram schematically showing an example of an optical device in the second modification of the present embodiment.
  • FIG. 4B is a diagram schematically showing the charge distribution in the electro-optical material layer, the electrolyte layer, and the pair of electrodes in the configuration of FIG. 4A.
  • FIG. 5A is a diagram schematically showing an example of an optical device in a third modification of the present embodiment.
  • FIG. 5B is a diagram schematically showing an example of an optical device in the fourth modification of the present embodiment.
  • FIG. 5C is a diagram schematically showing an example of an optical device in the fifth modification of the present embodiment.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a manufacturing process of an optical device when the electro-optical material layer is formed from KTN.
  • FIG. 7 is a flowchart showing a manufacturing process of an optical device when the electro-optical material layer is formed from LN.
  • FIG. 8 is a plan view schematically showing an example of an optical switching device in the first application example of the present embodiment.
  • FIG. 9A is a diagram schematically showing a first example of an optical phased array in a second application example of the present embodiment.
  • FIG. 9B is a diagram schematically showing a second example of the optical phased array in the second application example of the present embodiment.
  • Non-Patent Document 1 discloses an optical device using a stress-optical 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, unless the optical waveguide is lengthened, the phase of light cannot be significantly modulated. Lengthening the optical waveguide leads to an increase in the size of the optical device.
  • Non-Patent Documents 2 and 3 disclose an optical device 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, on the order of, for example, about 10-2. Therefore, even when the optical device is small, the phase of light can be greatly 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 device 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 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 at a large speed and at a high speed.
  • the phase of light propagating in the optical waveguide can be modulated at a large speed and at high speed.
  • the crystallinity of the electro-optical material layer is determined by the crystallinity of the substrate.
  • the crystallinity of the substrate is high, the crystallinity of the electro-optical material layer can be improved.
  • the refractive index of the electro-optical material layer can be significantly changed by applying a voltage.
  • the optical device includes an electrically insulating substrate, an electro-optical material layer supported by the substrate, at least one electrolyte layer in contact with the electro-optical material layer, the electro-optical material layer and the said.
  • a first electrode and a second electrode for applying a voltage to the electrolyte layer are provided.
  • the first electrode and the two electrodes are (A) positioned between the first surface of the electro-optical material layer facing the substrate and the second surface of the substrate facing the electro-optic material layer, and (B) It is not provided at any of the positions between the third surface of the electro-optical material layer facing the electrolyte layer and the fourth surface of the electrolyte layer facing the electro-optical material layer.
  • the crystallinity of the electro-optical material layer can be improved by appropriately selecting the material of the substrate.
  • the optical device according to the second item is the optical device according to the first item, in which the electro-optical material layer, the at least one electrolyte layer, and the first electrode and the second electrode are parallel to the substrate. It extends in the direction.
  • the electro-optical material layer has a refractive index higher than that of the electrolyte layer.
  • the electro-optical material layer propagates light along the direction parallel to the substrate.
  • the electro-optical material layer functions as an optical waveguide layer.
  • the optical device according to the third item is a control circuit that modulates the phase of the light by controlling the voltage and changing the refractive index of the electro-optical material layer in the optical device according to the second item. Further prepare.
  • This optical device can modulate the phase of light propagating through the electro-optical material layer.
  • the optical device according to the fourth item is the optical device according to the second or third item, in which the light is light in a transverse electric mode.
  • light in the transverse electric field mode can be propagated to the electro-optical material layer, and the thickness of the electro-optical material layer can be made relatively thin.
  • the optical device according to the fifth item is the optical device according to any one of the first to fourth items, in which the electrolyte layer is formed of a solid electrolyte material or a gel electrolyte material.
  • an electrolyte layer formed from a solid electrolyte material or a gel electrolyte material can be easily processed.
  • the optical device according to the sixth item is the optical device according to any one of the first to fifth items, in which the electro-optical material layer is in contact with the substrate.
  • the crystallinity of the electro-optical material layer can be improved when the crystallinity of the substrate is high.
  • the optical device according to the seventh item further includes an electrically insulating layer laminated on the substrate in the optical device according to any one of the first to fifth items.
  • the electro-optical material layer is laminated on the electrically insulating layer.
  • the crystallinity of the electro-optical material layer can be improved by appropriately selecting the material of the electro-optical material layer located between the electro-optical material layer and the substrate.
  • each of the substrate, the electrically insulating layer, and the electro-optical material layer has a crystal structure in the optical device according to the seventh item.
  • the lattice constant of the electrically insulating layer is between the lattice constant of the substrate and the lattice constant of the electro-optical material layer.
  • the crystallinity of the electro-optical material layer can be improved by satisfying the above conditions for the electrically insulating layer.
  • the optical device according to the ninth item is the optical device according to any one of the first to eighth items, wherein at least one electrolyte layer is composed of two electrolyte layers.
  • the two electrolyte layers are adjacent to both sides of the electro-optical material layer.
  • Each of the first electrode and the second electrode is in contact with one of the two electrolyte layers.
  • an electric field can be applied to the electrolyte layer in a direction parallel to the substrate.
  • the optical device according to the tenth item is the optical device according to any one of the first to eighth items, wherein at least one electrolyte layer is composed of one electrolyte layer.
  • the first electrode and the electrolyte layer are adjacent to both sides of the electro-optical material layer.
  • the second electrode is in contact with the electrolyte layer.
  • an electric field can be applied to the electrolyte layer in a direction parallel to the substrate.
  • the optical device according to the eleventh item is the optical device according to any one of the first to eighth items, wherein the at least one electrolyte layer includes a first electrolyte layer and a second electrolyte layer.
  • the first electrolyte layer and the second electrolyte are spaced apart on the electro-optical material layer.
  • the first electrode is in contact with the first electrolyte layer.
  • the second electrode is in contact with the second electrolyte layer.
  • an electric field can be applied to a surface of the electro-optical material layer in which one or more first electrolyte layers and one or more second electrolyte layers are in contact with each other in a direction perpendicular to the surface.
  • 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 LSI or IC, but the name changes depending on the degree of integration, and it may be called system LSI, VLSI (very large scale integration), or ULSI (ultra large scale integration).
  • Field Programmable Gate Array (FPGA) which is programmed after the LSI is manufactured, or reconfigurable logistic device, which can reconfigure the junction relationship inside the LSI or set 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 executed by software processing.
  • the software is recorded on a non-temporary recording medium such as one or more ROMs, optical disks, 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.
  • FIG. 1A is a diagram schematically showing an optical device 100 according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1B is a plan view of the optical device 100 shown in FIG. 1A.
  • 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 same direction as the arrow on the X axis is referred to as "+ X direction”, and the opposite direction is referred to as "-X direction”.
  • the + Z direction is referred to as “upward” and the -Z direction is referred to as “downward”. These names are used for convenience only and are not intended to limit the arrangement or orientation of the optical device 100 actually used.
  • 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 device 100 as viewed from the + X direction.
  • FIG. 1B schematically shows the structure of the optical device 100 as viewed from the + Z direction.
  • the optical device 100 in the present embodiment includes a substrate 10, an electro-optical material layer 20, a first electrolyte layer 30a and a second electrolyte layer 30b, a first electrode 40a and a second electrode 40b, and a control circuit 50. ..
  • the first electrolyte layer 30a and the second electrolyte layer 30b are not distinguished and are also simply referred to as “electrolyte layer 30”.
  • the first electrode 40a and the second electrode 40b are also referred to as "a pair of electrodes 40".
  • the substrate 10, the electro-optical material layer 20, the electrolyte layer 30, and the pair of electrodes 40 have a structure extending at least in the X direction.
  • the substrate 10 has a main surface 10s parallel to the XY plane.
  • the substrate 10 supports an electro-optical material layer 20, an electrolyte layer 30, and a pair of electrodes 40.
  • the substrate 10 is in contact with the electro-optical material layer 20 and the electrolyte layer 30.
  • the substrate 10 has a crystal structure.
  • the substrate 10 is electrically insulating and is 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). obtain.
  • the electro-optical material layer 20 is located on the main surface 10s of the substrate 10. As shown in FIG. 1B, the electro-optical material layer 20 functions as an optical waveguide layer that propagates light 22 along the X direction by total reflection.
  • the ellipse shown in FIG. 1A indicates that the intensity of the light 22 is relatively high within the ellipse.
  • the refractive index of the electro-optical material layer 20 is higher than the refractive index of the medium around the optical device 100, the refractive index of the substrate 10, and the refractive index of the electrolyte layer 30.
  • the refractive index of the electro-optical material layer 20 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 20. 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 device 100.
  • the phase of the light 22 propagating in the electro-optical material layer 20 can be modulated by the change in the refractive index of the electro-optical material layer 20 due to the application of an electric field. Due to the fast response of the electro-optical effect, the phase modulation rate can be high, for example, several tens of MHz or higher.
  • the wavelength of the light 22 in the air is ⁇
  • the refractive index of the electro-optical material layer 20 when no electric field is applied is n 0
  • the amount of change in the refractive index of the electro-optical material layer 20 due to the application of an electric field is ⁇ n
  • electricity is used.
  • the length of the optical material layer 20 is L
  • the electro-optical material layer 20 has a crystal structure.
  • the amount of change in the refractive index of the electro-optical material layer 20 depends on the crystallinity of the electro-optical material layer 20. When the crystallinity of the electro-optical material layer 20 is low, the amount of change in the refractive index of the electro-optical material layer 20 becomes small.
  • the electro-optical material layer 20 formed by epitaxial growth also has high crystallinity.
  • the first electrode 40a in contact with the electro-optical material layer 20 is conductive. Therefore, the material of the first electrode 40a suitable for epitaxial growth of the electro-optical material layer 20 is limited.
  • the substrate 10b in contact with the electro-optical material layer 20 may have electrical insulation, the range of selection of the material of the substrate 10b is widened.
  • the electro-optical material layer 20 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-optic material layer 20 is composed of, for example, lithium niobate (LiNbO 3 : LN), lithium tantalate (LiTaO 3 ), potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ), and dihydrogen phosphate. It can be formed from at least one selected from the group consisting of ammonium (NH 4 H 2 PO 4).
  • the electro-optical material layer 20 is, for example, for example, barium titanate (BaTiO 3), strontium titanate (SrTiO 3), potassium titanate (KTaO 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.
  • the electro-optical material layer 20 may be carrier-injected.
  • 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 of light used for optical communication. Therefore, application of KTN to optical devices is expected.
  • the first electrolyte layer 30a and the second electrolyte layer 30b are located on the main surface 10s of the substrate 10 and are adjacent to both sides of the electro-optical material layer 20.
  • the electrolyte layer 30 is in contact with at least a part of the electro-optical material layer 20.
  • the electrolyte layer 30 has a structure extending at least in the X direction.
  • the electrolyte layer 30 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 30 may be transparent to light 32 in the visible to infrared region.
  • the electrolyte layer 30 may have an amorphous structure.
  • the underlying material of the amorphous electrolyte layer 30 there are no strict restrictions such as selecting a material having a similar lattice constant, such as epitaxial growth.
  • the electrolyte layer 30 is typically a solid electrolyte layer.
  • the solid electrolyte layer depending on its composition, may have a 10 -8 ion conductivity of the order of about 10 -2 S / cm from the S / cm.
  • the solid electrolyte layer can be formed from, for example, a solid electrolyte material such as lithium oxynitride phosphate (Li 3 PO 4-y N y: LiPON), which can be easily thinned.
  • the ionic conductivity of LiPON is on the order of about 10-6 S / cm.
  • the electrolyte layer 30 may be a gel electrolyte layer.
  • the gel electrolyte layer can be formed, for example, from the following gel electrolyte materials.
  • the gel electrolyte material is obtained by adding MMA (methyl methyllate) and a cross-linking agent EGDMA (ethylene gel) to the ionic liquid EMImTFSI (1-ethyl-3-methylimidelium bis). It is a flexible and transparent ionic gel.
  • EMImTFSI ethylene gel
  • the molar ratio of EMImTFSI to MMA ranges from 1: 9 to 7: 3.
  • the thickness of the electrolyte layer 30 can be about the same as or greater than the thickness of the electro-optical material layer 20.
  • the electrolyte layer 30 is thicker than the electro-optical material layer 20, the electrolyte layer 30 and the electro-optical material layer 20 come into contact with each other in a wide range. As a result, an electric field is efficiently applied to the electro-optical material layer 20, and the amount of change in the refractive index of the electro-optical material layer 20 can be increased.
  • the electrolyte layer 30 may cover a part of the upper surface of the electro-optical material layer 20. However, the first electrolyte layer 30a and the second electrolyte layer 30b do not come into contact with each other.
  • the width of the electrolyte layer 30 can be, for example, 500 nm or more and 2.5 ⁇ m or less.
  • the width of the electrolyte layer 30 is 500 nm or more, even if the evanescent light, which is the exudation of the light 22, exudes to the electrolyte layer 30, the possibility that the evanescent light reaches at least one of the pair of electrodes 40 is reduced. Can be done.
  • the width of the electrolyte layer 30 is 2.5 ⁇ m or less, the internal resistance of the electrolyte layer 30 does not increase so much, and the possibility that the strength of the electric field applied to the electro-optical material layer 20 and the electrolyte layer 30 decreases is reduced. be able to.
  • the first electrode 40a is located on the first electrolyte layer 30a, and the second electrode 40b is located on the second electrolyte layer 30b.
  • Each of the pair of electrodes 40 is in contact with a part of the electrolyte layer 30.
  • Each of the pair of electrodes 40 may be located on the upper surface of the electrolyte layer 30 or may be located on the side surface of the electrolyte layer 30.
  • Each of the pair of electrodes 40 is not provided at a position between the first surface of the electro-optical material layer 20 facing the substrate 10 and the second surface of the substrate 10 facing the electro-optical material layer 20.
  • the first surface is the bottom surface of the electro-optical material layer 20, and the second surface is a part of the main surface 10s of the substrate 10.
  • the first and second surfaces face each other.
  • the pair of electrodes 40 are not provided at positions between the third surface of the electro-optical material layer 20 facing the electrolyte layer 30 and the fourth surface of the electrolyte layer 30 facing the electro-optical material layer 20. ..
  • the third surface is the side surface of the electro-optical material layer 20, and the fourth surface is the side surface of the electrolyte layer 30.
  • the third and fourth surfaces face each other.
  • a DC voltage is applied to the pair of electrodes 40.
  • 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 40 may be a transparent electrode or a metal electrode. In the case of transparent electrodes, even if at least one of the pair of electrodes 40 is close to the electro-optical material layer 20, the loss of light 22 can be ignored. In the case of a metal electrode, if each of the pair of electrodes 40 is sufficiently separated from the electro-optical material layer 20 via the electrolyte layer 30, for example, 1 ⁇ m or more, the evanescent light of the light 22 will be the evanescent light of the pair of electrodes 40. Not reach each. Therefore, the loss of light 22 can be ignored.
  • the thickness of each of the pair of electrodes 40 is designed to function as an electrode.
  • Each of the pair of electrodes 40 is formed from at least one selected from the group consisting of, for example, SnO 2- doped In 2 O 3 (ITO), F-doped SnO 2 (FTO), and Sb-doped TiO 2 (ATO).
  • each of the pair of electrodes 40 may be, for example, a metal electrode formed from at least one selected from the group consisting of Pt, Au, Cr, Ni, Al, and Ti.
  • a mixed conductor exhibiting three-dimensional Li ion conduction and electron conduction such as LiCoO 2 or Li 2 TiO 4 may be formed between each of the pair of electrodes 40 and the electrolyte layer 30.
  • the control circuit 50 applies a DC voltage to the pair of electrodes 40.
  • 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 40.
  • the control circuit 50 modulates the phase of the light 22 propagating in the electro-optical material layer 20 along the X direction by applying a voltage to the pair of electrodes 40 to change the refractive index of the electro-optical material layer 20.
  • the control circuit 50 includes 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.
  • DSP digital signal processor
  • FPGA field programmable gate array
  • CPU central processing unit
  • GPU image processing arithmetic processor
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the charge distribution in the electro-optical material layer 20, the electrolyte layer 30, and the pair of electrodes 40 in the configuration of FIG. 1A.
  • the potential of the second electrode 40b is higher than the potential of the first electrode 40a.
  • the negative charge (-) in the first electrode 40a, the positive charge (+) in the second electrode 40b, the polarization (+-) in the electro-optical material layer 20, and the positive ions in the electrolyte layer 30 The distribution of (+) and negative ions (-) is schematically shown.
  • the positive ions of the first electrolyte layer 30a move in the vicinity of the first electrode 40a, and the negative ions move in the vicinity of the electro-optical material layer 20.
  • the negative ions of the second electrolyte layer 30b move in the vicinity of the second electrode 40b, and the positive ions move in the vicinity of the electro-optical material layer 20.
  • polarization of a pair of positive and negative charges occurs. Due to the movement of positive and negative ions in the electrolyte layer 30, an electric double layer surrounded by a broken line is formed at the interface between the electro-optical material layer 20 and the electrolyte layer 30. Similarly, an electric double layer is formed at the interface between the electrolyte layer 30 and each of the pair of electrodes 40. The electric double layer functions as a capacitor.
  • ions that cannot move may be contained.
  • the positive ion when the positive ion can move and the negative ion cannot move, the positive ion moves to the side of the first electrode 40a which is negatively charged by the application of the voltage.
  • the positive ions are separated, so that the portion where the positive ions originally existed is relatively negatively charged. Therefore, it can be treated as if the negative ions moved to the vicinity of the second electrode 40b.
  • the position of the ion after the movement changes depending on the type of the electrolyte layer 30, the type of ions contained in the electrolyte layer 30, and the value of the voltage applied to the electrolyte layer 30. For example, when the applied voltage value is large, many ions move. Smaller ions move closer to the electrode.
  • the thickness of the electric double layer is several nm or less. Due to the steep gradient of the electric potential in the electric double layer, a strong electric field of about 10 MV / cm is generated near the interface between the electro-optical material layer 20 and the electrolyte layer 30. Due to the strong electric field of the electric double layer, the constituent atoms or ions in the electric double layer cause electronic polarization or ionic polarization. As a result, a large change in the index of refraction occurs within the electric double layer even at low voltages. It can be expected that the amount of change in the refractive index near the pair of electrodes 40 will be on the order of 10-2 or more.
  • the value of the voltage applied between the pair of electrodes 40 is limited to a value at which the electrolyte layer 30 is not decomposed. For example, when a high voltage is applied to the electrolyte layer 30 containing metal ions, the metal ions can be reduced and precipitated. As a result, the pair of electrodes 40 are short-circuited. Generally, the decomposition voltage of the electrolyte layer 30 is about 1V to 4V.
  • the phase of the light 22 propagating in the electro-optical material layer 20 can be modulated at a large speed and at high speed by using a fast-responsive electro-optical effect.
  • the interface between the electro-optical material layer 20 and the electrolyte layer 30 in this embodiment is flat.
  • the interface does not necessarily have to be strictly flat, and there may be a portion having a slight inclination or recess or protrusion.
  • the electric fields generated in the recesses or protrusions may weaken each other and strong electric fields may not be concentrated near the interface. In that case, the amount of change in the refractive index of the portion of the electro-optical material layer 20 near the interface may be small. Further, the light 22 may be lost due to the scattering of the light 22 by the concave or convex portion of the interface.
  • the interface when the interface is flat, a strong electric field is concentrated in the Y direction near the interface. As a result, the amount of change in the refractive index of the portion of the electro-optical material layer 20 near the interface can be increased. In addition, the flat interface suppresses the loss of light 22.
  • the amount of change in the refractive index of the electro-optical material layer 20 is described by a tensor. Depending on the direction of the applied electric field, the refractive index of the electro-optical material layer 20 can change in a plurality of directions. The amount of change in the refractive index of the electro-optical material layer 20 differs depending on the plurality of directions. In the examples shown in FIGS. 1A and 1B, when an electric field is applied in the Y direction, the refractive index of the electro-optical material layer 20 changes in the X, Y, and Z directions.
  • the phase of the light 22 in the transverse electric (TE) mode can be greatly modulated.
  • the light 22 in the TE mode has an electric field mainly parallel to the Y direction.
  • the thickness of the electro-optical material layer 20 can be made relatively thin. The relatively thin electro-optical material layer 20 enables miniaturization of the optical device 100. Further, even when the electro-optical material layer 20 absorbs a part of the light 22, the relatively thin electro-optical material layer 20 can reduce the loss of the light 22.
  • the direction of the crystal axis of the electro-optical material layer 20 as follows, the amount of change in the refractive index of the electro-optical material layer 20 can be maximized in the Y direction.
  • the electro-optical material layer 20 has a cubic crystal structure such as KTN
  • the crystal axis of the electro-optical material layer 20 is designed so that the ⁇ 001> direction is parallel to the Y direction.
  • the electro-optical material layer 20 has a trigonal crystal structure such as LN
  • the ⁇ 0001> direction parallel to the c-axis of the crystal axis of the electro-optical material layer 20 becomes parallel to the Y direction. Designed to be.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing an example of the optical device 110 in the first modification of the present embodiment.
  • the first electrode 40a and the electrolyte layer 30 are used instead of the first electrolyte layer 30a and the second electrolyte layer 30b. It is located on the main surface 10s of the substrate 10 and is adjacent to both sides of the electro-optical material layer 20. Each of the first electrode 40a and the electrolyte layer 30 is in contact with at least a part of the electro-optical material layer 20.
  • the first electrode 40a is a transparent electrode, the loss of light 22 can be ignored.
  • FIG. 4A is a diagram schematically showing an example of the optical device 120 in the second modification of the present embodiment.
  • the optical device 120 in the second modification of the present embodiment includes one or more first electrolyte layers 30a and one or more second electrolyte layers 30b.
  • the one or more first electrolyte layers 30a and the one or more second electrolyte layers 30b are supported by the electro-optical material layer 20 and are arranged alternately at intervals.
  • the pair of electrodes 40 are composed of a first electrode 40a having one or more first portions 40p 1 arranged in the Y direction and a second electrode 40b having one or more second portions 40p 2 arranged in the Y direction. ..
  • the first portion 40p 1 and the second portion 40p 2 extend in the X direction.
  • One or more first portions 40p 1 in the first electrode 40a are in contact with one or more first electrolyte layers 30a, respectively, and one or more second portions 40p 2 in the second electrode 40b are each one or more second. It is in contact with the electrolyte layer 30b.
  • each of the first electrode 40a and the second electrode 40b is a so-called comb-shaped electrode. ..
  • the plurality of first portions 40p 1 or the plurality of second portions 40p 2 correspond to the comb teeth of the comb-shaped electrode.
  • the pair of comb-shaped electrodes 40 are arranged so that the comb teeth of the first comb-shaped electrode 40a and the comb teeth of the second comb-shaped electrode 40b are alternately arranged.
  • FIG. 4B is a diagram schematically showing the charge distribution in the electro-optical material layer 20, the electrolyte layer 30, and the pair of electrodes 40 in the configuration of FIG. 4A.
  • the potential of the second electrode 40b is higher than the potential of the first electrode 40a. Due to the negative charge contained in the first electrode 40a, the positive ions of the first electrolyte layer 30a move in the vicinity of the first electrode 40a, and the negative ions move in the vicinity of the electro-optical material layer 20. Due to the positive charge contained in the second electrode 40b, the negative ions of the second electrolyte layer 30b move in the vicinity of the second electrode 40b, and the positive ions move in the vicinity of the electro-optical material layer 20.
  • electro-optical material layer 20 In the electro-optical material layer 20, polarization of a pair of positive and negative charges occurs in the vicinity of the interface between the electro-optical material layer 20 and the electrolyte layer 30. At the interface between the electro-optical material layer 20 and the electrolyte layer 30, an electric double layer surrounded by a broken line is formed. Similarly, an electric double layer is formed at the interface between the electrolyte layer 30 and each of the pair of electrodes 40.
  • a strong electric field is generated in the Z direction at the interface between the electro-optical material layer 20 and the electrolyte layer 30, and the refractive index of the electro-optical material layer 20 in the Z direction is greatly modulated.
  • the phase of the light 22 in the transverse magnetic (TM) mode can be significantly modulated.
  • the light 22 in the TM mode has an electric field mainly parallel to the Z direction.
  • FIG. 5A is a diagram schematically showing an example of the optical device 130 in the third modification of the present embodiment.
  • a buffer layer 12 is provided between the substrate 10 and each of the electro-optical material layer 20 and the electrolyte layer 30. Has been done.
  • the buffer layer 12 is laminated on the substrate 10, and the electro-optical material layer 20 and the electrolyte layer 30 are laminated on the buffer layer 12.
  • the buffer layer 12 has a crystal structure.
  • the lattice constant of the buffer layer 12 is between the lattice constant of the substrate 10 and the lattice constant of the electro-optical material layer 20.
  • the buffer layer 12 improves the crystallinity of the electro-optical material layer 20.
  • the buffer layer 12 is transparent to the light 22 in the visible region and the infrared region, the loss of the light 22 can be ignored.
  • the buffer layer 12 is an electrically insulating layer, the electric field applied to the electro-optical material layer 20 is not affected.
  • the buffer layer 12 is thin, if the refractive index of the buffer layer 12 is lower than the refractive index of the electro-optical material layer 20 and higher than the refractive index of the substrate 10, the light 22 does not leak to the substrate 10. It can propagate along the X direction.
  • the buffer layer 12 When the buffer layer 12 is sufficiently thick, if the refractive index of the buffer layer 12 is lower than the refractive index of the electro-optical material layer 20, the evanescent light of the light 22 does not reach the substrate. Therefore, there is no limitation on the refractive index of the substrate 10.
  • the buffer layer 12 can be formed from at least one selected from, for example, the group consisting of SrSnO 3 and BaSnO 3. ..
  • the buffer layer 12 may be a single layer or a multi-layer.
  • FIG. 5B is a diagram schematically showing an example of the optical device 140 in the fourth modification of the present embodiment.
  • the substrate 10 the electro-optical material layer 20, the electrolyte layer 30, and the first electrode 40a
  • a buffer layer 12 is provided between each of them.
  • FIG. 5C is a diagram schematically showing an example of the optical device 150 in the fifth modification of the present embodiment.
  • a buffer layer 12 is provided between the substrate 10 and the electro-optical material layer 20.
  • the crystallinity of the electro-optical material layer 20 can be improved by the buffer layer 12.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a manufacturing process of the optical device 100 when the electro-optical material layer 20 is formed from KTN.
  • the method for manufacturing the optical device 100 includes the following steps S101 to S106.
  • 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.
  • a flat surface called an "orientation flat” or a notch called a "notch” is provided on a part of the outer circumference of the MgO substrate so that the crystal direction of the substrate can be seen.
  • a (100) oriented KTN layer is formed on the surface of the MgO substrate by epitaxial growth.
  • the thickness of the KTN layer is 500 nm.
  • Pulsed Laser Deposition (PLD) is used to form the KTN layer.
  • the MgO substrate and the target formed from KTN are arranged so as 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.
  • a KTN layer is deposited on the surface of the MgO substrate. After cooling, the MgO substrate containing the KTN layer is removed from the vacuum chamber.
  • the KTN layer in step 102 is patterned in the shape of an optical waveguide by photolithography technology.
  • the patterned KTN layer corresponds to the electro-optical material layer 20 shown in FIGS. 1A and 1B.
  • the width of the KTN layer is processed to 1 ⁇ m.
  • the width direction of the optical waveguide is designed to be parallel to the [010] or [001] direction of the KTN layer by utilizing the orientation flat or notch provided on the MgO substrate. That is, the direction in which light propagates in the optical waveguide is the [001] direction or the [010] direction of the KTN layer.
  • a LiPON layer is formed on the patterned KTN layer in step 103 and on the MgO substrate.
  • the thickness of the LiPON layer is 500 nm.
  • a sputtering method is used to form the LiPON layer.
  • the MgO substrate containing the patterned 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 and on the substrate by sputtering at an RF power of 50 W for 1 hour.
  • step S105 the LiPON layer in step 104 is patterned by a photolithography technique.
  • the LiPON layer on the KTN layer and the LiPON layer on the MgO substrate at a distance of 2.5 ⁇ m or more from the KTN layer are removed.
  • the two LiPON layers in contact with both sides of the KTN layer correspond to the electrolyte layer 30 shown in FIGS. 1A and 1B.
  • step S106 a pair of ITO layers formed of 10 wt% SnO 2- doped In 2 O 3 are formed on each of the two LiPON layers using the mask pattern formed by the photolithography technique.
  • the ITO layer corresponds to the first electrode 40a and the second electrode 40b shown in FIGS. 1A and 1B.
  • the thickness of the ITO layer is 100 nm. The same sputtering method as described above is used for forming the ITO layer.
  • FIG. 7 is a flowchart showing a manufacturing process of the optical device 100 when the electro-optical material layer 20 is formed from LN.
  • the method for manufacturing the optical device 100 includes the following steps S201 to S206.
  • step S201 an a-plane sapphire substrate formed from an ⁇ -Al 2 O 3 (11-20) single crystal is prepared.
  • the a-side sapphire substrate corresponds to the substrate 10 shown in FIGS. 1A and 1B.
  • An orientation flat or a notch is provided on a part of the outer circumference of the a-side sapphire substrate so that the crystal direction of the substrate can be known.
  • an a-axis oriented LN layer is formed by epitaxial growth on the surface of the a-plane sapphire substrate.
  • the thickness of the LN layer is 500 nm.
  • the PLD method is used to form the LN layer.
  • the a-plane sapphire substrate and the target formed from the LN are arranged so as 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 13.3 Pa.
  • the a-side sapphire substrate is heated to 550 ° C.
  • an LN layer whose c-axis is parallel to the surface is deposited on the surface of the a-plane sapphire substrate. After cooling, the a-side sapphire substrate containing the LN layer is taken out of the vacuum chamber.
  • the LN layer in step 202 is patterned in the shape of an optical waveguide by photolithography technology.
  • the patterned LN layer corresponds to the electro-optical material layer 20 shown in FIGS. 1A and 1B.
  • the width of the LN layer is processed to 1 ⁇ m.
  • the width direction of the optical waveguide is designed to be parallel to the c-axis of the LN layer by utilizing the orientation flat or notch provided on the a-plane sapphire substrate. That is, the direction in which light propagates in the optical waveguide is the ⁇ 10-10> direction parallel to the m-axis of the LN layer.
  • Steps S204 to S206 are the same as steps S104 to S106, respectively.
  • the structure of the above KTN layer or LN layer can be patterned into any shape by photolithography and dry etching.
  • the width of the KTN layer or LN layer is designed to be, for example, 1 ⁇ m because there is a 0th-order TM mode in which the wavelength in the air is 1550 nm.
  • the structure of the KTN layer or the LN layer may be patterned on a Mach-Zehnder type optical switching device or an optical phased array described later.
  • FIG. 8 is a plan view schematically showing an example of the optical switching device 200 in the first application example of the present embodiment.
  • the optical switching device 200 in the first application example 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 can be ignored.
  • one of the optical waveguides includes the optical device 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.
  • 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 40 in the optical device 100.
  • the phases of the light output from the two branched optical waveguides 200b are opposite to each other.
  • 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 continuously increased from I in to 0. Can be adjusted.
  • FIGS. 9A and 9B are diagrams schematically showing an example of the optical phased array 300 in the second application example of the present embodiment.
  • the optical phased array 300 in the second application example includes a plurality of optical waveguides 300w arranged in the Y direction.
  • Each of the plurality of optical waveguides 300w includes the optical device 100 in this embodiment.
  • the plurality of lights output from each of 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 plane 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 increases by ⁇ along the Y direction. To do. 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 40 in the optical device 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 phased array 300 can be used, for example, as an antenna in an optical scanning system such as a LiDAR (Light Detection and Ringing) system and / or an optical detection system.
  • an optical scanning system such as a LiDAR (Light Detection and Ringing) system and / or an optical detection system.
  • the LiDAR system short wavelength electromagnetic waves 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.
  • Such 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.

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Abstract

光デバイスは、電気絶縁性の基板（１０）と、前記基板によって支持された電気光学材料層（２０）と、前記電気光学材料層に接する少なくとも１つの電解質層（３０）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電極（４０ａ）および第２電極（４０ｂ）と、を備え、前記第１電極および前記２電極は、（Ａ）前記電気光学材料層の前記基板に面する第１面と、前記基板の前記電気光学材料層に面する第２面との間の位置、および（Ｂ）前記電気光学材料層の前記電解質層に面する第３面と、前記電解質層の前記電気光学材料層に面する第４面との間の位置、の何れにも設けられない。

Description

光デバイス
　本開示は、光デバイスに関する。
　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デバイスを提供する。
　本開示の一態様に係る光デバイスは、電気絶縁性の基板と、前記基板によって支持された電気光学材料層と、前記電気光学材料層に接する少なくとも１つの電解質層と、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電極および第２電極と、を備え、前記第１電極および前記２電極は、（Ａ）前記電気光学材料層の前記基板に面する第１面と、前記基板の前記電気光学材料層に面する第２面との間の位置、および（Ｂ）前記電気光学材料層の前記電解質層に面する第３面と、前記電解質層の前記電気光学材料層に面する第４面との間の位置、の何れにも設けられない。
　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デバイスを模式的に示す図である。 図１Ｂは、図１Ａに示す光デバイスの平面図である。 図２は、図１Ａの構成における、電気光学材料層、電解質層、および一対の電極内の電荷分布を模式的に示す図である。 図３は、本実施形態の第１変形例における光デバイスの例を模式的に示す図である。 図４Ａは、本実施形態の第２変形例における光デバイスの例を模式的に示す図である。 図４Ｂは、図４Ａの構成における、電気光学材料層、電解質層、および一対の電極内の電荷分布を模式的に示す図である。 図５Ａは、本実施形態の第３変形例における光デバイスの例を模式的に示す図である。 図５Ｂは、本実施形態の第４変形例における光デバイスの例を模式的に示す図である。 図５Ｃは、本実施形態の第５変形例における光デバイスの例を模式的に示す図である。 図６は、電気光学材料層がＫＴＮから形成された場合における光デバイスの製造工程を示すフローチャートである。 図７は、電気光学材料層がＬＮから形成された場合における光デバイスの製造工程を示すフローチャートである。 図８は、本実施形態の第１応用例における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、本実施形態の第２応用例における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、本実施形態の第２応用例における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）を用いた光デバイスを開示している。非特許文献１に開示されている光デバイスでは、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、光デバイスの大型化を招く。
　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）を用いた光デバイスを開示している。熱光学効果による屈折率の変化量は大きく、例えば１０－２程度のオーダである。このため、光デバイスが小さい場合でも、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）を用いた光デバイスを開示している。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デバイスでは、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。この光スイッチにおいて、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。
　本開示における光デバイスでは、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。本開示における光デバイスにおいて、電気光学材料層の結晶性は、基板の結晶性によって決まる。基板の結晶性が高い場合、電気光学材料層の結晶性を向上させることができる。その結果、電圧の印加によって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。
　第１の項目に係る光デバイスは、電気絶縁性の基板と、前記基板によって支持された電気光学材料層と、前記電気光学材料層に接する少なくとも１つの電解質層と、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電極および第２電極と、を備える。前記第１電極および前記２電極は、（Ａ）前記電気光学材料層の前記基板に面する第１面と、前記基板の前記電気光学材料層に面する第２面との間の位置、および（Ｂ）前記電気光学材料層の前記電解質層に面する第３面と、前記電解質層の前記電気光学材料層に面する第４面との間の位置、の何れにも設けられない。
　この光デバイスでは、基板の材料を適切に選択することにより、電気光学材料層の結晶性を向上させることができる。
　第２の項目に係る光デバイスは、第１の項目に係る光デバイスにおいて、前記電気光学材料層、前記少なくとも１つの電解質層、ならびに前記第１電極および前記第２電極が、前記基板に平行な方向に延びている。前記電気光学材料層は、前記電解質層の屈折率よりも高い屈折率を有する。前記電気光学材料層は、前記基板に平行な前記方向に沿って光を伝搬させる。
　この光デバイスでは、電気光学材料層が光導波層として機能する。
　第３の項目に係る光デバイスは、第２の項目に係る光デバイスにおいて、前記電圧を制御して前記電気光学材料層の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制御回路をさらに備える。
　この光デバイスでは、電気光学材料層を伝搬する光の位相を変調させることができる。
　第４の項目に係る光デバイスは、第２または第３の項目に係る光デバイスにおいて、前記光が、横電界（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ）モードでの光である。
　この光デバイスでは、電気光学材料層に横電界モードでの光を伝搬させることができ、電気光学材料層の厚さを相対的に薄くすることができる。
　第５の項目に係る光デバイスは、第１から第４の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記電解質層が、固体電解質材料またはゲル電解質材料から形成されている。
　この光デバイスでは、固体電解質材料またはゲル電解質材料から形成された電解質層を容易に加工することができる。
　第６の項目に係る光デバイスは、第１から第５の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記電気光学材料層が、前記基板に接している。
　この光デバイスでは、電気光学材料層が基板に接しているので、基板の結晶性が高い場合、電気光学材料層の結晶性を向上させることができる。
　第７の項目に係る光デバイスは、第１から第５の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記基板上に積層された電気絶縁層をさらに備える。前記電気光学材料層は、前記電気絶縁層上に積層されている。
　この光デバイスでは、電気光学材料層と基板との間に位置する電気絶縁層の材料を適切に選択することにより、電気光学材料層の結晶性を向上させることができる。
　第８の項目に係る光デバイスは、第７の項目に係る光デバイスにおいて、前記基板、前記電気絶縁層、および前記電気光学材料層の各々が、結晶構造を有する。前記電気絶縁層の格子定数は、前記基板の格子定数と前記電気光学材料層の格子定数との間である。
　この光デバイスでは、電気絶縁層が上記の条件を満たすことにより、電気光学材料層の結晶性を向上させることができる。
　第９の項目に係る光デバイスは、第１から第８の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記少なくとも１つの電解質層が、２つの電解質層から構成されている。前記２つの電解質層は、前記電気光学材料層の両側に隣接している。前記第１電極および前記第２電極の各々は、前記２つの電解質層の１つに接している。
　この光デバイスでは、電解質層に、基板に対して平行な方向に電界を印加することができる。
　第１０の項目に係る光デバイスは、第１から第８の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記少なくとも１つの電解質層が、１つの電解質層から構成されている。前記第１電極および前記電解質層は、前記電気光学材料層の両側に隣接している。前記第２電極は、前記電解質層に接している。
　この光デバイスでは、電解質層に、基板に対して平行な方向に電界を印加することができる。
　第１１の項目に係る光デバイスは、第１から第８の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記少なくとも１つの電解質層が、第１電解質層および第２電解質層を含む。前記第１電解質層および前記第２電解質は、前記電気光学材料層上に間隔をあけて並ぶ。前記第１電極は、前記第１電解質層に接している。前記第２電極は、前記第２電解質層に接している。
　この光デバイスでは、電気光学材料層のうち、１以上の第１電解質層および１以上の第２電解質層が接する面に、当該面に対して垂直な方向に電界を印加することができる。
　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は、本開示の例示的な実施形態における光デバイス１００を模式的に示す図である。図１Ｂは、図１Ａに示す光デバイス１００の平面図である。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。Ｘ軸の矢印と同じ方向を「＋Ｘ方向」と称し、その反対の方向を「－Ｘ方向」と称する。±Ｙ方向および±Ｚ方向についても同様である。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、便宜上用いられるにすぎず、現実に使用される光デバイス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方向から見た光デバイス１００の構造を模式的に示している。図１Ｂは、＋Ｚ方向から見た光デバイス１００の構造を模式的に示している。
　本実施形態における光デバイス１００は、基板１０と、電気光学材料層２０と、第１電解質層３０ａおよび第２電解質層３０ｂと、第１電極４０ａおよび第２電極４０ｂと、制御回路５０とを備える。本明細書において、第１電解質層３０ａおよび第２電解質層３０ｂを区別せずに、単に「電解質層３０」とも称する。本明細書において、第１電極４０ａおよび第２電極４０ｂを、「一対の電極４０」とも称する。基板１０と、電気光学材料層２０と、電解質層３０と、一対の電極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、ＸＹ平面に平行な主面１０ｓを有する。基板１０は、電気光学材料層２０、電解質層３０、および一対の電極４０を支持する。基板１０は、電気光学材料層２０および電解質層３０に接している。基板１０は、結晶構造を有する。基板１０は電気絶縁性であり、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。
　電気光学材料層２０は、基板１０の主面１０ｓ上に位置する。電気光学材料層２０は、図１Ｂに示すように、全反射によって光２２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１Ａに示す楕円は、光２２の強度が当該楕円内で相対的に高いことを表している。電気光学材料層２０の屈折率は、光デバイス１００の周辺の媒質の屈折率、基板１０の屈折率、および電解質層３０の屈折率よりも高い。
　電気光学材料層２０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２０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、光デバイス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２０の屈折率の変化により、電気光学材料層２０内を伝搬する光２２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２２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２０の屈折率をｎ０、電界の印加による電気光学材料層２０の屈折率の変化量をΔｎ、電気光学材料層２０の長さをＬ、電気光学材料層２０を伝搬する前の光２２の位相をφ＝０とする。このとき、電気光学材料層２０を伝搬した後の光２２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２２の位相の変化量は、Δφ＝（２π／λ）ΔｎＬである。
　電気光学材料層２０は結晶構造を有する。電気光学材料層２０の屈折率の変化量は、電気光学材料層２０の結晶性に依存する。電気光学材料層２０の結晶性が低いと、電気光学材料層２０の屈折率の変化量は小さくなる。本実施形態における光デバイス１００では、電気光学材料層２０に接する基板１０が高い結晶性を有する場合、エピタキシャル成長によって形成された電気光学材料層２０も、高い結晶性を有する。
　基板１０と、第１電極４０ａと、電気光学材料層２０と、電解質層３０と、第２電極４０ｂとがこの順に積層された構成では、電気光学材料層２０に接する第１電極４０ａが導電性であるので、電気光学材料層２０のエピタキシャル成長に適した第１電極４０ａの材料が限定される。これに対して、本実施形態における光デバイス１００では、電気光学材料層２０に接する基板１０ｂは電気絶縁性でよいので、基板１０ｂの材料の選択の幅が広がる。
　電気光学材料層２０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２０は、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：ＬＮ）、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２０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（ＫＴａＯ３）、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。電気光学材料層２０はキャリア注入されていてもよい。当該群の中でも、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。
　第１電解質層３０ａおよび第２電解質層３０ｂは、基板１０の主面１０ｓ上に位置し、電気光学材料層２０の両側に隣接している。電解質層３０は、電気光学材料層２０の少なくとも一部に接している。電解質層３０は、少なくともＸ方向に延びた構造を有する。電解質層３０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３０は、可視領域から赤外領域の光３２に対して透明であり得る。電解質層３０がこのように透明である場合、可視領域から赤外領域の光３２のロスを無視することができる。電解質層３０は、アモルファス構造を有し得る。アモルファス構造の電解質層３０の下地の材料に関しては、エピタキシャル成長のような、格子定数が近い材料を選択するなどの厳しい制限は存在しない。
　電解質層３０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程度のオーダのイオン伝導度を有し得る。固体電解質層は、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）などの固体電解質材料から形成され得る。ＬｉＰＯＮのイオン伝導度は、１０－６Ｓ／ｃｍ程度のオーダである。あるいは、電解質層３０は、ゲル電解質層であってもよい。ゲル電解質層は、例えば、以下のゲル電解質材料から形成され得る。当該ゲル電解質材料は、イオン液体のＥＭＩｍＴＦＳＩ（１－ｅｔｈｙｌ－３－ｍｅｔｈｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ　ｂｉｓ（ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈｙｌｓｕｌｆｏｎｙｌ）ｉｍｉｄｅ）に、ＭＭＡ（ｍｅｔｈｙｌ　ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）と架橋剤のＥＧＤＭＡ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｇｌｙｃｏｌ　ｄｉｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）とを加え、重合することによって得られる柔軟で透明なイオンゲルである。ＥＭＩｍＴＦＳＩとＭＭＡとのモル比は、１：９から７：３の範囲である。
　電解質層３０の厚さは、電気光学材料層２０の厚さ同程度か、それ以上であり得る。電解質層３０が電気光学材料層２０よりも厚い場合、電解質層３０と電気光学材料層２０とが広い範囲で接触する。その結果、電気光学材料層２０に電界が効率的に印加され、電気光学材料層２０の屈折率の変化量を大きくすることができる。電解質層３０は、電気光学材料層２０の上面の一部を覆っていてもよい。ただし、第１電解質層３０ａおよび第２電解質層３０ｂは接触しない。電解質層３０の幅は、例えば５００ｎｍ以上２．５μｍ以下であり得る。電解質層３０の幅が５００ｎｍ以上である場合、光２２の染み出しであるエバネッセント光が電解質層３０に染み出しても、そのエバネッセント光が一対の電極４０の少なくとも一方に達する可能性を低減することができる。電解質層３０の幅が２．５μｍ以下である場合、電解質層３０の内部抵抗はあまり増加せず、電気光学材料層２０および電解質層３０に印加された電界の強度が減少する可能性を低減することができる。
　第１電極４０ａは第１電解質層３０ａ上に位置し、第２電極４０ｂは第２電解質層３０ｂ上に位置する。一対の電極４０の各々は、電解質層３０の一部と接している。一対の電極４０の各々は、電解質層３０の上面に位置してもよいし、電解質層３０の側面に位置してもよい。一対の電極４０の各々は、電気光学材料層２０の基板１０に面する第１面と、基板１０の電気光学材料層２０に面する第２面との間の位置には設けられない。第１面は、電気光学材料層２０の底面であり、第２面は、基板１０の主面１０ｓの一部である。第１面および第２面は、互いに対向している。また、一対の電極４０は、電気光学材料層２０の電解質層３０に面する第３面と、電解質層３０の電気光学材料層２０に面する第４面との間の位置には設けられない。第３面は、電気光学材料層２０の側面であり、第４面は、電解質層３０の側面である。第３面および第４面は、互いに対向している。一対の電極４０には、直流電圧が印加される。これにより、電気光学材料層２０および電解質層３０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４０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。透明電極である場合、一対の電極４０の少なくとも一方が電気光学材料層２０に近接しても、光２２のロスは無視できる。金属電極である場合、一対の電極４０の各々が、電解質層３０を介して電気光学材料層２０から例えば１μｍ以上のように十分離れていれば、光２２のエバネッセント光は、一対の電極４０の各々には達しない。したがって、光２２のロスは無視できる。一対の電極４０の各々の厚さは、電極として機能する厚さに設計される。一対の電極４０の各々は、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。あるいは、一対の電極４０の各々は、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、およびＴｉからなる群から選択された少なくとも１つから形成された金属電極であり得る。一対の電極４０の各々と電解質層３０との間に、ＬｉＣｏＯ２またはＬｉ２ＴｉＯ４などの３次元的なＬｉイオン伝導および電子伝導を示す混合伝導体を形成してもよい。
　制御回路５０は、一対の電極４０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４０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４０に電圧を印加して電気光学材料層２０の屈折率を変化させることにより、電気光学材料層２０をＸ方向に沿って伝搬する光２２の位相を変調する。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２は、図１Ａの構成における、電気光学材料層２０、電解質層３０、および一対の電極４０内の電荷分布を模式的に示す図である。図２に示す例において、第２電極４０ｂの電位は、第１電極４０ａの電位よりも高い。このときの第１電極４０ａ内の負の電荷（－）、第２電極４０ｂ内の正の電荷（＋）、電気光学材料層２０内の分極（＋－）、ならびに電解質層３０内の正イオン（＋）および負イオン（－）の分布が模式的に表されている。
　第１電極４０ａに含まれる負の電荷により、第１電解質層３０ａの正イオンは第１電極４０ａの近傍に移動し、負イオンは電気光学材料層２０の近傍に移動する。第２電極４０ｂに含まれる正の電荷により、第２電解質層３０ｂの負イオンは第２電極４０ｂの近傍に移動し、正イオンは電気光学材料層２０の近傍に移動する。電気光学材料層２０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３０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２０と電解質層３０との界面には、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３０と一対の電極４０の各々との界面にも、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。
　ただし、電解質層３０の種類によっては移動できないイオンが含まれる場合もあり得る。例えば、電解質を構成するイオンのうち、正イオンが移動でき、負イオンが移動できない場合、電圧の印加によって正イオンは負に帯電した第１電極４０ａの側に移動する。逆に正に帯電した第２電極４０ｂ付近では、正イオンが離れるので、もともと正イオンが存在していた部分は相対的に負に帯電する。したがって、あたかも負イオンが第２電極４０ｂ付近に移動したように取り扱える。移動後のイオンの位置は、電解質層３０の種類、電解質層３０に含まれるイオンの種類、および電解質層３０に印加される電圧の値に応じて変化する。例えば、印加電圧の値が大きい場合には多くのイオンが移動する。サイズが小さいイオンは、より電極の近くまで移動する。
　電気二重層の厚さは数ｎｍ以下である。電気二重層における電位の急峻な勾配により、電気光学材料層２０と電解質層３０との界面付近には、１０ＭＶ/ｃｍ程度の強電界が生じる。電気二重層の強電界に起因して、電気二重層内の構成原子またはイオンは、電子分極またはイオン分極を引き起こす。結果として、低電圧であっても電気二重層内で大きい屈折率の変化が生じる。一対の電極４０の付近での屈折率の変化量は１０－２以上のオーダになることが期待できる。
　一対の電極４０の間に印加される電圧の値は、電解質層３０が分解されない値に制限される。例えば、金属イオンを含む電解質層３０に高電圧を印加すると、金属イオンが還元析出し得る。その結果、一対の電極４０が短絡してしまう。一般に、電解質層３０の分解電圧は１Ｖから４Ｖ程度である。
　以上の構成により、光デバイス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２０を伝搬する光２２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２０と電解質層３０との界面は平坦である。界面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２０のうち、界面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、界面の凹部または凸部による光２２の散乱により、光２２のロスが生じ得る。これに対し、界面が平坦である場合、界面付近には、Ｙ方向に強い電界が集中する。これにより、電気光学材料層２０の界面付近の部分の屈折率の変化量を大きくできる。また、平坦な界面により、光２２のロスが抑制される。
　電気光学材料層２０の屈折率の変化量は、テンソルによって記述される。印加された電界の方向に応じて、電気光学材料層２０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２０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、電界をＹ方向に印加すると、電気光学材料層２０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２０の材料によっては、電気光学材料層２０の特定の結晶軸がＹ方向に平行になる場合、電気光学材料層２０の屈折率の変化量は、Ｙ方向において最大になる。これにより、横電界（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ：ＴＥ）モードでの光２２の位相を大きく変調することができる。ＴＥモードでの光２２は、主にＹ方向に平行な電界を有する。ＴＥモードでの光２２を伝搬させる場合、電気光学材料層２０の厚さを相対的に薄くすることができる。相対的に薄い電気光学材料層２０は、光デバイス１００の小型化を可能にする。また、電気光学材料層２０が光２２の一部を吸収する場合でも、相対的に薄い電気光学材料層２０は、光２２のロスを低減することができる。
　電気光学材料層２０の結晶軸の方向を以下のように設計することにより、電気光学材料層２０の屈折率の変化量をＹ方向において最大にすることができる。電気光学材料層２０がＫＴＮなどの立方晶系の結晶構造を有する場合、電気光学材料層２０の結晶軸のうち＜００１＞方向が、Ｙ方向に平行になるように設計される。一方、電気光学材料層２０がＬＮなどの三方晶系の結晶構造を有する場合、電気光学材料層２０の結晶軸のうちｃ軸に対して平行な＜０００１＞方向が、Ｙ方向に平行になるように設計される。
　（変形例）
　以下に、図３から図５Ｃを参照して、本実施形態における光デバイス１００の第１変形例から第５変形例を説明する。以下において、前述と重複する説明は省略することがある。
　図３は、本実施形態の第１変形例における光デバイス１１０の例を模式的に示す図である。本実施形態の第１変形例における光デバイス１１０では、本実施形態における光デバイス１００とは異なり、第１電解質層３０ａおよび第２電解質層３０ｂの代わりに、第１電極４０ａおよび電解質層３０が、基板１０の主面１０ｓ上に位置し、かつ、電気光学材料層２０の両側に隣接している。第１電極４０ａおよび電解質層３０の各々は、電気光学材料層２０の少なくとも一部に接している。第１電極４０ａが透明電極である場合、光２２のロスを無視することができる。
　図４Ａは、本実施形態の第２変形例における光デバイス１２０の例を模式的に示す図である。本実施形態の第２変形例における光デバイス１２０は、本実施形態における光デバイス１００とは異なり、１以上の第１電解質層３０ａおよび１以上の第２電解質層３０ｂを備える。１以上の第１電解質層３０ａおよび１以上の第２電解質層３０ｂは、電気光学材料層２０によって支持され、かつ、間隔をあけて交互に並んでいる。一対の電極４０は、Ｙ方向に並ぶ１以上の第１部分４０ｐ１を有する第１電極４０ａと、Ｙ方向に並ぶ１以上の第２部分４０ｐ２を有する第２電極４０ｂとから構成されている。第１部分４０ｐ１および第２部分４０ｐ２は、Ｘ方向に延びている。第１電極４０ａにおける１以上の第１部分４０ｐ１は、それぞれ１以上の第１電解質層３０ａに接しており、第２電極４０ｂにおける１以上の第２部分４０ｐ２は、それぞれ１以上の第２電解質層３０ｂに接している。第１電極４０ａが複数の第１部分４０ｐ１を有し、第２電極４０ｂが複数の第２部分４０ｐ２を有する場合、第１電極４０ａおよび第２電極４０ｂの各々は、いわゆる櫛形電極である。複数の第１部分４０ｐ１または複数の第２部分４０ｐ２は、櫛形電極の櫛歯に相当する。一対の櫛形電極４０は、第１櫛形電極４０ａの櫛歯と第２櫛形電極４０ｂの櫛歯とが交互に並ぶように配置されている。
　図４Ｂは、図４Ａの構成における、電気光学材料層２０、電解質層３０、および一対の電極４０内の電荷分布を模式的に示す図である。図４Ｂに示す例において、第２電極４０ｂの電位は、第１電極４０ａの電位よりも高い。第１電極４０ａに含まれる負の電荷により、第１電解質層３０ａの正イオンは第１電極４０ａの近傍に移動し、負イオンは電気光学材料層２０の近傍に移動する。第２電極４０ｂに含まれる正の電荷により、第２電解質層３０ｂの負イオンは第２電極４０ｂの近傍に移動し、正イオンは電気光学材料層２０の近傍に移動する。電気光学材料層２０内では、電気光学材料層２０と電解質層３０の界面の近傍で、正の電荷および負の電荷を一対とする分極が発生する。電気光学材料層２０と電解質層３０との界面には、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３０と一対の電極４０の各々との界面にも、電気二重層が形成される。
　電気光学材料層２０内では、電気光学材料層２０と電解質層３０との界面で、強電界がＺ方向に発生し、電気光学材料層２０のＺ方向における屈折率が大きく変調される。図４Ａに示す例では、横磁界（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｍａｇｎｅｔｉｃ：ＴＭ）モードでの光２２の位相を大きく変調することができる。ＴＭモードでの光２２は、主にＺ方向に平行な電界を有する。
　図５Ａは、本実施形態の第３変形例における光デバイス１３０の例を模式的に示す図である。本実施形態の第３変形例における光デバイス１３０では、本実施形態における光デバイス１００とは異なり、基板１０と、電気光学材料層２０および電解質層３０の各々との間に、バッファ層１２が設けられている。基板１０上に、バッファ層１２が積層されており、バッファ層１２上に、電気光学材料層２０および電解質層３０が積層されている。バッファ層１２は、結晶構造を有する。バッファ層１２の格子定数は、基板１０の格子定数と電気光学材料層２０の格子定数との間である。バッファ層１２は、電気光学材料層２０の結晶性を向上させる。バッファ層１２が可視領域および赤外領域の光２２に対して透明である場合、光２２のロスを無視できる。バッファ層１２が電気絶縁層である場合、電気光学材料層２０に印加される電界は影響を受けない。バッファ層１２が薄い場合、バッファ層１２の屈折率が電気光学材料層２０の屈折率よりも低く、かつ、基板１０の屈折率よりも高かれば、光２２は、基板１０に漏れることなく、Ｘ方向に沿って伝搬することができる。バッファ層１２が十分厚い場合、バッファ層１２の屈折率が電気光学材料層２０の屈折率よりも低ければ、光２２のエバネッセント光は基板には達しない。したがって、基板１０の屈折率に制限はない。
　基板１０が、例えばＳｒＴｉＯ３（ＳＴＯ）およびＳｉから選択される少なくとも１つから形成される場合、バッファ層１２は、例えばＳｒＳｎＯ３およびＢａＳｎＯ３からなる群から選択された少なくとも１つから形成され得る。バッファ層１２は単層であってもよいし多層であってもよい。
　図５Ｂは、本実施形態の第４変形例における光デバイス１４０の例を模式的に示す図である。本実施形態の第４変形例における光デバイス１４０では、本実施形態の第１変形例における光デバイス１１０とは異なり、基板１０と、電気光学材料層２０、電解質層３０、および第１電極４０ａの各々との間に、バッファ層１２が設けられている。図５Ｃは、本実施形態の第５変形例における光デバイス１５０の例を模式的に示す図である。本実施形態の第５変形例における光デバイス１５０では、本実施形態の第２変形例における光デバイス１２０とは異なり、基板１０と電気光学材料層２０との間に、バッファ層１２が設けられている。図５Ｂおよび図５Ｃに示す例においても、バッファ層１２により、電気光学材料層２０の結晶性を向上させることができる。
　（製造方法）
　以下に、図６および図７を参照して、光デバイス１００の製造方法を説明する。
　図６は、電気光学材料層２０がＫＴＮから形成された場合における光デバイス１００の製造工程を示すフローチャートである。光デバイス１００の製造方法は、以下のステップＳ１０１からステップＳ１０６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。ＭｇＯ基板の外周の一部には、基板の結晶方向がわかるように、「オリエンテーションフラット」と呼ばれる平面、または「ノッチ」と呼ばれる切り欠きが設けられている。
　ステップＳ１０２において、ＭｇＯ基板の表面上に、（１００）配向のＫＴＮ層がエピタキシャル成長によって形成される。ＫＴＮ層の厚さは５００ｎｍである。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、ＫＴＮ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。ＫＴＮから形成されたターゲットをエキシマレーザで照射することにより、ＭｇＯ基板の表面上に、ＫＴＮ層が堆積される。冷却後、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、ステップ１０２におけるＫＴＮ層が、フォトリソグラフィ技術により、光導波路の形状にパターニングされる。パターニングされたＫＴＮ層は、図１Ａおよび図１Ｂに示す電気光学材料層２０に相当する。ＫＴＮ層の幅は１μｍに加工される。パターニングの際、ＭｇＯ基板に設けられたオリエンテーションフラットまたはノッチを利用して、光導波路の幅方向は、ＫＴＮ層の［０１０］方向または［００１］方向に対して平行になるように設計される。すなわち、光導波路内を光が伝搬する方向は、ＫＴＮ層の［００１］方向または［０１０］方向である。
　ステップＳ１０４において、ステップ１０３におけるパターニングされたＫＴＮ層上と、ＭｇＯ基板上とに、ＬｉＰＯＮ層が形成される。ＬｉＰＯＮ層の厚さは５００ｎｍ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、パターニングされたＫＴＮ層を含むＭｇＯ基板と、ＬｉＰＯＮ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層上および基板上に堆積される。
　ステップＳ１０５において、ステップ１０４におけるＬｉＰＯＮ層が、フォトリソグラフィ技術によりパターニングされる。ＫＴＮ層上のＬｉＰＯＮ層と、ＫＴＮ層から２．５μｍ以上離れたＭｇＯ基板上のＬｉＰＯＮ層とが除去される。ＫＴＮ層の両側に接する２つのＬｉＰＯＮ層は、図１Ａおよび図１Ｂに示す電解質層３０に相当する。
　ステップＳ１０６において、フォトリソグラフィ技術によって形成されたマスクパターンを用いて、２つのＬｉＰＯＮ層上に、それぞれ、１０ｗｔ％ＳｎＯ２ドープＩｎ２Ｏ３から形成された一対のＩＴＯ層が形成される。ＩＴＯ層は、図１Ａおよび図１Ｂに示す第１電極４０ａおよび第２電極４０ｂに相当する。ＩＴＯ層の厚さは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。
　図７は、電気光学材料層２０がＬＮから形成された場合における光デバイス１００の製造工程を示すフローチャートである。光デバイス１００の製造方法は、以下のステップＳ２０１からステップＳ２０６を含む。
　ステップＳ２０１において、α－Ａｌ２Ｏ３（１１－２０）単結晶から形成されたａ面サファイア基板が用意される。ａ面サファイア基板は、図１Ａおよび図１Ｂに示す基板１０に相当する。ａ面サファイア基板の外周の一部には、基板の結晶方向がわかるように、オリエンテーションフラット、またはノッチが設けられている。
　ステップＳ２０２において、ａ面サファイア基板の表面上に、ａ軸配向のＬＮ層がエピタキシャル成長によって形成される。ＬＮ層の厚さは５００ｎｍである。ＬＮ層の形成には、ＰＬＤ法が用いられる。真空チャンバ内に、ａ面サファイア基板と、ＬＮ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１３．３Ｐａになる。ａ面サファイア基板は５５０℃に加熱される。ＬＮから形成されたターゲットをエキシマレーザで照射することにより、ａ面サファイア基板の表面上に、ｃ軸が当該表面に平行であるＬＮ層が堆積される。冷却後、ＬＮ層を含むａ面サファイア基板が、真空チャンバから取り出される。
　ステップＳ２０３において、ステップ２０２におけるＬＮ層が、フォトリソグラフィ技術により、光導波路の形状にパターニングされる。パターニングされたＬＮ層は、図１Ａおよび図１Ｂに示す電気光学材料層２０に相当する。ＬＮ層の幅は１μｍに加工される。パターニングの際、ａ面サファイア基板に設けられたオリエンテーションフラットまたはノッチを利用して、光導波路の幅方向は、ＬＮ層のｃ軸に対して平行になるように設計される。すなわち、光導波路内を光が伝搬する方向は、ＬＮ層のｍ軸に対して平行である＜１０－１０＞方向である。
　ステップＳ２０４からステップＳ２０６は、それぞれステップＳ１０４からステップＳ１０６と同じである。
　上記のＫＴＮ層またはＬＮ層の構造は、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。ＫＴＮ層またはＬＮ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、ＫＴＮ層またはＬＮ層の幅は、例えば１μｍに設計される。ＫＴＮ層またはＬＮ層の構造は、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）
　次に、図８から図９Ｂを参照して、本実施形態における光デバイス１００の第１応用例および第２応用例を説明する。
　図８は、本実施形態の第１応用例における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。第１応用例におけ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に示す例において、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での光の反射は無視できる。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デバイス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。光デバイス１００における一対の電極４０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。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、光デバイス１００における一対の電極４０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。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、光デバイス１００における一対の電極４０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。
　図９Ａおよび図９Ｂは、本実施形態の第２応用例における光フェーズドアレイ３００の例を模式的に示す図である。第２応用例におけ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デバイス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。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に示す例において、光デバイス１００における一対の電極４０に印加する直流電圧の値が０Ｖである場合、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に示す例において、光デバイス１００における一対の電極４０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、光デバイス１００における一対の電極４０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。
　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、いわゆるドローン）、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　　　基板の主面
　　１２　　　　バッファ層
　　２０　　　　電気光学材料層
　　２２　　　　光
　　３０　　　　電解質層
　　３０ａ　　　第１電解質層
　　３０ｂ　　　第２電解質層
　　４０　　　　一対の電極
　　４０ａ　　　第１電極
　　４０ｂ　　　第２電極
　　５０　　　　制御回路
　　１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０　　光デバイス
　　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. 　電気絶縁性の基板と、
    　前記基板によって支持された電気光学材料層と、
    　前記電気光学材料層に接する少なくとも１つの電解質層と、
    　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電極および第２電極と、を備え、
    　前記第１電極および前記２電極は、
    　　（Ａ）前記電気光学材料層の前記基板に面する第１面と、前記基板の前記電気光学材料層に面する第２面との間の位置、および
    　　（Ｂ）前記電気光学材料層の前記電解質層に面する第３面と、前記電解質層の前記電気光学材料層に面する第４面との間の位置、
    　の何れにも設けられない、
    光デバイス。
  2. 　前記電気光学材料層、前記少なくとも１つの電解質層、ならびに前記第１電極および前記第２電極は、前記基板に平行な方向に延びており、
    　前記電気光学材料層は、前記電解質層の屈折率よりも高い屈折率を有し、
    　前記電気光学材料層は、前記基板に平行な前記方向に沿って光を伝搬させる、
    請求項１に記載の光デバイス。
  3. 　前記電圧を制御して前記電気光学材料層の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制御回路をさらに備える、
    請求項２に記載の光デバイス。
  4. 　前記光は、横電界（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ）モードでの光である、請求項２または３に記載の光デバイス。
  5. 　前記電解質層は、固体電解質材料またはゲル電解質材料から形成されている、
    請求項１から４のいずれかに記載の光デバイス。
  6. 　前記電気光学材料層は、前記基板に接している、
    請求項１から５のいずれかに記載の光デバイス。
  7. 　前記基板上に積層された電気絶縁層をさらに備え、
    　前記電気光学材料層は、前記電気絶縁層上に積層されている、
    請求項１から５のいずれかに記載の光デバイス。
  8. 　前記基板、前記電気絶縁層、および前記電気光学材料層の各々は、結晶構造を有し、
    　前記電気絶縁層の格子定数は、前記基板の格子定数と前記電気光学材料層の格子定数との間である、
    請求項７に記載の光デバイス。
  9. 　前記少なくとも１つの電解質層は、２つの電解質層から構成され、
    　前記２つの電解質層は、前記電気光学材料層の両側に隣接しており、
    　前記第１電極および前記第２電極の各々は、前記２つの電解質層の１つに接している、請求項１から８のいずれかに記載の光デバイス。
  10. 　前記少なくとも１つの電解質層は、１つの電解質層から構成され、
    　前記第１電極および前記電解質層は、前記電気光学材料層の両側に隣接しており、
    　前記第２電極は、前記電解質層に接している、
    請求項１から８のいずれかに記載の光デバイス。
  11. 　前記少なくとも１つの電解質層は、第１電解質層および第２電解質層を含み、
    　前記第１電解質層および前記第２電解質は、前記電気光学材料層上に間隔をあけて並び、
    　前記第１電極は前記第１電解質層に接しており、
    　前記第２電極には前記第２電解質層に接している、
    請求項１から８のいずれかに記載の光デバイス。
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