JP2004279992A

JP2004279992A - Optical waveguide and optical waveguide element

Info

Publication number: JP2004279992A
Application number: JP2003074735A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Kawazu; 光宏河津; Koichiro Nakamura; 浩一郎中村; Masatoshi Nara; 正俊奈良
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2004-10-07

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical waveguide which is good in transmission characteristics of light and is high in modulation efficiency of light and an optical waveguide element. <P>SOLUTION: The optical waveguide 10 is provided with a substrate 1, a clad layer 3 disposed on the substrate 1, a core layer 4 embedded in the clad layer 3 and an active layer 5 having an electro-optic effect. The active layer 5 is disposed on the core layer 4. The core layer 4 is a translucent body formed by a sol-gel process and is therefore good in the transmission characteristics of light. Since the active layer 5 has the electro-optic effect, the modulation efficiency of the light is high. The transmission characteristics and modulation characteristics of the light can be enhanced by using such core layer 4 and active layer 5. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路および光導波路素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ニオブ酸リチウムに代表される無機の電気光学結晶からなる基板に、イオン交換などによって屈折率の異なる領域を形成して、光導波路が作製されている。この光導波路は、光スイッチ、光変調器などの光導波路素子として利用されている。特にニオブ酸リチウムのイオン交換によって形成された光導波路は電気光学効果を利用した光変調器の標準品として知られている。しかし一方で、ニオブ酸リチウムに代表される無機の電気光学結晶は高い誘電率を有している。この誘電率の高さのために、光導波路の屈折率を変化させるために使用されるマイクロ波との位相の整合が高速になればなるほど取りにくくなり、次世代の高速変調器の材料としては限界があるとされている。
【０００３】
最近、次世代の高速変調器の材料として、Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃポリマー（ＥＯポリマー）が有力候補として注目されている。ＥＯポリマーの特長は、ニオブ酸リチウムに代表される無機結晶に比べて非線形感受率が高く、誘電率が低いことである。誘電率が低いために、マイクロ波との速度整合が容易であることが、高速変調器として有力候補となっている一因である。
【０００４】
また、高透過特性を示す光導波路として、ゾルゲル法により作製された光導波路が知られている（例えば、非特許文献１参照）。この文献では波長１．５５μｍで透過ロスが０．１ｄＢ／ｃｍと報告されている。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｓ．Ｉ．Ｎａｊａｆｉ，Ｔ．Ｔｏｕａｍ，Ｒ．Ｓａｒａ，Ｍ．Ｐ．ＡｎｄｒｅｗｓａｎｄＭ．Ａ．Ｆａｒｄａｄ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．１６，Ｎｏ．９，ｐ．１６４０−１６４６，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ１９９８．
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これまでに報告されているＥＯポリマーの光導波路は、２次の非線形効果を示す色素をポリマーに化学的に結合させるか、ポリマーマトリックスに分散させることによって作製されている。このようにして作製された光導波路は、ＥＯポリマーの２次の非線形係数に着目されることが多かった。このため、光導波路の性能を決定する一つの因子である透過特性はほとんど考慮されておらず、透過特性が低いままであった。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、光の透過特性が良好であると共に、光の変調効率が高い光導波路および光導波路素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、基板と、該基板上に設けられたクラッドと、該クラッド内に埋め込まれ光を伝搬するためのコアと、を備えた光導波路において、
前記コアの周囲には電気光学効果を有する活性層が設けられており、
前記クラッドの屈折率をｎｃ、前記コアの屈折率をｎｗ、前記活性層の屈折率をｎｐとするとき、これらの屈折率はｎｃ＜ｎｗ≦ｎｐであり、
前記コアは、その出発原料を加水分解性有機金属化合物を含む溶液とするゾルゲル法によって形成され、透光体であることを要旨とする。
【０００９】
このように、本発明の光導波路は、電気光学効果を有する活性層がコアの周囲に、例えば、コアの上部にチャネル型あるいはリッジ型で形成されている。ここで、クラッド、コアおよび活性層の屈折率はｎｃ＜ｎｗ≦ｎｐとなるように形成されているので、コアを導波する光はコアから活性層に導波した場合においても、コアおよび活性層へ効率よく閉じ込めることができる。即ち、コアおよび活性層からクラッドへ漏れる光を低減できるので、光導波路の性能向上、光導波路の小型化に適した構造となっている。
【００１０】
さらに本発明の光導波路は、コアがゾルゲル法で作製されたことを特徴としている。ゾルゲル法は分子レベルでの材料複合化が可能である。そのことによって、さまざまな機能が複合化でき、制御が可能になるという特長を有している。材料の屈折率も高精度に制御することができる。また、感光性ゾルゲル材料を用いることにより、光照射により所望のパターンを容易に得ることができる。
【００１１】
このような目的に使用できるゾルゲル材料としては、Ｓｉ（ＯＲ）_４で表される（Ｒはアルキル基）シラン化合物、ＸＳｉ（ＯＲ）_３で表される（ここでＸはメチル基、エチル基、プロピル基、フェニル基などの非反応性有機基を示す）有機シラン化合物、ＹＳｉ（ＯＲ）_３で表される（ここでＹはビニル基、アリル基、メタクリロキシ基、アクリロキシ基、エポキシ基など光によって重合が進む光重合性官能基を示す）光重合性シラン、ＹＸＳｉ（ＯＲ）_２で表される前記非反応性有機基と光重合性官能基を同一分子内に含む光重合性シランが挙げられる。この他にも、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｇｅ、Ｂａ、Ｔａ、Ｂ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｇなどのアルコキシド化合物、有機金属塩、さらには、β−ケトエステル化合物で金属アルコキシドをキレート化することによって感光性を持たせた有機金属原料、例えば、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル、アセト酢酸プロピル、アセト酢酸ブチルのような、ＣＨ_３ＣＯＣＨ_３ＣＯＯＲ、（ここでＲはＣＨ_３、Ｃ_２Ｈ_５、Ｃ_３Ｈ_７、またはＣ_４Ｈ_９）で表されるアセト酢酸エステル、さらには、アセチルアセトン、ベンゾイルアセトン、ジベンゾイルメタンが挙げられる。また、メタクリル酸、アクリル酸でキレート化させた材料などの屈折率制御用添加物が使用できる。これらの材料を混合することで任意の屈折率を有するコアが精度よく形成できる。
【００１２】
ゾルゲル法によるコアの形成は、ゾルゲル膜への光照射によって行ってもよい。光照射によって重合を開始するためには、光反応開始剤を含有させることが好ましい。この光反応開始剤の成分は、前記感光性を有するアクリル、アリル、エポキシ、ビニルなどの官能基をもつ金属アルコキシドを使用する際に、光重合を開始促進させるものである。例えば、ベンゾフェノン、アセトフェノン、ベンゾンイソプロピルエーテルやベンゾインイソブチルエーテル、過酸化ベンゾイル、２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニルプロパン−１−オン（メルク社製商品名「ダロキュア１１７３」）、１−（４−イソプロピルフェニル）−２−ヒドロキシ−２−メチルプロパン−１−オン（メルク社製「ダロキュア１１１６」）、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン（チバガイギー社製商品名「イルガキュア１８４」）、２，２−ジメトキシ−２−フェニルアセトフェノン（チバガイギー社製「イルガキュア６５１」）、２−メチル−１［４−（メチルチオ）フェニル］−２−モリフォリノプロパン−１−オン（チバガイギー社製「イルガキュア９０７」）、２−ベンジル−２−ジメチルアミノ−１−（４−モルフォリノフェニル）−ブタノン−１（チバガイギー社製「イルガキュア３６９」）などが好適に用いられるが、これらに限らない。
【００１３】
光反応開始剤の含有量は、前記アクリル、アリル、エポキシ、ビニル基含有金属アルコキシド１モルに対して０．００１〜０．２モルであることが好ましい。また、感光性組成物中の光反応開始剤の含有量は、１〜２００ｇ／ｄｍ^３（０．１〜２０質量％）であることが好ましく、さらに好ましくは２〜１００ｇ／ｄｍ^３（０．２〜１０質量％）である。
【００１４】
ゾルゲル膜を基板上に形成する際にはコーティング法を用いることが好ましい。コーティング法としては、例えば、スピンコート法、ディップコート法、スプレーコート法、印刷法などが挙げられるが、これらに限らない。また、グラビアコート法、フレキソ印刷法、ロールコート法、スクリーン印刷法などの印刷法は、大面積コーティングに適しており、生産性が高く、コーティング液組成物の使用効率が高い。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記クラッドの屈折率ｎｃ、前記コアの屈折率ｎｗ、前記活性層の屈折率ｎｐが、波長１．５５μｍで、
１．４６≦ｎｃ≦１．６０、
１．４７≦ｎｗ≦１．６１、
１．４７≦ｎｐ≦１．８０、
であることを要旨とする。
【００１６】
前述したように、本発明においてコアはゾルゲル法で形成されている。ゾルゲル法でコアを形成する場合、屈折率を大きくしようとすると成膜できる膜厚が薄くなってしまう。膜厚が薄くなってしまうと、光ファイバから光導波路へ光をカップリングする際に、モードサイズのミスマッチが大きくなるために、大きなカップリングロスを引き起こしてしまう。このため、デバイス性能を低下させてしまうことになる。また、光ファイバの屈折率が１．４６程度であるので、光ファイバから光導波路へ光をカップリングするとき、光導波路の屈折率と光ファイバの屈折率との違いに基づくフレネル反射が生じる。これを低減するためには、光導波路の屈折率をできるだけ光ファイバに近づけることが重要である。
【００１７】
したがって、コアの屈折率は波長１．５５μｍにおいて、１．４７以上、１．６１以下が好ましく、より好ましくは１．４９以上、１．５９以下である。これに伴って、クラッドの屈折率は波長１．５５μｍにおいて、１．４６以上、１．６０以下が好ましく、より好しくは１．４８以上、１．５８以下である。
【００１８】
また、電気光学効果を有する活性層は光をコアから活性層まで導波する必要があるので、活性層の屈折率はコアの屈折率と同じかそれ以上にする必要がある。活性層の屈折率が大きすぎると、活性層を導波する光がコアに戻り難くなるので、好ましくない。また、活性層の屈折率が大きすぎると、活性層の屈折率を変化させるために使用されるマイクロ波との位相の整合が高速になればなるほど取りにくくなり、高速応答が困難になる。したがって、活性層の屈折率は波長１．５５μｍにおいて、１．４７以上、１．８０以下が好ましく、より好ましくは１．５０以上、１．７８以下である。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記透光体はガラスまたは有機無機複合体であることを要旨とする。
【００２０】
コアはゾルゲル法による透光体であるので、出発原料として金属アルコキシドあるいは有機金属化合物が好適に使用される。この透光体を形成する際に、熱または光が用いられる。その処理温度によって、透光体は、無機のガラスにもなり得るし、有機成分と無機成分との組合せによる分子レベルで組成制御された有機無機複合体にもなり得る。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２において、前記活性層は電気光学効果を有する高分子であることを要旨とする。
【００２２】
電気光学効果を有する高分子は無機結晶に比べて電気光学活性係数が高いので、高速応答が可能である。また、スピンコーティング法などによって容易に成膜することができるなど、製造における自由度が高いので、好適である。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項において、前記クラッド表面には前記コアに沿って凹部が設けられており、該凹部に前記活性層が設けられていることを要旨とする。
【００２４】
このように、クラッド表面にはコアに沿って凹部が設けてあり、この凹部に活性層を設けることにより、活性層とコアとを光学的に接続しようというものである。即ち、凹部ではクラッドの膜厚が薄くなっているので、この凹部に活性層が設けられると、コアを伝搬してきた光は凹部で薄くなっているクラッドを介してコアよりも屈折率の高い（あるいは屈折率が同じである）活性層に導波することが可能となる。活性層による十分な変調を得るためには、光の伝搬方向における凹部の長さを５ｍｍ以上にすることが好ましく、１０ｍｍ以上にすることがより好ましい。なお、凹部はコアに沿って１個だけ設けてもよいし、断続的に複数個設けてもよい。また、凹部はコア上に設けるのが好ましいが、光の伝搬方向であれば必ずしもコア上でなくともよい。
【００２５】
請求項６に記載の発明は、請求項５において、前記凹部におけるクラッドの厚さが２００ｎｍ以下であることを要旨とする。
【００２６】
クラッドの厚さを凹部で薄くするとコアからクラッドへ通過してきた光が活性層まで容易に導波できるようになる。このため、凹部でのクラッドの厚さは２００ｎｍ以下にすることが好ましい。より好ましくは１５０ｎｍ以下である。
さらに、凹部にクラッドを設けない、つまり、クラッド表面にコアまで達する開口部を設けると、この開口部で活性層はコアと接触できる構造になる。このようにすると、コアを伝搬してきた光はコアよりも屈折率の高い（あるいは屈折率が同じである）活性層までさらに容易に導波することができる。
【００２７】
請求項７に記載の発明は、請求項５または６において、前記凹部の側面には光の伝搬方向に亘って傾斜部が設けられており、前記活性層は前記傾斜部にも設けられていることを要旨とする。
【００２８】
このように、凹部の側面には、光の伝搬方向に亘って傾斜部が設けられているので、この傾斜部にも活性層を設けることにより、コアから活性層へ光が導波する際に光の損失を低減することができる。この傾斜部が短すぎるとコアから活性層へ光が導波するときに光のロスが大きくなる。しかし、長い傾斜部を作製することは製法上困難であり、製造コストも高くなる。傾斜部の長さは１０μｍ以上、３０００μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは５０μｍ以上、２０００μｍ以下である。
【００２９】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項において、前記活性層はバッファ層で被覆されていることを要旨とする。
【００３０】
このように活性層がバッファ層で被覆されているので、活性層はバッファ層で保護される。バッファ層の材料としては、例えば、クラッドと同じ材料を用いると製造が簡略化できるので、好ましい。
【００３１】
請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか１項において、前記活性層の幅が前記コアの幅に等しいことを要旨とする。
【００３２】
このように活性層の幅がコアの幅に等しいので、コアから活性層へ導波した光はコアへ戻りやすくなっており、光をコアおよび活性層へ効率よく閉じ込めることができる。
【００３３】
請求項１０に記載の発明は、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光導波路に、少なくとも一対の制御電極が設けられている光導波路素子であって、前記電極の間に形成される電場によって前記活性層を通る光の位相が変調されることを要旨とする。
【００３４】
このように一対の制御電極が設けてあるので、この電極に電圧が印加されると、電極間に形成される電場によって活性層の屈折率が変化する。このため、活性層を通過する光の位相を変調できる。
【００３５】
請求項１１に記載の発明は、請求項１０において、前記活性層における前記電場の向きが前記活性層の膜厚方向または面内方向であるように、前記電極が配置されていることを要旨とする。
【００３６】
このような電場の向きになるように電極が配置されているので、活性層の膜厚方向に電場が印加される電極配置ではＴＭモードの光の位相が変調される。一方、活性層の面内方向に電場が印加される電極配置では、ＴＥモードの光の位相が変調される。
【００３７】
請求項１２に記載の発明は、請求項１０または１１において、前記電極と前記活性層との間には、前記活性層から前記電極へ光が漏れることを抑制するためのバッファ層が設けられていることを要旨とする。
【００３８】
このようにバッファ層が設けてあるので、活性層から電極へ光が漏れることを抑制でき、光をコアおよび活性層へ効率よく閉じ込めることができる。
【００３９】
請求項１３に記載の発明は、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光導波路または請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の光導波路素子と、光ファイバと、を備えた光モジュールであって、前記コアに前記光ファイバが調芯されたことを要旨とする。
【００４０】
請求項１４に記載の発明は、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光導波路または請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の光導波路素子と、前記光導波路または前記光導波路素子に偏光した光を入射させるための偏光子と、を備えたことを要旨とする。
このように構成されているので、位相変調された光を発生できる。
【００４１】
請求項１５に記載の発明は、請求項１４に記載の光位相変調器と、該位相変調器から出射する偏光方向が回転した光を遮断させるための検光子と、を備えたことを要旨とする。
このように構成されているので、光の変調が行える。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した光導波路および光導波路素子の各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態の説明において、同様の部位には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００４３】
［第１実施形態］
第１実施形態に係わる光導波路およびそれを用いた光導波路素子を図１〜図７に基づいて説明する。
【００４４】
先ず、本実施形態の光導波路の断面図を図１および図２に示す。図１において、光導波路１０は、基板１と、この基板１上に設けられたクラッド層３と、このクラッド層３に埋め込まれたコア層４および電気光学効果を有する活性層５とを備えている。活性層５はコア層４上に設けられている。
【００４５】
ここで、クラッド層３の屈折率ｎｃ、コア層４の屈折率ｎｗ、活性層５の屈折率ｎｐは、ｎｃ＜ｎｗ≦ｎｐの関係を満たしている。このため、コア層４を導波する光は、コア層４から活性層５に導波した場合においてもクラッド層３への漏れが抑制されているので、コア層４および活性層５へ効率よく閉じ込めることができる。
【００４６】
図２において、光導波路１０のクラッド層３には、コア層４にまで達する開口部４０が設けられている。活性層５はこの開口部４０を覆うようにクラッド層３の上面にまで設けられている。さらに、この活性層５を覆うようにバッファ層６が設けられている。ここで、活性層５はコア層４およびクラッド層３上にも設けられているが、クラッド層３には開口部４０による段差があるので、コア層４から活性層５に導波した光はコア層４上の活性層５に閉じ込められやすい。
【００４７】
次に、本実施形態の光導波路を用いた光導波路素子の断面図を図３および図４に示す。図３において、光導波路素子１００は、図１に示す光導波路１０に一対の制御電極２と７とを備えたものである。一方の制御電極２は、基板１とクラッド層３との間に設けられている。他方の制御電極７はクラッド層３上に設けられている。このように制御電極２と７とが活性層５の膜厚方向に活性層５を挟むように配置されているので、制御電極２と７とに電圧が印加されると、活性層５の膜厚方向に電場が形成される。この電場によって活性層５の屈折率が膜厚方向で変化し、ＴＭモードの光の位相が変調される。
【００４８】
図４において、光導波路素子１００は、図２に示す光導波路１０に一対の制御電極２と７とを備えたものである。図４に示した光導波路素子における制御電極の機能は、上述の図３と同様である。即ち、一方の制御電極２は基板１とクラッド層３との間に設けられており、他方の制御電極７はバッファ層６上に設けられている。このように制御電極２と７とが活性層５の膜厚方向に活性層５を挟むように配置されているので、制御電極２と７とに電圧が印加されると、活性層５の膜厚方向に電場が形成される。この電場によって、図３の光導波路素子と同様に、活性層５の屈折率が膜厚方向で変化し、ＴＭモードの光の位相が変調される。
【００４９】
図５は本実施形態に係わる光導波路素子を得るための製造工程の一例を示すものである。図５において、（ａ）〜（ｉ）は各工程における図を工程順に示している。ここで、（ａ）〜（ｅ）は断面図を、（ｆ）、（ｈ）および（ｉ）はコア層に沿った方向での側断面図を、（ｇ）は平面図を表している。
【００５０】
先ず、図５（ａ）に示すように、基板１上に、一方の制御電極となる電極２を形成する。次に、この電極２上に、図５（ｂ）に示すように、アンダークラッド層３１を形成する。続いて、コア層とするために、アンダークラッド層３１の屈折率よりも高くなるように屈折率を調整した感光性ゾルゲル膜を、アンダークラッド層３１上に塗布する。このゾルゲル膜を９０℃で１０分間熱処理した後、フォトマスクを通して光を照射し、光導波路のコア層パターンとなるように光重合させる。この光重合によりゾルゲル膜の光照射部は溶媒に対する溶解性が低下しているので、溶媒に浸漬することで光未照射部のゾルゲル膜が溶媒中に溶解し、コア層４が形成される（図５（ｃ）参照）。
【００５１】
さらに、図５（ｄ）に示すように、コア層４の高さに合うように、クラッド材料を塗布し、熱処理してオーバークラッド層３２を形成する。このとき、オーバークラッド層３２は、コア層４の上部で膜厚が２００ｎｍ以下であるように、コア層４を被覆するように設けてもよい。
【００５２】
続いて、図５（ｅ）に示すように、感光性を持たせたオーバークラッド層３３を形成する。このオーバークラッド層３３にコア層４へ至る開口部を次のように形成する。この開口部となる領域に光が照射されないように作製したホトマスクを基板１から１乃至１００ｍｍ離して配置し、オーバークラッド層３３に紫外光を照射し、現像する。これにより、図５（ｆ）に示すように、オーバークラッド層３３に開口部４０が形成される。さらに、この開口部４０の側面には、光の導波方向（コア層４に沿う方向）に亘って、傾斜部４０ａ、４０ｂが形成される。このため、この傾斜部４０ａ、４０ｂでのオーバークラッド層３３ａ、３３ｂは、開口部４０に近づくほど薄くなるように形成されている。この傾斜部４０ａ、４０ｂの長さは数十μｍから５００μｍである。
【００５３】
その後、オーバークラッド層３４となる感光性ゾルゲル材料を塗布する。コア層４を形成するときに使用したホトマスクと黒白のパターンが反転したホトマスクを用い、コア層４の上部以外を露光して、現像する。さらに、図５（ｇ）に示すように、コア層４の上部以外が除去されたオーバークラッド層３４が形成される。これにより、開口部４０の幅はコア層４と同じ幅になる。また、傾斜部４０ａ、４０ｂの幅もコア層４と同じ幅になる。
【００５４】
続いて、図５（ｈ）に示すように、電気光学効果を有するポリマーからなる活性層５を形成する。この活性層５は開口部４０を介してコア層４と接触している。最後に、バッファ層６および電極７を形成し、図５（ｉ）に示すように、光導波路素子１００が形成される。ここでの工程において、オーバークラッド層３３を形成する工程とオーバークラッド層３４を形成する工程とは順番を逆にしてもよい。
【００５５】
以上のようにして作製した光導波路素子１００を図６に示す。図６において、（ａ）はコア層４に沿った方向での側断面図で図５（ｉ）の再掲であり、（ｂ）は端面付近Ａ−Ａでの断面図を、（ｃ）は中央部Ｂ−Ｂでの断面図を示す。図６に示すように、光導波路素子１００は、コア層４の一端に入射した光がコア層４を導波し、コア層４の他端から出射するように構成されている。
【００５６】
図６（ａ）、（ｂ）に示すように、端面付近では、コア層４に入射した光が活性層５に導波しないように、コア層４と活性層５とは離れて設けられている。
【００５７】
一方、図６（ａ）、（ｃ）に示すように、中央部では、オーバークラッド層３３の開口部４０でコア層４と活性層５とが接触して設けられている。さらに、この開口部４０の側面には傾斜部４０ａ、４０ｂが設けられているので、オーバークラッド層３３ａ、３３ｂは、開口部４０に近づくほど薄くなるように構成されている。また、活性層５の屈折率はコア層４の屈折率と同じかそれ以上であるように設けられている。
【００５８】
このように構成されているので、コア層４を導波する光は、開口部４０に近づくほどオーバークラッド層３３ａが薄くなっているため、活性層５に移りやすくなる。つまり、傾斜部４０ａを設けることにより、コア層４から活性層５へ光がスムーズに移ることができる。
【００５９】
その後、再び活性層５からオーバークラッド層３３ｂを介してコア層４に光が戻ってきて、コア層４の他端から光が出射する。
【００６０】
なお、本実施形態の基板１は、ＢＫ７ガラス（Ｓｃｈｏｔｔ社製ホウ珪酸ガラス）などの光学ガラス基板、石英ガラス基板、フロート法で製造されるソーダライムガラスやアルミノシリケートガラスなどのガラス基板、シリコンなどの半導体基板、アクリル板などの樹脂基板などが好適に用いられる。
【００６１】
本実施形態ではオーバークラッド層を積層させて形成し、この積層されたオーバークラッド層でコア層４を埋め込んたが、コア層４の埋め込みはオーバークラッド層の積層による埋め込みに限定されない。例えば、オーバークラッド層を１層形成した後、このオーバークラッド層に溝を形成してから、この溝にコア層４を設けた後に、さらにオーバークラッド層を形成してコア層４を埋め込んでもよい。
【００６２】
［実施例］
以下に本実施形態における実施例を示す。
【００６３】
（クラッド材料およびコア材料）
先ず、低屈折率材料としての感光性有機シラン原料および高屈折率材料としての感光性ジルコニウム原料の調整方法を示す。
【００６４】
３−トリメトキシシリルプロピルメタアクリレート１０ｇに、０．１モル／ｄｍ^３（０．１Ｎ）のＨＣｌ水溶液を０．７２ｇ加えて、約３時間攪拌したものを感光性有機シラン原料として使用した。また、感光性ジルコニウム原料として、７００ｇ／ｄｍ^３（７０質量％）のジルコニウムテトラプロポキサイドのイソプロパノール溶液５ｇにメタクリル酸１．１ｇを添加し、約３時間攪拌したものを使用した。
【００６５】
以下に本実施例で使用したクラッド材料、およびコア材料の調整方法を述べる。
クラッド材料に使用する溶液は、感光性有機シランと感光性ジルコニウムのモル比が９０対１０になるように次のように調整した。前記作製した感光性有機シラン原料３ｇと感光性ジルコニウム原料０．７２ｇに、溶媒としてエチルセロソルブを０．７５ｇ加えた後、攪拌しながら０．１モル／ｄｍ^３（０．１Ｎ）のＨＣｌ水溶液を０．７ｇ滴下しながら加えた。溶液は一晩攪拌させた後使用した。これを溶液Ａとする。
【００６６】
さらに感光性クラッド材料に使用する溶液は、感光性有機シランと感光性ジルコニウムのモル比が９０対１０になるように次のように調整した。前記作製した感光性有機シラン原料３ｇと感光性ジルコニウム原料０．７２ｇに、光反応開始剤として２−メチル−１［４−（メチルチオ）フェニル］−２−モリフォリノプロパン−１−オン（チバガイギー社製「イルガキュア９０７」）の２００ｇ／ｄｍ^３（２０質量％）の１−メトキシ−２−プロパノール溶液を１．０ｇ加えた後、溶媒としてエチルセロソルブを０．５ｇ加えた後、攪拌しながら０．１モル／ｄｍ^３（０．１Ｎ）のＨＣｌ水溶液を０．７ｇ滴下しながら加えた。溶液は一晩攪拌させた後使用した。これを溶液Ｂとする。
【００６７】
コア材料に使用する溶液は、感光性有機シランと感光性ジルコニウムのモル比が８０対２０になるように次のように調整した。前記作製した感光性有機シラン原料４ｇと感光性ジルコニウム原料２．１４ｇに、光反応開始剤として２−メチル−１［４−（メチルチオ）フェニル］−２−モリフォリノプロパン−１−オン（チバガイギー社製「イルガキュア９０７」）の２００ｇ／ｄｍ^３（２０質量％）の１−メトキシ−２−プロパノール溶液を１．５ｇ加えた後、攪拌しながら０．１モル／ｄｍ^３（０．１Ｎ）のＨＣｌ水溶液１．０８ｇを滴下しながら加えた。溶液は一晩攪拌させた後使用した。これを溶液Ｃとする。
【００６８】
（光導波路素子の作製工程）
次に、光導波路素子の作製工程を説明する。
【００６９】
基板１として、２０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６５ｍｍ厚のシリコン基板を用いた。このシリコン基板上に電極２となるＴｉ膜を形成した。この電極２が形成されたシリコン基板に、前記調整した溶液Ａをスピンコーティングにより回転速度２５／ｓ（１５００ｒｐｍ）で塗布し、１５０℃で１時間熱処理した。これにより、波長１．５５μｍで屈折率が１．４９のアンダークラッド層３１が厚さ５μｍで得られた。次に、前記調整した溶液Ｃをスピンコーティングにより回転速度２５／ｓ（１５００ｒｐｍ）で塗布し、９０℃で１０分間熱処理した。ホトマスクを通して１５分間、紫外光を照射した後、イソプロピルアルコールで紫外光の未照射部を取り除き、幅５μｍ、高さ５μｍの直線状のコア層４を形成した。このとき、コア層４の波長１．５５μｍでの屈折率は１．５１であった。
【００７０】
さらに、アンダークラッド層３１の材料として使用した溶液Ａをスピンコーティングにより回転速度３３．３／ｓ（２０００ｒｐｍ）で塗布し、１５０℃で１時間熱処理して、コア層４の高さと同じなるようにオーバークラッド層３２を形成した。
【００７１】
感光性クラッド材料の溶液Ｂをスピンコーティングにより回転速度１６．６／ｓ（１０００ｒｐｍ）で塗布し、９０℃で１０分間熱処理した。紫外光照射装置を使って基板１から３０ｍｍ離したホトマスクを通して紫外光を照射した後、イソプロピルアルコールで紫外光の未照射部を取り除いた。これにより、開口部４０を有する厚さ３．７ｍｍのオーバークラッド層３３を形成した。この開口部４０はコア層４の長手方向に２０ｍｍ長さである。この開口部４０の側面には長さ２５０μｍの傾斜部４０ａ、４０ｂが形成されている。ここで、基板１とホトマスクとの間隔を３０ｍｍ離したので、基板１に紫外光が斜めからも照射されることになり、開口部４０の側面に傾斜部４０ａ、４０ｂが形成されることになる。
【００７２】
オーバークラッド層３４を形成するため、同じ感光性クラッド材料の溶液Ｂを回転速度２５／ｓ（１５００ｒｐｍ）で塗布し、９０℃で１０分間熱処理した。コア層４を形成するときに使用したホトマスクと黒白のパターンが反転したホトマスクを用いて、コア層４に光が照射されないように１５分間紫外光を照射した。この後、イソプロピルアルコールで紫外光の未照射部を取り除き、オーバークラッド層３４を形成した。これにより、開口部４０の幅はコア層４と同じ幅（５μｍ）となった。
【００７３】
さらに、電気光学効果を有する活性層５として、ポリ４−ビニルフェノールに非線形色素であるＮ−エチル−Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）−４−（４−ニトロフェニルアゾ）アニリン（アルドリッチ社製商品名「ＤＲ１」）を分散した溶液を、０．５μｍの厚さになるようにスピンコーティングで塗布した。これにより、この開口部４０を被覆するようにポリマーからなる活性層５が形成できた。この活性層５の屈折率は波長１．５５μｍで１．６０であった。さらに、バッファ層６を形成するため、オーバークラッド層３１および３２に使用した溶液Ａを２倍に希釈し、スピンコーティングにより回転速度４１．７／ｓ（２５００ｒｐｍ）で塗布した。１５０℃で１時間熱処理して、バッファ層６を膜厚１μｍで形成した。
【００７４】
作製している素子を３０ｍｍ長さに切断した。この切断は劈開（クリーブ）で行った。コロナポーリングにより窒素雰囲気下で活性層５のＴｇ以上の温度である１５０℃で１０ｋＶの高電圧を印加した。高電圧を保ったままで室温まで冷却し、活性層５に含まれている非線形色素であるＮ−エチル−Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）−４−（４−ニトロフェニルアゾ）アニリン（アルドリッチ社製商品名「ＤＲ１」）を配向させた。さらに、Ｔｉからなる電極７をバッファ層６上に形成した。
【００７５】
以上で、ポリマーからなる活性層６を有する長さ３０ｍｍの光導波路素子１００を得た。上述した光導波路素子を用いて、光変調器を構成できることを以下に説明する。
【００７６】
（光導波路素子を用いた光変調器）
次に、この光導波路素子１００を使った光変調器について説明する。
図７にこの光変調器２００のブロック図を示す。図示したように光変調器２００は、偏光子７０と、この偏光子７０で偏光された光を光導波路素子１００に導くための光ファイバ６０と、光導波路素子１００で位相変調された光を偏光するための検光子７１とが備えられている。
【００７７】
先ず、この検光子７１から出射する光を検出器７２でモニタした。偏光子７０および検光子７１は光の偏光方向が４５°になるようにセットした。光ファイバ６０は光導波路素子１００のコア層４の一端に調芯させた。
【００７８】
ここで、光変調器２００の動作を説明する。
偏光子７０に光５０を入射させて、光５０を偏光させる。この光５０を光ファイバ６０で光導波路素子１００のコア層４に入射させる。コア層４を導波する光５０は、ポリマーからなる活性層５に到達すると、活性層５の屈折率がコア層４よりも高いために、光の一部が活性層５に移るようになる。このとき電界を印加すると活性層５の屈折率が変化することにより、ＴＥモードとＴＭモードとの位相にずれが生じる。光導波路素子１００から出射した光５０は、偏光方向を４５°にセットされた検光子７１を通して出射される。
【００７９】
この検光子７１を通過した光５０の強度を検出器７２で測定することによって、位相のずれに対応した光強度が得られる。
【００８０】
なお、このとき位相がπずれるときの変調電圧はＶ_πと呼ばれ、光導波路素子の性能を表す指標として一般に使用されている。Ｖ_πは
λｈ／（Ｎ^３・ｒｅｆｆ・Ｌ・Γ）
で表される。ここで、λは光の波長、ｈは電極間の距離、Ｎは活性層の屈折率、ｒｅｆｆは電気光学活性係数、Ｌは相互作用長、Γは活性層を導波する光の割合を示している。ここで、相互作用長Ｌとは、活性層５とコア層４とが光学的に接触している長さである。本実施形態ではＬは光の導波方向における開口部４０の長さになる。
【００８１】
変調電圧Ｖ_πを低くするには、電極間距離ｈを短くする、電気光学活性係数ｒｅｆｆの高い材料を用いる、相互作用長Ｌを長くする、活性層を導波する光の割合Γを多くする必要がある。
【００８２】
本実施形態の光導波路素子１００は、図６（ｂ）に示すように、光の入射面では活性層５がコア層４から離れるように設けられている。このため、光ファイバ６０からコア層４へ光が入射するように調芯できるので、光入射時に活性層５の影響を受けることが少ない。即ち、光ファイバ６０からコア層４へと効率よく光を入射できるので、モードミスマッチやフレネル反射などによるカップリングロスを抑制することができる。
【００８３】
上述したようにして作製した長さ３０ｍｍの光導波路素子１００の光透過率は、光ファイバ６０とコア層４との間のカップリングロス、フレネル反射のロス、コア層４内の伝搬ロスを含めて、７５％を示した。変調電圧Ｖ_πは３８Ｖであった。
このように、光導波路素子１００を用いて、光変調器２００を構成できることが確認できた。
【００８４】
また、光導波路長を変えて透過特性を測定し伝搬ロスを算出したところ、０．３ｄＢ／ｃｍという良好な値が得られた。なお、変調電圧Ｖ_πは、活性層５の材料（例えば、非線形色素であるＮ−エチル−Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）−４−（４−ニトロフェニルアゾ）アニリン（アルドリッチ社製商品名「ＤＲ１」））、相互作用長Ｌなどを調整することにより、低下させることが可能である。
【００８５】
以上のように構成された第１実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）光導波路および光導波路素子は、コア層４がゾルゲル法で形成されたガラスであり、コア層４に積層された活性層５が電気光学効果を有するポリマーであるので、光の透過特性が良好であると共に、光の変調効率も高くすることができる。
【００８６】
（２）コア層４と活性層５とが接触する開口部４０の側面には、クラッド層３に傾斜部が設けてある。このため、コア層４から活性層５へと光が移る際にはクラッド層３が徐々に薄くなっていることで、コア層４から活性層５へと光がスムーズに移ることができる。逆に、活性層５からコア層４へと光が戻る際にはクラッド層３が徐々に厚くなっていることで、活性層５からコア層４へと光がスムーズに戻ることができる。即ち、コア層４と活性層５との間で光が移る際のロスが抑制されるので、活性層５で変調された光をコア層４へと効率よく取り出すことができ、光の変調効率をさらに高くすることができる。
【００８７】
（３）光導波路素子には、活性層５の膜厚方向に電場を印加できるように制御電極が設けられているので、ＴＭモードの光の位相を容易に変調できる。
【００８８】
（４）本実施形態の光導波路および光導波路素子は光の変調効率が高いので、光導波路および光導波路素子の小型化が容易に行える。また、光導波路あるいは光導波路素子を用いた光変調器の小型化も容易に行うことができる。
【００８９】
［第２実施形態］
第２実施形態に係わる光導波路素子を図８および図９に基づいて説明する。第２実施形態の光導波路素子は、第１実施形態と同じ光導波路を用いるので、主として相違点を説明する。
【００９０】
本実施形態の光導波路素子の断面図を図８および図９に示す。図８において、光導波路素子１００は、図１に示す光導波路１０に一対の制御電極８と９とを備えたものである。この一対の制御電極８と９とは、クラッド層３上に、活性層５を間にして対向するように設けられている。即ち、制御電極８と９とは、活性層５の膜面と平行な平面内に設けられている。このため、制御電極８と９とに電圧が印加されると、活性層５の面内方向に電場が形成される。この電場によって活性層５の屈折率が面内方向で変化し、ＴＥモードの光の位相が変調される。
【００９１】
図９において、光導波路素子１００は、図２に示す光導波路１０に一対の制御電極８と９とを備えたものである。この一対の制御電極８と９とは、バッファ層６上に、コア層４上の活性層５を間にして対向するように設けられている。即ち、制御電極８と９とは、活性層５の膜面と平行な平面内に設けられている。このため、制御電極８と９とに電圧が印加されると、活性層５の面内方向に電場が形成される。この電場によって、図８の光導波路素子と同様に、活性層５の屈折率が面内方向で変化し、ＴＥモードの光の位相が変調される。
【００９２】
以上のように構成された第２実施形態によれば、前述した（１）、（２）、（４）の作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。
（５）活性層５の面内方向に電場を印加できるように制御電極が設けられているので、ＴＥモードの光の位相を容易に変調できる。
【００９３】
（変形例）
なお、本発明は以下のように変更して具体化することもできる。
・前記第１実施形態において、活性層５がコア層４に接触するように設けた。活性層５とコア層４とは光学的に接続されればよいので、活性層５とコア層４との間に薄いクラッド層（膜厚２００ｎｍ以下）を設けてもよい。
【００９４】
・前記第１実施形態において、偏光子７０と、光ファイバ６０と、光導波路素子１００と、検光子７１とが備えられた光変調器２００について説明した。光ファイバ６０は偏光子７０で偏光された光を光導波路素子１００へ効率よく入射させるために設けてあるので、除いてもよい。
【００９５】
・前記第１実施形態の光変調器２００は、光ファイバ６０が光導波路素子１００のコア層４に調芯されただけの光モジュールとしても使用できる。本発明の光導波路素子は小型化が容易であるので、光導波路素子と光ファイバとを備えた光モジュールの小型化も容易に行える。
【００９６】
・前記第１実施形態の光変調器２００は、偏光子７０と光導波路素子１００とを備えた光位相変調器としても使用できる。本発明の光導波路素子は小型化が容易であるので、光位相変調器の小型化も容易に行える。
【００９７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ゾルゲル法により形成した透光体からなるコア層の周囲に、電気光学効果を有する活性層が設けてあるので、光の透過特性が良好であると共に、光の変調効率が高い光導波路および光導波路素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係わる光導波路の断面図。
【図２】第１実施形態に係わる光導波路の断面図。
【図３】第１実施形態に係わる光導波路素子の断面図。
【図４】第１実施形態に係わる光導波路素子の断面図。
【図５】第１実施形態に係わる光導波路素子の製造工程における断面図。
【図６】第１実施形態に係わる光導波路素子の断面図。
【図７】第１実施形態に係わる光変調器のブロック図。
【図８】第２実施形態に係わる光導波路素子の断面図。
【図９】第２実施形態に係わる光導波路素子の断面図。
【符号の説明】
１基板
２，７，８，９電極
３，３１，３２，３３，３４クラッド層
４コア層
５電気光学効果を有する活性層
６バッファ層
１０光導波路
４０開口部
４０ａ、４０ｂ傾斜部
６０光ファイバ
７０偏光子
７１検光子
１００光導波路素子
２００光変調器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical waveguide and an optical waveguide device.
[0002]
[Prior art]
An optical waveguide is manufactured by forming regions having different refractive indexes by ion exchange or the like on a substrate made of an inorganic electro-optic crystal typified by lithium niobate. This optical waveguide is used as an optical waveguide element such as an optical switch and an optical modulator. In particular, an optical waveguide formed by ion exchange of lithium niobate is known as a standard optical modulator utilizing the electro-optic effect. However, on the other hand, an inorganic electro-optic crystal represented by lithium niobate has a high dielectric constant. Due to this high dielectric constant, the higher the speed of the phase matching with the microwave used to change the refractive index of the optical waveguide, the more difficult it becomes to obtain a phase, and as a material for next-generation high-speed modulators, It is said that there is a limit.
[0003]
Recently, Electro-Optic polymer (EO polymer) has attracted attention as a promising candidate as a material for next-generation high-speed modulators. The characteristics of the EO polymer are that it has a higher nonlinear susceptibility and a lower dielectric constant than inorganic crystals represented by lithium niobate. The ease of speed matching with microwaves due to the low dielectric constant is one of the potential candidates for high-speed modulators.
[0004]
As an optical waveguide exhibiting high transmission characteristics, an optical waveguide manufactured by a sol-gel method is known (for example, see Non-Patent Document 1). This document reports that the transmission loss is 0.1 dB / cm at a wavelength of 1.55 μm.
[0005]
[Non-patent document 1]
S. I. Najafi, T .; Touam, R .; Sara, M .; P. Andrews and M.M. A. Fardad, Journal of Lightwave Technology, Vol. 16, No. 9, p. 1640-1646, September 1998.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the optical waveguides of EO polymers reported to date have been made by chemically binding dyes that exhibit second-order nonlinear effects to the polymer or by dispersing them in a polymer matrix. In the optical waveguide manufactured in this way, attention was often paid to the second-order nonlinear coefficient of the EO polymer. For this reason, the transmission characteristic, which is one factor that determines the performance of the optical waveguide, is hardly considered, and the transmission characteristic remains low.
[0007]
The present invention has been made in view of such conventional problems. It is an object of the present invention to provide an optical waveguide and an optical waveguide element having good light transmission characteristics and high light modulation efficiency.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 provides an optical waveguide including a substrate, a clad provided on the substrate, and a core embedded in the clad for transmitting light. At
An active layer having an electro-optical effect is provided around the core,
When the refractive index of the cladding is nc, the refractive index of the core is nw, and the refractive index of the active layer is np, these refractive indexes are nc <nw ≦ np,
The gist is that the core is formed by a sol-gel method using a starting material as a solution containing a hydrolyzable organometallic compound and is a light transmitting body.
[0009]
As described above, in the optical waveguide of the present invention, the active layer having the electro-optic effect is formed around the core, for example, in a channel type or a ridge type above the core. Here, since the cladding, the core, and the active layer are formed so that the refractive index satisfies nc <nw ≦ np, the light guided through the core can be applied to the core and the active layer even when guided from the core to the active layer. It can be efficiently confined to the layer. That is, since light leaking from the core and the active layer to the cladding can be reduced, the structure is suitable for improving the performance of the optical waveguide and miniaturizing the optical waveguide.
[0010]
Further, the optical waveguide of the present invention is characterized in that the core is manufactured by a sol-gel method. The sol-gel method is capable of compounding materials at the molecular level. This has the advantage that various functions can be combined and controlled. The refractive index of the material can also be controlled with high precision. Further, by using a photosensitive sol-gel material, a desired pattern can be easily obtained by light irradiation.
[0011]
As a sol-gel material that can be used for such a purpose, Si (OR) ₄ (R is an alkyl group) silane compound represented by the formula: XSi (OR) ₃ (Where X represents a non-reactive organic group such as a methyl group, an ethyl group, a propyl group, and a phenyl group), an organic silane compound, YSi (OR) ₃ (Where Y represents a photopolymerizable functional group, such as a vinyl group, an allyl group, a methacryloxy group, an acryloxy group, or an epoxy group, which is polymerized by light), a photopolymerizable silane, YXSi (OR) ₂ And a photopolymerizable silane containing the non-reactive organic group and the photopolymerizable functional group in the same molecule. In addition, metal alkoxides such as alkoxide compounds such as Al, Zr, Ti, Bi, Ge, Ba, Ta, B, Sn, In, Ni, Cu, and Mg, organic metal salts, and β-ketoester compounds. Organometallic raw materials that have been rendered photosensitive by chelation, such as methyl acetoacetate, ethyl acetoacetate, propyl acetoacetate, butyl acetoacetate, ₃ COCH ₃ COOR, where R is CH ₃ , C ₂ H ₅ , C ₃ H ₇ Or C ₄ H ₉ ), Acetylacetone, benzoylacetone, and dibenzoylmethane. Further, an additive for controlling the refractive index such as a material chelated with methacrylic acid or acrylic acid can be used. By mixing these materials, a core having an arbitrary refractive index can be accurately formed.
[0012]
The formation of the core by the sol-gel method may be performed by irradiating the sol-gel film with light. In order to start polymerization by light irradiation, it is preferable to include a photoreaction initiator. The component of the photoreaction initiator promotes the initiation of photopolymerization when using the metal alkoxide having a functional group such as acryl, allyl, epoxy, or vinyl having photosensitivity. For example, benzophenone, acetophenone, benzone isopropyl ether or benzoin isobutyl ether, benzoyl peroxide, 2-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one (trade name “Darocure 1173” manufactured by Merck), 1- ( 4-isopropylphenyl) -2-hydroxy-2-methylpropan-1-one (“Darocur 1116” manufactured by Merck), 1-hydroxycyclohexylphenyl ketone (trade name “Irgacure 184” manufactured by Ciba Geigy), 2,2- Dimethoxy-2-phenylacetophenone (“Irgacure 651” manufactured by Ciba-Geigy), 2-methyl-1 [4- (methylthio) phenyl] -2-morpholinopropan-1-one (“Irgacure 907” manufactured by Ciba-Geigy), 2-benzyl-2-dimethyl Arylamino-1- (4-morpholinophenyl) - butanone-1 (manufactured by Ciba-Geigy "Irgacure 369") but is preferably used, such as, but not limited to.
[0013]
The content of the photoreaction initiator is preferably 0.001 to 0.2 mol based on 1 mol of the acrylic, allyl, epoxy or vinyl group-containing metal alkoxide. The content of the photoreaction initiator in the photosensitive composition is 1 to 200 g / dm. ³ (0.1 to 20% by mass), more preferably 2 to 100 g / dm. ³ (0.2 to 10% by mass).
[0014]
When forming a sol-gel film on a substrate, it is preferable to use a coating method. Examples of the coating method include, but are not limited to, spin coating, dip coating, spray coating, and printing. In addition, printing methods such as a gravure coating method, a flexographic printing method, a roll coating method, and a screen printing method are suitable for large-area coating, have high productivity, and have high use efficiency of the coating liquid composition.
[0015]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the refractive index nc of the clad, the refractive index nw of the core, and the refractive index np of the active layer are 1.55 μm in wavelength.
1.46 ≦ nc ≦ 1.60,
1.47 ≦ nw ≦ 1.61;
1.47 ≦ np ≦ 1.80,
The gist is that
[0016]
As described above, in the present invention, the core is formed by a sol-gel method. In the case where the core is formed by the sol-gel method, if the refractive index is to be increased, the film thickness that can be formed becomes thin. When the film thickness is reduced, a large coupling loss occurs due to a large mismatch in mode size when coupling light from the optical fiber to the optical waveguide. For this reason, device performance will be reduced. Further, since the refractive index of the optical fiber is about 1.46, when light is coupled from the optical fiber to the optical waveguide, Fresnel reflection occurs based on the difference between the refractive index of the optical waveguide and the refractive index of the optical fiber. In order to reduce this, it is important to make the refractive index of the optical waveguide as close to the optical fiber as possible.
[0017]
Therefore, the refractive index of the core at a wavelength of 1.55 μm is preferably 1.47 or more and 1.61 or less, more preferably 1.49 or more and 1.59 or less. Accordingly, the refractive index of the cladding is preferably 1.46 or more and 1.60 or less, more preferably 1.48 or more and 1.58 or less at a wavelength of 1.55 μm.
[0018]
Further, since the active layer having the electro-optical effect needs to guide light from the core to the active layer, the refractive index of the active layer needs to be equal to or higher than the refractive index of the core. If the refractive index of the active layer is too large, it is difficult for light guided through the active layer to return to the core. On the other hand, if the refractive index of the active layer is too large, the higher the speed of the phase matching with the microwave used for changing the refractive index of the active layer, the more difficult it is to obtain, and the faster the response becomes. Therefore, the refractive index of the active layer at a wavelength of 1.55 μm is preferably from 1.47 to 1.80, and more preferably from 1.50 to 1.78.
[0019]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the light transmitting body is glass or an organic-inorganic composite.
[0020]
Since the core is a light-transmitting body formed by a sol-gel method, a metal alkoxide or an organometallic compound is suitably used as a starting material. Heat or light is used to form the light transmitting body. Depending on the treatment temperature, the light-transmitting body can be an inorganic glass or an organic-inorganic composite whose composition is controlled at a molecular level by a combination of an organic component and an inorganic component.
[0021]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first or second aspect, the active layer is a polymer having an electro-optical effect.
[0022]
Since a polymer having an electro-optic effect has a higher electro-optic activity coefficient than an inorganic crystal, a high-speed response is possible. Further, it is preferable since the film can be easily formed by a spin coating method or the like, and has a high degree of freedom in manufacturing.
[0023]
According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, a concave portion is provided on the cladding surface along the core, and the active layer is provided in the concave portion. Is the gist.
[0024]
As described above, the concave portion is provided along the core on the clad surface, and the active layer is provided in the concave portion to optically connect the active layer and the core. That is, since the thickness of the cladding is thinner in the concave portion, if the active layer is provided in the concave portion, the light propagating through the core has a higher refractive index than the core through the cladding thinned in the concave portion ( Alternatively, the light can be guided to the active layer (having the same refractive index). In order to obtain sufficient modulation by the active layer, the length of the concave portion in the light propagation direction is preferably 5 mm or more, more preferably 10 mm or more. In addition, only one recess may be provided along the core, or a plurality of recesses may be provided intermittently. Further, the concave portion is preferably provided on the core, but may not necessarily be provided on the core as long as it is in the light propagation direction.
[0025]
According to a sixth aspect of the present invention, in the fifth aspect, the thickness of the cladding in the concave portion is 200 nm or less.
[0026]
When the thickness of the clad is reduced by the concave portion, light passing from the core to the clad can be easily guided to the active layer. For this reason, it is preferable that the thickness of the cladding at the concave portion is 200 nm or less. More preferably, it is 150 nm or less.
Further, when no cladding is provided in the concave portion, that is, when an opening reaching the core is provided on the cladding surface, the active layer has a structure capable of contacting the core through this opening. In this way, light that has propagated through the core can be more easily guided to the active layer having a higher refractive index (or the same refractive index) than the core.
[0027]
According to a seventh aspect of the present invention, in the fifth or sixth aspect, an inclined portion is provided on a side surface of the concave portion in a light propagation direction, and the active layer is also provided on the inclined portion. That is the gist.
[0028]
As described above, since the inclined portion is provided on the side surface of the concave portion in the light propagation direction, by providing the active layer also in this inclined portion, when light is guided from the core to the active layer, Light loss can be reduced. If the inclined portion is too short, light loss increases when light is guided from the core to the active layer. However, it is difficult to produce a long inclined portion due to the production method, and the production cost increases. The length of the inclined portion is preferably 10 μm or more and 3000 μm or less, more preferably 50 μm or more and 2000 μm or less.
[0029]
According to an eighth aspect of the present invention, in any one of the first to seventh aspects, the active layer is covered with a buffer layer.
[0030]
Since the active layer is thus covered with the buffer layer, the active layer is protected by the buffer layer. As the material of the buffer layer, for example, it is preferable to use the same material as that of the clad because the manufacturing can be simplified.
[0031]
According to a ninth aspect of the present invention, in any one of the first to eighth aspects, the width of the active layer is equal to the width of the core.
[0032]
Since the width of the active layer is equal to the width of the core, the light guided from the core to the active layer easily returns to the core, and the light can be efficiently confined in the core and the active layer.
[0033]
An invention according to claim 10 is an optical waveguide element in which at least a pair of control electrodes is provided in the optical waveguide according to any one of claims 1 to 9, wherein the optical waveguide element is formed between the electrodes. The point is that the phase of light passing through the active layer is modulated by an electric field.
[0034]
Since a pair of control electrodes is provided in this manner, when a voltage is applied to the electrodes, the refractive index of the active layer changes due to an electric field formed between the electrodes. Therefore, the phase of light passing through the active layer can be modulated.
[0035]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the tenth aspect, the electrode is arranged such that the direction of the electric field in the active layer is a thickness direction or an in-plane direction of the active layer. I do.
[0036]
Since the electrodes are arranged in such a direction of the electric field, the phase of the light in the TM mode is modulated in the electrode arrangement in which the electric field is applied in the thickness direction of the active layer. On the other hand, in an electrode arrangement in which an electric field is applied in the in-plane direction of the active layer, the phase of light in the TE mode is modulated.
[0037]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the tenth or eleventh aspect, a buffer layer for suppressing light from leaking from the active layer to the electrode is provided between the electrode and the active layer. The point is that
[0038]
Since the buffer layer is provided in this manner, light can be prevented from leaking from the active layer to the electrode, and light can be efficiently confined in the core and the active layer.
[0039]
According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided the optical waveguide according to any one of the first to ninth aspects or the optical waveguide element according to any one of the tenth to twelfth aspects, and an optical fiber. An optical module, wherein the optical fiber is centered on the core.
[0040]
According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided an optical waveguide according to any one of the first to ninth aspects, or the optical waveguide element according to any one of the tenth to twelfth aspects, and the optical waveguide or the optical waveguide. And a polarizer for allowing polarized light to enter the element.
With such a configuration, phase-modulated light can be generated.
[0041]
According to a fifteenth aspect of the present invention, there is provided an optical phase modulator according to the fourteenth aspect, and an analyzer for blocking light having a rotated polarization direction emitted from the phase modulator. I do.
With such a configuration, light can be modulated.
[0042]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of an optical waveguide and an optical waveguide element embodying the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of each embodiment, the same portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
[0043]
[First Embodiment]
An optical waveguide according to the first embodiment and an optical waveguide device using the same will be described with reference to FIGS.
[0044]
First, FIG. 1 and FIG. 2 are cross-sectional views of the optical waveguide of the present embodiment. In FIG. 1, an optical waveguide 10 includes a substrate 1, a cladding layer 3 provided on the substrate 1, a core layer 4 embedded in the cladding layer 3, and an active layer 5 having an electro-optic effect. I have. The active layer 5 is provided on the core layer 4.
[0045]
Here, the refractive index nc of the cladding layer 3, the refractive index nw of the core layer 4, and the refractive index np of the active layer 5 satisfy the relationship of nc <nw ≦ np. For this reason, even when the light guided through the core layer 4 is guided from the core layer 4 to the active layer 5, the leakage to the clad layer 3 is suppressed, so that the light is efficiently transmitted to the core layer 4 and the active layer 5. Can be confined.
[0046]
In FIG. 2, the cladding layer 3 of the optical waveguide 10 has an opening 40 reaching the core layer 4. The active layer 5 is provided up to the upper surface of the cladding layer 3 so as to cover the opening 40. Further, a buffer layer 6 is provided so as to cover active layer 5. Here, the active layer 5 is also provided on the core layer 4 and the clad layer 3, but since the clad layer 3 has a step due to the opening 40, light guided from the core layer 4 to the active layer 5 is It is easy to be confined in the active layer 5 on the core layer 4.
[0047]
Next, FIGS. 3 and 4 are cross-sectional views of an optical waveguide device using the optical waveguide of the present embodiment. 3, an optical waveguide element 100 is provided with a pair of control electrodes 2 and 7 in the optical waveguide 10 shown in FIG. One control electrode 2 is provided between the substrate 1 and the cladding layer 3. The other control electrode 7 is provided on the cladding layer 3. Since the control electrodes 2 and 7 are arranged so as to sandwich the active layer 5 in the thickness direction of the active layer 5 as described above, when a voltage is applied to the control electrodes 2 and 7, the film of the active layer 5 is formed. An electric field is formed in the thickness direction. The electric field changes the refractive index of the active layer 5 in the film thickness direction, and modulates the phase of light in the TM mode.
[0048]
4, an optical waveguide device 100 is provided with a pair of control electrodes 2 and 7 in the optical waveguide 10 shown in FIG. The function of the control electrode in the optical waveguide device shown in FIG. 4 is the same as that in FIG. 3 described above. That is, one control electrode 2 is provided between the substrate 1 and the cladding layer 3, and the other control electrode 7 is provided on the buffer layer 6. Since the control electrodes 2 and 7 are arranged so as to sandwich the active layer 5 in the thickness direction of the active layer 5 as described above, when a voltage is applied to the control electrodes 2 and 7, the film of the active layer 5 is formed. An electric field is formed in the thickness direction. The electric field changes the refractive index of the active layer 5 in the film thickness direction, similarly to the optical waveguide element of FIG. 3, and modulates the phase of light in the TM mode.
[0049]
FIG. 5 shows an example of a manufacturing process for obtaining an optical waveguide device according to the present embodiment. In FIG. 5, (a) to (i) show the drawings in each step in the order of steps. Here, (a) to (e) are cross-sectional views, (f), (h) and (i) are side cross-sectional views in a direction along the core layer, and (g) is a plan view. .
[0050]
First, as shown in FIG. 5A, an electrode 2 serving as one control electrode is formed on a substrate 1. Next, an under clad layer 31 is formed on the electrode 2 as shown in FIG. Subsequently, a photosensitive sol-gel film having a refractive index adjusted to be higher than the refractive index of the under cladding layer 31 is applied on the under cladding layer 31 so as to form a core layer. After heat-treating this sol-gel film at 90 ° C. for 10 minutes, it is irradiated with light through a photomask and photopolymerized so as to form a core layer pattern of the optical waveguide. Since the photopolymerization reduces the solubility of the sol-gel film in the light-irradiated portion in the solvent, the sol-gel film in the non-light-irradiated portion dissolves in the solvent by immersion in the solvent to form the core layer 4 ( FIG. 5 (c)).
[0051]
Further, as shown in FIG. 5D, a clad material is applied so as to match the height of the core layer 4, and heat treatment is performed to form the over clad layer 32. At this time, the over cladding layer 32 may be provided so as to cover the core layer 4 so that the film thickness is 200 nm or less above the core layer 4.
[0052]
Subsequently, as shown in FIG. 5E, an overcladding layer 33 having photosensitivity is formed. An opening reaching the core layer 4 is formed in the over cladding layer 33 as follows. A photomask manufactured so as not to irradiate the region serving as the opening with a distance of 1 to 100 mm from the substrate 1 is arranged, and the overcladding layer 33 is irradiated with ultraviolet light and developed. As a result, an opening 40 is formed in the over cladding layer 33 as shown in FIG. Further, on the side surface of the opening 40, inclined portions 40a and 40b are formed in the light waveguide direction (the direction along the core layer 4). For this reason, the over cladding layers 33a and 33b in the inclined portions 40a and 40b are formed so as to become thinner as they approach the opening 40. The length of the inclined portions 40a and 40b is from several tens of μm to 500 μm.
[0053]
After that, a photosensitive sol-gel material to be the over cladding layer 34 is applied. Using a photomask used for forming the core layer 4 and a photomask in which the black and white pattern is inverted, the portions other than the upper portion of the core layer 4 are exposed and developed. Further, as shown in FIG. 5 (g), an over cladding layer 34 is formed in which parts other than the upper part of the core layer 4 are removed. Thereby, the width of the opening 40 becomes the same as the width of the core layer 4. Further, the widths of the inclined portions 40a and 40b are the same as the width of the core layer 4.
[0054]
Subsequently, as shown in FIG. 5H, an active layer 5 made of a polymer having an electro-optical effect is formed. The active layer 5 is in contact with the core layer 4 through the opening 40. Finally, the buffer layer 6 and the electrode 7 are formed, and the optical waveguide device 100 is formed as shown in FIG. In this step, the order of forming the over cladding layer 33 and forming the over cladding layer 34 may be reversed.
[0055]
FIG. 6 shows the optical waveguide device 100 manufactured as described above. In FIG. 6, (a) is a side cross-sectional view in the direction along the core layer 4, which is again shown in FIG. 5 (i), (b) is a cross-sectional view taken along the line AA near the end face, and (c) is The sectional view in the center part BB is shown. As shown in FIG. 6, the optical waveguide device 100 is configured such that light incident on one end of the core layer 4 is guided through the core layer 4 and emitted from the other end of the core layer 4.
[0056]
As shown in FIGS. 6A and 6B, near the end face, the core layer 4 and the active layer 5 are provided apart from each other so that light incident on the core layer 4 is not guided to the active layer 5. I have.
[0057]
On the other hand, as shown in FIGS. 6A and 6C, in the center, the core layer 4 and the active layer 5 are provided in contact with the opening 40 of the over cladding layer 33. Furthermore, since the inclined portions 40a and 40b are provided on the side surfaces of the opening 40, the over cladding layers 33a and 33b are configured to be thinner as approaching the opening 40. Further, the refractive index of the active layer 5 is provided to be equal to or higher than the refractive index of the core layer 4.
[0058]
With such a configuration, the light guided through the core layer 4 is easily transferred to the active layer 5 because the overcladding layer 33a becomes thinner as approaching the opening 40. That is, by providing the inclined portion 40a, light can be smoothly transferred from the core layer 4 to the active layer 5.
[0059]
Thereafter, light returns to the core layer 4 from the active layer 5 again via the over cladding layer 33b, and light is emitted from the other end of the core layer 4.
[0060]
Note that the substrate 1 of the present embodiment is an optical glass substrate such as BK7 glass (borosilicate glass manufactured by Schott), a quartz glass substrate, a glass substrate such as soda lime glass or aluminosilicate glass manufactured by a float method, silicon, or the like. A semiconductor substrate, a resin substrate such as an acrylic plate, or the like is preferably used.
[0061]
In the present embodiment, the over cladding layer is formed by lamination, and the core layer 4 is buried with the laminated over cladding layer. However, the embedding of the core layer 4 is not limited to the embedding by lamination of the over cladding layer. For example, after forming one over-cladding layer, forming a groove in the over-cladding layer, and then providing the core layer 4 in this groove, the over-cladding layer may be further formed and the core layer 4 may be embedded. .
[0062]
[Example]
Examples of the present embodiment will be described below.
[0063]
(Cladding and core materials)
First, a method for preparing a photosensitive organic silane raw material as a low refractive index material and a photosensitive zirconium raw material as a high refractive index material will be described.
[0064]
0.1 mol / dm in 10 g of 3-trimethoxysilylpropyl methacrylate ³ 0.72 g of (0.1N) HCl aqueous solution was added, and the mixture was stirred for about 3 hours and used as a photosensitive organic silane raw material. Also, as a photosensitive zirconium raw material, 700 g / dm. ³ 1.1 g of methacrylic acid was added to 5 g of an isopropanol solution of zirconium tetrapropoxide (70% by mass) and stirred for about 3 hours.
[0065]
Hereinafter, a method for adjusting the clad material and the core material used in the present embodiment will be described.
The solution used for the cladding material was adjusted as follows so that the molar ratio of the photosensitive organosilane to the photosensitive zirconium was 90:10. 0.75 g of ethyl cellosolve as a solvent was added to 3 g of the photosensitive organic silane raw material thus prepared and 0.72 g of the photosensitive zirconium raw material, and then 0.1 mol / dm. ³ 0.7 g of a (0.1N) aqueous HCl solution was added dropwise. The solution was used after stirring overnight. This is called solution A.
[0066]
Further, the solution used for the photosensitive clad material was adjusted as follows so that the molar ratio of photosensitive organosilane to photosensitive zirconium was 90:10. To 3 g of the photosensitive organic silane raw material and 0.72 g of the photosensitive zirconium raw material prepared above, 2-methyl-1 [4- (methylthio) phenyl] -2-morpholinopropan-1-one (Ciba Geigy) was used as a photoreaction initiator. 200g / dm of Irgacure 907 ³ After adding 1.0 g of a 1-methoxy-2-propanol solution of (20% by mass), 0.5 g of ethyl cellosolve as a solvent was added, and then 0.1 mol / dm with stirring. ³ 0.7 g of a (0.1N) aqueous HCl solution was added dropwise. The solution was used after stirring overnight. This is designated as solution B.
[0067]
The solution used for the core material was adjusted as follows so that the molar ratio of photosensitive organosilane to photosensitive zirconium was 80:20. To 4 g of the photosensitive organic silane raw material and 2.14 g of the photosensitive zirconium raw material prepared above, 2-methyl-1 [4- (methylthio) phenyl] -2-morpholinopropan-1-one (Ciba Geigy) was used as a photoreaction initiator. 200g / dm of Irgacure 907 ³ (20% by mass) of a 1-methoxy-2-propanol solution was added, and then 0.1 mol / dm with stirring. ³ 1.08 g of a (0.1N) aqueous HCl solution was added dropwise. The solution was used after stirring overnight. This is designated as solution C.
[0068]
(Process of manufacturing optical waveguide device)
Next, a manufacturing process of the optical waveguide device will be described.
[0069]
As the substrate 1, a silicon substrate having a thickness of 20 mm × 40 mm × 0.65 mm was used. On this silicon substrate, a Ti film to be the electrode 2 was formed. The prepared solution A was applied to the silicon substrate on which the electrode 2 was formed by spin coating at a rotation speed of 25 / s (1500 rpm) and heat-treated at 150 ° C. for 1 hour. As a result, an under cladding layer 31 having a wavelength of 1.55 μm and a refractive index of 1.49 was obtained with a thickness of 5 μm. Next, the prepared solution C was applied by spin coating at a rotation speed of 25 / s (1500 rpm), and heat-treated at 90 ° C. for 10 minutes. After irradiating with ultraviolet light for 15 minutes through a photomask, the unirradiated part of the ultraviolet light was removed with isopropyl alcohol to form a linear core layer 4 having a width of 5 μm and a height of 5 μm. At this time, the refractive index at a wavelength of 1.55 μm of the core layer 4 was 1.51.
[0070]
Further, the solution A used as the material of the under cladding layer 31 is applied by spin coating at a rotation speed of 33.3 / s (2000 rpm), and heat-treated at 150 ° C. for 1 hour so that the height of the core layer 4 becomes the same as that of the core layer 4. An over cladding layer 32 was formed.
[0071]
The solution B of the photosensitive clad material was applied by spin coating at a rotation speed of 16.6 / s (1000 rpm) and heat-treated at 90 ° C. for 10 minutes. After irradiating ultraviolet light through a photomask 30 mm away from the substrate 1 using an ultraviolet light irradiator, an unirradiated portion of the ultraviolet light was removed with isopropyl alcohol. Thus, an overcladding layer 33 having a thickness of 3.7 mm and an opening 40 was formed. The opening 40 has a length of 20 mm in the longitudinal direction of the core layer 4. On the side surface of the opening 40, inclined portions 40a and 40b each having a length of 250 μm are formed. Here, since the distance between the substrate 1 and the photomask is separated by 30 mm, the substrate 1 is irradiated with the ultraviolet light obliquely, and the inclined portions 40 a and 40 b are formed on the side surfaces of the opening 40. .
[0072]
In order to form the over cladding layer 34, a solution B of the same photosensitive cladding material was applied at a rotation speed of 25 / s (1500 rpm) and heat-treated at 90 ° C. for 10 minutes. Using a photomask used for forming the core layer 4 and a photomask having an inverted black and white pattern, the core layer 4 was irradiated with ultraviolet light for 15 minutes so that light was not irradiated. Thereafter, portions not irradiated with ultraviolet light were removed with isopropyl alcohol to form an over cladding layer 34. Thereby, the width of the opening 40 became the same width (5 μm) as the core layer 4.
[0073]
Further, N-ethyl-N- (2-hydroxyethyl) -4- (4-nitrophenylazo) aniline (manufactured by Aldrich), which is a non-linear dye in poly-4-vinylphenol, is used as the active layer 5 having an electro-optical effect. The solution in which the name “DR1” was dispersed was applied by spin coating to a thickness of 0.5 μm. Thus, the active layer 5 made of a polymer was formed so as to cover the opening 40. The refractive index of this active layer 5 was 1.60 at a wavelength of 1.55 μm. Further, in order to form the buffer layer 6, the solution A used for the over cladding layers 31 and 32 was diluted twice and applied by spin coating at a rotation speed of 41.7 / s (2500 rpm). Heat treatment was performed at 150 ° C. for 1 hour to form a buffer layer 6 having a thickness of 1 μm.
[0074]
The manufactured element was cut into a length of 30 mm. This cutting was performed by cleaving. A high voltage of 10 kV was applied by corona poling at 150 ° C. which is a temperature equal to or higher than Tg of the active layer 5 under a nitrogen atmosphere. While maintaining the high voltage, the mixture is cooled to room temperature, and N-ethyl-N- (2-hydroxyethyl) -4- (4-nitrophenylazo) aniline (manufactured by Aldrich Co., Ltd.) which is a nonlinear dye contained in the active layer 5 is manufactured. (Trade name “DR1”). Further, an electrode 7 made of Ti was formed on the buffer layer 6.
[0075]
Thus, an optical waveguide device 100 having a length of 30 mm and having the active layer 6 made of a polymer was obtained. The fact that an optical modulator can be configured using the above-described optical waveguide element will be described below.
[0076]
(Optical modulator using optical waveguide element)
Next, an optical modulator using the optical waveguide device 100 will be described.
FIG. 7 shows a block diagram of the optical modulator 200. As shown, the optical modulator 200 includes a polarizer 70, an optical fiber 60 for guiding the light polarized by the polarizer 70 to the optical waveguide device 100, and a polarizer 70 that polarizes the light phase-modulated by the optical waveguide device 100. And an analyzer 71 for performing the measurement.
[0077]
First, the light emitted from the analyzer 71 was monitored by the detector 72. The polarizer 70 and the analyzer 71 were set so that the polarization direction of the light was 45 °. The optical fiber 60 was aligned with one end of the core layer 4 of the optical waveguide device 100.
[0078]
Here, the operation of the optical modulator 200 will be described.
The light 50 is incident on the polarizer 70 to polarize the light 50. The light 50 is made incident on the core layer 4 of the optical waveguide device 100 via the optical fiber 60. When the light 50 guided through the core layer 4 reaches the active layer 5 made of a polymer, a part of the light is transferred to the active layer 5 because the refractive index of the active layer 5 is higher than that of the core layer 4. . At this time, when an electric field is applied, the refractive index of the active layer 5 changes, so that a phase shift occurs between the TE mode and the TM mode. Light 50 emitted from the optical waveguide element 100 is emitted through an analyzer 71 whose polarization direction is set to 45 °.
[0079]
By measuring the intensity of the light 50 passing through the analyzer 71 with the detector 72, the light intensity corresponding to the phase shift can be obtained.
[0080]
At this time, when the phase is shifted by π, the modulation voltage is V _π It is generally used as an index indicating the performance of an optical waveguide element. V _π Is
λh / (N ³ ・ Refff ・ L ・ Γ)
Is represented by Here, λ is the wavelength of light, h is the distance between the electrodes, N is the refractive index of the active layer, ref is the electro-optic activity coefficient, L is the interaction length, and Γ is the ratio of light guided through the active layer. ing. Here, the interaction length L is a length at which the active layer 5 and the core layer 4 are in optical contact with each other. In the present embodiment, L is the length of the opening 40 in the light guiding direction.
[0081]
Modulation voltage V _π It is necessary to reduce the distance h between the electrodes, use a material having a high electro-optic activity coefficient ref, increase the interaction length L, and increase the ratio 光 of the light guided through the active layer.
[0082]
As shown in FIG. 6B, the optical waveguide element 100 of this embodiment is provided such that the active layer 5 is separated from the core layer 4 on the light incident surface. For this reason, the core can be aligned so that light enters the core layer 4 from the optical fiber 60, so that the active layer 5 is less affected by the light incident. That is, since light can be efficiently incident on the core layer 4 from the optical fiber 60, coupling loss due to mode mismatch, Fresnel reflection, and the like can be suppressed.
[0083]
The light transmittance of the optical waveguide device 100 having a length of 30 mm manufactured as described above includes the coupling loss between the optical fiber 60 and the core layer 4, the loss of Fresnel reflection, and the propagation loss in the core layer 4. 75%. Modulation voltage V _π Was 38V.
Thus, it was confirmed that the optical modulator 200 could be configured using the optical waveguide element 100.
[0084]
When the transmission loss was measured by changing the optical waveguide length and the propagation loss was calculated, a good value of 0.3 dB / cm was obtained. Note that the modulation voltage V _π Are the materials of the active layer 5 (for example, N-ethyl-N- (2-hydroxyethyl) -4- (4-nitrophenylazo) aniline (trade name “DR1” manufactured by Aldrich) which is a nonlinear dye), It can be reduced by adjusting the working length L and the like.
[0085]
According to the first embodiment configured as described above, the following operation and effect can be obtained.
(1) In the optical waveguide and the optical waveguide element, the core layer 4 is made of glass formed by the sol-gel method, and the active layer 5 laminated on the core layer 4 is a polymer having an electro-optic effect. And the modulation efficiency of light can be increased.
[0086]
(2) An inclined portion is provided in the cladding layer 3 on the side surface of the opening 40 where the core layer 4 and the active layer 5 are in contact. For this reason, when the light moves from the core layer 4 to the active layer 5, the light can smoothly move from the core layer 4 to the active layer 5 because the cladding layer 3 is gradually thinned. Conversely, when the light returns from the active layer 5 to the core layer 4, the light can smoothly return from the active layer 5 to the core layer 4 because the clad layer 3 is gradually thickened. That is, the loss when light is transferred between the core layer 4 and the active layer 5 is suppressed, so that the light modulated by the active layer 5 can be efficiently extracted to the core layer 4 and the light modulation efficiency Can be further increased.
[0087]
(3) Since the control electrode is provided in the optical waveguide element so that an electric field can be applied in the thickness direction of the active layer 5, the phase of light in the TM mode can be easily modulated.
[0088]
(4) Since the optical waveguide and the optical waveguide element of the present embodiment have high light modulation efficiency, the optical waveguide and the optical waveguide element can be easily reduced in size. Further, the size of the optical modulator using the optical waveguide or the optical waveguide element can be easily reduced.
[0089]
[Second embodiment]
An optical waveguide device according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. Since the optical waveguide device of the second embodiment uses the same optical waveguide as that of the first embodiment, mainly the differences will be described.
[0090]
8 and 9 are cross-sectional views of the optical waveguide device according to the present embodiment. 8, an optical waveguide device 100 includes the optical waveguide 10 shown in FIG. 1 and a pair of control electrodes 8 and 9. The pair of control electrodes 8 and 9 are provided on the cladding layer 3 so as to face each other with the active layer 5 interposed therebetween. That is, the control electrodes 8 and 9 are provided in a plane parallel to the film surface of the active layer 5. Therefore, when a voltage is applied to the control electrodes 8 and 9, an electric field is formed in the in-plane direction of the active layer 5. The electric field changes the refractive index of the active layer 5 in the in-plane direction, and modulates the phase of light in the TE mode.
[0091]
9, an optical waveguide device 100 includes the optical waveguide 10 shown in FIG. 2 and a pair of control electrodes 8 and 9. The pair of control electrodes 8 and 9 are provided on the buffer layer 6 so as to face each other with the active layer 5 on the core layer 4 interposed therebetween. That is, the control electrodes 8 and 9 are provided in a plane parallel to the film surface of the active layer 5. Therefore, when a voltage is applied to the control electrodes 8 and 9, an electric field is formed in the in-plane direction of the active layer 5. This electric field changes the refractive index of the active layer 5 in the in-plane direction, similarly to the optical waveguide device of FIG. 8, and modulates the phase of light in the TE mode.
[0092]
According to the second embodiment configured as described above, in addition to the above-described effects (1), (2), and (4), the following effects can be obtained.
(5) Since the control electrode is provided so that an electric field can be applied in the in-plane direction of the active layer 5, the phase of light in the TE mode can be easily modulated.
[0093]
(Modification)
The present invention can be embodied with the following modifications.
In the first embodiment, the active layer 5 is provided so as to be in contact with the core layer 4. Since the active layer 5 and the core layer 4 need only be optically connected, a thin cladding layer (200 nm or less in thickness) may be provided between the active layer 5 and the core layer 4.
[0094]
In the first embodiment, the optical modulator 200 including the polarizer 70, the optical fiber 60, the optical waveguide device 100, and the analyzer 71 has been described. The optical fiber 60 may be omitted because it is provided to make the light polarized by the polarizer 70 efficiently enter the optical waveguide element 100.
[0095]
The optical modulator 200 of the first embodiment can also be used as an optical module in which the optical fiber 60 is simply aligned with the core layer 4 of the optical waveguide device 100. Since the optical waveguide device of the present invention can be easily miniaturized, the miniaturization of the optical module including the optical waveguide device and the optical fiber can be easily performed.
[0096]
The optical modulator 200 of the first embodiment can also be used as an optical phase modulator including the polarizer 70 and the optical waveguide device 100. Since the optical waveguide device of the present invention can be easily reduced in size, the optical phase modulator can be easily reduced in size.
[0097]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an active layer having an electro-optical effect is provided around a core layer made of a light-transmitting body formed by a sol-gel method, so that light transmission characteristics are good and Thus, an optical waveguide and an optical waveguide element having high light modulation efficiency can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of an optical waveguide according to a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the optical waveguide according to the first embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the optical waveguide device according to the first embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view of the optical waveguide device according to the first embodiment.
FIG. 5 is a sectional view in a manufacturing step of the optical waveguide element according to the first embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional view of the optical waveguide device according to the first embodiment.
FIG. 7 is a block diagram of an optical modulator according to the first embodiment.
FIG. 8 is a sectional view of an optical waveguide device according to a second embodiment.
FIG. 9 is a sectional view of an optical waveguide device according to a second embodiment.
[Explanation of symbols]
1 substrate
2,7,8,9 electrode
3,31,32,33,34 Cladding layer
4 Core layer
5 Active layer having electro-optic effect
6 Buffer layer
10 Optical waveguide
40 opening
40a, 40b Inclined part
60 Optical fiber
70 Polarizer
71 Analyzer
100 Optical waveguide device
200 optical modulator

Claims

基板と、該基板上に設けられたクラッドと、該クラッド内に埋め込まれ光を伝搬するためのコアと、を備えた光導波路において、
前記コアの周囲には電気光学効果を有する活性層が設けられており、
前記クラッドの屈折率をｎｃ、前記コアの屈折率をｎｗ、前記活性層の屈折率をｎｐとするとき、これらの屈折率はｎｃ＜ｎｗ≦ｎｐであり、
前記コアは、その出発原料を加水分解性有機金属化合物を含む溶液とするゾルゲル法によって形成され、透光体であることを特徴とする光導波路。A substrate, a clad provided on the substrate, and a core embedded in the clad for transmitting light, an optical waveguide including:
An active layer having an electro-optical effect is provided around the core,
When the refractive index of the cladding is nc, the refractive index of the core is nw, and the refractive index of the active layer is np, these refractive indexes are nc <nw ≦ np,
The optical waveguide, wherein the core is formed by a sol-gel method using a starting material as a solution containing a hydrolyzable organometallic compound, and is a light transmitting body.

前記クラッドの屈折率ｎｃ、前記コアの屈折率ｎｗ、前記活性層の屈折率ｎｐが、波長１．５５μｍで、
１．４６≦ｎｃ≦１．６０、
１．４７≦ｎｗ≦１．６１、
１．４７≦ｎｐ≦１．８０、
であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。When the refractive index nc of the cladding, the refractive index nw of the core, and the refractive index np of the active layer are 1.55 μm,
1.46 ≦ nc ≦ 1.60,
1.47 ≦ nw ≦ 1.61;
1.47 ≦ np ≦ 1.80,
The optical waveguide according to claim 1, wherein

前記透光体はガラスまたは有機無機複合体であることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路。The optical waveguide according to claim 1, wherein the light transmitting member is glass or an organic-inorganic composite.

前記活性層は電気光学効果を有する高分子であることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路。The optical waveguide according to claim 1, wherein the active layer is a polymer having an electro-optic effect.

前記クラッド表面には前記コアに沿って凹部が設けられており、該凹部に前記活性層が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光導波路。The optical waveguide according to any one of claims 1 to 4, wherein a concave portion is provided on the clad surface along the core, and the active layer is provided in the concave portion.

前記凹部におけるクラッドの厚さが２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の光導波路。The optical waveguide according to claim 5, wherein the thickness of the cladding in the concave portion is 200 nm or less.

前記凹部の側面には光の伝搬方向に亘って傾斜部が設けられており、前記活性層は前記傾斜部にも設けられていることを特徴とする請求項５または６に記載の光導波路。The optical waveguide according to claim 5, wherein an inclined portion is provided on a side surface of the concave portion in a light propagation direction, and the active layer is also provided on the inclined portion.

前記活性層はバッファ層で被覆されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光導波路。The optical waveguide according to claim 1, wherein the active layer is covered with a buffer layer.

前記活性層の幅が前記コアの幅に等しいことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光導波路。The optical waveguide according to claim 1, wherein a width of the active layer is equal to a width of the core.

請求項１〜９のいずれか１項に記載の光導波路に、少なくとも一対の制御電極が設けられている光導波路素子であって、前記電極の間に形成される電場によって前記活性層を通る光の位相が変調されることを特徴とする光導波路素子。An optical waveguide device comprising the optical waveguide according to any one of claims 1 to 9, wherein at least one pair of control electrodes is provided, wherein light passing through the active layer by an electric field formed between the electrodes. An optical waveguide device, wherein the phase of the optical waveguide is modulated.

前記活性層における前記電場の向きが前記活性層の膜厚方向または面内方向であるように、前記電極が配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の光導波路素子。11. The optical waveguide device according to claim 10, wherein the electrodes are arranged such that the direction of the electric field in the active layer is in a thickness direction or an in-plane direction of the active layer.

前記電極と前記活性層との間には、前記活性層から前記電極へ光が漏れることを抑制するためのバッファ層が設けられていることを特徴とする請求項１０または１１に記載の光導波路素子。12. The optical waveguide according to claim 10, wherein a buffer layer for suppressing light from leaking from the active layer to the electrode is provided between the electrode and the active layer. element.

請求項１〜９のいずれか１項に記載の光導波路または請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の光導波路素子と、光ファイバと、を備えた光モジュールであって、前記コアに前記光ファイバが調芯されたことを特徴とする光モジュール。An optical module comprising: the optical waveguide according to any one of claims 1 to 9 or the optical waveguide element according to any one of claims 10 to 12; and an optical fiber. An optical module, wherein the optical fiber is aligned.

請求項１〜９のいずれか１項に記載の光導波路または請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の光導波路素子と、前記光導波路または前記光導波路素子に偏光した光を入射させるための偏光子と、を備えた光位相変調器。The optical waveguide according to any one of claims 1 to 9 or the optical waveguide device according to any one of claims 10 to 12, and a light beam polarized into the optical waveguide or the optical waveguide device. An optical phase modulator comprising: a polarizer;

請求項１４に記載の光位相変調器と、該位相変調器から出射する偏光方向が回転した光を遮断させるための検光子と、を備えた光変調器。An optical modulator comprising: the optical phase modulator according to claim 14; and an analyzer for blocking light having a rotated polarization direction emitted from the phase modulator.