JP4672331B2 - 光偏向素子及び光スイッチ - Google Patents
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Description
特許文献2では、フォトニック結晶に電圧等のエネルギーを印加することにより偏向角を調節できる旨の原理的発明が開示されている。
特許文献3では、フォトニック結晶により光導波路のコアを構成し、フォトニック結晶に線欠陥導波路を形成して光路とする発明が開示されている。
特許文献4では、特許文献2と同様に、フォトニック結晶により光導波路のコアを構成し、フォトニック結晶に上記の周期構造配列を満たさない部位を形成し、これを光路とする発明が開示されている。
本発明者は、光を大きな偏向角で偏向させるとともに、偏向角を広い範囲内で精緻に高速制御すべく、2種類の偏向手段を光進行方向に直列に配設し、偏向手段を2段構成とすることにより光偏向を広い角度範囲でしかも精緻に制御することに想到した。具体例として、第1の光偏向手段にはプリズム電極を、第2の光偏向手段にはフォトニック結晶(第1のフォトニック結晶構造)と、フォトニック結晶に印加する電圧を調節してフォトニック結晶による光の屈折率を制御する制御電極とを用いる。
(第1の実施形態)
本実施形態では、本発明を適用した光偏向素子の具体的構成を開示する。
図1は、第1の実施形態による光偏向素子の主要構成を示しており、(a)が概略平面図、(b)が(a)中の一点鎖線I−Iに沿った概略断面図、(c)が(a)中の一点鎖線II−IIに沿った概略断面図である。また、図2及び図3は、第1の実施形態による光偏向素子の製造方法を工程順に示す概略断面図(図1(a)中の一点鎖線I−Iに沿った概略断面に対応する。)である。
先ず、図2(a)に示すように、例えばSrTiO3(STO)又はMgOからなる素子基板1を用意し、この素子基板1上に対向電極層2を形成する。
具体的には、図2(b)に示すように、例えばSRO、IrO2等の酸化物膜、Pt、Ti等の金属膜をスパッタ法により基板1上に堆積し、対向電極層2を形成する。この場合、基板1としてNbやLa等を添加したSTO等の導電性単結晶基板を用い、対向電極層2の形成を省略しても良い。
具体的には、図2(c)に示すように、例えばゾルゲル法により、一例として強誘電体のPLZT(9/65/35)膜を膜厚2μm程度にエピタキシャル成長させ、対向電極層2上に下部クラッド層11を形成する。なお、PLZTの前躯体溶液を対向電極層2上にディップ法又はスピンコート法を用いて複数回塗布することにより、PLZT膜の膜厚を制御することができる。
具体的には、図2(d)に示すように、例えばゾルゲル法により、PZT(52/48)膜を下部クラッド層11上に膜厚3μm程度にエピタキシャル成長させ、コア層12を積層形成する。なお同様に、PZTの前躯体液を下部クラッド層11上に複数回塗布することにより、PZT膜の膜厚を制御することができる。
具体的には、図2(e)に示すように、例えばゾルゲル法により、PLZT膜をコア層12上に膜厚2μm程度にエピタキシャル成長させ、上部クラッド層13を積層形成する。この場合も同様に、PZTの前躯体液をコア層12上に複数回塗布することにより、PZT膜の膜厚を制御することができる。このとき、下部クラッド層11、コア層12及び上部クラッド層13が積層されてなる光導波路3が形成される。以上、ゾルゲル法で電気光学材料の光導波路3を形成する場合を例示したが、ゾルゲル法以外でもスパッタ法、パルスレーザ蒸着法、エアロゾル法及びMOCVD法等の任意の強誘電体膜作製プロセス法を利用することができる。
具体的には、先ず図2(f)に示すように、例えば電子線レジスト17を光導波路3上に塗布し、電子線レジスト17の所定部位にそれぞれ貫通孔14,16の各パターン(図示の例では貫通孔14のパターン17aのみ示す。)を電子線直描及び現像等により形成する。続いて、図2(g)に示すように、電子線レジスト17をマスクとして、例えばCF4やSF6のエッチングガスを用いたドライエッチ法により、光導波路3を対向電極層2の表面が露出するまでエッチングする。このエッチングにより、光導波路3には電子線レジスト17のパターンに倣った貫通孔14,16が形成される。そして、図3(a)に示すように、電子線レジスト17を灰化処理等により除去する。
具体的には、図3(b)に示すように、透明樹脂15として、例えばフッ素化ポリイミド等をスピンコート法、ディップコート法等により貫通孔14,16内に注入し、例えば反応性イオンエッチング法で溢れ出た透明樹脂を除去する。
具体的には、先ず図3(c)に示すように、例えば電子線レジスト18を光導波路3上に塗布し、電子線レジスト18の所定部位にそれぞれプリズム電極4及び制御電極6の各パターン18a,18bを電子線直描及び現像等により形成する。続いて、図3(d)に示すように、例えばSRO、IrO2等の酸化物膜、Pt、Ti等の金属膜をスパッタ法により全面に堆積する。このとき、電子線レジスト18がマスクとなって、光導波路3上には各パターン18a,18bにより露出した部位のみに酸化物膜又は金属膜が堆積される。そして、図3(e)に示すように、リフトオフ法により電子線レジスト18及び電子線レジスト18上の酸化物膜又は金属膜を除去し、プリズム電極4及び制御電極6をパターン形成する。
なお、本発明は以上述べてきた第1の実施形態に限定されるものではない。例えば、対向電極2や光導波路3、プリズム電極4及び制御電極6の厚みには、ある程度自由がある。また、入射光がプリズム電極4の所望の偏向角を満たさない場合、プリズム電極4の形状を適宜変更することが可能であり、また、プリズム電極4を多段となるように複数直列に配設しても良い。第1及び第2のフォトニック結晶構造5,7の各周期配列についても、図示の例では正方格子配列を示したが、これに限られず三角格子配列やハニカム格子配列等でも好適である。
本実施形態では、本発明を適用した光スイッチの具体的構成を開示する。
図4は、第2の実施形態による光スイッチの概略構成を示しており、(a)が光スイッチの主要構成部のみの概略平面図、(b)が(a)中の一点鎖線I−Iに沿った光スイッチの概略断面図である。なお、第1の実施形態と同様の構成部材等については、同符号を付して詳しい説明は省略する。
この光スイッチ20は、N×N(N:2以上の整数、図示の例ではN=4)配列の光スイッチであり、光偏向機構を備えた主要構成部21と、主要構成部21が配設されるチャネル形成部22とを備えて構成されている。
チャネル導波路32は、下部クラッド層41と上部クラッド層43との間に、光路が形成されるコア層42が挟持されており、光信号の入力チャネルI1〜I4及び出力チャネルO1〜O4を備えている。入力チャネルI1〜I4は、それぞれ先端部位に信号光をコリメートするマイクロレンズ44が設けられており、各々等間隔に並設されている。出力チャネルO1〜O4も同様に、それぞれ後端部位にマイクロレンズ44が設けられており、各々等間隔に並設されている。このチャネル導波路32には、主要構成部21が実装される溝45が形成されており、チャネル基板31表面の溝45の底部に露出する部位には、各種配線層46がパターン形成されている。
各光偏向素子10は、素子基板1上に対向電極層2を介して光導波路3が設けられ、この光導波路3上にプリズム電極4と、光進行方向で光がプリズム電極4を通過した前方に設けられた第1のフォトニック結晶構造5と、第1のフォトニック結晶構造5上で光導波路3を介して対向電極層2と対向するように設けられた制御電極6と、光進行方向に並行してプリズム電極4の側方に設けられた第2のフォトニック結晶構造7とを備えて構成されている。
先ず、入力チャネルI2を通過した入射光L1がプリズム電極4に入射する。プリズム電極4には対向電極層2との間で所定の電圧が印加されており、この電圧印加により光導波路3内にプリズム状の屈折率変化が生じ、入射光L1が左右いずれかに微小角だけ偏向して第1の偏向光L2となる。図示の例では、左右双方に偏向された信号光及び直進する信号光を各第1の偏向光L2としてそれぞれ示す。このとき、プリズム電極4の側方には第2のフォトニック結晶構造7が設けられており、フォトニックバンドギャップでは光の存在が許されないため、このフォトニックバンドギャップにより各入力チャネルI1〜I4毎に信号光の光路が峻別されて絞り込まれ、隣接する入力チャネル間の信号光のクロストークが大幅に低減する。
前記光導波路上に設けられた第1の光偏向手段と、
光進行方向で前記第1の光偏向手段を通過した前方に設けられ、前記第1の光偏向手段よりも偏向角範囲の広い第2の光偏向手段と
を含み、
前記第2の光偏向手段は、屈折率の異なる複数種類の物質が周期的に配列してなる第1のフォトニック結晶構造と、前記第1のフォトニック結晶構造に印加する電圧を調節して前記第1のフォトニック結晶構造による光の屈折率を制御する制御電極とを備えることを特徴とする光偏向素子。
前記プリズム電極及び前記制御電極は、それぞれ前記対向電極との間に電圧を印加することを特徴とする付記2に記載の光偏向素子。
前記各入力チャネル毎に設けられてなる複数の光偏向素子と、
光信号が出力する複数の出力チャネルと
を備え、
前記各光偏向素子は、
電気光学材料からなる光導波路と、
前記光導波路上に設けられた第1の光偏向手段と、
光進行方向で前記第1の光偏向手段を通過した前方に設けられ、前記第1の光偏向手段よりも偏向角範囲の広い第2の光偏向手段と
を含み、
前記第2の光偏向手段は、屈折率の異なる複数種類の物質が周期的に配列してなる第1のフォトニック結晶構造と、前記第1のフォトニック結晶構造に印加する電圧を調節して前記第1のフォトニック結晶構造による光の屈折率を制御する制御電極とを備えることを特徴とする光スイッチ。
前記プリズム電極及び前記制御電極は、それぞれ前記対向電極との間に電圧を印加することを特徴とする付記11に記載の光スイッチ。
2 対向電極層
3 光導波路
4 プリズム電極
5 第1のフォトニック結晶構造
6 制御電極
7 第2のフォトニック結晶構造
10 光偏向素子
11,41 下部クラッド層
12,42 コア層
13,43 上部クラッド層
14,16 貫通孔
15 透明樹脂
20 光スイッチ
21 主要構成部
22 チャネル形成部
31 チャネル基板
32 チャネル導波路
44 マイクロレンズ
45 溝
46 配線層
47 半田ボール
I1〜I4 入力チャネル
O1〜O4 出力チャネル
Claims (6)
- 電気光学材料からなる光導波路と、
前記光導波路上に設けられた第1の光偏向手段と、
光進行方向で前記第1の光偏向手段を通過した前方に設けられ、前記第1の光偏向手段よりも偏向角範囲の広い第2の光偏向手段と
を含み、
前記第2の光偏向手段は、屈折率の異なる複数種類の物質が周期的に配列してなる第1のフォトニック結晶構造と、前記第1のフォトニック結晶構造に印加する電圧を調節して前記第1のフォトニック結晶構造による光の屈折率を制御する制御電極とを備え、
光進行方向に並行して前記第1の光偏向手段の側方に設けられており、屈折率の異なる複数種類の物質が周期的に配列してなる第2のフォトニック結晶構造を更に含み、
前記第2のフォトニック結晶構造は、前記第1のフォトニック結晶構造と周期構造が異なることを特徴とする光偏向素子。 - 前記第1の光偏向手段は、プリズム電極であることを特徴とする請求項1に記載の光偏向素子。
- 前記制御電極と前記導波路を介して対向するように設けられてなる対向電極を更に含み、
前記プリズム電極及び前記制御電極は、それぞれ前記対向電極との間に電圧を印加することを特徴とする請求項2に記載の光偏向素子。 - 光信号が入力する複数の入力チャネルと、
前記各入力チャネル毎に設けられてなる複数の光偏向素子と、
光信号が出力する複数の出力チャネルと
を備え、
前記各光偏向素子は、
電気光学材料からなる光導波路と、
前記光導波路上に設けられた第1の光偏向手段と、
光進行方向で前記第1の光偏向手段を通過した前方に設けられ、前記第1の光偏向手段よりも偏向角範囲の広い第2の光偏向手段と
を含み、
前記第2の光偏向手段は、屈折率の異なる複数種類の物質が周期的に配列してなる第1のフォトニック結晶構造と、前記第1のフォトニック結晶構造に印加する電圧を調節して前記第1のフォトニック結晶構造による光の屈折率を制御する制御電極とを備え、
光進行方向に並行して、隣接する前記第1の光偏向手段間の領域に設けられており、屈折率の異なる複数種類の物質が周期的に配列してなる第2のフォトニック結晶構造を更に含み、
前記第2のフォトニック結晶構造は、前記第1のフォトニック結晶構造と周期構造が異なることを特徴とする光スイッチ。 - 前記第1の光偏向手段は、プリズム電極であることを特徴とする請求項4に記載の光スイッチ。
- 前記制御電極と前記導波路を介して対向するように設けられてなる対向電極を更に含み、
前記プリズム電極及び前記制御電極は、それぞれ前記対向電極との間に電圧を印加することを特徴とする請求項5に記載の光スイッチ。
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