JPS63116129A - 光スイツチ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光通信、光応用計測・制御の分野に係わる。

従来の技術 Ｐ　Ｌ　Ｚ　Ｔ　（ｃ／ｙ／ｚ　）系薄膜は、化学式で
は、で表わされる四元系複合酸化物であり、例えば、（
２８１０／１００　）近傍（７）ＰＬＺＴ系単結晶薄膜
は大きな電気光学効果を有し、透明な薄膜であり、これ
を用いた光スィッチは、第７図に示す様な構造の光スイ
ッチ装置が従来から用いられていた（東野他、　「ＰＬ
ＺＴ薄膜光スイッチを用いた２　ｃｈ動画像伝送実験」
電子通信学会技術研究報告。

０ＱＥｓｅ−４２，１９８６）ｏ　同図に於いて、ｔ７
ｙ（７基板３１（屈折率１．７７）上Ｋ、ＰＬＺＴ系薄
膜３２を、ＰＬＺＴ　（２８１０／１００）の粉末り−
ゲットを用いたプレーナ・マグネトロン・スパッタ法に
より形成し、その上にＴ　ａ２０ｓ薄膜３３を交差帯状
に形成しである０ＰＬＺＴ系薄膜３２の屈折率は２．６
であり、膜厚は０．３６μｍ　とし、Ｔａ２ｏ６薄膜３
３の屈折率は２．０９テ、膜厚は１゜ｎｍの均一な膜３
３ａの上に交差帯部ａ３ｂは２０ａｍである。交差帯部
３３ｂの幅は１０μｍで交差角は１〜２°である。その
上に、バッファ層３４を１８０ｎｍ形成しである。バッ
ファ層３４は、Ｔａ２ｏ６トＡ１２ｏ３ノ混合物で屈折
率は１．８９程度にしている。バッファ層３４上に、４
μｍ程度のギャップを有する１〜２１Ｉｓ長のＡｌ電極
を交差帯部３３ｂの中央部に形成した構造を有している
。

同図において、ボー）　１　（３６）あるいはポート２
（３７）より導波してきた光はポート、３（３Ｂ）また
はボート４　（３９）に伝搬して行く。電極３６に印加
した電圧により導波光の出力ボートが切り換わる。

第８図は交差部断面図を示す。同図にて光スイッチ装置
の動作を説明する。導波光は、基板３１、ＰＬＺＴ系薄
膜３２、Ｔａ２０６薄膜３３ａ、３３ｂ。

バッファ層３４の屈折率差により、ＰＬＺＴ系薄膜３２
の交差帯Ｔａ２０６薄膜３３ｂの下部に閉じ込められて
伝搬する。従来の例ではこれらの中で最も少ナイ屈折率
差（ＰＬＺＴ薄膜（２，ｅ　）　−Ｔａ２０５薄膜（２
，０９）　）　テも０．６１　と大きく、ＰＬＺＴ膜厚
の厚み方向ＴＥシングルモード条件は、波長０．８μｍ
で、約３００　ｎｍ弱である。交差部を伝搬する導波光
の横方向モードは偶モードと奇モードの２モードとなる
様に設計され、電極３６に電圧を印加すると、ギャップ
３９の下のＰＬＺＴ薄膜３２に、バッフ１層３４とＴａ
２０５薄膜３３ａ。

３３ｂの部分を介して電界が印加され、強い電気光学効
果を生じて屈折率が変化し、２つの伝搬モードの伝搬定
数が変化して出力ボートが切りかわると解釈されている
。

発明が解決しようとする問題点 光スイッチ装置の動作安定性を確保するためには、膜厚
方向にシングルモード、多くとも２モードである必要が
ある。従来では、膜厚方向の光閉じ込めのための屈折率
差が材料上の制約から０．６１と大きく、従って、導波
層の膜厚が０．３μｍ程度と制限され、厚くできない。

光スイッチ装置に光を導波させる際に導波層膜厚が薄い
と、実現容易な端面励振が困難となり、プリズム結合等
の他の方法を取らねばならず光の入出力結合が複雑かつ
、工数のかかるものになるという問題点を有していた。

また、ＰＬＺＴ系薄膜３２と基板３１あるいはバッファ
層３４との屈折率差がそれぞれ０．８３あるいは０．６
１　と大きく、また、薄いＰＬＺＴ系薄膜３２中に光を
閉じ込めるために、ＰＬＺＴ系薄膜の界面の電界強度が
強く、界面での散乱が大きく、損失を小さくできないと
いう問題点を有していた。

更に、第８図において、ＰＬＺＴ系薄膜３２の比誘電率
力、大キく、例えば、Ｐ　Ｌ　Ｚ　Ｔ　（２８１０／１
００）付近の組成では、約１８００の値であるが、一方
、Ｔａ２０６薄膜３３ａ、３３ｂあるいはバック１層３
４の比誘電率が小さく、約２０の値であり、この様な、
極端な比誘電率の差により、電極３６間に印加した電圧
によるＰＬＺＴ系薄膜３２中の内部電界は小さくなり、
ＰＬＺＴ系薄膜３２に印加される実質的な電圧は、電極
３６間に印加される電圧の半分以下と低い値になり、Ｐ
ＬＺＴ系薄膜３２に有効に電圧が印加されず、スイッチ
電圧がその分高くなるという問題点を有していた。

問題点を解決するための手段 本発明は、基板上に、組成のわずかに異なるＰ　Ｌ　Ｚ
　Ｔ　（ｘ／ｙ／ｚ　）系 ０≦”＋７＋”≦１００．７＋Ｚ＝１００］材料からな
る薄膜を、第一のバッファ層、電気光学効果を有する導
波層、第二のバッファ層と三層構造に形成し、導波層の
ＰＬＺＴ系薄膜の屈折率を他の２つのバッファ層のそれ
よりも大きくする構造とし、膜厚方向には導波層内に光
の閉じ込めを行う。面内方向の光の三次元閉じ込めには
、前記導波層の基板と反対側の面上に２本の帯が交差し
て成る一定高さを有する交差帯状突起を有する交差帯状
突起を設け、前記導波層の厚さの差により、面内方向の
光の閉じ込めを行うものである。

また、前記交差帯状突起の交差部中央上に、狭い空隙を
有する平行平板電極を配し、電極に電圧を印加すること
により空隙下部の主として導波層のＰＬＺＴ系薄膜の屈
折率を変化させ導波光の光路切り替えを行うものである
。

作　　用 本発明の構成により、次の作用がある。まず、組成のわ
ずかに異なるＰＬＺＴ系薄膜の第一のバッファ層、導波
層、第二のバッファ層による三層構造光閉じ込めにおい
て、導波層と他の二つのバッファ層との屈折率差を小さ
くすることが出来るために、膜方向にシングルモード条
件を満足する導波層膜厚を数μｍ〜１ｏ／ｊｍ程度と厚
ぐすることが可能となり、光の端面励振が行いやすぐ、
光の入出力結合が簡単かつ量産性に富むものとなる。

更に、導波層の膜厚が厚くなることと、導波層界面での
屈折率差が小さくなることにより、界面での散乱が少な
くなり、導波損失が小さくなる。次に、導波層とバッフ
ァ層のＰＬＺＴ系薄膜の組成の差があまりないために、
比誘電率差もあまりなく、電極に印加した電圧は、導波
層のＰＬＺＴ系薄膜に有効に印加され、電気光学効果に
より大きな屈折率変化を得る。加えて、２つのバッファ
層も若干の電気光学効果を有するので、印加電圧による
導波層の屈折率変化を助けることとなり、元スイッチ装
置の光路切りかえに要する電圧の低減に効果がある。

実施例 第１図は本発明の一実施例を示す斜視図、第２図は、そ
の要部斜視図を示す。第３図、第４図はそれぞれ第一、
第二の実施例を示す交差光導波路部の断面図を示す。第
１図において、基板１上に、第一のＰＬＺＴ系薄膜バッ
ファ層２と、その上にＰＬＺＴ系薄膜導波層３、更にそ
の上に、第二のＰＬＺＴ系薄膜バッファ層４が形成され
、屈折率は、導波層３が、２つのバッファ層２．４より
も若干大きく、かつ、その差は小さくなっている。

膜厚方向シングルモード条件は膜厚をｔとし、波長をλ
とすると、１次モードカットオフ規格化周波数Ｖ、＝（
２πｔ／λ）ｈで与えられる。

ここで、ｎｆは、導波層３の屈折率、Δｎは、導波層３
と、第一、第二のバッファ層２，４との屈折率（”ｃｌ
　、　”ｃ２　）差のうちの小さい方の値であり、”Ｃ
Ｉ　”　”０２の階段状屈折率の時には、ｖ０＝πで与
えられる。波長１μｍで、ｎｆ＝２．６．Δｎ＝ｏ、ｏ
ｏ０５とすると、１＝１０μｍとなり、厚い導波層３が
実現できる。導波層３の面内方向光閉じ込めは、第２図
に示す様に、２本の帯が交差して成る一定の高さｈを有
する交差帯状突起を設けることにより、膜厚による実効
屈折率差を設は行い、第１図に示すごとくに交差光導波
路６を形成する。交差光導波路６の交差部中央上に、数
μｍの空隙６ａを有する平行平板電極を設は光スイッチ
装置を形成する。交差光導波路６の一端に、入力光７が
入射した時、電極６間に印加する電圧により、電極６の
空隙６ａの下部の導波層の屈折率が変化して、直進光８
と反射光９の出力が変化し、光路切り替えを行う。

第３図に於いて、交差光導波路の交差部の屈折率分布は
図に示す様に、階段状となっている。また、ＰＬＺＴ系
導波層３の膜厚分布は高さｈだけ出張った突起状をして
おり、この突起下部の導波層に光が三次元的に閉じ込め
られ光が導波される。

第４図では、導波層３と第一、第二のバッファ層２２．
２４の屈折率がゆるやかに変化して接続された構造を示
す。ＰＬＺＴ系薄膜の組成によっては、基板１との格子
定数差により、エピタキシャル成長しないものもあり、
これを育成させるために、まず、バッファ層２３を所望
の厚さだけエビ成長させ、その後組成を連続的に変化さ
せて育成をつづけることにより、導波層３が育成できる
。

界面層が、゛構造のちがいを吸収するためにこの様なこ
とが可能となった。第二のバッファ層２４についても同
様である。第二のバッファ層２４については、単結晶で
ある方が、導波損失の点からは望ましいが、多結晶や、
アモルファス膜でもかまわない。単結晶の場合には、導
波層よりは小さいが、若干の電気光学効果が有り、これ
が、光スイッチ装置の電圧低減に寄与するので望ましい
。

次に、具体的に本発明の実施例を述べる。従来ＰＬＺＴ
系薄膜の育成は、大きな電気光学効果を有する単結晶薄
膜の育成に注力されて来ており、基板にサファイアやＭ
ｇＯ等が用いられていた。また、電気光学効果は、得ら
れた膜の組成がわずかずれると、極端に小さくなるため
に、組成の安定という面にのみ注力されて来て、本発明
で用いている膜の屈折率変化という点では全く関心が払
われていなかった。本発明者らは、膜の育成時の組成を
独立に制御し得る四元スパッタ法を用いて膜の組成と屈
折率の関係を詳細に検討した結果、−例として第６．第
６図に示す様な関係を得、本発明の実施にこぎつけた。

第５図はＰＬＺＴ系（ｘ１０／１００）薄膜を調べたも
のであり、基板にはサファイアＣ面を用いた。

この系列で大きな電気光学効果をもつＰＬＺＴ系（２８
１０／１００　）薄膜が導波層として適しており、Ｌａ
　含有量を少し増加させることにより、屈折率かわずか
低下するｇこれをバッファ層に用いて光スイッチ装置を
試作した。電気光学効果は、導波層に比べ少し低下した
が、比誘電率は略同じ値であった。この（２８１０／１
００　）での電気光学効果は、カー効果で、０．８　Ｘ
　１０−　”　（ｍ７’Ｖ　）　２　　という値であっ
た。第６図は、ＰＬＺＴ系（ｘ／６５／３５　）薄膜の
Ｌａ含有量ｘ（ＭＯＬ％）に対する屈折率を示す。ＰＬ
ＺＴ系（９／６５／３５）薄膜の電気光学効果は、カー
効果で、９　Ｘ　１０　　（ｍ、／Ｖ　）　２の値を得
た。基板はサファイアＣ面を用いた。この場合も、Ｌａ
含有量を増やすことにより、屈折率を下げることが出来
る。この系列の場合は、電気光学効果が大きい反面、最
適値よりの組成ずれにより大きく電気光学効果が低下す
る。

光スイッチ装置の構造パラメータは、第３図の構造にお
いて、導波層３のＰＬＺＴ系薄膜を、Ｐ　Ｌ　Ｚ　Ｔ　
（２Ｂ１０／１００　）とした場合に、屈折率２．６．
膜厚２μｍエピタキシャル形成した。また第一、第二の
バッフ１層２，４にはＬａ　　ＭＯＬ％を約ｓ、ｓｑ６
増加させてエピタキシャル形成した。

膜厚は２μｍとした。バッファ層２，４の屈折率は２．
５９２であった。波長０．８３μｍ　として、膜厚方向
の実効屈折率を計算で求めると２．５９５６でバッファ
層２，４での光の浸透深さは約１μｍとなった。第一の
バッフ１層２と導波層３のＰＬＺＴ系薄膜の形成までは
、Ｌａ　のスパッタ量を変えて、連続して成長を行った
。基板温度は６００℃、ガスはＡｒ（６５％）と０２（
３５％）の混合ガスで３Ｐａ　のガス圧でスパッタを行
った。導波層３の形成後、−度外に取り出し、フォトプ
ロセスにより、６μｍ幅の帯が１°で交差する交差帯状
レジストパターンを形成した後に、イオンビームエツチ
ング法によりレジストパターｙ外の部分を３５０ｎｍエ
ツチングして、第３図のｈ　＝　０．３５μｍの交差帯
状突起を形成した。その後レジストを除去し、洗浄後再
び第二のバッフ１層４を第一のバッファ層と同様に形成
した。取り出した交差光導波路Ｓの交差部中央上に、空
隙４μｍ、長さ２鵡の平行平板電極を、Ｍのリフトオフ
法により形成して光スイッチ装置を試作した。交差帯状
突起部分とそれ以外の部分の膜厚方向実効屈折率の差は
１／１０００　　となる様に試作した。試作した光スィ
ッチの交差光導波路を伝搬する導波光のスポットサイズ
は厚み方向約３μｍ１面内方内約８μｍであった。導波
損失は、従来４　ｄＢ／ｃｒｎであったものが、本構造
では、約０．５ｄＢ／ｃｍ損失が低減した。

また、動作電圧が３．２ｖとなり、従来の構造のもので
５ｖであったのに対し、大幅な電圧軽減がはかられた。

これは、第二のバッファ層４と、導波層３との比誘電率
がほぼ等しいことにより電圧が導波層３に有効に印加さ
れることと、第二のバッファ層４および、第一のバッフ
１層２の電気光学効果も、光路切りかえに寄与している
ためと考えられる。試作した光スイッチ装置の端部をダ
イヤモンドカッターにて切断した後、端面研磨を行い、
波長０．８３μｍで、６μｍのビーム径の光を用い端面
励振を行ったところ、端面でのフレネル反射損失を除い
た結合損出は、約１．ｓｄＢと小さく、従来の約１０ｄ
Ｂに較べ極めて／ｈさな値が得られた。

また、導波層３が、ＰＬＺＴ系（９／６５／３５　）薄
膜の場合も同様に光スイッチ装置を試作した。

この系列では、電気光学効果が大きい反面、組成により
敏感なので、より精密な組成制御を行うことにより作製
することができる。この系列で作る場合に導波層３の屈
折率は２．４９４．　Ｌａ　　ＭＯＬ％を１．９％増加
させたバッファ層２，４の屈折率は２、４８６で、バッ
ファ層での光の浸透深さは約１μｍとなった。膜の厚み
はそれぞれ２βｍとしたＰＬＺＴ系（２８１０／１００
　）と同様にして交差角１゜の幅６μｍの光導波路を形
成し、電極を形成して光スイッチ装置を試作した。試作
した光スィッチの電圧は、ｏ、ｓＶで動作した。端面研
磨を行って端面励振を行った結果は前述のものとほとん
ど変らず、小さな結合損失であった。

なお本実施例ではＰＬＺＴ系薄膜の組成を（２ｓ１０／
１ｏｏ）、（ｅ／ｅｓ／３５）ＫｖＩＩ−）て述べたが
、他の組成でも電気光学効果を有する組成であれば、同
様な効果がある。また、基板１もサファイアＣ面に話を
限定したが、他の材料で膜の育成可能なものならば何で
も良い。また、電極材料にＡｄを用いたが、他の金属で
も良いのは明らかである。

発明の効果 本発明の実施により、膜厚方向シングルモード条件を満
足する導波層の膜厚が、従来よりはるかに厚く、波長の
士数倍程度にまで厚くすることが出来、導波層の端面励
振の結合損失が１、従来の１０ｄＢ程度から、約１．６
ｄＢと極めて小さくすることが可能となった。

また、導波損失が、従来のＰＬＺＴ系薄膜とＴａ２０６
薄膜との組み合せに比較し、約０．５ｄＢ／ｃｍの低減
がはかられ、低損失化が実現できた。

更に、光スイッチ装置の動作電圧を、従来のものに比較
して２０％程度まで低くすることが出来る。これは電界
が有効に導波層のＰＬＺＴ系薄膜に印加される点と、バ
ッファ層のＰＬＺＴ系薄膜自身も電気光学効果を有する
ために、これらの相乗効果によるものである。

以上の様に本発明の実施により、低光結合損失、低導波
損失、低電圧動作の光スイッチ装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す光スイッチ装置の斜視
図、第２図は第二のバッフ１層以上を除いた要部斜視図
、第３図、第４図はそれぞれ第一。 第二の実施例を示す交差光導波路部の断面図および屈折
率分布を示す図、第６図、第６図はそれぞれ、組成（ｘ
１０／１００）系列の場合および組成（ｘ／６５／３５
）の場合のＰＬＺＴ系薄膜のＬａ含有量に対する屈折率
を示す図、第７図は従来例を示す光スイッチ装置の斜視
図、第８図は従来例を示す光スイッチ装置の交差光導波
路部の断面図である。 １・・・・・・基板、２，４，２２．２４・・・・・・
ＰＬＺＴ系薄膜バッファ層、３・・・・・・ＰＬＺＴ系
薄膜導波層、６・・・・・・交差光導波路、６・・・・
・・電極、６ａ・・・・・・空隙、７・・・・・・入力
光、８・・・・・・直進光、９・・・・・・反射光、１
゜・・・・・・交差帯状突起。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名ｆ・
一基板 ｔ−，１０− δ−１！隨免 ９−　双ｔ１尤 第４図 第５図 Ｌａ、含ｉ　ｔＸ　（ａ４ｏｔ％） 第　６　図 １ル８有量χ（ＭＩＬｈ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 基板と、前記基板上に形成された第一のバッファ層と、
   前記バッファ層上に形成された電気光学効果を有する導
   波層と、前記導波層上に形成された第二のバッファ層と
   、前記第二のバッファ層上に形成された光路切り替えを
   行う平行平板電極とを具備して成る光スイッチ装置にお
   いて、前記導波層と、前記第一、第二のバッファ層が、
   ＰＬＺＴ（ｘ／ｙ／ｚ）系 〔▲数式、化学式、表等があります▼、 ０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１００、ｙ＋ｚ＝１００〕薄膜材料か
   ら成り、前記導波層の屈折率が前記第一、第二のバッフ
   ァ層の屈折率よりも大きく、前記導波層の前記基板と反
   対側の面上に形成された２本の帯が交差して成る一定の
   高さを有する交差帯状突起を具備し、前記交差帯状突起
   の交差部中央上に、前記平行平板電極を具備することを
   特徴とする光スイッチ装置。