フォトニック結晶を用いた波長可変光フィルタ素子
【課題】電気光学材料からなる周期構造により光フィルタを構成すると電界印加により透過帯域を可変できる。しかし、従来技術による光フィルタは周期構造を形成する一方の部材の屈折率しか変化しないため両部材間の屈折率差を効率的に変化させられなかった。透過帯域のシフト量は屈折率差の変化に依存するため効率的に透過帯域をシフトさせることができず、低電力での動作が課題であった。
【解決手段】ポッケルス効果を示す結晶４およびカー効果を示す材料５からなる周期構造を持つ導波路１に一対の電極３ａ、３ｂを作製する。前記電極一対の電極３ａ，３ｂは前記導波路１に前記ポッケルス効果を示す結晶４のｃ軸方向に電界を印加できるように配置する。前記ポッケルス効果を示す結晶４の＋ｃ方向に配置された電極３ｂの電位が−ｃ方向に配置された電極３ａの電位よりも常に高くなるように電圧を印加する。
【解決手段】ポッケルス効果を示す結晶４およびカー効果を示す材料５からなる周期構造を持つ導波路１に一対の電極３ａ、３ｂを作製する。前記電極一対の電極３ａ，３ｂは前記導波路１に前記ポッケルス効果を示す結晶４のｃ軸方向に電界を印加できるように配置する。前記ポッケルス効果を示す結晶４の＋ｃ方向に配置された電極３ｂの電位が−ｃ方向に配置された電極３ａの電位よりも常に高くなるように電圧を印加する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフォトニック結晶を用いた光フィルタ素子、特に電気光学効果を持つ材料から素子を構成して透過帯域を可変できる波長可変光フィルタ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
屈折率の異なる材料で光の波長程度の周期構造を形成するとフォトニックバンドを持つフォトニック結晶が形成される。これを利用することによって高効率かつ小型の光素子を作製可能であることから近年注目されている。
【０００３】
フォトニック結晶は一次元、二次元あるいは三次元周期構造を持ち、現在のところ半導体を用いて周期構造を作製する方法が多く提案されている。半導体でフォトニック結晶を作製した場合、帯域波長は一定であり、これを変化させることはできない。
【０００４】
これに対し、液晶を用いたフォトニック結晶が検討されている。液晶は電界を印加することによって屈折率が変化する性質を持つため、帯域波長が変化する光デバイスを作製することが可能である。しかし、液晶を用いた場合には電界の変化に対する応答速度がミリ秒オーダーであり、より高い応答速度が求められている。
【０００５】
そこで、電界の変化に対してナノ秒オーダーで応答する電気光学材料を用いたフォトニック結晶が特許文献１などにおいて提案されている。
【０００６】
特許文献１では、図９のように電気光学材料であるＰＬＺＴ１７と充填材１８からなる周期構造２１によりフォトニック結晶を形成している。これに電極１９から電界を加えることで透過帯域を可変できる波長可変光フィルタを得ている。
【０００７】
特許文献２では図１０のようにニオブ酸リチウム基板２０に分極反転を施し周期構造を形成している。ニオブ酸リチウムなどの電気光学結晶は強電界を印加するなどの方法でｃ軸の向きを反転させ、分極の向きを反転することができる。分極反転部、非反転部からなる周期構造に電界を印加すると、両部分で電界の変化に対して屈折率を互いに逆に変化させることができる。
【特許文献１】特開２００４−３０２４５７号公報
【特許文献２】特表２００２−５３９４６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１では信号源がもたらす電界の変化に対して周期構造２１を構成する一方の部材の屈折率しか変化しない。そのため電界の変化に対して一方の部材は屈折率が大きくなり、もう一方の部材は屈折率が小さくなるといったように両部材で互いに逆に屈折率を変化させることはできず、両部材間の屈折率差を効率的に変化させることができない。そのため、信号源がもたらす電界の変化に対して効率的に透過帯域をシフトすることができない。
【０００９】
特許文献２では、ニオブ酸リチウムに分極反転技術により周期構造を作製することが示唆されている。これを用いると分極反転部１５と非反転部１６で、電界の変化に対して屈折率を互いに逆に変化させることができる。しかし、これだけでは電界無印加時に分極反転部１５、非反転部１６の間には屈折率差がない。そのため、屈折率の異なる部材を周期的に並べフォトニック結晶を形成するということができない。分極反転部１５もしくは非反転部１６に不純物をドーピングするなどして屈折率差を与える方法も考えられるが、光の波長オーダーでの作製は極めて困難である。
【００１０】
周期構造を構成する２つの部材で信号源がもたらす電界の変化に対して屈折率を互いに逆に変化させることができれば、電界の変化に対して効率的に透過帯域をシフトすることのできる波長可変光フィルタを提供できる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
ポッケルス効果を示す結晶およびカー効果を示す材料からなる導波路に、電界を印加する一対の電極を配置する。前記導波路には前記ポッケルス効果を示す結晶および前記カー効果を示す材料が導波路の長手方向に交互に配置された周期構造が形成されている。
【００１２】
前記周期構造はポッケルス効果を示す結晶に周期的に溝を形成し凹凸構造を作製し、前記凹凸構造の凹部にカー効果を示す材料を充填して形成する。
【００１３】
前記ポッケルス効果を示す結晶は、ｃ軸の向きが一様に前記導波路を横切る方向に揃っており、ｃ軸方向の自発分極の極性も一様に揃っているものを用いる。前記一対の電極は前記導波路を間に挟むように導波路の側壁に配置する。前記一対の電極の内、前記ポッケルス効果を示す結晶の＋ｃ方向に配置された一方の電極の電位が、−ｃ方向に配置されたもう一方の電極の電位よりも常に高くなるように電圧を印加する。
【００１４】
前記ポッケルス効果を示す結晶は、ｃ軸の向きが一様に前記基板の底面に対して垂直な方向に揃っており、ｃ軸方向の自発分極の極性も一様に揃っているものを用いる。前記一対の電極は前記導波路の上面及び前記基板の底面に配置する。前記一対の電極の内、前記ポッケルス効果を示す結晶の＋ｃ方向に配置された一方の電極の電位が、−ｃ方向に配置されたもう一方の電極の電位よりも常に高くなるように電圧を印加する。
【００１５】
前記ポッケルス効果を示す結晶は、ｃ軸の向きが一様に前記導波路の長手方向に揃っており、ｃ軸方向の自発分極の極性も一様に揃っているものを用いる。前記一対の電極は前記導波路の長手方向の両端にそれぞれ配置する。前記一対の電極の内、前記ポッケルス効果を示す結晶の＋ｃ方向に配置された一方の電極の電位が、−ｃ方向に配置されたもう一方の電極の電位よりも常に高くなるように電圧を印加する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ポッケルス効果を示す結晶４およびカー効果を示す材料５からなる導波路１に、電界を印加するための一対の電極３ａ，３ｂを配置する。この際、前記ポッケルス効果を示す結晶４は、ｃ軸の向きが一様に揃っていて、ｃ軸方向の自発分極の極性も一様に揃っているものを用いる。前記ポッケルス効果を示す結晶４の−ｃ方向に配置された前記電極３ａおよび前記ポッケルス効果を示す結晶４の＋ｃ方向に配置された前記電極３ｂに電圧を印加する。この際、電極３ｂの電位は常に電極３ａよりも高くなるようにする。
【００１７】
これにより、電界は前記ポッケルス効果を示す結晶４の−ｃ方向に印加される。この時、前記ポッケルス効果を示す結晶４および前記カー効果を示す材料５の屈折率は互いに逆に変化する。そのため、従来のように一方の部材の屈折率のみを変化させる方法に比べて、両部材の屈折率が互いに逆に変化する分だけ効率的に両部材間の屈折率差を変化させることができる。
【００１８】
透過帯域のシフト量は両部材間の屈折率差の変化に依存するため、従来の方法と同等のシフト量をより小さい電界で得ることができる。これにより低電力で動作可能な波長可変光フィルタ素子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（第１の実施形態）
本発明に係る波長可変光フィルタ素子の第１の実施形態による構成を図１に示す。
【００２０】
ポッケルス効果を示す結晶４およびカー効果を示す材料５からなる導波路１の側壁に電界を印加する一対の電極３ａ、３ｂが配置されている。一対の電極３ａ、３ｂは導波路１を間に挟んでいる。本明細書では、一対の電極３ａ、３ｂを厳密に区別する際、第１電極３ａ、第２電極３ｂ、ということがある。
【００２１】
この際、電極３ａ、３ｂと導波路１の間にバッファ層８を介することで導波路１を伝搬する光のロスを低減できる。バッファ層８の材料としては、ＳｉＯ2などの導波路１のコア部より十分屈折率の小さい材料を用いる。
【００２２】
導波路１は、図２に示されるように、複数のポッケルス効果を示す結晶４および複数のカー効果を示す材料５が長手方向に交互に繰り返し並べられた周期構造からなる。また、導波路１は光を伝搬させるために深さＤの拡散層と幅Ｌのリッジ構造を形成し深さ方向及び横方向に光の閉じ込めを得ている。導波路１の拡散層の深さＤ、及び幅Ｌは導波路１を伝搬する光がシングルモードとなるように定めるのが好ましい。
【００２３】
以下、導波路１の作製方法について説明する。
【００２４】
まず、ポッケルス効果を示す結晶４に深さＤの拡散層を形成し、深さ方向に光の閉じ込め構造を形成する。拡散層はポッケルス効果を示す結晶４にプロトン交換や金属拡散等を施すことで得られる。なお、ポッケルス効果を示す結晶４としてニオブ酸リチウムを用い温度２３０℃の溶融した安息香酸を用いてプロトン交換を行う場合には、プロトン交換された部分の屈折率は異常屈折率ｎｅだけが０．１２４上昇する。この時、交換深さＤを０．６〜１．５μｍとすれば深さ方向にシングルモードが得られる。また、チタン拡散を用いて拡散層を形成する場合では、７０ｎｍのチタンを拡散した時、拡散深さＤは３μｍとなる。拡散層での屈折率変化はそれぞれ異常屈折率ｎｅが０．０３６、常屈折率ｎｏが０．０１８上昇し、この時深さ方向ではシングルモードが得られる。
【００２５】
次に、ポッケルス効果を示す結晶４およびカー効果を示す材料５からなる周期構造を作製する。
【００２６】
図５に示すように、まずポッケルス効果を示す結晶４に周期的に溝を掘り凹凸構造１０を作製し、凹凸構造１０の凹部１２にカー効果を示す材料５を充填し平坦化する。これにより、ポッケルス効果を示す結晶４およびカー効果を示す材料５からなる周期構造を形成する。これについて後述する実施例で詳しく説明する。
【００２７】
なお、周期構造を形成するポッケルス効果を示す結晶４およびカー効果を示す材料５のそれぞれの幅Ｌ１,Ｌ２は、光学長が設計波長の１／４となるように設計すると設計波長に対してフォトニックバンドギャップが形成される。フォトニックバンドギャップが形成された波長域の光は、導波路１を透過することができない。
【００２８】
次に、横方向に光の閉じ込め構造を形成する。図２に示すように、横方向の閉じ込め構造はエッチングやダイシング等の方法により導波路１をリッジ構造にする。なお、リッジの幅Ｌは２．０〜４．０μｍとした時に横方向でシングルモードの導波路が得られる。また、リッジの深さＨは拡散深さＤよりも深い方が好ましい。
【００２９】
なお、ポッケルス効果を示す結晶４に深さ方向の光の閉じ込め構造を形成する工程、ポッケルス効果を示す結晶４およびカー効果を示す材料５からなる周期構造を作製する工程、横方向の光の閉じ込め構造を形成する工程は、必ずしも上記の順番で行う必要はない。
【００３０】
導波路１に周期構造を形成する方法としては、上記のようにポッケルス効果を示す材料４に周期的に溝を掘り凹凸構造１０を作製しカー効果を示す材料５を充填する方法が好ましい。他の方法としてカー効果を示す材料５に周期的に溝を掘り凹凸構造１０を作製しポッケルス効果を示す結晶４を充填する方法も考えられるが、この方法ではポッケルス効果を示す結晶４のｃ軸の向きや自発分極の極性を揃えるのが困難である。
【００３１】
ポッケルス効果を示す結晶４としては、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸リン酸カリウム、ニオブ酸カリウム、リン酸２水素アンモニウム（ＡＤＰ）、リン酸２水素カリウム（ＫＤＰ）、ＧａＡｓ、ＺｎＯなどの対称中心を持たない結晶を用いることができる。これらの結晶はｃ軸方向に大きな自発分極を持つ。
【００３２】
なお、ポッケルス効果を示す結晶４はｃ軸の方向が一様に揃っていて、かつ自発分極の極性も揃っているものを用いる必要がある。これは、ポッケルス効果においてはｃ軸の方向および自発分極の極性が屈折率変化の符号を決定するためである。ｃ軸の方向および自発分極の極性が揃っていない材料を用いると電界を印加しても屈折率変化を得ることができない。
【００３３】
本明細書では、ポッケルス効果を示す材料４のｃ軸の方向を正確に定義するため、自発分極の極性が正となる方向を＋ｃ方向、自発分極の極性が負となる方向を−ｃ方向と定める。
【００３４】
カー効果を示す材料５としては、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ＫＴａＯ3、ＫＴａ1-xＮｂxＯ3（ＫＴＮ）、ＳｒＴｉＯ3、などの対称中心を持つ結晶を用いる事ができる。
【００３５】
カー効果を示す材料５はｃ軸の向き、あるいは自発分極の極性を必ずしも一様に揃える必要はない。カー効果はｃ軸の方向や自発分極の向きとは関係なく電界印加時に屈折率変化が得られるためである。そのため、カー効果を示す材料５は必ずしも単結晶である必要はない。
【００３６】
本実施形態では、基板２として図１のようにｃ軸が導波路１を横切る方向に揃ったポッケルス効果を示す結晶４を用いる。一対の電極３ａ、３ｂは電界Ｅをポッケルス効果を示す結晶４のｃ軸方向に印加するために、導波路１の側壁に導波路１を間に挟むように配置している。一対の電極３ａ、３ｂはポッケルス効果を示す結晶４の＋ｃ方向に位置する方を第２電極３ｂ、−ｃ方向に位置するものを第１電極３ａとする。
【００３７】
次に、本発明で提案する波長可変光フィルタ素子の動作方法を説明する。
【００３８】
ポッケルス効果を有する結晶の多くは異方性を持つ。異方性を持つ結晶では複屈折を生じ、偏光の向きに対して異なる２つの屈折率を持つ。２つの偏光状態をそれぞれ常光および異常光と言い、常光に対する屈折率を常屈折率、異常光に対対する屈折率を異常屈折率と言う。
【００３９】
一対の電極３ａ，３ｂが印加する電界Ｅはポッケルス効果を示す結晶４のｃ軸方向に印加される。ポッケルス効果を示す結晶４のｃ軸の向きに電界を印加した場合、ポッケルス効果を示す結晶４の異常屈折率の変化Δｎｅ1はポッケルス係数γ33に比例する。ｃ軸の向きに加えた電界Ｅと異常屈折率の変化Δｎｅ1の関係は式（１）で表せる。
【００４０】
Δｎe1＝−１／２ ｎe13 γ33 Ｅ ・・・式（１）
ここで、電界Ｅは＋ｃ方向のベクトルを持つ場合を正とした。以下でも電界Ｅの定義は同様とする。
【００４１】
また、ｎe1はポッケルス効果を示す結晶４の異常屈折率である。
【００４２】
ニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウムはポッケルス係数の中でも特にγ33が最も大きい結晶である。
【００４３】
また、ポッケルス効果を示す結晶４のｃ軸の方向に電界を印加すると、常光に対してはγ13に比例した屈折率変化Δｎｏ1が得られる。ｃ軸の向きに加えた電界Ｅと常屈折率の変化Δｎｏ1の関係は式（１）’で表せる。
【００４４】
Δｎo1＝−１／２ ｎo13 γ13 Ｅ ・・・式（１）’
なお、ｎo1はポッケルス効果を示す結晶４の常屈折率である。
【００４５】
また、カー効果を示す材料５ではカー効果により印加する電界Ｅの大きさの２乗に比例して屈折率が変化する。この際、電界Ｅの向きは任意である。カー効果による屈折率変化Δｎ2は以下の式で示される。
【００４６】
Δｎ2＝−１／２ ｎ23 Ｒ Ｅ2 ・・・式（２）
ここでｎ2はカー効果を示す材料５の屈折率であり、Ｒはカー係数である。
【００４７】
なお、本素子を動作させる際には電界Ｅを印加した際の屈折率変化量が常光と異常光に対してそれぞれ異なるため、いずれか一方の偏光を導波させる方が好ましい。そのためには、入射光に常光と異常光が混在している場合には、偏光子等を用いて予め入射光の偏光をいずれか一方にした後に本素子に入射する必要がある。
【００４８】
以下では、異常光のみが導波しているものとして説明する。
【００４９】
図６に一例としてポッケルス効果を示す結晶４がニオブ酸リチウムでカー効果を示す材料５がＰＬＺＴであった場合の異常屈折率の変化の様子を示す。図６で横軸はｃ軸方向に印加する電界Ｅを、縦軸はそれぞれの屈折率の変化量Δｎを示している。なお、図６はニオブ酸リチウムの異常光に対する屈折率を２．２、ポッケルス係数γ33を３０．８×１０-12ｍ／Ｖ、またＰＬＺＴの屈折率を２．４、カー係数Ｒを５．０×１０-18（ｍ／Ｖ）2として、式（１）および式（２）から計算した。
【００５０】
図６のＡの範囲では電界Ｅは負の値を持っている。電界Ｅが負の値を持つということは、電界Ｅがポッケルス効果を示す結晶４の−ｃ方向に印加されていることを意味する。このような電界Ｅを印加するためには、一対の電極３ａおよび３ｂに電圧を加える際に、ポッケルス効果を示す結晶４の＋ｃ方向に位置する電極３ｂが常にポッケルス効果を示す結晶４の−ｃ方向に位置する電極３ａよりも電位が高くなるように電圧を加えればよい。
【００５１】
電界Ｅが負の値を持つＡの範囲では、電界の変化に対してポッケルス効果を示す結晶４とカー効果を示す材料５で屈折率が互いに逆に変化する。このため、両部材間の屈折率差の変化を大きくとることが可能となる。
【００５２】
透過帯域のシフト量は両部材間の屈折率差の変化に大きく依存するため、本発明の波長可変光フィルタでは透過帯域を高効率にシフトさせることができる。そのため、同じ電力で動作させても従来のように一方の屈折率しか変化しない場合と比較して大きいシフト量を得られるため、低電力での動作が可能となる。
【００５３】
また、常光のみを導波させた場合でも異常光の場合と同様の効果が得られ、効率的に波長帯域をシフトさせることができ、低電力での動作が可能となる。
【００５４】
本発明による波長可変光フィルタの代替技術として、分極反転による周期構造で光フィルタを構成する方法が考えられる。しかし、光フィルタとして動作するためには、フォトニックバンドギャップを形成するように屈折率差をもった２つの部材で周期構造を形成する必要がある。そのため、サブミクロンサイズである分極反転部１５および分極非反転部１６のどちらか一方のみに不純物を拡散する等の工程が必要となり、精度良く作製することは困難である。本発明による方法では、このような工程は必要としない。
【００５５】
（第２の実施形態）
本発明で提案する波長可変光フィルタ素子の第２の実施形態による構成を図３に示す。
【００５６】
本実施形態では、第１の実施形態と同様の作製方法により導波路１を形成した後、図３のように一対の電極３ａ、３ｂを配置する。
【００５７】
この際、基板２として図３のようにｃ軸が基板２の底面に垂直な方向に一様に揃ったポッケルス効果を示す結晶４を用いる。この際、自発分極の極性は導波路１の上面が正であっても、基板２の底面が正であってもいずれでも良い。
【００５８】
一対の電極３ａ、３ｂは電界Ｅをポッケルス効果を示す結晶４のｃ軸方向に印加するために、基板２の底面および導波路１の上面にそれぞれ配置している。
ポッケルス効果を示す結晶４の＋ｃ方向に位置する方を電極３ｂ、−ｃ方向に位置する方を電極３ａとする。
【００５９】
ポッケルス効果を示す結晶４の＋ｃ方向に位置する方を電極３ｂ、−ｃ方向に位置する方を電極３ａとする限り、図１１に示すように、第１電極３ａを導波路１の上面に、第２電極３ｂを基板２の底面に配置しても良い。この場合、一対の電極３ａ、３ｂには、図３とは逆の方向に電圧を印加することになる。
【００６０】
一対の電極３ａ、３ｂの内、導波路１の上面に形成するものはバッファ層８を介して作製すれば、導波路１での光の散乱を妨げることができる。
【００６１】
本実施形態による電極構成では、電極間距離は基板２の厚みに依存するが電極の形成は容易である。また、本実施形態による波長可変光フィルタも第１の実施形態によるものと同様に、電極３ｂの電位が電極３ａよりも常に高くなるように電圧を印加することで効率的に透過帯域をシフトさせることができる。
【００６２】
（第３の実施形態）
本発明で提案する波長可変光フィルタ素子の第３の実施形態による構成を図４に示す。
【００６３】
本実施形態では、第１の実施形態と同様の作製方法により導波路１を形成した後、図４のように一対の電極３ａ、３ｂを配置する。
【００６４】
この際、基板２として図４のようにｃ軸を導波路１の長手方向に揃えたポッケルス効果を示す結晶４を用いる。
【００６５】
一対の電極３ａ、３ｂは電界Ｅをポッケルス効果を示す結晶４のｃ軸方向に印加するために、導波路１の長手方向の両端にそれぞれ配置している。一対の電極３ａ，３ｂは、ポッケルス効果を示す結晶４の＋ｃ方向に位置する方を３ｂ、−ｃ方向に位置する方を３ａと定義する。一対の電極３ａ、３ｂはバッファ層８を介して作製すれば、導波路での光の散乱を妨げることができる。
【００６６】
本実施形態による電極構造では導波路１の側面や基板２の裏面への電極形成が不要であるため、電極形成がより容易になる。また、本実施形態による波長可変光フィルタも第１の実施形態によるものと同様に、電極３ｂの電位が電極３ａよりも常に高くなるように電圧を印加することで効率的に透過帯域をシフトさせることができる。
【実施例１】
【００６７】
本発明による波長可変光フィルタ素子の動作検討を行った。
【００６８】
ポッケルス効果を示す結晶４はニオブ酸リチウム、カー効果を示す材料５はＰＬＺＴとし、ニオブ酸リチウムの幅Ｌ１を１７０ｎｍ、ＰＬＺＴの幅Ｌ２を１５６ｎｍとした。一対の電極３ａ、３ｂの間隔は４μｍとして考えた。また、導波路１を導波する光は異常光のみとした。
【００６９】
電極３ａを接地した後にＤＣ電源７を用いて電極３ｂに＋１０Ｖの電位を与え、更に信号源６から振幅１０Ｖの信号電界を印加する場合を考えた。この時、電極３ｂの電位は電極３ａの電位よりも常に高くなる。電極３ａ、３ｂの間隔は４μｍであるので１０Ｖの電圧を印加すると２．５×１０6Ｖ／ｍの電界が得られる。
【００７０】
この場合には、電界Ｅは図６の点(a)から点(b)の範囲で変化する。図６中で電界Ｅが点(a)から点(b)まで変化するとニオブ酸リチウムの屈折率は８．６×１０-4だけ減少し、ＰＬＺＴの屈折率は８．２×１０-4増加する。ニオブ酸リチウムとＰＬＺＴの間の屈折率差の変化量は両部材の屈折率変化量の合計となるため、電界Ｅが点(a)から点(b)まで変化するときに１６．８×１０-4だけ変化することがわかった。
【００７１】
続いて、この素子の点(a)、点(b)での光の透過帯域を計算した。結果を図７に示す。図７で横軸は入力光の波長、縦軸は出力光の入力光に対する強度とした。電界無印加時である点(a)と比べて、電界印加時の点(b)では透過帯域が＋３４０ｐｍ変化することがわかった。
【００７２】
比較のため、従来のように一方の屈折率しか変化しない場合の計算も行った。図７と同様の電界Ｅを印加した際に、ニオブ酸リチウムの屈折率しか変化しない場合では光フィルタの透過帯域は図８のようになった。この場合では透過帯域は＋１９０ｐｍしか変化しないことがわかった。
【００７３】
以上の計算結果から、同じ電圧を印加させた場合に本発明による波長可変光フィルタ素子の方が従来のものより効率的に波長帯域をシフトできることが確認できた。
【００７４】
以下のような工程で、本発明による波長可変光フィルタを実際に作製した。
【００７５】
基板２としては、ニオブ酸リチウム結晶のＸ-ｃｕｔ基板を用いた。Ｘ-ｃｕｔ基板ではｃ軸は基板の底面に対して平行な方向を向いている。導波路１は長手方向がｃ軸に対して垂直となるようにした。
【００７６】
まず、ニオブ酸リチウム基板にＴｉ拡散により拡散層を形成した。基板上にＴｉを７０ｎｍ蒸着した後、酸素雰囲気下において１０３０℃で１０時間拡散を行い、深さ３．０μｍの拡散層を得た。
【００７７】
次に、図５のような工程でニオブ酸リチウムおよびＰＬＺＴからなる周期構造を作製した。
【００７８】
まず、図５（Ｂ）のようにニオブ酸リチウム基板９上にレジストマスク１３を形成する。レジストマスク１３は電子ビーム描画により作製した。
【００７９】
次に、図５Ｃのようにエッチングで凹凸構造１０を形成した。エッチングにはＩＣＰドライエッチング装置を用い、エッチングガスとしては、ＡｒとＣ4Ｆ8エッチング後に形成された凹凸構造１０は凸部１１の幅Ｌ１が１７０ｎｍ、凹部１２の幅Ｌ２が１５６ｎｍ、凹部１２の深さｄは２５０ｎｍとした。
【００８０】
ドライエッチング後、図５（Ｄ）のようにレジストマスク１３を剥離した後に図５（Ｅ）のようにＰＬＺＴ１４を成膜した。
【００８１】
なお、ＰＬＺＴ１４はゾル−ゲル法によって作製した。
【００８２】
まず、ＰＬＺＴゾル前駆体溶液を凹凸構造１０の凹部１２に充填するように塗布する。これを乾燥させることによりＰＬＺＴ 前駆体を得て、更に焼成した。焼結温度は７２５℃として１０分間焼成を行った。これにより、２５０ｎｍのＰＬＺＴ１４の単結晶を得た。
【００８３】
その後、図５（Ｆ）のように平坦化を行い余分なＰＬＺＴを除去した。
【００８４】
以上の工程により、１．５μｍ光に対してフォトニックバンドギャップを持つ周期構造を形成した。
【００８５】
次に、リッジを形成し導波路１の横方向での光の閉じ込め構造を形成した。フォトリソグラフィにより導波路１に対応するレジストマスクを形成した後、エッチングを行うことでリッジを形成した。導波路１の幅Ｌは４．０μｍ、リッジの深さＨは２．０μｍとした。
【００８６】
導波路１の側壁に、バッファ層８を形成した後に一対の電極３ａ、３ｂを形成した。バッファ層８としてはＳｉＯ2を電極材料としてはＡｌを用いた。
【００８７】
以上の工程で作製した波長可変光フィルタにおいて電圧の印加により波長帯域がシフトすることを確認した。また、ニオブ酸リチウム基板の＋ｃ方向に配置した電極３ｂの電位が−ｃ方向に配置した電極３ａの電位よりも高くなるように動作させることで従来型より大きな波長帯域のシフトが得られた。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明による素子は波長を可変することができる光フィルタ素子として用いることができ、低電力で透過帯域を可変することができる。
【００８９】
以下、本発明をまとめる。
【００９０】
１．（図１、図３、図４の包括概念）
基板（２）の上面に設けられた導波路（１）と、
前記導波路（１）に電界を印加する一対の電極（３）とを有する波長可変光フィルタ素子であって、
前記導波路（１）は、ポッケルス効果を示す結晶（４）およびカー効果を示す材料（５）からなり、
前記ポッケルス効果を示す結晶（４）およびカー効果を示す材料（５）は前記導波路（１）の長手方向に交互に配置された周期構造を形成しており、
前記一対の電極（３）は、前記導波路（１）を挟む第１電極（３ａ）および第２電極（３ｂ）とからなり、
前記第１電極（３ａ）は前記ポッケルス効果を示す結晶（４）の−ｃ方向に配置され、
前記第２電極（３ｂ）は前記ポッケルス効果を示す結晶（４）の＋ｃ方向に配置され、
前記第２電極（３ｂ）に印加される電圧は、前記第１電極（３ａ）に印加される電圧よりも常に大きい
（ことを特徴とする）波長可変光フィルタ素子。
【００９１】
２．（図１）
前記一対の電極（３）は、前記導波路（１）の側壁に設けられており、
前記ポッケルス効果を示す結晶（４）のｃ軸が、前記導波路（１）の短手方向に平行である、前記項１に記載の波長可変光フィルタ素子。
【００９２】
３．（図３）
前記第１電極（３ａ）は基板（２）の下面に設けられており、
前記第２電極（３ｂ）は導波路（１）の上面に設けられており、
前記ポッケルス効果を示す結晶（４）のｃ軸が前記基板（２）の法線方向に平行である、前記項１に記載の波長可変光フィルタ素子。
【００９３】
４．（図１１）
前記第２電極（３ｂ）は基板（２）の下面に設けられており、
前記第１電極（３ａ）は導波路（１）の上面に設けられており、
前記ポッケルス効果を示す結晶（４）のｃ軸が前記基板（２）の法線方向に平行である、前記項１に記載の波長可変光フィルタ素子。
【００９４】
５．（図４）
前記一対の電極（３）は導波路（１）の上面に設けられており、
前記ポッケルス効果を示す結晶（４）のｃ軸が前記導波路（１）の長手方向に平行である、前記項１に記載の波長可変光フィルタ素子。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】第１の実施形態による波長可変光フィルタの構成図
【図２】導波路の構造を示す図
【図３】第２の実施形態による波長可変光フィルタの構成図
【図４】第３の実施形態による波長可変光フィルタの構成図
【図５】周期構造の作製工程を示す図
【図６】ニオブ酸リチウムとＰＬＺＴの電界印加時の屈折率変化を示すグラフ
【図７】本発明による波長可変光フィルタの透過帯域シフトの一例を示すグラフ
【図８】従来技術による波長可変光フィルタの透過帯域シフトの一例を示すグラフ
【図９】特許文献１による波長可変光フィルタを示す図
【図１０】特許文献２による周期構造を示す図
【図１１】第２の実施形態の変形例による波長可変光フィルタの構成図
【符号の説明】
【００９６】
１ 導波路
２ 基板
３ａ、３ｂ、１９ 電極
４ ポッケルス効果を示す結晶
５ カー効果を示す材料
６ 信号源
７ ＤＣ電源
８ バッファ層
９、２０ ニオブ酸リチウム基板
１０ 凹凸構造
１１ 凸部
１２ 凹部
１３ レジストマスク
１４、１７ ＰＬＺＴ
１５ 分極反転部
１６ 非反転部
１８ 充填材
２１ 周期構造
２２ クラッド層
【技術分野】
【０００１】
本発明はフォトニック結晶を用いた光フィルタ素子、特に電気光学効果を持つ材料から素子を構成して透過帯域を可変できる波長可変光フィルタ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
屈折率の異なる材料で光の波長程度の周期構造を形成するとフォトニックバンドを持つフォトニック結晶が形成される。これを利用することによって高効率かつ小型の光素子を作製可能であることから近年注目されている。
【０００３】
フォトニック結晶は一次元、二次元あるいは三次元周期構造を持ち、現在のところ半導体を用いて周期構造を作製する方法が多く提案されている。半導体でフォトニック結晶を作製した場合、帯域波長は一定であり、これを変化させることはできない。
【０００４】
これに対し、液晶を用いたフォトニック結晶が検討されている。液晶は電界を印加することによって屈折率が変化する性質を持つため、帯域波長が変化する光デバイスを作製することが可能である。しかし、液晶を用いた場合には電界の変化に対する応答速度がミリ秒オーダーであり、より高い応答速度が求められている。
【０００５】
そこで、電界の変化に対してナノ秒オーダーで応答する電気光学材料を用いたフォトニック結晶が特許文献１などにおいて提案されている。
【０００６】
特許文献１では、図９のように電気光学材料であるＰＬＺＴ１７と充填材１８からなる周期構造２１によりフォトニック結晶を形成している。これに電極１９から電界を加えることで透過帯域を可変できる波長可変光フィルタを得ている。
【０００７】
特許文献２では図１０のようにニオブ酸リチウム基板２０に分極反転を施し周期構造を形成している。ニオブ酸リチウムなどの電気光学結晶は強電界を印加するなどの方法でｃ軸の向きを反転させ、分極の向きを反転することができる。分極反転部、非反転部からなる周期構造に電界を印加すると、両部分で電界の変化に対して屈折率を互いに逆に変化させることができる。
【特許文献１】特開２００４−３０２４５７号公報
【特許文献２】特表２００２−５３９４６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１では信号源がもたらす電界の変化に対して周期構造２１を構成する一方の部材の屈折率しか変化しない。そのため電界の変化に対して一方の部材は屈折率が大きくなり、もう一方の部材は屈折率が小さくなるといったように両部材で互いに逆に屈折率を変化させることはできず、両部材間の屈折率差を効率的に変化させることができない。そのため、信号源がもたらす電界の変化に対して効率的に透過帯域をシフトすることができない。
【０００９】
特許文献２では、ニオブ酸リチウムに分極反転技術により周期構造を作製することが示唆されている。これを用いると分極反転部１５と非反転部１６で、電界の変化に対して屈折率を互いに逆に変化させることができる。しかし、これだけでは電界無印加時に分極反転部１５、非反転部１６の間には屈折率差がない。そのため、屈折率の異なる部材を周期的に並べフォトニック結晶を形成するということができない。分極反転部１５もしくは非反転部１６に不純物をドーピングするなどして屈折率差を与える方法も考えられるが、光の波長オーダーでの作製は極めて困難である。
【００１０】
周期構造を構成する２つの部材で信号源がもたらす電界の変化に対して屈折率を互いに逆に変化させることができれば、電界の変化に対して効率的に透過帯域をシフトすることのできる波長可変光フィルタを提供できる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
ポッケルス効果を示す結晶およびカー効果を示す材料からなる導波路に、電界を印加する一対の電極を配置する。前記導波路には前記ポッケルス効果を示す結晶および前記カー効果を示す材料が導波路の長手方向に交互に配置された周期構造が形成されている。
【００１２】
前記周期構造はポッケルス効果を示す結晶に周期的に溝を形成し凹凸構造を作製し、前記凹凸構造の凹部にカー効果を示す材料を充填して形成する。
【００１３】
前記ポッケルス効果を示す結晶は、ｃ軸の向きが一様に前記導波路を横切る方向に揃っており、ｃ軸方向の自発分極の極性も一様に揃っているものを用いる。前記一対の電極は前記導波路を間に挟むように導波路の側壁に配置する。前記一対の電極の内、前記ポッケルス効果を示す結晶の＋ｃ方向に配置された一方の電極の電位が、−ｃ方向に配置されたもう一方の電極の電位よりも常に高くなるように電圧を印加する。
【００１４】
前記ポッケルス効果を示す結晶は、ｃ軸の向きが一様に前記基板の底面に対して垂直な方向に揃っており、ｃ軸方向の自発分極の極性も一様に揃っているものを用いる。前記一対の電極は前記導波路の上面及び前記基板の底面に配置する。前記一対の電極の内、前記ポッケルス効果を示す結晶の＋ｃ方向に配置された一方の電極の電位が、−ｃ方向に配置されたもう一方の電極の電位よりも常に高くなるように電圧を印加する。
【００１５】
前記ポッケルス効果を示す結晶は、ｃ軸の向きが一様に前記導波路の長手方向に揃っており、ｃ軸方向の自発分極の極性も一様に揃っているものを用いる。前記一対の電極は前記導波路の長手方向の両端にそれぞれ配置する。前記一対の電極の内、前記ポッケルス効果を示す結晶の＋ｃ方向に配置された一方の電極の電位が、−ｃ方向に配置されたもう一方の電極の電位よりも常に高くなるように電圧を印加する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ポッケルス効果を示す結晶４およびカー効果を示す材料５からなる導波路１に、電界を印加するための一対の電極３ａ，３ｂを配置する。この際、前記ポッケルス効果を示す結晶４は、ｃ軸の向きが一様に揃っていて、ｃ軸方向の自発分極の極性も一様に揃っているものを用いる。前記ポッケルス効果を示す結晶４の−ｃ方向に配置された前記電極３ａおよび前記ポッケルス効果を示す結晶４の＋ｃ方向に配置された前記電極３ｂに電圧を印加する。この際、電極３ｂの電位は常に電極３ａよりも高くなるようにする。
【００１７】
これにより、電界は前記ポッケルス効果を示す結晶４の−ｃ方向に印加される。この時、前記ポッケルス効果を示す結晶４および前記カー効果を示す材料５の屈折率は互いに逆に変化する。そのため、従来のように一方の部材の屈折率のみを変化させる方法に比べて、両部材の屈折率が互いに逆に変化する分だけ効率的に両部材間の屈折率差を変化させることができる。
【００１８】
透過帯域のシフト量は両部材間の屈折率差の変化に依存するため、従来の方法と同等のシフト量をより小さい電界で得ることができる。これにより低電力で動作可能な波長可変光フィルタ素子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（第１の実施形態）
本発明に係る波長可変光フィルタ素子の第１の実施形態による構成を図１に示す。
【００２０】
ポッケルス効果を示す結晶４およびカー効果を示す材料５からなる導波路１の側壁に電界を印加する一対の電極３ａ、３ｂが配置されている。一対の電極３ａ、３ｂは導波路１を間に挟んでいる。本明細書では、一対の電極３ａ、３ｂを厳密に区別する際、第１電極３ａ、第２電極３ｂ、ということがある。
【００２１】
この際、電極３ａ、３ｂと導波路１の間にバッファ層８を介することで導波路１を伝搬する光のロスを低減できる。バッファ層８の材料としては、ＳｉＯ2などの導波路１のコア部より十分屈折率の小さい材料を用いる。
【００２２】
導波路１は、図２に示されるように、複数のポッケルス効果を示す結晶４および複数のカー効果を示す材料５が長手方向に交互に繰り返し並べられた周期構造からなる。また、導波路１は光を伝搬させるために深さＤの拡散層と幅Ｌのリッジ構造を形成し深さ方向及び横方向に光の閉じ込めを得ている。導波路１の拡散層の深さＤ、及び幅Ｌは導波路１を伝搬する光がシングルモードとなるように定めるのが好ましい。
【００２３】
以下、導波路１の作製方法について説明する。
【００２４】
まず、ポッケルス効果を示す結晶４に深さＤの拡散層を形成し、深さ方向に光の閉じ込め構造を形成する。拡散層はポッケルス効果を示す結晶４にプロトン交換や金属拡散等を施すことで得られる。なお、ポッケルス効果を示す結晶４としてニオブ酸リチウムを用い温度２３０℃の溶融した安息香酸を用いてプロトン交換を行う場合には、プロトン交換された部分の屈折率は異常屈折率ｎｅだけが０．１２４上昇する。この時、交換深さＤを０．６〜１．５μｍとすれば深さ方向にシングルモードが得られる。また、チタン拡散を用いて拡散層を形成する場合では、７０ｎｍのチタンを拡散した時、拡散深さＤは３μｍとなる。拡散層での屈折率変化はそれぞれ異常屈折率ｎｅが０．０３６、常屈折率ｎｏが０．０１８上昇し、この時深さ方向ではシングルモードが得られる。
【００２５】
次に、ポッケルス効果を示す結晶４およびカー効果を示す材料５からなる周期構造を作製する。
【００２６】
図５に示すように、まずポッケルス効果を示す結晶４に周期的に溝を掘り凹凸構造１０を作製し、凹凸構造１０の凹部１２にカー効果を示す材料５を充填し平坦化する。これにより、ポッケルス効果を示す結晶４およびカー効果を示す材料５からなる周期構造を形成する。これについて後述する実施例で詳しく説明する。
【００２７】
なお、周期構造を形成するポッケルス効果を示す結晶４およびカー効果を示す材料５のそれぞれの幅Ｌ１,Ｌ２は、光学長が設計波長の１／４となるように設計すると設計波長に対してフォトニックバンドギャップが形成される。フォトニックバンドギャップが形成された波長域の光は、導波路１を透過することができない。
【００２８】
次に、横方向に光の閉じ込め構造を形成する。図２に示すように、横方向の閉じ込め構造はエッチングやダイシング等の方法により導波路１をリッジ構造にする。なお、リッジの幅Ｌは２．０〜４．０μｍとした時に横方向でシングルモードの導波路が得られる。また、リッジの深さＨは拡散深さＤよりも深い方が好ましい。
【００２９】
なお、ポッケルス効果を示す結晶４に深さ方向の光の閉じ込め構造を形成する工程、ポッケルス効果を示す結晶４およびカー効果を示す材料５からなる周期構造を作製する工程、横方向の光の閉じ込め構造を形成する工程は、必ずしも上記の順番で行う必要はない。
【００３０】
導波路１に周期構造を形成する方法としては、上記のようにポッケルス効果を示す材料４に周期的に溝を掘り凹凸構造１０を作製しカー効果を示す材料５を充填する方法が好ましい。他の方法としてカー効果を示す材料５に周期的に溝を掘り凹凸構造１０を作製しポッケルス効果を示す結晶４を充填する方法も考えられるが、この方法ではポッケルス効果を示す結晶４のｃ軸の向きや自発分極の極性を揃えるのが困難である。
【００３１】
ポッケルス効果を示す結晶４としては、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸リン酸カリウム、ニオブ酸カリウム、リン酸２水素アンモニウム（ＡＤＰ）、リン酸２水素カリウム（ＫＤＰ）、ＧａＡｓ、ＺｎＯなどの対称中心を持たない結晶を用いることができる。これらの結晶はｃ軸方向に大きな自発分極を持つ。
【００３２】
なお、ポッケルス効果を示す結晶４はｃ軸の方向が一様に揃っていて、かつ自発分極の極性も揃っているものを用いる必要がある。これは、ポッケルス効果においてはｃ軸の方向および自発分極の極性が屈折率変化の符号を決定するためである。ｃ軸の方向および自発分極の極性が揃っていない材料を用いると電界を印加しても屈折率変化を得ることができない。
【００３３】
本明細書では、ポッケルス効果を示す材料４のｃ軸の方向を正確に定義するため、自発分極の極性が正となる方向を＋ｃ方向、自発分極の極性が負となる方向を−ｃ方向と定める。
【００３４】
カー効果を示す材料５としては、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ＫＴａＯ3、ＫＴａ1-xＮｂxＯ3（ＫＴＮ）、ＳｒＴｉＯ3、などの対称中心を持つ結晶を用いる事ができる。
【００３５】
カー効果を示す材料５はｃ軸の向き、あるいは自発分極の極性を必ずしも一様に揃える必要はない。カー効果はｃ軸の方向や自発分極の向きとは関係なく電界印加時に屈折率変化が得られるためである。そのため、カー効果を示す材料５は必ずしも単結晶である必要はない。
【００３６】
本実施形態では、基板２として図１のようにｃ軸が導波路１を横切る方向に揃ったポッケルス効果を示す結晶４を用いる。一対の電極３ａ、３ｂは電界Ｅをポッケルス効果を示す結晶４のｃ軸方向に印加するために、導波路１の側壁に導波路１を間に挟むように配置している。一対の電極３ａ、３ｂはポッケルス効果を示す結晶４の＋ｃ方向に位置する方を第２電極３ｂ、−ｃ方向に位置するものを第１電極３ａとする。
【００３７】
次に、本発明で提案する波長可変光フィルタ素子の動作方法を説明する。
【００３８】
ポッケルス効果を有する結晶の多くは異方性を持つ。異方性を持つ結晶では複屈折を生じ、偏光の向きに対して異なる２つの屈折率を持つ。２つの偏光状態をそれぞれ常光および異常光と言い、常光に対する屈折率を常屈折率、異常光に対対する屈折率を異常屈折率と言う。
【００３９】
一対の電極３ａ，３ｂが印加する電界Ｅはポッケルス効果を示す結晶４のｃ軸方向に印加される。ポッケルス効果を示す結晶４のｃ軸の向きに電界を印加した場合、ポッケルス効果を示す結晶４の異常屈折率の変化Δｎｅ1はポッケルス係数γ33に比例する。ｃ軸の向きに加えた電界Ｅと異常屈折率の変化Δｎｅ1の関係は式（１）で表せる。
【００４０】
Δｎe1＝−１／２ ｎe13 γ33 Ｅ ・・・式（１）
ここで、電界Ｅは＋ｃ方向のベクトルを持つ場合を正とした。以下でも電界Ｅの定義は同様とする。
【００４１】
また、ｎe1はポッケルス効果を示す結晶４の異常屈折率である。
【００４２】
ニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウムはポッケルス係数の中でも特にγ33が最も大きい結晶である。
【００４３】
また、ポッケルス効果を示す結晶４のｃ軸の方向に電界を印加すると、常光に対してはγ13に比例した屈折率変化Δｎｏ1が得られる。ｃ軸の向きに加えた電界Ｅと常屈折率の変化Δｎｏ1の関係は式（１）’で表せる。
【００４４】
Δｎo1＝−１／２ ｎo13 γ13 Ｅ ・・・式（１）’
なお、ｎo1はポッケルス効果を示す結晶４の常屈折率である。
【００４５】
また、カー効果を示す材料５ではカー効果により印加する電界Ｅの大きさの２乗に比例して屈折率が変化する。この際、電界Ｅの向きは任意である。カー効果による屈折率変化Δｎ2は以下の式で示される。
【００４６】
Δｎ2＝−１／２ ｎ23 Ｒ Ｅ2 ・・・式（２）
ここでｎ2はカー効果を示す材料５の屈折率であり、Ｒはカー係数である。
【００４７】
なお、本素子を動作させる際には電界Ｅを印加した際の屈折率変化量が常光と異常光に対してそれぞれ異なるため、いずれか一方の偏光を導波させる方が好ましい。そのためには、入射光に常光と異常光が混在している場合には、偏光子等を用いて予め入射光の偏光をいずれか一方にした後に本素子に入射する必要がある。
【００４８】
以下では、異常光のみが導波しているものとして説明する。
【００４９】
図６に一例としてポッケルス効果を示す結晶４がニオブ酸リチウムでカー効果を示す材料５がＰＬＺＴであった場合の異常屈折率の変化の様子を示す。図６で横軸はｃ軸方向に印加する電界Ｅを、縦軸はそれぞれの屈折率の変化量Δｎを示している。なお、図６はニオブ酸リチウムの異常光に対する屈折率を２．２、ポッケルス係数γ33を３０．８×１０-12ｍ／Ｖ、またＰＬＺＴの屈折率を２．４、カー係数Ｒを５．０×１０-18（ｍ／Ｖ）2として、式（１）および式（２）から計算した。
【００５０】
図６のＡの範囲では電界Ｅは負の値を持っている。電界Ｅが負の値を持つということは、電界Ｅがポッケルス効果を示す結晶４の−ｃ方向に印加されていることを意味する。このような電界Ｅを印加するためには、一対の電極３ａおよび３ｂに電圧を加える際に、ポッケルス効果を示す結晶４の＋ｃ方向に位置する電極３ｂが常にポッケルス効果を示す結晶４の−ｃ方向に位置する電極３ａよりも電位が高くなるように電圧を加えればよい。
【００５１】
電界Ｅが負の値を持つＡの範囲では、電界の変化に対してポッケルス効果を示す結晶４とカー効果を示す材料５で屈折率が互いに逆に変化する。このため、両部材間の屈折率差の変化を大きくとることが可能となる。
【００５２】
透過帯域のシフト量は両部材間の屈折率差の変化に大きく依存するため、本発明の波長可変光フィルタでは透過帯域を高効率にシフトさせることができる。そのため、同じ電力で動作させても従来のように一方の屈折率しか変化しない場合と比較して大きいシフト量を得られるため、低電力での動作が可能となる。
【００５３】
また、常光のみを導波させた場合でも異常光の場合と同様の効果が得られ、効率的に波長帯域をシフトさせることができ、低電力での動作が可能となる。
【００５４】
本発明による波長可変光フィルタの代替技術として、分極反転による周期構造で光フィルタを構成する方法が考えられる。しかし、光フィルタとして動作するためには、フォトニックバンドギャップを形成するように屈折率差をもった２つの部材で周期構造を形成する必要がある。そのため、サブミクロンサイズである分極反転部１５および分極非反転部１６のどちらか一方のみに不純物を拡散する等の工程が必要となり、精度良く作製することは困難である。本発明による方法では、このような工程は必要としない。
【００５５】
（第２の実施形態）
本発明で提案する波長可変光フィルタ素子の第２の実施形態による構成を図３に示す。
【００５６】
本実施形態では、第１の実施形態と同様の作製方法により導波路１を形成した後、図３のように一対の電極３ａ、３ｂを配置する。
【００５７】
この際、基板２として図３のようにｃ軸が基板２の底面に垂直な方向に一様に揃ったポッケルス効果を示す結晶４を用いる。この際、自発分極の極性は導波路１の上面が正であっても、基板２の底面が正であってもいずれでも良い。
【００５８】
一対の電極３ａ、３ｂは電界Ｅをポッケルス効果を示す結晶４のｃ軸方向に印加するために、基板２の底面および導波路１の上面にそれぞれ配置している。
ポッケルス効果を示す結晶４の＋ｃ方向に位置する方を電極３ｂ、−ｃ方向に位置する方を電極３ａとする。
【００５９】
ポッケルス効果を示す結晶４の＋ｃ方向に位置する方を電極３ｂ、−ｃ方向に位置する方を電極３ａとする限り、図１１に示すように、第１電極３ａを導波路１の上面に、第２電極３ｂを基板２の底面に配置しても良い。この場合、一対の電極３ａ、３ｂには、図３とは逆の方向に電圧を印加することになる。
【００６０】
一対の電極３ａ、３ｂの内、導波路１の上面に形成するものはバッファ層８を介して作製すれば、導波路１での光の散乱を妨げることができる。
【００６１】
本実施形態による電極構成では、電極間距離は基板２の厚みに依存するが電極の形成は容易である。また、本実施形態による波長可変光フィルタも第１の実施形態によるものと同様に、電極３ｂの電位が電極３ａよりも常に高くなるように電圧を印加することで効率的に透過帯域をシフトさせることができる。
【００６２】
（第３の実施形態）
本発明で提案する波長可変光フィルタ素子の第３の実施形態による構成を図４に示す。
【００６３】
本実施形態では、第１の実施形態と同様の作製方法により導波路１を形成した後、図４のように一対の電極３ａ、３ｂを配置する。
【００６４】
この際、基板２として図４のようにｃ軸を導波路１の長手方向に揃えたポッケルス効果を示す結晶４を用いる。
【００６５】
一対の電極３ａ、３ｂは電界Ｅをポッケルス効果を示す結晶４のｃ軸方向に印加するために、導波路１の長手方向の両端にそれぞれ配置している。一対の電極３ａ，３ｂは、ポッケルス効果を示す結晶４の＋ｃ方向に位置する方を３ｂ、−ｃ方向に位置する方を３ａと定義する。一対の電極３ａ、３ｂはバッファ層８を介して作製すれば、導波路での光の散乱を妨げることができる。
【００６６】
本実施形態による電極構造では導波路１の側面や基板２の裏面への電極形成が不要であるため、電極形成がより容易になる。また、本実施形態による波長可変光フィルタも第１の実施形態によるものと同様に、電極３ｂの電位が電極３ａよりも常に高くなるように電圧を印加することで効率的に透過帯域をシフトさせることができる。
【実施例１】
【００６７】
本発明による波長可変光フィルタ素子の動作検討を行った。
【００６８】
ポッケルス効果を示す結晶４はニオブ酸リチウム、カー効果を示す材料５はＰＬＺＴとし、ニオブ酸リチウムの幅Ｌ１を１７０ｎｍ、ＰＬＺＴの幅Ｌ２を１５６ｎｍとした。一対の電極３ａ、３ｂの間隔は４μｍとして考えた。また、導波路１を導波する光は異常光のみとした。
【００６９】
電極３ａを接地した後にＤＣ電源７を用いて電極３ｂに＋１０Ｖの電位を与え、更に信号源６から振幅１０Ｖの信号電界を印加する場合を考えた。この時、電極３ｂの電位は電極３ａの電位よりも常に高くなる。電極３ａ、３ｂの間隔は４μｍであるので１０Ｖの電圧を印加すると２．５×１０6Ｖ／ｍの電界が得られる。
【００７０】
この場合には、電界Ｅは図６の点(a)から点(b)の範囲で変化する。図６中で電界Ｅが点(a)から点(b)まで変化するとニオブ酸リチウムの屈折率は８．６×１０-4だけ減少し、ＰＬＺＴの屈折率は８．２×１０-4増加する。ニオブ酸リチウムとＰＬＺＴの間の屈折率差の変化量は両部材の屈折率変化量の合計となるため、電界Ｅが点(a)から点(b)まで変化するときに１６．８×１０-4だけ変化することがわかった。
【００７１】
続いて、この素子の点(a)、点(b)での光の透過帯域を計算した。結果を図７に示す。図７で横軸は入力光の波長、縦軸は出力光の入力光に対する強度とした。電界無印加時である点(a)と比べて、電界印加時の点(b)では透過帯域が＋３４０ｐｍ変化することがわかった。
【００７２】
比較のため、従来のように一方の屈折率しか変化しない場合の計算も行った。図７と同様の電界Ｅを印加した際に、ニオブ酸リチウムの屈折率しか変化しない場合では光フィルタの透過帯域は図８のようになった。この場合では透過帯域は＋１９０ｐｍしか変化しないことがわかった。
【００７３】
以上の計算結果から、同じ電圧を印加させた場合に本発明による波長可変光フィルタ素子の方が従来のものより効率的に波長帯域をシフトできることが確認できた。
【００７４】
以下のような工程で、本発明による波長可変光フィルタを実際に作製した。
【００７５】
基板２としては、ニオブ酸リチウム結晶のＸ-ｃｕｔ基板を用いた。Ｘ-ｃｕｔ基板ではｃ軸は基板の底面に対して平行な方向を向いている。導波路１は長手方向がｃ軸に対して垂直となるようにした。
【００７６】
まず、ニオブ酸リチウム基板にＴｉ拡散により拡散層を形成した。基板上にＴｉを７０ｎｍ蒸着した後、酸素雰囲気下において１０３０℃で１０時間拡散を行い、深さ３．０μｍの拡散層を得た。
【００７７】
次に、図５のような工程でニオブ酸リチウムおよびＰＬＺＴからなる周期構造を作製した。
【００７８】
まず、図５（Ｂ）のようにニオブ酸リチウム基板９上にレジストマスク１３を形成する。レジストマスク１３は電子ビーム描画により作製した。
【００７９】
次に、図５Ｃのようにエッチングで凹凸構造１０を形成した。エッチングにはＩＣＰドライエッチング装置を用い、エッチングガスとしては、ＡｒとＣ4Ｆ8エッチング後に形成された凹凸構造１０は凸部１１の幅Ｌ１が１７０ｎｍ、凹部１２の幅Ｌ２が１５６ｎｍ、凹部１２の深さｄは２５０ｎｍとした。
【００８０】
ドライエッチング後、図５（Ｄ）のようにレジストマスク１３を剥離した後に図５（Ｅ）のようにＰＬＺＴ１４を成膜した。
【００８１】
なお、ＰＬＺＴ１４はゾル−ゲル法によって作製した。
【００８２】
まず、ＰＬＺＴゾル前駆体溶液を凹凸構造１０の凹部１２に充填するように塗布する。これを乾燥させることによりＰＬＺＴ 前駆体を得て、更に焼成した。焼結温度は７２５℃として１０分間焼成を行った。これにより、２５０ｎｍのＰＬＺＴ１４の単結晶を得た。
【００８３】
その後、図５（Ｆ）のように平坦化を行い余分なＰＬＺＴを除去した。
【００８４】
以上の工程により、１．５μｍ光に対してフォトニックバンドギャップを持つ周期構造を形成した。
【００８５】
次に、リッジを形成し導波路１の横方向での光の閉じ込め構造を形成した。フォトリソグラフィにより導波路１に対応するレジストマスクを形成した後、エッチングを行うことでリッジを形成した。導波路１の幅Ｌは４．０μｍ、リッジの深さＨは２．０μｍとした。
【００８６】
導波路１の側壁に、バッファ層８を形成した後に一対の電極３ａ、３ｂを形成した。バッファ層８としてはＳｉＯ2を電極材料としてはＡｌを用いた。
【００８７】
以上の工程で作製した波長可変光フィルタにおいて電圧の印加により波長帯域がシフトすることを確認した。また、ニオブ酸リチウム基板の＋ｃ方向に配置した電極３ｂの電位が−ｃ方向に配置した電極３ａの電位よりも高くなるように動作させることで従来型より大きな波長帯域のシフトが得られた。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明による素子は波長を可変することができる光フィルタ素子として用いることができ、低電力で透過帯域を可変することができる。
【００８９】
以下、本発明をまとめる。
【００９０】
１．（図１、図３、図４の包括概念）
基板（２）の上面に設けられた導波路（１）と、
前記導波路（１）に電界を印加する一対の電極（３）とを有する波長可変光フィルタ素子であって、
前記導波路（１）は、ポッケルス効果を示す結晶（４）およびカー効果を示す材料（５）からなり、
前記ポッケルス効果を示す結晶（４）およびカー効果を示す材料（５）は前記導波路（１）の長手方向に交互に配置された周期構造を形成しており、
前記一対の電極（３）は、前記導波路（１）を挟む第１電極（３ａ）および第２電極（３ｂ）とからなり、
前記第１電極（３ａ）は前記ポッケルス効果を示す結晶（４）の−ｃ方向に配置され、
前記第２電極（３ｂ）は前記ポッケルス効果を示す結晶（４）の＋ｃ方向に配置され、
前記第２電極（３ｂ）に印加される電圧は、前記第１電極（３ａ）に印加される電圧よりも常に大きい
（ことを特徴とする）波長可変光フィルタ素子。
【００９１】
２．（図１）
前記一対の電極（３）は、前記導波路（１）の側壁に設けられており、
前記ポッケルス効果を示す結晶（４）のｃ軸が、前記導波路（１）の短手方向に平行である、前記項１に記載の波長可変光フィルタ素子。
【００９２】
３．（図３）
前記第１電極（３ａ）は基板（２）の下面に設けられており、
前記第２電極（３ｂ）は導波路（１）の上面に設けられており、
前記ポッケルス効果を示す結晶（４）のｃ軸が前記基板（２）の法線方向に平行である、前記項１に記載の波長可変光フィルタ素子。
【００９３】
４．（図１１）
前記第２電極（３ｂ）は基板（２）の下面に設けられており、
前記第１電極（３ａ）は導波路（１）の上面に設けられており、
前記ポッケルス効果を示す結晶（４）のｃ軸が前記基板（２）の法線方向に平行である、前記項１に記載の波長可変光フィルタ素子。
【００９４】
５．（図４）
前記一対の電極（３）は導波路（１）の上面に設けられており、
前記ポッケルス効果を示す結晶（４）のｃ軸が前記導波路（１）の長手方向に平行である、前記項１に記載の波長可変光フィルタ素子。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】第１の実施形態による波長可変光フィルタの構成図
【図２】導波路の構造を示す図
【図３】第２の実施形態による波長可変光フィルタの構成図
【図４】第３の実施形態による波長可変光フィルタの構成図
【図５】周期構造の作製工程を示す図
【図６】ニオブ酸リチウムとＰＬＺＴの電界印加時の屈折率変化を示すグラフ
【図７】本発明による波長可変光フィルタの透過帯域シフトの一例を示すグラフ
【図８】従来技術による波長可変光フィルタの透過帯域シフトの一例を示すグラフ
【図９】特許文献１による波長可変光フィルタを示す図
【図１０】特許文献２による周期構造を示す図
【図１１】第２の実施形態の変形例による波長可変光フィルタの構成図
【符号の説明】
【００９６】
１ 導波路
２ 基板
３ａ、３ｂ、１９ 電極
４ ポッケルス効果を示す結晶
５ カー効果を示す材料
６ 信号源
７ ＤＣ電源
８ バッファ層
９、２０ ニオブ酸リチウム基板
１０ 凹凸構造
１１ 凸部
１２ 凹部
１３ レジストマスク
１４、１７ ＰＬＺＴ
１５ 分極反転部
１６ 非反転部
１８ 充填材
２１ 周期構造
２２ クラッド層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポッケルス効果を示す結晶およびカー効果を示す材料からなる導波路と、
前記導波路に電界を印加する一対の電極を有し、
前記導波路には前記ポッケルス効果を示す結晶および前記カー効果を示す材料が導波路の長手方向に交互に配置された周期構造が形成されており、
前記周期構造がポッケルス効果を示す結晶に周期的に溝を形成した凹凸構造と、
前記凹凸構造の凹部に充填されたカー効果を示す材料からなり、
前記ポッケルス効果を示す結晶のｃ軸の向きが一様に前記導波路を横切る方向に揃っており、
前記ポッケルス効果を示す結晶の持つｃ軸方向の自発分極の極性が一様に揃っており、
前記一対の電極は前記導波路の側壁に前記導波路を間に挟むようにそれぞれ配置され、
前記一対の電極の内、前記ポッケルス効果を示す結晶の＋ｃ方向に配置された一方の電極の電位が、
前記ポッケルス効果を示す結晶の−ｃ方向に配置されたもう一方の電極の電位よりも常に高くなるように電圧を印加する波長可変光フィルタ素子。
【請求項２】
前記ポッケルス効果を示す結晶のｃ軸の向きが一様に基板の底面に対して垂直な方向に揃っており、
前記ポッケルス効果を示す結晶の持つｃ軸方向の自発分極の極性が一様に揃っており、
前記一対の電極は前記導波路の上面および前記基板の底面にそれぞれ配置され、
前記一対の電極の内、前記ポッケルス効果を示す結晶の＋ｃ方向に配置された前記一方の電極の電位が、
前記ポッケルス効果を示す結晶の−ｃ方向に配置された前記もう一方の電極の電位よりも常に高くなるように電圧を印加する請求項１記載の波長可変光フィルタ素子。
【請求項３】
前記ポッケルス効果を示す結晶のｃ軸の向きが一様に導波路の長手方向に揃っており、
前記ポッケルス効果を示す結晶の持つｃ軸方向の自発分極の極性が一様に揃っており、
前記一対の電極は前記導波路の長手方向の両端にそれぞれ配置され、
前記一対の電極の内、前記ポッケルス効果を示す結晶の＋ｃ方向に配置された前記一方の電極の電位が、
前記ポッケルス効果を示す結晶の−ｃ方向に配置された前記もう一方の電極の電位よりも常に高くなるように電圧を印加する請求項１記載の波長可変光フィルタ素子。
【請求項４】
前記導波路に形成される周期構造が、
前記ポッケルス効果を示す結晶に周期的に溝を掘り凹凸構造を形成する工程と、
前記凹凸構造の凹部にカー効果を示す材料を充填する工程からなる事を特徴とする請求項１〜３記載の波長可変光フィルタの製造方法。
【請求項１】
ポッケルス効果を示す結晶およびカー効果を示す材料からなる導波路と、
前記導波路に電界を印加する一対の電極を有し、
前記導波路には前記ポッケルス効果を示す結晶および前記カー効果を示す材料が導波路の長手方向に交互に配置された周期構造が形成されており、
前記周期構造がポッケルス効果を示す結晶に周期的に溝を形成した凹凸構造と、
前記凹凸構造の凹部に充填されたカー効果を示す材料からなり、
前記ポッケルス効果を示す結晶のｃ軸の向きが一様に前記導波路を横切る方向に揃っており、
前記ポッケルス効果を示す結晶の持つｃ軸方向の自発分極の極性が一様に揃っており、
前記一対の電極は前記導波路の側壁に前記導波路を間に挟むようにそれぞれ配置され、
前記一対の電極の内、前記ポッケルス効果を示す結晶の＋ｃ方向に配置された一方の電極の電位が、
前記ポッケルス効果を示す結晶の−ｃ方向に配置されたもう一方の電極の電位よりも常に高くなるように電圧を印加する波長可変光フィルタ素子。
【請求項２】
前記ポッケルス効果を示す結晶のｃ軸の向きが一様に基板の底面に対して垂直な方向に揃っており、
前記ポッケルス効果を示す結晶の持つｃ軸方向の自発分極の極性が一様に揃っており、
前記一対の電極は前記導波路の上面および前記基板の底面にそれぞれ配置され、
前記一対の電極の内、前記ポッケルス効果を示す結晶の＋ｃ方向に配置された前記一方の電極の電位が、
前記ポッケルス効果を示す結晶の−ｃ方向に配置された前記もう一方の電極の電位よりも常に高くなるように電圧を印加する請求項１記載の波長可変光フィルタ素子。
【請求項３】
前記ポッケルス効果を示す結晶のｃ軸の向きが一様に導波路の長手方向に揃っており、
前記ポッケルス効果を示す結晶の持つｃ軸方向の自発分極の極性が一様に揃っており、
前記一対の電極は前記導波路の長手方向の両端にそれぞれ配置され、
前記一対の電極の内、前記ポッケルス効果を示す結晶の＋ｃ方向に配置された前記一方の電極の電位が、
前記ポッケルス効果を示す結晶の−ｃ方向に配置された前記もう一方の電極の電位よりも常に高くなるように電圧を印加する請求項１記載の波長可変光フィルタ素子。
【請求項４】
前記導波路に形成される周期構造が、
前記ポッケルス効果を示す結晶に周期的に溝を掘り凹凸構造を形成する工程と、
前記凹凸構造の凹部にカー効果を示す材料を充填する工程からなる事を特徴とする請求項１〜３記載の波長可変光フィルタの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００７−２１９２３３（Ｐ２００７−２１９２３３Ａ）
【公開日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−４０５５２（Ｐ２００６−４０５５２）
【出願日】平成１８年２月１７日（２００６．２．１７）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月１７日（２００６．２．１７）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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