電気光学素子
【課題】光導波路型の電気光学素子において、コア層となる電気光学材料に電荷が注入されるのを抑制し、電気光学素子の内部を伝搬する光ビームのビーム形状の歪みを防止することを目的とする。
【解決手段】本発明の電気光学素子１は、電気光学材料の薄膜をコア層４とし、コア層４から順に誘電体クラッド層と電極層７ａ，７ｂとを積層して構成される光導波路２からなる。誘電体クラッド層は、第一のクラッド層５ａ，５ｂと第二のクラッド層６ａ，６ｂからなる。第二のクラッド層６ａ，６ｂの誘電率は、第一のクラッド層５ａ，５ｂの誘電率より大きく、第二のクラッド層６ａ，６ｂの膜厚６ｄｃｌは、第一のクラッド層５ａ，５ｂの膜厚５ｄｃｌより厚く設定されている。
【解決手段】本発明の電気光学素子１は、電気光学材料の薄膜をコア層４とし、コア層４から順に誘電体クラッド層と電極層７ａ，７ｂとを積層して構成される光導波路２からなる。誘電体クラッド層は、第一のクラッド層５ａ，５ｂと第二のクラッド層６ａ，６ｂからなる。第二のクラッド層６ａ，６ｂの誘電率は、第一のクラッド層５ａ，５ｂの誘電率より大きく、第二のクラッド層６ａ，６ｂの膜厚６ｄｃｌは、第一のクラッド層５ａ，５ｂの膜厚５ｄｃｌより厚く設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気光学素子の改良に関し、とりわけ、導波路型の電気光学素子の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電気光学効果を利用した光学素子として電気光学素子が知られている。この電気光学素子は、電界の変化に対する応答速度が極めて速いという性質があるので、光強度変調器、Ｑスイッチ素子、光ビームスキャナ等に用いられている。
【０００３】
電気光学効果とは、一般に、光が透過する物質に電場をかけると屈折率が変化する物理現象をいい、また、電場の強さに比例して屈折率が変化する効果をポッケルス効果といい、その屈折率変化量は以下の式（１）で与えられる。
【数１】
この式（１）において、ｒｉｊは電気光学定数（ポッケルス定数）、Ｖは印加電圧、ｄは電圧を印加する電極の間隔である。
【０００４】
電気光学効果による屈折率変化量は比較的小さく、例えば、典型的な電気光学材料であるニオブ酸リチウムを用いた場合、Δｎ＝０．００１程度の屈折率変化を与えるためには、６ｋＶ／ｍｍ程度の大きな電界を電気光学結晶（ＥＯ結晶）に印加する必要がある。実用的には、電気光学素子には、低電圧で動作可能でかつ幅広い周波数帯域で応答特性が良好であることが求められる。低電圧で大きな屈折率変化を得るためには、式（１）から明らかなように、電極の間隔ｄを小さくすることが有効である。
【０００５】
一方、電気光学材料に導波路を形成する代表例として、ニオブ酸リチウム等の電気光学結晶にチタンを局所的に拡散して、その拡散領域のみの屈折率を上昇させて光導波路構造を形成するという不純物拡散による光導波路形成技術が知られている。この光導波路構造では、電極は電気光学結晶の表面の不純物拡散により形成された光導波領域の近傍に設けられる。
【０００６】
また、電気光学材料に光導波路を形成する他の例として、研磨等によって電気光学結晶を薄膜化し、薄膜化された電気光学結晶基板の上面と下面とに電極層を設けて光導波路を形成する光導波路形成技術も知られている。この場合、電界の印加方向は電気光学結晶基板の上面と下面とに対して垂直である。この電気光学素子に光導波路を形成する技術によれば、電気光学結晶が有する本来の電気光学効果の特性を保ったまま光導波路構造を実現できるので、低電圧動作に対して有効な電気光学素子を提供できる。
【０００７】
このような薄膜型の電気光学素子では、導波光を光導波路のコア層としての電気光学結晶基板からなる薄膜の内部に閉じ込めて伝搬させるために、薄膜と電極層との間にコア層である薄膜の屈折率よりも屈折率の低い透明材料をクラッド層として介在させる必要がある。クラッド層を形成するための典型的なクラッド材料として、ＳｉＯ２のような誘電体材料がある。
【０００８】
このクラッド層とコア層とによって形成された光導波路に電圧を印加した場合、コア層に印加される電圧は、以下の式（２）により与えられる。
【数２】
この式（２）において、Ｖは光導波路への印加電圧、Ｖｃｏはコア層に印加される電圧、ｄｃｏはコア層の膜厚、ｄｃｌはクラッド層の膜厚、εｃｏはコア層の誘電率、εｃｌはクラッド層の誘電率である。
【０００９】
式（２）から分かるように、クラッド層を設けると、式（２）の右辺の分母は「１」よりも大きくなるので、電気光学結晶基板そのものに印加される電圧、すなわち、コア層に印加される電圧Ｖｃｏは低くなる。
【００１０】
例えば、ニオブ酸リチウム薄膜をコア層、ＳｉＯ２をクラッド層とする導波路型の電気光学素子では、コア層の膜厚を１０μｍ、クラッド層の膜厚を１μｍと仮定すると、電気光学結晶自体（電気光学材料であるニオブ酸リチウム）に印加される電圧は、電気光学素子全体に印加した電圧の０．４倍程度にしかならならず、このため、電気光学素子それ自体の動作電圧が高くなる。
【００１１】
従って、電気光学材料に印加される電圧を高くするためには、クラッド層の膜厚を薄くすることが必要となる。例えば、クラッド層の膜厚を０．２μｍ程度に薄くした場合、電気光学材料に印加される電圧は電気光学素子に印加した電圧の０．８倍程度となり、動作電圧の低減を考えた場合には実用的である。このように、従来の導波路型の電気光学素子ではクラッド層の膜厚をできる限り薄くすることが低電圧駆動には有効である（例えば、特許文献１参照）。
【００１２】
この特許文献１には、シリコンを基板として強誘電体材料をコア層とする電気光学素子において、クラッド層における電圧降下を抑制するために、高誘電率を有する薄膜をクラッド層として用いる構成及びそのクラッド層の形成に有効な製造方法が開示されている。この特許文献１に開示の技術と本発明とは、薄膜化されたクラッド層が多層構造を有する点で類似している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、特許文献１に開示の技術では、クラッド層の膜厚が薄いために電気光学素子に高電界を印加した際に絶縁破壊が発生するおそれがある。すなわち、電界強度が大きい電圧で電気光学素子を動作させると、クラッド層に絶縁破壊が生じるおそれがある。電気光学素子に電圧を印加した場合に、クラッド層に印加される電界強度は以下の式（３）で与えられる。
【数３】
この式（３）において、Ｅｃｌ及びＥｃｏはそれぞれクラッド層及びコア層に印加される電界強度である。
【００１４】
例えば、ニオブ酸リチウム薄膜をコア層、ＳｉＯ２をクラッド層とする光導波路型の電気光学素子では、εｃｏ／εｃｌは７程度であり、コア層（電気光学材料）の７倍もの高電界がクラッド層に印加されることになる。一例として、厚さ１０μｍのニオブ酸リチウム薄膜に１００Ｖの電圧を印加して動作させるような電気光学素子では、ニオブ酸リチウムに印加される電界強度は１０ｋＶ／ｍｍとなり、ＳｉＯ２クラッド層には７０ｋＶ／ｍｍもの高電界が印加される。
【００１５】
一般的な石英ガラスの絶縁破壊電圧は４０ｋＶ／ｍｍ程度であり、クラッド層において絶縁破壊が発生する可能性が非常に高い。クラッド層において絶縁破壊が発生した場合、電気光学素子には以下に説明する悪影響が発生する。まず、クラッド層の成膜時の膜厚分布や、膜の表面粗さ、或いはコア層との密着性の領域依存性等の理由により、絶縁破壊はクラッド層全領域で同時に発生するわけではなく、クラッド層の一部の領域に局所的に発生すると考えられる。
【００１６】
絶縁破壊が発生した箇所では、本来絶縁体であるクラッド層はほぼ導電体として振舞うから、絶縁破壊領域が微小である場合、その絶縁破壊箇所では電極に微小な突起を設けた場合と同様の作用をもつと考えられる。このような微小突起には電界が集中することが知られており、コア層である電気光学材料も絶縁破壊を生じる可能性がある。また、電気光学材料の絶縁破壊までには至らなくとも、クラッド層に導電領域が形成されることにより、その導電領域を介して電気光学材料の内部に電荷が注入される可能性がある。
【００１７】
電気光学材料に局所的に絶縁破壊が発生した場合でも、クラッド層を介して電気光学材料の内部に電荷が注入された場合であっても、いずれも電気光学材料内部に不均一に電荷が注入される。この注入電荷が存在すると、この注入電荷によって電気光学材料の内部に形成される電界が終端される。従って、電気光学素子を動作させる際に、局所的な電荷注入によって電気光学材料の内部に形成される電界強度が不均一となる。
【００１８】
電気光学素子を動作させる際には、電気光学材料の内部に均一に電界が印加されていることが重要である。特に、光導波路の内部の電界が不均一となる場合、電界によって誘起される屈折率変化量も領域毎に異なることになり、その結果、光導波路を伝搬した光ビームの形状に大きな歪みが生じる。
【００１９】
特に、光導波路が横方向に閉じ込める構造を持たないスラブ導波路の場合、この電界不均一によるビーム形状の歪みが顕著に現れる。ビーム形状の歪みは電気光学素子を変調器として用いた場合には消光比の低下につながり、また、光ビームスキャナとして用いた場合には、出射ビームそのものの光ビームの形状の劣化や、スキャナによって分解できる解像点数の低減を引き起こす。
【００２０】
このように、従来のクラッド層では、光導波路を通過する光ビームのビーム形が歪み、その結果電気光学素子の性能を悪化させるという問題があった。本発明は、光導波路型の電気光学素子において、コア層となる電気光学材料に電荷が注入されるのを抑制し、電気光学素子の内部を伝搬する光ビームのビーム形状の歪みを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明者等は、鋭意研究の結果、前記課題を解決するために以下のような電気光学素子を採用した。
【００２２】
本発明の電気光学素子は、電気光学材料薄膜をコア層とし、前記コア層から順に誘電体クラッド層と電極層とを積層して構成される光導波路からなる電気光学素子であって、前記誘電体クラッド層が第一のクラッド層と第二のクラッド層からなり、前記第二のクラッド層の誘電率が前記第一のクラッド層の誘電率より大きく、かつ前記第二のクラッド層の膜厚が前記第一のクラッド層の膜厚より厚いことを特徴とする。
【００２３】
ここで、第一のクラッド層の膜厚は、電気光学素子を伝搬する光の波長より小さいことが好ましく、第二のクラッド層の屈折率は、コア層の屈折率より大きいことが好ましい。さらに、第二のクラッド層の光透過率は、第一のクラッド層の光透過率より低くすることが好ましい。
【００２４】
電極層は少なくとも２種類以上の金属薄膜から構成することが好ましい。第一のクラッド層または第二のクラッド層の少なくとも一方が、微細構造を有するようにしても良い。コア層は分極反転領域を有するようにしても良い。
【００２５】
コア層の材料は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸バリウム、ＫＴＮ、ＳＴＯ、ＢＴＯ、ＳＢＮ、ＫＴＮ、ＰＬＺＴ、ＰＺＴ、ＤＡＳＴのいずれかを含むことが好ましい。
【００２６】
第二のクラッド層の材料は、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸バリウム、ＫＴＮ、ＳＴＯ、ＢＴＯ、ＳＢＮ、ＫＴＮ、ＰＬＺＴ、ＰＺＴ、ＤＡＳＴのいずれかを含むことが好ましい。
【００２７】
また、コア層が分極反転領域を有する場合には、その分極反転領域の形状が少なくとも一つ以上のプリズム形状を順次並べた構造を有することが好ましい。さらに、電極層をコア層と誘電体クラッド層の外側に互いに対面して配置し、電極層に電圧を印加することによって、分極反転領域を伝搬した光ビームが電気光学素子出射端において偏向して出射されるようにすることが好ましい。
【００２８】
ここで、コア層をニオブ酸リチウム結晶あるいはマグネシウムをドープしたニオブ酸リチウム結晶から構成し、コア層の膜厚を５μｍ〜１００μｍの範囲に設定し、プリズム形状の分極反転領域の幅を０．５ｍｍ〜３ｍｍの範囲に設定することが好ましい。
【００２９】
また、第一のクラッド層の材料をＳｉＯ２から構成して第一のクラッド層の厚さを０．２μｍ〜０．４μｍの範囲に設定しても良く、第二のクラッド層の材料をＴａ２Ｏ５から構成して第二のクラッド層の厚さを１μｍ以上に設定しても良い。
【００３０】
また、電極層をＴｉ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ａｕのいずれかの材料から構成し、電極層の厚さを０．０５μｍ〜１μｍの範囲に設定しても良い。また、第二のクラッド層をポリマー材料薄膜から構成しても良い。
【００３１】
また、本発明の電気光学素子は、コア層に１０ｋＶ／ｍｍの電界が印加されたときに電気光学素子に流れる電流密度を１０ｐＡ／ｍｍ２以下であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、電気光学素子を構成する光導波路において、クラッド層を低誘電率を有する薄膜と、高誘電率を有する厚膜とが順に形成された多層構造とすることにより、高誘電率を有するクラッド層が電気光学素子の動作時の電極からの電荷注入を抑制し、かつ低誘電率を有するクラッド層がコア層への光閉じ込めを可能にする。従って、光導波路型の電気光学素子において、コア層となる電気光学材料への電荷の注入を抑制することができ、その結果、電気光学素子を駆動したときの光ビームの形状歪みを防止することができる。また、電気光学素子を伝搬する導波光において、高次モードの導波光が伝搬することを抑制する効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施例１の電気光学素子の光導波路の断面構造の説明図である。
【図２】本発明の実施例２の電気光学素子の光導波路の断面構造の説明図である。
【図３】本発明の実施例３の電気光学素子の光導波路の断面構造において、（ａ）は第一のクラッド層に微細構造が形成されている説明図、（ｂ）は第二のクラッド層に微細構造が形成されている説明図である。
【図４】本発明の実施例４の電気光学素子において、コア層に分極反転領域が形成されている状態を示す説明図である。
【図５】本発明の実施例５の電気光学素子において、（ａ）は電気光学素子を利用した光ビーム偏向素子の構造の説明図、（ｂ）は光ビーム偏向素子のコア層の構造の説明図である。
【図６】実施例５の電気光学素子において、第一のクラッド層の膜厚をパラメータとした場合のコア厚と、コアに印加される電圧量の関係とを示すグラフである。
【図７】実施例５の電気光学素子において、第二クラッド層の膜厚をパラメータとした場合のコア厚と、コアに印加される電圧量の関係とを示すグラフである。
【図８】実施例５の電気光学素子に印加される電圧と、光ビーム偏向角の関係とを示すグラフである。
【図９】実施例５の電気光学素子と従来の電気光学素子において、電圧を印加する前後での素子出射光のビームプロファイルである。
【図１０】従来の一般的な電気光学素子の光導波路断面構造の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００３４】
（実施例１）
実施例１は、請求項１〜請求項４に係る発明に対応する。図１は本発明の電気光学素子１において、電気光学素子１を構成する光導波路２の断面構造の説明図である。この電気光学素子１は光導波路２を有している。光導波路２は、電気光学材料としての電気光学結晶からなるコア層４を有する。光導波路２は、このコア層４を核としてコア層４から順に誘電体クラッド層である第一のクラッド層５ａ，５ｂ、第二のクラッド層６ａ，６ｂ、電極層７ａ，７ｂ（第一の電極層）を積層することにより構成される。
【００３５】
具体的に説明すると、コア層４の下面４ａには第一のクラッド層５ａが形成されており、第一のクラッド層５ａの下面には第二のクラッド層６ａが形成されている。コア層４の上面４ｂには第一のクラッド層５ｂが形成されており、第一のクラッド層５ｂの上面には第二のクラッド層６ｂが形成されている。第二のクラッド層６ａの下面には電極層（下部電極層）７ａが形成されており、第二のクラッド層６ｂの上面には電極層（上部電極層）７ｂが形成されている。
【００３６】
コア層４は第一のクラッド層５ａ，５ｂ、第二のクラッド層６ａ，６ｂを介して対向する一対の電極層７ａ，７ｂ間に配置される。電極層７ａ，７ｂに電圧Ｖを印加すると、コア層４の屈折率が変化する。コア層４の厚さは、例えば数１００ｎｍ〜数１０μｍである。コア層４の表面から順に第一のクラッド層５ａ，５ｂと第二のクラッド層６ａ，６ｂを設けたのは、コア層４に効果的に導波光を閉じ込めて伝搬させるためである。
【００３７】
第一のクラッド層５ａ，５ｂと第二のクラッド層６ａ，６ｂとは互いに異なる誘電率を有する誘電体であり、第二のクラッド層６ａ，６ｂの誘電率は第一のクラッド層５ａ，５ｂの誘電率より大きい。また、少なくとも第一のクラッド層５ａ，５ｂの屈折率はコア層４の屈折率より低い。さらに、第二のクラッド層６ａ，６ｂの膜厚６ｄｃｌが、第一のクラッド層５ａ、５ｂの膜厚５ｄｃｌより厚い。
【００３８】
コア層４を形成する電気光学材料には、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）、ＳＢＮ、ＫＴＮのような非線形光学結晶を用いるのが好適である。これらの光学結晶は、支持基板（図示を略す）に接着後、これらの電気光学結晶に研磨を施すことにより、電気光学結晶の特性を保持したまま薄膜化され得る。
【００３９】
また、クラッド層５ａ，５ｂ、６ａ，６ｂを構成する材料には、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）や、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）等の誘電体及びこれらの混合ガラスを用いることができる。電極層７ａ，７ｂを構成する材料には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒのような金属材料を用いる他、ＩＴＯ等の透明電極が好適である。
【００４０】
以上のように構成されている光導波路２の効果を説明する前に、一般的な電気光学素子の光導波路構造について説明しておく。一般的な光導波路構造として、電気光学結晶からなるコア層に一層のみからなるクラッド層が設けられている光導波路に電圧を印加する場合について説明する。
【００４１】
図１０は、一般的な電気光学素子１０１の光導波路構造を示す説明図である。この電気光学素子１０１において、図１の電気光学素子１と同じ構成要素には同じ符号を付している。この電気光学素子１０１の光導波路１０２は、コア層４の下面４ａと上面４ｂにクラッド層５ａ，５ｂ（誘電体クラッド層）が形成されている。下側のクラッド層５ａの下面には電極層７ａが形成されており、上側のクラッド層５ｂの上面には電極層７ｂが形成されている。
【００４２】
光導波路１０２の内部に導波光を効果的に閉じ込めるには、クラッド層５ａ，５ｂを構成する材料として屈折率が小さいものほど好ましい。しかしながら、このようなクラッド層５ａ，５ｂを構成する材料は一般的に誘電率が小さい。電気光学結晶は一般的に誘電率が大きく、クラッド層５ａ，５ｂの誘電率εｃｌに対するコア層４の誘電率εｃｏの比εｃｏ／εｃｌが大きくなる。
【００４３】
したがって、電気光学素子１０１に電圧Ｖを印加したときにクラッド層５ａ，５ｂにおける電圧降下を抑制するためには、言い換えれば、コア層４に印加される印加電圧Ｖｃｏを光導波路２に印加する印加電圧Ｖに近づけるためには、式（２）から明らかなようにコア層４の膜厚４ｄｃｏに対するクラッド層５ａ，５ｂの膜厚５ｄｃｌの比５ｄｃｌ／４ｄｃｏを小さくすれば良い。すなわち、クラッド層５ａ，５ｂの膜厚５ｄｃｌを薄くすることが求められる。
【００４４】
例えば、ニオブ酸リチウム薄膜をコア層４、ＳｉＯ２をクラッド層５ａ，５ｂとする光導波路型の電気光学素子１０１の場合、クラッド層５ａの膜厚を０．２μｍまで薄くすると、ニオブ酸リチウムの薄膜に印加される印加電圧Ｖｃｏは、電気光学素子１０１に印加した印加電圧Ｖの０．８倍程度に抑えられる。
【００４５】
しかし、クラッド層５ａ，５ｂを極端に薄くした場合、電圧Ｖの印加によってクラッド層５ｂを貫いて電極層７ｂから電気光学結晶（コア層４）の内部に電荷が注入され得る。電気光学結晶の内部に電荷が注入されると、電気光学結晶の内部に形成された電界分布が乱れ、光導波路１０２を伝搬する光ビームの形状に歪みが生じる。従って、電気光学素子１０１に電圧を印加する際には、電気光学結晶の内部への電荷注入を抑制することが要求される。
【００４６】
この要求を満たすため、実施例１では、誘電体クラッド層を第一のクラッド層５ａ，５ｂと第二のクラッド層６ａ，６ｂとから構成し、第二のクラッド層６ａ，６ｂには高誘電率を有する材料を用い、第二のクラッド層６ａ，６ｂを低屈折率を有する第一のクラッド層５ａ、５ｂの外側に設けている。第二のクラッド層６ａ，６ｂは誘電率が高いため、その膜厚６ｄｃｌを厚くしても第二のクラッド層６ａ，６ｂにおける電圧降下が小さい。さらに、膜厚６ｄｃｌそのものが厚いために、電圧印加時に電極層７ａ，７ｂから電荷がコア層４の内部に注入することを抑制することが可能である。
【００４７】
例えば、ニオブ酸リチウム薄膜をコア層、Ｔａ２Ｏ５を第二のクラッド層６ａ，６ｂとする光導波路型の電気光学素子１では、ニオブ酸リチウムとＴａ２Ｏ５の誘電率が比較的近いことから、Ｔａ２Ｏ５の膜厚６ｄｃｌを１μｍ程度に厚くしても、ニオブ酸リチウムに印加される電圧Ｖｃｏは電気光学素子１に印加した電圧Ｖの０．８倍程度に抑えられる。
【００４８】
さらに、第二のクラッド層６ａ，６ｂは膜厚６ｄｃｌが厚いため、電極層７ａ，７ｂからの電荷注入を抑制することが可能であり、結果として電気光学素子１に高電圧を印加した際にコア層４への電荷注入を抑制することができる。
【００４９】
膜厚１０μｍのニオブ酸リチウムをコア層４、膜厚１μｍのＴａ２Ｏ５を第二のクラッド層６ａ，６ｂとした電気光学素子１において、電気光学素子１に電圧Ｖ＝１００Ｖの電圧を印加したとき、電気光学素子１に流れる電流密度は２ｎＡ／ｍｍ２以下であった。
【００５０】
膜厚０．２μｍのＳｉＯ２のみをクラッド層５ａとして用いた電気光学素子１０１と比較すると、電流密度は１／１０以下であり、本発明による電荷注入抑制の効果を確認できた。
【００５１】
この場合、低屈折率材料で構成される第一のクラッド層５ａ，５ｂはその膜厚５ｄｃｌを極めて薄くすることが可能である。第一のクラッド層５ａ，５ｂに要求される膜厚５ｄｃｌは、電気光学素子１を構成する光導波路２におけるコア層４の屈折率と厚さに依存する。
【００５２】
例えば、ニオブ酸リチウムをコア層４、ＳｉＯ２を第一のクラッド層５ａ，５ｂとして仮定し、コア層４の膜厚４ｄｃｏを１０μｍと仮定すると、光導波路２はマルチモード導波路となるが、コア層４と第一のクラッド層５ａ，５ｂとの屈折率差が０．７以上と極めて大きいため、第一のクラッド層５ａ，５ｂを０．２μｍ程度に形成すれば、ほぼ全ての光パワーを電気光学結晶の内部に閉じ込めることが可能である。
【００５３】
さらに、高次モードの伝搬を抑制するために、より一層、第一のクラッド層５ａ，５ｂの膜厚５ｄｃｌを薄くすることも有効である。光導波路２を伝搬する光は、一般に高次モードほど第一のクラッド層５ａ，５ｂに大きく染み出すが、極めて薄い第一のクラッド層５ａ，５ｂの外側にまで染み出した伝搬光は第二のクラッド層６ａ，６ｂの内部にまで達する。
【００５４】
ここでは、第一のクラッド層５ａ，５ｂの屈折率より第二のクラッド層６ａ，６ｂの屈折率の方が大きいので、第二のクラッド層６ａ，６ｂに達した光成分は第二のクラッド層６ａ，６ｂの内部に保持されたまま光導波路２の内部を伝搬する。第二のクラッド層６ａ，６ｂには直接電極層７ａ，７ｂが接しているから、そのような光成分は電極層７ａ，７ｂで吸収されるか、損失を伴う反射を繰り返して光導波路２の内部から消失する。
【００５５】
この効果を利用して、光導波路２において高次モードが伝搬することを抑制することが可能である。多くの導波路型の電気光学素子１では伝搬モードが異なると屈折率変化量が異なるため、光導波路２がマルチモード導波路である場合、高次モードの光の伝搬を抑制することが好ましい。すなわち、第一のクラッド層５ａ，５ｂの膜厚５ｄｃｌを電気光学素子１を伝搬する光の波長よりも小さくすると、高次モードの伝搬を抑制することにも効果がある。
【００５６】
また、一般的に、図１０に示すような光導波路構造では、クラッド層５ａ、５ｂの屈折率はコア層４の屈折率よりも小さい。これに対して、実施例１では、図１に示す第二のクラッド層６ａ，６ｂの材料はコア層４の材料の屈折率に依存せずに選択することが可能である。例えば、コア層４の材料としてＫＴＰを選択した場合について以下に説明する。
【００５７】
ＫＴＰの屈折率は１．８３程度であり、電気光学結晶の中では比較的に屈折率が低い。そこで、一般的には、クラッド層の材料として屈折率の低い誘電体材料を選択することになる。しかし、この実施例１では、第二のクラッド層６ａ，６ｂの材料にコア層４の屈折率よりも屈折率の大きな材料、例えば、Ｔａ２Ｏ５を選んでも良い。
【００５８】
この場合、第一のクラッド層５ａ，５ｂの材料に例えばＳｉＯ２のような低屈折率材料を用い、第一のクラッド層５ａ，５ｂとコア層４との境界において、基本モードの光閉じ込めを実現し、第二のクラッド層６ａ，６ｂがコア層４への電荷注入の抑制を担う。屈折率の大きな第二のクラッド層６ａ，６ｂは光導波路２の内部を高次モードが伝搬することを抑制することに有効となる。
【００５９】
さらに、第二のクラッド層６ａ，６ｂは透明体である必要はない。第二のクラッド層６ａ，６ｂの材料としては高い誘電率を有する材料が好適である。しかし、そのような材料の中には光を吸収あるいは散乱しやすい材料も含まれる。
【００６０】
本発明によれば、そのような高誘電体も第二のクラッド層６ａ，６ｂの材料として用いることができる。具体的には、樹脂材料にセラミック材料を分散させた混合材料を塗布することや、セラミック材料をエアロゾルデポジション等の成膜プロセスで第一のクラッド層５ａ，５ｂの外側に成膜することが有効である。
【００６１】
このような光導波路構造においても、第一のクラッド層５ａ，５ｂとコア層４との境界において基本モードの光閉じ込めを実現し、第二のクラッド層６ａ，６ｂがコア層４への電荷注入の抑制を担う。また、第二のクラッド層６ａ，６ｂでは光が吸収あるいは散乱されるため、光導波路２の内部を高次モードが伝搬することを抑制することが可能である。
【００６２】
（実施例２）
実施例２は、請求項５に係る発明に対応する。図２は、電気光学素子１１の光導波路１２の断面構造の説明図である。図２において、図１に示す電気光学素子１の構成要素と同一構成要素については、同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００６３】
実施例２では、電極層は２種類以上の金属薄膜からなる多層構造とされ、ここでは、電極層は第一の電極層７ａ，７ｂと第二の電極層８ａ，８ｂとから構成されている。
【００６４】
また、実施例２では、第一の電極層７ａ，７ｂと第二の電極層８ａ，８ｂとは、異なる材料から構成されている。電気光学素子１の最表面となる第二の電極層８ａ，８ｂには周囲環境変化に対して影響を受けにくい材料が好ましく、例えばＡｕやＰｔ等が好適である。このような材料と第二のクラッド層６ａ，６ｂとの密着性が悪い場合には、両者のいずれに対しても密着性の良好な別の電極材料を第一の電極層７ａ，７ｂとして介在させることが有効である。
【００６５】
また、電極層に用いる電極材料が異なると、その仕事関数が異なるから、電気光学素子１１への電荷注入量も異なることが知られている。したがって、第一の電極層７ａ，７ｂとして電荷注入が発生しにくい電極材料を選ぶことが好ましい。
【００６６】
具体的には、仕事関数の小さいＣｒやＴｉ、Ａｌ等が好適である。これらの金属は比較的酸化しやすいため、長時間の動作の間に電極材料の組成が変化し、電極層として有効に機能しなくなる恐れがある。このような問題を解決するためにも、第一の電極層７ａ，７ｂに続けて酸化しにくい第二の電極層８ａ，８ｂを形成することが有効である。
【００６７】
（実施例３）
実施例３は、請求項６に係る発明に対応する。図３（ａ）（ｂ）は、電気光学素子２１、３１の光導波路２２、３２の断面構造の説明図である。図３において図１の電気光学素子１の構成要素と同一構成要素については、同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００６８】
図３（ａ）では、第一のクラッド層５ａ，５ｂに微細構造５ａ”，５ｂ”が形成されている。第二のクラッド層６ａ，６ｂは、微細構造５ａ”，５ｂ”を被覆するようにして第一のクラッド層５ａ，５ｂの表面に形成されており、第二のクラッド層６ａ，６ｂの表面に第一の電極層７ａ，７ｂが形成されている。
【００６９】
微細構造５ａ”，５ｂ”は、例えば、第一のクラッド層５ａ，５ｂを成膜した後、ドライエッチング技術を用いて微細孔を形成することにより得られる。また、この微細構造５ａ”，５ｂ”は、研磨加工、ウェットエッチング等によって第一のクラッド層５ａ，５ｂの表面粗さを増加させることにより、簡便に形成できる。
【００７０】
微細構造５ａ”，５ｂ”の凹凸は、光の伝搬方向（矢印Ｘ−Ｘ方向）に等間隔又はランダムに間隔を開けて形成されている。その微細構造５ａ”，５ｂ”の間隔Ｈは、光導波路２２を伝搬する光の波長程度か又はそれ以下の大きさが好ましい。クラッド層を多層構造とすることによる電荷注入の抑制効果については、実施例１、２と同様である。
【００７１】
この実施例３では、第一のクラッド層５ａ，５ｂに微細構造５ａ”、５ｂ”を設けることによって電荷注入の抑制やコア層４への光閉じ込めがより一層効果的になる。例えば、図３（ａ）に示す光導波路２２の構造において、第一のクラッド層５ａ、５ｂの膜厚を極めて薄くすると、光導波路２２を伝搬する光が感じるクラッド層の等価的な屈折率を、第一のクラッド層５ａ，５ｂと第二のクラッド層６ａ，６ｂの中間の値に設定することができる。
【００７２】
このクラッド層の等価的な屈折率は、微細構造５ａ”，５ｂ”の単位面積当たりの凹凸の個数（密度）を変えることにより任意の値に調整可能である。これによって、第二のクラッド層６ａ，６ｂに基づくコア層４への電荷注入を抑制するとともにクラッド層の屈折率を任意に設定でき、光導波路２２の設計が容易になる。
【００７３】
図３（ｂ）では、第二のクラッド層６ａ，６ｂに微細構造６ａ”，６ｂ”が形成されている。第一の電極層７ａ，７ｂは微細構造６ａ”，６ｂ”を被覆するようにして第二のクラッド層６ａ，６ｂの表面に形成されている。微細構造６ａ”，６ｂ”の形成方法は微細構造５ａ”，５ｂ”の形成方法と同様の方法を用いることができる。
【００７４】
微細構造６ａ”，６ｂ”は、光の伝搬方向（矢印Ｘ−Ｘ方向）に等間隔又はランダムに間隔を開けて形成されている。微細構造６ａ”，６ｂ”の間隔Ｈは、光導波路３２を伝搬する光の波長程度か又はそれ以下の大きさが好ましい。
【００７５】
図３（ａ）に示す光導波路２２の構造と異なり、この図３（ｂ）に示す光導波路３２の構造のように、第二のクラッド層６ａ，６ｂに微細構造６ａ”，６ｂ”を設けることにより、第一の電極層７ａ，７ｂから第二のクラッド層６ａ，６ｂに注入される電荷量を制御することができる。
【００７６】
この微細構造６ａ”，６ｂ”によって、第二のクラッド層６ａ，６ｂの内部に均一に電荷が注入されるため、第一のクラッド層５ａ，５ｂにおいて電界の集中が発生することが抑制され、第一のクラッド層５ａ，５ｂ、第二のクラッド層６ａ，６ｂの絶縁破壊の発生を抑制することが可能である。
【００７７】
（実施例４）
実施例４は、請求項７に係る発明に対応する。図４は本発明の電気光学素子の説明図であって、電気光学材料からなる光導波路のコア層４を示す図である。この実施例４では、上記の各実施例で説明した電気光学素子１、１１、２１、３１を光偏光器として用いる場合について説明する。
【００７８】
電気光学素子を光偏向器として用いるためには、プリズム構造体４Ａをコア層４を構成する電気光学材料に形成することが有効である。具体的な電気光学材料としては、ニオブ酸リチウム結晶やタンタル酸リチウム結晶等が挙げられる。
【００７９】
コア層４は三角形状（プリズム形状）の分極反転領域４０ａを有し、分極反転領域４０ａの結晶軸の向きはその他の領域４０ｂとは逆になっている。この分極反転領域４０ａは光ビーム（導波光）Ｐの伝搬方向に規則的に配列されている。
【００８０】
分極反転領域４０ａの結晶軸の向きは、例えば図４では紙面の裏側から紙面の表側に向かう方向であり、その他の領域４０ｂの結晶軸の向きは紙面の裏側から紙面の表側に向かう方向である。
【００８１】
コア層４に一様な電圧が印加されると、分極反転領域４０ａとその他の領域４０ｂとで屈折率変化量の符号が逆転する。このため、コア層４にプリズム構造体４Ａが生成される。このプリズム構造体４Ａは、複数個のプリズムの集合からなり、コア層４の内部を伝搬する光ビームＰは各プリズムの境界において伝搬角が曲がり、電気光学素子からの出射時には光ビーム（導波光）Ｐの進行方向が電気光学素子の入射時とは異なって、すなわち、偏向されて出力される。印加電圧Ｖの大きさに対応してビーム偏向角を異なるようにすることができ、電気光学素子をビーム偏向器として利用することができる。
【００８２】
電気光学結晶の内部にこのような分極反転領域４０ａを形成するには、各種の方法が知られている。一般的には、電気光学結晶に抗電界以上の高い電界に相当する高電圧を結晶材料に印加すればよい。三角形状（プリズム形状）の分極反転領域４０ａを形成したい部分を絶縁体でマスクした状態で高電圧を印加することによって、三角形状（プリズム形状）分極反転領域４０ａを形成することができる。一般的なフォトレジストを絶縁体を用いて分極反転領域４０ａを十分に形成することが可能である。
【００８３】
プリズム型の光偏向器は印加電圧が大きいほど偏向角度が大きくなるため、電気光学素子には１００Ｖ以上の電圧が印加される可能性がある。コア層４の厚さがマイクロメートルオーダーの場合、電気光学結晶及び第一のクラッド層５ａ，５ｂ、第二のクラッド層６ａ，６ｂの材料には極めて大きな電界が形成される。
【００８４】
これに伴って、第一の電極層７ａ，７ｂからコア層４への電荷注入が発生して、電気光学素子の電気光学的特性、性能の劣化が懸念されるが、本発明に係る多層のクラッド層を形成することにより、電気光学素子に高電圧を印加する際にも電極層からコア層４への電荷注入を抑制することが可能となる。
【００８５】
（実施例５）
実施例５は、請求項１０〜１６に係る発明に対応する。図５（ａ）は、本発明の電気光学素子を利用した一例として、素子通過によって光ビームの出射方向を変化させる光ビーム偏向器２０１の構造を示している。
【００８６】
この光ビーム偏向器２０１では、電気光学結晶薄膜からなるコア層２０４の表面および裏面に、第一のクラッド層２０５ａ，２０５ｂと、第二のクラッド層２０６ａ，２０６ｂが順に積層されている。さらに、第二のクラッド層２０６ａ，２０６ｂの外側には、コア層２０４に電界を形成するための電極層２０７ａ，２０７ｂ（第一の電極層）が対面するように積層されている。このように構成されている光ビーム偏向器２０１は、双方の電極層２０７ａ、２０７ｂを通じて電圧Ｖが印加されることで、コア層２０４の膜厚方向に平行な電界が形成される。
【００８７】
図５（ｂ）は、コア層２０４の構造を示している。このコア層２０４は複数の三角形状（プリズム形状）を並べた分極反転領域２４０ａを有しており、分極反転領域２４０ａとその他の領域２４０ｂでは電気光学材料の分極軸が反転している。図５（ａ）に示す電極層２０７ａ，２０７ｂは、この分極反転領域２４０ａを覆って配置されている。
【００８８】
以上のように構成されているコア層２０４は、光ビーム偏向器２０１に電圧が印加されることによってコア層２０４の屈折率が変化し、分極反転領域２４０ａとその他の領域２４０ｂとで屈折率変化の符号が異なることから、電気光学結晶薄膜の内部に複数のプリズムが備わることと同じ効果が得られる。
【００８９】
また、図５（ａ）に示すように、光ビーム偏向器２０１の入射端面から入力された光ビームＰは、分極反転領域２４０ａによってその進行方向がコア層２０４の膜厚方向に平行な方向に変化し、光ビーム偏向器２０１の出射端面において光ビームＰが偏向して出力される。分極反転領域２４０ａの屈折率は光ビーム偏向器２０１に印加する電圧によって制御できる。したがって、光ビームＰの出力角度も素子への印加電圧によって制御できる。図５（ｂ）に示す分極反転領域２４０ａの幅Ｄが一定の場合には、光ビーム偏向器２０１の出射角θは、以下の式（４）で与えられる。
【数４】
この式（４）において、Δｎはコア層２０４の屈折率変化量、Ｄは分極反転領域２４０ａの幅、Ｌは複数の分極反転領域２４０ａの全体の長さである。式（１）に示したようにコア層２０４の屈折率変化量は光ビーム偏向器２０１への印加電圧で制御できる。
【００９０】
以下、電気光学素子の具体的な設計例を示す。ここでは電気光学材料として広く用いられているニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）をコア層の材料として採用する。ニオブ酸リチウムはマグネシウムをドープすることによって、特に短波長領域での耐光性が向上することが知られている。
【００９１】
コア層の膜厚としては５μｍ〜５０μｍ程度が好適である。その理由は２点あり、素子への光結合とコア層へ印加される電圧量を考慮して決定される。まず光ビームをコア層の膜厚方向に集光して素子に光結合を行うことから、高効率の光結合を達成するためにはコア層の膜厚は数μｍ程度以上が好ましい。また、電気光学材料の屈折率変化を誘起させるために必要な電圧はコア層の膜厚が小さいほど低電圧で済むが、式（２）から分かるようにコア層の膜厚が薄すぎると素子に印加した電圧に対して、コア層に印加される電圧量は小さくなってしまう。以上の２点のバランスをとって、コア層の膜厚としては５μｍ〜５０μｍの範囲で選ぶことが好ましい。
【００９２】
次に、第一のクラッド層の材料および膜厚を決定する。第一のクラッド層の材料は光源の波長に対して透明であり、かつコア層の屈折率より十分低いことが求められる。ここでは一般的なガラス材料であるＳｉＯ２を第一のクラッド層の材料として採用する。第一のクラッド層の膜厚は、導波路の伝搬光を閉じ込めるのに十分な範囲でできる限り薄くすることが好ましい。この理由として、クラッド層の膜厚が厚くなるほど、素子への印加電圧に対してコア層に印加される電圧量が低減することによる。
【００９３】
図６は、コア層の膜厚（コア厚）を変化させたときにコア層に印加される電圧を素子への印加電圧で規格化して示したものである。この図６では、第一のクラッド層の膜厚をパラメータとしている。コア層の膜厚が等しくても、第一のクラッド層の膜厚を薄くするほどコア層に印加される電圧量を増やすことができることがわかる。ただし、第一のクラッド層の膜厚を薄くしすぎると、光導波路を伝搬する光のクラッド層への染み出しがクラッド領域で十分減衰しないため、伝搬損失につながる。このため、第一のクラッド層はある程度以上の膜厚が必要である。光導波モード伝搬のシミュレーションの結果、ニオブ酸リチウムをコア層の材料とした場合、ＳｉＯ２からなる第一のクラッド層の膜厚を２００ｎｍ以上にすれば、光導波路内を伝搬する光はほぼ損失なしで導波することが分かった。したがって、第一のクラッドの膜厚を２００ｎｍと決定した。
【００９４】
次に、第二のクラッド層の材料および膜厚を決定する。第二のクラッド層の材料としては高誘電率を有する材料が好ましく、ここでは比誘電率が約２５のＴａ２Ｏ５を採用する。第二のクラッド層は電圧印加によって生じるコア層への電荷注入を抑制するために存在し、その膜厚を厚くするほど電荷注入の抑制効果を高めることができる。ただし第二のクラッド層の膜厚を厚くしすぎると、素子への印加電圧に対してコア層に印加される電圧量が低減するため、電荷注入抑制効果とコア層への印加電圧のバランスをとって適当な膜厚を選択する必要がある。
【００９５】
図７は、コア層の膜厚（コア厚）を変化させたときにコア層に印加される電圧を素子への印加電圧で規格化して示したものである。ここでは第一のクラッド層の材料をＳｉＯ２、その膜厚を２００ｎｍと設定し、第二のクラッド層の膜厚をパラメータとしている。コア層の膜厚が等しくても、第二のクラッド層の膜厚を薄くするほどコア層に印加される電圧量を増やすことができることがわかる。実際に素子を製作して評価したところ、第二のクラッド層の膜厚を１μｍ以上にすると電荷注入の抑制に効果があることが分かった。
【００９６】
図８は、図５に示した光ビーム偏向器２０１の偏向性能の一例を上述の設計手順により、コア層２０４として膜厚２０μｍのニオブ酸リチウム、第一のクラッド層２０５ａ，２０５ｂとして膜厚０．２μｍのＳｉＯ２、第二のクラッド層２０６ａ，２０６ｂとして膜厚１．０μｍのＴａ２Ｏ５を採用した。
【００９７】
また、図５（ｂ）に示したプリズム状の分極反転領域２４０ａの寸法として、分極反転領域２４０ａの幅を１．０ｍｍ、複数の分極反転領域２４０ａの全体の長さを２０ｍｍとした。素子への印加電圧と素子出力光ビームの偏向角との関係より、±３００Ｖの印加電圧により全角で８°以上の光ビーム偏向が可能である。
【００９８】
本発明の特徴は、電気光学素子において第二のクラッド層で電荷をブロックすることにより、電圧印加時にコア層へ電荷が注入することを抑制することである。そのため、電極層を構成する材料については原理的には導電性を有していれば、いかなる材料でも適用可能である。しかしながら、電極材料とコア層となる電気光学材料との仕事関数の大小関係によって電荷注入量が異なってくることが一般的に知られており、本発明においても適切な電極材料を選択することで電荷注入の抑制効果をさらに高めることができる。
【００９９】
具体的にはニオブ酸リチウムをコア層に用いた場合、注入電荷が電子である場合にはＮｉやＰｔなど仕事関数がニオブ酸リチウムより大きな材料が好ましく、逆に注入電荷が正孔である場合にはＣｒやＴｉなど、仕事関数がニオブ酸リチウムより小さな材料が好ましい。また、上記の素子構造の具体例では第ニのクラッド層の材料として透明無機材料であるＴａ２Ｏ５を採用したが、より耐電圧性の高いポリマー材料を第二のクラッド層として適用してもよい。具体的には永久レジストとして知られるＭｉｃｒｏＣｈｅｍ 社のＳＵ−８等が好適である。
【０１００】
図９は、本発明の効果を実験によって確認した結果である。電気光学素子に直流電圧を印加する前後での素子出射光のビームプロファイルを観察したところ、クラッド層として膜厚２００ｎｍのＳｉＯ２のみを装荷した従来の電気光学素子は、図９（ａ）に示すように、電圧を印加した直後に光ビームの幅が３倍以上広がる。
【０１０１】
これに対して、第ニのクラッド層に厚さ１．５μｍのＴａ２Ｏ５を採用した本発明の電気光学素子は、図９（ｂ）に示すように直流電圧を印加した場合でも電圧印加前の光ビームプロファイルをほぼ保持できている。このとき素子に流れる電流量を測定した結果、従来の素子では１０００ｐＡ／ｍｍ２の電流が流れていたのに対し、本発明の素子では１０ｐＡ／ｍｍ２以下の電流量であった。電荷注入量と素子電流はほぼ線形の関係にあり、この結果は本発明により電圧印加による電荷注入を従来の１／１００以下に抑制できたことを示唆している。
【０１０２】
以上、本発明の電気光学素子に係る実施例を例示したが、これらの実施例は本発明の内容を限定するものではない。また、本発明の請求項の範囲を逸脱しない範囲であれば、各種の変更等は可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
以上説明したように本発明の電気光学素子では、コア層となる電気光学材料に電荷が注入されるのを抑制し、電気光学素子の内部を伝搬する光ビームのビーム形状の歪みを防止することができる。したがって、本発明の電気光学素子は、電気光学素子の技術分野で十分に利用することができる。
【符号の説明】
【０１０４】
１ 電気光学素子
２ 光導波路
４ コア層
４ｄｃｏ 膜厚
５ａ，５ｂ 第一のクラッド層
５ｄｃｌ 膜厚
６ａ，６ｂ 第二のクラッド層
６ｄｃｌ 膜厚
７ａ，７ｂ 第一の電極層
８ａ，８ｂ 第二の電極層
１１ 電気光学素子
１２ 光導波路
２１ 電気光学素子
２２ 光導波路
３１ 電気光学素子
３２ 光導波路
４０ａ 分極反転領域
２０１ 光ビーム偏向器
２０４ コア層
２０５ａ，２０５ｂ 第一のクラッド層
２０６ａ，２０６ｂ 第二のクラッド層
２０７ａ，２０７ｂ 第一の電極層
２４０ａ 分極反転領域
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１０５】
【特許文献１】特開２００９−０８０３７８号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気光学素子の改良に関し、とりわけ、導波路型の電気光学素子の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電気光学効果を利用した光学素子として電気光学素子が知られている。この電気光学素子は、電界の変化に対する応答速度が極めて速いという性質があるので、光強度変調器、Ｑスイッチ素子、光ビームスキャナ等に用いられている。
【０００３】
電気光学効果とは、一般に、光が透過する物質に電場をかけると屈折率が変化する物理現象をいい、また、電場の強さに比例して屈折率が変化する効果をポッケルス効果といい、その屈折率変化量は以下の式（１）で与えられる。
【数１】
この式（１）において、ｒｉｊは電気光学定数（ポッケルス定数）、Ｖは印加電圧、ｄは電圧を印加する電極の間隔である。
【０００４】
電気光学効果による屈折率変化量は比較的小さく、例えば、典型的な電気光学材料であるニオブ酸リチウムを用いた場合、Δｎ＝０．００１程度の屈折率変化を与えるためには、６ｋＶ／ｍｍ程度の大きな電界を電気光学結晶（ＥＯ結晶）に印加する必要がある。実用的には、電気光学素子には、低電圧で動作可能でかつ幅広い周波数帯域で応答特性が良好であることが求められる。低電圧で大きな屈折率変化を得るためには、式（１）から明らかなように、電極の間隔ｄを小さくすることが有効である。
【０００５】
一方、電気光学材料に導波路を形成する代表例として、ニオブ酸リチウム等の電気光学結晶にチタンを局所的に拡散して、その拡散領域のみの屈折率を上昇させて光導波路構造を形成するという不純物拡散による光導波路形成技術が知られている。この光導波路構造では、電極は電気光学結晶の表面の不純物拡散により形成された光導波領域の近傍に設けられる。
【０００６】
また、電気光学材料に光導波路を形成する他の例として、研磨等によって電気光学結晶を薄膜化し、薄膜化された電気光学結晶基板の上面と下面とに電極層を設けて光導波路を形成する光導波路形成技術も知られている。この場合、電界の印加方向は電気光学結晶基板の上面と下面とに対して垂直である。この電気光学素子に光導波路を形成する技術によれば、電気光学結晶が有する本来の電気光学効果の特性を保ったまま光導波路構造を実現できるので、低電圧動作に対して有効な電気光学素子を提供できる。
【０００７】
このような薄膜型の電気光学素子では、導波光を光導波路のコア層としての電気光学結晶基板からなる薄膜の内部に閉じ込めて伝搬させるために、薄膜と電極層との間にコア層である薄膜の屈折率よりも屈折率の低い透明材料をクラッド層として介在させる必要がある。クラッド層を形成するための典型的なクラッド材料として、ＳｉＯ２のような誘電体材料がある。
【０００８】
このクラッド層とコア層とによって形成された光導波路に電圧を印加した場合、コア層に印加される電圧は、以下の式（２）により与えられる。
【数２】
この式（２）において、Ｖは光導波路への印加電圧、Ｖｃｏはコア層に印加される電圧、ｄｃｏはコア層の膜厚、ｄｃｌはクラッド層の膜厚、εｃｏはコア層の誘電率、εｃｌはクラッド層の誘電率である。
【０００９】
式（２）から分かるように、クラッド層を設けると、式（２）の右辺の分母は「１」よりも大きくなるので、電気光学結晶基板そのものに印加される電圧、すなわち、コア層に印加される電圧Ｖｃｏは低くなる。
【００１０】
例えば、ニオブ酸リチウム薄膜をコア層、ＳｉＯ２をクラッド層とする導波路型の電気光学素子では、コア層の膜厚を１０μｍ、クラッド層の膜厚を１μｍと仮定すると、電気光学結晶自体（電気光学材料であるニオブ酸リチウム）に印加される電圧は、電気光学素子全体に印加した電圧の０．４倍程度にしかならならず、このため、電気光学素子それ自体の動作電圧が高くなる。
【００１１】
従って、電気光学材料に印加される電圧を高くするためには、クラッド層の膜厚を薄くすることが必要となる。例えば、クラッド層の膜厚を０．２μｍ程度に薄くした場合、電気光学材料に印加される電圧は電気光学素子に印加した電圧の０．８倍程度となり、動作電圧の低減を考えた場合には実用的である。このように、従来の導波路型の電気光学素子ではクラッド層の膜厚をできる限り薄くすることが低電圧駆動には有効である（例えば、特許文献１参照）。
【００１２】
この特許文献１には、シリコンを基板として強誘電体材料をコア層とする電気光学素子において、クラッド層における電圧降下を抑制するために、高誘電率を有する薄膜をクラッド層として用いる構成及びそのクラッド層の形成に有効な製造方法が開示されている。この特許文献１に開示の技術と本発明とは、薄膜化されたクラッド層が多層構造を有する点で類似している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、特許文献１に開示の技術では、クラッド層の膜厚が薄いために電気光学素子に高電界を印加した際に絶縁破壊が発生するおそれがある。すなわち、電界強度が大きい電圧で電気光学素子を動作させると、クラッド層に絶縁破壊が生じるおそれがある。電気光学素子に電圧を印加した場合に、クラッド層に印加される電界強度は以下の式（３）で与えられる。
【数３】
この式（３）において、Ｅｃｌ及びＥｃｏはそれぞれクラッド層及びコア層に印加される電界強度である。
【００１４】
例えば、ニオブ酸リチウム薄膜をコア層、ＳｉＯ２をクラッド層とする光導波路型の電気光学素子では、εｃｏ／εｃｌは７程度であり、コア層（電気光学材料）の７倍もの高電界がクラッド層に印加されることになる。一例として、厚さ１０μｍのニオブ酸リチウム薄膜に１００Ｖの電圧を印加して動作させるような電気光学素子では、ニオブ酸リチウムに印加される電界強度は１０ｋＶ／ｍｍとなり、ＳｉＯ２クラッド層には７０ｋＶ／ｍｍもの高電界が印加される。
【００１５】
一般的な石英ガラスの絶縁破壊電圧は４０ｋＶ／ｍｍ程度であり、クラッド層において絶縁破壊が発生する可能性が非常に高い。クラッド層において絶縁破壊が発生した場合、電気光学素子には以下に説明する悪影響が発生する。まず、クラッド層の成膜時の膜厚分布や、膜の表面粗さ、或いはコア層との密着性の領域依存性等の理由により、絶縁破壊はクラッド層全領域で同時に発生するわけではなく、クラッド層の一部の領域に局所的に発生すると考えられる。
【００１６】
絶縁破壊が発生した箇所では、本来絶縁体であるクラッド層はほぼ導電体として振舞うから、絶縁破壊領域が微小である場合、その絶縁破壊箇所では電極に微小な突起を設けた場合と同様の作用をもつと考えられる。このような微小突起には電界が集中することが知られており、コア層である電気光学材料も絶縁破壊を生じる可能性がある。また、電気光学材料の絶縁破壊までには至らなくとも、クラッド層に導電領域が形成されることにより、その導電領域を介して電気光学材料の内部に電荷が注入される可能性がある。
【００１７】
電気光学材料に局所的に絶縁破壊が発生した場合でも、クラッド層を介して電気光学材料の内部に電荷が注入された場合であっても、いずれも電気光学材料内部に不均一に電荷が注入される。この注入電荷が存在すると、この注入電荷によって電気光学材料の内部に形成される電界が終端される。従って、電気光学素子を動作させる際に、局所的な電荷注入によって電気光学材料の内部に形成される電界強度が不均一となる。
【００１８】
電気光学素子を動作させる際には、電気光学材料の内部に均一に電界が印加されていることが重要である。特に、光導波路の内部の電界が不均一となる場合、電界によって誘起される屈折率変化量も領域毎に異なることになり、その結果、光導波路を伝搬した光ビームの形状に大きな歪みが生じる。
【００１９】
特に、光導波路が横方向に閉じ込める構造を持たないスラブ導波路の場合、この電界不均一によるビーム形状の歪みが顕著に現れる。ビーム形状の歪みは電気光学素子を変調器として用いた場合には消光比の低下につながり、また、光ビームスキャナとして用いた場合には、出射ビームそのものの光ビームの形状の劣化や、スキャナによって分解できる解像点数の低減を引き起こす。
【００２０】
このように、従来のクラッド層では、光導波路を通過する光ビームのビーム形が歪み、その結果電気光学素子の性能を悪化させるという問題があった。本発明は、光導波路型の電気光学素子において、コア層となる電気光学材料に電荷が注入されるのを抑制し、電気光学素子の内部を伝搬する光ビームのビーム形状の歪みを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明者等は、鋭意研究の結果、前記課題を解決するために以下のような電気光学素子を採用した。
【００２２】
本発明の電気光学素子は、電気光学材料薄膜をコア層とし、前記コア層から順に誘電体クラッド層と電極層とを積層して構成される光導波路からなる電気光学素子であって、前記誘電体クラッド層が第一のクラッド層と第二のクラッド層からなり、前記第二のクラッド層の誘電率が前記第一のクラッド層の誘電率より大きく、かつ前記第二のクラッド層の膜厚が前記第一のクラッド層の膜厚より厚いことを特徴とする。
【００２３】
ここで、第一のクラッド層の膜厚は、電気光学素子を伝搬する光の波長より小さいことが好ましく、第二のクラッド層の屈折率は、コア層の屈折率より大きいことが好ましい。さらに、第二のクラッド層の光透過率は、第一のクラッド層の光透過率より低くすることが好ましい。
【００２４】
電極層は少なくとも２種類以上の金属薄膜から構成することが好ましい。第一のクラッド層または第二のクラッド層の少なくとも一方が、微細構造を有するようにしても良い。コア層は分極反転領域を有するようにしても良い。
【００２５】
コア層の材料は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸バリウム、ＫＴＮ、ＳＴＯ、ＢＴＯ、ＳＢＮ、ＫＴＮ、ＰＬＺＴ、ＰＺＴ、ＤＡＳＴのいずれかを含むことが好ましい。
【００２６】
第二のクラッド層の材料は、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸バリウム、ＫＴＮ、ＳＴＯ、ＢＴＯ、ＳＢＮ、ＫＴＮ、ＰＬＺＴ、ＰＺＴ、ＤＡＳＴのいずれかを含むことが好ましい。
【００２７】
また、コア層が分極反転領域を有する場合には、その分極反転領域の形状が少なくとも一つ以上のプリズム形状を順次並べた構造を有することが好ましい。さらに、電極層をコア層と誘電体クラッド層の外側に互いに対面して配置し、電極層に電圧を印加することによって、分極反転領域を伝搬した光ビームが電気光学素子出射端において偏向して出射されるようにすることが好ましい。
【００２８】
ここで、コア層をニオブ酸リチウム結晶あるいはマグネシウムをドープしたニオブ酸リチウム結晶から構成し、コア層の膜厚を５μｍ〜１００μｍの範囲に設定し、プリズム形状の分極反転領域の幅を０．５ｍｍ〜３ｍｍの範囲に設定することが好ましい。
【００２９】
また、第一のクラッド層の材料をＳｉＯ２から構成して第一のクラッド層の厚さを０．２μｍ〜０．４μｍの範囲に設定しても良く、第二のクラッド層の材料をＴａ２Ｏ５から構成して第二のクラッド層の厚さを１μｍ以上に設定しても良い。
【００３０】
また、電極層をＴｉ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ａｕのいずれかの材料から構成し、電極層の厚さを０．０５μｍ〜１μｍの範囲に設定しても良い。また、第二のクラッド層をポリマー材料薄膜から構成しても良い。
【００３１】
また、本発明の電気光学素子は、コア層に１０ｋＶ／ｍｍの電界が印加されたときに電気光学素子に流れる電流密度を１０ｐＡ／ｍｍ２以下であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、電気光学素子を構成する光導波路において、クラッド層を低誘電率を有する薄膜と、高誘電率を有する厚膜とが順に形成された多層構造とすることにより、高誘電率を有するクラッド層が電気光学素子の動作時の電極からの電荷注入を抑制し、かつ低誘電率を有するクラッド層がコア層への光閉じ込めを可能にする。従って、光導波路型の電気光学素子において、コア層となる電気光学材料への電荷の注入を抑制することができ、その結果、電気光学素子を駆動したときの光ビームの形状歪みを防止することができる。また、電気光学素子を伝搬する導波光において、高次モードの導波光が伝搬することを抑制する効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施例１の電気光学素子の光導波路の断面構造の説明図である。
【図２】本発明の実施例２の電気光学素子の光導波路の断面構造の説明図である。
【図３】本発明の実施例３の電気光学素子の光導波路の断面構造において、（ａ）は第一のクラッド層に微細構造が形成されている説明図、（ｂ）は第二のクラッド層に微細構造が形成されている説明図である。
【図４】本発明の実施例４の電気光学素子において、コア層に分極反転領域が形成されている状態を示す説明図である。
【図５】本発明の実施例５の電気光学素子において、（ａ）は電気光学素子を利用した光ビーム偏向素子の構造の説明図、（ｂ）は光ビーム偏向素子のコア層の構造の説明図である。
【図６】実施例５の電気光学素子において、第一のクラッド層の膜厚をパラメータとした場合のコア厚と、コアに印加される電圧量の関係とを示すグラフである。
【図７】実施例５の電気光学素子において、第二クラッド層の膜厚をパラメータとした場合のコア厚と、コアに印加される電圧量の関係とを示すグラフである。
【図８】実施例５の電気光学素子に印加される電圧と、光ビーム偏向角の関係とを示すグラフである。
【図９】実施例５の電気光学素子と従来の電気光学素子において、電圧を印加する前後での素子出射光のビームプロファイルである。
【図１０】従来の一般的な電気光学素子の光導波路断面構造の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００３４】
（実施例１）
実施例１は、請求項１〜請求項４に係る発明に対応する。図１は本発明の電気光学素子１において、電気光学素子１を構成する光導波路２の断面構造の説明図である。この電気光学素子１は光導波路２を有している。光導波路２は、電気光学材料としての電気光学結晶からなるコア層４を有する。光導波路２は、このコア層４を核としてコア層４から順に誘電体クラッド層である第一のクラッド層５ａ，５ｂ、第二のクラッド層６ａ，６ｂ、電極層７ａ，７ｂ（第一の電極層）を積層することにより構成される。
【００３５】
具体的に説明すると、コア層４の下面４ａには第一のクラッド層５ａが形成されており、第一のクラッド層５ａの下面には第二のクラッド層６ａが形成されている。コア層４の上面４ｂには第一のクラッド層５ｂが形成されており、第一のクラッド層５ｂの上面には第二のクラッド層６ｂが形成されている。第二のクラッド層６ａの下面には電極層（下部電極層）７ａが形成されており、第二のクラッド層６ｂの上面には電極層（上部電極層）７ｂが形成されている。
【００３６】
コア層４は第一のクラッド層５ａ，５ｂ、第二のクラッド層６ａ，６ｂを介して対向する一対の電極層７ａ，７ｂ間に配置される。電極層７ａ，７ｂに電圧Ｖを印加すると、コア層４の屈折率が変化する。コア層４の厚さは、例えば数１００ｎｍ〜数１０μｍである。コア層４の表面から順に第一のクラッド層５ａ，５ｂと第二のクラッド層６ａ，６ｂを設けたのは、コア層４に効果的に導波光を閉じ込めて伝搬させるためである。
【００３７】
第一のクラッド層５ａ，５ｂと第二のクラッド層６ａ，６ｂとは互いに異なる誘電率を有する誘電体であり、第二のクラッド層６ａ，６ｂの誘電率は第一のクラッド層５ａ，５ｂの誘電率より大きい。また、少なくとも第一のクラッド層５ａ，５ｂの屈折率はコア層４の屈折率より低い。さらに、第二のクラッド層６ａ，６ｂの膜厚６ｄｃｌが、第一のクラッド層５ａ、５ｂの膜厚５ｄｃｌより厚い。
【００３８】
コア層４を形成する電気光学材料には、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）、ＳＢＮ、ＫＴＮのような非線形光学結晶を用いるのが好適である。これらの光学結晶は、支持基板（図示を略す）に接着後、これらの電気光学結晶に研磨を施すことにより、電気光学結晶の特性を保持したまま薄膜化され得る。
【００３９】
また、クラッド層５ａ，５ｂ、６ａ，６ｂを構成する材料には、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）や、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）等の誘電体及びこれらの混合ガラスを用いることができる。電極層７ａ，７ｂを構成する材料には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒのような金属材料を用いる他、ＩＴＯ等の透明電極が好適である。
【００４０】
以上のように構成されている光導波路２の効果を説明する前に、一般的な電気光学素子の光導波路構造について説明しておく。一般的な光導波路構造として、電気光学結晶からなるコア層に一層のみからなるクラッド層が設けられている光導波路に電圧を印加する場合について説明する。
【００４１】
図１０は、一般的な電気光学素子１０１の光導波路構造を示す説明図である。この電気光学素子１０１において、図１の電気光学素子１と同じ構成要素には同じ符号を付している。この電気光学素子１０１の光導波路１０２は、コア層４の下面４ａと上面４ｂにクラッド層５ａ，５ｂ（誘電体クラッド層）が形成されている。下側のクラッド層５ａの下面には電極層７ａが形成されており、上側のクラッド層５ｂの上面には電極層７ｂが形成されている。
【００４２】
光導波路１０２の内部に導波光を効果的に閉じ込めるには、クラッド層５ａ，５ｂを構成する材料として屈折率が小さいものほど好ましい。しかしながら、このようなクラッド層５ａ，５ｂを構成する材料は一般的に誘電率が小さい。電気光学結晶は一般的に誘電率が大きく、クラッド層５ａ，５ｂの誘電率εｃｌに対するコア層４の誘電率εｃｏの比εｃｏ／εｃｌが大きくなる。
【００４３】
したがって、電気光学素子１０１に電圧Ｖを印加したときにクラッド層５ａ，５ｂにおける電圧降下を抑制するためには、言い換えれば、コア層４に印加される印加電圧Ｖｃｏを光導波路２に印加する印加電圧Ｖに近づけるためには、式（２）から明らかなようにコア層４の膜厚４ｄｃｏに対するクラッド層５ａ，５ｂの膜厚５ｄｃｌの比５ｄｃｌ／４ｄｃｏを小さくすれば良い。すなわち、クラッド層５ａ，５ｂの膜厚５ｄｃｌを薄くすることが求められる。
【００４４】
例えば、ニオブ酸リチウム薄膜をコア層４、ＳｉＯ２をクラッド層５ａ，５ｂとする光導波路型の電気光学素子１０１の場合、クラッド層５ａの膜厚を０．２μｍまで薄くすると、ニオブ酸リチウムの薄膜に印加される印加電圧Ｖｃｏは、電気光学素子１０１に印加した印加電圧Ｖの０．８倍程度に抑えられる。
【００４５】
しかし、クラッド層５ａ，５ｂを極端に薄くした場合、電圧Ｖの印加によってクラッド層５ｂを貫いて電極層７ｂから電気光学結晶（コア層４）の内部に電荷が注入され得る。電気光学結晶の内部に電荷が注入されると、電気光学結晶の内部に形成された電界分布が乱れ、光導波路１０２を伝搬する光ビームの形状に歪みが生じる。従って、電気光学素子１０１に電圧を印加する際には、電気光学結晶の内部への電荷注入を抑制することが要求される。
【００４６】
この要求を満たすため、実施例１では、誘電体クラッド層を第一のクラッド層５ａ，５ｂと第二のクラッド層６ａ，６ｂとから構成し、第二のクラッド層６ａ，６ｂには高誘電率を有する材料を用い、第二のクラッド層６ａ，６ｂを低屈折率を有する第一のクラッド層５ａ、５ｂの外側に設けている。第二のクラッド層６ａ，６ｂは誘電率が高いため、その膜厚６ｄｃｌを厚くしても第二のクラッド層６ａ，６ｂにおける電圧降下が小さい。さらに、膜厚６ｄｃｌそのものが厚いために、電圧印加時に電極層７ａ，７ｂから電荷がコア層４の内部に注入することを抑制することが可能である。
【００４７】
例えば、ニオブ酸リチウム薄膜をコア層、Ｔａ２Ｏ５を第二のクラッド層６ａ，６ｂとする光導波路型の電気光学素子１では、ニオブ酸リチウムとＴａ２Ｏ５の誘電率が比較的近いことから、Ｔａ２Ｏ５の膜厚６ｄｃｌを１μｍ程度に厚くしても、ニオブ酸リチウムに印加される電圧Ｖｃｏは電気光学素子１に印加した電圧Ｖの０．８倍程度に抑えられる。
【００４８】
さらに、第二のクラッド層６ａ，６ｂは膜厚６ｄｃｌが厚いため、電極層７ａ，７ｂからの電荷注入を抑制することが可能であり、結果として電気光学素子１に高電圧を印加した際にコア層４への電荷注入を抑制することができる。
【００４９】
膜厚１０μｍのニオブ酸リチウムをコア層４、膜厚１μｍのＴａ２Ｏ５を第二のクラッド層６ａ，６ｂとした電気光学素子１において、電気光学素子１に電圧Ｖ＝１００Ｖの電圧を印加したとき、電気光学素子１に流れる電流密度は２ｎＡ／ｍｍ２以下であった。
【００５０】
膜厚０．２μｍのＳｉＯ２のみをクラッド層５ａとして用いた電気光学素子１０１と比較すると、電流密度は１／１０以下であり、本発明による電荷注入抑制の効果を確認できた。
【００５１】
この場合、低屈折率材料で構成される第一のクラッド層５ａ，５ｂはその膜厚５ｄｃｌを極めて薄くすることが可能である。第一のクラッド層５ａ，５ｂに要求される膜厚５ｄｃｌは、電気光学素子１を構成する光導波路２におけるコア層４の屈折率と厚さに依存する。
【００５２】
例えば、ニオブ酸リチウムをコア層４、ＳｉＯ２を第一のクラッド層５ａ，５ｂとして仮定し、コア層４の膜厚４ｄｃｏを１０μｍと仮定すると、光導波路２はマルチモード導波路となるが、コア層４と第一のクラッド層５ａ，５ｂとの屈折率差が０．７以上と極めて大きいため、第一のクラッド層５ａ，５ｂを０．２μｍ程度に形成すれば、ほぼ全ての光パワーを電気光学結晶の内部に閉じ込めることが可能である。
【００５３】
さらに、高次モードの伝搬を抑制するために、より一層、第一のクラッド層５ａ，５ｂの膜厚５ｄｃｌを薄くすることも有効である。光導波路２を伝搬する光は、一般に高次モードほど第一のクラッド層５ａ，５ｂに大きく染み出すが、極めて薄い第一のクラッド層５ａ，５ｂの外側にまで染み出した伝搬光は第二のクラッド層６ａ，６ｂの内部にまで達する。
【００５４】
ここでは、第一のクラッド層５ａ，５ｂの屈折率より第二のクラッド層６ａ，６ｂの屈折率の方が大きいので、第二のクラッド層６ａ，６ｂに達した光成分は第二のクラッド層６ａ，６ｂの内部に保持されたまま光導波路２の内部を伝搬する。第二のクラッド層６ａ，６ｂには直接電極層７ａ，７ｂが接しているから、そのような光成分は電極層７ａ，７ｂで吸収されるか、損失を伴う反射を繰り返して光導波路２の内部から消失する。
【００５５】
この効果を利用して、光導波路２において高次モードが伝搬することを抑制することが可能である。多くの導波路型の電気光学素子１では伝搬モードが異なると屈折率変化量が異なるため、光導波路２がマルチモード導波路である場合、高次モードの光の伝搬を抑制することが好ましい。すなわち、第一のクラッド層５ａ，５ｂの膜厚５ｄｃｌを電気光学素子１を伝搬する光の波長よりも小さくすると、高次モードの伝搬を抑制することにも効果がある。
【００５６】
また、一般的に、図１０に示すような光導波路構造では、クラッド層５ａ、５ｂの屈折率はコア層４の屈折率よりも小さい。これに対して、実施例１では、図１に示す第二のクラッド層６ａ，６ｂの材料はコア層４の材料の屈折率に依存せずに選択することが可能である。例えば、コア層４の材料としてＫＴＰを選択した場合について以下に説明する。
【００５７】
ＫＴＰの屈折率は１．８３程度であり、電気光学結晶の中では比較的に屈折率が低い。そこで、一般的には、クラッド層の材料として屈折率の低い誘電体材料を選択することになる。しかし、この実施例１では、第二のクラッド層６ａ，６ｂの材料にコア層４の屈折率よりも屈折率の大きな材料、例えば、Ｔａ２Ｏ５を選んでも良い。
【００５８】
この場合、第一のクラッド層５ａ，５ｂの材料に例えばＳｉＯ２のような低屈折率材料を用い、第一のクラッド層５ａ，５ｂとコア層４との境界において、基本モードの光閉じ込めを実現し、第二のクラッド層６ａ，６ｂがコア層４への電荷注入の抑制を担う。屈折率の大きな第二のクラッド層６ａ，６ｂは光導波路２の内部を高次モードが伝搬することを抑制することに有効となる。
【００５９】
さらに、第二のクラッド層６ａ，６ｂは透明体である必要はない。第二のクラッド層６ａ，６ｂの材料としては高い誘電率を有する材料が好適である。しかし、そのような材料の中には光を吸収あるいは散乱しやすい材料も含まれる。
【００６０】
本発明によれば、そのような高誘電体も第二のクラッド層６ａ，６ｂの材料として用いることができる。具体的には、樹脂材料にセラミック材料を分散させた混合材料を塗布することや、セラミック材料をエアロゾルデポジション等の成膜プロセスで第一のクラッド層５ａ，５ｂの外側に成膜することが有効である。
【００６１】
このような光導波路構造においても、第一のクラッド層５ａ，５ｂとコア層４との境界において基本モードの光閉じ込めを実現し、第二のクラッド層６ａ，６ｂがコア層４への電荷注入の抑制を担う。また、第二のクラッド層６ａ，６ｂでは光が吸収あるいは散乱されるため、光導波路２の内部を高次モードが伝搬することを抑制することが可能である。
【００６２】
（実施例２）
実施例２は、請求項５に係る発明に対応する。図２は、電気光学素子１１の光導波路１２の断面構造の説明図である。図２において、図１に示す電気光学素子１の構成要素と同一構成要素については、同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００６３】
実施例２では、電極層は２種類以上の金属薄膜からなる多層構造とされ、ここでは、電極層は第一の電極層７ａ，７ｂと第二の電極層８ａ，８ｂとから構成されている。
【００６４】
また、実施例２では、第一の電極層７ａ，７ｂと第二の電極層８ａ，８ｂとは、異なる材料から構成されている。電気光学素子１の最表面となる第二の電極層８ａ，８ｂには周囲環境変化に対して影響を受けにくい材料が好ましく、例えばＡｕやＰｔ等が好適である。このような材料と第二のクラッド層６ａ，６ｂとの密着性が悪い場合には、両者のいずれに対しても密着性の良好な別の電極材料を第一の電極層７ａ，７ｂとして介在させることが有効である。
【００６５】
また、電極層に用いる電極材料が異なると、その仕事関数が異なるから、電気光学素子１１への電荷注入量も異なることが知られている。したがって、第一の電極層７ａ，７ｂとして電荷注入が発生しにくい電極材料を選ぶことが好ましい。
【００６６】
具体的には、仕事関数の小さいＣｒやＴｉ、Ａｌ等が好適である。これらの金属は比較的酸化しやすいため、長時間の動作の間に電極材料の組成が変化し、電極層として有効に機能しなくなる恐れがある。このような問題を解決するためにも、第一の電極層７ａ，７ｂに続けて酸化しにくい第二の電極層８ａ，８ｂを形成することが有効である。
【００６７】
（実施例３）
実施例３は、請求項６に係る発明に対応する。図３（ａ）（ｂ）は、電気光学素子２１、３１の光導波路２２、３２の断面構造の説明図である。図３において図１の電気光学素子１の構成要素と同一構成要素については、同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００６８】
図３（ａ）では、第一のクラッド層５ａ，５ｂに微細構造５ａ”，５ｂ”が形成されている。第二のクラッド層６ａ，６ｂは、微細構造５ａ”，５ｂ”を被覆するようにして第一のクラッド層５ａ，５ｂの表面に形成されており、第二のクラッド層６ａ，６ｂの表面に第一の電極層７ａ，７ｂが形成されている。
【００６９】
微細構造５ａ”，５ｂ”は、例えば、第一のクラッド層５ａ，５ｂを成膜した後、ドライエッチング技術を用いて微細孔を形成することにより得られる。また、この微細構造５ａ”，５ｂ”は、研磨加工、ウェットエッチング等によって第一のクラッド層５ａ，５ｂの表面粗さを増加させることにより、簡便に形成できる。
【００７０】
微細構造５ａ”，５ｂ”の凹凸は、光の伝搬方向（矢印Ｘ−Ｘ方向）に等間隔又はランダムに間隔を開けて形成されている。その微細構造５ａ”，５ｂ”の間隔Ｈは、光導波路２２を伝搬する光の波長程度か又はそれ以下の大きさが好ましい。クラッド層を多層構造とすることによる電荷注入の抑制効果については、実施例１、２と同様である。
【００７１】
この実施例３では、第一のクラッド層５ａ，５ｂに微細構造５ａ”、５ｂ”を設けることによって電荷注入の抑制やコア層４への光閉じ込めがより一層効果的になる。例えば、図３（ａ）に示す光導波路２２の構造において、第一のクラッド層５ａ、５ｂの膜厚を極めて薄くすると、光導波路２２を伝搬する光が感じるクラッド層の等価的な屈折率を、第一のクラッド層５ａ，５ｂと第二のクラッド層６ａ，６ｂの中間の値に設定することができる。
【００７２】
このクラッド層の等価的な屈折率は、微細構造５ａ”，５ｂ”の単位面積当たりの凹凸の個数（密度）を変えることにより任意の値に調整可能である。これによって、第二のクラッド層６ａ，６ｂに基づくコア層４への電荷注入を抑制するとともにクラッド層の屈折率を任意に設定でき、光導波路２２の設計が容易になる。
【００７３】
図３（ｂ）では、第二のクラッド層６ａ，６ｂに微細構造６ａ”，６ｂ”が形成されている。第一の電極層７ａ，７ｂは微細構造６ａ”，６ｂ”を被覆するようにして第二のクラッド層６ａ，６ｂの表面に形成されている。微細構造６ａ”，６ｂ”の形成方法は微細構造５ａ”，５ｂ”の形成方法と同様の方法を用いることができる。
【００７４】
微細構造６ａ”，６ｂ”は、光の伝搬方向（矢印Ｘ−Ｘ方向）に等間隔又はランダムに間隔を開けて形成されている。微細構造６ａ”，６ｂ”の間隔Ｈは、光導波路３２を伝搬する光の波長程度か又はそれ以下の大きさが好ましい。
【００７５】
図３（ａ）に示す光導波路２２の構造と異なり、この図３（ｂ）に示す光導波路３２の構造のように、第二のクラッド層６ａ，６ｂに微細構造６ａ”，６ｂ”を設けることにより、第一の電極層７ａ，７ｂから第二のクラッド層６ａ，６ｂに注入される電荷量を制御することができる。
【００７６】
この微細構造６ａ”，６ｂ”によって、第二のクラッド層６ａ，６ｂの内部に均一に電荷が注入されるため、第一のクラッド層５ａ，５ｂにおいて電界の集中が発生することが抑制され、第一のクラッド層５ａ，５ｂ、第二のクラッド層６ａ，６ｂの絶縁破壊の発生を抑制することが可能である。
【００７７】
（実施例４）
実施例４は、請求項７に係る発明に対応する。図４は本発明の電気光学素子の説明図であって、電気光学材料からなる光導波路のコア層４を示す図である。この実施例４では、上記の各実施例で説明した電気光学素子１、１１、２１、３１を光偏光器として用いる場合について説明する。
【００７８】
電気光学素子を光偏向器として用いるためには、プリズム構造体４Ａをコア層４を構成する電気光学材料に形成することが有効である。具体的な電気光学材料としては、ニオブ酸リチウム結晶やタンタル酸リチウム結晶等が挙げられる。
【００７９】
コア層４は三角形状（プリズム形状）の分極反転領域４０ａを有し、分極反転領域４０ａの結晶軸の向きはその他の領域４０ｂとは逆になっている。この分極反転領域４０ａは光ビーム（導波光）Ｐの伝搬方向に規則的に配列されている。
【００８０】
分極反転領域４０ａの結晶軸の向きは、例えば図４では紙面の裏側から紙面の表側に向かう方向であり、その他の領域４０ｂの結晶軸の向きは紙面の裏側から紙面の表側に向かう方向である。
【００８１】
コア層４に一様な電圧が印加されると、分極反転領域４０ａとその他の領域４０ｂとで屈折率変化量の符号が逆転する。このため、コア層４にプリズム構造体４Ａが生成される。このプリズム構造体４Ａは、複数個のプリズムの集合からなり、コア層４の内部を伝搬する光ビームＰは各プリズムの境界において伝搬角が曲がり、電気光学素子からの出射時には光ビーム（導波光）Ｐの進行方向が電気光学素子の入射時とは異なって、すなわち、偏向されて出力される。印加電圧Ｖの大きさに対応してビーム偏向角を異なるようにすることができ、電気光学素子をビーム偏向器として利用することができる。
【００８２】
電気光学結晶の内部にこのような分極反転領域４０ａを形成するには、各種の方法が知られている。一般的には、電気光学結晶に抗電界以上の高い電界に相当する高電圧を結晶材料に印加すればよい。三角形状（プリズム形状）の分極反転領域４０ａを形成したい部分を絶縁体でマスクした状態で高電圧を印加することによって、三角形状（プリズム形状）分極反転領域４０ａを形成することができる。一般的なフォトレジストを絶縁体を用いて分極反転領域４０ａを十分に形成することが可能である。
【００８３】
プリズム型の光偏向器は印加電圧が大きいほど偏向角度が大きくなるため、電気光学素子には１００Ｖ以上の電圧が印加される可能性がある。コア層４の厚さがマイクロメートルオーダーの場合、電気光学結晶及び第一のクラッド層５ａ，５ｂ、第二のクラッド層６ａ，６ｂの材料には極めて大きな電界が形成される。
【００８４】
これに伴って、第一の電極層７ａ，７ｂからコア層４への電荷注入が発生して、電気光学素子の電気光学的特性、性能の劣化が懸念されるが、本発明に係る多層のクラッド層を形成することにより、電気光学素子に高電圧を印加する際にも電極層からコア層４への電荷注入を抑制することが可能となる。
【００８５】
（実施例５）
実施例５は、請求項１０〜１６に係る発明に対応する。図５（ａ）は、本発明の電気光学素子を利用した一例として、素子通過によって光ビームの出射方向を変化させる光ビーム偏向器２０１の構造を示している。
【００８６】
この光ビーム偏向器２０１では、電気光学結晶薄膜からなるコア層２０４の表面および裏面に、第一のクラッド層２０５ａ，２０５ｂと、第二のクラッド層２０６ａ，２０６ｂが順に積層されている。さらに、第二のクラッド層２０６ａ，２０６ｂの外側には、コア層２０４に電界を形成するための電極層２０７ａ，２０７ｂ（第一の電極層）が対面するように積層されている。このように構成されている光ビーム偏向器２０１は、双方の電極層２０７ａ、２０７ｂを通じて電圧Ｖが印加されることで、コア層２０４の膜厚方向に平行な電界が形成される。
【００８７】
図５（ｂ）は、コア層２０４の構造を示している。このコア層２０４は複数の三角形状（プリズム形状）を並べた分極反転領域２４０ａを有しており、分極反転領域２４０ａとその他の領域２４０ｂでは電気光学材料の分極軸が反転している。図５（ａ）に示す電極層２０７ａ，２０７ｂは、この分極反転領域２４０ａを覆って配置されている。
【００８８】
以上のように構成されているコア層２０４は、光ビーム偏向器２０１に電圧が印加されることによってコア層２０４の屈折率が変化し、分極反転領域２４０ａとその他の領域２４０ｂとで屈折率変化の符号が異なることから、電気光学結晶薄膜の内部に複数のプリズムが備わることと同じ効果が得られる。
【００８９】
また、図５（ａ）に示すように、光ビーム偏向器２０１の入射端面から入力された光ビームＰは、分極反転領域２４０ａによってその進行方向がコア層２０４の膜厚方向に平行な方向に変化し、光ビーム偏向器２０１の出射端面において光ビームＰが偏向して出力される。分極反転領域２４０ａの屈折率は光ビーム偏向器２０１に印加する電圧によって制御できる。したがって、光ビームＰの出力角度も素子への印加電圧によって制御できる。図５（ｂ）に示す分極反転領域２４０ａの幅Ｄが一定の場合には、光ビーム偏向器２０１の出射角θは、以下の式（４）で与えられる。
【数４】
この式（４）において、Δｎはコア層２０４の屈折率変化量、Ｄは分極反転領域２４０ａの幅、Ｌは複数の分極反転領域２４０ａの全体の長さである。式（１）に示したようにコア層２０４の屈折率変化量は光ビーム偏向器２０１への印加電圧で制御できる。
【００９０】
以下、電気光学素子の具体的な設計例を示す。ここでは電気光学材料として広く用いられているニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）をコア層の材料として採用する。ニオブ酸リチウムはマグネシウムをドープすることによって、特に短波長領域での耐光性が向上することが知られている。
【００９１】
コア層の膜厚としては５μｍ〜５０μｍ程度が好適である。その理由は２点あり、素子への光結合とコア層へ印加される電圧量を考慮して決定される。まず光ビームをコア層の膜厚方向に集光して素子に光結合を行うことから、高効率の光結合を達成するためにはコア層の膜厚は数μｍ程度以上が好ましい。また、電気光学材料の屈折率変化を誘起させるために必要な電圧はコア層の膜厚が小さいほど低電圧で済むが、式（２）から分かるようにコア層の膜厚が薄すぎると素子に印加した電圧に対して、コア層に印加される電圧量は小さくなってしまう。以上の２点のバランスをとって、コア層の膜厚としては５μｍ〜５０μｍの範囲で選ぶことが好ましい。
【００９２】
次に、第一のクラッド層の材料および膜厚を決定する。第一のクラッド層の材料は光源の波長に対して透明であり、かつコア層の屈折率より十分低いことが求められる。ここでは一般的なガラス材料であるＳｉＯ２を第一のクラッド層の材料として採用する。第一のクラッド層の膜厚は、導波路の伝搬光を閉じ込めるのに十分な範囲でできる限り薄くすることが好ましい。この理由として、クラッド層の膜厚が厚くなるほど、素子への印加電圧に対してコア層に印加される電圧量が低減することによる。
【００９３】
図６は、コア層の膜厚（コア厚）を変化させたときにコア層に印加される電圧を素子への印加電圧で規格化して示したものである。この図６では、第一のクラッド層の膜厚をパラメータとしている。コア層の膜厚が等しくても、第一のクラッド層の膜厚を薄くするほどコア層に印加される電圧量を増やすことができることがわかる。ただし、第一のクラッド層の膜厚を薄くしすぎると、光導波路を伝搬する光のクラッド層への染み出しがクラッド領域で十分減衰しないため、伝搬損失につながる。このため、第一のクラッド層はある程度以上の膜厚が必要である。光導波モード伝搬のシミュレーションの結果、ニオブ酸リチウムをコア層の材料とした場合、ＳｉＯ２からなる第一のクラッド層の膜厚を２００ｎｍ以上にすれば、光導波路内を伝搬する光はほぼ損失なしで導波することが分かった。したがって、第一のクラッドの膜厚を２００ｎｍと決定した。
【００９４】
次に、第二のクラッド層の材料および膜厚を決定する。第二のクラッド層の材料としては高誘電率を有する材料が好ましく、ここでは比誘電率が約２５のＴａ２Ｏ５を採用する。第二のクラッド層は電圧印加によって生じるコア層への電荷注入を抑制するために存在し、その膜厚を厚くするほど電荷注入の抑制効果を高めることができる。ただし第二のクラッド層の膜厚を厚くしすぎると、素子への印加電圧に対してコア層に印加される電圧量が低減するため、電荷注入抑制効果とコア層への印加電圧のバランスをとって適当な膜厚を選択する必要がある。
【００９５】
図７は、コア層の膜厚（コア厚）を変化させたときにコア層に印加される電圧を素子への印加電圧で規格化して示したものである。ここでは第一のクラッド層の材料をＳｉＯ２、その膜厚を２００ｎｍと設定し、第二のクラッド層の膜厚をパラメータとしている。コア層の膜厚が等しくても、第二のクラッド層の膜厚を薄くするほどコア層に印加される電圧量を増やすことができることがわかる。実際に素子を製作して評価したところ、第二のクラッド層の膜厚を１μｍ以上にすると電荷注入の抑制に効果があることが分かった。
【００９６】
図８は、図５に示した光ビーム偏向器２０１の偏向性能の一例を上述の設計手順により、コア層２０４として膜厚２０μｍのニオブ酸リチウム、第一のクラッド層２０５ａ，２０５ｂとして膜厚０．２μｍのＳｉＯ２、第二のクラッド層２０６ａ，２０６ｂとして膜厚１．０μｍのＴａ２Ｏ５を採用した。
【００９７】
また、図５（ｂ）に示したプリズム状の分極反転領域２４０ａの寸法として、分極反転領域２４０ａの幅を１．０ｍｍ、複数の分極反転領域２４０ａの全体の長さを２０ｍｍとした。素子への印加電圧と素子出力光ビームの偏向角との関係より、±３００Ｖの印加電圧により全角で８°以上の光ビーム偏向が可能である。
【００９８】
本発明の特徴は、電気光学素子において第二のクラッド層で電荷をブロックすることにより、電圧印加時にコア層へ電荷が注入することを抑制することである。そのため、電極層を構成する材料については原理的には導電性を有していれば、いかなる材料でも適用可能である。しかしながら、電極材料とコア層となる電気光学材料との仕事関数の大小関係によって電荷注入量が異なってくることが一般的に知られており、本発明においても適切な電極材料を選択することで電荷注入の抑制効果をさらに高めることができる。
【００９９】
具体的にはニオブ酸リチウムをコア層に用いた場合、注入電荷が電子である場合にはＮｉやＰｔなど仕事関数がニオブ酸リチウムより大きな材料が好ましく、逆に注入電荷が正孔である場合にはＣｒやＴｉなど、仕事関数がニオブ酸リチウムより小さな材料が好ましい。また、上記の素子構造の具体例では第ニのクラッド層の材料として透明無機材料であるＴａ２Ｏ５を採用したが、より耐電圧性の高いポリマー材料を第二のクラッド層として適用してもよい。具体的には永久レジストとして知られるＭｉｃｒｏＣｈｅｍ 社のＳＵ−８等が好適である。
【０１００】
図９は、本発明の効果を実験によって確認した結果である。電気光学素子に直流電圧を印加する前後での素子出射光のビームプロファイルを観察したところ、クラッド層として膜厚２００ｎｍのＳｉＯ２のみを装荷した従来の電気光学素子は、図９（ａ）に示すように、電圧を印加した直後に光ビームの幅が３倍以上広がる。
【０１０１】
これに対して、第ニのクラッド層に厚さ１．５μｍのＴａ２Ｏ５を採用した本発明の電気光学素子は、図９（ｂ）に示すように直流電圧を印加した場合でも電圧印加前の光ビームプロファイルをほぼ保持できている。このとき素子に流れる電流量を測定した結果、従来の素子では１０００ｐＡ／ｍｍ２の電流が流れていたのに対し、本発明の素子では１０ｐＡ／ｍｍ２以下の電流量であった。電荷注入量と素子電流はほぼ線形の関係にあり、この結果は本発明により電圧印加による電荷注入を従来の１／１００以下に抑制できたことを示唆している。
【０１０２】
以上、本発明の電気光学素子に係る実施例を例示したが、これらの実施例は本発明の内容を限定するものではない。また、本発明の請求項の範囲を逸脱しない範囲であれば、各種の変更等は可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
以上説明したように本発明の電気光学素子では、コア層となる電気光学材料に電荷が注入されるのを抑制し、電気光学素子の内部を伝搬する光ビームのビーム形状の歪みを防止することができる。したがって、本発明の電気光学素子は、電気光学素子の技術分野で十分に利用することができる。
【符号の説明】
【０１０４】
１ 電気光学素子
２ 光導波路
４ コア層
４ｄｃｏ 膜厚
５ａ，５ｂ 第一のクラッド層
５ｄｃｌ 膜厚
６ａ，６ｂ 第二のクラッド層
６ｄｃｌ 膜厚
７ａ，７ｂ 第一の電極層
８ａ，８ｂ 第二の電極層
１１ 電気光学素子
１２ 光導波路
２１ 電気光学素子
２２ 光導波路
３１ 電気光学素子
３２ 光導波路
４０ａ 分極反転領域
２０１ 光ビーム偏向器
２０４ コア層
２０５ａ，２０５ｂ 第一のクラッド層
２０６ａ，２０６ｂ 第二のクラッド層
２０７ａ，２０７ｂ 第一の電極層
２４０ａ 分極反転領域
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１０５】
【特許文献１】特開２００９−０８０３７８号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学材料薄膜をコア層とし、前記コア層から順に誘電体クラッド層と電極層とを積層して構成される光導波路からなる電気光学素子であって、
前記誘電体クラッド層が第一のクラッド層と第二のクラッド層からなり、前記第二のクラッド層の誘電率が前記第一のクラッド層の誘電率より大きく、かつ前記第二のクラッド層の膜厚が前記第一のクラッド層の膜厚より厚いことを特徴とする電気光学素子。
【請求項２】
請求項１に記載の電気光学素子において、
前記第一のクラッド層の膜厚が前記電気光学素子を伝搬する光の波長より小さいことを特徴とする電気光学素子。
【請求項３】
請求項１に記載の電気光学素子において、
前記第二のクラッド層の屈折率が前記コア層の屈折率より大きいことを特徴とする電気光学素子。
【請求項４】
請求項３に記載の電気光学素子において、
前記第二のクラッド層の光透過率が前記第一のクラッド層の光透過率より低いことを特徴とする電気光学素子。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電気光学素子において、
前記電極層が少なくとも２種類以上の金属薄膜からなることを特徴とする電気光学素子。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の電気光学素子において、
前記第一のクラッド層または前記第二のクラッド層の少なくとも一方が微細構造を有することを特徴とする電気光学素子。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の電気光学素子において、
前記コア層が分極反転領域を有することを特徴とする電気光学素子。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の電気光学素子において、
前記コア層の材料が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸バリウム、ＫＴＮ、ＳＴＯ、ＢＴＯ、ＳＢＮ、ＫＴＮ、ＰＬＺＴ、ＰＺＴ、ＤＡＳＴのいずれかを含むことを特徴とする電気光学素子。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の電気光学素子において、
前記第二のクラッド層の材料が、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸バリウム、ＫＴＮ、ＳＴＯ、ＢＴＯ、ＳＢＮ、ＫＴＮ、ＰＬＺＴ、ＰＺＴ、ＤＡＳＴのいずれかを含むことを特徴とする電気光学素子。
【請求項１０】
請求項７〜請求項９のいずれか１項に記載の電気光学素子において、
前記コア層が分極反転領域を有する場合には、その分極反転領域の形状が少なくとも一つ以上のプリズム形状を順次並べた構造を有し、
前記電極層は、前記コア層と前記誘電体クラッド層の外側に互いに対面して配置され、前記電極層に電圧を印加することによって、前記分極反転領域を伝搬した光ビームが前記電気光学素子出射端において偏向して出射されることを特徴とする電気光学素子。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電気光学素子において、
前記コア層が、ニオブ酸リチウム結晶あるいはマグネシウムをドープしたニオブ酸リチウム結晶からなり、前記コア層の膜厚が５μｍ〜１００μｍの範囲にあり、前記プリズム形状の分極反転領域の幅が０．５ｍｍ〜３ｍｍの範囲であることを特徴とする電気光学素子。
【請求項１２】
請求項１０または請求項１１に記載の電気光学素子において、
前記第一のクラッド層の材料がＳｉＯ２からなり、前記第一のクラッド層の厚さが０．２μｍ〜０．４μｍの範囲にあることを特徴とする電気光学素子。
【請求項１３】
請求項１０〜請求項１２のいずれか１項に記載の電気光学素子において、
前記第二のクラッド層の材料がＴａ２Ｏ５からなり、前記第二のクラッド層の厚さが１μｍ以上であることを特徴とする電気光学素子。
【請求項１４】
請求項１０〜請求項１３のいずれか１項に記載の電気光学素子において、
前記電極層がＴｉ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ａｕのいずれかの材料からなり、前記電極層の厚さが０．０５μｍ〜１μｍの範囲であることを特徴とする電気光学素子。
【請求項１５】
請求項１０〜請求項１４のいずれか１項に記載の電気光学素子において、
前記第二のクラッド層がポリマー材料薄膜からなることを特徴とする電気光学素子。
【請求項１６】
請求項１０〜請求項１５のいずれか１項に記載の電気光学素子において、
前記コア層に１０ｋＶ／ｍｍの電界が印加されたときに前記電気光学素子に流れる電流密度が１０ｐＡ／ｍｍ２以下であることを特徴とする電気光学素子。
【請求項１】
電気光学材料薄膜をコア層とし、前記コア層から順に誘電体クラッド層と電極層とを積層して構成される光導波路からなる電気光学素子であって、
前記誘電体クラッド層が第一のクラッド層と第二のクラッド層からなり、前記第二のクラッド層の誘電率が前記第一のクラッド層の誘電率より大きく、かつ前記第二のクラッド層の膜厚が前記第一のクラッド層の膜厚より厚いことを特徴とする電気光学素子。
【請求項２】
請求項１に記載の電気光学素子において、
前記第一のクラッド層の膜厚が前記電気光学素子を伝搬する光の波長より小さいことを特徴とする電気光学素子。
【請求項３】
請求項１に記載の電気光学素子において、
前記第二のクラッド層の屈折率が前記コア層の屈折率より大きいことを特徴とする電気光学素子。
【請求項４】
請求項３に記載の電気光学素子において、
前記第二のクラッド層の光透過率が前記第一のクラッド層の光透過率より低いことを特徴とする電気光学素子。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電気光学素子において、
前記電極層が少なくとも２種類以上の金属薄膜からなることを特徴とする電気光学素子。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の電気光学素子において、
前記第一のクラッド層または前記第二のクラッド層の少なくとも一方が微細構造を有することを特徴とする電気光学素子。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の電気光学素子において、
前記コア層が分極反転領域を有することを特徴とする電気光学素子。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の電気光学素子において、
前記コア層の材料が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸バリウム、ＫＴＮ、ＳＴＯ、ＢＴＯ、ＳＢＮ、ＫＴＮ、ＰＬＺＴ、ＰＺＴ、ＤＡＳＴのいずれかを含むことを特徴とする電気光学素子。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の電気光学素子において、
前記第二のクラッド層の材料が、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸バリウム、ＫＴＮ、ＳＴＯ、ＢＴＯ、ＳＢＮ、ＫＴＮ、ＰＬＺＴ、ＰＺＴ、ＤＡＳＴのいずれかを含むことを特徴とする電気光学素子。
【請求項１０】
請求項７〜請求項９のいずれか１項に記載の電気光学素子において、
前記コア層が分極反転領域を有する場合には、その分極反転領域の形状が少なくとも一つ以上のプリズム形状を順次並べた構造を有し、
前記電極層は、前記コア層と前記誘電体クラッド層の外側に互いに対面して配置され、前記電極層に電圧を印加することによって、前記分極反転領域を伝搬した光ビームが前記電気光学素子出射端において偏向して出射されることを特徴とする電気光学素子。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電気光学素子において、
前記コア層が、ニオブ酸リチウム結晶あるいはマグネシウムをドープしたニオブ酸リチウム結晶からなり、前記コア層の膜厚が５μｍ〜１００μｍの範囲にあり、前記プリズム形状の分極反転領域の幅が０．５ｍｍ〜３ｍｍの範囲であることを特徴とする電気光学素子。
【請求項１２】
請求項１０または請求項１１に記載の電気光学素子において、
前記第一のクラッド層の材料がＳｉＯ２からなり、前記第一のクラッド層の厚さが０．２μｍ〜０．４μｍの範囲にあることを特徴とする電気光学素子。
【請求項１３】
請求項１０〜請求項１２のいずれか１項に記載の電気光学素子において、
前記第二のクラッド層の材料がＴａ２Ｏ５からなり、前記第二のクラッド層の厚さが１μｍ以上であることを特徴とする電気光学素子。
【請求項１４】
請求項１０〜請求項１３のいずれか１項に記載の電気光学素子において、
前記電極層がＴｉ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ａｕのいずれかの材料からなり、前記電極層の厚さが０．０５μｍ〜１μｍの範囲であることを特徴とする電気光学素子。
【請求項１５】
請求項１０〜請求項１４のいずれか１項に記載の電気光学素子において、
前記第二のクラッド層がポリマー材料薄膜からなることを特徴とする電気光学素子。
【請求項１６】
請求項１０〜請求項１５のいずれか１項に記載の電気光学素子において、
前記コア層に１０ｋＶ／ｍｍの電界が印加されたときに前記電気光学素子に流れる電流密度が１０ｐＡ／ｍｍ２以下であることを特徴とする電気光学素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１５９５８４（Ｐ２０１２−１５９５８４Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７８２１（Ｐ２０１１−１７８２１）
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]