电光元件的制作方法

电光元件的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种电光元件，其通过由无机化合物构成的芯层、由以夹住该芯层的方式层叠的电介质材料构成的第1包层及第2包层来构成光波导，以夹住所述芯层、所述第1包层及所述第2包层的方式形成第1电极层及第2电极层而成，其中，所述第1包层及所述第2包层中的至少一层含有具有电光效应的有机电介质材料，所述第1包层及所述第2包层的折射率低于所述芯层的折射率。
【专利说明】
电光元件
技术领域
[0001] 本发明设及一种电光元件，更详细而言，设及一种适合用于使用光纤的长距离光 通信的电光元件。
[0002] 本申请主张基于2013年12月11日于日本申请的日本专利2013-256545号的优选 权，并将其内容援用于此。
【背景技术】
[0003] 近年来，随着高速且大容量的光纤通信系统的进步，W外部调制器为代表，使用波 导型光学元件的光调制器已实现实用化并逐渐被广泛使用。
[0004] 作为运种光调制器，提出使用具有电光效应的妮酸裡化iNb〇3,有时简称为LN)及 粗酸裡化iTa〇3)等非线性光学金属氧化物的光调制器，并走向实用化（专利文献1)。并且， 还提出使用非线性光学活性聚合物的光调制器(专利文献2)。
[0005] 现有技术文献
[0006] 专利文献
[0007] 专利文献1:日本专利公开2000-056282号公报 [000引专利文献2:日本专利公开2009-98195号公报
[0009] 非专利文献
[0010] 非专利文献1:山本等的使用低电阻率聚合物包层的电光聚合物波导的评价，第59 回应用物理学相关联合演讲会，演讲预稿集18a-GP4-l 2012年

【发明内容】

[0011] 发明要解决的技术课题
[0012]然而，W往使用妮酸裡(Li师〇3)等非线性光学金属氧化物的光调制器中，虽然能 够进行高速调制，但非线性光学金属氧化物的电光系数较小，而且折射率分散、介电常数分 散较大，因此存在频率超过10G化的高频区域不能进行高速调制的问题。
[0013] 并且，由于该非线性光学金属氧化物为单晶，因此存在难W实现光调制器的薄膜 化、集成化及微细化的问题。
[0014] 另一方面，使用非线性光学活性聚合物的光波导元件其折射率分散、介电常数分 散较小而高频区域的调制动作比较容易。W往，使用非线性光学活性聚合物的光波导元件 中，在光电场强度高的光波导忍部分使用了非线性光学活性聚合物。若要作为光波导发挥 功能，则作为包层部分的材料必须选择折射率小于忍部分材料的材料，而且需要选择光的 吸收或散射小的材料。并且，对于该构成，若要使非线性光学活性聚合物有效地显现电光效 应，则需要选择包层部分的电阻值更小的材料(非专利文献1)。因此，由于具有高性能的非 线性光学活性聚合物的电阻率较低，因此包层材料的种类极为有限。虽然也使用通过添加 杂质来能够调整电阻值的溶胶凝胶类材料等，但存在由溶胶凝胶材料膜的形成所必要的热 处理导致非线性光学活性聚合物的劣化及难W获得膜的光学特性或电特性的再现性的问 题。
[0015] 本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供一种即使在频率超过 10G化的高频区域也能够进行高速调制，而且能够实现集成化、微细化及低功耗化的电光元 件。
[0016] 用于解决技术课题的手段
[0017] 本发明人等，为了解决上述课题进行深入研究的结果发现如下情况，即针对通过 由无机化合物构成的忍层、由W夹住该忍层的方式层叠的电介质材料构成的第1包层及第2 包层来构成光波导，并且W夹住所述忍层、所述第1包层及所述第2包层的方式形成第1电极 层及第2电极层而成的电光元件，若将第1包层及第2包层中的至少一层设定为含有具有电 光效应的有机电介质材料的层，并且使该第1包层及第2包层的折射率低于忍层的折射率， 则该包层中包含的有机电介质材料的电光系数较大且折射率分散及介电常数分散较小，因 此即使在频率超过10G化的高频区域也能够进行高速调制，从而完成了本发明。
[0018] 目P，本发明的电光元件，其通过由无机化合物构成的忍层、由W夹住该忍层的方式 层叠的电介质材料构成的第1包层及第2包层来构成光波导，并且W夹住所述忍层、所述第1 包层及所述第2包层的方式形成第1电极层及第2电极层而成，其中，所述第1包层及所述第2 包层中的至少一层含有具有电光效应的有机电介质材料，所述第1包层及所述第2包层的折 射率低于所述忍层的折射率。
[0019] 所述第1包层及所述第2包层的膜厚优选厚于所述忍层的膜厚。
[0020] 所述无机化合物优选含有选自氧化铁、氮化娃、氧化妮、氧化粗、氧化给、氧化侣、 娃、金刚石、妮酸裡、粗酸裡、妮酸钟、铁酸领、KTN、ST0、BT0、SBN、KTP、PLZT及PZT的组中的1 种或2种W上。
[0021] 所述第1电极层及所述第2电极层优选含有选自金、银、铜、销、钉、锭、钮、饿、银及 侣的组中的1种或巧巾W上。
[0022] 所述有机电介质材料优选为非线性光学有机化合物。
[0023] 优选所述第1电极层及所述第2电极层中的一层为带状，并且通过对运些第1电极 层及第2电极层之间施加电压，W微带型电极或堆叠对型电极对所述光波导施加电场，W控 制在所述光波导中传播的光的相位及模式形状中的任一方或双方。而且设置屏蔽状的第3 电极，并可作为带状线路（S化ip line)状，也可作为屏蔽微带线路（Shield micr Strip line)状或屏蔽状堆叠对线路(Shield Stacked Pair line)状。
[0024] 优选所述第1电极层及所述第2电极层中的任一层为共面状，并且通过对运些第1 电极层及第2电极层之间施加电压，WG-WW型电极对所述光波导施加电场，W控制在所述 光波导中传播的光的相位及模式形状中的任一方或双方。
[00巧]发明效果
[0026] 根据本发明的电光元件，由于将第1包层及第2包层中的至少一层设定为含有具有 电光效应的有机电介质材料，并且使运些第1包层及第2包层的折射率低于忍层的折射率， 因此该包层中包含的有机电介质材料的电光系数减小且折射率分散、介电常数分散也增 大，从而即使在频率超过10G化的高频区域也能够进行高速调制。
[0027] 并且，由于第1包层及第2包层中的至少一层含有具有电光效应的有机电介质材 料，因此该有机电介质材料能够适应于进一步的集成化及微细化，因此，能够谋求电光元件 的集成化、微细化及低功耗化。
【附图说明】
[0028] 图1是表示本发明的第1实施方式的电光元件的俯视图。
[0029] 图視沿图1的A-A线的剖视图。
[0030] 图3是表示本发明的第1实施方式的电光元件的光波导结构(作用部）的变形例的 剖视图。
[0031] 图4是表示本发明的第1实施方式的电光元件的光波导结构(作用部）的变形例的 剖视图。
[0032] 图5是表示本发明的第2实施方式的电光元件的结构的剖视图。
[0033] 图6是表示本发明的第2实施方式的电光元件的电极结构的变形例的剖视图。
[0034] 图7是表示本发明的第2实施方式的电光元件的光波导结构(作用部）的变形例的 剖视图。
[0035] 图8是表示本发明的第2实施方式的电光元件的电极结构的变形例的剖视图。
[0036] 图9是表示本发明的第2实施方式的电光元件的光波导结构(作用部）的变形例的 剖视图。
[0037] 图10是表示本发明的第3实施方式的电光元件的平行平板电极型的例子的剖视 图。
【具体实施方式】
[0038] 根据附图对本发明的电光元件的实施方式进行说明。
[0039] 另外，该方式是为了更好地理解发明精神而进行的具体说明，若无特别指定，则并 不限定本发明。例如，从改善材料之间的紧贴性或防止材料之间的反应/变质等制造工序上 的理由方面考虑，可在忍与包层之间或包层与电极材料之间夹入薄的膜体。并且各层可由 薄的膜体构成的复合材料构成。
[0040] [第1实施方式]
[0041] 图1是表示本发明的第1实施方式的电光元件的俯视图，图2是沿图1的A-A线的剖 视图，使用具备微带型电极的MM1-MZ光开关下，简称为光开关)说明第1实施方式的电光 元件。
[0042] 该光开关1为由具备微带型电极的薄膜构成的光开关，由入射侧的光波导（入射 侦U)2;与该光波导(入射侧)2的出射端光连接的光分路部3;与该光分路部3的出射端光连接 的一对光波导(作用部)4、5;分别在运些光波导(作用部)4、5上独立设置的电极6、7;与运些 光波导（作用部)4、5的出射端光连接的光分路合波部8;及与该光分路合波部8的出射侧光 连接的一对光输出用光波导（出射侧)9、10构成。
[0043] 如图2所示，第1实施方式的电光元件，通过由无机化合物构成的忍层11、由W夹住 该忍层11的方式层叠的电介质材料构成的（第1)包层12及(第2)包层13来构成光波导结构 部14,并且W夹住运些忍层11、包层12及包层13的方式形成微带线路的（第1)电极层15及由 平面电极构成的(第2)电极层16。
[0044] 忍层11为通过朝向电极层15的方向带状扩大光波导区域11a的膜厚而使其厚于光 波导区域llaW外的区域即非光波导区域Ub的膜厚的薄膜。忍层11含有无机化合物例如选 自氧化铁（Ti〇2)、氮化娃（Si3N4)、氧化妮（师2〇5)、氧化粗（Ta2〇5)、氧化给化f〇2)、氧化侣 (A12〇3)、娃（Si)、金刚石（C)、妮酸裡化iNb〇3)、粗酸裡化iTa〇3)、妮酸钟化师〇3)、铁酸领 (8曰1'1〇3)、10'^1((化、师1-〇〇3)、铁酸锁（5巧1〇3:51'0)、铁酸祕（8。21'1〇2〇:81'0)、58則5。8曰1- X抓2〇3)、KTP (KTiOP〇4)、PLZT (Pbi-xLax(ZryTi i-y) i-x/4〇3)及PZT (Pb (ZrxTi 1-X) i-x/4〇3)的组中的 1种或2种W上。
[0045] 运些无机化合物中，考虑到电光系数及折射率分散、介电常数分散，优选氧化铁 (Ti〇2)、五氧化妮(Ta2〇5)及五氧化粗化2〇5)等或将它们作为固溶材料来包含的材料。并且， 当忍层11的材料中使用妮酸裡化iNb化)及粗酸裡化i Ta〇3)等具有电光效应的材料时，使忍 部分材料的电光效应与包层部分材料的电光效应协作而能够进一步提高元件的效率或功 能。
[0046] 包层12、13为从膜厚方向的两侧夹住忍层11的薄膜，运些包层12、13中的至少一层 含有具有电光效应的有机电介质材料。
[0047] 另外，为了更有效地显现电光效应，优选包层12、13均含有具有电光效应的有机电 介质材料。
[0048] 作为具有该电光效应的有机电介质材料优选为非线性光学有机化合物，作为该非 线性光学有机化合物优选下面举出的非线性光学有机化合物(1)及(2)。
[0049] 非线性光学有机化合物(1):
[0050] W下述化学式(1)来表示的含有巧喃环基的有机化合物。
[005U [化学式。
[0化2]
[0053] (式中，Ri及R2为相互独立的基团且各基团为氨原子、碳原子数1~5的烷基、碳原子 数1~5的面烷基及碳原子数6~10的芳基中的任一种，X为与其他有机化合物的连接键。）
[0054] 作为由式（1)表示的含有巧喃环基的有机化合物，可举出W下述的化学式(2)来表 示的非线性光学有机化合物。
[0055] [化学式2]
[0化6]
[0057](式中，R3及R4相互独立且为氨原子、可具有取代基的碳原子数1~10的烷基及可具 有取代基的碳原子数6~10的芳基中的任一种，R5~R8相互独立且为氨原子、碳原子数1~10 的烷基或径基、碳原子数1~10的烷氧基、碳原子数2~11的烷基幾氧基、碳原子数4~10的 芳氧基、碳原子数5~11的芳基幾氧基、具有碳原子数1~6的烷基及苯基的甲娃烷氧基、具 有碳原子数1~6的烷基或苯基的甲娃烷氧基及面原子中的任一种，Ari为二价芳香族基。） [005引在此，作为二价芳香族基Ari，优选W下述的化学式(3)或(4)来表示的二价芳香族 基。
[0059][化学式3]
[0063] (式（3)或式(4)中，R9~RM相互独立且为氨原子、可具有取代基的碳原子数1~10 的烷基及可具有取代基的碳原子数6~10的芳基中的任一种。
[0064] 非线性光学有机化合物(2):
[0065] 包含W下述的化学式(5)来表示的重复单元的非线性光学活性聚合物。
[0066] [化学式5]
[0067]
[006引（式中，Ris为氨原子或甲基，L为碳原子数1~30的二价控基，Z为显现非线性光学活 性的原子团。）
[0069] 该二价控基可含有酸基、醋基及酷胺基等。
[0070] 作为显现该非线性光学活性的原子团Z，可举出W下述的化学式(6)来表示的具有 巧喃环基的原子团。
[0071] [化学式6]
[0072]
[0073] (式中，Ris及RU相互独立且为氨原子、碳原子数1~5的烷基、碳原子数1~5的面烧 基及碳原子数6~10的芳基中的任一种，Y为连接键）
[0074] 并且，作为显现该非线性光学活性的原子团Z，可举出从W下述的化学式(7)来表 示的有机化合物衍生的原子团。
[0075] [化学式7]
[0076]
[0077] (式中，Ris及RW相互独立且为氨原子、可具有取代基的碳原子数1~10的烷基及可 具有取代基的碳原子数6~10的芳基中的任一种，RW~R23相互独立且为氨原子、碳原子数1 ~10的烷基、径基、碳原子数1~10的烷氧基、碳原子数2~11的烷基幾氧基、碳原子数4~10 的芳氧基、碳原子数5~11的芳基幾氧基、具有碳原子数1~6的烷基及苯基的甲娃烷氧基、 具有碳原子数1~6的烷基或苯基的甲娃烷氧基及面原子中的任一种，Ar2为二价芳香族 基。）
[0078] 作为上述取代基可W是可与异氯酸醋基反应的基团。
[0079] 在此，作为二价芳香族基Ar2优选W下述的化学式(8)或(9)来表示的二价芳香族 基。
[0080] [化学式引
[0081]
[0082][化学式9]
[0083]
[0084] (式(8)或式(9)中，R24~R2哺互独立且为氨原子、可具有取代基的碳原子数1~10 的烷基及可具有取代基的碳原子数6~10的芳基中的任一种。）
[0085] 作为上述取代基可W是可与异氯酸醋基反应的基团。
[0086] 该光波导结构部14中，包层12、13的折射率低于忍层11的光波导区域11a的折射 率。
[0087] 例如，忍层11中使用氧化铁(Ti〇2;折射率n = 2.2)，包层12、13中使用W上述的化 学式(2)及(3)来表示的非线性光学活性聚合物(折射率n = l.61)等。
[0088] 该光波导结构部14中，包层12、13的膜厚厚于忍层11的光波导区域11a的膜厚。
[0089] 例如，当忍层11中使用氧化铁(Ti〇2;折射率n = 2.2)，包层12、13中使用W上述的 化学式(2)及(3)来表示的非线性光学活性聚合物(折射率n = l.61)，忍层11的光波导区域 11a的膜厚设定为0.1~0.5μηι，包层12、13的膜厚设定为化111~扣1]1的范围时，在通信波段中， 能够兼顾光的单一模式下的传播及对向由非线性光学活性聚合物构成的包层渗出的光电 场的电极之间的高电场的有效施加。
[0090] 该光波导结构部14中，包层12、13中的至少一层含有非线性光学有机化合物，因此 对包含该非线性光学有机化合物的包层12(13),?其非线性光学有机化合物的玻璃化转变 溫度Tg附近的溫度来施加电场，并在该包层12(13)内对非线性光学有机化合物中的有机分 子进行取向（轮询），由此能够在该非线性光学有机化合物中附加电光效应化0效应）。
[0091] 若要在该非线性光学有机化合物中附加高的电光系数化0系数），除了需要依赖于 该非线性光学有机化合物的种类之外，通常，需要对该包层12( 13) W非线性光学有机化合 物的玻璃化转变溫度Tg附近的溫度来施加 SOVAxmW上优选SOVAxmW上的高电场的处理(轮 询处理）。
[0092] 由此，包层12(13)显现电光效应(普克尔斯效应），并且成为具有电光系数化0系 数)的层。
[0093] 该光波导结构部14中，从轮询处理效率的一般的观点考虑，包层12(13)的玻璃化 转变溫度Tg附近的溫度下的电阻率优选高于忍层11的电阻率，更优选W电阻率换算计高出 一位W上。
[0094] 在此，对于Tg附近的溫度上的忍层11的电阻率优选上述条件的理由是因为，在使 包层显现电光效应而进行轮询处理时，能够对由非线性光学活性聚合物构成的包层部有效 地施加电场。轮询处理中施加的电压为直流或低频信号，由忍层11及包层12(13)构成的电 路可视为电阻器的串联电路，对各部施加的电压是W各部的电阻值即各部的电阻率与膜厚 的乘积的平衡来确定。当包层12(13)的电阻率高于忍层11部的电阻率时，施加在包层部的 电压相对变高，因此包层部中电场效率变高，能够有效地进行轮询处理。
[00M]相反，若Tg附近的溫度上的忍层11的电阻率高于由非线性光学活性聚合物构成的 包层12(13)部分的电阻率，则施加在忍层11的电压相对变大，施加在包层12(13)的电压相 对变小。即，轮询处理时，不容易对非线性光学活性聚合物部有效地施加轮询电场，因此轮 询处理所必要的电压变高。但是，若在轮询处理时施加高电压，则由放电或介电击穿导致的 元件击穿的危险性变高。
[0096] 于此相比，本实施方式所设及的光波导结构部14的结构中，忍层11的厚度较薄，因 此即使在包层12(13)的玻璃化转变溫度Tg附近的溫度下的电阻率低于忍层11的电阻率时， 施加在忍层11的电压也会相对变小。因此，对包层12(13)也施加有足够的电压，所W用低的 电压也能够进行轮询处理。
[0097] 另外，对于元件的使用溫度，若包层12、13中的至少一层的电阻率为与半导体相同 程度或其W下（IX 105QmW下），则不能忽略材料中由载波移动等引起的高频信号的损耗 及光的损耗，因此不是优选的材料选择。对于忍层11也相同。
[0098] 当运些包层12、13中的一层含有具有电光效应的有机电介质材料时，另一层可含 有由溶胶凝胶构成的电介质材料。
[0099] 作为由该溶胶凝胶构成的电介质材料，可举出Si化类材料及为了调整导电性或折 射率而添加了 Zr或T i等的S i化类材料等。
[0100] 实用上电极层15、16优选使用含有高频时具有良好的导电性的材料例如含有选自 金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、销(Pt)、钉(Ru)、锭(加）、钮(Pd)、饿(Os)、银（Ir)及侣(A1)的组中 的1种或巧巾W上的材料。
[0101] 只要导电性良好，电极层15、16的材料并不限定于金属。虽然元件的使用溫度有所 限制，但可使用超导材料。若要提高施加于光波导结构部14的高频信号的电场，则使包层12 (13)变薄W缩小电极6与电极7的间隔较有效，但在光波导结构部14中传播的光的损耗会随 之增加。作为减少光损耗的方法，也可在电极层15或电极层16中使用兼备小的光吸收损耗 及良好导电性的导电性材料即所谓的透明电极。作为运种导电性材料优选由氧化铜锡 (Indium Tin Oxide: IT0)、氧化锡錬(Antimony Tin 0xide:AT0)及氧化锡(Sn〇2)等构成的 透明电极。
[0102] 当为本发明的元件结构时，关于相对于高频信号的向忍层11与包层12(13)的电压 的分配，可视为将各个层视为电容器的电容器串联电路。施加于各层的电压的分配根据各 电容器的容量即各层的介电常数与膜厚之比来确定。忍层11比包层12(13)介电常数大且膜 厚薄，因此作为电容器容量较大。因此，分配于忍层11的高频信号的电压的分配相对较小， 大部分电压施加在包层部分。本结构的元件中，利用由非线性光学活性聚合物构成的包层 12(13)部分的折射率根据来自高频信号的外部电场发生变化而进行动作的原理，因此有利 于提高包层12(13)部分的电压。
[0103] 运些电极层15、16的膜厚优选为0.05皿W上且50μπι，更优选为0.3ymW上且20皿W 下。
[0104] 在此，若运些电极层15、16的膜厚小于0.05皿，则对于高频信号由集肤电阻导致高 频信号的衰减较大，因此不优选。另一方面，若电极层15、16的膜厚超过20μπι，则高频信号的 损耗将会降低，但因忍层与包层的线膨胀系数的差导致的应力/变形，成为引起电极的剥 离、忍或包层的折射率的变化及光波导的实效光学路径长度的变化的原因，因此不优选。
[0105] 若要确保良好的电场效率，电极层15的宽度比忍层11的带状的光波导区域11a的 宽度宽即可。并且，若要确保元件良好的高频响应性，关于光波导区域11a的宽度，需要考虑 忍层及包层的介电常数及厚度来设计电极宽度及高度w便成为作为高频线路适合的特性 阻抗。
[0106] 对于该光开关1，可通过对电极层15、16之间施加电压，作为微带型电极对光波导4 施加电场，W控制在该光波导(作用部)4中传播的光的相位及模式形状(光电场分布）中的 任一方或双方。当电压较低时，模式形状的变化小到可W忽略不计，实际上可视为只有相位 发生变化。当电压较高时，光的相位和模式形状均发生变化。该现象是由忍及包层中所使用 的材料的电光效应引起的，在直流至太赫兹频带高频的宽频率范围内发挥功能。
[0107] 首先，若在光波导（入射侧)2入射入射光，则该入射光通过光分路部3分为两个方 向的光，运些分路后的光入射于光波导(作用部)4及光波导(作用部)5。光波导(作用部)4及 光波导（作用部)5中，传播的光的电场分布并不只留在忍层11的光波导区域11a的内部，还 向包层12、13渗出光。即，在忍层11的光波导区域11a部中传播的光的模式的有效折射率或 光的电场分布是W忍层11的折射率或厚度、光波导区域11a的折射率或大小形状及包层12、 13的折射率等来确定。即使各部的厚度或形状没有发生变化，只要通过外部电场的施加而 任意部位的折射率发生变化，在光波导区域11a传播的光的模式的有效折射率或光的电场 分布则发生变化。
[0108] 在此，当只在光波导（作用部)4施加电压而在光波导（作用部)5没有施加电压时， 光波导（作用部)4的忍层11的光波导区域11a的有效折射率相应于所施加的电压的大小及 极性发生变化。因此，若光传播在具有该变化后的折射率的光波导区域11a，则在该光波导 区域11a传播的光的相位提前或延迟。提前还是延迟是W所施加的电压的极性来确定，光的 相位的变化量是W电压的强度来确定。即，通过控制电压的强度及极性，能够将光的相位变 化量自如地改变。
[0109] 另一方面，由于光波导（作用部）5中没有施加电压，因此光波导（作用部）5的忍层 的光波导区域的折射率不会变高而维持与施加前相同的折射率。因此，即使光传播在光波 导区域，在该光波导区域传播的光的相位不会发生变化。
[0110] 若控制施加于光波导(作用部)4的电压而将相位仅延迟半波长份的光及相位没有 变化的光入射于光分路合波部8，则运些光通过相互干设而相互抵消，从光分路合波部8出 射的光的输出成为"0"。
[0111] 并且，当光波导4、5均未施加电压时，忍层11的光波导区域11a的有效折射率不变 而维持与施加前相同的有效折射率。因此，即使光传播在光波导区域，在该光波导区域传播 的光的速度(或相位)也不会变化。
[0112] 如此，若将速度(或相位)没有变化的两种光入射于光分路合波部8,则运些光通过 相互干设而重合，从光分路合波部8出射的光的输出成为"Γ。如上所述，该光开关1通过接 通/切断电极层15、16之间的电压，能够接通/切断从光分路合波部8出射的光的输出。
[0113] 另外，通过适当设计光分路合波部8及光波导（出射侧)9、10,不仅能够进行上述中 说明的光输出强度的接通、切断动作，还能够进行将光的输出处切换为光波导（出射侧)9、 10中的任一个的动作。
[0114] 如W上说明，根据本实施方式的光开关1，由于使包层12、13含有具有电光效应的 有机电介质材料，并使运些包层12、13的折射率低于忍层11的折射率，因此该包层12、13中 包含的有机电介质材料的电光系数较大且折射率分散及介电常数分散较小，从而即使在频 率超过1OG化的高频区域也能够进行高速调制。
[0115] 并且，由于使包层12、13含有具有电光效应的有机电介质材料，因此该有机电介质 材料能够适应于进一步的集成化及微细化，因此，能够谋求电光元件的集成化、微细化及低 功耗化。
[0116] 为验证元件的效率及制作可能性，忍层11中使用Ti化，包层12中作为非线性光学 聚合物使用含有FTC类色素（C-60)的PMMA(聚甲基丙締酸甲醋（Poly methyl methacrylate))，包层中使用不具有电光效应的Si化，并且将非光波导区域Ub的厚度设定 为0.15μπι，将光波导区域11a的厚度及宽度分别设定为0.25μπι及2.0μπι，将包层12的厚度设 定为4.Ομπι，将包层13的厚度设定为1.5皿，W试制元件并进行轮询处理，根据元件的调制特 性估算包层12的电光常数03的结果为70~105pm/V。该电光常数Γ33的值高于为了比较而将 非线性光学聚合物成膜于IT0膜上并进行轮询处理的膜的电光效应(约60pm/V)，确认了进 行良好的轮询处理。
[0117] 本实施方式中，光波导结构部14可用作马赫曾德干设型的光接通/切断或光路切 换开关上的光波导（作用部)4、5,也可用于波长选择开关等的环形的波长开关的环波导部 或定向性禪合部。
[0118] 例如，在直径100皿的环波导型波长的开关中适用时，确认了转换电压2V的低功耗 下的动作。若转换电压为2V，则驱动中无需使用化合物半导体类的驱动器而能够W低功耗 且廉价的SiGe类驱动器来进行驱动。通过元件结构的设计改变或改善效率如包层12、13均 使用非线性光学聚合物等，能够进一步降低驱动电压。如此，确认了本实施方式结构的元件 为小型且W高效率来动作的非常实用的元件。
[0119] 并且，在此省略图示，但可W是由介电损耗小的材料形成电极层15的外涂层并在 外涂层上形成接地电极的结构，即带状线或屏蔽微带线路状的结构。低介电常数材料优选 介电常数小的材料，相对介电常数为3.0W下，优选与包层中使用的材料的相对介电常数相 等或其W下的材料为佳。可W不设置低介电常数层而形成上部的接地电极。通过设置带状 线或屏蔽微带线路状的结构，能够改善高频信号的传播损耗及大幅提高对特性阻抗或相对 于微波的折射率(传播速度)的设计自由度。
[0120] 在外涂层的上部不设置接地电极的结构，在防止电极层15的剥离及防止轮询工序 时的放电等方面具有优点。并且，可特性阻抗或相对于微波的折射率(传播速度)为目 的形成外涂层。
[0121] 本发明结构的元件不是W电极层15与电极层16之间的电信号的强度而是W电压 差来进行驱动，因此即使电信号的强度分布于光波导结构部14W外的部分，效率也不会降 低。设定为包含高频成分的电信号的传播损耗小的电极结构是元件设计上的要点。
[0122] 并且，由于折射率分散及介电常数分散小的材料占光波导结构部14的大部分因此 实现光与微波的速度匹配的设计是比较容易的结构，但适合于忍层11的材料即Ti化、Nb2化 及化2〇5的折射率分散及介电常数分散较大，因此需要考虑到运些材料特性的元件的特性设 计。作为W高频来驱动的设备需要考虑特性阻抗是显而易见的。
[0123] 图3是表示本实施方式的光开关1的光波导结构（作用部)4的变形例的剖视图。具 备该光开关的微带型电极结构的作用部17与上述的光开关1的光波导4的不同点在于:上述 的光波导结构(作用部)4设为紧贴忍层11与包层13的结构，与此相比，具备该微带型电极结 构的作用部17设为，在忍层11与包层13之间设置由通过溶胶凝胶法制备的氧化娃(Si〇2)构 成的保护层18,并且层叠了运些包层12、忍层11、保护层18及包层13的光波导结构部19。对 于该点W外的构成要件与上述光开关1完全相同，因此省略说明。
[0124] 忍层11中使用Ti化，包层12、13中使用含有FTC色素的非线性光学聚合物（单层膜 状下进行了轮询处理时的电光常数03=15化m/V)，作为保护层18使用通过溶胶凝胶法制备 的氧化娃，并且将非光波导区域Ub的厚度设定为〇.15μπι，将光波导区域11a的厚度及宽度 分别设定为〇.30μπι及2.0μπι，将包层12的厚度设定为1.3μπι，将包层13的厚度设定为2.5μπι， 保护层18的厚度设定为0.3皿，W试制元件并进行轮询处理，从元件的调制特性估算包层 12、13的电光常数Γ33的结果为12化m/V，得到原来材料特性的80 %，确认到进行良好的轮询 处理。
[0125] 并且，调制的效率指数即VJT . L(半波长电压与作用部电极的长度的乘积）得到 3.7V · cm的良好的调制效率，也确认到50G化W上的宽频带动作。
[0126] 在具备该光开关的微带型电极结构的作用部17中，也能够发挥与上述的光开关1 的光波导(作用部)4同样的效应。
[0127] 而且，在忍层11与包层13之间设置有由通过溶胶凝胶法制备的氧化娃(Si〇2)构成 的保护层18,因此该保护层18能够保护构成包层13的具有电光效应的有机电介质材料不受 在层叠成膜时由试剂引起的溶出及材料之间反应等元件制作工序时的损伤。其结果，能够 减小该包层13的电光系数且增加折射率分散及介电常数分散。因此，即使在频率超过lOGHz 的高频区域也能够进行高速调制。
[0128] 在此，图示了在包层13与忍层11之间形成保护层18的例子，但根据元件的制作工 序，可在包层12与忍层11之间形成，也可在包层12与忍层11之间及包层13与忍层11之间运 双方均形成材料、厚度适当的保护层。并且，也可改善包层12、13与忍层11的紧贴性为 目的来使用。
[0129] 另外，保护层18的厚度越薄越能够获得元件的效率，但当采用与包层同样厚度时 也能够获得实用上的效率。并且，可用作通过溶胶凝胶法制备的氧化娃(Si〇2)包层12、13中 的一层。
[0130] 图4是表示本实施方式的光开关1的光波导结构（作用部)4的变形例的剖视图。具 备该光开关的微带型电极结构的作用部21与上述的光开关1的光波导结构(作用部)4的不 同点在于:上述的光波导结构(作用部)4为设定成将忍层11通过朝向电极层15的方向带状 扩大光波导区域11a的膜厚而使其厚于光波导区域llaW外的区域即非光波导区域11b的膜 厚的薄膜，与此相比，具备该微带型电极结构的作用部21设为，通过朝向电极层16的方向带 状扩大忍层22的光波导区域22a的膜厚而使其厚于光波导区域22aW外的区域即非光波导 区域22b的膜厚，并且将该忍层22W -对包层12、13来夹住的层叠结构的光波导结构部23。 对于该点W外的构成要件与上述光开关1完全相同，因此省略说明。
[0131] 在具备该光开关的微带型电极结构的作用部21中，也能够发挥与上述的光开关1 的光波导(作用部)4同样的效应。
[0132] 而且，朝向电极层16的方向带状扩大忍层22的光波导区域2^1的膜厚，因此能够进 一步提高电场效率。
[0133] 并且，可朝向电极层15及电极层16两个方向带状扩大忍层22的光波导区域2姑的 膜厚，也能够获得同样的效应。
[0134] [第2实施方式]
[0135] 图5是表示本发明的第2实施方式的电光元件的光波导与电极的配置的剖视图，是 作为该电光元件具有G-CPW线路的电极的光开关的例子。
[0136] 具有该光开关的G-CPW型电极结构的作用部31与上述的光开关1的光波导结构(作 用部)4的不同点在于:上述的光波导结构(作用部)4,通过朝向电极层15的方向带状扩大其 忍层11的光波导区域11a的膜厚而使其厚于非光波导区域1化的膜厚，并且W夹住该忍层 11、包层12及包层13的方式形成带状的电极层15及由平面电极构成的电极层16,于此相比， 具备该G-CPW型电极结构作用部31设为，通过朝向电极层16的方向带状扩大忍层22的光波 导区域22a的膜厚而使其厚于非光波导区域22b的膜厚，并且W-对包层12、13夹住该忍层 22的层叠结构的光波导结构部34,而且，在包层12上W夹住电极层15的方式形成了与电极 层16等电位(接地电位）的共面带状配置的接地电极层32、33。对于该点W外的构成要件与 上述光开关1完全相同，因此省略说明。
[0137] 在具备该光开关的G-CPW型电极结构的作用部31中，也能够通过对电极层15与电 极层32、33之间施加电压，WG-CPW线路的方式对光波导结构部34施加电场，W控制在该光 波导结构部34中传播的光的相位及模式形状中的任一方或双方。
[0138] 而且，G-CPW线路其线路的特性阻抗及高频信号的折射率(传播速度)等的特性设 计的自由度较高，因此即使在忍层11中使用介电常数高的电介质材料时，也能够提高对高 频的响应性。通过使用G-CPW线路，能够防止微带线路中发生的高次模式或放射的发生。
[0139] 图6是表示本实施方式的电光元件即具备光开关的G-CPW型电极结构的作用部31 的电极结构的变形例的剖视图。具备该光开关的G-CPW型电极结构的作用部41与具备上述 的光开关的G-CPW型电极结构的作用部31的不同点在于:具备上述的G-CPW型电极结构的作 用部31形成有由平面电极构成的电极层16,与此相比，具备该G-CPW型电极结构的作用部41 设为，通过选择性除去由平面电极构成的电极层中与忍层22的光波导区域22a对应的区域， 形成槽线状或共面带状线状配置的接地电极层42、43。对于该点W外的构成要件，与具备上 述光开关的G-CPW型电极结构的作用部31完全相同，因此省略说明。
[0140] 在具备该光开关的G-CPW型电极结构的作用部41中，也能够发挥与具备上述的光 开关的G-CPW型电极结构的作用部31同样的效应。
[0141] 而且，由于设为将接地电极槽线状或共面带状配置的接地电极层42、43,因此能够 进一步提高用于调整特性阻抗的设计自由度尤其提高阻抗的设计自由度。在光波导结构部 34中传播的光的光电场与外部电场的重叠效率，与切口的情形相比略微下降，但重叠效率 在实用上足够高。并且，不是W槽线状或共面带状切开接地电极，而是W网孔状切开，也同 样能够进一步提高用于调整特性阻抗的设计自由度。
[0142] 图7是表示本实施方式的电光元件即具备光开关的G-WW型电极结构的光波导结 构(作用部)31的变形例的剖视图。
[0143] 具备该光开关的G-CPW型电极结构的元件51与具备上述的光开关的G-CPW型电极 结构的作用部31的不同点在于:具备上述的G-CPW型电极结构的元件31通过朝向电极层16 的方向带状扩大一个光波导区域22a的膜厚而使其厚于非光波导区域22b的膜厚，与此相 比，具备该G-CPW型电极结构的作用部51设为，通过在忍层52中与带状电极层15的两侧部对 应的位置形成朝向电极层16的方向条纹状扩大膜厚的光波导区域52a、52b，从而使它们的 膜厚厚于光波导区域52a、52bW外的区域即非光波导区域52c的膜厚，并且W-对包层12、 13夹住该忍层52的层叠结构的光波导结构部53。对于该点W外的构成要件与具备上述光开 关的G-CPW型电极结构的元件31完全相同，因此省略说明。
[0144] 在具备该光开关的G-CPW型电极结构的元件51中，也能够发挥与具备上述的光开 关的G-CPW型电极结构的元件31同样的效应。
[0145] 而且，由于在忍层52中与带状电极层15的两侧部对应的位置形成朝向电极层16的 方向条纹状扩大膜厚的光波导区域52a、52b，因此能够将W单一模式在光波导结构部53中 传播的光的光电场分布的大部分向包层13部分扩张，并能够提高元件的效率。并且，能够使 包层12、忍层52及包层13的整体厚度变薄，因此能够将作为具备G-CPW型电极结构的作用部 31的阻抗设定在规定范围内。因此，能够进一步提高电场效率。
[0146] 而且，通过在忍层52中设置多个条纹状的形状，作为光波导的结构分散特性的设 计自由度大幅提高。例如，若减小光波导的结构分散，则能够降低元件特性的波长依赖性， 能够实现与宽波段域对应的光调制元件或转换元件。相反，若增加结构分散，则光信号分散 补偿能够实现波长选择开关等功能。忍层52的膜厚扩张的部分，并不限定于两个，越多光波 导与特性的设计自由度越高，或膜厚扩张的方位并不限定于单侧，运是显而易见的。
[0147] 图8是表示本实施方式的电光元件即具备光开关的G-CPW型电极结构的作用部31 的电极结构的变形例的剖视图。具备该光开关的G-CPW型电极结构的作用部61与具备上述 的光开关的G-CPW型电极结构的作用部31的不同点在于:具备上述的G-CPW型电极结构的作 用部31形成有由具有导电性的材料构成的电极层15,与此相比，具备该G-CPW型电极结构的 作用部61设为，在由具有导电性的材料构成的电极层62形成开口于包层12侧的带状的凹部 63,在该凹部63中填充了低介电常数的材料64例如空气、低介电损耗材料的苯并环下締 (Benzo-切cl〇-Butene)(BCB)及Si〇2等。对于该点W外的构成要件与具备上述光开关的G- CPW型电极结构的作用部31完全相同，因此省略说明。
[0148] 在具备该光开关的G-CPW型电极结构的61中，也能够发挥与具备上述的光开关的 G-CPW型电极结构的作用部31同样的效应。
[0149] 而且，在由具有导电性的材料构成的电极层62形成带状的凹部63,并在该凹部63 中填充了低介电常数的材料64,因此通过选择所填充的低介电常数的材料，能够提高具备 G-CPW型电极结构的61的设计自由度。
[0150] 图9是表示本实施方式的电光元件即具备光开关的G-WW型电极结构的光波导结 构(作用部)31的变形例的剖视图。
[0151] 具备该光开关的G-CPW型电极结构的作用部71与具备上述的光开关的G-CPW型电 极结构的作用部31的不同点在于：具备上述的G-CPW型电极结构的作用部31通过朝向电极 层16的方向带状扩大光波导区域22a的膜厚而使其厚于非光波导区域22b的膜厚，与此相 比，具备该G-CPW型电极结构的作用部71设为，将由平面电极构成的电极层16设定为共面带 状或槽线状配置的接地电极层42、43,在忍层22中，与电极层15、32、33对应的区域W外的区 域即光波导区域22a及非光波导区域22b的外侧的区域形成沿运些光波导区域22a及非光波 导区域22b的条纹状的开口部72，在运些开口部72填充电介质材料73，并且W-对包层12、 13夹住该忍层22的层叠结构的光波导结构部74。对于该点W外的构成要件，与具备上述光 开关的G-CPW型电极结构的作用部31及其变形的41完全相同，因此省略说明。
[0152] 作为该电介质材料73优选含有具有电光效应的有机电介质材料的电介质材料。作 为具有该电光效应的有机电介质材料优选为非线性光学有机化合物。作为该非线性光学有 机化合物优选上述的非线性光学有机化合物(1 )、（2)。
[0153] 在具备该光开关的G-CPW型电极结构的作用部71中，也能够发挥与具备上述的光 开关的G-CPW型电极结构的作用部31同样的效应。
[0154] 而且，当开口部72中作为电介质材料73填充了具有电光效应的有机电介质材料 时，渗出于开口部72的传播光的部分电光效应变得有效，因此元件的效率进一步提高。
[01巧]而且，在使用Ti化、抓2〇5及化2〇5等介电常数高的材料的忍层设置开口部72,由此介 电常数高的部分的构成比率降低，并且将接地电极的一部分设定为切口共面带状或槽线状 配置的接地电极层42、43,因此能够进一步提高特性阻抗的设计自由度尤其提高阻抗的设 计自由度。
[0156] [第3实施方式]
[0157] 图10是表示本发明的第3实施方式的电光元件的光波导的剖视图，是作为该电光 元件的多层结构的堆叠禪合型光开关的例子。
[0158] 该层叠结构光波导开关81与图5所示的具备G-CPW型电极结构的作用部31的不同 点在于：具备上述的G-CPW型电极结构的作用部31设为，将具有带状光波导区域2^1及其两 侧的非光波导区域22b的忍层22W-对包层12、13夹住的层叠结构的光波导结构部34,并且 W夹住运些包层12、忍层22及包层13的方式形成G-CPW线路的电极层15、电极层32、33及由 平面电极构成的电极层16,与此相比，该层叠结构光波导开关81，对具有带状的光波导区域 22a及其两侧的非光波导区域22b的忍层22隔着与包层12、13相同组成的第3包层83相对配 置具有与忍层22相同组成的带状光波导区域8^1及其两侧的非光波导区域82b的忍层82,通 过层叠运些包层12、忍层22、包层83、忍层82及包层13构成光波导结构部84,并且W夹住运 些包层12~包层13的方式形成电极层16及与该电极层16相同组成的由平面电极构成的电 极层85。
[0159] 该层叠结构光波导开关81中，将包层12的极化方位93、包层83的极化方位94及包 层13的极化方位95设定为同一方位。
[0160] 在该层叠结构光波导开关81中，也能够通过对电极层85与接地电位的电极层16之 间施加电压来对光波导结构部84施加电场，W控制在该光波导结构部84的忍层22的光波导 区域2^1及忍层82的光波导区域8^1传播的光的相位及模式形状中的任一方或双方。
[0161] 在此，若在电极层85与接地电位的电极层16之间施加电压，则光波导区域22a及光 波导区域82a各自的有效折射率发生变化，但若施加电压较大，则分别在光波导区域22a及 光波导区域82a传播的光的模式直径发生变化。利用该现象，能够进行光的调制动作及开关 动作。
[0162] 为了使分别在光波导区域22a及光波导区域82a传播的光的模式直径变大，即为了 使在各自区域传播的光的模式的封闭状态变弱，若在电极层85与接地电位的电极层16之间 施加电压，则光波导区域22a及光波导区域82a，不是独立的并行的波导，而是作为定向性禪 合器的禪合器来发挥功能。禪合强度(禪合系数)能够W施加的电压来控制，能够实现切换 光传播的光波导区域的转换功能。也可W预先W未施加电压的状态设置成发挥作为定向性 禪合器的功能，在电极层85与接地电位的电极层16之间施加电压时，使分别在光波导区域 22a及光波导区域82a传播的光的模式的直径变小，即，使在各自区域传播的光的模式的封 闭状态变强，W进行光路的转换动作。通过适当改变忍层22、82的材料及厚度;光波导区域 22a及光波导区域82a的材料、形状及大小;包层12、13、83的材料及厚度，能够调整光波导区 域22a及光波导区域82a的禪合难易度，通过电极层85与接地电位的电极层16之间电压，能 够控制禪合状态。
[0163] 图10示出了电极层85与接地电位的电极层16均为平板状的形状的事例，但电极的 结构也可W是图2所示的微带型电极结构或图5的G-CPW型电极结构，运种结构更有利于元 件的效率及高频动作。对于该效果，与第1实施方式及第2实施方式中叙述的情形完全相同， 因此省略说明。并且，图10示出了光波导区域堆叠了两层的事例，但也可W用堆叠了Ξ层W 上的结构来进行转换动作。
[0164] 产业上的可利用性
[0165] 根据本发明的电光元件，即使在频率超过lOGHz的高频区域也能够进行高速调制。 并且，能够谋求电光元件的集成化、微细化及低功耗化，因此产业上有用。
[0166] 符号说明
[0167] 1-光开关，2-光波导(入射侧），3-光分路部，4、5-光波导（作用部），6、7-电极，8-光 分路合波部，9、10-光波导（出射侧），11-忍层，11a-光波导区域，1化-非光波导区域，12-第1 包层，13-第2包层，14-光波导结构部，15-第1电极层，16-第2电极层，17-具备微带型电极结 构的作用部，18-保护层，19-光波导结构部，21-具备微带型电极结构的作用部，22-忍层， 22a-光波导区域，22b-非光波导区域，23-光波导结构部，31-具备G-CPW型电极结构的作用 部，32、33-共面带状配置的接地电极层，34-光波导结构部，41-具备G-CPW型电极结构的作 用部，42、43-槽线状或共面带状配置的接地电极层，51-具备G-CPW型电极结构的作用部， 52-忍层，52a、5化-光波导区域，52c-非光波导区域，53-光波导结构部，61-具备G-CPW型电 极结构的作用部，62-电极层，64-低介电常数的材料，71 -具备G-CPW型电极结构的作用部， 73-电介质材料，74-光波导结构部，81-层叠结构光波导开关，82-忍层，82a-光波导区域， 83-第3包层，84-光波导结构部，85-电极层。
【主权项】
1. 一种电光元件，其通过由无机化合物构成的芯层以及由以夹住该芯层的方式层叠的 电介质材料构成的第1包层和第2包层来构成光波导， 并以夹住所述芯层、所述第1包层和所述第2包层的方式形成第1电极层及第2电极层而 成，所述电光元件的特征在于， 所述第1包层和所述第2包层中的至少一层含有具有电光效应的有机电介质材料， 所述第1包层和所述第2包层的折射率低于所述芯层的折射率。2. 根据权利要求1所述的电光元件，其特征在于，所述第1包层和所述第2包层的膜厚厚 于所述芯层的膜厚。3. 根据权利要求1或2所述的电光元件，其特征在于，所述无机化合物含有选自氧化钛、 氮化硅、氧化铌、氧化钽、氧化铪、氧化铝、硅、金刚石、铌酸锂、钽酸锂、铌酸钾、钛酸钡、KTN、 STO、BTO、SBN、KTP、PLZT及PZT的组中的1种或2种以上。4. 根据权利要求1至3中任一项所述的电光元件，其特征在于，所述第1电极层及所述第 2电极层含有选自金、银、铜、铂、钌、铑、钯、锇、铱及铝的组中的1种或2种以上。5. 根据权利要求1至4中任一项所述的电光元件，其特征在于，所述有机电介质材料为 非线性光学有机化合物。6. 根据权利要求1至5中任一项所述的电光元件，其特征在于， 所述第1电极层及所述第2电极层中的任意一层为带状， 通过对这些第1电极层及第2电极层之间施加电压，作为微带型电极或堆叠对型电极对 所述光波导施加电场，以控制在所述光波导中传播的光的相位和模式形状中的任意一方或 双方。7. 根据权利要求1至5中任一项所述的电光元件，其特征在于， 所述第1电极层及所述第2电极层中的任意一层为共面状， 通过对这些第1电极层及第2电极层之间施加电压，作为G-CPW型电极对所述光波导施 加电场，以控制在所述光波导中传播的光的相位和模式形状中的任意一方或双方。
【文档编号】G02F1/065GK105829957SQ201480068035
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2014年12月11日
【发明人】横山士吉, 邱枫, 市川润郎, 市川润一郎, 及川哲, 细川洋, 细川洋一, 前田大辅
【申请人】住友大阪水泥股份有限公司, 国立大学法人九州大学, 日产化学工业株式会社