专利名称：光元件和光转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于光通讯、光信号处理等的技术领域中的光元件和光转换器(optical switch)。
背景技术：
近年来，光通讯中的传输频带迅速增长，并且根据波长多路技术的进展，正在提升更高速度和更大容量。为了配置核心通讯网络中的光纤网络的硬件设施，便需要用于转换光信号的传输目的的光信号转换装置。这种转换装置必须能够用于单模光纤中。为此，就必须使光的方向转换，而不依赖于作为光的偏振方向的TE模式和TM模式的偏振。为了响应这个需求，机械驱动型例如所谓的MEMS(微电子机械系统)和热光型(thermooptic type)等已被发展出来，其中该MEMS通过移动显微镜来转换光的方向，该热光型则通过加热改变折射率以改变光的传播方向。
但是，该机械驱动型和热驱动型具有这样的问题用于转换光信号的传输目的所需的时间是较长的毫秒(msec)级，并且最大的转换速度低。网络的速度被进一步加快，这就强烈地需求高速光转换装置。
因此，作为高速改变折射率的方法，利用电光效应的方法(基于电光效应的方法)是可利用的。使用这种基于电光效应的方法，能够在极短时间、即纳秒(nsec)至微秒(μsec)级的时间内改变折射率，从而实现了以极高速度驱动的光转换装置。
日本专利申请待审公开No.Hei 3-216622[专利文献2]日本专利申请待审公开No.Hei 2-204728 日本专利申请待审公开No.2003-280053[非专利文献1]2004年第65次秋季会议(日本应用物理学会)预备论文第493页基于电光效应的方法实现了高速驱动的光转换装置。但是，通常，电光效应虽然能极大地改变在光传播方向中不具有磁场分量的TM模式光的折射率，但是不能极大地改变在光传播方向中不具有电场分量的TE模式光的折射率。因而，在TM模式与TE模式之间折射率的变化极为不同。因此，为了校正这个差异，已经提出了下述各种技术。
专利文献1揭示了一种使用电光效应薄膜的技术，在该电光效应薄膜中，垂直于面(001)的轴相对于基板表面的垂直线的角度被设定为大于0°并且不大于45°。此外，专利文献2揭示了一种在光波导的预定部分提供静态相位控制部件的技术，其不依赖电光效应而对波导光给予静态相位改变。专利文献3揭示了一种技术，其中偏光部件分别设在具有电光效应的波导的一端和另一端，二分之一波片设置在每个偏光部件的基本中心处，并且二分之一波片将光的TM模式分量和TE模式分量相互替换。
但是，不能说专利文献1揭示的技术易于实现满足上述严格且复杂的条件的电光效应薄膜的精确成型。此外，在专利文献2、3所揭示的技术中，实质上是在光波导中额外提供了例如静态相位控制部件或者二分之一波片的元件，其造成了使装置结构复杂并且增加光损耗的问题。
因此，基于电光效应的方法虽然能够较快地驱动光转换装置，但其目前也具有很大问题，就是难于实现装置，并且这种装置的结构必然复杂且难于缩小尺寸。
发明内容
鉴于上述问题提出本发明，并且本发明的一个目的在于提供一种利用电光效应以容易并稳妥(surely)地实现高速驱动的光元件，其具有极为简单的结构并且没有例如光学损耗的任何特性降低，并且能够实现进一步地缩小尺寸，并且本发明还提供一种应用该光元件的光转换器。
本发明的一种光元件包括基板；以及至少一层电光效应薄膜，形成在该基板上方并且具有电光效应，其中所述电光效应薄膜具有至少一个偏振轴，并且所有的偏振轴对于入射光的TE模式分量相同，而且对于入射光的TM模式分量相同。
这里，在某些情形下，该电光效应薄膜具有至少一种类型的区域，并且所述区域的所有偏振轴对于入射光的TE模式分量相同，而且对于入射光的TM模式分量相同。
本发明的另一种光元件包括基板；以及至少一层电光效应薄膜，形成在该基板上方并且具有电光效应，其中所述电光效应薄膜由具有立方晶体结构的电光材料组成。
本发明的一种光转换器包括光波导，包括至少一层电光效应薄膜；多个输入通道，平行地形成在该光波导上的一端，以接收光信号；为所述各个输入通道设置的第一光偏转器；多个输出通道，平行地形成在该光波导上的另一端，以输出光信号；以及为所述各个输出通道设置的第二光偏转器；其中该电光效应薄膜具有至少一个偏振轴，并且所有偏振轴对于入射光的TE模式分量相同，而且对于入射光的TM模式分量相同。
这里，在某些情形下，该电光效应薄膜具有至少一种类型的区域，并且所述区域的所有偏振轴对于入射光的TE模式分量相同，而且对于入射光的TM模式分量相同。
本发明的另一种光转换器包括光波导，包括至少一层电光效应薄膜；多个输入通道，平行地形成在该光波导上的一端，以接收光信号；为所述各个输入通道设置的第一光偏转器；多个输出通道，平行地形成在该光波导上的另一端，以输出光信号；以及为所述各个输出通道设置的第二光偏转器；其中所述电光效应薄膜由具有立方晶体结构的电光材料组成。
图1A至图1F是显示通过外延生长形成的电光效应薄膜的晶体取向相关性的示意图表，该电光效应薄膜的材料是电光晶体PbLaZrTiO3(PLZT8/65/35)；图2A、图2B和图2C是显示依赖于每个晶体取向的微区域(microdomain)的设置状态的示意图；图3A和图3B是显示根据本发明第一实施例的光偏转器的基本结构的示意图；图4A、图4B和图4C是按照工艺顺序显示根据本发明第一实施例的光偏转器的制造方法的横截面示意图；图5是显示单层薄膜中的光学特性的特性图表，该单层薄膜的芯层由PLZT(0/30/70)合成物组成，并且该单层薄膜具有单一类型的区域；图6是显示单层薄膜中的光学特性的特性图表，在该单层薄膜中，芯层由PLZT(13/70/30)合成物组成；图7是显示单层薄膜中的光学特性的特性图表，在该单层薄膜中，上、下包层由PLZT(14/80/20)合成物组成；图8A和图8B是显示根据本发明第二实施例的光转换器的大体结构的示意图；图9是显示该光转换器的操作的横截面示意图；以及图10是显示专利文献1揭示的光转换器的基本结构的平面示意图。
具体实施例方式
本发明的基本要点由于为了解决上述问题而反复地不懈研究，本发明的发明人已经发现一种以极简单的结构使折射率和电光效应基本偏振独立的方法，并且已经得到一种不需例如波片和静态相位控制部件的附加构件的光元件，以及应用该光元件的光转换器。
首先，下面将定义电光常数。假定平行于晶体中传播的光的TM模式而施加电场E。TE模式和TM模式的折射率在此时的变化分别通过表达式(1)、(2)表示。
ΔnTE＝-(1/2)nTE3r13E(1)ΔnTM＝-(1/2)nTM3r33E(2)这里，nTE和nTM分别表示TE模式和TM模式的折射率，并且r13和r33分别表示它们的电光常数。折射率的变化量Δn与电场强度、电光常数和n3成比例。电光效应越大，就能利用低电压以越大的角度使光偏转。因此，这就需要高电光常数和高折射率的材料。通常用作体电光材料等的特性的电光效应rc通过表达式(3)表示。
rc＝r33-(nTE/nTM)3r13(3)图1A至图1F是显示通过外延生长形成的电光效应薄膜的晶体取向相关性的示意图，该电光效应薄膜的材料是电光晶体PbLaZrTiO3(PLZT8/65/35)。这里，图1A、图1B和图1C显示对于各个取向(100)、(110)、(111)的晶体取向相关性。图1D、图1E和图1F类似地对于各个取向(100)、(110)、(111)显示由TM模式与TE模式之间的折射率差定义的双折射率。
首先，从图1A中对于(100)的结果看出TM模式和TE模式的各折射率呈现出相同的变化。电光常数r13、r33≈30pm/V。因此，即使施加电场，也不会引起双折射，导致了图1D的结果。在此情形下，rc≈0pm/V。
接着，从图1B中对于(110)的结果看出TE模式的折射率与图1A中TE模式的折射率呈现出基本相同的变化。电光常数r13≈30pm/V。但是，在此情形下TM模式的折射率呈现出略大的变化，导致r33≈70pm/V。引起双折射，如图1E所示，并且rc≈40pm/V。
接下来，从图1C中对于(111)的结果看出TE模式的折射率呈现出递增变化。电光常数r13≈-10pm/V。另一方面，TM模式的折射率呈现出很大的递减变化。电光常数r33≈90pm/V。因此，引起较大双折射，如图1F所示，导致rc≈100pm/V。
如上所述，已经清楚电光效应具有或者不具有依赖电光材料中的晶体取向的偏振相关性。本发明的发明人在一种体电光材料中已经发现电光效应的偏振相关性是由该电光效应材料的区域(domain)的旋转导致的(参见非专利文献1)。由于为了将这个事实应用于具体的电光效应薄膜而不懈研究，本发明的发明人已经设计出一种具有简单结构的偏振独立的电光效应薄膜，并且已经得到如下具体示例的各种实施例。
如下所述能够理解依赖电光材料中的晶体取向、电光效应变得偏振相关的现象。
PLZT(9/65/35)被公知作为一种张弛振荡(relaxor)材料，并且被认为具有张弛振荡材料特有的微区域。伴随着微区域的旋转的折射率椭球的旋转能够解释电光效应的偏振相关性。公知的是张弛振荡材料的微区域在<111>方向具有偏振轴，并且采用斜方六面体(rhombohedral)结构。由于该斜方六面体结构，因此折射率椭球是单轴晶体。这里，当在<111>偏振轴的方向上采用箭头并且由该箭头的长度表示折射率时，该箭头到TE模式和TM模式的投影与它们各自的折射率的倒数成比例。
图2A、图2B和图2C是显示依赖于每个晶体取向的微区域的设置状态的示意图。
这里，图2A显示了在具有(100)晶体取向的外延生长的电光效应薄膜中的微区域，图2B显示了在具有(110)晶体取向的外延生长的电光效应薄膜中的微区域，图2C显示了在具有(111)晶体取向的外延生长的电光效应薄膜中的微区域。这里，在图2A至图2C中，如该领域人员所惯用的，负向即-1是通过在1上划线来表示，但是在本说明书中，为了描述方便而通过1来表示-1。
首先，将研究具有(100)晶体取向的外延生长的电光效应薄膜。如图2A所示，微区域呈现为[111]、[111]、[111]和[111]。如从图2A中所见，箭头到TE模式和TM模式的投影在所有微区域中具有相同的长度。因此，即使微区域旋转，也不会引起TE模式和TM模式的折射率的改变。因此，由微区域的旋转引起的双折射不会出现，导致0pm/V的rc。
接下来，将研究具有(110)晶体取向的外延生长的电光效应薄膜。如图2B所示，微区域呈现为[111]、[111]、[111]和[111]。[111]和[111]之间的微区域的旋转不会引起折射率的改变。同样地，折射率不会根据[111]和[111]之间的旋转而改变。但是，[111]和[111]之间的旋转虽然不会引起TE模式的折射率改变，但是会根据箭头长度的改变而引起TM模式的折射率改变。从[111]旋转到[111]导致TM模式的折射率变小。这就引起了双折射。
接下来，将研究具有(111)晶体取向的外延生长的电光效应薄膜。如图2C所示，微区域呈现为[111]、[111]、[111]和[111]。[111]、[111]和[111]之间的微区域的旋转不会引起折射率的改变。但是，从[111]到[111]的区域的旋转引起TE模式和TM模式的折射率的改变。TE模式的折射率变大，并且TM模式的折射率变小。这就引起了双折射。此外，可以想到由于箭头长度的较大变化量，因此该双折射大于具有(110)晶体取向的外延生长的电光效应薄膜的双折射。因此，认为rc(110)＜rc(111)。以上述方式，就能够解释电光效应rc的取向相关性。
基于前述研究，本发明的发明人已经发现下述几个必要条件，在这些条件下电光效应在电光效应薄膜中是偏振独立的。
(1)不具偏振轴的结构。该不具偏振轴的结构不会引起双折射。
(2)在具有至少一个偏振轴的结构中，所有的偏振轴对于入射光的TE模式分量是相同的，并且对于入射光的TM模式分量也相同。这里，如果有两种或者更多种区域，那么必须使各个区域的所有偏振轴对于入射光的TE模式分量相同，并且对于入射光的TM模式分量也相同。如果各个区域的所有偏振轴对于入射光的TE模式分量相同，并且对于入射光的TM模式分量也相同，那么即使通过将电压施加至电光效应薄膜而引起区域的旋转，也不会出现双折射。
(3)具有单一类型的区域的结构。如果区域仅具有一种类型，那么就不会出现区域的旋转，从而不会导致双折射。因此，区域的所有偏振轴对于入射光的TE模式分量自然是相同的，并且对于入射光的TM模式分量也相同。
满足上述条件(1)到(3)中的任一个就将实现其电光效应偏振独立的电光效应薄膜。一种易于实现的具体的可想到的结构是具有立方晶体结构作为满足条件(1)的结构的电光材料。
此外，由呈现斜方六面体结构并且具有(100)晶体取向的电光材料组成的电光效应薄膜是满足条件(2)的结构的实例。
另外，具有假立方(pseudo-cubic)晶体结构的单一类型的区域的电光材料是满足条件(3)的结构的实例。
如上所述，本发明提出下述三种结构作为电光效应薄膜。
1.由呈现斜方六面体结构并且生长成具有(100)晶体取向的电光材料组成的薄膜2.具有单一类型的区域并且由具有假立方晶体结构的电光材料组成的薄膜3.由具有立方晶体结构的电光材料组成的薄膜如随后所述，具有上述结构的电光效应薄膜能够被容易地制造，并且这些薄膜的使用实现了一种利用电光效应容易并稳妥地实现高速驱动的光元件，其具有极为简单的结构并且没有例如光学损耗的任何特性降低，并且能够实现进一步地缩小尺寸。此外，还实现了一种应用该光元件的光转换器。
本发明应用的各种具体实施例下面，将结合附图详细描述本发明应用的各种具体实施例。
第一实施例本实施例将揭示一个将本发明应用至光偏转器的实例，该光偏转器是一种光元件。该光偏转器是一种以期望角度使入射光偏转以输出偏转光的光元件。
图3A和图3B是显示根据第一实施例的光偏转器的基本结构的示意图。图3A是平面图，图3B是沿图3A中I-I线的横截面图。
该光偏转器包括在基板1上形成的应力消除层2；由层叠在应力消除层2上的电光材料组成的光波导3；以及设置在光波导3上以经由光波导3朝向应力消除层2的偏转电极4。
基板1包含绝缘材料，在这里SrTiO3(STO)作为其主要成分。例如，基板1包括含有1％铌的STO作为其材料，并且在主生长面上具有(100)晶体取向。
应力消除层2是由金属材料组成，该金属材料的主要成分是例如银或其合金，并且具有消除由于基板1而产生的对光波导3的应力的功能。该应力消除层2是高导电率金属材料，以便当对光波导3施加电压时，该应力消除层2也可以用作低电极。在主表面上包含具有(100)晶体取向的STO的基板中，由于STO是立方晶体，所以设置正方形(100)面。斜方六面体PLZT单元晶胞具有菱形底面。当斜方六面体PLZT是直接在(100)面上外延生长时，取向也出现在基板表面上，以便受基板应力的影响而易使具有正方形/矩形面的四方形晶体变形(distort)。这里，当应力消除层2设置在基板1和光波导3之间时，应力消除层2消除基板应力，以便作为PLZT的初始晶系的斜方六面体晶体能够生长。斜方六面体晶体的偏振方向是(111)面，并且在该薄膜中生成的区域是单一类型的，以便波导光的偏振相关性能够减小。
作为所谓的平板导波的光波导3是由两层或者更多层的堆叠(stack)形成，这里是由三层电光效应薄膜形成。特别是，这样构成光波导3，以使下包层11和上包层13将芯层12夹在中间，在该芯层12中形成光路。
在该实施例中，至少包括光波导3的芯层12的层被形成，以满足如上所述的下列条件1至3的其中之一。
1.由具有斜方六面体结构并且生长成具有(100)晶体取向的电光材料组成的薄膜2.具有单一类型的区域并且由具有假立方晶体结构的电光材料组成的薄膜3.由具有立方晶体结构的电光材料组成的薄膜构成光波导3的下包层11、芯层12和上包层13的电光材料优选包含例如从下列材料中选取的一种，这些材料的每一种都是电光效应优良的铁电材料，并且例如具有简单的钙钛矿型结构Pb(Zr1-xTix)O3(0≤x≤1)，(Pb1-yLa(3/2)y)(Zr1-xTix)O3(0≤x，y≤1)，Pb(B’1/3B”2/3)xTiyZr1-x-yO3(0≤x，y≤1，B’是二价过渡金属，B”是五价过渡金属)，Pb(B’1/2B”1/2)xTiyZr1-x-yO3(0≤x，y≤1，B’是二价过渡金属，B”是五价过渡金属)，Pb(B’1/3B”2/3)xTiyZr1-x-yO3(0≤x，y≤1，B’是六价过渡金属，B”是三价过渡金属)，以及Ba(FexNb1-x)O3(0≤x≤1)，(1-x)NaNbO3·xKNbO3(0≤x≤1)。这里，光波导3的每一个电光效应薄膜是通过外延生长形成的取向附生膜(epitaxial film)，并且例如在主生长面上具有(100)晶体取向。
此外，适宜使用的是具有钨青铜型结构的电光材料，其包含从例如(Sr1-xBax)Nb2O6(0≤x≤1)、(Sr1-xBax)Ta2O6(0≤x≤1)、PbNb2O6和Ba2NaNb5O15中所选的一种。还适宜使用的是具有铋层状(bismuth-layered)结构的电光材料，其包含从例如(Bi1-xRx)Ti3O12(R是稀土元素0≤x≤1)、SrBi2Ta2O9和SrBi4Ti4O15中所选的一种。
偏转电极4是在光波导3上例如以三角形而形成，并且当在偏转电极4和应力消除层2之间施加预定电压时，该偏转电极4能够以期望角度使入射光偏转以输出偏转光。
这里，将描述根据本实施例的光偏转器的制造方法。
图4A、图4B和图4C是按照工艺顺序显示根据第一实施例的光偏转器的制造方法的横截面示意图。
首先，将应力消除层2形成在基板1上。
特别是，如图4A所示，主要成分是例如银或其合金的金属材料通过溅射沉积在基板1上，该基板1在主生长表面上具有(100)晶体取向并且由Nb1％-STO组成，由此形成具有大约100nm薄膜厚度的应力消除层2。
接下来，将光波导3形成在应力消除层2上。
在该实施例中，将下包层11、芯层12和上包层13如图4B所示而形成，以满足上述条件1至3中的任何一个。
1.将芯层12形成为由具有斜方六面体结构并且生长成具有(100)晶体取向的电光材料组成的薄膜的情形具有斜方六面体结构的张弛振荡基板的其中一个实例是PZLT材料。这种基板是在主生长表面上具有(100)晶体取向的基板1上外延生长，由此形成具有(100)晶体取向的光波导。这里，具有折射率2.39(1.55μm波长)的PLZT(13/70/30)用作下包层11的材料。具有折射率2.41(1.55μm波长)的PLZT(9/65/35)用作芯层12的材料。具有折射率2.40(1.55μm波长)的PLZT(13/70/30)用作上包层13的材料。
PLZT的溶胶凝胶(sol-gel)溶液是通过溶剂、在组分金属元素的有机化合物和稳定剂的回流(reflux)下合成所述有机化合物是Pb(CH3COO)2·3H2O[乙酸铅]、La(i-OC3H7)3[异丙醇镧]、Ti(i-OC3H7)4[异丙醇钛]和Zr(OC3H7)4[丙醇锆]；该稳定剂是CH3COCH2COCH3[2，4-戊二酮]；并且该溶剂是CH3C2H4OH[2-甲醇乙醇]。
为了形成具有PLZT(9/65/35)合成物的芯层12，Pb(CH3COO)2·3H2O/La(i-OC3H7)3的摩尔比设为101/9，并且Zr(OC3H7)4/Ti(i-OC3H7)4的摩尔比设为65/35。基板1通过旋转涂布而涂覆有这种溶胶凝胶溶液，并且在氧气环境中在350℃进行锻烧并在750℃进行烧结。每道工艺可生长的薄膜厚度约为120nm，并且重复涂覆、锻烧和烧结工艺直到获得期望的薄膜厚度，在这里约为5μm。
为了形成具有PLZT(13/70/30)合成物的下包层11和上包层13，Pb(CH3COO)2·3H2O/La(i-OC3H7)3的摩尔比设为97/13，并且Zr(OC3H7)4/Ti(i-OC3H7)4的摩尔比设为70/30。基板1通过旋转涂布涂覆有这种溶胶凝胶溶液，并且在氧气环境中在350℃进行锻烧并在750℃进行烧结。重复涂覆、锻烧和烧结工艺，直到下包层11和上包层13都具有期望的薄膜厚度，在这里约为3μm。
2.芯层12形成为具有单一类型的区域并且由具有假立方晶体结构的电光材料组成的薄膜的情形作为芯层12的材料，具有稍微变形成四方形晶体的假立方晶体结构的PLZT(0/30/70)合成物被使用。为PLZT制备溶胶凝胶溶液的方法与上述的方法相同。
为了形成具有PLZT(0/30/70)合成物的芯层12，没有使用La(i-OC3H7)3，也就是说，Pb(CH3COO)2·3H2O/La(i-OC3H7)3的摩尔比设为110/0(100∶0)，并且Zr(OC3H7)4/Ti(i-OC3H7)4的摩尔比设为30/70。基板1通过旋转涂布涂覆有这种溶胶凝胶溶液，并且在氧气环境中在350℃进行锻烧并在750℃进行烧结。重复涂覆、锻烧和烧结工艺，直到芯层12具有期望的薄膜厚度，在这里约为5μm。
为了形成具有PLZT(9/65/35)合成物的下包层11和上包层13，Pb(CH3COO)2·3H2O/La(i-OC3H7)3的摩尔比设为101/9，并且Zr(OC3H7)4/Ti(i-OC3H7)4的摩尔比设为65/35。基板1通过旋转涂布涂覆有这种溶胶凝胶溶液，并且在氧气环境中在350℃进行锻烧并在750℃进行烧结。重复涂覆、锻烧和烧结工艺，直到下包层11和上包层13都具有期望的薄膜厚度，在这里约为3μm。
图5显示了具有单一类型的区域的单层薄膜的光学特性，其中芯层12的PLZT具有这种合成物。
这里，研究由于施加平行于(000)取向的电场而引起的TE模式和TM模式的折射率的变化量Δn。如该图所示，可以确认TE模式和TM模式的折射率呈现几乎相同的变化。
3.下包层11、芯层12和上包层13形成为各自由具有立方晶体结构的电光材料组成的薄膜的情形具有立方晶体结构的材料被用作下包层11、芯层12和上包层13的材料。这里，PLZT(13/70/30)合成物用于芯层12，并且PLZT(14/80/20)合成物用于下包层11和上包层13。具有这些合成物的每一个的PLZT在室温中呈现基本立方的晶体。为PLZT制备溶胶凝胶溶液的方法与上述的方法相同。
为了形成具有PLZT(13/70/30)合成物的芯层12，Pb(CH3COO)2·3H2O/La(i-OC3H7)3的摩尔比设为97/13，并且Zr(OC3H7)4/Ti(i-OC3H7)4的摩尔比设为70/30。基板1通过旋转涂布涂覆有这种溶胶凝胶溶液，并且在氧气环境中在350℃进行锻烧并在750℃进行烧结。重复涂覆、锻烧和烧结工艺，直到芯层12具有期望的薄膜厚度，在这里约为5μm。
为了形成具有PLZT(14/80/20)合成物的下包层11和上包层13，Pb(CH3COO)2·3H2O/La(i-OC3H7)3的摩尔比设为96/14，并且Zr(OC3H7)4/Ti(i-OC3H7)4的摩尔比设为80/20。基板1通过旋转涂布涂覆有这种溶胶凝胶溶液，并且在氧气环境中在350℃进行锻烧并在750℃进行烧结。重复涂覆、锻烧和烧结工艺，直到下包层11和上包层13都具有期望的薄膜厚度，在这里约为3μm。
图6显示了单层薄膜中的光学特性，其中芯层12由PLZT(13/70/30)合成物组成；并且图7显示了单层薄膜中的光学特性，其中下包层11和上包层13由PLZT(14/80/20)合成物组成。
这里，研究由于施加平行于(000)取向的电场而引起的TE模式和TM模式的折射率的变化量Δn。如图6和图7所示，可以确认TE模式和TM模式的折射率呈现几乎相同的变化。
随后，偏转电极4形成在上包层13上。
特别是，如图4C所示，例如Cu/W薄膜以三角形而掩模沉积在上包层13上，以形成偏转电极4。
通过前述工艺，本实施例的光偏转器完成。
下述为当光波导3被形成以满足本实施例光偏转器的条件1时的结果。假定TM模式和TE模式的折射率的比被定义为表达式(4)，其中nTM是TM模式的折射率，并且nTE是TE模式的折射率，TM模式和TE模式的折射率的比产生极小值0.03％。
折射率比＝|(nTM-nTE)/nTM| (4)此外，假定TM模式和TE模式的电光效应的偏振相关性的比被定义为表达式(5)，其中r13是TE模式的电光效应，并且r33是TM模式的电光效应，这个偏振相关比产生极小值1.0％。
偏振相关比＝|(r33-r13)/r33|(5)此外，当光波导3被形成以满足条件2时，折射率比和偏振相关比均分别产生极小值0.2％和1.5％。
另外，当光波导3被形成以满足条件3时，折射率比和偏振相关比均分别产生极小值0.01％和0.5％。
如上所述，本实施例实现了一种利用电光效应以容易并稳妥地达到高速驱动的光偏转器，其具有极为简单的结构并且不会引起例如光学损耗的任何特性降低，并且其能够进一步缩小尺寸。
第二实施例本实施例揭示一种本发明应用的光转换器的具体结构。
图8A和图8B是显示根据第二实施例的光转换器的大体结构的示意图。图8A是仅显示该光转换器的主要构成部分的平面示意图，图8B是沿图8A中的点划线I-I的光转换器的横截面示意图。使用相同的附图标号或标记以指代与第一实施例中相同的构件等，并省略其详细描述。
本实施例的光转换器20被构成以使根据第一实施例的多个光偏转器10被平行设置。
该光转换器20是一种具有N×N(N等于或者大于2的整数，并且在附图的示例中N＝4)排列的光转换器，并且其包括具有光偏转机构的主要构成部分21和通道形成部分22，主要构成部分21设置在该通道形成部分22中。
通道形成部分22包括形成在通道基板31上的通道波导32。
通道波导32被构成以使下包层41和上包层43将芯层42夹在中间，在该芯层42中形成光路，并且该通道波导32包括光信号的输入通道I1至I4以及输出通道O1至O4。每一个输入通道I1至I4在其前端具有使信号光准直的微透镜44，并且微透镜44以相等间距平行设置。类似地，每一个输出通道O1至O4在其后端具有微透镜44，并且微透镜44以相等间距平行设置。在通道波导32中，形成沟槽45，在沟槽45中安装了主要构成部分21，并且各种布线层46图案化形成(pattern-form)在对沟槽45的底部暴露的通道基板31的表面的部分上。
在通道形成部分22中，通过使由例如硅组成的通道基板31的表面热氧化而形成具有大约5μm薄膜厚度的二氧化硅薄膜，随后，在从该二氧化硅薄膜的表面到大约3μm深的二氧化硅薄膜中掺杂例如镓，由此形成具有大约2μm薄膜厚度的下包层41以及具有大约2μm薄膜厚度的芯层42。此后，具有大约2μm薄膜厚度的二氧化硅薄膜通过溶胶凝胶方法、溅射方法或者类似方法而形成在芯层42上，以形成上包层43。然后，例如使用CF4气体作为蚀刻气体以干蚀刻上包层43、芯层42和下包层41，以图案化形成沟槽45。
基本上，光转换器20的主要构成部分21被构成以使第一实施例的光偏转器10分别相应于输入通道I1至I4和输出通道O1至O4而设置，并且光波导3在那里共用。
每一个光偏转器10被构成以使光波导3经由应力消除层2被设置在元件基板1上，并且由一对偏转电极4组成的棱镜电极5被设置在光波导3上。也就是说，主要构成部分21被构成以使棱镜电极5分别相应于输入通道I1至I4和输出通道O1至O4而设置在光波导3上。这里，在每一个输入通道I1至I4中的多个棱镜电极5可以在多层中串联设置，因此，多个棱镜电极5可以设置在多层中的每一个输出通道O1至O4中。在此情形中，根据设置在每个通道中的棱镜电极5的数量能够获得大偏转角。
这里，光波导3被形成以使至少包括光波导3的芯层12的层满足下述条件1至3的一个，它们同第一实施例前述的一样。
1.由具有斜方六面体结构并且生长成具有(100)晶体取向的电光材料组成的薄膜2.具有单一类型的区域并且由具有假立方晶体结构的电光材料组成的薄膜3.由具有立方晶体结构的电光材料组成的薄膜如图8B所示，如上构成的主要构成部分21装配在通道波导32的沟槽45中，其上、下面被反转，以便光波导3和通道波导32的位置相互匹配，并且棱镜电极5分别通过例如焊料球47而连接至预定布线层46。
下面将描述该光转换器20的操作。
图9是显示光转换器20的操作的横截面示意图。这里，为了描述方便，仅显示输入通道I1、I2和输出通道O1、O2的2×2排列。此外，实线LTM和虚线LTE分别表示信号光的TM模式分量和TE模式分量。已通过输入通道I1的入射光射入在棱镜电极5上。预定电压已经施加在棱镜电极5和反电极层2之间。施加该电压引起光波导3的折射率的棱镜式(prismatic)变化，以使入射光以非常小的角度向左或者向右偏转，以作为信号光向例如输出通道O2的方向传播。如图所示，在光转换器20中，折射率和电光效应基本是偏振独立的，从而在信号光的TM模式分量和TE模式分量之间基本无法识别出光传播状态的差异。因此，其光传播状态可认为是相同的。然后，信号光射入在预定输出通道例如输出通道O2的前方设置的棱镜电极5上，并且使其经受同该入射光相似的偏转校正。然后，该信号光从输出通道O2输出。
这里，作为本实施例的对比例，将使用图10描述专利文献1揭示的光转换器的主要构成部分。在此，为了描述方便，仅显示输入通道I1、I2和输出通道O1、O2的2×2排列。
该主要构成部分被构成以使相应于每个输入通道I1、I2和输出通道O1、O2的一对棱镜电极102、103(每个棱镜电极的结构与棱镜电极5的相同)设置在基板(未示出)上形成的并显示出电光效应的光波导101上，并且每个二分之一波片104被插入在棱镜电极102、103之间。应注意的是，在图中所示的示例中，提供了输入通道I1、I2共用的二分之一波片104和输出通道O1、O2共用的二分之一波片104。这里，实线LTM和虚线LTE也分别表示信号光的TM模式分量和TE模式分量。
在图10所示的光转换器中，二分之一波片104被用来旋转光的偏振方向，以使TE模式分量和TM模式分量相互置换。这样，在输入侧和输出侧上的每片二分之一波片104自然就必需一对棱镜电极102、103，这导致了与本实施例的光转换器20相比复杂且较大的装置。另一方面，本实施例的光转换器20不需要二分之一波片或者在那里相应附加的棱镜电极，这就实现了更简单且更小的装置。
应当注意的是，本发明不限于上述实施例。例如，光偏转器不仅可应用于光转换器，还可应用于激光打印机、条形码阅读机等等。
如至此所述，本实施例实现了一种利用电光效应以容易并稳妥地实现高速驱动的光转换器20，其具有极为简单的结构并且不会引起例如光学损耗的任何特性降低，而且能够进一步减小尺寸。
本发明实现了一种利用电光效应以容易并稳妥地实现高速驱动的光元件，其具有极为简单的结构并且不会引起例如光学损耗的任何特性降低，而且能够进一步缩小尺寸，并且本发明还实现了一种应用该光元件的光转换器。
本实施例在各个方面都被视为说明性而且是非限制性的，因此，权利要求的等效含义和范围内的所有变化将被涵盖在本发明中。本发明可以用不脱离本发明的精神或者实质特征的其它具体形式来体现。
权利要求
1.一种光元件，包括基板；以及至少一层电光效应薄膜，形成在所述基板上方并且具有电光效应；其中所述电光效应薄膜具有至少一个偏振轴，并且所有的偏振轴对于入射光的TE模式分量相同，而且对于入射光的TM模式分量相同。
2.根据权利要求1的光元件，其中所述电光效应薄膜具有至少一种类型的区域，并且所述区域的所有偏振轴对于入射光的TE模式分量相同，而且对于入射光的TM模式分量相同。
3.根据权利要求2的光元件，其中所述电光效应薄膜由具有斜方六面体结构的电光材料组成，并且该电光材料在(100)方向上生长。
4.根据权利要求3的光元件，其中所述电光效应薄膜在主面上具有(100)晶体取向的所述基板上方生长。
5.根据权利要求2的光元件，其中所述电光效应薄膜由具有假立方晶体结构的电光材料组成，并且具有单一类型的区域。
6.一种光元件，包括基板；以及至少一层电光效应薄膜，形成在所述基板上方并且具有电光效应；其中所述电光效应薄膜由具有立方晶体结构的电光材料组成。
7.根据权利要求1的光元件，其中所述基板由主要成分是SrTiO3的材料组成。
8.根据权利要求1的光元件，其中所述电光效应薄膜通过外延生长形成。
9.根据权利要求1的光元件，其中进一步包括光波导，包括至少一层所述电光效应薄膜。
10.根据权利要求9的光元件，其中进一步包括应力消除层，设置在所述基板与所述光波导之间，以消除对该光波导有影响的所述基板的应力。
11.根据权利要求1的光元件，其中所述电光效应薄膜具有简单的钙钛矿型结构。
12.根据权利要求1的光元件，其中所述电光效应薄膜具有至少一层钨青铜型结构。
13.根据权利要求1的光元件，其中所述电光效应薄膜具有至少一层铋层叠结构。
14.一种光转换器，包括光波导，包括至少一层电光效应薄膜；多个输入通道，平行地形成在所述光波导上的一端，以接收光信号；为所述各个输入通道设置的第一光偏转器；多个输出通道，平行地形成在所述光波导上的另一端，以输出光信号；以及为所述各个输出通道设置的第二光偏转器；其中该电光效应薄膜具有至少一个偏振轴，并且所有偏振轴对于入射光的TE模式分量相同，而且对于入射光的TM模式分量相同。
15.根据权利要求14的光转换器，其中所述电光效应薄膜具有至少一种类型的区域，并且所述区域的所有偏振轴对于入射光的TE模式分量相同，而且对于入射光的TM模式分量相同。
16.根据权利要求15的光转换器，其中所述电光效应薄膜由具有斜方六面体结构的电光材料组成，并且该电光材料在(100)方向上生长。
17.一种光转换器，包括光波导，包括至少一层电光效应薄膜；多个输入通道，平行地形成在所述光波导上的一端，以接收光信号；为所述各个输入通道设置的第一光偏转器；多个输出通道，平行地形成在所述光波导上的另一端，以输出光信号；以及为所述各个输出通道设置的第二光偏转器；其中所述电光效应薄膜由具有立方晶体结构的电光材料组成。
全文摘要
本发明涉及一种光波导的芯层被生长为由具有斜方六面体结构的电光材料组成并且在主面上具有(100)晶体取向的基板上方生长的薄膜。本发明的一个目的在于提供一种利用电光效应以容易并稳妥地实现高速驱动的光元件，其具有极为简单的结构并且没有例如光学损耗的任何特性降低，并且能够实现进一步缩小尺寸；本发明还提供一种应用该光元件的光转换器。该光元件包括基板；及至少一层电光效应薄膜，形成在该基板上方并且具有电光效应，该电光效应薄膜具有至少一个偏振轴，并且所有偏振轴对于入射光的TE模式分量相同，而且对于入射光的TM模式分量相同。该光转换器包括光波导，多个输入通道，第一光偏转器，多个输出通道，以及第二光偏转器。
文档编号H04B10/12GK1779507SQ20051005902
公开日2006年5月31日 申请日期2005年3月24日 优先权日2004年11月26日
发明者佐藤桂辅, 近藤正雄, 石井雅俊 申请人:富士通株式会社