专利名称：光开关、光调制器和波长可变滤光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及在光通信用部件上使用的光开关、光调制器和波长可变滤光器。
背景技术：
现在，对于光通信系统的大容量、高速化以及高性能化的要求正迅速增高。作为这样的光通信系统所使用的光信号处理器件所期待的是光开关或光调制器。特别是面向近年来的网络高性能化的光交叉连接用的开关的重要性正迅速增高。作为这样的光开关，已经开发出了使用被称为MEMS(Micro Electro Mechanical System)的微型机械技术的光开关和使用石英类光波导的热光效应的光开关。此外，还开发出了在波导交叉部分填充具有与波导相等的折射率的油并利用过热产生气泡，利用在交叉部分产生光的反射来切换光路的光开关等。
但是，这些光开关的动作速度在msec范围。而下一代光网络所要求的光分组的路由选择所需要的动作速度是1～10nsec。作为能够实现1～10nsec的动作速度的光开关，有使用LiNbO3(也称为LN)的电光效应的开关。该光开关通过利用LN所具有的1次电光效应使波导折射率改变来实现。
作为制作使用LN的电光效应的光开关的方法，是通过在LN基板上利用Ti热扩散法形成具有Y分支形态的波导图形。已知有在其上形成缓冲层，进而在其上配置与波导图形对应的电极的方法(参照西原、春名、栖原共著“光集成电路”，欧姆公司，PP.310-326(1985))。
可是，LN是三方晶的晶体，为了使用最大的电光常数r33，需要在具有双折射性的方位上引导光。因此，光开关对于光的偏振具有动作不同的偏振依赖性。由于偏振依赖性在光的传送中成为导致错误的原因，所以在光开关上无偏振依赖是重要的。因此，正在研究在LN中也进行无偏振依赖动作的光开关的制作。但是，在具有无双折射性的晶体方位的情况下，则利用小的电光常数r13，因而存在驱动电压成为40V或40V以上的问题。
作为高速动作的光开关，提出了使用由半导体材料构成的对称马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪的光开关。但是，马赫-曾德干涉仪需要在进行开关时使用控制光取得同步等复杂的结构，因而缺乏实用性。
此外，还提出了控制模式分布的数字型光开关。但是，与其它种类的光开关相比存在驱动电压高的问题。
另外，由于电光效应是构成晶体的原子的电子状态因电场而变化的现象，所以对于电场变化的响应速度极快。因此，可以说是在作为用于对飞(母托)秒级的电场变化瞬间地进行响应的超高速用光调制器利用上的最佳的物理现象。特别是LN能够通过Ti等的杂质的扩散或离子交换等的方法比较容易地制作光波导。因此，作为利用一次电光效应的光调制器也是最广泛使用的材料(参照西原、春名、栖原共著“光集成电路”，欧姆公司，PP.310-326(1985)，特开昭53-6054号公报、特开昭53-54040号公报)。
通常，电光效应具有与晶体方位对应的依赖性，在具有最大的电光常数的晶体轴上施加电场来调制折射率。在LN的情况下，利用上述的r33(30pm/V)。此外，在实现光调制器的情况下，重要的性能参数是动作速度和调制电压。由于相位调制量与电极长度成比例，所以电极长度越长调制电压越低。但是，当电极长度大于等于1cm时，由于调制信号的周期与电场在电极内从端到端的时间是同等程度，所以使用集中常数型电极均匀地施加GHz程度的高频变得困难。相反，在要提高响应速度而缩短电极长度的情况下，需要高电压电源。因此，在这种情况下，现有的能够利用的电源价格非常高。
发明内容
本发明的目的在于提供简单的构成的低驱动电压的无偏振依赖并且高速的光开关、光调制器和波长可变滤光器。
本发明的一种实施方式是一种光波导器件，具备由立方晶并且具有2次电光效应的电介质晶体构成的传播光的三维光波导；以及向上述三维光波导施加电场的电极。只要三维光波导是相对于基板表面不仅在垂直的方向上而且在平行的方向上能够封闭光的光波导即可。例如，可以是埋入型光波导或隆起状光波导。
另一种实施方式是一种波导电光移相器，具备由KTa1-xNbxO3(0＜x＜1)(也称为KTN)和K1-yLiyTa1-xNbxO3(0＜x＜1，0＜y＜1)(也称为KLTN)、或者KTN或者KLTN组成的晶体材料的传播光的三维光波导；以及向上述三维光波导施加电场的电极。
另一种实施方式是一种光开关，具备由设置在输入侧的3dB耦合器和设置在输出侧的3dB耦合器和连接输入侧3dB耦合器和输出侧3dB耦合器的2条光波导构成的马赫-曾德干涉仪；以及向2条三维光波导的一方或者双方施加电场的电极。在该光开关中，至少2条三维光波导是由KTN和KLTN、或者KTN或者KTLN组成的晶体材料。
另一种实施方式，是在由KTaO3、KNbO3、或者KTN的任意一种材料构成的基板上配置由KLTN或者KTN的任意一种材料构成的芯波导。具备向在将与该芯波导比较折射率稍低的KLTN作为包层的三维光波导的下部包层的下方或者上部包层的上方的至少一方上形成的芯波导施加电场的电极。具备Y分支型波导，该Y分支型波导由三维光波导构成，其包含具有用于接收发送来的光信号的输入端的第1输入光波导和从该第1输入波导分支的第2输出光波导和第3输出光波导，在第2输出光波导和第3输出光波导上具备上述电极。
另一种实施方式是一种马赫-曾德型的光调制器，其将由KTN和KLTN组成的晶体材料用于波导材料，具有至少1个输入波导、1个输出波导、与输入波导连接的3dB耦合器、与输出波导连接的3dB耦合器、连接2个3dB耦合器的2个三维光波导。在该三维光波导的至少一方具有配置了电极的电光移相器。
另一种实施方式是一种宽带光调制器，具备由KTN或者KLTN的任意一种材料构成的基板、由KTN或者KLTN的任意一种材料构成的三维光波导。此外，具备由沿着三维光波导形成的取得微波和光波的速度匹配的行波电极构成的多个电极。
另一种实施方式是一种波导电光移相器，具备三维光波导，该三维光波导具备由KTN和KLTN组成的第1晶体材料的具有芯厚度的芯、以及由具有与第1晶体材料不同的折射率的KTN和KLTN组成的第2晶体材料的包层。此外，具备夹着三维光波导平行相对的2个电极。该芯以芯的下面相对于包层的下面为第1距离而芯的上面相对于包层的上面为第2距离的方式被埋入包层。包层具有0≤第1距离、第2距离≤3×芯厚度的范围的包层厚度。
另一种实施方式是一种波导电光移相器，具备三维光波导，该三维光波导具备由KTN和KLTN组成的第1晶体材料的具有芯厚度的芯、以及由具有与第1晶体材料不同的折射率的KTN和KLTN组成的第2晶体材料的包层。此外，具备夹着三维光波导平行相对的2个电极。该芯以芯的上面相对于包层的上面为第1距离的方式被埋入包层。包层具有0≤第1距离≤3×芯厚度的范围的包层厚度。
另一种实施方式是一种阵列光波导栅格波长可变滤光器，具有由多个三维光波导、设置在三维光波导之上的电极构成的阵列光波导。阵列光波导栅格波长可变滤光器对于通道光波导的1条具有配置了夹着三维光波导平行相对的2个电极的波导电光移相器。
另一种实施方式是一种阵列光波导栅格波长可变滤光器具备至少1条输入端口通道光波导；由光程相互不同的通道光波导构成的通道光波导阵列；至少1条输出端口通道光导波；连接输入端口通道光波导和通道光波导阵列的第1板式光波导；连接输出端口通道光波导和通道光波导阵列的第2板式光波导。此外，具备由通道光波导阵列的一部分构成的、包括由KTN和KLTN组成的第1晶体材料的具有芯厚度的芯和由具有与第1晶体材料不同的折射率的KTN和KLTN组成的第2晶体材料的包层的三维光波导；以及夹着三维光波导平行相对的2个电极。此外，具备芯以芯的下面相对于包层的下面为第1距离而芯的上面相对于包层的上面为第2距离的方式被埋入包层的、包层具有0≤第1距离、第2距离≤3×芯厚度的范围的包层厚度的波导电光移相器。
另一种实施方式是一种阵列光波导栅格波长可变滤光器具备至少1条输入端口通道光波导；由光程相互不同的通道光波导构成的通道光波导阵列；至少1条输出端口通道光导波；连接输入端口通道光波导和通道光波导阵列的第1板式光波导；连接输出端口通道光波导和通道光波导阵列的第2板式光波导。此外，具备包括由KTN和KLTN组成的第1晶体材料的具有芯宽度的芯和由具有与第1晶体材料不同的折射率的KTN和KLTN组成的第2晶体材料的包层的三维光波导；以及夹着三维光波导平行相对的2个电极。此外，具备芯以芯的上面相对于包层的上面为第1距离的方式被埋入包层的、包层具有0≤第1距离≤3×芯宽度的范围的包层厚度的波导电光移相器。
图1是本发明的一种实施方式的光开关的结构图。
图2是表示在图1的光开关的马赫-曾德干涉仪的一方的光波导上形成的相位调制部分的结构图。
图3A是图2的IIIA-IIIA线按箭头方向看的剖面图。
图3B是图2的IIIB-IIIB线按箭头方向看的剖面图。
图4是表示在图3A和B的相位调制部中由于电场的施加引起的折射率变化的图。
图5是表示本发明一种实施方式的光开关的动作特性的曲线图。
图6是表示本发明的本实施方式的光开关的相位调制部分的结构的图。
图7相当于图6的VII-VII线按箭头方向看的剖面，是表示使用了梳子形电极的相位调制部分的电场方向的图。
图8是表示图7的相位调制部分中由于电场的施加引起的折射率变化的图。
图9是本发明的一种实施方式的光开关的结构图。
图10是表示本发明的一种实施方式的方向性耦合型光分支元件的分支比是1∶1的典型的条件的曲线图。
图11是本发明的一种实施方式的分支比可变波导型分支元件的结构图。
图12是表示在图11中的方向性耦合器一方的光波导上形成的相位调制部分的结构图。
图13A是图12的XIIIA-XIIIA剖面图。
图13B是图12的XIIIB-XIIIB剖面图。
图14是表示本发明的一种实施方式的光开关的动作特性的曲线图。
图15是本发明的一种实施方式的16×16的矩阵开关的概要图。
图16是表示本发明的一种实施方式的波导的结构图。
图17是本发明的一种实施方式的1×2数字光开关的结构图。
图18A是图17的XVIIIA-XVIIIA线剖面图。
图18B是图17中的梳子形电极的平面图。
图19是表示本发明的一种实施方式的电场施加方法(平行基板)的说明图。
图20是本发明的一种实施方式的1×2偏振分离器(电场平行基板施加)的结构图。
图21A是本发明的一种实施方式的1×2无偏振依赖光开关(3段连接，电场平行基板施加)的说明图。
图21B是本发明的一种实施方式的1×2无偏振依赖光开关(3段连接，电场平行基板施加)的说明图。
图22A是本发明的一种实施方式的1×2无偏振依赖光开关(5段连接，电场平行基板施加)的说明图。
图22B是本发明的一种实施方式的1×2无偏振依赖光开关(5段连接，电场平行基板施加)的说明图。
图23是表示本发明的一种实施方式的电场施加方法(垂直基板)的说明图。
图24是本发明的一种实施方式的1×2偏振分离器(电场垂直基板施加)的结构图。
图25A是本发明的一种实施方式的1×2无偏振依赖光开关(3段连接，电场垂直基板施加)的说明图。
图25B是本发明的一种实施方式的1×2无偏振依赖光开关(3段连接，电场垂直基板施加)的说明图。
图26A是本发明的一种实施方式的1×2无偏振依赖光开关(5段连接，电场垂直基板施加)的说明图。
图26B是本发明的一种实施方式的1×2无偏振依赖光开关(5段连接，电场垂直基板施加)的说明图。
图27是表示本发明的一种实施方式的波导的结构图。
图28A是本实施方式的波导的立体图。
图28B是图28A的XXVIIIB-XXVIIIB线的切断剖面图。
图29A是本发明的一种实施方式的波导的立体图。
图29B是图29A的XXIXB-XXIXB线的切断剖面图。
图30A是本发明的一种实施方式的波导的立体图。
图30B是图29A的XXXB-XXXB线的切断剖面图。
图31是本发明的一种实施方式的光调制器的结构图。
图32是本发明的一种实施方式的光调制器的结构图。
图33是本发明的一种实施方式的光调制器的结构图。
图34是本发明的一种实施方式的光调制器的结构图。
图35A是用于说明本发明的一种实施方式的波导电光移相器的立体图。
图35B是图35A的XXXVB-XXXVB线剖面图。
图36A是用于说明本发明的一种实施方式的波导电光移相器的立体图。
图36B是图36A的XXXVIB-XXXVIB线剖面图。
图37A是用于说明本发明的一种实施方式的波导电光移相器的立体图。
图37B是图37A的XXXVIIB-XXXVIIB线剖面图。
图38A是用于说明本发明的一种实施方式的波导电光移相器的立体图。
图38B是图38A的XXXVIIIB-XXXVIIIB线剖面图。
图39是本发明的一种实施方式的光调制器的剖面图。
图40是本发明的一种实施方式的光调制器的剖面图。
图41是本发明的一种实施方式的光调制器的剖面图。
图42是本发明的一种实施方式的光调制器的剖面图。
图43是具备本发明的一种实施方式的波导电光移相器的波长可变滤光器的结构图。
图44是表示本发明的一种实施方式的波长可变滤光器用的电光移相器的电极结构的结构图。
图45是表示本发明的一种实施方式的波长可变滤光器用的电光移相器的电极结构的结构图。
图46是表示本发明的一种实施方式的波长可变滤光器用的电光移相器的电极结构的结构图。
具体实施例方式
为了更详细地说明本发明，按照附图对其进行说明。
在本实施方式的光开关和光调制器中，使用立方晶并且具有大的2次电光效应的电介质晶体。具体地说，使用由KTN(KTa1-xNbxO3(0＜x＜1))以及KLTN(K1-yLiyTa1-xNbxO3(0＜x＜1，0＜y＜1))、或者KTN或者KLTN组成的晶体材料。本发明的一种实施方式的特征在于使用由这些晶体材料构成的光波导器件。其中，X是对于Ta和Nb的Nb的组成比，Y是对于K和Li的Li的组成比。
当对于KTN将外部电极施加在晶体轴方向上时，则KTN表示2次电光效应。其值为(1200～8000pm/V)，与LN所具有的非线性常数30pmN相比明显大。
此外，KTN依赖于构成，在-273℃～400℃的居里转移温度下产生铁电转移。以该居里温度为临界，相对介电常数在约3000～约20000之间大幅度变化。基于非线性效应的折射率变化与相对介电常数的平方成比例。因此，在转移温度附近，能够以更低的电压控制折射率。而且，虽然居里温度根据KTa1-xNbxO3的组成x的值变化，但也可以通过在KTN中掺入Li来调整其温度范围。
另外，除了KTN、KLTN晶体外，也可以与KTN、KLTN晶体同样地使用立方晶并且具有大的2次电光效应的电介质晶体。例如，作为用Ba置换KTN晶体的K、用Ti置换Ta和Nb双方的晶体材料的BaTiO3(BTO)在室温下呈正方晶结构。但是，BTO在约100℃或100℃以上结构相转移而成为立方晶。因此，如果在这种状态下，则能够通过使用本发明的KTN、KLTN晶体的方法构成本发明的光开关和光调制器。此外，虽然在动作温度等的使用上存在差异，但用Sr置换了KTN晶体的K后的STO或用Ca置换后的CTO都具有同样的性质。而且，混合BTO和STO和CTO这3种材料中的2种或2种以上的材料而得到的材料也一样。作为进一步的变形，也可以是用Pb和La置换BTO的Ba、用Zr置换Ti的一部分的材料。换言之，用Pb和La置换KTN晶体的K、用Ti和Zr置换Ta和Nb的材料(一般称为PLZT的晶体材料)也完全可以同样使用。另外，与KTN晶体一样，上述变形也能够适用于KLTN晶体，在这种情况下，将Li置换为Ba、Sr、Ca或Pb、La。
KTN、KLTN晶体具有利用温度从立方晶到正方晶再到菱面体晶改变晶系的性质。这些晶体，已知在立方晶中具有大的2次电光效应。特别是在从立方晶到正方晶的相转移温度附近的区域中，导致相对介电常数发散的现象，与相对介电常数的平方成比例的2次电光效应成为极大的值。因此，驱动光开关的电压也能够设为小于等于1V，对电源的负荷小，能够用IC驱动。
此外，优选地利用2次电光效应的光开关和光调制器的动作温度在从KTN、KLTN晶体的立方晶向正方晶的相转移附近。KTN、KLTN晶体，通过改变Ta和Nb的组成比，可以使从顺电性向铁电性(晶系从立方晶向正方晶转移)的相转移温度在大致绝对零度到400℃之间变化。因此，使用KTN、KLTN晶体制作的光开关和光调制器还具有容易将其动作温度设定在室温附近的优点。此外，本发明的光开关和光调制器，由于将立方晶区域的晶体用于光波导，所以作为光波导没有双折射性，作为光开关也能够进行无偏振依赖动作。
作为最能发挥上述特征的KTN、KLTN晶体材料的组成比，对于KTN来说只要是0＜x＜1即可，此外，对于KLTN来说只要是0＜x＜1、0＜y＜1即可。但是，优选地组成比X(对于Ta和Nb的Nb的比)在大于等于0.55且小于等于0.90的范围，而优选地组成比Y(对于K和Li的Li的比)在大于0且小于0.1的范围。当组成比X在0.55～0.90的范围以外时，由于晶体的相转移温度过高或者过低所以不适宜，当组成比Y大于等于0.1时，由于晶体构造改变所以不适宜。
(实施方式1)实施方式1的光开关具有传播光的光波导和在光波导上施加电场的电极。作为该光波导使用KTN、KLTN晶体等立方晶并且具有大的2次电光效应的电介质晶体。
作为具体的结构，有能够在较小的折射率变化下进行开关的、即能够在低驱动电压下进行开关的马赫-曾德干涉仪型的光开关。由于使在该光开关中进行无偏振依赖动作，所以需要由2次电光效应产生的折射率变化在TE方向上、TM方向上准确地相等。在本实施方式中使用的KTN、KLTN晶体，在TE方向和TM方向上的折射率变化原理上存在相等的电场方位。即，通过构成施加与光的传播方向平行的电场的电极，能够实现无偏振依赖动作的光开关(参照后述的实施例3)。此外，在本实施方式中，在同一光波中，组合多个而构成施加与光的传播方向正交的电场的电极。按照这种结构，即使假设在对于电场的折射率变化相对于TE方向和TM方向具有各向异性的方位上施加电场，也能够实现无偏振依赖动作的光开关(参照后述的实施例1)。
本实施方式的光开关，作为其动作使用2次电光效应，并使用具有高相对介电常数的材料。因此，必须考虑由于CR时间常数引起的速度限制。但是，在本发明的光开关中，由于其2次电光效应高，因而能够使元件的尺寸极小。此外，能够将该元件部分的静电容量设计得小。其结果，除了上述无偏振依赖动作外，进一步还能够实现1～10nsec的高速动作。
由此，本实施方式的光开关能够以简单的结构实现1～10nsec的高速、小于等于1V的低驱动电压、无偏振依赖动作这些在现有的光开关中不能实现的高性能。因此，这样的光开关能够用于光分组路由选择。并且，虽然使用几个实施例说明具有上述特征的本发明的光开关的实施方式，但本发明并不限于以下的实施例。
(实施例1)图1是表示本发明的实施方式的一例的光开关的结构图。光开关具有马赫-曾德干涉仪。光开关的光波导用电介质晶体制作。另外，在本实施方式的其它实施例中，也以具有图1所示的马赫-曾德干涉仪的光开关为基础进行说明。
如图1所示，本发明的光开关是包含设置在输入侧的3dB耦合器16、设置在输出侧的3dB耦合器17、连接输入侧3dB耦合器16和输出侧3dB耦合器17的2条光波导(支路波导)而构成的马赫-曾德干涉仪。此外，作为相位调整部分18具备在2条光波导的一方上施加电场的电极。另外，输入侧3dB耦合器16和输出侧3dB耦合器17的耦合常数被精密地设计成3dB。
在本实施例的光开关中，在芯14、包层15使用的电介质晶体材料都是KLTN晶体，通过调整Li浓度和Nb浓度而实现了相对折射率差0.75％的光波导。另外，如后述的图2所示，光波导的剖面，成为芯14被包层15所包围的埋入波导。芯14、包层15的电介质晶体的相转移温度分别是10℃、7℃，本实施例的光开关的动作温度是12℃。12℃时的芯14、包层15的电介质晶体的相对介电常数分别是18000和15000。
在本实施例的光开关中，如图1所示，从输入端口11输入光。当在相位调制部分18中未在光波导上施加电场的情况下(OFF的情况下)，向输出端口12输出全部的光。当在相位调制部分18中在光波导上施加电场的情况下(ON的情况下)，通过由相位调制部分18使相位变化π而使光的输出切换到输出端口13。
图2是表示形成在图1的光开关的马赫-曾德干涉仪一方的光波导上的相位调制部分18的结构图。此外，图3A是图2的IIIA-IIIA线按箭头方向看的剖面图，图3B是图2的IIIB-IIIB线按箭头方向看的剖面图。
如图2、图3A和B所示，相位调制部分18由相位调制单元24、相位调制单元25这2个相位调制单元构成。这2种相位调制单元具有各自不同的电极结构。具体地说，在相位调制单元24中，在芯14正上方设置有透明电极22，在其两侧配置有包层电极23。如图3A所示，在该电极结构中，在从芯14向基板方向上(与传播的光的TM方向平行的方向)上施加电场。另一方面，在相位调制单元25中，以夹着芯14的方式配置了透明电极22、包层电极23。由此，如图3B所示，在与基板平行的方向(与传播的光的TE方向平行的方向)上施加了电场。利用这样的电极结构，能够在相对于光的传播方向正交且相互正交的2个方向上施加电场。
其中，KTN、KLTN晶体的2次电光效应可以根据其对称性表示如下。
Δn∥＝-1/2×n03×ε02×εr2×g11×E2(1)[式2]Δn＝-1/2×n03×ε02×εr2×g12×E2(2)在以上的式子中，Δn∥是与施加电场平行方向的折射率变化，Δn是与施加电场垂直方向的折射率变化，n0是KTN、KITN的电场施加前的折射率，g11和g12是KTN、KLTN的非线性常数，ε0是真空的介电常数，εa是晶体的相对介电常数，E是施加电场。KTN、KLTN晶体的电光常数分别是g11)0.136m4/C2，g12＝-0.038m4/C2。因此，与电场平行的折射率通过电场的施加而减小，与电场垂直方向的折射率通过电场的施加而增大。此外，可知与电场平行的折射率的变化量增大到电场垂直方向的折射率的变化量的3～4倍左右。如果图示这样的电场施加前、施加后的与光传播方向正交的折射率，则可知如图4所示地进行变化。因此，在图2所示的相位调制部分18中，根据式(1)、(2)，在相互正交的2个电场相等的情况下，式(1)和(2)的加算量的折射率变化在TE方向、TM方向的两偏振上相等地产生。因此可知，在相位调制部分18中相位调制量不依赖于偏振，本发明的光开关在无偏振依赖下进行动作。
在本实施方式的光开关中，为了使从电极施加的电场在光波导的芯中有效地作用，使电极之下的包层厚度极薄。此外，考虑到光电场的封闭，将电极的一部分或者全部、特别是芯正上方的电极用相对于1.55μm波长的光成为透明的材料(例如，ITOIndium Tin Oxide)构成。由此，能够使施加电场基本没有损耗地施加在芯上。
此外，图2所示的2种电极的长度分别是4mm，两电极约为8mm。该光开关的插入损耗约为3dB，包含使用KLTN晶体制作的马赫-曾德干涉仪的光波导损耗极低。
图5是表示本发明的光开关的动作特性的曲线图。
是在相位调制单元24、25上施加相等的偏置电场(电压)1V，在施加了进行开关需要的电场时，测定的输出到输出端口12、13的光功率的结果。如图5所示，可知光输出通过电场(电压)的施加而切换。在本实施例的光开关的情况下，由于使用2次电光效应，所以随着施加电场(电压)增大折射率变化增大。因此，可知为使相位变化π所需要的电场(电压)逐渐减小的情况。在本实施例的光开关的结构和驱动条件下，动作所需要的电压(Vπ)是0.85V，开关的消光比显示32dB的良好的值。而且，在开关上施加矩形波的电场而测定的开关速度约为1.5nsec，分组开关所需要的高速动作也是可能的。
另外，在本实施例中，为了容易进行折射率控制而使用了KLTN晶体。但即使使用KTN晶体也能够制作同样的光开关，证实了0.87V的驱动电压、1.2nsec的开关速度、还有无偏振依赖动作。
(实施例2)本实施例的光开关的结构是在马赫-曾德干涉仪的光波导(支路波导)的一侧设置了图2所示的相位调制部分18的相位调制单元24，在另一侧设置了相位调制部分8的相位调制单元25。除此之外的结构是与实施例1的光开关大致相同的结构。本实施例制作这样结构的光开关并确认了其动作。
在实施例1的光开关的结构中，由于只在马赫-曾德干涉仪一方的支路波导上施加电场，所以折射率变化是式(1)、(2)的加算。如在实施例1中说明的那样，KTN、KLTN晶体的2次电光常数在正交的方向上符号相反。因此，虽然通过式(1)、(2)的加算没有对于偏振的折射率依赖性，但折射率变化量向减小的方向变化。
因此，在实施例2的光开关中，由于对施加电场进一步有效地进行开关动作，所以在双方的支路波导上分别制作了相位调整部分18(参照图2)。而后，在一方的支路波导的相位调制单元24和另一方的支路波导的相位调制单元25上施加相同的电场。当对光输出进行开关时，相反，向一方的支路波导的相位调制单元25和另一方的支路波导的相位调制单元24施加相同的电场。由此，能够进行推拉动作，折射率变化成为(1)和(2)的差，进而能够实现低电压下的开关。这种情况下的驱动电压Vπ是0.53V，其它的开关特性与实施例1的光开关一样。即，利用本实施例的结构可知，在保持光开关的高速、无偏振依赖的特性的同时能够进一步以低电压进行驱动。
(实施例3)图6是本实施方式的光开关的实施方式的另一例子，是表示其相位调制部分结构的图。此外，图7相当于图6的VII-VII线按箭头方向看的剖面图，是表示使用梳子形电极的相位调制部分的电场方向的图。
虽然实施例3的光开关的结构是与实施例1的光开关同样地使用马赫-曾德干涉仪的结构，但在马赫-曾德干涉仪的光波导(支路波导)的相位调制部分使用图6所示的梳子形电极结构是大的不同点。
如图6、7所示，本实施例的相位调制部分是在形成于基板61上的包层63上以包围芯62的方式形成的埋入波导。在芯62的上部，在其长度方向上形成梳子形状的梳子形电极64和包层电极65使得相互的电极交替地配置。此外，如图7所示(在图6中未图示)，以在上部侧的梳子形电极64和包层电极65上分别相对的方式在基板61与包层17的界面上分别形成下部侧的梳子形电极64和包层电极65。
由梳子形电极64和包层电极65施加的电场，如图7所示的电场E1、E2，在与光传播方向平行的方向上形成多个。并且，相邻的电场E1、E2的方向具有交替地反转的方向。以相对的梳子形电极64、包层电极65的极性相同的方式制作电极。因此，消除了与芯62正交的方向的电场，只剩下与芯62平行的电场。
与这样的电场施加前、施加后的光传播方向正交的折射率如图8的图示那样地变化。在实施例3的情况下，与光的传播方向正交的方向的折射率变化与式(2)的折射率变化相对应。即，从图8可知，该折射率变化的方向是各向同性的，相对于偏振各向同性地产生折射率变化。因此可知，成为无偏振依赖。
在实施例3的梳子形状的电极结构中，如图7所示，具有尽管电场E1、E2的方向交替地反转而不依赖于电场方向得到一定方向的折射率变化的特征。这是因为，由于使用2次电光效应，所以与电场的符号(电场的方向)无关，能够得到与该绝对值的平方成比例的折射率变化。这是利用2次电光效应的大的优点，从而能够使用梳子形电极。
而且，在使用梳子形电极的情况下，具有通过改变梳子形电极的间隙而能够改变电场大小的优点。在三明治型的电极结构的情况下，无法使电极间隙减小到小于等于光波导的厚度，因而为了增大电场只能施加大的电压。但是，在梳子形电极的情况下，正负电极在同一平面上，因而能够任意地改变其间隙。因此，通过减小其间隙，能够在同样的施加电压下得到大的电场。即，通过在具有2次电光效应的电介质晶体上使用梳子形电极，能够以小的施加电压施加大的电场。而且，由于即使电场方向交替地变化也能够使折射率在一定方向上变化，所以能够得到折射率在光的传播方向上均匀地大的变化的光波导。因此，通过将使用了实施例3的梳子形状的电极结构的相位调制部分用于马赫-曾德干涉仪一方(或者双方)的支路波导，能够容易地实现无偏振依赖且低驱动电压的光开关。
另外，并不限于实施例3那样的梳子形状的电极结构，在形成与光的传播方向平行的方向且只是光的传播方向的顺方向或者逆方向的电场的电极结构的情况下，也能够实现无偏振依赖的光开关。
在实施例3中，用具有与实施例1大致相等的相转移温度的KTN晶体制作包含马赫-曾德干涉仪的光波导。此外，在下部电极上使用白金、在上部电极上使用ITO制作光开关。只要电极是导电性的就能够进行开关动作。在减小上部和下部的包层厚度提高电场施加效率的情况下，使用透明电极能够抑制由电极材料产生的光吸收的影响。其结果能够使插入损耗降低。此外，当将相位调制部分的长度设为1cm，将偏置电压设为1V时，本实施例的光开关的驱动电压Vπ是0.98V，消光比表现为35aB良好的特性，在无偏振依赖下进行动作。
另外，在实施例1至实施例3的光开关中，施加偏置电压使其动作。在该偏置电压上重叠进行开关所需要的调制电压，作为电路结构是容易的。此外，由于使用2次电光效应，所以通过施加偏置电压能够使对于电场变化的折射率变化量增大。由此可见，通过施加对电源电路不施加负荷的程度的偏置电压能够进一步高效率地进行开关。
(实施例4)实施例4的光开关的结构是与实施例1的光开关同样地使用了马赫-曾德干涉仪的结构。利用KLTN晶体形成2条支路波导，将与实施例1一样的相位调制部分制作在双方的支路波导上。但是，输入侧3dB耦合器和输出侧3dB耦合器由石英类波导制作。使用这些材料，在研磨相位调制部分侧的KLTN晶体的端面并施加AR涂层后，将该端面与输入侧3dB耦合器和输出侧3dB耦合器用光学粘接剂粘接而构成光开关。
实施例4的光开关，其驱动电压或开关速度与实施例1大致一样。但是，插入损耗和消光比得到改善，分别为2.4dB、42dB。这表示用石英类波导制作的3dB耦合器比用KLTN晶体制作的3dB耦合器损耗低精度高。由此可见，即使只在相位调制部分使用KTN、KLTN晶体的光波导，而用石英类等其它的光波导构成其它的部分，也能够制作同样的光开关。
(实施例5)虽然实施例5的光开关是与实施例1的光开关同等的结构，但光波导由BTO晶体等制作这一点不同。制作这样构成的光开关，并确认了其动作。
在实施例5的光开关中，当将BTO波导部分控制在110℃进行动作时，则驱动电压Vπ需要1.5V。但得到了与实施例1的光开关同样的性能，而且，开关速度小于等于1ns。此外，将BTO和STO以0.73∶0.27的比例混和。制作由Ba0.73Sr0.27TiO3的单晶体构成的波导，并用它制作同样的光开关。在这种情况下，在波导温度10℃下，得到了与使用BTO波导的情况一样的特性。另外，将PLZT作为波导材料的光开关也能够进行同样的动作。
(实施例6)在实施例6中，通过在4英寸的基板上高密度地集成实施例2的光开关，制作16×16矩阵开关。制作的光开关是非阻塞结构，其数量是256个。光开关以无偏振依赖进行动作，插入损耗是8.5dB，消光比是43dB，驱动电压0.9V，进行开关所使用的消耗功率是0.8W。在实施例6的光开关的情况下，由于在进行开关时重复与开关部分的电容量对应的充放电，所以产生与开关速度对应的功率消耗。具体地说，当在1GHz下连续地进行开关动作时，其最大消耗功率是0.8W。由此可见，与现有的光开关相比功率消耗极小。
(实施例7)在本实施方式中，说明了马赫-曾德干涉型的光开关。在实施例7中说明方向性耦合器。
如图9所示，在实施例7的波导型器件中，在芯91、包层92所使用的波导材料都是KLTN晶体。通过对于这些材料调整Li的浓度和Nb的浓度而实现了相对折射率差0.5％的光波导。芯隆起利用光刻和干蚀刻加工成大致6μm×6μm的尺寸。
实施例7具备方向性耦合型光分支元件96，当从输入端口93输入光后，则在相互作用区域上在2个波导间产生模式耦合而能量转移。通过调节芯间的间隙G和相互作用区域L能够实现具有1∶1分支比的元件、即3dB耦合器。
制作多个使芯间隙G和相互作用长度L变化的方向性耦合型光分支元件。图10是表示从输入端口93输入波长1.55μm的光，测定来自输出端口94、95的输出光的强度，分支比成为1∶1的典型条件的曲线。由图10表示出制作的方向性耦合型光分支元件的过剩损耗为大致小于等于0.1dB的优异的光学特性。
(实施例8)在实施例7中的方向性耦合器中，在一方的光波导正上方形成电极(未图示)，制作分支比可变波导型分支元件。其结构如图11所示。
在实施例8的波导型分支元件中，如图11所示，当从输入端口111输入光后，在相位调制部分112中，输入的光一旦转移到另一方的光波导后再次向原来的光波导转移。此时，以向输出端口114输出全部的光的方式施加了偏置电压。当在相位调制单元112中在光波导上施加分支比控制用电场的情况下(ON的情况)，通过相位调制部分112的电场的施加，单侧波导的有效折射率发生变化。其结果，2个波导间的传播常数产生差而产生相位不匹配。通过用分支比控制用电场使该相位不匹配量变化，光的输出向输出端口113转移而分支比变化。
图12是表示形成在图11中的方向性耦合器一方的光波导上的相位调整部分112的结构图。此外，图13A是图12的XIIA-XIIA剖面图，图13B是图12的XIIB-XIIB剖面图。
如图12、图13A和B所示，相位调制部分112由相位调制单元121、相位调制单元122这2个相位调制单元构成。各个相位调制单元具有2种各自不同的电极结构。具体地说，在相位调制单元121中，在芯91正上方配置了电极123，在其两侧配置了包层电极124。在该电极结构中，如图13A所示，在从芯91朝向基板的方向(与传播的光的TM方向平行的方向)上施加电场。另一方面，在相位调制单元122中，以夹着芯91的方式配置了电极123、包层电极124。因此，如图13B所示，在与基板平行的方向(与传播的光的TE方向平行的方向)上施加电场。利用这样的电极结构，能够在对于光传播方向正交且彼此正交的2个方向上施加电场。
即，通过式(1)-(2)，在图11所示的相位调整部分112中，在相互直行的2个电场相等的情况下，式(1)和(2)的加算量的折射率变化在TE方向、TM方向的两变更上相等地产生。由此可见，在相位调制部分112中，相位调制量不依赖于偏振，本实施方式的光开关以无偏振依赖进行分支比可变动作。
图12所示的2种电极的长度分别设为4mm，而两电极设为约8mm。该光开关的插入损耗约为2.5dB，包含使用KLTN晶体的方向性耦合器的波导器件损耗极低。
图14是表示本实施方式的光开关的分支特性的曲线图。如上所述，是在相位调制单元121、122施加相等的偏置电场(电压)3V，在施加了用于使分支比变化所需要的电场时，测定输出到输出端口113、114的光功率的结果。如图14所示，可知光输出通过电场的施加而切换。可知本实施例8的波导型器件分支比可变，还具有开关功能。在实施例8中，由于使用了2次电光效应，所以随着施加电场变大而折射率变化增大。因此，可见开关动作所需要的电场逐渐减小。在本实施例的光开关的结构和驱动条件下，进行开关动作所需要的电压为0.95V，开关的消光比显示30dB的良好的值。而且，在开关上施加矩形波的电场并测定的开关速度约为2nsec。因此，利用本实施例的光开关，也能够实现进行分组开关所需要的高速动作。
另外，在实施例8中，虽然使用了KLTN晶体，但使用KTN晶体也能够制作同样的光开关，并确认了0.97V的驱动电压、1.7nsec的开关速度，还有无偏振依赖动作。此外，虽然用于实施相位调制的电极结构使用了由图13A和B所示的2个相位调制单元构成的结构，但即使使用梳子形电极等的结构也确认了无偏振依赖操作。
(实施例9)在实施例9中，通过在4英寸的基板上高密度地集成实施例8的光开关制作16×16矩阵开关。制作的光开关是非阻塞结构，其数量是256个。图15表示其中16个单元151。各单元151是使用图11所示的方向性耦合器的光开关。该光开关在无偏振依赖下进行动作，插入损耗是8.0dB，消光比是45dB，驱动电压0.90V，进行开关所使用的消耗功率是0.83W。
在本开关的情况下，由于在进行开关时反复进行与开关部分的电容量对应的充放电，所以产生与开关速度对应的功率消耗。具体地说，当在1GHz下连续地进行开关动作时，其最大消耗功率是0.8W，与现有的光开关相比消耗功率极小。
在实施方式1的光开关中，为了对于KTN和KLTN等使其在居里转移温度附近进行动作，可以具备温度控制器。温度控制器可以是珀耳贴元件。
如以上的说明，按照实施方式1，通过将KTN、KLTN晶体等作为光波导使用，能够实现在以往无法实现的高速、低电压驱动、无偏振依赖的光开关。由于能够以低电压进行驱动，所以不需要使用高价的高速动作的电源，而代之能够用IC等进行直接驱动。此外，实施方式1的光开关，使用集成电路和板安装等能够作为高密度的开关板廉价地进行制作。而且，构成矩阵容易，能够构成大规模的矩阵开关。因此，实施方式1的光开关作为光分组路由器的芯开关是有用的。
(实施方式2)
实施方式2用以KTN晶体为基础的光波导构成数字光开关。例如，如图16所示，使用将KTN或者KLTN作为芯161，将折射率比它稍低的KTN或者KLTN作为包层162的埋入型三维光波导。虽然在图16中省略，但该埋入型三维光波导设置在KTaO3(KT)、KNbO3(KN)或者KTN基板上。
图17表示利用了这样的埋入型三维光波导的1×2数字光开关。该光开关，由于只在光的波导方向上施加电场E1，所以在下层包层下方并且在上层包层上方具备梳子形电极。
即，在基板173上，作为由芯178和包层174构成的埋入型三维光波导，构成从-个输入光波导(输入端口)175向二个输出波导(输出端口)176、177分支的Y分支型波导。在下侧的包层174的下方和上侧的包层174的上方的Y分支附近的输出波导176、177上配置了用于向芯178施加电场的梳子形电极171、172。
这样的数字光开关，如后述，能够接受TE、TM双方的折射率变化相等的折射率变化，从而能够消除偏振依赖性。在本实施方式中使用的KTN是电介质晶体材料，在居里温度或居里温度以上具有立方晶结构。对此，如图16所示，当在晶体轴方向a1、a2、a3上施加外部电场E1、E2、E3时，显示二次电光效应。
在立方晶的TE、TM各模式的折射率的电场依赖性，当E2或者E3是0时可以如以下那样记述。
nTE＝n0-0.5n03ε02εa2(g12E12+g11E22)-0.5n03g12ε02εa2E32nTM＝n0-0.5n03ε02εa2g12(E12+E22)-0.5n03g11ε02εa2E32(3)(g11＞0，g12＜0)在上式中，n0是KTN或者KLTN的电场施加前的折射率，g11和g12是KTN、KLTN的非线性常数，εa是KTN、KLTN的相对介电常数。其中，E1、E2、E3的电场方向与图16所示的芯108的主轴方向的电场各自对应。当E2或者E3是0时，折射率椭圆体的主轴没有变化，不发生模式变换。此外，当E3不是0时，由于g11和g12的符号不同，所以折射率变化的方向不同。
并且，nTE随着E3的增加而减小。另一方面，由于nTM随着E3的增加而增加，所以产生开关动作的偏振依赖性。因此，当只施加光的波导方向的电场E1时，则折射率变化两模式都如下式那样用同一式子赋予，从而能够消除偏振依赖性。
nTE＝n0-0.5n03ε02εa2g12E12nTM＝n0-0.5n03ε02εa2g12E12(4)(g11＞0，g12＜0)因此，如图17，为了只施加光的波导方向的电场E1，在作为芯178的输出端口176、177的上下配置了梳子形电极171、172。
图18A表示配置了梳子形电极171、172的Y分支波导的剖面图，图18B表示梳子形电极的平面图。
如图18A所示，在基板183上设置了由包层184和芯182构成的埋入型三维光波导。此外，在上侧的包层184的上方和下侧的包层184的下侧分别配置了梳子型电极181。如图18B所示，梳子型电极181，以一定间隙交替地配置了+极181a和-极181b。并且，以上下的梳子型的电极181的同极性相对的方式配置。
因此，上下贯穿芯182的电场E3通过来自上下梳子型电极181的电场成分的抵消作用理想的是成为0。因此，利用本实施例的梳子型电极181能够有效地只在光波导方向上施加电场E1。此外，本发明的电场效应，由于利用2次电光效应，所以与电场的平方成比例。因此，在二个输出端口176、177上预先施加DC偏置电压，通过只在要利用开关动作切换光路的二个输出端口176或者输出端口177上施加电压，能够以更低的消耗功率进行开关动作。
另一方面，如图19所示，在上侧的包层193的表面上，在芯192的左右配置+极、-极的电极191，在相对于光波导方向在垂直方向上施加电压的情况下，主要产生与基板平行的横切芯192的方向的电场E2。在这种情况下，折射率变化用以下的式子表示，nTE减小，nTM增大。
nTE＝n0-0.5n03ε02εa2g11E22nTM＝n0-0.5n03ε02εa2g12E22(5)(g11＞0，g12＜0)图20表示利用这样的原理的1×2偏振分离器。即，如图20所示，在基板203上，作为由芯208和包层204构成的埋入型三维光波导设置了从一个输入端口205向二个输出端口206、207分支的Y分支型波导。在包层204表面上，在Y分支附近的输出端口206、207各自的左右两侧配置了开关用电极201、202。
因此，如果使TM光、TE光入射到输入端口205上，当向一方的开关用电极201上施加电压时，则产生与基板平行的横切芯208的方向的电场E2。因此，TM光向输出端口206输出，TE光向输出端口207输出。因此，能够实现可以将TE模式和TM模式分离的偏振分离器。
此外，图21A和B是表示将该Y分支型波导5个组合成树形的1×2无偏振依赖光开关的示意图。即，用第一Y分支型波导211将一个波导分支为二个波导。用第二、第三Y分支型波导212、213将二个波导分支为四个。用第四、第五Y分支型波导214、215使交叉的波导和直线的波导分别结合成二个波导。此外，在各Y分支型波导211～215的输出波导上分别配置了开关用电极。在图21A和B中，在用黑色表示的电极上实际地施加电压。
在图21A的情况下，TM光、TE光分别传播在用箭头所示的光路上，最终都向图中上侧的输出端口输出。另一方面，在图21B的情况下，TM光、TE光分别在箭头所示的光路上传播，最终都向图中下侧的输出端口输出。
此外，图22A和B是表示将该Y分支型波导7个组合成树形的1×2无偏振依赖光开关的示意图。即，用第一Y分支型波导221将一个波导分支为二个波导。用第二、第三Y分支型波导222、223将二个波导进一步分支为四个波导。用第四Y分支型波导224将二个波导结合成一个波导并用第五Y分支型波导225将一个波导分支为二个波导。进而，用第六、第七分支型波导226、227将四个波导结合成二个波导。在这些各Y分支型波导221～227的输出波导上分别配置了开关用电极。在图22A和B中，在用黑色表示的电极上实际地施加电压。
在图22A的情况下，TM光、TE光在分别用箭头表示的光路上传播，最终都向图中上侧的输出端口输出。另一方面，在图22B的情况下，TM光、TE光在用箭头表示的光路上传播，最终都向下侧的输出端口输出。
如上所述，通过多段地连接Y分支型波导能够实现无偏振依赖型的光开关。如图21A和B、以及图22A和B所示，通过将Y分支型波导5～7个连接成树形，能够实现最小的小型的无偏振依赖型的开关。
另一方面，如图23所示，在下侧的包层233的下方并且在上侧的包层233的上方双方配置了+电极231和-电极231.在相对于光波导方向在垂直方向上施加电压的情况下，主要产生与基板垂直的横切芯波导232方向的电场E3。
nTE＝n0-0.5n03g12ε02εa2E32nTM＝n0-0.5n03g11ε02εa2E32(6)(g11＞0，g12＜0)在这种情况下，在电压施加时nTE增大，nTM减小。
图24表示利用这样的原理的1×2偏振分离器。如图24所示，在基板248上，作为由芯241和包层244构成的埋入型三维光波导，设置了由一个输入端口245向二个输出端口246、247分支的Y分支型波导。在包层244的上面及其下面，沿着在Y分支附近的输出端口246、247各自配置了开关用电极242、243。
用这样的结构，当使TM光、TE光入射到输入端口245，在一方的开关用电极242上施加电压时，则产生与基板垂直的横切芯246方向的电场E3。因此，TE光向输出端口246输出，而TM光向输出端口247输出。因此，同样地能够实现可以将TE模式和TM模式分离的偏振分离器。
此外，图25A和B是表示将该Y分支型波导5个组合成树形的1×2无偏振依赖光开关的示意图。即，用第一分支型波导251将一个波导分支为二个波导。用第二、第三Y分支型波导252、253将二个波导分支为四个。用第四、第五Y分支型波导254、255使交叉的波导和直线的波导分别结合成二个波导。在这些各Y分支型波导251～255的输出端口上分别配置了开关用电极。在图25A、B中，在用黑色表示的电极上实际地施加电压。
在图25A的情况下，TM光、TE光分别在用箭头表示的光路上传播，最终都向图中上侧的输出端口输出。另一方面，在图25B的情况下，TM光、TE光分别在用箭头表示的光路上传播，最终都向下侧的输出端口输出。
此外，图26A和B是表示将该Y分支型波导7组组合的1×2无偏振依赖光开关的示意图。即，用第一Y分支型波导261将一个波导分支为二个波导。用第二、第三Y分支型波导262、263将二个波导进一步分支为四个波导。用第四Y分支型波导264将二个波导结合为一个波导并用第五Y分支型波导265将一个波导分支为二个波导。进而，用第六、第七Y分支型波导266、267将四个波导结合为二个波导。
在各Y分支型波导261～267的输出端口上分别配置了开关用电极。在图26A和B中，在用黑色表示的电极上实际地施加电压。
在图26A的情况下，TM光、TE光分别在用箭头表示的光路上传播，最终都向图中上侧的输出端口输出。另一方面，在图26B的情况下，TM光、TE光分别在用箭头表示的光路上传播，最终都向图中下侧的输出端口输出。如上所述，通过多段地连接Y分支型波导能够实现无偏振依赖型的光开关。
以下，表示利用上述的方法制作的光开关的实施例，但开关制作方法并不限于所述内容。
(实施例1)
用光刻等方法在KTN晶体的表面上制作了白金梳子形电极。而后，调整Li浓度来制作将折射率高的KLTN作为Y分支型的芯、将折射率低的KLTN作为包层的Y分支埋入波导。因此，将芯和包层的相对折射率差设为Δn＝0.3％。设芯尺寸是8×8μm2。进而，利用光刻等方法在上层包层晶体的表面上制作白金梳子形电极作为驱动用电极。
电极长度越短对于由CR常数决定的响应速度越有利。但是，交调失真是电极长度越长越有利。因此，用具有改变了电极长度的方式的多个光开关评价其光学特性而得到最佳值。由于在居里转移温度附近进行动作，所以用珀耳贴元件对该光开关进行温度调整。将DC偏置电压3V施加给双方的开关用电极，在ON端口侧的开关用电极上施加调制电压，使其进行开关动作。该1×2数字型EO开关显示出动作电压＜1V(DC偏置电压3V)、交调失真＜-30dB、响应速度＜1ns的光学特性。
(实施例2)利用光刻等方法，在KTN晶体表面上制作白金的梳子形电极。而后，调整Ta/Nb浓度比来制作将折射率高的KTN作为芯、将折射率低的KTN作为包层的Y分支埋入波导。将芯和包层的相对折射率差设为Δn＝0.3％。设芯尺寸是8×8μm2。进而，利用光刻等的方法，在上层包层晶体的表面上制作白金梳子形电极作为驱动用电极。
电极长度越短对于由CR常数决定的响应速度越有利。但是，交调失真是电极长度越长越有利。因此，由于交调失真是电极长度越长越有利，所以用具有改变了电极长度的方式的多个光开关评价其光学特性而得到最佳值。由于在居里转移温度附近进行动作，所以用珀耳贴元件对该光开关进行温度调整。将DC偏置电压3V施加给双方的开关用电极，在一方的开关用电极上施加调制电压使其进行开关动作。该1×2数字型EO开关显示出动作电压＜1V(DC偏置电压3V)、交调失真＜-30dB、响应速度＜1ns的光学特性。
(实施例3)调整Ta/Nb浓度比来制作将折射率高的KTN作为芯、将折射率低的KTN作为包层的波导。如图22A和B所示，使用该波导制作具有将Y分支型波导221～227连接7段的结构的埋入波导。将芯和包层的相对折射率差设为Δ＝0.3％。设芯尺寸是8×8μm2。进而，利用光刻等方法，在上层包层晶体的表面制作白金表面电极作为开关用电极。为了在居里转移温度附近进行动作，用珀耳贴元件对该光开关进行温度调整。
对图22A和B的用黑色表示的电极施加调制电压，使其进行开关动作。该1×2数字型EO开关显示出动作电压＜1V(DC偏置电压3V)、交调失真＜-30dB、响应速度＜1ns的光学特性。
(实施例4)调整Ta/Nb浓度比来制作将折射率高的KTN作为芯、将折射率低的KTN作为包层的波导。如图21A和B所示，使用该波导制作具有将Y分支型波导211～215连接5段的结构的埋入波导。将芯和包层的相对折射率差设为Δ＝0.3％。设芯尺寸是8×8μm2。进而，利用光刻等方法，在上层包层晶体的表面制作白金表面电极作为驱动用电极。为了在居里转移温度附近进行动作，用珀耳贴元件对该光开关进行温度调整。
在图21A和B的用黑色表示的电极上施加调制电压使其进行开关动作。该1×2数字型EO开关显示出动作电压＜1V(DC偏置电压3V)、交调失真＜-30dB、响应速度＜1ns的光学特性。
(实施例5)利用光刻等方法，在KTN晶体表面上制作白金的开关用电极。而后，调整Ta/Nb浓度比来制作将折射率高的KTN作为芯、将折射率低的KTN作为包层的波导。如图25A和B所示，使用该波导制作具有将Y分支型波导251～255连接5段的结构的埋入波导。因此，将芯和包层的相对折射率差设为Δn＝0.3％。设芯尺寸是8×8μm2。进而，利用光刻等方法，在上层包层晶体的表面和下层包层晶体下部制作白金电极作为开关用电极。为了在居里转移温度附近进行动作，用珀耳贴元件对该开关进行温度调整。
在图25A和B的用黑色表示的电极上施加调制电压使其进行开关动作。该1×2数字型EO开关显示出动作电压＜1V(DC偏置电压3V)、交调失真＜-30dB、响应速度＜1ns的光学特性。
(实施例6)利用光刻等方法，在KTN晶体表面上制作白金的开关用电极。而后，调整Ta/Nb浓度比来制作将折射率高的KTN作为芯、将折射率低的KTN作为包层的波导。如图26A和B所示，使用该波导制作具有将Y分支型波导261～267连接7段的结构的埋入波导。因此，将芯和包层的相对折射率差设为Δn＝0.3％。设芯尺寸是8×8μm2。进而，利用光刻等方法，在上层包层晶体的表面和下层包层晶体下部制作白金电极作为驱动用电极。为了在居里转移温度附近进行动作，用珀耳贴元件对该开关进行温度调整。
在图26A和B的用黑色表示的电极上施加调制电压使其进行开关动作。该1×2数字型EO开关显示出动作电压＜1V(DC偏置电压3V)、交调失真＜-30dB、响应速度＜1ns的光学特性。
(实施例7)实施例7的光开关，虽然是与实施例1的光开关同等的结构，但在光波导用BTO晶体等制作这一点上不同。制作这样的结构的光开关并确认了其动作。
在实施例7的光开关中，当将BTO波导部分控制在110℃使其进行动作时，则动作电压需要1.5V。但是，得到了与实施例1的光开关同样的性能，而且，开关速度小于等于1ns。此外，用0.73∶0.27的比例混和了BTO和STO，制作由Ba0.73Sr0.27TiO3的单晶体构成的波导，并用它制作同样的光开关。在这种情况下，在波导温度10℃下，得到了与使用BTO波导的情况同样的特性。此外，将PLZT作为波导材料的光开关也能够进行同样的动作。
在实施方式2的光开关中，为了对于KTN和KLTN等使其在居里转移温度附近进行动作，可以具备温度控制器。温度控制器可以是珀耳贴元件。
如以上的说明，本实施方式涉及使用电介质晶体基板和电介质晶体波导的光器件，具体地说，是具备KTaO3或者KNbO3或者KTN基板；在该基板上将KLTN作为芯、将比芯折射率稍低的KLTN波导作为包层的埋入型光波导；施加电场的电极的光器件。
如以上的说明，按照实施方式2，能够实现能够进行无偏振依赖动作的光开关等的波导型器件。即，在实施方式2中，由于在使用KTN/KLTN晶体材料的埋入型波导上具备开关用电极，所以具有能够使用小型廉价的高速电源进行开关动作的效果。
而且，由于能够实现无偏振依赖、集成化，所以能够作为网络系统用的高速开关，例如光分组开关使用，具有能够提供新的网络系统的效果。
(实施方式3)实施方式3的特征是使用以电光常数极大的立方晶并且具有2次电光常数的电介质晶体为基础的移相器构成的光调制器。在本实施方式中，作为上述的电介质晶体使用KTN、KLTN。
立方晶的TE、TM各模式的折射率的电场依赖性，当E2或者E3是0时，可以记述如下。即，TE、TM各模式的折射率的电场依赖性，当E2或者E3是0时，可以如下地记述。
ΔnTE＝-0.5n03ε02εa2(g12E12+g11E22)-0.5n03g12ε02εa2E32(7)[式8]ΔnTM＝-0.5n03ε02εa2g12(E12+E22)-0.5n03g11ε02εa2E32(8)在上式中，n0是KTN或者KLTN的电场施加前的折射率，g11和g12是KTN、KLTN的非线性常数，εa是KTN、KLTN的相对介电常数。此外，g11)0.136，g12＝-0.038。
图27是表示电介质晶体材料的波导的晶体方位和电场方向的立体图，图中符号271表示芯，符号272表示包层。其中，E1、E2、E3的电场方向与KTN波导的主轴方向的电场各自对应。当E2或者E3是0时，折射率椭圆形的主轴不变化，不发生模式变换。
图28A、B是具有梳子形电极的光波导的结构图。图28A是具有梳子形电极的光波导的立体图，图28B是图28A的XXVIIIB-XXVIIIB线切断剖面图。图中符号281表示芯，符号282表示包层，符号283表示基板，符号284表示梳子型电极。以夹着芯281的上下的方式配置了梳子型电极284。该梳子型电极284在长方向上交替地配置了正极和负极。即，在基板283上，形成了包层282，在该包层282中埋入了芯281.在包层282的上下配置了梳子形状的电极284。
如图28A和B所示，当通过电极284只在E1上施加电场时，则折射率变化在两模式中都可以如以下式子那样用相同的式子给出。因此，能够消除偏振依赖性。
ΔnTE＝-0.5n03ε02εa2g12E12(9)[式10]ΔnTM＝-0.5n03ε02εa2g12E12(10)图29A和B是具有电极的光波导的结构图。图29A是具有电极的波导的立体图，图29B是图29A的XXIXB-XXIXB线切断剖面图。图中符号291表示芯，292表示包层，293表示基板，294表示电极。该电极294，在芯291的上方在包层292面上在其正上方及其两侧配置了3个。
如图29A和B所示，当通过电极294只在E2上施加电场，则折射率变化如下式那样给出。
ΔnTE＝-0.5n03ε02εa2g11E22(11)[式12]ΔnTM＝-0.5n03ε02εa2g12E22(12)图30A和B是具有电极的光波导的结构图。图30A是具有电极的波导的立体图，图30B是图30A的XXXB-XXXB线切断剖面图。图中符号301表示芯，302表示包层，303表示基板，304表示电极。该电极304，在芯301的上方在包层302面上在其正上方和两侧配置了2个。
如图30A和B所示，当通过电极304只在E3上施加电场，则折射率变化如下式那样给出。
ΔnTE＝-0.5n03ε02εa2g12E32(13)[式14]ΔnTM＝-0.5n03ε02εa2g11E32(14)在后者的2个电场施加配置中，折射率的变化在两模式中成为相反符号。在图31(在实施例15中详细说明)中，表示马赫-曾德型的光调制器的基本结构。入射光由3dB耦合器312分成2部分，被引导到Y分支光波导314。该Y分支光波导314的一方作为光相位调制器动作，调制通过它的光的相位。
当来自Y分支光波导314的光波以同相位入射时，2个光波原样地一致地被引导到输出端口。但是，在两者的相位相差180度的情况下，由于光作为发射模式从Y分支光波导314向外部发射，所以没有被导向输出端口316。由于KTN具有大的2次电光效应，所以即使缩短电流长度，通过与从式(7)或者(8)、或者(11)至式(14)推导的折射率变化对应的变化，能够有效地实现光强度调制。
虽然使用图31所示的电极结构能够实现无偏振依赖动作，但如果使用与图32(在实施例16中详细说明)和图33(在实施例17中详细说明)对应的电极则成为偏振依赖动作。但是，当使用与图32和图33对应的电极时，则能够使用更大的非线性常数(g11)，从而能够进行更低电压的强度调制。通常，作为强度调制的光源，多是调制偏振的激光。因此，认为即使是偏振依赖动作，只要能够调制与激光偏振对应的光，则在实用上就没有问题。
而且，如图34(在实施例18中详细说明)所示，当在一方的Y分支光波导344上使用图29A和B的电极、在另一方的Y分支光波导344上使用图30A和B的电极时，由于非线性常数是相反符号，所以利用使相位调制的方向相互反相的推拉动作也能够增加调制效率。
可是，相转移附近的KTN的介电常数与其它材料相比非常大。因此，需要用于减小电容量的设计。当使用表面电极时，认为电极间间隙越小并且光波导层的厚度越大器件的电容量越大。电极间间隙越窄在芯上越能够施加强电场。因此，优选地电极间间隙尽可能窄。因此，经过确认当设芯厚度为hc时，下层包层厚度hu和上层包层厚度ho在0≤hu、ho≤3hc的范围内的埋入波导，由于是大于等于1GHz的高速动作，所以是充分低的电容量。
但是，当包层是小于等于1μm的薄层时，在使用单纯的金属电极的情况下，TM模式的波导光因金属包层的影响产生大于等于100dB/cm的大的损耗。因此，将在通信波段中具有高透明性的ITO和ZnO用于电极材料，实现低损耗的移相器。此外，在超过1μm的包层厚度的情况下，也可以将单纯的金属、例如将Pt、Au、Pd、Ti、Cu为代表的金属或它们的合金作为电极材料使用。
此外，通过增大芯和包层的相对折射率使芯层的厚度薄层化，也能够减小电容量。例如，如果使折射率差为1.5％，则使用于单模式波导的芯厚度减小到4μm。通过使用折射率差大的芯和包层，能够实现具有低电容量的器件。作为基板所使用的晶体材料，如果是具有比构成波导的晶体材料的相对介电常数还低一位数或一位数以上的相对介电常数的材料，则对于进一步降低电容量具有效果。当使用以上所示的低电压驱动移相器时，则在宽频带下能够实现具有高调制指数的光强度调制器。
而且，作为更有效的驱动电压的降低方法，确认芯上的包层厚度是重要的参数。包层厚度越小越能够降低驱动电压。因此，确认了当将芯宽度设为W时，如果芯上的包层的厚度h和电极的间隙g在0≤h≤3W，0≤g≤3W的范围内，则由于是大于等于1GHz的高速动作，所以是充分低的驱动电压。但是，当包层是小于等于1μm的薄层时，在使用单纯的金属电极的情况下，TM模式的波导光因金属包层的影响产生大于等于100dB/cm的大的损耗。因此，将在通信波段中具有高透明性的ITO和ZnO用于电极材料，实现低损耗的移相器。
而且，由于KTN材料显示出2次电光效应，所以如果施加偏置电压则能够降低驱动电压。一般，驱动电压用移相器中的波导的相位变化π的Vπ定义。Vπ与偏置电压Vb施加时的驱动电压Vm具有以下的关系。
(Vb+Vm)2-Vb2＝Vπ2(15)按照上式能够降低驱动电压。例如，在无偏置时的Vπ是2.5V的移相器中，当施加了6V的偏置电压后驱动电压降低到0.5V。
此外，当是超过1μm的包层厚度的情况下，也可以将单纯的金属、例如以Pt、Au、Pd、Ti、Cu为代表的金属或它们的合金作为电极用材料使用。当使用以上所示的低电压驱动移相器时，能够实现具有高的调制指数的光强度调制器。
以下虽然表示了实施例，但本发明并不局限于这些实施例。
下面，参照
本发明的实施例。
(实施例1)实施例1是使用了图30A和B的电极的情况下的波导电光移相器的实施例。
本实施方式的波导电光移相器使用立方晶并具有2次电光效应的晶体。是具备具有芯宽度w的芯301之上的外(上层)包层厚度h具有0≤h≤3W的范围的厚度的埋入型的通道光波导的波导电光移相器。配置有夹着通道光波导而平行相对的2个电场施加用薄膜电极(也只称为电极)304。
此外，电极间的间隙g具有0≤h≤3w范围的长度。此外，作为晶体，使用由KTN和KLTN构成的晶体材料。并且，作为电极将掺杂了Al、Ga、In和B中的至少1种的ZnO或者掺杂了Sn、Ti、Zr、Hf、Nb、Ra、W、Ge、Mo、Sb、Te、Au、Pt和Pg中的至少一种的ITO作为电极材料使用。
下面，说明实施例1的波导电光移相器的制造方法。
首先，调整Ta/Nb浓度比来制作将具有折射率2.184的KTN作为芯、将折射率低的KTN作为包层的埋入型光波导。此外，作为更精密的折射率的调整方法，将Li掺杂在包层、芯各层中进行控制。光波导的芯剖面尺寸设为6μm×6μm。将芯之上的包层厚度设为0μm。
进而，在光波导之上用溅射法形成ITO膜，使用光刻和干蚀刻法制作由间隙宽度6μm、电极宽度100μm、厚度1μm、间隙宽度6μm的掺杂了Sn的ITO构成的电场施加用电极。电极长度设为1mm。为了抑制施加电压的反射，使电极设定为终端50欧姆。将波长1.55μm的激光光源连接在输入端口上并使用示波器测定了调制特性。在驱动时，将器件温度控制在相转移附近。当无偏置时，调制动作电压小于等于2.5V。此外，当施加6V的偏置电压时，调制动作电压小于等于0.5V。
(实施例2)本实施例2是使用图29A和B的电极时的波导电光移相器的实施例。下面，说明实施例2的波导电光移相器的制作方法。
首先，调整Ta/Nb浓度比来制作将具有折射率2.184的KTN作为芯、将折射率低的KTN作为包层的埋入型光波导。此外，作为更精密的折射率的调整方法，将Li掺杂在包层、芯各层中进行控制。光波导的芯剖面尺寸设为6μm×6μm。将芯上的包层厚度设定为0μm。
而且，在光波导上用溅射法形成ITO膜，使用光刻和干蚀刻法制作由间隙宽度6μm、电极宽度100μm、厚度1μm、间隙宽度6μm的掺杂了Al的ITO构成的电场施加用电极。电极长度设为1mm。为了抑制施加电压的反射，使电极终端为50欧姆。将波长1.55μm的激光光源连接在输入端口上并使用示波器测定了调制特性。在驱动时，将器件温度控制在相转移附近。当无偏置时，调制动作电压小于等于2.5V。此外，当施加6V的偏置电压时，调制动作电压小于等于0.5V。
(实施例3)本实施例3是将单纯的金属用于电极材料并使用了图30A和B的电极时的波导电光移相器的实施例。调整Ta/Nb浓度比来制作将具有折射率2.184的KTN作为芯、将折射率低的KTN作为包层的埋入型光波导。此外，作为更精密的折射率的调整方法，将Li掺杂在包层、芯各层中进行控制。光波导的芯剖面尺寸设为6μm×6μm。将芯上的包层厚度设定为6μm。
进而，在光波导上用溅射法形成金薄膜，使用光刻和干蚀刻法制作由间隙宽度6μm、电极宽度100μm、厚度1μm、间隙宽度6μm的Au构成的电场施加用电极。电极长度设为3mm。为了抑制施加电压的反射，使电极终端为50欧姆。在驱动时，将器件温度控制在相转移附近。将波长1.55μm的激光光源连接在输入端口上并用示波器测定了调制特性。当无偏置时，调制动作电压小于等于6V。
(实施例4)本实施例4是将单纯的金属用于电极材料并使用图29A和B的电极时的波导电光移相器的实施例。调整Ta/Nb浓度比来制作将具有折射率2.184的KTN作为芯、将折射率低的KTN作为包层的埋入型光波导。此外，作为更精密的折射率的调整方法，将Li掺杂在包层、芯各层中进行控制。光波导的芯剖面尺寸设为6μm×6μm。将芯上的包层厚度设定为6μm。
进而，在光波导上用溅射法形成金薄膜，使用光刻和干蚀刻法制作由间隙宽度6μm、电极宽度100μm、厚度1μm、间隙宽度6μm的Pt构成的电场施加用电极。电极长度设为3mm。为了抑制施加电压的反射，使电极终端为50欧姆。在驱动时，将器件温度控制在相转移附近。将波长1.55μm的激光光源连接在输入端口上并用示波器测定了调制特性。TE、TM两模式都是调制指数降低到直流值的1/2的频带宽度为5GHz，当无偏置时，调制动作电压小于等于6V。对电阻使用终端电阻调整到50欧姆。将波长1.55μm的激光光源连接在输入端口上并用示波器测定了调制特性。调制动作电压小于等于6V。
(实施例5)图34是表示将图29A和B以及图30A和B所示的电极作为波导电光移相器使用情况下的本实施方式的马赫-曾德光强度调制器的实施例的结构图。图中符号340表示包层，符号341表示输入端口，符号342表示3dB耦合器，符号343a、b和c表示电极(电场施加单元)，符号344表示Y分支光波导(三维光波导)，符号345表示3dB耦合器，符号346表示输出端口，符号347表示施加用电源。该马赫-曾德光强度调制器提供1个输入端口341、与该输入端口341连接的3dB耦合器342、与该3dB耦合器342连接的三维光波导344、与该三维光波导344连接的3dB耦合器345、与该3dB耦合器345连接的输出波导346。此外，其结构是在面前的通道波导上配置了图30A和B所示的电极，在里面的通道波导上配置了图29A和B所示的电极。
按照这样的结构，则对于具有图29A和B以及图30A和B所示的电极的移相器的TE模式和TM模式的移相器是互补的。因此，这种结构的光强度调制器能够进行无偏振依赖动作。实际上，TE、TM两模式都是调制指数降低到直流值的1/2的频带宽度为5GHz，无偏置时的调制动作电压是小于等于2.5V。
但是，如果偏振被固定，则只要根据入射光是TE模式还是TM模式，在2个通道波导的任意一方上配置图29A和B或者图30A和B所示的电极，当然也可以起到同样的效果。
(实施例6)图35A和B是用于说明使用本发明的电极时的波导电光移相器的实施例6的结构图。图35A是用于说明波导电光移相器的立体图，图35B是图39A的XXXVB-XXXVB线剖面图。图中符号350表示芯，符号351表示包层，符号352表示基板，符号353表示电极。
本实施方式的波导电光移相器使用立方晶并具有2次电光效应的晶体。是具备具有当将该晶体的芯厚度设为hc时，下层包层厚度hu和上层包层厚度ho在0≤hu、ho≤3hc范围的厚度的埋入型的三维光波导的波导电光移相器。在该移相器上配置了夹着三维光波导而平行相对的2个电极353。
此外，在作为晶体使用了由KTN和KLTN组成的晶体材料的基板上，将由KTN和KLTN组成的晶体材料作为波导使用。
此外，作为晶体材料的组成比，将组成比X设为大于等于0且小于等于1，将组成比Y设为大于0且小于0.1。此外，作为波导的材料KTN和KLTN的相对介电常数比基板所使用的晶体材料的相对介电常数大一位数或一位数以上。
而且，芯和包层的相对折射率差大于0％且小于等于1.5％。此外，作为电极使用了掺杂了Al、Ga、In和B中的至少1种的ZnO或者掺杂了Sn、Ti、Zr、Hf、Nb、Ra、W、Ge、Mo、Sb、Te、Au、Pt和Pg中的至少一种的ITO。
下面，说明实施例6的波导电光移相器的制作方法。
首先，调整Ta/Nb浓度比来制作将具有折射率2.184的KTN作为芯、将折射率低的KTN作为包层的埋入型光波导。确认波导层的相对介电常数比基板352的相对介电常数大一位数或一位数以上。作为更精密的折射率的调整方法，将Li掺杂在包层、芯各层中进行控制。作为芯350和包层351的折射率差设为0.5％，光波导的芯剖面尺寸设为6μm×6μm。将芯350下的下层包层厚度hu设为6μm，将芯350上的上层包层厚度ho设为1μm。
进而，在光波导上用溅射法形成金薄膜，使用光刻和干蚀刻法制作由间隙宽度6μm、电极宽度100μm、厚度1μm、间隙宽度6μm的掺杂了Sn的ITO构成的电场施加用电极。电极长度设为1mm。为了抑制施加电压的反射，使电极终端为50欧姆。将波长1.55μm的激光光源连接在输入端口上并用示波器测定了调制特性。在驱动时，将器件温度控制在相转移附近。当无偏置时，调制动作电压小于等于2.5V。此外，当施加6V的偏置电压时，调制动作电压小于等于0.5V。此外，确认了直至10GHz左右响应特性没有劣化。
(实施例7)图36A和B是用于说明在使用本实施方式的电极的情况下的波导电光移相器的实施例7的结构图。图36A是用于说明波导电光移相器的立体图，图36B是图36A的XXXVIB-XXXVIB线剖面图。图中符号360表示芯，符号361表示包层，符号362表示基板，符号363表示电极。该实施例7的移相器，配置了夹着三维光波导而平行相对的2个电极363，并且在通道波导上配置了1个电极363。
下面，说明实施例7的波导电光移相器的制作方法。
首先，调整Ta/Nb浓度比来制作将具有折射率2.184的KTN作为芯、将折射率低的KTN作为包层的埋入型光波导。确认波导层的相对介电常数比基板362大一位数或一位数以上。此外，作为更精密的折射率的调整方法，将Li掺杂在包层、芯各层中进行控制。芯360与包层361的折射率差设为0.5％，光波导的芯剖面尺寸设为6μm×6μm。将芯360下的下层包层厚度hu设定为6μm，将芯360上的上层包层厚度ho设定为1μm。
进而，在光波导上用溅射法形成ITO膜，使用光刻和干蚀刻法制作由间隙宽度6μm、电极宽度100μm、厚度1μm、间隙宽度6μm的掺杂了Sn的ITO构成的电场施加用电极。电极长度设为1mm。为了抑制施加电压的反射，使电极终端为50欧姆。将波长1.55μm的激光光源连接在输入端口上并用示波器测定了调制特性。在驱动时，将器件温度控制在相转移附近。当无偏置时，调制动作电压小于等于2.5V。此外，当施加6V的偏置电压时，调制动作电压小于等于0.5V。此外，确认了直至10GHz左右响应特性没有劣化。
(实施例8)本实施例8是将单纯的金属用于电极材料并使用图35A和B的电极时的波导电光移相器的实施例。
下面，说明实施例8的波导电光移相器的制作方法。
首先，调整Ta/Nb浓度比来制作将具有折射率2.184的KTN作为芯、将折射率低的KTN作为包层的埋入型光波导。作为更精密的折射率的调整方法，将Li掺杂在包层、芯各层中进行控制。芯350和包层351的折射率差设为0.5％，光波导的芯剖面尺寸设为6μm×6μm。将芯350下的下层包层厚度hu设定为1μm，将芯350上的上层包层厚度ho设定为6μm。
进而，在光波导上用溅射法形成金薄膜，使用光刻和干蚀刻法制作由间隙宽度6μm、电极宽度100μm、厚度1μm、间隙宽度6μm的Au构成的电场施加用电极。电极长度设为3mm。为了抑制施加电压的反射，使电极终端为50欧姆。在驱动时，将器件温度控制在相转移附近。将波长1.55μm的激光光源连接在输入端口上并用示波器测定了调制特性。当无偏置时，调制动作电压小于等于6V。此外，确认了直至10GHz左右响应特性没有劣化。
(实施例9)本实施例9是将单纯的金属用于电极材料并使用图36A和B的电极时的波导电光移相器的实施例。
下面，说明实施例9的波导电光移相器的制作方法。
首先，调整Ta/Nb浓度比来制作将具有折射率2.184的KTN作为芯、将折射率低的KTN作为包层的埋入型光波导。作为更精密的折射率的调整方法，将Li掺杂在包层、芯各层中进行控制。芯360和包层361的折射率差设为0.5％，光波导的芯剖面尺寸设为6μm×6μm。将芯360下的下层包层厚度hu设定为1μm，将芯360上的上层包层厚度ho设定为6μm。
进而，在光波导上用溅射法形成金薄膜，使用光刻和干蚀刻法制作由间隙宽度6μm、电极宽度100μm、厚度1μm、间隙宽度6μm的Pt构成的电场施加用电极。电极长度设为3mm。为了抑制施加电压的反射，使电极终端为50欧姆。在驱动时，将器件温度控制在相转移附近。将波长1.55μm的激光光源连接在输入端口上并用示波器测定了调制特性。当无偏置时，调制动作电压小于等于6V。此外，确认了直至10GHz左右响应特性没有劣化。
(实施例10)图37A和B是用于说明在使用本实施方式的电极的情况下的波导电光移相器的实施例10的结构图。图37A是用于说明波导电光移相器的立体图，图37B是图37A的XXXVIIB-XXXVIIB线剖面图。图中符号370表示芯，符号371表示包层，符号372表示基板，符号373表示电极。该实施例10的移相器，配置了夹着三维光波导而平行相对的2个电极373。表示不使用图35A和B中的下层包层而在基板372上直接形成芯370并使用电极373的情况。
下面，说明实施例10的波导电光移相器的制作方法。
首先，调整Ta/Nb浓度比来制作将具有折射率2.184的KTN作为芯、将折射率低的KTN作为包层的埋入型光波导。确认波导层的相对介电常数比基板372大一位数或一位数以上。作为更精密的折射率的调整方法，将Li掺杂在包层、芯各层中进行控制。芯370和包层371的折射率差设为1.5％，光波导的芯剖面尺寸设为6μm×6μm。将芯370上的上层包层厚度ho设定为1μm。
进而，在光波导上用溅射法形成金薄膜，使用光刻和干蚀刻法制作由间隙宽度6μm、电极宽度100μm、厚度1μm、间隙宽度6μm的掺杂了Sn的ITO构成的电极。电极长度设为1mm。为了抑制施加电压的反射，使电极终端为50欧姆。将波长1.55μm的激光光源连接在输入端口上并用示波器测定了调制特性。在驱动时，将器件温度控制在相转移附近。当无偏置时，调制动作电压小于等于2.5V。此外，当施加6V的偏置电压时，调制动作电压小于等于0.5V。此外，确认了直至10GHz左右响应特性没有劣化。
(实施例11)图38A和B是用于说明在使用本实施方式的电极的情况下的波导电光移相器的实施例11的结构图。图38A是用于说明波导电光移相器的立体图，图38B是图38A的XXXVIIIB-XXXVIIIB线剖面图。图中符号380表示芯，符号381表示包层，符号382表示基板，符号383表示电极。该实施例11的移相器，配置了夹着三维光波导而平行相对的2个电极383，并且在通道波导上配置了1个电场施加用薄膜电极423。而且，表示不使用下层包层而在基板382上直接形成芯380并使用电极383的情况。
下面，说明实施例11的波导电光移相器的制作方法。
首先，调整Ta/Nb浓度比来制作将具有折射率2.184的KTN作为芯、将折射率低的KTN作为包层的埋入型光波导。确认波导层的相对介电常数比基板382大一位数或一位数以上。作为更精密的折射率的调整方法，将Li掺杂在包层、芯各层中进行控制。芯380和包层381的折射率差设为1.5％，光波导的芯剖面尺寸设为4μm×4μm。将芯420上的包层厚度ho设定为0μm。
进而，在光波导上用溅射法形成ITO膜，使用光刻和干蚀刻法制作由间隙宽度6μm、电极宽度100μm、厚度1μm、间隙宽度6μm的掺杂了Sn的ITO构成的电场施加用电极。电极长度设为1mm。为了抑制施加电压的反射，使电极终端为50欧姆。将波长1.55μm的激光光源连接在输入端口上并用示波器测定了调制特性。在驱动时，将器件温度控制在相转移附近。当无偏置时，调制动作电压小于等于2.5V。此外，当施加6V的偏置电压时，调制动作电压小于等于0.5V。此外，确认了直至10GHz左右响应特性没有劣化。
(实施例12)图31是用于说明本实施方式的光调制器的实施例12的结构图。是表示将图28A和B所示的具有电极的光波导的电极作为电光移相器使用时的光调制器的实施例的图。
图中符号310表示包层，符号311表示输入端口，符号312表示3dB耦合器，符号313表示电极(电场施加单元)，符号314表示Y分支光波导(三维光波导)，符号315表示3dB耦合器，符号316表示输出端口，符号317表示施加用电源。另外，电极313的长方向的剖面与图28B对应。
如图31所示，本实施方式的光调制器由1个输入端口311；与该输入端口311连接的3dB耦合器312；与该3dB耦合器321连接的Y分支光波导314；与该Y分支光波导314连接的3dB耦合器315；与该3dB耦合器315连接的输出端口316；配置在Y分支光波导314的至少一方上的1个电场施加单元313构成。
即，本实施方式的光调制器将立方晶并且具有2次电光效应的晶体用于波导材料，是具有至少1个输入端口311；2个3dB耦合器312、315；2个三维光波导(Y分支光波导)314；1个输出端口316的马赫-曾德型光调制器。并且，在三维光波导314的至少一方上具有配置了电极313的电光移相器。该电极313在通道波导314上配置1个。此外，电极313在相对于三维光波导314的垂直方向上分别交替地配置了正极和负极。
3dB耦合器312、315，其形状是具有指定的曲率半径的扇形。调整Ta/Nb浓度比来制作将具有折射率2.184的KTN作为芯、将折射率低的KTN作为包层的埋入型光波导。作为更精密的折射率的调整方法，将Li掺杂在包层、芯各层中进行控制。
作为电介质晶体使用由KTN和KLTN组成的晶体材料。此外，作为晶体材料的组成比，将组成比X设为大于等于0且小于等于1，将组成比Y设为大于0且小于0.1。
Y分支光波导314的芯剖面尺寸设为6μm×6μm。在Y分支光波导314上用溅射法形成金薄膜，使用光刻和干蚀刻法制作设计的宽度10μm、厚度1μm的电场施加用电极313。电极长度设为1mm。为了抑制反射，在电极的电阻使用终端电阻调整到50欧姆。将波长1.55μm的激光光源连接在输入端口上并用示波器测定了调制特性。TE、TM两模式都是调制指数降低到直流值的1/2的带宽为5GHz，调制动作电压小于等于5V。
(实施例13)图32是用于说明使用本发明的电介质晶体的光调制器的实施例13的结构图。是表示将图30A和B所示的具有电极的光波导的电极作为电光移相器使用时的光调制器的实施例的图。
图中符号320表示包层，符号321表示输入端口，符号322表示3dB耦合器，符号323表示电极(电场施加单元)，符号324表示Y分支光波导(三维光波导)，符号325表示3dB耦合器，符号326表示输出端口，符号327表示施加用电源。另外，电极323的剖面与图30B对应。
在该实施例13中，电极323夹着一方的三维光波导324而平行相对地配置了2个。此外，电极323在相对于三维光波导324的垂直方向上分别交替地配置了正极和负极。
本实施例13的光调制器的制作方法，按照上述的实施例12，电极长度设为1mm。为了抑制反射，在电极的电阻使用终端电阻调整到50欧姆。将波长1.55μm的激光光源连接在输入端口上并用示波器测定了调制特性。对于TM模式，调制指数降低到直流值的1/2的带宽是5GHz，调制动作电压小于等于3V。
(实施例14)图33是用于说明本实施方式的光调制器的实施例14的结构图。是表示将图29A和B所示的具有电极的光波导的电极作为电光移相器使用时的光调制器的实施例的图。
图中符号330表示包层，符号33表示输入端口，符号332表示3dB耦合器，符号333a和73b表示电极(电场施加单元)，符号334表示Y分支光波导(三维光波导)，符号335表示3dB耦合器，符号336表示输出端口，符号337表示施加用电源。另外，电极333a和333b的剖面与图29B对应。
在该实施例14中，电极333b夹着一方的三维光波导334平行相对地配置了2个，并且电极333a在通道波导334上配置了1个。此外，电极333a和333b在相对于三维光波导334的垂直方向上分别交替地配置了正极和负极。
本实施例14的光调制器的制作方法，按照上述的实施例12，电极长度设为1mm。为了抑制反射，将电极的电阻用于终端电阻并调整到50欧姆。将波长1.55μm的激光光源连接在输入端口上并用示波器测定了调制特性。对于TM模式，调制指数降低到直流值的1/2的带宽是5GHz，调制动作电压小于等于3V。
(实施例15)本实施例15是表示将图29A和B以及图30A和B所示的具有电极的光波导的电极作为电光移相器使用时的光调制器的实施例的图。
本实施例15的光调制器的制作方法，按照上述的实施例12，电极长度设为1mm。为了抑制反射，在电极的电阻使用终端电阻调整到50欧姆。将波长1.55μm的激光光源连接在输入端口上并用示波器测定了调制特性。关于TE、TM两模式，调制指数降低到直流值的1/2的带宽是5GHz，调制动作电压小于等于2.5V。
在图34中，表示在面前的通道波导上配置了图30A和B所示的电极，在里面的通道波导上配置了图29A和B所示的电极的情况。但是，并不限于此，即使代替图30A和B所示的电极而配置图37A和B所示的电极，或者代替图29A和B所示的电极而配置图38A和B所示的电极，当然也能够起到同样的效果。
按照这样的构成，由于对于具有图30A和B(或者图37A和B)以及图29A和B(或者图38A和B)所示的电极的移相器的TE模式和TM模式的移相器成为互补，所以能够进行无偏振依赖动作。但是，如果偏振被固定，则只要根据入射光是TE模式还是TM模式，在2个通道波导的任意一方上配置图30A和B(或者图37A和B)或者图29A和B(或者图38A和B)所示的电极，当然也能够起到同样的效果。
(实施例16)虽然实施例16的光调制器是与实施例12的光调制器同等的构成，但光波导用BTO晶体等制作这一点不同。制作这样结构的光调制器并确认了其动作。
在实施例16的光开关中，当将BTO波导部分控制在110℃使其动作时，得到了与实施例12的光调制器一样的调制特性。此外，以0.73∶0.27的比例混和的BTO和STO，制作由Ba0.73Sr0.27TiO3的单晶体构成的波导，并用它制作同样的光调制器。在这种情况下，在波导温度10℃下，得到了与使用BTO波导的情况同样的特性。此外，即使是将PLZT作为波导材料的光调制器也能够进行同样的动作。
下面，在实施方式3的光调制器中，说明使用行波电极的光调制器。
在使用上述的KTN和KLTN，使用行波电极要实现光调制器的情况下，在光波导中行进的光与在电极中传播的微波的速度大不相同。虽然作为立方晶的KTN中的光的折射率是约2.14，而介电常数如上所述达到了20000。因此，微波的有效折射率约为141，达到了光的折射率的约70倍。这样，当微波和光波通过KTN时，产生速度不匹配，从而在光调制器的动作速度上产生限制。因此，行波电极以及使用KTN和KLTN的光器件，虽然具有高的电光常数，但由于介电常数也高，所以实现大于等于GHz的高速调制器是困难的。
使用实施方式3的行波电极的光调制器(宽带光调制器)，具有传播光的光波导和向光波导施加电场的电极。作为该光波导，使用KTN、KLTN晶体等的立方晶并且具有大的2次电光效应的电介质晶体。此外，作为该电极，使用行波电极。实施方式3的宽带光调制器的特征在于，将调制用的电极作为行波电极来使微波和光波的速度匹配。更具体地说，通过使电极厚膜化，使微波对于KTN和KLTN的有效折射率变小，从而实现了微波和光波的速度匹配。
(实施例17)图39是实施方式3的实施例17的光调制器的剖面图。在图39中，在KTN基板390上形成了由KTN构成的埋入光波导391。进而，将厚度约20μm的Au电极392形成在基板390上。作为其制作方法，是将厚度25μm左右的光刻胶形成在埋入波导上。接着，将该图形作为导标利用电场电镀法形成厚度约25μm的Au电极图形。在电极间凹陷内配置了介电常数小于等于10的结构保持用电介质393。通过测定该光调制器的3dB频带确认约为10GHz。
(实施例18)图40是实施方式3的实施例18的光调制器的剖面图。在实施例18中，通过使光波导隆起并具备电极，使微波的有效折射率接近光的有效折射率。在KTN基板400上形成了由KTN构成的隆起状光波导401。进而，以夹着该隆起状光波导401的方式制作调制用的Au电极403。利用该构成，能够对于隆起状光波导401在与基板400平行的方向上施加电压。其制作方法与实施例17一样。在图40的符号402所示的区域埋入了介电常数小于等于10的低电介质材料。通过测定该光调制器的3dB频带确认约为10GHz。
(实施例19)图41是实施方式3的实施例19的光调制器的剖面图。在KTN基板410上形成了由KTN构成的隆起状光波导411。进而，为了对于基板410垂直地施加电场，在该凸起状光波导的上面和410基板的正上制作调制用的Au电极412和413。利用该构成，能够相对于隆起状光波导411在与基板410垂直的方向上施加电压。通过测定该光调制器的3dB频带确认约为10GHz。
(实施例20)图42是实施方式3的实施例20的光调制器的剖面图。在KTN基板420上形成了由KTN构成的埋入光波导421和调制用的Au电极422。而且，在Au电极422上，以具有在Au电极中传播的微波的有效折射率接近在光波导421中传播的光的有效折射率条件的厚度的空气介于中间而固定接地电极423。在接地电极424的制作时，在利用电场电镀法制作电极后，利用光刻胶形成接地电极的图形，利用干蚀刻法以使空气层的厚度成为所希望的厚度的方式加工电极层。通过测定该光调制器的3dB频带确认约为10GHz。
(实施例21)虽然实施例21的光调制器是与实施例17的光调制器同等的结构，但在光波导用BTO晶体等制作这一点上不同。制作这样结构的光调制器并确认了其动作。
在实施例21的光开关中，当将BTO波导部分控制在110℃使其动作时，得到了与实施例17的光调制器同样的调制特性。此外，以0.73∶0.27的比例混和BTO和STO，制作由Ba0.73Sr0.27TiO3的单晶体构成的波导，并用它制作同样的光调制器。在这种情况下，在波导温度10℃下，得到了与使用BTO波导的情况同样的特性。此外，即使是将PLZT作为波导材料的光调制器也能够进行同样的动作。
在上述的实施例17～20中，虽然作为基板和光波导的材料说明了KTN，但并不限于此，作为基板也可以使用KLTN。
在实施方式3的移相器和光调制器中，为了相对于KTN或KLTN等使其在居里转移温度附近动作，可以具备温度控制器。温度控制器也可以是珀耳贴元件。
如以上的说明，按照实施方式3，使用以由作为立法晶并具有2次电光效应的电介质晶体的KTN和KLTN组成的晶体材料为基础的光波导，能够实现高速低电压驱动的移相器以及使用它的光调制器。由此，具有能够实现以短的电极且低电压可以调制的光调制器的效果。
此外，即使在作为光调制器的电极使用行波电极的情况下，也能够使微波和光波的速度匹配。
(实施方式4)实施方式4的特征是，使用实施方式3详细说明的移相器构成的阵列光波导栅格波长可变滤光器(也只称为波长可变滤光器)。
在图43所示的阵列光波导栅格波长可变滤光器中(具体地后述)，输入的信号光经由第1板式光波导430分配给各阵列光波导。波导光通过具有等差数列的光程差(ΔL)的移相器437，经由第2板式光波导432向分支端口光波导434聚光。其透过中心波长λcen由以下给出。
λcen＝n×ΔL/m(16)其中，n表示阵列波导的透过折射率，m表示衍射次数。对于该阵列波导上的各波导配置了电场施加用电极。当使用2次电光效应使具有等差数列的光程差(ΔLh)的阵列波导上的各波导的折射率改变Δn时，波长滤光器其透过中心波长从上述的中心透过波长偏移以下所示的Δλ。
Δλ＝Δn×ΔLh/m(17)如图44至图46所示(具体的后述)，当将电场施加用电极在阵列波导上相对地配置时，在第1和第2电极中，由于式(17)所示的ΔLh符号相反，所以透过波长向反方向偏移。因此，在切换两电极进行使用的情况下，能够实现2倍的波长可变波段。在图44所示的电极结构中，可以只在E1上施加电场。因此，波长可变滤光器能够实现无偏振依赖动作。另一方面，在图45和图46所示的电极结构的情况下，在两模式之间透过波长不同。
虽然使用几个实施例说明具有上述特征的实施方式4的波长可变滤光器的实施方式，但本发明并不局限于以下的实施例。
(实施例1)图43是具备实施方式3说明的波导电光移相器的波长可变滤光器的结构图。图中符号430表示第1板式光波导，符号431表示通道光波导阵列，符号432表示第2板式光波导，符号433表示输入端口通道光波导，符号434表示输出端口通道光波导，符号435表示第1电场施加单元，符号436表示第2电场施加单元，符号437表示波导电光移相器。
实施方式4的阵列光波导栅格波长可变滤光器，具备至少一条输入端口通道光波导433；由光程相互不同的通道光波导构成的通道光波导阵列431；至少1条输出端口通道光波导434；连接输入端口通道光波导433和通道光波导阵列431的第1板式光波导430；连接输出端口通道光波导434和通道光波导阵列431的第2板式光波导432；由通道光波导阵列431的一部分构成的电光移相器437。该电光移相器437具备第1电场施加单元435和第2电场施加单元436。光波导使用显示上述的特性的KTN、KLTN晶体制作。
图44是表示本实施方式的波长可变滤光器用的电光移相器的电极结构的结构图。在图44中，表示对于阵列波导上的各波导具有等差数列的长度的电场施加用电极结构。图中符号440和441表示电极，符号442表示共用的接地，符号443表示波导。
波导443和电极440、441构成电极移相器用通道光波导阵列。以中央为界设置成上下对称。此外，电极440、441对于每条光波导以每个ΔLh的方式改变长度，由电极440与接地442的组合构成第1电极，由电极441和接地442构成第2电极。
另外，在由图28A和B所示的具有梳子形电极的光波导实现上述的可变滤光器的情况下，在包层282中埋入了阵列光波导的芯。
如图43所示，具备2个输入输出波导433和434、2个板式光波导430和432、移相器用通道光波导阵列431、1个第1电场施加单元435、1个第2电场施加单元436。板式光波导430和432，其形状是具有指定的曲率半径的扇形。第1电场施加单元435、第2电场施加单元436如图44所示。电极442成为共用的接地，电极440和441成为电场施加用电极。
阵列光波导的条数设为120条，阵列光波导的间隔设为25μm，相邻的阵列光波导长度差设为35.5μm，衍射次数设为50，设相邻阵列光波导加热器长度差ΔLh＝300μm。将折射率2.184的KTN晶体作为芯，制作上述的设计的光波导。KTN光波导的制作方法以“强电介质膜的加工方法”(特愿2002-215779号)为基准。芯剖面尺寸设为6μm×6μm。用溅射法在光波导上形成金薄膜，使用光刻和干蚀刻法制作上述的设计的宽度10μm、厚度1μm的电场施加用电极。
将波长1.55μm段的ASE宽带光源和光谱分析器分别连接在输入输出端口上对滤光器特性进行测定。未在电极上施加电场时的波长滤光器特性是通过中心波长1550nm，插入损耗5.5dB，交调失真30dB(1550±0.8nm)。当在第1电极440上施加电压时，透过中心波长与施加的电压的平方成比例地进行长波长偏移。另一方面，当在第2电极441上施加电压时，进行短波长偏移。通过向芯施加0～0.5V/μm的电场，透过中心波长在TE模式、TE模式双方都在1.545～1.565nm的范围内可变。此外，未发现伴随透过中心波长变化的插入损耗和交调失真的显著的增加。
(实施例2)与上述的实施例1一样，制作了图43的波长可变滤光器。作为移相器用电极使用了图45所示的结构的电极。该图45是表示本发明的波长可变滤光器用的电光移相器的电极结构的另一实施例的结构图。图中符号450和451表示电极，符号452表示共用的接地，符号453表示波导。
作为TE模式，当向第1电极450施加电压时，透过中心波长与施加的电压的平方成比例地进行短波长偏移。另一方面，当向第2电极451施加电压时，进行长波长偏移。作为TM模式，透过中心波长向反方向偏移。TM模式，通过将0～0.17V/μm的电场施加给芯，透过中心波长在1545～1656nm范围内可变。此外，未发现伴随透过中心波长变化的插入损耗和交调失真的显著的增加。
(实施例3)与上述的实施例2同样地制作图43的波长可变滤光器。作为移相器用电极使用图46所示的结构的电极。图46是表示本发明的波长可变滤光器用的电光移相器的电极结构的另一实施例的平面图。图中符号460和461表示电极，符号462表示共用的接地，符号463表示波导。
作为TE模式，当向第1电极460施加电压时，透过中心波长与施加的电压的平方成比例地进行短波长偏移。另一方面，当向第2电极461施加电压时，进行长波长偏移。作为TM模式，向反方向偏移。TM模式，通过将0～0.17V/μm的电场施加给芯，透过中心波长在1545～1565nm范围内可变。此外，未发现伴随透过中心波长变化的插入损耗和交调失真的显著的增加。
(实施例4)虽然实施例4的波长可变滤光器是与实施例1的波长可变滤光器同等的结构，但在光波导用BTO晶体等制作这一点上不同。制作这样结构的波长可变滤光器并确认了其动作。
在实施例4的波长可变滤光器中，当将BTO波导部分控制在110℃使其动作时，得到了与实施例1的波长可变滤光器同样的滤光器特性。此外，以0.73∶0.27的比例混和BTO和STO，制作由Ba0.73Sr0.27TiO3的单晶体构成的波导，并用它制作同样的波长可变滤光器。在这种情况下，在波导温度10℃下，得到了与使用BTO波导时同样的滤光器特性。此外，即使是将PLZT作为波导材料的波长可变滤光器也能够进行同样的动作。
在实施方式4的波长可变滤光器中，对于KTN和KLTN等为了使其在居里转移温度附近动作，可以具备温度控制器。温度控制器可以是珀耳贴元件。
如以上的说明，按照实施方式4，使用以由作为立法晶的具有2次电光效应的电介质晶体的KTN和KLTN组成的晶体材料为基础的光波导，能够实现高速低电压驱动的阵列光波导栅格波长可变滤光器。
权利要求
1.一种光波导器件，其特征在于，具备由立方晶并且具有2次电光效应的电介质晶体构成的传播光的三维光波导；以及向上述三维光波导施加电场的电极。
2.如权利要求1所述的光波导器件，其特征在于上述电极以与上述三维光波导的指定的晶体轴方向垂直或者平行地施加电场的方式配置。
3.如权利要求1所述的光波导器件，其特征在于上述电极，夹着上述三维光波导平行相对地配置了2个。
4.如权利要求1所述的光波导器件，其特征在于上述电极，夹着上述三维光波导平行相对地配置了2个并且在上述三维光波导之上配置了1个。
5.如权利要求1所述的光波导器件，其特征在于上述电极，沿着上述三维光波导交替地配置了正极和负极。
6.如权利要求3至5的任意一项所述的光波导器件，其特征在于由上述电极产生的电场施加方向相对于上述三维光波导是指定的晶体轴方向。
7.如权利要求1至5的任意一项所述的光波导器件，其特征在于上述电介质晶体是由KTa1-xNbxO3(0＜x＜1)以及K1-yLiyTa1-xNbxO3(0＜x＜1，0＜y＜1)、或者KTa1-xNbxO3或者K1-yLiyTa1-xNbxO3组成的晶体材料。
8.如权利要求1至5的任意一项所述的光波导器件，其特征在于还具备将上述电介质晶体的温度控制为对于该电介质晶体的从正方晶向立方晶的相转移温度的温度控制器。
9.一种波导电光移相器，其特征在于，具备是由KTa1-xNbxO3(0＜x＜1)以及K1-yLiyTa1-xNbxO3(0＜x＜1，0＜y＜1)、或者KTa1-xNbxO3或者K1-yLiyTa1-xNbxO3组成的晶体材料的传播光的三维光波导；以及向上述三维光波导施加电场的电极。
10.如权利要求9所述的波导电光移相器，其特征在于上述电极以与上述三维光波导的指定的晶体轴方向垂直或者平行地施加电场的方式配置。
11.如权利要求9所述的波导电光移相器，其特征在于上述电极，夹着上述三维光波导平行相对地配置了2个。
12.如权利要求9所述的波导电光移相器，其特征在于上述电极，夹着上述三维光波导平行相对地配置了2个并且在上述三维光波导之上配置了1个。
13.如权利要求9所述的波导电光移相器，其特征在于上述电极，沿着上述三维光波导交替地配置了正极和负极。
14.如权利要求11至13的任意一项所述的波导电光移相器，其特征在于由上述电极产生的电场施加方向相对于上述三维光波导是指定的晶体轴方向。
15.如权利要求9至13的任意一项所述的波导电光移相器，其特征在于还具备将上述电介质晶体的温度控制为对于该电介质晶体的从正方晶向立方晶的相转移温度的温度控制器。
16.一种光开关，其特征在于，具备由设置在输入侧的3dB耦合器和设置在输出侧的3dB耦合器和连接上述输入侧3dB耦合器和上述输出侧3dB耦合器的2条三维光波导构成的马赫-曾德干涉仪；以及向上述2条三维光波导的一方或者双方施加电场的电极；其中，至少上述2条三维光波导是由KTa1-xNbxO3(0＜x＜1)以及K1-yLiyTa1-xNbxO3(0＜x＜1，0＜y＜1)、或者KTa1-xNbxO3或者K1-yLiyTa1-xNbxO3组成的晶体材料。
17.如权利要求16所述的光开关，其特征在于构成上述输入侧3dB耦合器和上述输出侧3dB耦合器的三维光波导由石英类光波导构成。
18.如权利要求16所述的光开关，其特征在于向上述2条三维光波导的一方或者双方施加电场的电极，具有形成与传播的光的TE方向和TM方向分别平行的方向的电场的2种电极结构。
19.如权利要求16所述的光开关，其特征在于向上述2条三维光波导的一方或者双方施加电场的电极，夹着上述三维光波导平行相对地配置了2个。
20.如权利要求16所述的光开关，其特征在于向上述2条三维光波导的一方或者双方施加电场的电极，夹着上述三维光波导平行相对地配置了2个并且在上述三维光波导之上配置了1个。
21.如权利要求16所述的光开关，其特征在于向上述2条三维光波导的一方或者双方施加电场的电极，沿着上述三维光波导交替地配置了正极和负极。
22.如权利要求19至21的任意一项所述的光开关，其特征在于由上述电极产生的电场施加方向相对于上述三维光波导是指定的晶体轴方向。
23.如权利要求16所述的光开关，其特征在于上述电极的一部分或者全部由在1.55μm波长对于光透明的材料构成。
24.如权利要求16所述的光开关，其特征在于作为上述晶体材料的组成比，将组成比X设为大于等于0.55且小于等于0.90，将组成比Y设为大于0且小于0.1，其中，设X是对于Ta和Nb的Nb的组成比，设Y是对于K和Li的Li的组成比。
25.如权利要求16至21的任意一项所述的光开关，其特征在于还具备将上述KTa1-xNbxO3或者K1-yLiyTa1-xNbxO3的温度控制为对于该KTa1-xNbxO3或者K1-yLiyTa1-xNbxO3的从正方晶向立方晶的相转移温度的温度控制器。
26.一种光开关，其特征在于，具备由KTaO3、KNbO3或者KTaxNb1-xO3(0＜x＜1)的任意一种材料构成的基板；在上述基板上由KxLi1-xTayNb1-yO3(0＜x＜1，0＜y＜1)或者TaxNb1-xO3(0＜x＜1)的任意一种材料构成的芯波导；将与该芯波导比较折射率稍低的KxLi1-xTayNb1-yO3作为包层的三维光波导；用于向在上述三维光波导的下部包层的下方或者上部包层的上方的至少一方上形成的芯波导施加电场的电极；以及Y分支型波导，该Y分支型波导由上述三维光波导构成，其包含具有用于接收发送来的光信号的输入端的第1输入光波导和从该第1输入波导分支的第2输出光波导和第3输出光波导，在上述第2输出光波导和上述第3输出光波导上具备上述电极。
27.如权利要求26所述的光开关，其特征在于上述电极是正极和负极交替地排列的梳子型电极。
28.如权利要求26所述的光开关，其特征在于为了光路的切换，上述电极在上述Y分支型波导的上部包层表面或者下部包层的下方并且上部包层上方的双方，设置在Y分支附近的第2输出光波导和第3输出光波导上。
29.如权利要求27或者28所述的光开关，其特征在于由上述电极产生的电场施加方向相对于上述三维光波导是指定的晶体轴方向。
30.如权利要求28所述的光开关，其特征在于将上述Y分支型波导3个至5个连接成树状态。
31.如权利要求26至28的任意一项所述的光开关，其特征在于还具备将上述KTaxNb1-xO3或者KxLi1-xTayNb1-yO3的温度控制为对于该KTaxNb1-xO3或者KxLi1-xTayNb1-yO3的从正方晶向立方晶的相转移温度附近的温度控制器。
32.如权利要求26所述的光开关，其特征在于上述Y分支型波导，是将1个输入分支为2个输出的结构，并且，具有改变施加在上述电极上的电压而控制分支比的功能。
33.如权利要求32所述的光开关，其特征在于将上述1个输入分支为2个输出的结构是光方向性耦合器。
34.如权利要求32或者33所述的光开关，其特征在于具备1个或1个以上的用于分支比控制的电极。
35.如权利要求34所述的光开关，其特征在于在单一基板上被集成为矩阵状。
36.一种使用电介质晶体的光调制器，其特征在于是马赫-曾德型的光调制器，其将由KTaxNb1-xO3(0＜x＜1)和KxLi1-xTayNb1-yO3(0＜x＜1，0＜y＜1)组成的晶体材料用于波导材料，具有至少1个输入波导、1个输出波导、与上述输入波导连接的3dB耦合器、与上述输出波导连接的3dB耦合器、连接2个上述3dB耦合器的2个三维光波导，其中，在上述三维光波导的至少一方具有配置了电极的电光移相器。
37.如权利要求36所述的光调制器，其特征在于上述电极，夹着上述一方的三维光波导平行相对地配置了2个。
38.如权利要求36所述的光调制器，其特征在于上述电极，夹着上述一方的三维光波导平行相对地配置了2个并且在上述一方的三维光波导之上配置了1个。
39.如权利要求36所述的光调制器，其特征在于在上述三维光波导的一方，配置了夹着该通道波导平行相对的2个电极和在上述一方的三维光波导之上的1个电极，并且在上述三维光波导的另一方，夹着该三维光波导平行相对地配置了2个电极。
40.如权利要求36所述的光调制器，其特征在于上述电极，沿着上述三维光波导交替地配置了正极和负极。
41.如权利要求37至39的任意一项所述的光调制器，其特征在于由上述电极产生的电场施加方向相对于上述三维光波导是指定的晶体轴方向。
42.如权利要求36至40的任意一项所述的光调制器，其特征在于还具备将上述KTaxNb1-xO3和KxLi1-xTayNb1-yO3的温度控制为对于该KTaxNb1-xO3和KxLi1-xTayNb1-yO3的从正方晶向立方晶的相转移温度附近的温度控制器。
43.一种宽带光调制器，其特征在于，具备由KTaxNb1-xO3(0＜x＜1)或者KxLi1-xTayNb1-yO3(0＜x＜1，0＜y＜1)的任意一种材料构成的基板；由KTaxNb1-xO3或者KxLi1-xTayNb1-yO3的任意一种材料构成的三维光波导；以及沿着该三维光波导形成的由取得微波和光波的速度匹配的行波电极构成的多个电极。
44.如权利要求43所述的宽带光调制器，其特征在于上述电极，厚度是20μm，以在上述电极间形成凹部的方式形成在上述基板上，在上述凹部内埋入了介电常数小于等于10的以结构保持为目的的电介质材料。
45.如权利要求44所述的宽带光调制器，其特征在于上述基板具有隆起结构，在上述隆起结构中设置了上述三维光波导，上述电极相对于上述隆起结构中的三维光波导的指定的晶体轴方向在平行的方向上施加电压。
46.如权利要求44所述的宽带光调制器，其特征在于上述基板具有隆起结构，在上述隆起结构中设置了上述三维光波导，上述电极以相对于上述隆起结构中的三维光波导的指定的晶体轴方向在垂直的方向上施加电压的方式配置。
47.如权利要求45所述的宽带光调制器，其特征在于在上述电极上以空气层介于中间设置了接地电极。
48.如权利要求43至47所述的宽带光调制器，其特征在于还具备将上述KTaxNb1-xO3或者KxLi1-xTayNb1-yO3的温度控制为对于该KTaxNb1-xO3或者KxLi1-xTayNb1-yO3的从正方晶向立方晶的相转移温度附近的温度控制器。
49.一种波导电光移相器，其特征在于，具备三维光波导，该三维光波导具备由KTaxNb1-xO3(0＜x＜1)和KxLi1-xTayNb1-yO3(0＜x＜1，0＜y＜1)组成的第1晶体材料的具有芯厚度的芯、以及由具有与上述第1晶体材料不同的折射率的KTaxNb1-xO3(0＜x＜1)和KxLi1-xTayNb1-yO3(0＜x＜1，0＜y＜1)组成的第2晶体材料的包层；以及夹着上述三维光波导平行相对的2个电极；其中，上述芯以上述芯的下面相对于上述包层的下面为第1距离而上述芯的上面相对于上述包层的上面为第2距离的方式被埋入上述包层，上述包层具有0≤第1距离、第2距离≤3×芯厚度的范围的包层厚度。
50.一种光波导电光移相器，其特征在于，具备三维光波导，该三维光波导具备由KTaxNb1-xO3(0＜x＜1)和KxLi1-xTayNb1-yO3(0＜x＜1，0＜y＜1)组成的第1晶体材料的具有芯厚度的芯、以及由具有与上述第1晶体材料不同的折射率的KTaxNb1-xO3(0＜x＜1)和KxLi1-xTayNb1-yO3(0＜x＜1，0＜y＜1)组成的第2晶体材料的包层；以及夹着上述三维光波导平行相对的2个电极；其中，上述芯以上述芯的上面相对于上述包层的上面为第1距离的方式被埋入上述包层，上述包层具有0≤第1距离≤3×芯厚度的范围的包层厚度。
51.如权利要求49或者50所述的波导电光移相器，其特征在于由上述电极产生的电场施加方向相对于上述三维光波导是指定的晶体轴方向。
52.如权利要求49或者50所述的波导电光移相器，其特征在于在上述三维光波导之上配置了1个电极。
53.如权利要求52所述的波导电光移相器，其特征在于由上述电极产生的电场施加方向相对于上述三维光波导是指定的晶体轴方向。
54.如权利要求50所述的波导电光移相器，其特征在于上述平行相对的2个电极间的间隙具有0≤间隙≤3×芯宽度的范围的长度。
55.如权利要求49或者50所述的波导电光移相器，其特征在于作为上述电极将掺杂了Al、Ga、In和B中的至少1种的ZnO或者掺杂了Sn、Ti、Zr、Hf、Nb、Ra、W、Ge、Mo、Sb、Te、Au、Pt和Pg中的至少一种的ITO作为电极材料使用。
56.如权利要求49或者50所述的波导电光移相器，其特征在于上述包层形成在使用由KTa1-xNbxO3和K1-yLiyTa1-xNbxO3组成的第3晶体材料的基板上。
57.如权利要求56所述的波导电光移相器，其特征在于作为上述第3晶体材料的组成比，将组成比X设为大于等于0且小于等于1，将组成比Y设为大于0且小于0.1。
58.如权利要求49或者50所述的波导电光移相器，其特征在于上述芯与上述包层的相对折射率差是大于0％且小于等于1.5％。
59.如权利要求49或者50所述的波导电光移相器，其特征在于还具备将上述KTaxNb1-xO3或者KxLi1-xTayNb1-yO3的温度控制为对于该KTaxNb1-xO3或者KxLi1-xTayNb1-yO3的从正方晶向立方晶的相转移温度附近的温度控制器。
60.一种阵列光波导栅格波长可变滤光器，是具有由KTaxNb1-xO3(0＜x＜1)和KxLi1-xTayNb1-yO3(0＜x＜1，0＜y＜1)组成的晶体材料的多个三维光波导、设置在该三维光波导之上的电极构成的阵列光波导的阵列光波导栅格波长可变滤光器，其特征在于具有对于上述三维光波导的1条配置了夹着该三维光波导平行相对的2个电极的波导电光移相器。
61.如权利要求60所述的阵列光波导栅格波长可变滤光器，其特征在于具有在上述三维光波导之上配置了1个电极的波导电光移相器。
62.如权利要求60所述的阵列光波导栅格波长可变滤光器，其特征在于具有沿着上述三维光波导交替地配置了电极的正极和负极的波导电光移相器。
63.一种阵列光波导栅格波长可变滤光器，其特征在于，具备至少1条输入端口通道光波导；由光程相互不同的通道光波导构成的通道光波导阵列；至少1条输出端口通道光导波；连接上述输入端口通道光波导和上述通道光波导阵列的第1板式光波导；连接上述输出端口通道光波导和上述通道光波导阵列的第2板式光波导；波导电光移相器，该波导电光移相器由上述通道光波导阵列的一部分构成，其包括具备由KTaxNb1-xO3(0＜x＜1)和KxLi1-xTayNb1-yO3(0＜x＜1，0＜y＜1)组成的第1晶体材料的具有芯厚度的芯和由具有与上述第1晶体材料不同的折射率的KTaxNb1-xO3(0＜x＜1)和KxLi1-xTayNb1-yO3(0＜x＜1，0＜y＜1)组成的第2晶体材料的包层的三维光波导、以及夹着上述三维光波导平行相对的2个电极，其中，上述芯以上述芯的下面相对于上述包层的下面为第1距离而上述芯的上面相对于上述包层的上面为第2距离的方式被埋入上述包层，上述包层具有0≤第1距离、第2距离≤3×芯厚度的范围的包层厚度。
64.一种阵列光波导栅格波长可变滤光器，其特征在于，具备至少1条输入端口通道光波导；由光程相互不同的通道光波导构成的通道光波导阵列；至少1条输出端口通道光导波；连接上述输入端口通道光波导和上述通道光波导阵列的第1板式光波导；连接上述输出端口通道光波导和上述通道光波导阵列的第2板式光波导；波导电光移相器，该波导电光移相器包括具备由KTaxNb1-xO3(0＜x＜1)和KxLi1-xTayNb1-yO3(0＜x＜1，0＜y＜1)组成的第1晶体材料的具有芯厚度的芯和由具有与上述第1晶体材料不同的折射率的KTaxNb1-xO3(0＜x＜1)和KxLi1-xTayNb1-yO3(0＜x＜1，0＜y＜1)组成的第2晶体材料的包层的三维光波导、以及夹着上述三维光波导平行相对的2个电极，其中，上述芯以上述芯的上面相对于上述包层的上面为第1距离的方式被埋入上述包层，上述包层具有0≤第1距离≤3×芯厚度的范围的包层厚度。
65.如权利要求60至64所述的阵列光波导栅格波长可变滤光器，其特征在于还具备将上述KTaxNb1-xO3或者KxLi1-xTayNb1-yO3的温度控制为对于该KTaxNb1-xO3或者KxLi1-xTayNb1-yO3的从正方晶向立方晶的相转移温度附近的温度控制器。
66.如权利要求60至62的任意一项所述的阵列光波导栅格可变滤光器，其特征在于由上述电极产生的电场施加方向相对于上述三维光波导是指定的晶体轴方向。
全文摘要
提供单纯的结构的低驱动电压的无偏振依赖并且高速的光开关、光调制器和波长可变滤光器。具备设置在输入侧的3dB耦合器(16)和设置在输出侧的3dB耦合器(17)和连接输入侧3dB耦合器以及输出侧3dB耦合器的2条光波导。此外，具备向2条光波导的一方或者双方施加电场的相位调制单元(18)。至少2条的光波导是由KTa
文档编号G02F1/313GK1705908SQ20048000141
公开日2005年12月7日 申请日期2004年3月18日 优先权日2003年3月19日
发明者丰田诚治, 藤浦和夫, 笹浦正弘, 圆佛晃次, 下小园真, 今井饮之, 馆彰之, 松浦彻, 栗原隆, 伏见浩 申请人:日本电信电话株式会社