JP2016031433A - 光制御デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】
消費電力を低減した光制御デバイスを提供する。
【解決手段】
光制御デバイスは、基板と、前記基板の一方の面に形成される下部電極と、前記下部電極の上に形成される下部クラッドと、前記下部クラッドの上面のうち、平面視で前記下部電極と重複しない第１領域に形成される主導波路と、前記下部クラッドの上面のうち、平面視で前記下部電極と重複する第２領域において前記主導波路の伸延方向に対する幅方向に伸延するように形成され、入射端が光学的に前記主導波路に接続される複数の電気光学導波路と、前記主導波路及び前記電気光学導波路の上に形成される上部クラッドと、前記上部クラッドの上面において、前記電気光学導波路に沿って形成される上部電極とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、光制御デバイスに関する。

従来より、Ｎ個の第一光偏向器及びＭ個の第二光偏向器（Ｎ、Ｍは自然数、Ｎ×Ｍ≠１）を備え、前記第一光偏向器は、複数の分配光を出力する光分配器と、該光分配器からの分配光を導波する第一導波路アレイと、該第一導波路アレイを導波する分配光の位相を電気光学効果により可変制御する第一位相制御電極とを有し、前記第二光偏向器は、前記第一導波路アレイからの分配光を導波する第二導波路アレイと、該第二導波路アレイを導波する分配光の位相を電気光学効果により可変制御する第二位相制御電極と、前記第二導波路アレイからの分配光を合波して出力する光合波器とを有して成り、前記第一位相制御電極により、前記第一導波路アレイから出射する各分配光が、所定の前記第二導波路アレイ入射面に向かって伝搬する平面波を形成するように、これら各分配光の位相が制御され、前記第二位相制御電極により、所定の入射角方向の前記第一導波路アレイから入射した各分配光が、等位相で、前記第二導波路アレイ出射面から出射するように、これら各分配光の位相が制御されることを特徴とする光スイッチがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平０５−２７３６０４号公報

ところで、従来の光スイッチにおける１つの導波路が１つの位相制御電極を有する場合、位相制御電極へ個別に電圧印加を行うために必要となる引出電極（引き出し線）の配置としては、図１のような構成が考えられる。

図１は、引き出し線を備えた位相制御電極の電位を個別に制御可能な光制御デバイス１０の構成を示す平面図である。

光制御デバイス１０は、基板１１、下部電極１２、電気光学（ＥＯ）導波路１３、上部電極１４、及び引き出し線１５を含む。

下部電極１２、ＥＯ導波路１３、上部電極１４は、基板１１の上に、この順で積層されており、スピンコート法などで積層した材料薄膜に対する金属マスクを用いたウェットエッチングやリアクティブイオンプラズマエッチング、収束イオンビーム描画、電子線描画、レーザー描画、フォトリソグラフィー、インプリント、オフセット印刷やスクリーン印刷技術等の様々な方法で製造可能である。４本の上部電極１４の長さはそれぞれ異なり、引き出し線１５は、上部電極１４の右端に接続されている。

このような光制御デバイス１０において、ＥＯ導波路１３には、図中左側の端部から光が入力され、図中右側の端部から光を出力する。下部電極１２と上部電極１４の間に印加する電圧を制御することにより、出力光を偏向あるいは収束・発散の制御をさせる。

ここで、引き出し線１５は、光制御デバイス１０の光入力部と干渉しないようにするために、上部電極１４の右端に接続され、ＥＯ導波路１３と直交する方向に配置されている。このため、電圧を印加したいＥＯ導波路１３以外のＥＯ導波路１３にも電圧が印加されることになる。

例えば、図１中の上側から３本目のＥＯ導波路１３に電圧を印加するために対応する引き出し線１５に電圧を印加すると、この引き出し線１５は、図１中の上側から１、２本目のＥＯ導波路１３の上に形成されているため、図１中の上側から１、２本目のＥＯ導波路１３にも電圧が印加されることになり、意図しない電気光学的な屈折率変化や熱による導波路材料物性のゆらぎによって位相整合を乱して光制御特性を著しく劣化させる。

これらを補正するには、例えば熱によるゆらぎを抑えるために冷却系を備えたデバイスにおいて厳しく温度管理を行うことが行われている。一方、電気的な補正を行うにおいては、余分の電圧Vaが印加されるＥＯ導波路１３を制御する上部電極１４に対して、本来印加すべき電圧Vsに補正する電圧Vaを加えた電圧Vs+Vaを印加する必要があり、上部電極１４、下部電極１２、及びＥＯ導波路１３が容量Cを有する容量性負荷であるため、制御にかかる消費電力がC (2VsVa + Va²) / 2 上昇する問題を伴う。

このため、図１に示す個別の引き出し線を有する光制御デバイス１０は、消費電力が大きいという問題があるため、ワイヤーボンディングなどの方法で個別の引き出し線を接続する技術などが提案されているが、コンパクトな平面型光回路に用いるデバイス構造は見られない。

そこで、消費電力を低減した光制御デバイスの構造を提供することを目的とする。

本発明の実施の形態の光制御デバイスは、基板と、前記基板の一方の面に形成される下部電極と、前記下部電極の上に形成される下部クラッドと、前記下部クラッドの上面のうち、平面視で前記下部電極と重複しない第１領域に形成される主導波路と、前記下部クラッドの上面のうち、平面視で前記下部電極と重複する第２領域において前記主導波路の伸延方向に対する幅方向に伸延するように形成され、入射端が光学的に前記主導波路に接続される複数の電気光学導波路と、前記主導波路及び前記電気光学導波路の上に形成される上部クラッドと、前記上部クラッドの上面において、前記電気光学導波路に沿って形成される上部電極とを含む。

本発明によれば、消費電力を低減した光制御デバイスを提供することができる。

光制御デバイス１０の構成を示す平面図である。 実施の形態１の光制御デバイス１００を示す図である。 光制御デバイス１００の製造工程を示す図である。 実施の形態１の光制御デバイス１００の一部を拡大して示す図である。 実施の形態１の光制御デバイス１００における光路を示す図である。 実施の形態１の光制御デバイス１００における偏向角度のシミュレーション結果と理論解析値との比較結果を示す図である。 実施の形態１の光制御デバイス１００における光路を示す図である。 実施の形態２の光制御デバイス２００を示す図である。 実施の形態２の光制御デバイス２００の動作状態を説明する図である。

以下、本発明の光制御デバイスを適用した実施の形態について説明する。

＜実施の形態１＞
図２は、実施の形態１の光制御デバイス１００を示す図である。

光制御デバイス１００は、基板１１０、下部電極１２０、下部クラッド１３０、主導波路１４０、電気光学導波路（ＥＯ導波路）１５０、上部クラッド１６０、上部電極１７０を含む。以下では、図示するようにｘｙｚ座標系を定義する。

基板１１０は、ソーダガラスやパイレックス（登録商標）をはじめとする各種光学ガラスのような絶縁製の基板であればよいが、後述するコア材料・クラッド材料・プロセスに応じて適切なものを選べばよい。なお、基板１１０の屈折率はn_sである。基板１１０は、ｙｚ平面に平行に配設される板状の部材である。

下部電極１２０は、基板１１０の一方の面において、平面視でＥＯ導波路１５０が形成される領域であって、かつ、主導波路１４０が形成されない領域に形成される。下部電極１２０は、AgやAlなど伝搬光の周波数領域における反射率が高い金属材料で形成することができ、あるいはITO（酸化インジウムスズ）をはじめとする透明伝導体、あるいはTTF-TCNQ（テトラチアフルバレン―テトラシアノキノジメタン）をはじめとする有機伝導体などで形成してもよく、コア材料・クラッド材料に対して不活性であり、かつコア・クラッドの形成プロセスにおいて変質しないものを選べばよい。

なお、下部電極１２０は、ＥＯ導波路１５０が形成される領域以外の領域に形成してもよい。

下部クラッド１３０は、平面視で主導波路１４０とＥＯ導波路１５０が形成される領域において、基板１１０及び下部電極１２０の上に形成される。下部クラッド１３０は、例えば、SiO₂やMgFなど本デバイスで用いる波長域における光吸収が少ない材料で形成すればよいが、下部クラッド１３０の屈折率であるn_kが、n_k＞n_sであることが好ましく、かつ後述コア材料の屈折率 n_m に対して n_m＞n_k である必要があり、これらを満たす範囲であり、かつ、プロセス耐性の条件が合致する範囲において、PMMAなどのポリマー材料や前記SiO₂などのアモルファスあるいは結晶、ゲルなどの形態をとる材料を用いることができる。

主導波路１４０は、平面視で下部電極１２０が形成されていない領域内において、下部クラッド１３０の上に形成される。主導波路１４０は、ｙ軸方向に伸延している。主導波路１４０の一端１４０Ａは、図示しない光入力部に接続され、光入力部から矢印で示すように光が入力される。ここでは、一例として波長1.3μmの単色光を用いる。

主導波路１４０は、光の伝搬方向（ｙ軸方向）と垂直な断面（ｘｚ平面に平行な断面）が矩形であり、平面視でｙ軸方向に沿った長手方向を有する。主導波路１４０は、下部クラッド１３０及び上部クラッド１６０に対するコアであり、屈折率はn_m（> n_k）である。

主導波路１４０は、ＥＯ導波路１５０と光学的に接続、すなわち主導波路１４０の伝搬光の進行方向を有限角度変更する手段を備えており、一端１４０Ａから入力される光をＥＯ導波路１５０に出力する。この手段を実現するために、例えば、主導波路１４０のｚ軸正方向側でｙ軸に延在する側面に沿って、回折格子等のカップラが設けられる。

カップラは、ＥＯ導波路１５０の位置及び数等に応じて、主導波路１４０のｚ軸正方向側の側面、ｚ軸負方向側の側面、ｘ軸正方向側の面（上面）、及び、ｘ軸負方向側の面（下面）の少なくともいずれか一つに形成されていればよく、これらすべての面に形成されていてもよい。

カップラは、主導波路１４０の内部を伝搬する光の一部または全部を、ＥＯ導波路１５０に出力する。なお、カップラは、y軸負方向に格子ベクトル成分を有する回折格子、又は、主導波路１４０の側面を光軸に対して傾けた、いわゆるテーパ構造であればよい。テーパ構造は、例えば、「光集積回路」「光集積回路」オーム社（ISBN 4-274-03064-4 (1985)）の第２６０頁に記載されているようなものを用いればよい。

カップラに用いる回折格子は、主導波路１４０の側面に形成された周期構造ばかりでなく、ＥＯ導波路１５０の入力端に形成される周期構造、あるいは主導波路１４０の側面とＥＯ導波路１５０の入力端の間に配置された周期構造物でもよく、主導波路１４０の内部で垂直方向（ｘ軸方向）に電界の主たる成分を有するE^xモードを、ＥＯ導波路１５０におけるE^xモードに結合し得る特性を有することが好ましい。

回折格子からなるカップラの形成面は、主導波路１４０の側面に対して傾いていても構わないが、回折格子形成面と主導波路１４０の側面とがなす角は、sin^-1(n_c/n_m)を超えてはならない。

なお、主導波路１４０は、断面が円形であってもよい。また、主導波路１４０の基板１１０と平行な断面の形状は、矩形、S字型、コの字型、円環状、渦状に蛇行させた形状等であってもよい。

ＥＯ導波路１５０は、平面視で下部電極１２０が配置される領域に、４本形成される。４本のＥＯ導波路１５０は、互いに平行であり、ｚ軸に沿って伸延している。すなわち、４本のＥＯ導波路１５０は、主導波路１４０に対して平面視（ｙｚ平面視）で直角な方向に伸延している。ただし、必ずしも直角である必要はなく、主導波路１４０の伝搬光がカップラによりＥＯ導波路１５０の伝搬光に変換される範囲において、ＥＯ導波路１５０は、主導波路１４０の幅方向に伸延していればよい。４本のＥＯ導波路１５０は、対称軸Ｄに対して線対称に配置されている。

ＥＯ導波路１５０は、電気光学（ＥＯ）材料で形成される。電気光学（ＥＯ）材料としては、例えばＥＯポリマーを用いることができる。ＥＯ導波路１５０の屈折率はn_c（>n_k）であり、x軸方向の電気光学（ＥＯ）係数はrである。ＥＯ導波路１５０は、下部クラッド１３０及び上部クラッド１６０に対するコアである。ＥＯポリマーとしては、例えばトリシアノフラン（TCF）をアクセプタ（電子吸引基）とすることで大きな超分極率を得たEO色素であるFTCなど、アクセプタをニトロ基やジシアノビニル基、トリシアノビニル基、あるいはTCFやその誘導体、ドナ（電子供与基）をアルキルアミノ基やその誘導体、それらがアゾベンゼンやスチルベンゼン、スチリルチオフェンなどのπ共役骨格によって繋がれたＤ−π−Ａ構造のEO色素が大きな電気光学係数を有することが知られているが、ホスト材料への分散・硬化プロセスにより性能劣化を生じないEO色素であれば、本デバイスのコア材料として用いることができる。

ＥＯ導波路１５０は、光の伝搬方向（ｚ軸方向）と垂直な断面が矩形であり、ｚ軸負方向側の一端が主導波路１４０と光学的に接続される。ＥＯ導波路１５０は、ＥＯ導波路アレイを構成する。なお、ＥＯ導波路１５０の断面は、円形であってもよい。

ＥＯ導波路１５０のｚ軸負方向側の端部（入力端）には、主導波路１４０から光が入力される。ＥＯ導波路１５０は、ｚ軸正方向側の端部（ＥＯ出力端）から光を出力する。入力端には、上述のようにカップラが設けられていてもよい。

なお、ＥＯ導波路１５０は、少なくとも２本以上あればよく、ＥＯ導波路１５０の延伸方向と直交する方向の中心たるＥＯ導波路もしくはＥＯ導波路の間隙における対称軸Ｄに対して線対称に配設されていることが好ましい。

各ＥＯ導波路１５０の入力端における光の位相差は、屈折率n_mと、主導波路１４０の形状から決まる伝搬定数β_mと、カップラたる回折格子の格子間隔p_gと、主導波路１４０におけるＥＯ導波路１５０の入力端の間隔p_iで決まる光路長の差によって決定される。

上部クラッド１６０は、主導波路１４０とＥＯ導波路１５０の一部または全部の上面に形成される。図２では、上部クラッド１６０は、主導波路１４０については、一端１４０Ａ以外を覆っている。また、上部クラッド１６０は、ＥＯ導波路１５０については、ＥＯ出力端以外を覆っている。上部クラッド１６０は、下部クラッド１３０と同様の特性を有するものを使用できる。

上部電極１７０は、上部クラッド１６０の上面の４本のＥＯ導波路１５０に対応する位置に形成される。上部電極１７０のｚ軸負方向側の一端は、平面視で上部クラッド１６０よりもｚ軸負方向側に突出するように形成される。

上部電極１７０は、ＥＯ導波路１５０と同数又はそれ以下に分割された金属電極であり、上部電極１７０のｚ軸負方向側の一端は、主導波路１４０の上面又は側面を経由して、上部電極１７０への印加電圧を制御する制御電源回路（図示せず）に接続される。

図２には、４本のＥＯ導波路１５０に対応する４本の上部電極１７０を示す。上部電極１７０は、下部電極１２０と同様の特性を有する材料で形成することができる。

上部電極１７０によって上面が被覆されたＥＯ導波路アレイの光の伝搬方向（ｚ軸方向）の長さL_jは、ＥＯ導波路１５０ごとに異なっていてもよい。ここで、jはＥＯ導波路１５０に固有の番号（ここでは１〜４）である。

上部電極１７０と下部電極１２０の間隔をT、上部クラッド１６０と下部クラッド１３０の厚さをtとして、j番目のＥＯ導波路１５０に対応する上部電極１７０と、下部電極１２０との間に電位差V_jを印加したとき、j番目のＥＯ導波路１５０に対応する上部電極１７０と下部電極１２０に挟まれた領域の屈折率n_cは、電気光学効果により次式で与えられるΔn(V_j)だけ変化する。
Δn(V_j) = n_c ³ r V_j / {4 t (n_c / n_k)² + 2 T} ・・・(1)
このとき、j番目のＥＯ導波路１５０を伝搬する光の位相には、電圧印加がなされない場合に比べて、おおむねΔφ_j = 2π Δn(V_j) L_j / λの遅れが生じる。

ただし、λ は伝搬光の波長である。

j番目のＥＯ導波路１５０のＥＯ出力端（ｚ軸正方向側の端部)に、４つの入射口と４つの出射口とを両端とする４つの光路を有する光出力部のj番目の入射口を接続した場合に、光出力部のj番目の入射口に入射する光の位相は、印加電圧 V_j における位相と、印加電圧 V_j によって決まる。すなわち、 V_j = 0 のときに全ての入射口に入射する光の位相が同一であれば、ＥＯ導波路アレイからの入射光には V_j の分布に応じた位相分布が生じる。

ここで、光出力部はＥＯ導波路アレイと同数の入射口からなる入射口アレイを有し、ＥＯ導波路アレイの出力端より入射した光を、出射口より放射し得る光学素子である。出射口は間隔 p_o をもって配置される開口アレイであり、間隔 p_o は等間隔であってもよいし、等間隔ではなくてもよい。

ＥＯ導波路１５０のＥＯ出力端と光出力部との接続には、レンズや回折格子などの光学素子を用いてもよく、ＥＯ導波路アレイから光出力部に向かって導波路の間隔が狭まるテーパ構造の導波路アレイであってもよい。

以上のような構成の光制御デバイス１００は、ＥＯ導波路１５０と一対一に対応した上部電極１７０が、主導波路１４０上を経由して基板１１０の外縁に取り出されるため、図１に示すように他のＥＯ導波路１３に接する引き出し線１５を設置する必要がなく、余分の電圧に関する補正を行う必要が生じない。

このため、消費電力を低減した光制御デバイス１００を提供することができる。

ここで、図３を用いて、光制御デバイス１００の製造方法について説明する。

図３は、光制御デバイス１００の製造工程を示す図である。

まず、図３（Ａ）に示すように、基板１１０の表面に、下部電極１２０を形成する。下部電極１２０は、平面視で後にＥＯ導波路１５０が形成される領域であって、かつ、後に主導波路１４０が形成されない領域に形成される。

次に、図３（Ｂ）に示すように、平面視で後に主導波路１４０とＥＯ導波路１５０が形成される領域において、基板１１０及び下部電極１２０の上に下部クラッド１３０を形成する。

次に、図３（Ｃ）に示すように、平面視で下部電極１２０が形成されていない領域内において、下部クラッド１３０の上に主導波路１４０を形成するとともに、平面視で下部電極１２０が配置される領域に、４本のＥＯ導波路１５０を形成する。主導波路１４０には回折格子１４１を形成する。

次に、図３（Ｄ）に示すように、主導波路１４０とＥＯ導波路１５０の上面に上部クラッド１６０を形成する。

図３（Ｅ）に示すように、上部クラッド１６０の上面の４本のＥＯ導波路１５０に対応する位置に上部電極１７０を形成する。上部電極１７０はグランド電位に保持される。

最後に、図３（Ｆ）に示すように、下部電極１２０に電源Ｖを接続して下部電極１２０と上部電極１７０との間に電圧を印加することにより、ＥＯ導波路１５０に対して電場配向処理を行う。

以上により、光制御デバイス１００が完成する。図３（Ａ）〜（Ｅ）に示す工程は、すべて一般的な有機デバイスと同様に、スピンコートとエッチングの繰り返しで実現できるため、平面的な光制御デバイス１００を製造することができる。

＜実施例＞
本実施例では、主導波路１４０をシングルモードの埋め込み型光導波路として作用させるために、断面形状を厚さT=1μm、幅W=2μm の矩形とし、ＥＯポリマー材料の屈折率n_c=1.6に対して、上部クラッド１６０および下部クラッド１３０には屈折率n_k=1.444のシリカを選び、その厚さは1μmとした。

この条件を用いると、主導波路１４０の伝搬モードを求めることが可能である。より正確には数値的なモード解析を行うことが望ましいが、文献「光集積回路」（ISBN 4-274-03064-4 (1985)）の第14~18頁および第34~36頁に記載の等価屈折率方法を用いることで、近似的な伝搬モードを簡便に求めることが可能である。

本実施例では前記近似解法と数値解析を併用して説明を行う。

本実施例の電極構成（下部電極１２０及び上部電極１７０）のもとで、ＥＯ導波路１５０における電気光学効果を効率よく利用するためには、電気光学効果による屈折率変化がx方向に強く生じることから、ＥＯ導波路１５０の伝搬光がx方向に主たる電界成分を持つE^x モードであることが好ましい。

そこで、前記近似解法によるE^xモードを対象とした解析を行う。

まずx方向に一様、z方向には主導波路１４０と同様の構成による光の閉じ込めがある、y方向に光を伝搬しうる光導波路を考えると、これはコア（ＥＯ導波路１５０）の屈折率n_c、コアの厚さW、クラッド（下部クラッド１３０及び上部クラッド１６０）の屈折率n_k であるステップ型二次元光導波路と見なすことができる。

主導波路１４０のE^zモードは、ステップ型二次元光導波路のTEモードと等価であるため、その固有値方程式は次式で与えられる。
2 π (n_c ² - n_emz ²)^1/2 T / λ = (m_z + 1) π ・・・(2)
ただしm_zはモード番号 (m_z = 0, 1, 2,・・・) を表し、 n_emz は m_z に対応する主導波路１４０の伝搬モードにおける伝搬定数 β_mzmz = 2 π n_emz / λ を与える実効屈折率である。

式(2)を用いて前記条件のもとでの n_emz を求めると、 n_e0 = 1.543 (m_z = 0) のみが存在を許される。

次に、z方向に一様、x方向には主導波路１４０と同様の構成であるが、コア（ＥＯ導波路１５０）の屈折率がE^zモードにおける実効屈折率に等しく、y方向に光を伝搬しうる光導波路を考えると、これはコア（ＥＯ導波路１５０）の屈折率n_emz、コアの厚さT、クラッド（下部クラッド１３０及び上部クラッド１６０）の屈折率n_k であるステップ型二次元光導波路になる。

主導波路１４０のE^xモードは、ステップ型二次元光導波路のTMモードと等価であり、その固有値方程式は式(2)における m_z を m_x (mx = 0, 1, 2,・・・)、 n_emz を n_emxに置き換えるとともに、β_mzmzを β_mxmx = 2 π n_emx / λ に置き換えることで得られる。

なお、本実施例では下部クラッド１３０及び上部クラッド１６０の屈折率を同一としたため計算式が簡略化されたが、一般的には下部クラッド１３０及び上部クラッド１６０の各々と主導波路１４０の屈折率との比がTMモードの固有値方程式に含まれるため、やや複雑な式になる。そのような場合の式等は、文献「光集積回路」（ISBN 4-274-03064-4 (1985)）に記載されている通りである。

式を用いて前記条件のもとでの n_emx を求めると、 m_z = 0、すなわち n_e(mz=0) = 1.543 に対して n_e0 = 1.501 のみが n_k < n_emxを満たし、単一モードの光導波路となる。このとき伝搬定数は β_mx0 = 7.255x10⁶ [m^-1] となる。

なお、以上の結果により、基板平面（yz面）において入射角度α_i = sin^-1[(n_c ² - n_e ²)^1/2] = sin^-1[ λ / 2 T] をもって照射されるとき、もっとも光利用効率の高い構成となることは明らかである。

簡単のため、本実施例におけるＥＯ導波路１５０の厚さ・幅をともに主導波路と同一とし、下部クラッド１３０及び上部クラッド１６０の材料と厚さが全体で同一とすると、主導波路１４０と同様の方法により、電圧が印加されていない状態のＥＯ導波路１５０には同じ伝搬定数をもつE^x0モードのみ存在することがわかる。

したがって、主導波路１４０からＥＯ導波路１５０への光路変換を行うには、ＥＯ導波路１５０の入力端と対向する主導波路１４０の側壁に設けたカップラたる回折格子１４１（図３（Ｃ）参照）を、そのピッチp_gが次式を満たすよう形成すればよい。
p_g = 2π m_g /{(4 n_c ² π² / λ² - β_my0 ²)^1/2 - β_my0} ・・・(3)
ただし、m_g は整数である。

式(3)より、例えばmg = -1 として得られる p_g=2μm を選ぶことにより、図４に示す通り主導波路１４０を伝搬する光が回折格子１４１で生じる -1次の回折光を、ＥＯ導波路のE^x ₀モードに結合することが可能である。

この結果、入力光は主導波路１４０よりＥＯ導波路１５０の入力端を介して、各ＥＯ導波路１５０へ分配される。

なお、４つのＥＯ導波路１５０の各々に入力される光の出力の分配比は、回折格子１４１の繰り返し個数で決まり、これを適切に選ぶことで、各ＥＯ導波路１５０へ均等に光エネルギーを分配する、あるいは中央部または片側端部に多くの光エネルギーを分配することが可能である。

ＥＯ導波路１５０には、例えば、情報通信研究機構研究報告 Vol.59 No.1 (2013)に記載の方法により電場配向処理がなされるが、本実施例で示す光制御デバイス１００は、図３（Ｃ）に示すようにＥＯ導波路１５０の左端（入力端）側を除いた中央部と右端（ＥＯ出力端）側にのみ下部電極１２０を有するため、電圧印加を下部電極１２０にのみ行うことにより、ＥＯ導波路１５０のうち上部電極１７０と下部電極１２０との間隙に配置された領域にのみ、有限の電気光学効果を付与することができる。

すなわち、上部電極１７０に対して電圧印加を行うと、電場配向処理を受けたＥＯ導波路１５０である図５の中央に示す長さL_jの領域でのみ屈折率変化が生じるため、４本のＥＯ導波路１５０への適切な印加電圧V₁〜V₄を選ぶことにより、j番目のＥＯ出力端における位相φ_ejを個別に変化させ、出力光の偏向角度を制御することが可能になる。

簡単のため、ＥＯ出力端がピッチp_oなるＥＯ導波路アレイである場合を取り上げると、隣接するＥＯ導波路１５０を伝搬する光のＥＯ入力端における位相差をφ_ij - φ_i(j-1) = φ_m （j = 2, 3, 4）、電圧印加時のj番目のＥＯ導波路１５０の伝搬係数をβ_ej とすると、j番目のＥＯ導波路１５０と隣接するＥＯ導波路１５０とのＥＯ出力端における光の位相差は、φ_ej - φ_e(j-1) = L_j β_ej - L_j-1 β_e(j-1) - (L_j - L_j-1) β_c + φ_m となる。

ここで、複数に分割された光に位相差を設けてＥＯ導波路アレイの開口から射出するとき、得られる回折光（出力光）の方向は次式で与えられる。
p_o sin(α_e) = { (L_j β_ej - L_j-1 β_e(j-1) - (L_j - L_j-1)β_c+φ_m) / 2π + m_a} λ ・・・(4)
ただし、α_eは図５に示すようにＥＯ導波路１５０の伸延方向（ｚ軸正方向：図２参照）に対して出力光がなす角度であり、m_aは整数である。

一方、電場配向処理がなされたＥＯ導波路１５０を伝搬する光の伝搬定数 β_ej は、光路長変化の影響を受ける。具体的には、伝搬モードの次数が変わらない程度の印加電圧変動に対して、L_j β_ej - L_j-1 β_e(j-1) は式(1)より次式になる。
(L_j - L_j-1) β_c + 2 π (L_j V_j - L_j-1 V_j-1) n_c ³ r / [ λ {4 t (n_c/n_k)² + 2 T}] ・・・(5)
式(5)の第1項は、式(4)の右辺の第2項によりキャンセルされるため、ＥＯ出力端における位相変化量 Δφ はＥＯ導波路１５０の入力端において生じる φ_m λ / 2π と、電圧印加により生じる (L_j V_j - L_j-1 V_j-1) n_c ³ r / [{4 t (n_k/n_c)^1/2 + 2 T}] だけで決まる。

具体的には、ＥＯ導波路１５０の入力端が位相整合されている（φ_m=2π）とし、 p_o = 7μm、L_j = 125μm、 m_a = -1 を選べば、V₁ = 0 V、V₂ = 70 V、 V₃ = 140 V、 V₄ = 210 V の電圧印加により、ＥＯ出力端における位相分布 φ_e1 = 0 [deg]、φ_e2 = 100 [deg]、 φ_e3 = 200 [deg]、 φ_e4 = 300 [deg] が得られ、出力光の偏向角度は α_e = 3.0 [deg] となる。

これを確かめるために、与えられたＥＯ出力端の位相分布のもとで光学シミュレーション（Diffract）を行い、偏向角度を求めた結果を図６に示す。隣接するＯＥ導波路１５０に印加する電位差をΔＶ、光ビーム（出力光）の偏向角度は α_e とすると、光学シミュレーション（Diffract）では、ΔＶ＝０Ｖ でα_e ＝０degree、ΔＶ＝３５Ｖ でα_e ＝２．４degree、ΔＶ＝７０Ｖ でα_e ＝４．２degreeであった。この結果、光学シミュレーション（Diffract）で求めた偏向角度α_e と理論解析値とは、図６に示す通りである。

なお、光学シミュレーション（Diffract）の詳細は、例えば、インターネット〈URL：http://comets.jp/〉に開示されている（検索日２０１４年６月１２日）。

なお、光制御デバイス１００において、例えば φ_e4 - φ_e3 = φ_e1 - φ_e2 > 0、 φ_e2 = φ_e3 となるよう印加電圧V₁〜V₄を選べば、図７に示す通り、収束ビームを形成することも可能である。

電気光学効果を利用する偏向制御デバイスでは、一般的に小さな値であるrにより大きな偏向角度、すなわち大きな位相制御量を得るためには、ＥＯ層（ＥＯ導波路１５０の層）の厚さを小さくとる、印加電圧を大きくする、ＥＯ導波路１５０を長くとるなどの工夫が必要である。

しかしながら、実施の形態の光制御デバイス１００に用いるＥＯポリマーは薄膜化に適しており、ＥＯ導波路１５０の層の厚さを薄くすることが容易である。

また、ＥＯ導波路１５０を長くとると、周辺温度やデバイス温度の変化の影響により、設計時の位相整合条件が成り立たなくなる場合があるが、実施の形態１によれば、ＥＯ導波路１５０の上部電極１７０を個別に駆動でき、位相整合条件からのずれを補正可能であり、長時間の安定動作が可能である。

さらに、印加電圧を大きくすると、一般的には誘電体で構成される主導波路１４０を挟む上部電極１７０と下部電極１２０の充放電に伴う消費電力増大が問題になるが、実施の形態１における電極配置によれば、ＥＯ導波路１５０に対する不必要な電圧印加による消費電力増加を抑制することが可能である。

従来、VsとVaは動作原理から同程度の電圧値となる。また、実施の形態１ではVaは不要になる。このため、実施の形態１の光制御デバイス１００における消費電力は、従来の制御に必要な消費電力の半分以下となる。

このため、消費電力を低減した光制御デバイス１００を提供することができる。

＜実施の形態２＞
図８は、実施の形態２の光制御デバイス２００を示す図である。図８（Ａ）は、図２（Ａ）に対応する斜視図、図８（Ｂ）は、図２（Ｃ）に対応する断面図である。

光制御デバイス２００は、実施の形態１の光制御デバイス１００のＯＡ導波路１５０のＯＡ出力端側の上面に、回折格子２０１を追加した構成を有する。その他の構成は、実施の形態１の光制御デバイス１００と同様である。

回折格子２０１は、ＯＡ出力端に伝搬した光をｘ軸正方向に出力するために設けられている。

このため、光制御デバイス２００は、ＯＡ導波路１５０のＯＡ出力端側の上面から、光をｘ軸正方向に出力する。光制御デバイス２００は、例えば、光ディスクのピックアップやコンピュータのボード内配線、オフチップ光配線、空間光通信等に利用可能である。

なお、回折格子２０１は、ＯＡ導波路１５０のＯＡ出力端側の下面に設けられていて、ＯＡ導波路１５０のＯＡ出力端側の上面から、光をｘ軸正方向に出力するように構成されていてもよい。

図９は、実施の形態２の光制御デバイス２００の動作状態を説明する図である。

ＥＯ導波路１５０の上部または下部に形成したグレーティング（回折格子２０１）により伝搬光を放射光に変換する。グレーティングのピッチp_gは、実施の形態１のカップラの回折格子１４１と同様に設計すればよい。グレーティングの高さh_g、長さL_gは、Tamirの摂動理論などで計算すればよい。

例えば、収束ビームを生成する場合には、ＥＯ導波路１５０のうちj=0とj=3、j=1とj=2を伝搬する光がそれぞれ同位相になり、かつj=0とj=3に対するj=1とj=2の位相に差が生じるように上部電極１７０及び下部電極１２０の印加電圧V1〜V4を選ぶことにより、光出力を図９（Ｂ）のように収束ビームとして得ることが可能である。

以上、実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、消費電力を低減した光制御デバイス２００を提供することができる。また、光をｘ軸正方向に出力することができる。

以上、本発明の例示的な実施の形態の光制御デバイスについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

１００ 光制御デバイス
１１０ 基板
１２０ 下部電極
１３０ 下部クラッド
１４０ 主導波路
１５０ ＥＯ導波路
１６０ 上部クラッド
１７０ 上部電極
２００ 光制御デバイス
２０１ 回折格子

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板の一方の面に形成される下部電極と、
   前記下部電極の上に形成される下部クラッドと、
   前記下部クラッドの上面のうち、平面視で前記下部電極と重複しない第１領域に形成される主導波路と、
   前記下部クラッドの上面のうち、平面視で前記下部電極と重複する第２領域において前記主導波路の伸延方向に対する幅方向に伸延するように形成され、入射端が光学的に前記主導波路に接続される複数の電気光学導波路と、
   前記主導波路及び前記電気光学導波路の上に形成される上部クラッドと、
   前記上部クラッドの上面において、前記電気光学導波路に沿って形成される上部電極と
   を含む、光制御デバイス。
2. 前記複数の電気光学導波路の出力端側は、前記入射端から前記出力端に伸延する伸延方向において、平面視で前記上部電極よりも延出している、請求項１記載の光制御デバイス。
3. 前記複数の電気光学導波路は、平面視において、３本以上あり、中心線に対して対称的に配置される、請求項１又は２記載の光制御デバイス。
4. 前記電気光学導波路は、電気光学ポリマーで形成される、請求項１乃至３のいずれか一項記載の光制御デバイス。
5. 前記電気光学導波路の出射端に、前記電気光学導波路の内部を伝搬する光を上面から出射する回折格子を有する、請求項１乃至４のいずれか一項記載の光制御デバイス。

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