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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023007522
(43)【公開日】2023-01-19
(54)【発明の名称】光デバイス
(51)【国際特許分類】
G02F 1/035 20060101AFI20230112BHJP
G02F 1/295 20060101ALI20230112BHJP
【ＦＩ】
G02F1/035
G02F1/295
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2019232814
(22)【出願日】2019-12-24
(71)【出願人】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100101683
【弁理士】
【氏名又は名称】奥田 誠司
(74)【代理人】
【識別番号】100155000
【弁理士】
【氏名又は名称】喜多 修市
(74)【代理人】
【識別番号】100180529
【弁理士】
【氏名又は名称】梶谷 美道
(74)【代理人】
【識別番号】100125922
【弁理士】
【氏名又は名称】三宅 章子
(74)【代理人】
【識別番号】100135703
【弁理士】
【氏名又は名称】岡部 英隆
(74)【代理人】
【識別番号】100188813
【弁理士】
【氏名又は名称】川喜田 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100184985
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 悠
(74)【代理人】
【識別番号】100202197
【弁理士】
【氏名又は名称】村瀬 成康
(74)【代理人】
【識別番号】100218981
【弁理士】
【氏名又は名称】武田 寛之
(72)【発明者】
【氏名】増子 尚徳
(72)【発明者】
【氏名】高木 宏幸
(72)【発明者】
【氏名】平澤 拓
【テーマコード（参考）】
2K102
【Ｆターム（参考）】
2K102AA22
2K102AA24
2K102BA02
2K102BA07
2K102BA11
2K102BB01
2K102BB04
2K102BB07
2K102BB08
2K102BC04
2K102BD01
2K102BD09
2K102CA18
2K102CA28
2K102DA04
2K102DB04
2K102DC01
2K102DC08
2K102DD01
2K102DD05
2K102DD10
2K102EA02
2K102EA16
2K102EA18
2K102EA21
(57)【要約】
【課題】電気光学効果を利用して、光導波路を伝搬する光の位相を大きくかつ高速に変調することができる光デバイスを提供する。
【解決手段】光デバイスは、電気絶縁性の基板と、前記基板によって支持された電気光学材料層と、前記電気光学材料層に接する少なくとも１つの電解質層と、前記電気光学材料層および前記電解質層に電圧を印加するための第１電極および第２電極と、を備え、前記第１電極および前記２電極は、（Ａ）前記電気光学材料層の前記基板に面する第１面と、前記基板の前記電気光学材料層に面する第２面との間の位置、および（Ｂ）前記電気光学材料層の前記電解質層に面する第３面と、前記電解質層の前記電気光学材料層に面する第４面との間の位置、の何れにも設けられない。
【選択図】図１Ａ
【解決手段】光デバイスは、電気絶縁性の基板と、前記基板によって支持された電気光学材料層と、前記電気光学材料層に接する少なくとも１つの電解質層と、前記電気光学材料層および前記電解質層に電圧を印加するための第１電極および第２電極と、を備え、前記第１電極および前記２電極は、（Ａ）前記電気光学材料層の前記基板に面する第１面と、前記基板の前記電気光学材料層に面する第２面との間の位置、および（Ｂ）前記電気光学材料層の前記電解質層に面する第３面と、前記電解質層の前記電気光学材料層に面する第４面との間の位置、の何れにも設けられない。
【選択図】図１Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電気絶縁性の基板と、
前記基板によって支持された電気光学材料層と、
前記電気光学材料層に接する少なくとも１つの電解質層と、
前記電気光学材料層および前記電解質層に電圧を印加するための第１電極および第２電極と、を備え、
前記第１電極および前記２電極は、
（Ａ）前記電気光学材料層の前記基板に面する第１面と、前記基板の前記電気光学材料層に面する第２面との間の位置、および
（Ｂ）前記電気光学材料層の前記電解質層に面する第３面と、前記電解質層の前記電気光学材料層に面する第４面との間の位置、
の何れにも設けられない、
光デバイス。
前記基板によって支持された電気光学材料層と、
前記電気光学材料層に接する少なくとも１つの電解質層と、
前記電気光学材料層および前記電解質層に電圧を印加するための第１電極および第２電極と、を備え、
前記第１電極および前記２電極は、
（Ａ）前記電気光学材料層の前記基板に面する第１面と、前記基板の前記電気光学材料層に面する第２面との間の位置、および
（Ｂ）前記電気光学材料層の前記電解質層に面する第３面と、前記電解質層の前記電気光学材料層に面する第４面との間の位置、
の何れにも設けられない、
光デバイス。
【請求項2】
前記電気光学材料層、前記少なくとも１つの電解質層、ならびに前記第１電極および前記第２電極は、前記基板に平行な方向に延びており、
前記電気光学材料層は、前記電解質層の屈折率よりも高い屈折率を有し、
前記電気光学材料層は、前記基板に平行な前記方向に沿って光を伝搬させる、
請求項１に記載の光デバイス。
前記電気光学材料層は、前記電解質層の屈折率よりも高い屈折率を有し、
前記電気光学材料層は、前記基板に平行な前記方向に沿って光を伝搬させる、
請求項１に記載の光デバイス。
【請求項3】
前記電圧を制御して前記電気光学材料層の屈折率を変化させることにより、前記光の位相を変調する制御回路をさらに備える、
請求項２に記載の光デバイス。
請求項２に記載の光デバイス。
【請求項4】
前記光は、横電界（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ）モードでの光である、
請求項２または３に記載の光デバイス。
請求項２または３に記載の光デバイス。
【請求項5】
前記電解質層は、固体電解質材料またはゲル電解質材料から形成されている、
請求項１から４のいずれかに記載の光デバイス。
請求項１から４のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項6】
前記電気光学材料層は、前記基板に接している、
請求項１から５のいずれかに記載の光デバイス。
請求項１から５のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項7】
前記基板上に積層された電気絶縁層をさらに備え、
前記電気光学材料層は、前記電気絶縁層上に積層されている、
請求項１から５のいずれかに記載の光デバイス。
前記電気光学材料層は、前記電気絶縁層上に積層されている、
請求項１から５のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項8】
前記基板、前記電気絶縁層、および前記電気光学材料層の各々は、結晶構造を有し、
前記電気絶縁層の格子定数は、前記基板の格子定数と前記電気光学材料層の格子定数との間である、
請求項７に記載の光デバイス。
前記電気絶縁層の格子定数は、前記基板の格子定数と前記電気光学材料層の格子定数との間である、
請求項７に記載の光デバイス。
【請求項9】
前記少なくとも１つの電解質層は、２つの電解質層から構成され、
前記２つの電解質層は、前記電気光学材料層の両側に隣接しており、
前記第１電極および前記第２電極の各々は、前記２つの電解質層の１つに接している、
請求項１から８のいずれかに記載の光デバイス。
前記２つの電解質層は、前記電気光学材料層の両側に隣接しており、
前記第１電極および前記第２電極の各々は、前記２つの電解質層の１つに接している、
請求項１から８のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項10】
前記少なくとも１つの電解質層は、１つの電解質層から構成され、
前記第１電極および前記電解質層は、前記電気光学材料層の両側に隣接しており、
前記第２電極は、前記電解質層に接している、
請求項１から８のいずれかに記載の光デバイス。
前記第１電極および前記電解質層は、前記電気光学材料層の両側に隣接しており、
前記第２電極は、前記電解質層に接している、
請求項１から８のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項11】
前記少なくとも１つの電解質層は、第１電解質層および第２電解質層を含み、
前記第１電解質層および前記第２電解質は、前記電気光学材料層上に間隔をあけて並び、
前記第１電極は前記第１電解質層に接しており、
前記第２電極には前記第２電解質層に接している、
請求項１から８のいずれかに記載の光デバイス。
前記第１電解質層および前記第２電解質は、前記電気光学材料層上に間隔をあけて並び、
前記第１電極は前記第１電解質層に接しており、
前記第２電極には前記第２電解質層に接している、
請求項１から８のいずれかに記載の光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、光デバイスに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、屈折率を変化させる多くのデバイスが提案されている（例えば、特許文献１および２、ならびに非特許文献１から４）。屈折率は、様々な光学効果によって変化させることができる。光導波路の屈折率を変化させれば、光導波路を伝搬する光の位相を変調することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１７－４４８５６号公報
【特許文献2】特開平７－１６８２１４号公報
【非特許文献1】N. Hosseini, et. Al., “Stress-optic modulator in TriPleX platform using a piezoelectric lead zirconate titanate (PZT) thin film”Opt. Exp., 23, 14018 (2015).
【非特許文献2】M. R. Watts, “Adiabatic thermo-optic Mach-Zehnder switch”, Opc. Lett., 38, 733 (2013).
【非特許文献3】A. Yaacobi, “Integrated phased array for wide-angle beam steering”, Opt. Lett., 39, 4575 (2014).
【非特許文献4】K. Fujiwara, et. al., “KTN optical waveguide devices with an extremely large electro-optic effect”, Proc. of SPIE, 5623, 518 (2005).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本開示は、電気光学効果を用いて、光導波路を伝搬する光の位相を大きくかつ高速に変調することができる光デバイスを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示の一態様に係る光デバイスは、電気絶縁性の基板と、前記基板によって支持された電気光学材料層と、前記電気光学材料層に接する少なくとも１つの電解質層と、前記電気光学材料層および前記電解質層に電圧を印加するための第１電極および第２電極と、を備え、前記第１電極および前記２電極は、（Ａ）前記電気光学材料層の前記基板に面する第１面と、前記基板の前記電気光学材料層に面する第２面との間の位置、および（Ｂ）前記電気光学材料層の前記電解質層に面する第３面と、前記電解質層の前記電気光学材料層に面する第４面との間の位置、の何れにも設けられない。
【発明の効果】
【0006】
本開示によれば、電気光学効果を用いて、光導波路を伝搬する光の位相を大きくかつ高速に変調することができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【発明を実施するための形態】
【0008】
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。
【0009】
非特許文献１は、応力によって屈折率が変化する応力光学効果（ｓｔｒｅｓｓ－ｏｐｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔ）を用いた光デバイスを開示している。非特許文献１に開示されている光デバイスでは、光導波路上に積層された圧電体に電圧を印加することにより、圧電体が変形する。圧電体の変形に起因して、光導波路に応力がかかり、光導波路の屈折率が変化する。屈折率の変化に起因して、光導波路中を伝搬する光の位相が変調される。圧電体による光導波路の屈折率の変化量は小さく、例えば１０－６程度のオーダである。このため、光導波路を長くしなければ、光の位相を大きく変調することができない。光導波路を長くすることは、光デバイスの大型化を招く。
【0010】
非特許文献２および３は、熱によって屈折率が変化する熱光学効果（ｔｈｅｒｍｏ－ｏｐｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔ）を用いた光デバイスを開示している。熱光学効果による屈折率の変化量は大きく、例えば１０－２程度のオーダである。このため、光デバイスが小さい場合でも、光の位相を大きく変調することができる。しかし、熱光学効果による屈折率の変調速度は低く、例えば数百ｋＨｚを超える高速の変調を実現することができない。
【0011】
非特許文献４は、電界を印加することによって屈折率が変化する電気光学効果（ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔ）を用いた光デバイスを開示している。代表的な電気光学効果として、ポッケルス（Ｐｏｃｋｅｌｓ）効果、およびカー（Ｋｅｒｒ）効果が知られている。電界が印加されていないとき、屈折率の変化量はゼロである。ポッケルス効果では、屈折率の変化量は、電気光学材料固有の電気光学定数と、印加された電界の強度との積によって決定される。カー効果では、屈折率の変化量は、電気光学定数と、印加された電界の強度の２乗との積によって決定される。屈折率の変化により、電気光学材料を伝搬する光の位相が変調される。電気光学効果による屈折率の変調速度は高く、例えば数十ＭＨｚ以上の変調を実現することができる。
【0012】
電気光学効果を用いた光デバイスでは、印加された電界が強いほど、屈折率の変化量は大きい。しかし、印加される電界の強度は、電気光学材料の絶縁破壊電界強度よりも低い強度に制限される。このため、屈折率の変化量は１０－４程度のオーダであり、それほど大きくならない。
【0013】
特許文献１は、電気光学効果を用いた光変調装置を開示している。特許文献１に開示されている装置では、電気光学材料層が電解質層に接している。電気光学材料層および電解質層に外部から電圧を印加すると、電気光学材料層と電解質層との界面付近で、強い電界が発生する。当該電界の強度は、電気光学材料層の絶縁破壊電界強度を超える。そのような強い電界が印加されることにより、電気光学材料層の屈折率を大きく変化させることができる。特許文献１に開示されている装置では、電気光学材料層の屈折率を変化させることにより、電気光学材料層を光が透過する状態と、電気光学材料層で光が反射される状態とを切り替えることができる。この光変調装置は、光スイッチング素子として利用される。電気光学材料層または電解質層を光導波路として利用することは想定されていない。
【0014】
特許文献２は、エレクトロクロミック効果（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｒｏｍｉｃ ｅｆｆｅｃｔ）を用いた光スイッチを開示している。特許文献２に開示されている光スイッチでは、光導波路が、エレクトロクロミック材料層によって囲まれている。エレクトロクロミック材料層は電解質層に接している。エレクトロクロミック材料層および電解質層に電圧が印加される。これにより、当該エレクトロクロミック材料層内で、酸化還元反応が生じ、エレクトロクロミック材料層の電子構造が変化する。当該電子構造の変化により、エレクトロクロミック材料層の屈折率が変化する。酸化反応または還元反応は、外部から印加される電圧の極性に応じて可逆的に生じる。電圧を印加しなくても、酸化状態または還元状態が保持される。言い換えれば、一旦屈折率を変化させた後は、逆極性の電圧を印加しなければ、屈折率を戻すことはできない。この構造では、屈折率の変化量は１０－３程度のオーダである。変調速度は非常に遅く、せいぜい数Ｈｚである。この光スイッチにおいて、電解質層は、エレクトロクロミック材料層を酸化または還元させるために設けられている。
【0015】
以上のように、上記のデバイスのいずれにおいても、光導波路を伝搬する光の位相を大きくかつ高速に変調することはできない。
【0016】
本開示における光デバイスでは、光導波路を伝搬する光の位相を大きくかつ高速に変調することができる。本開示における光デバイスにおいて、電気光学材料層の結晶性は、基板の結晶性によって決まる。基板の結晶性が高い場合、電気光学材料層の結晶性を向上させることができる。その結果、電圧の印加によって電気光学材料層の屈折率を大きく変化させることができる。
【0017】
第１の項目に係る光デバイスは、電気絶縁性の基板と、前記基板によって支持された電気光学材料層と、前記電気光学材料層に接する少なくとも１つの電解質層と、前記電気光学材料層および前記電解質層に電圧を印加するための第１電極および第２電極と、を備える。前記第１電極および前記２電極は、（Ａ）前記電気光学材料層の前記基板に面する第１面と、前記基板の前記電気光学材料層に面する第２面との間の位置、および（Ｂ）前記電気光学材料層の前記電解質層に面する第３面と、前記電解質層の前記電気光学材料層に面する第４面との間の位置、の何れにも設けられない。
【0018】
この光デバイスでは、基板の材料を適切に選択することにより、電気光学材料層の結晶性を向上させることができる。
【0019】
第２の項目に係る光デバイスは、第１の項目に係る光デバイスにおいて、前記電気光学材料層、前記少なくとも１つの電解質層、ならびに前記第１電極および前記第２電極が、前記基板に平行な方向に延びている。前記電気光学材料層は、前記電解質層の屈折率よりも高い屈折率を有する。前記電気光学材料層は、前記基板に平行な前記方向に沿って光を伝搬させる。
【0020】
この光デバイスでは、電気光学材料層が光導波層として機能する。
【0021】
第３の項目に係る光デバイスは、第２の項目に係る光デバイスにおいて、前記電圧を制御して前記電気光学材料層の屈折率を変化させることにより、前記光の位相を変調する制御回路をさらに備える。
【0022】
この光デバイスでは、電気光学材料層を伝搬する光の位相を変調させることができる。
【0023】
第４の項目に係る光デバイスは、第２または第３の項目に係る光デバイスにおいて、前記光が、横電界（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ）モードでの光である。
【0024】
この光デバイスでは、電気光学材料層に横電界モードでの光を伝搬させることができ、電気光学材料層の厚さを相対的に薄くすることができる。
【0025】
第５の項目に係る光デバイスは、第１から第４の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記電解質層が、固体電解質材料またはゲル電解質材料から形成されている。
【0026】
この光デバイスでは、固体電解質材料またはゲル電解質材料から形成された電解質層を容易に加工することができる。
【0027】
第６の項目に係る光デバイスは、第１から第５の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記電気光学材料層が、前記基板に接している。
【0028】
この光デバイスでは、電気光学材料層が基板に接しているので、基板の結晶性が高い場合、電気光学材料層の結晶性を向上させることができる。
【0029】
第７の項目に係る光デバイスは、第１から第５の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記基板上に積層された電気絶縁層をさらに備える。前記電気光学材料層は、前記電気絶縁層上に積層されている。
【0030】
この光デバイスでは、電気光学材料層と基板との間に位置する電気絶縁層の材料を適切に選択することにより、電気光学材料層の結晶性を向上させることができる。
【0031】
第８の項目に係る光デバイスは、第７の項目に係る光デバイスにおいて、前記基板、前記電気絶縁層、および前記電気光学材料層の各々が、結晶構造を有する。前記電気絶縁層の格子定数は、前記基板の格子定数と前記電気光学材料層の格子定数との間である。
【0032】
この光デバイスでは、電気絶縁層が上記の条件を満たすことにより、電気光学材料層の結晶性を向上させることができる。
【0033】
第９の項目に係る光デバイスは、第１から第８の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記少なくとも１つの電解質層が、２つの電解質層から構成されている。前記２つの電解質層は、前記電気光学材料層の両側に隣接している。前記第１電極および前記第２電極の各々は、前記２つの電解質層の１つに接している。
【0034】
この光デバイスでは、電解質層に、基板に対して平行な方向に電界を印加することができる。
【0035】
第１０の項目に係る光デバイスは、第１から第８の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記少なくとも１つの電解質層が、１つの電解質層から構成されている。前記第１電極および前記電解質層は、前記電気光学材料層の両側に隣接している。前記第２電極は、前記電解質層に接している。
【0036】
この光デバイスでは、電解質層に、基板に対して平行な方向に電界を印加することができる。
【0037】
第１１の項目に係る光デバイスは、第１から第８の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記少なくとも１つの電解質層が、第１電解質層および第２電解質層を含む。前記第１電解質層および前記第２電解質は、前記電気光学材料層上に間隔をあけて並ぶ。前記第１電極は、前記第１電解質層に接している。前記第２電極は、前記第２電解質層に接している。
【0038】
この光デバイスでは、電気光学材料層のうち、１以上の第１電解質層および１以上の第２電解質層が接する面に、当該面に対して垂直な方向に電界を印加することができる。
【0039】
本開示において、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部、またはブロック図における機能ブロックの全部または一部は、例えば、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、またはＬＳＩ（ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む１つまたは複数の電子回路によって実行され得る。ＬＳＩまたはＩＣは、１つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、１つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、もしくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、またはＬＳＩ内部の接合関係の再構成またはＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。
【0040】
さらに、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部の機能または動作は、ソフトウェア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウェアは１つまたは複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウェアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウェアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システムまたは装置は、ソフトウェアが記録されている１つまたは複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、および必要とされるハードウェアデバイス、例えばインターフェースを備えていてもよい。
【0041】
本開示において、「光」とは、可視光（波長が約４００ｎｍ～約７００ｎｍ）だけでなく、紫外線（波長が約１０ｎｍ～約４００ｎｍ）および赤外線（波長が約７００ｎｍ～約１ｍｍ）を含む電磁波を意味する。
【0042】
以下、図面を参照しながら、本開示のより具体的な実施形態を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略することがある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。
【0043】
（実施形態）
図１Ａは、本開示の例示的な実施形態における光デバイス１００を模式的に示す図である。図１Ｂは、図１Ａに示す光デバイス１００の平面図である。以下の説明において、図１Ａおよび図１Ｂに示す互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸からなる座標系を用いる。Ｘ軸の矢印と同じ方向を「＋Ｘ方向」と称し、その反対の方向を「－Ｘ方向」と称する。±Ｙ方向および±Ｚ方向についても同様である。説明の便宜上、＋Ｚ方向を「上方向」と称し、－Ｚ方向を「下方向」と称する。これらの呼称は、便宜上用いられるにすぎず、現実に使用される光デバイス１００の配置または姿勢を限定することを意図するものではない。以下の説明では、Ｘ方向における寸法を「長さ」と称し、Ｙ方向における寸法を「幅」と称し、Ｚ方向における寸法を「厚さ」と称する。
図１Ａは、本開示の例示的な実施形態における光デバイス１００を模式的に示す図である。図１Ｂは、図１Ａに示す光デバイス１００の平面図である。以下の説明において、図１Ａおよび図１Ｂに示す互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸からなる座標系を用いる。Ｘ軸の矢印と同じ方向を「＋Ｘ方向」と称し、その反対の方向を「－Ｘ方向」と称する。±Ｙ方向および±Ｚ方向についても同様である。説明の便宜上、＋Ｚ方向を「上方向」と称し、－Ｚ方向を「下方向」と称する。これらの呼称は、便宜上用いられるにすぎず、現実に使用される光デバイス１００の配置または姿勢を限定することを意図するものではない。以下の説明では、Ｘ方向における寸法を「長さ」と称し、Ｙ方向における寸法を「幅」と称し、Ｚ方向における寸法を「厚さ」と称する。
【0044】
【0045】
本実施形態における光デバイス１００は、基板１０と、電気光学材料層２０と、第１電解質層３０ａおよび第２電解質層３０ｂと、第１電極４０ａおよび第２電極４０ｂと、制御回路５０とを備える。本明細書において、第１電解質層３０ａおよび第２電解質層３０ｂを区別せずに、単に「電解質層３０」とも称する。本明細書において、第１電極４０ａおよび第２電極４０ｂを、「一対の電極４０」とも称する。基板１０と、電気光学材料層２０と、電解質層３０と、一対の電極４０とは、少なくともＸ方向に延びた構造を有する。
【0046】
以下に、各構成要素をより具体的に説明する。
【0047】
基板１０は、ＸＹ平面に平行な主面１０ｓを有する。基板１０は、電気光学材料層２０、電解質層３０、および一対の電極４０を支持する。基板１０は、電気光学材料層２０および電解質層３０に接している。基板１０は、結晶構造を有する。基板１０は電気絶縁性であり、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、およびα－アルミナ（α－Ａｌ２Ｏ３）からなる群から選択される少なくとも１つから形成され得る。
【0048】
電気光学材料層２０は、基板１０の主面１０ｓ上に位置する。電気光学材料層２０は、図１Ｂに示すように、全反射によって光２２をＸ方向に沿って伝搬させる光導波層として機能する。図１Ａに示す楕円は、光２２の強度が当該楕円内で相対的に高いことを表している。電気光学材料層２０の屈折率は、光デバイス１００の周辺の媒質の屈折率、基板１０の屈折率、および電解質層３０の屈折率よりも高い。
【0049】
電気光学材料層２０の屈折率は、ポッケルス効果またはカー効果により、印加された電界の強度に応じて変化する。印加された電界が強いほど、電気光学材料層２０の屈折率の変化量が大きくなる。電界を印加しないときは、当該変化量はゼロになる。この点で、本実施形態の装置は、前述のエレクトロクロミック効果を利用した装置とは異なる。本実施形態によれば、電圧が印加されているときだけ屈折率が初期値から変化するので、光デバイス１００のオンおよびオフが容易である。電界印加による電気光学材料層２０の屈折率の変化により、電気光学材料層２０内を伝搬する光２２の位相を変調することができる。電気光学効果の速い応答性により、位相の変調速度は高く、例えば数十ＭＨｚ以上にすることができる。
【0050】
光２２の空気中での波長をλ、電界が印加されていないときの電気光学材料層２０の屈折率をｎ０、電界の印加による電気光学材料層２０の屈折率の変化量をΔｎ、電気光学材料層２０の長さをＬ、電気光学材料層２０を伝搬する前の光２２の位相をφ＝０とする。このとき、電気光学材料層２０を伝搬した後の光２２の位相は、φ＝（２π／λ）（ｎ０＋Δｎ）Ｌである。このうち、電界の印加による光２２の位相の変化量は、Δφ＝（２π／λ）ΔｎＬである。
【0051】
電気光学材料層２０は結晶構造を有する。電気光学材料層２０の屈折率の変化量は、電気光学材料層２０の結晶性に依存する。電気光学材料層２０の結晶性が低いと、電気光学材料層２０の屈折率の変化量は小さくなる。本実施形態における光デバイス１００では、電気光学材料層２０に接する基板１０が高い結晶性を有する場合、エピタキシャル成長によって形成された電気光学材料層２０も、高い結晶性を有する。
【0052】
基板１０と、第１電極４０ａと、電気光学材料層２０と、電解質層３０と、第２電極４０ｂとがこの順に積層された構成では、電気光学材料層２０に接する第１電極４０ａが導電性であるので、電気光学材料層２０のエピタキシャル成長に適した第１電極４０ａの材料が限定される。これに対して、本実施形態における光デバイス１００では、電気光学材料層２０に接する基板１０ｂは電気絶縁性でよいので、基板１０ｂの材料の選択の幅が広がる。
【0053】
電気光学材料層２０は、バルクから形成されていてもよいし、薄膜から形成されていてもよい。薄膜の厚さは、例えば０．１μｍ以上１０μｍ以下であり得る。薄膜のコストは、バルクのコストよりも低い。ポッケルス効果を用いる場合、電気光学材料層２０は、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：ＬＮ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、リン酸二水素カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）、およびリン酸二水素アンモニウム（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４）からなる群から選択される少なくとも１つから形成され得る。カー効果を用いる場合、電気光学材料層２０は、例えば、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、チタン酸カリウム（ＫＴａＯ３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ１－ｘＬａｘ）（ＺｒｙＴｉ１－ｙ）１－ｘ／４Ｏ３：ＰＬＺＴ）、およびタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ１－ｘＮｂｘＯ３：ＫＴＮ）からなる群から選択される少なくとも１つから形成され得る。電気光学材料層２０はキャリア注入されていてもよい。当該群の中でも、ＫＴＮは、ＮｂとＴａとの組成比を適切な比に設定することにより、常温付近で高い電気光学効果を示す。ＫＴＮは、光通信に用いられる光の波長１５５０ｎｍで透明である。したがって、ＫＴＮの光デバイスへの応用が期待されている。
【0054】
第１電解質層３０ａおよび第２電解質層３０ｂは、基板１０の主面１０ｓ上に位置し、電気光学材料層２０の両側に隣接している。電解質層３０は、電気光学材料層２０の少なくとも一部に接している。電解質層３０は、少なくともＸ方向に延びた構造を有する。電解質層３０は、イオン伝導体から形成されている。イオン伝導体では、正イオンおよび負イオンの少なくとも一方が、外部からの電界の印加によって移動する。電解質層３０は、可視領域から赤外領域の光３２に対して透明であり得る。電解質層３０がこのように透明である場合、可視領域から赤外領域の光３２のロスを無視することができる。電解質層３０は、アモルファス構造を有し得る。アモルファス構造の電解質層３０の下地の材料に関しては、エピタキシャル成長のような、格子定数が近い材料を選択するなどの厳しい制限は存在しない。
【0055】
電解質層３０は、典型的には固体電解質層である。固体電解質層は、その組成に応じて、１０－８Ｓ／ｃｍから１０－２Ｓ／ｃｍ程度のオーダのイオン伝導度を有し得る。固体電解質層は、例えば、薄膜化が容易であるリン酸リチウムオキシナイトライド（Ｌｉ３ＰＯ４－ｙＮｙ：ＬｉＰＯＮ）などの固体電解質材料から形成され得る。ＬｉＰＯＮのイオン伝導度は、１０－６Ｓ／ｃｍ程度のオーダである。あるいは、電解質層３０は、ゲル電解質層であってもよい。ゲル電解質層は、例えば、以下のゲル電解質材料から形成され得る。当該ゲル電解質材料は、イオン液体のＥＭＩｍＴＦＳＩ（１－ｅｔｈｙｌ－３－ｍｅｔｈｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ ｂｉｓ（ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈｙｌｓｕｌｆｏｎｙｌ）ｉｍｉｄｅ）に、ＭＭＡ（ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）と架橋剤のＥＧＤＭＡ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｄｉｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）とを加え、重合することによって得られる柔軟で透明なイオンゲルである。ＥＭＩｍＴＦＳＩとＭＭＡとのモル比は、１：９から７：３の範囲である。
【0056】
電解質層３０の厚さは、電気光学材料層２０の厚さ同程度か、それ以上であり得る。電解質層３０が電気光学材料層２０よりも厚い場合、電解質層３０と電気光学材料層２０とが広い範囲で接触する。その結果、電気光学材料層２０に電界が効率的に印加され、電気光学材料層２０の屈折率の変化量を大きくすることができる。電解質層３０は、電気光学材料層２０の上面の一部を覆っていてもよい。ただし、第１電解質層３０ａおよび第２電解質層３０ｂは接触しない。電解質層３０の幅は、例えば５００ｎｍ以上２．５μｍ以下であり得る。電解質層３０の幅が５００ｎｍ以上である場合、光２２の染み出しであるエバネッセント光が電解質層３０に染み出しても、そのエバネッセント光が一対の電極４０の少なくとも一方に達する可能性を低減することができる。電解質層３０の幅が２．５μｍ以下である場合、電解質層３０の内部抵抗はあまり増加せず、電気光学材料層２０および電解質層３０に印加された電界の強度が減少する可能性を低減することができる。
【0057】
第１電極４０ａは第１電解質層３０ａ上に位置し、第２電極４０ｂは第２電解質層３０ｂ上に位置する。一対の電極４０の各々は、電解質層３０の一部と接している。一対の電極４０の各々は、電解質層３０の上面に位置してもよいし、電解質層３０の側面に位置してもよい。一対の電極４０の各々は、電気光学材料層２０の基板１０に面する第１面と、基板１０の電気光学材料層２０に面する第２面との間の位置には設けられない。第１面は、電気光学材料層２０の底面であり、第２面は、基板１０の主面１０ｓの一部である。第１面および第２面は、互いに対向している。また、一対の電極４０は、電気光学材料層２０の電解質層３０に面する第３面と、電解質層３０の電気光学材料層２０に面する第４面との間の位置には設けられない。第３面は、電気光学材料層２０の側面であり、第４面は、電解質層３０の側面である。第３面および第４面は、互いに対向している。一対の電極４０には、直流電圧が印加される。これにより、電気光学材料層２０および電解質層３０に、電界が印加される。直流電圧は、直流パルス電圧であってもよい。直流パルス電圧の電圧値の時間平均を直流電圧の値として扱ってもよい。直流パルス電圧のデューティ比を変えることにより、電圧の時間平均値を調整することができる。
【0058】
一対の電極４０の各々は、透明電極であってもよいし、金属電極であってもよい。透明電極である場合、一対の電極４０の少なくとも一方が電気光学材料層２０に近接しても、光２２のロスは無視できる。金属電極である場合、一対の電極４０の各々が、電解質層３０を介して電気光学材料層２０から例えば１μｍ以上のように十分離れていれば、光２２のエバネッセント光は、一対の電極４０の各々には達しない。したがって、光２２のロスは無視できる。一対の電極４０の各々の厚さは、電極として機能する厚さに設計される。一対の電極４０の各々は、例えば、ＳｎＯ２ドープＩｎ２Ｏ３（ＩＴＯ）、ＦドープＳｎＯ２（ＦＴＯ）、およびＳｂドープＴｉＯ２（ＡＴＯ）からなる群から選択された少なくとも１つから形成された透明電極であり得る。あるいは、一対の電極４０の各々は、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、およびＴｉからなる群から選択された少なくとも１つから形成された金属電極であり得る。一対の電極４０の各々と電解質層３０との間に、ＬｉＣｏＯ２またはＬｉ２ＴｉＯ４などの３次元的なＬｉイオン伝導および電子伝導を示す混合伝導体を形成してもよい。
【0059】
制御回路５０は、一対の電極４０に直流電圧を印加する。図１Ａに示す矢印付きの破線は、制御回路５０から一対の電極４０に信号が入力されることを表している。制御回路５０は、一対の電極４０に電圧を印加して電気光学材料層２０の屈折率を変化させることにより、電気光学材料層２０をＸ方向に沿って伝搬する光２２の位相を変調する。制御回路５０は、例えばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などのプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、または中央演算処理装置（ＣＰＵ）もしくは画像処理用演算プロセッサ（ＧＰＵ）とコンピュータプログラムとの組み合わせによって実現されてもよい。なお、以下の図では、制御回路５０を省略することがある。
【0060】
図２は、図１Ａの構成における、電気光学材料層２０、電解質層３０、および一対の電極４０内の電荷分布を模式的に示す図である。図２に示す例において、第２電極４０ｂの電位は、第１電極４０ａの電位よりも高い。このときの第１電極４０ａ内の負の電荷（－）、第２電極４０ｂ内の正の電荷（＋）、電気光学材料層２０内の分極（＋－）、ならびに電解質層３０内の正イオン（＋）および負イオン（－）の分布が模式的に表されている。
【0061】
第１電極４０ａに含まれる負の電荷により、第１電解質層３０ａの正イオンは第１電極４０ａの近傍に移動し、負イオンは電気光学材料層２０の近傍に移動する。第２電極４０ｂに含まれる正の電荷により、第２電解質層３０ｂの負イオンは第２電極４０ｂの近傍に移動し、正イオンは電気光学材料層２０の近傍に移動する。電気光学材料層２０内では、正の電荷および負の電荷を一対とする分極が発生する。電解質層３０内の正イオンおよび負イオンの移動に起因して、電気光学材料層２０と電解質層３０との界面には、破線によって囲まれた電気二重層が形成される。同様に、電解質層３０と一対の電極４０の各々との界面にも、電気二重層が形成される。電気二重層は、キャパシタとして機能する。
【0062】
ただし、電解質層３０の種類によっては移動できないイオンが含まれる場合もあり得る。例えば、電解質を構成するイオンのうち、正イオンが移動でき、負イオンが移動できない場合、電圧の印加によって正イオンは負に帯電した第１電極４０ａの側に移動する。逆に正に帯電した第２電極４０ｂ付近では、正イオンが離れるので、もともと正イオンが存在していた部分は相対的に負に帯電する。したがって、あたかも負イオンが第２電極４０ｂ付近に移動したように取り扱える。移動後のイオンの位置は、電解質層３０の種類、電解質層３０に含まれるイオンの種類、および電解質層３０に印加される電圧の値に応じて変化する。例えば、印加電圧の値が大きい場合には多くのイオンが移動する。サイズが小さいイオンは、より電極の近くまで移動する。
【0063】
電気二重層の厚さは数ｎｍ以下である。電気二重層における電位の急峻な勾配により、電気光学材料層２０と電解質層３０との界面付近には、１０ＭＶ/ｃｍ程度の強電界が生じる。電気二重層の強電界に起因して、電気二重層内の構成原子またはイオンは、電子分極またはイオン分極を引き起こす。結果として、低電圧であっても電気二重層内で大きい屈折率の変化が生じる。一対の電極４０の付近での屈折率の変化量は１０－２以上のオーダになることが期待できる。
【0064】
一対の電極４０の間に印加される電圧の値は、電解質層３０が分解されない値に制限される。例えば、金属イオンを含む電解質層３０に高電圧を印加すると、金属イオンが還元析出し得る。その結果、一対の電極４０が短絡してしまう。一般に、電解質層３０の分解電圧は１Ｖから４Ｖ程度である。
【0065】
以上の構成により、光デバイス１００では、速い応答性の電気光学効果を用いて、電気光学材料層２０を伝搬する光２２の位相を大きくかつ高速に変調することができる。
【0066】
本実施形態における電気光学材料層２０と電解質層３０との界面は平坦である。界面は必ずしも厳密に平坦でなくてもよく、多少の傾斜または凹部もしくは凸部を有する部分が存在していてもよい。しかし、界面が全体にわたって凹部または凸部を有する場合、凹部または凸部で発生する電界が弱め合い、界面付近には、強い電界が集中しない可能性がある。その場合、電気光学材料層２０のうち、界面付近の部分の屈折率の変化量が小さくなる可能性がある。また、界面の凹部または凸部による光２２の散乱により、光２２のロスが生じ得る。これに対し、界面が平坦である場合、界面付近には、Ｙ方向に強い電界が集中する。これにより、電気光学材料層２０の界面付近の部分の屈折率の変化量を大きくできる。また、平坦な界面により、光２２のロスが抑制される。
【0067】
電気光学材料層２０の屈折率の変化量は、テンソルによって記述される。印加された電界の方向に応じて、電気光学材料層２０の屈折率は、複数の方向において変化し得る。電気光学材料層２０の屈折率の変化量は、当該複数の方向に応じて異なる。図１Ａおよび図１Ｂに示す例において、電界をＹ方向に印加すると、電気光学材料層２０の屈折率は、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向において変化する。電気光学材料層２０の材料によっては、電気光学材料層２０の特定の結晶軸がＹ方向に平行になる場合、電気光学材料層２０の屈折率の変化量は、Ｙ方向において最大になる。これにより、横電界（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ：ＴＥ）モードでの光２２の位相を大きく変調することができる。ＴＥモードでの光２２は、主にＹ方向に平行な電界を有する。ＴＥモードでの光２２を伝搬させる場合、電気光学材料層２０の厚さを相対的に薄くすることができる。相対的に薄い電気光学材料層２０は、光デバイス１００の小型化を可能にする。また、電気光学材料層２０が光２２の一部を吸収する場合でも、相対的に薄い電気光学材料層２０は、光２２のロスを低減することができる。
【0068】
電気光学材料層２０の結晶軸の方向を以下のように設計することにより、電気光学材料層２０の屈折率の変化量をＹ方向において最大にすることができる。電気光学材料層２０がＫＴＮなどの立方晶系の結晶構造を有する場合、電気光学材料層２０の結晶軸のうち＜００１＞方向が、Ｙ方向に平行になるように設計される。一方、電気光学材料層２０がＬＮなどの三方晶系の結晶構造を有する場合、電気光学材料層２０の結晶軸のうちｃ軸に対して平行な＜０００１＞方向が、Ｙ方向に平行になるように設計される。
【0069】
【0070】
図３は、本実施形態の第１変形例における光デバイス１１０の例を模式的に示す図である。本実施形態の第１変形例における光デバイス１１０では、本実施形態における光デバイス１００とは異なり、第１電解質層３０ａおよび第２電解質層３０ｂの代わりに、第１電極４０ａおよび電解質層３０が、基板１０の主面１０ｓ上に位置し、かつ、電気光学材料層２０の両側に隣接している。第１電極４０ａおよび電解質層３０の各々は、電気光学材料層２０の少なくとも一部に接している。第１電極４０ａが透明電極である場合、光２２のロスを無視することができる。
【0071】
図４Ａは、本実施形態の第２変形例における光デバイス１２０の例を模式的に示す図である。本実施形態の第２変形例における光デバイス１２０は、本実施形態における光デバイス１００とは異なり、１以上の第１電解質層３０ａおよび１以上の第２電解質層３０ｂを備える。１以上の第１電解質層３０ａおよび１以上の第２電解質層３０ｂは、電気光学材料層２０によって支持され、かつ、間隔をあけて交互に並んでいる。一対の電極４０は、Ｙ方向に並ぶ１以上の第１部分４０ｐ１を有する第１電極４０ａと、Ｙ方向に並ぶ１以上の第２部分４０ｐ２を有する第２電極４０ｂとから構成されている。第１部分４０ｐ１および第２部分４０ｐ２は、Ｘ方向に延びている。第１電極４０ａにおける１以上の第１部分４０ｐ１は、それぞれ１以上の第１電解質層３０ａに接しており、第２電極４０ｂにおける１以上の第２部分４０ｐ２は、それぞれ１以上の第２電解質層３０ｂに接している。第１電極４０ａが複数の第１部分４０ｐ１を有し、第２電極４０ｂが複数の第２部分４０ｐ２を有する場合、第１電極４０ａおよび第２電極４０ｂの各々は、いわゆる櫛形電極である。複数の第１部分４０ｐ１または複数の第２部分４０ｐ２は、櫛形電極の櫛歯に相当する。一対の櫛形電極４０は、第１櫛形電極４０ａの櫛歯と第２櫛形電極４０ｂの櫛歯とが交互に並ぶように配置されている。
【0072】
図４Ｂは、図４Ａの構成における、電気光学材料層２０、電解質層３０、および一対の電極４０内の電荷分布を模式的に示す図である。図４Ｂに示す例において、第２電極４０ｂの電位は、第１電極４０ａの電位よりも高い。第１電極４０ａに含まれる負の電荷により、第１電解質層３０ａの正イオンは第１電極４０ａの近傍に移動し、負イオンは電気光学材料層２０の近傍に移動する。第２電極４０ｂに含まれる正の電荷により、第２電解質層３０ｂの負イオンは第２電極４０ｂの近傍に移動し、正イオンは電気光学材料層２０の近傍に移動する。電気光学材料層２０内では、電気光学材料層２０と電解質層３０の界面の近傍で、正の電荷および負の電荷を一対とする分極が発生する。電気光学材料層２０と電解質層３０との界面には、破線によって囲まれた電気二重層が形成される。同様に、電解質層３０と一対の電極４０の各々との界面にも、電気二重層が形成される。
【0073】
電気光学材料層２０内では、電気光学材料層２０と電解質層３０との界面で、強電界がＺ方向に発生し、電気光学材料層２０のＺ方向における屈折率が大きく変調される。図４Ａに示す例では、横磁界（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ：ＴＭ）モードでの光２２の位相を大きく変調することができる。ＴＭモードでの光２２は、主にＺ方向に平行な電界を有する。
【0074】
図５Ａは、本実施形態の第３変形例における光デバイス１３０の例を模式的に示す図である。本実施形態の第３変形例における光デバイス１３０では、本実施形態における光デバイス１００とは異なり、基板１０と、電気光学材料層２０および電解質層３０の各々との間に、バッファ層１２が設けられている。基板１０上に、バッファ層１２が積層されており、バッファ層１２上に、電気光学材料層２０および電解質層３０が積層されている。バッファ層１２は、結晶構造を有する。バッファ層１２の格子定数は、基板１０の格子定数と電気光学材料層２０の格子定数との間である。バッファ層１２は、電気光学材料層２０の結晶性を向上させる。バッファ層１２が可視領域および赤外領域の光２２に対して透明である場合、光２２のロスを無視できる。バッファ層１２が電気絶縁層である場合、電気光学材料層２０に印加される電界は影響を受けない。バッファ層１２が薄い場合、バッファ層１２の屈折率が電気光学材料層２０の屈折率よりも低く、かつ、基板１０の屈折率よりも高かれば、光２２は、基板１０に漏れることなく、Ｘ方向に沿って伝搬することができる。バッファ層１２が十分厚い場合、バッファ層１２の屈折率が電気光学材料層２０の屈折率よりも低ければ、光２２のエバネッセント光は基板には達しない。したがって、基板１０の屈折率に制限はない。
【0075】
基板１０が、例えばＳｒＴｉＯ３（ＳＴＯ）およびＳｉから選択される少なくとも１つから形成される場合、バッファ層１２は、例えばＳｒＳｎＯ３およびＢａＳｎＯ３からなる群から選択された少なくとも１つから形成され得る。バッファ層１２は単層であってもよいし多層であってもよい。
【0076】
図５Ｂは、本実施形態の第４変形例における光デバイス１４０の例を模式的に示す図である。本実施形態の第４変形例における光デバイス１４０では、本実施形態の第１変形例における光デバイス１１０とは異なり、基板１０と、電気光学材料層２０、電解質層３０、および第１電極４０ａの各々との間に、バッファ層１２が設けられている。図５Ｃは、本実施形態の第５変形例における光デバイス１５０の例を模式的に示す図である。本実施形態の第５変形例における光デバイス１５０では、本実施形態の第２変形例における光デバイス１２０とは異なり、基板１０と電気光学材料層２０との間に、バッファ層１２が設けられている。図５Ｂおよび図５Ｃに示す例においても、バッファ層１２により、電気光学材料層２０の結晶性を向上させることができる。
【0077】
【0078】
図６は、電気光学材料層２０がＫＴＮから形成された場合における光デバイス１００の製造工程を示すフローチャートである。光デバイス１００の製造方法は、以下のステップＳ１０１からステップＳ１０６を含む。
【0079】
ステップＳ１０１において、ＭｇＯ（１００）単結晶から形成されたＭｇＯ基板が用意される。ＭｇＯ基板は、図１Ａおよび図１Ｂに示す基板１０に相当する。ＭｇＯ基板の外周の一部には、基板の結晶方向がわかるように、「オリエンテーションフラット」と呼ばれる平面、または「ノッチ」と呼ばれる切り欠きが設けられている。
【0080】
ステップＳ１０２において、ＭｇＯ基板の表面上に、（１００）配向のＫＴＮ層がエピタキシャル成長によって形成される。ＫＴＮ層の厚さは５００ｎｍである。ＫＴＮ層の形成には、パルスレーザ堆積（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＬＤ）が用いられる。真空チャンバ内に、ＭｇＯ基板と、ＫＴＮから形成されたターゲットとが対向して配置される。対向距離は４０ｍｍである。真空チャンバ内を真空排気した後、Ｏ２ガスを注入することにより、真空チャンバ内の圧力が１０Ｐａになる。ＭｇＯ基板は７００℃に加熱される。ＫＴＮから形成されたターゲットをエキシマレーザで照射することにより、ＭｇＯ基板の表面上に、ＫＴＮ層が堆積される。冷却後、ＫＴＮ層を含むＭｇＯ基板が、真空チャンバから取り出される。
【0081】
ステップＳ１０３において、ステップ１０２におけるＫＴＮ層が、フォトリソグラフィ技術により、光導波路の形状にパターニングされる。パターニングされたＫＴＮ層は、図１Ａおよび図１Ｂに示す電気光学材料層２０に相当する。ＫＴＮ層の幅は１μｍに加工される。パターニングの際、ＭｇＯ基板に設けられたオリエンテーションフラットまたはノッチを利用して、光導波路の幅方向は、ＫＴＮ層の［０１０］方向または［００１］方向に対して平行になるように設計される。すなわち、光導波路内を光が伝搬する方向は、ＫＴＮ層の［００１］方向または［０１０］方向である。
【0082】
ステップＳ１０４において、ステップ１０３におけるパターニングされたＫＴＮ層上と、ＭｇＯ基板上とに、ＬｉＰＯＮ層が形成される。ＬｉＰＯＮ層の厚さは５００ｎｍである。ＬｉＰＯＮ層の形成には、スパッタ法が用いられる。高周波スパッタ装置の真空チャンバ内に、パターニングされたＫＴＮ層を含むＭｇＯ基板と、ＬｉＰＯＮから形成されたターゲットとが対向して配置される。対向距離は４５ｍｍである。真空チャンバ内を真空排気した後Ａｒ／Ｏ２（７：３）ガスを注入することにより、真空チャンバ内の圧力が１．５Ｐａになる。ＲＦパワー５０Ｗで１時間スパッタリングすることにより、ＬｉＰＯＮ層が、ＫＴＮ層上および基板上に堆積される。
【0083】
ステップＳ１０５において、ステップ１０４におけるＬｉＰＯＮ層が、フォトリソグラフィ技術によりパターニングされる。ＫＴＮ層上のＬｉＰＯＮ層と、ＫＴＮ層から２．５μｍ以上離れたＭｇＯ基板上のＬｉＰＯＮ層とが除去される。ＫＴＮ層の両側に接する２つのＬｉＰＯＮ層は、図１Ａおよび図１Ｂに示す電解質層３０に相当する。
【0084】
ステップＳ１０６において、フォトリソグラフィ技術によって形成されたマスクパターンを用いて、２つのＬｉＰＯＮ層上に、それぞれ、１０ｗｔ％ＳｎＯ２ドープＩｎ２Ｏ３から形成された一対のＩＴＯ層が形成される。ＩＴＯ層は、図１Ａおよび図１Ｂに示す第１電極４０ａおよび第２電極４０ｂに相当する。ＩＴＯ層の厚さは１００ｎｍである。ＩＴＯ層の形成には、上記と同様のスパッタ法が用いられる。
【0085】
図７は、電気光学材料層２０がＬＮから形成された場合における光デバイス１００の製造工程を示すフローチャートである。光デバイス１００の製造方法は、以下のステップＳ２０１からステップＳ２０６を含む。
【0086】
ステップＳ２０１において、α－Ａｌ２Ｏ３（１１－２０）単結晶から形成されたａ面サファイア基板が用意される。ａ面サファイア基板は、図１Ａおよび図１Ｂに示す基板１０に相当する。ａ面サファイア基板の外周の一部には、基板の結晶方向がわかるように、オリエンテーションフラット、またはノッチが設けられている。
【0087】
ステップＳ２０２において、ａ面サファイア基板の表面上に、ａ軸配向のＬＮ層がエピタキシャル成長によって形成される。ＬＮ層の厚さは５００ｎｍである。ＬＮ層の形成には、ＰＬＤ法が用いられる。真空チャンバ内に、ａ面サファイア基板と、ＬＮから形成されたターゲットとが対向して配置される。対向距離は４０ｍｍである。真空チャンバ内を真空排気した後、Ｏ２ガスを注入することにより、真空チャンバ内の圧力が１３．３Ｐａになる。ａ面サファイア基板は５５０℃に加熱される。ＬＮから形成されたターゲットをエキシマレーザで照射することにより、ａ面サファイア基板の表面上に、ｃ軸が当該表面に平行であるＬＮ層が堆積される。冷却後、ＬＮ層を含むａ面サファイア基板が、真空チャンバから取り出される。
【0088】
ステップＳ２０３において、ステップ２０２におけるＬＮ層が、フォトリソグラフィ技術により、光導波路の形状にパターニングされる。パターニングされたＬＮ層は、図１Ａおよび図１Ｂに示す電気光学材料層２０に相当する。ＬＮ層の幅は１μｍに加工される。パターニングの際、ａ面サファイア基板に設けられたオリエンテーションフラットまたはノッチを利用して、光導波路の幅方向は、ＬＮ層のｃ軸に対して平行になるように設計される。すなわち、光導波路内を光が伝搬する方向は、ＬＮ層のｍ軸に対して平行である＜１０－１０＞方向である。
【0089】
ステップＳ２０４からステップＳ２０６は、それぞれステップＳ１０４からステップＳ１０６と同じである。
【0090】
上記のＫＴＮ層またはＬＮ層の構造は、フォトリソグラフィおよびドライエッチングにより、任意の形状にパターニングすることができる。ＫＴＮ層またはＬＮ層において、空気中での波長が１５５０ｎｍである０次のＴＭモードが存在するために、ＫＴＮ層またはＬＮ層の幅は、例えば１μｍに設計される。ＫＴＮ層またはＬＮ層の構造は、後述するマッハ・ツェンダー（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ）型の光スイッチングデバイス、または光フェーズドアレイにパターニングしてもよい。
【0091】
【0092】
図８は、本実施形態の第１応用例における光スイッチングデバイス２００の例を模式的に示す平面図である。第１応用例における光スイッチングデバイス２００は、入力導波路２００ａ、分岐された２つの光導波路２００ｂ、および出力導波路２００ｃを備える。分岐された２つの光導波路２００ｂは、入力導波路２００ａと出力導波路２００ｃとの間に位置する。図８に示す例において、入力導波路２００ａ側の分岐点Ａ、および出力導波路２００ｃ側の分岐点Ｂでの光の反射は無視できる。分岐された２つの光導波路２００ｂのうち、一方の光導波路は、本実施形態における光デバイス１００を含む。
【0093】
当該一方の光導波路内を伝搬する光の位相は、他方の光導波路内を伝搬する光の位相と比較して、Δφ＝（２π／λ）ΔｎＬだけシフトする。光デバイス１００における一対の電極４０に印加する直流電圧の値が０Ｖのとき、Δφ＝０である。このとき、分岐された２つの光導波路２００ｂからそれぞれ出力された光の位相は、同位相である。同位相の２つの光が出力導波路２００ｃに入力すると、当該２つの光は重なり合う。したがって、出力導波路２００ｃから出力された光の強度Ｉｏｕｔは、入力導波路２００ａに入力された光の強度Ｉｉｎに等しい。
【0094】
一方、光デバイス１００における一対の電極４０に印加する直流電圧の値を調整することにより、Δφ＝πにすることができる。このとき、分岐された２つの光導波路２００ｂからそれぞれ出力された光の位相は、逆位相になる。逆位相の２つの光が出力導波路２００ｃに入力すると、当該２つの光は打ち消しあう。したがって、出力導波路２００ｃから出力された光の強度Ｉｏｕｔは０になる。
【0095】
以上のように、光デバイス１００における一対の電極４０に印加する直流電圧を変化させることにより、光スイッチングデバイス２００の出力導波路２００ｃから出力された光の強度Ｉｏｕｔを、Ｉｉｎから０まで連続的に調整することができる。
【0096】
図９Ａおよび図９Ｂは、本実施形態の第２応用例における光フェーズドアレイ３００の例を模式的に示す図である。第２応用例における光フェーズドアレイ３００は、Ｙ方向に配列された複数の光導波路３００ｗを備える。複数の光導波路３００ｗの各々は、本実施形態における光デバイス１００を含む。複数の光導波路３００ｗからそれぞれ出力された複数の光は、互いに干渉する。光フェーズドアレイ３００から出力された干渉光は、特定の方向に伝搬する。図９Ａおよび図９Ｂに示す例において、破線は、複数の光導波路３００ｗからそれぞれ出力された複数の光の波面を表している。実線は、光フェーズドアレイ３００から出力された干渉光の波面を表している。図９Ａおよび図９Ｂに示す例において、複数の光導波路３００ｗは、等間隔で配列されているが、異なる間隔で配列されていてもよい。
【0097】
図９Ａに示す例において、光デバイス１００における一対の電極４０に印加する直流電圧の値が０Ｖである場合、複数の光導波路３００ｗから出力される光の位相は、同位相である。したがって、光フェーズドアレイ３００から出力された干渉光は、複数の光導波路３００ｗが延びるＸ方向と同じ方向に伝搬する。
【0098】
図９Ｂに示す例において、光デバイス１００における一対の電極４０に印加する直流電圧の値を調整することにより、複数の光導波路３００ｗから出力される光の位相は、Ｙ方向に沿ってΔφずつ増加する。したがって、光フェーズドアレイ３００から出力された干渉光は、複数の光導波路３００ｗが延びるＸ方向とは異なる方向に伝搬する。
【0099】
以上のように、光デバイス１００における一対の電極４０に印加する直流電圧を変化させることにより、光フェーズドアレイ３００から出力された干渉光の伝搬方向を調整することができる。すなわち、光ビームスキャンが可能になる。さらに、光フェーズドアレイ３００は、特定の方向から入射する光を検出することも可能である。図９Ａおよび図９Ｂに示す例では、光フェーズドアレイ３００は、矢印とは逆の方向から入射した光を検出することができる。
【0100】
光フェーズドアレイ３００は、例えば、ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）システムなどの光スキャンシステムおよび／または光検出システムにおけるアンテナとして用いられ得る。ＬｉＤＡＲシステムでは、ミリ波などの電波を用いたレーダシステムと比較して、可視光、赤外線、または紫外線などの短波長の電磁波が用いられる。このため、物体の距離分布を高い分解能でスキャンおよび検出することができる。そのようなＬｉＤＡＲシステムは、例えば自動車、ＵＡＶ（Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ、いわゆるドローン）、またはＡＧＶ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの移動体に搭載され、衝突回避技術の１つとして使用され得る。
【産業上の利用可能性】
【0101】
本開示の実施形態における光デバイスは、例えば、マッハ・ツェンダー型の光スイッチングデバイス、または自動車、ＵＡＶ、もしくはＡＧＶなどの車両に搭載されるＬｉＤＡＲシステムの用途に利用できる。
【符号の説明】
【0102】
１０ 基板
１０ｓ 基板の主面
１２ バッファ層
２０ 電気光学材料層
２２ 光
３０ 電解質層
３０ａ 第１電解質層
３０ｂ 第２電解質層
４０ 一対の電極
４０ａ 第１電極
４０ｂ 第２電極
５０ 制御回路
１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０ 光デバイス
２００ 光スイッチングデバイス
２００ａ 入力導波路
２００ｂ 光導波路
２００ｃ 出力導波路
３００ 光フェーズドアレイ
３００ｗ 光導波路
１０ｓ 基板の主面
１２ バッファ層
２０ 電気光学材料層
２２ 光
３０ 電解質層
３０ａ 第１電解質層
３０ｂ 第２電解質層
４０ 一対の電極
４０ａ 第１電極
４０ｂ 第２電極
５０ 制御回路
１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０ 光デバイス
２００ 光スイッチングデバイス
２００ａ 入力導波路
２００ｂ 光導波路
２００ｃ 出力導波路
３００ 光フェーズドアレイ
３００ｗ 光導波路
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】