專利名稱：光偏轉(zhuǎn)元件和光轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種偏轉(zhuǎn)光的光偏轉(zhuǎn)元件以及一種將輸入的光信號輸出至所需通道的光轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
近年來，光子網(wǎng)絡(luò)比以前愈加需要高速驅(qū)動和高容量，其中光信號已具有寬頻帶并被多路復(fù)用，因此也需要光子網(wǎng)絡(luò)的傳輸設(shè)備是多通道且高速驅(qū)動的。此外，需要用作光子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的光交叉連接設(shè)備，以增加通道的數(shù)量并以較高速度轉(zhuǎn)換，因此需要例如日本專利申請待審公開No.Hei3-87817(專利文獻(xiàn)1)的光轉(zhuǎn)換器，以作為使用反射鏡并由顯微機(jī)械例如MEMS(微電機(jī)系統(tǒng))支撐的通用光交叉連接設(shè)備的替換物。
隨同朝向高速驅(qū)動和多通道的進(jìn)展，必需一種使用光波導(dǎo)的光轉(zhuǎn)換器以調(diào)整光偏轉(zhuǎn)角。對于使用光波導(dǎo)的光轉(zhuǎn)換器，所謂的光子晶體(photoniccrystal)的使用被密切關(guān)注，該光子晶體由具有不同折射率并被周期性排列(align)的多種物質(zhì)組成。光子晶體是一種晶體結(jié)構(gòu)，包括具有周期性排列的不同折射率的多種介質(zhì)。光子晶體被預(yù)期為能夠?qū)鹘y(tǒng)光學(xué)裝置的尺寸減小到幾微米的元件技術(shù)。在光子晶體內(nèi)部，取決于排列周期、形狀、折射角等，以與半導(dǎo)體等中的電子的能帶(band)結(jié)構(gòu)相同的方式調(diào)節(jié)光子能帶結(jié)構(gòu)，以便形成特有的能帶結(jié)構(gòu)。例如，在布里淵區(qū)附近形成稱為光子帶隙的禁帶，并且光無法存在于此頻帶的光子晶體內(nèi)部。此外，在光子帶隙附近的光子能帶被極大地調(diào)節(jié)，并且散射頻率的表面與普通光學(xué)晶體的表面大為不同。例如，在H.Kosaka等人的Phys.Rev.B58，R10099(1998)、H.Kosaka等人的Appl.Phys.Lett.74，1212(1999)、H.Kosaka等人的Appl.Phys.Lett.74，1370(1999)(非專利文獻(xiàn)1)中，已報告說通過為散射頻率的表面選擇適當(dāng)波長的光而觀察到了稱為“超棱鏡效應(yīng)”的大的光偏轉(zhuǎn)，其由光子能帶的波數(shù)形成。
作為使用光子晶體的光轉(zhuǎn)換器的特例，例如，那些技術(shù)公開在日本專利申請待審公開No.2002-350908(專利文獻(xiàn)2)、日本專利申請待審公開No.2002-303836(專利文獻(xiàn)3)和日本專利申請待審公開No.2003-215367(專利文獻(xiàn)4)中。
在專利文獻(xiàn)2中，公開了通過將能量例如電壓施加至光子晶體而可調(diào)整偏轉(zhuǎn)角的原理的發(fā)明。
在專利文獻(xiàn)3中，公開了通過在構(gòu)成光波導(dǎo)的核心的光子晶體中形成線缺陷波導(dǎo)而形成光路的發(fā)明。
類似于專利文獻(xiàn)3，在專利文獻(xiàn)4中公開了一個發(fā)明，其中，由光子晶體形成光波導(dǎo)的核心，并且在光子晶體中形成不滿足具有上述周期性結(jié)構(gòu)的排列的部分，從而將該部分用作光路。
相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的說明在采用上述傳統(tǒng)光子晶體的光轉(zhuǎn)換器中，能夠繪出光路并獲得大的偏轉(zhuǎn)角，然而，存在調(diào)整偏轉(zhuǎn)角的精度不很高的問題。近來對于光轉(zhuǎn)換器中的高速驅(qū)動和多通道的需求進(jìn)一步增加，為了對此需求做出充分的反應(yīng)，調(diào)整偏轉(zhuǎn)角的精度需要實質(zhì)性提高，因而在當(dāng)前的設(shè)定環(huán)境下尋求一種為此目的的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題而提出本發(fā)明，本發(fā)明的一個目的是提供一種光偏轉(zhuǎn)元件，能夠使用光子晶體以期望的大偏轉(zhuǎn)角使光偏轉(zhuǎn)，并且能夠在寬的角度范圍內(nèi)精確并且高速地控制偏轉(zhuǎn)角，從而進(jìn)一步有助于裝置的尺寸減小和集成。
此外，本發(fā)明的另一目的是提供一種多通道光轉(zhuǎn)換器，通過使用能夠在大的期望角度范圍內(nèi)精確并且高速地控制光信號的光偏轉(zhuǎn)元件，該多通道光轉(zhuǎn)換器高速操作并且極大地有助于裝置的尺寸減小和集成。
根據(jù)本發(fā)明的光偏轉(zhuǎn)元件包括光波導(dǎo)，由電光材料制成；第一光偏轉(zhuǎn)器，設(shè)置在該光波導(dǎo)上；以及第二光偏轉(zhuǎn)器，通過在光傳播方向上越過所述第一光偏轉(zhuǎn)器而設(shè)置在該第一光偏轉(zhuǎn)器前方，并且具有比該第一光偏轉(zhuǎn)器的偏轉(zhuǎn)角范圍更寬的偏轉(zhuǎn)角范圍；其中該第二光偏轉(zhuǎn)器包括第一光子晶體結(jié)構(gòu)，由具有不同折射率并且被周期性排列的多種物質(zhì)構(gòu)造；以及控制電極，通過調(diào)整施加至該第一光子晶體結(jié)構(gòu)的電壓而控制由該第一光子晶體結(jié)構(gòu)引起的光的偏轉(zhuǎn)角。
根據(jù)本發(fā)明的光轉(zhuǎn)換器包括輸入光信號的多個輸入通道；多個光偏轉(zhuǎn)元件，其中每個光偏轉(zhuǎn)元件是為各個所述輸入通道設(shè)置的；以及輸出光信號的多個輸出通道；其中每個所述光偏轉(zhuǎn)元件包括由鐵電材料制成的光波導(dǎo)；設(shè)置在該光波導(dǎo)上的第一光偏轉(zhuǎn)器；第二光偏轉(zhuǎn)器，通過在光傳播方向上越過該第一光偏轉(zhuǎn)器而設(shè)置在該第一光偏轉(zhuǎn)器前方，并且具有比該第一光偏轉(zhuǎn)器的偏轉(zhuǎn)角范圍更寬的偏轉(zhuǎn)角范圍；其中該第二光偏轉(zhuǎn)器設(shè)置有第一光子晶體結(jié)構(gòu)，由具有不同偏轉(zhuǎn)率并且被周期性排列的多種物質(zhì)構(gòu)造；以及控制電極，通過調(diào)整施加至該第一光子晶體結(jié)構(gòu)的電壓而控制由該第一光子晶體結(jié)構(gòu)引起的光的有效折射率。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，進(jìn)一步包括第二光子晶體結(jié)構(gòu)，其在相鄰的第一光偏轉(zhuǎn)器之間的區(qū)域內(nèi)平行于光傳播方向設(shè)置，該第二光子晶體結(jié)構(gòu)由具有不同折射率并且被周期性排列的多種物質(zhì)形成。


圖1A至圖1C是示出根據(jù)第一實施例的光偏轉(zhuǎn)元件的主要組件的示意圖。
圖2A至圖2G是按照步驟的順序示出根據(jù)第一實施例的光偏轉(zhuǎn)元件的制造方法的截面示意圖。
圖3A至圖3E是接著圖2A至圖2G按照步驟的順序示出根據(jù)第一實施例的光偏轉(zhuǎn)元件的制造方法的截面示意圖。
圖4A和圖4B是示出根據(jù)第二實施例的光轉(zhuǎn)換器的示意結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的主旨旨在以大的偏轉(zhuǎn)角使光偏轉(zhuǎn)并且在寬的范圍內(nèi)以高速精確地控制偏轉(zhuǎn)角，本發(fā)明人已設(shè)計提供在光傳播方向上串聯(lián)設(shè)置的兩種類型的偏轉(zhuǎn)器，以使偏轉(zhuǎn)器具有雙(dual)系統(tǒng)，用于在寬的角度范圍內(nèi)精確地控制光偏轉(zhuǎn)。作為特例，棱鏡電極被用作第一光偏轉(zhuǎn)器，并且光子晶體(第一光子晶體結(jié)構(gòu))和控制電極被用作第二光偏轉(zhuǎn)器，該控制電極調(diào)整將被施加至該光子晶體的電壓，從而控制由光子晶體引起的光的有效折射率。
根據(jù)本發(fā)明，具有電光效應(yīng)(改變當(dāng)電場施加至絕緣晶體和鐵電晶體時引起的折射率的效應(yīng))的材料(電光材料)用于光波導(dǎo)，并且第一光偏轉(zhuǎn)器和第二光偏轉(zhuǎn)器按此順序設(shè)置在光傳播方向上。首先，由第一級(step)的偏轉(zhuǎn)器(第一光偏轉(zhuǎn)器)略微調(diào)整光偏轉(zhuǎn)，隨后，由第二級的偏轉(zhuǎn)器(第二光偏轉(zhuǎn)器)在大的偏轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)調(diào)整光偏轉(zhuǎn)。例如，通過棱鏡電極的光偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)角小。作為第一級的光偏轉(zhuǎn)，例如通過為第一光偏轉(zhuǎn)器而使用棱鏡電極，入射光以小角度向右或向左偏轉(zhuǎn)。隨后，作為第二級的光偏轉(zhuǎn)，通過將第一光子晶體結(jié)構(gòu)用作第二光偏轉(zhuǎn)器，被第一光偏轉(zhuǎn)器略微向右或向左偏轉(zhuǎn)的光能被更大地向右或向左偏轉(zhuǎn)。此時，在第二光偏轉(zhuǎn)器中，將所需電壓從控制電極施加至該第一光子晶體結(jié)構(gòu)。通過施加此種電壓，在光子晶體內(nèi)部的光子帶隙被調(diào)節(jié)，以使光的偏轉(zhuǎn)角能夠通過光子晶體在大偏轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)隨需而變。
由光子晶體的超棱鏡效應(yīng)引起的光偏轉(zhuǎn)對入射光的角度和波長極度敏感，因此光偏轉(zhuǎn)響應(yīng)于入射光的微小角度而變大。因此，光子晶體自身能夠獲得大的光偏轉(zhuǎn)角，但不能精確地調(diào)整偏轉(zhuǎn)角。在本發(fā)明中，通過主動(positively)利用光子晶體的這種特性，首先，入射光以微小的角度向右或向左偏轉(zhuǎn)，隨后，該微小的角度被第一光子晶體結(jié)構(gòu)很大地并且精確地偏轉(zhuǎn)，同時被控制電極調(diào)整。通過這樣的偏轉(zhuǎn)角控制，即使入射光的波長不唯一，用于引起超棱鏡效應(yīng)的波長選擇性也會提高，并且能夠精確并且高速地進(jìn)行光偏轉(zhuǎn)角的控制。
此外，根據(jù)本發(fā)明，設(shè)置有該第一光子晶體結(jié)構(gòu)和具有與第一光子晶體結(jié)構(gòu)不同的周期結(jié)構(gòu)的第二光子晶體結(jié)構(gòu)。第二光子晶體結(jié)構(gòu)具有光子帶隙，從而聚焦了光路，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高度定向的光偏轉(zhuǎn)控制。
另外，根據(jù)本發(fā)明，上述光偏轉(zhuǎn)元件被應(yīng)用至具有多個輸入和輸出通道的光轉(zhuǎn)換器。特別地，為每個輸入通道都設(shè)置上述光偏轉(zhuǎn)元件。每個光偏轉(zhuǎn)元件具有第一和第二光偏轉(zhuǎn)器，從而通過對偏轉(zhuǎn)角的雙重調(diào)整，能夠在寬的偏轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)精確地控制光信號的偏轉(zhuǎn)。在此情形中，在與光路平行相鄰的輸入通道之間的區(qū)域內(nèi)設(shè)置第二光子晶體結(jié)構(gòu)，為每個輸入通道辨別入射光信號的光路，以充分減少輸入通道之間的串?dāng)_。
采用本發(fā)明的特定實施例第一實施例在本實施例中，將描述采用本發(fā)明的光偏轉(zhuǎn)元件的特定結(jié)構(gòu)。
圖1A至圖1C示出根據(jù)第一實施例的光偏轉(zhuǎn)元件的主要組件，其中，圖1A是俯視示意圖，圖1B是沿圖1A中的點(diǎn)劃線I-I的截面示意圖，圖1C是沿圖1A中的點(diǎn)劃線II-II的截面示意圖。此外，圖2A至圖2G和圖3A至圖3E是按照步驟的順序示出根據(jù)第一實施例的光偏轉(zhuǎn)元件的制造方法的截面示意圖(相應(yīng)于沿圖1A中的點(diǎn)劃線I-I的截面示意圖)。
如圖1A和圖1B所示，被本實施例的光偏轉(zhuǎn)元件10成形以包括經(jīng)由對電極(counter electrode)層2而在元件基板1上的由電光材料制成的光波導(dǎo)3，經(jīng)由光波導(dǎo)3而面對對電極層2設(shè)置的棱鏡電極4，通過沿光傳播方向經(jīng)過棱鏡電極4而設(shè)置在棱鏡電極4前方的第一光子晶體結(jié)構(gòu)5，經(jīng)由光波導(dǎo)3而面對對電極層2設(shè)置在第一光子晶體結(jié)構(gòu)5上的控制電極6，平行于光傳播方向并在棱鏡電極4的側(cè)向設(shè)置的第二光子晶體結(jié)構(gòu)7。
光波導(dǎo)3是平板波導(dǎo)，并且使光波導(dǎo)3成形以通過下包層11和上包層13將核心層12夾在中間，其中，在它們之間形成光路。作為光波導(dǎo)3的電光材料，優(yōu)選為呈現(xiàn)出大的電效應(yīng)的鈣鈦礦鐵電材料BaTiO3、Pb(Zr，Ti)O3(PZT)、(Pb，La)TiO3(PLT)、(Pb，La)(Zt，Ti)O3(PLZT)；然而，具有四方晶系的KH2PO4(KDP)、發(fā)光型材料LiNbO3、LiTaO3和KNbO3、以及鎢青銅型材料(Sr，Ba)Nb2O6(SBN)也是可接受的。從這些材料中選擇具有任意折射率的材料用作光波導(dǎo)3的材料。
棱鏡電極4由相互面對設(shè)置的一對三角形電極構(gòu)成，并用作第一光偏轉(zhuǎn)器。
第一光子晶體結(jié)構(gòu)5由光子晶體組成，其中周期性設(shè)置具有不同折射率的多種物質(zhì)。這里，多個通孔14在與光傳播方向垂直的方向上形成在光波導(dǎo)3內(nèi)，這些通孔14填充有具有與光波導(dǎo)3的電光材料不同的折射率的材料；這里，周期性設(shè)置透明樹脂15和這兩種材料，即透明樹脂15及周圍的電光材料。在此情形中，為獲得期望的超棱鏡效應(yīng)，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整周期性結(jié)構(gòu)，即尺寸、形狀和通孔14的設(shè)置周期。借助將透明樹脂15用作通孔14的填充物，相比于不使用填充物的空氣提高了耐壓的能力，從而能夠防止放電。具有與電光材料不同的折射率的任何材料都被允許作為填充物，例如，硅石等也是優(yōu)選的。
設(shè)置控制電極6以和對電極層2將第一光子晶體結(jié)構(gòu)5夾在中間。控制電極6與第一光子晶體結(jié)構(gòu)5一起用作第二光偏轉(zhuǎn)器。
在第二光子晶體結(jié)構(gòu)7中，多個通孔16在與光傳播方向垂直的方向上形成在光波導(dǎo)3內(nèi)，并且這些通孔16填充有具有與電光材料不同的折射率的材料；這里，周期性設(shè)置透明樹脂15和這兩種材料，即透明樹脂15及周圍的電光材料。在此情形中，第二光子晶體結(jié)構(gòu)7具有與第一光子晶體結(jié)構(gòu)5不同的周期性結(jié)構(gòu)(尺寸、形狀和通孔16的設(shè)置周期)；這里，周期性結(jié)構(gòu)形成光子帶隙，以使光路被聚焦，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高度定向的光偏轉(zhuǎn)控制。
在此光偏轉(zhuǎn)元件10中，通過兩個步驟來進(jìn)行光偏轉(zhuǎn)。首先，偏轉(zhuǎn)光L1射進(jìn)棱鏡電極4，預(yù)定電壓施加在此棱鏡電極4與對電極層2之間，利用此施加的電壓，出現(xiàn)棱鏡類型的折射率變化，從而使該偏轉(zhuǎn)光L1以微小的角度向右或向左偏轉(zhuǎn)，以使其成為第一偏轉(zhuǎn)光L2(不必說，偏轉(zhuǎn)光L1可以直接前進(jìn)而不偏轉(zhuǎn)向任何方向)。在圖示的實例中，示出了向右并且還向左(沿相對于圖1中的點(diǎn)劃線I-I向上和向下的方向)偏轉(zhuǎn)的各個第一偏轉(zhuǎn)光L2。此時，第二光子晶體結(jié)構(gòu)7設(shè)置在棱鏡電極4的側(cè)面上，并且由不允許光存在于其中的光子帶隙導(dǎo)致光路被聚焦至棱鏡電極4。
經(jīng)過棱鏡電極4的第一偏轉(zhuǎn)光L2射進(jìn)第一光子晶體結(jié)構(gòu)5。在控制電極6與對電極層2之間的、由控制電極6調(diào)整的預(yù)定電壓施加于第一光子晶體結(jié)構(gòu)5。利用該電壓調(diào)整，第一光子晶體結(jié)構(gòu)5的光子帶隙被調(diào)節(jié)，并且僅以微小的角度偏轉(zhuǎn)的第一偏轉(zhuǎn)光L2被精確地控制，以在由光子晶體導(dǎo)致的寬的偏轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)以期望的偏轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)，從而作為第二偏轉(zhuǎn)光L3被射出。在圖示的實例中，分別示出了源自第一偏轉(zhuǎn)光L2并向右和向左大幅偏轉(zhuǎn)的各個第二偏轉(zhuǎn)光L3。
下面，將參照圖2A至圖2G及圖3A至圖3E描述根據(jù)本實施例的光偏轉(zhuǎn)元件10的制造方法。
首先，如圖2A所示，例如，制備由SrTiO3(STO)或MgO制成的元件基板1，并在元件基板1上形成對電極層2。
特別地，如圖2B所示，通過濺射在基板1上沉積例如SRO等的氧化物膜或Pt等的金屬膜，以形成對電極層2。在此情形中，通過省略對電極層2的形成，也可選擇性地使用添加了Nb、La等的導(dǎo)電單晶基板STO等作為基板1。
隨后，在對電極層2上形成下包層11。
特別地，如圖2C所示，在對電極層2上形成下包層11，以便例如作為鐵電膜的PLZT(9/65/35)膜例如通過溶膠-凝膠(sol-gel)方法外延生長至具有約2μm的膜厚度。順帶提及，通過用浸蘸法或旋壓覆蓋法兩次或更多次用PLZT母溶液涂覆對電極層2，能夠控制PLZT膜的膜厚度。
隨后，在下包層11上形成核心層12，從而堆疊在上面。
特別地，如圖2D所示，PZT(52/48)膜在下包層11上例如通過溶膠-凝膠方法外延生長至具有約3μm的膜厚度，從而形成將被堆疊在下包層11上的核心層12。應(yīng)注意，類似的是，通過兩次或更多次用PZT母溶液涂覆下包層11，能夠控制PZT膜的膜厚度。
隨后，在核心層12上形成上包層13，以堆疊在上面。
特別地，如圖2E所示，PLZT膜在核心層12上例如通過溶膠-凝膠方法外延生長至具有約2μm的膜厚度，從而形成將被堆疊在上面的上包層13。應(yīng)注意，類似的是，通過兩次或更多次用PLZT母溶液涂覆核心層12，能夠控制PLZT膜的膜厚度。此時，由層疊的下包層11、核心層12和上包層13形成光波導(dǎo)3。上面已描述了由電光材料制成的光波導(dǎo)3通過溶膠-凝膠方法形成的情形，然而，除溶膠-凝膠方法之外，還可以采用任何鐵電膜形成工藝，例如濺射、脈沖激光沉積法、氣溶膠法、MOVCD法等等。
隨后，通過圖案化形成第一光子晶體結(jié)構(gòu)5的多個通孔14和第二光子晶體結(jié)構(gòu)7的多個通孔16。請注意圖中只示出了相應(yīng)于橫截面位置的通孔14(在下文中也請同樣注意)。
特別地，首先，如圖2F所示，例如，在光波導(dǎo)3上涂覆電子束保護(hù)層(resist)17，并且通過電子束繪圖、生長等等，在電子束保護(hù)層17的預(yù)定位置形成通孔14、16的各個圖案。接下來，如圖2G所示，通過使用例如CF4或SF6的蝕刻氣體的干蝕刻法，將光波導(dǎo)3蝕刻至露出對電極層2的表面的程度。通過此蝕刻，在光波導(dǎo)3中形成復(fù)制電子束保護(hù)層17的圖案的通孔14、16。然后，如圖3A所示，通過灰化等去除電子束保護(hù)層17。
隨后，用透明樹脂15填充通孔14、16。
特別地，如圖3B所示，通過轉(zhuǎn)壓覆蓋、浸蘸涂覆法等將作為透明樹脂15的例如氟化聚酰亞胺等插入至通孔14、16內(nèi)，并且例如通過活性離子蝕刻而去除溢出的透明樹脂。
通過上述步驟，通孔14、16被填充了透明樹脂15，并且具有各自的預(yù)定周期結(jié)構(gòu)的第一光子結(jié)構(gòu)5和第二光子結(jié)構(gòu)7與周圍的電光材料形成在一起。
隨后，通過圖案化在光波導(dǎo)3上形成棱鏡電極4和控制電極6。
特別地，如圖3C所示，首先，例如，在光波導(dǎo)3上涂覆電子束保護(hù)層18，并且通過電子束繪圖、生長等等，在電子束保護(hù)層18的預(yù)定位置上形成棱鏡電極4和控制電極6的各自圖案18a、18b。接下來，如圖3D所示，通過濺射在整個表面上沉積例如SRO、IrO2等的氧化膜或者Pt、Ti等金屬膜。此時，氧化膜或金屬膜只沉積在通過各自的圖案18a、18b露出的光波導(dǎo)3上的部分上。如圖3E所示，通過提離(lift-off)效應(yīng)去除電子束保護(hù)層18以及該電子束保護(hù)層18上的氧化膜或金屬膜，以通過圖案化形成棱鏡電極4和控制電極6。
通過上述步驟和幾種后加工，完成了本實施例的光偏轉(zhuǎn)元件10。
應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明并不限于上述第一實施例。例如，對電極層2、光波導(dǎo)3、棱鏡電極4和控制電極6的厚度都具有一定程度的靈活性。此外，當(dāng)入射光不滿足棱鏡電極4期望偏轉(zhuǎn)角時，能夠適當(dāng)改變棱鏡電極4的形狀，或者可串聯(lián)設(shè)置多個棱鏡電極4以具有多級。另外，第一光子結(jié)構(gòu)5和第二光子結(jié)構(gòu)7各自的周期性排列在圖中示出為四方晶格排列，然而它們并不限于此，三角晶格排列和蜂窩晶格排列也是優(yōu)選的。
如上面已經(jīng)描述的，根據(jù)本實施例，能夠利用光子晶體以所需的大偏轉(zhuǎn)角使光偏轉(zhuǎn)，并且能夠在寬的偏轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)精確并且高速地控制偏轉(zhuǎn)角，因此實現(xiàn)了有助于裝置的進(jìn)一步尺寸減小和集成的光偏轉(zhuǎn)元件10。
第二實施例根據(jù)本實施例，將描述采用本發(fā)明的光轉(zhuǎn)換器的特定結(jié)構(gòu)。
圖4A和圖4B示出根據(jù)第二實施例的光轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)的示意圖，其中圖4A僅是光轉(zhuǎn)換器的主要組件部分的平面示意圖，并且圖4B是沿圖4A中的點(diǎn)劃線I-I的光轉(zhuǎn)換器的截面示意圖。應(yīng)注意，用相同的附圖標(biāo)號表示與第一實施例中相同的構(gòu)件等，并省略其具體說明。
通過平行設(shè)置多個根據(jù)第一實施例的光偏轉(zhuǎn)元件10而構(gòu)成根據(jù)本實施例的光轉(zhuǎn)換器20。光轉(zhuǎn)換器20是一種具有N×N排列(N為等于或大于2的整數(shù)，并且在圖中的情形N＝4)的光轉(zhuǎn)換器，其被成形以具有設(shè)置有光偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主要組件部分21，以及主要組件部分21設(shè)置于其內(nèi)的通道形成部分22。
通道形成部分22被成形以在通道基板31上具有通道波導(dǎo)32。
使通道波導(dǎo)32成形以在下包層41與上包層43之間具有核心層42，在該核心層42內(nèi)將形成光路，并且，通道波導(dǎo)32設(shè)置有光信號輸入通道I1至I4及光信號輸出通道O1至O4。每條輸入通道I1至I4分別在其頂端部分具有使信號光準(zhǔn)直的微透鏡44，并且輸入通道I1至I4是以相同間隔平行設(shè)置。類似地，每條輸出通道O1至O4分別在其后端部分具有微透鏡44，并且輸出通道O1至O4是以相同間隔平行設(shè)置。在通道波導(dǎo)32中形成有溝槽45，其中安裝有主要組件部分21，并且在向溝槽45的底部露出的通道基板31的表面的部分上，通過圖案化形成多種布線層46。
在通道形成部分22中，通過熱氧化例如包括Si的通道基板31的表面，形成具有約5μm膜厚度的SiO2膜，此后，例如，從SiO2膜的表面將Ga摻雜至SiO2膜內(nèi)約3μm深度處，因此形成具有約2μm膜厚度的下包層41和具有約2μm膜厚度的核心層42。此后，通過溶膠-凝膠方法、濺射等，在核心層42上形成具有約2μm膜厚度的SiO2膜，因此形成上包層43。隨后，通過將CF4型氣體用作蝕刻氣體，上包層43、核心層42及下包層41經(jīng)受干蝕刻，以便通過圖案化形成溝槽45。
光轉(zhuǎn)換器20的主要組件部分21被成形以包括根據(jù)第一實施例的光偏轉(zhuǎn)元件10，從而分別相應(yīng)于輸入通道I1至I4。
每個光偏轉(zhuǎn)元件1O被成形以包括經(jīng)由對電極層2而在元件基板1上的光波導(dǎo)3，光波導(dǎo)3上的棱鏡電極4，通過在沿光傳播方向上越過棱鏡電極4而設(shè)置在棱鏡電極4前方的第一光子晶體結(jié)構(gòu)5，經(jīng)由光波導(dǎo)3而面對對電極層2設(shè)置在第一光子晶體結(jié)構(gòu)5上的控制電極6，以及平行于光傳播方向并在棱鏡電極4的側(cè)向設(shè)置的第二光子晶體結(jié)構(gòu)7。
特別地，棱鏡電極4、第一光子晶體結(jié)構(gòu)5以及控制電極6分別設(shè)置在光波導(dǎo)3上，以相應(yīng)于各輸入通道I1至I4；并且這里，在相鄰的棱鏡電極4之間的區(qū)域內(nèi)，在棱鏡電極4的側(cè)向設(shè)置第二光子晶體結(jié)構(gòu)7。
通過將其頂面和底面反轉(zhuǎn)，將如上述成形的主要組件部分21安裝至通道波導(dǎo)32的溝槽45內(nèi)，以使光波導(dǎo)3和通道波導(dǎo)32的位置匹配，如圖4B所示，并且例如通過焊球47將各個棱鏡電極4和控制電極6連接至預(yù)定布線層46。
光轉(zhuǎn)換器20傳導(dǎo)兩級光偏轉(zhuǎn)。這里，將作為示例描述光信號輸入至輸入通道I2中的情形。
首先，通過了輸入通道I2的入射光L1射入棱鏡電極4中。在棱鏡電極4與對電極層2之間施加預(yù)定電壓，從而將相同的電壓施加至棱鏡電極4；利用此電壓施加，在光波導(dǎo)3中出現(xiàn)棱鏡的折射率改變，并且入射光L1以小角度向右或向左偏轉(zhuǎn)，以變?yōu)榈谝黄D(zhuǎn)光L2。在圖示的實例中，分別示出了作為第一偏轉(zhuǎn)光L2的向右及向左偏轉(zhuǎn)的信號光和直行的信號光。此時，在棱鏡電極4的側(cè)向設(shè)置第二光子晶體結(jié)構(gòu)7，并且沒有光能存在于光子帶隙中，因此由于光子帶隙而對每個輸入通道I1至I4辨別并聚焦信號光的光路，基本上消除了相鄰的輸入通道之間信號光的串?dāng)_。
通過了棱鏡電極4的第一偏轉(zhuǎn)光L2射入第一光子晶體結(jié)構(gòu)5中。在控制電極6與對電極層2之間由控制電極6將預(yù)定電壓施加至第一光子晶體結(jié)構(gòu)5；利用此電壓調(diào)整，第一光子晶體結(jié)構(gòu)5的光子帶隙被調(diào)節(jié)，以使由棱鏡電極4僅以小角度偏轉(zhuǎn)的第一偏轉(zhuǎn)光L2被光子晶體精確地控制在寬的偏轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)的期望偏轉(zhuǎn)角，并從而作為第二偏轉(zhuǎn)光L3射出，并且輸出至期望的輸出通道。在圖示的實例中，分別示出了作為第二偏轉(zhuǎn)光L3的源自第一偏轉(zhuǎn)光L2并向右和向左大幅偏轉(zhuǎn)以被輸出至輸出通道O1和O4的信號光、以及直行以被輸出至輸出通道O2的信號光。
應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明并不限于上述第二實施例。例如，除光轉(zhuǎn)換器之外，光偏轉(zhuǎn)元件可應(yīng)用至激光打印機(jī)、條碼讀卡機(jī)等。
如已描述的，根據(jù)本實施例，通過使用能夠在寬的偏轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)高速精確地控制光信號的光偏轉(zhuǎn)元件10，以及通過平行排列兩個或更多光偏轉(zhuǎn)元件10，實現(xiàn)了能夠進(jìn)行高速轉(zhuǎn)換操作的小型光轉(zhuǎn)換器20。
根據(jù)本發(fā)明，實現(xiàn)了利用光子晶體能夠以期望的寬角度使光偏轉(zhuǎn)、并且能夠在寬的偏轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)精確并且高速地控制偏轉(zhuǎn)角的光偏轉(zhuǎn)元件，從而有助于裝置的尺寸減小和集成。
根據(jù)本發(fā)明，通過利用多個能夠在期望的大偏轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)精確并且高速地控制光信號的光偏轉(zhuǎn)元件、并且通過平行排列所述光偏轉(zhuǎn)元件，實現(xiàn)了即使是小尺寸也能高速進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作的光轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明的實施例在所有方面都應(yīng)視為說明性的及非限制性的，因此在權(quán)利要求書的等效含義及范圍內(nèi)的所有變化都應(yīng)包含在本發(fā)明的專利范圍內(nèi)。本發(fā)明可以不背離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特性的其它的具體形式而體現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種光偏轉(zhuǎn)元件，包括光波導(dǎo)，由電光材料制成；第一光偏轉(zhuǎn)器，設(shè)置在所述光波導(dǎo)上；以及第二光偏轉(zhuǎn)器，通過在光傳播方向上越過所述第一光偏轉(zhuǎn)器而設(shè)置在所述第一光偏轉(zhuǎn)器的前方，并且具有比所述第一光偏轉(zhuǎn)器的偏轉(zhuǎn)角范圍更寬的偏轉(zhuǎn)角范圍；其中所述第二光偏轉(zhuǎn)器包括第一光子晶體結(jié)構(gòu)，由具有不同折射率并且被周期性排列的多種物質(zhì)構(gòu)造；以及控制電極，通過調(diào)整施加至所述第一光子晶體結(jié)構(gòu)的電壓而控制所述第一光子晶體結(jié)構(gòu)引起的光的偏轉(zhuǎn)角。
2.如權(quán)利要求1所述的光偏轉(zhuǎn)元件，其中所述第一光偏轉(zhuǎn)器是棱鏡電極。
3.如權(quán)利要求2所述的光偏轉(zhuǎn)元件，進(jìn)一步包括對電極，經(jīng)由所述波導(dǎo)而面對所述控制電極設(shè)置；其中所述棱鏡電極和所述控制電極分別在所述棱鏡電極與所述對電極和所述控制電極與所述對電極之間施加電壓。
4.如權(quán)利要求1所述的光偏轉(zhuǎn)元件，進(jìn)一步包括第二光子晶體結(jié)構(gòu)，其在所述第一光偏轉(zhuǎn)器的側(cè)向設(shè)置，并由具有不同折射率并且被周期性排列的多種物質(zhì)構(gòu)造。
5.如權(quán)利要求4所述的光偏轉(zhuǎn)元件，其中所述第二光子晶體結(jié)構(gòu)具有與所述第一光子晶體結(jié)構(gòu)的周期性結(jié)構(gòu)不同的周期性結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求4所述的光偏轉(zhuǎn)元件，其中所述第二光子晶體結(jié)構(gòu)的至少一部分由鐵電材料制成。
7.如權(quán)利要求4所述的光偏轉(zhuǎn)元件，其中所述第二光子晶體結(jié)構(gòu)的至少一部分由透明樹脂制成。
8.如權(quán)利要求1所述的光偏轉(zhuǎn)元件，其中所述第一光子晶體結(jié)構(gòu)的至少一部分由鐵電材料制成。
9.如權(quán)利要求1所述的光偏轉(zhuǎn)元件，其中所述第一光子晶體結(jié)構(gòu)的至少一部分由透明樹脂制成。
10.一種光轉(zhuǎn)換器，包括輸入光信號的多個輸入通道；多個光偏轉(zhuǎn)元件，其中每個所述光偏轉(zhuǎn)元件是為各個所述輸入通道設(shè)置的；以及輸出光信號的多個輸出通道；其中每個所述光偏轉(zhuǎn)元件包括由鐵電材料制成的光波導(dǎo)；設(shè)置在所述光波導(dǎo)上的第一光偏轉(zhuǎn)器；第二光偏轉(zhuǎn)器，通過在光傳播方向上越過所述第一光偏轉(zhuǎn)器而設(shè)置在所述第一光偏轉(zhuǎn)器前方，并且具有比所述第一光偏轉(zhuǎn)器的偏轉(zhuǎn)角范圍更寬的偏轉(zhuǎn)角范圍；其中所述第二光偏轉(zhuǎn)器設(shè)置有第一光子晶體結(jié)構(gòu)，由具有不同偏轉(zhuǎn)率并且被周期性排列的多種物質(zhì)構(gòu)造；以及控制電極，通過調(diào)整施加至所述第一光子晶體結(jié)構(gòu)的電壓而控制由所述第一光子晶體結(jié)構(gòu)引起的光的有效折射率。
11.如權(quán)利要求10所述的光轉(zhuǎn)換器，其中所述第一光偏轉(zhuǎn)器是棱鏡電極。
12.如權(quán)利要求11所述的光轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括對電極，經(jīng)由所述波導(dǎo)而面對所述控制電極設(shè)置；其中該棱鏡電極和所述控制電極分別在該棱鏡電極與所述對電極和所述控制電極與所述對電極之間施加電壓。
13.如權(quán)利要求10所述的光轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括第二光子晶體結(jié)構(gòu)，在相鄰的所述第一光偏轉(zhuǎn)器之間的區(qū)域內(nèi)平行于光傳播方向設(shè)置，并由被周期性排列的多種物質(zhì)構(gòu)造。
14.如權(quán)利要求13所述的光轉(zhuǎn)換器，其中所述第二光子晶體結(jié)構(gòu)具有與所述第一光子晶體結(jié)構(gòu)的周期性結(jié)構(gòu)不同的周期性結(jié)構(gòu)。
15.如權(quán)利要求13所述的光轉(zhuǎn)換器，其中所述第二光子晶體結(jié)構(gòu)的至少一部分由鐵電材料制成。
16.如權(quán)利要求13所述的光轉(zhuǎn)換器，其中所述第二光子晶體結(jié)構(gòu)的至少一部分由透明樹脂制成。
17.如權(quán)利要求10所述的光轉(zhuǎn)換器，其中所述第一光子晶體結(jié)構(gòu)的至少一部分由鐵電材料制成。
18.如權(quán)利要求10所述的光轉(zhuǎn)換器，其中所述第一光子晶體結(jié)構(gòu)的至少一部分由透明樹脂制成。
全文摘要
一種光偏轉(zhuǎn)元件被成形以包括設(shè)置在光波導(dǎo)上的棱鏡電極；第一光子晶體結(jié)構(gòu)，在光傳播方向上棱鏡電極的前方、在光通過棱鏡電極之后的位置上設(shè)置；控制電極，經(jīng)由第一光子晶體結(jié)構(gòu)上的光波導(dǎo)而面對對電極層設(shè)置；以及第二光子晶體結(jié)構(gòu)，平行于光傳播方向在棱鏡電極的側(cè)向設(shè)置。
文檔編號G02F1/29GK1766683SQ20051005902
公開日2006年5月3日 申請日期2005年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月26日
發(fā)明者青木剛, 近藤正雄, 栗原和明 申請人:富士通株式會社