JP2534710B2 - Polarization control device - Google Patents

Polarization control device

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JP2534710B2 JP62137268A JP13726887A JP2534710B2 JP 2534710 B2 JP2534710 B2 JP 2534710B2 JP 62137268 A JP62137268 A JP 62137268A JP 13726887 A JP13726887 A JP 13726887A JP 2534710 B2 JP2534710 B2 JP 2534710B2
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、光通信システムや光ファイバセンサ等に利
用される偏光制御デバイスに関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a polarization control device used in an optical communication system, an optical fiber sensor, or the like.

(従来の技術) コヒーレント光通信システムや光ファイバーセンサ等
では、任意の入射偏光を任意の出射偏光に変換するため
の偏光制御器が必要である。偏光制御器に用いられるデ
バイスでは、導波路型のものが、小型、軽量、量産性、
他の素子との集積化が可能などの点から有望である。
(Prior Art) A coherent optical communication system, an optical fiber sensor, or the like requires a polarization controller for converting an arbitrary incident polarized light into an arbitrary outgoing polarized light. Among the devices used for the polarization controller, the waveguide type is small, lightweight, mass producible,
It is promising in that it can be integrated with other devices.

このような導波路型偏光制御デバイスは、嶋田らによ
り昭和61年度電子通信学会光・電波部門全国大会講演論
文集、269,1986年において発表されたフェイズシフタお
よびモードコンバータを、フェイズシフタ、モードコン
バータ、フェイズシフタの順に接続することにより構成
できる。
Such a waveguide-type polarization control device is a phase shifter and mode converter based on the phase shifter and mode converter presented by Shimada et al. , And phase shifter in that order.

(発明が解決しようとする問題点) 前述した導波路型偏光制御デバイスでは、入射光また
は出射光の偏光状態たとえば偏光角が一定方向に回転し
続けると、フェイズシフタまたはモードコンバータの駆
動電圧が上昇し続け、ついには限界電圧に達し偏光制御
不能となる。
(Problems to be Solved by the Invention) In the above-mentioned waveguide polarization control device, when the polarization state of incident light or emitted light, for example, the polarization angle continues to rotate in a certain direction, the drive voltage of the phase shifter or the mode converter rises. Continued, and finally the limit voltage was reached and polarization control became impossible.

このように、従来技術を用いた導波路型偏光制御デバ
イスでは、偏光制御範囲に制限があるという問題点があ
る。
As described above, the waveguide-type polarization control device using the conventional technique has a problem that the polarization control range is limited.

(問題点を解決するための手段) 本発明の偏光制御デバイスは、電気光学効果を有する
基板の表面部分に形成されたチャネル光導波路と、該チ
ャネル光導波路の光の伝搬方向に垂直な面内の前記チャ
ネル光導波路部分に任意の方向に任意の大きさの電界を
生じさせることにより、該電界が生じる同一面内かつ同
一部分に任意の方向に任意の大きさの複屈折を生じさせ
るための、前記チャネル光導波路上およびその両側かつ
前記チャネル光導波路が形成された表面部分と同一の平
面上に設けたストライプ電極とを含んで構成される第
1、第2、第3の素子を直列に形成して構成される。
(Means for Solving the Problems) A polarization control device of the present invention comprises a channel optical waveguide formed on a surface portion of a substrate having an electro-optical effect, and an in-plane surface perpendicular to the light propagation direction of the channel optical waveguide. For producing an electric field of any magnitude in any direction in the channel optical waveguide portion of, in order to produce birefringence of any magnitude in any direction in the same plane and in the same portion where the electric field occurs. A first, a second, and a third element which are arranged on the channel optical waveguide and on both sides of the channel optical waveguide, and stripe electrodes provided on the same plane as the surface portion on which the channel optical waveguide is formed. Formed and configured.

(作用) 本発明による偏光制御デバイスを構成する直列に接続
された第1、第2、第3の素子では、チャネル光導波路
の光の伝搬方向に垂直な面内の任意の方向に任意の大き
さの複屈折をチャネル光導波路部分に生じさせることが
できる。各素子におけるリタデーションを順にπ/2、
π、π/2ラジアン一定とし、おのおのの複屈折の方向を
回転させることにより、各素子はそれぞれの通常の1/4
波長板、1/2波長板、1/4波長板と同様の作用をする。波
長板として動作する各素子の複屈折の方向をそれぞれ適
当な方向に設定することにより、通常の波長板の場合と
同様に任意の入射偏光を任意の出射偏光に変換できる。
ここで複屈折の方向を回転させるのに必要な電圧は周期
的に変化し、上昇し続けるようなことはないので、入射
光または出射光のいかなる偏光状態の変化に対しても偏
光制御が可能である。すなわち、本発明による偏光制御
デバイスでは、偏光制御範囲に制限がない。
(Operation) In the first, second, and third elements connected in series that constitute the polarization control device according to the present invention, an arbitrary size is obtained in an arbitrary direction within a plane perpendicular to the light propagation direction of the channel optical waveguide. Birefringence can be generated in the channel optical waveguide portion. The retardation in each element is π / 2,
By keeping the π and π / 2 radians constant and rotating the direction of each birefringence, each element is
It works the same as a wave plate, a half wave plate, and a quarter wave plate. By setting the birefringence direction of each element that operates as a wave plate to an appropriate direction, any incident polarized light can be converted into any outgoing polarized light as in the case of a normal wave plate.
Here, the voltage required to rotate the direction of birefringence changes periodically and does not continue to rise, so polarization control is possible regardless of any change in the polarization state of incident light or emitted light. Is. That is, the polarization control device according to the present invention does not limit the polarization control range.

(実施例) 以下に本発明について図面を用いて詳細に説明する。(Example) Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第1図は本発明の一実施例を示す偏光制御デバイスの
斜視図である。ニオブ酸リチウム基板100の表面部分に
選択的にTiを拡散することによりチャネル光導波路101
が形成されている。チャネル光導波路101における光の
伝搬方向は、ニオブ酸リチウム基板100のC軸方向にし
てある。ニオブ酸リチウム基板100の表面上において、
チャネル光導波路101の真上および両側に第1、第2、
第3のストライプ電極110,111,112を設けることにより
第1の素子102が構成されている。ここで第2および第
3のストライプ電極111,112は、それぞれ第1のストラ
イプ電極110から等距離にある。また、第1図には示し
てないのが、チャネル光導波路101と第1のストライプ
電極110の間にはCVD法によりSiO2膜が形成されている。
これは金属膜による光導波路伝搬光の減衰を防ぐためで
ある。第2および第3の素子103,104は、第1の素子102
と同様の構造であり、第1、第2、第3の素子102,103,
104は、同一基板上でチャネル光導波路101の光の伝搬方
向にモノリシックに形成されている。
FIG. 1 is a perspective view of a polarization control device showing an embodiment of the present invention. The channel optical waveguide 101 is formed by selectively diffusing Ti into the surface portion of the lithium niobate substrate 100.
Are formed. The propagation direction of light in the channel optical waveguide 101 is the C-axis direction of the lithium niobate substrate 100. On the surface of the lithium niobate substrate 100,
The first, second, and
The first element 102 is formed by providing the third stripe electrodes 110, 111, 112. Here, the second and third stripe electrodes 111, 112 are equidistant from the first stripe electrode 110, respectively. Although not shown in FIG. 1, a SiO 2 film is formed between the channel optical waveguide 101 and the first stripe electrode 110 by the CVD method.
This is to prevent attenuation of light propagating in the optical waveguide due to the metal film. The second and third elements 103, 104 correspond to the first element 102.
And a structure similar to that of the first, second and third elements 102, 103,
104 is monolithically formed on the same substrate in the light propagation direction of the channel optical waveguide 101.

ここで、第1、第2、第3の素子102,103,104の各ス
トライプ電極にそれぞれ後述するような有限である適当
な電圧を印加することにより1/4波長板、1/2波長板、1/
4波長板と同様の働きをする。第1の素子102側から偏光
制御デバイスに入射した任意の偏光は、第1の素子102
で直線偏光に変換され、続いて第2の素子103で任意の
偏光方向の直線偏光に変換され、最後に第3の素子104
で任意の偏光に変換される。ここで入射光および出射光
の偏光状態のいかなる変化に対しても第1、第2、第3
の素子102,103,104の駆動電圧は、ある一定値を越える
ことはない。すなわち、本実施例の偏光制御デバイスで
は偏光制御範囲に制限がない。尚、本実施例では、1つ
の基板上に各素子をモノリシックに形成したが、各素子
を個々に作製して直列に接続してもさしつかえない。
Here, a 1/4 wavelength plate, 1/2 wavelength plate, 1 / wave plate, 1 / wave plate, and 1 / wave plate are applied to each stripe electrode of the first, second, and third elements 102, 103, 104 by applying a suitable finite voltage as described later.
Works like a four-wave plate. Any polarized light incident on the polarization control device from the side of the first element 102 is reflected by the first element 102.
Is converted into linearly polarized light by the second element 103, then converted into linearly polarized light having an arbitrary polarization direction, and finally the third element 104 is converted.
It is converted into arbitrary polarized light. Here, even if any change in the polarization state of the incident light and the outgoing light,
The drive voltage of the elements 102, 103, 104 of the above does not exceed a certain fixed value. That is, the polarization control device of this embodiment does not limit the polarization control range. In addition, in this embodiment, each element is formed monolithically on one substrate, but each element may be individually manufactured and connected in series.

第2図は本実施例の偏光制御デバイスを構成する波長
板として動作する素子の断面図であり、この素子は第1
図に示した第1、第2、第3の素子102,103,104に相当
するものである。第1および第2のストライプ電極210,
211には電源200によってそれぞれ電圧V1およびV2が印加
される。第3のストライプ電極212は接地する。チャネ
ル光導波路101の光の伝搬方向に垂直な面内において、
ニオブ酸リチウム基板100の表面に垂直および水平な方
向の電界EV及びEHは、それぞれ電圧V1およびV2によって
生じる成分が支配的である。すなわち、電界EVおよびEH
は、それぞれV1およびV2によって任意に設定でき、近似
的に次式で表される。
FIG. 2 is a cross-sectional view of an element that operates as a wave plate that constitutes the polarization control device of this embodiment.
It corresponds to the first, second and third elements 102, 103 and 104 shown in the figure. First and second stripe electrodes 210,
Voltages V 1 and V 2 are applied to 211 by a power supply 200, respectively. The third stripe electrode 212 is grounded. In the plane perpendicular to the light propagation direction of the channel optical waveguide 101,
The electric fields E V and E H in the directions vertical and horizontal to the surface of the lithium niobate substrate 100 are dominated by the components generated by the voltages V 1 and V 2 , respectively. That is, the electric fields E V and E H
Can be arbitrarily set by V 1 and V 2 , respectively, and are approximately represented by the following equation.

ここでW1は第1のストライプ電極210と第2のストラ
イプ電極211、および第1のストライプ電極210と第3の
ストライプ電極212の間隔である。また、W2は第2のス
トライプ電極211と第3のストライプ電極212の間隔であ
る。電界EV,EHを式で表されるような関係にすると、
チャネル光導波路101部分を生じる合成電界の強度はE0
で、その方向は電界EH方向を基準としてθだけ回転した
方向となる。
Here, W 1 is the distance between the first stripe electrode 210 and the second stripe electrode 211, and the distance between the first stripe electrode 210 and the third stripe electrode 212. W 2 is the distance between the second stripe electrode 211 and the third stripe electrode 212. If the electric fields E V and E H are expressed by the equation,
The strength of the combined electric field that causes the channel optical waveguide 101 is E 0
Then, the direction is a direction rotated by θ with respect to the electric field E H direction.

したがって、E0およびθを適当に選ぶことにより、チ
ャネル光導波路101部分に、任意の強度の電界を任意の
方向に設定することができる。この電界E0によって、三
浦らによって電子通信学会技術研究報告OQE84−125,198
4年、25ページから32ページに示されているように、同
は序部分に一定の大きさの複屈折を任意の方向に設定す
ることができる。ここで複屈折の大きさおよびその主軸
の方向は、それぞれE0およびθによって一義的に決ま
る。この素子におけるリタデーションをπまたはπ/2ラ
ジアンとなるように電界E0の大きさを設定することによ
り、この素子は1/2波長板または1/4波長板と等価な動作
をする。1/2波長板または1/4波長板に必要な電界E0は、
それぞれ次式で与えられる。
Therefore, by appropriately selecting E 0 and θ, an electric field of arbitrary strength can be set in the channel optical waveguide 101 portion in any direction. Due to this electric field E 0 , the technical report of the Institute of Electronics and Communication Engineers OQE84-125,198 by Miura et al.
4 years, as shown on pages 25 to 32, the same can set a certain amount of birefringence in the leading portion in any direction. Here, the magnitude of birefringence and the direction of its principal axis are uniquely determined by E 0 and θ, respectively. By setting the magnitude of the electric field E 0 so that the retardation in this element is π or π / 2 radians, this element operates equivalent to a ½ wavelength plate or a ¼ wavelength plate. The electric field E 0 required for a half-wave plate or a quarter-wave plate is
Each is given by the following equation.

ここでn0はニオブ酸リチウムの常光に対する屈折率、
r22はニオブ酸リチウムの電気光学係数、lは素子長、
λは波長である。
Where n 0 is the refractive index of lithium niobate for ordinary light,
r 22 is the electro-optic coefficient of lithium niobate, l is the element length,
λ is the wavelength.

W=4μm,W2=16μm,l=10mm,λ=1.55μmのときの
1/2波長板動作に必要なV1およびV2の最大値すなわちW1E
0およびW2E0は、それぞれ8.4Vおよび33.6Vであった。ま
た、1/4波長板動作に必要なV1およびV2の最大値は、1/2
波長板動作の場合の半分の値である。
When W = 4 μm, W 2 = 16 μm, l = 10 mm, λ = 1.55 μm
Maximum value of V 1 and V 2 required for half-wave plate operation, that is, W 1 E
0 and W 2 E 0 were 8.4V and 33.6V, respectively. The maximum value of V 1 and V 2 required for 1/4 wave plate operation is 1/2
It is half the value in the case of wave plate operation.

なお、本素子では光導波路の構造分散により、わずか
な異方性が生ずるため、これを補償するためにV1および
V2に一定のバイアスを加える必要がある。
Note that the waveguide dispersion of the optical waveguide in the present device, since the slight anisotropy occurs, V 1 and to compensate for this
It is necessary to apply a constant bias to V 2 .

以上で述べた偏光制御デバイスにおいて、チャネル光
導波路は平面基板上にイオン拡散により形成したものに
限らず、イオン交換によるもの、またはリッジ型やリブ
型チャネル光導波路などでもよい。これらの場合電極
は、チャネル光導波路の光の伝搬方向に垂直な面内の任
意の方向に任意の大きさの電界をチャネル光導波路部分
に生じさせるものであればよい。
In the polarization control device described above, the channel optical waveguide is not limited to one formed by ion diffusion on a flat substrate, but may be one formed by ion exchange, or a ridge type or rib type channel optical waveguide. In these cases, the electrodes may be those that generate an electric field of an arbitrary magnitude in the channel optical waveguide portion in an arbitrary direction within a plane perpendicular to the light propagation direction of the channel optical waveguide.

ニオブ酸リチウム基板上にチャネル光導波路を形成す
る場合、Tiを拡散した後に、さらに基板表面全体にMgO
を追拡散してもよい。これにより導波路はより等方的と
なるため、異方性を補償するためのバイアス電圧は減少
する。
When forming a channel optical waveguide on a lithium niobate substrate, after diffusion of Ti, MgO is further spread over the entire surface of the substrate.
May be additionally diffused. This makes the waveguide more isotropic, thus reducing the bias voltage to compensate for the anisotropy.

偏光制御デバイスに用いる基板はニオブ酸リチウムに
限定されず、3回対称軸を持った電気光学結晶、または
PLZTなどの電気光学セラミック等でもよい。3回対称軸
を持った電気光学結晶を用いる場合は、チャネル光導波
路における光の伝搬方向は、光学軸方向とする。
The substrate used for the polarization control device is not limited to lithium niobate, and an electro-optic crystal having a three-fold symmetry axis, or
An electro-optic ceramic such as PLZT may be used. When an electro-optic crystal having a three-fold symmetry axis is used, the propagation direction of light in the channel optical waveguide is the optical axis direction.

(発明の効果) 本発明による偏光制御デバイスでは、偏光制御範囲に
制限がない。したがって、入射光または出射光のいかな
る偏光状態の変化に対しても偏光制御を行うことができ
る。
(Effect of the Invention) In the polarization control device according to the present invention, the polarization control range is not limited. Therefore, polarization control can be performed with respect to any change in the polarization state of incident light or emitted light.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の一実施例を示す偏光制御デバイスの斜
視図、第2図は本実施例を示す偏光制御デバイスを構成
する波長板として動作する素子の断面図である。 図において、 100……ニオブ酸リチウム基板、101……チャネル光導波
路、102,103,104……素子、110,111,112,210,211,212…
…ストライプ電極、200……電極。
FIG. 1 is a perspective view of a polarization control device showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view of an element which operates as a wave plate constituting the polarization control device showing the present embodiment. In the figure, 100 ... Lithium niobate substrate, 101 ... Channel optical waveguide, 102, 103, 104 ... Element, 110, 111, 112, 210, 211, 212 ...
… Striped electrodes, 200 …… electrodes.

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】電気光学効果を有する基板の表面部分に形
成されたチャネル光導波路と、該チャネル光導波路の光
の伝搬方向に垂直な面内の前記チャネル光導波路部分に
任意の方向に任意の大きさの電界を生じさせることによ
り、該電界が生じる同一面内かつ同一部分に任意の方向
に任意の大きさの複屈折を生じさせるための、前記チャ
ネル光導波路上およびその両側かつ前記チャネル光導波
路が形成された表面部分と同一の平面上に設けたストラ
イプ電極とを含んで構成される第1、第2、第3の素子
を直列に形成して構成されることを特徴とする偏光制御
デバイス。
1. A channel optical waveguide formed on a surface portion of a substrate having an electro-optical effect, and an arbitrary direction in an arbitrary direction on the channel optical waveguide portion in a plane perpendicular to a light propagation direction of the channel optical waveguide. On the channel optical waveguide and on both sides thereof and the channel optical waveguide, for producing an electric field of a magnitude, thereby producing a birefringence of an arbitrary magnitude in the same plane and in the same portion where the electric field is generated in an arbitrary direction. Polarization control characterized by being formed by serially forming first, second, and third elements each including a surface portion on which a waveguide is formed and a stripe electrode provided on the same plane. device.
【請求項2】チャネル光導波路部分に生じる複屈折のリ
タデーションは、第1、第2、第3の素子において、そ
れぞれπ/2、π、π/2ラジアンであることを特徴とする
特許請求の範囲第1項記載の偏光制御デバイス。
2. The retardation of birefringence generated in the channel optical waveguide portion is π / 2, π, π / 2 radians in the first, second and third elements, respectively. The polarization control device according to the first aspect.
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