JP2561912B2 - Polarization separation waveguide - Google Patents

Polarization separation waveguide

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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 光学軸を表面に含むニオブ酸リチウムのような一軸性
結晶基板の表面に導波路とこの導波路上に全反射部を設
けて常光と異常光を分離した光学素子。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Outline] A waveguide and a total reflection portion are provided on the surface of a uniaxial crystal substrate such as lithium niobate having an optical axis on the surface to separate ordinary light and extraordinary light. Optical element.

〔産業上の利用分野〕 本発明は導波路上に偏光分離素子を設けた偏光分離導
波路に関する。
[Field of Industrial Application] The present invention relates to a polarization separation waveguide in which a polarization separation element is provided on the waveguide.

光通信に使用される導波路としては光ファイバが使用
されており、偏光分離素子,光スイッチ,レンズなどの
光回路素子と組合わせて使用されている。
An optical fiber is used as a waveguide used for optical communication, and is used in combination with an optical circuit element such as a polarization separation element, an optical switch, and a lens.

これらの導波路と光回路素子とは個別に形成されてい
るため相互の微細な位置合わせを必要とし、そのため量
産性に欠け、高価になっている。
Since these waveguides and optical circuit elements are formed separately, they require fine alignment with each other, which lacks mass productivity and is expensive.

このことから導波路と光回路素子を一体化した光学素
子の実用化が望まれている。
For this reason, the practical application of an optical element in which a waveguide and an optical circuit element are integrated is desired.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

光導波路として透明石英あるいはプラスチックから構
成される光ファイバ以外に透明基板を用いて光導波路
(以下略して導波路)が作られている。
As an optical waveguide, an optical waveguide (abbreviated as a waveguide hereinafter) is made by using a transparent substrate in addition to an optical fiber made of transparent quartz or plastic.

例えばガラス基板上に金属を蒸発して金属膜を形成し
た後、写真食刻技術(ホトリソグラフィ)を用いて微細
のパターンの窓開けを行い、この基板を溶融塩の中に浸
漬してイオン交換を行うことにより基板よりも屈折率の
高い導波路が形成されている。
For example, after evaporating a metal on a glass substrate to form a metal film, a window with a fine pattern is opened using a photolithography technique (photolithography), and this substrate is immersed in a molten salt for ion exchange. By performing the above, a waveguide having a higher refractive index than the substrate is formed.

また、同じ手法を用いて円形領域をイオン交換するこ
とで光導波路に連続した平面形レンズが作られている。
In addition, a planar lens continuous with the optical waveguide is made by ion-exchanging the circular region using the same method.

また、ニオブ酸リチウム(LiNbO3),タンタル酸リチ
ウム(LiTaO3)のような透明な一軸性結晶基板を用いて
光回路素子が作られている。
Optical circuit elements are made using transparent uniaxial crystal substrates such as lithium niobate (LiNbO 3 ) and lithium tantalate (LiTaO 3 ).

すなわち、LiNbO3は電気光学効果が大きいので光学素
子の基板に適しており、これを用いて偏光分離器や光ス
イッチが作られている。
That is, LiNbO 3 has a large electro-optical effect and is therefore suitable as a substrate for an optical element, and a polarization separator and an optical switch are made using this.

第4図は偏光分離器の斜視図を示すものであって従来
の製法を説明すると、光学軸を表面に含むLiNbO3基板1
の上に電子ビーム蒸着法などによりチタン(Ti)の薄膜
を形成し、これを写真食刻法を用いてTi薄膜よりなる導
波路パターンを形成した後、1000℃前後の温度で数時間
に互って熱処理してTiを拡散せしめることにより屈折率
がLiNbO3よりも大きな導波路2が形成されている。
FIG. 4 is a perspective view of the polarization separator. The conventional manufacturing method will be described. A LiNbO 3 substrate 1 including an optical axis on the surface 1
A thin film of titanium (Ti) is formed on top of this by an electron beam evaporation method, etc., and a waveguide pattern made of a Ti thin film is formed using a photo-etching method. Then, the waveguide 2 having a refractive index larger than that of LiNbO 3 is formed by heat treatment to diffuse Ti.

ここで導波路パターンが微少な交叉角で交叉している
二本の直線状導波路3,3′,4,4′からなっており、かか
る導波路3へレーザ光を入射させるとき、交叉角θが1
度の場合はTMモード光(電界成分が基板面と垂直に振動
する光)は導波路4′へ曲がって進み、一方TEモード光
は(電界成分が基板面と平行に信号する光)は導波路
3′へと直進する性質がある。
Here, the waveguide pattern is composed of two linear waveguides 3, 3 ', 4, 4'that intersect at a slight crossing angle. When laser light is incident on such a waveguide 3, the crossing angle is θ is 1
Degree, TM mode light (light whose electric field component oscillates perpendicularly to the substrate surface) bends and travels to the waveguide 4 ', while TE mode light (light whose electric field component signals in parallel with the substrate surface) is conducted. It has the property of going straight to the waveguide 3 '.

また交叉角が2度の場合はTEモード光は導波路4′へ
曲がって進み、一方TMモード光は導波路3′へと直進す
る性質がある。
Further, when the crossing angle is 2 degrees, the TE mode light has a property of going to the waveguide 4'bending while the TM mode light goes straight to the waveguide 3 '.

このように交叉角に依存して偏光の伝播方向が変わる
のを利用すると偏光分離が可能となる。
Polarization can be separated by utilizing the fact that the propagation direction of polarized light changes depending on the crossing angle.

然し、このような導波路の幾何学的形状によって分離
する方法は交叉角θ以外にレーザ光の波長,導波路の幅
や深さなどに依存して変化することから不安定であり、
そのため安定した偏光分離法が求められていた。
However, such a method of separating by the geometrical shape of the waveguide is unstable because it changes depending on the wavelength of laser light, the width and depth of the waveguide, etc. in addition to the crossing angle θ,
Therefore, a stable polarization separation method has been demanded.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

光通信にはガスレーザ或いは半導体レーザから発振さ
れた単一モードのレーザ光が使われているが、光変調
器,光スイッチ,アイソレータ,サーキュレータなどの
光回路素子を動作させるとには偏光分離を行うことが必
要である。
Single mode laser light oscillated from a gas laser or a semiconductor laser is used for optical communication, but polarization separation is performed when operating optical circuit elements such as an optical modulator, an optical switch, an isolator, and a circulator. It is necessary.

そのため、導波路と一体化し、且つ安定な偏光分離素
子を実用化することが課題である。
Therefore, it is a problem to put a stable polarization separation element into a waveguide and to put it into practical use.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

上記の問題は一軸性結晶基板に、前記基板の光学軸と
概ね平行な入力光導波路と、前記光学軸と概ね垂直な2
つの出力導波路と、前記入力光導波路及び出力光導波路
に共通の端面を含む全反射部とを設け、前記入力光導波
路を通って該全反射部に入射する光の、常光及び異常光
の反射角に応じた位置に前記出力光導波路のそれぞれを
配置したことを特徴とする偏光分離導波路により解決す
ることができる。
The above-mentioned problem is that the uniaxial crystal substrate has an input optical waveguide that is substantially parallel to the optical axis of the substrate, and an optical waveguide that is substantially perpendicular to the optical axis.
Two output waveguides and a total reflection portion including an end face common to the input optical waveguide and the output optical waveguide are provided, and ordinary light and extraordinary light of light incident on the total reflection portion through the input optical waveguide are reflected. This can be solved by a polarization splitting waveguide characterized in that each of the output optical waveguides is arranged at a position corresponding to a corner.

〔作用〕[Action]

本発明は光学軸を表面に含む一軸性結晶基板におい
て、光学軸に平行に導波路を形成しておき、この光を全
反射させる場合に常光と異常光とでは屈折率が異なり、
そのため異なる反射をすることに着目して偏光分離を行
うものである。
The present invention, in a uniaxial crystal substrate having an optical axis on the surface, a waveguide is formed in parallel with the optical axis, and when the light is totally reflected, the ordinary light and the extraordinary light have different refractive indices,
Therefore, the polarization separation is performed by focusing on the different reflection.

すなわち、LiNbO3の場合に常光と異常光とで屈折率
(波長546mμの値)が2.286と2.220と異っているのを利
用する。
That is, in the case of LiNbO 3, the fact that the refractive index (value of wavelength 546 mμ) between ordinary light and extraordinary light is 2.286 and 2.220 is different.

そして、全反射条件を結晶基板の端面または結晶基板
の内部に作ることにより導波路と一体化した偏光分離素
子を形成する。
Then, the polarization splitting element integrated with the waveguide is formed by making the total reflection condition on the end face of the crystal substrate or inside the crystal substrate.

〔実施例〕〔Example〕

第1図および第2図は本発明に係る偏光分離器の説明
である。
1 and 2 are illustrations of the polarization separator according to the present invention.

すなわち、光学軸を表面に含んだLiNbO3基板5の片面
に端部を斜めに切り落とした全反射面6があり、これに
光学軸と平行な入射導波路7を通って光を投与すると複
屈折のため異なる反射をし、常光のTMモード光8と異常
光のTEモード光9に分離するのを利用し、その位置に導
波路をパターン形成して分離を行うものである。
That is, a LiNbO 3 substrate 5 including the optical axis on its surface has a total reflection surface 6 with one end cut off obliquely, and when light is injected through this into an incident waveguide 7 parallel to the optical axis, birefringence occurs. Therefore, different reflection is performed and the TM mode light 8 of ordinary light and the TE mode light 9 of extraordinary light are used for separation, and a waveguide is formed at that position for separation.

ここで全反射が起こる条件は入射角θの正弦がLiNbO3
屈折率nの逆数よりも大きいことである。
The condition for total reflection is that the sine of the incident angle θ is LiNbO 3
It is larger than the reciprocal of the refractive index n.

Sin θ>1/n また、かかる全反射条件はLiNbO3基板5の端面だけで
なく、基板5の上をエッチングしても作ることができ
る。
Sin θ> 1 / n The total reflection condition can be created not only on the end surface of the LiNbO 3 substrate 5 but also by etching on the substrate 5.

次に、全反射により常光線と異常光線とが分離できる
理由を数式で示すと次のようになる。
Next, the reason why the ordinary ray and the extraordinary ray can be separated by the total reflection is as follows.

常光線の屈折率をno,異常光線の屈折率をneとし、入
射光の全反射面への入射角をθとすると、常光線の反
射角θと異常光線の反射角θはそれぞれ θ=θ ……(1) θ=sin-1(no/ne・sin θ) ……(2) で表すことができ、反射角が異なることから分離するこ
とができる。
Letting the refractive index of the ordinary ray be n o , the refractive index of the extraordinary ray be n e, and the incident angle of the incident light on the total reflection surface be θ i , the ordinary ray reflection angle θ o and the extraordinary ray reflection angle θ e Can be expressed as θ o = θ i (1) θ e = sin −1 (n o / n e · sin θ i ) (2) and can be separated because the reflection angles are different. it can.

次に、分離導波路の形成法としては、写真食刻技術を
用い、上記の全反射条件を満たす角度に直線状にドライ
エッチングし、全反射面をもつ溝10を作り、これに斜交
する形で入射導波路7とTMモード光8とTEモード光9が
伝播する導波路をパターン形成すればよい。
Next, as a method for forming the separation waveguide, a photolithography technique is used, and dry etching is linearly performed at an angle satisfying the above-described total reflection condition to form a groove 10 having a total reflection surface, which is obliquely crossed. In this case, the incident waveguide 7, the TM mode light 8 and the TE mode light 9 may be formed by patterning a waveguide.

なお、両モード光の偏光分離角11の大きさは約1.7度
となる。
The magnitude of the polarization separation angle 11 of both modes of light is about 1.7 degrees.

次に第2図は入射導波路7を通って伝播してきた入射
光をこれと平行なTMモード光8とTEモード光9に分離す
る方法を示すもので、入射光に対し全反射条件を満たす
ように形成したエッチング溝12と、この全反射面での反
射により分離されたTMモード光8とTEモード光9を全反
射させるエッチング溝13を平行に設ければよい。
Next, FIG. 2 shows a method of separating the incident light propagating through the incident waveguide 7 into TM mode light 8 and TE mode light 9 which are parallel to the incident light. The etching groove 12 thus formed and the etching groove 13 for totally reflecting the TM mode light 8 and the TE mode light 9 separated by the reflection on the total reflection surface may be provided in parallel.

なお、導波路7はパターン形成に際して第3図
(A),(B)に示すように全反射部6で細くも太くも
パターン形成することができるが、パターン幅を調節し
て全反射面6での光を平面波に近づけておくとTMモード
光8とTEモード光9との分離が完全となり両者のクロス
トークを減らすことができる。
The waveguide 7 can be formed in a thin or thick pattern by the total reflection portion 6 as shown in FIGS. 3A and 3B when the pattern is formed, but the total reflection surface 6 can be adjusted by adjusting the pattern width. If the light in (1) is brought close to a plane wave, the TM mode light 8 and the TE mode light 9 will be completely separated, and the crosstalk between the two can be reduced.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上記したように本発明の実施により偏光分離を安定
に行うことができ、導波路と組合せた偏光分離導波路を
実用化することができる。
As described above, the polarization separation can be stably performed by implementing the present invention, and the polarization separation waveguide combined with the waveguide can be put into practical use.

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

第1図は本発明を説明する平面図(その1) 第2図は本発明を説明する平面図(その2) 第3図は本発明を説明する平面図(その3) 第4図は従来の偏光分離法を説明する斜視図、である。 図において、 1,5はLiNbO3基板、 2は導波路、6は全反射面、 7は入射導波路、8はTMモード光 9はTEモード光、 10,12,13はエッチング溝、 である。1 is a plan view for explaining the present invention (No. 1) FIG. 2 is a plan view for explaining the present invention (No. 2) FIG. 3 is a plan view for explaining the present invention (No. 3) FIG. 4 is conventional FIG. 6 is a perspective view illustrating the polarized light separation method of FIG. In the figure, 1, 5 is a LiNbO 3 substrate, 2 is a waveguide, 6 is a total reflection surface, 7 is an incident waveguide, 8 is TM mode light, 9 is TE mode light, 10, 12 and 13 are etching grooves. .

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】一軸性結晶基板に、前記基板の光学軸と概
ね平行な入力光導波路と、前記光学軸と概ね垂直な2つ
の出力光導波路と、前記入力光導波路及び出力光導波路
に共通の端面を含む全反射部とを設け、 前記入力光導波路を通って該全反射部に入射する光の、
常光及び異常光の反射角に応じた位置に前記出力光導波
路のそれぞれを配置したことを特徴とする偏光分離導波
路。
1. A uniaxial crystal substrate, an input optical waveguide substantially parallel to an optical axis of the substrate, two output optical waveguides substantially perpendicular to the optical axis, and a common input optical waveguide and output optical waveguide. Provided with a total reflection portion including an end face, of the light incident on the total reflection portion through the input optical waveguide,
A polarization splitting waveguide, wherein each of the output optical waveguides is arranged at a position corresponding to the reflection angle of ordinary light and extraordinary light.
【請求項2】前記一軸性結晶基板がニオブ酸リチウムか
らなることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の偏
光分離導波路。
2. The polarization splitting waveguide according to claim 1, wherein the uniaxial crystal substrate is made of lithium niobate.
【請求項3】前記出力導波路は、中途に上記全反射部と
は別の全反射部を有してなり、該出力光導波路の前半部
を通って該別の全反射部に入射する常光及び異常光の反
射角に応じた位置に前記出力光導波路の後半部のそれぞ
れが設けられてなり、 前記入力光導波路及び前記出力光導波路の後半部を概ね
平行に配置したことを特徴とする特許請求の範囲第1項
記載の偏光分離導波路。
3. The output waveguide has a total reflection portion different from the total reflection portion in the middle thereof, and the ordinary light enters the other total reflection portion through the front half of the output optical waveguide. And each of the latter half of the output optical waveguide is provided at a position corresponding to the reflection angle of extraordinary light, and the latter half of the input optical waveguide and the output optical waveguide are arranged substantially in parallel. The polarization splitting waveguide according to claim 1.
【請求項4】前記入力光導波路または前記出力光導波路
のいずれかが、前記全反射部または前記別の全反射部の
近傍で大きさを変えて形成されていることを特徴とする
特許請求の範囲第1項記載の偏光分離導波路。
4. The size of either the input optical waveguide or the output optical waveguide is changed in the vicinity of the total reflection section or the another total reflection section. A polarization splitting waveguide according to claim 1.
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