JP2615022B2 - 光導波路及びその製造方法 - Google Patents

光導波路及びその製造方法

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JP2615022B2 JP61219676A JP21967686A JP2615022B2 JP 2615022 B2 JP2615022 B2 JP 2615022B2 JP 61219676 A JP61219676 A JP 61219676A JP 21967686 A JP21967686 A JP 21967686A JP 2615022 B2 JP2615022 B2 JP 2615022B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は、異質の材質からなり、異なる機能を有する
複数の光導波路をその導波路端で各々密着させることに
より、複数の機能を有する光導波路を1つの素子で実現
し、また上記密着を1枚の平板上で行う光導波路デバイ
スとその製造方法を与えるものである。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、複数の機能を1つの素子で実現することの
できる光導波路デバイスとその製造方法に関する。
〔従来の技術〕
光ファイバ技術の発達に伴って、光を処理する光回
路、特に光中継器等の光装置中に用いる光変調器、光ア
イソレータなどの光回路が急速に開発されつつある。
光回路に用いられる素子としては、従来、波長板など
があった。例えば光変調器は、入射光を様々な偏波に変
換する必要があるが、従来は1/2波長板と1/4波長板を組
み合わせ、それらを機械的に回転させて所望の偏波を得
ていた。その他、波長板は多くの光変換素子に応用され
てきた。
しかし、光のもつ多くの特徴を電気回路に代わって最
大限に発揮させるためには、光回路も電気回路と同様に
小型化、安定化が望まれており、従来の波長板などによ
るものは機械的精度が要求されるという点、または大き
さの点などから不利な問題点をかかえてきた。
これに対して、透明な誘電体の一部に屈折率の高い部
分を形成し、そこを光の導波路として用いる光導波路
は、様々な機能を有する光回路の構成素子として注目を
集めている。例えば、光導波路を光変調器に用いるため
には、透明な誘電体(基板)にニオブ酸リチウム(LiNb
O3)などの電気光学効果を持った結晶を用いる。電気光
学効果を有する結晶に電圧を印加すると、軸方位に沿っ
て屈折率が印加電圧に従って変化し、屈折率が大きくな
る軸方向に偏波面を持つ光成分は遅く進む。この効果に
より、様々な光変調を行うことができる。また、光導波
路は、その他に光回路の分割・結合を行う方向性結合
器、偏光子、薄膜レンズプリズム、フィルタ・反射器、
光偏向器、モード変換素子、光アイソレータなどに応用
され、幅広い機能を発揮している。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかし、上記光回路、特に光変調器などに用いるLiNb
O3などの単結晶基板は異方性が非常に強く、例えば同時
に2つ以上の偏波面で変調を行わせるというような、複
数の機能を1つの素子で実現することは困難であった。
また、複数の機能を同時に実現させようとすると、各機
能を平均的に行わせるために効率が悪くなってしまうと
いう問題点を有していた。
本発明は上記問題点を除くために、異なった機能を有
する複数の光導波路を、その導波路端で各々密着させて
一体化することにより、1つの素子で複数の機能を同時
に実現できる光導波路デバイスと、該光導波路を1枚の
平板上で密着させる光導波路デバイスの製造方法を提供
することを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は上記問題点を解決するために、複数の異質の
光導波路の各端面を互いに密着させ、光を相互に結合さ
せる構成を有する。
特に、光変調回路として用いるために、第1図(a)
に示すように、LiNbO3の単結晶基板1,2にチタンイオン
を熱拡散させて作成された、軸方位11,12の異なる2つ
の光導波路3,4の各結晶端面13,14を接着材19により接着
した構成を有する。
また、上記光導波路を1枚の平板上で密着することに
より1つの光素子を製造する光導波路デバイスの製造方
法を提供する。
〔作用〕
上記手段において、複数の異質の光導波路を密着させ
て一体化することにより、光変調、光変調と方向性結
合、または光アイソレーションなどの複数の機能を1つ
の素子で比較的容易に得ることが可能となる。特に、光
変調用としてLiNbO3を用いた光導波路3,4を、軸方位を
ずらして密着させた場合、電気光学効果などにより各光
導波路3,4毎に異なった偏波面での光変調を可能とし、
素子の大きさも大幅に小型化することが可能となる。
なお、上記各光導波路の密着は、1枚の平板24上で各
光導波路基板20,21の厚さ、及び各光導波路22,23の位置
を揃えて行うことにより実現することができる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例につき詳細に説明を行う。
{光導波路の構成(第1図(a),(b)} 第1図(a)は、本発明による光導波路の構成図であ
る。この実施例においては、直線偏波入射光を任意の偏
波(楕円偏波)に変換する光変調器の構成を示す。ま
ず、大きな特徴は、2つの光導波路3,4がそれらの各光
導波路基板1、2の結晶端面13、14で密着され、相互に
光結合されている点である。各基板1,2は、ニオブ酸リ
チウム(LiNbO3)の単結晶を用い、その表面付近にチタ
ンイオンを熱拡散させることにより、屈折率がわずかに
大きい光導波路3,4が各々形成される。この時、各基板
1,2の各軸方位11,12は互いに45゜の角度をなすように設
定される。そして、各光導波路3,4の両端には電極5と
6、及び7と8が設けられ、各々電源9,10から所定電圧
が印加され、各光導波路3,4内を進行する光の変調を行
う。そして、基板1の端面15から光導波路3に入射した
入射光17は、光導波路3,4で各々異なった変調を受け
て、基板2の端面16から出射される。
次に、第1図(b)は、同図(a)の密着部分の拡大
断面図である。
LiNbO3単結晶基板1,2上に熱拡散されたチタンイオン
は、大きさ(深さ、幅)数μm〜10μm、屈折率2.2程
度の3次元光導波路3,4を形成する。各結晶端面13,14は
精密に研磨され、必要に応じて屈折率2.0程度のZrO2
を用いたARコート(反射防止膜)が蒸着により形成され
る。この厚さは、λ/4n(λ:波長、n:屈折率)となる
ように設定される。各結晶端面13,14は、屈折率1.6程度
のエポキシ系の光学材料用接着材19により接着され、1
μm以下の厚さになるように密着される。前記ARコート
は、光導波路3,4の屈折率(2.2)と接着材19の屈折率
(1.6)の差を補償するためのものである。
{光導波路の製造方法(第2図)} 第2図は、光導波路の作成のようすを示した図であ
る。LiNbO3の単結晶基板20,21上の所定位置には、予め
チタンイオンの熱拡散などにより光導波路22,23が形成
される。この時、同図に示されるように1つの基板上に
複数本の光導波路を形成する場合が多い。次に、各結晶
端面24,25を研磨し、前記のようにARコートなどを施し
た後、1枚の平板26上にのせて、互いに密着させる。こ
の時、各光導波路22,23の高さ、及び横方向の位置が合
うように基板20,21の厚さなどを合わせておく。
{光導波路による光変調動作(第3図〜第5図)} 次に、第1図の光導波路による光変調動作につき説明
を行う。今、第1図(a)の基板1の端面15に平行な平
面内で軸方位11と平行な方向の座標を第3図に示すよう
にE1とし、それと垂直な座標をE2とする。ただし、第3
図ではE1の方向は、便宜上垂直方向にとってある。そし
て、同じく基板2の軸方位12と平行な方向の座標を第3
図に示すようにE1′とし、それを垂直な座標をE2′とす
る。ここでは、E1とE1′、E2とE2′は互いに45゜の角度
を有する。
今、第1図(a)の入射光17として、軸方向11と45゜
の角度をなす方向、即ち第4図(a)に示すように、
E1′の方向に直線偏波を有するレーザ光が、光導波路3
に入射したとする。光導波路3には、電極5,6を介して
電源9から電圧が印加されており、軸方位11の方向E1
びそれに垂直な方向E2に沿って屈折率が変化する。ここ
で、第4図(a)の入射光のE1′方向の直線偏波の振幅
をrとすると、E1及びE2方向の成分X,Yは、 と表わせる。但し、ωは入射光の角周波数であり、tは
時間変化成分である。また、位相のオフセットは省略し
てある。今、光導波路3の屈折率が、電圧印加による電
気光学効果によりE1及びE2の方向で変化し、上記各成分
X,Yの伝播速度が変化して位相差が生じたとすると
(1)式は、 となる。この式から時間に関する項ωtを消去して、
E1,E2平面内の軌跡を計算すると(2)式より、 となる。これは楕円の式を表わすが、この軌跡を入射波
(第4図(a))の座標軸E1′,E2′についてみると、E
1′,E2′はE1,E2を時計回りに各々−45゜回軸したもの
であるから、X,Yに対応するE1′,E2′軸上の成分X′,
Y′は1次変換の関係より と表わせ、これにより、 となり、これを(3)式に代入して整理することによ
り、 となる。即ち、第4図(a)の直線偏波で表わされる入
射光17(第1図)は、光導波路3によってE1′,E2′軸
方向に(5)式で表わせるような楕円軌跡を描く偏波に
変換される。そして、電源9(第1図)の電圧を可変す
ることにより、相対位相差(φ−φ)を自由に制御
することができ、(5)式の関係よりE1′,E2′軸方向
の楕円軸A,Bの比率を自由に制御することができる。こ
れにより、光導波路3からの出射光として、第4図
(b)〜(e)に示すような楕円軸A,Bの比率が様々に
異なる楕円偏波を得ることができる。
次に、(5)式で表わされる楕円偏波は、結晶端面1
3,14を介して光導波路4に入射して新たな変調を受け
る。この時、光導波路4の軸方位12はE1′の方向のた
め、E1′,E2′軸に沿って変調を受ける。今、(5)式
の楕円偏波のE1′,E2′軸方向の各成分X′,Y′は、 と表わせる。そして、光導波路4の屈折率が、電源10か
らの電圧印加による電気光学効果によりE1′,E2′の方
向で変化し、光導波路3の場合と同様にして位相差が生
じたとすると(b)式は、 となる。なお、X′の方はcosに変換してあり、それに
よる位相差もαに含めて記述してある。 この式から
ωtを消去して軌跡を計算すると(2)式と同様に、 となる。この式は楕円の式であるが、第1項及び第2項
の分母は前記(5)式と同様であるため、この楕円は
E1′,E2′平面内で楕円率を変えずに回転させたものと
なる。即ち、(5)式の楕円偏波で表わされる光導波路
4への入射項は、ここで電源10によって制御される相対
位相差(α−α)を付加され、楕円率を変えずに
E1′,E2′平面内で回転させた楕円偏波を得ることがで
きる。これにより、例えば光導波路4への入射光が第5
図(a)に示す楕円偏波であれば、光導波路4において
(7)式の相対位相差(α−α)が制御され、第5
図(b)〜(d)に示す様々な楕円偏波を出射光18(第
1図)として得ることができる。
以上のように、光導波路3,4により直線偏波の入射光1
7を楕円率と各軸の傾きを制御して任意の楕円偏波の出
射光18に変調することができる。このような光変調器
は、光検波回路の波形整形部などに直接応用することが
可能である。
{本発明の他の応用例} 上記実施例は、軸方位の異なる結晶質の光導波器を2
つ密着させた光変調器であったが、他にも様々な応用が
可能である。例えば一方を上記変調用の光導波路とし、
他方をガラスなどの非晶質によって構成される光導波路
で光の分割・結合などを行うものとすれば、変調と光の
結合を1つのディバイスで実現できる。また、非晶質ど
うしの光導波路の結合、密着も可能であり、更に変調用
光導波路とYIG(イットリウム鉄ガーネット)などを用
いた光アイソレーション用光導波路との結合、密着も可
能である。
このように異質の光導波路を、その端面で互いに密着
させて一体化することにより、複数の機能を1つのデバ
イスで実現することができる。
なお、このような光導波路は、第2図と同様にして作
成することが可能である。
〔発明の効果〕
本発明によれば、異なる機能を有する複数の光導波路
を、互いに端面が密着するように構成することにより、
複数の機能を有する光導波路を1つの素子で実現するこ
とが可能となり、光回路の小型化、安定化を図ることが
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a),(b)は、本発明による光導波路の構成
図、 第2図は、本発明による光導波路の作成方法の説明図、 第3図は、軸方位に関する座標の説明図、 第4図(a),(b),(c),(d),(e)は、光
導波路3による光変調動作の説明図、 第5図(a),(b),(c),(d)は、光導波路4
による光変調動作の説明図である。 1,2,20,21……LiNbO3単結晶基板、 3,4,22,23……光導波路、 11,12……軸方向、 13,14……結晶端面、 19……接着剤、 26……平板.

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】固体基板の表層部に光導波路が形成された
    光導波路デバイスであって、 略同一平面内にある異なる機能を有する複数の光導波路
    の各端面を互いに密着させることにより各光導波路間で
    光を相互に結合することを特徴とする光導波路デバイ
    ス。
  2. 【請求項2】前記光導波路は、ニオブ酸リチウム(LiNb
    O3)単結晶基板(1、2)にチタンイオンを熱拡散させ
    て作成された軸方位(11、12)の異なる2つの光導波路
    (3、4)の各結晶端面(13、14)が、接着剤(19)に
    より接着されたことを特徴とする特許請求の範囲第1項
    記載の光導波路デバイス。
  3. 【請求項3】前記2つの各光導波路(3、4)の近傍に
    は各々電極(5、6)及び(7、8)が配置され、該各
    光導波路(3、4)の各軸方位(11、12)は相互に45゜
    の角度をなすように配置され、前記各光導波路のうち一
    方の光導波路(3)の端面(15)に入射する直線偏波を
    有する入射光(17)はその偏波方向が該光導波路(3)
    の軸方位(11)に対して45゜の角度をなすように入射さ
    れ、前記各電極(5、6)及び(7、8)に所定電圧を
    印加することにより前記入射光(17)は前記各光導波路
    (3、4)によって任意の直線偏波または円偏波または
    楕円偏波に光変調されることを特徴とする特許請求の範
    囲第2項記載の光導波路デバイス。
  4. 【請求項4】前記光導波路は、単結晶基板上に作成した
    光導波路、またはガラス等の非晶質上に作成した光導波
    路などを組み合わせて密着され、各光導波路毎に光変
    調、光アイソレータ、光スイッチ等の機能を有すること
    を特徴とする特許請求の範囲第1項記載の光導波路デバ
    イス。
  5. 【請求項5】異なる機能を有する複数の光導波路が形成
    されるそれぞれの光導波路基板(20、21)の厚さを揃え
    てその高さを合わせ、該各光導波路基板(20、21)を一
    枚の平板上(26)にのせ各光導波路(22、23)の横方向
    の位置を合わせ、該各光導波路基板の各端面を互いに密
    着させることにより、各光導波路内を伝播する光が相互
    に結合されるように構成することを特徴とする光導波路
    デバイスの製造方法。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7809217B2 (en) 2007-01-23 2010-10-05 Murata Manufacturing Co., Ltd. Light control element

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JPS56101123A (en) * 1980-01-16 1981-08-13 Mitsubishi Electric Corp Optical switch
JPS6016122U (ja) * 1983-07-13 1985-02-02 日本電気株式会社 偏光補償装置

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