JP2626216B2

JP2626216B2 - 導波路型光デバイス

Info

Publication number: JP2626216B2
Application number: JP22804390A
Authority: JP
Inventors: 靖久谷澤
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-08-31
Filing date: 1990-08-31
Publication date: 1997-07-02
Anticipated expiration: 2012-07-02
Also published as: JPH04110829A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、導波路型光デバイスに関し、特に、複数の
異なる波長の光に対してスイッチ動作する機能を有する
導波路型光デバイスに関する。

〔従来の技術〕

導波路型光デバイスは、強誘電体や半導体材料から成
る基板中に、光を閉じ込めて導波させるための導波路と
して屈折率の高い部分が形成されており、この導波路の
上部又は近傍に電圧を印加するための電極が形成されて
いる。この電極に外部から電圧を印加することによって
基板中の導波路の屈折率を変化させ、光の位相や強度を
変調したり、あるいは光路を切り換えたりする。

こうした導波路型光デバイスの一例として強誘電体材
料の中で比較的高い電気光学効果を有するニオブ酸リチ
ウム基板（LiNbO₃基板）を用いた光デバイスがある。こ
れは、基板にチタン膜（Ti膜）を成膜し、所望の導波路
パターンにパターニングした後、1000℃前後の高温で数
時間熱拡散して光導波路を形成し、これに二酸化シリコ
ンバッファ層（SiO₂バッファ層）を成膜し、その上面に
金属膜により電極を形成し、これを機能素子とした光デ
バイスである。

こうして作製された光導波路素子はウェハー切断後、
端面研摩されチップ化され、さらに光導波路と光ファイ
バ間が光軸調整、固定された後、筐体に実装され、この
筐体に設けられた信号端子と光導波路素子の電極パッド
間がワイヤボンディングにより接続されている。

第７図（Ａ）、（Ｂ）を用いて光導波路型デバイスの
中でスイッチとして広く用いられる方向性結合型光スイ
ッチについて簡単に動作原理を説明する。第７図
（Ａ）、（Ｂ）に示すように、上述の方法を用いてLiNb
O₃導波路基板１に一定の長さで近接した部分を有する２
本の光導波路２を形成し、この２本の光導波路２の上部
にSiO₂バッファ層３を介して金属膜から成る電極４が形
成されている。この電極４に電圧が印加されていない状
態では２本の近接した光導波路２間でモード結合が起こ
り、光導波路２のポート2aから入力された光は光導波路
２のポート2bへ移行する。近接部分の長さを光導波路２
の作製条件に応じて適当に選択すると光導波路２のポー
ト2aからの光はほぼ100％光導波路２のポート2bへ移行
させることができる（この場合の近接部の長さは「完全
結合長」と呼ばれる）。一方、光導波路２の上部に設け
られた２本の電極４の片方をグランドにし、他方に電圧
を印加すると、第７図（Ｂ）に示すように、基板１中の
光導波路２に縦方向に電界が発生し、LiNbO₃導波路基板
１の持つ電気光学効果により光導波路２の屈折率が変化
し、２本の光導波路２間の結合状態が変化する。したが
って、印加電圧を適当な電圧値に設定すると光導波路２
のポート2aから入力した光をそのまま光導波路２のポー
ト2aから出力させることができる。このようにして光導
波路２を用いてスイッチング機能を実現できる。

この導波路型光デバイスは上述したスイッチング機能
を基板上に集積できることから、光交換システム用マト
リクス光スイッチやOTDR用の光路切換え用光スイッチと
して開発が進められてきている。また、光を高速に変調
することができるので大容量光通信用の外部変調器とし
ても実用化が期待されている。

こうした導波路型光デバイスでは上述のような従来の
光デバイスにはない優れた性能がある反面、入力光の偏
光状態によって動作状態が変化し一定でないという問題
があり、切換え動作を行うスイッチにおいては実用化を
図る上で大きな課題であった。この問題を解決する方法
の１つとして、特許第63−023189（光導波路スイッチ）
（以下、資料１という）やS62年電子情報通信学会半導
体、材料部門全国大会354（以下、資料２という）にあ
るように、方向性結合型スイッチでTi膜厚を所望の厚さ
に成膜し、拡散後のLiNbO₃導波路基板中のTi濃度を制御
して入力光のTEモード成分とTMモード成分に対して、完
全結合長を一致させて偏光状態に依存しない一定の動作
を得る方法があり、波長1.3μｍ用の光スイッチはすで
に開発され上述の学会等で報告されている。

一方、光通信分野では光ファイバの伝送損失が少ない
こと等のメリットから波長1.55μｍ帯での通信の研究、
開発も近年盛んに行われており、これに伴って導波路型
光デバイスも1.55μｍ用のスイッチや変調器の必要性が
生じている。この波長帯でも上述のTi膜厚と制御し、TE
/TMモードの完全結合長を一致させて偏光無依存化を達
成できることが原理的に可能である。しかしながら、波
長が違うと同じ基板中のTi濃度に対しても光の閉じ込め
条件が異なり、TE/TM両モードの完全結合長一致条件（T
i膜）が異なってしまう。

そこで、従来はこうした異なる波長に対しては、第８
図に示すように、使用波長毎にTi膜厚及び光導波路幅を
変えて対応していた。例えば、従来は1.3μｍの光に対
しては資料１にあるように光導波路幅９μｍ、光導波路
間ギャップ９μｍのパターンでTi膜厚470Å、Ti拡散温
度1050℃、時間8hrでTE/TM両モードの完全結合長19mmを
得ていた。一方、1.55μｍの波長の光では光導波路幅10
μｍ、ギャップ８μｍのパターン、Ti膜厚500ÅでTE/TM
両モードの完全結合長20μｍを得ていた。なお、拡散条
件は1.3μｍと同じである。

これらの偏光無依存性の導波路型光デバイスのアプリ
ケーションの一つとしてS63電子情報通信学会春季全国
大会Ｃ−490にあるようにOTDR用Ｏ−スイッチがある。
これも上述のようにLiNbO₃基板に拡散するTi膜厚を制御
して偏光無依存化を実現している。光計測用として用い
るOTDRでも光通信分野での使用波長の拡大から1.3μｍ
用と1.55μｍ用が必要とされており、これに対応するた
め第９図（Ａ）、（Ｂ）に示した構成を基本とし、第10
図に示すように、これら各波長λ_１、λ_２に対応する二
台の独立した従来の導波路型光スイッチ５を２つの波長
λ_１、λ_２を分波する光分波器６で接続して用いてい
る。なお、導波波路型光スイッチ５の導波路基板１の左
端側には入力光ファイバ７が接続されており、導波路型
光スイッチ５の導波路基板１の右端側には第１の出力光
ファイバ８又は第２の出力光ファイバ９が接続されてい
る。また、第１の出力光ファイバ８の右端側には第１の
APD10が接続されており、かつ第２の出力光ファイバ９
の右端側には第２のAPD11が接続されている。さらに、
光分波器６の左端側には被測定光ファイバ12が接続され
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかるに、上述したように従来の偏光無依存型の方向
性結合型スイッチは、異なった複数の波長の光に対して
は偏光無依存となるTi膜厚条件が違っていたため、同一
基板上に複数の光スイッチを形成することが困難であっ
た。このため、例えばOTDR等の複数の波長の光に対し
て、切換え機能を満たすためには各使用波長毎に個別の
導波路基板１を用意して方向性結合型光スイッチを作製
しなければならず、したがって集積小型化できず、製造
コストが低減できない等の欠点があった。

本発明の目的は上述した欠点に鑑みなされたもので、
小型化、低価格化を実現できる導波路型光デバイスを提
供するにある。

〔課題を解決するための手段及び作用〕

本発明の導波路型光デバイスは、複数の異なる波長の
光に対して切換え動作が可能であり、例えば２つの異な
る波長の光を使用する場合は、第１の波長λ_１の光に対
して動作する第１の方向性結合型スイッチと第２の波長
λ_２の光に対して動作する第２の方向性結合型スイッチ
が導波路基板上に並列に配置されており、２つの各方向
性結合型スイッチは波長λ_１、λ_２を分離する素子が同
じ導波路基板上にあり、この素子を介して接続されてい
ることを特徴としている。特に、それぞれの方向性結合
型スイッチの結合部の光導波路幅が使用する波長に対し
て異なっており、２つの波長λ_１、λ_２に対して動作す
る方向性結合型スイッチの光導波路幅をそれぞれW₁、W₂
とすると、 0.9×λ₁/λ_２≦W₁/W₂≦1.1×λ₁/λ_２の関係を満たしていることを特徴としている。

上述の構成をもつことにより、LiNbO₃等の強誘電帯基
板にTiを所望の濃度に基板内に拡散し、TE/TM両モード
の完全結合長を一致させて作製する偏光無依存型の方向
性結合型スイッチにおいて、複数の異なった波長の光に
対して独立に動作するスイッチを同一の基板上に作製す
ることが可能となる。

さらに、上述のそれぞれの波長に対して動作する２つ
の方向性結合型スイッチを接続する波長分離素子を実現
する手段の一つとして、本発明では方向性結合器を用い
たことを特徴としている。また、類似の手段でさらに特
性を劣化させず効率よく波長を分離する手段として方向
性結合型スイッチを用いることも可能である。

本発明の導波路型光デバイスの実現のための基本原理
を光通信で一般に用いられている波長1.3μｍと1.55μ
ｍの場合について簡単に述べる。

まず最初に、同一基板上に異なる波長の光に対して入
射光の偏光状態に依存しないで動作可能な偏光無依存型
のスイッチ実現の原理を述べ、次に、光の波長によって
光路を切換え、所望のスイッチに光を導波させる波長分
離機能をもつ素子の原理について述べる。第４図（Ａ）
は波長1.3μｍの光に対して方向性結合型スイッチの結
合部の導波路幅とギャップを変えて拡散前のTi膜厚を変
化させたときのTE/TMそれぞれの偏光の完全結合長を実
験により求めた結果である。同図（Ｂ）は波長1.55μｍ
の光に対する同様の実験結果である。なお、拡散条件は
いずれも1050℃、８時間である。第４図（Ａ）からわか
るように1.3μｍの光では光導波路幅９μｍのスイッチ
に対してはTi膜厚450Åで、ギャップに関係なくTE/TM両
モードの完全結合長Lcは一致し、その長さはギャップに
応じて変化し９μｍではLc＝18mm、８μｍでは13mm、７
μｍでは8mmとなる。一方、同じギャップに対しては、
光導波路幅を変えると完全結合長は変わらないが、TE/T
M両モードが一致するTi膜厚条件は変化し、光導波路幅
を10μｍとすると、所望のTi膜厚は420Å、８μｍとす
ると480Åとなる。このようにTE/TM両モードを一致させ
るTi膜厚条件は光導波路幅を変えることにより調整でき
る。ところが、上述の光導波路幅よりも狭いとTi膜厚を
厚くしてもTEモードの閉じ込めが弱くなり、導波損失が
増大する。また、逆に光導波路幅を広くしTi膜厚を薄く
すると、基板中のTiの濃度分布が横広がりとなり、光フ
ァイバとの結合損失が増大するので上述の条件よりはず
れて光導波路幅とTi膜厚を設定することは困難である。
これは第５図の斜線で示された有効領域に相当する。

一方、第４図（Ｂ）に示されるように1.55μｍの光に
対しては、ギャップを9.5μｍに固定すると光導波路幅1
3μｍでは約420Åで、11.5μｍでは約450Åで、光導波
路幅10μｍでは約480Åで、それぞれTE/TM両モードの完
全結合長を一致させるTi膜厚条件を得ることができる。
第５図はこれら光導波路幅とTE/TM両モードの完全結合
長を一致させるTi膜厚条件との関係を両波長λ_１＝1.3
μｍとλ_２＝1.55μｍの光に対してグラフ化したもので
ある。斜線で示された有効領域内では光導波路幅をそれ
ぞれの波長に対し適当に選択すると、おなじTi膜厚でTE
/TM両モードの完全結合長一致条件を見いだすことがで
きる。また、その時の波長λ_１、λ_２の関係は、 0.9×λ₁/λ_２≦W₁/W₂≦1.1×λ₁/λ_２を常に満たしている。

次に、２つの異なる波長を分離する波長フィルタの原
理について説明する。これを実現する手段に、例えば、
波長1.3μｍの光に対してはクロス状態となり、波長1.5
5μｍの光に対してはバー状態となるような方向性結合
器を形成し、これと上述の２つの方向性結合型スイッチ
を接続する方法がある。ところが、この方法であると実
際には1.3μｍの光に対してTE/TM両モードでクロス状態
となり、しかも1.55μｍの光に対してはバー状態となる
ような条件は第４図（Ａ）、（Ｂ）からもわかるように
存在せず、この方法を用いると、偏光依存性が劣化して
しまう。

そこで、各入射光の波長に対して波長分離による偏光
依存性の劣化を抑える方法として、波長フィルタにも方
向性結合型スイッチを用いる方法がある。これは、上述
の波長λ_１、λ_２の光を例に説明すると、第４図（Ａ）
に示される結合部の光導波路幅10μｍ、ギャップ９μｍ
で方向性結合型スイッチを構成する。Ti膜厚420Å、拡
散条件を上記と同じ1050℃、８時間にすると、λ_１＝1.
3μｍの光に対してはTE/TM両モードの完全結合長は18mm
で一致し、結合部の長さをこれと同じ18mmに設計してお
けば、1.3μｍの光に対してはクロス状態を得ることが
できる。

このとき1.55μｍの光は第４図（Ｂ）からわかるよう
に，この条件では閉じ込めがかなり弱く、TE/TM各モー
ドの完全結合長はそれぞれ15mmと13mmとなる。これを第
８図に示すスイッチングチャート上でみると、電圧無印
加状態（縦軸上）ではλ_１＝1.3μｍの光はTE/TM両モー
ドともクロス状態にあり、λ_２＝1.55μｍの光はクロス
状態を越え、再びもとのバー状態に近い状態にあること
がわかる。

但し、ここでλ_２の波長に対してはTE/TM両モードの
結合長が一致しておらず、TMモードの方がよりバーに近
い状態にある。この状態で電圧を印加すると、TEモード
もTMモードもクロス状態にあるよりも低い電圧でバー状
態となる。これを表したのが第６図であり、この方向性
結合型スイッチによって波長を分離するにはλ_１＝1.3
μｍの光に対しては電圧を印加しない状態にし、λ_２＝
1.55μｍの光に対しては第６図に示すように電圧を12V
印加し、TE/TM両モードを同時に完全なバー状態にすれ
ばよい。

このように、本発明の構成を用いると異なる波長の光
に対して動作する偏光無依存性の導波路型光デバイスを
同一基板上に形成することができる。

〔実施例〕

次に本発明の実施例について図面を用いて説明する。

第１図は本発明に係る導波路型光デバイスの一実施例
を示す平面図を示しており、これはλ_１＝1.3μｍとλ
_２＝1.55μｍの２波長で測定が可能な二波型OTDRに用い
られる導波路型スイッチである。LiNbO₃導波路基板10に
は波長λ_１の光に対して動作する第１のスイッチエレメ
ント11と第２のスイッチエレメント12が消光比を大きく
するため直列に配置接続されている。一方これらと平行
な位置に入出力部を別にして波長λ_２に対して動作する
第３のスイッチエレメント13と第４のスイッチエレメン
ト14が同様に直列に配置接続されている。

OTDRに用いる光スイッチは上述したように入射光の偏
光状態に依存しない偏光無依存型である必要がある。本
実施例ではλ_１＝1.3μｍの光に対して動作する第４の
スイッチエレメント14の光導波路幅は10μｍ、ギャップ
は９μｍとし、λ_２＝1.55μｍの光に対して動作する第
２および第３のスイッチエレメント12、13の光導波路幅
は13μｍ、ギャップは８μｍとした。また、λ_１、λ_２
を分離する波長フィルタの機能をもつ方向性結合型スイ
ッチである第１のスイッチエレメント11の光導波路幅、
ギャップはそれぞれ第４のスイッチエレメント14と同じ
10μｍ、９μｍとした。

Ti膜厚を420Å、拡散条件を1050℃、８時間として作
製したところ、λ_１＝1.3μｍのスイッチでは完全結合
長がTE/TM両モードに対して18mmで一致し、同時にλ_２
＝1.55μｍのスイッチでは15mmで一致した。又、波長フ
ィルタによりλ_１＝1.3μｍの光は電圧無印加状態で第
４のスイッチエレメント14に、λ_２＝1.55μｍの光は電
圧を約12V印加することで第２のスイッチエレメント12
にそれぞれ偏光依存性を劣化させることなく分離される
ことを確認した。

この方向性結合型スイッチに電圧を印加したときのス
イッチング特性を第３図に示す。1.3μｍ用のスイッチ
では約20.5Vの印加電圧でTE/TM両モードが同時に切換わ
り、1.55μｍのスイッチでは約24.5Vの印加電圧で上記
の状態を得ることができる。ここで上述したように完全
結合長はギャップにより可変であり、例えば1.3μｍ用
のスイッチに対してギャップを挟めて完全結合長を短く
すれば、スイッチング電圧を上昇させ1.55μｍ用のスイ
ッチと同電圧とすることも可能である。

本スイッチを実際に使用する場合は、λ_１＝1.3μｍ
の光に対して光をONにするときは第１および第４のスイ
ッチエレメント11、14を電圧無印加状態にし、OFF状態
とするときは両スイッチエレメント11、14に同時に21V
を印加する。一方、λ_２＝1.55μｍの光に対して光をON
にするときは第１のスイッチエレメント11には12Vの電
圧を印加し、第２及び第３のスイッチエレメント12、13
は電圧無印加とする。OFF状態にするときは第１のスイ
ッチエレメント11は電圧無印加とし、第２及び第３のス
イッチエレメント12、13には21Vの電圧を印加すればよ
い。なお、1.3μｍの光に対しては光をOFF状態にする場
合、第１のスイッチエレメント11も消光比の向上に寄与
しているためである。

本実施例では実際にOTDRの装置に実装するため導波路
基板10の両端面を研摩し、入力側には波長1.3μｍの光
に対応する第１の入力光ファイバと波長1.55μｍの光に
対応する第２の光ファイバを配列した入力光ファイバア
レー15が光軸固定されている。同様に出力側には波長1.
3μｍに対応する第１の出力光ファイバ16と波長1.55μ
ｍに対応する第２の出力光ファイバ17が出力光ファイバ
アレー18に配置され、導波路基板10の端面に光軸固定さ
れている。

第２図は本発明の上記の導波路型光スイッチを二波型
OTDR装置に組み入れた構成を示している。２つの波長λ
_１＝1.3μｍとλ_２＝1.5μｍの光はそれぞれ測定に応じ
て各LDから被測定光ファイバ19に出射され、その戻り光
は光分波器で各波長λ_１、λ_２に分波され、入力光ファ
イバ20、導波路型光スイッチ21を経て波長λ_１の光は第
１の出力光ファイバ22を介して第１のAPD23に、λ_２の
光は第２の出力光ファイバ24を介して第２のAPD25に結
合する。被測定光ファイバ19の接続部や破断点からの反
射光は本発明の導波路型光スイッチ21で両波長の光に対
して共通に光を遮断し、APDの飽和による測定不能領域
の増大を回避する。

このように本発明の導波路型光デバイスを用いると、
異なる複数の波長の光を扱う場合にも同一の基板上に同
じ機能を有するデバイスを構成できるので、第９図に示
す従来の光デバイスと違い、装置自体の小型化、低価格
化を図ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、１つの波長の光に対し
てスイッチ動作する機能をもつスイッチエレメントを複
数個、入出力部を個別にして並列に同一基板上に形成す
る構成としたことにより、複数の異なる波長の光を独立
にスイッチ動作させることができる。これにより、例え
ばOTDR等光計測器で従来異なる波長の光をスイッチさせ
るために複数のスイッチモジュールを必要としていたの
が、１つのスイッチに集約でき、装置の低価格化、小型
化を実現することができるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る導波路型光デバイスの一実施例を
示す平面図、第２図は本発明の導波路型デバイスをOTDR
に適用したときの構成図、第３図は第１図に示した本発
明の導波路型光デバイスの各波長λ_１、λ_２についての
スイッチング特性を示す図、第４図（Ａ）、（Ｂ）は波
長λ_１＝1.3μｍ、λ_２＝1.55μｍそれぞれのTi膜厚
（拡散前）のTE/TM両モードの完全結合長の関係を示す
図、第５図は方向性結合型光スイッチの導波路幅とTE/T
M両モードの完全結合長が一致するTi膜厚との関係を示
す図、第６図は第１のスイッチングエレメントにおける
1.3μｍ、1.55μｍの２つの波長の光スイッチング特性
を示す図、第７図（Ａ）、（Ｂ）は方向性結合型スイッ
チの平面図と結合部のＢ−Ｂ線断面図、第８図はΔβ同
相駆動タイプの1.3μｍと1.55μｍのそれぞれの波長の
光スイッチングチャート、第９図（Ａ）、（Ｂ）は従来
の導波路型光デバイスの平面図、第10図は従来の導波路
型光デバイスをOTDRに適用したときの構成図である。 10……導波路基板、 11……第１のスイッチエレメント、 12……第２のスイッチエレメント、 13……第３のスイッチエレメント、 14……第４のスイッチエレメント、 15……入力光ファイバアレー、 16……第１の出力光ファイバ、 17……第２の出力光ファイバ、 18……出力光ファイバ、 20……入力光ファイバ、 21……導波路型光スイッチ、 22……第１の出力光ファイバ、 24……第２の出力光ファイバ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板中に光導波路が方向性結合型パターン
に形成されると共にこの光導波路の上部に電極が形成さ
れ、２つの異なる波長の光に対して光を切り換える機能
を有する導波路型光デバイスにおいて、第１の波長λ_１
に対して動作する第１の方向性結合型スイッチと第２の
波長λ_２に対して動作する第２の方向性結合型スイッチ
を有し、この第１と第２の方向性結合型スイッチが前記
基板上に形成された第１の波長の光と第２の波長の光を
分離する素子を介して接続されていることを特徴とする
導波路型光デバイス。
【請求項２】前記第１の方向性結合型スイッチの結合部
の光導波路幅W₁と、前記第２の方向性結合型スイッチの
結合部の光導波路の幅W₂が、 0.9×λ₁/λ_２≦W₁/W₂≦1.1×λ₁/λ_２を満たすことを特徴とする請求項１記載の導波路型光デ
バイス。
【請求項３】前記第１の方向性結合型スイッチと前記第
２の方向性結合型スイッチを接続し、前記第１と第２の
波長の光を分離する素子が前記基板上に形成された方向
性結合型の波長フィルタであることを特徴とする請求項
２記載の導波路型光デバイス。
【請求項４】前記第１の方向性結合型スイッチと前記第
２の方向性結合型スイッチを接続し、前記第１と第２の
波長の光を分離する素子が方向性結合型スイッチである
ことを特徴とする請求項２記載の導波型光デバイス。
【請求項５】前記第１と第２の波長の光を分離する方向
性結合型スイッチの結合部の光導波路幅が第１と第２の
波長の短い波長の光に対して動作する方向性結合器の結
合部の光導波路幅に一致していることを特徴とする請求
項４記載の導波路型光デバイス。