JP2692715B2 - 光スイッチ - Google Patents

光スイッチ

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JP2692715B2
JP2692715B2 JP5285291A JP5285291A JP2692715B2 JP 2692715 B2 JP2692715 B2 JP 2692715B2 JP 5285291 A JP5285291 A JP 5285291A JP 5285291 A JP5285291 A JP 5285291A JP 2692715 B2 JP2692715 B2 JP 2692715B2
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健治 河野
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/31Digital deflection, i.e. optical switching
    • G02F1/313Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure
    • G02F1/3132Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure of directional coupler type

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  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、低駆動電圧で作動する
広帯域な光スイッチに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の一般的な光変調器と比較して光変
調帯域を大幅に広帯域化したTi熱拡散LiNbO3
(リチウムナイオベート)光変調器として、図1の平面
図および図2の横断面図に示すようなシールド形速度整
合光変調器がある(河野他:Electron.Let
t.,vol.25,pp.1382−1383,19
89)。この例では、電気光学効果を有するzカットL
iNbO3 基板1にTi熱拡散によりマッハツェンダ形
光導波路2が形成されている。その基板1の上には厚さ
DのSiO2 バッファ層3が形成され、さらにそのバッ
ファ層3の上に中心導体(中心電極)およびアース導体
(アース電極)5から構成されたコプレーナウェーブガ
イド(CPW)形の進行波電極が形成されている。6は
CPW電極4と5の間に接続された終端抵抗、7は電極
4と5に接続され、変調用マイクロ波信号をこれら電極
4および5に供給する給電用同軸線である。さらに、光
導波路2とCPW進行波電極とが相互作用する領域の近
傍において、例えば空気などによる、誘電率の低いオー
バーレイ8を介して、シールド導体9が中心導体4を内
包するようにしてアース導体5に固着されている。な
お、この例では、例えば中心導体4の幅2Wは8μm、
導体4と5とのギャップ2Gは15μm、SiO2バッ
ファ層3の厚みDは1.2μm、進行波電極を構成する
導体4および5の厚みTは4μmとしている。
【0003】変調用マイクロ波信号給電線7から駆動電
力が供給されると、この光変調器では中心導体4とアー
ス導体5との間に電界が加わる。LiNbO3 基板1は
電気光学効果を有するので、この電界により屈折率変化
を生じる。その結果、2本の光導波路2を伝搬する光の
位相にずれが生じる。このずれがπになった場合、マッ
ハツェンダ形光導波路2の合波部で高次モードを励振
し、光はOFF状態となる。
【0004】この光変調器の場合、CPW電極4および
5は進行波電極として構成されているので、CPW電極
を伝搬する変調用マイクロ波信号と光導波路2を伝搬す
る光との間に速度の差がなければ、理想的には光変調帯
域の制限はない。
【0005】しかしながら、実際にはマイクロ波伝搬損
失の他、マイクロ波信号波と光との間の速度の差によっ
て変調帯域が制限される。信号波に対するCPW電極の
マイクロ波実効屈折率をnm 、光に対する光導波路2の
実効屈折率をn0 とすると、3dB光変調帯域Δfは1
/(nm −n0 )に反比例する。但し、この比例関係の
式では、マイクロ波の伝搬損失を無視している。従っ
て、光変調の帯域を拡大するためには、マイクロ波と光
の実効屈折率を近づけること、すなわち、マイクロ波と
光の速度を整合させることが不可欠である。
【0006】そのために、図1および図2の従来例で
は、SiO2 バッファ層3の厚みDを厚くすることによ
り、マイクロ波と光との実効屈折率を近づけている。さ
らに、オーバーレイ8を設けたシールド導体9を用いる
ことにより、そのオーバーレイ8の厚みを厚くしてマイ
クロ波と光との完全な速度整合の実現を図っている。こ
のように、この光変調器は厚いバッファ層3とシールド
導体9を用いてマイクロ波と光との速度整合を図ってお
り、マイクロ波の伝搬損失が低く押えられて大幅な広帯
域化は図られるものの駆動電圧は他の従来のものとほぼ
同じであった。
【0007】そこで、広帯域化と低駆動電圧化の両方を
実現するために、シールド形光変調器にリッジ構造を採
用した図3および図4に示すようなシールド形リッジ光
変調器が提案されている(河野他、光変調素子:特願平
2−22208号)。この例では、図1および図2に示
した構成に加えて、基板1のうちで進行波電極の近傍の
部分の厚さを少なくして少なくとも1本の光導波路2を
基板1に形成された突起部分2Aに配置し、これにより
進行波電極間の近傍におけるバッファ層3の厚さを厚く
し、および光とマイクロ波が相互作用する領域におい
て、進行波電極が基板1に接触しないように進行波電極
4,5と基板1とを配置している。また、少なくとも光
導波路2のうちの少なくとも1本の光導波路2をバッフ
ァ層3を介して中心導体4の真下に配置するとともに、
中心導体4の幅をこの中心導体4の真下に配置された少
なくとも1本の光導波路2に対応する突起部分2Aの幅
にほぼ等しいかあるいはごく僅かに広く定めている。こ
の構造において、10はエッチング加工により基板1上
に掘り込まれたエッチング溝である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図3お
よび図4に示した光変調器は駆動電圧も低く光変調帯域
も十分に広いが、2本の光導波路2間のギャップもエッ
チングしているため、2本の光導波路2間の結合が極め
て疎になるという点があった。従って、この光変調器は
マッハツェンダ形光導波路を用いた強度光変調器や位相
変調器には適用できても、方向性結合器を用いた光スイ
ッチには実際上適用できなかった。
【0009】そこで、本発明の目的は、以上に述べた従
来例および先願例の欠点を解決し、駆動電圧と光変調帯
域の特性を大幅に改善した光スイッチを提供することに
ある。
【0010】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため、本発明は、2本以上の光導波路からなる方向性
結合器を備えた電気光学効果を有する基板を有し、該基
板部分の前記方向性結合器の外側のみがエッチングされ
て薄くなり、該基板のエッチングされた部分の上方には
該基板のエッチングされていない部分の上方に比べて厚
いバッファ層が形成されているとともに、該バッファ層
の上に該基板の前記方向性結合器部分に対して前記光導
波路のほぼ真上の位置に進行波電極が配置されており、
前記2本以上の光導波路間はエッチングされていない
か、もしくはエッチングされていても前記方向性結合器
の外側のエッチング溝の深さと比較して、そのエッチン
グが浅くされていることを特徴とする。
【0011】ここで、前記光導波路を伝搬する光と前記
進行波電極に印加されるマイクロ波とが相互作用する領
域の近傍に、オーバーレイを介してシールド導体を配置
することができる。
【0012】
【作用】本発明では、方向性結合器等の2本の光導波路
のそれぞれの片側のみにエッチング加工を施すので、2
本の光導波路の結合を損なうことなく低駆動電圧化と広
帯域化の両方が図られ、これにより光スイッチを構成で
きる。
【0013】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。
【0014】本発明の第1の実施例の平面図および横断
面図を図5および図6にそれぞれ示す。ここで、図1な
いし図4と同様の個所には同一符号を付す。12は互い
に交わらない2本の方向性結合器形光導波路であり、1
4は非対称コプレーナストリップの中心電極、15は非
対称コプレーナストリップのアース導体である。図6に
示すように、本実施例では、2本の光導波路12のそれ
ぞれの片側のみにエッチング加工を施して、単一の突起
部分12Aを中心電極14とアース導体15間の近傍の
基板1上に形成している。2本の方向性結合器形光導波
路12をこの1個の突起部分12A上に配置し、かつそ
の光導波路12のうちの1本の光導波路12をバッファ
層3を介して上記中心電極14の真下に配置するととも
に、残りの光導波路12をアース導体15の真下に配置
している。なお、中心電極14の幅は光導波路12の幅
と同程度でもよい。このように、本実施例では方向性結
合器の片側のみをエッチングしていて、方向性結合器を
構成する2本の光導波路12,12間をエッチングして
いないので、その光導波路間は互いに結合している。こ
のため、方向性結合器形光スイッチを実現できる。
【0015】本実施例において、そのエッチング溝10
の深さTを変数とした時の駆動電圧(Vπ)と光導波路
の結合長Lの積(Vπ・L)を計算した結果を図7に示
す。図7から、図6に示すような態様でエッチング加工
を行うことにより駆動電圧(Vπ)を低減できることが
わかる。
【0016】また、図8は本実施例においてそのエッチ
ング溝10の深さTを変数とした時のマイクロ波の実効
屈折率nm の計算結果を示している。図8に示すよう
に、図6のエッチング加工を行うことによりマイクロ波
の実効屈折率nm を低減できる。従って、本実施例では
マイクロ波と光との速度不整合が緩和され、光スイッチ
の広帯域化を図ることができる。
【0017】図9および図10は本発明の第2実施例の
平面図と横断面図を示す。本実施例では図5および図6
に示した第1の実施例の構成に加えてシールド導体9を
配置している。すなわち、光導波路12と進行波電極1
4,15とが相互作用する領域の近傍において、例えば
空気などによる、誘電率の低いオーバーレイ8を介し
て、シード導体9を中心電極14を内包するようにして
一端をアース導体15に他端を基板1上のバッファ層3
に固着している。残余部分は第1の実施例と同じであ
る。なお、中心電極14の幅は光導波路12の幅と同程
度でもよい。
【0018】第2の実施例では第1の実施例と同様にエ
ッチング溝10を設けることにより、マイクロ波実効屈
折率を低減しているので、シールド導体9により容易に
マイクロ波と光との速度整合を図ることができる。従っ
て、本実施例によれば低駆動電圧で広帯域の光スイッチ
をより容易に実現することが可能となる。特にこの場
合、エッチング溝10を形成することにより特性インピ
ーダンスを高くできるので、シールド導体9を設けるこ
とによる特性インピーダンスの低下を抑える上で好都合
である。
【0019】上記の第1と第2の実施例では2本の光導
波路間12,12はエッチングされていないが、その2
本の光導波路間がエッチングされた場合でもそのエッチ
ングが方向性結合器の外側のエッチング溝10の深さと
比較してかなり浅ければ、本発明の効果を得ることがで
きるので、このような場合も本発明に包含されることは
明白である。
【0020】なお、進行波電極としては、上述した非対
称コプレーナストリップに限られず、対象コプレーナス
トリップあるいはコプレーナウエーブガイドなどその他
のマイクロ波電極を用いてもよいことは明白である。ま
た、以上の実施例では基板としてzカットのLiNbO
3 基板を用いたが、本発明ではxカットのLiNbO3
基板等のその他の方位の基板、さらには電気光学効果を
有するその他の基板でもよい。
【0021】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、方向
性結合器等の光導波路の片側のみにエッチング加工を施
すことにより、2本の光導波路間にギャップを生じさせ
ないようにしたので2本の光導波路の結合を損なうこと
がなく、これにより低駆動電圧化、広帯域化を図った光
スイッチを実現できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のシールド形速度整合光変調器の平面図で
ある。
【図2】従来のシールド形速度整合光変調器の断面図で
ある。
【図3】先願の実施例であるリッジ構造を有するシール
ド形光変調器の平面図である。
【図4】先願のリッジ構造を有するシールド形光変調器
の平面図である。
【図5】本発明の第1の実施例を示す平面図である。
【図6】本発明の第1の実施例を示す横断面図である。
【図7】本発明の第1の実施例におけるエッチング溝の
深さと駆動電圧との関係を示す図である。
【図8】本発明の第1の実施例におけるエッチング深さ
とマイクロ波実効屈折率の関係を示す図である。
【図9】本発明の第2の実施例を示す平面図である。
【図10】本発明の第2の実施例を示す横断面図であ
る。
【符号の説明】
1 zカットLiNbO3 基板 2 Ti熱拡散光導波路 2A 基板の突起部分 3 SiO2 バッファ層 4 コプレーナウエーブガイドの中心導体 5 コプレーナウエーブガイドのアース導体 6 終端抵抗 7 変調用マイクロ波信号給電線 8 オーバーレイ 9 シールド導体 10 エッチング溝 12 方向性結合器形光導波路 12A 基板の突起部分 14 非対称コプレーナストリップの中心電極 15 非対称コプレーナストリップのアース導体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−288518(JP,A) 特開 平3−196025(JP,A) 特開 平1−201628(JP,A) 特開 平1−232323(JP,A) 特開 昭63−49732(JP,A) 特開 平3−45935(JP,A) 特開 平2−289821(JP,A) 特開 昭64−48021(JP,A) 電子通信学会論文誌,VOL.J69− C NO.10 P.1291−P.1296 (1986) 昭和60年度電子通信学会総合全国大会 講演論文集 第4分冊 P.4−83 IEEE JOUANAL OF Q UANTUM ELECTRONIC S,VOL.QE−22 NO.6 P. 902−P.906 (1986)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】本以上の光導波路からなる方向性結合
    器を備えた電気光学効果を有する基板を有し、該基板部
    分の前記方向性結合器の外側のみがエッチングされて薄
    くなり、該基板のエッチングされた部分の上方には該基
    板のエッチングされていない部分の上方に比べて厚いバ
    ッファ層が形成されているとともに、該バッファ層の上
    に該基板の前記方向性結合器部分に対して前記光導波路
    のほぼ真上の位置に進行波電極が配置されており、前記
    2本以上の光導波路間はエッチングされていないか、も
    しくはエッチングされていても前記方向性結合器の外側
    のエッチング溝の深さと比較して、そのエッチングが浅
    くされていることを特徴とする光スイッチ。
  2. 【請求項2】 前記光導波路を伝搬する光と前記進行波
    電極に印加されるマイクロ波とが相互作用する領域の近
    傍に、オーバーレイを介してシールド導体を配置したこ
    とを特徴とする請求項1に記載の光スイッチ。
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IEEE JOUANAL OF QUANTUM ELECTRONICS,VOL.QE−22 NO.6 P.902−P.906 (1986)
昭和60年度電子通信学会総合全国大会講演論文集 第4分冊 P.4−83
電子通信学会論文誌,VOL.J69−C NO.10 P.1291−P.1296 (1986)

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