JP2912039B2 - 光制御デバイス - Google Patents
光制御デバイスInfo
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- JP2912039B2 JP2912039B2 JP3043145A JP4314591A JP2912039B2 JP 2912039 B2 JP2912039 B2 JP 2912039B2 JP 3043145 A JP3043145 A JP 3043145A JP 4314591 A JP4314591 A JP 4314591A JP 2912039 B2 JP2912039 B2 JP 2912039B2
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- light
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL 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
- G02F1/00—Devices 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
- G02F1/29—Devices 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
- G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching
- G02F1/313—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure
- G02F1/3132—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure of directional coupler type
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光波の変調、光路切り換
えなどを行う光制御デバイスに関し、特に基板中に設け
た光導波路を用いて制御を行う導波路型の光制御デバイ
スに関する。
えなどを行う光制御デバイスに関し、特に基板中に設け
た光導波路を用いて制御を行う導波路型の光制御デバイ
スに関する。
【０００２】
【従来の技術】光通信システムの実用化が進むにつれ、
さらに大容量や多機能を持つ高度のシステムが求められ
ており、より高度の光信号の発生や光伝送路の切り替
え、交換などの新たな機能の付加が必要とされている。
現在の実用システムでは光信号は直接半導体レーザや発
光ダイオードの注入電流を変調することによって得られ
ているが、直接変調では緩和振動などの効果のため１０
ＧＨｚ前後以上の高速変調が難しいこと、波長変動が発
生するためコヒーレント光伝送方式には適用が難しいな
どの欠点がある。これを解決する手段としては、外部変
調器を使用する方法があり、特に基板中に形成した光導
波路により構成した導波路型の光変調器は、小型、高効
率、高速という特長がある。一方、光伝送路の切り替え
やネットワークの交換機能を得る手段としては光スイッ
チが使用される。現在実用されている光スイッチは、プ
リズム、ミラー、ファイバーなどを機械的に移動させる
ものであり、低速であること、信頼性が不十分であるこ
と、単体での寸法が大きくマトリックス化に不適である
こと等の欠点がある。これを解決する手段として開発が
進められているものはやはり光導波路を用いた導波路型
の光スイッチであり、高速、多素子の集積化が可能、高
信頼等の特長がある。特にニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ
Ｏ3 ）結晶等の強誘電体材料を用いたものは、光吸収が
小さく低損失であること、大きな電気光学効果を有して
いるため高効率である等の特長があり、従来からも方向
性結合器型光変調器・スイッチ、全反射型光スイッチ、
マッハツエンダ型光変調器等の種々の方式の光制御素子
が報告されている。
さらに大容量や多機能を持つ高度のシステムが求められ
ており、より高度の光信号の発生や光伝送路の切り替
え、交換などの新たな機能の付加が必要とされている。
現在の実用システムでは光信号は直接半導体レーザや発
光ダイオードの注入電流を変調することによって得られ
ているが、直接変調では緩和振動などの効果のため１０
ＧＨｚ前後以上の高速変調が難しいこと、波長変動が発
生するためコヒーレント光伝送方式には適用が難しいな
どの欠点がある。これを解決する手段としては、外部変
調器を使用する方法があり、特に基板中に形成した光導
波路により構成した導波路型の光変調器は、小型、高効
率、高速という特長がある。一方、光伝送路の切り替え
やネットワークの交換機能を得る手段としては光スイッ
チが使用される。現在実用されている光スイッチは、プ
リズム、ミラー、ファイバーなどを機械的に移動させる
ものであり、低速であること、信頼性が不十分であるこ
と、単体での寸法が大きくマトリックス化に不適である
こと等の欠点がある。これを解決する手段として開発が
進められているものはやはり光導波路を用いた導波路型
の光スイッチであり、高速、多素子の集積化が可能、高
信頼等の特長がある。特にニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ
Ｏ3 ）結晶等の強誘電体材料を用いたものは、光吸収が
小さく低損失であること、大きな電気光学効果を有して
いるため高効率である等の特長があり、従来からも方向
性結合器型光変調器・スイッチ、全反射型光スイッチ、
マッハツエンダ型光変調器等の種々の方式の光制御素子
が報告されている。
【０００３】図４に従来の光制御デバイスの一例として
方向性結合器型光スイッチの平面図（ａ）及び断面図
（ｂ）を示す。図４（ａ）においてＺ軸に垂直に切り出
したニオブ酸リチウム結晶基板１の上にチタンを拡散し
て屈折率を基板よりも大きくして形成した帯状の光導波
路２及び３が形成されており、光導波路２及び３は基板
の中央部で互いに数μｍ程度まで近接し、方向性結合器
４を形成している。また、方向性結合器４を構成する光
導波路上には電極による光吸収を防ぐためのバッファ層
６を介して制御電極５が形成されている。図４（ｂ）は
方向性結合器４の部分の光導波路２、３に垂直な断面図
を示している。
方向性結合器型光スイッチの平面図（ａ）及び断面図
（ｂ）を示す。図４（ａ）においてＺ軸に垂直に切り出
したニオブ酸リチウム結晶基板１の上にチタンを拡散し
て屈折率を基板よりも大きくして形成した帯状の光導波
路２及び３が形成されており、光導波路２及び３は基板
の中央部で互いに数μｍ程度まで近接し、方向性結合器
４を形成している。また、方向性結合器４を構成する光
導波路上には電極による光吸収を防ぐためのバッファ層
６を介して制御電極５が形成されている。図４（ｂ）は
方向性結合器４の部分の光導波路２、３に垂直な断面図
を示している。
【０００４】図４において、光導波路２に入射した入射
光７は方向性結合器４の部分を伝搬するにしたがって近
接した光導波路３へ徐々に光エネルギーが移り、方向性
結合器４を通過後は光導波路３にほぼ１００％エネルギ
ーが移って出射光８となる。一方、制御電極５に電圧を
印加した場合、電気光学効果により制御電極下の光導波
路の屈折率が変化し、光導波路２と３を伝搬する導波モ
ードの間に位相速度の不整合が生じ、両者の間の結合状
態は変化する。
光７は方向性結合器４の部分を伝搬するにしたがって近
接した光導波路３へ徐々に光エネルギーが移り、方向性
結合器４を通過後は光導波路３にほぼ１００％エネルギ
ーが移って出射光８となる。一方、制御電極５に電圧を
印加した場合、電気光学効果により制御電極下の光導波
路の屈折率が変化し、光導波路２と３を伝搬する導波モ
ードの間に位相速度の不整合が生じ、両者の間の結合状
態は変化する。
【０００５】制御電圧と光出力の関係を図５に示す。図
中、曲線１２は出射光８の光出力を示し、曲線１３は出
射光９の光出力を示す。制御電圧が上昇するにしたがっ
て、光導波路２から３への光エネルギーの移行量は減少
し、ある電圧値Ｖｓでは、入射光７は方向性結合器４を
通過後に光エネルギーの１００％が光導波路２に戻って
しまう状態になる。すなわち、制御電極５への制御電圧
の有無によって、入射光７は光導波路２からの出射光９
または光導波路３からの出射光８となる。
中、曲線１２は出射光８の光出力を示し、曲線１３は出
射光９の光出力を示す。制御電圧が上昇するにしたがっ
て、光導波路２から３への光エネルギーの移行量は減少
し、ある電圧値Ｖｓでは、入射光７は方向性結合器４を
通過後に光エネルギーの１００％が光導波路２に戻って
しまう状態になる。すなわち、制御電極５への制御電圧
の有無によって、入射光７は光導波路２からの出射光９
または光導波路３からの出射光８となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４に
示すような従来の光スイッチでは、ＤＣ電圧印加により
結晶中の電荷が結晶や膜の界面に局部的に蓄積されて光
波に作用する電界強度が変化する現象即ちＤＣドリフト
が生じやすく、デバイスの安定性に課題があった。
示すような従来の光スイッチでは、ＤＣ電圧印加により
結晶中の電荷が結晶や膜の界面に局部的に蓄積されて光
波に作用する電界強度が変化する現象即ちＤＣドリフト
が生じやすく、デバイスの安定性に課題があった。
【０００７】本発明の目的は、上述の従来の光制御デバ
イスの課題を除き、特性が長期に渡って安定な光制御デ
バイスを提供することにある。
イスの課題を除き、特性が長期に渡って安定な光制御デ
バイスを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明による光制御デバ
イスは、電気光学効果を有する誘電体結晶基板上に、互
いに近接した２本の光導波路とその近傍に設置された制
御用電極とからなる方向性結合器型光制御デバイスにお
いて、上記方向性結合器は、制御用電極がそれぞれの光
導波路に対して分割されることなく設けられた一様Δβ
型であり、上記２本の光導波路の間に該光制御デバイス
の制御に必要な伝搬定数差の半分に相当する伝搬定数の
差が設けられていることを特徴とする光制御デバイスで
ある。
イスは、電気光学効果を有する誘電体結晶基板上に、互
いに近接した２本の光導波路とその近傍に設置された制
御用電極とからなる方向性結合器型光制御デバイスにお
いて、上記方向性結合器は、制御用電極がそれぞれの光
導波路に対して分割されることなく設けられた一様Δβ
型であり、上記２本の光導波路の間に該光制御デバイス
の制御に必要な伝搬定数差の半分に相当する伝搬定数の
差が設けられていることを特徴とする光制御デバイスで
ある。
【０００９】
【作用】本発明の光制御デバイスは、２本の導波路の間
に該光制御デバイスの制御に必要な伝搬定数差の半分に
相当する伝搬定数の差が予め設けられている。例えば光
スイッチの場合、どちらかの光導波路からの出射光の強
度を最小から最大または最大から最小にするのに必要な
電圧即ちスイッチング電圧Ｖｓの半分に相当する伝搬定
数差が設けられている。従って、本発明による光スイッ
チの制御電圧と光出力８、９の関係は図３の曲線１０、
１１に示す様になり、光出力を最大から最小または最小
から最大にするには、制御電圧を−Ｖｓ／２からＶｓ／
２またはＶｓ／２から−Ｖｓ／２に変化させればよい。
一方、従来の光スイッチの制御電圧と光出力の関係は図
５の様になり、光出力を最大から最小または最小から最
大にするには、制御電圧を０からＶｓまたはＶｓから０
に変化させる必要がある。スイッチング電圧のデューテ
ィ比が０．５の場合、本発明による光スイッチは制御電
圧のＤＣ成分が零になるのでＤＣドリフトが発生しない
が、従来の光スイッチではＤＣ成分がＶｓ／２となりＤ
Ｃドリフトが発生しやすくなる。またスイッチング電圧
のデューティ比が０．５でない場合でも、デューティ比
が０．５に近ければ大幅にＤＣ成分を減少させることが
できるので、ＤＣドリフトを減少させることができる。
に該光制御デバイスの制御に必要な伝搬定数差の半分に
相当する伝搬定数の差が予め設けられている。例えば光
スイッチの場合、どちらかの光導波路からの出射光の強
度を最小から最大または最大から最小にするのに必要な
電圧即ちスイッチング電圧Ｖｓの半分に相当する伝搬定
数差が設けられている。従って、本発明による光スイッ
チの制御電圧と光出力８、９の関係は図３の曲線１０、
１１に示す様になり、光出力を最大から最小または最小
から最大にするには、制御電圧を−Ｖｓ／２からＶｓ／
２またはＶｓ／２から−Ｖｓ／２に変化させればよい。
一方、従来の光スイッチの制御電圧と光出力の関係は図
５の様になり、光出力を最大から最小または最小から最
大にするには、制御電圧を０からＶｓまたはＶｓから０
に変化させる必要がある。スイッチング電圧のデューテ
ィ比が０．５の場合、本発明による光スイッチは制御電
圧のＤＣ成分が零になるのでＤＣドリフトが発生しない
が、従来の光スイッチではＤＣ成分がＶｓ／２となりＤ
Ｃドリフトが発生しやすくなる。またスイッチング電圧
のデューティ比が０．５でない場合でも、デューティ比
が０．５に近ければ大幅にＤＣ成分を減少させることが
できるので、ＤＣドリフトを減少させることができる。
【００１０】以上のことより、本発明の光制御デバイス
は、従来に比べて安定な光制御デバイスが得られる。
は、従来に比べて安定な光制御デバイスが得られる。
【００１１】
【実施例】図１は本発明による光制御デバイスの一実施
例である方向性結合器型光スイッチの平面図（ａ）及び
断面図（ｂ）である。図４の例と同様にＺ板ニオブ酸リ
チウム結晶基板１の上にチタンを９００〜１１００℃程
度で数時間熱拡散して形成された３〜１０μｍ程度の光
導波路２及び３が形成されており、基板の中央部で両光
導波路は互いに数μｍまで近接して方向性結合器４を構
成している。その上にバッファ層６を介して制御電極５
が形成されている。バッファ層６は光の偏光方向や電極
材料によっては必ずしも必要が無い場合もある。２本の
導波路の間には該光制御デバイスの制御に必要な伝搬定
数差の半分に相当する伝搬定数の差が予め設けられてい
る。２本の光導波路の伝搬定数の間に差を設ける方法に
はいくつかの方法が考えられるが、図１の例では、２つ
の導波路の幅をわずかに変えることにより、２つの導波
路の伝搬定数の間に差を設けている。また、２本の導波
路の屈折率にわずかな差を設けても同じ効果を得ること
ができる。２つの導波路の屈折率に差を設けることは２
つの導波路のチタンの膜厚を変えることにより実現でき
る。
例である方向性結合器型光スイッチの平面図（ａ）及び
断面図（ｂ）である。図４の例と同様にＺ板ニオブ酸リ
チウム結晶基板１の上にチタンを９００〜１１００℃程
度で数時間熱拡散して形成された３〜１０μｍ程度の光
導波路２及び３が形成されており、基板の中央部で両光
導波路は互いに数μｍまで近接して方向性結合器４を構
成している。その上にバッファ層６を介して制御電極５
が形成されている。バッファ層６は光の偏光方向や電極
材料によっては必ずしも必要が無い場合もある。２本の
導波路の間には該光制御デバイスの制御に必要な伝搬定
数差の半分に相当する伝搬定数の差が予め設けられてい
る。２本の光導波路の伝搬定数の間に差を設ける方法に
はいくつかの方法が考えられるが、図１の例では、２つ
の導波路の幅をわずかに変えることにより、２つの導波
路の伝搬定数の間に差を設けている。また、２本の導波
路の屈折率にわずかな差を設けても同じ効果を得ること
ができる。２つの導波路の屈折率に差を設けることは２
つの導波路のチタンの膜厚を変えることにより実現でき
る。
【００１２】図２は本発明の別の実施例の方向性結合器
光スイッチである。この例では、２つの導波路上のバッ
ファ層の厚さをわずかに変えることにより、２つの導波
路の伝搬定数の間に差を設けている。また２つの導波路
上のバッファ層の屈折率を変えることによっても同じ効
果を得ることができる。
光スイッチである。この例では、２つの導波路上のバッ
ファ層の厚さをわずかに変えることにより、２つの導波
路の伝搬定数の間に差を設けている。また２つの導波路
上のバッファ層の屈折率を変えることによっても同じ効
果を得ることができる。
【００１３】本実施例の光制御デバイスは、どちらかの
光導波路からの出射光の強度を最小から最大または最大
から最小にするのに必要な電圧即ちスイッチング電圧Ｖ
ｓの半分に相当する伝搬定数差が設けられている。従っ
て、本実施例による光スイッチの制御電圧と光出力の関
係は図３の様になり、光出力を最大から最小または最小
から最大にするには、制御電圧を−Ｖｓ／２からＶｓ／
２またはＶｓ／２から−Ｖｓ／２に変化させればよい。
スイッチング電圧のデューティ比が０．５の場合、本実
施例による光スイッチは制御電圧のＤＣ成分が零になる
のでＤＣドリフトが発生しない。またスイッチング電圧
のデューティ比が０．５でない場合でも、デューティ比
が０．５に近ければ大幅にＤＣ成分を減少せることがで
きるので、ＤＣドリフトを減少させることができる。
光導波路からの出射光の強度を最小から最大または最大
から最小にするのに必要な電圧即ちスイッチング電圧Ｖ
ｓの半分に相当する伝搬定数差が設けられている。従っ
て、本実施例による光スイッチの制御電圧と光出力の関
係は図３の様になり、光出力を最大から最小または最小
から最大にするには、制御電圧を−Ｖｓ／２からＶｓ／
２またはＶｓ／２から−Ｖｓ／２に変化させればよい。
スイッチング電圧のデューティ比が０．５の場合、本実
施例による光スイッチは制御電圧のＤＣ成分が零になる
のでＤＣドリフトが発生しない。またスイッチング電圧
のデューティ比が０．５でない場合でも、デューティ比
が０．５に近ければ大幅にＤＣ成分を減少せることがで
きるので、ＤＣドリフトを減少させることができる。
【００１４】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の光制御デバ
イスでは、従来の光制御デバイスに比べ、特性の安定し
た光制御デバイスが得られる。
イスでは、従来の光制御デバイスに比べ、特性の安定し
た光制御デバイスが得られる。
【図１】（ａ）本発明による光制御デバイスの一例を示
す平面図である。 （ｂ）本発明による光制御デバイスの一例を示す断面図
である。
す平面図である。 （ｂ）本発明による光制御デバイスの一例を示す断面図
である。
【図２】（ａ）本発明による光制御デバイスの一例を示
す平面図である。 （ｂ）本発明による光制御デバイスの一例を示す断面図
である。
す平面図である。 （ｂ）本発明による光制御デバイスの一例を示す断面図
である。
【図３】本発明による光制御デバイスの制御電圧と光出
力の関係を示す説明図である。
力の関係を示す説明図である。
【図４】（ａ）従来例による光制御デバイスの一例を示
す平面図である。 （ｂ）従来例による光制御デバイスの一例を示す断面図
である。
す平面図である。 （ｂ）従来例による光制御デバイスの一例を示す断面図
である。
【図５】従来例による光制御デバイスの制御電圧と光出
力の関係を示す説明図である。
力の関係を示す説明図である。
１ ニオブ酸リチウム結晶基板 ２，３ 光導波路 ４ 方向性結合器 ５ 制御電極 ６ バッファ層 ７ 入射光 ８，９ 出射光 １０ 出射光８の光出力を示す曲線 １１ 出射光９の光出力を示す曲線 １２ 出射光８の光出力を示す曲線 １３ 出射光９の光出力を示す曲線
Claims (1)
- 【請求項１】 電気光学効果を有する誘電体結晶基板上
に、互いに近接した２本の光導波路とその近傍に設置さ
れた制御用電極とからなる方向性結合器型光制御デバイ
スにおいて、上記方向性結合器は、制御用電極がそれぞれの光導波路
に対して分割されることなく設けられた一様Δβ型であ
り、 上記２本の光導波路の間に該光制御デバイスの制御に必
要な伝搬定数差の半分に相当する伝搬定数の差が設けら
れていることを特徴とする光制御デバイス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3043145A JP2912039B2 (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | 光制御デバイス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3043145A JP2912039B2 (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | 光制御デバイス |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04280219A JPH04280219A (ja) | 1992-10-06 |
| JP2912039B2 true JP2912039B2 (ja) | 1999-06-28 |
Family
ID=12655673
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3043145A Expired - Fee Related JP2912039B2 (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | 光制御デバイス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2912039B2 (ja) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0833561B2 (ja) * | 1984-06-29 | 1996-03-29 | 日本電気株式会社 | 光スイッチドライブ方法 |
| JPH0785152B2 (ja) * | 1986-06-20 | 1995-09-13 | 富士通株式会社 | 導波路光スイツチ |
| JPH01134348A (ja) * | 1987-11-19 | 1989-05-26 | Tdk Corp | 光導波路スイッチの駆動方法 |
-
1991
- 1991-03-08 JP JP3043145A patent/JP2912039B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04280219A (ja) | 1992-10-06 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 19980106 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |