JP2993192B2 - 光制御回路 - Google Patents

光制御回路

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JP2993192B2 JP18663391A JP18663391A JP2993192B2 JP 2993192 B2 JP2993192 B2 JP 2993192B2 JP 18663391 A JP18663391 A JP 18663391A JP 18663391 A JP18663391 A JP 18663391A JP 2993192 B2 JP2993192 B2 JP 2993192B2
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    • 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
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
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    • G02F2203/00Function characteristic
    • G02F2203/21Thermal instability, i.e. DC drift, of an optical modulator; Arrangements or methods for the reduction thereof

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  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光波の変調、光切り替え
等を行う光制御回路に係わり、特に基板中に設けた光導
波路を用いて制御を行う導波型の光制御回路に関する。
【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も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、交換等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等の効果のため、10G
Z 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等の
欠点がある。
【0003】これを解決する手段としては、外部変調器
を使用する方法が提案されており、特に基板中に形成し
た光導波路により構成した導波型の光変調器は、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
イッチが使用されている。現在実用されている光スイッ
チは、プリズム、ミラー、ファイバ等を機械的に移動さ
せるものであるが、低速であること、信頼性が不十分で
あること、および形状が大きくマトリクス化に不適であ
る等の欠点がある。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型の
光スイッチであり、この光スイッチは高速かつ多素子の
集積化が可能で、信頼性が高い等の特長がある。特に、
ニオブ酸リチウム(以下、LiNbO3 とする)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
であると共に、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またはマッハ
ツェ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。
【0004】図3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、図4に図3のIV
−IV線に沿った断面図を示す。図3において、LiN
bO 3 結晶から成る基板1上には、Tiを拡散して屈折
率を基板1よりも大きくして形成したストライプ状の光
導波路2、3が形成されている。この光導波路2、3は
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、この方向性結合器4を構成する
光導波路2、3上には、図4に示すように、電極による
光吸収を防ぐためのバッファ層5を介して一対の光制御
電極6、7が形成されている。この光制御電極6、7に
はスイッチ8、スイッチ電源9が接続されている。
【0005】以上のような構成において、光制御電極6
と7が同電位の場合、図3に示すごとく、光導波路2に
入射した入射光10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を通過した後は、光導波路3
にほぼ100%エネルギーが移って出射光11となる。
一方、光制御電極6、7間に電圧を印加した場合、この
光制御電極6、7間に発生する電界によるLiNbO3
の電気光学効果で光制御電極6、7下の光導波路2、3
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
が変化する。印加電圧の増加によって光導波路3の出射
光11の強度は減少し、ある特定の電圧(以下、VS
する)において極小値をとる。このとき、もう一方の光
導波路2の出射光強度が最大となる。一方、印加電圧の
極性を反転させた場合も同様で印加電圧0Vにおいて出
射光11が最大に、−VS において最小になる。図5に
印加電圧に対する出射光11の変化の一例を実線12で
示す。したがって、光伝送路の切り替えを行う場合は、
光制御電極6、7間の電圧を0ないしはVS とすること
により、光信号の出力先を選択するようにしている。こ
のような導波型の光制御素子を実際の光通信システムに
適用する場合、低損失、高速性等の基本的性能と同時に
特に、動作特性の安定性が重要である。しかし、従来の
導波型光制御デバイスでは、動作特性の安定性に関して
は十分な特性が得られていない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかるに、従来の光ス
イッチにおいては、伝送路の切り替えのために電圧を印
加した状態を続けるとスイッチの光出力−電圧特性が印
加電圧方向へドリフトする現象が起こる(以下、この現
象をDCドリフトと呼ぶ)。このDCドリフトにより変
化した光スイッチの電圧−光出力特性の一例を図5の破
線13に示す。DCドリフトが発生すると出射光11の
最大値、最小値が得られる電圧はそれぞれ0、VS から
ΔV、VS +ΔVへとシフトする。
【0007】このドリフト電圧ΔVは電圧印加時間およ
び印加電圧により変化し、図6に示すように一定時間で
ドリフト量は飽和する。また、DCドリフトは可逆的な
現象であり電圧を除くと減少し、ΔVは0に戻る。この
DCドリフトの原因は、ドリフト量の飽和特性および可
逆性より基板ないしはSiO2 バッファ層に含まれる不
純物イオンが電極間の電界に引かれて移動して反電界を
形成し、電気光学効果による屈折率変化に関与する電界
が実効的に減少するためと推定される。以上説明したD
Cドリフトが発生すると光スイッチの特性はスイッチン
グ状態の履歴により変動することになり、例えば動作電
圧を一定に設定した場合、クロストーク劣化が起こり、
安定な動作が望めず、実用化の上で大きな問題となって
いた。
【0008】本発明の目的は上述した問題に鑑みなされ
たもので、DCドリフトによる特性の変動を抑圧し、安
定な動作が得られるようにした光制御回路を提供するに
ある。
【0009】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明
は、(イ)電気光学効果を有する誘電体基板に形成され
た光導波路と、(ロ)この光導波路の近傍に設けられか
つ電界を制御することにより前記した光導波路の屈折率
を変化させる第1および第2の電極からなる一対の光制
御電極と、(ハ)光制御電極の第1の電極に一方の極を
接続し他方の極を誘電体基板の光制御電極形成面に対し
裏面に設けられバイアス電極に接続したバイアス電源
と、(ニ)このバイアス電源の電圧よりも低い電圧を有
し前記した第1の電極にバイアス電源の前記した他方の
極と同一の極を接続したスイッチ電源と、(ホ)第2の
電極と一端を接続され、他端を前記した第1の電極と接
続するかスイッチ電源の残りの極に接続するかを選択す
るスイッチとを光制御回路に具備させる。
【0010】請求項2記載の発明は、光導波路がLiN
bO3 結晶基板にTiを拡散することにより形成されて
成ることを特徴とする。
【0011】請求項3記載の発明は、光制御電極が方向
性結合器を構成する光導波路上にバッファ層を介して形
成されて成ることを特徴とする。
【0012】
【作用】本発明によれば、光制御電極とバイアス電極間
、スイッチ電源の電圧よりも大きな電圧のバイアス電
源によって常時バイアス電圧を印加しておくことによ
り、DCドリフトを引き起こす不純物イオンの移動を抑
えることができる。したがって、スイッチングあるいは
変調時のドリフトを抑圧でき、安定な動作をする光制御
回路が得られる。
【0013】
【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。
【0014】図1は本発明に係わるクロック光制御回路
の一実施例を示す斜視図、図2は図1のII−II線断
面図である。Z−Cut、LiNbO3 結晶基板20の
−Z面上にストライプ状のTiを900〜1100℃で
数時間拡散することにより、幅3〜10μm程度の光導
波路21、22を形成している。なお、LiNbO3
3方晶系の結晶系に属し、Z軸が3回対称軸、Y軸が鏡
面内にあり、X軸がY軸に垂直な結晶である。光導波路
21、22は中央部で互いに数μm程度まで近接し、方
向性結合器23を形成している。この方向性結合器23
の長さは光導波路21、22間の光の移動が100%と
なるよう設定されている。また、この方向性結合器23
を構成する光導波路21、22上には電極による光吸収
を防ぐためのバッファ層24を介して光制御電極25、
26が形成されている。光制御電極26は接地されてお
り、かつ光制御電極25、26間にはスイッチ27を切
り替えることによりスイッチ電圧VS を印加できるよう
に、スイッチ電源28が接続されている。また、LiN
bO3 結晶基板20の裏面である+Z面には、光制御電
極25、26と対向するようにバイアス電極29が形成
されている。このバイアス電極29にはバイアス電源3
0が接続されており、バイアス電極29と光制御電極2
5、26間にはスイッチ電圧VS よりも十分に大きい負
のバイアス電圧VB が常時印加されている。
【0015】以上のような構成において、光制御電極2
5と26間が同電位の場合、光導波路21に入射した入
射光31は方向性結合器23の部分を伝搬するにしたが
って、近接した光導波路22へ徐々に光エネルギーが移
り、方向性結合器23を通過した後は、光導波路22に
ほぼ100%エネルギーが移って出射光32となる。一
方、光制御電極25、26間にスイッチ電圧VS を印加
した場合、この光制御電極25、26間に発生する電界
によるLiNbO3の電気光学効果で光制御電極25、
26下の光導波路21、22の屈折率が変化し、光導波
路21、22を伝搬する導波モードの間に位相速度の不
整合が生じて、両者の間の結合状態が変化し、出射光3
2の強度は殆ど0となる。
【0016】本実施例の構成では光制御電極25、26
とバイアス電極29間に常時スイッチ電圧VS よりも十
分に大きい負バイアス電圧VB を印加しているため、基
板20に含まれるプラスの不純物イオンがバイアス電圧
に引かれて移動し、バイアス電極29の近傍に集中し光
制御電極25、26近傍から不純物イオンが無くなる。
このため、光制御電極25、26間の電圧の有無による
不純物イオンの移動による実効的電界の減少、すなわち
DCドリフトもなくなる。
【0017】また、本実施例ではバイアス電圧による電
気光学効果によっても光導波路21、22の屈折率は変
化するが、光導波路21、22にかかる電界の強度・向
きは等しくなるため、両光導波路21、22を伝播する
光の導波モードの間に位相速度の不整合は生じない。こ
のため、スイッチ動作にはまったく影響を及ぼさない。
【0018】なお、上述した実施例においては、Ti拡
散LiNbO3 光導波路の場合を例にとって説明した
が、別にこれに限定されるものではなく他の電気光学効
果を有する誘電体基板や光導波路に本発明を用いる場合
も同様の効果が得られる。また、集中定数型電極に限ら
ず進行波型電極でも同様の効果が得られる。さらに、上
述した実施例では負バイアス電圧を印加する場合につい
て説明したが、LiNbO3 基板に含まれる不純物イオ
BR>ンの極性が負イオンである場合は正バイアス電圧を
印加することにより同様の効果が得られる。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係わる光制
御回路によれば、光制御電極を構成する一対の電極のう
ちの一方の電極とバイアス電極間に、スイッチ電源の電
圧よりも大きな電圧のバイアス電源によって常時バイア
ス電圧を印加した構成とすることにより、DCドリフト
を引き起こす不純物イオンの移動を確実に抑えることが
可能となった。したがって、DCドリフトによる特性の
変動を抑圧でき、安定した動作を得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】
【図1】本発明に係わる光制御回路の一実施例を示す斜
視図である。
【図2】図1のII−II線断面図である。
【図3】従来の光制御回路の一例を示す平面図である。
【図4】図3のIV−IV線断面図である。
【図5】LiNbO3 光スイッチのDCドリフト発生前
およびDCドリフト発生後の電圧−光出力特性の一例を
示す図である。
【図6】LiNbO3 光スイッチの時間−DCドリフト
量特性の一例を示す図である。
【符号の説明】
20 LiNbO3 結晶基板 21、22 光導波路 24 バッファ層 25、26 光制御電極 29 バイアス電極

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電気光学効果を有する誘電体基板に形成
    された光導波路と、 この光導波路の近傍に設けられかつ電界を制御すること
    により前記光導波路の屈折率を変化させる第1および第
    2の電極からなる一対の光制御電極と、光制御電極の第1の電極に一方の極を接続し他方の極を
    前記誘電体基板の光制御電極形成面に対し裏面に設けら
    バイアス電極に接続したバイアス電源と、 このバイアス電源の電圧よりも低い電圧を有し前記第1
    の電極に前記バイアス電源の前記他方の極と同一の極を
    接続したスイッチ電源と、 前記第2の電極と一端を接続され、他端を前記第1の電
    極と接続するか前記スイッチ電源の残りの極に接続する
    かを選択するスイッチ とから構成されて成ることを特徴
    とする光制御回路。
  2. 【請求項2】 光導波路はLiNbO3 結晶基板にTi
    を拡散することにより形成されて成ることを特徴とする
    請求項1記載の光制御回路。
  3. 【請求項3】 光制御電極は方向性結合器を構成する光
    導波路上にバッファ層を介して形成されて成ることを特
    徴とする請求項1記載の光制御回路。
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