JP2994078B2 - 方向性結合器型光機能素子とその駆動方法 - Google Patents

方向性結合器型光機能素子とその駆動方法

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JP2994078B2
JP2994078B2 JP13116491A JP13116491A JP2994078B2 JP 2994078 B2 JP2994078 B2 JP 2994078B2 JP 13116491 A JP13116491 A JP 13116491A JP 13116491 A JP13116491 A JP 13116491A JP 2994078 B2 JP2994078 B2 JP 2994078B2
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    • 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
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は新規構造の方向性結合器
型光機能素子とその駆動方法に関し、更に詳しくは、光
スイッチ,光偏波スプリッタ,光変調器,光合分波器な
どに用いて高消光比を実現できる方向性結合器型光機能
素子とその駆動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】最近、導波路型の方向性結合器構造を有
する各種の光機能素子が開発され、それを用いた光スイ
ッチ,光偏波スプリッタ,光変調器,光合分波器などが
提案されている。従来の方向性結合器型の光機能素子例
の平面パターンを図6,図7にそれぞれ示す。図6で示
した素子は2入力・2出力の素子であり、図7で示した
素子は1入力・2出力の素子である。
【0003】図6において、互いに等しい路幅Wを有す
る2本の光導波路A,Bがエバネッセント結合可能な間
隔Gを置いて互いに近接して平行配置されることによ
り、長さLの結合部C0 が構成されている。結合部C0
における光導波路A,Bのそれぞれ入射端A1 ,B1
よび出射端A2 ,B2 には、路幅がWで曲率半径Rの曲
線光導波路D1 ,D2 ,D3 ,D4 がそれぞれ光接続さ
れて入射側リード部C1 ,出射側リード部C2を形成し
ている。更に、曲線光導波路D1 ,D2 ,D3 ,D4
は、それぞれ、路幅がWの直線光導波路E1 ,E2 ,E
3 ,E4 が互いの路幅中心間の距離GF の間隔で光接続
されている。そして、結合部C0 における光導波路A,
Bの上には、電極F1 ,F2 ,F3 ,F4 が装荷されて
いる。これら電極F1 〜F4 は、ここから所定の電気信
号を導入することにより、それぞれの直下に位置する光
導波路の伝搬定数を必要な値に制御するための伝搬定数
制御手段として機能する。
【0004】ここで、直線光導波路E1 を入射ポートに
すると、出射側リード部C2 に接続する直線光導波路E
3 ,E4 はそれぞれスルーポート,クロスポートにな
る。図7の1入力・2出力の素子の場合は、図6の2入
力・2出力の素子において、光導波路Aの入射端A1
のみ、直接1本の直線光導波路E0 を光接続して入射側
リード部C1 とした構造になっている。この素子では、
直線光導波路E0 が入射ポートであり、出射側リード部
2 に接続する直線光導波路E3 ,E4 がそれぞれスル
ーボート,クロスポートになっている。
【0005】上記したこれらの素子を現在実施段階に入
りつつあるファイバ通信システムに組込むためには、漏
話による誤り発生を防止することが必要になる。したが
って、低漏話、すなわち高消光比特性を有する素子が必
要になる。ところで、図6で示した素子の場合、電極F
1 ,F2 ,F3,F4 から適当な電気信号を導入するこ
とによって、理論的には、完全なクロス状態を実現する
ことは可能である。
【0006】しかしながらスルー状態の場合は、入射側
リード部C1 ,出射側リード部C2 において、わずかで
はあるが結合が生ずるため、完全なスルー状態を実現す
ることができず、消光比は高々25dB程度にしかなら
ない。図7で示した素子の場合、スルー状態においては
図6の素子の場合よりも高い約35dB程度の消光比を
得ることができるが、しかし、クロス状態においては対
称性が崩れるため、高々20dB程度の消光比しか得ら
れない。
【0007】このように、従来の素子は、スルー状態ま
たはクロス状態のいずれかの状態で消光比が低くなり、
両方の状態で高い消光比特性を示すということはない。
そして、光機能素子における消光比特性は、スルー状態
またはクロス状態の消光比のうち低い消光比で規定され
るので、結局、素子全体の消光比としては低い値しか得
られないことになる。
【0008】なお、ここでいう消光比とは、スルーポー
トの出力パワーを|r|2 とし、クロスポートの出力パ
ワーを|s|2 としたとき、次式: 101og10( |r|2 /|s|2 ) で算出される値をいう。上記した構造の光機能素子にお
いても、比較的高い消光比特性を有するものとしては、
例えば、P. GranestrandらがTech Dig. IGWO’86
で発表した消光比27dB程度の光スイッチや、H. M.
Mak らが電子情報通信学会1990秋季全国大会C−2
16で発表した消光比28dB程度の光偏波スプリッタ
などが知られている。
【0009】また、H. M. Mak らは、電子情報通信学会
1991春季全国大会C−224において、図8で示し
たような構造の素子を提案した。この素子は長さLの結
合部C0 を、p1 ,p2 ,p3 がp1 +p2 +p3 <1
(ただし、p1 ≠0)を満足する少数またはゼロである
としたとき、長さp1 ×Lの前段部分結合部C3 ,長さ
(1−p1 −p2 −p3 )×L/2の前段電極付き部分
結合部C4 ,長さp2 ×Lの中央部分結合部C5 ,前記
前段電極付き部分結合部と同じ長さの後段電極付き部分
結合部C6 ,長さp3 ×Lの後段部分結合部C7 で構成
したものである。
【0010】この素子の場合は、理論上は、少なくとも
40dB程度の消光比を得ることができる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】図8で示した素子は、
たしかに理論上は高消光比を実現することができるが、
それは、上記した各部分結合部の寸法パタメータ等が理
論値と略同一になっている場合のときに限られる。しか
しながら、実際に素子を製造するときには、これら各部
分結合部等は計算上の理論値通りの寸法精度で作成でき
るとは限らず、微妙に理論値からはずれることがある。
【0012】このような問題が起こると、各部分結合部
における光導波路間の実際の結合状態は、計算上求めら
れる理論的な結合状態から逸脱することになり、クロス
状態やスルー状態における消光比の低下は不可避とな
る。本発明は、図8で示した素子において、製造時にお
ける上記した寸法パラメータの精度のばらつきが引き起
こす問題を解決し、クロス状態,スルー状態のいずれに
おいても、消光比特性が30dB以上である新規構造の
方向性結合器型光機能素子の提供を目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明においては、伝搬定数制御手段が装荷さ
れ、互いに等しい値の伝搬定数を有する2本の光導波路
を平行配置した結合部を備え、前記2本の光導波路のう
ち1本の光導波路のみがその入射端で1本の直線光導波
路と光接続して入射側リード部を形成し、前記2本の光
導波路の出射端はそれぞれ曲線または直線の光導波路と
光接続してスルーポートおよびクロスポートに接続する
出射側リード部を形成している1入力・2出力方向性結
合器型光機能素子において、前記出射側リード部の各光
導波路にはモード結合抑圧手段がそれぞれ装置されてい
ることを特徴とする方向性結合器型光機能素子が提供さ
れ、前記伝搬定数制御手段に必要な駆動用電気信号を導
入し、かつ、前記出射端リード部におけるクロスポート
側のモード結合抑圧手段を動作して、高消光比のスルー
状態を実現することを特徴とする方向性結合器型光機能
素子の駆動方法、および、前記伝搬定数制御手段に必要
な駆動用電気信号を導入し、かつ、前記出射側リード部
におけるスルーポート側のモード結合抑圧手段を動作し
て、高消光比のクロス状態を実現することを特徴とする
方向性結合器型光機能素子の駆動方法が提供される。
【0014】本発明の光機能素子の基本構成を平面パタ
ーン図として図1に示す。図から明らかなように、本発
明の光機能素子の平面パターンは、結合部C0 、出射側
リード部C2 が後述するような構成をとることを除いて
は、図7で示した従来の1入力・2出力方向性結合器型
光機能素子と変わることはない。まず、結合部C0 にお
いては、等幅(路幅W)の2本の光導波路A,Bが微小
間隔Gで平行配置され、そのうちの1本の光導波路Aの
入射端A1 には路幅Wの直線光導波路E0 が光接続され
て入射側リード部C1 を構成している。また、光導波路
A,光導波路Bのそれぞれの出射端A2 ,B2 には曲率
半径がRで路幅Wの曲線光導波路D3 ,D4 が光接続さ
れて出射側リード部C2 を構成し、更にこれら曲線光導
波路D3 ,D4 には、路幅Wの直線光導波路E3 ,E4
が路幅中心間の距離GF でそれぞれ光接続されて、スル
ーポート(E3 )とクロスポート(E4 )を構成してい
る。
【0015】なお本発明においては、出射側リード部C
2 は図のような曲線光導波路で構成することに限定され
ることなく、例えば出射端A2 ,B2 から直線光導波路
3 ,E4 までを微小テーパ角θから成る直線光導波路
を介装して構成してもよい。これら各光導波路は、いず
れも電気光学効果を発現する材料や電気信号を導入して
その屈折率制御が可能な構造の材料で構成されていて、
しかも、自然状態においては、互いの伝搬定数は等しく
なっている。例えばGaAs/AlGaAsのような半
導体材料をMOCVD法で多層に積層して形成すること
ができる。
【0016】結合部C0 では、各光導波路A,Bに電極
1 ,F2 ,F3 ,F4 を反転Δβ構造に装荷すること
により、これらで伝搬定数制御手段を構成している。す
なわち、これらの電極から所定の電気信号を導入するこ
とにより、その直下に位置する光導波路の伝搬定数を変
化させることができるようになっている。例えば、半導
波路A,Bが半導体材料で構成されている場合には、図
2で示したように、電極F1 と電極F4 ,電極F2 と電
極F3 をそれぞれ、リードf1 ,f2 で接続すればよ
い。
【0017】本発明の光機能素子は、出射側リード部C
2 の光導波路D3 ,D4 にそれぞれ電極F5 ,F6 を装
荷することにより、モード結合抑圧手段が構成されてい
る。すなわち、電極F5 ,F6 のいずれかから例えば所
定の順方向電流を注入すると、その電極直下の光導波路
3 ,D4 においては、プラズマ効果やバンドフィリン
グ効果が発現して屈折率低下が引き起こされるため、光
導波路D3 ,D4 間における結合が非対称になり、結果
として、光導波路D3 ,D4 間の光のモード結合は抑圧
される。
【0018】上記した順方向電流の注入値を変化させる
と、このモード結合の抑圧状態も変化し、例えばより一
層大きな順方向電流を注入していくと、あるレベルで光
導波路が等価的に存在しなくなる状態、すなわちモード
結合がゼロになる状態を得ることができる。このときの
状態は、モード結合抑圧の状態の極限状態であり、モー
ドカットオフ状態と呼ぶ。
【0019】
【作用】本発明の光機能素子においては、入射リード部
1 と出射リード部C2 は対称になっていないため、結
合部C0 の電極(反転Δβ構造)F1 〜F4 に適当な電
気信号を導入したとしても、完全なスルー状態や完全な
クロス状態を得ることはできない。そのため、高消光比
のスイッチング状態を得るためには、出射側リード部C
2 におけるわずかな結合を除去すること、および、入射
側リード部C1 と出射側リード部C2 との結合を一致さ
せること(結合が存在しない場合であっても)を実現す
ることが必要になる。
【0020】本発明の光機能素子においては、結合部C
0 のスイッチング状態に対応して、例えばクロス状態で
は出射側リード部C2 の光導波路D3 (スルーポートE
3 に接続)の、またスルー状態では出射側リード部C2
の光導波路D4 (クロスポートE4 に接続)の各モード
結合抑圧手段F5 ,F6 を動作することより、この出射
側リード部C2 における結合を除去することができる。
【0021】したがって、この状態においては、出射側
リード部C2 におけるわずかな結合も除去され消光比劣
化の原因が除去されているので結合部C0 の電極F1
4 への電気信号の導入により、高消光比のクロス状態
とスルー状態を実現することができるようになる。
【0022】
【実施例】実施例1 図3の平面パターン図で示すような光機能素子を製造し
た。図において、結合部C0 の長さは6.0mm、光導波路
A,Bの間隔Gは3.5μm、スルーポートE3 とクロス
ポートE4 の路幅中心間の距離GF は250μm、出射
側リード部C2 を構成する曲線光導波路D3 ,D4 の曲
率半径Rはいずれも30μm、路幅Wは7μmである。
【0023】この結合部C0 、および出射側リード部C
2 は、それぞれ図3のIV−IV線に沿う断面図である図
4、V−V線に沿う断面図である図5で示したような構
成になっている。すなわち、AuGeNi/Auから成
る下部電極1の上に、MOCVD法によって、n+ Ga
Asから成る基板2,n+ GaAsから成る厚み0.5μ
mのバッファ層3,n+ GaAlAsから成る厚み3.0
μmの下部クラッド層4,n- GaAsから成る厚み1.
0μmのコア層5がこの順序で積層されている。更にこ
のコア層5の上には、n-GaAlAsから成るクラッ
ド6a,p- GaAlAsから成るクラッド6b,p+
GaAsから成るキャップ6cが順次MOCVD法で積
層されて上部クラッド層6を形成し、その上面はSiO
2 膜のような絶縁膜7で被覆されることにより、路幅が
Wである2本の光導波路A,Bが間隔Gでリッジ状に形
成されている。
【0024】なお、各光導波路の高さhは、いずれの光
導波路においても1.0μmとした。また、各電極間のギ
ャップgは3μmとした。電極F1 ,F2 ,F3 ,F4
が装荷される個所は、図4で示したように、光導波路
A,Bを被覆する絶縁膜7の一部をスリット状に除去し
て窓7a,7bを形成し、ここからキャップ6cの上面
にTi/Pt/Auを例えば、蒸着して電極F3 ,F4
(F1 ,F2 )を形成する。そして電極F3 と電極F2
をリードf1 で、電極F4 と電極F1 をリードf2 でそ
れぞれ接続することにより反転Δβ構造とし、伝搬定数
制御手段を構成する。
【0025】出射側リード部C2 においては、図5で示
したように、光導波路D3 ,D4 を被覆する絶縁膜7の
一部をスリット状に除去して窓7a,7bを形成して、
ここからキャップ6cの上面にTi/Pt/Auを蒸着
して電極F5 ,F6 を形成する。そして、これらの各電
極F5 ,F6 は、それぞれ独立して電気信号の導入シス
テムと接続され、電極F5 は光導波路D3 のモード結合
抑圧手段,電極F6 は光導波路D4 のモード結合抑圧手
段として構成されている。
【0026】このようにして形成された光導波路におい
ては、クラッド6aとクラッド6bの界面がpn接合界
面6dになっている。したがって、今、電極F1
2 ,F 3 ,F4 から所定の電気信号を導入すると、p
n接合界面では電気光学効果、プラズマ効果やバンドフ
ィリング効果などが発現して電極直下に位置するコア層
5の屈折率が変化して、光導波路A,B間に伝搬定数差
Δβが生じ、光の結合状態が変化する。
【0027】この素子において、入射ポートE0 に波長
1.3μmのTEモード光を励起し、電極F1 〜F4 に逆
バイアス電圧を印加して電気光学効果のみを発現せしめ
た場合、理論計算によると、クロス状態では18dB程
度、スルー状態では37dB程度のスイッチング特性が
得られる。しかしながら、実際には、逆バイアス電圧印
加して結合部C0 を駆動した場合、クロス状態における
駆動電圧が−7Vのときは消光比17dB程度であり、
またスルー状態における駆動電圧が−15Vのときは消
光比26dB程度であり、とくにスルー状態での消光比
劣化が大きくなった。
【0028】そこで、駆動電圧が−7Vの前記クロス状
態において、出射側リード部C2 の光導波路D3 (スル
ーポートE3 に接続)側の電極F5 から適当な値の順方
向電流を注入したところ、消光比特性は30dB以上へ
と向上し、極めて高消光比のクロス状態を実現すること
ができた。また、駆動電圧が−15Vの前記スルー状態
において、出射側リード部C2 の光導波路D4 (クロス
ポートE4 に接続)側の電極F6 から適当な値の順方向
電流を注入したところ、消光比特性は30dB以上へと
向上し、極めて光消光比のスルー状態を実現することが
できた。
【0029】実施例2 Rを50mmにしたことを除いて、他のパラメータ設定は
実施例1と同様にして光機能素子を製造した。この素子
において、入射ポートE0 に波長1.3μmのTEモード
光を励起し、電極F1 〜F4 に逆バイアス電圧を印加し
て電気光学効果のみを発現せしめた場合、理論計算によ
ると、光導波路D3 ,D4 の曲率半径が実施例1のもの
に比べて大きいため、クロス状態では18dB程度、ス
ルー状態では33.8dB程度のスイッチング特性が得ら
れる。
【0030】しかしながら、実際には、逆バイアス電圧
印加して結合部C0を駆動した場合、クロス状態におけ
る駆動電圧が−8Vのときは消光比16.5dB程度であ
り、またスルー状態における駆動電圧が−16Vのとき
は消光比24dB程度であり、実施例1に比べて消光比
は劣化した。そこで、駆動電圧が−8Vの前記クロス状
態において、出射側リード部C2 の光導波路D3 (スル
ーポートE3 に接続)側の電極F5 から適当な値の順方
向電流を注入したところ、消光比特性は30dB以上へ
と向上し、極めて高消光比のクロス状態を実現すること
ができた。
【0031】また、駆動電圧が−16Vの前記スルー状
態において、出射側リード部C2 の光導波路D4 (クロ
スポートE4 に接続)側の電極F6 から適当な値の順方
向電流を注入したところ、消光比特性は30dB以上へ
と向上し、極めて光消光比のスルー状態を実現すること
ができた。
【0032】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
方向性結合器型光機能素子は、伝搬定数制御手段が装荷
され、互いに等しい値の伝搬定数を有する2本の光導波
路を平行配置した結合部を備え、前記2本の光導波路の
うち1本の光導波路のみがその入射端で1本の直線光導
波路と光接続して入射側リード部を形成し、前記2本の
光導波路の出射端はそれぞれ曲線または直線の光導波路
と光接続してスルーポートおよびクロスポートに接続す
る出射側リード部を形成している1入力・2出力方向性
結合器型光機能素子において、前記出射側リード部の各
光導波路にはモード結合抑圧手段がそれぞれ装荷されて
いることを特徴とするので、前記モード結合抑圧手動を
動作することにより、出射側リード部におけるわずかな
結合も除去することができる。その結果、クロス状態、
スルー状態のいずれにおいても30dB以上の高消光比
特性を実現することができる。
【0033】また、実施例1と実施例2の素子で明らか
なように、素子の設計パラメータが変化しても、消光比
はそれに依存することがなく、30dB以上の高消光比
である。したがって、本発明の素子は寸法パラメータを
高精度で厳格に管理することなく製造しても高消光比特
性が得られるので、製造が容易でありその工業的価値は
大である。
【0034】なお、実施例では光スイッチとして駆動さ
せる場合を説明したが、本発明の光機能素子は、例えば
電極から順方向電流の注入と逆電圧の印加を同時に行な
ってTEモード光とTMモード光の分離を行なう光偏波
スプリッタとして使用することもできる。更に、光変調
器や光合分波器として使用した時に、高消光比特性が得
られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光機能素子の基本構成を示す平面パタ
ーン図である。
【図2】電極の接続例を示す平面パターン図である。
【図3】実施例の光機能素子を示す平面パターン図であ
る。
【図4】図3のIV−IV線に沿う断面図である。
【図5】図3のV−V線に沿う断面図である。
【図6】従来の2入力・2出力方向性結合器の平面パタ
ーン図である。
【図7】従来の1入力・2出力方向性結合器の平面パタ
ーン図である。
【図8】電子情報通信学会1991年春季全国大会C−
224で発表された光機能素子の平面パターン図であ
る。
【符号の説明】
1 下部電極 2 基板 3 バッファ層 4 下部クラッド層 5 コア層 6 上部クラッド層 6a,6b クラッド 6c キャップ 6d pn接合界面 7 絶縁膜 7a,7b 窓 A 光導波路 A1 光導波路Aの入射端 A2 光導波路Aの出射端 B 光導波路 B1 光導波路Bの入射端 B2 光導波路Bの出射端 D1 ,D2 ,D3 ,D4 曲線光導波路 E0 直線光導波路(入射ポート) E1 直線光導波路(入射ポート) E3 直線光導波路(スルーポート) E4 直線光導波路(クロスポート) C0 結合部 C1 入射側リード部 C2 出射側リード部 F1 ,F2 ,F3 ,F4 電極(伝搬定数制御手段) F5 ,F6 電極(モード結合抑圧手段) f1 ,f2 リード h 光導波路の高さ g ギャップ W 光導波路の路幅 GF 光導波路A,Bの間隔 F 直線光導波路E3 ,E4 の路幅中心間の間隔 R 曲線光導波路D3 ,D4 の曲率半径
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−235030(JP,A) 特開 昭63−142333(JP,A) 特開 平2−308125(JP,A) 特開 昭57−200016(JP,A) 特開 平4−238326(JP,A) 特開 昭62−59933(JP,A) 特開 平3−13906(JP,A) 特開 昭60−217346(JP,A) 特開 昭59−93428(JP,A) 1990年電子情報通信学会秋季全国大会 講演論文集 [分冊4]通信・エレクト ロニクス p.4−258麦漢明et.a l.,「C−216半導体方向性結合器光 モードスプリッタ」 1991年電子情報通信学会春季全国大会 講演論文集 [分冊4]通信・エレクト ロニクス p.4−241麦漢明et.a l.,「C−224 高消光比方向性結合 型光機能素子」 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02F 1/00 - 1/035 G02F 1/29 - 1/313 G02B 6/12 - 6/14

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 伝搬定数制御手段が装荷され、互いに等
    しい値の伝搬定数を有する2本の光導波路を平行配置し
    た結合部を備え、前記2本の光導波路のうち1本の光導
    波路のみがその入射端で1本の直線光導波路と光接続し
    て入射側リード部を形成し、前記2本の光導波路の出射
    端はそれぞれ曲線または直線の光導波路と光接続してス
    ルーポートおよびクロスポートに接続する出射側リード
    部を形成している1入力・2出力方向性結合器型光機能
    素子において、前記出射側リード部の各光導波路にはモ
    ード結合抑圧手段がそれぞれ装荷されていることを特徴
    とする方向性結合器型光機能素子。
  2. 【請求項2】 前記光導波路は電気光学効果またはバン
    ドフィリング効果を発現する材料から成る請求項1の方
    向性結合器型光機能素子。
  3. 【請求項3】 請求項1の光機能素子の前記伝搬定数制
    御手段に必要な駆動用電気信号を導入し、かつ、前記出
    射端リード部におけるクロスポート側のモード結合抑圧
    手段を動作して、高消光比のスルー状態を実現すること
    を特徴とする方向性結合器型光機能素子の駆動方法。
  4. 【請求項4】 請求項1の光機能素子の前記伝搬定数制
    御手段に必要な駆動用電気信号を導入し、かつ、前記出
    射側リード部におけるスルーポート側のモード結合抑圧
    手段を動作して、高消光比のクロス状態を実現すること
    を特徴とする方向性結合器型光機能素子の駆動方法。
  5. 【請求項5】 前記モード結合抑圧手段を、モード結合
    がゼロになる状態で動作させる請求項3または4の方向
    性結合器型光機能素子の駆動方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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1990年電子情報通信学会秋季全国大会講演論文集 [分冊4]通信・エレクトロニクス p.4−258麦漢明et.al.,「C−216半導体方向性結合器光モードスプリッタ」
1991年電子情報通信学会春季全国大会講演論文集 [分冊4]通信・エレクトロニクス p.4−241麦漢明et.al.,「C−224 高消光比方向性結合型光機能素子」

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