JP3139009B2 - 光スイッチ - Google Patents

光スイッチ

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JP3139009B2 JP23222090A JP23222090A JP3139009B2 JP 3139009 B2 JP3139009 B2 JP 3139009B2 JP 23222090 A JP23222090 A JP 23222090A JP 23222090 A JP23222090 A JP 23222090A JP 3139009 B2 JP3139009 B2 JP 3139009B2
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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
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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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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、光波の切り替えなどを行う光スイッチに関
し、特に、基板中に設けられている光導波路を用いて制
御を行う導波型の光スイッチに関する。
(従来の技術) 光通信システムの実用化が進むにつれ、より大きな容
量を有しまたより多くの機能を有する高度なシステムが
求められている。この高度のシステムには、光信号発生
機能、光伝送路切り替え機能および交換機能などをより
高性能化することが必要になる。現在、実用化されてい
るシステムでは、半導体レーザや発光ダイオードの注入
電流を直接に変調することによって光信号を得ている。
しかし、直接変調では、緩和振動などの効果によって、
10GHz前後以上の高速変調が難しく、波長変動の発生に
よってコヒーヘレント光伝送方式に適用することが難し
いなどの欠点がある。この欠点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、特に基板中に光
導波路が形成されている導波型の光変調器には、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
化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、該光スイッ
チには、低速であること、信頼性が不十分、形状が大き
くマトリクス化に不適等の欠点がある。この欠点を解決
するために、光導波路を用いた導波型の光スイッチの開
発が進められている。導波型の光スイッチには、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(以下「LiNbO3」と称す。)結
晶等の強誘電体材料を用いている導波型の光スイッチ
は、光吸収が小さく低損失であること、電気光学効果が
大きく高効率である等の特長を示し、従来からも方向性
結合器型光スイッチ、全反射型光スイッチまたはマッハ
ツエンダ型光変調器等種々の方式の光制御素子が報告さ
れている。
次に、第4図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を示し、第5図に、第
4図のB−B線に沿って得られた断面図を示す。従来の
方向性結合器型光スイッチは第4図および第5図に示す
ように、LiNbO3結晶基板51を備える。LiNbO3結晶基板51
には、ストリップ状の1対の光導波路52,53が形成され
ている。各光導波路52,53は、LiNbO3結晶基板51の一方
の面にTiを拡散することによって形成され、各光導波路
52,53の屈折率はLiNbO3結晶基板51の屈折率より大き
い。光導波路52の中央部と光導波路53の中央部とは、数
μm程度の間隔で近接しかつ互い共働して方向性結合器
54を構成する。また、方向性結合器54を構成する光導波
路52,53上には、第6図に示すように、電極による光吸
収を防ぐためのバッファ層57を介して光制御電極55およ
び56が形成されている。
光制御電極55と56とが同電位であるとき、光導波路52
への入射光1が方向性結合器54の部分を伝搬するにした
がって入射光1の光エネルギーは光導波路52に近接した
光導波路53へ徐々に移る。方向性結合器54の通過後、入
射光1の光エネルギーが光導波路52から光導波路53にほ
ぼ100%移り、光導波路53から出射光2が射出される。
一方、光制御電極55と光制御電極56との間に電圧が印加
されているとき、電極間に発生する電界によるLiNbO3
晶基板51の電気光学効果で光制御電極55,56下の光導波
路52,53の屈折率が変化し、光導波路52と53とを伝搬す
る光の導波モードの間に位相速度の不整合が生じて両者
の間の結合状態は変化する。光導波路53の出射光2の強
度は、第3図に示すように、印加電圧の増加によって減
少し、ある特性の電圧(以下Vsとする)において極小値
をとる。光導波路53の出射光2の強度が極小値となると
き、もう一方の光導波路52の出射光強度が最大となる。
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2が最大に、−Vsにおいて最小になる。な
お、本図では、印加電圧に対する出射光2の強度変化を
曲線3で示す。従って、光伝送路の切り替えを行うと
き、光制御電極55,56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。
(発明が解決しようとする課題) 従来の方向性結合器型光スイッチにおいては、第3図
に示すように、光出力−電圧特性が曲線(実線で示す)
3から曲線(破線で示す)4に移行し、原点に対して対
称にならない現象(以下、この現象を「非対称シフト」
と呼ぶ。)が一般的にみられる。この非対称シフトの原
因には、方向性結合器54を形成する光導波路形状が互い
に一致しないことによる伝播定数差の発生、基板の不均
一な帯電、スイッチの加工歪によるストレス等がある。
非対称シフトは、各原因の内特に光導波路形状の不一致
やストレスに対して敏感であるから、製造工程において
この非対称シフトを除くことは非常に困難である。ま
た、非対称シフトの量は各光スイッチ毎に異なり、各光
スイッチ間の非対称シフト量のばらつきが大きい。
非対称シフトを簡単に回避するために、光制御電極間
にシフトを相殺可能な値のバイアス電圧を予め加えてお
くことが考えられる。しかし、電圧の印加状態が持続さ
れ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(以下、この現象を「DCドリフト」と呼
ぶ。)が起る。DCドリフトは見かけ上非対称シフトとよ
く似ているが、その原因と非対称シフトの原因とは異な
る。DCドリフトの原因は直流電圧の長時間印加により基
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。
本発明の目的は、従来の方向性結合型光スイッチなど
の光スイッチにおいて発生する非対称シフトや、DCドリ
フト等による光出力−電圧特性の変動を抑圧し、安定な
動作が得られる光スイッチを提供することにある。
(課題を解決するための手段) 本発明の光スイッチは、電気光学効果を有する誘電体
材料からなる基板と、該基板に形成され、互いに近接す
る少なくとも一対の光導波路と、該光導波路の近傍に設
けられ、電界を制御することにより前記光導波路の屈折
率を変化させるための少なくとも一対の光制御電極と、
それぞれが前記基板に形成されかつ対応する前記光制御
電極の外方に配置され、前記光制御電極に対するバイア
スが加えられる少なくとも一対の補正用電極と、該補正
用電極間に異なる補正バイアスが印加できる回路と、該
補正バイアスよりさらに大きいバイアスを前記光制御電
極対と前記補正電極対の間に印加できる回路とを備える
ことを特徴とする。
(作用) 本発明では、前記方向性結合器部をはさむ前記補正用
電極間の電位差により非対称シフトを補正することがで
き、また同時に前記光制御電極と補正用電極との間に高
いバイアス電圧を加えておくことによりDCドリフトを引
き起こす不純物イオンの移動を押さえることができる。
従って、非対称シフトとDCドリフトを同時に抑圧するこ
とができ、安定な動作をする光スイッチを得ることがで
きる。
(実施例) 次に本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。
第1図は本発明の光スイッチの一実施例を示す平面
図、第2図は第1図のA−A線に沿って得られた断面図
である。
光スイッチ10は、第1図および第2図に示すように、
Z−Cut LiNbO3からなる基板11を備える。基板11に
は、ストリップ状の1対の光導波路12,13が形成されて
いる。各光導波路12,13はTiを基板11上に900℃〜1100℃
で数時間拡散することによって形成され、その幅寸法は
3μm〜10μm程度である。光導波路12と光導波路13と
はそれぞれの中央部が数μm程度の間隔で近接するよう
に基板11上に位置決めされている。光導波路12の中央部
と光導波路13の中央部とは互いに共働して方向性結合器
14を構成する。方向性結合器14の長さは、光導波路12と
光導波路13との間の光の移動率が100%となるように設
定されている。
基板11には、各光導波路12,13が形成されている面を
覆うバッファ層17が設けられている。バッファ層17上に
は、1対の光制御電極15,16が形成されている。光制御
電極15は光導波路12の中央部に対向し、光制御電極16は
光導波路13の中央部に対向する。光制御電極15と光導波
路12との間および光制御電極16と光導波路13との間に
は、バッファ層17が配置されていることにより、各光制
御電極15,16による光吸収をバッファ層17で防ぐことが
できる。
また、バッファ層17上には、1対の補正用電極18,19
が形成されている。補正用電極18は、光制御電極15と数
10μmの間隔をおいて配置され、補正用電極19は光制御
電極16と数10μmの間隔で配置されている。補正用電極
18と補正用電極19との間には、各光制御電極15,16が位
置する。
光制御電極15,16にはスイッチ20を介してスイッチ電
源21が接続されている。スイッチ電源21のスイッチ電圧
Vsの各光制御電源電極15,16間への印加はスイッチ20の
切り換えによって行われる。また、各光制御電極15,16
と各補正用電極18,19とにはバイアス電源22が接続され
ている。各光制御電極15,16および各補正用電極18,19間
にはスイッチ電圧Vsよりも十分に大きいバイアス電圧VB
が常時印加されている。補正用電極18,19には補正用電
源23が接続されている。補正用電極18,19間には補正用
電圧Vcが印加されている。
光制御電極15と光制御電極16との間が同電位の場合、
光導波路12への入射光1が方向性結合器14の部分を伝搬
するにしたがって入射光1の光エネルギーは光導波路12
に近接した光導波路13へ徐々に移る。方向性結合器14の
通過後、入射光1の光エネルギーは光導波路12から光導
波路13にほぼ100%移り、光導波路12から出射光2が射
出される。
光制御電極15,16間にスイッチ電圧Vsを印加した場
合、光制御電極15,16間には電界Esが発生し、電界Es
よるLiNbO3の電気光学効果で光制御電極15,16下の光導
波路の屈折率が変化する。前記屈折率の変化によって光
導波路12と13と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し、出射光2
の強度はほぼ0となる。
非対称シフトの補正は補正用電極18,19間に印加され
た補正用電圧Vcを調整することによって行われる。補正
用電圧Vcが変化されると、光導波路12,13に加わる電界E
cが変化することにより、非対称シフトによる光出力−
電圧特性の変動が抑圧されるから、安定な動作特性を得
ることができる。
光制御電極15,16と補正用電極18,19との間には常時ス
イッチ電圧Vsおよび補正用電圧Vcよりも充分に大きいバ
イアス電圧VBが印加されていることにより、基板11ない
しSiO2バッファ層17に含まれる不純物イオンがバイアス
電圧VBに引かれて補正用電極18,19近傍に移動しかつ集
中するから、光制御電極15,16近傍から不純物イオンが
無くなり、補正用電圧Vcや光制御電極15,16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。
なお、光スイッチ10では、バイアス電圧による電気光
学効果によっても方向性結合器14を構成する光導波路1
2,13の屈折率は変化するが、光制御電極15,16間、補正
用電極17,18間の電界と異なり電界の強度・向きも等し
くなるから、両光導波路12,13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ぜず、スイッチ動作には
まったく影響を及ぼさない。
以上にTi拡散LiNbO3光導波路の場合を例にとって説明
したが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。
(発明の効果) 以上に説明したように、本発明によれば、前記補正用
電極間の補正用電圧により非対称シフトを打ち消すこと
ができる。また、前記光制御電極と前記補正用電極間と
に常時バイアス電圧を加えておくことにより補正用電圧
及びスイッチ電圧による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。その結果、非対称
シフトとDCドリフトによる特性の変動を同時に抑圧する
ことができ、安定な動作が得られる光制御回路を提供す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の光スイッチの一実施例を示す平面図、
第2図は第1図のA−A線に沿って得られた断面図、第
3図は従来の光スイッチの電圧−光出力特性の一例を示
す図、第4図は従来の光スイッチを示す平面図、第5図
は第4図のB−B線に沿って得られた断面図である。 10……光スイッチ、11……基板、12,13……光導波路、1
4……方向性結合器、15,16……光制御電極、17……バッ
ファ層、18,19……補正用電極。

Claims (1)

    (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材料からなる
    基板と、該基板に形成され、互いに近接する少なくとも
    一対の光導波路と、該光導波路の近傍に設けられ、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
    るための少なくとも一対の光制御電極と、それぞれが前
    記基板に形成されかつ対応する前記光制御電極の外方に
    配置され、前記光制御電極に対するバイアスが加えられ
    る少なくとも一対の補正用電極と、該補正用電極間に異
    なる補正バイアスが印加できる回路と、該補正バイアス
    よりさらに大きいバイアスを前記光制御電極対と前記補
    正電極対の間に印加できる回路とを備えることを特徴と
    する光スイッチ。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6388363B1 (en) 1999-11-15 2002-05-14 Murata Manufacturing, Ltd. Piezoelectric resonator
US8380015B2 (en) 2009-03-31 2013-02-19 Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd. Optical control device
US8526768B2 (en) 2009-03-31 2013-09-03 Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd. Light control device

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6388363B1 (en) 1999-11-15 2002-05-14 Murata Manufacturing, Ltd. Piezoelectric resonator
US8380015B2 (en) 2009-03-31 2013-02-19 Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd. Optical control device
US8526768B2 (en) 2009-03-31 2013-09-03 Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd. Light control device

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