JP3250712B2 - 偏波無依存光制御素子 - Google Patents
偏波無依存光制御素子Info
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Description
などの光制御素子の中で、小型で駆動電圧が小さく高速
動作が可能で、かつ入力光の偏波状態に依存しない偏波
無依存光制御素子に関するものである。
交換システムにおいては、高速で駆動するために、駆動
電圧が小さい光制御素子が有用である。この種の光制御
素子の一例としては、光スイッチや位相変調器や、光強
度変調器等があり、基本技術として、プリズムや光ファ
イバを機械的に移動させるメカニカル型、石英系ガラス
導波路等で用いられる熱光学効果型、Ti拡散LiNb
O3 導波路等で用いられる電気光学効果型、等に大別さ
れる。この中でメカニカル型や熱光学効果型の光制御素
子は偏波依存性はないが、その応答速度は1msec程
度以上と遅いという問題がある。
速度が極めて速いという特徴を持っている。しかしなが
ら、同じ電圧あるいは電界を印加しても、屈折率変化が
光の偏波方向によって異なり、その動作が偏波方向に依
存したものになってしまうという問題があった。
光強度変調器の例を、図15および16に示す。図15
は該光強度変調器の透視的に見た平面図であり、図16
は図15のA−A’線に沿う断面図である。
効果を有するz板LiNbO3 基板1に、Ti熱拡散に
より光導波路2が形成されている。この基板1の上には
SiO2 バッファ層8が0.3〜1μm程度形成され、
バッファ層8の上には進行波型電極3が形成されてい
る。進行波型電極3間に給電線11からマイクロ波電圧
Vが供給される。
2に入射させると、光はマッハツェンダ干渉計を構成す
るY分岐部9aで二つの光導波路にパワーを分配する。
光導波路2、2と、電極3に印加した電圧とが相互作用
する領域で、その入力電圧に応じて光の屈折率あるいは
位相が変化し、Y分岐部9bで光が干渉し合い出射光7
の強度が変化する。
直な電界成分を有するTMモードと水平方向に電界成分
を有するTEモードと呼ばれる直交する二つの偏波モー
ドが伝搬する。光導波路2と、電極3に印加した電圧と
が相互作用する領域(領域の長さをLとする)では、光
の伝搬方向をLiNbO3 結晶のx軸方向とし、光導波
路2内における実効的な電界をEzとした場合、TMモ
ードに対する屈折率変化Δn(TM)はTEモードに対
する屈折率変化Δn(TE)の約3倍である。ここで、
駆動電圧Vpと相互作用長Lとは、
ードに対する定数ΓをΓ(TM)とし、TEモードに対
する定数ΓをΓ(TE)とすると、
は分布定数回路として構成されているので、理想的には
電気回路的な帯域制限はない。しかし、実際にはマイク
ロ波と光には位相速度差があり、これによって動作周波
数の上限が制限される。
をnm 、光に対する光導波路の実効的な屈折率をn0 と
表すと、この位相速度によって生じる上限周波数fv
は、次式で与えられる[参考文献:信学論(C),J6
4−C,p264−271,1981]。
m は基板の実効的な比誘電率εeff に対して、
マイクロ波に対する屈折率nm は、光に対する屈折率n
0 とは必ずしも一致しない。基板の実効的な比誘電率ε
effは、構造や材質によって異なるが、従来例において
はnm が3.2程度の値となる。
において、電極の長さ(相互作用長)を20mmとした
場合に、波長1.3μmにおいて得られた特性の一例で
ある。光がON/OFFするのに要する電圧(駆動電
圧)はVp(TM)が5Vであるのに対し、Vp(T
E)は15Vであった。これは、上述した(1)式およ
び(2)式の関係から推定される値と一致している。な
お、周波数帯域としては、TMモードの屈折率n0 (T
M)=2.15、TEモードの屈折率n0 (TE)=
2.22で、屈折率nm は屈折率n0 の約1.5倍の大
きさになるので、式(3)から7GHz程度になる。
来例によれば、TMおよびTEモードとも同時にON/
OFFする場合には、電圧がそれぞれ0Vおよび15V
において達成されるため、駆動電圧として最低15V必
要であり、高速で動作させる場合に駆動電源にとって大
きな負担となる。
(3)式から明らかなように、動作周波数に応じて、相
互作用長Lを短くすることにより達成できるものの、相
互作用長Lを短くすると、上記(1)式で示されるよう
に、駆動電圧が大きくなるという欠点があった。
と、消光比劣化が生じてしまい、システム上許容される
消光比を確保できなくなることが予想される。
解消し、低駆動電圧で高速動作が可能な、小型で入力光
の偏波状態に依存しない偏波無依存光制御素子を提供す
ることにある。
め、本発明の請求項1の偏波無依存光制御素子は、電気
光学効果を有する光学基板と、該光学基板の表面付近に
形成された光導波路と、該光導波路が形成された前記光
学基板面上に配置された進行波型電極とを備え、前記電
極にマイクロ波を印加して誘起される電圧により前記光
導波路と前記電極との相互作用領域が形成される偏波無
依存光制御素子であって、波長板および反射層を有する
とともに光偏波面を実質的に90°前後回転して折り返
す折り返し部を前記光導波路の少なくとも一ケ所に具備
し、かつ前記光導波路、前記折り返し光導波路および前
記進行波型電極の長さを、直交する伝搬光モードの前記
相互作用部におけるマイクロ波の実効的な電圧の総和が
ほぼ一致する長さに、設定したことを特徴とする。
子は、前記請求項1の光制御素子において、進行波型電
極を二つ以上に分割したことを特徴とする。
は、前記請求項1または2に記載の光制御素子におい
て、光導波路の折り返し部を二つ以上具備したことを特
徴とする。
は、前記請求項1ないし3のいずれかに記載の光制御素
子において、光導波路、折り返し光導波路および進行波
型電極の長さを、相互作用部におけるマイクロ波と光と
の実効的な走行時間がほぼ一致する長さに、設定したこ
とを特徴とする。
て、波長板により偏波方向を90°回転させて反射させ
ることでTEモードとTMモードが変換されるので、入
射時にTEおよびTMモードであった入射光が、分岐後
再び合波するまでに受ける位相変化は同じになり、偏波
依存性がなくなる。また、電気光学効果を有する光学基
板の大きさには制限があるが、本発明のように光導波路
を折り返すと相互作用長を長くすることができ、駆動電
圧を非常に低減することができる。また、折り返し部で
電極と光導波路の長さに差を設けることができるので、
マイクロ波と光の位相速度差を補償することができ、従
来より高速動作を行うことが可能となる。また、同じ駆
動電圧に対して全素子長を短くすることができるため、
小型化も図ることができる。
上入れ変えられるので、マイクロ波の伝搬損失によって
生じる各偏波モードの実効的な電圧の不均衡を解消する
ことができ、従って、高速動作においても偏波依存性の
無い特性が得られる。
際のデバイスに沿ってより具体的に説明する。
に説明する。
依存光制御素子として、マッハツェンダ型光強度変調器
の第1の実施例を説明するための平面図であり、図2は
図1のA−A′線に沿う拡大断面図である。
従来例と同様に電気光学効果を有するz板LiNbO3
基板1上にTi熱拡散法により光導波路2を形成してい
る。この光導波路2には、光度変換型折り返し光導波路
部10が形成されている。光導波路2上に進行波型電極
3を配置している。光導波路2を伝搬する光が電極3に
よる吸収損失を少なくするために、例えばSiO2 でバ
ッファ層8を基板1と電極3との間に1μm程度形成し
ている。進行波型電極3に給電線11からマイクロ波電
圧Vが供給される。
し光導波路部10の端部近傍の拡大一部断面視した平面
図の一例を示す。研磨等で形成した光路変換型光導波路
の折り返し部10の端部に、片側に高反射膜5を形成し
た1/4波長板4を、その主軸が基板面と45°となる
ように傾けて接合した。ここで、波長板4は、(2n+
1)/4波長板(nは0以上の整数)でもよい。また、
光導波路端部と波長板4との屈折率不整合による不要な
反射光を除去するため、光導波路端部と波長板4との間
に反射防止膜を形成している。なお、波長板4の厚さ
は、厚い程損失が大きくなるため、薄い方が望ましい。
について説明する。
せると、光はマッハツェンダ干渉計を構成するY分岐部
9aで二つの光導波路にパワーを分配する。光導波路2
と電極3とが第1の相互作用領域(PQ間:長さL1 )
13でその入力信号に応じて光の屈折率あるいは位相が
変化する。折り返し部10において、光が45°傾いた
1/4波長板4を往復するため、実効的に1/2波長板
を通過したことと同じになり、TMモードがTEモード
へ、TEモードがTMモードへ変換される。第2の相互
作用領域(RS間:長さL2 )14を経てY分岐部9b
で光が合波する。ここで、L1 とL2 が等しい場合(L
=L1 =L2 )、分岐してから合波するまでの間に、異
なる入射光モードが受ける位相変化が等しくなり、各モ
ードとも二つの光導波路間の屈折率変化を同じように受
ける。従って、各入射モードとも同じ電圧において合波
部(Y分岐部9b)で干渉し合い出射光7の強度が変化
する。
におけるTMモード(TEモード)における駆動電圧を
Vp(TM)(Vp(TE))とすると、駆動電圧Vp
(TM+TE)は、
Eモード)に対するΓ(TM)(Γ(TE))は、従来
構造の値とほぼ同じとする。
な実効屈折率をn0 、マイクロ波の実効的な屈折率をn
m 、QR間に実効的な光導波路の長さをL3 、QR間の
実効的な電極の長さをL3 ′とした時に、
クロ波と光の各位相面が、R点においても一致する。つ
まり、相互作用部における実効的な走行時間を一致させ
ることができる。従って、上限周波数は前記(3)式の
LをL1 とした値となる。図15、図16の光制御素子
の相互作用長Lと図1の光制御素子の相互作用長L1 を
等しくすると、周波数帯域は同じとなり、かつ上記で示
したように入射光の偏波モードに依存せずに駆動電圧を
低減することができる。
でも、低電圧化、高速動作化等に大きな影響は与えな
い。
波長1.3μmの光を用いたときの印加電圧に対する光
出力特性である。ここで、横軸は電極に印加した電圧を
縦軸に出射光強度を示す。駆動電圧は3.8Vであり、
入射光の偏波によらず同じ特性を示すことがわかる。図
15、図16で示した従来例におけるVp(TM)=5
V、Vp(TE)=15Vの値から、上記(5)式を用
いて駆動電圧Vp(TM+TE)を推定した値と良く一
致していることがわかる。よって、本発明による構成に
よって偏波無依存光強度変調器は、従来の構成によるも
のと比較して1/4程度の駆動電圧ですむことになる。
また、周波数帯域は図15、図16の従来例と同程度で
あった。さらに、入射光の偏波に対してON/OFF電
圧が一致しているため、消光比劣化はほとんとない。
波依存性を無くし、かつその駆動電圧を従来より大幅に
低減することができ、またマイクロ波と光の位相速度差
を補償することができるため高速動作を実現することが
できる。
した本発明の第2の実施例である。図1と同一構成要素
には同一符号を付して説明を簡略化した。図1の第1の
実施例のY分岐部9a,9bを2×2カプラ部15に置
き換えた2×2光スイッチの構成となっている。2×2
カプラは部15、方向性結合器やX分岐等で構成し、各
偏波に対してそれぞれ3dBとなるように設定してあ
る。
不整合による帯域制限が主要因で、マイクロ波の伝搬に
伴う損失が無視できるような場合を示した。
り、マイクロ波の伝搬に伴う損失が帯域制限の主要因と
なる場合は、TMモードとTEモードの全相互作用領域
で受ける実効的な電圧の総和が異なり、偏波依存性が生
じてしまう問題がある。
失が無視できない場合の本発明の第3の実施例である。
図中、図1および図5と同一構成要素には同一符号を付
して説明を簡略化した。第1のマイクロ波給電線16と
第2のマイクロ波給電線17からの入力は、P点におけ
るマイクロ波と光の各位相面が、R点においても一致す
るように、P点からR点までの光の到達時間Δtだけ遅
延時間を有する。図7は、マイクロ波と光速度が一致し
た場合におけるマイクロ波の伝搬距離に対する実効的な
電圧(パワー)を示している。電圧は伝搬距離に対して
指数関数的に減衰する。特に周波数が高い場合、図1に
示す第1の実施例では、図8で示すように光が受ける実
効的な電圧の総和が入射偏波モードによって異なってく
る。図9は、図6において、第1,第2のマイクロ波の
パワーを同じ値に設定した場合の光が受ける実効的な電
圧の距離依存性を示している。これにより、マイクロ波
の伝搬損失による高周波領域におけるPQ間の実効的な
電圧とRS間の実効的な電圧を一致させることができる
ため、DCあるいは低周波動作だけでなく高周波動作に
おいても偏波依存性をなくすことができる。
損失が無視できない場合の光路変換型折り返し光導波路
部10を2ケ所用いて相互作用部を2回折り返しとした
本発明の第4の実施例を示す図である。本実施例では第
1の相互作用領域(PQ間)13+第3の相互作用領域
(TU間)18の長さと第2の相互作用領域(RS間)
14の長さを等しくしている。図11は、入射偏波モー
ド光が受ける実効的な電圧の距離依存性を示している。
PQ間およびTU間の電圧の総和とRS間の電圧の総和
を等しくするように各領域の長さを設定すれば、入射の
各モード光が受ける実効的な電圧をほぼ等しくすること
ができるため、DCあるいは低周波領域だけでなく、高
周波領域においても偏波依存性をなくすことができる。
なお、繰り返し回数を3回以上行ってもよい。また、速
度不整合が問題とならない場合には、上記相互作用領域
の長さは限定されない。
記第1,第2,第3および第4の実施例における光路変
換型折り返し光導波路部の端部近傍の他の構成を示す図
である。図12、図13は角度θの光導波路402と光
導波路端部403で構成され、光導波路端部に取り付け
られた波長板4の周囲にはこの波長板4を取り付けるた
めの溝19が形成されている。また図14は光導波路2
が端部近傍で3dBカプラを形成し、カプラ部20を光
が波長板4を通して往復することにより光路が変換され
る構造である。
導波路について説明したが、例えばイオン交換法等によ
り形成してもよい。また、リッジ型光導波路としてもよ
い。さらに、光導波路として直線導波路を用いることに
よって位相変調器を構成することができる。また、バッ
ファ層材料についてもSiO2 の場合について説明した
が、アルミナやテフロン等の誘電体や半絶縁体を用いて
もよい。進行波型電極としてCPW電極について説明し
たが、ACPS電極等の電極構造を用いてもよい。
光学効果を用いた光制御素子について実施例を示してき
たが、個の他にx板やy板のLiNbO3 基板や、他の
強誘電体をはじめ、半導体や有機物などの異方性を有す
る基板の電気光学効果を用いた光制御素子にも本発明の
構成は非常に有効であることは言うまでもない。
する光学基板と、光学基板の表面付近に形成された光導
波路と、光導波路が形成された光学基板面上に配置され
た進行波型電極とを備え、電極にマイクロ波を印加して
誘起される電圧により光導波路と電極との相互作用領域
が形成される偏波無依存光制御素子であって、波長板お
よび反射層を有するとともに光偏波面を実質的に90°
前後回転して折り返す折り返し部を光導波路の少なくと
も一ケ所に具備し、かつ光導波路、折り返し光導波路お
よび進行波型電極の長さを、直交する伝搬光モードの相
互作用部におけるマイクロ波の実効的な電圧の総和がほ
ぼ一致するように、光導波路や該折り返し光導波路の長
さや繰り返し数、および進行波型電極の長さや分割数を
設定することにより、入力光の偏波状態によらず、相互
作用長を長くすることができるため、駆動電圧を非常に
低減することができる。また、マイクロ波と光の位相速
度差を補償することができ、従来から高速動作を行うこ
とが可能となる。また、同じ駆動電圧に対して全素子長
を短くすることができるため、小型化も図ることができ
る。また、マイクロ波の伝搬損失によって生じる各偏波
モードの実効的な電圧の不均衡を解消することができる
ため、高速動作においても偏波依存性の無い特性が得ら
れる。
とした本発明の第1の実施例の平面図である。
傍の平面図である。
に電圧を印加した場合の光出力特性図である。
の平面図である。
発明の第3の実施例の平面図である。
電圧(パワー)の伝搬距離依存性を示す図である。
ド光が受ける実効的な電圧の距離依存性を示す図であ
る。
受ける実効的な電圧の距離依存性を示す図である。
光路変換型折り返し光導波路を2回用いた本発明の第4
の実施例の平面図である。
離依存性を示す図である。
る折り返し光導波路端部近傍の変形例を示す平面図であ
る。
る折り返し光導波路端部近傍の他の変形例を示す平面図
である。
を示す平面図である。
調器の電極に電圧を印加した場合の光出力特性図であ
る。
のY分岐部 10 折り返し型光導波路部 11 マイクロ波給電線 12 終端抵抗 13 第1の相互作用領域 14 第2の相互作用領域 15 2×2カプラ部 16 マイクロ波給電線 17 マイクロ波給電線 18 第3の相互作用領域 19 溝 20 3dBカプラ部 402 光導波路 403 光導波路端部
Claims (4)
- 【請求項1】 電気光学効果を有する光学基板と、該光
学基板の表面付近に形成された光導波路と、該光導波路
が形成された前記光学基板面上に配置された進行波型電
極とを備え、前記電極にマイクロ波を印加して誘起され
る電圧により前記光導波路と前記電極との相互作用領域
が形成される偏波無依存光制御素子であって、 波長板および反射層を有するとともに光偏波面を実質的
に90°前後回転して折り返す折り返し部を前記光導波
路の少なくとも一ケ所に具備し、かつ前記光導波路、前
記折り返し光導波路および前記進行波型電極の長さを、
直交する伝搬光モードの前記相互作用部におけるマイク
ロ波の実効的な電圧の総和がほぼ一致する長さに、設定
したことを特徴とする偏波無依存光制御素子。 - 【請求項2】 前記進行波型電極を二つ以上に分割した
ことを特徴とする請求項1に記載の偏波無依存光制御素
子。 - 【請求項3】 前記光導波路の折り返し部を二つ以上具
備したことを特徴とする請求項1または2に記載の偏波
無依存光制御素子。 - 【請求項4】 前記光導波路、前記折り返し光導波路お
よび前記進行波型電極の長さを、前記相互作用部におけ
るマイクロ波と光との実効的な走行時間がほぼ一致する
長さに、設定したことを特徴とする請求項1ないし3の
いずれかに記載の偏波無依存光制御素子。
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- 1995-06-26 JP JP15949995A patent/JP3250712B2/ja not_active Expired - Fee Related
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