JP3969756B2 - 光機能デバイス - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、一軸結晶構造の電気光学材料を用いて光導波路を形成した光機能デバイスに関する。
【0002】
光通信によるマルチメディア情報網の構築が進む中で、電気光学効果を利用した各種の光機能デバイスの需要が急増している。
【0003】
【従来の技術】
図3は従来のモード変換器8の模式図である。図3(B)は図3(A)のb−b矢視断面の構造を示している。
【0004】
モード変換器8は、XカットのLiNbO3 結晶からなる基板20、基板20のX方向の表層部に形成された光導波路21、基板表面を覆うバッファ層22、光導波路21の上方に配置された電極23、電極23の両側に1つずつ配置された電極24,25から構成されている。
【0005】
各電極23〜25は光導波路21に沿って延びている。そして、電極23及び電極25は、外部の電源と接続するために、電極24を囲むように基板20のY方向の一端まで導出されている。
【0006】
LiNbO3 結晶は三方晶系の一軸結晶である。光導波路21は、チタンの熱拡散によって形成されており、基板20の結晶構造における光学軸であるZ方向に沿って延びている。
【0007】
電極23と電極24との間に駆動電圧V1を印加すると、図3(B)に鎖線の矢印で示すように、光導波路21に対してX方向の電界が加わり、屈折率の変化により光導波路21内を伝播する光の偏光面が伝播にともなって回転する。つまり、直線偏光を入射させると光導波路21内で楕円偏光になる。電圧V1に応じて光導波路21の後端での偏光面の方向が変化する。したがって、光導波路21にTEモード光又はTMモード光を入射させ、光導波路21の後端に入射光に対する直交関係の偏光モードの光を透過させる検光子を設けることにより、強度変調器を構成することができる。
【0008】
また、モード変換器8により、偏光モードをTEモードからTMモードに、又はTMモードからTEモードに変換する偏波制御を行うことができる。すなわちモード変換器8と位相シフターとを組み合わせることにより、任意の偏波を得る偏波制御器を構成することができる。
【0009】
ところで、一軸結晶における光学軸と直交する面(XY面)は、屈折率の等方性を有している。つまり、結晶構造上は、X方向及びY方向の屈折率(常光線屈折率no )が等しい。しかし、実際には、光導波路21の断面形状の非対称性に起因して、X方向とY方向との間に屈折率の微妙な差異が生じる。
【0010】
例えば、XカットのLiNbO3 結晶では、Y方向の屈折率がX方向に比べて大きく、TEモード光の実効屈折率NTEとTMモード光の実効屈折率NTMとの間に約1×10-4の差(複屈折率)が生じる。
【0011】
このような複屈折率(=|NTE−NTM|)が生じると、楕円偏光における互いに直交する2方向の偏波成分の位相差が適正値からずれてしまい、所定の機能を実現することができなくなる。
【0012】
そこで、従来は、電極24と電極25との間に位相整合電圧と呼称される第2の電圧V2を印加していた。位相整合電圧V2を印加すると、図3(B)に破線の矢印で示すように、光導波路21に対してY方向の電界が加わり、Y方向の屈折率が変化する。位相整合電圧V2の値を適当に選定することにより、光導波路21の断面形状の非対称性に起因する屈折率の異方性が等方性に補正される。すなわち、駆動電圧V1を印加しない状態での光導波路21内のX方向及びY方向の屈折率が等しくなる。XカットのLiNbO3 結晶において、約1×10-4の複屈折率を打ち消す位相整合電圧V2の値は30ボルト程度である。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来のモード変換器8では、駆動電圧V1だけでなく位相整合電圧V2を印加しなければならなかった。つまり、使用に際して2系統の電圧源が必要であった。
【0014】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、光導波路の断面形状の非対称性を補う位相整合電圧の印加を不要とし、駆動系の回路構成の簡単化を図ることを目的としている。
【0015】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明のデバイスは、電気光学材料である一軸結晶基板の表層部に光導波路が形成され、当該光導波路の上方に配置された第1の電極と、当該第1の電極の両側に配置された第2および第3の電極とを備えた光機能デバイスであって、前記光導波路が、前記一軸結晶基板の結晶構造における光学軸に対して、光伝播の臨界角よりも小さい特定の角度だけ傾いた方向に沿って形成され、前記特定の角度が、前記光導波路内の光伝播方向と直交する面におけるTEモード光の実効屈折率とTMモード光の実効屈折率とが一致するように設定されており、前記第1の電極と前記第2の電極との間、および前記第1の電極と前記第3の電極との間にモード変換のための共通の駆動電圧が印加されるものである。
【0016】
請求項2の発明のデバイスは、前記光導波路が、前記一軸結晶基板における前記表層部に対応した表面と平行で且つ前記光学軸に対して前記特定の角度だけ傾いた方向に沿って形成されてなる。
【0017】
【作用】
一軸結晶において、光学軸方向の屈折率(異常光線屈折率ne )は、光学軸と直交する面内の屈折率(常光線屈折率no )と値が異なる。したがって、光導波路の延長方向である光伝播方向を光学軸に対して傾けると、光学軸と光伝播方向とを含む面内において、光伝播方向と直交する方向の屈折率が常光線屈折率no から異常光線屈折率ne に近づく。光学軸と光伝播方向とを含む面と直交する方向の屈折率は変わらず、常光線屈折率no と同じ値である。
【0018】
つまり、光導波路の断面形状の非対称性といった結晶構造以外の要因に起因して常光線屈折率no の異方性が生じたとしても、光導波路(光伝播方向)を光学軸に対して傾けることにより、光伝播方向と直交する面内において、互いに直交する2方向の一方の屈折率のみを変化させて2方向の屈折率を一致させることができる。
【0019】
光伝播方向が光学軸と一致するときに生じる複屈折率をΔNとすると、TEモード光の実効屈折率NTEとTMモード光の実効屈折率NTMとが一致するような光伝播方向の光学軸に対する傾き角度θは、近似的に(1)式で表される。
【0020】
θ=cos-1〔(no −ΔN)/no 〕 …(1)
no :常光線屈折率
ΔN:複屈折率(=|NTE−NTM|)
【0021】
【実施例】
図1は本発明のモード変換器1の模式図である。図1(B)は図1(A)のb−b矢視断面の構造を示している。また、図2は図1に対応した実効屈折率の補正の内容を示す図である。
【0022】
モード変換器1は、例えば波長1.55μmのレーザ光による光通信用の光機能デバイスであり、XカットのLiNbO3 結晶からなる基板10、基板10のX方向の表層部に形成された直線状の光導波路11、バッファ層12、光導波路11の上方に配置された電極13、電極13の両側に1つずつ配置された電極14,15から構成されている。
【0023】
各電極13〜15は光導波路11に沿って延びている。そして、電極13及び電極15は、外部の電源と接続するために、電極14を囲むように基板10のY方向の一端まで導出されている。
【0024】
光導波路11は、基板10のX方向の表面と平行で且つZ方向に対して角度θだけ傾いた方向Z’に沿って、基板10におけるZ方向の一端から他端まで延びている。Z方向は一軸結晶の光学軸方向である。そして、角度θは後述のように0.54°に設定されている。
【0025】
このような光導波路11は、チタンの熱拡散によって形成されている。すなわち、基板10のX方向の表面に1000Å程度の厚さのチタン膜を設け、数μm程度の幅の帯状にパターニングする。そして、湿潤酸素雰囲気中で基板10を1050℃に加熱し、その状態を10時間にわたって保持する。この一連の処理により光導波路11が形成される。
【0026】
バッファ層12は、厚さ0.5μm程度の二酸化珪素層であり、主に電極13による光吸収を防止するために設けられている。電極13〜15は、バッファ層12を設けた後に、金を蒸着してパターニングする薄膜工程によって形成されている。
【0027】
モード変換器1の使用に際しては、光導波路11の両側の電極14,15を電気的に共通化し、これらの電極14,15と残りの電極13との間に駆動電圧V1を印加する。駆動電圧V1の印加によって、図1(B)に鎖線の矢印で示すように、光導波路11に対してX方向の電界が効率的に加わり、X方向の屈折率が変化して光導波路21内を伝播する光の偏光面が回転する。モード変換器1も従来のモード変換器8と同様の用途に利用できる。
【0028】
モード変換器1では、光伝播方向である光導波路11の延長方向が上述のように光学軸(Z方向)に対して角度θだけ傾いているので、従来例とは違って位相整合電圧V2(図3参照)を印加する必要がない。
【0029】
以下、モード変換器1における実効屈折率の補正について説明する。なお、以下の説明では、X方向に電界成分が振動する直線偏光の光を光導波路11に入射させるものとする。
【0030】
図2(A)はLiNbO3 結晶における波長1.55μmの光に対応する屈折率楕円体を示しており、図2(B)は図2(A)の屈折率楕円体のY軸及びZ軸を含む断面を示している。
【0031】
結晶構造の上では、X方向及びY方向の屈折率である常光線屈折率no はともに2.2である。しかし、熱拡散によって光導波路11を形成すると、必然的に光導波路11の断面形状がX方向に短い偏平形状となる。そのため、光導波路11が光学軸に沿って延びる場合には、図2(C)に破線で示すように、Y方向に対応するTEモード光の実効屈折率NTEが、X方向に対応するTMモード光の実効屈折率NTMより大きくなり、約1×10-4の複屈折率ΔNが生じる。
【0032】
一方、Z方向の屈折率である異常光線屈折率ne は、常光線屈折率no より小さい2.14である。すなわち、図2(B)のように屈折率楕円体のYZ平面と平行な断面は、Z方向を短軸方向とする楕円である。このことから、光伝播方向Z’をYZ平面(光導波路11の形成面)に沿ってZ方向(光学軸)に対して傾けると、YZ平面内で光伝播方向Z’と直交する方向Y’の屈折率no ’が常光線屈折率no (=2.2)と異常光線屈折率ne (=2.14)との間の値になる。X方向の屈折率は変わらない。
【0033】
屈折率no ’と常光線屈折率no との差αが、複屈折率ΔNを打ち消す値となるように光伝播方向Z’の傾きの角度θを選定することによって、光導波路11の断面形状に起因する実効屈折率の異方性を等方性に補正することができる。つまり、図2(C)に実線で示すように、光伝播方向Z’と直交する面(XY’平面)におけるTEモード光の実効屈折率NTEとTMモード光の実効屈折率NTMとを一致させることができる。
【0034】
XカットのLiNbO3 結晶における適正な角度θを(1)式によって求めると、その結果は0.54°である。LiNbO3 結晶の研磨精度は±0.03°程度であるので、角度θについて実用上の十分な精度を確保することができる。
【0035】
また、角度θの適正値(0.54°)は、入射光が全反射して光伝播状態が漏れモードとなる臨界角(通常は5°程度)と比べて十分に小さいので、TEモード光及びTEモード光の伝播損失は小さく、実用に支障はない。
【0036】
上述の実施例によれば、光導波路11の両側の電極14,15を共通化して駆動電圧V1の印加に用いたので、従来例のように片側の電極24のみを駆動電圧V1の印加に用いる場合と比べて、光導波路11に対して効率的に電界を作用させることができる。
【0037】
上述の実施例によれば、チタンに代表される熱拡散材料の膜のパターニング形状を選定するだけで容易に光導波路11を光学軸に対して傾けることができる。
上述の実施例において、基板10の材料として、YカットのLiNbO3 結晶、Xカット又はYカットのLiTaO3 結晶などの他の三方晶系一軸結晶、六方晶系又は正方晶系の一軸結晶を用いることができる。
【0038】
上述の実施例において、X,Y,Z方向の屈折率の大小関係に応じて、必要により基板10の光導波路形成面の斜めに研磨するなどして、光導波路11を基板10の厚さ方向(X方向又はY方向)の面内で光学軸に対して傾けてもよい。
【0039】
【発明の効果】
請求項1及び請求項2の発明によれば、位相整合電圧の印加が不要であり、単一の電源で駆動することができるので、駆動系の回路構成の簡単化を図ることができる。また、光導波路に対して効率的に電界を作用させることができる。
【0040】
請求項2の発明によれば、光導波路を光学軸に対して傾けるための特別の工程が不要であり、容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のモード変換器の模式図である。
【図2】図1に対応した実効屈折率の補正の内容を示す図である。
【図3】従来のモード変換器の模式図である。
【符号の説明】
1 モード変換器(光機能デバイス)
10 基板(一軸結晶基板)
11 光導波路
Z 結晶構造のZ方向(光学軸)
Z’光伝播方向
θ 角度(特定の角度)
Claims (2)
- 電気光学材料である一軸結晶基板の表層部に光導波路が形成され、当該光導波路の上方に配置された第1の電極と、当該第1の電極の両側に配置された第2および第3の電極とを備えた光機能デバイスであって、
前記光導波路が、前記一軸結晶基板の結晶構造における光学軸に対して、光伝播の臨界角よりも小さい特定の角度だけ傾いた方向に沿って形成され、
前記特定の角度が、前記光導波路内の光伝播方向と直交する面におけるTEモード光の実効屈折率とTMモード光の実効屈折率とが一致するように設定されており、
前記第1の電極と前記第2の電極との間、および前記第1の電極と前記第3の電極との間にモード変換のための共通の駆動電圧が印加される
ことを特徴とする光機能デバイス。 - 前記光導波路が、前記一軸結晶基板における前記表層部に対応した表面と平行で且つ前記光学軸に対して前記特定の角度だけ傾いた方向に沿って形成されてなる
請求項1記載の光機能デバイス。
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JP14576695A JP3969756B2 (ja) | 1995-06-13 | 1995-06-13 | 光機能デバイス |
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JP14576695A JP3969756B2 (ja) | 1995-06-13 | 1995-06-13 | 光機能デバイス |
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JPH08338971A JPH08338971A (ja) | 1996-12-24 |
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Family Applications (1)
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JP14576695A Expired - Fee Related JP3969756B2 (ja) | 1995-06-13 | 1995-06-13 | 光機能デバイス |
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-
1995
- 1995-06-13 JP JP14576695A patent/JP3969756B2/ja not_active Expired - Fee Related
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JPH08338971A (ja) | 1996-12-24 |
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