JP5412832B2

JP5412832B2 - 光制御素子

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Inventors: 康浩倉谷; 秀哉堀内
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Description

この発明は、電気光学効果を有する基板に形成された光導波路を備えて、光変調器や光スイッチなどとして作用する光制御素子に関するものである。

従来、ＬｉＮｂＯ₃（ニオブ酸リチウム）などの電気光学効果を有する単結晶を用いた光制御素子においてＬｉＮｂＯ₃の異方性に起因して二つ以上の偏波面で変調を行わせるようなことが困難であり、これを解決するために、例えば特許文献１には、同一平面にある異なる機能を有する複数の光導波路の各端面を互いに密着させ、各光導波路間で光を相互に結合させた光制御素子が示されている。

また。導波路型光スイッチにおいて、入射光の偏波の状態に依存しない無依存性光スイッチが特許文献２に示されている。

ここで、特許文献１に示されている光制御素子の構成を図１を基に説明する。

図１は、特許文献１に示されている光制御素子の斜視図である。この光制御素子は直線偏波入射光を任意の偏波（楕円偏波）に変換する光変調器である。２つの光導波路３，４は、それらの各光導波路基板１、２の結晶端面１３、１４で密着され、相互に光結合されている。各基板１，２は、ＬｉＮｂＯ₃の単結晶を用い、その表面付近にチタンイオンを熱拡散させることにより、屈折率がわずかに大きい光導波路３，４が各々形成されている。この時、各基板１，２の各軸方位１１，１２は互いに４５゜の角度をなすように設定されている。そして、各光導波路３，４の両端には電極５と６、及び７と８が設けられ、各々電源９，１０から所定電圧が印加され、各光導波路３，４内を進行する光の変調を行う。そして、基板１の端面１５から光導波路３に入射した入射光１７は、光導波路３，４で各々異なった変調を受けて、基板２の端面１６から出射される。

図２は、特許文献２に示されている導波路型偏波無依存光スイッチとして作用する光導波路の平面図である。この光導波路は、ＬｉＮｂＯ₃ 基板２１、Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ₃ 光導波路２２、スイッチ用正極側電極２３，スイッチ用負極側電極２４、薄膜波長板挿入溝２５、薄膜１／２波長板２６，電極接続用ワイヤーボンディング２７を備えている。

このように導波路の中間に波長板を挿入し、偏波を９０°回すことで偏波無依存性動作の光スイッチを実現している。
特許第２６１５０２２号公報特開平７−５６１９９号公報

ところが、特許文献１に示されている光導波路では、複数の異なる機能を有する基板を接続する一般的な構成については示されているが、例えば偏波無依存性で且つ低電圧動作可能とするための具体的な構成については示されていない。

また、特許文献２の構成では、光の経路である導波路の途中に１／２波長板を挿入する必要があるため、その接続部において光損失が大きくなるという問題がある。また１／２波長板による偏波の回転には波長依存性があるため、消光比に波長依存が生じるという問題がある。

そこでこの発明の目的は、波長依存性が低く且つ低電圧動作可能な偏波無依存性の光制御素子を提供することにある。

前記課題を解決するために、この発明は次のように構成する。
電気光学効果を有する基板に形成された光導波路と、該光導波路に電界を印加して当該光導波路を伝搬する光を制御するための制御用電極と、を備えた光制御素子において、
表面の法線方向および光の伝搬方向の両方に垂直方向に光学軸をもつ第１の基板と、表面の法線方向に光学軸をもつ第２の基板と、の少なくとも二つの基板のそれぞれに、分岐光導波路構造を有する光導波路を設けるとともに、第１・第２それぞれの基板の分岐光導波路部分において光学軸方向成分の電界が生じるように前記制御用電極を配置し、第１の基板の分岐光導波路と第２の基板の分岐光導波路とを光の伝搬方向に縦続接続してマッハツェンダー構造とすることにより光変調器または光スイッチを構成し、第１・第２の基板の電気光学定数および電界効率に対応して第１・第２の基板での制御用電極の長さの比を定めることによって、第１・第２の基板の光導波路を伝搬する光のＴＥ成分とＴＭ成分の変調量をほぼ等しくする。すなわち動作点を合わせる。

第１の基板をＸカットまたはＹカットのＬｉＮｂＯ₃基板（ＬＮ基板）、前記第２の基板をＺカットのＬｉＮｂＯ₃基板（ＬＮ基板）とし、第２の基板の制御用電極の長さを第１の基板の制御用電極の長さの約３倍にする。

第２の基板を薄板化し、制御用電極を制御部の導波路領域で第２の基板の表裏を挟むように対向配置する。

第２の基板の厚さを７〜１５μｍの範囲内で定め、第２の基板の制御用電極の長さの第１の基板の制御用電極の長さに対する比を０．８〜１．３の範囲内で定める。

第２の基板の厚さを９μｍとし、第２の基板の制御用電極の長さと第１の基板の制御用電極の長さとをほぼ等しくする。

第１・第２の基板の光導波路を伝搬する光のＴＥ成分とＴＭ成分の損失の差が最小となる位置で第１・第２の基板の光導波路を接続する。

この発明によれば次のような効果を奏する。
基板表面の法線方向および光の伝搬方向の両方に垂直方向に光学軸をもつ第１の基板と、表面の法線方向に光学軸をもつ第２の基板とを用いて、第１・第２の基板に形成した光導波路の特性が合成されることになるので、定数に異方性のある基板を用いてもＴＥ成分、ＴＭ成分の両方に対して同等に効率よく制御できるようになる。そして、第１・第２の基板でマッハツェンダー構造とすることにより、制御電極長を自由に設計でき、動作電圧を最も低くして且つ高効率な変調が行えるため、素子長を短く構成できる。

第１・第２の基板の電気光学定数および電界効率に対応して第１・第２の基板での制御用電極の長さの比を定めることによって、動作電圧の偏波依存性を無くすことができる。

第１の基板をＸカットまたはＹカットのＬｉＮｂＯ₃基板（ＬＮ基板）、前記第２の基板をＺカットのＬｉＮｂＯ₃基板（ＬＮ基板）とし、第２の基板の制御用電極の長さを第１の基板の制御用電極の長さの約３倍にすることによって、簡単な構成で、低電圧で動作可能で且つ動作電圧の偏波依存性の無い素子が得られる。

第２の基板を薄板化し、制御用電極を制御部の導波路領域で第２の基板の表裏を挟むように対向配置することによって、第２の基板に形成する光導波路を短尺化でき、また同一素子長では動作電圧が低減化できる。

第２の基板の厚さを７〜１５μｍの範囲内で定め、第２の基板の制御用電極の長さの第１の基板の制御用電極の長さに対する比を０．８〜１．３の範囲内で定めることによって、薄板化による光損失増大が生じない範囲で、第２の基板の光導波路での電界効率を高くでき、しかもＴＥ成分とＴＭ成分の動作電圧をほぼ一致させることができる。

第２の基板の厚さを９μｍとし、第２の基板の制御用電極の長さと第１の基板の制御用電極の長さとを等しくすることにより、３ｄＢカプラ等、基板厚さにより特性変化が生じる部分への影響が小さい範囲で、第２の基板の光導波路での電界効率を高くできる。

第１・第２の基板の光導波路を伝搬する光のＴＥ成分とＴＭ成分の損失の差が最小となる位置で第１・第２の基板の光導波路を接続することにより、偏波依存性損失（以下「ＰＤＬ」という。）を低減できる。

特許文献１に示されている光制御素子の構成を示す図である。特許文献２に示されている光制御素子の構成を示す図である。第１の実施形態に係る光制御素子の構成を示す図である。同光制御素子の制御電極への印加電圧に対する光損失特性を、従来構造の光制御素子の特性と比較して示した図である。第２の実施形態に係る光制御素子の構成を示す図である。第３の実施形態に係る光制御素子の構成を示す図である。

《第１の実施形態》
第１の実施形態に係る光変調器として用いる光制御素子について図３・図４を参照して説明する。
図３は第１の実施形態に係る光制御素子の構成を示す図である。この光制御素子は光学軸の方向が互いに直交する第１・第２の二つの電気光学基板（以下、単に「基板」という。）を備えている。第１の基板３１はＸカットのＬｉＮｂＯ₃（ニオブ酸リチウム）の単結晶基板（以下、「ＬＮ基板」という。）、第２の基板３２はＺカットのＬＮ基板である。

この第１・第２の基板のそれぞれに光導波路３３，３３ａ，３３ｂ，３４，３４ａ，３４ｂおよび制御電極３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３６ａ，３６ｂをそれぞれ形成し、光導波路を光の伝搬方向に縦続接続している。

図３に示した光制御素子は以下のようにして製造する。
まず第１の基板３１と、第２の基板３２のそれぞれに金属イオンの熱拡散などの方法によって所望の形状をした光導波路を形成する。金属イオンとしては例えばＴｉ，Ｚｎなどを用いる。ここでは電子ビーム蒸着法により幅７μｍ、厚さ１００ｎｍのＴｉ膜を形成し、１０５０℃で８時間の熱拡散を行うことにより光導波路を形成する。

第１の基板３１には入射ポート３７に入射される光を導波する光導波路３３、およびこの光導波路３３をＹ形状に等分岐する分岐光導波路３３ａ，３３ｂを形成する。

第２の基板３２には、第１の基板３１との接続面に対してほぼ対称な形状で分岐光導波路３３ａ，３３ｂとつながる二つの分岐光導波路３４ａ，３４ｂ、およびこの２つの分岐光導波路３４ａ，３４ｂの光をＹ形状で一つに合波し出射ポート３８から光を出射する光導波路３４を形成する。

これらの光導波路の光伝搬方向は第１の基板３１ではＹ軸方向、第２の基板３２ではＸ軸方向である。それぞれの基板上には必要に応じてＳｉＯ₂のバッファ層を３００ｎｍの厚さで形成した後、第１の基板３１および第２の基板３２のそれぞれの分岐光導波路３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂに電極３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３６ａ，３６ｂをそれぞれ形成する。これらの電極は分岐光導波路３３ａ，３３ｂおよび３４ａ，３４ｂのそれぞれにおいて、光学軸（Ｚ軸）方向に効率的な電界が生じるように形成する。

具体的には図３に示すように、第１の基板３１では基板面と平行で且つ光の伝搬方向に直交する方向に電界が掛かるように、分岐光導波路３３ａを挟む位置に電極３５ａ，３５ｃを、分岐光導波路３３ｂを挟む位置に電極３５ｃ，３５ｂをそれぞれ形成する。また、第２の基板３２では基板の厚み方向に電界がかかるように、分岐光導波路３４ａ，３４ｂそれぞれの上に電極３６ａ．３６ｂを形成する。

電極３５ａ，３５ｂ，３５ｃは、幅６０μｍ、間隙２μｍで光伝搬方向の長さ１０ｍｍである。電極３６ａ，３６ｂは、幅１０μｍで光伝搬方向の長さ３０ｍｍである。

電界の印加方向としては、第１の基板３１の分岐光導波路３３ａにおいて＋Ｚ方向の電界が印加される時には分岐光導波路３３ｂにはその逆方向（−Ｚ方向）の電界が印加されるように電極３５ａ，３５ｂ，３５ｃに対して電圧を印加する。また、分岐光導波路３３ａ，３３ｂから第２の基板３２へそれぞれ光を伝搬する分岐光導波路３４ａ，３４ｂにおいても、第１の基板３１での電界と同じ方向（分岐光導波路３４ａでは＋Ｚ方向、分岐光導波路３４ｂでは−Ｚ方向）の電界が印加されるように制御電極３６ａ，３６ｂに対して電圧を印加する。このように構成することにより、伝搬する光が第１の基板３１と第２の基板３２のそれぞれで受ける位相変調量が足し合わされる。

光の入出射端面となる基板の各端面部は端面研磨等によって形成する。第１の基板３１と第２の基板３２それぞれの端面のうち、分岐光導波路３３ａ，３３ｂおよび３４ａ，３４ｂがある側の端面同士は、それぞれの分岐光導波路同士がつながるように位置合わせし、光伝搬方向に縦続接続する。

上記基板の接続方法としては、例えば第１の基板３１と第２の基板３２の端面同士を密着させて、その周囲を接着剤で固定する方法や、この二つの基板の間を透明な接着剤で埋める方法等を用いる。基板端面部における反射戻り光を抑制するため、各端面に反射防止膜を形成する。また、反射防止膜を形成する代わりに各端面を、光軸に対して５°〜８°程度傾斜させた形状に加工して接続しても良い。このようにして全体としてマッハツェンダー（ＭＺ）型の変調器を構成する。

図４は、図３に示した光制御素子の特性（制御電極への印加電圧に対する光損失特性）を従来構造の光制御素子の特性と比較して示した図である。図４（Ａ）は図３に示した光制御素子の特性、図４（Ｂ）は従来構造の光制御素子の特性である。この従来構造の光制御素子は、図３に示した第１の基板にＹ型で等分岐および合波する光導波路を形成するとともにちょうど図３に示した制御電極３５ａ，３５ｂ，３５ｃだけを電極長を４０ｍｍで形成したものである。同一電極長の条件で比較するため、図３の構造における第１・第２の基板の電極長の合計と同じ電極長とした。

図３に示した光制御素子は、印加電圧が０［Ｖ］の場合、第１の基板３１の入射ポート３７から入射された光は光導波路３３のＹ形状部で等分岐されたのち、接続端面を経て第２の基板３２の分岐光導波路３４ａ，３４ｂを同位相で伝搬し、光導波路３４のＹ形状部で強度を強めあいながら合波されて、理想的には分岐前と同じ強度で出射ポート３８に出射される。このときの光損失は図４（Ａ）に示す例では約３ｄＢである。

一方、印加電圧を０［Ｖ］から徐々に大きくしていくと、入射ポート３７から入射された光はＹ形状部で等分岐されたのち、分岐光導波路３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂのそれぞれにおいて電界による位相変調を受ける。分岐光導波路３３ａおよび３３ｂにおいて光が受ける電界方向は光学軸に対して互いに逆方向であり、それぞれを伝搬する光は逆方向の位相変調を受けるため、位相に差が生じる。分岐光導波路３４ａおよび３４ｂについても同様である。光導波路３４のＹ形状部で合波される際、分岐光導波路３４ａ，３４ｂを伝搬してきた光の位相差が０のときは互いに強めあって出力され、位相差がπ（逆位相）のときは互いにキャンセルして出力が最も小さく（理想的には０に）なる。この位相変調量は制御電極によって光導波路に印加される電界の大きさに比例することから、出射ポート３８への光出力強度は図４（Ａ）に示すように、印加電圧変化に対して周期的に切り替わることになる。通常は印加電圧を０［Ｖ］から徐々に大きくしていったとき、出射ポート３８の出力が最初に最小となる電圧（半波長電圧）Ｖ０（図４（Ａ）の例では約３Ｖ）を用いる。すなわち、０［Ｖ］とＶ０の印加の二つの状態で光のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。

一方、従来構造の光制御素子では、図４（Ｂ）に示すようにＴＥ成分に対しては制御電極への印加電圧を０［Ｖ］から徐々に大きくしていったとき、比較的低い半波長電圧Ｖｅ０（図４（Ｂ）の例では約１．３Ｖ）で出射ポートの出力が最小となるが、ＴＭ成分に対しては非常に高い半波長電圧Ｖｍ０（図４（Ｂ）の例では約４．５Ｖ）で出射ポートの出力が最小となる。このような特性では、偏波無依存性の光変調器として用いるためには、ＴＥ成分とＴＭ成分の両方の光損失が等しくなる電圧Ｖｃを用いざるを得ない。すなわち、０［Ｖ］とＶｃの印加の二つの状態で光のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることになる。そのため、消光比はたかだか１５ｄＢ程度にしかならない。

次に、この第１の実施形態に係る光制御素子のより具体的な作用効果について説明する。
光導波路３３のＹ形状部で分岐された光が、光導波路３４のＹ形状部で合波されるまでの間に受ける位相変調量は、第１の基板３１の分岐光導波路３３ａ，３３ｂで受けた変調量と第２の基板３２の分岐光導波路３４ａ，３４ｂ部で受けた変調量の足し合わせとなり、その量は、第１・第２の基板の電気光学定数、電極の長さ、電界効率、および印加電圧のそれぞれに比例する。

例えばＴＥ成分の光は第１の基板３１の分岐光導波路３３ａ及び３３ｂにおいて電気光学定数ｒ３３、電極長Ｌｘ、印加電圧Ｖ，電界効率ηｘのそれぞれに比例した量の位相変調を受け、続いて第２の基板３２の分岐光導波路３４ａ及び３４ｂにおいて電気光学定数ｒ１３、電極長Ｌｚ、印加電圧Ｖ、電界効率ηｚのそれぞれに比例した量の位相変調を受ける。

したがってＴＥ光の位相変調量Δφｔｅは、
Δφｔｅ＝（ｒ３３＊Ｌｘ＊ηｘ＋ｒ１３＊Ｌｚ＊ηｚ）＊Ｖ
となる。同様にＴＭ光の位相変調量Δφｔｍは、
Δφｔｍ＝（ｒ１３＊Ｌｘ＊ηｘ＋ｒ３３＊Ｌｚ＊ηｚ）＊Ｖ
となる。

ここでＬｉＮｂＯ₃の電気光学定数ｒ３３はｒ１３よりも３倍程度大きいため、電界効率ηｘとηｚが同程度であると仮定した場合、Ｌｘを大きくするとＴＭ光の変調量に対して相対的にＴＥ光の変調量が大きくなり、Ｌｚを大きくするとその逆となる。したがってＬｘとＬｚの比を適切に調節することでＴＥ光とＴＭ光の変調量を等しくすることができ、偏波無依存性動作が実現できる。

図３に示した電極構成の場合、電界効率はηｘ≒３ηｚとなることから、電極長の比をＬｚ≒３Ｌｘとした時、ＴＥ成分の変調量とＴＭ成分の変調量とが一致することになる。実際、図３に示した例でもこの条件を満たすＬｘ＝１０ｍｍ，Ｌｚ＝３０ｍｍとしていて、ＴＥ成分とＴＭ成分の両偏波の半波長電圧は約３Ｖと一致している。

また、基板接続部分における損失は１ｄＢ以下にできることを確認している。そのため、特許文献２のように波長板を間に挿入した構成の光制御素子に比較して低損失特性が得られる。

また、ＬＮ基板に形成した光導波路の入出射端面とシングルモード光ファイバの結合部における損失は、一般にＴＥモードとＴＭモードとでは異なり、このことが素子のＰＤＬの一因となっている。この発明では、第１・第２の基板同士の端面を接合する際の基板同士の位置関係は、ＴＥ成分の損失が最も小さくなる位置とＴＭ成分の損失が最も小さくなる位置とで異なる。したがってこの基板同士の端面を接合したときのＴＥ／ＴＭモード間の損失差が、基板端面の光導波路と光ファイバの結合で生じたＴＥ成分とＴＭ成分の損失差と逆で互いの損失差を補償するようにできる場合には、単一の基板を用いた構成に比較して素子全体のＰＤＬを低減し得る。

《第２の実施形態》
図５は第２の実施形態に係る光制御素子の構成を示す図である。この第２の実施形態では、図５に示すように第２の基板４０を薄板化し、この第２の基板４０を保持する保持基板３９を備えている。また、第２の基板４０には、上面（表面）側に形成した制御電極４１ａ，４１ｂと下面（裏面）側に形成した制御電極４２ａ，４２ｂとで分岐光導波路３４ａ，３４ｂを挟む構成としている。

第２の基板４０を薄板化することにより基板の強度が低下し、また第１の基板３１との接続断面積も小さくなって接続面の強度も低下するため、厚みが第１の基板３１と同程度になるように保持基板３９を第２の基板４０の下に貼り合せた構造としている。

上記保持基板３９としては任意の基板を用いることができるが、信頼性面から第２の基板４０と熱膨張係数の近い材質の基板が望ましい。ここでは第２の基板４０と同じＺカットのＬＮ基板を用いている。

第２の基板４０の厚みは９μｍとした。実際の素子製造においては薄板化した基板のハンドリングが困難であれば次のような方法で作製してもよい。すなわち、第２の基板４０となるＺカット基板の片面に光導波路３４，３４ａ，３４ｂ、光導波路３４，３４ａ，３４ｂ、光導波路３４，３４ａ，３４ｂと下部の制御電極との間のバッファ層、および下部の制御電極４２ａ，４２ｂを先に形成しておき、この形成した面を接着面にして、例えば着剤等により保持基板３９に貼り合わせたあと、第２の基板４０を研磨して、その第２の基板を所望の厚みにする。さらに、研磨後の第２の基板の表面に制御電極４１ａ，４１ｂを形成する。

なお、第２の基板４０の下部の制御電極４２ａ，４２ｂは第２の基板の側面を介して接続する。

第１の実施形態ではＺカットの第２の基板での電界効率がＸカットの第１の基板に比べて低いため、ＴＥ成分とＴＭ成分の半波長電圧を合わせるために第２の基板の制御電極の長を第１の基板の制御電極の長さの３倍程度にする必要があった。この第２の実施形態では第２の基板を薄板化して、その上下を制御電極で挟むようにしたので、第２の基板での電界効率が高い。第２の基板の厚みを９μｍとした場合、第２の基板における電界効率は、第１の実施形態の場合に比べて約３倍となる。このため、第２の基板の上下に配置した制御電極４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂの長さは、第１の実施形態の約１／３で同等の動作をすることが可能である。したがって第１の基板３１の制御電極３５ａ，３５ｂ，３５ｃの長さＬｘと第２の基板４０の制御電極４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂの長さＬｚがともに１０ｍｍ、すなわち電極長合計２０ｍｍに短尺化した構成で、第１の実施形態（電極長合計４０ｍｍ）の場合と同様に、図４（Ａ）の特性（ＴＥ成分、ＴＭ成分ともに動作電圧３Ｖ）を実現できる。これに対し、従来構造で電極長を２０ｍｍに短尺化した場合には、動作電圧が図４（Ｂ）の２倍となってしまう。

このようにＺカットの第２の基板を薄板化してその上下に制御電極を配置することにより、同一動作電圧では素子の短尺化、同一素子サイズでは動作電圧の低減が可能となり、第１・第２の基板を縦続接続する本発明の構造の、従来構造に対する効率改善効果がより顕著となる。

但し、第２の基板の厚みは薄い程良いわけではなく、その厚みがある程度よりも薄くなると導波路中を伝搬する光のモードに変化が起こり、伝搬損失が増大し始める。そのため、基板厚みにはハンドリングによる制限以外にモード変化による制限がある。ＬＮ基板の場合、具体的には７μｍより薄くなると導波路中を伝搬する光のモードに変化が起こるので、第２の基板４０の厚みは７μｍ以上であることが望ましい。

《第３の実施形態》
図６は第３の実施形態に係る光スイッチとして作用する光制御素子の構成を示す図である。基板構成は第２の実施形態で示したものと同様であるが、光導波路の分岐部をＹ形状でなく、干渉型の３ｄＢカプラとしている。

制御電極４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂに対する印加電圧が０［Ｖ］（印加電圧ＯＦＦ状態）のとき、第１の基板３１の入射ポート５０ａから入射された光は３ｄＢカプラ４７で等分岐されて伝搬したのち、第２の基板４０の３ｄＢカプラ４８で結合され、出射ポート５１ａに出力される。

一方、上記印加電圧が所定のＯＮ電圧である（印加電圧ＯＮ状態）場合には、入射ポート５０ａから入射された光はカプラ４７で等分岐されたのち、第１の基板３１、第２の基板４０のそれぞれの制御電極形成部において印加電圧値及び光伝搬方向の電極長に応じた位相変調を受けてから第２の基板４０の３ｄＢカプラ４８で結合される。

カプラ４８で結合された後の両出射ポート５１ａ，５１ｂへの光出力強度は制御電極形成部での位相変調量に対応して周期的に切り替わる。通常は０［Ｖ］から印加電圧の値を大きくしていったとき、最初に出射ポート５１ｂに出力が切り替わる電圧ＶＳ０を用いて、０［Ｖ］とＶＳ０との印加の二つの状態で光の経路を切り替える。

同様に、入射ポート５０ｂに光を入射したときの動作は上記と対称な動作となり、結果入射ポート５０ａおよび５０ｂに入射された光は印加電圧ＯＦＦではそのまま出射ポート５１ａおよび５１ｂへ出射されるバー状態となり、印加電圧ＯＮではそれぞれ出射ポート５１ｂおよび５１ａへ経路を切り替えて出射されるクロス状態となる。このようにして２×２スイッチの動作が実現される。

この第３の実施形態でも、光学軸方向の異なる基板を組み合わせること、および各基板における電極長さを調整することにより、動作電圧の低減や偏波無依存性動作が実現できる原理は第１・第２の実施形態の場合と同様である。光スイッチの場合には、スイッチ素子を光伝搬方向に縦続に連結して多段化することにより、スイッチのクロストーク特性を改善したり、よりチャネル数の大きいスイッチ機能を実現したりできる。しかし通常の単一基板の構成では動作電圧を小さくするために必要な電極長が非常に長く、例えばＸカット基板でＴＭ成分の光を３［Ｖ］でスイッチしようとすれば約６０ｍｍの電極長が必要になる。したがって直径３インチや４インチといった一般的で安価なウェハサイズの制約内では、低い動作電圧を保ったまま多段化するのは困難であり、複数の基板を接続した場合には素子サイズが非常に大きくなってしまう。しかし本実施例の構成であれば合計約２０ｍｍの電極長でＴＥ，ＴＭ両偏波のスイッチング動作が実現できるため、多段化も容易となる。

この第３の実施形態においても、第２の実施形態の場合と同様に第２の基板４０の厚みが薄くなるほど電界効率は大きくなるが、第２の基板４０の厚みが９μｍ以下の領域では光の伝搬モードの変化から３ｄＢカプラの特性が元の特性からずれてしまい、スイッチの消光比が低下する。したがって第２の基板４０の厚みを９μｍ以下とする場合には薄板化によるカプラの特性ズレを計算した設計が必要となる。その場合にも第２の実施形態の場合と同様に基板厚み７μｍ以下では光の伝搬損失が増大し始める。このためＺカット部の基板厚さは７μｍ以上とし、設計を容易にするには９μｍ以上とするのが望ましい。

具体的には、第２の基板の厚さを電界効率の改善効果が高い１５μｍ以下とし、しかし７μｍは下回らない範囲、すなわち７〜１５μｍの範囲内で定める。また、これに合わせて第２の基板の制御用電極の長さの第１の基板の制御用電極の長さに対する比を０．８〜１．３の範囲内で定めることによって、薄板化による光損失の増大を避けることができ、且つ光の偏波に依存しない低電圧動作を実現することができる。

前述の２つの式において、△φｔｅ＝△φｔｍとして整理すれば、Ｌｚ／Ｌｘ＝ηｘ／ηｚが導かれる。ＴＥ成分とＴＭ成分との動作電圧を一致させるための第２の基板の制御用電極の長さの第１の基板の制御用電極の長さに対する比Ｌｚ／Ｌｘは、薄板化しない従来構造での値Ｌｚ／Ｌｘ＝ηｘ／ηｚ≒３に対して、第２の基板厚み７μｍでは電界効率ηｚが薄板化しない従来構造の約３．６倍となるため、Ｌｚ／Ｌｘ≒３／３．６≒０．８、基板厚み１５μｍでは電界効率ηｚが薄板化しない従来構造の約２．３倍となるため、Ｌｚ／Ｌｘ≒３／２．３≒ｌ．３となる。このように基板厚み７〜１５μｍの範囲において電界効率に応じてＬｚ／Ｌｘの値を０．８〜１．３の範囲で調整することでＴＥ成分とＴＭ成分との動作電圧を一致させることができる。

３１−第１の基板
３２−第２の基板
３３，３４−光導波路
３３ａ，３３ｂ−分岐光導波路
３４ａ，３４ｂ−分岐光導波路
３５ａ，３５ｂ，３５ｃ−制御電極
３６ａ，３６ｂ−制御電極
３７−入射ポート
３８−出射ポート
３９−保持基板
４０−第２の基板
４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ−制御電極
４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂ−光導波路
４５ａ，４５ｂ，４５ｃ−制御電種
４７，４８−３ｄＢカプラ
５０ａ，５０ｂ−入射ポート
５１ａ，５１ｂ−出射ポート

Claims

電気光学効果を有する基板に形成された光導波路と、該光導波路に電界を印加して当該光導波路を伝搬する光を制御するための制御用電極と、を備えた光制御素子において、
表面の法線方向および光の伝搬方向の両方に垂直方向に光学軸をもつ第１の基板と、表面の法線方向に光学軸をもつ第２の基板と、の少なくとも二つの基板のそれぞれに、分岐光導波路構造を有する光導波路を設けるとともに、第１・第２それぞれの基板の分岐光導波路部分において光学軸方向成分の電界が生じるように前記制御用電極を配置し、第１の基板の分岐光導波路と第２の基板の分岐光導波路とを光の伝搬方向に縦続接続してマッハツェンダー構造とすることにより光変調器または光スイッチを構成し、
前記第１・第２の基板の電気光学定数および電界効率に対応して前記第１・第２の基板での前記制御用電極の長さの比を定めることによって、前記第１・第２の基板の光導波路を伝搬する光のＴＥ成分とＴＭ成分の変調量をほぼ等しくした、光制御素子。
前記第１の基板をＸカットまたはＹカットのＬｉＮｂＯ₃基板、前記第２の基板をＺカットのＬｉＮｂＯ₃基板とし、前記第２の基板の制御用電極の長さを前記第１の基板の制御用電極の長さの約３倍にした請求項１に記載の光制御素子。
前記第２の基板を薄板化し、前記制御用電極を制御部の導波路領域で前記第２の基板の表裏を挟むように対向配置した請求項１に記載の光制御素子。
前記第２の基板の厚さを７〜１５μｍの範囲内で定め、前記第２の基板の制御用電極の長さの前記第１の基板の制御用電極の長さに対する比を０．８〜１．３の範囲内で定めた請求項３に記載の光制御素子。
前記第２の基板の厚さを９μｍとし、前記第２の基板の制御用電極の長さと前記第１の基板の制御用電極の長さとをほぼ等しくした請求項３に記載の光制御素子。
前記第１・第２の基板の光導波路を伝搬する光のＴＥ成分とＴＭ成分の損失の差が最小となる位置で前記第１・第２の基板の光導波路を接続した請求項１〜５のいずれかに記載の光制御素子。