JPH01222233A - Directional coupler optical switch - Google Patents

Directional coupler optical switch

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Publication number
JPH01222233A
JPH01222233A JP4842288A JP4842288A JPH01222233A JP H01222233 A JPH01222233 A JP H01222233A JP 4842288 A JP4842288 A JP 4842288A JP 4842288 A JP4842288 A JP 4842288A JP H01222233 A JPH01222233 A JP H01222233A
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JP
Japan
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directional coupler
waveguide
optical switch
mode
propagation
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Pending
Application number
JP4842288A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Makoto Ikeda
誠 池田
Masafumi Seki
雅文 関
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Nippon Sheet Glass Co Ltd
Original Assignee
Nippon Sheet Glass Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH01222233A publication Critical patent/JPH01222233A/en
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • 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
    • G02F1/3132Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure of directional coupler type

Abstract

PURPOSE:To reduce a necessary operating voltage by specifying the length of the coupling area of two directional couplers which are arranged in parallel. CONSTITUTION:The propagation constant difference generated when one of TE and TM modes is propagated in two waveguides while an electric field is applied is DELTAbeta1, and the propagation constant difference generated when the other mode which crosses said mode at right angles is propagated is DELTAbeta2. Then when alpha=DELTAbeta1/DELTAbeta2, 0.28<=alpha<=0.31. Further, the length of the coupling area of the directional couplers is denoted as l and the complete coupling lengths for the TE and TM mode waveguide light beams are denoted as LTE and LTM. In this case, either of the ratios l/LTE and l/LTM is denoted as x1 and the other is denoted as x2; and the l, LTE, LTM and alpha are so determined that expression I and II hold at the same time. Consequently, the arrangement of X or Y propagation is usable without using the arrangement of Z propagation and low-voltage operation is enabled.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光フアイバ通信システムおよび光フアイバセ
ンサシステムに用いられる導波路型光スイッチに関し、
特に導波光の偏光状態に依存しない方向性結合器光スイ
ッチに関する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a waveguide type optical switch used in an optical fiber communication system and an optical fiber sensor system.
In particular, it relates to a directional coupler optical switch that does not depend on the polarization state of guided light.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、電気光学効果を用いた導波路型光スイッチは、例
えば米国特許第4012113号に記載されている。こ
れは方向性結合器に分割した電極を設けた光スイッチで
あるが、通常はTEモードと7Mモードで結合長が異な
るため偏波依存があるという問題がある。
Conventionally, a waveguide type optical switch using an electro-optic effect is described in, for example, US Pat. No. 4,012,113. This is an optical switch in which a directional coupler is provided with divided electrodes, but it usually has a problem of polarization dependence because the coupling length is different between the TE mode and the 7M mode.

−aに、光フアイバ通信システムもしくは光フアイバセ
ンサシステムに用いられる光スイッチは光伝送路中に挿
入され、光フアイバ中を伝搬する光信号の光路切り換え
に使用される場合が多い。
-a, an optical switch used in an optical fiber communication system or an optical fiber sensor system is often inserted into an optical transmission line and used to switch the optical path of an optical signal propagating through the optical fiber.

高速大容量の光フアイバ通信システムでは伝送路として
単一モードファイバが用いられるが、2つの直交偏光が
伝搬モードとして存在し、しかもその間に結合がありう
るため、ファイバ中を伝搬する光は一般に偏光状態が保
存されない。
Single-mode fibers are used as transmission paths in high-speed, large-capacity optical fiber communication systems, but since two orthogonal polarized lights exist as propagation modes and coupling can occur between them, the light propagating through the fiber is generally polarized. State is not saved.

このため、直線偏光が楕円偏光になることがあり、さら
にその偏光状態は時間的に変動することもある。
Therefore, linearly polarized light may become elliptically polarized light, and the polarization state may also change over time.

従って、光フアイバ間に挿入する光スイッチには、入力
光の偏光状態に依存せずに光路の切り換えができるとい
う特性が必要とされる。
Therefore, an optical switch inserted between optical fibers is required to have the characteristic of being able to switch the optical path without depending on the polarization state of input light.

このような偏光無依存性をもった光スイッチとして第5
図に示すものが知られている。
As an optical switch with such polarization independence, the fifth
The one shown in the figure is known.

これは、アール・シー・アルファネスがAppl。This is Appl by R C Alphaness.

Phys、Lett、の1979年第35巻第10号7
48〜750頁に報告したものである。
Phys, Lett, 1979, Vol. 35, No. 10, 7
This is reported on pages 48-750.

この光スイッチは、LiNbO3のウェハー50に、光
の伝搬方向Xに対し間隔dの変化している一対のTi拡
散導波路51.52を設けるとともに、導波光の伝搬定
数差Δβを生じさせる電極53゜54A、54Bをウェ
ハー上面に設け、Δβの量を最適化することにより、T
E−7Mモード両方に対して切り換え可能としたもので
ある。
This optical switch is provided with a pair of Ti diffusion waveguides 51 and 52 whose distance d changes with respect to the light propagation direction X on a LiNbO3 wafer 50, and with electrodes 53 that produce a propagation constant difference Δβ of the guided light.゜By providing 54A and 54B on the top surface of the wafer and optimizing the amount of Δβ, T
It is possible to switch to both E-7M modes.

上記構造のものは、導波路の間隔が一定な従来の光スイ
ッチに比べ消光比を改善できるという特長がある。
The structure described above has the advantage that the extinction ratio can be improved compared to a conventional optical switch in which the spacing between the waveguides is constant.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

しかしながら、第5図の構造の方向性結合器光スイッチ
においては、偏光無依存の特性を実現するため、導波路
の間隔が連続的に変化しており、間隔の大きな領域が存
在するため、必要な動作電圧が高くなるという重大な問
題点があった。また、導波路の一方を特定の形状に従っ
て曲線状に作製することが不可欠であり、導波路形成の
ためのマスク作製が非常に難しいという問題点があった
However, in the directional coupler optical switch with the structure shown in Figure 5, in order to achieve polarization-independent characteristics, the spacing between the waveguides changes continuously, and there are regions with large spacing, so it is necessary to There was a serious problem in that the operating voltage was high. Furthermore, it is essential to make one of the waveguides curved according to a specific shape, and there is a problem in that it is very difficult to make a mask for forming the waveguide.

同時に、導波路が最適状態からずれた場合の補正方法が
極めて限られるという問題点があった。
At the same time, there is a problem in that there are extremely limited methods for correcting when the waveguide deviates from its optimum state.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

上記従来の問題点を解決するために本発明は、LiNb
0zウエハーに、互いに近接した一対の直線状光導波路
から成る方向性結合器を設けるとともに、前記導波路に
沿ってウェハー上に分割された制御電極を設けた方向性
結合器光スイッチにおいて、上記制御電極と平行に二次
電極を配置し、伝搬定数差、TE 、7Mモードの完全
結合長、及び結合領域の長さlの相互関係を以下のよう
に選ぶ。
In order to solve the above conventional problems, the present invention provides LiNb
A directional coupler optical switch is provided with a directional coupler consisting of a pair of linear optical waveguides close to each other on a 0z wafer, and a control electrode is provided on the wafer divided along the waveguide. A secondary electrode is placed parallel to the electrode, and the interrelationships among the propagation constant difference, TE, the complete coupling length of the 7M mode, and the length l of the coupling region are selected as follows.

すなわち、一方のモードが電圧印加のもとて上記2本の
導波路を伝搬する陸生じる伝搬定数差をΔβ1、直交す
る他方のモードが電圧印加のもとで2本の導波路を伝搬
する陸生じる伝搬定数差をΔβ2として、両者の比α=
Δβ1/Δβ2を0.28〜0.31の範囲内とする。
In other words, the difference in propagation constant caused by one mode propagating through the two waveguides under voltage application is Δβ1, and the difference in propagation constant caused by one mode propagating through the two waveguides under voltage application is Δβ1. Letting the resulting propagation constant difference be Δβ2, the ratio of both α=
Δβ1/Δβ2 is within the range of 0.28 to 0.31.

また、TEモード、TMモードの完全結合長Lyi、L
tHと結合領域の長さlとの比率1/+、?t1/Lt
sのいずれか一方をxl、他方をx2として次の2つの
式 が同時に満たされるxl+X!の範囲と、次の2つの式
、 ・・・(2a) ただしi=1. 2 π とが同時に満たされるxIaXtの範囲との交わりの範
囲内にl/Ltt −、l/ LTHの値が存在するよ
うに選ぶ。
In addition, the complete bond length Lyi, L of TE mode and TM mode
The ratio of tH to the length l of the binding region 1/+, ? t1/Lt
If one of s is xl and the other is x2, the following two equations are simultaneously satisfied: xl+X! and the following two equations, ...(2a) where i=1. The values of l/Ltt - and l/LTH are selected so that they exist within the range of intersection with the range of xIaXt in which 2π and 2π are simultaneously satisfied.

〔作用〕[Effect]

本発明によれば、2本の平行に配置された方向性結合器
において、結合領域の長さが特定の条件を満たすように
選ばれているので、分割電極に異極性の電圧を印加した
場合にはTE、TMモードともクロス状態となり、分割
電極に同極性の電圧を印加した場合にはTE、TMモー
ドともバー状態となる。
According to the present invention, in two directional couplers arranged in parallel, the length of the coupling region is selected to satisfy a specific condition, so that when voltages of different polarities are applied to the divided electrodes, In this case, both the TE and TM modes are in a cross state, and when voltages of the same polarity are applied to the divided electrodes, both the TE and TM modes are in a bar state.

従って本発明によれば、偏光依存性のない方向性結合器
光スイッチとして作用する。
According to the invention, therefore, the directional coupler acts as a polarization-independent optical switch.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は、本発明に係る方向性結合器光スイッチを示す
斜視図であり、2カツトのLiNbO3ウェハー3に、
ウェハー表面からのTI拡散等によって、一対の光導波
路1.2が設けられており、両温波路1.2は、ウェハ
ーの両端面近くを除いた中央部で間隔を近接させてあり
、方向性結合器17を成している。
FIG. 1 is a perspective view showing a directional coupler optical switch according to the present invention, in which two cuts of LiNbO3 wafer 3 are
A pair of optical waveguides 1.2 are provided by TI diffusion from the wafer surface, and both thermal waveguides 1.2 are spaced close to each other in the center of the wafer, excluding near both end surfaces, and the directivity is It constitutes a coupler 17.

方向性結合器17の領域を、導波路光軸方向に2分割し
て、両領域178.17bにおいてそれぞれ導波路1.
2上に電極4b、4c及び5b。
The area of the directional coupler 17 is divided into two in the waveguide optical axis direction, and the waveguide 1.
2 on electrodes 4b, 4c and 5b.

5cを設けるとともに、これら導波路上電極と間隔をお
いて平行に、導波路外に電極4a、4b及び5a、5d
をそれぞれ設けである。
5c, and electrodes 4a, 4b and 5a, 5d are provided outside the waveguide in parallel with the electrodes on the waveguide at intervals.
are provided for each.

次に動作原理について説明する。Next, the operating principle will be explained.

まず、方向性結合器光スイッチの一般的な基本動作は−
,IEEEJournal of Quantum I
Electronicsの1976年QE−12巻第7
、号396〜401頁に掲載されたエッチ・コゲ/l/
ニックらの論文に詳細に説明されている。
First, the general basic operation of a directional coupler optical switch is −
, IEEE Journal of Quantum I
Electronics 1976 QE-12 Volume 7
, No. 396-401, Ecchi Koge/l/
It is described in detail in the paper by Nick et al.

一般に、TEもしくは7Mモード光に対する方向性結合
器光スイッチによる光路切り換えのバー状態とは、例え
ば第1図において、一方の導波路lの入力端1aへの入
力光が同導波路の出力端lbへ出力されて、他方の導波
路2の出力端2bへは全く出力されず、且つ、導波路2
の入力端2aへの入力光は同導波路の出力端2bへ出力
されて、他方の導波路1の出力端1bには全く出力され
ない状態のことである。
In general, the bar state of optical path switching by a directional coupler optical switch for TE or 7M mode light means, for example, in FIG. is output to the output end 2b of the other waveguide 2, and is not output to the output end 2b of the other waveguide 2.
This is a state in which the input light to the input end 2a of the waveguide is output to the output end 2b of the same waveguide, and is not output to the output end 1b of the other waveguide 1 at all.

この状態は、前記論文中の一様Δβ光スイッチにおける
光振幅B1、 の式からB1 =0すなわち次式、 ・・・  (4) が成立する時に達成され、第2図(A)に示した横軸に
Δβl/πをとり、縦軸に1/Lをとったダイアグラム
中の曲線がそれに対応する。第1図の光スイッチにおい
て、方向性結合器17の電極4bと5bにプラスの電位
を与え、電極4Cと50にマイナスの電位を与えると一
様Δβの光スイッチになる。このとき光導波路1.2に
印加される電界は、ウェハー3の結晶のZ軸に平行な電
界成分E2が主となり、電気光学効果によるZ軸、X軸
の屈折率の変化、 ■ Δη2−□ηm’ T 33EZ    −(5a)■ Δη8=□η。3rlJZ    ・・・(5b)は、
方向性結合器17中を伝播する7Mモード波、TEモー
ド波の伝搬定数を変化させる。
This state is achieved when the optical amplitude B1 in the uniform Δβ optical switch in the above paper is satisfied from the equation: B1 = 0, that is, the following equation: (4) The curve in the diagram with Δβl/π on the horizontal axis and 1/L on the vertical axis corresponds to this. In the optical switch shown in FIG. 1, if a positive potential is applied to the electrodes 4b and 5b of the directional coupler 17 and a negative potential is applied to the electrodes 4C and 50, the optical switch becomes a uniform Δβ optical switch. At this time, the electric field applied to the optical waveguide 1.2 is mainly an electric field component E2 parallel to the Z-axis of the crystal of the wafer 3, and changes in the refractive index of the Z-axis and X-axis due to the electro-optic effect, ■ Δη2−□ ηm' T 33EZ −(5a)■ Δη8=□η. 3rlJZ...(5b) is
The propagation constants of the 7M mode wave and TE mode wave propagating through the directional coupler 17 are changed.

その変化量をそれぞれΔβπ、627Mとするとその比
率 α−Δβ78/Δβ□     ・・・ (6)は実質
的に0.28〜0.31になる。
If the amount of change is Δβπ and 627M, respectively, the ratio α−Δβ78/Δβ□ (6) becomes substantially 0.28 to 0.31.

第2図(A)において、方向性結合器17に導波したT
Eモードないし7Mモード波の出力光の状態は、それぞ
れ図中の点p、、p2から電界E2を印加させるとα:
1ないし1:αの割合でΔβ、Eと627Mが増加し、
半径2と6のバー状態を表す円弧上の点P、、P、ない
しその近傍にそれぞれ移行させることが可能である。こ
のとき、方向性結合器17はTE、7Mモード波とも実
質上バー状態になる。
In FIG. 2(A), the T waveguided to the directional coupler 17
The state of the output light of the E mode to 7M mode wave is α: when an electric field E2 is applied from points p and p2 in the figure, respectively.
Δβ, E and 627M increase at a ratio of 1 to 1:α,
It is possible to move to points P, , P, or their vicinity on the arc representing the bar states with radii of 2 and 6, respectively. At this time, the directional coupler 17 is substantially in a bar state for both the TE and 7M mode waves.

次に、クロス状態とは、一方の導波路1の入力端1aへ
の入力光が、対向する導波路2の出力端2bへ出力され
て、導波路lの出力端1bには全く出力されず、また導
波路20入力端2aへの入力光が同導波路の出力端2b
からは出力されないで、対向する導波路1の出力端1b
から出力される状態のことである。これは前掲論文中の
反転Δβを利用した際の光振幅A2を表す次式、からA
2−0すなわち次式、 が成立する時に達成され、第2図(B)に示した1/L
、Δβ1/πダイヤグラムの曲線のようになる。
Next, a cross state means that the input light to the input end 1a of one waveguide 1 is output to the output end 2b of the opposing waveguide 2, and is not output to the output end 1b of the waveguide 1 at all. , and the input light to the input end 2a of the waveguide 20 is transmitted to the output end 2b of the waveguide 20.
There is no output from the output end 1b of the opposing waveguide 1.
This is the state output from. This is calculated from the following equation, which expresses the optical amplitude A2 when using the inversion Δβ in the above-mentioned paper, from A
2-0, that is, when the following equation holds, 1/L shown in Figure 2 (B) is achieved.
, Δβ1/π diagram.

第1図の方向性結合器光スイッチで、導波路上のクロス
位置にある電極4bと50にプラスの電位を与え、また
これらと対称のクロス位置にある電極4Cと5bにマイ
ナスの電位を与えると、方向性結合器17の前半の領域
17aでは+Δβの、また後半の領域17bでは−Δβ
の伝搬定数が与えられるので、上記方向性結合器光スイ
ッチは反転Δβ光スイッチになる。
In the directional coupler optical switch shown in Fig. 1, a positive potential is applied to the electrodes 4b and 50 at the cross position on the waveguide, and a negative potential is applied to the electrodes 4C and 5b at the symmetrical cross position. and +Δβ in the first half region 17a of the directional coupler 17, and -Δβ in the second half region 17b.
Since the propagation constant is given, the above directional coupler optical switch becomes an inverted Δβ optical switch.

このとき方向性結合器17に導波したTEモードと7M
モードのそれぞれの出力光状態は、第2図(B)中の点
P、、pgから前述の一様Δβと同様に、α:lないし
1:αの割合でΔβ7.。
At this time, the TE mode guided to the directional coupler 17 and the 7M
The output light state of each mode is changed from points P, , pg in FIG. 2(B) to Δβ7, . .

Δβ□を増加させることにより、曲線上の点P5゜P、
或いはその極く近傍に移すことができる。
By increasing Δβ□, the point P5゜P on the curve,
Alternatively, it can be moved to a location very close to it.

このとき方向性結合器17はTE、7Mモード波ともに
実質上クロス状態になる。
At this time, the directional coupler 17 is in a substantially crossed state for both the TE and 7M mode waves.

本発明における光スイッチは以上の原理に基づき動作す
るので、第2図(A)及び(B)における点P+、Pg
の設定が適切でないと、光出力の状態は一方がP、から
pgないしPSに移行した際、他方がP2からP4ない
しP6の近傍に移行するけれども一致しないことになる
Since the optical switch in the present invention operates based on the above principle, the points P+ and Pg in FIGS. 2(A) and (B)
If the settings of are not appropriate, the state of the optical output will not match even though when one shifts from P to pg or PS, the other shifts from P2 to near P4 or P6.

又、後者を点P4ないしP、に−敗させると今度は前者
が点P、ないしP5に一致しなくなる。
Furthermore, if the latter is defeated by points P4 to P, the former will no longer match points P to P5.

従って、P+、Pg’の設定が重要になる。第4図の曲
線23は、(6)式でα=0.3の場合に点P1゜P2
が同時にバー状態の点P、、P、に移行できるための条
件である。また、クロス状態の条件は曲線24に示しで
ある。このことから、図中の点P、にj? / tyE
、  l / L丁、つまり点Pt、Pgを設定すれば
良い。
Therefore, the settings of P+ and Pg' are important. The curve 23 in FIG.
This is a condition for the transition to the bar state points P, ,P, at the same time. Further, the conditions for the cross state are shown in a curve 24. From this, it follows that at point P in the figure, j? / tyE
, l/L, that is, points Pt and Pg may be set.

しかしながら作製上の誤差等の制約から、点Pl+P2
を完全に第4図中の点P7に設定することは難しいので
、本発明では許容範囲を以下のようにして設定している
However, due to constraints such as manufacturing errors, the point Pl+P2
Since it is difficult to completely set the point P7 in FIG. 4, the present invention sets the allowable range as follows.

一般に光フアイバ通信においては、光路切り換えの消光
比として一20dB以下であることが望まれている。
Generally, in optical fiber communications, it is desired that the extinction ratio for optical path switching be -20 dB or less.

従って、実質的なバー状態やクロス状態は、(3)式や
(7)式において光出力が100:1以下であることが
望ましい。言い変えると、以下の(9)、 01式%式
%(9) しかも偏波面無依存型とするには、TEモード、7Mモ
ードに対し同時に(9)式、00式の両方が成立しなけ
ればならない。
Therefore, in a substantial bar state or cross state, it is desirable that the optical output is 100:1 or less in equations (3) and (7). In other words, the following (9), Equation 01% Equation % (9) Moreover, in order to make it polarization independent, both Equation (9) and Equation 00 must hold for the TE mode and 7M mode at the same time. Must be.

本発明は上記の条件を規定したものであり、第4図中の
曲線26と曲線27とで囲まれた領域28がこれに1亥
当する。
The present invention stipulates the above conditions, and a region 28 surrounded by curves 26 and 27 in FIG. 4 corresponds to this.

なお、曲線26は(1)式が満たされる範囲であり、曲
線27は(2)式が満たされる範囲である。このため、
方向性結合器の17Ltt 、  Il/ltgが領域
28に入るように作製してあれば、消光比で一20dB
以上確保された偏光無依存光スイッチが実現できる。
Note that the curve 26 is a range where formula (1) is satisfied, and the curve 27 is a range where formula (2) is satisfied. For this reason,
If the directional coupler is made so that 17Ltt and Il/ltg are in the region 28, the extinction ratio is -20dB.
A polarization-independent optical switch having the above-mentioned properties can be realized.

本発明に使用できるLiNb0.+の方位としては、Z
カッ)Y伝搬を初めとする電気光学係数712及びγ、
3を利用するものが使用でき、この他、XカットY伝搬
、Yカッ)X伝搬、2カツ)X伝搬等の方位も有効であ
る。
LiNb0. which can be used in the present invention. The direction of + is Z
c) Electro-optic coefficients 712 and γ including Y propagation,
In addition to these, orientations such as X cut Y propagation, Y cut) X propagation, and 2 cut) X propagation are also effective.

次に本発明の具体的数値例について説明する。Next, specific numerical examples of the present invention will be explained.

第1図に示した方向性結合器光スイッチを作製するに当
り、厚さ470人、輻90μmのTi膜をすフトオフ法
を用いてZカットLiNb0:+ウェハー3の表面上に
形成した後、温度toso℃、8時間の熱拡散を、水蒸
気を含む0□雰囲気中で行なって、光導波路1.2を形
成した。
To fabricate the directional coupler optical switch shown in FIG. 1, a Ti film with a thickness of 470 mm and a diameter of 90 μm was formed on the surface of the Z-cut LiNb0:+ wafer 3 using the step-off method. Thermal diffusion was carried out at a temperature of toso° C. for 8 hours in an atmosphere containing water vapor to form an optical waveguide 1.2.

上記光導波路1.2には、曲り導波路から構成される入
力端1a、2aと出力端1b、2b、及び互いに平行状
態で近接した直線導波路から構成される方向性結合器部
17が含まれる。導波光の光路切り換えを行なう方向性
結合器17は、領域長lを19mm、間隔dを9μmと
した。
The optical waveguide 1.2 includes input ends 1a, 2a and output ends 1b, 2b which are formed of curved waveguides, and a directional coupler section 17 which is formed of straight waveguides that are close to each other in a parallel state. It will be done. The directional coupler 17 that switches the optical path of the guided light has a region length l of 19 mm and an interval d of 9 μm.

上記の条件で作製された光導波路1,2は、波長λ=1
.3μmのTE、7Mモード波に対し単一モード導波路
となり、方向性結合器17の特性は、TE、7Mモード
波に対する完全結合長LfE+LTMと結合領域の長さ
lとの比について、//Ltt=1.03  、  /
/Lyx=1.I Oという値を示した。
The optical waveguides 1 and 2 manufactured under the above conditions have a wavelength λ=1
.. It becomes a single mode waveguide for TE and 7M mode waves of 3 μm, and the characteristics of the directional coupler 17 are as follows: //Ltt regarding the ratio of the complete coupling length LfE+LTM to the length l of the coupling region for TE and 7M mode waves. =1.03, /
/Lyx=1. It showed a value of IO.

上記のような方向性結合器17の上に、厚さ1500人
のSiO2膜バッファ層をスパッタリングで形成した後
、この上に長さ9鶴、幅10μ鋼のAn膜から成る電極
を計8個設けた。電極は、方向性結合器17の前半領域
17aにおいて、光導波路1.2の直上に一次電極4c
、5bが配置してあり、その外側に二次電極4a、4d
がある。
After forming a SiO2 film buffer layer with a thickness of 1500 mm on the directional coupler 17 as described above by sputtering, a total of 8 electrodes made of an An film made of steel having a length of 9 mm and a width of 10 μ are formed on this layer. Established. The electrode includes a primary electrode 4c directly above the optical waveguide 1.2 in the first half region 17a of the directional coupler 17.
, 5b are arranged, and secondary electrodes 4a, 4d are arranged on the outside thereof.
There is.

また後半領域17bにおいても、光導波路l。Also in the latter half region 17b, the optical waveguide l.

2の直上に一次電極5b、5cが設けられているととも
に、その外側に二次電極5a、5dがそれぞれ配置しで
ある。
Primary electrodes 5b and 5c are provided directly above the electrodes 2, and secondary electrodes 5a and 5d are arranged outside of the primary electrodes 5b and 5c, respectively.

上述の工程で作製された光スイッチの測定結果について
説明する。
The measurement results of the optical switch manufactured through the above steps will be explained.

一方の導波1!11の入力端1aへの入力光が全て同導
波路の出力端1bに出力されるバー状態は、−次電極4
b、5bと二次電極4d、5dに約18Vの電圧を印加
し、−次電極4c、5cと二次電極4a、5aを接地し
た状態で達成できた。
The bar state in which all the light input to the input end 1a of one waveguide 1!11 is output to the output end 1b of the same waveguide is the -order electrode 4.
This was achieved by applying a voltage of about 18 V to the secondary electrodes 4d and 5d and grounding the negative electrodes 4c and 5c and the secondary electrodes 4a and 5a.

その際、導波路1の入力端1aへは、Z軸に対し45°
傾いた波長λ=1.3μmの直線偏光を入力し、同導波
路1の出力端1bに対する他方の導波路の出力端2bの
光パワーの比率を測定したところ一23dBという値で
あった。
At that time, the input end 1a of the waveguide 1 is connected at an angle of 45° to the Z axis.
When linearly polarized light with an inclined wavelength λ=1.3 μm was input, the ratio of optical power at the output end 1b of the same waveguide 1 to the output end 2b of the other waveguide was measured and found to be -23 dB.

又、一方の導波路lの入力端1aへの入力光が全て他方
の導波路2の出力端2bに出力されるクロス状態は、−
次電極4b、5cと二次電極4d。
In addition, the cross state in which all the input light to the input end 1a of one waveguide 1 is output to the output end 2b of the other waveguide 2 is -
Secondary electrodes 4b, 5c and secondary electrode 4d.

5aに約5vの電圧を印加し、残りの一次電極4c、5
bと二次電極4a、5dを接地した状態で達成できた。
A voltage of about 5V is applied to 5a, and the remaining primary electrodes 4c, 5
This was achieved with the secondary electrodes 4a and 5d grounded.

その際の出力端2bに対する入力端1aの比率は約−2
0dBであった。
At that time, the ratio of the input end 1a to the output end 2b is approximately -2
It was 0dB.

次に本発明の他の実施例を第3図に示す。Next, another embodiment of the present invention is shown in FIG.

本例で光導波路12.13は、XカットのLiNbO3
ウェハー14のY、2面内に形成されていて、Z軸の方
向は伝搬方向に垂直な面内において90゜回転している
In this example, the optical waveguides 12 and 13 are X-cut LiNbO3
It is formed in the Y and two planes of the wafer 14, and the direction of the Z axis is rotated by 90° in the plane perpendicular to the propagation direction.

従ってZ軸に平行な電界が印加できるように電極の配置
も変更しである。
Therefore, the arrangement of the electrodes must be changed so that an electric field parallel to the Z axis can be applied.

この場合は、方向性結合器18の前半領域18aにおい
て、光導波路12.13の両脇及び中央に一次電極15
 b、  15 d、  15 cが設けである。
In this case, in the first half region 18a of the directional coupler 18, primary electrodes 15 are provided on both sides and in the center of the optical waveguide 12.13.
b, 15d, and 15c are provided.

なお−次電極15b、15dの外側にこれらと平行に配
置された電極15a、15eは二次電極である。
Note that the electrodes 15a and 15e arranged outside and parallel to the secondary electrodes 15b and 15d are secondary electrodes.

また方向性結合器18の後半領域18bにおいても、上
記の電極158〜15eと同様の電極168〜16eを
それぞれ配置しである。本例におけるTEモードと7M
モードの1/L1Δβl/πダイアグラム第2図及び第
3図上の動作は第1図の実施例の7MモードとTEモー
ドにそれぞれ対応し、第1図の実施例と同様に、入力光
の偏光状態に依存しない光スイッチとして動作すること
を確認した。
Further, in the rear half region 18b of the directional coupler 18, electrodes 168 to 16e similar to the above electrodes 158 to 15e are arranged, respectively. TE mode and 7M in this example
The operations on the mode 1/L1Δβl/π diagrams in FIGS. 2 and 3 correspond to the 7M mode and TE mode of the embodiment in FIG. 1, respectively, and similarly to the embodiment in FIG. We confirmed that it operates as a state-independent optical switch.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、入力光の偏光に依存しない方向性結合
器光スイッチ、特に導波路の間隔を連続的に変える光ス
イッチにおいて、従来避けられなかった導波路の製作精
度に対する厳しい条件を大幅に低減することができる。
According to the present invention, in a directional coupler optical switch that does not depend on the polarization of input light, especially in an optical switch in which the waveguide spacing is continuously changed, the strict conditions for waveguide fabrication accuracy that were conventionally unavoidable have been significantly reduced. can be reduced.

また本発明によれば、Z伝搬の配置を使わずX伝搬また
はY伝搬の配置を使えるので、低電圧動作が可能である
という利点がある他、出力ポート間のクロストークレベ
ルを低く抑えるという利点もある。
Further, according to the present invention, since an X propagation or Y propagation arrangement can be used without using a Z propagation arrangement, there is an advantage that low voltage operation is possible, and the crosstalk level between output ports can be kept low. There is also.

また、構成が複雑でなく小型化を図ることが可能である
Furthermore, the configuration is not complicated and can be made smaller.

これらの利点から、本発明によれば、量産に適した実用
的な偏光無依存性の方向性結合器型光スイッチが実現で
きる。
Due to these advantages, according to the present invention, a practical polarization-independent directional coupler type optical switch suitable for mass production can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の一実施例を示す斜視−、第2図は本発
明の原理を示す特性曲線を示す図であって、(A)は分
割電極に同極性の電圧を印加した場合、(B)は分割電
極に異極性の電圧を印加した場合をそれぞれ示し、第3
図は本発明の他の実施例を示す斜視図、第4図は方向性
結合器における結合長の有効領域を示す図、第5図は従
来の偏光無依存性の方向性結合器型光スイッチを示す要
部平面図である。 1.2.12.13・・・光導波路、la、2a−・−
入力端、lb、2b・・・出力端、3,14・・・Li
Nb0+ウエハー、4 b、4 c、5 b+  5 
C515b。 15c、15d、16b、16c、16d・・・−次電
極、4a、4d、5a、5d、15a、15e。 16a、16e・・・二次電極、17.18・・・方向
性結合器、23・・・TE、7Mモードともにバー状態
となるための特性、24・・・TE、7Mモードともに
クロス状態となるための特性、26・・・バー状態で一
20dBの許容範囲、27・・・クロス状態で一20d
Bの許容範囲1.28・・・本発明に係る光スイッチの
有効領域。 第1図 第2図 第3図 第4図 多(□(X又はYカット) 第5図 手続補正書 昭和43年3月25日 噸
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing a characteristic curve showing the principle of the present invention. (B) shows the case where voltages of different polarities are applied to the divided electrodes, and the third
The figure is a perspective view showing another embodiment of the present invention, Figure 4 is a diagram showing the effective coupling length area in a directional coupler, and Figure 5 is a conventional polarization-independent directional coupler type optical switch. FIG. 1.2.12.13... Optical waveguide, la, 2a--
Input end, lb, 2b...Output end, 3, 14...Li
Nb0+ wafer, 4 b, 4 c, 5 b+ 5
C515b. 15c, 15d, 16b, 16c, 16d...-Next electrode, 4a, 4d, 5a, 5d, 15a, 15e. 16a, 16e...Secondary electrode, 17.18...Directional coupler, 23...Characteristics for both TE and 7M modes to be in a bar state, 24...Characteristics for both TE and 7M modes to be in a cross state Characteristics to become, 26... Tolerance range of -20dB in bar state, 27... -20dB in cross state
Tolerance range of B: 1.28... Effective area of the optical switch according to the present invention. Figure 1 Figure 2 Figure 3 Figure 4 Multi (□ (X or Y cut) Figure 5 Procedural amendment document March 25, 1960)

Claims (1)

【特許請求の範囲】 電気光学効果を有する材料から成る基板に形成した一定
間隔の近接して配置された2本の直線状光導波路から成
る方向性結合器と、 該方向性結合器の直上もしくは近傍に平行に配置され、
伝搬方向に少なくとも2分割された制御電極とを具備す
る方向性結合器光スイッチにおいて、 一方の導波路への入力光が他方の導波路にほぼ完全に移
行し出力されるクロス状態の実現に、前記制御電極の一
方および他方に互いに異なる電界を印加した反転Δβ光
スイッチを利用し、また入力光を導波した導波路から出
力光がほぼ完全に取り出されるバー状態の実現に、制御
電極の両方に同極性の電界を印加した一様Δβ光スイッ
チの原理を利用しており、 電界印加のもとで、一方のモードが前記2本の導波路を
伝搬する時に生じる伝搬定数差をΔβ_1、前記モード
と直交する他方のモードが導波路を伝搬する時に生ずる
伝搬定数差をΔβ_2、 α=Δβ_1/Δβ_2としたときαの範囲が0.28
≦α≦0.31であり、且つ 前記方向性結合器の結合領域の長さをl、TE、TMモ
ード導波光に対する完全結合長をL_T_E、L_T_
Mとした時の比l/_L_T_E、l/_L_T_Mの
いずれか一方をx_1、他方をx_2として、 (i)4≦Δβ_2l/π≦8の範囲で、 x^2_i/x^2_i(Δβ_il/π)^2・si
n^2π/√[x^2_i+(Δβ_il/π)]^2
≦1/101(i=1、2) (ii)0≦Δβ_2l/π≦3の範囲で、〔1−2x
^2_i/x^2_i+(Δβ_il/π)^2・si
n^2π/4√[x^2_i+(Δβ_il/π)^2
]〕^2≦1/101(i=1、2) の二式が同時に満たされるように、結合領域長l、完全
結合長LTE、LTM、伝搬定数差の比αを定めたこと
を特徴とする偏光に依存しない方向性結合器光スイッチ
[Claims] A directional coupler consisting of two linear optical waveguides arranged closely at a constant interval formed on a substrate made of a material having an electro-optic effect, and directly above or above the directional coupler. placed parallel to the vicinity,
In a directional coupler optical switch equipped with a control electrode divided into at least two parts in the propagation direction, in order to realize a cross state in which the input light to one waveguide almost completely transfers to the other waveguide and is output, By using an inverted Δβ optical switch in which different electric fields are applied to one and the other of the control electrodes, and in order to realize a bar state in which the output light is almost completely extracted from the waveguide that guided the input light, both of the control electrodes are used. It utilizes the principle of a uniform Δβ optical switch in which an electric field of the same polarity is applied to the two waveguides, and the difference in propagation constant that occurs when one mode propagates through the two waveguides under the applied electric field is defined as Δβ_1 and the above. When the propagation constant difference that occurs when the other mode orthogonal to the mode propagates through the waveguide is Δβ_2, α=Δβ_1/Δβ_2, the range of α is 0.28
≦α≦0.31, and the length of the coupling region of the directional coupler is l, and the complete coupling length for TE and TM mode guided light is L_T_E, L_T_
When M is the ratio l/_L_T_E, l/_L_T_M, one of which is x_1 and the other is x_2, (i) In the range of 4≦Δβ_2l/π≦8, x^2_i/x^2_i(Δβ_il/π )^2・si
n^2π/√[x^2_i+(Δβ_il/π)]^2
≦1/101 (i=1, 2) (ii) In the range of 0≦Δβ_2l/π≦3, [1-2x
^2_i/x^2_i+(Δβ_il/π)^2・si
n^2π/4√[x^2_i+(Δβ_il/π)^2
]] The coupling region length l, the complete coupling lengths LTE and LTM, and the ratio α of the propagation constant difference are determined so that the following two equations are simultaneously satisfied: ^2≦1/101 (i=1, 2) A polarization-independent directional coupler optical switch.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07168213A (en) * 1991-01-30 1995-07-04 Nec Corp Light control device

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