JPH0272331A - 導波路型光−光制御素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 光通信や光結合のための各種光回路素子などとして利用
できる光−光制御素子に関し、より低いパワーの光で動
作させることができる光−光制御素子を開発することを
目的とし、光照射により屈折率が変化する非線形光学物
質を少なくとも、光導波路の分岐部または交差部に用い
、導波路の分岐部または交差部上に明暗が周期的に変化
する回折格子状の光パターンを照射して導波路中の光の
光路を変更するようにして導波路型光−光制御素子を構
成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、光通信や光情報処理のための各種光回路素子
などとして利用できる光−光制御素子に係り、更に詳し
くは低パワーで光−光制御が可能な光−光制御素子に関
する。

〔従来の技術〕

従来の光−光制御素子としては、今まで実用化されてい
る光制御素子は何れも先導波路に沿って電極を設け、こ
の電極間に電界を加えて屈折率を変化させることにより
光スイッチングなどの作用をさせるもので、何れも電気
−光制御素子である。

また、ＬｉＮｂ０．導波路に形成した光スィッチにアモ
ルファス・シリコン（Ｓｉ）製のＰＩＮフォトダイオー
ド（通称太陽電池）を直列に接続し、レーザ光で照射し
た場合に発生する光起電力によりスイッチング作用させ
る光−光制御素子が提案されている（例えば、光−光制
御素子とその応用　矢嶋弘義　石原聰　オブトロニック
ス　１２号６９頁（１９８４）参照〕。

しかしながら、この制御素子は光電変換を伴うものであ
って直接的な光制御ではなく、またスイッチング速度は
フォトダイオードの応答速度に依存するため１μｓが限
界である。

そこで、本発明者らは先導波路に制御素子を設け、これ
を直接にレーザ光を使用して制御すると応答速度の極め
て速い素子が得られるであろうとの見地から、先に基板
上のマトリックス状に形成した第１の導波路の各交差部
に、光照射により屈折率が非線形に変化する光学層を導
波路と同じ高さに形成し、この非線形光学層に別に設け
た第２の導波路を通じて制御光を入射させ、第１の導波
路を伝播する光のスイッチング或いは変調を行うように
した光−光制御素子を提案した（特開昭６２−２４５２
２８号公報）。この光−光制御素子は非線形光学層に外
部より所定強度以上の光照射をおこなうと非線形光学層
の屈折率が変化（一般には低下）して先導波路中を伝搬
されてきた人力光信号が非線形光学層の界面で全反射さ
れて光路が切り換えられ、別の導波路中へ反射伝播され
ていくように構成されており、このようにして非線形光
学層に外部から光照射することによって先導波路中の光
の光路を容易に変更することができる。しかしながら、
この光−光制御素子には、同一材料でできた二つの先導
波路中に、これとは異なる材料でできた非線形光学層が
存在するため、これらの材料屈折率が光の非照射時にお
いて互いに等しくなるように屈折率のマツチングをとる
必要がある。

そのためには屈折率の非常に精密な制御が要求され、実
際にはなかなか所望のマツチングをとることができず、
そのため透過光信号を得たいにもがかわらす光導波路と
非線形光学層との界面で不要な反射が生じ、その反射光
が他の光導波路へ伝搬されてノイズになってしまうとぅ
いう問題点があった。

そこで、本発明者らは、前記した界面反射に起因する光
ノイズを低減すべく研究をすすめ、複数の先導波路が互
い分岐もしくは交差した光路切り換え部及びその近傍を
非線形光学物質で構成して、この光路切り換え部の一部
分に対し外部から選択的に光照射を行って、その光照財
部と非照射部との間に生じる屈折率差により光路切り換
えを行うように構成した。光−光制御素子を提案した（
昭和６３年６月１０日出願の特願昭６３−１４１８０４
号、発明の冬作「光−光制御素子」参照）。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前記した光−光制御素子は、単一の屈折
率段差での光の反射を利用しているため、素子を動作さ
せるために、大きな光パワーが必要であるという問題が
あった。

従って、本発明は、前記した従来技術の問題点を解決し
て、より低いパワーの光で動作させることができる光−
光制御素子を開発することを目的とする。

Ｃ課題を解決するための手段〕 本発明に従えば、光照射により屈折率が変化する非線形
光学物質を少なくとも先導波路の分岐部または交差部に
用いて、導波路の分岐部または交差部上に明暗が周期的
に変化する回折格子状の光パターンを照射して導波路中
の光の光路を変更するようにしたことを特徴とする導波
路型光−光制御素子が提供される。

〔作用〕

本発明においては、前記したように、非線形光学物質（
同一材料）で光導波路を形成しているので、光照射を行
なわない場合には光導波路の分岐部又は交差路の屈折率
が同一であるから、前記した界面反射によるノイズ発生
の問題はなく、また以下の実施例に説明するように光導
波路の分岐部または交差路に例えば回折格子を用いて複
数個の明暗が周期的に変化する光パターンを照射するの
で複数個の屈折率段差で光を反射するため低いパワーの
光で所望の光路変換を行なうことができる。

〔実施例〕

以下、添付図面を参照して本発明の詳細な説明するが、
本発明の範囲をこれらの実施例に限定するものでないこ
とはいうまでもない。

裏施斑土二土 実施例１〜４に従った光−光制御素子の図面をそれぞれ
第１図〜第４図に示す。

第１図及び第２図は導波路１及び２全体を非線形光学物
質で構成した場合の例である。導波路分岐部４（第１図
）又は交差部５（第２図）に、例えば図示するような回
折格子状のパターン６により窓をあける（図において黒
部は遮光部分を表す）。

このパターン６上に光を照射すると、分岐部４又は交差
部５の照射部と未照射部との間に屈折率差ができ、導波
路上に回折格子が形成される。

これにより、入力光信号ＩＩＮは導波路１内を実質的に
直進して透過光信号Ｉｔとなって伝搬されていたのが、
分岐部４又は交差部５にパターン光をあてることにより
複数個の回折格子状の屈折率段差が生じ、これにより人
力光信号ｒ＋＋＋は全反射して反射光信号となって導波
路２に伝搬される。

例えば第１図において分岐角θ＝４０°の場合の回折格
子状パターンのストライプの方向θ８　（ブラック角）
はθ／２＝２０°とする。照射光の波長λ。を１μｍ、
非線形光学物質の非照射時の屈折率ｎを２とした場合、
適切な回折格子のピッチ△は λ。

２ｎｓｉｎｅＢ の弐から約０．７５μｍとなる。回折格子状のパターン
６の厚さ（幅）Ｌを５μｍ、光照射時と非照射時との屈
折率差△ｎを０．１とすると、 ｙ７　＝ｔａｎｈ”（Ｋ　Ｌ／ｃｏｓθｍ）　＝０．８
７　（８７％）スＯ Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系ＭＱＷ
　（多重量子井戸）の非線形屈折率ｎ２は約２　Ｘ　１
０−５ｃｍ”／−であるから、△ｎ＝０．１とするには
５　ｍＷ／　（１０ｕ　ｍ”）　（７）　パワー　カ必
要である。この光パワーは先に本発明者らが提出した昭
和６３年６月１０日出願の特願昭６３−１４１８０４号
に記載の光−光制御素子の場合に必要な光パワー９　ｍ
Ｗ／　（１０ｕ　ｍ”）に比べて小さい。

本発明において使用することのできる非線形光学物質と
しては、光照射によりその屈折率が変化する任意の物質
を用いることができ、その代表例としては、例えば■−
■族もしくは■−■族化合物の多重量子井戸（ＭＱＷ）
や、共役ポリマー例えば各種ジアセチレン系化合物を重
合したポリジアセチレン系材料、又はポリアセチレン系
材料、ポリチオフェン系材料、ポリピロール系材料、更
には、ポリ（１，６−へブタジイン）、ポリチェニレン
、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、ホＩＪ（チオ−２
，８ジベンゾチオフエン）、ポリ（チオ３，７ジベンド
ゾオフエン）、グラファイト。

ポリアクリロニトリル、ポリチアジル、ポリアセチレン
、ポリシアノアセチレン、ポリメチルアゾメチン、ポリ
フェニルアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリパラフ
ェニレンオキシド、ポリ（ｍ−フヱニレン）、ポリパラ
フェニレンセレニド。

ポリアニリン、ポリパラアゾフェニレン、ポリアセン、
ポリピロール８ポリチオフエン、ポリセレノフェン、ポ
リ３−メチルチオフェン、ポリフラン、ポリピペラジン
などをあげることができ、これらは単独又は任意の混合
物として用いることができる。その他にも、半導体ドー
プガラスや有機分子、有機分子集合体ドープガラス、あ
るいは有機非線形分子を添加したポリマー等を用いるこ
ともできる。

本発明においては、回折格子状の周期的に変化する光パ
ターンは導波路の上部のほかに下部にパターン化された
遮光層を設けることによっても実施でき、また遮光層と
導波路との間には例えば５ｉＯｚなどの光透過性のバッ
ファー層を設けて光の伝播ロスを抑制するのが好ましい
。

第３図及び第４圀に示した例は、非線形光学物質から成
る導波路を分岐部（第３図）又は交差部（第４図）のみ
に設は他の部分７は、例えば通常の材料である、Ｓｉ、
ＴｉｙＯ，、アモルファスＳｉＮ、ＮｙＯ。

などのガラス導波路あるいはＰＭＭＡ　（ポリメチルメ
タクリレート）、ポリスチレン、ポリカーボネートなど
のポリマー製の導波路などの非線形光学物質以外の材料
を用いた例である。この態様によれば、光ロスの大きい
材料を非線形光学物質として用いることが可能になる。

裏施炎ｉニエ 実施例５〜８に従った光−光制御素子の図面をそれぞれ
第５図〜８図に示す。これらの例は回折格子状パターン
部６以外の部分を遮光部８により遮光した例であり、そ
の他は前記実施例１〜４と同様である。非線形光学物質
３としては、前記した例示物質を用いることができるが
、これらに限られるものではない。

以上説明した導波路１及び２は、スラブ型に形成した導
波路をイオンミリング、リアクティブイオンエツチング
または通常の化学エツチングなどでエツチング加工して
従来通り形成することができる。ジアセチレンなどのポ
リマー材料の場合には面状に七ツマー単結晶またはモノ
マー膜を形成した後、導波路パターンの露光によりモノ
マーをポリマー化し、その後未重合モノマ一部分を溶剤
などで除去することによっても導波路が形成できる。

なお、遮光部８としては遮光性の各種材料を使用できる
が、特にクロム等の金属を使用する場合は、遮光層と光
導波路との間に光透過性のバッファ層を設けることが望
ましい。遮光部８は光導波路１．２の上面又は下面に、
例えばリフトオフ法もしくはフォトリソグラフィ法等に
より形成する。

リフトオフ法を利用する場合は、まず回折格子状のパタ
ーン６を形成する窓部を形成したい領域にのみレジスト
を残置させた後、このレジスト上を含む全面に例えば５
ｉＯｚ等のバッファ層を薄く形成し、続いてその上にク
ロム等の遮光膜を形成し、最後に上記レジストの部分だ
けをリフトオフにより除去する。またフォトリソグラフ
ィ法を利用する場合は、まず全面にバッファ層を薄く形
成し、続いてその上に遮光膜を形成した後、その上に窓
部の形成したい領域を残してレジストを塗布し、このレ
ジストを介して上記遮光膜にエツチングを施し、最後に
レジストを除去することによって遮光部を形成すること
ができる。また、特に遮光膜を形成することなく、パタ
ーン化された光を直接照射し、周期的屈折率変化を誘起
することも可能である。

前述した各実施例では分岐部や交差部を１個だけ有する
単体の光−光制御素子について述べたが、これらをマト
リクス上に多数配列して多チャンネルの光スィッチ等を
構成することもできる。

［効果］ 以上説明したように、本発明によれば、光−光制御素子
の少なくとも導波路の分岐部または交差部に用い、導波
路の分岐部または交差部上に明暗が周期的に変化する回
折格子状の光パターンを照射して導波路中の光の光路を
変更するので、先光制御素子の動作パワーを著しく低減
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１に係る光−光制御素子の平面
図であり、 第２図は本発明の実施例２に係る光−光制御素子の平面
図であり、 第３図は本発明の実施例３に係る光−光制御素子の平面
図であり、 第４図は本発明の実施例４に係る光−光制御素子の平面
図であり、 第５図は本発明の実施例５に係る光−光制御素子の平面
図であり、 第６図は本発明の実施例６に係る光−光制御素子の平面
図であり、 第７図は本発明の実施例７に係る光−光制御素子の平面
図であり、そして 第８図は本発明の実施例８に係る光−光制御素子の平面
図である。 図において、１・・・光導波路、２・・・光導波路、３
・・・非線形光学物質、４・・・分岐部、５・・・交差
部、６・・・回折格子状パターン、７・・・非線形光学
物質以外の物質を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光照射により屈折率が変化する非線形光学物質を少
   なくとも光導波路の分岐部または交差部に用いて、導波
   路の分岐部または交差部上に明暗が周期的に変化する回
   折格子状の光パターンを照射して導波路中の光の光路を
   変更するようにしたことを特徴とする導波路型光−光制
   御素子。 ２、導波路上部または下部にパターン化された遮光層を
   設けることにより回折格子状の周期的に変化する光パタ
   ーンを照射する請求項１記載の光−光制御素子。 ３、導波路の交差部及び分岐部付近のみを非線形光学物
   質とし、他の部分またはその一部を非線形光学物質以外
   の物質で形成した請求項１記載の光−光制御素子。 ４、非線形光学物質として、III−Ｖ族またはII−VI族
   化合物の多重量子井戸を用いる請求項１記載の光−光制
   御素子。 ５、非線形光学物質として、共役ポリマーを用いる請求
   項１記載の光−光制御素子。 ６、導波路の分岐角及び交差角を回折格子のブラック角
   Θ＿Ｂの２倍とした請求項１又は２記載の光−光制御素
   子。