JPH03130722A - 導波型光スイッチ - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、導波路中を伝搬する光信号の進行方向を電気
的に切換え制御する導波型光スイッチに関するものであ
る。

（従来の技術〉 従来、このような分野の技術としては、以下に示す文献
に記載されるものがあった。

■　西原・春名・栖原著「光集積回路」１版（昭６Ｏ−
２−２５）オーム社Ｐ、３０４−３０７゜ ■　「電子情報通信学会半導体・材料部門　全国大会講
演論文集Ｊ　ＰＡＲＴ２　（昭和６２年１０月１５日）
電子情報通信学会編’　Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　０３先導波路
スイツチの偏光無依存化ＪＰ、１４０゜文献■に記載さ
れた反転Δβ電極方向性結合器型の導波型光スイッチは
、電極が２分割され、その対角方向の電極に異なる極性
を印加することによって、クロス状態及びバー状態を実
現することができる。

しかし、この導波型光スイッチでは、導波路を伝搬する
光信号に対して行う進行方向の切換え制御において、光
信号の偏光に対する依存性が除去されておらず、異なる
偏光に対し７て同時に切換え制御を行うことについての
考慮がなされていなかった。

そこで、偏光に対する依存性を除去するために、従来、
文献■に記載される技術が提案されていた。

その構成を図を用いて説明する。

第２図は、従来の導波型光スイッチの斜視図である。

この光スィッチは、電気光学効果を生じるニオブ酸リチ
ウム（Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　０３　）単結晶Ｚ板からなる基
板１を有している。基板１上には、チタン（Ｔｉ）の拡
散によって得られる２本の導波路２゜３が近接して配置
形成されている。導波路２，３の結合領域４上には、電
極５．６が設けられ、その電極５，６に印加する印加電
圧■によって結合領域４での導波路２．３の屈折率変化
を制御できる構造となっている。結合領域長Ｌ１は、印
加電圧■の非印加時において、一方の導波路２（または
３）に入力された光信号が他方の導波路３（または２）
に出力される長さく結合長）に設定されている。この設
定は、導波路２．３形成におけるＴｉの拡散濃度の調整
等によって行われる。

次に、動作を説明する。

電極５．６に印加電圧■を印加しない場合には、例えば
２つの偏光、ＴＭ　（ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＭａｇｎｅ
ｔｉｃ）波、ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ−Ｅｌｅｃｔ
ｒｉｃ）波を有する光信号が導波路２（または３）に入
力されると、その光信号はＴＭ／ＴＥ両波ともに導波路
３（または２）に出力される状態（クロス状態）になる
。

電極５．６間に印加電圧■を印加すると、２木の導波路
２．３の共鳴条件が破れ、一方の導波路２（または３）
に入力されたＴＭ／ＴＥ両波を有する光信号は、ＴＭ／
ＴＥ両波ともに、同じ導波路２（または３）に出力され
る状態（バー状態）になる。

このように、第２図の導波型光スイッチでは、光信号の
偏光に対する無依存化が図られている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記構成の導波型光スイッチでは次のよ
うな課題があった。

導波路２，３を伝搬する光信号の異なる２つの偏光であ
るＴＭ／ＴＥ両波に対して、同時に進路の切換え制御を
行うためには、導波路２．３のＴｉの拡散濃度を調整し
て、導波路２．３に対するＴＭ波及びＴＥ波の結合係数
、即ち結合長を一致させ、かつその結合長を結合領域長
に一致させなければならない。

ところが、第２図の光スィッチでは、ＴＭ／ＴＥ両波の
結合長の一致と、その結合長と結合領域長との一致を図
るために必要な導波路２，３のＴｉの拡散濃度の調整に
は、極めて高い精度が要求され、その拡散濃度を実現す
ることは困難であった。さらに、その拡散濃度では、Ｔ
Ｍ／ＴＥ両波を導波路２．３内に閉じ込めるに十分な屈
折率を得ることができず、導波路２．３の曲線部分で光
信号が導波路２．３の外へ漏れ出てしまうため、光信号
の伝搬損失が大きかった。

本発明は前記従来技術が持っていた課題として、導波路
形成材料の濃度設定が困難な点と、導波路の曲線部分に
おける光信号の伝搬損失が大きい点について解決した導
波型光スイッチを提供するものである。

（課題を解決するための手段） 第１の発明は、前記課題を解決するために、光信号が伝
搬する複数本の導波路を近接して並置し、その各導波路
の結合領域上に前記導波路に沿って２分割された電極が
配置され、その導波路の対角方向の領域の屈折率変化を
同一にするような電界が前記導波路に発生するような印
加電圧を、前記電極に印加し、クロス状態及びバー状態
を実現する導波型光スイッチにおいて、前記導波路を次
のように形成したものである。

即ち、前記導波路は、前記光信号が有する偏光のうち、
電気光学効果が最も小さい偏光に対する前記導波路の結
合長が、前記結合領域長のほぼ奇数倍となるように、屈
折率分布が、その導波路形成材料の濃度と、導波路の幅
、及び深さと、結合領域長と、導波路間距離とに基づい
て設定されている。

第２の発明は、第１の発明において、前記屈折率分布を
、導波路形成材料の濃度と、導波路の幅、及び深さと、
結合領域長と、導波路間距離とに加えて、導波路形成用
の拡散不純物と、導波路幅の変化特性と、導波路表面被
覆用の屈折率分布変更可能な材料との少なくとも一つを
考慮して設定している。

（作用） 第１の発明によれば、以上のように導波型光スイッチを
構成したので、導波路は、その屈折率分布が、光信号の
有する偏光のうち、電気光学効果の最も小さい偏光に対
する導波路の結合長が、前記結合領域長のほぼ奇数倍と
なるように設定される。そのため、この導波路は、電気
光学効果の最も小さい偏光に対して、クロス状態及びバ
ー状態を実現する印加電圧の範囲が緩和されるように働
く。

第２の発明によれば、導波路は、その屈折率分布が、導
波路形成材料の濃度と、導波路の幅、及び深さと、結合
領域長と、導波路間距離とに加えて、導波路形成用の拡
散不純物と、導波路幅の変化特性と、導波路表面被覆用
の屈折率分布変更可能な材料との少なくとも一つを考慮
して設定される。そのため、導波路間の屈折率変化が、
電気光学効果による要因に加えて、導波路の構造的変化
による要因によっても生じ、屈折率変化の微調整が図れ
るように働く。

したがって、前記課題を解決できるのである。

（実施例） 第１図は、本発明の第１の実施例を示す反転Δβ電極方
向性結合器型の導波型光スイッチの斜視図である。

この光スィッチは、電気光学効果を有するＬｉＮｂＯ３
単結晶Ｚ板単結晶石板板１１を有している。その基板１
１上には、例えば導波路形成予定領域上にチタン（Ｔｉ
）を厚さ７００人、導波路の幅７μｍで堆積させ、その
Ｔｉを拡散時間５゜５時間、拡散温度１０５０℃で基板
１１中に拡散して、２本の導波路１２．１３が近接して
配置形成されている。２本の導波路１２．１３は、それ
ぞれ光信号が入力する入力ポート１２ａ、１３ａ及び、
光信−号が出力する出力ポート１２ｂ、１３ｂを有して
いる。導波路１２．１３間の距離は、入力ボート１２．
ａ、出力ポート１２ｂ間、及び入力ボート１３ａ、出力
ボート１３ｂ間の結合領域１４上において、入力ポート
１２ａ、１３ａ間距離、及び出力ポート１２ｂ、１３ｂ
間距離よりも短く、例えば６μｍに設定されている。結
合領域長Ｌｌｌは、光信号の有するＴＭ波、及びＴＭ波
より電気光学光効果の小さいＴＥ波に対して、それぞれ
の結合長１ｍ及び１ｅが、それぞれ結合領域長Ｌｌｌの
１〜３倍程度及び３倍近傍となるように設定されており
、例えば結合領域長Ｌｌｌは、１５ｍｍに設定されてい
る。結合領域１４上の導波路１２．１３には、印加電圧
Ｖを印加して導波路１２．１３の伝搬定数差Δβ（＝２
πΔｎ／λ、但し、λは光信号の波長、Δｎは印加電圧
Ｖに比例する屈折率変化）を変化させるために、導波路
１２上に電極１５ａ、１５ｂが、導波路１３上に電極１
６ａ、１６ｂがそれぞれ設けられている。

次に、動作を説明する。

第３図は、第１図の光スィッチの動作特性図であり、縦
軸にΔβＬ１１／π、横軸にＬ１１／ｊ）　　（４１は
結合長）がとられている。ここで、曲線Ａｌ。

Ａ２はＴＭ波に対してバー状態が、曲線ＢはＴＥ波に対
してバー状態がそれぞれ実現される条件である。また、
曲線ａはＴＭ波に対してクロス状態が、曲線すはＴＥ波
に対してクロス状態がそれぞれ実現される条件である。

さらに、ｃｌはＴＭ波に対する動作線、Ｃ２はＴＥ波に
対する動作線である。曲線Ｂ、ｂにおける斜線内は、Ｔ
Ｅ波に対してクロス状態及びバー状態がクロストーク２
゜ｄｂで実現される範囲である。

電極１５ａ、１６ｂをプラス、電極１５ｂ、１６ａをマ
イナスにして、各電極間に印加電圧■を印加する。その
印加電圧■の値は、例えばＯＶ〜２■である。

入力ポート１２ａ（または１３ａ）に入力したＴＭ／Ｔ
Ｅ両波を有する光信号（例えば波長１゜３μｍ）は、結
合領域１４上において、進行方向の切換えがＴＭ／ＴＥ
両波に対して行われ、入力ポート１２ａ（または１３ａ
）に入力した光信号は、ＴＭ／ＴＥ両波ともに、出力ポ
ート１３ｂ（または１２ｂ）に出力される状態（クロス
状態）になる。

印加電圧■を２５〜３０Ｖ程度に切換えると、入カポ−
Ｉ〜１２ａ（または１３ａ）に入力したＴＭ／ＴＥ両波
を有する光信号は、同一の導波路１２（または１３）の
出力ポート１２ｂ（または１３ｂ）に出力される状態（
バー状態〉になる。

このようにして、印加電圧■を変化させることにより、
ＴＭ／ＴＥ両波に対して同時にクロス状態とバー状態の
切換え制御を行うことができる。

本実施例では、次のような利点を有している。

（Ａ）ＴＭ／ＴＥ両波に対して、１５ｄｂのクロストー
クで偏光無依存性の動作が達成される。

（Ｂ）実験データによれば、導波路１２．１３の曲線部
分の曲率半径Ｒが４０ｍｍで、その曲線部分での光信号
の伝搬損失をほぼＯｄｂにすることができる。

（Ｃ）導波路１２．１３は、ＴＥ波に対してのみ、その
屈折率分布を考慮すればよく、ＴＭ／ＴＥ両波に対して
屈折率分布を考慮する必要があった第２図の導波路２．
３に比べて、その作製が容易になる。さらに、ＴＥ波に
対して行う導波路１２゜１３の屈折率分布の設定によっ
て決まる結合長ｌｅと結合領域長Ｌｌｌとの比が、所定
範囲内で、ＴＥ波に対するクロストーク２０ｄｂを達成
できる。そのため、導波路１２．１３の作製精度が緩和
され、導波路１２．１３の作製がさらに容易になる。

（Ｄ＞第３図の曲線すは、Ｌｌｌ／、Ｑｅ＝３付近で急
激に立ち上がっているなめ、ＴＭ波に対するＬｌｌ／、
Ｑｍが１〜３の間で変動しても、即ちＴＭ波に対してク
ロス状態を実現する印加電圧Ｖの値が変化しても、Ｌｌ
ｌ／Ｊｅは３付近の値をとる。即ち、ＴＩＶＩ波に対し
てクロス状態を実現する印加電圧■が所定の範囲で変動
しても、その印加電圧Ｖで、同時にＴＥ波に対してもク
ロス状態を実現できる。また、曲線Ｂの立ち上がりも急
激であり、所定の印加電圧Ｖによって、ＴＭ／ＴＥ両波
に対して同時にバー状態を実現できる。

第４図は、本発明の第２の実施例を示す反転Δβ電極方
向性結合器型の導波型光スイッチの斜視図である。図中
、第１図と共通の要素には、共通の符号が付されている
。

この実施例が第１の実施例と異なる点は、導波路１２．
１３の幅に変化特性を持たせるなめに、導波路１２．１
３の幅に比べて、電極１５ａ、１６ｂ下の導波路の幅を
狭くし、電極１６ａ、１５ｂ下の導波路の幅を広くして
、導波路１２−１゜１３−１を形成した点である。この
光スィッチでも、第１図の光スィッチとほぼ同様の動作
が得られる。

この第２の実施例の利点としては、次のようなことが挙
げられる。第４図の光スィッチでは、印加電圧■の印加
による電気光学効果に加えて、導波路幅の構造的変化に
よっても、等価屈折率差、即ち伝搬定数差Δβを変化さ
せている。そのため、第１図の光スィッチと比較して、
さらに消光比の改善が図れる。例えば、第１図の光スィ
ッチがバー状態になるためには、ＴＭ波に対してΔβＬ
１１／π＝δ３３＝７．９、ＴＥ波に対してΔβＬｌｌ
／π＝δ３１＝２．６５程度必要である。ｍ選的変化に
よって生じるＴＭ波のΔβＬ１１／πをδＷ、電気光学
効果によって生じるＴＭ波のΔβＬ１１／πをδｅとす
ると、δＷ及びδｅは、それぞれ次式で表わされる。

δｗ＝（δ３３−ａδ３１）／　（１−ａ／ｂ）δｅ＝
（δ３３−ｂδ３１）／　（１−ｂ／ａ＞但し、ａ：Ｔ
Ｍ／ＴＥ両波の電気光 学効果の比 ｂ：ｌｌ構造的変化よって生じ るＴＭ／ＴＥ両波のΔβ Ｌ１１／πの比 ａ＝３．６５、ｂ＝２の時、δｗ＝２．１で、ＴＭ波及
びＴＥ波に対するバー状態が一致する。

第５図は、本発明の第３の実施例を示す反転Δβ電極方
向性結合器型の導波型光スイッチの斜視図である。図中
、第１図と共通の要素には共通の符号が付されている。

この光スィッチは、Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　０３単結晶Ｘ板か
らなる基板１１−１を有している。基板１１−１上には
、Ｌ　Ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３単結晶Ｘ板の場合にはＴＭ波が
ＴＥ波に比べて電気光学効果が小さくなることを考慮し
て、第１の実施例とほぼ同様にして、導波路１２−２．
１３−２が形成されている。さらに、導波路１２−２．
１３−２の結合領域１４上には、それぞれ２分割された
、電極１７ａ、１７ｂ、電極１８ａ、１８ｂ、電極１９
ａ、１９ｂが設けられている。

この光スィッチは、電極１７ａ、１８ａをプラス、電極
１７ｂ、１８ｂをマイナス、電極１９ａ。

１９ｂをアースにして、各電極間に印加電圧■を印加す
ることによって、第１図の光スィッチとほぼ同様に動作
する。

この第３の実施例では、ＴＭ波に対して、導波路１２−
２．１３−２の屈折率分布の設定を行えばよいという利
点を有している。

なお、本発明は上記第１．２．３の実施例に限定されず
、種々の変形が可能である。その変形例としては、例え
ば次のようなものがある。

（ａ）第１図、第２図及び第３図の光スィッチは、その
構造及び製造方法について種々の変形が可能である。例
えば、基板１１．１１−１は、ＬｉＮｂＯ３に限定され
ず、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）等で形成する
こともできる。基板１１−１は、Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３
単結晶Ｙ板で構成することもできる。また、導波路１２
．１３は、その屈折率分布の設定方法によって、結合領
域長Ｌｌｌ、導波路の幅、導波路間距離等が適宜変更さ
れる。

（ｂ）第１，２の実施例では、Ｌｌｌ／ｌｅを３近傍と
なるようにしたが、これは、必ずしも３である必要はな
く、奇数であれば他の値でもよい。第３の実施例につい
ても同様にＬ１１／ｆＪｍが奇数値近傍であればよい。

（Ｃ）印加電圧■の値及びその印加方法は、導波路１２
〜１２−２．１３〜１３−２の作製条件の相違等により
変更可能である９例えば、第５図の光スィッチでは、電
極１７ａ、１９ｂ、１８ａをプラスにし、電極１７ｂ、
１９ａ、１８ｂをマイナスにして印加電圧を印加しても
第３の実施例と同様の作用・効果が得られる。

（ｄ）第２の実施例において、導波路１２−１゜１３−
１の導波路幅の変更は、図示の幅変化に限定されず、種
々の変形が可能である。

（ｅ）第２の実施例においては、導波路幅を変えて、光
スィッチの等側屈折率を構造的に変化させたが、これは
、導波路形成用の拡散不純物、あるいは導波路表面被覆
用の屈折率分布変更可能な材料を用いて行うことができ
る。例えば、導波路形成材料としてＴｉを用いた場合、
そのＴｉに、マグネシウム（Ｍｇ＞等の拡散不純物をド
ーピングしても等側屈折率の構造的変化が得られる。ま
た、導波路表面に、屈折率分布変更可能な材料、例えば
酸化シリコン（Ｓｉ０２＞、酸化アルミニウム（Ａｊ　
２０３　＞あるいはシリコン（Ｓｉ）等を被覆しても等
側屈折率の構造的変化が得られる。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように第１の発明によれば、光信号
が有する偏光のうち、電気光学効果が最も小さい偏光に
対する結合長が、結合領域長のほぼ奇数倍となるように
、屈折率分布を設定して導波路を形成した。そのため、
電気光学効果が最も小さい偏光に対して、クロス状態及
びバー状態を実現する印加電圧の範囲が緩和される。

第２の発明によれば、導波路の屈折率分布を、導波路形
成材料の濃度と、導波路の幅、及び深さと、結合領域長
と、導波路間距離とに加えて、導波路形成用の拡散不純
物と、導波路幅の変化特性と、導波路表面被覆用の屈折
率分布変更可能な材料との少なくとも一つを考慮して設
定した。そのため、導波路の屈折率分布の構造的変化が
生じ、屈折率分布の微調整が可能となる。

したかって、導波路の曲線部分での伝搬損失を除去しつ
つ、光信号の伝搬における偏光無依存性を達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す反転Δβ電極方向
性結合器型の導波型光スイッチの斜視図、第２図は従来
の導波型光スイッチの斜視図、第３図は第１図の導波型
光スイッチの動作特性図、第４図は本発明の第２の実施
例を示す反転Δβ電極方向性結合器型の導波型光スイッ
チの斜視図、第５図は本発明の第３の実施例を示す反転
Δβ電極方向性結合器型の導波型光スイッチの斜視図で
ある。 １１．１１−１・・・・・・基板、１２〜１２−２．１
３〜１３−２・・・・・・導波路、１４・・・・・・結
合領域、１５ａ。 １５ｂ　〜１９ａ。 １９ｂ・・・・・・電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光信号が伝搬する複数本の導波路を近接して並置し
   、その各導波路の結合領域上に前記導波路に沿って２分
   割された電極が配置され、その導波路の対角方向の領域
   の屈折率変化を同一にするような電界が前記導波路に発
   生するような印加電圧を、前記電極に印加し、クロス状
   態及びバー状態を実現する導波型光スイッチにおいて、 前記光信号が有する偏光のうち、電気光学効果が最も小
   さい偏光に対する前記導波路の結合長が前記結合領域長
   のほぼ奇数倍となるように、屈折率分布を、その導波路
   形成材料の濃度と、導波路の幅、及び深さと、結合領域
   長と、導波路間距離とに基づき設定した導波路を備えた
   ことを特徴とする導波型光スイッチ。 ２、請求項１記載の導波型光スイッチにおいて、前記屈
   折率分布は、導波路形成材料の濃度と、導波路の幅、及
   び深さと、結合領域長と、導波路間距離とに加えて、導
   波路形成用の拡散不純物と、導波路幅の変化特性と、導
   波路表面被覆用の屈折率分布変更可能な材料との少なく
   とも一つを考慮して設定した導波型光スイッチ。