JPH03188423A - 光方向性結合器及びその製造方法 - Google Patents

光方向性結合器及びその製造方法

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JPH03188423A
JPH03188423A JP32882289A JP32882289A JPH03188423A JP H03188423 A JPH03188423 A JP H03188423A JP 32882289 A JP32882289 A JP 32882289A JP 32882289 A JP32882289 A JP 32882289A JP H03188423 A JPH03188423 A JP H03188423A
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JP
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optical
light
directional coupler
substrate
optical waveguides
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JP32882289A
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Inventor
Mitsukazu Kondo
充和 近藤
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
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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

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

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〕 本発明は光通信、光情報処理等において、光波を制御す
る光回路に関し、特に、基板上に形成された光導波路を
用いた光回路素子の1つである光方向性結合器に関する
〔従来の技術〕
光通信システムの大容量化やネットワーク化、さらには
適用領域の拡大に伴って、光伝送路網の切換え、光波の
多重や分岐等様々な新しい機能の導入が要求されつつあ
る。このような光波の制御を行なう手段としては、基板
上に設置した光導波路により様々な光回路素子を構成し
、それを薬種して機能デバイスを構成する方法が有力と
なっている。特にニオブ酸リチウム(LiNbOs)結
晶を用いた光導波路デバイスは、低損失であり、かつ大
きな電気光学効果を有し、比較的製作も容易である等の
優れた特長を持っており、光変調器、マトリクス光スィ
ッチ、波長フィルター等様々なデバイスが報告されてい
る。
上述のような機能デバイスを実現する上で光方向性結合
器は特に重要な基本素子であり、低損失の分岐回路や光
スィッチ、光変調器の構成エレメントとして用いられる
〔発明が解決しようとする課題〕
一般に上述の光機能デバイスは、光伝送路中に挿入され
、光フアイバ中を伝搬した光信号を制御する目的で使用
される場合が多い、高速、大容量の光通信システムでは
光ファイバとして単一モード光ファイバが使用され、光
源には半導体レーザが使われる。半導体レーザは直線偏
光を出射するが、単一モード光ファイバ中を伝搬した光
波は一般にだ円偏光となり、また、その偏光状態も時間
的に変動する。一方、前述のL i N b O3結晶
上に形成された光方向性結盟は、通常の構成では、入射
する偏光によって特性が大きく異なってしまい、それを
基本エレメントとして構成される光スィッチや分岐回路
も大きな偏光依存性を生じてしまう、この原因は主にL
iNbO3結晶にTiを拡散した場合に生ずる異常光に
対する屈折率増加量Δn0と常光に対する屈折率増加量
Δn、)が通常大きく異なることに起因している。
第4図は、Ti濃度と屈折率変化量の関係を示す図であ
り、詳細はジャーナル・オブ・アプライド・フィジック
ス、第49巻ページ4677〜4682 (J、App
l、Phys、Vol、49.pp4677〜4682
)に述べられている。第4図から、Ti濃度が0.7〜
0.8%の値付近でΔneとΔn□がほぼ一致する点が
あることがわかり、このTi濃度で光導波路を構成すれ
ば偏光に依存しない光方向性結合器が得られる。
しかし、上述のTi濃度は通常の偏光依存性のある光導
波路デバイスに比べて低いため、生ずる△nO+△N0
の値も小さい、その結果、光導波路中への光閉込め効果
が弱く、デバイスを構成した場合に、曲線導波路部での
放射損失が大きいという欠点や、光スィッチや光変調器
を構成した場合に電界が有効に印加されにくいため、動
作電圧が大きいという欠点があった。また、光軸(Z軸
)方向を光伝搬方向に選ぶ方式の偏光依存性のない光方
向性結合器も報告されているが、この方向では、電気光
学効果が小さいため、さらに動作電圧が大きくなってし
まう。
本発明の目的は、上述の従来の偏光依存性のない光方向
性結合器の欠点を除き、光閉込め効果の大きい偏光依存
性のない光方向性結合器及びその製造方法を提供するこ
とにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明による光方向性結合器は、LiNb0゜結晶基板
表面にTiを拡散して形成された互いに近接し、光伝搬
方向が光軸に対してほぼ垂直な方向の2本の光導波路と
、該光導波路に隣接する基板表面付近に形成された、基
板よりも異常光屈折率が大きな領域とからなり、TE及
び7Mモードに対して結合係数がほぼ等しい構造である
また、本発明によれば、LiNbO3結晶基板表面にT
iを拡散して互いに近接した2本の光導波路を形成した
後、前記基板表面の前記光導波路に隣接する領域にプロ
トン交換処理を施すことを特徴とする光方向性結合器の
製造方法が得られる。
〔作用〕
通常、高いTi濃度で光導波路を形成し、光方向性結合
器を構成した場合に、Δneの方がΔn(、より゛も大
きくなり、例えばZ板を用いた場合、△n8に対応する
7Mモードの方がΔn□に対応するTEモードよりも光
の閉込めが強くなるため、7Mモードの方が結合係数が
小さくなってしまう、そこで、本発明では先導波路に隣
接する部分の基板の屈折率を異常光屈折率n8のみ増大
させる。この光導波路周囲のn、の増加量をδn8とす
ると、7Mモードに対する光の閉込めはΔne′=Δn
8−δn、となり、このΔn/をΔn、)にほぼ一致さ
せることにより光方向性結合器のTM及びTE両モード
のに対する結合係数を一致させることができる。特に光
方向性結合器の場合は、光導波路の横方向の閉込めの強
さが影響するので、先導波路に隣接する表面付近のみn
が増加していれば上述の効果が得られる。
また、上述の基板のn、のみ増加させる手段として、本
発明の製造方法ではプロトン交換法を利用する。高いT
i濃度で光方向性結合器を形成した後、光導波路の周囲
のみプロトン交換処理を施すことによりn8を増加させ
ることができる。特にプロトン交換の場合にはn8の増
加と同時に常光屈折率n、)が減少するので、上述のZ
板の場合、7Mモードに対する閉込めの減少と、TE奇
モード対する閉込めの増加が同時に生じ、より容易にT
M、TE量モードの光閉込め効果を等しくすることがで
きる。
〔実施例〕
以下本発明の詳細な説明する9第1図は本発明による光
方向性結合器の一実施例である3dB分岐回路を示す斜
視図である。Z軸に垂直に切り出しなLiNbO3基板
1上に幅が数〜十数μmのTi膜パターンを1000〜
1100℃で数〜10時間拡散して形成した光導波路2
.3が間隔数〜10μm程度近接して設置され光方向性
結合器4を構成している。ここで本実施例では光の閉込
を強くするため拡散された平均Ti濃度が1%程度以上
となっている。さらに光導波路2,3の周囲には、光導
波路2,3上にマスクをして安息香酸中でプロトン交換
処理が施された結果生じたn8が増加したプロトン交換
領域5が形成されている0本実施例では光方向性結合器
4の長さρは、光導波路2の入射光6が光方向性結合器
4を通過後、そのエネルギーの50%が先導波路3へ移
行するように完全結合長L0の1/2となっている。ま
た、Tiによる屈折率増加量Δn1△ngとプロトン交
換によるnゎの増加δn、)がΔn@−δn8シΔnQ
+δnQ  ・・・・・・ (1)の関係を満たす付近
の条件に設定されている。この結果、入射光6のTMモ
ード成分とTEモード成分は光方向性結合器4で同程度
の結合係数をもち、入射光の偏光方向によらず常に3d
Bの分岐比が得られる。但し、ここでTi拡散及びプロ
トン交換による屈折率変化の上述の関係式(1)はあく
までも近似的なものであり、厳密にはTM。
TE各モードに対する等測的な屈折率差△neffをも
とに決定される。なお、この決定方法は公知の方法であ
るので説明は省略する。
第2図は本発明による光方向性結合器の一実施例である
偏光依存性のない光スィッチの斜視図である。第1図の
実施例と同様に、LiNbO5基板1上に光導波路12
.13がTi拡散により形成され、光方向性結合器14
を構成し、光導波路12.13の周囲にはプロトン交換
領域15が形成されている。さらに、光導波路上にはバ
ッファ層として厚さ数千への5i02膜が形成され、そ
の上に光方向性結合器14上に1対の電極20が設置さ
れている。本実施例では、光方向性結合器14の長さは
完全結合長Lcにほぼ一致しており、光導波路12への
入射光は電極20への印加電圧が0の場合にはエネルギ
ーは100%光導波路13へ結合し、出射光18となる
。一方、電極20への電圧印加により光導波路12.1
3中に非対称な屈折率変化が生ずる結果、入射光はもと
の光導波路を進み、出射光17となる0本実施例におい
て、7MモードとTE奇モード対する印加電圧特性は異
なるが、TE奇モード対してスイッチングが生ずる付近
の電圧を印加すれば7Mモードも同時にスイッチングさ
れることがエレクトロニクス・レターズ・23巻21号
1167〜1169ページ(Electronfcs 
Lettens Vol、23゜No、21Pp116
7〜1169)に述べられている。但し、本実施例にお
いては従来の偏光依存性のない光スィッチと比べてTi
濃度が大きく、光閉込め効果が大きいため、動作電圧が
小さく、また、光導波路の曲線部においても放射損失が
小さいという特徴がある。
第3図は本発明による光方向性結合器の製造方法の一実
施例を示す図である。先ず第3図(a)に示すように、
LiNbO3基板1上にTi膜のストライプ状のパター
ン21を形成する。パターン21は幅数〜十数μmの2
本の線状パターンが間隔数〜十数μmで並置されたもの
である0次に電気炉中に上記基板1が投入され、100
0〜1100℃、数〜十数時間放置することによりTi
が基板中に拡散され光導波路22が形成される(第3図
(b))、その後、第3図(c)に示すように、光導波
路上にのみCr、Ti、Ta等の金属膜マスク23が設
置されプロトン交換を施す。プロトン交換は、第3図(
d−1)に示すように、安息香酸中に基板を浸して20
0〜250℃に保つ方法と、第3図(d−2)に示すよ
うに、ビロリン酸24をコーティングして230〜26
0℃の炉中に放置する方法の2つが知られている。その
後300〜500℃程度でアニール処理を施し、第3図
(e)のようにTi拡散光導波路の周囲にプロトン交換
領域25が形成される。
ここで本発明では、プロトン交換の量は、Ti拡散によ
る八〇〇と△nOの差を補償することが目的であるので
、通常、プロトン交換光導波路をい形成するのに用いら
れる大きさに比べて非常に小さい。また、上述のプロト
ン交換に伴ないアニール処理の温度はTi拡散温度に比
べて十分低いので、Tiの拡散分布はプロトン交換によ
って影響を受けない。
なお、Ti拡散光導波路周囲の異常光屈折率を増加させ
る手段としては外拡散法を用いることもできる。
〔発明の効果〕
以上述べたように本発明によれば、光閉込め効果の大き
い偏光依存性のない光方向性結合器及びその製造方法が
得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明によれ光方向性結合器の一実施例を示す
斜視図、第2図は本発明による光方向性結合器の一実施
例である偏光依存性のない光スィッチを示す斜視図、第
3図は本発明による光方向性結合器の製造方法の一実施
例を示す図、第4図はTi濃度と屈折率変化の関係を示
す図である。 1・・・NiNbO3基板、2,3,12,13゜22
・・・Ti拡散光導波路、4,14・・・光方向性結合
器、5.15.25・・・プロトン交換領域。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、LiNbO_3結晶基板表面にTiを拡散して形成
    された互いに近接し、光伝搬方向が光軸に対してほぼ垂
    直な方向の2本の光導波路と、該光導波路に隣接する基
    板表面付近に形成された、基板よりも異常光屈折率が大
    きな領域とからなる、TE及びTMモードに対する結合
    係数がほぼ等しい光方向性結合器。 2、LiNbO_3結晶基板表面にTiを拡散して互い
    に近接した2本の光導波路を形成した後、前記基板表面
    の前記光導波路に隣接する領域にプロトン交換処理を施
    すことを特徴とする光方向性結合器の製造方法。
JP32882289A 1989-12-18 1989-12-18 光方向性結合器及びその製造方法 Pending JPH03188423A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06347837A (ja) * 1993-06-08 1994-12-22 Nec Corp 光制御デバイスとその製造方法
US20130301990A1 (en) * 2012-05-11 2013-11-14 Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. Optical waveguide directional coupler
WO2020133173A1 (zh) * 2018-12-28 2020-07-02 华为技术有限公司 耦合器及耦合系统

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