JPH03208002A - モード変換素子 - Google Patents
モード変換素子Info
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- JPH03208002A JPH03208002A JP224590A JP224590A JPH03208002A JP H03208002 A JPH03208002 A JP H03208002A JP 224590 A JP224590 A JP 224590A JP 224590 A JP224590 A JP 224590A JP H03208002 A JPH03208002 A JP H03208002A
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- Optical Integrated Circuits (AREA)
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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。
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〕
本発明は偏光モードの変換に関する。特に、光導波路を
用いて効率よくモード変換を行う光学素子に関する。
用いて効率よくモード変換を行う光学素子に関する。
本発明は、ＬｉＮｂ０３基板に形成された光導波路によ
り入射光の偏光モードを変換して出力するモード変換素
子において、 光導波路の方向を結晶軸のＸ軸方向に一致させることに
より、 効率よいモード変換を可能とするものである。
り入射光の偏光モードを変換して出力するモード変換素
子において、 光導波路の方向を結晶軸のＸ軸方向に一致させることに
より、 効率よいモード変換を可能とするものである。
光導波路を用いて伝搬光のモードを変換する素子として
は、ｌｉＮｂ０３基板にＴ１拡散により光導波路を形成
したものや、光導波路に沿って電極を設けたものが知ら
れている。
は、ｌｉＮｂ０３基板にＴ１拡散により光導波路を形成
したものや、光導波路に沿って電極を設けたものが知ら
れている。
また、渡辺、山本、吉田、山本、土方は、第５０回応用
物理学会学術講演会講演予稿集、論文番号２９ａ−ＺＨ
−５、「プロトン交換１＋ＮｂＯｓ導波路におケル偏光
モード変換放射損失」において、プロトン交換により形
成されたＬＩＮｂＯｓ導波路により、ＴＭモードの導波
光がＴＥ偏光として放射される現象を報告している。
物理学会学術講演会講演予稿集、論文番号２９ａ−ＺＨ
−５、「プロトン交換１＋ＮｂＯｓ導波路におケル偏光
モード変換放射損失」において、プロトン交換により形
成されたＬＩＮｂＯｓ導波路により、ＴＭモードの導波
光がＴＥ偏光として放射される現象を報告している。
しかし、Ｔｉ拡敗光導波路は、入射光による光起電力効
果を用いるため、一定量以上の光の入射がないとモード
変換を行うことができない。また、変換量が安定するま
で、３０秒〜６０秒ほどの時間遅れが生じてしまう。さ
らに、変換効率も素子長が１５ｍｍの場合で５０％程度
と低い。
果を用いるため、一定量以上の光の入射がないとモード
変換を行うことができない。また、変換量が安定するま
で、３０秒〜６０秒ほどの時間遅れが生じてしまう。さ
らに、変換効率も素子長が１５ｍｍの場合で５０％程度
と低い。
光導波路に沿って電極を設けたものは、その電極のピッ
チを波長に合わせる必要があり、非常に高い精度が要求
される欠点があった。
チを波長に合わせる必要があり、非常に高い精度が要求
される欠点があった。
また、渡辺等の論文によると、モード変換の効率は低く
、しかも０次のＴＭモードから０次のＴＥモードへの結
合は報告されていない。
、しかも０次のＴＭモードから０次のＴＥモードへの結
合は報告されていない。
本発明は、以上の課題を解決し、偏光モードを効率よく
変換できるモード変換素子を提供することを目的とする
。
変換できるモード変換素子を提供することを目的とする
。
本発明のモード変換素子は、ＬｉＮｂＯ，基板上に、結
晶軸のＸｗＥに対して±１５゜以下の角度でプロトン交
換により光導波路を形成したことを特徴とする。
晶軸のＸｗＥに対して±１５゜以下の角度でプロトン交
換により光導波路を形成したことを特徴とする。
基板材料として、ＭｇＯがドープされたＬ＋ＮｂＯ３を
用いることが望ましい。
用いることが望ましい。
Ｌ＋Ｎｂ０３基板上にプロトン交換法により光導波路を
形成し、この光導波路に光を入射すると、ＴＭＴＥモー
ド変換が生じる。このとき、ＬｉＮｂＯ．基板のＺ軸に
入射光の偏波面を一致させ、さらに、Ｘ軸伝搬させると
、モード変換の効率が非常に高くなり、しかも導波路寸
法の最適化を行うことにより０次のＴＭモードから０次
のＴＥモードへの変換も発生することが判明した。Ｘ軸
からの角度のずれが±１５゜以下であれば、６０％以上
の変換効率が得られる。ＭｇＯがドープされたＬ＋Ｎｂ
Ｏ３を用いると、モード変換効率がさらに高められる。
形成し、この光導波路に光を入射すると、ＴＭＴＥモー
ド変換が生じる。このとき、ＬｉＮｂＯ．基板のＺ軸に
入射光の偏波面を一致させ、さらに、Ｘ軸伝搬させると
、モード変換の効率が非常に高くなり、しかも導波路寸
法の最適化を行うことにより０次のＴＭモードから０次
のＴＥモードへの変換も発生することが判明した。Ｘ軸
からの角度のずれが±１５゜以下であれば、６０％以上
の変換効率が得られる。ＭｇＯがドープされたＬ＋Ｎｂ
Ｏ３を用いると、モード変換効率がさらに高められる。
モード変換が生じるのは、プロトン交換によりＬＩＮｂ
Ｏ＋結晶のｙ軸方向に歪が生じ、この歪によりｒｓＩに
起因する結晶軸の軸回転が起こることによると考えられ
る。ＬｉＮｂＯ，によるモード変換については、例えば
カザンスキイの論文（［ＥＥＥ Ｊ，Ｑｕａｎ−ｔｕｍ
ｅｌｅｃｔｒｏｑ，，Ｖｏｌ，２５， Ｎｏ．４，Ａ
ｐｒｉｌ １９８９， ｐ．７３６）に説明されている
。
Ｏ＋結晶のｙ軸方向に歪が生じ、この歪によりｒｓＩに
起因する結晶軸の軸回転が起こることによると考えられ
る。ＬｉＮｂＯ，によるモード変換については、例えば
カザンスキイの論文（［ＥＥＥ Ｊ，Ｑｕａｎ−ｔｕｍ
ｅｌｅｃｔｒｏｑ，，Ｖｏｌ，２５， Ｎｏ．４，Ａ
ｐｒｉｌ １９８９， ｐ．７３６）に説明されている
。
第１図は本発明第一実施例モード変換素子の斜視図を示
し、第２図は光導波路に沿った断面図を示す。また、第
３図は実際に作製した素子の端面のＳＥＭ像を示す。
し、第２図は光導波路に沿った断面図を示す。また、第
３図は実際に作製した素子の端面のＳＥＭ像を示す。
このモード変換素子は、構造上は第二高調波発生素子（
ＳＨＧ）と同等であり、ＬｉＮｂＯ＋基板１上に形成さ
れた光導波路２を備え、この光導波路２に入射したＴＭ
モードの光をＴＥモードの光に変換する。
ＳＨＧ）と同等であり、ＬｉＮｂＯ＋基板１上に形成さ
れた光導波路２を備え、この光導波路２に入射したＴＭ
モードの光をＴＥモードの光に変換する。
ここで本実施例の特徴とするところは、光導波路２はプ
ロトン交換により形成された導波路、すなわちＬｉ原子
の一部がＨ原子に置換され形成された導波路であり、こ
の導波路がＬｉＮｂ０３基板１の結晶軸のＸ軸に対して
±１５゜以下の角度で形成されたことにある。
ロトン交換により形成された導波路、すなわちＬｉ原子
の一部がＨ原子に置換され形成された導波路であり、こ
の導波路がＬｉＮｂ０３基板１の結晶軸のＸ軸に対して
±１５゜以下の角度で形成されたことにある。
この素子の光導波路２にＴＭモードの光を入射すると、
入射方向に対して角度θの方向にＴＥモードの放射光が
得られる。角度θの値は、導波路サイズ、入射光の波長
により変化する。
入射方向に対して角度θの方向にＴＥモードの放射光が
得られる。角度θの値は、導波路サイズ、入射光の波長
により変化する。
実施例および比較例として、三種類のＬ＋ＮｂＯ＋結晶
を用い、光導波路をＸ軸方向とｙ軸方向とにそれぞれ形
成した場合のＴＭ−ＴＥモード変換効率を測定した。そ
の結果を第１表に示す。
を用い、光導波路をＸ軸方向とｙ軸方向とにそれぞれ形
成した場合のＴＭ−ＴＥモード変換効率を測定した。そ
の結果を第１表に示す。
第１表において、基板材料ＩはＭｇＤがドーブされたＬ
＋ＮｂＯ３であり、基板材料■、■はＭｇＯがドーブさ
れていないものである。基板はともに２軸に直交する面
で切り出したＬｉＮｂ０３であり、この基板に、プロト
ン交換により厚さ×幅×長さが１μｍ×２ ｉｔｍ ｘ
２０ｍｍの光導波路を形成した。入射光の偏光方向は
Ｚ軸方向と平行とし、入射光波長は１．３μｍ、入射光
パワーはＩ Ｑｎ＋Ｉ／Ｉとした。
＋ＮｂＯ３であり、基板材料■、■はＭｇＯがドーブさ
れていないものである。基板はともに２軸に直交する面
で切り出したＬｉＮｂ０３であり、この基板に、プロト
ン交換により厚さ×幅×長さが１μｍ×２ ｉｔｍ ｘ
２０ｍｍの光導波路を形成した。入射光の偏光方向は
Ｚ軸方向と平行とし、入射光波長は１．３μｍ、入射光
パワーはＩ Ｑｎ＋Ｉ／Ｉとした。
（以下本頁余白）
第
１
表
第１表に示したように、光導波路を結晶軸のＸ方向に沿
って形成し、これに沿って光を伝搬させると、ｙ方向に
比較して非常に大きなＴＭ−ＴＥモード変換効率が得ら
れる。このモード変換の効果は、基板材料にＭｇＯがド
ープされている場合に特に大きい。
って形成し、これに沿って光を伝搬させると、ｙ方向に
比較して非常に大きなＴＭ−ＴＥモード変換効率が得ら
れる。このモード変換の効果は、基板材料にＭｇＯがド
ープされている場合に特に大きい。
基板材料に不純物がドーブされている場合には、その材
料をプロトン交換した光導波路にもその不純物が含まれ
ることになる。したがって、この場合には、ＬｉＮｂ０
３基板と光導波路との双方にＭｇＯが含まれる。ＭｇＯ
の効果は、光導波路だけへのドーブで得られるかもしれ
ないが、プロトン交換されていない部分の影響があるの
かもしれない。
料をプロトン交換した光導波路にもその不純物が含まれ
ることになる。したがって、この場合には、ＬｉＮｂ０
３基板と光導波路との双方にＭｇＯが含まれる。ＭｇＯ
の効果は、光導波路だけへのドーブで得られるかもしれ
ないが、プロトン交換されていない部分の影響があるの
かもしれない。
第２表は上述した基板材料■を用い、光導波路の方向を
変化させたとき、すなわち伝搬方向を変化させたときの
モード変換効率を示す。測定条件は第１表の場合と同じ
である。
変化させたとき、すなわち伝搬方向を変化させたときの
モード変換効率を示す。測定条件は第１表の場合と同じ
である。
第２表
ＬｉＮｂＯ３はよく知られているように、Ｘ軸およびｙ
軸に対して結晶構造が三回対称性をもつ。したがって、
ｘ−６０゜方向およびＸ−１２０゜方向はＸ軸と等価で
ある。また、Ｘ軸とｙ軸とは互いに直交し、Ｘ−３０゜
方向がｙ軸と等価である。
軸に対して結晶構造が三回対称性をもつ。したがって、
ｘ−６０゜方向およびＸ−１２０゜方向はＸ軸と等価で
ある。また、Ｘ軸とｙ軸とは互いに直交し、Ｘ−３０゜
方向がｙ軸と等価である。
第２表を参照すると、Ｘ軸（またはそれと等価な方向）
に沿って光導波路を形成した場合には、ＴＭ−ＴＥモー
ド変換効率が７５％以上となる。また、この方向から±
１５゜以内であれば、６０％以上の変換効率が得られる
。
に沿って光導波路を形成した場合には、ＴＭ−ＴＥモー
ド変換効率が７５％以上となる。また、この方向から±
１５゜以内であれば、６０％以上の変換効率が得られる
。
第４図はＸ伝搬の場合の遠視野像の写真であり、第６図
はｙ伝搬の場合の遠視野像を示す写真である。これらの
遠視野像は、基板材料として上述した■のＬｉＮｂ０３
を用い、光導波路長５ｍｍでＸ伝搬とｙ伝搬とにおける
放射光を撮影したものである。
はｙ伝搬の場合の遠視野像を示す写真である。これらの
遠視野像は、基板材料として上述した■のＬｉＮｂ０３
を用い、光導波路長５ｍｍでＸ伝搬とｙ伝搬とにおける
放射光を撮影したものである。
また、第５図および第７図は、それぞれ第４図、第６図
の遠視野像像を説明する図である。
の遠視野像像を説明する図である。
第４図に示したように、Ｘ伝搬の遠視野像には、ＴＭモ
ードの放射光が非常に弱くなり、これに対して強い０次
ＴＥモードの放射光が得られた。このような放射モード
については、渡辺等の論文には示されていない。
ードの放射光が非常に弱くなり、これに対して強い０次
ＴＥモードの放射光が得られた。このような放射モード
については、渡辺等の論文には示されていない。
これに対してｙ伝搬の場合には、渡辺等の論文に示され
たように、強いＴＭモードの放射光と、弱い１次ＴＥモ
ードの放射光とが得られた。
たように、強いＴＭモードの放射光と、弱い１次ＴＥモ
ードの放射光とが得られた。
第８図はＸ伝搬の場合のＴＭ入射バワーＰ＋ に対する
ＴＥ出射バワーＰ２の一例を示す。この図は、第４図の
撮影に用いた素子により得られた。
ＴＥ出射バワーＰ２の一例を示す。この図は、第４図の
撮影に用いた素子により得られた。
この図に示したように、ＴＭ入射パワーＰ＋ とＴＥ出
射パワーＰ２とは比例関係にあり、モード変換効率は入
射パワーに依存せずに一定であった。
射パワーＰ２とは比例関係にあり、モード変換効率は入
射パワーに依存せずに一定であった。
第９図ないし第１１図にモード変換素子の他の実施例を
示す。
示す。
第９図は本発明の第二実施例を示す図であり、光導波路
に沿った断面図である。第一実施例の構造では、導波路
長を長くすることにより、モード変換効率を高めること
ができる。しかしその場合には、放射方向が斜め方向で
あるため、基板を厚くする必要がある。そこで本実施例
では、ＬｉＮｂ口。
に沿った断面図である。第一実施例の構造では、導波路
長を長くすることにより、モード変換効率を高めること
ができる。しかしその場合には、放射方向が斜め方向で
あるため、基板を厚くする必要がある。そこで本実施例
では、ＬｉＮｂ口。
基板１の下側（光導波路２が設けられている面と反対側
）に、導波光に対して透明でしかもＬｔＮｂＯ＋基板１
との接合面で全反射を生じないような下側層３を設ける
。これにより、導波路長を長くすることができる。
）に、導波光に対して透明でしかもＬｔＮｂＯ＋基板１
との接合面で全反射を生じないような下側層３を設ける
。これにより、導波路長を長くすることができる。
第１０図は本発明の第三実施例を示す図であり、光導波
路に沿った断面図である。この実施例は、ＴＥモードの
放射光が出射される面に角度をもたせ、この放射光を水
平に出力するものである。
路に沿った断面図である。この実施例は、ＴＥモードの
放射光が出射される面に角度をもたせ、この放射光を水
平に出力するものである。
ＴＥ放射角をθ、ＬｉＮｂ０３の屈折率を１２、結晶外
の屈折率をｎ，とすると、出射面の角度θ′がθ であれば、Ｌ＋Ｎｂｌ］＋基板１の表面に平行な平面内
にＴＥモード放射光を取り出すことができる。
の屈折率をｎ，とすると、出射面の角度θ′がθ であれば、Ｌ＋Ｎｂｌ］＋基板１の表面に平行な平面内
にＴＥモード放射光を取り出すことができる。
第１１図は本発明の第四実施例を示す図であり、光導波
路側の平面図である。第三実施例の場合には、ＴＥ放射
光が厚み方向には平行となるが、横方向には発散光とな
る。そこで本実施例では、出射面に横方向の曲率を設け
、発散光を平行光に整形する。これにより、ＴＥモード
放射光を集光できる。
路側の平面図である。第三実施例の場合には、ＴＥ放射
光が厚み方向には平行となるが、横方向には発散光とな
る。そこで本実施例では、出射面に横方向の曲率を設け
、発散光を平行光に整形する。これにより、ＴＥモード
放射光を集光できる。
以上説明したように、本発明のモード変換素子は、Ｌｉ
Ｎｂ口。の結晶軸のＸ軸方向にＴＭモードの光を伝搬さ
せることにより、非常に高い効率でＴＭモードの光をＴ
Ｅモードに変換できる効果がある。
Ｎｂ口。の結晶軸のＸ軸方向にＴＭモードの光を伝搬さ
せることにより、非常に高い効率でＴＭモードの光をＴ
Ｅモードに変換できる効果がある。
特にＭｇＯがドープされたＬ＋ＮｂＯｓ基板を用いた場
合には、素子長２Ｑｍｍあたり９０％以上の変換効率が
得られる。また、光導波路の長さを適当に選択すること
により、出射光に含まれるＴＭモードとＴＥモードとの
比を自由に変えることができる。
合には、素子長２Ｑｍｍあたり９０％以上の変換効率が
得られる。また、光導波路の長さを適当に選択すること
により、出射光に含まれるＴＭモードとＴＥモードとの
比を自由に変えることができる。
本発明のモード変換素子は、入射光による作用（光起電
力効果）を利用せず、プロトン交換による結晶の歪を利
用しているので、入射光量に制約されず、しかも時間遅
れなしにＴＭ−ＴＥモード変換を行うことができる。ま
た、ＴＭモードとＴＥモードとで自動的に位相が整合す
るので、素子製造における導波路寸法などの条件を厳密
にする必要がなく、製造が容易である。
力効果）を利用せず、プロトン交換による結晶の歪を利
用しているので、入射光量に制約されず、しかも時間遅
れなしにＴＭ−ＴＥモード変換を行うことができる。ま
た、ＴＭモードとＴＥモードとで自動的に位相が整合す
るので、素子製造における導波路寸法などの条件を厳密
にする必要がなく、製造が容易である。
第１図は本発明第一実施例モード変換素子の斜視図。
第２図は光導波路に沿った断面図。
第３図は端面の結晶構造を示す写真。
第４図はＸ伝搬の場合の遠視野像を示すオシロ波形の写
真。 第５図は第４図の各部を説明する図。 第６図はｙ伝搬の場合の遠視野像を示すオシロ波形の写
真。 第７図は第６図の各部を説明する図。 第８図はＸ伝搬の場合のＴＭ人射バワーＰ．に対するＴ
Ｅ出射バワーＰ２の一例を示す図。 第９図は本発明第二実施例モード変換素子の光導波路に
沿った断面図。 第１０図は本発明第三実施例モード変換素子の光導波路
に沿った断面図。 第１１図は本発明第四実施例モード変換素子の光導波路
が設けられた面の平面図。 ｌ・・・ＬｉＮｂｉ］３基板、２・・・光導波路、３・
・・下側層。 第一実施例 第 ２ 図 凧 ４ 図 為５ 図 尼 ７ 田 第 ８ 図
真。 第５図は第４図の各部を説明する図。 第６図はｙ伝搬の場合の遠視野像を示すオシロ波形の写
真。 第７図は第６図の各部を説明する図。 第８図はＸ伝搬の場合のＴＭ人射バワーＰ．に対するＴ
Ｅ出射バワーＰ２の一例を示す図。 第９図は本発明第二実施例モード変換素子の光導波路に
沿った断面図。 第１０図は本発明第三実施例モード変換素子の光導波路
に沿った断面図。 第１１図は本発明第四実施例モード変換素子の光導波路
が設けられた面の平面図。 ｌ・・・ＬｉＮｂｉ］３基板、２・・・光導波路、３・
・・下側層。 第一実施例 第 ２ 図 凧 ４ 図 為５ 図 尼 ７ 田 第 ８ 図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、ＬｉＮｂＯ＿３基板上に形成された光導波路を備え
、この光導波路に入射したＴＭモードの光をＴＥモード
の光に変換するモード変換素子において、前記光導波路
はＬｉ原子の一部がＨ原子に置換され形成された導波路
であり、この導波路が前記ＬｉＮｂＯ＿３基板の結晶軸
のｘ軸に対して±１５゜以下の角度で形成された ことを特徴とするモード変換素子。 ２、ＬｉＮｂＯ＿３基板および光導波路は不純物として
ＭｇＯを含む請求項１記載のモード変換素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP224590A JPH03208002A (ja) | 1990-01-09 | 1990-01-09 | モード変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP224590A JPH03208002A (ja) | 1990-01-09 | 1990-01-09 | モード変換素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03208002A true JPH03208002A (ja) | 1991-09-11 |
Family
ID=11523969
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP224590A Pending JPH03208002A (ja) | 1990-01-09 | 1990-01-09 | モード変換素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03208002A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103336330A (zh) * | 2013-07-05 | 2013-10-02 | 中国科学院半导体研究所 | 一种基于非对称垂直狭缝波导的偏振旋转器 |
-
1990
- 1990-01-09 JP JP224590A patent/JPH03208002A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103336330A (zh) * | 2013-07-05 | 2013-10-02 | 中国科学院半导体研究所 | 一种基于非对称垂直狭缝波导的偏振旋转器 |
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