JPH0375847B2

JPH0375847B2 -

Info

Publication number: JPH0375847B2
Application number: JP4738681A
Authority: JP
Inventors: Mitsukazu Kondo
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1981-03-31
Filing date: 1981-03-31
Publication date: 1991-12-03
Also published as: JPS57161837A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は光波の光路を電気的に切換える光スイ
ツチング方法に関し、特に光波を基板上に設けた
光導波路に閉じ込め、電気光学効果を用いて光制
御を行なう光スイツチング方法に関する。

光通信システムや光情報処理システムの実用化
が進められており、それらのシステムではさらに
情報量の増大やシステムの機能の拡大が計られて
いる。そこで、多種、多様の情報の制御やシステ
ムの信頼性を向上するために情報伝送路を任意に
高速に切換えることのできる光スイツチが必要と
なつている。現在電磁石等による機械的な移動を
用いた光スイツチが実用化されているが、高速
性、多点間の切換え、シングルモードフアイバ系
への適応性、信頼性等に関しては十分な性能は得
られない。上記のような条件を全て満足させる光
スイツチを得る手段としては、基板上に設置した
光導波路を利用して光スイツチを構成する方法、
すなわち、導波形の光スイツチを用いる方法が知
られている。

導波形に光スイツチでは光導波路中の光波を電
気的に制御するために、音響光学効果、磁気光学
効果、電気光学効果のいずれかが利用される。音
響光学効果を利用した光スイツチでは弾性表面波
によつて入射光を回折させる方法が使われるがス
イツチングを行なうのに数十ＭHz以上の高周波電
圧を印加する必要があること、通常回折角度が１
〜2°以下であるため回折光の分離が難しく低クロ
ストークを得にくい等の欠点がある。磁気光学効
果を利用した光スイツチではスイツチングを行な
うのに数百mA〜数Ａの大きな電流が必要であり
消費電力が大きい。一方、電気光学効果を用いた
光スイツチは一般に低電圧で動作し、高速化が容
易であるという特長がある。

電気光学効果による導波形の光スイツチの構成
方法の主なものには(1)方向性結合器の結合量を電
気的に制御する方向性結合形光スイツチ、(2)分岐
した２つの光導波路間に電気的に位相差を与えて
干渉させる分岐干渉形光スイツチ、(3)光導波路上
に周期状電極を設けて電気光学効果によつて位相
格子を作り入射光をブラツグ回折させる回折形光
スイツチの３つがある。

このうち(2)のタイプの光スイツチでは２つの
3dB分岐回路が必要であることから構造が複雑と
なり形状も大きくなる。また分岐比の差がクロス
トークになるため低クロストークを得るためには
0.2〜0.5μｍ程度の高い製作精度を要求される。
(3)のタイプの光スイツチは長波長になるほど効率
が低下し、数十Ｖの高い電圧が必要とされるとい
う欠点がある。一方(1)のタイプの光スイツチは比
較的簡単な構造であり、結合長を長くすることに
よつて低電圧で動作させることができる。また、
この光スイツチも高精度の製作が必要であるが製
作誤差により生じたクロストークを電圧の印加方
法によつて改善することができるという特長があ
る。上記の電気光学効果による方向性結合形の光
スイツチを構成するための基板材料としては
GaAs等の半導体やLiTaO₃，LiNbO₃等の強誘電
体を使うことができる。通常、光スイツチに用い
る半導体は吸収端が1μ付近にあるので上記の強
誘電体よりは光吸収が大きいことや電気光学定数
が小さいので高い電圧を必要とするという欠点が
あるが半導体レーザと同一基板上に製作できるの
で光源と光スイツチを一体化する場合に用いるこ
とができる。一方、。LiNbO₃等の強誘電体は、
広い波長範囲で光吸収が非常に小さく、また、一
般に大きい電気光学効果を有しているので低電圧
で動作可能であること、Ti拡散法により微小な
光導波路を比較的容易に製作できるという利点が
あることから広い応用範囲を持つている。

光スイツチを使用するとき、光路の切換えを周
期的に行なう場合と、一度切換えたら長時間その
光路を保つ場合とがある。後者の場合、光スイツ
チには通常電圧が印加されたままになる。しか
し、LiNbO₃等の強誘電体においては、直流電圧
を印加したとき動作状態が徐々に変化してしまう
いわゆる直流電界ドリフト現象が生ずる。そこで
従来の強誘電体光スイツチでは定常状態を長く保
つことができないという欠点があつた。また、単
に印加電圧の極性を周期的に反転する方法、即ち
交流矩形電圧を印加して定常状態を保つ方法が考
えられるが、極性を反転するときに電圧０の点を
過るので光量がその瞬間０となつてしまう。前述
のように強誘電体を用いた方向性結合形の光スイ
ツチは優れた性質をもつにもかかわらず上記のド
リフト現象によつてその用途は大幅に狭められて
しまう。一方、半導体を用いた光スイツチにおい
ても直流電圧を印加した場合にはスイツチング動
作が得られない場合があることが知られており、
上述の強誘電体の場合と同様に実用上問題とな
る。

本発明の目的は強誘電体又は半導体の電気光学
効果を用いた方向性結合形の光スイツチにおいて
光量の変化がない定常的なスイツチング状態を保
持できる光スイツチの駆動方法を提供することに
ある。

本発明によれば、電気光学効果を有する基板上
に互いに近接した２本の光導波路からなる方向性
結合器を配置し、該方向性結合器の近傍に設置し
た電極に電圧を印加することにより上記方向性結
合器の結合量を制御して光路を切換える光スイツ
チング方法において、上記近接した２本の光導波
路間に第１の電極を設置し、該第１の電極と対向
して上記２本の光導波路の外側にそれぞれ第２及
び第３の電極を設置し、前記第１と第２及び第１
と第３の電極間に同一周期、同一振幅でかつ同一
の立上り及び立下り波形を有し、互いに位相が
180°異なる単一極性の周期電圧を印加することに
より、光量の変化がない定常的なスイツチング状
態を保持できる光スイツチの駆動方法が得られ
る。

以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１図ａは本発明に用いる方向性結合形光スイ
ツチの一例を示し、Ｘ板LiNbO₃上にTi拡散法に
より製作した光導波路からなる方向性結合形光ス
イツチの平面図を示す。第１図ａにおいて３〜
7μｍ程度の間隔で互いに近接した光導波路１及
び２の間に電極３が設置され、電極３に対向して
光導波路１の外側に電極４が、光導波路２の外側
に電極５が設置されている。また、光導波路１と
２は電圧を印加しない状態では伝搬定数が等しく
なるように製作されており、光導波路１と２の近
傍部の長さは丁度完全結合長に等しく選んである
ので光導波路１への入射光８は電圧を印加しない
ときは光導波路２へ結合して出射光９となる。従
来の光スイツチ方法では、入射光の光路を切換え
るときは電極３に対し、電極４及び５に同時に同
じ電圧を印加する。このとき、光導波路１と２で
は印加される電界の向きが逆であるので光導波路
１と２の一方では屈折率が増加し、他方では減少
する。その結果、光導波路１と２で伝搬定数の差
が生じそれらの間の結合が解かれて入射光８は光
導波路１中を伝搬して出射光１０となる。従来の
光スイツチング方法では光路を切換えた状態で出
射光１０の光量を一定に保つ場合、電極４，５に
は直流電圧が印加されるがこのとき、前記の直流
電界ドリフト現象により出射光１０の光量は徐々
に変化してしまう。そこで、第１図ｂに示すよう
に周期的に印加電圧の極性を反転する方法が考え
られる。しかし必らず電圧が０となる時間があり
そのとき光導波路１と２は伝搬定数が等しくなる
ので光射光１０は第１図ｃのようになり一定とは
ならない。

第１図ｄ，ｅは本発明による光スイツチの駆動
方法の印加電圧波形の一実施例を示す。本実施例
においては電極３は接地される。そして、光路を
切換えた状態で出射光１０の光量を一定に保つ場
合、電極４には第１図ｄに示すような矩形電圧を
印加し、電極５には第１図ｄと180°位相が異なる
第１図ｅに示す矩形電圧が印加される。本実施例
においては、第１図ｄ，ｅにおいて例えばt₁の時
刻において光導波路１に＋Δnの屈折率変化が生
じ、t₂の時刻においては光導波路１には＋Δ／
２、光導波路２には−Δn／２の屈折率変化が生
じ、t₃の時刻には光導波路２の−Δnの屈折率変
化が生じる。その結果、光導波路１と２の間の屈
折率の差は常に一定となり伝搬定数の差も一定と
なるので出射光１０の光量を第１図ｆに示すよう
にほとんど一定とすることができる。また、本実
施例においては印加電圧は周期的に０となるので
直流電界ドリフト現象は生じない。

上述のように本実施例によれば光量の変化がな
い定常的なスイツチング状態を保持することがで
きる。

第２図は本発明による光スイツチの駆動方法の
他の実施例を示す図であり、第２図ａは第１図ａ
と同様にＸ板LiNbO₃結晶上に製作した方向性結
合形光スイツチの平面図を示し、第２図ｂ，ｃは
印加電圧波形の一例を示す。第２図ａの光スイツ
チは方向性結合器を構成する光導波路１及び２と
光導波路１と２の間置かれ接地された電極３は第
１図ａの光スイツチと同じであるが、本実施例に
おいては光導波路１及び２の外側に設置された電
極が光透過方向にそれぞれ２分割されている。光
導波路１の外側に設置された電極１１，１２には
それぞれ駆動回路１５，１６が接続され、光導波
路２の外側に設置された電極１３，１４にはそれ
ぞれ駆動回路１７，１８が接続されている。ま
た、第２図ａの光スイツチは光導波路１と２が接
近した部分（結合部分）が第１図ａのように正し
く完全結合長に等しく製作されていない場合を示
し、このとき電圧を印加しない状態では入射光２
０は完全に光導波路２の結合しないで光導波路１
へもれている。上記のような製作誤差によるクロ
ストークは光透過方向に結合部分を分割し、互い
に逆の極性の位相不整合を生じさせてその大きさ
を調整することにより除くことができる。すなわ
ち本実施例のように光透過方向に分割した電極に
互いに逆極性のバイアス電圧を印加することによ
り結合部分の長さが正しくないときでも入射光８
を光導波路２へほぼ完全に結合することができ
る。一方光導波路２への結合を０とする場合には
印加電圧の極性はそのままで電圧の大きさだけ変
えればよい。以上の如く、第２図ａの光スイツチ
において出射光２１又は２２を得るときには常に
電極１１，１２，１３，１４に電圧を印加するこ
とが必要である。従来は電極１１と１４及び１２
と１３をそれぞれ接続し、それらの間に逆極性の
電圧を印加し、その印加電圧の大きさを調整して
結合状態又は非結合状態を得ていたが、それらの
うち一方の状態だけ長時間保つ場合には直流電圧
が印加されるので前記の直流電界ドリフト現象に
より出力が不安定であつた。本実施例において
は、電極１１と１２には第２図ｂに示すような互
いに逆極性の矩形電圧を印加し、電極１３と１４
には第２図ｃに示すように上記電圧と位相が180°
異なる互いに逆極性の矩形電圧が印加される。す
なわち、電極１１，１２，１３，１４にはそれぞ
れ３０，３１，３２，３３の電圧波形が印加され
る。本実施例においても第１図の実施例と同様に
光導波路１と２の位相不整合の大きさ、すなわち
伝搬定数の差はいかなる時刻においても一定とな
り、かつ電極への印加電圧は周期的に０となるの
で出射光２２及び２１の光量を一定に長時間保つ
ことができる。

以上述べたように本発明によれば方向性結合形
の光スイツチにおいて光量の変化がない定常的な
スイツチング状態を保持できる光スイツチの駆動
方法が得られる。

なお第２図に実施例において、光導波路１と２
の伝搬定数があらかじめ異なつている場合でも第
２図ｂとｃの電圧を異なる大きさにすることによ
りクロストークが小さいスイツチング状態を得る
ことが可能であり、その状態を長時間保持するこ
とができる。

第３図は本発明による光スイツチの駆動方式の
他の実施例を示す。

第３図ａは本実施例に用いるＺ板LiNbO₃結晶
を用いた方向性結合形光スイツチを示し、第３図
ｂ，ｃは印加電圧波形を示す。第３図ａは第２図
ａと同様にチタンを拡散して製作した光導波路１
及び２を用いて構成され、光導波路１及び２の中
央部に設置する電極２３を除いて第２図ａとほぼ
同じ形状である。本実施例ではＺ板LiNbO₃結晶
を用いているため、Ｚ方向に電界を印加するため
に光導波路１及び２の上まで電極２３が形成され
ている。なお、本実施例において光導波路１及び
２を伝搬する光波の減衰を減らすために電極２３
と光導波路１及び２の間に透明な薄膜を設置して
もよい。本実施例においては、例えば電極１１に
＋V₁の電圧を印加したときには光導波路１には
−Δn₁の屈折率変化が生じ、電極１３に−V₁の電
圧を印加したときには光導波路２には＋Δn₁に屈
折率変化が生ずるので上記両状態での光導波路１
と２の間の位相不都合量は同じ値となる。そこで
本実施例においては電極１１及び１４には第３図
ｂに示すように＋V₁の矩形電圧を印加し、電極
１２及び１３には第３図ｃに示すように第３図ｂ
と位相がπ異なり極性が逆の−V₁の矩形電圧を
印加する。本実施例も第２図ａのように光透過方
向に対して電極を分割し、互いに逆極性の位相不
整合が生ずるようにすることによりクロストーク
を減らしている。

また本実施例においても第３図ｂ，ｃのように
電圧を印加することによりt₄，t₅，t₆の時間にお
ける位相不整合量は一定となるので、いかなる時
間においても一定の光出力が得られ、かつ周期的
に電圧を０としているので直流電界ドリフトの影
響はない。

なお、本実施例のようにＺ板LiNbO₃結晶を用
いる場合、第４図に示すように光導波路１及び２
の中央部に設置する電極３を第２図ａと同様に光
導波路１及び２の内側に設け、電極３に対向する
電極４１，４２及び４３，４４をそれぞれ光導波
路１又は２の上まで形成してもよい。この場合、
電極４１，４４及び４２、４３にそれぞれ第３図
ｂ及びｃに示す電圧波形を印加することにより第
３図ａの光スイツチを用いた場合と同様な効果が
得られる。

なお、本発明において、用いる光スイツチの構
成及び印加電圧の波形は上記実施例に限定されな
い。例えば光スイツチの材料としては直流電界に
対して不安定現象が生ずるいかなる材料に対して
も本発明を用いることができ、強誘電体以外の誘
電体又は半導体であつてもかまわない。また印加
電圧は直流電界ドリフト現象が生じない0.5秒以
下の周期をもつ単一極性の周期電圧であればよ
い。一例として、第１図ｄ，ｅの電圧の代りに、
それぞれsin²wt，cos²wtの関数に比例する周期電
圧を印加してもよい。但し、ここでｔは時間、ｗ
は周波数を表わすものとする。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ、第２図ａ、第３図ａ、第４図ａは本
発明に用いる光スイツチの平面図、第１図ｄ，
ｅ、第２図ｂ，ｃ、第３図ｂ，ｃは本発明による
光スイツチの駆動方式の実施例の印加電圧波形を
示す。第１図ｂは従来の方式の印加電圧波形を示
す。第１図ｃ，ｆはそれぞれ従来方式および本発
明により得られる光出力を示す。図において１，２は互いに近接した光導波路、
３，４，５，１１，１２，１３，１４，２３，４
１，４２，４３，４４は電極である。

Claims

【特許請求の範囲】１誘電体又は半導体基板上に互いに近接した２
本の光導波路からなる光方向性結合器を設置し、
前記近接した２本の光導波路間の中央部に第１の
電極を設け、該第１の電極をはさみ前記２本の光
導波路にそれぞれ沿つて第２及び第３の電極を設
置し、上記第１、第２及び第３の電極に電圧を印
加することにより電気光学効果によつて上記光方
向性結合器の結合量を制御して出射光の光路を切
換える光スイツチング方法において、前記第１と
第２及び第１と第３の電極間に同一周期、同一振
幅でかつ同一の立上り及び立下り波形を有し、互
いに位相が180°異なる単一極性でかつ、周期的に
電圧０となる周期電圧を印加することにより、電
気光学効果によつて前記２本の光導波路に屈折率
変化を起こさせ、その結果前記２本の光導波路間
の屈折率の差を常に一定とし、伝搬定数の差を一
定としながら、直流電界ドリフト現象を防止した
ことを特徴とする光スイツチング方法。２第２及び第３の電極が光透過方向に複数個に
分割されており、上記分割された電極の光透過方
向に隣接した各電極に互いに逆極性の電圧を印加
することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の光スイツチング方法。