JPH04113326A - 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、光波の切り替えなどを行う光スイ・ツチに関
し、特に、基板中に設けられている光導波路を用いて制
御を行う導波型の光スィッチに関する。

（従来の技術） 光通信システムの実用化が進むにつれ、より大きな容量
を有しまたより多くの機能を有する高度なシステムが求
められている。この高度なシステムには、光信号発生機
能、光伝送路切り替え機能および交換機能などをより高
性能化することが必要になる。現在、実用化されている
システムでは、半導体レーザや発光ダイオードの注入電
流を直接に変調することによって光信号を得ている。し
かし、直接変調では、緩和振動などの効果によって、１
０ＧＨｚ前後以上の高速変調が難しく、波長変動の発生
によってコヒーヘレント光伝送方式に適用することが難
しいなどの欠点かある。この欠点を解決する手段として
は、外部変調器を使用する方法があり、特に基板中に光
導波路が形成されている導波型の光変調器には、小型、
高効率、高速という特長がある。

一方、光伝送路の切り替えやネットワークの交換機能を
得る手段としては光スィッチが使用される。現在実用化
されている光スィッチは、プリズム、ミラー、ファイバ
ーなどを機械的に移動させるものであり、該光スィッチ
には、低速であること、信顆性が不十分、形状か大きく
マトリクス化に不適等の欠点がある。この欠点を解決す
るために、光導波路を用いな導波型の光スィッチの開発
か進められている。導波型の光スィッチには、高速、多
素子の集積化が可能、高信頼等の特長がある。

特にニオブ酸リチウム（以下「Ｆ、１Ｎｂ０３．＋と称
ず。）結晶等の強誘電体材料を用いている導波型の光ス
ィッチは、光吸収が小さく低損失であること、電気光学
効果が大きく高効率である等の特長を示し、従来からも
方向性結合器型光スイッチ、全反射型光スイッチまたは
マツハツエンタ型光変調器等積々の方式の光制御素子が
報告されている。

次に、第４図に従来の光制御デバイスの一例として方向
性結合器型光スイッチの平面図を示し、第５図に、第４
図のＢ−Ｂ線に沿って得られた断面図を示す。従来の方
向性結合器型光スイッチは第４図および第５図に示すよ
うに、ＬｉＮｂＯ３結晶基板５１を備える。Ｌ　ｉ　Ｎ
　ｂ　Ｏｓ結晶基板５１には、ストリップ状の１対の光
導波路５２＋５３が形成されている。各光導波路５２．
５３は、Ｌ　Ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｓ結晶基板５１の一方の面
に′ｒｉを拡散することによって形成され、各光導波路
５２゜５３の屈折率はＬｉＮｂ０．結晶基板５１の屈折
率より大きい。光導波路５２の中央部と光導波路５３の
中央部とは、数μｍ程度の間隔で近接しかつ互い共働し
て方向性結合器５４を構成する。また、方向性結合器５
４を構成する光導波路５２５３上には、第６図に示すよ
うに、電極による光吸収を防ぐためのバッファ層５７を
介して光制御電極５５および５６が形成されている。

光制御電極５５と５６とか同電位であるとき、光導波路
５２への入射光１か方向性結合器５４の部分を伝搬する
にしながって入射光１の光エネルギーは光導波路５２に
近接した光導波路５３へ徐々に移る。方向性結合器５４
の通過後、入射光１の光エネルキーが光導波路５２から
光導波路５３にほぼ１００％移り、光導波路５３から出
射光２が射出される。一方、光制御電極５５と光制御電
極５６との間に電圧か印加されているとき、電極間に発
生する電界によるＩ−ｓ　Ｎ　ｂ　Ｏ３結晶基板５１の
電気光学効果で光制御型［５５，５６下の光導波路５２
．５３の屈折率が変化し、光導波路５２と５３とを伝搬
する光の導波モードの間に位相速度の不整合が生じて両
者の間の結合状態は変化する。光導波路５３の出射光２
の強度は、第３図に示すように、印加電圧の増加によっ
て減少し、ある特性の電圧（以下■、とする）において
極小値をとる。光導波路５３の出射光２の強度か極小値
となるとき、もう一方の光導波路５２の出射光強度が最
大となる。印加電圧の極性を反転させた場合も同様で印
加電圧０■において出射光２か最大に、−■、において
最小になる。なお、本図では、印加電圧に対する出射光
２の強度変化を曲線３で示す。従って、光伝送路の切り
替えを行うとき、光制御電極５５．５６間の電圧をＯな
いしは■６とすることにより光信号の出力光を選択する
。

（発明が解決しようとする課題〉 従来の方向性結合器型光スイッチにおいては、第３図に
示すように、光出力−電圧特性が曲線（実線で示す）３
から曲線（破線で示す）４に移行し、原点に対して対称
にならない現象（以下、この現象を「非対称シフト」と
呼ぶ。）か一般的にみちれる。この非対称シフ１−の原
因には、方向性結合器５４を形成する光導波路形状か互
いに一致しないことによる伝播定数差の発生、基板の不
均一な帯電、スイッチの加工歪によるストレス等がある
。非対称シフトは、各原因の内特に光導波路形状の不一
致やストレスに対して敏感であるから、製造工程におい
てこの非対称シフトを除くことは非常に困難である。ま
た、非対称シフトの量は各光スイツチ毎に異なり、各光
スイツチ間の非対称シフト量のばらつきが大きい。

非対称シフトを簡単に回避するなめに、光制御電極間に
シフトを相殺可能な値のバイアス電圧を予め加えておく
ことが考えられる。しかし、電圧の印加状態が持続され
るとスイッチの光出力−電圧特性が印加電圧方向ヘトリ
フトする現象（以下、この現象をｒＤＣドリフト」と呼
ぶ。）が起る。

ＤＣドリフトは見かけ１非対称シフトとよく似ているが
、その原因と非対称シフトの原因とは異なる。ＤＣドリ
フトの原因は直流電圧の長時間印加により基板ないしは
Ｓ　ｉ　Ｏ２バッファ層に含まれる不純物イオンが電極
間の電界に引かれて移動して反型界を形成し、電気光学
効果による屈折率変化に関与する電界が実効的に減少す
るためと推定される。

本発明の目的は、従来の方向性結合型光スィッチなどの
光スィッチにおいて発生する非対称シフトや、ＤＣドリ
フト等による光出力−電圧特性の変動を抑圧し、安定な
動作が得られる光スィッチを提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の光スィッチは、電気光学効果を有する誘電体材
料からなる基板と、該基板に形成され、互いに近接する
少なくとも一対の光導波路と、該先導波路の近傍に設け
られ、電界を制御することにより前記光導波路の屈折率
を変化させるための少なくとも一対の光制御電極と、そ
れぞれが前記基板に形成されかつ対応する前記光制御電
極の外方に配置され、前記光制御電極に対するバイアス
が加えられる少なくとも一対の補正用電極とを備えるこ
とを特徴とする。

（作用） 本発明では、前記方向性結合器部をはさむ前記補正用電
極間の電位差により非対称シフトを補正することができ
、また同時に前記光制御電極と補正用電極との間に高い
バイアス電圧を加えておくことによりＤＣドリフトを引
き起こす不純物イオンの移動を押さえることができる。

従って、非対称シフトとＤＣドリフトを同時に抑圧する
ことができ、安定な動作をする光スィッチを得ることが
できる。

（実施例） 次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。

第１図は本発明の光スィッチの一実施例を示す平面図、
第２図は第１図のＡ−Ａ線に沿って得られた断面図であ
る。

光スイッチ１０は、第１図および第２図に示すように、
Ｚ　　Ｃｕｔ　　ＬｉＮｂ０ｉからなる基板１１を備え
る。基板１１には、ストリップ状の１対の光導波路１２
．１３が形成されている。各先導波路１２．１３はＴｉ
を基板１１上に９００℃〜１１００℃で数時間拡散する
ことによって形成され、その幅寸法は３μｍ〜１０μｍ
程度である。

光導波路１２と光導波路１３とはそれぞれの中央部が数
μを程度の間隔で近接するように基板１１上に位置決め
されている。光導波路１２の中央部と光導波路１３の中
央部とは互いに共働して方向性結合器１４を構成する。

方向性結合器１４の長さは、光導波路１２と光導波路１
３との間の光の移動率が１００％となるように設定され
ている。

基板１１には、各光導波路１２．１３が形成されている
面を覆うバッファ層１７が設けられている。バッファ層
１７上には、１対の光制御型＠１５．１６が形成されて
いる。光制御電極１５は光導波路１２の中央部に対向し
、光制御型＠１６は光導波路１３の中央部に対向する。

光制御電極１５と光導波路１２との間および光制御型ｉ
／ｆ！１６と光導波路１３との間には、バッファ層１７
が配置されていることにより、各光制御電極１５．１６
による光吸収をバッファ層１７で防ぐことができる。

また、バッファ層１７上には、１対の補正用型［ｉ１８
．１９が形成されている。補正用電極１８は、光ｆ／ｉ
Ｊｍ電極１５と数ｌＯμｍの間隔をおいて配置され、補
正用電極１９は光制御電極１６と数１０μｍの間隔で配
置されている。補正用電極１８と補正用型［！１９との
間には、各光制御電極１５．１６が位置する。

光制御電極１５．１６にはスイッチ２０を介してスイッ
チ電源２１が接続されている。スイッチ電源２１のスイ
ッチ電圧■、の各光制御電源電極１．５．１６間への印
加はスイッチ２ｏの切り換えによって行われる。また、
各光制御電極１５１６と各補正用電極１８．１９とには
バイアス電源２２か接続されている。各光制御電極１５
１６および各補正用型ｔｉ１８，１９間にはスイッチ電
圧■、よりも十分に大きいバイアス電圧ＶＩｌが常時印
加されている。補正用型［１８，１９には補正用電源２
３が接続されている。補正用電極１８１９間には補圧用
電圧ｖｃが印加されている。

光制御電極１５と光制御電極１６との間が同電位の場合
、光導波路１２への入射光１が方向性結合器１４の部分
を伝搬するにしながって入射光１の光エネルギーは光導
波路１２に近接した光導波路１３へ徐々に移る。方向性
結合器１４の通過後、入射光１の光エネルギーは光導波
路１２がら光導波路１３にほぼ１００％移り、光導波路
１２がら出射光２が射出される。

光制御型４１５．１６間にスイッチ電圧■、を印加した
場合、光制御型′Ｉｆ１１５．１６間には電界Ｅ、が発
生し、電界Ｅ、によるＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３の電気光学
効果で光制御型ｆｉ１５．１６下の光導波路の屈折率が
変化する。前記屈折率の変化によって光導波路１２と１
３とを伝搬する導波モードの間に位相速度の不整合が生
じ、両者の間の結合状態は変化し、出射光２の強度はほ
ぼ０となる。

非対称シフｌ−の補圧は補正用電極１８．１．９間に印
加された補正用電圧■。を調整することによって行われ
る。補正用電圧■。が変化されると、光導波路１２．１
３に加わる電界Ｅ、が変化することにより、非対称シフ
トによる光出力−電圧特性の変動が抑圧されるから、安
定な動作特性を得ることかできる。

光制御電極１５．１．６と補正用電極１８．１９との間
には常時スイッチ電圧■８および補正用電圧ｖｅよりも
充分に大きいバイアス電圧■。か印加されていることに
より、基板１１ないしＳｔＯ□バッファ層１７に含まれ
る不純物イオンかバイアス電圧■６に引かれて補正用電
極１８．１９近傍に移動しかつ集中するから、光制御型
＠１５１６近傍から不純物イオンか無くなり、補正用型
圧■。や光制御電極１５．１６間の電圧の有無による不
純物イオンの移動による実効的電界の減少、すなわちＤ
Ｃドリフトもなくなる。

なお、光スィッチ１０では、バイアス電圧による電気光
学効果によっても方向性結合器１４を構成する光導波路
１２．１３の屈折率は変化するが、。

光制御電極１５．１６間、補正用型ｆｉ１７．１８間の
電界と異なり電界の強度・向きも等しくなるから、両光
導波路１．２．１３を伝播する光の導波モードの間に位
相速度の不整合は生ぜず、スイッチ動作にはまったく影
響を及ぼさない。

以上にＴｉ拡散Ｌ　ｉ、　Ｎ　ｂ　Ｏ３光導波路の場合
を例にとって説明したが他の電気光学効果を有する誘電
体基板や光導波路に本発明を用いる場合も同様の効果が
得られる。また集中定数型電極に限らず進行波型電極で
も同様の効果か得られる。

（発明の効果） 以上に説明したように、本発明によれば、前記補正用電
極間の補正用電圧により非対称シフトを打ち消すことか
できる。また、前記光制御電極と前記補正用電極間とに
常時バイアス電圧を加えておくことにより補正用電圧及
びスイッチ電圧によるＤＣドリフトを引き起こす不純物
イオンの移動を抑えることができる。その結果、非対称
シフトとＤＣドリフトによる特性の変動を同時に抑圧す
ることかでき、安定な動作か得られる光制御回路を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光スィッチの一実施例を示す平面図、
第２図は第１図のＡ−Ａ線に沿って得られた断面図、第
３図は従来の光スィッチの電圧光出力特性の一例を示す
図、第４図は従来の光スィッチを示す平面図、第５図は
第４図のＢ−Ｂ線に沿って得られた断面図である。 １０・・・光スィッチ、１１・・・基板、１．２．１．
３・・・光導波路、１４・・・方向性結合器、１５．１
６・・・光制御電極、１７・・・バッファ層、１８．１
９・・・補正用電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電気光学効果を有する誘電体材料からなる基板と、該基
   板に形成され、互いに近接する少なくとも一対の光導波
   路と、該光導波路の近傍に設けられ、電界を制御するこ
   とにより前記光導波路の屈折率を変化させるための少な
   くとも一対の光制御電極と、それぞれが前記基板に形成
   されかつ対応する前記光制御電極の外方に配置され、前
   記光制御電極に対するバイアスが加えられる少なくとも
   一対の補正用電極とを備えることを特徴とする光スイッ
   チ。