JPH0421849B2 - - Google Patents
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- JPH0421849B2 JPH0421849B2 JP16005382A JP16005382A JPH0421849B2 JP H0421849 B2 JPH0421849 B2 JP H0421849B2 JP 16005382 A JP16005382 A JP 16005382A JP 16005382 A JP16005382 A JP 16005382A JP H0421849 B2 JPH0421849 B2 JP H0421849B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL 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
- G02F1/00—Devices 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
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- G02F1/03—Devices 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 intensity, phase, polarisation or colour based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
- G02F1/035—Devices 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 intensity, phase, polarisation or colour based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は誘電体結晶の電気光学効果を使つた光
変調器、とくに結晶の基板表面に光導波路を形成
した動作電圧が低く、動作速度の速い、構成の簡
便な導波形光変調器に関する。
変調器、とくに結晶の基板表面に光導波路を形成
した動作電圧が低く、動作速度の速い、構成の簡
便な導波形光変調器に関する。
前記光学光変調器は、結晶に印加する電界の強
度に比例した屈折率の変化を生ずる結果（ポツケ
ルス効果）を利用して拘束の光変調器として古く
から研究が開発がなされている。形状の大きな結
晶中に光ビームを透過し、光ビームの透過方向と
は垂直な方向に電界を印加して、結晶中に透過す
る光ビームの偏光面を回転させ、結晶出射後に配
置された偏光子を透過させて光強度を変化させる
という原理に基づくバルク形の光変調器は、印加
電圧が高く、温度安定性に欠けるという欠点があ
る。高印加電圧の原因のひとつは、結晶の光透過
長を長くし、電極間の距離を狭める、すなわち結
晶の厚さを薄くすると、光入出射面での光の回折
を生ずるため、結晶長と結晶の厚さとの比を一定
値より大きく出来ないことによつている。結晶長
の長くしても光の回折を生ずることのないように
するには導波構造となつていることが必要であ
る。
度に比例した屈折率の変化を生ずる結果（ポツケ
ルス効果）を利用して拘束の光変調器として古く
から研究が開発がなされている。形状の大きな結
晶中に光ビームを透過し、光ビームの透過方向と
は垂直な方向に電界を印加して、結晶中に透過す
る光ビームの偏光面を回転させ、結晶出射後に配
置された偏光子を透過させて光強度を変化させる
という原理に基づくバルク形の光変調器は、印加
電圧が高く、温度安定性に欠けるという欠点があ
る。高印加電圧の原因のひとつは、結晶の光透過
長を長くし、電極間の距離を狭める、すなわち結
晶の厚さを薄くすると、光入出射面での光の回折
を生ずるため、結晶長と結晶の厚さとの比を一定
値より大きく出来ないことによつている。結晶長
の長くしても光の回折を生ずることのないように
するには導波構造となつていることが必要であ
る。
誘電体や半導体基板の表面に屈折率の高い、層
またはチヤンネルを設け、これを光の導波路と
し、この光導波路の近傍に設けた対向する電極間
に電圧を印加し、光導波路中に発生する電場によ
つて導波路中の屈折率を変化させ、ここを伝わる
導波光に回折、屈折、散乱、モード変換等の光学
的現象を生じさせ、導波光の透過振幅を変化させ
て変調を行う素子が導波形の光変調器と称せられ
ている。導波形光変調器の特長は、前述の導波に
よる光の回折損が少いため電界の作用長すなわち
素子長を長くできることに加えて、導波層または
導波路の幾可学長が小さいことによつて、電極間
隔を接近させて設け、印加電界強度を強めること
ができることから高感度であるという点にある。
具体的な素子の構成法として従来から知られてい
るもののひとつは、ブラツグ回折形と称するもの
で、電気光学効果を有する結晶板の表面一様に高
屈折率の層を設け、これを光導波層とし、更にこ
の導波層の上にインターデイジタル電極を設け、
この電極に印加する電場によつて導波層中に形成
される周期電場が導波光を基板面内で回折させ、
透過光の強度を変調するものである。この形の光
変調器は、導波路が平面であるため、フアイバ光
の変調などに用いるには導波路入出射端部に円筒
レンズ等を用いて光フアイバとの光の結合をはか
らねばならず構成が複雑となり、光損失の増大や
信頼性、安定性に不安がある。
またはチヤンネルを設け、これを光の導波路と
し、この光導波路の近傍に設けた対向する電極間
に電圧を印加し、光導波路中に発生する電場によ
つて導波路中の屈折率を変化させ、ここを伝わる
導波光に回折、屈折、散乱、モード変換等の光学
的現象を生じさせ、導波光の透過振幅を変化させ
て変調を行う素子が導波形の光変調器と称せられ
ている。導波形光変調器の特長は、前述の導波に
よる光の回折損が少いため電界の作用長すなわち
素子長を長くできることに加えて、導波層または
導波路の幾可学長が小さいことによつて、電極間
隔を接近させて設け、印加電界強度を強めること
ができることから高感度であるという点にある。
具体的な素子の構成法として従来から知られてい
るもののひとつは、ブラツグ回折形と称するもの
で、電気光学効果を有する結晶板の表面一様に高
屈折率の層を設け、これを光導波層とし、更にこ
の導波層の上にインターデイジタル電極を設け、
この電極に印加する電場によつて導波層中に形成
される周期電場が導波光を基板面内で回折させ、
透過光の強度を変調するものである。この形の光
変調器は、導波路が平面であるため、フアイバ光
の変調などに用いるには導波路入出射端部に円筒
レンズ等を用いて光フアイバとの光の結合をはか
らねばならず構成が複雑となり、光損失の増大や
信頼性、安定性に不安がある。
導波形光変調器の他の例は方向性結合形と称さ
れる素子で、この素子の原理は、電気光学結晶板
の表面に２本のチヤンネル形導波路を極く接近さ
せて設け、一方の導波路に光を入射させ、導波路
の接近した領域において他方の導波路への光の結
合の量を、結晶板表面に設けた電極から生ずる電
界によつて制御するものである。この方式の素子
は導波路がチヤンネル状であるため、光フアイバ
等との結合が容易であるという利点を有する。光
の結合の方式として、電界を印加しない状態で一
方の導波路から他方の導波路へ光が大部分移るよ
うに素子を設定し、電界を印加して双方の導波路
の屈折率を変えて位相定数を変化させて結合を解
くという方式が印加電圧が低くてすむためとられ
ている。しかしながら光の損失を少くするために
は、電界印加しない状態で完全な結合が生じてい
ることが必要で、このためには、導波路が接近し
ている領域の長さすなわち結合長の設定に精度を
要する。実際にはこのような状態を作り出すこと
は困難で、このため、電極構造の工夫によつて、
２つの電圧値で光の結合、解離のいずれかの状態
が生ずるように設計されている。このため光のパ
ルス変調器として用いる場合には、バイアス電位
を必要とする。また、透過する光の波長が変ると
特性が大きく異なり、波長に合せた素子の最適設
計が必要とされる。また２つの平行する導波路の
幅や間隔は３〜10μｍと微細で、長さは10〜20mm
と長い。このようなパタンを欠損なく歩留よく得
るのは非常に難かしく製造価格が高くなるという
欠点をもつ。
れる素子で、この素子の原理は、電気光学結晶板
の表面に２本のチヤンネル形導波路を極く接近さ
せて設け、一方の導波路に光を入射させ、導波路
の接近した領域において他方の導波路への光の結
合の量を、結晶板表面に設けた電極から生ずる電
界によつて制御するものである。この方式の素子
は導波路がチヤンネル状であるため、光フアイバ
等との結合が容易であるという利点を有する。光
の結合の方式として、電界を印加しない状態で一
方の導波路から他方の導波路へ光が大部分移るよ
うに素子を設定し、電界を印加して双方の導波路
の屈折率を変えて位相定数を変化させて結合を解
くという方式が印加電圧が低くてすむためとられ
ている。しかしながら光の損失を少くするために
は、電界印加しない状態で完全な結合が生じてい
ることが必要で、このためには、導波路が接近し
ている領域の長さすなわち結合長の設定に精度を
要する。実際にはこのような状態を作り出すこと
は困難で、このため、電極構造の工夫によつて、
２つの電圧値で光の結合、解離のいずれかの状態
が生ずるように設計されている。このため光のパ
ルス変調器として用いる場合には、バイアス電位
を必要とする。また、透過する光の波長が変ると
特性が大きく異なり、波長に合せた素子の最適設
計が必要とされる。また２つの平行する導波路の
幅や間隔は３〜10μｍと微細で、長さは10〜20mm
と長い。このようなパタンを欠損なく歩留よく得
るのは非常に難かしく製造価格が高くなるという
欠点をもつ。
導波形光変調器のまた他の例は、導波層を伝わ
る導波光を電界の印加によつて基板中の放射モー
ドへ変換する形の変調器である。具体的な構成と
しては、複屈折結晶であるニオブ酸リチウム結晶
のＣカツト板の表面に金属イオンを拡散し、基板
よりも屈折率が僅かに大なる高屈折率層を設け、
Ｃ軸方向に振動電界成分を有する光波モードであ
るTM波を励起する。基板面内で光透過方向とは
直交する方向に電場を印加すると、TM波は基板
に平行な振動電界成分を有し基板中に放射する放
射モードに変換され、導波TMモードの強度が低
下する。このような構成に基づく導波形光変調器
は構成が簡単であるという利点はあるが、導波
TMモードの屈折率と基板に平行な振動電界成分
を有する放射モードにたいする屈折率差が大きい
ために、変換効率が低く、高い印加電圧を必要と
するという欠点を有しており実用性が低い。
る導波光を電界の印加によつて基板中の放射モー
ドへ変換する形の変調器である。具体的な構成と
しては、複屈折結晶であるニオブ酸リチウム結晶
のＣカツト板の表面に金属イオンを拡散し、基板
よりも屈折率が僅かに大なる高屈折率層を設け、
Ｃ軸方向に振動電界成分を有する光波モードであ
るTM波を励起する。基板面内で光透過方向とは
直交する方向に電場を印加すると、TM波は基板
に平行な振動電界成分を有し基板中に放射する放
射モードに変換され、導波TMモードの強度が低
下する。このような構成に基づく導波形光変調器
は構成が簡単であるという利点はあるが、導波
TMモードの屈折率と基板に平行な振動電界成分
を有する放射モードにたいする屈折率差が大きい
ために、変換効率が低く、高い印加電圧を必要と
するという欠点を有しており実用性が低い。
このように従来の導波形光変調器はいずれも難
点を有している。本発明の目的は上記難点を除去
した、高性能・安価な導波形光変調器を提供する
ことにある。
点を有している。本発明の目的は上記難点を除去
した、高性能・安価な導波形光変調器を提供する
ことにある。
本発明によれば、電気光学結晶表面付近に形成
された１本のチヤンネル形光導波路と該光導波路
の周囲に設け、該光導波路の光透過方向に沿つて
厚さが周期的に変化したイオン交換層と、前記チ
ヤンネル形光導波路中に電界を印加する手段とに
よつて、高性能安価で温度特性の優れた導波形電
気光学光変調器が得られる。
された１本のチヤンネル形光導波路と該光導波路
の周囲に設け、該光導波路の光透過方向に沿つて
厚さが周期的に変化したイオン交換層と、前記チ
ヤンネル形光導波路中に電界を印加する手段とに
よつて、高性能安価で温度特性の優れた導波形電
気光学光変調器が得られる。
第１図は本発明の導波形電気光学光変調器の依
つて立つ原理を説明する図で、１はＣカツトニオ
ブ酸リチウム結晶板、２はチタンを熱拡散させた
チヤンネル光導波路、３はチヤンネル導波路２以
外の基板表面近くでイオン交換処理を施こされた
層４はイオン交換処理を施こした層３の方面を覆
う金属電極膜であり、５はチヤンネル光導波路２
に入射される基板に平行な直線偏光光６はチヤン
ネル光導波路の部位を挾んで向い合う電極４に印
加する電位である。印加電極４に電圧が印加され
たとき、チヤンネル光導波路２に入射した光は、
光導波路２を伝搬するにつれ、イオン交換層３に
拡がる放射光に変換され、この放射光は電極４に
よる減衰を受けて消失する。印加電極４に電圧が
印加されないとき、入射光５はチヤンネル導波路
２を導波され減衰を受けることなく出射する。印
加電圧６の大きさに応じてチヤンネル導波路２を
導波され出射する光の強度が変化し、光の強度変
調が行なわれる。この動作は以下に述べる機構に
よつて説明される。
つて立つ原理を説明する図で、１はＣカツトニオ
ブ酸リチウム結晶板、２はチタンを熱拡散させた
チヤンネル光導波路、３はチヤンネル導波路２以
外の基板表面近くでイオン交換処理を施こされた
層４はイオン交換処理を施こした層３の方面を覆
う金属電極膜であり、５はチヤンネル光導波路２
に入射される基板に平行な直線偏光光６はチヤン
ネル光導波路の部位を挾んで向い合う電極４に印
加する電位である。印加電極４に電圧が印加され
たとき、チヤンネル光導波路２に入射した光は、
光導波路２を伝搬するにつれ、イオン交換層３に
拡がる放射光に変換され、この放射光は電極４に
よる減衰を受けて消失する。印加電極４に電圧が
印加されないとき、入射光５はチヤンネル導波路
２を導波され減衰を受けることなく出射する。印
加電圧６の大きさに応じてチヤンネル導波路２を
導波され出射する光の強度が変化し、光の強度変
調が行なわれる。この動作は以下に述べる機構に
よつて説明される。
ニオブ酸リチウム結晶は一軸の光学的異方性を
有し、例えば波長1.3μｍの光波にたいする屈折率
はＣ軸方向に振動電界成分をもつ光波にたいする
屈折率すなわち異常光屈折率neは2.145、Ｃ軸に
直交する方向に振動電界成分をもつ光波にたいす
る屈折率すなわちnpは2.222程度の値を有する。
この結晶表面にチタン金属膜を蒸着法等によつて
設け、1000℃程度の高温にさらすとチタン金属は
結晶中に拡散し、基板表面近くに屈折率のわずか
に高い領域が生成する。その屈折率の上昇は５×
10-3程度である。チタン薄膜を細い線状に設けこ
れを熱拡散させると第１図のチヤンネル導波路２
を生成させることができる。このチヤンネル導波
路を伝わる導波モードの等価屈折率すなわち伝搬
波数を空気中の波数で除した値（等価屈折率）は
チヤンネル導波路の断面サイズで異なり、基板に
水平な偏光のモード（TEモード）の等価屈折率
は2.225〜2.222の間の値をもち、基板に垂直な偏
光のモード（TMモード）のそれは2.150〜2.145
の間の値をもつ。またニオブ酸リチウム結晶のリ
チウム原子を他の原子例えば銀や水素等の原子で
置換すると異常光屈折率neのみが増加し、常光屈
折率npは変化しない。たとえばニオブ酸リチウム
結晶を安息香酸中で249℃程度の温度で１時間煮
沸しイオン交換処理を施こすと基板表面から2μ
ｍ程度の深さにわたり、結晶中のリチウムイオン
が水素原子に置換されneが0.11程度（λ＝1.3μ
ｍ）上昇する。第１図のイオン交換層３はTMモ
ードにたいする良好な導波路となり、その等価屈
折率はイオン交換層の厚さによつて異なり2.255
〜2.145の間の値をもつ。このイオン交換は交換
時に金属膜で覆われていると生ぜず、選択的に第
１図のチタン拡散導波路部分表面を交換時に金属
薄膜で覆つておくことによつて、チヤンネル導波
路２以外の表面近傍のみのイオン交換が実現され
る。
有し、例えば波長1.3μｍの光波にたいする屈折率
はＣ軸方向に振動電界成分をもつ光波にたいする
屈折率すなわち異常光屈折率neは2.145、Ｃ軸に
直交する方向に振動電界成分をもつ光波にたいす
る屈折率すなわちnpは2.222程度の値を有する。
この結晶表面にチタン金属膜を蒸着法等によつて
設け、1000℃程度の高温にさらすとチタン金属は
結晶中に拡散し、基板表面近くに屈折率のわずか
に高い領域が生成する。その屈折率の上昇は５×
10-3程度である。チタン薄膜を細い線状に設けこ
れを熱拡散させると第１図のチヤンネル導波路２
を生成させることができる。このチヤンネル導波
路を伝わる導波モードの等価屈折率すなわち伝搬
波数を空気中の波数で除した値（等価屈折率）は
チヤンネル導波路の断面サイズで異なり、基板に
水平な偏光のモード（TEモード）の等価屈折率
は2.225〜2.222の間の値をもち、基板に垂直な偏
光のモード（TMモード）のそれは2.150〜2.145
の間の値をもつ。またニオブ酸リチウム結晶のリ
チウム原子を他の原子例えば銀や水素等の原子で
置換すると異常光屈折率neのみが増加し、常光屈
折率npは変化しない。たとえばニオブ酸リチウム
結晶を安息香酸中で249℃程度の温度で１時間煮
沸しイオン交換処理を施こすと基板表面から2μ
ｍ程度の深さにわたり、結晶中のリチウムイオン
が水素原子に置換されneが0.11程度（λ＝1.3μ
ｍ）上昇する。第１図のイオン交換層３はTMモ
ードにたいする良好な導波路となり、その等価屈
折率はイオン交換層の厚さによつて異なり2.255
〜2.145の間の値をもつ。このイオン交換は交換
時に金属膜で覆われていると生ぜず、選択的に第
１図のチタン拡散導波路部分表面を交換時に金属
薄膜で覆つておくことによつて、チヤンネル導波
路２以外の表面近傍のみのイオン交換が実現され
る。
ニオブ酸リチウム結晶のｘ方向に電界を印加す
ると、電気光学定数r51を介して常光と異常光と
の間に結合が生じるが、能率のよい変換が起るた
めには屈折率がほぼ一致していなければならな
い。第１図の実施例の構成に示したように、イオ
ン交換導波路３の上に金属電極４を設け、チヤン
ネル導波路２を挟んで対向する２つの間に電圧６
を印加し、チヤンネル導波路２にTE波５を入射
させると、チヤンネル導波路２中に生じているｘ
方向の印加電界によつてTE波はイオン交換導波
路中のxy面内に放散する放射TMモードに変換さ
れる。何故ならばチヤンネル導波路を伝わるTE
波の等価屈折率ngは前述の如く2.225〜2.222の間
の値に設定することができ、イオン交換層の等価
屈折率nrはやはり前述の如く2.255〜2.145の間の
値に設定することができる。イオン交換層の等価
屈折率nrをチヤンネル導波路の等価屈折率ngより
ほんの少し例えば１×10-4程度大きく設定してお
く。第２図に示すようなダイヤグラムによつてチ
ヤンネル導波光とイオン交換層への放射光との整
合の関係が理解できる。イオン交換層の放射TM
導波光の等価屈折率はxy面内同一であるため、
nrを半径とする円で表示することができる。チヤ
ンネル導波光の波面進行方向はｇ方向であり、ｙ
方向にngの長さをもつベクトルで表わされる。チ
ヤンネル導波光は、電界印加によつて cosθ＝ng／nr (1) の関係を満たすθの角度の方向へのイオン交換層
の面内放射TM導波光に変換される。上記の等価
屈折率差の設定すなわちnr−ng＝１×10-4にたい
してはθ0.5°方向に放射される。周知の如く、
導波層表面が金属膜で覆われているとTM波の減
衰は100dB／cm近くと非常に大きい。このためイ
オン交換層の放射TM導波光はチヤンネル導波
TE光から変換されるとたちどころに金属膜によ
つて吸収される。
ると、電気光学定数r51を介して常光と異常光と
の間に結合が生じるが、能率のよい変換が起るた
めには屈折率がほぼ一致していなければならな
い。第１図の実施例の構成に示したように、イオ
ン交換導波路３の上に金属電極４を設け、チヤン
ネル導波路２を挟んで対向する２つの間に電圧６
を印加し、チヤンネル導波路２にTE波５を入射
させると、チヤンネル導波路２中に生じているｘ
方向の印加電界によつてTE波はイオン交換導波
路中のxy面内に放散する放射TMモードに変換さ
れる。何故ならばチヤンネル導波路を伝わるTE
波の等価屈折率ngは前述の如く2.225〜2.222の間
の値に設定することができ、イオン交換層の等価
屈折率nrはやはり前述の如く2.255〜2.145の間の
値に設定することができる。イオン交換層の等価
屈折率nrをチヤンネル導波路の等価屈折率ngより
ほんの少し例えば１×10-4程度大きく設定してお
く。第２図に示すようなダイヤグラムによつてチ
ヤンネル導波光とイオン交換層への放射光との整
合の関係が理解できる。イオン交換層の放射TM
導波光の等価屈折率はxy面内同一であるため、
nrを半径とする円で表示することができる。チヤ
ンネル導波光の波面進行方向はｇ方向であり、ｙ
方向にngの長さをもつベクトルで表わされる。チ
ヤンネル導波光は、電界印加によつて cosθ＝ng／nr (1) の関係を満たすθの角度の方向へのイオン交換層
の面内放射TM導波光に変換される。上記の等価
屈折率差の設定すなわちnr−ng＝１×10-4にたい
してはθ0.5°方向に放射される。周知の如く、
導波層表面が金属膜で覆われているとTM波の減
衰は100dB／cm近くと非常に大きい。このためイ
オン交換層の放射TM導波光はチヤンネル導波
TE光から変換されるとたちどころに金属膜によ
つて吸収される。
しかしながらこの構成ではニオブ酸リチウム結
晶のもつ複屈折の温度係数が大きいために、光変
調特性に温度変化が大きく生じ使用に耐えない。
すでに報告されているニオブ酸リチウム結晶の複
屈折の温度係数は、 ｜ｄ（ne−np）／dT｜＝４：３×10-5 (1) である。たとえば周囲温度が±25℃変化したとす
ると複屈折の変化量は±１×10-3に達する。導波
モードの等価屈折率は、基板の屈折率が変化する
とほとんど同じだけ変化する。前述の如くに、チ
ヤンネル導波TEモードの等価屈折率ngとイオン
交換層の面内放射TMモードの等価屈折率nrとの
差を１×10-4程度の大きさに設定しておくと、温
度が３℃も変化すれば、ng＞nrの状態が現出す
る。この場合には第２図の２つの等価屈折率間の
整合関係を示すダイヤグラムにおいて、ngを示す
矢印の先が半径nrの半円の外に出てしまい、整合
がとれなくなつてしまう。電界を印加してもモー
ド変換すなわちチヤンネル導波光の強度の変調を
生じさせることができなくなる。
晶のもつ複屈折の温度係数が大きいために、光変
調特性に温度変化が大きく生じ使用に耐えない。
すでに報告されているニオブ酸リチウム結晶の複
屈折の温度係数は、 ｜ｄ（ne−np）／dT｜＝４：３×10-5 (1) である。たとえば周囲温度が±25℃変化したとす
ると複屈折の変化量は±１×10-3に達する。導波
モードの等価屈折率は、基板の屈折率が変化する
とほとんど同じだけ変化する。前述の如くに、チ
ヤンネル導波TEモードの等価屈折率ngとイオン
交換層の面内放射TMモードの等価屈折率nrとの
差を１×10-4程度の大きさに設定しておくと、温
度が３℃も変化すれば、ng＞nrの状態が現出す
る。この場合には第２図の２つの等価屈折率間の
整合関係を示すダイヤグラムにおいて、ngを示す
矢印の先が半径nrの半円の外に出てしまい、整合
がとれなくなつてしまう。電界を印加してもモー
ド変換すなわちチヤンネル導波光の強度の変調を
生じさせることができなくなる。
これを避けるために予め等価屈折率の違いを大
きく与えておき、温度が変つても第２図における
ダイヤグラムにおいて常にng＜nrとなるように設
定する。たとえばnr−ng２×10-5とすると、±
25℃の温度変化内で常にng＜nrの条件が満たさ
れ、チヤンネル導波路を伝搬する導波光がイオン
交換層中の面内放射モードに整合する角度が存在
する。しかしながら、導波モードから放射モード
への変換の効率が温度によつて大きく変化する。
上記の変換効率は放射角度が大きいほど低くな
る。これは、放射角度の大きい放射モードの光電
界の強度分布と導波モードのもつ光電界の強度分
布とが大きく異なるためである。２つのモードの
位相定数の大きさが近くなる温度では変換効率が
高く、違いが大きくなる温度では効率が低くなる
という温度変化が生ずる。
きく与えておき、温度が変つても第２図における
ダイヤグラムにおいて常にng＜nrとなるように設
定する。たとえばnr−ng２×10-5とすると、±
25℃の温度変化内で常にng＜nrの条件が満たさ
れ、チヤンネル導波路を伝搬する導波光がイオン
交換層中の面内放射モードに整合する角度が存在
する。しかしながら、導波モードから放射モード
への変換の効率が温度によつて大きく変化する。
上記の変換効率は放射角度が大きいほど低くな
る。これは、放射角度の大きい放射モードの光電
界の強度分布と導波モードのもつ光電界の強度分
布とが大きく異なるためである。２つのモードの
位相定数の大きさが近くなる温度では変換効率が
高く、違いが大きくなる温度では効率が低くなる
という温度変化が生ずる。
温度の変化によつて導波モードから放射モード
への変換の効率が変化することを防ぐには、複屈
折の大きさが変化しても放射モードへの放射角度
が変化しないような工夫を施こせばよい。第３図
は本発明の一実施例の構造を示す図で、１はＺカ
ツトニオブ酸リチウム結晶板、２はチタン拡散チ
ヤンネル導波路、３はイオン交換層、イオン交換
３の上面は、チヤンネル導波路２中に電界を印加
するための電極４によつて覆われている。５は入
射TE波、６は電極４に印加する電圧源である。
イオン交換層３は、その深さがチヤンネル導波路
２の光透過方向に沿つて周期的に変化しており、
その周期はΛ1からΛ2まで（Λ2＞Λ1）単調に変化
している。第４図は第３図のニオブ酸リチウム結
晶をｘ軸に垂直に切断した断面を示し、ニオブ酸
リチウム結晶板１の表面近傍に設けられたイオン
交換層３の構造が上述の如く、その深さがｙ方向
に周期的に変化しており、その周期がΛ1からΛ2
までｙ方向に単調に変化している構造を示す。
への変換の効率が変化することを防ぐには、複屈
折の大きさが変化しても放射モードへの放射角度
が変化しないような工夫を施こせばよい。第３図
は本発明の一実施例の構造を示す図で、１はＺカ
ツトニオブ酸リチウム結晶板、２はチタン拡散チ
ヤンネル導波路、３はイオン交換層、イオン交換
３の上面は、チヤンネル導波路２中に電界を印加
するための電極４によつて覆われている。５は入
射TE波、６は電極４に印加する電圧源である。
イオン交換層３は、その深さがチヤンネル導波路
２の光透過方向に沿つて周期的に変化しており、
その周期はΛ1からΛ2まで（Λ2＞Λ1）単調に変化
している。第４図は第３図のニオブ酸リチウム結
晶をｘ軸に垂直に切断した断面を示し、ニオブ酸
リチウム結晶板１の表面近傍に設けられたイオン
交換層３の構造が上述の如く、その深さがｙ方向
に周期的に変化しており、その周期がΛ1からΛ2
までｙ方向に単調に変化している構造を示す。
導波モードと放射モードの整合関係は第５図で
理解される。導波モードの等価屈折率ngよりも、
第４図に示されるイオン交換層の平均的な厚さｄ
における放射モードの等価屈折率nrが小さくなる
ように厚さｄを定めておく。導波モードの等価屈
折率はｙ方向に向う矢印で示され、放射モードは
xy面内で半径をnrとする半円で表わすことがで
きる。イオン交換層の厚さはｙ方向に周期的に変
化しているため、この空間格子によつて放射モー
ドの存在しうる等価屈折率はnr＋λ／Λ2からnr＋
λ／Λ1まで連続して分布する。ここでλは光の
波長である。空間格子スペクトルはｙ方向に向つ
ているため、xy面内では第５図に示すように三
日月状の斜線部で示される領域内は放射モードが
存在しうる領域となる。導波モードの等価屈折率
ngが第５図の三日月状の斜線部の領域内に位置す
るように設定する。複屈折の温度変化は導波モー
ドの等価屈折率と放射モードの等価屈折率との差
が変化することである。その変化を±△nTとする
と、 ng＋△nT＜nr＋λ／Λ1 (2) ng−△nT＞nr＋λ／Λ2 (3) なるように常温における導波モードの屈折率ngを
定める。このように設定すれば第５図におけるng
のベクトルの先は常に斜線部内に存在する。この
ため、第２図に示したイオン交換層の厚さが一様
の場合の放射モードの等価屈折率がxy面内で一
本の円弧で表わされる場合と異なつて、温度が変
つた場合に放射角度が変化し変換能率が変化する
ようにことはない。
理解される。導波モードの等価屈折率ngよりも、
第４図に示されるイオン交換層の平均的な厚さｄ
における放射モードの等価屈折率nrが小さくなる
ように厚さｄを定めておく。導波モードの等価屈
折率はｙ方向に向う矢印で示され、放射モードは
xy面内で半径をnrとする半円で表わすことがで
きる。イオン交換層の厚さはｙ方向に周期的に変
化しているため、この空間格子によつて放射モー
ドの存在しうる等価屈折率はnr＋λ／Λ2からnr＋
λ／Λ1まで連続して分布する。ここでλは光の
波長である。空間格子スペクトルはｙ方向に向つ
ているため、xy面内では第５図に示すように三
日月状の斜線部で示される領域内は放射モードが
存在しうる領域となる。導波モードの等価屈折率
ngが第５図の三日月状の斜線部の領域内に位置す
るように設定する。複屈折の温度変化は導波モー
ドの等価屈折率と放射モードの等価屈折率との差
が変化することである。その変化を±△nTとする
と、 ng＋△nT＜nr＋λ／Λ1 (2) ng−△nT＞nr＋λ／Λ2 (3) なるように常温における導波モードの屈折率ngを
定める。このように設定すれば第５図におけるng
のベクトルの先は常に斜線部内に存在する。この
ため、第２図に示したイオン交換層の厚さが一様
の場合の放射モードの等価屈折率がxy面内で一
本の円弧で表わされる場合と異なつて、温度が変
つた場合に放射角度が変化し変換能率が変化する
ようにことはない。
上記の場合、具体的な数値として次のような値
を設定することができる。光波長1.3μｍのとき、
導波モードの等価屈折率ngの大きさを2223とし放
射モードの等価屈折率nrが2220となるようにイオ
ン交換層の平均的な厚さｄを定める。温度が±25
℃変化したとき複屈折の変化量は前述の如く△nT
１×10-3であるため、上式(2)及び(3)式からΛ1
＝325μｍ、Λ2＝650μｍとなる。すなわち周期を
325μｍから625μｍにほぼ連続的に変化させてイ
オン交換の厚さの凹凸を設ければよい。イオン交
換層の厚さの変化は、アルミ蒸着膜等を格子状に
設けて、安息香酸中で煮沸し、さらにアルミ膜を
除去した後同じようにイオン交換処理を施すこと
によつて実現される、厚さの制御は交換処理時間
を制御すればよい。
を設定することができる。光波長1.3μｍのとき、
導波モードの等価屈折率ngの大きさを2223とし放
射モードの等価屈折率nrが2220となるようにイオ
ン交換層の平均的な厚さｄを定める。温度が±25
℃変化したとき複屈折の変化量は前述の如く△nT
１×10-3であるため、上式(2)及び(3)式からΛ1
＝325μｍ、Λ2＝650μｍとなる。すなわち周期を
325μｍから625μｍにほぼ連続的に変化させてイ
オン交換の厚さの凹凸を設ければよい。イオン交
換層の厚さの変化は、アルミ蒸着膜等を格子状に
設けて、安息香酸中で煮沸し、さらにアルミ膜を
除去した後同じようにイオン交換処理を施すこと
によつて実現される、厚さの制御は交換処理時間
を制御すればよい。
イオン交換層の放射TMモードの等価屈折率nr
のほうが、導波TEモードの等価屈折率ngよりも
大になるように設定してもよい。すなわち、 ng＋△nT＜nr−λ／Λ2 (4) ng−△nT＞nr−λ／Λ1 (5) としても第６図の整合ダイヤグラムに示すように
導波モードの等価屈折率を示すngのベクトルの先
に常に斜線部内に存在し、やはり導波モードから
放射モードへの変換効率の温度変化は抑圧され
る。この場合具体的な数値としてλ＝1.3μｍ、ng
＝2.223、nr＝2.226、Λ1＝325μｍ、Λ2＝650μｍと
すればよい。
のほうが、導波TEモードの等価屈折率ngよりも
大になるように設定してもよい。すなわち、 ng＋△nT＜nr−λ／Λ2 (4) ng−△nT＞nr−λ／Λ1 (5) としても第６図の整合ダイヤグラムに示すように
導波モードの等価屈折率を示すngのベクトルの先
に常に斜線部内に存在し、やはり導波モードから
放射モードへの変換効率の温度変化は抑圧され
る。この場合具体的な数値としてλ＝1.3μｍ、ng
＝2.223、nr＝2.226、Λ1＝325μｍ、Λ2＝650μｍと
すればよい。
以上の説明では、直線のチヤンネル導波路の場
合について述べた。勿論基板面内で曲線を描く導
波路、たとえば導波TE波にたいして放射損失の
少い極率半径に設定すれば曲線部では、導波光の
強度分布がチヤンネル内で曲線の外側に片寄るた
め放射モードとの結合が容易になり、更に印加電
圧が少くてすむ。
合について述べた。勿論基板面内で曲線を描く導
波路、たとえば導波TE波にたいして放射損失の
少い極率半径に設定すれば曲線部では、導波光の
強度分布がチヤンネル内で曲線の外側に片寄るた
め放射モードとの結合が容易になり、更に印加電
圧が少くてすむ。
以上の説明のとおり本発明の導波形光変調器
は、従来知られている導波形の光変調器に較べ、
単一のチヤンネル導波路で構成され、更には変調
特性が素子作製精度に大きく依存せず、バイアス
電圧も必要でないため、前述の方向性結合形変調
器よりも優れ、基板面内の放射モードに変換する
ため、基板固有の複屈折による印加電圧特性の制
限がなく、また、放射光を面内で吸収することが
でき、基板裏面からの反射光などによる変調特性
の劣化が生じないことから、前述の基板放射形の
光変調よりも優れている。そして温度変化に対し
て極めて動作が安定である。
は、従来知られている導波形の光変調器に較べ、
単一のチヤンネル導波路で構成され、更には変調
特性が素子作製精度に大きく依存せず、バイアス
電圧も必要でないため、前述の方向性結合形変調
器よりも優れ、基板面内の放射モードに変換する
ため、基板固有の複屈折による印加電圧特性の制
限がなく、また、放射光を面内で吸収することが
でき、基板裏面からの反射光などによる変調特性
の劣化が生じないことから、前述の基板放射形の
光変調よりも優れている。そして温度変化に対し
て極めて動作が安定である。
上記の実施例ではニオブ酸リチウム結晶板を基
板として用いる場合について説明した。他の電気
光学結晶たとえばタンタル酸リチウム結晶を用い
てもイオン交換層の形成は同様に出来、素子を同
様に構成することができる。
板として用いる場合について説明した。他の電気
光学結晶たとえばタンタル酸リチウム結晶を用い
てもイオン交換層の形成は同様に出来、素子を同
様に構成することができる。
また電気光学結晶のＣカツト（Ｚカツト）板を
用い、結晶基板に沿つた印加電界を利用してチヤ
ンネル導波光から放射光への変換を行わせる場合
について述べたが、たとえばＸカツト板を用い
て、基板面に垂直な電界を利用する方法でも構成
することができる。
用い、結晶基板に沿つた印加電界を利用してチヤ
ンネル導波光から放射光への変換を行わせる場合
について述べたが、たとえばＸカツト板を用い
て、基板面に垂直な電界を利用する方法でも構成
することができる。
またチヤンネル導波路の形成方法として、金属
を基板中に熱拡散させる場合を述べたが、基板と
格子整合のとれた電気光学結晶のエピタキシヤル
成長層を用い、この成長層にリブ形導波路や、誘
電体を表面に装荷した導波路等を形成してもよ
い。
を基板中に熱拡散させる場合を述べたが、基板と
格子整合のとれた電気光学結晶のエピタキシヤル
成長層を用い、この成長層にリブ形導波路や、誘
電体を表面に装荷した導波路等を形成してもよ
い。
以上の説明の如く、本発明によれば安価で高性
能の導波形光変調器を得ることができる。
能の導波形光変調器を得ることができる。
第１図は本発明の基づく原理を説明する図で、
１は電気光学結晶、２は金属イオン拡散導波路、
３はイオン交換層、４は電極、５は入射光であ
る。第２図は上記の原理を説明するチヤンネル導
波光と放射光との整合条件を示すダイヤグラムで
ある。第３図は本発明の一実施例の構造と示す図
で１は電気光学結晶、２は金属イオン拡散導波
路、３はイオン交換層、４は電極、５は入射光、
６は電圧源である。第４図は第３図のｘ軸に垂直
な一断面図である。第５図と第６図は第３図の本
発明の実施例の動作を説明するチヤンネル導波光
と放射光との整合条件を示すダイヤグラムであ
る。
１は電気光学結晶、２は金属イオン拡散導波路、
３はイオン交換層、４は電極、５は入射光であ
る。第２図は上記の原理を説明するチヤンネル導
波光と放射光との整合条件を示すダイヤグラムで
ある。第３図は本発明の一実施例の構造と示す図
で１は電気光学結晶、２は金属イオン拡散導波
路、３はイオン交換層、４は電極、５は入射光、
６は電圧源である。第４図は第３図のｘ軸に垂直
な一断面図である。第５図と第６図は第３図の本
発明の実施例の動作を説明するチヤンネル導波光
と放射光との整合条件を示すダイヤグラムであ
る。
Claims (1)
- １ 電気光学結晶の表面付近に形成された一本の
チヤンネル形光導波路と該光導波路の周囲に設け
たイオン交換層と、前記チヤンネル形光導波路中
に電界を印加する手段とを有する導波形電気光学
光変調器であつて、前記イオン交換層の厚さが前
記チヤンネル形光導波路の光透過方向に沿つて周
期的に変化していることを特徴とする導波形電気
光学光変調器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16005382A JPS5949517A (ja) | 1982-09-14 | 1982-09-14 | 導波形電気光学光変調器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16005382A JPS5949517A (ja) | 1982-09-14 | 1982-09-14 | 導波形電気光学光変調器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5949517A JPS5949517A (ja) | 1984-03-22 |
| JPH0421849B2 true JPH0421849B2 (ja) | 1992-04-14 |
Family
ID=15706888
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16005382A Granted JPS5949517A (ja) | 1982-09-14 | 1982-09-14 | 導波形電気光学光変調器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5949517A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NL9100852A (nl) * | 1991-05-16 | 1992-12-16 | Nederland Ptt | Modusomzetter. |
| NL9200328A (nl) * | 1992-02-21 | 1993-09-16 | Nederland Ptt | Optische schakelcomponent. |
-
1982
- 1982-09-14 JP JP16005382A patent/JPS5949517A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5949517A (ja) | 1984-03-22 |
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