JPH0449098B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (a) 発明の技術分野 本発明は、光回路素子に係り、とくに交差型光
導波路を用いる光スイツチに関する。

(b) 技術の背景 現在実用化されている光回路においては、レン
ズ、フイルター、アイソレーター、スイツチ等の
回路部品はそれぞれが独立しており、その小型
化、集積化が困難であると共に、回路形成時にこ
れら回路部品相互間における高精度の光軸調整が
必要であり、かつまた形成された光回路に対する
充分な耐震性が要求される。

上記従来の光回路部品における種々の難点を解
決するものとして、基板上に形成された光導波路
を用いる光回路の開発が活発に行われている。

(c) 従来技術と問題点 光導波路を用いる光回路素子の基本となる光ス
イツチとしては、従来、方向性結合型および全反
射型のものが提案されている。

前者は素子長が長く、かつ高度の寸法精度を要
求される等の問題があり、一方、後者は動作電圧
が高いという欠点があつた。

本発明者らは、すでに光導波路の交差部分にお
ける屈折率を高くすることによつて、動作電圧の
低い光スイツチが得られることを見出している
（特願昭55−164091）。

(d) 発明の目的 本発明は、交差型光導波路を用い、低電圧動作
が可能な新規な構造の光スイツチを提供すること
を目的とする。

(e) 発明の構成 本発明は、電気光学結晶基板上に一定幅の直線
導波路が交差する形状に作られた交差導波路の上
に電極が形成され、光入射側導波路端がなす交差
角頂点と光出射側導波路端がなす交差角頂点とを
結ぶ線に対して、その長辺が平行にかつ該線に対
して対称になるようにして導波路の幅より細い屈
折率変化領域を該光導波路の交差部に設けた構造
をもち、該電極への印加電圧による上記領域の屈
折率の変化に対して、直進光出力と分岐光出力が
位相反転した周期特性を示す素子であつて、０電
圧印加状態が該導波路の幅、交差角、拡散物質濃
度によつて、上記特性の屈折率軸上の種々の点に
設定できることを特徴とする。

(f) 発明の実施例 以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。

第１図は交差型光導波路を模式的に示した図で
あり、例えばニオブ酸リチウム（LiNb03）等の
電気光学結晶から成る基板１の表面に、例えば２
つの帯状チタン薄膜層２を交差するように形成
し、これを例えば1040℃で５時間、熱処理を行う
ことにより、前記チタン薄膜層２が前記基板１に
拡散し、該基板１より屈折率が高い層３が形成さ
れ、これが光導波路として用いられる。

第２図は、上記のようにして形成された光導波
路を用いた本発明に係る光スイツチの１構成例の
概要を示す図である。

第２図において、２つの光導波路の交差部分に
長方形の電極４が、その長辺を該２つの光導波路
の光入射側部分３１および３２の端辺がなす交差
角頂点Ｐと光出射側部分３３および３４の端辺が
なす交差角頂点Ｑを結んだ線に対して平行に、か
つ該線に関して対称になるようにして設けられて
いる。

ここで言う電極の形状とは、厳密には電極その
ものの形状ではなく、該電極に対する信号電圧の
印加によつて該電極下の光導波路部分に形成され
る屈折率変化領域の形状を意味するものであつ
て、以下の説明においても便利上この表現を用い
ている。

上記の構成において、電極４に信号電圧を印加
し、光導波路の該電極４に対向する領域の屈折率
を変化させることにより、矢印Ｘ方向から入射す
る光を矢印Ｙの方向に直進、あるいは矢印Ｚの方
向に偏向（分岐）させる。

この場合、信号電圧の極性と大きさに応じて、
電極４に対向する前記領域（屈折率変化領域）の
屈折率は増加（＋Δn効果）あるいは減少（−Δn
効果）を示す。

本発明は、光が進行する光導波路を切り換える
場合に、少なくとも上記＋Δn効果を用いる点に
おいて従来の全反射型光スイツチとは異なつてお
り、この点が本発明に係る光スイツチの低電圧動
作ならびに光導波路間の低クロストークの実現を
可能にするのである。

第３図は、第２図に示した構成の光スイツチに
おける信号電圧の印加にともなう屈折率の変化に
対する直進光出力Ｓおよび分岐光出力Ｂの変化の
一例を示す図である。

同図の光スイツチは、基板としてLiNb03を用
い、これにチタンを拡散して光導波路を形成した
もので、光導波路幅7.5μｍ、交差角1.7°、電極幅
4μｍ、基板と光導波路の屈折率差（無信号時）
は0.004である。

第３図に示すように、本例の光スイツチにおい
ては、無信号時（Δn＝０）には、直進光出力Ｓ
と分岐光出力Ｂとはほぼ等しい。すなわち、第２
図において矢印Ｘ方向から入射した光の約1/2が
矢印Ｚの方向へ分岐して出射されている。

いま、屈折率を増加させるように信号電圧を印
加すると、Δn＝0.0012付近で分岐光出力Ｂは極
大となり、直進光出力Ｓは極小となる。

一方、屈折率を減少させるように信号電圧を印
加すると、Δn＝−0.0012付近で直進光出力Ｓは
極大となり、分岐光出力Ｂは極小となる。

これに対して従来の全反射型光スイツチの場合
には、無信号時（Δn＝０）において直進光出力
が最大となり、信号電圧印加時（Δn＜０）にお
いて分岐光出力が最大となるように設計されてい
る。

また、本発明の光スイツチが従来の全反射型の
ものと異なる他の重要な点は、本発明の光スイツ
チは第２図に示すように対称構造の電極を有する
ために、１つの光スイツチ素子が２×２型のスイ
ツチ（１つのスイツチ素子に関して入射光方向お
よび出射光方向が２方向ずつあり、いずれの入射
光方向と出射光方向の組合せに対してもスイツチ
機能を有するもの）として機能することができる
点である。これに対し、従来の全反射型光スイツ
チは１×２型のスイツチ（入射光方向１方向と出
射光方向２方向を有し、これらの組合せ方向は２
つであるもの）としての機能しか持たせることが
できず、２×２型と同等の機能とするためには光
スイツチ素子を４つ必要とした。このことから、
本発明の光スイツチによれば、光回路素子の集積
化においても有利となる。

上記から推測されるように、本発明の光スイツ
チは従来の全反射型光スイツチとは異つた動作機
構にもとづくものであつて、以下両者の動作を比
較して説明する。

本発明の光スイツチは、第２図に示すように電
極４は光導波路交差部中央に対称に配置され、そ
の幅は光導波路の幅および交差角等の導波路の形
状、光の波長等の条件に応じて最適値を有し、一
般に光導波路の幅より小さい値をとる。

これに対して全反射型光スイツチでは、電極４
は第４図に示すように、一般に交差部中心線Ｌ−
Ｌを越えないようにして、光入射側（矢印Ｘ）と
反対側に偏つて配置される。また、その幅は光を
分岐側（矢印Ｚ）に完全に分岐させるために、で
きるだけ大きくし、これによつて全反射を行うた
めの障壁を厚くすることが行われる。

上記本発明および従来の全反射型の光スイツチ
内における光の伝播状況を理論的解析法を用いて
調べた結果を第５図から第８図に示す。

第５図および第６図は全反射型光スイツチの動
作機構を示し、第５図は信号がオフの状態、第６
図はオンの状態である。

全反射型光スイツチにおいては、オフ状態で光
が直進し、この状態における分岐側への光の漏れ
（クロストーク）を十分小さくするために、交差
角を大きく選ぶ等が必要となる。第５図の例は交
差角2°であり、大部分の光パワーはほぼ交差部を
直進して伝播しているが、分岐側に僅かに光の漏
れが認められる。一方、この光スイツチのオン状
態では、第６図に示すように、光パワーは基本モ
ード状態が保たれたままで伝播し、全反射障壁７
で反射されて分岐側へ進む。この光スイツチ機構
においては、通常の光の全反射現象そのものが表
現されている。

これに対し、第７図および第８図は本発明の光
スイツチの動作機構を示し、全反射型光スイツチ
のオフ状態に相当（直進）するのが第７図、オン
状態に相当（分岐）するのが第８図である。両図
の場合においては、第３図の例と異なつて、光は
＋Δn効果で直進、−Δn効果で分岐する。

第７図の場合、屈折率変化Δnは＋0.001であ
り、また、光の軌跡は直線でなく２回蛇行して直
進側の光導波路を進んでいる。このように、第５
図における直進の場合とは、信号電圧を印加して
いる点はもちろん、その軌跡も異つている。ま
た、第８図の場合は屈折率変化Δnは−0.0005で
あり、光はほぼ１回の屈曲で分岐側へ進む。しか
しながら、この方向を転ずる場所が障壁の手前で
はなく、むしろ、光導波路の壁面近傍であり、こ
の点でも全反射型光スイツチの場合と異なつてい
る。これら本発明の光スイツチにおける光の伝播
現象は、方向性結合器におけるパワーの遷移と類
似するものである。

また、第３図に示した交差型光導波路（交差角
1.7°）の場合には、直進は−Δn効果により、また
分岐は＋Δn効果によつて実現されるのに対し、
第７図および第８図の場合（交差角1°）にはこれ
と逆の屈折率変化によつて動作が行われることは
注目すべき点である。

すなわち、本発明の光スイツチにおいては、光
導波路および電極の設計条件によつて、スイツチ
動作を行う電圧の大きさおよびその極性を種々異
なるように設定できるのである。これは、本発明
の光スイツチにおいては、第９図に示すように、
電極下の領域における屈折率変化（Δn）に対し
直進光出力Ｓおよび分岐光出力Ｂが周期性を有
し、このような周期上における０電圧状態は、光
導波路の設計条件（拡散物質濃度、光導波路幅、
電極幅、交差角等）によつてΔn軸上の種々の点
に設定できるためである。したがつて、この設計
条件によつては、０電圧状態（Δn＝０）で直進
状態とすることも、あるいは、分岐状態とするこ
とも可能であり、また、同極性の大きさの異なる
印加電圧によつて隣り合う直進光の極大と分岐光
の極大を選択し、スイツチ動作を行わせることも
可能である。

(g) 発明の効果 本発明によれば、動作電圧が低くクロストーク
の小さい光スイツチを提供可能とし、また、２×
２型の光スイツチを構成できるので、高集積度の
光スイツチを提供可能とする効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は光導波路の基本構造を示す図、第２図
は本発明に係る光スイツチの構成を示す図、第３
図は本発明に係る光スイツチにおける屈折率変化
と光出力の関係の一例を示す図、第４図は全反射
型の光スイツチにおける電極配置と動作を説明す
るための図、第５図および第６図は全反射型の光
スイツチの光導波路内における光の伝播状況の一
例を示す図、第７図および第８図は本発明の光ス
イツチの光導波路内における光の伝播状況の一例
を示す図、第９図は本発明の光スイツチにおける
屈折率変化と光出力の周期性の一例を示す図であ
る。 図において、１は基板、２はチタン薄膜層、３
は光導波路、４は電極、７は全反射障壁、３１お
よび３２は光導波路の光入射側部分、３３および
３４は光導波路の光出射側部分、ＰおよびＱは光
導波路の交差角頂点、Ｓは直進光出力、Ｂは分岐
光出力である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電気光学結晶基板上に一定幅の直線導波路が
   交差する形状に作られた交差導波路の上に電極が
   形成され、光入射側導波路端がなす交差角頂点と
   光出射側導波路端がなす交差角頂点とを結ぶ線に
   対して、その長辺が並行にかつ該線に対して対称
   になるようにして導波路の幅より細い屈折率変化
   領域を該光導波路の交差部に設けた構造をもち、
   該電極への印加電圧による上記領域の屈折率の変
   化に対して、直進光出力と分岐光出力が位相反転
   した周期特性を示す素子であつて、０電圧印加状
   態が該導波路の幅、交差角、拡散物質濃度によつ
   て、上記特性の屈折率軸上の種々の点に設定でき
   ることを特徴とする光スイツチ。 ２ 上記０電圧印加状態が上記導波路の幅、交差
   角、拡散物質濃度の選択によつて、直進導波路ま
   たは分岐導波路の一方に全光パワーが集中する
   か、直進導波路と分岐導波路に等量の光パワーが
   出射する状態となるように形成されていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光スイツ
   チ。