JPH05142591A - 光制御回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 導波型光制御回路に発生するＤＣドリフトに
起因する特性の変動を抑圧する。 【構成】 Ｚ−Ｃｕｔ ＬｉＮｂＯ₃基板１１上に光導
波路１２，１３を設け方向性結合器１４を形成する。光
導波路上に光制御電極１５，１６を設けスイッチ１９に
よりスイッチ電圧Ｖ_Sを印加できる。また基板１１を薄
膜化した後、その裏面にバイアス電極１８を設け光制御
電極１５，１６との間にバイアス電圧Ｖ_Bを印加する。 【効果】 本発明によれば安定な動作が得られる光制御
回路を実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光波の変調，光切り替え
などを行う光制御デバイスに関し、特に基板中に設けた
光導波路を用いて制御を行う導波型の光制御デバイスに
関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信システムの実用化が進むにつれ、
さらに大容量や多機能を持つ高度のシステムが求められ
ており、より高度の光信号の発生や光伝送路の切り替
え，交換などの新たな機能の付加が必要とされている。
現在の実用システムでは光信号は直接半導体レーザや発
光ダイオードの注入電流を変調することによって得られ
ているが、直接変調では緩和振動などの効果のため、１
０ＧＨｚ前後以上の高速変調が難しいこと、波長変動が
発生するためコヒーレント光伝送方式には適用が難しい
などの欠点がある。

【０００３】これ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、特に基板中に形成した光導波路
により構成した導波型の光変調器は、小型，高効率，高
速という特長がある。

【０００４】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、光スイッチが使用され
る。現在実用されている光スイッチは、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、
低速であること，信頼性が不十分，形状が大きくマトリ
クス化に不適当の欠点がある。

【０００５】これを解決する手段として開発が進められ
ているものはやはり光導波路を用いた導波型の光スイッ
チであり、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ＬｉＮｂＯ₃と
する）結晶等の強誘電体材料を用いたものは、光吸収が
小さく低損失であること、大きな電気光学効果を有して
いるため高効率である等の特長があり、従来からも方向
性結合器型光変調器・スイッチ，全反射型光スイッチ又
はマッハツェンダ型光変調器等の種々の方式の光制御素
子が報告されている。

【０００６】図５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、また図６に、図
５の切断線Ａ−Ａ’に沿った断面図を示す。図５におい
てＬｉＮｂＯ₃結晶基板５１上にＴｉを拡散して屈折率
を基板よりも大きくして形成したストライプ状の光導波
路５２及び５３が形成されており、光導波路５２及び５
３は中央部で互いに数μｍ程度まで近接し、方向性結合
器５４を形成している。

【０００７】また、方向性結合器５４を構成する光導波
路上には、図６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及び５６が
形成されている。

【０００８】光制御電極５５と５６が同電位の場合、光
導波路５２に入射した入射光１は、方向性結合器５４の
部分を伝搬するにしたがって近接した光導波路５３へ徐
々に光エネルギーが移り、方向性結合器５４を通過後は
光導波路５３にほぼ１００％エネルギーが移って出射光
２となる。

【０００９】一方電極５５，５６間に電圧を印加した場
合、電極間に発生する電界によるＬｉＮｂＯ₃の電気光
学効果で制御電極下の光導波路の屈折率が変化し、光導
波路５２と５３を伝搬する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。印加電
圧の増加によって光導波路５３の出射光２の強度は減少
し、ある特定の電圧（以下Ｖ_Sとする）において極小値
をとる。この時、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０Ｖにおいて出射光２が最大に、−Ｖ_Sにお
いて最小になる。図３に印加電圧に対する出射光２の変
化の一例を実線３で示す。

【００１０】従って、光伝送路の切り替えを行う場合
は、電極間の電圧を０ないしはＶ_Sとすることにより光
信号の出力先を選択する。

【００１１】このような導波型の光制御素子を実際の光
通信システムに適用する場合、低損失，高速性等の基本
的性能と同時に特に、動作特性の安定性が重要である。
しかし従来の導波型光制御デバイスでは、動作特性の安
定性に関しては十分な特性が得られていない。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従来の光スイッチにお
いては、伝送路の切り替えのために電圧を印加した状態
を続けると、スイッチの光出力−電圧特性が印加電圧方
向へドリフトする現象が起こる（以下この現象をＤＣド
リフトと呼ぶ）。ＤＣドリフトにより変化した光スイッ
チの電圧−光出力特性の一例を図３の破線４に示す。Ｄ
Ｃドリフトが発生すると、出射光２の最大値，最小値が
得られる電圧はそれぞれ０，Ｖ_SからΔＶ，Ｖ_S＋ΔＶへ
とシフトする。

【００１３】このドリフト電圧ΔＶは、電圧印加時間及
び印加電圧により変化し、図４に示すように一定時間で
ドリフト量は飽和する。またＤＣドリフトは可逆的な現
象であり電圧を除くと減少し、ΔＶは０に戻る。

【００１４】このＤＣドリフトの原因は、ドリフト量の
飽和特性及び可逆性より基板ないしはＳｉＯ₂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
動して反電界を形成し、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。

【００１５】以上説明したＤＣドリフトが発生すると、
光スイッチの特性は、スイッチング状態の履歴により変
動することになり、例えば動作電圧を一定に設定した場
合、クロストーク劣化が起こり安定な動作が望めず、実
用化の上で大きな問題となっている。

【００１６】本発明の目的は上述の従来の光制御回路に
おいて発生しているＤＣドリフトによる特性の変動を抑
圧し、安定な動作が得られる光制御回路を提供すること
にある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る光制御回路においては、電気光学効果
を有する誘電体基板に形成された光導波路と、前記光導
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、前記誘電体基板の前記光制御電極形成面に
対し裏面に設けられ、前記光制御電極に対しバイアスさ
れたバイアス電極と、前記誘電体基板を固着する支持基
板とを有するものである。

【００１８】また、誘電体基板を薄膜化したものであ
る。

【００１９】

【作用】本発明では光制御電極とバイアス電極間に常時
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、スイッチングあるいは変調時のドリフトを抑圧
し、安定な動作をする光制御回路が得られる。

【００２０】また誘電体基板厚を薄くすることにより、
基板内の電界強度を大きくし、不純物イオンの移動を押
さえるのに必要なバイアス電圧を低くすることができ
る。さらに薄膜化した誘電体基板は支持基板に固着され
ているため安定である。

【００２１】

【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。図１は本発明の一実施例を示す斜視図であ
る。また図２は、図１の切断線Ａ−Ａ’に沿った断面図
である。

【００２２】図１において、Ｚ−Ｃｕｔ ＬｉＮｂＯ₃
基板１１のＺ面上にストライプ状のＴｉを９００〜１１
００℃で数時間拡散することにより幅３〜１０μｍ程度
の光導波路１２，１３を形成する。

【００２３】光導波路１２及び１３は、中央部で互いに
数μｍ程度まで近接し方向性結合器１４を形成してい
る。方向性結合器１４の長さは、光導波路間の光の移動
が１００％となるよう設定されている。また方向性結合
器１４を構成する光導波路上には、電極による光吸収を
防ぐためのバッファ層１７を介して光制御電極１５，１
６が形成されている。

【００２４】基板１１の光導波路１２，１３及び光制御
電極１５，１６を形成した面には支持基板２２が固着さ
れている。支持基板２２の幅は基板１１の幅より大き
く、かつ支持基板上には電極引出し線２３，２４が形成
されており、光制御電極１５，１６と接続されている。

【００２５】またＬｉＮｂＯ₃基板１１の裏面である＋
Ｚ面は、支持基板固着後に研削加工により光導波路厚の
５〜１０倍程度にまで薄膜化され、光制御電極１５，１
６と対向するようにバイアス電極１８が形成されてい
る。

【００２６】光制御電極１６は接地され、光制御電極１
５，１６間には、スイッチ１９を切り換えることにより
スイッチ電圧Ｖ_Sを印加できるようにスイッチ電源２０
が接続される。バイアス電極１８と光制御電極１５，１
６間には、スイッチ電圧Ｖ_Sよりも充分に大きい負のバ
イアス電圧Ｖ_Bが常時印加されている。

【００２７】光制御電極１５と１６間が同電位の場合、
光導波路１２に入射した入射光１は、方向性結合器１４
の部分を伝搬するにしたがって近接した光導波路１３へ
徐々に光エネルギーが移り、方向性結合器１４を通過後
は光導波路１３にほぼ１００％エネルギーが移って出射
光２となる。

【００２８】一方、光制御電極１５，１６間にスイッチ
電圧Ｖ_Sを印加した場合、電極間に発生する電界による
ＬｉＮｂＯ₃の電気光学効果で制御電極下の光導波路の
屈折率が変化し、光導波路１２と１３を伝搬する導波モ
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
態は変化し、出射光２の強度はほとんど０となる。

【００２９】本発明の構成では、光制御電極とバイアス
電極間に常時スイッチ電圧Ｖ_Sよりも充分に大きい負バ
イアス電圧Ｖ_Bを印加しているため、基板に含まれるプ
ラスの不純物イオンがバイアス電圧に引かれて移動して
バイアス電極近傍に集中し光制御電極近傍から不純物イ
オンが無くなり、光制御電極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ＤＣ
ドリフトもなくなる。

【００３０】バイアス電極に不純物イオンを引き付ける
力は電界強度分布に比例する。従って、通常０．５〜１
ｍｍあるＬｉＮｂＯ₃基板厚を５０〜１００μｍ程度に
まで薄膜化することにより、基板内部の電界強度を大き
くしバイアス電圧を１／１０以下に低減することができ
る。

【００３１】また基板は薄膜化することにより破損しや
すくなるが、本発明では、高温に晒され一番破損の可能
性の高いＴｉ熱拡散後に薄膜化を行い、さらに研削前に
基板を支持基板に貼付けることにより保護しており、ク
ラックが入る可能性は低く安全である。

【００３２】本発明では、バイアス電圧による電気光学
効果によっても光導波路の屈折率は変化するが、光導波
路１２及び１３にかかる電界の強度・向きは等しくなる
ため両導波路を伝播する光の導波モードの間に位相速度
の不整合は生じないため、スイッチ動作には全く影響を
及ぼさない。

【００３３】以上Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ₃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が得られる。

【００３４】また本実施例では、負バイアス電圧を印加
する場合について説明したが、ＬｉＮｂＯ₃基板に含ま
れる不純物イオンの極性が負イオンである場合は、正バ
イアス電圧を印加することにより同様の効果が得られ
る。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、光
制御電極とバイアス電極間に常時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。

【００３６】従って、ＤＣドリフトによる特性の変動を
抑圧し、安定な動作が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】

【図１】本発明の一実施例を示す斜視図である。

【図２】本発明の一実施例を示す断面図である。

【図３】ＬｉＮｂＯ₃光スイッチのＤＣドリフト発生
前、及びＤＣドリフト発生後の電圧−光出力特性の一例
を示す図である。

【図４】ＬｉＮｂＯ₃光スイッチの時間−ＤＣドリフト
量特性の一例を示す図である。

【図５】従来例を示す平面図である。

【図６】従来例を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 入射光 ２ 出射光 ３ ＤＣドリフト発生前の電圧−光出力特性 ４ ＤＣドリフト発生後の電圧−光出力特性 １１，５１ ＬｉＮｂＯ₃基板 １２，１３，５２，５３ 光導波路 １４，５４ 方向性結合器 １５，１６，５５，５６ 光制御電極 １７，５７ バッファ層 １８ バイアス電極 １９，５９ スイッチ ２０，６０ スイッチ電源 ２１ バイアス電源 ２２ 支持基板 ２３，２４ 電極引出し線

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気光学効果を有する誘電体基板に形成
   された光導波路と、 前記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、 前記誘電体基板の前記光制御電極形成面に対し裏面に設
   けられ、前記光制御電極に対しバイアスされたバイアス
   電極と、 前記誘電体基板を固着する支持基板とを有することを特
   徴とする光制御回路。
2. 【請求項２】 前記請求項１に記載の誘電体基板を薄膜
   化したものであることを特徴とする請求項１に記載の光
   制御回路。