JPH05224246A

JPH05224246A - 光制御デバイス

Info

Publication number: JPH05224246A
Application number: JP5709792A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Nishimoto; 裕西本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1992-02-07
Filing date: 1992-02-07
Publication date: 1993-09-03

Abstract

(57)【要約】【目的】２つの電極の間、及び２つの電極の両方に隣
接してさらに電極を具備させているため、縦電界に加え
て横方向の電界を用いることができるため、偏光無依存
動作またはＴＥ動作の光スイッチ、変調器が低電圧で得
られると共に、高クロストーク及び高消光比を得ること
ができる。【構成】光制御デバイスは２本の光導波路２ａ，２ｂ
からなる光回路５と、光導波路２ａ，２ｂの上にバッフ
ァ層３を介して制御電極４ａ，４ｂが形成されている。
さらに前記電極４ａ，４ｂの間に中間電極６ａが形成さ
れており、さらに前記電極４ａ，４ｂに隣接した位置に
付加電極６ｂ，６ｃが形成されている。

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、光路切り替
えを行う光制御デバイスに関し、特に電気光学結晶基板
中に形成された光導波路を用いて制御を行う導波型光制
御デバイスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光通信システムの実用化に伴い、更に大
容量で多機能の高度なシステムが求められており、より
高速の光信号の発生や光伝走路の切り替え、交換等の新
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
調では緩和振動等の効果のため数ＧＨｚ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等の欠点がある。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、
特に電気光学結晶基板中に形成された光導波路により構
成される導波型の光変調器は小型、高効率、高速という
特長がある。

【０００３】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
ている。現在実用化されている光スイッチはプリズム、
ミラー、ファイバ等を機械的に移動させて光路を切り替
えるものであり、低速であること、形状が大きくマトリ
クス化に不適等の欠点がある。これを解決する手段とし
ても光導波路を用いた導波型の光スイッチの開発が進め
られており、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（ＬｉＮｂＯ₃ ）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、方向性結合器型光変調器
あるいは光スイッチ、マッハツェンダ型光変調器、バラ
ンスブリッジ型光変調器あるいは光スイッチ、全反射型
光スイッチ等の種々の方式の光制御デバイスが報告され
ている。

【０００４】近年、方向性結合器を用いた導波路型光ス
イッチの高密度集積化の研究開発が盛んに行われてお
り、西本裕らの文献、電子情報通信学会ＯＱＥ８８
−１４７によれば、Ｚ板のＬｉＮｂＯ₃基板を用いて方
向性結合器型光スイッチを６４素子集積した８×８マト
リクス光スイッチを得ている。また、前述した８×８マ
トリクス光スイッチは任意の偏光に成分に対してスイッ
チング機能が可能になるように集積された６４素子の方
向性結合型光スイッチのそれぞれが任意の偏波面成分に
対してスイッチングができるようになっている（今後、
偏光無依存動作と呼ぶ）。この偏光無依存動作は、光導
波路を伝搬するランダムな偏波面を有する光波において
偏波面が直交しているＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分のそ
れぞれのスイッチング電圧を一致させれば実現される。
即ち、方向性結合器のバー状態を得るための印加電圧が
任意偏波面で一致していればよい。

【０００５】一方、外部光変調器のような単一の光スイ
ッチ素子からなるデバイスの研究開発も盛んに進められ
ている。

【０００６】このような光スイッチデバイスの特性項目
には、スイッチング電圧（電力）、クロストーク、消光
比、損失、切り替え速度、強度及び位相変調周波数帯
域、温湿度及び衝撃などの環境に対する動作の安定性な
どがある。また、前述した偏光無依存動作の光スイッチ
では、任意偏光のスイッチング電圧の一致が重要であ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した特性項目の中
でもスイッチング電圧の低減、また、偏光無依存動作を
実現する上で任意偏光でのスイッチング電圧の一致が最
も重要な課題である。ここで従来の技術を図面を用いて
説明する。図４は方向性結合器５を用いた従来の光スイ
ッチの構造を示す斜視図である。図４において、Ｚ板Ｌ
ｉＮｂＯ₃基板を電気光学結晶基板１に用いている。電
気光学結晶基板１に２本の光導波路２ａ，２ｂからなる
方向性結合器５が形成されている。この時、光波が光導
波路２ａ，２ｂを伝搬する方向はＸ軸である（今後、Ｘ
軸伝搬と呼ぶ）。一般に、方向性結合器５を形成する近
接する２本の光導波路の伝搬定数はお互いに等しく成る
ように設計、製作する。この場合方向性結合器５の長さ
をある長さに設定すれば一方の光導波路２ａ，２ｂを伝
搬する光波は隣接する光導波路２ａ，２ｂにモード結合
し、光波のエネルギーは徐々に隣接する光導波路２ａ，
２ｂに移行する。光波のエネルギーの１００％が他方の
隣接する光導波路２ａ，２ｂに移行する時の方向性結合
器５の長さは完全結合長と呼ばれ、図４ではこの完全結
合長に長さを設定した方向性結合器５を用いている。更
に、前記電気光学結晶基板１上にバッファ層が装荷さ
れ、前記バッファ層３を介して金属材料からなる電極４
ａ，４ｂ（今後、金属電極と呼ぶ）が光導波路２ａ，２
ｂの上に形成される。前記バッファ層３は、金属電極４
ａ，４ｂによる光の吸収を防ぐための光学的バッファ層
として用いられ、金属電極４ａ，４ｂは高速動作が行え
るように体積低抗率が小さいものが用いられる。また、
光導波路２ａ，２ｂの上に形成された２つの電極４ａ，
４ｂの幅はＷＥで等しく、かつ、光導波路２ａ，２ｂの
光波伝搬方向に対して垂直方向の幅ＷＧと同じ程度であ
る。この構造の光制御デバイスでは光波の制御を行う電
界成分としては、Ｚ板ＬｉＮｂＯ₃基板を用いている電
気光学結晶基板１の表面に対して垂直なもの、即ちＺ軸
方向の電界成分（今後、縦電界成分と呼ぶ）を利用して
いる。この場合、光波の制御を行うために用いる光導波
路２ａ，２ｂの屈折率の変化を発生させる電気光学定数
は縦電界と平行方向のもの（今後、縦電気光学定数と呼
ぶ）である。従って、スイッチング電圧はこの縦電気光
学定数の大きさでほぼ一義的に決まり、特定のスイッチ
ング電圧しか得られない。この縦電気光学定数はＺ板Ｌ
ｉＮｂＯ₃基板、Ｘ軸伝搬において、ＴＭ偏光に対して
はｒ₃₃であり、ＴＥ偏光に対してはｒ₁₃である。また、
図２の従来の構造の光スイッチを偏光無依存動作させる
ための手段の１つとして、ＴＭ，ＴＥの両偏光における
方向性結合器の完全結合長を等しく設定し、２つの電極
４ａ，４ｂ間の電位差が零の時、即ち縦電界を発生させ
ないときには、光導波路２ａ，２ｂを伝搬する光波のエ
ネルギーは一方の光導波路から他方の光導波路へ１００
％が移行する。これはクロス状態と呼ばれている。２つ
の電極４ａ，４ｂ間に電位差を与えていくと、伝搬定数
の等しかった２本の光導波路２ａ，２ｂの間に伝搬定数
差が発生し、位相不整合が起こり隣接する光導波路２
ａ，２ｂへの光波のエネルギー移行が起こりにくくな
り、特定の電位差で光波のエネルギー移行は全く発生せ
ず、光波は初めに伝搬していた光導波路２ａ，２ｂをそ
のまま伝搬する。これはバー状態と呼ばれている。この
バー状態を得る電位差がスイッチング電圧である。バー
状態が得られる電位差は一点ではなく、完全な位相不整
合が起こる電位差ならばよい。従って、最初にバー状態
を得る電位差をＶｓとすると、２．２４Ｖｓ，３．４２
Ｖｓ等の電位差でも、バー状態が得られる。偏光無依存
動作を得るためには、前述したクロス状態を得るととも
にスイッチング電圧をＴＭ，ＴＥの各偏光間で一致させ
る必要がある。一方、各偏光のスイッチング電圧は前述
した縦電気光学定数、即ち、ＴＭ偏光に対するｒ₃₃、Ｔ
Ｅ偏光に対するｒ₁₃の大きさで一義的に決定される。こ
の場合、縦電気光学定数ｒ₃₃は異常光屈折率ｎｅの変化
を発生させ、もう一つの縦電気光学定数ｒ₁₃は常光屈折
率ｎｏの変化を生じさせる。従って、ＴＭ，ＴＥの各偏
光が同時にバー状態になる電位差を実現するためにはｒ
₃₃とｒ₁₃の比である（ｒ₃₃／ｒ₁₃）が１．０，２．２
４，３．４２等の比率である必要がある。しかし、縦電
気光学定数ｒ₃₃とｒ₁₃の大きさの比（ｒ₃₃／ｒ₁₃）は前
述した値ではなく約２．９〜３．４である。この縦電気
光学定数はＺ板ＬｉＮｂＯ₃基板固有の定数であり、調
整はできない。つまり、ランダムな偏波面を有する光波
に対しては完全なバー状態を得ることはできない。即
ち、一方の光導波路２ａ，２ｂから隣接する光導波路２
ａ，２ｂへの光波のエネルギー移行を完全には無くすこ
とはできないという欠点がある。従って、光路の切り替
えを行う光スイッチの応用ではクロストークの劣化とし
て現れ、光の強度変調器の応用では消光比の劣化を引き
起こす。また、ＴＭ，ＴＥの両偏光を同時にスイッチン
グまたは変調する動作電圧は前述したｒ₃₃，ｒ₁₃の比で
決まり、２．９〜３．４Ｖｓという高い動作電圧を必要
とする。同時にＴＥのみをスイッチングまたは変調する
ためにも高い電圧が必要とする。

【０００８】図５，６はそれぞれマッハツェンダ型光回
路、バランスブリッジ型光回路を用いた従来の光スイッ
チ・変調器の構造を示す斜視図である。図５，６の光制
御デバイスは２本の光導波路２ａ，２ｂのそれぞれの導
波光の間の位相差を用いて動作する光制御デバイスであ
る。なお、図４の出力導波路２ｃが１本でわるマッハツ
ェンダ型光制御デバイスは光変調器として用いられ、図
６のバランスブリッジ型光制御デバイスは光スイッチ・
変調器として用いられる。図５，６において、Ｚ板Ｌｉ
ＮｂＯ₃基板を電気光学結晶基板１に用いている。図
５，６のそれぞれの光制御デバイスで偏光無依存動作を
得るために必要な動作電圧は、図４を用いて説明した方
向性結合器の原理と同一に与えられ、ＴＭ偏光をスイッ
チング、または、消光する電圧をＶｓとすると、２．９
〜３．４Ｖｓである。この電圧はほぼＴＥに対する動作
電圧となる。従って、図５，６のマッハツェンダ型光制
御デバイス、バランスブリッジ型光制御デバイスの偏光
無依存動作では、高いクロストークまたは消光比、ま
た、低い動作電圧を得ることは困難である。同時に、Ｔ
Ｅのみに対して低い動作電圧を得ることは困難である。

【０００９】本発明の目的は、偏光無依存動作またはＴ
Ｅ動作の低電圧な動作、及び、任意偏波面のスイッチン
グ電圧が一致し、高クロストーク及び高消光比が可能な
偏光無依存動作が得られる光制御デバイスを与えること
にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による光制御デバ
イスは、電気光学効果を有する結晶基板に形成された２
本の近接した光導波路からなる光回路と、前記２本の各
光導波路の上、前記２本の各光導波路に挟まれた間及び
前記２本の各光導波路の近傍に形成された５本の電極と
からなる光制御デバイスであり、前記光回路を成す２本
の光導波路の上にそれぞれ形成された第１及び第２の電
極と、該第１及び第２の電極の間に形成された第３の電
極と、第１及び第２の電極に隣接した位置にそれぞれ形
成された第４及び第５の電極とを具備し、前記第１及び
第２の電極のうちのどちらか一方の電極と第４及び第５
の電極とを同じ符号の電位とし、かつ第３の電極を第４
及び第５の電極とは異なる極性の電位とせしめたことを
特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明による近接した２本の光導波路を用いた
光制御デバイスを用いれば、低電圧化が得られると共
に、高クロストーク及び高消光比に光スイッチ、変調器
が得られる。即ち、本発明では従来の構造と異なり、２
つの電極の間、及び２つの電極の両方に隣接してさらに
電極を具備させているため、縦電界に加えて横方向の電
界を用いているためである。

【００１２】

【実施例】次に本発明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に係わる光制御デバイスの
構造を示す断面図である。図１において、Ｚ板ＬｉＮｂ
Ｏ₃基板を電気光学結晶基板１に用いており、また光波
の伝搬方向はＸ軸に平行な方向である。

【００１３】図１（ａ）の光制御デバイスは２本の光導
波路２ａ，２ｂからなる光回路５と、光導波路２ａ，２
ｂの上にバッファ層３を介して電極４ａ，４ｂ（今後、
制御電極と呼ぶ）が形成されている。さらに前記電極４
ａ，４ｂの間に電極６ａ（今後、中間電極と呼ぶ）が形
成されており、さらに前記電極４ａ，４ｂに隣接した位
置に電極６ｂ，６ｃ（今後、付加電極と呼ぶ）が形成さ
れている。なお、光回路５は方向性結合器、マッハツェ
ンダ型、バランスブリッジ型などである。中間電極６ａ
及び付加電極６ｂ，６ｃは電気光学結晶基板１の上にバ
ッファ層３を介して形成されている。この時の電圧印加
方法であるが、制御電極４ａと付加電極６ｂ，６ｃへの
印加電圧は同じ符号の電位であり、例えば正の符号の電
位とする。また、もう一方の制御電極４ｂと中間電極６
ａはアースであるか、または負の電圧が印加される。こ
の時、このような電極構造を用いると縦電界成分の他
に、光波の伝搬方向に垂直で、かつＺ板ＬｉＮｂＯ₃基
板からなる電気光学結晶基板１の表面に平行な電界成
分、即ちＹ軸方向の電界成分（今後、横電界成分と呼
ぶ）を用いている。この電圧印加方法では横電界成分は
付加電極６ｂと中間電極６ａの間の電位差で発生し、片
方の光導波路２ａに寄与する。また、付加電極６ｃと中
間電極６ａの間の電位差で発生し、もう一方の光導波路
２ｂに寄与する。この横電界成分に対応する電気光学定
数はｒ₂₂であり（今後、横電気光学定数と呼ぶ）、常光
屈折率ｎｏの変化を引き起こす。即ち、ＴＥ偏光のみに
寄与する。ｒ₂₂の大きさはｒ₃₃の約１／４である。この
とき２本の光導波路２ａ，２ｂに印加される電界の方向
は逆向きになるため、２本の光導波路の常光屈折率ｎｏ
は片方の光導波路では増加し、もう片方は減少する。従
って、光導波路２ａ，２ｂを伝搬する光波がＴＥ偏光の
場合には、本発明による光制御デバイスの構造を用いれ
ば縦電気光学定数と横電気光学定数の両方を用いること
ができるため、印加電圧が従来の構造と同一でも光導波
路２ａ，２ｂの常光の屈折率ｎｏの変化を大きくするこ
とができる。従って、ＴＥに対して動作する従来の構造
の光制御デバイスに比べ低電圧動作が得られる。また、
逆に横電界成分の向きを反対にすれば、即ち、制御電極
４ａと中間電極６ａへの印加電圧は正の電位とし、ま
た、もう一方の制御電極４ｂと付加電極６ｂ，６ｃはア
ースであるか、または負の電圧を印加すれば縦電界と横
電界で発生する常光屈折率変化が打ち消されるためスイ
ッチ電圧は増大する。従って、ＴＥ偏光のスイッチ電圧
を小さくも大きくもできる。また、このときＴＥのスイ
ッチ電圧は中間電極６ａ及び付加電極６ｂ，６ｃへの印
加電圧で自由に変えられる、即ち可変可能なため偏光無
依存動作を行う光制御デバイスにおいてＴＭ，ＴＥ偏光
のそれぞれのスイッチング電圧を一致させることができ
る。即ち、ある一定の値であるＴＭ偏光のスイッチング
電圧にＴＥ偏光のスイッチング電圧を合わせることがで
きる。従って、偏光無依存動作において、光路の切り替
えを行う光スイッチの応用では高クロストークが得ら
れ、光の強度変調器等の応用では高消光比が得られる。

【００１４】図１（ｂ）は中間電極６ａ、付加電極６
ｂ，６ｃが電気光学結晶基板１に直に形成された本発明
の実施例を示す断面図であるが、付加電極６ｂ，６ｃの
直下には導波光は伝搬しないので、電極による導波光の
吸収を防ぐために用いられているバッファ層３は必要と
しない。図１（ｃ）は、光回路５がマッハツェンダ型あ
るいはバランスブリッジ型の場合であり、中間電極６ａ
の直下に導波光は伝搬しないためバッファ層３は必要な
い。このときの各電極への印加電圧は図１（ａ）または
（ｂ）と同じである。バッファ層３は通常その誘電率が
電気光学結晶基板より小さいため、バッファ層３の有無
で電極への印加電圧による電気光学結晶基板１中の電界
が異なる。即ち誘電率の小さいバッファ層３に電界が集
中し易いため、バッファ層が無い方がスイッチ電圧が小
さくなる。たとえば、バッファ層３が無い場合、スイッ
チ電圧はバッファ層３がある場合に比べて約６０％の値
になる。従って、図１（ｃ）の構造を用い、かつ前述し
た電圧印加方法をとることにより、ＴＥのスイッチ、変
調電圧はさらに低減される。また、スイッチ、変調器の
偏光無依存動作において必要とされた動作電圧は従来の
光制御デバイスでは、ＴＭのスイッチ電圧Ｖｓに対して
３．４２Ｖｓが必要であったのに対して、本発明では１
〜２．２４Ｖｓで動作させることが可能となる。

【００１５】なお、バッファ層３としてはＳｉＯ₂系，
Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｇＦ₂，ＳｉＯＮ，Ｓｉ₃Ｎ₄などが用いら
れ、電極４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂ，６ｃとしてはＡｕ，
Ａｌ，Ｍｏ，ＩＴＯ，ＺｎＯ系材料、導電性高分子など
が用いられる。なお、制御電極４ａ，４ｂに光の吸収が
なければバッファ層３を用いなくともよい。

【００１６】図２（ａ）は本発明の実施例を示すバラン
スブリッジ型光回路を用いた光制御デバイスの斜視図で
ある。動作原理は図１の実施例の説明で述べたものと同
一である。図２（ｂ）は本発明によるバランスブリッジ
型光回路を用いた光制御デバイスの別の実施例を示す斜
視図である。制御電極４ａ，４ｂと他の中間電極６ａと
電極６ｂ，６ｃとは長さが異なり、制御電極４ａ，４ｂ
の方が短い場合を示す。動作原理は図１の実施例の説明
で述べたものと同一であるが、中間電極６ａと付加電極
６ｂ，６ｃが長いため、ＴＥのみのスイッチ・変調電圧
を低減できる。従って、偏光無依存動作の場合に印加電
圧と光出力の関係で表せられるスイッチング特性をＴ
Ｍ，ＴＥで全く同一にすることが出来る。

【００１７】図３（ａ）は本発明の実施例を示すマッハ
ツェンダ型光回路を用いた光制御デバイスの斜視図であ
る。動作原理は図１の実施例の説明で述べたものと同一
である。図３（ｂ）は本発明によるマッハツェンダ型光
回路を用いた光制御デバイスの別の実施例を示す斜視図
である。制御電極４ａ，４ｂと他の中間電極６ａと電極
６ｂ，６ｃとは長さが異なり、制御電極４ａ，４ｂの方
が短い場合を示す。動作原理は図１の実施例の説明で述
べたものと同一であるが、中間電極６ａと付加電極６
ｂ，６ｃが長いため、ＴＥのみのスイッチ・変調電圧を
低減できる。従って、偏光無依存動作の場合に印加電圧
と光出力の関係で表せられるスイッチング特性をＴＭ，
ＴＥで全く同一にすることが出来る。

【００１８】なお、図２，３において制御電極４ａ，４
ｂの長さと他の中間電極６ａ及び付加電極６ｂ，６ｃの
長さとの間にはなんら制限が無いのは明かである。

【００１９】

【発明の効果】本発明を用いれば、近接した２本の光導
波路を用いた光制御デバイスにおいて、本発明では従来
の構造と異なり、２つの電極の間、及び２つの電極の両
方に隣接してさらに電極を具備させているため、縦電界
に加えて横方向の電界を用いることができる。従って、
偏光無依存動作またはＴＥ動作の光スイッチ、変調器が
低電圧で得られると共に、高クロストーク及び高消光比
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光制御デバイスの構造を示す断面図である。

【図２】別の光制御デバイスの構造を示す斜視図であ
る。

【図３】さらに別の光制御デバイスの構造を示す斜視図
である。

【図４】従来の光制御デバイスの構造を示す斜視図であ
る。

【図５】従来の光制御デバイスの構造を示す斜視図であ
る。

【図６】従来の光制御デバイスの構造を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

１電気光学結晶基板２ａ，２ｂ，２ｃ光導波路３バッファ層４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂ，６ｃ電極５２本の光導波路からなる光回路７バランスブリッジ型光回路８マッハツェンダ型光回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学効果を有する結晶基板に形成さ
れた２本の近接した光導波路からなる光回路と、前記２
本の各光導波路の上、前記２本の各光導波路に挟まれた
間及び前記２本の各光導波路の近傍に形成された５本の
電極とからなる光制御デバイスであり、前記光回路を成
す２本の光導波路の上にそれぞれ形成された第１及び第
２の電極と、該第１及び第２の電極の間に形成された第
３の電極と、第１及び第２の電極に隣接した位置にそれ
ぞれ形成された第４及び第５の電極とを具備し、前記第
１及び第２の電極のうちのどちらか一方の電極と第４及
び第５の電極とを同じ符号の電位とし、かつ第３の電極
を第４及び第５の電極とは異なる極性の電位とせしめた
ことを特徴とする光制御デバイス。