JPH0570128B2 - - Google Patents

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JPH0570128B2
JPH0570128B2 JP57155457A JP15545782A JPH0570128B2 JP H0570128 B2 JPH0570128 B2 JP H0570128B2 JP 57155457 A JP57155457 A JP 57155457A JP 15545782 A JP15545782 A JP 15545782A JP H0570128 B2 JPH0570128 B2 JP H0570128B2
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JP
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waveguide
light
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electric field
crystal
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JP57155457A
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JPS5945424A (ja
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Yoshinori Oota
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NEC Corp
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Nippon Electric Co Ltd
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL 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
    • G02F1/00Devices 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
    • G02F1/01Devices 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 
    • G02F1/03Devices 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
    • G02F1/035Devices 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。
電気光学光変調器は、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効果(ポツケ
ルス効果)を利用した高速の光変調器として古く
から研究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、結晶中を透過する
光ビームの価光面を回転させ、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
を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
導波路の幾何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。このようなパター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。
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。
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
の周囲に設けたイオン交換層と、前記チヤンネル
形光導波路中に直交する導波モード間の偏光変換
を生じさせる電界を印加する手段とによつて高性
能安価な導波形電気光学光変調器が得られる。
本発明の詳細を更に実施例によつて図面をもつ
て説明する。第1図は本発明の一実施例の構造図
であつて、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の表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
部位を挟んで向い合う電極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す
ると基板表面から2μm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=1.3μm)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
はやはり前述の如く2.255〜2.145の間に設定する
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y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。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。
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
い曲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。
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。
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。
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。
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。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の構造を示す図で、
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は入射光であ
る。第2図はチヤンネル導波光と放射光との整合
条件を示すダイアグラムである。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 電気光学結晶表面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直交
    する導波モード間の偏光変換を生じさせる電界を
    印加する手段とを有することを特徴とする導波形
    電気光学光変調器。
JP15545782A 1982-09-07 1982-09-07 導波形電気光学光変調器 Granted JPS5945424A (ja)

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JP15545782A JPS5945424A (ja) 1982-09-07 1982-09-07 導波形電気光学光変調器

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JP15545782A JPS5945424A (ja) 1982-09-07 1982-09-07 導波形電気光学光変調器

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JPS5945424A JPS5945424A (ja) 1984-03-14
JPH0570128B2 true JPH0570128B2 (ja) 1993-10-04

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ID=15606459

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Families Citing this family (2)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0627914B2 (ja) * 1985-03-15 1994-04-13 日本放送協会 光学素子
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