JPH07325276A

JPH07325276A - 偏波無依存光制御素子

Info

Publication number: JPH07325276A
Application number: JP11724594A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Miyazawa; 弘宮澤; Yasuyuki Inoue; 靖之井上; Osamu Mitomi; 修三冨
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1994-05-30
Filing date: 1994-05-30
Publication date: 1995-12-12

Abstract

(57)【要約】【目的】低駆動電圧で高速動作が可能な、小型で入力
光の偏波状態に依存しない偏波無依存光制御素子を提供
する。【構成】電気光学効果を有する基板１の表面付近に形
成された光導波路２と、該光導波路２が形成された前記
基板１面上に配置された電極３Ａおよび３Ｂとを備え、
前記電極３Ａおよび３Ｂに印加される駆動電圧により前
記光導波路２と前記電極との相互作用領域が形成される
光制御素子において、波長板４および反射層５を有しか
つ光の偏波面を実質的に９０°前後回転して折り返す折
返し部を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光変調器や光スイッチ
などの光制御素子の中で、小型で駆動電圧が小さく、入
力光の偏波状態に依存しない偏波無依存光制御素子に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】高速かつ大容量の光伝送システム、光交
換システムにおいては、高速で駆動するために、駆動電
圧が小さい光制御素子が有用である。この種の光制御素
子の一例としては、光スイッチや位相変調器、光強度変
調器等があり、基本技術としてプリズムや光ファイバを
機械的に移動させるメカニカル型、石英系ガラス導波路
等で用いられる熱光学効果型、Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ₃ 導
波路等で用いられる電気光学効果型、等に大別される。
この中でメカニカル型や熱光学効果型の光制御素子は偏
波依存性はないが、その応答速度が１ｍｓｅｃ程度以上
と遅いという問題がある。

【０００３】一方、電気光学効果型光制御素子は応答速
度が極めて速いという特徴を持っている。しかしなが
ら、同じ電圧あるいは電界を印加しても、屈折率変化が
光の偏波方向によって異なり、その動作が偏波方向に依
存したものになってしまうという問題があった。

【０００４】図１３には、従来の光制御素子としてマッ
ハツェンダ型光強度変調器を示し、（Ａ）は平面図、
（Ｂ）はそのＦ−Ｆ線断面図を図１３に示す。この光強
度変調器では、例えば電気光学効果を有するｚ板ＬｉＮ
ｂＯ₃ （ＬＮ）基板０１上に、例えばＴｉ熱拡散により
光導波路０２が形成されている。この光導波路０２は、
入力側導波路２ａがＹ分岐合波部０９Ａで２つの導波路
０２ｂおよび０２ｃに分岐し、これらがさらにＹ分岐合
波部０９Ｂで合流されて出力側導波路０２ｄとなるよう
に形成され、マッハツェンダ干渉計を構成している。こ
の基板０１の表面全体にはＳｉＯ₂ バッファ層０８が１
μｍ程度の厚さで形成されている。さらに、このバッフ
ァ層０８の上の導波路０２ｂおよび０２ｃの上方には、
それぞれ電極０３Ａおよび０３Ｂが形成されており、電
極０３Ａおよび０３Ｂ間には駆動電源０１０から電圧Ｖ
が供給されるようになっている。

【０００５】ここで、強度が一定の入射光０６を入射側
光導波路０２ａに入射させると、光マッハツェンダ干渉
計を構成するＹ分岐部０９Ａで二つの光導波路０２ｂお
よび０２ｃにパワーが分配される。そして、光導波路０
２ｂおよび０２ｃと電極０３Ａおよび０３Ｂに印加した
電圧とが相互作用する領域でその入力電圧に応じて光の
屈折率あるいは位相が変化し、Ｙ合波部０９Ｂで光が干
渉し合い出射光０７の強度が変化する。

【０００６】このような光導波路０２内では、基板面に
垂直方向の偏波成分を有するＴＭモードと基板面に水平
方向の偏波成分を有するＴＥモードと呼ばれる直交する
二つの偏波モードが伝搬する。光導波路０２ｂおよび０
２ｃと電極０３Ａおよび０３Ｂに印加した電圧とが相互
作用する領域では、光の伝搬方向をＬＮ結晶のｘ軸方向
とし、光導波路０２ｂおよび０２ｃ内における実効的な
電界をＥｚとした場合、ＴＭモードに対する屈折率変化
Δｎ（ＴＭ）は、ＴＥモードに対する屈折率変化Δｎ
（ＴＥ）の約３倍である。ここで、駆動電圧Ｖｐと相互
作用長Ｌとは、次の（１）式の関係がある。

【０００７】

【数１】Ｖｐ・Ｌ＝Γ …（１）ここで、Γは、光変調器の材質、構造等により決まる定
数で示される関係があるため、従来例においては、ＴＭ
モード（ＴＥモード）に対する定数ΓをΓ（ＴＭ）（Γ
（ＴＥ））とすると、両者には次の（２）式の関係があ
る。

【０００８】

【数２】 Γ（ＴＥ）≒３Γ（ＴＭ） …（２）図１４は、図１３において電極の長さ（相互作用長）を
２０ｍｍとした場合に波長１．３μｍにおいて得られた
特性の一例である。光がＯＮ／ＯＦＦするのに要する電
圧（駆動電圧）はＶｐ（ＴＭ）が５Ｖであるのに対し、
Ｖｐ（ＴＥ）は１５Ｖであった。これは、上述した
（１）式および（２）式の関係から推定される値と一致
している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例によれば、ＴＭ／ＴＥモードとも同時にＯＮ／ＯＦ
Ｆする場合には、電圧が０Ｖ／１５Ｖにおいて達成され
るため、駆動電圧として最低１５Ｖ必要であり、高速で
動作させる場合に駆動電圧にとって大きな負担となる。
また、相互作用長を基板の大きさより長くすることは困
難であるため、駆動電圧の低減には限界がある。さら
に、両モードのＯＦＦ電圧がずれると、消光比劣化が生
じてしまい、システム上許容される消光比を確保できな
くなることが予想される。

【００１０】本発明は、上述した従来の問題点を解消
し、低駆動電圧で高速動作が可能な、小型で入力光の偏
波状態に依存しない偏波無依存光制御素子を提供するこ
とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の第１の態様は、電気光学効果を有する基板の表面付
近に形成された光導波路と、該光導波路が形成された前
記基板面上に配置された電極とを備え、前記電極に印加
される駆動電圧により前記光導波路と前記電極との相互
作用領域が形成される光制御素子において、波長板およ
び反射層を有しかつ光の偏波面を実質的に９０°前後回
転して折り返す折返し部を前記光導波路の少なくとも一
ヶ所に具備することを特徴とする偏波無依存光制御素子
にある。

【００１２】本発明の第２の態様は、第１の態様におい
て、前記折返し部に接続する光導波路は、当該折返し部
に光を導入する光導波路と折り返された光を導波する光
導波路とが同じであることを特徴とする偏波無依存光制
御素子にある。

【００１３】本発明の第３の態様は、第１の態様におい
て、前記折返し部に接続する光導波路は、当該折返し部
に光を導入する光導波路と折り返された光を導波する光
導波路とが異なる光路変換型光導波路であることを特徴
とする偏波無依存光制御素子にある。

【００１４】

【作用】本発明によれば、光導波路の折返し部におい
て、波長板により偏波方向を９０°前後回転させて反射
させることで、相互作用領域の往路と復路とで偏波方向
が９０゜異なる光を通過させることにより、入力光の偏
波状態によらず、かつ実効的な相互作用長を長くするこ
とができるため、駆動電圧を非常に低減することができ
る。また、同じ駆動電圧に対して全素子長を短くするこ
とができるため、小型化も図ることができる。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００１６】図１（Ａ）および（Ｂ）は、本発明による
光制御素子としてマッハツェンダ型光強度変調器の第１
の実施例を説明するもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は
そのＡ−Ａ線断面の一部拡大図である。

【００１７】本実施例では、基本的には図１３（Ａ）お
よび（Ｂ）に示した従来例と同様に、電気光学効果を有
するｚ板ＬｉＮｂＯ₃ 基板１上にＴｉ熱拡散法により光
導波路２を形成している。この光導波路２は、入出力導
波路２ａがＹ合波分岐部９を介して光導波路２ｂおよび
２ｃに分岐されて、基板１の入出力導波路２が形成され
ている側とは反対側の端面まで延びている。そして、こ
の端面には薄膜型１／４波長板４および高反射膜５が設
けられており、光導波路２ｂおよび２ｃは、それぞれ折
返し光導波路となっている。また、基板１の表面全体に
は、バッファ層８が形成されており、このバッファ層８
を介して光導波路２ｂおよび２ｃ上には電極３Ａおよび
３Ｂが配置されている。バッファ層８は、光導波路２を
伝搬する光が電極３Ａおよび３Ｂによる吸収損失を少な
くするために設けられるもので、例えばＳｉＯ₂ を用
い、例えば１μｍ程度の厚さで形成する。なお、バッフ
ァ層８は、特に指定のない限り、以下の実施例において
も同様に形成されているものとする。

【００１８】図２に、第１の実施例の折返し光導波路端
部近傍の拡大平面図および断面図の一例を示す。研磨等
で形成した光導波路の折返し端部に設けられた１／４波
長板４は、片側に高反射膜５を形成したものを、その主
軸が基板１の面に対する傾きが４５°となるように接合
した。ここで、この波長板４は、（２ｎ＋１）／４波長
板（ｎは０以上の整数）でも、偏波面を実質的に９０°
回転することになる。なお、目的とする素子の精度等に
より、回転誤差が数°許容される場合もあり、本発明は
かかる誤差を９０°前後として示す。また、光導波路２
ｂおよび２ｃの端部と波長板４との屈折率不整合による
不要な反射光を除去するため、光導波路２ｂおよび２ｃ
端部と波長板との間に反射防止膜を形成している。な
お、波長板４の厚さは、厚いほど損失が大きくなるた
め、薄い方が望ましい。

【００１９】次に、上記構成による光変調器の動作につ
いて説明する。

【００２０】強度が一定の入射光６を光導波路２ａに入
射させると、光マッハツェンダ干渉計を構成するＹ分岐
部９で二つの光導波路２ｂおよび２ｃにパワーが分配さ
れる。光導波路２ｂおよび２ｃと電極３とが相互作用す
る領域（長さＬ）でその入力信号に応じて光の屈折率あ
るいは位相が変化する。折返し部において、光が４５°
傾いた１／４波長板４を往復するため、実効的に１／２
波長板を通過したことと同じになり、ＴＭモードがＴＥ
モードへ、ＴＥモードがＴＭモードへ変換される。変換
された光はそれぞれ光導波路２ｂおよび２ｃを戻り、再
び相互作用領域を経てＹ分岐部９で光が合波され、出射
光７として出射する。入射光は、同じ相互作用領域を異
なったモードで屈折率変化を受けるため、分岐してから
合波するまで、各モードとも二つの光導波路間の屈折率
変化を同じように受ける。したがって、合波部で干渉し
合い出射光７の強度が変化する。

【００２１】図１３で示した従来構造におけるＴＭモー
ド（ＴＥモード）における駆動電圧をＶｐ（ＴＭ）（Ｖ
ｐ（ＴＥ））とすると、駆動電圧Ｖｐ（ＴＭ＋ＴＥ）
は、

【００２２】

【数３】 Vp(TM+TE)＝(1/(1/Vp(TM)+1/Vp(TE)) ＝Vp(TM)Vp(TE)/(Vp(TM)+Vp(TE)) …（３）で与えられる。このとき、相互作用長ＬとＴＭモード
（ＴＥモード）に対するΓ（ＴＭ）（Γ（ＴＥ））は、
従来構造の値とほぼ同じとする。

【００２３】図３は波長１．３μｍの光を用いたときの
印加電圧に対する光出力特性である。ここで、横軸は電
極に印加した電圧を縦軸に出射光強度を示す。駆動電圧
は３．８Ｖであり、入射光の偏波によらず同じ特性を示
すことがわかる。ここで、入射光と出射光は、変調器外
部の合分波器で分離して測定した。図１４で示した従来
例におけるＶｐ（ＴＭ）＝５Ｖ、Ｖｐ＝（ＴＥ）１５Ｖ
の値から、上記（３）式を用いて駆動電圧Ｖｐ（ＴＭ＋
ＴＥ）を推定すると、３．７５Ｖであり、実験結果と良
く一致していることがわかる。よって、本発明による構
成によって偏波無依存光強度変調器は、従来の構成によ
るものと比較して１／４程度の駆動電圧ですむことにな
る。また、入射光の偏波に対してＯＮ／ＯＦＦ電圧が一
致しているため、消光比劣化が生じることがない。

【００２４】このように、本発明の偏波無依存光強度変
調器は、その駆動電圧を従来の１／４程度で済み、その
結果、変調器の駆動電源への負担を軽減することがで
き、高速動作を実現することができる。

【００２５】図４は、光制御素子として位相変調器とし
た第２の実施例である。図１の実施例の片側の光導波路
以外除去した構成となっている、すなわち、光導波路を
直線状の光導波路２Ａを折返し部である１／４波長板４
および高反射率５まで形成した以外は図１の実施例と同
様である。かかる構成では電極３Ａに印加する電圧によ
り出射光の位相を変化させることができる。なお、ある
位相変化量を得るのに必要な電圧が小さくなることおよ
び偏波依存性がなくなることの基本的な原理は第１の実
施例と同じである。また、本実施例で電極３Ｂを電極３
Ａに並べて設けているが、これは電極３Ａにより形成さ
れる磁界を大きくするためであり、かかる効果を考慮し
なければ、例えば基板１の裏面等に設けてもよい。

【００２６】図５は、光制御素子として方向性結合器型
光スイッチとした第３の実施例である。すなわち、入出
力用の光導波路２２ａおよび２２ｂには、方向性結合器
を形成する互いに近接する光導波路２２ｃおよび２２ｄ
がそれぞれ接続されており、これら光導波路２２ｃおよ
び２２ｄは折返し部を構成する１／４波長板４および高
反射膜５まで延びている。光導波路２２ｃおよび２２ｄ
の上にはそれぞれ電極３Ａおよび３ｂが形成されてお
り、相互作用部が折返し端部近傍まで形成されている。
かかる構成では、電極３Ａおよび３Ｂのそれぞれに印加
する電圧によって、光導波路２２ａからの入射光を光導
波路２２ａまたは２２ｂから出射するように切換えるこ
とが可能で、１×２光スイッチ構成となっている。ま
た、他の光を他方の光導波路２２ｂから入射すれば、２
×２光スイッチとして動作することもできる。

【００２７】図６は、第１，第２および第３の実施例の
折返し光導波路端部の構成の他の実施例を示す。保持ブ
ロック１１に高反射膜５および波長板４を形成し、それ
を光導波路端部に接合した構成である。

【００２８】図７は、第１，第２および第３の実施例の
折返し光導波路端部の構成の別の実施例を示す。基板１
の一部にエッチングあるいはダイシングソー等で溝１２
を形成して光導波路端面を形成し、その端面に片側に高
反射膜５を形成した波長板４を接合した構成である。

【００２９】図８に、本発明の第４の実施例であるマッ
ハツェンダ型光強度変調器を示す。これは、実施例１に
おいて、入射光と出射光を光制御素子の外部で分離して
いたことを改善するための構成である。すなわち、入射
光と出射光を分離するには、合分波回路や入射光側に戻
る光を低減するための光アイソレータや光サーキュレー
タが必要になる。これらには挿入損失があるため、実際
に測定できる出射光の出力が低下してしまう。本実施例
においては、これを解消するため、折返し部１３で光の
光路変換を行うことにより入射光と出射光の光導波路を
分離する。具体的には、入射用光導波路３２ａからＹ分
岐合波部９Ａにより分岐された光導波路３２ｂおよび３
２ｃと、光導波路３２ｄおよび３２ｅとを、折返し部１
３の波長板４および高反射膜５を介して光学的に接続し
た構成とし、光導波路３２ｄおよび３２ｅをＹ分岐合波
部９Ｂで出力用光導波路３２ｆに合流させた構成となっ
ている。また、光導波路３２ｂ，３２ｃ，３２ｄおよび
３２ｅの上方にはそれぞれ同じ長さの電極３Ａ，３Ｂ，
３Ｃおよび３Ｄが形成され、電極３Ａおよび３Ｃ、電極
３Ｂおよび３Ｄのそれぞれに同じ電圧が印加できるよう
になっている。これにより、入射用光導波路３２ａから
入射した光は往路および復路で実質的に同様な相互作用
領域を通ることになる。

【００３０】光路変換を伴う折返し光導波路端部の構成
の他の実施例を図９に示す。Ｖ型の光導波路の一部を研
磨等で形成し、高反射膜を形成した波長板を接合した構
成である。入射側の相互作用長と出射側の相互作用長を
同じに設定すれば、相互作用長が２倍になるため、実施
例１と同様に駆動電圧を低減することができる。さら
に、折り返しを複数回行えば、相互作用長はより長くす
ることができるとともに小型化を図ることができる。

【００３１】図１０は、第４の実施例の光路変換を伴う
折返し光導波路端部の構成の他の実施例である。基板の
一部にエッチングあるいはダイシングソー等で溝１２を
形成し、Ｖ型の光導波路の一部の端面を形成し、その端
面に片側に高反射膜５を形成した波長板４を接合した構
成である。なお、折返し光導波路として、図５に示した
本発明の第３の実施例を用いても構成できる。

【００３２】図１１は、光制御素子として位相変調器と
した第５の実施例である。図８の第４の実施例の片側の
光導波路以外除去した構成となっている。すなわち、入
射用の光導波路４２ａと出射用の光導波路４２ｂとは折
返し部１３の波長板４および高反射板５を介して接続さ
れている。また、光導波路４２ａおよび４２ｂの上方に
は電極３Ａおよび３Ｃが形成されており、これら隣には
電極３Ｂおよび３Ｃが形成されている。位相をπラジア
ン変化させるのに必要な電圧が小さくなることおよび偏
波依存性がなくなることの基本的な原理は第４の実施例
と同じである。なお、電極３Ｂおよび３Ｄの配置が必ず
しも限定されないことは図４の実施例と同様である。

【００３３】図１２は、光制御素子としてマッハツェン
ダ型光スイッチとした第６の実施例である。図８の第４
の実施例のＹ分岐合波部９Ａおよび９Ｂを２×２カプラ
１４Ａおよび１４Ｂに置き換えた２×２光スイッチの構
成となっている。２×２カプラ１４Ａは、入力用の光導
波路５２ａおよび５２ｂと光導波路５２ｃおよび５２ｄ
とを接続し、２×２カプラ１４Ｂは光導波路５２ｅおよ
び５２ｆと、出射用光導波路５２ｇおよび５２ｈとを接
続する。そして、光導波路５２ｃおよび５２ｄと、光導
波路５２ｅおよび５２ｆとは、それぞれ折返し部１３の
波長板４および高反射膜５を介して接続されている。こ
こで、２×２カプラ１４Ａおよび１４Ｂは、方向性結合
器やＸ分岐等で構成し、各偏波に対してそれぞれ３ｄＢ
となるように設定してある。また、光導波路５２ｃ，５
２ｄ，５２ｅおよび５２ｆの上方にはそれぞれ同じ長さ
の電極３Ａ，３Ｂ，３Ｃおよび３Ｄが形成され、電極３
Ａおよび３Ｃ、電極３Ｂおよび３Ｄのそれぞれに同じ電
圧が印加できるようになっている。これにより、入射用
光導波路５２ａまたは５２ｂから入射した光は往路およ
び復路で実質的に同様な相互作用領域を通り、出射用光
導波路５２ｇまたは５２ｈから出射することになり、２
×２スイッチが実現される。

【００３４】以上では、ｚ板ＬｉＮｂＯ₃ 基板中の電気
光学効果を用いた光制御素子について実施例を示してき
たが、この他にｘ板やｙ板のＬｉＮｂＯ₃ 基板や、他の
強誘電体をはじめ、半導体や有機物などの異方性を有す
る基板の、電気光学効果を用いた光制御素子、音響光学
効果を用いた光制御素子あるいは熱光学効果を用いた光
制御素子にも本発明の構成は非常に有効であることは言
うまでもない。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光導波路の折返し部において、波長板により偏波方向を
実質的に９０°前後回転させて反射させたことで、入力
光の偏波状態によらず、かつ実効的な相互作用長を長く
することができ、従来に比較して低電圧で駆動できる偏
波無依存光制御素子を実現することが可能となった。ま
た、全素子長を短くすることができるため、小型化する
ことも可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例にかかる光制御素子とし
てのマッハツェンダ強度光変調器を示し、（Ａ）は平面
図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。

【図２】図１の折返し光導波路端部近傍の拡大図であ
り、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ線断面図であ
る。

【図３】図１に示すマッハツェンダ強度光変調器の電極
に電圧を印加した場合の光出力特性図である。

【図４】本発明の第２の実施例にかかる光制御素子とし
て位相変調器を示す平面図である。

【図５】本発明の第３の実施例にかかる光制御素子とし
て方向性結合器型光スイッチを示す平面図である。

【図６】第１，第２および第３の実施例における折返し
光導波路端部近傍の他の実施例を示し、（Ａ）は拡大平
面図、（Ｂ）はそのＣ−Ｃ線断面図である。

【図７】第１，第２および第３の実施例における折返し
光導波路端部近傍の別の実施例を示し、（Ａ）は拡大平
面図、（Ｂ）はそのＤ−Ｄ線断面図である。

【図８】本発明の第４の実施例にかかる光制御素子とし
てのマッハツェンダ強度光変調器のうち、光路変換型折
返し光導波路を用いた例を示す平面図である。

【図９】光路変換型折返し光導波路端部近傍を拡大した
平面図である。

【図１０】第４の実施例における光路変換型折返し光導
波路端部近傍の他の実施例を示し、（Ａ）は拡大平面
図、（Ｂ）はそのＥ−Ｅ線断面図である。

【図１１】本発明の第５の実施例にかかる光制御素子と
して位相光変調器のうち、光路変換型折返し光導波路を
用いた例を示す平面図である。

【図１２】本発明の第６の実施例にかかる光制御素子と
してマッハツェンダ型光スイッチのうち、光路変換型折
返し光導波路を用いたれいを示す平面図である。

【図１３】従来のマッハツェンダ型強度光変調器の一例
を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はそのＦ−Ｆ線断面図
である。

【図１４】図１３に示す従来のマッハツェンダ強度光変
調器の電極に電圧を印加した場合の光出力特性図であ
る。

【符号の説明】

１ＬｉＮｂＯ₃ 基板２，２Ａ，３２，４２，５２光導波路３電極４薄膜型１／４波長板５高反射膜６入射光７出射光８ＳｉＯ₂ バッファ層９マッハツェンダ干渉計を構成する光導波路のＹ分岐
合波部１０駆動電源１１保持ブロック１２溝１３折返し型光導波路部１４２×２カプラ部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学効果を有する基板の表面付近に
形成された光導波路と、該光導波路が形成された前記基
板面上に配置された電極とを備え、前記電極に印加され
る駆動電圧により前記光導波路と前記電極との相互作用
領域が形成される光制御素子において、波長板および反
射層を有しかつ光の偏波面を実質的に９０°前後回転し
て折り返す折返し部を前記光導波路の少なくとも一ヶ所
に具備することを特徴とする偏波無依存光制御素子。
【請求項２】請求項１において、前記折返し部に接続
する光導波路は、当該折返し部に光を導入する光導波路
と折り返された光を導波する光導波路とが同じであるこ
とを特徴とする偏波無依存光制御素子。
【請求項３】請求項１において、前記折返し部に接続
する光導波路は、当該折返し部に光を導入する光導波路
と折り返された光を導波する光導波路とが異なる光路変
換型光導波路であることを特徴とする偏波無依存光制御
素子。