JPH0795173B2 - 光制御デバイス - Google Patents

光制御デバイス

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JPH0795173B2
JPH0795173B2 JP21901489A JP21901489A JPH0795173B2 JP H0795173 B2 JPH0795173 B2 JP H0795173B2 JP 21901489 A JP21901489 A JP 21901489A JP 21901489 A JP21901489 A JP 21901489A JP H0795173 B2 JPH0795173 B2 JP H0795173B2
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    • 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
    • G02F1/29Devices 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 position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/31Digital deflection, i.e. optical switching
    • G02F1/313Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure
    • G02F1/3132Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure of directional coupler type

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Description

【発明の詳細な説明】 (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
を行う導波形の光制御デバイスに関する。
(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10GHz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。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
波形の光変調器は、小型、高効率、高速という特長があ
る。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。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形の光
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(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、従来からも方向性結合器型
光変調路・スイッチ、全反射型光スイッチ、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。このような導波形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
質と同時に特に、動作特性の再現性、すなわちデバイス
の高歩留り化が実用上不可欠である。
(発明が解決しようとする課題) しかし、従来の導波形の光制御デバイスでは、動作特性
の再現性に関しては十分な特性は得られていない。第3
図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(a)及び断面図(b)を示す。第
3図(a)においてZ軸に垂直に切り出したニオブ酸リ
チウム結晶基板1の上にチタンを拡散して屈折率を基板
よりも大きくして形成した帯状の光導波路2及び3が形
成されており、光導波路2及び3は基板の中央部で互い
に数μm程度まで近接し、方向性結合器4を形成してい
る。また、方向性結合器4を構成する光導波路上には制
御電極による光吸収を防ぐためのバッファ層6を介して
制御電極5が形成されている。第3図(b)は方向性結
合器4の部分の光導波路2、3に垂直な断面図を示して
いる。
第3図において、光導波路2に入射した入射光7は方向
性結合器4の部分を伝搬するにしたがって近接した光導
波路3へ徐々に光エネルギーが移り、方向性結合器4を
通過後は光導波路3にほぼ100%エネルギーが移って出
射光8となる。一方、制御電極5に電圧を印加した場
合、電気光学効果により制御電極下の光導波路の屈折率
が変化し、光導波路2と3を伝搬する導波モードの間に
位相速度の不整合が生じ、両者の間の結合状態は変化す
る。
制御電極5は、制御電極膜用成膜後マスクを用いたソリ
グラフィ法などにより制御電極以外の制御電極用膜をエ
ッチングして形成する。バッファ層膜及び制御電極用膜
成膜時には各堆積膜と下地の物質の熱膨張係数の違い及
びポアソン比等の弾性定数の違いなどにより基板に対し
て歪が発生することが知られている。この状態では、一
般に成膜時に有していた歪量は均一に誘電体結晶基板全
体に分布するため、光導波路及び誘電体結晶基板の屈折
率の絶対値は変化しても、光導波路の誘電体結晶に対す
る屈折率差は成膜前後において変化しない。従って、光
導波路特性は光導波路を誘電体結晶基板に形成したとき
の特性を保持しており、方向性結合器の結合状態になん
ら変化を与えない。しかし、その後制御電極用膜をエッ
チングすることで形成された制御電極部は弾性的に不連
続であるため、制御電極形成時に変動する歪が制御電極
近傍に不均一に集中し局在する。この歪により強誘電体
結晶基板ではピエゾ効果及び光弾性効果などにより屈折
率の変化をもたらす。従って、この屈折率変動が制御電
極近傍に形成されている光導波路近傍にも影響を与え、
光導波路特性を変化させてしまう。その結果、方向性結
合器の結合状態は変化するため、設計通りの光導波結合
状態が再現性良く得られないという課題を有している。
なお、この結合状態の変化量はバッファ層膜及び制御電
極用膜成膜のバッチ毎に変化に差がある。
本発明の目的は上述の従来の光制御デバイスの欠点を除
き、設計通りの特性を高歩留りで、常に安定して得られ
る光制御デバイスを提供することにある。
(問題を解決するための手段) 本発明は、電気光学効果を有する誘電体結晶基板に形成
された光導波路と前記誘電体結晶基板表面に堆積された
バッファ層と該バッファ層の上の前記光導波路の近傍に
設けられた制御電極とを含んで構成される光制御デバイ
スにおいて、前記制御電極の近傍の前記バッファ層に周
期的に設けられたストライプ状の凹凸により構成される
光制御デバイスである。
また、電気光学効果を有する誘電体結晶基板に形成され
た光導波路と該光導波路の近傍に設けられた制御電極と
を含んで構成される光制御デバイスにおいて、前記制御
電極の近傍の前記誘電体結晶基板に周期的に設けられた
直交した編目状の凹凸を有することを特徴とする光制御
デバイスである。この光制御デバイスにおいて、編目状
の凹凸に代えて、ドット状の凹凸であってもよい。
さらに本発明は、電気光学効果を有する誘電体結晶基板
に形成された光導波路と該光導波路の近傍に設けられた
制御電極とを含んで構成される光制御デバイスにおい
て、前記制御電極の近傍かつ前記制御電極形成面と同一
面に直交した編目状の凹凸を有することを特徴とする光
制御デバイスである。
(作用) 本発明の光制御デバイスは、制御電極近傍のバッファ層
または誘電体結晶基板等に周期的にストライプ状や編目
状、ドット状の凹凸が形成されている。発明者らの実験
によると、このように制御電極近傍に周期的な凹凸を形
成することにより制御電極を形成した後に発生する方向
性結合器の結合状態の変化を抑制することが可能とな
る。これは、前述したように制御電極用膜及びバッファ
層膜の堆積時に誘電体結晶基板に与えていた歪が制御電
極形成後に光導波路近傍に形成された制御電極近傍に集
中していたのを、制御電極部と同様な弾性的不連続領域
をバッファ層または誘電体結晶基板等に形成することで
歪を分散させる効果があるためである。この結果、制御
電極近傍への歪の集中が低減されるため、光導波路近傍
の誘電体結晶の屈折率変化が抑圧される。従って、光導
波路特性は光導波路を誘電体結晶基板に形成したときの
特性を保持しており、方向性結合器の結合状態になんら
変化を与えない。
以上のことより、本発明の光制御デバイスは、従来に比
べて設計通りの特性を歩留り良く、常に安定して得られ
る。
(実施例) 実施例1 第1図は本発明による光制御デバイスの一実施例である
方向性結合器型光スイッチの平面図(a)及び断面図
(b)を示す。第3図の例と同様にZ板ニオブ酸リチウ
ム結晶基板1の上にチタンを900〜1100℃程度で数時間
熱拡散して形成された3〜10μm程度の光導波路2及び
3が形成されており、基板の中央部で両光導波路は互い
に数μmまで近接して方向性結合器4を構成している。
その上にバッファ層6を介して制御電極5が形成されて
いる。但し、この時の第3図と異なるのはバッファ層6
に光導波路2を形成する前に予め周期的なストライプ状
の凹凸10が形成されていることである。この凹凸10は制
御電極5から5〜500μm離れたところから制御電極5
と平行に周期的に形成されている。この周期的なストラ
イプ状の凹凸のラインとスペースの比は1である必要は
ないのは明らかである。
次に、本実施例による制御電極5の形成前後の方向性結
合器4の結合状態、すなわち方向性結合器4の分岐比の
変化と従来の光制御デバイスにおける同一の結果を第2
図に示す。なお、本結果はTE偏光に関するものである。
本実施例の方向性結合器型光スイッチの基本的な動作は
第3図の従来例と同じであるが、第2図より本発明によ
る光制御デバイスでは制御電極5形成前後における方向
性結合器の分岐比の変化が従来のデバイスに比べ著しく
小さい。
なお、バッファ層6に周期的なストライプ状の凹凸を形
成する方法としてはリソグラフィ法を用いて凹凸に対応
する周期的なマスクパターンを形成した後、イオンビー
ムエッチング法、リアクティブイオンエッチング法、リ
アクティブイオンビームエッチング法などのドライエッ
チング法、または、エッチング液を用いたケミカルなウ
エットエッチング法を用いてバッファ層6をエッチング
する方法の他、集束イオンビームエッチング法などを用
いてリソグラフィ法を用いず直接周期的なストライプ状
の凹凸を形成する方法がある。
なお、バッファ層としてはニオブ酸リチウム結晶基板1
より屈折率が小さく、かつ、光の吸収が少ないことが望
まれ、SiO2,SiON,MgF2,Si3N4,Al2O3などを用いる。
実施例2 第4図は本発明による光制御デバイスの第2の実施例で
ある方向性結合器型光スイッチの平面図(a)及び断面
図(b)を示す。この実施例が第1の実施例と異なるの
は誘電体結晶基板1に光導波路2及び3を形成する前に
予め周期的な直交した編目状の凹凸40が形成されている
ことである。その他は、実施例1と同様である。分岐比
の変化も第2図と同様である。
実施例3 第1図は本発明による光制御デバイスの一実施例である
方向性結合器型光スイッチの平面(a)及び断面図
(b)を示す。実施例1,2と異なるのは誘電体結晶基板
1に光導波路2及び3を形成する前に予め周期的なドッ
ト状の凹凸50が形成されていることである。それ以外は
実施例1,2と同様である。分岐比の変化も第2図と同様
であった。
実施例4 第1図は本発明による光制御デバイスの一実施例である
方向性結合器型光スイッチの平面(a)及び断面図
(b)を示す。上記実施例と異なるのは制御電極形成面
11に周期的な直交した編目状の凹凸60が形成されている
ことである。それ以外は上記3つの実施例と同様であ
る。分岐比の変化も第2図と同様であった。
なお、制御電極形成面11に周期的な直交した編目状の凹
凸を形成する方法としては、制御電極用膜を用いて制御
電極5を形成するときに同時に形成する方法がある。例
えば、リソグラフィ法を用いて凹凸に対応する直交する
編目状のマスクパターン及び制御電極5のマスクパター
ンを形成した後、イオンビームエッチング法、リアクテ
ィブイオンエッチング法、リアクティブイオンビームエ
ッチング法などのドライエッチング法、または、エッチ
ング液を用いたケミカルなウエットエッチング法を用い
て行う方法の他、集束イオンビームエッチング法などを
用いてリソグラフィ法を用いず直描する方法などがあ
る。制御電極5と異なる材料を用いる場合には、制御電
極5を形成後、周期的に直交した編目状の凹凸用の材
料、例えば各種金属膜、または、各種絶縁膜等を堆積し
た後、前述した方法を用いて、周期的に直交した編目状
の凹凸を形成すればよい。
(発明の効果) 以上述べたように、本発明の光制御デバイスは、従来の
光制御デバイスに比べ、設計通りの特性を歩留り良く、
常に安定して得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a),(b)は本発明による光制御デバイス一
例を示す平面図及び断面図、第2図は本発明による効果
を示す特性図、第3図(a),(b)は従来の光制御デ
バイスの一例を示す平面図及び断面図である。第4図
(a),(b)は本発明第2の実施例の平面図及び断面
図、第5図(a),(b)は本発明第3の実施例の平面
図及び断面図、第6図(a),(b)は本発明第4の実
施例の平面図及び断面図である。 図において、1……ニオブ酸リチウム結晶基板、2,3…
…光導波路、4……方向性結合器、5……制御電極、6
……バッファ層、7……入射光、8,9……出射光、10…
…バッファ層に形成された周期的なストライプ状の凹
凸、40……編目状の凹凸、50……ドット状の凹凸、60…
…編目状の凹凸。

Claims (4)

    【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結晶基板に形
    成された光導波路と前記誘電体結晶基板表面に堆積され
    たバッファ層と該バッファ層の上の前記光導波路の近傍
    に設けられた制御電極とを含んで構成される光制御デバ
    イスにおいて、前記制御電極の近傍の前記バッファ層に
    周期的に設けられたストライプ状の凹凸を有することを
    特徴とする光制御デバイス。
  2. 【請求項2】電気光学効果を有する誘電体結晶基板に形
    成された光導波路と該光導波路の近傍に設けられた制御
    電極とを含んで構成される光制御デバイスにおいて、前
    記制御電極の近傍の前記誘電体結晶基板に周期的に設け
    られた直交した編目状の凹凸を有することを特徴とする
    光制御デバイス。
  3. 【請求項3】請求項2記載の光制御デバイスの編目状の
    凹凸に代えて、ドット状の凹凸を有することを特徴とす
    る光制御デバイス。
  4. 【請求項4】電気光学効果を有する誘電体結晶基板に形
    成された光導波路と該光導波路の近傍に設けられた制御
    電極とを含んで構成される光制御デバイスにおいて、前
    記制御電極の近傍かつ前記制御電極形成面と同一面に直
    交した編目状の凹凸を有することを特徴とする光制御デ
    バイス。
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