JPH0820651B2 - 光導波路スィッチ - Google Patents

光導波路スィッチ

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JPH0820651B2
JPH0820651B2 JP2318988A JP2318988A JPH0820651B2 JP H0820651 B2 JPH0820651 B2 JP H0820651B2 JP 2318988 A JP2318988 A JP 2318988A JP 2318988 A JP2318988 A JP 2318988A JP H0820651 B2 JPH0820651 B2 JP H0820651B2
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充和 近藤
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NEC Corp
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NEC Corp
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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
    • G02F1/29Devices 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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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光通信等において光波の変調,光路の切替え
等を行なう光スイッチに関し、特に基板上に形成された
光導波路を用いた光導波路スイッチに関する。
〔従来技術とその問題点〕
光通信システムの実用化が進み、大容量や多機能をも
つさらに高度のシステムへと開発が進められている。光
伝送路網の交換機能,光データバスにおける端末間の高
速接続,切替え等の新たな機能が求められており、それ
らを可能にする光スイッチングネットワークの必要性が
高まっている。現在実用されている光スイッチは、プリ
ズム,ミラー,ファイバ等を機械的に移動させるもので
あり、低速であること、信頼性が不十分なこと、形状が
大きくマトリクス化に不適なこと等の欠点がある。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基板
上に設置した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る。
一般に光スイッチは光伝送路中に挿入され、光ファイ
バ中を伝搬した光信号の光路を切り替えるために使用さ
れる場合が多い。高速,大容量の光通信システムでは光
ファイバとして単一モード光ファイバが使用され、光源
には半導体レーザが使われる。半導体レーザ光は直線偏
光を出射するが、単一モード光ファイバ中を伝搬された
光波は一般にだ円偏光となり、また、その偏光状態も時
間的に変動する。一方、前述の導波形の光スイッチで
は、通常の構成の場合、スイッチ電圧,クロストーク等
の特性は入射光の偏光状態に大きく依存するという欠点
がある。第2図(a)は従来の導波形光スイッチの一例
である方向性結合形光スイッチを示す斜視図である。光
学軸すなわちz軸方向に垂直に切り出して成形したLiNb
O3結晶基板31上にTi等の金属を拡散して光導波路32,33
が形成されている。光導波路32,33は数μm程度の間隔
で近接して設置されることにより光方向性結合器34を構
成しており、光導波路32,33上にバッファ層であるSiO2
膜(第2図(a)では図示は省略)を介して制御電極35
及び39が設置されている。この光スイッチの基本的な動
作原理は、先ず、片方の光導波路例えば32の端面から入
射した光波16は光導波路32中を伝搬し、光方向性結合器
34の部分で近接した光導波路33にエネルギーが移行し、
光方向性結合器34の長さを完全結合長LCに一致させた場
合は、ほぼ100%のエネルギーが光導波路33に移って出
射光37となる。一方、制御電極35と39の間に電圧を印加
した場合、電気光学効果によって光導波路32,33の屈折
率が変化して両者の屈折率が非対称となり、両者を伝搬
する光波の間で位相不整合が生じて結合状態が変化し、
適当な印加電圧の下ではもとの光導波路32へエネルギー
が移り出射光38となる。そのスイッチング動作に必要な
印加電圧は方向性結合器の長さに反比例する。ここで、
基板上に形成された光導波路の伝搬光は一般に独立な2
つのモード、即ち、偏光方向が基板表面に垂直なTMモー
ドとそれに直交する偏光成分をもつTEモードに分離され
る。
従来の上述の基板方位をもつ光スイッチに用いられる
光導波路ではTMモードとTEモードでは伝搬定数が大きく
異なる。この結果、第2図(b)に示すようにそれぞれ
のモードに対する完全結合長LC(TM)とLC(TE)は大き
く異なっている。そこで第2図(a)に示す通常の光ス
イッチでは光方向性結合器の長さLC(TM)に一致させて
おり、印加電圧0のときの光方向性結合器の出射状態は
両モードでは異なっていた。
また一方、通常、電気光学効果によって変化する屈折
率変化量は偏光方向によって異なり、その結果スイッチ
電圧も偏光方向によって大きく異なる。例えば、第2図
(a)の場合、TMモード,TEモードに対して得られる屈
折率変化量はそれぞれ となる。ここで、r33,r13はそれぞれ電気光学定数、ne,
nOはそれぞれ異常光,常光に対する屈折率、EZはz方向
に印加される電界強度である。LiNbO3結晶の場合、r33
>3r13であるので、δnTM>3δnTEとなり、TEモードの
スイッチ電圧はTMモードのスイッチ電圧の3倍以上の値
となる。そこで通常は入射光をTMまたはTEモードのいず
れか一方の偏光状態に一致させる必要が生じ、第2図
(a)の構成の光スイッチは単一モード光ファイバ伝送
路中に挿入して使用することはできない。
上述の通常の光スイッチの偏光依存性を除くために19
79年11月15日付アプライド.フィジックス誌(Appl.Phy
s.Leff.)第35巻10号748〜750頁に第3図に示す光スイ
ッチが報告されている。第3図の光スイッチは第2図の
通常の光スイッチと基板方位は同じであるが、光方向性
結合器44を構成する2つの光導波路42と43の間隔が光透
過方向に連続的に変化し、その結果結合係数も連続的に
変化している。また、制御電極の一方が電極45と46に分
割されている。この従来の偏光依存性を除去した光スイ
ッチでは、電極45と46に印加する電圧が異なり、また出
力光を47と48に切替える場合には電極45と46にはそれぞ
れ独立に異なる電圧を印加する必要がある。その結果、
駆動方法が非常に複雑となる。また、上述のように光透
過方向に連続的に結合係数を変化させることによって、
電圧を印加した場合のTM,TE両モードに対する切換え状
態の印加電圧に対する依存性を小さくし、冗長性をもた
しているが、このため逆に動作電圧が非常に大きい。報
告されている例では動作電圧と素子長の積は波長1.3μ
mに対しては通常のTMモードに対する光スイッチの7倍
程度に当る90Vの電圧を必要としている。
本発明の目的は上述の従来の光導波路スイッチの欠点
を除き、入射光の偏光状態に対する依存性がなく、スイ
ッチ電圧が低くまた、駆動方法が簡単な光導波路スイッ
チを提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、光軸(Z軸)に垂直に切り出した電気光学
効果を有するニオブ酸リチウム結晶基板に不純物として
チタンを導入して形成した互いに近接した2本の光導波
路からなる光方向性結合器と、前記2本の光導波路上に
それぞれ設置した1対の制御電極とからなり、電界成分
が基板に垂直な偏光モード(TMモード)と基板に平行な
偏光モード(TEモード)に対する上記方向性結合器の結
合係数がほぼ一致するように前記不純物のチタンの濃度
を定め、かつ、その結合係数は光透過方向の一定の長さ
において一様な値をもち、かつ、その長さが前記光方向
性結合器の完全結合長と一致するように定め、前記それ
ぞれの制御電極はそれぞれの光導波路上全体にわたって
連続して設けられ、電圧無印加時にクロス状態であり、
適当な電圧印加時にバー状態となることを特徴とする光
導波路スイッチである。
〔作用〕
本発明では、先ず、従来の第2図(a),第3図の光
スイッチと異なり、光方向性結合器の結合長をTEモード
とTMモードを一致させている。これは発明者等が光導波
路を作製する際に基板上に形成するTi膜厚を特定の膜厚
に制御すればTEモードとTMモードの完全結合長を再現よ
く一致させられることを見い出したことを利用するもの
である。すなわち、光導波路内のTiの平均濃度を所定の
濃度にすることでTEモードとTMモードの完全結合長を一
致させている。
またさらに、本発明では、第3図の従来の光スイッチ
とは異なり、方向性結合器の光透過方向全体にわたって
2本の光導波路間隔は一定であり、また、制御電極は方
向性結合器を構成する各光導波路上に連続して設置され
ている。このように方向性結合器の結合係数が一様な場
合でもTMモードに対するスイッチ電圧の3.5倍付近のあ
る電圧を選択して印加すれば少くとも波長1.3μm付近
においてはクロストークが−20dB以下と十分に近さい値
が得られることを見出した結果に基づいている。すなわ
ち印加電圧は第3図の従来の光スイッチに比べると大幅
に低減される。
〔実施例〕
次に本発明の実施例を説明する。
第1図(a)は本発明による光導波路スイッチの一実
施例を示す斜視図である。第2図(a)に示した従来の
方向性結合型スイッチと同様の形状のLiNbO3基板11上に
幅が数〜十数μmのTi膜パターンを熱拡散して形成した
光導波路2,3が近接して設置され方向性結合器4を構成
している。但し、本実施例では第2図(a)の例とは異
なりTi膜幅、Ti膜厚と拡散温度,時間を調整してTM,TE
両モードに対する完全結合長が一致し、それが方向性結
合器4の結合部の長さに一致するように選ばれている。
一例としてはTi膜幅9μm,Ti膜厚470Å,Ti拡散温度1050
℃,Ti拡散時間8時間のとき上述のTM,TE両モードの完全
結合長が得られる。基板中に拡散したTiはガウス分布し
ているが、この平均濃度が0.6〜0.9%であれば結合係数
は上記条件を満足した。このときの光方向性結合器の長
さと両モードの結合度の関係を第1図(b)に示す。ま
た、方向性結合器4の光導波路2,3上に第2図(a)と
同様な制御電極5,9が設置されている。
上述の条件で製作された長さ19mmの方向性結合型スイ
ッチにおいては波長1.3μmにおいて印加電圧18Vのとき
結合度0,すなわちTE,TM両モードともに光導波路2への
入射光16は光導波路2からの出射光8となり、このとき
のクロストークは−26dBとなった。この印加電圧の値は
従来の偏光に依存しない光スイッチの約半分程度に相当
する。また印加電圧0ではTM,TE両モードともに結合度
1となり、入射光16は出射光7となる。このときのクロ
ストークは−17dB以下であった。
尚、Ti等の不純物は拡散以外の方法、例えばイオン
注,イオン交換等の方法で基板中に導入しても効果は変
りない。
〔発明の効果〕
以上述べたように本発明によれば入射光の偏光状態に
対する依存性がなく、スイッチ電圧が低く、また、電極
は第3図の例とは異なり2つでよいので、駆動方法も簡
単な光導波路スイッチが得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は本発明による光導波路スイッチの一実施
例を示す斜視図、第1図(b)は実施例の特性を示す
図、第2図、第3図は従来の光導波路スイッチの一例を
示す斜視図及びその特性を示す図である。 11,31……LiNbO3結晶基板、4,34,44……光方向性結合
器、2,3,32,33,42,43……光導波路、5,9,35,39,45,46…
…制御電極、16……入射光、7,8,37,38,47,48……出射
光。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光軸(Z軸)に垂直に切り出した電気光学
    効果を有するニオブ酸リチウム結晶基板に不純物として
    チタンを導入して形成した互いに近接した2本の光導波
    路からなる光方向性結合器と、前記2本の光導波路上に
    それぞれ設置した1対の制御電極とからなり、電界成分
    が基板に垂直な偏光モード(TMモード)と基板に平行な
    偏光モード(TEモード)に対する上記方向性結合器の結
    合係数がほぼ一致するように前記不純物のチタンの濃度
    を定め、かつ、その結合係数は光透過方向の一定の長さ
    において一様な値をもち、かつ、その長さが前記光方向
    性結合器の完全結合長と一致するように定め、前記それ
    ぞれの制御電極はそれぞれの光導波路上全体にわたって
    連続して設けられ、電圧無印加時にクロス状態であり、
    適当な電圧印加時にバー状態となることを特徴とする光
    導波路スイッチ。
JP2318988A 1988-02-02 1988-02-02 光導波路スィッチ Expired - Lifetime JPH0820651B2 (ja)

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DE69116014T2 (de) * 1990-07-06 1996-05-15 Nec Corp Optischer Wellenleiterschalter für zwei Wellenlängen
JPH04237016A (ja) * 1991-01-22 1992-08-25 Nec Corp 光制御デバイス

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