JPH0949996A - 導波型光デバイス - Google Patents

導波型光デバイス

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JPH0949996A
JPH0949996A JP20442595A JP20442595A JPH0949996A JP H0949996 A JPH0949996 A JP H0949996A JP 20442595 A JP20442595 A JP 20442595A JP 20442595 A JP20442595 A JP 20442595A JP H0949996 A JPH0949996 A JP H0949996A
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Shigeki Ishibashi
重喜 石橋
Kazue Ichino
和枝 市野
Akira Okada
顕 岡田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 複屈折のある液晶素子を用いて、偏波依存性
のない導波型光デバイスを提供する。 【解決手段】 マッハツェンダー干渉計型の光スイッチ
として機能する導波型光デバイスにおいて、液晶基板に
水平に一軸配向(ホモジニアス配向)させた薄型液晶素
子を2本の光導波路中にそれぞれその液晶配向方向が直
交するように挿入したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路中に液晶
光学素子を挿入してなる偏波依存性のない導波型光デバ
イスに関するものである。
【0002】
【従来の技術】石英系光導波路においては、マッハツェ
ンダー干渉計に薄膜ヒーターを用いた光スイッチ素子が
開発されている(例えば、A. Sugita 他、Tran. IEICE.
vol.E73, pp105-109)。この素子は、光導波路の屈折
率の温度依存性を利用しているため、低損失の光スイッ
チが得られるが、加熱にヒーターを用いるため、電力消
費が大きいという欠点がある。
【0003】他方、光導波路に機能性を付与するため
に、液晶を用いることが提案されている。たとえば、基
板上に形成された光導波路中に間隙を設け、液晶素子を
挿入するという光スイッチが考えられる(特願平5−3
33258号)。しかし、液晶自身の異方性のために光
スイッチが偏波依存性を示すという欠点があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】光導波路と液晶素子を
組み合わせた導波型光デバイスでは、前述のように、デ
バイスが偏波依存性を持つ可能性がある。通信システム
に適用する場合など一般には、デバイスが偏波依存性を
持つと、そのままでは使用できない。本発明の目的は、
複屈折のある液晶素子を用いて、偏波依存性のない導波
型光デバイスを提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、マッハツェンダー干渉計型の光スイッチ
において、液晶基板に水平に一軸配向(ホモジニアス配
向)させた薄型液晶素子を2本の光導波路中にそれぞれ
その液晶配向方向が直交するように挿入したことを特徴
とする。従来の技術とは、液晶を使いながら偏波依存性
がないという点と、消費電力の大きい薄膜ヒーターを用
いていない点が異なる。
【0006】
【発明の実施の形態】本発明の第1の実施の形態は、基
板上に形成された光導波路を有する導波型光デバイスで
あって、該導波型光デバイスは、2本の入力光導波路
と、該入力光導波路と接続された第1の方向性結合器
と、2本の出力光導波路と、該出力光導波路と接続され
た第2の方向性結合器と、そして前記2つの方向性結合
器を接続する長さの等しい第1の光導波路と第2の光導
波路から構成される対称マッハツェンダー型光変調器で
あり、前記第1の光導波路には、透明電極を有する透明
基板間に正の誘電異方性を有するネマティック液晶を透
明基板と水平に一軸配向させ挟持してなる液晶光学素子
が、その液晶配向方向が前記光導波路の基板と水平であ
り、かつ光導波路の導波方向と垂直となるように、挿入
されており、前記第2の光導波路には、前記液晶光学素
子と同様の液晶光学素子が、その液晶配向方向が前記光
導波路の基板面と垂直となるように、挿入されているこ
とを特徴とする。
【0007】本発明の第2の実施の形態は、前記第1の
実施の形態において、液晶光学素子を構成する透明基板
がポリマーフィルムであることを特徴とする。
【0008】本発明の第3の実施の形態は、前記第1ま
たは第2の実施の形態において、基板上に形成された光
導波路の作製上の誤差によって生ずる偏波依存性が、前
記液晶に印加する電圧の微調整によって解消されること
を特徴とする。
【0009】本発明の導波型光デバイスは、前述のよう
に、液晶素子を2個直交するように用いて偏波依存性を
なくしている。すなわち、基板に垂直な偏波を持つ、い
わゆるTM光に対しては、一方の液晶素子が位相を遅ら
せるように動作する。このため、TM光、TE光いずれ
の光に対しても同等の位相差を与えることが可能であ
り、光スイッチとしての動作のために入射光の偏波方向
を制御する必要がない。また、液晶としてネマティック
液晶を用いているため、その複屈折の大きさは連続的に
電界で制御することができる。このため、光導波路の作
製上の誤差に起因する光路差を液晶への印加電圧を微調
整することで補償することが可能である。
【0010】さらに、本発明の導波型光デバイスは、従
来使われていた薄膜ヒーターの代わりに、電界で屈折率
の制御できる液晶素子を用いている。このため、消費電
力が極めて小さくて済む。
【0011】
【実施例】以下、実施例を用いて本発明を詳しく説明す
るが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるもので
はない。
【0012】(実施例1)本発明の光導波路型光デバイ
スの実施例を図1に例示する。図1において、第1の方
向性結合器4および第2の方向性結合器10は、3dB
カップラーである。例えば、第1の入力光導波路2に光
を入射させ、液晶素子7および8を光導波路基板に形成
した間隙9に挿入し、液晶素子7、8に電界を印加して
導波光に対する複屈折の大きさを変化させることによ
り、出射光を第1の出力光導波路11と第2の出力光導
波路12とでスイッチすることができる。
【0013】さらに詳しく説明すると、光導波路に挿入
された二つの液晶素子7、8において、それぞれの液晶
分子の配向方向は、一方は基板面に垂直、他方は基板面
に平行なホモジニアス配向となっている。図2は、この
様子を光導波路の側面方向から見た模式図である。液晶
素子7、8に電界を印加すると、液晶分子を光導波路の
方向に配向させようとする力が働き、図2に示すよう
に、導波光の感じる光学異方性の大きさは小さくなる。
完全に液晶が光導波路方向に配向した状態では、液晶に
よる光学異方性は消失する。
【0014】第1の入力光導波路2に光を入射させた場
合を考えよう。入射光は第1の方向性結合器4で等分さ
れ、それぞれの液晶素子7、8に入射する。基板面に垂
直な電気ベクトルを持つ光をTE光とすると、無電界時
に第1の液晶素子7に入射したTM光の感じる屈折率n
TM1およびTE光の感じる屈折率nTE1は、 nTM1=n‖、 nTE1=n⊥ (ただし、n‖は液晶分子の長軸方向の屈折率、n⊥は
短軸方向の屈折率とする) 一方、無電界時に第2の液晶素子8に入射したTM光の
感じる屈折率nTM2およびTE光の感じる屈折率nT
E2は、 nTM2=n⊥、 nTE2=n‖ 二つの液晶素子の厚みが等しくdとすると、液晶素子7
に入射したTM光と液晶素子8に入射したTM光の間に
は、
【0015】
【数1】 R(TM)=(nTM1−nTM2)・d =(n‖−n⊥)・d の位相差が生じる。同様にTE光の間にも、
【0016】
【数2】 R(TE)=(nTE1−nTE2)・d =(n⊥−n‖)・d の位相差が生じる。n‖>n⊥とすると、TM光に対し
ては第1の光導波路5を通った光の位相が遅れ、TE光
に対しては第2の光導波路6を通った光の位相が遅れる
ことになる。しかし、その大きさは|n‖−n⊥|・d
で等しい。この位相差R(TM)=R(TE)が導波光
の波長λと、
【0017】
【数3】 R=(m+1/2)・λ (mは0以上の整数) の関係を満たすときには、出射光は図1の第1の出力光
導波路にのみ現れる。逆に、
【0018】
【数4】R=m・λ (mは0以上の整数) の関係を満たすときには、100%の光が第2の出力光
導波路6から得られる。電界を印加することで見かけ
上、n‖の大きさを減らすことにより上記の関係式を選
択することができるため、出射光を切り替える光スイッ
チとして動作させることができる。
【0019】このように、本発明の構成では、R(T
M)とR(TE)の絶対値が等しくできるため、入射光
の偏光方向に依存せずに光のスイッチングが可能であ
る。なお、電界を印加することで見かけ上、n‖の大き
さを減らした場合でも、nTM1=nTE2、nTM2
=nTE1の関係を保つようにすることができる。この
ため、光スイッチでなく光強度変調器としても動作可能
であり、その場合にも偏波依存性のない素子が得られ
る。
【0020】本実施例では、基板1としてITO電極を
備えたポリイミドフィルム、液晶材料として市販のネマ
ティック液晶を用いた例を示す。
【0021】基板1に使用するポリイミドフィルムには
透明性が必要であるが、例えば、(1)式に代表される
ような構造を繰り返し単位として有するフッ素化ポリイ
ミドが好適に使用できる。
【0022】
【外1】
【0023】液晶素子7、8の基板として通常のガラス
基板も使用できるが、ガラスの厚みは通常0.7mm程
度であり、素子全体の厚みが大きくなってしまう。その
場合には、光導波路に挿入するための溝(間隙9)の幅
も大きくなり、光の損失が大きくなってしまう。薄いガ
ラスを用いることもできるが、取り扱いが極めて難し
い。したがって、挿入損失の少ない薄い基板としてはポ
リマーフィルムを用いるのが望ましい。
【0024】用いる液晶素子7、8は、通常の液晶素子
と同様の作製方法によって得られる。ただし、液晶はホ
モジニアス配向であるので、配向付与の方向は上下の基
板面で平行となるようにする。これに市販のネマティッ
ク液晶、例えばメルク社のZLI2293を毛細管現象
を利用して注入し、徐冷することで光導波路用薄型液晶
光学素子を得る。この時の素子の厚さは、数μmから数
十μmである。
【0025】用いた液晶ZLI2293の光学異方性Δ
n(=n‖−n⊥)は、0.13であるから、液晶の厚
さを10μmとすると、2本の光導波路における無電界
時の光路差R0は、TM光、TE光ともに、
【0026】
【数5】R0=0.13×10=1.3μm である。使用する光の波長を1.3μmとすると、R0
は波長の整数倍であるから、干渉計の出力は、第2の出
力光導波路12に現れることになる。
【0027】2個の液晶素子に電界を印加して見かけの
光学異方性Δnを0.065に減ずると、2本の光導波
路5、6の光路差は、TM光、TE光ともに、
【0028】
【数6】R=0.065×10=0.65μm となり、光の波長の1/2となる。したがって、この
時、干渉計の出力は、第1の出力光導波路11に現れ
る。すなわち、液晶への印加電圧を制御することによ
り、出力光をスイッチできることが分かる。使用する液
晶の光学異方性あるいは使用する光の波長が異なって
も、液晶の厚さあるいは液晶への印加電圧を制御するこ
とで上記条件を満足させることが可能である。
【0029】また、実際の光導波路の作製においては、
干渉計の2本の光導波路の長さが完全には等しくなら
ず、わずかに異なることもある。その場合にも光導波路
の長さの差に起因する位相差が液晶素子の位相差に比べ
て小さい場合には、片方の液晶素子により大きな電界を
印加することで光導波路の光路差を補償することができ
る。光導波路の作製精度が低い場合には、液晶の厚さを
大きくして液晶素子の位相差を大きくすることで補償範
囲を大きくできる。
【0030】このように2本の光導波路に液晶素子を挿
入することにより、偏波依存性がなく消費電力の小さい
光スイッチを得ることができる。
【0031】本実施例では、3dBカップラーとして方
向性結合器を用いたが、その代わりにY分岐光導波路を
用いても同様な光スイッチが構成できることは明らかで
ある。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の導波型光
デバイスは、液晶素子を2個直交するように用いて偏波
依存性をなくしている。すなわち、基板に垂直な偏波を
持つ、いわゆるTM光に対しては、一方の液晶素子が位
相を遅らせるように動作する。このため、TM光、TE
光いずれの光に対しても同等の位相差を与えることが可
能であり、光スイッチとしての動作のために入射光の偏
波方向を制御する必要がない。また、液晶としてネマテ
ィック液晶を用いているため、その複屈折の大きさは連
続的に電界で制御することができる。このため、光導波
路の作製上の誤差に起因する光路差を液晶への印加電圧
を微調整することで補償することが可能である。
【0033】さらに、本発明の導波型光デバイスは、従
来使われていた薄膜ヒーターの代わりに、電界で屈折率
の制御できる液晶素子を用いている。このため、消費電
力が極めて小さくて済む。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の導波型光デバイスの構成図である。
【図2】電界の印加に伴う液晶分子の配向方向の変化を
光導波路の側面方向から示した模式図である。
【符号の説明】
1 光導波路の基板 2 第1の入力光導波路 3 第2の入力光導波路 4 第1の方向性結合器 5 第1の光導波路 6 第2の光導波路 7 第1の液晶素子 8 第2の液晶素子 9 間隙 10 第2の方向性結合器 11 第1の出力光導波路 12 第2の出力光導波路

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に形成された光導波路を有する導
    波型光デバイスであって、該導波型光デバイスは、2本
    の入力光導波路と、該入力光導波路と接続された第1の
    方向性結合器と、2本の出力光導波路と、該出力光導波
    路と接続された第2の方向性結合器と、そして前記2つ
    の方向性結合器を接続する長さの等しい第1の光導波路
    と第2の光導波路から構成される対称マッハツェンダー
    型光変調器であり、 前記第1の光導波路には、透明電極を有する透明基板間
    に正の誘電異方性を有するネマティック液晶を透明基板
    と水平に一軸配向させ挟持してなる液晶光学素子が、そ
    の液晶配向方向が前記光導波路の基板と水平であり、か
    つ光導波路の導波方向と垂直となるように、挿入されて
    おり、 前記第2の光導波路には、前記液晶光学素子と同様の液
    晶光学素子が、その液晶配向方向が前記光導波路の基板
    面と垂直となるように、挿入されていることを特徴とす
    る導波型光デバイス。
  2. 【請求項2】 前記液晶光学素子を構成する透明基板が
    ポリマーフィルムであることを特徴とする請求項1に記
    載の導波型光デバイス。
  3. 【請求項3】 前記基板上に形成された光導波路の作製
    上の誤差によって生ずる偏波依存性が、前記液晶に印加
    する電圧の微調整によって解消されることを特徴とする
    請求項1または2に記載の導波型光デバイス。
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