JPH11502320A - 偏光非依存性光電切換え式方向性結合器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 逆差動伝搬定数制御を使用する偏光非依存性光電切換え式方向性結合器（６０）は、相互作用領域内に少なくとも一対の導波チャネル（６２、６４）、および該導波チャネルに沿って電界を選択的に形成し、該導波チャネルの光伝搬定数を光電的に変更して、該導波チャネル間の光結合の効果を変更するための少なくとも一対の電極（３０、３１；３２、３３）を有する光電材料から成る。該導波チャネルは、定半径により規定される曲率範囲を有し、該半径は、曲率範囲内のＴＭ偏光モードの光信号に対する光電的効果の大きさと曲率範囲内のＴＥ偏光モードの光信号に対する光電的効果の大きさとが相対的に異なるため、ＴＭ偏光モードの光スイッチ状態をＴＥ偏光モードの光スイッチ状態に移行することにより、該方向性結合器がＴＭ偏光モードで光スイッチ状態にある時の動作電圧の集合と該方向性結合器がＴＥ偏光モードで光スイッチ状態にある時の動作電圧の集合とが一致するように選択される。

Description

【発明の詳細な説明】 偏光非依存性光電切換え式方向性結合器 技術分野 本発明は、一般に光電切換え式方向性結合器に関し、特に偏光非依存特性およ び動作電圧許容特性を改善した逆差動伝搬定数（Δβ）制御を使用する光電切換 え式方向性結合器に関する。 背景技術 光電切換え式方向性結合器は、光電材料に一緒に光学的に結合される複数の導 波路の間で光信号を切り換えるための光装置およびシステムに一般的に使用され る。典型的な実施例では、２×２光電切換え式方向性結合器は、たとえば、入力 ポートにおいて第一の対の光ファイバに接続され、出力ポートにおいて第二の対 の光ファイバに接続される。光電材料内で規定される一対の導波路は、光信号が チャネル間をクロス移動するかまたは同一チャネル内に留まる結合領域を介して 光信号を入力ポートから出力ポートに伝達する。たとえば、第一導波路の入力ポ ートに入る光信号は、２×２方向性結合器内に転送されて、第二導波路の出力ポ ートから出て行くことができる。この場合、方向性結合器は、「クロス」状態に あると言われる。あるいは、第一導波路の入力ポートに入る光信号は、２×２方 向性結合器を通過して第一導波路内に留まり、第一導波路の出力ポートから出て 行くことができる。この場合、方向性結合器は、「バー」状態にあると言われる 。光信号は、２×２方向性結合器の両方向を通ることができるので、光信号は出 力ポートに「入る」ことも、入力ポートから「出て行く」こともできる。 方向性結合器は、方向性結合器の範囲内の結合領域全体に印加される電界に応 じて、クロス状態とバー状態との間で光信号を光電的に切り換えるように設計す ると理想的である。結合領域は、方向性結合器内の、導波チャネルが互いに非常 に接近している領域内にある。この領域では、導波チャネルは、光信号が特定の チャネル内に留まることを制限しないように構成される。したがって、結合領域 を通過する光信号は、結合領域内の導波チャネルの光伝送特性に応じて、一つの 導波チャネル内に留まるかもしくは他の導波チャネル上にクロス移動するか、ま たはこの両方を行うことができる。電界が光電材料の結合領域全体に印加される 場合、この電界は、該導波チャネルの光伝送特性を変える可能性がある。その結 果、光信号が結合領域を通過する方法も変わる可能性がある。 従来の光電切換え式方向性結合器では、導波チャネルに対応する領域内の基板 の有効屈折率を増加することにより、二つの単一モード導波チャネルが、光電的 に活性状態の基板内に作成される。導波チャネルが物理的に互いに接近している 結合領域では、二つのチャネルの減衰光フィールドはオーバラップし、導波チャ ネル間の光結合を生じる。導波チャネル間の結合の効果は、導波チャネル付近の 結合領域内に存在する二つの電極対により生成される電界を介して、結合領域内 の屈折率を光電的に変更することにより、選択的に制御することができる。この 方法で二対の電極を使用することは、逆差動伝搬定数（Δβ）制御を利用する方 向性結合器と呼ばれる。結合領域の屈折率を光電的に変更し、方向性結合器の切 換え状態の制御を改善するためには、一対の電極ではなく、二対の電極、または 代わりに二つの独立する制御極および１個の共通電極を使用する。 方向性結合器が、常に完全にオン（バー状態）であるかまたは完全にオフ（ク ロス状態）であるまさにディジタルスイッチのように 動作すれば望ましいかも知れないが、結合器を通過する光信号の制御は、それほ ど単純ではない。実際、光電切換え式方向性結合器はどちらかと言えば漏出性の 二方バルブのように動作し、光信号の殆どは所望の導波チャネルから転送される が、多少の光信号は他の導波チャネルから漏出する。しかし、各導波チャネルの 光出力間の相対的な差が十分に大きい限り、結合器を有効な光スイッチとして使 用することはなお可能である。各導波チャネルの光出力電力間のこの相対的な差 を比率として表す場合、これは、方向性結合器の切換え吸光比と呼ばれる。慣習 上、逆Δβ方向性結合器の吸光比は10log₁₀(c/b)に等しいと通常定義される。こ こで、ｂはバーポートの出力電力、およびｃはクロスポートの出力電力である。 方向性結合器がディジタルスイッチのような所望の方法で動作する場合、吸光比 は一般に15dＢを超え、これは、約1/30未満の光信号が方向性結合器の意図しな いポートから出て行くことを意味する。逆Δβ制御方向性結合器をディジタルス イッチのような所望の方法で作動させるには、特定の方向性結合器をクロス状態 で作動させるために電極の対に印加される動作電圧を表す電圧Ｖ_1cおよびＶ_2cの クロス状態設定が必要である。さらに、同じ方向性結合器をバー状態で作動させ るには、電極の対に印加される動作電圧に対応する電圧Ｖ_1bおよびＶ_2bのバー状 態設定が必要である。 こうした背景を考慮に入れると、逆Δβ制御方向性結合器の動作および実用性 を強化するための努力の現状を説明することができる。これらの努力は一般に、 次の四つのカテゴリのどれかに分類される：(１)装置の切換え吸光比を増加する ための努力；(２)装置を作動させるために必要な動作電圧を減少または除去する ための努力；(３)装置の感度を動作状態における通常の変動に減少させる努力； および（４）装置の感度を製造工程における変動に減少させ る努力。本発明は、上記四つのカテゴリの後の二つのカテゴリを対象としている が、他の二つのカテゴリにおける従来の作業の本質を検討することは、この作業 が本発明の目的に関してなぜ不要であるかを理解する上で役立つ。 Ｍak等に付与された米国特許第５，２５５，３３４号には、方向性結合器の切 換え吸光比を増加するための様々な設計方法が記載されており、たとえば、導波 チャネル間に追加の部分導波路を生成する、結合領域の外側に追加の電極を使用 する、または導波チャネル内に部分接合部を生成するといった方法が記載されて いる。Ｅlectronics Ｌetters 23、Ｎo．21、8th Ｏctober 1987、p．1145、Ｏk ayama et al.には、異なる幅を有する導波チャネルを使用して導波チャネル間に 組込み非対称性を提供し、方向性結合器の動作電圧を減少させる方向性結合器が 記載されている。Ｗalkerに付与された英国特許第２ ２２３ ３２３号には、半 径が異なる導波チャネルを使用してやはり組込み非対称性を提供し、装置の動作 電圧の相対位置を移動しようとする曲率方向性結合器が開示されている。Ｏhta に付与された日本特許第ＨＥＩ１［１９８９］−２４３０３７号には、導波チャ ネルに滑らかに変化する曲率を有するＳ形曲線が記載されているが、これは、こ れらの長所を達成しようとするものである。 これらの方向性結合器すべてに共通の問題は、様々な構造が、結合器を通過す る光信号の偏光に対する結合器の依存を実際上無視することである。おそらくＯ hta特許を除いて、上記の各引用例は、これらの引用例にしたがって設計された 個々の方向性結合器の「理想的な、つまり制御された動作状態」を仮定している 。特に、これらの引用例はどれも、偏光を制御されない光信号の問題を扱ってい ない。 また、これらの引用例はどれも、製造工程における変動に対する装置の感度に よる「装置間変動」の問題を扱っていない。本発明の範囲内で使用する場合、動 作条件は、装置を使用する環境条件および制御条件を指し、たとえば、温度、湿 度、動作電圧のドリフト、入力信号の偏光を含む入力光信号条件の変化に対する 装置の感度がある。実際、類似する光電式装置のグループの性能は、動作条件に 対するある装置の感度によって決まるだけではなく、装置を製造する際に避けら れない差動による装置間変動によっても決まる。 試験所の環境外における実際の実施例では、理想的な、つまり制御された動作 条件の欠如は、光電式結合器のグループの装置間変動が大きい場合、装置間変動 の問題をさらに複雑にする。装置ごとの差動が非常に大きく、適切に作動させる ために各装置の個々の調整が必要な場合、試験所の環境外における装置の大量生 産または互換性は有り得なくなる。実際の動作条件では、これらの事実は以下の 二つの主な問題を生じ、これらの問題は、現在、試験所の環境外で光電切換え式 方向性結合器を広く使用することを制限している：（１）偏光非依存性の欠如； および（２）動作電圧の装置間均一性の欠如。 偏光非依存性とは、光信号の偏光に関係なく意図された機能を実施する光装置 の能力である。光信号の偏光は、光信号から成る電界成分の向きとして定義され る。なぜなら、光信号は、導波路を介して電磁的に伝搬されるからである。ＴＥ 偏光は、光信号から成る電界が、該光信号が伝搬する基板またはチャネルの表面 に対して平行である場合と定義される。ＴＭ偏光は、光信号により生成される電 界が、基板またはチャネルの表面に対して垂直である場合と定義される。 実際の実施例の殆どでは、方向性結合器内の光信号は、無制御の 偏光状態にある。したがって、光装置は偏光非依存性であり、どの偏光状態でも 装置が等しく機能するように設計することが望ましい。残念ながら、方向性結合 器を偏光非依存性にすることは非常に難しい。既存の方向性結合器を使用する光 装置の多くは、偏光非依存性の問題を単純に無視してきた。これらの装置は、正 しい条件の下で予期したとおりに機能するが、装置が期待したように動作しない 条件がある。既存の方向性結合器を使用する殆どの光装置は、偏光が制御された 光信号を使用して、結合器を通過する光のすべてを同じ向きで偏光することによ り、この問題を完全に避けている。 偏光非依存性を達成しようと試みてきた方向性結合器の場合、共通する一つの 方法は、結合領域の長さ（Ｌ）および／または結合領域内の導波チャネル間の間 隔（Ｇ）を選択して方向性結合器の幾何学的形状を注意深く調節して有効結合長 （ｌ）を調節し、光信号の偏光に関係なくバー状態およびクロス状態を一致させ ることである。偏光非依存性を達成するための別の方法は、Ａlfernessに付与さ れた米国特許第４，２４３，２９５号に記載されており、その方法では、ＴＥお よびＴＭバー状態を保存し、しかも結合を独立して選択してクロス状態を達成で きるように、導波路の中心間の間隔（Ｇ）を空間的にテーパリングするようにな っている。Ｇranestandに付与された米国特許第５，２０２，９４１号には、偏 光非依存性を達成するさらにもう一つの方法、つまり追加の電極および制御回路 と共に４セクション光結合器を使用する方法が記載されている。 残念ながら、これらの技術はどれも、偏光非依存性を方向性結合器に組み込む という問題の最適な解決方法を規定していない。従来の方法では、方向性結合器 のメーカーは、長さＬおよび間隔Ｇを自由に選択する能力を犠牲にしなければな らない。自由に選択できれば、これらの値を変えて、その他の設計目標を達成す ることができ るであろう。Ａlfernessが記載しているテーパ付き結合器は、従来の方法の制約 を多少改善するが、実際に用いられる長さＬおよび間隔Ｇを選択する自由に関し て、同じような制約がなお存在する。Ｇranestandが記載している４セクション 光結合器では、追加の電極および制御回路により、装置の製造および制御の複雑 さが著しく増大する。 装置間動作電圧許容差は、類似グループの方向性結合器のある切換え状態を維 持するための動作電圧Ｖ₁およびＶ₂の許容差範囲を指す。動作電圧の許容差は、 主に二つの要因により決まる。第一に、動作電圧特性の変動は、異なる方向性結 合器を製造する際の工程の変動により生じる可能性がある。第二に、動作電圧特 性の変動は、温度、湿度、電界暴露、老化といった環境条件の変動により生じる 。 比較的大きい動作電圧許容差は、少なくとも三つの方法において有益である。 第一に、動作電圧許容差が比較的大きい場合、生産歩留まりが改善される。生産 歩留まりの改善を理解するには、偏光非依存性は、二つの基本的な偏光モードに 対するバー状態およびクロス状態の動作電圧の一致を必要とし、そのためには、 導波路の結合特性の正確な制御が必要である点に注目すると良い。導波路の結合 特性は製造工程の詳細に非常に左右されるので、製造工程条件の些細な変動によ り、一致に必要な意図した目標特性と多少異なる結合特性が生じる可能性がある 。その結果、バー状態およびクロス状態の動作電圧が一致せず、装置は運用上の 仕様に適合しなくなり、装置を製造するための時間、労力および原料が浪費され ることになるだろう。第二に、比較的大きい動作電圧許容差は、ある装置が運用 される環境条件の範囲を広げる。動作条件が変化すると、一般に各偏光モードの 異なる量により、導波路の温度などの特に周囲の環境条件、および二つの基本的 な偏光モードの正確な動作に必要な動作 電圧が変化する。これらの変化により、偏光が異なるバー状態およびクロス状態 の動作電圧が一致しなくなる場合、装置は偏光非依存性ではなくなる。最後に、 比較的大きい動作電圧許容差は、動作電圧のフィードバック制御を行うために切 換え状態を監視する必要性を減らす。フィードバック制御の必要性の減少は、装 置の老化に伴う変化の補正など、異なる動作条件における装置の使用を単純化す る。したがって、装置は、容易かつ安価に製造および使用できるようになり、よ り広範囲の実施例に装置を使用することができる。 光装置およびシステムに逆Δβ制御方向性結合器を使用することに対する関心 が高まっているが、偏光非依存性および動作電圧許容差に関する現在の制約は、 試験所環境、または偏光制御および各スイッチに対する電圧の個々の調整により 試験所条件を人為的にシミュレートするためのコストが極端に高くないという状 況においてこれらの装置を使用することを実際上制限してきた。したがって、装 置の偏光非依存性および装置間動作電圧許容差に関する現在の制約を克服できる 、改善された逆Δβ制御方向性結合器に対するニーズがある。 発明の開示 本発明の第一実施例に従って、逆差動伝搬定数制御を使用する光電切換え式方 向性結合器を提供する。この方向性結合器は、相互作用領域内に少なくとも一対 の導波チャネルを有する光電材料から成り、該相互作用領域は、一定の長さ（Ｌ ）、および有効結合長（ｌ）で示される一定の導波チャネル間有効間隔（Ｇ）を 有する。少なくとも一対の電極は、導波チャネル全体に電界を選択的に形成し、 導波チャネルの光伝搬定数を光電的に変更して、導波チャネル間の光結合を変更 する。導波チャネル間の差動光路長は、方向性結合器が ＴＭ偏光モードで光スイッチ状態にある時の動作電圧の集合と、方向性結合器が ＴＥ偏光モードで光スイッチ状態にある時の動作電圧の集合とが一致するように 光電的に形成される。導波チャネルをこのように変更することにより、切換え方 向性結合器としての装置の動作は、これらの一致した動作電圧の集合内の電圧が 方向性結合器の電極に印加される場合、方向性結合器に入射する光信号の偏光に 実際上依存しない。 本発明の第二実施例では、逆差動伝搬定数制御を使用する偏光非依存性光電切 換え式方向性結合器は、相互作用領域の範囲内に少なくとも一対の導波チャネル 、および導波チャネル全体に電界を選択的に生成し、導波チャネルの光伝搬定数 を光電的に変更して、導波チャネル間の光結合を変更するための少なくとも一対 の電極を有する光電材料から成る。導波チャネルは、一定の半径により規定され る曲率範囲を有し、この半径は、方向性結合器がＴＭ偏光モードでクロス状態に ある時の動作電圧の集合と、方向性結合器がＴＥ偏光モードでクロス状態にある 時の動作電圧の集合とが一致するように選択される。これらの動作電圧の集合の 一致は、曲率範囲内のＴＭ偏光モードの光信号の光電的効果の大きさと曲率範囲 内のＴＥ偏光モード光信号の光電的効果の大きさが相対的に異なるため、ＴＭ偏 光モードでクロス状態にある時の動作電圧の集合を、ＴＥ偏光モードでクロス状 態にある時の動作電圧の集合に対し移行することにより達成される。 望ましい実施例では、方向性結合器のアームの相対的光路長に非光電的変更を 生じる導波チャネルの曲率範囲は、４ｎＧＬ／λＦ≦Ｒ≦６ｎＧＬ／λである定 半径Ｒにより規定され、ここで、ｎ＝光電材料の屈折率、λ＝方向性結合器に入 射する光信号の波長、およびＦ＝ｒ₁／（ｒ₁−ｒ₂）であり、ｒ₁は二つの偏光モ ードの大き い方の光電係数であり、ｒ₂は小さい方の光電係数である。つまり、半径Ｒは、 チタンのドーピングにより形成される導波チャネルを有するニオブ酸リチウム、 および約0.5〜2.0μｍの波長を有する光信号の場合、約２０ｃｍ〜３ｍ、最適に は約0.5〜2.0ｍである。さらに、曲率範囲内の導波チャネルは平行ではないこと が望ましく、その代わり、一定の導波チャネル間の間隔（Ｇ）に等しい導波チャ ネル間有効間隔（Ｇ₄′）を有する収束差動導波チャネル間の間隔（Ｇ_d）を規定 する。この構造は、光路の長さの非光電的変更に関係ない方法で結合器の切換え 吸光比を最適に増大する。 図面の簡単な説明 図１は、導波路および電極構成を示す従来の逆Δβ制御方向性結合器の上面略 図である。 図２ａおよび図２ｂは、テーパ付き結合を使用する従来の逆Δβ制御方向性結 合器のＴＥ偏光モードおよびＴＭ偏光モードに対する動作電圧Ｖ₁およびＶ₂に関 する切換え吸光比の等高線図である。 図２ｃは、図２ａおよび図２ｂの方向性結合器のＴＥ偏光モードおよびＴＭ偏 光モードの両方に関する結合切換え吸光比を示す複合等高線図である。 図３ａおよび図３ｂは、本発明に従って均一に曲率および反向して曲率した偏 光非依存性逆Δβ制御方向性結合器の上面略図である。 図４ａおよび図４ｂは、図３ａに示す方向性結合器のＴＥ偏光モードおよびＴ Ｍ偏光モードに対する動作電圧Ｖ₁およびＶ₂に関する切換え吸光比の等高線図で ある。 図４ｃは、図４ａおよび図４ｂに示す方向性結合器のＴＥ偏光モードおよびＴ Ｍ偏光モードの両方に関する結合切換え吸光比を示す複合等高線図である。 図５は、本発明の望ましい実施例に従って均一に曲率した、テーパ付きの偏光 非依存性逆Δβ制御方向性結合器の上面略図である。 図６ａは、本発明の実施例の電圧オフセットと逆半径の関係を示すグラフであ る。 図６ｂは、本発明に基づく各種光電材料の半径の範囲のチャートである。 図７は、本発明に従って偏光非依存性逆Δβ制御方向性結合器を設計する際の 決定ステップを示すフローチャートである。 発明を実施するための最良の形態 従来の２×２方向性結合器では、図１に例として示すように、一対の単一モー ド導波路１０および１２は、光電切換え式方向性結合器１４との間で光信号を送 受信する。第一導波路のポート１０ａから結合器１４に入る光信号は、結合器１ ４内で転送することができ、第二導波路のポート１２ｂから出て行くか(この場 合、結合器１４は「クロス」状態)、または結合器１４を通過して、第一導波路 のポート１０ｂに留まることができる(この場合、結合器１４は「バー」状態)。 光信号は結合器１４の両側を通過することができるので、光信号は、導波路のポ ート１０ｂに入って転送され、第二導波路のポート１２ａ（「クロス」ポート）か ら出て行くか、または結合器１４を通過して第一導波路のポート１０ａ（「バー」 ポート）に留まることもできる。 結合器１４内には、導波チャネル２０および２２があり、これらは、少なくと も長さ（Ｌ）のチャネル２０および２２を有効分離（Ｇ）で互いに非常に接近し て配置することにより、一緒に結合されている。結合領域２４として知られるこ の領域では、導波チャネル２０および２２は、光信号が特定のチャネル内に留ま るのを制限しない ように構成される。したがって、結合領域２４を通過する光信号は、結合領域２ ４内の導波チャネル２０および２２の光伝送特性に応じて、一つの導波チャネル 内に留まるか、他の導波チャネルにクロス移動するか、またはこの両方を自由に 行うことができる。印加される電界がない場合、光信号がある導波チャネルから 他の導波チャネルに移動するのに必要な特有の長さは、有効結合長（ｌ）と呼ば れる。電界が結合領域２４全体に印加される場合、導波チャネル２０および２２ の光伝送特性は変化する。したがって、光信号が結合領域２４を通過する方法も 変化する可能性がある。 従来の光電切換え式方向性結合器１４では、導波チャネル２０および２２は、 導波路内の基板２６の屈折率を増加することにより、光電的に活性の基板２６内 に形成される。導波チャネル２０および２２は、結合領域２４内で物理的に近接 しているので、この二つのチャネルの消失性光フィールドはオーバラップし、そ の結果、導波チャネル２０および２２間に光結合が生じる。導波チャネル２０と ２２の結合の効果は、導波チャネル２０および２２付近の結合領域２４に位置す る電極対３０、３１および３２、３３により生成される電界を介して、結合領域 内の屈折率を光電的に変更することにより選択的に制御することができる。この 方法で２対の電極３０、３１および３２、３３を使用する場合、逆差動伝搬定数 （Δβ）制御を使用する方向性結合器と呼ばれる。二つの電極対３０、３１およ び３２、３３、または二つの独立する制御電極（３０および３２）並びに単一の 共通電極（結合された３１および３３）を単一の電極対に代わって使用すると、 方向性結合器１４の切換え状態（クロス状態またはバー状態）の制御が改善され る。電極対を使用する逆差動伝搬定数（Δβ）制御の詳細は、Ｒ．Ｖ．Ｓchmidt およびＨ．Ｋogelnikの”Ｅlectro-optically switched coupler with stepped Δβ reversal using Ｔi-diffused ＬiＮbＯ₃ waveguides”、Ａpplied Ｐhysics Ｌetters、 Ｖol．２８、Ｎo．９、１Ｍay 1976、pp．503-506に記載されている。 結合器１４は、常にオン（バー状態）または常にオフ（クロス状態）のどちら かであるまさにディジタルスイッチのように動作すれば望ましいかも知れないが 、結合器１４を通過する光信号の制御はそれほど単純ではない。実際、結合器１ ４は、どちらかと言えば漏出性の二方バルブのように動作し、殆どの光信号は所 望の導波チャネルから転送されるが、多少の光信号は他の導波チャネルから漏出 する。しかし、各導波チャネルの光出力間の相対的な差が十分に大きければ、結 合器１４を二つの動作状態、つまりバー状態およびクロス状態を有する効果的な 光スイッチとして使用することはなお可能である。 一般的に、方向性結合器１４の動作状態は、光ポート１０ａに入射する光信号 に対応して二つの光ポート１０ｂおよび１２ｂから出て行く光出力の比率により 定義される。各導波チャネルの光出力間の相対的な差を比率として表す場合、そ れは、方向性結合器１４の切換え吸光比と呼ばれる。慣習上、逆Δβ方向性結合 器の吸光比は一般に、10log₁₀(c/b)に等しいと定義され、ここで、ｂはバーポー トの出力であり、ｃはクロスポートの出力である。方向性結合器１４がディジタ ルスイッチのような所望の方法で動作する場合、吸光比は一般に１５dＢを超え 、これは、光信号の約1/30未満が方向性結合器１４の意図しないポートから出て いくことを意味する。方向性結合器１４をディジタルスイッチのような所望の方 法で作動させるには、電圧Ｖ_1cおよびＶ_2cのクロス状態の集合が必要である。こ れは、特定の方向性結合器１４をクロス状態で作動させるために電極３０および ３２に印加される動作電圧を表す。また、電圧Ｖ_1bおよびＶ_2bのバー状態の集合 も必要である。これは、同じ方向性結合 器１４をバー状態で作動させるために電極３０および３２に印加される動作電圧 に相当する。 本発明の示唆に従って設計された方向性結合器の動作を理解する最も簡単な方 法は、方向性結合器の「伝達関数」を考察することである。本発明の目的上、伝 達関数は、クロス状態に対する動作電圧Ｖ₁およびＶ₂もしくはバー状態に対する Ｖ₁およびＶ₂の可能なすべての組合せ、または両方の状態に対する動作電圧の組 合せに関する方向性結合器の動作状態の二次元マップである。方向性結合器の電 極構成が異なる場合(たとえば、一対の電極または三対以上の電極)、装置のクロ ス状態およびバー状態に対する動作電圧の集合は、電極対の組合せの数に対応す る多数の電圧値を含む。 伝達関数を生成するには、吸光比を動作電圧Ｖ₁およびＶ₂の代表値として測定 し、結果をたとえば図２ａおよび図２ｂに示す等高線図上に均等値等高線として 表す。正の等高線がある場合(つまり、１を超える比率)、これは、光信号が方向 性結合器を通過する際、殆どの光信号が第一導波路から第二導波路にクロス移動 する結合器のクロス状態を生じる電圧Ｖ₁およびＶ₂の組合せを示す。負の等高線 がある場合（つまり、１未満の比率）、これは、光信号が方向性結合器を通過す る際、殆どの光信号が第一導波路内に留まるバー状態を生じるの電圧Ｖ₁および Ｖ₂組合せを示す。高品質のクロス状態を表す等高線図の領域は、ピークまたは 峰とみなすことができ、高品質のバー状態を表す等高線図の領域は、谷とみなす ことができる。一般に、高品質のクロス状態に必要な吸光比は少なくとも１５d Ｂだが、方向性結合器の異なる実施例または用途には、高品質のクロス状態を達 成するために異なる値の吸光比が必要であることが分かるだろう。 方向性結合器に入る光信号は、二つの基本的な偏光モードである ＴＥ偏光モードおよびＴＭ偏光モードにおける光信号成分の和と考えることがで きる。方向性結合器は、二つの異なる偏光モードに対して異なる方法で対応する ので、本発明は、二つの異なる偏光モードの両方に等高線図を使用し、方向性結 合器の伝達関数を完全に表現する。 図２ａ、図２ｂ、図２ｃ、図４ａ、図４ｂ、図４ｃおよび図６ａに示す具体的 な例は、ｚ-カットリチウムニオベート内の装置のデータを表す。この場合、Ｔ Ｍモードは、ＴＥモードより強い光電的影響を受ける。その他の材料系または結 晶カットでは、この状況は逆転する場合があることに注意すべきである。 図２ａおよび図２ｂは、従来の逆Δβ制御方向性結合器のＴＥ偏光モードおよ びＴＭ偏光モードに対する動作電圧Ｖ₁およびＶ₂に関する切換え吸光比の等高線 図を示す。これら二つの図の等高線の違いは、偏光非依存性方向性結合器を設計 する際に直面する問題を良く表している。図２ａでは、光信号はＴＥ偏光モード にあり、望ましい動作点、ＴＥクロス状態４０およびＴＥバー状態は各々、グラ フの第一および第三四分区間のほぼ起点および隅にある。これと対照的に、図２ ｂは、同じ方向性結合器で光信号がＴＭ偏光モードにある場合、ＴＭクロス状態 ４４およびＴＭバー状態４６は各々、グラフの軸沿いおよび対角線沿いにある。 図２ｃは、図２ａおよび図２ｂの方向性結合器のＴＥおよびＴＭ偏光モード両 方に関する結合切換え吸光比を示す複合等高線図である。両方の比が正である（ クロス状態に近い）Ｖ₁×Ｖ₂平面内の点では少ない値を取り、両方の比が負であ る（バー状態に近い）点では大きい値を取り、その他のすべての点では、関数に ゼロの値が割り当てられる。ＴＥおよびＴＭ偏光モードの両方についてこうして 等高線図をオーバレイすることにより、任意の偏光非依存性クロ ス状態５０および偏光非依存性バー状態５２のＶ₁×Ｖ₂平面における相対的な「 サイズ」および「位置」を示す複合等高線図が作成される。この例の目的上、偏 光非依存性クロス状態５０は、15dＢを超える吸光比を有する等高線図の領域だ けを含む。 図２ｃに示す結合等高線図内の偏光非依存性クロス状態５０の「サイズ」は非常 に小さいので、従来の逆Δβ制御方向性結合器を「偏光非依存性」モードで作動 させようとする場合、Ｖ_1cおよびＶ_2cの有効動作電圧範囲は著しく制限される。 図２ｃに示す例では、有効結合長（ｌ）は、偏光非依存性クロス状態５０および バー状態５２を達成するために、ＴＥおよびＴＭ偏光モードの各々について念入 りに選択された。有効結合長（ｌ）をこうして念入りに選択しない場合、または 方向性結合器の構成に変化がある場合、ＴＥクロス状態４０がＴＭクロス状態４ ４に、およびＴＥバー状態４２がＴＭバー状態４６にオーバラップしなくなる可 能性が高い。この場合、適切な吸光度の偏光非依存性クロス状態５０および偏光 非依存性バー状態５２はない。この場合、方向性結合器は、偏光非依存性光装置 として作動することがまったくできない。 「背景技術」の項で述べたとおり、逆Δβ制御方向性結合器を偏光非依存性に するための従来の方法では、ＴＥクロス状態を起点に十分に近づけて、ＴＭクロ ス状態状態とオーバラップさせる。これは、二つの導波路間の光結合強度を念入 りに調節して達成される。残念ながら、複数の方向性結合器を同時に製造する際 に、これらの結果を一貫して再現することは非常に難しい。さらに、このように 念入りに調節を行うためには、方向性結合器の設計者は、方向性結合器の長さＬ 並びに間隔Ｇおよび有効結合長ｌを選択する自由を放棄しなければならない。方 向性結合器における偏光非依存性を設計する従来の方法に伴う問題は、Ｗatson ，Ｊ.Ｅ．et al.の“Ａ Ｐolarization-Ｉndependent 1x16 Ｇuided-Ｗave Ｏptical Ｓwitch Ｉnt egrated on Ｌithium Ｎiobate”、Ｊournal of Ｌightwave Ｔechnology 、Ｖol．ＬＴ-4、Ｎo．11、Ｎov．1986に記載されており、これは、引用により 本明細書に包含する。 本発明は、偏光非依存性の問題を解決するために、ＴＭ等高線図に関してＴＥ 等高線図全体を移行する。本発明では、二つの等高線図間のオフセットは、方向 性結合器内の導波路の非光電的変更により行われるが、方向性結合器の、選択し た長さＬまたは間隔Ｇおよび有効結合長ｌに影響することはない。オフセットの 程度は、ＴＥクロス状態ピークが動作電圧においてＴＭクロス状態ピークと一致 し、その結果、動作電圧の集合が同時ＴＥおよびＴＭクロス状態を許容する比較 的大きい電圧許容差を生じるように選択する。 本発明では、方向性結合器の相互作用領域内にある二つの導波路間の光路長の 違いは、動作電圧Ｖ_1cおよびＶ_2cにおいてゼロになるように物理的に変更される 。この変更は、二つの導波路の伝搬速度に明白な違いを生じ、Δβ₀と呼ばれ、 光電的ではなく静電的起点を有する。この種の非光電的Δβ₀が方向性結合器に 追加されると、動作電圧Ｖ_1cおよびＶ_2cの効果は非光電的Δβ₀と結合し、方向 性結合器の偏光非依存性光スイッチ状態を確立する。 光電材料がリチウムニオベートまたはリチウムタンタレートである望ましい実 施例では、非光電的Δβ₀は、ＴＥおよびＴＭ偏光両方についてほぼ同じ符号お よび大きさを有するように、方向性結合器内に形成される。ＴＭ偏光モードに対 する光電的効果は、ＴＥ偏光モードに対する光電的効果の約３倍なので、ＴＥモ ードに関してＴＭモードに対する動作電圧Ｖ₁およびＶ₂の集合全体の正味移行が ある。つまり、ＴＭモードに対する非光電的Δβ₀を克服するのに必要な電位は 、ＴＥモードに必要な電位の約３分の１である。し たがって、ＴＭ等高線図の位置の移行は、ＴＥ等高線図に関する移行の約３分の １である。このＴＭおよびＴＥ等高線図の位置の差動移行は、ＴＥクロス状態ピ ークに対する動作電圧の集合をＴＭクロス状態ピークに対する動作電圧の集合と 一致させるかまたは重ねるために本発明により開発される。 非光電的Δβ₀を生成する一つの方法は、方向性結合器の二つの導波路の一方 の幅または構成を変更することにより、導波路の有効屈折率を変えることである 。この技術は、一定の材料および結晶カットには有用だが、本発明の望ましい材 料の一つであるリチウムニオベートでは、必ずしも最も望ましい結果を生じるわ けではない。これは、βの変化は、リチウムニオベートでは、ＴＭの場合はＴＥ の場合の約２倍になり、結合等高線図のＴＭの特徴は、ＴＥの特徴とほぼ同じだ け移行し、両方の偏光モードに対する動作電圧を一致させるために本発明が使用 する所望の非光電的差動移行を得るためには、実際的ではない大きさの全体的な 移行が必要になるからである。 非光電的Δβ₀を生成する別の方法は、導波路の温度または圧力を変えるなど 、導波路を作動させる条件を変更することである。しかし、これらの方法は、導 波路を作動させるために制御された動作条件が必要であるという明らかな欠点が ある。 次に図３ａを参照して、本発明の望ましい実施例に基づく逆Δβ制御偏光非依 存性方向性結合器の均一に曲率した均一間隔の実施例を説明する。方向性結合器 ６０では、上記切換え特性の所望の移行を得るための手段は、方向性結合器６０ の構造を静的に変更して、二つの導波チャネル６２および６４の一方を他方より も多少長くすることである。この追加の長さはΔＬと呼ばれ、非常に短いので、 二つの導波路６２および６４の中心線が、結合器６４の長さＬに比 べて非常に大きい半径Ｒの円弧をたどるようにして、差動長を形成することがで きる。半径Ｒは、曲率範囲６６において一定であることが望ましい。チタンのド ーピングにより形成される導波チャネルを有するニオブ酸リチウム光電材料、お よび約0.5〜2.0μｍの波長を有する光信号の場合、定半径Ｒは約20ｃｍ〜３ｍで あり、約0.5〜2.0ｍであれば最適である。 外側導波チャネル６２内の光信号は、内側導波チャネル６４内の光信号より多 少遠くに伝わるので、二つの導波チャネルが同じであるとすると、外側導波チャ ネル６２内の光信号は徐々に遅れる。望ましい有効差動伝搬定数Δβ₀に変換さ れるのは、この多少の「遅延」である。Δβ₀の量は、方向性結合器６０の両方 の導波チャネル６２および６４の幾何学的形状変えるだけで調節することができ るので、ＴＥおよびＴＭ偏光モードにおいてほぼ等しい変化が得られる。導波路 ６２および６４の幾何学的形状は、方向性結合器６０を製造する際にたとえば写 真製版によりきわめて良好に調節することができるので、Δβ₀の正確な値を予 測および調節することはきわめて容易である。 差動長により生じる相対的位相の移行は、差動βにより生じる移行と区別する ことはできない。望ましい実施例において典型的なΔβ₀の値は、1.3μｍ光のリ チウムニオベートで実施される長さ26ｍｍの方向性結合器では約0.0001〜0.0002 μｍ^-1である。これは、約３ラジアンの位相変化Δφを意味する。λ＝1.3μｍ 光およびｎ＝リチウムニオベート内の屈折率である場合、同等光路長の差ΔＬは ： ΔＬ＝Δφ／β＝Δφλ／πｎ ＝0.28μｍ 中心から中心までＧμｍ離れた間隔で配置され、長さＬｍｍの導 波路６２および６４を具備し、結合器の中心線が半径Ｒの円弧をたどる偏光非依 存性方向性結合器６０の場合、差動長ΔＬは： ΔＬ＝ＧＬ／Ｒ 導波路間の間隔Ｇがたとえば14μｍである場合、長さＬに対する所望の半径Ｒ は、 Ｒ＝ＧＬ／ΔＬ ＝1.3ｍ である。 結合等高線図内の二つの伝達関数の差動移行は、導波チャネルの曲率方向によ って決まる。外側（比較的長い）導波路６２が正極にある場合、移行は、Ｖ₁お よびＶ₂のより大きい正の値になり、内側導波路６４が正極にある場合、移行は より大きい負の値になる。導波路６２および６４の曲率が結合器６０の長さの中 間点において符号を変える場合、Δβ₀は結合器沿いの中間で逆転し、伝達関数 は、たとえばより大きい正のＶ₁およびより大きい負のＶ₂に移動する。図３ｂは 、「Ｓ」形を有する曲率が逆転した偏光非依存性方向性結合器を示す。均一に曲 率した形状および曲率が逆転した形状を結合することにより、本発明により達成 される伝達関数の移動は、Ｖ₁×Ｖ₂空間内の任意の方向で行うことができる。 図５は、本発明に基づく均一に曲率した、テーパ付き間隔の逆Δβ制御偏光非 依存性方向性結合器の望ましい実施例を示す。この実施例では、収束する差動導 波チャネル間の間隔（Ｇ_d）は、所望の導波チャネル間の間隔（Ｇ）に等しい導 波チャネル間有効間隔（Ｇ_d′）を有する。導波チャネル間の間隔（Ｇ_d）は、導 波チャネル６２の中心から導波チャネル６４の中心まで測定することが望ましい 。この実施例では、最低チャネル間隔（Ｇ_dmin）は結合長（Ｌ）の中心にあり、 最大チャネル間隔（Ｇ_dmax）は各導波チャネル６２およ び６４の端部にある。たとえばＡlfernessに付与された米国特許第４，２４３， ２９５号に記載されている技術など、導波チャネルにテーパを形成する方法およ び範囲で行うことが可能な多くの変形例があることが分かるであろう。 均一曲率の一例である本発明に基づく逆Δβ制御偏光非依存性方向性結合器は 、1.3μｍ光で長さＬ＝30ｍｍおよびＧ＝14μｍの導波チャネル、並びに半径Ｒ ＝104ｃｍを有するリチウムニオベート方向性結合器６０である。図４ａおよび 図４ｂは、この方向性結合器について測定されたＴＥおよびＴＭ伝達関数を示す 。図４ｃは、図４ａおよび図４ｂに示した偏光非依存性方向性結合器に関する最 悪の場合の偏光非依存性動作を示す複合マップである。この複合マップは、図２ ｃに関して説明する方法でＴＥおよびＴＭ伝達関数をを比較して作成する。この 複合マップは、15dＢ吸光度を超えるＶ₁×Ｖ₂平面内のクロス状態領域５０を示 す。このクロス状態状態領域５０の範囲は、本明細書で説明する技術を使用しな い場合に得られる範囲に比べてはるかに大きい。 次に、図６ａおよび図６ｂを参照して、本発明の重要な範囲の長所を数字で説 明する。図６ａは、図４ｃに示す伝達関数を有する方向性結合器６０について得 られた電圧オフセット対曲率（Ｒ^-1）の逆半径に関するサンプル測定値のグラフ を示す。ＴＥ偏光非依存性に対する電圧オフセットは７０に示し、ＴＭ偏光非依 存性に対する電圧オフセットは７２に示す。（Ｒ^-1）＝０の場合、方向性結合器 ６０の曲率はないので、ＴＥ電圧オフセットでもＴＭ電圧オフセットでもオフセ ットはない。方向性結合器６０に曲率が付与されると、ＴＥおよびＴＭ電圧オフ セットが両方とも移行し始めるが、ＴＥ偏光モードに対するオフセットは、線７ ２（ＴＭ電圧オフセット）に対する線７０（ＴＥ電圧オフセット）の相対的な勾 配により示さ れるように、ＴＭ偏光モードに対するオフセットよりも約３倍速く移行する。半 径（Ｒ）が約５ｍを超える場合、−0.20＜Ｒ^-1＜0.20に示すように、二つのオフ セット７０と７２との間には多少有用な差がある。５ｍ未満の場合、二つのオフ セット７０と７２との差は、ＴＥクロス状態をＴＭクロス状態に移行して、従来 可能だったよりもはるかに大きい偏光非依存性動作範囲を達成するために本発明 により使用される。 従来の方向性結合器の曲率導波路の例は、Ｗalkerに付与された英国特許第２ ２２３ ３２３号に記載されているものなどがあるが、これらの従来の方向性結 合器はどれも、方向性結合器を偏光非依存性にするために導波路の曲率を使用し ているのではない。同様に重要な点は、これら従来の方向性結合器が提案した曲 率の半径は、あまりに小さすぎて、本発明の偏光非依存性の目的を達成すること はできない。 「背景技術」の項で述べたとおり、従来の方向性結合器の大多数は、光信号の 偏光の問題を実際上無視しており、装置により結合される光信号は単一偏光であ ると仮定している。Ｗalker特許は、光信号は単一の基本的な偏光であると仮定 している方向性結合器の良い例である。この仮定がなければ、Ｗalkerが定義す るβ、Δβおよび結合強度に対し十分に定義された意味を与えることはできない 。一例として、Ｗalkerは、彼の方向性結合器におけるΔβは電圧に比例する点 に注目している。図６ａを参照すると、Ｗalkerによるこの説明は、単一偏光を 仮定する場合にのみ正しいことが明白である。ＴＥおよびＴＭ偏光が両方存在す る場合、Ｗalkerが行った説明は正しくない。 Ｗalkerが考えたこれら二つの例では、所望のΔβオフセットは約４ｍｍ^-1で ある。この値を使用すると、導波路の必要な曲率を 計算することができる。所望のΔβオフセットは、長さ（Ｌ）×差動伝搬定数Δ βとして表すことができる。実際の伝搬定数βは二つの導波路で同じであるから 、幾何学的経路の長さの差（ΔＬ）×共通のβは、明らかにΔβ×Ｌになる。し たがって、半径ＲおよびＲ＋Ｇである二つの同心円弧の経路の長さの差を計算す るだけで良い。Ｇは、導波路の中心間の分離である。内側の弧が長さＬを有する 場合、外側の弧は長さＬ^*（Ｒ＋Ｇ）／Ｒを有する。経路の長さの差ΔＬは、Ｌ Ｇ／Ｒであり、 ＬΔβ＝βΔＬ ＝β^*ＬＧ／Ｒ したがって、 Ｒ＝βＧ／Δβ β＝２πｎ／λ＝1.06×10⁴ｍｍ^-1のλ＝1.3μｍおよびＧ＝10^-2ｍｍにおいて 、これらの値およびリチウムニオベート導波路に典型的なパラメーターを使用す ると、Ｗalkerが考えた曲率導波路の半径Ｒは約270ｍｍである。残念ながら、こ の半径は低損失導波路には短すぎ、実際的な方向性結合器にはならない。 本発明の所望の偏光非依存性を達成するには、結合領域の長さ（Ｌ）対ＴＭ偏 光モードに対する有効結合長（ｌ）の比率がＬ／ｌ_TM≒2.0になるようにすると 最も有利である。この比率は、有効結合長（ｌ）のどの集合を装置に使用するか に応じて、方程式（１＋４ｍ）＜Ｌ／Ｉ_TM＜（３＋４ｍ）を満たすべきである。 ここで、ｍはゼロ以上の整数である。これは、図４ｃに示す結合クロス状態５０ に所望の峰をもたらす。ＴＥクロス状態４０は、図２ａおよび図２ｂの例に示す ように一般にＴＭクロス状態の峰４４の外側にあるので、望ましい調整は、たと えば図５に示す均一な曲率の結合器を使用して、ＴＥクロス状態４０をＶ₁＝Ｖ₂ 軸に沿ってＴＭクロス状態４４に対し移行することである。移行の量は、常にＴ Ｅクロ ス状態４０の起点からの距離に近い。この「移行距離」は、Δβとして表され、 約ΔβＬ／π≒1.5を超えることはない。この範囲の他の端部では、約ΔβＬπ ≒0.25未満の移行距離は役立たない。なぜなら、小さい移行は、非常に近い１ま たは３のＬ／ｌ_TEと関連し、これらの値は、方向性結合器の偏光非依存性を得る ための従来の方法で使用される典型的な値だからである。比較的弱い光電効果を 有する偏光（本明細書の例ではＴＥモード）も移行するので、比較的強度の光電 効果を有する偏光の移行は、比較的弱い光電効果を克服するのに十分でなければ ならない。したがって、上記範囲の移行は、二つの偏光の光電効果の相対的な強 度に応じて係数を乗じなければならない。この係数はＦ＝ｒ₁／（ｒ₁−ｒ₂）で あり、ｒ₁は大きい方の光電係数、ｒ₂は小さい方の光電係数である。この係数、 Ｆは、リチウムニオベートの場合、1.5に近い値を有する。これらの値を使用す ると、本発明に従って有用な所望の曲率範囲は、ほぼ以下のように表すことがで きる： 0.25Ｆ≦ΔβＬ／π≦1.5Ｆ この範囲を使用すると、βに関係なく方向性結合器の幾何学的形状および波長 ｌで表される曲率値の有効範囲を計算することは容易である。β＝２πｎ／λを 代入すると、有効な最小半径および最大半径は以下になる： Ｒ_min≒４ｎＧＬ／（３Ｆλ） Ｒ_max≒24ｎＧＬ／（３λ） 一般に、最も有用な曲率値は、Ｒ_minとＲ_maxとの中間にある。図６ｂは、各種 光電材料並びにＲ_minおよびＲ_maxに関するこれらの値の例の表を示す。さらに、 図６ｂは、各種材料に関するＷalkerの引用例の示唆から計算したＲを示し、Ｗa lkerの半径Ｒがどの場合にも本発明のＲ_minより少ないことを実証する。 許容可能な偏光非依存性クロス状態５０の電圧許容差を示すＶ₁×Ｖ₂平面内の 領域は、ＴＥ伝達関数ＴＭ伝達関数に関連して適切に移動することにより増大す る。偏光非依存性クロス状態５０に対するＶ₁×Ｖ₂平面内のこの比較的大きい領 域は、製造歩留まりおよび使いやすさを改善する。本発明の主な長所は、方向性 結合器の有効歩留まりの増大である。ＴＭクロス状態領域４４と一致して偏光非 依存性クロス状態５０を生成するＴＥクロス状態４０の領域を増大することによ り、偏光非依存性である実際的な方向性結合器が可能である。本発明を使用する ことにより、導波チャネル６２および６４間の結合は、ＴＭモードではほぼ理想 的に±１０％、ＴＥモードでは＋10％〜−50％変化し、なお許容可能なクロス状 態を提供することが分かった。これは、導波チャネル２０および２２間の結合を ±約2.5％の範囲内に調節しなければならない従来の構造と対照的である。その 他の長所は、クロス状態領域５０の増大により運用が容易なことである。これは 、装置間動作電圧許容差が比較的大きいので、これらの装置の駆動電圧を装置ご とに監視および調整する必要がないことを意味する。その他の長所は、ＴＥ伝達 関数関数内の移行が、Ｖ₁×Ｖ₂平面の第三四分区間内における偏光非依存性バー 状態動作の領域を起点方向に移動し、バー状態動作電圧Ｖ１ｂおよびＶ２ｂを該 移行の量だけ減少させることである。最後の長所は、波長感度の減少である。半 径Ｒが約１ｍを超える場合、方向性結合器６０は、クロス状態吸光比が許容可能 なレベルを下回る前に、光信号の波長の変動の約２倍を許容する。 次に図７を参照して、本発明に基づく方向性結合器６０の製造パラメーターを 選択する望ましい方法を説明する。製造パラメーターは、結合器６０の長さ（Ｌ ）、導波チャネル間平均間隔（Ｇ）、および曲率範囲内の半径（Ｒ）を含む。図 ７に関して説明する方法は、 必要な各ステップについて個々に手動で計算して達成するか、またはコンピュー タプログラムにより実施するか、またはこれら二つの組み合わせにより実施する ことができる。ステップ１００では、一定の光電材料、光の波長、所望の動作電 圧範囲Ｖ₁およびＶ₂が設計者に提供される。ステップ１０２では、低光出力損失 に対する所望の動作値を選択する。殆どの方向性結合器では、光出力損失は、２ dＢ〜４dＢの範囲内で選択される。ステップ１０４では、所望の動作電圧範囲Ｖ １ｂおよびＶ２ｂに基づいて、結合器の長さ（Ｌ）が選択される。逆Δβ制御方 向性結合器では、結合領域における二つの導波チャネル間の結合長（ｌ）の倍数 である結合器長さ（Ｌ）を選択するのが普通である。ステップ１０６では、一定 の値および選択された結合器長さ（Ｌ）に対する結合特性を決定する。結合特性 は測定して決定することが望ましいが、これらの特性は、たとえば計算して概算 を求めるか、または以前の測定値から補間することもできる。ステップ１０８で は、結合器の長さ（Ｌ）が所望波長の光信号のＴＭ偏光モードに対する有効結合 長（ｌ）の約２倍になるように、導波チャネル間平均間隔（Ｇ）を選択する。決 定１１０では、結合器長さ（Ｌ）対所望波長の光信号のＴＥ偏光モードに対する 有効結合長（ｌ）の比率が約（１＋４ｍ）〜（３＋４ｍ）（ｍはゼロ以上の整数 ）ではない場合、処理はステップ１０２に戻り、低光出力損失条件が変更され、 再び選択過程が開始される。 決定１１０が順調な場合、ステップ１１２において、ＴＥクロス状態４０をＴ Ｍクロス状態４４上に移行するように、電圧Ｖ_1cおよびＶ_2cに関する所望のオフ セットが決定される。ステップ１１４では、動作電圧Ｖ₁およびＶ₂の所望のオフ セットを達成するのに必要な差動長（ΔＬ）に関して、導波チャネル６２および ６４の曲率半径（Ｒ）が計算される。決定１１６では、曲率半径（Ｒ）が 方向性結合器の特定材料および特性には小さすぎて、方向性結合器の全体的な光 出力損失にマイナスの影響を及ぼし、ステップ１０２で選択された低損失パラメ ーターを妨害するかどうかが判断される。たとえば、リチウムニオベートの場合 、曲率半径（Ｒ）が約30ｍｍ未満である場合、方向性結合器の全体的な出力は５ ０％以上減少する。低損失パラメーターが曲率半径（Ｒ）によってマイナスの影 響を受ける場合、動作はステップ１０２に戻り、低光出力損失パラメーターが変 更され、処理が再開される。マイナスの影響を受けない場合は、選択過程は終了 する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ワトソン，ジェイムズ・イー アメリカ合衆国55133−3427ミネソタ州セ ント・ポール、ポスト・オフィス・ボック ス33427

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．逆差動伝搬定数制御を使用する光電切換え式方向性結合器（６０）であっ て、 一定の結合長（Ｌ）と、有効結合長（ｌ）により示される所定の導波チャネル 間有効間隔（Ｇ）とを有する少なくとも一対の導波チャネル（６２、６４）を相 互作用領域内に有する光電材料と、 導波チャネルに沿って電界を選択的に生成して、導波チャネルの光伝搬定数を 光電的に変更し、導波チャネル間の光結合の効果を変更するための少なくとも一 対の電極（３０、３１；３２、３３）と、 方向性結合器がＴＭ偏光モードで光スイッチ状態にある時の動作電圧の集合と 、方向性結合器がＴＥ偏光モードで光スイッチ状態にある時の動作電圧の集合と が一致するように非光電的方法で導波チャネル間に少なくとも一つの差動光路長 を形成し、動作電圧の前記の一致した集合内の電圧が前記の電極に印加される際 、前記の方向性結合器の光スイッチ状態が、前記の方向性結合器に入射する光信 号の偏光に実際上依存しないようにする形成手段と、 を具備する方向性結合器。 ２．少なくとも一つの差動光路長を形成する前記の形成手段が、 ＴＭ偏光モードの光信号に対する光電的効果の大きさとＴＥ偏光モードの光信 号に対する光電的効果の大きさとが相対的に異なるため、該ＴＭ偏光モードの該 光スイッチ状態の動作電圧の集合を該ＴＥ偏光モードの該光スイッチ状態の動作 電圧の集合に対し移行するように選択された半径を有する前記の導波チャネルの 曲率範囲を具備する請求項１記載の方向性結合器。 ３．前記の曲率範囲が、二つの導波チャネル間の中心線に対し、４ｎＧＬ／（ ３λＦ）≦Ｒ≦６ｎＧＬ／λ（ここで、ｎ＝該光電材 料の屈折率、λ＝該光信号の波長、並びにＦ＝ｒ₁／（ｒ₁−ｒ₂）であり、ｒ₁は 二つの偏光モードに対する大きい方の光電係数、ｒ₂は二つの偏光モードに対す る小さい方の光電係数である）である値Ｒを有する定半径を有する 請求項２記載の方向性結合器。 ４．前記の光電材料がニオブ酸リチウムであって、前記の導波チャネルが、チ タンをニオブ酸リチウムにドーピングすることにより形成され、該光信号が約0. 5〜2.0μｍの波長を有し、該曲率範囲が、前記の導波チャネル間の中心線に対し 、値が約20ｃｍ〜３ｍの定半径を有する請求項２記載の方向性結合器。 ５．少なくとも一つの差動光路長を形成する前記の形成手段に関係なく前記の 方向性結合器の切換え吸光比を光学的に増大させる光学的増大手段 をさらに具備する請求項１記載の方向性結合器。 ６．切換え吸光比を光学的に増大させる前記の増大手段が、変化する導波チャ ネル間の間隔（Ｇ_d）を有し、該間隔が、一定の導波チャネル間の間隔（Ｇ）に 等しい導波チャネル間有効間隔（Ｇ_d′）を有する 請求項５記載の方向性結合器。 ７．逆差動伝搬定数制御を使用する偏光非依存性光電切換え式方向性結合器（ ６０）であって、 相互作用領域内に少なくとも一対の導波チャネル（６２、６４）を有する光電 的材料と、 前記の導波チャネルに沿って電界を選択的に生成して、導波チャネルの光伝搬 定数を光電的に変更し、導波チャネル間の光結合の効果を変更するための少なく とも一対の電極（３０、３１；３２、３３）と、 ＴＭ偏光モードの光信号に対する光電的効果の大きさと、ＴＥ偏光モード光信 号に対する光電的効果の大きさとが相対的に異なるため、ＴＭ偏光モードのクロ ス状態をＴＥ偏光モードのクロス状態に対し移行することにより、方向性結合器 がＴＭ偏光モードでクロス状態にある時の動作電圧の集合と、方向性結合器がＴ Ｅ偏光モードでクロス状態にある時の動作電圧の集合とが一致するように選択さ れる定半径により規定される曲率範囲を有し、導波チャネル間の光結合の効果が 、クロス状態では、該方向性結合器に入射する光信号の偏光に実際上依存しない 導波チャネルと、 を具備する方向性結合器。 ８．該曲率範囲が、二つの導波チャネル間の中心線に対し、４ｎＧＬ／（３λ Ｆ）≦Ｒ≦６ｎＧＬ／λ（ここで、ｎ＝該光電材料の屈折率、λ＝該光信号の波 長、並びにＦ＝ｒ₁／（ｒ₁−ｒ₂）であり、ｒ₁は二つの偏光モードに対する大き い方の光電係数であり、ｒ₂は二つの偏光モードに対する小さい方の光電係数で ある）である値Ｒを有する定半径を有する 請求項７記載の方向性結合器。 ９．前記の光電材料がニオブ酸リチウムであって、前記の導波チャネルが、チ タンをニオブ酸リチウムに注入して形成され、該光信号が約0.5〜2.0μｍの波長 を有し、該曲率範囲が、前記の導波チャネル間の中心線に対し、値が約20ｃｍ〜 ３ｍの定半径を有する請求項７記載の方向性結合器。 １０．逆差動伝搬定数制御を使用し、相互作用領域内に少なくとも一対の導波 チャネル、および、前記の導波チャネルに沿って電界を選択的に形成するための 少なくとも一対の電極を有し、前記の導波チャネルの光伝搬定数を光電的に変更 して、前記の導波チャネル間の光結合を変更する偏光非依存性方向性結合器の設 計パラメータ ーを選択する方法であって、 （ａ）所定の光電材料および光の波長について、動作電圧の所望の集合を該方 向性結合器の電極に提供するステップと、 （ｂ）該方向性結合器の最大光出力損失を選択するステップと、 （ｃ）該方向性結合器の光出力損失が最大光出力損失以下になるように、該方 向性結合器の複数の導波路製造条件を選択するステップと、 （ｄ）動作電圧の所望の集合に基づいて結合器の長さ（Ｌ）を選択するステッ プと、 （ｅ）ステップ（ａ）〜（ｄ）により指定される値に関し、ＴＭ偏光モードお よびＴＥ偏光モード両方の光の波長について有効結合長（ｌ）を決定するステッ プと、 （ｆ）該結合器の長さ（Ｌ）が、該ＴＭ偏光モードに対する有効結合長（ｌ） の約２倍になるように、導波チャネル間平均間隔（Ｇ）を選択するステップと、 （ｇ）該結合器の長さ（Ｌ）対ＴＥ偏光モードに対する有効結合長（ｌ）の比 率が約（１＋４ｍ）〜（３＋４ｍ）ではなく、ｍがゼロ以下の整数である場合に ステップ（ｂ）に戻り、選択された最大光出力損失を変更するステップと、 （ｈ）該電極が光スイッチ状態にある時の動作電圧の集合の所望のオフセット を決定し、ＴＥ偏光モードに対する該光スイッチ状態をＴＭ偏光モードに対する 該光スイッチ状態に移行するステップと、 （ｉ）該動作電圧の所望のオフセットを達成するのに必要な導波チャネルの対 の差動長（Δｌ）に関し、一対の導波チャネルの曲率半径（Ｒ）を決定するステ ップと、 （ｊ）曲率半径（Ｒ）により、該方向性結合器の光出力損失が、ステップ（ｂ ）で選択された最大光出力損失を超える場合、ステッ プ（ｂ）〜（ｄ）に戻り、これらのステップの一つまたは複数の選択を変更する ステップと、 （ｋ）該結合器長（Ｌ）、導波チャネル間平均間隔（Ｇ）および曲率半径（Ｒ ）を使用して、該偏光非依存性方向性結合器を製造するステップと、 を含む方法。 １１．選択された曲率半径（Ｒ）が、４ｎＧＬ／（３λＦ）≦Ｒ≦６ｎＧＬ／ λ（ここで、ｎ＝該光電材料の屈折率、λ＝該光信号の波長、並びにＦ＝ｒ₁／ （ｒ₁−ｒ₂）であり、ｒ₁は二つの偏光モードに対する大きい方の光電係数であ り、ｒ₂は二つの偏光モードに対する小さい方の光電係数である）である値Ｒを 有する 請求項１０記載の方法。