JPS5949517A - 導波形電気光学光変調器 - Google Patents
導波形電気光学光変調器Info
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- JPS5949517A JPS5949517A JP16005382A JP16005382A JPS5949517A JP S5949517 A JPS5949517 A JP S5949517A JP 16005382 A JP16005382 A JP 16005382A JP 16005382 A JP16005382 A JP 16005382A JP S5949517 A JPS5949517 A JP S5949517A
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- waveguide
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- refractive index
- light
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL 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
- G02F1/00—Devices 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
- G02F1/01—Devices 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 intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/03—Devices 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 intensity, phase, polarisation or colour based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
- G02F1/035—Devices 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 intensity, phase, polarisation or colour based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は誘電体結晶の電気光学効果を使った光変調器、
とくに結晶の基板表面に光導波路を形成した動作電圧が
低く、動作速度の速い、構成の簡便な導波形光変調器に
関する。
とくに結晶の基板表面に光導波路を形成した動作電圧が
低く、動作速度の速い、構成の簡便な導波形光変調器に
関する。
電気光学光変調器は、結晶に印加する電界の強度に比例
した屈折率の変化を生ずる効果（ポッケルス効果）を利
用した高速の光変調器として古くから研究開発がなされ
ている。形状の大きな結晶中に光ビームを透過し、光ビ
ームの透過方向とは垂直な方向に電界を印加して、結晶
中を透過する侑 光ビームの肩光面を回転させ、結晶出射後に配置された
偏光子を透過させて光強度を変化させるという原理に基
づくバルク形の光変調器は、印加電圧が高く、温度安定
性に欠けるという欠点がある。
した屈折率の変化を生ずる効果（ポッケルス効果）を利
用した高速の光変調器として古くから研究開発がなされ
ている。形状の大きな結晶中に光ビームを透過し、光ビ
ームの透過方向とは垂直な方向に電界を印加して、結晶
中を透過する侑 光ビームの肩光面を回転させ、結晶出射後に配置された
偏光子を透過させて光強度を変化させるという原理に基
づくバルク形の光変調器は、印加電圧が高く、温度安定
性に欠けるという欠点がある。
高印加電圧の原因のひとつは、結晶の光透過長を長くし
、電極間の距離を狭める、すなわち結晶の厚さを薄くす
ると、光入出射面での光の回折を生ずるため、結晶長と
結晶あ厚さとの比を一定値よシ大きく出来ないことによ
っている。結晶長を長くしても光の回折を生ずることの
ないようにするには導波構造となっていることが必要で
ある。
、電極間の距離を狭める、すなわち結晶の厚さを薄くす
ると、光入出射面での光の回折を生ずるため、結晶長と
結晶あ厚さとの比を一定値よシ大きく出来ないことによ
っている。結晶長を長くしても光の回折を生ずることの
ないようにするには導波構造となっていることが必要で
ある。
誘電体や半導体基板の表面に屈折率の高い、層またはチ
ャンネルを設け、これを光の導波路とし、との光導波路
の近傍に設けた対向する電極間に電圧を印加し、光導波
路中に発生する暇場によって導波路中の屈折率を変化さ
せ、ここを伝わる導波光に回折、ノロ（折、散乱、モー
ド変換等の光学的現象を生じさせ、導波光の透過振幅を
変化させて変調を行う素子が導波形の光変調器と称せら
れている。導波形光変調器の特長は、前述の導波による
光の回折損が少いため電界の作用長すなわち素子長を長
くできることに加えて、導波層まだは導波路の幾可学長
が小さいことによって、電極間隔を接近させて設け、印
加電界強度を強めることができることから高感度である
という点にある。具体的な素子の構成法として従来から
知られているもののひとつは、ブラッグ回折形と称する
もので、電気光学効果を有する結晶板の表面一様に高屈
折率の層を設け、これを光導波層とし、更にこの導波層
の上にインターディジタル電極を設け、この電極に印加
する電場によって導波層中に形成される周期電場が導波
光を基板面内で回折させ、透過光の強度を変調するもの
である。この形の光変調器は、導波路が平面であるため
、ファイバ光の変調などに用いるには導−波路入出射端
部に円筒レンズ等を用いて光ファイバとの光の結合をは
からねばならず構成が複雑となシ、光損失の増大や信頼
性、安定性に不安がある。
ャンネルを設け、これを光の導波路とし、との光導波路
の近傍に設けた対向する電極間に電圧を印加し、光導波
路中に発生する暇場によって導波路中の屈折率を変化さ
せ、ここを伝わる導波光に回折、ノロ（折、散乱、モー
ド変換等の光学的現象を生じさせ、導波光の透過振幅を
変化させて変調を行う素子が導波形の光変調器と称せら
れている。導波形光変調器の特長は、前述の導波による
光の回折損が少いため電界の作用長すなわち素子長を長
くできることに加えて、導波層まだは導波路の幾可学長
が小さいことによって、電極間隔を接近させて設け、印
加電界強度を強めることができることから高感度である
という点にある。具体的な素子の構成法として従来から
知られているもののひとつは、ブラッグ回折形と称する
もので、電気光学効果を有する結晶板の表面一様に高屈
折率の層を設け、これを光導波層とし、更にこの導波層
の上にインターディジタル電極を設け、この電極に印加
する電場によって導波層中に形成される周期電場が導波
光を基板面内で回折させ、透過光の強度を変調するもの
である。この形の光変調器は、導波路が平面であるため
、ファイバ光の変調などに用いるには導−波路入出射端
部に円筒レンズ等を用いて光ファイバとの光の結合をは
からねばならず構成が複雑となシ、光損失の増大や信頼
性、安定性に不安がある。
導波形光変調器の他の例は方向性結合形と称される素子
で、この素子の原理は、電気光学結晶板の表面に２本の
チャンネル形導波路を極く接近させて設け、一方の導波
路に光を入射させ、導波路の接近した領域において他方
の導波路への光の結合の量を、結晶板表面に設けた電極
から生ずる電界によって制御するものである。この方式
の素子は導波路がチャンネル状であるため、光ファイバ
等との結合が容易であるという利点を有する。光の結合
の方式として、電界を印加しない状態で一方の導波路か
ら他方の導波路へ光が大部分秒るように素子を設定し、
電界を印加して双方の導波路の屈折率を変えて位相定数
を変化させて結合を解くという方式が印加電圧が低くて
すむためとられている。しかしながら光の損失を少くす
るためには、電界印加しない状態で完全な結合が生じて
いることが必要で、このためには、導波路が接近してい
る領域の長さすなわち結合長の設定に精度を要する。実
際にはこのような状態を作シ出すことは困難で、このた
め、電極構造の工夫によって、２つの電圧値で光の結合
、解離のいずれかの状態が生ずるように設計されている
。このため光のパルス変調器として用いる場合には、バ
イアス電位を必要とする。また、透過する光の波長が変
ると特性が大きく異なシ、波長に合せた素子の最適設計
が必要とされる。また２つの平行する導波路の幅や間隔
は３〜ｉｏμｍと微細で、長さは１Ｏ−２０ｆｆと長い
。このようなパタ／を欠損なく歩留よく得るのは非常に
難かしく製造価格が高くなるという欠点をもつ。
で、この素子の原理は、電気光学結晶板の表面に２本の
チャンネル形導波路を極く接近させて設け、一方の導波
路に光を入射させ、導波路の接近した領域において他方
の導波路への光の結合の量を、結晶板表面に設けた電極
から生ずる電界によって制御するものである。この方式
の素子は導波路がチャンネル状であるため、光ファイバ
等との結合が容易であるという利点を有する。光の結合
の方式として、電界を印加しない状態で一方の導波路か
ら他方の導波路へ光が大部分秒るように素子を設定し、
電界を印加して双方の導波路の屈折率を変えて位相定数
を変化させて結合を解くという方式が印加電圧が低くて
すむためとられている。しかしながら光の損失を少くす
るためには、電界印加しない状態で完全な結合が生じて
いることが必要で、このためには、導波路が接近してい
る領域の長さすなわち結合長の設定に精度を要する。実
際にはこのような状態を作シ出すことは困難で、このた
め、電極構造の工夫によって、２つの電圧値で光の結合
、解離のいずれかの状態が生ずるように設計されている
。このため光のパルス変調器として用いる場合には、バ
イアス電位を必要とする。また、透過する光の波長が変
ると特性が大きく異なシ、波長に合せた素子の最適設計
が必要とされる。また２つの平行する導波路の幅や間隔
は３〜ｉｏμｍと微細で、長さは１Ｏ−２０ｆｆと長い
。このようなパタ／を欠損なく歩留よく得るのは非常に
難かしく製造価格が高くなるという欠点をもつ。
導波形光変調器のまた他の例は、導波層を伝わる導波光
を電界の印加によって基板中の放射モードへ変換する形
の変調器である。具体的な構成としては、複屈折結晶で
あるニオブ酸リチウム結晶のＣカット板の表面に金属イ
オンを拡散し、基板よシも屈折率が僅かに大なる高屈折
率層を設け、Ｃ軸方向に振動電界成分を有する光波モー
ドであるＴＭ波を励起を湯。基板面内で光透過方向とは
直交する方向に電場を印加すると、ＴＭ波は基板に平行
な振動電界成分を有し基板中に放射する放射モードに変
換され、導波ＴＭモードの強度が低下する。このような
構成に基づく導波形光変調器は構成が簡単であるという
利点はあるが、導波ＴＭモードの屈折率と基板に平行な
振動電界成分を有する放射モードにたいする屈折率差が
大きいために、変換効率が低く、高い印加電圧を必要と
するという欠点を有しておシ実用性が低い。
を電界の印加によって基板中の放射モードへ変換する形
の変調器である。具体的な構成としては、複屈折結晶で
あるニオブ酸リチウム結晶のＣカット板の表面に金属イ
オンを拡散し、基板よシも屈折率が僅かに大なる高屈折
率層を設け、Ｃ軸方向に振動電界成分を有する光波モー
ドであるＴＭ波を励起を湯。基板面内で光透過方向とは
直交する方向に電場を印加すると、ＴＭ波は基板に平行
な振動電界成分を有し基板中に放射する放射モードに変
換され、導波ＴＭモードの強度が低下する。このような
構成に基づく導波形光変調器は構成が簡単であるという
利点はあるが、導波ＴＭモードの屈折率と基板に平行な
振動電界成分を有する放射モードにたいする屈折率差が
大きいために、変換効率が低く、高い印加電圧を必要と
するという欠点を有しておシ実用性が低い。
このように従来の導波形光変調器はいずれも難点を有し
ている。本発明の目的は上記難点を除去した、高性能・
安価な導波形光変調器を提供することＫある。
ている。本発明の目的は上記難点を除去した、高性能・
安価な導波形光変調器を提供することＫある。
本発明によれば、電気光学結晶弐而付近に形成された１
本のチャシネル形光導波路と該光導波路の周囲に設け、
該光導波路の光透過方向に沿って厚さが周期的に変化し
たイオン交換層と、前記チャレネル形光導波路中に電界
を印加する手段とによって、高性能安価で温度特性の優
れた導波形電気光学光変調器が得られる。
本のチャシネル形光導波路と該光導波路の周囲に設け、
該光導波路の光透過方向に沿って厚さが周期的に変化し
たイオン交換層と、前記チャレネル形光導波路中に電界
を印加する手段とによって、高性能安価で温度特性の優
れた導波形電気光学光変調器が得られる。
第１図は本発明の導波形電気光学光変調器の依って立つ
原理を説明する図で、１はＣカットニオブ酸リチウム結
晶板、２はチタンを熱拡散させたチャンネル光導波路、
３はチャンネル導波路２以外の基板表面近くでイオン交
換処理を施こされた層、４はイオン交換処理を施こした
層３の表面を覆う金属電極膜であり、５はチャンネル光
導波路２に入射される基板に平行な直線偏光光、６はチ
ャンネル光導波路の部位を挾んで向い合う電極４に印加
する電位である。印加電極４に電圧が印加されたとき、
チャンネル光導波路２に入射した光は、光導波路２を伝
搬するにつれ、イオン交換層３に拡がる放射光に変換さ
れ、この放射光は電極４による減衰を受けて消失する。
原理を説明する図で、１はＣカットニオブ酸リチウム結
晶板、２はチタンを熱拡散させたチャンネル光導波路、
３はチャンネル導波路２以外の基板表面近くでイオン交
換処理を施こされた層、４はイオン交換処理を施こした
層３の表面を覆う金属電極膜であり、５はチャンネル光
導波路２に入射される基板に平行な直線偏光光、６はチ
ャンネル光導波路の部位を挾んで向い合う電極４に印加
する電位である。印加電極４に電圧が印加されたとき、
チャンネル光導波路２に入射した光は、光導波路２を伝
搬するにつれ、イオン交換層３に拡がる放射光に変換さ
れ、この放射光は電極４による減衰を受けて消失する。
印加笥：極４に電圧が印加されないとき、入射光５はチ
ャンネル導波路２を導波され減衰を受けることなく出射
する。印加電圧６の大きさに応じてチャンネル導波路２
を導波され出射すゐ光の強度が変化し、光の強度変調が
行なわれる。この動作は以下に述べる機構によって説明
される。
ャンネル導波路２を導波され減衰を受けることなく出射
する。印加電圧６の大きさに応じてチャンネル導波路２
を導波され出射すゐ光の強度が変化し、光の強度変調が
行なわれる。この動作は以下に述べる機構によって説明
される。
ニオブ酸リチウム結晶は一軸の光学的異方性を有し、例
えば波長１．３μｍの光波にだいする屈折率はＣ軸方向
に振動電界成分をもつ光波にだいする屈折率すなわち異
常光屈折率ｎｅは２，１４５．Ｃ軸に直交する方向に振
動電界成分をもつ光波にだいする屈折率すなわちｎ。は
２．２２２程度の値を有する。この結晶表面にチタン金
属膜を蒸着法等によって設け、１０００°Ｃ程度の高温
にさらすとチタン金属は結晶中に拡散し、基板表面近く
に屈折率のわずかに高い領域が生成する。その屈折率の
上昇は５×１０ 程度である。チタン薄膜を細い線状に
設けこれを熱拡散させると第１図のチャンネル導波路２
を生成させることができる。このチャンネル導波路を伝
わる導波モードの等側屈折率すなわち伝搬波数を空気中
の波数で除した値（等側屈折率）はチャンネル導波路の
断面サイズで異なシ、基板に水平な偏光のモード（ＴＥ
モード）の等画屈折率は２．２２５〜２．２２２の間の
値をもち、基板に垂直な偏光のモード（ＴＭモード）の
それは２１５０〜２．１４５の間の値をもつ。才たニオ
ブ酸１リチウム結晶のリチウム原子を他の原子例えば銀
や水素等の原子で置換すると異常光屈折率？輸のみ一／
に」９力１１し、常光屈折率ｎ。は変化しない。たとえ
ばニオブ酸リチウム結晶を安息香酸中で２４９°Ｃ程度
の温度で１時間煮沸しイオン交換処理を施むすと基板表
面から２μｍ程度の深さにわたシ、結晶中の１ノチウム
イオンが水素原子に置換されｎ、 ｌ）： ０．１１程
度（λ＝１．３μｍ）上昇する。第１図のイオン交換層
３はＴＭモードにだいする良好外導波路とガシ、その等
ｌ１ｌＴｉ屈折率はイオン交換層の厚さによって異なり
２．２５５〜２．１４５の間の値をもつ。このイオン交
換は交換時に金属膜で覆われていると生ぜず、選択的に
第１図のチタン拡散導波路部分表面を交換時に金属薄膜
で覆っておくことによって、チャンネル導波路２以外の
表面近傍のみのイオン交換が実現される。
えば波長１．３μｍの光波にだいする屈折率はＣ軸方向
に振動電界成分をもつ光波にだいする屈折率すなわち異
常光屈折率ｎｅは２，１４５．Ｃ軸に直交する方向に振
動電界成分をもつ光波にだいする屈折率すなわちｎ。は
２．２２２程度の値を有する。この結晶表面にチタン金
属膜を蒸着法等によって設け、１０００°Ｃ程度の高温
にさらすとチタン金属は結晶中に拡散し、基板表面近く
に屈折率のわずかに高い領域が生成する。その屈折率の
上昇は５×１０ 程度である。チタン薄膜を細い線状に
設けこれを熱拡散させると第１図のチャンネル導波路２
を生成させることができる。このチャンネル導波路を伝
わる導波モードの等側屈折率すなわち伝搬波数を空気中
の波数で除した値（等側屈折率）はチャンネル導波路の
断面サイズで異なシ、基板に水平な偏光のモード（ＴＥ
モード）の等画屈折率は２．２２５〜２．２２２の間の
値をもち、基板に垂直な偏光のモード（ＴＭモード）の
それは２１５０〜２．１４５の間の値をもつ。才たニオ
ブ酸１リチウム結晶のリチウム原子を他の原子例えば銀
や水素等の原子で置換すると異常光屈折率？輸のみ一／
に」９力１１し、常光屈折率ｎ。は変化しない。たとえ
ばニオブ酸リチウム結晶を安息香酸中で２４９°Ｃ程度
の温度で１時間煮沸しイオン交換処理を施むすと基板表
面から２μｍ程度の深さにわたシ、結晶中の１ノチウム
イオンが水素原子に置換されｎ、 ｌ）： ０．１１程
度（λ＝１．３μｍ）上昇する。第１図のイオン交換層
３はＴＭモードにだいする良好外導波路とガシ、その等
ｌ１ｌＴｉ屈折率はイオン交換層の厚さによって異なり
２．２５５〜２．１４５の間の値をもつ。このイオン交
換は交換時に金属膜で覆われていると生ぜず、選択的に
第１図のチタン拡散導波路部分表面を交換時に金属薄膜
で覆っておくことによって、チャンネル導波路２以外の
表面近傍のみのイオン交換が実現される。
ニオブ酸リチウム結晶のＸ方向に電界を印力■すると、
電気光学定数ｒ５ を介して常光と異常光との間に結合
が生じるが、能率のよい変換力；起るためには屈折率が
ほぼ一致していなければならない。
電気光学定数ｒ５ を介して常光と異常光との間に結合
が生じるが、能率のよい変換力；起るためには屈折率が
ほぼ一致していなければならない。
第１図の実施例の構成に示したように、イオン交換導波
路３の上に金属電極４を設け、チャンネル導波路２を挾
んで対向する２つの間に電圧６を印加し、チャンネル導
波路２にＴＥ波５を入射させると、チャンネル導波路２
中に生じているＸ方向の印加電界によってＴＥ波はイオ
ン交換導波路中のＸ７面内に放散する放射ＴＭモードに
変換される。例数ならばチャンネル導波路を伝わるＴＥ
波の等側屈折率ｎｇは前述の如＜ ２．２２５〜２．２
２２の間の値に設定することができ、イオン交換層の等
側屈折率ｎｒはやはシ前述の如（２−２５５〜２．−１
４５の間の値に設定することができる。イオン交換層の
等側屈折率ｎｒをチャンネル導波路の等側屈折率ｎｇよ
シはんの少し例えばｌＸｌ０−’程度大きく設定してお
く。第２図に示すようなダイヤグラムによってチャンネ
ル導波光とイオン交換層への放射光との整合の関係が理
解できる。イオン交換層の放射ＴＭ導波光の等側屈折率
は１７面内同一であるため、ｎｒ を半径とする円で表
示することができる。チャンネル導波光の波面進行方向
はｇ方向でアシ、ｙ方向１／Ｃｎｇの長さをもつベクト
ルで表わされる。チャンネル導波光は、電界印加によっ
て の関係を満たすθの角度の方向へのイオン交換層の面内
放射ＴＭ導波光に変換される。上記の等価屈折率差の設
定すなわちｎｒ−ｎ、＝ｘｘｉｏ にだいしてはθ＝
ｏ、５’方向に放射される。周知の如く、導波層表面が
金属膜で覆われているとＴＭ波の減衰は１００ｄＢ／（
７）近くと非常に大きい。このためイオン交換層の放射
ＴＭ導波光はチャンネル導波ＴＥ光から変換されるとた
ちどころに金属膜によって吸収される。
路３の上に金属電極４を設け、チャンネル導波路２を挾
んで対向する２つの間に電圧６を印加し、チャンネル導
波路２にＴＥ波５を入射させると、チャンネル導波路２
中に生じているＸ方向の印加電界によってＴＥ波はイオ
ン交換導波路中のＸ７面内に放散する放射ＴＭモードに
変換される。例数ならばチャンネル導波路を伝わるＴＥ
波の等側屈折率ｎｇは前述の如＜ ２．２２５〜２．２
２２の間の値に設定することができ、イオン交換層の等
側屈折率ｎｒはやはシ前述の如（２−２５５〜２．−１
４５の間の値に設定することができる。イオン交換層の
等側屈折率ｎｒをチャンネル導波路の等側屈折率ｎｇよ
シはんの少し例えばｌＸｌ０−’程度大きく設定してお
く。第２図に示すようなダイヤグラムによってチャンネ
ル導波光とイオン交換層への放射光との整合の関係が理
解できる。イオン交換層の放射ＴＭ導波光の等側屈折率
は１７面内同一であるため、ｎｒ を半径とする円で表
示することができる。チャンネル導波光の波面進行方向
はｇ方向でアシ、ｙ方向１／Ｃｎｇの長さをもつベクト
ルで表わされる。チャンネル導波光は、電界印加によっ
て の関係を満たすθの角度の方向へのイオン交換層の面内
放射ＴＭ導波光に変換される。上記の等価屈折率差の設
定すなわちｎｒ−ｎ、＝ｘｘｉｏ にだいしてはθ＝
ｏ、５’方向に放射される。周知の如く、導波層表面が
金属膜で覆われているとＴＭ波の減衰は１００ｄＢ／（
７）近くと非常に大きい。このためイオン交換層の放射
ＴＭ導波光はチャンネル導波ＴＥ光から変換されるとた
ちどころに金属膜によって吸収される。
しかしながらこの構成ではニオブ酸リチウム結晶のもつ
複屈折の温度係数が大きいために、光変調特性に温度変
化が大きく生じ使用に耐えない。
複屈折の温度係数が大きいために、光変調特性に温度変
化が大きく生じ使用に耐えない。
すでに報告されているニオブ酸リチウム結晶の複屈折の
温度係数は、 ｄｃｎ、−“°）＋＝４・３Ｘ１０−５ｄＴ
（りである。たとえば周
囲温度が±２５℃変化したとすると複屈折の変化量は±
Ｉ Ｘ １０−３に達する。導波モードの等側屈折率は
、基板の屈折率が変化するとほとんど同じだけ変化する
。前述の如くに、チャンネル導波ＴＥモードの等側屈折
率ｎｇとイオン交換層の面内放射ＴＭモードの等側屈折
率ｎｒとの差をＩ Ｘ １０”程度の大きさに設定して
おくと、温度が３℃も変化すれば、ｎ ｇ ＞ ｎ ｒ
の状態が現出する。この場合には第２図の２つの等側屈
折率間の整合関係を示すダイヤグラムにおいて、ｎｇを
示す矢印の先が半径ｎｒの半円の外に出てしまい、整合
がとれなくなってしまう。電界を印加してもモード変換
すなわちチャンネル導波光の強度の変調を生じさせるこ
とができなくなる。
温度係数は、 ｄｃｎ、−“°）＋＝４・３Ｘ１０−５ｄＴ
（りである。たとえば周
囲温度が±２５℃変化したとすると複屈折の変化量は±
Ｉ Ｘ １０−３に達する。導波モードの等側屈折率は
、基板の屈折率が変化するとほとんど同じだけ変化する
。前述の如くに、チャンネル導波ＴＥモードの等側屈折
率ｎｇとイオン交換層の面内放射ＴＭモードの等側屈折
率ｎｒとの差をＩ Ｘ １０”程度の大きさに設定して
おくと、温度が３℃も変化すれば、ｎ ｇ ＞ ｎ ｒ
の状態が現出する。この場合には第２図の２つの等側屈
折率間の整合関係を示すダイヤグラムにおいて、ｎｇを
示す矢印の先が半径ｎｒの半円の外に出てしまい、整合
がとれなくなってしまう。電界を印加してもモード変換
すなわちチャンネル導波光の強度の変調を生じさせるこ
とができなくなる。
これを避けるために予め等側屈折率の違いを大きく与え
ておき、温度が変っても第２図におけるダイヤグラムに
おいて常にｎ ｇ ＜ ｎ ｒとなるように設定する。
ておき、温度が変っても第２図におけるダイヤグラムに
おいて常にｎ ｇ ＜ ｎ ｒとなるように設定する。
たとえば町−ｎ ｇ〉２刈ｏ−５とすると、±２５°Ｃ
の温度変化内で常にｎｇ＜ｎｒの条件が満たされ、チャ
ンネル導波路を仏殿する導波光が・ｆオン交換層中の面
内放射モードに光合する角度が存在する。しかしながら
、導波モードから放射モードへの変換の効率が温度によ
って大きく変化する。
の温度変化内で常にｎｇ＜ｎｒの条件が満たされ、チャ
ンネル導波路を仏殿する導波光が・ｆオン交換層中の面
内放射モードに光合する角度が存在する。しかしながら
、導波モードから放射モードへの変換の効率が温度によ
って大きく変化する。
上記の変換効率は放射角度が大きいほど低くなる。
これは、放射角度の大きい放射モードの光電界の強度分
布と導波モードのもつ光電界の強度分布とが大きく異な
るためである。２つのモードの位相定数の大きさが近く
なる温度では変換効率が高く、違いが大きくなる温度で
は効率が低くなるという温度変化か生ずる。
布と導波モードのもつ光電界の強度分布とが大きく異な
るためである。２つのモードの位相定数の大きさが近く
なる温度では変換効率が高く、違いが大きくなる温度で
は効率が低くなるという温度変化か生ずる。
温度の変化によって導波モードから放射モードへの変換
の効率が変化することを防ぐには、複屈折の大きさが変
化しても放射モードへの放射角度が変化しないような工
夫を施−こぜばよい。第３図は不発明の一実施例の構造
を示す図で、１はＺカットニオブ酸リチウム結晶板、２
はチタン拡散チャンネル導波路、３はイオン交換層、イ
オン交換３の上面は、チャンネル４波路２中に電界を印
加するための電極４によって覆われている。５は入射Ｔ
Ｅ波、６は電極４に印加する電圧源である。
の効率が変化することを防ぐには、複屈折の大きさが変
化しても放射モードへの放射角度が変化しないような工
夫を施−こぜばよい。第３図は不発明の一実施例の構造
を示す図で、１はＺカットニオブ酸リチウム結晶板、２
はチタン拡散チャンネル導波路、３はイオン交換層、イ
オン交換３の上面は、チャンネル４波路２中に電界を印
加するための電極４によって覆われている。５は入射Ｔ
Ｅ波、６は電極４に印加する電圧源である。
イオン交換層３は、その深さがチャンネル導波路２の光
透過方向に沿って周期的に変化しており、その周期はＡ
１ からΔ、Ｉｌ まで（Δ、〉Ａ１ ）単調に変化
している。第４図は第３図のニオブｅ リチウム結晶を
Ｘ軸に垂直に切断した断面を示し、ニオブ酸リチウム結
晶板１の表面近傍に設けられたイオン交換層３の構造が
上述の如く、その深さがｙ方向に周期的に変化しており
、その周期がＡ１ からＡＩ までｙ方向に単調に
変化している構造を示す。
透過方向に沿って周期的に変化しており、その周期はＡ
１ からΔ、Ｉｌ まで（Δ、〉Ａ１ ）単調に変化
している。第４図は第３図のニオブｅ リチウム結晶を
Ｘ軸に垂直に切断した断面を示し、ニオブ酸リチウム結
晶板１の表面近傍に設けられたイオン交換層３の構造が
上述の如く、その深さがｙ方向に周期的に変化しており
、その周期がＡ１ からＡＩ までｙ方向に単調に
変化している構造を示す。
導波モードと放射モードの整合関係は第５図で理解され
る。導波モードの等側屈折率ｎｇ よシも、第４図に示
されるイオン交換層の平均的な厚さｄにおける放射モー
ドの等側屈折率ｎｒが小さくなるように厚さｄを定めて
おく。導波モードの等側屈折率はｙ方向に向う矢印で示
され、放射モードはｘｙ面内で半径をｎｒ とする半
円で表わすことができる。イオン交換層の厚さはｙ方向
に周期的に変化しているため、この空間格子によって放
射モードの存在しうる等側屈折率はｎ、＋λ／Ａｔから
ｎｒ＋λ／Δ、まで連続して分布する。ここでλは光の
波長である。空間格子ベクトルはｙ方向に向っているた
め、ｘｙ面内では第５図に示すように三日月状の斜線部
で示される領域内は放射モードが存在しうる領域となる
。導波モードの等側屈折率ｎｇが第５図の三日月状の斜
線部の領域内に位置するように設定する。複屈折の温度
変化は導波モードの等側屈折率と放射モードの等側屈折
率との差が変化することである。その変化を士△ｎＴと
すると、 なるように常温における導波モードの屈折率ｎｇを定め
る。このように設定すれば第５図におけるｎｇのベクト
ルの先は常に斜線部内に存在する。
る。導波モードの等側屈折率ｎｇ よシも、第４図に示
されるイオン交換層の平均的な厚さｄにおける放射モー
ドの等側屈折率ｎｒが小さくなるように厚さｄを定めて
おく。導波モードの等側屈折率はｙ方向に向う矢印で示
され、放射モードはｘｙ面内で半径をｎｒ とする半
円で表わすことができる。イオン交換層の厚さはｙ方向
に周期的に変化しているため、この空間格子によって放
射モードの存在しうる等側屈折率はｎ、＋λ／Ａｔから
ｎｒ＋λ／Δ、まで連続して分布する。ここでλは光の
波長である。空間格子ベクトルはｙ方向に向っているた
め、ｘｙ面内では第５図に示すように三日月状の斜線部
で示される領域内は放射モードが存在しうる領域となる
。導波モードの等側屈折率ｎｇが第５図の三日月状の斜
線部の領域内に位置するように設定する。複屈折の温度
変化は導波モードの等側屈折率と放射モードの等側屈折
率との差が変化することである。その変化を士△ｎＴと
すると、 なるように常温における導波モードの屈折率ｎｇを定め
る。このように設定すれば第５図におけるｎｇのベクト
ルの先は常に斜線部内に存在する。
このため、第２図に示したイオン交換層の厚さが一様の
場合の放射モードの等側屈折率が１７面内で一本の円弧
で表わされる場合と異なって、温度が変った場合に放射
角度が変化し変換能率が変化するようなことはない。
場合の放射モードの等側屈折率が１７面内で一本の円弧
で表わされる場合と異なって、温度が変った場合に放射
角度が変化し変換能率が変化するようなことはない。
上記の場合、具体的な数値として次のような値を設定す
ることができる。光波長１３μｍのとき、導波モードの
等側屈折率ｎｇの大きさを４２２３とし放射モードの等
側屈折率ｎ、が２，２２０となるようにイオン交換層の
平均的な厚さｄを定める。温度が±２５°Ｃ変化したと
き複屈折の夏化量は前述の如く△ｎ ７−；Ｉ Ｘ １
０−３であるため、上式（２）及び（３）式からＡ、＝
３２５ｔｉｍ、ＡＡｒ−６５０ｔｔ となる。すなわち
周期を３２５μｍから６２５μｍにはぼ連続的に変化さ
せてイオン交換の厚さの凹凸を設ければよい。
ることができる。光波長１３μｍのとき、導波モードの
等側屈折率ｎｇの大きさを４２２３とし放射モードの等
側屈折率ｎ、が２，２２０となるようにイオン交換層の
平均的な厚さｄを定める。温度が±２５°Ｃ変化したと
き複屈折の夏化量は前述の如く△ｎ ７−；Ｉ Ｘ １
０−３であるため、上式（２）及び（３）式からＡ、＝
３２５ｔｉｍ、ＡＡｒ−６５０ｔｔ となる。すなわち
周期を３２５μｍから６２５μｍにはぼ連続的に変化さ
せてイオン交換の厚さの凹凸を設ければよい。
イオン交換層の厚さの変化は、アルミ蒸着膜等を格子状
に設けて、安息香峨中で照沸し、さらにアルミ膜を除去
した後同じようにイオン交換処理を施すことによって実
現される、厚さの制御は交換処理時間を制御すればよい
。
に設けて、安息香峨中で照沸し、さらにアルミ膜を除去
した後同じようにイオン交換処理を施すことによって実
現される、厚さの制御は交換処理時間を制御すればよい
。
イオン交換層の放射１Ｍモードの等側屈折率ｎｒ のほ
うが、導波ＴＥモードの等側屈折率ｎｇよシも大になる
ように設定してもよい。すなわち、ｎ 十△ｎ Ｔ＜ｎ
ｒ ７． （’ンｎ
−ΔｎＴ＞ｎｒ ｚ、 （”）としても第６図
の整合ダイヤグラムに示すように導波モードの等側屈折
率を示すｎｇのベクトルの先に常に斜線部内に存在し、
やは）導波モードから放射モードへの変換効率の一度変
化は抑圧される。この場合具体的な数値としてλ＝１．
３μｍｆ”ｌｒ２．２２３ 、 ｎｒ＝２．２２６ 、
Ａ１＝３２５ｔｔｍ、Ａ、＝６５０ｐｍとすればよい
。
うが、導波ＴＥモードの等側屈折率ｎｇよシも大になる
ように設定してもよい。すなわち、ｎ 十△ｎ Ｔ＜ｎ
ｒ ７． （’ンｎ
−ΔｎＴ＞ｎｒ ｚ、 （”）としても第６図
の整合ダイヤグラムに示すように導波モードの等側屈折
率を示すｎｇのベクトルの先に常に斜線部内に存在し、
やは）導波モードから放射モードへの変換効率の一度変
化は抑圧される。この場合具体的な数値としてλ＝１．
３μｍｆ”ｌｒ２．２２３ 、 ｎｒ＝２．２２６ 、
Ａ１＝３２５ｔｔｍ、Ａ、＝６５０ｐｍとすればよい
。
以上の説明では、直線のチャンネル導波路の場合につい
て述べた。勿論基板面内で曲線を描く導波路、たとえば
導波ＴＥ波にたいして放射損失の少い曲率半径に設定す
れば曲線部では、導波光の強度分布がチャンネル内で曲
線の外側に片寄るため放射モードとの結合が容易になシ
、更に印加電圧が少くてすむ。
て述べた。勿論基板面内で曲線を描く導波路、たとえば
導波ＴＥ波にたいして放射損失の少い曲率半径に設定す
れば曲線部では、導波光の強度分布がチャンネル内で曲
線の外側に片寄るため放射モードとの結合が容易になシ
、更に印加電圧が少くてすむ。
以上の説明のとおシ本発明の導波形光変調器は、従来知
られている導波形の光変調器に較べ、単一のチ・ヤンネ
ル導波路で構成され、更には変調特性が素子作製精度に
大きく依存せず、バイアス電圧も必要でないため、前述
の方向性結合形変調器よシも優れ、基板面内の放射モー
ドに変換するため、基板固有の複屈折による印加電圧特
性の制限がなく、また、放射光を面内で吸収することが
でき、基板裏面からの反射光などによる変調特性の劣化
が生じないことから、前述の基板放射形の光変調よシも
優れている。そして温度変化に対して極めて動作が安定
である。
られている導波形の光変調器に較べ、単一のチ・ヤンネ
ル導波路で構成され、更には変調特性が素子作製精度に
大きく依存せず、バイアス電圧も必要でないため、前述
の方向性結合形変調器よシも優れ、基板面内の放射モー
ドに変換するため、基板固有の複屈折による印加電圧特
性の制限がなく、また、放射光を面内で吸収することが
でき、基板裏面からの反射光などによる変調特性の劣化
が生じないことから、前述の基板放射形の光変調よシも
優れている。そして温度変化に対して極めて動作が安定
である。
上記の実施例ではニオブ酸リチウム結晶板を基板として
用いる場合について説明した。他の電気光学結晶たとえ
ばタンタル酸リチウム結晶を用いてもイオン交換層の形
成は同様に出来、素子を同様に構成することができる。
用いる場合について説明した。他の電気光学結晶たとえ
ばタンタル酸リチウム結晶を用いてもイオン交換層の形
成は同様に出来、素子を同様に構成することができる。
また゛電気光学結晶のＣカット（ｚカット）板を用い、
結晶基板に沿った印加電界を利用してチャンネル導波光
から放射光への変換を行わせる場合について述べたが、
たとえばＸカット板を用いて、基板面に垂直な電界を利
用する方法でも構成することができる。
結晶基板に沿った印加電界を利用してチャンネル導波光
から放射光への変換を行わせる場合について述べたが、
たとえばＸカット板を用いて、基板面に垂直な電界を利
用する方法でも構成することができる。
またチャンネル導波路の形成方法として、金属を基板中
に熱拡散させる場合を述べたが、基板と格子整合のとれ
た電気光学結晶のエピタキシャル成長層を用い、この成
長層にリプ形導波路や、誘電体を表面に装荷した導波路
等を形成してもよい。
に熱拡散させる場合を述べたが、基板と格子整合のとれ
た電気光学結晶のエピタキシャル成長層を用い、この成
長層にリプ形導波路や、誘電体を表面に装荷した導波路
等を形成してもよい。
以上の説明の如く、本発明によれば安価で高性能の導波
形光変調器を得ることができる。
形光変調器を得ることができる。
第１図は本発明の基づく原理を説明する図で、１は電気
光学結晶、２は金属イオン拡散導波路、３はイオン交換
層、４は電極、５は入射光である。 第２図は上記の原理を説明するチャンネル導波光と放射
光との整合条件を示すダイヤグラムである。 第３図は本発明の一実施例の構造と示す図で１は電気光
学結晶、２は金属イオ／拡散導波路、３はイオン交換層
、４は電極、５は入射光、６は電圧源である。第４図は
第３図のＸ軸に垂直な一断面図である。第５図と第６図
は第３図の本発明の実施例の動作を説明するチャンネル
導波光と放射光との整合条件を示すダイヤグラムである
。 豫１図 亨Ｚ図 廃 ６図
光学結晶、２は金属イオン拡散導波路、３はイオン交換
層、４は電極、５は入射光である。 第２図は上記の原理を説明するチャンネル導波光と放射
光との整合条件を示すダイヤグラムである。 第３図は本発明の一実施例の構造と示す図で１は電気光
学結晶、２は金属イオ／拡散導波路、３はイオン交換層
、４は電極、５は入射光、６は電圧源である。第４図は
第３図のＸ軸に垂直な一断面図である。第５図と第６図
は第３図の本発明の実施例の動作を説明するチャンネル
導波光と放射光との整合条件を示すダイヤグラムである
。 豫１図 亨Ｚ図 廃 ６図
Claims (1)
- 電気光学結晶の表面付近に形成された一本のチャンネル
形光導波路と該光導波路の周囲に設けたイオン交換層と
、前記チャンネル形光導波路中に電界を印加する手段と
を有する導波形電気光学光変調器であって、前記イオン
交換層の厚さが前記チャンネル形光導波路の光透過方向
に沿って周期的に変化していることを特徴とする導波形
電気光学光変調器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16005382A JPS5949517A (ja) | 1982-09-14 | 1982-09-14 | 導波形電気光学光変調器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16005382A JPS5949517A (ja) | 1982-09-14 | 1982-09-14 | 導波形電気光学光変調器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5949517A true JPS5949517A (ja) | 1984-03-22 |
| JPH0421849B2 JPH0421849B2 (ja) | 1992-04-14 |
Family
ID=15706888
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16005382A Granted JPS5949517A (ja) | 1982-09-14 | 1982-09-14 | 導波形電気光学光変調器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5949517A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05196830A (ja) * | 1991-05-16 | 1993-08-06 | Koninkl Ptt Nederland Nv | モード変換器 |
| JPH07500431A (ja) * | 1992-02-21 | 1995-01-12 | コニンクリジケ ピーティーティー ネーダーランド エヌ ブィー | 光スイッチング装置 |
-
1982
- 1982-09-14 JP JP16005382A patent/JPS5949517A/ja active Granted
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05196830A (ja) * | 1991-05-16 | 1993-08-06 | Koninkl Ptt Nederland Nv | モード変換器 |
| JPH07500431A (ja) * | 1992-02-21 | 1995-01-12 | コニンクリジケ ピーティーティー ネーダーランド エヌ ブィー | 光スイッチング装置 |
| US5574808A (en) * | 1992-02-21 | 1996-11-12 | Koninklijke Ptt Nederland N.V. | Optical switching device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0421849B2 (ja) | 1992-04-14 |
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