JPS5987B2 - 電気光学的スイツチおよび変調器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気光学的スイツチおよび電気光学的変調器に
関し、更に詳しくいえば光学的集積回路用の電気光学的
スイツチおよび電気光学的変調器に関する。

「集積化された光学装置」という用語は、光信号を処理
するために構成されたモノリシツク薄膜構造体を指すも
のとして一般的になつてきている。

この薄膜構造体はマスキング操作と集積化された電子回
路の製作に用いられている操作に類似する操作を用いる
付着拡散およびエツチング等の技術により作られる。と
くに、それらの技術を用いて、．周囲媒質よりも高い屈
折率を持つ線形構造体と、一連の全反射または逐次屈折
に従つて光を導く導波管を作ることが可能である。従来
は方向性結合器を形成するために、そのような２本の導
波管をそれらの長さの一部にわたつて平行に並べ２組合
わせることが知られている。

消えやすい波動現象を介して、第１導波管中を伝えられ
るエネルギーは第２導波管へ逐次伝えられ、結合長とし
て知られているある長さの端部で最大エネルギー伝達が
行われる。この結合長は構造の形状構造と光学的パラメ
ータとに依存し、とくに２本の導波管を構成する材料の
屈折率の値と、それらの導波管の間の媒質の屈折率とに
依存する。導波管を構成する材料、または導波管を分離
している媒質の材料を用いることにより、電界の作用の
下に屈折率を変えることが可能であり、したがつて結合
長を変えることにより一方の導波管から他方の導波管へ
伝えられるエネルギーの割合を電気的に制御することが
可能であることも知られている。また、この同じ原理を
用いて、光波を伝える導波管に光エネルギーを受ける導
波管の一部を平行に配置することにより光変調器を構成
することも可能である。与えられた結合器のために最低
制御電圧を要する解決法は、屈折率が定められたように
変化させられる直線状導波管と、同じ大きさではあるが
逆の向きに屈折率が変化させられる同一の直線状導波管
とを用いることであることが認識されている。

これを達成するために、結合領域において導波管に平行
に３個の電極を配列し、そのうちの１個の電極は導波管
の間に配置し、他の２個の電極を導波管の側面に配置す
ることが提案されている。このようにすることによつて
、結合器の２本の導波管に符号の異なる同じ大きさの電
圧を加えることが可能となる。しかし、導波管と結合領
域の間隔を数波長程度にまで狭くする必要があるために
、中央電極は極めて薄くする必要があり、したがつて抵
抗が高くなる。３個の電極で構成されるこの系の分布容
量は無視できないから系の時定数が大きくなり、そのた
めにスイツチングや変調を行う周波数は比較的低い値に
制限されることになる。

更に、いかに薄いとはいつても中央電極が存在するため
に導波管の間隔がその分だけ広くなる。その結果として
結合効率が低くなり、結合器の長さが長くなる。また、
２本の導波管の屈折率を逆向きに変化させるために、結
合器の製作時に、導波管の構成材料を導波管に対して垂
直な互いに逆の向きに予め分極させることが提案されて
いる。

そのために、導波管を構成する強誘電体のキユ一り一点
以上の温度まで装置全体を加熱し、中央電極と側面電極
の間に電圧をかけた状態で装置全体を徐冷する。それか
ら中央電極を除去し、側電極に制御電極を加えて電界を
発生させる。この電界は２本の導波管を同じ向きに通る
。この電界の向きは一方の電極物質の分極ベクトルの向
きに一致するが、他方の電極物質の分極ベクトルとは逆
向きである。したがつて、この電界は２本の導波管の屈
折率に互いに逆向きの変化を起させる。しかし、前記し
た装置におけると同じように、中央電極が一時的にも存
在することにより、２本の導波管の間隔は制限されるこ
とになる。更に、この種の結合器を作るためには、集積
光学回路全体に対して高温処理を施さなければならない
が、そのために設計が複雑となり、回路中に他の素子を
含ませることができないことがある。したがつて、本発
明の目的は集積光学回路用の新規な電気光学的スイツチ
を提供することである。

本発明の他の目的は、通常の集積電子回路により供給さ
れる信号のような低電力電気信号により制御できる。電
気光学的スイツチを提供することである。本発明の別の
目的は、最短の長さにわたつて迅速なスイツチングを行
える電気光学的スイツチを提供することである。

本発明の更に別の目的は、上記のような電気光学的スイ
ツチを利用する電気光学的変調器を提供することである
。

これらの目的およびその他の目的は、同じ材質で同じ極
性方向を有する電気光学材料で作られて同じ基板上に配
置される２本の平行な導波管と、これらの導波管をその
全結合長にわたつてそれぞれ覆う２個の平行で共平面の
制御電極とを含み、これらの電極の間に制御電圧を印加
して、それらの導波管と基板に電界を加え、同じ絶対値
で逆向きの変化を屈折率に起させるようにした、制御電
圧により制御される電気光学的変調器によつて達成され
る。

前記２本の導波管は基板の表面または基板の内側に配置
できる。以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する
。

第」，２図には基板３の上に設けられている２本の光導
波管１，２が示されている。これらの導波管１，２の基
板３に接していない側の表面には金属電極１０，２０が
透明誘電体層１１，２１を介してそれぞれ取りつけられ
る。これらの導波管１，２はなるべくなら同じ寸法と同
じ厚みで構成し、第２図に示すように、後述するいわゆ
る結合長パラメータの関数である長さＬの直線領域にわ
たつて互いに平行に配列される。この平行な直線領域の
間隔はｄであつて、この値はこれらの光導波管によつて
伝えられる光の、これらの導波管を囲む媒質（図の場合
には空気）中での波長の数倍をこえてはならない。これ
らの導波管は同じ電気光学的材料で作られ、電界をかけ
られた時にはそれらの材料の屈折率は印加電界の強さの
関数として変化する。これらの材料の屈折率は、電界を
印加されても基板３の構成材料の屈折率よりも高い屈折
率を保つように選択される。電極１０と２０の間に電圧
が加えられると、第１図に番号４で示すような電界が生
ずる。

この電譚中の電界力線は導波管と基板の中を通り、導波
管１と２の間をそれぞれ通る電気力線Ｈ，，ｈ２が基板
３の表面に対してほぼ垂直で、ほぼ同数であり、向きは
互いに逆である。導波管１，２を構成する物質の性質の
ために、この印加電界によつて導波管１，２の屈折率が
ほぼ同じ絶対値で逆符号の変化を行う。しかし、導波管
の中を光が伝えられると、その光のエネルギーの一部は
導波管を囲んでいる外部媒質の中を減衰波の形で伝わる
。

この減衰波の振幅は導波管の壁から離れる向きに指数曲
線的に小さくなる。第］導波管に平行に第２導波管を並
べたとすると、その第２導波管は上記減衰波を介して、
第１導波管の中を伝えられている光エネルギを受けるこ
とになる。このエネルギーの授受は２本の導波管の間隔
が狭ければ狭いほど迅速に行わ１れることになる。結合
長として知られている与えられた距離になると、第１導
波管から第２導波管へ最大のエネルギーが伝えられる。
上記結合長は２本の導波管の形状寸法と、光学的パラメ
ータ（とくに屈折率）およびそれらの導波管を隔てて５
いる媒質とに関係する。この結合長をこえると上記とは
逆の現象が起り、第２導波管中のエネルギーが最小とな
るまで第２導波管から第１導波管へ向けてエネルギーが
伝えられる。一方の媒質の屈折率が変化すると結合長は
変化する。第１，２図に示す装置では、長さＬは電界が
存在しない時の結合長に等しく選ばれる。

結合領域においては２本の導波管は完全に対称的である
から、導波管の一方から他方へのエネルギー伝達は最大
である。電極１０と２０の間に電圧を加えるθと結合長
が短くなるから、他方の導波管から一方の導波管へエネ
ルギーが再転送されることになる。

したがつて、印加電圧が高くなるにつれて一方の導波管
から他方の導波管へ伝えられるエネルギー（結合領域の
端部で測定したもの）は減少し、ついには零となる。こ
のようにして、電極１０と２０の間に加えられる電圧が
高くなるにつれて２本の導波管の間の結合度は１００％
からＯ％へ低下する。これと同じ結果は、長さＬを無電
界時の結合長の奇数倍にしても得られる。長さＬを無電
界時の結合長の偶数倍にすることも可能である。

この場合には、電極間に加えられる電圧が高くなるにつ
れて結合が零から多くなつてくる。このように、電気信
号の制御の下に、１つの導波管の中を伝えられているエ
ネルギーの、その導波管に結合されている別の導波管へ
の結合量を制御できる装置が得られる。

そうすると、一方の導波管がその最短長として結合領域
の長さＬを有する部分に制限されるもの Ｚとすると、
上記装置は他方の導波管により伝えられるエネルギーを
１００％変調することが可能となる。

第３図は本発明の別の実施例を示す。この実施例では導
波管は基板の中に埋め込まれている。したがつて、この
実施例では、導波管を囲んでいる 二媒質は空気ではな
くなる。第３図に示す実施例では導波管１，２の表面が
基板３の表面と同じレベルとなるようにして基板３の中
に埋込まれている。

これらの導波管１，２の露出表面には電極１０，２０が
絶縁層１１，２１を介して取りつけられる。基板３は、
菱面体結晶構造を有する強誘電体であるニオブ酸塩リチ
ウム（ＬｉＮｂＯ３）の単結晶ウエハ一から作られる。

このウエハ一の結晶格子を構成する菱面体の軸が第３図
に矢印Ｃで示す方 ５向に平行となるように、すなわち
基板３の表面に垂直になるようにこのウエハ一を切断す
る。次に、基板３の表面３０に２枚のチタン薄膜を形成
する。このチタン薄膜形成は通常の集積回路製造技術を
利用して行う。これらのチタン薄膜によつて平行 ４な
縁部を有する２本のバンドを形成する。これらの縁部は
導波管１と２が適合する経路を再現する。次に、ニオブ
酸塩リチウムの中にチタンを拡散させるためにウエハ一
を加熱する。この拡散領域内では、一般式ＬｉＴｉｘＮ
ｂｌ−ＸＯ３の混合化合物を作るために、ニオブをチタ
ンで一部置換する。この化合物も強誘電体であつて、菱
面体結晶構造を有し、純粋なニオブ酸塩よりも高い屈折
率を有する。基板の屈折率よりも高い屈折率を有するそ
れらの拡散領域は導波管１，２を構成する。拡散温度が
その物質のキユ一り一点よりも高い場合には、ウエハ一
を一様に分極して単一領域構造体を作るために、ウエハ
一の冷却中にこのウエハ一に一様な電界をかける。電極
１０と２０の間に電圧を加えると、第３図に番号４で示
されているような分布の電界が発生される。

この電界のうち、基板３の表面３０に垂直な方向Ｃに平
行な成分は、２本の導波管の中では同じ絶対値で、逆向
きである。しかし、方向Ｃに垂直な方向に無電界成分が
存在することと、印加電界のために基板３のうち導波管
１と２の間の部分の屈折率が変化して現象にある種の非
対称が生ずる。得られる結合は電極１０と２０に加えら
れる電圧の極性に従つて変化する。結合を最大にするた
めの電圧の極性は、基板を構成している物質の結晶学的
配向から導かれる。この配向がわからない時は、符号の
異なる同一の大きさの電圧を別々に印加した時に、導波
管中を伝わる光の強さを測定することにより、最適な極
性を実験的に容易に決定できる。導波管の表面に金属電
極を直接に取りつけた時は、比較的吸収性のある金属媒
質中を伝わる減衰波の存在により、結合器においてエネ
ルギー損失が生ずる。

これを防ぐために、第１，３図に示すように導波管１，
２と電極１０，２０との間に透明な誘電体層１１，２１
を介在させることができる。この層の材料は導波管の中
を伝わる光の波長における透明度が高く、導波管の構成
物質の屈折率よりも低い屈折率を持つ材料を用いる。基
板をニオブ酸塩リチウムで作る場合にはシリカ（ＳｉＯ
２）が理想的な材料である。

第３図に示す実施例においては、拡散によりニオブが部
分的に置換されたタンタル酸塩リチウム（ＬｉＴａＯ３
）を基板材料として用いることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明による電気光学的スイツチの
一実施例を示す断面図及び平面図、第３図は本発明によ
る電気光学的スイツチの別の実施例を示す断面図である
。 １，２・・・・・・導波管、３・・・・・・基板、１０
，２０・・・・・・電極、１１，２１・・・・・・誘電
体層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電圧の制御の下に第１と第２の光回路の間で放射エ
   ネルギーの切り換えを行うための電気光学的スイッチで
   あつて、基板と、第１と第２の導波管と、第１と第２の
   電極を備え、前記第１と第２の導波管は、前記第１と第
   ２の光回路中にそれぞれ直列に配置され、与えられた長
   さにわたつて互に極めて接近して位置させられ、それぞ
   れ前記基板を構成する物質の屈折率よりも高い屈折率を
   有しそれぞれ同じ極性方向を有する電気光学的材料で作
   られ、かつ、側面の第１の部分が少なくとも前記与えら
   れた長さにわたつて前記基板に接触しており、前記第１
   と第２の電極の少なくとも一部は前記与えられた長さの
   少なくとも一部に沿つて前記第１と第２の導波管の側面
   の第２の部分をそれぞれ覆い、前記第１と第２の部分は
   別のものであり、これら第１と第２の電極の間に前記電
   圧が加えられるように構成されたことを特徴とする電気
   光学的スイッチ。 ２ 特許請求の範囲の第１項に記載の電気光学的スイッ
   チにおいて、前記与えられた長さは零フィールドにおけ
   る結合長に少くとも１に等しい整数を乗じたものに等し
   い電気光学的スイッチ。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載の電気光学的スイッチ
   において、前記第１と第２の導波管は直線状であつてほ
   ぼ同じ寸法を有し、前記電気光学的材料はほぼ同一であ
   つて、前記電圧が存在しない時は両方の導波管において
   ほぼ同じ屈折率を有する電気光学的スイッチ。 ４ 特許請求の範囲の第１項に記載の電気光学的スイッ
   チにおいて、前記電気光学的材料よりも小さい屈折率を
   有する透明な誘電体層が前記第１と第２の導波管の間お
   よび前記第１と第２の電極の間にそれぞれ配置される電
   気光学的スイッチ。 ５ 特許請求の範囲の第１項に記載の電気光学的スイッ
   チにおいて、前記第１と第２の導波管は前記基板の上に
   空隙をおいて配置される電気光学的スイッチ。 ６ 特許請求の範囲の第１項に記載の電気光学的スイッ
   チにおいて、前記第１と第２の導波管は前記基板の内側
   に配置され、前記導波管の側面の前記第２部分は前記基
   板の表面と同じレベルである電気光学的スイッチ。 ７ 特許請求の範囲の第１項に記載の電気光学的スイッ
   チにおいて、前記電気光学的材料と前記基板の材料とは
   強誘電体物質である電気光学的スイッチ。 ８ 特許請求の範囲の第７項に記載の電気光学的スイッ
   チにおいて、前記基板の構成材料はタンタル酸塩リチウ
   ムであり、前記基板を構成する材料を作るために前記タ
   ンタル酸塩中のタンタルの一部をニオブで置換した電気
   光学的スイッチ。 ９ 特許請求の範囲の第７項に記載の電気光学的スイッ
   チにおいて、前記基板を構成する材料はニオブ酸塩リチ
   ウムであり、前記導波管を構成する材料を作るために前
   記ニオブ酸塩中のニオブの一部をチタンで置換する電気
   光学的スイッチ。 １０ 電圧の制御の下に光学回路中に伝わる放射エネル
   ギーを変調するための電気光学的変調器であつて、基板
   と、第１と第２の導波管と、第１と第２の電極を備え、
   前記第１の導波管は、前記光学回路中に直列に配置され
   、かつ前記各導波管は与えられた長さにわたつて互に極
   めて接近して位置させられ、それぞれ前記基板を構成す
   る物質の屈折率よりも高い屈折率を有しそれぞれ同じ極
   性方向を有する電気光学的材料で作られ、側面の第１の
   部分が少なくとも前記与えられた長さにわたつて前記基
   板に接触しており、前記第１と第２の電極の少なくとも
   一部は前記与えられた長さの少なくとも一部に沿つて前
   記第１と第２の導波管の側面の第２の部分をそれぞれ覆
   い、前記第１と第２の部分は異なる部分であり、これら
   第１と第２の電極の間に前記電圧が加えられるように構
   成されたことを特徴とする電気光学的変調器。