JPS6011333B2 - 光スイツチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は光導波路を用いた光スイッチに関するもので
ある。

従来、この種の光スイッチ装置として第１図に示すもの
（Ｍ．ＰａｐＭｈｏｎｅｔａｌ．、Ａｐｐｌ．ｐｈｙＳ
はｔｔｅ岱ｖｏｌ．２７．ＮＯ．印．２８９１９７５）
、および第２図に示すもの（Ｒ．Ｖ．Ｓｃｈｍｉｄｔａ
Ｍ 日．Ｋａ袋ｌｎｉｋ、Ａｐｐｌ．Ｐｈ災．Ｌｅ比ｅ
ｒｓｖｏｌ．２８Ｎｏ。

９Ｐ．５０３１９７６）がある。

第１図及び第２図において、１は電気光学効果を有する
物質でできた光導波路、２はこの光導波路の伝搬定数を
変化させる目的で、導波路上に形成された電極である。

次にこのスイッチの動作について説明する。第１図に示
す平行二導波路１，１は伝搬定数が等しく結合長がＬで
あるものとする。このとき一方の導波路に入った光パワ
ーは出射端において完全に他の導波路にうつる。

次に電極電圧を適当に選定することにより二導波路の伝
搬定数８，と８２に位相非整合（△Ｂ＝８，一８２ ）
を生ぜしめる。これにより二導波路間の結合が弱められ
るとともに、光パワーの入射した導波略の出射端に入射
光パワーがそのままでてくるという効果が発生する。す
なわち、この導波路は光スイッチとして作用することに
なる。しかし実際にこの光スイッチを製作するには結合
長Ｌを十分正確にする必要があるという欠点があり、こ
の解決策として第２図に示す光スイッチが提案された。
これは結合長Ｌを２分して、その部分の△８の値を逆に
して完全なスイッチ作用をもたせることを特徴とし、電
極印加電圧により製作上の誤差を補償したものである。
ところが、このような光スイッチ装置は印加電圧により
導波路の伝搬定数を変化させることにより、二導波路の
製作謀作を補償しているので、印加電圧の制限から補償
範囲が大きくとれない欠点がある。

この発明は上記のような従来のものの欠点を除去するた
めになされたもので、導波路の伝搬定数の長さ方向に周
期的に変化させることにより、導波路間の位相整合をと
り、さらに周期変化の変調を変化させることにより導波
路間の結合度を変化させるようになし、導波路の製作誤
差を広い範囲で容易に補償できる光スイッチ装置を実現
したものである。

以下、この発明の一実施例を第３図、第４図について説
明する。

第３図において、、二本の平行タ光導波路に長さ方向に
伝搬定数を周期的に変化させるため図示した様に導波路
上に周期Ａの多数の電極２を形成する。印加電圧により
電気光学物質で形成されている導波路の譲亀率、すなわ
ち、△Ｂが変化する。平行二線路間のパワー交換は位相
整合がとれていないと完全に行なわれない。

二線路間のパワー交換を完全に行う手段として■二線路
間の位相整合を完全にする、すなわち二線路がそれぞれ
独立に存在する場合の伝搬定数を等しくするか、■二線
路間の伝搬定数の違いを補償するすなわち外部的な摂動
（例え‘ま電界あるいは音波による屈折率変化）を用い
る方法がある。本発明は二線路間の位相整合をとるため
上記■の方法を用いるもので、周期構造により二線路間
＊の位相整合をとると共にこの構成によりさらに二線路
間の結合度の変化を生ぜしめることが出来るという光ス
ィツ升こ関するものである。

第３図に示す電極構造によって二導波路の伝搬定数が周
期ハでステップ状に変調される。

二線路間にはもともと△８の伝搬定数の差があるものと
し、電極電圧を加えることにより第３図に示す様に周期
Ａ、振中△ｍのステップ状の伝搬定数の変化が加わるも
のとする。この伝搬定数の差△（Ｚ）のフーリエ級数展
開は△（ｚ）＝△３十ｎ≧。

ｄｄ等生ｉｎ（竿ｚ） （１〕となる。一
方、二つの導波路をそれぞれ伝搬する光の電界の穣素振
幅をＡ、Ｂとすると、複索振幅Ａ、Ｂは伝搬距離Ｚにた
いして、次の結合モード方程式等鼻：＋ＫＢ（Ｚ）ｅ‐
ｉ△２ （２）等算＝−ＫＡ（Ｚ）ｅｉ△２
（３）で記述される。

ここで△は位相非整合定数で二つ※※の導波路の伝搬定
数８ａ、Ｂｂおよび空間的な結合嬢動により決まる。ま
たＫは結合係数である。境界条件としてＺ＝０で複素振
幅Ｂが励振されると考えるとＢ（ｏ）＝Ｂ、Ａ（ｏ）＝
ｏ、 （４）となり、この条件のもとで‘２｝、糊の
解は次式で与えられる。

Ａ（ｚ瓜（４Ｋ２谷州ｅ‐‘△２／２Ｓｉｎ〔裏（雌十
△２）・／２Ｚ） （５）ＢくＺ）：＆ｅｉ△
２′２｛ＣＯＳ〔裏側十△２）・／２Ｚ〕‐ｉ（４Ｋ２
全△桝ｉｎ〔裏側十△２）例 （６）
位相整合（△＝０）のもとでＡ、Ｂ間で完全なパワー交
換が生ずる。

パワー交換の周期はＬ：汀／弧である。このときＡ（Ｚ
）＝＆ｓｉｎ（ＫＺ） ｛７’Ｂ（
Ｚ）＝＆ｃｏｓ（ＫＺ） ■である。

【２）、‘３｝式の△はＺに依存しない量であるが、こ
☆こで考える第３図の場合にはＡは【１｝式で与えられ
る様にＺの関数である。

従って■、‘３’式を用いる場合には欠の変換を要する
。ｅ±ｉ△Ｚ→±ｉノ△（ｚ）ｄｚ （９）△
（Ｚ）のフーリエ級数展開のうち基本波成分（ｎ＝１）
だけを考えて′零△（ｚ泌＝△３ｚ−等竿ＯＳ（筈ｚ）
側を得る。

００を■に用いて ４０の
（１１）ｅ‐
ｌｐＣＯＳの Ｚ Ｊ・（ｐ）ｅｌｌのｅｌｌｍ′
２１二「的なる関係を用いると ｅｉＳ４（Ｚ）ｄＺ土差刊Ｊと（２羊／ｅｉ（４Ｂ十隻
今Ｚｅ−脇／２ （，２）となる。

ここでＪ．は第１種１次のべッセル関数である。（１２
）を用いて‘２｝、‘３｝式を書き直すと次＊＊式とな
る。器二冊差刊小２芋）ｅｉ雌十隻）Ｚ （，３
）ｄＢ＝ＫＡ等 Ｍ牛学）ｅ「（４Ｂ十字）Ｚ
（，４）ｄＺ とニ−の（１３）、（１４）よ
り位相整合は △針空＝。

（１５）のときにとれる。

すなわち△３≠０のときにはハニサｅ★（１＝１・２・
３・……）（１６）なる周期の電極構造により二つのモ
ードＡ、Ｂの位相整合るとることができる。位相整合条
件（１５）を満足するとき（１３）、（１４）式におい
て位相整合条件△３十等＝。

（１７）を満足しない項（非位相整合項）の奇与
を以下において評価する。

すなわち△８十竿子≠ｏ（し≠１） く１８） の項の寄与は 器＝−ＥＢｚＪ（２害４）ｅ−ｉ船＋努″）ｚ
（，９）レミとしｄＢ−ＫＡレ美２レ（２手芸４）
ｅ旧ｉ（４８十空二）Ｚ （２。

）ｄＺとなる。

これらの項のうち特に１項だけを取り出してその寄与の
大きさを評価してみる。結局※（１９）、（２０）式で
−項のみ取り出し音舎＝−ＫＢＪレ（２岸芋４）ｅｉ（
４Ｂ＋２矛レ）Ｚ （２１）鯛二肌レ（
２券４）ｅ−ｉ側十字）ｚ （２２）なる
結合方程式を解くことになる。（２１）、（２２）式は
（２）、（３）式と同一形式でその解は（４）式の境界
条件のもとでは（５）、（６）式の結合係数ＫをＫ→Ｊ
レ（三無二）Ｋ （２３） 位相非整合定数△を △一△Ｂ＋聖子 脚 と置き換えたもので与えられる。

これよりこの位相非整合項によりひき起こされるＢから
Ａへの変換の振中は２Ｊレ（竿羊）Ｋ 〔４Ｊ名（う学生）Ｋ２十（４８十２牙レ）２〕１ノ２
（２５）で与えられ、２汀／八》Ｋの
とき、すなわち結合長Ｌ＝汀／滋に比べて周期構造のピ
ッチハが小さい場合には（２５）は１に比べ十分小さく
なる。

他の非位相整合項についても同様なことが言えるので、
（１３）、（１４）式のＺは位相整合項についてのみ考
えればよく、結局（１３）、（１４）式は溝＝−ＫＪ．
（２等Ａ〉●Ｂ （２６）溝＝ＫＪ．（２等Ａ）‐Ａ
（２７）と書き直される。

（２６）、（２７）式を（２）、（３）式と比較すると
、（２）、（３）式の結合係数ＫをＪ，Ｋと暦換えたも
のになっていることがわかる。従ってこの解は（７）、
（８）のＫをＪＩＫで置きかえたものとなる。次に、以
上の議論に基づいた光スイッチの構成と、その動作原理
について説明する。

第３図に示す平行二導波勝間の伝搬定数の差△３を測定
し、次にこの△８を補償するために（１６）で与えられ
る周期の電極を導波路上に作成する。こうすることによ
り二導波路間に位相整合がとれ（２６）、（２７）式で
表わされる様にモード間のパワー交換が行なわれること
になる。さらに結合係数は実効的にＪ，Ｋとなり、Ａを
一定とすれば△ｍの大きさより変化することになる。第
５図に△ｍの変化にたし、する実効的な結合係数の変化
を１＝１の場合について示す。図からわかる様に実効的
な結合係数はその大きさだけでなく絶対値まで変化する
。△ｍ＝０、すなわち電極電圧を印加しない場合にはＪ
，（０）＝０であるから二線路の結合はなく、光が入射
した線路の出射機へ入射した光パワーがそのままでてく
る。一方△ｍ≠０のとき、すなわち電極電圧を印加した
場合には二線路間にＫＪ，（竿学）の結合が姉の周脈二
総間のパワー交換がおこる。

原理的には△ｍの値により結合周期を的。・＝０のとき
）からご市（Ｊ・±０．５５（最大値））まで変化でき
る。しかし実際に変化できる範囲は印加電圧により変化
しうる△ｍの最大値で制限されることになる。従って二
導波路の長さをこの範囲に選んでお仇ま電極印加電圧を
適当に設定することにより、スイッチ機能をもたせるこ
とができる。０ 位相整合条件（１５）式へもどり、△
８＝０の場合を考えると、このとき１＝０で（１５）式
が満足される。

このとき彰＝−ＫＪ。

（２等Ａ）‐Ｂ （２８）韻＝ＫＪ。

（竿学）・Ａ （２９）となる。

（１９）、（２０）は（１７）、（１８）と同様な形式
を有し、実効的な結合係数がＫＪｏで変化すことがわか
る。第６図にＫＪｏと△ｍの関係をＫＪ，と同時に示し
ている。伝搬定数の等しい二線路（△８＝０）が平行に
置かれているとき、このこ線路間にＫなる結合係数で与
えられる相互結合があるものとする。第３図に示す様に
この二線路に線路の長さ方向に周期的に伝搬定数が変化
する様な機構をもうけることにより実効的な結合係数を
ＫＪｏとすることができる。Ｊｏ＝０となる△ｍの値に
対して二線路間の結合は全くなくなることになる。この
効果は線路間のクロストークを防止する機構として利用
できる。以上の様に、この発明によれば、導波路に長さ
方向に周期的な伝搬定数の変化をさせているため一つの
導波路の伝搬定数の差が大きい場合にも位相整合がとれ
性能のよい光スイッチが得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来の光スイッチ装置を示す。 第３図はこの発明の一実施例による光スイッチ装置を示
す。第４図は伝搬定数の変化のようすを示す。第５図は
伝搬定数の変調の大きさにたし、する二導波路間の実効
的結合係数の変化のようすを示す。１・・・・・・光導
波路、２…・・・電極。 第１図第２図 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 導波路の伝搬定数を長さ方向に周期的に変化させる
   ことにより、導波路間の位相整合をおり、導波路間の結
   合度を変化させるようにしたことを特徴とする光スイツ
   チ。