JPS61162030A

JPS61162030A - 光スイツチ素子

Info

Publication number: JPS61162030A
Application number: JP351685A
Authority: JP
Inventors: Hidetaka Tono; 秀隆東野; Takao Kawaguchi; 隆夫川口; Hideaki Adachi; 秀明足立; Osamu Yamazaki; 山崎　攻
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1985-01-11
Filing date: 1985-01-11
Publication date: 1986-07-22
Anticipated expiration: 2010-06-28
Also published as: JPH0760236B2

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。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、光通信、光応用計測、光情報処理等の分野に
関するものである。

従来の技術近年光フアイバ通信へ計測等において、光路を切り換え
る光スイッチ素子が重要なキーデバイスとして研究開発
されてきている。なかでも、導波路光スイッチ素子は、
数ＧＨｚ以上の高速応答性を示すことで特に関心が集ま
っている。特に、ＴＩＲ（内部全反射）型と呼称される
導波路光スィッチは素子が小型で高速性に冨むといわれ
脚光をあびている。

第４図には、従来例を示す。基板２１上に設けられた交
差導波路２３上に屈折率の低いバッファ層を介して設置
した制御電極２５を有する構造でリッジ型の交差導波路
２３につながる入力導波路２４１Ｌ、　２４ｂと出力導
波路２４０，２４ｄとからなる。電極２６間に電圧２６
を印加しない場合には、入力導波路２４ａ（または２４
ｂ）を導波する導波光２２＆（または２２ｂ）が、交差
導波路２３を経て出力導波路２４Ｃ（または２４ｄ）へ
出る。電圧２６を印加して交差導波路２３で、電極２６
のギャップ直下部分で全反射をおこし、導波光２２ａ（
または２２ｂ）を出力導波路２４ｄ（または２４Ｃ）へ
と切りかえていた。（ＩＩＣＩＣＩＥＪ、　Ｌｉｇｈｔ
ｗａｖｅ　Ｔｅｃｈ、、　Ｍｏ１．　ＬＴ−２１Ａ６．
１９８４゜Ｐ７１０　）発明が解決しようとする問題点この様な従来の光スイッチ素子では、交差導波路部分で
、導波路間の結合がおこり、クロストークが劣化すると
いう問題点を有していた。また薄膜導波路ガリソジ型断
面形状を有するために、導波路側壁での散乱損失や、交
差導波路の交差部分での散乱損失があり、低損失光スイ
ッチでは問題となっていた。

問題点を解決するための手段本発明は上記問題点を解決するため、電気光学効果を有
する薄膜上に透明誘電体薄帯を設けて入出力光導波路と
し、入出力光導波路の間に、導波路レンズを形成する様
に、バッファ層より高い屈折率を有する円形状底面を有
する回転対称体を、入出力光導波路が結像関係になる様
に配置して入出力光導波路を接続し、バッファ層の上に
制御用の電極を設け、制御用電極に電圧を印加すること
により、光出力の切り換えを行うものである。

作用本発明は上記した構成により、導波路側壁の散乱が、導
波光しみ出し部分の透明誘電体薄体の側壁の散乱となる
ため散乱損失が従来のものに較べて極めて小さく、また
、回転対称体による導波路レンズ作用で入出力光導波路
間の接続を行うため、入力、出力それぞれの光導波路間
での結合が生ぜず、クロストークの劣化がおこらず、ま
た、光の交差部分での散乱損失もなく低損失、低クロス
トークの光スィッチが実現できる。

実施例第１図は本発明の光スイッチ素子の一実施例を示す鳥瞼
図である。第１図において、基板１上に電気光学効果を
有する透明薄膜２を形成した後、バッファ層３と、バッ
ファ層よりも高屈折率の透明誘電体を薄帯状にしたスト
リップロード４を導波路形状に配置しバッファ層と薄膜
２でとり囲んである。ス）ＩＪツブロード４の直下部分
の薄膜２の実効屈折率が高くなり横方向閉じ込めが成さ
れ、ストリップロードに沿って導波される。このストリ
ップロード４直下の部分が光の入力および出力導波路と
なる。ここでは、表現の簡便のため、ストリップロード
を、単に入力、出力光導波路と呼ぶことにする。

本実施例では、入力、出力ともに２本ずつの光導波路を
設けである。２組の入力、出力光導波路は、底面が円形
状の回転対称体であるレンズ用ロード５を介して、面内
方向に結像位置になる様に配置されている。ここで、レ
ンズ用ロード６は、薄膜２上に形成されて、基板１とバ
ッファ層３とによりとり囲まれた導波層の実効屈折率を
、レンズ用ロード６の膜厚かつまたは屈折率を変化させ
ることにより変化させて、中央部分の実効屈折率を上げ
て、周辺部へ行くにしたがい実効屈折率を下げていく様
に形成し、全体で、導波路レンズ（ルネヘルグレンズ）
を構成している。バッファ層３を介して、レンズ用ロー
ド５上に狭い電極ギャップ７を有する電極６を形成しで
ある。ギャップ７は、直下部分の薄膜２が、２組の入出
力光導波路端部を結ぶ交差線の二等分線上にくる様に配
置されている。電極６に電圧を電源９より印加した時に
スイッチすることになる。

本実施例において、電気光学材料薄膜２はＰ　Ｌ　Ｚ　
Ｔ　（ｘ／ｙ／ｚ　）薄膜（Ｐｂ１”　Ｌａ　”Ｔｏｏ
　　　　　　１００（Ｚｒ　ＦＴｌｇ　）、　　Ｘ　０５１０≦Ｘ、ｙ、　
Ｚ≦１００゜ｔｏｏ　　　　Ｔｏｏ　　　　４ｏ。

ｙ＋ｚ＝１ｏｏ）を用いた。実際には、サファイヤ基板
１上Ｋ　Ｐ　Ｌ　Ｚ　Ｔ　（２８１０／１００　）組成
のターゲットを用いてブレーナ、マグネトロン、スパッ
タ法によりＰＬＺＴ薄膜を単結晶成長させた。膜厚は、
３６００ムであった。ストリップロード４にハＴｉＬｚ
Ｏｓをスパッタし、リフトオフ法により、幅１０μｍ、
膜厚２００人交差角１の２×２の入出力導波路形成に形
成した。全長は曲り導波路を含め約１ｏＩＩＩＭであっ
た。交差部中央直径２１１Ｍの部分はストリップロード
はない。

次に交差部中央に、逆テーパエツジを有する円形開口マ
スクを用いて、Ｔａ２０５をスパッタして、中央部が約
４００人種になる様な、ドーム状円盤のレンズ用ロード
６を形成した。直径は約２．２ＭＩＩであった。円盤の
周辺部はテーパー状になっており、入出力導波路部分と
の接続は損失なく行なわれた。その上にバッファ層３を
ムβを添加したＴａ２０５膜をスパッタして形成した。

膜厚は、約１８００人であった。屈折率は、ＰＬＺＴ薄
膜が２．６Ｔａ２０５膜が２．Ｑ８、人１２０３添加Ｔ
ａ　２０５膜が２．０であった。その上に、ギャップ４
μｍ１幅２０μｍ。

長さ２１８Ｍの平行電極を交差部中央に来る様にムｅを
リフトオフ法でパターン出しした。入力光導波路となる
ロード４の一端から１．３μｍの半導体レーザ光を入射
させて、出力光導波からの光出力を測定すると、挿入損
失は、結合損失を除くと、膜の伝搬損失６ｄＢ／Ｃ１１
Ｌとほとんど同じ値で、レンズ収差による結合損失は約
０．５ｄＢと極めてわずかであった。従来の１の交差型
リッジ導波路では、交差部分の損失がリッジ型にしたた
めに約１・５ｄＢと大きな値が得られクロストークは１
°の場合３〜ｃｓｄＢの値しか得られていなかったが、
本発明の実施例では１５ｄＢ以上という低クロストーク
が実現された。これは、入出力導波路の最近接距離が、
それぞれ２６μｍと離れているために、導波路間の結合
がほとんどないためと考えられる。

次に動作原理について実施例にもとづき説明する。第２
図および第３図は、本実施例の第１図の光スィッチの上
面図の模式図である。図では、説明の簡単のため、バッ
ファ層を除いて示している。

第２図、第３図はそれぞれ第１図の電極７に電圧を印加
しない場合とした場合を示す。第２図において、入力光
導波路４Ｌを伝搬してきた入射光１１は、端部で拡がり
、レンズ６で面内方向で集光され出力光導波路４ｃへと
入って行き直進光出力１３へとなる。ここでの入出力導
波路端部での反射損失は、導波路の実効屈折率がほとん
ど同じため、極めて小さい。損失は、レンズの収差によ
り決まる。本実施例の場合、収差損失は０．６　ｄ　Ｂ
という小さな値が、散乱光測定法により確認された。第
１図において、電極６に電圧を印加した場合第１図の電
極ギヤツブ了の直下のＰＬＺＴ薄２の部分、第３図にお
いては、屈折率変化領域８の部分に電界が集中し、屈折
率が低下する。カー効果のため領域８の中央部分が特に
屈折率が低くなる。第３図において、入力光導波路４ａ
を伝搬してきた光１１は、出射したあとレンズ５により
集光されるが、屈折率の低い領域８により全反射され、
出力光導波路４ｄへと集光され、反射光出力１５となる
。この時のスイッチ電圧は約３ｖで消光比１ｓｄＢが得
られ、それ以上の電圧を印加しても出力はほぼ一定で、
消光比が良くなっていくのが確認された。従来の場合に
は、４ｖ程度で消光比１０ｄＢが得られ、電圧に対して
正弦波的光出力変動がみられていだが、本実施例の場合
まったくみられなかった。これはとりもなおさず、交差
部分（レンズ部分）での光結合がないためである。過剰
スイッチ損失は約ｏ、ｓｄＢであった。従来は交差部で
の散乱のため約１　ｄＢであった。

本実施例では、結局、クロストーク１５ｄＢ以上、スイ
ッチ電圧３ｖ消光比１ｓｄＢ、挿入損失ｓｄＢ、スイッ
チ損失０．５ｄＢが得られ、従来のものに較べて、クロ
ストークで１０ｄＢ以上、消光比でｓｄＢ以上、挿入損
失で１ｄＢ、スイッチ損失で０−６ｄＢの改善が得られ
た。また、スイッチ電圧も３ｖと従来より１ｖ低くなり
、特性も安定している。スイッチ電圧は、本発明の場合
入出力導波路の交差角を小さくすればする程小さくなり
クロストークも劣化しない。従来では、交差角が小さく
なると、クロストークが多くなり、２°以に下は仲々できなかった。

なお本実施例では、電気光学材料としてＰＬＺＴ（２８
１０／１００　）のターゲット組成から得られたＰＬＺ
Ｔ膜について述べたが、電気光学特性を示すすべての組
成の、ものを使用することができる。

ストリップロードおよびレンズ用ロードにＴａ２０５膜
用い、バッファ層にム４２０３を添加したＴａ２０５を
用いたが、これらに限定することなく、Ｎｂ２０５１ム
１ｈｏｓ＋酸化イツトリウム、酸化チタニウム、Ｓｉｎ
２等々電気光学薄膜より屈折率が低く透明な膜であれば
何でもよい。

発明の効果本発明により、従来のものにくらベクロストークが極め
て小さく、１°の交差角のもので、１０（ｉＢ以上の改
善が得られ、交差角をさらに小さくしてもクロストーク
劣化はみられない。また、それに伴いスイッチ電圧も小
さくできる。従来では、交差角を小さくすると、電圧光
出力特性が波うち、消光比のあまりとれない使いにくい
スイッチとなっており、２°程度が実用的な値であった
が、本発明では１°でも低電圧（３ｖ）高消光比（１ｓ
ｄＢ以上）が得られ、更に消光比をおとさずに交差角を
小さくすることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光スイッチ素子の一実施例を示す鳥敵
図、第２図および第３図は同素子の上面を示す模式図で
、第２図は電圧印加しない時の、第３図は電圧印加時の
ものを示す。第４図は従来の光スイッチ素子の概略平面
図である。１・・・・・・基板、２・・・・・・電気光学材料薄膜
、３・・・・・・バッフ７層、４．　４ａ、ａｂ、　４
ｃ、ａｄ−＝−・ストリップロード、６・・・・・・レ
ンズ用ロード、６・・・・・・電極、７・・・・・・電
極ギャップ、８・・・・・・屈折率変化領域、１１・・
・・・・入射光、１２．１４・・・・・・伝搬光、１３
・・・・・・直進光出力、１６・・・・・・反射光出力
、２２ａ。２２ｂ、２２ｃ、　　２２ｄ・・・・・・入出力光導波
路、２３・・・・・・交差導波路。代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名５−
−レシス′用トｙ６−−−＃：、＠第３図　　　　　、−眉徨孝ｆＩ’ｃ％、ｆ４−−１ｆ
、搬匙ｔ５〜−互軒匙＄刀ｆ／−一基板梅〜２（ｄ−！！ｊス尤２Ｓ−一一寛極２ｇ−変圧着、

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板上に形成した電気光学効果を有する薄膜を用
いて成る光スイッチ素子において、前記薄膜上に、透明
誘電体薄膜であるバッファ層と、前記バッファ層よりも
屈折率が高く、前記薄膜中を伝搬する導波光の横方向閉
じ込めを行う透明誘電体薄帯と、前記薄膜中を伝搬する
導波光の横方向の集光を行う導波路レンズ作用を有し円
形状底面を有する回転対称体とを形成し、前記透明誘電
体薄帯が、前記回転対称体をはさんで１組以上対向しか
つそれぞれ対向した前記透明誘電体薄帯の端部が結像関
係にある様に配置され、前記バッファ層上に光路切り換
え用の制御電極を設けたことを特徴とする光スイッチ素
子。
（２）電気光学効果を有する薄膜がＰＬＺＴ系薄膜であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光スイ
ッチ素子。