JPS6159305A - 切換可能な光フアイバ方向性結合器 - Google Patents

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】 １」些毘」 この発明は一般に、一方の光ファイバから他方の光ファ
イバへ光信号を結合させるための装置および方法に関す
る。特定的には、この発明はエバネセントフィールド結
合によって一方のファイバから他方へ光信号を結合させ
るための光ファイバ結合器に関する。さらに特定的には
、この発明は一方の光ファイバから他方への光信号の結
合を電気的に制御するだめの装置および方法に関する。

単一モードの光ファイバ結合器は典型的には一方のファ
イバによって入力された光の部分または全部が他方のフ
ァイバに結合され、そこｈＳ　Ｉジ遠ざかって伝搬する
相互作用領域を有する１対の光ファイバを備える４ボー
１〜装置である。相互作用領域へ伝搬する方向はファイ
バ間における光の結合量に何ら影響を及ぼさない。しか
し、光は順方向または伝搬方向においてのみ結合し、そ
れにより２つのファイバの隣接する端部間での逆方向の
結合は生じない。

光ファイバはコアとクラッドとを備え、クラッドの屈折
率はコアのそれよりも小さくされている。

クラッドは屈折率を単一段階的に減少させるか、または
クラッドは異なる屈折率を有する物質の複数個の層で構
成され、ファイバのコアの端部からの距離が増大するに
つれ屈折率がいくつかの傾斜的な減少を生じさせるよう
にされている。階段型（ステップ型）または傾斜型（グ
レーテッド型）の屈折率のファイバの両方において、光
が実質的にコア内を伝搬する。なぜなら、コアークラッ
ドの界面にＩｆ３Ｉプる内部全反射により光がコアから
境界層を横切ってクラッド層へ進入するのが防止される
からである。しかし、マクスウェルの方程式を解き、か
つ適当によく知られた境界層（’ｌをコアークラッド界
面に対して垂直および接線方向の電場成分に対し与える
ことにより、半径が増大するとともに指数関数的に減少
する電磁場はクラッド内を伝搬するという結果が得られ
る。光ファイバ技術における当業者は、通常この指数関
数的に減少する電磁場をエバネセントフィールドと呼ん
でいる。

第１のファイバ内を伝搬する光のエバネセントフィール
ド内に第２のファイバが存在する場合、光は第１のファ
イバから第２のファイバへと結合することはよく知られ
ている。この甲−モードの結合器の相互作用領域は典型
的には、クラッドの部分がファイバを研削および研磨に
よって除去されるかまたは撚り合わされたファイバの成
る長さを化学的にエツチングすることにより除去された
ファイバの長さ部分を含む。２つの研磨されたファイバ
を互いに隣接して配置することによって形成される結合
器に光が入力するとき、結合量は、ファイバの伝搬定数
、相互作用領域の長さおにびファイバのコア間の距離に
依存する。

ファイバの取扱い性および除去されるクラッドの量の制
御性を容易にするために、ファイバは通常溶融石英ガラ
スで形成される適当な基板内の曲面状の面内に載置され
る。基板はファイバの凸面状に外側を向く部分に隣接す
るように研磨される。

基板およびファイバは研磨され、光学的に平坦にされる
。典型的には、この研磨速度は知られており、クラッド
が除去されるべき深さは研磨過程の時間を測定すること
により制御される。

すべてファイバで構成される結合器は低挿入損失を有す
るようにされている。しかし、先行技術のすべてファイ
バからなる結合器は一方の光ファイバから他方への信号
の結合を制御することに対し切換可能ではない。単一モ
ードの応用において用いられるのに適当な切換不可能な
光ファイバの方向性結合器は、３　ｅｒｇｈ、　Ｋ　０
１ｌｅｒおよび３　ｈａｗにより、エレクトロニクスレ
ターズ（Ｅ　１ｅｃｔｒｏｎｉａｓ　　Ｌ　ｅｔｔｅｒ
ｓ）のＶｏｌ、１６．Ｎｏ、７．３月、１９８０年の２
６０頁ないし２６１頁に開示されている。従来は切換不
可能なため、すべて光ファイバからなる結合器は通信シ
ステムや切換性が本質的である伯の応用において限定的
な使用がみられるのみであった。

光結合器の他の型は、２つのインテグレーテッドオプテ
ィクスの平行なストリップ型の先導波路を用いている。

いくつかのインテグレーテッドオプティクス結合器はＤ
Ｃから多くのギガヘルツ速度まで切換可能である。しか
し、このような結合器は平行ストリップ導波路と光ファ
イバとの間の接続において高い挿入損失を有している。

望ましくない信号の減衰を避けるためには、低挿入損失
が望ましい。挿入損失は特定的には２つまたはそれ以上
結合器を連続して伝搬するようなスイッチングシステム
において重要である。インテグレーテッドオプティクス
の平行ストリップ型光学結合器はＫｏｇｅｌｎｉｃおよ
び３　ｃｔ＋ｍ１ｄｔにより、ＩＥＥＥ。

ジャーナルオブクアンタムエレクトロニクス（Ｊｏｕｒ
ｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｎ　　Ｅ　１ｅｃｔｒｏｎ
ｉｃｓ）　、　ＶＯｌ、　ＱＥ−１２，Ｎｏ、７．７月
、１９７６年の３９６頁ないし４０１頁に開示されてい
る。

発明の概要 この発明は、従来用いられている光結合器の使用に関連
する回動を、一方のファイバから他方のファイバへと結
合する光信号の割合を制御するために電子的に切換可能
な全ファイバ結合器を提供することにより、克服するも
のである。この発明の切換可能な光ファイバ結合器は、
１対の切換可能な半結合器を含む。各々の切換可能な半
結合器は、好ましくは溶融石英ガラスで形成され、かつ
そこに曲面状の溝を有する基板を含む。光ファイ、バは
曲面状の溝内に配置され、基板は研磨され、溝とクラッ
ドの一部分が除去されて相互作用領域を形成する光ファ
イバの一部分とを含む光学的に平坦な表面を有するよう
にされる。基板の相互作用領域と反対側の端面には孔ま
たは空隙が形成される。この孔は相互作用領域と反対側
のファイバのクラッドへと侵入し、それにより、たとえ
ば電気一光学的に活性な結晶のような外部から与えられ
る電磁場に応答して変化する屈折率を有する相互作用物
質がファイバに隣接して基板内に載置される。この発明
はまた電気一光学的に活性な結晶に隣接して配置され、
適当な電磁場がそこに印加され、その物質の屈折率を変
化させるためのたとえば電極である手段を含む。

２つの半結合器は互いに対向するように配置され、それ
によりファイバのコアの部分を含む光学的に平らな表面
が隣接する。このファイバは互いにエバネセントフィー
ルド結合により結合され、それにより始めに一方のファ
イバ内を伝搬している光は実質的にＯから１００％へと
連続的に変化する結合効率により他方のファイバへと結
合することができる。ファイバ間の結合は、２つのファ
イバの伝搬定数に依存する。

半結合器に対し相互作用領域の反対側に電場を印加する
ことにより、２つのファイバの伝搬定数を変化させるこ
とができる。適正に電気一光学的に活性な結晶を配置す
ることにより、一方のファイバの伝搬定数の増大と他方
のファイバの伝搬定数の減少とを同時に行なうことが可
能となる。このような伝搬定数の制御により、結合効率
を制御することができる。適当な電場を半結合器に印加
することにより結合効率を電気的に制御することにより
、一方のファイバから他方への光信号の選択的な結合ま
たは切換が可能になる。

好ましい実施例の詳細な説明 第１図はコア１２とクラッド１４とを有する光ファイバ
１０を例示する図である。光ファイバ１０は、ファイバ
の構造およびそこを伝搬する光の波長によって決定され
る伝搬定数βを有する。屈折率がクラッド１４の屈折率
に等しくない物質がファイバ１０内を伝搬する光のエバ
ネセントフィールド内に配置されると、ファイバ１０の
伝搬定数は新しい値β′に摂動される。第２図は、クラ
ッド１４へ突出して伝搬定数を摂動するための屈折率ｎ
を有する相互作用物資１６を有するファイバ１０を示す
図である。ファイバ１０の伝搬定数はその非摂動値から
減少または増大する。第３図は相互作用物質１６の屈折
率が電圧の関数ｎ　　（Ｖ）で与えられ、伝搬定数β′
が電圧の関数β′　（■）となる場合を示す図である。

ここで電圧は相互作用物質に与えられる。電圧が制御さ
れると、ファイバ１０の伝搬定数をその制御状態を知り
ながら変化させることができる。

第４図ないし第６図はこの発明に従う切換可能な光ファ
イバ結合器２０を示す図である。光ファイバ結合器２０
は１対の光ファイバ２１および２４を含む。光ファイバ
２１は、その周囲を取囲むクラッド２３を有するコア２
２を備え、光ファイバ２４はコア２５とその周りを取囲
むクラッド２６を有する。光ファイバ２１および２４は
それぞれ１対の曲面状の溝２７および２８内に載置され
、＄２７および２８はそれぞれ１対の基板３０および３
２内に形成される。単純化のために、基板３０および３
２は一般的に長方形の表面を有するように示される。第
５図および第６図は例示を明解にするために、誇張され
た割合で示されている。

２つのファイバ２１および２４は好ましくは単一モード
の電磁エネルギを伝搬するように形成される。このよう
な単一モードの光ファイバはこの技術分野においてよく
知られている。１対の曲面状の溝２７および２８は好ま
しくは１対の基板３０おにび３２の光学的に平坦で対向
する表面にそれぞれ形成される。溝２７内に載置される
ファイバ２１を有する基板３０１Ａ半結合ｖ３４を備え
、溝２８内に載置されるファイバ２４を有する基板３２
は半結合器３６を備える。

曲面状の溝２７および２８はそれぞれ好ま（）くはファ
イバ２１および２４の直径と比較して非常に大ぎな曲率
半ｔ￥を存する。満２７．２８の幅はファイバ２１．２
４の直径よりも少し大きく、ファイバ２１おＪ：び２４
がそこに載置されたとぎ、溝２７および２８の底壁によ
って規定される通路にそれぞれ固定される。溝２７およ
び２８の深さはそれぞれ基板３０および３２の中心部に
おける最小値からそれらの端部におりる最大値まで変化
する。渦の深さに変化があることにより、光ファイバ２
１および２４が１１１ｉ２７および２８にそれぞれ載置
されたとき、中心に向って徐々に収束し、かつ基板３０
．３２の端部に向って発散し、それによりモードの摂動
を介してのパワー損失を生じさせるファイバ２１および
２７Ｉの方向における急峻な曲がりや突然の変化を除去
することができる。

ｉ苗２７および２８は断面が長方形であるが、ファイバ
２１．２４を収容することができるＵ型またはＶ型のよ
うな仙の適当な断面形状を使用してもよいことは理解さ
れるであろう。

示される実施例における基板３０．３２の中心部におい
て、ファイバ２１．２４がそれぞれ載置される溝２７．
２８の深さは、半結合器３４．３６がそれぞれ形成され
た後のファイバ２１．２４の直径よりも小さくなる。基
板３０．３２の端部において、溝２７．２８の深さは好
ましくは少な（ともそれぞれファイバ２１．２／１の直
径と同一である。光ファイバ物質はファイバ２１．２４
のそれぞれからたとえば研磨によって除去され、基板３
０．３２のそれぞれの対応する表面３３．３５と同一平
面上にある一般的に楕円形状の平坦な表面をクラッド２
２．２５内に形成する。光ファイバ物質が除去された表
面３３．３５は相互作用領域３８を形成する。したがっ
て、除去された光ファイバ物質の量は、基板３０．３２
の端部における０からそれらの中心部における最大値へ
と徐々に増大する。この光ファイバ物質のテーパ状の除
去ににす、ファイバ２１．２４が徐々に収束および発散
し、これにより逆方向の反射および過剰な光エネルギの
損失を避けることができるという利点を有する。

示される実施例において、半結合器３４．３６は実質的
に同一であり、基板３０および３２の表面を互いに対向
するように配回することによって°組立てられ、それに
よりファイバ２７および２４の対面する表面が互いに対
向するように並置される。

光はファイバ２１．２４間を相互作用領域３８における
エバネセントフィールド結合により伝達される。適正な
エバネセントフィールド結合を確実にするために、ファ
イバ２１．２４から除去される物質の吊が注意深く制御
され、ファイバ２１および２４のそれぞれのコア２２．
２５間の距離が予め定められた臨界領域内にあるように
しなければならないことが見出されている。ファイバ２
１．２４内を伝搬する光のエバネセントフィールドはそ
れぞれクラッド２３．２６内へと短い距離拡がり、かつ
それぞれコア２２．２５の外側において距離とともに大
きさが急激に減少する。したがって、十分な物質が、フ
ァイバ２１．２１のエバネセン１へフィールド間の重な
りが生じるように除去されなければならない。極めて少
量の物質が除去される場合、コア２２および２５はエバ
ネセントフィールドが所望の導波モードの相互作用を生
じさせるほど十分には近づかないであろう。ずなわち、
不十分な結合が結果する。

逆に、極めて多量の物質が除去される場合、ファイバの
伝搬特性が変化し、モード摂動による光エネルギの損失
が結果する。しかし、コア２２および２５間の距離が臨
界領域内にあるならば、それぞれのファイバ２１．２４
は使方からエバネセ。

ントフィールドエネルギの十分な部分を受け、有意なエ
ネルギ損失を生じることなく良好な結合を達成する。臨
界領域は、ファイバ２１および２４の１バネセントフイ
ールドが十分な強度で重なり合い、■バネセントフィー
ルド結合を与える領域、すなわち、各々のコア２２．２
５は他方のエバネセントフィールド内に存在する領域を
含む。しかし、既に示したように、コア２２．２５が互
いに極めて近接する場合、モード摂動が発生する。たと
えば、単一モードのファイバにおける１−ＩＥＴ＋モー
ドのような弱い導波モードに対しては、ファイバ２１．
２／ｌから十分な物質量が除去されファイバのコア２２
．２’５が露出するような場合にモード摂動が発生し始
めるということが信じられている。したがって、臨界領
域はエバネセン１へフィールドが十分な強度で重なり合
って実質的にモード摂動により誘起されるパワー損失を
生じることなく結合を行なうことができるコア間の距離
として定義される。

特定的な結合器２０に対する臨界領域３８の範囲は、フ
ァイバそれ自身のパラメータや結合器２０の幾何的配置
のような多（の相互に関連する因子に依存する。さらに
、ファイバ２１おＪ：び２４が階段型（ステップ型）の
屈折率のプロフィールを有する単一モードのファイバで
ある場合、臨界領域３８は極めて狭くなる。切換可能な
単一モードのファイバ結合器２０においては、相互作用
領域３８の中心部におけるファイバ２１．２／ｌ間の必
要とする中心−中心間の距離は曲型的にはコアの直径の
数倍（たとえば２−３倍）よりも小さい。

１２７ましくは、ファイバ２１および２４は、（１）互
いに同一であり、（２）相互作用領域３８において同一
の曲率半径を有し、（３）相互作用領域３８を形成する
ためにそこから等量の光ファイバ物質が除去される。し
たがって、光ファイバ２１゜２４は相互作用領域３８を
介してそれらの対向面の平面において対称的であり、そ
れらは正なり合わせられるならば同一の拡がりを有する
。それゆえ、摂動がない場合、２つのファイバ２１おＪ
：び２４は相互作用領域３８において同一の伝搬特性を
有し、それにより同様でない伝搬特性に関連する結合の
減少を避けることができる。

さらに第４図イ【いし第６図を参照する。切換可能な半
結合器３１！！は基板２７内に相互作用領域３８と反対
側にファイバ２０へと伸びるスロット４０を含む。半結
合器３６は同様のスロット〈細長い孔）４２を含む。ス
ロット４０および４２はそれぞれ、相互作用領域３８を
生成するために研磨過程において除去されたクラッドの
厚みにほぼ等しい深さにまでクラッド２２および２５へ
と進入する。

結晶４４は好ましくは電気一光学的に活性な物質で形成
され、スロット４０内に配回される。結晶４４は結晶３
８へ与えられる電圧Ｖの関数である外部から与えられる
電場の関数である屈折率を有する物質で形成される。そ
れゆえ、電気一光学的に活性な物質の屈折率はそこに印
加される電圧の関数ｎ　　（Ｖ）である。スロット４０
は、結晶４４がファイバ２１の伝搬定数を摂動するのに
十分な距離クラッド２３へと伸びる。

電極４６が結晶４４上に配置され、そこに電場を与える
。電極４６は適当な導電体を結晶４４上へスパッタリン
グすることにより形成される。電極４６はまた金属のよ
うな適当な導電体のシー１−から切り出し、次に結晶４
０へ接着剤を用いて載置されてもよい。

結晶４８は結晶４４とは同様であり、基板２８内のスロ
ット４２内に載置される。結晶４８は相互作用領域３８
に隣接するクラッド２６へと拡がる。電極５２は、電極
４６と同様結晶４８に隣接して載置される。結晶４４お
よび４８の屈折率は外部印加磁場がない場合には好まし
くはクラッド２２および２５の屈折率よりもわずかに小
さく、好ましくは実質的に同一である。結晶４４および
４８は好ましくは等方向であり、複屈折１９であっても
よい。結晶４４および４８に対する適当な物質は、５！
１１酸化カリウムＫＢ５０８　”　４Ｈ２０および２チ
オン酸カリウムに２Ｓ２０６である。結晶４６および４
８がそれぞれ載置されるスロット４０および４２は便宜
上基板２７および２８の光学的に平坦な表面を互いに接
着し、次に相互作用領域３８を形成する対向表面の反対
方向を向いている反対側の対向表面５１および５３から
内側へ研磨することにｊ：り形成される。

２つの半結合器３４および３６は適当な接着剤または締
具（図示せず）により互いに保持されるか、またはそれ
らは互いに対し所望の位置にそれらを保持するために適
当なポツティング材料肉でボッティングされる。切換可
能な結合器２０は、ただファイバ２１および２４をそれ
ぞれ研磨動作中に適正な位置に保つために用いられる基
板２７および２８を備えるかまたは備えずに形成される
。

ファイバ２１および２４は研磨動作の完了後それぞれ基
板２７　＋１５よび２８から除去される。そしてファイ
バ２１および２／ｉ、結晶４８および４４および電極４
６おＪ：び５２は切換可能な結合器２０を形成するため
にポツティングされる。

電圧源５６は制御電圧を電極４６へ与える一方、電極５
２は接地される。結晶７１１および／１８へ印加される
電場は近似的に電極４６および５２間の距ｌｌ１１１に
よって割られた制御電圧にほぼ等しい。結晶４４および
４８はそれらの内の一方、たどえば、結晶４８が相互作
用領域３８の平面内でファイバ２１．２４に平行な直線
のまわりに他方の結晶４４に対して１８０度回板回転よ
うにされている。

この回転の結果、印加電場と整列していた結晶４４およ
び４８の各々の結晶軸が互いに反対の方向を示すように
なる。ファイバ２１のコア２２は結晶／Ｉ８に対するよ
りも結晶４４により近くなるべきであり、同様にファイ
バ２４のコア２５は結晶／１４よりも結晶４８により近
くなるべきである。

ファイバ２１および２４ならびに結晶／Ｉ／Ｉおよび４
８が上述のようにされているとき、電極４６および５２
に対し電位差を与えるとファイバ２１の伝搬定数に主と
して影響を与える結晶４４の屈折率を変化させ、一方結
晶５８の屈折率の変化はファイバ２４の伝搬定数に影響
を与える。

結晶４４および４８が上述のようにされているとき結晶
４４おＪ：び４８への印加電場の影響は、一方のたとえ
ば結晶４４の屈折率を増大させ、他方の結晶４８の屈折
率を減少させる。結晶４４および４８の屈折率の非対称
的な変化により、ファイバ２１および２４の伝搬定数の
非対称的な変化が与えられる。上述のような構造配置に
対しては、ファイバ２１の伝１般定数は増大し、一方フ
ァイバ２４のそれは減少する。伝搬定数の非対称的な変
化はファイバ２１と２４の間で結合する光の量を変化さ
せる。制御電圧の極性を反転すれば伝搬定数の変化が反
転する。

電圧の大きさおよび極性を適当に制御することにより、
ファイバ２１および２４の一方から他方へ伝搬する光を
Ｏから１００％の間の任意の割合で選択的に切換えるこ
とができる。結合効率は、約１０ないし３０ボルトの制
御電圧を印加することにより、相互作用領域の長さしに
依存して、Ｏから１００％の間で変化する。電極４６お
よび５２はマイクロ波ス］〜リップ線路型聯波路と同様
の伝送波の電極となる、これによりマイクロ波の周波数
における制御電圧の変化により極めて高い切換（スイッ
チング）速泣を与えることができる。

ＶＪ換可能な結合器のスイッチング特性に対する物理的
理論は、Ｋ　ｏｇｅｌｎｉｃおよび３ｃｈｍｉｄｔによ
る、ＴＥＥＥ、ジャーナルオブクアンタムエレクトロニ
クス（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　　Ｅ　
１ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）のＶｏｌ、ＱＥ−１２，Ｎｏ、
７．７月、１９７６年において開示されている２つの平
行なストリップ導波路を用いた切換えられた結合器のそ
れと同様であり、それゆえここでは詳細には説明しない
。

ファイバ２１におけるコヒーレントな光は複素数振幅Ｒ
（ｚ　）によって表わされ、ファイバ２４におけるそれ
は複素数振幅Ｓ　（Ｚ　）によって表わされる。ファイ
バ２１．２／ｉ間におけるエネルギ交換は同一方向の結
合波過程であり、以下の結合波方程式によって与えられ
ると仮定する。

Ｒ’　−ｊ　６Ｒ＝−ｊｋｓ　　　　−（＋）Ｓ’＋ｊ
６Ｓ＝−ｊｋＲ−（ｒ） 但しダッシュ記号は、Ｚに関する微分を示し、Ｚは伝搬
方向を示すように選ばれている。またδ＝△β／２．に
は結合係数である。任意の入力振幅ＲｏおよびＳ。に対
して、結合波方程式（１）および（２）の解は便宜上マ
トリクスを用いてど表わせる。ここで、アステリスク記
号は複索共役を示し、添字１は均一なΔβ−β、−β２
の電極４６および５２の１１１１１の対を表わす。ｚ＝
ｌ−である相互作用領域３８においてマトリクス要素に
対する結合波方稈式を解くことを問題は含む。Ｚ＝１−
に対し、マトリクス が、結合器２０の伝達マトリクスと呼ばれる。伝達マト
リクスＭ、−の結合器２０は伝搬定数の変化が−Δβで
あるとぎ、 となる。

Ａ＝Ｏのとき、切換可能な結合器２０はファイバ２１お
よび２４の間で光を交差結合する。Ｂ−０のとき、ス１
へレートスルーな伝搬が発生する。

第４図ないし第７図の切換えられた結合器２゜に対する
完全な交差結合およびストレートスルーな伝搬に対する
条件は第９図のスイッヂングダイヤグラムに示されてい
る。ここで、２ＫＬ／πおよびΔβＬ／π−２Ｌδ／π
は座標である。三角形で表わされる垂直軸上の孤立点は
完全な交差結合が発生している状態を示す。円で表わさ
れる同心円状の円弧は、ファイバ２１および２４の間で
結合が起こらないス１〜レー１へスルーな伝搬状態を表
わす。切換可能な結合器２０の電極配置に対する２に＋
　／πの値は本質的に印加電圧に左右されないが、△β
は電圧の関数であり、電気的に制御される。

第７図は、結合器２０に対する交番電極配置を示す図で
ある。結晶４４および４８はそれぞれ上）ホのようにフ
ァイバ２１および２４に隣接して配置される。しかし、
１対の電極５８．６０は結晶４４の反対側の端部に取付
けられる。電ＩＵ　６０を接地して結晶４４へ電場Ｅを
印加すると、電気−光学効果により、結晶４７１の屈折
率に変化が生じる。１対の電極６２．６４は結晶４８の
反対側端部端に取付けられ、それにより電極６４を接地
してそこに電場を印加すると結晶４８の屈折率の変化が
生じる。電極６０および６４が接地され、かつ電極５８
および６２に正の電圧が印加される場合、結晶７１４お
よび４８の矢印で示される結晶軸が印加電場Ｅに関し逆
方向に整列するならば、屈折率の変化は反対の符号のも
のとなる。結晶軸が同一方向に整列する場合、そのとき
反対方向に向いた電場を結晶４４および４日へ印加しな
ければならない。それぞれの場合において、ファイバ２
１および２４の伝搬定数の変化は非対称的なものとなり
、交差結合する光とストレートスルー伝搬をする光の量
の電子的な制御を可能にする。電極５８．６０．６２お
よび６４により、結合器２０をストレートスルーと完全
な交差結合との状態でを直接に印加しないことが可能に
なる。

第８図は各々が長さＬ／２を有する１対の区間６８およ
び７０へ分割される相互作用長りを有する切換えられた
方向結合器６６を示す図である。

区間６８は１対の反対方向に配向された結晶７２および
７４を含み、かつ区間７０は結晶７２おＪ：び７４に一
致して配向される１対の結晶７６および７８を含む。区
間６８は結晶７２に隣接する電極８０を含み、かつ結晶
７４に隣接する電極８２を含む。同様に、区間７０は結
晶７６に隣接する電極８４および結晶７８に隣接する電
極８６を含む。上述の配置において、区間６８および７
０において電極対８０．８２および８４．８６に反対の
極性の制御電圧が印加される。

第８図において見られるようにファイバ２１の左側から
入射する信号はまず区間６８においてΔβの伝搬定数の
変化を受け、次に区間７０において伝搬定数の一Δβの
変化を受ける。伝搬定数の変化の符号の変換はまた結晶
対７２．７／Ｉおよび７６．７８を反対方向に配向させ
かつ電極８４および８６を接地して電極８０および８２
へ同一極性の電圧を印加することにより達成される。結
合器６６の伝）ヱ行列は２つの区間６８および７０の伝
達行列の積であり次式で表わされる。

数学的に最も単ｌ１１１ｉな場合は、伝搬定数の２つの
変化が同一の大きさを有する場合である。結合器５８に
対するマトリクス要素は次式で与えられる。

Ａ２　＝ＡＩ　Ａ、−Ｂ、＝１−２ｒ３゜Ｂ２　＝２Ａ
＋　Ｂ＋ 第８図の結合器６６の細分化された電極配置に対する結
合波方程式の解はストレートスルー伝搬および完全な交
差結合の両方に対しいくつかの電圧値が存在するという
ことを示している。結合器５８に対するスイッチングダ
イヤグラムは第１０図に与えられる。三角形によって示
される線および点は完全な交差結合の状態を表わし、円
を用いて表わされる線および点はストレートスルーな伝
搬状態を表わす。１個の対の電極４６および５２は、完
全な交差結合の可能性を有するように、結合器２０の製
造において適正な結合長１−を有するよう高精度を要求
する。電圧調整は、結合器２０の製造における誤差を補
償しない。しかし、結合器６６の製造はこのような相互
作用長における厳密な制御を要求しない。なぜなら、電
圧調整は、ストレートスルー伝搬および完全な交差結合
の両方に対し容易に到達できるいくつかの点を与えるか
らである。結合器６６によって与えられる伝搬定数の交
互の変化は完全な交差を達成するためにたとえば１ない
し３である様々な範囲の間で２に１−／πの変化を可能
にする。第１０図はまた伝搬定数における必要な変化、
したがって、結合器６６を完全な交差結合の２点間で変
化させるために必要な電圧調整を与える。電極区間の数
を３またはそれ以上に増大させると、２個の電極区間６
８および７０を有する結合器６６に対するものと同様の
結果を発生する。どのような区分化された電極配置によ
っても、ストレートスルーの伝搬と完全な交差結合の状
態を表わす曲線の特性の一群を得ることができる。区分
化された電極配置は常に、１００％の交差結合を与える
少なくとも１個の非ゼロの電圧とストレートスルーの伝
搬を与える電圧どを供給する。任意の区分化された電極
配置における隣接する電極は適当な絶縁体８５によって
分離されるべきである。１００％の交差結合を達成する
ためには、入射波を受ける第１の電極区間が好ましくは
ファイバ２１と２４間で少なくとも５０％の結合を与え
るべきである。

特定的な好ましい実施例に関してこの発明が開示されて
きたが、これらの特定的な実施例は添付の特許請求の範
囲によって規定されるこの発明の範囲および精神から発
生ずる典型例であると理解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は固定された伝搬定数を有する光ファイバを概略
的に示す図である。第２図はその伝搬定数が相互作用物
質によって摂動を受ける光ファイバを概略的に示す図で
ある。第３図は第５図の相互作用物質に印加される電圧
の関数である伝搬定数を有する光ファイバを概略的に示
す図である。 第４図はこの発明による切換可能な方向性結合器の断面
構造を示す図である。第５図は第１図の切換可能な方向
性結合器の平面図である。第６図は第５図の線６−６に
沿った断面構造を示ず図である。第７図は第４図の切換
可能な方向性結合器の交互の電極配置の断面構造を示す
図である。第８図は伝搬定数の変化が階段型に逆転する
切換可能な方向性結合器の第２の実施例を概略的に示す
図である。第９図は第１図の切換可能な方向性結合器の
スイッチングダイヤグラムを示す図である。 第１０ｖ！ｊは第７図の切換可能な方向性結合器のスイ
ッチングダイヤグラムを示す図である。 図において、２０は結合器、２１．２４は光ファイバ、
２２．２５はコア、２３．２６はクラッド、２７．２８
は溝、３０．３２は基板、３４゜３６は半結合器、２０
は結合器、３８は相互作用領域、４０．４２はスロワ１
−１４’４．／１．８は結晶、４６．５２は電極、５Ｂ
、６０，６２．６４は電極、７２．７４は結晶、６６は
結合器である。 ＝３８− なお、図中、同符号は同一または相当部分を示す。

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１のコアと第１のクラッドと第１の伝搬定数と
   を有する第１の光ファイバと、第２のコアと第２のクラ
   ッドと第２の伝搬定数とを有する第２の光ファイバとの
   間の光信号を選択的に結合させるための切換可能な光フ
   ァイバ方向性結合器であつて、 前記光ファイバの各々を伝搬する光のエバネセントフィ
   ールドが前記光ファイバの他方と相互作用する相互作用
   領域を形成するための手段と、前記第１および第２の光
   ファイバの各々が前記光ファイバの他方を伝搬する光の
   エバネセントフィールドと行なう相互作用を制御して前
   記光ファイバ間の光の結合を制御する制御手段とを備え
   る切換可能な光ファイバ方向性結合器。
2. （２）前記制御手段は、前記第１および第２の伝搬定数
   の一方を他方に関して増大させるための手段を含む、特
   許請求の範囲第１項記載の切換可能な光ファイバ方向性
   結合器。
3. （３）前記相互作用領域を形成するための手段は、前記
   第１のファイバの長さ部分と前記第２のファイバの長さ
   部分とを備え、そこにおいて前記光ファイバの各々を伝
   搬する光のエバネセントフィールドが前記光ファイバの
   他方のコアへ延びるような厚みを有するように前記第１
   のクラッドと前記第２のクラッドが形成される、特許請
   求の範囲第１項記載の切換可能な光ファイバ方向性結合
   器。
4. （４）前記制御手段は、 前記相互作用領域に隣接して配置される相互作用物質の
   第１のブロックと、 前記第１および第２の伝搬定数の相対的な大きさを制御
   するために前記第１のブロックへ電場を印加するための
   手段とを含む、特許請求の範囲第１項記載の切換可能な
   光ファイバ方向性結合器。
5. （５）前記相互作用領域に隣接して配置される相互作用
   物質の第２のブロックをさらに含み、第１および第２の
   ブロックは協働して前記第１および第２の伝搬定数の一
   方を増大させかつ他方を減少させる、特許請求の範囲第
   ４項記載の切換可能な光ファイバ方向性結合器。
6. （６）前記相互作用物質は、電気−光学的に活性であり
   、それによりその屈折率は印加電場の関数である、特許
   請求の範囲第４項記載の切換可能な光ファイバ方向性結
   合器。
7. （７）前記相互作用物質は電気一光学的に活性であり、
   それによりその屈折率は印加電場の関数である、特許請
   求の範囲第５項記載の切換可能な光ファイバ方向性結合
   器。
8. （８）前記第１のブロックに隣接する第１の電極と、 前記第２のブロックに隣接する第２の電極と、前記第１
   および第２の電極間に電位差を与えるための手段とをさ
   らに含む、特許請求の範囲第７項記載の切換可能な光フ
   ァイバ方向性結合器。
9. （９）前記相互作用領域を形成するための前記手段は、 そのクラッドがそこに形成される第１の一般的に平面的
   な表面を有する前記第１のファイバの長さ部分と、 そのクラッドがそこに形成される第２の一般的に平面的
   な表面を有する前記第２のファイバの長さ部分と、 前記第１および第２の一般的に平面的な表面を並置状態
   に保ち、それにより前記第１および第２のファイバの各
   々を伝搬する光が前記第１および第２の光ファイバの他
   方へ拡がるエバネセントフィールドを生成する手段とを
   備える、特許請求の範囲第１項記載の切換可能な光ファ
   イバ方向性結合器。
10. （１０）前記第１のクラッドは、前記第１の光ファイバ
    に隣接して相互作用物質の前記第１のブロックを載置す
    るために前記第１の一般的に平面的な表面に対し実質的
    に平行な第３の一般的に平面的な表面を含み、それによ
    り前記第１のブロックが前記第１の光ファイバ内を伝搬
    する光のエバネセントフィールド内にあり、かつ前記第
    ２のクラッドは、前記第２の光ファイバに隣接する相互
    作用物質の前記第２のブロックを載置するための前記第
    ２の一般的に平面的な表面に平行な第４の一般的に平面
    的な表面を含み、それにより前記第２のブロックは前記
    第２の光ファイバ内を伝搬する光のエバネセントフィー
    ルド内にある、特許請求の範囲第９項記載の切換可能な
    光ファイバ方向性結合器。
11. （１１）前記第１および第２の物質のブロックは外部か
    ら与えられる電場の関数である屈折率を有する電気−光
    学的に活性な物質を含む、特許請求の範囲第１０項記載
    の切換可能な光ファイバ方向性結合器。
12. （１２）前記第１のブロックに隣接する第１の電極と、 前記第２のブロックに隣接する第２の電極と、前記第１
    および第２のブロックに電圧を与えるための手段とを含
    む、特許請求の範囲第１１項記載の切換可能な光ファイ
    バ方向性結合器。
13. （１３）前記第１および第２のブロックは、印加電場が
    前記ブロックの一方の屈折率を増大させ、かつ前記ブロ
    ックの他方の屈折率を減少させるように配向される、特
    許請求の範囲第１２項記載の切換可能な光ファイバ方向
    性結合器。
14. （１４）前記制御手段は、前記第１および第２の光ファ
    イバの間において実質的にストレートスルーの伝搬状態
    と実質的に１００％の光の交差結合の状態との間を電子
    的に切換えるための手段を含む、特許請求の範囲第１項
    記載の切換可能な光ファイバ方向性結合器。
15. （１５）前記第１および第２の伝搬定数の一方を他方に
    関して増大させるスイッチを含む、特許請求の範囲第１
    ４項記載の切換可能な光ファイバ方向性結合器。
16. （１６）符号が変換する前記第１および前記第２の伝搬
    定数に連続的な差を与える複数個のスイッチ部分を含む
    、特許請求の範囲第１５項記載の切換可能な光ファイバ
    方向性結合器。
17. （１７）前記スイッチ部分の各々は、 前記相互作用領域に隣接する１対の電気−光学的に活性
    な結晶を含み、前記結晶は反対方向に配向される１対の
    結晶軸を有しそれにより印加電場は前記結晶の一方の屈
    折率を増大させかつ他方の結晶の屈折率を減少させる、
    特許請求の範囲第１６項記載の切換可能な光ファイバ方
    向性結合器。
18. （１８）各々がコアとクラッドと伝搬定数を有する１対
    の光ファイバの間の光信号を切換えるための方法であつ
    て、 光ファイバの各々のコアが他方の光ファイバ内を伝搬す
    る光のエバネセントフィールドと相互作用する相互作用
    領域を形成するステップと、光ファイバの伝搬定数を制
    御して選択的にそれらの間の光を結合させるステップと
    を備える、光信号を切換えるための方法。
19. （１９）前記制御ステップは、 印加電磁場の関数である屈折率を有する相互作用物質の
    第１のブロックを第１の光ファイバに隣接して配置する
    ステップと、 印加電磁場の関数である屈折率を有する相互作用物質の
    第２のブロックを第２の光ファイバに隣接して配置する
    ステップと、 光ファイバの一方から光ファイバの他方へ結合する光の
    量を制御するために、相互作用物質のブロックに電磁場
    を印加して光ファイバの伝搬定数を制御するステップと
    を含む、特許請求の範囲第１８項記載の光信号を切換え
    るための方法。
20. （２０）前記制御ステップは、 第１の光ファイバに第１の平面的な表面を形成するステ
    ップと、 第１の平面的な表面に平行に第１の光ファイバ上に第２
    の平面的な表面を形成するステップと、第２の光ファイ
    バ上に第３の平面的な表面を形成するステップと、 第３の平面的な表面に平行に第２の光ファイバ上に第４
    の平面的な表面を形成するステップと、光ファイバの一
    方を伝搬する光のエバネセントフィールドが他方の光フ
    ァイバのコアと相互作用するように、第１および第３の
    平面的な表面を並置するステップと、 第１のブロックを第２の平面的な表面に隣接して載置す
    るステップと、 第２のブロックを第４の平面的な表面に隣接して載置す
    るステップと、 第１および第２のブロックに電場を印加するステップと
    を備える、特許請求の範囲第１９項記載の光信号を切換
    えるための方法。
21. （２１）各々がコアとクラッドと伝搬定数を有する１対
    の光ファイバ間の光信号を切換えるための方法であつて
    、 エバネセントフィールド結合によつてファイバのコア間
    を光が結合する相互作用領域を形成するステップと、 相互作用領域を複数個の区間に分割するステップと、 光ファイバ間で結合する光の量を制御するために伝搬定
    数の相対的な大きさを制御するステップとを備える光信
    号を切換えるための方法。
22. （２２）連続した区間において第１の光ファイバの伝搬
    定数を交互に増大および減少させ、かつ第２の光ファイ
    バの伝搬定数を交互に減少および増大させるステップを
    さらに含む、特許請求の範囲第２１項記載の光信号を切
    換えるための方法。
23. （２３）区間の各々における伝搬定数間の差を電気的に
    制御して光ファイバ間における光のストレートスルーの
    伝搬状態と完全な交差結合状態の間で光ファイバを選択
    的に切換えるステップをさらに含む、特許請求の範囲第
    ２２項記載の光信号を切換えるための方法。