JPS63116118A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電気光学効果が４１用した光方向性結合器に関
し、特に光の偏波方向に依存しない方向性結合器に関す
る。

〔従来の技術〕

方向性結合器は、ＬＩＮｂ　Ｏ３１ＬＩＴ　ａＯ３など
電気光学効果を示す結晶から成る基板に、Ｔｉ拡散等に
より一対の光導波路を、一方の導波路から他方の導波路
に伝搬光が移るように近接して形成し、基板上に設けた
電極に印加する電圧を変化させることによって導波路の
屈折率を変化させ、これにより一方の導波路を伝搬する
光の一部を隣接する導波路に入射させたり、あるいは伝
搬光の全ｉを間接導波路に入射させる。

このような方向性結合器は、動作速度が極めて早いスイ
ッチとして動作し、光通信分野で単一線路を伝送される
情報信号光を複数の端末装置に分配するデバイス、セン
サーなどに有用である。

そして上記のような電気光学効果を利用した方向性結合
器では、ＬＥＤからの光源光を用いる場合偏波方向に依
存しない結合特性をもっていることが要求される。

上記のように偏波方向に依存しない光強度変調器及び方
向性結合器は従来から研究されている。

例えばＡｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｌｅｔｔｅ
ｒ誌の第３３巻ｌ１号（７９７１年／２月）　Ｋ　Ｗ、
　Ｋ、　Ｂｕｒｎｓが、マンハツェンダー型の変調器に
二対の電極を設け、近似的に偏波方向に対する独立性を
もたせた構造を提案している。

またＡｌｆｅｒｎｅｓｓはＡｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉ
ｃａｌ　ｒ、ｅｔｔｅｒ誌の＄３！ｒ巻７０号（／り７
９年／／月）に、１つの非対称的な結合領域（例えば一
方の導波路を直線、他方の導波路を曲線とする）を設け
て、単一の電極対により充分な結合を達成することをね
らった構造を提案している。

〔発明が解決しようとする間ｍ点〕

上述した従来の技術は非常に鈴しい問題を含んでいる。

すなわち従来の干渉計型強度変調器では二対の電極への
異なる電圧印加によって動作し、電圧印加量を個々に独
立して調整しなければならず、構造が複雑化するという
欠点がある。

またこの構造では単一路から三路に分けた後半−路に戻
して干渉させるため光路を変更できないという欠点があ
る。

また前述した従来の方向性結合器は設計が知ｔしく、且
つ偏波方向に依らず−様な結合特性が得られるのは非常
に限られた電圧範囲に限られるという欠点がある。

このように上記構造は一対の電極のみでよいという利点
がある半面、動作の安定性が悪いという問題がある。

そして上述した従来の素子構造では、二つの異なる偏波
方向に対して二種の電気光学係数を使用しなければなら
ないので素子の構造がＭ　１２になるという本質的な間
ルを有している。

〔問題点を解決するための手段〕

ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等の電気光学効果を示す材
料からなる基板に、近接した間隔をおいて一対の光導波
路を設けるとともに電極を設け、導波路への電界印加に
より両溝波路の光学的結合度を変えるようにした方向性
結合器において、前記導波路を、その光伝牟方向が基板
結晶のＺ軸方向となるように配置した。

〔作　用〕

上記のようにＬｉＮｂＯ３あるいはＬｉＴａＯ３の結晶
から成る基板に、この結晶の２軸方向が光伝搬方向とな
るような向きで方向性結合器を構成する一対の光導波路
を形成した場合、各モードの伝搬は等方性を示す。そし
て基板表面から内部に向けてＴｉを拡散させただけの導
波路でも、またＭｇＯあるいは水素置換により断面が略
円形の埋め込み型とした導波路でもいずれのタイプでも
ＴＥモード及びＴＭモードの両実効屈折率を全く等しく
することができる。それ故に導波路の結合長は偏波方向
に依存しない。

本発明に係る方向性結合器は、基板結晶の２軸方向に電
圧な印加（電気光学係数ｒ１３を利用）しても、またＹ
軸方向に電圧な印加（電気光学係数ｒ２２を利用）して
も、異なる偏波に対し等しい位相変化を生じさせ、した
がって偏波方向に依存しないスイッチングを実現できる
。

また電極構造を単純化できるため、従来のものに比べて
製作が容易である。

さらに高パワーの伝送光で引き起される光学的損傷を受
けにくい利点もある。

〔実　施　例〕

以下本発明を図面に示した実施例に基づいて詳細に説明
する。

第１図は方向性結合器を示す平面図、第２図は同横断面
図である。

図におイテ／はＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等の電気光
学効果を示す材料からなる平板状の基板、２に、２Ｂは
同基板中へのＴｉ拡散等で形成された屈折率の高い領域
から成る光導波路である。両溝波路ｊＡ。

２Ｂは基板ｌの一方の端縁から他端縁まで延びており、
端縁付近を除いた中央部で一定長にわたり両溝波路−２
Ａ　ｐ　２Ｂが小間隔で近接しである。すなわち一方の
導波路２Ａの伝搬光が他方の導波路２Ｂにこの区間内で
移るような間隔と長さに設定した結合領域３が設けであ
る。そして本発明では基板ｌの結晶軸のうちＺ軸が導波
路ｘＡ、　２Ｂの結合領域３における光伝搬方向ｔと一
致するように基板のカット方向及び導波路成形パターン
を設定する。

基板の厚み方向は結晶軸のＹ軸又はＸ軸方向のいずれで
もよいが図示例ではＹ軸方向にとっている。

そして両溝波路２Ａ、２Ｂの近接している結合領域３に
おいて、両溝波路２Ａ、２Ｂの上部を覆うように一対の
電極３に、ｊＢが設けである。

次に上記構造の方向性結合器における光伝搬について説
明する。

ＬｉＮｂＯ３を基板材料としてその結晶軸の２軸を導波
路の光伝搬方向と一致させた場合、ＴＥモード及びＴＭ
モードの偏波に対する常光屈折率は２．２ｒｔである。

そして伝搬するＴＥ及びＴＭモード光に対する実効屈折
率はほぼ等しく、特に導波路の屈折率分布が断面内で全
方向に対称である場合は一致性がさらに高まる。カット
オフから遠く離れた両モード光の伝搬に対しても導波路
の実効屈折率は同じであり、このことは対称性をもった
導波路の分散カーブに対する簡単な考察かられかる。

埋め込み型の導波路を形成する場合、ＴＥ及びＴＨの両
モードに対する屈折率の同一性を完全にするには、基板
へのＴｉ拡散後に結晶中のＬｉを水素置換する方法とＭ
ｇＯをドーピングする方法の両方法を併泪して埋め込み
型に修正するのが望ましい。

そしてＺ軸方向伝搬の導波路におけるＴＥとＴＭの両モ
ードの伝搬が等しいが故に、方向性結合器における結合
長は等しくなる。

つまり偏波方向に依存しない方向性ノ結合器スイッチは
、各偏波に対して等しい実効屈折率と同一の結合長を有
していなければならないが、本発明に係る方向性結合器
はこれら条件を満たしている。

第１図、第２図に示した方向性結合器において、一方の
導波路−Ａに入射した光は、導波路２Ａ内を伝搬した後
結合領域３で他方の導波路２Ｂに移り、導波路２Ｂの端
部から出射する。

次に電極ｊＡ、ｊＢ間に電界を印加すると電圧に応じて
導波路２Ｂの伝搬光の一部又は全部が導波路２人に戻り
、導波路２１．２Ｂの両方又は２Ａのみから出射する。

このようにして光路のスイッチングあるいは同一信号の
分配を行なうことができる。

ここで基板結晶に与える電界と光伝搬との関係について
説明すると、ＬＩＮｔ）０３結晶での電気光学テンソル
は（１）式のように表わされ、またＬｉＮｔ）０３の屈
折率楕円面と電界を印加した場合における屈折率変化と
の関係は（２）の方程式で表わされる。

結晶Ｚ軸方向伝搬のＬｉＮｂＯ３導波路では光はＸ軸又
はＹ軸に沿って偏光され、上記方程式（２）からｘＸ位
相変化とＹＹ位相変化が必要になる。

上記電気光学テンソル（１）の−列目及び二列目から、
Ｙ軸に沿った電界印加は電気光学係数ｒ２２を使用し、
且つＸ軸とＹ軸で同一効果を持つことがわかる。Ｘ軸と
Ｙ軸における係数ｒ２２の符号は相違しているが、両導
波路間での位相の大きさの同一性のみが問題となるので
符号は重要ではない。

そして第１図および第２図の例は上述した電気光学係数
ｒ２２を用いた最も簡単な構造例を示し、電極ＪＡ、１
間に電圧を印加すると基板内には等電界線６で示す電界
７を生じ、導波路内伝搬光にｒ２２の電気光学効果を生
じる。

電極パターンの他の例を第３図に示す。

本例は導波路の結合領域の前半と後半とで電極の極性を
反転させたいわゆるデルタベータ位相反転型である。

次に電気光学係数ｒ２２とｒ１３の両方を同時に使うよ
うにした実施例を第≠図、第５図に示す。

本例では両電極ｊＡ、ｊＢを櫛歯状とし、ｉｔ極の各櫛
歯部分を両溝波路２に、２Ｂ間に跨らせるとともに、両
極を導波路の光伝搬方向に交互に一定間隔をおいて配置
している。

上記構造の方向性結合器においてｍ極ｒＡ、ｓＢ間に電
圧を印加すると、導波路部分での電界７のパターンは第
５図のようになり、電極直下では前述実施例と同様に係
数ｒ２２が作用し、ｉ！！極間では結晶のＺ軸に沿った
電気光学係数ｒ１３が作用する。

そして後者についてもＸ軸及びＹ軸に沿った偏光につい
て効果は等価である。ｒ３３は最も大きい電気光学係数
であるが、これはＺ軸に沿った偏光のみを変化させるの
で使用できない。

一般に係数ｒ１３はｒ３３の／／Ｊであり、ｒ２２はｒ
３３の／／１０である。ところで真に偏波方向に依存し
ない方向性結合器は、前述した条件以外に、一方向の電
界が互いに直交する両側波に対して均等の変化を与えそ
れ故に両側波の方向性結合が単一の電界の関数であると
いう条件を満足する必要がある。そして本駈の方向性結
合器は上記条件を満たしている。本願の方向性結合器ス
イッチを用いたＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）
の例を第６図に示す。図中で１０は方向性結合器スイッ
チ、／ｌはＬＥＤ　、　ＬＤ等の入力光源、／２は検出
器、１３はシングルモード光ファイバである。

またセンサモニタに適用した例を第７図に示す。

図中／ｌは出力用多モード光７アイパ、／ｊはシングル
モード光７アイバ、／６はセンサ、１７は結合器スイッ
チＩＯによる入力パルス、ｌざは反射膜、／りは反射帰
還される情報搬送パルスを示す。

上記２つの例のようなループシステム中で効率良く動作
させるためには、変調器としての通常の操作とは反対に
、電圧を印加しないとき両溝波路が分離状態にあるよう
単位結合長の偶数倍でなければならない。ここで単位結
合長とは電界無印加で一方の導波路から他方の導波路に
１００％伝播光が移る導波路長である。

このように単位結合長の２倍の長さの結合領域をもち、
そのうち単位結合長に等しい長さの部分のみをアクティ
ブ、パッシブ切換可能にしたデバイスの例を第ｒ図に示
す。

同図においてλＯは電極形成領域であり、前半の長さＬ
Ｃの領域Ａがアクティブ領域で後半の長さＬｃの領域Ｐ
がパッシブ領域である。

また下方のダラ７は、領域Ａがアクティブな状Ｍ（電圧
印加）にあるときの導波路伝搬光のパワーの相対強度分
布２／、及び領域Ａがパッシブな状態にあるときの光パ
ワー分布２コを示すグラフである。

上記のようなアクティブとパッシブを組み合せた方向性
結合器を使った場合、電界を与えない状態で第６図の例
では伝送光がループとなり、また第７図の検出器では光
源／／の光が検出箇所には行かず、代りに反射膜／ｒで
反射された検出光が検出器／コに入光する。

電界を印加した場合、第６図の例では光７アイパループ
からターミナルへ情報が取り出され、あるいは情報がタ
ーミナルからルーズに送出される。

また第７図の例では光源／／の光が検出箇所に向う。

本発明の方向性結合器スイッチは少なくとも２２ｄＢの
ｐｏｌａｒｉｓａｔｉｏｎ　ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ　ｒａ
ｔｉｏ　ｒ動作させるのが望ましい。

次に第ｒ図の実施例における具体的数値例を示すと、／
ｊ２０ｎｍ波長のシングルモード光を使用する場合、導
波路コＡ　ｒ　−２Ｂの幅をＩＯμｍ１両導波路間の間
隙を約６μｍ１素子全長をＪ　Ｑ　ａｍとし、素子の両
端からそれぞれｌ≠闘の長さにわたり導波路間間隙を充
分大にした分離領域を設ける。

結合長（ｊＪ、Ｃ）は、＃Ｉｔｌｌであり、このうち半
分のｆ　ｍｓ長をアクティブ領域、残り！間長をパッシ
ブ領域とする。

導波路−Ａ、、！Ｂの形成は、酸素を流しつつ１０００
゛Ｃで１２時間Ｔｉを基板内に拡散させる。Ｎ極の形状
は用途によって異なるが、一般的には陽極側は導波路幅
とほぼ同等とし、陰極側は充分大にする。

ただし電極の大きさは動作上特にクリティカルな条件で
はない。

上述した数値例に限られず、本発明の方向性結合器スイ
ッチは通常使用される全ての波長光で用いることができ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、偏波方向に全く依存しない方向性結合
器光スィッチが得られる。

そして本発明に係る結合器スイッチは、ＬＡＮループに
おける光学的アクセス用素子、センサーからの反射光を
検出するセンサーネットワークのモニタ一端末用素子な
ど、主として非常に高感度の読み取りを要求されるため
偏波が必要であるような分野で有用である。

また本発明に係る方向性結合器スイッチは２２（ｉＢ前
後の入力偏波を歪ませないので、偏波で搬送される情報
がそのまま維持される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す平面図、第２図は同
断面図、第３図は本発明の第２実施例を示す平面図、第
４図は本発明の第３実施例を示す平面図、第５図は同断
面図、第を図は本発明の方向性結合器を適用したローカ
ルエリアネットワークの例を示す概念図、第７図は本発
明の方向性結合器を用いたセンサーの例を示す平面図、
第を図は本発明の第ｑ実施例を示す平面図および導波路
伝搬光のパワー分布を示すグラフである。 ／・・・・・・電気光学結晶基板　ｊ　Ａ　＋　−２Ｂ
・・・１光導波路３・・・・・・結合領域　ダ・・・・
・・光伝搬方向３ｋ　、　ｊＢ・・・・・・電　極　７
・・・・・・電　界ＩＱ・・・・・・方向性結合器　／
ｌ・・・・・・光　源１２・・・・・・検出器／３．／
１１．／ｊ・・・・・・光７アイバ１６・・・・・・セ
ンサ　／Ｉｆ・・・・・・反射膜２０・・・・・・電極
形成領域 第１１！１ 第２図 第６図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電気光学効果を示す材料からなる基板に、近接し
   た間隔をおいて一対の光導波路を設けるとともに電極を
   設け、導波路への電界印加により両導波路の光学的結合
   度を変えるようにした方向性結合器において、前記導波
   路を、その光伝搬方向が基板結晶のＺ軸方向となるよう
   に配置したことを特徴とする方向性結合器。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記電極は少な
   くとも導波路上部を幅方向に覆うように設け、且つ陽極
   及び陰極を導波路の光伝搬方向に互いに間隔をおいて配
   置した方向性結合器。