JPS6343725B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は固体基板上に設けた光導波路によつて
構成される、いわゆる導波形光回路素子のうち、
とくに近接して設けられた２つの導波路の一方か
ら他方への光の浸み出しによつて面内に光の結合
を生じさせ、また外部より印加される磁界の変化
によつて結合の状態を制御し、光の進行する導波
路を切換える方向性結合器形光スイツチの、入射
光の偏光状態によつてスイツチ特性の変らない素
子に関するものである。

フアイバー光通信システムを構成する端局や端
末装置、中継装置などにおいては、信号坦体であ
る光を分岐し切換える各種の光回路素子を必要と
する。これらの素子は高性能であることに加れ
て、信頼性が高く、小形であることが望ましい。
誘電体、磁性体や半導体材料の基板表面に屈折率
の高い層や道筋を設けてこれを光導波路とし、上
記の各種の光回路素子を構成する試みがなされて
いる。このように構成された素子は、従来のレン
ズやプリズム等の光学部品を組合せて構成する方
法にくらべて、小形であり、光は基板内に閉じ込
められているため、周囲の温度、湿度等の環境変
化にたいして安定であり、信頼性も高い。各種の
光回路素子のなかでも、光スイツチ素子は信号光
の切換えや分岐など用途が広く、また数多く用い
られる重要な素子である。

導波形の光スイツチを構成する方法は数多く提
案されている。このうち磁気光学材料を用いた素
子は、磁性体のもつ残留磁化を利用することによ
つて、一つの光伝送状態を保持するのにエネルギ
ーを要しないことから、他の電気光学材料や半導
体材料を用いた素子と比較して注目される。従来
から知られている磁気光学材料を用いた導波形光
スイツチとしては、以下のようである。ガリウ
ム、ガドリニウム、ガーネツト（GGG）結晶基
板の上に、磁気光学効果のひとつであるフアラデ
ー効果を有する光磁性体、たとえば、イツトリウ
ム鉄ガーネツト（YIG）の結晶層を数μｍ以下と
結晶基板面上一様に薄く設け、これを光導波層と
し、外部より光の透過方向に磁場を印加し、結晶
層中の自発磁化をこの方向に揃える。入射光であ
るTE波はYIGのもつフアラデー効果によつて
TM波に変換されるが、導波光の場合TE波と
TM波とは位相速度が異なるため、このままでは
変換はほとんど生じない。位相速度を合致させ変
換を効率よく生じさせるために、上記薄膜層の上
にヨウ素酸リチウム結晶のような複屈折物質を接
近させ、この複屈折を使つて２つのモードの位相
速度を縮退させている。磁場を印加しなかつた
り、印加方向を光の透過方向とは直角に向けた場
合にはフアラデー効果を生じない。このためこの
ような磁場の変化によつてTE波とTM波とのス
イツチを行なわせることができる。

しかしながら、従来のこの構成の素子にはいく
つかの難点がある。第１に光導波層の上に複屈折
物質を接近させる複合構成であるため、一枚の基
板の上に、いくつもの素子を構成する集積化が困
難である。また、導波層に接近させる複屈折物質
と導波層との間隙幅は、モード間の位相速度を縮
退させるためには、精度良く設定されなければな
らない。接着等の手法によつて歩留り良く行うこ
とは非常に困難であり、生産性が悪い。また一般
に複屈折の大きさは温度にたいして敏感に変化を
する。このためTE波からTM波への変換の効率
が周囲温度の変化によつて大幅に変動する。第２
にフアイバ中を長い距離にわたつて伝搬した光波
の偏光は一般に無偏光状態に近い。このため、こ
の素子に入射させるには、偏光を直線偏光とする
ための手段を構ずるか、又は半分の光エネルギー
を失わせることになる。第３に、TE波TM波と
もに進路が同一であるため、これらの間をスイツ
チし分離するには、別なる素子を必要とする。こ
のため導波光を一度空中に出射させ、偏光プリズ
ムのような光学素子によつて分離するなどの方法
を取らなければならず、やはり集積化小形化を妨
げる。

本発明の目的は、上記の難点を除去した、小形
で安定で、生産し易い、導波形光スイツチを提供
することである。

本発明によればフアラデー効果を有する磁気光
学薄膜上に、一方から他方への光の浸み出しによ
つて面内に光を結合生ずるように近接して設ける
光導波路を、第１の光導波路の光透過方向に２つ
形成し、当該第１の光導波路に近接して設ける第
２、第３の光導波路のうち、第２の光導波路の主
に基板に垂直方向に振動電界成分を有する光導波
モード、謂ゆる準TMモードにたいする伝搬位相
定数と、第１の光導波路の主に基板に水平方向に
振動電界成分を有する光導波モード、いわゆる準
TEモードにたいする伝搬位相定数とを等しく定
め、かつ、第３の光導波路の準TEモードにたい
する伝搬位相定数と、第１の光導波路の準TMモ
ードにたいする伝搬位相定数とを等しく定め、か
つ該第２、第３の光導波路を第１の導波路から、
面内に光の結合を生じない程度に離れた位置で一
本の光導波路に合流させた構造とすることによつ
て、入射光の偏光状態に無関係な動作特性を示す
高性能の光スイツチが得られる。

更に本発明の詳細を図面をもつて説明する。第
１図は本発明の一実施例の原理構造図であつて、
１はたとえばガリウム・ガドリニウム・ガーネツ
ト（GGG）のような単結晶基板である。該結晶
基板上に、液相成長法や気相成長法などのエピタ
キシヤル結晶成膜法によつて、前記結晶基板より
屈折率の高く、かつフアイデー効果をもつた結晶
層たとえばイツトリウム鉄ガーネツトや希土類ガ
リウムガーネツトのような結晶層を数μｍ以下程
度の厚さで基板一様に設ける。該結晶層の厚さを
図に示す如くに部分的に異ならしめて、光導波路
３，４，５，６を形成する。周知の如く、導波層
の厚い部位は薄い部位に較べて、伝搬モードにた
いする等価屈折率が高いため、光は厚い部位に集
中して伝搬し、いわゆる導波路を形成する。導波
路４，５は導波路３に基板面上で極く接近し形成
され、これらは合流して導波路６を形成してい
る。このような導波路はたとえば次のように作製
することができる。通常よく用いられるフオトリ
ソグラフイの技術を用いて、フオトレジスタのパ
タンを前記一様な厚さの結晶層の上に設け、これ
をイオンビームエツチング法などを用いて結晶層
を所望の深さに削る。フオトレジスタはイオンビ
ームにたいするエツチング速度が、前記結晶層に
較べて遅いため、これによつてフオトレジスタの
パタンと同形に前記結晶層に厚い部位を形成する
ことができる。導波路３の幅をW₁、導波路４の
幅をW₂、導波路５の幅をW₃とする。W₂＜W₁＜
W₃の関係にあるようにする。導波路３より無偏
光の入射光７を入射させる。磁場１０が光の透過
方向に平行に、例えばコイルや磁石等を用いて印
加され、前記結晶層２中の自発磁化がこの方向に
揃えられている。無偏光である入射光７は、結晶
層中で位相速度の異なる振動電界成分が基板に平
行な成分がほとんどの準TE波と基板に垂直な成
分がほとんどの準TM波に分れて導波路３中を伝
わる。前述の如く、各導波路３，４，５の幅W₂，
W₁，W₃がW₂＜W₁＜W₃の関係で設定されてい
る。第２図に示すように導波光の等価屈折率すな
わち導波光の位相定数βを空気中の波数k₀で除去
した値は、導波路の幅Ｗによつて変化する。導波
路４の幅W₂は、該導波路４中の準TE波の等価屈
折率の値（第２図中Ｃ点）が導波路３中の準TM
波の等価屈折率の値（第２図中Ｂ点）と一致する
ように設定されている。また導波路５の幅W₃は、
該導波路５中の準TM波の等価屈折率の値（第２
図中Ｄ点）が導波路３中の準TE波にたいする等
価屈折率の値（第２図中Ａ点）と等しくなるよう
に設定されている。入射光７の準TM成分は導波
路３を伝わるうち、結晶層２のもつフアラデー効
果を受け、かつ導波路４が導波路３と極く接近し
ているため、導波路３中を伝わりつつ、導波路４
へエネルギーを浸み出し、位相定数が同一な導波
路４中の準TE成分へと変換される。入射光７の
準TE成分は同様にフアラデー効果を受け、同様
に導波路４中に浸み出してはいるが、その等価屈
折率の大きさ（第２図中Ａ点）が導波路４中の準
TE、準TMいずれの等価屈折率（第２図中Ｃ点、
Ｆ点）とも等しくないため、結合は生ずることは
なく、そのまま導波路３中を進行する。そして、
この導波路３中の準TE波成分の等価屈折率の大
きさ（第２図中Ａ点）は、導波路５中の準TM波
の等価屈折率の大きさ（第２図中Ｄ点）と合致し
ている。したがつて前記導波路３中の準TE波成
分はフアラデー効果と導波路間の光エネルギーの
空間的な結合とによつて導波路５中の準TM波へ
と結合され、導波路３中の入射光エネルギーは結
合の長さを定めておくことによつて、導波路４と
導波路５へと移される。導波路４と導波路５とは
合流され出射光８となつて出射する。一方印加磁
界１０が無いとき、或は光の進行方向とは直角に
向けられているときは、前述の導波光にたいする
フアラデー効果は生じない。このため導波路３中
の準TE成分、準TM成分それぞれは偏光の回転
を受けることが無い。そして導波路３中の準TE
成分と、導波路４中５中の準TE成分とは、空間
的に結合していても、それぞれ等価屈折率が第２
図中Ａ，Ｃ，Ｆと異なり、また同様に導波路３，
４，５中の準TM成分も第２図中Ｂ，Ｅ，Ｄと異
なるために、エネルギーの変換は生ずることがな
い。このため導波路３中の光エネルギーは、いず
れの導波路へ結合することなく、そのまま導波路
３中を伝わり、出射光９となつて出射する。この
ように磁界の制御によつて光の進路をスイツチす
る光スイツチが実現される。しかも、上述の如
く、入射光が無偏光であつても効率よくスイツチ
される。上述の素子を具体的に実現する設計例
は、たとえば光波長を1.15μｍ、基板１に屈折率
1.945のGGG結晶を用い、結晶層２に屈折率2.21
のYIGエピタキシヤル結晶膜を1.5μｍ成長させ、
イオンエツチング法などによつて0.3μｍの堀込み
を与えた場合に、W₁として3μｍ、W₂として2μ
ｍ、W₃として6μｍ程度の値が得られる。

以上の説明では一方の導波路のTE波の等価屈
折率と、他方の導波路のTM波の等価屈折率を等
しくするために、導波路の凸部の幅を異ならせる
方法を述べたが、同様なことは、厚さの均一な導
波層の上に磁性非磁性を問わず誘電体をパタン状
に装荷し、そのパタン幅を異ならしめたり、また
は金属イオン等を膜中に拡散させ高屈折率の部位
を形成し、その幅または拡散濃度の調節によつて
も実現できることはいうまでもない。

また以上の説明では導波層の材料はYIG結晶に
ついて述べたがこれは勿論フアラデー効果を有す
る他のガーネツト等の材料を用いてもよい。

以上のように本発明によれば小形で安定で集積
化が容易な、しかも入射光の偏光に無関係に動作
する高性能の光スイツチが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の原理構造図で、１
はガーネツト基板、２は光導波層である基板より
高い屈折率を有する磁気光学材料、３，４，５，
６は光導波路である。第２図は導波モードのもつ
等価屈折率の導波路幅にたいする変化を示す図で
ある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ フアラデー効果を有する磁気光学薄膜上に、
   一方から他方への光の浸み出しによつて面内に光
   の結合を生ずるように近接して設ける光導波路
   を、第１の光導波路の光透過方向に２つ形成し、
   当該第１の光導波路に近接して設ける第２、第３
   の光導波路のうち、第２の光導波路の主に基板に
   垂直方向に振動電界成分を有する光導波モードに
   たいする伝搬位相定数と第１の光導波路の主に基
   板に水平方向に振動電界成分を有する光導波モー
   ドにたいする伝搬位相定数とを等しく定め、か
   つ、第３の光導波路の主に基板に水平方向に振動
   電界成分を有する光導波モードにたいする伝搬位
   相定数と、第１の光導波路の主に基板に垂直方向
   に振動電界成分を有する光導波モードにたいする
   伝搬位相定数とを等しく定め、かつ該第２、第３
   の光導波路を第１の導波路から、面内に光の結合
   を生じない程度に離れた位置で一本の光導波路に
   合流させた構造を有することを特徴とする磁気光
   学薄膜光スイツチ。