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JPS5937486B2 - 光スイツチ - Google Patents
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JPS5937486B2 - 光スイツチ - Google Patents

光スイツチ

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Publication number
JPS5937486B2
JPS5937486B2 JP1136279A JP1136279A JPS5937486B2 JP S5937486 B2 JPS5937486 B2 JP S5937486B2 JP 1136279 A JP1136279 A JP 1136279A JP 1136279 A JP1136279 A JP 1136279A JP S5937486 B2 JPS5937486 B2 JP S5937486B2
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JP
Japan
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optical
region
coupling
optical waveguides
waveguides
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JP1136279A
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修 三上
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光集積回路において導波された光波の強度およ
び導波される光路の選択を、電気的に制御する光スイッ
チに関するものである。
従来この種の代表的な素子としては、バランスブリッジ
形の光スイッチがある。
この基本構造を第1図に示す。電気光学効果を有する基
板1の表面に、2本の同一の線路状光導波路2、3が作
成されている。光導波路2、3が平行近接する領域が2
か所あり、この部分は3dB結合部4、5となつている
。またその中間には光変調部6が存在し、電気光学効果
により光導波路2、3の間に位相差φを与えるための電
極T、8、9が設けられている。なお基板1としては電
気光学結晶であるLiNb03単結晶を用い、その分極
軸10(矢印で示した)が基板内にあり、各電極の間隙
に集中する印加電界の方向と平行になる場合を示してい
る。このような構造の素子に、光導波路2の入射端11
から単位強度の光を入射すると、3dB結合部4におい
て50%の光エネルギーは光導波路3へ移行する。光変
調部6において電圧が印加されていない状態、すなわち
両導波路間の位相差φ■0の場合においては、つぎの3
dB結合部5において、さらに光結合が生じ、100%
の光エネルギーが導波路3へ移行する。すなわち出射端
12の光強度はo、出射端13の光強度は1となる。一
方、光変調部6において、位相差φ=πとなるように電
圧が印加された状態では、3dB結合部4で導波路3へ
移つた50%の光波は3dB結合部5において導波路2
に戻り、出射端12の光強度は1、出射端13の光強度
は0となる。
したがつて電気光学効果を利用することにより、光スイ
ッチングが可能となる。光変調部6においては、1導波
路間で光結合が生じず、2電気的に制御可能な位相差の
みが与えられるという二つの条件が不可欠である。
このために第1図に示す構造においては、両導波路間の
間隔を大きくする必要がある。この目的のためには、二
つの3dB結合部4,5と光変調部6とを接続するのに
曲がり、または折れ線状の導波路を用いることとなる。
しかしながら、例えばLlNbO3単結晶を基板として
、不純物拡散等により作成された光導波路では、屈折率
差が小さいので、曲がりによる光損失が大きかつた。
またこの曲がり部または折れ線部は、3dB結合部と光
変調部とを接続する作用のみで、光スイツチングの作用
には寄与しないうえ、光伝搬損失の原因、あるいは素子
の全長が大きくなる原因となつた。さらに3dB結合部
を作成する際、設計通り3dB結合とすることは極めて
困難であつた。従来、この曲線部をなくするものとして
、2本の直線導波路を用いて、2か所の3dB結合部お
よび光変調部を設ける構造がある。
この基本構成図を第2図に示す。第3図は第2図のA−
Nにおける断面図である。第2図および第3図において
、1は電気光学結晶からなる基板、2および3は基板1
の表面に作成された2本の同一の直線光導波路である。
4および5はともに3dB結合部であり、6は光変調部
である。
前述したように、光変調部においては12本の導波路間
で光結合が生じず、2電気的に制御可能な位相差が与え
られるという二つの条件が不可欠である。後者は基板の
電気光学効果を利用すればよい。第2図および第3図に
おいては、電極は省略している。前者の条件を満足する
ため、光変調部6における導波路2,3の間隙部14を
削り取り屈折率差を大きくし、結合度を弱める方法があ
る。基板1を削る方法としては、イオン・ミリングやス
パツタ・エツチなどの技術があるが、通常導波路間で結
合を行わせるのに要する間隙の大きさは数μmであるか
ら、この微小な間隙部を精度よく削り取るというのは極
めて困難なことである。本発明は前述した問題点を解決
するため、直線部のみからなる1組の光導波路に、2か
所の3dB結合部および光変調部を一体として構成する
とともに、光変調部の作成をより簡単にしたものである
以下図面により本発明を詳細に説明する。本発明の一実
施例の基本構成を第4図に示す。第5図は第4図のB−
Wにおける断面図である。第4図および5図において、
1は電気光学効果を有する物質からなる基板、2および
3は基板1の表面近傍に作成された2本の同一の直線光
導波路である。例えば基板としてLlNbO3単結晶を
用いた場合には、Ti金属を500λ程度の厚みに蒸着
してパターン化し、大気中で1000℃、10時間熱拡
散すれば、Tl金属の幅が8μmのとき、波長1.15
μmのレーザ光に対して単一モードのみを伝搬可能とす
る光導波路が作成できる。この光導波路間の間隙を数μ
mに設定することにより、両光導波路間に光結合が生じ
、一方の導波路を伝搬してきた光波は、次第に他方の導
波路へ移行していく。間隙を5μmに設定した場合、1
00%の光波を移行するのに必要な結合長T。は5〜1
0顛となる。この場合の結合係数はK=π/2t0で定
義される。第4図において、4および5は2本の導波路
が平行近接した結合領域(本発明による素子の構造にお
いては素子の全長T,)を3分割した第1領域および第
3領域くあり、この領域の長さT2,t3はともに10
0%結合長の半分、すなわちTO/2に設定する。
この場合、作成された素子の100%結合長T。の値を
明らかにしておく必要がある。その一つの方法は、一方
の導波路上に、導波路の屈折率より高い屈折率を有する
薄膜または金属膜をストリツプ状に装荷する。
その膜を端から順次除去して、そのつど光結合度を測定
することによりT。を求める。この方法は薄膜を装荷す
ることにより、2本の導波路の伝搬定数にずれが生じ、
結合がなくなることを利用している。したがつて薄膜が
除去された領域のみを有効な結合長とすることができる
訳である。この結果、第1領域4および第3領域5の長
さをともにT。/2にすることは容易にでき、3dB結
合部を作成することができる。6は残りの第2領域であ
り、光変調部として作用する。
これについては後で詳述する。なお7,8は電極、11
は入射端、12,13は出射端、15は削除領域、16
は基板表面全体に作成されたバツフア層を示す。装荷す
る薄膜としては、導波路の屈折率より小さい屈折率を有
する薄膜、例えばSlO2やAt2O3膜が利用される
バツフア層16は金属電極7,8による光吸収を防ぐこ
とが目的であるから、少なくとも光変調部6のみに装荷
されていればよい。電極7,8は2本の導波路の真上に
作成された1組のプレーナ電極であり、その間隔は光導
波路の間隔とほぼ等しく、その長さは光変調部6の長さ
T4と一致する。なおこの場合矢印で示した電気光学結
晶の分極軸10は基板表面に垂直である。電極7,8に
電圧が印加すると、深さ方向の電界が電極下に集中して
生じ、かつ電極7,8の真下における電界の符号が異な
る。この電界が集中する領域に導波路2,3が存在する
ので、導波路間に位相差φ9が生じる。基板をLiNb
O3とすればTMモードの光に対しては位相差φ9はで
与えられる。
ここでλは真空中におけるレーザ光波長、Neは導波路
の屈折率、R33は電気光学係数、rは補正係数、Vは
印加電圧、9は電極間隔である。一方、光変調部6にお
いては、導波路3の外側に接する領域15を削り取つて
あるので、導波路3の伝搬係数は導波路2に比べて大き
く変化している。
その伝搬定数の差をΔβ、光変調部6を通過後の導波路
2,3の伝搬光の位相差をφ3一AΔβとする。Aは定
数である。伝搬定数差Δβは2本の導波路間の本来の結
合係数Kに比べて十分大きくすることができる。この結
果、本来ならば両導波路間に光結合を生じるはずの光変
調部6において位相不整合となり、光波の移行は生じな
くなる。例えば100%結合長T。を101gtとすれ
ば、結合係数K=π/2t0よりK=1.5X104μ
m−1となる。また、LiNbO3拡散導波路の一側面
に接する領域を削り取ることにより生じる伝搬定数の差
Δβは、第6図に示すように導波路を断面が8μm四角
の正方形とし、波長を1μmと仮定し、前述のように削
り取つてあるから、導波路の一側面に接する領域の屈折
率を、基板の屈折率N2=2.2から空気の屈折率n1
=1.0とすることにより、Δβ幸1.2X10−3μ
m−1となり、結合係数Kより1桁大きい。
従つてこの領域における導波路間の光結合は無視できる
程度に小さい。削除領域15を削り取るには、スパツタ
・エツチングまたはイオン・ミリングの手法を用いれば
、容易に行うことができる。また第5図に示すように、
導波路の深さと同一の深さまで削り取る必要はなく、伝
搬定数の差Δβが十分に大きくなればよい。以上の結果
、電気光学効果および導波路の一側面に接する領域を削
り取ることに伴う合計の位相差φはとなる。
一方、導波路2へ単位強度の光を入射した場合の導波路
2,3の出射端面12,13における光強度P,Qは結
合理論より、で与えられる。
P,Qの変化の様子を第7図に示す。したがつてφ3が
領域15の削り取りにより一定の値となつた後、φ9が
1φVKπの範囲変化するのみで、P,QをOから1ま
で変えることができ、光スイツチングが可能となる。
例えばφ3=πとしたとき、必要とされる印加電圧V。
は、》Nle−00−嘴 で与えられる。
したがつて9=5μM.t4=10顛、λ=1.15μ
M.ne=2.2、R33=30.8X10−6μm/
V.r=0.5としたときには、VO==1.8Vで光
スイツチング動作が可能となる。この実施例においては
、分極軸10が基板に垂直である場合を示したが、分極
軸10が基板内にある場合も前述と同様である。この場
合の光変調部の断面図を第8図に示す。動作は第4図の
実施例と同一なので省く。第4図と異なる点は基板に平
行な電界を利用するので、電極7,8が一方の導波路2
をはさむように設けられている。第9図は本発明による
別の実施例の光変調部の断面を示し、電極および分極軸
は省いてある。
光変調部における一つの条件である「2本の導波路2,
3の間における光結合をなくす」のに必要とされる位相
不整合を実現するため、一方の導波路3の表面が削り取
られている。領域15を削り取つて導波路の断面形状、
寸法を変えることにより、十分な伝搬定数の変化を誘起
することができる。例えば導波路の断面寸法を8μm四
角、基板と光導波路の屈折率差を0.006、波長を1
μmと仮定し、導波路表面を2μmの深さだけ削り取る
ことにより、導波路寸法を6μm×8μmとすれば、得
られる伝搬定数の変化Δβは約2.88×10−3μm
−1となる。100%結合長T。
を10顛とすれば、結合係数K=1.5×10−4μm
−1となるので、結合係数Kより1桁大きい伝搬定数の
変化が生じていることになり、導波路間の光結合を無視
できる。第10図および第11図は、第9図に示す光変
調部に電極7,8を形成した実施例の断面図で、第10
図は基板物質1の分極軸10が基板1の表面に垂直な場
合、第11図は分極軸10が基板1の表面に平行な場合
を示す。
16はバツフア層である。
第1領域および第3領域の3dB結合部は前述した通り
であり、また光スイツチングの動作についても同様なの
で説明を省略する。
なおここでは基板としては、LiNbO3単結晶の場合
を例として説明したが、電気化学効果を有する物質であ
れば他のものでもよく、GaAs等の半導体結晶も使用
することができる。
以上説明したように、本発明の光スイツチは直線部のみ
からなる1組の光導波路に、2か所の3曲結合部および
光変調部を一体として構成するとともに、光変調部にお
ける光結合をなくすため、2本の導波路の寸法、形状を
変化させることを利用したものであり、これにより光変
調部の作成が極めて容易(こなる利点がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のバランス・ブリツジ形光スイツチの基本
構成図、第2図は従来の他の光スイツチの基本構成図、
第3図は第2図のA−Nにおける断面図、第4図は本発
明の一実施例の基本構成図、第5図は第4図のB−Wに
おける断面図、第6図は伝搬定数の計算に使用した光導
波路の断面図、第7図は導波路の出射端における光強度
の変化を示す図、第8図は本発明による他の実施例の光
変調部の断面図、第9図は本発明による別の実施例の光
変調部の断面略図、第10図は第9図に示す光変調部に
電極を形成した光変調部(基板物質の分極軸が基板の表
面に垂直な場合)の断面図、第11図は第9図に示す光
変調部に電極を形成した光変調部(基?物質の分極軸が
基板の表面に平行な場合)の断面図である。 1・・・・・・基板、2・・・・・・光導波路、3・・
・・・・光導波路、4・・・・・・3dB結合部、5・
・・・・・3dB結合部、6・・・・・・光変調部、7
・・・・・・電極、8・・・・・・電極、9・・・・・
・電極、10・・・・・・分極軸、11・・・・・・入
射端、12・・・・・・出射端、13・・・・・・出射
端、14・・・・・・間隙部、15・・・・・・削除領
域、16・・・・・・バッフア層。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 電気光学効果を有する物質から成る基板の表面近傍
    に作成された2本の平行近接した同一の直線光導波路の
    結合領域を3分割し、その第1領域および第3領域にお
    ける光導波路間の光結合度が50%となるようにし、か
    つ第2領域における光導波路のいずれか一方の光導波路
    の外側に接する領域を削り取ることにより、第2領域に
    おける光導波路間に位相不整合を与え、第2領域におけ
    る光導波路間の光結合を零とするとともに、第2領域に
    おける光導波路間の位相差を電気的に変化させるため、
    第2領域に1組の電極を設けたことを特徴とする光スイ
    ッチ。 2 電気光学効果を有する物質から成る基板の表面近傍
    に作成された2本の平行近接した同一の直線光導波路の
    結合領域を3分割し、その第1領域および第3領域にお
    ける光導波路間の光結合度が50%となるようにし、か
    つ第2領域における光導波路のいずれか一方の光導波路
    の表面部分を削り取り、この光導波路の断面形状および
    寸法を変えることにより、第2領域における光導波路間
    に位相不整合を与え、第2領域における光導波路間の光
    結合を零とするとともに、第2領域における光導波路間
    の位相差を電気的に変化させるため、第2領域に1組の
    電極を設けたことを特徴とする光スイッチ。
JP1136279A 1979-02-05 1979-02-05 光スイツチ Expired JPS5937486B2 (ja)

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