JPH01222233A - 方向性結合器光スイッチ - 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、光フアイバ通信システムおよび光フアイバセ
ンサシステムに用いられる導波路型光スイッチに関し、
特に導波光の偏光状態に依存しない方向性結合器光スイ
ッチに関する。

〔従来の技術〕

従来、電気光学効果を用いた導波路型光スイッチは、例
えば米国特許第４０１２１１３号に記載されている。こ
れは方向性結合器に分割した電極を設けた光スイッチで
あるが、通常はＴＥモードと７Ｍモードで結合長が異な
るため偏波依存があるという問題がある。

−ａに、光フアイバ通信システムもしくは光フアイバセ
ンサシステムに用いられる光スイッチは光伝送路中に挿
入され、光フアイバ中を伝搬する光信号の光路切り換え
に使用される場合が多い。

高速大容量の光フアイバ通信システムでは伝送路として
単一モードファイバが用いられるが、２つの直交偏光が
伝搬モードとして存在し、しかもその間に結合がありう
るため、ファイバ中を伝搬する光は一般に偏光状態が保
存されない。

このため、直線偏光が楕円偏光になることがあり、さら
にその偏光状態は時間的に変動することもある。

従って、光フアイバ間に挿入する光スイッチには、入力
光の偏光状態に依存せずに光路の切り換えができるとい
う特性が必要とされる。

このような偏光無依存性をもった光スイッチとして第５
図に示すものが知られている。

これは、アール・シー・アルファネスがＡｐｐｌ。

Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、の１９７９年第３５巻第１０号７
４８〜７５０頁に報告したものである。

この光スイッチは、ＬｉＮｂＯ３のウェハー５０に、光
の伝搬方向Ｘに対し間隔ｄの変化している一対のＴｉ拡
散導波路５１．５２を設けるとともに、導波光の伝搬定
数差Δβを生じさせる電極５３゜５４Ａ、５４Ｂをウェ
ハー上面に設け、Δβの量を最適化することにより、Ｔ
Ｅ−７Ｍモード両方に対して切り換え可能としたもので
ある。

上記構造のものは、導波路の間隔が一定な従来の光スイ
ッチに比べ消光比を改善できるという特長がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、第５図の構造の方向性結合器光スイッチ
においては、偏光無依存の特性を実現するため、導波路
の間隔が連続的に変化しており、間隔の大きな領域が存
在するため、必要な動作電圧が高くなるという重大な問
題点があった。また、導波路の一方を特定の形状に従っ
て曲線状に作製することが不可欠であり、導波路形成の
ためのマスク作製が非常に難しいという問題点があった
。

同時に、導波路が最適状態からずれた場合の補正方法が
極めて限られるという問題点があった。

〔問題点を解決するための手段〕

上記従来の問題点を解決するために本発明は、ＬｉＮｂ
０ｚウエハーに、互いに近接した一対の直線状光導波路
から成る方向性結合器を設けるとともに、前記導波路に
沿ってウェハー上に分割された制御電極を設けた方向性
結合器光スイッチにおいて、上記制御電極と平行に二次
電極を配置し、伝搬定数差、ＴＥ　、７Ｍモードの完全
結合長、及び結合領域の長さｌの相互関係を以下のよう
に選ぶ。

すなわち、一方のモードが電圧印加のもとて上記２本の
導波路を伝搬する陸生じる伝搬定数差をΔβ１、直交す
る他方のモードが電圧印加のもとで２本の導波路を伝搬
する陸生じる伝搬定数差をΔβ２として、両者の比α＝
Δβ１／Δβ２を０．２８〜０．３１の範囲内とする。

また、ＴＥモード、ＴＭモードの完全結合長Ｌｙｉ、Ｌ
ｔＨと結合領域の長さｌとの比率１／＋、？ｔ１／Ｌｔ
ｓのいずれか一方をｘｌ、他方をｘ２として次の２つの
式 が同時に満たされるｘｌ＋Ｘ！の範囲と、次の２つの式
、 ・・・（２ａ） ただしｉ＝１．　２ π とが同時に満たされるｘＩａＸｔの範囲との交わりの範
囲内にｌ／Ｌｔｔ　−、ｌ／　ＬＴＨの値が存在するよ
うに選ぶ。

〔作用〕

本発明によれば、２本の平行に配置された方向性結合器
において、結合領域の長さが特定の条件を満たすように
選ばれているので、分割電極に異極性の電圧を印加した
場合にはＴＥ、ＴＭモードともクロス状態となり、分割
電極に同極性の電圧を印加した場合にはＴＥ、ＴＭモー
ドともバー状態となる。

従って本発明によれば、偏光依存性のない方向性結合器
光スイッチとして作用する。

〔実施例〕

第１図は、本発明に係る方向性結合器光スイッチを示す
斜視図であり、２カツトのＬｉＮｂＯ３ウェハー３に、
ウェハー表面からのＴＩ拡散等によって、一対の光導波
路１．２が設けられており、両温波路１．２は、ウェハ
ーの両端面近くを除いた中央部で間隔を近接させてあり
、方向性結合器１７を成している。

方向性結合器１７の領域を、導波路光軸方向に２分割し
て、両領域１７８．１７ｂにおいてそれぞれ導波路１．
２上に電極４ｂ、４ｃ及び５ｂ。

５ｃを設けるとともに、これら導波路上電極と間隔をお
いて平行に、導波路外に電極４ａ、４ｂ及び５ａ、５ｄ
をそれぞれ設けである。

次に動作原理について説明する。

まず、方向性結合器光スイッチの一般的な基本動作は−
，ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｉ
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓの１９７６年ＱＥ−１２巻第７
、号３９６〜４０１頁に掲載されたエッチ・コゲ／ｌ／
ニックらの論文に詳細に説明されている。

一般に、ＴＥもしくは７Ｍモード光に対する方向性結合
器光スイッチによる光路切り換えのバー状態とは、例え
ば第１図において、一方の導波路ｌの入力端１ａへの入
力光が同導波路の出力端ｌｂへ出力されて、他方の導波
路２の出力端２ｂへは全く出力されず、且つ、導波路２
の入力端２ａへの入力光は同導波路の出力端２ｂへ出力
されて、他方の導波路１の出力端１ｂには全く出力され
ない状態のことである。

この状態は、前記論文中の一様Δβ光スイッチにおける
光振幅Ｂ１、 の式からＢ１　＝０すなわち次式、 ・・・　　（４） が成立する時に達成され、第２図（Ａ）に示した横軸に
Δβｌ／πをとり、縦軸に１／Ｌをとったダイアグラム
中の曲線がそれに対応する。第１図の光スイッチにおい
て、方向性結合器１７の電極４ｂと５ｂにプラスの電位
を与え、電極４Ｃと５０にマイナスの電位を与えると一
様Δβの光スイッチになる。このとき光導波路１．２に
印加される電界は、ウェハー３の結晶のＺ軸に平行な電
界成分Ｅ２が主となり、電気光学効果によるＺ軸、Ｘ軸
の屈折率の変化、 ■ Δη２−□ηｍ’　Ｔ　３３ＥＺ　　　　−（５ａ）■ Δη８＝□η。３ｒｌＪＺ　　　　・・・（５ｂ）は、
方向性結合器１７中を伝播する７Ｍモード波、ＴＥモー
ド波の伝搬定数を変化させる。

その変化量をそれぞれΔβπ、６２７Ｍとするとその比
率 α−Δβ７８／Δβ□　　　　　・・・　（６）は実質
的に０．２８〜０．３１になる。

第２図（Ａ）において、方向性結合器１７に導波したＴ
Ｅモードないし７Ｍモード波の出力光の状態は、それぞ
れ図中の点ｐ、、ｐ２から電界Ｅ２を印加させるとα：
１ないし１：αの割合でΔβ、Ｅと６２７Ｍが増加し、
半径２と６のバー状態を表す円弧上の点Ｐ、、Ｐ、ない
しその近傍にそれぞれ移行させることが可能である。こ
のとき、方向性結合器１７はＴＥ、７Ｍモード波とも実
質上バー状態になる。

次に、クロス状態とは、一方の導波路１の入力端１ａへ
の入力光が、対向する導波路２の出力端２ｂへ出力され
て、導波路ｌの出力端１ｂには全く出力されず、また導
波路２０入力端２ａへの入力光が同導波路の出力端２ｂ
からは出力されないで、対向する導波路１の出力端１ｂ
から出力される状態のことである。これは前掲論文中の
反転Δβを利用した際の光振幅Ａ２を表す次式、からＡ
２−０すなわち次式、 が成立する時に達成され、第２図（Ｂ）に示した１／Ｌ
、Δβ１／πダイヤグラムの曲線のようになる。

第１図の方向性結合器光スイッチで、導波路上のクロス
位置にある電極４ｂと５０にプラスの電位を与え、また
これらと対称のクロス位置にある電極４Ｃと５ｂにマイ
ナスの電位を与えると、方向性結合器１７の前半の領域
１７ａでは＋Δβの、また後半の領域１７ｂでは−Δβ
の伝搬定数が与えられるので、上記方向性結合器光スイ
ッチは反転Δβ光スイッチになる。

このとき方向性結合器１７に導波したＴＥモードと７Ｍ
モードのそれぞれの出力光状態は、第２図（Ｂ）中の点
Ｐ、、ｐｇから前述の一様Δβと同様に、α：ｌないし
１：αの割合でΔβ７．。

Δβ□を増加させることにより、曲線上の点Ｐ５゜Ｐ、
或いはその極く近傍に移すことができる。

このとき方向性結合器１７はＴＥ、７Ｍモード波ともに
実質上クロス状態になる。

本発明における光スイッチは以上の原理に基づき動作す
るので、第２図（Ａ）及び（Ｂ）における点Ｐ＋、Ｐｇ
の設定が適切でないと、光出力の状態は一方がＰ、から
ｐｇないしＰＳに移行した際、他方がＰ２からＰ４ない
しＰ６の近傍に移行するけれども一致しないことになる
。

又、後者を点Ｐ４ないしＰ、に−敗させると今度は前者
が点Ｐ、ないしＰ５に一致しなくなる。

従って、Ｐ＋、Ｐｇ’の設定が重要になる。第４図の曲
線２３は、（６）式でα＝０．３の場合に点Ｐ１゜Ｐ２
が同時にバー状態の点Ｐ、、Ｐ、に移行できるための条
件である。また、クロス状態の条件は曲線２４に示しで
ある。このことから、図中の点Ｐ、にｊ？　／　ｔｙＥ
、　　ｌ　／　Ｌ丁、つまり点Ｐｔ、Ｐｇを設定すれば
良い。

しかしながら作製上の誤差等の制約から、点Ｐｌ＋Ｐ２
を完全に第４図中の点Ｐ７に設定することは難しいので
、本発明では許容範囲を以下のようにして設定している
。

一般に光フアイバ通信においては、光路切り換えの消光
比として一２０ｄＢ以下であることが望まれている。

従って、実質的なバー状態やクロス状態は、（３）式や
（７）式において光出力が１００：１以下であることが
望ましい。言い変えると、以下の（９）、　０１式％式
％（９） しかも偏波面無依存型とするには、ＴＥモード、７Ｍモ
ードに対し同時に（９）式、００式の両方が成立しなけ
ればならない。

本発明は上記の条件を規定したものであり、第４図中の
曲線２６と曲線２７とで囲まれた領域２８がこれに１亥
当する。

なお、曲線２６は（１）式が満たされる範囲であり、曲
線２７は（２）式が満たされる範囲である。このため、
方向性結合器の１７Ｌｔｔ　、　　Ｉｌ／ｌｔｇが領域
２８に入るように作製してあれば、消光比で一２０ｄＢ
以上確保された偏光無依存光スイッチが実現できる。

本発明に使用できるＬｉＮｂ０．＋の方位としては、Ｚ
カッ）Ｙ伝搬を初めとする電気光学係数７１２及びγ、
３を利用するものが使用でき、この他、ＸカットＹ伝搬
、Ｙカッ）Ｘ伝搬、２カツ）Ｘ伝搬等の方位も有効であ
る。

次に本発明の具体的数値例について説明する。

第１図に示した方向性結合器光スイッチを作製するに当
り、厚さ４７０人、輻９０μｍのＴｉ膜をすフトオフ法
を用いてＺカットＬｉＮｂ０：＋ウェハー３の表面上に
形成した後、温度ｔｏｓｏ℃、８時間の熱拡散を、水蒸
気を含む０□雰囲気中で行なって、光導波路１．２を形
成した。

上記光導波路１．２には、曲り導波路から構成される入
力端１ａ、２ａと出力端１ｂ、２ｂ、及び互いに平行状
態で近接した直線導波路から構成される方向性結合器部
１７が含まれる。導波光の光路切り換えを行なう方向性
結合器１７は、領域長ｌを１９ｍｍ、間隔ｄを９μｍと
した。

上記の条件で作製された光導波路１，２は、波長λ＝１
．３μｍのＴＥ、７Ｍモード波に対し単一モード導波路
となり、方向性結合器１７の特性は、ＴＥ、７Ｍモード
波に対する完全結合長ＬｆＥ＋ＬＴＭと結合領域の長さ
ｌとの比について、／／Ｌｔｔ＝１．０３　　、　　／
／Ｌｙｘ＝１．Ｉ　Ｏという値を示した。

上記のような方向性結合器１７の上に、厚さ１５００人
のＳｉＯ２膜バッファ層をスパッタリングで形成した後
、この上に長さ９鶴、幅１０μ鋼のＡｎ膜から成る電極
を計８個設けた。電極は、方向性結合器１７の前半領域
１７ａにおいて、光導波路１．２の直上に一次電極４ｃ
、５ｂが配置してあり、その外側に二次電極４ａ、４ｄ
がある。

また後半領域１７ｂにおいても、光導波路ｌ。

２の直上に一次電極５ｂ、５ｃが設けられているととも
に、その外側に二次電極５ａ、５ｄがそれぞれ配置しで
ある。

上述の工程で作製された光スイッチの測定結果について
説明する。

一方の導波１！１１の入力端１ａへの入力光が全て同導
波路の出力端１ｂに出力されるバー状態は、−次電極４
ｂ、５ｂと二次電極４ｄ、５ｄに約１８Ｖの電圧を印加
し、−次電極４ｃ、５ｃと二次電極４ａ、５ａを接地し
た状態で達成できた。

その際、導波路１の入力端１ａへは、Ｚ軸に対し４５°
傾いた波長λ＝１．３μｍの直線偏光を入力し、同導波
路１の出力端１ｂに対する他方の導波路の出力端２ｂの
光パワーの比率を測定したところ一２３ｄＢという値で
あった。

又、一方の導波路ｌの入力端１ａへの入力光が全て他方
の導波路２の出力端２ｂに出力されるクロス状態は、−
次電極４ｂ、５ｃと二次電極４ｄ。

５ａに約５ｖの電圧を印加し、残りの一次電極４ｃ、５
ｂと二次電極４ａ、５ｄを接地した状態で達成できた。

その際の出力端２ｂに対する入力端１ａの比率は約−２
０ｄＢであった。

次に本発明の他の実施例を第３図に示す。

本例で光導波路１２．１３は、ＸカットのＬｉＮｂＯ３
ウェハー１４のＹ、２面内に形成されていて、Ｚ軸の方
向は伝搬方向に垂直な面内において９０゜回転している
。

従ってＺ軸に平行な電界が印加できるように電極の配置
も変更しである。

この場合は、方向性結合器１８の前半領域１８ａにおい
て、光導波路１２．１３の両脇及び中央に一次電極１５
　ｂ、　　１５　ｄ、　　１５　ｃが設けである。

なお−次電極１５ｂ、１５ｄの外側にこれらと平行に配
置された電極１５ａ、１５ｅは二次電極である。

また方向性結合器１８の後半領域１８ｂにおいても、上
記の電極１５８〜１５ｅと同様の電極１６８〜１６ｅを
それぞれ配置しである。本例におけるＴＥモードと７Ｍ
モードの１／Ｌ１Δβｌ／πダイアグラム第２図及び第
３図上の動作は第１図の実施例の７ＭモードとＴＥモー
ドにそれぞれ対応し、第１図の実施例と同様に、入力光
の偏光状態に依存しない光スイッチとして動作すること
を確認した。

〔発明の効果〕

本発明によれば、入力光の偏光に依存しない方向性結合
器光スイッチ、特に導波路の間隔を連続的に変える光ス
イッチにおいて、従来避けられなかった導波路の製作精
度に対する厳しい条件を大幅に低減することができる。

また本発明によれば、Ｚ伝搬の配置を使わずＸ伝搬また
はＹ伝搬の配置を使えるので、低電圧動作が可能である
という利点がある他、出力ポート間のクロストークレベ
ルを低く抑えるという利点もある。

また、構成が複雑でなく小型化を図ることが可能である
。

これらの利点から、本発明によれば、量産に適した実用
的な偏光無依存性の方向性結合器型光スイッチが実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す斜視−、第２図は本発
明の原理を示す特性曲線を示す図であって、（Ａ）は分
割電極に同極性の電圧を印加した場合、（Ｂ）は分割電
極に異極性の電圧を印加した場合をそれぞれ示し、第３
図は本発明の他の実施例を示す斜視図、第４図は方向性
結合器における結合長の有効領域を示す図、第５図は従
来の偏光無依存性の方向性結合器型光スイッチを示す要
部平面図である。 １．２．１２．１３・・・光導波路、ｌａ、２ａ−・−
入力端、ｌｂ、２ｂ・・・出力端、３，１４・・・Ｌｉ
Ｎｂ０＋ウエハー、４　ｂ、４　ｃ、５　ｂ＋　　５　
Ｃ５１５ｂ。 １５ｃ、１５ｄ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ・・・−次電
極、４ａ、４ｄ、５ａ、５ｄ、１５ａ、１５ｅ。 １６ａ、１６ｅ・・・二次電極、１７．１８・・・方向
性結合器、２３・・・ＴＥ、７Ｍモードともにバー状態
となるための特性、２４・・・ＴＥ、７Ｍモードともに
クロス状態となるための特性、２６・・・バー状態で一
２０ｄＢの許容範囲、２７・・・クロス状態で一２０ｄ
Ｂの許容範囲１．２８・・・本発明に係る光スイッチの
有効領域。 第１図 第２図 第３図 第４図 多（□（Ｘ又はＹカット） 第５図 手続補正書 昭和４３年３月２５日 噸

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 電気光学効果を有する材料から成る基板に形成した一定
   間隔の近接して配置された２本の直線状光導波路から成
   る方向性結合器と、 該方向性結合器の直上もしくは近傍に平行に配置され、
   伝搬方向に少なくとも２分割された制御電極とを具備す
   る方向性結合器光スイッチにおいて、 一方の導波路への入力光が他方の導波路にほぼ完全に移
   行し出力されるクロス状態の実現に、前記制御電極の一
   方および他方に互いに異なる電界を印加した反転Δβ光
   スイッチを利用し、また入力光を導波した導波路から出
   力光がほぼ完全に取り出されるバー状態の実現に、制御
   電極の両方に同極性の電界を印加した一様Δβ光スイッ
   チの原理を利用しており、 電界印加のもとで、一方のモードが前記２本の導波路を
   伝搬する時に生じる伝搬定数差をΔβ＿１、前記モード
   と直交する他方のモードが導波路を伝搬する時に生ずる
   伝搬定数差をΔβ＿２、 α＝Δβ＿１／Δβ＿２としたときαの範囲が０．２８
   ≦α≦０．３１であり、且つ 前記方向性結合器の結合領域の長さをｌ、ＴＥ、ＴＭモ
   ード導波光に対する完全結合長をＬ＿Ｔ＿Ｅ、Ｌ＿Ｔ＿
   Ｍとした時の比ｌ／＿Ｌ＿Ｔ＿Ｅ、ｌ／＿Ｌ＿Ｔ＿Ｍの
   いずれか一方をｘ＿１、他方をｘ＿２として、 （ｉ）４≦Δβ＿２ｌ／π≦８の範囲で、 ｘ＾２＿ｉ／ｘ＾２＿ｉ（Δβ＿ｉｌ／π）＾２・ｓｉ
   ｎ＾２π／√［ｘ＾２＿ｉ＋（Δβ＿ｉｌ／π）］＾２
   ≦１／１０１（ｉ＝１、２） （ｉｉ）０≦Δβ＿２ｌ／π≦３の範囲で、〔１−２ｘ
   ＾２＿ｉ／ｘ＾２＿ｉ＋（Δβ＿ｉｌ／π）＾２・ｓｉ
   ｎ＾２π／４√［ｘ＾２＿ｉ＋（Δβ＿ｉｌ／π）＾２
   ］〕＾２≦１／１０１（ｉ＝１、２） の二式が同時に満たされるように、結合領域長ｌ、完全
   結合長ＬＴＥ、ＬＴＭ、伝搬定数差の比αを定めたこと
   を特徴とする偏光に依存しない方向性結合器光スイッチ
   。