JPH02170140A - 全反射型光スイッチ - 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） この発明は、導波路中を伝搬する光の進行方向を電気的
に制御する全反射型の光スィッチに関するものである。

（従来の技術） 全反射型の光スィッチは、波長依存性が小さい、動作電
圧のバラツキに対する許容範囲が広い等の特徴を有して
おり、光集積回路を構成するうえの重要な要素素子の一
つとして注目され種々の研究がなされている。

第７図（Ａ）は、文献（昭和５８年度電子通信学会総合
全国大会講演論文集（１９８３，３，５）　　ｐ、４１
３６）において従来技術として紹介されている従来の全
反射型の光スィッチを概略的に示した平面図、第７図（
Ｂ）はこの光スィッチを第７図（Ａ）中のＩ−Ｉ線に沿
って切って示した断面図である。

第７図（Ａ）及び（Ｂ）において、１１は基板を示す。

この基板１１は、電気光学効果の大きな材料で構成され
、この例ではＺカットＩｊＮｂ０３で構成されている。

この基板１１には、導波路１３及び導波路１５ヲ交差さ
せ構成された×分岐を有する交差導波路１７か形成され
ている。ここで、１３ａは導波路１３の入力側部分、＋
３ｂは導波路１３の出力側部分をそれぞれ示し、また、
１５ａは導波路１５の入力側部分、＋５ｂは導波路１５
の出力側部分をそれぞれ示す。また、１９ａ及び＋９ｂ
は導波路を制御するため導波路の交差点領域に設けられ
た電極を示す。この全反射型光スイッチにおいては、電
極１９ａを負極とし電極＋９ｂ　Ｗ正極としてこれら電
極間に所定電圧を印加すると、導波路の交差点領域の両
電極間部分の屈折率が低下する。従って、例えば１３ａ
→１３ｂと伝搬していた光＠１３ａ→１５ｂと伝搬させ
ることか出来るようになる。しかし、この光スィッチで
は、印加電圧を一１００ｖにした場合においても十分な
全反射動作か得られなかったとある。

ところで、このような構成の全反射型の光スィッチでは
、基板のカット方向にかかわらず、般に、交差角＋ｉ小
さくすると低い印加電圧で全反射動作が′出来るように
なることか知られていた。しかし、交差角市を小さくし
てゆくと導波路１３及び導波路１５間のクロストークか
生し易くなることも事実であった。そこで、この出願に
係る出願人は、特願昭６２−２６５９７７、特願昭６３
−１４６１０１　において、基板１１の屈折率と、各導
波路１３．１５の屈折率との差を小さくすればクロスト
ークの低いまま交差角市を小さく出来ることを提案した
。

ここで、基板の屈折率と導波路の屈折率との差を小ざく
することにつき具体的な数値で示すと、例えば以下に説
明するようなこと（こなる。

基板１１として例えばＬｉＮｂＯ３Ｗ用い、例えば文献
（アプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅ
ｄＰｈｙｓｉｃｓ　　Ｌｅｔｔｅｒｓ）　　５１　　（
１８）　　（１９８７，１１）　　ｐｐ、ｌ３８９〜１
３９１）に開示されている方法（こより上述の全反射型
の光スイ・ンチの交差部でのクロストークを計算し、ク
ロストークの大小によって領域分けをして示して見ると
第８図のようになる。第８図の横軸はう旨−７１−の値
でありこのｂは基本モードの規格化伝搬定数である。ざ
らに第８図の縦軸は＋　　ｎ　ｓ　／　２　Ｑ　ｎの値
であり、ゆは上述の交差角、ｎｓは基板の屈折率、△ｎ
は基板の屈折率と導波路の屈折率との差である。第８図
において斜線を付した領域■及び領域ＩＩは、クロスト
ークが１７ｄＢ以上となってしまうところであり、点線
ａ及び縦軸で挟まれる領域■と、点線す及び点線Ｃで挟
まれる領域■とは、クロストークが一３０ｄＢ以下にな
るところである。また、矢印で示した一点破線は、単一
モード条件で光閉じ込めを最も強く出来る条件である。

基板１１としてＬｉＮｂＯ３’ｆｆｉ用いているこの例
では、動作電圧を下げるためにゆ１°としかつクロスト
ークを例えば−１５ｄＢ以下にするには、△ｎは０．０
００２以下としなければならない。

（発明か解決しようとする課題） しかしながら、従来の全反射型の光スィッチでは、第７
図（Ｂ）に示すように、導波路は基板に直接作り込まれ
てあり基板との間の屈折率差によってのみ構成された構
造となっている。従って、動作電圧の低下を目的として
基板の屈折率と導波路の屈折率との差を非常に小さな値
にすると、導波路に対する光閉し込めは基板に接する全
方向で低下するので、もはや光を導波することが出来な
くなってしまう。このため、屈折率差を小ざくするには
限界があり、よって、交差角ゆもあまり小さく出来なく
なり、全反射を得るための動作電圧の低下を図ることも
限界かあった。

さらに、屈折率差を小さくすると導波路に対する光閉じ
込めは基板に接する全方向で低下し当然基板の深さ方向
における光閉じ込めも低下する。

従って、光は基板の深さ方向に広がるようになるため、
基板表面近くに形成される電場と、導波路中の光との相
互作用が小さくなり、やはり、全反射を得るための動作
電圧の増加を招いてしまう。

この発明はこのような点に鑑みなされたものであり、従
ってこの発明の目的は、導波路の基板側の方向の光閉じ
込めは確保した構成の全反射型の光スィッチを提供する
ことにある。

（課題を解決するための手段） この目的の達成を図るため、この発明によれば、基板と
、分岐を有する導波路と、この導波路を制御する電極と
を具える全反射型光スイッチにおいて、基板の表面にこ
の基板の屈折率より大きい屈折率を示す表層部を具える
と共に、導波路を前述の表層部内に又はこの表層部及び
前述の基板を渡る領域内に具えたことを特徴とする。

なお、ここで云う、基板の表面に具える表層部とは、基
板に異種物質を拡散させる等の手段で形成した表層部、
基板上に基板の屈折率より大きい物質を別途に形成しで
得た表層部等であることが出来る。

また、全反射型の光スィッチとは、第７図を用いて説明
したまうなＸ分岐を有するもの、さらには、Ｙ分岐ヲ首
するものであることか出来る。

また、導波路としでは、埋込み型導波路や装荷型導波路
、さらには、上述の表層部の一部にこの表層部の屈折率
とは異なる屈折率を示す領域を設けて屈折率差を利用し
で形成した導波路であることが出来る。

（作用） この発明によれば、少なくとも導波路の側面は基板の屈
折率より大きい屈折率を示す表層部に接するようになり
、また、この導波路の底面は基板に直接又は薄い表層部
を介し接するようになる。

従って表層部の屈折率を導波路の屈折率よりは小さいか
非常に近い頓として水平方向（基板面と平行な方向）の
光閉し込めを弱くしても、導波路の垂直方向では基板と
の間の屈折率差により光閉し込めか確実に行なわれる。

（実施例） 以下、図面を参照してこの発明の全反射型光スイッチの
実施例につき説明する。しかしながら以下の説明に用い
る各図は、この発明か理解出来る程度に概略的に示しで
あるにすぎず、従って、各構成成分の寸法、形状、配置
関係及び各構成成分間の寸法比等も概略的であり、この
発明がこれら図示例のみに限定されるものでないことは
理解されたい。また、各図において同様な構成成分につ
いでは同一の符号を付して示しでいる。

第二ｊｕ藤例 導波路を埋込み型導波路とした例により第一実施例の説
明を行なう。第１図（Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の第
一実施例の全反射型光スイッチ（以下、光スィッチと略
称することもある。）の説明に供する図であり、第１図
（△）はその平面図、第１図（Ｂ）は第１図（Ａ）のＩ
Ｉ−ＩＩ線に沿って切って示した断面図である。

先ず、第１図（Ａ）を参照して、第一実施例の光スィッ
チの平面構造につき説明する。図において、２１は基板
である。この基板は電気光学効果の大きい種々の材料を
以って構成出来る。この実施例では、×カットＬｉＮｂ
Ｏ３’ｉ用いている。また、２３及び２５はそれぞれ導
波路でありこれら導波路は交差させてありＸ分岐を有す
る導波路２７ヲ構成している。この実施例では、これら
導波路は、ＬｉＮｂＯ３基板２１にＴｉ７ａ拡散させ形
成した埋込み型導波路としている。また、３１は、基板
２１の導波路を設けた領域以外の領域に設けられた基板
２１の屈折率より大きい屈折率を示しかつ導波路２３．
２５の屈折率よりは小さい屈折率を示す表層部である。

この実施例では、この表層部３１をＴｉの拡散量を導波
路のそれより少なくすることで形成している。また、２
９ａ及び２９ｂは導波路を制御するための電極である。

ここで、２３ａは導波路２３の入力側部分、２３ｂは導
波路２３の出力側部分をそれぞれ示し、ぼた、２５ａは
導波路２５の入力側部分、２５ｂは導波路２５の出力側
部分をそれぞれ示す。

次に、第１図（Ｂ）を参照して、第一実施例の光スイ・
ンチの、基板面と垂直な方向の構造につき説明する。こ
の実施例の光スィッチにおいては、導波路２３の深さと
、導波路２５の深さと、表層部３１の深さとを実質的に
同じにしである。従って、この実施例の光スィッチは、
導波路２３及び導波路２５のそれぞれの側面が表層部３
１と接し、それぞれの底面が基板２１と直接に接する構
造、すなわち、導波路が表層部及び基板を渡る領域に設
けられた構造になっている。

このような構成の光スィッチでは、各導波路２３．２５
の基板２１表面と平行な方向（図中の２方向）の光閉じ
込めは、導波路の等価屈折率と表層部３１の等価屈折率
との差Δｎで評価出来る。ここで本実施例のように基板
２１をＬｉＮｂＯ３で構成している場合、入射光の波長
を１．３ｕｍとし、各導波路２３、２５の深さを４ｕｍ
とすると、光閉じ込めを行なわせるための屈折率差の最
少値は０．００２５程度となる。そして、この発明によ
ればこのような屈折率差は、表層部３１の屈折率を導波
路の屈折率より０．００２５以上小ざ〈然もできるかぎ
り屈折率差が０．００２５に等しくなるような値に設定
すれば容易に得られる。

実験として、第１図に示した構造の光スィッチであって
、各導波路２３．２５の幅Ｗを２０ｕｍ、その深さを４
Ｌ１ｍとし、電極２９ａ、２９ｂの長さＬを４ｍｍとし
、交差角ヰを種々の角度（こ変えて何種類かの光スィッ
チを作製した。なお、導波路２３．２５及び表層部３１
は、基板２１の導波路形成予定領域上に膜厚が４５０人
のＴｉ膜を被＠させ、基板２１の表層部形成予定領域上
に膜厚が３００大のＴｉ膜を被着させ、１０５０℃の温
度でＴｉを基板中に拡散させることにより形成した。

このように作製した光スィッチを用い、画電極２９ａ、
２９ｂ　ｔＷ］への印加電圧をｏｖとし、入射光の波長
λＩ１．３ｕｍとした条件でクロストークを測定したと
ころ、＋＝０．５°とした光スィッチと、寸１°とした
光スィッチとにおいて、２０ｄＢ前後のクロストークが
得られた。また、１５ｄＢのクロストークの全反射状態
は、印加電圧＠−５５Ｖとしたときに得られた。第２図
は、実験として作製した光スィッチのうちのゆ＝１°と
した光スィッチの印加電圧に対する直進光Ｐ２及び分岐
光Ｐｘそれぞれの出射光強度特性を横軸に印加電圧（Ｖ
）をとり、縦軸に出射光強度（任意単位）をとり示した
図である。

また、λ＝　０．６３ｕ　ｍ、λ＝０．８５ｕｍとした
場合においでも各光スィッチで全反射動作を確認出来、
入−０，６３ｕｍのときの全反射動作電圧は一３０てあ
った。

また、実験に用いた各光スイツチ共、入射光波長のいか
んにかかわらず、全反射状態のクロストークは印加電圧
を高くするに従い良くなる（小さくなる）ことが分った
。また、電圧を逆極性即ち電極２９ｂ側を正極として印
加した場合全反射状態となることはなかった。

−の　ン　の普日 上述の第一実施例の光スィッチは、導波路２３゜２５の
深さと、表層部３１の深さとが実質的に同じとされた光
スィッチであった。

しかし、第３図（Ａ）に示すように、導波路２３．２５
の深さが表層部３１の深さよりもやや浅くなっていて導
波路の底部が表層部３１の一部分で覆われた構造、すな
わち導波路２３．２５が表層部３１内に設けられている
ような構造としでも良い。このような構造の場合でも、
導波路２３．２５は基板２１に近接しているので、基板
面と垂直な方向での光閉じ込めを確保出来る。

また、第３図（Ｂ）に示すように、導波路２３゜２５の
深ざが表層部３１の深さよりもかなり深くなった構造、
すなわち、導波路が基板の領域に広く渡って設けられた
構造としても良い。

また、第３図（Ｃ）（こ示すように、表層部３１を基板
２１の導波路の両側の必要部分のみに設けても良い。こ
の必要部分とは、光スィッチの設計に応じて決定する。

第Ｕ例 導波路を装荷型導波路とした例により第二実施例の説明
を行なう。第４図は、第二実施例の光スィッチの説明に
供する図であり、第１図ＣＢ）に対応させて示した断面
図である。

第二実施例の光スィッチは、基板２１にブレーナ型導波
路としての第一実施例で説明した表層部３１を設けであ
り、ざらに、この表層部３１の導波路２３．２５とした
い部分上に誘電体の線バタン３３例えば５１０２膜によ
る線バタン３３ヲ装荷したものである。この表層部３１
は、基板に■１ヲ拡散させる等の公知の方法で形成する
。

周知の通り、表層部３１の誘電体装荷部分の導波光の等
価屈折率は誘電体を設けていない部分のそれより大きく
なるので、光は誘電体装荷部分に閉じ込められる。この
方法においでは、表層部３１の誘電体装荷部分とそう７
：ない部分との屈折率差を１０−３オーダーとすること
か出来ることか知られているので、本発明のように横方
向の屈折率差を小さくし横方向の光閉し込めを弱くした
い目的には非常に適しでいると云える。なお、表層部３
１の導波路としたくない部分上に金属を装荷した場合も
同様な効果か得られる。

第三実施例 第５図は、第三実施例の光スィッチの説明に供する図で
あり、第１図（Ｂ）に対応させて示した断面図である。

この第三実施例の光スィッチは、基板２１にブレーナ型
導波路としての第−実施例で説明した表層部３１を設け
てあり、ざらに、この表層部３１の導波路２３．２５と
したい部分以外の部分表面から前記基板までの領域の一
部又は全部に（図示例では部に）この表層部３１の屈折
率より小さくかつ該基板の屈折率より大きい屈折率を示
すクラッド領域３５を設け、導波路２３．２５を画成し
たものである。

このクラッド領域３５の屈折率の制御もＴｉ拡散等の従
来公知の方法で容易に行なえるので、導波路２３、２５
及びクラッド領域３５門の等価屈折率差を小ざくてき横
方向の光閉じ込めを弱く出来る。

第！すＵ軛例 第６図は、第四実施例の光スイ・ンチの説明に供する図
であり、第１図（Ｂ）に対応させて示した断面図である
。

この第四実施例の光スィッチは、基板２１にブレーナ型
導波路としての第一実施例で説明した表層部３１を設け
てあり、さらに、この表層部３１の導波路２３．２５と
したい部分表面からこの表層部３１の所定深さまでの領
域にこの表層部３１の屈折率より大きい屈折率を示す領
域を設けたものである。この屈折率の大きい領域３７は
、Ｔ１を拡散させる方法やイオン交換法等の従来公知の
方法で容易に形成出来る。なお、屈折率の大きい領域３
７の厚さは、この領域か導波路とならない程度に薄くす
るのが良い。このような構造においては、表層部３１の
屈折率の大きい領域３７と基板２１とに挟まれる部分か
、導波路になる。

なお上述した各実施例においては基板としてＸカットの
ＬｉＮｂＯ３！用いでいる。しかしこの発明は、Ｘカッ
トのＬｉＮｂＬ基板、ＺカットのＬｉＮｂＯ３基板、さ
らには、光スィッチの作製に良く用いられる他の材質か
ら成る基板を用いた場合にも適用出来る。

また、各実施例では導波路や表層部の作製ヲＴｉ拡散法
て行なった例で説明しているか、この発明は作製方法に
影響されるものではない。従って、導波路や表層部の作
製は従来公知の他の方法ても勿論良い。例えば、基板と
してＬｉＮｂＯ３を用いる場合であれば、基板表面から
１＋２０！外部に放出させ高屈折率部分を形成する、所
謂外拡散法と称される方法を用いても良い。

（発明の効果） 上述した説明からも明らかなように、この発明の全反射
型光スイッチによれば、導波路の底面は直接基板に又は
薄い表層部を介し基板に接するようになるので、基板面
と垂直な方向では導波路と基板との間の屈折率差によっ
て光閉じ込めか十分になされる。従って、基板表面に形
成される電場と光どの相互作用か有効になされるので、
全反射を効率的に行なえる。さらに、少なくとも導波路
の側面は基板の屈折率より大きい屈折率を示す表層部に
接するようになり、かつ、この表層部はその屈折率が導
波路の屈折率に非常に近いものと出来るので導波路及び
表層部間の屈折率差を非常に小さく出来る。このため、
クロストークの低いまま交差角ゆを小さく出来る。

これかため、全反射動作をおこなわせ得る印加電圧値の
低減が図れる。

実際、波長λが１．３ｕｍの入射光を用い全反射動作を
得る場合、従来は１００ｖ以上の印加電圧を必要として
いたのに対し、本発明によれば５０ｖ前後の印加電圧で
全反射動作が可能になった。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）及び（Ｂ）は、第一実施例の説明に供する
平面図及び断面図、 第２図は、第−実施例の全反射型光スイッチの実験結果
を示す図、 第３図（Ａ）〜（Ｃ）は、第一実施例の変形例の説明に
供する図、 第４図は、第二実施例の説明に供する図、第５図は、第
三実施例の説明に供する図、第６図は、第四実施例の説
明に供する図、第７図（Ａ）及び（Ｂ）は、従来の全反
射型光スイッチの説明に供する平面図及び断面図、第８
図は、従来及びこの発明の説明に供する図である。 ２１・・・基板、　　　　　　２３．２５・・・導波路
２３ａ・・・導波路２３の入力側部分 ２３ｂ・・・導波路２３の出力側部分 ２５ａ・・・導波路２５の入力側部分 ２５ｂ・・・導波路２５の出力側部分 ２７・・・交差導波路 ２９ａ、２９ｂ　−・・電極 ３１・・・基板の屈折率より大きい屈折率を示す表層部
３３・・・誘電体、　　　　　３５・・・クラッド領域
３７・・・屈折率の大きい領域。 特許出願人　　　　沖電気工業株式会社挑 ■　　Ｎ ハ 辷り 従来及びこの発明の説明に供する図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板と、分岐を有する導波路と、該導波路を制御
   する電極とを具える全反射型光スイッチにおいて、 基板の表面に該基板の屈折率より大きい屈折率を示す表
   層部を具えると共に、 導波路を前記表層部内に又は該表層部及び前記基板を渡
   る領域内に具えたこと を特徴とする全反射型光スイッチ。
2. （２）前記導波路を埋込み型導波路とした請求項１に記
   載の全反射型光スイッチ。
3. （３）前記導波路を、前記表層部上に誘電体又は金属を
   設けて成る装荷型導波路とした請求項１に記載の全反射
   型光スイッチ。
4. （４）前記表層部の所定領域の表面から前記基板までの
   領域の一部又は全部に該表層部の屈折率より小さくかつ
   該基板の屈折率より大きい屈折率を示すクラッド領域を
   設け、前記導波路を画成した請求項１に記載の全反射型
   光スイッチ。
5. （５）前記表層部の所定領域の表面から該表層部の所定
   深さまでの領域に該表層部の屈折率より大きい屈折率を
   示す領域を設け、該表層部の高屈折率領域と前記基板と
   の間の領域を前記導波路とした請求項１に記載の全反射
   型光スイッチ。