JPH02232632A - 方向性結合器スイッチ用の低クロストーク反転デルタベータ電極 - Google Patents

方向性結合器スイッチ用の低クロストーク反転デルタベータ電極

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JPH02232632A
JPH02232632A JP2001158A JP115890A JPH02232632A JP H02232632 A JPH02232632 A JP H02232632A JP 2001158 A JP2001158 A JP 2001158A JP 115890 A JP115890 A JP 115890A JP H02232632 A JPH02232632 A JP H02232632A
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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】 1虱L狡歪方1 本発明はエレクトロ才ブティック スイッチング デバ
イス、より詳細には、反転デルタ ベータ(Δβ)電極
構造を使用するエレクトロオブイック スイッチング 
デバイスに関する.1皿Ω11 光学通信システムは、通常、複数の信号を通信及び他の
機能のために複数のルートを通じてスイッチングするこ
とによって動作する.これを達成するため,光学的或は
電気的な制御下においてスイッチング機能を遂行するた
めの方向性結合器が開発されている. 今日最も多く使用されているこのタイプの方向性結合器
スイウチは,交互する或は反転Δβ,スブリット電極構
造を使用してL I N b O x材料にて製造され
る.これに関しては、本発明の出願人と譲渡人を同一と
する合衆国特許第4,012,113号を参照すること
かできる.このタイプの方向性結合器スイッチは中に接
近するように互いに向かって曲げられた二つの導波路を
持つ入カトランジション領域、光学エネルギーのトラン
スファーが行なわれる相互作用領域,及び導波路間結合
を排除するために二つの導波路が互いにそらされる出力
トランジション領域を含む.相〃作用領域内においては
、電極は、スブリウトされ、意味のない小さなギヤ・ン
ブにて分離される.このタイプのデハイスに対しては,
スイッチの直通(バー)及びクロスオーバー(クロス)
状態において,クロストークをある範囲内に低減するた
めに電圧調節が使用されることか知られている.然し乍
ら、クロストーク低減技術、例えば,反転Δβ電極Lの
電圧の調節、或は均−Δβ電極構造の使用は方向性結合
器スイ・ソチの相互作用領域内に導入されるクロストー
クのみを扱い,木質的にトランジション領域内に導入さ
れるクロストークは無視する.結果として、このタイプ
の方向性結合器スイッチはスイッチがアレイに縦に接続
された場合は耐え難いレベルのクロストークを起こす. 良団Ω厘力 未発明によると,反転Δβ電極構造を採用する方向性結
合器スイッチに対するクロストークが電極セクションの
前の導波路間結合がこの電極セクションの後ろの実質的
に同量の導波路間結合にて補償されるように導波路上に
正しく電極セクションを位置することによって最小値に
低減される. 2−セクション反転Δβ電極方向性結合器スイウチに対
しては,電極セクションが実質的に相互作用領域の長さ
の中央に位置され、ギャップ長gにて分離される.この
ギャップ長は,トランジション領域が鏡像のように実質
的に同一であるという前提に於て,いずれかのトランジ
ション領域内の導波路間結合の二倍の導波路間結合を持
つように選択される.本発明は本発明の特定の実施態様
の以下の説明を図面を参照にしながら読むことによって
一層明白となるものである. え胛Ω叉I1 第1図は本発明の原理に従う方向性結合器スイッチを示
す.方向性結合器スイッチlOは,この一例としての実
施態様においては、導波路20及び21を制御するため
の電極セクションl3、14、15及び16を持つ2セ
クション反転Δβ電極構造にて構成される.導波路20
及び2lは複屈折エレクトロオブティック基板l2内に
埋め込まれる.一般的には.導波路20及び21は絶縁
材料から成る中間バッファー層11によって電極セクシ
ョン13一16から分離される.但し、中間バッファー
fillはデハイス動作の成功には必ずしも必要とされ
ない.このため,中間ハッファ一Njl1は,本発明の
原理の一般性或は適用性を損なうことなく省略すること
かできる. 能動領域内において、誘電導波路20及び2+1は、通
常,デハイス相互作用長と呼ばれる距離Lを通じて結合
関係にある.このデバイス相互作用長は、通常、結合長
文に等しいか或は積分的に大きくなるように選択され.
L=ni、n=1、2、3,・・・の式によって与えら
れる.結合長は、導波路が正しく位相マッチングされた
とき,それを通じて一つの導波路内に伝わる光が他方の
導波路に完全にトランスファーする距離である.このタ
イプのトランスファーは、一・連の個々の結合長におい
て,逆転的に及び発振的に起こる.単位長κ当たりの結
合強度は、導波路パラメータ,導波路間ギャップG。,
及び導かれる波長入に依存する.これら導波路は実質的
に同一の方法にて製造され,これらは信号偏波の少なく
とも一つの方向、つまり,TEモート(transve
rse eteetrie mode)或はTMモート
( transverse magnetic mod
e)に対して,実質的に同一の伝播定数を示す。従って
,βTtL201はTEモードにて伝播するデバイスに
対しては概ねβアー,,.に等しく,或はβアw(ff
icl+はβア,2l)に概ね等しい.偏波インセンシ
ティブ デバイスか要求される場合は,信号偏波の各々
の方向に対して実質的に同一・の伝播定数を饗えるよう
な製造方法を使用しなければならない.つまり、βア。
(2o,か概ねβT! +2 1 1に等しく,モして
βTl+1+101か概ねβTEl2。に等しくならな
ければならない.このような偏波イン七ンシテイブ デ
バイスに対しては、本発明の原理に従っての導波路間結
合の最小化はこの導波路間結合が各々の偏波に対して異
なるために幾分困難である.このため,電極セクション
の前の積分導波路間結合とittJ4iセクションの後
の同量の積分導波路間結合とのバランスは片方の偏波に
対しては概ね達成できるか、直角偏波に対しては不均衡
な状態が発生する.同一方向性結合器スイッチ内で両方
の偏波な収容するためには,個々の偏波に対して、合成
アンハランス或は未補償積分導波路間結合か局部的に岐
小化されるように積分導波路間結合をバランスさせるこ
とが必要である. 複屈折エレクトロ オブディック材料にて標準の訝電導
波路構造を製造するための方法は当分野において周知で
ある.これに関しては,例えば、iAW人を本発明と同
一とし、ここにも引用される合衆国特許第4,400,
052号,並びにJ.A  I.Ph s., vol
.49、ページ4677− 4682(1987)を参
照することができる.ETlなドーバント拡散パラメー
タとしては,無拡散ドーバント濃度,拡散前のトーバン
ト層の厚さ,拡散時間及び拡散温度が含まれる.二オブ
醜リチウム或はタンタル酸リチウン デハイスに対して
は,チタンが誘電体導波路を製造するために使用される
典型的なドーバントであり,これは、導波路20及び2
lか基板l2及びハッファ−層llより高い屈折率を示
すことを許す. 電極セクションl3から16が標準のフォトリングラフ
ィウク マスキング、エッチング,及び堆積技術を使用
して導波路20及び2l上に堆稙される.導電性材料5
例えば,金属及び合金か電極を製造するために使用され
る.一例においては,厚いアルミニウムfi(#200
0人)かこの電極構造を実現するために薄いスバター 
クロム層(#lOO人)上に蒸着される. 第1図に示される一例としての方向性結合器スイッチに
対する導波路はチタン ストリップを2−カット,y一
伝播ニオブ醜リチウム基板内に拡散することによって製
造される.6μm幅、800人厚のチタン ストリップ
の拡散が約1025℃にて約6時間遂行される.相互作
用長は約9.0mmであり,一方,導波路間間隔Gは約
8.5uLmである.二酸化シリコンのバッファ−層か
この基板及び導波路上に堆積される.Eに述べたように
、ffi − 1,=’lには中間ハッファ一層か・示
されるか、これはこの構造の才フ“ション的な[2であ
るとみなされるべきてある.金属性電極かクロム アル
ミニウム合金から導波路トに或はこれと隣接して形成さ
れる.第1図の方向性結合姦は,電極に電圧を加えるこ
とによる線型エレクトロ オブティック効果を介して導
波路間の位相ミスマウチをyA節することによって動作
する.反転或は交互するΔβのセクションを生成するた
めに7正の電圧Vか電極セクションl3及びl5に接続
され,一方,負の電圧Vか′屯極l4及び16に接統さ
れる.電場が電極セクション間で反転するため、結果と
してデバイス全体を位相マ,ツチすることかEI丁能で
ある.エレクトロ オブティ・ンク調節を通じてのΔβ
の変化によってデバイスをクロス或はバー状態のいずれ
でも動作することが可能となる.−一一般に、クロスか
らバー状態,或はハー状態からクロス状態へのスイッチ
は0から5ボルトの間の電圧による2π以下のΔβLの
変化を要求する.適当な電圧の設定及び方向性結合器ス
イッチの動作に関しての追加の情報に関しては、合衆国
特許第4,012,113号及びIEEE J.クウ才
ンタム エレクトロニクス(IEEE J. Quan
tum Electronics), QE −l3、
ベーシ396以降(1976年)を参照することかでき
る. 電極セクションに加えられる電場パターンは導波路間の
位相ミスマウチΔβがN−1回反転するように設計され
る.ここで,Nは導波路五の電極セクションの数に等し
く,Δβは2π( nzo  nil)/入と定式され
,ここで、n2o及びn2Iは導波路20及び2lに対
する有効屈折率であり,入は導波路によって伝播のため
にサポートされる光学波長である.第1図に示されるヂ
ハイスについては、電極セクションNの数は2に等しい
. 本発明のデハイス及び原理を更に理解するため、第2図
の説明に進む.第2図は第IUAの方向性結合器スイッ
チに対する電極及び導波路構造の略図を示す.この略図
には,入力及び出力トランジション領域か各々の導波路
に対して相互作用領域の端に対面するように示される.
導波路20と21はトランジション領域においては距離
Sたけ離れており、その後次第にテーバー角度θにて〃
いに空間的に接近し、最終的な分#G0か相T作用領域
において達成される.このトランジション領域の間か長
さしの相々゛作業領域であり、ここでは、この二つの導
波路は全相互作用長を通じて実質的に並列の関係にある
.各々の領域に対して、偏波センシティブ パラメータ
である導波路間の導波路間結合強度κを定義することが
n丁能である.このパラメータはクロスオーバー効率,
及び,従って、方向性結合器スイッチに対するチVネル
 クロストークの値を決定するために必要である.チャ
ネル クロストークは出力端の所でやましくないように
ガイトされた光学パワーの出力端の所で望ましいように
ガイドされた光学パワーに対する比として測定される.
図面及び合衆国特許第4.24:1,295号において
示される導波路構成は導波路間結合効率を各々のトラン
ジション領域の一端において最小であり相互作用領域に
おいて最大となるようにテーパリングすることによって
,両方の偏波に対して比較的良好なチャネル分離,或は
低クロストークか達成されるように設計されている.但
し、本発明は,これらデハイスに対して適用可能であり
、クロストークを更に低減する。
図面に示されるように,導波路20及び2lは,導波路
の端の所で小さな値,つまり公称最小を持ち、相互作用
領域内及び相互作用長Lを通じて、より大きな値,つま
り、公称最大を持つようにテーパリングする導波路間結
合効率κを持つ.換言すれば,導波路間結合係数,或は
強度は.交換方向性結合310の全長を通じて概ね以下
の関係に従って変化する. 旬片Koe一陶”.( +.) 上に与えられる式を得るためには,導波路20か,入力
トランジション領域においては導波路2lに向かってテ
ーパリングし.出力トランジション領域においては,導
波路21から離れるようにテーパリングし、導波路20
から導波路2lまての距離かyの関数としてG (y)
で与えられるようにする.ここで,yは,導波路に沿っ
ての伝播の方向の距離を表わす.パラメータγは横方向
導波路エバネセント侵入度として知られていることに注
意する.クロストーク或はクロスオーバー効率Sを決定
するためには、以下のように、全デバイス距離を通じて
結合強度を積分することが必要てある. ここで、総デバイス距離は.T=P,+Bi +L+B
.+POによクて与えられる. 入カトランジション領城は,長さP,の平行の入力領域
及び長さB1の曲かった入力領域を含む.この平行の入
力望域においては、導波路20と21とは長さPiを通
じてG0より大きな間隔にて分離される。この曲がった
入力領域においては,導波路20と21とは、θ/2の
角度,或は、θ度の総テーバー角度にて,分離間隔G0
に達するまで互いに収束する.出力トランジション領域
は長さP0の平行の出力領城及び長さB0の曲かった出
力領域を含む.この平行の出力領域内においては、導波
路20及び2lか長さP。を通じてG。より大きな距離
にて分離される.曲かった出力領域においては,導波路
20及び21かθ/2の角度にて、或はθ度の総テーバ
ー角度にて4間隔G。から平行の出力領域の所のG。よ
り大きな分離に到達するまで互いに広がる. 通常,デバイスの両端の所で,導波路はファイバへの結
合がてきるようにある程度の大きな距離たけ離される.
従って、導波路は,通常、少なくとも使用される光ファ
イバーの直径だけは離される.相互作用領域においては
.同一導波路上の′if極セクションは互いに下側の導
波路内の光学伝播の方向に沿って測定されたギャップの
長さgたけ離される.例えば.電極セクションl3及び
l4は,力二いにギャップHgたけ離される.同様に、
電極15と16は互いにギャップ長gだけ離される。一
般に,電極セクションl3から16は実質的に回−の長
さを持つ。
本発明の原理によると、クロストークか電極セクション
を各々の導波路上にギャップ長gだけ離れるように置く
ことによって低減されるが,この値は,特定の電極セク
ションの前の導波路間結合を補償するように選択される
.2−セクション反転Δβ電極に対する正しいギャップ
長を選択するためには,全ギャップを通じての積分導波
路間結合強度が入力及び出力トランジション領域に対す
る総積分導波路間結合強度に等しくなるようにすること
が要求される.数学的に表現すると,この関係は以下の
ようになる. トランジション領域か設計パラメータの点て,及び、従
って、積分導波路強度の点において実質的に同一である
場合は、このギャップを二等分し5導波路に対する電極
セクションの関係を電極セクションの片側の積分導波路
間結合か実質的にその電極セクションの多端のそのキャ
ップの長さ方向に沿って測定された積分導波路間結合の
半分に等しくなるような関係に占き直すことかできる. 一般に、エレクトロ オブティウク デバイス、例えば
,本発明による方向性結合器スイッチは,伝播の方向に
対する横及び縦の中心線の回りにトボロシー及び導波路
パラメータの点において対称的になるように設計される
.この対称性は.111f極セクションの数か三つ或は
それ以上に増加した場合でも適用する.デバイスの複雑
さは電極セクションの数とともに増加するか、本発明の
原理は全く同様に適用する.三つのセクションを持つ電
極構造に対しては,導波路間結合をこれら電極セクショ
ンを以下の数学的関係が満たされるように十分に離して
位置することによって補償することが可能である.ここ
で.g+及びg2は夫々第一及び第二のeJ4セクショ
ン及び第二及び第三の電極セクション間のギャップに対
する長さを表わす。
様々な電極構成か方向性結合器スイッチに対して考えら
れる.例えば,一例としての実施態様においては,一つ
の導波路上の複数のセクションを持つ反転Δβ電極及び
隣接する導波路上の一つの長いクラント プレーン電極
が含まれる.これに関しては、例えば、合衆国特許第4
,711.5i5号を参照することかてきる.もう一つ
の考えられる実施態様においては、三つの電極が二つの
導波路上にうねり路を作るように位置され,加えられる
電圧の極性が前の領域と次の領域との間で反転する。こ
れに関しては、例えば,才ブティクス レターズ(Op
tics Lett.)+,VOI.2 . No.2
.ベーシ45− 7(1987年)を参照することかで
きる. トに説明の反転Δβは分離された或はセクション化され
た電極セクションに対してのものであるか、本発明の原
理はそれか電気的であるか,光学的であるか或はrf#
II的であるかによらず,一つの導波路内の屈折率を他
の電極内の屈折率に対して変化させる能力を持つ全ての
手段に対して等しく適用できるものてある.こうして変
化が与えられる領域は上に説IJIの電極セクションと
同類のものである.ここで考えられる光学屈折率変化要
素内においては、反転Δβは,デバイスのトランジショ
ン領域を一つおきに照射し,同一導波路上の他の一つお
きの領域の照射を行なわないことによって行なわれる.
これら及びその他の修正が本発明の精神及び範囲から逸
脱することなく可能なことは明白である.例えば2 3
一或はそれ以Lの電極セクションを持つ電極構造に対す
る二つの端の電極セクション間に、それら中間電極セク
ションの前の導波路間結合と中間電極セクションに続く
導波路間結合か同量となるように一つ或はそれ以上の中
間電極セクションを置くことか町能である.ここで、こ
の導波路間結合は特定の電極セクションに対しては八ラ
ンスされるが、′l!極セクション間では異なる.
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の原理に従う反転Δβ電極方向性結合器
スイッチを示す図:そして 第2図は第−図の方向性結合器に対する′¥L極及び導
波路構造を示す図である. 〈主要部分の符吟の説明〉 10  −−− 一 方向性結合器スイッチ1.1−−
−一 中間バッファ層 12−−−一 複屈折エレクトロ 才ブティック基板 13〜l6 。一一一一 電極セクション20、27 
 −−−−一 導波路 テレグラフ カムバニ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、第一及び第二のトランジション領域及びこの間の相
    互作用領域; 各々のトランジション領域内の各々の導波路の一端の所
    における最小値から該相互作用領域内の最大値にテーパ
    リングする導波路間結合係数を持つ光学信号伝播をサポ
    ートするための第一及び第二の誘電導波路を含み、当該
    導波路は同種の光学信号偏波に対して実質的に互いに位
    相マッチングされ; 該相互作用領域内の該導波路の選択された部分の間に電
    圧を加えるための手段を含み、当該電圧を加えるための
    手段は両方とも実質的に夫々該第一及び第二の導波路上
    に伸びる第一及び第二の電極を含み、各々の電極が互い
    に電気的に切断された少なくとも第一及び第二のセクシ
    ョンを含み;更に 該電極セクションがその所定の長さに沿っての該導波路
    間結合係数の積分が該第一及び第二のトランジション領
    域に沿っての該導波路間結合係数の積分に等しくなるよ
    うな所定の長さのギャップだけ分離されることを特徴と
    する方向性結合器スイッチ。 2、該導波路と該第一及び第二の電極の中間に絶縁材料
    のバッファー層がさらに含まれることを特徴とする請求
    項1に記載の方向性結合器スイッチ。 3、第一及び第二のトランジション領域及びこの間の相
    互作用領域; 光学信号伝播の方向に沿って所定の関数に従って変化す
    る導波路間結合係数を持つ光学信号伝播をサポートする
    ための第一及び第二の誘電導波路を含み、当該誘電導波
    路は少なくとも一つの光学信号偏波に対して実質的に位
    相マッチングされ、該相互作用領域内の該導波路の選択
    された部分の間に電圧を加えるための手段を含み、当該
    電圧を加えるための手段が両方とも実質的にそれぞれ該
    第一及び第二の導波路上に伸びる第一及び第二の電極を
    含み、少なくとも該第一の電極が互いに電気的に切断さ
    れた第一及び第二のセクションを含み、更に 該電極セクションがその所定の長さに沿っての該導波路
    間結合係数の積分が該第一及び第二のトランジション領
    域に沿っての該導波路間結合係数の積分に等しくなるよ
    うな所定の長さを持つギャップによって分離されること
    を特徴とする方向性結合器スイッチ。 4、該導波路と該第一及び第二の電極の中間に絶縁材料
    のバッファー層がさらに含まれることを特徴とする請求
    項3に記載の方向性結合器スイッチ。 5、該所定の関数が該導波路間結合係数を各々のトラン
    ジシヨン領域内の導波路の一端における最小から相互領
    域内における最大にテーパリングさせることを特徴とす
    る請求項3に記載の方向性結合器スイッチ。 6、該導波路と該第一及び第二の電極の中間に絶縁材料
    のバッファー層がさらに含まれることを特徴とする請求
    項5に記載の方向性結合器スイッチ。 7、第一及び第二のトランジション領域及びこの間の相
    互作用領域、 光学信号伝播の方向に沿って所定の関数に従って変化す
    る導波路間結合係数を持つ光学信号伝播をサポートする
    ための第一及び第二の誘電導波路を含み、 当該誘電導波路は少なくとも一つの光学信号偏波に対し
    て実質的に位相マッチングされ、 一つの導波路内の屈折率を該相互作用領域内の該導波路
    の長さ方向に沿って少なくとも第一及び第二の隣接する
    領域内の他の導波路と相対的に変化させるための手段を
    含み、前記各領域はギャップによって隣接する領域から
    分離され、更に該ギャップが該所定の長さに沿っての該
    導波路間結合係数の積分と該第一及び第二のトランジシ
    ョン領域に沿っての該導波路間結合係数の積分にとが等
    しくなるような所定の長さを持つことを特徴とする方向
    性結合器スイッチ。 8、該所定の関数が該導波路間結合係数を各々のトラン
    ジション領域内の導波路の一端における最小から相互領
    域内における最大にテーパリングさせることを特徴とす
    る請求項7に記載の方向性結合器スイッチ。 9、該導波路と該屈折率を変えるための手段との中間に
    絶縁材料のバッファー層がさらに含まれることを特徴と
    する請求項8に記載の方向性結合器スイッチ。 10、第一及び第二のトランジション領域及びこの間の
    相互作用領域、 光学信号伝播の方向に沿って所定の関数に従って変化す
    る導波路間結合係数を持つ光学信号伝播をサポートする
    ための第一及び第二の誘電導波路を含み、 当該誘電導波路が少なくとも一つの光学信号偏波に対し
    て実質的に位相マッチングされ、 一つの導波路内の屈折率を該相互作用領域内の該導波路
    の長さに沿って順に位置された第一、第二及び第三の隣
    接する領域内の他の導波路との関係で変化させるための
    手段を含み、該第一と第二の領域が第一のギャップにて
    分離され、該第二と第三の領域が第二のギャップにて分
    離され;更に該第一と第二のギャップが実質的に等しい
    所定の長さを持ち、該所定の長さが該第一のギャップの
    該所定の長さに沿っての該導波路間結合係数の積分が少
    なくとも該第一のトランジション領域に沿っての該導波
    路間結合係数の積分に等しくなるような長さであること
    を特徴とする方向性結合器スイッチ。 11、該所定の関数が該導波路間結合係数を各々のトラ
    ンジション領域内の導波路の一端における最小から相互
    領域内における最大にテーパリングさせることを特徴と
    する請求項10に記載の方向性結合器スイッチ。 12、該導波路と該屈折率を変えるための手段との中間
    に絶縁材料のバッファー層がさらに含まれることを特徴
    とする請求項11に記載の方向性結合器スイッチ。 13、該第二のギャップの該所定の長さが該第二のギャ
    ップの該所定の長さに沿っての該導波路間結合係数の積
    分が少なくとも該第二のトランジション領域に沿っての
    該導波路間結合係数の積分に等しくなるような長さであ
    ることを特徴とする請求項11に記載の方向性結合器ス
    イッチ。 14、該屈折率を変えるための手段が該第一、第二及び
    第三の領域内の該導波路間に電圧を加えるための手段を
    含み、該電圧を加えるための手段が両方ともそれぞれ実
    質的に該第一及び第二の導波路上を伸びる第一及び第二
    の電極を含み、少なくとも該第一の電極が互いに電気的
    に切断された第一、第二及び第三のセクションを含み、
    該第一、第二及び第三のセクションが夫々個別に該第一
    、第二及び第三の領域と関連することを特徴とする請求
    項13に記載の方向性結合器スイッチ。
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