JPH0328829A - 導波型光スイッチ - 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） 本発明は、導波路中を伝搬する光信号の進行方向を電気
的に切換え制御する導波型光スイッチに関するものであ
る。

（従来の技術） 従来、このような分野の技術としては、以下に示す文献
に記載されるものがあった。

■　ジャーナル　オブ　ライトウエーブ　テクノロジー
（ＪＯＵＲＮＡＬ　　ＯＦ　　ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ　　
ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ），ＬＴ−４　（９）（１９８６
−９）Ｐ．１３２４−１３２７■　西原・春名・栖原著
「光集積回路」ｌ版（昭６０−２−２５）オーム社Ｐ．
３０４−３０７ ■　特願昭６２−２９５８７２号公報 以下、その構成を図を用いて説明する。

第２図は、前記文献■に記載された従来の方向性結合器
方式の導波型光スイッチの一構戒例を示す斜視図である
。

この導波型光スイッチは、電気光学効果を有する基板１
上に、２本の導波路２．３が近接して配置形成され、さ
らにその導波路２，３の結合領域１０上に電極１１．１
２が設けられている。電極１１．１２に印加する動作電
圧ｖｏによって結合領域１０の導波路２，３の屈折率ｎ
。を制御できる構造となっている。電極の長さ１ｅは、
結合領域１０の長さ１よりも短くなっている。結合領域
１０の長さしは、動作電圧ｖｏを印加していない場合に
、一方の導波Ｅ’ｆｔ２＜または３）に入力された光が
、他方の導波路３（または２）から出力される状態（ク
ロス状態）になるように設定されている。

電極１１．１２に動作重圧ＶＯを印加することにより、
２つの導波路２．３の共鳴条件が破れ、一方の導波路２
（または３）に入力された光は、同じ導波路２（または
３）から出力される状態（バー状態）になる。電極１１
．１２の長さ９ｅが、結合領域１０の長さしに等しい場
合（ρ＝１ｅ），一方の導波路２（または３）から入っ
た光が、同じ導波路２（または３〉から完全に出力され
るためには、２本の導波路２．３の屈折率差Δｎｏが、
次式を満足することが必要となる。

？折率差Δｒｌ■は、動作電圧■０に比例する．また、
電極１１．１２の長さ１ｅが短くなると、電極容量が低
減する。したがって、｛１｝式の左辺、２πΔｎ，ｌ）
ｅ／λの値が小さいほど、即ち、Δｎ■．Ｉｌｅ積の値
が小さいほど、動作電圧ｖＯは低くなり、電極容量が低
減して高速動作が得られる。

電極１１．１２の長さｆＪｅが、結合領域ｌＯの長さ１
より短い場合（ρ＞ｆＪｅ＞、導波路２．３が、バー状
態であるためには、屈折率差Δｎ■は、次式に示すよう
な値である。

・・・・・・（１） 但し、＾；光の真空中の波長 （２）式の右辺の、ｊｅ／ｆｌの値を小さくすれば（ｌ
ｅ／１→０），（２）式の値は、πに近づ？、（１〉式
の値よりも小さくできる。即ち、Δｎ０１ｅ積の値は、
（１）式よりも（２〉式の方が小さくなる。

従来は、結合領域１０上に取付ける電極の長さ．Ｑｅを
短くすることによって、動作電圧ｖｏの低減及び高速動
作を行っていた。

（発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、上記構成の導波型光スイッチでは、同一
の屈折率差Δｎｏに対して、電極１１．１２の長さ１ｅ
を短くすると、結合領域１０の長さもが長くなってしま
うという問題があった。

即ち、屈折率差Δｎ■と結合領域の長さ１との関係は、
次式のようになる。

・・・・・・（３） （３）式の左辺の値は、その右辺において１ｅ？１の値
を小さくする（ｆＩｅ／１−０）と、大きくなる。即ち
、屈折率差Δｎ■の値が一定とすれば、電極の長さ１ｅ
を短くすると、結合領域の長さｇは長くなってしまう。

したがって、導波型光スイッチを単体で使用する場合に
は差し支えないが、半導体基板等に複数段に集積化して
形成する場合などには、結合領域の長さ１が長いと、基
板面積が増大してしまう。

そこで、本願出願人は、先に前記文献■に記載された導
波型光スイ・ソチを提案した。

この導波型光スイッチは、電気光学効果を有する基板上
に、２本の並置された導波路が設けられている。その導
波路の結合領域上には電極が設けられ、該導波路の間隔
は、結合領域の両端から中央へ向って広げた構或になっ
ている。この光スイッチにおいて、２本の導波路間の結
合係数は、その導波路の間隔が広くなると、小さくなる
。そのため、広げた部分の結合係数を小さくすることに
より、結合領域の長さを短くでき、さらには動作電圧の
低減効果が得られる。ところが、あるレベル以上に動作
電圧を低下させることができず、また十分に動作速度を
高めることが困難であった。

本発明は、前記従来技術が持っていた課題として、結合
領域の長さもが長くなる点と、動作電圧を大幅に低減す
ることが困難な点と、動作速度の十分な向上が図れない
点について解決した導波型光スイッチを提供するもので
ある。

（課題を解決するための手段） 本発明は前記課題を解決するために、複数本の導波路を
近接して並置し、その各導波銘の結合領域上に電極をそ
れぞれ設けた導波型光スイッチにおいて、この光スイッ
チを次のように構或したものである。即ち、前記導波路
間隔は、前記結合領域の両端で狭くすると共に、前記結
合領域の中央で広く形成し、前記電極はその長さを前記
結合領域の長さよりも短くして前記導波路に沿って形戒
したものである。

（作用） 本発明によれば、以上のように導波型光スイッチを構成
したので、導波路の間隔を、結合領域の両端で狭くする
と共に、結合領域の中央で広く形威したことは、結合領
域の中央部分での結合係数を小さくし、結合領域の長さ
を短くするように働く。電極の長さを結合領域の長さよ
りも短くしたことは、電極容量を低減するように働き、
動作電圧の低減を促し、かつ動作速度を高める。

したがって、前記課題を解決できるのである。

（実施例） 第■図は、本発明の実施例を示す導波型光スイッチの斜
視図である。なお、この斜視図には、結合領域上におけ
るその中央からの距離を示すパラメータτが記入されて
いる。

この導波型光スイッチは、電気光学効果を示すニオブ酸
リチウム（Ｌ　ｉ　Ｎｂ０３　）単結晶から成る基板２
０を有している。基板２０上には、２本の導波路２１．
２２が近接して配置形威されている。導波路２１は入力
ボート２１Ａ及び出力ボート２１Ｂを、導波路２２は入
力ポート２２Ａ及び２２Ｂを、それぞれ有している。導
波路２１．２２の結合領域３０上において、その結合領
域３０の両端では、導波Ｂ２１．２２間の光の結合を得
るために導波路間隔が狭く、結合領域３０の両端から中
央に向って導波路の間隔が広げられている。

結合領域３０上における２本の導波路２１，２２の外側
には、それらに沿って電極３１．３２が、導波路間には
電極３３が、それぞれ設けられている。電極３１，３２
．３３の長さＬｅは、結合領域３０の長さしよりも短く
してある。

電極３１，３２．３３に電圧を印加していない場合に、
入力ボート２１Ａ（または２２Ａ）に入力された光が出
力ポート２２Ｂ（または２１Ｂ）から出力される状態（
クロス状態）になるように、結合領域３０の長さＬが設
定されている。

以上の構戒において、電極３３をアースにして、電極３
１及び３２に正極性の電圧＋Ｖあるいは負極性の電圧−
■を印加すると、基板３０の水平方向に電場が生じ、２
本の導波路２１．２２の共鳴条件が破れ、入力ボート２
ＬＡ（または２２Ａ〉に入力された光は、出力ボート２
１Ｂ（または２２Ｂ＞から出力される状態（バー状態）
になる。

したがって、電極３１，３２．３３に印加する所定極性
の電圧■をオン・オフすれば、導波路２１．２２中を伝
搬する光の方向をクロス状態とバー状態に切換えること
ができる。

この導波型光スイッチの動作は、次式で表わすことがで
きる。

＝−ｊΔβＬρ十ｊκ（τ）Ｌ（ρ２一丁）（４〉 但し、ρ；光の複素振幅比 τ；結合領域上における中央か らの距離を示すパラメータ Δβ；導波路間の伝搬定数差 κ（τ）；結合係数 ここで、Δβ＝２πΔｎ／λであり、Δｎは導波路２１
．２２に電気的に誘起される屈折率差、λは真空中の光
の波長である。κ（τ）Ｌは、関数の形によらずに、最
小の結合係数κ．ｌ．（結合領域の中央での値）と最大
の結合係数κ．．Ｘ　｛結合領域の両端での値｝の比Ｒ
によって表わすことができる。

（４〉式を用いて、結合領域３０上の導波路２■．２２
の間隔ｄが結合領域の両端から中央に向って直線状に開
いた第１図の導波型光スイッチの構造及びその特性を解
析する。

結合係数κ（τ）は、次式で表わされる。

κ（τ〉＝κ　ｅｘｐ　（一γｄ）・・・・・・（５）
０ 但し、κ０．γ；定数 （４）式の微分方程式を解くと、その解は、次式になる
。

（Δβ＝０） ・・・・・（６） 但し、Ｚ；伝搬距離（Ｚ＝Ｌτ） ？／２ ＬＬ／■κ（　Ｚ　）　ｄ　Ｚ　＝２　　（　２　ｍ　
＋　１　）（ｍ＝ｏ，　１，２，３，・・・〉 ・・・・・・（７） （７）式を、ｍ＝ｏの場合について解いて得られるしの
値は結合長Ｌｏであり、次式のようになる。

・・・・・・（８） 但し、Ｒ＝κ．Ｉ。／κａａｘ 結合領域の長さしは、結合長Ｌｏの奇数倍になるように
設定される。ここでは、Ｌ　＝Ｌ　ｏに設定されている
。

κ（τ）Ｌの値は、次式のようになる。

π κ（τ）Ｌ＝　　　　ｘ ２ ・・・・・・（９〉 また、Δβは、１τｌ＜Ｌｅ／Ｌの時だけ値をもつ。

解析結果を第３図、第４図及び第５図に示す。

第３図は、ΔβＬ積特性図であり、縦軸にΔβＬ／πの
値が、横軸にＬ　ｅ　／　Ｌの値がそれぞれとられてい
る。

Ｒ＝１は、導波路を広げない場合である。この時、同一
の電圧に対して（Δβが一定）、電極の長さＬｅを短く
していくと、結合領域３０の長さしは長くなることがわ
かる。

Ｒ＝０．５，０．１は、導波路を広げた場合である。同
一の電圧に対して、電極の長さＬｅを短くしても、結合
領域３０の長さＬを短くできることがわかる。

第４図は、ΔβＬｅ積特性図であり、縦軸にΔβＬｅ／
πの値が、横軸にＬ　ｅ　／　Ｌの値がそれぞれとられ
ている。

導波路を広げた場合（Ｒ＝０．５，０．１＞には、導波
路を広げない場合（Ｒ＝　１　）に比べて、同一のＬ　
ｅ　／　Ｌに対して、ΔβＬｅ／πの値は小さくなる。

ところが、電極の長さＬｅを短くすることによって、Δ
βＬｅ／πの値は、さらに低減することがわかる。

第５図は、Ｌ＝Ｌｅの時の、ΔβＬ積特性図であり、縦
軸にΔβＬ／π（Ｌ＝Ｌｅ）の値が、横軸にＲの値がそ
れぞれとられている。

電極の長さＬｅが、結合領域の長さＬに等しい場合、導
波路の間隔を広げる（Ｒ＝０．１〜０．０１＞ことによ
って、ΔβＬ積の値が低減されることがわかる。即ち、
結合領域の長さしが短くなり、動作電圧が低下する。

この解析結果は、次のように説明される。

２本の導波路が並置された系では、２つの固有モードが
存在する。この２つの固有モード間の伝搬定数差は、 ２ＦＴ７了１７　　　　・・・・・・（１０〉（δ＝Δ
β／２、κは結合係数） である。

２つの固有モード間の位相差φは、次式のようになる。

φ＝　（２ＦＦ１王τ丁）し・・・・・・（工１）この
系は、位相差φの値が、πの時にクロス状態であり、２
πの時にバー状態である。

第１，図の導波型光スイッチでは、モデルを単純化すれ
ば、結合領域３０の中央付近では、結合係数κがゼロで
あり、結合領域３０の両端では、結合係数κをδに比べ
て十分に大きくすることができる．Δβ＝０、Δ”β≠
Ｏのそれぞれの場合について、位相差φは、次式のよう
になる。

２κ（Ｌ−Ｌｅ）＝π　　　　（Δβ＝０〉・・・・・
・（工２） ２ｘ　（Ｌ−Ｌｅ）＋２δＬｅ＝２’ｒ（Δβ≠Ｏ） ・・・・・・（１３） （１１）．（１２）式より、次式が得られる。

ΔβＬｅ＝π　　　・・・・・・（１４〉したがって、
ΔβＬｅ積の値がπにまで低減する。Δβの減少は動作
電圧を低くし、Ｌｅの減少は電極容量を小さくする。

結合領域３０の中央での結合係数がκ，であるとすれば
、ΔβＬ積は次式のようになる。

κ　の値を小さくする（κ，→０）と、ΔβＬｐ 積の値は小さくなる。したがって、導波路の間隔を広げ
る（κ。→０）ことによって、同一電圧に対して（Δβ
が一定）、結合領域の長さしは短くなる． 本実施例では、次のような利点を有する。

（＋＞　　導波路２１．２２の間隔を、結合領域３０の
両端から中央へ向って広げたので、動作電圧Ｖを増大さ
せることなく、結合領域３０の長さしを短くできる．そ
のため、半導体基板等に、この導波型光スイッチが形成
される場合、その基板面積を縮小することができる。

（ｉｉ）　　電極の長さＬｅを、結合領域の長さしより
も短くしたので、動作電圧Ｖの低減幅を大きくでき、電
極容量が小さくなるため高速動作が得られる．例えば、
Ｌｅ／Ｌ二０．７、Ｒｈ０．１で第２図の従来の導波型
光スイッチと比較して、同じ結合領域の長さで比べた場
合、３０％以上の動作電圧の低減が達成される． （ｉｉｉ）　　動作電圧Ｖ及び電極容量等の低減により
、スイッチング特性が向上し、バー状態の時にクロス方
向へ光が混入する割合（消光比）は、３０ｄＢ以上にで
きる。

（１ｖ）　　上記実施例においては、導波路２１．２２
上に重ねずに電極３１，３２．３３を形成した．そのた
め、基板２０の水平方向に電場が生じ、垂直方向の偏光
に電気光学効果を生じるので、この光スイッチの動作特
性が安定化する。

第６図は、本発明の他の実施例を示す導波型光スイッチ
の斜視図であり、第１図中の要素と共通の要素には同一
の符号が付されている。

この導波型光スイッチは、第１図の実施例の３つの電極
３１，３２．３３を他の形状にした点が異なっている。

この実施例では、第ｌ図の電極３１，３２．３３とほぼ
同様の電極３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂの他に、その両側に
新たにバイアス用の電極３１Ａ，３２Ａ．３３Ａ．３１
Ｃ．３２Ｃ，３３Ｃを形成している。この実施例では、
新たに形成した電極３１Ａ．３２Ａ，３３Ａ，３１Ｃ．
３２Ｃ，３３Ｃにバイアス電圧を加えることによって生
じる電界により、クロス状態を設定することができる。

電極３１Ｂ，３２Ｂに正極性の動作電圧＋Ｖあるいは負
極性の動作電圧一Ｖをそれぞれ印加すれば、バー状態が
得られる。

この実施例では、例えばバイアス電圧がゼロ付近の所定
の値（≠○）で、クロス状態になるように設定すること
ができる。そのため、バイアス電圧の値を微調整するこ
とで、第↓図の導波型光スイッチよりも、クロス状態を
精度良く設定することが可能になり、消光比は改善され
る。

なお、本発明は図示の実施例に限定されず、種々の変形
が可能である。その変形例としては、例えば次のような
ものがある。

（Ｉ）　　第１図の電極３１．３２は、その一部をそれ
ぞれ導波路２１．２２上に重なるように構或してもよい
し、電＠３３もその一部を導波路２１．２２上に重なる
ように構成してもよい。この場合、垂直方向にも電場が
生じるなどするが、基板２０の結晶方向を適宜選定する
ことにより、第１図の実施例とほぼ同様の利点が得られ
る。

（ｎ）　　第１図の電極３３を省略してもよい。この場
合、電極３１．３２をそれぞれ導波路２１．２２にも重
なるように延長して形戒する。電極３１（または電極３
２〉をアースにし、電極３２（または電極３１）に正極
性の動作電圧あるいは負極性の動作電圧を印加すれば、
バー状態が得られ、印加しなければ、クロス状態である
。電極３３を省略したため、製造工程が簡略化できる。

（Ｉ［Ｉ＞　　第ｌ図及び第５図における結合領域３０
中のくの字形導波路２１．２２は円弧形等の他の形状に
すると共に、それに対応して電極形状を変形するなどし
てもよい。

（ＩＶ）　　基板２０は、Ｌ　ｉ　Ｔ　ａ　Ｏ　３等の
単結晶基板を用いてもよいし、ＩｎＧａＡｓＰ及びＧａ
ＡＩＡｓ等の化合物半導体基板などを用いて構或しても
よい。

｛発明の効果｝ 以上詳細に説明したように、本発明によれば、導波路の
間隔を、結合領域の両端で狭くすると共に、結合領域の
中央で広く形成したので、動作電圧を低くしつつ、結合
領域の長さを短くできる。

しかも、電極の長さを結合領域の長さよりも短くしたの
で、動作電圧を大幅に低減でき、かつ動作速度の向上が
図れる。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図は本発明の実施例を示す導波型光スイッチの斜視
図、第２図は従来の導波型光スイッチの斜視図、第３図
は第１図の導波型光スイッチのΔβＬ積特性図、第４図
は第１図の導波型光スイッチのΔβＬｅ＠特性図、第５
図は第１図の導波型光スイッチでＬ＝Ｌｅの場合のΔβ
Ｌｅ積特性図、第６図は本発明の他の実施例を示す導波
型光スイッチの斜視図である。 ２０・・・・・・基板、２１．２２・・・・・・導波路
、３０・・・・・・結合領域、３１，３２．３３・・・
・・・電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 複数本の導波路を近接して並置し、その各導波路の結合
   領域上に電極をそれぞれ設けた導波型光スイッチにおい
   て、 前記導波路間隔は、前記結合領域の両端で狭くすると共
   に、前記結合領域の中央で広く形成し、前記電極はその
   長さを前記結合領域の長さよりも短くして前記導波路に
   沿って形成したことを特徴とする導波型光スイッチ。