JPH0375848B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光波の光路を電気的に切換える光スイ
ツチング方法に関し、特に光波を基板上に設けた
光導波路に閉込め、電気光学効果を用いて光制御
を行なう光スイツチング方法に関する。

光通信システムや光情報処理システムの実用化
が進められており、それらのシステムではさらに
情報量の増大やシステムの機能の拡大が計られて
いる。そこで、多種、多様の情報の制御やシステ
ムの信頼性を向上させるために情報伝送路を任意
に高速に切換えることのできる光スイツチが必要
となつている。現在電磁石等による機械的な移動
を用いた光スイツチが実用化されているが、高速
性、多点間の切換え、シングルモールドフアイバ
系への適応性、信頼性等に関しては十分な性能は
得られない。上記のような条件を全て満足させる
光スイツチを得る手段としては、基板上に設置し
た光導波路を利用して光スイツチを構成する方法
すなわち、導波形の光スイツチを用いる方法が知
られている。

導波形に光スイツチでは光導波路中の光波を電
気的に制御するために、音響光学効果、磁気光学
効果、電気光学効果のいずれかが利用される。音
響光学効果を利用した光スイツチでは、弾性表面
波によつて入射光を回折させる方式が使われる
が、スイツチングを行なうのに数十ＭHz以上の高
周波電圧を印加する必要があること、通常回折角
度が１〜2°以下であるため回折光の分離が難しく
低クロストークを得にくい等の欠点がある。磁気
光学効果を利用した光スイツチではスイツチング
を行なうのに数百mA〜数Ａの大きな電流が必要
であり消費電力が大きい。一方、電気光学効果を
用いた光スイツチは一般に低電圧で動作し、高速
化が容易であるという特長がある。

電気光学効果による導波形の光スイツチの構成
方法の主なものには(1)方向性結合器の結合量を電
気的に制御する方向性結合形光スイツチ、(2)分岐
した２つの光導波路間に電気的に位相差を与えて
干渉させる分岐干渉形光スイツチ、(3)光導波路上
に周期状電極を設けて電気光学効果によつて位相
格子を作り入射光をブラツグ回折させる回折形光
スイツチの３つがある。

このうち、(3)の回折形の光スイツチは構造が比
較的簡単であり−25dB以下の低クロストークが
容易に得られるが、回折効率が低く、通常数十Ｖ
の高い電圧を必要とするので高効率の光スイツチ
は得られない。一方、(1)および(2)の光スイツチで
は設計により数Ｖの低電圧で動作する高効率の光
スイツチが得られる。これらのうち(1)の光スイツ
チは１つの方向性結合器によつて構成されるので
小形であるが低クロストークを得ようとする場合
には0.2〜0.5μｍの高精度で光導波路幅や電極位
置を制御する必要があり製作が難しい。(2)の光ス
イツチは２つの方向性結合器を用いているので形
状は(1)より大きいが(1)の光スイツチほどでは高精
度を必要としないので比較的製作し易い。即ち、
低電圧で動作し、製作が比較的容易な光スイツチ
を得ようとする場合には(2)の分岐干渉形光スイツ
チが用いられる。

上記の電気光学効果による分岐干渉形の光スイ
ツチを構成するための基板材料をしてはGaAs等
の半導体やLiTaO₃，LiNbO₃等の強誘電体を使
うことができる。通常、光スイツチに用いる半導
体は吸収端が1μ付近にあるので上記の強誘電体
よりは光吸収が大きいことや電気光学定数が小さ
いので高い電圧を必要とするという欠点があるが
半導体レーザと同一基板上に製作できるので光源
と光スイツチを一体化する場合に用いることがで
きる。一方、LiNbO₃等の強誘電体は、広い波長
範囲で光吸収が非常に小さく、また、一般に大き
い電気光学効果を有しているので低電圧で動作可
能であること、Ti拡散法により微小な光導波路
を比較的容易に製作できるという利点があること
から広い応用範囲を持つている。

光スイツチを使用するとき、光路の切換えを周
期的に行なう場合と、一度切換えたら長時間その
光路を保つ場合とがある。後者の場合、光スイツ
チには通常電圧が印加されたままになる。しか
し、LiNbO₃等の強誘電体においては、直流電圧
を印加したとき動作状態が徐々に変化してしまう
いわゆる直流電界ドリフト現象が生ずる。そこで
従来の強誘電体光スイツチでは定常状態を長く保
つことができないという欠点があつた。また、単
に印加電圧の極性を周期的に反転する方法、即ち
交流矩形電圧を印加して定常状態を保つ方法が考
えられるが、極性を反転するときに電圧０の点を
過るので光量がその瞬間０となつてしまう。前述
のように強誘電体を用いた分岐干渉形の光スイツ
チは優れた性質をもつにもかかわらず上記のドリ
フト現象によつてその用途は大幅に狭められてし
まう。一方、半導体を用いた光スイツチにおいて
も直流電圧を印加した場合にはスイツチング動作
が得られない場合があることが知られており、上
述の強誘電体の場合と同様に実用上問題となる。

本発明の目的は強誘電体又は半導体の電気光学
効果を用いた分岐干渉形の光スイツチにおいて光
量の変化がない定常的なスイツチング状態を保持
できる光スイツチング方法を提供することにあ
る。

本発明のスイツチング寸法は、光透過方向に順
次設置された２つの方向性結合器の間を接続する
ように配置された２本の光導波路間に電気光学効
果によつて位相遅延差を生じせしめて出射光の光
路を切換える光スイツチング方法において、前記
２本の光導波路間の中央部に第１の電極を設け、
該第１の電極をはさみ、前記２本の光導波路にそ
れぞれ沿つて第２及び第３の電極を設置し、前記
第１と第２及び第１と第３の電極間に同一周期、
同一振幅でかつ同一の立上り及び立下り波形を有
し、互いに位相が180°異なる単一極性の周期電圧
を印加することにより光量の変化がない定常的な
スイツチング状態を保持することに特徴がある。

以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１図ａは本発明に用いる分岐干渉形光スイツ
チの一例を示す平面図である。第１図ａは強誘電
体であるＸ板LiNbO₃結晶上にチタンを拡散して
製作した幅が５〜10μｍの光導波路１及び２を用
いて構成されており、光導波路１及び２を数mmの
長さにわたつて数μｍの間隔に近接させて形成し
た光方向性結合器３及び４が光透過方向（Ｙ方
向）に配置されており、それらの光方向性結合器
の間は長さが数mm〜20mmの光導波路５及び６によ
つて接続されている。光導波路５と６の間には電
極７が設置され、電極７をはさんで光導波路５及
び６それぞれ外側には電極８及び９が光導波路５
及び６にそれぞれ沿つて設置されている。また、
本実施例においては、電極８及び９はそれぞれ駆
動回路１０及び１１に接続されている。本実施例
において、光導波路１への入射光１２は光方向性
結合器３によつてエネルギーの1/2が光導波路２
へ分配され、光導波路５及び６へ等量のエネルギ
ーが入射される。光方向性結合器４は光方向性結
合器３と同様な形状及び同じ結合度をもつように
設定されているので、光導波路５及び６の光波が
光方向性結合器４への入射するとき光導波路５の
光波の方が光導波路６の光波よりπ位相が進んで
いるときは光導波路６の光波は光導波路１の側に
エネルギーが移り出射光１３となる。一方、光導
波路５の光波が光導波路６に光波よりもπ位相が
遅れているときは光導波路５の光波エネルギーは
光導波路２の側に移り出射光１４となる。光導波
路５及び６の光波の位相は、電極７，８，９に適
当な電圧を印加し、Ｚ方向に電界を印加すること
により、入射光１２がＺ方向の電界成分をもつて
いるときには電気光学定数r₃₃によつて、Ｘ方向
の電界成分をもつている場合には電気光学定数
r₁₃によつて光導波路５又は６の屈折率を変化さ
せて調整することができる。従来の分岐干渉形光
スイツチにおいては、電極８又は９のいずれか一
方のみ設置されており、光導波路５又は６のいず
れか一方の光波の位相だけ調整されている。また
光方向性結合器３及び４の代わりに単なるＹ形の
光分岐回路を用いて構成される分岐干渉形光変調
器では、電極７，８，９は本実施例と同様に配置
されているが、電極８及び９へは同時に同じ位相
の電圧が印加されている。そこで従来の分岐干渉
形光スイツチでは出射光１３又は１４の一方の光
量を一定に保つときには一定の直流電圧を電極８
又は９に印加しておく必要があるが、前述したよ
うに直流電界ドリフト効果が生じ結晶内の電界の
大きさが変化してしまうので長時間上記の状態を
保つことはできない。また、電圧の極性を第１図
ｂに示すように周期的に反転して疑似的に定常状
態を得ることが考えられるが、この場合は第１図
ｃに示すように電圧の極性が反転する瞬間に光量
が０になつてしまう。分岐干渉形光変調器のよう
に電極８及び９に同時に電圧を印加する場合でも
単なる極性の反転では定常状態は得られない。本
実施例の電圧の印加方法を第１図ｄ及びｅに示
す。本実施例においては駆動回路１０により第１
図ｄに示す矩形電圧が電極８に印加され、駆動回
路１１により第１図ｅに示すように第１図ｄとは
π位相が異なる矩形電圧が電極９に印加される。
電極７は接地されている。第１図ｆは本実施例に
おける出射光量を示す。本実施例において、例え
ば電極８に＋V₁の電圧が印加されたときには光
導波路５の光波の位相がφ₁進み、電極９に＋V₁
の電圧が印加されたときには光導波路６の光波の
位相はφ₁遅れ、また、電極８及び９に同時に＋
Ｖ／２の電圧が印加されたときは光導波路５の位
相はφ₁／２進み光導波路６の位相はφ₁／２遅れ
るので、これらの３つの状態即ち、第１図ｄ及び
ｅの時間t₁，t₃，t₂の状態では光導波路５と６の
光波の位相差は同じである。すなわち、本実施例
においては直流矩形電圧を印加して電圧を同期的
に０にすることにより直流電界ドリフトの影響を
除き、かつ出射光１３又は１４のエネルギーを第
１図ｆのように長時間一定に保つことが可能であ
る。

第２図は本発明による光スイツチング方式の他
の実施例を示す。第２図ａは本実施例に用いるＺ
板LiNbO₃結晶を用いた分岐干渉形光スイツチを
示し、第２図ｂ及びｃは印加電圧波形を示す。第
２図ａは第１図ａと同様にチタンを拡散して製作
した光導波路１及び２を用いて構成され、光導波
路５及び６の中央部に設置する電極１７を除いて
第１図ａとほぼ同じ形状である。本実施例ではＺ
板LiNbO₃結晶を用いているために、Ｚ方向に電
界を印加するために光導波路５及び６の上まで電
極１７が形成されている。また、本実施例におい
ては電極８に＋V₂の電圧を印加したときには光
導波路５の光波の位相はφ₂進み、電極９に−V₂
の電圧を印加したときに光導波路６の光波の位相
はφ₂遅れる。そこで本実施例では、電極８には
第２図ｂに示すように＋V₂の矩形電圧を印加し、
電極９には第２図ｃに示すように第２図ｂと位相
がπ異なり極性が逆の−V₂の矩形電圧を印加す
る。本実施例においても第２図ｂ，ｃのように電
圧を印加することによりいかなる時間においても
光導波路５及び６の光波の位相差は一定とするこ
とができ、かつ周期的に電圧を０とするので直流
電界ドリフトの影響はない。

なお、本実施例のようにＺ板LiNbO₃結晶を用
いる場合、第３図に示すように、光導波路５及び
６の中央部に設置する電極７を第１図ａの光スイ
ツチと同様に光導波路５及び６の内側に設置し、
電極７に対向する電極１８及び１９をそれぞれ光
導波路５及び６の上まで形成してもよい。この場
合、電極１８及び１９にそれぞれ第２図ｂ及びｃ
に示す電圧波形を印加することにより第２図ａの
光スイツチを用いた場合と同様な効果が得られ
る。

以上述べたように本発明によれば分岐干渉形光
スイツチにおいて、光量の変化がない定常的なス
イツチング状態を保持できる光スイツチング方式
が得られる。

なお、本発明において用いる光スイツチの構成
及び印加電圧波形は上述の実施例に限定されるも
のではない。例えば光スイツチの材料としては直
流電圧に対して不安定現象が生ずるいかなる材料
に対しても本発明を用いることができ、強誘電体
以外の誘電体や半導体であつてもかまわない。ま
た印加電圧は直流電界ドリフト現象が生じない
0.5秒以下の周期をもつ単一極性の周期電圧であ
ればよい。一例として第１図ｄ，ｅの電圧の代わ
りにそれぞれsin²wt、cos²wtの関数に比例する周
期電圧を印加してもよい。但しここでｔは時間、
ｗは周波数を表わすものとする。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ、第２図ａ、第３図は本発明に用いる
分岐干渉形光スイツチの平面図、第１図ｄ，ｅ、
第２図ｂ，ｃは本発明による光スイツチング方式
の実施例の印加電圧波形を示す。第１図ｂは従来
の印加電圧波形を示し、第１図ｃは従来の光出力
を示す。第１図ｆは本発明の光出力を示す。 図において、１，２は光導波路、３，４は光方
向性結合器、５，６は光方向性結合器３，４を接
続するための光導波路、７，８，９，１７，１
８，１９は電極である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 光透過方向に順次設置された２つの光方向性
   結合器の間を接続するように配置された２本の光
   導波路間に電気光学効果によつて位相遅延差を生
   じせしめて出射光の光路を切換える光スイツチン
   グ方式において、前記２本の光導波路間の中央部
   に第１の電極を設け、該第１の電極をはさみ前記
   ２本の光導波路にそれぞれ沿つて第２及び第３の
   電極を設置し、前記第１と第２及び第１と第３の
   電極間に同一周期、同一振幅でかつ同一の立上り
   及び立下り波形を有し、互いに位相が180°異なる
   単一極性でかつ、周期的に電圧０となる周期電圧
   を印加することにより、前記２本の光導波路間に
   電気光学効果によつて生じせしめた位相遅延差を
   常に一定としながら、直流電界ドリフト現象を防
   止したことを特徴とする光スイツチング方法。