JPH04110830A - 光制御デバイス - 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〕 本発明は光波の変調、光路切り替えを行う光制御デバイ
スに関し、特に電気光学結晶基板中に形成された光導波
路を用いて制御を行う導波路型光制御デバイスに関する
ものである。

〔従来の技術〕

光通信ンステムの実用化に伴い、さらに大容量で多機能
の高度なンステムが求められており、より高速の光信号
の発生や光伝送路の切り替え、交換等の新たな機能の付
加が必要とされている。現在の実用システムでは光信号
は直接半導体レーザや発光ダイオードの注入電流を変調
することによって得られているが、直接変調では緩和振
動等の効果のため数ＧＨｚ以上の高速変調が難しいこと
、波長変動が発生するためコヒーレント光伝送方式には
適用が難しい等の欠点がある。

これを解決する手段としては、外部変調器を使用する方
法があり、特に電気光学結晶基板中に形成された光導波
路により構成される導波型の光変調器は小型、高効率、
高速という特長がある。

一方、光伝送路の切り替えやネットワークの交換機能を
得る手段としては、光スィッチが使用されている。現在
実用化されている光スイッチはプリズム、ミラー　ファ
イバ等を機械的に移動させて光路を切り替えるものであ
り、低速であること、形状が大きくマトリクス化に不適
等の欠点がある。

これを解決する手段としても光導波路を用いた導波型の
光スィッチの開発が進められており、高速、多素子の集
積化が可能、高信頼等の特徴がある。特に、ニオブ酸リ
チウム（ＬｉＮｂＯ２）結晶等の強誘電体材料を用いた
ものは、光吸収が小さく低損失であること、大きな電気
光学効果を有しているため高効率である等の特長があり
、方向性結合器型光変調器あるいは光スイッチ、全反射
型光スイッチ、マツハツエンダ型光変調器等の種々の方
式の光制御デバイスが報告されている。

その中でも方向性結合器を用いた光変調器、光スィッチ
は低クロストーク、高消光比が他の方式に比べ得られ易
いた袷、盛んに研究開発が行われている。

近年、この方向性結合器を用いた導波路型光スイッチの
高密度集積化の研究開発が盛んに行われており、四本　
裕らの文献、電子情報通信学会○ＱＥ８８−１４７によ
ｔＮｆ、２板（Ｄ　Ｌ　］　Ｎ　ｂ　０３基板を用いて
方向性結合器型光スイッチを６４素子集積した８×８マ
トリクス光スイツチを得ている。また、前述した８×８
マトリクス光スイツチは任意の偏光成分に対してスイッ
チング機能が可能になるように集積された６４素子の方
向性結合型光スィッチのそれぞれが任意の偏波面成分に
対してスイッチングができるようになっている（以後、
偏光無依存動作と呼ぶ）。この偏光無依存動作は、光導
波路を伝搬するランダムな偏波面を有する光波において
偏波面が直交しているＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分のそ
れぞれのスイッチング電圧を一致させれば実現される。

すなわち、方向性結合器のパー状態を得るための印加電
圧が任意偏波面で一致していればよい。

一方、外部光変調器のような単一の光スイッチ素子から
成るデバイスの研究開発も盛んに進められている。

このような光スイツチデバイスの特性項目は、スイッチ
ング電圧（電力）、クロストーク、消光比、損失、切替
え速度、強度および位相変調周波数帯域、温湿度および
衝撃等の環境に対する動作の安定性等がある。また、前
述した偏光無依存動作の光スィッチでは、任意偏光のス
イッチング電圧の一致が重要である。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した特性項目の中でもスイッチング電圧の低減、ま
た、偏光無依存動作を実現する上で任意偏光でのスイッ
チング電圧の一致が最も重要な課題である。

ここで従来の技術を図面を用いて説明する。第２図は方
向性結合器を用いた従来の光スィッチの構造を示す断面
図である。第２図においては、Ｚ板Ｌ　］Ｎ　ｂ　Ｏｓ
　基板を電気光学結晶基板１に用いている。この電気光
学結晶基板１に２本の光導波路２ａ、２ｂから成る方向
性結合器２が形成されている。このとき、光波が光導波
路２ａ、２ｂを伝搬する方向はＸ軸である。（以後、Ｘ
軸伝搬と呼ぶ）。

一般に、方向性結合器２を形成する近接する２本の光導
波路２ａ、２ｂの伝搬定数は、互いに等しく成るように
設計、製作されている。この場合、方向性結合器２の長
さをある長さに設定すれば、一方の光導波路２ａまたは
２ｂを伝搬する光波は隣接する光導波路２ｂまたは２ａ
にモード結合し、光波のエネルギは徐々に隣接する光導
波路２ａ、２ｂに移行する。光波のエネルギの１００％
が他方の隣接する光導波路２ａ１２ｂに移行するときの
方向性結合器２の長さは完全結合長と呼ばれ、第２図で
はこの完全結合長に長さを設定した方向性結合器２を用
いている。

さらに、前記した電気光学結晶基板１上にバッファ層３
が装荷され、このバッファ層３を介して金属材料から成
る電極４ａ、４ｂ（以後、金属電極と呼ぶ）が光導波路
２ａ１２ｂの上に形成されている。前記したバッファ層
３は、金属電極４ａ。

４ｂによる光の吸収を防ぐための光学的バッファ層とし
て用いられ、金属電極４ａ、４ｂは高速動作が行えるよ
うに体積抵抗率が小さいものが用いられている。また、
光導波路２ａ、２ｂの上に形成された２つの電極４ａ、
４ｂの幅はＷＥで等しく、かつ光導波路２ａ、２ｂの光
波伝搬方向に対して垂直方向の幅ＷＧと同じ程度となっ
ている。

この構造の光制御デバイスでは光波の制御を行う電界成
分としては、Ｚ板ＬｉＮｂＯ３基板を用いている電気光
学結晶基板１の表面に対して垂直なもの、すなわちＺ軸
方向の電界成分（以後、縦電界成分と呼ぶ）を利用して
いる。この場合、光波の制御を行うために用いる光導波
路２ａ１２ｂの屈折率の変化を発生させる電気光学定数
は縦電界と平行方向のもの（以後、縦電気光学定数と呼
ぶ）である。したがって、スイッチング電圧はこのｗ！
電気光学定数の大きさでほぼ一義的に決まり、特定のス
イッチング電圧しか得られない。この縦電気光学定数は
Ｚ板ＬｉＮｂＯ３基板、χ軸伝搬において、ＴＭ偏光に
対してはｒ３３であり、ＴＥ偏光に対してはｒ１３であ
る。

また、第２図に示す従来の構造の光スィッチを偏光無依
存動作させるための手段の１つとして、ＴＭ、ＴＥの両
偏光における方向性結合器２の完全結合長を等しく設定
し、２つの電極４ａ、４ｂ間の電位差が零のとき、すな
わち縦電界を発生させないときには、光導波路２ａ１２
ｂを伝搬する光波の二２、ルギは一方の光導波路から他
方の光導波路へ１００％が移行する。これはクロス状態
と呼ばれている。２つの電極４ａ、４ｂ間に電位差を与
えていくと、伝搬定数の等しかった２本の光導波路２ａ
、２ｂの間に伝搬定数差が発生し、位相の不整合が起こ
り、隣接する光導波路２ａ、２ｂへの光波のエネルギ移
行が起こりにくくなる。

そして、特定の電位差で光波のエネルギ移行は全く発生
せず、光波は初ｔに伝搬していた光導波路２ａ、２ｂを
そのまま伝搬する。これはバー状態と呼ばれている。こ
のバー状態を得る電位差がスイッチング電圧である。バ
ー状態が得られる電位差は一点てはなく、完全な位相不
整合が発生する電位差ならばよい。

したがって、一番はじめのバー状態を得る電位差をＶＳ
とすると、２．２４ＶＳ、３．４２ＶＳ等の電位差でも
バー状態が得られる。偏光無依存動作を得るためには、
前述したクロス状態を得ると共にスイッチング電圧をＴ
Ｍ、ＴＥの各偏光間で一致させる必要がある。一方、各
偏光のスイッチング電圧は前述した縦電気光学定数、す
なわち、ＴＭ偏光に対するｒ３３、ＴＥ偏光に対するｒ
１３の大きさで一義的に決定される。この場合、縦電気
光学定数ｒ３３は異常光屈折率ｎｅの変化を発生させ、
もう一つの縦電気光学定数ｒ１３は常光屈折率ｎｏの変
化を生じさせる。したがって、ＴＭ、ＴＥの各偏光間で
同時にバー状態が得られる電位差を実現するためにはｒ
３３とｒ１３の比である（ｒ３３／ｒ、３）が１．０．
２．２４．３．４２等の比率である必要がある。しかし
、縦電気光学定数ｒ３３とｒ１３の大きさの比（ｒ’＋
３／ｒ１３）は前述した値ではなく約２．９〜３．３で
ある。この縦電気光学定数はＺ板ＬｉＮｂＯ３基板固有
の定数であり、調整はできない。つまり、ランダムな偏
波面を有する光波に対しては完全なバー状態を得ること
はできない。すなわち、一方の光導波路２ａまたは２ｂ
から隣接する光導波路２ｂまたは２ａへの光波のエネル
ギ移行を完全に無くすことはできないという欠点がある
。したがって、光路の切替えを行う光スィッチの応用で
はクロストークの劣化として現れ、光の強度変調器の応
用では消光比の劣化を引き起こすという問題がある。

本発明の目的は、低電圧な動作および任意偏波面のスイ
ッチング電圧が一致し、高クロストークおよび高消光比
が可能な偏光無依存動作が得られる光制御デバイスを提
供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による光制御デバイスは、電気光学効果を有する
結晶基板に形成された２本の近接した光導波路から成る
方向性結合器と、前記した２本の各光導波路上に形成さ
れた電極とから成る光制御デバイスにおいて、前記した
２本の各光導波路上に形成された電極の光波伝搬方向に
対して垂直方向の幅が、前記した２本の各光導波路上に
形成されたそれぞれの電極で異なり、前記した２本の光
導波路のうち、いずれか一方の光導波路上に形成された
電極の幅が光導波路の光波伝搬方向に対して垂直方向の
幅と同じ程度に形成され、かつ他方の光導波路上に形成
された電極の幅が前記した光導波路の幅より十分広く形
成されたことを特徴とする。

１作用〕 本発明による方向性結合器を用いた光制御デバイスを用
いれば、低電圧化が得られると共に、高クロストークお
よび高消光比の光スィッチ、変調器が得られる。すなわ
ち、本発明では従来の構造と異なり、２つの電極の一方
を光導波路の幅より十分広くしており、縦電界に加えて
横方向の電界を用いているためである。

〔実施例〕

次に本発明について図面を参照して説明する。

第１図（Ａ）、（Ｂ）は本発明の一実施例に係る光制御
デバイスの構造を示す断面図である。第１図（Ａ）、（
Ｂ）においては、Ｚ板ＬｉＮｂＯ３基板を電気光学結晶
基板１０に用いており、また光波の伝搬方向はＸ軸に平
行な方向である。

第１図（Ａ）の光制御デバイスは２本の光導波路１１ａ
、ｌｌｂから成る方向性結合器１１を備えており、光導
波路１１ａ、ｌｌｂの上にノＸ７フア層１２を介して電
極１３．１４が形成されてし）る。このとき、２本の光
導波路１１ａ、ｌｌｂの上に形成されたそれぞれの電極
１３．１４のＹ軸方向の幅’ｖ”ｖ’Ｅ１、ＷＢ２は等
しくなく、一方の電極１４は他方の電極１３より幅が広
く形成されている。このとき、電極１３．１４は光導波
路１１ａ、ｌｌｂを全て覆うため電極１３．１４の幅は
光導波路１１ａ、ｌｌｂの幅ＷＣより広く、また電極１
３．１４の光導波路１１ａ、１１ｂへの重なり具合は、
方向性結合器１１を形成する２本の光導波路１１ａ、ｌ
ｌｂの間の領域では双方の電極１３．１４て等しくなっ
ている。

一方、方向性結合器１１の外側では重なり具合が、２つ
の電極１３．１４で異なる。すなわち、片方の電極１４
の方が他方の電極１３に比べ幅が広（形成されている。

片方の電極１４については、方向性結合器１１の外側部
分は前記した電極１４の下に形成されている光導波路１
１ｂを覆い、また前記した電極１４の幅ＷＥ２はこの電
極１４の下に形成された光導波路１１ｂの幅ＷＧより十
分広く形成されている。もう１つの電極１３については
、方向性結合器１１の外側部分は前記した電極１３の下
に形成されている光導波路１１ａを全て覆っているが、
前記した電極１３の幅ＷＥＩはその下に形成された光導
波路１１ａの幅ＷＧより少し広い程度である。

このような電極構造ではｍ電界成分の他に、光波の伝搬
方向に垂直で、かつＺ板Ｌ　Ｉ　Ｎ　ｂ　０３　基板か
ら成る電気光学結晶基板１０の表面に平行な電界成分、
すなわち、Ｙ軸方向の電界成分（以後、横電界成分と呼
ぶ）を用いている。この横電界成分に対応する電気光学
定数はｒ２２であり（以後、横電気光学定数と呼ぶ）、
常光屈折率ｎｏの変化を引き起こす。すなわち、ＴＥ偏
光のみに寄与する。したがって、光導波路１１ａ、ｌｌ
ｂを伝搬する光波がＴＥ偏光の場合には、本発明による
光制御デバイスの構造を用いれば縦電気光学定数と横電
気光学定数の両方を用いることができるた必、印加電圧
が従来の構造と同一でも電極１３．１４の下に形成され
ている光導波路１１ａ、１１ｂの常光の屈折率変化を大
きくすることができる。したがって、従来の構造に比べ
低電圧動作が得られる。

また、逆に横電界成分の向きを反対にすれば、すなわち
、第１図（Ｂ）に示すように、１つの電極１３と他方の
電極１４とを入れ換えた構造をとれば、常光屈折率ｎｏ
の変化を従来の構造よりも小さくできる。したがって、
ＴＥ偏光のスイッチング電圧を小さくも大きくもできる
ため、偏光無依存動作を行う光制御デバイスにおいて、
ＴＭ。

ＴＥ偏光のそれぞれのスイッチング電圧を一致させるこ
とができる。すなわち、ある一定の値であるＴＭ偏光の
スイッチング電圧にＴＥ偏光のスイッチング電圧を合わ
せることができる。したがって、偏光無依存動作におい
て、光路の切り替えを行うスイッチの応用では高クロス
トークが得られ、光の強度変調器の応用では高消光比が
得られる。

なお、バッファ層１２としては５１０２系、Ａ１２０３
、〜４ｇＦ２　　Ｓｉ○Ｎ、Ｓｉ３　Ｎ４等が用いられ
、電極１３．１４としてはＡｕ、Ａｎ。

ＭＯ１ＩＴ○、ＺｎＣ系材料、導電性高分子等が用いら
れる。なお、電極１３．１４に光の吸収がなければバッ
ファ層１２を用いな（ともよい。

〔発胡の効果〕

以上の通り、本発明を用いれば、２本の近接した光導波
路から成る方向性結合器を用いた光制御デバイスにおい
て、従来の構造と異なり、２本の光導波路の上に形成さ
れる２つの電極の一方を光導波路の幅より十分広く形成
しており、縦電界に加えて横方向の電界を用いているた
め、低電圧化が得られると共に、偏光無依存動作におけ
る高クロストークおよび高消光比の光スィッチ、変調器
が得られるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、（Ｂ）は本発明に係る光制御デバイスの
断面図、第２図は従来の光制御デバイスの一例を示す断
面図である。 １０・　・・電気光学結晶基板、 １１　ａＳ’ｉ　ｉ　ｂ’−−光導波路、１１・・・方
向性結合器、 １３．１４・・・・・電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電気光学効果を有する結晶基板に形成された２本の近接
   した光導波路から成る方向性結合器と、前記した２本の
   各光導波路上に形成された電極とから成る光制御デバイ
   スにおいて、前記した２本の各光導波路上に形成された
   電極の光波伝搬方向に対して垂直方向の幅が、前記した
   ２本の各光導波路上に形成されたそれぞれの電極で異な
   り、前記した２本の光導波路のうち、いずれか一方の光
   導波路上に形成された電極の幅が光導波路の光波伝搬方
   向に対して垂直方向の幅と同じ程度に形成され、かつ他
   方の光導波路上に形成された電極の幅が前記した光導波
   路の幅より十分広く形成されていることを特徴とする光
   制御デバイス。