JPH0419713A - 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） この発明は導波型光スイッチ、特に方向Ｔ！：結合器型
の光スィッチに間する。

（従来の技術） 従来より、導波型光スイッチとして、例えば文献工・西
原浩、春名正光、楠原敏明　共著　光集積回路　オーム
社　昭和６０年　ｐ３０４〜３０８に開示されるような
方向性結合器型のものかある。この光スィッチは、２本
の光導波路を近接配置しこれら導波路に対して制ａｉｉ
極を設けた構造を有し、制御電極に印加される動作電圧
ＶＯを半波長電圧Ｖ１とするときバー状態で光を出力し
、動作電圧Ｖ。Ｉ　Ｖ　ｏ　＝Ｏとするときクロス状態
で光を出力する。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら上述した従来スイッチは、半波長電圧ｖ１
が大きく従って光の出力制御に要する最大の動作電圧Ｖ
。の値が大きくなるという問題点があった。

ここで、動作原理は異なるがマツハツエンダ−型（分岐
干渉型）の光変調器と素子長を同一として比較すれば、
マツハツエンダ−型の場合Ｖｏ”■、では（２本の導波
路間の伝搬定数差）Ｘ（素子長）＝Ｔ［どなるが、上述
した従来スイッチの場合Ｖｏ＝Ｖ＋では（２本の導波路
間の伝搬定数とした場合、動作電圧Ｖ。＝Ｖ、は導波路
間の伝搬定数差に比例して大きくなり、従って従来スイ
ッチの場合の最大の動作電圧ＶＯ＝ｖ、はマツハツエン
ダ−型での最大の動作電圧ＶＯ＝Ｖ、のほぼ２倍となる
。

この発明の目的は上述した従来の問題点を解決するため
、導波路近接領域の中央部における導波路間の光の結合
を小ざくした導波型光スイ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、この発明の導波型光スイッ
チは、 導波路近接領域において光の相互作用を生ずるように近
接させた第一及び第二の導波路と、導波路に対して設け
た制御電極とを備えて成る方向性結合器型の導波型光ス
イッチにおいて、導波路近接領域の中央部における導波
路間の屈折率差を、導波路近接領域の中央部を除く領域
における導波路間の屈折率差よりも大きくし、制御電極
を、導波路近接領域の中央部及び該中央部を除く領域の
双方に設けることを特徴とする。

（作用） このような構成の導波型光スイッチによれば、導波路近
接領域の中央部（以下、領域工）における導波路間の屈
折率差を、導波路近接領域の中央部を除く領域（以下、
領域ＩＩ　）における導波路間の屈折率差よりも大きく
する。

このように領域工及びＨにおいて屈折率差を形成するこ
とによって、動作電圧Ｖ。−〇の状態で第一及び第二の
導波路間に伝搬定数差Δβ、を生しさせ、かつ伝搬定数
差Δβ、を第一及び第二の導波路の結合係数よりも大き
くすることができる。この結果、第一の導波路を導波す
る光と第二の導波路を導波する光とは、領域工において
は相対的に弱く結合すると共に領域Ｈにおいては相対的
に強く結合し、これがため光の出力制御のために要する
動作電圧Ｖ。”Ｖ＋（Ｖ＋は半波長電圧）を低減できる
。尚、領域工及び■において第一及び第二導波路を導波
する光は光の相互作用を生ずるように結合する。

さらにこの発明の導波型光スイッチによれば、制御電極
を、領域■及び領域■の双方に設ける。

領域Ｈにおいて導波路に沿って制御電極か占める領域の
長さを大きくするに従い、動作電圧Ｖ。＝ｖ１の低減量
を増加させることができる。動作電圧Ｖ。の低減のため
には、制御電極を導波路近接領域の始端から終端まで設
けるのが最も好ましい。

（実施例） 以下、図面％９照し、この発明の実施例につき説明する
。尚、図面はこの発明が理解できる程度に概略的に示し
であるにすぎず、従ってこの発明を図示例に限定するも
のではない。

第１図はこの発明の第一実施例の構成を概略的に示す平
面図である。

同図にも示すように、この実施例の導波型光スイッチ１
０は方向性結合器型の光スィッチであって、導波路近接
領域■において光の相互作用そ生ずるように近接させた
第一及び第二の導波路１２及び１４と、光の出力制御の
ため導波路１２．１４に対して設けた制御電極１６、］
８とを備えて成る。第１図中、これら電極１６．１８に
ハツチングを付して示した。

そして、導波路近接領域■の中央部■における導波路１
２．１４間の屈折率差α（Ｉ）を、導波路近接領域ｍの
中央部工を除く領域■における導波路１２．１４間の屈
折率差α（ｎ）よりも大きくし、制御電極１６．１８を
領域工及び領域ｎの双方に設ける。

第１図及び第２図を参照しより詳細に説明する。第２図
は第−実施例の導波路の説明に供する平面図であり、第
一実施例の導波型光スイ・ンチ１０の構成を制御電極１
６．１８を省略して示した図である。

この実施例では、電気光学効果を有する基板２０例えば
ＬｉＮｂＯ３基板を用意し、この基板２ｏに導波路１２
．１４ｖ！設ける。第２図にも示すように、近接領域■
においては導波路延在方向Ｈにおける領域■の中心位Ｍ
を通る対称線Ｓに関し導波路１２．１４の形状特に平面
形状及び又は立体的な形状がほぼ線対称となるようにな
し、かつ近接領域ｍにおいては導波路１２．１４を直線
状となしてこれらを互いに平行に配置する。

そして領域工及びＨにおける導波路間の屈折率差α（Ｉ
）及びα（Ｈ）を導波路幅によって制御する。ここで第
２図にも示すように、領域Ｉにおける導波路１２の導波
路幅をｄ　（Ｉ）及び導波路１４の導波路幅をＤ　（Ｉ
）　、また第２図の左側の領域■における導波路］２の
導波路幅をｄ（Ｉｌｌ）及び導波路１４の導波路幅ｔＤ
　（Ｉｌｌ）、ざらに藁２図の右側の領域■における導
波路１２の導波路幅をｄ（Ｕｒ）及び導波路１４の導波
路幅ｔＤ　（ＩＩ　ｒ）と表せば、次式（１）〜（２）
を満足させるように各導波路幅を設定すればα（１）〉
α（ＩＩ）とすることができる。

ｄ（１）　−ＤＣＩＮ　＞　１ｄ（ＩＩＩ）−Ｄ（Ｉｌ
ｌ）ｌ・・・（１）ｄ（Ｉ）　−〇（Ｉ）ｌ　＞　１ｄ
（Ｉｌｒ）−Ｄ（Ｉｌｒｌ　・−・（２）この実施例で
は領域Ｈにおける導波路間の屈折率差α（ｎ）を、ほぼ
零とするべく、ｄ（ＩＩｒ）−Ｄ（ＩＩｒ）＝　ｄ（Ｉ
ＩＩ）　−Ｄ（ＩＩＩ）＝○となるようにする。

このようにα（、ＩＩ　）ξ○とすることによって、動
作電圧Ｖ。＝０のとき光を領域Ｈにおいて導波路１２か
ら１４或は１４から１２へ移行させてクロス状態を得る
ことかできる。

そしてこの実施例では第１図にも示すように、制御電極
１６．１８を、近接領域■の始端Ｘから終端Ｙまて延在
させて設ける。尚、図中の符号１２ａ及び１２ｂは導波
路１２の光の入力端及び出力端、また１４ａ及び１４ｂ
は導波路１４の光の入力端及び出力端を示す。

次にこの実施例の導波型光スイッチ１０に閉して、光が
近接領域■の始端位置Ｘにおいて導波路１２に入射した
場合に、近接領域■の終端位置Ｙにおいて導波路１４で
得られる光の出力パワーＰにつき結合方程式を用いて考
えれば、この場合の出力パワーＰは次頁に示す（３）式
で表せる。

（３）式中ｐｃは結合長を表しＡｃ　＝　（Ｔ［／２）
／Ｋ　（Ｋは結合係数）、またΔＢ、は制御電極に電圧
（ＶＯ≠０）を印加したことにより電圧ＶＤの大きさに
応じて導波路１２．１４１１ｆｆｉに生ずる伝搬定数差
及びΔ８３は制御電極に電圧（Ｖ。

＝Ｏ）を印加しない状態において領域工の導波路Ｍの屈
折率差に起因して生じる伝搬定数差を表す、ΔＢ、の悌
は動作電圧Ｖ。に比例して変化する。尚、Δβ、及びΔ
β、は互いに独立な変数である。

（３）式を用いた解析によれば、β／Ｌ１ｊ！、成る特
定の値γとしたときに、Δβ、・Ｌ／■＝ｏ′￥なわち
動作電圧Ｖ。＝○でこの実施例の導波型光スイッチ１０
をクロス状態で動作させるには、次式（４）及び（５）
を満足するようにＬ　／　１　ｃ及びΔβ８・Ｌ／ｎ％
設定すればよいことがわかった。

菓３図に解析結果の一例を示す。第３図は８カバワーＰ
を縦軸に及びΔβ、・Ｌ／ｖｌ−横軸に取り、Ａ／Ｌ＝
１／３、Ｌ／Ｉ２．、＝１．５及びΔβ、・Ｌ／Ｔ［＝
５．８とした場合の、ΔＢ。

Ｌ／７＋の変化に対する出力パワーＰの変化を示す。

式（３）を用いた解析によれば、（１／Ｌ−１７３とし
たとき動作電圧ｖ０＝０で導波型光スイッチ］Ｏをクロ
ス状態で動作させて入力端１２ａから入射した光を出力
端１４ｂから出力させるためには、Ｌ／Ｉ２ｃ：　＝１
．５及び△β３　・Ｌ／Ｔ′［＝５．８とすればよい、
一方、このように！／Ｌ＝１／３、Ｌ＃ｃ＝１．ｓ及び
Δβ、・Ｌ／Ｔ［＝５．８とした場合、Ｍ３図からも理
解できるように、動作電圧Ｖ。そ調整して八〇、・Ｌ／
Ｔ［＝１．３（図中、矢印へで示す値）となるようにし
たとき出力パワーＰは（まぼ零となつ従っで導波型光ス
イッチ１０をバー状態で動作させて入力端１２ａから入
射した光を出力端１２ｂから出力させることかできる。

従来の方向性結合器型のものでは、Δβ、・Ｌ／ｙｒ＝
１．７（図中、矢印Ｂで示す値）となるように動作電圧
Ｖ。を調整したときバー状態で動作するので、光の出力
制御に必要な動作電圧Ｖ。−Ｖ＋　　（Ｖ＋は半波長電
圧）はこの実施例のほうが低くなる。この実施例によれ
ばバー状態を得るため必要なΔＢ、・Ｌ／Ｔ［を２０％
以上従来よりも低くすることができる。

以下に解析結果の他の例■〜■７ｉ！挙げる。

■Ａ／Ｌ＝０．５としたとき動作電圧Ｖ。＝Ｏでクロス
状態とするには、 Ｌ／β。＝２及び△β、・Ｌ／ＴＴ＝３．４とすればよ
い。このようにしたとき動作電圧Ｖ。を調整して△β、
・Ｌ／ＴＩ＝１．４となるようにすればバー状態か得ら
れる。

或はし／β。＝２及び△β、・し／ＴＩ＝７．８とすれ
ばよい。このようにしたとき動作電圧Ｖ。を調整してΔ
β、・Ｌ／Ｔ［＝１．２５となるようにすればバー状態
か得られる。

■ρ／Ｌ＝０．７としたとき動作電圧Ｖ。−〇でクロス
状態とするには、 Ｌ、＃ｃ＝３．５及び八β、　・Ｌ／ｎ＝４．４とすれ
ばよい。このようにしたとき動作電圧Ｖ。を調整してΔ
β、・Ｌ／Ｔ［＝１．４となるようにすればバー状態が
得られる。

尚、上述の解析では動作電圧Ｖ０＝○でクロス状態を得
るようにＡ／Ｌ、Ｌ／β０及びΔＢ。

し／Ｔ［を設計するようにしたが、動作電圧ｖ０≠ＯＴ
−リロス状態を得るようにρ／Ｌ、Ｌ／β。

及びΔ３．・Ｌ／ＴＴを設計することも可能である。

さらに固有モードの解析により、この実施例の導波型光
スイッチ１０でバー状態を得るための条件を求めればこ
の条件は次式（６）のように表せ領域■における屈折率
差α（１）を領域Ｈにおける屈折率差α（Ｉ’ｌ）より
も大きくしているのでΔβ、〉〉Ｋとすれば、（４）式
を満足する条件のもとて式（６）から次頁に示す（７）
式を得ることができる。

（７）式においでＡ−＋Ｌとすれば△β、・し／■→１
となり、従って領域■の長さβを近接領域■の長さしに
近づけるに従って動作電圧。＝■、を減少古せでゆくこ
とができる。

第４図は菌−実施例の変形例の構成を概略的に示す平面
図である。尚、上述した第−実施例の構成成分に対応す
る構成成分については同一の符号を付して示す。

この変形例では導波路１４に対して設けた制御電極］８
を３個の電極部材１８ａ〜１８ｃから構成し、電極部材
１８ａを第４図においで左側の領域Ｈに、電極部材１８
ｂを領域工に、及び電極部材１８ｃ！第４図において右
側の領域Ｈに設けでいるほかは、第−実施例と同様の構
成となっている。設計の上では、例えば動作電圧Ｖ。＝
＝○でクロス状態か得られるようにｎ　／　Ｌ　、　Ｌ
　／　Ｒｃ及びΔβ、・Ｌ／πを設計したにもかかわら
ず、作成誤差により動作電圧ＶＯ＝０でクロス状態が得
られない導波型光スイ・ンチ１０が完成したとしても、
各領域■、■毎に分割して設けた電極部材１８ａ〜１８
ｃに印加する電圧を任意好適に調整することによって、
クロス状態を得ることかできる。従って作成精度の緩和
を図れる。

第５図はこの発明の第二実施例の構成を概略的に示す平
面図である。尚、上述した第一実施例の構成成分に対応
する構成成分については同一の符号を付して示す。

第二実施例では、導波路間の屈折率差を、屈折率制御物
質の導波路への添加によって制御する。

これと共に導波路１２．１４の導波路幅特に領域工及び
Ｈにおける導波路幅を同一とする。このほかは上述した
第−実施例と同様の構成となっている。第５図中、屈折
率制御物質の添加領域２２を一点鎖線で囲み点を付して
示した。

第６図は第二実施例の導波路及び屈折率制御物質の添加
領域の説明に供する図である。

第５図及び第６図にも示すように、第二実施例では屈折
率制御物質の添加領域２２を平面的にみたとき領域■の
導波路１２及び基板２０の部分を含むように設定しこの
添加領域２２に屈折率制御物質を添加する。添加領域２
２の深さは導波路］２の深さ以上とするようにする。導
波路１４に対しては屈折率制御物質の添加は行なわない
。このように添加することによって、領域工における導
波路間の屈折率差α（Ｉ）を領域ｎにおける導波路間の
屈折率差α（１１）よりも大きくすることかできる。

基板２０　’：　Ｌ　Ｉ　Ｎ　ｂ　０３基板或はＬｉＴ
ａＯ３基板とした場合には、屈折率制御物質に例えばＴ
ｉやプロトンを用いればよい。

図示例では添加領域２２を平面的にみたとき領域Ｈの導
波路］２及び基板２０の部分を含むように設定したが、
平面的にみたとき領域■の導波路］２のみを含むように
設定しでもよい、、領域■の導波路１２及び基板２０の
部分を含むように設定した場合には添加領域２２の屈折
率を導波路１２の屈折率よりも大きくしてもよいし小す
くシてもよいしまたこれら２２及び］２の屈折率を等し
くしてもよい。領域■１の導波路１２のみを含むように
した場合には添加領域２２の屈折率を導波路１２の屈折
率よりも大きくするか小さくする。

また図示例では導波路１４に対しては屈折率制御物質を
添加しなかったが、導波路１２．１４の双方に対して屈
折率制御物質を添加して領域Ｉの屈折率差α（Ｉ）を領
域■の屈折率差α（ＩＩ）よりも大きくするようにして
もよい。

この発明は上述した実施例にのみ限定されるものではな
く、従って各構成成分の形状、配設値１、寸法、形成方
法、形成材料、数懐的条件およびそのほかを任意好適に
変更することができる。

例えば上述した実施例では近接領域■における導波路の
平面形状を直線状の形状としたが、近接領域■にあける
導波路の平面形状を曲線状としてもよい。曲線状とする
場合、近接する第一及び第二の導波路が領域工において
は遠ざかり領域Ｈにおいては近づくような円弧状とする
のがよい。

また（１）及び（２）式を満足するのであれば、必ずし
もｄ（ＩＩｒ）　−Ｄ（ＩＩｒ）＝　ｄ（ＩＩＩ）　−
Ｄ（ＩＩＩ）＝Ｏとしなくともよい。

（発明の効果） 上述した説明からも明らかなように、この発明の導波型
光スイッチによれば、導波路近接領域の中央部（領域工
）における導波路間の屈折率差を、導波路近接領域の中
央部を除く領域（領域■）における導波路間の屈折率差
よりも大きくするので、動作電圧ＶＯ＝○の状態で第一
及び第二の導波路間に伝搬定数差△β、１生じさせ、か
つ伝搬定数差△β、を第一及び第二の導波路の結合係数
よりも大きくすることができる。この結果、第一の導波
路を導波する光と第二の導波路を導波する光とは、領域
工においては相対的に弱く結合すると共に領域■におい
ては相対的に強く結合し、これがため光の出力制御のた
めに要する動作電圧Ｖ。＝Ｖ＋（Ｖ＋は半波長電圧）を
低減できる。

ざらにこの発明の導波型光スイッチによれば、制御電極
を、領域工及び領域■の双方に設ける。

領域■において導波路に沿って制御電極が占める領域の
広さ或は長さを大きくするに従い、最大の動作電圧Ｖ０
の低減量を増加きせることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第一実施例の構成を概略的に示す平
面図、 第２図はこの発明の篤−実施例の導波路の説明に供する
平面図、 菓３図はこの発明の第一実施例の解析結果の一例を示す
図、 菓４図はこの発明の菓−実施例の変形例の構成を概略的
に示す平面図、 第５図はこの発明の第二実施例の構成を概略的に示す平
面図、 第６図はこの発明の第二実施例の導波路及び屈折率制御
物質の添加領域の説明に供する平面図である。 １０・・・導波型光スイッチ １２．１４・・・導波路　１６．１８・・・制御電極２
２・・・屈折率制御物質の添加領域 ■・・・導波路近接領域の中央部 ■・・・導波路近接領域の中央部を除く領域■・・・導
波路近接領域。 １０導波型光スイ・ンチ ２．１４導波路 ２ａ、１４ａ入力端 ２ｂ、１４ｂ出力端 １６．１８制御電極 ２０基板 第−実施例の平面図 第１図 ■ 第 寅施例の導波路の説明図 ΔＢ、Ｌ／ＴＴ 第−寅施例の解析結果の一例 第３図 ８ａ ＋８ｂ ８ｃ 第−寅施例の変形例 第４ 図 菟二英施例の平面図 第５図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）導波路近接領域において光の相互作用を生ずるよ
   うに近接させた第一及び第二の導波路と、導波路に対し
   て設けた制御電極とを備えて成る方向性結合器型の導波
   型光スイッチにおいて、 導波路近接領域の中央部における導波路間の屈折率差を
   、前記導波路近接領域の中央部を除く領域における導波
   路間の屈折率差よりも大きくし、 前記制御電極を、前記導波路近接領域の中央部及び該中
   央部を除く領域の双方に設けることを特徴とする導波型
   光スイッチ。
2. （２）前記導波路間の屈折率差を、導波路幅によって制
   御することを特徴とする請求項１に記載の導波型光スイ
   ッチ。
3. （３）前記導波路間の屈折率差を、屈折率制御物質の導
   波路への添加によって制御することを特徴とする請求項
   １に記載の導波型光スイッチ。
4. （４）前記導波路近接領域の中央部を除く領域における
   導波路間の屈折率差を、ほぼ零とすることを特徴とする
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の導波型光スイッチ
   。
5. （５）前記制御電極を、前記導波路近接領域の始端から
   終端まで設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれ
   か一項に記載の導波型光スイッチ。