JPH0462524A - 光制御素子 - 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、光の変調、光路切替等を行なう光制御素子に
関し、特に基板に設けられた光導波路を用いて制御を行
なう光導波路型の光制御素子に関するものである。

（従来の技術） 近年、光通信システムの実用化が進むにつれ、さらに大
容量、高機能のシステムが要求されるようになり、より
高速の光変調器や光スィッチ等の光制御素子が必要とな
っている。このような光制御素子においては、その挿入
損失が光信号の伝送距離を制限する要因の一つであり、
高速性とともに低損失性が重要となる。

高速な光制御素子としては、電気光学効果を利用する光
制御素子が代表的であり、方向性結合器型光変調器（又
はスイッチ）、全反射型光スイッチ、分岐干渉光変調器
（又はスイッチ）に関する報告がなされている。例えば
、１０Ｇｂ／ｓ以上の超高速信号の変調器又はスイッチ
ング素子としては、ＬｉＮｂＯ３結晶中にＴｉを拡散し
て形成した光導波路を利用する素子があり、波長１．５
μｍに対して０．１〜０．２ｄＢ／ｃｍという小さな伝
搬損失が得られている。

ところで、このような先導波路型の光制御素子を実際の
光フアイバ伝送系へ適用する場合には、光ファイバとの
結合損失も考慮する必要がある。

このためには光導波路における伝搬光のエネルギー分布
を、光ファイバにおける伝搬光のエネルギー分布になる
べく近づけるように光導波路を製作することが行なわれ
ている。

一方、光導波路型の光制御素子の動作速度はその動作電
圧に強く依存し、高速化のためには動作電圧をできるだ
け低くすることが実用上、非常に重要である。ところが
、光制御素子の電圧を低減するためには、印加電界の強
度が大きい電極近傍に伝搬光のエネルギーを集中させる
必要があり、この低電圧化の条件は、一般に、前述した
光ファイバとの結合損失を低減させるための条件とは異
なっている。即ち、通常、用いられる単一モード光ファ
イバにおける伝搬光のエネルギー分布はスポットサイズ
（光強度がｅ−２となる全幅）が１０μｍ程度であるの
で、低損失を目的とする場合、光導波路のスポットサイ
ズも上記値程度となるように選ばれるが、低電圧化のた
めには先導波路における伝搬光のエネルギー分布を光フ
ァイバとの低結合損失条件の幅の値よりも小さ（する必
要がある。

このように強誘電材料に金属を拡散して形成した光制御
素子においては、低損失・低電圧を同時に満足するため
には、光ファイバとの結合部では光導波路の伝搬光のス
ポットサイズを光ファイバの伝搬光のスポットサイズに
一致させ、光制御部においては印加電圧の強度が大きい
電極近傍に伝搬光のエネルギーを集中させる必要がある
。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来より用いられている製造方法、即ち
Ｔｉ等の金属原子の薄膜パターンを光制御部も入出力光
導波路も同じ膜厚、同じパターン幅で強誘電体基板中に
熱拡散する方法では、光制御部と入出力光導波路との屈
折率の分布を別々に設定することはできず、そのエネル
ギー分布を別々に設定することはできないので、低損失
・低電圧を同時に実現することは不可能であった。

低損失・低電圧を同時に実現する光制御素子の一つとし
て、近藤、小松、太田により第７回集積光学と導波光学
に関する会議（７ｔｈ　Ｔｏｐｉｃａｌ　Ｍｅｅｔｉｎ
ｇ　　ｏｎ　　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　　ａｎｄ　　Ｇ
ｕｉｄｅｄ−Ｗａｖｅ　　０ｐｔｉｃｓ）　　のテクニ
カルダイジェストＴｕ　Ａ３−１に述べられているもの
がある。即ち、光制御部を構成する光導波路と該光制御
部及び光入出力端を接続する入出力光導波路との間で拡
散する金属原子を含む薄膜導波路パターンの膜厚を別々
に設定して、光ファイバとの結合部では先導波路のエネ
ルギー分布を光ファイバのエネルギー分布に近づけ、光
制御部においては光エネルギーを電極近傍に集中させる
ものがある。

しかしながら、前記光制御素子において光制御部と入出
力光導波路との間で膜厚を徐々に変化させることは複雑
な装置を必要とするとともに、般に、その変換部を任意
に制御することが困難であるという問題があった。

本発明は前記従来の問題点に鑑み、低損失に光ファイバ
等への結合が可能で且つ低電圧動作が可能な光制御素子
を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明では前記目的を達成するため、請求項（１）とし
て、基板面付近に形成された少なくとも１本の光導波路
及びその光導波路近傍に設置された電極によって構成さ
れる少なくとも１つの光制御部と、該光制御部及び前記
基板の端面に設けられた光入出力端を接続する入出力光
導波路とを具備した光制御素子において、入出力光導波
路の光入出力端側のパターンの幅を光制御部側のパター
ンの幅より狭くなした光制御素子、また、請求項（２）
として、入出力光導波路のパターンの幅を徐々に変化さ
せた請求項（１）記載の光制御素子、また、請求項（３
）として、入出力光導波路の光人出内端側における伝搬
光のエネルギー分布が光入出力端に結合される他の光素
子における伝搬光のエネルギー分布にほぼ等しくなるよ
うに該入出力光導波路の光入出力端側のパターンの幅を
設定した請求項（１）又は（２）記載の光制御素子を提
案する。

（作　用） 本発明の請求項（１）によれば、入出力光導波路の光入
出力端側のパターンの幅を光制御部側のパターンの幅よ
り狭くなしたことにより、入出力光導波路の光入出力端
側における屈折率が光制御部側より小さくなり、これに
よって、該光入出力端側における伝搬光のエネルギー分
布が該光入出力端に結合される他の光素子、例えば光フ
ァイバにおける伝搬光のエネルギー分布に近くなる。

また、請求項（２）によれば、入出力光導波路のパター
ンの幅を徐々に変化させたことにより、伝搬光のモード
変換による損失が小さく維持される。

また、請求項（３）によれば、入出力光導波路の光入出
力端側における伝搬光のエネルギー分布が光入出力端に
結合される他の光素子における伝搬光のエネルギー分布
にほぼ等しくなるように該入出力光導波路の光入出力端
側のパターンの幅を設定したことにより、光入出力端と
他の光素子との間の結合損失が充分小さく維持される。

（実施例） 第１図は本発明の光制御素子の一実施例を示すもので、
ここでは方向性結合器型の光制御素子を示す。

第１図において、１はＬｉＮｂＯ３基板であり、該基板
１上には互いに数μｍの間隔を隔てて幅数μｍ〜数１０
μｍ１長さ数ｍｍ〜数ＩＣ１＋ｍの光導波路２，３が設
置され、その上に光吸収を防ぐために設けたＳｉＯ２膜
（図示せず）を介して一対の電極４，５がそれぞれ形成
され、これらの光導波路２，３と電極４，５とにより方
向性結合器型の光制御部６が構成されている。また、基
板１上には光導波路２．３の入力側にそれぞれ接続され
た入力光導波路７，８及び光導波路２，３の出力側にそ
れぞれ接続された出力光導波路９，１０が設置されてい
る。

前記入力光導波路７，８はその間で結合が生じない程度
、例えば数１０μｍ〜数１００μｍ離れて形成されてお
り、その間隔は光制御部６の端部から基板１の端面に形
成される光入力端１１．１２に至るまでの間に徐々に広
がっていくように構成されている。また、入力光導波路
７，８はそのパターンの幅を光制御部６の光導波路２，
３に対応した幅から光入力端１１．１２に対応した幅に
徐々に変化させるモード変換部７ａ、８ａをそれぞれ備
えている。

また、前記出力光導波路９，１０はその間で結合が生じ
ない程度、例えば数１０μｍ〜数１００μｍ離れて形成
されており、その間隔は光制御部６の端部から基板１の
端面に形成される光出力端１３．１４に至るまでの間に
徐々に広がっていくように構成されている。また、出力
光導波路９゜１０はそのパターンの幅を光制御部６の光
導波路２．３に対応した幅から光出力端１３．１４に対
応した幅に徐々に変化させるモード変換部９ａ。

１０ａをそれぞれ備えている。

ここで、光導波路２，３、入力光導波路７，８及び出力
光導波路９，１０の部分はＬｉＮｂＯ３基板１の表面に
形成したＴｉ薄膜パターンをＬｉＮｂＯ３基板１中に熱
拡散して形成したものである。

なお、前述した光制御部６の光導波路２，３に対応した
パターンの幅とは、その伝搬光のエネルギーが電極４，
５近傍に充分集中したエネルギー分布を与える屈折率を
設定し得る値であり、また、光入力端１１．１２又は光
出力端１３．１４に対応したパターンの幅とは、これら
に接続される他の光素子、例えば光ファイバにおける伝
搬光のエネルギー分布に近いエネルギー分布を与える屈
折率を設定し得る値である。

第２図（ａ）〜（ｄ）は本発明の詳細な説明するための
もので、同図（ａ）はモード変換部７ａ、　８ａ及び９
ａ、１０ａの光制御部６側における屈折率分布を示す図
、同図（ｂ）は同じく伝搬光のエネルギー（光強度）分
布を示す図、同図（ｃ）はモード変換部７ａ、８ａ及び
９ａ、１０ａの光入力端１１．１２及び光出力端１３．
１４側における屈折率分布を示す図、同図（ｄ）は同じ
く伝搬光のエネルギー分布を示す図である。

即ち、各モード変換部の光入力端又は光出力端側におけ
る屈折率の最大値は第２図（ｃ）に示すようにｎ２であ
り、第２図（ａ）に示される各モード変換部の光制御部
側における屈折率の最大値ｎ１に比べて小さく、伝搬光
のエネルギー分布は第２図（ｄ）に示すように第２図（
ｂ）の場合より拡がっている。ここで、モード変換部７
ａ、８ａ及び９ａ、１０ａにおける屈折率は伝搬光のモ
ード変化による損失を小さくするため、第２図（ａ）の
分布より第２図（Ｃ）の分布へと数百μｍから数＋ｎｍ
に亘って徐々に変化する如くなっている。なお、ｎ５は
基板１の屈折率である。

前記実施例の光制御素子は、例えば第３図に示すような
製造方法により得られる。

まず、ＬｉＮｂＯ３基板１上に通常のフォトリソグラフ
ィ技術を用いて先導波路のパターンを形成する。即ち、
第３図（ａ）に示すようにＬｉＮｂＯ３基板１上にフォ
トレジストを一様に塗布してフォトレジスト膜２０を形
成し、光導波路部分と同形のフォトマスク（図示せず）
を通して露光し現像することにより、該フォトレジスト
膜２ｏに第３図（ｂ）に示すような光導波路形状の溝２
１を形成する。パターンの幅は、光制御部に対応する部
分２２ではＷｌ　（＝５μｍ　〜１０μｍ）であり、光
入出力端に対応する部分２３ではＷ２（＝３μｍ〜８μ
ｍ程度）であり、これらを接続するテーパ部分２４．２
５，２６．２７では長さが０．１〜数ｍｍに亘って幅が
ＷｌからＷ２まで徐々に狭くなっている。

次に、前記フォトレジスト膜２０上にＴｉ膜を７０〜１
１００ｎ程度全面に形成し、その後、該フォトレジスト
膜２０を溶解することにより、第３図（Ｃ）に示すよう
なＴｉ膜パターン２８を形成する。

次に、Ｔｉ膜パターン２８を備えた基板１を１０００℃
〜１１００℃、５時間〜１０時間程度高温炉中で加熱し
てＴｉをＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　０３基板１中へ拡散し、その
部分のみ屈折率をわずかに増加させて前述した光導波路
２，３及び入力光導波路７゜８及び出力光導波路９，１
０を形成する。

その後、電極での光吸収を防ぐためにＬｉＮｂＯ３基板
１上に５１０２膜を４００ｎｍ程度形成し、さらに該５
ｉ０２膜上にＣｒとＡｕもしくはＣｒとＡｇを積層する
ことにより、前述した一対の電極４，５を形成する。

最後に、各入出力光導波路に対して垂直方向に研磨もし
くは襞間することにより、前述した光入出力端１１，１
２．１３，１．４を形成する。

次に、前記光制御素子の動作を説明する。

光入力端、例えば１１への入射光１５は入力光導波路７
を通過して光制御部６の先導波路２へ導かれる。先導波
路２，３は互いに近接して方向性結合器をなしており、
該光導波路２の伝搬光はそのエネルギーが徐々に光導波
路３に移行する。

ここで、光導波路２及び３の長さは電極４，５に電圧を
印加しない場合、一方の先導波路における伝搬光のエネ
ルギーがほぼ１００％他方の先導波路に移行するような
長さ、即ち、完全結合長に等しくなるように選ばれてい
る。従って、印加電圧がＯの場合、入射光１５は光導波
路３及び出力光導波路１０を通って、光出力端１４がら
出射光１６として出射する。

一方、電極４，５に電圧を印加した場合には電気光学効
果による屈折率変化によって先導波路２及び３間の伝搬
光の位相定数の整合が崩れ、ある電圧値では光導波路２
及び３間における結合が０となり、入射光１５は光導波
路２及び出力光導波路９を通って、光出力端１３から出
射光１７として出射する。

このように前記光制御素子によれば、電極４゜５に対す
る印加電圧の有無によって入射光の光路を切り替えられ
る。また、光出力端１４がらの出射光１６だけに注目す
れば、電極４，５への印加電圧によって変調されること
になる。

ところで、前述した光路切替に必要な電圧又は１００％
変調に必要な電圧は、電極下に伝搬光のエネルギーが小
さく閉じ込められているほど低くなる。前記実施例によ
れば、先導波路２，３の深さ方向の屈折率は第２図（ａ
）に示すような分布をもっており、その最大屈折率はｎ
工であり、伝搬光のエネルギー分布は第２図（ｂ）に示
すように小さく、伝搬光は光導波路内に強く且つ小さく
閉じ込められ、低電圧で光路切替が可能である。

一方、先導波路と光ファイバとの結合においては、光フ
ァイバのスポットサイズが単一モードファイバにおいて
も１０μｍ程度と比較的大きいため、光導波路の出射光
１６又は１７の５工ネルギー分布もある程度波がること
が低損失結合のために必要である。入力光導波路７，８
及び出力光導波路９，１０のモード変換部７ａ、８ａ及
び９ａ。

１０ａでは、光入出力端側のＴｉ薄膜パターンの幅Ｗ２
が光制御部側のＴｉ薄膜パターンの幅Ｗ１よりも狭いた
め、第２図（Ｃ）に示すように屈折率が小さく、伝搬光
のエネルギー分布は第２図（ｄ）に示すように拡がる。

従って、光ファイバと低損失に結合することが可能であ
る。

前述のように本発明の光制御素子においては、薄膜パタ
ーンの幅を異ならしめることにより、光入出力端と光制
御部とにおける光導波路の屈折率分布を別々に設定し、
光入出力端においては伝搬光のエネルギー分布を光ファ
イバのエネルギー分布に近い分布とし、光制御部におい
ては伝搬光のエネルギーを基板表面に強く閉じ込めるよ
うになしている。従って、従来よりも損失が小さく且つ
駆動電圧が低い光制御素子が得られる。

なお、前記実施例では方向性結合器型の光制御素子につ
いて説明したが、本発明はいかなる形式の光制御素子、
例えば分岐干渉型光変調器や光位相変調器、交差導波路
型光スイッチ等に対しても適用でき、これらについて、
従来よりそれぞれ別々の素子で得られている低駆動電圧
特性、低損失光ファイバ結合特性を一つの素子で得るこ
とができる。

また、本発明に用いる基板材料、先導波路形状、電極形
状等は前記実施例に限定されるものではなく、例えば基
板材料としてＬｉＴａＯ３結晶等の強誘電体結晶を用い
ることができ、また、先導波路としてリッジ型の先導波
路やイオンインプランテーションにより形成した光導波
路等を用いることができ、さらにまた、電極形状として
高速化により適した進行波型の電極等を用いることがで
きる。

（発明の効果） 以上説明したように本発明の請求項（１）によれば、基
板面付近に形成された少なくとも１本の光導波路及びそ
の先導波路近傍に設置された電極によって構成される少
なくとも１つの光制御部と、該光制御部及び前記基板の
端面に設けられた光入出力端を接続する入出力光導波路
とを具備した光制御素子において、入出力光導波路の光
入出力端側のパターンの幅を光制御部側のパターンの幅
より狭くなしたため、入出力光導波路の光入出力端側に
おける屈折率を光制御部側より小さくでき、これによっ
て、該光入出力端側における伝搬光のエネルギー分布を
該光入出力端に結合される他の光素子、例えば光ファイ
バにおける伝搬光のエネルギー分布に近くでき、従って
、低損失に光ファイバと結合可能で且つ低電圧動作が可
能な光制御素子を得ることができる。

また、本発明の請求項（２）によれば、入出力光導波路
のパターンの幅を徐々に変化させたため、伝搬光のモー
ド変換による損失を小さく維持することができる。

また、本発明の請求項（３〉によれば、入出力光導波路
の光入出力端側における伝搬光のエネルギー分布が光入
出力端に結合される他の光素子における伝搬光のエネル
ギー分布にほぼ等しくなるように該入出力光導波路の光
入出力端側のパターンの幅を設定したため、光入出力端
と他の光素子との間の結合損失を充分小さく維持するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光制御素子の一実施例を示す構成図、
第２図（ａ）〜（ｄ）は本発明の詳細な説明図、第３図
（ａ）〜（Ｃ）は本発明の光制御素子の製造方法の説明
図である。 １・・・Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　０３基板、２，３・・・先導
波路、４゜５・・・電極、 ６・・・光制御部、 １０・・・光 導波路、 ７ａ。 ８ａ。 ９ａ。 １０ａ・・・モード変換 部、 １１゜ １２・・・光入力端、 １３゜ １４・・・光出力 端。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板面付近に形成された少なくとも１本の光導波
   路及びその光導波路近傍に設置された電極によって構成
   される少なくとも１つの光制御部と、該光制御部及び前
   記基板の端面に設けられた光入出力端を接続する入出力
   光導波路とを具備した光制御素子において、 入出力光導波路の光入出力端側のパターンの幅を光制御
   部側のパターンの幅より狭くなしたことを特徴とする光
   制御素子。
2. （２）入出力光導波路のパターンの幅を徐々に変化させ
   たことを特徴とする請求項（１）記載の光制御素子。
3. （３）入出力光導波路の光入出力端側における伝搬光の
   エネルギー分布が光入出力端に結合される他の光素子に
   おける伝搬光のエネルギー分布にほぼ等しくなるように
   該入出力光導波路の光入出力端側のパターンの幅を設定
   したことを特徴とする請求項（１）又は（２）記載の光
   制御素子。