JPH0713685B2 - 交叉導波路型光スイッチ - Google Patents

交叉導波路型光スイッチ

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JPH0713685B2
JPH0713685B2 JP59190931A JP19093184A JPH0713685B2 JP H0713685 B2 JPH0713685 B2 JP H0713685B2 JP 59190931 A JP59190931 A JP 59190931A JP 19093184 A JP19093184 A JP 19093184A JP H0713685 B2 JPH0713685 B2 JP H0713685B2
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/31Digital deflection, i.e. optical switching
    • G02F1/313Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure
    • G02F1/3137Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure with intersecting or branching waveguides, e.g. X-switches and Y-junctions

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光回路素子に係り、特に、交叉した導波路をも
つ光スイッチに関するものである。
現在実用化されている光スイッチはミラーを動かすなど
の機械的な切り換え方式が一般的で、その小型化及び集
積化が困難であり、また、個別部品を高精度で組立,調
整する技術が必要となる。本発明者等は先に提案した電
気光学結晶に形成した交叉導波路型光スイッチが小型,
低電圧駆動が可能で、かつ消光比の良好なことを見出し
ている〔特開昭59−60425号光スイッチ〕。
〔従来の技術〕
第5図は従来の交叉導波路型光スイッチの導波路の構造
を説明するための要部模式図で、例えばニオブ酸リチウ
ム(LiNbO3)等の電気光学結晶からなる基板1の表面に
帯状のチタン薄膜層2を直線的に交叉するように形成
し、これを例えば1040℃で5時間熱処理を行なうことに
より、チタン薄膜層2が基板1に拡散し、基板1より屈
折率が大で直線的に交叉した導波路3が形成される。
第6図は既に提案した交叉導波路型光スイッチの構造を
説明するための要部模式図で、2つの光導波路の交叉部
分に導波路の幅より狭い長方形の電極4が設けられ、そ
の長辺は2つの光導波路の光入射側部分31及び32の端辺
がなす交叉角頂点Pと光出射側部分33及び34の端辺がな
す交叉角頂点Qを結んだ線に対して平行で、かつ該線に
関して上下対称となっている。
上記構成の導波路型光スイッチでは、電極4に印加され
る電圧の極性と大きさに応じて、電極4に対向する屈折
率変化領域の屈折率は増加(+Δn効果)あるいは減少
(−Δn効果)する。
しかして光導波路上に伝播される光は、周知の如く導波
路上での光分布の状態が異なる0次(基本),1次,2次,3
次等各モードに分けられており、高次になるにしたがっ
て伝播速度も大となる。しかも各モード共にそのモード
の伝播を可能とする導波路上では形状を変化しながら伝
播し、かつ導波路上の各点では時間の変化にしたがって
位相も変化し、伝播速度の差により各モード間に位相差
が生じる。
そして交叉導波路における入射側の1本の導波路に、例
えば基本モードの光が入射されて出射側に伝播する場
合、導波路上におけるモードの形状は、交叉導波路の入
射側の2本の導波路に基本モードと1次モードの光を共
に入射し、出射側に伝播させる場合の合成波に相当す
る。
即ち出射側の1本の導波路では2つのモードの波形が同
一方向となれば相加され出射し、他の1本の導波路では
モードの波形が互いに逆方向であれば相殺され出射され
ない。
出射側の2本の導波路で2つのモードの波形が共に相加
されれば、いづれの導波路からも光出力が得られること
になる。
そして第6図に示す交叉導波路型光スイッチでは、電極
4に印加される電圧の極性と大きさに応じて電極に対向
するす屈折率変化領域の屈折率は増加、あるいは減少す
ることは既述の通りであり、屈折率を変化すれば伝播速
度は変化し、これは各モードにおける位相変化の速さが
変わることになり、モード間の位相差も変化する。
従って第6図の如き交叉導波路型光スイッチでは、例え
ば無信号時には直進光出力と分岐光出力とは等しくな
り、屈折率を増加させるように信号電圧を印加すると、
正方向での、所定屈折率においては、分岐光出力が極大
となり、直進光出力は極小となる。
一方屈折率を減少させるように信号電圧を印加すると、
負方向での所定の屈折率では直進光出力は極大となり、
分岐光出力は極小となる。
このように導波路上では屈折率の増減によって光は位相
と共に正弦関数的に変化するので、交叉導波路型光スイ
ッチの動作原理からも明らかな如く、光導波路および電
極の設計条件,信号電圧の大きさ,その極性を種々異な
るように設定することによって、前述とは異なり0電圧
状態において直進出力状態とすることも、分岐出力状態
とすることも、あるいは無出力状態とすることも可能と
なり、このことは容易に理解されうることである。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら上記従来の交叉導波路型光スイッチにあっ
ては、通常それぞれミクロンメートルの単位となってい
る2つの光導波路の交叉部分に長方形の細い電極が、そ
の長辺を2つの光導波路の光入射側部分の端辺がなす交
叉角頂点Pと、光出射側部分の端辺がなす交叉角頂点Q
を結んだ線上に、入出力導波路の幅より細く設けられて
いるために、導波路の交叉部での電極の位置合わせに精
度を要し、導波路の幅が細い光スイッチでは、この様な
構造を達成することが困難である。
特に交叉導波路型光スイッチでは、交叉導波路の位置で
交叉点の位置とその左右両側の各位置での導波路の幅が
それぞれ異なっているので、導波路内で電極のある部分
と電極外の位置とでは屈折率の変化が異なり、入射光と
出射光間の光進路の制御が複雑となる。
一方交叉部の形状に合わせて電極を配置することも考え
られるが、微細形状の導波路の交叉部のくびれ部分の電
極の位置合わせに多少でも位置ズレが生ずると、電極の
近傍は特に電界強度変化が大であるので、大きな特性変
動を起こすという問題がある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記問題点は本発明により、電気光学結晶よりなる基板
上で基板より屈折率が大である2本の導波路が直線的に
交叉する交叉導波路構成において、導波路及びその近傍
の基板を含む領域の屈折率変化制御用の信号電圧の印加
される電極が、交叉角頂点を結んだ線に対し平行な上下
対称形状を備え、かつその電極面が交叉部及びその近傍
から離れた位置で交叉部を含む基板上に配置されること
を特徴とする交叉導波路型光スイッチによって解決され
る。
〔作用〕
上記導波路型光スイッチにおいては、2つの光導波路の
交叉部及びその近傍を含む全体に屈折率変化を制御する
屈折率変化手段を設ける。
即ち交叉部の交叉角頂点を結んだ線に対し、上下対称で
導波路及びその近傍の基板を含む領域に電極を設け、電
界を印加するか、その領域の全体の温度を上昇させて屈
折率を変化させる電極が設けられるので、導波路の交叉
部での電極の位置合わせに高い精度を必要とせず、電極
に印加する電圧の極性と大きさを選択することにより、
入射光を直進あるいは分岐して出射できる。
しかも屈折率の変化でスイッチ動作を実現するものであ
り、通常一定電圧でスイッチし、屈折率の変化のばらつ
きの少ないことが重要となるので、入出力部を除いた電
極面が交叉部及びその近傍から離れるようにしている。
〔実施例〕
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。
第1図は本発明の一実施例の電気光学効果を利用した交
叉導波路型光スイッチの構造を説明するための要部模式
図で、例えば、Y−Cutニオブ酸リチウム(LiNbO3)等
の電気光学結晶からなる基板1の表面に従来と同様の方
法で2つの直線的に交叉する、基板1より屈折率の高い
導波路3が形成され、その上に2つの光導波路の交叉部
及びその近傍を含む全体に屈折率変化制御用信号電圧に
よる電界が形成されるように交叉角頂点間を結んだ線に
対し、入出力部5′を除いて電極5が上下対称に設けら
れ、しかも入出力部5′を除いて電極面が交叉部及びそ
の近傍から離されている。
かかる電極5に信号電圧を印加することにより、例えば
矢印X方向から入射する光は矢印Yの方向に直進、ある
いは矢印Zの方向に分岐され、信号電圧を印加しない場
合直進出射と同時に分岐出射とすることも出来る。
熱光学効果を利用する場合、屈折率変化が上記電気光学
効果を利用した交叉導波路型光スイッチよりも大きくで
きるので、性能のよい交叉導波路型光スイッチが得られ
る。
第2図,第3図及び第4図は熱光学効果を利用した交叉
導波路型光スイッチの構造を説明するための要部平面図
と導波路交叉部A−A′の断面図、及び斜視図であり、
例えばSiの基板11上に熱酸化したSiO2膜12を形成し、そ
の上に、2つの導波路が直線的に交叉するようにTixSi
1-xO2の導波路13が設けられ、その上をSiO2膜14の保護
層が覆っている。さらにそのSiO2膜14上に交叉部及びそ
の近傍を含む全体を覆うように屈折率変化手段として抵
抗体(例えばTi)の電極15が形成され、入出力部15′に
接続されている。なお、SiO2膜14はTixSi1-xO2の導波路
13より屈折率が小さく導波効果を高めるとともに、上部
の電極15との光学的絶縁も兼ねている。
電極15は交叉角頂点間を結んだ線に対し入出力部15′を
除いて上下対称で、しかも入出力部を除いて電極面は交
叉部及びその近傍から離されており、この電極に信号電
圧を印加することにより、電極15下の交叉部の温度が上
昇し、その結果屈折率変化領域(交叉部)の屈折率は増
加(+Δn効果)を示し、従って電極15に信号電圧を印
加することにより、矢印X方向から入射する光を矢印Y
の方向に直進、あるいは矢印Zの方向に分岐させる。
このように構成されたスイッチでは、交叉部の屈折率の
増加とともに直進側に出射する状態と、分岐側に出射す
る状態が交互に起きるため、温度の上昇を電流で制御す
ることにより良好なスイッチが構成できる。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、導波路において、
交叉部の交叉角頂点間を結んだ線に対し上下対称に、導
波路及びその近傍の基板を含む領域の屈折率変化を制御
する信号電圧の印加される電極が設けられ、交叉部及び
その近傍での屈折率変化にばらつきがないように、その
電極面は入出力部を除いて交叉部及び其の近傍から離さ
れている。
即ち交叉部及びその近傍を含む全体に電界を印加する
か、交叉部及びその近傍を含む全体の温度を上昇させて
屈折率を均等に変化させる電極を設けるようにしている
ので、交叉部と電極の位置合わせに高い精度を必要とせ
ず、従って小型,集積化された導波路型光スイッチが容
易に製作できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の電気光学効果を利用した交
叉導波路型光スイッチの構造を説明するための要部模式
図、 第2図,第3図及び第4図は熱光学効果を利用した交叉
導波路型光スイッチの構造を説明するための要部平面図
と導波路交叉部の断面図及び斜視図、 第5図は従来の交叉導波路型光スイッチの導波路の構造
を説明するための要部模式図、 第6図は従来の交叉導波路型光スイッチの構造を説明す
るための要部模式図である。 図において、 1,11は基板、2はチタン薄膜層、3,13は光導波路、4,5,
15は電極、5′,15′は電極に対する入出力部、12,14は
SiO2膜、31,32は光入射側部分、33,34は光出射側部分、
PQは光導波路の交叉角頂点、 をそれぞれ示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中島 啓幾 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (56)参考文献 特開 昭53−96853(JP,A) 特開 昭58−95330(JP,A) 特開 昭59−93431(JP,A) 特開 昭58−142320(JP,A)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電気光学結晶よりなる基板上で基板より屈
    折率が大である2本の導波路が直線的に交叉する交叉導
    波路構成において、導波路及びその近傍の基板を含む領
    域の屈折率変化制御用の信号電圧の印加される電極が、
    交叉角頂点を結んだ線に対し平行な上下対称形状を備
    え、かつその電極面が交叉部及びその近傍から離れた位
    置で交叉部を含む基板上に配置されることを特徴とする
    交叉導波路型光スイッチ。
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