JPH0760236B2 - 光スイツチ素子 - Google Patents
光スイツチ素子Info
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- JPH0760236B2 JPH0760236B2 JP60003516A JP351685A JPH0760236B2 JP H0760236 B2 JPH0760236 B2 JP H0760236B2 JP 60003516 A JP60003516 A JP 60003516A JP 351685 A JP351685 A JP 351685A JP H0760236 B2 JPH0760236 B2 JP H0760236B2
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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、光通信，光応用計測，光情報処理等の分野に
関するものである。
関するものである。
従来の技術 近年光ファイバ通信計測等において、光路を切り換える
光スイッチ素子が重要なキーデバイスとして研究開発さ
れてきている。なかでも、導波路光スイッチ素子は、数
GHz以上の高速応答性を示すことで特に関心が集まって
いる。特に、TIR（内部全反射）型と呼称される導波路
光スイッチは素子が小型で高速性に富むといわれ脚光を
あびている。
光スイッチ素子が重要なキーデバイスとして研究開発さ
れてきている。なかでも、導波路光スイッチ素子は、数
GHz以上の高速応答性を示すことで特に関心が集まって
いる。特に、TIR（内部全反射）型と呼称される導波路
光スイッチは素子が小型で高速性に富むといわれ脚光を
あびている。
第４図には、従来例を示す。基板21上に設けられた交差
導波路23上に屈折率の低いバッファ層を介して設置した
制御電極25を有する構造でリッジ型の交差導波路23につ
ながる入力導波路24a,24bと出力導波路24c,24dとからな
る。電極25間に電圧26を印加しない場合には、入力導波
路24a（または24b）を導波する導波光22a（または22b）
が、交差導波路23を経て出力導波路24c（または24d）へ
出る。電圧26を印加して交差導波路23で、電極25のギャ
ップ直下部分で全反射をおこし、導波光22a（または22
b）を出力導波路24d（または24c）へと切りかえてい
た。（IEEEJ.Lightwave Tech.,Vol.LT−2,No.5,1984,P7
10） 発明が解決しようとする問題点 この様な従来の光スイッチ素子では、交差導波路部分
で、導波路間の結合がおこり、クロストークが劣化する
という問題点を有していた。また薄膜導波路ガリッジ型
断面形状を有するために、導波路側壁での散乱損失や、
交差導波路の交差部分での散乱損失があり、低損失光ス
イッチでは問題となっていた。
導波路23上に屈折率の低いバッファ層を介して設置した
制御電極25を有する構造でリッジ型の交差導波路23につ
ながる入力導波路24a,24bと出力導波路24c,24dとからな
る。電極25間に電圧26を印加しない場合には、入力導波
路24a（または24b）を導波する導波光22a（または22b）
が、交差導波路23を経て出力導波路24c（または24d）へ
出る。電圧26を印加して交差導波路23で、電極25のギャ
ップ直下部分で全反射をおこし、導波光22a（または22
b）を出力導波路24d（または24c）へと切りかえてい
た。（IEEEJ.Lightwave Tech.,Vol.LT−2,No.5,1984,P7
10） 発明が解決しようとする問題点 この様な従来の光スイッチ素子では、交差導波路部分
で、導波路間の結合がおこり、クロストークが劣化する
という問題点を有していた。また薄膜導波路ガリッジ型
断面形状を有するために、導波路側壁での散乱損失や、
交差導波路の交差部分での散乱損失があり、低損失光ス
イッチでは問題となっていた。
問題点を解決するための手段 本発明は上記問題点を解決するため、電気光学効果を有
する薄膜上に透明誘電体薄帯を設けて入出力光導波路と
し、入出力光導波路の間に、導波路レンズを形成する様
に、バッファ層より高い屈折率を有する円形状底面を有
する回転対称体を、入出力光導波路が結像関係になる様
に配置して入出力光導波路を接続し、バッファ層の上に
制御用の電極を設け、制御用電極に電圧を印加すること
により、光出力の切り換えを行うものである。
する薄膜上に透明誘電体薄帯を設けて入出力光導波路と
し、入出力光導波路の間に、導波路レンズを形成する様
に、バッファ層より高い屈折率を有する円形状底面を有
する回転対称体を、入出力光導波路が結像関係になる様
に配置して入出力光導波路を接続し、バッファ層の上に
制御用の電極を設け、制御用電極に電圧を印加すること
により、光出力の切り換えを行うものである。
作用 本発明は上記した構成により、導波路側壁の散乱が、導
波光しみ出し部分の透明誘電体薄体の側壁の散乱となる
ため散乱損失が従来のものに較べて極めて小さく、ま
た、回転対称体による導波路レンズ作用で入出力導波路
間の接続を行うため、入力，出力それぞれの光導波路間
での結合が生ぜず、クロストークの劣化がおこらず、ま
た、光の交差部分での散乱損失もなく低損失，低クロス
トークの光スイッチが実現できる。
波光しみ出し部分の透明誘電体薄体の側壁の散乱となる
ため散乱損失が従来のものに較べて極めて小さく、ま
た、回転対称体による導波路レンズ作用で入出力導波路
間の接続を行うため、入力，出力それぞれの光導波路間
での結合が生ぜず、クロストークの劣化がおこらず、ま
た、光の交差部分での散乱損失もなく低損失，低クロス
トークの光スイッチが実現できる。
実施例 第１図は本発明の光スイッチ素子の一実施例を示す鳥瞰
図である。第１図において、基板１上に電気光学効果を
有する透明薄膜２を形成した後、バッファ層３と、バッ
ファ層よりも高屈折率の透明誘電体を薄帯状にしたスト
リップロード４を導波路形状に配置しバッファ層と薄膜
２でとり囲んである。ストリップロード４の直下部分の
薄膜２の実効屈折率が高くなり横方向閉じ込めが成さ
れ、ストリップロードに沿って導波される。このストリ
ップロード４直下の部分が光の入力および出力導波路と
なる。ここでは、表現の簡便のため、ストリップロード
を、単に入力，出力導波路と呼ぶことにする。
図である。第１図において、基板１上に電気光学効果を
有する透明薄膜２を形成した後、バッファ層３と、バッ
ファ層よりも高屈折率の透明誘電体を薄帯状にしたスト
リップロード４を導波路形状に配置しバッファ層と薄膜
２でとり囲んである。ストリップロード４の直下部分の
薄膜２の実効屈折率が高くなり横方向閉じ込めが成さ
れ、ストリップロードに沿って導波される。このストリ
ップロード４直下の部分が光の入力および出力導波路と
なる。ここでは、表現の簡便のため、ストリップロード
を、単に入力，出力導波路と呼ぶことにする。
本実施例では、入力，出力ともに２本ずつの光導波路を
設けてある。２組の入力，出力光導波路は、底面が円形
状の回転対称体であるレンズ用ロード５を介して、面内
方向に結像位置になる様に配置されている。ここで、レ
ンズ用ロード５は、薄膜２上に形成されて、基板１とバ
ッファ層３とによりとり囲まれた導波層の実効屈折率
を、レンズ用ロード５の膜厚かつまたは屈折率を変化さ
せることにより変化させて、中央部分の実効屈折率を上
げて、周辺部へ行くにしたがい実効屈折率を下げていく
様に形成し、全体で、導波路レンズ（ルネベルグレン
ズ）を構成している。バッファ層３を介して、レンズ用
ロード５上に狭い電極ギャップ７を有する電極６を形成
してある。ギャップ７は、直下部分の薄膜２が、２組の
入出力光導波路端部を結ぶ交差線の二等分線上にくる様
に配置されている。電極６に電圧を電源９より印加した
時にスイッチすることになる。
設けてある。２組の入力，出力光導波路は、底面が円形
状の回転対称体であるレンズ用ロード５を介して、面内
方向に結像位置になる様に配置されている。ここで、レ
ンズ用ロード５は、薄膜２上に形成されて、基板１とバ
ッファ層３とによりとり囲まれた導波層の実効屈折率
を、レンズ用ロード５の膜厚かつまたは屈折率を変化さ
せることにより変化させて、中央部分の実効屈折率を上
げて、周辺部へ行くにしたがい実効屈折率を下げていく
様に形成し、全体で、導波路レンズ（ルネベルグレン
ズ）を構成している。バッファ層３を介して、レンズ用
ロード５上に狭い電極ギャップ７を有する電極６を形成
してある。ギャップ７は、直下部分の薄膜２が、２組の
入出力光導波路端部を結ぶ交差線の二等分線上にくる様
に配置されている。電極６に電圧を電源９より印加した
時にスイッチすることになる。
本実施例において、電気光学材料薄膜２はPLZT（x/y/
z）薄膜 ０≦x,y,z≦100,y＋ｚ＝100〕を用いた。実際には、サ
ファイヤ基板１上にPLZT（28/0/100）組成のターゲット
を用いてプレーナ・マグネトロン・スパッタ法によりPL
ZT薄膜を単結晶成長させた。膜厚は、3500Åであった。
ストリップロード４にはTa2O5をスパッタし、リフトオ
フ法により、幅10μm,膜厚200Å交差角１°の２×２の
入出力導波路形成に形成した。全長は曲り導波路を含め
約10mmであった。交差部中央直径2mmの部分はストリッ
プロードはない。
z）薄膜 ０≦x,y,z≦100,y＋ｚ＝100〕を用いた。実際には、サ
ファイヤ基板１上にPLZT（28/0/100）組成のターゲット
を用いてプレーナ・マグネトロン・スパッタ法によりPL
ZT薄膜を単結晶成長させた。膜厚は、3500Åであった。
ストリップロード４にはTa2O5をスパッタし、リフトオ
フ法により、幅10μm,膜厚200Å交差角１°の２×２の
入出力導波路形成に形成した。全長は曲り導波路を含め
約10mmであった。交差部中央直径2mmの部分はストリッ
プロードはない。
次に交差部中央に、逆テーパエッジを有する円形開口マ
スクを用いて、Ta2O5をスパッタして、中央部が約400Å
程になる様な、ドーム状円盤のレンズ用ロード５を形成
した。直径は約2.2mmであった。円盤の周辺部はテーパ
ー状になっており、入出力導波路部分との接続は損失な
く行なわれた。その上にバッファ層３をAlを添加したTa
2O5膜をスパッタして形成した。膜厚は、約1800Åであ
った。屈折率は、PLZT薄膜が2.6Ta2O5膜が2.08、Al2O3
膜が2.0であった。その上に、ギャップ４μm,幅20μm,
長さ2mmの平行電極を交差部中央に来る様にAlをリフト
オフ法でパターン出しした。入力光導波路となるロード
４の一端から1.3μｍの半導体レーザ光を入射させて、
出力光導波からの光出力を測定すると、挿入損失は、結
合損失を除くと、膜の伝搬損失5dB/cmとほとんど同じ値
で、レンズ収差による結合損失は約0.5dBと極めてわず
かであった。従来の１°の交差型リッジ導波路では、交
差部分の損失がリッジ型にしたために約1.5dBと大きな
値が得られクロストークは１°の場合３〜5dBの値しか
得られていなかったが、本発明の実施例では15dB以上と
いう低クロストークが実現された。これは、入出力導波
路の最近接距離が、それぞれ25μｍと離れているため
に、導波路間の結合がほとんどないためと考えられる。
スクを用いて、Ta2O5をスパッタして、中央部が約400Å
程になる様な、ドーム状円盤のレンズ用ロード５を形成
した。直径は約2.2mmであった。円盤の周辺部はテーパ
ー状になっており、入出力導波路部分との接続は損失な
く行なわれた。その上にバッファ層３をAlを添加したTa
2O5膜をスパッタして形成した。膜厚は、約1800Åであ
った。屈折率は、PLZT薄膜が2.6Ta2O5膜が2.08、Al2O3
膜が2.0であった。その上に、ギャップ４μm,幅20μm,
長さ2mmの平行電極を交差部中央に来る様にAlをリフト
オフ法でパターン出しした。入力光導波路となるロード
４の一端から1.3μｍの半導体レーザ光を入射させて、
出力光導波からの光出力を測定すると、挿入損失は、結
合損失を除くと、膜の伝搬損失5dB/cmとほとんど同じ値
で、レンズ収差による結合損失は約0.5dBと極めてわず
かであった。従来の１°の交差型リッジ導波路では、交
差部分の損失がリッジ型にしたために約1.5dBと大きな
値が得られクロストークは１°の場合３〜5dBの値しか
得られていなかったが、本発明の実施例では15dB以上と
いう低クロストークが実現された。これは、入出力導波
路の最近接距離が、それぞれ25μｍと離れているため
に、導波路間の結合がほとんどないためと考えられる。
次に動作原理について実施例にもとづき説明する。第２
図および第３図は、本実施例の第１図の光スイッチの上
面図の模式図である。図では、説明の簡単のため、バッ
ファ層を除いて示している。第２図，第３図はそれぞれ
第１図の電極７に電圧を印加しない場合とした場合を示
す。第２図において、入力光導波路4aを伝搬してきた入
射光11は、端部で拡がり、レンズ５で面内方向で集光さ
れ出力光導波路4cへと入って行き直進光出力13へとな
る。ここでの入出力導波路端部での反射損失は、導波路
の実効屈折率がほとんど同じため、極めて小さい。損失
は、レンズの収差により決まる。本実施例の場合、収差
損失は0.5dBという小さな値が、散乱光測定法により確
認された。第１図において、電極６に電圧を印加した場
合第１図の電極ギャップ７の直下のPLZT薄２の部分、第
３図においては、屈折率変化領域８の部分に電界が集中
し、屈折率が低下する。カー効果のため領域８の中央部
分が特に屈折率は低くなる。第３図において、入力光導
波路4aを伝搬してきた光11は、出射したあとレンズ５に
より集光されるが、屈折率の低い領域８により全反射さ
れ、出力光導波路4dへと集光され、反射光出力15とな
る。この時のスイッチ電圧は約3Vで消光比15dBが得ら
れ、それ以上の電圧を印加しても出力はほぼ一定で、消
光比が良くなっていくのが確認された。従来の場合に
は、4V程度で消光比10dBが得られ、電圧に対して正弦波
的光出力変動がみられていたが、本実施例の場合まった
くみられなかった。これはとりもなおさず、交差部分
（レンズ部分）での光結合がないためである。過剰スイ
ッチ損失は約0.5dBであった。従来は交差部での散乱の
ため約1dBであった。
図および第３図は、本実施例の第１図の光スイッチの上
面図の模式図である。図では、説明の簡単のため、バッ
ファ層を除いて示している。第２図，第３図はそれぞれ
第１図の電極７に電圧を印加しない場合とした場合を示
す。第２図において、入力光導波路4aを伝搬してきた入
射光11は、端部で拡がり、レンズ５で面内方向で集光さ
れ出力光導波路4cへと入って行き直進光出力13へとな
る。ここでの入出力導波路端部での反射損失は、導波路
の実効屈折率がほとんど同じため、極めて小さい。損失
は、レンズの収差により決まる。本実施例の場合、収差
損失は0.5dBという小さな値が、散乱光測定法により確
認された。第１図において、電極６に電圧を印加した場
合第１図の電極ギャップ７の直下のPLZT薄２の部分、第
３図においては、屈折率変化領域８の部分に電界が集中
し、屈折率が低下する。カー効果のため領域８の中央部
分が特に屈折率は低くなる。第３図において、入力光導
波路4aを伝搬してきた光11は、出射したあとレンズ５に
より集光されるが、屈折率の低い領域８により全反射さ
れ、出力光導波路4dへと集光され、反射光出力15とな
る。この時のスイッチ電圧は約3Vで消光比15dBが得ら
れ、それ以上の電圧を印加しても出力はほぼ一定で、消
光比が良くなっていくのが確認された。従来の場合に
は、4V程度で消光比10dBが得られ、電圧に対して正弦波
的光出力変動がみられていたが、本実施例の場合まった
くみられなかった。これはとりもなおさず、交差部分
（レンズ部分）での光結合がないためである。過剰スイ
ッチ損失は約0.5dBであった。従来は交差部での散乱の
ため約1dBであった。
本実施例では、結局、クロストーク15dB以上、スイッチ
電圧3V消光比15dB,挿入損失5dB,スイッチ損失0.5dBが得
られ、従来のものに較べて、クロストーク10dB以上、消
光比で5dB以上、挿入損失で1dB、スイッチ損失で0.5dB
の改善が得られた。また、スイッチ電圧も3Vと従来より
1V低くなり、特性も安定している。スイッチ電圧は、本
発明の場合入出力導波路の交差角を小さくすればする程
小さくなりクロストークも劣化しない。従来では、交差
角が小さくなると、クロストークが多くなり、２°以下
には仲々できなかった。
電圧3V消光比15dB,挿入損失5dB,スイッチ損失0.5dBが得
られ、従来のものに較べて、クロストーク10dB以上、消
光比で5dB以上、挿入損失で1dB、スイッチ損失で0.5dB
の改善が得られた。また、スイッチ電圧も3Vと従来より
1V低くなり、特性も安定している。スイッチ電圧は、本
発明の場合入出力導波路の交差角を小さくすればする程
小さくなりクロストークも劣化しない。従来では、交差
角が小さくなると、クロストークが多くなり、２°以下
には仲々できなかった。
なお本実施例では、電気光学材料としてPLZT（28/0/10
0）のターゲット組成から得られたPLZT膜について述べ
たが、電気光学特性を示すすべての組成のものを使用す
ることができる。ストリップロードおよびレンズ用ロー
ドにTa2O5を用い、バッファ層にAl2O3を添加したTa2O5
を用いたが、これらに限定することなく、Nb2O5，Al
2O3，酸化イットリウム，酸化チタニウム，SiO2等々電
気光学薄膜より屈折率が低く透明な膜であれば何でもよ
い。
0）のターゲット組成から得られたPLZT膜について述べ
たが、電気光学特性を示すすべての組成のものを使用す
ることができる。ストリップロードおよびレンズ用ロー
ドにTa2O5を用い、バッファ層にAl2O3を添加したTa2O5
を用いたが、これらに限定することなく、Nb2O5，Al
2O3，酸化イットリウム，酸化チタニウム，SiO2等々電
気光学薄膜より屈折率が低く透明な膜であれば何でもよ
い。
発明の効果 本発明により、従来のものにくらべクロストークが極め
て小さく、１°の交差角のもので、10dB以上の改善が得
られ、交差角をさらに小さくしてもクロストーク劣化は
みられない。また、それに伴いスイッチ電圧も小さくで
きる。従来では、交差角を小さくすると、電圧光出力特
性が波うち、消光比のあまりとれない使いにくいスイッ
チとなっており、２°程度が実用的な値であったが、本
発明では１°でも低電圧（3V）高消光比（15dB以上）が
得られ、更に消光比をおとさず交差角を小さくすること
が可能である。
て小さく、１°の交差角のもので、10dB以上の改善が得
られ、交差角をさらに小さくしてもクロストーク劣化は
みられない。また、それに伴いスイッチ電圧も小さくで
きる。従来では、交差角を小さくすると、電圧光出力特
性が波うち、消光比のあまりとれない使いにくいスイッ
チとなっており、２°程度が実用的な値であったが、本
発明では１°でも低電圧（3V）高消光比（15dB以上）が
得られ、更に消光比をおとさず交差角を小さくすること
が可能である。
第１図は本発明の光スイッチ素子の一実施例を示す鳥瞰
図、第２図および第３図は同素子の上面を示す模式図
で、第２図は電圧印加しない時の、第３図は電圧印加時
のものを示す。第４図は従来の光スイッチ素子の概略平
面図である。 １……基板、２……電気光学材料薄膜、３……バッファ
層、4,4a,4b,4c,4d……ストリップロード、５……レン
ズ用ロード、６……電極、７……電極ギャップ、８……
屈折率変化領域、11……入射光、12,14……伝搬光、13
……直進光出力、15……反射光出力、22a,22b,22c,22d
……入出力光導波路、23……交差導波路。
図、第２図および第３図は同素子の上面を示す模式図
で、第２図は電圧印加しない時の、第３図は電圧印加時
のものを示す。第４図は従来の光スイッチ素子の概略平
面図である。 １……基板、２……電気光学材料薄膜、３……バッファ
層、4,4a,4b,4c,4d……ストリップロード、５……レン
ズ用ロード、６……電極、７……電極ギャップ、８……
屈折率変化領域、11……入射光、12,14……伝搬光、13
……直進光出力、15……反射光出力、22a,22b,22c,22d
……入出力光導波路、23……交差導波路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山崎 攻 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭56−109306（ＪＰ，Ａ) 実開 昭54−162248（ＪＰ，Ｕ)
Claims (2)
- 【請求項１】基板上に形成した電気光学効果を有する薄
膜を用いて成る光スイッチ素子において、前記電気光学
効果を有する薄膜上に、透明誘電体薄膜であるバッファ
層と、前記バッファ層よりも屈折率が高く、前記電気光
学効果を有する薄膜中を伝搬する導波光の横方向閉じ込
めを行う透明誘電体薄帯と、前記電気光学効果を有する
薄膜中を伝搬する導波光の横方向の集光を行う導波路レ
ンズ作用を有し円形状底面を有する回転対称体とを前記
電気光学効果を有する薄膜と前記バッファ層との間に形
成し、前記透明誘電体薄帯が、前記回転対称体をはさん
で１組以上対向しかつそれぞれ対向した前記透明誘電体
薄帯の端部が結像関係にある様に配置され、前記バッフ
ァ層上にギャップを有する光路切り換え用の制御電極を
設け、前記制御電極間に電圧を印可して、前記電気光学
効果を有する薄膜の屈折率を低下させることにより、前
記ギャップ近傍の実効屈折率を下げて、前記回転対称体
に全反射領域を作ることを特徴とする光スイッチ素子。 - 【請求項２】電気光学効果を有する薄膜がPLZT系薄膜で
あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光ス
イッチ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60003516A JPH0760236B2 (ja) | 1985-01-11 | 1985-01-11 | 光スイツチ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60003516A JPH0760236B2 (ja) | 1985-01-11 | 1985-01-11 | 光スイツチ素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61162030A JPS61162030A (ja) | 1986-07-22 |
| JPH0760236B2 true JPH0760236B2 (ja) | 1995-06-28 |
Family
ID=11559527
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60003516A Expired - Fee Related JPH0760236B2 (ja) | 1985-01-11 | 1985-01-11 | 光スイツチ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0760236B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2404035A (en) * | 2003-07-17 | 2005-01-19 | Dow Corning Ltd | Electro-optic gap-cell for waveguide deployment |
| JP2011227439A (ja) * | 2010-03-31 | 2011-11-10 | Fujitsu Ltd | 光導波路デバイス、電子機器および光導波路デバイスの製造方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4143941A (en) * | 1977-12-01 | 1979-03-13 | Sperry Rand Corporation | Low loss optical data terminal device for multimode fiber guide optical communication systems |
| US4294507A (en) * | 1980-01-25 | 1981-10-13 | International Business Machines Corporation | Controllably deformed elastic waveguide elements |
-
1985
- 1985-01-11 JP JP60003516A patent/JPH0760236B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61162030A (ja) | 1986-07-22 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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