JPH0769526B2 - 電気光学的モード変換装置 - Google Patents
電気光学的モード変換装置Info
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- JPH0769526B2 JPH0769526B2 JP63103732A JP10373288A JPH0769526B2 JP H0769526 B2 JPH0769526 B2 JP H0769526B2 JP 63103732 A JP63103732 A JP 63103732A JP 10373288 A JP10373288 A JP 10373288A JP H0769526 B2 JPH0769526 B2 JP H0769526B2
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Description
【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） この発明は電気光学的モード変換装置に関する。
（発明の背景） 電気光学的モード変換器は応用範囲が広く重要である。
例えば、単一モードのオプテイカルフアイバシステムに
おいて、典型的な単一モードのフアイバ伝送システム、
このシステムでは伝播波は普通初期直線偏光を保存しな
いために波動の直線的な偏光状態への周期的な回復が重
要となる、に対する偏光制御装置として働く。
例えば、単一モードのオプテイカルフアイバシステムに
おいて、典型的な単一モードのフアイバ伝送システム、
このシステムでは伝播波は普通初期直線偏光を保存しな
いために波動の直線的な偏光状態への周期的な回復が重
要となる、に対する偏光制御装置として働く。
1986年１月発行の「オプテイツクスレターズ」（Optics
Lettere,Vol.II,No.1）の39−41頁に１個のTEと１個の
TMモードを支持するチタニウム拡散チヤンネル導波管が
形成されたＸカツトのリチウムニオベイト（LiNbO3）基
板を用いた、TE−TMモード変換器が示されている。導波
管の伝播方向は結晶のＺ−光軸に沿つたものである。電
気光学的に生じる偏光の回転は、対角外の電気光学係数
r61によつてもたらされる。偏光変換を生じさせるため
の電界を印加する電極構造は、導波管に対して対称位置
に配置した３個の独立した電極から構成され、その中心
電極は導波管上に横たわり、一対の外側電極はそれぞれ
中心電極の一方の側に配置されている。外側電極のうち
の１個は接地されており、２個の独立した電位V1とV2が
中心電極と他の一方の外側電極にそれぞれ印加されてい
る。導波管中で電位V1は主に垂直方向の電界成分に貢献
し、V2は主に水平方向の電界成分に貢献する。V1とV2と
を適宜変化させることによつて、導波管の一端に入射す
る単一モード光学波においてそのTEおよびTMモード間の
変換が遂行される。
Lettere,Vol.II,No.1）の39−41頁に１個のTEと１個の
TMモードを支持するチタニウム拡散チヤンネル導波管が
形成されたＸカツトのリチウムニオベイト（LiNbO3）基
板を用いた、TE−TMモード変換器が示されている。導波
管の伝播方向は結晶のＺ−光軸に沿つたものである。電
気光学的に生じる偏光の回転は、対角外の電気光学係数
r61によつてもたらされる。偏光変換を生じさせるため
の電界を印加する電極構造は、導波管に対して対称位置
に配置した３個の独立した電極から構成され、その中心
電極は導波管上に横たわり、一対の外側電極はそれぞれ
中心電極の一方の側に配置されている。外側電極のうち
の１個は接地されており、２個の独立した電位V1とV2が
中心電極と他の一方の外側電極にそれぞれ印加されてい
る。導波管中で電位V1は主に垂直方向の電界成分に貢献
し、V2は主に水平方向の電界成分に貢献する。V1とV2と
を適宜変化させることによつて、導波管の一端に入射す
る単一モード光学波においてそのTEおよびTMモード間の
変換が遂行される。
この装置では、V1によつて供給される垂直電界は対角外
の電気的光学係数r61によつて電気光学的に生じるTE−T
Mモード結合をもたらし、電位V2によつて得られる電界
は電気光学係数の余角r22とr12によつて電気光学的に生
じるTE−TMモード間の必要な位相シフトを得るために用
いられる。波長の伝播方向は光軸に沿つているので、TE
とTMモードの両者は同一の正常率（正常屈折率）を有
し、そのためすでにほぼ位相が一致している。
の電気的光学係数r61によつて電気光学的に生じるTE−T
Mモード結合をもたらし、電位V2によつて得られる電界
は電気光学係数の余角r22とr12によつて電気光学的に生
じるTE−TMモード間の必要な位相シフトを得るために用
いられる。波長の伝播方向は光軸に沿つているので、TE
とTMモードの両者は同一の正常率（正常屈折率）を有
し、そのためすでにほぼ位相が一致している。
この装置は幾つかの欠点を有している。第１に、中心電
極とその下に横たわる導波管との間で光学的に絶縁を謀
る必要がある。そのために普通ではLiNbO3の基板とその
上に横たわる電極との間に中間層を形成するが、これに
よつて製造工程が複雑化する。
極とその下に横たわる導波管との間で光学的に絶縁を謀
る必要がある。そのために普通ではLiNbO3の基板とその
上に横たわる電極との間に中間層を形成するが、これに
よつて製造工程が複雑化する。
更に、その動作は電極の位置調整に対して非常に敏感で
ある。普通数ミクロン離れた３個の電極を正確に位置調
整することはその製造工程を複雑化するものである。
ある。普通数ミクロン離れた３個の電極を正確に位置調
整することはその製造工程を複雑化するものである。
従つて上述の構造よりもより複雑でない構造のモード変
換器を得ることが望ましい。
換器を得ることが望ましい。
（発明の要約） 我々はＹ−カツトの結晶、例えばＹ−カツトのリチウム
ニオベイト結晶、でより簡単な構造が可能であることを
発見した。このような構造では、結晶のＺ−光軸に沿つ
て延びる拡散導波管チヤンネルに対して対称位置に配置
された一対の電極を含む２個の電極構造によつてモード
変換が可能であり、導波管上には電極を配置する必要が
ない。
ニオベイト結晶、でより簡単な構造が可能であることを
発見した。このような構造では、結晶のＺ−光軸に沿つ
て延びる拡散導波管チヤンネルに対して対称位置に配置
された一対の電極を含む２個の電極構造によつてモード
変換が可能であり、導波管上には電極を配置する必要が
ない。
（実施例） 第１図には、公知の方法でチタンを熱的に拡散すること
によつて結晶のＺ−光軸方向で結晶の長さ方向に沿つて
導波管チヤンネル12を形成した、Ｙ−カツトのLiNbO3結
晶10が示されている。
によつて結晶のＺ−光軸方向で結晶の長さ方向に沿つて
導波管チヤンネル12を形成した、Ｙ−カツトのLiNbO3結
晶10が示されている。
一般に、デポジツトされたチタンストリツプは厚さが約
480オングストローム、幅が３ミクロンであり、その拡
散は1100℃の酸素気流中で６時間に渉つて行われる。拡
散温度への上昇時間は約５時間であり、雰囲気温度への
降下時間も同様である。
480オングストローム、幅が３ミクロンであり、その拡
散は1100℃の酸素気流中で６時間に渉つて行われる。拡
散温度への上昇時間は約５時間であり、雰囲気温度への
降下時間も同様である。
次に、チヤンネル12の両サイドに、一般に長さ20ミリ
で、約７ミクロンの間隙をおいて離れた金の平行電極1
4、16をデポジツトする。好ましい電極幅は、駆動電圧
供給源に対して電極のインピーダンスマツチングを取る
ように選択される。典型的な実施例では、電極16は５か
ら10ミクロン幅であり、接地面として動作する電極14は
約１ミリ幅であつた。結晶の長さは約24ミリであつた。
で、約７ミクロンの間隙をおいて離れた金の平行電極1
4、16をデポジツトする。好ましい電極幅は、駆動電圧
供給源に対して電極のインピーダンスマツチングを取る
ように選択される。典型的な実施例では、電極16は５か
ら10ミクロン幅であり、接地面として動作する電極14は
約１ミリ幅であつた。結晶の長さは約24ミリであつた。
オプテイカルフアイバ（図示せず）によつて、例えば0.
632または0.820ミクロン（マイクロメータ）の入射波を
チヤンネルの一端に導入し、変換された出射波をもう一
方の端からオプテイカルフアイバ（図示せず）によつて
同様に取り出す。電極14または16の何れをも、被覆され
ておらずしかも結晶中に埋め込まれる必要のないチヤン
ネル12に、オーバーラツプさせないことが重要である。
632または0.820ミクロン（マイクロメータ）の入射波を
チヤンネルの一端に導入し、変換された出射波をもう一
方の端からオプテイカルフアイバ（図示せず）によつて
同様に取り出す。電極14または16の何れをも、被覆され
ておらずしかも結晶中に埋め込まれる必要のないチヤン
ネル12に、オーバーラツプさせないことが重要である。
第２図は結晶10の断面を示し、その表面のチヤンネル12
と、チヤンネル12の対向する両側に配置された電極14、
16を示している。電極14は可変d.c.電力供給源20を介し
て接地18されており、電極16はa.c.電源22を介して接地
18されている。電源周波数は目的によつて大きく変化す
る。d.c.偏光スイツチとして用いる場合、その周波数は
一般に極めて低く、高周波変調器として用いる場合その
周波数はギガヘルツの高さである。
と、チヤンネル12の対向する両側に配置された電極14、
16を示している。電極14は可変d.c.電力供給源20を介し
て接地18されており、電極16はa.c.電源22を介して接地
18されている。電源周波数は目的によつて大きく変化す
る。d.c.偏光スイツチとして用いる場合、その周波数は
一般に極めて低く、高周波変調器として用いる場合その
周波数はギガヘルツの高さである。
ある定まつた長さの電極における１回の実質的に完全な
モード間の変換に必要なd.c.バイアス電圧とa.c.駆動電
圧は、経験によつてもつとも良く決定される。相互作用
長が20ミリである上述の構造に対しては、波長0.632ミ
クロンで95％の変換を達成するのにa.c.駆動電圧として
５ボルトのピーク・ツー・ピーク電圧と、15から20ボル
トの範囲のd.c.バイアス電圧が有効であつた。0.820ミ
クロンの入射に対しては、約12ボルトのピーク・ツー・
ピーク電圧が15から20ボルトのバイアスに対して適当で
あることが明らかにされた。
モード間の変換に必要なd.c.バイアス電圧とa.c.駆動電
圧は、経験によつてもつとも良く決定される。相互作用
長が20ミリである上述の構造に対しては、波長0.632ミ
クロンで95％の変換を達成するのにa.c.駆動電圧として
５ボルトのピーク・ツー・ピーク電圧と、15から20ボル
トの範囲のd.c.バイアス電圧が有効であつた。0.820ミ
クロンの入射に対しては、約12ボルトのピーク・ツー・
ピーク電圧が15から20ボルトのバイアスに対して適当で
あることが明らかにされた。
d.c.バイアス電圧とa.c.駆動電圧の相対的な値は、高い
変換効率が得られるように選択される。第３図を参照し
ながら以下に示すように、高い変換効率を得るために
は、２個の電極間で少なくとも数ボルトの相違を常に維
持することが望ましい。a.c.駆動電圧が適当に決められ
た場合は、５ボルト程度の低いd.c.バイアスで駆動する
ことが適当である。一般に20ボルト以上のバイアスで駆
動することはあまり好ましくない。
変換効率が得られるように選択される。第３図を参照し
ながら以下に示すように、高い変換効率を得るために
は、２個の電極間で少なくとも数ボルトの相違を常に維
持することが望ましい。a.c.駆動電圧が適当に決められ
た場合は、５ボルト程度の低いd.c.バイアスで駆動する
ことが適当である。一般に20ボルト以上のバイアスで駆
動することはあまり好ましくない。
第３図に、ある定まつた長さの導波管チヤンネルの出力
端で交流電圧を変化させて測定したときの、TE成分の相
対な大きさを実線で、TM成分の相対的な大きさを破線で
示している。
端で交流電圧を変化させて測定したときの、TE成分の相
対な大きさを実線で、TM成分の相対的な大きさを破線で
示している。
図示するように、交流電圧が約４ボルト以下であるとき
モード間の変換は実質的に不十分であり、一方高電圧で
は高度の変換が得られる。
モード間の変換は実質的に不十分であり、一方高電圧で
は高度の変換が得られる。
上述したようなモード変換器に対して多くの応用が知ら
れている。例えば、相互作用長を完全な変換長にマツチ
ングさせることによつて、直線偏光の入力波を事実上完
全に反対の偏光に変換する事が出来る。
れている。例えば、相互作用長を完全な変換長にマツチ
ングさせることによつて、直線偏光の入力波を事実上完
全に反対の偏光に変換する事が出来る。
また相互作用長を完全変換の２分の１の長さにすること
によつて、直線偏光の入力波はほぼ円偏光波または楕円
偏光波に変換される。更に、相互作用長を望ましい程度
の変換、例えばオプテイカルフアイバによる波動の伝送
中にしばしば起こるように、最初は直線偏光であつても
伝送中に偏光の程度が低下した波動において、望ましい
程度にそれを補償するに十分な変換、を起こさせるのに
十分な長さに選ぶことも出来る。
によつて、直線偏光の入力波はほぼ円偏光波または楕円
偏光波に変換される。更に、相互作用長を望ましい程度
の変換、例えばオプテイカルフアイバによる波動の伝送
中にしばしば起こるように、最初は直線偏光であつても
伝送中に偏光の程度が低下した波動において、望ましい
程度にそれを補償するに十分な変換、を起こさせるのに
十分な長さに選ぶことも出来る。
同様に、効率的な変調器を形成するために直線偏光器を
してモード変調器とすることが良く知られている。
してモード変調器とすることが良く知られている。
またモード変換は、同じ発明者による同日出願（我々の
ケース番号No.7337）に記載されているように、ある偏
光の導波モードを直交偏光の損失モードに変換する変調
器としても使用され得る。
ケース番号No.7337）に記載されているように、ある偏
光の導波モードを直交偏光の損失モードに変換する変調
器としても使用され得る。
特に図示された実施例において、この発明に基づく種々
の変更が成されることが容易に理解されるであろう。例
えば、導波管チヤンネルを他の方法、例えば銅の電子拡
散法で形成することが可能である。更に、リチウムニオ
ペイトの結晶に変わつて他の材料、例えばリチウムタン
タレイトかまたは他の、１個のTEモードとTMモードを実
質的に支持する導波管構造を可能とするような適当な材
料、で置換することが出来る。ある材料が適当かどうか
は経験的に判断される。
の変更が成されることが容易に理解されるであろう。例
えば、導波管チヤンネルを他の方法、例えば銅の電子拡
散法で形成することが可能である。更に、リチウムニオ
ペイトの結晶に変わつて他の材料、例えばリチウムタン
タレイトかまたは他の、１個のTEモードとTMモードを実
質的に支持する導波管構造を可能とするような適当な材
料、で置換することが出来る。ある材料が適当かどうか
は経験的に判断される。
同様に、結晶に光を供給しかつ取り出す装置として、例
えば光を集束しまたは発散させるための対物レンズを用
いることが可能である。
えば光を集束しまたは発散させるための対物レンズを用
いることが可能である。
d.c.電圧に対してa.c.電圧を重畳するために種々の装置
が用いられる。例えば、電圧供給装置は、１電極と接地
間で直列なd.c.電圧源およびa.c.駆動電源を含み、他の
電極を接地させるように改良される。
が用いられる。例えば、電圧供給装置は、１電極と接地
間で直列なd.c.電圧源およびa.c.駆動電源を含み、他の
電極を接地させるように改良される。
また、この装置を単に変調器として用いる場合、その動
作点は電極にa.c.駆動源のみを供給して入力偏光を正し
く調整することにより決定される。偏光子によつて出力
偏光を分離することによつて、TEおよびTMの両モード成
分が振幅変調される。
作点は電極にa.c.駆動源のみを供給して入力偏光を正し
く調整することにより決定される。偏光子によつて出力
偏光を分離することによつて、TEおよびTMの両モード成
分が振幅変調される。
第１図はこの発明にかかる実施例を説明するための斜視
図、第２図は説明のために制御回路を付した第１図の実
施例の断面図、第３図は第２図の実施例の出力端で駆動
電圧を変化させて測定したTEおよびTM成分の相対的な大
きさをプロツトした図である。 10:Y−カツトLiNbO3結晶 12:導波管チヤンネル 14、16:平行電極、18:接地 20:d.c.電圧供給源、22:a.c.電圧供給源。
図、第２図は説明のために制御回路を付した第１図の実
施例の断面図、第３図は第２図の実施例の出力端で駆動
電圧を変化させて測定したTEおよびTM成分の相対的な大
きさをプロツトした図である。 10:Y−カツトLiNbO3結晶 12:導波管チヤンネル 14、16:平行電極、18:接地 20:d.c.電圧供給源、22:a.c.電圧供給源。
Claims (6)
- 【請求項１】Ｙ−カット、Ｚ軸−伝播方向の結晶基板と
一対の電極を備えた電気光学的モード変換装置におい
て、 前記結晶基板内に前記Ｚ軸に平行な方向な導波管チャン
ネルが形成され、該導波管チャンネルは前記基板のＸ−
Ｚ面に平行な偏光をもった所定波長の１つのTEモード
と、前記基板のＸ−Ｚ面に垂直な偏光をもった前記所定
波長の１つのTMモードを支持し、該TEモードとTMモード
は、前記基板のＸ−Ｚ面においてほぼ等しい位相速度を
もち、 前記一対の電極は、前記基板のＸ−Ｚ面上に前記導波管
チャンネルに関して対称で、Ｚ−軸に平行に配置され、
該電極により前記基板に電圧を印加して前記導波管チャ
ンネルを横切る電界を発生して、その電気光学的効果に
より該導波管チャンネルの電気光学的性質を変えられ、
また前記電界は前記TEモードとTMモードの位相速度がマ
ッチングを行うDC成分と、前記TEモードとTMモードの間
の変換を行うAC成分とを含む、ようになっている前記電
気光学的モード変換装置。 - 【請求項２】前記電界を発生するため、前記電極に接続
されたDCバイアス電圧源とACバイアス電圧源をさらに備
えた請求項１に記載の電気光学的モード変換装置。 - 【請求項３】前記基板がリチウムニオベイトで、前記導
波管チャンネルがチタンの拡散領域である請求項１に記
載の電気光学的モード変換装置。 - 【請求項４】Ｙ−カット、Ｚ軸−伝播方向の結晶基板と
一対の電極を備えた電気光学的モード変換装置におい
て、 前記結晶基板内に前記Ｚ軸に平行な方向な導波管チャン
ネルが形成され、該導波管チャンネルは前記基板のＸ−
Ｚ面に平行な偏光をもった所定波長の１つのTEモード
と、前記基板のＸ−Ｚ面に垂直な偏光をもった前記所定
波長の１つのTMモードを支持し、該TEモードとTMモード
は、前記基板のＸ−Ｚ面においてほぼ等しい位相速度を
もち、 直線偏光モードを含む波を直交偏光の他のモードに変換
のため、前記導波管チャンネルの一端に前記直線偏光モ
ードを含む波を入力波として与える手段が設けられ、 前記一対の電極は、前記基板のＸ−Ｚ面上に前記導波管
チャンネルに関して対称で、Ｚ−軸に平行に配置され、
該電極により前記基板に電圧を印加して前記導波管チャ
ンネルを横切る電界を発生して、その電気光学的効果に
より該導波管チャンネルの電気光学的性質を変えられ、
また前記電界は前記TEモードとTMモードの位相速度がマ
ッチングを行うDC成分と、前記TEモードとTMモードの間
の変換を行うAC成分とを含む、ようになっている前記電
気光学的モード変換装置。 - 【請求項５】前記基板がリチウムニオベイトで、前記導
波管チャンネルが前記基板の上部表面に形成されたチタ
ンの拡散領域であり、前記一対の電極が前記基板の長さ
方向に延びている、請求項４に記載の電気光学的モード
変換装置。 - 【請求項６】前記基板に印加される電圧は、前記入力波
が前記導波管チャンネルの長さ方向に伝播するとき、１
方向の直線偏光から、直交する方向の直線偏光に完全に
変換するような電圧である、請求項５に記載の電気光学
的モード変換装置。
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