JPS6032028A - 光制御型光スイッチ - 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 本発明は光制御型光スイッチに関するものであシ、特に
プリズム結合型光制御型光スイッチの構造に関するもの
である。

従来例の構成とその問題点 光エレクトロニクス部品は最近ますます高密度化、高性
能化されている。特に部品の高密度、高信頼性をめざす
一方法として光導波路を用いた光回路部品が注目されて
いる。特に光制御システムにおいては光伝送路を任意の
他の光伝送路に切替えることのできる光スィッチが随所
に必要なることは論を待たず、これらの光スィッチにお
いても、従来の可動部分を含む主として機械的な光スィ
ッチに代って固体化された光回路化された導波路型スイ
ッチが望まれている。光導波路型光スイッチは研究レベ
ルでは種々の提案や試みがなされ、逐次性能の向上が実
現されつつある。しかし、これらの光スィッチも現実の
光システムに導入するという観点から評価するとその性
能の点で不充分な状態にある。さらに上記の光スィッチ
の駆動にさいしては電気光学効果を利用する関係上光ス
イツチ部に電圧を印加するだめの給電線を必要とする。

一方、光計測制御システム等に使用し悪環境下における
光の伝送・制御を実現する具体的な手法の一つとして引
火性・爆発性雰囲気中での光伝送路のスイッチングが不
可欠な技術要素である。このような雰囲気下では、低電
圧とはいえ電圧印加用の給電線が設置されるのは安全の
点から望ましいものでない。

以上の背景から発明者らは給電線が不用で、光ファイバ
による光の供給のみで光スィッチの駆動が可能な第１図
要部に示す光制御型光スイッチを提案した。

光制御型光スイッチを図にしたがって説明すると、基板
１０上に形成した電気光学効果の大きいＰＬＺＴ薄膜１
１に主導波路１２を形成するとともに、主導波路１２に
接続する副導波路１３を形成し、制御電極１４．１４’
を接続部１６上に設けたＴＩＲ型光スイッチを構成し、
同一基板上に設けた光起電力膜１６に制御光ファイバ１
７からの光波２ｏを照射し電圧を発生させ電気的に結合
した制御電極１４，１４′に電圧を印加し、電極ギャッ
プ下の導波路の屈折率を低下させて低屈折率層を形成し
、導波路１２中を伝搬する導波光を低屈折率層との界面
で全反射させ導波光の伝搬方向を変化させている。具体
的な動作は、たとえば２１から℃２に進む導波光を電圧
の印加により２１から２５　に偏向させることにょ勺行
う。システム内に実装する場合、この光制御型光スイッ
チのみでは動作させることができないので、光ファイバ
１８．１９を光導波路と結合させファイバ連結光制御型
光スイッチとしなければならない。

しかし、上記の構成にすると光ファイバ１８の伝送光を
光導波路１２に効率よく結合させることは困難である。

この要求を満足させるためには、光導波路１２の断面形
状と光ファイバ１８の断面形状をほぼ一致させ且つ断面
中心を精度よく合致させなければならない。特にＰＬＺ
Ｔ系薄膜導波路では膜厚０．１〜１μｍなので、コア径
６μｍのシングルモードファイバを使用しても結合損失
は３０ｄＢ以上あシ実用上問題があった。また、光ファ
イバ１８からの結合の場合は所望のモードの導波光のみ
を結合することは通常困難であシ、種々のモードの導波
光が導波路中を伝搬するとＴＩＲ型光スイッチの分岐比
および消光比が低下するという欠点があった。

このため、薄い薄膜導波路中でも高効率で結合するべく
第２図に示すプリズム結合が考えられる。

具体的に記すと、プリズム２１を導波路１２゜１３上に
設けて光ファイバ１８からのプリズム２１に入射した伝
送光２４を光導波路１２に結合し、しかもプリズム２１
のモード選択性によシ所望のモードの導波光のみが励振
され、分岐比、消光比が改善され良好な光制御型光スイ
ッチとなると考えられた。しかし、この第２図では、実
際に□は導波光がプリズム２１の直角陵線２１′を通る
際にこの直角陵線２１′に少しでもカケ等による乱れが
存在すると導波光が散乱されモード変換が起こり結合効
率があまり高くなく、且つ分岐比、消光比の低下が発生
し実用には至らなかった。

これ等の欠点を除くためにプリズム２１．薄膜１１間の
エアーギヤ、プ３１を第３図に示すとと（、亨−ハー状
にするということが考えられた。

この方法は前述の結合法が持つ欠点は除去しておシ、理
想的最高結合効率も９６％と非常に高い。

しかしながら、本発明者らは、この方法を詳細に検討し
た結果つぎのような欠点を有し、実用にはいたらないと
判断した。

（１）薄膜１１との接触点３２と光の伝送点３３との距
離が大きくなるため基板の面精度が非常に要求される。

（２）薄膜との接触点３２がプリズム２１の前面エッヂ
であるので、プリズム肉厚のきわめて薄い点に大きな圧
力がかかり、プリズムが破損し、良好な接触が得られな
い。

そこで本発明者らは種々の方法を検討した結果、ファイ
バー導波路間の構造を改良することによシ高効率の光制
御型光スイッチ構造を見い出した。

発明の目的 本発明の目的は、光７フイパとの結合構造に改良を加え
、結合効率を改善し且つモード変換を防ぎＴＩＲ型光ス
イッチ部の分岐比、消光比を改良し特性の優れた光制御
型光スイッチを提供するものである。

発明の構成 本発明の光制御型光スイッチは、光起電力膜で発生され
る電力を用い導波光を制御するＰＬＺＴ薄膜導波路で構
成されたＴＩＲ型光スイッチに、導波路上にプリズムを
密着固定し上記プリズム内の全反射面で反射された光波
を上記導波路に伝送させるものである。

実施例の説明 以下に実施例にもとづき詳細に本発明を説明する。

第４図（ａ）は本発明の一実施例にかがる光制御型光ス
イッチの斜視図であシ、第１，２図と同一部分には同一
番号を付している。同図（ｂ）は同図（ａ）の光入力部
の要部断面図であシ、屈折率分布型レンズは省略してい
る。この第４図の場合直角プリズムを使用した場合であ
る。同図（−）　、　（ｂ）において、光制御型光スイ
ッチは、光起電力膜１６で発生される電力を用い導波光
を制御するＰＬＺＴ薄膜導波路１２．１３で構成された
ＴＩＲ型光スイッチに、導波路１２．１３上にプリズム
２１を密着させプリズム２１内の全反射面４１で反射さ
れた光波Ｑ５を上記導波路１２に伝送させるべく配置さ
れる。この構成において、光ファイバ１８を伝送された
光波は全反射属４１に向かって送り込まれ、光波２５は
全反射面４１で反射されテーパー状ギャップ３１へ送ら
れエバネセント光となり薄膜１１へ送シ込まれ、光は方
向４２へと伝送される。

このような結合方法は第４図から解るように、もっとも
プリズム２１の肉厚の厚い点４３で薄膜１１と接触して
いるので欠は等がプリズム２１に発生せず常に良好な接
触が得られ、結果的に良好なテーパー状エアーギャップ
・３１が形成されることとなり、きわめて良好な伝送効
率が得られる。

また接触点４３と光波が膜内に伝送される点３３との距
離を小さくすることが可能であるから、基板の面精度は
悪くても良好な結合が得られる。

なお当発明に使用されるこの例の場合のプリズムは第２
図、第３図で示されて−るプリズムとはまったく異なる
ものである。なぜなら第２，３図で使用されるプリズム
は全反射面４１を必要としないためどのような面精度で
あっても使用上問題はない。しかし本発明中に使用され
るプリズム２１の全反射面４１の精度は前述のようにき
わめて大きな意味を持っている。また三角プリズム２１
は第４図（日中の破線群４４で切断した形状としてもよ
い。

このようにすくなくともプリズムに一面以上の反射、面
を有するものを光結合プリズムとして使用しこれ等の反
射面を利用し、膜とプリズムの接触点４３と光伝送点、
３３との距離を小さくせしめることができる。

したがって、（１）基板の必要面精度の要求が従来より
きわめてゆるやかになる。（２）光学部材（プリズム）
に大きな負担を加えることなしに、光学部材と薄膜との
接触を十分おこなうことができ、理想的なテーパー状エ
アーギャップが成形されるため、高効率の結合が得られ
る。

等の大きな利点が発生する。

また、第４図に示すように、光ファイバの結合方向を第
４図（ａ）のごとく互いに交差させると、ファイバ直接
結合方式の光制御型光スイッチと長手方向で同寸法で構
成でき、システムに組み込む場合は小型化が計ることが
できる。また、マルチモードファイバでも使用可能なた
め取扱いが容易で信頼性も高い利点を有している。

次に、本発明の他の実施例を第６図に示す。第６図はプ
リズム２１として６角柱プリズムを用いてさらに良好な
結合を行ったものである。すなわち、三角プリズム２１
においては、第４図（ａ）に示す屈折率分布型レンズ４
６（第５図では省略）とプリズム２１の接合は傾いて行
なわれることになり、またプリズム面とレンズ面が平行
ではないことから、固定が難しく接合が不安定である。

このような問題も第６図のごとき５角柱プリズムを用い
ると、プリズム面とレンズ面をはぼ平行に配置させるこ
とができ、また基板１ｏに対しても屈折率分布型レンズ
４６は垂直に位置するので、固定がし易い上に頑強で安
定な接合が得られる。このような６角柱プリズムを用い
ることでさらに良好な光導波路素子を形成することが可
能となる。

第６図において、薄膜１１として屈折率２．６゜膜厚４
００ｏ人、基板１０の屈折率１．７８　、プリズム屈折
率３．３１のものを使用したとすると、反射面４１と誘
電体薄膜１１となす鋭角は６６゜（プリズム２１内の角
度は１１５°）となる。当然前述の条件が変更されたな
ら−この角度も変化する０ちなみにプリズム２１として
屈折率１．６〜３．６の部材を使用し、誘電体薄膜１１
として屈折率が１．６〜３．０の材質を用いた場合、前
述のプリズム内の一角は１２６°〜１０５°の角度を取
ることにより光を薄膜内属有効に伝達することができる
。なお、反射面４１．薄膜１１と対向する光電透面は光
学研磨がなされている。このような６角柱プリズムを用
いることによシ良好な光薄膜素子を形成することが可能
となる。

以上の例ではいずれもプリズム２１内の全反射面４１は
全反射条件をもちいているが、特定の面に反射物質を付
与する方法でも本発明を遂行することができる。また、
第４図（ロ）、第６図では光を薄膜に伝送する光入力部
を述べたが、逆に薄膜１１からプリズム２１に光をぬき
出す場合も同様に逆の行程をへてファイバ１９に光波を
出力する光出力部（第４図（ａ）の右側部分）は光入力
部と逆の経路を光波が進行することになる。

また、本発明者らはプリズム結合の構成をさらに調べた
結果、屈折率分布型レンズを光ファイバとプリズムとの
間に設けると光制御型光スイッチとして有効であること
を見い出した。すなわち、光ファイバの伝送光はプリズ
ム通過中に自然広がりが生じ、たとえば−辺６ｇの直角
プリズムを通過すると伝送光のビーム径は帛オーダに達
する。

導波路の幅は通常３〜６０μｍまでであシ、自然広がシ
のため結合効率が低下していた。したがって、第４図（
ａ）に示したように光ファイバ１８とプリズム２１との
間に屈折率分布型レンズ４６を設は固定すると結合効率
が改善された。特にプリズム２１における光伝送点３３
に光ファイバ１８の出光端の実像を結ばれると特に良い
ことを確認した。

さらに本発明者らは光ファイバの種類に選択を加えると
さらに結合効率の改善されることを見い出した。すなわ
ち、光ファイバ１８にシングルモードファイバを使用し
、光ファイバ１９にマルチモードファイバを使用すると
良いことを見い出した。入力光ファイバ１８にシングル
モードア１イ・　゛　バを使用すると、光波は通常シン
グルモードのコア径６〜１０μｍの中を伝送されてくる
ため屈折率分布レンズ４６によシ微小に集光され導波路
部分に像をほぼ結ぶことが可能であシ、結合効率の高い
ことを確認した。また、出力光ファイバ１９にマルチモ
ードファイバを使用すると、３〜５０μｍ幅の導波路か
らの出力光を屈折率分布型レンズで効率よく結合できた
。

発明の効果 以上のように本発明にかかる光制御型光スイッチにおい
ては、従来の構造において実現できなかった高効率、小
型化ができ、その実用上の価値は大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光制御型光スイッチの構造を示す斜視図
、第２図は従来の光制御型光スイッチの他の構造を示す
斜視図、第３図は第２図にかかる光制御型光スイッチの
他の構造の要部断面図、第４図（−）　、　（ｂ）は本
発明の一実施例にかかる光制御型光スイッチの構造を示
す斜視図、要部構造断面図、第６図は本発明にかかる一
実施例にかかる光制御型光スイッチの要部構造を示す断
面図である。 １１・・・・・・ＰＬＺＴ薄膜、１２・・・・・・主導
波路、１３・・・・・副導波路、１４・・・・・・制御
電極、１６・・・・・・光起電力膜、１７・・・・・・
制御光ファイバ、１８・・・・・・入力光ファイバ、１
９・・・・・・出力光ファイバ、２１・・・・・・プリ
ズム、３１・・・・・・エアーギャップ、３３・・・・
・・伝送点、４１・・・・・・反射面。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）光起電力膜で発生される電力を用いて導波光を制
   御するＰＬＺＴ薄膜導波路を形成し、上記導波路上にプ
   リズムを設置し、上記プリズム内の全反射面で反射され
   た光波を上記導波路に伝送させることを特徴とする光制
   御型光スイッチ。
2. （２）光ファイバにより伝送された光波をプリズムに入
   射させるとともに、屈折率分布型レンズを上記光ファイ
   バとプリズムとの間に設けたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の光制御型光スイッチ。
3. （３）光波のプリズムへの入力にシングルモードファイ
   バを用い光波の出力にマルチモードファイバを用いるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光制御型光
   スイッチ。