JPS638721A

JPS638721A - 光スイツチ装置

Info

Publication number: JPS638721A
Application number: JP61153113A
Authority: JP
Inventors: Hidetaka Tono; 秀隆東野; Osamu Yamazaki; 山崎　攻
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1986-06-30
Filing date: 1986-06-30
Publication date: 1988-01-14

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、光フアイバ通信、光応用計測、制御の分野に
関するものでちる。

従来の技術第４図は従来の技術を示す鳥轍図である。同図において
、基板４１上に形成された電気光学効果を有する３次元
光導波路４２は、断面が数μｍ程度の大きさを有する交
差導波路であり、交差部の鋭角の中心線上に狭い空隙の
平行平板電極４３を設けである。電極４３の下に光の減
衰全防止するためにバッファ層４４を設けである。光ス
イッチ装置への光の入出力結合方法は、第４図て示す様
なプリズム結合や端面結合等が用いられていた。

プリズム結合は第４図に示す様に、光導波路４２上てプ
リズム４５を圧接させて、入出力用の光ファイバ４６や
光源の半導体レーザの端面をレンズ４７でプリズム４５
の圧接部近傍に結像させる光学系を構成することにより
実現していた。端面結合は、３次元光導波路４２の基板
４１の端面露出部へ、入出力用の光ファイバ４６や、光
源の半導体レーザの出力端面をつき合わせて、光結合を
実現するものである。電極４３に信号源４８の電圧信号
を印加すると、電極４３の狭い空隙下に発生する電界に
より、光導波路４２の電気光学効果を誘起し屈折率変化
を生ずる。この屈折率変化により交差導波路４２中全伝
搬する導波光のモードが変わり、出力導波路が切り換わ
る。これは出力光ファイバに入力光ファイバ全入れ替え
て接続した事と等価である。これが導波路型光スイッチ
の動作原理である。

発明が解決しようとする問題点従来の技術では前述の様に、数μｍ程度の断面寸法全方
する光導波路へ光を結合させるために、大きな結合効率
を得ることは困難であった。特に、基板４１と、光導波
路４２の屈折率差の大きな、薄膜光導波路ではこの傾向
は顕著であった。ＰＬＺＴ系（ｘ／ｙ／ｚ＞薄膜（Ｐｂ
’　−１０［Ｉ　Ｌａ＋ｏｏ　（ｚｒＪｌｌ　Ｔ１１０
０”　、Ｗ。

Ｏ３）は大きな電気光学係数を有しＰＬＺＴ（２０１０
／１００）では０．８　Ｘ　１０　”（ｍ／ｖ）２のカ
一定数を得ている。この薄膜全光導波路に用いる場合、
サファイア基板の屈折率１７−ｒ　、ＰＬＺＴ（２０１
０／１ｏｏ）薄膜の屈折率は２．６でちるので、厚み方
向シングル条件は光導波路としては、９３１１ｍ程度以
下の厚みとなってしまう。この様な薄い導波路に光を高
効率で導波させるのは困難である。

一般にはプリズム結合で高効率が得られるといわれてい
るが、再現性が悪く、量産性に欠け、光結合するビーム
のスポットサイズが１００μｍｆｆ１＆以上の場合に高
結合効率が得られ、数μｍ幅の光導波路へ結合する場合
には、高効率結合条件が非常に厳しくなり、実際的では
なｒ０更に、交差型導波路構造の場合には、構造により決まる
横導波モードの伝搬の様子によりオン・オフ比が決まり
通常２０ｄＢ程度の値である。高オン・オフ比を得るに
は、導波路構造の作製条件が厳しくなり、実際的には歩
留まりが低いという問題点があった。

以上の様に、高オン・オフ比と高結合効率全同時に満足
し、かつ、量産性に優れた構造の光スイッチ装置はなか
った。

問題点を解決するための手段電気光学効果を用いた、導波路光スィッチにおいて、基
板外からの導波光の入出力用および、導投光のコリメー
ト用として集光グレーティングカップラを設け、コリメ
ート導波光に立体交差する様に狭い間隙全配置した平板
電極を設け、間隙全狭む両平板電極間に印加する電圧に
より間隙下部の電気光学材料の屈折率変化全誘起してコ
リメート導波光の進行方向を変える。平板電極下を通過
した導波光は出力用グレーディングカップラにより、結
像され位置の変化となりて表われる。結像面上の一定位
置からの光の入出力関係が、平板電極に印加する電圧に
より変化する。

また、光導波路材料がＰＬＺＴ系薄膜である場合には特
に有効である。

更に、平板電極下での光の減衰を押えるために、光導波
路と、平板電極間に光導波路より屈折率の低い透明絶縁
物材料から成るバッファ層を設けると有効である。

加えて、平版電極の形状が、同一平面上の対向電極であ
るか、もしぐば、コプレーナ型マイクロストリップ線路
の間隙が前記平板電極の間隙となるものは光スイッチ構
成上有効である。

作用本発明の実施により、光スイッチ装置への光入力結合用
のレンズが不要となり、かつ、集光グレーティングカッ
プラの基板側からの結像のため、高結合効率が得られる
。また、発散点光源からの光を、光導波路面内で導波さ
せ、かつコリメートさせる作用がある。コリメート光は
、面内横方向でガウス分布形状をしている。電圧を印加
した平板電極の間隙下に生ずる電界により光導波路の屈
折率変化を生じ、この細い部分でコリメート光は反射さ
れる。直進する導波光や反射された光は、出力用集光グ
レーティングカップラにより基板外の異なる位置に結像
される。この位置に、元ファイバや受光素子を配置する
ことｉ／Ｃより出力光を取り出せる。集光グレーティン
グカップラと、平板電極の組み合せにより高オン・オフ
比が得られる。

集光グレーティングカップラは、電極形成等と同様な、
平面微細加工であり半導体プロセスにより作製できるた
め、量産性に優れている。また、コリメート導波光と細
い線状の屈折率変化部分との相互作用を用いるために、
印加電圧の大きさを犬きくすることてよりこの部分で全
反射を生起させ、従来とは異なり高いオン・オフ化を得
ることが可能となる。光スィッチの製造工程は平面加工
と、基板側面加工で、従来の端面励振で必要であった低
歩留りの基板端面のエツジ加工は不要とな！ｌｌ製造歩
留りが向上する。

導波路材料にＰＬＺＴ系薄膜を用いることにより、高い
電気光学効果を利用することが出来、高効率な光スィッ
チが構成できる。また、バッファ層を平板電極と光導波
路との間に形成すると、電極部での元の減衰帯を少なく
することができる。

更て、平板電極が狭い間隙を有し、同一面内で対向する
形状の場合には、電極形状が簡単なので、電極形成の歩
留りが良い。

又、平板電極をコプレーナ型マイクロストリップ線路の
進行波電極にすると、導波光と、変調電気信号（マイク
ロ波）との位相定数差が少なくなり、変調帯域幅が広く
なる。

実施例第１図、第２図は本発明の第一の実施例を示す鳥敞図お
よび上面図を示す。両図において詳細な説明を行う。基
板１上に形成したスラブ光導波路２に導波光の入出力を
行うために、集光グレーティングカップラ３ａ、３ｂｉ
設けである。基板１の両端面は所望の角度に研磨してあ
り、近傍に配置した発散点光源、図１では半導体レーザ
４からの発散光５は入口側基板端面６ａを通り、集光グ
レーティングカップラ３ａを照射する。ここで導波光γ
となり、同時に、集光グレーティングカップラ３ａによ
りコリメートされる。コリメート導波光子は、バッファ
層８の下を通る。ハ、）ファ層８の上には、平板電極９
が設けられ、狭い間隙１０を挾んで同一面内で対向する
電極である。ノくッファ層を介するために、コリメート
導波光子の光のしみ出しによる電極９での減衰は少ない
。電極９に電源１１からの電圧を印加すると、光導波路
２の間隙１０の下部の部分の屈折率が低下し、導波光７
は直進光１２＆と、反射光１２ｂとに分かれる。導波光
７と、間隙１０とのなす角をθとし、間隙下の実効屈折
率ヲｎ２　他の部分の実効屈折率全ｎ１　　とすると、の時、全反射を生じ反射光１２ｂとなる。しかし、間隙
１００幅ｇが狭いと、トンネル効果により漏れ光を生じ
、直進光１２＆が残る。さらに電圧の大きさを大きくす
ると、トンネル漏れモードは少なくなり、高いオン・オ
フ比を得ることが出来る。

これは、従来の３次元導波路の場合とは異なり、導波光
７の横方向分布はほぼガウス分布形状ケしてほぼ平行に
伝搬していることに起因しており、集光グレーティング
カップラの集光作用によるものである。

集光グレーティングカップラの形状は、導波平面（ガウ
ス分布）光と、入・出射光との位相差の等しい複数の曲
線がらなり、電子ビーム露光法等により光導波路上や基
板に凹凸を形成して作製する。集光グレーティングカッ
プラは、点光源からの光を導波させ、かつ、コリメート
させる物、或いは、その逆の作用を行うものである。

以下に具体例をあげる。図１において、基板１にはサフ
ァイアＣ面（屈折率１．７７）％−用い、Ｐ　Ｌ　Ｚ　
Ｔ　（２０１０／１００）薄膜を、プレーナマグネトロ
ンスパッタ法を甲いて約０．３５μｍ作成した。このＰ
ＬＺＴ薄膜は屈折率２．６で光導波路２となる。次に基
板１の両端面６ａ、６ｂｉ５５°程度に研壱し、更に光
導波路上に部分的にバッファ層８を形成した。バッファ
層には、ＴΔ２０５薄膜（屈折率２ｊ）’ｉ用い、光の
入出射側端部はテーパになる様にスパッタ法により約０
．２　／１’　ｍ厚に形成した。その上に間隙４μｍ、
長さ２０　＋１Ｌｔ　。

奥行き１Ｕ程度のλｇ電極９をフォトリングラフィ去お
よび、リフトオフ去により形成した。電極９の間隙１０
と、約３度の角を成す様に、入出力用の集光グレーティ
ングカップラを電子ビーム直接描画法により形成した。

グレーティングは、ＰＭＭＡレジストヲ用い光導波路２
上に形成した。

集光グレーティングの焦点距離は、約４ＩｕＬで、幅方
向は１肌とした。Ｑ、８３７１　ｍの光を導疫し、得ら
れた結合効率は片方で約４０係で、従来のプリズム法に
よる数φ程度の結合効率をはるかに上回った。スイッチ
電圧は約３０Ｖで、オンオフ比２０ｄＢ以上を得、電圧
をさらに上げると、オン・オフ比が向上した。これは、
この光スイッチ装置の特徴である。

また、基板１にＬｉＮｂ０．単結晶全周い、光導波路２
にＴｉ金属を熱拡散させて作製したものも、同様な特性
が得られた。この場合には電気光学効果が小さいので電
極９の長さを長くして、交差角θを小さくして、電圧を
数１０ｖとすることが出来た。

第３図は本発明の第二の実施例を示す、烏敞図である。

同図において、電極２１は進行波電極でコプレーナ・マ
イクロストリップ線路であり、電源１１から供給された
マイクロ波は、導波″５’［７とほぼ同じ方向に伝搬す
る。電極２１０間隙の下の光導波路の屈折率が変化する
。この場合、光スィッチの動作周波数帯域は、電極２１
の下全通過する光と、電極２１全云搬するマイクロ波と
の位相定数差により決まり数１ｏＧ［Ｉｚが可能である
。第３図にお１ハて、発散点光源には、光ファイバ２２
を用いた場合を示している。他の特徴は第一の実施例と
同様である。

発明の効果本発明の実施により、数１０％程度の光結合が容易に得
られ、かつ、高オン・オフ比の光スイッチ装置が再現性
良く得られた。加えて、光スイッチ装置の主要動作部分
が同一平面上にあり作製が半導体加工技術と同様な工程
でできるために、量産性に富んだ構造で、低コスト化が
可能である。

スイッチの斜視図および上面図、第３図は同第二の実施
ψ１１の斜視図、第４図は従来の光スィッチの斜視図で
ある。

１・・・・・基板、２・・・・・・光導波路、３ａ　、
３ｂ・・・集光グレーティングカップラ、４・・・・・
・半導体レーザ、５．１３・・・・・光線、６２Ｌ、６
ｂ・・・・・・端面、了。

１２２Ｌ、１２ｂ　　・・・導反光、８゛°°°°バツ
フア・・・電極。

代理人の氏名　弁理士　中　尾　散　男　ほか１名！　
−一　幕　　級？−尤導２路３ａ、３ｂ−一集えグレーティングカソフ′う４−半に
体レーザ５．１３−一九　隈６ａ尾６−幾　面７、１２ａ、１２ｂ　−−−導波光８−　バッファ層９−　覚　　杼１０−ｍ−間　　隙第　２　図２１−ｍ−覚　糧２２−　　光ファイバ２３−＃鴻低坑第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板上に形成された光導波路と、前記基板外の端
面近傍に配置された発散点光源からの光を導波させ、か
つ前記光導波路面内方向にコリメートさせる少なくとも
一つの集光グレーティングカップラと、前記光導波路上
に形成された電気光学効果を生ぜしめる狭い間隙が前記
コリメートされた導波光と立体交差する様に配置された
平板電極と、前記平板電極下を通過し直進する導波光ま
たは前記電極に印加される電圧により進行方向を変えら
れた導波光を収束し、かつ前記基板外の他端面近傍に結
像させる少なくとも一つの集光グレーティングカップラ
とを具備したことを特徴とする光スイッチ装置。
（２）光導波路材料がＰＬＺＴ系薄膜（Ｐｂ＿１＿−＿
［＿ｘ＿／＿１＿０＿０＿］Ｌａ＿ｘ＿／＿１＿０＿０
（Ｚｒ＿ｙ＿／＿１＿０＿０Ｔｉ＿ｚ＿／＿１＿０＿０
）＿１＿−＿［＿ｘ＿／＿４＿０＿０＿］Ｏ＿３、Ｏ≦
ｘ、ｙ、ｚ≦１００、ｙ＋Ｚ＝１００）である事を特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の光スイッチ装置。
（３）光導波路と平板電極との間に前記光導波路より屈
折率の低い透明な絶縁材料から成るバッファ層を設けた
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光スイッ
チ装置。
（４）平板電極が狭い間隙を有して同一面上で対向する
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
チ装置。
（５）平板電極が、駆動電圧信号の給電部と整合終端部
とを具え、かつ、前記、駆動信号を狭い間隙に沿って伝
送するコプレーナ型マイクロストリップ線路とから構成
されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光
スイッチ装置。