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    公开号:WO1990012341A1
    申请号:PCT/JP1990/000005
    申请日:1990-01-04
    公开日:1990-10-18
    发明作者:Nobuyuki Kuzuta
    申请人:Shimadzu Corporation；
    IPC主号:G02F1-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書 - 導波路型光回路素子
    [0002] 技術分野
    [0003] この発明は ， 方向性結合器を用いた導波路型光回路素子に関 し ， 特に光導波路内への光の閉 じ込め効果が高く且つ偏光依存 性を低減した ，光フ アイバ通信等に用いる導波路型光回路素子 に関する。 背景技術
    [0004] 従来 ， この種の導波路型光回路素子は ， その主要部を形成す る方向性結合器と して ， 第 10図の概略構成図に示すものがあつ た。 同図において ， 従来の導波路型光回路素子 ， 例えば備光無 依存光ス ィ ツチは ， ニオブ酸リ チウ ム （ 以下 ， L〖 Nb 03 ) の基 板 )上に二本の導波路 (2) , (3)を形成し ， 該導波路 (2) , (3)の一部 が接近して結合部 (6)を形成する構成である。 上記一の導波路 (2) の左側入射端面よ ！？強度 Poの光を入射する と ， 上記一部接近し た結合部 (6)の結合部長 Lの長さに依存して変化し ， この変化し た強度 PA , ¾の光を各導波路 (2) ，（3)の右側出射端面から射出す る。 この射出される強度1^ , 1^の各光が1^ （？ + 8 ) 0 の 関係が成立する最初の長さ を完全結合長と呼ぶ。 この完全結 合長 についての射出光 PA , PBとの関係を第 11図 (A)に示す。 ま た ， 完全結合長 は ， 一般に入射光の偏光伏態 ， 即ち ， T Eモ 一 ドか T Mモ ー ドかによ 異 ¾る長さをとる。 ここで T Eモー ドとは電界成分が基板 (1)に平行な偏光伏態をさ し ， T Mモー ド とは電界成分が基板 (1 )に垂直 ¾偏光伏態をさ している。 お ， 上記二本の導波路 (2) , (3)はその構造を互いに等しく構成される。 上記従来の導波路型光回路素子と しての偏光無依存光スィ ッ チの方向性結合器は ，結合部 (6)に一対の電匳（図示を省略する） を設けて一様△ ^型に構成し ， 電界を印加することによ 電気 光学効果に基づき入射光をス ィ ツチ ングすることができ る つ こ のス ィ ツチング伏態を第 11図 (B)に一様△ 9 のスィ ツチングダイ ア グラ ムと して示す。 同図において ， Θ伏態（バー伏態） は入 射光の強度 P0が射出光の強度 PAと ¾ 他の射出光の強度 PB= 0 の伏態を示し ， <8>伏態（ ク ロ ス伏態）は入射光の強度 P0が射出 光の強度 ¾とな ] ， 他の射出光の強度 PA= 0の伏態を示す。 ま た ， 電界（ A iS ' L Z 7r ) を印加すると複数の円弧上において 上記 Θ伏態となる。
    [0005] 次に ，結合部長 L と完全結合長 との比（ L Z )が T Mモ 一 ド及び T Eモ ー ドについて共に「1」 ( Lハ = 1 ) として電 界を印加した場合の T E / T M両モ ー ドの ス ィ ツ チ ン グダイァ グラ ムを第 12図に示す。 同図において ，電界を印加して
    [0006] π ) を増加していぐ と Τ Εモ ー ドカ · ) = 5.2 で Θ伏態とな ] , さらに電界を印加して 。 を増加 していぐ と ， モー ドが（厶 ' 1^ ） = 5.9 で 伏態と¾ る。 このよ うに Τ Ε Ζ Τ Μ両モー ドを 伏態から 伏態へ切] 替えることによ ] 入射光をス ィ ツチングすること ができる。
    [0007] また ，他の従来の導波路型光回路素子である偏光無伎存光ス イ ッ チと して ELECTRONICS LETTERS 8th Octorber 】 987 Vol .23 , No.21 第 1167頁〜第 1168頁に記載されたも のが あ これを第 13図に示す。 同図において ， 従来の偏光無依存光 スイ ツチは ， Li Nb 03の基板 (1)上に二本の導波路 (2) ， （3)が形成 され ， 該ニ本の導波路 (2) , (3)上に一対の電 g(4) , (5)と該一対の 電¾(4) ，（5)の外側に別の一対の電極 (45) ， （55)とが各々配設される 搆成である。
    [0008] 上記構成において ， 上記電 S (4) ， （5) ， (45； ， （55)に電圧を印加し, Θ伏態となる上記電圧を T E Z T M両モ ー ドで一致させる条件 は ， Li Ν¾ 03 の基板 (1)の電気光学係数 Γ13 と r33 で決定される ( この場合における Δ β ( 印加電圧に対 ） に対する Τ Ε Ζ Τ Μ 両モ ー ドのク ロ ス ト一クを第 14図に示す。 同図において な = △ /STE /△ 5ΤΜである （△ /3ΤΕ ,△ 3ΤΜはそれぞれ Τ Ε ， Τ Μモー ドに対する方向性結合器の位相不整合 ） 。 この が 0.25≤な≤ 0.34である場合には ， 印加電圧の調整によ j9両モー ドでク ロ ス ト ーク -20 dB以下とすることができ る。 波長 付近での実 測値は " = 0.29 であ！） ， 上記条件を満足していることから @状 態になる電圧を T E / T M両モー ドで一致させる ことができ る ことになる。
    [0009] さ らに ， 他の従来の導波路型光回路素子である偏光無依存光 スィ ツチと して ELECTRONICS LETTERS 15 th September 1988 Vol. 24 , No. 19 第 1198頁 いし第 1200頁に記載されたも のがあ ， この従来の偏光無依存光スィ ツチは Li Nb〇3のよ う な光学的結晶の場合に電気光学効果が T E Z T M両モ - ドに対 して等しく 作用する X- cutの結晶を用いることによ 偏光無依 存性を確保していた。
    [0010] 従来の導波路型光回路素子は以上のよ う に構成されていたの で ， 前記第 12図のス ィ ツ チ ングダイ ア グ ラ ム に示すよ うに T E モ ー ドと T Mモ ー ドとのモ ー ド切替に関する （△ / · L Z ） 力 異な ！） ，偏光無依存性を完全とすることができ ¾いという課題 を有していた。 また他の従来の導波路型光回路素子は T EZ TM の両モ - ドの完全結合長の一致を比較的遮断条件に近い所で得 られるが ， 光導波路が薄く ， 導波路における光の閉じ込め効果 が弱いため ， 導波路伝搬損失や導波路曲が 部分での放射損失 が大き く ¾ ]9やすく ， そのため該曲が 部分で導波路幅を大き くする等の対策が必要になるという課題を有していた。 また X 一 cu t の結晶を用いた導波路型光回路素子では利用でき る電気 光学効果の 用が弱いため ， 必要な駆動電圧が大き く るとい う課題を有していた。
    [0011] この発明はかかる課題を解決するためにるされたもので ，偏 光依存性を小さ く でき ， かつ光閉 じ込め効果の強い導波路とす ることができるとと もに ， 必要な駆動電圧を小さ くすることが でき る導波路型光回路素子を得ることを目的とする。
    [0012] 発明の開示
    [0013] この発明は ， 導波路型光回路素子に形成される方向性結合器 の結合部長を ， T E モ ー ドについて T E モ ー ドの完全結合長の 約 3倍とすると共に ， T Mモ ー ドについて T M モ ー ドの完全結 合長の約 1 倍と している。 このことによ って ， 基板に形成され る導波路を厚くする ことができ ， 導波路の光閉じ込め効果を^ めて高く確保でき ること と ¾ ， *波路曲が 部分での放射損 失を小さ くすることができる 。
    [0014] また , この発明は ， 方向性結合器を搆成する導波路上に設置 される電界印加用の電 gを ， 3分割電 ¾とすると と もに ， 電界 方向を交互に反転させる反転 電 gと している。 このこ とに よ って ， 光ス ィ ツチ動作を行う ために必要 ¾駆動電圧を小さ く することができると と もに ， 製作された方向性結合器の T E モ — ドと T M モ ー ドの伝搬定数変化の比に じて 3 分割電極の電 S長の長さを変えることによ ]) ，最適な素子特性を得ることが できる。 図面の簡単な説明
    [0015] 第 I 図はこの発明に係る導波路型光回路素子の原理を示す概 略構成図 ， 第 2図は完全結合長に対する (¾伏態のチ ヤ ンネ 出 力強度の関係のグラ フ ， 第 3図はこの発明の一実施例に係る素 子の平面溝造図 ， 第 4図は同 じく素子の電 gの印加伏態を示す 平面構造図 ， 第 5 図 ( ， CB)は本実施例に係る素子の素子特性を 示すグラ フ ， 第 6 図はこの発明の他の実施例に係る素子の平面 構造図 ， 第 7図 (A) ， （B) ， （C)及び第 8図 ( ， （B)は他の実施例に係 る素子の素子特性を示すグラ フ ， 第 9図 (Α)〜(Ρ)は該素子の製造 順序を示す素子正面図 ， 第 10図は従来の導波路型光回路素子の 概略構成図 ， 第 1 1図 (A)は完全結合長に対する射出光強度の関係 グラ フ ， 第 1 1図（B)は一様△ / の ス ィ ツ チ ングダイ ア グラ ム ， 第 12図は T E T M両モ 一 ドのス ィ ツ チ ン グダイ ア グラ ム ， 第 13 図は他の従来の素子の概略構成図 ， 第 14図は T E モー ドのス ィ ツチ ング電圧に対する揷入損失の関係グラ フ を示す図である。 発明を実施するための最良の形態 この発明をよ 詳細に説述するために ，添付の図面に従って これを説明する。
    [0016] 第 1 図は ， この発明の原理を説明するための ， 導波路型光回 路素子と しての偏光無依存光ス ィ ッチの概略構成図である。 こ の図において ，導波路型光回路素子は ， Li Nb 03の基板 (1)上に 二本の導波路 (2) , (3)を形成し ， 該導波路 (2) , (3)の一部が接近し て結合部 (6)を形成し ，該結合部 (6)©結合部長 Lを T Eモ ー ドに ついて T Eモ ー ドの完全結合長 TE の約 3倍とすると共に，ΤΜ モ ー ドについて Τ Μモ ー ドの完全結合長 ΤΜ の約 1倍と して形 成し ， 上記結合部 (6)を形成する導波路 (2) , (3)上にスィ ツチング 電圧 Vを印加する電 S(4) , (5)を形成して両導波路 (2) ，（3)間で光 強度を変換する方向性結合器を備えた構成である。
    [0017] 上記素子の動作をチ ヤ ン ネ 出力強度に関し第 2図に基づき 詳述する。 この第 2図は完全結合長に対する (g)伏態のチ ャ ンネ ノレ出力強度の関係を示す光強度グラ フである。 同図において ，
    [0018] T Eモ ー ドについて 2.7≤ L / TE ≤ 3.3 と し ， T Mモ ー ドにつ いて 0.7 ≤ L Z TM≤ 1.3 とする数値範囲が定められ ， この数値 範囲は揷入損失の観点よ j 定めたものである。 この各完全結合 長が 2.7 ≤ L Z £TE≤ 3.3 , 0.7 ≤ L / TM≤ 1.3 と した場合には， (8)伏態におけるチ ヤ ンネノレ出力光強度は約 7 5 %程度を下限と する範囲とすることができる。 このチ ャ ンネ /レ出力光強度約 75 %は揷入損失が約一 1.25 dB となることから ，実用範囲と して は揷入損失をよ 多く しても許容できる。 よ って揷入損失を約 一 2 dBの範囲とすれば ， T Eノ T M両モ ー ドの完全結合長は 2.6≤ L £TE≤ 3.4 , 0.6≤ L / ΆΊΜ≤ 1.4 とすることもできる。 次に ， 上記導波路型光回路素子を製造方法との関係で説明す る。 一般に Li Nb Osの基板 (1)に導波路 (2) ， （3)を形成する方法と しては， Ti ( チ タ ン ） 拡散法が最も一般的に用いられる。 この Ti拡散法によ ] 形成した導波路 (2) , (3)では異常光線に対する屈 折率変化△ の方が常光線に対する屈折率変化 Δ ηοよ ) も大き くすることが容易である。 即ち ， Z-cut 結晶の Li Nb 03基板 (1) では T Mモ ー ドの完全結合長を T Eモ ー ドの完全結合長よ も 長くすることが容易である。 導波路 (2) ， （3)の幅や二本の導波路 間隔 ， そして Ti拡散条件を適当に設定することで ， 方向性結合 器の結合部長 Lの長さが ， T E / T M両モ ー ドの完全結合長に 対してそれぞれ約 3倍 . 1 倍とすることは容易に可能である。 このよ う にすると ， 基板に形成される導波路を厚 くすることが でき ， 光の閉じ込め効果は十分に大きなものと ¾る。
    [0019] 次に ， 上記の導波路型光回路素子の電 Sを 3分割した実施例 を説明する。 第 3図 ， 第 4図に示すよ う に ， 本実施例は ， 電 ¾ (4) , (5)を 3分割電 til) , (121 , (13)とすると と もに ， 電界方向を交 互に反転させる反転 Δ /9電 11と して構成している。 即ち ， この 方向性結合器の結合部長は Lで ， 各電 〜(！ 3)の電¾長さは ( L Z 3 ) となってお j9 , 隣あ う電¾対は互いに逆 性で等し い電圧が印加される。 これによ ！） ， 光スィ ツチ動作を行う ため に必要な駆動電圧を小さ くすることができる。
    [0020] と ころで ， 上記結合部長 Lは ，既述の如く ， T Eモ ー ド， TM モー ドの完全結合長 TE ， TM に対して 2.7 ≤ Lノ TE ≤ 3.3 , OJ ^ L ^ TM≤ 1,3 の関係を満たすよ う に上記方向性結合器は 製作されている。 上記電 g構成によ ]9 , 各分割区間内で導波光 は ， 第 3図に示すように + Δ /3 , -Α β ， +A iS という伝搬定 数変化を受ける。 この伝搬定数変化は ， Τ Εモ ー ド ， T Mモ ー ドで異な ] ，その差は次式で示される。 tJ™ = ne3 Γ33 Γ™ = a = 3 ··· (1)
    [0021] Δ ^ T B nO " ^13 尸 TE ここで△ ^TE ： T E モ ー ドの受ける伝搬定数変化
    [0022] △ ^TM ： T Mモ ー ドの受ける伝搬定数変化 ne ： 異常光線屈折率 no ： 常光線屈折率
    [0023] r33 ， r13 ：電気光学定数
    [0024] ΓΤΕ ： Τ Εモ ー ドに対する印加電界の重な 積分 尸 ΤΜ ： Τ Μモ ー ドに対する印加電界の重 ] 積分 第 5図 (Α) ， （Β)は ， 第 3図 ， 第 4図に示す 3分割電 の本実施 例素子の素子特性である。 この図で横軸は Τ Μモー ドに対する (△ ' LZ ) を示し ，縦軸は ，導波路 (2)から強度 R0と して入 射する光電力を「1」 と し ， 導波路 (3)から入射する光電力「0」 と した場合において ，導波路（3a)から強度 S と して出力される TE モ ー ド光及び T Mモ ー ド光の光電力の ， 上記 ¾>の入射光の光電 力に対する電力比 { —10 (^ ( 8ノ ） }を示してぃる。 図中実 線は T Mモー ド光を ，破線は T Eモ ー ド光をそれぞれ示してい る。 第 5図 (A)は ， LZ TM= 1.0 , L/ βΤΕ = 3.0 , a = 3.6 の条 件の下での素子特性を示し ， 第 5図 (B)は ， LZ TM = 0.8 , L/ βτΕ = 2.8 , a = 3.8 の条件の下での素子特性を示している。 第 5図 (A)は ， 本実施例素子が光ス ィ ツチと しての特性を有するこ とを示している。 即ち ， （ ' LZ r ) = 0では入射光はすべ て S と して出力されているカ ， (Αβ 。 L ^ ) = 5.8ではク ロ ス ト ーク = 一 20 dB 以下が得られている。 一方第 5図 (B)は ， 方 向性結合器の結合部長 Lを若干変化させ ， かつ a = 3.8 と した 場合を示してお ， 図示するよ う に ， T E / T M両モー ドの出 力光強度は ， * LZ ) の変化に対してほとんど等しく変 化している。 伹し結合部長 Lを若干変更したため ， （ △ ·
    [0025] ) = 0 で約 0.5 dBの揷入損失を許容しなければならない t このよ う な挿入損失の発生にもかかわらず の変 化に対して T E Z T M両モ ー ド光の出力強度が等しく変化する という特徴は他の手段では得がたいものであ , この特性を利 用することによ ] ， 偏光依存性の小さい分岐比可変型光分岐器 や情報分配形光 ス ィ ツ チ等の導波路型光回路素子を実現するこ とができ る。
    [0026] 上記の実施例では ， 第 5図 (B)に示すよ う な最適な素子特性を 得る場合 ， 電 長をそれぞれ L 3 と均等分割した上で ， a の 値を a 3.8 と している。 しかし ， 一般に a の値は導波路が光 を閉じ込めている伏態 ， 及び電気光学定数などによ って決定さ れるため ， a の値を自由に選んで最適な素子特性を得るのは困 難である。 このことから ， 製作された方向性結合器の a の値を 知 ， この値から各電^の長さを設定することによ ]9最適 ¾素 子特性を得ることができ る。
    [0027] 上記のよ う な観点から設計された方向性結合器を第 6 図に示 す。 第 3図に示す方向性結合器と異 る点は ， 各電¾長が均等 に 3分割された L Z 3 で ¾ く ， 各電 S長を aの値に応じて異な らせていることである。 a ( Δ/ ΤΜ/Δ 3ΤΕ ) = 3の方向性結合器を L Z TM = 1 , L TE = 3 , u = 0.4 , v = 0.3 , w = 0.4 の値にし ， 光スイ ツ チを構成した場合のス ィ ツチ特性を計算した結果を第 7図 ( に 示す。 又 ， a = 4 の方向性結合器に上記各値を設定し ， 光スィ ツチとしての特性を計算した結果を同図 (B)に示す。 これらの特 性図から明らか ¾ように ， 3 ≤ a ≤ 4の広い範囲において，ΤΕ Ζ Τ Μ両モ ー ド光ともク ロ ス ト ー ク一 20 dBの特性を得ること ができる。 又 ， 同図 (C)から明らか ¾よ うに ， LZ TM= 1， L/ βΤΕ = 3 , u = 0.3 , = 0.4 ， = 0.3 の値は ， a = 3.4 の 方向性結合器の時最も光スィ ツチと しての特性が優れている。 このように ， aの値を知った上で ， u , V , wの値を決めるこ とで ， 光スィ ツチと しての最適な特性を得ることができる。
    [0028] 更に ， a = 3.4 の方向性結合器に L Z ^TM - I , L Z T E = 3, u = 0.375 , ν = 0.25 , w = 0.375 の値を設定し ， 分岐比可変 型光分岐器を構成した時の特性を計算した結果を第 8図 (A)に示 すが ， この特性図からも明らかなよ うに · L / π ) の変化 に対して T M / T E両モ ー ド光の出力強度は等しく変化する。
    [0029] 更に又 ， a = 3.6 ， L TM = 1 , L Z TM = 3 ， u = 0.3 675 , = 0.265 , w = 0.375と して分岐比町変型光分岐器 を構成した時の特'性を計算した結果を同図 (B)に示すが ， この例 でも （ · L / ) の変化に対して T M T E両モ ー ド光の出 力強度は等しく変化する。
    [0030] 以上のように ， 電¾長の値を必ずしも均等にせず ， aの値に 応じて各電匬長 u , V ， w ( u + V + w = 1 ：) を設計すること で ， 光ス ィ ッ チの場合も ， 可変型光分岐器の場合も特性を最適 化することが可能である。
    [0031] 第 9図 (A)〜(F)は本実施例素子の製造順序を示すもので ， 図示 するよ うに ， Z — c u t の L i Nb 03基板 (1)上に光露光技術を用い て光導波路パタ ー ンのホ ト レ ジ ス ト （61)を形成し（ 同図 (A) ) ， 次 5 いでホ ト レ ジ ス ト（61)を有する基板 (1)上に Ti (62)を拡散源と して蒸 着し （ 同図 (B) ) ， 次いで ， ホ ト レ ジ ス ト （61)を有機溶剤を用いて 基板 (1)よ 除去して幅 W ， 間隔 G ， 高さ Tの， Tiで形成される リ フ ト オ フ部 (63)を形成する （ 同図 ） 。 次いで光導波路パ タ一 ンの リ フ ト オ フ部 (63)を有する基板 (1)を高温で加熱して拡散源と
    [0032] 1 0 しての Tiを基板 (1)中に拡散して光導波路 (64)を 製する（同図 (D))c 次いでこの光導波路 (64)が形成された基板 (1)の表面に例えば約 4 0 0 0 A厚みの S i 02膜 (65)をバ ッ フ ァ層と して形成した後 （ 同 図 (E) ) , この S i 02膜 (65)の表面に ， 光導波路 (64)上に位置するよ うに電 ¾腳を形成する （ 同図 (F) ：) 。 ここで ， S i 02膜 (65)を形成 i s したのは ， 電 S(66)が金属で構成されていることから ， この金属 による光の吸収を避けるためである。 なお ， 上記結合部の条件 を満たすために ， 第 9図 (C)中の W ， G ， T の寸法や拡散条件を 適当に設定する必要がある。
    [0033] 20 産業上の利用可能性
    [0034] は上のよ うに ， この発明にかかる導波路型光回路素子は ，偏 光無依存光スィ ツ チ ， 可変型光分岐 と して光フ アイパ通信等 に有用である。
    [0035] 25
    权利要求:
    Claims 請 求 の 範 囲
    1. 二つの導波路 (2) , (3)を近接して配置するとと もに ， 該導波 路上に電界印加用の電¾ (4) , (5)を設置して両導波路間で光強 度を変換する方向性結合器を備えた導波路型光回路素子にお いて ， 上記方向性結合器の結合部長を ， T E モ ー ドについて T E モ ー ドの完全結合長の約 3倍とすると共に ， T Mモ ー ド について T Mモ ー ドの完全結合長の約 1 倍としたことを特徴 とする導波路型光回路素子。
    2. 二つの導波路 (2) , (3)を近接して配置するとともに ， 該導波 路上に電界印加用の電陲 (4) , (5)を設置して両導波路間で光強 度を変換する方向性結合器を備えた導波路型光回路素子にお いて ， 上記電隨 (4) , (5)を ， 長さの異なる 3分割電 Sとすると ともに電界方向を交互に反転させる反転△ /3電 gとしたこと を特徵とする導波路型光回路素子。
    3. 二つの導波路 (2) , (3)を近接して配置するとともに ， 該導波 路上に電界印加用の電^ (4) , (5)を設置して両導波路間で光強 度を変換する方向性結合器を備えた導波路型光回路素子にお いて ， 上記方向性結合器の結合部長を ， T E モ ー ドについて T E モ ー ドの完全結合長の約 3倍とすると共に ， T M モ ー ド について T Mモ ー ドの完全結合長の約 1 倍と し ， かつ上記電 艇 (4) , (5)を ， 3分割電匬とするとともに電界方向を交互に反 転させる反転△ ^電極としたことを特徴とする導波路型光回 路素子。
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    引用文献:
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    JP6662616B2|2015-11-26|2020-03-11|ダイキョーニシカワ株式会社|車両の内装構造|
    法律状态:
    1990-08-17| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1990901661 Country of ref document: EP |
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    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP1/82458||1989-03-31||
    JP8245889||1989-03-31||
    JP1219246A|JP2754774B2|1989-03-31|1989-08-25|導波路型光回路素子|
    JP1/219246||1989-08-25||EP19900901661| EP0417295B1|1989-03-31|1990-01-04|Optical circuit element of waveguide type|
    DE1990617564| DE69017564T2|1989-03-31|1990-01-04|Verfahren und vorrichtung für fernsehrundfunk.|
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