JP2006525531A - 偏光変換に基づく結合導波路電気光学スイッチ - Google Patents

Abstract

入射電磁放射を受け取るため第１の導波路（１）を備える方向性結合器（１１）を含む光電子デバイス（１）であって、前記第１の導路は電気光学材料からなる導波領域（３）を含む光電子デバイス（１）を提供すること。さらに、方向性結合器は、前記入射放射の少なくとも第１の部分を結合でき、出力される放射用のポートを備える第２の導波路（２）を含む。光電子デバイスは、方向性結合器の前記第１の導路（１）の少なくとも内側にある制御電場（Ｅ_ＲＦ）を発生（１２、１３）し、前記入射放射の少なくとも一部の偏光変換を前記電気光学材料内に発生させるような構造を備える。この偏光変換を使用することにより、第２の導波路から出力される放射のパワーを制御することが可能であり、変調装置、切り換えスイッチ、アッテネータ、または開閉スイッチを製作できる。

Description

本発明は、例えば、光スイッチおよび変調装置などの光電子デバイスに関する。特に、本発明は、電気光学効果が発生するデバイスを対象とする。

一般に、光スイッチは、電磁放射を導き入れることができる少なくとも１つの入力ポートおよびこの電磁放射を切り換えられる少なくとも２つの出力ポートを備えるデバイスである。スイッチは、２つのポートの間の放射の切り替えをトリガするための制御機器を備える。

知られている技術に言及している米国特許第４，０１２，１１３号では、２つのチタン導路が形成されるニオブ酸リチウム基板を使用して製作された２つの導波路を含む方向性結合器により構成される光スイッチ（その文書の図１を参照）について説明している。導波路は、一方の導路から他方の導路へエバネッセントモードを結合できる平行部分を提示する。２つの光導路のうちの一方で伝搬する光は、適当な結合距離の後に第２の導路に伝達することができる。さらに、このデバイスは、トリガ電圧が印加される２つの電極を備える。トリガ電圧は、電気光学効果により、導路の間に存在する方向性結合をキャンセルするためなど、２つの導路の伝搬定数の間の位相差を誘起する電界を発生する。方向性結合をキャンセルすると、光スイッチのクロスオーバー状態とストレートスルーまたはバー状態との間でスイッチングが生じる。本特許では、ニオブ酸リチウムの光軸、軸ｃは、電極により発生される電界の主成分に平行であると規定されている。

米国特許第４，１５７，８６０号では、ニオブ酸リチウムから、トリガ信号が印加されることができる電極を備えた方向性結合器を使って、製作される変調装置／スイッチについて説明している。本特許によれば、変調装置およびスイッチなどのアプリケーションでは、肝心なのは、屈折率ｎ_ＴＭおよびｎ_ＴＥの変化に対応する波数の変化である。水晶の光軸にそって１つの成分Ｅ_ｚ、および水晶のｙ軸にそって１つの成分Ｅ_ｙを持つ垂直電界は、使用される方向性結合器の導波路に印加される。成分Ｅ_ｚは、屈折率の楕円の次元の増大を引き起こし、成分Ｅ_ｙはその楕円の回転を引き起こす。これら２つの効果は、ＴＭ偏光に関係する屈折率ｎ_ＴＭの変化を引き起こす。成分Ｅ_ｙによる屈折率の楕円の回転は、ＴＥ偏光に関係する屈折率ｎ_ＴＥの不要な変化をキャンセルする。成分Ｅ_ｙと成分Ｅ_ｚとの間の比を適切に選択することにより、ＴＥモードに影響を与えることなくＴＭモードに作用することが可能である。本明細書では、提案されている変調装置／スイッチは、偏光と無関係であると考えられる。

さらに、第１の種類の偏光を有する入射電磁放射から始まり、異なる種類の偏光を有する電磁放射を出力のところで発生する知られている偏光変換器デバイスがある。
この関連で、米国特許第４，３８４，７６０では、光経路が作られるニオブ酸リチウム基板により構成される偏光変換器を説明している。この光経路にそって、入射放射の直交偏光成分の間で相対位相を変化させる第１の移相器、偏光成分の相対振幅を変化させるモード変換器、およびモード変換器から出力される偏光成分の相対位相を変化させる第２の移相器が製作される。モード変換器は、適当な電圧が供給された場合に、ＴＥ（横電場）モードをＴＭ（横磁場）モードに、またその逆にＴＭをＴＥに変換し、ＴＥ方向にそって配向された偏光成分をＴＭ方向にそって配向された成分に変換する一組の電極を備える。この変換は、ニオブ酸リチウムの電気光学テンソルの非対角係数（ｒ_５１）を伴う電気光学効果に基づく。

出願者は、方向性結合器と方向性結合器の導波路の少なくとも１つの内部で偏光変換を引き起こすのに適している電気光学効果とを組み合わせることにより、例えば、スイッチまたは変調装置として使用することができる光電子デバイスを製作することが可能であることを指摘した。特に、本発明の光電子デバイスで使用される方向性結合器は、電気光学物質により作られるセクションを備えた少なくとも１つの導波路を含む。

さらに、出願者は、この種類の光電子デバイスを使用すると、光通信システムに関係するものなどの実用アプリケーションでこのデバイスを使用するのに禁止的ではなく適している値を持つ制御電圧を印加することで結合器の導路の１つに入る放射を切り換え／変調することができることを観察した。

通常、偏光変換は、変換が実行される導路の複屈折（つまり、偏光の２つの直交モードに関係する屈折率間の差）の影響を著しく受けることが指摘される。
この関係で、出願者は、特に導波路の寸法および使用される材料の屈折率に関して、偏光変換が行われる、したがって満足な製作公差を示す導波路の複屈折に決定的に依存することのないように、本発明のデバイスを製作できることを見いだした。

本発明の対象は、付属の請求項１により定義されているような光電子デバイスである。本発明のデバイスの特定の実施形態は、請求項２から３０により定義される。
本発明の対象は、請求項３１により定義されているような電磁放射パワーを制御する方法でもある。本発明による方法の好ましい実施形態は、請求項３２から３５により定義される。

本発明の他の特徴および利点は、付属の図面を参照しつつ、純粋に非制限的実施例により実現される、好ましい実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。

図１および図２は、それぞれ、本発明による光電子デバイス１０の一実施形態の上から見た概略図と断面図を示している。
この光電子デバイス１０は、第１の導波路１および第２の導波路２を備える方向性結合器１１を含む。第１の導波路１および第２の導波路２は、２つの導波路のうちの一方に入る放射の少なくとも一部を他方の導波路に結合できるようにするのに適した長さＬｃを持つ少なくとも１つのそれぞれの結合セクションに合わせて並べて配置される。例えば、２つの導波路１および２は平行である、つまり、結合セクションＬｃ用の平行な伝搬軸を持ち、末端で分岐する。電磁放射用に、第１の導波路１は、第１の入力ＩＮ１および第１の出力ＯＵＴ１を備え、第２の導波路２は、第２の入力ＩＮ２および第２の出力ＯＵＴ２を備える。

都合がよいことに、第１の導波路１および第２の導波路２は、集積光学の分野で知られている技術を使用して製作される。特に、第１の導波路１および／または第２の導波路２は、その断面が矩形であり、例えば、「うね」型の導路である。

さらに、図２により明確に示されているように、第１の導波路１および第２の導波路２は、それぞれ第１のうね４および第２のうね５を備え、両方とも導波層３の上に配置される。導波層３全体、または少なくとも、第１のうね４および第２のうね５の下に配置されたそれの領域のみが、導波路１および２内の電磁放射の伝搬に適した値を持つそれぞれの屈折率を示す。光電子デバイス１０は、導波層３の下面３’が配置される下側クラッディング７および導波層３の上面３”の上に配置される上側クラッディング８を備える。上側クラッディング７および下側クラッディング８は、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を使用して、または例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）またはＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）などの第１のうね４および第２のうね５の下に配置された導波層３の領域の屈折率よりも低い屈折率を持つ他の材料を使用して、製作される。また、上側クラッディングが存在せず、導路の周囲の空気により導路内の伝搬に必要な屈折率ステップが実現されることも可能である。

説明されている実施例によれば、２つの導波路１および２はそれぞれ、単一モード導路である、つまり、波長が所定の間隔内に含まれる光学的放射の基本モードのみをサポートする。

この基本モードと関連するのは、ＴＥ（または横電場モード）直線偏光およびＴＭ（または横磁場モード）直線偏光であり、ＴＭはＴＥに直交する。
以下の考察では、「ＴＥ１モード」または「ＴＥ１偏光」（「ＴＭ１モード」または「ＴＭ１偏光」）という表現を使用して、第１の導波路１の基本モードに関連するＴＥ（ＴＭ）偏光を示す。同様に、「ＴＥ２モード」または「ＴＥ２偏光」（「ＴＭ２モード」または「ＴＭ２偏光」）という表現を使用して、第２の導波路２の基本モードに関連するＴＥ（ＴＭ）偏光を示す。

図２では、それぞれの矢印は、ＴＥ１およびＴＭ１モードとＴＥ２またはＴＭ２モードの偏光の方向（つまり、電場の振動方向）を示している。
方向性結合器１１は、第１の導波路１の第１の入力ＩＮ１内に導き入れられた電磁放射の少なくとも一部（より具体的には、実質的に１００％）を第２の導波路２に結合、つまり伝達するようなことを行う。

この実施例によれば、方向性結合器１１は、第１の導波路１内に伝搬されるＴＥ１モードを第２の導波路２に結合し、これにより、ＴＥ２モードを生じさせるようなことを行う。ＴＥ１モードに関連する電力と第２の導波路２に結合されたＴＥ２モードに関連する電力との比は、それら２つの導路間のＴＥモードの結合の係数ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}に相関する。

さらに、方向性結合器１１は、ＴＭモードに関係するｋ_{ｃｏｕｏｐ，ＴＭ}以上の第１の導波路１から第２の導波路２へのＴＥモードの結合の係数を示すようなことを行う。
ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}≧Ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＭ} （ｉ）
つまり、方向性結合器１１は、ＴＥモードに関する第２の導波路２に伝達される電力および第１の導波路１内に導き入れられる電力との比は、ＴＭモードに関する同じ比以上であるように寸法が決められる。特定の実施例によれば、結合器１１は、ＴＭモードに対する結合が実質的にゼロになる構成である。

ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＭ}＝０ （ｉｉ）
例えば、関係式（ｉｉ）は、第２の導波路２に結合されたＴＭ偏光についての電力と第１の導波路１に存在するＴＭ偏光についての電力とのパーセンテージ比が結合セクションＬ_ｃにそって１％を超えないときに満たされることが考察できる。

当業者であれば、導波路１および２の特性パラメータ（例えば、長さ、幅、高さ、２つの集積導波路の間の距離ｄ、屈折率）を決定し、すでに説明した内容に従って電磁放射結合条件を得ることが容易にできる。

光電子デバイス１０は、以下の説明から明らかになることだが、方向性結合器１１の挙動を調整できるようにする制御電場

を発生するための構造を備える。
例えば、この発生構造は、制御電圧Ｖ_ｃｒの発生器Ｇ、正電極１２、および負電極１３（またはアース電極）を含む。図１および２の実施例によれば、正電極１２および負電極１３は、方向性結合器１１と一体になっており、第１および第２の導波路１および２の伝搬の軸に平行な長さＬ_ｃの結合セクション用に延びている。

正および負の電極１２および１３は２つの導波路１および２の並んだセクションとともに、電子デバイス１０の活性領域１００を形成する。
図２からより明確に分かるように、正電極１２は、上側クラッディング８の上に、第１の導波路１と第２の導波路２の間に備えられる導波層３の領域に面するように配置されている。負電極１３は、第１の導波路１の側面および第２の導波路２が走っている端の反対側の端に配置される。正および負の電極１２および１３は、例えば、金製にしてよい。

発生器Ｇは、電圧Ｖ_ｃｒを発生するようなものであり、したがって、光電子デバイス１０に対し選択された特定のアプリケーションに応じて時間の関数として曲線が描かれる制御電場

である。このデバイス１０が振幅変調器の場合、発生器Ｇは、高周波で動作可能であり、制御電圧Ｖ_ｃｒは、例えば、１００ＭＨｚから１００ＧＨｚの範囲に含まれる周波数ｆ_ｃｒを持つことができる。

デバイス１０がスイッチの場合、発生器Ｇは、スイッチングが発生した場合に値が変化する静止電圧Ｖ_ｃｒを発生することができる。
この第１の実施形態に応じて、２つの電極１２および１３は、第１の導波路１に対応する導波層３の実質的に内側のみに制御電場

を発生するが、第２の導波路２の内側では、電場

は無視できる大きさである。
都合のよいことに、第１の導波路１および第２の導波路２の少なくとも一方は、電気光学材料を使用して発生される。例えば、電気光学材料は、第１の導波路１にのみ使用される。

特に、導波路１の製作に使用される電気光学材料は、制御電場

の作用の下で、第１の導路内を伝搬される電磁放射の偏光変換を行えるような材料である。特に、獲得できる変換は、ＴＥ１モード（図２の方向ＴＥ１にそって配向される偏光が関連付けられる）をＴＭ１モード（図２の方向ＴＭ１にそって配向される偏光が関連付けられる）に結合する変換である。

第１の導波路１（特に、導波層３および第１のうね４）の製作に使用される電気光学材料は、例えば、異方性の結晶性物質である。
本発明の実施例によれば、この材料は、一軸でもある、つまり、単一の光軸ｃ（結晶軸ともいう）を示す。光軸ｃは、結晶内を伝搬すると、異常光屈折率ｎ_ｅの影響を受ける電磁放射の偏光のその方向である。

第１の導波路１を製作するために使用される電気光学材料は、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ_３である。この材料は、例えば、薄膜の形で有利にシリコン基板上に成長させることができる特性を持つ。シリコンでの製作は、本発明のデバイスが、同じシリコン基板上に例えば、フォトダイオード、フィルタなどの他の光電子デバイスと一緒に集積化できるということなので有利である。

例えば、導波路１は、酸化マグネシウムの層上にチタン酸バリウムを成長させることにより、またチタン酸バリウムが方向＜００１＞にそって向き付けられた光軸ｃを持つように形成される。つまり、光軸ｃは、チタン酸バリウムの成長の平面に対し垂直である。図２は、導波層３の上側表面３”に直交する光軸ｃの方向を示す。

チタン酸バリウムのほかに、例えば、方向＜００１＞にそって配向された結晶軸を持つ、他の電気光学材料も使用することができる。チタン酸バリウムの代替え材料としては、ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ_３が考えられる。

さらに、本発明で使用することができる電気光学材料は、非対角電気光学係数が０に等しくない物質である。
電気光学テンソルは、６×３行列で表すことができ、非対角係数（例えば、係数ｒ_４１、ｒ_４２、ｒ_４３、ｒ_５１）は、階数３よりも上の部分行列の外にある、つまり、テンソルの第４行から第６行に属す係数であることに留意されたい。

特に好ましいのは、静止周波数または低周波（例えば、１００ｋＨｚ未満の周波数）が電場に印加された状態で（バルク水晶に関して）約１００ｐｍ／Ｖよりも大きい、またより好ましくは、約５００ｐｍ／Ｖよりも大きい非対角係数が可視スペクトルの範囲内の電磁放射の波長（例えば、６３３ｎｍ）について、例えば、周囲温度で、評価される材料である。

本発明によるデバイス１０を製作する際に、チタン酸バリウムは、値が約１３００ｐｍ／Ｖに等しい非対角係数ｒ_４２を持つため特に有利である。
正電極１２および負電極１３は、制御電場

の力線が第１の導波路１の内側（特に、対応する導波層３の内側）に発生し、この電場が光軸ｃに垂直に配向されるか、またはこの光軸に垂直に配向された少なくとも１つの成分を持つように配置されることが指摘されている。図２の概略図によれば、電場

は、光軸ｃに垂直であり、また第１の導波路１の伝搬の方向に垂直であり（図２の平面内に入る方向）、したがって偏光ＴＥ１の方向に平行である。当業者であれば知っているように、光軸ｃに垂直な制御電場

の成分により、第１の導波路１内に、注目する材料の屈折率の楕円体の回転を伴う電気光学効果を発生させることが可能である。
これが振幅変調装置として機能する場合の光電子デバイス１０の動作について説明することにする。

この場合、光電子デバイス１０は、第１の導波路１の第１の入力ＩＮ１に接続され、実質的に直線偏光された、ＴＥ１モードに対応している、電磁放射を発生するレーザー光源１４を備える。例えば、レーザー光源１４は、半導体レーザーである。

好都合なことに、この発生した放射の波長は、例えば、８００ｎｍ〜１７００ｎｍの範囲内の波長などの光通信に適した波長を持つ。使用される放射は、１２００ｎｍ〜１７００ｎｍの範囲内、より好ましくは１４００〜１７００ｎｍの範囲内に含まれる波長を持つのが好ましい。

正電極１２および負電極１３が給電されず、したがって、電場を発生しない場合、デバイス１０は、方向性結合器として動作する。ＴＥ１モードは、第１の導波路１内で伝搬し、長さＬ_ｃの結合領域の内側で、少なくとも一部はＴＥ２モードで伝搬される第２の導波路２に伝達されるエバネッセントモードを発生する。

デバイス１０が１００％の結合を行う場合、第２の出力ＯＵＴ２で、実質的に同じ振幅、したがってＴＥ１モードに関連付けられた同じ電力成分を持つ放射を集めることが可能である。

発電機Ｇが作動された場合、正電極１２および負電極１３は給電され、周波数ｆ_ｃｒの振幅で可変である制御電場

を発生する。
光軸ｃ、および第１の導波路１の伝搬方向に直交する形で配向された、制御電場

は、第１の導波路１（０でない係数ｒ_４２を持つ）のチタン酸バリウム内で導路によりサポートされるモードの偏光変換を発生する。
より詳しくは、制御電場

により、第１の導波路１の電気光学物質に関係する屈折率の楕円体の軸の回転が生じる。
この回転の結果、導波路１によりサポートされるモードの伝搬の条件は変化し、偏光ＴＥ１から直交偏光ＴＭ１への変換により明らかにされる。

関係式（ｉ）を満たすように、または特定の関係式（ｉｉ）において方向性結合器１１を構成した後、第２の導波路２に結合できるＴＭ１モードに対応する放射の一部分は、ＴＥ１モードとＴＥ２モードとの間の結合と制限付きで比較される。実際、方向性結合器１１は、ＴＭ１モードに対応する放射が、実質的にゼロである、第２の導波路２との結合の「傾向」を持つか、またはいずれの場合も、ＴＥ１およびＴＥ２モードの結合の傾向を超える傾向を持たないような結合器である。

本発明の基礎となる現象の可能な定量的説明によれば、変換から結果として生じるモードの第２の導波路２への結合の制限により（例えば、ＴＭ１モード）、方向性結合器１１の通常動作に関連するエネルギーの伝達が実質的にキャンセルされるか、または手短に、方向性結合器が「破壊される」まで、全体として第２の導路に結合される放射の部分を減らすことが可能である。

より具体的には、デバイス１０において、第２の導波路２との結合による効果および電気光学効果に関連する第１の導波路１内の偏光変換の効果という２つの相反する効果が出現することを考慮することは理にかなっている。

これら２つの効果には、第１の導路１と第２の導路２との間の結合を完全にまたは部分的に抑止するような不一致がありえる。
これら２つの効果は、知られている結合モード理論を基に、以下のような事項を考慮することにより十分な精度で記述することができる。これらの考慮事項に基づいて、Ａ_ＴＥ１およびＡ_ＴＭ１は、ＴＥ１およびＴＭ１モードの電場の複素振幅を表し、Ａ_ＴＥ２およびＡ_ＴＭ２は、ＴＥ２およびＴＭ２モードの電場の複素振幅を表す。

これらの考慮事項において、軸ｚは、考察されている２つの導波路内の放射の伝搬の軸であり、原点ｚ＝０は、図１に示されているように、活性領域１００の初期セクションに配置される。

さらに、初期条件は、｜Ａ_ＴＥ１｜^２ _ｚ＝０＝１、｜Ａ_ＴＭ１｜^２ _ｚ＝０＝０、｜Ａ_ＴＥ２｜^２ _ｚ＝０＝０、｜Ａ_ＴＭ２｜^２ _ｚ＝０＝０、つまり、ＴＥ直線偏光で第１の導波路１内に導かれる放射である。

モード方程式は以下の形式である。

これらの方程式において、量Δβ_ｅｏ，１およびΔβ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}は、２つの導波路のモードに関連する伝搬定数βの間の以下の差によって表される。
Δβ_ｅｏ，１＝β_ＴＥ１−β_ＴＭ１＝（ｎ_ＴＥ１−ｎ_ＴＭ１）２π／λ
Δβ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}＝β_ＴＥ１−β_ＴＥ２＝（ｎ_ＴＥ１−ｎ_ＴＥ２）２π／λ
ただし、ｎ_ＴＥ１およびｎ_ＴＭ１は、第１の導波路１のＴＥおよびＴＭモードの実効屈折率であり、ｎ_ＴＭ２およびｎ_ＴＥ２は、それぞれ第２の導波路２のＴＥおよびＴＭモードの実効屈折率であり当業者には知られているように、実効屈折率は、製作される導波路の実際の構造を考慮し、未加工またはバルク水晶の正常屈折率および異常屈折率と相関する。

係数ｋ_ｅｏ，１は、第１の導波路１のＴＥモードとＴＭモードとの間の電気光学結合係数であり、この場合、電気光学係数ｒ_４２および、光軸ｃおよび第１の導波路１の伝搬の方向に直交するように配向された制御電場

の振幅Ｅ_ｃｒに比例する（または、光軸ｃおよび第１の導波路１の伝搬の方向に直交する制御電場

の成分に比例する）。
係数ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}は、２つの導波路１と２の間のＴＥ偏光に対する結合の係数であり、方向性結合器１１の幾何学的形状および第１の導波路１内のＴＥモードに対する実効屈折率ｎ_ＴＥ１および第２の導波路２内のＴＥモードに対する実効屈折率ｎ_ＴＥ２に依存する。

方程式（１）で、第１の項は、制御電場

があるため第１の導波路１内に発生する偏光変換（つまり、変換ＴＥ１→ＴＭ１）を記述するが、第２の項は、方向性結合器１１の構成により、第２の導路２への結合（つまり、結合ＴＥ１→ＴＥ２）を記述する。

方程式（２）は、偏光変換が電気光学効果から生じたため第１の導路１内に発生するＴＭモードを参照している（つまり、ＴＭ１モード）。方程式（３）は、第１の導路１と第２の導路２の間の結合の結果として第２の導路２内に発生するＴＥモードに関するものである（つまり、ＴＥ２モード）。

上記の方程式は、デバイス１０を参照しつつ上で説明されている内容により、第２の導波路２内に電気光学効果がなく、第１の導路１からＴＭモードの第２の導路２への結合がない場合に関するものであることが指摘される。つまり、方程式（１）、（２）、および（３）は、第２の導路２の電気光学結合係数ｋ_ｅｏ，２が実質的にゼロであり、またＴＭ偏光に対する２つの導路間の結合係数ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＭ}が実質的にゼロであるように（ｋ_ｅｏ，２＝０、ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＭ}＝０）構成されたデバイスに関するものである。

例えば、ｋ_ｅｏ，２は、偏光で変換されたＴＭ放射のパワーと第２の導波路２内に存在するＴＥ放射のパワーとの間のパーセンテージ比は１％以下のときに実質的にゼロであると考えられることに留意されたい。

また、本発明のデバイスは、ＴＭに対する２つの導波路間の結合が０でない、つまりｋ_ｃｏｕｐ，_ＴＭ≠０となるように構成することも可能である。
この場合、方程式（２）において、さらに以下の形式の項を考察する必要があり、

これは、ＴＭモードに対するこの結合の存在を表す。結合係数ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＭ}は、第１の導波路１および第２の導波路２の幾何学的レイアウト、およびその実効屈折率に依存する。

量Δβ_{ｃｏｕｐ，ＴＭ}は、関係式
Δβ_{ｃｏｕｐ，ＴＭ}＝β_ＴＭ１−β_ＴＭ２＝（ｎ_ＴＭ１−ｎ_ＴＭ２）２π／λ
によって与えられる。

本発明の第１の実施形態によれば、差Δβ_ｅｏ，１およびΔβ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}は、両方とも、実質的にゼロである、つまり、第１の導波路１の２つのモードＴＥ１とＴＭ１との間に位相はなく、第１の導波路１から第２の導波路２に結合されるモードＴＥ１とＴＥ２との間に位相差はない。

第１の条件（Δ_{βｅｏ，１}＝０）は、実質的にゼロの複屈折ｎ_ＴＥ１≒ｎ_ＴＭ１（例えば、複屈折は５．０・１０^−５以下）で第１の導波路１を使用することにより達成可能である。これは、例えば、うね４の上および／または導波層３の下に配置された導波層３またはうね４の屈折率と異なる屈折率を持つ物質の層の製造を実現する集積光学系の知られている手法を使用して、デバイス１０が製造されるときに、達成可能である。

それとは別に、適当な周期性を持つ指電極を使用して第１の導波路の複屈折率を低くすることが可能である。
第２の条件（Δβ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}＝０）は、例えば、第２の導波路２の屈折率ｎ_ＴＥ２に実質的に等しい実効屈折率ｎ_ＴＥ１を持つように第１の導路を製作することにより達成することができる（例えば、屈折率ｎ_ＴＥ１とｎ_ＴＥ２の差は１．０・１０^−５以下）。これは、２つの導波路１および２の材料および寸法の適宜選択することにより製造段階で達成することが可能である。例えば、材料および寸法が実質的に同一の導波路１および２を使用することが可能である。

上述の仮定の場合、方程式（１）、（２）、（３）の解は、以下の形式をとる。
Ａ_ＴＥ１＝ｃｏｓ（Ｋ ｚ） （４）
Ａ_ＴＭ１＝−ｉ （ｋ_ｅｏ，１／Ｋ）ｓｉｎ（Ｋｚ） （５）
Ａ_ＴＥ２＝−ｉ （ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}／Ｋ）ｓｉｎ（Ｋｚ） （６）
ただし、

光電子デバイス１０は、第１の導波路１の内側の偏光変換の効果が方向性結合器１１内で明らかにされている結合効果と比較して大きくなるように製作されるのが好ましい。
特に、デバイス１０の所定の動作条件では、電気光学結合係数ｋ_ｅｏ，１は導路間の結合係数ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}よりも大きい。

ｋ_ｅｏ，１＞ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ} （ｉｉｉ）
例えば、ｋ_ｅｏ，１はｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}の少なくとも２倍に等しい。これは、所望の変調により時間で変化する電位差Ｖ_ｃｒを適用し、例えば、適当に高い最大振幅を持つ制御電場

を発生するようなピークツーピーク値を持つことにより達成することができる。
式（６）は、ｋ_ｅｏ，１＞＞ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}の場合、電場Ａ_ＴＥ２は０になる傾向がある、つまり、この状況では、制御電場

を使用することで、２つの導波路１および２の間の結合が減らされる（または、実質的にキャンセルされる）ことを示している。
特に、第２の出力ＯＵＴ２に存在する電磁放射（ＴＥ２モードで伝搬する）は、制御電場

が存在しない場合に測定された放射に関して減らされるか、または実質的にキャンセルされるようにできる。
周波数ｆ_ｃｒによる制御電圧Ｖ_ｃｒが時間で変化することにより、第２の出力ＯＵＴ２に存在する放射の電場の振幅が変調され、したがって、この出力のところに存在する放射のパワーが変調されうる。

特に、最小値と最大値とを切り換えることにより、制御電圧Ｖ_ｃｒの振幅（周波数ｆ_ｃｒとともに）、レーザー光源１４により放射される放射のオンオフ変調が可能である。この場合、第２の出力ＯＵＴ２は、変調された放射を利用可能にする有用なポートであるが、第１の出力ＯＵＴ１は、デバイス１０の動作を監視するためのポートとして使用することができる。

出願者は、電気光学材料としてチタン酸バリウムを使用する上述の種類のデバイス（Δβ_ｅｏ，１＝Δβ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}＝０）を考察してコンピュータシミュレーションを実行した。このシミュレーションでは、活性領域１００の長さは、３０００ｐｍに等しいものとして選択された。

この第１のシミュレーションは、デバイス１０のパラメータに対し、波長λ＝１．５５μｍ、係数ｒ_４２＝５００ｐｍ／Ｖ（バルク水晶値と比較してチタン酸バリウムの薄膜の製造により引き起こされるｒ_４２の低下を考慮する）、ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}＝５．２ １０^−４ μｍ^−１、ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＭ}＝０、ｋ_ｅｏ，２＝０、ｎ_ＴＥ１＝ｎ_ＴＭ１＝１．９３５９の値を考慮することにより実行された。

３．９Ｖにほぼ等しい電位差Ｖ_ｃｒを印加することにより、第２の出力ＯＵＴ２に出力される電磁パワーを実質的にキャンセルことが可能である。
これらの動作条件では、値ｋ_ｅｏ，１は９．２ １０^−４μｍ^−１に等しい。

図３は、ｄＢで表され、電極１２および１３に印加される制御電圧Ｖ_{ｃｏｎｔｒ}が増大したときに第２の出力ＯＵＴ２で測定されることが可能な、電磁パワーＰ_ｏｕｔ２の曲線を示している。

図３のグラフを見るとわかるように、３．８Ｖから４Ｖまでの範囲の電圧の値Ｖ_ｃｒについて、４０ｄＢを超える電力Ｐ_ｏｕｔ２の消滅またはノッチが得られる。
このシミュレーションでは、さらに、少なくとも、３．８Ｖから４Ｖまでの範囲の電圧の値Ｖ_ｃｒについて、電力Ｐ_ｏｕｔ２の消滅に関するデバイス１０の性能は、３０００ｐｍに等しい公称値Ｌ_ｃに関する結合領域１００の実際の長さの偏差に関して十分な公差を示す。

本発明の第２の実施形態によれば、第１の導波路１および第２の導波路２は、ＴＥ１およびＴＭ１モードとＴＥ１およびＴＥ２モードとの間の位相不一致条件を示すことなどをする。

つまり、第１の導波路１のＴＥおよびＴＭモードに対する伝搬定数間の差は０に等しくなく、Δβ_ｅｏ，１≠０、また第１の導波路１のＴＥモードと第２の導波路２のＴＥモードの伝搬定数の差は、０に等しくない、Δβ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}≠０。

この場合、第２の出力ＯＵＴ２に存在する電力の変調の所望の効果を得るために、上で説明されている場合に印加できる振幅よりも大きな振幅を持つ制御電場

を印加すると都合がよい。例えば、印加される制御電圧Ｖ_ｃｒは、ほぼ１０Ｖに等しい値よりも大きく、１０Ｖから３０Ｖの範囲であるのが好ましい。
定性的分析によれば、位相不一致条件Δβ_ｅｏ，１≠０は、方程式（１）、（２）、および（３）の電気光学結合係数に、

に等しい指数関数係数を掛けることを意味している。この係数は、平均して、偏光変換の作用を完全に妨げることなく、電気光学係数の振幅を減らす。
この場合、偏光変換は、活性領域１００の長さについて実行された平均演算から得られ、以下の式に等しい実効電気光学結合係数ｋ_{ｅｏ，１−ｅｆｆ}により最もよく記述される。

同様に、条件Δβ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}≠０は、２つの導波路１および２の間のＴＥモードの結合について、平均演算からも得られる、実効係数ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ−ｅｆｆ}は以下のように定義できる。

さらに、この第２の実施形態では、条件（ｉｉｉ）に類似の条件は、有効とみなされ、それに従って、実効電気光学係数ｋ_{ｅｏ，１−ｅｆｆ}は、いずれの場合も、第１および第２の導波路内のモード間の実効結合の係数ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ−ｅｆｆ}よりも大きい。

ｋ_{ｅｏ，１−ｅｆｆ}＞ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ−ｅｆｆ} （ｉｉｉｉ）
出願者は、図１および２を参照しつつ説明されているが、この代替え実施形態Δβ_ｅｏ，１≠０、Δβ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}≠０に従って製作されたデバイスと類似のデバイスの動作のシミュレーションを実行した。この第２のシミュレーションでは、１．０・１０^−３に等しい複屈折率ｎ_ＴＥ１−ｎ_ＴＭ１の値および０．５・１０^−４に等しい差ｎ_ＴＥ１−ｎ_ＴＥ２の値を除き、同じ値が第１のシミュレーションについて定義されている値としてみなされた。

図４は、電圧Ｖ_{ｃｏｎｔｒ}の振幅が増大するときに第２の出力に存在する電力Ｐ_ｏｕｔ２の曲線を示している。１３．５Ｖから１４．５Ｖまでの範囲の電圧Ｖ_{ｃｏｎｔｒ}の値に対し、２０ｄＢよりも大きいノッチが得られる。１３．８Ｖにほぼ等しい値については、２５ｄＢから３０ｄＢの範囲のノッチが得られる。さらに、シミュレーションによって、この場合も、デバイスが結合領域１００の実際の長さに関して良い公差を示すことがわかった。

本発明の第３の実施形態によれば、光学電子デバイス１０は、関係式（ｉｉｉ）または（ｉｉｉｉ）が満たされないという差を持つ本発明の第１または第２の実施形態に関する仮定の下で製作される。

例えば、この状況では、第１の導波路１と第２の導波路２との間の結合は、第１の導路１内の偏光変換よりも大きい、ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}＞ｋ_ｅｏ，１（「強い結合」条件）。
都合のよいことに、強い結合条件では、短いデバイスを製作できる。さらに、この条件では、印加される電場がゼロである第１の導波路１から第２の導波路２への放射の結合は、製造誤差の影響をあまり受けないことが判明している。

この場合、電場Ａ_ＴＥ２は、正弦関数型の伝搬ｚの軸にそった周期的挙動を示す（関係式（６）により表される解を観察することにより直観的に理解できるであろう）。

上記の関係式に基づき、（制御電圧Ｖ_ｃｒ、したがって制御電場

および電気光学係数ｋ_ｅｏ，１の関数として）ＴＥ２モードに関連する電力の最小値に対応するデバイス１０のセクションの、原点ｚ＝０から評価された距離Ｌ_{ｎｏｔｃｈ}を決定することが可能である。

出願者は、本発明のこの第３の実施形態により構成されるデバイス１０の動作のシミュレーションを実行した。
この第３のシミュレーションでは、第１および第２のシミュレーションについて示されているパラメータの同じ値が、７．９・１０^−３μｍ^−１に等しいものとしてみなされたｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}の値を除き、考慮される。さらに、方向性結合器１１は、外部電場

が存在しない場合、第１の導路１から第２の導路への電力の最大伝達は、（方向性結合器１１の周期に対応する）２００μｍに等しい２つの導路１および２の並んだセクションの長さ分について発生するように構成された。

このシミュレーションから、制御電圧Ｖ_ｃｒの特定の値について、第２の導波路２から出力される電力Ｐ_ｏｕｔ２の実質的キャンセルが、（他の可能な値のうち）方向性結合器１１の周期の約１３倍に等しい、ｚ’＝２６００μｍに等しい活性領域１００の長さに対し、発生することがわかった。

図５に示されているように、距離ｚ’で、１２Ｖから１３Ｖの範囲の制御電圧Ｖ_ｃｒの値について、２０ｄＢよりも高いノッチが得られ、特に約１２．５Ｖで、２５ｄＢよりも高いノッチが得られ、この動作条件では、ｋ_ｅｏ，１は２．９・１０^−３μｍ^−１に等しい。

本発明の第３の実施形態に関係するこれらの結果から、第１の導路内に誘起される偏光変換（ＴＥ１→ＴＭ１）が特に効率的でない場合でも、光電子デバイス１０によりＯＵＴ２ポートで出力電力（したがって、これを変調する可能性）が低下する可能性があることがわかった。

特に、光電子デバイス１０は、偏光変換は無視できない大きさになるように、つまり、結果として変換（それが最大であるセクションｚで評価される）から生じる、ＴＥ偏光に関連する入電力Ｐ_ｉｎとＴＭ偏光に関連する電力Ｐ_ｃｏｎｖとの間のパーセンテージ比Ｐ_ｃｏｎｖ／Ｐ_ｉｎが約１％よりも大きくなるように構成することができる。

この比は、好ましくは５％よりも大きく、より好ましくは１０％よりも大きい。特定の実施形態によれば、変換比は４０％よりも大きい。いずれの場合も、ＴＥからＴＭへの偏光変換が完全である必要はない。

制御電場

は、第１の導波路１内で、第１の導波路１の実効屈折率ｎ_ＴＥ１およびｎ_ＴＭ１の少なくとも一方の変動を引き起こすような光軸ｃに直交しない成分を示すことが可能であることに留意されたい。

本発明によれば、実効屈折率ｎ_ＴＥ１およびｎ_ＴＭ１のこれらの変動は、さらに、方向性結合器１１の挙動の変調に関わりうるが、いずれの場合も、代わりに偏光変換の作用により実行されるこの変調に対する基本的な役割を実行しない。

さらに、シミュレーションの結果として、光電子デバイス１０は、第１の導波路１の複屈折ｎ_ＴＥ１−ｎ_ＴＭ１（したがって、差Δβ_ｅｏ，１）の偏差に関して十分な公差を示すことが指摘されている。特に、約４０％の複屈折の偏差に対する公差が指摘された。

この関係で、出願者は、方向性結合器の破壊に関するデバイス１０の挙動は、０．００１よりも小さい差Δβ_ｅｏ，１の値（図５で示されている値）と０．００１４に等しい値の両方について実質的に変わらないことを観察した。特に、Δ_{βｅｏ，１}＝０．００１４を考察すると、上記の値にほぼ等しい電圧Ｖｃｏｎｔｒの値（１２．５Ｖ〜１３．５Ｖ）に対し、約１５ｄＢに等しい消滅が得られた。

図６は、光電子デバイス２０として製作される本発明の第４の実施形態を示している。図６および以下の図では、すでに説明されている構成要素と同じまたは類似の構成要素が、同じ参照番号を使用して示されている。

デバイス２０は、上述のデバイス１０に類似しているが、正電極１２の代わりに、負電極１３とともに、第２の導波路２の内側にもある電場

を発生するように製作された異なる正電極２１を備えるので、それとは異なる。特に、正電極２１は、第２の導波路２の上に延びており、実質的にその導波路２に面している。
さらに、第２の導波路２は、オプションにより、例えば、第１の導波路１と同じ材料などの電気光学材料で製作することができる。

この制御電場

は、第２の導波路２の光軸ｃに直交する実質的構成要素を示さず、したがって、この導路内に有意な偏光変換を引き起こすことができない。
特に、制御電場

は、第２の導波路２の水晶の光軸ｃに実質的に平行であり、したがって、第２の導波路２が電気光学材料を含む場合、第２の導路内で誘導されるモード間の位相差を引き起こすことはできるが、偏光変換を引き起こすことはできない。

その結果、デバイス２０の動作は、デバイス１０の可能な３つの実施形態を参照しつつ説明されている動作と類似しており、それよってｋ_ｅｏ，２は０であった。
図７は、本発明の第５の実施形態により製作された光電子デバイス３０を示している。この第５の実施形態によれば、第２の導波路２（第２のうね５およびその下の導波層３の領域）は、例えば、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、またはシリコンなどの実質的に非電気光学な材料により製作される。

さらに、デバイス３０は、両方の導路１および２が光軸ｃに直交する形で配向されている制御電場

の影響を受けるように第２の導波路２のサイドに配置された正電極３１を含む。ただし、第２の導波路２は電気光学材料を含まないので、制御電場

により誘起される偏光変換はその中では発生しない。
例えば、図７の光電子デバイス３０は、上述の関係式（ｉ）（ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}≧ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＭ}）を満たすように、ただしＴＭモードの第１の導波路１と第２の導波路２との間の結合（ＴＭ１→ＴＭ２）が０でない、つまりｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＭ}≠０となるように構成される。

ＴＭモードに関係する結合が存在している場合でも、出力電力を変調し、上述の方法と類似の方法で方向性結合を実質的に破壊することが可能である。
図８は、本発明の第６の実施形態により製作された光電子デバイス３５を示している。この第６の実施形態によれば、第２の導波路２は、第１の導波路の上に延び、例えば、二酸化ケイ素から、または第１の導波路１および第２の導波路２の導波層の屈折率よりも小さい屈折率を持つ他の材料とともに作られた分離層８’上に製作される。第２の導波路２は、第１の導波路１に実質的に揃えられるか、または、言い換えると、第１の導波路１および第２の導波路２は、図８の平面の中に入る伝搬のそれぞれの軸を持つ。

デバイス３５は、光軸ｃおよび導路の伝搬の方向に垂直な電場

を発生するように２つの導波路の向かい合う外側に配置された負電極３７および正電極３６を備える。
この第６の実施形態によれば、第２の導波路２は、例えば、シリコン、二酸化ケイ素、または窒化ケイ素などの実質的に非電気光学な材料により製作される。

この場合も、第２の導波路２の内側に偏光変換は生じない。
図９は、さらに、非電気光学材料から製作され、例えば、矩形の芯を持つ埋め込み型の第２の導路２’を含む図８の実施形態の代替えとなる実施形態を示す。

図１および図２のデバイスを参照しつつ説明されている内容と同様に、デバイス２０（図６）、３０（図７）、および３５（図８）に対応する第４、第５、および第６の実施形態は、さらに、第１、第２、および第３の実施形態を参照しつつすでに説明されているすべての関係式が満たされるように製作することもできる。

図１０は、本発明の第７の実施形態に対応する光電子デバイス４０を示している。
デバイス４０の構造およびその動作は、以下に示される相違点を除き、デバイス１０のと類似している。

デバイス４０では、導波路１および２は両方とも、電気光学材料で製作される。図１のデバイス１０を参照しつつ与えた説明とは異なり、図１０の実施形態では、負電極１３および正電極１２は、この第２の導路でも電気光学効果による偏光変換を引き起こすような向きで第２の導波路２内に電場

を発生するような構成をとるように示している。電極１２および１３は、２つの導路１および２の外およびそれらの反対側に配置される。
さらに、図１０の実施形態によれば、結合の係数は、０に等しくない第１の導路１と第２の導路２との間のＴＭモード、ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＭ}≠０について考察されている。

これらの仮定で、２つの導路内の場を記述する方程式は以下の形式をとる。

これらの方程式は、すでに定義されている方程式（１）、（２）、および（３）の一般化である。実際、方程式の中に現れる特定のパラメータをキャンセルすることによりそれらの方程式に戻るか、またはすでに説明されている実施形態に戻ることが可能である。

これらの方程式の中に示されている数量の一部は、すでに、定義されており、残りの数量は以下のとおりである。
Δβ_ｅｏ，１＝β_ＴＥ１−β_ＴＭ１＝（ｎ_ＴＥ１−ｎ_ＴＭ１）２π／λ
Δβ_ｅｏ，２＝β_ＴＥ２−β_ＴＭ２＝（ｎ_ＴＥ２−ｎ_ＴＭ２）２π／λ
Δβ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}＝β_ＴＥ１−β_ＴＥ２＝（ｎ_ＴＥ１−ｎ_ＴＥ２）２π／λ
ｋ_ｅｏ，２÷ｒ_４２Ｅ_ｗｇ−２
これらの数量の物理的重要性は、上記の説明およびそれらを区別する屈折率に基づき当業者には明らかなことである。

一般に、２つの導路１および２内で等しい（つまり、ｎ_ＴＥ１がｎ_ＴＥ２に近い）同じモード（例えば、ＴＥ）に関係する屈折率が多いほど、一方の導路から他方の導路へのそのモードの結合は大きい。

０に等しくない数量Δβ_ｅｏ，２を考察すると、以下の実効結合係数ｋ_ｅｏ，_{２−ｅｆｆ}を定義することが適切である

出願者は、以下の条件を固定することによりそのことを観察した。
ｋ_{ｅｏ，１−ｅｆｆ}＞ｋ_{ｅｏ，２−ｅｆｆ} （１２）
放射の切り換えが対応する方向性結合器１１の破壊を得ることが可能である。

関係式（１２）は、第１の導波路１（つまり、入射放射が導き入れられる導路）内の電気光学効果にリンクされる偏光変換は、第２の導路２内に発生しうる変換よりも大きいという事実を表している。つまり、本発明のデバイスは、偏光で変換された放射のパワーと導き入れられた放射のパワー（比が最大であるｚの値について評価される）との間の比が第２の導波路に関係する比と比較して第１の導波路の方が大きくなるように構成される。

それでも定性的分析によれば、第２の導路２内の偏光変換は、ＴＭ２モードが発生することになる（方程式（１０）および（１１）を参照）、したがってそれを制限するのが適切であるという点で方向性結合器１１の破壊とは「反対」の効果を持つ。

すでに説明されている実施形態では（デバイス１０、２０、３０、３５）、第２の導路２内の実効電気光学結合係数（ｋ_{ｅｏ，２−ｅｆｆ}＝０）は、さまざまな技術的解決手段においてゼロにされていることが指摘された。その代わりに、図１０の実施形態によれば、関係式（１２）は、実効係数ｋ_{ｅｏ，２−ｅｆｆ}が０に等しくない状態で満たされている。

例えば、この第７の実施形態の関係式（１２）によると、第１の導波路１および第２の導波路２は、
Δβ_ｅｏ，１＜＜Δβ_ｅｏ，２ （１３）
または、それと同等なものとして、
ｎ_ＴＥ１−ｎ_ＴＭ１＜＜ｎ_ＴＥ２−ｎ_ＴＭ２ （１４）
特に、
ｎ_ＴＥ１≒ｎ_ＴＭ１ （１５）
という関係式を満たす複屈折率を示すようなものである。

関係式（１５）は、第１の導波路１は低い、例えば５．０・１０^−２以下、好ましくは５．０・１０^−３以下の複屈折率を持つ、したがって数量Δβ_ｅｏ，１に対し低い値を持つと都合がよいことを主張している。

その代わりに、第２の導波路２内の複屈折はより高い、例えば、第１の導波路１の複屈折の少なくとも５倍に等しいことが適切である。
さらに、ＴＥモードに関係する第１の導路１と第２の導路２との結合がＴＭモードに関係する結合よりも小さいことを確実にする関係式（ｉ）、ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}≧ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＭ}によれば、２つの導路の屈折率は、ｎ_ＴＥ１をｎ_ＴＥ２にほぼ等しくなるように選択することにより調整することができる。

ｎ_ＴＥ１≒ｎ_ＴＥ２ （１６）
実際、関係式（１６）および関係式（１５）と（１４）を適用することにより、ＴＭモードに対する第１の導路１の屈折率、ｎ_ＴＭ１は、第２の導路２のｎ_ＴＭ２と非常に異なるものとなる。特に、以下が得られる。

ｎ_ＴＭ１＞＞ｎ_ＴＭ２ （１７）
また、これは、条件（ｉ）、ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}≧ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＭ}を満たすことを意味する。

図１１は、製作の詳細を示す、図１０の実施形態と類似の本発明の一実施形態を示している。
図１１の光電子デバイス４５は、二酸化ケイ素ＳｉＯ_２の下側クラッディング７を含み、その上に、例えば、導波層３、したがって２つのうね４および５が成長する酸化マグネシウム（ＭｇＯ）で製作された中間またはバッファ層４６が配置されると都合がよい。導波層３およびうね４と５は、配向＜００１＞を持つ光軸を示すチタン酸バリウムでできている。

関係式（１５）による第１の導波路１の複屈折率を低減することを目的として、それぞれのうね４上に、例えば、窒化ケイ素、Ｓｉ_３Ｎ_４、または上側クラッディング８の屈折率よりも高い屈折率を持つ他の材料からなる追加層４７が形成される。

電極１２および１３は、好ましくは金（Ａｕ）で製作され、光軸ｃ、および伝搬軸ｚに垂直な制御電場

を発生するような電極である。
λ＝１．５５μｍに等しい入射光学的放射の波長を考えると、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）の正常屈折率ｎ_ｏｒｄおよび異常屈折率ｎ_ｅｘｔは、ｎ_ｏｒｄ＝２．１８１０および異常屈折率ｎ_ｅｘｔ＝２．１６６に等しい。

上側クラッディング８と下側クラッディング７の屈折率ｎ_ｓｉｏ２は、１．４４４に等しく、バッファ６の屈折率ｎ_Ｍｇｏは、１．７３２であるが、追加層４７の屈折率は、２．２に等しい。

チタン酸バリウムは、５００ｐｍ／Ｖに等しい非対角電気光学係数ｒ_４２を持つ。
図１１の集積デバイスは以下の寸法を持つ。
−ｄ１＞１．５μｍおよび、例えば１００ｐｍ未満である、下側クラッディング７の厚さｄ１、
−約１００ｎｍに等しい、バッファ４６の厚さｄ２、
−約２５０ｎｍに等しい、導波層３の厚さｄ３、
−約５５０ｎｍに等しい、第１の導波路１および第２の導波路２のうね４および５の厚さｄ４、追加層４７の厚さは約２００ｎｍに等しい、
−第１の導波路１のうね４の幅ｗ１は、約７００ｎｍに等しい、
−第２の導波路のうね５の幅ｗ２は、約７７５ｎｍに等しい、
−約９００ｎｍに等しい、２つの導波路の間の距離ｄ、
−１μｍよりも大きく、例えば１ｍｍよりも小さい、電極１２および１３の高さｈ、
−８μｍよりも大きく、例えば、５０μｍよりも小さい電極間の距離ｄ６。

上記のデバイス４５の寸法設定から、第１の導路１および第２の導路２の横電場および横磁場モードに対する屈折率の値、ｎ_ＴＥ１＝１．９３５９、ｎ_ＴＭ１＝１．９３５４、ｎ_ＴＥ２＝１．９３５８、ｎ_ＴＭ２＝１．９０８３が得られる。

第１の導路１については、ｎ_ＴＥ１−ｎ_ＴＭ１＝５・１０^−４の複屈折率があり、第２の導路については、複屈折率はｎ_ＴＥ２−ｎ_ＴＭ２＝０．０２７５に等しい。さらに、ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}＝０．００９８およびｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＭ}＝０．００４５である。

出願者は、上記の寸法値を基にシミュレーションを実行した。その結果から、１０μｍに等しい電極間の距離ｄ６については、印加電圧Ｖ_ｃｒが約１Ｖに等しい場合、電場

は、平均値が約０．０５Ｖ／μｍに等しい導波路１および２の内側で得られる。この評価では、約１０００に等しい、高周波に対するチタン酸バリウムの誘電定数が考慮された。
図１１のデバイス４５は、電場

が存在しない場合の、周期が１６０μｍに等しい、第２の導波路２のＴＥモードの周期曲線を示している。
活性領域１００は、長さをｚ”＝５９３０μｍに等しくとることができ、これは上記の周期の約３７倍に対応する。

図１２は、上記の値ｚ”に等しい長さの場合に第２の導波路２の出力に存在する電力Ｐ_ｏｕｔ２の電極１２および１３に印加される電圧が変化する場合の曲線を示している。この電力Ｐ_ｏｕｔ２では、ＴＥ２モードおよび、さらに第２の導波路２内で伝搬されるＴＭ２モードの両方を考慮する。

図１２のグラフは、さらに、約９．５Ｖから１０．５Ｖの範囲の電圧値について、２０ｄＢを超える電力の消滅が得られることも示している。
特に、１０Ｖにほぼ等しい値については、約３５ｄＢの消滅が得られる。

図１２は、さらに、約９．５Ｖの値を持つ制御電圧Ｖ_ｃｒについて、消滅は、１５ｄＢに下げられることも示している。
振幅変調装置またはスイッチとして動作させる目的のため、図１１のデバイス４５の制御電圧Ｖ_ｃｒは、特定の値範囲内で変化させることができる。例えば、図１２の実験の結果によれば、電圧Ｖ_ｃｒは、９．５Ｖから１０．５Ｖの範囲で変化しうる。

この制御電圧Ｖ_ｃｒを、定電場が対応する定バイアス電圧Ｖ_ｂｉａｓ（例えば、約７Ｖ）と可変電圧Ｖ_ｖａｒ（例えば、ピークツーピーク電圧が５Ｖ）に分離することにより印加することが可能である。

定電圧Ｖ_ｂｉａｓにより、動作点を出力ＯＵＴ２に存在する電力の特定の値、例えば、入力ＯＵＴ１の電力の５０％に等しい値に固定することができる。可変電圧Ｖ_ｖａｒは、出力ＯＵＴ２の電力を変調できる可変電場を発生させる。

図１３は、第２の出力２の出力電力Ｐ_ｏｕｔ２の曲線、およびさらに、デバイス４５について実行されたシミュレーションの後に得られた値Ｖ_ｂｉａｓ＝７ＶおよびＶ_ｖａｒ＝５Ｖも、均等目盛で示している。

バイアス電圧Ｖ_ｂｉａｓに対応する定電場および可変電圧Ｖ_ｖａｒに対応する可変電圧は、デバイス４５の活性領域１００全体に作用すると都合がよいことに留意されたい。
この関係において、図１４は、図１１のデバイス４５に類似のデバイス５５を示しているが、バイアス電場および可変電場の活性領域１００全体にわたって実質的に一様な分布を固定するのに特に適している電極の構造を含む。

より詳しく述べると、光電子デバイス５５は、上側クラッディング８の上に配置され、第１の導波路１および第２の導波路２の間に延びている導波層３の領域に面しているバイアス電極Ｂ_{ｅｌｅｃｔ}を含む。

例えばドープされた多結晶シリコンのバイアス電極Ｂ_{ｅｌｅｃｔ}が製作され、これは高周波では電気絶縁体（つまり、誘電体）となり、静止周波数または低周波数条件の下では導電体となる。

光電子デバイス５５は、第１の端子がバイアス電極Ｂ_{ｅｌｅｃｔ}に接続され、第２の端子が負の電極１３に接続されている定電圧発電機ＤＣ−Ｇを備える。可変電圧発電機ＲＦ−Ｇ（例えば、高周波ＲＦで動作する）は、負電極１３および正電極１２に接続される。

高周波では絶縁体として振る舞うバイアス電極Ｂ_{ｅｌｅｃｔ}は、可変電圧発電機ＲＦ−Ｇにより発生し、負電極１３に供給される高周波電圧の影響を受けない。
動作すると、定電位（例えば７Ｖ）が、バイアス電極Ｂ_{ｅｌｅｃｔ}に印加されうる。正電極１２と負電極３０との間で、発振電圧Ｖ_ｖａｒ（例えば、±２．５Ｖの範囲内で可変）が印加される。したがって、バイアス電極Ｂ_{ｅｌｅｃｔ}から見て、正電極１２には、それに印加される可変電圧Ｖ_ｖａｒの平均電圧Ｖ_ｍに等しい電圧がかかっている（例えば、Ｖ_ｍは０Ｖ）。したがって、正電極１２は、平均すると、バイアス電極Ｖ_ｂｉａｓの電位と比べて低い電位（通常はゼロ）である。

これは、バイアス電場

の力線および可変電場

の力線は、図１４の連続する直線により概略が示されているように配向されることを意味している。
特に第１の導波路１および第２の導波路２において、２つの電場は、光軸ｃおよび伝搬軸ｚに直交する。

それとは別に、バイアス電場

および可変電場

を適切な方法で印加するために、当業で知られている従来のバイアスティーデバイスを使用できる。
上記の説明でＴＥモードに対応する入力放射に言及していたとしても、本発明の開示は、ＴＭ型の直線偏光放射が第１の導波路１に導き入れられる場合にも適用可能であることが指摘されている。

ＴＭ放射が入射される場合、高周波電場は、本発明の前の実施形態を参照しつつ説明されているのと同じ方向にそって配向され、方向性結合器１１は、ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＭ}≧ｋ_{ｃｏｕｐ，ＴＥ}となるように構成される。

本発明により製作されたデバイスは、変調装置としてだけでなく、開閉スイッチ、切り換えスイッチ、またはアッテネータとしても動作できるようなデバイスであることが指摘される。

この関係で、図２を参照すると、制御電場が存在しない場合、第１の入力ＩＮ１に導き入れられた放射は、第２の導波路２に結合され、第２の出力ＯＵＴ２で使用可能にされる（スイッチのクロスオーバー状態）。制御電場

が存在する場合、光電子デバイス１０をストレートスルーまたはバー状態にすることにより、第２の出力２に存在する放射を低減または実質的にキャンセルすることが可能である。この場合、第１の入力ＩＮ１に導き入れられる電力は、（少なくとも一部は）第１の出力ＯＵＴ１で利用可能にされる。

本発明による光電子デバイスは、十分な性能を持つ光スイッチまたは光変調装置の機能を備える。シミュレーションを実行したことで、この種類のアプリケーションに対し適した振幅の制御電圧Ｖ_{ｃｏｎｔｒ}を適用することにより光通信システムで使用するのに適した出力電力に対する消滅値を得ることが可能であることがわかった。

さらに、すでに示されているように、本発明により開示される解決手段は、使用される導波路の複屈折率に決定的に依存せず、したがって、デバイス内の製造の不正確さにあまり敏感でない出力電力のスイッチング／変調を行えるという利点も有する。

本発明によるデバイスの一実施形態の上からの概略図である。 図１のデバイスを通る断面の概略図である。 本発明によるデバイスの出力曲線を表すグラフである。 本発明によるデバイスの出力曲線を表すグラフである。 本発明によるデバイスの出力曲線を表すグラフである。 本発明によるデバイスの他の実施形態の断面図である。 本発明によるデバイスの他の実施形態の断面図である。 本発明によるデバイスの他の実施形態の断面図である。 本発明によるデバイスの他の実施形態の断面図である。 本発明によるデバイスの他の実施形態の断面図である。 本発明によるデバイスの他の実施形態の断面図である。 本発明によるデバイスの特定の実施形態の出力曲線を表すグラフである。 バイアス電圧を使用することを規定する本発明の一実施形態により製作されるデバイスの出力曲線を表すグラフである。 バイアス電極を含む本発明のデバイスの一実施形態の概略断面図である。

Claims (35)

1. 光電子デバイス（１、３０、３５、４０、４５、５５）であって、
   −入射電磁放射を受け取るための入力（ＩＮ１）を備え、電気光学材料からなる導波領域（３）を含む、第１の導波路（１）と、
   前記入射放射の少なくとも第１の部分を結合でき、出力放射用の出力（ＯＵＴ２）を備える第２の導波路（２）とを含む方向性結合器（１１）と、
   −前記第１の導路（１）の少なくとも内側で制御電場
   

   

   を発生し、前記電気光学材料において前記入射放射の少なくとも一部の、前記第２の導路に結合された前記放射の第１の部分を修正するような偏光変換を引き起こすような構造（１２、１３、３６、３７）とを備える光電子デバイス。
2. 前記偏光変換は、前記第２の導波路から出力される前記放射に関連付けられた電力の制御を行えるような大きさである請求項１に記載のデバイス。
3. 前記偏光変換により、前記第２の導波路から出力される前記放射に関連付けられた前記電力を低減できる請求項２に記載のデバイス。
4. 前記制御電場を発生するための前記構造は、変換された前記入射放射の前記少なくとも一部は前記入射放射に関連付けられた前記電力の１％を超える値を持つ電力を有するような構造である請求項１に記載のデバイス。
5. 前記制御電場を発生するための前記構造は、前記値が前記入射放射に関連付けられた前記電力の５％を超えるような構造である請求項４に記載のデバイス。
6. 前記第１の導波路、前記第２の導波路、および前記制御電場を発生するための前記構造は、事前に定義された動作条件の下で、前記第１の導波路内の前記偏光変換が、前記制御電場を発生するための前記構造により引き起こされる電気光学効果を使用して前記第２の導波路内で得ることが可能な偏光変換よりも大きい構成である請求項１に記載のデバイス。
7. 前記事前に定義された動作条件の下で、前記第１の光導波路に、前記第１の導波路内の前記偏光変換の効果を表す電気光学結合の第１の係数が関連付けられ、前記第２の導波路に、前記第２の導波路内の偏光変換の前記効果を表す電気光学結合の第２の係数が関連付けることができ、前記第１の係数は前記第２の係数よりも大きい請求項６に記載のデバイス。
8. 前記入射放射は、第１の種類の偏光を持ち、前記構造は、前記入射放射の少なくとも一部を第２の種類の偏光に変換することができ、前記方向性結合器は前記第１の種類の偏光に関係する前記第１および前記第２の導路の間の結合の第３の係数を関連付けられ、前記方向性結合器に関連付けられた第４の結合係数以上の値を持ち、前記第２の種類の偏光に関係する前記第１および前記第２の導路の間の結合を表す請求項６に記載のデバイス。
9. 前記方向性結合器および前記制御電場を発生するための前記構造は、前記第１の導波路内の前記偏光変換効果が前記第１の導波路から前記第２の導波路への前記入射放射の少なくとも第１の部分を結合する効果よりも大きい構成である請求項６に記載のデバイス。
10. 前記第１の結合係数は、前記第３の結合係数の２倍に少なくとも等しい請求項７および８に記載のデバイス。
11. 前記方向性結合器および前記制御電場を発生するための前記構造は、前記第１の導波路から前記第２の導波路への前記入射放射の少なくとも第１の部分の結合の前記効果が、前記第１の導波路内の偏光変換と比較して大きい構成である請求項６に記載のデバイス。
12. 前記第４の結合係数は実質的にゼロである請求項８に記載のデバイス。
13. 前記第１の導波路は、前記第２の導波路に関連付けられた第２の複屈折率よりも小さい第１の複屈折率に関連付けられているような構成である請求項６に記載のデバイス。
14. 前記第１の複屈折率は、５．０・１０^−２に等しい値以下である請求項１３に記載のデバイス。
15. 前記第１の複屈折率は実質的にゼロである請求項１４に記載のデバイス。
16. 前記第２の複屈折率は、前記第１の複屈折率の５倍に少なくとも等しい請求項１３に記載のデバイス。
17. 前記第１の導波路は、前記第２の導波路に関連付けられた、前記第１の種類の偏光に関係する、第２の屈折率に実質的に等しい前記第１の種類の偏光に関係する第１の屈折率に関連付けられる請求項８に記載のデバイス。
18. 前記第２の導波路の内側の前記偏光変換効果により、値が前記第１の導波路から前記第２の導波路へ結合された前記入射放射の前記少なくとも一部分の前記パワーの１％未満であるパワーを持つさらに変換された放射を発生させることができる請求項６に記載のデバイス。
19. 前記第２の導波路は、電気光学材料を含み、前記制御電場を発生させるための前記構造は、実質的に前記第１の導波路内でのみ変換偏光を引き起こすような構成である請求項６に記載のデバイス。
20. 前記第２の導波路は、実質的に電気光学材料で製作される請求項１８に記載のデバイス。
21. 前記第１および第２の導路は、それぞれ、入射放射の第１の部分の結合を行えるように隣に配置されている第１のセクションおよび第２のセクションを備え、前記構造は前記第１のセクションの少なくとも内側で前記制御電場を発生するような構成である請求項１に記載のデバイス。
22. 前記制御電場を発生するための前記構造は、前記第２の導波路の前記第２のセクションにそって前記第１の導波路の前記第１のセクションの少なくとも内側で前記制御電場を発生するために電圧発生器（Ｇ）により給電できる第１の電極（１２）および第２の電極（１３）を備える請求項２１に記載のデバイス。
23. 前記第１および前記第２の導波路は、それぞれの下側クラッディング（７）上に集積されたそれぞれの導波層（３）をそれぞれ備え、前記導波層は前記下側クラッディングの第２の屈折率よりも大きな第１の屈折率を持ち、実質的に導波層の内側で電磁放射を伝搬させることが可能な請求項１に記載のデバイス。
24. 前記第１および第２の導波路は、さらに、前記導波層の上に配置されたそれぞれの上側クラッディング（８）を備え、前記第１の屈折率よりも小さい第３の屈折率を持ち、実質的に前記導波層内で電磁放射を伝搬させることができる請求項２３に記載のデバイス。
25. 前記第１の導波路の少なくとも前記導波層は、結晶型の前記電気光学材料を備え、関連付けられた光軸を持つ請求項２３に記載のデバイス。
26. 前記電場を発生するための前記構造は、前記第１の導波路の前記導波層の少なくとも内側で、光軸に垂直になるように向き付けられた電場を発生するような構成である請求項２５に記載のデバイス。
27. 前記第１および第２の種類の偏光は直線偏光である請求項８に記載のデバイス。
28. 前記制御電場は、前記第１の導波路の伝搬の方向に実質的に垂直になるように向き付けられている請求項２６に記載のデバイス。
29. 前記制御電場は、前記材料に関連する電気光学テンソルの非対角電気光学係数を伴う電気光学効果を引き起こすような構成である請求項１に記載のデバイス。
30. 前記電気光学材料は、チタン酸バリウムである請求項１に記載のデバイス。
31. 電磁放射に関連する電力を制御する方法であって、
    −電気光学材料を含む少なくとも１つのセクションを備える、第１の導波路に入射放射を送り込むステップと、
    −第２の導波路内に、前記入射放射の少なくとも第１の部分を結合し、前記第２の導路内に関連付けられたそれぞれのパワーを持つ出力放射を前記第２の導路内に発生させ、前記第２の導波路は、結合セクションに対する前記第１の導波路と並ぶステップと、
    −前記第１の導波路内に電気光学効果を誘起して、前記入射放射の少なくとも一部の偏光変換を引き起こし、前記第２の導波路に結合された放射の前記第１の部分を修正し、出力される放射の前記パワーを制御するステップとを含む方法。
32. 前記誘起ステップは、前記第１の導波路の前記電気光学材料の少なくとも内側に及ぶ力線を持つ制御電場を発生するステップを含む請求項３１に記載の方法。
33. 前記発生ステップは、前記出力放射のパワーを変調するために所定の変調周波数に従って時間により変動する制御電場の発生を含む請求項３２に記載の方法。
34. 前記発生ステップは、前記制御電場を第１の値および第２の値との間で切り換えるステップを含み、前記第１の値には前記出力放射の第１のパワーが対応し、前記第２の値には前記第１のパワーよりも小さい前記出力放射の第２のパワーが対応する請求項３２に記載の方法。
35. 前記第２の値には、出力される前記放射の実質的にゼロのパワーが対応する請求項３４に記載の方法。

Images