JP4537934B2

JP4537934B2 - Optical polarization element and optical switch using the same

Info

Publication number: JP4537934B2
Application number: JP2005305252A
Authority: JP
Inventors: 知幸赤星
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2025-10-20
Also published as: JP2007114446A

Description

本発明は光通信などに用いられる光学モジュールを構成するのに好適な電気光学効果をもつ光偏向素子及びそれを用いた光スイッチに関する。 The present invention relates to an optical deflection element having an electro-optic effect suitable for configuring an optical module used for optical communication and the like, and an optical switch using the same.

現在、光通信ネットワークの分野においては、急激に増大する通信データの処理に対応する為、各種光学素子と光導波路との複合化により作製される光学モジュールの高性能化が期待されている。 Currently, in the field of optical communication networks, in order to cope with the processing of communication data that is rapidly increasing, it is expected that the performance of optical modules produced by combining various optical elements and optical waveguides will be improved.

光学モジュールの中でも、電気光学効果を有する光偏向素子と光導波路基板とを複合化させた光スイッチモジュール（例えば、特許文献１を参照。）は、光偏向素子に電圧を印加してモジュール内を伝播する光信号の伝播方向を変化させることができる為、処理すべき通信データを電気信号に変換することなく光信号のまま高速でスイッチング処理を行うことが可能である。 Among optical modules, an optical switch module (for example, refer to Patent Document 1) in which an optical deflection element having an electro-optic effect and an optical waveguide substrate are combined is applied with a voltage to the optical deflection element. Since the propagation direction of the propagating optical signal can be changed, it is possible to perform the switching process at a high speed without changing the communication data to be processed into the electric signal.

図３は従来技術に依る光偏光素子の要部平面（上段）及び要部切断側面（下段）を表す説明図であり、（Ａ）は２チャネル、（Ｂ）は４チャネル、（Ｃ）は８チャネルをそれぞれ示している。 FIGS. 3A and 3B are explanatory views showing a principal plane (upper part) and a principal-part cut side surface (lower part) of a light polarizing element according to the prior art. FIG. 3A shows two channels, FIG. 3B shows four channels, and FIG. 8 channels are shown respectively.

光偏向素子は、ＮｂをドープしたＳｒＴｉＯ₃基板のような単結晶基板１上にＰＬＺＴ膜のような電気光学効果を有する結晶膜をエピタキシャル成長してスラブ導波路２とし、そのスラブ導波路２上の所要箇所にプリズム電極３を形成した構成になっている。尚、スラブ導波路２は図示されているようにＰＬＺＴ膜２Ａ、２Ｂ、２Ｃの３層構造になっていて、それ等の屈折率を２Ａ及び２Ｃはｎ₂、２Ｂはｎ₁とすると、ｎ₂＜ｎ₁の関係にある。 The optical deflection element is obtained by epitaxially growing a crystal film having an electro-optic effect such as a PLZT film on a single crystal substrate 1 such as an Nb-doped SrTiO ₃ substrate to form a slab waveguide 2. The prism electrode 3 is formed at a required location. Note that the slab waveguide 2 has a three-layer structure of PLZT films 2A, 2B, and 2C as shown in the figure. When the refractive indexes thereof are 2A and 2C are n ₂ and 2B is n ₁ , ₂ <n ₁ .

この光偏光素子では、プリズム電極３に電圧を印加することでスラブ導波路２を伝播する光信号の方向を変化させることができ、そのプリズム電極３の形状と配列は、スラブ導波路２を構成する結晶膜の電気光学定数、必要偏向角、光信号のサイズ、チャンネル数、チャンネル間ピッチをパラメータとして設計される。 In this optical polarization element, the direction of the optical signal propagating through the slab waveguide 2 can be changed by applying a voltage to the prism electrode 3, and the shape and arrangement of the prism electrode 3 constitute the slab waveguide 2. The electro-optic constant, the necessary deflection angle, the size of the optical signal, the number of channels, and the pitch between channels are designed as parameters.

ところで、プリズム電極３のサイズは、光信号、即ち、コリメート光の幅、必要偏向角に依って決定され、偏向角が大きくなるとサイズも大きくなる。 By the way, the size of the prism electrode 3 is determined by the width of the optical signal, that is, the collimated light, and the necessary deflection angle, and the size increases as the deflection angle increases.

この状態で、光スイッチの多チャンネル化が進んだ場合、必要偏向角は増大し、且つ、電極サイズも増大し、従って、光偏向素子のサイズも大きくしなければならないが、光偏向素子の大型化は製造が困難になるだけでなく、製造コストの大幅な上昇も引き起こすことになる。
特開２００２−３１８３９８号公報 In this state, when the number of channels of the optical switch is increased, the required deflection angle is increased and the electrode size is also increased. Therefore, the size of the optical deflection element must be increased. This not only makes manufacturing difficult, but also causes a significant increase in manufacturing costs.
JP 2002-318398 A

本発明では、光偏向素子中に於けるプリズム電極のサイズ、チャンネル間ピッチを必要偏向角の大きさに対応してフレキシブルに決める旨の簡単な手段を採ることで、光偏向素子、延いては光スイッチを小型化し、多チャンネル化に対応しようとする。 In the present invention, by adopting a simple means for flexibly determining the size of the prism electrode and the pitch between channels in the optical deflection element in accordance with the required deflection angle, the optical deflection element, The optical switch is miniaturized to support multi-channel.

本発明に依る光偏向素子及びそれを用いた光スイッチに於いて、その光偏向素子は、単結晶基板上に形成された電気光学効果を有する材料からなる光導波路、及び、該光導波路の光進行方向両端近傍に配設されてチャンネルを通過する光を偏向させるプリズム電極を備えてなり、該プリズム電極のサイズは光進行方向と交差する方向に並ぶチャンネルの中央部に位置するチャンネルに対応するプリズム電極から端部に位置するチャンネルに対応するプリズム電極まで各プリズム電極のサイズが順次大型化され且つ光進行方向と交差する方向に並ぶチャンネルの中央部に位置するチャンネルから端部に位置するチャンネルまでチャンネル間ピッチが順次大きくされてなることを特徴とし、また、光スイッチは、当該光偏向素子が光導波路の光進行方向両端近傍に形成されてなることを特徴としている。 In the optical deflection element according to the present invention and the optical switch using the optical deflection element, the optical deflection element includes an optical waveguide made of a material having an electro-optic effect formed on a single crystal substrate, and light of the optical waveguide. A prism electrode is provided near both ends of the traveling direction and deflects light passing through the channel, and the size of the prism electrode corresponds to a channel located at the center of the channels arranged in a direction intersecting the light traveling direction. The size of each prism electrode is sequentially increased from the prism electrode to the prism electrode corresponding to the channel located at the end portion, and the channel located at the center portion of the channel arranged in the direction intersecting the light traveling direction is located at the end portion. In addition, the optical switch is characterized in that the pitch between channels is increased gradually until the optical deflection element is connected to the optical waveguide. It is characterized by being obtained formed in a direction near both ends.

前記手段を採ることに依り、光スイッチの多チャンネル化が進展しても、従来の技術で作製される光スイッチに比較すると遙に小型化することができ、従って、製造コストも低く抑えることができる。 By adopting the above means, even if the number of optical switches is increased, the optical switch can be downsized as compared with the optical switch manufactured by the conventional technology, and thus the manufacturing cost can be kept low. it can.

図１は本発明に依る光偏向素子に於ける一実施の形態を表す要部平面図であり、図に於いて、１２はスラブ導波路、１３Ａ乃至１３Ｈはスラブ導波路１２に仮想したチャンネル（光信号の光路）、１４Ａ乃至１４Ｈはチャンネルに対応するプリズム電極をそれぞれ示し、そして、ａ、ｂ、ｃ、ｄはチャンネル間のピッチを示し、この実施の形態では、光信号の偏向角の大きさ、即ち、プリズム電極の大きさに従ってチャンネル間ピッチはａ＞ｂ＞ｃ＞ｄになっていることが看取されよう。 FIG. 1 is a plan view of an essential part showing an embodiment of an optical deflecting element according to the present invention. In the figure, 12 is a slab waveguide, and 13A to 13H are virtual channels in the slab waveguide 12 ( 14A to 14H respectively indicate prism electrodes corresponding to the channels, and a, b, c, and d indicate pitches between the channels. In this embodiment, the deflection angle of the optical signal is large. That is, it can be seen that the channel pitch is a> b> c> d according to the size of the prism electrode.

図示の光偏向素子では、チャンネル１３Ａに対応するプリズム電極１４Ａ又はチャンネル１３Ｈに対応するプリズム電極１４Ｈが光信号を最大限に偏向する場合、光偏向素子中で最も大きな角度で偏向することになり、従って、サイズは最も大型にする必要があり、そして、チャンネル１３Ｄに対応するプリズム電極１４Ｄ或いはチャンネル１３Ｅに対応するプリズム電極１４Ｅが光信号を最大限に偏向する場合、光偏向素子中の他のプリズム電極に依る光信号の最大限の偏向に比較して最も小さな角度で偏向することになり、従って、サイズは最も小型である。 In the illustrated optical deflection element, when the prism electrode 14A corresponding to the channel 13A or the prism electrode 14H corresponding to the channel 13H deflects the optical signal to the maximum extent, it will deflect at the largest angle in the optical deflection element, Therefore, the size needs to be the largest, and when the prism electrode 14D corresponding to the channel 13D or the prism electrode 14E corresponding to the channel 13E deflects the optical signal to the maximum extent, other prisms in the optical deflecting element are used. It will be deflected at the smallest angle compared to the maximum deflection of the optical signal due to the electrodes, and therefore the size is the smallest.

また、この光偏向素子では、あるチャンネルに対応するプリズム電極と隣接するチャンネルに対応するプリズム電極の間隔を一定に維持して形成すれば、プリズム電極の大きさに依存してチャンネル間ピッチが定められるので、従来の光偏向素子では無駄に間隔が広くなっていたチャンネル間ピッチは、図１に見られる光偏向素子では自然発生的に密になるので、光偏向素子、従って、光スイッチは小型化されることとなる。 Further, in this optical deflecting element, if the distance between the prism electrode corresponding to a certain channel and the prism electrode corresponding to the adjacent channel is maintained constant, the inter-channel pitch is determined depending on the size of the prism electrode. Therefore, the pitch between channels, which was unnecessarily wide in the conventional optical deflecting element, is naturally higher in the optical deflecting element shown in FIG. 1, so that the optical deflecting element, and thus the optical switch is small. Will be converted.

図２は図１について説明した光偏向素子を用いた光スイッチの実施の形態を説明する為の要部平面図であり、図に於いて、２１は入力側チャンネル導波路、２２は入力側二次元レンズ、２３は入力側光偏向素子、２４はスラブ導波路、２５は出力側光偏向素子、２６は出力側二次元レンズ、２７は出力側チャンネル導波路をそれぞれ示している。 FIG. 2 is a plan view of an essential part for explaining an embodiment of the optical switch using the optical deflection element described with reference to FIG. 1, in which 21 is an input side channel waveguide, and 22 is an input side two. A dimensional lens, 23 is an input side optical deflection element, 24 is a slab waveguide, 25 is an output side optical deflection element, 26 is an output side two-dimensional lens, and 27 is an output side channel waveguide.

図２から明らかなように、この光スイッチでは、図１について説明した光偏向素子を用いているので、プリズム電極は、光信号を振る角度、即ち、偏向角に対応して大きさが選択されていて、また、そのプリズム電極の大きさに対応してチャンネル間ピッチが自然発生的に定められている。 As apparent from FIG. 2, since this optical switch uses the optical deflection element described with reference to FIG. 1, the size of the prism electrode is selected according to the angle at which the optical signal is waved, that is, the deflection angle. In addition, the pitch between channels is determined spontaneously corresponding to the size of the prism electrode.

図２に見られる本発明に依る光スイッチと、従来の光スイッチ、即ち、入力側から出力側を見て左右両端に位置するプリズム電極が最も大きな偏向角に対応する大きさになっていて、しかも、そのプリズム電極の大きさが全ての位置に在るプリズム電極に対して適用されている光スイッチと比較した場合、それ等の大きさの差は明らかである。 The optical switch according to the present invention shown in FIG. 2 and the conventional optical switch, that is, the prism electrodes positioned at the left and right ends when viewed from the input side to the output side are sized to correspond to the largest deflection angle, In addition, when compared with the optical switch applied to the prism electrodes at all positions, the difference in size is obvious.

次に、図１に見られる光偏向素子を製造する工程について説明する。
（１）
単結晶基板としてＮｂをドーピングしたＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ₃）基板を用意し、ゾルゲル法を適用することに依り、ＳＴＯ基板上にＰＬＺＴ膜を成膜してスラブ導波路を形成する。 Next, a process for manufacturing the optical deflection element shown in FIG. 1 will be described.
(1)
A STO (SrTiO ₃ ) substrate doped with Nb is prepared as a single crystal substrate, and a slab waveguide is formed by forming a PLZT film on the STO substrate by applying a sol-gel method.

（２）
前記スラブ導波路を形成したＳＴＯ基板を所要の寸法に切断した後、端面を光学研磨して反射防止処理を行う。 (2)
After the STO substrate on which the slab waveguide is formed is cut to a required size, the end face is optically polished to perform an antireflection treatment.

（３）
スパッタリング法を適用することに依り、ＰＬＺＴ膜上に厚さ０．５μｍのＷ−Ｃｕ薄膜を成膜する。 (3)
By applying the sputtering method, a W-Cu thin film having a thickness of 0.5 μm is formed on the PLZT film.

（４）
リソグラフィ技術に於けるレジストプロセスを適用することに依り、プリズム電極パターンのレジスト膜を形成する。 (4)
By applying a resist process in the lithography technique, a resist film having a prism electrode pattern is formed.

ここで、プリズム電極パターンは、平面で見て光偏向素子中央部のチャンネルから左右の両端部に近くなるチャンネルほどサイズを大きくし、また、当然のことながら該サイズの大きさにしたがってチャンネル間ピッチも大きくする。 Here, the size of the prism electrode pattern increases as the channel is closer to the left and right ends from the center channel of the light deflection element when seen in a plan view, and of course the pitch between channels according to the size. Also make it bigger.

（５）
ウェットエッチング法を適用することに依り、レジスト膜をマスクとしてＷ−Ｃｕ薄膜のエッチングを行ない、各チャンネルに対応するプリズム電極を形成した後、レジスト膜を剥離する。 (5)
By applying the wet etching method, the W-Cu thin film is etched using the resist film as a mask, prism electrodes corresponding to the respective channels are formed, and then the resist film is peeled off.

以上、説明したプロセスは従来の技術と殆ど変わりがなく、何ら特殊な技術を必要としない。要は、プリズム電極のサイズを光信号の偏向角の大きさに対応して変えること、そして、そのプリズム電極のサイズに対応してチャンネル間ピッチ、即ち、チャンネルを構成するプリズム電極列と、それに隣接するチャンネルを構成するプリズム電極列との間隔を必要な一定値に維持して配置形成すれば、必然的にプリズム電極のサイズに対応して光偏向素子の中央部で狭く、そして、左右の両端部に近くなるほど広くなるので全体的には小型化されることになる。 The process described above is almost the same as the conventional technique and does not require any special technique. The point is that the size of the prism electrode is changed corresponding to the deflection angle of the optical signal, and the pitch between channels corresponding to the size of the prism electrode, that is, the prism electrode array constituting the channel, and If the space between the adjacent prism electrode rows constituting the adjacent channels is maintained at a required constant value, it is inevitably narrow at the center of the light deflection element corresponding to the size of the prism electrode, and left and right Since it becomes wider as it gets closer to both ends, the overall size is reduced.

この光偏向素子を用いて光スイッチを作製するには、従来の技術、例えば特許文献１に開示されている方法を適用して良いが、例えば、光偏向素子を形成したＳＴＯ基板のスラブ導波路上の長手方向両端に光偏向素子のチャンネル間ピッチと合うように調節した位置にチャンネル導波路及び二次元レンズアレイを作製すれば良い。 In order to fabricate an optical switch using this optical deflection element, a conventional technique, for example, a method disclosed in Patent Document 1, may be applied. For example, a slab waveguide of an STO substrate on which the optical deflection element is formed. What is necessary is just to produce a channel waveguide and a two-dimensional lens array in the position adjusted so that it might match the pitch between the channels of an optical deflection | deviation element at the longitudinal direction both ends on a path.

本発明に於ける実施の形態である光偏向素子を表す要部平面図である。It is a principal part top view showing the optical deflection element which is an embodiment in the present invention. 図１について説明した光偏向素子を用いた光スイッチの実施の形態を説明する為の光スイッチを表す要部平面図である。FIG. 2 is a plan view of a principal part showing an optical switch for explaining an embodiment of an optical switch using the optical deflection element explained with reference to FIG. 1. 従来の光偏向素子を表す要部平面図である。It is a principal part top view showing the conventional optical deflection | deviation element.

符号の説明Explanation of symbols

１２スラブ導波路
１３Ａ乃至１３Ｈチャンネル
１４Ａ乃至１４Ｈチャンネルに対応するプリズム電極
ａ乃至ｄチャンネル間ピッチ 12 Slab waveguides 13A to 13H channels 14A to 14H Prism electrodes corresponding to channels a to d Channel pitch

Claims

単結晶基板上に形成された電気光学効果を有する材料からなる光導波路、及び、該光導波路の光進行方向両端近傍に配設されてチャンネルを通過する光を偏向させるプリズム電極を備えてなり、
該プリズム電極のサイズは光進行方向と交差する方向に並ぶチャンネルの中央部に位置するチャンネルに対応するプリズム電極から端部に位置するチャンネルに対応するプリズム電極まで各プリズム電極のサイズが順次大型化され且つ光進行方向と交差する方向に並ぶチャンネルの中央部に位置するチャンネルから端部に位置するチャンネルまでチャンネル間ピッチが順次大きくされてなること
を特徴とする光偏向素子。 An optical waveguide made of a material having an electro-optic effect formed on a single crystal substrate, and a prism electrode arranged near both ends of the optical traveling direction of the optical waveguide to deflect light passing through the channel,
The size of each prism electrode is gradually increased from the prism electrode corresponding to the channel located at the center of the channel aligned in the direction intersecting the light traveling direction to the prism electrode corresponding to the channel located at the end. And an interchannel pitch is sequentially increased from a channel located at the center of the channels arranged in a direction intersecting the light traveling direction to a channel located at the end.

請求項１記載の光偏向素子が光導波路の光進行方向両端近傍に形成されてなること
を特徴とする光スイッチ。
2. An optical switch comprising the optical deflection element according to claim 1 formed near both ends of the optical waveguide in the light traveling direction.