JPH0627914B2 - 光学素子 - Google Patents
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- JPH0627914B2 JPH0627914B2 JP60051837A JP5183785A JPH0627914B2 JP H0627914 B2 JPH0627914 B2 JP H0627914B2 JP 60051837 A JP60051837 A JP 60051837A JP 5183785 A JP5183785 A JP 5183785A JP H0627914 B2 JPH0627914 B2 JP H0627914B2
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- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
- G02F1/035—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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Description
【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は、基板上に光導波路および平板電極を配設し、
平板電極を介して電界を基板および光導波路に印加して
光導波路および基板のうち光導波路の周辺の基板部分の
屈折率を変化させることにより、光導波路を伝播する導
波光を遮断する光学素子に関し、電気信号を光信号に変
換する光変調器あるいは光ファイバや光導波路から伝送
されてきた光信号を通過または遮断する光スイッチとし
て好適であり、高い消光比（最大出力光強度／最小出力
光強度）、低挿入損失および高速動作を実現するもので
ある。
平板電極を介して電界を基板および光導波路に印加して
光導波路および基板のうち光導波路の周辺の基板部分の
屈折率を変化させることにより、光導波路を伝播する導
波光を遮断する光学素子に関し、電気信号を光信号に変
換する光変調器あるいは光ファイバや光導波路から伝送
されてきた光信号を通過または遮断する光スイッチとし
て好適であり、高い消光比（最大出力光強度／最小出力
光強度）、低挿入損失および高速動作を実現するもので
ある。
［従来技術］ 従来、光変調あるいは光スイッチングを高速度で行うた
めには、電気光学効果を利用した光変調器や方向性光結
合器が広く利用されていた。
めには、電気光学効果を利用した光変調器や方向性光結
合器が広く利用されていた。
この種の代表的な素子としては、Ｙ分岐路とＹ結合路と
を組み合わせて、２つの導波光の位相差を電気的に制御
する分岐干渉形薄膜光変調器（R.G Hunspergerによる
“Integrated Optics：Theory and Technology”Springer-Verlag ，N
ew York,1982,p.135 参照）や、近接した２つの光導波
路の一方の光導波路に光を入射させたときに導波光の漏
れ電界が他方の光導波路へ結合する現象を利用した薄膜
形方向性光結合器（上記文献中p.129 の参照）がある。
を組み合わせて、２つの導波光の位相差を電気的に制御
する分岐干渉形薄膜光変調器（R.G Hunspergerによる
“Integrated Optics：Theory and Technology”Springer-Verlag ，N
ew York,1982,p.135 参照）や、近接した２つの光導波
路の一方の光導波路に光を入射させたときに導波光の漏
れ電界が他方の光導波路へ結合する現象を利用した薄膜
形方向性光結合器（上記文献中p.129 の参照）がある。
いずれの素子においても、高消光比を得るには、導波光
の電界分布，光導波路の屈折率分布および印加電界分布
が２つの光導波路において均一であることが要求され
る。しかし、 (1) 光導波路は一般に不純物拡散により形成されるの
で、その屈折率は複雑な空間分布をもつ。
の電界分布，光導波路の屈折率分布および印加電界分布
が２つの光導波路において均一であることが要求され
る。しかし、 (1) 光導波路は一般に不純物拡散により形成されるの
で、その屈折率は複雑な空間分布をもつ。
(2) 平板電極を用いるので、印加電界を光導波路内で一
様にすることはできない。
様にすることはできない。
(3) 導波光はガウス関数に類似した強度分布をもつの
で、光の強度および位相は光導波路内で一様でない。
で、光の強度および位相は光導波路内で一様でない。
などの理由により、これらの素子で消光比を高めるのは
容易ではなかった。
容易ではなかった。
さらに、高消光比を保つためには、印加電圧の正確な制
御および精密な温度補償が不可欠であるが、そのために
は素子構成が複雑になるという問題点も生じていた。
御および精密な温度補償が不可欠であるが、そのために
は素子構成が複雑になるという問題点も生じていた。
これらのほかに、直線状の光導波路の屈折率を電気的に
制御して入射光を導波し、あるいは基板中に放射するカ
ットオフ形薄膜光変調器(A.Neyer ant W.Sohler：App
l．Phys．Lett.,Vol.35(1979)P.256 参照）がある。
制御して入射光を導波し、あるいは基板中に放射するカ
ットオフ形薄膜光変調器(A.Neyer ant W.Sohler：App
l．Phys．Lett.,Vol.35(1979)P.256 参照）がある。
従来のカットオフ形薄膜光変調器の構成の一例を第27図
に示す。ここで、符号1 は基板を示し、この基板1 に光
導波路2 を形成し、その一部分、たとえば図示のくびれ
部分の両側に平板電極3Aと3Bとを対向して、かつ光導波
路2 の軸方向に対称に配置する。光導波路２の入力側お
よび出力側には、それぞれ、図示のように、入力側およ
び出力側プリズム5Aおよび5Bを配置し、入力光4 を入力
側プリズム5Aを介して光導波路2 に導く。
に示す。ここで、符号1 は基板を示し、この基板1 に光
導波路2 を形成し、その一部分、たとえば図示のくびれ
部分の両側に平板電極3Aと3Bとを対向して、かつ光導波
路2 の軸方向に対称に配置する。光導波路２の入力側お
よび出力側には、それぞれ、図示のように、入力側およ
び出力側プリズム5Aおよび5Bを配置し、入力光4 を入力
側プリズム5Aを介して光導波路2 に導く。
このような従来のカットオフ形薄膜光変調器では、光導
波路２と基板１の深さ方向の屈折率差を電気的に制御し
て導波光を放射光に変換する（カットオフ状態にする）
ので、次に示す理由により十分高い消光比を得ることは
困難であった。
波路２と基板１の深さ方向の屈折率差を電気的に制御し
て導波光を放射光に変換する（カットオフ状態にする）
ので、次に示す理由により十分高い消光比を得ることは
困難であった。
(1) 光導波路２の表面の屈折率は基板1 の屈折率よりか
なり大きいため、電気的にその屈折率を減少させて深さ
方向に導波光を放射するのには、次の(2) の理由を除い
ても大きな印加電圧を必要とする。
なり大きいため、電気的にその屈折率を減少させて深さ
方向に導波光を放射するのには、次の(2) の理由を除い
ても大きな印加電圧を必要とする。
(2) 平板電極3Aおよび3Bによる印加電界分布は、基板1
の深さ方向ではゆるやかに変化するので、光導波路２と
基板1 の屈折率差を小さくするためには、極めて大きな
印加電圧を必要とする。
の深さ方向ではゆるやかに変化するので、光導波路２と
基板1 の屈折率差を小さくするためには、極めて大きな
印加電圧を必要とする。
［目的］ そこで、本発明の目的は、光導波路に平板電極を設けた
構造をもつ光学素子において、従来の光学素子よりもは
るかに高い消光比が得られるように適切に構成配置した
光学素子を提供することにある。
構造をもつ光学素子において、従来の光学素子よりもは
るかに高い消光比が得られるように適切に構成配置した
光学素子を提供することにある。
［発明の構成］ かかる目的を達成するために、本発明では、基板の一面
上に光導波路および平板電極対を配設し、平板電極対を
介して電界を基板および光導波路に印加して光導波路お
よび基板のうち光導波路の周辺の基板部分の屈折率を変
化させ、光導波路を伝播する導波光の一部ないし全部を
光導波路の側壁から基板中へ放射して消失させることに
より、光導波路を伝播する導波光を変調ないし遮断する
光変調器において、平板電極対が導波光の伝播方向に垂
直な面内で光導波路に対して非対称な配置となるように
平板電極対を配設したことを特徴とする。
上に光導波路および平板電極対を配設し、平板電極対を
介して電界を基板および光導波路に印加して光導波路お
よび基板のうち光導波路の周辺の基板部分の屈折率を変
化させ、光導波路を伝播する導波光の一部ないし全部を
光導波路の側壁から基板中へ放射して消失させることに
より、光導波路を伝播する導波光を変調ないし遮断する
光変調器において、平板電極対が導波光の伝播方向に垂
直な面内で光導波路に対して非対称な配置となるように
平板電極対を配設したことを特徴とする。
本発明によれば、分岐干渉形光変調器や方向性光結合器
などで問題となる光導波路の屈折率や導波光の一様性は
ほとんど問題とならないほか、印加電圧の正確な制御や
精密な温度補償が不要であるという利点がある。さらに
加えて、本発明光学素子では、光損失が少く、素子長は
分岐干渉形素子や方向性光結合器の数分の一以下であ
る。しかもまた、本発明光学素子は製作が容易であると
いう利点も併せ持つ。
などで問題となる光導波路の屈折率や導波光の一様性は
ほとんど問題とならないほか、印加電圧の正確な制御や
精密な温度補償が不要であるという利点がある。さらに
加えて、本発明光学素子では、光損失が少く、素子長は
分岐干渉形素子や方向性光結合器の数分の一以下であ
る。しかもまた、本発明光学素子は製作が容易であると
いう利点も併せ持つ。
［実施例］ 以下に図面を参照して本発明を詳細に説明する。
本発明による光学素子の構成の一例を第１図に示す。
第１図において、１は基板となる結晶、２は基板１に配
置した光導波路、3Aおよび3Bは光導波路2 をはさんで互
に対向して配置した平板電極対である。ここで、光導波
路2 は平板電極対の一方（図示例では3A）に近接して配
置する。
置した光導波路、3Aおよび3Bは光導波路2 をはさんで互
に対向して配置した平板電極対である。ここで、光導波
路2 は平板電極対の一方（図示例では3A）に近接して配
置する。
この光学素子において、電極3Aと3Bとの間に電圧を印加
すると、基板１の表面のX 方向の電界強度E(X)は第2 図
のようになり、電極3Aと3Bとの間と電極3Aおよび3Bの下
方とでは大きな電界強度差が生じる。また、基板１とし
ての結晶に電界が加わると、電気光学効果，圧電効果お
よび光弾性効果などにより結晶の屈折率は変化する。光
導波路2 およびその周辺のX 方向の基板表面の屈折率分
布の印加電圧による変化の様子は第3 に示すようにな
る。ただし、光導波路幅を 5μｍとし、X 方向の原点を
光導波路中央に定めた。また、ここでは、下記の条件を
仮定しているが、通常の光学素子製作条件では、この仮
定は妥当である。
すると、基板１の表面のX 方向の電界強度E(X)は第2 図
のようになり、電極3Aと3Bとの間と電極3Aおよび3Bの下
方とでは大きな電界強度差が生じる。また、基板１とし
ての結晶に電界が加わると、電気光学効果，圧電効果お
よび光弾性効果などにより結晶の屈折率は変化する。光
導波路2 およびその周辺のX 方向の基板表面の屈折率分
布の印加電圧による変化の様子は第3 に示すようにな
る。ただし、光導波路幅を 5μｍとし、X 方向の原点を
光導波路中央に定めた。また、ここでは、下記の条件を
仮定しているが、通常の光学素子製作条件では、この仮
定は妥当である。
(1) 光導波路2 のX 方向の屈折率分布はガウス分布であ
る。
る。
(2) 電極間のX 方向の電界強度E(X)は第2 次関数で与え
られる。
られる。
(3) 平板電極3Aおよび3Bの下方のX 方向の電界強度は0
である。
である。
第３図は、導波光の伝播方向に垂直な面内で光導波路に
対して非対称に配置された電極3Aと3Bとの間への電圧印
加時に、この光学素子の光導波路が深さ方向のみならず
X 方向にも非対称な屈折率分布をもつことを示してい
る。
対して非対称に配置された電極3Aと3Bとの間への電圧印
加時に、この光学素子の光導波路が深さ方向のみならず
X 方向にも非対称な屈折率分布をもつことを示してい
る。
G.B.Hocker;IEEE Journal of Quantum Electronics,vol.QE-12,p.232(1976 ) に示されている
ように、等価屈折率法によりこの光導波路をX 方向に三
層のスラブ光導波路（上記第1 の文献のp.16参照）に起
き換えて導波光のＸ方向のモード数に対応する光導波路
幅Ｗと電界強度E(X)との関係を計算した結果を第4 図に
示す。
ように、等価屈折率法によりこの光導波路をX 方向に三
層のスラブ光導波路（上記第1 の文献のp.16参照）に起
き換えて導波光のＸ方向のモード数に対応する光導波路
幅Ｗと電界強度E(X)との関係を計算した結果を第4 図に
示す。
ただし、等価屈折率法の適用を容易にするために、E(X)
は電極間ではX に依存せず一定値とし、電極下では0 と
した。さらに、基板の屈折率は2.2 、光導波路の表面の
屈折率増加量は 3×10-3、光導波路の深さ方向の厚さは
2μｍおよび入射光の波長は632.8 ｎｍとした。
は電極間ではX に依存せず一定値とし、電極下では0 と
した。さらに、基板の屈折率は2.2 、光導波路の表面の
屈折率増加量は 3×10-3、光導波路の深さ方向の厚さは
2μｍおよび入射光の波長は632.8 ｎｍとした。
第4 図より、光導波路幅Ｗが狭いときには、単一モード
光に対しても低印加電界でX 方向にカットオフ条件が成
立することがわかる（例えば、導波路幅W= 4μｍではE
(X)≧2V／μｍのときにカットオフ条件が成立する）。
Ｘ方向にカットオフ条件が成立すると、光導波路の実効
屈折率（導波光の伝搬速度を定める量）は電極下の基板
の屈折率より小さくなり、光は導波路にとじ込められず
に、光導波路に近接した電極下の基板内に放射され電極
等に吸収されて消失する。また光導波路内の屈折率分布
が非対称であるほどかかる放射が起き易くなる。その様
子を第2 図に矢印I で示す。
光に対しても低印加電界でX 方向にカットオフ条件が成
立することがわかる（例えば、導波路幅W= 4μｍではE
(X)≧2V／μｍのときにカットオフ条件が成立する）。
Ｘ方向にカットオフ条件が成立すると、光導波路の実効
屈折率（導波光の伝搬速度を定める量）は電極下の基板
の屈折率より小さくなり、光は導波路にとじ込められず
に、光導波路に近接した電極下の基板内に放射され電極
等に吸収されて消失する。また光導波路内の屈折率分布
が非対称であるほどかかる放射が起き易くなる。その様
子を第2 図に矢印I で示す。
光導波路2 の両側に設けられた2 つの電極3Aおよび3Bの
各幅は、第2 図に示すように両者が等しい場合のみなら
ず、光導波路2 に近接した方の電極3Aの幅を他方の電極
3Bよりも狭くしたり、あるいはその逆に、一方の電極3A
の幅を他方の電極3Bよりも広くすることもできる。
各幅は、第2 図に示すように両者が等しい場合のみなら
ず、光導波路2 に近接した方の電極3Aの幅を他方の電極
3Bよりも狭くしたり、あるいはその逆に、一方の電極3A
の幅を他方の電極3Bよりも広くすることもできる。
いずれの場合にも光変調動作を行うことができるが、光
導波路2 に近接した電極3Aの幅を他方の電極3Bより狭い
素子では、光導波路2 と電極下の基板1 内の印加電界の
差が他の場合より大きく、したがって、最も高い消光比
を得ることができる。第1 図の構成をもつ本発明光学素
子のより詳細な実施例を以下に示す。
導波路2 に近接した電極3Aの幅を他方の電極3Bより狭い
素子では、光導波路2 と電極下の基板1 内の印加電界の
差が他の場合より大きく、したがって、最も高い消光比
を得ることができる。第1 図の構成をもつ本発明光学素
子のより詳細な実施例を以下に示す。
Ｙカット LiNbO3 (ニオブ酸リチウム)結晶による基板1
に幅 4μｍ、厚さ 300ÅのTi（チタン）を蒸着し、1000
℃の空気中で4 時間加熱して直線状の光導波路2 を形成
し、その両側に長さ4mm のＡｌ（アルミニウム）電極3A
および3Bを蒸着した。光導波路2 に近接した電極3Aの幅
は50μｍ、他方の電極3Bの幅は2mm とした。この光学素
子の光出力対印加電圧特性の実験結果を第5 図に示す。
この光学素子について170Vの印加電圧のときに56dB以上
（測定限界値）の消光比が得られた。
に幅 4μｍ、厚さ 300ÅのTi（チタン）を蒸着し、1000
℃の空気中で4 時間加熱して直線状の光導波路2 を形成
し、その両側に長さ4mm のＡｌ（アルミニウム）電極3A
および3Bを蒸着した。光導波路2 に近接した電極3Aの幅
は50μｍ、他方の電極3Bの幅は2mm とした。この光学素
子の光出力対印加電圧特性の実験結果を第5 図に示す。
この光学素子について170Vの印加電圧のときに56dB以上
（測定限界値）の消光比が得られた。
これまではWilkinson ら（英国）が製作した方向性光結
合器の消光比（35dB）が最も高い値をもっていたが、本
発明光学素子ではこれよりはるかに高い消光比を得るこ
とができた。
合器の消光比（35dB）が最も高い値をもっていたが、本
発明光学素子ではこれよりはるかに高い消光比を得るこ
とができた。
次に、本発明の他の実施例を第6 図に示す。第6 図にお
いて、1 は基板となる結晶であり、光導波路2 上に平板
電極の一方、例えば3Aを配設し、光導波路2 の側端と電
極3Aの側端とを一致させる。この光学素子の動作原理を
第7 図により説明する。本例では、第7 図に示すように
電極3Aと3Bとの間に電圧を加えたときの基板1 の表面の
Ｙ方向の印加電界強度E(Y)が電極下と電極間で大幅に異
なることを利用して、光導波路2 の両側の屈折率分布を
変える。ただし、導波光が電極3Aによって吸収されるの
を避けるために、電極3Aと光導波路2 との間に光導波路
2 よりも屈折率の低い非金属薄膜層6 をバッファ層とし
て配設する必要がある。これによって、光が金属製平板
電極3Aに吸収されるのを防止することができる。
いて、1 は基板となる結晶であり、光導波路2 上に平板
電極の一方、例えば3Aを配設し、光導波路2 の側端と電
極3Aの側端とを一致させる。この光学素子の動作原理を
第7 図により説明する。本例では、第7 図に示すように
電極3Aと3Bとの間に電圧を加えたときの基板1 の表面の
Ｙ方向の印加電界強度E(Y)が電極下と電極間で大幅に異
なることを利用して、光導波路2 の両側の屈折率分布を
変える。ただし、導波光が電極3Aによって吸収されるの
を避けるために、電極3Aと光導波路2 との間に光導波路
2 よりも屈折率の低い非金属薄膜層6 をバッファ層とし
て配設する必要がある。これによって、光が金属製平板
電極3Aに吸収されるのを防止することができる。
本例では、印加電界によりX 方向にカットオフ条件が成
立すると、すなわち光導波路の屈折率が基板の屈折率に
近い値まで減少すると、導波光は第7 図に矢印IIで示す
ように、電極間の基板内に放射される。本例の光学素子
は第1 図に示した光学素子よりも電極間距離を狭くする
ことができるので、より低い電圧で光変調および光スイ
ッチングを行うことができる。
立すると、すなわち光導波路の屈折率が基板の屈折率に
近い値まで減少すると、導波光は第7 図に矢印IIで示す
ように、電極間の基板内に放射される。本例の光学素子
は第1 図に示した光学素子よりも電極間距離を狭くする
ことができるので、より低い電圧で光変調および光スイ
ッチングを行うことができる。
本発明のさらに他の実施例を第8 図に示す。
本例は、第6 図に示した構成において、平板電極3Aと隣
接し、かつ平板電極3Aを挟んで平板電極3Bと対向してさ
らに第3 の平板電極3Cを配置したものである。この光学
素子の動作原理は第6 図に示した光学素子と同じである
が、電極3Cにより基板表面で中央の電極3Aの下方のＹ方
向の印加電界E(Y)が、第９図に示すように、第６図に示
した光学素子における印加電界より増大するので、前述
の光学素子よりも低電圧で光変調を行うことができる。
ここで、屈折率は非対称となり、光は矢印IIIの方向に
出やすい。
接し、かつ平板電極3Aを挟んで平板電極3Bと対向してさ
らに第3 の平板電極3Cを配置したものである。この光学
素子の動作原理は第6 図に示した光学素子と同じである
が、電極3Cにより基板表面で中央の電極3Aの下方のＹ方
向の印加電界E(Y)が、第９図に示すように、第６図に示
した光学素子における印加電界より増大するので、前述
の光学素子よりも低電圧で光変調を行うことができる。
ここで、屈折率は非対称となり、光は矢印IIIの方向に
出やすい。
本発明のさらに他の実施例を第10図に示す。本実施例で
は、第１図の例と同じ基板１上に曲り部分をもつ光導波
路12を設け、その曲り部分の外側の13B を光導波路12に
近接させ、一方、曲り部分の内側の電極13A を光導波路
12から離間させて配置する。２つの電極13A および13B
は光導波路12とほぼ平行である。光導波路12において、
光は直進するので、曲り部分の光導波路においては光の
閉じ込めが弱くなる。その結果、本例の光学素子は第1
図に示した光学素子よりも高い消光比で光変調を行うこ
とができる。この光学素子に電圧を加えてカットオフ条
件が成立すると、導波光は第10図に矢印IVで示すように
電極13B の下の基板内に放射される。
は、第１図の例と同じ基板１上に曲り部分をもつ光導波
路12を設け、その曲り部分の外側の13B を光導波路12に
近接させ、一方、曲り部分の内側の電極13A を光導波路
12から離間させて配置する。２つの電極13A および13B
は光導波路12とほぼ平行である。光導波路12において、
光は直進するので、曲り部分の光導波路においては光の
閉じ込めが弱くなる。その結果、本例の光学素子は第1
図に示した光学素子よりも高い消光比で光変調を行うこ
とができる。この光学素子に電圧を加えてカットオフ条
件が成立すると、導波光は第10図に矢印IVで示すように
電極13B の下の基板内に放射される。
本発明のさらに別の実施例を第11図に示す。本例では、
第6 図と同じ基板1 上に曲り部分をもつ光導波路12を設
け、その曲り部分の内側の電極13A を光導波路12上に配
置し、かつ、その電極側端を光導波路12の側端に一致さ
せ、さらに、曲り部分の外側の電極13B を光導波路12か
ら離間させて配置する。ここで、2 つの電極13A および
13B は光導波路12と平行に配置されている。さらにま
た、第6 図に示した光学素子と同様に、電極13A と光導
波路12との間には、バッファ層16を配設する。
第6 図と同じ基板1 上に曲り部分をもつ光導波路12を設
け、その曲り部分の内側の電極13A を光導波路12上に配
置し、かつ、その電極側端を光導波路12の側端に一致さ
せ、さらに、曲り部分の外側の電極13B を光導波路12か
ら離間させて配置する。ここで、2 つの電極13A および
13B は光導波路12と平行に配置されている。さらにま
た、第6 図に示した光学素子と同様に、電極13A と光導
波路12との間には、バッファ層16を配設する。
本例の光学素子においても、第10図に示した光学素子と
同様に曲りをもつ光導波路12は光の閉じ込めが弱くなる
ため、第6 図に示した光学素子よりもさらに高消光比で
光変調を行うことができる。この光学素子に電圧を加え
てカットオフ条件が成立すると、導波光は第11図に矢印
V で示すように電極間の基板内に放射される。
同様に曲りをもつ光導波路12は光の閉じ込めが弱くなる
ため、第6 図に示した光学素子よりもさらに高消光比で
光変調を行うことができる。この光学素子に電圧を加え
てカットオフ条件が成立すると、導波光は第11図に矢印
V で示すように電極間の基板内に放射される。
さらに、本発明の他の実施例を第12図に示す。本例で
は、第11図に示した構成に加えて、電極13A と隣接し、
かつ電極13A を挟んで電極13B と対向して、さらに第3
の平板電極13C を配置する。この光学素子の動作原理は
第8 図に示した光学素子と同じであるが、電極13C によ
り中央の電極の下方で紙面に垂直な方向の印加電界が、
第11図の光学素子における印加電界より増大するため、
かかる素子よりも低電圧で光変調を行うことができる。
は、第11図に示した構成に加えて、電極13A と隣接し、
かつ電極13A を挟んで電極13B と対向して、さらに第3
の平板電極13C を配置する。この光学素子の動作原理は
第8 図に示した光学素子と同じであるが、電極13C によ
り中央の電極の下方で紙面に垂直な方向の印加電界が、
第11図の光学素子における印加電界より増大するため、
かかる素子よりも低電圧で光変調を行うことができる。
本発明のさらに他の実施例を第13図〜第18図に示す。第
13図，第14図，第15図，第16図，第17図および第18図に
示す光学素子は、それぞれ、第１図，第６図，第８図，
第10図，第11図および第12図に示した光学素子と同じ基
板1 ，光導波路2 または12および平板電極3A,3B,3Cまた
は13A,13B,13C を有する構成であるが、基板1 のうちカ
ットオフ状態でも導波光が放射されない基板部分に、こ
の基板1 の屈折率を低下させるように不純物を拡散させ
て、屈折率が低減した基板部分11または21を設ける点が
異なる。
13図，第14図，第15図，第16図，第17図および第18図に
示す光学素子は、それぞれ、第１図，第６図，第８図，
第10図，第11図および第12図に示した光学素子と同じ基
板1 ，光導波路2 または12および平板電極3A,3B,3Cまた
は13A,13B,13C を有する構成であるが、基板1 のうちカ
ットオフ状態でも導波光が放射されない基板部分に、こ
の基板1 の屈折率を低下させるように不純物を拡散させ
て、屈折率が低減した基板部分11または21を設ける点が
異なる。
これらの光学素子の動作原理はこれまでに述べた各対応
する光学素子と同じであるから、ここでは第13図に示す
光学素子を例にとり、不純物拡散の効果について述べ
る。
する光学素子と同じであるから、ここでは第13図に示す
光学素子を例にとり、不純物拡散の効果について述べ
る。
第13図において、光導波路2 を伝搬する基本モード光が
カットオフ状態になり、基板1 内に放射されるときの実
際の光導波路幅Ｗを規格化して、不純物拡散のカットオ
フ条件への影響を定量的に示す。光導波路2 の屈折率を
nf 、基板1 の屈折率を ns 、真空中の光の波長をλと
すると、光導波路幅Ｗに対応する規格化された光導波路
幅H は、 で与えられる。その詳細は、T.Tamir； “Integrated Optics”，Springer Verlag，Ner York
1975，P.23〜P.24に述べられている。ここで、Δneは
印加電界による基板1 の屈折率変化量であり、Δnaは不
純物拡散による基板1 の屈折率変化量である。
カットオフ状態になり、基板1 内に放射されるときの実
際の光導波路幅Ｗを規格化して、不純物拡散のカットオ
フ条件への影響を定量的に示す。光導波路2 の屈折率を
nf 、基板1 の屈折率を ns 、真空中の光の波長をλと
すると、光導波路幅Ｗに対応する規格化された光導波路
幅H は、 で与えられる。その詳細は、T.Tamir； “Integrated Optics”，Springer Verlag，Ner York
1975，P.23〜P.24に述べられている。ここで、Δneは
印加電界による基板1 の屈折率変化量であり、Δnaは不
純物拡散による基板1 の屈折率変化量である。
光導波路表面と基板との屈折率の差Δndが３×10-3の場
合について、Δnaをパラメータとしたときの規格化され
た光導波路幅H の印加電界(E(X))依存性を第19図に実線
で示す。光導波路幅W が狭くなるにつれて、すなわち、
H が小さくなるにつれて、光は基板にもれ易くなるか
ら、各実線の下側がカットオフ状態が成立する領域であ
る。不純物の拡散量および印加電界がともに増大するに
つれて、カットオフ領域は拡大され、カットオフ状態が
成立しやすくなることがわかる。ここで、実際の光導波
路幅が W４＝4μｍの素子を例にり、不純物拡散の効果
を明らかにする。 W４に対応する規格化された光導波路
幅 H４は、 で与えられる。光導波路の屈折率 nf は印加電界E(X)に
より減少するので、第19図に点線で示すように H４も減
少する。 H４とH との交点のE(X)の値が光をカットオフ
するのに必要な最小電界であり、その交点はΔnaの増加
と共に低電界側に移動することがわかる。例えば、Δna
を0 から0.5 ×10-3に増大させると、この光学素子をカ
ットオフ状態にするのに必要な印加電界は、不純物を拡
散しない素子の印加電界の30％であることがわかる。
合について、Δnaをパラメータとしたときの規格化され
た光導波路幅H の印加電界(E(X))依存性を第19図に実線
で示す。光導波路幅W が狭くなるにつれて、すなわち、
H が小さくなるにつれて、光は基板にもれ易くなるか
ら、各実線の下側がカットオフ状態が成立する領域であ
る。不純物の拡散量および印加電界がともに増大するに
つれて、カットオフ領域は拡大され、カットオフ状態が
成立しやすくなることがわかる。ここで、実際の光導波
路幅が W４＝4μｍの素子を例にり、不純物拡散の効果
を明らかにする。 W４に対応する規格化された光導波路
幅 H４は、 で与えられる。光導波路の屈折率 nf は印加電界E(X)に
より減少するので、第19図に点線で示すように H４も減
少する。 H４とH との交点のE(X)の値が光をカットオフ
するのに必要な最小電界であり、その交点はΔnaの増加
と共に低電界側に移動することがわかる。例えば、Δna
を0 から0.5 ×10-3に増大させると、この光学素子をカ
ットオフ状態にするのに必要な印加電界は、不純物を拡
散しない素子の印加電界の30％であることがわかる。
不純物を拡散して形成した本発明光学素子では、既に述
べた6 種類の光学素子と異なり、水平方向の屈折率分布
にあらかじめ非対称性が与えられているので、同じ光導
波路および電極配置をもつ前述の光学素子によりも一層
低電圧で光変調を行うことができる。
べた6 種類の光学素子と異なり、水平方向の屈折率分布
にあらかじめ非対称性が与えられているので、同じ光導
波路および電極配置をもつ前述の光学素子によりも一層
低電圧で光変調を行うことができる。
本発明のさらに他の構成例を第20図〜第25図に示す。第
20図，第21図，第22図，第23図、，第24図および第25図
に示す素子は、それぞれ、第１図，第6 図，第8 図、第
10図、第11図および第12図に示した光学素子と同一の基
板1 、光導波路2 または12および電極3A,3B,3Cまたは13
A,13B,13C を有する構成であるが、基板1 のうちカット
オフ状態のとき導波光が放射される基板部分に、基板1
の屈折率を増加させるように不純物を拡散させて、屈折
率が増加した基板部分31または41を設ける点が異なる。
20図，第21図，第22図，第23図、，第24図および第25図
に示す素子は、それぞれ、第１図，第6 図，第8 図、第
10図、第11図および第12図に示した光学素子と同一の基
板1 、光導波路2 または12および電極3A,3B,3Cまたは13
A,13B,13C を有する構成であるが、基板1 のうちカット
オフ状態のとき導波光が放射される基板部分に、基板1
の屈折率を増加させるように不純物を拡散させて、屈折
率が増加した基板部分31または41を設ける点が異なる。
これらの光学素子の動作原理はこれまでに述べた各対応
する光学素子と同じであるから、ここでは、第20図に示
す光学素子を例にとり、不純物拡散の効果について述べ
る。
する光学素子と同じであるから、ここでは、第20図に示
す光学素子を例にとり、不純物拡散の効果について述べ
る。
第26図は、光導波路表面と基板との屈折率の差Δnd３×
10-3の場合について、カットオフ状態になるときの規格
化光導波路幅H および実際の光導波路幅が 4μｍの素子
の規格化光導波路幅 H４についての印加電界依存性を示
す。ここで、パラメータΔnbは、不純物拡散による基板
の屈折率増加量である。各種条件は第4 図の場合と同一
とした。第19図の場合と同様にH と H４の交点がカット
オフに必要な最小印加電界に対応しており、Δnbを増加
すると、低い印加電界でカットオフ状態を実現できるこ
とがわかる。
10-3の場合について、カットオフ状態になるときの規格
化光導波路幅H および実際の光導波路幅が 4μｍの素子
の規格化光導波路幅 H４についての印加電界依存性を示
す。ここで、パラメータΔnbは、不純物拡散による基板
の屈折率増加量である。各種条件は第4 図の場合と同一
とした。第19図の場合と同様にH と H４の交点がカット
オフに必要な最小印加電界に対応しており、Δnbを増加
すると、低い印加電界でカットオフ状態を実現できるこ
とがわかる。
これらの本発明光学素子では、基板への不純物拡散によ
り水平方向の屈折率分布にはあらかじめ非対称性が与え
られると共に、規格化光導波路幅が減少するという二重
の効果により、光導波路や電極配置が同じではあるが不
純物を拡散しない素子に比べて一層低電界で光変調を行
うことができる。
り水平方向の屈折率分布にはあらかじめ非対称性が与え
られると共に、規格化光導波路幅が減少するという二重
の効果により、光導波路や電極配置が同じではあるが不
純物を拡散しない素子に比べて一層低電界で光変調を行
うことができる。
［効果］ 以上に述べたところから明らかなように、本発明による
光学素子は、光導波路に対し非対称配置の平板電極対に
より光電波路と基板の水平方向の屈折率差を電気的に制
御して光変調や光スイッチングを行うので、導波光の位
相を制御する従来の光変調器や光スイッチに比べて、消
光比が高く、かつその出力光が印加電圧および温度の変
動に対してはるかに安定しているという利点をもつほ
か、素子長が従来の光学素子の数分の一以下になること
および光学素子の製作が容易であるという利点をも有す
る。
光学素子は、光導波路に対し非対称配置の平板電極対に
より光電波路と基板の水平方向の屈折率差を電気的に制
御して光変調や光スイッチングを行うので、導波光の位
相を制御する従来の光変調器や光スイッチに比べて、消
光比が高く、かつその出力光が印加電圧および温度の変
動に対してはるかに安定しているという利点をもつほ
か、素子長が従来の光学素子の数分の一以下になること
および光学素子の製作が容易であるという利点をも有す
る。
第１図示の構成からなる本発明光学素子の実施例が示す
ように、本発明による光学素子は、極めて高い消光比を
得ることができるため、光減衰器にも応用できる。
ように、本発明による光学素子は、極めて高い消光比を
得ることができるため、光減衰器にも応用できる。
従来の光減衰器は、金属が光を吸収する性質を利用した
ものが多く、金属薄膜の厚ささを変化させて光を減衰さ
せるものが実用化されているが、装置は非常に大きく、
かつ重いという欠点があり、しかもまた、減衰量を手動
で変化させているので、高速度で光を減衰させることは
できなかった。
ものが多く、金属薄膜の厚ささを変化させて光を減衰さ
せるものが実用化されているが、装置は非常に大きく、
かつ重いという欠点があり、しかもまた、減衰量を手動
で変化させているので、高速度で光を減衰させることは
できなかった。
本発明による光学素子は、入力光と出力光との強度比を
56dB以上にすることができるため、小型かつ軽量で高速
の光減衰器としても十分有効に適用可能である。
56dB以上にすることができるため、小型かつ軽量で高速
の光減衰器としても十分有効に適用可能である。
第１図は本発明の構成の一例を示す斜視図、 第２図はそのＸ方向の印加電界分布の一例の説明図、 第３図は印加電界による光導波路および基板表面の屈折
率分布の変化を示す図、 第４図は本発明の動作を説明するための導波光のモード
数に対応する光導波路幅W と印加電界E(X)との関係を示
す図、 第５図は本発明の動作を説明するために光出力対印加電
圧特性を示す図、 第６図は本発明の他の構成例を示す斜視図、 第７図はそのＹ方向の印加電界分布の一例の説明図、 第８図は本発明の他の構成例を示す斜視図、 第９図はそのＹ方向の印加電界分布の一例の説明図、 第10図〜第12図は本発明の他の構成例を示す平面図、 第13図〜第15図は本発明の他の構成例を示す斜視図、 第16図〜第18図は本発明の他の構成例を示す平面図、 第19図は本発明の動作を説明するためにカットオフ状態
に対応する規格化光導波路幅H の印加電界依存性を示す
図、 第20図〜第22図は本発明の他の構成例を示す斜視図、 第23図〜第25図は本発明の他の構成例を示す平面図、 第26図は本発明の動作を説明するためにカットオフ状態
に対応する規格化光導波路幅(H) と実際の光導波路幅が
4μｍの素子の規格化導波路幅(H4)の印加電界依存性を
示す図、 第27図は従来のカットオフ形薄膜光変調器の構成を示す
斜視図である。 １……基板、 ２……光導波路、 3A,3B,3C……平板電極、 ４……入力光、 5A,5B ……プリズム、 ６……非金属薄膜層、 11,21,31,41 ……不純物の拡散により屈折率が変化した
基板部分、 12……光導波路、 13A,13B,13C ……電極、 16……バッファ層。
率分布の変化を示す図、 第４図は本発明の動作を説明するための導波光のモード
数に対応する光導波路幅W と印加電界E(X)との関係を示
す図、 第５図は本発明の動作を説明するために光出力対印加電
圧特性を示す図、 第６図は本発明の他の構成例を示す斜視図、 第７図はそのＹ方向の印加電界分布の一例の説明図、 第８図は本発明の他の構成例を示す斜視図、 第９図はそのＹ方向の印加電界分布の一例の説明図、 第10図〜第12図は本発明の他の構成例を示す平面図、 第13図〜第15図は本発明の他の構成例を示す斜視図、 第16図〜第18図は本発明の他の構成例を示す平面図、 第19図は本発明の動作を説明するためにカットオフ状態
に対応する規格化光導波路幅H の印加電界依存性を示す
図、 第20図〜第22図は本発明の他の構成例を示す斜視図、 第23図〜第25図は本発明の他の構成例を示す平面図、 第26図は本発明の動作を説明するためにカットオフ状態
に対応する規格化光導波路幅(H) と実際の光導波路幅が
4μｍの素子の規格化導波路幅(H4)の印加電界依存性を
示す図、 第27図は従来のカットオフ形薄膜光変調器の構成を示す
斜視図である。 １……基板、 ２……光導波路、 3A,3B,3C……平板電極、 ４……入力光、 5A,5B ……プリズム、 ６……非金属薄膜層、 11,21,31,41 ……不純物の拡散により屈折率が変化した
基板部分、 12……光導波路、 13A,13B,13C ……電極、 16……バッファ層。
Claims (12)
- 【請求項１】基板の一面上に光導波路および平板電極対
を配設し、前記平板電極対を介して電界を前記基板およ
び前記光導波路に印加して前記光導波路および前記光導
波路の周辺の基板部分の屈折率を変化させ、前記光導波
路を伝播する導波光の一部ないし全部を前記光導波路の
側壁から前記基板中へ放射して消失させることにより、
前記光導波路を伝播する導波光を変調ないし遮断する光
変調器において、前記平板電極対が前記導波光の伝播方
向に垂直な面内で前記光導波路に対して非対称な配置と
なるように前記平板電極対を配設したことを特徴とする
光学素子。 - 【請求項２】前記光導波路を直線状となし、第１の平板
電極を前記光導波路の一端から離間させ、もしくは接触
させて配設し、第２の平板電極を前記光導波路の他端か
ら離間させて配設したことを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の光学素子。 - 【請求項３】前記第１の平板電極の１部を前記光導波路
上に配置し、かつ前記第１の平板電極の一端を前記光導
波路の一端に接触させ、もしくは離間させて配設したこ
とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の光学素子。 - 【請求項４】第３の平板電極を前記第１の平板電極から
離間させ、かつ前記光導波路に対して前記第２の平板電
極とは反対側に配設したことを特徴とする特許請求の範
囲第３項記載の光学素子。 - 【請求項５】前記光導波路に曲り部分を設け、前記第１
の平板電極を前記光導波路の曲り部分の外側の一端から
離間させ、もしくは接触させて配設し、前記第２の平板
電極を前記光導波路の曲り部分の内側の他端から離間さ
せて曲り部分の内側に配設したことを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の光学素子。 - 【請求項６】前記光導波路に曲り部分を設け、前記第１
の平板電極の一部を前記光導波路上に配設し、かつ前記
第１の平板電極の一端を前記光導波路の曲り部分の外側
の一端に接触させ、もしくは離間させて前記光導波路の
内側に配設し、前記第２の平板電極を前記光導波路の曲
り部分の外側であって前記第１の平板電極から離間させ
て配設したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の光学素子。 - 【請求項７】前記第３の平板電極を、前記光導波路の曲
り部分の内側に、かつ前記第１の平板電極から離間させ
て配設したことを特徴とする特許請求の範囲第６項記載
の光学素子。 - 【請求項８】前記光導波路の端近傍と前記第２の平板電
極との間、および前記第２の平板電極の下方およびその
近傍の基板内に当該基板の屈折率を減少させる不純物を
拡散させたことを特徴とする特許請求の範囲第２項また
は第５項記載の光学素子。 - 【請求項９】前記第１の平板電極の下方およびその近傍
の基板内に当該基板の屈折率を減少させる不純物を拡散
させたことを特徴とする特許請求の範囲第３項，第４
項，第６項または第７項に記載の光学素子。 - 【請求項１０】前記光導波路の端近傍と前記第１の平板
電極の下方およびその近傍の基板内に当該基板の屈折率
を増加させる不純物を拡散させたことを特徴とする特許
請求の範囲第２項または第５項記載の光学素子。 - 【請求項１１】前記光導波路の端近傍と前記第２の平板
電極との間、および前記第２の平板電極の下方およびそ
の近傍の基板内に当該基板の屈折率を増加させる不純物
を拡散させたことを特徴とする特許請求の範囲第３項，
第４項，第６項または第７項に記載の光学素子。 - 【請求項１２】前記第１の平板電極の幅を前記第２の平
板電極の幅より狭くしたことを特徴とする特許請求の範
囲第２項〜第11項のいずれかに記載の光学素子。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60051837A JPH0627914B2 (ja) | 1985-03-15 | 1985-03-15 | 光学素子 |
| US06/835,284 US4818063A (en) | 1985-03-15 | 1986-03-03 | Optical modulating/switching device |
| EP91106032A EP0443636B1 (en) | 1985-03-15 | 1986-03-12 | Optical element |
| DE3650529T DE3650529T2 (de) | 1985-03-15 | 1986-03-12 | Optisches Element |
| EP86103304A EP0201684B1 (en) | 1985-03-15 | 1986-03-12 | Electro-optic wave guide modulator |
| DE8686103304T DE3687920T2 (de) | 1985-03-15 | 1986-03-12 | Elektrooptischer welleneleitermodulator. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60051837A JPH0627914B2 (ja) | 1985-03-15 | 1985-03-15 | 光学素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61210321A JPS61210321A (ja) | 1986-09-18 |
| JPH0627914B2 true JPH0627914B2 (ja) | 1994-04-13 |
Family
ID=12897971
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60051837A Expired - Lifetime JPH0627914B2 (ja) | 1985-03-15 | 1985-03-15 | 光学素子 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4818063A (ja) |
| EP (2) | EP0201684B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0627914B2 (ja) |
| DE (2) | DE3687920T2 (ja) |
Families Citing this family (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2193337B (en) * | 1986-07-30 | 1990-03-07 | Gen Electric Plc | Optical switch apparatus |
| FR2615006B1 (fr) * | 1987-05-04 | 1991-10-04 | Thomson Csf | Guide d'onde optique integre, son procede de fabrication, et son utilisation dans un modulateur electro-optique |
| JPH0711607B2 (ja) * | 1988-03-03 | 1995-02-08 | 沖電気工業株式会社 | 光曲げ導波路 |
| US4934775A (en) * | 1989-01-18 | 1990-06-19 | Gte Laboratories Incorporated | Optical space switches using cascaded coupled-waveguide optical gate arrays |
| US5153930A (en) * | 1990-01-04 | 1992-10-06 | Smiths Industries Aerospace & Defense Systems, Inc. | Device employing a substrate of a material that exhibits the pyroelectric effect |
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