JPH0756199A - 偏波無依存導波路型光スイッチ - Google Patents

偏波無依存導波路型光スイッチ

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JPH0756199A
JPH0756199A JP20217793A JP20217793A JPH0756199A JP H0756199 A JPH0756199 A JP H0756199A JP 20217793 A JP20217793 A JP 20217793A JP 20217793 A JP20217793 A JP 20217793A JP H0756199 A JPH0756199 A JP H0756199A
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JP
Japan
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switch
polarization
optical
waveguide type
waveguide
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JP20217793A
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Yasuyuki Inoue
靖之 井上
Shinji Ando
慎治 安藤
Takashi Sawada
孝 澤田
Hiroshi Takahashi
浩 高橋
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 電気光学効果を利用する導波路型光スイッチ
の中で入力光の偏波状態に依存しない偏波無依存導波路
型光スイッチを提供する。 【構成】 LiNbO3 基板1と、前記LiNbO3
板内に作製された光導波路2と、前記LiNbO3 基板
1上に形成された電極3,4とから構成される電気光学
効果を用いた偏波無依存導波路型光スイッチにおいて、
前記光導波路の少なくとも一箇所に薄膜型の1/2波長
板6が挿入されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光通信用および光情報処
理用の光スイッチに関し、更に詳しくは、電気光学効果
を利用する導波路型光スイッチの中で入力光の偏波状態
に依存しない偏波無依存導波路型光スイッチに関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】光スイッチは光通信用または情報処理用
として非常に重要な光部品であり盛んに研究開発が行わ
れている。その種類としては、プリズムや光ファイバを
機械的に移動させるメカニカルスイッチや、石英系ガラ
ス導波路等で用いられる熱光学効果を用いたスイッチ、
Ti拡散LiNbO3 導波路などの電気光学効果を有す
る導波路で用いられる電気光学スイッチなどがある。こ
の内のメカニカルスイッチや熱光学スイッチは偏波依存
性はないが、その応答速度が1msec程度以上と遅い
という問題がある。
【0003】これに対して電気光学効果を用いたスイッ
チは応答速度が極めて速いという特性を持っている。し
かしながら電気光学効果はその屈折率変化が光の偏波方
向によって異なるため、マッハツェンダ干渉計型のスイ
ッチで電極をそのアームに設けた場合、その動作が入力
光の偏波状態に依存したものとなってしまうという問題
点があった。
【0004】電気光学効果を用いた導波路型スイッチに
おいて偏波依存性は最大の課題として多くの研究者がそ
の改善につとめてきた。その結果現在では、方向性結合
器に電極を装荷した形式のスイッチによって偏波依存性
の無いスイッチが実現されている(R.C.Alferness "Pol
arization-independent optical directional coupler
switch using weighted coupling" Appl.Phys.Lett.35
(10),15,1979 またはM.Kondo et al. "LOW-DRIVE-VOLTA
GE AND LOW-LOSS POLARIZATION-INDEPENDENT LiNbO3 OP
TICAL WAVEGUIDE SWITCHES" Electron.Lett.Vol.23,No.
21,1987参照) 。
【0005】ここで、後者の文献に掲載されているスイ
ッチの構成を図13に示す。図13中、符号1はLiN
bO3 板,2はTi拡散LiNbO3 光導波路,3はス
イッチ用正極側電極,4はスイッチ用負極側電極を各々
図示する。ここで、図13に示すスイッチは、電極長1
9mmのとき波長1.3μmの光をスイッチするために、1
8Vの電圧を必要とする。しかしながらこのスイッチ電
圧は、高速で回線の切り替えをするには駆動電源に大き
な負担となるものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】前述の通り図13に示
す従来技術に係るスイッチでは、偏波無依存の電気光学
スイッチを実現するためには18Vもの高いスイッチ電
圧が必要であった。このスイッチ電圧は高速で切り替え
を行うときに駆動電源にとって大きな負担となるもので
あった。本発明は、上記問題に鑑み、電気光学効果を用
いた低電圧で駆動可能な偏波無依存導波路型光スイッチ
を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明に係る偏波無依存導波路型光スイッチの構成は、Li
NbO3 基板と、前記LiNbO3 基板内に作製された
光導波路と、前記LiNbO3 基板上に形成された電極
とから構成される電気光学効果を用いた偏波無依存導波
路型光スイッチにおいて、前記光導波路の少なくとも一
箇所に薄膜型波長板が挿入されていることを特徴とす
る。
【0008】
【作用】本発明の構成によれば、途中に偏光フィルタを
介装したことで、偏波を補正しスイッチ電圧が、従来の
構成に比較して半分程度となる。それは以下のような理
由からである。ZカットLiNbO3 結晶中の電気光学
効果はTMmodeの方がTEmodeに比較して3倍程度の大きな
効率を持つ。このため図5に示すようにTMmodeのみを考
えるとそのスイッチ電圧は約6Vである。しかしながら
TEmodeはスイッチに要する電圧が高く18Vも必要であ
る。このため両偏波がスイッチするために必要な電圧が
18Vとなっているのである。これに対して電極の中央
に偏光フィルタとして1/2波長板を挿入して前半はTM
(TE)として伝搬させ、波長板でモード変換した後はTE
(TM)で伝搬させたときスイッチに必要な電圧VTE+TM
は以下「数1」に示す式で与えられる。
【0009】
【数1】変調効率ηTM=π/(L・VTM) 変調効率ηTE=π/(L・VTE) VTE+TM=2・π/(L・(ηTE+ηTM))=2/(1
/VTE+1/VTM) ただし L:電極長 ηTM,ηTE:TM光およびTE光の変調効率 VTM,VTE:従来技術の構成でTM光およびTE光をスイッ
チさせるのに必要な電圧 VTM+TM :本発明の構成で必要なスイッチ電圧
【0010】上記式でVTM=6V、VTE=18Vを挿入
すると、VTM+TM=9Vとなる。この値は実験結果と一
致している。よって本発明による構成によって導波路型
偏波無依存スイッチは従来の構成によるものに比較して
半分程度のスイッチ電圧で済むこととなる。
【0011】このように、本発明の導波路型偏波無依存
光スイッチは、そのスイッチ電圧が従来の約半分で済
み、その結果、スイッチの駆動電源の負担を低減するこ
とができ、さらにはより高速なスイッチを実現すること
ができる。
【0012】
【実施例】以下、本発明に係る偏波無依存導波路型光ス
イッチの好適な実施例を説明する。
【0013】(実施例1)図1に本発明の第1の実施例
である電気光学効果を用いた導波路型偏波無依存光スイ
ッチを示す。図2に図1におけるAA′線の拡大断面図
を図3に波長板を挿入した図1におけるBB′線の拡大
断面図を示す。ここで、図1〜図3中、符号1はLiN
bO3 基板,符号2はTi拡散LiNbO3 光導波路,
符号3はスイッチ用正極側電極,符号4はスイッチ用負
極側電極,符号5は薄膜波長板挿入溝,符号6は薄膜1
/2波長板,符号7は電極接続用ワイヤーボンディング
を各々図示する。
【0014】以下にスイッチの作製法について簡単に説
明する。光学研磨したLiNbO3基板1上にリフトオ
フ法と電子ビーム蒸着法でTi膜を1000Å形成し
た。これを加湿酸素雰囲気中で1000℃で7時間拡散
させることにより、Ti拡散LiNbO3 光導波路2を
作製した。この上にバッファ層としてSiO2 をCVD
法で1μm推積し、その上に金電極(スイッチ用正極側
電極3,負極側電極4)を形成した。電極長は20mm、
電極間隔を10μmとした。その後ダイシングソーによ
り波長板を挿入するための薄膜波長板挿入溝5を電極4
の中央に導波路と直行するよう加工して、最終的に高分
子膜を延伸することによって作製した薄膜1/2波長板
6を、その光学軸が基板面と45°となるように前記溝
5に挿入した。1/2波長板6は挿入した後、紫外線硬
化樹脂で固定した。また前記溝は反射戻り光を抑えるた
めに基板に対して垂直から5°程度傾けて作製した。ま
た、1/2波長板6を固定した後は電極接続用ワイヤー
ボンディング7により切断した電極を接続した。
【0015】ここで、1.3μmの光を用いたときのスイ
ッチ特性を図4に示す。ここで横軸は電極に印加した電
圧を、縦軸にクロスポート光出力を示す。TEとTMの2つ
の偏波でそのスイッチ特性が完全に一致していることが
わかる。この時のスイッチ電圧は約9Vであった。
【0016】比較のために波長板を取り除いたときのス
イッチ特性を図5に示す。同図に示すように、波長板を
取り除いた構成は、従来技術に示すのと同じものであ
り、TM及びTEの2つの偏波でスイッチが共にバー状態
(クロスポート光出力が無くなる状態)になるのは、電
極に印加する電圧が18Vの時であった。この結果から
波長板を電極の真ん中に挿入することによって、スイッ
チ電圧が約半分になっていることがわかる。
【0017】(実施例2)図6に本発明第2の実施例で
ある導波路型偏波無依存スイッチを示す。実施例1で示
したスイッチが方向性結合器型のものであったものに対
して、本実施例のスイッチは、3dB方向性結合器を2
つ用いたマッハツェンダ干渉計型のものである。スイッ
チ電圧が小さいことの基本的な原理は実施例1と同じで
ある。
【0018】図7にそのスイッチ特性を、比較のために
波長板を除いたときのスイッチ特性を図8に示す。図7
と図8とを比較してみると、図7は11Vで動作してい
るのに対して、図8では22Vとスイッチ電圧が高く偏
波状態に依存しないスイッチ動作を行うとき波長板を挿
入した場合は波長板が無い場合に比べてそのスイッチ電
圧が約半分で済むことが分かる。このマッハツェンダ干
渉計を用いた構成は電極長と方向性結合器とを別々に設
計できるため、電極を長くしてスイッチ電圧をより小さ
くすることが可能である。
【0019】(実施例3)図9に本発明の第3の実施例
である導波路型偏波無依存スイッチを示す。これは進行
波型電極を用いて高速スイッチを行う場合に、マイクロ
波の減衰が問題になる高周波領域でそのスイッチ特性に
偏波依存性が生じるのを防ぐための構成である。すなわ
ちモード変換器としての波長板を電極の中央にのみ挿入
する方法では、マイクロ波の強い前半にTMモードであっ
た光は比較的高周波までスイッチ特性が良いのに対し
て、マイクロ波の電圧がかなり減衰した後半で変調効率
の良いTMモードとなる光(スイッチに入射する段階では
TEモードであった光)はマイクロ波の減衰が直接そのス
イッチ特性の劣化をもたらす。すなわちマイクロ波の減
衰が問題となる高周波領域でスイッチ特性に偏波依存性
が生じてしまう。
【0020】本実施例においては、これを解消するため
にモード変換器としての1/2波長板6を2ケ所挿入す
る。この時分離される3つの各電極の長さをL1,L
2,L3とする。それぞれの電極はワイヤーボンディン
グ7により接続する。スイッチ速度が低速の時、偏波無
依存のスイッチ動作をさせるためL1+L3=L2とす
る。スイッチ駆動用マイクロ波の減衰が問題となるのは
5GHz程度からである。このように高い周波数でスイ
ッチングを行うとすると、電極中でのマイクロ波の減衰
も考慮する必要が生じる。
【0021】5GHzのマイクロ波を進行波電極に入射
したときの電極間電圧を電極の長手方向に示したものを
図10に示す。ここで斜線で示したL1とL3の部分の
面積の和がL2の部分の面積に等しくなるようL1,L
2,L3を設定した。このときのTMモードを入射したと
きのスイッチ周波数特性およびTEモードを入射したとき
のスイッチ周波数特性を図11に示す。比較のために図
1に示す構成でのスイッチ周波数特性を図12に示す。
【0022】図11と図12との比較から、偏波モード
変換器としての波長板を2枚用いたことによって、スイ
ッチを高速で駆動したときの偏波による消光比の差が抑
圧されていることが分かる。更に高周波領域でスイッチ
特性の偏波による違いを小さくするためには2枚以上の
波長板を電極の間に挿入すれば良い。しかし波長板の挿
入によって電極接続部におけるマイクロ波の損失、光挿
入損失も増加することも考慮する必要がある。
【0023】以上LiNbO3 中の電気光学効果を用い
た導波路型光スイッチについて実施例を示してきたが、
この他に有機物を用いた電気光学スイッチや、音響光学
効果を用いたスイッチにも本発明の構成は非常に有効で
あることは言うまでもない。
【0024】更に熱光学効果を用いた導波路型光スイッ
チにおいても、局部的な熱による応力で僅かな偏波依存
性が生じることが指摘されている。この偏波依存性を解
消する方法としても本発明の構成は有効である。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば途
中に偏光フィルタを設けて偏波を補正することができ、
従来に比較して低電圧でスイッチできる導波路型偏波無
依存スイッチを実現することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1の導波路型偏波無依存光スイ
ッチの概略図である。
【図2】図1のAA′線における拡大断面図である。
【図3】図1のBB′線における拡大断面図である。
【図4】図1に示す導波路型偏波無依存スイッチの電極
に電圧を印加した場合のクロスポート光出力特性を表す
図であり、図中、波線と実線はそれぞれTEモードおよび
TMモードを入射したときの特性を示す。
【図5】図1のスイッチにおいて薄膜波長板を取り除い
て電極に電圧を印加した場合のクロスポート光出力特性
を表す図であり、図中、波線と実線はそれぞれTEモード
およびTMモードを入射したときの特性を示す。
【図6】本発明の実施例2の導波路型偏波無依存光スイ
ッチの概略図である。
【図7】図6に示す導波路型偏波無依存スイッチの電極
に電圧を印加した場合のクロスポート光出力特性を表す
図であり、図中、波線と実線はそれぞれTEモードおよび
TMモードを入射したときの特性を示す。
【図8】図6のスイッチにおいて薄膜波長板を取り除い
て電極に電圧を印加した場合のクロスポート光出力特性
を表す図であり、図中、波線と実線はそれぞれTEモード
およびTMモードを入射したときの特性を示す。
【図9】本発明の実施例3の高速なスイッチングが可能
な導波路型偏波無依存光スイッチの概略図である。
【図10】5GHzのスイッチ駆動用マイクロ波を電極
に入射したときにその電圧が電極内部を伝搬するにつれ
て減衰する様子を示した図である。
【図11】図9に示すスイッチで高速のスイッチングを
行った場合のスイッチ消光比の劣化を示す図である。
【図12】図1に示すスイッチで高速のスイッチングを
行った場合のスイッチ消光比の劣化を示す図である。
【図13】従来技術の導波路型偏波無依存光スイッチの
概略図である。
【符号の説明】
1 LiNbO3 基板 2 Ti拡散LiNbO3 光導波路 3 スイッチ用正極側電極 4 スイッチ用負極側電極 5 薄膜波長板挿入溝 6 薄膜1/2波長板 7 電極接続用ワイヤーボンディング
フロントページの続き (72)発明者 高橋 浩 東京都千代田区内幸町一丁目1番6号 日 本電信電話株式会社内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 LiNbO3 基板と、前記LiNbO3
    基板内に作製された光導波路と、前記LiNbO3 基板
    上に形成された電極とから構成される電気光学効果を用
    いた偏波無依存導波路型光スイッチにおいて、 前記光導波路の少なくとも一箇所に薄膜型波長板が挿入
    されていることを特徴とする偏波無依存導波路型光スイ
    ッチ。
JP20217793A 1993-08-16 1993-08-16 偏波無依存導波路型光スイッチ Withdrawn JPH0756199A (ja)

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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6546161B2 (en) 2000-01-21 2003-04-08 Nippon Telegraph And Telephone Corporation No polarization dependent waveguide type optical circuit
US7809217B2 (en) 2007-01-23 2010-10-05 Murata Manufacturing Co., Ltd. Light control element
JP2011048384A (ja) * 2010-10-04 2011-03-10 Fujikura Ltd 熱光学効果光部品
US7953305B2 (en) 2008-06-27 2011-05-31 Fujitsu Limited Optical waveguide device and producing method thereof
JP2011197700A (ja) * 2004-08-04 2011-10-06 Furukawa Electric Co Ltd:The 光回路装置
CN105739134A (zh) * 2016-05-05 2016-07-06 中国电子科技集团公司第四十四研究所 调制效率与偏振无关的高频电光相位调制器

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