JPH0758375B2 - 偏光に無関係な光電子方向性結合器 - Google Patents
偏光に無関係な光電子方向性結合器Info
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- JPH0758375B2 JPH0758375B2 JP61182874A JP18287486A JPH0758375B2 JP H0758375 B2 JPH0758375 B2 JP H0758375B2 JP 61182874 A JP61182874 A JP 61182874A JP 18287486 A JP18287486 A JP 18287486A JP H0758375 B2 JPH0758375 B2 JP H0758375B2
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- directional coupler
- polarization
- wafer
- crystal
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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
- 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
- G02F1/29—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 position or the direction of light beams, i.e. deflection
- G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching
- G02F1/313—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure
- G02F1/3132—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure of directional coupler type
-
- 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
- G02F2203/00—Function characteristic
- G02F2203/06—Polarisation independent
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- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、偏光に無関係な光電子方向性結合器に関する
ものであつて、上部表面の光導波路及びその光導波路の
相互作用距離に沿う電極を具備する単結晶ウエーハを含
み、前記ウエーハの結晶材料は屈折率が一定の値をもつ
光軸（結晶ｃ軸）をもつので、この軸の方向への入射光
線は光線の偏光方向には無関係な屈折率によつて影響さ
れ、他の方向における結晶の屈折率は光軸を回転軸とす
る屈折率楕円体によつて決定され、前記結晶は光軸に直
角であつて結晶格子によつて定められる軸（結晶ａ軸）
を備える、光電子方向性結合器に関する。
ものであつて、上部表面の光導波路及びその光導波路の
相互作用距離に沿う電極を具備する単結晶ウエーハを含
み、前記ウエーハの結晶材料は屈折率が一定の値をもつ
光軸（結晶ｃ軸）をもつので、この軸の方向への入射光
線は光線の偏光方向には無関係な屈折率によつて影響さ
れ、他の方向における結晶の屈折率は光軸を回転軸とす
る屈折率楕円体によつて決定され、前記結晶は光軸に直
角であつて結晶格子によつて定められる軸（結晶ａ軸）
を備える、光電子方向性結合器に関する。
（従来の技術） 光集積回路の素子、例えば、方向性結合器や変調器が情
報伝送用の光フアイバ装置に含まれることがある。これ
らの素子は上部表面に拡散された光導波路を具備する光
電子材料のウエーハを含む。例えば、方向性結合器を使
用して、伝送信号を方向性結合器のどちらかの出力に接
続させることができる。一般に素子は、満足な切替動作
を行うためによく定められた偏光の光を必要とする欠点
がある。偏光状態がランダムであると、伝送信号がこれ
らの出力の間に分割されるので方向性結合器内で信号伝
送にエラーが発生する。偏光状態を保存する光フアイバ
を使用して伝送が行われるときは、伝送光信号のよく画
定された偏光状態は保持される。しかしながら、これら
のフアイバは光信号を著しく減衰させるし、また高価で
もある。偏光状態は、また、伝送信号を送信源に帰還さ
せることによつても維持できるが、これには調整装置を
必要とする。伝送上のこれらの困難性は、光素子を偏光
には無関係なものとすることによつて回避することがで
きる。1979年11月15日付け、アプライド・フイジツクス
誌（Appl.Phys.Letters）、書翰35（10）の748ページか
ら750ページに掲載された、アール・シー・アルフエル
ネス（R.C.Alferness）の論文“重みつき結合を使用す
る偏光に無関係な光方向性結合スイツチ”には、偏光に
無関係な光方向性結合器が提案されている。しかし、こ
れは光導波路の製造に高い確度を必要とする。また、ラ
イトウエーブ・テクノロジー誌（Lightwave Technolog
y）、1984年２月のVol.LT−２ No.1に掲載されている
レオン・マツクカウハン（Leon Mc Caughan）の論文
“λ＝1.3μｍにおいて偏光に関係のない光結合器”に
は、前記のものよりやや簡単で偏光に関係のない光結合
器を提案しているが、このものは切替特性が劣つてい
る。前述した二つの光電子素子についての大きな共通の
欠点は、伝送光パルスに対する上部境界周波数が低いこ
とである。これは、結晶構造に対する光導波路の向きに
よつて、光波の互いに直角な二つの偏光方向が光導波路
中で異なる屈折率に影響されるからである。従つて二つ
の偏光方向は光導波路中を異なる速度で伝搬するのでパ
ルスの伸長がおこつて、これが上部パルス周波数を制限
する。
報伝送用の光フアイバ装置に含まれることがある。これ
らの素子は上部表面に拡散された光導波路を具備する光
電子材料のウエーハを含む。例えば、方向性結合器を使
用して、伝送信号を方向性結合器のどちらかの出力に接
続させることができる。一般に素子は、満足な切替動作
を行うためによく定められた偏光の光を必要とする欠点
がある。偏光状態がランダムであると、伝送信号がこれ
らの出力の間に分割されるので方向性結合器内で信号伝
送にエラーが発生する。偏光状態を保存する光フアイバ
を使用して伝送が行われるときは、伝送光信号のよく画
定された偏光状態は保持される。しかしながら、これら
のフアイバは光信号を著しく減衰させるし、また高価で
もある。偏光状態は、また、伝送信号を送信源に帰還さ
せることによつても維持できるが、これには調整装置を
必要とする。伝送上のこれらの困難性は、光素子を偏光
には無関係なものとすることによつて回避することがで
きる。1979年11月15日付け、アプライド・フイジツクス
誌（Appl.Phys.Letters）、書翰35（10）の748ページか
ら750ページに掲載された、アール・シー・アルフエル
ネス（R.C.Alferness）の論文“重みつき結合を使用す
る偏光に無関係な光方向性結合スイツチ”には、偏光に
無関係な光方向性結合器が提案されている。しかし、こ
れは光導波路の製造に高い確度を必要とする。また、ラ
イトウエーブ・テクノロジー誌（Lightwave Technolog
y）、1984年２月のVol.LT−２ No.1に掲載されている
レオン・マツクカウハン（Leon Mc Caughan）の論文
“λ＝1.3μｍにおいて偏光に関係のない光結合器”に
は、前記のものよりやや簡単で偏光に関係のない光結合
器を提案しているが、このものは切替特性が劣つてい
る。前述した二つの光電子素子についての大きな共通の
欠点は、伝送光パルスに対する上部境界周波数が低いこ
とである。これは、結晶構造に対する光導波路の向きに
よつて、光波の互いに直角な二つの偏光方向が光導波路
中で異なる屈折率に影響されるからである。従つて二つ
の偏光方向は光導波路中を異なる速度で伝搬するのでパ
ルスの伸長がおこつて、これが上部パルス周波数を制限
する。
（発明の要約） 本発明に従つて結晶材料の向きを選択し、電極を取付け
ることによつて、偏光に無関係な光電子結合器が得ら
れ、その結合器の製造確度は限定されたものでありまた
高い上部境界周波数をもつので、前述した難点は克服さ
れる。本発明の特徴は特許請求の範囲に示してある。
ることによつて、偏光に無関係な光電子結合器が得ら
れ、その結合器の製造確度は限定されたものでありまた
高い上部境界周波数をもつので、前述した難点は克服さ
れる。本発明の特徴は特許請求の範囲に示してある。
（実施例） 第１図に示した従来の光電子方向性結合器は、通常、ニ
オブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムの光電子材料か
らなる単結晶ウエーハ１を含む。ウエーハ１の上部表面
２には、２個の導波器３を設けるが、この導波器３は、
ウエーハの表面にチタニウムを拡散して製作できる。導
波器は、ウエーハの一方の平らな端面に入力があり、他
方の平らな端面に出力がある。光フアイバ７を通つて一
方の入力４に進入する光波は、出力５の間に分配でき
る。これは、導波路の相互作用長Ｌに沿つて導波路３の
間におこる結合電磁振動によつて通常行われる。導波路
間の結合の程度は、導波路間の距離ｄを選択することに
よつて選択できる。このように結合の長さは変化できる
が、その長さは一方の導波路中の光波が完全に他方の導
波路に切替えられるのに必要な相互作用長Ｌに沿つた長
さである。結合の長さが相互作用長Ｌと一致するように
距離ｄを調節できるので、一方の導波路の入力に到来す
る光波を、他方の導波路の出力から送出することができ
る。導波路間の結合度は、相互作用長Ｌに沿つて設ける
電極８間に電界を加えて、結晶の屈折率を変化すること
によつて、変化させることができる。電界の強さは、導
波路間の結合がなくなつて、一方の導波路の入力に到来
する光波が同じ導波路の出力から送出されるように選択
することができる。前述したように、光波の偏光状態に
関係なく、到来光波を方向性結合器の出力間に切替え可
能としたい要望がある。また、方向性結合器は簡単であ
つて、到来光波が高いパルス周波数をもつことを可能と
したい要望もある。
オブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムの光電子材料か
らなる単結晶ウエーハ１を含む。ウエーハ１の上部表面
２には、２個の導波器３を設けるが、この導波器３は、
ウエーハの表面にチタニウムを拡散して製作できる。導
波器は、ウエーハの一方の平らな端面に入力があり、他
方の平らな端面に出力がある。光フアイバ７を通つて一
方の入力４に進入する光波は、出力５の間に分配でき
る。これは、導波路の相互作用長Ｌに沿つて導波路３の
間におこる結合電磁振動によつて通常行われる。導波路
間の結合の程度は、導波路間の距離ｄを選択することに
よつて選択できる。このように結合の長さは変化できる
が、その長さは一方の導波路中の光波が完全に他方の導
波路に切替えられるのに必要な相互作用長Ｌに沿つた長
さである。結合の長さが相互作用長Ｌと一致するように
距離ｄを調節できるので、一方の導波路の入力に到来す
る光波を、他方の導波路の出力から送出することができ
る。導波路間の結合度は、相互作用長Ｌに沿つて設ける
電極８間に電界を加えて、結晶の屈折率を変化すること
によつて、変化させることができる。電界の強さは、導
波路間の結合がなくなつて、一方の導波路の入力に到来
する光波が同じ導波路の出力から送出されるように選択
することができる。前述したように、光波の偏光状態に
関係なく、到来光波を方向性結合器の出力間に切替え可
能としたい要望がある。また、方向性結合器は簡単であ
つて、到来光波が高いパルス周波数をもつことを可能と
したい要望もある。
上記の要望は、第２図に示した実施例で、以下に説明す
る方向性結合器によつて満足される。この方向性結合器
は、通常、上部の平らな面12に２個の導波路13を備える
光電子材料のウエーハ11を含む。導波路はウエーハの一
方の端面16に入力14があり、他方の端面16に出力15があ
る。本発明に従つて、ウエーハ11は、結晶構造に対して
特別な方法で向きを定めるものであるが、これについて
は、あとで第４図、第５図及び第６図を参照して説明す
る。また、本発明による方向性結合器は、上部表面上に
導波路の相互作用長L1に沿つて主電極17と二次電極18と
を具備するが、これらの電極の断面を第３図に示した。
導波路13は、ウエーハの結晶材料よりも幾分大きな屈折
率をもち、またバツフア被覆19で被われる。バツフア被
覆19の屈折率はウエーハ材料の屈折率より幾分小さいの
で、導波路13の断面にわたつて光の均一な強度分布が得
られる。バツフア被覆に適する材料の例としては、方向
性結合器をニオブ酸リチウムで製作するときには、酸化
カドミウム又は窒化シリコンがある。主電極17はバツフ
ア被覆の上に取付けられて、電気接続導体21によつて電
圧Uhの電圧源に接続される。この電圧源を接続すると、
主電界Ehが主電極間の結晶中を通過し、また導波路も通
過して、それらの屈折率に影響を与える。主電極から離
れたウエーハの表面に、主電極と平行に二次電極18を設
け、これに電気接続導体22を接続する。導体21と22とは
対になつて、それぞれの極電圧U1及びU2の電圧源に接続
されて、それぞれの導波路中13を通過する二次電界E1お
よびE2を発生する。主電界Ehの方向は、それぞれの導波
路において二次電界の方向と異なる。導波路を通る合成
された電界の方向は、二次電極に加える電圧U1及びU2を
変化することによつて調節できる。調節装置の重要性に
ついては第６図について後で説明する。
る方向性結合器によつて満足される。この方向性結合器
は、通常、上部の平らな面12に２個の導波路13を備える
光電子材料のウエーハ11を含む。導波路はウエーハの一
方の端面16に入力14があり、他方の端面16に出力15があ
る。本発明に従つて、ウエーハ11は、結晶構造に対して
特別な方法で向きを定めるものであるが、これについて
は、あとで第４図、第５図及び第６図を参照して説明す
る。また、本発明による方向性結合器は、上部表面上に
導波路の相互作用長L1に沿つて主電極17と二次電極18と
を具備するが、これらの電極の断面を第３図に示した。
導波路13は、ウエーハの結晶材料よりも幾分大きな屈折
率をもち、またバツフア被覆19で被われる。バツフア被
覆19の屈折率はウエーハ材料の屈折率より幾分小さいの
で、導波路13の断面にわたつて光の均一な強度分布が得
られる。バツフア被覆に適する材料の例としては、方向
性結合器をニオブ酸リチウムで製作するときには、酸化
カドミウム又は窒化シリコンがある。主電極17はバツフ
ア被覆の上に取付けられて、電気接続導体21によつて電
圧Uhの電圧源に接続される。この電圧源を接続すると、
主電界Ehが主電極間の結晶中を通過し、また導波路も通
過して、それらの屈折率に影響を与える。主電極から離
れたウエーハの表面に、主電極と平行に二次電極18を設
け、これに電気接続導体22を接続する。導体21と22とは
対になつて、それぞれの極電圧U1及びU2の電圧源に接続
されて、それぞれの導波路中13を通過する二次電界E1お
よびE2を発生する。主電界Ehの方向は、それぞれの導波
路において二次電界の方向と異なる。導波路を通る合成
された電界の方向は、二次電極に加える電圧U1及びU2を
変化することによつて調節できる。調節装置の重要性に
ついては第６図について後で説明する。
本発明によるウエーハ11はその材料の結晶構造につい
て、特定の向きをもたせることを、まえに述べた。ウエ
ーハ材料、例えば、ニオブ酸リチウムは第４図の略図に
示したような結晶構造をもつが、第４図には、この材料
に通常使用される六角形単位セルについての直角右手座
標系X,Y,Zの向きとともに関連する結晶軸a,b,c座標系も
示した。この座標系における座標軸は、Ｘ軸が結晶ａ軸
の方向に向き、またＺ軸が光軸である結晶ｃ軸の方向を
向くように選定してある。ニオブ酸リチウムについての
結晶構造の詳細な説明は、1966年パーガモン・プレス社
（Pergamon Press）発行ジャーナル・フイジカル・ケミ
ストリ・ソリツズ（J.Phys.Chem.Solids）Vol27.997ペ
ージから1012ページまでの“強誘電体ニオブ酸リチウ
ム、単結晶の24℃におけるＸ線回折の研究”に記述され
ている。ニオブ酸リチウムは複屈折率をもち、その屈折
率は第５図に示した回転楕円体で表わされる。この楕円
体とＸ−Ｙ平面との交線は一つの円であり、またこの楕
円体とＸ−Ｚ平面との交線は一つの楕円であり、その楕
円の長軸は前記円の直径である。Ｚ軸方向の単色光ビー
ムP1は結晶中で円の半径に対応する大きさの屈折率によ
つて影響をうける。屈折率の大きさは、光ビームの偏光
方向には無関係であつて、あらゆる偏光方向の光ビーム
は結晶中を同一の速度で伝搬する。Ｚ軸と垂直に伝搬す
る平面偏光単色光ビームP2は、Ｘ−Ｙ平面に対する偏光
面の傾斜角αによつて定まる屈折率の大きさによつて影
響をうける。同一の方向であつても異なる偏光面をもつ
光ビームは結晶中を異なる速度で伝搬する。その結果と
して異なる偏光方向の光を含む光パルスは、光ビームの
方向がＺ軸方向から大きくずれるときは、結晶を通過す
るときパルスが長くなる。パルスが長くなると、結晶材
料から製作した素子が動作できる最高パルス周波数を制
限する。高い上限パルス周波数をもつ素子を得るために
は、第６図に示した例のように、導波路13の向きが実質
的にＺ軸の方向に一致するように、ウエーハ11の向きが
選択される。そうすると光波中の振動モードで、上部平
面12に直角な偏光面をもつTEモードと上部平面12内に偏
光面をもつTMモードは導波路13内で同一の伝搬速度をも
つようになる。
て、特定の向きをもたせることを、まえに述べた。ウエ
ーハ材料、例えば、ニオブ酸リチウムは第４図の略図に
示したような結晶構造をもつが、第４図には、この材料
に通常使用される六角形単位セルについての直角右手座
標系X,Y,Zの向きとともに関連する結晶軸a,b,c座標系も
示した。この座標系における座標軸は、Ｘ軸が結晶ａ軸
の方向に向き、またＺ軸が光軸である結晶ｃ軸の方向を
向くように選定してある。ニオブ酸リチウムについての
結晶構造の詳細な説明は、1966年パーガモン・プレス社
（Pergamon Press）発行ジャーナル・フイジカル・ケミ
ストリ・ソリツズ（J.Phys.Chem.Solids）Vol27.997ペ
ージから1012ページまでの“強誘電体ニオブ酸リチウ
ム、単結晶の24℃におけるＸ線回折の研究”に記述され
ている。ニオブ酸リチウムは複屈折率をもち、その屈折
率は第５図に示した回転楕円体で表わされる。この楕円
体とＸ−Ｙ平面との交線は一つの円であり、またこの楕
円体とＸ−Ｚ平面との交線は一つの楕円であり、その楕
円の長軸は前記円の直径である。Ｚ軸方向の単色光ビー
ムP1は結晶中で円の半径に対応する大きさの屈折率によ
つて影響をうける。屈折率の大きさは、光ビームの偏光
方向には無関係であつて、あらゆる偏光方向の光ビーム
は結晶中を同一の速度で伝搬する。Ｚ軸と垂直に伝搬す
る平面偏光単色光ビームP2は、Ｘ−Ｙ平面に対する偏光
面の傾斜角αによつて定まる屈折率の大きさによつて影
響をうける。同一の方向であつても異なる偏光面をもつ
光ビームは結晶中を異なる速度で伝搬する。その結果と
して異なる偏光方向の光を含む光パルスは、光ビームの
方向がＺ軸方向から大きくずれるときは、結晶を通過す
るときパルスが長くなる。パルスが長くなると、結晶材
料から製作した素子が動作できる最高パルス周波数を制
限する。高い上限パルス周波数をもつ素子を得るために
は、第６図に示した例のように、導波路13の向きが実質
的にＺ軸の方向に一致するように、ウエーハ11の向きが
選択される。そうすると光波中の振動モードで、上部平
面12に直角な偏光面をもつTEモードと上部平面12内に偏
光面をもつTMモードは導波路13内で同一の伝搬速度をも
つようになる。
第１図について、方向性結合器における導波路間の結合
度は、結晶中の電界によつて影響されることをさきに述
べた。電界は第５図に示した屈折率楕円体の形状を変化
させるが、これは弱電界に対するポツケルス効果（Pock
el's effect）として知られている。この効果について
さらに詳細な説明は、1974年ニユーヨークとロンドンの
アカデミツク・プレス（Academic Press）社から発行さ
れた、カミノフ（Kaminov）の“電子光デバイス入門（A
n introduction to electrooptic devices）”に記述さ
れている。屈折率変化は、通常の三次元の場合、数学的
に27テンソル成分をもつ３階テンソルで表わされる。こ
れらの成分は通常、γij,kと表わされ、添字i,j及びｋ
は、1,2又は３の値である。添字は、第６図に示したよ
うに選定された方向をもつX1軸、X2軸及びX3軸をもつ直
角右手座標系に関係する。X1軸は上部表面12に平行でか
つ導波路13に直角であり、X2軸は上部表面12に直角であ
り、またX3軸は導波路13に平行である。テンソル成分γ
ij,kは、電位差に対する長さ（メートルスラツシユボル
ト）の物理的デイメンシヨンをもつもので、電界によつ
て実現される振動モード間の結合度による変化量であ
る。テンソルのすべての27成分が関係する最も一般の場
合でも、本発明による方向性結合器によつて取扱う特別
な場合には、極めて簡易化される。第６図によると、導
波路はX3軸方向に延びるので、導波路中の光波はX1−X2
平面だけに電界ベクトルをもつ。同様に電極間に加えら
れる電界E1,E2,Ehも、第３図に示したようにX1−X2平面
内だけに成分をもつ。従つて、問題は２次元に縮小され
て、関係する成分γij,kの数も８個、すなわち、
γ12,1，γ12,2，γ21,1，γ21,2，γ11,1，γ11,2，γ
22,1及びγ22,2に減少する。対称の場合には、γ12,1＝
γ21,2及びγ12,2＝γ21,2となるので、成分の数はさら
に減少する。残るテンソル成分γij,kが、第２図及び第
６図のウエーハ１の屈折率が外部電界Eh,E1及びE2によ
つてどのように変化されるかを表わす。ウエーハ11の異
なる向きにおけるテンソル成分の大きさは、２つの座標
系X,Y,ZとX1,X2,X3との間の座標変換によつて決定され
る。前述したように、方向性結合器が偏光に無関係であ
ることが要望事項である。本発明に従つて、この要望事
項は、単結晶ウエーハ11の向きを以下に述べる方法で選
定することによつて満足される。テンソル成分γ11,2は
２つの導波路13内のTEモード間の結合を定める屈折率の
変化を表わし、また対応する方法でTMモード間の結合を
定めるテンソル成分γ22,2としても同じ絶対値が用いら
れる。テンソル成分γ11,1，γ22,1及びγ12,2はすべて
ゼロになる。前述した座標変換を行うことによつて、問
題とする光電子結晶材料に対して、そのようなテンソル
成分の選択が可能なことを示すことができる。しかしな
がら、TMモードとTEモード間の結合を定めるテンソル成
分γ12,1はゼロは異なることが判明した。２つの別のモ
ード間にこの結合が存在すると、方向性結合器は偏光に
無関係とはならない。本発明に従つて、この結合は、第
３図について説明した二次電界E1及びE2によつて打消し
作用をうける。二次電界の強さは、導波路13を通る合成
電界の方向がウエーハ11の上部表面12に対し直角となる
ように変化することができる。それによつてテンソル成
分γ12,1で表わされる結晶の屈折率への影響は抑止され
るので、TEモードとTMモード間の結合は完全に消失す
る。前述したようにウエーハ11の向きを選択することに
よつて、方向性結合器を偏光に無関係とする要求に適合
するばかりでなく、第５図についてさきに述べたように
導波路の方向を実質上光軸の方向に一致させる要求にも
適合することができるが、これについてはニオブ酸リチ
ウムの方向性結合器についてさらに詳しく説明する。前
述したように座標系X1,X2,X3とX,Y,Zとの間の変換をこ
の材料について実施するときは、基本的に単結晶ウエー
ハの二つの別個の向きが得られる。これらの向きのうち
の一つとしてＸ軸がX1軸と同じ方向をもち、Ｙ軸はX2軸
と同じ方向をもち、またＺ軸がX3軸と同じ方向をもつも
のを第６図に示した。この場合、テンソル成分は次の値
になる。
度は、結晶中の電界によつて影響されることをさきに述
べた。電界は第５図に示した屈折率楕円体の形状を変化
させるが、これは弱電界に対するポツケルス効果（Pock
el's effect）として知られている。この効果について
さらに詳細な説明は、1974年ニユーヨークとロンドンの
アカデミツク・プレス（Academic Press）社から発行さ
れた、カミノフ（Kaminov）の“電子光デバイス入門（A
n introduction to electrooptic devices）”に記述さ
れている。屈折率変化は、通常の三次元の場合、数学的
に27テンソル成分をもつ３階テンソルで表わされる。こ
れらの成分は通常、γij,kと表わされ、添字i,j及びｋ
は、1,2又は３の値である。添字は、第６図に示したよ
うに選定された方向をもつX1軸、X2軸及びX3軸をもつ直
角右手座標系に関係する。X1軸は上部表面12に平行でか
つ導波路13に直角であり、X2軸は上部表面12に直角であ
り、またX3軸は導波路13に平行である。テンソル成分γ
ij,kは、電位差に対する長さ（メートルスラツシユボル
ト）の物理的デイメンシヨンをもつもので、電界によつ
て実現される振動モード間の結合度による変化量であ
る。テンソルのすべての27成分が関係する最も一般の場
合でも、本発明による方向性結合器によつて取扱う特別
な場合には、極めて簡易化される。第６図によると、導
波路はX3軸方向に延びるので、導波路中の光波はX1−X2
平面だけに電界ベクトルをもつ。同様に電極間に加えら
れる電界E1,E2,Ehも、第３図に示したようにX1−X2平面
内だけに成分をもつ。従つて、問題は２次元に縮小され
て、関係する成分γij,kの数も８個、すなわち、
γ12,1，γ12,2，γ21,1，γ21,2，γ11,1，γ11,2，γ
22,1及びγ22,2に減少する。対称の場合には、γ12,1＝
γ21,2及びγ12,2＝γ21,2となるので、成分の数はさら
に減少する。残るテンソル成分γij,kが、第２図及び第
６図のウエーハ１の屈折率が外部電界Eh,E1及びE2によ
つてどのように変化されるかを表わす。ウエーハ11の異
なる向きにおけるテンソル成分の大きさは、２つの座標
系X,Y,ZとX1,X2,X3との間の座標変換によつて決定され
る。前述したように、方向性結合器が偏光に無関係であ
ることが要望事項である。本発明に従つて、この要望事
項は、単結晶ウエーハ11の向きを以下に述べる方法で選
定することによつて満足される。テンソル成分γ11,2は
２つの導波路13内のTEモード間の結合を定める屈折率の
変化を表わし、また対応する方法でTMモード間の結合を
定めるテンソル成分γ22,2としても同じ絶対値が用いら
れる。テンソル成分γ11,1，γ22,1及びγ12,2はすべて
ゼロになる。前述した座標変換を行うことによつて、問
題とする光電子結晶材料に対して、そのようなテンソル
成分の選択が可能なことを示すことができる。しかしな
がら、TMモードとTEモード間の結合を定めるテンソル成
分γ12,1はゼロは異なることが判明した。２つの別のモ
ード間にこの結合が存在すると、方向性結合器は偏光に
無関係とはならない。本発明に従つて、この結合は、第
３図について説明した二次電界E1及びE2によつて打消し
作用をうける。二次電界の強さは、導波路13を通る合成
電界の方向がウエーハ11の上部表面12に対し直角となる
ように変化することができる。それによつてテンソル成
分γ12,1で表わされる結晶の屈折率への影響は抑止され
るので、TEモードとTMモード間の結合は完全に消失す
る。前述したようにウエーハ11の向きを選択することに
よつて、方向性結合器を偏光に無関係とする要求に適合
するばかりでなく、第５図についてさきに述べたように
導波路の方向を実質上光軸の方向に一致させる要求にも
適合することができるが、これについてはニオブ酸リチ
ウムの方向性結合器についてさらに詳しく説明する。前
述したように座標系X1,X2,X3とX,Y,Zとの間の変換をこ
の材料について実施するときは、基本的に単結晶ウエー
ハの二つの別個の向きが得られる。これらの向きのうち
の一つとしてＸ軸がX1軸と同じ方向をもち、Ｙ軸はX2軸
と同じ方向をもち、またＺ軸がX3軸と同じ方向をもつも
のを第６図に示した。この場合、テンソル成分は次の値
になる。
γ11,1＝０ γ22,1＝０ γ12,1＝5.7×10-12m/V γ12,2＝０ γ11,2＝−5.7×10-12m/V γ22,2＝5.7×10-12m/V ニオブ酸リチウムの対称特性から、単結晶ウエーハ11に
は、第６図に示した向きと同等な別の向きがある。その
場合、Ｚ軸の方向は変化ないが、Ｘ軸は60度間隔の６個
の位置があり、そのうちの一つの位置が第６図に示した
位置である。これら二つの向きのうちの第２の向きを第
７図に示した。単結晶ウエーハ31は、第６図について述
べた方法で、上部表面32に導波路33を備え、座標系X1,X
2,X3は第７図に示した向きとする。結晶の座標系X,Y,Z
は次のような向きとする。Ｘ軸はX1軸に平行であるが負
の方向に向ける。Ｚ軸はX2−X3平面内にあるがX3軸から
上向きに角度β＝10.15度の向きとする。テンソル成分
は次の値となる。
は、第６図に示した向きと同等な別の向きがある。その
場合、Ｚ軸の方向は変化ないが、Ｘ軸は60度間隔の６個
の位置があり、そのうちの一つの位置が第６図に示した
位置である。これら二つの向きのうちの第２の向きを第
７図に示した。単結晶ウエーハ31は、第６図について述
べた方法で、上部表面32に導波路33を備え、座標系X1,X
2,X3は第７図に示した向きとする。結晶の座標系X,Y,Z
は次のような向きとする。Ｘ軸はX1軸に平行であるが負
の方向に向ける。Ｚ軸はX2−X3平面内にあるがX3軸から
上向きに角度β＝10.15度の向きとする。テンソル成分
は次の値となる。
γ11,1＝０ γ22,1＝０ γ12,1＝11.25×10-12m/V γ12,2＝０ γ11,2＝7.4×10-12m/V γ22,2＝7.4×10-12m/V ニオブ酸リチウムの対称特性から、単結晶ウエーハ31に
も、同等な向きが存在する。Ｚ軸は第７図に示した方
向、すなわちX2−X3面内にあつて、破線矢印で示したよ
うに下側に向ける。Ｘ軸はウエーハの上部表面に平行で
あつて、60度間隔に６個の位置をもち、それらの位置の
一つを第７図に示した。
も、同等な向きが存在する。Ｚ軸は第７図に示した方
向、すなわちX2−X3面内にあつて、破線矢印で示したよ
うに下側に向ける。Ｘ軸はウエーハの上部表面に平行で
あつて、60度間隔に６個の位置をもち、それらの位置の
一つを第７図に示した。
ニオブ酸リチウム方向性結合器についてこれまでに述べ
た二つの実施例では、単結晶ウエーハの向き及びテンソ
ル成分のサイズは光の波長λ＝1.3μｍの場合、適用で
きる。二つの実施例とも導波路中の光波は実質上、光軸
すなわちＺ軸の方向に伝搬するので、異なる偏光方向を
もつ光波でも同じ速度で伝搬する。二つのテンソル成分
γ11,2とγ22,2とは同一の絶対値をもつので、二つの導
波路におけるTEモードとTMモード間の結合は、導波路を
通る電界によつて同程度に変化される。テンソル成分γ
12,1はゼロとは異なる値となるが、その効果は二次電界
E1およびE2によつて抑止される。このようにして方向性
結合器は偏光に無関係でありまた、高い上部境界周波数
をもつ。この方向性結合器はその製造に限られた確度だ
けが要求されるという利点がある。電極の形状にわずか
の相異があつても、二次電界の強さを変化することによ
つて補償することができる。
た二つの実施例では、単結晶ウエーハの向き及びテンソ
ル成分のサイズは光の波長λ＝1.3μｍの場合、適用で
きる。二つの実施例とも導波路中の光波は実質上、光軸
すなわちＺ軸の方向に伝搬するので、異なる偏光方向を
もつ光波でも同じ速度で伝搬する。二つのテンソル成分
γ11,2とγ22,2とは同一の絶対値をもつので、二つの導
波路におけるTEモードとTMモード間の結合は、導波路を
通る電界によつて同程度に変化される。テンソル成分γ
12,1はゼロとは異なる値となるが、その効果は二次電界
E1およびE2によつて抑止される。このようにして方向性
結合器は偏光に無関係でありまた、高い上部境界周波数
をもつ。この方向性結合器はその製造に限られた確度だ
けが要求されるという利点がある。電極の形状にわずか
の相異があつても、二次電界の強さを変化することによ
つて補償することができる。
本発明は、第８図に略図で示したように、主電極41と二
次電極42とが相互作用長L2に沿つてΔＬの区間をもつ分
割された方向性結合器40に適用することができる。この
型式の電極についての説明は、IEEEジヤーナル・オブ・
カンタムエレクロトニクス（IEEE Journal of Quantum
Electronics）の1976年７月、Vol.QE−12にエツチ・コ
ゲルニツク（H.Kogelnik）とアール・シユミツト（R.Sc
hmidt）の論文“交番Δβをもつ切替方向性結合器（Swi
tched Directional Couplers with Alternating Δ
β）”に記述されている。これらの電極は、その製造に
関する確度要求が比較的低いという利点がある。
次電極42とが相互作用長L2に沿つてΔＬの区間をもつ分
割された方向性結合器40に適用することができる。この
型式の電極についての説明は、IEEEジヤーナル・オブ・
カンタムエレクロトニクス（IEEE Journal of Quantum
Electronics）の1976年７月、Vol.QE−12にエツチ・コ
ゲルニツク（H.Kogelnik）とアール・シユミツト（R.Sc
hmidt）の論文“交番Δβをもつ切替方向性結合器（Swi
tched Directional Couplers with Alternating Δ
β）”に記述されている。これらの電極は、その製造に
関する確度要求が比較的低いという利点がある。
第１図は従来の光電子方向性結合器の斜視図、第２図は
本発明による方向性結合器の斜視図、第３図は本発明に
よる電極をつけた方向性結合器の斜視図、第４図はニオ
ブ酸リチウムの六角形結晶構造を示す略図、第５図はニ
オブ酸リチウムの屈折率の値を表わす回転楕円体の図、
第６図は、本発明に従つて結晶構造の向きを定めた方向
性結合器の一部を示す斜視図、第７図は結晶材料の軸を
本発明による別の向きに定めた方向性結合器の斜視略
図、及び第８図は本発明による分割された電極を備える
方向性結合器の図である。 （符号の説明） 1,11,31……単結晶ウエーハ 2,12,32……上部表面 3,13,33……光導波路 4,14……入力、5,15……出力 6,16……端面、７……光フアイバ ８……電極、17,41……主電極 18,42……二次電極 19……バツフア被覆、21……電気接続導体 40……方向性結合器
本発明による方向性結合器の斜視図、第３図は本発明に
よる電極をつけた方向性結合器の斜視図、第４図はニオ
ブ酸リチウムの六角形結晶構造を示す略図、第５図はニ
オブ酸リチウムの屈折率の値を表わす回転楕円体の図、
第６図は、本発明に従つて結晶構造の向きを定めた方向
性結合器の一部を示す斜視図、第７図は結晶材料の軸を
本発明による別の向きに定めた方向性結合器の斜視略
図、及び第８図は本発明による分割された電極を備える
方向性結合器の図である。 （符号の説明） 1,11,31……単結晶ウエーハ 2,12,32……上部表面 3,13,33……光導波路 4,14……入力、5,15……出力 6,16……端面、７……光フアイバ ８……電極、17,41……主電極 18,42……二次電極 19……バツフア被覆、21……電気接続導体 40……方向性結合器
Claims (4)
- 【請求項１】上部表面に設けた光導波路と前記光導波路
の相互作用距離に沿って設けた電極とを具備する光電子
材料の単結晶ウエハを含み、前記ウエハの結晶材料は、
屈折率が一定の値であって軸方向に入射する光線がその
光線の偏光方向に無関係な前記屈折率によって影響を受
ける様な結晶ｃ軸を光軸として有し、他の方向における
前記結晶の屈折率は、前記光軸を回転軸とする屈折率楕
円体によって決定され、前記結晶は、前記光軸に直角で
結晶格子によって定まる軸（結晶ａ軸）を有する、偏光
に無関係は光電子方向性結合器であって、 前記電極は、前記相互作用距離（L1）に沿って前記光導
波路（13）をほぼ覆う主電極（17）と、前記主電極（1
7）から離れている二次電極（18）とを含み、前記主電
極（17）は前記二次電極（18）の間に配置されており、
これらの電極によって、各光導波路内における合成電界
が前記上部表面（12）と直角になる様に電界（Eh,E1,
E2）が発生され、 前記光軸（c,Z）は、前記光導波路（13）の長手方向を
含み前記上部表面（12）に直角な面（X2−X3）内にあっ
て、かつ、 前記光軸（c,Z）は、一方が前記上部表面（12）に平行
であり他方が前記上部表面と15度以内の角度（β）とな
る２つの限界値の間に向けられ、また、前記ａ軸は、60
度間隔の６個の選択位置をとることができ、前記選択位
置の一つは前記上部表面と平行であることを特徴とする
偏光に無関係な光電子方向性結合器。 - 【請求項２】特許請求の範囲第１項において、前記光軸
（c,Z）が前記ウエハの上部表面と平行であることを特
徴とする偏光に無関係な光電子方向性結合器。 - 【請求項３】特許請求の範囲第１項において、前記上部
表面（12）と前記光軸（c,Z）との間の角度（β）が10.
15度であって、方向性結合器が光波長1.3μｍに適合し
ていることを特徴とする偏光に無関係な光電子方向性結
合器。 - 【請求項４】特許請求の範囲、第１項から第３項までの
いずれかの項において、前記単結晶ウエハ（11）の材料
がニオブ酸リチウムであることを特徴とする偏偏光に無
関係な光電子方向性結合器。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SE8503825-5 | 1985-08-15 | ||
| SE8503825A SE450173B (sv) | 1985-08-15 | 1985-08-15 | Polarisationsoberoende elektrooptisk omkopplare |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6239826A JPS6239826A (ja) | 1987-02-20 |
| JPH0758375B2 true JPH0758375B2 (ja) | 1995-06-21 |
Family
ID=20361108
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61182874A Expired - Lifetime JPH0758375B2 (ja) | 1985-08-15 | 1986-08-05 | 偏光に無関係な光電子方向性結合器 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4756588A (ja) |
| JP (1) | JPH0758375B2 (ja) |
| DE (1) | DE3626060C2 (ja) |
| FR (1) | FR2586303B1 (ja) |
| GB (1) | GB2179465B (ja) |
| SE (1) | SE450173B (ja) |
Families Citing this family (26)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63116118A (ja) * | 1986-11-04 | 1988-05-20 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | 方向性結合器 |
| JPS644719A (en) * | 1987-06-29 | 1989-01-09 | Japan Broadcasting Corp | Optical modulator |
| LU87165A1 (de) * | 1987-08-20 | 1988-08-23 | Siemens Ag | Mehrstufige koppelanordnung |
| US4871223A (en) * | 1987-08-25 | 1989-10-03 | Siemens Aktiengesellschaft | Arrangement comprising at least one integrated optical waveguide on a substrate of electro-optical material and comprising at least one electrode |
| JPH01108531A (ja) * | 1987-10-22 | 1989-04-25 | Oki Electric Ind Co Ltd | 導波型光スイッチ |
| JPH01118821A (ja) * | 1987-11-02 | 1989-05-11 | Oki Electric Ind Co Ltd | 導波型光スイッチ |
| DE3883492T2 (de) * | 1987-11-20 | 1993-12-23 | Ericsson Telefon Ab L M | Verfahren zur Anordnung eines polarisationsrichtenden optoelektronischen Schalters und ein Schalter dafür. |
| US4917451A (en) * | 1988-01-19 | 1990-04-17 | E. I. Dupont De Nemours And Company | Waveguide structure using potassium titanyl phosphate |
| FR2633060B1 (fr) * | 1988-06-21 | 1990-10-05 | Thomson Csf | Separateur recombineur de polarisations realise en optique integree |
| JP2812974B2 (ja) * | 1989-02-03 | 1998-10-22 | 日本放送協会 | 偏光無依存性光スイッチ |
| US4968112A (en) * | 1990-01-04 | 1990-11-06 | Smiths Industries Aerospace And Defense Systems Incorporated | Apparatus for providing depolarized light |
| US4997245A (en) * | 1990-01-04 | 1991-03-05 | Smiths Industries Aerospace & Defense Systems Incorporated | Polarization independent optical switches |
| FR2658315A1 (fr) * | 1990-02-14 | 1991-08-16 | France Etat | Separateur de polarisations pour lumiere guidee. |
| EP0466430B1 (en) * | 1990-07-06 | 1996-01-03 | Nec Corporation | Optical waveguide switch for two wavelengths |
| JPH04110831A (ja) * | 1990-08-31 | 1992-04-13 | Nec Corp | 光制御デバイス |
| FR2668615B1 (fr) * | 1990-10-31 | 1992-12-11 | France Etat | Separateur de polarisations pour lumiere guidee. |
| US5094526A (en) * | 1990-11-07 | 1992-03-10 | General Signal Corporation | Integrated optical waveguide doppler velocimeter |
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| US5202941A (en) * | 1991-12-02 | 1993-04-13 | Telefonaktiebolaget L M Ericsson | Four section optical coupler |
| US5303315A (en) * | 1992-09-01 | 1994-04-12 | Telefonaktiebolaget L M Ericsson | Near Z digital switch |
| RU2064836C1 (ru) * | 1994-06-20 | 1996-08-10 | Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН | Способ получения нанесенного катализатора для полимеризации этилена и сополимеризации этилена с альфа-олефинами |
| JP2674535B2 (ja) * | 1994-12-15 | 1997-11-12 | 日本電気株式会社 | 光制御デバイス |
| US5502781A (en) * | 1995-01-25 | 1996-03-26 | At&T Corp. | Integrated optical devices utilizing magnetostrictively, electrostrictively or photostrictively induced stress |
| US6154310A (en) * | 1997-11-21 | 2000-11-28 | Imra America, Inc. | Ultrashort-pulse source with controllable multiple-wavelength output |
| DE10043996A1 (de) * | 2000-09-05 | 2002-03-14 | Cube Optics Ag | Koppelvorrichtung und Verfahren zur Herstellung hierfür |
| US11181693B1 (en) | 2020-10-21 | 2021-11-23 | Globalfoundries U.S. Inc. | Polarization-insensitive directional couplers |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4012113A (en) * | 1975-12-17 | 1977-03-15 | Herwig Werner Kogelnik | Adjustable optical switch or modulator |
| US4157860A (en) * | 1977-10-11 | 1979-06-12 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | Dual polarization electromagnetic switch and modulator |
| US4291939A (en) * | 1978-03-24 | 1981-09-29 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Polarization-independent optical switches/modulators |
| US4243295A (en) * | 1979-09-19 | 1981-01-06 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | Polarization-independent optical directional coupler switch/modulator |
| US4262993A (en) * | 1980-01-11 | 1981-04-21 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Electrooptically balanced alternating Δβ switch |
| US4262994A (en) * | 1980-01-11 | 1981-04-21 | Sheem Sang K | Electro-optically balanced multi-piece optical waveguides |
| US4273411A (en) * | 1980-01-24 | 1981-06-16 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | Optical wavelength filter |
| US4400052A (en) * | 1981-03-19 | 1983-08-23 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | Method for manufacturing birefringent integrated optics devices |
| JPS57161837A (en) * | 1981-03-31 | 1982-10-05 | Nec Corp | Optical switching method |
| SE455892B (sv) * | 1984-02-17 | 1988-08-15 | Ericsson Telefon Ab L M | Optisk integrerad vagledarkomponent |
-
1985
- 1985-08-15 SE SE8503825A patent/SE450173B/sv not_active IP Right Cessation
-
1986
- 1986-06-10 US US06/872,657 patent/US4756588A/en not_active Expired - Lifetime
- 1986-07-11 FR FR868610202A patent/FR2586303B1/fr not_active Expired - Lifetime
- 1986-08-01 DE DE3626060A patent/DE3626060C2/de not_active Expired - Fee Related
- 1986-08-05 JP JP61182874A patent/JPH0758375B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1986-08-15 GB GB8619964A patent/GB2179465B/en not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE3626060C2 (de) | 1997-07-10 |
| US4756588A (en) | 1988-07-12 |
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| SE8503825D0 (sv) | 1985-08-15 |
| DE3626060A1 (de) | 1987-02-19 |
| GB8619964D0 (en) | 1986-09-24 |
| GB2179465A (en) | 1987-03-04 |
| FR2586303B1 (fr) | 1990-08-10 |
| FR2586303A1 (fr) | 1987-02-20 |
| SE450173B (sv) | 1987-06-09 |
| JPS6239826A (ja) | 1987-02-20 |
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