JPH11282029A - 導波路型光スイッチ - Google Patents
導波路型光スイッチInfo
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- JPH11282029A JPH11282029A JP8634698A JP8634698A JPH11282029A JP H11282029 A JPH11282029 A JP H11282029A JP 8634698 A JP8634698 A JP 8634698A JP 8634698 A JP8634698 A JP 8634698A JP H11282029 A JPH11282029 A JP H11282029A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高速走査性を達成しつつ、入射結合効率を一
定レベル以上に保つことができる導波路型光スイッチを
得る。 【解決手段】 グレーティングカプラを備えた導波路型
光スイッチにおいて、グレーティングへの入射光を収束
光とし、収束光とグレーティングベクトルとで形成され
る角度γを、０＜γ≦ΔγMAXの範囲に設定した。さら
に、角度変化最大値△γMAX及び導波光伝搬角度θfの変
化量△θfが以下の式を満たしている。 【数１】
定レベル以上に保つことができる導波路型光スイッチを
得る。 【解決手段】 グレーティングカプラを備えた導波路型
光スイッチにおいて、グレーティングへの入射光を収束
光とし、収束光とグレーティングベクトルとで形成され
る角度γを、０＜γ≦ΔγMAXの範囲に設定した。さら
に、角度変化最大値△γMAX及び導波光伝搬角度θfの変
化量△θfが以下の式を満たしている。 【数１】
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、導波路型光スイッ
チ、詳しくは、基板上に光導波層とグレーティングと導
波光の偏向手段を設け、グレーティングによって外部と
光導波層とを光学的に結合する導波路型光スイッチに関
する。
チ、詳しくは、基板上に光導波層とグレーティングと導
波光の偏向手段を設け、グレーティングによって外部と
光導波層とを光学的に結合する導波路型光スイッチに関
する。
【０００２】
【従来の技術と課題】一般に音響光学効果を利用した導
波路型の光偏向素子は、小型で静かであるという利点を
有する。これを光スイッチとして用いる場合には、高速
走査性を確保するために収束光を用いるのが有効であ
る。しかし、入出力の光結合にグレーティングを用いる
場合、入射角度の微小な変化に対して入射結合効率が低
下するという問題点を有していた。
波路型の光偏向素子は、小型で静かであるという利点を
有する。これを光スイッチとして用いる場合には、高速
走査性を確保するために収束光を用いるのが有効であ
る。しかし、入出力の光結合にグレーティングを用いる
場合、入射角度の微小な変化に対して入射結合効率が低
下するという問題点を有していた。
【０００３】そこで、本発明の目的は、高速走査性を達
成しつつ、入射結合効率を一定レベル以上に保つことが
可能な導波路型光スイッチを提供することにある。
成しつつ、入射結合効率を一定レベル以上に保つことが
可能な導波路型光スイッチを提供することにある。
【０００４】
【発明の構成、作用及び効果】以上の目的を達成するた
め、本発明に係る導波路型光スイッチは、グレーティン
グへの入射光を収束光とすることで高速走査性を確保
し、収束光とグレーティングベクトルとで形成される角
度γを、０＜γ≦ΔγMAXの範囲に設定した。この場
合、角度γの変化量最大値△γMAX及び導波光伝搬角度
θfの変化量△θfが以下の式を満たすことで、実用上最
低限必要な入射結合効率を維持できる。
め、本発明に係る導波路型光スイッチは、グレーティン
グへの入射光を収束光とすることで高速走査性を確保
し、収束光とグレーティングベクトルとで形成される角
度γを、０＜γ≦ΔγMAXの範囲に設定した。この場
合、角度γの変化量最大値△γMAX及び導波光伝搬角度
θfの変化量△θfが以下の式を満たすことで、実用上最
低限必要な入射結合効率を維持できる。
【０００５】
【数２】
【０００６】
【発明の実施形態】以下、本発明に係る導波路型光スイ
ッチの実施形態について添付図面を参照して説明する。
ッチの実施形態について添付図面を参照して説明する。
【０００７】図１、図２は本発明の一実施形態である導
波路型光スイッチ１を示す。シリコン基板１０上には光
学バッファ層としてのＳｉＯ2膜１５が形成され、その
上に光導波層２０が形成されている。さらに、光導波層
２０上には入射用グレーティング２１、出射用グレーテ
ィング２２及びＩＤＴ（inter−digital−transducer）
２５が形成されている。ＩＤＴ２５は印加される電圧に
よって所定周波数の表面弾性波を光導波層２０に発生さ
せ、導波光を偏向させる。
波路型光スイッチ１を示す。シリコン基板１０上には光
学バッファ層としてのＳｉＯ2膜１５が形成され、その
上に光導波層２０が形成されている。さらに、光導波層
２０上には入射用グレーティング２１、出射用グレーテ
ィング２２及びＩＤＴ（inter−digital−transducer）
２５が形成されている。ＩＤＴ２５は印加される電圧に
よって所定周波数の表面弾性波を光導波層２０に発生さ
せ、導波光を偏向させる。
【０００８】グレーティングカプラは具体的には以下の
材料及びプロセスで構成されている。まず、シリコン基
板１０上に熱酸化法でＳｉＯ2膜１５（屈折率１．４
６）を０．８μｍの厚さに成膜する。その上にＺｎＯを
スパッタ法で１．０μｍに成膜し、光導波層２０を形成
する。この光導波層２０上にアルミニウムを真空蒸着法
で０．１μｍに成膜し、電子線描画法で周期０．６μｍ
のリニアグレーティング形状にパターニングする。次
に、リアクティブイオンエッチング法によってアルミニ
ウム導電膜をエッチングすると共に、光導波層２０を
０．２μｍエッチングする。残ったアルミウム導電膜を
除去することでグレーティング２１，２２が形成され
る。ＩＤＴ２５はアルミニウムを材料としてリフトオフ
法によって０．１μｍの厚さに形成され、その電極線幅
は１．０μｍである。
材料及びプロセスで構成されている。まず、シリコン基
板１０上に熱酸化法でＳｉＯ2膜１５（屈折率１．４
６）を０．８μｍの厚さに成膜する。その上にＺｎＯを
スパッタ法で１．０μｍに成膜し、光導波層２０を形成
する。この光導波層２０上にアルミニウムを真空蒸着法
で０．１μｍに成膜し、電子線描画法で周期０．６μｍ
のリニアグレーティング形状にパターニングする。次
に、リアクティブイオンエッチング法によってアルミニ
ウム導電膜をエッチングすると共に、光導波層２０を
０．２μｍエッチングする。残ったアルミウム導電膜を
除去することでグレーティング２１，２２が形成され
る。ＩＤＴ２５はアルミニウムを材料としてリフトオフ
法によって０．１μｍの厚さに形成され、その電極線幅
は１．０μｍである。
【０００９】ここで、以上の構成からなるグレーティン
グカプラにおける入射結合について説明する。図３に示
すように、グレーティング２１は、ｙｚ平面図におい
て、グレーティングベクトルＫがｚ軸と平行である。こ
のグレーティング２１に波長λの光がｘ軸に対して角度
θで、かつ、ｚ軸に対して角度γの方向から入射し、ｚ
軸に対して角度φの方向に導波光が励起されるとき、以
下の式（１），（２）が成立する。
グカプラにおける入射結合について説明する。図３に示
すように、グレーティング２１は、ｙｚ平面図におい
て、グレーティングベクトルＫがｚ軸と平行である。こ
のグレーティング２１に波長λの光がｘ軸に対して角度
θで、かつ、ｚ軸に対して角度γの方向から入射し、ｚ
軸に対して角度φの方向に導波光が励起されるとき、以
下の式（１），（２）が成立する。
【００１０】β0＝β＋ｑＫ …（１） ｜Ｋ｜＝２π／Λ …（２） ｑ：回折次数 Λ：グレーティングの周期 β0：入射光の伝搬ベクトル β：導波光の伝搬ベクトル
【００１１】そして、β0，βは以下の式（３），
（４）で与えられる。 ｜β0｜＝β0＝ｎcｋ0 …（３） ｜β｜＝β＝ｎeffｋ0 …（４） ｎc：上部クラッド層の屈折率 ｎeff：光導波層の実効屈折率 ｋ0：自由空間波数
（４）で与えられる。 ｜β0｜＝β0＝ｎcｋ0 …（３） ｜β｜＝β＝ｎeffｋ0 …（４） ｎc：上部クラッド層の屈折率 ｎeff：光導波層の実効屈折率 ｋ0：自由空間波数
【００１２】さらに、ｎeff，ｋ0は以下の式（５），
（６）で与えられる。 ｎeff＝ｎfｓｉｎθf0 …（５） ｋ0＝２π／λ …（６） ｎf：光導波層の屈折率 θf0：導波光の伝搬角度
（６）で与えられる。 ｎeff＝ｎfｓｉｎθf0 …（５） ｋ0＝２π／λ …（６） ｎf：光導波層の屈折率 θf0：導波光の伝搬角度
【００１３】前式（１）のｚ軸、ｙ軸の成分はそれぞれ
次式（７），（８）で表される。 β0ｓｉｎθｃｏｓγ＝βｃｏｓφ＋ｑＫ …（７） β0ｓｉｎθｓｉｎγ＝βｓｉｎφ …（８）
次式（７），（８）で表される。 β0ｓｉｎθｃｏｓγ＝βｃｏｓφ＋ｑＫ …（７） β0ｓｉｎθｓｉｎγ＝βｓｉｎφ …（８）
【００１４】まず、γ＝０、即ち、平行光が入射する場
合を考える。このとき、前式（１）はｚ軸成分について
のみ考慮すればよく、次式（９）で表わされる。 β0ｓｉｎθ＝β＋ｑＫ …（９）
合を考える。このとき、前式（１）はｚ軸成分について
のみ考慮すればよく、次式（９）で表わされる。 β0ｓｉｎθ＝β＋ｑＫ …（９）
【００１５】平行光（γ＝０）で導波光が励起される入
射角度をθ0とする。入射角度θ0が微小量△θ0変化す
ると、光導波層２０内に回折される光がｘ軸となす角度
が導波光の伝搬角度θf0から微小量△θf0変化する。即
ち、結合効率が低下する。
射角度をθ0とする。入射角度θ0が微小量△θ0変化す
ると、光導波層２０内に回折される光がｘ軸となす角度
が導波光の伝搬角度θf0から微小量△θf0変化する。即
ち、結合効率が低下する。
【００１６】前式（３）〜（６）及び（９）より、△θ
0と△θf0との間には、次式（１０）の関係が成立す
る。
0と△θf0との間には、次式（１０）の関係が成立す
る。
【００１７】
【数３】
【００１８】入射角度微小変化量△θ0と導波結合され
る光のパワーを測定する実験により、変化量△θ0と結
合効率の関係がわかる（図４参照）。この実験は図１、
図２で説明した導波路型光スイッチ１を用い、Ｈｅ−Ｎ
ｅレーザ（波長：０．６３２８μｍ）の光を入射し、出
射光をパワーメータで測定した。さらに、前式（１０）
から結合効率と導波光の伝搬角度のずれ量△θf0の関係
がわかる。
る光のパワーを測定する実験により、変化量△θ0と結
合効率の関係がわかる（図４参照）。この実験は図１、
図２で説明した導波路型光スイッチ１を用い、Ｈｅ−Ｎ
ｅレーザ（波長：０．６３２８μｍ）の光を入射し、出
射光をパワーメータで測定した。さらに、前式（１０）
から結合効率と導波光の伝搬角度のずれ量△θf0の関係
がわかる。
【００１９】次に、γ≠０、即ち、収束光が入射する場
合を考える。前式（７）、（８）からφを消去してγに
ついてまとめると次式（１１）が得られる。
合を考える。前式（７）、（８）からφを消去してγに
ついてまとめると次式（１１）が得られる。
【００２０】
【数４】
【００２１】このときの導波光の伝搬角度はγ＝０の場
合に励起される導波光の伝搬角度θ f0と等しい。入射角
度θ0を一定に保ったままγが０から△γに変化すると
き、光導波層２０内に回折される光がｘ軸となす角度は
θf0から△θf0変化する。このときの角度変化はθf0が
小さくなる傾向であることに注目すると、前式（１１）
から伝搬角度のずれ量△θf0と入射光の変化量△γの関
係式が以下に示すように得られる。
合に励起される導波光の伝搬角度θ f0と等しい。入射角
度θ0を一定に保ったままγが０から△γに変化すると
き、光導波層２０内に回折される光がｘ軸となす角度は
θf0から△θf0変化する。このときの角度変化はθf0が
小さくなる傾向であることに注目すると、前式（１１）
から伝搬角度のずれ量△θf0と入射光の変化量△γの関
係式が以下に示すように得られる。
【００２２】
【数５】
【００２３】入射角度θ0が一定のまま横方向角度γが
０から変化するとき、実用上最低限必要な結合効率を維
持できる角度γの最大値△γMAXは、伝搬角度の最大変
化量△θf0MAXを前式（１２）と同様の手法で求める
と、次式（１３）が得られる。
０から変化するとき、実用上最低限必要な結合効率を維
持できる角度γの最大値△γMAXは、伝搬角度の最大変
化量△θf0MAXを前式（１２）と同様の手法で求める
と、次式（１３）が得られる。
【００２４】
【数６】
【００２５】図５に示す収束光において、収束角度γを
図５に示すように定義すると、この収束角度γは図３に
示した横方向角度γと同等である。従って、この収束角
度γが下式（１４）を満足する範囲にあれば、実用上必
要な結合効率を得ることができる。 ０＜γ≦ΔγMAX …（１４）
図５に示すように定義すると、この収束角度γは図３に
示した横方向角度γと同等である。従って、この収束角
度γが下式（１４）を満足する範囲にあれば、実用上必
要な結合効率を得ることができる。 ０＜γ≦ΔγMAX …（１４）
【００２６】一般に、光スイッチなどの光デバイスの光
の利用効率は５０％以上であることが望ましい。前述し
た本実施形態の構成では、光の回折効率や導波損失を考
慮すると、グレーティングへの入射における結合効率が
７０％以上必要である。ここでは収束光を入射させてい
るので、入射光はグレーティング（グレーティングベク
トル）に対する入射角度に広がりをもっている。結合効
率は、その入射角度によって違ってくる。通常、グレー
ティングベクトルに対して平行入射する光が最も効率が
高く、入射角度が大きくなるほど効率が低下する。従っ
て、収束光のうち、最も効率が低い周辺光の結合効率を
７０％にすれば、入射光全体の効率を７０％以上にする
ことができる。
の利用効率は５０％以上であることが望ましい。前述し
た本実施形態の構成では、光の回折効率や導波損失を考
慮すると、グレーティングへの入射における結合効率が
７０％以上必要である。ここでは収束光を入射させてい
るので、入射光はグレーティング（グレーティングベク
トル）に対する入射角度に広がりをもっている。結合効
率は、その入射角度によって違ってくる。通常、グレー
ティングベクトルに対して平行入射する光が最も効率が
高く、入射角度が大きくなるほど効率が低下する。従っ
て、収束光のうち、最も効率が低い周辺光の結合効率を
７０％にすれば、入射光全体の効率を７０％以上にする
ことができる。
【００２７】収束角度γを図５に示したように定義する
と、γの変動に対する導波光の伝搬角度θfの変動は、
一方向に限られるので、結合効率の最大値の７０％の結
合効率が得られる入射角度θの変化幅の半分を△θとし
て用いた。ＴＥ０〜ＴＥ３のそれぞれの導波モードに対
して△θを測定し、例えば、ＴＥ１モードでは図４のグ
ラフに示す測定結果が得られた。このグラフから△θは
０．１３゜と読み取ることができる。他の導波モードに
対する△θも同様にして求めた。
と、γの変動に対する導波光の伝搬角度θfの変動は、
一方向に限られるので、結合効率の最大値の７０％の結
合効率が得られる入射角度θの変化幅の半分を△θとし
て用いた。ＴＥ０〜ＴＥ３のそれぞれの導波モードに対
して△θを測定し、例えば、ＴＥ１モードでは図４のグ
ラフに示す測定結果が得られた。このグラフから△θは
０．１３゜と読み取ることができる。他の導波モードに
対する△θも同様にして求めた。
【００２８】△γは、図３のｚ軸に対して角度γだけず
らした方向から平行光（γ＝０）を入射したときの７０
％になるγを△γexpとし、以下の第１表にまとめた。
また、第１表には、前式（１３）によって算出した△γ
MAXの値も掲載した。実験と計算はよく一致した。
らした方向から平行光（γ＝０）を入射したときの７０
％になるγを△γexpとし、以下の第１表にまとめた。
また、第１表には、前式（１３）によって算出した△γ
MAXの値も掲載した。実験と計算はよく一致した。
【００２９】
【表１】
【００３０】ここで、各導波モードに対する実効屈折率
はそれぞれ、ＴＥ０：１．９７、ＴＥ１：１．９１、Ｔ
Ｅ２：１．８１、ＴＥ３：１．６５である。
はそれぞれ、ＴＥ０：１．９７、ＴＥ１：１．９１、Ｔ
Ｅ２：１．８１、ＴＥ３：１．６５である。
【００３１】導波路型光スイッチ１に対しては、収束光
を入射するため、図６に示すように、入射用グレーティ
ング２１の直前に凸レンズ３１を設置し、レーザビーム
を収束させた。このレンズ３１の焦点距離とビーム径に
よって収束角度γが変化する。従って、レンズ３１を交
換することによって種々の収束角度γでの測定ができ
る。例えば、図７（Ａ）に示すように、焦点距離の長い
レンズ３１ａを使用すれば、収束角度γは小さくなる。
図７（Ｂ）に示すように、焦点距離の短いレンズ３１ｂ
を使用すれば、収束角度γは大きくなる。
を入射するため、図６に示すように、入射用グレーティ
ング２１の直前に凸レンズ３１を設置し、レーザビーム
を収束させた。このレンズ３１の焦点距離とビーム径に
よって収束角度γが変化する。従って、レンズ３１を交
換することによって種々の収束角度γでの測定ができ
る。例えば、図７（Ａ）に示すように、焦点距離の長い
レンズ３１ａを使用すれば、収束角度γは小さくなる。
図７（Ｂ）に示すように、焦点距離の短いレンズ３１ｂ
を使用すれば、収束角度γは大きくなる。
【００３２】前記導波路型光スイッチ１において、各導
波モードＴＥ０〜ＴＥ３でγが△γ MAXになるように光
を収束させて出射パワーを測定したところ、光の利用効
率はそれぞれ、５２％、５４％、５１％、５５％とな
り、光デバイスとして十分利用可能である。
波モードＴＥ０〜ＴＥ３でγが△γ MAXになるように光
を収束させて出射パワーを測定したところ、光の利用効
率はそれぞれ、５２％、５４％、５１％、５５％とな
り、光デバイスとして十分利用可能である。
【００３３】なお、本発明に係る導波路型光スイッチは
前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲
内で種々に変更できることは勿論である。
前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲
内で種々に変更できることは勿論である。
【図１】本発明に係る導波路型光スイッチの一実施形態
を示す平面図。
を示す平面図。
【図２】前記導波路型光スイッチにおけるグレーティン
グカプラの説明図。
グカプラの説明図。
【図３】前記グレーティングカプラでの入射結合を示す
説明図。
説明図。
【図４】入射角度と出射光のパワーとの関係を示すグラ
フ。
フ。
【図５】入射光の収束角度を示す説明図。
【図６】収束光とするための手段を示す平面図。
【図７】レンズと入射光の収束状態を示す説明図。
１…導波路型光スイッチ １０…基板 １５…ＳｉＯ2膜 ２０…光導波層 ２１，２２…グレーティング
Claims (1)
- 【請求項１】 基板と、この基板上に設けられた光導波
層と、外部と光導波層とを光学的に結合するグレーティ
ングと、導波光を偏向するための偏向手段とを備えた導
波路型光スイッチにおいて、 グレーティングへの入射光であるとき、収束光とグレー
ティングベクトルとで形成される角度γが、 ０＜γ≦ΔγMAX の範囲にあり、角度γの変化量最大値△γMAXと導波光
伝搬角度θfの変化量△θ fが以下の式を満すこと、 【数１】 ｎc：光導波層上の媒質の屈折率 ｎf：光導波層の屈折率 λ：入射光の波長 θ：入射光の入射角度 Λ：グレーティングの周期 ｑ：回折次数 を特徴とする導波路型光スイッチ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8634698A JPH11282029A (ja) | 1998-03-31 | 1998-03-31 | 導波路型光スイッチ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8634698A JPH11282029A (ja) | 1998-03-31 | 1998-03-31 | 導波路型光スイッチ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11282029A true JPH11282029A (ja) | 1999-10-15 |
Family
ID=13884314
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8634698A Pending JPH11282029A (ja) | 1998-03-31 | 1998-03-31 | 導波路型光スイッチ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11282029A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7280718B2 (en) | 2002-06-28 | 2007-10-09 | Fujitsu Limited | Reflective adjustable optical deflector and optical device employing the same |
| JP2022137280A (ja) * | 2016-09-29 | 2022-09-21 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 光スキャンデバイス、光受信デバイス、および光検出システム |
-
1998
- 1998-03-31 JP JP8634698A patent/JPH11282029A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7280718B2 (en) | 2002-06-28 | 2007-10-09 | Fujitsu Limited | Reflective adjustable optical deflector and optical device employing the same |
| JP2022137280A (ja) * | 2016-09-29 | 2022-09-21 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 光スキャンデバイス、光受信デバイス、および光検出システム |
| US11835840B2 (en) | 2016-09-29 | 2023-12-05 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Optical scanning device that includes waveguides |
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