JPS62258419A - 光制御デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光波の変調、光路切換え等を行なう光制御デバ
イスに関し、特に基板中に設けた光導波路を用い°Ｃ制
御を行なう導波形の光制御デバイスに関する。

（従来技術） 光通信システムの実用化が進むにつれ、さらに大容量や
多機能をもつ高度のシステムが求められている。より高
速の光信号の発生や光伝送路の切換え、交換等の新たな
機能の付加が必要とされている。現在の実用システムで
は光信号は直接半導体レーザや発光ダイオードの注入電
流を変調することによっＣ得られているが、直接変調で
は緩和振動等の効果のため数α１ｚ以上の高速変調が難
しいこと、波長変動が発生するためコヒーレント光伝送
方式には適用が難しいこと等の欠点がある。

これを解決する手段としては、外部光変調器を使用する
方法があり、特に基板中に形成した光導波路により構成
した導波形の光変調器は、小形、高効率、高速という特
長がある。一方、光伝送路の切換えやネットワークの交
換機能を得る手段としては光スィッチが使用される。現
在実用されている光スィッチは、プリズム、ミラー、フ
ァイバー等を機械的に移動させるものであり、低速であ
ること、信頼性が不十分、形状が大きくマ）　ＩＪクス
化に不適等の欠点がある。これを解決する手段として開
発が進められているものはやはり光導波路を用いた導波
形の光スィッチであり、高速、多素子の集積化が可能、
高信頼等の特長がある。特にニオブ酸リチウム（ＬｉＮ
ｂ０３）結晶等の強誘電体材料を用いたものは、光吸収
が小さく低損失であること、大きな電気光学効果を有し
ているため高効率である等の特長があり、従来からも方
向性結合形光変調器またはスイッチ、全反射形光スイッ
チ等の種々の方式の光制御素子が報告されている。

このような導波形の光制御素子を実際の光通信システム
に適用する場合、低損失、高速性等の基本的性能と同時
に特に、動作の安定性や長期的な信頼性が実用上不ＯＴ
欠である。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、従来の導波形の光制御デバイスでは、安定性、
信頼性に関しては十分な特性は得られていない。第２図
に従来の光制仰デバイスの一例とし′Ｃ方向性結合型光
スイッチの平面図（ａ）及び側面図（ｂ）を示す。第２
図（ａｌにおいＣニオブ酸リチウム結晶基板１の上にチ
タンを拡散して屈折率を基板よりも太きくし−ｃ形成し
た帯状の光導波路２及び３が形成されており、光導波路
２及び３は基板の中央部で互いに数μｍ程度まで近接し
、方向性結合器４を構成している。また、方向性結合器
４を構成する光導波路上にはバッファ膜６を介し′Ｃ制
御電極５が形成されている。第２図（ｂｌは光導波路２
にそった断面図を示している。

第２図において、光導波路２に入射した入射光７は方向
性結合器４の部分を伝搬するに従って近接した光導波路
３へ除々に光エネルギーが移；バ方向性結合器４を通過
後は光導波路３にほぼ１００チエネルギーが移って出射
光８となる。一方、制卸電極５に電圧を印加した場合、
電気光学効果により電極下の先導波路の屈折率が変化し
、光導波路２と３を伝搬する導波モードの間に位相速度
の不整合が生じ、両者の間の結合状態は変化する。

印加電圧を上昇するに従って先導波路２から３への光エ
ネルギーの移行量は減少し、ある電圧値Ｖｓでは、入射
光７は方向性結合器４を通過後に光エネルギーの１ｏｏ
ｑ６が光導波路２にもどってしまう状態となる。すなわ
ち、制卸電極５への印加電圧の有無により入射光７は光
導波路２からの出射光９又は光導波路３からの出射光８
となる。

ニオブ酸リチウム結晶を使った導波形の光制御デバイス
では、最も大きな電気光学効果が得られＣ低電圧動作が
期待でき、しかも、ファイバとの低損失結合が容易なＺ
軸に垂直に切り出した基板すなわち、Ｚ板と基板垂直方
向の偏波モードすなわちＴＭモードの組合せが最もよく
用いられている。このような組合せでは光導波路上に電
極を設置する場合、従来は電極による光吸収を防ぐため
に第２図に示すようなバッファ膜６が設置されている。

上４１ｊバッファ膜６は、導波路中の光エネルギーの電
極へのしみ出しを除き、かつニオブ酸リチウム結晶中に
電界を有効に印加するために、ニオブ酸リチウムよりも
屈折率が小さく、かつ、絶縁性があって、光吸収のない
透明な材料、例えば二酸化ケイ素（Ｓ　１ｏ２）膜や酸
化アルミ（Ａｔ２０ｓ　）膜等が使われる。このような
バッファ膜を設置する場合、その絶縁性の良否かデバイ
ス安定性に大きく影響することがよく知られている。す
なわち、バッファ膜の絶縁性が不十分で比抵抗が小さい
場合ＤＣ電圧を印加したとき、バッファ膜中な電荷がド
リフトし、時間とともにバッファ膜と電極及び結晶との
界面に電荷が蓄積し、結晶中に印加される電圧が小さく
なり、スイッチング特性が変化する。このようなりＣ電
圧を印加したときの動作特性の経時的な変化は、光スィ
ッチの場合はクロストークの発生やスイッチ電圧の変動
を招き、光変調器の場合はバイアス電圧値のドリフトを
招く等の導波形光制御デバイスを実際のシステムに適用
する上での大きな障害となっている。バッファ膜の高抵
抗化のためにそのコーティング方法の改良や、コーテイ
ング後の酸素アニールによる高品質化等も試みられてい
るが十分な安定性や長期的な信頼性はイＵられていない
。

本発明の目的は上述の従来の光制御デバイスの欠点を除
き、ｌ）　Ｃ電圧を印加した場合にも安定な動作が得ら
れる光制御デバイスを提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明による光制御デバイスは、結晶基板中に金属イオ
ンを拡散して形成された光導波路と該光導波路の上部に
設置された電極とによって構成され、前記電極下の光導
波路は前記結晶基板の屈折率を増加させる第１の金属イ
オンと前記結晶基板の屈折率を減少させる第２の金属イ
オンを拡散して形成され、前記第２の金属イオンの拡散
深さは前記第１の金属イオンの拡散深さよりも小さくか
つ、前記電極は直接前記結晶基板に接している。

（作　用） 本発明が従来と異なる大きな点は、バッファ膜を用いな
いことである。本発明では、通常用いる基板の屈折率を
増加させる第１の金属イオンを拡散させて光導波路を形
成した後、その上部の電極が設置される部分にさらに基
板の屈折率を減少させる第２の金属イオンを拡散させる
ことによって電極下の屈折率を下げ、光導波路中を伝搬
する光波のエネルギーの基板表向へのしみ出し量を減少
させて’Ｉ’Ｍモートの電極による光吸収を防いでいる
。このように本発明で１ｊバツフア膜を用いないので従
来のようなバッファ膜に起因する不安定性や経時的な劣
化を除くことができる。

（実施例） 第１図は本発明による先制ａ＋＋＋デバイスの一実施例
である方向性結合型、光スィッチの平面図（ａ）及び側
面図（ｂｌを示す。第２図の例と同様に二オフ酸リチウ
ム結晶基板１の上に第１の金属イオンであるチタンを９
００〜１１００℃程度で数時間熱拡散して形成された深
さ３〜１０μｍ程度の光導波路１２及び１３が設置され
、基板の中央部で両光導波路は互いに数μｍまで近接し
て方向性結合器１４を構成している。但し本実施例にお
いては方向性結合器１４が形成されている基板表面の一
部分１０には深さ１〜２μｍ程度の領域まで第２の金属
イオンであるマグネシウムが拡散されＣおり、その部分
１０の屈折率はマグネシウムが拡散されていない部分に
比べＣ低くなっている。マグネシウムの拡散は、先ず光
導波路１２．１３を形成後、酸化マグネシウムをスパッ
ク等の方法で基板表面にコーティングし、８０００〜１
０００℃で熱拡散すること（二よってなされる。このよ
うにマグネシウムを第２の金属イオンとしで使用した場
合、マグネシウムの拡散速度はチタンの拡散速度に比べ
て十分大きく、また、本発明ではマグネシウムの拡散深
さはチタンの拡散深さに比べて十分小さくてよいので、
マグネシウム拡散の際に、既にチタンを拡散して形成さ
れている光導波路はほとんど影普を受けないという特長
がある。なお、マグネシウムを拡散した場合のニオブ酸
リチウム結晶基板の屈折率が減少することはジャーナル
・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊ　、Ａｐｐｌ　
、Ｐｈｙｓ・）、第４９巻、３１５０頁に述べられてい
る。

本実施例の方向性結合型光スィッチの基本的なスイッチ
動作は、第２図の従来の方向性結合型光スィッチと同様
であり入射″ｌｔ、１７は制御電極５への印加電圧の有
無により出射光１９又は１８となる。但し、本実施例に
おいては、上述のようにバッファ膜６は設置されておら
ず、かわりに制御室４愼５の下の光導波路１２及び１３
の表面にはマグネシウムか拡散されて屈折率が減少して
いる。そこで本実施例もバッファ膜を設置した場合と同
様に、光導波路を伝搬するＴＭモードの光エネルギーの
基板表面へのしみ出しを、上述のマグネシウムが拡散さ
れた領域によって防ぎ、制御電極５による光吸収を除い
ている。さらに本実施例では、バッファ膜を用いていな
いので、バ・ノファ膜の不完全性に起因するＤＣ電圧を
印加した場合の不安定な現象は存在しない。

なお、本発明は、上記実施例に用いた基板材料金属イオ
ンに限定されるものではなく、基板材料としては電気光
学効果を有するいかなる結晶、例えばＬｉＴａ０．結晶
等を使用することができ、また第１の金属イオンとして
は屈折率を増加させる効果をもつイオン、例えば銅やニ
オブ等を用いることができる。

（発明の効果） 以上述べたように本発明の光制御デバイスではバッファ
膜を用いないので従来の光制御デバイスに比べ安定な動
作が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）は本発明による光制御デバイスの一
例を示す図、第２図（ａ）　、　（ｂ）は従来の光制御
デバイスの一例を示す図でともに（ａ）は平面図、（ｂ
）は側面図である。図において、１はニオブ酸リチウム
結晶基板２，３，１２．１３は光導波路、５は制御電極
、６はバッファ膜、１０は第２の金属イオンが拡散され
た部分である。 ５　滲すイｑ電４戸ν 第　　　　１　　　　ｒｇｌ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 結晶基板中に金属イオンを拡散して形成された光導波路
   と該光導波路の上部に設置された電極とによって構成さ
   れる光制御デバイスにおいて、前記電極下の光導波路は
   前記結晶基板の屈折率を増加させる第１の金属イオンと
   、前記結晶基板の屈折率を減少させる第２の金属イオン
   を拡散して形成され、前記第２の金属イオンの拡散深さ
   は前記第１の金属イオンの拡散深さよりも小さく、かつ
   前記電極は直接前記結晶基板に接していることを特徴と
   する光制御デバイス。