(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する基板と、該基板上に形成された少なくとも１対の光導波路と、該光導波路の実効屈折率を制御する進行波型の制御電極とを有する方向性結合器において、
該制御電極の電界が作用する該光導波路の作用部では、前記１対の光導波路の中心線を境界として、該中心線の左右では、該基板の分極方向が異なり、
かつ、該光導波路に沿った長手方向には作用部を複数の領域に分割するように該中心線を横切る1本もしくは複数の横断線を境界として、該横断線の前後では、該基板の分極方向が異なり、
該横断線により分割された作用部の各領域では、該中心軸に沿った各領域の長さが、光波の進行方向に行くほど長くなるよう設定されていることを特徴とする方向性結合器。
【請求項２】
請求項１に記載の方向性結合器において、該基板はＺカット型基板であり、該制御電極は前記１対の光導波路を跨ぐ１つのＨＯＴ電極と、該ＨＯＴ電極を挟むＧＮＤ電極とから構成されていることを特徴とする方向性結合器。
【請求項３】
請求項１に記載の方向性結合器において、該基板はＸカット型基板であり、該制御電極は前記１対の光導波路を挟むように配置された１対の電極であることを特徴とする方向性結合器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の方向性結合器において、該作用部では該光導波路の長手方向に沿って分極方向の異なる領域が交互に繰り返されていることを特徴とする方向性結合器。
【請求項５】
請求項２に記載の方向性結合器において、該ＨＯＴ電極と該ＧＮＤ電極との距離は一定であることを特徴とする方向性結合器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の方向性結合器において、各制御電極が占める面積内で、各分極方向が占める領域の面積の総和が、分極方向毎に同じとなるように設定されていることを特徴とする方向性結合器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、方向性結合器に関し、特に、光スイッチや光変調器に用いられる反転Δβ方向性結合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信分野や光計測分野において、ｎｓ台の応答速度をもつ超高速動作が可能な光スイッチのニーズが高まっている。特に、通信ネットワークにおいて超高速光スイッチは、各ノードにおいて光信号を電気信号に変換せずにルーティングすることが可能な光ルーティングの実現のために必要不可欠な部品となっている。ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）等の強誘電体の１次電気光学効果（ポッケルス効果）を用いた光スイッチは高速応答が可能であり、そのような超高速光スイッチの候補として有望である。ＬＮを用いた高速光スイッチとしてはいくつかの方式が提案されているが、そのなかで、非特許文献１に提示されているような反転Δβ方向性結合器は、構成が簡単でかつ低クロストークを実現できることから有望である。
【０００３】
方向性結合器を構成する２つの光導波路間の伝搬定数差（Δβ）を、光波の進行方向の途中で反転しない従来の方向性結合器の場合には、クロス状態が電気的に制御できないとい問題があった。これに対し、非特許文献１では、光波の進行方向の途中で導波路間の伝搬定数差（Δβ）を反転させるよう構成している。つまり、印加する電界の極性を途中で逆転させることにより、完全なクロス状態およびバー状態を電気的に制御できることとなった。
【０００４】
しかしながら、非特許文献１の反転Δβ方向性結合器では、電界を印加する電極を途中で分割し、合計２組の電極使う必要がある。このため、制御が複雑化すると共に、進行波形とすることが難しい。特に、駆動電圧の低減と高速応答を両立するには、進行波形電極の採用が好ましい。進行波電極が作りやすい反転Δβ方向性結合器型光スイッチとして特許文献１が提案されている。
【０００５】
図１は、特許文献１に示された方向性結合器の斜視図であり、電気光学効果を有する基板１と、この基板内に形成された方向性結合器型の光導波路２と、該光導波路に電界印加する電極３から構成されている。そして、白抜き矢印で示した分極方向が、境界面４によって二等分割されている。この分極反転により、従来の電極を分割せず一組の電極で伝搬定数差（Δβ）を反転することができるので、進行波形電極が作りやすく、作用長を長くできるので、従来型よりも、駆動電圧が低く、高速応答が可能なデバイスが作製できる。なお、図１の符号Ｓは、電極３が形成する電界が光導波路２に作用する作用部の範囲を示している。
【０００６】
しかしながら、図１の方向性結合器においても、高速応答や駆動電圧の低減が不十分であり、作用部の長さが長く、小型化が難しい。例えば、高速応答のためには、マイクロ波の損失や速度整合が重要な要素となるが、方向性結合器では、マッハツェンダー型の光スイッチや光変調器と異なり、２本の導波路を近接して配置するなど、導波路の配置構造に制限がある。このため電極構造設計に影響を及ぼし、電極配置を自由に設計できない。また、作用部の長さをできるだけ短くするためには、電極などの単位長さ当りの変調効率を上げる必要があり、この点からもマイクロ波損失や速度整合などの問題を解決することが求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３４７１４９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】H. Kogelnik, and R. V. Schmidt, “SwitchedDirectional Couplers with Alternating Δβ”, IEEE Journal ofQuantum Electronics, Vol. QE-12, pp.396-401, Jul. 1976
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、駆動電圧を一層低減でき、進行波型電極を比較的自由に設計でき、従って高速動作が可能となる方向性結合器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電気光学効果を有する基板と、該基板上に形成された少なくとも１対の光導波路と、該光導波路の実効屈折率を制御する進行波型の制御電極とを有する方向性結合器において、該制御電極の電界が作用する該光導波路の作用部では、前記１対の光導波路の中心線を境界として、該中心線の左右では、該基板の分極方向が異なり、かつ、該光導波路に沿った長手方向には作用部を複数の領域に分割するように該中心線を横切る1本もしくは複数の横断線を境界として、該横断線の前後では、該基板の分極方向が異なり、該横断線により分割された作用部の各領域では、該中心線に沿った各領域の長さが、光波の進行方向に行くほど長くなるよう設定されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の方向性結合器において、該基板はＺカット型基板であり、該制御電極は前記１対の光導波路を跨ぐ１つのＨＯＴ電極と、該ＨＯＴ電極を挟むＧＮＤ電極とから構成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の方向性結合器において、該基板はＸカット型基板であり、該制御電極は前記１対の光導波路を挟むように配置された１対の電極であることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の方向性結合器において、該作用部では該光導波路の長手方向に沿って分極方向の異なる領域が交互に繰り返されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に係る発明は、請求項２に記載の方向性結合器において、該ＨＯＴ電極と該ＧＮＤ電極との距離は一定であることを特徴とする。
【００１５】
請求項６に係る発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の方向性結合器において、各制御電極が占める面積内で、各分極方向が占める領域の面積の総和が、分極方向毎に同じとなるように設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係る発明により、気光学効果を有する基板と、該基板上に形成された少なくとも１対の光導波路と、該光導波路の実効屈折率を制御する進行波型の制御電極とを有する方向性結合器において、該制御電極の電界が作用する該光導波路の作用部では、前記１対の光導波路の中心線を境界として、該中心線の左右では、該基板の分極方向が異なり、かつ、該光導波路に沿った長手方向には作用部を複数の領域に分割するように該中心線を横切る1本もしくは複数の横断線を境界として、該横断線の前後では、該基板の分極方向が異なり、該横断線により分割された作用部の各領域では、該中心線に沿った各領域の長さが、光波の進行方向に行くほど長くなるよう設定されているため、１対の光導波路に対して電界を印加する制御電極を共通化することが可能となるため、従来のもの（例えば、図１のような方向性結合器）と比較しても、駆動電圧を半分以下に低下させることが可能となる。しかも、制御電極の配置、例えば、ＨＯＴ電極とＧＮＤ電極との間隔は、光導波路の配置に影響されないため、設計の自由度が大きく、進行波型電極として使用する場合もマイクロ波損失を抑制し、かつ光波との速度整合を実現できるので、進行方向の複数の領域において高速動作が可能な方向性結合器を提供することができる。
【００１７】
しかも、横断線により分割された作用部の各領域では、中心線に沿った各領域の長さが、光波の進行方向に行くほど長くなるよう設定されているため、進行波型電極をした場合でも、良好なクロス状態が達成できるため、駆動電圧の低減等にも寄与する。つまり、進行波型電極では、マイクロ波損失が後段に行くほど大きくなるため、各領域の長さを上記のように調整することで、各領域での伝搬定数差（Δβ）を等しくなるように設定することが可能となる。これにより、良好なクロス状態が実現できる。
【００１８】
請求項２に係る発明により、基板はＺカット型基板であり、制御電極は１対の光導波路を跨ぐ１つのＨＯＴ電極と、該ＨＯＴ電極を挟むＧＮＤ電極とから構成されているため、１対の光導波路に対して、電界を印加する制御電極を共通化することが可能となるため、例えば、ＨＯＴ電極に電圧を印加するだけで、２つの光導波路に電圧に対応した同じ大きさの電界が印加されるため、従来のような方向性結合器と比較しても、駆動電圧を半分以下に低下させることが可能となる。
【００１９】
請求項３に係る発明により、基板はＸカット型基板であり、制御電極は１対の光導波路を挟むように配置された１対の電極であるため、１対の電極間に印加する電圧のみで２本の光導波路に同じ大きさの電界を印加でき、駆動電圧を低減することが可能となる。さらに、１対の電極の間隔を十分確保することも可能となるため、進行波型電極として使用する場合もマイクロ波損失を抑制し、高速動作が可能な方向性結合器を提供することができる。
【００２０】
請求項４に係る発明により、作用部では該光導波路の長手方向に沿って分極方向の異なる領域が交互に繰り返されているため、より一層、高速かつ低電圧での駆動を実現することが可能となる。
【００２１】
請求項５に係る発明により、ＨＯＴ電極とＧＮＤ電極との距離は一定であるため、光導波路の配置に影響されずに、設計の自由度が大きくすることができ、進行波型電極として使用する場合もマイクロ波損失を抑制し、かつ光波との速度整合を実現できるので、進行方向の複数の領域において高速動作が可能な方向性結合器を提供することができる。
【００２２】
請求項６に係る発明により、各制御電極が占める面積内で、各分極方向が占める領域の面積の総和が、分極方向毎に同じとなるように設定されているため、焦電効果により発生した電荷を打ち消し合うことが可能となり、温度ドリフト等の発生も抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来の方向性結合器の例を示す図である。
【図２】本発明の方向性結合器の第１の実施例を示す図である。
【図３】本発明の方向性結合器の第２の実施例を示す図である。
【図４】図２に示す方向性結合器の平面図である。
【図５】本発明の方向性結合器の第３の実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の方向性結合器について、以下に詳細に説明する。
図２は本発明の方向性結合器の第１実施例を示す斜視図であり、図４は、図２示した方向性結合器を上方から見た平面図である。
【００２５】
本発明の方向性結合器は、電気光学効果を有する基板１１と、該基板上に形成された少なくとも１対の光導波路１２と、該光導波路の実効屈折率を制御する制御電極（１３，１４）とを有する方向性結合器において、該制御電極の電界が作用する該光導波路の作用部では、前記１対の光導波路の中心線Ｃ（図４参照）を境界として、該中心線の左右では、該基板の分極方向が異なり、かつ、該光導波路に沿った長手方向には作用部を複数の領域に分割するように該中心線を横切る1本もしくは複数の横断線Ｌ（図４参照）を境界として、該横断線の前後では、該基板の分極方向が異なることを特徴とする。なお、図２では白抜き矢印で分極方向を示し、図４では、○△で分極方向の異なる領域を明示している。
【００２６】
本発明の方向性結合器における「横断線」の配置については、横断線により分割された作用部の各領域では、中心線に沿った各領域の長さが、等しくなるよう設定することで、作用部の各領域で伝搬定数差（Δβ）が互いに同じとなるように設定できる。また、進行波型電極を用いる場合には、マイクロ波の伝搬損失により、単位長さ当たりの伝搬定数が無視できない程度に減少することもある。その場合、各領域での伝搬定数差（Δβ）をほぼ等しくなるように、光波の進行方向の後段に行くほど、各領域の前記長さを長く設定する。また、横断線と中心線との交差する角度は、伝搬定数差（Δβ）の設定を容易にする設計上の観点から「直角」とすることが好ましいが、中心線を境界として左右の分極の強さが異なる場合（分極方向で分極の程度が異なる場合）などでは、横断線を直角からずらし、結果として各領域での伝搬定数差（Δβ）をほぼ等しくするよう設定することも可能である。
【００２７】
図２の第１実施例は、基板がＺカット型基板を用いたものであり、制御電極は、１対の光導波路１２に跨る１つのＨＯＴ電極と１３、該ＨＯＴ電極を挟むＧＮＤ電極１４から構成される。このように、本発明の方向性結合器では、１対の光導波路１２に対して、電界を印加する制御電極を共通化することが可能となるため、例えば、ＨＯＴ電極１３に電圧Ｖを印加するだけで、２つの光導波路に電圧Ｖに対応した同じ大きさの電界が印加されるため、図１のような方向性結合器と比較しても、駆動電圧を半分以下に低下させることが可能となる。なお、図２の符号１５は駆動電源であり印加する電圧はプラス・マイナスのいずれでも良い。また、符号１６は、グランドへの接地を示す。
【００２８】
また、図２のように、１対の光導波路１２に跨ってＨＯＴ電極１３が配置されるため、光導波路の間隔の影響を受けずにＨＯＴ電極１３とＧＮＤ電極１４を配置することが可能となる。これにより、進行波型電極として使用する場合も、マイクロ波の伝搬損失を抑制し、高速動作に対応可能な電極配置が可能となる。図２のように、本発明の方向性結合器では、光導波路１２の一端から光波（ＩＮ１又はＩＮ２）が入力され、印加された電圧に応じて、該光導波路１２他端から光波（ＯＵＴ１又はＯＵＴ２）が出力される。
【００２９】
本発明の方向性結合器に使用する電気光学効果を有する基板材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、及びＫＴＰなどが利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）結晶が好適に利用される。
【００３０】
電気光学効果を有する基板に光導波路を形成する方法としては、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより形成することができる。また、光導波路以外の基板をエッチングしたり、光導波路の両側に溝を形成するなど、基板に光導波路に対応する部分を凸状としたリッジ形状の導波路を利用することも可能である。
【００３１】
制御電極の形成方法は、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンを形成し、その上に金メッキ方法などで電極を形成することが可能である。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ２等のバッファ層を設け、バッファ層の上に制御電極を形成することも可能である。
【００３２】
基板の分極反転方法は、特許文献１にも開示されているように、基板表面に分極反転用の電極を形成、あるいは、基板に分極反転用の電極を当接した後、該電極に電圧を印加し基板内の分極方向を調整する。
【００３３】
本発明の方向性結合器の特徴は、図４に示すように、制御電極（１３，１４）の電界が作用する光導波路１２の作用部ｓでは、１対の光導波路１２の中心線Ｃを境界として、該中心線の左右（図４では上下）では、該基板の分極方向が異なっていることである。分極方向は、例えば、○印の領域では紙面の垂直方向に対して上向きの分極方向であり、△印の領域では紙面の垂直方向に対して下向きの分極方向である。
【００３４】
作用領域では、光導波路の長手方向に沿って分極方向が異なる各領域ｓ１，ｓ２は、互いに長さ同じに構成することが好ましい。これは、特許文献１にも開示されているように、電極１３で反転Δβ方向性結合器の等分割電極と同等の効果を有しながら、低駆動電圧を実現できるためである。
【００３５】
また、ＨＯＴ電極１３や各ＧＮＤ電極１４においては、各々の電極が占める面積内で、各分極方向が占める領域の面積の総和が、分極方向毎に同じとなるよう設定することで、焦電効果により発生した電荷を打ち消し合うことが可能となり、温度ドリフト等の発生も抑制できる。
【００３６】
図３は、本発明の方向性結合器の第２の実施例を示すものであり、基板２１がＸカット型基板であり、制御電極は、１対の光導波路を挟むように配置された１対の電極（２３，２４）から構成されている。制御電極が形成する電界の作用部での分極方向の異なる領域の配置については、図２又は図４と同様である。また、符号２５，２６は駆動電源であり、互いに異なる電圧Ｖを印加することができる。ただし、一方をＨＯＴ電極とし他方をＧＮＤ電極とすることも可能である。さらに、仮に、１対の光導波路の間に１つの電極を配置することが可能な場合には、当該電極をＨＯＴ電極とし、１対の光導波路を挟むように外側に配置された電極をＧＮＤ電極とすることも可能である。
【００３７】
図１のような従来の方向性結合器でＸカット型基板を利用する場合には、１対の光導波路２の間に電極を配置する必要があるが、光導波路間の間隙が狭いため、実際上は困難であった。これに対し、図３に示す方向性結合器では、１対の光導波路を挟む１対の電極で構成できるため、十分実現が可能であり、１対の電極間に印加する電圧のみで２本の光導波路に同じ大きさの電界を印加でき、駆動電圧を低減することが可能となる。さらに、１対の電極の間隔を十分確保することも可能となるため、進行波型電極として使用する場合もマイクロ波損失を抑制し、高速動作が可能な方向性結合器を提供することができる。
【００３８】
図５は、本発明の方向性結合器の第３の実施例を示すものであり、光導波路３２の作用部（作用領域ｓ）では、光導波路の長手方向に沿って分極方向の異なる領域（ｓ１１〜ｓ２２）が交互に繰り返されているため、より一層、高速かつ低電圧での駆動を実現することが可能となる。なお、符号Ｌ１〜Ｌ５は、分極方向が異なる領域を区画する境界線である。符号３１は、電気光学効果を有する基板を示している。
【００３９】
作用領域ｓでは、光導波路の長手方向に沿って分極方向が異なる各領域ｓ１１〜ｓ２２は、互いに長さ同じに構成することが好ましい。これは、上述したように、不図示の電極（電極の長さは作用領域ｓと同じ）により、各領域で伝搬定数差（Δβ）を同じにすることが可能であり、反転Δβ方向性結合器の等分割電極と同等の効果が得られ、低駆動電圧を実現できるためである。さらに、電極に進行波型電極を使用する場合には、マイクロ波の伝搬損失により、単位長さ当たりの伝搬定数が無視できない程度に減少する場合がある。この場合は、各領域の長さを、光波の進行方向に行くほど長くなるよう設定（ｓ１１＜ｓ１２＜ｓ２１＜ｓ２２）することで、各領域における実質的な伝搬定数差（Δβ）をほぼ等しくすることが可能となる。
【００４０】
また、各電極が占める面積内で、各分極方向が占める領域の面積の総和が、分極方向毎に同じとなるよう設定することで、焦電効果により発生した電荷を打ち消し合うことが可能となり、温度ドリフト等の発生も抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
以上説明したように、本発明によれば、駆動電圧を一層低減でき、進行波型電極を比較的自由に設計でき、従って高速動作が可能な方向性結合器を提供することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１，１１，２１，３１  基板
２，１２，２２，３２  光導波路
３，１３，１４，２３，２４  電極
Ｃ  １対の光導波路の中央線
Ｌ  横断線
ｓ  作用部（作用領域）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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