(57)【要約】【課題】アレイ化が容易で、かつ、安価なものでありながら、可動部が無く信頼性も高く、消費電力及び偏光依存損失（ＰＤＬ）を低く抑えることができる導波路型液晶可変光減衰器を提供する。【解決手段】光の入出射を行う主コアに近接して、ネマチック液晶を充填してなる副コアを配置して構成される光導波路を備え、副コアの屈折率を変化させることにより、主コアを伝播する光を減衰させることを特徴とする導波路型液晶可変光減衰器。【選択図】　　　図１
2004053872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の入出射を行う主コアに近接して、ネマチック液晶を充填してなる副コアを配置して構成される光導波路を備え、副コアの屈折率を変化させることにより、主コアを伝播する光を減衰させることを特徴とする導波路型液晶可変光減衰器。
【請求項２】
副コアを挟んで主コアの反対側にて副コアを覆うように配置される第１の電極と、第１の電極を挟んで対をなす第２の電極及び第３の電極と、主コア、副コア及び各電極を一括して包囲するクラッドとを備えることを特徴とする請求項１記載の導波路型液晶可変光減衰器。
【請求項３】
副コアを挟んで主コアの反対側にて副コアを覆うように配置される一対の電極と、主コア、副コア及び一対の電極を一括して包囲するクラッドとを備えることを特徴とする請求項１記載の導波路型液晶可変光減衰器。
【請求項４】
副コアの屈折率を、各電極への印加電圧、印加時間及び位相の少なくとも１つを制御することにより変化させることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の導波路型液晶可変光減衰器。
【請求項５】
主コアと副コアとの離間距離が、主コアの副コアと対面する面の幅よりも小さいことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の導波路型液晶可変光減衰器。
【請求項６】
主コアと副コアとが立体交差され、かつ、その交差角度が０．３°以上５°以下であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の導波路型液晶可変光減衰器。
【請求項７】
クラッドが、主コアを包囲する第１クラッドと、副コア及び各電極を包囲する第２クラッドとに分割されており、第１クラッドの屈折率が第２クラッドの屈折率よりも高いことを特徴とする請求項２または３記載の導波路型液晶可変光減衰器。
【請求項８】
光導波路の温度を一定に維持するための温度制御手段を備えたことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の導波路型液晶可変光減衰器。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか１項に記載の導波路型液晶可変光減衰器を、複数並べたことを特徴とする多チャンネル導波路型液晶可変光減衰器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野において、光増幅後の光強度の調整や、複数の光路での光信号強度の一様化等のために光出力を調整するために使用される導波路型液晶可変光減衰器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信分野では、複数の入射光をスイッチングして他へ出力することが行われているが、その際入射光の強度が入射経路により異なっていることが多いため、スイッチング動作をより確実に安定して行うために、スイッチング手段の前段で一様な強度に調整することが行われている。その際、複数の入射光の中で、最も強度の低い入射光の強度に合わせて他の入射光の強度を減衰させることが一般に行われる。
【０００３】
このような入射光の出射出力を連続的に減衰させる可変光減衰器として、従来では、例えば特開２００１−９１９０１号公報や特開２００１−２４９３１３号公報に記載されているような、ファラデー効果（磁気光学効果）を利用したものが知られている。このファラデー効果型可変光減衰器は、ファラデー回転子と、このファラデー回転子に水平磁界を印加する電磁石とを備えており、ファラデー回転子に印加する磁場の強度に応じて入射光の強度を減衰させる構成となっている。
【０００４】
また、液晶を用いた可変光減衰器も知られており、例えば特表２００２−５０１２１０号公報には、対向配置された第１のセル壁と第２のセル壁との間に液晶材料を配置し、この液晶材料の配向を調整して第１のセル壁から入射する光を減衰させて第２のセル壁から出射する可変光減衰器が記載されている。
【０００５】
その他にも、特開２００１−１２５０１４号公報に記載されているような、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を利用した可変光減衰器や、熱光学効果を利用した可変光減衰器も知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の可変光減衰器のうち、特開２００１−９１９０１号公報や特開２００１−２４９３１３号公報に記載されているファラデー効果型可変光減衰器では、磁界による偏光の回転を利用するため構造が複雑になり、また磁石が必要で大型化することから、アレイ化等の集積化に不向きであるという問題がある。また、特表２００２−５０１２１０号公報に記載されている可変光減衰器では、偏光を利用することからファラデー型可変光減衰器と同様に構造が複雑であり、更には消光比（減衰量の可変範囲）が小さいという問題もある。また、特開２００１−１２５０１４号公報に記載された可変光減衰器では、集積化が可能であるが、高精度な半導体の加工技術を駆使するため、高価であることに加えて、可動部があるため信頼性が低いという問題がある。また、熱光学効果型可変光減衰器は、集積化が可能で可動部も無いが、加熱するため消費電力が大きく、また構造が複雑で高価であり、更には偏光依存損失（ＰＤＬ）も大きいという問題もある。
【０００７】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、アレイ化が容易で、かつ、安価なものでありながら、可動部が無く信頼性も高く、消費電力及び偏光依存損失（ＰＤＬ）を低く抑えることができる導波路型液晶可変光減衰器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、光の入出射を行う主コアに近接して、ネマチック液晶を充填してなる副コアを配置して構成される光導波路を備え、副コアの屈折率を変化させることにより、主コアを伝播する光を減衰させることを特徴とする導波路型液晶可変光減衰器を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の導波路型液晶可変光減衰器の第１の実施形態を示す概略平面図であり、図２は図１のＡＡ断面図である。図示されるように、導波路型液晶可変光減衰器１０は、下基板８Ａと上基板８Ｂとに２分割されたクラッド３を備えており、下基板８Ａの表面から所定の深さの位置には、幅方向中心線に沿って直線状に延びる主コア１が埋設されている。尚、主コア１の材料は、制限されるものではないが、ＳｉＯ２等の無機材料やポリイミド等の樹脂とすることができる。
【００１１】
また、上基板８Ｂの下基板８Ａと対向する側の表面には、断面矩形状の凹部が主コア１と投影面上で所定の各度で交差するように直線状に形成されており、この凹部の底面（図２中上面）には配向膜７Ｂが設けられ、その上にネマチック液晶が充填される。また、下基板８Ａには、その上基板側の全面を覆うように配合膜７Ａが設けられており、下基板８Ａと上基板８Ｂとを適当な光学接着剤１１で接合して一体化することにより、ネマチック液晶が封止され、副コア４が形成される。尚、ネマチック液晶の種類は制限されるものではなく、例えば４−（４−ペンチルシクロヘキシル）シアノベンゼン等を使用できる。また、配向膜７Ａ及び配向膜７Ｂはともに公知のもので構わず、例えばラビング処理したポリアミド膜等を使用できる。
【００１２】
また、上基板８Ｂには、副コア４の直上にて副コア４のほぼ全面を覆うように、第１の電極６Ｂが設けられており、更に第１の電極６Ｂの両側に、第２の電極６Ａと第３の電極６Ｃとが形成されている。第１の電極６Ｂ、第２の電極６Ａ及び第３の電極６Ｃは、それぞれ独立に制御可能とされており、また、第２の電極６Ａと第３の電極６Ｃとによる液晶分子の配向方向と配向膜７Ａ，７Ｂの配向方向とは直交するように規定されている。電極材料としては、ＳｎＯ２やＩＴＯ等の透明導電材料の他、金、銅、アルミニウム等の金属が可能である。
【００１３】
上記の如く構成される導波路型液晶光スイッチ１０では、第１〜第３の電極６Ａ〜６Ｃに印加する電圧、位相を調整して副コア４の液晶分子の配向を制御することにより、主コア１を伝播する光の減衰量を調整することができる。例えば、図３（Ａ）に示すように、第２の電極６Ａ及び第３の電極６Ｃに第１の電極６Ｂと同位相の電位をかけることにより、主コア１と副コア４とが重複する部分で第１〜第３の電極６Ａ〜６Ｃに垂直な電界が支配的となる。これにより、ＴＭ偏光に対する結合係数の変化が支配的となる。また、図３（Ｂ）に示すように、第２の電極６Ａ及び第３の電極６Ｃに第１の中央電極６Ｂと逆位相の電位をかけることにより、主コア１と副コア４とが重複する部分で第１〜第３の電極６Ａ〜６Ｃに平行な電界が支配的となる。これにより、ＴＥ偏光に対する結合係数の変化が支配的となる。
【００１４】
このように、第１の電極６Ｂに対する、第２の電極６Ａ及び第３の電極６Ｃの電圧、位相及び印加時間を調整することにより、ＴＭ偏光及びＴＥ偏光の双方に対して、主コア１から副コア４への光エネルギーの乗り移り量を調整することが可能となり、結果として主コア１を伝播する光の減衰量を変化させて出力側での光強度を調整することができる。即ち、再び図１を参照すると、図１（Ａ）は上記のような電圧印加の無い状態であり、主コア１に入射した光信号５は、減衰もせずに入射強度を維持して出力される（ＯＦＦ状態）。これに対して、図１（Ｂ）は上記のような電圧印加をした状態であり、主コア１に入射した光信号５の一部が副コア４に移行し、その結果主コア１からは減衰した光信号が出力される（ＯＮ状態）。
【００１５】
尚、副コア４に充填されるネマチック液晶が正の誘電率異方性を有する場合と、負の誘電率異方性を有する場合とでは、上記した電圧及び位相と光強度の増減との関係が逆となる。
【００１６】
また、上記のＯＮ状態における入射光５の主コア１から副コア４への移行をより確実に行うために、主コア１と副コア４との交差角度及び主コア１と副コア４との離間距離を以下のように設定することが好ましい。
【００１７】
即ち、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、断面形状で幅（Ｗ）及び高さ（Ｈ）とも６．５μｍの主コア１と、断面形状で幅（ＷＬＣ）１６μｍで、高さ（ＨＬＣ）２μｍの副コア４とを、両者の離間距離（ＧＬＣ）及び交差角度（α）を変えて導波路型液晶可変光減衰器１０を作製して消光比（光強度の最大変化幅）を測定し、消光比が最大となる離間距離（ＧＬＣ）と交差角度（αＭＡＸ）との組み合わせを求めた。図５はその測定結果を示すグラフであるが、主コア１と副コア４とが接近するほど、交差角度（αＭＡＸ）が大きくなることがわかる。しかし、主コア１と副コア４とが接している場合（ＧＬＣ＝０）でも交差角度（αＭＡＸ）が５°であり、主コア１と副コア４との交差角度（α）は最大でも５°であるといえる。
【００１８】
また、測定に用いた導波路型液晶可変光減衰器１０では、主コア１の幅（Ｗ＝６．５μｍ）よりも副コア４の幅（ＷＬＣ＝１６μｍ）をかなり大きく設定して消光比がより大きくなるように設計してある。しかし、主コア１と副コア４との離間距離（ＧＬＣ）が主コア１の幅（Ｗ）である６μｍを超えると、交差角度（αＭＡＸ）が０．３°未満とかなり小さくなり、その結果、導波路型液晶可変光減衰器１０の全長（図４（Ａ）の左右方向の長さ）が長くなり、大型化する。
【００１９】
更に、図６は、規定値以上の消光比が得られる主コア１と副コア４との離間距離（ＧＬＣ）と、副コア４の屈折率幅との組み合わせをプロットしたグラフであるが、ここでも主コア１と副コア４との離間距離（ＧＬＣ）が主コア１の幅（Ｗ）である６μｍを超えると、副コア４の屈折率幅が非常に小さくなり、高消光比を実現し難く、安定した動作を行うことが難くなる。
【００２０】
従って、上記した主コア１と副コア４との離間距離（ＧＬＣ）と、交差角度（αＭＡＸ）及び副コア４の屈折率幅との関係から、主コア１と副コア４との離間距離（ＧＬＣ）は、主コア１の幅（Ｗ）以下であることが好ましいといえる。
【００２１】
尚、本発明の導波路型液晶光スイッチ１０では、電極材料として、上記したようにＳｎＯ２やＩＴＯ等の透明導電材料の他、金、銅、アルミニウム等の金属が使用されるが、これらの電極材料による光吸収が起こるため、副コア４と各電極６Ａ〜６Ｃとを、主コア１の幅（Ｗ）の半分以上、望ましくは幅（Ｗ）と同程度離間させることが好ましい。しかし、電極との距離が大きくなると、その分、副コア４の液晶分子を配向させるための印加電圧を増大しなければならす、運転のための電力コストが増加する。
【００２２】
このような不具合を解消するためには、各電極６Ａ〜６Ｃの外側に分布する光の強度を抑えることが有効であり、そのためには主コア１を包囲する下基板８Ａを形成する材料の屈折率を、副コア４及び各電極６Ａ〜６Ｃを包囲する上基板８Ｂを形成する材料の屈折率より大きくする。尚、以降の説明では、都合上、下基板８Ａを第１クラッド３Ａと呼び、上基板８Ｂを第２クラッド３Ｂと呼ぶ。そして、第１クラッド３Ａの屈折率をＮＣＬ１、第２クラッド３Ｂの屈折率をＮＣＬ２とすると、主コア１から電極側（図中上下方向）に光が漏れないようにするには（ＮＣＬ１−ＮＣＬ２）＞０とすればよく、（ＮＣＬ１−ＮＣＬ２）が大きくなるほど光の漏れが少なくなる。図７に示す寸法及び屈折率材料にて主コア１、並びに第１クラッド３Ａ、第２クラッド３Ｂを作製し、ΔＮＣＬ＝ＮＣＬ１−ＮＣＬ２をパラメータとしてｙ軸方向の光強度の減衰量を測定した結果を図８に示すが、ΔＮＣＬ＝０、即ち第１クラッド３Ａと第２クラッド３Ｂの屈折率が等しい場合と比べて、屈折率差（ΔＮＣＬ）があると光強度の減衰が現われ、屈折率差（ΔＮＣＬ）が大きくなるほど光強度の減衰も大きくなる、換言すれば光の漏れが少なくなることがわかる。
【００２３】
上記の実験結果から、例えば、第１クラッド３Ａと第２クラッド３Ｂとを、屈折率差（ΔＮＣＬ）が０．０４となる材料を用い、各電極６Ａ〜６Ｃを第１クラッド３Ａの表面から２μｍ程度離間させて第２クラッド３Ｂに形成することにより、電極表面における光強度がコア内の０．１％以下に減衰するため、電極による光の吸収をほとんど無視できるようになる。
【００２４】
また、一般に液晶は温度依存性が大きいことから、本発明の導波路型液晶可変光減衰器１０では外部環境の温度変化による影響を排除するために、温度制御手段を具備することがより好ましい。温度制御手段としては、小型で、温度制御が容易であること等からペルチエ素子が好適である。この温度制御手段の設置箇所は制限されるものではないが、例えば上基板８Ｂの上面等、副コア４の近傍に付設するのが好ましい。このように温度変動を抑えることにより、低クロスロークで低損失の導波路型液晶可変光減衰器１０とすることができる。また、導波路型液晶可変光減衰器１０自体の発熱がほとんどゼロであるので、温度制御装置と一体化し、更に全体を断熱することにより、温度制御のための消費電力を低く抑えられる。
【００２５】
（第２の実施形態）
図９は、本発明の導波路型液晶可変光減衰器の第２実施形態を示す概略断面図である。図示されるように、本実施形態では、第１実施形態における第１の電極６Ｂに相当する電極がなく、第２の電極６Ａと第３の電極６Ｃとが近接して配置されている。また、副コア４が、第２の電極６Ａ及び第３の電極６Ｃの外方まで延在しており、第２の電極６Ａ及び第３の電極６Ｃの作用の及ぶ範囲のみ副コア４として機能し、その他の部分はクラッドとして機能する。尚、符号２１は、液晶分子を示す。
【００２６】
このような構成にすることにより、電極間隔が狭いため、より低電圧での駆動が可能となり、運転コストを削減できる。また、駆動様式が簡素化され、部品点数（電極）も削減できることから製品コストも低くなる。更には、副コア４として機能する領域が広いため、消光比をより大きくすることが可能になる。
【００２７】
また、本発明では、図示は省略するが、上記の導波路型液晶可変光減衰器１０を複数用いてアレイ化し、所謂多チャンネルの導波路型液晶可変光減衰器を構成することもできる。本発明は、この多チャンネル型導波路型液晶可変光減衰器も包含するものである。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の導波路型液晶可変光減衰器は、アレイ化が容易で、安価なものでありながら、可動部が無く信頼性も高く、消費電力及び偏光依存損失（ＰＤＬ）を低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の導波路型液晶可変光減衰器の第１実施形態を示す概略平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１に示した導波路型液晶可変光減衰器の動作原理を説明するための概略断面図である。
【図４】主コアと副コアとの離間距離（ＧＬＣ）並びに主コアと副コアとの交差角度が減衰量に及ぼす影響を調べるために用いた導波路型液晶可変光減衰器を示す上面図（Ａ）及び断面図（Ｂ）である。
【図５】主コアと副コアとの離間距離（ＧＬＣ）と交差角度（αＭＡＸ）との関係を説明するためのグラフである。
【図６】主コアと副コアとの離間距離（ＧＬＣ）と副コア屈折率幅との関係を説明するためのグラフである。
【図７】第１クラッドと第２クラッドの屈折率差による主コア内の光強度の変化を測定するために用いた導波路型液晶可変光減衰器の設計例を示す断面図である。
【図８】第１クラッドと第２クラッドの屈折率差による主コア内の光強度の変化を測定した結果を示すグラフである。
【図９】本発明の導波路型液晶可変光減衰器の第２実施形態を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１　主コア
３　クラッド
３Ａ　第１クラッド
３Ｂ　第２クラッド
４　副コア
５　入射光
６Ａ　第２の電極
６Ｂ　第１の電極
６Ｃ　第３の電極
７Ａ，７Ｂ　配向膜
８Ａ　下基板
８Ｂ　上基板
１０　導波路型液晶可変光減衰器
１１　光学接着剤
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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