(57)【要約】【課題】  光導波路コア、及び光導波路コアに光学的に結合されたクラッディングを備えた導波路デバイスを提供する。クラッディングは、光学的機能領域を含み、この光学的機能領域は、該領域に印加される制御信号に応答して変化するように構成された屈折率を有する。光学的機能領域の屈折率は、光導波路コアの屈折率よりも小さい。本発明の一実施形態によれば、光学的機能領域は、カー効果媒体である。
2006506688.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路コアと、該光導波路コアに光学的に結合されたクラッディングとを備えている導波路デバイスにおいて、
前記クラッディングが、屈折率を規定する光学的機能領域を含み、前記屈折率が、前記光学的機能領域に印加される制御信号に応答して、変化するように構成されており、
前記光学的機能領域の前記屈折率は、前記導波路デバイスの動作波長及び動作温度において、前記光導波路コアの屈折率よりも低く、
前記クラッディングの前記光学的機能領域は、カー効果媒体を含む
ことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記制御信号は、制御信号の大きさによって特徴付けられ、前記カー効果媒体は、前記制御信号の大きさの二乗で変化する関数に近似した屈折率を有していることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項３】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、
前記クラッディングの前記光学的機能領域は、該光学的機能領域に印加される制御電圧Ｖに応答して、前記光学的機能領域を伝搬する光信号に位相シフトΔφが生じるように構成されたクラッディング媒体を含み、
前記クラッディング媒体は、前記制御信号の大きさが連続的増分Ｖπで増加するにしたがって、１８０゜の連続的な位相シフトΔφを前記光信号内に誘発するように、また、前記制御信号の前記大きさが増大するに連れて、前記連続増分Ｖπの大きさが減少するように構成されている
ことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項４】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記クラッディングは、極性調整されていない、実質的に等方性のポリマ・クラッディング媒体によって規定される光学的機能領域を含むことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項５】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記クラッディング媒体は、前記光学的機能領域がほぼ配向状態からほぼ等方性状態に受動的に約１秒未満で遷移することを可能にするのに十分な程度の発色団移動性を有するポリマ／発色団混合物を含むことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項６】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、
前記導波路デバイスは、更に、前記導波路デバイスの動作温度を制御するように構成されているコントローラを備えており、
前記ポリマ・クラッディング媒体は、前記素子の前記動作温度よりも低い有効ガラス遷移温度によって特徴付けられる
ことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項７】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、該導波路デバイスは更に、前記制御信号を供給するように構成されているコントローラを備えていることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項８】
請求項７記載の導波路デバイスにおいて、前記制御信号は、バイアス成分と駆動成分とからなることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項９】
請求項８記載の導波路デバイスにおいて、前記バイアス成分は、前記駆動成分に対してほぼ一定であり、前記駆動成分は前記バイアス成分に対して可変であることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項１０】
請求項８記載の導波路デバイスにおいて、前記バイアス成分は、前記駆動成分の変動によって、前記光学的機能領域の前記屈折率の制御を可能とするのに十分な大きさを規定することを特徴とする導波路デバイス。
【請求項１１】
請求項８記載の導波路デバイスにおいて、前記バイアス成分は、前記駆動成分よりも少なくとも１桁大きいことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項１２】
請求項８記載の導波路デバイスにおいて、前記バイアス成分は、ＤＣ電圧からなり、前記駆動成分はＡＣ駆動信号からなることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項１３】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記カー効果媒体は、ポリマ／発色団混合物からなることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項１４】
請求項１３記載の導波路デバイスにおいて、前記ポリマ／発色団混合物は、約５重量％〜約２０重量％の間の発色団を含むことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項１５】
請求項１３記載の導波路デバイスにおいて、前記ポリマはフッ化ポリマを含むことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項１６】
請求項１３記載の導波路デバイスにおいて、前記カー効果媒体は、ポリカーボネート、ターポリマ、ＰＭＭＡ、及びポリシクロヘキサンから選択されたポリマを含むことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項１７】
請求項１３記載の導波路デバイスにおいて、前記ポリマ／発色団混合物は可塑化されていることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項１８】
請求項１３記載の導波路デバイスにおいて、前記発色団は、ドナー成分と、共役成分及び芳香成分の少なくとも一方を含む架橋（ブリッジ）成分と、アクセプタ成分とを含むことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項１９】
請求項１３記載の導波路デバイスにおいて、前記ドナー成分は、比較的強い電子付与群からなることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項２０】
請求項１３記載の導波路デバイスにおいて、前記アクセプタ成分は、比較的強い電子受入群からなることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項２１】
請求項１３記載の導波路デバイスにおいて、前記発色団が以下の分子構造
【化１】
2006506688.tif 000005
によって特徴付けられることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項２２】
請求項１３記載の導波路デバイスにおいて、前記発色団が以下の分子構造
【化２】
2006506688.tif 000006
によって特徴付けられることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項２３】
請求項１３記載の導波路デバイスにおいて、前記発色団が以下の分子構造
【化３】
2006506688.tif 000007
によって特徴付けられることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項２４】
請求項１３記載の導波路デバイスにおいて、前記発色団が以下の分子構造
【化４】
2006506688.tif 000008
によって特徴付けられることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項２５】
請求項１３記載の導波路デバイスにおいて、前記発色団が以下の分子構造
【化５】
2006506688.tif 000009
によって特徴付けられることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項２６】
請求項１３記載の導波路デバイスにおいて、前記発色団が以下の分子構造
【化６】
2006506688.tif 000010
によって特徴付けられることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項２７】
請求項１３記載の導波路デバイスにおいて、前記発色団が以下の分子構造
【化７】
2006506688.tif 000011
【請求項２８】
請求項１３記載の導波路デバイスにおいて、前記発色団が以下の分子構造
【化８】
2006506688.tif 000012
によって特徴付けられることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項２９】
請求項１３記載の導波路デバイスにおいて、前記発色団が以下の分子構造
【化９】
2006506688.tif 000013
によって特徴付けられることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項３０】
請求項１３記載の導波路デバイスにおいて、前記発色団が以下の分子構造
【化１０】
2006506688.tif 000014
によって特徴付けられることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項３１】
請求項１３記載の導波路デバイスにおいて、前記発色団が以下の分子構造
【化１１】
2006506688.tif 000015
によって特徴付けられることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項３２】
請求項１３記載の導波路デバイスにおいて、前記発色団が以下の分子構造
【化１２】
2006506688.tif 000016
によって特徴付けられることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項３３】
請求項１３記載の導波路デバイスにおいて、前記ポリマ／発色団混合物は、該ポリマ／発色団混合物内の発色団成分の移動度を高めるように構成された溶剤を含むことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項３４】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、
前記導波路デバイスは更に、該デバイスを所定の動作温度に維持するように構成された温度コントローラを備えており、
前記カー効果媒体は、前記所定の動作温度よりも低い有効ガラス遷移温度によって特徴付けられる
ことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項３５】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記カー効果媒体は、約１２０℃未満の有効ガラス遷移温度によって特徴付けられることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項３６】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記カー効果媒体は、約２０℃未満の有効ガラス遷移温度によって特徴付けられることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項３７】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記クラッディングの前記光学的機能領域の前記屈折率は、前記カー効果媒体の有効ガラス遷移温度よりも高い温度において、前記光導波路コアの前記屈折率よりも低いことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項３８】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記クラッディングの前記光学的機能領域の前記屈折率は、約１２００ｎｍ〜約１６５０ｎｍの間の波長において、前記光導波路コアの前記屈折率よりも低いことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項３９】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記クラッディングの前記光学的機能領域の前記屈折率は、約１３００ｎｍ〜約１５５０ｎｍの間の波長において、前記光導波路コアの前記屈折率よりも低いことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項４０】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記クラッディングの前記光学的機能領域及び前記光導波路コアの前記それぞれの屈折率は、前記デバイスの光軸に沿って前記導波路コアに導入される光の実質的部分が前記導波路コア内に閉じ込められ、前記導波路コアに導入される前記光の実質的部分が、前記クラッディングの前記光学的機能領域内を伝搬することができることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項４１】
請求項４０記載の導波路デバイスにおいて、前記導波路コアに導入される前記光の少なくとも約１０％が前記導波路コア内に閉じ込められることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項４２】
請求項４０記載の導波路デバイスにおいて、前記導波路コアに導入される前記光の少なくとも約１０％が前記クラッディングの前記光学的機能領域内を伝搬することができることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項４３】
請求項４０記載の導波路デバイスにおいて、前記導波路コアに導入される前記光の約３０％〜約９０％が前記導波路コア内に閉じ込められることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項４４】
請求項４０記載のデバイスにおいて、前記導波路コアに導入される前記光の約４０％〜約６０％が前記導波路コア内に閉じ込められることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項４５】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記光学的機能領域の前記屈折率は、前記光導波路コアの前記屈折率よりも約０．３％〜約１％低いことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項４６】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記光導波路コアの前記屈折率は、約１．４５〜約１．４６の間であることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項４７】
請求項４６記載の導波路デバイスにおいて、前記クラッディングの前記光学的機能領域の前記屈折率は、約１．４４〜約１．４５の間であることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項４８】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記光導波路コアの前記屈折率は、約１．４５であることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項４９】
請求項４８記載の導波路デバイスにおいて、前記クラッディングの前記光学的機能領域の前記屈折率は、前記光導波路コアの前記屈折率よりも約０．３％〜約１％低いことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項５０】
請求項４８記載の導波路デバイスにおいて、前記クラッディングの前記光学的機能領域の前記屈折率は、約１．４４であることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項５１】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記光導波路コアの前記屈折率は、約１．４５４であることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項５２】
請求項５１記載の導波路デバイスにおいて、前記クラッディングの前記光学液機能領域の前記屈折率は、約１．４４４であることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項５３】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記光導波路コアは、約３μｍ〜約１０μｍの間の断面幅を規定することを特徴とする導波路デバイス。
【請求項５４】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記光導波路コアは、約５μｍ〜約７μｍの間の断面高さを規定することを特徴とする導波路デバイス。
【請求項５５】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記光導波路コアは、光学的受動材料からなることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項５６】
請求項５５記載の導波路デバイスにおいて、前記光導波路コアの前記光学的受動部分、及び前記クラッディングの前記光学的機能領域は、前記導波路デバイスの光軸の共通部分に沿って位置していることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項５７】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記光導波路コアは、光学的機能部分を含むことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項５８】
請求項５７記載の導波路デバイスにおいて、前記光導波路コアの前記光学的機能部分及び前記クラッディングの前記光学的機能領域は、前記導波路デバイスの光軸の共通部分に沿って位置していることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項５９】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記制御信号は光信号であり、前記クラッディングの前記光学的機能領域は前記光信号の強度に応答することを特徴とする導波路デバイス。
【請求項６０】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記制御信号は電気信号であり、前記クラッディングの前記光学的機能領域は前記電気信号の大きさに応答することを特徴とする導波路デバイス。
【請求項６１】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記制御信号は熱信号であり、前記クラッディングの前記光学的機能領域は前記熱信号の大きさに応答することを特徴とする導波路デバイス。
【請求項６２】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記導波路デバイスは更に、前記光学的機能領域において電界を発生するように配置された１組の制御電極を備えており、前記制御信号は前記電界からなることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項６３】
請求項６２記載の導波路デバイスにおいて、前記カー効果媒体は、少なくとも約３×１０−１４ｍ／Ｖ２のカー定数によって特徴付けられることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項６４】
請求項６２記載の導波路デバイスにおいて、前記カー効果媒体は、少なくとも約３×１０−１２ｍ／Ｖ２のカー定数によって特徴付けられることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項６５】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、
前記導波路デバイスは、前記導波路デバイスの入力側付近に光信号分割領域を規定するよう配置された第１光導波路アームと、前記導波路デバイスの出力側付近に光信号合成領域を規定するように配置された第２光導波路アームとを備えており、
前記光学的機能領域は、前記光信号分割及び合成領域間に配置されており、
前記光学的機能領域は、前記第１光導波路アームと関連する第１光学的機能部と、前記第２光導波路アームと関連する第２光学的機能部とを備えている
ことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項６６】
請求項６６記載の導波路デバイスにおいて、前記導波路デバイスは更に、前記第１及び第２光学的機能部の光学特性を、互いに独立して変化させるように構成されたコントローラを備えていることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項６７】
請求項６６記載の導波路デバイスにおいて、
前記コントローラから前記第１及び第２光学的機能部への制御信号の印加がない場合、前記第１及び第２光学的機能部は、前記光信号合成領域において、前記第１及び第２光導波路アームにおけるそれぞれの光信号間にπ／２の位相差を規定し、
前記コントローラは、前記第１及び第２光導波路アームの前記第１及び第２光学的機能部のいずれかにおいて、追加のπ／２の位相シフトを生じさせるように構成されている
ことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項６８】
請求項６５記載の導波路デバイスにおいて、前記光信号分割領域及び前記光信号合成領域は、２×２又は１×２方向性結合領域、１×２信号スプリッタ／コンバイナ、１×２マルチモード干渉エレメント・スプリッタ／コンバイナ、及び２×２マルチモード干渉エレメント・スプリッタ／コンバイナから選択した光学的構造を備えていることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項６９】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記導波路デバイスは更に、変調制御信号を供給するように構成された変調コントローラを備えていることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項７０】
請求項６９記載の導波路デバイスにおいて、前記変調制御信号はＲＦ制御信号であることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項７１】
請求項７０記載の導波路デバイスにおいて、前記クラッディングの前記光学的機能領域は、前記ＲＦ制御信号の周波数において、実質的配向状態と実質的等方性状態との間で、前記光学的機能領域の遷移を可能にするのに十分な配向移動度によって特徴付けられることを特徴とする導波路デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号伝送に関し、更に特定すれば、光信号の変調、減衰、偏波制御、及び切換を必要とする用途において有用な、導波路デバイスの改良に関する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
本発明の目的は、光信号の変調及び切替を必要とする用途に有用な導波路デバイスにおいて改良を行うことである。本発明のその他の目的は、ここに具体化した発明の説明に鑑みれば明白であろう。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の一実施形態によれば、光導波路コアと、光導波路コアに光学的に結合されたクラッディングとを備えている導波路デバイスを提供する。クラッディングは、カー効果媒体から成る光学的機能領域を含み、光学的機能領域に印加される制御信号に応答して変化するように構成された屈折率を規定する。光学的機能領域の屈折率は、デバイスの動作波長及び動作温度において、光導波路コアの屈折率よりも低い。
【０００４】
本発明の別の実施形態によれば、制御信号は、制御信号の大きさによって特徴付けられ、クラッディングの光学的機能領域は、制御信号の大きさの二乗で変化する関数を近似した屈折率を規定する。
本発明の更に別の実施形態によれば、クラッディングの光学的機能領域は、光学的機能領域に印加される制御信号に応答して、光学的機能領域を伝搬する光信号に位相シフトを誘発するように構成されたクラッディング媒体を含む。クラッディング媒体は、制御信号の大きさが連続的に増分Ｖπで増加するに連れて、π（１８０°）の連続的な位相シフトを光信号内に誘発するように構成されている。制御信号の大きさが増大するに連れて、連続増分Ｖπの大きさは減少する。
【０００５】
本発明の更に別の実施形態によれば、クラッディングは、極性調整されていない、実質的に等方性のポリマ・クラッディング媒体によって規定される光学的機能領域を含む。本発明を説明し規定する目的上、極性調整された材料又は媒体とは、電界又はその他の外部制御信号の印加前に、光学的異方性が既に確立している材料を意味することを注記しておく。この異方性の原因となる方位順序は、外部制御信号の印加又は除去に対して、さほど変化しない。対照的に、極性調整されていない材料又は媒体とは、制御信号を最初に印加する前では、光学的異方性が最少である材料のことを言う。この異方性の原因となる方位順序は、制御信号によって強く影響され、光学的異方性は、制御信号の除去後に急速に衰退する。
【０００６】
本発明の更に別の実施形態によれば、クラッディング媒体は、光学的機能領域が実質的に配向状態から実質的に等方性状態に受動的に約１秒未満以内で遷移することを可能にするのに十分な程度の発色団移動性によって特徴付けられるポリマ／発色団混合物を含む。本発明を規定し説明する目的上、それぞれの配向及び等方性状態は、材料の配向における些細なばらつきを考慮するために、「実質的に」配向されている又は等方性であるという意味であることを注記しておく。
本発明の更に別の実施形態によれば、導波路デバイスは、更に、導波路デバイスの動作温度を制御するように構成されているコントローラを備えている。ポリマ・クラッディング媒体は、デバイスの動作温度よりも低い有効ガラス遷移温度によって特徴付けられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の具体的な実施形態に関する以下の詳細な説明は、以下の図面と関連付けて読解すれば最良に理解することができる。図面においては、同様の構造を同様の参照番号で示すこととする。
まず図１を参照すると、本発明による導波路デバイス１０が、マッハ・ゼンダー（Mach Zehnder）干渉計の構成に関連して示されている。即ち、導波路デバイス１０は、各光導波路コア２０、及び光導波路コア２０に光学的に結合されたクラッディング３０とを備えている。基板４０がクラッディング３０及びコア２０を支持する。図示の実施形態では、第１及び第２光導波路アーム１２、１４が、導波路デバイス１０の入力側付近に光信号分割領域１６を画定し、導波路デバイス１０の出力側付近に光信号合成領域１８を画定している。導波路アーム１２、１４の各々は、光導波路コア２０を備えている。クラッディング３０は、光信号分割及び合成領域１６、１８間に配置されている光学的機能領域３５を備えている。光学的機能領域３５は、第１光導波路アーム１２と関連する第１光学機能部３２と、第２光導波路アーム１４と関連する第２光学機能部３４とを備えている。
【０００８】
光学的機能領域３５の特徴及び特性については以下で更に詳しく述べるが、これは光導波路コア２０の屈折率よりも低い屈折率を有する。このように、デバイスの光学軸に沿って導波路コア２０内に進入した光の大部分、導波路コアに進入した光の大部分は、導波路コア内に閉じこめられたままとなり、光の大部分はクラッディングの光学的機能領域内を伝搬することができる。本発明を説明する目的上、光のそれぞれの「実質的な」部分は、クラッディングの光学的機能領域の屈折率変化によって素子の出力光信号の制御を可能にするために十分な量であることを注記しておく。また、本発明を説明する目的上、特に注記されていない限り、光学的機能領域及び光導波路コアの屈折率の相対的な値に対する引用は、これらの相対的な値がデバイスの動作波長及び動作温度において取り込まれたことを想定している。
【０００９】
適した素子動作温度に関して以下で更に説明するが、本発明による光導波路デバイスに適した動作温度は、光学的機能領域及び光導波路コアの特性の関数である。例えば、本発明の実施形態において、光学的機能領域が光導波路コアの屈折率よりも低い屈折率を有する場合、室温において光学的機能領域の屈折率がコアのそれよりも高いのであれば、素子の動作温度を確実に室温よりも遥かに高くする必要がある。実際、本発明による多くの機能的ポリマは、これらが有する屈折率は室温では典型的なコア材料のそれよりも高いが、それより高い温度ではこれらのコア材料よりも低くなることから、負（ΔｎΔｔ）ポリマとしての特徴を有する。勿論、本発明は、正（ΔｎΔｔ）ポリマも利用可能であり、負（ΔｎΔｔ）ポリマに限定される訳ではない。
【００１０】
クラッディングの光学的機能領域内を伝搬することを許される光の部分は、光学的機能領域３５の屈折率が光導波路コア２０の屈折率よりも低い度合いによって左右される。本発明の殆どの実施形態では、導波路コアに導入された光の少なくとも約１０％で、約９０％未満を導波路コア内に閉じこめるとよいと考えている。更に具体的には、本発明の多くの実施形態では、導波路コアに導入される光の約３０％〜約９０％の間が、導波路コア内に閉じ込められたままとなることを想定している。更に具体化すると、本発明の最も一般的に考えられる実施形態では、導波路コア内の伝搬光の約４０％〜６０％を閉じ込める。屈折率の値に関して、本発明の多くの実施形態における光学的機能領域の屈折率は、光導波路コアの屈折率よりも約０．３％〜約１％だけ低い。例えば、光導波路コアの屈折率は、約１．４５０〜約１．４５５の間とするとよく、一方、クラッディングの光学的機能領域の屈折率は約１．４４０〜約１．４５０の間とするとよい。本発明の特定的な一実施形態では、１５５０ｎｍにおける光導波路コアの屈折率は約１．４５４２であり、クラッディングの光学的機能領域の屈折率は約１．４４４である。
【００１１】
導波路コア２０内への伝搬光の閉じ込めの度合いも、コア２０のサイズの関数である。即ち、図６及び図７を参照すると、伝搬光の強度グラフ２５に対して図６及び図７に模式的に示す本発明による光導波路コア２０は、約３μｍ〜約１０μｍの間の断面幅を画定する。光導波路コアは、通例、導波路デバイスの光学的機能領域と同じ光軸部分を共有する光学的受動材料から構成されるが、その代わりに、光学的機能部（例えば、光電材料、熱電材料等）で構成してもよい。
【００１２】
本発明による個々の導波路デバイスの所望の動作特性に応じて、光学的機能領域の屈折率が、クラッディング媒体の有効ガラス遷移温度よりも高い温度において、光導波路コアの屈折率よりも確実に低くすることが有利となる場合が多い。本発明を説明する目的上、材料の有効ガラス遷移温度とは、発色団の再配向移動度が、材料の温度の関数として比較的大きな増加を示す温度である。光電材料の有効ガラス遷移温度は、材料の光電応答の測定値から、その温度の関数として決定する。
【００１３】
同様に、クラッディングの光学的機能領域の屈折率が、約１２００ｎｍ〜約１６５０ｎｍの間の波長において、あるいは更に具体的には、約１３００ｎｍ又は約１５５０ｎｍの波長において、光導波路コアの屈折率よりも確実に低いことも、有利となる場合が多い。本発明を説明する目的上、光学的機能領域及び光導波路コアの屈折率の相対的な値への言及は、特に注記されていない限り、相対値はデバイスの動作波長及び動作温度において取り込むことを本質的に想定している。
【００１４】
光学的機能領域３５の屈折率は、光学的機能領域３５に印加される制御信号に応答して変化する。制御信号の性質は、本発明を採用するデバイスの性質によって決まる。図示の実施形態では、制御信号は、制御電極２１〜２４が発生する電界Ｅの形態の電気信号から成る。クラッディング３０の光学的機能領域３５は、電界Ｅの強度及び方位に応答する。図２は、適した電極形状及び得られる電界Ｅの模式図を示す。尚、本発明の光学的機能領域３５において電界を発生するためには、種々の適した電極形状がある。
【００１５】
本発明の別の実施形態では、制御信号は光信号であり、クラッディング３０の光学的機能領域３５は光信号の強度に応答する。そのように構成する代わりに、制御信号は熱的信号であり、クラッディング３０の光学的機能領域３５は熱的信号の大きさに応答するように構成してもよい。いずれの場合でも、導波路デバイスは更に、第１及び第２光学的機能部３２、３４の光学特性を互いに独立して変化させるように構成した相応しいコントローラを備えていなければならない。
【００１６】
本発明の一実施形態によれば、クラッディング３０の光学的機能領域３５はカー効果媒体を備えている。制御信号が電界から成り、１組の制御電極が光学的機能領域３５において電界を発生するように配置して導波路デバイスが構成されている場合、カー効果媒体は、少なくとも約３×１０−１４ｍ／Ｖ２のカー定数を有している。本発明の多くの実施形態では、カー効果媒体は、信号変調において一層重要な役割を果たし、約３×１０−１２ｍ／Ｖ２のカー定数を有している。
【００１７】
本発明において用いるのに適したカー効果媒体は、通常、ポリマ／発色団の混合物から成る。ポリマ／発色団の混合物は、例えば、約５重量％〜約２０重量％の間の発色団を含むことが好ましいが、他の適した重量％範囲も採用可能である。限定ではなく例示として、ポリマは、フッ化ポリマ、若しくは、ポリカーボネート、ターポリマ、ＰＭＭＡ、及びポリシクロヘキサンから選択したポリマを含むことが好ましい。溶剤を用いて発色団の移動度を強化する場合、適した溶剤には、ダイオキシン、ＴＨＳ、及びクロロホルムを含むが、これらに限定される訳ではない。
【００１８】
限定ではなく例示として、本発明に用いるのに適した発色団は、ドナー成分、共役成分及び／又は芳香族成分から成る架橋（ブリッジ）成分、及びアクセプタ成分から成る。ドナー成分は、比較的強い電子付与群からなることができ、アクセプタ成分は、比較的強い電子受入群からなることができる。本発明を説明する目的上、ドナー成分は、電子を付与することができる成分から成り、アクセプタ成分は、電子を受け入れることができる成分から成り、架橋成分はドナー及びアクセプタ成分を強く結合するものである。好適な発色団は、伝搬信号の周波数において光を吸収する度合いを考慮することによって選択してもよく、吸収レベルは低い方が好ましい。
【００１９】
限定ではなく例示として、以下の分子構造を有する発色団が、本発明による使用に適している。
【００２０】
【化１】
2006506688.tif 000003
【００２１】
【化２】
2006506688.tif 000004
【００２２】
これより図３及び図４を参照する。本発明による多くの適宜のクラッディング媒体は、これらの屈折率が、印加される制御信号の大きさに関係して変化する様子によって特徴付けることができる。図３は、２ポート・マッハ・ゼンダー（Mach Zehnder）干渉計の第１及び第２出力ポートにおける出力信号のそれぞれの強度が、干渉計の光学的機能領域に印加される制御信号（電圧）の大きさ（振幅）の関数として変化する様子を示す。
【００２３】
図３に示す応答特性は、マッハ・ゼンダー干渉計の２つの出力チャネルを表し、機能性クラッディングがポッケル効果によって電圧制御信号に応答する。ポッケル効果とは、電界の印加によって、印加された電界において線形な複屈折を生成する光電効果である。ポッケル効果は、異方性媒体においてのみ発生することができる。機能性ポリマ・クラッディングでは、このポッケル効果に必要とされる異方性は、通例、クラッディングの電界ポーリング(electric field poling)によって導入される。
【００２４】
これと対照的に、極性調整していない(un-poled)実質的に等方性のポリマ・クラッディングは、本発明の多くの実施形態による使用に最も適している。これらはポッケル効果を呈することができないので、主な光電応答はカー効果から得られるからである。カー効果とは、電界の印加によって、印加された電界又は他の制御信号の大きさの２乗で変化する複屈折を生成する光電効果である。例えば、図４に示す複屈折は、制御信号の大きさの２乗で変化する関数に近似した屈折率を規定する干渉計の光学的機能領域におけるポリマの使用によって得られた。
【００２５】
更に具体的には、本発明のクラッディング媒体の屈折率によって近似した関数は、以下の式の形態を取ることができる。
Δｎ＝λＫＭ２
ここで、Δｎは屈折率の変化を表し、λはクラッディングを伝搬する光の波長を表し、Ｋは定数を表し、Ｍは制御信号の大きさを表す。カー効果クラッディング媒体の場合、Ｋはカー効果媒体のカー定数を表し、Ｍは媒体に印加する電界の強度Ｅを表す。
【００２６】
図３を参照すると、線形光電ポリマ・クラッディングに制御電圧Ｖを印加することによって、光学的機能領域を伝搬する光信号において位相シフトΔφが生じる。この応答を、ここでは、「線形」応答と記述する。これは、図３に明示するように、連続する等しい位相シフトΔφ、例えば、１８０゜は、制御電圧Ｖの連続的な等しい増加によって誘導されるからである（Ｉ≒ｓｉｎ２φ、ただし、φ＝ＡＶ）。図４を参照すると、制御電圧Ｖを本発明による光電ポリマ・クラッディングに印加することによっても、光信号において連続的な位相シフトΔφが生じるが、等しい値の連続位相シフトが、徐々に増加が小さくなる制御信号Ｖによって生じる（Ｉ≒ｓｉｎ２φ、ただし、φ＝ＢＶ２）。このように、１８０゜の連続位相シフトΔφの場合、連続的な１８０゜位相シフトを誘発するために必要な連続制御信号の電圧増分Ｖπの大きさは、制御電圧Ｖの大きさが増大するに連れて、減少する。
【００２７】
図５は、制御電圧Ｖが増大するに連れて減少する連続制御信号の電圧増分Ｖπを更に詳細に示す。即ち、図３のグラフは、マッハ・ゼンダー干渉計を駆動して１８０゜の位相シフトを生じさせるには、約３４０ボルトが必要であることを示す。次の１８０゜の位相シフトは、約５２０ボルトで起こるが、これは駆動信号を単に約１８０ボルト増大させるだけで達成される（５２０ボルトと３４０ボルトとの間の差）。第３の１８０゜位相シフトは約６１０ボルトにおいて発生し、約９０ボルトの増加に過ぎない。約３０００ボルトのバイアスで、約４ボルトの駆動電圧増分Ｖπが得られることが、単純な外挿補間で示唆される。ポリマ・クラッディング媒体の改良、及び制御電極に用いられる電極形状の改善によって、５ボルト未満の駆動電圧及び約１０００Ｖのバイアス電圧で、１８０゜の位相シフトが達成可能なデバイスを得ることができる。
【００２８】
本発明の多くの実施形態は、実質的に一定のバイアス成分と実質的に可変な駆動成分とから成る制御信号の使用によって効果を上げることができる。バイアス成分は、通常、駆動成分の変化による光学的機能領域の屈折率の実質的な制御を可能にする十分な応答の大きさを得ることができるように選択される。用途の中には、バイアス成分が駆動成分よりも少なくとも１桁大きい場合もある。更に別の用途では、特に変調出力信号が望ましい用途では、バイアス成分はＤＣ電圧から成り、駆動成分はＡＣ駆動信号から成る。別個のバイアス電圧又はバイアス制御信号のどちらが本発明による光学的機能領域を制御する手段として用いられるかには係わらず、光学的機能領域を組み込んだ導波路デバイスを動作させるために必要な制御信号を供給するように構成されたコントローラを設けることに、明確な利点がある。実際に、本発明の一実施形態では、コントローラは、ＲＦ制御信号を供給するように構成され、高い度合いの方位移動性によって特徴付けられるクラッディングの光学的機能領域は、前記制御信号の周波数で、実質的に配向状態と実質的に等方性状態との間で遷移する。このように、導波路デバイスは、ＲＦ変調光出力信号を発生するように構成されている。上述したように、極性調整されておらず、実質的に等方性のポリマ・クラッディング媒体は、本発明による使用に最も適している。加えて、本発明によるクラッディング媒体は、受動的に、実質的に配向状態から実質的に等方性状態に遷移できなければならない。特に、それらの光学的機能領域における使用が、実質的に配向状態への能動的な遷移を伴う場合に、遷移が可能である必要がある。その結果、本発明は、光学的機能領域が受動的に、約１秒未満、更に好ましくは１ミリ秒未満で、実質的に配向状態から実質的に等方性状態に遷移することを可能にするのに十分な程度の発色団移動性によって特徴付けられるポリマ／発色団混合物から成るクラッディング媒体を使用することを意図している。加えて、極性調整していない、実質的に等方性のポリマ・クラッディング媒体を利用する場合、発色団移動性の度合いも、適宜の制御信号の印加の下において、実質的に等方性状態から実質的に配向状態への遷移を可能にするのに十分でなければならない。
【００２９】
クラッディング媒体の物理的安定性も考慮する必要がある場合がある。その場合、クラッディング媒体内に可塑剤を混和させるか、又はクラッディング媒体の有効ガラス遷移温度が素子の動作温度未満であることを確保することのいずれかによって、本発明によるクラッディング媒体に、容認できる程度の発色団移動性及び物理的安定性を与えることが好適である。有効ガラス遷移温度ＴＧが約１２０℃未満、そして２０℃以下という低さによって特徴付けられるクラッディング媒体が、本発明によって得ることが可能である。本発明を実施する者には認められようが、有効ガラス遷移温度ＴＧが室温に近いか、室温未満か、又は室温（例えば、２５℃）よりもわずかに高いクラッディング媒体では、導波路を高温（即ち、１００℃よりも高い温度）に維持することに伴う多くの設計上の制約が解消する。
【００３０】
また、クラッディング媒体内に適当な溶剤を加えることによって、本発明によるクラッディング媒体に、容認可能な程度の発色団移動性を与えてもよい。発色団及び母材のポリマを含むポリマ・クラッディング媒体の場合、適した溶剤は発色団及びポリマ双方を溶融する。多くの場合、このような溶剤の使用によって、室温又はその付近で適当な素子動作温度が得られる。
温度制御は、デバイスを所定の動作温度に維持するように構成されたデバイス・コントローラの使用によって実現することができる。例えば、クラッディング媒体が所定の有効ガラス遷移温度ＴＧによって特徴付けられる場合、温度コントローラを用いて、動作温度を有効ガラス遷移温度ＴＧよりも高く維持することができる。
【００３１】
図１に示したマッハ・ゼンダー干渉計の構成を参照すると、ここでは方向性結合領域の形態の光信号スプリッタ及びコンバイナとして本発明を例示するが、本発明は、光信号分割及び合成のために開発された従来の構造又は適した構造であればその任意のものを利用可能である。例えば、光信号を分割及び合成するのに適した別の構造には、２×２又は１×２の方向性結合領域、１×２のＹ信号スプリッタ／コンバイナ、１×２のマルチモード干渉エレメント・スプリッタ／コンバイナ、２×２マルチモード干渉エレメント・スプリッタ／コンバイナが含まれる。これらの構造の具体的な設計パラメータは、本発明の技術的思想の範囲ではなく、既存の情報源又は開発中の情報源から拾い集めることができる。
【００３２】
更に図１に示すマッハ・ゼンダー干渉計構成を参照すると、第１及び第２光導波路アーム１２、１４の光学的機能領域は、アーム１２、１４の第１及び第２光学的機能部３２、３４への制御信号の印加がない場合、第１及び第２光学的機能部３２、３４は光信号合成領域１８において第１及び第２光導波路アーム１２、１４におけるそれぞれの光信号間にπ／２の位相差を生じさせるように配置することができる。このように、信号合成領域１８において最大の位相差πを生じさせるためには、アーム１２、１４の一方に追加のπ／２の位相シフトを生じさせるだけでよい。同様に、他方のアームに誘発されたπ／２の位相シフトは、信号合成領域１８において、位相差を生じない。
【００３３】
本発明を説明する目的上、「光」又は「光信号」の波長は、電磁スペクトルのいずれの特定の波長又は部分にも限定されない。むしろ、「光」及び「光信号」という用語は、本明細書全体を通じて相互交換可能に用いられ、異なる主題の集合を包含することを意図しておらず、ここでは光導波路内を伝搬可能な電磁放射線の任意の波長を包含するものとする。例えば、電磁スペクトルの可視及び赤外部分における光及び光信号は、双方共、光導波路内を伝搬することができる。光導波路は、適宜の信号伝搬構造であれば、任意のものを利用することができる。光導波路の例には、光ファイバ、スラブ導波路、及び、例えば、集積光回路において用いられる薄膜が含まれる。
【００３４】
光導波路コア２０の屈折率は、デバイス１０の動作温度では、周囲のクラッディング３０のそれよりも多少高い。それ故、導波路デバイス１０は、光信号を誘導するのに非常に適している。本発明の一実施形態によれば、クラッディング３０よりも屈折率が０．７％高いドープ・シリカ導波路コア２０を利用する。このコアは、閉じ込めに優れ、しかも光の一部をクラッディング内に伝搬させる。コアとクラッディングとの間の屈折率の差を０．３５％まで低下させると、光信号の閉じ込めが一層緩和され、より多くの光がクラッディング内を伝搬するようになる。受動導波路コア及び光電クラッディングを有する構成では、屈折率差が小さい程、光電相互作用の効率が高くなる。更に、０．３％〜１％の間の屈折率の差は、導波路のわずかな屈曲による光損失の虞れがなく、導波路の構造に一層適している。
【００３５】
図８を参照すると、本発明による導波路デバイスは、遠隔通信又はその他の種類の光ネットワーク５０に用いられることがわかる。本発明による光ネットワーク５０は、とりわけ、１つ以上の送信機５２及び受信機５４、光伝送線のネットワーク５６、種々の光構成部品５８、及び本発明による１又は複数の導波路デバイス６０を備えることができる。ネットワーク５０は、更に、電気又はその他の非光学的な構成部品及び伝送線（図示せず）も備えることができる。光送信機５２は、光信号を送信するように構成されている。図の明確さを失わないために、単一のブロック・エレメントを参照すれば、光ネットワークにおいて一般に利用される種々の光構成部品が例示されており、例えば、光スイッチ、増幅器、カプラ、再生器、フィルタ等を含むことができる。
【００３６】
導波路デバイス６０の完全自動動作又は操作者のコマンドに応答した動作を可能にするために、コントローラ７０が設けられている。コントローラ７０は、各導波路デバイス６０の光学的機能領域に印加する制御信号を確立し制御するように構成されている。また、コントローラは、導波路デバイス又は光ネットワーク５０の動作温度又はその他の動作パラメータを制御するのを補助するために利用することもできる。ここに記載した本発明の様々な実施形態は、機能性光電クラッディングを用いて屈折率に作用させることを目的とする。しかしながら、ここに記載した実施形態の多くは、機能性クラッディングの有無には係わらず、機能的光電導波路コアにも適用可能である。
【００３７】
尚、「好ましくは」、「一般に」、及び「通常」というような用語は、ここでは、特許請求する発明の範囲を限定するためや、ある特徴が特許請求する発明の構造又は機能にとって重大、必須、又は重要であることさえ暗示するために利用されているのではない。逆に、これらの用語は、単に、本発明の特定的な実施形態において利用してもしなくてもよい、代替的又は付加的な特徴を強調することを意図するに過ぎない。
本発明を説明し規定する目的のために、「実質的（ほぼ）」という用語は、任意の定量的比較、値、測定値、又はその他の表現に帰することができる不確実性の固有の度合いを表すためにここでは利用されている。また、「実質的」という用語は、定量的表現が、問題の主題の基本的機能の変化を生ずることなく、詳述した基準から変動し得る度合いを表すために、ここでは利用されている。
【００３８】
以上、詳細に、そして具体的な実施形態を参照しつつ本発明について説明したが、添付した特許請求の範囲に規定されている本発明の範囲から逸脱することなく、変更や変形が可能であることは明白であろう。更に具体的には、本発明の態様の一部は、ここでは、好ましい、又は特に有利なものとして特定したが、本発明はかならずしも本発明のこれらの態様に限定される訳ではない。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態による導波路デバイスを三次元で示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による導波路デバイスの模式図を断面斜視図で示す図である。
【図３】出力強度が本発明による導波路信号に印加する制御信号の大きさの関数として変動する様子を示すグラフである。
【図４】出力強度が本発明による導波路信号に印加する制御信号の大きさの関数として変動する様子を示すグラフである。
【図５】出力強度が本発明による導波路信号に印加する制御信号の大きさの関数として変動する様子を示すグラフである。
【図６】本発明による導波路デバイスの導波路コアの寸法に対する、光信号の強度分布を示す図である。
【図７】本発明による導波路デバイスの導波路コアの寸法に対する、光信号の強度分布を示す図である。
【図８】本発明による導波路デバイスを含む光ネットワークを示す図である。
【図１】
2006506688.tif 000017
【図２】
2006506688.tif 000018
【図３】
2006506688.tif 000019
【図４】
2006506688.tif 000020
【図５】
2006506688.tif 000021
【図６】
2006506688.tif 000022
【図７】
2006506688.tif 000023
【図８】
2006506688.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成17年7月22日(2005.7.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路コアと、該光導波路コアに光学的に結合されたクラッディングと、コントローラとを備えている導波路デバイスにおいて、
前記クラッディングは、屈折率を規定する光学的機能領域を含み、
前記コントローラは、前記光学的機能領域に制御信号を供給するよう構成されており、
前記制御信号は、該制御信号の供給により、前記クラッディングの前記光学的機能領域を実質的な等方性状態から実質的な配向状態に遷移させるに十分な大きさを有しており、
前記クラッディングの前記光学的機能領域は、前記制御信号の変化に応じて変化する屈折率を有しており、
前記制御信号の供給による前記光学的機能領域の前記屈折率の変化は、カー効果から得られる電子光学的応答特性によって得られる
ことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、
前記カー効果から得られる電子光学的応答特性は、該光学的機能領域に印加される制御電圧に応答して、前記光学的機能領域を伝搬する光信号に位相シフトΔφが生じるようにするものであり、
前記制御信号の大きさが連続的増分で増加するに連れて、１８０゜の連続的な位相シフトΔφを前記光信号内に生じさせ、
前記制御信号の前記大きさが増大するに連れて、前記連続増分の大きさが減少する
ように構成されていることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項３】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記クラッディングは、極性調整されていない、実質的に等方性のポリマ・クラッディング媒体によって画定される光学的機能領域を含むことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項４】
請求項３記載の導波路デバイスにおいて、
前記コントローラは、前記クラッディングの前記光学的機能領域にＲＦ変調制御信号を供給するよう構成されたＲＦ変調コントローラからなり、
前記ポリマ・クラッディング媒体は、所定の発色団移動性を有し、
前記発色団移動性の程度は、前記ＲＦ制御信号の周波数の下で、前記光学的機能領域が実質的な配向状態から実質的な等方性状態に遷移することを可能にするのに十分な程度である
ことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項５】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、
前記制御信号は、バイアス成分と駆動成分とからなり、
前記バイアス成分は、前記駆動成分の変動によって、前記光学的機能領域の前記屈折率の制御を可能とするのに十分な大きさを有している
ことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項６】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記クラッディング媒体の前記光学的機能領域は、可塑性のポリマ／発色団混合物を含むことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項７】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記クラッディング媒体の前記光学的機能領域は、可塑性のポリマ／発色団混合物を含み、該混合物は、該混合物内で
発色団成分の移動性を促進する溶剤を含んでいることを特徴とする導波路デバイス。
【請求項８】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、
前記導波路デバイスは更に、該デバイスを所定の動作温度に保持するように制御する温度コントローラを備えており、
前記クラッディングの前記光学的機能領域は、前記デバイスの前記所定の動作温度よりも低い有効ガラス遷移温度によって特徴付けられる
ことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項９】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、前記クラッディングの前記光学的機能領域の前記屈折率は、該光学的機能領域の有効ガラス遷移温度よりも高い温度において、前記光導波路コアの前記屈折率よりも低いことを特徴とする導波路デバイス。
【請求項１０】
請求項１記載の導波路デバイスにおいて、
前記導波路デバイスは、前記導波路デバイスの入力側付近に光信号分割領域を画定するよう配置された第１光導波路アームと、前記導波路デバイスの出力側付近に光信号合成領域を画定するように配置された第２光導波路アームとを備えており、
前記光学的機能領域は、前記光信号分割領域及び前記光信号合成領域の間に配置されており、
前記光学的機能領域は、前記第１光導波路アームと関連する第１光学的機能部と、前記第２光導波路アームと関連する第２光学的機能部とを備えている
ことを特徴とする導波路デバイス。
【国際調査報告】
2006506688.tif 000025
2006506688.tif 000026
2006506688.tif 000027