(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体による電気光学効果を用いた光スイッチングにより偏向角を切り替える光偏向素子の偏向角を所定の偏向角度に切り替える際に、前記所定の偏向角度に必要な電圧よりも大きな電圧を印加したのち、前記所定の偏向角度に必要な電圧に戻すことによって、前記強誘電体の有するヒステリシスのマイナーループを用いてヒステリシスの影響を小さくすることを特徴とする強誘電体を用いた光偏向素子の制御方法。
【請求項２】
上記偏向角度に必要な直流電圧に振幅減衰する脈流電圧を重畳することを特徴とする請求項１記載の強誘電体を用いた光偏向素子の制御方法。
【請求項３】
複数の入力ポートと複数の出力ポートを備えた光伝送システムにおいて、少なくとも個々の入力ポートに対応する強誘電体からなる光偏向素子を備えるとともに、前記光偏向素子の偏向角を所定の偏向角に切り替える際に、前記所定の偏向角度に必要な電圧よりも大きな電圧を印加したのち、前記所定の偏向角度に必要な電圧に戻すことによって、前記強誘電体の有するヒステリシスのマイナーループを用いてヒステリシスの影響を小さくする電圧印加手段を備えたことを特徴とする光伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は強誘電体を用いた光偏向素子の制御方法及び光伝送システムに関するものであり、特に、高速・大容量の信号を伝送する光通信システムにおいて複数の入力ポートと複数の出力ポートとの間で光信号の伝送先を切り替えるために用いる強誘電体を用いた光偏向素子を安定に駆動するための印加電圧波形に特徴のある強誘電体を用いた光偏向素子の制御方法及び光伝送システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の通信需要の飛躍的な増大に伴い、波長の異なる複数の信号光を多重化することで一本の光ファイバで伝送する波長多重化（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｔｉｐｌｅｘ）技術と相まって高速且つ大容量化が進んでいるが、基幹通信ネットワークにおける光ファイバ網のハードウエアのインフラを構築するためには、光信号の伝送先を切り替えるための光偏向素子が必要になる。
【０００３】
従来、この様な光偏向素子としては、半導体加工技術で構成した機械式のマイクロミラーが用いられていたが、近年の大容量化に伴う高集積化の要請に応えるために、強誘電体を用いた光偏向素子が開発されている。
【０００４】
この様な強誘電体を用いた光偏向素子においては、ポートを切り替えるために光偏向素子の偏向角を切り替える際に、所定の偏向角に必要なミリ秒（ｍｓ）オーダーの電圧をステップ状に印加している。
【０００５】
図５参照
図５は強誘電体を用いた光偏向素子の概略的平面図であり、底辺の長さがＷ、高さがＬの上部電極３２を設けた領域がプリズム型光偏向素子となり、この上部電極３２と強誘電体層３１の裏面に形成した下部電極との間に電圧を印加すると、電気光学効果により強誘電体層２１の屈折率ｎがΔｎだけ減少しプリズム斜面からの出射光は、スネルの法則によって、
（ｎ−Δｎ）×ｓｉｎα＝ｎ×ｓｉｎβ＝ｎ×ｓｉｎ（α−θ1 ）
の関係で偏向されることになる。
【０００６】
なお、θ1 が充分に小さい場合には、ｓｉｎθ1 ≒θ1 、ｃｏｓθ1 ≒１となり、ｔａｎα＝Ｌ／Ｗであるので、
θ1 ≒（Δｎ／ｎ）×（Ｌ／Ｗ）
で近似される。
【０００７】
そして、この偏向した光が強誘電体層３１から出射されるときに、強誘電体層３１の屈折率ｎと外部（例えば、大気中）の屈折率の差によって再び出射角θ2 に偏向され、最終的にはこのθ2 が偏向角Δθとなる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、強誘電体を用いた光偏向素子の場合は、印加電圧と偏向角がヒステリシス特性となるため、偏向角変更後に光軸合わせのための微調整をする際に、屈折率の変化は電圧の増加側と減少側で大きく異なり、このため、微調整が難しいといった問題がある。
【０００９】
図６参照
図６は、強誘電体における屈折率−電圧特性図であり、特性図に示すようにバタフライ型のヒステリシス特性となり、プラス側とマイナス側、即ち、電圧の増加側と減少側とで非対称な特性となっている。
【００１０】
即ち、屈折率変化Δｎは1 次の電気光学効果では、印加電界に比例するが、2 次の電気光学効果では印加電界の２乗に比例し、図６に示すように、屈折率−電圧特性はバタフライカーブを描き、ヒステリシスループを持つ。
【００１１】
図から明らかなように、プラス側の電圧を上昇させたときの往路にくらべ、マイナス側の電圧を降下させたときの復路の屈折率変化量はそのときの最大印加電圧により異なることになる。
【００１２】
したがって、本発明は、屈折率−電圧特性に基づく印加電圧−偏向角特性におけるヒステリシスの影響を低減することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
ここで、図２を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明するが、図２は本発明の実施の形態における印加電圧の一例を示す波形図である。
図２参照
上記の課題を解決するために、本発明は、強誘電体を用いた光偏向素子の制御方法において、強誘電体による電気光学効果を用いた光スイッチングにより偏向角を切り替える光偏向素子の偏向角を所定の偏向角度に切り替える際に、前記所定の偏向角度に必要な電圧Ｖよりも大きな電圧（Ｖ＋ΔＶ）を印加したのち、前記所定の偏向角度に必要な電圧Ｖに戻すことによって、前記強誘電体の有するヒステリシスのマイナーループを用いてヒステリシスの影響を小さくすることを特徴とする。
【００１４】
この様に、あらかじめ偏向角に必要な電圧以上の電圧を印加したのち、電圧を下げることによって光偏向素子を構成する強誘電体の屈折率を制御することにより、微調整をヒステリシスのマイナーループを用いて行うことができ、これにより強誘電体のヒステリシスループの影響を小さくすることが可能となる。
【００１５】
また、この場合の所定の偏向角度に必要な電圧よりも大きな電圧の最大値としては、所定の偏向角度に必要な電圧の１．２倍〔＝（Ｖ＋ΔＶ）／Ｖ〕以上の電圧であることが望ましく、それによって、精度の高い微調整が可能になる。
【００１６】
また、所定の偏向角度に必要な電圧よりも大きな電圧の印加方法としては、所定の偏向角度に必要な電圧Ｖに対し、印加初期にΔＶのパルス電圧を重畳しても良いし、或いは、振幅減衰する交流電圧または振幅減衰する周期的パルス電圧等の振幅減衰する脈流電圧を印加すれば良い。
【００１７】
また、この様な光偏向素子の制御方法を光伝送システムに組み込むことによって、光信号の伝送先の切替えを高速に行うことができるとともに、光中継器の構成を小型化・大容量化することが可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
ここで、図１及び図２を参照して、本発明の第１の実施の形態の光偏向素子の制御方法を説明するが、まず、図１を参照して本発明の実施の形態に用いる光偏向素子の構成を説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）参照
図１（ａ）は、本発明の実施の形態に用いる光偏向素子の概略的平面図であり、また、図１（ｂ）は、概略的断面図であり、図示を省略しているが、実際には、複数の入力ポート、共通導波路、及び、出力ポート等とともに光スイッチを構成している。
【００１９】
まず、ＮｂドープＳｒＴｉＯ3 基板１１上に、パルス・レーザ堆積法を用いて（Ｐｂ0.91Ｌａ0.09）（Ｚｒ0.65Ｔｉ0.35）Ｏ3 からなる、厚さが、例えば、１μｍのクラッド層１２、及び、Ｐｂ（Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48）Ｏ3 からなる、厚さが、例えば、２μｍのコア層１３を順次堆積させる。
なお、この場合、（Ｐｂ0.91Ｌａ0.09）（Ｚｒ0.65Ｔｉ0.35）Ｏ3 の屈折率ｎPLZTはｎPLZT＝２．４５であり、Ｐｂ（Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48）Ｏ3 の屈折率ｎPZT はｎPZT ＝２．５５であるので、導波路構造が形成されることになる。
【００２０】
次いで、ＮｂドープＳｒＴｉＯ3 基板１１の裏面にＴｉ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜を順次堆積させて下部電極１４とするとともに、コア層１３の表面にメタルマスクを通して厚さが、例えば、２００ｎｍのＩＴＯ透明導電膜を形成してプリズム状の上部電極１５を形成することによって、プリズム状の上部電極１５に対応する部分が、プリズム型光偏向素子として機能することになる。
【００２１】
図２参照
図２は、本発明の第１の実施の形態における印加電圧の波形図であり、所定の偏向角の切替えに必要な直流電圧ＶにΔＶのパルス電圧を重畳したものであり、一度大きな電圧（Ｖ＋ΔＶ）印加したのち、所望の電圧Ｖとすることにより復路の屈折率変化を利用して制御を行うものである。
【００２２】
即ち、上述のように、2 次の電気光学効果では印加電界の２乗に比例するので、屈折率−電圧特性はバタフライカーブを描き、ヒステリシスループを持つため、図２に示した電圧を印加することによって、微小制御時のヒステリシスの影響を少なくすることができる。
【００２３】
次に、図３を参照して、本発明の第２の実施の形態の光偏向素子の制御方法を説明する。
図３参照
図３は、本発明の第２の実施の形態の光偏向素子の制御方法における印加電圧の波形図であり、所定の偏向角の切替えに必要な直流電圧Ｖに最大振幅がΔＶで振幅減衰する交流電圧を重畳したものである。
【００２４】
この様に、振幅減衰する交流電圧を重畳することによってヒステリシス幅を小さくすることができ、それによって、偏向角を切り替えたあとの微小変動時におけるヒステリシスの影響を小さくすることができる。
【００２５】
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態に用いる他の光偏向素子の構成を説明する。
図４（ａ）及び（ｂ）参照
図４（ａ）は、本発明の実施の形態に用いる他の光偏向素子の概略的平面図であり、また、図４（ｂ）は、概略的断面図であり、図示を省略しているが、実際には、複数の入力ポート、共通導波路、及び、出力ポート等とともに光スイッチを構成している。
【００２６】
まず、ＮｂドープＳｒＴｉＯ3 基板２１上に、パルス・レーザ堆積法を用いて（Ｐｂ0.91Ｌａ0.09）（Ｚｒ0.65Ｔｉ0.35）Ｏ3 からなる、厚さが、例えば、１μｍの下部クラッド層２２、Ｐｂ（Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48）Ｏ3 からなる、厚さが、例えば、２μｍのコア層２３、及び、（Ｐｂ0.91Ｌａ0.09）（Ｚｒ0.65Ｔｉ0.35）Ｏ3 からなる、厚さが、例えば、１μｍの上部クラッド層２４を順次堆積させる。
【００２７】
次いで、ＮｂドープＳｒＴｉＯ3 基板２１の裏面にＴｉ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜を順次堆積させて下部電極２５とするとともに、上部クラッド層２４の表面にメタルマスクを通して厚さが、例えば、２００ｎｍのＩＴＯ透明導電膜を形成してプリズム状の上部電極２６を形成することによって、プリズム状の上部電極２６に対応する部分をプリズム型光偏向素子としたものである。
【００２８】
この光偏向素子においては、コア層２３を上部クラッド層２４と下部クラッド層２２で挟んだスラブ型導波路となっているので、図１に示した光偏向素子に比べて光の導波損失を少なくすることができる。
【００２９】
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明は実施の形態に記載した構成に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記実施の形態の説明においては、強誘電体として（Ｐｂ0.91Ｌａ0.09）（Ｚｒ0.65Ｔｉ0.35）Ｏ3 （ＰＬＺＴ）及びＰｂ（Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48）Ｏ3 （ＰＺＴ）を用いているが、組成比としては他の組成比のＰＬＺＴ及びＰＺＴを用いても良いものであり、所定の屈折率差が形成でき、且つ、所定の屈折率変化が得られるものであれば良い。
【００３０】
また、強誘電体はＰＺＴ／ＰＬＺＴに限られるものではなく、ＳＢＴ（ＳｒＢｉ2 Ｔａ2 Ｏ9 ）等の他の公知の強誘電体を用いても良いものである。
【００３１】
また、上記の第２の実施の形態においては、振幅減衰する交流電圧を印加しているが、必ずしも交流電圧である必要はなく、振幅減衰する周期的なパルス電圧を印加しても良いものである。
【００３２】
また、上記の各実施の形態においては、単体の光偏向素子として説明しているが、単体部品として使用することも可能であるが、通常は、複数の入出力ポート及び共通導波路を備えた光スイッチに組み込まれて使用されるものである。
【００３３】
また、この様な光偏向素子における偏向角Δθはあまり大きくないので、多段にして用いても良いものであり、それによって、離れた対向位置にある出力ポートへの偏向が可能になる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、強誘電体を用いた光偏向素子の偏向角を切り替える際に、偏向角の切替えに必要な電圧以上の電圧を印加したのち、必要な電圧まで降下させているので、屈折率−電圧特性のヒステリシスの影響を少なくすることができ、それによって、精度の高い微調整が可能になり、ひいては、高速・大容量光通信網の発展に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に用いる光偏向素子の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における印加電圧の波形図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態における印加電圧の波形図である。
【図４】本発明の実施の形態に用いる他の光偏向素子の説明図である。
【図５】プリズム型光偏向素子の説明図である。
【図６】強誘電体における屈折率−電圧特性の説明図である。
【符号の説明】
１１  ＮｂドープＳｒＴｉＯ3 基板
１２  クラッド層
１３  コア層
１４  下部電極
１５  上部電極
２１  ＮｂドープＳｒＴｉＯ3 基板
２２  下部クラッド層
２３  コア層
２４  上部クラッド層
２５  下部電極
２６  上部電極
３１  強誘電体層
３２  上部電極
【図１】
0003925212.tif 000002
【図２】
0003925212.tif 000003
【図３】
0003925212.tif 000004
【図４】
0003925212.tif 000005
【図５】
0003925212.tif 000006
【図６】
0003925212.tif 000007