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JPH0250451B2 - - Google Patents

Info

Publication number
JPH0250451B2
JPH0250451B2 JP60179233A JP17923385A JPH0250451B2 JP H0250451 B2 JPH0250451 B2 JP H0250451B2 JP 60179233 A JP60179233 A JP 60179233A JP 17923385 A JP17923385 A JP 17923385A JP H0250451 B2 JPH0250451 B2 JP H0250451B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fiber
optical
block
fibers
switchable
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
JP60179233A
Other languages
English (en)
Other versions
JPS6159305A (ja
Inventor
Ei Paburasu Jooji
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Original Assignee
Litton Systems Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Litton Systems Inc filed Critical Litton Systems Inc
Publication of JPS6159305A publication Critical patent/JPS6159305A/ja
Publication of JPH0250451B2 publication Critical patent/JPH0250451B2/ja
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
    • G02B6/354—Switching arrangements, i.e. number of input/output ports and interconnection types
    • G02B6/3544—2D constellations, i.e. with switching elements and switched beams located in a plane
    • G02B6/3546—NxM switch, i.e. a regular array of switches elements of matrix type constellation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/2804—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers
    • G02B6/2821—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using lateral coupling between contiguous fibres to split or combine optical signals
    • G02B6/2826—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using lateral coupling between contiguous fibres to split or combine optical signals using mechanical machining means for shaping of the couplers, e.g. grinding or polishing
    • G02B6/283—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using lateral coupling between contiguous fibres to split or combine optical signals using mechanical machining means for shaping of the couplers, e.g. grinding or polishing couplers being tunable or adjustable
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching
    • G02F1/313—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure
    • G02F1/3131—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure in optical fibres

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明は一般に、一方の光フアイバから他方
の光フアイバへ光信号を結合させるための装置お
よび方法に関する。特定的には、この発明はエバ
ネセントフイールド結合によつて一方のフアイバ
から他方へ光信号を結合させるための光フアイバ
結合器に関する。さらに特定的には、この発明は
一方の光フアイバから他方への光信号の結合を電
気的に制御するための装置および方法に関する。
単一モードの光フアイバ結合器は典型的には一
方のフアイバによつて入力された光の部分または
全部が他方のフアイバに結合され、そこから遠ざ
つて伝搬する相互作用領域を有する１対の光フア
イバを備える４ポート装置である。相互作用領域
へ伝搬する方向はフアイバ間における光の結合量
に何ら影響を及ぼさない。しかし、光は順方向ま
たは伝搬方向においてのみ結合し、それにより２
つのフアイバの隣接する端部間での逆方向の結合
は生じない。
光フアイバはコアとクラツドとを備え、クラツ
ドの屈折率はコアのそれよりも小さくされてい
る。クラツドは屈折率を単一段階的に減少させる
か、またはクラツドは異なる屈折率を有する物質
の複数個の層で構成され、フアイバのコアの端部
からの距離が増大するにつれ屈折率がいくつかの
傾斜的な減少を生じさせるようにされている。段
階型（ステツプ型）または傾斜型（グレーテツド
型）の屈折率のフアイバの両方において、光が実
質的にコア内を伝搬する。なぜなら、コアークラ
ツドの界面における内部全反射により光がコアか
ら境界層を横切つてクラツド層へ進入するのが防
止されるからである。しかし、マスクウエルの方
程式を解き、かつ適当によく知られた境界条件を
コアークラツド界面に対して垂直および接線方向
の電場成分に対し与えることにより、半径が増大
するとともに指数関数的に減少する電磁場はクラ
ツド内を伝搬するという結果が得られる。光フア
イバ技術における当業者は、通常この指数関数的
に減少する電磁場をエバネセントフイールドと呼
んでいる。
第１のフアイバ内を伝搬する光のエバネセント
フイールド内に第２のフアイバが存在する場合、
光は第１のフアイバから第２のフアイバへと結合
することはよく知られている。この単一モードの
結合器の相互作用領域は典型的には、クラツドの
部分がフアイバを研削および研磨によつて除去さ
れるかまたは撚り合わされたフアイバの或る長さ
を化学的にエツチングすることにより除去された
フアイバの長さ部分を含む。２つの研磨されたフ
アイバを互いに隣接して配置することによつて形
成される結合器に光が入力するとき、結合量は、
フアイバの伝搬定数、相互作用領域の長さおよび
フアイバのコア間の距離に依存する。
フアイバの取扱い性および除去されるクラツド
の量の制御性を容易にするために、フアイバは通
常溶融石英ガラスで形成される適当な基板内の曲
面状の溝内に載置される。基板はフアイバの凸面
状に外側を向く部分に隣接するように研磨され
る。基板およびフアイバは研磨され、光学的に平
坦にされる。典型的には、この研磨速度は知られ
ており、クラツドが除去されるべき深さは研磨過
程の時間を測定することにより制御される。
すべてフアイバで構成される結合器は低挿入損
失を有するようにされている。しかし、先行技術
のすべてのフアイバからなる結合器は一方の光フ
アイバから他方への信号の結合を制御することに
対し切換可能ではない。単一モードの応用におい
て用いられるのに適当な切換不可能な光フアイバ
の方向性結合器は、Bergh，KotlerおよびShaw
により、エレクトロニクスレターズ
（Electronics Letters）のVol.16，No.７，３月，
1980年の260頁ないし261頁に開示されている。従
来は切換不可能なため、すべて光フアイバからな
る結合器は通信システムや切換性が本質的である
他の応用において限定的な使用がみられるのみで
あつた。
光結合器の他の型は、２つのインテグレーテツ
ドオプテイクスの平行なストリツプ型の光導波路
を用いている。いくつかのインテグレーテツドオ
プテイクス結合器はDCから多くのギガヘルツ速
度まで切換可能である。しかし、このような結合
器は平行ストリツプ導波路と光フアイバとの間の
接続において高い挿入損失を有している。望まし
くない信号の減衰を避けるためには、低挿入損失
が望ましい。挿入損失は特定的には２つまたはそ
れ以上結合器を連続して伝搬するようなスイツチ
ングシステムにおいて重要である。インテグレー
テツドオプテイクスの平行ストリツプ型光学結合
器はKogelnicおよびSchmidtにより、IEEE，ジ
ヤーナルオブクアンタムエレクトロニクス
（Journal of Quantun Electronics），Vol.QE−
12，No.７，７月，1976年の396頁ないし401頁に開
示されている。
発明の概要 この発明は、従来用いられている光結合器の使
用に関連する困難を、一方のフアイバから他方の
フアイバへと結合する光信号の割合を制御するた
めに電子的に切換可能な全フアイバ結合器を提供
することにより、克服するものである。この発明
の切換可能な光フアイバ結合器は、１対の切換可
能な半結合器を含む。各々の切換可能な半結合器
は、好ましくは溶融石英ガラスで形成され、かつ
そこに曲面状の溝を有する基板を含む。光フアイ
バは曲面状の溝内に配置され、基板は研磨され、
溝とクラツドの一部分が除去されて相互作用領域
を形成する光フアイバの一部分とを含む光学的に
平坦な表面を有するようにされる。基板の相互作
用領域と反対側の端面には孔または空隙が形成さ
れる。この孔は相互作用領域と反対側のフアイバ
のクラツドへと侵入し、それにより、たとえば電
気−光学的に活性な結晶のような外部から与えら
れる電磁場に応答して変化する屈折率を有する相
互作用物質がフアイバに隣接して基板内に載置さ
れる。この発明はまた電気−光学的に活性な結晶
に隣接して配置され、適当な電磁場がそこに印加
され、その物質の屈折率を変化させるためのたと
えば電極である手段を含む。
２つの半結合器は互いに対向するように配置さ
れ、それによりフアイバのコアの部分を含む光学
的に平らな表面が隣接する。このフアイバは互い
にエバネセントフイールド結合により結合され、
それにより始めに一方のフアイバ内を伝搬してい
る光は実質的に０から100％へと連続的に変化す
る結合効率により他方のフアイバへと結合するこ
とができる。フアイバ間の結合は、２つのフアイ
バの伝搬定数に依存する。
半結合器に対し相互作用領域の反対側に電場を
印加することにより、２つのフアイバの伝搬定数
を変化させることができる。適正に電気−光学的
に活性な結晶を配置することにより、一方のフア
イバの伝搬定数の増大と他のフアイバの伝搬定数
の減少とを同時に行なうことが可能となる。この
ような伝搬定数の制御により、結合効率を制御す
ることができる。適当な電場を半結合器に印加す
ることにより結合効率を電気的に制御することに
より、一方のフアイバから他方への光信号の選択
的な結合または切換が可能になる。
好ましい実施例の詳細な説明 第１図はコア１２とクラツド１４とを有する光
フアイバ１０を例示する図である。光フアイバ１
０は、フアイバの構造およびそこを伝搬する光の
波長によつて決定される伝搬定数βを有する。屈
折率がクラツド１４の屈折率に等しくない物質が
フアイバ１０内を伝搬する光のエバネセントフイ
ールド内に配置されると、フアイバ１０の伝搬定
数は新しい値β′に摂取される。第２図は、クラツ
ド１４へ突出してて伝搬定数を摂動するための屈
折率ｎを有する相互作用物資１６を有するフアイ
バ１０を示す図である。フアイバ１０の伝搬定数
はその非摂動値から減少または増大する。第３図
は相互作用物質１６の屈折率が電圧の関数ｎ（Ｖ）
で与えられ、伝搬定数β′が電圧の関数β′（Ｖ）と
なる場合を示す図である。ここで電圧は相互作用
物質に与えられる。電圧が制御されると、フアイ
バ１０の伝搬定数をその制御状態を知りながら変
化させることができる。
第４図ないし第６図はこの発明に従う切換可能
な光フアイバ結合器２０を示す図である。光フア
イバ結合器２０は１対の光フアイバ２１および２
４を含む。光フアイバ２１は、その周囲を取囲む
クラツド２３を有するコア２２を備え、光フアイ
バ２４はコア２５とその周りを取囲むクラツド２
６を有する。光フアイバ２１および２４はそれぞ
れ１対の曲面状の溝２７および２８内に載置さ
れ、溝２７および２８はそれぞれ１対の基板３０
および３２内に形成される。単純化のために、基
板３０および３２は一般的に長方形の表面を有す
るように示される。第５図および第６図は例示を
明解にするために、誇張された割合で示されてい
る。２つのフアイバ２１および２４は好ましくは
単一モードの電磁エネルギを伝搬するように形成
される。このような単一モードの光フアイバはこ
の技術分野においてよく知られている。１対の曲
面状の溝２７および２８は好ましくは１対の基板
３０および３２の光学的に平坦で対向する表面に
それぞれ形成される。溝２７内に載置されるフア
イバ２１を有する基板３０は半結合器３４を備
え、溝２８内に載置されるフアイバ２４を有する
基板３２は半結合器３６を備える。
曲面状の溝２７および２８はそれぞれ好ましく
はフアイバ２１および２４の直径と比較して非常
に大きな曲率半径を有する。溝２７，２８の幅は
フアイバ２１，２４の直径よりも少し大きく、フ
アイバ２１および２４がそこに載置されたとき、
溝２７および２８の底壁によつて規定される通路
にそれぞれ固定される。溝２７および２８の深さ
はそれぞれ基板３０および３２の中心部における
最小値からそれらの端部における最大値まで変化
する。溝の深さに変化があることにより、光フア
イバ２１および２４が溝２７および２８にそれぞ
れ載置されたとき、中心に向つて徐々に収束し、
かつ基板３０，３２の端部に向つて発散し、それ
によりモードの摂動を介してのパワー損失を生じ
させるフアイバ２１および２４の方向における急
峻な曲がりや突然の変化を除去することができ
る。溝２７および２８は断面が長方形であるが、
フアイバ２１，２４を収容することができるＵ型
またはＶ型のような他の適当な断面形状を使用し
てもよいことは理解されるであろう。
示される実施例における基板３０，３２の中心
部において、フアイバ２１，２４がそれぞれ載置
される溝２７，２８の深さは、半結合器３４，３
６がそれぞれ形成された後のフアイバ２１，２４
の直径よりも小さくなる。基板３０，３２の端部
において、溝２７，２８の深さは好ましくは少な
くともそれぞれフアイバ２１，２４の直径と同一
である。光フアイバ物質はフアイバ２１，２４の
それぞれからたとえば研磨によつて除去され、基
板３０，３２のそれぞれの対応する表面３３，３
５と同一平面上にある一般的に楕円形状の平坦な
表面をクラツド２２，２５内に形成する。光フア
イバ物質が除去された表面３３，３５は相互作用
領域３８を形成する。したがつて、除去された光
フアイバ物質の量は、基板３０，３２の端部にお
ける０からそれらの中心部における最大値へと
除々に増大する。この光フアイバ物質のテーパ状
の除去により、フアイバ２１，２４が徐々に収束
および発散し、これにより逆方向の反射および過
剰な光エネルギの損失を避けることができるとい
う利点を有する。
示される実施例において、半結合器３４，３６
は実質的に同一であり、基板３０および３２の表
面を互いに対向するように配置することによつて
組立てられ、それによりフアイバ２１および２４
の対面する表面が互いに対向するように並置され
る。
光はフアイバ２１，２４間を相互作用領域３８
におけるエバネセントフイールド結合により伝達
される。適正なエバネセントフイールド結合を確
実にするために、フアイバ２１，２４から除去さ
れる物質の量が注意深く制御され、フアイバ２１
および２４のそれぞれのコア２２，２５間の距離
が予め定められた臨界領域内にあるようにしなけ
ればならないことが見出されている。フアイバ２
１，２４内を伝搬する光のエバネセントフイール
ドはそれぞれクラツド２３，２６内へと短い距離
拡がり、かつそれぞれコア２２，２５の外側にお
いて距離とともに大きさが急激に減少する。した
がつて、十分な物質が、フアイバ２１，２４のエ
バネセントフイールド間の重なりが生じるように
除去されなければならない。極めて少量の物質が
除去される場合、コア２２および２５はエバネセ
ントフイールドが所望の導波モードの相互作用を
生じさせるほど十分には近づかないであろう。す
なわち、不十分な結合が結果する。
逆に、極めて多量の物質が除去される場合、フ
アイバの伝搬特性が変化し、モード摂動による光
エネルギの損失が結果する。しかし、コア２２お
よび２５間の距離が臨界領域内にあるならば、そ
れぞれのフアイバ２１，２４は他からエバネセン
トフイールドエネルギの十分な部分を受け、有意
なエネルギ損失を生じることなく良好な結合を達
成する。臨界領域は、フアイバ２１および２４の
エバネセントフイールドが十分な強度で重なり合
い、エバネセントフイールド結合を与える領域、
すなわち、各々のコア２２，２５は他方のエバネ
セントフイールド内に存在する領域を含む。しか
し、既に示したように、コア２２，２５が互いに
極めて近接する場合、モード摂動が発生する。た
とえば、単一モードのフアイバにおけるHE11モ
ードのような弱い導波モードに対しては、フアイ
バ２１，２４から十分な物質量が除去されフアイ
バのコア２２，２５が露出するような場合にモー
ド摂動が発生し始めるということが信じられてい
る。したがつて、臨界領域はエバネセントフイー
ルドが十分な強度で重なり合つて実質的にモード
摂動により誘起されるパワー損失を生じることな
く結合を行なうことができるコア間の距離として
定義される。
特定的な結合器２０に対する臨界領域３８の範
囲は、フアイバそれ自身のパラメータや結合器２
０の幾何的配置のような多くの相互に関連する因
子に依存する。さらに、フアイバ２１および２４
が階段型（ステツプ型）の屈折率のプロフイール
を有する単一モードのフアイバである場合、臨界
領域３８は極めて狭くなる。切換可能な単一モー
ドのフアイバ結合器２０においては、相互作用領
域３８の中心部におけるフアイバ２１，２４間の
必要とする中心−中心間の距離は典型的にはコア
の直径の数倍（たとえば２−３倍）よりも小さ
い。
好ましくは、フアイバ２１および２４は、(1)互
いに同一であり、(2)相互作用領域３８において同
一の曲率半径を有し、(3)相互作用領域３８を形成
するためにそこから等量の光フアイバ物質が除去
される。したがつて、光フアイバ２１，２４は相
互作用領域３８を介してそれらの対向面の平面に
おいて対称的であり、それらは重なり合わせられ
るならば同一の拡がりを有する。それゆえ、摂動
がない場合、２つのフアイバ２１および２４は相
互作用領域３８において同一の伝搬特性を有し、
それにより同様でない伝搬特性に関連する結合の
減少を避けることができる。
さらに第４図ないし第６図を参照する。切換可
能な半結合器３４は基板２７内に相互作用領域３
８と反対側にフアイバ２０へと伸びるスロツト４
０を含む。半結合器３６は同様のスロツト（細長
い孔）４２を含む。スロツト４０および４２はそ
れぞれ、相互作用領域３８を生成するために研磨
過程において除去されたクラツドの厚みにほぼ等
しい深さにまでクラツド２２および２５へと進入
する。
結晶４４は好ましくは電気−光学的に活性な物
質で形成され、スロツト４０内に配置される。結
晶４４は結晶３８へ与えられる電圧Ｖの関数であ
る外部から与えられる電場の関数である屈折率を
有する物質で形成される。それゆえ、電気−光学
的に活性な物質の屈折率はそこに印加される電圧
の関数ｎ（Ｖ）である。スロツト４０は、結晶４
４がフアイバ２１の伝搬定数を摂動するのに十分
な距離クラツド２３へと伸びる。
電極４６が結晶４４上に配置され、そこに電場
を与える。電極４６は適当な導電体を結晶４４上
へスパツタリングすることにより形成される。電
極４６はまた金属のような適当な導電体のシート
から切り出し、次に結晶４０へ接着剤を用いて載
置されてもよい。
結晶４８は結晶４４とは同様であり、基板２８
内のスロツト４２内に載置される。結晶４８は相
互作用領域３８に隣接するクラツド２６へと拡が
る。電極５２は、電極４６と同様結晶４８に隣接
して載置される。結晶４４および４８の屈折率は
外部印加磁場がない場合には好ましくはクラツド
２２および２５の屈折率よりもわずかに小さく、
好ましくは実質的に同一である。結晶４４および
４８は好ましくは等方的であり、複屈折性であつ
てもよい。結晶４４および４８に対する適当な物
質は、５硼酸化カリウムKB5O8・4H2Oおよび２
チオン酸カリウムK2S2O6である。結晶４６およ
び４８がそれぞれ載置されるスロツト４０および
４２は便宜上基板２７および２８の光学的に平坦
な表面を互いに接着し、次に相互作用領域３８を
形成する対向表面の反対方向を向いている反対側
の対向表面５１および５３から内側へ研磨するこ
とにより形成される。
２つの半結合器３４および３６は適当な接着剤
または締具（図示せず）により互いに保持される
か、またはそれらは互いに対し所望の位置にそれ
らを保持するために適当なポツテイング材料内で
ポツテイングされる。切換可能な結合器２０は、
ただフアイバ２１および２４をそれぞれ研磨動作
中に適正な位置に保つために用いられる基板２７
および２８を備えるかまたは備えずに形成され
る。フアイバ２１および２４は研磨動作の完了後
それぞれ基板２７および２８から除去される。そ
してフアイバ２１および２４、結晶４８および４
４および電極４６および５２は切換可能な結合器
２０を形成するためにポツテイングされる。
電圧源５６は制御電圧を電極４６へ与える一
方、電極５２は接地される。結晶４４および４８
へ印加される電場は近似的に電極４６および５２
間の距離によつて割られた制御電圧にほぼ等し
い。結晶４４および４８はそれらの内の一方、た
とえば、結晶４８が相互作用領域３８の平面内で
フアイバ２１，２４に平行な直線のまわりに他方
の結晶４４に対して180度回転するようにされて
いる。この回転の結果、印加電場と整列していた
結晶４４および４８の各々の結晶軸が互いに反対
の方向を示すようになる。フアイバ２１のコア２
２は結晶４８に対するよりも結晶４４により近く
なるべきであり、同様にフアイバ２４のコア２５
は結晶４４よりも結晶４８により近くなるべきで
ある。フアイバ２１および２４ならびに結晶４４
および４８が上述のようにされているとき、電極
４６および５２に対し電位差を与えるとフアイバ
２１の伝搬定数に主として影響を与える結晶４４
の屈折率を変化させ、一方結晶５８の屈折率の変
化はフアイバ２４の伝搬定数に影響を与える。
結晶４４および４８が上述のようにされている
とき結晶４４および４８への印加電場の影響は、
一方のたとえば結晶４４の屈折率を増大させ、他
方の結晶４８の屈折率を減少させる。結晶４４お
よび４８の屈折率の非対称的な変化により、フア
イバ２１および２４の伝搬定数の非対称的な変化
が与えられる。上述のような構造配置に対して
は、フアイバ２１の伝搬定数は増大し、一方フア
イバ２４のそれは減少する。伝搬定数の非対称的
な変化はフアイバ２１と２４の間で結合する光の
量を変化させる。制御電圧の極性を反転すれば伝
搬定数の変化が反転する。
電圧の大きさおよび極性を適当に制御すること
により、フアイバ２１および２４の一方から他方
へ伝搬する光を０から100％の間の任意の割合で
選択的に切換えることができる。結合効率は、約
10ないし30ボルトの制御電圧を印加することによ
り、相互作用領域の長さＬに依存して、０から
100％の間で変化する。電極４６および５２はマ
イクロ波ストリツプ線路型導波路と同様の伝送波
の電極となる、これによりマイクロ波の周波数に
おける制御電圧の変化により極めて高い切換（ス
イツチング）速度を与えることができる。
切換可能な結合器のスイツチング特性に対する
物理的理論は、KogelnicおよびSchmidtによる、
IEEE、ジヤーナルオブクアンタムエクトロニク
ス（Journal of Quantum Electronics）のVol.
QE−12，No.７，７月，1976年において開示され
ている２つの平行なストリツプ導波路を用いた切
換えられた結合器のそれと同様であり、それゆえ
ここでは詳細には説明しない。
フアイバ２１におけるコヒーレントな光は複素
数振幅Ｒ（ｚ）によつて表わされ、フアイバ２４
におけるそれは複素数振幅Ｓ（ｚ）によつて表わ
される。フアイバ２１，２４間におけるエネルギ
交換は同一方向の結合波過程であり、以下の結合
波方程式によつて与えられると仮定する。
R′−jδR＝−jkS ―(1) S′＋jδS＝−jkR ―(2) 但しダツシユ記号は、Ｚに関する微分を示し、Ｚ
は伝搬方向を示すように選ばれている。またδ＝
Δβ／２，ｋは結合係数である。任意の入力振幅
R0およびS0に対して、結合波方程式(1)および(2)
の解は便宜上マトリクスを用いて Ｒ Ｓ＝A1 −jB1 *−jB1 R0 A1 * S0 ―(3) と表わせる。ここで、アステリスク記号は複素共
役を示し、添字１は均一なΔβ＝β1−β2の電極４
６および５２の１個の対を表わす。ｚ＝Ｌである
相互作用領域３８においてマトリクス要素に対す
る結合波方程式を解くことを問題は含む。ｚ＝Ｌ
に対し、マトリクス M+ 1＝A1 −jB1 −jB1 * A1 * ―(4) が、結合器２０の伝達マトリクスと呼ばれる。伝
達マトリクスM1 -の結合器２０は伝搬定数の変化
が−Δβであるとき、 M- 1＝A1 * −jB1 −jB1 * A1 ―(5) となる。
Ａ＝０のとき、切換可能な結合器２０はフアイ
バ２１および２４の間で光を交差結合する。Ｂ＝
０のとき、ストレレートスルーな伝搬が発生す
る。
第４図ないし第７図の切換えられた結合器２０
に対する完全な交差結合およびストレートスルー
な伝搬に対する条件は第９図のスイツチングダイ
ヤグラムに示されている。ここで、2KL／πおよ
びΔβL／π＝2Lδ／πは座標である。三角形で表
わされる垂直軸上の弧立点は完全な交差結合が発
生している状態を示す。円で表わされる同心円状
の円弧は、フアイバ２１および２４の間で結合が
起こらないストレートスルーな伝搬状状態を表わ
す。切換可能なな結合器２０に電極配置に対する
2KL／πの値は本質的に印加電圧に左右されない
が、Δβは電圧の関数であり、電気的に制御され
る。
第７図は、結合器２０に対する交番電極配置を
示す図である。結晶４４および４８はそれぞれ上
述のようにフアイバ２１および２４に隣接して配
置される。しかし、１対の電極５８，６０は結晶
４４の反対側の端部に取付けられる。電極６０を
接地して結晶４４へ電場Ｅを印加すると、電気−
光学効果により、結晶４４の屈折率に変化が生じ
る。１対の電極６２，６４は結晶４８の反対側端
部端に取付けられ、それにより電極６４を接地し
てそこに電場を印加すると結晶４８の屈折率の変
化が生じる。電極６０および６４が接地され、か
つ電極５８および６２に正の電圧が印加される場
合、結晶４４および４８の矢印で示される結晶軸
が印加電場Ｅに関し逆方向に整列するならば、屈
折率の変化は反対の符号のものとなる。結晶軸が
同一方向に整列する場合、そのとき反対方向に向
いた電場を結晶４４および４８へ印加しなければ
ならない。それぞれの場合において、フアイバ２
１および２４の伝搬定数の変化は非対称的なもの
となり、交差結合する光とストレートスルー伝搬
をする光の量の電子的な制御を可能にする。電極
５８，６０，６２および６４により、結合器２０
をストレートスルーと完全な交差結合との状態で
切換えるためにより低い制御電圧を用いることが
でき、かつ本質的にフアイバ２１および２４へ何
ら電場を直接に印加しないことが可能になる。
第８図は各々が長さＬ／２を有する１対の区間
６８および７０へ分割される相互作用長Ｌを有す
る切換えられた方向結合器６６を示す図である。
区間６８は１対の反対方向に配向された結晶７２
および７４を含み、かつ区間７０は結晶７２およ
び７４に一致して配向される１対の結晶７６およ
び７８を含む。区間６８は結晶７２に隣接する電
極８０を含み、かつ結晶７４に隣接する電極８２
を含む。同様に、区間７０は結晶７６に隣接する
電極８４および結晶７８に隣接する電極８６を含
む。上述の配置において、区間６８および７０に
おいて電極対８０，８２および８４，８６に反対
の極性の制御電圧が印加される。
第８図において見られるようにフアイバ２１の
左側から入射する信号はまず区間６８において
Δβの伝搬定数の変化を受け、次に区間７０にお
いて伝搬定数の−Δβの変化を受ける。伝搬定数
の変化の符号の変換はまた結晶対７２，７４およ
び７６，７８を反対方向に配向させかつ電極８４
および８６を接地して電極８０および８２へ同一
極性の電圧を印加することにより達成される。結
合器６６の伝達行列は２つの区間６８および７０
の伝達行列の積であり次式で表わされる。
M2＝M- 1M+ 1＝A2 −jB2 −jB2 A2 * ―(6) 数学的に最も単純な場合は、伝搬定数の２つの
変化が同一の大きさを有する場合である。結合器
５８に対するマトリクス要素は次式で与えられ
る。
A2＝A1A* 1−B1＝１−2B1 B2＝2A* 1B1 第８図の結合器６６の細分化された電極配置に
対する結合波方程式の解はストレートスルー伝搬
および完全な交差結合の両方に対しいくつかの電
圧値が存在するということを示している。結合器
５８に対するスイツチングダイヤグラムは第１０
図に与えられる。三角形によつて示される線およ
び点は完全な交差結合の状態を表わし、円を用い
て表わされる線および点はストレートスルーな伝
搬状態を表わす。１個の対の電極４６および５２
は、完全な交差結合の可能性を有するように、結
合器２０の製造において適正な結合長Ｌを有する
よう高精度を要求する。電圧調整は、結合器２０
の製造における誤差を補償しない。しかし、結合
器６６の製造はこのような相互作用長における厳
密な制御を要求しない。なぜなら、電圧調整は、
ストレートスルー伝搬および完全な交差結合の両
方に対し容易に到達できるいくつかの点を与える
からである。結合器６６によつて与えられる伝搬
定数の交互の変化は完全な交差を達成するために
たとえば１ないし３である様々な範囲の間で
2KL／πの変化を可能にする。第１０図はまた伝
搬定数における必要な変化、したがつて、結合器
６６を完全な交差結合の２点間で変化させるため
に必要な電圧調整を与える。電極区間の数を３ま
たはそれ以上に増大させると、２個の電極区間６
８および７０を有する結合器６６に対するものと
同様の結果を発生する。どのような区分化された
電極配置によつても、ストレートスルーの伝搬と
完全な交差結合の状態を表わす曲線の特性の一群
を得ることができる。区分化された電極配置は常
に、100％の交差結合を与える少なくとも１個の
非ゼロの電圧とストレートスルーの伝搬を与える
電圧とを供給する。任意の区分化された電極配置
における隣接する電極は適当な絶縁体８５によつ
て分離されるべきである。100％の交差結合を達
成するためには、入射波を受ける第１の電極区間
が好ましくはフアイバ２１と２４間で少なくとも
50％の結を与えるべきである。
特定的な好ましい実施例に関してこの発明が開
示されてきたが、これらの特定的な実施例は添付
の特許請求の範囲によつて規定されるこの発明の
範囲および精神から発生する典型例であると理解
されるべきである。
【図面の簡単な説明】
第１図は固定された伝搬定数を有する光フアイ
バを概略的に示す図である。第２図はその伝搬定
数が相互作用物質によつて摂動を受ける光フアイ
バを概略的に示す図である。第３図は第５図の相
互作用物質に印加される電圧の関数である伝搬定
数を有する光フアイバを概略的に示す図である。
第４図はこの発明による切換可能な方向性結合器
の断面構造を示す図である。第５図は第１図の切
換可能な方向性結合器の平面図である。第６図は
第５図の線６−６に沿つた断面構造を示す図であ
る。第７図は第４図の切換可能な方向性結合器の
交互の電極配置の断面構造を示す図である。第８
図は伝搬定数の変化が階段型に逆転する切換可能
な方向性結合器の第２の実施例を概略的に示す図
である。第９図は第１図の切換可能な方向性結合
器のスイツチングダイヤグラムを示す図である。
第１０図は第７図の切換可能な方向性結合器のス
イツチングダイヤグラムを示す図である。 図において、２０は結合器、２１，２４は光フ
アイバ、２２，２５はコア、２３，２６はクラツ
ド、２７，２８は溝、３０，３２は基板、３４，
３６は半結合器、２０は結合器、３８は相互作用
領域、４０，４２はスロツト、４４，４８は結
晶、４６，５２は電極、５８，６０，６２，６４
は電極、７２，７４は結晶、６６は結合器であ
る。なお、図中、同符号は同一または相当部分を
示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 第１のコア、第１のクラツドおよび第１の伝
    搬定数を有する第１の光フアイバと、第２のコ
    ア、第２のクラツドおよび第２の伝搬定数を有す
    る第２の光フアイバとの間の光信号を選択的に結
    合させる切換可能なフアイバ光学方向性結合器で
    あつて、 光フアイバの各々を伝搬する光のエバネセント
    フイールドが光フアイバの他方と相互作用する相
    互作用領域を形成する手段、および 光学フアイバを伝搬する光のエバネセントフイ
    ールドと相互作用し、フアイバの伝搬定数を制御
    し、かつそれによつて光フアイバ間の光の結合を
    制御する制御手段を備え、前記制御手段は、 相互作用領域に隣接して配置される相互作用材
    料の第１のブロツク、および 相互作用領域に隣接して配置される相互作用材
    料の第２のブロツクを備え、第１および第２のブ
    ロツクは、協働して第１および第２の伝搬定数の
    一方を増加させる一方、他方を減少させ、かつ 第１および第２のブロツクに電場を印加し、第
    １および第２の伝搬定数の相対的な大きさを制御
    する手段をさらに備える、切換可能なフアイバ光
    学方向性結合器。 ２ 相互作用領域を形成する手段は、長尺の第１
    のフアイバおよび長尺の第２のフアイバを備え、
    そこでは第１のクラツドおよび第２のクラツド
    は、光フアイバの各々を伝搬する光のエバネセン
    トフイールドが光フアイバの他方のコアへ延びる
    ような厚さを有するように形成される、特許請求
    の範囲第１項記載の切換可能なフアイバ光学方向
    性結合器。 ３ 相互作用材料は、電気−光学的に活性であ
    り、そのためその屈折率は印加電場の関数であ
    る、特許請求の範囲第１項記載の切換可能なフア
    イバ光学方向性結合器。 ４ 第１のブロツクに隣接する第１の電極、第２
    のブロツクに隣接する第２の電極、および第１お
    よび第２の電極に電位差を与える手段をさらに備
    える、特許請求の範囲第３項記載の切換可能なフ
    アイバ光学方向性結合器。 ５ そのクラツドが、そこに形成される第１の一
    般的に平面的な表面を有する、長尺の第１のフア
    イバ、 そのクラツドが、そこに形成される第２の一般
    的に平面的な表面を有する、長尺の第２のフアイ
    バ、および 第１および第２の一般的に平面的な表面を並置
    状態に保ち、そのため第１および第２のフアイバ
    の各々を伝搬する光が、第１および第２の光フア
    イバの他方へ延びるエバネセントフイールドを生
    じる手段をさらに備え、 第１のクラツドは、第１の光フアイバに隣接す
    る相互作用材料の第１のブロツクを載置するため
    に、第１の一般的に平面的な表面に実質的に平行
    な第３の一般的に平面的な表面を含み、そのため
    第１のブロツクは第１の光フアイバを伝搬する光
    のエバネセントフイールド内にあり、かつ 第２のクラツドは、第２の光フアイバに隣接す
    る相互作用材料の第２のブロツクを載置するため
    に、第４の一般的に平面的な表面を含み、そのた
    め第２のブロツクは第２の光フアイバを伝搬する
    光エバネセントフイールド内にある、特許請求の
    範囲第１項記載の切換可能なフアイバ光学方向性
    結合器。 ６ 第１および第２の材料のブロツクは、外部か
    ら与えられる電場の関数である屈折率を有する電
    気−光学的に活性な材料を含む、特許請求の範囲
    第５項記載の切換可能なフアイバ光学方向性結合
    器。 ７ 第１のブロツクに隣接する第１の電極、およ
    び 第１および第２のブロツクに電圧を供給する手
    段を含み、第１および第２のブロツクは、印加さ
    れる電場がブロツクの一方の屈折率を増加させる
    一方、ブロツクの他方の屈折率を減少させるよう
    に配向される、特許請求の範囲第６項記載の切換
    可能なフアイバ光学方向性結合器。 ８ 第１および第２の伝搬定数の一方を他方に対
    して増加させるスイツチを備える、特許請求の範
    囲第１項記載の切換可能なフアイバ光学方向性結
    合器。 ９ 交互の符号の第１および第２の伝搬定数に連
    続的な差を生じる複数のスイツチ部分を含む、特
    許請求の範囲第８項記載の切換可能なフアイバ光
    学方向性結合器。 １０ スイツチ部分の各々は、相互作用領域に隣
    接する１対の電気−光学的に活性な結晶を含み、
    結晶は、反対方向に配向される１対の結晶軸を有
    し、それによつて印加電場は、結晶の一方の屈折
    率を増加させる一方、他方の結晶の屈折率を減少
    させる、特許請求の範囲第９項記載の切換可能な
    フアイバ光学方向性結合器。 １１ １対の光フアイバ間の光信号を切換える方
    法であつて、各々は、コア、クラツドおよび伝搬
    定数を有し、 光フアイバの各々のコアが、他の光フアイバを
    伝搬する光のエバネセントフイールドと相互作用
    する相互作用領域を形成し、 光フアイバの伝搬定数を制御し、その間の光を
    選択的に結合し、 印加電場の関数である屈折率を有する相互作用
    材料の第１のブロツクを、第１の光フアイバに隣
    接して配置し、 印加電場の関数である屈折率を有する相互作用
    材料の第２のブロツクを、第２の光フアイバに隣
    接して配置し、かつ 光フアイバの一方から光フアイバの他方へ結合
    する光の量を制御するために、相互作用材料のブ
    ロツクに電磁場を印加し、光フアイバの伝搬定数
    を制御するステツプを含む、光信号を切換える方
    法。 １２ 制御ステツプは、 第１の光フアイバ上に第１の平面的な表面を形
    成し、 第１の光フアイバ上に、第１の平面的な表面に
    平行に第２の平面的な表面を形成し、 第２の光フアイバ上に第３の平面的な表面を形
    成し、 第２の光フアイバ上に、第３の平面的な表面に
    平行に第４の平面的な表面を形成し、 光フアイバの一方を伝搬する光のエバネセント
    フイールドが他方の光フアイバのコアと相互作用
    するように、第１および第３の平面的な表面を並
    置し、 第２の平面的な表面に隣接して第１のブロツク
    を載置し、 第４の平面的な表面に隣接して第２のブロツク
    を載置し、かつ 電場を第１および第２のブロツクに印加するス
    テツプを含む、特許請求の範囲第１１項記載の方
    法。
JP60179233A 1984-08-20 1985-08-14 切換可能な光フアイバ方向性結合器 Granted JPS6159305A (ja)

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US642215 1984-08-20

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KR (1) KR900007556B1 (ja)
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AU (1) AU558060B2 (ja)
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