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KR100886303B1 - 광강도변조기 - Google Patents

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KR100886303B1
KR100886303B1 KR1020087004023A KR20087004023A KR100886303B1 KR 100886303 B1 KR100886303 B1 KR 100886303B1 KR 1020087004023 A KR1020087004023 A KR 1020087004023A KR 20087004023 A KR20087004023 A KR 20087004023A KR 100886303 B1 KR100886303 B1 KR 100886303B1
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KR
South Korea
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waveguide
electrode
optical
optical waveguide
electric field
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KR1020087004023A
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세이지 토요다
카즈오 후지우라
마사히로 사사우라
코지 엔부쯔
마코토 시모코조노
아키유키 타테
타다유키 이마이
토우루 마츠우라
타카시 쿠리하라
히로시 후시미
Original Assignee
니폰덴신뎅와 가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

단순한 구성으로, 저구동 전압, 편파 무의존 한편 고속의 광스위치, 광변조기 및 파장가변 필터를 제공한다. 본 발명과 관련되는 광스위치는, 입력측에 설치된 3dB 커플러(16)와 출력측에 설치된 3dB 커플러(17)와 입력측 3dB 커플러 및 출력측 3dB 커플러를 접속하는 2개의 광도파로를 구비하고 있다. 또, 2개의 광도파로의 한쪽 또는 양쪽에 전계를 인가하는 위상 변조 부분(18)을 구비한다. 적어도 2개의 광도파로는, KTa1 -xNbxO3(0＜x＜1) 및 K1 - yLiyTa1 -xNbxO3(0＜x＜1, 0＜y＜1), 또는 KTa1-xNbxO3 혹은 K1 - yLiyTa1 - xNbxO3으로 이루어지는 조성의 결정재료이다.
저구동 전압, 편파 무의존, 광스위치, 광변조기, 파장가변 필터, 커플러

Description

광강도변조기{OPTICAL STRENGHT MODULATOR}
본 발명은 광통신용 부품으로 사용하는 광강도변조기에 관한 것이다.
현재, 광통신 시스템의 대용량, 고속화 및 고기능화에 대한 요구는 급격하게 높아지고 있다. 이러한 광통신 시스템에 이용되는 광신호 처리 소자로서 기대되고 있는 것이 광스위치나 광변조기이다. 특히, 최근의 네트워크의 고기능화를 향한 광크로스커넥트(optical cross-connect)용 스위치의 중요성은 급속히 높아지고 있다. 이러한 광스위치로서 MEMS(Micro Electro-Mechanical System)로 불리는 마이크로머신(micro-machine) 기술을 이용한 광스위치와, 석영계 광도파로의 열광학 효과를 이용한 광스위치가 개발되어 있다. 또, 도파로 교차 부분에 도파로와 동일한 굴절률을 가지는 오일(oil)을 충전해 두고, 과열에 의해 기포를 발생시키고, 교차 부분에서의 광의 반사를 발생시킴으로써 광로를 전환하는 광스위치 등도 개발되어 있다.
그러나, 이들 광스위치의 동작 속도는 msec의 영역이다. 차세대 광네트워크에 요구되는 광패킷(optical packet)의 라우팅(routing)에 필요한 동작 속도는 1∼ 10nsec이다. 1∼10nsec의 동작 속도를 실현 가능한 광스위치로서는, LiNbO3(LN이라고도 부른다)의 전기 광학 효과를 이용한 스위치가 있다. 이 광스위치는 LN가 가지는 1차 전기 광학 효과에 의해 도파로 굴절률을 변화시킴으로써 실현되고 있다.
LN를 이용한 전기 광학 효과의 광스위치를 제작하는 방법으로서는, LN 기판 상에 Ti 열확산법에 의해 Y분기의 형태를 가지는 도파로 패턴(pattern)을 형성한다. 그 위에 버퍼층을 형성하고, 또한, 그 위에 도파로 패턴에 대응하는 전극을 설치한다고 하는 방법이 알려져 있다(니시하라, 하루나, 스하라 공저 「광집적회로」, 오옴사, PP. 310-326(1985) 참조).
그런데, LN는 삼방정(三方晶)의 결정이고, 가장 큰 전기 광학 정수(定數)인 r33을 이용하기 위해서는, 복굴절성이 있는 방위로 광을 도파시킬 필요가 있다. 이 때문에, 광스위치는 광의 편광에 대해 동작이 다른 편파(偏波) 의존성을 가지게 된다. 편파 의존성은 광의 전송에서 에러를 일으키는 원인이 되기 때문에 광스위치에는 편파 무의존인 것이 중요하다. 그래서, LN에서도 편파 무의존 동작하는 광스위치의 제작이 검토되어 있다. 그렇지만, 복굴절성이 없는 결정 방위를 가질 경우, 전기 광학 정수가 작은 r13을 이용하게 되어, 구동 전압이 40V 이상으로 되어버린다고 하는 문제가 있었다.
고속으로 동작하는 광스위치로서는 반도체 재료로 구성된 대칭 마하젠더(Mach-Zehnder) 간섭계(interferometer)를 이용하는 것이 제안되어 있다. 그렇지만, 마하젠더 간섭계는, 스위칭에 콘트롤(control) 광(light)을 이용하고, 동기를 취하는 등의 복잡한 구성이 필요하여 실용성이 부족하다.
또, 모드 분포를 제어하는 디지털형 광스위치(optical switch)도 제안되어 있다. 그렇지만, 다른 종류의 광스위치에 비해 구동 전압이 높아지는 문제가 있다.
그런데, 전기 광학 효과는 결정을 구성하는 원자의 전자 상태가 전계에 의해 변화하는 현상이기 때문에 전계의 변화에 대한 응답 속도는 매우 빠르다. 따라서, 펨토초(femto second) 레벨의 전계 변화에 순간적으로 응답하기 위한 초고속용 광변조기로서 이용하는데 가장 적합한 물리 현상이라고 할 수 있다. 특히, LN는 Ti 등의 불순물의 확산이나 이온 교환 등 방법에 의해 광도파로를 비교적 용이하게 제작할 수 있다. 따라서, 1차 전기 광학 효과를 이용한 광변조기로서도 가장 널리 이용되고 있는 재료이다(니시하라, 하루나, 스하라 공저 「광집적회로」, 오옴사, PP. 310-326(1985), 특개소 53-6054호 공보, 특개소 53-54040호 공보 참조).
일반적으로, 전기 광학 효과는 결정의 방위에 따른 의존성이 있어 가장 큰 전기 광학 정수를 가지는 결정축에 전계를 인가하여 굴절률을 변조한다. LN의 경우는 상술의 r33(30pm/V)을 이용한다. 또, 광변조기를 실현하는 경우, 중요한 성능 파라미터(parameter)는 동작 속도 및 변조 전압이다. 위상 변조량은 전극 길이에 비례하기 때문에, 전극 길이가 길수록 변조 전압은 낮아진다. 그렇지만, 전극 길이가 1cm 이상이면, 집중 정수형 전극을 이용하여 GHz 정도의 고주파를 한결같이 거는 것은, 변조 신호의 주기와 전계가 전극 내에서 끝(end)에서 끝(end)까지 도달하는 시간과 동일한 정도가 되기 때문에 어려워진다. 이와 반대로, 응답 속도를 향상시 키려고 하여 전극 길이를 짧게 하는 경우 고전압 전원이 필요하게 된다. 따라서, 이 경우, 현실적으로 이용할 수 있는 전원은 매우 고가의 것으로 되어 버린다.
본 발명은 단순한 구성으로 저구동 전압, 편파 무의존 한편 고속의 광강도변조기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시 형태는 입방정(立方晶) 한편 2차 전기 광학 효과를 가지는 유전체 결정으로 이루어지고, 광을 전파하는 삼차원 광도파로와, 삼차원 광도파로에 전계를 인가하는 전극을 구비하는 광도파로 소자이다. 삼차원 광도파로는, 기판 표면에 대해서 수직인 방향만이 아니고, 평행한 방향으로 광을 가둘 수가 있는 것이면 좋다. 예를 들면, 매립형 광도파로나 릿지형(ridge type) 광도파로이어도 좋다. 광도파로 소자를 동작시키는 온도는 유전체 결정이 입방정으로부터 정방정으로의 상전이 온도 근방이다.
다른 실시 형태는 KTa1 -xNbxO3(0＜x＜1)(KTN이라고도 부른다) 및 K1 - yLiyTa1 -xNbxO3(0＜x＜1, 0＜y＜1)(KLTN이라고도 부른다), 또는 KTN 혹은 KLTN로 이루어지는 조성의 결정재료이고, 광을 전파하는 삼차원 광도파로와, 삼차원 광도파로에 전계를 인가하는 전극을 구비하는 도파로 전기 광학 위상 쉬프터(shifter)이다.
다른 실시 형태는 입력측에 설치된 3dB 커플러와 출력측에 설치된 3dB 커플러와 입력측 3dB 커플러 및 출력측 3dB 커플러를 접속하는 2개의 광도파로에 의해 구성된 마하젠더 간섭계와, 2개의 삼차원 광도파로의 한쪽 또는 양쪽에 전계를 인 가하는 전극을 구비하는 광스위치이다. 이 광스위치에서, 적어도 2개의 삼차원 광도파로는, KTN 및 KLTN, 또는 KTN 혹은 KLTN로 이루어지는 조성의 결정재료이다.
다른 실시 형태는 KTaO3, KNbO3 또는 KTN의 어느 하나의 재료로 이루어지는 기판 상에 KLTN 또는 KTN의 어느 하나의 재료로 이루어지는 코어(core) 도파로를 배치한다. 코어 도파로에 비해 약간 굴절률이 낮은 KLTN를 클래드층(clad layer)으로 한 삼차원 광도파로의 하부 클래드층의 하방 혹은 상부 클래드층의 상방의 적어도 한쪽에 형성된 코어 도파로에 전계를 가하기 위한 전극을 구비한다. 삼차원 광도파로에 의해 구성되고, 보내져 온 광신호를 수취하기 위한 입력단을 가지는 제1 입력 광도파로와, 제1 입력 도파로에서 분기하는 제2 출력 광도파로와 제3 출력 광도파로를 포함하고, 제2 출력 광도파로 및 제3 출력 광도파로에 전극을 구비하는 Y분기형 도파로를 구비한다.
다른 실시 형태는 KTN 및 KLTN로 이루어지는 조성의 결정재료를 도파로 재료로 이용하여, 적어도 1개의 입력 도파로와, 1개의 출력 도파로와, 입력 도파로에 접속된 3dB 커플러와, 출력 도파로에 접속된 3dB 커플러와, 2개의 3dB 커플러를 접속하는 2개의 삼차원 광도파로를 가지는 마하젠더형의 광변조기이다. 이 삼차원 광도파로의 적어도 한쪽에 전극이 배치되어 있는 전기 광학 위상 쉬프터를 가진다.
다른 실시 형태는 KTN 또는 KLTN의 어느 하나의 재료로 이루어지는 기판과, KTN 또는 KLTN의 어느 하나의 재료로 이루어지는 삼차원 광도파로를 구비하는 광대역 광변조기이다. 또, 삼차원 광도파로를 따라 형성되고, 마이크로파와 광파의 속 도 정합을 취하는 진행파 전극으로 이루어지는 복수의 전극을 구비한다.
다른 실시 형태는 KTN 및 KLTN로 이루어지는 조성의 제1 결정재료이고, 코어 두께를 가지는 코어와, 제1 결정재료와는 다른 굴절률을 가지는 KTN 및 KLTN로 이루어지는 조성의 제2 결정재료인 클래드를 구비한 삼차원 광도파로를 구비하는 도파로 전기 광학 위상 쉬프터(shifter)이다. 또, 삼차원 광도파로를 사이에 두고 평행으로 대향하는 2개의 전극을 구비한다. 이 코어는 코어의 하면이 클래드의 하면에 대해서 제1 거리이고, 코어의 상면이 클래드의 상면에 대해서 제2 거리가 되도록 클래드에 매립된다. 클래드는 0≤제1 거리, 제2 거리≤3×코어 두께의 범위의 클래드 두께를 가진다.
다른 실시 형태는 KTN 및 KLTN로 이루어지는 조성의 제1 결정재료이고, 코어 폭을 가지는 코어와, 제1 결정재료와는 다른 굴절률을 가지는 KTN 및 KLTN로 이루어지는 조성의 제2 결정재료인 클래드를 구비한 삼차원 광도파로를 구비하는 도파로 전기 광학 위상 쉬프터(shifter)이다. 또, 삼차원 광도파로를 사이에 두고 평행으로 대향하는 2개의 전극을 구비한다. 이 코어는 코어의 상면이 클래드의 상면에 대해서 제1 거리가 되도록 클래드에 매립된다. 클래드는 0≤제1 거리≤3×코어 폭의 범위의 클래드 두께를 가진다.
다른 실시 형태는 복수의 삼차원 광도파로와, 삼차원 광도파로 상에 설치된 전극으로 이루어지는 어레이(array) 광도파로를 가지는 어레이 광도파로 격자 파장가변 필터이다. 어레이 광도파로 격자 파장가변 필터는, 채널 광도파로의 1개에 대해서, 삼차원 광도파로를 사이에 두고 평행으로 대향하는 2개의 전극이 배치되어 있는 도파로 전기 광학 위상 쉬프터를 가진다.
다른 실시 형태는 적어도 1개의 입력 포트(port) 채널 광도파로와, 광로(optical path) 길이가 서로 다른 채널 광도파로로 이루어지는 채널 광도파로 어레이와, 적어도 1개의 출력 포트 채널 광도파로와, 입력 포트 채널 광도파로 및 채널 광도파로 어레이를 연결하는 제1 슬랩(slab) 광도파로와, 출력 포트 채널 광도파로 및 채널 광도파로 어레이를 연결하는 제2 슬랩 광도파로를 구비하는 어레이 광도파로 격자 파장가변 필터이다. 또, 채널 광도파로 어레이의 일부로 이루어지고, KTN 및 KLTN로 이루어지는 조성의 제1 결정재료이고, 코어 두께를 가지는 코어와, 제1 결정재료와는 다른 굴절률을 가지는 KTN 및 KLTN로 이루어지는 조성의 제2 결정재료인 클래드를 구비한 삼차원 광도파로와, 삼차원 광도파로를 사이에 두고 평행으로 대향하는 2개의 전극을 구비한다. 또, 코어는 코어의 하면이 클래드의 하면에 대해서 제1 거리이고, 코어의 상면이 클래드의 상면에 대해서 제2 거리가 되도록 클래드에 매립되고, 클래드는 0≤제1 거리, 제2 거리≤3×코어 두께의 범위의 클래드 두께를 가지는 도파로 전기 광학 위상 쉬프터(shifter)를 구비한다.
다른 실시 형태는 적어도 1개의 입력 포트(port) 채널 광도파로와, 광로(optical path) 길이가 서로 다른 채널 광도파로로 이루어지는 채널 광도파로 어레이와, 적어도 1개의 출력 포트 채널 광도파로와, 입력 포트 채널 광도파로 및 채널 광도파로 어레이를 연결하는 제1 슬랩(slab) 광도파로와, 출력 포트 채널 광도파로 및 채널 광도파로 어레이를 연결하는 제2 슬랩 광도파로를 구비하는 어레이 광도파로 격자 파장가변 필터이다. 또, KTN 및 KLTN로 이루어지는 조성의 제1 결정 재료이고, 코어 폭을 가지는 코어와, 제1 결정재료와는 다른 굴절률을 가지는 KTN 및 KLTN로 이루어지는 조성의 제2 결정재료인 클래드를 구비한 삼차원 광도파로와, 삼차원 광도파로를 사이에 두고 평행으로 대향하는 2개의 전극을 구비한다. 또, 코어는 코어의 상면이 클래드의 상면에 대해서 제1 거리가 되도록 클래드에 매립되고, 클래드는 0≤제1 거리≤3×코어 폭의 범위의 클래드 두께를 가지는 도파로 전기 광학 위상 쉬프터(shifter)를 구비한다.
본 발명은 광통신용 부품으로 사용하는 광강도변조기로 이용할 수 있다.
본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위해서 첨부의 도면에 따라 이를 설명한다.
본 실시 형태와 관련되는 광스위치 및 광변조기에서는, 입방정(立方晶) 한편 큰 2차 전기 광학 효과를 가지는 유전체 결정을 이용한다. 구체적으로는, KTN(KTa1 -XNbXO3(0＜x＜1)) 및 KLTN(K1 - YLiYTa1 -XNbXO3(0＜x＜1, 0＜y＜1)), 또는 KTN 혹은 KLTN로 이루어지는 조성의 결정재료를 이용한다. 본 발명의 일실시 형태는 이들 결정재료로 구성된 광도파로 소자를 이용하는 것을 특징으로 하고 있다. 여기서, X는 Ta 및 Nb에 대한 Nb의 조성비이고, Y는 K 및 Li에 대한 Li의 조성비이다.
KTN에 대해서 외부 전극을 결정축(crystal axis) 방향으로 인가하면, KTN는 2차 전기 광학 효과를 나타낸다. 그 값은 (1200∼8000pm/V)이고, LN가 가지는 비선 형 정수 30pm/V에 비해 현저하게 크다.
또, KTN는 조성에 의존하고 -273℃∼400℃의 퀴리(Curie) 전이(transition) 온도에서 강유전(ferroelectric) 전이를 일으킨다. 이 퀴리 온도를 경계로 비유전률이 약 3000∼약 20000으로 크게 변화한다. 비선형 효과에 의거하는 굴절률 변화는 비유전률의 제곱에 비례한다. 이 때문에 전이 온도 근방에서는 보다 저전압으로 굴절률을 제어하는 것이 가능하게 된다. 또한, 퀴리 온도는 KTa1 - xNbxO3의 조성 x의 값에 따라 변화하지만, Li를 KTN에 첨가함으로써도 그 온도 범위를 조정할 수가 있다.
또, KTN, KLTN 결정 이외에 KTN, KLTN 결정과 마찬가지로 입방정 한편 큰 2차 전기 광학 효과를 가지는 유전체 결정을 이용하여도 좋다. 예를 들면, KTN 결정의 K를 Ba로, Ta 및 Nb를 양쪽 모두 Ti로 치환한 결정재료인 BaTiO3(BTO)은 실온에서는 정방정의 구조를 취한다. 그렇지만, BTO는 약 100℃ 이상에서 구조상전이(structural phase transition) 하여 입방정으로 된다. 따라서, 이 상태로 되면 본 발명의 KTN, KLTN 결정을 이용한 방법에 의해 본 발명의 광스위치 및 광변조기를 구성할 수가 있다. 또, 동작 온도 등에서 융통성 저하에 차이는 있지만, KTN 결정의 K를 Sr로 치환한 STO나, Ca로 치환한 CTO도 마찬가지의 성질을 가진다. 또한, BTO와 STO와 CTO의 3개의 재료 중, 2개 이상의 재료를 혼합하여 얻어지는 재료도 마찬가지이다. 새로운 변형으로서 BTO의 Ba를 Pb와 La로 치환하고, Ti의 일부를 Zr로 치환한 재료이어도 좋다. 환언하면, KTN 결정의 K를 Pb와 La로 치환하고, Ta 및 Nb를 Ti와 Zr로 치환한 재료(일반적으로 PLZT라고 칭하는 결정재료)도, 완전히 마찬가지로 이용할 수가 있다. 또, 상기 변형은 KTN 결정과 마찬가지로 KLTN 결정에도 적용 가능이고, 그 경우, Li를 Ba, Sr, Ca나 Pb, La로 치환한다.
KTN, KLTN 결정은 입방정으로부터 정방정(tetragon) 또한 능면체정(rhombohedron)으로 온도에 의해 결정계를 바꾸는 성질을 가지고 있다. 이러한 결정은 입방정에서는 큰 2차 전기 광학 효과를 가지는 것이 알려져 있다. 특히, 입방정으로부터 정방정으로의 상전이 온도에 가까운 영역에서는 비유전률이 발산하는 현상이 일어나고, 비유전률의 제곱(square)에 비례하는 2차 전기 광학 효과는 극히 큰 값으로 된다. 따라서, 광스위치를 구동하는 전압도 1V 이하로 하는 것이 가능하게 되고, 전원에의 부하가 작고, IC로서의 구동이 가능하게 된다.
또, 2차 전기 광학 효과를 이용하는 광스위치 및 광변조기의 동작 온도는, KTN, KLTN 결정의 입방정으로부터 정방정으로의 상전이 근방이 바람직하다. KTN, KLTN 결정은, Ta와 Nb의 조성비를 변화시킴으로써, 상유전성(paraelectric)으로부터 강유전성(ferroelectric)(결정계는 입방정으로부터 정방정)으로의 상전이 온도를 거의 절대 0℃로부터 400℃까지 변화시키는 것이 가능하다. 그 때문에, KTN, KLTN 결정을 이용하여 제작한 광스위치 및 광변조기는, 그 동작 온도를 실온 부근으로 용이하게 설정할 수 있다고 하는 이점도 있다. 또한, 본 발명과 관련되는 광스위치 및 광변조기는, 입방정의 영역의 결정을 광도파로로 사용하기 때문에, 광도파로로서는 복굴절성이 없고, 광스위치로서도 편파 무의존 동작이 가능하게 된다.
상기 특징을 가장 발휘하는 KTN, KLTN 결정재료의 조성비로서는, KTN에 대해 서는 0＜x＜1이면 좋고, 또, KLTN에 대해서는 0＜x＜1, 0＜y＜1이면 좋다. 다만, 조성비 X(Ta 및 Nb에 대한 Nb의 비)는 0.55 이상 한편 0.90 이하의 범위가 바람직하고, 조성비 Y(K 및 Li에 대한 Li의 비)는 0보다 크고 한편 0.1 미만의 범위가 바람직하다. 조성비 X가 0.55∼0.90의 범위 이외인 경우는, 결정의 상전이 온도가 너무 높거나 너무 낮거나 하기 때문에 적절하지 않고, 조성비 Y가 0.1 이상인 경우는, 결정 구조가 바뀌기 때문에 적절하지 않다.
(제1 실시 형태)
제1 실시 형태와 관련되는 광스위치는 광을 전반(propagate) 하는 광도파로와, 광도파로에 전계를 인가하는 전극을 가진다. 그 광도파로로서 KTN, KLTN 결정 등의 입방정 한편 큰 2차 전기 광학 효과를 가지는 유전체 결정을 이용한다.
구체적인 구성으로서는, 보다 작은 굴절률 변화로 스위칭이 가능한, 즉 저구동 전압으로 스위칭이 가능한 마하젠더 간섭계형의 광스위치가 있다. 이 광스위치에서는, 편파 무의존 동작으로 하기 위해서 2차 전기 광학 효과에 의한 굴절률 변화가 TE 방향, TM 방향에서 정확하게 동일하게 될 필요가 있다. 본 실시 형태에서 이용하는 KTN, KLTN 결정은 TE 방향 및 TM 방향에서의 굴절률 변화가 원리적으로 동일한 전계 방위가 존재한다. 즉, 광의 전반 방향에 평행으로 되는 전계를 인가하는 전극을 구성함으로써, 편파 무의존 동작 가능한 광스위치를 실현할 수 있다(후술의 실시예 3 참조). 또, 본 실시 형태에서는, 동일한 광도파로에서 광의 전반 방향에 직교하는 전계를 인가하는 전극을 복수 조합하여 구성한다. 이 구성에 의하면, 만일 전계에 대한 굴절률 변화가 TE 방향과 TM 방향에 대해서 이방성을 가지는 방위에 전계를 인가하였다고 하여도, 편파 무의존 동작 가능한 광스위치를 실현할 수 있다(후술의 실시예 1 참조).
본 실시 형태와 관련되는 광스위치는 그 동작으로서 2차 전기 광학 효과를 이용하고 있고, 높은 비유전률을 가지는 재료를 이용하고 있다. 이 때문에, CR 시정수(time constant)에 의한 속도 제한이 있는 것을 고려해야 한다. 그렇지만, 본 발명과 관련되는 광스위치에서는, 그 2차 전기 광학 효과가 높기 때문에 소자의 크기를 매우 작게 하는 것이 가능하게 된다. 또, 그 소자 부분의 정전 용량을 작게 설계할 수가 있다. 그 결과, 상기 편파 무의존 동작에 더하여, 또한, 1∼10nsec의 고속 동작을 실현하는 것이 가능하게 된다.
이상으로부터, 본 실시 형태와 관련되는 광스위치는 단순한 구성으로, 1∼10nsec의 고속 동작, 1V 이하의 저구동 전압, 편파 무의존 동작이라고 하는 종래의 광스위치에서는 실현될 수 없었던 고기능성을 실현할 수 있다. 따라서, 이러한 광스위치는 광패킷 라우팅에 이용하는 것이 가능하게 된다. 그래서, 상기 특징을 가지는 본 발명과 관련되는 광스위치의 실시 형태를 몇 개의 실시예를 이용하여 설명하지만 본 발명은 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
도 1은 본 발명과 관련되는 실시 형태의 일례를 나타내는 광스위치의 구성도이다. 광스위치는 마하젠더 간섭계를 가진다. 이 광스위치의 광도파로는 유전체 결정으로 제작되어 있다. 또, 본 실시 형태 이외의 실시예에서도, 도 1에 나타낸 마하젠더 간섭계를 가지는 광스위치를 기초로 설명한다.
도 1에 나타내듯이, 본 발명과 관련되는 광스위치는, 입력측에 설치된 3dB 커플러(16)와, 출력측에 설치된 3dB 커플러(17)와, 입력측 3dB 커플러(16) 및 출력측 3dB 커플러(17)를 접속하는 2개의 광도파로(암(arm) 도파로)를 포함하여 구성된 마하젠더 간섭계이다. 또, 위상 변조 부분(18)으로서 2개의 광도파로의 한쪽에 전계를 인가하는 전극을 구비하고 있다. 또, 입력측 3dB 커플러(16) 및 출력측 3dB 커플러(17)의 결합(coupling) 정수(constant)는 정밀하게 3dB가 되도록 설계되어 있다.
본 실시예의 광스위치에서는, 코어(14), 클래드(15)에 이용한 유전체 결정재료는 모두 KLTN 결정이고, Li의 농도와 Nb의 농도를 조정함으로써, 비굴절률(specific refractive index) 차(difference) 0.75%의 광도파로를 실현하고 있다. 또, 광도파로의 단면은, 후술의 도 2에 나타내듯이, 코어(14)가 클래드(15)에 둘러싸인 매립 도파로로 되어 있다. 코어(14), 클래드(15)의 유전체 결정의 상전이 온도는 각각 10℃, 7℃이고, 본 실시예와 관련되는 광스위치의 동작 온도는 12℃이다. 12℃에서의 코어(14), 클래드(15)의 유전체 결정의 비유전률은 각각 18000과 15000이었다.
본 실시예의 광스위치에서는, 도 1에 나타내듯이, 입력 포트(11)로부터 광을 입력한다. 위상 변조 부분(18)에서 광도파로에 전계를 인가하지 않는 경우(OFF의 경우)는, 출력 포트(12)로 모든 광이 출력된다. 위상 변조 부분(18)에서 광도파로에 전계를 인가하는 경우(ON의 경우)는, 위상 변조 부분(18)에 의해 위상을 π 변화시킴으로써 광의 출력이 출력 포트(13)로 전환된다.
도 2는 도 1의 광스위치의 마하젠더 간섭계의 한쪽의 광도파로에 형성한 위상 변조 부분(18)을 나타내는 구성도이다. 또, 도 3A는 도 2의 ⅢA-ⅢA선을 따라 취한 단면도이고, 도 3B는 도 2의 ⅢB-ⅢB선을 따라 취한 단면도이다.
도 2, 도 3A 및 도 3B에 나타내듯이, 위상 변조 부분(18)은 위상 변조부(24), 위상 변조부(25)의 2개의 위상 변조부로부터 구성된다. 이들 2종류의 위상 변조부는 각각 다른 전극 구조를 가진다. 구체적으로는, 위상 변조부(24)에서는 코어(14) 직상에 투명 전극(22)이 설치되고, 그 양측에 그라운드(ground) 전극(23)이 배치되어 있다. 이 전극 구조에서는, 도 3A에 나타내듯이, 코어(14)로부터 기판을 향한 방향(전반하는 광의 TM 방향으로 평행한 방향)으로 전계가 인가된다. 한편, 위상 변조부(25)에서는 코어(14)를 사이에 두도록 투명 전극(22), 그라운드 전극(23)이 배치되어 있다. 따라서, 도 3B에 나타내듯이, 기판에 평행한 방향(전반하는 광의 TE 방향으로 평행한 방향)으로 전계가 인가된다. 이러한 전극 구조에 의해, 광의 전반 방향에 대해서 직교하고, 한편, 서로 직교하는 2방향으로 전계를 인가할 수가 있다.
여기서, KTN, KLTN 결정의 2차 전기 광학 효과는 그 대칭성으로부터 하기와 같이 나타낼 수가 있다.
[수식 1]
Figure 112008012528099-pat00001
[수식 2]
Figure 112008012528099-pat00002
상기 수식에서, Δn//는 인가 전계에 평행한 방향의 굴절률 변화이고, Δn⊥는 인가 전계에 수직인 방향의 굴절률 변화이고, n0은 KTN, KLTN의 전장 인가 전의 굴절률이고, g11 및 g12는 KTN, KLTN의 비선형 정수이고, ε0은 진공의 유전율이고, εr은 결정의 비유전률이고, E는 인가 전계이다.
KTN, KLTN 결정의 전기 광학 정수는 각각 g11=0.136m4/C2, g12=-0.038m4/C2이다. 이 때문에, 전계에 평행한 굴절률은 전계의 인가에 의해 작아지고, 전계에 수직인 방향의 굴절률은 전계의 인가에 의해 커진다. 또한, 전계에 평행한 굴절률의 변화량이 전계에 수직인 방향의 굴절률의 변화량의 3∼4배 정도 큰 것을 알 수 있다. 이러한 전계의 인가 전, 인가 후의 광의 전반 방향에 직교하는 굴절률을 도시하면, 도 4와 같이 변화하는 것을 알 수 있다. 따라서, 도 2에 나타낸 위상 변조 부분(18)에서는, 수식 (1), 수식 (2)에 의해 서로 직교하는 2개의 전계가 동일한 경우에는, 수식 (1)과 수식 (2)의 가산분의 굴절률 변화가 TE 방향, TM 방향의 양쪽 편광에 동일하게 생긴다. 그 때문에, 위상 변조 부분(18)에서는 위상 변조량은 편광에 의존하지 않게 되고, 본 발명의 광스위치가 편광 무의존으로 동작하는 것을 알 수 있다.
본 실시 형태와 관련되는 광스위치에서는, 전극으로부터 인가되는 전계를 광 이 도파하는 코어에 유효하게 작용시키기 위해, 전극 직하의 클래드 두께를 매우 얇게 하였다. 또한, 광전계의 가둠을 고려하여, 전극의 일부 또는 전부, 특히 코어 직상의 전극을 1.55㎛의 파장의 광에 대해서 투명하게 되는 재료(예를 들면, ITO：Indium Tin Oxide)로 구성한다. 이에 의해, 인가 전계를 거의 떨어뜨리는 일 없이 코어에 인가하는 것이 가능하게 된다.
또, 도 2에 나타낸 2종류의 전극의 길이는 각각 4mm이고, 양쪽 전극으로 약 8mm로 한다. 이 광스위치의 삽입 손실은 약 3dB이고, KLTN 결정을 이용하여 제작된 마하젠더 간섭계를 포함한 광도파로는 매우 저손실이 된다.
도 5는 본 발명과 관련되는 광스위치의 동작 특성을 나타내는 그래프이다.
위상 변조부(24, 25)에 동일한 바이어스 전계(전압) 1V를 인가하고, 스위칭에 필요한 전계를 인가하였을 때에, 출력 포트(12, 13)로 출력되는 광파워(optical power)를 측정한 결과이다. 도 5에 나타내듯이, 광출력이 전계(전압)의 인가에 의해 전환되는 것을 알 수 있다. 본 실시예의 광스위치의 경우, 2차 전기 광학 효과를 이용하고 있기 때문에 인가 전계(전압)가 커짐에 따라 굴절률 변화가 커진다. 그 때문에, 위상이 π 변화하기 위해서 필요한 전계(전압)가 점차 작아져 가는 모습을 알 수 있다. 본 실시예의 광스위치의 구성 및 구동 조건에서는, 동작에 필요한 전압 Vπ는 0.85V이고, 스위치의 소광비(消光比)는 32dB로 양호한 값을 나타내었다. 또한, 구형파의 전계를 스위치에 인가하여 측정한 스위칭 속도는 약 1.5nsec로 패킷 스위칭에 필요로 하는 고속 동작도 가능하다.
또, 본 실시예에서는 굴절률 제어를 용이하게 하기 위해서 KLTN 결정을 이용하였다. 그렇지만, KTN 결정을 이용하여도 마찬가지의 광스위치를 제작할 수 있고, 0.87V의 구동 전압, 1.2nsec의 스위칭 속도, 또한, 편파 무의존 동작을 확인하였다.
(실시예 2)
본 실시예의 광스위치는, 마하젠더 간섭계의 광도파로(암(arm) 도파로)의 한쪽 측에, 도 2에 나타낸 위상 변조 부분(18)의 위상 변조부(24)를 설치하고, 다른 한쪽 측에 위상 변조 부분(18)의 위상 변조부(25)를 설치한 구성이다. 그 이외의 구성은 실시예 1의 광스위치와 거의 마찬가지의 구성이다. 본 실시예는, 이러한 구성의 광스위치를 제작하고 그 동작을 확인하였다.
실시예 1의 광스위치의 구성에서는, 마하젠더 간섭계의 한쪽의 암(arm) 도파로에만 전계를 걸기 때문에 굴절률 변화가 수식 (1), 수식 (2)의 가산으로 된다. 실시예 1에서 설명한 것처럼, KTN, KLTN 결정의 2차의 전기 광학 정수는 직교하는 방향에서 부호가 반대이다. 따라서, 수식 (1), 수식 (2)의 가산에 의해 편광에 대한 굴절률 의존성은 없어지지만, 굴절률 변화량은 작아지는 방향으로 작용한다.
그래서, 실시예 2의 광스위치에서는, 인가 전계에 대해서 한층 더 유효적으로 스위칭 동작을 하기 위해, 양쪽의 암(arm) 도파로에 각각 위상 변조 부분(18)(도 2 참조)을 제작하였다. 그리고, 한쪽의 암(arm) 도파로의 위상 변조부(24)와 다른 한쪽의 암(arm) 도파로의 위상 변조부(25)에 동일한 전계를 인가한다. 광출력을 스위칭(switching) 하는 경우에는, 반대로, 한쪽의 암(arm) 도파로의 위상 변조부(25)와 다른 한쪽의 암(arm) 도파로의 위상 변조부(24)에 동일한 전계를 인가하는 것으로 하였다. 이에 의해, 푸시풀(push pull) 동작이 가능하게 되고, 굴절률 변화는 수식 (1)과 수식 (2)의 차분으로 되어, 한층 더 저전압에서의 스위칭을 실현할 수가 있었다. 이 경우의 구동 전압 Vπ는 0.53V이고, 그 외의 스위칭 특성은 실시예 1의 광스위치와 마찬가지였다. 즉, 본 실시예의 구성에 의해 광스위치의 고속, 편파 무의존의 특성을 유지하면서, 한층 더 저전압으로 구동할 수 있는 것이 밝혀졌다.
(실시예 3)
도 6은 본 실시 형태와 관련되는 광스위치의 실시 형태의 다른 일례로 그 위상 변조 부분의 구성을 나타내는 도이다. 또, 도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ선을 따라 취한 단면에 해당하고, 콤형 전극을 이용한 위상 변조 부분의 전계 방향을 나타내는 도이다.
실시예 3의 광스위치의 구성은 실시예 1의 광스위치와 마찬가지로 마하젠더 간섭계를 이용한 것이지만, 마하젠더 간섭계의 광도파로(암(arm) 도파로)의 위상 변조 부분에, 도 6에 나타내는 콤형의 전극 구조를 이용한 것이 크게 다른 점이다.
도 6, 도 7에 나타내듯이, 본 실시예의 위상 변조 부분은, 기판(61) 상에 형성한 클래드(63)에 코어(62)가 둘러싸이도록 형성된 매립 도파로로 되어 있다. 코어(62)의 상부에는, 그 길이 방향으로 콤(comb) 형상의 콤형 전극(64)과 그라운드 전극(65)이, 서로의 전극이 교대로 배치가 되도록 형성되어 있다. 또, 도 7에 나타 내듯이(도 6에서는 도시하지 않음), 상부측의 콤형 전극(64) 및 그라운드 전극(65)에 각각 대향하도록 기판(61)과 클래드(63)의 계면에 하부측의 콤형 전극(64) 및 그라운드 전극(65)이 각각 형성되어 있다.
콤형 전극(64) 및 그라운드 전극(65)에 의해 인가되는 전계는, 도 7에 나타내는 전계 E1, E2와 같이, 광의 전반 방향에 평행한 방향으로 복수 형성된다. 그리고, 서로 이웃하는 전계 E1, E2의 방향이 교대로 역전하는 방향을 가진다. 대향하는 콤형 전극(64), 그라운드 전극(65)의 극성이 동상이 되도록 전극이 제작되어 있다. 따라서, 코어(62)에 직교하는 방향의 전계가 없어지고, 코어(62)에 평행하는 전계만이 남는다.
이러한 전계의 인가 전, 인가 후의 광의 전반 방향에 직교하는 굴절률을 도시하면, 도 8과 같이 변화하는 것을 알 수 있다. 실시예 3의 경우, 광의 전반 방향에 직교하는 방향의 굴절률 변화는, 수식 (2)의 굴절률 변화에 대응하고 있다. 즉, 도 8로부터 분명한 것과 같이, 이 굴절률 변화의 방향은 등방적(等方的)이고, 편광에 대해서 등방적으로 굴절률 변화가 생긴다. 따라서, 편파 무의존으로 되는 것을 알 수 있다.
실시예 3의 콤(comb) 형상의 전극 구조에서는, 도 7에 나타내듯이, 전계 E1, E2의 방향이 교대로 역전하고 있음에도 불구하고, 전계의 방향에 의하지 않고 일정 방향의 굴절률 변화가 얻어지는 특징이 있다. 이는 2차 전기 광학 효과를 이용하고 있기 때문에, 전계의 부호(전계의 방향)에 관계없이, 그 절대치의 제곱에 비례하는 굴절률 변화가 얻어지기 때문이다. 이것이 2차 전기 광학 효과를 이용하고 있는 큰 이점이고, 콤형 전극을 이용하는 것을 가능하게 하고 있다.
또한, 콤형 전극을 이용하는 경우, 콤형 전극의 피치(pitch)를 바꿈으로써, 전계의 크기를 바꿀 수가 있다고 하는 이점이 있다. 샌드위치형(sandwitch type)의 전극 구조의 경우, 광도파로의 두께 이하로는 전극 간격을 작게 할 수가 없고, 전계를 크게 하는데는 큰 전압을 인가할 수밖에 없다. 그렇지만, 콤형 전극의 경우는 양극과 음극의 전극이 동일 평면의 상에 있어 그 간격을 임의로 바꿀 수가 있다. 따라서, 그 간격을 작게 함으로써, 동일 인가 전압이면서 큰 전계를 얻을 수 있다. 즉, 2차 전기 광학 효과를 가지는 유전체 결정에, 콤형 전극을 이용함으로써, 작은 인가 전압이면서 큰 전계를 인가할 수 있다. 또한, 교대로 전계의 방향이 변화하여도 일정 방향으로 굴절률을 변화시킬 수가 있기 때문에, 굴절률이 광의 전반 방향으로 한결같이 크게 변화한 광도파로를 얻을 수 있다. 따라서, 실시예 3의 콤(comb) 형상의 전극 구조를 이용한 위상 변조 부분을 마하젠더 간섭계의 한쪽(또는 양쪽)의 암(arm) 도파로로 이용함으로써, 편파 무의존 한편 저구동 전압의 광스위치를 용이하게 실현할 수가 있다.
또, 실시예 3과 같은 콤(comb) 형상의 전극 구조에 한정하지 않고, 광의 전반 방향으로 평행한 방향이고, 한편, 광의 전반 방향에 순방향만 또는 역방향만의 전계를 형성하는 전극 구조의 경우에서도, 편파 무의존의 광스위치를 실현할 수가 있다.
실시예 3에서는 실시예 1과 거의 동일한 상전이 온도를 가지는 KTN 결정으로 마하젠더 간섭계를 포함하는 광도파로를 제작하였다. 또, 하부 전극에 백금, 상부 전극에 ITO를 이용하여 광스위치를 제작하였다. 전극은 도전성이 있는 것이면 스위칭 동작이 가능하다. 상부 및 하부의 클래드 두께를 얇게 하고, 전계 인가 효율을 올리는 경우, 투명 전극을 사용하는 편이 전극 재료에 의한 광흡수의 영향을 억제할 수가 있다. 그 결과, 삽입 손실을 저하시킬 수가 있다. 또, 위상 변조 부분의 길이를 1cm, 바이어스 전압을 1V로 하는 경우, 본 실시예의 광스위치의 구동 전압 Vπ는 0.98V이고, 소광비는 35dB로 양호한 특성을 나타내고, 편파 무의존으로 동작한다.
또, 실시예 1 내지 실시예 3의 광스위치에서, 바이어스 전압을 인가하여 동작시키고 있다. 이 바이어스 전압에 스위칭에 필요한 변조 전압을 중첩하는 것은, 회로 구성으로서 용이하다. 또, 2차 전기 광학 효과를 이용하고 있기 때문에, 바이어스 전압을 인가함으로써, 전계 변화에 대한 굴절률 변화량을 크게 하는 것이 가능하다. 따라서, 전원 회로에 부하를 걸지 않을 정도의 바이어스 전압을 인가함으로써, 한층 더 효율이 좋게 스위칭이 가능하다는 것이 밝혀졌다.
(실시예 4)
실시예 4의 광스위치의 구성은 실시예 1의 광스위치와 마찬가지로 마하젠더 간섭계를 이용한 것이다. 2개의 암(arm) 도파로를 KLTN 결정에 의해 형성하고, 실시예 1과 마찬가지의 위상 변조 부분을 양쪽의 암(arm) 도파로에 제작하였다. 단, 입력측 3dB 커플러 및 출력측 3dB 커플러는 석영계 도파로로 제작되어 있다. 이들 재료를 이용하여 위상 변조 부분 측의 KLTN 결정의 단면을 연마하여 AR 코팅(coating)을 실시한 다음, 그 단면을 입력측 3dB 커플러 및 출력측 3dB 커플러와 광학 접착제로 접합하여 광스위치를 구성하였다.
실시예 4의 광스위치는 그 구동 전압이나 스위칭 속도는 실시예 1과 거의 마찬가지이다. 그렇지만, 삽입 손실 및 소광비가 개선되어 각각 2.4dB, 42dB가 된다. 이는 석영계 도파로로 제작된 3dB 커플러가, KLTN 결정으로 제작된 3dB 커플러보다 저손실로 고정밀도인 것을 나타내고 있다. 이와 같이, 위상 변조 부분에만 KTN, KLTN 결정의 광도파로를 이용하고, 그 외의 부분을 석영계 등의 다른 광도파로로 구성하여도 마찬가지의 광스위치를 제작할 수 있는 것이 밝혀졌다.
(실시예 5)
실시예 5의 광스위치는 실시예 1의 광스위치와 동등의 구성이지만 광도파로가 BTO 결정 등으로 제작되어 있는 점이 다르다. 이러한 구성의 광스위치를 제작하고 그 동작을 확인하였다.
실시예 5의 광스위치에서 BTO 도파로 부분을 110℃로 제어하여 동작시키면, 구동 전압 Vπ는 1.5V가 필요하다. 그렇지만, 실시예 1의 광스위치와 마찬가지의 성능이 얻어지고, 또한, 스위칭 속도는 1ns 이하이다. 또, BTO와 STO를 0.73：0.27의 비율로 혼합한 Ba0 .73Sr0 .27TiO3의 단결정으로 이루어지는 도파로를 제작하고, 이를 이용하여 동일한 광스위치를 제작한다. 이 경우, 도파로 온도 10℃에서 BTO의 도파로를 이용하는 경우와 마찬가지의 특성이 얻어진다. 그 외, PLZT를 도파로 재료로 한 광스위치에서도 마찬가지의 동작이 가능하였다.
(실시예 6)
실시예 6에서는 실시예 2의 광스위치를 4인치의 기판 상에 고밀도로 집적함으로써 16×16의 매트릭스 스위치를 제작한다. 제작한 광스위치는 논블로킹(non-bolcking) 구성이고, 그 수는 256개이다. 광스위치는 편파 무의존으로 동작하고, 삽입 손실은 8.5dB, 소광비는 43dB, 구동 전압 0.9V, 스위칭에 사용한 소비 전력은 0.8W이다. 실시예 6의 광스위치의 경우, 스위치 부분의 전기 용량에 대응하는 충방전을 스위칭시에 반복하기 때문에, 스위칭 속도에 대응하는 전력 소비가 생긴다. 구체적으로는, 1GHz로 연속적으로 스위칭 동작이 일어나는 경우, 그 최대의 소비 전력은 0.8W이다. 이에 의해, 종래의 광스위치에 비해 매우 작은 전력 소비인 것이 밝혀졌다.
(실시예 7)
본 실시 형태에서는 마하젠더 간섭형의 광스위치에 대해서 설명해 왔다. 실시예 7에서는 방향성 결합기에 대해서 설명한다.
도 9에 나타내듯이, 실시예 7의 도파로형 소자에서는 코어(91), 클래드(92)에 이용한 도파로 재료는 모두 KLTN 결정이다. 이들 재료에 대해서 Li의 농도와 Nb의 농도를 조정함으로써 비굴절률 차 0.5%의 광도파로를 실현하였다. 코어(core) 릿지(ridge)는 리소그래피(lithography)와 드라이(dry) 에칭(etching)에 의해 거의 6㎛×6㎛의 크기로 가공되어 있다.
실시예 7은 방향성 결합형 광분기 소자(96)를 구비하고 있고, 입력 포트(93) 로부터 광을 입력하면 상호 작용 영역에서 2개의 도파로간에 모드 결합이 생겨 에너지가 이행(shift)한다. 코어간의 갭(gap) G 및 상호 작용 영역 L을 조절함으로써 1：1의 분기비를 가지는 소자, 즉 3dB 커플러를 실현할 수가 있다.
코어 갭 G 및 상호 작용 길이 L을 변화시킨 방향성 결합형 광분기 소자를 복수 제작하였다. 입력 포트(93)로부터 파장 1.55㎛의 광을 입력하여 출력 포트(94, 95)로부터의 출력광의 강도를 측정하고, 분기비가 1：1로 되는 전형적인 조건을 나타낸 그래프가 도 10이다. 도 10에 의해 제작한 방향성 결합형 광분기 소자의 과잉 손실은 대체로 0.1dB 이하로 뛰어난 광학 특성을 나타내었다.
(실시예 8)
실시예 7에서의 방향성 결합기에서, 한쪽의 광도파로의 직상에 전극(도시하지 않음)을 형성하고, 분기비 가변 도파로형 분기 소자를 제작하였다. 그 구조를 도 11에 나타낸다.
실시예 8의 도파로형 분기 소자에서는, 도 11에 나타내듯이, 입력 포트(111)로부터 광을 입력하면, 위상 변조 부분(112)에서, 입력된 광이 한번 한쪽의 광도파로로 이행한 후, 다시 원래의 광도파로로 이행한다. 이때 출력 포트(114)로 모든 광이 출력되도록 바이어스 전압이 인가되어 있다. 위상 변조 부분(112)에서 광도파로에 분기비 제어용 전계를 인가하는 경우(ON의 경우)는, 위상 변조 부분(112)의 전계의 인가에 의해 편측 도파로의 실효 굴절률이 변화한다. 그 결과, 2개의 도파로간의 전반 정수에 차이가 생기고 위상 부정합이 생긴다. 이 위상 부정합량을 분기비 제어용 전계로 변화시킴으로써 광의 출력이 출력 포트(113)로 이행하여 분기 비가 변화하게 된다.
도 12는 도 11에서의 방향성 결합기의 한쪽의 광도파로에 형성한 위상 변조 부분(112)을 나타내는 구성도이다. 또, 도 13A는 도 12의 ⅩⅢΑ―ⅩⅢΑ 단면도이고, 도 13B는 도 12의 ⅩⅢΒ―ⅩⅢΒ 단면도이다.
도 12, 도 13A 및 도 13B에 나타내듯이, 위상 변조 부분(112)은 위상 변조부(121), 위상 변조부(122)의 2개의 위상 변조부로 구성되어 있다. 각각의 위상 변조부는 2종류의 각각 다른 전극 구조를 가진다. 구체적으로는, 위상 변조부(121)에서는 코어(91) 직상에 전극(123)이 배치되어 있어, 그 양측에 그라운드(ground) 전극(124)이 배치되어 있다. 이 전극 구조에서는, 도 13A에 나타내듯이, 코어(91)로부터 기판을 향한 방향(전반하는 광의 TM 방향으로 평행한 방향)으로 전계가 인가된다. 한편, 위상 변조부(122)에서는 코어(91)를 사이에 두도록 전극(123), 그라운드 전극(124)이 배치되어 있다. 따라서, 도 13B에 나타내듯이, 기판에 평행한 방향(전반하는 광의 TE 방향으로 평행한 방향)으로 전계가 인가된다. 이러한 전극 구조에 의해, 광의 전반 방향에 대해서 직교하고, 한편, 서로 직교하는 2방향으로 전계를 인가하는 것이 가능하다.
즉, 수식 (1), 수식 (2)에 의해, 도 11에 나타낸 위상 변조 부분(112)에서는, 서로 직행하는 2개의 전계가 동일한 경우에는 수식 (1)과 수식 (2)의 가산분의 굴절률 변화가 TE 방향, TM 방향의 양편광에 동일하게 생긴다. 그 때문에, 위상 변조 부분(112)에서는, 위상 변조량은 편광에 의존하지 않게 되고 본 실시 형태의 광스위치가 편광 무의존으로 분기비 가변 동작하는 것을 알 수 있다.
도 12에 나타낸 2종류의 전극의 길이는 각각 4mm이고, 양쪽 전극으로 약 8mm로 하였다. 이 광스위치의 삽입 손실은 약 2.5dB이고, KLTN 결정을 이용한 방향성 결합기를 포함한 도파로 소자는 매우 저손실이다.
도 14는 본 실시 형태와 관련되는 광스위치의 분기 특성을 나타내는 그래프이다. 상술한 바와 같이, 위상 변조부(121, 122)에 동일한 바이어스 전계(전압) 3V를 인가하고, 분기비를 변화시키기 위해 필요한 전계를 인가하였을 때에, 출력 포트(113, 114)로 출력되는 광파워(optical power)를 측정한 결과이다. 도 14에 나타내듯이, 광출력이 전계의 인가에 의해 전환되는 것을 알 수 있다. 실시예 8의 도파로형 소자가 분기비 가변이고, 또한 스위칭 기능을 가지는 것을 알 수 있다. 실시예 8에서는, 2차 전기 광학 효과를 이용하고 있기 때문에, 인가 전계가 커짐에 따라 굴절률 변화가 커진다. 이 때문에, 스위칭 동작에 필요한 전계가 점차 작아져 가는 모습을 알 수 있다. 본 실시예의 광스위치의 구성 및 구동 조건에서는 스위칭 동작에 필요한 전압은 0.95V이고, 스위치의 소광비는 30dB로 양호한 값을 나타내었다. 또한, 구형파의 전계를 스위치에 인가하여 측정한 스위칭 속도는 약 2nsec이다. 따라서, 본 실시예의 광스위치에 의해 패킷 스위칭에 필요로 하는 고속 동작도 가능하다.
또, 실시예 8에서는, KLTN 결정을 이용하였지만, KTN 결정을 이용하여도 마찬가지의 광스위치를 제작할 수 있고, 0.97V의 구동 전압, 1.7nsec의 스위칭 속도, 또한, 편파 무의존 동작을 확인하였다. 또, 위상 변조를 주기 위한 전극 구성은 도 13A 및 도 13B에 나타낸 2개의 위상 변조부로 이루어지는 구성을 이용하였지만 콤 형 전극 등의 구성을 이용하여도 편파 무의존 조작을 확인하였다.
(실시예 9)
실시예 9에서는 실시예 8의 광스위치를 4인치의 기판 상에 고밀도로 집적함으로써 16×16의 매트릭스 스위치를 제작하였다. 제작한 광스위치는 논블로킹(non-blocking) 구조이고, 그 수는 256개이다. 도 15는 그 중에 16개의 요소(151)를 나타내고 있다. 각 요소(151)는 도 11에 나타낸 방향성 결합기를 이용한 광스위치이다. 이 광스위치는 편파 무의존으로 동작하고, 삽입 손실은 8.0dB, 소광비는 45dB, 구동 전압 0.90V, 스위칭에 사용한 소비 전력은 0.83W였다.
본 스위치의 경우, 스위치 부분의 전기 용량에 대응하는 충방전을 스위칭시에 반복하기 때문에, 스위칭 속도에 대응하는 전력 소비가 생긴다. 구체적으로는 lGHz로 연속적으로 스위칭 동작이 일어나는 경우, 그 최대 소비 전력은 0.8W로 종래의 광스위치에 비해 매우 작은 소비 전력이었다.
제1 실시 형태와 관련되는 광스위치에서는 KTN나 KLTN 등에 대해서 퀴리 전이 온도 근방에서 동작시키기 위해서 온도 콘트롤러를 구비할 수가 있다. 온도 콘트롤러는 펠티에르(Peltier) 소자이어도 좋다.
이상 설명해 온 것처럼, 제1 실시 형태에 의하면, KTN, KLTN 결정 등을 광도파로로서 이용함으로써 종래에는 실현될 수 없었던 고속, 저전압 구동, 편파 무의존의 광스위치를 실현할 수가 있다. 저전압으로 구동할 수 있기 때문에, 고가의 고속 동작의 전원을 사용할 필요가 없고, 대신에 IC 등으로 직접 구동할 수가 있다. 또, 제1 실시 형태와 관련되는 광스위치는 집적회로나 보드(board) 실장 등을 이용 하여 고밀도의 스위치 보드로 하여 염가로 제작할 수가 있다. 또한, 매트릭스 구성하는 것이 용이하여 대규모 매트릭스 스위치를 구성할 수 있다. 따라서, 제1 실시 형태와 관련되는 광스위치는 광패킷 라우터(router)의 코어 스위치로서 유용하다.
(제2 실시 형태)
제2 실시 형태는 KTN 결정을 기본으로 한 광도파로를 이용하여 디지털 광스위치를 구성한다. 예를 들면, 도 16에 나타내듯이, KTN 혹은 KLTN를 코어(161)로 하고, 이보다 약간 굴절률이 낮은 KTN 혹은 KLTN를 클래드층(162)으로 한 매립형 삼차원 광도파로를 이용한다. 도 16 중에서는 생략되어 있지만, 이 매립형 삼차원 도파로는, KTaO3(KT), KNbO3(KN) 혹은 KTN 기판 상에 설치되어 있다.
이러한 매립형 삼차원 광도파로를 이용한 1×2 디지털 광스위치를 도 17에 나타낸다. 이 광스위치는 광의 도파로 방향으로만 전계 E1을 인가하기 위해 하층 클래드의 하방 한편 상층 클래드의 상방에 콤형 전극을 구비한다.
즉, 기판(173) 상에는 코어(178)와 클래드층(174)으로 이루어지는 매립형 삼차원 광도파로로서 1개의 입력 광도파로(입력 포트)(175)로부터 2개의 출력 도파로(출력 포트)(176, 177)로 분기하는 Y분기형 도파로를 구성한다. 하측의 클래드층(174)의 하방 및 상측의 클래드층(174)의 상방에서, Y분기의 근방에서의 출력 도파로(176, 177)에는, 코어(178)에 전계를 가하기 위해서 콤형 전극(171, 172)을 배치한다.
이러한 디지털 광스위치는, 후술하듯이, TE, TM 양쪽의 굴절률 변화가 동일 한 굴절률 변화를 받는 것이 가능하게 되고, 편광 의존성을 제거할 수 있다. 본 실시 형태에서 이용하는 KTN는 유전체 결정재료이고, 퀴리 온도 이상에서 입방정 구조를 가진다. 이에 대해서, 도 16에 나타내듯이, 외부 전장 E1, E2, E3을 결정축 방향 a1, a2, a3에 인가하면, 2차 전기 광학 효과를 나타낸다.
입방정(立方晶)에서의 TE, TM 각 모드의 굴절률의 전장 의존성은 E2 혹은 E3이 0일 때에는 이하와 같이 기술할 수 있다.
[수식 3]
Figure 112008012528099-pat00003
상기 수식에서, n0는 KTN 또는 KLTN의 전장 인가 전의 굴절률이고, g11 및 g12는 KTN, KLTN의 비선형 정수이고, εa는 KTN, KLTN의 비유전률이다. 여기서, E1, E2, E3의 전계 방향은 도 16에 나타낸 코어(161)의 주축 방향의 전장에 각각 대응한다. E2 혹은 E3가 0일 때에는 굴절률 타원체의 주축은 변화하지 않고, 모드 변환은 일어나지 않는다. 또, E3가 0이 아닐 때에는, g11와 g12의 부호가 다르기 때문에 굴절률 변화의 방향이 다르다.
그리고, nTE는 E3의 증가에 수반하여 감소한다. 한편, nTM는 E3의 증가에 수반하여 증가하기 때문에 스위칭 동작의 편파 의존성이 생겨버린다. 그래서, 광의 도 파 방향의 전계 E1만을 인가하면 굴절률 변화는 양쪽 모드 모두 다음의 수식과 같이 동일한 수식으로 주어져 편파 의존성을 제거할 수 있다.
[수식 4]
Figure 112008012528099-pat00004
그래서, 도 17과 같이 광의 도파 방향의 전계 E1만을 인가하기 위해서 코어(178)인 출력 포트(176, 177)의 상하에 콤형 전극(171, 172)을 배치하였다.
콤형 전극(171, 172)이 배치된 Y분기 도파로의 단면도를 도 18A에, 콤형(comb-shaped) 전극의 평면도를 도 18B에 나타낸다.
도 18A에 나타내듯이, 기판(183) 상에는 클래드층(184)과 코어(182)로 이루어지는 매립형 삼차원 광도파로가 설치되어 있다. 또, 상측의 클래드층(184)의 상방 및 하측의 클래드층(184)의 하방에는 각각 콤형 전극(181)이 배치되어 있다. 도 18B에 나타내듯이, 콤형 전극(181)은, +극(181a)과 -극(181b)을 일정 간격으로 교대로 배치하고 있다. 그리고, 상하의 콤형 전극(181)의 동극이 서로 마주하도록 배치되어 있다.
그 때문에, 코어(182)를 상하로 관통하는 전계 E3은 상하의 콤형 전극(181)으로부터의 전계 성분이 서로 없어짐으로써 이상적으로는 0이 된다. 따라서, 본 실시예의 콤형 전극(181)에 의해 광의 도파 방향으로만 전계 E1을 효과적으로 인가할 수가 있다. 또한, 본 발명의 전계 효과는 2차 전기 광학 효과를 이용하고 있기 때 문에 전장의 제곱에 비례한다. 따라서, 2개의 출력 포트(176, 177)에 미리 DC 바이어스 전압을 인가해 두고, 스위칭 동작에 의해 광로를 전환하고자 하는 2개의 출력 포트(176) 또는 출력 포트(177)에만 전압을 인가함으로써 보다 저소비 전력으로 스위칭 동작할 수 있다.
한편, 도 19에 나타내듯이, 상측의 클래드층(193)의 표면에서, 코어(192)의 좌우에 +극, -극의 전극(191)을 배치하고, 광도파 방향에 대해 수직 방향으로 전압을 인가하는 경우, 기판에 평행으로 코어(192)를 횡단하는 방향의 전계 E2가 주로 발생한다. 그 경우, 굴절률 변화는 이하의 수식으로 나타낼 수 있어 nTE는 감소하고 nTM는 증가한다.
[수식 5]
Figure 112008012528099-pat00005
이러한 원리를 이용한 1×2 편파 스플리터(splitter)를 도 20에 나타낸다. 즉, 도 20에 나타내듯이, 기판(203) 상에는 코어(208)와 클래드층(204)으로 이루어지는 매립형 삼차원 광도파로로서 1개의 입력 포트(205)로부터 2개의 출력 포트(206, 207)로 분기하는 Y분기형 도파로를 설치하였다. 클래드층(204)의 표면에는 Y분기의 근방에서의 출력 포트(206, 207)의 각각 좌우 양측에 스위칭용 전극(201, 202)을 배치하였다.
따라서, 입력 포트(205)로 TM 광, TE 광을 입사시켜 한쪽의 스위칭용 전 극(201)에 전압을 인가하면, 기판에 평행으로 코어(208)를 횡단하는 방향의 전계 E2가 발생한다. 이 때문에, TM 광은 출력 포트(206)로, TE 광은 출력 포트(207)로 출력된다. 따라서, TE 모드와 TM 모드를 분리 가능한 편파 스플리터를 실현할 수 있다.
또, 도 21A 및 21B에 이 Y분기형 도파로를 5개 트리(tree) 형상으로 조합한 1×2 편파 무의존 광스위치의 모식도를 나타낸다. 즉, 제1 Y분기형 도파로(211)에서 1개의 도파로를 2개의 도파로로 분기한다. 제2, 제3 Y분기형 도파로(212, 213)에서 2개의 도파로를 4개로 분기한다. 제4, 제5 Y분기형 도파로(214, 215)에서 교차한 도파로와 직선적인 도파로를 각각 2개의 도파로로 결합시키고 있다. 또, 각 Y분기형 도파로(211∼215)의 출력 도파로에는 각각 스위칭용 전극이 배치되어 있다. 도 21A 및 21B 중에 흑색으로 나타내는 전극에 실제로 전압이 인가된다.
도 21A의 경우, TM 광, TE 광은 화살표로 나타낸 광로를 각각 전파하여 최종적으로는 모두 도 중에서 상측의 출력 포트로 출력된다. 한편, 도 21B의 경우, TM 광, TE 광은 화살표로 나타낸 광로를 각각 전파하여 최종적으로는 모두 도 중에서 하측의 출력 포트로 출력된다.
또, 도 22A 및 22B에 이 Y분기형 도파로를 7개 트리(tree) 형상으로 조합한 1×2 편파 무의존 광스위치의 모식도를 나타낸다. 즉, 제1 Y분기형 도파로(221)에서 1개의 도파로를 2개의 도파로로 분기한다. 제2, 제3 Y분기형 도파로(222, 223)에서 2개의 도파로를 또한 4개의 도파로로 분기한다. 제4 Y분기형 도파로(224)에서 2개의 도파로를 1개의 도파로로 결합하여 제5 Y분기형 도파로(225)에서 1개의 도파로를 2개의 도파로로 분기한다. 또한, 제6, 제7 Y분기형 도파로(226, 227)에서 4개의 도파로를 2개의 도파로로 결합시키고 있다. 이들 각 Y분기형 도파로(221∼227)의 출력 도파로에는 각각 스위칭용 전극이 배치되어 있다. 도 22A 및 22B 중에 흑색으로 나타내는 전극에 실제로 전압이 인가된다.
도 22A의 경우, TM 광, TE 광은 각각 화살표로 나타낸 광로를 전파하여 최종적으로는 모두 도 중에서 상측의 출력 포트로 출력된다. 한편, 도 22B의 경우, TM 광, TE 광은 화살표로 나타낸 광로를 전파하여 최종적으로는 모두 하측의 출력 포트로 출력된다.
이상과 같이, 다단으로 Y분기형 도파로를 연결함으로써 편파 무의존형의 광스위치를 실현할 수 있다. 도 21A 및 21B, 및 도 22A 및 22B와 같이, Y분기형 도파로를 5∼7개의 트리(tree) 형상으로 연결함으로써 최소의 소형의 편파 무의존형의 스위치를 실현할 수 있다.
한편, 도 23과 같이 하측의 클래드층(233)의 하방 한편 상측의 클래드층(233)의 상방의 양쪽에 +전극(231) 및 -전극(231)을 배치한다. 광도파 방향에 대해 수직 방향으로 전압을 인가하는 경우, 기판에 수직으로 코어 도파로(232)를 횡단하는 방향의 전계 E3이 주로 발생한다.
[수식 6]
Figure 112008012528099-pat00006
이 경우, 전압 인가시에는 nTE는 증가하고 nTM는 감소한다.
이러한 원리를 이용한 1×2 편파 스플리터(splitter)를 도 24에 나타낸다. 도 24에 나타내듯이, 기판(248) 상에는 코어(241)와 클래드층(244)으로 이루어지는 매립형 삼차원 광도파로로서 1개의 입력 포트(245)로부터 2개의 출력 포트(246, 247)로 분기하는 Y분기형 도파로를 설치하였다. 클래드층(244)의 상면 및 그 하면에는 Y분기의 근방에서의 출력 포트(246, 247)의 각각을 따라 스위칭용 전극(242, 243)을 배치하였다.
이러한 구성으로, 입력 포트(245)에 TM 광, TE 광을 입사시켜 한쪽의 스위칭용 전극(242)에 전압을 인가하면, 기판에 수직으로 코어(246)을 횡단하는 방향의 전계 E3을 발생시킨다. 따라서, TE 광은 출력 포트(246)로, TM 광은 출력 포트(247)로 출력된다. 따라서, 마찬가지로 TE 모드와 TM 모드를 분리 가능한 편파 스플리터를 실현할 수 있다.
또, 도 25A 및 25B에 이 Y분기형 도파로를 5개 트리(tree) 형상으로 조합한 1×2 편파 무의존 광스위치의 모식도를 나타낸다. 즉, 제1 Y분기형 도파로(251)에서 1개의 도파로를 2개의 도파로로 분기한다. 제2, 제3 Y분기형 도파로(252, 253)에서 2개의 도파로를 4개로 분기한다. 제4, 제5 Y분기형 도파로(254, 255)에서 교 차한 도파로와 직선적인 도파로를 각각 2개의 도파로로 결합시키고 있다. 이들 각 Y분기형 도파로(251∼255)의 출력 포트에는 각각 스위칭용 전극이 배치되어 있다. 도 25A, 25B 중에 흑색으로 나타내는 전극에 실제로 전압이 인가된다.
도 25A의 경우, TM 광, TE 광은 화살표로 나타낸 광로를 각각 전파하여 최종적으로는 모두 도 중에서 상측의 출력 포트로 출력된다. 한편, 도 25B의 경우, TM 광, TE 광은 화살표로 나타낸 광로를 각각 전파하여 최종적으로는 모두 도 중에서 하측의 출력 포트로 출력된다.
또, 도 26A 및 26B에 이 Y분기형 도파로를 7개 조합한 1×2 편파 무의존 광스위치의 모식도를 나타낸다. 즉, 제1 Y분기형 도파로(261)에서 1개의 도파로를 2개의 도파로로 분기한다. 제2, 제3 Y분기형 도파로(262, 263)에서 2개의 도파로를 또한 4개의 도파로로 분기한다. 제4 Y분기형 도파로(264)에서 2개의 도파로를 1개의 도파로로 결합하고, 제5 Y분기형 도파로(265)에서 1개의 도파로를 2개의 도파로로 분기한다. 또한, 제6, 제7 Y분기형 도파로(266, 267)에서 4개의 도파로를 2개의 도파로로 결합시키고 있다.
각 Y분기형 도파로(261∼267)의 출력 포트에는 각각 스위칭용 전극이 배치되어 있다. 도 26A 및 26B 중에 흑색으로 나타내는 전극에 실제로 전압이 인가된다.
도 26A의 경우, TM 광, TE 광은 화살표로 나타낸 광로를 각각 전파하여 최종적으로는 모두 도 중에서 상측의 출력 포트로 출력된다. 한편, 도 26B의 경우, TM 광, TE 광은 화살표로 나타낸 광로를 각각 전파하여 최종적으로는 모두 도 중에서 하측의 출력 포트로 출력된다. 이상과 같이, 다단으로 Y분기형 도파로를 연결함으 로써 편파 무의존형의 광스위치를 실현할 수 있다.
이하에, 상기의 수법에 의해 제작한 광스위치의 실시예를 나타내지만, 스위치 제작 수법은 상기의 내용에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
포토리소그래피(photo-lithography) 등의 수법에 의해 KTN 결정의 표면에 백금 콤형 전극을 제작하였다. 그리고, 그 위에 Li 농도를 조정하여 굴절률이 높은 KLTN를 Y분기형의 코어로 하고 굴절률이 낮은 KLTN를 클래드층으로 한 Y분기 매립 도파로를 제작한다. 여기서, 코어와 클래드의 비굴절률 차는 Δn=0.3%로 하였다. 코어 크기는 8×8㎛2로 한다. 또한, 포토리소그래피 등의 수법에 의해 상층 클래드 결정의 표면에 백금 콤형 전극을 제작하여 구동용 전극으로 한다.
전극 길이는 짧을수록 CR 정수로 결정되는 응답 속도에 유리하다. 그렇지만, 크로스토크(cross-talk)는 전극 길이가 길수록 유리하다. 따라서, 전극 길이를 바꾼 패턴을 가지는 복수의 광스위치로 그 광학 특성을 평가하고 최적값을 얻었다. 퀴리 전이 온도 근방에서 동작시키기 위해 이 광스위치를 펠티에르(Peltier) 소자로 온도 조정한다. DC 바이어스 3V를 양쪽의 스위칭용 전극에 인가하고, ON 포트측의 스위칭용 전극에 변조 전압을 인가하여 스위칭 동작시킨다. 이 1×2 디지털형(digital type) EO 스위치는 동작 전압＜1V(DC 바이어스 3V), 크로스토크＜-30dB, 응답 속도＜1ns의 광학 특성을 나타내었다.
(실시예 2)
포토리소그래피 등의 수법에 의해 KTN 결정의 표면에 백금의 콤형 전극을 제작한다. 그리고, 그 위에 Ta/Nb 농도비를 조정하여 굴절률이 높은 KTN를 코어로 하고 굴절률이 낮은 KTN를 클래드층으로 한 Y분기 매립 도파로를 제작한다. 코어와 클래드의 비굴절률 차는 Δn=0.3%로 하였다. 코어 크기는 8×8㎛2로 한다. 또한, 포토리소그래피 등의 수법에 의해 상층 클래드 결정의 표면에 백금 콤형 전극을 제작하여 구동용 전극으로 한다.
전극 길이는 짧을수록 CR 정수로 결정되는 응답 속도에 유리하다. 그렇지만, 크로스토크(cross-talk)는 전극 길이가 길수록 유리하다. 따라서, 크로스토크(cross-talk)는 전극 길이가 길수록 유리하기 때문에, 전극 길이를 바꾼 패턴을 가지는 복수의 광스위치로 그 광학 특성을 평가하고 최적값을 얻었다. 퀴리 전이 온도 근방에서 동작시키기 위해서 이 광스위치를 펠티에르(Peltier) 소자로 온도 조정한다. DC 바이어스 3V를 양쪽의 스위칭용 전극에 인가하고, 한쪽의 스위칭용 전극에 변조 전압을 인가하여 스위칭 동작시킨다. 이 1×2 디지털형(digital type) EO 스위치는 동작 전압＜1V(DC 바이어스 3V), 크로스토크＜-30dB, 응답 속도＜1ns의 광학 특성을 나타내었다.
(실시예 3)
Ta/Nb 농도비를 조정하여 굴절률이 높은 KTN를 코어로 하고 굴절률이 낮은 KTN를 클래드층으로 한 도파로를 제작한다. 이 도파로를 이용하여 도 22A 및 22B에 나타낸 것처럼 Y분기형 도파로(221∼227)를 7단으로 연결한 구조의 매립 도파로를 제작한다. 코어와 클래드의 비굴절률 차는 Δn=0.3%로 하였다. 코어 크기는 8×8㎛2로 한다. 또한, 포토리소그래피 등의 수법에 의해 상층 클래드 결정의 표면에 백금 표면 전극을 제작하여 스위칭용 전극으로 한다. 퀴리 전이 온도 근방에서 동작시키기 위해서 이 광스위치를 펠티에르(Peltier) 소자로 온도 조정한다.
도 22A 및 22B의 흑색으로 나타내는 전극에 변조 전압을 인가하여 스위칭 동작시킨다. 이 1×2 디지털형(digital type) EO 스위치는 동작 전압＜1V(DC 바이어스 3V), 크로스토크＜-30dB, 응답 속도＜1ns의 광학 특성을 나타내었다.
(실시예 4)
Ta/Nb 농도비를 조정하여 굴절률이 높은 KTN를 코어로 하고 굴절률이 낮은 KTN를 클래드층으로 한 도파로를 제작한다. 이 도파로를 이용하여 도 21A 및 21B에 나타낸 것처럼 Y분기형 도파로(211∼215)를 5단으로 연결한 구조의 매립 도파로를 제작한다. 코어와 클래드와의 비굴절율 차는 Δn=0.3%로 하였다. 코어 크기는 8×8㎛2로 한다. 또한, 포토리소그래피 등의 수법에 의해 상층 클래드 결정의 표면에 백금 표면 전극을 제작하여 구동용 전극으로 한다. 퀴리 전이 온도 근방에서 동작시키기 위해서 이 광스위치를 펠티에르(Peltier) 소자로 온도 조정한다.
도 21A 및 21B의 흑색으로 나타내는 전극에 변조 전압을 인가하여 스위칭 동작시킨다. 이 1×2 디지털형(digital type) EO 스위치는 동작 전압＜1V(DC 바이어스 3V), 크로스토크＜-30dB, 응답 속도＜1ns의 광학 특성을 나타내었다.
(실시예 5)
포토리소그래피 등의 수법에 의해 KTN 결정의 표면에 백금의 스위칭용 전극을 제작한다. 그리고, 그 위에 Ta/Nb 농도비를 조정하여 굴절률이 높은 KTN를 코어로 하고 굴절률이 낮은 KTN를 클래드층으로 한 도파로를 제작한다. 그 도파로를 이용하여 도 25A 및 25B에 나타낸 것처럼 Y분기형 도파로(251∼255)를 5단으로 연결한 구조의 매립 도파로를 제작한다. 여기서, 코어와 클래드의 비굴절률 차는 Δn=0.3%로 하였다. 코어 크기는 8×8㎛2로 한다. 또한, 포토리소그래피 등의 수법에 의해 상층 클래드 결정의 표면 및 하층 클래드 결정 하부에 백금 전극을 제작하여 스위칭용 전극으로 한다. 퀴리 전이 온도 근방에서 동작시키기 위해서 이 광스위치를 펠티에르(Peltier) 소자로 온도 조정한다.
도 25A 및 25B의 흑색으로 나타내는 전극에 변조 전압을 인가하여 스위칭 동작시킨다. 이 1×2 디지털형(digital type) EO 스위치는 동작 전압＜1V(DC 바이어스 3V), 크로스토크＜-30dB, 응답 속도＜1ns의 광학 특성을 나타내었다.
(실시예 6)
포토리소그래피 등의 수법에 의해 KTN 결정의 표면에 백금의 스위칭용 전극을 제작한다. 그리고, 그 위에 Ta/Nb 농도비를 조정하여 굴절률이 높은 KTN를 코어로 하고 굴절률이 낮은 KTN를 클래드층으로 한 도파로를 제작한다. 이 도파로를 이용하여 도 26A 및 26B에 나타낸 것 같은 Y분기형 도파로(261∼267)를 7단으로 연결한 구조의 매립 도파로를 제작한다. 여기서, 코어와 클래드의 비굴절률 차는 Δn=0.3%로 하였다. 코어 크기는 8×8㎛2로 한다. 또한, 포토리소그래피 등의 수법에 의해 상층 클래드 결정의 표면 및 하층 클래드 결정 하부에 백금 전극을 제작하여 구동용 전극으로 한다. 퀴리 전이 온도 근방에서 동작시키기 위해서 이 광스위치를 펠티에르(Peltier) 소자로 온도 조정한다.
도 26A 및 26B의 흑색으로 나타내는 전극에 변조 전압을 인가하여 스위칭 동작시킨다. 이 1×2 디지털형(digital type) EO 스위치는 동작 전압＜1V(DC 바이어스 3V), 크로스토크＜-30dB, 응답 속도＜1ns의 광학 특성을 나타내었다.
(실시예 7)
실시예 7의 광스위치는 실시예 1의 광스위치와 동등의 구성이지만 광도파로가 BTO 결정 등으로 제작되어 있는 점이 다르다. 이러한 구성의 광스위치를 제작하고 그 동작을 확인하였다.
실시예 7의 광스위치에서 BTO 도파로 부분을 110℃로 제어하여 동작시키면 동작 전압은 1.5V 필요하다. 그렇지만, 실시예 1의 광스위치와 마찬가지의 성능이 얻어지고, 또한, 스위칭 속도는 1ns 이하이다. 또, BTO와 STO를 0.73：0.27의 비율로 혼합한 Ba0 .73Sr0 .27TiO3의 단결정으로 이루어지는 도파로를 제작하고, 이를 이용하여 동일한 광스위치를 제작한다. 이 경우, 도파로 온도 10℃에서 BTO의 도파로를 이용하는 경우와 마찬가지의 특성이 얻어진다. 그 외, PLZT를 도파로 재료로 한 광스위치에서도 마찬가지의 동작이 가능하였다.
제2 실시 형태와 관련되는 광스위치에서는 KTN나 KLTN 등에 대해서 퀴리 전이 온도 근방에서 동작시키기 위해서 온도 콘트롤러를 구비할 수가 있다. 온도 콘 트롤러는 펠티에르(Peltier) 소자이어도 좋다.
이상 설명한 것처럼, 본 실시 형태는 유전체 결정 기판과 유전체 결정 도파로를 이용한 광소자에 관한 것으로, 구체적으로는, KTaO3 혹은 KNbO3 혹은 KTN 기판과, 이 기판 상에 KLTN를 코어로 하고, 코어보다 약간 굴절률이 낮은 KLTN 도파로를 클래드층으로 한 매립형 광도파로와 전계를 가하는 전극을 구비한 광소자이다.
이상 설명한 것처럼, 제2 실시 형태에 의하면, 편파 무의존 동작 가능한 광스위치 등의 도파로형 소자를 실현할 수 있다. 즉, 제2의 실시 형태에서는, KTN/KLTN 결정재료를 이용한 매립형 도파로에 스위칭용 전극을 구비하므로, 소형이고 염가의 고속 전원을 이용하여 스위칭 동작이 가능하다고 하는 효과가 있다.
또한, 편파 무의존, 집적화 할 수 있기 때문에 네트워크 시스템용의 고속 스위치, 예를 들면, 광패킷 스위치로서 이용할 수가 있어 신규 네트워크 시스템을 제공할 수 있다고 하는 효과가 있다.
(제3 실시 형태)
제3 실시 형태는 전기 광학 정수가 매우 큰 입방정 한편 2차의 전기 광학 정수를 가지는 유전체 결정을 기본으로 한 위상 쉬프터(shifter)를 이용하여 구성한 광변조기를 특징으로 하는 것이다. 본 실시 형태에서는, 상술의 유전체 결정으로서 KTN, KLTN를 이용하고 있다.
입방정(立方晶)에서의 TE, TM 각 모드의 굴절률의 전장 의존성은 E2 혹은 E3이 0일 때에는 이하와 같이 기술할 수 있다. 즉, TE, TM 각 모드의 굴절률의 전장 의존성은 E2 혹은 E3이 0일 때에는 이하와 같이 기술할 수 있다.
[수식 7]
Figure 112008012528099-pat00007
[수식 8]
Figure 112008012528099-pat00008
상기 수식에서, n0는 KTN 또는 KLTN의 전장 인가 전의 굴절률이고, g11 및 g12는 KTN, KLTN의 비선형 정수이고, εa는 KTN, KLTN의 비유전률이다. 또, g11=0.136이고, g12=-0.038이다.
도 27은 유전체 결정재료의 도파로의 결정 방위와 전계 방향을 나타내는 입체도로, 도 중에서 부호 271은 코어, 부호 272는 클래드를 나타내고 있다. 여기서, E1, E2, E3의 전계 방향은 KTN 도파로의 주축 방향의 전장에 각각 대응한다. E2 혹은 E3이 0일 때에는 굴절률 타원형의 주축은 변화하지 않고 모드 변환은 일어나지 않는다.
도 28A, 28B는 콤형 전극 부착 광도파로의 구성도이다. 도 28A는 콤형 전극 부착 광도파로의 사시도이고, 도 28B는 도 28A의 ⅩⅩⅧB-ⅩⅩⅧB선 절단 단면도이다. 도 중에서 부호 281은 코어, 부호 282는 클래드, 부호 283은 기판, 부호 284는 콤형 전극을 나타내고 있다. 코어(281)의 상하를 사이에 두도록 하여 콤형 전극(284)이 배치된다. 이 콤형 전극(284)은 길이 방향으로 양극 및 음극이 교대로 배치되어 있다. 즉, 기판(283) 상에는 클래드(282)가 형성되고, 이 클래드(282) 중에는 코어(281)가 매립되어 있다. 클래드(282)의 상하에는 콤(comb) 형상 전극(284)이 설치되어 있다.
도 28A 및 28B에 나타내듯이, 전극(284)에 의해 E1에만 전계를 걸면 굴절률 변화는 양쪽 모드 모두 하기의 수식과 같이 동일한 수식으로 주어진다. 따라서, 편파 의존성을 제거할 수 있다.
[수식 9]
Figure 112008012528099-pat00009
[수식 10]
Figure 112008012528099-pat00010
도 29A 및 29B는 전극 부착 광도파로의 구성도이다. 도 29A는 전극 부착 광도파로의 사시도이고, 도 29B는 도 29A의 ⅩⅩⅨB-ⅩⅩⅨB선 절단 단면도이다. 도 중에서 부호 291은 코어, 292는 클래드, 293은 기판, 294는 전극을 나타내고 있다. 이 전극(294)은 코어(291)의 상방에서 클래드(292) 면의 상에 그 직상 및 그 양측에 3개 배치되어 있다.
도 29A 및 29B에 나타내듯이, 전극(294)에 의해 E2에만 전계를 걸면 굴절률 변화는 다음의 수식과 같이 주어진다.　
[수식 11]
Figure 112008012528099-pat00011
[수식 12]
Figure 112008012528099-pat00012
도 30A 및 30B는 전극 부착 광도파로의 구성도이다. 도 30A는 전극 부착 광도파로의 사시도이고, 도 30B는 도 30A의 ⅩⅩⅩB-ⅩⅩⅩB선 절단 단면도이다. 도 중에서 부호 301은 코어, 302는 클래드, 303은 기판, 304는 전극을 나타내고 있다. 이 전극(304)은 코어(301)의 상방에서 클래드(302) 면의 상에 그 직상의 양측에 2개 배치되어 있다.
도 30A 및 30B에 나타내듯이, 전극(304)에 의해 E3에만 전계를 걸면 굴절률 변화는 다음의 수식과 같이 주어진다.
[수식 13]
Figure 112008012528099-pat00013
[수식 14]
Figure 112008012528099-pat00014
후자의 2개의 전계 인가 배치에서는 굴절률의 변화가 양쪽의 모드에서 역부호가 된다. 도 31(실시예 12에서 상세하게 설명한다)에는 마하젠더형의 광변조기의 기본 구조가 나타나 있다. 입력광은 3dB 커플러(312)에 의해 2분 되고, Y분기 광도파로(314)로 인도된다. 이 Y분기 광도파로(314)의 한쪽은 광위상 변조기로서 동작하고, 그곳을 통과하는 광의 위상을 변조한다.
Y분기 광도파로(314)로부터의 광파가 동위상으로 입사하는 경우는, 2개의 광파는 그대로 서로 더해져 출력 포트로 인도된다. 그렇지만, 양자의 위상이 180° 어긋나 있는 경우에는, 광은 방사 모드로서 Y분기 광도파로(314)로부터 밖으로 방사되기 때문에 출력 포트(316)로는 인도되지 않는다. KTN는 큰 2차 전기 광학 효과를 가지기 때문에, 전극 길이를 짧게 해도 수식 (7) 또는 (8), 혹은(11) 내지 수식 (14)으로부터 인도(guide)되는 굴절률 변화에 따른 위상의 변화에 의해 효율적으로 광강도 변조를 실현할 수 있다.
도 31에 나타낸 전극 구조를 이용하면 편파 무의존 동작을 실현할 수 있지만, 도 32(실시예 13에서 상세하게 설명한다) 및 도 33(실시예 14에서 상세하게 설명한다)에 따른 전극을 이용하면 편파 의존 동작이 된다. 그렇지만, 도 32 및 도 33에 따른 전극을 이용하면, 보다 큰 비선형 정수(g11)를 이용하는 것이 가능하고, 보다 저전압에서의 강도 변조가 가능하게 된다. 통상, 강도 변조하는 광원으로서는 편광한 레이저 광을 변조하는 경우가 많다. 따라서, 편광 의존 동작에서도 레이저 편광에 따른 광을 변조하는 것이 가능하다면 실용상은 문제가 되지 않는 것으로 생각된다.
또한, 도 34(실시예 15에서 상세하게 설명한다)에 나타내듯이, 한쪽의 Y분기 광도파로(344)로 도 29A 및 29B의 전극을, 다른 한쪽의 Y분기 광도파로(344)로 도 30A 및 30B의 전극을 이용하는 경우, 비선형 정수가 역부호이기 때문에 위상 변조의 방향을 서로 역상으로 한 푸시풀(push-pull) 동작에 의해 변조 능률을 증가하는 것도 가능하다.
그런데, 상전이(phase transition) 근방의 KTN의 유전율은 다른 재료에 비해 매우 크다. 이 때문에 전기 용량을 작게 하기 위한 연구가 필요하다. 표면 전극을 이용하는 경우, 소자의 전기 용량은 전극간 갭이 작고 한편 광도파로층의 두께가 커질수록 커진다고 생각된다. 전극간 갭은 좁을수록 강한 전계를 코어에 인가하는 것이 가능하다. 따라서, 전극간 갭(gap)은 가능한 한 좁은 편이 바람직하다. 그래서, 코어 두께를 hc로 했을 때, 하층 클래드 두께 hu 및 상층 클래드 두께 ho가, 0≤hu, ho≤3hc의 범위에 있는 매립 도파로는, 1GHz 이상의 고속 동작하기 때문에 충분히 낮은 전기 용량인 것이 확인되었다.
그렇지만, 클래드층이 1㎛ 이하의 박층으로 되면, 단순한 금속 전극을 이용하는 경우, TM 모드의 도파로 광은 메탈클래딩(metal-cladding)의 영향에 의해 100dB/cm 이상에 이르는 큰 손실이 생긴다. 그래서, 통신 파장대에서 높은 투명성을 가지는 ITO 및 ZnO를 전극 재료로 이용하여 저손실인 위상 쉬프터를 실현한다. 또, 1㎛를 넘는 클래드 두께의 경우, 단순한 금속, 예를 들면, Pt, Au, Pd, Ti, Cu로 대표되는 금속이나 이러한 합금을 전극 재료로서 이용하는 것도 가능하다.
또, 코어와 클래드의 비굴절률 차를 크게 함으로써, 코어층의 두께를 박층화 함으로써, 전기 용량을 작게 하는 것도 가능하다. 예를 들면, 굴절률 차를 1.5%로 하면, 싱글(single) 모드 도파를 위한 코어 두께는 4㎛까지 작게 할 수가 있다. 굴절률 차가 큰 코어 및 클래드를 이용함으로써, 낮은 전기 용량을 가지는 소자를 실현하는 것이 가능하게 되었다. 기판에 이용되는 결정재료로서 도파로를 구성하는 결정재료의 비유전률보다 1자리수 이상 낮은 비유전률을 가지는 것으로 하면, 또한 한층 더 전기 용량의 저하에 대해서 효과가 있다. 이상에서 나타낸 저전압 구동 위상 쉬프터를 이용하면, 높은 변조 지수를 가지는 광강도 변조기를 광대역에서 실현하는 것이 가능하게 된다.
또한, 보다 효과적인 구동 전압의 저감법으로서 코어 상의 클래드 두께가 중요한 파라미터인 것을 확인하였다. 클래드 두께가 작을수록 구동 전압을 저감할 수 있다. 그래서, 코어 폭을 W로 했을 때, 코어 상의 클래드의 두께 h 및 전극의 갭 g가, 0≤h≤3W, 0≤g≤3W의 범위에 있으면, 1GHz 이상의 고속 동작하기 때문에 충분히 낮은 구동 전압인 것을 확인하고 있다. 그러나, 클래드 두께가 1㎛ 이하의 박층으로 되면, 단순한 금속 전극을 이용하는 경우, TM 모드의 도파로 광은 메탈클래딩(metal-cladding)의 영향에 의해 100dB/cm 이상에 이르는 큰 손실이 생긴다. 그래서, 통신 파장대에서 높은 투명성을 가지는 ITO 및 ZnO를 전극 재료로 이용하여 저손실인 위상 쉬프터를 실현한다.
또한, KTN 재료는 2차 전기 광학 효과를 나타내기 때문에, 바이어스 전압을 인가하면 구동 전압을 저감할 수 있다. 일반적으로, 구동 전압은 위상 쉬프터 중의 도파로의 위상이 π 변화하는 Vπ로 정의된다. Vπ와 바이어스 전압 Vb 인가시의 구동 전압 Vm는 이하의 관계가 있다.　
[수식 15]
Figure 112008012528099-pat00015
　
상기 수식에 따라 구동 전압을 저감하는 것이 가능하다. 예를 들면, 무바이 어스시의 Vπ가 2.5V의 위상 쉬프터에서, 6V의 바이어스를 인가하면 구동 전압은 0.5V까지 저감한다.
또, 1㎛를 넘는 클래드 두께의 경우는, 단순한 금속 예를 들면, Pt, Au, Pd, Ti, Cu로 대표되는 금속이나 이러한 합금을 전극용 재료로서 이용하는 것도 가능하다. 이상에서 나타낸 저전압 구동 위상 쉬프터를 이용하면, 높은 변조 지수를 가지는 광강도 변조기를 실현하는 것이 가능하게 된다.
이하에 실시예를 나타내지만, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.　
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.　
(실시예 1)
실시예 1은 도 30A 및 30B의 전극을 이용하는 경우의 도파로 전기 광학 위상 쉬프터의 실시예이다.
본 실시 형태의 도파로 전기 광학 위상 쉬프터는 입방정으로 2차 전기 광학 효과를 가지는 결정을 이용하고 있다. 코어 폭 W를 가지는 코어(301) 상의 오버(over)(상층) 클래드 두께 h가, 0≤h≤3W의 범위의 두께를 가지는 매립형의 채널 광도파로를 구비한 도파로 전기 광학 위상 쉬프터(shifter)이다. 채널 광도파로를 사이에 두고 평행으로 대향하는 2개의 전계 인가용 박막 전극(단지, 전극이라고도 부른다)(304)이 배치되어 있다.
또, 전극간의 갭 g는 0≤g≤3W의 범위의 길이를 가지고 있다. 또, 결정으로 서 KTN 및 KLTN로 이루어지는 조성의 결정재료를 이용하고 있다. 또한, 전극으로서 Al, Ga, In 및 B 중의 적어도 하나가 도핑(doping)된 ZnO 혹은 Sn, Ti, Zr, Hf, Nb, Ra, W, Ge, Mo, Sb, Te, Au, Pt 및 Pg 중의 적어도 하나가 도핑된 ITO를 전극 재료로서 이용하고 있다.
이하, 실시예 1의 도파로 전기 광학 위상 쉬프터의 제작 방법에 대해서 설명한다.
우선, Ta/Nb 농도비를 조정하고, 굴절률 2.184를 가지는 KTN를 코어로 하고, 굴절률이 낮은 KTN를 클래드로 한 매립형 광도파로를 제작한다. 또, 한층 더 정밀한 굴절률의 조정법으로서는 Li를 클래드, 코어 각 층에 도핑하여 제어한다. 광도파로의 코어 단면 크기는 6㎛×6㎛로 한다. 코어 상의 클래드 두께를 0㎛로 설정한다.
또한, 광도파로 상에 ITO 막을 스퍼터법(sputter process)으로 형성하고, 포토리소그래피 및 드라이 에칭법을 이용하여 갭폭 6㎛, 전극폭 100㎛, 두께 1㎛, 갭폭 6㎛의 Sn 도핑된 ITO로 이루어지는 전계 인가용 전극을 제작한다. 전극 길이는 1mm로 한다. 인가 전압의 반사를 억제하기 위해서 전극을 50오옴(ohm)으로 종단하였다. 파장 1.55㎛의 레이저 광원을 입력 포트에 접속하고 오실로스코프를 이용하여 변조 특성을 측정하였다. 구동시에는 소자 온도를 상전이 근방으로 제어하였다. 변조 동작 전압은 무바이어스시 2.5V 이하였다. 또, 6V의 바이어스 전압 인가시에는 변조 동작 전압은 0.5V 이하였다.
(실시예 2)
본 실시예 2는 도 29A 및 29B의 전극을 이용하는 경우의 도파로 전기 광학 위상 쉬프터의 실시예이다. 이하, 실시예 2의 도파로 전기 광학 위상 쉬프터의 제작 방법에 대해서 설명한다.
우선, Ta/Nb 농도비를 조정하고, 굴절률 2.184를 가지는 KTN를 코어로 하고, 굴절률이 낮은 KTN를 클래드로 한 매립형 광도파로를 제작한다. 또, 한층 더 정밀한 굴절률의 조정법으로서는 Li를 클래드, 코어 각 층에 도핑하여 제어한다. 광도파로의 코어 단면 크기는 6㎛×6㎛로 한다. 코어 상의 클래드 두께를 0㎛로 설정한다.
또한, 광도파로 상에 ITO 막을 스퍼터법(sputter process)으로 형성하고, 포토리소그래피 및 드라이 에칭법을 이용하여 갭폭 6㎛, 전극폭 100㎛, 두께 1㎛, 갭폭(gap width) 6㎛의 Al 도핑된 ITO로 이루어지는 전계 인가용 전극을 제작한다. 전극 길이는 1mm로 한다. 인가 전압의 반사를 억제하기 위해서 전극을 50오옴(ohm)으로 종단하였다. 파장 1.55㎛의 레이저 광원을 입력 포트에 접속하고 오실로스코프를 이용하여 변조 특성을 측정하였다. 구동시에는 소자 온도를 상전이 근방으로 제어하였다. 변조 동작 전압은 무바이어스시 2.5V 이하였다. 또, 6V의 바이어스 전압 인가시에는 변조 동작 전압은 0.5V 이하였다.
(실시예 3)
본 실시예 3은 단순한 금속을 전극 재료로 이용하여 도 30A 및 30B의 전극을 이용하는 경우의 도파로 전기 광학 위상 쉬프터의 실시예이다. Ta/Nb 농도비를 조정하고, 굴절률 2.184를 가지는 KTN를 코어로 하고, 굴절률이 낮은 KTN를 클래드로 한 매립형 광도파로를 제작한다. 또, 한층 더 정밀한 굴절률의 조정법으로서는 Li를 클래드, 코어 각 층에 도핑하여 제어한다. 광도파로의 코어 단면 크기는 6㎛×6㎛로 한다. 코어 상의 클래드 두께를 6㎛로 설정한다.
또한, 광도파로 상에 금박막을 스퍼터법으로 형성하고, 포토리소그래피 및 드라이 에칭법을 이용하여 갭폭 6㎛, 전극폭 100㎛, 두께 1㎛, 갭폭 6㎛의 Au로 이루어지는 전계 인가용 전극을 제작한다. 전극 길이는 3mm로 한다. 인가 전압의 반사를 억제하기 위해서 전극을 50오옴(ohm)으로 종단하였다. 구동시에는 소자 온도를 상전이 근방으로 제어하였다. 파장 1.55㎛의 레이저 광원을 입력 포트에 접속하고 오실로스코프를 이용하여 변조 특성을 측정하였다. 변조 동작 전압은 무바이어스시 6V 이하였다.
(실시예 4)
본 실시예 4는 단순한 금속을 전극 재료로 이용하여 도 29A 및 29B의 전극을 이용하는 경우의 도파로 전기 광학 위상 쉬프터의 실시예이다. Ta/Nb 농도비를 조정하고, 굴절률 2.184를 가지는 KTN를 코어부로 하고, 굴절률이 낮은 KTN를 클래드부로 한 매립형 광도파로를 제작한다. 또, 한층 더 정밀한 굴절률의 조정법으로서는 Li를 클래드, 코어 각 층에 도핑하여 제어한다. 광도파로의 코어 단면 크기는 6㎛×6㎛로 한다. 코어 상의 클래드 두께를 6㎛로 설정한다.
또한, 광도파로 상에 금박막을 스퍼터법으로 형성하고, 포토리소그래피 및 드라이 에칭법을 이용하여 갭폭 6㎛, 전극폭 100㎛, 두께 1㎛, 갭폭 6㎛의 Pt로 이루어지는 전계 인가용 전극을 제작한다. 전극 길이는 3mm로 한다. 인가 전압의 반 사를 억제하기 위해서 전극을 50오옴(ohm)으로 종단하였다. 구동시에는 소자 온도를 상전이 근방으로 제어하였다. 파장 1.55㎛의 레이저 광원을 입력 포트에 접속하고 오실로스코프를 이용하여 변조 특성을 측정하였다. TE, TM 양쪽 모드 모두 변조 지수가 직류값의 1/2로 저하하는 대역폭은 5GHz이고, 변조 동작 전압은 무바이어스시 6V 이하였다. 저항에 종단 저항을 이용하여 50오옴(ohm)으로 조정하였다. 파장 1.55㎛의 레이저 광원을 입력 포트에 접속하고 오실로스코프를 이용하여 변조 특성을 측정하였다. 변조 동작 전압은 6V 이하였다.
(실시예 5)
도 34는 도 29A 및 29B 및 도 30A 및 30B에 나타낸 전극을 도파로 전기 광학 위상 쉬프터로서 이용하는 경우의 본 실시 형태와 관련되는 마하젠더 광강도 변조기의 실시예를 나타내는 구성도이다. 도 중에서 부호 340은 클래드, 부호 341은 입력 포트, 부호 342는 3dB 커플러, 부호 343a, 343b 및 343c는 전극(전계 인가부), 부호 344는 Y분기 광도파로(삼차원 광도파로), 부호 345는 3dB 커플러, 부호 346은 출력 포트, 부호 347은 인가용 전원을 나타내고 있다. 이 마하젠더 광강도 변조기는, 1개의 입력 포트(341)와, 이 입력 포트(341)에 연결된 3dB 커플러(342)와, 이 3dB 커플러(342)에 연결된 삼차원 광도파로(344)와, 이 삼차원 광도파로(344)에 연결된 3dB 커플러(345)와, 이 3dB 커플러(345)에 연결된 출력 도파로(346)를 구비하고 있다. 또, 앞쪽의 채널 도파로에는 도 30A 및 30B에 나타내는 전극을 배치하고, 뒤쪽의 채널 도파로에는 도 29A 및 29B에 나타내는 전극을 배치한 구성이다.
이러한 구성으로 하면, 도 29A 및 29B와 도 30A 및 30B에 나타낸 전극을 가 지는 위상 쉬프터의 TE 모드와 TM 모드에 대한 위상 쉬프터가 상보적으로 된다. 따라서, 이 구성의 광강도 변조기는 편파 무의존 동작이 가능하게 된다. 실제, TE, TM 양쪽 모드 모두 변조 지수가 직류값의 1/2로 저하하는 대역폭은 5GHz이고, 무바이어스시의 변조 동작 전압은 2.5V 이하였다.
그렇지만, 편파가 고정되어 있다면, 입사광이 TE 모드인지 TM 모드인지에 따라, 2개의 채널 도파로의 어느 쪽인가 한쪽에 도 29A 및 29B 혹은 도 30A 및 30B에 나타낸 전극을 배치하면 마찬가지의 효과를 나타내는 것은 말할 필요도 없다.
(실시예 6)
도 35A 및 35B는 본 발명과 관련되는 전극을 이용하는 경우의 도파로 전기 광학 위상 쉬프터의 실시예 6을 설명하기 위한 구성도이다. 도 35A는 도파로 전기 광학 위상 쉬프터를 설명하기 위한 사시도이고, 도 35B는 도 35A의 ⅩⅩⅩⅤB-ⅩⅩⅩⅤB선 단면도이다. 도 중에서 부호 350은 코어, 부호 351은 클래드, 부호 352는 기판, 부호 353은 전극을 나타내고 있다.
본 실시 형태의 도파로 전기 광학 위상 쉬프터는 입방정으로 2차 전기 광학 효과를 가지는 결정을 이용하고 있다. 그 결정의 코어 두께를 hc로 했을 때, 하층 클래드 두께 hu 및 상층 클래드 두께 ho가, 0≤hu, ho≤3 hc의 범위의 두께를 가지는 매립형의 삼차원 광도파로를 구비한 도파로 전기 광학 위상 쉬프터(shifter)이다. 이 위상 쉬프터에는 삼차원 광도파로를 사이에 두고 평행으로 대향하는 2개의 전극(353)이 배치되어 있다.
또, 결정으로서 KTN 및 KLTN로 이루어지는 조성의 결정재료를 이용한 기판 상에 KTN 및 KLTN로 이루어지는 조성의 결정재료를 도파로로서 이용하고 있다.
또, 결정재료의 조성비로서 조성비 X를 0 이상 한편 1 이하로 하고, 조성비 Y를 0보다 크게 하고 0.1 미만으로 하고 있다. 또, 도파로의 재료로서 KTN 및 KLTN의 비유전률이 기판에 이용되고 있는 결정재료의 비유전률보다 1자리수 이상 크게 되어 있다.
또한, 코어와 클래드의 비굴절률 차가 0%보다 크고 1.5% 이하이다. 또, 전극으로서 Al, Ga, In 및 B 중의 적어도 하나가 도핑된 ZnO 혹은 Sn, Ti, Zr, Hf, Nb, Ra, W, Ge, Mo, Sb, Te, Au, Pt 및 Pg 중의 적어도 하나가 도핑된 ITO를 이용하고 있다.
이하, 실시예 6의 도파로 전기 광학 위상 쉬프터의 제작 방법에 대해서 설명한다.　
우선, Ta/Nb 농도비를 조정하고, 굴절률 2.184를 가지는 KTN를 코어부로 하고, 굴절률이 낮은 KTN를 클래드부로 한 매립형 광도파로를 제작한다. 도파층의 비유전률은 기판(352)의 그것보다 1자리수 이상 큰 것이 확인된다. 한층 더 정밀한 굴절률의 조정법으로서는 Li를 클래드, 코어 각 층에 도핑하여 제어한다. 코어(350)와 클래드(351)의 굴절률 차는 0.5%로 하고, 광도파로의 코어 단면 크기는 6㎛×6㎛로 한다. 코어(350) 하의 하층 클래드 두께 hu를 6㎛, 코어(350) 상의 상층 클래드 두께 ho를 1㎛로 설정한다.
또한, 광도파로 상에 금박막을 스퍼터법으로 형성하고, 포토리소그래피 및 드라이 에칭법을 이용하여 갭폭 6㎛, 전극폭 100㎛, 두께 1㎛, 갭폭 6㎛의 Sn 도핑 된 ITO로 이루어지는 전계 인가용 전극을 제작한다. 전극 길이는 1mm로 한다. 인가 전압의 반사를 억제하기 위해서 전극을 50오옴(ohm)으로 종단하였다. 파장 1.55㎛의 레이저 광원을 입력 포트에 접속하고 오실로스코프를 이용하여 변조 특성을 측정하였다. 구동시에는 소자 온도를 상전이 근방으로 제어하였다. 변조 동작 전압은 무바이어스시 2.5V 이하였다. 또, 6V의 바이어스 전압 인가시에는 변조 동작 전압은 0.5V 이하였다. 또, 10GHz 정도까지 응답 특성은 저하하지 않는 것을 확인하였다.
(실시예 7)
도 36A 및 36B는 본 실시 형태와 관련되는 전극을 이용하는 경우의 도파로 전기 광학 위상 쉬프터의 실시예 7을 설명하기 위한 구성도이다. 도 36A는 도파로 전기 광학 쉬프터를 설명하기 위한 사시도이고, 도 36B는 도 36A의 ⅩⅩⅩⅥB-ⅩⅩⅩⅥB선 단면도이다. 도 중에서 부호 360은 코어, 부호 361은 클래드, 부호 362는 기판, 부호 363은 전극을 나타내고 있다. 이 실시예 7의 위상 쉬프터는, 삼차원 광도파로를 사이에 두고 평행으로 대향하는 2개의 전극(363)이 배치되어 있음과 동시에, 채널 도파로 상에 1개의 전극(363)이 배치되어 있다.
이하, 실시예 7의 도파로 전기 광학 위상 쉬프터의 제작 방법에 대해서 설명한다.　
우선, Ta/Nb 농도비를 조정하고, 굴절률 2.184를 가지는 KTN를 코어로 하고, 굴절률이 낮은 KTN를 클래드로 한 매립형 광도파로를 제작한다. 도파층의 비유전률은 기판(362)의 그것보다 1자리수 이상 큰 것이 확인된다. 또, 한층 더 정밀한 굴 절률의 조정법으로서는 Li를 클래드, 코어 각 층에 도핑하여 제어한다. 코어(360)와 클래드(361)의 굴절률 차는 0.5%로 하고, 광도파로의 코어 단면 크기는 6㎛×6㎛로 한다. 코어(360) 하의 하층 클래드 두께 hu를 6㎛, 코어(360) 상의 상층 클래드 두께 ho를 1㎛로 설정한다.
또한, 광도파로 상에 ITO 막을 스퍼터법(sputter process)으로 형성하고, 포토리소그래피 및 드라이 에칭법을 이용하여 갭폭 6㎛, 전극폭 100㎛, 두께 1㎛, 갭폭 6㎛의 Sn 도핑된 ITO로 이루어지는 전계 인가용 전극을 제작한다. 전극 길이는 1mm로 한다. 인가 전압의 반사를 억제하기 위해서 전극을 50오옴(ohm)으로 종단하였다. 파장 1.55㎛의 레이저 광원을 입력 포트에 접속하고 오실로스코프를 이용하여 변조 특성을 측정하였다. 구동시에는 소자 온도를 상전이 근방으로 제어하였다. 변조 동작 전압은 무바이어스시 2.5V 이하였다. 또, 6V의 바이어스 전압 인가시에는 변조 동작 전압은 0.5V 이하였다. 또, 10GHz 정도까지 응답 특성은 저하하지 않는 것을 확인하였다.
(실시예 8)
본 실시예 8은 단순한 금속을 전극 재료로 이용하여 도 35A 및 35B의 전극을 이용하는 경우의 도파로 전기 광학 위상 쉬프터의 실시예이다.
이하, 실시예 8의 도파로 전기 광학 위상 쉬프터의 제작 방법에 대해서 설명한다.　
우선, Ta/Nb 농도비를 조정하고, 굴절률 2.184를 가지는 KTN를 코어로 하고, 굴절률이 낮은 KTN를 클래드로 한 매립형 광도파로를 제작한다. 한층 더 정밀한 굴 절률의 조정법으로서는 Li를 클래드, 코어 각 층에 도핑하여 제어한다. 코어(350)와 클래드(351)의 굴절률 차는 0.5%로 하고, 광도파로의 코어 단면 크기는 6㎛×6㎛로 한다. 코어(350) 하의 하층 클래드 두께 hu를 1㎛, 코어(350) 상의 상층 클래드 두께 ho를 6㎛로 설정한다.
또한, 광도파로 상에 금박막을 스퍼터법으로 형성하고, 포토리소그래피 및 드라이 에칭법을 이용하여 갭폭 6㎛, 전극폭 100㎛, 두께 1㎛, 갭폭 6㎛의 Au로 이루어지는 전계 인가용 전극을 제작한다. 전극 길이는 3mm로 하였다. 인가 전압의 반사를 억제하기 위해서 전극을 50오옴(ohm)으로 종단하였다. 구동시에는 소자 온도를 상전이 근방으로 제어하였다. 파장 1.55㎛의 레이저 광원을 입력 포트에 접속하고 오실로스코프를 이용하여 변조 특성을 측정하였다. 변조 동작 전압은 무바이어스시 6V 이하였다. 또, 10GHz 정도까지 응답 특성은 저하하지 않는 것을 확인하였다.
(실시예 9)
본 실시예 9는 단순한 금속을 전극 재료로 이용하여 도 36A 및 36B의 전극을 이용하는 경우의 도파로 전기 광학 위상 쉬프터의 실시예이다.
이하, 실시예 9의 도파로 전기 광학 위상 쉬프터의 제작 방법에 대해서 설명한다.　
우선, Ta/Nb 농도비를 조정하고, 굴절률 2.184를 가지는 KTN를 코어로 하고, 굴절률이 낮은 KTN를 클래드로 한 매립형 광도파로를 제작한다. 한층 더 정밀한 굴절률의 조정법으로서는 Li를 클래드, 코어 각 층에 도핑하여 제어한다. 코어(360) 과 클래드(361)의 굴절률 차는 0.5%로 하고, 광도파로의 코어 단면 크기는 6㎛×6㎛로 한다. 코어(360) 하의 하층 클래드 두께 hu를 1㎛, 코어(360) 상의 상층 클래드 두께 ho를 6㎛로 설정한다.
또한, 광도파로 상에 금박막을 스퍼터법으로 형성하고, 포토리소그래피 및 드라이 에칭법을 이용하여 갭폭 6㎛, 전극폭 100㎛, 두께 1㎛, 갭폭 6㎛의 Pt로 이루어지는 전계 인가용 전극을 제작한다. 전극 길이는 3mm로 한다. 인가 전압의 반사를 억제하기 위해서 전극을 50오옴(ohm)으로 종단하였다. 구동시에는 소자 온도를 상전이 근방으로 제어하였다. 파장 1.55㎛의 레이저 광원을 입력 포트에 접속하고 오실로스코프를 이용하여 변조 특성을 측정하였다. 변조 동작 전압은 무바이어스시 6V 이하였다. 또, 10GHz 정도까지 응답 특성은 저하하지 않는 것을 확인하였다.
(실시예 10)
도 37A 및 37B는 본 실시 형태와 관련되는 전극을 이용하는 경우의 도파로 전기 광학 위상 쉬프터의 실시예 10을 설명하기 위한 구성도이다. 도 37A는 도파로 전기 광학 위상 쉬프터를 설명하기 위한 사시도이고, 도 37B는 도 37A의 ⅩⅩⅩⅦB-ⅩⅩⅩⅦB선 단면도이다. 도 중에서 부호 370은 코어, 부호 371은 클래드, 부호 372는 기판, 부호 373은 전극을 나타내고 있다. 이 실시예 10의 위상 쉬프터는, 삼차원 광도파로를 사이에 두고 평행으로 대향하는 2개의 전극(373)이 배치되어 있다. 도 35A 및 35B에서의 하층 클래드를 이용하지 않고, 기판(372) 상에 직접 코어(370)를 형성하고, 전극(373)을 이용하는 경우를 나타내고 있다.
이하, 실시예 10의 도파로 전기 광학 위상 쉬프터의 제작 방법에 대해서 설명한다.　
우선, Ta/Nb 농도비를 조정하고, 굴절률 2.184를 가지는 KTN를 코어로 하고, 굴절률이 낮은 KTN를 클래드로 한 매립형 광도파로를 제작한다. 도파층의 비유전률은 기판(372)의 그것보다 1자리수 이상 큰 것이 확인된다. 한층 더 정밀한 굴절률의 조정법으로서는 Li를 클래드, 코어 각 층에 도핑하여 제어한다. 코어(370)와 클래드(371)의 굴절률 차는 1.5%로 하고, 광도파로의 코어 단면 크기는 6㎛×6㎛로 하였다. 코어(370) 상의 클래드 두께 ho를 1㎛로 설정한다.
또한, 광도파로 상에 금박막을 스퍼터법으로 형성하고, 포토리소그래피 및 드라이 에칭법을 이용하여 갭폭 6㎛, 전극폭 100㎛, 두께 1㎛, 갭폭 6㎛의 Sn 도핑된 ITO로 이루어지는 전극을 제작한다. 전극 길이는 1mm로 한다. 인가 전압의 반사를 억제하기 위해서 전극을 50오옴(ohm)으로 종단하였다. 파장 1.55㎛의 레이저 광원을 입력 포트에 접속하고 오실로스코프를 이용하여 변조 특성을 측정하였다. 구동시에는 소자 온도를 상전이 근방으로 제어하였다. 변조 동작 전압은 무바이어스시 2.5V 이하였다. 또, 6V의 바이어스 전압 인가시에는 변조 동작 전압은 0.5V 이하였다. 또, 10GHz 정도까지 응답 특성은 저하하지 않는 것을 확인하였다.
(실시예 11)
도 38A 및 38B는 본 실시 형태와 관련되는 전극을 이용하는 경우의 도파로 전기 광학 위상 쉬프터의 실시예 11을 설명하기 위한 구성도이다. 도 38A는 도파로 전기 광학 위상 쉬프터를 설명하기 위한 사시도이고, 도 38B는 도 38A의 ⅩⅩⅩⅧ B-ⅩⅩⅩⅧB선 단면도이다. 도 중에서 부호 380은 코어, 부호 381은 클래드, 부호 382는 기판, 부호 383은 전극을 나타내고 있다. 이 실시예 11의 위상 쉬프터는, 삼차원 광도파로를 사이에 두고 평행으로 대향하는 2개의 전극(383)이 배치되어 있음과 동시에, 채널 도파로 상에 1개의 전계 인가용 박막 전극(383)이 배치되어 있다. 그리고, 하층 클래드를 이용하지 않고, 기판(382) 상에 직접 코어(380)를 형성하고, 전극(383)을 이용하는 경우를 나타내고 있다.
이하, 실시예 11의 도파로 전기 광학 위상 쉬프터의 제작 방법에 대해서 설명한다.　
우선, Ta/Nb 농도비를 조정하고, 굴절률 2.184를 가지는 KTN를 코어로 하고, 굴절률이 낮은 KTN를 클래드로 한 매립형 광도파로를 제작한다. 도파층의 비유전률은 기판(382)의 그것보다 1자리수 이상 큰 것이 확인된다. 한층 더 정밀한 굴절률의 조정법으로서는 Li를 클래드, 코어 각 층에 도핑하여 제어한다. 코어(380)와 클래드(381)의 굴절률 차는 1.5%로 하고, 광도파로의 코어 단면 크기는 4㎛×4㎛로 한다. 코어(380) 상의 클래드 두께 ho를 0㎛로 설정한다.
또한, 광도파로 상에 ITO 막을 스퍼터법(sputter process)으로 형성하고, 포토리소그래피 및 드라이 에칭법을 이용하여 갭폭 6㎛, 전극폭 100㎛, 두께 1㎛, 갭폭 6㎛의 Sn 도핑된 ITO로 이루어지는 전계 인가용 전극을 제작한다. 전극 길이는 1mm로 한다. 인가 전압의 반사를 억제하기 위해서 전극을 50오옴(ohm)으로 종단하였다. 파장 1.55㎛의 레이저 광원을 입력 포트에 접속하고 오실로스코프를 이용하여 변조 특성을 측정하였다. 구동시에는 소자 온도를 상전이 근방으로 제어하였다. 변조 동작 전압은 무바이어스시 2.5V 이하였다. 6V의 바이어스 전압 인가시에는 변조 동작 전압은 0.5V 이하였다. 또, 10GHz 정도까지 응답 특성은 저하하지 않는 것을 확인하였다.
(실시예 12)
도 31은 본 실시 형태의 광변조기의 실시예 12를 설명하기 위한 구성도이다. 도 28A 및 28B에 나타낸 전극 부착 광도파로의 전극을 전기 광학 위상 쉬프터로서 이용하는 경우의 광변조기의 실시예를 나타내는 도이다.
도 중에서 부호 310은 클래드, 부호 311은 입력 포트, 부호 312는 3dB 커플러, 부호 313은 전극(전계 인가부), 부호 314는 Y분기 광도파로(삼차원 광도파로), 부호 315는 3dB 커플러, 부호 316은 출력 포트, 부호 317은 인가용 전원을 나타내고 있다. 또, 전극(313)의 길이 방향의 단면은 도 28B에 대응하고 있다.
도 31에 나타내듯이, 본 실시 형태의 광변조기는, 1개의 입력 포트(311)와, 이 입력 포트(311)에 연결된 3dB 커플러(312)와, 이 3dB 커플러(312)에 연결된 Y분기 광도파로(314)와, 이 Y분기 광도파로(314)에 연결된 3dB 커플러(315)와, 이 3dB 커플러(315)에 연결된 출력 포트(316)와, Y분기 광도파로(314)의 적어도 한쪽에 배치된 1개의 전계 인가부(313)로 구성되어 있다.
즉, 본 실시 형태의 광변조기는, 입방정으로 2차 전기 광학 효과를 가지는 결정을 도파로 재료로 이용하여, 적어도 1개의 입력 포트(311)와, 2개의 3dB 커플러(312, 315)와, 2개의 삼차원 광도파로(Y분기 광도파로)(314)와, 1개의 출력 포트(316)를 가지는 마하젠더형의 광변조기이다. 그리고, 삼차원 광도파로(314)의 적 어도 한쪽에 전극(313)이 배치되어 있는 전기 광학 위상 쉬프터를 가지고 있다. 이 전극(313)이 채널 도파로(314) 상에 1개 배치되어 있다. 또, 전극(313)은 삼차원 광도파로(314)에 대해서 수직 방향으로 각각 양극 및 음극이 교대로 배치되어 있다.
3dB 커플러(312, 315)는, 그 형상이 소정의 곡율 반경을 가진 선형(fan shape)으로 되어 있다. Ta/Nb 농도비를 조정하고, 굴절률 2.184를 가지는 KTN를 코어로 하고, 굴절률이 낮은 KTN를 클래드로 한 매립 도파로를 제작한다. 또, 한층 더 정밀한 굴절률의 조정법으로서는 Li를 클래드, 코어 각 층에 도핑하여 제어한다.
유전체 결정으로서 KTN 및 KLTN로 이루어지는 조성의 결정재료를 이용한다. 또, 결정재료의 조성비로서 조성비 X를 0 이상 1 이하로 하고, 조성비 Y를 0보다 크게 하고 0.1 미만으로 한다.
Y분기 광도파로(314)의 코어 단면 크기는 6㎛×6㎛로 한다. Y분기 광도파로(314) 상에 금속막을 스퍼터법으로 형성하고, 포토리소그래피 및 드라이 에칭법을 이용하여 설계의 폭 10㎛, 두께 1㎛의 전계 인가용 전극(313)을 제작한다. 전극 길이는 1mm로 한다. 반사를 억제하기 위해서 전극의 저항에 종단 저항을 이용하여 50오옴(ohm)으로 조정하였다. 파장 1.55㎛의 레이저 광원을 입력 포트에 접속하고 오실로스코프를 이용하여 변조 특성을 측정하였다. TE, TM 양쪽 모드 모두 변조 지수가 직류값의 1/2로 저하하는 대역폭은 5GHz이고, 변조 동작 전압은 5V 이하였다.
(실시예 13)
도 32는 본 발명의 유전체 결정을 이용한 광변조기의 실시예 13을 설명하기 위한 구성도이다. 도 30A 및 30B에 나타낸 전극 부착 광도파로의 전극을 전기 광학 위상 쉬프터로서 이용하는 경우의 광변조기의 실시예를 나타내는 도이다.
도 중에서 부호 320은 클래드, 부호 321은 입력 포트, 부호 322는 3dB 커플러, 부호 323은 전극(전계 인가부), 부호 324는 Y분기 광도파로(삼차원 광도파로), 부호 325는 3dB 커플러, 부호 326은 출력 포트, 부호 327은 인가용 전원을 나타내고 있다. 또, 전극(323)의 단면은 도 30B에 대응하고 있다.
이 실시예 13에서는, 전극(323)이 한쪽의 삼차원 광도파로(324)를 사이에 두고 평행으로 대향하여 2개 배치되어 있다. 또, 전극(323)은 삼차원 광도파로(324)에 대해서 수직 방향으로 각각 양극 및 음극이 교대로 배치되어 있다.
본 실시예 13에 의한 광변조기의 제작 방법은, 상술한 실시예 12를 모방하고, 전극 길이는 1mm로 한다. 반사를 억제하기 위해서 전극의 저항에 종단 저항을 이용하여 50오옴(ohm)으로 조정하였다. 파장 1.55㎛의 레이저 광원을 입력 포트에 접속하고 오실로스코프를 이용하여 변조 특성을 측정하였다. TM 모드에 관해서 변조 지수가 직류값의 1/2로 저하하는 대역폭은 5GHz이고, 변조 동작 전압은 3V 이하였다.
(실시예 14)
도 33은 본 실시 형태의 광변조기의 실시예 14를 설명하기 위한 구성도이다. 도 29A 및 29B에 나타낸 전극 부착 광도파로의 전극을 전기 광학 위상 쉬프터로서 이용하는 경우의 광변조기의 실시예를 나타내는 도이다.
도 중에서 부호 330은 클래드, 부호 331은 입력 포트, 부호 332는 3dB 커플러, 부호 333a 및 333b는 전극(전계 인가부), 부호 334는 Y분기 광도파로(삼차원 광도파로), 부호 335는 3dB 커플러, 부호 336은 출력 포트, 부호 337은 인가용 전원을 나타내고 있다. 또, 전극(333a 및 333b)의 단면은 도 29B에 대응하고 있다.
이 실시예 14에서는, 전극(333b)이 한쪽의 삼차원 광도파로(334)를 사이에 두고 평행으로 대향하여 2개 배치되어 있음과 동시에, 전극(333a)이 채널 도파로(334) 상에 1개 배치되어 있다. 또, 전극(333a 및 333b)은 삼차원 광도파로(334)에 대해서 수직 방향으로 각각 양극 및 음극이 교대로 배치되어 있다.
본 실시예 14에 의한 광변조기의 제작 방법은, 상술한 실시예 12를 모방하고, 전극 길이는 1mm로 한다. 반사를 억제하기 위해서 전극의 저항을 종단 저항으로 이용하여 50오옴(ohm)으로 조정한다. 파장 1.55㎛의 레이저 광원을 입력 포트에 접속하고 오실로스코프를 이용하여 변조 특성을 측정하였다. TM 모드에 관해서 변조 지수가 직류값의 1/2로 저하하는 대역폭은 5GHz이고, 변조 동작 전압은 3V 이하였다.
(실시예 15)
본 실시예 15는 도 29A 및 29B 및 도 30A 및 30B에 나타낸 전극 부착 광도파로의 전극을 전기 광학 위상 쉬프터로서 이용하는 경우의 광변조기의 실시예를 나타내는 도이다.
본 실시예 15에 의한 광변조기의 제작 방법은, 상술한 실시예 12를 모방하고, 전극 길이는 1mm로 한다. 반사를 억제하기 위해서 전극의 저항에 종단 저항을 이용하여 50오옴(ohm)으로 조정한다. 파장 1.55㎛의 레이저 광원을 입력 포트에 접속하고 오실로스코프를 이용하여 변조 특성을 측정하였다. TM, TE 양쪽의 모드에 관해서 변조 지수가 직류값의 1/2로 저하하는 대역폭은 5GHz이고, 변조 동작 전압은 2.5V 이하였다.
도 34에서는, 앞쪽의 채널 도파로에는 도 30A 및 30B에 나타내는 전극을 배치하고, 뒤쪽의 채널 도파로에는 도 29A 및 29B에 나타내는 전극을 배치하는 경우를 나타내고 있다. 그렇지만, 이에 한정되는 일 없이, 도 30A 및 30B에 나타낸 전극 대신에 도 37A 및 37B에 나타낸 전극을 배치하고, 또는 도 29A 및 29B에 나타낸 전극 대신에 도 38A 및 38B에 나타낸 전극을 배치하여도 마찬가지의 효과를 나타내는 것은 말할 필요도 없다.
이러한 구성으로 하면, 도 30A 및 30B(또는, 도 37A 및 37B)와 도 29A 및 29B(또는, 도 38A 및 38B)에 나타낸 전극을 가지는 위상 쉬프터의 TE 모드와 TM 모드에 대한 위상 쉬프터가 상보적으로 되기 때문에, 편파 무의존 동작이 가능하게 된다. 그렇지만, 편파가 고정되어 있다면, 입사광이 TE 모드인지 TM 모드인지에 따라, 2개의 채널 도파로의 어느 쪽인가 한쪽에 도 30A 및 30B(또는, 도 37A 및 37B) 혹은 도 29A 및 29B(또는, 도 38A 및 38B)에 나타낸 전극을 배치하면 마찬가지의 효과를 나타내는 것은 말할 필요도 없다.
(실시예 16)
실시예 16의 광변조기는 실시예 12의 광변조기와 동등의 구성이지만 광도파로가 BTO 결정 등으로 제작되어 있는 점이 다르다. 이러한 구성의 광변조기를 제작 하고 그 동작을 확인하였다.
실시예 16의 광스위치에서 BTO 도파로 부분을 110℃로 제어하여 동작시키면, 실시예 12의 광변조기와 마찬가지의 변조 특성이 얻어진다. 또, BTO와 STO를 0.73：0.27의 비율로 혼합한 Ba0 .73Sr0 .27TiO3의 단결정으로 이루어지는 도파로를 제작하고, 이를 이용하여 마찬가지의 광변조기를 제작한다. 이 경우, 도파로 온도 10℃에서 BTO의 도파로를 이용하는 경우와 마찬가지의 특성이 얻어진다. 그 외, PLZT를 도파로 재료로 한 광변조기로도 마찬가지의 동작이 가능하였다.
이하, 제3 실시 형태와 관련되는 광변조기에서 진행파 전극을 이용한 광변조기에 대해서 설명한다.
상술의 KTN 및 KLTN를 이용하고 진행파 전극을 이용하여 광변조기를 실현하는 경우, 광도파로 중을 진행하는 광과 전극 중을 전파하는 마이크로파와의 속도는 크게 차이가 난다. 입방정인 KTN에서의 광의 굴절률은 약 2.14이지만, 유전율은 상술하듯이 20000에 이른다. 따라서, 마이크로파의 실효 굴절률은 약 141이 되어, 광의 굴절률의 약 70배에 이른다. 이와 같이, 마이크로파와 광파가 KTN를 통과할 때에, 속도 부정합이 생겨 광변조기의 동작 속도에 한계가 생겨 버린다. 따라서, 진행파 전극 및 KTN 및 KLTN를 이용한 광소자는, 높은 전기 광학 정수를 가지지만, 유전율도 높기 때문에 GHz 이상의 고속 변조기를 실현하는 것은 곤란하였다.
제3 실시 형태와 관련되는 진행파 전극을 이용한 광변조기(광대역 광변조기)는, 광을 전반하는 광도파로와, 광도파로에 전계를 인가하는 전극을 가진다. 그 광 도파로로서 KTN, KLTN 결정 등의 입방정 한편 큰 2차 전기 광학 효과를 가지는 유전체 결정을 이용한다. 또, 그 전극으로서 진행파 전극을 이용한다. 제3 실시 형태의 광대역 광변조기에서는, 변조용의 전극을 진행파 전극으로 하고, 마이크로파와 광파의 속도 정합을 취하는 것을 특징으로 하고 있다. 보다 구체적으로는, 전극을 후막화 함에 따라 마이크로파의 KTN 및 KLTN에 대한 실효 굴절률을 작게 하고, 마이크로파와 광파의 속도 정합을 도모하고 있다.
(실시예 17)
도 39는 제3 실시 형태의 실시예 17에 대한 광변조기의 단면도이다. 도 39에서 KTN 기판(390)에는 KTN로 이루어지는 매립 광도파로(391)가 형성되어 있다. 또한, 두께 약 20㎛의 Au 전극(392)이 기판(390) 상에 형성되어 있다. 그 제작법으로서는, 두께 25㎛ 정도의 포토레지스트(photoresist)를 매립 도파로 상에 형성한다. 이어서, 이 패턴을 가이드(guide)로 하여 전계 도금법에 의해 두께 약 25㎛의 Au 전극 패턴을 형성한다. 전극간의 오목부 내에는, 유전율 10 이하의 구조 보유용 유전체(393)를 배치하고 있다. 이 광변조기의 3dB 대역을 측정하였더니 약 10GHz인 것을 확인하였다.
(실시예 18)
도 40은 제3 실시 형태의 실시예 18에 대한 광변조기의 단면도이다. 실시예 18에서는, 광도파로를 릿지화 하고 전극을 구비함으로써 마이크로파의 실효 굴절률을 광의 실효 굴절률에 접근하도록 하고 있다. KTN 기판(400) 상에는 KTN로 이루어지는 릿지형(ridge type) 광도파로(401)가 형성되어 있다. 또한, 이 릿지형(ridge type) 광도파로(401)를 협입(狹
Figure 112008012528099-pat00016
) 하도록 변조용의 Au 전극(403)을 제작한다. 이 구성에 의해, 릿지형(ridge type) 광도파로(401)에 대해서 기판(400)과 평행한 방향으로 전압을 인가할 수가 있다. 그 제작법은, 실시예 17의 그대로이다. 도 40의 부호 402로 나타낸 영역에는 유전율 10 이하의 저유전체 재료를 매립한다. 이 광변조기의 3dB 대역을 측정하였더니 약 10GHz인 것을 확인하였다.
(실시예 19)
도 41은 제3 실시 형태의 실시예 19에 대한 광변조기의 단면도이다. KTN 기판(410)에는 KTN로 이루어지는 릿지형(ridge type) 광도파로(411)가 형성되어 있다. 또한, 전계를 기판(410)에 대해서 수직으로 인가하기 위해서, 이 릿지형(ridge type) 광도파로(411)의 상면 및 기판(410)의 직상에 변조용의 Au 전극(412 및 413)을 제작한다. 이 구성에 의해, 릿지형(ridge type) 광도파로(411)에 대해서 기판(410)과 수직인 방향으로 전압을 인가할 수가 있다. 이 광변조기의 3dB 대역을 측정하였더니 약 10GHz인 것을 확인하였다.
(실시예 20)
도 42는 제3 실시 형태의 실시예 20에 대한 광변조기의 단면도이다. KTN 기판(420)에는 KTN로 이루어지는 매립 광도파로(421) 및 변조용의 Au 전극(422)이 형성되어 있다. 또한, Au 전극(422) 상에, Au 전극을 전파하는 마이크로파의 실효 굴절률이 광도파로(421)을 전파하는 광의 실효 굴절률에 가깝게 되는 조건의 두께를 가지는 공기를 통해 그라운드 전극(423)이 고정되어 있다. 그라운드 전극(423)의 제작에서는 전계 도금법에 의해 전극을 제작한 후에, 포토레지스트(photoresist)에 의해 그라운드 전극의 패턴을 형성하고, 드라이 에칭법에 의해 공기층의 두께가 소망의 두께가 되도록 전극층을 가공한다. 이 광변조기의 3dB 대역을 측정하였더니 약 10GHz인 것을 확인하였다.
(실시예 21)
실시예 21의 광변조기는 실시예 17의 광변조기와 동등의 구성이지만 광도파로가 BTO 결정 등으로 제작되어 있는 점이 다르다. 이러한 구성의 광변조기를 제작하고 그 동작을 확인하였다.
실시예 21의 광스위치에서 BTO 도파로 부분을 110℃로 제어하여 동작시키면, 실시예 17의 광변조기와 마찬가지의 변조 특성이 얻어진다. 또, BTO와 STO를 0.73：0.27의 비율로 혼합한 Ba0 .73Sr0 .27TiO3의 단결정으로 이루어지는 도파로를 제작하고, 이를 이용하여 마찬가지의 광변조기를 제작한다. 이 경우, 도파로 온도 10℃에서 BTO의 도파로를 이용하는 경우와 마찬가지의 특성이 얻어진다. 그 외, PLZT를 도파로 재료로 한 광변조기로도 마찬가지의 동작이 가능하였다.
상술의 실시예 17∼20에서는, 기판 및 광도파로의 재료로서 KTN에 대해서 설명하였지만, 이에 한정되지 않고 기판으로서 KLTN를 이용하여도 좋다.
제3 실시 형태와 관련되는 위상 쉬프터 및 광변조기에서는, KTN나 KLTN 등에 대해서 퀴리 전이 온도 근방에서 동작시키기 위해서 온도 콘트롤러를 구비할 수가 있다. 온도 콘트롤러는 펠티에르(Peltier) 소자이어도 좋다.
이상 설명한 것처럼, 제3 실시 형태에 의하면, 입법정으로 2차 전기 광학 효 과를 가지는 유전체 결정인 KTN 및 KLTN로 이루어지는 조성의 결정재료를 기본으로 한 광도파로를 이용하여, 고속 저전압 구동의 위상 쉬프터, 이를 이용한 광변조기를 실현할 수가 있다. 이에 의해, 짧은 전극으로 한편 저전압으로 변조 가능한 광변조기를 실현할 수 있다고 하는 효과를 나타낸다.
또, 광변조기의 전극으로서 진행파 전극을 이용하는 경우에서도, 마이크로파와 광파의 속도 정합을 취할 수가 있다.
(제4 실시 형태)
제4 실시 형태는 제3 실시 형태에서 상세하게 설명한 위상 쉬프터를 이용하여 구성한 어레이(array) 광도파로 격자 파장가변 필터(단지, 파장가변 필터라고도 부른다)를 특징으로 하는 것이다.
도 43에 나타내는 어레이 광도파로 격자 파장가변 필터에서(구체적으로는 후술한다), 입력된 신호광은 제1 슬랩 광도파로(430)를 거쳐 각 어레이 광도파로에 분배된다. 도파광은 등차 수열적인 광로(optical path) 길이 차(ΔL)를 붙인 위상 쉬프터(437)을 통과하고, 제2 슬랩 광도파로(432)를 거쳐 분기 포트 광도파로(434)에 집광한다. 그 투과 중심 파장 λcen는 이하의 수식으로 주어진다.
[수식 16]
Figure 112008012528099-pat00017
여기서, n은 어레이 도파로의 투과 굴절률, m은 회절 차수를 나타낸다. 이 어레이 도파로 상의 각 도파로에 대해서 전계 인가용 전극을 배치한다. 2차 전기 광학 효과를 이용하여, 등차 수열적인 광로(optical path) 길이 차(ΔLh)를 붙인 어레이 도파로 상의 각 도파로의 굴절률을 Δn 변화시키는 경우, 상술한 중심 투과 파장으로부터 파장 필터는 이하에 나타내는 Δλ만 투과 중심 파장이 쉬프트(shift) 한다.
[수식 17]
Figure 112008012528099-pat00018
도 44로부터 도 46에 나타내듯이(구체적으로는 후술한다), 전계 인가용 전극을 어레이 도파로 상에 대향하도록 배치하는 경우, 제1 및 제2 전극에서는, 수식 (17)에 나타낸 ΔLh가 역부호이기 때문에, 투과 파장이 역방향으로 쉬프트 한다. 따라서, 양쪽 전극을 전환하여 사용하는 경우, 2배의 파장가변 대역을 실현할 수 있다. 도 44에 나타낸 전극 구성에서는, E1에만 전계를 거는 것이 가능하다. 따라서, 파장가변 필터는 편파 무의존 동작을 실현할 수 있다. 한편, 도 45 및 도 46에 나타낸 전극 구성의 경우, 양쪽의 모드간에 투과 파장이 다르다.
상기 특징을 가지는 제4 실시 형태와 관련되는 파장가변 필터의 실시 형태를 몇 개의 실시예를 이용하여 설명하지만 본 발명은 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
도 43은 제3 실시 형태에서 설명한 도파로 전기 광학 위상 쉬프터를 구비한 파장가변 필터의 구성도이다. 도 중에서 부호 430은 제1 슬랩(slab) 광도파로, 부 호 431은 채널 광도파로 어레이, 부호 432는 제2 슬랩 광도파로, 부호 433은 입력 포트 채널 광도파로, 부호 434는 출력 포트 채널 광도파로, 부호 435는 제1 전계 인가부, 부호 436은 제2 전계 인가부, 부호 437은 도파로 전기 광학 위상 쉬프터를 나타내고 있다.
제4 실시 형태와 관련되는 어레이 광도파로 격자 파장가변 필터는, 적어도 1개의 입력 포트 채널 광도파로(433)와, 광로(optical path) 길이가 서로 다른 채널 광도파로로 이루어지는 채널 광도파로 어레이(431)와, 적어도 1개의 출력 포트 채널 광도파로(434)와, 입력 포트 채널 광도파로(433) 및 채널 광도파로 어레이(431)를 연결하는 제1 슬랩 광도파로(430)와, 출력 포트 채널 광도파로(434) 및 채널 광도파로 어레이(431)를 연결하는 제2 슬랩 광도파로(432)와, 채널 광도파로 어레이(431)의 일부로 이루어지는 전기 광학 위상 쉬프터(437)를 구비한다. 이 전기 광학 위상 쉬프터(437)는 제1 전계 인가부(435)와 제2 전계 인가부(436)를 구비하고 있다. 광도파로는 상술한 특성을 나타내는 KTN, KLTN 결정을 이용하여 제작되어 있다.
도 44는 본 실시 형태와 관련되는 파장가변 필터용의 전기 광학 위상 쉬프터의 전극 구조를 나타내는 구성도이다. 도 44에서는 어레이 도파로 상의 각 도파로에 대해서 등차 수열적인 길이를 가진 전계 인가용 전극 구성을 나타내고 있다. 도 중에서 부호 440 및 441은 전극, 부호 442는 공통의 어스(earth), 부호 443은 도파로를 나타내고 있다.
도파로(443) 및 전극(440, 441)은 전극 위상 쉬프터용 채널 광도파로 어레이 를 구성하고 있다. 중앙을 경계로 하여 상하 대칭으로 설치되어 있다. 또, 전극(440, 441)은 광도파로마다 ΔLh씩 길이가 바뀌고, 전극(440)과 어스(earth)(442)의 조합으로 제1 전극을 구성하고, 전극(441)과 어스(earth)(442)에 의해 제2 전극을 구성하고 있다.
또, 도 28A 및 28B에 나타내는 콤형 전극 부착 광도파로에 의해 상술의 가변 필터를 달성하는 경우, 클래드(282) 중에 어레이 광도파로의 코어가 매립된다.
도 43에 나타내듯이, 2개의 입출력 도파로(433과 434), 2개의 슬랩 광도파로(430과 432)와, 위상 쉬프터용 채널 광도파로 어레이(431)와, 1개의 제1 전계 인가부(435)와, 1개의 제2 전계 인가부(436)를 구비하고 있다. 슬랩 광도파로(430과 432)는, 그 형상이 소정의 곡율 반경을 가진 선형(fan shape)으로 되어 있다. 제1 전계 인가부(435)와 제2 전계 인가부(436)에 대해서는 도 44에 나타나 있다. 전극(442)이 공통의 어스(earth)로 되어 있고, 전극(440 및 441)이 전계 인가용 전극으로 되어 있다.
어레이 광도파로의 개수는 120개, 어레이 광도파로의 간격은 25㎛, 인접한 어레이 광도파로 길이 차는 35.5㎛, 회절 차수는 50, 인접 어레이 광도파로 히터(heater) 길이 차는 ΔLh=300㎛로 하였다. 굴절률 2.184의 KTN 결정을 코어로 하여 상술한 설계의 광도파로를 제작하였다. KTN 광도파로의 제작 방법은 「강유전체(ferroelectric) 막의 가공 방법」(특허출원 2002-215779호)에 준한다. 코어 단면 크기는 6㎛×6㎛로 한다. 광도파로 상에 금박막을 스퍼터법으로 형성하고, 포토 리소그래피 및 드라이 에칭법을 이용하여 상술한 설계의 폭 10㎛, 두께 1㎛의 전계 인가용 전극을 제작한다.
파장 1.55㎛대의 ASE 광대역 광원 및 광스펙트럼 분석기(analyzer)를 각각 입출력 포트에 접속하여 필터 특성을 측정하였다. 전극에 전계를 가하지 않는 경우의 파장 필터 특성은, 투과 중심 파장 1,550nm, 삽입 손실 5.5dB, 크로스토크 -30dB(1,550±0.8nm) 이었다. 제1 전극(440)에 전압을 가하였을 때, 투과 중심 파장은 가한 전압의 제곱에 비례하여 장파장 쉬프트 하였다. 한편, 제2 전극(441)에 전압을 가하였을 때는 단파장 쉬프트 하였다. 코어에 전계를 0∼0.5V/㎛를 가함으로써, 투과 중심 파장은 TE 모드, TM 모드 양쪽 모두, 1.545∼1.565nm의 범위로 가변하였다. 또, 투과 중심 파장 변화에 수반하는 삽입 손실 및 크로스토크의 현저한 증가는 인정되지 않았다.
(실시예 2)
상술한 실시예 1과 마찬가지로 도 43의 파장가변 필터를 제작하였다. 위상 쉬프터용 전극으로서 도 45에 나타내는 구성의 전극을 이용한다. 이 도 45는 본 발명과 관련되는 파장가변 필터용의 전기 광학 위상 쉬프터의 전극 구조의 다른 실시예를 나타내는 구성도이다. 도 중에서 부호 450 및 451은 전극, 부호 452는 공통의 어스(earth), 부호 453은 도파로를 나타내고 있다.
TE 모드에 관해서는, 제1 전극(450)에 전압을 가하였을 때, 투과 중심 파장은 가한 전압의 제곱에 비례하여 단파장 쉬프트 하였다. 한편, 제2 전극(451)에 전압을 가하였을 때는, 장파장 쉬프트 하였다. TM 모드에 관해서는, 투과 중심 파장 은 역방향으로 쉬프트 하였다. TM 모드는 코어에 전계를 0∼0.17V/㎛를 가함으로써, 투과 중심 파장은 1,545∼1,565nm의 범위로 가변하였다. 또, 투과 중심 파장 변화에 수반하는 삽입 손실 및 크로스토크의 현저한 증가는 인정되지 않았다.
(실시예 3)
상술한 실시예 2와 마찬가지로 도 43의 파장가변 필터를 제작한다. 위상 쉬프터용 전극으로서 도 46에 나타내는 구성의 전극을 이용한다. 도 46은 본 발명과 관련되는 파장가변 필터용의 전기 광학 위상 쉬프터의 전극 구조의 다른 실시예를 나타내는 평면도이다. 도 중에서 부호 460 및 461은 전극, 부호 462는 공통의 어스(earth), 부호 463은 도파로를 나타내고 있다.
TE 모드에 관해서는, 제1 전극 460에 전압을 가하였을 때, 투과 중심 파장은 가한 전압의 제곱에 비례하여 단파장 쉬프트 하였다. 한편, 제2 전극 461에 전압을 가하였을 때는, 장파장 쉬프트 하였다. TM 모드에 관해서는 역방향으로 쉬프트 하였다. TM 모드는 코어에 전계를 0∼0.17V/㎛를 가함으로써, 투과 중심 파장은 1,545∼1,565nm의 범위로 가변하였다. 또, 투과 중심 파장 변화에 수반하는 삽입 손실 및 크로스토크의 현저한 증가는 인정되지 않았다.
(실시예 4)
실시예 4의 파장가변 필터는 실시예 1의 파장가변 필터와 동등의 구성이지만 광도파로가 BTO 결정 등으로 제작되어 있는 점이 다르다. 이러한 구성의 파장가변 필터를 제작하고 그 동작을 확인하였다.
실시예 4의 파장가변 필터에서, BTO 도파로 부분을 110℃로 제어하여 동작시 키면, 실시예 1의 파장가변 필터와 마찬가지의 필터 특성이 얻어진다. 또, BTO와 STO를 0.73：0.27의 비율로 혼합한 Ba0 .73Sr0 .27TiO3의 단결정으로 이루어지는 도파로를 제작하고, 이를 이용하여 동일한 파장가변 필터를 제작한다. 이 경우, 도파로 온도 10℃에서 BTO의 도파로를 이용하는 경우와 같은 필터 특성이 얻어진다. 그 외, PLZT를 도파로 재료로 한 파장가변 필터로도 마찬가지의 동작이 가능하였다.
제4 실시 형태와 관련되는 파장가변 필터에서는, KTN나 KLTN 등에 대해서 퀴리 전이 온도 근방에서 동작시키기 위해서 온도 콘트롤러를 구비할 수가 있다. 온도 콘트롤러는 펠티에르(Peltier) 소자이어도 좋다.
이상 설명한 것처럼, 제4 실시 형태에 의하면, 입법정으로 2차 전기 광학 효과를 가지는 유전체 결정인 KTN 및 KLTN로 이루어지는 조성의 결정재료를 기본으로 한 광도파로를 이용하여, 고속 저전압 구동의 어레이 광도파로 격자 파장가변 필터를 실현할 수가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 광스위치의 구성도이다.
도 2는 제1도의 광스위치의 마하젠더 간섭계의 한쪽의 광도파로에 형성한 위상 변조 부분을 나타내는 구성도이다.
도 3A는 도 2의 ⅢA-ⅢA선을 따라 취한 단면도이다.
도 3B는 도 2의 ⅢB-ⅢB선을 따라 취한 단면도이다.
도 4는 도 3A 및 3B의 위상 변조부에서의 전계의 인가에 의한 굴절률 변화를 나타내는 도이다.
도 5는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 광스위치의 동작 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 본 실시 형태와 관련되는 광스위치의 위상 변조 부분의 구성을 나타내는 도이다.
도 7은 도 6의Ⅶ-Ⅶ선을 따라 취한 단면에 해당하고, 콤형 전극을 이용한 위상 변조 부분의 전계 방향을 나타내는 도이다.
도 8은 도 7의 위상 변조 부분에서의 전계의 인가에 의한 굴절률 변화를 나타내는 도이다.
도 9는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 광스위치의 구성도이다.
도 10은 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 방향성 결합형 광분기 소자의 분기비가 1：1로 되는 전형적인 조건을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 분기비 가변 도파로형 분기 소자 의 구성도이다.
도 12는 도 11에서의 방향성 결합기의 한쪽의 광도파로에 형성한 위상 변조 부분을 나타내는 구성도이다.
도 13A는 도 12의 ⅩⅢA-ⅩⅢA 단면도이다.
도 13B는 도 12의 ⅩⅢB-ⅩⅢB 단면도이다.
도 14는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 광스위치의 동작 특성을 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 16×16의 매트릭스(matrix) 스위치의 개략도이다.
도 16은 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 도파로를 나타내는 구성도이다.
도 17은 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 1×2 디지털 광스위치의 구성도이다.
도 18A는 도 17의 ⅩⅧA-ⅩⅧA선 단면도이다.
도 18B는 도 17 중의 콤형(comb-shaped) 전극의 평면도이다.
도 19는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 전계 인가법(기판 평행)을 나타내는 설명도이다.
도 20은 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 1×2 편파 스플리터(splitter)(전계 기판 평행 인가)의 구성도이다.
도 21A는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 1×2 편파 무의존 광스위치(3단 접속, 전계 기판 평행 인가)의 설명도이다.
도 21B는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 1×2 편파 무의존 광스위치(3단 접속, 전계 기판 평행 인가)의 설명도이다.
도 22A는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 1×2 편파 무의존 광스위치(5단 접속, 전계 기판 평행 인가)의 설명도이다.
도 22B는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 1×2 편파 무의존 광스위치(5단 접속, 전계 기판 평행 인가)의 설명도이다.
도 23은 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 전계 인가법(기판 수직)을 나타내는 설명도이다.
도 24는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 1×2 편파 스플리터(splitter)(전계 기판 수직 인가)의 구성도이다.
도 25A는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 1×2 편파 무의존 광스위치(3단 접속, 전계 기판 수직 인가)의 설명도이다.
도 25B는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 1×2 편파 무의존 광스위치(3단 접속, 전계 기판 수직 인가)의 설명도이다.
도 26A는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 1×2 편파 무의존 광스위치(5단 접속, 전계 기판 수직 인가)의 설명도이다.
도 26B는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 1×2 편파 무의존 광스위치(5단 접속, 전계 기판 수직 인가)의 설명도이다.
도 27은 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 도파로를 나타내는 구성도이다.
도 28A는 본 실시 형태와 관련되는 도파로의 사시도이다.
도 28B는 도 28A의 ⅩⅩⅧB-ⅩⅩⅧB선 절단 단면도이다.
도 29A는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 도파로의 사시도이다.
도 29B는 도 29A의 ⅩⅩⅨB-ⅩⅩⅨB선 절단 단면도이다.
도 30A는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 도파로의 사시도이다.
도 30B는 도 30A의 ⅩⅩⅩB-ⅩⅩⅩB선 절단 단면도이다.
도 31은 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 광변조기의 구성도이다.
도 32는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 광변조기의 구성도이다.
도 33은 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 광변조기의 구성도이다.
도 34는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 광변조기의 구성도이다.
도 35A는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 도파로 전기 광학 위상 쉬프터를 설명하기 위한 사시도이다.
도 35B는 도 35A의 ⅩⅩⅩⅤB-ⅩⅩⅩⅤB선 단면도이다.
도 36A는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 도파로 전기 광학 위상 쉬프터를 설명하기 위한 사시도이다.
도 36B는 도 36A의 ⅩⅩⅩⅥB-ⅩⅩⅩⅥB선 단면도이다.
도 37A는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 도파로 전기 광학 위상 쉬프터를 설명하기 위한 사시도이다.
도 37B는 도 37A의 ⅩⅩⅩⅦB-ⅩⅩⅩⅦB선 단면도이다.
도 38A는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 도파로 전기 광학 위상 쉬프터를 설명하기 위한 사시도이다.
도 38B는 도 38A의 ⅩⅩⅩⅧB-ⅩⅩⅩⅧB선 단면도이다.
도 39는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 광변조기의 단면도이다.
도 40은 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 광변조기의 단면도이다.
도 41은 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 광변조기의 단면도이다.
도 42는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 광변조기의 단면도이다.
도 43은 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 도파로 전기 광학 위상 쉬프터를 구비한 파장가변 필터의 구성도이다.
도 44는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 파장가변 필터용의 전기 광학 위상 쉬프터의 전극 구조를 나타내는 구성도이다.
도 45는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 파장가변 필터용의 전기 광학 위상 쉬프터의 전극 구조를 나타내는 구성도이다.
도 46은 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 파장가변 필터용의 전기 광학 위상 쉬프터의 전극 구조를 나타내는 구성도이다.

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. KTa1-xNbxO3(0＜x＜1) 및 K1-yLiyTa1-xNbxO3(0＜x＜1, 0＜y＜1)의 적어도 한쪽으로 이루어지는 조성의 결정재료를 도파로 재료로 이용하여, 적어도 1개의 입력 도파로와, 1개의 출력 도파로와, 상기 입력 도파로에 접속된 3dB 커플러와, 상기 출력 도파로에 접속된 3dB 커플러와, 2개의 상기 3dB 커플러를 접속하는 2개의 삼차원 광도파로를 가지는 마하젠더형의 광강도변조기에 있어서,
    상기 삼차원 광도파로의 적어도 한쪽에 전극이 배치되어 있는 전기 광학 위상 쉬프터를 가지고,
    상기 삼차원 광도파로의 한쪽에는, 상기 채널 도파로를 사이에 두고 장변(長邊)방향에 평행으로 대향하는 2개의 장방형(長方形) 전극 및 상기 한쪽의 삼차원 광도파로 상에 1개의 전극이 배치되어 있음과 동시에, 상기 삼차원 광도파로의 다른 한쪽에는, 상기 삼차원 광도파로를 사이에 두고 장변방향에 평행으로 대향하여 2개의 장방형 전극이 배치되고, 상기 전극배치에 의해, 상기 삼차원 광도파로의 한 쪽에 인가되는 전계의 방향과 상기 삼차원 광도파로의 다른 쪽에 인가되는 전계의 방향이 직교하고 있고,
    푸시풀(push pull) 동작을 하는 것을 특징으로 하는 유전체 결정을 이용한 광강도변조기.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서,
    상기 전극에 의한 전계 인가 방향은 상기 삼차원 광도파로에 대해서 소정의 결정축 방향이고,
    DC 바이어스를 동작전에 인가해 두고, 동작시에 더 구동전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 광강도변조기.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 KTa1-xNbxO3 및 K1-yLiyTa1-xNbxO3의 적어도 한쪽의 온도를, 상기 KTa1-xNbxO3 및 K1-yLiyTa1-xNbxO3의 적어도 한쪽에 대한 정방정으로부터 입방정으로의 상전이 온도 근방으로 제어하는 온도 콘트롤러를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광강도변조기.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
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