JP2002268026A - Optical waveguide element - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、光を用いて電界を
検出するセンサに係り、特に、放送用、通信用などの電
波の中継装置、あるいはEMC分野での電界測定装置に
用いて好適な干渉型光導波路を有する光導波路素子と、
この光導波路素子を用いた電界センサの製造方法に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sensor for detecting an electric field using light, and more particularly to a sensor suitable for use in a relay device of a radio wave for broadcasting or communication, or an electric field measuring device in the EMC field. An optical waveguide element having an interference type optical waveguide,
The present invention relates to a method for manufacturing an electric field sensor using the optical waveguide device.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、電界センサとして使用されている
光導波路素子について説明する。図4は、その平面図で
ある。41はLiNbO3結晶基板であり、42a,42
bは入出射光導波路、43aと43bは位相シフト光導
波路、44aと44bは変調電極である。2. Description of the Related Art An optical waveguide element conventionally used as an electric field sensor will be described. FIG. 4 is a plan view thereof. 41 is a LiNbO 3 crystal substrate, 42a, 42
b is an input / output optical waveguide, 43a and 43b are phase shift optical waveguides, and 44a and 44b are modulation electrodes.
【0003】この光導波路素子においては、変調電極4
4aと44bに電圧が印加されると、位相シフト光導波
路43aと43bには、互いに逆方向の電界が印加さ
れ、それに応じた屈折率の変化が起こる。In this optical waveguide device, the modulation electrode 4
When a voltage is applied to 4a and 44b, electric fields in opposite directions are applied to the phase shift optical waveguides 43a and 43b, and the refractive index changes accordingly.
【0004】例えば、入出射光導波路42aから入射し
た光は、分岐して、位相シフト光導波路43aと43b
を透過した後、入出射光導波路42bにおいて合波し、
出射する。[0004] For example, the light incident from the input / output optical waveguide 42a is branched to form phase shift optical waveguides 43a and 43b.
Are transmitted, and multiplexed in the input / output optical waveguide 42b,
Emit.
【0005】ここで、位相シフト光導波路43aと43
bによる2つの分岐光の位相差をψとすると、出射する
光の強度Poは次式のようになる。Here, the phase shift optical waveguides 43a and 43
When the phase difference between the two branched lights by b and [psi, intensity P o of the emitted light is given by the following equation.
【0006】 Po=α(Pi/2){1+cos(ψ)}・・・・・(1) ただし、αは挿入損失の項であり、Piは入射する光の
強度である。P o = α (P i / 2) {1 + cos (ψ)} (1) where α is a term of insertion loss, and Pi is the intensity of incident light.
【0007】また、位相差ψは、変調電極に印加される
電圧をVとすると、半波長電圧Vπを用いて次式のよう
に表すことができる。The phase difference ψ can be expressed by the following equation using a half-wave voltage Vπ , where V is a voltage applied to the modulation electrode.
【0008】ψ=π・V/Vπ +Δ ・・・・・(2) ただし、ここで、Δはバイアス点を示す量であって、変
調電極に印加される電圧Vがゼロのときにも生じている
位相差であって、主として、位相シフト光導波路43a
と43bの長さの差によって生じる。Ψ = π · V / V π + Δ (2) Here, Δ is an amount indicating a bias point, and even when the voltage V applied to the modulation electrode is zero. This is the phase difference that has occurred, mainly the phase shift optical waveguide 43a.
And 43b.
【0009】このΔは、電界センサとしての動作におい
て、重要な量である。なぜなら、Δによって、電界セン
サの利得及び雑音指数が定められるからである。通常
は、このΔは、変調電極に印加される電圧V=0のとき
の光強度が、位相差ψ=0のときの光強度の15〜50
%となるような範囲で、最適の値が設定される。This Δ is an important quantity in the operation as an electric field sensor. This is because Δ determines the gain and noise figure of the electric field sensor. Normally, this Δ is the light intensity when the voltage V = 0 applied to the modulation electrode is 15 to 50 times the light intensity when the phase difference ψ = 0.
The optimum value is set in the range where the value is%.
【0010】[0010]
【発明が解決しようとする課題】上述のような光導波路
素子の作製においては、バイアス点は作製された位相シ
フト光導波路43aと43bの光路差によって設定され
る。In manufacturing the above-described optical waveguide device, the bias point is set by the optical path difference between the manufactured phase-shifted optical waveguides 43a and 43b.
【0011】実際に、電気光学結晶基板上に、位相シフ
ト光導波路43aと43bを作製する工程においては、
リソグラフィ工程のマスクの精度やTiなどの成膜後の
形状や拡散工程における温度条件などによって、位相シ
フト光導波路43aと43bの光路差は決定される。そ
の結果、作製された、すべての素子が所望のバイアス点
を持つというわけではなく、選別した素子を用いて、電
界センサを作製していた。Actually, in the step of forming the phase shift optical waveguides 43a and 43b on the electro-optic crystal substrate,
The optical path difference between the phase shift optical waveguides 43a and 43b is determined by the accuracy of the mask in the lithography process, the shape after film formation such as Ti, the temperature condition in the diffusion process, and the like. As a result, not all of the manufactured devices have a desired bias point, and an electric field sensor is manufactured using the selected devices.
【0012】そこで、本発明の目的は、良品率に優れ、
製作コストを低減できる光導波路素子および電界セン
サ、およびその製造方法を提供することである。Therefore, an object of the present invention is to provide an excellent non-defective product ratio,
An object is to provide an optical waveguide element and an electric field sensor that can reduce the manufacturing cost, and a method for manufacturing the same.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の光導波路素子においては、電気光学効果を
有する1枚の結晶基板上に、複数の組の分岐干渉型光導
波路と変調電極が形成され、それぞれの組における2つ
の位相シフト光導波路の間の光路差は、他の組の光路差
とは異なる値に設定されている。In order to solve the above-mentioned problems, in an optical waveguide device according to the present invention, a plurality of sets of branch interference optical waveguides and a plurality of sets are provided on a single crystal substrate having an electro-optic effect. Electrodes are formed, and the optical path difference between the two phase-shifted optical waveguides in each set is set to a value different from the optical path difference of the other sets.
【0014】このような光導波路素子を作製した後、最
適のバイアス点を与える光路差を有する分岐干渉型光導
波路と変調電極の一組を選択して、入出力の光ファイバ
を接続して、電界センサのヘッド部を作製する。After manufacturing such an optical waveguide device, a pair of a branch interference optical waveguide having an optical path difference giving an optimum bias point and a modulation electrode are selected, and input and output optical fibers are connected. The head of the electric field sensor is manufactured.
【0015】即ち、本発明は、電気光学効果を有する結
晶基板上に、分岐干渉型光導波路および該分岐干渉型光
導波路の近傍に位置する変調電極を形成して構成される
光導波路素子において、前記電気光学効果を有する結晶
基板上に、少なくとも2つ以上の組をなす分岐干渉型光
導波路および変調電極が形成されていて、それぞれの組
における分岐干渉型光導波路の2つの位相シフト光導波
路の光路差がそれぞれの組ごとに異なる光導波路素子で
ある。That is, the present invention provides an optical waveguide device comprising a branch interference optical waveguide and a modulation electrode located near the branch interference optical waveguide formed on a crystal substrate having an electro-optic effect. At least two or more sets of branch interference optical waveguides and modulation electrodes are formed on the crystal substrate having the electro-optical effect, and two phase shift optical waveguides of the branch interference optical waveguide in each set are formed. An optical waveguide element in which an optical path difference is different for each set.
【0016】また、本発明は、前記電気光学効果を有す
る結晶基板はLiNbO3単結晶からなる光導波路素子で
ある。Further, according to the present invention, there is provided an optical waveguide device wherein the crystal substrate having the electro-optic effect is made of LiNbO 3 single crystal.
【0017】また、本発明は、前記光導波路素子と、前
記光導波路素子の変調電極に被測定電圧を供給するアン
テナと、入力光ファイバと、前記入力光ファイバへ入力
光を供給する光源と、出力光ファイバと、前記出力光フ
ァイバからの出力光を電気信号に変換する光検出器とで
構成される電界センサである。The present invention also provides an optical waveguide device, an antenna for supplying a voltage to be measured to a modulation electrode of the optical waveguide device, an input optical fiber, and a light source for supplying input light to the input optical fiber. An electric field sensor comprising an output optical fiber and a photodetector for converting output light from the output optical fiber into an electric signal.
【0018】また、本発明は、前記光導波路素子を用い
る電界センサの製造方法において、前記光導波路素子の
分岐干渉型光導波路および変調電極の1つの組を選択す
ることにより、バイアス点を所定の範囲に設定する電界
センサの製造方法である。Further, according to the present invention, in the method for manufacturing an electric field sensor using the optical waveguide element, a bias point is set to a predetermined value by selecting one set of a branch interference type optical waveguide and a modulation electrode of the optical waveguide element. This is a method for manufacturing an electric field sensor set in a range.
【0019】[0019]
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て、図1〜図3に基づいて説明する。Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
【0020】図1は、本発明の実施の形態による光導波
路素子を用いた電界センサのヘッド部分を示す斜視図で
ある。11aと11bは入出力の光ファイバであり、1
2はLiNbO3結晶基板、13aと13bは入出射光導
波路、14aと14bは位相シフト光導波路、15aと
15bは変調電極である。FIG. 1 is a perspective view showing a head portion of an electric field sensor using an optical waveguide device according to an embodiment of the present invention. 11a and 11b are input and output optical fibers,
2 is a LiNbO 3 crystal substrate, 13a and 13b are input / output optical waveguides, 14a and 14b are phase shift optical waveguides, and 15a and 15b are modulation electrodes.
【0021】16は、分岐干渉型光導波路と変調電極の
組を示し、即ち、入出射光導波路13aと13b、およ
び位相シフト光導波路14aと14bを合わせた光導波
路と、さらに、変調電極15aと15bの組を示してい
る。そして、17と18は、いずれも、分岐干渉型光導
波路と変調電極の組16に隣接して設けられた分岐干渉
型光導波路と変調電極の組を示している。Reference numeral 16 denotes a set of a branch interference type optical waveguide and a modulation electrode, that is, an optical waveguide in which the input / output optical waveguides 13a and 13b and the phase shift optical waveguides 14a and 14b are combined, and a modulation electrode 15a. 15b shows a set. Reference numerals 17 and 18 both denote a set of a branch interference type optical waveguide and a modulation electrode provided adjacent to a set 16 of a branch interference type optical waveguide and a modulation electrode.
【0022】なお、電界センサとして動作させるときに
は、図1に示した電界センサヘッド部の他に、変調電極
15aと15bに被測定電圧を供給するアンテナと、一
定強度の光を入力ファイバ(11aまたは11b)に供
給する光源と、出力光ファイバ(11aまたは11b)
からの出力光を電気信号に変換する光検出器が必要であ
るが、これらの図は省略されている。When operating as an electric field sensor, in addition to the electric field sensor head shown in FIG. 1, an antenna for supplying a voltage to be measured to the modulation electrodes 15a and 15b, and a light of a constant intensity to the input fiber (11a or 11a). A light source to be supplied to 11b) and an output optical fiber (11a or 11b)
A light detector for converting the output light from the optical signal into an electric signal is required, but these figures are omitted.
【0023】図2は、上記の光導波路素子を示す斜視図
であって、基板に対する分岐干渉型光導波路と変調電極
の寸法を考慮して描いた図である。FIG. 2 is a perspective view showing the above-described optical waveguide device, and is a diagram drawn in consideration of the dimensions of the branch interference optical waveguide and the modulation electrode with respect to the substrate.
【0024】次に、本実施の形態による光導波路素子の
作製方法について説明する。LiNbO3結晶基板12の
寸法は幅6mm×長さ40mm×厚さ0.5mmであ
る。この基板上にTiイオンを熱拡散して分岐干渉型光
導波路を設け、金属膜による変調電極を形成した。Next, a method of manufacturing the optical waveguide device according to the present embodiment will be described. The dimensions of the LiNbO 3 crystal substrate 12 are 6 mm wide × 40 mm long × 0.5 mm thick. On the substrate, Ti ions were thermally diffused to provide a branch interference optical waveguide, and a modulation electrode formed of a metal film was formed.
【0025】このときの、分岐干渉型光導波路と変調電
極の組16、17、および18における位相シフト光導
波路による位相差ψの設定について説明する。The setting of the phase difference に よ る by the phase shift optical waveguides in the sets 16, 17, and 18 of the branch interference optical waveguide and the modulation electrode at this time will be described.
【0026】図3は、電界センサの動作におけるバイア
ス点を示す図であり、図3(a)は、位相差ψに対する
相対光強度の変化を示す図であり、図3(b)は、電界
センサの動作とバイアス点を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing bias points in the operation of the electric field sensor. FIG. 3 (a) is a diagram showing a change in relative light intensity with respect to a phase difference ψ, and FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating an operation of a sensor and a bias point.
【0027】図3(a)が示すように、位相差ψがゼロ
のとき、合成後の光強度は最大となり、ψ=±π/2の
とき、光強度は1/2になり、ψ=±πのとき、光強度
はゼロになる。As shown in FIG. 3A, when the phase difference ψ is zero, the light intensity after combining becomes maximum, and when ψ = ± π / 2, the light intensity becomes 1 /, and ψ = When ± π, the light intensity becomes zero.
【0028】図3(b)は、位相差ψが−(2/3)πの
ときの、電解センサとしての動作を示す図である。変調
曲線f(V)のバイアス点Bのまわりで、入力電圧が加え
られ、変調された出力光が得られる様子が示されてい
る。FIG. 3B is a diagram showing the operation as an electrolytic sensor when the phase difference ψ is-(2/3) π. An input voltage is applied around a bias point B of the modulation curve f (V) to obtain a modulated output light.
【0029】本実施の形態においては、分岐干渉型光導
波路と変調電極の組16、17、及び、18における位
相シフト光導波路による位相差ψを、それぞれ、−0.
5π、−0.6π、及び−0.7πに設定した。In this embodiment, the phase difference ψ due to the phase shift optical waveguides in the sets 16, 17, and 18 of the branch interference optical waveguide and the modulation electrode is −0.0.
It was set to 5π, -0.6π, and -0.7π.
【0030】このようにして作製した光導波路素子を用
いて、分岐干渉型光導波路と変調電極の組16、17、
及び18に対して、形成された分岐干渉型光導波路によ
るバイアス点を測定した。Using the optical waveguide device manufactured as described above, a set 16, 17 of a branch interference type optical waveguide and a modulation electrode,
With respect to Nos. 18 and 18, the bias point due to the formed branch interference type optical waveguide was measured.
【0031】その後、3組の中から、所定のバイアス点
に最も近い値を持つ分岐干渉型光導波路と変調電極の組
16を選択して、光ファイバ11aと11bを接続し
て、電界センサのヘッド部を作製した。Thereafter, a set 16 of a branch interference type optical waveguide and a modulation electrode having a value closest to a predetermined bias point is selected from the three sets, and the optical fibers 11a and 11b are connected to each other. A head portion was manufactured.
【0032】以上のように、一つの基板に3つの分岐干
渉型光導波路と変調電極の組を形成することによって所
定の範囲のバイアス点を持つ電界センサを作製するとき
の良品率の向上が可能になった。As described above, by forming a set of three branch interference type optical waveguides and modulation electrodes on one substrate, it is possible to improve the yield of non-defective products when manufacturing an electric field sensor having a bias point within a predetermined range. Became.
【0033】ところで、1枚の基板上に、複数の分岐干
渉型光導波路と変調電極を形成することによるコストの
増加は、バイアス点の不良によるコストの増加に比べ
て、小さい。The increase in cost due to the formation of a plurality of branch interference optical waveguides and modulation electrodes on one substrate is smaller than the increase in cost due to defective bias points.
【0034】即ち、複数の分岐干渉型光導波路と変調電
極を形成することによるコストの増加は、ほぼ、リソグ
ラフィと成膜の工程に限られ、研磨工程や光ファイバの
接続などの工程では、コストの増加はない。従って、製
作個数が増加すると、1個あたりのコストの増加は微小
になる。また、基板の幅は、電界センサとして動作させ
る時の熱応力などの観点から、複数の分岐干渉型光導波
路と変調電極を形成しても、十分に余裕のある寸法にな
っている。従って、基板のコストが増加するということ
もない。That is, the increase in cost due to the formation of a plurality of branching interference type optical waveguides and modulation electrodes is substantially limited to the lithography and film formation steps, and the polishing step and the connection of optical fibers are costly. There is no increase. Therefore, as the number of products increases, the increase in cost per unit becomes small. In addition, the width of the substrate is sufficiently large even if a plurality of branch interference optical waveguides and modulation electrodes are formed from the viewpoint of thermal stress when operating as an electric field sensor. Therefore, the cost of the substrate does not increase.
【0035】ところで、ひとつの基板上に形成する分岐
干渉型光導波路と変調電極の組の数は、バイアス点の許
容範囲やリソグラフィ工程で用いるマスクの精度などに
応じて選択するとよい。Incidentally, the number of sets of the branch interference type optical waveguide and the modulation electrode formed on one substrate may be selected according to the allowable range of the bias point, the precision of the mask used in the lithography process, and the like.
【0036】[0036]
【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、良品率が高く、低コストの光導波路素子および電界
センサおよびその製造方法を提供することが可能にな
る。As described above, according to the present invention, it is possible to provide an optical waveguide element, an electric field sensor, and a method of manufacturing the same, which have a high yield rate and are inexpensive.
【図1】本発明の実施の形態による光導波路素子を用い
た電界センサのヘッド部分を示す斜視図。FIG. 1 is a perspective view showing a head portion of an electric field sensor using an optical waveguide element according to an embodiment of the present invention.
【図2】本発明の実施の形態による光導波路素子を示す
斜視図。FIG. 2 is a perspective view showing an optical waveguide device according to the embodiment of the present invention.
【図3】電界センサの動作におけるバイアス点を示す
図。図3(a)は、位相差ψに対する相対光強度の変化
を示す図。図3(b)は、電界センサの動作とバイアス
点を示す図。FIG. 3 is a diagram showing bias points in the operation of the electric field sensor. FIG. 3A is a diagram illustrating a change in relative light intensity with respect to a phase difference ψ. FIG. 3B is a diagram illustrating an operation of the electric field sensor and a bias point.
【図4】従来の光導波路素子を示す平面図。FIG. 4 is a plan view showing a conventional optical waveguide device.
11a,11b 光ファイバ 12,41 LiNbO3結晶基板 13a,13b,13c,13d,13e,13f,42a,
42b 入出射光導波路 14a,14b,43a,43b 位相シフト光導波路
(分岐干渉型光導波路) 15a,15b,15c,15d,15e,15f,44a,
44b 変調電極 16,17,18 分岐干渉型光導波路と変調電極の
組 B バイアス点11a, 11b Optical fiber 12, 41 LiNbO 3 crystal substrate 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f, 42a,
42b input / output optical waveguide 14a, 14b, 43a, 43b phase shift optical waveguide
(Branch interference optical waveguide) 15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f, 44a,
44b Modulation electrode 16, 17, 18 Combination of branching interference type optical waveguide and modulation electrode B Bias point
Claims (4)
岐干渉型光導波路および該分岐干渉型光導波路の近傍に
位置する変調電極を形成して構成される光導波路素子に
おいて、前記電気光学効果を有する結晶基板上に、少な
くとも2つ以上の組をなす分岐干渉型光導波路および変
調電極が形成されていて、それぞれの組における分岐干
渉型光導波路の2つの位相シフト光導波路の光路差がそ
れぞれの組ごとに異なることを特徴とする光導波路素
子。1. An optical waveguide device comprising a branch interference optical waveguide and a modulation electrode located in the vicinity of the branch interference optical waveguide formed on a crystal substrate having an electro-optic effect. And at least two sets of branch interference type optical waveguides and modulation electrodes are formed on the crystal substrate having: and the optical path difference between the two phase shift optical waveguides of the branch interference type optical waveguides in each set is respectively An optical waveguide device, which differs for each set of
iNbO3単結晶からなることを特徴とする請求項1記載
の光導波路素子。2. The crystal substrate having the electro-optic effect is L
The optical waveguide device according to claim 1, characterized in that it consists of LiNbO 3 single crystal.
と、前記光導波路素子の変調電極に被測定電圧を供給す
るアンテナと、入力光ファイバと、前記入力光ファイバ
へ入力光を供給する光源と、出力光ファイバと、前記出
力光ファイバからの出力光を電気信号に変換する光検出
器とで構成されることを特徴とする電界センサ。3. The optical waveguide device according to claim 1, wherein the antenna supplies a voltage to be measured to a modulation electrode of the optical waveguide device, an input optical fiber, and a light source that supplies input light to the input optical fiber. An electric field sensor comprising: an output optical fiber; and a photodetector that converts output light from the output optical fiber into an electric signal.
導波路素子を用いる電界センサの製造方法において、前
記光導波路素子の分岐干渉型光導波路および変調電極の
1つの組を選択することにより、バイアス点を所定の範
囲に設定することを特徴とする電界センサの製造方法。4. A method for manufacturing an electric field sensor using an optical waveguide device according to claim 1, wherein one set of a branch interference type optical waveguide and a modulation electrode of the optical waveguide device is selected. And setting the bias point within a predetermined range.
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2009192955A (en) * | 2008-02-15 | 2009-08-27 | Tokyo Keiki Inc | Optically functional element and method of manufacturing the same |
JP2009301023A (en) * | 2008-05-14 | 2009-12-24 | Seikoh Giken Co Ltd | Optical modulator |
CN109031708A (en) * | 2018-09-29 | 2018-12-18 | 深圳市芯思杰智慧传感技术有限公司 | A kind of optical waveguide phase-modulator chip with pre- phase-modulation function |
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2001
- 2001-03-07 JP JP2001063437A patent/JP2002268026A/en active Pending
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