【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバー通信、光ファイバー計測において光波の強度、位相、偏光状態を制御するための光導波路型素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバー通信系および計測系において必要とされる光処理の中で、集積化の容易さ、高効率の利点から光導波路型素子が用いられている。その光導波路型素子としては、光強度変調器、光スイッチ、可変光減衰器（以後ＶＯＡ）等が導波路技術をもとにした技術で開発され実用に供されている。例えば、ＶＯＡ素子では、熱光学効果を利用した石英系光導波路を用いた素子が盛んに研究されている。これは光導波路上に形成された金属薄膜ヒーターを熱源としてマッハツェンダー干渉計の一方のアーム導波路に熱光学効果によって屈折率変化を生じさせ、干渉計の出力強度を調整するものであり、例えば可変光減衰方法および可変光減衰器等が提案されている（特許文献１参照）。
しかし、これら石英系光導波路素子はヒーターによる導波路基板の加熱を屈折率変化の手段として用いているため、数１００マイクロ秒から数１０ミリ秒の応答速度でしか駆動せず、高速応答性が要求される用途には不向きである。
【０００３】
一方、ニオブ酸リチウム（以後説明の便宜上「ＬＮ」と略称する）光導波路を用いた素子は１マイクロ秒以下の応答速度を有し、しかも電圧による駆動のため必要な電流は極わずかであるから、熱光学効果方式のＶＯＡ素子と比較して遥かに消費電力が少なくて済む利点もある。このため、ＬＮを用いたＶＯＡ素子（導波路型可変光減衰器）が提案されている（特許文献２参照）。
【０００４】
ＬＮ基板を用いた従来の光導波路型素子として、ＬＮ基板の表面に平行で光波伝播方向に垂直方向に電場を印加するタイプの２個の光位相シフターが平行に並んだ光回路構造を有しているものが知られている。この素子の作製方法としては、例えばフォトリソグラフィー技術によってＬＮ基板１上に幅が１０μｍ程度のＴｉ金属のストライプを作成した後、当該基板を１０００℃近辺の高温にさらすことによりＴｉ金属を基板内部に拡散させる。その結果、深さ５μｍ、幅１０μｍ程度のＴｉ原子分布が生じ、Ｔｉ原子濃度にほぼ比例して屈折率の上昇が引き起こされ、この屈折率の上昇領域が導波路となる。光ファイバー通信系の大多数で、１．３μｍないし１．５μｍ波長の光波に対して単一モード動作が要求され、以上のような大きさの屈折率上昇領域で単一モードが励振される。さらに、導波路の直上または両側に金属薄膜の制御電極を形成し、この電極に電圧を印加することにより屈折率変化を生じさせる。
このような光導波路素子では、バッファー層を形成するのが一般的である。バッファー層は光導波路内を伝搬する光波が制御電極によって吸収されることを防ぐ目的で形成される。特に１．３μｍや１．５μｍ波長の光波に対しては二酸化シリコン（ＳｉＯ２）が用いられる。
しかしながら、この素子の場合はバッファー層によってＤＣドリフトが生じるという問題がある。ＤＣドリフトとは、制御電極へ電圧を印加している時に、バッファー層中にある不純物などのキャリアーの移動により、光導波モード分布の基板内で作用する実効的な電場強度に変化が生じて光出力が変動する現象である。このため、ＤＣドリフト抑制を目的としてバッファー層無し電極（特許文献３）、ｃ−カットすなわち光学軸と平行な法線を持つＬＮ基板上にｂ−軸方向すなわち基板平面と平行かつ光学軸と垂直に走る２本の近接した光導波路を形成し、導波路直上に金属電極を配した構造の導波路型光素子（特許文献４）、高速電気信号を印加する変調用電極と動作点制御用電極を備えた導波路型光変調器（特許文献３）等が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３５２６９９号公報
【特許文献２】特開平１０−１４２５６９号公報
【特許文献３】特開２０００−２７５５９０号公報
【特許文献４】特許第２５７５１３１号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、バッファー層無し構造をとる従来の光導波路型素子で、入射する偏光状態が一定でない変調器ないしＶＯＡのような素子においては、あらゆる偏光方向の入射光を考慮しなければならないが、水平モード（ＴＥモード）と垂直モード（ＴＭモード）では導波路付近にある金属による吸収の影響が大きく異なるため、電極が光導波路に近すぎると、バッファー層無し構造をとる素子の場合は電極による損失のために入射する偏光状態によって挿入損失が変化してしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、バッファー層無し構造で、ＴＥおよびＴＭモード双方の入射偏光に対して電極による光伝播損失が許容範囲に入るような電極ギャップおよび電極材質を選択することにより実用的な光導波路型素子を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる光導波路型素子は、電気光学効果を持つ１軸性結晶基板上に光学軸と平行に光導波路型の干渉計を形成し、その光導波路の両側に金属物質からなる電極対が前記結晶基板と電極対との間に絶縁体の層を挟むことなく配された光導波路型素子であって、前記電極間隔が前記干渉計の導波路モードの横サイズ（基板表面に平行な方向で光強度がその分布の最大値の１／ｅに降下する位置の中心からの距離をｗとして２ｗとする）の１．４倍以上、５倍以下であることを特徴とするものである。
また、前記結晶基板に強誘電体ニオブ酸リチウムないしタンタル酸リチウム結晶を用い、そのａ−カット面上にｃ−軸方向に沿った光導波路を形成し、ｂ−軸方向に電場を生成するため導波路の両脇に金属電極を装荷したことを特徴とするものである。
【０００９】
すなわち、本発明は、入射偏光に依存せず機能する電気光学効果を用いた導波路型素子についてのものである。そのために、１軸性の電気光学結晶基板に形成した光導波路の伝搬方向を光学軸と並行とすることでＴＥおよびＴＭモードで伝搬する導波光を光学的に等方的としている。
一方で、本発明は、光導波路の直上には電極が位置せず、両脇に位置し、光導波路の基板表面に対し水平方向に電場を生成し、かつ入射偏光はＴＥおよびＴＭモードの双方に対して機能する素子である。
さらに、前記のバッファー層に付随する特性上の問題点を解決するため、バッファー層無し構造を持ちなおかつ、ＴＥおよびＴＭモード双方の入射偏光に対して電極による光伝播損失が許容範囲に入るような電極ギャップおよび電極材質を選択する事により実用的な素子を得るものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る光導波路型素子の一実施例を示す平面図、図２は図１のａーａ線上の拡大縦断面図であり、１はＬＮ基板、２は素子入力ポート、３は干渉計入射側Ｙ−分岐、４は干渉計上側アーム、５は干渉計下側アーム、６は干渉計出射側Ｙ−分岐、７は干渉計正電極、８は干渉計負電極、９はＥＯ素子出力ポート、Ｇは電極間ギャップである。
【００１１】
すなわち、図１、図２に示す光導波路型素子は、ＬＮ基板を用いた光導波路型素子の一例を示したもので、基板表面に平行で光波伝播方向に垂直方向に電場を印加するタイプの２個の光位相シフターが平行に並んだ光導波路型素子であって、その構成は電気光学効果を持つ１軸性結晶ＬＮ基板１の表面に、素子入力ポート２、干渉計入射側Ｙ−分岐３、干渉計上側アーム４、干渉計下側アーム５、干渉計出射側Ｙ−分岐６およびＥＯ素子出力ポート９からなる光導波路が形成され、干渉計上側アーム４と干渉計下側アーム５からなる光導波路の両側に金属物質からなる一対の干渉計正電極７と干渉計負電極８が配された構成となし、かつ前記干渉計正電極７と干渉計負電極８間のギャップ（間隔）Ｇが前記干渉計の導波路モードの横サイズ（基板表面に平行な方向で光強度がその分布の最大値の１／ｅに降下する位置の中心からの距離をｗとして２ｗとする）の１．４倍以上、５倍以下となしたものである。
【００１２】
ここで、電極間ギャップＧを干渉計の導波路モードの横サイズ（基板表面に平行な方向で光強度がその分布の最大値の１／ｅに降下する位置の中心からの距離をｗとして２ｗとする）の１．４倍以上、５倍以下としたのは、１．４倍未満では、電極金属による光波の吸収が大きくなるため、デバイスの挿入損失および挿入損失の入射偏光依存性が大きくなり、他方、５倍を超えると駆動電圧が高くなり、実用上の利便性が大きく制限されるためである。
【００１３】
また、光導波路型素子におけるＬＮ基板１には、強誘電体ニオブ酸リチウムないしタンタル酸リチウム結晶を用いる。これは大きな電気光学効果を利用できるため低電力駆動が可能で、かつ優れた応答速度が得られるためである。
【００１４】
次に、上記した光導波路型素子の導波路形成とその評価について説明する。
まず、フォトリソグラフィー技術によってＬＮ基板１上にＧμｍ程度のＴｉ金属のストライプを、ＬＮ基板１上に列をなした状態で作製する。その後、ＬＮ基板１を１０００℃近辺の高温にさらしてＴｉ金属を当該基板内部に拡散させる。この結果、得られた光導波路は、入射光波長１．５μｍに対して単一モード動作が確認され、また測定の結果、ＴＭモードに対する水平方向のモードサイズ２ｗ（請求項１で定義）は１２．１μｍであった。ＴＥモードに対する水平方向のモードサイズは１２．３μｍと、モードによる差異は殆ど見られなかった。
【００１５】
続いて、電極を形成するため、光導波路の形成と同様にフォトリソグラフィー技術によって、同一幅で形成した多数の導波路の両脇に対して電極７、８間ギャップＧを１２μｍから３２μｍまで、２μｍずつ増やして電極対を３０μｍにわたって形成し、電極形成前と電極形成後の素子の挿入損失を、各電極間ギャップ値について測定する。ただしこの時、入射光の偏光状態を基板に水平（ＴＥモード）および基板に垂直（ＴＭモード）の両条件で測定する。
【００１６】
図３はニオブ酸リチウムＴｉ拡散光導波路素子の挿入損失を測定した結果を示したものである。ただし、この損失には光導波路の入出力端面による反射損失およびファイバーとの結合損失を含む。
図３の結果より、電極ギャップ値が２０〜３０μｍでは、ギャップ値によらずＴＥ、ＴＭ各モードにおいて挿入損失はほぼ３デシベル程度であるが、ギャップ値が２０μｍ以下ではギャップ値の減少とともに徐々に挿入損失が増加し、１４μｍ以下ではＴＭモードでの挿入損失が急激に増加することがわかる。これは光導波路からわずかに染み出したエバネッセント光が装着した電極の金属によって吸収されるためで、電場が光導波路基板に垂直に振動するモードであるＴＭモードで顕著な現象である。
【００１７】
この吸収を減少させるためには、光導波路の両側に設置された電極を光導波路から十分に離せばよいが、電極間ギャップＧが大きくなると電極間にかかる電場強度が小さくなるため、電気光学効果によって屈折率変化を生じさせて素子を機能させるには、電極間ギャップが狭い場合と比較して大きな電圧が必要となる。素子の駆動電圧は、電極間ギャップが２倍になると電圧もほぼ２倍増加する。そのため実用上問題とならない素子の駆動電圧を有するためには電極間ギャップ値の上限が生じる。
したがって、電極間ギャップ値は光導波路モードの横サイズ（基板表面に平行な方向で光強度がその分布の最大値の１／ｅに降下する位置の中心からの距離をｗとすれば２ｗとなる）の１．４倍から５．０倍、即ち１．４≦Ｇ／２ｗの範囲にすると、小さな挿入損失と低い駆動電圧を持つ素子ができる。
【００１８】
【実施例】
実施例１
図１に示すようなａ軸でカットされたニオブ酸リチウム基板と、この結晶のｃ軸方向に光を伝搬させるようにＴｉ蒸着およびＴｉ拡散を施して、ニオブ酸リチウム基板１に光導波路３、４、５、６を形成して光導波路型素子を作製した。この素子における光導波路は、横サイズ（基板表面に平行な方向で光強度がその分布の最大値の１／ｅに降下する位置の中心からの距離をｗとしてモードサイズ２ｗがＴＭモードに対して１２．３μｍであった。そこで、電極間ギャップを１９μｍとして上記光導波路４、５かつ上記ニオブ酸リチウム基板１のａ軸に対し垂直な電場を印加するよう、長さ３０ｍｍの干渉計正電極７および干渉計負電極８をＴｉ金属およびＡｕ金属にて形成した。この電極間ギャップの値は前記２ｗの１．５４倍である。
【００１９】
次に、作製した光導波路型素子の素子ポート２から波長１．５５μｍのＴＥモードの光を波長１．５５μｍ用シングルモードファイバーを用いて１１５μＷ入射させた。その結果、上記干渉計正電極７および干渉計負電極８の印加電圧が０ボルトのとき素子出力ポート９から出射する光の強度は５４μＷとなり、この素子のＴＥモードの挿入損失は３．３デシベルであることを確認した。同様にＴＭモードの光を素子ポート２から入射させたところ、入射した出力が１１４μＷに対し素子出力ポート９から出射する光の強度は５２μＷとなり、この素子のＴＭモードの挿入損失は３．４デシベルであった。
【００２０】
続いて、干渉計正電極７および干渉計負電極８に電圧を印加し、素子出力ポート９から出射する光の強度を測定した。なお、干渉計正電極７および干渉計負電極８に電圧を印加すると、光導波路４と５の間で光導波路中を伝搬する光波に位相差が生じ、この結果両導波路の光波が合波したときに互いに弱めあい合波後の強度が減少することが知られている。
その結果、前記条件で作製した光導波路型素子においては、ＴＥモード、ＴＭモードともに電圧が１６．１ボルトで出射する光の強度が最も小さくなった。
この結果より、設定したモードサイズおよび電極間ギャップ値の条件によって、両偏光モードで挿入損失差が０．１ｄＢと十分に小さく、かつ実用的なレベルの低駆動電圧の素子が得られることがわかった。
【００２１】
実施例２
実施例１と同様に、ニオブ酸リチウム基板上にＴｉ拡散光導波路を実施例１と同条件で作製し、ｗが１２．３μｍの光導波路を得た。この後、電極間ギャップを６２μｍ（２ｗの５．０４倍）として電極を形成し、干渉計正電極７および干渉計負電極８に電圧を印加し、素子出力ポート９から出射する光の強度を測定した。印加する電圧が０ボルトでは出射する光の強度は損失が少なく、ＴＥモード、ＴＭモードの挿入損失はそれぞれ２．８デシベルおよび２．９デシベルであった。 しかし、ＴＥモード、ＴＭモードともに出射光の強度が最小となる印加電圧は５６．２ボルトと、実施例１と比較して上昇した。この電圧は、従来のＬＮの導波路型干渉計を縦列２段としたＶＯＡの駆動電圧とほぼ同じである。実用上ＶＯＡの駆動電源の負担、特に高速に減衰レベルを切り替えたい場合を考慮すれば、高くともここに得られた５６．２ボルト以下に抑制するのが望ましい。
【００２２】
実施例３
バッファー層を用いない方式がＤＣドリフトを抑制していることを確認するために、前記実施例１と同じ条件で作製した素子について電圧印加特性を評価した。この時の素子は、電圧（Ｖ）Ｖ＝０において出力極大、電圧＝１６．３Ｖにおいて極小を持つ素子であった。この素子に対して電圧７．５Ｖを印加し出力光強度を１０分間測定したところ、図４に示すように出力光強度は９０±１μＷ以内で安定していた。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したごとく、本発明では光学軸に平行に導波路を形成した電気光学素子において電極を導波路から、使用光波長に依存する一定距離以上に離すことによって、バッファー層無しで、基板表面に水平方向に電場を生成し、かつ入射偏向はＴＥおよびＴＭモードの双方に対して機能することができ、さらにバッファー層無し構造でありながら、ＴＥおよびＴＭモードの入射偏向に対して電極による光伝播損失が許容範囲に入るような電極間間隔および電極材質を選択することにより実用的な素子を得ることができるという優れた効果を奏する。
なお、電極間間隔を大きくすることによって、バッファー層を用いて電極による光損失を無視して電極間隔を縮小した場合と比較して、駆動電圧が上昇するという問題があるが、これは導波モードサイズの一定倍以上に電極間隔をとれば実用上問題無い程度の駆動電圧でＤＣドリフトを抑制できる素子が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光導波路型素子の一実施例を示す平面図である。
【図２】図１のａーａ線上の拡大縦断面図である。
【図３】本発明に係る光導波路型素子における光伝播損失の電極間ギャップ依存性を示す図である。
【図４】本発明の実施例におけるＤＣドリフトの測定結果を示す図である。
【符号の説明】
１ ＬＮ基板
２ 素子入力ポート
３ 干渉計入射側Ｙ−分岐
４ 干渉計上側アーム
５ 干渉計下側アーム
６ 干渉計出射側Ｙ−分岐
７ 干渉計正電極
８ 干渉計負電極
９ ＥＯ素子出力ポート
Ｇ 電極間ギャップ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical waveguide device for controlling the intensity, phase, and polarization state of a light wave in optical fiber communication and optical fiber measurement.
[0002]
[Prior art]
BACKGROUND OF THE INVENTION Among optical processes required for an optical fiber communication system and a measurement system, an optical waveguide device is used because of advantages of easy integration and high efficiency. As the optical waveguide device, an optical intensity modulator, an optical switch, a variable optical attenuator (VOA), and the like have been developed by a technology based on the waveguide technology and are being put to practical use. For example, as a VOA element, an element using a quartz optical waveguide utilizing a thermo-optic effect has been actively studied. This uses a metal thin film heater formed on an optical waveguide as a heat source to cause a refractive index change in one arm waveguide of the Mach-Zehnder interferometer by a thermo-optic effect, thereby adjusting the output intensity of the interferometer, for example. A variable optical attenuation method and a variable optical attenuator have been proposed (see Patent Document 1).
However, since these quartz optical waveguide elements use the heating of the waveguide substrate by a heater as a means for changing the refractive index, they can be driven only at a response speed of several hundred microseconds to several tens of milliseconds, resulting in high-speed response. Not suitable for required applications.
[0003]
On the other hand, a device using a lithium niobate (hereinafter abbreviated as "LN" for convenience of explanation) optical device has a response speed of 1 microsecond or less, and requires a very small current for driving by voltage. Also, there is an advantage that the power consumption is much smaller than that of the thermo-optic effect type VOA element. For this reason, a VOA element (waveguide variable optical attenuator) using LN has been proposed (see Patent Document 2).
[0004]
A conventional optical waveguide device using an LN substrate has an optical circuit structure in which two optical phase shifters of a type that applies an electric field in a direction parallel to the surface of the LN substrate and perpendicular to the light wave propagation direction are arranged in parallel. Are known. As a method for manufacturing this element, for example, a Ti metal stripe having a width of about 10 μm is formed on the LN substrate 1 by photolithography, and the Ti metal is exposed inside the substrate by exposing the substrate to a high temperature around 1000 ° C. Spread. As a result, a Ti atom distribution having a depth of about 5 μm and a width of about 10 μm is generated, and the refractive index is increased almost in proportion to the Ti atom concentration, and the region where the refractive index increases becomes a waveguide. Most optical fiber communication systems require single mode operation for light waves having a wavelength of 1.3 μm to 1.5 μm, and a single mode is excited in the refractive index increasing region having the above-described size. Further, a control electrode of a metal thin film is formed directly above or on both sides of the waveguide, and a voltage is applied to this electrode to cause a change in the refractive index.
In such an optical waveguide device, a buffer layer is generally formed. The buffer layer is formed for the purpose of preventing a light wave propagating in the optical waveguide from being absorbed by the control electrode. In particular, silicon dioxide (SiO 2 ) is used for light waves having a wavelength of 1.3 μm or 1.5 μm.
However, in the case of this element, there is a problem that a DC drift occurs due to the buffer layer. DC drift is a phenomenon in which, when a voltage is applied to the control electrode, the effective electric field intensity acting in the substrate of the optical waveguide mode distribution changes due to the movement of carriers such as impurities in the buffer layer. This is a phenomenon in which the output fluctuates. Therefore, for the purpose of suppressing DC drift, an electrode without a buffer layer (Patent Document 3) is provided on a LN substrate having a c-cut, that is, a normal line parallel to the optical axis, in the b-axis direction, that is, parallel to the substrate plane and perpendicular to the optical axis. Waveguide-type optical element having two adjacent optical waveguides running on the substrate and a metal electrode disposed directly above the waveguide (Patent Document 4), a modulation electrode for applying a high-speed electric signal, and an operating point control electrode And the like (Patent Document 3) and the like.
[0005]
[Patent Document 1] JP-A-2000-352699 [Patent Document 2] JP-A-10-142569 [Patent Document 3] JP-A-2000-275590 [Patent Document 4] Patent No. 2575131 [0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in a conventional optical waveguide device having a structure without a buffer layer, in a device such as a modulator or VOA in which the incident polarization state is not constant, incident light in all polarization directions must be considered. (TE mode) and vertical mode (TM mode) greatly differ from each other in the effect of absorption by the metal near the waveguide. If the electrode is too close to the optical waveguide, the loss due to the electrode is reduced in the case of an element having a structure without a buffer layer. Therefore, there is a problem that the insertion loss changes depending on the incident polarization state.
[0007]
The present invention has been made in order to solve such a problem, and has an electrode gap and an electrode material having a structure without a buffer layer, in which light propagation loss due to the electrode is within an allowable range with respect to incident polarization in both TE and TM modes. The purpose of the present invention is to provide a practical optical waveguide device by selecting the following.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In the optical waveguide device according to the present invention, an optical waveguide interferometer is formed in parallel with the optical axis on a uniaxial crystal substrate having an electro-optic effect, and an electrode pair made of a metal material is provided on both sides of the optical waveguide. An optical waveguide device disposed between the crystal substrate and an electrode pair without interposing an insulator layer, wherein the electrode interval is a horizontal size of a waveguide mode of the interferometer (a direction parallel to a substrate surface). And the distance from the center of the position where the light intensity falls to 1 / e of the maximum value of the distribution is assumed to be w and 2w) is 1.4 times or more and 5 times or less.
Further, in order to generate an electric field in the b-axis direction by forming an optical waveguide along the c-axis direction on the a-cut surface using a ferroelectric lithium niobate or lithium tantalate crystal for the crystal substrate. Metal electrodes are loaded on both sides of the waveguide.
[0009]
That is, the present invention relates to a waveguide-type element using the electro-optic effect that functions independently of incident polarization. Therefore, by making the propagation direction of the optical waveguide formed on the uniaxial electro-optic crystal substrate parallel to the optical axis, the guided light propagating in the TE and TM modes is made optically isotropic.
On the other hand, in the present invention, the electrodes are not located directly above the optical waveguide, but are located on both sides, generate an electric field in the horizontal direction with respect to the substrate surface of the optical waveguide, and the incident polarization is in both TE and TM modes. Is an element that functions with respect to
Furthermore, in order to solve the problem of characteristics associated with the buffer layer, it is necessary to have a structure without a buffer layer and to allow light propagation loss due to the electrode to be within an allowable range for both polarized light in both TE and TM modes. A practical element can be obtained by selecting an electrode gap and an electrode material.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of an optical waveguide device according to the present invention, FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view taken along line aa in FIG. 1, 1 is an LN substrate, 2 is an element input port, Is the Y-branch on the interferometer entrance side, 4 is the arm on the interferometer, 5 is the lower arm on the interferometer, 6 is the Y-branch on the exit side of the interferometer, 7 is the positive electrode of the interferometer, 8 is the negative electrode of the interferometer, and 9 is the negative electrode of the interferometer. An EO element output port, G is a gap between the electrodes.
[0011]
That is, the optical waveguide device shown in FIGS. 1 and 2 is an example of an optical waveguide device using an LN substrate, and is of a type in which an electric field is applied in a direction parallel to the substrate surface and perpendicular to the light wave propagation direction. An optical waveguide device in which two optical phase shifters are arranged in parallel. The configuration is such that an element input port 2, an interferometer incident side Y-branch is provided on a surface of a uniaxial crystal LN substrate 1 having an electro-optic effect. 3, an optical waveguide comprising an interferometer-side arm 4, an interferometer lower-side arm 5, an interferometer output-side Y-branch 6, and an EO element output port 9 is formed. A pair of interferometer positive electrodes 7 and negative interferometer electrodes 8 made of a metal material are disposed on both sides of the optical waveguide, and a gap (interval) between the interferometer positive electrodes 7 and the interferometer negative electrodes 8 is provided. G is the transverse size of the waveguide mode of the interferometer ( The distance from the center of the position where the light intensity falls to 1 / e of the maximum value of the distribution in the direction parallel to the plate surface is defined as w, and the distance from the center is defined as 2w). is there.
[0012]
Here, the gap G between the electrodes is defined as 2 w, where w is the distance from the center of the position where the light intensity drops to 1 / e of the maximum value of the distribution in the direction parallel to the substrate surface in the waveguide mode of the interferometer. The reason why the ratio is set to 1.4 times or more and 5 times or less is that when it is less than 1.4 times, the absorption of light waves by the electrode metal becomes large, so that the insertion loss of the device and the incident polarization dependence of the insertion loss are large. On the other hand, if it exceeds five times, the driving voltage becomes high, and practical convenience is greatly restricted.
[0013]
The LN substrate 1 in the optical waveguide device uses a ferroelectric lithium niobate or lithium tantalate crystal. This is because low power driving is possible because a large electro-optic effect can be used, and excellent response speed can be obtained.
[0014]
Next, formation of a waveguide of the above-described optical waveguide device and evaluation thereof will be described.
First, stripes of Ti metal of about G μm are formed on the LN substrate 1 in a row on the LN substrate 1 by photolithography. Thereafter, the LN substrate 1 is exposed to a high temperature around 1000 ° C. to diffuse Ti metal into the substrate. As a result, in the obtained optical waveguide, a single mode operation was confirmed for the incident light wavelength of 1.5 μm, and as a result of the measurement, the horizontal mode size 2w (defined in claim 1) for the TM mode was 12 .1 μm. The mode size in the horizontal direction with respect to the TE mode was 12.3 μm, and there was almost no difference between the modes.
[0015]
Subsequently, in order to form electrodes, the gap G between the electrodes 7 and 8 is set to 2 μm from 12 μm to 32 μm on both sides of a large number of waveguides formed with the same width by photolithography in the same manner as in the formation of the optical waveguide. The electrode pairs are formed over 30 μm in increments, and the insertion loss of the element before and after the electrodes are formed is measured for the gap value between the electrodes. However, at this time, the polarization state of the incident light is measured under both horizontal (TE mode) and vertical (TM mode) conditions with respect to the substrate.
[0016]
FIG. 3 shows the result of measuring the insertion loss of the lithium niobate Ti diffused optical waveguide device. However, this loss includes a reflection loss due to the input / output end face of the optical waveguide and a coupling loss with the fiber.
From the results in FIG. 3, when the electrode gap value is 20 to 30 μm, the insertion loss is approximately 3 dB in each of the TE and TM modes regardless of the gap value. However, when the gap value is 20 μm or less, the insertion loss gradually decreases as the gap value decreases. It can be seen that the insertion loss increases, and when it is 14 μm or less, the insertion loss in the TM mode sharply increases. This is because the evanescent light slightly leaking from the optical waveguide is absorbed by the metal of the mounted electrode, and is a remarkable phenomenon in the TM mode in which the electric field vibrates perpendicularly to the optical waveguide substrate.
[0017]
In order to reduce this absorption, the electrodes provided on both sides of the optical waveguide may be sufficiently separated from the optical waveguide. However, when the gap G between the electrodes is increased, the electric field intensity applied between the electrodes is reduced. In order for the device to function by causing a change in the refractive index, a larger voltage is required as compared with the case where the gap between the electrodes is narrow. The driving voltage of the element increases almost twice when the gap between the electrodes doubles. Therefore, in order to have a driving voltage of the element that does not cause a problem in practical use, an upper limit of the gap value between the electrodes occurs.
Therefore, the gap value between the electrodes becomes 2w when the distance from the center of the position where the light intensity drops to 1 / e of the maximum value of the distribution in the direction parallel to the substrate surface in the direction parallel to the substrate surface is w. ) Is 1.4 to 5.0 times, that is, in the range of 1.4 ≦ G / 2w, an element having a small insertion loss and a low driving voltage can be obtained.
[0018]
【Example】
Example 1
A lithium niobate substrate cut along the a-axis as shown in FIG. 1 and Ti vapor deposition and Ti diffusion are performed so that light propagates in the c-axis direction of the crystal. 4, 5, and 6 were formed to produce an optical waveguide device. The optical waveguide in this element has a lateral size (where w is the distance from the center of the position where the light intensity drops to 1 / e of the maximum value of the distribution in the direction parallel to the substrate surface) and the mode size 2w is smaller than the TM mode. Accordingly, the interferometer positive electrode 7 having a length of 30 mm was applied so that the gap between the electrodes was 19 μm and an electric field perpendicular to the a-axis of the optical waveguides 4 and 5 and the lithium niobate substrate 1 was applied. And the interferometer negative electrode 8 was formed of Ti metal and Au metal, and the value of the gap between the electrodes was 1.54 times the 2w.
[0019]
Next, TE mode light having a wavelength of 1.55 μm was made to enter at 115 μW from a device port 2 of the manufactured optical waveguide device using a single mode fiber for a wavelength of 1.55 μm. As a result, when the voltage applied to the interferometer positive electrode 7 and the interferometer negative electrode 8 is 0 volt, the intensity of light emitted from the element output port 9 becomes 54 μW, and the TE mode insertion loss of this element is 3.3 dB. Was confirmed. Similarly, when the TM mode light is made incident from the element port 2, the intensity of the light emitted from the element output port 9 is 52 μW with respect to the incident output of 114 μW, and the TM mode insertion loss of this element is 3.4 dB. Met.
[0020]
Subsequently, a voltage was applied to the interferometer positive electrode 7 and the interferometer negative electrode 8, and the intensity of light emitted from the element output port 9 was measured. When a voltage is applied to the interferometer positive electrode 7 and the interferometer negative electrode 8, a phase difference occurs in the light waves propagating in the optical waveguide between the optical waveguides 4 and 5, and as a result, the light waves of both waveguides are combined. It is known that when they are weakened, the intensity after multiplexing decreases.
As a result, in the optical waveguide device manufactured under the above conditions, the intensity of light emitted at a voltage of 16.1 volts in both the TE mode and the TM mode was the lowest.
From these results, it is found that an element having a sufficiently small insertion loss difference of 0.1 dB in both polarization modes and a practical level of low driving voltage can be obtained depending on the set conditions of the mode size and the gap value between the electrodes. Was.
[0021]
Example 2
Similarly to Example 1, a Ti-diffused optical waveguide was formed on a lithium niobate substrate under the same conditions as in Example 1 to obtain an optical waveguide having a w of 12.3 μm. Thereafter, an electrode is formed with a gap between the electrodes of 62 μm (5.04 times 2w), a voltage is applied to the interferometer positive electrode 7 and the interferometer negative electrode 8, and the intensity of light emitted from the element output port 9 is reduced. It was measured. When the applied voltage was 0 volt, the intensity of the emitted light was small, and the insertion loss in the TE mode and the TM mode was 2.8 dB and 2.9 dB, respectively. However, in both the TE mode and the TM mode, the applied voltage at which the intensity of the emitted light became minimum was 56.2 volts, which was higher than that in the first embodiment. This voltage is almost the same as the drive voltage of a VOA in which a conventional LN waveguide interferometer has two cascades. In consideration of the burden on the driving power supply of the VOA in practical use, particularly when it is desired to switch the attenuation level at a high speed, it is desirable to suppress the voltage to at most 56.2 volts obtained here.
[0022]
Example 3
In order to confirm that the method using no buffer layer suppresses DC drift, the voltage application characteristics of the device manufactured under the same conditions as in Example 1 were evaluated. The element at this time was an element having a maximum output at a voltage (V) V = 0 and a minimum at a voltage of 16.3 V. When a voltage of 7.5 V was applied to the device and the output light intensity was measured for 10 minutes, the output light intensity was stable within 90 ± 1 μW as shown in FIG.
[0023]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, in the electro-optical element having the waveguide formed in parallel with the optical axis, the electrodes are separated from the waveguide by a certain distance or more depending on the wavelength of the used light, so that the buffer layer is not provided. Generates an electric field in the horizontal direction, and the incident deflection can function for both TE and TM modes, and furthermore, the light propagation by the electrodes with respect to the incident deflection in the TE and TM modes while having a structure without a buffer layer. An excellent effect is obtained in that a practical element can be obtained by selecting the electrode spacing and the electrode material such that the loss falls within an allowable range.
In addition, there is a problem that the drive voltage is increased by increasing the distance between the electrodes, as compared with a case where the electrode distance is reduced by ignoring the optical loss caused by the electrodes using the buffer layer. If the electrode spacing is set to be at least a certain multiple of the mode size, an element capable of suppressing DC drift with a drive voltage at which there is no practical problem is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing one embodiment of an optical waveguide device according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged vertical sectional view taken along line aa of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing the dependence of light propagation loss on the gap between electrodes in the optical waveguide device according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a measurement result of a DC drift in an example of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 LN board 2 Element input port 3 Interferometer entrance side Y-branch 4 Interferometer side arm 5 Interferometer lower arm 6 Interferometer exit side Y-branch 7 Interferometer positive electrode 8 Interferometer negative electrode 9 EO element output port G Gap between electrodes
