JP4064564B2

JP4064564B2 - 光導波路素子

Info

Publication number: JP4064564B2
Application number: JP08525999A
Authority: JP
Inventors: 徳一宮崎
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2019-03-29
Also published as: JP2000275455A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光導波路素子に関し、さらに詳しくは、光情報伝送、特にアナログ光伝送に用いられる光変調器、または電界センサなどに好適に用いることのできる光導波路素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ケーブルテレビ及びアンテナリモートなどのアナログ情報を光に載せ、光ファイバによって分配・伝送するシステムが実用化されている。これらのうち長距離間伝送システムでは、光ファイバの低損失性や光ファイバ増幅器を利用できるという観点から、１．５μｍ波長帯が用いられる。しかし、１．５μｍ波長帯伝送システムでは、光ファイバの分散が問題となるため、チャープの小さい外部変調器が必要とされている。
【０００３】
この外部変調器としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃：以下、ＬＮと略す場合がある）あるいはタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃：以下、ＬＴと略す場合がある）などの強誘電体からなる基板の表面に、光導波路を形成した光強度変調器が用いられている。
また、アナログ伝送システム、例えば、ケーブルテレビ光システムでは、４０ＭＨｚから８６０ＭＨｚの帯域が用いられ、その帯域内で変調器の応答特性が、リップルを生ずることなく平坦な特性を有することが重要となる。
【０００４】
図１に上記光強度変調器の一例を示す。図１では、基板上に形成されたバッファ層を省略して描いている。
図１に示す光強度変調器１０は、ＬＮなどの強誘電体からなる基板１と、この基板の主面１Ａに、チタンの熱拡散又は安息香酸などの酸中で熱処理することにより形成したマッハツエンダー型の光導波路２と、信号電極６及び第１の接地電極７−１及び第２の接地電極７−２とを具える。そして、光導波路２は入力光導波路３と、２本の分岐光導波路４−１及び４−２と、出力光導波路５とから構成されている。
【０００５】
信号電極６と第１の接地電極７−１又は信号電極６と第２の接地電極７−２に外部電源８から逆位相の高速パルス状の変調信号が印加される。一方、入力光導波路３に入力した光波は分岐部２Ａにおいて分岐光導波路４−１及び４−２に等しい割合で分岐する。そして、この分岐光導波路４−１及び４−２を導波する光波は、前記変調信号によってそれぞれ逆位相の変調を受ける。このため、これらの光波が結合部２Ｂにおいて合波すると、それぞれの光波の位相変化に対応して強度変調を受ける。
信号電極６に対して第１の接地電極７−１及び第２の接地電極７−２はそれぞれ対称な位置に形成され、コプレナー型の電極構成を呈している。
【０００６】
図２は、図１に示す光強度変調器１０をＩ−Ｉ線に沿って切った断面図を示したものである。基板１と信号電極６及び第１の接地電極７−１及び第２の接地電極７−２との間には、分岐光導波路４−１及び４−２を導波する光波のエバネッセント成分が信号電極６及び第１の接地電極７−１及び第２の接地電極７−２で吸収されるのを防止するために、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）などからなるバッファ層９を設けている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
光強度変調器１０における基板１を構成しているニオブ酸リチウムは、強誘電体であるとともに圧電体でもある。一方、図１及び２に示すような光強度変調器１０における信号電極６及び第１の接地電極７−１及び第２の接地電極７−２は、弾性表面波発生に用いられる櫛形電極の電極対を一対とした場合に相当する。したがって、高速パルス状の変調信号が信号電極６及び第１の接地電極７−１又は第２の接地電極７−２間に印加されると、電気・機械結合により広い帯域の様々な音波を発生する。
【０００８】
このような音波の内、特定の周波数にあるものは光強度変調器１０内において共振状態となり、光強度変調器１０の応答特性において多数のリップルを生じるため、特性上大きな問題となっていた。
【０００９】
かかる問題を解決すべく特開平７−１２８６２３号公報には、基板の厚さ又は幅を不均一にして音波の共振を防止することが開示されている。また、特開平９−２１１４０４号公報には、基板の裏面に凹凸加工を施して音波の共振を防止することが開示されている。さらに、特開平９−２５１１４６号公報には、基板の底面に音波吸収体を設けたりすることによって音波の共振を防止することが開示されている。
【００１０】
これらの方法は、発生する音波の内、基板内部を伝搬するいわゆる弾性バルク波に対しては効果を有する。しかしながら、基板表面に局在し、光導波路２を横切って伝搬することにより、応答特性劣化の最大の原因となる、いわゆる弾性表面波に対してはほとんど効果を示さない。したがって、上記方法では応答特性の改善は十分ではなかった。
【００１１】
また、特表平７−５０３７９７号公報では、分岐した２つの光導波路の間隔を連続的に変化させることによって音波の弾性表面波による共振を防止する方法が開示されている。しかしながら、この方法による弾性表面波の共振防止は十分なものではなかった。
【００１２】
本発明は、信号電極及び接地電極間に高パルス状の変調信号を印加した場合においても、発生する音波の共振を防止してリップルの発生を抑制し、光導波路素子に対して優れた応答特性を有する光導波路素子を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電気光学効果及び圧電効果を有する直方体状の基板と、この基板の主面に形成されたマッハツエンダー型の光導波路と、この光導波路中を導波する光波を制御するための信号電極及び接地電極とを具えた光導波路素子であって、前記信号電極及び前記接地電極が光波を制御している領域においては、前記信号電極の少なくとも一つの側面と、前記接地電極の前記信号電極と対向する側の反対側の側面との間隔を、前記光波の導波方向に沿って変化させたことを特徴とする、光導波路素子である。
【００１４】
本発明者らは、高パルス状の変調信号を信号電極及び接地電極間に印加した際に発生する音波、なかでも弾性表面波の共振を防止すべく鋭意検討を続けた。そして、弾性表面波の共振メカニズムを種々考察し、このような考察によって導かれた共振メカニズムに対して、弾性表面波の共振を防止すべく数多くの手段を試みた。
その結果、以下に示す共振メカニズムを考察し、この考察に対する具体的な手段を試みたところ、驚くべきことに弾性表面波の共振を効果的に防止できることを見いだしたものである。以下、図２を用いて考察した本共振メカニズムについて説明する。
【００１５】
基板１上に信号電極６及び第１の接地電極７−１及び第２の接地電極７−２を形成すると、これらの荷重によって、基板１の前記電極が形成された部分Ａ２、Ａ４、及びＡ６の密度が、前記電極が形成されていない部分Ａ１、Ａ３、Ａ５、及びＡ７の密度と異なってくる。したがって、前記電極が形成された部分Ａ２などの音響インピーダンスと前記電極が形成されない部分Ａ１などの音響インピーダンスが異なってくる。
【００１６】
したがって、高パルス状の変調信号を印加した際に発生する弾性表面波が、例えば電極が形成された部分Ａ２と電極が形成されない部分Ａ１との境界面Ｂ１で反射される。そして、このようにして反射された弾性表面波が、例えば、電極が形成された部分Ａ４と電極が形成されていない部分Ａ５との境界面Ｂ４で反射される。この結果、境界面Ｂ１及びＢ４での反射が連続して生じた場合、境界面Ｂ１及びＢ４間において弾性表面波の共振が発生する。
【００１７】
このようにして発生した弾性表面波は、基板１の表面部分に局在するとともに分岐光導波路４−１を横断して存在する。したがって、分岐光導波路４−１を導波する光波に対して作用し、光導波路素子の応答特性に重大な影響を及ぼすものである。
【００１８】
図３は、本発明の光導波路素子の一例を示す平面図である。図４は、図３に示す光導波路素子２０をII−II線に沿って切った断面を示すものである。図３においては、本発明の特徴のみを明確にすべく、光導波路と信号電極及び接地電極との位置関係及び形態のみを示している。
図３に示す光導波路素子２０は、電気光学効果と共に圧電効果を有するＬＮなどからなる基板２１と、マッハツエンダー型の光導波路２２と、信号電極２６及び第１の接地電極２７−１及び第２の接地電極２７−２を具えている。
【００１９】
また信号電極２６は、２本の分岐光導波路２４−１及び２４−２の間に位置し、第１の接地電極２７−１及び第２の接地電極２７−２は、分岐光導波路２４−１及び２４−２を挟んで信号電極２６と対向するように位置している。
信号電極２６に対して第１の接地電極２７−１及び第２の接地電極２７−２はそれぞれ対称な位置に形成され、コプレナー型の電極構成を呈している。
【００２０】
そして、信号電極２６の電極幅を光波の導波方向Ｐに沿って連続的に変化させ、導波方向に沿って電極幅が狭くなるように形成している。これによって、信号電極２６の側面２６Ａ及び２６Ｂと第１の接地電極２７−１の側面２７−１Ａ及び２７−１Ｂとの間隔、並びに信号電極２６の側面２６Ａ及び２６Ｂと第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ａ及び２７−２Ｂとの間隔が、導波方向Ｐに沿って変化するようにしている。
【００２１】
すると、例えば、電極が形成された部分Ｃ２と電極が形成されていない部分Ｃ１との境界面Ｄ１と、電極が形成された部分Ｃ４と電極が形成されない部分Ｃ５との境界面Ｄ４との間で反射が生じたとしても、境界面Ｄ１とＤ４との間隔Ｗ１４は光波の導波方向Ｐの各位置において異なるため、弾性表面波の境界面Ｄ１とＤ４との反射条件は導波方向Ｐの各位置において異なる。したがって、境界面Ｄ１とＤ４との間での弾性表面波の共振を防止することができる。
【００２２】
本発明によれば、弾性表面波の共振を効果的に防止することができるので、弾性表面波の光波への影響を防止することができる。このため、周波数に対する応答性の平坦な、周波数特性に優れた光導波路素子を得ることができる。
【００２３】
なお、特表平７−５０３７９７号公報では、弾性表面波の共振を防止するために光導波路の間隔に着目し、この間隔を連続的に変化させることによって弾性表面波の共振を防止している。すなわち、前記公報の図１にも示されているように、分岐した２本の光導波路の間隔を光波の導波方向において常に変化させ、互いに平行な部分を全く有しないようにして前記２本の光導波路を形成している。これは、分岐した２本の光導波路が略平行に形成されている本来的なマッハツエンダー型の光導波路とは全く異なるものである。
【００２４】
これに対して本発明は、弾性表面波の共振を防止するために信号電極と接地電極との間隔に着目し、この間隔を光波の導波方向に沿って変化させている。そして、上記のように分岐した光導波路の間隔を変化させなくとも、弾性表面波の共振を防止できるようにしたものである。この結果、本発明は本来的なマッハツエンダー型の光導波路を有する光導波路素子に対しても適用することができるものである。
すなわち、特表平７−５０３７９７号公報に記載された発明と本発明とは技術的思想が異なるとともに、発明の構成においても全く異なるものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
本発明の光導波路素子は、信号電極の少なくとも一つの側面と接地電極の少なくとも一つの側面との間隔を、光波の導波方向に沿って変化させることが必要である。
図３に示す光導波路素子では、信号電極２６の電極幅を光波の導波方向Ｐにおいて連続的に狭くするように構成している。これによって、上述したように、信号電極２６の側面２６Ａと第１の接地電極２７−１の側面２７−１Ａ及び２７−１Ｂとの間隔、並びに信号電極２６の側面２６Ｂと第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ａ及び２７−２Ｂとの間隔が、導波方向Ｐに沿って変化するようにしている。
【００２６】
このようにして、信号電極２６の側面２６Ａと第１の接地電極２７−１の信号電極２６の側面２６Ａと対向する側と反対側の側面２７−１Ａとの間隔、及び信号電極２６の側面２６Ｂと第２の接地電極２７−２の信号電極２６の側面２６Ｂと対向する側と反対側の側面２７−２Ｂとの間隔を導波方向Ｐに沿って変化するようにすることが好ましい。
【００２７】
弾性表面波が反射する反射面の間隔が大きい程、共振する弾性表面波の周波数の自由度が大きくなり、弾性表面波の共振が生じやすくなる。したがって、弾性表面波に対し間隔の大きい反射面を形成する可能性の高い上記側面の間隔を、導波方向Ｐに沿って変化させることにより、弾性表面波の共振を効果的に防止することができる。
【００２８】
また、図３に示す光導波路素子２０では、信号電極２６の側面２６Ａと第１の接地電極２７−１の信号電極２６の側面２６Ａと対向する側の側面２７−１Ｂとの間隔、及び信号電極２６の側面２６Ｂと第２の接地電極２７−２の信号電極２６の側面２６Ｂと対向する側の側面２７−２Ａとの間隔を導波方向Ｐに沿って変化させている。これにより、波長が短く、比較的高い高周波を有する弾性表面波の共振を効果的に防止することができる。
【００２９】
図３に示す光導波路素子は信号電極の電極幅を導波方向Ｐに沿って狭くなるように形成している。しかしながら図５に示すように、信号電極３６の電極幅を一定にし、第１の接地電極３７−１及び第２の接地電極３７−２の電極幅を変化させ、導波方向Ｐに沿って広くしても上記同様の効果を得ることができる。また、図６に示すように、信号電極４６及び第１の接地電極４７−１及び第２の接地電極４７−２の双方を導波方向Ｐに沿って変化させることもできる。
【００３０】
さらには、信号電極及び接地電極の電極幅を一定にし、単にそれぞれの電極間隔を変化させることにより、信号電極の少なくとも一つの側面と接地電極の少なくとも一つの側面との間隔を、光波の導波方向に沿って変化させることができる。
また、上記のように信号電極などの電極幅を光波の導波方向に沿って連続的に変化させることなく、信号電極などの側面に凹凸加工などを施し、これによって、信号電極と接地電極との間隔を光波の導波方向に沿って変化させることもできる。
【００３１】
光導波路をマッハツエンダー型に構成した場合においては、図４における第１の接地電極２７−１及び第２の接地電極２７−２が形成された部分の境界面Ｄ１とＤ５及びＤ１とＤ６、並びに境界面Ｄ２とＤ５及びＤ２とＤ６との間で弾性表面波の反射が生じる可能性がある。この境界面Ｄ１とＤ５の間隔Ｗ１５などは、信号電極２６と第１の接地電極２７−１などによって形成される境界面Ｄ２とＤ４の間隔Ｗ２４に比べて極めて大きい。このため、このような境界面で共振する弾性表面波の波長の自由度が増加する。
【００３２】
この場合において、例えば図５及び図６、特には図５に示すような電極形態及び電極配置を採ることが好ましい。これによって、第１の接地電極３７−１の側面３７−１Ａと第２の接地電極３７−２の側面３７−２Ａ及び３７−２Ｂとの間隔、並びに第１の接地電極３７−１の側面３７−１Ｂと第２の接地電極３７−２の側面３７−２Ａ及び３７−２Ｂとの間隔を、導波方向に沿って変化させることができる。すなわち、第１の接地電極の少なくとも一つの側面と第２の接地電極の少なくとも一つの側面との間隔を導波方向Ｐに沿って変化させることができる。
【００３３】
したがって、第１の接地電極２７−１と第２の接地電極２７−２等によって形成される境界面Ｄ１とＤ５の間隔Ｗ１５などを、導波方向に沿って変化させることができ、前記したような弾性表面波の共振を効果的に防止することができる。
以上のような効果は、光導波路をマッハツエンダー型に代えて、方向性結合器にした場合においても同様である。
【００３４】
本発明の光導波路素子は、上記弾性表面波に加えて弾性バルク波を防止するために、例えば、図３及び５に示す基板２１の長手方向の厚さ及び幅方向の厚さの少なくとも一方を不均一にすることもできる。具体的には、基板２１の厚さを長手方向及び幅方向の少なくとも一方に対し、連続的に変化させる。
【００３５】
また図４において、分岐光導波路２４−１及び２４−２、信号電極２６、第１の接地電極２７−１、及び第２の接地電極２７−２が形成されている基板２１の主面２１Ａと反対側の裏面２１Ｂに、音波吸収体を設けることもできる。
さらには、図７に示すように、基板２１の裏面２１Ｂに凹凸加工を施すこともできる。
【００３６】
【実施例】
以下、実施例において本発明を具体的に説明する。
実施例１
本実施例においては、図３及び４に示すような光導波路素子２０を作製した。
ニオブ酸リチウムのＸカット板を基板２１として用い、この基板上にフォトレジストによってマッハツエンダー型の光導波路パターンを作製した。次いで、このパターン上に蒸着法によってチタンを堆積させた。その後、基板全体を９５０〜１０５０℃で１０〜２０時間加熱することによって、前記チタンを基板２１内部へ拡散し、マッハツエンダー型の光導波路２２を作製した。
次いで、基板２１の主面２１Ａ上に酸化シリコンからなるバッファ層２９を厚さ０．５〜１．５μｍに形成した。その後、蒸着法とメッキ法を併用して金（Ａｕ）からなる信号電極２６、第１の接地電極２７−１及び第２の接地電極２７−２を厚さ１０〜２０μｍに形成した。
【００３７】
また、各電極の長さＬ２は３０ｍｍで一定とし、第１の接地電極２７−１及び第２の接地電極２７−２の電極幅Ｗ３についても２００μｍで一定とした。信号電極２６の電極幅は、最大電極幅Ｗ５を６０μｍとし、最小電極幅Ｗ４を４０μｍとして、光波の導波方向Ｐに沿って連続的に変化させた。
さらに、基板２１の裏面２１Ｂにサンドブラスト法によって、図７に示すような凹凸加工を、ピッチｄが１００μｍ、深さＤが１００μｍとなるように施した。
以上のようにして作製した光導波路素子２０に光ファイバを接続し、光導波路素子２０の周波数応答特性を調べた。測定した結果を図８に示す。
【００３８】
実施例２
本実施例においては、図６に示すような光導波路素子４０を作製した。
基板２１は実施例１と同じものを用い、光導波路２２、信号電極４６、第１の接地電極４７−１、及び第２の接地電極４７−２は実施例１と同様にして形成した。また、実施例１と同様に、基板２１の裏面２１Ｂに凹凸加工を施した。
各電極の長さＬ３は、３０ｍｍで一定とした。信号電極４６の電極幅は、最大電極幅Ｗ９を６０μｍとし、最小電極幅Ｗ８を４０μｍとして光波の導波方向Ｐに沿って、連続的に変化させた。
また、第１の接地電極４７−１及び第２の接地電極４７−２についても、最大電極幅Ｗ６を３００μｍとし、最小電極幅Ｗ７を２００μｍとして、電極幅を導波方向Ｐに沿って連続的に変化させた。
このようにして作製した光導波路素子の周波数応答特性を調べたところ、図９に示すような結果が得られた。
【００３９】
比較例
本比較例では、図１及び２に示すような光導波路素子１０を作製した。
基板１は実施例と同様のものを使用し、光導波路２、信号電極６、第１の接地電極７−１、及び第２の接地電極７−２についても実施例と同様にして形成した。また、実施例と同様に、基板１の裏面１Ｂに凹凸加工を施した。
各電極の長さＬ１は３０ｍｍで一定とした。また、信号電極６の電極幅Ｗ２を４０μｍで一定とし、第１の接地電極７−１及び第２の接地電極７−２の電極幅Ｗ１を２００μｍで一定とした。
このようにして作製した光導波路素子の周波数応答特性を調べたところ、図１０に示すような結果が得られた。
【００４０】
図８及び９と図１０とを比較すると、本発明にしたがって作製した実施例１及び２における光導波路素子は、平坦な応答特性を示し、優れた応答特性を有することが分かる。
また、図８と図９とを比較すると、図９の場合において、特に５０ＭＨｚ以下の応答特性がより平坦になっていることが分かる。したがって、信号電極幅と接地電極幅の双方を変化させて、これら電極の側面間隔を光波の導波方向において大きく変化させることにより、光導波路素子の周波数応答特性がより向上することが分かる。
【００４１】
以上、本発明について具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範疇においてあらゆる変形や変更が可能である。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光導波路素子は、信号電極の少なくとも一つの側面と接地電極の少なくとも一つの側面との間隔を、光波の導波方向に沿って変化させている。このため、圧電性を有する基板に起因して発生する音波、なかでも特に弾性表面波の共振を防止することができ、弾性表面波の光波への影響を防止することができる。この結果、周波数に対する応答性が平坦な、周波数応答特性に優れた光導波路素子を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光導波路素子の一例を示す平面図である。
【図２】図１に示す光導波路素子をＩ−Ｉ線に沿って切った断面図である。従来の導波路型光変調器の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の光導波路素子の一例を示す平面図である。
【図４】図３に示す光導波路素子をII−II線に沿って切った断面図である。
【図５】本発明の光導波路素子の他の例を示す平面図である。
【図６】本発明の光導波路素子のさらに他の例を示す平面図である。
【図７】本発明の光導波路素子のその他の例を示す断面図である。
【図８】本発明の光導波路素子における周波数応答特性の一例を示すグラフである。
【図９】本発明の光導波路素子における周波数応答特性の他の例を示すグラフである。
【図１０】従来の光導波路素子における周波数応答特性の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１、２１基板
２、２２光導波路
３入力光導波路
４―１、４−２、２４−１、２４−２分岐光導波路
５出力光導波路
６、２６、３６、４６信号電極
７―１、２７−１、３７−１、４７−１第１の接地電極
７−２、２７−２、３７−２、４７−２第２の接地電極
８外部電源
９、２９バッファ層
１０光強度変調器
２０、３０、４０光導波路素子
２５凹凸部
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６電極が形成された部分と電極が形成されていない部分との境界面（弾性表面波の反射面）
２６Ａ、２６Ｂ信号電極の側面
２７−１Ａ、２７−１Ｂ、３７−１Ａ、３７−１Ｂ第１の接地電極の側面
２７−２Ａ、２７−２Ｂ、３７−２Ａ、３７−２Ｂ第２の接地電極の側面

Claims

電気光学効果及び圧電効果を有する直方体状の基板と、この基板の主面に形成されたマッハツエンダー型の光導波路と、この光導波路中を導波する光波を制御するための信号電極及び接地電極とを具えた光導波路素子であって、
前記信号電極及び前記接地電極が光波を制御している領域においては、前記信号電極の少なくとも一つの側面と、前記接地電極の前記信号電極と対向する側の反対側の側面との間隔を、前記光波の導波方向に沿って変化させたことを特徴とする、光導波路素子。
前記信号電極の少なくとも一つの側面と、前記接地電極の前記信号電極と対向する側の側面との間隔を、前記光波の導波方向に沿って変化させたことを特徴とする、請求項１に記載の光導波路素子。
前記信号電極は前記マッハツエンダー型の光導波路の２本の分岐光導波路の間に設置し、前記接地電極は第１の接地電極と第２の接地電極とから構成され、前記第１の接地電極及び前記第２の接地電極は、前記分岐光導波路を挟んで前記信号電極と対向するようにそれぞれ設置したことを特徴とする、請求項１又は２のいずれか一に記載の光導波路素子。
前記第１の接地電極の少なくとも一つの側面と、前記第２の接地電極の少なくとも一つの側面との間隔を、前記光波の導波方向に沿って変化させたことを特徴とする、請求項３に記載の光導波路素子。
前記第１の接地電極及び前記第２の接地電極の互いに対向する側と反対側の側面の間隔を、前記光波の導波方向に沿って変化させたことを特徴とする、請求項４に記載の光導波路素子。