JP4112111B2 - 光導波路素子 - Google Patents
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Description
【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。
【０００１】
【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。
【０００２】
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。
【０００３】
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。
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。
【０００４】
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。
【０００５】
【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。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。
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。
【０００６】
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。
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
【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基板と、この基板の主面に形成された光導波路と、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、前記信号電極の少なくとも一つの側面と前記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るとともに、前記間隔の最大間隔と最小間隔との差が、前記信号電極と前記接地電極との間に印加される変調信号の最低周波数により励起される弾性表面波の波長の１／２以上であることを特徴とする、光導波路素子である。
より好ましくは、電気光学効果及び圧電効果を有する基板と、この基板の主面に形成された光導波路と、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、前記信号電極の少なくとも一つの側面と、該側面に対向する接地電極の前記信号電極と対向する側と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るとともに、前記間隔の最大間隔と最小間隔との差が、前記信号電極と前記接地電極との間に印加される変調信号の最低周波数により励起される弾性表面波の波長の１／２以上であることを特徴とする。
【００１０】
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。
【００１１】
基板１上に、例えば信号電極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。
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。
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。
【００１２】
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。また、バッファ層についても記載を省略している。
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、Ｙ型合波部が方向性結合器型を呈する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。
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。
【００１３】
そして、信号電極２６の電極幅を光波の導波方向Ｐに沿って変化させ、導波方向に沿って電極幅が広くなるように形成している。また、第１の接地電極２７−１及び第２の接地電極２７−２の電極幅を光波の導波方向Ｐに沿って変化させ、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と第１の接地電極２７−１の側面２７−１Ａとの間隔、並びに第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ａ及び２７−２Ｂとの間隔を、導波方向Ｐに沿って変化させている。同様に、信号電極２６の側面２６Ｂと第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ｂとの間隔、並びに第１の接地電極２７−１の側面２７−１Ａ及び２７−１Ｂとの間隔を、導波方向Ｐに沿って変化させている。
【００１４】
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、電極が形成されていない部分Ｃ３と電極が形成された部分Ｃ４との境界面Ｄ３との間で反射が生じたとしても、境界面Ｄ１とＤ３との間隔Ｗ１３は光波の導波方向Ｐの各位置において異なるため、表面波の境界面Ｄ１とＤ３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Ｄ３との間での弾性表面波の共振を防止することができる。
【００１５】
また、図３に示す光導波路素子２０は、信号電極２６の側面２６Ａと第１の接地電極２７−１の側面２７−１Ａとの最大間隔δｍａｘ１及び最小間隔δｍｉｎ１との差、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２７−２Ｂとの最大間隔δｍａｘ２及び最小間隔δｍｉｎ２との差を、信号電極２６と第１の接地電極２７−１及び第２の接地電極２７−２との間に印加する変調信号の最低周波数により励起される弾性表面波の波長の１／２以上になるように設定している。
これによって、信号電極２６と第１の接地電極２７−１などの間に印加される変調信号の周波数によって励起される、いかなる波長の弾性表面波の共振及びこの弾性表面波による光波への影響を低減することができる。
【００１６】
以下に推察される原因について説明する。
図５は、信号電極２６の側面２６Ｂで形成される基板２１中の境界面Ｄ４と、第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ｂで形成される基板２１中の境界面Ｄ６との間における弾性表面波の共振を説明するための概念図である。
例えば、境界面Ｄ６が境界面Ｄ４と平行である場合（境界面Ｄ６に代えて境界面Ｄ６−１を有する場合において）、この境界面Ｄ４とＤ６―１との間に、変調信号の最低周波数によって励起された波長λｍａｘの弾性表面波Ｑが発生し共振しているとする。
この弾性表面波Ｑは、実際には境界面Ｄ６−１において反射されるが、仮に境界面Ｄ６−１において反射されないで振動するとすると、破線に示すような曲線を描く。そして、図５に示すＸ１〜Ｘ４において、１波長すなわち１周期分振動したことになる。
【００１７】
したがって、仮に、境界面Ｄ４及びＤ６−１間における弾性表面波の共振を防止するために、図３に示す第２の接地電極２７−２の電極幅を光波の導波方向Ｐに対して狭くし、第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ｂによって基板２１内に境界面Ｄ６−２が形成された場合を考える。
するとこの場合、信号電極２６の側面２６Ｂと第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ｂとの最大間隔と最小間隔との差が上記弾性表面波の波長λｍａｘの１／２より小さいため、弾性表面波Ｑは光波の導波方向において１周期分振動していないことになる。このような弾性表面波は共振状態ではないが、このような弾性表面波が発生している領域を光波が導波すると、この光波は導波方向において、境界面Ｄ４及びＤ６−２間の各々で発生するこれら弾性表面波総ての影響を受ける。この影響は境界面Ｄ４及びＤ６−２間の各々で発生する弾性表面波が積分された形で現れる。
したがって、この場合においては、導波方向Ｐにおいて弾性表面波Ｑの同相成分Ｑ１が逆相成分Ｑ２によって完全に打ち消されることがないため、この間を導波する光波に対して弾性表面波Ｑの同相成分の影響が強く出現する。
【００１８】
これに対し、本発明にしたがって信号電極２６の側面２６Ｂと第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ｂとの最大間隔と最小間隔との差が上記弾性表面波の波長λｍａｘの１／２以上となるようにし、基板２１内に境界面Ｄ６を形成すると、弾性表面波Ｑは境界面Ｄ４及びＤ６間において１周期分以上振動することになる。したがって、この間を導波する光波を考えた場合、弾性表面波Ｑの同相成分Ｑ１は逆相成分Ｑ２によってほとんどキャンセルされる。このため弾性表面波Ｑの影響は極めて小さくなる。
【００１９】
また、以上のように変調信号の最低周波数により励起される弾性表面波Ｑを考慮することにより、前記最低周波数よりも高い周波数を有する変調信号により励起された弾性表面波は、その波長が弾性表面波Ｑの波長よりも総て短くなる。したがって、例えば、前記のように信号電極２６の側面２６Ｂと第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ｂとの最大間隔と最小間隔との差を弾性表面波Ｑの波長λｍａｘの１／２以上となるようにしておけば、弾性表面波Ｑよりも高い周波数の変調信号により励起された弾性表面波は、基板２１内に形成された境界面Ｄ４及びＤ６間において、常に１波長分以上振動していることになる。このため、これら弾性表面波の同相成分と逆相成分とは常にキャンセルされることになり、前記弾性表面波Ｑの場合と同様に光波への影響が極めて小さくなる。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
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。そしてさらに、前記間隔の最大値と最小値との差に着目し、この差を前記信号電極と前記接地電極との間に印加される変調信号の最低周波数により励起される弾性表面波の波長の１／２以上となるようにしている。この結果、本発明は弾性表面波の共振のみでなく、弾性表面波の同相成分による光波への影響をも防止している。
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全く異なるとともに、発明の構成においても全く異なり、格段に優れた効果を呈するものである。
【００２２】
【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連続的に変化させることが必要である。そして、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少なくとも一つの側面との最大間隔と最小間隔との差が、前記信号電極と前記接地電極との間に印加される変調信号の最低周波数により励起される弾性表面波の波長の１／２以上であることが必要である。
より好ましくは、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、該側面に対向する接地電極の前記信号電極と対向する側と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るとともに、前記間隔の最大間隔と最小間隔との差が、前記信号電極と前記接地電極との間に印加される変調信号の最低周波数により励起される弾性表面波の波長の１／２以上であることが必要である。
【００２３】
上述したように、図３に示す光導波路素子２０では、信号電極２６の電極幅を光波の導波方向Ｐにおいて連続的に広くなるように構成し、第１の接地電極２７−１及び第２の接地電極２７−２の電極幅を導波方向Ｐにおいて狭くなるようにしている。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との最大間隔及び最小間隔との差、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２７−２Ｂとの最大間隔及び最小間隔との差が、上記要件を満足するように設定している。
【００２４】
図４に示すように信号電極２６の側面２６Ａ及び２６Ｂによって形成される境界面Ｄ３及びＤ４と、例えば第１の接地電極２７−１の信号電極２６の対向する側と反対側の側面２７−１Ａによって形成される境界面Ｄ１との間隔Ｗ１３及びＷ１４は、例えば、側面２７−１Ｂによって形成される境界面Ｄ２と側面２６Ａによって形成される境界面Ｄ３との間隔Ｗ２３などに比較して大きい。このため、境界面Ｄ３及びＤ４と境界面Ｄ１との間において、弾性表面波の共振発生の自由度が増大する。
したがって、図３に示すような電極構成を取ることにより、かかる部分での弾性表面波、特に、変調信号の最低周波数によって励起される弾性表面波の共振を低減することができる。
【００２５】
さらに図３においては、信号電極２６の側面２６Ａと第１の接地電極２７−１の側面２７−１Ｂとの間隔ｇ１、及び信号電極２６の側面２６Ｂと第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ａとの間隔ｇ２を、導波方向Ｐにおいて略一定に保っている。このように、信号電極及び接地電極の互いに対向する側の側面の間隔を略一定に保持することにより動作電圧を上げないという効果を得ることができる。
【００２６】
図６は、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においても、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。また、バッファ層についても記載を省略している。
図６に示す光導波路素子３０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３１と、マッハツエンダー型の光導波路３２と、信号電極３６及び第１の接地電極３７−１、第２の接地電極３７−２とを具えている。
また信号電極３６は、２本の分岐光導波路３４−１及び３４−２の間に位置し、第１の接地電極３７−１及び第２の接地電極３７−２は、分岐光導波路３４−１及び３４−２を挟んで信号電極３６と対向するように位置している。
信号電極３６に対して第１の接地電極３７−１及び第２の接地電極３７−２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。
【００２７】
そして、信号電極３６の電極幅を光波の導波方向Ｐに沿って変化させ、信号電極３６の中心部３６Ｃにおいて電極幅が最大となるようにしている。また、第１の接地電極３７−１及び第２の接地電極３７−２は、電極幅が一定であり、その中心部３７−１Ｃ及び３７−２Ｃにおいて折れ曲がった「くの字」状を呈している。
これによって、信号電極３６の側面３６Ａと第２の接地電極３７−２の側面３７−２Ａ及び３７−２Ｂとの間隔、並びに信号電極３６の側面３６Ｂと第１の接地電極３７−１の側面３７−１Ａ及び３７−１Ｂとの間隔を、導波方向Ｐに沿って変化させている。そして、例えば側面３６Ａと側面３７−２Ａとの最大間隔δｍａｘ４及び最小間隔δｍｉｎ４の差、並びに側面３６Ａと側面３７−２Ｂとの最大間隔δｍａｘ５及びδｍｉｎ５との差が、変調信号の最低周波数によって励起される弾性表面波の波長の１／２以上となるようにしている。
【００２８】
また、上記最大間隔及び最小間隔の要件は、側面３６Ｂと側面３７−１Ａ及び３７−１Ｂに適用することもできるし、これら双方に対し同時に適用することもできる。
さらに、信号電極３６の側面３６Ａと第１の接地電極３７−１の側面３７−１Ｂとの間隔ｇ３、及び側面３６Ｂと第２の接地電極３７−２の側面３７−２Ａとの間隔ｇ４は、導波方向Ｐにおいて略一定とすることもできる。これにより、動作電圧を上げないという効果を得ることができる。
【００２９】
図７は、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に示す光導波路素子４０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４１と、マッハツエンダー型の光導波路４２と、信号電極４６及び第１の接地電極４７−１、第２の接地電極４７−２とを具えている。
また信号電極４６は、２本の分岐光導波路４４−１及び４４−２の間に位置し、第１の接地電極４７−１及び第２の接地電極４７−２は、分岐光導波路４４−１及び４４−２を挟んで信号電極４６と対向するように位置している。
信号電極４６に対して第１の接地電極４７−１及び第２の接地電極４７−２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。
【００３０】
そして、信号電極４６の電極幅を光波の導波方向Ｐに沿って変化させ、信号電極４６の中心部において電極幅が最大となるようにしている。また、第１の接地電極４７−１及び第２の接地電極４７−２も導波方向Ｐに沿って変化させ、中心部で電極幅が最小となるようにしている。さらに、信号電極４６及びいずれの接地電極においても、中心部に平坦部４６Ｃ及び４７−１Ｃ、４７−２Ｃを形成している。この平坦部により導波路間の結合がスムースに行えるため、導波光の伝搬損失が少なくなるという効果を有する。
これによって、信号電極４６の側面４６Ａと第２の接地電極４７−２の側面４７−２Ａ及び４７−２Ｂとの間隔、並びに信号電極４６の側面４６Ｂと第１の接地電極４７−１の側面４７−１Ａ及び４７−１Ｂとの間隔を、導波方向Ｐに沿って変化させている。そして、例えば側面４６Ａと側面４７−２Ｂとの最大間隔δｍａｘ６及び最小間隔δｍｉｎ６の差が、変調信号の最低周波数によって励起される弾性表面波の波長の１／２以上となるようにしている。
【００３１】
また、上記最大間隔及び最小間隔の要件は、側面４６Ｂと側面４７−１Ａに適用することもできるし、これら双方に対し同時に適用することもできる。
さらに、信号電極４６の側面４６Ａと第１の接地電極４７−１の側面４７−１Ｂとの間隔、及び側面４６Ｂと第２の接地電極４７−２の側面４７−２Ａとの間隔は、導波方向Ｐにおいて略一定とすることもできる。これにより、動作電圧をあげないという効果を得ることができる。
【００３２】
図３、６及び７では、光導波路をマッハツエンダー型に構成している。このような場合においては、例えば図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及び境界面Ｄ１とＤ６の間隔Ｗ１６は、信号電極２６と第１の接地電極２７−１によって形成される境界面Ｄ２とＤ３の間隔Ｗ２３など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。
【００３３】
この場合において、例えば図３に示すような電極形態及び電極配置を採り、例えば、第１の接地電極２７−１の側面２７−１Ａと第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ｂとの間隔を導波方向Ｐに沿って変化させる。そしてさらに、それらの最大間隔δｍａｘ３及び最小間隔δｍｉｎ３の差を、変調信号の最低周波数によって励起される弾性表面波の波長の１／２以上とすることにより、前記同様に境界面Ｄ１及びＤ６の間隔Ｗ１６で発生する弾性表面波の共振及び光波への影響を著しく低減することができる。
これは境界面Ｄ１及びＤ５によって形成される間隔Ｗ１５の場合においても同様である。
【００３４】
また、図３、６及び７に示す光導波路素子は信号電極を単一の電極から構成しているが、光導波路素子の長手方向において２等分割したような２つの電極から構成することもできる。
さらに、図６においては第１の接地電極３７−１及び第２の接地電極３７−２の幅を一定にしているが、これらの電極幅は必ずしも一定にする必要はない。例えば、中心部３７−１Ｃ及び３７−２Ｃで電極幅が広くなるように形成してもよい。
【００３５】
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の共振を防止するために、基板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。
また、光導波路、信号電極、及び接地電極が形成された基板の主面と反対側の裏面に、音波吸収体を設けることもできる。さらには、前記裏面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
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、Ｙ型合波部が方向性結合器型の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の最大電極幅Ｗ３及び最小電極幅Ｗ４は、それぞれ２２６μｍ及び１００μｍで同一とした。さらに信号電極２６の最大電極幅Ｗ６及び最小電極幅Ｗ５は、それぞれ１００μｍ及び３５μｍとした。
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】
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。
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３５μｍ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９に示すような結果が得られた。
【００３９】
図８及び９を比較すると、本発明にしたがって作製した実施例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。
【００４０】
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囲においてあらゆる変形や変更が可能である。
【００４１】
【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、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るとともに、弾性表面波の光波への影響を著しく低減することができる。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となる。
【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における弾性表面波の共振状態を説明するための概念図である。
【図６】 本発明の光導波路素子の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さらに他の例を示す平面図である。
【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】 従来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。
【符号の説明】
１、２１、３１、４１ 基板
２、２２、３２、４２ 光導波路
３ 入力光導波路
４―１、４−２、２４−１、２４−２、３４−１、３４−２、４４−１、４４−２ 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
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６、Ｄ６−１、Ｄ６−２ 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（表面波の反射面）
２６Ａ、２６Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、４６Ａ、４６Ｂ 信号電極の側面
２７−１Ａ、２７−１Ｂ、３７−１Ａ、３７−１Ｂ、４７−１Ａ、４７−１Ｂ第１の接地電極の側面
２７−２Ａ、２７−２Ｂ、３７−２Ａ、３７−２Ｂ、４７−２Ａ、４７−２Ｂ第２の接地電極の側面
Ｐ 光波の導波方向
Ｑ 弾性表面波
Ｑ１ 弾性表面波の同相成分
Ｑ２ 弾性表面波の逆相成分
δｍａｘ１ 信号電極２６の側面２６Ａと第１の接地電極２７−１の側面２７−１Ａと最大間隔
δｍａｘ２ 信号電極２６の側面２６Ｂと第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ｂと最大間隔
δｍａｘ３ 第１の接地電極２７−１の側面２７−１Ａと第２の接地電極２７−２の側面２７−１Ｂとの最大間隔
δｍａｘ４ 信号電極３６の側面３６Ａと第２の接地電極３７−２の側面３７−２Ａとの最大間隔
δｍａｘ５ 信号電極３６の側面３６Ａと第２の接地電極３７−２の側面３７−２Ｂとの最大間隔
δｍｉｎ１ 信号電極２６の側面２６Ａと第１の接地電極２７−１の側面２７−１Ａと最小間隔
δｍｉｎ２ 信号電極２６の側面２６Ｂと第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ｂと最小間隔
δｍｉｎ３ 第１の接地電極２７−１の側面２７−１Ａと第２の接地電極２７−２の側面２７−１Ｂとの最小間隔
δｍｉｎ４ 信号電極３６の側面３６Ａと第２の接地電極３７−２の側面３７−２Ａとの最小間隔
δｍｉｎ５ 信号電極３６の側面３６Ａと第２の接地電極３７−２の側面３７−２Ｂとの最小間隔
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。
【０００１】
【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。
【０００２】
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。
【０００３】
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。
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。
【０００４】
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。
【０００５】
【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。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。
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。
【０００６】
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。
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
【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基板と、この基板の主面に形成された光導波路と、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、前記信号電極の少なくとも一つの側面と前記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るとともに、前記間隔の最大間隔と最小間隔との差が、前記信号電極と前記接地電極との間に印加される変調信号の最低周波数により励起される弾性表面波の波長の１／２以上であることを特徴とする、光導波路素子である。
より好ましくは、電気光学効果及び圧電効果を有する基板と、この基板の主面に形成された光導波路と、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、前記信号電極の少なくとも一つの側面と、該側面に対向する接地電極の前記信号電極と対向する側と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るとともに、前記間隔の最大間隔と最小間隔との差が、前記信号電極と前記接地電極との間に印加される変調信号の最低周波数により励起される弾性表面波の波長の１／２以上であることを特徴とする。
【００１０】
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。
【００１１】
基板１上に、例えば信号電極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。
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。
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。
【００１２】
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。また、バッファ層についても記載を省略している。
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、Ｙ型合波部が方向性結合器型を呈する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。
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。
【００１３】
そして、信号電極２６の電極幅を光波の導波方向Ｐに沿って変化させ、導波方向に沿って電極幅が広くなるように形成している。また、第１の接地電極２７−１及び第２の接地電極２７−２の電極幅を光波の導波方向Ｐに沿って変化させ、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と第１の接地電極２７−１の側面２７−１Ａとの間隔、並びに第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ａ及び２７−２Ｂとの間隔を、導波方向Ｐに沿って変化させている。同様に、信号電極２６の側面２６Ｂと第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ｂとの間隔、並びに第１の接地電極２７−１の側面２７−１Ａ及び２７−１Ｂとの間隔を、導波方向Ｐに沿って変化させている。
【００１４】
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、電極が形成されていない部分Ｃ３と電極が形成された部分Ｃ４との境界面Ｄ３との間で反射が生じたとしても、境界面Ｄ１とＤ３との間隔Ｗ１３は光波の導波方向Ｐの各位置において異なるため、表面波の境界面Ｄ１とＤ３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Ｄ３との間での弾性表面波の共振を防止することができる。
【００１５】
また、図３に示す光導波路素子２０は、信号電極２６の側面２６Ａと第１の接地電極２７−１の側面２７−１Ａとの最大間隔δｍａｘ１及び最小間隔δｍｉｎ１との差、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２７−２Ｂとの最大間隔δｍａｘ２及び最小間隔δｍｉｎ２との差を、信号電極２６と第１の接地電極２７−１及び第２の接地電極２７−２との間に印加する変調信号の最低周波数により励起される弾性表面波の波長の１／２以上になるように設定している。
これによって、信号電極２６と第１の接地電極２７−１などの間に印加される変調信号の周波数によって励起される、いかなる波長の弾性表面波の共振及びこの弾性表面波による光波への影響を低減することができる。
【００１６】
以下に推察される原因について説明する。
図５は、信号電極２６の側面２６Ｂで形成される基板２１中の境界面Ｄ４と、第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ｂで形成される基板２１中の境界面Ｄ６との間における弾性表面波の共振を説明するための概念図である。
例えば、境界面Ｄ６が境界面Ｄ４と平行である場合（境界面Ｄ６に代えて境界面Ｄ６−１を有する場合において）、この境界面Ｄ４とＤ６―１との間に、変調信号の最低周波数によって励起された波長λｍａｘの弾性表面波Ｑが発生し共振しているとする。
この弾性表面波Ｑは、実際には境界面Ｄ６−１において反射されるが、仮に境界面Ｄ６−１において反射されないで振動するとすると、破線に示すような曲線を描く。そして、図５に示すＸ１〜Ｘ４において、１波長すなわち１周期分振動したことになる。
【００１７】
したがって、仮に、境界面Ｄ４及びＤ６−１間における弾性表面波の共振を防止するために、図３に示す第２の接地電極２７−２の電極幅を光波の導波方向Ｐに対して狭くし、第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ｂによって基板２１内に境界面Ｄ６−２が形成された場合を考える。
するとこの場合、信号電極２６の側面２６Ｂと第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ｂとの最大間隔と最小間隔との差が上記弾性表面波の波長λｍａｘの１／２より小さいため、弾性表面波Ｑは光波の導波方向において１周期分振動していないことになる。このような弾性表面波は共振状態ではないが、このような弾性表面波が発生している領域を光波が導波すると、この光波は導波方向において、境界面Ｄ４及びＤ６−２間の各々で発生するこれら弾性表面波総ての影響を受ける。この影響は境界面Ｄ４及びＤ６−２間の各々で発生する弾性表面波が積分された形で現れる。
したがって、この場合においては、導波方向Ｐにおいて弾性表面波Ｑの同相成分Ｑ１が逆相成分Ｑ２によって完全に打ち消されることがないため、この間を導波する光波に対して弾性表面波Ｑの同相成分の影響が強く出現する。
【００１８】
これに対し、本発明にしたがって信号電極２６の側面２６Ｂと第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ｂとの最大間隔と最小間隔との差が上記弾性表面波の波長λｍａｘの１／２以上となるようにし、基板２１内に境界面Ｄ６を形成すると、弾性表面波Ｑは境界面Ｄ４及びＤ６間において１周期分以上振動することになる。したがって、この間を導波する光波を考えた場合、弾性表面波Ｑの同相成分Ｑ１は逆相成分Ｑ２によってほとんどキャンセルされる。このため弾性表面波Ｑの影響は極めて小さくなる。
【００１９】
また、以上のように変調信号の最低周波数により励起される弾性表面波Ｑを考慮することにより、前記最低周波数よりも高い周波数を有する変調信号により励起された弾性表面波は、その波長が弾性表面波Ｑの波長よりも総て短くなる。したがって、例えば、前記のように信号電極２６の側面２６Ｂと第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ｂとの最大間隔と最小間隔との差を弾性表面波Ｑの波長λｍａｘの１／２以上となるようにしておけば、弾性表面波Ｑよりも高い周波数の変調信号により励起された弾性表面波は、基板２１内に形成された境界面Ｄ４及びＤ６間において、常に１波長分以上振動していることになる。このため、これら弾性表面波の同相成分と逆相成分とは常にキャンセルされることになり、前記弾性表面波Ｑの場合と同様に光波への影響が極めて小さくなる。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
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。そしてさらに、前記間隔の最大値と最小値との差に着目し、この差を前記信号電極と前記接地電極との間に印加される変調信号の最低周波数により励起される弾性表面波の波長の１／２以上となるようにしている。この結果、本発明は弾性表面波の共振のみでなく、弾性表面波の同相成分による光波への影響をも防止している。
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全く異なるとともに、発明の構成においても全く異なり、格段に優れた効果を呈するものである。
【００２２】
【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連続的に変化させることが必要である。そして、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少なくとも一つの側面との最大間隔と最小間隔との差が、前記信号電極と前記接地電極との間に印加される変調信号の最低周波数により励起される弾性表面波の波長の１／２以上であることが必要である。
より好ましくは、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、該側面に対向する接地電極の前記信号電極と対向する側と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るとともに、前記間隔の最大間隔と最小間隔との差が、前記信号電極と前記接地電極との間に印加される変調信号の最低周波数により励起される弾性表面波の波長の１／２以上であることが必要である。
【００２３】
上述したように、図３に示す光導波路素子２０では、信号電極２６の電極幅を光波の導波方向Ｐにおいて連続的に広くなるように構成し、第１の接地電極２７−１及び第２の接地電極２７−２の電極幅を導波方向Ｐにおいて狭くなるようにしている。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との最大間隔及び最小間隔との差、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２７−２Ｂとの最大間隔及び最小間隔との差が、上記要件を満足するように設定している。
【００２４】
図４に示すように信号電極２６の側面２６Ａ及び２６Ｂによって形成される境界面Ｄ３及びＤ４と、例えば第１の接地電極２７−１の信号電極２６の対向する側と反対側の側面２７−１Ａによって形成される境界面Ｄ１との間隔Ｗ１３及びＷ１４は、例えば、側面２７−１Ｂによって形成される境界面Ｄ２と側面２６Ａによって形成される境界面Ｄ３との間隔Ｗ２３などに比較して大きい。このため、境界面Ｄ３及びＤ４と境界面Ｄ１との間において、弾性表面波の共振発生の自由度が増大する。
したがって、図３に示すような電極構成を取ることにより、かかる部分での弾性表面波、特に、変調信号の最低周波数によって励起される弾性表面波の共振を低減することができる。
【００２５】
さらに図３においては、信号電極２６の側面２６Ａと第１の接地電極２７−１の側面２７−１Ｂとの間隔ｇ１、及び信号電極２６の側面２６Ｂと第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ａとの間隔ｇ２を、導波方向Ｐにおいて略一定に保っている。このように、信号電極及び接地電極の互いに対向する側の側面の間隔を略一定に保持することにより動作電圧を上げないという効果を得ることができる。
【００２６】
図６は、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においても、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。また、バッファ層についても記載を省略している。
図６に示す光導波路素子３０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３１と、マッハツエンダー型の光導波路３２と、信号電極３６及び第１の接地電極３７−１、第２の接地電極３７−２とを具えている。
また信号電極３６は、２本の分岐光導波路３４−１及び３４−２の間に位置し、第１の接地電極３７−１及び第２の接地電極３７−２は、分岐光導波路３４−１及び３４−２を挟んで信号電極３６と対向するように位置している。
信号電極３６に対して第１の接地電極３７−１及び第２の接地電極３７−２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。
【００２７】
そして、信号電極３６の電極幅を光波の導波方向Ｐに沿って変化させ、信号電極３６の中心部３６Ｃにおいて電極幅が最大となるようにしている。また、第１の接地電極３７−１及び第２の接地電極３７−２は、電極幅が一定であり、その中心部３７−１Ｃ及び３７−２Ｃにおいて折れ曲がった「くの字」状を呈している。
これによって、信号電極３６の側面３６Ａと第２の接地電極３７−２の側面３７−２Ａ及び３７−２Ｂとの間隔、並びに信号電極３６の側面３６Ｂと第１の接地電極３７−１の側面３７−１Ａ及び３７−１Ｂとの間隔を、導波方向Ｐに沿って変化させている。そして、例えば側面３６Ａと側面３７−２Ａとの最大間隔δｍａｘ４及び最小間隔δｍｉｎ４の差、並びに側面３６Ａと側面３７−２Ｂとの最大間隔δｍａｘ５及びδｍｉｎ５との差が、変調信号の最低周波数によって励起される弾性表面波の波長の１／２以上となるようにしている。
【００２８】
また、上記最大間隔及び最小間隔の要件は、側面３６Ｂと側面３７−１Ａ及び３７−１Ｂに適用することもできるし、これら双方に対し同時に適用することもできる。
さらに、信号電極３６の側面３６Ａと第１の接地電極３７−１の側面３７−１Ｂとの間隔ｇ３、及び側面３６Ｂと第２の接地電極３７−２の側面３７−２Ａとの間隔ｇ４は、導波方向Ｐにおいて略一定とすることもできる。これにより、動作電圧を上げないという効果を得ることができる。
【００２９】
図７は、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に示す光導波路素子４０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４１と、マッハツエンダー型の光導波路４２と、信号電極４６及び第１の接地電極４７−１、第２の接地電極４７−２とを具えている。
また信号電極４６は、２本の分岐光導波路４４−１及び４４−２の間に位置し、第１の接地電極４７−１及び第２の接地電極４７−２は、分岐光導波路４４−１及び４４−２を挟んで信号電極４６と対向するように位置している。
信号電極４６に対して第１の接地電極４７−１及び第２の接地電極４７−２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。
【００３０】
そして、信号電極４６の電極幅を光波の導波方向Ｐに沿って変化させ、信号電極４６の中心部において電極幅が最大となるようにしている。また、第１の接地電極４７−１及び第２の接地電極４７−２も導波方向Ｐに沿って変化させ、中心部で電極幅が最小となるようにしている。さらに、信号電極４６及びいずれの接地電極においても、中心部に平坦部４６Ｃ及び４７−１Ｃ、４７−２Ｃを形成している。この平坦部により導波路間の結合がスムースに行えるため、導波光の伝搬損失が少なくなるという効果を有する。
これによって、信号電極４６の側面４６Ａと第２の接地電極４７−２の側面４７−２Ａ及び４７−２Ｂとの間隔、並びに信号電極４６の側面４６Ｂと第１の接地電極４７−１の側面４７−１Ａ及び４７−１Ｂとの間隔を、導波方向Ｐに沿って変化させている。そして、例えば側面４６Ａと側面４７−２Ｂとの最大間隔δｍａｘ６及び最小間隔δｍｉｎ６の差が、変調信号の最低周波数によって励起される弾性表面波の波長の１／２以上となるようにしている。
【００３１】
また、上記最大間隔及び最小間隔の要件は、側面４６Ｂと側面４７−１Ａに適用することもできるし、これら双方に対し同時に適用することもできる。
さらに、信号電極４６の側面４６Ａと第１の接地電極４７−１の側面４７−１Ｂとの間隔、及び側面４６Ｂと第２の接地電極４７−２の側面４７−２Ａとの間隔は、導波方向Ｐにおいて略一定とすることもできる。これにより、動作電圧をあげないという効果を得ることができる。
【００３２】
図３、６及び７では、光導波路をマッハツエンダー型に構成している。このような場合においては、例えば図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及び境界面Ｄ１とＤ６の間隔Ｗ１６は、信号電極２６と第１の接地電極２７−１によって形成される境界面Ｄ２とＤ３の間隔Ｗ２３など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。
【００３３】
この場合において、例えば図３に示すような電極形態及び電極配置を採り、例えば、第１の接地電極２７−１の側面２７−１Ａと第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ｂとの間隔を導波方向Ｐに沿って変化させる。そしてさらに、それらの最大間隔δｍａｘ３及び最小間隔δｍｉｎ３の差を、変調信号の最低周波数によって励起される弾性表面波の波長の１／２以上とすることにより、前記同様に境界面Ｄ１及びＤ６の間隔Ｗ１６で発生する弾性表面波の共振及び光波への影響を著しく低減することができる。
これは境界面Ｄ１及びＤ５によって形成される間隔Ｗ１５の場合においても同様である。
【００３４】
また、図３、６及び７に示す光導波路素子は信号電極を単一の電極から構成しているが、光導波路素子の長手方向において２等分割したような２つの電極から構成することもできる。
さらに、図６においては第１の接地電極３７−１及び第２の接地電極３７−２の幅を一定にしているが、これらの電極幅は必ずしも一定にする必要はない。例えば、中心部３７−１Ｃ及び３７−２Ｃで電極幅が広くなるように形成してもよい。
【００３５】
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の共振を防止するために、基板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。
また、光導波路、信号電極、及び接地電極が形成された基板の主面と反対側の裏面に、音波吸収体を設けることもできる。さらには、前記裏面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
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、Ｙ型合波部が方向性結合器型の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の最大電極幅Ｗ３及び最小電極幅Ｗ４は、それぞれ２２６μｍ及び１００μｍで同一とした。さらに信号電極２６の最大電極幅Ｗ６及び最小電極幅Ｗ５は、それぞれ１００μｍ及び３５μｍとした。
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】
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。
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３５μｍ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９に示すような結果が得られた。
【００３９】
図８及び９を比較すると、本発明にしたがって作製した実施例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。
【００４０】
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囲においてあらゆる変形や変更が可能である。
【００４１】
【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、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るとともに、弾性表面波の光波への影響を著しく低減することができる。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となる。
【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における弾性表面波の共振状態を説明するための概念図である。
【図６】 本発明の光導波路素子の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さらに他の例を示す平面図である。
【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】 従来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。
【符号の説明】
１、２１、３１、４１ 基板
２、２２、３２、４２ 光導波路
３ 入力光導波路
４―１、４−２、２４−１、２４−２、３４−１、３４−２、４４−１、４４−２ 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
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６、Ｄ６−１、Ｄ６−２ 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（表面波の反射面）
２６Ａ、２６Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、４６Ａ、４６Ｂ 信号電極の側面
２７−１Ａ、２７−１Ｂ、３７−１Ａ、３７−１Ｂ、４７−１Ａ、４７−１Ｂ第１の接地電極の側面
２７−２Ａ、２７−２Ｂ、３７−２Ａ、３７−２Ｂ、４７−２Ａ、４７−２Ｂ第２の接地電極の側面
Ｐ 光波の導波方向
Ｑ 弾性表面波
Ｑ１ 弾性表面波の同相成分
Ｑ２ 弾性表面波の逆相成分
δｍａｘ１ 信号電極２６の側面２６Ａと第１の接地電極２７−１の側面２７−１Ａと最大間隔
δｍａｘ２ 信号電極２６の側面２６Ｂと第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ｂと最大間隔
δｍａｘ３ 第１の接地電極２７−１の側面２７−１Ａと第２の接地電極２７−２の側面２７−１Ｂとの最大間隔
δｍａｘ４ 信号電極３６の側面３６Ａと第２の接地電極３７−２の側面３７−２Ａとの最大間隔
δｍａｘ５ 信号電極３６の側面３６Ａと第２の接地電極３７−２の側面３７−２Ｂとの最大間隔
δｍｉｎ１ 信号電極２６の側面２６Ａと第１の接地電極２７−１の側面２７−１Ａと最小間隔
δｍｉｎ２ 信号電極２６の側面２６Ｂと第２の接地電極２７−２の側面２７−２Ｂと最小間隔
δｍｉｎ３ 第１の接地電極２７−１の側面２７−１Ａと第２の接地電極２７−２の側面２７−１Ｂとの最小間隔
δｍｉｎ４ 信号電極３６の側面３６Ａと第２の接地電極３７−２の側面３７−２Ａとの最小間隔
δｍｉｎ５ 信号電極３６の側面３６Ａと第２の接地電極３７−２の側面３７−２Ｂとの最小間隔
Claims (5)
- 電気光学効果及び圧電効果を有する基板と、この基板の主面に形成された光導波路と、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、
前記信号電極の少なくとも一つの側面と、該側面に対向する接地電極の前記信号電極と対向する側と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るとともに、前記間隔の最大間隔と最小間隔との差が、前記信号電極と前記接地電極との間に印加される変調信号の最低周波数により励起される弾性表面波の波長の１／２以上であることを特徴とする、光導波路素子。 - 前記信号電極及び前記接地電極の互いに対向する側の側面の間隔が、光波の導波方向において略一定であることを特徴とする、請求項１に記載の光導波路素子。
- 前記光導波路はマッハツエンダー型光導波路であるとともに、前記信号電極は前記マッハツエンダー型光導波路の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るとともに、前記間隔の最大間隔及び最小間隔との差が、前記信号電極と前記第１の接地電極及び前記第２の接地電極との間に印加される変調信号の最低周波数により励起される弾性表面波の波長の１／２以上であることを特徴とする、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同士の間隔を、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。
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