(57)【要約】【課題】焦電効果による電界の発生を防止した簡単な構成の光導波路変調器の実現。【解決手段】基材11と、基材11内の上面の直下に設けられた光導波路12,13,14と、基材11の上面上の光導波路13,14の両側に設けられた制御電極15A,15B,16A,16Bと、を備える光導波路変調器であって、基材11の上面上の制御電極の両側に設けられた２つの接地電極21,22と、２つの接地電極21,22を接続するボンディングワイヤ23と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
前記基材内の上面の直下に設けられた光導波路と、
前記基材の上面上の、前記光導波路の両側に設けられた制御電極と、を備える光導波路変調器であって、
前記基材の上面上の、前記制御電極の両側に設けられた２つの接地電極と、
前記２つの接地電極を接続するボンディングワイヤと、を備えることを特徴とする光導波路変調器。
【請求項２】
基材と、
前記基材内の上面の直下に設けられた光導波路と、
前記基材の上面上の、前記光導波路の両側に設けられた制御電極と、を備える光導波路変調器であって、
前記基材の上面上の、前記制御電極の両側に設けられた２つの接地電極と、
前記２つの接地電極を接続するように、前記基材の上面上に設けられた接続電極パターンと、を備えることを特徴とする光導波路変調器。
【請求項３】
前記基材は、ニオブ酸リチウム基材である請求項１又は２に記載の光導波路変調器。
【請求項４】
前記２つの接地電極は、前記基材の上面の縁まで、前記光導波路の全長に沿って形成されている請求項１から３のいずれか１項に記載の光導波路変調器。
【請求項５】
前記光導波路は、前記基材内で分岐され、
前記制御電極は、分岐した各光導波路に対して２組設けられ、
前記２つの接地電極は、２組の前記制御電極の更に外側に設けられる請求項１から４のいずれか１項に記載の光導波路変調器。
【請求項６】
光ファイバループと、光源と、前記光源からの光を前記光ファイバループへの接続経路に導くと共に前記光ファイバループから前記接続経路を介して戻る光を分離する光カプラと、前記接続経路に設けられた光変調器と、前記光カプラで分離された光を検出する受光器と、を備える光ファイバジャイロであって、
前記光変調器は、請求項１から５のいずれか１項に記載された光導波路変調器であることを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項７】
前記光変調器は、前記接続経路を分岐し、
分岐した２つの前記接続経路が前記光ファイバループの両方の端に接続され、
前記光変調器は、分岐した２つの前記接続経路を通過する光の位相をそれぞれ調整する請求項６に記載の光ファイバジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ニオブ酸リチウムなどの電気光学結晶基材に設けられた光導波路変調器及びそれを使用した光ファイバジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気光学効果を利用した光変調器は、光ファイバジャイロや光通信装置などに広く使用されている。光ファイバジャイロに使用される光変調器を例として説明を行う。
【０００３】
図１は、特許文献１に記載された光ファイバジャイロの概略構成を示す図である。光源１から出た光を、光ファイバを介して光カプラ２、偏光子（ポラライザ）３、更に光導波路変調器４などを経由することにより２つの進路に分岐し、光ファイバループ５の中を時計回り方向（ＣＷ方向）と反時計回り方向（ＣＣＷ方向）との両方向に光を伝播させる。そして、このような光伝播状態下で、光ファイバループ５に、光ファイバループ５のループ中心の周りに角速度を印加すると、ＣＷ、ＣＣＷ光間にいわゆるサニヤック(Sugnac)効果と称される、角速度に比例した位相差が発生する。光ファイバジャイロは、このようなＣＷ方向及びＣＣＷ方向の光の干渉光の強度が位相差に応じて変化することを利用して、角速度に対する干渉光強度の変化を光カプラ２で結合された検出系のファイバを介して受光器６により光学的出力として得た出力を光電変換により電気出力に変換して検出出力を得るようにした構成を有している。
【０００４】
ここで、ＣＷ光とＣＣＷ光との位相差をφとすると、干渉光の強度Ｐは次の式で表される。
【０００５】
Ｐ＝Ｋp（１＋ＣＯＳφ）
ここでＫpは定数である。このような干渉光の強度出力Ｐは、角速度の変化に対応した出力変化においては余弦（ＣＯＳ）系の出力曲線を呈するためにゼロ入力角速度を境界とした正負の角速度付近では、きわめて検出速度が緩慢になる欠点がある。このために、干渉光の強度Ｐの検出系で正弦波位相変調をかける電気的処理を施すことが行われる。図１に示す正弦波発生回路７により光導波路変調器４の電極４ａ、４ｂを介して光に正弦波変調をかける。このような変調が行われた干渉光を検出して復調器８により復調すると、出力の角速度成分は、角速度の正弦関数になる。しかし、このままではリニアな出力が得られる範囲が制限されるので、更に制限回路９と鋸歯状波発生回路１０とを有したクローズドループ回路によりフィードバック処理をかけて受光器６の出力Ｖpを狭い範囲に抑えるようにしている。
【０００６】
図２は、図１に示した光導波路変調器４の構成例を示す図である。この光導波路変調器は、ニオブ酸リチウム結晶の基材１１に形成される。図示のように、基材１１の上面がＹＺ面であり、上面の直下にプロトン交換型の光導波路１２がＹ軸方向に形成され、光導波路１２は２つの光導波路１３、１４に分岐される。光導波路１３の光の入出面（ＸＺ面）は、Ｚ軸方向に対して傾いている。光導波路１３に沿ってその両側の基材１１の上面に１組の電極１５Ａ及び１５Ｂが形成され、光導波路１４に沿ってその両側の基材１１の上面に１組の電極１６Ａ及び１６Ｂが形成される。基材１１の上面には更に接続用電極パッド１７Ａ及び１７Ｂ、１８Ａ及び１８Ｂが設けられ、それぞれ対応する電極１５Ａ及び１５Ｂ、１６Ａ及び１６Ｂに接続される。接続用電極パッド１７Ａ及び１７Ｂ、１８Ａ及び１８Ｂは、ボンディングワイヤなどにより外部の駆動回路の端子に接続される。光導波路変調器の製作方法については、特許文献２などに記載されるように広く知られているので、説明は省略する。
【０００７】
以上、特許文献１に記載された光ファイバジャイロ及びそこで使用される光導波路変調器について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【０００８】
ニオブ酸リチウム結晶の基材１１に形成された光導波路変調器は、温度変化や応力印加により、Ｚ軸方向に垂直な対向面に逆極性の電荷が帯電する、いわゆる焦電効果が生じることが知られており、図２において破線の矢印で示すようにＺ軸方向に電界を生じる。焦電効果による電界は不安定であり、この電界により光導波路を通る光の強度が変動するという問題がある。なお、このような問題は、ニオブ酸リチウム結晶の基材に限らず、焦電効果を有する基材を使用する場合に生じる。
【０００９】
このような問題による影響を防止するため、例えば光導波路変調器を使用する光ファイバジャイロの製造工程では、長時間の温度サイクルをかけて光量変動を安定化した上で各種の調整を行っていた。しかし、焦電効果による電界の変動は完全には除去できないため、焦電効果による電界の変動が許容レベルまで低下したところで調整を開始していた。また、光ファイバジャイロを使用する場合も同様であり、安定するまで時間を要していた。
【００１０】
このような問題を解決するため、例えば、特許文献３は、ニオブ酸リチウムデバイスを安定化させるために、光導波路を形成した上面にシリコンチタンオキシニトライド層を形成し、基材の他の面に相互接続するための接続層を設けることを記載している。
【００１１】
また、特許文献４は、導通はしないが電位差は解消できる抵抗値のシリコン皮膜を各電極に接触するように設けることを記載している。
【００１２】
【特許文献１】特開平１０−２２１０８８号公報
【特許文献２】特開２００３−６６２５７
【特許文献３】特表２００５−５１５４８５
【特許文献４】特開平１１−１１８８５７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献３に記載された構成では、基材の上面だけでなく、他の面にも接続層を設ける必要があり、基材の面の向きを変えて接続層を形成する処理を行う必要があり、製造工程が複雑になるという問題があった。
【００１４】
また、特許文献４に記載された構成では、シリコン皮膜は導通はしないが電位差は解消できる抵抗値であることが必要であり、そのような要求を満たす抵抗値のシリコン皮膜を形成するのが難しいという問題があった。
【００１５】
本発明は、このような問題を解決するもので、焦電効果による電界の発生を防止した光導波路変調器を簡単な構成で実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を実現するため、本発明の光導波路変調器は、基材の上面上の光導波路を通過する光の位相を変調する制御電極の両側に、２つの接地電極を設け、２つの接地電極をボンディングワイヤ又は上面上の接続パターンで相互に接続する。ボンディングワイヤによる２つの接地電極の接続は、接続用電極パッドへのワイヤボンディングと同じ工程で行うことが可能であり、工程は増加しない。また、２つの接地電極を接続する接続パターンは、他の電極形成と同じ工程で行うことが可能であり、工程は増加しない。
【００１７】
本発明は、ニオブ酸リチウム基材だけでなく、焦電効果のある基材であれば、適用可能である。
【００１８】
２つの接地電極は、基材の上面の縁まで、光導波路の全長に沿って形成されていることが望ましい。
【００１９】
本発明は、図２にしたような光導波路が基材内で分岐され、分岐した各光導波路に対して２組の制御電極が設けられる光導波路変調器にも適用され、その場合には２つの接地電極は２組の制御電極の更に外側に設けられる。
【００２０】
更に、本発明の光導波路変調器は、図１に示した光ファイバジャイロでの使用に適している。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、簡単な構成で製造工程を増加させること無しに、焦電効果の影響を除去して安定した動作が可能な光導波路変調器及び光ファイバジャイロが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図３は本発明の第１実施例の光導波路変調器の平面図であり、図４は図３の分岐した２つの光導波路の制御電極が設けられた部分の断面図である。この光導波路変調器は、図１の光ファイバジャイロの光変調器４として使用されるものである。
【００２３】
図２と比較して明らかなように、第１実施例の光導波路変調器は、上面の光導波路１２、１３、１４の伸びる方向に沿った両側の縁に、接地電極パターン２１、２２が設けられ、ボンディングワイヤ２３で相互に接続されていることが、図２の従来例と異なり、他の部分は同じである。
【００２４】
図３及び図４に示すように、ニオブ酸リチウム結晶の基材１１のＹＺ面を上面とし、ＸＺ面に近似した面に光導波路の光の入出力口が形成され、この面はＹ軸に対して垂直から少し傾斜している。基材１１の表面にプロトン交換処理及びアニール処理を含むプロトン交換法よって埋め込み型の光導波路１２、１３、１４を形成する。光導波路１２は、途中で光導波路１３、１４に分岐される。光導波路１２を進む光は分岐点で分割されて光導波路１３、１４を進み、光導波路１３、１４を逆方向に進む光は分岐点で合成されて光導波路１２に入る。
【００２５】
分岐した光導波路１３、１４の両側の上面の上に、制御電極１５Ａ、１５Ｂと１６Ａと１６Ｂが、クローム又はチタニューム、白金、金を順に蒸着することにより形成される。この時、同時に接続用電極パッド１７Ａと１７Ｂ、１８Ａと１８Ｂ、制御電極１５Ａ、１５Ｂと１６Ａと１６Ｂを接続用電極パッド１７Ａと１７Ｂ、１８Ａと１８Ｂに接続する電極パターン、及び接地電極パターン２１、２２を形成する。このようにすべての電極及び電極パターンは、１つの工程で同時に作製される。接地電極パターン２１、２２は、図示のように、光導波路の全長に沿って形成され、基材１１の上面の縁まで伸びている。従って、２つの接地電極パターン２１、２２の間に、制御電極１５Ａ、１５Ｂと１６Ａと１６Ｂ、及び接続用電極パッド１７Ａと１７Ｂ、１８Ａと１８Ｂが配置される。
【００２６】
図４に示すように、２つの接地電極パターン２１、２２は、ボンディングワイヤ２３で接続されている。接続用電極パッド１７Ａと１７Ｂ、１８Ａと１８Ｂは、ワイヤボンディングにより外部回路に接続される。また、２つの接地電極パターン２１、２２の少なくとも一方は、ワイヤボンディングにより外部回路の接地（グランド）端子に接続される。ボンディングワイヤ２３は、これと同じ工程で取り付けられる。
【００２７】
第１実施例の光導波路変調器では、光導波路１２、１３、１４は、接地された２つの接地電極パターン２１、２２の間に配置されるので、たとえ基材１１のＺ軸に垂直な対向する面に焦電効果により電荷が蓄積されて電界が形成されても電界がシールドされ、光導波路１２、１２，１４の両側は常に同電位になるので、その影響を除去又は低減できる。また、対向する面に蓄積された電荷は、接地電極パターン２１、２２及びボンディングワイヤ２３を介して中和しやすくなるので、電荷の蓄積も抑制される。
【００２８】
以上説明したように、第１実施例の光導波路変調器は、従来の工程を増加させることなく製造することができ、且つ焦電効果による電界の影響を除去できる。
【００２９】
図５は、本発明の第２実施例の光導波路変調器の平面図である。第１実施例の光導波路変調器では２つの接地電極パターン２１、２２をボンディングワイヤ２３で接続していたのに対して、第２実施例の光導波路変調器では接地電極パターン２１、２２を接続パターン２４で接続する点が異なる。接続パターン２４は、他の電極及び電極パターンと同時に作製されるので従来例に比べて工程が増加することはない。
【００３０】
図６は、第１及び第２実施例の光導波路変調器における焦電効果による影響を、従来例と比較した実験結果を示す図である。この図は、光導波路に一定光量の光を入射させその出射光量を検出する測定系で、破線で示すように光導波路変調器の温度を−３５℃と＋８５℃の間で４時間周期で変化させた時の出射光量の変化（実線）を示すグラフであり、（Ａ）が図２の従来例における測定結果を、（Ｂ）が第１及び第２実施例の光導波路変調器における測定結果を示す。図示のように、従来例では出射光量が温度変化に伴って大きく変化しているのに対して、第１及び第２実施例では安定した一定の変化を示していることが分かる。
【００３１】
前述のように、第１及び第２実施例の光導波路変調器は図１の光ファイバジャイロの光変調器として使用するものであり、第１及び第２実施例の光導波路変調器を使用して光ファイバジャイロは、安定して使用可能になるまでの時間が非常に短く、温度変化があっても安定した高精度の出力が得られる。
【００３２】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、各種の変形例が可能であるのはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、焦電効果のある基材を使用する光導波路変調器及びそのような光導波路変調器を使用する装置であれば、どのような装置にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】光ファイバジャイロの概略構成を示す図である。
【図２】光導波路変調器の従来例の平面図である。
【図３】本発明の第１実施例の光導波路変調器の平面図である。
【図４】第１実施例の光導波路変調器の断面図である。
【図５】本発明の第２実施例の光導波路変調器の平面図である。
【図６】従来例と比較した本発明の効果を示す実験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１１    ニオブ酸リチウム結晶の基材
１２、１３、１４    光導波路
１５Ａ、１５Ｂ、１６Ａ、１６Ｂ    制御電極
１７Ａ、１７Ｂ、１８Ａ、１８Ｂ    接続用電極パッド
２１、２２    接地電極パターン
２３    ボンディングワイヤ
２４    接続パターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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