CN102224444B - 光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有高稳定性的光调制器。在本发明的光调制器中，在LN等电光材料的光学基板上利用电光效应进行相位调制，并在石英、硅等的平面光波电路(PLC)基板上利用热光效应进行工作点的设定。由于无需直接加热电光材料制成的光学基板，因此，这样的结构能够抑制热漂移等所产生的影响。另外，还可以减轻由加热所引起的基板的损坏和翘曲。而且，PLC中所使用的石英具有低的热导率，大约为LN基板的五分之一(约为1W/(m·K))，因此能够以低功耗来维持所希望的相位差，易于稳定工作点。

Description

光调制器
技术领域
本发明涉及光调制器，具体涉及马赫-曾德尔型光调制器。
背景技术
随着光通信技术的发展，需要高速、高稳定性的光调制器。已知的高速光调制器包括马赫-曾德尔型光调制器。马赫-曾德尔型光调制器对输入光进行分路，并对分路后的光赋予相位差后进行合波，从而获得强度被调制后的输出光。
图1示出了现有的马赫-曾德尔型光调制器。马赫-曾德尔型光调制器100包括具有电光效应的光学基板110(由铌酸锂晶体(LN:LiNbO3)等制成)，其上形成有用于输入输入光的输入波导112、用于对来自输入波导的光进行分路的Y型分支部114、分别用于对分路后的光进行导波的两根分支波导116a和116b、用于对来自这两根波导的光进行合波的Y型合波部118、以及用于将合波后的光输出的输出波导120。上述各波导可通过选择性地将Ti等金属扩散至光学基板中而形成。之后，在基板的整个表面上设置SiO2等材料的缓冲层，并在分支波导上分别形成Au等材料的金属电极122a、122b。
电极122a、122b连接于对光调制器的工作点进行设定的偏压电路124和对光调制器进行调制的高频信号源128，并且在两个电极之间连接有终端电阻129。另外，偏压电路124连接于提供DC电压的电源126。
入射至输入波导112的输入光由Y型分支部114分为两部分。当分支后的光在分支波导116a、116b中传播时，由于受到施加于电极122a、122b的调制信号所产生的电光效应的影响而发生相位变化。即，向电极施加的信号可改变分支波导间的相位差。当在Y型合波部118处对来自分支波导116a、116b的光进行合波后，从输出波导120出射的光为根据上述两个分支光的相位差进行强度调制后的光。
图2示出了光的相位差与输出光的光强度间的关系。当向电极施加的电压为0时，分支波导中不发生由电光效应引起的相位变化。因此，如果分支波导的长度相等，则相位差为0。此时，对来自分支波导的两束光进行合波后的输出光的强度达到最大。向电极施加的电压增加时，相位差就增大。当相位差为π时，来自分支波导的两束光相互抵消而使输出光的强度达到最小。
实际上，为了使得输出光的消光比达到最大，将光调制器的工作点设定为在使输出光强度达到最大的电压和使输出光强度达到最小的电压之间的中间电压，并将调制信号施加于该工作点(专利文献1)。工作点可通过在调制信号(图1的高频信号源128)之外再在电极间施加DC偏压(图1的偏压电路124)来设置。或者，如图3所示，除了相位调制电极322a、322b以外，还可以在分支波导上设置加热器342a、342b。当利用电流源344a、344b通过加热器342a、342b对波导进行加热时，由于热光效应而在分支波导间产生相位差，这种方式也可以设定工作点(专利文献2)。在这种情况下，可将来自高频信号源328的调制信号直接施加于相位调制电极322a和322b之间，而无需施加DC偏压。
然而，在对马赫-曾德尔型光调制器的工作点进行设定的现有方法中存在下述问题。首先，在采用通过DC偏压来设定工作点的方法中，如果长时间施加DC偏压，会使工作点随着时间推移而发生变化(DC漂移现象)，从而产生调制性劣化的问题。因此，需要对光调制器的输出光进行监控并提供反馈以调整DC偏压的电压。另外，考虑到20年的使用时间，对于DC偏压的调整范围，需要可变范围为大约±15V或以上的电压源。
在分支波导上设置的加热器来设定工作点的方法中，当对由例如LN的铁电体制成的光学基板进行加热时，在基板内将会依赖于温度通过极化产生电场。该电场将导致波导内产生不必要的相位变化(热漂移)，从而使得工作点发生变动。另外，如果对铁电体基板进行加热，会使基板内由于热而发生变形，并且压电效应会引起工作点不稳定。严重的情况下，还会因为基板表面带有的静电而使基板损坏。另外，基板还可能由于热膨胀而损坏。尤其是，为了提高高频特性，需要将基板减薄(厚度为0.25mm左右)，从而更容易导致上述损坏。即使基板没有损坏，也可能导致基板发生翘曲，从而使基板的输入输出部处的光纤产生位置偏移，导致插入损耗增加并造成回波损耗的增大。另外，需要说明的是，为了保持期望的相位差，需要在波导间持续赋予一定的温度梯度。但是，由于LN基板为晶体因而热导率比较高(约5W/(m·K))，因此热量向整个基板扩散，使得基板的温度容易达到均衡。因此，还存在难以实现工作点的稳定化并导致功耗增大的问题。
本发明是鉴于上述问题完成的，其目的在于提供高稳定性的光调制器。
专利文献
专利文献1：日本国专利申请公开公报“特开2001-154164号”
专利文献2：日本国专利申请公开公报“特开平4-29113号”
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种光波导式马赫-曾德尔型光调制器，包括：加热器，设置于由非电光材料制成的至少一个分支波导上；以及电极，设置在与所述分支波导光耦合的、由具有电光效应的电光材料制成的分支波导上，其中，所述加热器通过对所述至少一个分支波导的相位进行调整来设定所述光调制器的工作点，所述电极向所述光调制器施加调制信号。
另外，本发明的光调制器的其特征在于，所述非电光材料的基板为石英基板。
另外，本发明的光调制器的特征在于，包括：形成有所述光调制器的分支部的非电光材料的第一基板和形成有所述光调制器的合波部的非电光材料的第二基板，所述加热器形成于所述第一基板和第二基板中的至少一者上。
另外，本发明的光调制器的特征在于，具有至少两个马赫-曾德尔干涉仪。
另外，本发明的光调制器的特征在于，所述非电光材料的基板和所述电光材料的基板通过热导率较之于所述电光材料的基板的热导率小的粘合剂接合在一起。
另外，本发明的光调制器的特征在于，所述非电光材料的基板和所述电光材料的基板通过热导率较之于所述电光材料的基板的热导率小的加固板接合在一起。
另外，本发明的光调制器的特征在于，仅所述电光材料的基板固定于基座上。
另外，本发明的光调制器的特征在于，在形成有所述加热器的非电光材料的基板上设有散热部件。
附图说明
图1为表示马赫-曾德尔型光调制器的结构实施例的图。
图2为表示马赫-曾德尔型光调制器的光束相位差与输出光的光强度间关系的图。
图3为表示具有对调制器的工作点进行设定的加热器的马赫-曾德尔型光调制器的结构实施例的图。
图4为表示本发明的第一实施方式的马赫-曾德尔型光调制器的结构实施例的图。
图5为表示构成马赫-曾德尔型光调制器的基板与石英基板通过隔热性高的加固板进行接合的结构实施例的图。
图6为表示构成马赫-曾德尔型光调制器的基板与石英基板间通过隔热性高的加固板进行接合的结构实施例的图，其中，在石英基板上设置有散热部件，并且通过热导率高的粘合剂粘结在支撑LN基板的基座上。
图7为表示本发明的第二实施方式的马赫-曾德尔型光调制器的结构实施例的图。
图8为表示本发明的第三实施方式的马赫-曾德尔型光调制器的结构实施例的图。
图9为表示本发明的第四实施方式的马赫-曾德尔型光调制器的结构实施例的图。
具体实施方式
本发明的光调制器中，在由LN等电光材料制成的光学基板上利用电光效应进行相位调制，并在由石英和硅等材料制成的平面光波电路(PLC)基板上利用热光效应进行工作点的设定。采用这种结构，无需对由电光材料制成的光学基板直接进行加热，因此能够抑制热漂移等的影响。而且，由热量所引起的基板的损坏和翘曲也得到抑制。另外，PLC中所采用的石英的热导率低，为LN基板的五分之一左右(约1W/(m·K))，所以能够以低功耗保持期望的相位差，使工作点易于稳定化。另外，石英即使发生了热膨胀，其热电效应和压电效应也较少。下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
(第一实施方式)
图4示出了本发明的第一实施方式的光调制器。该马赫-曾德尔型光调制器400包括电光材料的LN基板410和非电光材料的石英基板430。在LN基板410上形成有：用于输入输入光的输入波导412；用于对来自输入波导的光进行分支的Y型分支部414；以及用于对分支后的光进行导波的两个分支波导416a、416b。在分支波导上设有调制电极422a、422b，调制电极连接于高频信号源424。在石英基板430上形成有：分别与LN基板上的两个分支波导416a、416b光耦合的两个分支波导436a、436b；对来自这两个分支波导的光进行合波的Y型合波部438；以及将合波后的光输出的输出波导440，其中，分支波导上436a、436b分别设有用于加热的加热器442a、442b。加热器中采用氮化钽(Ta2N)薄膜，其电阻设为500Ω。加热器中也可以采用镍洛合金(NiCr)和钨(W)等。另外，加热器也可以设置在其中任意一个分支波导上，而不是在两个分支波导中都设置加热器。
Y型分支部414将入射到LN基板410上的输入波导412中的输入光分成两部分。当在LN基板上的分支波导416a、416b中传播时，由于电极422a、422b被施加了调制信号，因此分支后的光受到电光效应的影响，并且相位得到调制。来自LN基板上的分支波导的光随后耦合至石英基板430上的分支波导436a、436b，在分支波导436a、436b处，受到因加热器442a、442b进行加热而产生的热光效应的影响，并在分支波导间产生预定的相位差。因此，经过相位调制并产生了预定相位差的光在Y型合波部438处进行合波，并作为调制光从石英基板上的输出波导440输出。
本发明的光调制器400中，可以直接对LN基板410上的电极422a、422b上施加调制信号，无需采用DC偏压。因此，能够杜绝DC漂移的发生或者将DC漂移抑制在极小值。此外，工作点可以独立地利用电流源444a、444b并通过石英基板430上的加热器442a、442b进行设定。这种情况下，根据期待的相位差，通过电流源444a、444b对加热器进行控制以使石英基板上的分支波导间产生预定的温度梯度。还可以根据需要通过对来自输出波导440的输出光进行监视来对加热器的电流值进行反馈控制。
由于石英基板热导率低，向相邻LN基板的热量扩散少，不易产生由于对LN基板加热导致的热漂移等问题。为了进一步减少石英基板向LN基板的热扩散，可以将隔热性高的(热导率小)粘合剂用于LN基板与石英基板的接合。这种粘合剂的实施例可以包括丙烯酸类、硅酮类、环氧树脂类的物质。
另外，如图5所示，可以将隔热性高的加固板552用于LN基板510和石英基板530间的接合，使支撑LN基板的基座550不与石英基板间相接触。由此，能够进一步减少由石英基板530向LN基板510的热扩散。当向LN基板的热扩散减少时，由对LN基板加热而产生的影响(热漂移等)就会减少。另外，即使因为用加热器加热使得石英基板发生热膨胀，LN基板的芯片也不会发生变形，因此，不会有由于变形而产生的压电效应的影响，并且也能够防止LN基板的损坏和翘曲等。另外，石英基板的厚度为1mm左右，比LN基板的厚度(0.25mm左右)厚，不易发生由于热膨胀而引起的基板损坏或翘曲。
另外，也可以如图6所示，将隔热性高的加固板652用于LN基板610与石英基板630间的接合，并在石英基板上设置散热部件654，将热量散至LN基板以外的地方。这种情况下，如图所示，散热部件654可以设置在基板背面，以采用热导率高的粘合剂656将该散热部件与支撑LN基板的基座650粘合起来。例如，作为热导率高的粘合剂，可以采用在环氧树脂等聚合物中含有金属(Ag等)所得到的导电性粘合剂。另外，也可以采用珀尔帖(Peltier)元件吸热的结构来代替散热部件。在这种结构下，由于石英基板630不蓄热，因此易于确保石英基板上的波导间的温度梯度，使得工作点稳定。而且，由于向LN基板的热扩散减少，使得热漂移减少。
(第二实施方式)
图7示出了本发明的第二实施方式的光调制器。该马赫-曾德尔型光调制器700包括电光材料的LN基板710和两个石英基板730、760。前级的石英基板760上形成有：用于输入光入射的输入波导762；对来自输入波导的光进行分支的Y型分支部764；以及对分支后的光进行导波的分支波导766a、766b。在LN基板710上形成有分别与前级的石英基板上的两个分支波导766a、766b光耦合的两个分支波导716a、716b。LN基板的分支波导上设有调制电极722a、722b。后级的石英基板730上形成有：分别与LN基板上的两个分支波导716a、716b光耦合的两个分支波导736a、736b；对来自上述两个分支波导的光进行合波的Y型合波部738；以及将合波后的光输出的输出波导740。
用于加热的加热器752a、752b、772a、772b可以设置在前级石英基板和后级石英基板中的任意一者上，也可以设置在两者上。另外，加热器也可以设在任意一个分支波导上，而不是设在两个分支波导上。从而，提高了设计的灵活度。例如，可以将设定工作点所需要的相位差分散地分配在前级石英基板和后级石英基板上。这样，能够实现热量的最佳设计，进而实现功耗的进一步减少和工作点的稳定化。
另外，采用这样的结构可以利用相同的材料和相同的工序来加工前级石英基板和后级石英基板，从而能够抑制加工质量偏差，并稳定分支部及合波部的合分波特性。尤其，如图8所示，在采用了多个马赫-曾德尔型干涉仪的光调制器中，不仅可以期待合分波特性的稳定，还可以期待生产率和集成度的提高。
(第三实施方式)
图8示出了本发明的第三实施方式的光调制器。该马赫-曾德尔型光调制器800包括电光材料的LN基板810和两个石英基板830、860，并包括三个马赫-曾德尔型干涉仪。在前级的石英基板860上形成有：输入光入射的输入波导862；对来自输入波导的光进行分支的Y型分支部864；以及将分支后的光进一步进行分支的Y型分支部864-1、864-2。在LN基板810上形成有四个分支波导816-1a、816-1b、816-2a、816-2b，分别与对来自前级的石英基板上的Y型分支部864-1、864-2的光进行导波的四个分支波导光耦合。上述分支波导中设有调制电极822-1a、822-1b、822-2a、822-2b。在后级的石英基板830上形成有：与LN基板上的两个分支波导816-1a、816-1b光耦合的合波部838-1；与LN基板上的两个分支波导816-2a、816-2b光耦合的合波部838-2；将来自两个合波部的光进一步合波的Y型合波部838；以及将合波后的光输出的输出波导840。
用于加热的加热器852b、852-1a、852-1b、872a、872-2a、872-2b可以设置在前级石英基板和后级石英基板中的任意一者上，还可以设置在两者上。另外，加热器可以设在任意一个分支波导上，而不是设在两个分支波导上。从而，提高了设计的灵活度。例如，可以将设定工作点所需要的相位差分散地分配在前级石英基板和后级石英基板上。这样，能够实现热量的最佳设计，进而实现功耗的减少和工作点的稳定化。
(第四实施方式)
图9示出了本发明第四实施方式的光调制器。该马赫-曾德尔型光调制器900包括电光材料的LN基板910和两个石英基板930、960，并包括折叠形式的两个马赫-曾德尔型干涉仪。通过这种结构能够实现LN调制器的级联。
在其中一个石英基板960上形成有：输入光入射的输入波导962；对来自输入波导的光进行分支的分支部964-1；以及将来自Y型合波部964-2的光输出的输出波导940。在LN基板910上形成有：与对来自石英基板960上的Y型分支部964-1的光进行导波的两个分支波导光耦合的两个分支波导916-1a、916-1b；以及与将光向石英基板960上的Y型合波部964-2导波的两个波导光耦合的两个分支波导916-2a、916-2b。上述分支波导上分别设有调制用的电极922-1a、922-1b、922-2a、922-2b。在另一个石英基板930上形成有：与LN基板上的两个分支波导916-1a、916-1b光耦合的Y型合波部938-1；以及对来自Y型合波部938-1的光进行分支并且与LN基板上的两个分支波导916-2a、916-2b光耦合的Y型合波部938-2。
用于加热的加热器952-1a、952-1b、952-2a、952-2b可以设置在两个石英基板中的任意一者上，或者，设置在两者上。另外，加热器也可以设在任意一个分支波导上，而不是设在二者上。从而，提高了设计的灵活度。例如，可以将设定工作点所需要的相位差分散地分配在两个石英基板上。这样，能够实现热量的最佳设计，进而实现功耗的减少和工作点的稳定化。另外，如图9所示，如果仅在其中一个石英基板上设置加热器，则可将另一个石英基板上的光路设置在LN基板上。
以上针对本发明的几个实施方式进行了说明，鉴于更多适用本发明原理的能够实施的方式，这里记载的实施方式仅为本发明的示例，并不构成对本发明的范围的限定。例如，上述实施方式中，作为电光材料的基板，以LN基板为例进行了说明，但根据本发明的原理可以采用钽酸锂(LiTaO3)、KTN(KTa1-xNbxO3)、KTP(KTiOPO4)、PZT(PbZrxTi1-xO3，锆钛酸铅)等。另外，上述实施方式中，还可以采用定向耦合器、耦合器、多模干涉(MMI：Multi-Mode Interference)耦合器等电路代替Y型分支。对于这里示出的实施方式，在不脱离本发明的宗旨的情况下可以更改结构和细节。另外，在不脱离本发明的宗旨的情况下，可以对用于进行说明的组成要素及其顺序进行更改、补充，以及变换顺序。
附图标号列表
100、300、400、700、800、900为马赫-曾德尔型光调制器。
110、310、410、510、610、710、810、910为光学基板。
112、412、762、862、962为输入波导。
114、414、764、864、864-1、864-2、964-1938-2为Y型分支部。
116a、116b、416a、416b、436a、436b、716a、716b、736a、736b、766a、766b、816-1a、816-1b、816-2a、816-2b、916-1a、916-1b、916-2a、916-2b为分支波导。
118、438、738、838、838-1、838-2、938-1、964-2为Y型合波部。
120、440、740、840、940为输出波导。
122a、122b、322a、322b、422a、422b、722a、722b、822-1a、822-1b、822-2a、822-2b、916-1a、916-1b、916-2a、916-2b为电极。
124为偏压电路。
126为电源。
128、328、424、724为高频信号源。
129为终端电阻。
342a、342b、442a、442b、772a、772b、752a、752b、852a、852-1a、852-1b、872a、872-2a、872-2b、952-1a、952-1b、952-2a、952-2b为加热器。
344a、344b、444a、444b、754a、754b、774a、774b为电流源。
430、530、630、730、760、830、860、930、960为石英基板。
550、650为基座。
552、652为加固板。
654为散热部件。

Claims (6)

1.光波导式的马赫-曾德尔型光调制器，包括：
非电光材料的第一基板，形成有分支波导；
具有电光效应的电光材料的第二基板，形成有分支波导，所述第二基板的分支波导光耦合至所述第一基板的分支波导；
加热器，设置在所述第一基板的分支波导中的至少一个分支波导上；以及
电极，设置在所述第二基板的分支波导上，
其中，所述加热器通过对所述至少一个分支波导的相位进行调整来设定所述光调制器的工作点，所述电极向所述光调制器施加调制信号，所述第一基板和所述第二基板通过加固板接合在一起，所述加固板的热导率小于所述第二基板的热导率。
2.如权利要求1所述的光调制器，其中，所述第一基板为石英基板。
3.如权利要求1所述的光调制器，还包括：
非电光材料的第三基板，形成有分支波导，
其中，在所述第一基板和所述第三基板中的一个上形成有所述光调制器的分支部,以及在所述第一基板和所述第三基板中的另一个上形成有所述光调制器的合波部。
4.如权利要求1所述的光调制器，包括至少两个马赫-曾德尔干涉仪。
5.如权利要求1所述的光调制器，其中，仅所述第二基板固定于基座上。
6.如权利要求1所述的光调制器，其中，在形成有所述加热器的所述第一基板上设有散热部件。
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