CN102841477B - 光器件以及光调制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光器件，使用对于施加电场具有复杂折射率特性的结晶来进行高速的光调制器动作。其具有：基板；电介质膜，形成在基板上且具有并行的第一光导波路以及第二光导波路；传输线路，具有形成在电介质膜上且配置在第一光导波路和第二光导波路之间的信号线，配置在对着第一光导波路的第二光导波路相反侧的第一区域中的第一偏压电极以及配置在对着第二光导波路的第一光导波路相反侧的第二区域中第二偏压电极；以及驱动电路部，向第一偏压电极以及第二偏压电极施加互不相同的第一偏置电压以及第二偏置电压，向信号线施加第一偏置电压和第二偏置电压之间的控制电压。

Description

光器件以及光调制装置
技术领域
本发明涉及一种光器件以及光调制装置。
背景技术
已知有使用对于所施加的电场强度折射率的变化与LiNbO3(LN)不同的锆钛酸铅镧(PbLaZrTiO系的复合氧化物，简称为PLZT)结晶等的马赫-曾德尔(mach-zehnder)型光器件(例如，参照专利文献1)。已知这种光器件是通过向马赫-曾德尔导波路的外侧的两个电极施加偏置电压和控制电压来使其作为光调制器进行动作的(例如，参照非专利文献1)。
专利文献1：日本特开2006-58837号公报
非专利文献1：G.H.Jin,etal.,"PLZTFilmWaveguideMach-ZehnderElectroopticModulator",JournalofLightwaveTechnology,Vol.18,No.6,June2000。
发明内容
发明要解决的问题
这种光器件采用向马赫-曾德尔导波路的外侧的两个电极施加高速控制信号的方法，但是在这种情况下，需要多个偏压T、附加电路以及差动信号驱动器等，从而变成复杂的控制电路。另外，在这种情况下，将马赫-曾德尔导波路的内侧电极作为GND而使用，因此当施加高频电场来进行动作时电极的面积变得不充分从而不发挥GND的功能等，电极的设计困难。
解决问题的技术方案
在本发明的第一方式中，提供一种光器件，具有：基板；电介质膜，形成在基板上、且具有并行的第一光导波路以及第二光导波路；传输线路，具有形成在电介质膜上且配置在第一光导波路和第二光导波路之间的信号线，配置在对着第一光导波路的第二光导波路的相反侧的第一区域中的第一偏压电极以及配置在对着第二光导波路的第一光导波路的相反侧的第二区域中的第二偏压电极；以及驱动电路部，向第一偏压电极以及第二偏压电极施加互不相同的第一偏置电压以及第二偏置电压，向信号线施加第一偏置电压和第二偏置电压之间的控制电压。
此外，上述的发明的概要并非列举了本发明的必要特征的全部。另外，这些特征群的子组合也能够成为发明。
附图说明
图1表示本实施方式有关的光器件部100的结构例和驱动电路部200。
图2表示图1的A-A’截面与驱动电路部200。
图3表示对与本实施方式有关的电介质膜20施加电场的折射率的变化的一个例子。
图4表示与本实施方式有关的驱动电路部200的驱动电压VRF的一个例子。
图5表示与本实施方式有关的光器件部100的电极间电压的一个例子。
图6是表示与本实施方式有关的光器件部100的变形例与驱动电路部200。
具体实施方式
下面通过发明的实施方式来说明本发明，但是下面的实施方式并不限定权利要求涉及的发明。另外，在实施方式中说明的特征的组合的全部不一定都是发明的解决手段所必须的。
图1表示与本实施方式有关的光器件部100的结构例与驱动电路部200。光器件部100具有：马赫-曾德尔型光导波路，由对于施加电场强度折射率的变化与LiNbO3(LN)不同的强电介质结晶形成；以及共面型电极，具有信号线和夹着信号线的两个偏压施加电极，其中，向马赫-曾德尔光导波路有效地施加调制电场，根据调制电场调制输入的光来进行输出。光器件部100具有：第一光导波路110、第二光导波路120、信号线130、第一偏压电极132、第二偏压电极134、第一光耦合器140以及第二光耦合器142。
第一光导波路110以及第二光导波路120采用使电介质材料的截面为凸状脊型的结构来传输所输入的光。第一光导波路110以及第二光导波路120可以以与所传输的光的波长相应的宽度以及高度来形成为凸状。
信号线130配置在第一光导波路110和第二光导波路120之间。信号线130的一端连接在频率信号源260上，另一端连接在终端电阻250上，将从一端输入的频率信号向另一端进行传输。
第一偏压电极132配置在与信号线130及对着第一光导波路110的第二光导波路120的相反侧的区域中。第一偏压电极132被施加第一偏置电压。第二偏压电极134配置在与信号线130、与对着第二光导波路120的与第一光导波路110的相反侧的区域中。第二偏压电极134被施加第二偏置电压。
这里，信号线130、第一偏压电极132以及第二偏压电极134形成共面传输线路。即，信号线130的线宽、信号线130与第一偏压电极132的间隔以及信号线130与第二偏压电极134的间隔由根据信号线130所传输的信号频率而预先确定的值来形成。由此，信号线130能够传输达数十GHz的高频信号。
第一光耦合器140将向光器件部100的输入光进行分路来向第一光导波路110以及第二光导波路120引导。第二光耦合器142将来自第一光导波路110以及第二光导波路120的光进行合波。第二光耦合器142将进行合波的光作为光器件部100的输出光而输出。
第一光耦合器140以及第二光耦合器142可以是将从两个输入部中的任一个输入部中输入的光一对一地进行分路而从两个输出部分别输出的二输入二输出的3dB光耦合器。可替换地，第一光耦合器140可以是一输入二输出的光分路耦合器，第二光耦合器142可以是二输入一输出的光合波耦合器。第一光耦合器140以及第二光耦合器142可以是多模干涉(MMI)耦合器。
这里，第一光导波路110、第二光导波路120、第一光耦合器140以及第二光耦合器142形成马赫-曾德尔型光导波路。即，光器件部100使输入光由第一光耦合器140分路为两个来向第一光导波路110以及第二光导波路120进行传输，由第二光耦合器142进行合波来输出合波的光。这里光器件部100根据从驱动电路部200施加在共面传输线路的信号来向第一光导波路110以及第二光导波路120施加电场调制传输的光的相位，通过由第二光耦合器142进行合波来输出根据相位差进行了强度调制的光。
驱动电路部200向第一偏压电极132以及第二偏压电极134施加相互不同的第一偏置电压以及第二偏置电压，向信号线130施加第一偏置电压和第二偏置电压之间的控制电压。驱动电路部200具有：基准电压210、第一电源部220、第二电源部222、第一电感器230、第二电感器232、第一电容器240、第二电容器242、终端电阻250以及频率信号源260。
基准电压210提供预先确定的电压。在本实施例中，基准电压210是GND(0V)电压。
第一电源部220将第一偏置电压经由第一电感器230来向第一偏压电极132提供。第一电感器230连接在输出第一偏置电压的第一电源部220与第一偏压电极132之间。
第一电容器240连接在基准电压210与第一偏压电极132之间。由此，第一偏压电极132将直流成分设为开路、且将驱动频率成分以低电阻连接在作为基准电压的GND电压上。
第二电源部222将第二偏置电压经由第二电感器232来向第二偏压电极134提供。第二电感器232连接在输出第二偏置电压的第二电源部222与第二偏压电极134之间。
第二电容器242连接在基准电压210与第二偏压电极134之间。由此，第二偏压电极134将直流成分设为开路、且将驱动频率成分以低电阻来连接在作为基准电压的GND电压上。
终端电阻250终结信号线130。作为一个例子，信号线130是特性阻抗为50Ω的传输线路，终端电阻250的电阻值是50Ω。
频率信号源260向信号线130将预先确定频率的频率信号作为控制信号来提供。这里，频率信号源260可以提供达数十GHz的频率信号。
如以上那样，第一偏压电极132以及第二偏压电极134分别被提供第一偏置电压以及第二偏置电压且以高频的方式连接在GND电压上，信号线130的一端终结而从另一端被提供高频信号。即，信号线130、第一偏压电极132以及第二偏压电极134在频率信号源260所提供的驱动频率中作为共面传输线路而发挥作用。
图2表示图1的A-A’截面与驱动电路部200。这里，在本图中对于与图1所示的与本实施方式有关的光器件部100以及驱动电路部200的动作大致相同的部分附加相同的标记并省略说明。光器件部100具有：基板10、电介质膜20以及绝缘膜30。
基板10由单晶材料形成。例如，基板10是Al2O3(蓝宝石)基板或者MgO基板。作为一个例子，基板10是进行切割并研磨使得蓝宝石基板的(1102)面成为表面的、被称作R-cut蓝宝石的基板。
可替换地，基板10可以是某些层层叠在其上的基板。即基板10在表面上形成电介质膜20，因此可以是层叠了用于防止基板材料向电介质膜20进行扩散以及/或者与电介质膜20进行晶格匹配的缓冲层的基板。
电介质膜20形成在基板10上，具有并行的第一光导波路110以及第二光导波路120。另外，电介质膜20具有分别与第一光导波路110以及第二光导波路120进行连接的第一光耦合器140以及第二光耦合器142。
电介质膜20是强电介质薄膜。电介质膜20可以通过外延生长来形成。电介质膜20可以是10μm以下的厚度的薄膜。另外，电介质膜20可以形成传输在850nm带、1300nm带以及1500nm带这样的光通信中使用的波长光的光导波路的芯材料。另外，电介质膜20可以根据所传输的光的波长来设计膜厚。
电介质膜20是PZT薄膜、PLZT薄膜或者BaTiO3薄膜这样的强电介质薄膜。PLZT结晶、PZT结晶以及BaTiO3结晶等是具有作为结晶结构的一种的钙钛矿结构的强电介质结晶，根据温度以及材料组成而变化为正方晶、斜方晶、菱形晶、或者立方晶等的结晶结构。然而，当PLZT结晶等在特定的基板上作为薄膜而生长时，基板材料的晶格常数与块状单晶基板的晶格常数不同，因此有时向薄膜施加应力而使结晶结构变化。
例如，在作为电介质膜20的PLZT薄膜形成在蓝宝石(1102)基板上的情况下，PLZT薄膜优先向PLZT[110]方向进行取向。这样，当电介质膜20在恰当地选择了结晶排列方向的基板10上作为恰当的结构的结晶而形成时，结晶与基板10的表面并行地进行取向，因此能够使自发极化的方向与基板10的面并行。由此，光器件部100能够提供适于对PLZT薄膜的极化容易轴平行地施加电场的器件的基板。
绝缘膜30形成在电介质膜20上。绝缘膜30包含SiO2或者SiNx。绝缘膜30可以是相对介电常数比电介质膜20低的低介电常数膜。这里，基板10的相对介电常数也可以比电介质膜20低。例如，绝缘膜30以及基板10的相对介电常数分别为10以下，电介质膜20的相对介电常数是数百～数千左右。
由此，相对介电常数高的电介质膜20成为由相对介电常数以及折射率低的基板10和绝缘膜30夹住的结构，因此能够形成具有有效的光限制效果的第一光导波路110以及第二光导波路120。另外，在向光器件部100提供调制信号来作为调制器而使用的情况下，通过改变基板10以及绝缘膜30的厚度、材质来调整有效介电常数，能够实现使调制信号的传输速度与在第一光导波路110以及第二光导波路120中传输的光波的传输速度一致的速度匹配。另外，基板10和绝缘膜30能够将传输调制信号的传输线的特性阻抗设为例如50Ω这样的预先确定的值。
具有信号线130与第一偏压电极132以及第二偏压电极134的传输线路形成在绝缘膜上。传输线路可以由包含金的金属来形成。传输线路对第一光导波路110以及第二光导波路120施加与基板10的表面平行的方向的电场。例如，信号线130以及第一偏压电极132如图中的V1所示那样向第一光导波路110施加电场，信号线130以及第二偏压电极134如图中的V2所示那样向第二光导波路120施加电场。
图3表示与本实施方式有关的相对于电介质膜20的施加电场的折射率的变化的一个例子。图中横轴表示根据向电介质膜20所施加的电压而产生的施加电场强度。纵轴表示相对于电介质膜20的施加电场的折射率的变化。
通过PLZT结晶、PZT结晶以及BaTiO3结晶等形成的电介质膜20对施加电场产生极化翻转，因此与对施加电场表示线性的折射率变化的LN结晶等不同，对施加电场表示例如蝶形状的复杂的折射率变化。因而，电介质膜20在作为控制信号而施加正弦波电压的情况下，当不施加偏移电压时折射率的变化成为从正弦波产生失真的特性。这里，将自发极化、相对于施加电场而极化进行翻转的电介质膜称作强电介质膜。
另一方面，在正负的施加电场范围中表示直线的折射率变化的LN结晶等已知在形成马赫-曾德尔型光导波路来用作为光调制器的情况下形成具有G(接地)、S(信号)、G(接地)电极的共面传输线路来进行调制动作。这种LN光调制器在马赫-曾德尔型光导波路的并行的两根光导波路间配置S电极被施加控制信号，该并行的两根光导波路分别被施加相互反方向的电场。即，通过并行的两根光导波路的光接受反方向的相位变化来进行光调制动作。
然而，PLZT等的强电介质如图那样进行变化使得相对于施加电场强度的绝对值的变化使正的施加电场范围的折射率的斜率与负的施加电场范围的折射率的斜率几乎一致。使用了这种强电介质的光器件在应用与LN光调制器相同的GSG型的共面传输线路的情况下，并行的两根光导波路被施加相同方向的电场。即，通过并行的两根光导波路内的光不能接受相同方向的相位变化来获得相位差，因此使用了PLZT等的强电介质的光器件变得作为光调制器或者光开关的动作不稳定、或者不能动作。
与此相对，本实施例的驱动电路部200将作为偏移电压的偏置电压Vb加在控制信号上来施加在电介质膜20。这里，可以预先确定偏置电压Vb使得即使以偏置电压Vb为中心增减控制信号的振幅电压时电介质膜20的折射率变化也几乎直线变化。作为一个例子，当将控制信号的振幅电压设为20V时，Vb确定为100V使得使用在80～120V的范围内几乎直线变化的电介质膜20的折射率变化。
这样，通过施加偏置电压Vb，电介质膜20能够表示与所施加的控制信号几乎相似的折射率变化的特性。这里，图中例的电介质膜20相对于施加电场表示负斜率的折射率变化，因此相对于所施加的正弦波的控制信号而相位进行翻转。
图4表示与本实施方式有关的驱动电路部200的驱动电压VRF的一个例子。图中横轴表示时间，纵轴表示电压。这里，第一偏压电极132是作为第一偏置电压而被施加正极的偏压的偏压电极，第二偏压电极134是作为第二偏置电压而被施加负极的偏压的偏压电极。
例如，第一电源部220作为第一偏置电压将Vb+(＝100V)向第一偏压电极132提供，第二电源部222作为第二偏置电压将Vb-(＝-100V)向第二偏压电极134提供。另外，频率信号源260将作为第一偏置电压Vb+和第二偏置电压Vb-之间的控制信号的振幅20V的正弦波信号VRF施加在信号线130上。
因而，第一光导波路110被施加施加了第一偏置电压Vb+的第一偏压电极132与施加了正弦波信号VRF的信号线130的电极间电压V1＝Vb+-VRF的电场。相同地，第二光导波路120被施加施加了第二偏置电压Vb-的第二偏压电极134与施加了正弦波信号VRF的信号线130的电极间电压V2＝VRF-Vb-的电场。
图5表示与本实施方式有关的光器件部100的电极间电压的一个例子。图中横轴表示时间，纵轴表示电压。电极间电压V1＝Vb+-VRF成为以Vb+(＝100V)为中心增减了振幅20V的相位进行了180度翻转的正弦波信号的波形。另外，电极间电压V2＝VRF-Vb-成为以-Vb-(＝Vb+＝100V)为中心增减了振幅20V的正弦波信号的波形。
即，驱动电路部200能够对光器件部100的第一光导波路110以及第二光导波路120施加反相位的电场。这样，驱动电路部200通过对第一光导波路110以及第二光导波路120进行push-pull驱动，与只向第一光导波路110或者第二光导波路120的单侧施加电场的单侧驱动相比能够将在两个光导波路中传输的光的相位差设为约2倍。
这样，驱动电路部200使用来自一个频率信号源260的控制信号能够向由PLZT等形成的第一光导波路110以及第二光导波路120有效地施加进行push-pull驱动的电场。由此，光器件部100以及驱动电路部200能够不使用多个偏置T、附加电路以及差动信号驱动器等而执行光调制动作。
根据以上的与本实施方式有关的光器件部100以及驱动电路部200，能够对使用了相对于施加电场强度而折射率复杂地变化的PLZT结晶等的马赫-曾德尔型光器件形成共面型电极来传输高速的控制信号，且根据控制信号来向两个光导波路施加反相位的电场。由此，光器件部100能够作为跟随数十GHz的控制信号的光调制器而进行动作。
在以上的本实施方式中，说明了光器件部100具有绝缘膜30、且使调制信号的传输速度与在第一光导波路110以及第二光导波路120进行传输的光波的传输速度一致来进行速度匹配的情况。可替换地，在控制信号为数GHz左右以下等、不需要速度匹配的情况下也可以去掉绝缘膜30。在这种情况下，具有信号线130与第一偏压电极132以及第二偏压电极134的传输线路形成在电介质膜20上。
图6表示与本实施方式有关的光器件部100的变形例与驱动电路部200。在本图中，对于与图1以及图2所示的与本实施方式有关的光器件部100以及驱动电路部200的动作大致相同的部分附加相同的标记并省略说明。在本变形例中，光器件部100具有：接地电极610、612、外部电极部620、622、第三电容器630以及第四电容器632。
接地电极610在与信号线130、及对着第一光导波路110的与第二光导波路120相反侧的区域中与电介质膜20相接或者设置在绝缘膜30的内部，连接在预先确定的基准电压上。接地电极612在信号线130、与对着第二光导波路120的第一光导波路110的相反侧的区域中与电介质膜20相接或者设置在绝缘膜30的内部，连接在预先确定的基准电压上。
外部电极部620形成在绝缘膜30上与接地电极610进行电连接。外部电极部620连接在驱动电路部200的基准电压210上。外部电极部622形成在绝缘膜30上与接地电极612进行电连接。外部电极部622连接在驱动电路部200的基准电压210上。
第三电容器630连接在接地电极610与第一偏压电极132之间。第三电容器630是在绝缘膜30内具有例如由金属形成的两张电极膜并将该电极膜内的绝缘物设为电介质的电容器。可替换地，第三电容器630也可以是在绝缘膜30内具有由金属形成的一张电极膜并将该电极膜与接地电极610之间的绝缘物设为电介质的电容器。
第四电容器632连接在接地电极612与第二偏压电极134之间。第四电容器632例如是在绝缘膜30内具有由金属形成的两张电极膜并将该电极膜内的绝缘物设为电介质的电容器。可替换地，第四电容器632也可以是在绝缘膜30内具有由金属形成的一张电极膜并将该电极膜与接地电极612之间的绝缘物为电介质的电容器。
这样，本变形例的光器件部100在绝缘膜30内形成使用了绝缘膜30的一部分的绝缘物的电容器。由此，能够省略驱动电路部200的第一电容器240以及第二电容器242。
在以上的实施方式中，说明了驱动电路部200具有频率信号源260并向信号线130提供预先确定频率的频率信号的例子。可替换地，也可以是驱动电路部200具有脉冲信号源或者开关电路等并向信号线130提供脉冲信号或者开关控制信号。由此，光器件部100能够作为根据脉冲信号或者开关控制信号来切换是否输出所输入的光的光开关而进行动作。
以上，用实施方式来说明了本发明，但本发明的技术范围并不受上述实施方式所记载的范围限制。本领域技术人员明显知道可以对上述实施方式施以多种变更或改良。从权利要求的内容明显知道施以这样的变更或改良的方式也包含在本发明的技术范围内。
应注意的是，对于权利要求、说明书以及附图中所示的装置、系统、程序以及方法中的动作、流程、步骤以及阶段等各处理的执行顺序，只要未特别明示为“在…之前”、“比…先行”等，且只要未将前处理的输出用于后处理中，则可按任意顺序实现。关于权利要求、说明书以及图示中的动作流程，即使为方便起见而使用“首先”、“接着”等字样进行说明，但并非意味着必须按该顺序实施。
附图标记说明
10：基板；20：电介质膜；30：绝缘膜；100：光器件部；110：第一光导波路；120：第二光导波路；130：信号线；132：第一偏压电极；134：第二偏压电极；140：第一光耦合器；142：第二光耦合器；200：驱动电路部；210：基准电压；220：第一电源部；222：第二电源部；230：第一电感器；232：第二电感器；240：第一电容器；242：第二电容器；250：终端电阻；260：频率信号源；610：接地电极；612：接地电极；620：外部电极部；622：外部电极部；630：第三电容器；632：第四电容器。

Claims (10)

1.一种光器件，具有：
基板；
电介质膜，形成在前述基板上，且具有并行的第一光导波路以及第二光导波路；
传输线路，具有形成在前述电介质膜上且配置在前述第一光导波路和前述第二光导波路之间的信号线，配置在对着前述第一光导波路的前述第二光导波路的相反侧的第一区域中的第一偏压电极以及配置在对着前述第二光导波路的前述第一光导波路的相反侧的第二区域中的第二偏压电极；以及
驱动电路部，向前述第一偏压电极以及前述第二偏压电极施加相互不同的第一偏置电压以及第二偏置电压，向前述信号线施加前述第一偏置电压和前述第二偏置电压之间的控制电压；
前述驱动电路部具有：
连接在预先确定的基准电压与前述第一偏压电极和前述第二偏压电极之间的第一、第二电容器；
第一电感器，连接在输出前述第一偏置电压的第一电源部与前述第一偏压电极之间；
第二电感器，连接在输出前述第二偏置电压的第二电源部与前述第二偏压电极之间；以及
频率信号源，向前述信号线提供预先确定频率的频率信号；
其中，所述第一偏压电极及所述第二偏压电极分别将直流成分设为开路、且将驱动频率成分以低电阻连接在所述基准电压上。
2.根据权利要求1所述的光器件，其特征在于：
还具有形成在前述电介质膜上的绝缘膜；
前述传输线路形成在前述绝缘膜上。
3.根据权利要求2所述的光器件，其特征在于：
前述信号线、前述第一偏压电极以及前述第二偏压电极形成共面传输线路。
4.根据权利要求2所述的光器件，其特征在于：
前述电介质膜还具有：
第一光耦合器，将输入光进行分路而向前述第一光导波路以及前述第二光导波路进行引导；以及
第二光耦合器，将来自前述第一光导波路以及前述第二光导波路的光进行合波，
其中，前述第一光导波路、前述第二光导波路、前述第一光耦合器以及前述第二光耦合器形成马赫-曾德尔型光导波路。
5.根据权利要求2所述的光器件，其特征在于：
前述第一偏压电极是作为前述第一偏置电压而被施加正极的偏压的偏压电极；
前述第二偏压电极是作为前述第二偏置电压而被施加负极的偏压的偏压电极。
6.根据权利要求2所述的光器件，其特征在于：
前述基板由单晶的绝缘材料形成。
7.根据权利要求6所述的光器件，其特征在于：
前述基板是蓝宝石基板或者MgO基板。
8.根据权利要求2所述的光器件，其特征在于：
前述电介质膜是强电介质薄膜。
9.根据权利要求8所述的光器件，其特征在于：
前述强电介质薄膜是具有钙钛矿结晶结构的PZT薄膜、PLZT薄膜或者BaTiO3薄膜。
10.根据权利要求2所述的光器件，其特征在于：
前述绝缘膜包含SiO2或者SiNx。
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