CN115380240A - 光控制元件、使用该光控制元件的光调制器件及光发送装置 - Google Patents

光控制元件、使用该光控制元件的光调制器件及光发送装置 Download PDF

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Abstract

提供一种光控制元件，其能够在形成有光波导的基板的同一边配置光波导的输入部及输出部，并且减少各分支波导的构造的差异，同时使分支波导间的光路差最小化。光控制元件具有：具有电光效应的基板(1)；形成于该基板的光波导(2)；及控制在该光波导中传播的光波的控制电极，所述光控制元件的特征在于，该光波导的输入部(入射光(L1))和输出部(出射光(L2))形成于该基板的同一边，该光波导具备至少一个马赫‑曾德尔型光波导部分(MZ)，其具有从一条光波导分支而成的两条分支波导(21、22)并将所述两条分支波导合波而形成一条光波导，该分支波导具有偶数个折回部(A1、A2)。

Description

光控制元件、使用该光控制元件的光调制器件及光发送装置
技术领域
本发明涉及光控制元件和使用该光控制元件的光调制器件以及光发送装置，特别是涉及在基板的同一边侧具备光波导的输入部和输出部的光控制元件。
背景技术
在光通信领域和光计测领域中，多使用光控制元件，该光控制元件在铌酸锂(LN)等具有电光效应的基板具备光波导和控制在该光波导中传播的光波的控制电极。在作为光控制元件之一的光调制器中，要求400Gbps以上的宽带化和小型化。
具体而言，在将高频信号向光控制元件输入时为了抑制信号的传播损失，优选将产生高频信号的驱动电路与光控制元件接近配置，并将信号线路构成为直线状。因此，提出了从收容光控制元件的壳体的一方的端面侧输入高频信号，从相对的相反侧的端面侧输入输出光波的光调制器。
此外，作为实现光控制元件自身的小型化的手段，在专利文献1中，提出了使光调制器内的光波导弯曲多次而缩短元件长度的方案。而且，在专利文献2中，公开了在光调制器的同侧面侧配置光输入端部和光输出端部，并使光调制器内的光波导仅弯折一次的技术。
另一方面，向光控制元件装入的光波导使用马赫-曾德尔型光波导，通过在两个分支波导中传播的光波的光路差进行光调制。如专利文献2所示，如果将马赫-曾德尔型光波导折回，则两个分支波导间的光路差不同，因此依赖于传播的光波的波长而马赫-曾德尔型光波导的动作偏压点电压发生变化。因此，每当波长变化时，需要较大地改变偏压电压来进行偏压点调整。
为了消除上述的不良情况，在专利文献3中，为了使两条分支波导的光路长度相同，提出了在一方的分支波导设置延迟波导部分的方案。在该情况下，也存在光波导的弯曲半径的制约，难以紧凑地构成抑制光波导的损失的增加并补偿折回部的外侧与内侧的分支波导间的光路差那样的延迟波导。此外，如果分支波导之间的弯曲波导的结构不同，则各分支波导的光损失产生差异，也会产生马赫-曾德尔型光波导的接通/断开消光比劣化这样的问题。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开WO2019/039215号
专利文献2：日本特开2019-95698号公报
专利文献3：日本特表2018-534627号公报
发明内容
发明的概要
发明要解决的课题
本发明要解决的课题在于解决上述那样的问题，提供一种光控制元件，其能够在形成有光波导的基板的同一边配置光波导的输入部及输出部，并且减少各分支波导的构造的差异，同时使分支波导间的光路差最小化。而且，提供一种使用该光控制元件的光调制器件及光发送装置。
用于解决课题的方案
为了解决上述课题，本发明的光控制元件、光调制器件及光发送装置具有以下那样的技术特征。
(1)一种光控制元件，具有：具有电光效应的基板；形成于该基板的光波导；及控制在该光波导中传播的光波的控制电极，所述光控制元件的特征在于，该光波导的输入部和输出部形成于该基板的同一边，该光波导具备至少一个马赫-曾德尔型光波导部分，该马赫-曾德尔型光波导部分具有从一条光波导分支而成的两条分支波导并将所述两条分支波导合波而形成一条光波导，该分支波导具有偶数个折回部。
(2)在上述(1)记载的光控制元件中，其特征在于，该分支波导的光路长度设定为彼此相等。
(3)在上述(1)或(2)记载的光控制元件中，其特征在于，从一条光波导分支成多条光波导，在各分支成的光波导设置该马赫-曾德尔型光波导部分，在将该马赫-曾德尔型光波导部分并列配置的状态下，该马赫-曾德尔型光波导部分的该分支波导具有偶数个折回部。
(4)在上述(1)至(3)的任一记载的光控制元件中，其特征在于，该控制电极具备调制电极和偏压电极，对于由该分支波导的该折回部划分的多个区间，该调制电极与该偏压电极设置于不同的区间。
(5)一种光调制器件，其特征在于，具有：上述(1)至(4)的任一记载的光控制元件；收容该光控制元件的壳体；及向该光控制元件输入输出光波的光纤。
(6)在上述(5)记载的光调制器件中，其特征在于，在该壳体的内部具有将向所述光控制元件输入的调制信号放大的电子电路。
(7)一种光发送装置，其特征在于，具有：上述(5)或(6)记载的光调制器件；及输出使该光调制器件进行调制动作的调制信号的电子电路。
发明效果
根据本发明，能够提供一种光控制元件，具有：具有电光效应的基板；形成于该基板的光波导；及控制在该光波导中传播的光波的控制电极，其中，该光波导的输入部和输出部形成于该基板的同一边，该光波导具备至少一个马赫-曾德尔型光波导部分，该马赫-曾德尔型光波导部分具有从一条光波导分支而成的两条分支波导并将所述两条分支波导合波而形成一条光波导，该分支波导具有偶数个折回部，因此，能够在形成有光波导的基板的同一边配置光波导的输入部及输出部，并且减少各分支波导的构造的差异，同时使分支波导间的光路差最小化。其结果是，能够抑制马赫-曾德尔型光波导的动作偏压点电压的波长依赖性，也抑制各分支波导中的光波的传播损失，能够实现高的接通/断开消光比。
附图说明
图1是表示本发明的光控制元件的第一实施例的俯视图。
图2是表示本发明的光控制元件的第二实施例的俯视图。
图3是表示本发明的光控制元件的第三实施例的俯视图。
图4是表示本发明的光控制元件的第四实施例的俯视图。
图5是表示本发明的光控制元件的第五实施例的俯视图。
图6是表示本发明的光控制元件的第六实施例的俯视图。
图7是表示本发明的光控制元件的第七实施例的俯视图。
图8是表示本发明的光控制元件的第八实施例的俯视图。
图9是表示本发明的光控制元件的第九实施例的俯视图。
图10是表示本发明的光调制器件和光发送装置的俯视图。
具体实施方式
以下，关于本发明，使用优选例进行详细说明。
如图1至9所示，本发明涉及一种光控制元件，具有：具有电光效应的基板1；形成于该基板的光波导2；及控制在该光波导中传播的光波的控制电极(M、B1～B2等)，所述光控制元件的特征在于，该光波导的输入部(入射光L1)和输出部(出射光L2)形成于该基板的同一边，该光波导具备至少一个马赫-曾德尔型光波导部分(MZ)，该马赫-曾德尔型光波导部分(MZ)具有从一条光波导分支的两条分支波导(21、22)并将所述两条分支波导合波而形成一条光波导，该分支波导具有偶数个折回部(A1、A2)。
作为具有电光效应的基板1，可以利用铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)、PLZT(锆钛酸铅镧)等的基板、或基于这些材料的气相生长膜、或者将这些材料接合于异种的基板而成的复合基板等。
另外，也可以利用半导体材料或有机材料等各种材料作为光波导。
作为光波导的形成方法，可以利用对光波导以外的基板表面进行蚀刻或者在光波导的两侧形成槽等将与基板的光波导对应的部分形成为凸状的脊型光波导。而且，也可以将Ti等通过热扩散法或质子交换法等在基板表面形成高折射率部分，由此形成光波导。也可以使高折射率材料向脊型光波导部分扩散等而形成复合的光波导。
为了实现调制信号的微波与光波的速度匹配，形成有光波导的基板的厚度设定为10μm以下，更优选为5μm以下。
另外，脊型光波导的高度h(从脊型光波导的两侧的槽的底边至脊型光波导凸部的顶边)与脊型光波导部的基板厚度t(从基板的底面至脊型光波导凸部的顶边)之比h/t设定为0.8以下。例如，在基板厚t为1μm以下的情况下，h/t设定为0.6～0.8的范围。而且，也可以在加强基板1上形成气相生长膜，将该膜加工成上述那样的光波导的形状。
为了提高机械强度，形成了光波导的基板直接接合或者经由树脂等粘结层而粘结固定于加强基板。作为进行直接接合的加强基板，优选利用折射率比光波导或者形成有光波导的基板低且热膨胀率与光波导等接近的材料，例如石英等。而且，在经由低折射率的中间层而接合于加强基板时，也可以利用与形成有光波导的基板相同的材料、例如LN基板等作为加强基板，或者利用硅等高折射率的基板作为加强基板。
本发明的光控制元件的特征在于，如图1所示，形成于基板1的光波导2具有至少一个马赫-曾德尔型光波导部分(MZ)。并且，使处于构成马赫-曾德尔型光波导部分(MZ)的分支部20与合波部23之间的分支波导(21、22)间的光路差最小化。
为了使分支波导(21、22)间的光路差最小化，如图1所示，将分支波导的折回部(A1、A2)形成偶数个。而且，通过将折回部A1与A2处的光波导的形状形成为同一形状，不仅能够将分支波导的光路长度设定为彼此相等，而且光波导的传播损失也能够设定为相同。其结果是，分支波导间的损失差减小，也能够抑制马赫-曾德尔型光波导的接通/断开消光比的劣化。
图2及图3具备与图1的光控制元件相同的光波导形状，进而明示了作为控制电极的调制电极M和偏压电极(B1、B2)。图2及图3的共同的技术特征在于，对于由图1所示的折回部(A1、A2)划分的分支波导(21、22)的多个区间，将调制电极M与偏压电极(B1、B2)设置于不同的区间。
在图1中，分成折回部A1的前段的第一区间(从分支部20至折回部A1的区间)、折回部A1与A2之间的第二区间(从折回部A1至折回部A2的区间)、以及折回部A2的后段的第三区间(从折回部A2至合波部23的区间)这三个。在图2及图3中，调制电极M配置于第一区间，偏压电极B1配置于第二区间，偏压电极B2配置于第三区间。
调制电极M传播高频信号，因此减少电极的弯曲的情况对于高频信号劣化的减少来说优选。因此，调制信号M以收纳于一个区间的方式配置。在图2中，从与调制电极M的作用部(使电场作用于光波导的部分)的延伸方向(图的左右方向)垂直的垂直方向(基板1的上边侧)导入调制信号S1，因此在调制电极的导入部(从调制信号的输入部至作用部之间的部分)的一部分需要弯曲部分。为了抑制由该弯曲部分引起的高频信号的劣化，如图3所示，将从调制电极M的输入部至作用部形成为直线状而导入调制信号S1，由此，调制电极的导入部的弯曲也能够减少，能够进一步抑制高频信号劣化。
从调制电极的终端侧导出调制信号S2，但是导出的调制信号S2向包含终端电阻等的终端器导入。关于比调制电极的作用部靠后段部分的电极的弯曲，由于弯曲损失等高频信号的劣化不会对电光调制的频带造成影响，因此能够将设计的自由度设定得高。而且，为了减少弯曲引起的信号漏泄或反射等的影响，也可以设为将终端器配置在基板上的结构或者对基板制作电阻膜那样的结构。
如图3那样沿着调制电极M中的调制信号S1的传播方向未配置偏压电极(B1、B2)，由此能够抑制来自调制电极的漏泄信号与偏压电极耦合，被赋予高频噪声而光调制信号变得不稳定的情况。
偏压电极(B1、B2)能够有效利用未配置调制电极的区间。虽然偏压电极仅B1和B2中的某一个发挥功能，但是通过如图2及图3所示占有多个区间并设为沿光波导长的偏压电极，能够实现偏压电压的下降，也有助于DC漂移现象的抑制。除此以外，虽然电光效率差，但是通过使偏压电极从光波导远离也能够减少由偏压电极造成的光的损失。
在图2及图3中，示出基板1使用在光波导间配置信号电极的基板(例如X切割的LN基板；以下，称为X板)的例子。当然，对于使用在光波导上配置信号电极的基板(例如Z切割的LN基板；以下，称为Z板)的例子也能够适用本发明，这是不言自明的。而且，即使是半导体等LN以外的材料，只要成为上述那样的光波导/电极配置关系，就能够适用本发明。需要说明的是，在图2及图3中，为了简化附图而省略接地电极的记载。
此外，在将偏压电极形成于不同的两个区间的情况下，偏压电极以折回部的前后的相位变化的符号成为相同的方式，例如图2或图3(a)那样配置。
图3(b)及(c)示出使用Z板的例子，特别示出偏压电极(B1、B2)的配置图案的具体例。在图3(c)中，由虚线包围的区域PR表示极化反转区域。
而且，在光波导上配置电极的情况下，可以采用在马赫-曾德尔型光波导部分的调制功能中成为零啁啾(zero chirp)那样在两条分支波导分别配置电极的双电极型的调制器结构，或者使用极化反转将一个调制电极在两条分支波导中替换地配置的结构。
图4示出使用在成为主的主马赫-曾德尔型光波导的各分支波导呈嵌套状地配置有成为副的副马赫-曾德尔型光波导(MZ1、MZ2)的所谓嵌套型光波导的例子。在这样的结构中，为了降低调制电极的驱动电压，也可以将调制电极配置于多个区间(在此为两个区间)。在该情况下，以使折回部的前后的光波的相位变化的符号成为相同的方式在由虚线包围的部分(一个区间)设置极化反转区域。
本发明的光控制元件也能够适用于如图4以后所示从一条光波导分支为多个光波导，在各分支成的光波导设置马赫-曾德尔型光波导部分(MZ1、MZ2)的结构。光波导的分支并不局限于一次，可以遍及多段地分支。而且，在一次中分支的分支波导的条数也不局限于两条，可以为三条或三条以上。在分支成的光波导设置的马赫-曾德尔型光波导部分通过以并列配置的状态排列各马赫-曾德尔型光波导部分的分支波导，对该分支波导设置偶数个折回部，从而能够容易地实施。
关于各折回部处的光波导的形状，优选设为同一形状。具体而言，将并列配置的多条分支波导的各曲率半径从内侧起设定为R、R+r、R+2r、…R+nr(R、r为常数，n为自然数)。而且，为了较大地取得曲率半径R，也可以将折回的弯曲的角度设定得比180度(相邻的区间成为平行)大(请参照参考图)。但是，需要将不同的折回部处的形状设定为相同，这是不言自明的。
在图4中，对于副马赫-曾德尔型光波导(MZ1、MZ2)配置两个调制电极(M1、M2)，输入两个调制信号(S11、S12)。而且，关于偏压电极，也是对于主马赫-曾德尔型光波导配置偏压电极BM，对于副马赫-曾德尔型光波导配置偏压电极BS1和BS2。对于各偏压电极(BM、BS1、BS2)能够确保充分的空间，因此能够降低偏压电压。
也可以如图4的在主马赫-曾德尔型光波导配置的偏压电极BM、在副马赫-曾德尔型光波导配置的偏压电极(BS1、BS2)那样，取代另行设置偏压电极，而在向调制电极施加的调制信号重叠DC偏压地施加。
图5是将嵌套型光波导并列配置两个的图。并列的马赫-曾德尔型光波导(MZ1～MZ4)成为四个，对于各马赫-曾德尔型光波导配置调制电极(M1～M4)、偏压电极(BS1～BS4)。而且，与各嵌套型光波导的主马赫-曾德尔型光波导对应地也设置偏压电极(BM1、BM2)。
图5示出具备偏波合成功能的光控制元件。入射光L1通过设置于光学块3的透镜30向基板1内的光波导入射。入射光在中途分成两个，由各嵌套型光波导调制，输出两个调制信号光。从基板1射出的两个光波经由透镜(31、32、36)向光纤F入射。此时，一方的光波通过1/2波长板33使偏波面旋转，经由反射单元34及偏波合波单元35与其他的光波汇合，偏波合成为1个输出光。在图5中，通过示意图示出通过空间光学进行合成的情况，但是也可以通过波导型元件进行偏波合成。
在图5中，从将输入侧的光波导分支为两条至向各嵌套型光波导入射为止的各光波导的光路长度不同。因此，精确地调整调制信号(S11、S12、S13、S14)在调制电极的作用部(M1、M2、M3、M4)向光波导施加的时机的情况不可或缺。为了将其实现，调制信号使用数字信号处理器(DSP；未图示)，调整相位差并输出，将该信号通过驱动电路(未图示)放大，作为调制信号向光控制元件施加。
图6是具备与图5相同的偏波合成功能的光控制元件。在图6中，对于入射光入射的输入波导，将光波导分支成两条之后配置的两个嵌套型光波导配置在该输入波导的左右。该配置与图5的实施例相比，存在附图的输出透镜30、32间的距离变大而偏波合成的安装时的对准变得困难的缺点，但是能够将调制电极的作用部(M1～M4)相互分离配置，因此能够抑制调制信号间的串扰。
图7是图6的实施例的变形例，将入射光L1的位置与出射光(L21、L22)的位置分离配置。伴随于此，在输入波导的附近配置调制电极(M1～M4)。
在该结构中，与图6的结构相比，彼此的调制电极配置在接近的位置，因此能够在向调制电极输入之前抑制调制信号的传送损失。
需要说明的是，图7虽然未图示偏波合成功能，但是也可以设置。此外，在图7以后，仅示出调制电极、偏压电极的作用部的位置，各电极的导入部等省略。
图8是图7的实施例的变形例，将入射光L1的入射位置配置在基板1的上方部分，将嵌套型光波导堆叠地配置，将一个出射光L21配置在基板1的中央附近部分，将另一个出射光L22配置在基板1的下方部分。
图9与到图8为止的实施例不同，沿着与光波的入射方向(附图的左右方向)垂直的方向配置有调制电极、偏压电极的作用部。这样，关于本发明的光控制元件，光波导的设计自由度高，可以采用各种方式。
如图10所示，将本发明的光控制元件1收容在金属等的壳体4内，将壳体的外部与光控制元件1通过光纤F连接，由此能够提供紧凑的光调制器件MD。当然，在基板1的光波导的入射部或出射部不仅可以直接连接光纤，也可以经由空间光学系统而光学连接光纤。
将输出使光调制器件MD进行调制动作的调制信号的电子电路(数字信号处理器DSP)连接于光调制器件MD，由此能够构成光发送装置OTA。向光控制元件施加的调制信号需要放大，因此使用驱动电路DRV。驱动电路DRV、数字信号处理器DSP可以配置在壳体4的外部，但是也可以配置在壳体4内。特别是通过将驱动电路DRV配置在壳体内，能够进一步减少来自驱动电路的调制信号的传播损失。
产业上的可利用性
如以上所述，根据本发明，能够提供一种光控制元件，其能够在形成有光波导的基板的同一边配置光波导的输入部及输出部，并且减少各分支波导的构造的差异，同时使分支波导间的光路差最小化。而且，能够提供一种使用该光控制元件的光调制器件及光发送装置。
附图标记说明
1 基板
2 光波导
21、22 分支波导
A1、A2 折回部
B1、B2 偏压电极(作用部)
M 调制电极(作用部)
MD 光调制器件
MZ 马赫-曾德尔型光波导
OTA 光发送装置

Claims (7)

1.一种光控制元件，具有：具有电光效应的基板；形成于该基板的光波导；及控制在该光波导中传播的光波的控制电极，
所述光控制元件的特征在于，
该光波导的输入部和输出部形成于该基板的同一边，
该光波导具备至少一个马赫-曾德尔型光波导部分，该马赫-曾德尔型光波导部分具有从一条光波导分支而成的两条分支波导并将所述两条分支波导合波而形成一条光波导，
该分支波导具有偶数个折回部。
2.根据权利要求1所述的光控制元件，其特征在于，
该分支波导的光路长度设定为彼此相等。
3.根据权利要求1或2所述的光控制元件，其特征在于，
从一条光波导分支成多条光波导，在各分支成的光波导设置该马赫-曾德尔型光波导部分，在将该马赫-曾德尔型光波导部分并列配置的状态下，该马赫-曾德尔型光波导部分的该分支波导具有偶数个折回部。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的光控制元件，其特征在于，
该控制电极具备调制电极和偏压电极，对于由该分支波导的该折回部划分的多个区间，该调制电极与该偏压电极设置于不同的区间。
5.一种光调制器件，其特征在于，具有：权利要求1～4中任一项所述的光控制元件；收容该光控制元件的壳体；及向该光控制元件输入输出光波的光纤。
6.根据权利要求5所述的光调制器件，其特征在于，
在该壳体的内部具有将向所述光控制元件输入的调制信号放大的电子电路。
7.一种光发送装置，其特征在于，具有：权利要求5或6所述的光调制器件；及输出使该光调制器件进行调制动作的调制信号的电子电路。
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