JP2002268025A

JP2002268025A - 共振型光変調器

Info

Publication number: JP2002268025A
Application number: JP2001067384A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Kawanishi; 哲也川西; Masayuki Izutsu; 雅之井筒; Kenichi Kubodera; 憲一久保寺
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd; Communications Research Laboratory
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd; Communications Research Laboratory
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2001-03-09
Publication date: 2002-09-18
Anticipated expiration: 2021-03-09
Also published as: JP3592245B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】製造が容易でありながら、光路に印加される変
調に有効な電界を損なうことの無い構成を持つようにし
て、小電力で変調効果の高い共振型光変調器を実現する
ものである。【解決手段】電気光学効果特性を持った光路１０，１
１，１２と、該光路に沿って形成された光路に電界を印
加するための変調電極１と、該変調電極に対向して形成
された共通電極６，７と、該変調電極に接続された給電
線と、該給電線に接続されたスタブ４，５と、共通電極
とを含み、上記の変調電極によって分けられた領域の一
方の側に、上記の給電線と、スタブと、共通電極とが設
けられた構成を持つことを特徴とする共振型光変調器と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光通信分野で位
相変調器や強度変調器あるいは偏波変調器として用いら
れる光変調器の構成に関し、特に、小電力で変調効果の
高い共振型光変調器の構成に関している。

【０００２】

【従来の技術】光変調器とは、電気信号の情報を、強
度、位相、周波数、などの光キャリアに変換して出力す
るデバイスであり、その変調方法としては、光源である
レーザを直接変調する方法と、光源の外部の変調器を用
いて変調する方法がある。上記の直接変調する方法は、
装置的に簡単な構成とすることができるが、外部の変調
器を用いて変調する方が高品質の変調が行えることが知
られている。このため、超高速通信や長距離通信では、
外部の変調器を用いて変調することが一般的に行なわれ
ている。

【０００３】このように外部の変調器を用いて変調する
場合には、電気光学効果を利用する変調器や、半導体の
電界吸収効果を利用する変調器などが使われている。そ
のうちの前者の電気光学効果を利用する変調器に、本発
明は関しているため、この点について以下にさらに詳し
く説明する。

【０００４】光変調器に最も良く使われている電気光学
効果を示す物質のひとつとして、ＬｉＮｂＯ３がある。
この物質の特性である、１次の電気光学効果であるポッ
ケルス効果による屈折率変化を利用して変調を行なうこ
とができる。その際、ＬｉＮｂＯ３基板表面に平行に電
界を印加するものと、垂直に電界を印加するものとがあ
ることがよく知られている。これらは、ＬｉＮｂＯ３基
板の結晶方向の違いによるものであり、上記のそれぞれ
の電界に対応する基板は、それぞれ、Ｘカット、Ｚカッ
ト、と呼ばれている。

【０００５】前記のＬｉＮｂＯ３には、その他の特性と
して、基板にＴｉ（チタン）などを熱拡散することによ
って、容易に屈折率を調整することができることがあ
る。この特性を用いて、導波路をＬｉＮｂＯ３基板内部
に形成し、集積化することがよくおこなわれている。

【０００６】このようなＬｉＮｂＯ３基板を用いた変調
器には、進行波型光変調器と、共振型光変調器とがある
ことが知られている。進行波型光変調器は、光波と電気
信号を同方向に導波させ導波しているあいだに光を変調
する変調器である。この変調器は、直流信号から高周波
信号までの広い帯域幅を持っているが、変調に必要な駆
動電流が大きいという特徴がある。一方、共振型光変調
器は、変調信号の共振を用いて変調を行なうため、使用
しうる帯域は、マイクロ波領域の狭い帯域に限られる
が、変調効率が高いという特徴がある。このため、狭い
帯域で高効率に動作することが求められる偏波スクラン
ブラやマルチプレクサなどに用いられると効果的であ
る。

【０００７】本発明は、このような共振型光変調器の構
成に関するため、次に、これを説明する。これについて
既に知られている共振型光変調器（及川、他３名、「１
０ＧＨＺ帯共振型ＬｉＮｂＯ３光変調器の検討」、２０
００年電子情報通信学会総合大会予稿集、２０４頁、講
演番号Ｃ−３−２５）の模式図を図７（ａ）、（ｂ）に
示す。図７（ａ）に示す変調器は、Ｚカット型であり、
光導波路とその上に配置された電極（変調電極）とイン
ピーダンス整合用のキャパシタンスからなっている。ま
たその電極は、入力されるマイクロ波に共振するサイズ
を持っている。また、図７（ｂ）に示す変調器は、変調
電極とインピーダンス整合用のオープンスタブからなっ
ている。この変調器は、図７（ａ）に示す変調器に比べ
て、製造が容易である、という特徴がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図７（ｂ）に示す変調
器は、変調電極とインピーダンス整合用のオープンスタ
ブが、同じメタル層を加工して形成されるため、製造が
容易である、という特徴を持っている。しかし、共通電
位配線層は、高周波信号の入力側の他に、光路を越えた
側にも設けられており、しかも、これは変調電極を迂回
する配置のため、共通電極でありながら、共通電位にな
るように構成するのが困難であり、また、光路に印加さ
れる変調に有効な電界強度が、共通電位配線層が高周波
信号の入力側のみに設けられた場合に比べて、ほぼ半分
になる、という欠点を持っている。

【０００９】この発明は、上記に鑑み提案されたもの
で、製造が容易でありながら、光路に印加される変調に
有効な電界を損なうことの無い構成を持つようにして、
小電力で変調効果の高い共振型光変調器を実現するもの
である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明は、共振型光変調器に関して、電気光学
効果特性を持った光路と、該光路に沿って形成された光
路に電界を印加するための変調電極と、該変調電極に対
向して形成された共通電極と、該変調電極に電磁的に接
続された給電線と、該給電線に接続されたスタブと、共
通電極とを含み、上記の変調電極によって分けられた領
域の一方の側に、上記の給電線と、スタブと、共通電極
とが設けられた構成を持つことを特徴としている。

【００１１】また、変調器は、外部信号源により同軸ケ
ーブルにより給電されることが多く、インピーダンス整
合を取りながら、微小領域に給電する必要があるため、
第２の発明は、第１の発明に加えて、上記の給電線は、
テーパー状変成器を含むことを特徴としている。

【００１２】また、スタブは、単数でも複数でも良い
が、複数設ける場合には、左右対称になる配置にするこ
とにより、設計を容易にできることから、第３の発明
は、第１あるいは第２の発明に記載の共振型光変調器に
おいて、上記のスタブは偶数個であり、上記の給電線に
ついて対称な位置にそれぞれ設けられていることを特徴
としている。

【００１３】また、第１の発明において、スタブの設け
られる位置は、変調電極と配線との交点であることが望
ましいため、第４の発明は、第１の発明に加えて、上記
の変調電極と給電線とは直角に交わり、スタブは給電線
と変調電極とに接する配置を持つことを特徴としてい
る。

【００１４】また、第１乃至第４のいずれかの発明にお
いて、開放端を持った変調電極を用いる事ができること
から、第５の発明は、第１乃至第４のいずれかの発明に
加えて、変調電極と該変調電極に対向して形成された共
通電極とは、その両端において開放端を形成しているこ
とを特徴としている。

【００１５】また、第１乃至第４のいずれかの発明にお
いて、短絡端を持った変調電極を用いる事ができること
から、第６の発明は、第１乃至第４のいずれかの発明に
加えて、変調電極と該変調電極に対向して形成された共
通電極とは、その両端において短絡端を形成しているこ
とを特徴としている。

【００１６】また、用いるスタブは、開放端をもったオ
ープンスタブでも、短絡端をもったショートスタブでも
良いことから、第７の発明は、第１乃至第６のいずれか
の発明において、上記のスタブは、オープンスタブであ
ることを特徴とし、第８の発明は、上記のスタブは、シ
ョートスタブであることを特徴としている。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を、
開放端を持った変調電極の場合を１）実施例１とし、短
絡端を持った変調電極の場合を２）実施例２とし、ま
た、先の変調器よりも長い変調電極をもつ場合を３）実
施例３として図面に基づいて詳細に説明する。

【００１８】１）実施例１光路に沿って形成された光路に電界を印加するための変
調電極と、該変調電極に対向して形成された共通電極
は、非対称コプレーナ導波路を形成するが、開放端を持
った高周波信号の非対称コプレーナ導波路による変調電
極を用いた共振型光変調器の模式図を図１に示す。その
平面図を図１（ａ）に、その断面図を図１（ｂ）に示
す。この共振型光変調器は、波長１．５５ミクロンの光
を、中心周波数１０ＧＨｚの高周波信号で強度変調する
ための、マッハ・ツェンダ‐干渉計型光変調器の構成を
示している。ここで用いられている基板は、Ｚカットの
ＬｉＮｂＯ３基板であり、その光路はＴｉ（チタン）を
熱拡散することによって形成したものである。この基板
上には、光導波路を伝搬する光の減衰を抑制するために
０．５５μ厚の酸化シリコン層９が形成され，その上に
変調電極や変成器やスタブ、あるいは共通電極を形成す
る金属層（金、厚さ２μｍ）が設けられている。

【００１９】変調電極１は、共通電極６および７との距
離は２７μｍであり、幅５μｍ長さ３２５０μｍで、こ
れは、変調信号である高周波信号の波長の０．１９倍で
あるが、０．１８〜０．２２倍程度（あるいは０．６７
〜０．７０倍程度）に設定することができる。この変調
電極１の長さは、スタブ電極との合成インピーダンスが
適度な領域に留まるようにするため、高周波信号にたい
する共振点からすこし、２０〜２５％程度短く、ずれた
長さであることが望ましい。

【００２０】また、ショートスタブ４および５は、共通
電極６および７との距離は２７μｍであり、幅５０μｍ
長さ８７５μｍで、これは、変調信号である高周波信号
の波長の０．１２倍である。ショートスタブ４および５
は、変調電極１のほぼ中心に接続されており、変調電極
１に対して斜め方向に設けられている。その接続部には
給電線が接続されている。この接続は、図１（ａ）おい
ては連続した導電体により直流電流的に接続されている
が、このように直流電流的な接続でなくても、キャパシ
タンスあるいはインダクタンスによる電磁的な接続であ
っても、目的を達成することができる。給電線として
は、配線あるいはテーパー状変成器を含む。図１では、
前記の接続部とそのテーパー状変成器の間に１００μｍ
の配線が設けられている。ショートスタブ４および５
は、この配線にそって移動させても特段の不都合は発生
しない。ここで、配線を設ける本質的な理由はなく、省
略することも可能である。また、テーパー状変成器は、
入力部分のコプレーナ導波路からの信号を反射して戻す
ことなくショートスタブに供給するためのものであり、
長さ８００μｍで、幅は１００μｍから３５μｍに傾斜
する形状となっている。また、その傾斜に合わせて、共
通電極との距離も、３２５μｍから１０７．５μｍに傾
斜している。また、ショートスタブは、変調電極の入力
インピーダンスの周波数にたいする過剰な低下を抑制す
るものであり、特に、共振時のインピーダンスの過剰な
低下の抑制に効果がある。このショートスタブは、入力
する高周波信号の光の位相変化に及ぼす効果（誘導位相
量）が最大になるように調整する必要がある。

【００２１】以上の構造の、波長１．５５ミクロンの光
を、中心周波数１０ＧＨｚの高周波信号で強度変調する
ための、マッハ・ツェンダ‐干渉計型の共振型光変調器
の、変調電極上での導波路中を進行する光からみた電界
の強度と位相についての計算機シミュレーション結果を
図２に示す。この図の電界強度は、入力した高周波信号
の振幅で規格化したものであり、電界強度が高くなって
いるのが分かる。位相については、進行する光からみて
いるため、左から右に増加している。また、最適化しな
い場合（具体的には、変調電極長を高周波信号の波長の
０．５倍としたもの）の計算機シミュレーション結果を
図３示す。図２と図３とを比べてみれば容易に分かるよ
うに、最適化により変調電極上の電位が増大しているこ
とが分かる。また、スタブを用いない場合（スタブ以外
は図２の結果を得た条件と同じ）の計算機シミュレーシ
ョン結果を図４示す。図２と図４とを比べてみれば容易
に分かるように、スタブを用いることにより変調電極上
の電位が増大していることが分かる。

【００２２】図１において、２個のショートスタブを用
いているが、１個のショートスタブを用いても同様の効
果を得る事ができる。この場合のショートスタブの構造
は、前記の２個の場合に比べて、１．４２倍の長さとす
れば、良い。

【００２３】２）実施例２次に、第２の実施例として、短絡端を持った高周波信号
の非対称コプレーナ導波路による変調電極を用いた共振
型光変調器の模式図を図５（ａ）に、その断面図を図５
（ｂ）に示す。この共振型光変調器も上記と同様に、波
長１．５５ミクロンの光を、中心周波数１０ＧＨｚの高
周波信号で強度変調するための、マッハ・ツェンダ‐干
渉計型光変調器の構成を示している。基板や断面構造に
ついては、前記の実施例１の場合と同じであるため、以
下の説明では省略する。

【００２４】変調電極８は、両端が共通電極に接続され
た形状をもっており、共通電極６および７との距離は２
７μｍであり、幅５μｍ長さ７０１０μｍで、これは、
変調信号である高周波信号の波長の０．４１倍である
が、０．４１〜０．４４倍程度（あるいは０．９１〜
０．９４倍程度）に設定することができる。この変調電
極８の長さも、上記の場合と同様に、スタブ電極との合
成インピーダンスが適度な領域に留まるようにするた
め、高周波信号に対する共振点からすこし、１５〜２０
％程度、短波長側にずれた長さであることが望ましい。

【００２５】また、ショートスタブ４および５は、共通
電極６および７との距離は２７μｍであり、幅５０μｍ
長さ１１６５μｍで、これは、変調信号である高周波信
号の波長の０．１６倍である。ショートスタブ４および
５は、変調電極１のほぼ中心に接続されており、変調電
極１に対して斜め方向に設けられている。その接続部か
らテーパー状変成器までは、１００μｍの配線が設けら
れている。この場合も、配線を設ける本質的な理由はな
く、省略することも可能である。このショートスタブ
は、入力する高周波信号の光の位相変化に及ぼす効果
（誘導位相量）が最大になるように調整する必要があ
る。

【００２６】開放端の変調電極長と、短絡端の変調電極
長とを比べた場合、開放端の変調電極の場合、電極上の
高周波信号の波長で、ほぼ２分の１波長であるが、短絡
端の変調電極の場合は、ほぼ１波長に相当する。したが
って、使いたい変調電極長によって、それらを選択する
ことができるようになった。

【００２７】３）実施例３図８は、波長１．５５ミクロンの光を、中心周波数１０
ＧＨｚの高周波信号で強度変調するための、高周波信号
波長の０．６９倍の長さを持った変調電極のマッハ・ツ
ェンダ‐干渉計型の共振型光変調器の、変調電極上での
導波路中を進行する光からみた電界の強度と位相につい
ての計算機シミュレーション結果を示す図である。この
場合は、横軸が−０．４λ付近で電界の位相が１８０度
以上になり反転しているのが分かる。位相が１８０度以
上になるこの部分では、入力する高周波信号の光の位相
変化に及ぼす効果（誘導位相量）が他の部分の逆になっ
ているのがわかる。

【００２８】この現象により、総和としての誘導位相量
が減少することが起こる。この減少を防止するために
は、位相が１８０度を越えた領域では、変調電極と光路
とがさらに離間した構成とするか、あるいは、基板の分
極方向を反転させておくことが望ましい。離間した構成
の場合には、この部分の誘導位相量は増加しないが、こ
の部分のこの反転により、前記の減少が増加に転じる。
この分極方向を反転するには、20〜25ｋＶ／ｍｍの直流
高電圧を印加すればよく、その方法は、例えば、論文
（H.Murata, K.Kinoshita, G.Miyaji, A.Morimoto and
K.Kobayashi, “Quasi-velocity-matched LiTaO3 guide
d wave optical phase modulator for integrated ultr
ashort optical pulse generators”, ELECTRONIC LETT
ERS 17^th August 2000, vol.36 No.17, 1459-1460）に
記載されている。以上で、実施例３の説明を終る。

【００２９】上述のいずれの変調器も、図６に示す様
に、直列に接続して、変調の効果を強化することができ
る。この際、変調信号である高周波信号を、光の伝搬に
合わせて、遅延器により調整する。

【００３０】上記の説明では、変調電極と共通電極は、
直接向かい合う構成となっているが、これらの間に、高
周波信号においては孤立したと等価な状態に有る他の導
電体が挿入されたＩＣＰＷ（Interdigital Coplanar Wa
veguide）として知られた構成であっても、本発明の目
的を達することができる。このような送電体を配置する
導波路は、論文（David A. Thompson and Robert L. Ro
gers, IEEE MIVROWAVEAND GUIDED WAVE LETTERS, VOL.,
8, NO. 7, JULY 1998, pp257-259）の図１に記載され
ている。本発明で用いる構成は、その構成において一方
の共通電極を削除した非対称ＩＣＰＷであり、これを図
９に示す。

【００３１】また、上記の実施の形態においては、強度
変調器について説明したが、電気光学効果を用いた偏波
変調器では、上記の強度変調器と同様の構成をもつた
め、本発明が適用できることは明らかである。また、電
気光学効果を用いた位相変調器では、変調電極のある光
路のみの変調器であるため、本発明が適用できることは
明らかである。

【００３２】

【発明の効果】この発明は上記した構成からなるので、
以下に説明するような効果を奏することができる。

【００３３】第１および第２の発明では、製造が容易で
ありながら、光路に印加される変調に有効な電界が増大
されるため、小電力で変調効果の高い共振型光変調器を
実現できるようになった。

【００３４】また、第３の発明では、左右にバランスの
とれた配置となり、予期しない寄生振動をおこすことが
無くなった。

【００３５】さらに、第４の発明では、簡単な構成とな
り、設計が容易になった。

【００３６】さらに、第５のおよび第６発明では、最適
な変調電極の長さが異なるので、使いたい変調電極の長
さに合わせて選択できる様になった。

【００３７】さらに、第７のおよび第８発明では、直流
バイアスや低周波バイアスの有無にあわせて、使いたい
スタブの形状を選択できる様になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】開放端を持った変調電極を用いた共振型光変調
器の模式図を示す図で、（ａ）は、平面図であり、
（ｂ）は、断面図である。

【図２】波長１．５５ミクロンの光を、中心周波数１０
ＧＨｚの高周波信号で強度変調するための、マッハ・ツ
ェンダ‐干渉計型の共振型光変調器の、変調電極上での
導波路中を進行する光からみた電界の強度と位相につい
ての計算機シミュレーション結果を示す図である。

【図３】最適化しない場合（具体的には、変調電極長を
高周波信号の波長の０．５倍としたもの）の、波長１．
５５ミクロンの光を、中心周波数１０ＧＨｚの高周波信
号で強度変調するための、マッハ・ツェンダ‐干渉計型
の共振型光変調器の、変調電極上での導波路中を進行す
る光からみた電界の強度と位相についての計算機シミュ
レーション結果を示す図である。

【図４】スタブを用いない場合の、波長１．５５ミクロ
ンの光を、中心周波数１０ＧＨｚの高周波信号で強度変
調するための、マッハ・ツェンダ‐干渉計型の共振型光
変調器の、変調電極上での導波路中を進行する光からみ
た電界の強度と位相についての計算機シミュレーション
結果を示す図である。

【図５】短絡端を持った変調電極を用いた共振型光変調
器の模式図を示す図で、（ａ）は、平面図であり、
（ｂ）は、断面図である。

【図６】複数の変調器を直列に接続して変調する構成を
示すブロック図である。

【図７】既に知られている共振型光変調器を示す模式図
である。

【図８】波長１．５５ミクロンの光を、中心周波数１０
ＧＨｚの高周波信号で強度変調するための、高周波信号
波長の０．６９倍の長さを持った変調電極のマッハ・ツ
ェンダ‐干渉計型の共振型光変調器の、変調電極上での
導波路中を進行する光からみた電界の強度と位相につい
ての計算機シミュレーション結果を示す図である。

【図９】変調電極として用いることのできる非対称ＩＣ
ＰＷ（Interdigital Coplanar Waveguide）を用いた変
調器を示す模式図である。

【符号の説明】

１変調電極２配線３テーパー状変成器４、５スタブ６、７共通電極８変調電極９酸化シリコン層１０、１１、１２導波路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井筒雅之東京都小金井市貫井北町４−２−１総務省通信総合研究所内 (72)発明者久保寺憲一東京都千代田区神田美土代町１番地住友大阪セメント株式会社内Ｆターム(参考） 2H079 AA02 BA01 BA03 CA05 DA03 EB12 HA12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学効果特性を持った光路と、該光
路に沿って形成された光路に電界を印加するための変調
電極と、該変調電極に対向して形成された共通電極と、
該変調電極に電磁的に接続された給電線と、該給電線に
接続されたスタブと、共通電極とを含み、上記の変調電
極によって分けられた領域の一方の側に、上記の給電線
と、スタブと、共通電極とが設けられた構成を持つこと
を特徴とする共振型光変調器。
【請求項２】上記の給電線は、テーパー状変成器を含
むことを特徴とする請求項１に記載の共振型光変調器。
【請求項３】上記のスタブは偶数個であり、上記の給
電線について対称な位置にそれぞれ設けられていること
を特徴とする請求項１あるいは２に記載の共振型光変調
器。
【請求項４】上記の変調電極と給電線とは直角に交わ
り、スタブは給電線と変調電極とに接する配置を持つこ
とを特徴とする請求項１に記載の共振型光変調器。
【請求項５】変調電極と該変調電極に対向して形成さ
れた共通電極とは、その両端において開放端を形成して
いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載
の共振型光変調器。
【請求項６】変調電極と該変調電極に対向して形成さ
れた共通電極とは、その両端において短絡端を形成して
いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載
の共振型光変調器。
【請求項７】上記のスタブは、オープンスタブである
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の共
振型光変調器。
【請求項８】上記のスタブは、ショートスタブである
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の共
振型光変調器。