JP2004185046A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】
電気光学基板と、光導波路と、複数の進行波型の信号電極と、接地電極と、信号電極に対して高周波信号を入力するための複数の入力部とを備えている光変調器において、各信号電極における各動作電圧の差をなくし、バラツキを少なくする。
【解決手段】
高周波信号の複数の入力部１４Ａ，１４Ｂ及び出力部１５Ａ，１５Ｂを備えている光変調器であり、各入力部又は各出力部が基板の同一面側又はその近傍に設けられ、前記第一の信号電極の前記入力部から前記出力部までの長さが、前記第二の信号電極の前記入力部から前記出力部までの長さとが、実質的に等しくなるように、少なくとも一方の信号電極に蛇行部（３７ｃ，３７ｄ）を設けることを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、ニオブ酸リチウム等の電気光学効果を有する材質からなる基板上に光導波路、接地電極および信号電極が形成されている光変調器の形態に関するものであり、特に、高速長距離用に適した光変調器および光変調装置に関するものである。

電気光学効果を有する材質からなる基板上に、接地電極、信号電極および光導波路を形成し、信号電極に高周波信号を印加し、光導波路を伝搬する光波を変調する変調器が知られている。図８は、この中でも特に進行波型の信号電極を２つ備えた形態の一例を示す（特許文献１参照）。
特開平２−１９６２１２号公報

この光変調器４１は、いわゆるマッハツェンダー型の変調器である。この変調器においては、動作速度を一層向上させる目的で、いわゆるコプレナーウエーブガイド型（ＣＰＷ）の形態を有する接地電極および信号電極を使用している。

基板１２は電気光学単結晶からなる。基板１２は、主面１２ｅ、一対の端面１２ａ、１２ｂ、一対の側面１２ｃ、１２ｄを備えている。主面１２ｅには、例えばチタン拡散光導波路９が形成されている。この光導波路９は、入力側の端面１２ａと出力側の端面１２ｂとの間に延びており、入力部分９ａ、入力側分岐部９ｉ、第一の分岐導波路９ｂ、９ｄ、９ｆ、第二の分岐導波路９ｃ、９ｅ、９ｇ、出力部分９ｈを備えている。９ｄと９ｅとは、互いに略平行な分岐導波路であり、この部分に信号電極を設け、高周波信号を作用させる。基板１２の主面１２ｅに、特定形状の接地電極１３Ｇ、１３Ｈ、１３Ｉと、一対の信号電極４６、４７とが設けられている。各接地電極と信号電極との間は、絶縁領域である。

第一の信号電極４６、第二の信号電極４７の各入力部１４Ａ、１４Ｂからそれぞれ高周波信号を印加すると、高周波信号は各接続部４６ａ、４７ａを伝搬し、各電極の各作用部４６ｂ、４７ｂに入り、各作用部中を伝搬し、各接続部４６ｃ、４７ｃから出力部１５Ａ、１５Ｂへと伝搬される。

こうしたいわゆる二電極タイプの光変調器においては、マッハツェンダー型の光導波路９を使用していることから、これに合わせるために、基板の中心線（図８において縦横方向の各中心線）に対してそれぞれ線対称をなすように、各信号電極４６、４７を形成している。しかし、本発明者が、このタイプの光変調器をパッケージ内に収容し、外部の高周波電源との結線を行うとき、高周波伝送ケーブルの結線作業が煩雑であった。しかも、高周波電源から同じ振幅の電圧を各信号電極４６、４７へと印加し、各分岐導波路に光を伝搬させ、信号光のオン−オフ制御を行ったところ、実際には所定の信号を印加したときに各分岐導波路９ｄ、９ｅに対して作用する実効電圧が等しくならず、動作電圧に差やバラツキが生じていた。

本発明の課題は、電気光学基板と、光導波路と、光導波路中を伝搬する光波を制御するための複数の進行波型の信号電極と、接地電極と、信号電極に対して高周波信号を入力するための複数の入力部とを備えている光変調器において、各信号電極における各動作電圧の差をなくし、あるいはバラツキを少なくすることである。

本発明に係る光変調器は、電気光学効果を有する材質からなる、主面と一対の端面と一対の側面とを有する基板、この基板の主面上において一対の端面の間に延びており、光波を伝搬するための光導波路、光導波路中を伝搬する光波を制御するための複数の進行波型の信号電極、前記基板の主面上に設けられている接地電極、および各々の信号電極に対して高周波信号を入力するための入力部と出力するための出力部とを少なくと備え、前記複数の信号電極が少なくとも第一の信号電極と第二の信号電極とを含んでおり、前記光導波路が、少なくとも入力側の分岐部、この分岐部よりも下流の少なくとも第一の分岐導波路および第二の分岐導波路を備えており、第一の信号電極が第一の分岐導波路に対して作用するものであり、第二の信号電極が第二の分岐導波路に対して作用するものである光変調器において、各入力部又は各出力部が同一面側又はその近傍に設けられ、前記第一の信号電極の前記入力部から前記出力部までの長さが、前記第二の信号電極の前記入力部から前記出力部までの長さとが、実質的に等しくなるように、少なくとも一方の信号電極に蛇行部を設けることを特徴とする。

また、好ましくは、本発明に係る光変調器において、各信号電極が各分岐導波路に対して作用する各作用部から各入力部又は各出力部までの距離を、第一及び第二の信号電極との間で比較し、該距離が短い方の信号電極に、入力部又は出力部から作用部までの間に蛇行部を設けることを特徴とする。
さらに、前記蛇行部は、出力部の近傍に設けられることを特徴とする。

以下、本発明の原理について述べる。図１（ａ）は、光変調器４が容器２中に収容されている装置１を模式的に示す図であり、図１（ｂ）は、容器２の側面図である。容器２は薄い平板形状をしており、容器２中に平板状の光変調器４が収容されている。光変調器４の両方の端面にはそれぞれ光ファイバー５Ａ、５Ｂが接続されており、各光ファイバーは容器２から外部へと引き出されている。光変調器４上には接地電極１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃと信号電極１４Ａ、１４Ｂが載置されている。容器２の側面には一対の高周波信号入力端子６Ａ、６Ｂが設けられており、これらの各端子に対して、外部の高周波信号電源が接続される。

本発明者は、端子６Ａ、６Ｂと光変調器の各入力部１４Ａ、１４Ｂとの各結線に着目し、検討を加えた。各端子６Ａ、６Ｂと各入力部１４Ａ、１４Ｂとは、それそれ高周波伝送ケーブルによって結線されており、各ケーブルは容器中に収容されているのであるが、容器２内の容積は極めて小さいために、入力部１４Ａと端子６Ａとは極めて短いケーブルで結線できるが、入力部１４Ｂと端子６Ｂとは容器２の中で反対側に位置しているために、かなり長いケーブルを必要とする上、このケーブルを容器２の中で光変調器４を避けるように曲折させる必要がある。このため、容器中への光変調器４の収容と結線作業が煩雑となるだけでなく、端子６Ａと６Ｂとに対して同振幅の高周波信号を印加したときに、この電圧が各入力部１４Ａ、１４Ｂに到達するまでの減衰量が異なり、このために各分岐導波路９ｄ、９ｅに印加される実効電圧が異なってくることを見いだした。

本発明者は、この問題点の発見に立脚して、例えば図２に示すように、基板１２の一方の側面１２ｃ側に両方の入力部１４Ａ、１４Ｂを設けることを想到し、本発明を着想した。これによって、高周波伝送ケーブル７Ａ、７Ｂを容器１の中で光変調器４を避けるように曲折させる必要がなくなり、かつ各端子６Ａ、６Ｂと、対応する各入力部１４Ａ、１４Ｂとの結線を、同じ長さのケーブルを使用して容易に行えるので、ケーブル内の伝送損失の相違に起因する、各分岐導波路９ｄ、９ｅへの実効電圧のずれを防止できる。

また、本発明に係る光変調器は、前記の光変調器と、光変調器の光導波路に対して光学的に接続されている光伝送手段と、高周波信号の複数の入力部に対して連結されている高周波信号伝送手段と、光変調器、光伝送手段および高周波信号伝送手段を収容する容器と、容器中の各高周波信号伝送手段をそれぞれ容器の外部へと連結するために容器に設けられている複数の高周波信号端子とを少なくとも備えていることを特徴とする。

本発明の好適な態様においては、複数の信号電極が少なくとも第一の信号電極と第二の信号電極とを含んでおり、光導波路が、少なくとも入力側の分岐部、この分岐部よりも下流の少なくとも第一の分岐導波路および第二の分岐導波路を備えており、第一の信号電極が第一の分岐導波路に対して作用するものであり、第二の信号電極が第二の分岐導波路に対して作用するものである。

一実施の対応としては、第一の信号電極の入力部と作用開始点との距離が、第二の信号電極の入力部と作用開始点との距離よりも長く、第一の分岐導波路における入力側分岐部と作用開始点との光路長が、第二の分岐光導波路における入力側分岐部と作用開始点との光路長よりも短い。

この場合において好ましくは、第一の信号電極と第二の電極における高周波信号の各作用開始点への各到達時間の差と、入力側分岐部から各作用開始点への光の各到達時間の差とを、各信号電極における高周波信号の周期の実質的整数倍とするか、または実質的に一致させる。ここで、一致とは、前記の到達時間差が次の信号と干渉しないことを表す。例えば、Ａ（Ｇｂ／ｓ）の伝送を行う場合、２／Ａ×１０⁹ （ｓ）となることを示す。

また、一実施対応としては、第一の分岐導波路における入力側分岐部と作用開始点との光路長と、第二の分岐導波路における入力側分岐部と作用開始点との光路長とが、実質的に等しい場合、第一の信号電極の入力部と作用開始点との距離と、第二の信号電極の入力部と作用開始点との距離との差が、各信号電極における高周波信号の波長の整数倍である。これによって、各作用開始点における高周波信号の位相が一致する。

また、第一の各信号電極と第二の信号電極とを、基板の主面の中点に対して、基板の主面上で略点対称の形態とすることによって、光変調器に対して温度差が加わったときに、各信号電極における歪みをある程度消去し、温度変化に起因するドリフトを緩和できる。

他の態様においては、複数の信号電極について各々の出力部を備えており、第一の信号電極の入力部と出力部との距離が、第二の信号電極の入力部と出力部との距離と実質的に等しく、各出力部が一方の側面側に設けられている。これによって、高周波信号の出力側においても、入力側とまったく同時に、高周波伝送ケーブルの結線、接続を行うことができるので、実装プロセスが著しく簡略化される。

前記光変調器における信号電極の数は、最低でも２個であるが、場合によっては３個以上設けることができる。例えば、いわゆるカスケード構造の光導波路を基板上に設けた場合においては、分岐導波路が例えば４本、あるいは８本設けられることになるが、本発明に従って、各分岐導波路に対してそれぞれ対応する信号電極を設け、各信号電極について、本発明の前記条件を満足するように，各信号電極および各分岐導波路の位置関係を設計することにより、各動作電圧差等をなくすことができる。

基板の材質としては、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体等の電気光学結晶が特に好ましい。また、基板を構成する電気光学結晶の結晶方位は、ＺカットまたはＸカットが好ましい。光導波路の形成方法としては、チタン拡散法等の内拡散法やプロトン交換法を利用できる。本発明の光変調器は、光変調器、光位相変調器、偏波スクランブラ、光スイッチング素子、光コンピューター用の光論理素子等として好適に使用できる。

図２は、本発明の一実施形態に係る光変調器１１を示す平面図であり、図３は、図２のうち基板、各信号電極、光導波路の部分の寸法および位置関係を示す平面図である。光変調器の各構成部分のうち、図８に既に示した構成部分については、同じ符号を付け、その説明は省略する。

本実施形態では、一方の側面１２ｃ側に入力部１４Ａ、１４Ｂが設けられており、他方の側面１２ｄに出力部１５Ａ、１５Ｂが設けられている。第一の信号電極１６は、入力部１４Ａから端面１２ａ、１２ｂに平行に延びる接続部１６ａ、分岐導波路９ｄと重なるように、あるいは分岐導波路９ｄと平行に延びる作用部１６ｂ、および出力部１５Ａと作用部１６ｂとを接続している接続部１６ｃを備えている。

第二の信号電極１７は、入力部１４Ｂから端面に平行に延びる接続部１７ａ、分岐導波路９ｅと重なるように、あるいは分岐導波路９ｅと平行に延びる作用部１７ｂ、および出力部１５Ｂと作用部１７ｂとを接続している接続部１７ｃを備えている。各接続部１６ａ、１７ｃは、それぞれ、各分岐導波路９ｅ、９ｄと交叉している。信号電極１６と１７とは、全体として、基板１２の主面１２ｅの中心点Ｏに対して主面上で点対称の形態をなしている。

信号電極１６と端面１２ａ、他方の側面１２ｄとの間には、接地電極１３Ａが設けられている。信号電極１７と端面１２ｂ、一方の側面１２ｃとの間には、接地電極１３Ｂが設けられている。信号電極１６と１７との間には、接地電極１３Ｃが設けられている。

図３において、Ａ、Ｃは、各分岐導波路９ｄ、９ｅと各信号電極１６、１７との相互作用が始まる作用開始点であり、Ｂ、Ｄは作用終結点である。Ｅ、Ｆは、それぞれ、各信号電極と各分岐導波路とが直交する交叉点である。各入力部１４Ａ、１４Ｂから高周波信号を入力すると、信号電極１６と１７との間では、各入力部から作用開始点Ａ、Ｃに到達するまでの距離は相違しているので、作用開始点において高周波信号に遅延が生ずる。遅延時間の大きさは、高周波信号の実効屈折率をｎｍとし、距離の差をＬ１とすると、ｎｍ×Ｌ１／ｃとなる。

しかし、これと同時に、９ａ側から入射してきた光には、分岐導波路９ｄ側と９ｅ側との間で、Ｌ２の距離の差があり、光の屈折率をｎ０とすると、ｎ０×Ｌ２／ｃの時間差が生ずる。従って、ｎｍ×Ｌ１／ｃ−ｎ０×Ｌ２／ｃを、各信号電極における高周波信号の周期の整数倍近くにすることにより、各作用開始点における各高周波信号の位相を合わせることができる。また、ｎｍ×Ｌ１／ｃ−ｎ０×Ｌ２／ｃを０近くにすることによって、分岐導波路を伝搬する光に対する高周波信号の作用が開始する時間の遅延を少なくし、あるいは実質的に０とすることができる。また、各信号電極における作用長Ｌ３を等しくすることによって、各分岐導波路における光の位相シフト量を等しくできる。なお、この設計では、作用長Ｌ３を一定にしたときに必要な信号電極の全長を短くできるので、広帯域特性が得られる。

図４は、本発明の他の実施形態に係る光変調器２１を示す平面図であり、図５は、図４のうち基板、各信号電極、光導波路の部分の寸法および位置関係を示す平面図である。

本実施形態でも、一方の側面１２ｃ側に入力部１４Ａ、１４Ｂが設けられており、他方の側面１２ｄに出力部１５Ａ、１５Ｂが設けられている。第一の信号電極２６は、入力部１４Ａから端面１２ａ、１２ｂに平行に延びる接続部２６ａ、分岐導波路９ｄと重なっている作用部２６ｃ、作用部２６ｃと接続部２６ａとを接続し、かつ分岐導波路９ｄとは平行に延びる接続部２６ｂ、および出力部１５Ａと作用部２６ｃとを接続している接続部２６ｄを備えている。

第二の信号電極２７は、入力部１４Ｂから端面に平行に延びる接続部２７ａ、分岐導波路９ｅと重なっている作用部２７ｂ、作用部２７ｂから更に端面１２ｂ側へと延びる接続部２７ｃ、および出力部１５Ｂと接続部２７ｃとを接続している接続部２７ｄを備えている。各信号電極２６、２７は、光導波路９の入力部分９ａ、出力部分９ｈとＧ、Ｈで交叉している。信号電極２６と２７とは、全体として、基板１２の主面１２ｅの中心点Ｏに対して点対称の形態をなしている。

図５において、Ａ、Ｃは、各分岐導波路９ｄ、９ｅと各信号電極２６、２７との相互作用が始まる作用開始点であり、Ｂ、Ｄは作用終結点である。各入力部１４Ａ、１４Ｂから高周波信号を入力すると、信号電極２６と２７との間では、各入力部から作用開始点Ａ、Ｃに到達するまでの距離は相違しているので、作用開始点において高周波信号に遅延が生ずる。遅延時間の大きさは、高周波信号の実効屈折率をｎｍとし、距離の差をＬ４＋Ｌ５とすると、ｎｍ×（Ｌ４＋Ｌ５）に比例する。

本例においては、図２、３の例とは異なり、光導波路の分岐部分９ｉから各作用開始点Ａ、Ｃへの光路長は等しいので、これによる上記遅延の緩和作用はない。このため、Ｌ４＋Ｌ５を、この信号電極中における高周波信号の波長の整数倍とすることによって、作用開始点ＡとＣとにおける各高周波信号の位相を合わせることができる。Ｌ６は作用長である。

しかも、図２、３の場合とは異なり、本例では各信号電極が分岐前の入力部分９ａおよび結合後の出力部分９ｈにおいて光導波路と交叉しており（Ｇ、Ｈ）、各分岐導波路９ｄ、９ｅに対して交叉していない。従って、交叉点Ｅ、Ｆの周辺における不要な変調を防止できる。

また、図２、または図４の光変調器においては、各信号電極の全長を等しくできるので、各信号電極を伝搬する間の高周波信号の振幅の減衰量を等しくすることができる。

図６は、本発明の他の実施形態に係る光変調器３１を示す平面図であり、図７は、図６のうち基板、各信号電極、光導波路の部分の寸法および位置関係を示す平面図である。

本実施形態では、一方の側面１２ｃ側に、入力部１４Ａ、１４Ｂ、出力部１５Ａ、１５Ｂが設けられている。信号電極３６は、入力部１４Ａから端面１２ａ、１２ｂに平行に延びる接続部３６ａ、側面１２ｃと平行に延びる接続部３６ｂ、分岐導波路９ｄと重なっている作用部３６ｃ、側面１２ｃと平行に延びる接続部３６ｄ、および接続部３６ｄと出力部１５Ａとを接続している、端面と平行に延びる接続部３６ｅを備えている。信号電極３７は、入力部１４Ｂから端面に平行に延びる接続部３７ａ、分岐導波路９ｅと重なっている作用部３７ｂ、作用部３７ｂから端面と平行に延びる接続部３７ｃ、接続分岐導波路３７ｃから蛇行して入力部１４Ｂ側へと戻っている接続部３７ｄを備えており、接続部３７ｄの末端が出力部１５Ｂにつながっている。信号電極３６は、光導波路９の入力部分９ａ、出力部分９ｈとＧ、Ｈで交叉している。１３Ｄ、１３Ｅ、１３Ｆは接地電極である。

図７において、Ａ、Ｃは、各分岐導波路９ｄ、９ｅと各信号電極３６、３７との相互作用が始まる作用開始点であり、Ｂ、Ｄは作用終結点である。各入力部１４Ａ、１４Ｂから高周波信号を入力すると、信号電極３６と３７との間では、各入力部から作用開始点Ａ、Ｃに到達するまでの距離は相違しているので、作用開始点において高周波信号に遅延が生ずる。遅延時間の大きさは、高周波信号の実効屈折率をｎｍとし、距離の差をＬ４＋Ｌ５とすると、ｎｍ×（Ｌ４＋Ｌ５）に比例する。

本例においても、光導波路の分岐部分９ｉから各作用開始点Ａ、Ｃへの光路長は等しいので、これによる上記遅延の緩和作用はない。このため、Ｌ４＋Ｌ５を、この信号電極中における高周波信号の波長の整数倍とすることによって、作用開始点ＡとＣとにおける各高周波信号の位相を合わせることができる。

本例では、更に、蛇行する接続部３７ｃ、３７ｄを設けることによって、各信号電極の長さの差を小さくすることができ、あるいは設計によっては両方の信号電極の長さを等しくすることができる。
このような蛇行する接続部は、前述したように、各信号電極の全長を等しくできるので、各信号電極を伝搬する間の高周波信号の振幅の減衰量を等しくすることができるほか、入力部から作用開始点まで又は作用終結点から出力部までの高周波信号の遅延の調整にも利用できる。

図２−図７に示すような各光変調器は、通常法によって製造できる。例えばＺカットニオブ酸リチウムウエハー上に、フォトリソグラフィー法によってチタンをパターニングし、熱拡散法で光導波路を形成できる。この際には、例えば、チタン厚さを８００オングストロームとし、幅を７μｍとし、拡散温度を１０００℃とし、拡散時間を２０時間とし、基板の主面に酸化珪素をパターニングして（厚さ０．５−２．０μｍ）バッファー層を形成する。更に、バッファー層の上に、レジスト等をパターニングし、その上に各電極のパターンを、厚さ１５−３０μｍのメッキによって形成できる。

本発明によれば、電気光学基板と、光導波路と、複数の進行波型の信号電極と、接地電極と、各々の信号電極に対して高周波信号を入力するための入力部とを備えている光変調器において、各信号電極における各動作電圧の差をなくし、あるいはバラツキを少なくでき、また、容器中への光変調器の収容と高周波信号伝送手段の各信号電極への結線作業を容易にできる。

（ａ）は、容器１内に光変調器４を収容した状態を模式的に示す図であり、（ｂ）は、容器側面の各高周波信号端子を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光変調器１１を示す平面図である。 図２の光変調器１１から、信号電極および光導波路の位置と寸法との関係を抽出して示す平面図である。 本発明の他の実施形態に係る光変調器２１を示す平面図である。 図４の光変調器２１から、信号電極および光導波路の位置と寸法との関係を抽出して示す平面図である。 本発明の他の実施形態に係る光変調器３１を示す平面図である。 図６の光変調器３１から、信号電極および光導波路の位置と寸法との関係を抽出して示す平面図である。 従来の光変調器の平面図である。

符号の説明

１ 光変調装置
２ 容器（パッケージ）
４，１１，２１，３１ 光変調器
５Ａ，５Ｂ 光ファイバー（光伝送手段）
１２ 基板
１２ａ，１２ｂ 端面
１２ｃ 一方の側面
１２ｄ 他方の側面
１２ｅ 主面
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅ，１３Ｆ 接地電極
１４Ａ，１４Ｂ 入力部
１５Ａ，１５Ｂ 出力部
１６，１７，２６，２７，３６，３７ 信号電極
Ａ，Ｃ 作用開始点
Ｂ，Ｄ 作用終結点
Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ 信号電極と光導波路との交叉点

Claims (3)

1. 電気光学効果を有する材質からなる、主面と一対の端面と一対の側面とを有する基板、この基板の主面上において一対の端面の間に延びており、光波を伝搬するための光導波路、光導波路中を伝搬する光波を制御するための複数の進行波型の信号電極、前記基板の主面上に設けられている接地電極、および各々の信号電極に対して高周波信号を入力するための入力部と出力するための出力部とを少なくと備え、
   前記複数の信号電極が少なくとも第一の信号電極と第二の信号電極とを含んでおり、前記光導波路が、少なくとも入力側の分岐部、この分岐部よりも下流の少なくとも第一の分岐導波路および第二の分岐導波路を備えており、第一の信号電極が第一の分岐導波路に対して作用するものであり、第二の信号電極が第二の分岐導波路に対して作用するものである光変調器において、
   各入力部又は各出力部が同一面側又はその近傍に設けられ、前記第一の信号電極の前記入力部から前記出力部までの長さが、前記第二の信号電極の前記入力部から前記出力部までの長さとが、実質的に等しくなるように、少なくとも一方の信号電極に蛇行部を設けることを特徴とする光変調器。
2. 請求項１に記載の光変調器において、各信号電極が各分岐導波路に対して作用する各作用部から各入力部又は各出力部までの距離を、第一及び第二の信号電極との間で比較し、該距離が短い方の信号電極に、入力部又は出力部から作用部までの間に蛇行部を設けることを特徴とする光変調器。
3. 請求項２に記載の光変調器において、前記蛇行部は、出力部の近傍に設けられることを特徴とする光変調器。
   

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