JP2005077987A

JP2005077987A - 光変調器

Info

Publication number: JP2005077987A
Application number: JP2003311277A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Ichioka; 雅之市岡; Junichiro Ichikawa; 潤一郎市川
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2005-03-24

Abstract

【課題】
非動作時の出力光を抑制すると共に、消費電力の少ない光変調器を提供すること。
【解決手段】
電気光学効果を有する材料からなる基板１と、該基板上に形成されるマッハ・ツェンダー型光導波路（１２〜１５）とを有する光変調器において、該マッハ・ツェンダー型光導波路を形成する２つの分岐導波路１３，１４の光路長の差が、λ（ｎ＋１／２）（ただし、λは光導波路を伝播する光波の波長、ｎは整数）となるように設定されていることを特徴とする。例えば、該分岐導波路の光路長の差が、２つの分岐導波路１３，１４の長さを調整することにより設定される。
【選択図】図２

Description

本発明は、光変調器に関し、特に、マッハ・ツェンダー型光導波路を有する光変調器に関する。

光通信及び光計測の分野において、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する基板を用いた光変調器が利用されている。
このような光変調器の例としては、図１に示すようなマッハ・ツェンダー型光変調器（ＭＺ型光変調器）が知られている。これは、電気光学効果を有する基板１上に、分岐導波路３，４を有する導波路２〜５を形成すると共に、該分岐導波路に電界を印加するための変調用電極（不図示）を形成し、該導波路を通過する光波の位相を変調するものである。

図１のような光変調器の動作方法は、光変調器に入射する光波６が導波路２に入射し、Ｙ分岐導波路により、分岐導波路３及び４に光波が分岐される。分岐導波路３及び／または分岐導波路４には、不図示の変調用電極により電界が印加され、該分岐導波路内を伝播する光波の位相が変調される。
分岐導波路３，４を伝播した光波は、別のＹ分岐導波路により合波され、導波路５を介して、光変調器の外部へ光波７として出射される。
合波部において、分岐導波路３を伝播した光波と、分岐導波路４を伝播した光波の位相差に応じて、合波光は強度変調を生ずる。例えば、位相差が、光波の波長の整数倍である場合には、合波光の光量が最大となり、逆に、位相差が、更に半波長分ずれる場合には、合波光の光量が最小となる。

一般的に、図１のような光変調器においては、合波時の強度変調が最適に行われるようにするためには、各分岐導波路を伝播する光波の光量を等しくする必要があり、各分岐導波路の状態（導波路の長さや幅等）を、同じ状況となるように維持している。
このため、変調用電極に駆動電圧が印加されていない状況においては、光変調器から出射する光波は、常に最大光量となっており、該光変調器が動作していないにも拘らず、該光変調器からの出力光が、他の光通信機器や光計測機器に入射し、誤動作や誤計測の原因となる問題を生じている。
また、光変調器が動作していない場合に、光変調器から出力光が出ないようにするためには、常に光変調器の変調用電極に所定のバイアス電圧を印加することが必要となり、非動作時の消費電力の増大の原因ともなっていた。

本発明の目的は、上述した従来の光変調器に関する問題を解消し、非動作時の出力光を抑制すると共に、消費電力の少ない光変調器を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板上に形成されるマッハ・ツェンダー型光導波路とを有する光変調器において、該マッハ・ツェンダー型光導波路を形成する２つの分岐導波路の光路長の差が、λ（ｎ＋１／２）（ただし、λは光導波路を伝播する光波の波長、ｎは整数）となるように設定されていることを特徴とする。
なお、上記の「分岐導波路の光路長」とは、該分岐導波路を伝播する光波における実効屈折率を考慮した光路長を意味する。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光変調器において、該分岐導波路の光路長の差が、２つの分岐導波路の長さを調整することにより設定されていることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光変調器において、該分岐導波路の光路長の差が、２つの分岐導波路中の屈折率を調整することにより設定されていることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、請求項３に記載の光変調器において、該屈折率の調整は、該分岐導波路の幅を変更することにより調整されていることを特徴とする。

また、請求項５に係る発明は、請求項３に記載の光変調器において、該屈折率の調整は、該分岐導波路上に形成される膜体の形状又は膜体の有無により調整されていることを特徴とする。

また、請求項６に係る発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の光変調器において、該分岐導波路の光路長の差が、２つの分岐導波路の少なくとも一方に挿入される位相調整部材により設定されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、マッハ・ツェンダー型光導波路を形成する２つの分岐導波路の光路長の差が、λ（ｎ＋１／２）（ただし、λは光導波路を伝播する光波の波長、ｎは整数）となるように設定されているため、変調用電極に駆動電圧を印加しない状態において、分岐導波路を伝播した光波の合波した状態が、合波光の光量を最小とする状態となる。これにより、光変調器が動作していない場合には、光変調器から出力光が出射されず、他の光通信機器や光計測機器を誤動作させることがなく、しかも、出力光を最小値に維持するためのバイアス電圧の印加も省略でき、非動作時の消費電力を抑制することが可能となる。

請求項２に係る発明により、分岐導波路の光路長の差を、２つの分岐導波路の長さを調整することにより設定できるため、基板上に導波路を形成する際の導波路パターンを変更するのみで、容易に調整することが可能となり、従来の光変調器の製造方法に特段の変更を加えることなしに、本発明に係る光変調器を製造することができる。

請求項３に係る発明のように、分岐導波路の光路長の差は、２つの分岐導波路中の屈折率を調整することでも、設定可能である。特に、請求項４に係る発明のように、分岐導波路の幅を変更することにより、屈折率を調整する場合には、請求項２に係る発明と同様に、基板上に導波路を形成する際の導波路パターンを変更するのみで、容易に調整することが可能となる。
また、請求項５に係る発明のように、分岐導波路上に形成される膜体の形状又は膜体の有無により、分岐導波路の光路長の差を調整することも可能である。この場合には、分岐導波路上に所定のパターンの膜体を形成する方法や、予め形成された膜体を、例えば、光変調器からの出力光をモニタしながら、部分的に除去することにより、光路長の差を調整することも可能である。

請求項６に係る発明により、分岐導波路の光路長の差を、２つの分岐導波路の少なくとも一方に挿入される位相調整部材で調整することが可能となるため、光変調器の利用方法に応じて、位相調整部材を種々選択でき、必要な光路長差に設定することも可能となる。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
図２は、本発明に係る光変調器の第１の実施例を示す図である。
１は、電気光学効果を有する材料で構成される基板であり、該基板１上には、導波路１２〜１５、さらには、不図示の変調用電極が形成されている。
本発明に係る光変調器に用いられる基板材料としては、従来の光変調器で利用されている電気光学効果を有する材料が利用可能であり、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料が利用できる。特に異方性が大きいという理由から、ＬｉＮｂＯ_３結晶、ＬｉＴａＯ_３結晶、又はＬｉＮｂＯ_３及びＬｉＴａＯ_３からなる固溶体結晶を用いることが好ましい。

基板上に形成される導波路としては、例えば、基板表面にＴｉなどを熱拡散させて形成する。また、導波路中の光の伝搬損失を低減させるなどの目的に応じて、導波路上や基板上に、誘電体ＳｉＯ_２等のバッファ層を設けることも可能である。
また、変調用電極については、ＴｉやＡｕの導電性金属を、フォトレジストなどを用いたパターン形成方法やメッキ方法などにより、電極として形成することが可能である。

図２においては、分岐導波路１３の長さ（導波路１２のＹ分岐点から導波路１５のＹ分岐点までの分岐導波路１３の全長を意味する）と、分岐導波路１４の長さとは、分岐導波路１３の方がより長く設定され、長さの差は、各分岐導波路１３，１４を伝播する光波の光路長の差が、以下の条件を満たすように設定されている。
λ（ｎ＋１／２）（ただし、λは光導波路を伝播する光波の波長、ｎは整数）

この構成により、変調用電極に駆動電圧を印加しない状態において、分岐導波路を伝播した光波の合波した状態が、合波光の光量を最小とする状態となる。これにより、光変調器が動作していない場合には、光変調器から出力光が出射されず、他の光通信機器や光計測機器を誤動作させることがなく、しかも、出力光を最小値に維持するためのバイアス電圧の印加も省略でき、非動作時の消費電力を抑制することが可能となる。

図３は、本発明に係る光変調器の第２の実施例を示す図である。
基板１上に、導波路２２〜２５が形成されている。特に、分岐導波路２３の一部は、導波路の幅が、分岐導波路２４の同様の位置の幅よりも、太く形成されている。
導波路の幅を変更することにより、導波路内を伝播する光波の実効屈折率を変化させることが可能となる。

例えば、光路長の差の調整領域として、分岐導波路２３における長さ１．５〜２ｍｍを幅６．１〜６．５μｍとし、分岐導波路２４を同様の長さで、幅６μｍとすることにより、約１／２λの調整が可能となる。
さらに、分岐導波路の幅を太くすることにより、分岐導波路の幅太部分の長さを短くすることが可能となる。

このように、分岐導波路２３，２４の長さが同じ場合でも、分岐導波路を伝播する光波の実効屈折率を変化させることにより、光波の光路長を変更することが可能となる。
結果として、各分岐導波路２３，２４を伝播する光波の光路長の差が、λ（ｎ＋１／２）（ただし、λは光導波路を伝播する光波の波長、ｎは整数）の条件を満足する場合には、上述のように、光変調器の非動作時の出力光を最小光量とすることが可能となる。

図４は、本発明に係る光変調器の第３の実施例を示す図である。
図４（ａ）は、光変調器の上面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の一点鎖線Ａに光変調器の断面図である。
基板１上には、導波路３２〜３５が形成され、該分岐導波路３３上には、さらに、Ｔａ_２Ｏ_５などの膜体３６が形成されている。そして、基板全体には、ＳｉＯ_２などの誘電体を利用したバッファ層３０が形成されている。なお、膜体３６の材料としては、屈折率が基板１に近く、導波路上に形成した場合の接合面にかかるストレスが大きくなるものが望ましい。
このように、分岐導波路上に形成される膜体の形状又は膜体の有無により、分岐導波路を伝播する光波の実効屈折率を変化させることが可能であり、この性質を利用して、分岐導波路の光路長の差を調整することも可能である。

例えば、分岐導波路３３上に、厚さ０．２〜０．５μｍ、幅は分岐導波路より幅広、長さは１〜３ｍｍの形状を有するＴａ_２Ｏ_５の膜体３６を、スパッタリングで形成することにより、約１／２λの調整が可能となる。
さらに、膜体の厚みを増加することにより、分岐光導波路に沿った長さを短くすることも可能である。また、膜体の硬度や線膨張係数、基板と膜体との接合強度などにより、分岐導波路の屈折率が影響を受ける点も、併せて考慮することが必要である。

膜体を用いた分岐導波路の光路長の差を調整する方法としては、分岐導波路上に所定のパターンの膜体を形成する方法や、予め形成された膜体を、例えば、光変調器からの出力光をモニタしながら、部分的に除去することにより、光路長の差を調整することも可能である。
また、上記膜体として、バッファ層を利用し、バッファ層の厚みを部分的に調整する方法や、基板上の少なくとも一方の分岐導波路の近傍に溝を形成し、機械的ストレスを分岐導波路に加える方法などにより、分岐導波路の実効屈折率を変化させ、光路長の差を調整することも可能である。

図５は、本発明に係る光変調器の第４の実施例を示す図である。
基板１上に、導波路４２〜４５が形成されている。特に、分岐導波路４３の一部は、半波長板などの位相調整部材４０が挿入されるよう構成されている。
位相調整部材は、半波長板などの板状部材に限らず、基板１と異なる屈折率を有する材料を、基板１に形成された溝に充填するものであってもよい。

さらに、分岐導波路の屈折率を直接変更する方法としては、基板１と異なる屈折率を有する材料を、スパッタリングなどにより、分岐導波路にドープすることも可能である。
本発明に係る光変調器は、上述した実施例のものに限らず、これらを、単独あるいは組合わせて用いることも可能である。

以上、説明したように、本発明に係る光変調器を用いることにより、非動作時の出力光を抑制すると共に、消費電力の少ない光変調器を提供することが可能となる。

マッハ・ツェンダー型光変調器を示す図である。本発明に係る第１の実施例を示す図である。本発明に係る第２の実施例を示す図である。本発明に係る第３の実施例を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面である。本発明に係る第４の実施例を示す図である。

符号の説明

１基板
２〜５，１２〜１５，２２〜２５，３２〜３５，４２〜４５導波路
３０誘電体
４０位相調整部材

Claims

電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板上に形成されるマッハ・ツェンダー型光導波路とを有する光変調器において、
該マッハ・ツェンダー型光導波路を形成する２つの分岐導波路の光路長の差が、λ（ｎ＋１／２）（ただし、λは光導波路を伝播する光波の波長、ｎは整数）となるように設定されていることを特徴とする光変調器。
請求項１に記載の光変調器において、該分岐導波路の光路長の差が、２つの分岐導波路の長さを調整することにより設定されていることを特徴とする光変調器。
請求項１又は２に記載の光変調器において、該分岐導波路の光路長の差が、２つの分岐導波路中の屈折率を調整することにより設定されていることを特徴とする光変調器。
請求項３に記載の光変調器において、該屈折率の調整は、該分岐導波路の幅を変更することにより調整されていることを特徴とする光変調器。
請求項３に記載の光変調器において、該屈折率の調整は、該分岐導波路上に形成される膜体の形状又は膜体の有無により調整されていることを特徴とする光変調器。
請求項１乃至５のいずれかに記載の光変調器において、該分岐導波路の光路長の差が、２つの分岐導波路の少なくとも一方に挿入される位相調整部材により設定されていることを特徴とする光変調器。