JP2005141156A - Optical modulator and communication system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信システムおよび光信号処理システムなどに用いられる光変調素子と、当該光変調素子を有する通信システムに関している。 The present invention relates to an optical modulation element used in an optical communication system and an optical signal processing system, and a communication system having the optical modulation element.
光変調素子は、高速光通信や光信号処理システムなどにおいて基本となる素子であり、将来、超高速で動作できる光変調素子の必要性はますます増大するものと考えられる。従来利用されてきた半導体レーザによる直接変調では、超高速光変調に対応することが困難であるため、最近では、高速動作が可能な外部変調型の素子の開発が急がれている。中でも、特に、大きなポッケルス効果を有する誘電体結晶を用いた、いわゆる電気光学光変調素子は、超高速動作が可能であり、また、光変調に伴う光信号の位相の乱れも少ないことから、高速情報伝送や長距離光ファイバ通信などに非常に適している。さらに、光導波路構造を用いれば、小型化と高効率化とを一挙に実現できる可能性がある。 An optical modulation element is a basic element in high-speed optical communication, an optical signal processing system, and the like, and it is considered that the need for an optical modulation element capable of operating at an ultra-high speed will increase in the future. Since direct modulation using a semiconductor laser that has been conventionally used is difficult to cope with ultra-high-speed optical modulation, the development of an external modulation type element capable of high-speed operation has been urgent recently. In particular, a so-called electro-optic light modulation element using a dielectric crystal having a large Pockels effect is capable of ultra-high-speed operation, and there is little disturbance in the phase of the optical signal accompanying light modulation. It is very suitable for information transmission and long-distance optical fiber communication. Furthermore, if an optical waveguide structure is used, there is a possibility that both miniaturization and high efficiency can be realized at once.
一般に、電気光学光変調素子は、電気光学結晶上に変調電極として設けられた変調信号を伝搬させる伝送線路と、伝送線路の近傍に形成された光導波路とにより構成されている。つまり、変調電極の周辺に誘起される電界に応じて光導波路部分の屈折率が変化すると、光導波路中を伝搬する光波の位相が変調信号に伴って変化するという現象を利用したものである。 In general, an electro-optic light modulation element includes a transmission line that propagates a modulation signal provided as a modulation electrode on an electro-optic crystal, and an optical waveguide formed in the vicinity of the transmission line. That is, a phenomenon is utilized in which when the refractive index of the optical waveguide portion changes according to the electric field induced around the modulation electrode, the phase of the light wave propagating in the optical waveguide changes with the modulation signal.
ところで、電気光学光変調素子においては、光変調の基本となる電気光学係数は、通常の結晶では比較的小さい。従って、この方式の光変調素子においては、高い変調効率を実現するため、電界を光導波路に効率よく印加することが重要となる。 By the way, in the electro-optic light modulation element, the electro-optic coefficient that is the basis of the light modulation is relatively small in a normal crystal. Therefore, in this type of light modulation element, it is important to efficiently apply an electric field to the optical waveguide in order to achieve high modulation efficiency.
図6は、非特許文献1に記載されている従来の光変調素子の一例を簡略化して示した斜視図である。この光変調素子においては、電気光学効果を有する材料から形成された基板1の表面部に光導波路2が形成されている。光導波路2は、基板1の屈折率を他の部分よりもわずかに増加させた領域から構成されており、全反射によって光波を導波させることができる。屈折率の上昇は、基板1の一部に金属を熱拡散することなどによって行なわれるる。光導波路2の左右両側において、基板1の上面上には、アルミニウムや金などの金属膜からなる変調電極3が設けられている。変調電極3は互いに平行な2つの線路3a、3bによって構成されており、コプレナー線路構造を有している。
FIG. 6 is a simplified perspective view showing an example of a conventional light modulation element described in Non-Patent
光導波路2は、2箇所の分岐点7a、7bで2つの分岐光導波路2a、2bに分岐しており、入口側光導波路2cから入力された入力光が一方の分岐点7aで分岐して2つの分岐光導波路2a、2bを通過した後、他方の分岐点7bで共通の出口側光導波路2dを進むように構成されている。
The optical waveguide 2 is branched into two branched
基板1の上には、光導波路2の各分岐光導波路2a、2bに沿うように延びる2つの線路3a、3bからなるコプレナー線路構造の変調電極3が設けられている。各線路3a、3bの各内側端は、各分岐光導波路2a、2bのほぼ中央部の直上に位置するように形成されていて、変調電極3の一方の端に高周波信号源4が接続され、他方の端には終端抵抗5が接続されている。
On the
入力光は、入口側光導波路2cから導入され、各分岐光導波路2a、2bを通過する際に、以下のように、光変調作用を受ける。
The input light is introduced from the entrance-side
高周波信号源4から高周波信号が供給されると、変調電極3を光と同じ方向に伝搬し、間隙部6に電界が生じる。そして、電気光学的効果により、分岐光導波路2a、2bを構成する材料の屈折率が電界強度に応じて変化する。本形態においては、分岐光導波路2aと分岐光導波路2bとには互いに上下逆方向の電界が印加されるので、基板1が例えばzカットのニオブ酸リチウム結晶により構成されている場合、2つの分岐光導波路2a、2bを通る光には互いに逆の位相変化が与えられる。したがって、出口側光導波路2dでは、分岐光導波路2a、2bを通過した2つの光の干渉が生じ、この干渉によって出力光の強度が変化することにより、本形態の光変調素子は光強度変調器として動作する。
従来の電気光学光変調器は、屈折率差を利用して光を閉じこめる光導波路を用いている。この場合、曲がり部分8において、急激な曲がりを作ると、光波が光導波路外に放射し、損失の原因となるので、曲がり角度(通常1°程度)は非常に小さくする必要がある。また、分岐部分7a、7bにおいても、分岐角度を大きくすると、光波が分岐光導波路に移行せずに、同様に光導波路外に放射し、損失の原因となるので、これについても同様に、分岐角度を非常に小さくする必要がある。このため、素子サイズが特に長手方向の寸法が非常に大きくなるという問題があった。
A conventional electro-optic light modulator uses an optical waveguide that confines light using a refractive index difference. In this case, if a sharp bend is made in the
また、間隙部6の幅を小さくし、光導波路2a、2bを接近させることにより、同じ電圧に対して、生じる電界強度が大きくできるので、変調効率を改善できるが、実際には、光導波路間の光波の結合の影響のために、通常20〜30μm程度以下にはできない。この点も、素子の小型化、高効率化を阻む要因の一つである。
Further, by reducing the width of the
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、光通信システム等に組み込み得る小型で高効率の光変調素子を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a main object thereof is to provide a small and highly efficient light modulation element that can be incorporated into an optical communication system or the like.
本発明による光変調素子は、ある面に沿って延びる光導波路と、光波の伝搬を前記面に平行な方向において規制する第1光ガイド部と、前記光波の伝搬を前記面に垂直な方向において規制する第2光ガイド部とを有する光変調素子であって、前記第1光ガイド部は前記光導波路の外部に配置されたフォトニック結晶を有し、かつ、前記第2光ガイド部は前記光導波路の屈折率よりも低い屈折率を有する領域を有しており、前記第1光ガイド部、および第2光ガイド部は、いずれも、電気光学効果を示す材料から形成された基板内に設けられており、かつ、前記第2光ガイド部は、前記光導波路の結晶構造と実質的に同一の結晶構造を有している
好ましい実施形態において、前記光導波路は、前記基板上または前記基板内に形成されている。
An optical modulation element according to the present invention includes an optical waveguide extending along a certain surface, a first light guide portion for restricting light wave propagation in a direction parallel to the surface, and the light wave propagation in a direction perpendicular to the surface. A light modulation element having a second light guide portion to be regulated, wherein the first light guide portion has a photonic crystal disposed outside the optical waveguide, and the second light guide portion has the second light guide portion. A region having a refractive index lower than the refractive index of the optical waveguide is included, and both the first light guide portion and the second light guide portion are formed in a substrate formed of a material exhibiting an electro-optic effect. And the second light guide portion has a crystal structure substantially the same as the crystal structure of the optical waveguide. In a preferred embodiment, the optical waveguide is on the substrate or the substrate. Is formed inside.
好ましい実施形態において、前記基板は、前記面に平行な主面を有しており、前記光導波路および前記第1光ガイド部は、前記基板の主面側に形成され、前記光導波路の下方に位置している。 In a preferred embodiment, the substrate has a main surface parallel to the surface, and the optical waveguide and the first light guide portion are formed on the main surface side of the substrate, and are below the optical waveguide. positioned.
好ましい実施形態において、前記第1光ガイド部は、前記基板の主面に設けられた凹部および/または凸部の周期的配列構造を有している。 In a preferred embodiment, the first light guide portion has a periodic arrangement structure of concave portions and / or convex portions provided on the main surface of the substrate.
好ましい実施形態において、前記光導波路は、前記基板の主面側に形成された改質層から構成されている。 In a preferred embodiment, the optical waveguide is composed of a modified layer formed on the main surface side of the substrate.
好ましい実施形態において、前記光導波路を伝搬する光に対して光変調用高周波信号を印加する電極を前記基板上に備えている。 In a preferred embodiment, an electrode for applying a high-frequency signal for light modulation to light propagating through the optical waveguide is provided on the substrate.
好ましい実施形態において、前記第1光ガイド部は、前記面に平行な方向に伝搬しようとする光波に対するフォトニックバンドギャップを有する2次元フォトニック結晶構造を有している。 In a preferred embodiment, the first light guide portion has a two-dimensional photonic crystal structure having a photonic band gap with respect to a light wave that is to propagate in a direction parallel to the surface.
好ましい実施形態において、前記光導波路の少なくとも一部分は、前記第1光ガイド部のフォトニック結晶構造と接触している。 In a preferred embodiment, at least a part of the optical waveguide is in contact with the photonic crystal structure of the first light guide portion.
好ましい実施形態において、前記光導波路は少なくとも2本の分岐光導波路を有しており、それによってマッハツェンダー干渉計を形成している。 In a preferred embodiment, the optical waveguide has at least two branch optical waveguides, thereby forming a Mach-Zehnder interferometer.
好ましい実施形態において、前記2本の分岐光導波路の間の領域がフォトニック結晶構造を有している。 In a preferred embodiment, a region between the two branch optical waveguides has a photonic crystal structure.
好ましい実施形態において、前記2本の分岐光導波路の分岐角度は、5°以上である。 In a preferred embodiment, the branch angle of the two branch optical waveguides is 5 ° or more.
好ましい実施形態において、前記2本の分岐光導波路の間隔は、10μm以下である。 In a preferred embodiment, the interval between the two branch optical waveguides is 10 μm or less.
本発明による通信システムは、電気信号を光信号に変換するための光変調素子を備えた通信システムであって、前記光変調素子は、請求項1から13のいずれかに記載された光変調素子である。
The communication system according to the present invention is a communication system including an optical modulation element for converting an electrical signal into an optical signal, and the optical modulation element is the optical modulation element according to any one of
本発明の光変調素子によれば、光変調効率が向上し、素子を小型化できる。この光変調素子を通信システムに用いることにより、ミリ波レベルの高周波信号を利用した通信が可能になる。 According to the light modulation element of the present invention, the light modulation efficiency is improved and the element can be miniaturized. By using this light modulation element in a communication system, communication using a high-frequency signal of a millimeter wave level becomes possible.
近年、「フォトニック結晶」を利用した各種光学デバイスの研究・開発が進められている。「フォトニック結晶」とは、光の波長と同程度の周期で屈折率媒質を配列した新しい光材料である。通常の固体結晶では、原子の周期的な配列によって電子エネルギのバンド構造が形成されるのに対して、フォトニック結晶では、光のエネルギのバンド構造が形成される。バンド構造に形成に伴い、フォトニック結晶中には「フォトニックバンドギャップ」が形成される。このフォトニックバンドギャップに相当するエネルギを有する光は、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶中を伝搬することができない。 In recent years, research and development of various optical devices using “photonic crystals” have been promoted. A “photonic crystal” is a new optical material in which refractive index media are arranged with a period similar to the wavelength of light. In a normal solid crystal, a band structure of electron energy is formed by a periodic arrangement of atoms, whereas in a photonic crystal, a band structure of light energy is formed. Along with the formation of the band structure, a “photonic band gap” is formed in the photonic crystal. Light having energy corresponding to the photonic band gap cannot propagate through the photonic crystal having the photonic band gap.
本発明では、電気光学効果を有する材料にフォトニック結晶構造を形成し、実用的な光変調素子を実現する。 In the present invention, a practical light modulation element is realized by forming a photonic crystal structure in a material having an electro-optic effect.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施形態1)
まず、図1(a)および(b)を参照しながら、本発明による光変調素子の第1の実施形態を説明する。図1(a)は、本実施形態の光変調素子の平面図であり、図1(b)は、そのA−A’線断面図である。
(Embodiment 1)
First, a first embodiment of a light modulation element according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b). Fig.1 (a) is a top view of the light modulation element of this embodiment, FIG.1 (b) is the sectional view on the AA 'line.
図1(a)に示すように、本実施形態の光変調素子は、電気光学効果を示す材料から形成された基板1と、この基板1内に設けられた光導波路とを有しており、光導波路内への光波の閉じ込めは、2つの異なる手段によって行なっている。すなわち、この光変調素子は、光波の伝搬を基板主面に平行な方向において規制する第1光ガイド部と、光波の伝搬を基板主面に垂直な方向において規制する第2光ガイド部とを有している。
As shown in FIG. 1A, the light modulation element of the present embodiment includes a
第1光ガイド部は光導波路の外部に配置されたフォトニック結晶を有し、第2光ガイド部は光導波路の屈折率よりも低い屈折率を有する領域を有している。第1光ガイド部、および第2光ガイド部は、いずれも、基板内に設けられており、かつ、第2光ガイド部は、光導波路の結晶構造と実質的に同一の結晶構造を有している
基板1は、タンタル酸リチウム(LiTaO3)単結晶、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)単結晶などの電気光学効果を有する結晶材料から形成されている。この基板1の主面のうち、第1光ガイド部として機能する領域には、エッチングによって形成された多数の凹部(ピット)9が配列されている。基板1の主面のうち、光導波路2が設けられている領域にはピット9は形成されておらず、光導波路2の平面レイアウトは、ピット9が形成された領域(第1光ガイド部)によって規定されている。
The first light guide portion has a photonic crystal disposed outside the optical waveguide, and the second light guide portion has a region having a refractive index lower than that of the optical waveguide. The first light guide portion and the second light guide portion are both provided in the substrate, and the second light guide portion has a crystal structure substantially the same as the crystal structure of the optical waveguide. The
ピット9の形状、大きさ、および配置を適切に設定することにより、いわゆる2次元のフォトニック結晶構造を構成することができる。こうして形成したフォトニック結晶構造部分では、2次元方向(基板1の主面に平行な面内方向)にフォトニックバンドギャップが生じる。フォトニックバンドギャップが生じると、ある周波数の光波が前記面内方向に伝搬しないようにすることができる。なお、図1においては、ピット9が円柱形状を有するように記載されているが、ピット9の形状は円柱に限定されない。 By appropriately setting the shape, size and arrangement of the pits 9, a so-called two-dimensional photonic crystal structure can be configured. In the photonic crystal structure portion thus formed, a photonic band gap is generated in a two-dimensional direction (in-plane direction parallel to the main surface of the substrate 1). When a photonic band gap occurs, it is possible to prevent a light wave having a certain frequency from propagating in the in-plane direction. In FIG. 1, the pit 9 is described as having a cylindrical shape, but the shape of the pit 9 is not limited to a cylindrical shape.
本実施形態では、2次元的なフォトニック結晶構造を用いることにより、フォトニックバンドギャップに相当する周波数の光波の2次元的なガイド構造を形成しているが、このガイド構造だけでは、基板1の主面に対して垂直な方向に光波の伝搬は可能である。そこで、本実施形態の光変調素子では、光導波路と、その下方領域との間に屈折率差を形成することにより、光波が光導波路から下方に漏れてゆかないようにしている。このように、本実施形態の特徴点の一つは、横方向の光の閉じ込めはフォトニック結晶構造によって行い、垂直方向の光の閉じ込めは屈折率差によって実現している点にある。より具体的には、図1(b)に示すように、基板1の表面領域に他の領域よりも屈折率がわずかに高い部分(高屈折率層11)を形成している。この高屈折率層11は、例えば、電気光学効果を有する結晶に対して金属の熱拡散やプロトン交換などの処理を行なうことにより、簡単に形成することができる。高屈折率層11が形成された部分の基本的な結晶構造は、基板1の結晶構造と実質的に同一でありながら、屈折率が他の部分によりも上昇している。上述した「第2ガイド部分」は、基板1の内部において高屈折率層11以外の部分(高屈折率層11に隣接する部分)に相当している。
In this embodiment, a two-dimensional photonic crystal structure is used to form a two-dimensional guide structure of light waves having a frequency corresponding to the photonic band gap. It is possible to propagate a light wave in a direction perpendicular to the principal plane of the. Therefore, in the light modulation element of the present embodiment, a refractive index difference is formed between the optical waveguide and the lower region so that the light wave does not leak downward from the optical waveguide. As described above, one of the feature points of the present embodiment is that the lateral light confinement is performed by the photonic crystal structure, and the vertical light confinement is realized by the difference in refractive index. More specifically, as shown in FIG. 1B, a portion (high refractive index layer 11) having a slightly higher refractive index than the other regions is formed in the surface region of the
なお、深さ方向に関する光波の伝搬制御は、例えば図2(a)および(b)に示す構成(公知技術の単なる組み合わせによる構成)によっても実現することが可能である。図2(a)および(b)に示す構成では、基板1が導波部分を空中に浮かすように支持している。このよう構造は、例えば、次のようにして作製される。まず、SiO2からなる基板1の上にSi層110を形成する。このSi層110に微小な開口部の配列を形成することによって2次元的なフォトニック結晶構造を作製した後、SiO2をエッチングする薬液を、上記開口部を介してSiO2の基板1に供給する。こうすることにより、基板1のうち、上記開口部に接する領域からエッチングが進行する。エッチング時間を適切に選択することにより、所定の厚さを有する空間を導波部分の下方に形成することができる。
Note that the propagation control of the light wave in the depth direction can be realized by, for example, the configuration shown in FIGS. 2A and 2B (configuration based on a simple combination of known techniques). In the configuration shown in FIGS. 2A and 2B, the
しかし、このような構成を採用する場合は、基板1の部分的なエッチングに用いる薬液の状態やエッチング時間によっては空洞を再現性良く形成できず、製造歩留まりが低くなる。また、LiNbO3に代表される電気光学結晶を基板に用いる場合には、このような作製方法は適用できないので、電気光学結晶を用いて図2(a)および(b)の構成を実現することはできない。
However, when such a configuration is adopted, the cavity cannot be formed with good reproducibility depending on the state of the chemical used for partial etching of the
これに対し、本実施形態では、光波の伝搬を深さ方向に関して規制するため、エッチングなどの処理を基板に対して行なう代わりに、基板1の主面側で表面改質を行なうことにより、高屈折率層11を形成している。光波は、相対的に屈折率の高い領域に閉じ込められ、しかも、フォトニックバンドギャップに相当する波長の光はフォトニック結晶構造を有する領域には侵入しない。このため、本実施形態の光変調素子によれば、基板表面に形成された高屈折率層11のうち、ピット9が存在しない部分(光導波路2の部分)のみを光波が伝搬することになる。
On the other hand, in this embodiment, in order to restrict the propagation of light waves in the depth direction, instead of performing processing such as etching on the substrate, surface modification is performed on the main surface side of the
なお、フォトニックバンドの大きさは、ピット9の配列周期に大きく依存する。このため、光導波路を伝搬させるべき光波の波長が与えられたならば、その波長の伝搬を阻止するようにピット9の配列周期が決定される。 Note that the size of the photonic band largely depends on the arrangement period of the pits 9. For this reason, when the wavelength of the light wave to be propagated through the optical waveguide is given, the arrangement period of the pits 9 is determined so as to prevent the propagation of the wavelength.
図1(a)では、基板1の主面のうち、光導波路以外の領域の全体にピット9が配列されているが、実際には、光導波路から離れた位置にピット9を配置する必要はない。ピット9は、数個程度の列によってもフォトニック結晶構造を形成し得る。このため、光導波路の近傍に複数列のピット9が形成されていれば、基板1の主面において光導波路以外の領域の全体にピット9が形成されている必要はない。
In FIG. 1A, the pits 9 are arranged in the entire region other than the optical waveguide in the main surface of the
したがって、光導波路のうち、大きく折れ曲がる部分の近傍のみにピット9の配列を形成しても良い。すなわち、従来から知られているタイプの種々の光導波路と、本発明の光導波路とを同一基板上に組み合わせて用いても良い。 Therefore, the array of pits 9 may be formed only in the vicinity of a portion that is largely bent in the optical waveguide. That is, various types of conventionally known optical waveguides and the optical waveguide of the present invention may be used in combination on the same substrate.
図1(b)では、ピット9の内部は空洞であって空気に満たされているように記載されているが、ピット9の内部は、基板1の材料とは異なる材料で埋められていてもよい。例えば、基板1の主面は絶縁膜で被覆されていても良い。この場合、この絶縁膜の屈折率は、基板1に形成する高屈折率層11の屈折率とは異なる値を持つ必要がある。
In FIG. 1B, the inside of the pit 9 is described as being hollow and filled with air, but the inside of the pit 9 may be filled with a material different from the material of the
ピット9の形成は、例えば次のようにして行なうことができる。すなわち、フォトリソグラフィ技術によって基板1の主面上に感光性レジストを形成した後、ピット9の配列パターンを規定するフォトマスクを用いて、この感光性レジストを露光・現像する。次に、このようにしてパターニングした感光性レジストをエッチングマスクとして用い、基板1の露出部分を選択的にエッチングすればよい。高屈折率層11は、ピット9の形成前に基板1の主面に形成しておく。基板1の他の部分に比べて高屈折率層11を優先的にエッチングする条件でピット9のためのエッチングを行なうことができれば、高屈折率層11の厚さに対応した深さを有するピット9を再現性良く形成しやすくなる。
The pit 9 can be formed as follows, for example. That is, after a photosensitive resist is formed on the main surface of the
基板1がLiNbO3などの電気光学効果を有する材料から形成されている場合、ピット9のアレイを形成するためのエッチングは、フッ素系ガスプラズマRIE(反応性イオンエッチング)やICP(誘導結合プラズマ)によって行なうことができる。ICPによる場合、還元性の強いCF4、BCl3、C4F8などのガスを用いれば、0.5μm/分のレートで基板1をエッチングすることができる。この方法では、感光性レジストに対する選択比1を実現できる。なお、ICPによってLiNbOxをエッチングできることは、第63回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集26a−D−20に記載されている。
When the
本実施形態の光導波路2は、マッハツェンダー干渉計として動作するように2箇所の分岐点7a、7bで2つの分岐光導波路2a、2bに分岐している。入口側光導波路2cから入力された入力光が一方の分岐点7aで分岐して2つの分岐光導波路2a、2bを通過した後、他方の分岐点7bで共通の出口側光導波路2dを進み干渉する。図1(a)における点線の矢印は、光の伝搬経路を示している。
The optical waveguide 2 of this embodiment is branched into two branch
基板1の主面側には、光導波路2の各分岐光導波路2a、2bに沿うように2つの線路3a、3bから構成される変調電極3が設けられている。各線路3a、3bの各内側端は、各分岐光導波路2a、2bのほぼ中央部の直上に位置するように形成されている。変調電極3の各線路3a、3bは、真空蒸着法、フォトリソグラフィ及びエッチングなどのプロセスを用いて形成されたアルミニウムや金などの金属膜によってそれぞれ構成されている。
On the main surface side of the
入力光は、入口側光導波路2cから導入され、各分岐光導波路2a、2bを通過する際に、以下のように、光変調作用を受ける。
The input light is introduced from the entrance-side
変調電極3の各線路3a、3b間に変調信号が印加されると、間隙部6には電界が生じる。そして、電気光学的効果により、分岐光導波路2a、2bを構成する材料の屈折率が電界強度に応じて変化する。本実施形態においては、分岐光導波路2aと分岐光導波路2bとには互いに上下逆方向の電界が印加されるので、基板1が例えばzカットのニオブ酸リチウム結晶により構成されている場合、2つの分岐光導波路2a、2bを通る光には互いに逆の位相変化が与えられる。したがって、出口側光導波路2dでは、分岐光導波路2a、2bを通過した2つの光の干渉が生じ、この干渉によって出力光の強度が変化することにより、本実施形態の光変調素子は光強度変調器として動作する。
When a modulation signal is applied between the
基板1のピット9が形成されている領域では、2次元方向(基板1の面内方向)にフォトニックバンドギャップが生じているため、バンドギャップに対応する周波数の光波は、このピット9が形成されている領域には伝搬できない。このため、曲がり部分8や分岐部分7での角度を非常に大きく取ったとしても、それらの部分における光波の放射による損失は非常に小さい。したがって、本実施形態の光変調素子は、従来の光導波路を用いた光変調素子に比べて特に長手方向のサイズを格段に小さくすることができる。
In the region of the
以下、図7を参照しながら、この点を詳細に説明する。 Hereinafter, this point will be described in detail with reference to FIG.
図7(a)から(c)は、それぞれ、光導波路2cから2本の光導波路2a、2bが分岐している部分を示している。図7(a)および図7(b)を比較するとわかるように、光導波路2aと光導波路2bとの間の分岐角を大きくすると、分岐のために必要な領域を少なくし、光変調素子を小型化できる(L1>L2)。しかし、光変調素子において標準的に利用されている全反射型導波路(LiNbO3結晶基板のTi拡散法によって形成される導波路)を用いて基板面内方向における光の閉じ込めを行なう光変調素子では、光導波路2aと光導波路2bとの間の分岐角を例えば5°以上に大きくすることはできない。このため、その分岐角は0.1〜2°程度に設定される。公知の光変調素子構造では、光導波路2aと光導波路2bとが並走する部分での光導波路の間隔は、20〜30μm程度である。このため、長さL1は1〜20mm程度の大きさになってしまう。このため、光変調素子のサイズを小さくするには、この長さL1を短縮することが強く求められる。
FIGS. 7A to 7C show portions where two
一方、図7(c)からわかるように、光導波路2aおよび光導波路2bが並走する領域での光導波路2a、2bの間隔を短縮すると、分岐角が小さい場合でも、光変調素子を小型化できる(L2≒L3)。しかし、光導波路2a、2bの間隔を短縮すると、光導波路2a、2bを伝搬する光が相互に干渉するという問題が生じる。このため、従来の全反射型導波路では、光導波路2a、2bを10μm以下に近づけることは困難である。
On the other hand, as can be seen from FIG. 7C, when the distance between the
これに対し、本実施形態の光変調素子では、フォトニック結晶構造によって光をガイドするため、図1(a)の破線で示すように急角度で屈曲する光導波路を実現でき、また、近接配置した光導波路間の干渉を抑制することも可能になる。 On the other hand, in the light modulation element of this embodiment, since the light is guided by the photonic crystal structure, an optical waveguide bent at a steep angle can be realized as shown by the broken line in FIG. It is also possible to suppress interference between the optical waveguides.
さらに、本実施形態の光変調素子によれば、フォトニック結晶構造が光導波路2a、2bの近傍に存在するため、光導波路2a、2bを伝搬する光波の群速度が低下するという効果も得られる。こうして光波の伝搬速度が低下すると、光導波路2a、2b中に蓄積される光波のエネルギが増加する。この効果によっても、変調効率が向上する。
Furthermore, according to the light modulation element of the present embodiment, since the photonic crystal structure is present in the vicinity of the
なお、ピット9の深さは、光導波路2の中を伝搬する光波の電磁界が存在する程度の深さ(通常は5μm程度以下)であれば十分である。ただし、ピット9が比較的浅い場合であっても、高屈折率層11の屈折率を高く設定すれば、光波の垂直方向の閉じこめ効果が強まるため、ピット9が深い場合に得られる効果と同様の効果を得ることができる。ピット9の直径は、光波の基板1内における波長の約1/4に設定することが好ましく、ピット9の配列周期は上記波長の約1/2に設定することが好ましい。
The depth of the pits 9 is sufficient if it is deep enough to contain an electromagnetic field of light waves propagating in the optical waveguide 2 (usually about 5 μm or less). However, even if the pit 9 is relatively shallow, if the refractive index of the high
本実施形態では、図1(b)に示されているように、基板1の主面のうち、フォトニック結晶構造が形成されている領域にも高屈折率層11が存在している。光波の横方向におけるガイドについては、フォトニック結晶構造によって実現するため、高屈折率層11を光導波路部分のみに形成する必要はない。このため、高屈折率層11を基板表面に形成するために必要な金属の拡散やプロトン交換などの処理に際して、マスクを用い、選択された領域のみに高屈折率層11を形成しても良い。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1B, the high
(実施形態2)
以下、図3(a)および(b)を参照しながら、本発明による光変調素子の第2の実施形態を説明する。図3(a)は、本実施形態の光変調素子の平面図であり、図3(b)は、そのA−A’線断面図である。
(Embodiment 2)
Hereinafter, a second embodiment of the light modulation device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3 (a) and 3 (b). FIG. 3A is a plan view of the light modulation element of this embodiment, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line AA ′.
本実施形態の光変調素子には、図3(a)に示すように、電気光学効果を有する基板1の表面部に、安息香酸を用いたプロトン交換法、金属膜の熱拡散法などを用いて形成された光導波路2が設けられている。基板1は、第1の実施形態で用いる基板1の材料と同様の材料から形成されている。
In the light modulation element of this embodiment, as shown in FIG. 3A, a proton exchange method using benzoic acid, a thermal diffusion method of a metal film, or the like is used on the surface portion of the
本実施形態における光導波路2は、基板1の主面に平行な方向における光の閉じ込めが可能なように、垂直方向だけではなく横方向にも屈折率差が与えられている。すなわち、第1の実施形態においては、高屈折率層11が基板1の主面にマスク無しに形成されているが、本実施形態では、マスクパターンを用いることにより、光導波路となる領域に他の部分によりも屈折率の高い領域が形成される。
The optical waveguide 2 in this embodiment is provided with a refractive index difference not only in the vertical direction but also in the lateral direction so that light can be confined in a direction parallel to the main surface of the
光導波路2は、2箇所の分岐点7a、7bで2つの分岐光導波路2a、2bに分岐している。入口側光導波路2cから入力された光は、一方の分岐点7aで分岐して2つの分岐光導波路2a、2bを通過した後、他方の分岐点7bで共通の出口側光導波路2dを進むように構成されており、光導波路によるマッハツェンダー干渉計として動作する。
The optical waveguide 2 is branched into two branch
本実施形態に特徴的な点は、光導波路2a、2b間に、エッチングにより形成された多数個のピット9が形成されている点にある。このピット9の形状、大きさ、および配置を適切に設定することにより、いわゆる2次元のフォトニック結晶構造が形成されている。これにより、2次元方向(基板1の主面に平行な方向)にフォトニックバンドギャップが生じている。本実施形態ににおけるピット9の役割は、2つの分岐光導波路2a、2bの間での光の結合・干渉を遮断することにある。
A characteristic point of this embodiment is that a large number of pits 9 formed by etching are formed between the
基板1の上には、光導波路2の各分岐光導波路2a、2bに沿うように2つの線路3a、3bから構成された変調電極3が設けられている。各線路3a、3bの各内側端は、各分岐光導波路2a、2bのほぼ中央部の直上に位置するように形成されている。変調電極3の各線路3a、3bは、真空蒸着法、フォトリソグラフィ及びエッチングなどのプロセスを用いて形成されたアルミニウムや金などの金属膜によってそれぞれ構成されている。
On the
入力光は、入口側光導波路2cから導入され、各分岐光導波路2a、2bを通過する際に、以下のように、光変調作用を受ける。
The input light is introduced from the entrance-side
変調電極3の一端から高周波信号が入力され、変調電極3の各線路3a、3bに変調信号が伝搬すると、間隙部6には電界が生じる。そして、電気光学的効果により、分岐光導波路2a、2bを構成する材料の屈折率が電界強度に応じて変化する。本実施形態においては、分岐光導波路2aと分岐光導波路2bとには互いに上下逆方向の電界が印加されるので、基板1が例えばzカットのニオブ酸リチウム結晶により構成されている場合、2つの分岐光導波路2a、2bを通る光には互いに逆の位相変化が与えられる。したがって、出口側光導波路2dでは、分岐光導波路2a、2bを通過した2つの光の干渉が生じ、この干渉によって出力光の強度が変化することにより、本実施形態の光変調素子は光強度変調器として動作する。
When a high frequency signal is input from one end of the modulation electrode 3 and the modulation signal propagates to the
本実施形態によれば、光導波路2aと光導波路2bとの間隙部6において、2次元方向(基板1の面内方向)にフォトニックバンドギャップが生じるため、特定周波数の光波が上記面内方向に伝搬できなくなる、このような構成を採用することにより、光導波路2aと光導波路2bとを接近させて配置した場合でも、これらの光導波路間における光波の結合を抑えることができる。その結果、フォトニック結晶構造を設けない場合に比べて、光導波路2aと光導波路2bとをより接近させることができる。具体的には、従来の光変調素子によると、2本の光導波路の間隔は20〜30μm程度が必要であるが、本実施形態の光変調素子によれば、この間隔を10μm程度またはそれ以下に減少させることが可能である。このように分岐した光導波路間隔を狭めると、同じ電圧を変調電極3a、3b間に印加した場合でも、間隙部6に強い電界が生じるため、光導波路2a、2b中の光波に与えられる位相変化量が大きくなり、変調効率が向上する。
According to the present embodiment, a photonic band gap is generated in the two-dimensional direction (in-plane direction of the substrate 1) in the
また、光導波路2a、2bフォトニック結晶構造の影響が、光導波路2a、2bを伝搬する光波の伝搬特性にも影響を与える。また、多くの場合、フォトニック結晶構造の存在によって、光導波路2a、2bを伝搬する光波の群速度を低下させられるので、これによって、光波の伝搬速度が低下し、光導波路2a、2b中に光波のエネルギが蓄積される。この効果によっても、変調効率を向上させることができる。
Further, the influence of the photonic crystal structure of the
(実施形態3)
以下、図4(a)および(b)を参照しながら、本発明による光変調素子の第3の実施形態を説明する。図4(a)は、本実施形態の光変調素子の平面図であり、図4(b)は、そのA−A’線断面図である。
(Embodiment 3)
Hereinafter, a third embodiment of the light modulation device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 4 (a) and 4 (b). FIG. 4A is a plan view of the light modulation element of this embodiment, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line AA ′.
本実施形態の光変調素子は、分岐光導波路の間に設けられたフォトニック結晶構造を除けば、実施形態2における光変調素子と同様の構成を有している。すなわち、本実施形態では、分岐光導波路の光学的な干渉を抑制・遮断するために、1次元フォトニック結晶構造を採用している。 The light modulation element of this embodiment has the same configuration as that of the light modulation element of Embodiment 2 except for the photonic crystal structure provided between the branched optical waveguides. That is, in the present embodiment, a one-dimensional photonic crystal structure is adopted in order to suppress / block optical interference of the branched optical waveguide.
図4(a)および(b)に示すように、光の伝搬方向に延びた溝10の列が間隙部6に形成されている。溝10の幅、間隔、および深さを適切に選択することにより、溝10を横切る方向にフォトニックバンドギャップが生じる、いわゆる1次元のフォトニック結晶構造を構成した場合でも同様に有効である。なお、溝10の幅と並びの周期は、それぞれ、光波の基板内での波長のおおむね1/4および1/2に設定することが好ましい。この場合、光波は溝10を横切る方向には伝搬できないので、実施形態2と同様に光導波路2a、2b間の結合を抑えることができる。このため、光導波路2aと光導波路2bとを近づけることが可能である。それによって、光導波路2a、2bの間隔を短くすることにより、前述した理由から、光変調効率を向上させることができる。
As shown in FIGS. 4A and 4B, a row of
本実施形態によれば、図3に示すピット9の配列を利用する場合に比べ、基板1に形成する凹部(溝10)の深さが浅くても同等の効果を発揮させることができる。このため、エッチングすべき領域範囲の面積は大きくなるが、溝10を形成するためのエッチングは容易である。
According to this embodiment, compared with the case where the arrangement of the pits 9 shown in FIG. 3 is used, the same effect can be exhibited even if the depth of the recess (groove 10) formed in the
(実施形態3)
次に、図5を参照しながら本発明によるファイバ無線システムの実施形態を説明する。
(Embodiment 3)
Next, an embodiment of a fiber radio system according to the present invention will be described with reference to FIG.
本実施形態のファイバ無線システム50は、第1および第2の実施形態における光変調素子を内蔵した光変復調器51を備えている。そして、アンテナ53により、通常のインターネット等のデータ通信網や、携帯端末との通信、あるいは、CATVからの信号の受信等を例えばミリ波の搬送波を用いて直接行なうことができる。なお、光変復調器51には、光変調素子とともに光復調素子(例えばフォトダイオード)が内蔵されている。
A
一方、ミリ波等の周波数の高い無線信号は長距離の伝送は困難であり、かつ、物体による信号の遮断を受けやすい。そこで、データ通信網61や、CATV62や、携帯電話システム63との通信を、無線装置60及び無線装置に付設されたアンテナ64を用いて行なうこともできる。その場合、ファイバ無線通信システム50と光ファイバ70を介して接続される光変復調器55と、これに付設されるアンテナ54とをさらに備えておく。そして、アンテナ54、64及び光変復調器55を介して、無線装置60との間で、信号の授受を行なうことができる。光変復調器55には、光変調素子とともに光復調素子(例えばフォトダイオード)が内蔵されている。長距離伝送を行ないたい場合や、壁等で仕切られた屋内での伝送の際には、ミリ波等の無線信号で変調された光信号を、光ファイバ70を通して伝送することが効果的である。
On the other hand, a radio signal having a high frequency such as millimeter wave is difficult to transmit over a long distance, and is susceptible to signal blocking by an object. Therefore, communication with the
本発明の光変調素子は、高速光通信や光信号処理システムなどに好適に用いられる。特に、光変調に伴う光信号の位相の乱れが少ないため、高速情報伝送や長距離光ファイバ通信などに適している。 The light modulation element of the present invention is suitably used for high-speed optical communication, an optical signal processing system, and the like. In particular, since there is little disturbance in the phase of the optical signal accompanying optical modulation, it is suitable for high-speed information transmission and long-distance optical fiber communication.
1 基板
2 光導波路
2a 分岐光導波路
2b 分岐光導波路
2c 入口側光導波路
2d 出口側光導波路
3 変調電極
3a 線路
3b 線路
4 信号源
5 終端抵抗
6 間隙部
7a 分岐点
7b 分岐点
8 曲がり部分
9 ピット
10 溝
11 高屈折率層
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記第1光ガイド部は前記光導波路の外部に配置されたフォトニック結晶を有し、かつ、前記第2光ガイド部は前記光導波路の屈折率よりも低い屈折率を有する領域を有しており、
前記第1光ガイド部、および第2光ガイド部は、いずれも、電気光学効果を示す材料から形成された基板内に設けられており、かつ、前記第2光ガイド部は、前記光導波路の結晶構造と実質的に同一の結晶構造を有している光変調素子。 An optical waveguide extending along a certain surface; a first light guide portion for restricting light wave propagation in a direction parallel to the surface; and a second light guide portion for restricting light wave propagation in a direction perpendicular to the surface. A light modulation element comprising:
The first light guide portion includes a photonic crystal disposed outside the optical waveguide, and the second light guide portion includes a region having a refractive index lower than that of the optical waveguide. And
Each of the first light guide portion and the second light guide portion is provided in a substrate formed of a material exhibiting an electro-optic effect, and the second light guide portion is formed of the optical waveguide. An optical modulation element having a crystal structure substantially the same as the crystal structure.
前記光導波路および前記第1光ガイド部は、前記基板の主面側に形成され、
前記光導波路の下方に位置している請求項1または2に記載の光変調素子。 The substrate has a main surface parallel to the surface;
The optical waveguide and the first light guide portion are formed on the main surface side of the substrate,
The light modulation element according to claim 1, wherein the light modulation element is located below the optical waveguide.
前記光変調素子は、請求項1から12のいずれかに記載された光変調素子である、通信システム。 A communication system including an optical modulation element for converting an electrical signal into an optical signal,
The communication system, wherein the light modulation element is the light modulation element according to claim 1.
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-
2003
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