JP2005506554A - 電気光学変調器の速度整合電極構造体 - Google Patents

Abstract

本発明は、ニオブ酸リチウムのような電気光学基板（１００）と、基板内に形成された光導波路（２００）と、導電性の脚（３５０Ａ）によって基板から持ち上げられたマイクロ波伝送ライン（３００）を含む電極構造体とを有する電気光学変調器に関する。一実施形態では、基板と伝送ラインとの間に低誘電定数のバッファ層（４００）が配置されている。導電性の脚は、伝送ラインからバッファ層を通って導波路の方向に基板表面まで延びている。マイクロ波伝送ラインは、電気的伝搬速度が最大になるような距離で基板から持ち上げられている。高速の電気速度は導電性の脚によって生じる負荷キャパシタンスにより相殺され、それにより、伝送ライン上の電気速度が低下して光速度と整合する。対向する導電性の脚の対は、強力な電界を供給して光信号を変調する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の背景】
電気光学変調器は、光ファイバ通信システム、特に商用の長距離高速デジタル通信システムにおいて使用されている。電気光学変調器は、電気信号を変調された光信号に変換する。電気信号は、光ファイバ通信システム上で伝送するためのデータまたは音声を表わしている。変調された光信号は、光学波形によるデータ／音声伝送である。
【０００２】
光信号を変調する技術には、振幅変調および位相変調が含まれる。振幅変調によって、変調された光信号が生成されるか、または変調器から放射されるオン・オフ切換えされた光が生成される。マッハツェンダー干渉計は、振幅変調を実行する変調器の一例である。位相変調により、光信号の位相が所定量だけシフトされる。位相変調された信号は、位相の変化を検出する特殊な検波器を必要とするのに対して、振幅変調された信号は、受信された信号の電力を光子として検出する光子検出器によって検出することが可能である。
【０００３】
電気光学変調器の典型的な構造は、ニオブ酸リチウムまたはＩＩＩ−Ｖ族半導体のような電気光学基板と、基板内に形成された光導波路パターンと、変換される電気信号を伝搬する、基板上に配置された電極構造体とを含む。
【０００４】
電気信号が電極構造体を介して伝播するにつれて、相互作用距離として知られる導波路の長さ全体にわたって電界が発生する。導波路に交差する電界が相互作用距離の全長に印加されると、電気光学基板の屈折率に影響を与え、導波路を伝播する光信号（即ち、光）が変調される。
【０００５】
基板上に配置された電極構造体は、強力な電気光学相互作用をもたらす。相互作用の大きさは「ＶＬ積」により表わされ、これは、電気信号のスイッチング電圧（Ｖ_ＩＩ）と相互作用距離（Ｌ）との積（即ち、Ｖ×Ｌ）である。スイッチング電圧Ｖ_ＩＩは変調器の電気入力において必要な電圧振幅であり、この電圧により、変調器から放射される光を「オン」から「オフ」に切り換えるか、またはその位相を所定量だけシフトさせる。この相互作用力は一般に定数であり、ニオブ酸リチウムの場合、典型的には１５５０ナノメートル（ｎｍ）において１ミリメートル当たり５５ボルト（Ｖ−ｍｍ）である。
【０００６】
電気光学変調器の現在の制約要因は、毎秒１０ギガビット（Ｇｂｉｔ／ｓ）以上のデータ転送速度での送信に適する高い駆動電圧要件である。ＶＬ積によれば、必要なスイッチング電圧を低減するには、変調器の相互作用距離を増加することにより、最大長全体にわたって光信号に電界が印加されるようにすれば、可能である。しかし、長い変調器では、電気信号の速度と光信号の速度とを整合させて、相互作用距離の全長にわたり電界を光信号に印加する必要がある。整合されなければ、相互作用距離の全長にわたって電界が光信号に印加されず、変調品質が低下する。
【０００７】
今日では、必要な速度整合を達成するさまざまな電極構成が存在している。これらは全て、速度、電気／光オーバーラップ（変調効率の尺度）、インピーダンス、マイクロ波損失および製造可能性の間で幾分かの妥協を行っている。変調器基板材料（主としてニオブ酸リチウムおよびＩＩＩ−Ｖ族半導体）を組合せても、最新の変調器性能は、かろうじて１０Ｇｂｉｔ／ｓシステムに適合する程度であり、４０Ｇｂｉｔ／ｓ等の高速には不十分である。
【０００８】
速度整合のための従来の電極構成としては、伝送ラインの容量性負荷がある。この構成の効果は、電気信号の速度を無負荷の伝送ライン上でのその速度よりも遅くすることと、無負荷ラインよりもインピーダンスを下げることにある。これは、例えばＩＩＩ−Ｖ族半導体の電気光学基板をベースとする変調器構造のような、無負荷ライン上の電気速度（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）が導波路における光の速度に比べて速い変調器構造において有利である。
【０００９】
しかし、ニオブ酸リチウムの電気光学基板をベースとする変調器構造のように電気信号の速度が既に光速度（ｏｐｔｉｃａｌ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）よりも遅い変調器の場合には、この電極構造の減速効果も、このタイプの電極を無意味にする。
【００１０】
【発明の概要】
一実施形態によれば、電気光学変調器は、電気光学基板と、基板内に形成された、光速度で伝播する光信号を有する少なくとも１つの光導波路と、伝送ラインおよび導電性の脚を有する電極構造体とを備える。導電性の脚は伝送ラインを基板から延長し、電気信号は伝送ラインに沿って電気速度で伝播する。別の実施形態によれば、電気光学変調器は、基板と伝送ラインとの間に配置された誘電体層を含むことが可能である。この誘電体層は、誘電体層がポリイミドで製作されている実施形態の場合には、基板よりも低い誘電率を有する。
【００１１】
一実施形態によれば、導電性の脚は伝送ラインを基板表面から一定の距離まで延長し、これにより伝送ライン内を伝播する電気信号に付随する基板内の電界の大きさを実質的に低減し、伝送ライン上を伝播する電気信号の電気速度を最大にする。伝送ライン内を伝播する電気信号に付随する電界は、基板の誘電率よりも低い誘電率を有する領域内を実質的に移動する。低い誘電率を有する領域は、空気または誘電体層であってもよい。
【００１２】
導電性の脚は、電気速度を低減して導波路内を伝播する光信号の光速度に電気速度を整合させるキャパシタンスを提供する。一実施形態によれば、電気光学変調器は導電性の脚の第１セットを備え、この導電性の脚の第１セットは光導波路の長手方向に沿って導電性の脚の第２セットに対向し、導波路を交差し光信号を変調する電界を発生させる。導電性の脚は、相互に間隔を空けることができる。
【００１３】
一実施形態によれば、導電性の脚は低リアクタンスの導電体と負荷電極とを備える。対向する導電性の脚の対向する負荷電極は光導波路の長手方向に沿って配置され、導波路を交差し光信号を変調する電界を発生させる。対向する導電性の脚の対向する負荷電極は、伝送ライン上の電気速度を低減して光信号の光速度に電気速度を整合させるキャパシタンスを発生する。
【００１４】
一実施形態によれば、光導波路を導電性の脚の対向する負荷電極の間に配置することにより、光信号が電界の水平成分によって変調されるようにしている。別の実施形態によれば、光導波路を負荷電極に近接して配置することにより、光信号が電界の垂直成分によって変調されるようにしている。
【００１５】
電気光学基板は、幾つかの異なる実施形態によって変更することが可能である。電気光学基板は、電気周波数においてより低い誘電率を有する第２の基板上に配置された薄い層であってもよい。基板は、光導波路が突出している非平面であってもよい。基板はまた、ニオブ酸リチウムのような強誘電体材料またはＩＩＩ−Ｖ族半導体材料であってもよい。
【００１６】
別の実施形態によれば、電気光学変調器は、電気光学基板と、基板内に形成された、光速度で伝播する光信号を有する少なくとも１つの光導波路と、伝送ラインおよび導電性の脚を有する電極構造体とを備える。伝送ラインは、信号電極と少なくとも１つのグラウンド電極とを有する。導電性の脚は伝送ラインを基板から延長することが可能であり、伝送ラインに沿って電気速度で伝播する電気信号は光速度に実質的に整合される。さらに、誘電体層は、基板よりも低い誘電率を有する信号電極およびグラウンド電極に隣接して配置される。
【００１７】
別の実施形態によれば、電気光学変調器は、電気光学基板と、基板内に形成された、光速度で伝播する光信号を有する少なくとも１つの光導波路と、伝送ラインおよび導電性の脚を有する電極構造体とを備える。伝送ラインは、信号電極と、信号電極を基板から延長する導電性の脚を有する少なくとも１つのグラウンド電極とを備える。グラウンド電極は、基板表面上に直接配置することができる。伝送ラインに沿って伝播する電気信号の電気速度は、光速度に実質的に整合される。さらに、誘電体層はグラウンド電極に隣接して配置され、この誘電体層は基板よりも低い誘電率を有する。
【００１８】
さらに他の実施形態によれば、電気光学変調器は、電気光学基板と、基板内に形成された、光速度で伝播する光信号を有する少なくとも１つの光導波路と、マイクロストリップ伝送ラインおよび導電性の脚を有する電極構造体とを備える。マイクロストリップ伝送ラインは、信号電極とグラウンド電極とを有し、信号電極はそこからほぼ垂直に延びるアームを有する。導電性の脚は、信号電極のアームから導波路へ向けて基板表面まで延び、グラウンド電極は基板表面上へ直接配置できる。伝送ラインに沿って伝播する電気信号の電気速度は、光速度に実質的に整合される。さらに別の実施形態は、信号電極とグラウンド電極との間に配置された誘電体層を備え、導電性の脚は、信号電極のアームから導波路の方へ誘電体層を介して基板の表面まで延びている。この誘電体層は、基板よりも低い誘電率を有する。
【００１９】
さらに他の実施形態によれば、電気光学変調器は、さらに、電気光学基板上に直接配置された絶縁バッファ層を備える。本発明の実施形態は、マッハツェンダー干渉計、位相変調器またはカットオフ変調器のような各種の変調器に適用することができる。
【００２０】
さらに別の実施形態によれば、電気光学変調器は、電気光学基板と、光信号を光速度でサポートするための基板内における少なくとも１つの光導波路と、伝送ラインから延びる、光速度に実質的に整合する電気速度で伝送ラインに沿って伝播する電気信号をサポートできる導電性の脚とを備える。
【００２１】
本発明の前述および他の目的、特徴および利点は、添付の図面による本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明白となるであろう。図では、同一参照符号は、異なる図面においても同一部分を指している。図面は必ずしも縮尺通りではなく、発明の原理を説明するのに重点が置かれている。
【００２２】
【好ましい実施形態の詳細な説明】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。
【００２３】
一般に、電気光学基板は、電気周波数と光周波数とで異なる誘電率を有する。特定の周波数においては、誘電率が高いほど、その周波数での信号の伝搬速度は遅い。典型的な電気光学変調器では、光導波路は、ニオブ酸リチウムまたはＩＩＩ−Ｖ族半導体のような電気光学基板内に完全に埋め込まれている。導波路内を
伝播する光信号の速度（ｖ）は、真空中の光速（ｃ）を、ある光周波数における基板の誘電率（ｋ）の平方根で除して計算される。
【００２４】
【数１】

【００２５】
無負荷伝送ライン上の電気信号の速度も同じ式で計算されるが、この場合のｃは真空中の電気信号の速度である。但し、伝送ラインを介して伝播する電気信号は、その電界の一部を電気光学基板内に有し、かつ一部を伝送ラインを取り囲む他の層内（即ち、空気中）に有するため、電気速度はそれぞれの誘電率の組合せに依存する。
【００２６】
ニオブ酸リチウムは、強誘電体材料である。ニオブ酸リチウム基板に関しては、電気マイクロ波周波数におけるその誘電率は３５であり、光周波数におけるものより遙かに大きい。したがって、光導波路内を進む光は、伝送ライン上を進む電気信号よりも速い。典型的には、ニオブ酸リチウムにおける光信号の速度は真空内の光速のおよそ２分の１であり、電気信号の速度は光速のおよそ４分の１である（即ち、光速度は電気速度の２倍である）。
【００２７】
ニオブ酸リチウム基板に速度整合させる先行技術による手法は、伝送ラインを変調器に沿って連続した状態に維持しているが、その断面を厚く設計して、より多くの電界が誘電率１を有する空気のような低誘電率を有する領域内を進行するようにしている。このように、高誘電体基板を介して進む電界が少なくなるため、伝送ライン上の電気速度は増大する。これにより必要な速度整合が達成され、変調器は長い長さ（例えば典型的には４０ｍｍ）を保有できるようになる。しかし、この手法もまた光導波路と交差する電界を低減させてＶＬ積が上昇し、長さをより長くできる利点が、相互作用力が低下する欠点によって部分的に相殺される。このような変調器は、３２ＧＨｚで約６Ｖのスイッチング電圧を達成すると報告されている。
【００２８】
速度整合の従来の方法としては、負荷ライン電極構造体を使用する伝送ラインの容量性負荷がある。伝送ラインの容量性負荷は、一般には、無負荷マイクロ波伝送ライン上の電気信号速度がＩＩＩ−Ｖ族半導体変調器のような導波路内の光速度よりも速い場合の速度整合において効果的である。ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板の場合、容量性負荷なしの電気速度は光速のおよそ２分の１であり、一方、光速度はより遅くて光速の３分の１である。負荷ライン電極構造体の効果は、電気伝送ラインにキャパシタンスを追加して電気伝搬速度を減少させ、光伝搬速度にほぼ一致するようにすることにある。伝送ライン上の電気伝搬速度もまた、インダクタンス（Ｌ）とキャパシタンス（Ｃ）との積の平方根の逆数によって計算できるため、キャパシタンスを追加すれば電気速度は低減する。
【００２９】
【数２】

【００３０】
式（２）では、Ｃは合計キャパシタンス、Ｃ＝Ｃｕ＋Ｃｌｏａｄである。但し、Ｃｕは無負荷伝送ラインのキャパシタンスであり、Ｃｌｏａｄは負荷電極のキャパシタンスである。伝送ラインのインピーダンスＺは、次式で与えられる。
【００３１】
【数３】

【００３２】
インピーダンスは、多くの用途では、伝送ラインインピーダンスが所定の駆動増幅器インピーダンスに整合するという必要条件によって制約されている。インピーダンス整合要件によって制約されない場合でも、Ｚが余り小さい値でないことが望ましが、これは、所定の駆動電力にとってより高インピーダンスは高い電圧を意味し、電気光学変調器はこの電圧に応答するからである。言い換えると、インピーダンスＺは自由なパラメータではなく、変調器設計の問題に対する入力条件として適正な値に取られる。したがって、負荷ラインのマイクロ波速度が光速度に整合する場合には、伝送ラインの式（１）〜（３）を次式のように組み合わせることができる。
【００３３】
【数４】

【００３４】
式（４）では、ｎ_０は光速度の計算に使用される光屈折率である（即ち、光速度は真空中の光速（ｃ）をｎ_０で除したものにほぼ等しい）。同様に、無負荷伝送ラインのマイクロ波屈折率（ｎ_ｕ）は誘電率ｋの平方根にほぼ等しく、無負荷ライン上のマイクロ波速度の計算に使用される（即ち、電気速度は真空中の電気信号の速度（ｃ）をｎ_ｕで除したものにほぼ等しい）。
【００３５】
小さい電極間隙、電極によって覆われる高い割合の有効な相互作用長さ、およびその電界が高誘電率の材料内に集中するような電極配置などのような変調器の効率を向上させる要因は全て、電極のキャパシタンスを増大させる。したがって、優れた変調器構成は高いＣｌｏａｄを必要とする。式（４）から、ｎ_ｕが小さいほど、Ｃｌｏａｄを大きくできることは明らかである。
【００３６】
負荷ライン変調器に対する先行技術による手法は、おそらくは薄い絶縁バッファ層で、電気光学基板上に単に無負荷のラインを配置しただけであったため、無負荷ライン速度は伝送ライン基板としての電気光学基板によって実質的に決定されていた。ニオブ酸リチウムのような基板の場合、ｎ_ｕがｎ_０よりも大きいと予想されるため、先行技術を使用する容量性負荷（例えば負荷されたライン）は全く不可能であると思われる。本発明の実施形態は、ｎ_ｕをｎ_０よりも実質的に小さいものにして負荷ラインを可能にする。本発明の実施形態はまた、広範な材料に適用可能である。先行技術を用いてはｎ_ｕがｎ_０よりも小さいＩＩＩ−Ｖ族半導体のような基板に対して、本発明の実施形態はｎ_ｕをさらに低減する方法と、低電圧の変調器を生み出す大きい負荷キャパシタンスを負荷する方法とを提供する。
【００３７】
本明細書に記載する本発明の実施形態は、無負荷ライン屈折率ｎ_ｕの低減を容易にし、それにより無負荷ライン上の速度を増大させる。
【００３８】
図１は、一実施形態による高速電気光学変調器であるマッハツェンダー干渉計の三次元断面図である。マッハツェンダー干渉計は、アナログおよびデジタル伝送に使用される。例示を目的としてマッハツェンダー干渉計が使用されているが、本発明の原理に従って他の変調器に変更することも可能である。
【００３９】
概要的には、本発明は、電気光学基板１００を有する電気光学変調器１０と、基板１００内に形成された光導波路２００と、導電性の脚３５０によって基板１００から持ち上げられたマイクロ波伝送ライン３００を含む電極構造体と、基板１００と伝送ライン３００との間に配置されたバッファ層４００とを有する。ここでは便宜的に「持ち上げられた」という用語が使用されているが、伝送ライン３００はまた、基板から下へ等距離だけ押し下げまたは低下させることもできることは明白である。導電性の脚３５０は、伝送ライン３００からバッファ層４００を通って光導波路２００の方へと基板１００の表面まで延びている。
【００４０】
実施形態によっては、導電性の脚３５０が伝送ライン３００を支持することが可能であって、支持するバッファ層４００の存在を必要としないものがある。伝送ラインは、ポリイミドのような低誘電率材料の厚い層で支持することが最も容易であるが、場合によっては、伝送ラインと電気光学基板との間の誘電材料が空気であるように、導電性の脚自体で支持することも可能である。
【００４１】
マイクロ波伝送ライン３００は、電気伝搬速度が最大となるように基板１００から一定の距離まで持ち上げられている。これは、無負荷の伝送ラインを伝送ラインの寸法に比べて大きい距離で電気光学材料から分離することによって達成され、その結果、無負荷ラインの速度はそれを取り囲む低誘電率材料によって決定される。特に、導電性の脚３５０は十分長くして、伝送ライン３００を基板１００から離して持ち上げることにより、伝送ライン３００内を伝播する電気信号によって発生する強い電界部分（以後、「伝搬の電界７１０」と称する）が電気速度を低下させるニオブ酸リチウム基板１００に到達しないようにする必要がある。伝搬の電界７１０（図３に示されている）は伝送ライン３００の電極間の間隙の間に発生するが、光信号の変調は行わない。高い電気速度は次に、伝送ライン３００上で電気速度を低減させる導電性の脚３５０によって導入される負荷キャパシタンスで相殺され、光速度に整合される。
【００４２】
対向する導電性の脚の対は、光信号を変調するための強力な電界（以後、「変調のための電界７００」と称する）を供給する。
【００４３】
バッファ層４００が存在する場合、これは低い誘電率を有する材料で製作される。ここでの「低い」は、ニオブ酸リチウムのような基板１００の電気光学材料の誘電率よりも低い定数として定義される。バッファ層４００の厚さは、約１０ミクロンまたはそれ以上である導電性の脚３５０の高さとほぼ同一である。伝搬の電界７１０の一部は電気光学基板１００内でなく低誘電体のバッファ層４００内を進行しているため、伝送の電気速度は増大する。
【００４４】
詳細には、図２は一実施形態によるマッハツェンダー干渉計の平面図である。マッハツェンダー干渉計１０は、基板１００の表面と同一平面に形成された光導波路２００を有する電気光学基板１００を含む。光導波路２００は、２００Ｂで２つの別々の導波路またはアームに分岐し、２００Ｃで再び結合される。光信号は、２００Ａで入力光ファイバ５００から光導波路２００へ入る。光信号のソースは、レーザまたは当業者には公知の他の適切な光源であってもよい。光導波路２００に沿って一定の光速度で伝播する光信号は、２００Ｂで導波路の２つのアームに分かれる。両アーム内の光信号は、２００Ｃで再度結合される。変調された光信号は、２００Ｄで変調器を出て出力光ファイバ５１０に入る。
【００４５】
負荷ライン電極構造体はまた、電気速度を低減して光速度に整合させるための負荷キャパシタンスに加えて、光信号を変調するための電界（以後、「変調のための電界７００」と称する）を供給する。負荷ライン電極構造体は２つの部分、すなわち無負荷のマイクロ波伝送ライン３００および導電性の脚３５０を有する。
【００４６】
無負荷のマイクロ波伝送ライン３００は、電気信号が対象とする全周波数（例えばＤＣから３２ＧＨｚまで）で同ラインに沿って伝播可能であるという意味において連続である。一実施形態によれば、無負荷のマイクロ波伝送ライン３００は、１つの信号電極３００Ａと２つのグラウンド電極３００Ｂとを含む。信号電極３００Ａおよびグラウンド電極３００Ｂは同一平面上で、基板１００の上方のバッファ層４００上に配置されている。信号電極３００Ａおよびグラウンド電極３００Ｂは、また、光導波路２００の一部分の上の光信号の伝播にほぼ並行している。無負荷の伝送ライン３００は物理的に大きく、特に高い電気周波数において信号損失が最小化される。伝搬の電界７１０は、信号電極３００Ａとグラウンド電極３００Ｂとの間の間隙の間に発生するが、変調は行わない。
【００４７】
信号電極３００Ａとグラウンド電極３００Ｂとの間には、抵抗Ｒ１およびＲ２が取り付けられている。これらの抵抗は、エネルギー反射に起因する電気信号の崩れを防止するための終端インピーダンスを提供する。
【００４８】
導電性の脚３５０は、低リアクタンスの導電体３５０Ａ（図２には示さず）と、負荷性または変調性の電極３５０Ｂとを含む。負荷キャパシタは対向する両負荷電極３５０Ｂによって形成され、負荷電極３５０Ｂは、一方の電極が信号電極３００Ａに接続されかつ他方の電極が導電体３５０Ａを介してグラウンド電極３００Ｂに接続されている。対向する両負荷電極３５０Ｂは、光導波路２００のアームの全長の任意部分に沿って周期的に、または非周期的パターンで配置することが可能である。これらの離散的な負荷キャパシタは相互に絶縁され、電気信号がその１つから他へと無負荷の伝送ライン３００以外の経路によって低損失で伝播できないようにしている。容量性負荷が追加されると、伝送ライン３００の持ち上げに起因して増大した電気速度は減速されることになり、光信号と電気信号の速度が整合される。
【００４９】
変調は、負荷電極３５０Ｂによって達成される。変調のための電界７００は、負荷キャパシタの対向する両負荷電極３５０Ｂ間の間隙に発生し、光導波路２００に交差して印加される。両負荷キャパシタ間の間隔が電気信号の波長に比べて小さい限り、変調のための電界７００は光導波路２００に交差して均一かつ連続的に印加される。対向する両負荷電極３５０Ｂ間に小さな間隙を形成することにより、所定の電圧に対する変調のための電界７００を極めて大きくすることが可能であり、これにより、高電圧の必要条件が低減される。
【００５０】
信号発生器は、電気データ入力６００に入り、一定の電気速度で信号電極３００Ａを介して伝播する電気信号を発生させる。電気信号が伝送ライン３００を通って伝播するにつれて、電荷は導電性の脚３５０の負荷電極３５０Ｂをオンおよびオフして移動され、時間変化する変調のための電界７００が光導波路２００のアームの間に印加される。
【００５１】
一般に、変調のための電界７００の印加は、電気光学基板１００の屈折率を変化させ、光導波路２００内の光信号の位相を僅かにシフトさせる。例えば、マッハツェンダー干渉計１０が振幅変調を実行する場合、光信号または光を光導波路２００の各アーム間で分割して、各アームが原信号のパワーの半分を有し、光信号が同位相になるようにする。データ入力６００で入力された電気信号の所定の電圧Ｖ_ＩＩは、変調のための電界７００を発生させる。変調のための電界７００が相互作用距離の全長で光導波路２００に交差して印加されると、光導波路２００の両アーム内を伝播する２つの光信号は、１８０度の位相シフトで位相がずれる。したがって、変調された光信号は、２００Ｃで再び結合されると互いに効果的に相殺されてゼロになり、最終的に変調器１０からは光が出力されなくなる。逆に、光導波路２００を交差する電界が全く印加されない場合（例えば、グラウンドに対する電気信号の電圧がゼロボルトのとき）は、光信号の変調は発生しない。したがって、信号は２００Ｃにおいて同位相で再度結合され、光信号（即ち光）は変調器１０を出る。
【００５２】
図３は、一実施形態によるマッハツェンダー干渉計の断面図である。導電性の脚３５０は、負荷電極３５０Ｂを伝送ライン３００に接続する金属ストライプのような低リアクタンスの導電体３５０Ａを含む。一実施形態では、導電性の脚３５０の導電体３５０Ａは、マイクロ波伝送ライン３００の信号電極３００Ａおよびグラウンド電極３００Ｂからバッファ層４００の孔を通って延びる。これらの孔は、フォトリソグラフィおよびエッチング・プロセスにより製作される。導電性の脚３５０は、金のような低リアクタンス金属で製作できる。導電体３５０Ａに接続された導電性の脚３５０の負荷電極３５０Ｂは、バッファ層４００と電気光学基板１００または絶縁バッファ層１０５の何れかとの間に配置されている。対向する両負荷電極３５０Ｂは、光導波路２００の両アームの両側に整列されている。
【００５３】
この実施形態によれば、光導波路２００は、基板１００内の導電性の脚３５０の負荷電極３５０Ｂ間に整列されている。ｘカットのニオブ酸リチウムの場合は、この整列により変調のための電界７００の水平成分の利用が容易になる。
【００５４】
電気光学基板１００は、負荷電極３５０Ｂを光導波路２００から分離する薄い絶縁バッファ層１０５で覆われている。絶縁バッファ層１０５は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）または光導波路内の光が負荷されたライン電極構造体によって吸収されるのを防止する特性を有する特定の別の適正な材料の層であってもよい。別の実施形態では、絶縁バッファ層１０５を省略することができる。
【００５５】
バッファ層４００は、基板１００の表面の大部分の領域を覆って配置されたものとして示されている。バッファ層４００は、低い誘電率を有する材料で製作される。但し、「低い」はニオブ酸リチウムのような基板１００の電気光学材料の誘電率よりも低いものとして定義される。バッファ層４００に適する材料はポリイミドであり、その誘電率３は、ニオブ酸リチウム上でのこの構成の実現を可能にするのに十分な低い値である。図示されている実施形態によれば、マイクロ波伝送ライン３００の信号電極３００Ａおよびグラウンド電極３００Ｂは全てバッファ層４００の表面に配置されている。バッファ層４００の厚さを十分に厚くして、伝送ライン３００内を伝播する電気信号によって発生する電界７１０が、電気速度を低下させるニオブ酸リチウム基板に到達しないようにする必要がある。一実施形態では、バッファ層４００は厚さ１０ミクロン以上の層に製作され、基板がニオブ酸リチウムである場合には、好ましくは、厚さ４０〜８０ミクロンである。
【００５６】
さらにこの負荷ライン電極構造体は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板を有する変調器の場合にも効果的である。先に論じた通り、ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板を有する変調器の場合は既に、電気速度が光速度よりも速い。伝送ライン３００をＩＩＩ−Ｖ族半導体基板から離して持ち上げることにより、既に光速度よりも速い電気速度はさらに増大する。但し、この超過速度分は負荷キャパシタンスの追加を可能にし、より小型の寸法の変調器の実現を容易にする。例えば、導電性の脚３５０の対向する負荷電極３５０Ｂ間の間隙を小さくすることにより、大きいキャパシタンスを得ることができる。負荷電極３５０Ｂ間の小さい間隙は、低いスイッチング電圧でのより高い電界７００に相当する。したがって、ＩＩＩ−Ｖ族半導体等の基板を有する電気光学変調器であっても、この改良された構成から利益を受けることができる。
【００５７】
図４は、別の実施形態によるエッチングされたバッファ層を有するマッハツェンダー干渉計の断面図である。空気はポリイミドのバッファ層４００よりも低い誘電率を有することから、伝送ライン３００を支持する必要のないバッファ層４００の部分を除去すれば、伝送ライン３００の電気速度はさらに増大する。図４が示すように、バッファ層４００の一部は、信号およびグラウンドの各電極３００Ａおよび３００Ｂそれぞれと導電性の脚３５０との間に実質的に形成される容積から除去されている。自己整列式マスクとして伝送ライン電極と共に反応性イオン・エッチングのような異方性エッチング方法が使用されて、これを達成することができる。
【００５８】
バッファ層４００の残りの部分は、伝送ライン３００の信号およびグラウンド電極３００Ａおよび３００Ｂの下に配置されている。したがって、伝送ライン３００内を伝播する電気信号は、その電界７１０の大部分を、誘電率１を有する空気中に有する。これにより、電気伝搬速度はさらに上がる。ＩＩＩ−Ｖ族半導体の
場合と同様に、超過の速度は大きい負荷キャパシタンスを可能にし、低いスイッチング電圧での小さい寸法およびより強力な電界を有する電気光学変調器の設計を容易にする。負荷キャパシタ間の間隔が小さく、導電性の脚３５０が伝送ラインを支持できれば、異方性エッチング（湿式化学的エッチング等）を使用してバッファを完全に除去し、伝送ラインを完全に空気で取り囲んだ状態にすることができる。
【００５９】
図５は、別の実施形態によるグラウンド電極構造体を有するマッハツェンダー干渉計の断面図である。図４の場合と同様に、バッファ層４００は、より多くの電界７１０が低い誘電率を有する空気の領域を進行して電気伝搬速度をさらに増大するように、エッチングして除去されている。図が示すように、バッファ層４００の残りの部分は、実質上、電気光学基板１００から持ち上げられている信号電極３００Ａの下の容積内に配置されている。
【００６０】
但しこの配置では、グラウンド電極３００Ｂは、伝送ライン３００のためのグラウンドであることに加えて、光信号を変調するためにも使用される。グラウンド電極３００Ｂは連続的であり、絶縁バッファ層１０５の表面もしくは絶縁バッファ層１０５が省かれていれば基板１００の上に直接配置されている。
【００６１】
グラウンド電極３００Ｂに接続された負荷電極３５０Ｂを有する導電性の脚３５０は存在しないが、導電性の脚３５０と信号電極３００Ａとで形成される分割された中心電極により、マイクロ波電力が伝送ライン３００上のみを流れることを保証している。光信号を変調するための電界７００は、導電性の脚３５０とグラウンド電極３００Ｂの間隙に印加される。
【００６２】
図６Ａは、別の実施形態によるマイクロストリップ伝送ラインを有するマッハツェンダー干渉計の平面図である。低い誘電率のバッファ層４００は、電気光学基板１００の上に配置されている。基板１００は、先の実施形態が示すように、その内部に形成された光導波路２００を有する。
【００６３】
マイクロストリップ伝送ライン８００は、信号電極８００Ａと、抵抗Ｒ３を介して相互に接続されるグラウンド電極８００Ｂとを含む。信号電極８００Ａは、バッファ層４００の頂面上に光信号の伝播とほぼ並行して配置されている。アーム８００Ｃは、信号電極８００Ａから垂直にバッファ層４００の頂面を横断して光導波路２００の一部を超えて延びている。信号電極８００Ａのアーム８００Ｃは、図６Ｂが示すように、導電性の脚３５０に接続されている。
【００６４】
図６Ｂは、図６Ａに対応するマイクロストリップ伝送ラインを有するマッハツェンダー干渉計の断面図である。導電性の脚３５０は、信号電極８００Ａのアーム８００Ｃから光導波路２００の方へバッファ層４００を通り基板１００の表面まで延びる。導電性の脚３５０は、低リアクタンスの導電体３５０Ａと負荷電極３５０Ｂとを含む。
【００６５】
グラウンド電極８００Ｂは、バッファ層４００の下で、絶縁バッファ層１０５の表面上または絶縁バッファ層が省かれていれば基板１００上に直接配置されている。グラウンド電極８００Ｂは、導電性の脚３５０の負荷電極３５０Ｂの第１セットに対向する、光導波路２００の第１のアームの長手方向に沿って負荷キャパシタを形成する負荷電極８００Ｄに接続されている。
【００６６】
さらに、グラウンド電極８００Ｂからは、負荷電極３５０Ｂの第２セットと共に第２の負荷キャパシタのセットを形成する「Ｌ」字形のアーム８００Ｅが延びている。この第２の負荷キャパシタのセットは、光導波路２００の第２のアームに沿って配置されている。
【００６７】
先の実施形態と同様に、導電性の脚３５０は、グラウンド電極８００Ｂからの対向する負荷電極８００Ｄおよび「Ｌ」字形のアーム８００Ｅと共に負荷キャパシタンスを生成し、マイクロストリップ伝送ライン８００上の電気速度を低減させる。さらにこれらは、光信号を変調するための電界７００を供給する。
【００６８】
詳細には、このマイクロストリップ伝送ライン構造体は、ニオブ酸リチウム基板１００の上面上のグラウンド電極８００Ｂと、グラウンド電極８００Ｂの上面に厚さ８０ミクロンで配置されたポリイミド・バッファ層４００とによって形成できる。信号電極８００Ａは、ポリイミド・バッファ層４００の上面上の幅約１５０ミクロンのストリップであってもよい。これにより、５７オームのインピーダンス、ｃ／１．５の速度および３２ＧＨｚで僅か０．８ｄＢ／ｃｍの損失（導体損失および誘電損失の両方を含む）を有する無負荷のマイクロストリップ伝送ライン８００が得られる。
【００６９】
光導波路２００内の光の速度はｃ／２．１５であることから、０．０９２ｐＦ／ｍｍの負荷キャパシタンスを追加して、速度を整合させる。負荷キャパシタンスを０．４ｍｍ毎に配置すれば、間隔は３２ＧＨｚで波長の２分の１を大幅に下回り、分散はほとんどなくなる。また、導電性の脚３５０の金の接続部の直列抵抗を通り流れる充電電流に起因する損失もほとんどなくなる。負荷キャパシタンスはインピーダンスを４０オームにまで下げるが、これは５０オームに十分に近く、５０オーム電源からの供給における不整合問題はほとんどなくなる。
【００７０】
マイクロストリップ構造体が、図８が示すように、各々約２０ミクロンの幅を有する負荷電極３５０Ｂに隣接して約１０ミクロンの突出幅を有する突出部分１００Ａによって形成された突出導波路構造体を含む。光導波路２００の両アームの周りの電極３５０Ｂが並列に駆動されるとき、ＶＬ積は１５５０ナノメートル（ｎｍ）において０．３８ｐＦ／ｍｍの負荷キャパシタンスで４０Ｖ−ｍｍである。代わりに、２つの電極セットが直列で駆動されると、ＶＬ積は０．１０５ｐＦ／ｍｍの負荷キャパシタンスで８０Ｖ−ｍｍになる。突出した基板を有するこの実施形態では、変調器の長さの８８％に沿って変調電極を配置すれば０．０９２ｐＦ／ｍｍの負荷キャパシタンスを得ることができるため、光導波路２００の両アームの周りの電極３５０Ｂを直列で（図８には示さず）駆動することがより効果的である。さらに、変調器１０が５０ｍｍの長さであれば、スイッチング電圧は３２ＧＨｚで僅か２．７Ｖであり、ＤＣから３２ＧＨｚまで応答の低下は僅か２ｄＢである。これは、先行技術を使用するいかなる従来構成よりも優れた大幅な実用的改良を表している。本明細書における数字は２−Ｄ静電界ソルバ（商標名はＥＬＥＣＴＲＯ−２Ｄ）を使用して求め、電界を導波路、経験的損失およびインピーダンスの公式で数値的にモデル化した。
【００７１】
図７Ａは、別の実施形態による電気光学位相変調器の平面図である。導波路パラメータが僅かに変更されているこの構造体もまた、カットオフ変調器を形成することが可能である。この構造体は、図６Ａに類似するものであるが、主たる相違は基板１００内に形成された光導波路２００のパターンと、これに対応する電極構造体の変更にある。この構造体は光信号を変調し、受信システムで波動検出器により検出される位相シフトを有する変調された光信号を発生させる。
【００７２】
この実施形態によれば、光導波路２００はほぼ直線で、電気光学基板１００と同一平面で形成されている。導波路２００はマッハツェンダー干渉計の場合のように複数のアームに分岐しないため、図７Ｂが示すように、信号電極８００Ａのアーム８００Ｃからは導電性の脚の１セットしか延びていない。
【００７３】
図７Ｂは、図７Ａに対応する電気光学位相変調器の断面図である。導電性の脚３５０は、信号電極８００Ａのアーム８００Ｃから導波路２００の方向にバッファ層４００を通して基板１００の表面まで延びている。導電性の脚３５０の負荷電極３５０Ｂはグラウンド電極８００Ｂと対向し、先の実施形態の場合と同様に作用する負荷キャパシタを形成している。グラウンド電極８００Ｂに接続された負荷電極は存在しないが、導電性の脚３５０と信号電極８００Ａとで形成される分割された中心電極は、マイクロ波電力がマイクロストリップ伝送ライン８００上のみを流れることを保証している。光信号を変調するための電界７００は、導電性の脚３５０とグラウンド電極８００Ｂの間隙に印加される。
【００７４】
図８、９および１０は、本発明の原理に従って使用できる代わりの基板構造体を示している。
【００７５】
図８は、別の実施形態による、突出した電気光学基板を有するマッハツェンダー干渉計の断面図である。この基板構造体は、所定の電圧で導波路２００に交差する電界７００を増大させる。電気光学基板１００の表面を変更して、平面でないようにしている。突出部分１００Ａは基板１００の一部によって形成され、基板１００の基面から突出した光導波路２００を含む。導電性の脚３５０の負荷電極３５０Ｂは、電極３５０Ｂの一部が電気光学基板１００の突出部分１００Ａの垂直成分に沿って延びるように改変されている。絶縁バッファ層１０５は、負荷電極３５０Ｂを電気光学基板１００の突出部分１００Ａから分離することができる。この代わりの基板構造体上に配置されている電極およびバッファ層構造体は、先の実施形態において説明しかつ示したものと類似にできる。
【００７６】
図９は、別の実施形態による、薄い電気光学基板層を有するマッハツェンダー干渉計の断面図である。図９は図３と同様であるが、電気光学基板１００は、電気周波数でより低い誘電率を有する異なる基板材料１１０上に配置された薄層である点が異なる。この代わりの基板構造体上に配置される電極およびバッファ層構造体は、先の実施形態において説明しかつ示したものと類似にできる。
【００７７】
図１０は、別の実施形態による、導波路配列を有するマッハツェンダー干渉計の断面図である。図１０は図３と同様であるが、光導波路２００は、光信号が変調のための電界７００の水平成分ではなく垂直成分によって変調されるように配置される点が異なる。この実施形態によれば、導波路２００は負荷電極３５０Ｂの真下に配置されている。電界７００の垂直成分は、一般的には電気光学基板１００がｚカットのニオブ酸リチウムであるときに使用される。この代わりの導波路配列上に配置される電極およびバッファ層構造体は、先の実施形態において説明しかつ示したものと類似にできる。
【００７８】
以上、本発明を特にその好ましい実施形態により説明しかつ示してきたが、当業者には、添付の請求の範囲に包含される本発明の範囲を逸脱することなく本発明の形態および細部にさまざまな変更を行い得ることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
一実施形態による、高速電気光学変調器であるマッハツェンダー干渉計の２アーム領域の三次元断面図である。
【図２】
一実施形態による、マッハツェンダー干渉計の平面図である。
【図３】
一実施形態による、マッハツェンダー干渉計の２アーム領域の断面図である。
【図４】
別の実施形態による、エッチングされたバッファ層を有するマッハツェンダー干渉計の断面図である。
【図５】
別の実施形態による、グラウンド電極構造体を有するマッハツェンダー干渉計の断面図である。
【図６Ａ】
別の実施形態による、マイクロストリップ伝送ラインを有するマッハツェンダー干渉計の平面図である。
【図６Ｂ】
マイクロストリップ伝送ラインを有し、かつ図６Ａに対応するマッハツェンダー干渉計の断面図である。
【図７Ａ】
別の実施形態による電気光学位相変調器の平面図である。
【図７Ｂ】
図７Ａに対応する電気光学位相変調器の断面図である。
【図８】
別の実施形態による、突出した電気光学基板を有するマッハツェンダー干渉計の断面図である。
【図９】
別の実施形態による、薄い電気光学基板層を有するマッハツェンダー干渉計の断面図である。
【図１０】
別の実施形態による、導波路配置を有するマッハツェンダー干渉計の断面図である。
【符号の説明】１０…電気光学変調器、１００…電気光学基板、２００…光導波路、…３００伝送ライン、３５０…導電性の脚。

Claims (28)

1. 電気光学基板と、
   この基板内に形成された、光速度で伝播する光信号を有する少なくとも１つの光導波路と、
   伝送ライン、および前記基板から前記伝送ラインを延長する導電性の脚を有する電極構造体とを備え、
   電気信号が前記伝送ラインに沿って電気速度で伝播する、電気光学変調器。
2. 請求項１において、さらに、前記基板と前記伝送ラインとの間に配置された誘電体層を備え、この誘電体層が前記基板よりも低い誘電率を有する電気光学変調器。
3. 請求項１において、前記導電性の脚が前記伝送ラインを前記基板の表面から一定距離延長し、前記伝送ラインを伝播する電気信号に付随する前記基板内の電界の強さを実質的に低減させて、前記伝送ライン上を伝播する前記電気信号の電気速度を増大する、電気光学変調器。
4. 請求項３において、前記伝送ライン内を伝播する電気信号に付随する電界が、前記基板の誘電率よりも低い誘電率を有する領域内を実質的に進行する、電気光学変調器。
5. 請求項４において、前記低い誘電率を有する領域が空気である、電気光学変調器。
6. 請求項４において、前記低い誘電率を有する領域が誘電体層である、電気光学変調器。
7. 請求項１において、前記導電性の脚が電気速度を低減するキャパシタンスを提供して、前記導波路内を伝播する光信号の光速度に電気速度を整合させる、電気光学変調器。
8. 請求項１において、導電性の脚の第１セットが前記光導波路の長手方向に沿って導電性の脚の第２セットに対向し、前記導波路に交差する電界を発生させて光信号を変調する、電気光学変調器。
9. 請求項８において、前記導電性の脚が相互に間隔を空けている、電気光学変調器。
10. 請求項１において、前記導電性の脚が低リアクタンスの導電体と負荷電極とを備えた、電気光学変調器。
11. 請求項１０おいて、対向する導電性の脚の対向する負荷電極が前記光導波路の長手方向に沿って配置され、これら対向する負荷電極が前記導波路を交差する電界を発生させて光信号を変調する、電気光学変調器。
12. 請求項１１において、前記対向する導電性の脚の前記対向する負荷電極が、前記伝送ライン上の電気速度を低減して光信号の光速度に電気速度を整合させるキャパシタンスを発生する、電気光学変調器。
13. 請求項１１において、前記光導波路は前記導電性の脚の対向する負荷電極の間に配置され、前記光信号が電界の水平成分によって変調される、電気光学変調器。
14. 請求項１１において、前記光導波路が前記負荷電極に隣接して配置され、前記光信号が電界の垂直成分によって変調される、電気光学変調器。
15. 請求項１において、前記電気光学基板が、電気周波数においてより低い誘電率を有する第２の基板上に配置された薄層である、電気光学変調器。
16. 請求項１において、前記電気光学基板が非平面であり、前記光導波路が突出している、電気光学変調器。
17. 電気光学基板と、
    この基板内に形成された、光速度で伝播する光信号を有する少なくとも１つの光導波路と、
    伝送ラインおよび導電性の脚を有する電極構造体であって、この導電性の脚は前記基板から前記伝送ラインを延長し、前記伝送ラインは１つの信号電極と少なくとも１つのグラウンド電極とを有する、電極構造体とを備え、
    電気信号が前記伝送ラインに沿って電気速度を伝播し、前記電気速度は前記光速度と実質的に整合し、
    さらに、
    前記信号電極と前記グラウンド電極とに隣接して配置された誘電体層であって、前記基板よりも低い誘電率を有する誘電体層を備えた、電気光学変調器。
18. 電気光学基板と、
    この基板内に形成された、光速度で伝播する光信号を有する少なくとも１つの光導波路と、
    伝送ラインおよび導電性の脚を有する電極構造体であって、前記伝送ラインは１つの信号電極と少なくとも１つのグラウンド電極とを有し、前記導電性の脚は前記基板から前記信号電極を延長し、前記グラウンド電極は前記基板の表面上に直接配置されている、電極構造体とを備え、
    電気信号が前記伝送ラインに沿って電気速度で伝播し、前記電気速度が前記光速度と実質的に整合し、
    さらに、
    前記信号電極に隣接して配置された誘電体層であって、前記基板よりも低い誘電率を有する誘電体層を備えた、電気光学変調器。
19. 電気光学基板と、
    この基板内に形成された、光速度で伝播する光信号を有する少なくとも１つの光導波路と、
    マイクロストリップ伝送ラインおよび導電性の脚を有する電極構造体であって、前記マイクロストリップ伝送ラインは１つの信号電極と１つのグラウンド電極とを有し、前記信号電極は前記信号電極からほぼ垂直に延びるアームを有し、前記導電性の脚は前記信号電極のアームから前記導波路の方へ前記基板の表面まで延び、前記グラウンド電極は前記基板の表面上に直接配置されている、電極構造体とを備え、
    電気信号が前記伝送ラインに沿って電気速度を伝播し、前記電気速度が前記光速度と実質的に整合する、電気光学変調器。
20. 請求項１９において、さらに、前記信号電極と前記グラウンド電極との間に配置された誘電体層を備え、前記導電性の脚は信号電極の前記アームから前記誘電体層を通して前記導波路の方へ前記基板の表面まで延び、前記誘電体層が前記基板よりも低い誘電率を有する、電気光学変調器。
21. 請求項１において、前記電気光学基板が強誘電体材料である、電気光学変調器。
22. 請求項２１において、前記強誘電体材料がニオブ酸リチウムである、電気光学変調器。
23. 請求項１において、前記電気光学基板がＩＩＩ−Ｖ族半導体である、電気光学変調器。
24. 請求項２において、前記誘電体層がポリイミドである、電気光学変調器。
25. 請求項１において、さらに、絶縁バッファ層を備え、
    前記絶縁バッファ層が前記電気光学基板の直上に配置されている、電気光学変調器。
26. 請求項１において、前記電気光学変調器がマッハツェンダー干渉計である、電気光学変調器。
27. 請求項１において、前記電気光学変調器が位相変調器である、電気光学変調器。
28. 請求項１において、前記伝送ラインが、前記光速度と実質的に整合する電気速度で伝送ラインに沿って伝播する電気信号をサポートできる、電気光学変調器。

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