JP2006178275A - Optical waveguide and optical modulating element, and communications system - Google Patents

Optical waveguide and optical modulating element, and communications system Download PDF

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Akira Enohara
晃 榎原
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical waveguide used in an optical modulating element which is appropriately used in an optical communications system and which has high modulation efficiency, and to provide a high-frequency circuit element which realizes desired frequency and attenuation with facilitated construction. <P>SOLUTION: In the optical waveguide 6, which has a substrate 1 composed of a material with an electro-optic effect and a ridge portion 2 on a surface of the substrate 1, the optical waveguide 6 has a periodical structure, composed of a plurality of grooves 3-1, or circular pits formed on the rear face of the substrate 1 to lower the group velocity of light propagating through the optical waveguide 6. By forming the grooves 3-1, or the circular pits on the rear face side of the substrate 1, periodical effective refractive index variation is imparted effectively to the waveguided light; and a significant effect is obtained, even with shallow grooves. Furthermore, high-efficiency optical modulation is realized, by constructing the optical modulating element using the waveguide. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光通信システムや光信号処理システムなどに好適に用いられる光変調素子と、当該光変調素子に用いられる光導波路と、当該光変調素子を備えた通信システムに関している。   The present invention relates to an optical modulation element suitably used in an optical communication system, an optical signal processing system, and the like, an optical waveguide used in the optical modulation element, and a communication system including 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が益々増大するものと考えられる。   An optical modulation element is a basic element in high-speed optical communication and an optical signal processing system, and it is considered that the need for an optical modulation element capable of operating at an ultrahigh speed will increase in the future.

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電気光学型の光変調素子は、超高速動作が可能であり、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。   Conventionally, direct modulation by a semiconductor laser that has been used is difficult to cope with ultra-high speed optical modulation, and recently, an external modulation type element capable of high-speed operation has been urgently developed. In particular, electro-optic light modulators that use dielectric crystals with a large Pockels effect are capable of ultra-high-speed operation, and optical signal phase disturbance associated with light modulation is low, so high-speed information transmission is possible. It is very suitable for 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、電気光学型の光変調素子は、電気光学結晶上に設けられた変調電極として機能する伝送導体線路と、伝送導体線路の近傍に形成された光導波路とを備えている。変調用の高周波信号を変調電極に与えることにより、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化する。   In general, an electro-optic light modulation element includes a transmission conductor line that functions as a modulation electrode provided on an electro-optic crystal, and an optical waveguide formed in the vicinity of the transmission conductor line. When a high frequency signal for modulation is applied to the modulation electrode, 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.

光変調の効率を決める基本となるパラメータの1つである電気光学係数は、通常の結晶では比較的小さい。従って、電気光学効果を利用する光変調素子で高い変調効率を実現するためには、変調電界と光導波路中の光波との相互作用を増大させることが重要となる。   The electro-optic coefficient, which is one of the basic parameters that determine the efficiency of light modulation, is relatively small for ordinary crystals. Therefore, in order to achieve high modulation efficiency with an optical modulation element that uses the electro-optic effect, it is important to increase the interaction between the modulation electric field and the light wave in the optical waveguide.

図11は、非特許文献1に記載されている従来の光変調素子を示す斜視図である。この光変調素子は、電気光学効果を有する結晶材料の基板1の表面に形成された光導波路(6a〜6d)と、光導波路(6a〜6d)を伝搬する光に変調用の電気信号(変調波)を印加するための変調電極10とを備えている。変調電極10は、互いに平行な2つの導体線路10a、10bによって構成されたコプレナー導体線路構造を有している。   FIG. 11 is a perspective view showing a conventional light modulation element described in Non-Patent Document 1. FIG. This light modulation element includes an optical waveguide (6a to 6d) formed on the surface of a substrate 1 made of a crystal material having an electro-optic effect, and an electric signal for modulation (modulation) to light propagating through the optical waveguide (6a to 6d). And a modulation electrode 10 for applying a wave). The modulation electrode 10 has a coplanar conductor line structure constituted by two conductor lines 10a and 10b parallel to each other.

光導波路6a〜6dは、変調されるべき光(入力光)が導入される入口側光導波路部分2c、変調光が出力される出口側光導波路部分6d、および、入口側光導波路部分6cと出口側光導波路部分6dとを結合する2つの分岐導波路部分14a、14bを有している。   The optical waveguides 6a to 6d include an entrance-side optical waveguide portion 2c into which light to be modulated (input light) is introduced, an exit-side optical waveguide portion 6d from which modulated light is output, and an entrance-side optical waveguide portion 6c and an exit. Two branching waveguide portions 14a and 14b for coupling the side optical waveguide portion 6d are provided.

光導波路6a〜6dは、2箇所の分岐点14a、14bで2つの分岐導波路6a、6bに分岐しており、入口側光導波路6cから入力された入力光が一方の分岐点14aで分岐して2つの分岐導波路6a、6bを通過した後、他方の分岐点14bで共通の出口側光導波路6dを進むように構成されている。   The optical waveguides 6a to 6d are branched into two branch waveguides 6a and 6b at two branch points 14a and 14b, and the input light input from the entrance-side optical waveguide 6c is branched at one branch point 14a. After passing through the two branching waveguides 6a and 6b, the other branching point 14b is configured to travel along the common exit-side optical waveguide 6d.

なお、変調電極10を構成する導体線路10a、10bの内側端は、各分岐導波路6a、6bのほぼ中央部の直上に位置しており、導体線路10a、10bの各々一端には変調用高周波の信号源11が接続され、他端には終端抵抗12が接続されている。   The inner ends of the conductor lines 10a and 10b constituting the modulation electrode 10 are located immediately above the central portions of the branch waveguides 6a and 6b, and a high frequency wave for modulation is provided at one end of each of the conductor lines 10a and 10b. The signal source 11 is connected to the other end, and the terminating resistor 12 is connected to the other end.

信号源11から高周波信号(変調波)が変調電極10に供給されると、変調波は、変調電極10上に光伝搬方向と方向に伝搬し、間隙部13に電界を形成する。このため、電気光学効果により、分岐導波路6a、6bを構成する材料の屈折率が電界強度に応じて変化する。分岐導波路6aと分岐導波路6b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つの分岐導波路6a、6bを通る光には互いに逆の位相変化が与えられる。
IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-13, no. 4, pp287-290, 1977)
When a high-frequency signal (modulated wave) is supplied from the signal source 11 to the modulation electrode 10, the modulated wave propagates on the modulation electrode 10 in the direction of light propagation and forms an electric field in the gap 13. For this reason, the refractive index of the material which comprises the branched waveguides 6a and 6b changes according to an electric field strength by the electrooptic effect. Since electric fields in opposite directions are applied to the branching waveguide 6a and the branching waveguide 6b, when the substrate 1 is made of, for example, a z-cut lithium niobate crystal, two branching waveguides 6a and 6b are used. The light passing through is subjected to opposite phase changes.
IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-13, no. 4, pp287-290, 1977)

図11に示す光変調素子によれば、変調電極10を伝搬する変調波と光導波路6を伝搬する光波とが同一方向に進行させることにより、光波と変調信号波との相互作用を増大させることを目論み、高い効率の光変調を実現しようとするものである。   According to the light modulation element shown in FIG. 11, the interaction between the light wave and the modulation signal wave is increased by causing the modulated wave propagating through the modulation electrode 10 and the light wave propagating through the optical waveguide 6 to travel in the same direction. The aim is to achieve high-efficiency optical modulation.

しかしながら、ニオブ酸リチウムに代表される電気光学結晶の電気光学定数は非常に小さいため、変調電極10を延長して数cm程度の長さにしても、充分な変調を得るには、数ボルト程度の高い電圧を電気光学結晶に印加しなければならない。光変調素子を小型化し、また、必要な変調電圧を低減するためには、光波と変調電界との相互作用を向上させることが必要である。   However, since the electro-optic constant of an electro-optic crystal typified by lithium niobate is very small, even if the modulation electrode 10 is extended to have a length of about several centimeters, about several volts is required to obtain sufficient modulation. Must be applied to the electro-optic crystal. In order to reduce the size of the light modulation element and reduce the necessary modulation voltage, it is necessary to improve the interaction between the light wave and the modulation electric field.

一方、通常利用される光導波路は群速度分散がほとんどないので、伝搬速度(ここでは光波の群速度が意味を持つ)は導波路の屈折率でほぼ決まる。ニオブ酸リチウムに代表される電気光学結晶の屈折率が約2.1であるのに対し、マイクロ波に対する誘電率が20〜40程度と非常に高いため、光の速度がマイクロ波の速度に対して約3倍も高く、その結果、進行波型電極を用いても光変調素子において光と信号波の完全な速度整合がとれないという問題がある。そのため、変調電極を長く設定しても、適切な変調が実現できず、変調効率が向上しない。   On the other hand, since the optical waveguide usually used has almost no group velocity dispersion, the propagation velocity (here, the group velocity of the light wave has a meaning) is almost determined by the refractive index of the waveguide. The refractive index of an electro-optic crystal typified by lithium niobate is about 2.1, whereas the dielectric constant for microwaves is as high as about 20 to 40, so the speed of light is about the speed of microwaves. As a result, there is a problem that even if a traveling wave type electrode is used, perfect speed matching between light and signal waves cannot be achieved in the light modulation element. Therefore, even if the modulation electrode is set long, appropriate modulation cannot be realized, and the modulation efficiency is not improved.

また、変調電極の構造を工夫し、マイクロ波の実効誘電率を下げて、速度整合をある程度実現できたとしても、光波の群速度が非常に速いので(ニオブ酸リチウム基板の場合、真空中の光速の2.1分の1)、効率的な光変調のためには電極長を非常に長くする(光波と変調電界との相互作用長を長くする)必要があるが、そうすると、素子長が非常に大きくなる上に、変調電極でのマイクロ波伝搬損失のために、変調効率の向上にも限界がある。   Even if the modulation electrode structure is devised and the effective dielectric constant of the microwave is lowered to achieve speed matching to some extent, the group velocity of light waves is very fast (in the case of a lithium niobate substrate, It is necessary to make the electrode length very long (to increase the interaction length between the light wave and the modulation electric field) for efficient light modulation. In addition to being very large, there is a limit to improving modulation efficiency due to microwave propagation loss at the modulation electrode.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、主たる目的は、光通信システムに好適に用いられる変調効率の高い光変調素子と、それに用いられる光導波路を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and a main object thereof is to provide an optical modulation element having high modulation efficiency that is suitably used in an optical communication system and an optical waveguide used therefor.

また、本発明の他の目的は、効率的に光変調が可能な小型の光変調素子を備えた通信システムを提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a communication system including a small light modulation element capable of efficiently performing light modulation.

電気光学効果を有する材料からなる基板と前記基板の表面上にリッジ構造を有する光導波路であって、
前記光導波路を伝搬する光の群速度を低下させる周期構造を更に備えた光導波路であって、
前記周期構造が、基板の裏面に形成された複数の溝、あるいは、円形ピットからなることを特徴とする。
An optical waveguide having a substrate made of a material having an electro-optic effect and a ridge structure on the surface of the substrate,
An optical waveguide further comprising a periodic structure for reducing the group velocity of light propagating through the optical waveguide,
The periodic structure includes a plurality of grooves or circular pits formed on the back surface of the substrate.

また、好ましい実施形態においては、電気光学効果を有する材料からなる基板と前記基板の表面上にリッジ構造を有する光導波路であって、
前記光導波路を伝搬する光の群速度を低下させる周期構造を更に備えた光導波路であって、
前記周期構造が、基板の表面上に形成された複数の溝、あるいは、円形ピットからなり、前記複数の溝、あるいは、円形ピットの上に前記リッジ構造が形成されていることを特徴とする。
Further, in a preferred embodiment, an optical waveguide having a substrate made of a material having an electro-optic effect and a ridge structure on the surface of the substrate,
An optical waveguide further comprising a periodic structure for reducing the group velocity of light propagating through the optical waveguide,
The periodic structure includes a plurality of grooves or circular pits formed on the surface of the substrate, and the ridge structure is formed on the plurality of grooves or circular pits.

また、好ましい実施形態においては、電気光学効果を有する材料からなる基板と前記基板の表面上にリッジ構造を有する光導波路であって、
前記光導波路を伝搬する光の群速度を低下させる周期構造を更に備えた光導波路であって、
前記周期構造が、前記リッジ構造部分の表面に形成された複数の高屈折率部分からなり、
前記基板はニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウム材料からなり、
前記複数の高屈折率部分はプロトン交換法あるいは金属の熱拡散法により形成されていることを特徴とする。
Further, in a preferred embodiment, an optical waveguide having a substrate made of a material having an electro-optic effect and a ridge structure on the surface of the substrate,
An optical waveguide further comprising a periodic structure for reducing the group velocity of light propagating through the optical waveguide,
The periodic structure comprises a plurality of high refractive index portions formed on the surface of the ridge structure portion,
The substrate is made of a lithium niobate or lithium tantalate material,
The plurality of high refractive index portions are formed by a proton exchange method or a metal thermal diffusion method.

また、好ましい実施形態において、前記周期構造が、前記溝あるいはピットの幅と周期がフォトニックバンドギャップを形成しない範囲で、かつ、光波の群速度を低下させる寸法を有する。   Further, in a preferred embodiment, the periodic structure has a dimension in which the width and period of the groove or pit does not form a photonic band gap and reduces the group velocity of light waves.

また、好ましい実施形態においては、前記光導波路に、電気光学光変調用電界を印加するための変調電極を備えた光変調素子を構成している。   In a preferred embodiment, a light modulation element including a modulation electrode for applying an electro-optic light modulation electric field to the optical waveguide is configured.

また、好ましい実施形態において、前記光変調素子と、前記光変調素子から出力された変調光を伝送する光ファィバと、前記光変調素子に変調用電気信号を与える手段と、を備えた通信システムを構成している。   In a preferred embodiment, there is provided a communication system comprising: the light modulation element; an optical fiber that transmits the modulated light output from the light modulation element; and means for providing a modulation electrical signal to the light modulation element. It is composed.

本発明の光導波路によれば、低損失で低群速度特性が得られるので、例えば光変調素子の導波路部分に応用することによって、小型で高効率な特性が実現可能である。この光変調素子を用いることにより、非常に小型な構成で、かつ、低電力な駆動回路で高速光変調が可能となるので、高速光ファイバ通信システムの高性能化、小型化が期待でき、とくに、ミリ波信号を用いた光ファイバ無線システムなどで特に有効性が高い。   According to the optical waveguide of the present invention, a low group velocity characteristic can be obtained with a low loss. Therefore, a small and highly efficient characteristic can be realized, for example, by applying it to a waveguide portion of an optical modulation element. By using this optical modulation element, high-speed optical modulation is possible with a very small configuration and a low-power drive circuit, so that high performance and miniaturization of the high-speed optical fiber communication system can be expected. Particularly effective in optical fiber radio systems using millimeter wave signals.

近年、「フォトニック結晶構造」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。「フォトニック結晶構造」とは、光の波長と同程度の周期の屈折率変化を周期的に配列した構造である。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ーのバンド構造が形成されるのに対して、フォトニック結晶構造では、光のエネルギーのバンド構造が形成され、異常分散効果によって光波の伝搬特性が大きく影響されたり、場合によっては光波が伝搬し得ない波長域(フォトニックバンドギャップ)が存在したりすることが知られている。   In recent years, research and development of various optical devices using the “photonic crystal structure” has been advanced. The “photonic crystal structure” is a structure in which refractive index changes having a period similar to the wavelength of light are periodically arranged. In a normal solid crystal, a band structure of electron energy is formed by periodic arrangement of atoms, whereas in a photonic crystal structure, a band structure of light energy is formed and light waves propagate due to anomalous dispersion effect. It is known that the characteristics are greatly influenced, or there is a wavelength region (photonic band gap) where the light wave cannot propagate depending on the case.

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(実施の形態1)
まず、図1を参照する。基板1は、タンタル酸リチウム(LiTaO3)単結晶やニオブ酸リチウム(LiNbO3)単結晶などの電気光学材料から形成される。本実施形態の光導波路は、基板1上に、エッチングなどによって形成されたリッジ部分2によって、形成されている。
(Embodiment 1)
First, refer to FIG. The substrate 1 is made of an electro-optic material such as lithium tantalate (LiTaO 3 ) single crystal or lithium niobate (LiNbO 3 ) single crystal. The optical waveguide of this embodiment is formed on the substrate 1 by a ridge portion 2 formed by etching or the like.

さらに、このリッジ形光導波路の基板1の裏面には図のように周期的に並んでいる溝3−1が形成されており、フォトニック結晶構造部分4を構成している。今、このフォトニック結晶構造について述べると、使用される光波の周波数、基板1の屈折率、および、溝3−1の寸法や周期、深さによって、光波の波数と周波数の関係が、図2のような特異な特性を持たせることができる。このような特異な特性を有する構造を一般にフォトニック結晶構造と言い、この場合は1次元のフォトニック結晶構造となる。また、図2のように、光波が存在し得ない波長域が生じる場合があり、これをフォトニックバンドギャップ8と呼ぶ。図2の曲線の傾きは光波の群速度に対応する。通常の光導波路では、この波数と周波数の関係は比例関係にあり、曲線ではなく直線(図中の点線)となる。そのため、通常の導波路では傾きは常に一定となり、群速度も一定である。しかし、フォトニック結晶構造の場合、この傾きの緩い部分(例えば9の位置)では、フォトニック結晶構造部分を通過する光波は、フォトニック結晶構造のない場合に比べて、群速度が非常に小さくなる。ここで述べているのは、光の伝搬方向に対して周期的に屈折率の変わるいわゆる1次元フォトニック結晶構造について述べたが、この場合は、図2のようにフォトニックバンドギャップの周辺では図のように群速度の遅い領域が得られる。   Further, grooves 3-1 arranged periodically as shown in the figure are formed on the back surface of the substrate 1 of the ridge-shaped optical waveguide to constitute a photonic crystal structure portion 4. Now, the photonic crystal structure will be described. The relationship between the wave number and the frequency of the light wave depends on the frequency of the light wave used, the refractive index of the substrate 1, and the size, period, and depth of the groove 3-1. It is possible to have unique characteristics such as A structure having such a unique characteristic is generally called a photonic crystal structure, and in this case, a one-dimensional photonic crystal structure is formed. Further, as shown in FIG. 2, there may be a wavelength region in which no light wave can exist, and this is called a photonic band gap 8. The slope of the curve in FIG. 2 corresponds to the group velocity of light waves. In a normal optical waveguide, the relationship between the wave number and the frequency is proportional, and is not a curve but a straight line (dotted line in the figure). Therefore, in a normal waveguide, the inclination is always constant, and the group velocity is also constant. However, in the case of the photonic crystal structure, the light velocity that passes through the photonic crystal structure portion is much smaller in the portion with the gentle inclination (for example, at the position of 9) than in the case without the photonic crystal structure. Become. What has been described here is a so-called one-dimensional photonic crystal structure whose refractive index changes periodically with respect to the light propagation direction. In this case, in the vicinity of the photonic band gap as shown in FIG. As shown in the figure, a region with a slow group velocity is obtained.

図1の本構成の光導波路に話を戻すと、光導波路部分6を伝搬する光波は、前記フォトニック結晶構造部分4を通過するので、通過する光波の周波数を図2の低群速度状態部分に設定すれば光波の群速度は、溝3−1のない場合に比べて、上記フォトニック結晶の原理によって群速度が低下する。そのため本構造の導波路は群速度の小さな(遅波構造の)導波路として動作する。   Returning to the optical waveguide of this configuration in FIG. 1, since the light wave propagating through the optical waveguide portion 6 passes through the photonic crystal structure portion 4, the frequency of the passing light wave is set to the low group velocity state portion of FIG. Is set, the group velocity of the light wave is reduced by the principle of the photonic crystal as compared with the case where the groove 3-1 is not provided. Therefore, the waveguide having this structure operates as a waveguide having a small group velocity (having a slow wave structure).

ここで、本リッジ型光導波路では、光導波路部分6の垂直方向の光波の閉じ込めは、上下の空気との間の屈折率差によるもので、横方向は、リッジ部分2とその両側のリッジのない基板部分との間の、光波の実効屈折率差によって閉じ込められている。そのため、導波光5の断面内の分布の中心は、リッジ部分2の中に収まっているのではなく、むしろ、基板1の方に入り込む傾向にあることを確認している。そして、導波光5の電界分布の中心は、リッジ部分2の上面よりも、むしろ基板1の裏面に近いところに存在することになるので、本構成に示すように、溝3−1を、基板1の裏面に形成することによって、リッジ部分2の表面に形成するよりも、導波光5に対してより大きな影響を与えることができる。このことは、同じ形状の溝3−1を形成した場合、リッジ部分2の表面によりも本構成のごとく基板1の裏面の方がより大きな実効屈折率の変化を導波光5に与えることができるので、より大きな郡速度の低下が実現できる。また、言い換えれば、本構成では同じ郡速度の低下量を実現するのに、浅い溝ですむことになり、エッチングプロセスの簡略化が可能である。また、リッジ部分2の形成と溝3−1の形成がそれぞれ別々の基板表面に施すことになるので、同じ面に2度エッチングするよりも高い加工精度が実現できる。   Here, in this ridge type optical waveguide, the confinement of the light wave in the vertical direction of the optical waveguide portion 6 is due to the refractive index difference between the upper and lower air, and the horizontal direction is the ridge portion 2 and the ridges on both sides thereof. It is confined by the effective refractive index difference of the light wave between the substrate portion and the non-substrate portion. Therefore, it is confirmed that the center of the distribution in the cross section of the guided light 5 does not fall within the ridge portion 2 but rather tends to enter the substrate 1. Since the center of the electric field distribution of the guided light 5 is located near the back surface of the substrate 1 rather than the top surface of the ridge portion 2, the groove 3-1 is formed on the substrate as shown in this configuration. By forming it on the back surface of 1, it is possible to exert a greater influence on the guided light 5 than when it is formed on the surface of the ridge portion 2. This is because when the groove 3-1 having the same shape is formed, the back surface of the substrate 1 can give a larger change in the effective refractive index to the guided light 5 than the surface of the ridge portion 2 as in the present configuration. Therefore, a greater reduction in county speed can be realized. In other words, in this configuration, a shallow groove is required to achieve the same decrease in the group speed, and the etching process can be simplified. In addition, since the formation of the ridge portion 2 and the formation of the groove 3-1 are performed on different substrate surfaces, higher processing accuracy can be realized than etching twice on the same surface.

一般的にニオブ酸リチウム等の電気光学材料のエッチングなどによる加工は非常に困難であるので、このように、光導波路に周期的な構造変化を設けて、導波光5の実効屈折率を周期的に変化させ、導波特性を変化させる際には、より効果的に実効屈折率を変化させる構造が非常に重要である。   In general, processing by etching or the like of an electro-optic material such as lithium niobate is very difficult. Thus, a periodic structural change is provided in the optical waveguide, and the effective refractive index of the guided light 5 is periodically changed. In order to change the waveguide characteristics, the structure that changes the effective refractive index more effectively is very important.

実際に、ニオブ酸リチウム基板を用いて、例えば、溝3−1の周期0.5λ(λは光波の基板中での波長:自由空間波長を基板の屈折率で割ったもの)、溝3−1の幅を0.25λとしたとき、波長λの前後で群速度が小さくなる波長域が存在することを計算によって確認している。そして、この群速度は溝3−1の幅、周期や深さを変えることによって、光導波路部分6を伝搬する光波の群速度特性を制御することができる。具体的には、溝3−1の周期は0.3λ〜0.7λ、幅は0.1λ〜0.5λ、深さは0.05λ以上の範囲内であれば、群速度低下に有効で、その範囲で有効に群速度を調整できる。実際の群速度の大きさは、光波の周波数と、溝3−1の幅、深さ、周期によって決まるが、幅と周期が同じであれば、溝を深くすれば群速度はより低下する傾向にある。このような構造により、群速度を約1/3程度に減少させると、高周波の伝搬速度と一致させることができるので、進行波型の変調電極を用いた光変調素子に用いた場合、光波と変調信号との相互作用が非常に有効に働くので、大きな効果がある。   Actually, using a lithium niobate substrate, for example, the period 0.5λ of the groove 3-1 (λ is the wavelength of the light wave in the substrate: free space wavelength divided by the refractive index of the substrate), the groove 3-1. It is confirmed by calculation that there is a wavelength region in which the group velocity is small before and after the wavelength λ when the width of λ is 0.25λ. The group velocity can control the group velocity characteristics of the light wave propagating through the optical waveguide portion 6 by changing the width, period, and depth of the groove 3-1. Specifically, if the period of the groove 3-1 is in the range of 0.3λ to 0.7λ, the width is in the range of 0.1λ to 0.5λ, and the depth is in the range of 0.05λ or more, it is effective in reducing the group velocity, and effective in that range. You can adjust the group speed. The actual magnitude of the group velocity is determined by the frequency of the light wave and the width, depth, and period of the groove 3-1, but if the width and period are the same, the group velocity tends to decrease as the groove is deepened. It is in. With such a structure, if the group velocity is reduced to about 1/3, it can be matched with the high-frequency propagation velocity. Therefore, when used in a light modulation element using a traveling wave type modulation electrode, Since the interaction with the modulation signal works very effectively, it has a great effect.

さらに、同じ、幅と周期であれば、溝をより深くするなどして、群速度をさらに減少させ、群速度を1/5以下にすれば、光波と変調信号との相互作用効果がより大きくなり、進行波型電極ではなく、共振器型電極や集中常数型電極など比較的短い電極を用いた光変調素子において効果がある。とりわけ、1/100以下の群速度では、前記相互作用効果が極めて大きくなり、本構成の光導波路の効果がよりいっそう発揮され、極めて高効率な変調素子、あるいは、同じ変調効率であれば極めて小型の変調素子が実現できる。また、特に共振器型電極を用いた場合、電極内で変調信号が共振することによってさらに変調効率が向上するので、変調素子の高効率化によりいっそう大きな効果がある。   Further, if the width and period are the same, the groove speed is further deepened to further reduce the group velocity, and if the group velocity is reduced to 1/5 or less, the interaction effect between the light wave and the modulation signal becomes larger. Thus, the present invention is effective in a light modulation element using a relatively short electrode such as a resonator type electrode or a concentrated constant type electrode instead of a traveling wave type electrode. In particular, at a group speed of 1/100 or less, the interaction effect becomes extremely large, and the effect of the optical waveguide of this configuration is further exhibited. The modulation element can be realized. In particular, when a resonator-type electrode is used, the modulation efficiency is further improved by the resonance of the modulation signal in the electrode, so that there is an even greater effect by increasing the efficiency of the modulation element.

用いる光波の波長λについては、本発明の効果を発揮させるために制約が生じることはないが、実際に通信などの分野で良く使われている赤外光(1.55μm、あるいは、1.3μmを中心とした波長帯域の光波)を用いた場合、非常に有効である。この場合、溝3−1の幅が0.1〜1μm程度の範囲となり、現在の微細加工技術でも作製可能である。   The wavelength λ of the light wave to be used is not limited in order to exert the effect of the present invention. However, infrared light (1.55 μm or 1.3 μm, which is often used in the field of communication, etc.) Is very effective. In this case, the width of the groove 3-1 is in the range of about 0.1 to 1 μm, and it can be manufactured by the current microfabrication technology.

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、リッジ部分2や溝3−1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可能である。ICPによる場合、還元性の強いCF4、BCl3、C48などのガスを用いれば、0.5μm/分程度のレートで基板1をエッチングすることができる。この方法では、紫外線や電子線用の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LiNbO3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。なお、リッジ部分2の高さは、概ね光波の波長と同程度か、またはその数倍程度であれば十分である。一方、リッジ部分2の横幅寸法は、導波路中を伝搬する光波の伝搬特性に大きな影響を与えるが、先のλの値の概ね0.5倍〜5倍程度の範囲内において、シングルモード導波路が得られるので、その寸法範囲において有効性は高い。また、それ以上の横幅寸法においても、光波の伝搬は可能であり、本発明は有効である。 When the substrate 1 is formed of a material having an electro-optic effect such as LiNbO 3, the etching for forming the ridge portion 2 and the groove 3-1 is performed by fluorine-based gas plasma RIE (reactive ion etching) or ICP (reactive ion etching). Inductively coupled plasma). In the case of ICP, the substrate 1 can be etched at a rate of about 0.5 μm / min by using a highly reducing gas such as CF 4 , BCl 3 , C 4 F 8 . This method can realize a selection ratio of 1 with respect to a photosensitive resist for ultraviolet rays and electron beams. It should be noted that the fact that LiNbO 3 can be etched by ICP is described in the 63rd Applied Physics Related Conference Lecture Collection 26a-D-20. It is sufficient that the height of the ridge portion 2 is approximately the same as the wavelength of the light wave or several times as high. On the other hand, the width dimension of the ridge portion 2 greatly affects the propagation characteristics of the light wave propagating in the waveguide. However, the single-mode waveguide is within the range of about 0.5 to 5 times the previous λ value. Since a waveguide is obtained, the effectiveness is high in the dimension range. In addition, the light wave can be propagated even in a width dimension larger than that, and the present invention is effective.

また、図3に示すように、溝の代わりに円形等の形状のピット3−2を基板1の裏面に形成する場合においても、同様の原理によって、導波光5の郡速度を低下させることができる。この場合の横方向にも周期性を有するいわゆる2次元のフォトニック結晶構造となる。この場合、先に述べた1次元フォトニック結晶構造と異なり、フォトニックバンドギャップが生じる場合と生じない場合がある。本願発明の構成においては、フォトニックバンドギャップが生じる場合は、1次元フォトニック結晶構造と同様に、フォトニックバンドギャップの周辺で群速度が低下する低群速度状態部分9が存在するので、光波の周波数を低群速度状態部分9に設定すれば光波の群速度は、ピット3−2のない場合に比べて、前記フォトニック結晶の原理によって群速度が低下する。さらに、2次元フォトニック結晶としてフォトニックバンドギャップが生じない場合でも、光波の周波数とピットの直径、周期、深さを適当に選ぶことによって、群速度を低下させる周波数領域が存在し、フォトニックバンドギャップが生じる場合と同様に、群速度を低下させることが可能であることを確認している。そのため本構造の導波路は群速度の小さな(遅波構造の)導波路として動作し、実施形態1で述べた効果が同様に実現できる。   In addition, as shown in FIG. 3, when the pits 3-2 having a circular shape or the like are formed on the back surface of the substrate 1 instead of the grooves, the group velocity of the guided light 5 can be reduced by the same principle. it can. In this case, a so-called two-dimensional photonic crystal structure having periodicity in the lateral direction is obtained. In this case, unlike the one-dimensional photonic crystal structure described above, a photonic band gap may or may not occur. In the configuration of the present invention, when a photonic band gap occurs, there is a low group velocity state portion 9 in which the group velocity decreases around the photonic band gap, as in the one-dimensional photonic crystal structure. Is set in the low group velocity state portion 9, the group velocity of the light wave is reduced by the principle of the photonic crystal as compared with the case without the pit 3-2. Furthermore, even when a photonic band gap does not occur as a two-dimensional photonic crystal, there is a frequency region that reduces the group velocity by appropriately selecting the frequency of the light wave and the diameter, period, and depth of the pits. It has been confirmed that the group velocity can be reduced as in the case where the band gap is generated. Therefore, the waveguide having this structure operates as a waveguide having a low group velocity (having a slow wave structure), and the effect described in the first embodiment can be similarly realized.

また、本構成においては、複数モードが伝搬できる光導波路6にピット3−2を形成することによって、各モードの伝搬特性を別々に変化させることができ、導波路設計の自由度が向上する。また、それによって、より効果的に郡速度が低下する伝搬モードを選択的に利用すれば、より効果的に郡速度の低下が実現できる。また、ピット3−2を利用した場合、溝3−1よりも高い加工精度が要求されるが、エッチング面積は少なくてすむのでエッチングプロセスの効率化も可能である。   Further, in this configuration, by forming the pit 3-2 in the optical waveguide 6 capable of propagating a plurality of modes, the propagation characteristics of each mode can be changed separately, and the degree of freedom in designing the waveguide is improved. In addition, if the propagation mode in which the group speed is more effectively reduced is selectively used, the group speed can be more effectively reduced. Further, when the pit 3-2 is used, higher processing accuracy than that of the groove 3-1 is required. However, since the etching area is small, the efficiency of the etching process can be improved.

実際に、ニオブ酸リチウム基板を用いて、例えば、ピットの周期0.43λ(λは光波の基板中での波長:自由空間波長を基板の屈折率で割ったもの)、ピットの直径を0.17λとしたとき、群速度が小さくなることを平面波展開法による計算によって確認している。そして、この群速度はピット3−2の径、周期や深さを変えることによって、光導波路部分6を伝搬する光波の群速度特性を制御することができる。具体的には、ピットの周期は0.3λ〜0.7λ、直径は0.1λ〜0.5λ、深さは0.05λ以上の範囲内であれば、群速度低下に有効で、その範囲で有効に群速度を調整できる。   Actually, using a lithium niobate substrate, for example, the pit period is 0.43λ (λ is the wavelength of the light wave in the substrate: free space wavelength divided by the refractive index of the substrate), and the pit diameter is 0.17λ. In this case, it is confirmed by the calculation by the plane wave expansion method that the group velocity becomes small. The group velocity can control the group velocity characteristics of the light wave propagating through the optical waveguide portion 6 by changing the diameter, period, and depth of the pits 3-2. Specifically, if the pit period is in the range of 0.3λ to 0.7λ, the diameter is in the range of 0.1λ to 0.5λ, and the depth is in the range of 0.05λ or more, it is effective for reducing the group speed, and the group speed is effective in that range. Can be adjusted.

上記実施例では、溝3−1あるいはピット3−2は空洞である場合についての説明であったが、溝3−1あるいはピット3−2の中は、基板1の屈折率との差があれば効果を同様に発揮させることができる。この場合基板1と溝3−1あるいはピット3−2の中の材料との屈折率差が大きいほど、少ない溝3−1あるいはピット3−2の数で同様の効果を発揮させることが可能になる。具体的には、溝3−1あるいはピット3−2の部分に基板1とは屈折率の異なる材料を充填させたり、あるいは、チタンなどの金属の拡散やプロトン交換法など通常の光導波路作製方法を応用し、周期的に屈折率の高い部分を形成しても同様に有効である。実際に、基板にニオブ酸リチウム結晶を用い、膜厚700nmのチタンパターンを1000℃酸素雰囲気中で5時間の熱拡散することで、良好な屈折率変化を作成することができる。また、プロトン交換法では、例えばタンタル酸リチウム基板の表面に、屈折率を増加させたい部分だけリフトオフ法などによって抜き去ったクロム膜のパターンを作成し、基板を240℃の安息香酸中に約1時間浸すことによって、所望に場所のみ屈折率を増加させることができる。プロトン交換法では屈折率変化は異常屈折率のみに限られるが、大きな屈折率変化が得られるなどの利点がある。これらの場合には、屈折率変化量はエッチングにより溝を形成し中を空洞にするよりも小さいが、エッチングなどの加工プロセスが不要なため、工程が簡略化され、また、基板表面が平坦なままなので光波の伝搬損が小さくなるという利点もある。   In the above embodiment, the description has been given of the case where the groove 3-1 or the pit 3-2 is a cavity, but there is a difference between the refractive index of the substrate 1 in the groove 3-1 or the pit 3-2. The effect can be exhibited similarly. In this case, the larger the refractive index difference between the substrate 1 and the material in the groove 3-1 or the pit 3-2, the similar effect can be exhibited with a smaller number of grooves 3-1 or pits 3-2. Become. Specifically, the groove 3-1 or the pit 3-2 is filled with a material having a refractive index different from that of the substrate 1, or a normal optical waveguide manufacturing method such as diffusion of metal such as titanium or a proton exchange method. It is also effective to apply the above and periodically form a portion having a high refractive index. Actually, a favorable refractive index change can be created by using lithium niobate crystal for the substrate and thermally diffusing a 700 nm thick titanium pattern in an oxygen atmosphere at 1000 ° C. for 5 hours. In the proton exchange method, for example, a pattern of a chromium film is formed on the surface of a lithium tantalate substrate by removing only a portion where the refractive index is to be increased by the lift-off method, and the substrate is placed in benzoic acid at 240 ° C. for about 1 By soaking in time, the refractive index can be increased only at the desired location. In the proton exchange method, the refractive index change is limited only to the extraordinary refractive index, but there is an advantage that a large refractive index change can be obtained. In these cases, the amount of change in the refractive index is smaller than that of forming a groove by etching and making the inside hollow. However, since a processing process such as etching is not required, the process is simplified and the substrate surface is flat. This also has the advantage that the propagation loss of the light wave is reduced.

(実施の形態2)
まず、図4を参照する。基板1は、タンタル酸リチウム(LiTaO3)単結晶やニオブ酸リチウム(LiNbO3)単結晶などの電気光学材料から形成される。本実施形態の光導波路は、基板1上に、スパッタリング蒸着法とエッチング法などによって形成されたリッジ部分2によって、構成されている。
(Embodiment 2)
First, referring to FIG. The substrate 1 is made of an electro-optic material such as lithium tantalate (LiTaO 3 ) single crystal or lithium niobate (LiNbO 3 ) single crystal. The optical waveguide of this embodiment is constituted by a ridge portion 2 formed on a substrate 1 by a sputtering vapor deposition method and an etching method.

さらに、このリッジ形光導波路の基板1の表面部分には図のように周期的に並んでいる溝3−1が形成されており、フォトニック結晶構造部分4を構成している。作製の順序は、図4(b)に示すように、まず基板表面に溝3−1を形成し、その上にリッジ部分2を形成すればよい。この場合、溝3−1の中は空洞であっても良いが、リッジ部分2の屈折率が基板1の屈折率と異なる場合には、リッジ部分2を構成する材料が溝3−1の中に入り込んでいても、同様に効果が発揮される。このフォトニック結晶構造についても、使用される光波の周波数、基板1の屈折率、および、溝3−1の寸法や周期、深さによって、前記実施例における説明と同様に、図2のような光波の波数と周波数の関係を持たせることができ、同様の原理によって、フォトニック結晶構造部分4を通過する光波は、フォトニック結晶構造部分4のない場合に比べて、群速度が非常に小さくなる。そのため本構造の導波路は群速度の小さな(遅波構造の)導波路として動作し、実施形態1で述べた効果が同様に実現できる。   Further, grooves 3-1 arranged periodically as shown in the figure are formed on the surface portion of the substrate 1 of the ridge-shaped optical waveguide, and constitute a photonic crystal structure portion 4. As shown in FIG. 4B, the fabrication sequence may be as follows. First, the groove 3-1 is formed on the substrate surface, and the ridge portion 2 is formed thereon. In this case, the groove 3-1 may be hollow, but when the refractive index of the ridge portion 2 is different from the refractive index of the substrate 1, the material constituting the ridge portion 2 is the groove 3-1 Even if it enters, the effect is demonstrated similarly. Also for this photonic crystal structure, as shown in FIG. 2, the frequency of the light wave used, the refractive index of the substrate 1, and the size, period, and depth of the groove 3-1, The relationship between the wave number and the frequency of the light wave can be given. Based on the same principle, the light wave passing through the photonic crystal structure part 4 has a very small group velocity compared to the case without the photonic crystal structure part 4. Become. Therefore, the waveguide having this structure operates as a waveguide having a low group velocity (having a slow wave structure), and the effect described in the first embodiment can be similarly realized.

ここで、本リッジ型光導波路でも、図1の構成と同様に、光導波路部分6の垂直方向の光波の閉じ込めは、上下の空気との間の屈折率差によるもので、横方向は、リッジ部分2とその両側のリッジのない基板部分との間の、光波の実効屈折率差によって閉じ込められている。そのため、導波光5の断面内の分布の中心は、リッジ部分2の中に収まっているのではなく、基板1の方にも入り込む傾向にあることは、先にも述べたが、そこで、本構成に示すように、溝3−1を、基板1の表面上のリッジ部分2と基板1の境界面部分に形成すると、導波光5の電界の中心にほぼ一致する位置に溝3−1が形成されていることになるので、導波光には非常に大きな周期的な屈折率変化を与えることができ、実効屈折率の大きな周期的変化が生じる。そのため、効果的な郡速度の低下を実現することが可能である。本構成は実施例1の構成に比べて、作製プロセスは複雑にはなるが、効果は非常に大きい。また、別の見方をすれば、本構成では同じ郡速度の低下量を実現するのに、非常に浅い溝ですむことになり、溝3−1形成の際のエッチングプロセスの簡略化やパターン精度の向上が可能である。   Here, also in this ridge type optical waveguide, the confinement of the light wave in the vertical direction of the optical waveguide portion 6 is due to the refractive index difference between the upper and lower air, and the horizontal direction is the ridge type optical waveguide. It is confined by the difference in effective refractive index of the light wave between the portion 2 and the substrate portion having no ridge on both sides thereof. Therefore, as described above, the center of the distribution in the cross section of the guided light 5 does not fall within the ridge portion 2 but tends to enter the substrate 1 as well. As shown in the configuration, when the groove 3-1 is formed in the boundary surface portion between the ridge portion 2 on the surface of the substrate 1 and the substrate 1, the groove 3-1 is formed at a position substantially coinciding with the center of the electric field of the guided light 5. Since it is formed, the waveguide light can be given a very large periodic refractive index change, resulting in a large periodic change in the effective refractive index. Therefore, it is possible to realize an effective decrease in the county speed. Compared with the configuration of the first embodiment, this configuration has a very large effect although the manufacturing process is complicated. From another point of view, this configuration requires a very shallow groove to achieve the same reduction in the group speed. This simplifies the etching process and pattern accuracy when forming the groove 3-1. Can be improved.

また、図5に示すように、予め、基板1の表面にプロトン交換法などによって高屈折率の層を形成しておくと、導波光が溝3−1の存在する基板1の表面部分にさらに集中するので、より一層効果的である。また、この場合、高屈折率層7によって、光波の垂直方向の閉じ込めることも可能であるので、本構成においては、基板1の厚さに制限はなく、十分に厚い基板を利用することも可能である。   In addition, as shown in FIG. 5, if a layer having a high refractive index is formed on the surface of the substrate 1 in advance by a proton exchange method or the like, the guided light is further applied to the surface portion of the substrate 1 where the grooves 3-1 exist. Because it concentrates, it is even more effective. In this case, since the light wave can be confined in the vertical direction by the high refractive index layer 7, the thickness of the substrate 1 is not limited in this configuration, and a sufficiently thick substrate can be used. It is.

なお、高屈折率層7としてこのようなプロトン交換法に限ることはなく、例えばチタンのような金属の熱拡散や、屈折率の高い別の材料をスパッタ蒸着法などにより形成しても同様に有効である。さらに、本構成においても、実施例1と同様に、溝の代わりにピットを形成しても有効性がある。   The high-refractive index layer 7 is not limited to such a proton exchange method. For example, even if a metal such as titanium is thermally diffused or another material having a high refractive index is formed by a sputter deposition method or the like. It is valid. Further, in this configuration, as in the first embodiment, it is effective to form pits instead of grooves.

(実施の形態3)
まず、図6を参照する。基板1は、タンタル酸リチウム(LiTaO3)単結晶やニオブ酸リチウム(LiNbO3)単結晶などの電気光学材料から形成される。本実施形態の光導波路は、基板1上に、エッチングなどによって形成されたリッジ部分2によって、形成されている。
(Embodiment 3)
First, referring to FIG. The substrate 1 is made of an electro-optic material such as lithium tantalate (LiTaO 3 ) single crystal or lithium niobate (LiNbO 3 ) single crystal. The optical waveguide of this embodiment is formed on the substrate 1 by a ridge portion 2 formed by etching or the like.

さらに、このリッジ部分2の表面には図のように周期的に並んでいる高屈折率部分3−3が形成されており、フォトニック結晶構造部分4を構成している。このフォトニック結晶構造部分4は、使用される光波の周波数、基板1の屈折率、および、高屈折率部分3−3の寸法や周期、深さによって、前記実施例における説明と同様に、図2のような光波の波数と周波数の関係を持たせることができ、同様の原理によって、フォトニック結晶構造部分4を通過する光波は、フォトニック結晶構造部分4のない場合に比べて、群速度が非常に小さくなる。そのため本構造の導波路は群速度の小さな(遅波構造の)導波路として動作し、実施形態1で述べた効果が同様に実現できる。実際に、高屈折率部分3−3を形成する方法は、実施例1の後半で述べた方法と同様の金属の熱拡散法やプロトン交換法で作成が可能であり、そのため、エッチングなどの加工プロセスが不要なため、工程が簡略化され、また、基板表面が平坦なままなので光波の伝搬損が小さくなるという利点もある。   Further, a high refractive index portion 3-3 arranged periodically as shown in the figure is formed on the surface of the ridge portion 2, and constitutes a photonic crystal structure portion 4. This photonic crystal structure portion 4 is formed in the same manner as described in the above embodiment, depending on the frequency of the light wave used, the refractive index of the substrate 1, and the size, period, and depth of the high refractive index portion 3-3. 2, the light wave passing through the photonic crystal structure portion 4 can be compared with the group velocity compared to the case without the photonic crystal structure portion 4 by the same principle. Becomes very small. Therefore, the waveguide having this structure operates as a waveguide having a low group velocity (having a slow wave structure), and the effect described in the first embodiment can be similarly realized. Actually, the method of forming the high refractive index portion 3-3 can be formed by the metal thermal diffusion method or the proton exchange method similar to the method described in the latter half of the first embodiment. Since the process is unnecessary, the process is simplified, and there is an advantage that the propagation loss of the light wave is reduced because the substrate surface remains flat.

本構成においては、導波光5の垂直方向の光波の閉じ込めは、高屈折率部分3−3と、その上の空気および下の基板1との間の屈折率差によるもので、横方向は、先の実施例とは異なりリッジ部分2とその両側の空気との間の屈折率差によって閉じ込められている。そのため横方向の閉じ込めが強く、曲がりなどによる損失の少ない導波路が実現でき、また、基板1の厚さに制限が無く、厚い基板が利用できる。また、高屈折率部分3−3とその周囲の屈折率の屈折率変化がほぼ導波光の実効屈折率の周期変化となるので、比較的大きな周期変化がもたらされ、効果的な郡速度の低下が実現できる。また、図3で示されているピットに対応する形状の周期的な屈折率変化を形成した場合でも同様に有効である。   In the present configuration, the confinement of the light wave in the vertical direction of the guided light 5 is due to the refractive index difference between the high refractive index portion 3-3 and the air above and the substrate 1 below. Unlike the previous embodiment, it is confined by the refractive index difference between the ridge portion 2 and the air on both sides thereof. Therefore, a waveguide having strong lateral confinement and less loss due to bending can be realized, and the thickness of the substrate 1 is not limited, and a thick substrate can be used. Further, since the refractive index change of the high refractive index portion 3-3 and the surrounding refractive index is almost the periodic change of the effective refractive index of the guided light, a relatively large periodic change is brought about, and the effective group speed is reduced. A reduction can be realized. Further, even when a periodic refractive index change having a shape corresponding to the pit shown in FIG.

(実施の形態4)
図7を参照する。実施形態1〜3で説明した光導波路を用いて構成した光変調器について説明する。実施形態1で説明した導波路のフォトニック結晶構造部分5に、例えば真空蒸着とエッチングにより形成された金属膜からなる変調電極10aと10bで構成される。ここで、前記電極間に電圧を印加することによって、光導波路部分6には垂直方向の電界が印加される。基板1は電気光学効果を有するので、光導波路部分6の屈折率が電界強度に応じて変化し、導波路部分6を通過する光波に位相変化を生じさせる。これによって、本素子は光位相変調器として動作する。ニオブ酸リチウム結晶に代表される電気光学結晶は、電気光学係数においても大きな異方性を有しており、その最も大きな電気光学係数はγ33で、これは、結晶のc軸方向に偏光した光波が受ける屈折率が、同じくc軸方向の電界によって変化する係数である。従って、本構成においては、基板1には、c軸に垂直な面が表面になるようにカットされた結晶基板(z-cutニオブ酸リチウム結晶)を利用し、縦方向に偏光した光波(TM波)を用いた場合により有効性が高くなる。ここで、実施形態1で説明したように、本導波路構成においては、導波する光波の群速度を低下させることができるので、電気光学効果による屈折率変化を受ける時間もそれに反比例して長くなり、結果的に光変調効果が増大する。また、図7の光変調素子の変調周波数帯域を拡大するには、変調電極10を伝送線路として用い、光波と同じ方向に変調波も伝搬させて変調することによって、変調効率を高めることができるが、このような進行波型電極を図7の変調電極10に利用した場合、フォトニック結晶構造部分4の溝3−1の幅や周期、深さなどを調整することによって、光の群速度を低下させ、光と変調波の速度を整合させることも可能である。これによって、広帯域で、高効率な光変調器が実現できる。本構成では、変調電極10a、10b間に電圧を印加すると、光導波路部分6には縦方向に強い電界が生じるので、縦方向の電界に対して大きな屈折率変化が生じる基板1(例えば、z-cutのニオブ酸リチウム結晶)を用いる場合に有効である。
(Embodiment 4)
Please refer to FIG. An optical modulator configured using the optical waveguide described in the first to third embodiments will be described. The photonic crystal structure portion 5 of the waveguide described in the first embodiment is composed of modulation electrodes 10a and 10b made of a metal film formed by, for example, vacuum deposition and etching. Here, a vertical electric field is applied to the optical waveguide portion 6 by applying a voltage between the electrodes. Since the substrate 1 has an electro-optic effect, the refractive index of the optical waveguide portion 6 changes according to the electric field strength, causing a phase change in the light wave passing through the waveguide portion 6. Thereby, this element operates as an optical phase modulator. The electro-optic crystal represented by the lithium niobate crystal also has a large anisotropy in the electro-optic coefficient, and the largest electro-optic coefficient is γ 33 , which is polarized in the c-axis direction of the crystal. Similarly, the refractive index received by the light wave is a coefficient that varies with the electric field in the c-axis direction. Therefore, in this configuration, the substrate 1 is a crystal substrate (z-cut lithium niobate crystal) cut so that the surface perpendicular to the c-axis is the surface, and light waves (TM) polarized in the vertical direction (TM The effectiveness becomes higher when the wave is used. Here, as described in the first embodiment, in this waveguide configuration, the group velocity of the guided light wave can be reduced, so that the time for receiving the refractive index change due to the electro-optic effect is also increased in inverse proportion to the time. As a result, the light modulation effect increases. Further, in order to expand the modulation frequency band of the light modulation element of FIG. 7, the modulation efficiency can be improved by using the modulation electrode 10 as a transmission line and propagating the modulation wave in the same direction as the light wave and modulating it. However, when such a traveling wave electrode is used for the modulation electrode 10 of FIG. 7, the group velocity of light is adjusted by adjusting the width, period, depth, etc. of the groove 3-1 of the photonic crystal structure portion 4. It is also possible to match the speed of the light and the modulated wave. As a result, a broadband and highly efficient optical modulator can be realized. In this configuration, when a voltage is applied between the modulation electrodes 10a and 10b, a strong electric field is generated in the optical waveguide portion 6 in the vertical direction, so that the substrate 1 (for example, z) in which a large refractive index change occurs with respect to the vertical electric field. -cut lithium niobate crystal) is effective.

(実施の形態5)
他の実施形態の光変調素子を図8に例示する。本実施形態の光変調素子も光位相変調器として動作する。本構成では、変調電極10a、10b間に電圧を印加すると、光導波路部分6には横方向に強い電界が生じる構成を用いている。通常の電気光学結晶を用いた場合、横方向の電界に対して大きな屈折率変化が生じさせるためには、先の実施例とは異なり、c軸を導波路に対して横方向に向いている基板1(例えば、y-cutのニオブ酸リチウム結晶)を用い、同じく横方向に偏光した光波(TE波)を用いる場合に本構成は非常に有効である。
(Embodiment 5)
The light modulation element of other embodiment is illustrated in FIG. The light modulation element of this embodiment also operates as an optical phase modulator. In this configuration, when a voltage is applied between the modulation electrodes 10a and 10b, a configuration in which a strong electric field is generated in the optical waveguide portion 6 in the lateral direction is used. Unlike the previous embodiment, in order to generate a large refractive index change with respect to the electric field in the transverse direction when using a normal electro-optic crystal, the c-axis is oriented laterally with respect to the waveguide. This configuration is very effective when the substrate 1 (for example, y-cut lithium niobate crystal) is used and the light wave (TE wave) polarized in the lateral direction is used.

(実施の形態6)
次に、図9を参照する。本構成では、前記実施形態4あるいは5で述べた光変調器構成を発展させ、光導波路部分6によって、マッハツェンダー干渉計を構成している。この場合、変調電極10a、10b間に電圧を印加すると、2本の光導波路部分6a、6bのフォトニック結晶構造部分5には、互いに逆方向の電界が生じるので、光導波路部分6a、6bを伝搬する光波には互いに逆の位相変化が生じ、それらが合波されるときに、互いに干渉し、位相変化量に応じた光強度変化に変換される。これによって、本構成の光変調器は変調電極間の電圧に応じた光強度変調が可能となる。本構成においては、前記実施形態4あるいは5で述べた光変調器と、位相変調と強度変調の差はあるが、同様に高効率な光変調が可能である。
(Embodiment 6)
Reference is now made to FIG. In this configuration, the optical modulator configuration described in the fourth or fifth embodiment is developed, and the Mach-Zehnder interferometer is configured by the optical waveguide portion 6. In this case, when a voltage is applied between the modulation electrodes 10a and 10b, electric fields in opposite directions are generated in the photonic crystal structure portions 5 of the two optical waveguide portions 6a and 6b, so that the optical waveguide portions 6a and 6b are connected to each other. The propagating light waves undergo phase changes opposite to each other, and when they are combined, they interfere with each other and are converted into light intensity changes corresponding to the amount of phase change. As a result, the optical modulator of this configuration can modulate the light intensity according to the voltage between the modulation electrodes. In this configuration, although there is a difference between phase modulation and intensity modulation with the optical modulator described in the fourth or fifth embodiment, high-efficiency optical modulation is possible in the same manner.

前記実施の形態4〜6では、実施の形態1〜3で述べた本発明の光導波路構造を光変調素子に応用する形態についてのみ述べていたが、本発明の光導波路構造は、低損失で群速度の小さな光導波路を実現できるものであるので、このような応用に限らず、小さな群速度により、光波と基板材料との相互作用を増大することにより高効率な非線形光学効果素子などの実現も可能である。非線形光学効果素子では、高調波発生や波長変換、光電気変換素子の実現が期待できる。   In the fourth to sixth embodiments, only the mode in which the optical waveguide structure of the present invention described in the first to third embodiments is applied to an optical modulation element has been described. However, the optical waveguide structure of the present invention has low loss. Since it is possible to realize an optical waveguide with a small group velocity, it is not limited to this application, and a highly efficient nonlinear optical effect element, etc. is realized by increasing the interaction between the light wave and the substrate material by a small group velocity. Is also possible. Nonlinear optical effect elements can be expected to realize harmonic generation, wavelength conversion, and photoelectric conversion elements.

(実施の形態7)
次に、図10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 7)
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4〜6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。   The fiber radio system 50 of the present embodiment includes an optical modulator / demodulator 51 incorporating the light modulation element in the fourth to sixth embodiments. The antenna 53 can directly perform communication with a normal data communication network such as the Internet, communication with a portable terminal, reception of a signal from a CATV, or the like using, for example, a millimeter wave carrier wave. The optical modulator / demodulator 51 includes a light demodulating element (for example, a photodiode) in addition to the light modulating element.

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、光ファイバ70を通してミリ波等の無線信号で変調された光信号を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 data communication network 61, the CATV 62, and the mobile phone system 63 can be performed using the wireless device 60 and the antenna 64 attached to the wireless device. In this case, an optical modulator / demodulator 55 connected via the fiber radio communication system 50 and the optical fiber 70 and an antenna 54 attached thereto are further provided. Signals can be exchanged with the wireless device 60 via the antennas 54 and 64 and the optical modulator / demodulator 55. The light modulator / demodulator 55 includes a light demodulating element (for example, a photodiode) in addition to the light modulating element. When long-distance transmission is desired or when transmission is performed indoors that is partitioned by a wall or the like, it is effective to transmit an optical signal modulated with a radio signal such as a millimeter wave through the optical fiber 70.

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、変調信号に忠実な、位相の乱れなどが少ない光変調信号を生成できるので、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 an optical modulation signal that is faithful to the modulation signal and has little phase disturbance can be generated, it is suitable for high-speed information transmission and long-distance optical fiber communication.

(a)は、本発明による光導波路の第1の実施形態の断面図、(b)は裏面からの斜視図(A) is sectional drawing of 1st Embodiment of the optical waveguide by this invention, (b) is a perspective view from a back surface フォトニック結晶構造中の光波の分散特性図Dispersion characteristic diagram of light wave in photonic crystal structure (a)は、本発明による光導波路の第2の実施形態の断面図、(b)は裏面からの斜視図(A) is sectional drawing of 2nd Embodiment of the optical waveguide by this invention, (b) is a perspective view from a back surface (a)は、本発明による光導波路の第3の実施形態の断面図、(b)は斜視図(A) is sectional drawing of 3rd Embodiment of the optical waveguide by this invention, (b) is a perspective view 本発明による光導波路の第4の実施形態の断面図Sectional drawing of 4th Embodiment of the optical waveguide by this invention (a)は、本発明による光導波路の第3の実施形態の断面図、(b)は斜視図(A) is sectional drawing of 3rd Embodiment of the optical waveguide by this invention, (b) is a perspective view (a)は、本発明による光変調素子の第1の実施形態の平面図、(b)は、そのA−A’線断面図(A) is a plan view of the first embodiment of the light modulation element according to the present invention, and (b) is a cross-sectional view taken along line A-A ′ thereof. (a)は、本発明による光変調素子の第2の実施形態の平面図、(b)は、そのA−A’線断面図(A) is a plan view of a second embodiment of the light modulation element according to the present invention, and (b) is a cross-sectional view taken along line A-A ′ thereof. (a)は、本発明による光変調素子の第3の実施形態の平面図、(b)は、そのA−A’線断面図(A) is a plan view of a third embodiment of the light modulation element according to the present invention, and (b) is a cross-sectional view taken along line A-A ′ thereof. 本発明による通信システムの実施形態を示す図The figure which shows embodiment of the communication system by this invention 光変調素子の従来例を示す斜視図A perspective view showing a conventional example of a light modulation element

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 リッジ部分
3−1 溝
3−2 ピット
3−3 高屈折率部分
4 フォトニック結晶構造部分
5 導波光
6 光導波路部分
6a 分岐導波路部分
6b 分岐導波路部分
6c 入口側光導波路部分
6d 出口側光導波路部分
7 高屈折率層
8 フォトニックバンドギャップ
9 低群速度状態部分
10,10a,10b 変調電極
11 信号源
12 終端抵抗
13 間隙部
14a 分岐点
14b 分岐点
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Ridge part 3-1 Groove 3-2 Pit 3-3 High refractive index part 4 Photonic crystal structure part 5 Waveguide light 6 Optical waveguide part 6a Branched waveguide part 6b Branched waveguide part 6c Entrance side optical waveguide part 6d Exit side optical waveguide portion 7 High refractive index layer 8 Photonic band gap 9 Low group velocity state portion 10, 10a, 10b Modulation electrode 11 Signal source 12 Termination resistor 13 Gap portion 14a Branch point 14b Branch point

Claims (7)

電気光学効果を有する材料からなる基板と前記基板の表面上にリッジ構造を有する光導波路であって、
前記光導波路を伝搬する光の群速度を低下させる周期構造を更に備えた光導波路であって、
前記周期構造が、基板の裏面に形成された複数の溝、あるいは、円形ピットからなることを特徴とする光導波路。
An optical waveguide having a substrate made of a material having an electro-optic effect and a ridge structure on the surface of the substrate,
An optical waveguide further comprising a periodic structure for reducing the group velocity of light propagating through the optical waveguide,
An optical waveguide characterized in that the periodic structure comprises a plurality of grooves or circular pits formed on the back surface of the substrate.
電気光学効果を有する材料からなる基板と前記基板の表面上にリッジ構造を有する光導波路であって、
前記光導波路を伝搬する光の群速度を低下させる周期構造を更に備えた光導波路であって、
前記周期構造が、基板の表面上に形成された複数の溝、あるいは、円形ピットからなり、前記複数の溝、あるいは、円形ピットの上に前記リッジ構造が形成されていることを特徴とする光導波路。
An optical waveguide having a substrate made of a material having an electro-optic effect and a ridge structure on the surface of the substrate,
An optical waveguide further comprising a periodic structure for reducing the group velocity of light propagating through the optical waveguide,
The periodic structure comprises a plurality of grooves or circular pits formed on the surface of the substrate, and the ridge structure is formed on the plurality of grooves or circular pits. Waveguide.
電気光学効果を有する材料からなる基板と前記基板の表面上にリッジ構造を有する光導波路であって、
前記光導波路を伝搬する光の群速度を低下させる周期構造を更に備えた光導波路であって、
前記周期構造が、前記リッジ構造部分の表面に形成された複数の高屈折率部分からなり、
前記基板はニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウム材料からなり、
前記高屈折率部分はプロトン交換法あるいは金属の熱拡散法により形成されていることを特徴とする光導波路。
An optical waveguide having a substrate made of a material having an electro-optic effect and a ridge structure on the surface of the substrate,
An optical waveguide further comprising a periodic structure for reducing the group velocity of light propagating through the optical waveguide,
The periodic structure comprises a plurality of high refractive index portions formed on the surface of the ridge structure portion,
The substrate is made of a lithium niobate or lithium tantalate material,
The optical waveguide, wherein the high refractive index portion is formed by a proton exchange method or a metal thermal diffusion method.
前記複数の溝、あるいは、ピットが空洞であるか、あるいは、前記基板の屈折率とは異なる屈折率を有することを特徴とする請求項1〜2いずれかに記載の光導波路。 3. The optical waveguide according to claim 1, wherein the plurality of grooves or pits are hollow, or have a refractive index different from that of the substrate. 前記周期構造が、前記溝あるいはピットの幅と周期がフォトニックバンドギャップを形成しない範囲で、かつ、光波の群速度を低下させる寸法を有することを特徴とする請求項1〜4いずれかに記載の光導波路。 5. The periodic structure according to claim 1, wherein the width or period of the groove or pit is within a range in which a photonic band gap is not formed, and has a dimension that reduces a group velocity of light waves. Optical waveguide. 前記光導波路に、電気光学光変調用電界を印加するための変調電極を備えた1〜5いずれかに記載の光変調素子。 The light modulation element according to any one of 1 to 5, further comprising a modulation electrode for applying an electro-optic light modulation electric field to the optical waveguide. 請求項6に記載の光変調素子と、前記光変調素子から出力された変調光を伝送する光ファィバと、前記光変調素子に変調用電気信号を与える手段と、を備えた通信システム。 A communication system comprising: the light modulation element according to claim 6; an optical fiber that transmits the modulated light output from the light modulation element; and means for providing an electric signal for modulation to the light modulation element.
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