JP2006285121A - Optical waveguide, optical modulator, and optical communication system - Google Patents

Optical waveguide, optical modulator, and optical communication system Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve modulation efficiency of an optical modulator by using an optical waveguide with a structure which lowers group velocity of light, and increasing an interaction effect with a modulation signal. <P>SOLUTION: The optical modulator has an optical waveguide 6 composed of a material with an electro-optic effect, and a two-dimensional photonic structure 5 comprising a plurality of pits 3 arranged on a surface of the optical waveguide 6. Thereby the group velocity of the light passing through the optical waveguide is lowered even when no photonic band gap is generated, and consequently very high modulation efficiency is achieved by applying the waveguide to the optical modulator. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

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、および、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、高効率で、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 that can operate at high speed and high 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導波路型の電気光学光変調素子は、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。   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, a waveguide type electro-optic light modulator 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 due to light modulation. It is very suitable for information transmission and long-distance optical fiber communication.

一般に、電気光学光変調素子は、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、ニオブ酸リチウム結晶でも最大30pm/V程度と非常に小さい。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 very small, about 30 pm / V at the maximum even for lithium niobate 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6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. 6 is a perspective view showing a conventional light modulation element described in Non-Patent Document 1. As shown in 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上に光伝搬方向と同じ方向に伝搬し、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。   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 same direction as the light propagation direction 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.

図6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. 6, the interaction between the light wave and the modulation signal wave is increased by causing the modulation 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、先に述べたように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3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 the electro-optic crystal represented by lithium niobate is very small as described above, sufficient modulation can be obtained even if the modulation electrode 3 is extended to a length of about several centimeters. In this case, a high voltage of about several volts 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。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2倍以上も高く、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。
特開2001−281480号公報 特開2002−196296号公報 IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-13, no. 4, pp287-290, 1977)
On the other hand, normally used optical waveguides have almost no velocity dispersion, so the propagation velocity (here, the group velocity of light waves has a meaning) is almost determined by the refractive index of the waveguide. While the refractive index of the electro-optic crystal is about 2.1, the dielectric constant for microwaves is as high as about 20 to 40, so the speed of light is more than twice as high as 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.
JP 2001-281480 A JP 2002-196296 A IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-13, no. 4, pp287-290, 1977)

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および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 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形成されたリッジ部分を有し、前記リッジ部分の表面に高屈折率部分を形成することによって構成され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前記更に備えた光導波路であって、前記周期構造は、前記リッジ部分の表面に設けられた複数のピットによって構成され、前記複数のピットが2次元フォトニック結晶構造を有していることを特徴とする。   An optical waveguide having a ridge portion formed of a material having an electro-optic effect, and a high refractive index portion formed on the surface of the ridge portion, and a group velocity of light propagating through the optical waveguide An optical waveguide further comprising a periodic structure for lowering the periodicity, wherein the periodic structure is constituted by a plurality of pits provided on a surface of the ridge portion, and the plurality of pits have a two-dimensional photonic crystal structure. It is characterized by that.

また、好ましい実施形態において、前記ピットの深さが、使用する光波の導波路内での波長よりも小さい。   In a preferred embodiment, the depth of the pit is smaller than the wavelength of the light wave used in the waveguide.

また、好ましい実施形態において、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構成を有している。   In a preferred embodiment, the optical waveguide has an optical modulation element configuration including a modulation electrode for applying an electric field for electro-optic light modulation to the optical waveguide.

また、本発明の通信システムは、上記いずれかの光変調素子と、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ている。   Further, a communication system of the present invention includes any one of the light modulation elements described above, an optical fiber that transmits the modulated light output from the light modulation element, and a unit that provides an electric signal for modulation to the light modulation element. ing.

本発明の構成によれば、電気光学効果を有する低損失で低群速度特性の光導波路が得られるので、光変調素子の導波路部分に応用することによって、ミリ波帯などの高周波信号に対しても小型で高効率な光変調特性が実現可能である。この光変調素子を通信システムに用いることにより、例えば、ミリ波レベルの高周波無線信号を光ファイバを通して伝送・分配する光ファイバ無線システムや、超高速光ファイバ伝送システムなどが可能になる。   According to the configuration of the present invention, an optical waveguide having an electro-optic effect and a low loss and a low group velocity characteristic can be obtained. By applying the optical waveguide to a waveguide portion of an optical modulation element, a high-frequency signal such as a millimeter wave band can be obtained. However, a small and highly efficient light modulation characteristic can be realized. By using this optical modulation element in a communication system, for example, an optical fiber radio system that transmits and distributes a high-frequency radio signal at a millimeter wave level through an optical fiber, an ultrahigh-speed optical fiber transmission system, and the like become possible.

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、例えばエッチングなどによって形成されたリッジ部分2と、たとえば金属チタンの熱拡散などによって形成された高屈折率部分4とによって、形成されている。本リッジ型光導波路では、光導波路部分6の深さ方向の光波の閉じ込めは、金属チタンの熱拡散等による屈折率差(通常0.2%程度)によるものなので、光波の閉じこめ効果はあまり強くないが、横方向は、基板と空気との間の大きな屈折率差があるので、光波は非常に強く閉じこめられる。したがって、基板1の表面内の2次元的方向に対して非常に強い閉じこめを実現できる特徴がある。
(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, for example, etching and a high refractive index portion 4 formed by, for example, thermal diffusion of titanium metal. In this ridge type optical waveguide, the confinement of the light wave in the depth direction of the optical waveguide portion 6 is due to the refractive index difference (usually about 0.2%) due to thermal diffusion of titanium metal, so the light wave confinement effect is not so strong. In the lateral direction, since there is a large refractive index difference between the substrate and air, the light wave is confined very strongly. Therefore, there is a feature that a very strong confinement can be realized in a two-dimensional direction in the surface of the substrate 1.

さらに、このリッジ形光導波路のリッジ部分2の表面には図のように周期的に並んでいるピット3が形成されており、フォトニック結晶構造部分5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、ピット3の寸法や周期、深さによって、光波の波数と周波数の関係から、特有の分散特性を持たせることができる。このような周期性に依存した分散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、例えばピット3の深さが大きい時や基板1とピット3の内部屈折率差が大きい時などは、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と呼ぶ。通常の光導波路では、この波数と周波数とはほぼ比例関係にあるため、直線的な分散曲線となり、群速度は変化しない。しかし、フォトニック結晶構造の場合、フォトニックバンドギャップの極近傍では、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部分を伝搬する光波に比べて、群速度が非常に小さくなる。一方、基板1とピット3の内部との屈折率差が小さい場合や、ピット3の深さが浅い場合などは、フォトニックバンドギャップは生じずに、すべての波長の光波が伝搬可能な特性を示す。   Further, pits 3 periodically arranged as shown in the figure are formed on the surface of the ridge portion 2 of the ridge-shaped optical waveguide, thereby constituting a photonic crystal structure portion 5. Now, this photonic crystal structure will be described. Depending on the frequency of the light wave used, the refractive index of the substrate 1, and the size, period, and depth of the pits 3, the relationship between the wave number and the frequency of the light wave, the specific dispersion characteristics Can be given. Such a structure having dispersion characteristics depending on the periodicity is generally called a photonic crystal structure. For example, when the depth of the pit 3 is large or when the difference in internal refractive index between the substrate 1 and the pit 3 is large, the light wave is generated. There may be a wavelength region that cannot exist, and this is called a photonic band gap. In a normal optical waveguide, since the wave number and the frequency are almost proportional, a linear dispersion curve is obtained, and the group velocity does not change. However, in the case of a photonic crystal structure, in the very vicinity of the photonic band gap, the light wave passing through the photonic crystal structure part has a much lower group velocity than the light wave propagating through the part without the photonic crystal structure. Become. On the other hand, when the difference in refractive index between the substrate 1 and the inside of the pit 3 is small, or when the depth of the pit 3 is shallow, the photonic band gap does not occur, and the light wave of all wavelengths can propagate. Show.

本願発明の構成においては、特定の波長域を使うことによってフォトニック結晶構造特有の低群速度特性を呈する。このような構造は、屈折率が比較的低いニオブ酸リチウムなどの電気光学結晶に適用でき、高効率な光変調素子が実現できる。さらに、本構成においては、ピット3として、基板を貫通するような深いピットではなく、比較的浅いピットを用いることによっても有効な群速度の低下を実現できる。   In the configuration of the present invention, the low group velocity characteristic peculiar to the photonic crystal structure is exhibited by using a specific wavelength region. Such a structure can be applied to an electro-optic crystal such as lithium niobate having a relatively low refractive index, and a highly efficient light modulation element can be realized. Further, in this configuration, effective group speed reduction can be realized by using a relatively shallow pit instead of a deep pit penetrating the substrate as the pit 3.

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5を通過するので、通過する光波の群速度は、ピット3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 5, the group velocity of the passing light wave is as follows when there is no pit 3. In comparison, the group velocity is reduced by the principle of the photonic crystal. Therefore, the waveguide having this structure operates as a waveguide having a small group velocity (having a slow wave structure).

また、本構成においては、光導波路として、リッジ導波路、あるいは、リブ型導波路を用いることで低損失性と小さな群速度とを同時に実現することが可能である。一般に、図1(c)に示すように、高屈折率部分4がリッジ部分2の先端部にのみあり、光導波路部分6がリッジ部分2の中に収まっている構造をリッジ型導波路、図1(d)のように、突起部分以外の表面上にも高屈折率層が広がっている構造をリブ型導波路と呼ぶ。どちらの構造も横方向の閉じ込めが強いが、リッジ型導波路の方が比較的強い閉じ込めが実現できる。また、リブ型導波路では、閉じ込めは幾分弱くなるが、基板1と高屈折率部分4との間の屈折率差が小さい場合でも導波路を形成できる利点がある。   Further, in this configuration, by using a ridge waveguide or a rib-type waveguide as the optical waveguide, it is possible to simultaneously realize low loss and a small group velocity. In general, as shown in FIG. 1 (c), a structure in which the high refractive index portion 4 is only at the tip of the ridge portion 2 and the optical waveguide portion 6 is accommodated in the ridge portion 2 is shown in FIG. A structure in which the high refractive index layer spreads on the surface other than the protrusion as shown in 1 (d) is called a rib-type waveguide. Both structures have strong lateral confinement, but the ridge waveguide can achieve relatively strong confinement. Further, in the rib-type waveguide, confinement is somewhat weakened, but there is an advantage that the waveguide can be formed even when the refractive index difference between the substrate 1 and the high refractive index portion 4 is small.

実際に、ニオブ酸リチウム基板を用いて、群速度が小さくなることを2次元の平面波展開法等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。   Actually, using a lithium niobate substrate, it has been confirmed by calculation using a two-dimensional plane wave expansion method that the group velocity is 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 pit 3.

用いる光波の波長については、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(自由空間波長が1.55μm、あるいは、1.3μmを中心とした波長帯域の光波)を用い、通常の電気光学結晶を用いた場合、非常に有効である。   The wavelength of the light wave to be used is not limited in order to exert the effect of the present invention, but infrared light (free space wavelength is 1.55 μm, which is often used in the field of communication or the like, or It is very effective when a normal electro-optic crystal is used using a light wave of a wavelength band centered on 1.3 μm.

基板1がニオブ酸リチウム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やピット3を形成するためには、フッ素系ガスを使った反応性のドライエッチングによって行なうことができる。   When the substrate 1 is formed of a material having an electrooptic effect such as lithium niobate, the ridge portion 2 and the pit 3 can be formed by reactive dry etching using a fluorine-based gas. .

上記実施例では、ピットは空洞である場合についての説明であったが、ピットの中は、基板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とピット2の中の材料との屈折率差が大きいほど、少ないピットの数で同様の効果を発揮させることが可能になる。   In the above embodiment, the case where the pits are hollow has been described. However, if there is a difference between the refractive index of the substrate and the pits, the effect can be exhibited similarly. In this case, as the refractive index difference between the substrate 1 and the material in the pit 2 is larger, the same effect can be exhibited with a smaller number of pits.

(実施の形態2)
図2を参照する。実施形態1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。
(Embodiment 2)
Please refer to FIG. An optical modulator configured using the optical waveguide described in the first embodiment 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.

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。 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.

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2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2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5のピット3の径や周期、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。   Here, as described in the first embodiment, in this waveguide configuration, the group velocity of the guided light wave can be reduced, and therefore the time for receiving the refractive index change due to the electro-optic effect is also increased in inverse proportion thereto. As a result, the light modulation effect is increased. Further, in order to expand the modulation frequency band of the light modulation element of FIG. 2, the modulation efficiency can be increased by using the modulation electrode 10 as a transmission line and propagating the modulation wave in the same direction as the light wave for modulation. However, when such a traveling wave electrode is used for the modulation electrode 10 in FIG. 2, the group velocity of light is reduced by adjusting the diameter, period, depth, etc. of the pits 3 of the photonic crystal structure portion 5. It is also possible to match the speeds of light and modulated waves.

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。
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3)
実施の形態3の光変調素子を図3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 3)
The light modulation element of Embodiment 3 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. In the case of using a normal electro-optic crystal, in order to cause a large refractive index change with respect to the electric field in the lateral direction, unlike the previous examples, c
This configuration is very useful when using a substrate 1 (for example, y-cut lithium niobate crystal) whose axis is transverse to the waveguide and using light waves (TE waves) polarized in the same transverse direction. It is valid.

(実施の形態4)
次に、図4を参照する。本構成では、前記実施形態2あるいは3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。
(Embodiment 4)
Reference is now made to FIG. In this configuration, the optical modulator configuration described in the second or third 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.

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2あるいは3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。   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 the phase modulation and the intensity modulation with the optical modulator described in the second or third embodiment, high-efficiency optical modulation is possible in the same manner.

前記実施の形態2〜4では、実施の形態1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 second to fourth embodiments, only the mode in which the optical waveguide structure of the present invention described in the first embodiment is applied to an optical modulation element has been described. However, the optical waveguide structure of the present invention has a low loss and a group velocity. Therefore, it is possible to realize a highly efficient nonlinear optical effect element by increasing the interaction between the light wave and the substrate material by using a small group velocity. It is. Nonlinear optical effect elements can be expected to realize harmonic generation, wavelength conversion, and photoelectric conversion elements.

(実施の形態5)
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 5)
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 fiber radio system 50 according to the present embodiment includes an optical modulator / demodulator 51 incorporating the light modulation element according to the first and second 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電気光学光変調素子において、変調効率を飛躍的に改善できる、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. Particularly suitable for high-speed information transmission and long-distance optical fiber communication, which can dramatically improve modulation efficiency, in an electro-optic optical modulation element that can generate an optical modulation signal that is faithful to the modulation signal and has little phase disturbance. .

(a)は、本発明による光導波路の第1の実施形態の斜視図、(b)は平面図、(c)および(d)はそのA−A’線断面図(A) is a perspective view of a first embodiment of an optical waveguide according to the present invention, (b) is a plan view, and (c) and (d) are cross-sectional views taken along the line A-A ′ thereof. (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 ピット
4 高屈折率部分
5 フォトニック結晶構造部分
6 光導波路部分
10 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 Pit 4 High refractive index part 5 Photonic crystal structure part 6 Optical waveguide part 10 Modulation electrode 11 Signal source 12 Termination resistor 13 Gap part 14a Branch point 14b Branch point

Claims (5)

電気光学効果を有する材料から形成されたリッジ部分を有し、前記リッジ部分の表面に高屈折率部分を形成することによって構成され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前記更に備えた光導波路であって、前記周期構造は、前記リッジ部分の表面に設けられた複数のピットによって構成され、前記複数のピットが2次元フォトニック結晶構造を有していることを特徴とする光導波路。   An optical waveguide having a ridge portion formed of a material having an electro-optic effect, and a high refractive index portion formed on the surface of the ridge portion, and a group velocity of light propagating through the optical waveguide An optical waveguide further comprising a periodic structure for lowering the periodicity, wherein the periodic structure is constituted by a plurality of pits provided on a surface of the ridge portion, and the plurality of pits have a two-dimensional photonic crystal structure. An optical waveguide characterized by that. 前記複数のピットが空洞であるか、あるいは、前記ピット内部が前記基板の誘電率とは異なる誘電率を有することを特徴とする請求項1記載の光導波路。   2. The optical waveguide according to claim 1, wherein the plurality of pits are hollow, or the inside of the pit has a dielectric constant different from a dielectric constant of the substrate. 前記ピットの深さが、使用する光波の導波路内での波長よりも小さいことを特徴とする請求項1または2記載の光導波路。   3. The optical waveguide according to claim 1, wherein the depth of the pit is smaller than the wavelength of the light wave used in the 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1〜3いずれかに記載の光変調素子。   4. The light modulation element according to any one of 1 to 3, further comprising a modulation electrode for applying an electro-optic light modulation electric field to the optical waveguide. 請求項4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。
5. A communication system comprising: the light modulation element according to claim 4; 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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