JP2007072369A - Optical modulator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は駆動電圧が低く、かつ高速で変調が可能な光変調器の分野に属する。 The present invention belongs to the field of optical modulators having a low driving voltage and capable of high-speed modulation.
リチウムナイオベート(LiNbO3)のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板(以下、リチウムナイオベート基板をLN基板と略す)に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器(以下、LN光変調器と略す)は、その優れたチャーピング特性から2.5Gbit/s、10Gbit/sの大容量光伝送システムに適用されている。最近はさらに40Gbit/sの超大容量光伝送システムにも適用が検討されており、キーデバイスとして期待されている。 An optical waveguide and a traveling wave electrode are provided on a substrate having a so-called electro-optic effect (hereinafter, the lithium niobate substrate is abbreviated as an LN substrate) such as lithium niobate (LiNbO 3 ) whose refractive index is changed by applying an electric field. The formed traveling wave electrode type lithium niobate optical modulator (hereinafter abbreviated as LN optical modulator) is applied to a 2.5 Gbit / s, 10 Gbit / s large capacity optical transmission system because of its excellent chirping characteristics. Yes. Recently, application to an ultra large capacity optical transmission system of 40 Gbit / s is also being studied, and it is expected as a key device.
このLN光変調器にはz−カット基板を使用するタイプとx−カット基板(あるいはy−カット基板)を使用するタイプがある。ここでは、従来技術としてx−カットLN基板とコプレーナウェーブガイド(CPW)進行波電極を使用したx−カット基板LN光変調器をとり上げ、その斜視図を図7に示す。図8は図7のA−A’における断面図である。なお、以下の議論はz−カット基板でも同様に成り立つ。 This LN optical modulator includes a type using a z-cut substrate and a type using an x-cut substrate (or y-cut substrate). Here, an x-cut substrate LN optical modulator using an x-cut LN substrate and a coplanar waveguide (CPW) traveling wave electrode is taken up as a prior art, and a perspective view thereof is shown in FIG. FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG. 7. The following discussion holds true for z-cut substrates as well.
図中、1はx−カットLN基板、2は1.3μm、あるいは1.55μmなど光通信において使用する波長領域では透明な200nmから1μm程度の厚みのSiO2バッファ層、3はx−カットLN基板1にTiを蒸着後、1050℃で約10時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系(あるいは、マッハツェンダ光導波路)を構成している。なお、3a、3bは電気信号と光が相互作用する部位(相互作用部と言う)における光導波路(あるいは、相互作用光導波路)、つまりマッハツェンダ光導波路の2本のアームである。CPW進行波電極4は中心導体4a、接地導体4b、4cからなっている。また、図8においてSは中心導体4aの幅で6μmから20μm程度である。一方、Wは中心導体4aと接地導体4b、4cの間のギャップ(あるいはCPWのギャップ)である。
In the figure, 1 is an x-cut LN substrate, 2 is a transparent SiO 2 buffer layer having a thickness of about 200 nm to 1 μm in the wavelength region used in optical communication such as 1.3 μm or 1.55 μm, and 3 is an x-cut LN. This is an optical waveguide formed by thermally diffusing Ti at 1050 ° C. for about 10 hours after depositing Ti on the
この従来技術では、中心導体4aと接地導体4b、4c間にバイアス電圧(通常はDCバイアス電圧)と高周波電気信号(RF電気信号とも言う)を重畳して印加する。また、SiO2バッファ層2は高周波電気信号の等価屈折率nm(あるいは、マイクロ波等価屈折率nm)を光導波路3a、3bを伝搬する光の実効屈折率noに近づけることにより、光変調帯域を拡大するという重要な働きをしている。
In this prior art, a bias voltage (usually a DC bias voltage) and a high-frequency electric signal (also referred to as an RF electric signal) are superimposed and applied between the
次に、このように構成されるLN光変調器の動作について説明する。このLN光変調器を動作させるには、中心導体4aと接地導体4b、4c間にDCバイアス電圧とRF電気信号とを印加する必要がある。
Next, the operation of the LN optical modulator configured as described above will be described. In order to operate this LN optical modulator, it is necessary to apply a DC bias voltage and an RF electrical signal between the
図9に示す電圧−光出力特性はある状態でのLN光変調器の電圧−光出力特性であり、Vbはその際のDCバイアス電圧である。この図9に示すように、通常、DCバイアス電圧Vbは光出力特性の山と底の中点に設定される。 The voltage-light output characteristics shown in FIG. 9 are the voltage-light output characteristics of the LN optical modulator in a certain state, and Vb is the DC bias voltage at that time. As shown in FIG. 9, the DC bias voltage Vb is normally set at the midpoint between the peak and bottom of the light output characteristic.
図10には半波長電圧Vπと相互作用部の長さLとの積Vπ・LとCPWのギャップWとの関係を示す。なお、CPWのギャップWとしては、現状20μm〜40μm程度が使用されている。CPWのギャップWを狭くすると、相互作用光導波路3a、3bを伝搬する光と相互作用する高周波電界強度が大きくなる。従って、この図に示すように、CPWのギャップWを狭くすると、この積Vπ・Lは小さくなる。そして、この積Vπ・Lが低いほど駆動電圧が低いLN光変調器を実現できる。10Gbps以上の速度でLN光変調器を駆動する際の駆動電圧は5〜6V程度が実用上の限界であり、さらに少しでも駆動電圧が低いことが望まれる。よって駆動電圧の観点からは、CPWのギャップWは狭いことが望ましい。
FIG. 10 shows the relationship between the product Vπ · L of the half-wave voltage Vπ and the length L of the interaction portion and the gap W of the CPW. In addition, as the gap W of CPW, about 20 micrometers-40 micrometers are used now. When the gap W of the CPW is narrowed, the strength of the high frequency electric field that interacts with the light propagating through the interaction
図11には高周波電気信号のマイクロ波の等価屈折率nmとCPWのギャップWとの関係を示す。図には相互作用光導波路3a、3bを伝搬する光の等価屈折率no(no≒2.2)も示している。
It shows the relationship between the microwave equivalent refractive index n m and CPW gaps W high-frequency electric signal in FIG. 11. It shows the interaction
CPWのギャップWが狭くなると中心導体4aと接地導体4b、4cの間に生成された高周波電気信号は比誘電率が4程度と低いSiO2バッファ層2を多く感じるので、マイクロ波等価屈折率nmを低減することができる(なお、x−カットLN基板1の比誘電率は35程度である)。
When the gap W of the CPW is narrowed, the high frequency electric signal generated between the
一般に、マイクロ波等価屈折率nmは光の等価屈折率noよりも大きく、LN光変調器を高速・広帯域で動作する際の大きな制限要因となっている。そのためLN光変調器を10Gbps以上の高速で駆動するには、マイクロ波等価屈折率nmを光の等価屈折率noに近づけることが不可欠となる。この観点からもCPWのギャップWは狭いことが望ましい。 In general, the microwave equivalent refractive index n m is greater than the equivalent refractive index n o of the light, is a major limiting factor in the operation of the LN optical modulator at a high speed and a wide band. Therefore, to drive the LN optical modulator in faster than 10Gbps becomes essential to close the microwave equivalent refractive index n m in the light of the equivalent refractive index n o. From this point of view, it is desirable that the gap W of the CPW is narrow.
以上のように、駆動電圧を低減するとともにマイクロ波等価屈折率nmを光の等価屈折率noに近づけるという観点からはCPWのギャップWは狭いことが望ましいことがわかったが、従来技術においてCPWのギャップWを15μm以下に狭くした際に生じる問題点について以下に記す。 As described above, although from the viewpoint while reducing the driving voltage close to the microwave equivalent refractive index n m in the light of the equivalent refractive index n o is the CPW gap W was found to be narrow it is desirable, in the prior art Problems that occur when the gap W of the CPW is narrowed to 15 μm or less will be described below.
図12は中心導体4aと接地導体4b、4cからなるCPW進行波電極4の特性インピーダンスZ(以下の図14におけるZ3に対応)についてCPWギャップWを変数として示す。CPWギャップWを狭くすると、特性インピーダンスZが30Ωあるいはそれ以下と著しく低くなり、ほぼ50Ω系の外部信号源との間にインピーダンス不整合を生じてしまう。つまり、高周波電気信号のパワー反射率(いわゆるS11)が劣化するという問題が生じる。
Figure 12 shows the CPW gaps W as a variable for the
次に、このことについてさらに詳しく考察する。図7に示したx−カットLN光変調器を構成する中心導体4aと接地導体4b、4cからなるCPW進行波電極4の上面図を図13に示す。
Next, this will be considered in more detail. FIG. 13 shows a top view of the CPW
ここで、Iは不図示の外部信号源からの高周波電気信号(マイクロ波)をCPW進行波電極4に印加するための不図示のコネクタ芯線(あるいは金リボンや金ワイヤー)を接続する入力用フィードスルー部、IIは入力用フィードスルー部Iと相互作用部IIIとの接続部(あるいは入力側接続部)、IIIは電気信号と光が相互作用する相互作用部、IVは出力用フィードスルー部Vと相互作用部IIIとの接続部(あるいは出力側接続部)である。出力用フィードスルー部Vは不図示のコネクタ芯線(あるいは金リボンや金ワイヤー)もしくは終端抵抗に接続される。
Here, I is an input feed for connecting a connector core wire (not shown) (or a gold ribbon or a gold wire) for applying a high frequency electrical signal (microwave) from an external signal source (not shown) to the CPW
図14には図7に示したx−カットLN光変調器の等価回路を示す。ここで、5は電気的ドライバなどの外部信号源、6は外部信号源の付加抵抗(インピーダンスをRgとする)である。また、7〜11は入力用フィードスルー部Iから出力用フィードスルー部Vまでの等価的な線路に各々対応する。具体的には、7は入力用フィードスルー部I、8は入力側接続部II、9は相互作用部III、10は出力側接続部IV、11は出力用フィードスルー部Vの線路を各々表す。また、12は終端抵抗である。
FIG. 14 shows an equivalent circuit of the x-cut LN optical modulator shown in FIG. Here, 5 is an external signal source such as an electric driver, and 6 is an additional resistor (impedance is Rg) of the external signal source.
さらに、Z1〜Z5は入力用フィードスルー部Iから出力用フィードスルー部Vまでの特性インピーダンスであり、具体的には、Z1は入力用フィードスルー部I(あるいは線路7)、Z2は入力側接続部II(あるいは線路8)、Z3は相互作用部III(あるいは線路9)、Z4は出力側接続部IV(あるいは線路10)、Z5は出力用フィードスルー部V(あるいは線路11)の特性インピーダンスに対応している。また、ZLは終端抵抗12の抵抗値である。
Further, Z 1 to Z 5 are characteristic impedances from the input feed-through portion I to the output feed-through portion V. Specifically, Z 1 is the input feed-through portion I (or line 7), Z 2. an input-side connecting portion II (or the line 8), Z 3 is the interaction portion III (or the line 9), Z 4 is output connection portion IV (or the line 10), Z 5 is output feed-through portion V (or This corresponds to the characteristic impedance of the line 11). Z L is the resistance value of the
次に、図7から図14に示した従来技術のx−カットLN光変調器について、インピーダンス不整合と変調帯域の観点からの問題点について考察する。 Next, problems in terms of impedance mismatch and modulation band will be considered for the conventional x-cut LN optical modulators shown in FIGS.
図14において、Zinは外部信号源5と付加抵抗6(インピーダンスRg)からx−カットLN光変調器を見た入力インピーダンスである。つまり、Zinは入力用フィードスルー部Iの特性インピーダンスZ1、入力側接続部IIの特性インピーダンスZ2、相互作用部IIIの特性インピーダンスZ3、出力側接続部IVの特性インピーダンスZ4、出力用フィードスルー部Vの特性インピーダンスZ5、及び終端抵抗12の抵抗値ZLを、各部の長さと各部を伝搬する電気信号の等価屈折率を考慮した伝送線路の従属接続の考え方で合成した特性インピーダンスと言える。図中の13は外部信号源5や付加抵抗6と入力用フィードスルー部Iとの境界を表す。
In FIG. 14, Z in is an input impedance when the x-cut LN optical modulator is viewed from the
駆動電圧を下げ、マイクロ波等価屈折率nmを光の等価屈折率noに近づけるためにCPWギャップWを15μm以下と狭くした場合を考察する。この場合、相互作用部IIIの特性インピーダンスZ3は30Ωあるいはそれ以下と低くなる。 Lowering the driving voltage, consider the case where the CPW gaps W in order to close the microwave equivalent refractive index n m for the light of the equivalent refractive index n o and narrow as 15μm or less. In this case, the characteristic impedance Z 3 of the interaction portion III is as low as 30Ω or less.
さて、従来技術では、その他の線路7、8、10、11の特性インピーダンス、つまり入力用フィードスルー部Iの特性インピーダンスZ1、入力側接続部IIの特性インピーダンスZ2、出力側接続部IVの特性インピーダンスZ4、出力用フィードスルー部Vの特性インピーダンスZ5、及び終端抵抗12の抵抗値ZLは全て相互作用部IIIの特性インピーダンスZ3と等しくしていた。
Now, in the prior art, the characteristic impedance of
その結果、外部信号源5の付加抵抗6からx−カットLN光変調器を見た入力インピーダンスZinの実部Re(Zin)は図15の実線で示すようにほとんど周波数fに依存せず、相互作用部IIIの特性インピーダンスZ3と一致し、30Ωもしくはそれ以下と低かった。
As a result, the real part Re (Z in ) of the input impedance Z in when the x-cut LN optical modulator is viewed from the
それに伴い、光の変調指数(パワー変調指数)|m|2は入力インピーダンスZinと外部信号源5の付加抵抗6(インピーダンスRg)とのインピーダンス不整合のために、図16に示すように、周波数fとともに急速に劣化し3dB光変調帯域として10GHzを確保することが極めて困難であった。
Accordingly, the optical modulation index (power modulation index) | m | 2 is caused by impedance mismatch between the input impedance Z in and the additional resistor 6 (impedance Rg) of the
なお、Zin(この場合は、Zin=Z3)が30Ω以下になると高周波電気信号のパワー反射率(S11)は−10dBよりも高く(実際には、わずかなインピーダンス不整合により反射された高周波電気信号が重畳され、−5dB程度にまで劣化する)なってしまう。そうした場合には、反射された高周波電気信号が外部信号源5へ戻るので、変調された光パルスのジッタを増加させてしまうという問題もある。
When Z in (in this case, Z in = Z 3 ) is 30Ω or less, the power reflectivity (S 11 ) of the high-frequency electric signal is higher than −10 dB (actually, it is reflected by a slight impedance mismatch). The high frequency electrical signal is superimposed and deteriorates to about -5 dB). In such a case, since the reflected high-frequency electric signal returns to the
以上のように、入力側や出力側のフィードスルー部や相互作用部などのCPW進行波電極を構成する各部が全て同じ特性インピーダンスであった従来技術に係る光変調器では、駆動電圧を低減するとともに、マイクロ波等価屈折率を光の等価屈折率に近づけるために、CPW進行波電極のギャップを狭くすると、外部回路とのインピーダンス不整合が生じ、その結果、変調周波数に対して光変調帯域が急速に劣化するという問題があった。 As described above, in the optical modulator according to the related art in which each part constituting the CPW traveling wave electrode such as the feed-through part and the interaction part on the input side and the output side has the same characteristic impedance, the driving voltage is reduced. At the same time, if the gap of the CPW traveling wave electrode is narrowed in order to bring the microwave equivalent refractive index closer to the equivalent refractive index of light, impedance mismatching with an external circuit occurs. There was a problem that it deteriorated rapidly.
上記課題を解決するために、本発明の請求項1の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光の位相を変調する高周波電気信号を印加するための中心導体及び接地導体からなる進行波電極とを有し、前記進行波電極が、前記高周波電気信号を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用部と、外部回路から前記相互作用部に前記高周波電気信号を印加するための入力用フィードスルー部を具備する光変調器において、前記進行波電極が、前記相互作用部と前記入力用フィードスルー部との間に前記相互作用部の特性インピーダンスよりも高い特性インピーダンスを有するインピーダンス変換部をさらに具備することを特徴とする。
In order to solve the above problems, an optical modulator according to
本発明の請求項2の光変調器は、請求項1に記載の光変調器において、前記インピーダンス変換部の特性インピーダンスが50Ω以下であることを特徴とする。 An optical modulator according to a second aspect of the present invention is the optical modulator according to the first aspect, wherein a characteristic impedance of the impedance converter is 50Ω or less.
本発明の請求項3の光変調器は、請求項1に記載の光変調器において、前記インピーダンス変換部の特性インピーダンスが50Ω以上であることを特徴とする。 An optical modulator according to a third aspect of the present invention is the optical modulator according to the first aspect, characterized in that a characteristic impedance of the impedance converter is 50Ω or more.
本発明の請求項4の光変調器は、請求項1乃至3に記載の光変調器において、前記進行波電極が、前記相互作用部で前記光の位相を変調した前記高周波電気信号を前記相互作用部から取り出すための出力用フィードスルー部を具備し、前記インピーダンス変換部の特性インピーダンスが前記出力用フィードスルー部の特性インピーダンスよりも高いことを特徴とする。 An optical modulator according to a fourth aspect of the present invention is the optical modulator according to any one of the first to third aspects, wherein the traveling-wave electrode converts the high-frequency electric signal obtained by modulating the phase of the light at the interaction section. An output feedthrough portion for taking out from the action portion is provided, and a characteristic impedance of the impedance conversion portion is higher than a characteristic impedance of the output feedthrough portion.
本発明の請求項5の光変調器は、請求項4に記載の光変調器において、前記出力用フィードスルー部に電気的に接続された終端抵抗を具備し、前記終端抵抗の抵抗値が前記相互作用部の特性インピーダンスとほぼ等しいことを特徴とする。 An optical modulator according to a fifth aspect of the present invention is the optical modulator according to the fourth aspect, further comprising a termination resistor electrically connected to the output feedthrough portion, wherein the resistance value of the termination resistor is It is characterized by being approximately equal to the characteristic impedance of the interaction part.
本発明の請求項6の光変調器は、請求項4または5に記載の光変調器において、前記出力用フィードスルー部の特性インピーダンスと前記相互作用部の特性インピーダンスを等しくしたことを特徴とする。
The optical modulator according to
本発明では相互作用部の前にインピーダンス変換部を設けているので、外部信号源から見た光変調器の入力インピーダンスを光変調器の中の進行波電極における相互作用部の特性インピーダンスよりも高くできる。従って、外部信号源と進行波電極のインピーダンス不整合を小さくできるので、光変調帯域および高周波電気信号のパワー反射率を改善できる。 In the present invention, since the impedance conversion unit is provided in front of the interaction unit, the input impedance of the optical modulator viewed from the external signal source is higher than the characteristic impedance of the interaction unit in the traveling wave electrode in the optical modulator. it can. Accordingly, impedance mismatch between the external signal source and the traveling wave electrode can be reduced, so that the optical modulation band and the power reflectivity of the high frequency electric signal can be improved.
本発明の請求項1により、光変調器の入力インピーダンスを光変調器の中の進行波電極における相互作用部の特性インピーダンスよりも高くできる。 According to the first aspect of the present invention, the input impedance of the optical modulator can be made higher than the characteristic impedance of the interaction portion in the traveling wave electrode in the optical modulator.
本発明の請求項2により、インピーダンス変換部の特性インピーダンスを50Ω以下と設定するので、光変調器としての入力インピーダンスを周波数に対して緩やかに変化させることができる。 According to the second aspect of the present invention, since the characteristic impedance of the impedance converter is set to 50Ω or less, the input impedance as the optical modulator can be gradually changed with respect to the frequency.
本発明の請求項3により、インピーダンス変換部の特性インピーダンスを50Ω以上と設定するので、光変調器としての入力インピーダンスを周波数に対して速やかに高くできる。 According to the third aspect of the present invention, since the characteristic impedance of the impedance converter is set to 50Ω or more, the input impedance as the optical modulator can be quickly increased with respect to the frequency.
請求項4と5により、終端抵抗からの電気的反射を抑圧できる。 According to the fourth and fifth aspects, electrical reflection from the terminating resistor can be suppressed.
請求項6では、出力用フィードスルー部の特性インピーダンスと相互作用部の特性インピーダンスを等しくしたことにより、インピーダンスの整合が達成され、光変調器へ入力する高周波電気信号のパワー反射率(S11)が所望の光変調帯域内にわたって、−5dB以下であることを実現できる。従って、共振器電極型でない進行波電極型の広帯域な光変調が可能となる。 According to the sixth aspect of the present invention, impedance matching is achieved by equalizing the characteristic impedance of the output feedthrough section and the characteristic impedance of the interaction section, and the power reflectivity (S 11 ) of the high-frequency electrical signal input to the optical modulator. Can be realized to be −5 dB or less over a desired light modulation band. Accordingly, it is possible to perform a wide-band light modulation of a traveling wave electrode type that is not a resonator electrode type.
以下、本発明の実施形態について説明するが、図7から図16に示した従来の実施形態と同一番号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一番号を持つ機能部の説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. However, since the same numbers as those in the conventional embodiments shown in FIGS. 7 to 16 correspond to the same function units, the description of the function units having the same numbers is omitted here. To do.
図1に本実施形態に使用するCPW進行波電極4の上面図を示す。本実施形態においても従来技術と同様にIは入力用フィードスルー部、IIは入力側接続部、IIIは相互作用部、IVは出力側接続部、及びVは出力用フィードスルー部である。出力用フィードスルー部Vは不図示のコネクタ芯線(あるいは金リボンや金ワイヤー)もしくは終端抵抗に接続されるのも同じである。これらの従来技術と同じ構成に加えて、図1に示す本発明の実施形態には長さL6のインピーダンス変換部VIが付加されている。
FIG. 1 shows a top view of the CPW
図1の相互作用部IIIのB−B’におけるx−カットLN光変調器としての断面図を図2に示す。図8に示したCPWのギャップWが20〜40μm程度と広い従来技術と比較して、図2に示す本発明の実施形態ではCPWのギャップW’が15μm程度以下と極めて狭く設定している。CPWのギャップW’をこのように狭くすると、前述のように駆動電圧を低減できるとともに高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率nmを相互作用光導波路3a、3bを伝搬する光の等価屈折率noに近づけるという利点はあるものの、相互作用部IIIの特性インピーダンスZ3は30Ωかそれ以下となる。
FIG. 2 shows a cross-sectional view as an x-cut LN optical modulator at BB ′ of the interaction part III in FIG. Compared with the conventional technique in which the CPW gap W shown in FIG. 8 is as wide as about 20 to 40 μm, in the embodiment of the present invention shown in FIG. 2, the CPW gap W ′ is set to an extremely narrow value of about 15 μm or less. If the gap W 'of CPW thus narrow, microwave equivalent refractive index n m of the interaction
またインピーダンス変換部VIのC−C’におけるx−カットLN光変調器としての断面図を図3に示す(なお、SiO2バッファ層2はなくても良い)。インピーダンス変換部VIにおけるCPWのギャップW’は45μmから1000μm程度と相互作用部IIIにおけるCPWのギャップW’よりも広く設定される。 FIG. 3 shows a cross-sectional view of the impedance conversion section VI as a x-cut LN optical modulator at CC ′ (note that the SiO 2 buffer layer 2 may not be provided). The CPW gap W ′ in the impedance conversion section VI is set to be about 45 μm to 1000 μm, which is wider than the CPW gap W ′ in the interaction section III.
図4には本実施形態の等価回路を示す。図14に示す従来技術と同じく、Z1は入力用フィードスルー部I(あるいは線路7)、Z2は入力側接続部II(あるいは線路8)、Z3は相互作用部III(あるいは線路9)、Z4は出力側接続部IV(あるいは線路10)、Z5は出力用フィードスルー部V(あるいは線路11)の特性インピーダンスであるが、本実施形態には特性インピーダンスZ6のインピーダンス変換部VI(あるいは線路14)が付加されている。 FIG. 4 shows an equivalent circuit of the present embodiment. As in the prior art shown in FIG. 14, Z 1 is an input feed-through section I (or line 7), Z 2 is an input side connection section II (or line 8), and Z 3 is an interaction section III (or line 9). , Z 4 are output connection portion IV (or the line 10), Z 5 is a characteristic impedance of the output feed-through portion V (or the line 11), the impedance conversion section VI of the characteristic impedance Z 6 in this embodiment (Or line 14) is added.
なお、インピーダンス変換部VIにおいても中心導体4aの幅S’は従来技術と同じく、6μmから20μm程度で良いが、この中心導体4aの幅S’とCPWのギャップW’の組み合わせについては、インピーダンス変換部VIの特性インピーダンスZ6が相互作用部IIIの特性インピーダンスZ3よりも高くできる限り、各種の組み合わせがある。
In the impedance converter VI, the width S ′ of the
図4中の13は外部信号源5や付加抵抗6(インピーダンスRg)と入力用フィードスルー部Iとの境界を表す。図4においてZin’は外部信号源5と外部信号源5の付加抵抗6から本実施形態のx−カットLN光変調器を見た入力インピーダンスである。
4 represents a boundary between the
つまり、Zin’は入力用フィードスルー部Iの特性インピーダンスZ1、インピーダンス変換部VIの特性インピーダンスZ6、入力側接続部IIの特性インピーダンスZ2、相互作用部IIIの特性インピーダンスZ3、出力側接続部IVの特性インピーダンスZ4、出力用フィードスルー部Vの特性インピーダンスZ5、及び終端抵抗12のZLを伝送線路の従属接続の考え方で合成した特性インピーダンスと言える。
That, Z in 'the characteristic impedance Z 1 of the input feed-through portion I, the characteristic impedance Z 6 of the impedance conversion section VI, the characteristic impedance Z 2 of the input-side connecting portion II, the interaction portion III of the characteristic impedance Z 3, the output the characteristic impedance of the side connecting portion IV Z 4, it said synthesized characteristic impedance in the concept of cascaded transmission line to Z L of the output feed-through portion characteristic impedance Z 5 of V, and the terminating
前述のように、本実施形態においてはCPWギャップWを15μm以下と狭くしたので、相互作用部IIIの特性インピーダンスZ3は30Ωあるいはそれ以下と低くなっている。 As described above, in this embodiment, since the CPW gap W is narrowed to 15 μm or less, the characteristic impedance Z 3 of the interaction part III is as low as 30Ω or less.
インピーダンス変換部VIは外部信号源5や付加抵抗6から見た入力インピーダンスZin’(正確には入力インピーダンスZin’の実部Re(Zin’))を相互作用部IIIの特性インピーダンスZ3よりも高くすることにより高周波電気信号による光の変調特性の劣化を改善するために設けられている。
Impedance transformation portion VI is the input impedance Z in '(precisely, the input impedance Z in' real part Re of the (Z in ')) characteristic of the interaction portion III impedance Z 3 as viewed from an
次に、Z1〜Z6までの各特性インピーダンスの関係について考察する。図4において入力用フィードスルー部Iはその長さが100μm以下程度と短い場合、その特性インピーダンスZ1は外部信号源5と外部信号源の付加抵抗6から本実施形態のx−カットLN光変調器を見た入力インピーダンスZin’にほとんど影響しないことを確認している。
Next, the relationship between the characteristic impedances Z 1 to Z 6 will be considered. In FIG. 4, when the length of the input feedthrough I is as short as about 100 μm or less, the characteristic impedance Z 1 is derived from the
次に、本発明ではインピーダンス変換部VIの特性インピーダンスZ6は相互作用部IIIの特性インピーダンスZ3よりも高く設定するとともに、インピーダンス変換部の長さL6は入力インピーダンスZin’(正確には入力インピーダンスZin’の実部Re(Zin’))が相互作用部IIIの特性インピーダンスZ3よりも高くなるように設定する。また入力側接続部IIの特性インピーダンスZ2、相互作用部IIIの特性インピーダンスZ3、出力側接続部IVの特性インピーダンスZ4、出力用フィードスルー部Vの特性インピーダンスZ5、及び終端抵抗ZLは全て等しく設定して良い。特に、相互作用部IIIの特性インピーダンスZ3、出力側接続部IVの特性インピーダンスZ4、出力用フィードスルー部Vの特性インピーダンスZ5、及び終端抵抗ZLを等しくすると、終端抵抗ZLからの電気的な反射を抑えることができる。 Next, in the present invention, the characteristic impedance Z 6 of the impedance conversion unit VI is set higher than the characteristic impedance Z 3 of the interaction unit III, and the length L 6 of the impedance conversion unit is set to the input impedance Z in ′ (to be precise, The real part Re (Z in ')) of the input impedance Z in ' is set to be higher than the characteristic impedance Z 3 of the interaction part III. The input connection portion II of the characteristic impedance Z 2, the interaction portion III of the characteristic impedance Z 3, the output-side connecting portion IV characteristic impedance Z 4, output feed-through portion V of the characteristic impedance Z 5, and terminating resistor Z L May all be set equal. In particular, the interaction portion III of the characteristic impedance Z 3, the output-side connecting portion characteristic impedance Z 4 of IV, output feed-through portion characteristic impedance Z 5 of V, and when equal terminating resistor Z L, from the terminating resistor Z L Electrical reflection can be suppressed.
図5に示すように、本実施形態では外部信号源5の付加抵抗6からx−カットLN光変調器を見た入力インピーダンスZin’の実部Re(Zin’)は図5の実線で示すように周波数fに依存し、周波数fが高くなると相互作用部IIIの特性インピーダンスZ3(ここでは30Ωもしくはそれ以下)よりも高くなるように設定している。図5からわかるように、従来技術に係る光変調器と比較して、外部信号源5の付加抵抗6のインピーダンスRgとのインピーダンス不整合が周波数fとともに大幅に改善されている。
As shown in FIG. 5, in this embodiment, the real part Re (Z in ′) of the input impedance Z in ′ when the x-cut LN optical modulator is viewed from the
なお、インピーダンス変換部VIの設計に当たっては、進行波電極4の各部(I、II、III、IV、V、及びVI)の特性インピーダンスと長さ、さらに各部を伝搬する高周波電気信号の等価屈折率を使用するが、一般にインピーダンス変換部VIの長さL6としては数10μmから数mm程度が好適であることを確認している。
In designing the impedance converter VI, the characteristic impedance and length of each part (I, II, III, IV, V, and VI) of the traveling
入力インピーダンスZin’の実部Re(Zin’)と外部信号源5の付加抵抗6のインピーダンスRgとのインピーダンス不整合が大幅に改善されているので、その結果、図6に示すように、変調周波数fに対する光の変調指数(パワー変調指数)|m|2も図16の従来技術と比較して大幅に改善されている。なお、図6に示す|m|2のカーブには所望の変調帯域内においてディップなどはなく、滑らかなカーブを描いている。
Since the impedance mismatch between the real part Re (Z in ′) of the input impedance Z in ′ and the impedance Rg of the
図5や図6からわかるように、本発明の特徴として、入力インピーダンスZin’の実部Re(Zin’)や光の変調指数(パワー変調指数)|m|2が滑らかなカーブを描いており、広帯域光変調が可能であることがわかる。これは共振器電極型のようにある周波数のみ効率が良いという特性とは異なっている。 As can be seen from FIG. 5 and FIG. 6, as a feature of the present invention, the real part Re (Z in ′) of the input impedance Z in ′ and the light modulation index (power modulation index) | m | 2 draw a smooth curve. It can be seen that broadband optical modulation is possible. This is different from the characteristic that only a certain frequency is efficient as in the resonator electrode type.
高周波電気信号のパワー反射率(いわゆる、マイクロ波のS11)は実用上−5dBでは不十分であり、−10dB以下や−15dB以下のよりS11の小さな特性が要求されるが本発明の全ての実施形態によれば、設定されたビットレートに対する所望の光変調帯域内(例えば10Gbpsに対して10GHzなど)において、−10dB以下でディップのない滑らかな光変調特性を得られるという利点がある。 The power reflectivity of the high-frequency electric signal (so-called microwave S 11 ) is practically insufficient at −5 dB, and a characteristic with a smaller S 11 than −10 dB or −15 dB is required. According to the embodiment, there is an advantage that smooth light modulation characteristics having no dip can be obtained at −10 dB or less within a desired light modulation band for a set bit rate (for example, 10 GHz with respect to 10 Gbps).
従って、x−カットLN光変調器から外部信号源5へ反射されて戻る高周波電気信号を抑圧できるので、ジッタの少ない光変調パルスを得ることが可能となる。
Accordingly, since the high-frequency electric signal reflected and returned from the x-cut LN optical modulator to the
なお、以上においては入力インピーダンスZin’の実部Re(Zin’)を相互作用部の特性インピーダンスZ3よりも高くなるように設定したが、入力インピーダンスZin’の絶対値|Zin’|が特性インピーダンスZ3よりも高くなるように設定しても良い。 Although set to be higher than 'the real part Re (Z in the') characteristic impedance Z 3 of the interaction portion of the input impedance Z in is in the above, the input impedance Z in 'the absolute value of | Z in' | may be set to be higher than the characteristic impedance Z 3.
なお、インピーダンス変換部VIの特性インピーダンスZ6が50Ω以下の場合には、周波数fの上昇に対して効率良く入力インピーダンスZin’(正確には入力インピーダンスZin’の実部Re(Zin’))を大きくするためには、インピーダンス変換部VIの長さL6として数100μm(例えば300μm)以上の長さが必要であるという不利な点があるという反面、周波数fに対して入力インピーダンスZin’の変化が比較的緩やかであるという利点がある。 When the characteristic impedance Z 6 of the impedance converter VI is 50Ω or less, the input impedance Z in ′ (exactly the real part Re (Z in ′ of the input impedance Z in ′) is effectively improved with respect to the increase in the frequency f. )) Is disadvantageous in that the length L 6 of the impedance converter VI needs to be several hundred μm (for example, 300 μm) or more, but the input impedance Z with respect to the frequency f is disadvantageous. There is an advantage that the change of in 'is relatively gradual.
一方、インピーダンス変換部VIの特性インピーダンスZ6が50Ω以上の場合には、インピーダンス変換部VIの長さL6として数100μm(例えば300μm)以下でも、周波数fが高くなるとともに入力インピーダンスZin’(正確には入力インピーダンスZin’の実部Re(Zin’))を急速に大きくできるという利点があるという反面、周波数fに対して入力インピーダンスZin’の変化が大きいという不利な点がある。 On the other hand, if the characteristic impedance Z 6 of the impedance transformation portion VI is more than 50Ω, even equal to or less than the length L 6 as the number 100μm impedance converter VI (e.g. 300 [mu] m), the input impedance Z in conjunction with the frequency f becomes higher '( To be precise, there is an advantage that the real part Re (Z in ')) of the input impedance Z in ' can be rapidly increased, but there is a disadvantage that the change of the input impedance Z in 'is large with respect to the frequency f. .
従って、光変調器としての寸法や特性などの要求条件とここで述べた利点と不利な点を鑑み、インピーダンス変換部VIの特性インピーダンスZ6を50Ω以下、もしくは50Ω以上に設定するとともに、その長さL6を決定すれば良い。 Therefore, in view of the requirements and advantages and disadvantages set forth herein, such as the dimensions and characteristics of the optical modulator, the characteristic impedance Z 6 of the impedance transformation unit VI 50 [Omega below, or with set to at least 50 [Omega, its length The length L 6 may be determined.
以上においては、進行波電極としてはCPW電極を例にとり説明したが、非対称コプレーナストリップ(ACPS)や対称コプレーナストリップ(CPS)などの各種進行波電極、あるいは集中定数型の電極でも良いことは言うまでもない。また、光導波路としてはマッハツェンダ型光導波路の他に、方向性結合器や直線など、その他の光導波路でも良いことは言うまでもない。 In the above description, the CPW electrode has been described as an example of the traveling wave electrode. However, it goes without saying that various traveling wave electrodes such as an asymmetric coplanar strip (ACPS) and a symmetric coplanar strip (CPS), or a lumped constant electrode may be used. . In addition to the Mach-Zehnder type optical waveguide, it goes without saying that other optical waveguides such as directional couplers and straight lines may be used as the optical waveguide.
また、中心導体を挟んでマッハツェンダ光導波路の2本の相互作用光導波路を配置する場合、2本の相互作用光導波路の幅を異ならしめておけば、近づけてもDC及び動的消光比の劣化を避けることが可能となる。 Also, when two interacting optical waveguides of a Mach-Zehnder optical waveguide are arranged with the central conductor in between, if the widths of the two interacting optical waveguides are made different, the DC and the dynamic extinction ratio will deteriorate even if they are close to each other. It can be avoided.
また、以上の実施形態においては、x−カット、y−カットもしくはz−カットの面方位、即ち、基板表面(カット面)に対して垂直な方向に結晶のx軸、y軸もしくはz軸を持つ基板でも良いし、以上に述べた各実施形態での面方位を主たる面方位とし、これらに他の面方位が副たる面方位として混在しても良いし、LN基板のみでなく、リチウムタンタレートなどその他の基板でも良いことは言うまでもない。 In the above embodiment, the crystal orientation of x-cut, y-cut or z-cut, that is, the x-axis, y-axis or z-axis of the crystal is perpendicular to the substrate surface (cut plane). The surface orientation in each of the embodiments described above may be the main surface orientation, and other surface orientations may be mixed as surface orientations subordinate to these, and not only the LN substrate but also the lithium tantalum. It goes without saying that other substrates such as rates may be used.
以上のように、本発明に係る光変調器は、RF変調性能について大幅に改善することができるという効果を有し、高速で駆動電圧が低い光変調器として有用である。 As described above, the optical modulator according to the present invention has an effect that the RF modulation performance can be greatly improved, and is useful as an optical modulator having a high driving speed and a low driving voltage.
1:x−カットLN基板(基板、LN基板)
2:SiO2バッファ層(バッファ層)
3:光導波路
3a、3b:相互作用部の光導波路(光導波路)
4:進行波電極
4a:中心導体
4b、4c:接地導体
5:外部信号源
6:付加抵抗
7:入力用フィードスルー部Iを表す線路
8:入力側接続部IIを表す線路
9:相互作用部IIIを表す線路
10:出力側接続部IVを表す線路
11:出力用フィードスルー部Vを表す線路
12:終端抵抗
13: 外部信号源5及び付加抵抗6と光変調器との境界
14:インピーダンス変換部VIを表す線路
1: x-cut LN substrate (substrate, LN substrate)
2: SiO 2 buffer layer (buffer layer)
3:
4: traveling
Claims (6)
前記進行波電極が、前記高周波電気信号を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用部と、外部回路から前記相互作用部に前記高周波電気信号を印加するための入力用フィードスルー部を具備する光変調器において、
前記進行波電極が、前記相互作用部と前記入力用フィードスルー部との間に前記相互作用部の特性インピーダンスよりも高い特性インピーダンスを有するインピーダンス変換部をさらに具備することを特徴とする光変調器。 A substrate having an electro-optic effect, an optical waveguide for guiding light formed on the substrate, and a high-frequency electric signal formed on one surface side of the substrate and modulating the phase of the light A traveling wave electrode comprising a central conductor and a ground conductor of
The traveling wave electrode modulates the phase of the light by applying the high frequency electrical signal, and an input feedthrough for applying the high frequency electrical signal from an external circuit to the interaction portion In the optical modulator comprising a unit,
The traveling wave electrode further includes an impedance conversion unit having a characteristic impedance higher than a characteristic impedance of the interaction unit between the interaction unit and the input feedthrough unit. .
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