JP2007079249A - Optical modulator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光変調器に係り、特に、高速で駆動電圧が低く、かつDCドリフトと温度ドリフトが小さく、製作の歩留まりが良い光変調器に関する。 The present invention relates to an optical modulator, and more particularly to an optical modulator that has a high driving speed, a low driving voltage, a low DC drift and a low temperature drift, and a good manufacturing yield.
周知のように、光変調器において、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。 As is well known, in an optical modulator, a substrate having a so-called electro-optic effect in which a refractive index is changed by applying an electric field, such as lithium niobate (LiNbO 3 ) (hereinafter, a lithium niobate substrate is referred to as an LN substrate). A traveling wave electrode type lithium niobate optical modulator (hereinafter abbreviated as an LN optical modulator) in which an optical waveguide and a traveling wave electrode are formed is 2.5 Gbit / s, 10 Gbit / s because of its excellent chirping characteristics. It is applied to large-capacity optical transmission systems.
このようなLN光変調器は、最近ではさらに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、大容量光伝送システムにおけるキーデバイスとして期待されている。 Such an LN optical modulator has recently been studied for application to an ultra large capacity optical transmission system of 40 Gbit / s, and is expected as a key device in the large capacity optical transmission system.
[従来技術]
図5は、従来技術によるx−カットLN基板を用いて構成したLN光変調器の構成を示す斜視図である。図6は図5のA−A’における断面図である。
[Conventional technology]
FIG. 5 is a perspective view showing a configuration of an LN optical modulator configured using an x-cut LN substrate according to the prior art. 6 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.
図中、1はx−カットLN基板、2はSiO2バッファ層、3はTiを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。 In the figure, 1 is an x-cut LN substrate, 2 is a SiO 2 buffer layer, 3 is an optical waveguide formed by thermally diffusing Ti at 1050 ° C. for about 10 hours, and a Mach-Zehnder interference system (or Mach-Zehnder optical waveguide) is formed. It is composed.
なお、図中、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本のアームであり、不図示のY分岐光導波路などによって光導波路3を分岐したものである。
In the figure,
また、図中、4は進行波電極であり、この進行波電極4としては、1つの中心導体4aと2つの接地導体4b、4cを有するコプレーナウェーブガイド(CPW)を用いることを想定する。このCPW型の進行波電極4は中心導体4aの両側に接地導体4b、4cを持つ対称構造である。
In the figure,
光導波路3を導波する光が進行波電極である金属(一般に、Auを用いる)から受ける吸収損を抑え、また中心導体4aと接地導体4b、4cからなる進行波電極4を導波する電気信号のマイクロ波等価屈折率(あるいは、進行波電極のマイクロ波等価屈折率)nmを低減し相互作用光導波路3a、3bを導波する光の等価屈折率(あるいは、光導波路の等価屈折率)noに近づけ、さらに特性インピーダンスをなるべく50Ωに近づけるために、進行波電極4とx−カットLN基板1との間には、通常、400nm〜1μm程度の厚いSiO2バッファ層2が堆積される。
Electricity which suppresses the absorption loss which the light which guides the
このSiO2バッファ層2は電気信号即ちマイクロ波の等価屈折率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。
The SiO 2 buffer layer 2 is an electrical signal or microwave equivalent refractive index n m of the interaction
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と、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間に直流バイアス(以下、DCバイアスという)と高周波電気信号(以下、RF電気信号という)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. To operate the LN optical modulator, a direct current bias (hereinafter referred to as a DC bias) is provided between the
図5に示した従来技術の光変調器において、進行波電極の中心導体4aと接地導体4b、4c間にバイアス電圧による電界が印加された際における望ましい電気力線の分布をDEFとして図7に示している。
In the prior art optical modulator shown in FIG. 5, the distribution of the desired lines of electric force when an electric field by a bias voltage is applied between the
この図7からわかるように、2本の相互作用光導波路3a、3bを横切る電気力線の向きは逆向きであるため、マッハツェンダ光導波路3では2本の相互作用光導波路3a、3bを導波する光の位相をπずらすことにより、光のOFF状態を実現するのがマッハツェンダ光導波路を用いる光変調器の原理である。
As can be seen from FIG. 7, since the direction of the electric lines of force crossing the two interactive
次に、図8を用いて上記従来技術によるLN光変調器の温度ドリフトの問題点について考察する。x−カットLN基板1の基板側面1aや1b(あるいは、z面1a、1b)は焦電効果を有する+z面と−z面なので、基板の温度が変化するとその表面に電荷TECが誘起される。
Next, the problem of temperature drift of the conventional LN optical modulator will be discussed with reference to FIG. Since the
この従来技術によるLN光変調器で使用しているx−カットLN基板1の基板側面1aや1bに誘起される電荷TECの量は温度とともにランダムに変化するので、基板側面1a、1bに誘起された電荷TECのためにx−カットLN基板1内にランダムな電気力線EFが生じる。
Since the amount of charge TEC induced on the
このランダムな電気力線EFの発生により、LN光変調器を動作させるために中心導体4aと接地導体4b、4cの間に印加したバイアス電圧による電気力線DEFがランダムに打ち消されてしまう。
Due to the generation of the random electric lines of force EF, the electric lines of force DEF due to the bias voltage applied between the
さて、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。
In order to operate the 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−光出力特性において、実線の曲線はある状態での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。 In the voltage-light output characteristics shown in FIG. 9, the solid curve is the voltage-light output characteristics of the LN optical modulator in a certain state, and Vb is the DC bias voltage at that time.
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。 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.
ところが上で述べた温度の変化により発生したランダムな電気力線EFのために、中心導体4aと接地導体4b、4cの間に印加したバイアス電圧による電気力線DEFがランダムに打ち消されてしまい、この最適バイアス電圧VbはVb’へと大きく変化することになる。
However, due to the random electric lines of force EF generated by the temperature change described above, the electric lines of force DEF due to the bias voltage applied between the
従って、温度に対して安定といわれるx−カットLN基板1を用いた光変調器においても、この温度の変化によるDCバイアス電圧のシフト、つまり温度ドリフトが生じる結果となる。このことはx−カットLN基板1の基板側面1aや1bと相互作用光導波路3a、3bの距離が比較的近いと顕著になる。
Therefore, even in the optical modulator using the
以上のように、従来技術では基板側面に焦電効果を発生する面を有するLN基板を用いて製作された光変調器においては、焦電効果に起因して誘起された電荷のためにLN基板の中にランダムな電界が生じ、その結果温度ドリフトが生じるという問題があった。 As described above, in an optical modulator manufactured using an LN substrate having a surface that generates the pyroelectric effect on the side surface of the substrate in the prior art, the LN substrate is caused by charges induced due to the pyroelectric effect. There was a problem that a random electric field was generated in the glass, resulting in temperature drift.
そこで、本発明は、以上のような従来技術が持つ温度ドリフトの問題点を解消することにより、小型で高速、かつ安定な強度光変調器、位相変調器あるいは偏波スクランブラー等に好適する光変調器を提供することを目的としている。 Therefore, the present invention eliminates the temperature drift problem of the conventional technology as described above, and is suitable for a compact, high-speed and stable intensity optical modulator, phase modulator, or polarization scrambler. The object is to provide a modulator.
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、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる電極と、前記光導波路が前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧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光導波路とを具備し、前記基板は前記相互作用光導波路の長手方向に垂直な断面の最も外側に焦電効果により電荷が誘起される基板側面を有する光変調器において、前記基板側面上に導電性膜を直接に形成したことを特徴とする。
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、前記導電性膜は半導体膜からな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 the conductive film is made of a semiconductor film.
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、前記導電性膜は導電性接着剤からなることを特徴とする。
The optical modulator according to
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、前記導電性膜は前記接地導体に電気的に接続されていることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the optical modulator according to the first to third aspects, the conductive film is electrically connected to the ground conductor.
本発明の請求項5の光変調器は、請求項1乃至4に記載の光変調器において、前記接地導体は、前記相互作用光導波路の上方において、前記中心導体の長手方向に延びる中心線に対してほぼ対称な形状を有していることを特徴とする。 An optical modulator according to a fifth aspect of the present invention is the optical modulator according to any one of the first to fourth aspects, wherein the ground conductor is disposed above a center line extending in a longitudinal direction of the central conductor above the interaction optical waveguide. It has a substantially symmetric shape.
本発明の請求項6の光変調器は、請求項1乃至4に記載の光変調器において、前記接地導体は、前記相互作用光導波路の上方において、前記中心導体の長手方向に延びる中心線に対して非対称な形状を有していることを特徴とする。 An optical modulator according to a sixth aspect of the present invention is the optical modulator according to any one of the first to fourth aspects, wherein the ground conductor is disposed above a center line extending in a longitudinal direction of the central conductor above the interaction optical waveguide. It is characterized by having an asymmetric shape.
請求項1に記載の光変調器では、相互作用光導波路の長手方向に垂直な断面の最も外側に焦電効果により電荷が誘起される基板側面があり、この基板側面に電気的に接続するように導電性の膜を形成することにより、基板側面の電位を安定化できるので温度ドリフトを抑圧できる。
In the optical modulator according to
請求項2に記載の光変調器では、導電性膜は半導体膜からなるので、光変調器製作工程の中で導電性膜を形成できる。 In the optical modulator of the second aspect, since the conductive film is made of a semiconductor film, the conductive film can be formed in the optical modulator manufacturing process.
請求項3に記載の光変調器では、導電性膜が一般により導電率の高い導電性接着剤からなるので、より効果的に温度ドリフトを抑圧できる。
In the optical modulator according to
請求項4に記載の光変調器では、導電性膜は接地導体に電気的に接続されているので、基板側面の電位の安定化が確かなものになる。 In the optical modulator according to the fourth aspect, since the conductive film is electrically connected to the ground conductor, the potential on the side surface of the substrate is surely stabilized.
請求項5に記載の光変調器では、電極が接地導体を中心導体の両側に有する対称電極であるため導電性膜と接地導体との電気的接続をとることが容易であり、基板側面の電位の安定化に効果が高い。
In the optical modulator according to
請求項6に記載の光変調器では、電極が接地導体を片側に有する非対称電極ではあるものの導電性膜と接地導体との電気的接続をとることにより基板側面の電位の安定化が可能となる。
In the optical modulator according to
以下、本発明の実施形態について説明するが、図5乃至図9に示した従来技術と同一の符号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一の符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 reference numerals as those in the prior art shown in FIGS. To do.
[第1実施形態]
図1に本発明における第1実施形態の光変調器について、図5に示した従来技術のA−A’に相当する位置における断面図を示す。本実施形態では焦電効果により電荷TECが励起されるx−カットLN基板1の基板側面1a、1bにSiやSiOxのような導電性膜5を形成している。さらに、本実施形態ではこれらの導電性膜5を接地導体4b、4cに電気的に接続している。このCPW型の進行波電極(電極)4は中心導体4aの両側に接地導体4b、4cを持つ対称構造であるので、導電性膜5と接地導体4b、4cとの電気的な接続が容易である。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the optical modulator according to the first embodiment of the present invention at a position corresponding to AA ′ of the prior art shown in FIG. In this embodiment, the
このように、基板側面1a、1bに導電性膜5を形成することにより、基板側面1a、1bの電位が安定になるので、従来技術として示した図8のランダムな電気力線EFは発生しない。
In this way, by forming the
なお、基板側面1a、1bの両方に導電性膜5を形成するとともに、導電性膜5を接地導体4b、4cに電気的に接続するのが効果的であるが、やや効果は落ちるものの基板側面1a、1bの片方のみ、あるいは導電性膜5を接地導体4b(及び接地導体4c)に電気的に接続しないなど各種の組み合わせがある。
Although it is effective to form the
[第2実施形態]
図2に本発明における第2実施形態の光変調器について、図5に示した従来技術のA−A’に相当する位置における断面図を示す。図1に示した第1実施形態の構造に加えて、本実施形態ではSiやSiOxのような導電性膜5をx−カットLN基板1の基板側面1a、1bの他にx−カットLN基板1の底面1cにも形成している。こうすることにより基板側面1a、1bの電位をより安定化することが可能となる。
[Second Embodiment]
FIG. 2 shows a cross-sectional view of the optical modulator according to the second embodiment of the present invention at a position corresponding to AA ′ of the prior art shown in FIG. In addition to the structure of the first embodiment shown in FIG. 1, in this embodiment, a
[第3実施形態]
図3に本発明における第3実施形態の光変調器について、図5に示した従来技術のA−A’に相当する位置における断面図を示す。本実施形態では焦電効果により電荷TECが励起されるx−カットLN基板1の基板側面1a、1bに、第1実施形態や第2実施形態で使用したSiやSiOxのような導電性膜5よりも導電率の高い導電ペーストなどの導電性接着剤6を用いて光変調器としての金属筐体7に固定している。さらに、本実施形態ではこれらの導電性接着剤6を接地導体4b、4cに電気的に接続している。
[Third Embodiment]
FIG. 3 shows a cross-sectional view of the optical modulator according to the third embodiment of the present invention at a position corresponding to AA ′ of the prior art shown in FIG. In the present embodiment, the
このように、基板側面1a、1bに導電性接着剤6を塗布することにより、基板側面1a、1bの電位が極めて安定になるので、従来技術として示した図8のランダムな電気力線EFは発生しない。このCPW型の進行波電極4は中心導体4aの両側に接地導体4b、4cを持つ対称構造であるので、導電性接着剤6と接地導体4b、4cとの電気的な接続が容易である。
Thus, by applying the
なお、基板側面1a、1bの両方に導電性接着剤6を形成するとともに導電性接着剤6を接地導体4b、4cに電気的に接続するのが効果的であるが、やや効果は落ちるものの基板側面1a、1bの片方のみ、あるいは導電性接着剤6を接地導体4b(及び接地導体4c)に電気的に接続しないなど各種の組み合わせがある。
Although it is effective to form the
[第4実施形態]
図4に本発明における第4実施形態の光変調器について、図5に示した従来技術のA−A’に相当する位置における断面図を示す。図3に示した第3実施形態の構造に加えて、本実施形態では導電性接着剤6をx−カットLN基板1の基板側面1a、1bの他にx−カットLN基板1の底面1cにも形成している。こうすることにより基板側面1a、1bの電位をより安定化することが可能となるとともに、x−カットLN基板1を金属筐体7により強固に固定できる利点もある。
[Fourth Embodiment]
FIG. 4 shows a cross-sectional view of the optical modulator according to the fourth embodiment of the present invention at a position corresponding to AA ′ of the prior art shown in FIG. In addition to the structure of the third embodiment shown in FIG. 3, in this embodiment, the
[各実施形態について]
導電性膜5や導電性接着剤6を形成する基板側面1a、1bの領域としてはx−カットLN基板1の側面全体でも良いが一部でも良い。なお、相互作用光導波路3a、3bの領域に対応するx−カットLN基板1の側面に形成することが好適である。
[About each embodiment]
The regions of the
ここで、本発明の目的について再度確認をしておく。x−カットLN基板1の厚みLH、相互作用光導波路3a、3bに沿った方向の長さLL、これに垂直な方向の幅LWの中で最も小さな値をLとおくと、x−カットLN基板1における高周波電気信号の共振周波数frは近似的に
fr=(c0/2)・{p/(nL・L)} (1)
と決定される。ここで、c0は真空中の光速、pは正の整数、nLはLの方向におけるx−カットLN基板1の屈折率である。
Here, the purpose of the present invention will be confirmed again. When the smallest value among the thickness L H of the
Is determined. Here, c 0 is the speed of light in vacuum, p is a positive integer, and n L is the refractive index of the
一般に、x−カットLN基板1の厚みLH、長さLL、幅LWの中では、厚みLHが最も小さいので、共振周波数frは基板の厚みLHで決定される。従って、本発明において、基板側面1aや1bに導電性膜5あるいは導電性接着剤6を形成するのはx−カットLN基板1の共振周波数についての対策ではなく、あくまで焦電効果のために基板側面1a、1bに誘起される電荷についての対策である。
Generally, the thickness L H is the smallest among the thickness L H , the length L L , and the width L W of the
また、本発明による光変調器において用いる基板としてはLN基板を例に用いて説明したが、リチウムタンタレートなど、電気光学効果を有するその他の各種基板でも良い。 The substrate used in the optical modulator according to the present invention has been described using the LN substrate as an example. However, other various substrates having an electro-optic effect such as lithium tantalate may be used.
また、本発明による光変調器における導電性膜はSiやSiOxとして説明したが、金属の酸化物を含め、これ以外の材料でも良いことは言うまでもない。 Further, although the conductive film in the optical modulator according to the present invention has been described as Si or SiOx, it goes without saying that other materials including metal oxides may be used.
上でも説明したが、基板側面1a、1bの両方に導電性膜5や導電性接着剤6を形成するとともに導電性膜5や導電性接着剤6を接地導体4b、4cに電気的に接続するのが効果的ではあるが、やや効果は落ちるものの基板側面1a、1bの片方のみ、あるいは導電性膜5や導電性接着剤6を接地導体4b(及び接地導体4c)に電気的に接続しないなど各種の組み合わせがある。
As described above, the
また、先に述べたように、各実施形態を説明する際の導電層や光導波路の構造として中心導体の中心に左右対称な構造として主に説明したが、勿論、左右対称でなくても良いことは言うまでもない。 Further, as described above, the structure of the conductive layer and the optical waveguide in describing each embodiment has been mainly described as a structure that is symmetric with respect to the center of the center conductor. Needless to say.
さらに、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。 Furthermore, although the CPW electrode has been described as an example of the traveling wave electrode, 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 type electrode may be used.
また、光導波路としてはマッハツェンダ光導波路の他に、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 addition to the Mach-Zehnder 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、以上の各実施形態においては、x−カットの面方位を持つ基板としたが、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ことは言うまでもないし、z−カットやy−カットの面方位を(あるいは混在して)持つ基板でも良いことは言うまでもない。 Further, in each of the above embodiments, the substrate has an x-cut surface orientation. However, the surface orientation in each of the above-described embodiments is a main surface orientation, and other surface orientations are subordinate thereto. It goes without saying that the orientation may be mixed, and it is needless to say that the substrate may have a z-cut or y-cut plane orientation (or a mixture).
以上のように、本発明にかかる光変調器は温度ドリフトを抑圧することを可能とし、長寿命で信頼性の高い光変調器として有用である。 As described above, the optical modulator according to the present invention can suppress the temperature drift, and is useful as a long-life and highly reliable optical modulator.
1:x−カットLN基板
1a、1b:x−カットLN基板1の側面
1c:x−カットLN基板1の底面
2:SiO2バッファ層
3:光導波路
3a、3b:相互作用光導波路
4:進行波電極
4a:中心導体
4b、4c:接地導体
5:導電性膜
6:導電性接着剤
7:金属筐体
DEF:印加電圧による電気力線
TEC:焦電効果により誘起された電荷
EF:焦電効果により誘起された電荷による電気力線
1: x-cut LN
Claims (6)
前記基板側面上に導電性膜を直接に形成した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 central conductor formed on one surface side of the substrate for applying a voltage for modulating the light And an electrode made of a ground conductor, and the optical waveguide has an interactive optical waveguide for modulating the phase of the light by applying the voltage between the center conductor and the ground conductor, and the substrate Is an optical modulator having a substrate side surface in which electric charges are induced by a pyroelectric effect on the outermost side of a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the interaction optical waveguide,
An optical modulator comprising a conductive film formed directly on the side surface of the substrate.
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