JP2009058909A

JP2009058909A - 光変調器

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Publication number: JP2009058909A
Application number: JP2007228203A
Authority: JP
Inventors: Toshio Ito; 敏夫伊藤; Kazuo Fujiura; 和夫藤浦
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-09-03
Filing date: 2007-09-03
Publication date: 2009-03-19

Abstract

【課題】余分なリード線の延長を抑え、周辺回路の動作周波数の劣化を抑制可能な光変調器を提供すること。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る光変調器は、誘電体１０３と、誘電体１０３を貫くように形成された電気リード線１０１と、誘電体１０３を囲むように形成された電極１０６と、電気リード線１０１を囲むように形成され、電気リード線１０１と誘電体１０３との間に設けられた電極１０２と、コンデンサ１０８と、インダクタ１１０とを備え、誘電体１０３の、電気リード線１０１の外側の領域に入力光が入力される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光変調器に関するものであり、特に誘電体を利用して光変調器を作成する際の構造に関するものである。

近年、素子の小型化・高効率化を狙い、電気光学効果の大きな材料を用いたデバイスの研究がなされている。例えばＫＴＮ（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１））結晶は、常誘電体から強誘電体への相転移時の温度領域では、比誘電率が発散して例えば１０，０００に達し、誘電率の２乗に比例する２次の電気光学効果が極めて大きくなる（非特許文献１参照）。しかしながら、誘電率が高いことはそのまま素子容量の増加につながる。

例えば真空の誘電率８．８５×１０^-12（Ｆ／ｍ）に対して、比誘電率１０，０００の場合、誘電率はＢ＝８．８５×１０^-8（Ｆ／ｍ）に達する。光変調器として用いる際、一般にＫＴＮは図４（ａ）のような平行平板型のコンデンサとして利用される。図４（ａ）において、ＫＴＮ結晶４１の対向する面にそれぞれ、電極４２が形成されている。図４（ａ）では、電極４２のうち、接地されていない方の電極が、インダクタとコンデンサとを有するバイアスＴ（図４（ａ）では不図示）に接続されている。バイアスＴのインダクタ側には、ＤＣ入力端子が接続され、コンデンサ側にはＲＦ信号入力端子が接続されている。図４（ａ）に示す光変調器は、変調時に、ＫＴＮ結晶４１にＤＣ電圧とＲＦ電圧とが重畳して印加される構成である。

図４（ａ）では、ＫＴＮ４１および電極４２が平行平板コンデンサを構成しているので、電極３２の面積（ｓ）を３ｍｍ角（９×１０^-6ｍ²）、電極間（ｄ）を１ｃｍ（１×１０^-2ｍ）とすると、上記平行平板コンデンサの電気容量（ｃ）は、約８０（ｐＦ）になる。（Ｂ・ｓ／ｄ）

図４（ａ）に示す光変調器の実際の駆動回路は図４（ｂ）のようになる。図４（ｂ）において、符号１００１は電極が形成されたＫＴＮ結晶、符号１００２はバイアスＴである。符号１００３はバイアスＴ１００２が備えるチップコンデンサ、符号１００４はバイアスＴ１００２が備えるチップインダクタ、符号１００５はバイアスＴ１００２のＲＦ信号入力端子、符号１００６はバイアスＴ１００２のＤＣ入力端子である。同図において例えばＤＣ電圧として２５０ＶをＤＣ入力端子１００６から、ＲＦ信号として２００Ｖｐ−ｐ、１５０ＭＨｚをＲＦ信号入力端子１００５に印加することで、ＫＴＮ結晶１００１を変調器として動作させることができる。

藤浦和夫、「高効率電気光学結晶ＫＴＮの育成と応用」、セラミックス、４１［９］、ｐ．６７８−６８２、２００６年

しかしながら、図４（ｂ）の駆動回路は以下のような問題があった。画像信号用には動作周波数の上限１５０ＭＨｚに対して、周波数の下限はなるべく低い値にする必要がある。一般に周波数の下限はチップコンデンサ１００３の電気容量の値によって定まり、２．２μＦで０．７ＫＨｚ、０．２２μＦで７ＫＨｚ、８０ｎＦで１９ＫＨｚ程度である（チップコンデンサ１００３はＤＣブロックとして動作するため、容量が小さいと低い周波数成分をブロックしてしまう）。従って下限周波数が少なくとも２０ＫＨｚよりも小さいように設計を行う場合、チップコンデンサ１００３として少なくとも８０ｎＦ以上の電気容量を有するコンデンサを使用しなければならない。

ところが一般的に電気容量の大きなコンデンサは耐圧が低く、８０ｎＦで２５０ＶのＤＣと２００ＶのＲＦを許容するチップコンデンサを得るのは困難である。従って、耐圧を考慮しつつ動作周波数の下限値をなるべく低くするために、バイアスＴ１００２に用いるコンデンサとして例えば高電圧用の大きなコンデンサ（例えば３０×３０×３０ｍｍ³）を用いる。一方でバイアスＴ１００２に用いるインダクタに関しても同様で、チップインダクタではなく、大きな（例えば３０×１０×１０ｍｍ³）インダクタを用いる。

しかしながら、バイアスＴ１００２に用いるコンデンサとインダクタとのサイズをそれぞれ大きくすると、それらコンデンサとインダクタの双方が邪魔しあって、双方をＫＴＮ１００１に近接して配置することが困難となる。これは、従来の変調器には基本的に入力端子が１つしかなく、コンデンサとインダクタの双方を入力端子の近傍に配置する必要があるためである。よって、リード線を引き回すことが必要になり、コンデンサのＬ成分、インダクタのＣ成分の増加を引き起こすことで全体の周波数特性が劣化する問題が生じていた。

上記に示したように、従来の構成では、十分な耐圧を得ながら動作周波数の下限値を小さくしようとする場合に、ＲＦ信号印加用のコンデンサとＤＣ印加用のインダクタの双方をＫＴＮ等の変調領域となる誘電体に近接させることが困難という問題があった。また、近接に配置することが困難であるので、変調器に外付けすることになるコンデンサやインダクタへのリード線を短くすることが困難となり、変調器の周辺回路となるコンデンサやインダクタの周波数特性が劣化するという問題もあった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、余分なリード線の延長を抑え、周辺回路の動作周波数の劣化を抑制可能な光変調器を提供することにある。

このような目的を達成するために、請求項１記載の発明は、光変調器であって、電気光学効果を有する誘電体と、前記誘電体を、第１の面から該第１の面と対向する第２の面に向って貫くように形成されたリード線と、前記誘電体を囲むように形成された第１の電極と、前記リード線を囲むように形成され、前記リード線と前記誘電体との間に設けられた第２の電極と、前記リード線に設けられたコンデンサであって、前記第１の面および第２の面の一方から離間して設けられたコンデンサと、前記リード線に設けられたインダクタであって、前記第１の面および第２の面の他方から離間して設けられたインダクタとを備え、前記誘電体の、前記リード線の外側の領域に入力光が入力されることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記誘電体は、ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１）、またはＫ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）であることを特徴とする。

本発明によれば、ＤＣ電圧印加用、ＲＦ電圧印加用と２つの入力端子のそれぞれにコンデンサとインダクタとを配置することが可能で、お互い邪魔をしあうことがなく、素子の小型化を図ることができる。また、同時にリード線を短くできるとともに、コンデンサやインダクタの周波数特性の劣化を抑制することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
本発明の一実施形態では、電気光学効果を有する誘電体を貫くようにリード線を配置し、誘電体内ではリード線が切断されていない状態で存在させるようにしている。すなわち、リード線の端面以外の一部を囲むように誘電体を形成し、該誘電体を変調領域とするのである。

このようにすることで、リード線の切断面ではない連続した領域、すなわちリード線の側面を介して誘電体に変調動作のための電圧を印加することができるので、リード線の残留インダクタンスによって形成されるＬＣ回路の形成を抑制することができ、動作帯域の低減を抑制することができる。すなわち、図４（ａ）に示すような構成では、電極４２に接続されたリード線に残留インダクタンスが存在する場合、等価回路としてＬＣ回路が形成されることになり、該ＬＣ回路の共振周波数はｆ＝１／｛２π（ＬＣ）｝となるので、帯域の劣化に繋がってしまう。しかしながら、上述のように、リード線を流れる電流が誘電体内を通過するようにすることによって、リード線の残留インダクタンスを誘電体と分離することができ、上述のような帯域の劣化を抑えることができるので好ましい。

図２（ａ）および（ｂ）は本発明の一実施形態に係る光変調器を示す図である。図２（ａ）および（ｂ）に示す光変調器は、誘電体としてのＫＴＮの動作周波数を上げるために、上述のようにリード線に工夫を凝らしたものである。

図２（ａ）および（ｂ）において、符号１１０１は、誘電体１１０３の内部を貫くように形成された電気リード線であり、符号１１０２は、電気リード線１１０１を囲むように形成された、誘電体１１０３と電気リード線１１０１とを接触させるための電極である。符号１１０３は、誘電体（ＫＴＮ）であり、符号１１０４は入力光であり、符号１１０５は光信号である。符号１１０６は、誘電体１１０３を囲むように形成された電極であり、符号１１０７は導電性のシールド板（グランド）である。電気リード線１１０１には、バイアスＴ（図２（ａ）では不図示）に接続されている。

電気信号であるＲＦ信号電圧は、電気リード線１１０１に印加され、そのＲＦ信号電圧によって、入力光１１０４が変調されて光信号１１０５になる。図２（ｂ）は図２（ａ）を入力光１１０４の入力方向から見たものである。

同図によって明らかなように、電気リード線１１０１を流れる電流が誘電体１１０３の中を流れるように形成しているために電気リード線１１０１のインダクタンスは誘電体と分離される（誘電体から見たインダクタンスは０になる）。同様にグランド電極を直接シールド板１１０７に半田付けすることにより、グランド側の残留インダクタンスも０になるため、誘電体１１０３であるＫＴＮの動作周波数の拡大が望める。

図２（ａ）および（ｂ）に示す光変調器の実際の駆動回路は図３のようになる。
図３において、符号１２０１は誘電体（ＫＴＮ）により形成されるコンデンサ、符号１２０２はバイアスＴで、符号１２０３はチップコンデンサ、符号１２０４はチップインダクタ、符号１２０５はＲＦ信号入力端子、符号１２０６はＤＣ入力端子である。

上述のように、電気リード線１１０１流れる電流が誘電体１１０３内を通過するように、誘電体１１０３内を電気リード線１１０１が貫くようにし、電極１１０２への電圧の印加を電気リード線１１０１の切断面（端面）ではなく連続した側面にて行っているので、電気リード線１１０１の残留インダクタンスを誘電体１１０３から分離することができる。従って、図３に示されるように、図２（ａ）に示す光変調器の等価回路において、電気リード線１１０１によってコンデンサ１２０１に電圧は印加されるが、ＬＣ回路は形成されない。従って、電気リード線の残留インダクタンスによる帯域の低下を抑えることができ、図２（ａ）の構成は、動作周波数の劣化を抑える観点からすると非常に有用な構成である。

しかしながら、十分な耐圧を有し、動作周波数の下限値をなるべく低くするためには、ＲＦ信号印加用のチップコンデンサ１２０３を高電圧用の大きなコンデンサにし、ＤＣ電圧印加用のチップインダクタ１２０４についても大きなインダクタにする必要がある。例えば、８０ｎＦの電気容量のコンデンサとすると、そのサイズは、例えば３０×３０×３０ｍｍ³となり、また、インダクタの×１サイズも３００×１０ｍｍ³となる。従って、これらコンデンサとインダクタとは互いに大きいので、１つのバイアスＴ１２０２内に収めるのが困難になる。また、これらコンデンサとインダクタとの双方を、ＫＴＮ等の変調領域となる誘電体に近接して配置することが困難になり、リード線を引き回す必要がある。このリード線の余分な延長により、コンデンサのＣ成分、およびインダクタのＬ成分が増加することになり、全体の周波数特性が低減することに繋がる。

よって、動作周波数の拡大を図れ、非常に有用な図２（ａ）〜（ｃ）に示す光変調器において、ＲＦ信号印加用のコンデンサと、ＤＣ電圧印加用のインダクタとをそれぞれ、それらサイズが大きくなっても、誘電体に近接して配置できるようにすることにより、余分なリード線の延長を抑えることができ、動作周波数の劣化をさらに低減することができるようになる。

そこで、本発明の一実施形態では、図２（ａ）に示す光変調器において、誘電体１１０３から延びるリード線１１０１の一方をＲＦ信号入力端子に接続し、他方をＤＣ入力端子に接続する。そして、誘電体１１０１の、ＲＦ信号入力端子側にコンデンサを配置し、誘電体１１０１の、ＤＣ入力端子側にインダクタを配置する。すなわち、誘電体１１０１の第１の面から、該第１の面に対向する第２の面に向って、誘電体１１０１を貫くように形成されたリード線１１０１において、上記第１の面および第２の面の一方から離間してＲＦ信号印加用のコンデンサを配置し、他方から離間してＤＣ電圧印加用のインダクタを配置している。

このように配置することによって、バイアスＴを設ける必要が無く、ＲＦ信号印加用のコンデンサと、ＤＣ電圧印加用のインダクタとを別個に設けることができる。

すなわち、ＲＦ信号印加用のコンデンサと、ＤＣ電圧印加用のインダクタとを、誘電体に対して同一側に配置するわけではないので、動作周波数の下限値の低減を図って、ＲＦ信号印加用のコンデンサと、ＤＣ電圧印加用のインダクタとのサイズを大きくしたとしても、これらコンデンサおよびインダクタが互いに邪魔することが無くなるので、双方共に誘電体に近接して配置することができる。よって、余分なリード線の延長を行うことなく、適切な耐圧を保持したまま、動作周波数の下限値の低減を図ることができる。

また、余分なリード線の延長を抑えることができるので、上記コンデンサのＬ成分とインダクタのＣ成分との増加を抑えることができ、該コンデンサとインダクタとの周波数特性の劣化を抑えることができる。

本発明の一実施形態では、変調領域に用いる誘電体として、２次の電気光学効果を有する誘電体である、ＫＴＮ（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１））、およびＫＬＴＮ（Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１））が特に好ましい材料である。

このＫＴＮやＫＬＴＮは、特に、立方晶から正方晶への相転移温度に近い領域では、比誘電率が発散する現象が起こり、比誘電率の自乗に比例する２次の電気光学効果はきわめて大きい値となる。さらに、ＫＴＮ、ＫＬＴＮは、ＴａとＮｂの組成比を変化させることにより、常誘電性から強誘電性への相転移温度を、ほぼ絶対零度から４００℃まで変化させることが可能である。従って、温度コントローラを用いなくても、動作温度を室温等、所望に設定することができる。

なお、本発明の一実施形態では、ＫＴＮやＫＬＴＮを誘電体としても用いることは、特に有効であるが、これに限らず、例えば、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＴａＯ₃等、電気光学効果を有する誘電体であればいずれの材料を用いても良い。

（第１の実施形態）
以下、図面を用いて本実施形態を説明する。図１（ａ）は本発明の第１の実施形態を説明する図であって、符号１０１は、誘電体１０３の内部を貫くように形成された電気リード線であり、符号１０２は、電気リード線１０１を囲むように形成された、誘電体１０３と電気リード線１０１とを接触させるための電極である。符号１０３は、誘電体であり、符号１０４は入力光であり、符号１０５は光信号である。符号１０６は、誘電体１０３を囲むように形成された電極であり、符号１０７は導電性のシールド板（グランド）である。符号１０８は、コンデンサであり、ＲＦ信号印加用のコンデンサとして機能する。コンデンサ１０８の電気容量としては例えば８０ｎＦである。符号１０９は、ＲＦ信号入力端子であり、コンデンサ１０８に接続されている。符号１１０は、例えば５００ｎＨのインダクタであり、ＤＣ電圧印加用のインダクタとして機能する。符号１１１は、ＤＣ電圧入力端子であり、インダクタ１１０に接続されている。

電気信号であるＲＦ信号電圧は、電気リード線１０１に印加され、そのＲＦ信号電圧によって、入力光１０４が変調されて光信号１０５になる。図１（ｂ）は図１（ａ）を入力光１０４の入力方向から見たものである。

なお、本実施形態では、限定を意図したものではないが、コンデンサ１０８の電気容量Ｃは大きければ大きいほど好ましく、少なくとも８０ｎＦ以上とするのが好ましい。また、インダクタのインダクタンスＬについても、限定では無いが、大きければ大きいほど好ましく、上述のように例えば５００ｎＨとなる。

本実施形態における光変調の際は、誘電体１０３のうち、電気リード線１０１が存在していない領域（誘電体１０３の、電気リード線１０１の外側の領域）に入力光１０４が入力され、該領域にて所定の変調が行われて、光信号１０５となって出力される。この際、入力光１０４が電気リード線１０１や電極１０２によって反射等されないよう、電気リード線１０１と平行に入射する。

図１（ａ）、（ｂ）において、変調動作の際は、ＤＣ電圧入力端子１１１より入力されるＤＣ電圧は、コンデンサ１０８によってブロックされるので、該ＤＣ電圧はＤＣ電圧入力端子１１１と電極１０６との間にかかる。また同様にＲＦ信号入力端子１０９より入力されるＲＦ電圧は、インダクタ１１０によってブロックされるため、ＲＦ信号入力端子１０９と電極１０６との間にかかる。

また、インダクタ１１０とコンデンサ１０８とは、素子を挟んで反対側にあるので、お互いが邪魔しあうことなく、誘電体１０１に近接して配置することができる。すなわち、バイアスＴを設ける必要が無く、ＲＦ信号印加用のコンデンサとＤＣ電圧印加用のインダクタとを、一ヶ所にまとめて配置する必要が無いので、上記コンデンサとインダクタとのサイズが大きくなったとしても、互いにスペースを取り合うことが無い。よって、余分なリード線の延長を起こすことがなくなり、リード線の引き回しにより生じる全体の周波数特性の劣化を抑えることができる。

このように本実施形態では、ＲＦ信号印加用のコンデンサとＤＣ電圧印加用のインダクタとを、変調領域となる誘電体になるべく近づけることが重要であり、そのために、上記コンデンサとインダクタとを、誘電体に対して対向する側にそれぞれ配置している。そして、この配置を実現するために、誘電体を貫くようにリード線を形成し、該リード線の一方端にＤＣ入力端子を接続し、他方端にＲＦ信号入力端子を接続しているのである。さらに、リード線と誘電体との間にリード線と誘電体とを電気的に接続するための第１の電極を設け、かつ誘電体の周囲に第２の電極を設けているので、上記リード線に電圧が印加されることにより、上記第１の電極と第２の電極との間に、誘電体を変調するための電界を発生させることができる。

（第２の実施形態）
本実施形態では、温調を備えた光変調器について説明する。
本実施形態では、誘電体として、ＫＴＮを用いる形態について説明する。
上述したように、ＫＴＮは、動作温度として好ましい温度である、常誘電性から強誘電性への相転移温度を、ＴａとＮｂの組成比を変えることによって、ほぼ絶対零度から４００℃まで変化させることが可能である。よって、組成比を制御することによって、本発明の光変調器の動作温度を室温に設定することができる。その場合は、例えば第１の実施形態では、素子を固定するためにシールド板１０７を用いることができる。

これに対して、本実施形態では、動作温度を室温以外の温度に設定する場合について説明する。この場合、所定の動作温度を確保するために、例えばペルチェ素子等の温調（温度コントローラ）を用いれば良い。

本実施形態では、ＫＴＮとして、ＫＴａ_0.6Ｎｂ_0.4Ｏ₃を用いる場合について説明する。誘電体をこのように設定すると、動作温度は、４０℃となる。

また、図５は、本実施形態に係る、温調を備えた光変調器の他の例を示す図である。図５では、誘電体１０３としてＫＴａ_0.6Ｎｂ_0.4Ｏ₃を用いた、第１の実施形態にて説明した光変調器（本実施形態では符号５０で示す）を用いている。なお、図５の構成では、光変調器を固定するために、シールド板１０７の代わりに銅ブロックを用いている。

図５において、光変調器５０は、誘電体１０３を囲むように形成されている電極１０６と、銅ブロック５１および銅ブロック５２とが接するようにして、銅ブロック５１および５２によって挟まれている。符号５３は、銅ブロック５１および５２を固定するためのネジである。

銅ブロック５２には、ペルチェ素子５４が設けられており、該ペルチェ素子５４によって光変調器５０の温度を４０℃にすることができる。

なお、光変調器５０は、誘電体１０３を貫通している電気リード線１０１によって各電圧が誘電体１０３に印加されているので、銅ブロック５１と銅ブロック５２とを固定するための固定部材であるネジ５３としては、導電性の材料であっても、非導電性の材料であってもいずれでも良い。

（ａ）は、本発明の一実施形態に係る光変調器の断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す光変調器の正面図である。（ａ）は、本発明の一実施形態に係る光変調器の断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す光変調器の正面図である。図２（ａ）および（ｂ）に示す光変調器の駆動回路図である。（ａ）は、従来のＫＴＮを用いた光変調器を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す光変調器の駆動回路図である。本発明の一実施形態に係る、温調を備えた光変調器を示す図である。

符号の説明

１０１電気リード線
１０２、１０６電極
１０３誘電体
１０４入力光
１０５信号光
１０７シールド板
１０８コンデンサ
１０９インダクタ
１１０ＲＦ信号入力端子
１１１ＤＣ電圧入力端子

Claims

電気光学効果を有する誘電体と、
前記誘電体を、第１の面から該第１の面と対向する第２の面に向って貫くように形成されたリード線と、
前記誘電体を囲むように形成された第１の電極と、
前記リード線を囲むように形成され、前記リード線と前記誘電体との間に設けられた第２の電極と、
前記リード線に設けられたコンデンサであって、前記第１の面および第２の面の一方から離間して設けられたコンデンサと、
前記リード線に設けられたインダクタであって、前記第１の面および第２の面の他方から離間して設けられたインダクタとを備え、
前記誘電体の、前記リード線の外側の領域に入力光が入力されることを特徴とする光変調器。
前記誘電体は、ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１）、またはＫ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）であることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。