JP2010181489A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】電極の配線によるクロストークの影響を低減することができるマッハツェンダ型光変調器を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態によるマッハツェンダ型の光変調器は、アーム導波路が形成された強誘電体の基板と、アーム導波路に結合したＹ分岐部およびＹ合波部の少なくとも一方が形成された常誘電体の基板とを備える。強誘電体の基板は、アーム導波路上に形成された変調用の電極を備え、常誘電体の基板は、電極の配線を備える。常誘電体の基板は、強誘電体の基板に比べて電気光学効果による影響が小さいので、電極の配線が常誘電体の基板の導波路と交差しても、クロストークの影響が小さい。また、電極の配線を常誘電体の基板に配置すれば、配線が導波路と交差しても影響が小さいので、配線の等長化のための設計がし易くなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光変調器に関する。より詳細には、本発明は、マッハツェンダ型の光変調器に関する。

光通信技術の発展に伴って、高速で安定性の高い光変調器が必要とされている。高速の光変調器としては、マッハツェンダ型のものが知られている。マッハツェンダ型の光変調器では、入力光を分岐し、分岐した光に位相差を与えて合波することにより、変調された出力光を得る。

図１に、従来のマッハツェンダ型の光変調器を示す（特許文献１）。このマッハツェンダ型光変調器１００は、電気光学効果を有する光学基板（ニオブ酸リチウム結晶（ＬｉＮｂＯ_３：ＬＮ）など）１１０上に、入力光が入射される入力導波路１１２と、入力導波路からの光を分岐するＹ分岐部１１４と、分岐した光を導波する２つのアーム導波路１１６ａ，１１６ｂと、これら２つのアーム導波路からの光を合波するＹ合波部１１８と、合波した光を出力する出力導波路１２０とを備えている。これら導波路は、光学基板にＴｉなどの金属を選択的に拡散させて形成することができる。その後、基板表面全体にＳｉＯ_２などのバッファ層を設け、アーム導波路上にＡｕなどの金属電極１２２ａ，１２２ｂが形成される。電極１２２ａ，１２２ｂには、光変調器を変調する高周波信号源１２４ａ，１２４ｂが接続され、これら電極出力端には、終端抵抗が接続されている。

入力導波路１１２に入射した入力光は、Ｙ分岐部１１４で２つに分岐される。分岐した光は、アーム導波路１１６ａ，１１６ｂを伝搬する間、電極１２２ａ，１２２ｂに印加した変調信号により電気光学効果の影響を受けて、位相が変化する。すなわち、電極に印加した信号によって、アーム導波路間の位相差を変えることができる。アーム導波路１１６ａ，１１６ｂからの光をＹ合波部１１８で合波すると、これら２つの光の位相差に応じて、強度が変調された光が出力導波路１２０から出射される。このマッハツェンダ変調器は、アーム導波路１１６ａと１１６ｂの位相を各信号電極によって独立に制御する構成であり、２電極駆動型またはデュアルドライブ型などと呼ばれる。この構成では通常、位相補償回路を簡素化するため、電極１２２ａおよび１２２ｂの電気配線のそれぞれの入力部を可能な限り近接させ、かつ各アーム導波路に入力する電気配線の等長化を行う。すなわち、電極１２２ａの入力部からアーム導波路１１６ａと重なるまでの電気配線の電気的位相長と、電極１２２ｂの入力部からアーム導波路１１６ｂと重なるまでの電気配線の電気的位相長を同じとする。そのため、図１では、電極１２２ｂの電気配線にコの字型の部分を設けて、位相長の調整を行っている。

一方、特許文献２の図４に見られるように、コの字型の部分を設けずに、電気配線のレイアウトを工夫して、電気配線の位相長を調整することもできる。

特開２００２−１８２１７２号公報 特開２００４−０２９４９８号公報 特許第３８６７１４８号公報

しかしながら、従来のマッハツェンダ型の光変調器では、一方の電極（図１の電極１２２ａ）の配線が他方のアーム導波路（図１の導波路１１６ｂ）を跨ぐため、その部分でクロストークを生じるという問題があった。これは、高速で安定性の高い光変調器には望ましくない。また、光単側波帯（ＳＳＢ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｓｉｄｅｂａｎｄ）変調器などのように、複数のマッハツェンダ干渉計を含む変調器では、電極の配線がアーム導波路と交差する箇所が増えるため、この問題が顕著になる（特許文献３）。特に、電気配線のレイアウトを工夫して、電気配線の位相長を調整しようとすると、アーム導波路を複数回跨ぐ構成になり（特許文献２）、クロストークにより信号の劣化が増大することになる。他方、図１に示すように、電気配線にコの字型の部分を設けて、位相長の調整を行うと、基板のサイズが大きくなるという問題がある（特許文献１）。

また、マッハツェンダ型の光変調器の２つのアーム導波路に均等に変調信号を印加するために、アーム導波路上の電極の長さ（作用長）は等しくなるように設計することが望ましい。

このように、電極および電極の配線の等長化の要請を満たしつつ、電極の配線がアーム導波路に及ぼす影響を最小化することが望まれる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、電極の配線によるクロストークの影響を低減することができる光変調器を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、マッハツェンダ型の光変調器であって、アーム導波路が形成された強誘電体の基板と、前記アーム導波路に結合したＹ分岐部およびＹ合波部の少なくとも一方が形成された非強誘電体の基板とを備え、前記強誘電体の基板は、前記アーム導波路上に形成された変調用の電極を備え、前記非強誘電体の基板は、前記電極の配線を備え、前記非強誘電体の基板の入力側の配線は、それぞれ等しい長さを有することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光変調器であって、前記強誘電体の基板に形成されたアーム導波路は、等しい長さを有し、前記電極は、前記アーム導波路の端から端まで形成されたことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の光変調器であって、複数のマッハツェンダ干渉計を備えたことを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の光変調器であって、前記電極および前記配線は、導電性の接着剤で接合されたことを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の光変調器であって、前記非強誘電体の基板は、石英系の基板であることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれかに記載の光変調器であって、前記強誘電体の基板は、ニオブ酸リチウム結晶からなる光学基板であることを特徴とする。

マッハツェンダ型光変調器の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態によるマッハツェンダ型光変調器の構成例を示す図である。 本発明の第２の実施形態によるマッハツェンダ型光変調器の構成例を示す図である。

本発明による光変調器においては、ニオブ酸リチウム結晶（ＬＮ）などの強誘電体の基板と、石英やシリコンなどの常誘電体の基板とを組み合わせ、強誘電体の基板のアーム導波路上に電極を配置し、常誘電体の基板に電極の配線を配置することによって電極の配線がアーム導波路に及ぼす影響を低減することができる。常誘電体の基板は、強誘電体の基板に比べて電気光学効果による影響が小さい。そのため、電極の配線が常誘電体の基板の導波路と交差しても、クロストークの影響が小さい。

また、本発明による光変調器においては、強誘電体の基板のアーム導波路を等長化し、この導波路の端から端まで電極を形成することで、電極による導波路の作用長を等長化することができる。さらに、電極の配線を常誘電体の基板に配置すれば、配線が導波路と交差しても影響が小さいので、配線の等長化のための設計がし易いという利点がある。以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図２に、本発明の第１の実施形態による光変調器を示す。このマッハツェンダ型光変調器２００は、強誘電体のＬＮ基板２１０と、２つの石英基板２３０，２６０とから構成されている。前段の石英基板２３０には、入力光が入射される入力導波路２３２と、入力導波路からの光を分岐するＹ分岐部２３４と、分岐した光を導波する２つのアーム導波路２３６ａ，２３６ｂとが形成されている。ＬＮ基板２１０には、前段の石英基板の２つのアーム導波路２３６ａ，２３６ｂと光学的に結合される２つのアーム導波路２１２ａ，２１２ｂが形成され、ＬＮ基板のアーム導波路には、変調用の電極２１４ａ，２１４ｂが設けられている。後段の石英基板２６０には、ＬＮ基板の２つのアーム導波路２１２ａ，２１２ｂと光学的に結合される２つのアーム導波路２６２ａ，２６２ｂと、これら２つのアーム導波路からの光を合波するＹ合波部２６４と、合波した光を出力する出力導波路２６６とが形成されている。

また、前段の石英基板上には、電極２１２ａ，２１２ｂに接続された配線２３８ａ，２３８ｂが設けられ、外部の高周波信号源に接続されている。同様に、後段の石英基板上には、電極２１２ａ，２１２ｂに接続された配線２６８ａ，２６８ｂが設けられ、外部の終端抵抗に接続されている。

入力導波路２３２に入射した入力光は、Ｙ分岐部２３４で２つに分岐される。分岐した光は、アーム導波路２３６ａ，２３６ｂを介して、ＬＮ基板２１０のアーム導波路２１２ａ，２１２ｂに伝搬する。石英基板２３０の導波路では、伝搬光は配線２３８ａ，２３８ｂと交差する部分において変調信号の影響を受けるが、石英基板の電気光学効果は小さく、その影響は無視できるほど小さい。したがって、図に示すように、石英基板２３０上での配線を自由に配置することができ、それぞれの配線２３８ａ，２３８ｂの長さが等しくなるように設計することができる。これによって、両配線を伝搬する変調信号の伝搬遅延が等しくなり、良好な変調特性を達成することができる。さらに、導波路との交差を許容した柔軟なレイアウトが可能となるので、波形劣化がなく、かつ光学基板のチップサイズを小さくすることができる。

一方、ＬＮ基板の導波路２１２ａ，２１２ｂを伝搬する光は、電極２１４ａ，２１４ｂに印加された変調信号により、その位相が変調される。その位相変調量は、変調信号の印加電圧および作用長によって決定される。ここで、変調信号の作用長は、実質的には導波路上の電極２１４ａ，２１４ｂの長さによって決定することができる。光変調器２００の各アーム導波路間で対称の位相変調を得るためには、電極２１４ａ，２１４ｂの長さを等しく（等長化）する必要がある。本発明においては、図に示すように、ＬＮ基板の導波路の端から端まで電極２１４ａ，２１４ｂを設ければ、ＬＮ基板の導波路の等長化の精度と同程度の精度で電極を等長化することができる。

次に、ＬＮ基板の導波路２１２ａ，２１２ｂを伝搬した光は、石英基板２６０のアーム導波路２６２ａ，２６２ｂに結合し、Ｙ合波部２６４で合波され、出力導波路２６６から出力光が出射される。石英基板２６０の導波路では、上記と同様に、伝搬光は配線２６８ａ，２６８ｂと交差する部分において変調信号の影響を受けるが、石英基板の電気光学効果は小さく、その影響は無視できるほど小さい。したがって、上記と同様に、石英基板２６０上での配線を自由に配置することができ、それぞれの配線２６８ａ，２６８ｂの長さが等しくなるように設計することができる。これによって、両配線を伝搬する変調信号の伝搬遅延が等しくなり、良好な変調特性を達成することができる。さらに、導波路との交差を許容した柔軟なレイアウトが可能となるので、波形劣化がなく、かつ光学基板のチップサイズを小さくすることができる。

このように、強誘電体のＬＮ基板と、常誘電体の石英基板とを組み合わせることによって、マッハツェンダ型の光変調器において、配線と導波路との交差部分におけるクロストークを低減することができるだけなく、電極の等長化および配線の等長化が容易になる。さらに、光学基板のサイズが大きくならない。なお、電極および配線は、石英基板とＬＮ基板を組み合わせた後、一括して基板上に形成することができる。また、電極および配線をそれぞれの基板上に形成した後、基板を組み合わせ、電極と配線を導電性の接着剤で接合することもできる。この場合、接着剤は、基板同士の接合を補強する役割も担う。

図３に、本発明の第２の実施形態による光変調器を示す。このマッハツェンダ型光変調器３００は、強誘電体のＬＮ基板３１０と、２つの石英基板３３０，３６０とから構成されている。前段の石英基板３３０には、入力光が入射される入力導波路３３２と、入力導波路からの光を分岐するＹ分岐部３３４と、分岐した光をさらに分岐するＹ分岐部３３４−１，３３４−２とが形成されている。ＬＮ基板３１０には、前段の石英基板のＹ分岐部３３４−１，３３４−２からの光が結合する４つのアーム導波路３１２−１ａ，３１２−１ｂ，３１２−２ａ，３１２−２ｂが形成され、ＬＮ基板のアーム導波路にはそれぞれ、変調用の電極３１４−１ａ，３１４−１ｂ，３１４−２ａ，３１４−２ｂが設けられている。後段の石英基板３６０には、ＬＮ基板の２つのアーム導波路３１４−１ａ，３１４−１ｂと光学的に結合されるＹ合波部３６４−１と、ＬＮ基板の２つのアーム導波路３１４−２ａ，３１４−２ｂと光学的に結合されるＹ合波部３６４−２と、２つの合波部からの光をさらに合波するＹ合波部３６４と、合波した光を出力する出力導波路３６６とが形成されている。

また、前段の石英基板上には、電極３１４−１ａ，３１４−１ｂ，３１４−２ａ，３１４−２ｂに接続された配線３３８−１ａ，３３８−１ｂ，３３８−２ａ，３３８−２ｂが設けられ、外部の高周波信号源に接続されている。同様に、後段の石英基板上には、電極３１４−１ａ，３１４−１ｂ，３１４−２ａ，３１４−２ｂに接続された配線３６８−１ａ，３６８−１ｂ，３６８−２ａ，３６８−２ｂが設けられ、外部の終端抵抗に接続されている。

入力導波路３３２に入射した入力光は、Ｙ分岐部３３４で２つに分岐される。分岐した光は、それぞれＹ分岐部３３４−１，３３４−２でさらに２つに分岐され、それぞれＬＮ基板３１０のアーム導波路３１２−１ａ，３１２−１ｂ，３１２−２ａ，３１２−２ｂに伝搬する。石英基板３３０の導波路では、伝搬光は配線３３８−１ａ，３３８−１ｂ，３３８−２ａ，３３８−２ｂと交差する部分において変調信号の影響を受けるが、石英基板の電気光学効果は小さく、その影響は無視できるほど小さい。したがって、図に示すように、石英基板３３０上での配線を自由に配置することができ、それぞれの配線３３８−１ａ，３３８−１ｂ，３３８−２ａ，３３８−２ｂの長さが等しくなるように設計することができる。これによって、これら配線を伝搬する変調信号の伝搬遅延が等しくなり、良好な変調特性を達成することができる。さらに、導波路との交差を許容した柔軟なレイアウトが可能となるので、波形劣化がなく、かつ光学基板のチップサイズを小さくすることができる。

一方、ＬＮ基板の導波路３１２−１ａ，３１２−１ｂ，３１２−２ａ，３１２−２ｂを伝搬する光は、電極３１４−１ａ，３１４−１ｂ，３１４−２ａ，３１４−２ｂに印加された変調信号により、その位相が変調される。その位相変調量は、変調信号の印加電圧および作用長によって決定される。ここで、変調信号の作用長は、実質的には導波路上の電極３１４−１ａ，３１４−１ｂ，３１４−２ａ，３１４−２ｂの長さによって決定することができる。光変調器３００の各アーム導波路間で対称の位相変調を得るためには、電極３１４−１ａ，３１４−１ｂ，３１４−２ａ，３１４−２ｂの長さを等しく（等長化）する必要がある。本発明においては、図に示すように、ＬＮ基板の導波路の端から端まで電極３１４−１ａ，３１４−１ｂ，３１４−２ａ，３１４−２ｂを設ければ、ＬＮ基板の導波路の等長化の精度と同程度の精度で電極を等長化することができる。

次に、ＬＮ基板の導波路３１２−１ａ，３１２−１ｂを伝搬した光は、石英基板３６０のＹ合波部３６４−１で合波され、ＬＮ基板の導波路３１２−２ａ，３１２−２ｂを伝搬した光は、石英基板３６０のＹ合波部３６４−２で合波される。Ｙ合波部３６４−１，３６４−２からの光は、さらにＹ合波部３６４でさらに合波され、出力導波路３６６から出力光が出射される。石英基板３６０の導波路では、上記と同様に、伝搬光は配線３６８−１ａ，３６８−１ｂ，３６８−２ａ，３６８−２ｂと交差する部分において変調信号の影響を受けるが、石英基板の電気光学効果は小さく、その影響は無視できるほど小さい。したがって、上記と同様に、石英基板３６０上での配線を自由に配置することができ、それぞれの配線３６８−１ａ，３６８−１ｂ，３６８−２ａ，３６８−２ｂの長さが等しくなるように設計することができる。これによって、これら配線を伝搬する変調信号の伝搬遅延が等しくなり、良好な変調特性を達成することができる。さらに、導波路との交差を許容した柔軟なレイアウトが可能となるので、波形劣化がなく、かつ光学基板のチップサイズを小さくすることができる。

このように、強誘電体のＬＮ基板と、常誘電体の石英基板とを組み合わせることによって、マッハツェンダ型の光変調器において、配線と導波路との交差部分におけるクロストークを低減することができるだけなく、電極の等長化および配線の等長化が容易になる。さらに、光学基板のサイズが大きくならない。なお、電極および配線は、石英基板とＬＮ基板を組み合わせた後、一括して基板上に形成することができる。また、電極および配線をそれぞれの基板上に形成した後、基板を組み合わせ、電極と配線を導電性の接着剤で接合することもできる。この場合、接着剤は、基板同士の接合を補強する役割も担う。

以上、本発明について、具体的にいくつかの実施形態について説明したが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施形態は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、上記の実施形態では、強誘電体の基板として、ＬＮ基板を例に説明したが、本発明の原理は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ＫＴＮ（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ_４）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などを用いることができる。また、常誘電体の石英基板を、光変調器の入力側および出力側の両方に用いたが、いずれか一方に用いてもその部分において本発明の効果を得ることができる。さらに、上記の実施形態では、Ｙ分岐に代えて、方向性結合器やカプラ、多モード干渉カプラ（ＭＭＩ：ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）などの回路を用いてもよい。このように、ここに例示した実施形態は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素および手順は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、またはその順序を変えてもよい。

１００，２００，３００ マッハツェンダ型光変調器
１１０ 電気光学効果を有する光学基板
１１２，２３２，３３２ 入力導波路
１１４，２３４，３３４，３３４−１，３３４−２ Ｙ分岐部
１１６ａ，１１６ｂ，２１２ａ，２１２ｂ，２３６ａ，２３６ｂ，２６２ａ，２６２ｂ，３１２−１ａ、３１２−１ｂ，３１２−２ａ，３１２−２ｂ アーム導波路
１１８，２６４，３６４，３６４−１，３６４−２ Ｙ合波部
１２０，２６６，３６６ 出力導波路
１２２ａ，１２２ｂ 金属電極
１２４ａ，１２４ｂ 高周波信号源
２１０，３１０ ＬＮ基板
２１４ａ，２１４ｂ、３１４−１ａ，３１４−１ｂ，３１４−２ａ，３１４−２ｂ 変調用の電極
２３０，２６０，３３０，３６０ 石英基板
２３８ａ，２３８ｂ，２６８ａ，２６８ｂ、３３８−１ａ，３３８−１ｂ，３３８−２ａ，３３８−２ｂ，３６８−１ａ，３６８−１ｂ，３６８−２ａ，３６８−２ｂ 配線

Claims (6)

1. マッハツェンダ型の光変調器であって、
   アーム導波路が形成された強誘電体の基板と、
   前記アーム導波路に結合したＹ分岐部およびＹ合波部の少なくとも一方が形成された非強誘電体の基板と
   を備え、
   前記強誘電体の基板は、前記アーム導波路上に形成された変調用の電極を備え、前記非強誘電体の基板は、前記電極の配線を備え、前記非強誘電体の基板の入力側の配線は、それぞれ等しい長さを有することを特徴とする光変調器。
2. 請求項１に記載の光変調器であって、
   前記強誘電体の基板に形成されたアーム導波路は、等しい長さを有し、前記電極は、前記アーム導波路の端から端まで形成されたことを特徴とする光変調器。
3. 請求項１または２に記載の光変調器であって、
   複数のマッハツェンダ干渉計を備えたことを特徴とする光変調器。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の光変調器であって、
   前記電極および前記配線は、導電性の接着剤で接合されたことを特徴とする光変調器。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の光変調器であって、
   前記非強誘電体の基板は、石英系の基板であることを特徴とする光変調器。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の光変調器であって、
   前記強誘電体の基板は、ニオブ酸リチウム結晶からなる光学基板であることを特徴とする光変調器。

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