JP2011252942A - Optical control element - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical control element that enables low driving voltage and miniaturization, in particular an optical control element that enables cost reduction by using a low-cost drive system component.SOLUTION: In an optical control element having a substrate 1 having an electro-optic effect, plural optical waveguides 2 formed on the substrate, and a control electrode 3 formed on the substrate for controlling the phase of light which propagates through the optical waveguides, the control electrode 3 comprises at least two resonance type electrodes 31 and 32 having the same resonance frequency; and power supply electrodes 41 and 42 that supply a control signal to each resonance type electrode. A shape and a formation position of each resonance type electrode, and power supply positions of the power supply electrodes to each resonance type electrode are provided such that odd mode coupling with each other is enabled. The power supply electrodes have branch wiring parts 41 and 42 that are obtained by branching an input wiring part 40, and each resonance type electrode is supplied with a control signal having an in-phase or prescribed phase difference by the branch wiring parts.

Description

本発明は、光制御素子に関し、特に、光導波路を伝搬する光波を変調する共振型電極を備えた光制御素子に関する。   The present invention relates to a light control element, and more particularly to a light control element provided with a resonant electrode that modulates a light wave propagating through an optical waveguide.

無線に用いられる数GHz以上の高周波信号を光伝送するための光変調器や、長距離伝送において、データ変調とともに用いられる光クロック生成用のパルサー変調器などの光通信システムの送信装置に、共振型光変調器のような光制御素子が利用されている。共振型光変調器には、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する基板材料が利用され、共振型電極を有する制御電極を用いて、基板に形成された光導波路の屈折率を変化させて、その光導波路を伝搬する光の強度や位相を変調するよう構成されている。   Resonates with transmitters of optical communication systems such as optical modulators for optical transmission of high-frequency signals of several GHz or more used for radio and pulsar modulators for optical clock generation used with data modulation in long-distance transmission. Light control elements such as type optical modulators are used. A resonant optical modulator uses a substrate material having an electro-optic effect such as lithium niobate, and uses a control electrode having a resonant electrode to change the refractive index of the optical waveguide formed on the substrate, It is configured to modulate the intensity and phase of light propagating through the optical waveguide.

共振型電極では、給電点から特定の周波数の電気信号を入力すると、その電極に電気信号の定在波が生じる。このように、共振型光変調器は、電気信号の共振現象を利用しているので、特定の周波数を入力したときに、特に効率良く動作し、一般に進行波型光変調器よりも電極単位長さ当りの変調効率が良い。   In the resonance type electrode, when an electric signal having a specific frequency is input from the feeding point, a standing wave of the electric signal is generated at the electrode. As described above, since the resonance type optical modulator uses the resonance phenomenon of the electric signal, it operates particularly efficiently when a specific frequency is inputted, and generally has a unit length longer than that of the traveling wave type optical modulator. Modulation efficiency per unit is good.

このような特性があるため、従来の共振型光変調器の電極の長さが、電気信号の1波長分よりも短くなるように設計された例が多い。しかしながら、光導波路を伝搬する光の速度と作用部の電極を伝搬する制御信号の速度がほぼ一致した条件では、電極を長くすることが可能であり、制御信号の減衰にも影響を受けるが、電極の長さに応じた駆動電圧の改善が得られる。   Because of such characteristics, there are many examples in which the length of the electrode of the conventional resonant optical modulator is designed to be shorter than one wavelength of the electric signal. However, in the condition where the speed of light propagating through the optical waveguide and the speed of the control signal propagating through the electrode of the action part are approximately the same, the electrode can be lengthened and affected by the attenuation of the control signal. The driving voltage can be improved according to the length of the electrode.

非特許文献1には、速度整合と共振型電極の併用が効率改善に有効であること開示され、また、非特許文献2には、ニオブ酸リチウムを基板に用いた共振電極型光変調器が記載されており、電気信号の屈折率(nm)をほぼ2.2(ニオブ酸リチウムの光に対する屈折率は約2.2)とすることで、良好な特性が得られた事例が紹介されている。   Non-Patent Document 1 discloses that the combined use of speed matching and a resonant electrode is effective for improving the efficiency, and Non-Patent Document 2 discloses a resonant electrode type optical modulator using lithium niobate as a substrate. It describes the case where good characteristics were obtained by setting the refractive index (nm) of the electrical signal to approximately 2.2 (the refractive index of lithium niobate with respect to light is approximately 2.2).

一方、光と電気信号の速度が一致しない条件では、電極の長さを十分長くすることができず、単位長さあたりの変調効率が高くても、結果として全体の変調効率を良くすることができない。そのため、変調器の効率を表すパラメータである半波長電圧Vπが概ね10V以上となり、非常に高い電圧を印加しなければ、十分な動作が得られない。   On the other hand, under conditions where the speeds of light and electrical signals do not match, the length of the electrode cannot be made sufficiently long, and even if the modulation efficiency per unit length is high, the overall modulation efficiency can be improved as a result. Can not. For this reason, the half-wave voltage Vπ, which is a parameter representing the efficiency of the modulator, is approximately 10 V or higher, and sufficient operation cannot be obtained unless a very high voltage is applied.

また、光導波路の一部を2つの経路に分岐させ、マッハツェンダー(MZ)干渉計構造とし、2つの分岐光を干渉させれば、光の強度変調器として動作する。長距離伝送において、データ変調とともに用いられる光クロック生成用のパルサー変調器などにおいては、2つの分岐光での光の位相変化量が、同じ大きさで逆符号の位相変化で動作させることによって得られる、波長チャープがゼロとなる状態が望ましく、MZ干渉計のそれぞれの分岐導波路に同じ大きさで逆符号の信号を印加する構成が取られている。しかも、このような各分岐導波路に対応する2つの電極に互いに逆符号の信号を印加する場合(「二電極型」という。)には、駆動電圧を下げる効果もある。   Further, if a part of the optical waveguide is branched into two paths to form a Mach-Zehnder (MZ) interferometer structure, if the two branched lights are made to interfere with each other, the optical waveguide operates as a light intensity modulator. In a long-distance transmission, a pulsar modulator for generating an optical clock used with data modulation, etc. can be obtained by operating the amount of phase change of the two split lights with the same magnitude and opposite phase change. It is desirable that the wavelength chirp is zero, and a configuration is adopted in which signals of the same magnitude and opposite signs are applied to the respective branch waveguides of the MZ interferometer. In addition, when signals having opposite signs are applied to the two electrodes corresponding to each of the branched waveguides (referred to as “two-electrode type”), there is an effect of lowering the driving voltage.

これらのことから、光と制御信号の速度の整合がとれた長い共振型電極を用いて、二電極型のMZ変調器を構成すれば、劇的な低駆動電圧化が実現できることが期待される。しかしながら、共振型電極は共振周波数の信号に対しては、効率が高く電界が非常に強いため、周辺の導電性物質との結合(信号のクロストーク)が顕著である。両制御電極の信号がクロストークした状況では、制御信号の位相が乱れ、所望の光変調が得られない。   From these facts, it is expected that a drastic reduction in driving voltage can be realized if a two-electrode type MZ modulator is configured using a long resonant electrode in which the speeds of light and control signals are matched. . However, since the resonance electrode has high efficiency and a very strong electric field for a signal having a resonance frequency, coupling with a surrounding conductive material (signal crosstalk) is remarkable. In a situation where the signals of both control electrodes are cross-talked, the phase of the control signal is disturbed and the desired light modulation cannot be obtained.

特に、同じ周波数に対して共振条件満たす要素(部品)に対しては、信号が結合しやすい。二電極型のMZ光変調器については、各分岐導波路に対応する制御電極には、基本構造が同じ電極を採用する。このため、共振型電極を構成する場合には、各制御電極(共振型電極)は共に同じ周波数の共振周波数となり、結合(信号のクロストーク)が顕著となる。しかも、速度整合した長い電極を用いる場合は、電極が長いため、両電極間の結合の影響がさらに顕著になる。   In particular, signals are likely to be coupled to elements (components) that satisfy the resonance condition for the same frequency. For the two-electrode type MZ optical modulator, an electrode having the same basic structure is adopted as a control electrode corresponding to each branching waveguide. For this reason, when a resonant electrode is configured, each control electrode (resonant electrode) has the same resonant frequency, and coupling (signal crosstalk) becomes significant. In addition, when a long electrode with a speed matching is used, the influence of the coupling between the two electrodes becomes more remarkable because the electrode is long.

ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する基板に、コプレーナ型の電極を形成して作製した光変調器の場合の、複数電極間の制御信号のクロストーク防止策については、特許文献1のように溝を形成する例がある。一般に、制御電界の強度は、制御電極からの距離が大きくなるにつれて小さくなる。これは、基板や電極の構造にも依存する現象であるが、図1に示すように、導波路間隔が約150μmの場合には、他方の光導波路に及ぼす電界の強さは約1%程度であり、約300μmの場合には約0.2%、約400μmの場合には約0.1%程度であることも、開示されている。   Patent Document 1 discloses a countermeasure for preventing crosstalk of a control signal between a plurality of electrodes in the case of an optical modulator manufactured by forming a coplanar electrode on a substrate having an electro-optic effect such as lithium niobate. There is an example of forming a groove. In general, the strength of the control electric field decreases as the distance from the control electrode increases. This is a phenomenon that depends on the structure of the substrate and the electrode. As shown in FIG. 1, when the waveguide interval is about 150 μm, the electric field strength exerted on the other optical waveguide is about 1%. It is also disclosed that it is about 0.2% for about 300 μm and about 0.1% for about 400 μm.

このように、MZ干渉計の2つの分岐光導波路の間隔を大きくとることは、デバイスのサイズやコストの面で不利である。また、特許文献1に示される溝を形成する手法は、一定の改善は見込めるものの、防止の追加構造の加工など、デバイスの製造コストの面で不利である。   Thus, it is disadvantageous in terms of device size and cost to increase the distance between the two branch optical waveguides of the MZ interferometer. In addition, although the method of forming a groove shown in Patent Document 1 can be expected to improve, it is disadvantageous in terms of device manufacturing costs such as processing of an additional structure for prevention.

このような問題を解消するため、本出願人は、他の出願において、図2に示す光制御素子を提案した。電気光学効果を有する基板1と、該基板に形成された複数の光導波路2と、該基板に設けられ、該光導波路を伝搬する光の位相を制御するための制御電極3とを有する光制御素子において、該制御電極は、同じ共振周波数を有する少なくとも共振型電極31,32と、該共振型電極の各々に制御信号を給電する給電電極41,42とを備え、各共振型電極の形状及び形成位置、並びに各共振型電極への給電電極による給電位置は、互いに奇モード結合が可能なように設定され、各共振型電極には、該給電電極により同相の制御信号が給電されていることを特徴とする。   In order to solve such a problem, the present applicant has proposed the light control element shown in FIG. 2 in another application. Light control including a substrate 1 having an electro-optic effect, a plurality of optical waveguides 2 formed on the substrate, and a control electrode 3 provided on the substrate for controlling the phase of light propagating through the optical waveguide. In the element, the control electrode includes at least resonance electrodes 31 and 32 having the same resonance frequency, and power supply electrodes 41 and 42 for supplying a control signal to each of the resonance electrodes, and the shape of each resonance electrode and The formation position and the feeding position by the feeding electrode to each resonance type electrode are set so that the odd-mode coupling is possible with each other, and the control signal of the same phase is fed to each resonance type electrode by the feeding electrode. It is characterized by.

図2では、光導波路2は、分岐導波路21,22を有するMZ干渉計を構成している。また、制御電極は、共振型電極31,32となる1本の信号電極とそれを取り囲む接地電極を有し、信号電極(共振型電極)の両端は、接地電極から開放されているが、両端を接地電極に短絡しても良いし、一方の端部を接地電極に短絡することも可能である。共振型電極の長さは、Lで表示されている。   In FIG. 2, the optical waveguide 2 constitutes an MZ interferometer having branching waveguides 21 and 22. The control electrode has one signal electrode to be the resonance type electrodes 31 and 32 and a ground electrode surrounding the signal electrode, and both ends of the signal electrode (resonance type electrode) are open from the ground electrode. Can be short-circuited to the ground electrode, or one end can be short-circuited to the ground electrode. The length of the resonant electrode is indicated by L.

さらに、図2では、各共振型電極31,32の形状及び形成位置、並びに各共振型電極への給電電極41,42による給電位置は、前記2つの共振型電極について、互いに点対称(定点Oを中心とする点対称)となるように設定されている。   Further, in FIG. 2, the shape and formation position of each resonance electrode 31, 32 and the power supply position by the power supply electrodes 41, 42 to each resonance electrode are point-symmetric with respect to the two resonance electrodes (fixed point O). Is set to be point-symmetric with respect to the center.

図3は、図2の光制御素子における共振型電極(信号電極)の長さLが半波長λ/2(λ:信号波長)の場合、給電位置とインピーダンスとの関係及び、特定タイミングにおける電界ベクトル(矢印)の様子を説明する図である。図3の給電位置とインピーダンスとの関係を示すグラフからも明らかなように、信号電極(共振型電極)31,32の両端が接地電極33から開放されている場合で、当該信号電極の長さが、信号波長の半波長分である場合には、インピーダンスが50Ωとなる給電位置が2つ存在する。   FIG. 3 shows the relationship between the feeding position and the impedance and the electric field at a specific timing when the length L of the resonant electrode (signal electrode) in the light control element of FIG. 2 is half wavelength λ / 2 (λ: signal wavelength). It is a figure explaining the mode of a vector (arrow). As is apparent from the graph showing the relationship between the power feeding position and impedance in FIG. 3, the length of the signal electrode in the case where both ends of the signal electrodes (resonance type electrodes) 31 and 32 are open from the ground electrode 33 is shown. However, when the signal wavelength is a half wavelength, there are two feeding positions where the impedance is 50Ω.

しかも、同相の制御信号を入力しても、この給電位置が異なる場合には、図3の上側の共振型電極と下側の共振型電極に示した電界ベクトルのように、特定タイミングにおける電界ベクトルは互いに逆向きとなる。このような状態においては、仮に、共振型電極間にクロストーク(結合)が発生しても、常に同相状態で電界エネルギー授受するため、結合が無いときと同じように安定動作することが可能となる。このような状態を「奇(対称)モード結合」状態と呼んでいる。   In addition, if the power supply position is different even if an in-phase control signal is input, the electric field vector at a specific timing, such as the electric field vectors shown in the upper resonance electrode and the lower resonance electrode in FIG. Are opposite to each other. In such a state, even if crosstalk (coupling) occurs between resonant electrodes, electric field energy is always transferred in the same phase, so that stable operation can be performed in the same manner as when there is no coupling. Become. Such a state is called an “odd (symmetric) mode coupling” state.

図2や図3に示した光制御素子を利用することで、パルサー変調器などの光変調器において、画期的な低駆動電圧化と小型化が見込むことが可能となる。しかしながら、このような光制御素子の問題点は、2系列の制御信号を、同相かつ同じ大きさで給電する必要があることである。このため、光制御素子を駆動するには、差動ドライバの使用と外部位相器の使用などが必要となり、装置全体が高コストなものとなる。   By using the light control element shown in FIG. 2 or FIG. 3, it is possible to expect an epoch-making reduction in driving voltage and miniaturization in an optical modulator such as a pulsar modulator. However, a problem with such a light control element is that it is necessary to feed two series of control signals in phase and in the same magnitude. For this reason, in order to drive the light control element, it is necessary to use a differential driver and an external phase shifter, and the entire apparatus becomes expensive.

特開2009−53444号公報JP 2009-53444 A

Mark Yu and Anand Gopinath, "Velocity Matched Resonant Slow-Wave Structure for Optical Modulator", Proceedings of Integrated Photonics Research (IPR), ITuH7-1, pp.365-369, Palm Springs, California, March 22, 1993Mark Yu and Anand Gopinath, "Velocity Matched Resonant Slow-Wave Structure for Optical Modulator", Proceedings of Integrated Photonics Research (IPR), ITuH7-1, pp.365-369, Palm Springs, California, March 22, 1993 Roger Krahenbuhl and M. M. Howerton, "Investigations on Short-Path-Length High-Speed Optical Modulators in LiNbO3 With Resonant-Type Electrodes", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.19, No. 9, pp.1287-1297, SEPTEMBER 2001Roger Krahenbuhl and M. M. Howerton, "Investigations on Short-Path-Length High-Speed Optical Modulators in LiNbO3 With Resonant-Type Electrodes", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.19, No. 9, pp.1287-1297, SEPTEMBER 2001

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、低駆動電圧化及び小型化が可能な光制御素子を提供することであり、特に、低コストな駆動系部品の使用による低コスト化が可能な光制御素子を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a light control element that can be reduced in driving voltage and reduced in size, particularly by using low-cost driving system components. An object of the present invention is to provide a light control element capable of reducing the cost.

上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された複数の光導波路と、該基板に設けられ、該光導波路を伝搬する光の位相を制御するための制御電極とを有する光制御素子において、該制御電極は、同じ共振周波数を有する少なくとも2つの共振型電極と、該共振型電極の各々に制御信号を給電する給電電極とを備え、各共振型電極の形状及び形成位置、並びに各共振型電極への給電電極による給電位置は、互いに奇モード結合が可能なように設定され、該給電電極は、1本の入力配線部を複数に分岐した分岐配線部を有し、各共振型電極には、該分岐配線部により同相又は所定位相差を有する制御信号が給電されていることを特徴とする。   In order to solve the above problems, an invention according to claim 1 is directed to a substrate having an electro-optic effect, a plurality of optical waveguides formed on the substrate, and a phase of light that is provided on the substrate and propagates through the optical waveguide. The control electrode includes a control electrode for controlling the at least two resonance-type electrodes having the same resonance frequency, and a power supply electrode for supplying a control signal to each of the resonance-type electrodes. The shape and formation position of each resonance electrode, and the power supply position by the power supply electrode to each resonance electrode are set so that odd mode coupling is possible, and the power supply electrode includes a plurality of input wiring portions. The resonance wiring electrode is supplied with a control signal having the same phase or a predetermined phase difference from each of the resonance type electrodes.

請求項2に係る発明は、請求項1に記載の光制御素子において、該光導波路は、単一又は複数のマッハツェンダー干渉計を構成し、前記2つの共振型電極は、該マッハツェンダー干渉計を構成する2つの分岐導波路に対応して配置されていることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the optical control element according to the first aspect, the optical waveguide constitutes one or a plurality of Mach-Zehnder interferometers, and the two resonant electrodes are the Mach-Zehnder interferometers. It is arranged corresponding to two branching waveguides constituting

請求項3に係る発明は、請求項1又は2に記載の光制御素子において、該所定位相差は、所定周波数を有する制御信号に対して、2πの整数倍であることを特徴とする。   The invention according to claim 3 is the light control element according to claim 1 or 2, wherein the predetermined phase difference is an integral multiple of 2π with respect to a control signal having a predetermined frequency.

請求項4に係る発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載の光制御素子において、該給電電極は、1本の入力配線部を2本に分岐した分岐配線部を有し、各分岐配線部における該給電電極のインピーダンスと、各共振型電極の該給電位置におけるインピーダンスとは、該入力配線部における該給電電極のインピーダンスの略2倍に設定されていることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the light control element according to any one of the first to third aspects, the power supply electrode has a branch wiring portion that branches one input wiring portion into two, and each branch The impedance of the power supply electrode in the wiring part and the impedance of the resonance electrode at the power supply position are set to be approximately twice the impedance of the power supply electrode in the input wiring part.

請求項5に係る発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の光制御素子において、該共振型電極は、1本の信号電極を有し、該信号電極の長さは、所定周波数を有する制御信号が該信号電極上に形成する波長より、長いことを特徴とする。   The invention according to claim 5 is the light control element according to any one of claims 1 to 4, wherein the resonance electrode has one signal electrode, and the length of the signal electrode has a predetermined frequency. The control signal is longer than the wavelength formed on the signal electrode.

請求項6に係る発明は、請求項1乃至5のいずれかに記載の光制御素子において、該給電位置は、該共振型電極の中心に最も近い位置に設定されていることを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in the light control element according to any one of the first to fifth aspects, the feeding position is set at a position closest to the center of the resonant electrode.

上記課題を解決するため、請求項1に係る発明により、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された複数の光導波路と、該基板に設けられ、該光導波路を伝搬する光の位相を制御するための制御電極とを有する光制御素子において、該制御電極は、同じ共振周波数を有する少なくとも2つの共振型電極と、該共振型電極の各々に制御信号を給電する給電電極とを備え、各共振型電極の形状及び形成位置、並びに各共振型電極への給電電極による給電位置は、互いに奇モード結合が可能なように設定され、該給電電極は、1本の入力配線部を複数に分岐した分岐配線部を有し、各共振型電極には、該分岐配線部により同相又は所定位相差を有する制御信号が給電されているため、仮に共振型電極間にクロストーク(結合)が発生しても、他方の電極に結合した分と同じ分の電界エネルギーを同相で受け取るため、結合が無いときと同じように働き、安定した光変調動作が可能である。しかも、これは両電極間の結合の大小を問わず同じとなる。よって、低駆動電圧化及び小型化が可能な光制御素子を提供することができる。しかも、各共振型電極への制御信号の供給は、1本の入力配線部を複数に分岐した分岐配線部を使用するため、所定の位相差(同相を含む)を有し、かつ同じ大きさ有する制御信号を、極めて簡便に形成することができ、差動ドライバや外部位相器などの高価な機器の使用が不要となり、低コスト化した光制御素子を提供することが可能となる。   In order to solve the above-described problem, according to the first aspect of the present invention, a substrate having an electro-optic effect, a plurality of optical waveguides formed on the substrate, and a phase of light provided on the substrate and propagating through the optical waveguide The control electrode includes a control electrode for controlling the at least two resonance-type electrodes having the same resonance frequency, and a power supply electrode for supplying a control signal to each of the resonance-type electrodes. The shape and formation position of each resonance electrode, and the power supply position by the power supply electrode to each resonance electrode are set so that odd mode coupling is possible, and the power supply electrode includes a plurality of input wiring portions. Since each branching wiring section is fed with a control signal having the same phase or a predetermined phase difference by the branching wiring section, there is a crosstalk (coupling) between the resonance type electrodes. Even if it occurs To receive the same amount of electric field energy and minute bound in a square electrode in phase, it acts as if binding is not, it is possible to stable optical modulation operation. In addition, this is the same regardless of the magnitude of the coupling between both electrodes. Therefore, it is possible to provide an optical control element that can be reduced in driving voltage and reduced in size. In addition, the supply of the control signal to each resonance type electrode uses a branch wiring portion obtained by branching one input wiring portion into a plurality of parts, and therefore has a predetermined phase difference (including the same phase) and the same magnitude. The control signal can be formed very easily, and the use of expensive equipment such as a differential driver and an external phase shifter is not required, and it is possible to provide a light control element that is reduced in cost.

請求項2に係る発明により、光導波路は、単一又は複数のマッハツェンダー干渉計を構成し、2つの共振型電極は、該マッハツェンダー干渉計を構成する2つの分岐導波路に対応して配置されているため、共振型電極を利用した二電極型の光変調器など、より低駆動電圧の光制御素子を提供することが可能となる。   According to the invention of claim 2, the optical waveguide constitutes one or a plurality of Mach-Zehnder interferometers, and the two resonant electrodes are arranged corresponding to the two branch waveguides constituting the Mach-Zehnder interferometer. Therefore, it is possible to provide a light control element with a lower driving voltage, such as a two-electrode optical modulator using a resonant electrode.

請求項3に係る発明により、所定位相差は、所定周波数を有する制御信号に対して、2πの整数倍であるため、同相の制御信号を共振型電極に給電した場合と同じ動作を、容易に実現することが可能となる。   According to the third aspect of the present invention, the predetermined phase difference is an integer multiple of 2π with respect to the control signal having the predetermined frequency, so that the same operation as when the in-phase control signal is supplied to the resonant electrode can be easily performed. It can be realized.

請求項4に係る発明により、給電電極は、1本の入力配線部を2本に分岐した分岐配線部を有し、各分岐配線部における該給電電極のインピーダンスと、各共振型電極の該給電位置におけるインピーダンスとは、該入力配線部における該給電電極のインピーダンスの略2倍に設定されているため、入力配線部に供給された制御信号がインピーダンス不整合などにより、分岐配線部や共振型電極で反射することが抑制され、制御信号による変調効率を高め、より一層の低駆動電圧化を実現することが可能となる。   According to the invention of claim 4, the power supply electrode has a branch wiring portion that branches one input wiring portion into two, the impedance of the power supply electrode in each branch wiring portion, and the power supply of each resonance electrode The impedance at the position is set to be approximately twice the impedance of the power feeding electrode in the input wiring portion. Therefore, the control signal supplied to the input wiring portion is caused by impedance mismatching, etc. Reflection can be suppressed, and the modulation efficiency by the control signal can be increased, and a further lower driving voltage can be realized.

請求項5に係る発明により、共振型電極は、1本の信号電極を有し、該信号電極の長さは、所定周波数を有する制御信号が該信号電極上に形成する波長より、長いため、より低電圧駆動が可能な光制御素子を提供することができる。   According to the invention of claim 5, the resonant electrode has one signal electrode, and the length of the signal electrode is longer than the wavelength that a control signal having a predetermined frequency forms on the signal electrode. An optical control element that can be driven at a lower voltage can be provided.

請求項6に係る発明により、給電位置は、共振型電極の中心に最も近い位置に設定されているため、電極の製造誤差に基づく特性のばらつきを抑制し、さらには、各共振型電極が光導波路に及ぼす電界強度分布をほぼ同じとすることができるため、波長チャープを抑制できる。   According to the invention of claim 6, since the power feeding position is set at a position closest to the center of the resonant electrode, variation in characteristics based on manufacturing errors of the electrode is suppressed, and furthermore, each resonant electrode is optically connected. Since the electric field intensity distribution exerted on the waveguide can be made substantially the same, wavelength chirp can be suppressed.

特許文献1に開示された、電界の強さと距離(光導波路の間隔)との関係を示すグラフである。10 is a graph showing the relationship between electric field strength and distance (interval of optical waveguide) disclosed in Patent Document 1. 本出願人が他の出願で提案した光制御素子の一例(信号電極の両端を接地電極から開放したもの)を説明する図である。It is a figure explaining an example (what opened both ends of the signal electrode from the ground electrode) of the light control element which the present applicant proposed in other applications. 図2の光制御素子における信号電極の長さが半波長λ/2(λ:信号波長)の場合、給電位置とインピーダンスとの関係及び、特定タイミングにおける電界ベクトルの様子を説明する図である。When the length of the signal electrode in the light control element of FIG. 2 is a half-wavelength λ / 2 (λ: signal wavelength), it is a diagram for explaining the relationship between the feeding position and the impedance and the state of the electric field vector at a specific timing. 本発明の光制御素子に係る実施例を説明する図である。It is a figure explaining the Example which concerns on the light control element of this invention. 本発明の光制御素子に係る他の実施例を説明する図である。It is a figure explaining the other Example which concerns on the light control element of this invention. 共振型電極の信号電極(信号電極の両端を接地電極から開放したもの)の長さが3λ/2(λ:信号波長)の場合、給電位置とインピーダンスとの関係及び、特定タイミングにおける電界ベクトルの様子を説明する図である。When the length of the resonance type signal electrode (with both ends of the signal electrode open from the ground electrode) is 3λ / 2 (λ: signal wavelength), the relationship between the feeding position and the impedance, and the electric field vector at a specific timing It is a figure explaining a mode. MZ干渉計の一部に共振型電極を偏在させた構成を説明する図である。It is a figure explaining the structure which made resonance type electrode unevenly distributed in a part of MZ interferometer. 共振型電極の一部のみを光導波路に作用する作用部とする構成を説明する図である。It is a figure explaining the structure which uses only a part of resonance type electrode as an action part which acts on an optical waveguide. 本発明の光制御素子に駆動回路を接続した様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the drive circuit was connected to the light control element of this invention.

以下、本発明の光制御素子について、詳細に説明する。
本発明の光制御素子は、図4に示すように、電気光学効果を有する基板1と、該基板に形成された複数の光導波路2と、該基板に設けられ、該光導波路を伝搬する光の位相を制御するための制御電極3とを有する光制御素子において、該制御電極3は、同じ共振周波数を有する少なくとも2つの共振型電極31,32と、該共振型電極の各々に制御信号を給電する給電電極41,42とを備え、各共振型電極31,32の形状及び形成位置、並びに各共振型電極への給電電極による給電位置は、互いに奇モード結合が可能なように設定され、該給電電極は、1本の入力配線部40を複数に分岐した分岐配線部41,42を有し、各共振型電極には、該分岐配線部により同相又は所定位相差を有する制御信号が給電されていることを特徴とする。
Hereinafter, the light control element of the present invention will be described in detail.
As shown in FIG. 4, the light control element of the present invention includes a substrate 1 having an electro-optic effect, a plurality of optical waveguides 2 formed on the substrate, and light that is provided on the substrate and propagates through the optical waveguide. In the light control element having the control electrode 3 for controlling the phase of the control electrode 3, the control electrode 3 transmits at least two resonance electrodes 31 and 32 having the same resonance frequency and a control signal to each of the resonance electrodes. Power supply electrodes 41 and 42 to supply power, the shape and formation position of each resonance electrode 31, 32, and the power supply position by the power supply electrode to each resonance electrode is set so that odd mode coupling is possible, The power supply electrode has branch wiring portions 41 and 42 that are branched from one input wiring portion 40. A control signal having the same phase or a predetermined phase difference is supplied to each resonance type electrode by the branch wiring portion. It is characterized by being

電気光学効果を有する基板1としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、PLZT(ジルコン酸チタン酸鉛ランタン)、及び石英系の材料及びこれらの組み合わせが利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム(LN)やタンタル酸リチウム(LT)結晶が好適に利用される。本発明の光制御素子では、図4のように、二電極構造であり、光導波路上に共振型電極を配置する構成が、最も効果的な変調が期待できるため、Zカット型の基板が好ましい。   As the substrate 1 having an electro-optic effect, for example, lithium niobate, lithium tantalate, PLZT (lead lanthanum zirconate titanate), quartz-based materials, and combinations thereof can be used. In particular, lithium niobate (LN) or lithium tantalate (LT) crystals having a high electro-optic effect are preferably used. The light control element of the present invention has a two-electrode structure as shown in FIG. 4, and a configuration in which a resonant electrode is disposed on an optical waveguide can expect the most effective modulation. Therefore, a Z-cut substrate is preferable. .

光導波路は、基板にリッジを形成する方法や基板の一部の屈折率を調整する方法、又は両者を組み合わせた方法で形成することが可能である。リッジ型導波路では、光導波路となる基板部分を残すように、その他の部分を機械的に切削したり、化学的にエッチングを施すことで除去する。また、光導波路の両側に溝を形成することも可能である。屈折率を調整する方法では、Tiなどを熱拡散法したり、プロトン交換法などを利用することで、光導波路に対応する基板表面の一部の屈折率を、基板自体の屈折率より高くなるよう構成する。   The optical waveguide can be formed by a method of forming a ridge on the substrate, a method of adjusting the refractive index of a part of the substrate, or a method of combining both. In the ridge type waveguide, other portions are removed by mechanical cutting or chemical etching so as to leave a substrate portion to be an optical waveguide. It is also possible to form grooves on both sides of the optical waveguide. In the method of adjusting the refractive index, the refractive index of a part of the substrate surface corresponding to the optical waveguide becomes higher than the refractive index of the substrate itself by using a thermal diffusion method such as Ti or a proton exchange method. Configure as follows.

信号電極や接地電極などの制御電極は、Ti・Auの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。また、各電極は、必要に応じて、基板との間にSiO膜などのバッファ層を介して配置されている。バッファ層には、光導波路を伝搬する光波が、制御電極により吸収又は散乱されることを防止する効果を有している。また、バッファ層の構成としては、必要に応じ、薄板の焦電効果を緩和するため、Si膜などを組み込むことも可能である。 Control electrodes such as signal electrodes and ground electrodes can be formed by forming a Ti / Au electrode pattern, a gold plating method, or the like. Also, each electrode is optionally arranged via a buffer layer such as SiO 2 film between a substrate. The buffer layer has an effect of preventing light waves propagating through the optical waveguide from being absorbed or scattered by the control electrode. Moreover, as a structure of a buffer layer, in order to relieve the pyroelectric effect of a thin plate, a Si film or the like can be incorporated as necessary.

本発明の光制御素子においては、制御電極に少なくとも2つの共振型電極を形成し、双方の共振型電極がクロストークしても、制御信号(変調信号)の変調効率に影響がない構成を採用している。このためには、以下の2つの要件が必要となる。
(1)双方の共振型電極は基本的に同じ形状であり、互いに奇(対称)モード結合する条件にあること。
(2)双方の共振型電極には、同相の信号が給電されること。
The light control element of the present invention employs a configuration in which at least two resonance electrodes are formed on the control electrode, and the modulation efficiency of the control signal (modulation signal) is not affected even if both resonance electrodes cross-talk. is doing. For this purpose, the following two requirements are required.
(1) Both resonance-type electrodes have basically the same shape and are in a condition of being coupled with odd (symmetric) modes.
(2) An in-phase signal is supplied to both resonant electrodes.

共振型電極は、主として、1本の信号電極とそれを取り囲む接地電極から構成される。そして2つの共振型電極の組み合わせとしては、後述するように、信号電極の両端が共に接地電極から開放されている「両端開放−両端開放」か、又は信号電極の両端が共に接地電極に短絡されている「両端短絡−両端短絡」の組み合わせが好ましい形態の一つであるが、本発明の光制御素子はこれに限らず、「両端開放−両端短絡」、「両端開放−一方短絡他方開放」、又は「両端短絡−一方短絡他方開放」など種々の組み合わせが可能であることはいうまでもない。   The resonant electrode is mainly composed of one signal electrode and a ground electrode surrounding it. As a combination of the two resonance-type electrodes, as described later, both ends of the signal electrode are both open from the ground electrode, or both ends of the signal electrode are short-circuited to the ground electrode. The combination of “short-circuited at both ends—short-circuited at both ends” is one of the preferred embodiments, but the light control element of the present invention is not limited to this, “open at both ends—short-circuited at both ends”, “open at both ends—one short-circuited and other open” It goes without saying that various combinations such as “short-circuited at both ends—one short-circuited and other open” are possible.

2つの共振型電極は基本的に同じ形状の電極であるため、共振周波数は同じであり、結合しやすい条件となっている。通常、この電極を、MZ干渉計の中心軸(光伝搬方向)に対して対称となるように配置すると、共振型電極を構成する1本の信号電極上の位置により、信号電極に供給された制御信号による電界と、他方の共振型電極が形成する電界とのクロストークにより発生する電界との状態(電界ベクトルの方向)が異なるため、制御信号は複雑に干渉して、共振型電極(特に、1本の信号電極)上の制御信号の正常な伝搬が妨げられる。   Since the two resonance-type electrodes are basically the same shape electrodes, the resonance frequency is the same, and it is easy to combine them. Normally, when this electrode is arranged so as to be symmetric with respect to the central axis (light propagation direction) of the MZ interferometer, it is supplied to the signal electrode by the position on one signal electrode constituting the resonance electrode. Since the state (the direction of the electric field vector) between the electric field generated by the control signal and the electric field generated by the crosstalk between the electric field formed by the other resonant electrode is different, the control signal interferes in a complicated manner, and the resonant electrode (particularly, The normal propagation of the control signal on one signal electrode) is hindered.

一方、双方の共振型電極を、結合しても奇モード結合となる条件に配置し、それぞれに同相等しい大の信号を給電した場合には、他方に結合した分と同じ分の電界エネルギーを同相で受け取るため、結合が無いときと同じように働く。これは両電極間の結合の強弱を問わず、同じである。   On the other hand, if both resonant electrodes are placed under the condition that odd-mode coupling occurs even when coupled, and a large signal with the same phase is fed to each other, the same amount of electric field energy as that coupled to the other is fed to the same phase. It works in the same way as when there is no connection. This is the same regardless of the strength of the coupling between both electrodes.

本発明の光制御素子では、図4に示すように、制御信号を二分岐し、位相を合わせて、それぞれの共振型電極31,32に給電する。それぞれの給電点へは、同相で共振する周波数帯の制御信号が給電されるように、分岐後の経路を分岐配線の屈折率を調整し、同一基板上に配置する。そして、これにより、差動電極や外部位相調整器など高価な部品が不要となる。なお、周波数帯とは6dB以内の帯域をいう。   In the light control element of the present invention, as shown in FIG. 4, the control signal is bifurcated, and the phases are matched to supply power to the resonant electrodes 31 and 32. The paths after branching are arranged on the same substrate by adjusting the refractive index of the branch wiring so that each feeding point is supplied with a control signal in a frequency band that resonates in phase. This eliminates the need for expensive components such as differential electrodes and external phase adjusters. The frequency band refers to a band within 6 dB.

光制御素子(チップ)の外部から給電される入力配線部40のインピーダンスがZの場合、図4のように、分岐損失なしで等しく二分岐した各分岐配線部41,42のインピーダンスは、インピーダンス整合を図るため、2Zと大きくなる。
本発明では、「略2倍」と表示しているが、この意味は、2倍の関係が最も分岐損失を低減できるが、本発明の作用効果が期待できる実用的な範囲において、インピーダンス値がこの2倍から幾分異なっても、本発明は許容可能であることを意味している。なお、好ましい許容範囲は、2倍に対し±20%程度以内、反射を±10%程度以内に抑えることが望ましい。
When the impedance of the input wiring portion 40 fed from the outside of the light control element (chip) is Z 0 , the impedance of each of the branch wiring portions 41 and 42 that are bifurcated equally without branching loss is as shown in FIG. order to matching, as large as 2Z 0.
In the present invention, “substantially double” is indicated. This means that the double relationship can most reduce the branch loss, but the impedance value is within a practical range where the effects of the present invention can be expected. Even if it is somewhat different from this double, it means that the present invention is acceptable. In addition, it is desirable that a preferable allowable range is within about ± 20% with respect to twice and reflection is within about ± 10%.

分岐された制御信号は、共振型電極31,32に供給されるが、共振型電極は、給田電極(分岐配線部)41,42による給電点(給電位置)によって、インピーダンスが異なっており、場所により0Ωからほぼ無限大のインピーダンスを有している。このため、分岐配線部のインピーダンスの大きさによらず、適切な給電位置を選ぶことにより、反射損失が無く、適切な給電を行うことができる。これは、給電先が共振型電極だからこそ実現できる技術である。   The branched control signal is supplied to the resonance type electrodes 31 and 32. The resonance type electrodes have different impedances depending on the feeding points (feeding positions) by the feeder electrodes (branch wiring portions) 41 and 42. Therefore, it has an impedance from 0Ω to almost infinite. For this reason, there is no reflection loss and proper power feeding can be performed by selecting an appropriate power feeding position regardless of the impedance of the branch wiring portion. This is a technology that can be realized because the power supply destination is a resonant electrode.

電極長が信号の波長より長い共振型電極においては、同様の共振動作をする励振点が複数ある。したがって、給電位置については、給電位置については、同じ条件の共振を励振する点を給電点とすることも可能であり、位相差の調整組み合わせは、多くのバリエーションがある。   In a resonance type electrode whose electrode length is longer than the signal wavelength, there are a plurality of excitation points that perform the same resonance operation. Therefore, with respect to the power feeding position, it is possible to use the point where the resonance of the same condition is excited as the power feeding point, and there are many variations in the adjustment combination of the phase difference.

光導波路にMZ干渉計の形状を採用する場合、従来は、制御信号の干渉の影響を小さくするため、電極間(ホット電極間)が400μm以上の間隔となるよう、分岐光導波路の間隔も大きくとる必要があったが、本発明ではその必要はない。クロストークが顕著となる100μm以下でもよい。このため、光制御素子の小型化を実現することができる。   When adopting the shape of an MZ interferometer in the optical waveguide, conventionally, in order to reduce the influence of control signal interference, the distance between the branched optical waveguides is increased so that the distance between electrodes (hot electrodes) is 400 μm or more. It was necessary to take this, but this is not necessary in the present invention. It may be 100 μm or less at which crosstalk becomes significant. For this reason, size reduction of a light control element is realizable.

共振型電極の形状が、信号電極を挟む又は取り囲むように接地電極を配置する、コプレーナ型(CPW)構造とし、光導波路を伝搬する光信号の速度と電極を伝搬する制御信号の速度が、ほぼ等しくなる作製条件を用いる。   The resonant electrode has a coplanar type (CPW) structure in which the ground electrode is arranged so as to sandwich or surround the signal electrode, and the speed of the optical signal propagating through the optical waveguide and the speed of the control signal propagating through the electrode are approximately Equal production conditions are used.

ほぼ速度が等しい場合(速度整合条件がほぼ満たされる場合)、電極の長さを制御信号の共振周波数の波長より長くすることができ、駆動電圧の低減に有利である。ここでは、さらなる駆動電圧の低減を目的として、制御信号が光導波路部に効果的に印加されるリッジ型光導波路としている。当然、非CPW構造の電極であっても、非リッジ型導波路であっても、速度整合がほぼ満たされる構成であれば、どのような、電極タイプや光導波路であって良い。   When the speeds are approximately equal (when the speed matching condition is substantially satisfied), the length of the electrode can be made longer than the wavelength of the resonance frequency of the control signal, which is advantageous in reducing the driving voltage. Here, for the purpose of further reducing the driving voltage, a ridge-type optical waveguide in which a control signal is effectively applied to the optical waveguide portion is used. Naturally, any electrode type or optical waveguide may be used as long as the velocity matching is substantially satisfied, regardless of whether the electrode has a non-CPW structure or a non-ridge type waveguide.

図4で示した光制御素子では、共振型電極として、1本の信号電極(共振型電極)の両端が接地電極から開放されている形状を用いた。給電位置は、共振型電極の中心でなく、図3に示すように、共振型電極のインピーダンス及び共振型電極に形成される電界ベクトルの強度波形を考慮して、上下の共振型電極では、非対称(図面の横方向の直線に対して対称ではない)な位置に設けられている。   In the light control element shown in FIG. 4, a shape in which both ends of one signal electrode (resonance type electrode) are opened from the ground electrode is used as the resonance type electrode. As shown in FIG. 3, the feeding position is not centered on the resonant electrode, but is asymmetrical on the upper and lower resonant electrodes in consideration of the impedance of the resonant electrode and the intensity waveform of the electric field vector formed on the resonant electrode. It is provided at a position (not symmetrical with respect to the horizontal straight line in the drawing).

図3では、共振型電極上でインピーダンスが50Ωとなる位置のうち、共振型電極の中心に最も近い位置を給電点としているが、上述したように、給電電極が、入力配線部を分岐して2つの分岐配線部を形成する場合には、通常、外部機器とは50Ωでインピーダンス整合を図っているため、共振型電極の給電点は、主にインピーダンスが100Ωとなる位置であって、共振型電極の中心に最も近い位置を給電点としていることが好ましい。光制御素子の外部にある駆動回路とは、本発明において、インピーダンス整合回路を用いずに直接制御信号を給電することが可能である。   In FIG. 3, the position closest to the center of the resonant electrode among the positions where the impedance is 50Ω on the resonant electrode is used as the feeding point. However, as described above, the feeding electrode branches off the input wiring portion. When two branch wiring portions are formed, since impedance matching is normally performed with an external device at 50Ω, the feeding point of the resonant electrode is mainly at a position where the impedance is 100Ω, and the resonant type It is preferable that a position closest to the center of the electrode is a feeding point. In the present invention, the drive circuit outside the light control element can directly supply the control signal without using the impedance matching circuit.

また、共振型電極の中心に最も近い位置を給電点とすることにより、電極の端の方に給電した場合に比べ、製造プロセスの再現性の問題で、電極の端の形状などがばらついた際の特性の変化が少ないという、利点もある。さらに、各共振型電極が光導波路に及ぼす電界強度分布をほぼ同じとすることができるため、波長チャープを抑制できる。   In addition, when the position closest to the center of the resonant electrode is used as the feed point, there is a problem in the reproducibility of the manufacturing process compared to the case where power is fed toward the end of the electrode. There is also an advantage that there is little change in the characteristics. Further, since the electric field intensity distribution exerted on the optical waveguide by each resonant electrode can be made substantially the same, wavelength chirp can be suppressed.

図4に示すように、2つの共振型電極は、同じ形状であり、MZ干渉計の作用部(各共振型電極が形成する電界が光導波路に作用する部分)から等距離の平面上に位置する任意の点を回転中心として、180°回転対称(点対称。図4の定点Oを参照)となる位置に配置してある。各共振型電極の1本の信号電極(31,32)の給電点(給電位置)には、同相で同じ大きさの制御信号が、給電電極41,42を用いて給電されている。   As shown in FIG. 4, the two resonance electrodes have the same shape and are located on a plane equidistant from the action part of the MZ interferometer (the part where the electric field formed by each resonance electrode acts on the optical waveguide). An arbitrary point to be rotated is set at a position that is 180 ° rotationally symmetric (point symmetry, see fixed point O in FIG. 4). A control signal having the same phase and the same magnitude is fed to the feeding point (feeding position) of one signal electrode (31, 32) of each resonance type electrode using the feeding electrodes 41,.

また、電極長が信号の波長より長い共振型電極においては、同様の共振動作をする励振点が複数ある。図4の例では、電極の中心に近い点を給電位置としているが、図5の様にこの位置と同じ励振作用が得られる位置を給電点(a1〜a3のいずれかと、b1〜b3のいずれかを選択可能)とすることも可能である。したがって、長い共振電極の場合、それぞれの給電点の選択にはいろいろな組み合わせが存在する。   Further, in a resonant electrode whose electrode length is longer than the signal wavelength, there are a plurality of excitation points that perform the same resonant operation. In the example of FIG. 4, the point near the center of the electrode is the feeding position. However, as shown in FIG. 5, the position where the same excitation action as this position is obtained is any of the feeding points (any of a1 to a3 and any of b1 to b3). Can be selected). Therefore, in the case of a long resonant electrode, there are various combinations for selecting each feeding point.

図6は、一本の信号電極を有する共振型電極について、信号電極(信号電極の両端を接地電極から開放したもの)の長さが3λ/2(λ:信号波長)の場合、給電位置とインピーダンスとの関係及び、特定タイミングにおける電界ベクトルの様子を説明する図である。共振型電極は、位置によってインピーダンスが異なっており、図6の上側のグラフに示すように、場所により0Ωからほぼ無限大のインピーダンスを有する。   FIG. 6 is a diagram showing a resonance type electrode having one signal electrode when the length of the signal electrode (with both ends of the signal electrode opened from the ground electrode) is 3λ / 2 (λ: signal wavelength). It is a figure explaining the relationship with an impedance, and the mode of the electric field vector in specific timing. The impedance of the resonance-type electrode varies depending on the position, and as shown in the upper graph of FIG.

図6では、100Ωのインピーダンスを実現する給電位置は、電界ベクトルの方向も考慮すると、一つの電界ベクトルのパターンで3箇所、合計6箇所ある。そして2つの共振型電極が形成する電界ベクトルが図3に示すように互いに逆向きとなるように、各共振型電極の給電位置が設定される。   In FIG. 6, there are three feeding positions for realizing an impedance of 100Ω, which are three places in one electric field vector pattern in consideration of the direction of the electric field vector. Then, the feeding positions of the resonance electrodes are set so that the electric field vectors formed by the two resonance electrodes are opposite to each other as shown in FIG.

このように、分岐配線のインピーダンスの大きさによらず、適切な給電位置を選ぶことにより、インピーダンス整合が実現でき、反射損失無く適切な給電が行える。なお、各分岐配線部における、それぞれの配線の長さと配線の制御信号に対する屈折率の積は等しくなるように、設定され、同相状態で共振型電極に入力されるよう構成されている。   In this way, impedance matching can be realized by selecting an appropriate power feeding position regardless of the magnitude of the impedance of the branch wiring, and appropriate power feeding can be performed without reflection loss. In addition, the product of the length of each wiring and the refractive index with respect to the control signal of wiring in each branch wiring part is set so that it may become equal, and it is comprised so that it may input into a resonance type electrode in an in-phase state.

給電電極の構造は、ここではCPW(信号電極を挟むように接地電極を配置する構成)となっているが、CPS(信号電極の片側に接地電極を配置する構成)、G−CPW(基板の表面にCPWを形成し、裏面に接地電極を配置する構成)であってもストリップラインであっても、あるいは、これらの組み合わせであってもかまわない。また、制御信号の損失を抑えるため、途中で電極の構造を変化させる場合には、インピーダンスを一定にするように設定する。   Here, the structure of the power supply electrode is CPW (configuration in which the ground electrode is arranged so as to sandwich the signal electrode), but CPS (configuration in which the ground electrode is arranged on one side of the signal electrode), G-CPW (of the substrate) It may be a configuration in which CPW is formed on the front surface and a ground electrode is disposed on the rear surface, a strip line, or a combination thereof. Further, in order to suppress the loss of the control signal, the impedance is set to be constant when the electrode structure is changed in the middle.

共振型電極についても同様に、CPW、CPS、G−CPWの何れの構成を採用しても良い。ただし、共振型電極と給電電極との接続を容易とするため、両者は同じ構造の電極構成を採用することが好ましい。また、給電電極の分岐配線部は、例えば、カプラー、ハイブリッド等の給電線の配線が不連続であっても、電気的に連続であれば可能である。   Similarly, any configuration of CPW, CPS, and G-CPW may be adopted for the resonant electrode. However, in order to facilitate the connection between the resonance type electrode and the power feeding electrode, it is preferable that both adopt the same electrode configuration. The branch wiring portion of the power supply electrode is possible as long as it is electrically continuous even when the power supply wire such as a coupler or a hybrid is discontinuous.

本発明の光制御素子が採用する電極配置条件、制御信号給電の条件であれば、たとえ両電極間に結合が起こっても奇対称モードとなるため、各共振型電極上の制御信号が乱されることはない。   In the electrode arrangement condition and the control signal power supply condition adopted by the light control element of the present invention, even if coupling occurs between both electrodes, the mode becomes an odd symmetry mode, so the control signal on each resonant electrode is disturbed. Never happen.

したがって、それぞれの分岐光導波路における光の位相変化量は、同じ大きさの逆符号となり、MZ干渉計の光出力部では波長チャープのないON・OFFパルス光信号が生成される。この波長チャープのないON・OFFパルス光信号は、光クロックとしてもっとも望ましい特性である。   Accordingly, the amount of phase change of light in each branch optical waveguide has the same reverse sign, and an ON / OFF pulse optical signal without wavelength chirp is generated at the optical output unit of the MZ interferometer. This ON / OFF pulse optical signal without wavelength chirp is the most desirable characteristic as an optical clock.

本発明の光制御素子を、共振型変調器でなく、光パルサー(光クロック生成器)として使用する場合については、各共振型電極の給電点への位相差をゼロ(同相)でなく、2πの整数倍とすることができることは、いうまでもない。しかも、上述したように、効果がほぼ等価な給電点の選択と、2πの整数倍を満たす位相差の組み合わせにより、制御電極(共振型電極や給電電極)の形状や配置の自由度が増し、製品設計も容易なものとなる。   When the optical control element of the present invention is used as an optical pulsar (optical clock generator) instead of a resonant modulator, the phase difference to the feeding point of each resonant electrode is not zero (in phase) but 2π. Needless to say, it can be an integral multiple of. In addition, as described above, the combination of the selection of the feeding point with substantially equivalent effects and the phase difference satisfying an integer multiple of 2π increases the degree of freedom of the shape and arrangement of the control electrode (resonance type electrode and feeding electrode), Product design is also easy.

なお、位相を2πずらすために必要な配線の長さは、給電電極の屈折率が共振型電極と同じ電極の場合、図6に示す共振型電極上における同じ励振効果をもつ点の間隔と同じになる。よって、給電電極を共振型電極とほぼ同じ構成とすれば、給電電極の配置には都合が良い。   Note that the length of the wiring necessary for shifting the phase by 2π is the same as the interval between the points having the same excitation effect on the resonant electrode shown in FIG. 6 when the refractive index of the feeding electrode is the same as that of the resonant electrode. become. Therefore, if the power supply electrode has substantially the same configuration as the resonance electrode, it is convenient for the arrangement of the power supply electrode.

以上では、直線状の信号電極(共振型電極)を中心に説明したが、これに制限されることはなく、分岐導波路が湾曲、屈曲している場合には、導波路に応じて、共振電極を湾曲、屈曲させれば良い。また、分岐光導波路にかかる作用効率が同じであり、互いに奇モード結合される位置に配置される要件を満たせば、それぞれの信号電極(共振型電極)は、直線型に限らず、リング型であっても差し支えない。   In the above description, the linear signal electrode (resonance type electrode) has been mainly described. However, the present invention is not limited to this, and when the branched waveguide is curved or bent, it resonates according to the waveguide. The electrode may be bent or bent. In addition, if the operational efficiency applied to the branched optical waveguides is the same and the requirements to be arranged at positions where they are odd-mode coupled to each other are satisfied, each signal electrode (resonance type electrode) is not limited to a linear type but a ring type. There is no problem.

また、MZ干渉計を構成する光導波路に対する共振型電極の位置は、上述したように、MZ干渉計の中心に一致するように、2つの共振型電極を配置するもの限定されず、例えば、図7に示すように、MZ干渉計の分岐導波路の一部に共振型電極31,32が偏在するように構成したり、また、図8に示すように、共振型電極の一部のみを分岐導波路と重なるように配置し、共振型電極が光導波路に作用する作用部(範囲S)と非作用部とから構成されるよう配置することも可能である。なお、図8のような場合には、非作用部の共振型電極の形状や配置は、上述した共振型電極全体が作用部となるものと比較し、設計の自由度が増加する。   Further, as described above, the position of the resonance electrode with respect to the optical waveguide constituting the MZ interferometer is not limited to the arrangement of the two resonance electrodes so as to coincide with the center of the MZ interferometer. 7, the resonance type electrodes 31 and 32 are configured to be unevenly distributed in a part of the branching waveguide of the MZ interferometer, or only part of the resonance type electrode is branched as shown in FIG. It is also possible to arrange so that it overlaps with the waveguide, and the resonance type electrode is constituted by an action part (range S) acting on the optical waveguide and a non-action part. In the case of FIG. 8, the shape and arrangement of the resonance electrode of the non-acting portion increases the degree of design freedom compared to the case where the entire resonance electrode described above becomes the action portion.

本発明の光制御素子を駆動するには、図9に示すように、一つの駆動回路で構成することが可能となる。駆動回路の例としては、信号源からの所定周波数の信号をドライバに入れ、所定の信号電圧に増幅した後、ノイズを除去する帯域フィルタを介して、光制御素子の入力配線部40に入力する。本発明と異なる、2系列の制御信号を同相かつ同じ大きさで給電する光制御素子では、差動ドライバや外部位相器などが必要であるが、本発明の光制御素子は、一つの駆動回路のみで駆動することが可能となり、装置全体を低コスト化することが可能となる。   In order to drive the light control element of the present invention, as shown in FIG. 9, it can be constituted by one drive circuit. As an example of a drive circuit, a signal having a predetermined frequency from a signal source is input to a driver, amplified to a predetermined signal voltage, and then input to the input wiring section 40 of the light control element through a bandpass filter that removes noise. . Unlike the present invention, an optical control element that feeds two series of control signals with the same phase and the same magnitude requires a differential driver, an external phase shifter, and the like. However, the optical control element of the present invention has a single drive circuit. It becomes possible to drive only by this, and the whole apparatus can be reduced in cost.

また、本発明の光制御素子をパルサーに適用した場合には、以下のような効果も期待できる。
・高速、超低電圧、小型パルサー実現
・消費電力の画期的削減
・低コストな駆動系の使用による、ユーザーのコスト削減
・周辺回路を含めたサイズダウン、集積度の改善
・サイズダウンによるデバイス取れ数増加によるコストダウン
Further, when the light control element of the present invention is applied to a pulser, the following effects can be expected.
・ Realization of high-speed, ultra-low voltage, small pulsar ・ Innovative reduction of power consumption ・ Reduction of user cost by using low-cost drive system ・ Size reduction including peripheral circuits, improvement of integration ・ Device by size reduction Cost reduction by increasing the number

以上説明したように、本発明によれば、低駆動電圧化及び小型化が可能な光制御素子を提供することであり、特に、低コストな駆動系部品の使用による低コスト化が可能な光制御素子を提供することが可能となる。   As described above, according to the present invention, there is provided a light control element capable of reducing the driving voltage and reducing the size, and in particular, the light capable of reducing the cost by using low-cost driving system components. A control element can be provided.

1 電気光学効果を有する基板
2 光導波路
21,22 分岐導波路
3 制御電極
31,32 信号電極(共振型電極)
33 接地電極
41,42 給電電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate having electro-optic effect 2 Optical waveguide 21, 22 Branched waveguide 3 Control electrode 31, 32 Signal electrode (resonance type electrode)
33 Ground electrode 41, 42 Feed electrode

本発明は、光制御素子に関し、特に、光導波路を伝搬する光波を変調する共振型電極を備えた光制御素子に関する。   The present invention relates to a light control element, and more particularly to a light control element provided with a resonant electrode that modulates a light wave propagating through an optical waveguide.

無線に用いられる数GHz以上の高周波信号を光伝送するための光変調器や、長距離伝送において、データ変調とともに用いられる光クロック生成用のパルサー変調器などの光通信システムの送信装置に、共振型光変調器のような光制御素子が利用されている。共振型光変調器には、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する基板材料が利用され、共振型電極を有する制御電極を用いて、基板に形成された光導波路の屈折率を変化させて、その光導波路を伝搬する光の強度や位相を変調するよう構成されている。   Resonates with transmitters of optical communication systems such as optical modulators for optical transmission of high-frequency signals of several GHz or more used for radio and pulsar modulators for optical clock generation used with data modulation in long-distance transmission. Light control elements such as type optical modulators are used. A resonant optical modulator uses a substrate material having an electro-optic effect such as lithium niobate, and uses a control electrode having a resonant electrode to change the refractive index of the optical waveguide formed on the substrate, It is configured to modulate the intensity and phase of light propagating through the optical waveguide.

共振型電極では、給電点から特定の周波数の電気信号を入力すると、その電極に電気信号の定在波が生じる。このように、共振型光変調器は、電気信号の共振現象を利用しているので、特定の周波数を入力したときに、特に効率良く動作し、一般に進行波型光変調器よりも電極単位長さ当りの変調効率が良い。   In the resonance type electrode, when an electric signal having a specific frequency is input from the feeding point, a standing wave of the electric signal is generated at the electrode. As described above, since the resonance type optical modulator uses the resonance phenomenon of the electric signal, it operates particularly efficiently when a specific frequency is inputted, and generally has a unit length longer than that of the traveling wave type optical modulator. Modulation efficiency per unit is good.

このような特性があるため、従来の共振型光変調器の電極の長さが、電気信号の1波長分よりも短くなるように設計された例が多い。しかしながら、光導波路を伝搬する光の速度と作用部の電極を伝搬する制御信号の速度がほぼ一致した条件では、電極を長くすることが可能であり、制御信号の減衰にも影響を受けるが、電極の長さに応じた駆動電圧の改善が得られる。   Because of such characteristics, there are many examples in which the length of the electrode of the conventional resonant optical modulator is designed to be shorter than one wavelength of the electric signal. However, in the condition where the speed of light propagating through the optical waveguide and the speed of the control signal propagating through the electrode of the action part are approximately the same, the electrode can be lengthened and affected by the attenuation of the control signal. The driving voltage can be improved according to the length of the electrode.

非特許文献1には、速度整合と共振型電極の併用が効率改善に有効であること開示され、また、非特許文献2には、ニオブ酸リチウムを基板に用いた共振電極型光変調器が記載されており、電気信号の屈折率(nm)をほぼ2.2(ニオブ酸リチウムの光に対する屈折率は約2.2)とすることで、良好な特性が得られた事例が紹介されている。   Non-Patent Document 1 discloses that the combined use of speed matching and a resonant electrode is effective for improving the efficiency, and Non-Patent Document 2 discloses a resonant electrode type optical modulator using lithium niobate as a substrate. It describes the case where good characteristics were obtained by setting the refractive index (nm) of the electrical signal to approximately 2.2 (the refractive index of lithium niobate with respect to light is approximately 2.2).

一方、光と電気信号の速度が一致しない条件では、電極の長さを十分長くすることができず、単位長さあたりの変調効率が高くても、結果として全体の変調効率を良くすることができない。そのため、変調器の効率を表すパラメータである半波長電圧Vπが概ね10V以上となり、非常に高い電圧を印加しなければ、十分な動作が得られない。   On the other hand, under conditions where the speeds of light and electrical signals do not match, the length of the electrode cannot be made sufficiently long, and even if the modulation efficiency per unit length is high, the overall modulation efficiency can be improved as a result. Can not. For this reason, the half-wave voltage Vπ, which is a parameter representing the efficiency of the modulator, is approximately 10 V or higher, and sufficient operation cannot be obtained unless a very high voltage is applied.

また、光導波路の一部を2つの経路に分岐させ、マッハツェンダー(MZ)干渉計構造とし、2つの分岐光を干渉させれば、光の強度変調器として動作する。長距離伝送において、データ変調とともに用いられる光クロック生成用のパルサー変調器などにおいては、2つの分岐光での光の位相変化量が、同じ大きさで逆符号の位相変化で動作させることによって得られる、波長チャープがゼロとなる状態が望ましく、MZ干渉計のそれぞれの分岐導波路に同じ大きさで逆符号の信号を印加する構成が取られている。しかも、このような各分岐導波路に対応する2つの電極に互いに逆符号の信号を印加する場合(「二電極型」という。)には、駆動電圧を下げる効果もある。   Further, if a part of the optical waveguide is branched into two paths to form a Mach-Zehnder (MZ) interferometer structure, if the two branched lights are made to interfere with each other, the optical waveguide operates as a light intensity modulator. In a long-distance transmission, a pulsar modulator for generating an optical clock used with data modulation, etc. can be obtained by operating the amount of phase change of the two split lights with the same magnitude and opposite phase change. It is desirable that the wavelength chirp is zero, and a configuration is adopted in which signals of the same magnitude and opposite signs are applied to the respective branch waveguides of the MZ interferometer. In addition, when signals having opposite signs are applied to the two electrodes corresponding to each of the branched waveguides (referred to as “two-electrode type”), there is an effect of lowering the driving voltage.

これらのことから、光と制御信号の速度の整合がとれた長い共振型電極を用いて、二電極型のMZ変調器を構成すれば、劇的な低駆動電圧化が実現できることが期待される。しかしながら、共振型電極は共振周波数の信号に対しては、効率が高く電界が非常に強いため、周辺の導電性物質との結合(信号のクロストーク)が顕著である。両制御電極の信号がクロストークした状況では、制御信号の位相が乱れ、所望の光変調が得られない。   From these facts, it is expected that a drastic reduction in driving voltage can be realized if a two-electrode type MZ modulator is configured using a long resonant electrode in which the speeds of light and control signals are matched. . However, since the resonance electrode has high efficiency and a very strong electric field for a signal having a resonance frequency, coupling with a surrounding conductive material (signal crosstalk) is remarkable. In a situation where the signals of both control electrodes are cross-talked, the phase of the control signal is disturbed and the desired light modulation cannot be obtained.

特に、同じ周波数に対して共振条件満たす要素(部品)に対しては、信号が結合しやすい。二電極型のMZ光変調器については、各分岐導波路に対応する制御電極には、基本構造が同じ電極を採用する。このため、共振型電極を構成する場合には、各制御電極(共振型電極)は共に同じ周波数の共振周波数となり、結合(信号のクロストーク)が顕著となる。しかも、速度整合した長い電極を用いる場合は、電極が長いため、両電極間の結合の影響がさらに顕著になる。   In particular, signals are likely to be coupled to elements (components) that satisfy the resonance condition for the same frequency. For the two-electrode type MZ optical modulator, an electrode having the same basic structure is adopted as a control electrode corresponding to each branching waveguide. For this reason, when a resonant electrode is configured, each control electrode (resonant electrode) has the same resonant frequency, and coupling (signal crosstalk) becomes significant. In addition, when a long electrode with a speed matching is used, the influence of the coupling between the two electrodes becomes more remarkable because the electrode is long.

ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する基板に、コプレーナ型の電極を形成して作製した光変調器の場合の、複数電極間の制御信号のクロストーク防止策については、特許文献1のように溝を形成する例がある。一般に、制御電界の強度は、制御電極からの距離が大きくなるにつれて小さくなる。これは、基板や電極の構造にも依存する現象であるが、図1に示すように、導波路間隔が約150μmの場合には、他方の光導波路に及ぼす電界の強さは約1%程度であり、約300μmの場合には約0.2%、約400μmの場合には約0.1%程度であることも、開示されている。   Patent Document 1 discloses a countermeasure for preventing crosstalk of a control signal between a plurality of electrodes in the case of an optical modulator manufactured by forming a coplanar electrode on a substrate having an electro-optic effect such as lithium niobate. There is an example of forming a groove. In general, the strength of the control electric field decreases as the distance from the control electrode increases. This is a phenomenon that depends on the structure of the substrate and the electrode. As shown in FIG. 1, when the waveguide interval is about 150 μm, the electric field strength exerted on the other optical waveguide is about 1%. It is also disclosed that it is about 0.2% for about 300 μm and about 0.1% for about 400 μm.

このように、MZ干渉計の2つの分岐光導波路の間隔を大きくとることは、デバイスのサイズやコストの面で不利である。また、特許文献1に示される溝を形成する手法は、一定の改善は見込めるものの、防止の追加構造の加工など、デバイスの製造コストの面で不利である。   Thus, it is disadvantageous in terms of device size and cost to increase the distance between the two branch optical waveguides of the MZ interferometer. In addition, although the method of forming a groove shown in Patent Document 1 can be expected to improve, it is disadvantageous in terms of device manufacturing costs such as processing of an additional structure for prevention.

このような問題を解消するため、本出願人は、他の出願において、図2に示す光制御素子を提案した。電気光学効果を有する基板1と、該基板に形成された複数の光導波路2と、該基板に設けられ、該光導波路を伝搬する光の位相を制御するための制御電極3とを有する光制御素子において、該制御電極は、同じ共振周波数を有する少なくとも共振型電極31,32と、該共振型電極の各々に制御信号を給電する給電電極41,42とを備え、各共振型電極の形状及び形成位置、並びに各共振型電極への給電電極による給電位置は、互いに奇モード結合が可能なように設定され、各共振型電極には、該給電電極により同相の制御信号が給電されていることを特徴とする。   In order to solve such a problem, the present applicant has proposed the light control element shown in FIG. 2 in another application. Light control including a substrate 1 having an electro-optic effect, a plurality of optical waveguides 2 formed on the substrate, and a control electrode 3 provided on the substrate for controlling the phase of light propagating through the optical waveguide. In the element, the control electrode includes at least resonance electrodes 31 and 32 having the same resonance frequency, and power supply electrodes 41 and 42 for supplying a control signal to each of the resonance electrodes, and the shape of each resonance electrode and The formation position and the feeding position by the feeding electrode to each resonance type electrode are set so that the odd-mode coupling is possible with each other, and the control signal of the same phase is fed to each resonance type electrode by the feeding electrode. It is characterized by.

図2では、光導波路2は、分岐導波路21,22を有するMZ干渉計を構成している。また、制御電極は、共振型電極31,32となる1本の信号電極とそれを取り囲む接地電極を有し、信号電極(共振型電極)の両端は、接地電極から開放されているが、両端を接地電極に短絡しても良いし、一方の端部を接地電極に短絡することも可能である。共振型電極の長さは、Lで表示されている。   In FIG. 2, the optical waveguide 2 constitutes an MZ interferometer having branching waveguides 21 and 22. The control electrode has one signal electrode to be the resonance type electrodes 31 and 32 and a ground electrode surrounding the signal electrode, and both ends of the signal electrode (resonance type electrode) are open from the ground electrode. Can be short-circuited to the ground electrode, or one end can be short-circuited to the ground electrode. The length of the resonant electrode is indicated by L.

さらに、図2では、各共振型電極31,32の形状及び形成位置、並びに各共振型電極への給電電極41,42による給電位置は、前記2つの共振型電極について、互いに点対称(定点Oを中心とする点対称)となるように設定されている。   Further, in FIG. 2, the shape and formation position of each resonance electrode 31, 32 and the power supply position by the power supply electrodes 41, 42 to each resonance electrode are point-symmetric with respect to the two resonance electrodes (fixed point O). Is set to be point-symmetric with respect to the center.

図3は、図2の光制御素子における共振型電極(信号電極)の長さLが半波長λ/2(λ:信号波長)の場合、給電位置とインピーダンスとの関係及び、特定タイミングにおける電界ベクトル(矢印)の様子を説明する図である。図3の給電位置とインピーダンスとの関係を示すグラフからも明らかなように、信号電極(共振型電極)31,32の両端が接地電極33から開放されている場合で、当該信号電極の長さが、信号波長の半波長分である場合には、インピーダンスが50Ωとなる給電位置が2つ存在する。   FIG. 3 shows the relationship between the feeding position and the impedance and the electric field at a specific timing when the length L of the resonant electrode (signal electrode) in the light control element of FIG. 2 is half wavelength λ / 2 (λ: signal wavelength). It is a figure explaining the mode of a vector (arrow). As is apparent from the graph showing the relationship between the power feeding position and impedance in FIG. 3, the length of the signal electrode in the case where both ends of the signal electrodes (resonance type electrodes) 31 and 32 are open from the ground electrode 33 is shown. However, when the signal wavelength is a half wavelength, there are two feeding positions where the impedance is 50Ω.

しかも、同相の制御信号を入力しても、この給電位置が異なる場合には、図3の上側の共振型電極と下側の共振型電極に示した電界ベクトルのように、特定タイミングにおける電界ベクトルは互いに逆向きとなる。このような状態においては、仮に、共振型電極間にクロストーク(結合)が発生しても、常に同相状態で電界エネルギー授受するため、結合が無いときと同じように安定動作することが可能となる。このような状態を「奇(対称)モード結合」状態と呼んでいる。   In addition, if the power supply position is different even if an in-phase control signal is input, the electric field vector at a specific timing, such as the electric field vectors shown in the upper resonance electrode and the lower resonance electrode in FIG. Are opposite to each other. In such a state, even if crosstalk (coupling) occurs between resonant electrodes, electric field energy is always transferred in the same phase, so that stable operation can be performed in the same manner as when there is no coupling. Become. Such a state is called an “odd (symmetric) mode coupling” state.

図2や図3に示した光制御素子を利用することで、パルサー変調器などの光変調器において、画期的な低駆動電圧化と小型化が見込むことが可能となる。しかしながら、このような光制御素子の問題点は、2系列の制御信号を、同相かつ同じ大きさで給電する必要があることである。このため、光制御素子を駆動するには、差動ドライバの使用と外部位相器の使用などが必要となり、装置全体が高コストなものとなる。   By using the light control element shown in FIG. 2 or FIG. 3, it is possible to expect an epoch-making reduction in driving voltage and miniaturization in an optical modulator such as a pulsar modulator. However, a problem with such a light control element is that it is necessary to feed two series of control signals in phase and in the same magnitude. For this reason, in order to drive the light control element, it is necessary to use a differential driver and an external phase shifter, and the entire apparatus becomes expensive.

特開2009−53444号公報JP 2009-53444 A

Mark Yu and Anand Gopinath, "Velocity Matched ResonantSlow-Wave Structure for Optical Modulator", Proceedings of IntegratedPhotonics Research (IPR), ITuH7-1, pp.365-369, Palm Springs, California, March22, 1993Mark Yu and Anand Gopinath, "Velocity Matched ResonantSlow-Wave Structure for Optical Modulator", Proceedings of Integrated Photonics Research (IPR), ITuH7-1, pp.365-369, Palm Springs, California, March22, 1993 Roger Krahenbuhl and M. M. Howerton, "Investigations onShort-Path-Length High-Speed Optical Modulators in LiNbO3 With Resonant-TypeElectrodes", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.19, No. 9, pp.1287-1297,SEPTEMBER 2001Roger Krahenbuhl and M. M. Howerton, "Investigations on Short-Path-Length High-Speed Optical Modulators in LiNbO3 With Resonant-Type Electrodes", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.19, No. 9, pp.1287-1297, SEPTEMBER 2001

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、低駆動電圧化及び小型化が可能な光制御素子を提供することであり、特に、低コストな駆動系部品の使用による低コスト化が可能な光制御素子を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a light control element that can be reduced in driving voltage and reduced in size, particularly by using low-cost driving system components. An object of the present invention is to provide a light control element capable of reducing the cost.

上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された複数の光導波路と、該基板に設けられ、該光導波路を伝搬する光の位相を制御するための制御電極とを有する光制御素子において、該制御電極は、同じ共振周波数を有する少なくとも2つの共振型電極と、該共振型電極の各々に制御信号を給電する給電電極とを備え、該光導波路は、単一又は複数のマッハツェンダー干渉計を構成し、前記2つの共振型電極は、該マッハツェンダー干渉計を構成する2つの分岐導波路に対応して配置され、各共振型電極の形状及び形成位置、並びに各共振型電極への給電電極による給電位置は、互いに奇モード結合が可能なように設定され、該給電電極は、1本の入力配線部を複数に分岐した分岐配線部を有し、各共振型電極には、該分岐配線部により同相又は所定位相差を有する制御信号が給電され、該共振型電極の、該制御信号が給電される位置は該共振型電極の端部以外の位置であり、該制御信号が給電された状態で、各共振型電極が互いに奇モード結合することを特徴とする。 In order to solve the above problems, an invention according to claim 1 is directed to a substrate having an electrooptic effect, a plurality of optical waveguides formed on the substrate, and a phase of light provided on the substrate and propagating through the optical waveguide. The control electrode includes a control electrode for controlling the at least two resonance-type electrodes having the same resonance frequency, and a power supply electrode for supplying a control signal to each of the resonance-type electrodes. The optical waveguide constitutes one or a plurality of Mach-Zehnder interferometers, and the two resonant electrodes are arranged corresponding to the two branch waveguides constituting the Mach-Zehnder interferometer, and each resonant type The shape and formation position of the electrodes, and the power feeding position by the power feeding electrode to each resonance type electrode are set so that odd mode coupling is possible with each other, and the power feeding electrode is branched by dividing one input wiring portion into a plurality of Wiring part And, each resonant electrode, a control signal having an in-phase or a predetermined phase difference by the branch wiring section is powered, other than the end portion of the position the resonant electrodes of the resonant electrodes, the control signal fed a position, in a state where the control signal is fed, the resonant electrode is characterized that you bond odd mode together.

請求項に係る発明は、請求項1に記載の光制御素子において、該所定位相差は、所定周波数を有する制御信号に対して、2πの整数倍であることを特徴とする。 The invention according to claim 2 is the light control element according to claim 1 , wherein the predetermined phase difference is an integral multiple of 2π with respect to a control signal having a predetermined frequency.

請求項に係る発明は、請求項1乃至のいずれかに記載の光制御素子において、該給電電極は、1本の入力配線部を2本に分岐した分岐配線部を有し、各分岐配線部における該給電電極のインピーダンスと、各共振型電極の該給電位置におけるインピーダンスとは、該入力配線部における該給電電極のインピーダンスの略2倍に設定されていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the light control element according to any one of the first to second aspects, the power supply electrode has a branch wiring portion that branches one input wiring portion into two, and each branch The impedance of the power supply electrode in the wiring part and the impedance of the resonance electrode at the power supply position are set to be approximately twice the impedance of the power supply electrode in the input wiring part.

請求項に係る発明は、請求項1乃至のいずれかに記載の光制御素子において、該共振型電極は、1本の信号電極を有し、該信号電極の長さは、所定周波数を有する制御信号が該信号電極上に形成する波長より、長いことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the light control element according to any one of the first to third aspects, the resonant electrode has one signal electrode, and the length of the signal electrode has a predetermined frequency. The control signal is longer than the wavelength formed on the signal electrode.

請求項に係る発明は、請求項1乃至のいずれかに記載の光制御素子において、該給電位置は、該共振型電極の中心に最も近い位置に設定されていることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the light control element according to any one of the first to fourth aspects, the feeding position is set to a position closest to the center of the resonant electrode.

上記課題を解決するため、請求項1に係る発明により、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された複数の光導波路と、該基板に設けられ、該光導波路を伝搬する光の位相を制御するための制御電極とを有する光制御素子において、該制御電極は、同じ共振周波数を有する少なくとも2つの共振型電極と、該共振型電極の各々に制御信号を給電する給電電極とを備え、該光導波路は、単一又は複数のマッハツェンダー干渉計を構成し、前記2つの共振型電極は、該マッハツェンダー干渉計を構成する2つの分岐導波路に対応して配置され、各共振型電極の形状及び形成位置、並びに各共振型電極への給電電極による給電位置は、互いに奇モード結合が可能なように設定され、該給電電極は、1本の入力配線部を複数に分岐した分岐配線部を有し、各共振型電極には、該分岐配線部により同相又は所定位相差を有する制御信号が給電され、該共振型電極の、該制御信号が給電される位置は該共振型電極の端部以外の位置であり、該制御信号が給電された状態で、各共振型電極が互いに奇モード結合するため、仮に共振型電極間にクロストーク(結合)が発生しても、他方の電極に結合した分と同じ分の電界エネルギーを同相で受け取るため、結合が無いときと同じように働き、安定した光変調動作が可能である。しかも、これは両電極間の結合の大小を問わず同じとなる。よって、低駆動電圧化及び小型化が可能な光制御素子を提供することができる。しかも、各共振型電極への制御信号の供給は、1本の入力配線部を複数に分岐した分岐配線部を使用するため、所定の位相差(同相を含む)を有し、かつ同じ大きさ有する制御信号を、極めて簡便に形成することができ、差動ドライバや外部位相器などの高価な機器の使用が不要となり、低コスト化した光制御素子を提供することが可能となる。 In order to solve the above-described problem, according to the first aspect of the present invention, a substrate having an electro-optic effect, a plurality of optical waveguides formed on the substrate, and a phase of light provided on the substrate and propagating through the optical waveguide The control electrode includes a control electrode for controlling the at least two resonance-type electrodes having the same resonance frequency, and a power supply electrode for supplying a control signal to each of the resonance-type electrodes. The optical waveguide constitutes one or a plurality of Mach-Zehnder interferometers, and the two resonant electrodes are arranged corresponding to the two branch waveguides constituting the Mach-Zehnder interferometer, and each resonant type The shape and formation position of the electrodes, and the power feeding position by the power feeding electrode to each resonance type electrode are set so that odd mode coupling is possible with each other, and the power feeding electrode is branched by dividing one input wiring portion into a plurality of wiring Having, each resonant electrode, a control signal having an in-phase or a predetermined phase difference by the branch wiring section is powered, of the resonant electrodes, the end position is the resonant electrode control signal is fed a position other than parts, in a state where the control signal is fed, because the resonant electrodes to bond odd modes together, even if between the resonance electrodes crosstalk (coupling) occurs, the other electrode Since the same amount of electric field energy is received in phase with the amount of light coupled to the light, it works in the same way as when there is no light coupling, and a stable light modulation operation is possible. In addition, this is the same regardless of the magnitude of the coupling between both electrodes. Therefore, it is possible to provide an optical control element that can be reduced in driving voltage and reduced in size. In addition, the supply of the control signal to each resonance type electrode uses a branch wiring portion obtained by branching one input wiring portion into a plurality of parts, and therefore has a predetermined phase difference (including the same phase) and the same magnitude. The control signal can be formed very easily, and the use of expensive equipment such as a differential driver and an external phase shifter is not required, and it is possible to provide a light control element that is reduced in cost.

さらに、光導波路は、単一又は複数のマッハツェンダー干渉計を構成し、2つの共振型電極は、該マッハツェンダー干渉計を構成する2つの分岐導波路に対応して配置されているため、共振型電極を利用した二電極型の光変調器など、より低駆動電圧の光制御素子を提供することが可能となる。 Further , the optical waveguide constitutes one or a plurality of Mach-Zehnder interferometers, and the two resonant electrodes are arranged corresponding to the two branch waveguides constituting the Mach-Zehnder interferometer. It is possible to provide a light control element with a lower driving voltage, such as a two-electrode optical modulator using a mold electrode.

請求項に係る発明により、所定位相差は、所定周波数を有する制御信号に対して、2πの整数倍であるため、同相の制御信号を共振型電極に給電した場合と同じ動作を、容易に実現することが可能となる。 According to the second aspect of the present invention, the predetermined phase difference is an integer multiple of 2π with respect to the control signal having the predetermined frequency. It can be realized.

請求項に係る発明により、給電電極は、1本の入力配線部を2本に分岐した分岐配線部を有し、各分岐配線部における該給電電極のインピーダンスと、各共振型電極の該給電位置におけるインピーダンスとは、該入力配線部における該給電電極のインピーダンスの略2倍に設定されているため、入力配線部に供給された制御信号がインピーダンス不整合などにより、分岐配線部や共振型電極で反射することが抑制され、制御信号による変調効率を高め、より一層の低駆動電圧化を実現することが可能となる。 According to the invention of claim 3 , the power supply electrode has a branch wiring portion that branches one input wiring portion into two, the impedance of the power supply electrode in each branch wiring portion, and the power supply of each resonance electrode The impedance at the position is set to be approximately twice the impedance of the power feeding electrode in the input wiring portion. Therefore, the control signal supplied to the input wiring portion is caused by impedance mismatching, etc. Reflection can be suppressed, and the modulation efficiency by the control signal can be increased, and a further lower driving voltage can be realized.

請求項に係る発明により、共振型電極は、1本の信号電極を有し、該信号電極の長さは、所定周波数を有する制御信号が該信号電極上に形成する波長より、長いため、より低電圧駆動が可能な光制御素子を提供することができる。 According to the invention of claim 4 , the resonant electrode has one signal electrode, and the length of the signal electrode is longer than the wavelength that the control signal having a predetermined frequency forms on the signal electrode. An optical control element that can be driven at a lower voltage can be provided.

請求項に係る発明により、給電位置は、共振型電極の中心に最も近い位置に設定されているため、電極の製造誤差に基づく特性のばらつきを抑制し、さらには、各共振型電極が光導波路に及ぼす電界強度分布をほぼ同じとすることができるため、波長チャープを抑制できる。 According to the invention of claim 5 , since the feeding position is set at a position closest to the center of the resonant electrode, variation in characteristics based on manufacturing errors of the electrode is suppressed, and furthermore, each resonant electrode is optically guided. Since the electric field intensity distribution exerted on the waveguide can be made substantially the same, wavelength chirp can be suppressed.

特許文献1に開示された、電界の強さと距離(光導波路の間隔)との関係を示すグラフである。10 is a graph showing the relationship between electric field strength and distance (interval of optical waveguide) disclosed in Patent Document 1. 本出願人が他の出願で提案した光制御素子の一例(信号電極の両端を接地電極から開放したもの)を説明する図である。It is a figure explaining an example (what opened both ends of the signal electrode from the ground electrode) of the light control element which the present applicant proposed in other applications. 図2の光制御素子における信号電極の長さが半波長λ/2(λ:信号波長)の場合、給電位置とインピーダンスとの関係及び、特定タイミングにおける電界ベクトルの様子を説明する図である。When the length of the signal electrode in the light control element of FIG. 2 is a half-wavelength λ / 2 (λ: signal wavelength), it is a diagram for explaining the relationship between the feeding position and the impedance and the state of the electric field vector at a specific timing. 本発明の光制御素子に係る実施例を説明する図である。It is a figure explaining the Example which concerns on the light control element of this invention. 本発明の光制御素子に係る他の実施例を説明する図である。It is a figure explaining the other Example which concerns on the light control element of this invention. 共振型電極の信号電極(信号電極の両端を接地電極から開放したもの)の長さが3λ/2(λ:信号波長)の場合、給電位置とインピーダンスとの関係及び、特定タイミングにおける電界ベクトルの様子を説明する図である。When the length of the resonance type signal electrode (with both ends of the signal electrode open from the ground electrode) is 3λ / 2 (λ: signal wavelength), the relationship between the feeding position and the impedance, and the electric field vector at a specific timing It is a figure explaining a mode. MZ干渉計の一部に共振型電極を偏在させた構成を説明する図である。It is a figure explaining the structure which made resonance type electrode unevenly distributed in a part of MZ interferometer. 共振型電極の一部のみを光導波路に作用する作用部とする構成を説明する図である。It is a figure explaining the structure which uses only a part of resonance type electrode as an action part which acts on an optical waveguide. 本発明の光制御素子に駆動回路を接続した様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the drive circuit was connected to the light control element of this invention.

以下、本発明の光制御素子について、詳細に説明する。
本発明の光制御素子は、図4に示すように、電気光学効果を有する基板1と、該基板に形成された複数の光導波路2と、該基板に設けられ、該光導波路を伝搬する光の位相を制御するための制御電極3とを有する光制御素子において、該制御電極3は、同じ共振周波数を有する少なくとも2つの共振型電極31,32と、該共振型電極の各々に制御信号を給電する給電電極41,42とを備え、該光導波路2は、マッハツェンダー干渉計を構成し、前記2つの共振型電極31、32は、該マッハツェンダー干渉計を構成する2つの分岐導波路に対応して配置され、各共振型電極31,32の形状及び形成位置、並びに各共振型電極への給電電極による給電位置は、互いに奇モード結合が可能なように設定され、該給電電極は、1本の入力配線部40を複数に分岐した分岐配線部41,42を有し、各共振型電極には、該分岐配線部により同相又は所定位相差を有する制御信号が給電され、該共振型電極の、該制御信号が給電される位置は該共振型電極31、32の端部以外の位置であり、該制御信号が給電された状態で、各共振型電極31、32が互いに奇モード結合することを特徴とする。
Hereinafter, the light control element of the present invention will be described in detail.
As shown in FIG. 4, the light control element of the present invention includes a substrate 1 having an electro-optic effect, a plurality of optical waveguides 2 formed on the substrate, and light that is provided on the substrate and propagates through the optical waveguide. In the light control element having the control electrode 3 for controlling the phase of the control electrode 3, the control electrode 3 transmits at least two resonance electrodes 31 and 32 having the same resonance frequency and a control signal to each of the resonance electrodes. The optical waveguide 2 constitutes a Mach-Zehnder interferometer, and the two resonance-type electrodes 31 and 32 are connected to two branch waveguides constituting the Mach-Zehnder interferometer. The resonance electrodes 31 and 32 are arranged correspondingly and the positions and positions of the resonance electrodes 31 and 32 and the power supply positions of the power supply electrodes to the resonance electrodes are set so that odd mode coupling is possible. 1 input wiring A plurality of branch wiring portions 41 and 42 which branches 40, each resonant electrode, a control signal having an in-phase or a predetermined phase difference by the branch wiring section is powered, of the resonant electrodes, the control signal There position fed is the position other than the end portion of the resonant electrodes 31 and 32, in a state where the control signal is powered, and wherein Rukoto the resonant electrodes 31 and 32 be bonded odd modes together To do.

電気光学効果を有する基板1としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、PLZT(ジルコン酸チタン酸鉛ランタン)、及び石英系の材料及びこれらの組み合わせが利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム(LN)やタンタル酸リチウム(LT)結晶が好適に利用される。本発明の光制御素子では、図4のように、二電極構造であり、光導波路上に共振型電極を配置する構成が、最も効果的な変調が期待できるため、Zカット型の基板が好ましい。   As the substrate 1 having an electro-optic effect, for example, lithium niobate, lithium tantalate, PLZT (lead lanthanum zirconate titanate), quartz-based materials, and combinations thereof can be used. In particular, lithium niobate (LN) or lithium tantalate (LT) crystals having a high electro-optic effect are preferably used. The light control element of the present invention has a two-electrode structure as shown in FIG. 4, and a configuration in which a resonant electrode is disposed on an optical waveguide can expect the most effective modulation. Therefore, a Z-cut substrate is preferable. .

光導波路は、基板にリッジを形成する方法や基板の一部の屈折率を調整する方法、又は両者を組み合わせた方法で形成することが可能である。リッジ型導波路では、光導波路となる基板部分を残すように、その他の部分を機械的に切削したり、化学的にエッチングを施すことで除去する。また、光導波路の両側に溝を形成することも可能である。屈折率を調整する方法では、Tiなどを熱拡散法したり、プロトン交換法などを利用することで、光導波路に対応する基板表面の一部の屈折率を、基板自体の屈折率より高くなるよう構成する。   The optical waveguide can be formed by a method of forming a ridge on the substrate, a method of adjusting the refractive index of a part of the substrate, or a method of combining both. In the ridge type waveguide, other portions are removed by mechanical cutting or chemical etching so as to leave a substrate portion to be an optical waveguide. It is also possible to form grooves on both sides of the optical waveguide. In the method of adjusting the refractive index, the refractive index of a part of the substrate surface corresponding to the optical waveguide becomes higher than the refractive index of the substrate itself by using a thermal diffusion method such as Ti or a proton exchange method. Configure as follows.

信号電極や接地電極などの制御電極は、Ti・Auの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。また、各電極は、必要に応じて、基板との間にSiO膜などのバッファ層を介して配置されている。バッファ層には、光導波路を伝搬する光波が、制御電極により吸収又は散乱されることを防止する効果を有している。また、バッファ層の構成としては、必要に応じ、薄板の焦電効果を緩和するため、Si膜などを組み込むことも可能である。 Control electrodes such as signal electrodes and ground electrodes can be formed by forming a Ti / Au electrode pattern, a gold plating method, or the like. Also, each electrode is optionally arranged via a buffer layer such as SiO 2 film between a substrate. The buffer layer has an effect of preventing light waves propagating through the optical waveguide from being absorbed or scattered by the control electrode. Moreover, as a structure of a buffer layer, in order to relieve the pyroelectric effect of a thin plate, a Si film or the like can be incorporated as necessary.

本発明の光制御素子においては、制御電極に少なくとも2つの共振型電極を形成し、双方の共振型電極がクロストークしても、制御信号(変調信号)の変調効率に影響がない構成を採用している。このためには、以下の2つの要件が必要となる。
(1)双方の共振型電極は基本的に同じ形状であり、互いに奇(対称)モード結合する条件にあること。
(2)双方の共振型電極には、同相の信号が給電されること。
The light control element of the present invention employs a configuration in which at least two resonance electrodes are formed on the control electrode, and the modulation efficiency of the control signal (modulation signal) is not affected even if both resonance electrodes cross-talk. is doing. For this purpose, the following two requirements are required.
(1) Both resonance-type electrodes have basically the same shape and are in a condition of being coupled with odd (symmetric) modes.
(2) An in-phase signal is supplied to both resonant electrodes.

共振型電極は、主として、1本の信号電極とそれを取り囲む接地電極から構成される。そして2つの共振型電極の組み合わせとしては、後述するように、信号電極の両端が共に接地電極から開放されている「両端開放−両端開放」か、又は信号電極の両端が共に接地電極に短絡されている「両端短絡−両端短絡」の組み合わせが好ましい形態の一つであるが、本発明の光制御素子はこれに限らず、「両端開放−両端短絡」、「両端開放−一方短絡他方開放」、又は「両端短絡−一方短絡他方開放」など種々の組み合わせが可能であることはいうまでもない。   The resonant electrode is mainly composed of one signal electrode and a ground electrode surrounding it. As a combination of the two resonance-type electrodes, as described later, both ends of the signal electrode are both open from the ground electrode, or both ends of the signal electrode are short-circuited to the ground electrode. The combination of “short-circuited at both ends—short-circuited at both ends” is one of the preferred embodiments. It goes without saying that various combinations such as “short-circuited at both ends—one short-circuited and other open” are possible.

2つの共振型電極は基本的に同じ形状の電極であるため、共振周波数は同じであり、結合しやすい条件となっている。通常、この電極を、MZ干渉計の中心軸(光伝搬方向)に対して対称となるように配置すると、共振型電極を構成する1本の信号電極上の位置により、信号電極に供給された制御信号による電界と、他方の共振型電極が形成する電界とのクロストークにより発生する電界との状態(電界ベクトルの方向)が異なるため、制御信号は複雑に干渉して、共振型電極(特に、1本の信号電極)上の制御信号の正常な伝搬が妨げられる。   Since the two resonance-type electrodes are basically the same shape electrodes, the resonance frequency is the same, and it is easy to combine them. Normally, when this electrode is arranged so as to be symmetric with respect to the central axis (light propagation direction) of the MZ interferometer, it is supplied to the signal electrode by the position on one signal electrode constituting the resonance electrode. Since the state (the direction of the electric field vector) between the electric field generated by the control signal and the electric field generated by the crosstalk between the electric field formed by the other resonant electrode is different, the control signal interferes in a complicated manner, and the resonant electrode (particularly, The normal propagation of the control signal on one signal electrode) is hindered.

一方、双方の共振型電極を、結合しても奇モード結合となる条件に配置し、それぞれに同相等しい大の信号を給電した場合には、他方に結合した分と同じ分の電界エネルギーを同相で受け取るため、結合が無いときと同じように働く。これは両電極間の結合の強弱を問わず、同じである。   On the other hand, if both resonant electrodes are placed under the condition that odd-mode coupling occurs even when coupled, and a large signal with the same phase is fed to each other, the same amount of electric field energy as that coupled to the other is fed to the same phase. It works in the same way as when there is no connection. This is the same regardless of the strength of the coupling between both electrodes.

本発明の光制御素子では、図4に示すように、制御信号を二分岐し、位相を合わせて、それぞれの共振型電極31,32に給電する。それぞれの給電点へは、同相で共振する周波数帯の制御信号が給電されるように、分岐後の経路を分岐配線の屈折率を調整し、同一基板上に配置する。そして、これにより、差動電極や外部位相調整器など高価な部品が不要となる。なお、周波数帯とは6dB以内の帯域をいう。   In the light control element of the present invention, as shown in FIG. 4, the control signal is bifurcated, and the phases are matched to supply power to the resonant electrodes 31 and 32. The paths after branching are arranged on the same substrate by adjusting the refractive index of the branch wiring so that each feeding point is supplied with a control signal in a frequency band that resonates in phase. This eliminates the need for expensive components such as differential electrodes and external phase adjusters. The frequency band refers to a band within 6 dB.

光制御素子(チップ)の外部から給電される入力配線部40のインピーダンスがZの場合、図4のように、分岐損失なしで等しく二分岐した各分岐配線部41,42のインピーダンスは、インピーダンス整合を図るため、2Zと大きくなる。
本発明では、「略2倍」と表示しているが、この意味は、2倍の関係が最も分岐損失を低減できるが、本発明の作用効果が期待できる実用的な範囲において、インピーダンス値がこの2倍から幾分異なっても、本発明は許容可能であることを意味している。なお、好ましい許容範囲は、2倍に対し±20%程度以内、反射を±10%程度以内に抑えることが望ましい。
When the impedance of the input wiring portion 40 fed from the outside of the light control element (chip) is Z 0 , the impedance of each of the branch wiring portions 41 and 42 that are bifurcated equally without branching loss is as shown in FIG. order to matching, as large as 2Z 0.
In the present invention, “substantially double” is indicated. This means that the double relationship can most reduce the branch loss, but the impedance value is within a practical range where the effects of the present invention can be expected. Even if it is somewhat different from this double, it means that the present invention is acceptable. In addition, it is desirable that a preferable allowable range is within about ± 20% with respect to twice and reflection is within about ± 10%.

分岐された制御信号は、共振型電極31,32に供給されるが、共振型電極は、給田電極(分岐配線部)41,42による給電点(給電位置)によって、インピーダンスが異なっており、場所により0Ωからほぼ無限大のインピーダンスを有している。このため、分岐配線部のインピーダンスの大きさによらず、適切な給電位置を選ぶことにより、反射損失が無く、適切な給電を行うことができる。これは、給電先が共振型電極だからこそ実現できる技術である。   The branched control signal is supplied to the resonance type electrodes 31 and 32. The resonance type electrodes have different impedances depending on the feeding points (feeding positions) by the feeder electrodes (branch wiring portions) 41 and 42. Therefore, it has an impedance from 0Ω to almost infinite. For this reason, there is no reflection loss and proper power feeding can be performed by selecting an appropriate power feeding position regardless of the impedance of the branch wiring portion. This is a technology that can be realized because the power supply destination is a resonant electrode.

電極長が信号の波長より長い共振型電極においては、同様の共振動作をする励振点が複数ある。したがって、給電位置については、給電位置については、同じ条件の共振を励振する点を給電点とすることも可能であり、位相差の調整組み合わせは、多くのバリエーションがある。   In a resonance type electrode whose electrode length is longer than the signal wavelength, there are a plurality of excitation points that perform the same resonance operation. Therefore, with respect to the power feeding position, it is possible to use the point where the resonance of the same condition is excited as the power feeding point, and there are many variations in the adjustment combination of the phase difference.

光導波路にMZ干渉計の形状を採用する場合、従来は、制御信号の干渉の影響を小さくするため、電極間(ホット電極間)が400μm以上の間隔となるよう、分岐光導波路の間隔も大きくとる必要があったが、本発明ではその必要はない。クロストークが顕著となる100μm以下でもよい。このため、光制御素子の小型化を実現することができる。   When adopting the shape of an MZ interferometer in the optical waveguide, conventionally, in order to reduce the influence of control signal interference, the distance between the branched optical waveguides is also increased so that the distance between electrodes (between hot electrodes) is 400 μm or more. It was necessary to take this, but this is not necessary in the present invention. It may be 100 μm or less at which crosstalk becomes significant. For this reason, size reduction of a light control element is realizable.

共振型電極の形状が、信号電極を挟む又は取り囲むように接地電極を配置する、コプレーナ型(CPW)構造とし、光導波路を伝搬する光信号の速度と電極を伝搬する制御信号の速度が、ほぼ等しくなる作製条件を用いる。   The resonant electrode has a coplanar type (CPW) structure in which the ground electrode is arranged so as to sandwich or surround the signal electrode, and the speed of the optical signal propagating through the optical waveguide and the speed of the control signal propagating through the electrode are approximately Equal production conditions are used.

ほぼ速度が等しい場合(速度整合条件がほぼ満たされる場合)、電極の長さを制御信号の共振周波数の波長より長くすることができ、駆動電圧の低減に有利である。ここでは、さらなる駆動電圧の低減を目的として、制御信号が光導波路部に効果的に印加されるリッジ型光導波路としている。当然、非CPW構造の電極であっても、非リッジ型導波路であっても、速度整合がほぼ満たされる構成であれば、どのような、電極タイプや光導波路であって良い。   When the speeds are approximately equal (when the speed matching condition is substantially satisfied), the length of the electrode can be made longer than the wavelength of the resonance frequency of the control signal, which is advantageous in reducing the driving voltage. Here, for the purpose of further reducing the driving voltage, a ridge-type optical waveguide in which a control signal is effectively applied to the optical waveguide portion is used. Naturally, any electrode type or optical waveguide may be used as long as the velocity matching is substantially satisfied, regardless of whether the electrode has a non-CPW structure or a non-ridge type waveguide.

図4で示した光制御素子では、共振型電極として、1本の信号電極(共振型電極)の両端が接地電極から開放されている形状を用いた。給電位置は、共振型電極の中心でなく、図3に示すように、共振型電極のインピーダンス及び共振型電極に形成される電界ベクトルの強度波形を考慮して、上下の共振型電極では、非対称(図面の横方向の直線に対して対称ではない)な位置に設けられている。   In the light control element shown in FIG. 4, a shape in which both ends of one signal electrode (resonance type electrode) are opened from the ground electrode is used as the resonance type electrode. As shown in FIG. 3, the feeding position is not centered on the resonant electrode, but is asymmetrical on the upper and lower resonant electrodes in consideration of the impedance of the resonant electrode and the intensity waveform of the electric field vector formed on the resonant electrode. It is provided at a position (not symmetrical with respect to the horizontal straight line in the drawing).

図3では、共振型電極上でインピーダンスが50Ωとなる位置のうち、共振型電極の中心に最も近い位置を給電点としているが、上述したように、給電電極が、入力配線部を分岐して2つの分岐配線部を形成する場合には、通常、外部機器とは50Ωでインピーダンス整合を図っているため、共振型電極の給電点は、主にインピーダンスが100Ωとなる位置であって、共振型電極の中心に最も近い位置を給電点としていることが好ましい。光制御素子の外部にある駆動回路とは、本発明において、インピーダンス整合回路を用いずに直接制御信号を給電することが可能である。   In FIG. 3, the position closest to the center of the resonant electrode among the positions where the impedance is 50Ω on the resonant electrode is used as the feeding point. However, as described above, the feeding electrode branches off the input wiring portion. When two branch wiring portions are formed, since impedance matching is normally performed with an external device at 50Ω, the feeding point of the resonant electrode is mainly at a position where the impedance is 100Ω, and the resonant type It is preferable that a position closest to the center of the electrode is a feeding point. In the present invention, the drive circuit outside the light control element can directly supply the control signal without using the impedance matching circuit.

また、共振型電極の中心に最も近い位置を給電点とすることにより、電極の端の方に給電した場合に比べ、製造プロセスの再現性の問題で、電極の端の形状などがばらついた際の特性の変化が少ないという、利点もある。さらに、各共振型電極が光導波路に及ぼす電界強度分布をほぼ同じとすることができるため、波長チャープを抑制できる。   In addition, when the position closest to the center of the resonant electrode is used as the feed point, there is a problem in the reproducibility of the manufacturing process compared to the case where power is fed toward the end of the electrode. There is also an advantage that there is little change in the characteristics. Further, since the electric field intensity distribution exerted on the optical waveguide by each resonant electrode can be made substantially the same, wavelength chirp can be suppressed.

図4に示すように、2つの共振型電極は、同じ形状であり、MZ干渉計の作用部(各共振型電極が形成する電界が光導波路に作用する部分)から等距離の平面上に位置する任意の点を回転中心として、180°回転対称(点対称。図4の定点Oを参照)となる位置に配置してある。各共振型電極の1本の信号電極(31,32)の給電点(給電位置)には、同相で同じ大きさの制御信号が、給電電極41,42を用いて給電されている。   As shown in FIG. 4, the two resonance electrodes have the same shape and are located on a plane equidistant from the action part of the MZ interferometer (the part where the electric field formed by each resonance electrode acts on the optical waveguide). An arbitrary point to be rotated is set at a position that is 180 ° rotationally symmetric (point symmetry, see fixed point O in FIG. 4). A control signal having the same phase and the same magnitude is fed to the feeding point (feeding position) of one signal electrode (31, 32) of each resonance type electrode using the feeding electrodes 41,.

また、電極長が信号の波長より長い共振型電極においては、同様の共振動作をする励振点が複数ある。図4の例では、電極の中心に近い点を給電位置としているが、図5の様にこの位置と同じ励振作用が得られる位置を給電点(a1〜a3のいずれかと、b1〜b3のいずれかを選択可能)とすることも可能である。したがって、長い共振電極の場合、それぞれの給電点の選択にはいろいろな組み合わせが存在する。   Further, in a resonant electrode whose electrode length is longer than the signal wavelength, there are a plurality of excitation points that perform the same resonant operation. In the example of FIG. 4, the point near the center of the electrode is the feeding position. However, as shown in FIG. 5, the position where the same excitation action as this position is obtained is any of the feeding points (any of a1 to a3 and any of b1 to b3). Can be selected). Therefore, in the case of a long resonant electrode, there are various combinations for selecting each feeding point.

図6は、一本の信号電極を有する共振型電極について、信号電極(信号電極の両端を接地電極から開放したもの)の長さが3λ/2(λ:信号波長)の場合、給電位置とインピーダンスとの関係及び、特定タイミングにおける電界ベクトルの様子を説明する図である。共振型電極は、位置によってインピーダンスが異なっており、図6の上側のグラフに示すように、場所により0Ωからほぼ無限大のインピーダンスを有する。   FIG. 6 is a diagram showing a resonance type electrode having one signal electrode when the length of the signal electrode (with both ends of the signal electrode opened from the ground electrode) is 3λ / 2 (λ: signal wavelength). It is a figure explaining the relationship with an impedance, and the mode of the electric field vector in specific timing. The impedance of the resonance-type electrode varies depending on the position, and as shown in the upper graph of FIG.

図6では、100Ωのインピーダンスを実現する給電位置は、電界ベクトルの方向も考慮すると、一つの電界ベクトルのパターンで3箇所、合計6箇所ある。そして2つの共振型電極が形成する電界ベクトルが図3に示すように互いに逆向きとなるように、各共振型電極の給電位置が設定される。   In FIG. 6, there are three feeding positions for realizing an impedance of 100Ω, which are three places in one electric field vector pattern in consideration of the direction of the electric field vector. Then, the feeding positions of the resonance electrodes are set so that the electric field vectors formed by the two resonance electrodes are opposite to each other as shown in FIG.

このように、分岐配線のインピーダンスの大きさによらず、適切な給電位置を選ぶことにより、インピーダンス整合が実現でき、反射損失無く適切な給電が行える。なお、各分岐配線部における、それぞれの配線の長さと配線の制御信号に対する屈折率の積は等しくなるように、設定され、同相状態で共振型電極に入力されるよう構成されている。   In this way, impedance matching can be realized by selecting an appropriate power feeding position regardless of the magnitude of the impedance of the branch wiring, and appropriate power feeding can be performed without reflection loss. In addition, the product of the length of each wiring and the refractive index with respect to the control signal of wiring in each branch wiring part is set so that it may become equal, and it is comprised so that it may input into a resonance type electrode in an in-phase state.

給電電極の構造は、ここではCPW(信号電極を挟むように接地電極を配置する構成)となっているが、CPS(信号電極の片側に接地電極を配置する構成)、G−CPW(基板の表面にCPWを形成し、裏面に接地電極を配置する構成)であってもストリップラインであっても、あるいは、これらの組み合わせであってもかまわない。また、制御信号の損失を抑えるため、途中で電極の構造を変化させる場合には、インピーダンスを一定にするように設定する。   Here, the structure of the power supply electrode is CPW (configuration in which the ground electrode is arranged so as to sandwich the signal electrode), but CPS (configuration in which the ground electrode is arranged on one side of the signal electrode), G-CPW (of the substrate) It may be a configuration in which CPW is formed on the front surface and a ground electrode is disposed on the rear surface, a strip line, or a combination thereof. Further, in order to suppress the loss of the control signal, the impedance is set to be constant when the electrode structure is changed in the middle.

共振型電極についても同様に、CPW、CPS、G−CPWの何れの構成を採用しても良い。ただし、共振型電極と給電電極との接続を容易とするため、両者は同じ構造の電極構成を採用することが好ましい。また、給電電極の分岐配線部は、例えば、カプラー、ハイブリッド等の給電線の配線が不連続であっても、電気的に連続であれば可能である。   Similarly, any configuration of CPW, CPS, and G-CPW may be adopted for the resonant electrode. However, in order to facilitate the connection between the resonance type electrode and the power feeding electrode, it is preferable that both adopt the same electrode configuration. The branch wiring portion of the power supply electrode is possible as long as it is electrically continuous even when the power supply wire such as a coupler or a hybrid is discontinuous.

本発明の光制御素子が採用する電極配置条件、制御信号給電の条件であれば、たとえ両電極間に結合が起こっても奇対称モードとなるため、各共振型電極上の制御信号が乱されることはない。   In the electrode arrangement condition and the control signal power supply condition adopted by the light control element of the present invention, even if coupling occurs between both electrodes, the mode becomes an odd symmetry mode, so the control signal on each resonant electrode is disturbed. Never happen.

したがって、それぞれの分岐光導波路における光の位相変化量は、同じ大きさの逆符号となり、MZ干渉計の光出力部では波長チャープのないON・OFFパルス光信号が生成される。この波長チャープのないON・OFFパルス光信号は、光クロックとしてもっとも望ましい特性である。   Accordingly, the amount of phase change of light in each branch optical waveguide has the same reverse sign, and an ON / OFF pulse optical signal without wavelength chirp is generated at the optical output unit of the MZ interferometer. This ON / OFF pulse optical signal without wavelength chirp is the most desirable characteristic as an optical clock.

本発明の光制御素子を、共振型変調器でなく、光パルサー(光クロック生成器)として使用する場合については、各共振型電極の給電点への位相差をゼロ(同相)でなく、2πの整数倍とすることができることは、いうまでもない。しかも、上述したように、効果がほぼ等価な給電点の選択と、2πの整数倍を満たす位相差の組み合わせにより、制御電極(共振型電極や給電電極)の形状や配置の自由度が増し、製品設計も容易なものとなる。   When the optical control element of the present invention is used as an optical pulsar (optical clock generator) instead of a resonant modulator, the phase difference to the feeding point of each resonant electrode is not zero (in phase) but 2π. Needless to say, it can be an integral multiple of. In addition, as described above, the combination of the selection of the feeding point with substantially equivalent effects and the phase difference satisfying an integer multiple of 2π increases the degree of freedom of the shape and arrangement of the control electrode (resonance type electrode and feeding electrode), Product design is also easy.

なお、位相を2πずらすために必要な配線の長さは、給電電極の屈折率が共振型電極と同じ電極の場合、図6に示す共振型電極上における同じ励振効果をもつ点の間隔と同じになる。よって、給電電極を共振型電極とほぼ同じ構成とすれば、給電電極の配置には都合が良い。   Note that the length of the wiring necessary for shifting the phase by 2π is the same as the interval between the points having the same excitation effect on the resonant electrode shown in FIG. 6 when the refractive index of the feeding electrode is the same as that of the resonant electrode. become. Therefore, if the power supply electrode has substantially the same configuration as the resonance electrode, it is convenient for the arrangement of the power supply electrode.

以上では、直線状の信号電極(共振型電極)を中心に説明したが、これに制限されることはなく、分岐導波路が湾曲、屈曲している場合には、導波路に応じて、共振電極を湾曲、屈曲させれば良い。また、分岐光導波路にかかる作用効率が同じであり、互いに奇モード結合される位置に配置される要件を満たせば、それぞれの信号電極(共振型電極)は、直線型に限らず、リング型であっても差し支えない。   In the above description, the linear signal electrode (resonance type electrode) has been mainly described. However, the present invention is not limited to this, and when the branched waveguide is curved or bent, it resonates according to the waveguide. The electrode may be bent or bent. In addition, if the operational efficiency applied to the branched optical waveguides is the same and the requirements to be arranged at positions where they are odd-mode coupled to each other are satisfied, each signal electrode (resonance type electrode) is not limited to a linear type but a ring type. There is no problem.

また、MZ干渉計を構成する光導波路に対する共振型電極の位置は、上述したように、MZ干渉計の中心に一致するように、2つの共振型電極を配置するもの限定されず、例えば、図7に示すように、MZ干渉計の分岐導波路の一部に共振型電極31,32が偏在するように構成したり、また、図8に示すように、共振型電極の一部のみを分岐導波路と重なるように配置し、共振型電極が光導波路に作用する作用部(範囲S)と非作用部とから構成されるよう配置することも可能である。なお、図8のような場合には、非作用部の共振型電極の形状や配置は、上述した共振型電極全体が作用部となるものと比較し、設計の自由度が増加する。   Further, as described above, the position of the resonance electrode with respect to the optical waveguide constituting the MZ interferometer is not limited to the arrangement of the two resonance electrodes so as to coincide with the center of the MZ interferometer. 7, the resonance type electrodes 31 and 32 are configured to be unevenly distributed in a part of the branching waveguide of the MZ interferometer, or only part of the resonance type electrode is branched as shown in FIG. It is also possible to arrange so that it overlaps with the waveguide, and the resonance type electrode is constituted by an action part (range S) acting on the optical waveguide and a non-action part. In the case of FIG. 8, the shape and arrangement of the resonance electrode of the non-acting portion increases the degree of design freedom compared to the case where the entire resonance electrode described above becomes the action portion.

本発明の光制御素子を駆動するには、図9に示すように、一つの駆動回路で構成することが可能となる。駆動回路の例としては、信号源からの所定周波数の信号をドライバに入れ、所定の信号電圧に増幅した後、ノイズを除去する帯域フィルタを介して、光制御素子の入力配線部40に入力する。本発明と異なる、2系列の制御信号を同相かつ同じ大きさで給電する光制御素子では、差動ドライバや外部位相器などが必要であるが、本発明の光制御素子は、一つの駆動回路のみで駆動することが可能となり、装置全体を低コスト化することが可能となる。   In order to drive the light control element of the present invention, as shown in FIG. 9, it can be constituted by one drive circuit. As an example of a drive circuit, a signal having a predetermined frequency from a signal source is input to a driver, amplified to a predetermined signal voltage, and then input to the input wiring section 40 of the light control element through a bandpass filter that removes noise. . Unlike the present invention, an optical control element that feeds two series of control signals with the same phase and the same magnitude requires a differential driver, an external phase shifter, and the like. However, the optical control element of the present invention has a single drive circuit. It becomes possible to drive only by this, and the whole apparatus can be reduced in cost.

また、本発明の光制御素子をパルサーに適用した場合には、以下のような効果も期待できる。
・高速、超低電圧、小型パルサー実現
・消費電力の画期的削減
・低コストな駆動系の使用による、ユーザーのコスト削減
・周辺回路を含めたサイズダウン、集積度の改善
・サイズダウンによるデバイス取れ数増加によるコストダウン
Further, when the light control element of the present invention is applied to a pulser, the following effects can be expected.
・ Realization of high-speed, ultra-low voltage, small pulsar ・ Innovative reduction of power consumption ・ Reduction of user cost by using low-cost drive system ・ Size reduction including peripheral circuits, improvement of integration ・ Device by size reduction Cost reduction by increasing the number

以上説明したように、本発明によれば、低駆動電圧化及び小型化が可能な光制御素子を提供することであり、特に、低コストな駆動系部品の使用による低コスト化が可能な光制御素子を提供することが可能となる。   As described above, according to the present invention, there is provided a light control element capable of reducing the driving voltage and reducing the size, and in particular, the light capable of reducing the cost by using low-cost driving system components. A control element can be provided.

1 電気光学効果を有する基板
2 光導波路
21,22 分岐導波路
3 制御電極
31,32 信号電極(共振型電極)
33 接地電極
41,42 給電電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate having electro-optic effect 2 Optical waveguide 21, 22 Branched waveguide 3 Control electrode 31, 32 Signal electrode (resonance type electrode)
33 Ground electrode 41, 42 Feed electrode

Claims (6)

電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された複数の光導波路と、該基板に設けられ、該光導波路を伝搬する光の位相を制御するための制御電極とを有する光制御素子において、
該制御電極は、同じ共振周波数を有する少なくとも2つの共振型電極と、該共振型電極の各々に制御信号を給電する給電電極とを備え、
各共振型電極の形状及び形成位置、並びに各共振型電極への給電電極による給電位置は、互いに奇モード結合が可能なように設定され、
該給電電極は、1本の入力配線部を複数に分岐した分岐配線部を有し、
各共振型電極には、該分岐配線部により同相又は所定位相差を有する制御信号が給電されていることを特徴とする光制御素子。
In a light control element having a substrate having an electro-optic effect, a plurality of optical waveguides formed on the substrate, and a control electrode provided on the substrate for controlling the phase of light propagating through the optical waveguide,
The control electrode includes at least two resonance electrodes having the same resonance frequency, and a feeding electrode that supplies a control signal to each of the resonance electrodes,
The shape and formation position of each resonance electrode, and the power supply position by the power supply electrode to each resonance electrode are set so that odd mode coupling is possible with each other,
The power supply electrode has a branch wiring part that branches one input wiring part into a plurality of parts,
An optical control element, wherein a control signal having the same phase or a predetermined phase difference is fed to each resonance electrode by the branch wiring portion.
請求項1に記載の光制御素子において、該光導波路は、単一又は複数のマッハツェンダー干渉計を構成し、前記2つの共振型電極は、該マッハツェンダー干渉計を構成する2つの分岐導波路に対応して配置されていることを特徴とする光制御素子。   2. The light control element according to claim 1, wherein the optical waveguide constitutes one or a plurality of Mach-Zehnder interferometers, and the two resonant electrodes constitute two branch waveguides constituting the Mach-Zehnder interferometer. The light control element is arranged corresponding to the above. 請求項1又は2に記載の光制御素子において、該所定位相差は、所定周波数を有する制御信号に対して、2πの整数倍であることを特徴とする光制御素子。   3. The light control element according to claim 1, wherein the predetermined phase difference is an integer multiple of 2π with respect to a control signal having a predetermined frequency. 請求項1乃至3のいずれかに記載の光制御素子において、該給電電極は、1本の入力配線部を2本に分岐した分岐配線部を有し、各分岐配線部における該給電電極のインピーダンスと、各共振型電極の該給電位置におけるインピーダンスとは、該入力配線部における該給電電極のインピーダンスの略2倍に設定されていることを特徴とする光制御素子。   4. The light control element according to claim 1, wherein the power supply electrode has a branch wiring portion obtained by branching one input wiring portion into two, and the impedance of the power supply electrode in each branch wiring portion. 5. And the impedance at the power feeding position of each resonant electrode is set to be approximately twice the impedance of the power feeding electrode at the input wiring portion. 請求項1乃至4のいずれかに記載の光制御素子において、該共振型電極は、1本の信号電極を有し、該信号電極の長さは、所定周波数を有する制御信号が該信号電極上に形成する波長より、長いことを特徴とする光制御素子。   5. The light control element according to claim 1, wherein the resonant electrode has one signal electrode, and the length of the signal electrode is such that a control signal having a predetermined frequency is on the signal electrode. A light control element characterized in that the light control element is longer than the wavelength to be formed. 請求項1乃至6のいずれかに記載の光制御素子において、該給電位置は、該共振型電極の中心に最も近い位置に設定されていることを特徴とする光制御素子。   7. The light control element according to claim 1, wherein the feeding position is set at a position closest to the center of the resonance electrode.
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