JP2012155046A - Optical modulator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気光学効果を利用して、光導波路に入射した光を高周波電気信号で変調して光信号パルスとして出射し、RF駆動電圧とともにDCバイアス電圧が小さい光変調器に関する。 The present invention relates to an optical modulator that uses electro-optic effects to modulate light incident on an optical waveguide with a high-frequency electrical signal and emit it as an optical signal pulse, and has a small DC bias voltage together with an RF drive voltage.
近年、高速、大容量の光通信システムが実用化されている。このような高速、大容量の光通信システムに組込むための高速、小型、低価格、かつ高安定な光変調器の開発が求められている。 In recent years, high-speed and large-capacity optical communication systems have been put into practical use. There is a demand for the development of a high-speed, small, low-cost, and highly stable optical modulator for incorporation into such a high-speed, large-capacity optical communication system.
このような要望に応える光変調器として、リチウムナイオベート(LiNbO3)のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板(以下、LN基板と略す)に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器(以下、LN光変調器と略す)がある。このLN光変調器は、その優れたチャーピング特性から2.5Gbit/s、10Gbit/sの大容量光通信システムに適用されている。最近はさらに40Gbit/sの超大容量光通信システムにも適用が検討されている。 As an optical modulator that meets such demands, a light modulator such as lithium niobate (LiNbO 3 ) is used for a substrate having a so-called electro-optical effect (hereinafter abbreviated as an LN substrate) whose refractive index changes by applying an electric field. There is a traveling wave electrode type lithium niobate optical modulator (hereinafter abbreviated as an LN optical modulator) in which a waveguide and a traveling wave electrode are formed. This LN optical modulator is applied to a large capacity optical communication system of 2.5 Gbit / s and 10 Gbit / s because of its excellent chirping characteristics. Recently, application to a 40 Gbit / s ultra-high capacity optical communication system is also being studied.
以下、従来、実用化され、又は提唱されてきたリチウムナイオベートの電気光学効果を利用したLN光変調器について説明する。 Hereinafter, an LN optical modulator using the electro-optic effect of lithium niobate that has been put to practical use or has been proposed will be described.
(第1の従来技術)
特許文献1に開示された、z−カットLN基板を用いて構成した、いわゆるリッジ型LN光変調器を第1の従来技術の光変調器として図6にその概略斜視図を示す。ここで、図7は図6の概略上面図であり、図8は図6と図7のA−A´線における概略断面図である。
(First prior art)
FIG. 6 shows a schematic perspective view of a so-called ridge type LN optical modulator disclosed in
z−カットLN基板1上に光導波路3が形成されている。この光導波路3は、金属Tiを1050℃で約10時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系(あるいは、マッハツェンダ光導波路)を構成している。したがって、光導波路3の電気信号と光が相互作用する部位(相互作用部と言う)には2本の相互作用光導波路3a、3b、つまりマッハツェンダ光導波路の2本のアームが形成されている。
An
この光導波路3の上面にSiO2バッファ層2が形成され、このSiO2バッファ層2の上面に進行波電極4が形成されている。進行波電極4としては、1つの中心導体4aと2つの接地導体4b、4cを有するコプレーナウェーブガイド(CPW)を用いている。なお、通常、進行波電極4は貴金属材料であるAuにより形成されている。5はz−カットLN基板1を用いて製作したLN光変調器に特有の焦電効果に起因する温度ドリフトを抑圧するための導電層であり、通常はSi導電層を用いるが、ここでは図の簡単化のために省略する。中心導体4aの幅は各種の値をとるが、多くの場合7μm程度であり、中心導体4aと接地導体4b、4cの間のギャップも各種の値をとるが、15μm程度であることが多い。なお、説明を簡単にするために、図6では図示した温度ドリフト抑圧のためのSi導電層5を図7や図8においては省略している。また、以下においてもSi導電層5は省略して議論する。6は高周波電気信号(あるいは、マイクロ波)の給電線であり、高周波コネクタやマイクロ波線路である。7は高周波電気信号の出力線路であり、通常電気的終端が使われるが、高周波コネクタやマイクロ波線路でも良い。
An SiO 2 buffer layer 2 is formed on the upper surface of the
また、図7のIとして示された領域では中心導体4aと接地導体4b、4cとを伝搬する高周波電気信号と2本の相互作用光導波路3a、3bを伝搬する光とが相互作用するので高周波電気信号用相互作用部(あるいは簡単に相互作用部)と呼ばれる。
Further, in the region shown as I in FIG. 7, the high-frequency electric signal propagating through the
この第1の従来技術では、z−カットLN基板1をエッチングなどで掘り込むことにより、凹部9a、9b、及び9c(あるいは、リッジ部8a、8bとも言える)を形成している。ここで、12はリッジ部(ここでは8a)の側壁である。
In the first prior art, the
このリッジ構造を採ることにより、高周波電気信号(あるいは、マイクロ波)の実効屈折率(あるいは、マイクロ波実効屈折率)、特性インピーダンス、変調帯域、駆動電圧などにおいて優れた特性を実現することができる。なお、図8では凹部9a、9b、及び9cの深さ(あるいはリッジ部8a、8bの高さ)を強調して描いているが、実際には数μm程度の深さであり、中心導体4aや接地導体4b、4cの厚みである数十μmに比較すると、その値は小さい。
By adopting this ridge structure, it is possible to realize excellent characteristics in the effective refractive index (or microwave effective refractive index), characteristic impedance, modulation band, driving voltage, etc. of a high-frequency electric signal (or microwave). . In FIG. 8, the depths of the
次に、この第1の従来技術であるLN光変調器の動作について説明する。このLN光変調器を動作させるには、中心導体4aと接地導体4b、4c間にDCバイアス電圧と高周波電気信号とを印加する必要がある。
Next, the operation of the first conventional LN optical modulator will be described. In order to operate this LN optical modulator, it is necessary to apply a DC bias voltage and a high-frequency electric signal between the
図9に示す電圧−光出力特性はLN光変調器の電圧−光出力特性であり、Vbはその際のDCバイアス電圧である。この図9に示すように、通常、DCバイアス電圧Vbは光出力特性の山と底の中点に設定される。この第1の従来技術では、高周波電気信号と光とが相互作用する相互作用部IにDCバイアス電圧も印加するので、高周波電気信号の出力部に設ける不図示の電気的終端にコンデンサーを具備させることによりバイアスTの機能を持たせる必要があり、構造が複雑となってしまう。 The voltage-light output characteristic shown in FIG. 9 is the voltage-light output characteristic of the LN optical modulator, and Vb is the DC bias voltage at that time. As shown in FIG. 9, the DC bias voltage Vb is normally set at the midpoint between the peak and bottom of the light output characteristic. In the first prior art, since a DC bias voltage is also applied to the interaction part I where the high-frequency electrical signal and light interact, a capacitor is provided at the electrical terminal (not shown) provided at the output part of the high-frequency electrical signal. Therefore, it is necessary to provide the function of the bias T, and the structure becomes complicated.
(第2の従来技術)
図10は第2の従来技術の上面図であって、第1の従来技術において必要であったバイアスTを無くすために、不図示の電気的終端を抵抗のみとし、DCバイアスを新たに設けたDCバイアス部IIに印加する構造とした、いわゆるバイアス分離構造の光変調器である。この構造では、高周波電気信号が相互作用光導波路3a、3bと相互作用する高周波電気信号用相互作用部Iと、DCバイアス電圧が相互作用光導波路3a、3bに印加されるDCバイアス用相互作用部IIを具備しており、バイアス分離型構造と呼ばれる。その一例が特許文献2に開示されている。
(Second prior art)
FIG. 10 is a top view of the second prior art, and in order to eliminate the bias T required in the first prior art, the electrical termination (not shown) is only a resistor and a DC bias is newly provided. This is an optical modulator having a so-called bias separation structure that is applied to the DC bias unit II. In this structure, a high frequency electrical signal interaction unit I in which a high frequency electrical signal interacts with the interaction
図10のB−B´線とC−C´線における断面図を、各々図11(a)と(b)に示す。ここで、4a´は中心導体、4b´と4c´は接地導体である。9a´、9b´、及び9c´はDCバイアス用相互作用部の凹部であり、リッジ部8a´、8b´を形成している。11aと11bはDCバイアス電極である。
Sectional views taken along lines BB ′ and CC ′ in FIG. 10 are shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b), respectively. Here, 4a ′ is a central conductor, and 4b ′ and 4c ′ are ground conductors.
ここで、図10と図11に示した第2の従来技術の問題点について考察する。これまで、高周波電気信号用相互作用部Iのリッジ部8a、8bとDCバイアス用相互作用部IIのリッジ部8a´、8b´はドライエッチングにより同時に形成されて来た。そのため、高周波電気信号用相互作用部Iのリッジ部8a、8bの高さHiとDCバイアス用相互作用部IIのリッジ部8a´、8b´の高さHB´は同じ高さ、
Hi = HB´ (1)
である。つまり、一般的には、高周波電気信号用相互作用部のリッジ部の高さHiとDCバイアス用相互作用部のリッジ部の高さHB´とを同じ高さに設定することが、高周波電気信号の電圧(つまり、RF駆動電圧、あるいはRFVπ)とDCバイアス電圧(あるいはDCVπ)の面から最も好適であると考えられていた。
Here, the problem of the second prior art shown in FIGS. 10 and 11 will be considered. Until now, the
H i = H B ′ (1)
It is. That is, generally, the height H i of the ridge portion of the high frequency electrical signal interaction portion and the height H B ′ of the ridge portion of the DC bias interaction portion are set to the same height. In view of the voltage of the electric signal (that is, the RF drive voltage or RFVπ) and the DC bias voltage (or DCVπ), it was considered most preferable.
ところが、本出願人は詳細なシミュレーションの結果、一般に高周波電気信号用相互作用部Iに要求される最適リッジ部の高さHi,optとDCバイアス用相互作用部IIに要求される最適リッジ部の高さHB,optとは異なっていることを見出した。従って、高周波電気信号用相互作用部Iのリッジ部8a、8bの高さHiとDCバイアス用相互作用部IIのリッジ部8a´、8b´の高さHBとを同じ高さに設定する第2の従来技術では、RFVπとDCVπとを同時に低減することはできないことがわかった。
However, as a result of detailed simulations, the present applicant has found that the optimum ridge portion H i, opt and the optimum bias ridge portion required for the DC bias interaction portion II are generally required for the high frequency electrical signal interaction portion I. Was found to be different from the height H B, opt . Therefore, to set the
以上のように、従来技術では高周波電気信号用相互作用部のリッジ部の高さとDCバイアス用相互作用部のリッジ部の高さとを同じに設定していたので、高周波電気信号の電圧とDCバイアス電圧とを同時に充分に低減することはできなかった。 As described above, in the prior art, the height of the ridge portion of the high frequency electrical signal interaction portion and the height of the ridge portion of the DC bias interaction portion are set to be the same. The voltage could not be reduced sufficiently at the same time.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、高周波電気信号の電圧とDCバイアス電圧とを同時に充分に低減した光変調器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide an optical modulator in which the voltage of a high-frequency electrical signal and the DC bias voltage are sufficiently reduced simultaneously.
上記課題を解決するために、本発明の請求項1に記載の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための少なくとも2本の光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調する高周波電気信号が伝搬する高周波電気信号用の中心電極及び接地電極を有する進行波電極と、前記光にバイアス電圧を印加するバイアス電極とを有し、前記光導波路には前記進行波電極に前記高周波電気信号が印加されることにより前記光の位相を変調するための高周波電気信号用相互作用部と、前記バイアス電極にバイアス電圧を印加することにより前記光の位相を調整するためのバイアス用相互作用部とを具備し、前記高周波電気信号用相互作用部と前記DCバイアス用相互作用部の両方において前記光導波路に沿って前記基板の一部を掘り下げて形成された凹部によりリッジ部をなす光変調器において、前記高周波電気信号用相互作用部における前記リッジ部の高さと前記DCバイアス用相互作用部における前記リッジ部の高さとが異ならしめて形成され、前記DCバイアス用相互作用部における前記リッジ部の高さが、前記高周波電気信号用相互作用部における前記リッジ部の高さよりも低く成ることを特徴としている。
In order to solve the above problems, an optical modulator according to
上記課題を解決するために、本発明の請求項2に記載の光変調器は、請求項1に記載の光変調器において、前記DCバイアス用相互作用部における前記2本の光導波路の間隔が、前記高周波電気信号用相互作用部における前記2本の光導波路の間隔よりも狭く形成されていることを特徴としている。 In order to solve the above-described problem, an optical modulator according to a second aspect of the present invention is the optical modulator according to the first aspect, wherein an interval between the two optical waveguides in the DC bias interaction unit is set. The high-frequency electrical signal interaction portion is formed narrower than the interval between the two optical waveguides.
上記課題を解決するために、本発明の請求項3に記載の光変調器は、請求項1または2に記載の光変調器において、前記高周波電気信号用相互作用部の前記リッジの高さが、前記高周波電気信号の電圧値が略最小となるような所定高さで形成され、前記DCバイアス用相互作用部の前記リッジの高さが、前記バイアス電圧値が略最小となるような所定高さで形成されていることを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problem, an optical modulator according to a third aspect of the present invention is the optical modulator according to the first or second aspect, wherein the height of the ridge of the high-frequency electrical signal interaction unit is The ridge height of the DC bias interaction unit is set to a predetermined height at which the bias voltage value is substantially minimized. It is characterized by being formed.
上記課題を解決するために、本発明の請求項4に記載の光変調器は、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の光変調器において、前記基板がz−カットLN基板であることを特徴としている。 In order to solve the above problem, an optical modulator according to a fourth aspect of the present invention is the optical modulator according to any one of the first to third aspects, wherein the substrate is a z-cut LN substrate. It is characterized by that.
本発明に係る光変調器では、高周波電気信号用相互作用部のリッジ部の高さとDCバイアス用相互作用部のリッジ部の高さとを異ならしめることにより、高周波電気信号の電圧(RFVπ)を充分低くした場合においても、同時にDCバイアス電圧(DCVπ)を充分に低減することが可能となるという優れた利点がある。 In the optical modulator according to the present invention, the height of the ridge portion of the high frequency electrical signal interaction portion and the height of the ridge portion of the DC bias interaction portion are made different from each other, thereby sufficiently increasing the voltage (RFVπ) of the high frequency electrical signal. Even when it is lowered, there is an excellent advantage that the DC bias voltage (DCVπ) can be sufficiently reduced at the same time.
以下、本発明の実施形態について説明するが、図6から図11に示した従来技術と同一の符号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一の符号を持つ機能部の説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. However, since the same reference numerals as those in the related art shown in FIGS. 6 to 11 correspond to the same functional units, description of the functional units having the same reference numerals is omitted here. To do.
(第1の実施形態)
図1は本発明における第1の実施形態の上面図である。図1のB−B´線とD−D´線における断面図を各々図2(a)と(b)に示す。第2の従来技術と同様に、高周波電気信号用相互作用部IとDCバイアス用相互作用部IIIとを備えるバイアス分離型の光変調器である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a top view of a first embodiment of the present invention. 2A and 2B are cross-sectional views taken along lines BB ′ and DD ′ in FIG. 1, respectively. Similar to the second prior art, this is a bias-separated type optical modulator comprising a high-frequency electrical signal interaction section I and a DC bias interaction section III.
高周波電気信号用相互作用部Iに対応する図2(a)からわかるように、第1の従来技術や第2の従来技術と同様に、中心導体4a´と接地導体4b´、4c´とからなる進行波電極を伝搬する高周波電気信号の実効屈折率が高周波電気信号用相互作用光導波路3bを伝搬する光の等価屈折率に近くなるように、リッジ部8a、8bの高さHiは従来技術と同じく高く設定されている。
As can be seen from FIG. 2 (a) corresponding to the high-frequency electrical signal interaction section I, the
一方、図2(b)からわかるように、DCバイアス用相互作用部IIIにおけるリッジ部8a´、8b´の高さHBは高周波電気信号用相互作用部Iのリッジ部8a、8bの高さHiよりも低く設定されている。つまり、
Hi > HB (2)
としている。
On the other hand, as can be seen from FIG. 2 (b), the
H i > H B (2)
It is said.
次に、本発明の原理について説明する。図3には、図2におけるリッジ部8a´、8b´の高さHBを変数とした際のDCVπを左縦軸に、またリッジ部8a、8bの高さHiを変数とした際のRFVπを右縦軸にとったグラフを示す。図に示すように、DCVπが最小となるリッジ部8a´、8b´の高さHB,optとRFVπが最小となるリッジ部8a、8bの高さHi,optとは値が異なり、(2)式が成り立っていることがわかる。
Next, the principle of the present invention will be described. In FIG. 3, the
(第2の実施形態)
図4は本発明における第2の実施形態の概略上面図である。第1の実施形態とは、DCバイアス用相互作用部の構成が異なっている。図4のB−B´線とE−E´線における断面図を各々図5(a)と(b)に示す。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a schematic top view of the second embodiment of the present invention. The configuration of the DC bias interaction unit is different from that of the first embodiment. Cross-sectional views taken along lines BB ′ and EE ′ of FIG. 4 are shown in FIGS. 5A and 5B, respectively.
図5に示すように、本実施形態ではE−E´線における断面においてDCバイアス用相互作用部IVにおける光導波路間3a、3bのギャップが、高周波電気信号相互作用部Iにおける光導波路間3a、3bのギャップよりも狭くなっている。このように光導波路間3a、3bのギャップを狭く構成すると、DCVπが最小となるリッジ部8a´、8b´の高さHB,optの値はより小さくなる。光導波路間3a、3bのギャップが狭くなるとDCVπが低くなるとともに、HB,optの値が小さいので製作にかかる時間も短くなり、さらにリッジ部8a´や8b´の側壁12に起因する光の挿入損失を低減できるという利点が生じる。
As shown in FIG. 5, in this embodiment, the gap between the
(各実施形態)
以上の説明では、分岐光導波路の例としてマッハツェンダ光導波路を用いたが、方向性結合器などその他の分岐合波型の光導波路にも本発明を適用可能であることは言うまでもない。また光導波路の形成法としてはTi熱拡散法の他に、プロトン交換法など光導波路の各種形成法を適用できるし、バッファ層としてAl2O3等のSiO2以外の各種材料も適用できる。
(Each embodiment)
In the above description, a Mach-Zehnder optical waveguide is used as an example of the branched optical waveguide. However, it goes without saying that the present invention can be applied to other branched / multiplexed optical waveguides such as directional couplers. As a method for forming the optical waveguide, various methods for forming the optical waveguide such as a proton exchange method can be applied in addition to the Ti thermal diffusion method, and various materials other than SiO 2 such as Al 2 O 3 can be applied as the buffer layer.
また、本発明はDCバイアス用相互作用部の電極構造に依存せず、CPW構造や非対称コプレーナストリップ(ACPS)構造、あるいは対称コプレーナストリップ(CPS)構造など、各種の電極構造について成り立つことはいうまでもない。 In addition, the present invention does not depend on the electrode structure of the DC bias interaction section, and can be applied to various electrode structures such as a CPW structure, an asymmetric coplanar strip (ACPS) structure, or a symmetric coplanar strip (CPS) structure. Nor.
また、図1〜5においては、高周波電気信号用相互作用部におけるリッジ部のギャップとDCバイアス用相互作用部におけるリッジ部のギャップとを等しく図示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。 1 to 5, the gap of the ridge portion in the high frequency electrical signal interaction portion and the gap of the ridge portion in the DC bias interaction portion are equally shown, but the present invention is limited to this. It is not a thing.
1:z−カットLN基板(LN基板)
2:SiO2バッファ層(バッファ層)
3:マッハツェンダ光導波路(光導波路)
3a、3b:マッハツェンダ光導波路を構成する相互作用光導波路
4:進行波電極
4a、4a´:中心導体
4b、4b´、4c、4c´:接地導体
6:高周波電気信号給電線
7:高周波電気信号出力線
8a、8a´、8b、8b´:リッジ部
9a、9a´、9b、9b´、9c、9c´:凹部
11a、11b:DCバイアス電極
12:リッジ部の側壁
I:高周波電気信号用相互作用部
II、III、IV:DCバイアス用相互作用部
1: z-cut LN substrate (LN substrate)
2: SiO 2 buffer layer (buffer layer)
3: Mach-Zehnder optical waveguide (optical waveguide)
3a, 3b: Interaction optical waveguide constituting the Mach-Zehnder optical waveguide 4: Traveling
Claims (4)
前記光導波路には前記進行波電極に前記高周波電気信号が印加されることにより前記光の位相を変調するための高周波電気信号用相互作用部と、前記バイアス電極にバイアス電圧を印加することにより前記光の位相を調整するためのバイアス用相互作用部とを具備し、
前記高周波電気信号用相互作用部と前記DCバイアス用相互作用部の両方において前記光導波路に沿って前記基板の一部を掘り下げて形成された凹部によりリッジ部をなす光変調器において、
前記高周波電気信号用相互作用部における前記リッジ部の高さと前記DCバイアス用相互作用部における前記リッジ部の高さとが異ならしめて形成され、
前記DCバイアス用相互作用部における前記リッジ部の高さが、前記高周波電気信号用相互作用部における前記リッジ部の高さよりも低く成ることを特徴とする光変調器。 A substrate having an electro-optic effect, at least two optical waveguides for guiding light formed on the substrate, and a high-frequency electric signal that is formed on one surface side of the substrate and modulates the light propagates A traveling wave electrode having a center electrode and a ground electrode for high-frequency electrical signals, and a bias electrode for applying a bias voltage to the light,
The optical waveguide has a high frequency electrical signal interaction unit for modulating the phase of the light by applying the high frequency electrical signal to the traveling wave electrode, and a bias voltage applied to the bias electrode. A bias interaction unit for adjusting the phase of the light,
In the optical modulator forming a ridge portion by a recess formed by digging down a part of the substrate along the optical waveguide in both the high-frequency electrical signal interaction portion and the DC bias interaction portion,
The height of the ridge portion in the high-frequency electrical signal interaction portion is different from the height of the ridge portion in the DC bias interaction portion,
The optical modulator, wherein a height of the ridge portion in the DC bias interaction portion is lower than a height of the ridge portion in the high frequency electrical signal interaction portion.
前記DCバイアス用相互作用部の前記リッジの高さが、前記バイアス電圧値が略最小となるような所定高さで形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光変調器。 The height of the ridge of the high-frequency electrical signal interaction part is formed at a predetermined height such that the voltage value of the high-frequency electrical signal is substantially minimum,
3. The optical modulator according to claim 1, wherein the height of the ridge of the DC bias interaction unit is formed at a predetermined height such that the bias voltage value is substantially minimum. 4. .
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JPN6013007228; Chang, W-C.: '"Ni:LiNbO3 ridge waveguide Mach-Zehnder electrooptic modulators fabricated by proton-exchaged wet et' Journal of Optical Communications Vol.21, No.2, 200004, p.73-78 * |
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