JP2012252117A

JP2012252117A - 光変調器

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Publication number: JP2012252117A
Application number: JP2011123975A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kono; 健治河野; Yuji Sato; 勇治佐藤; Masaya Nanami; 雅也名波
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2012-12-20

Abstract

【課題】親マッハツェンダ光導波路に印加するＤＣバイアス電圧について改善されたネスト型の光変調器を提供する。
【解決手段】子マッハツェンダ光導波路を成す２本の光導波路の上方にバイアスを印加するための中心導体の役割を成す２つの電極を各々有し、該２つの電極に同相のバイアス電圧を印加することにより、親マッハツェンダ光導波路としてのバイアスを設定するネスト型の光変調器であって、子マッハツェンダ光導波路を成す２本の光導波路と当該２本の光導波路の上方に形成された前記２つの電極の位置が光の導波方向と交わる方向にずれた状態であっても当該２本の光導波路において発生する屈折率変化が互いに等しくなるように、接地導体の役割をなす３つの電極を、光の導波方向と交わる方向における前記２つの電極の各電極の両側にして当該２つの電極の間は共通で設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は高速で駆動電圧が低く、かつＤＣバイアス電圧が小さく、製作の歩留まりの良い光変調器の分野に属する。

リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、リチウムナイオベート基板をＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ/ｓ、１０Ｇｂｉｔ/ｓの大容量光伝送システムに適用されている。最近はさらに４０Ｇｂｉｔ/ｓ、あるいは１００Ｇｂｉｔ/ｓの超大容量光伝送システムにも適用が検討されており、キーデバイスとして期待されている。

（従来技術）
このＬＮ光変調器にはｚ―カット基板を使用するタイプとｘ−カット基板（あるいはｙ−カット基板）を使用するタイプがある。ここでは複数の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）を有するいわゆるネスト構造のＤＱＰＳＫ光変調器を例にとる。勿論、ここでの議論はＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器のようなより複雑なネスト構造の光変調器にも適用可能である。

特許文献１に開示されたバイアス電極に関する技術を、ネスト構造のＤＱＰＳＫ光変調器に応用した形態で従来技術として採り上げ、その上面図を図６に示す。図中、１はｚ-カットＬＮ基板、２は１．３μｍあるいは１．５５μｍなど光通信において使用する波長領域で透明な厚みＤのＳｉＯ_２バッファ層（なお、厚みＤは２００ｎｍから１μｍ程度である）、３はｚ-カットＬＮ基板１にＴｉを蒸着後、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（マッハツェンダ光導波路、あるいはＭＺ光導波路）を構成しているということができる。

図６からわかるように、入力用光導波路３に入射した光は分岐されて３ａ、３ｂの２本の光導波路（アーム）を具備する子ＭＺ光導波路３ａｂと、３ｃ、３ｄの２本の光導波路を具備する子ＭＺ光導波路３ｃｄを伝搬する。また、子ＭＺ光導波路３ａｂと子ＭＺ光導波路３ｃｄを各々１本の光導波路と考えると、図６に示したマッハツェンダ干渉系は入力用光導波路３、子ＭＺ光導波路３ａｂ、子ＭＺ光導波路３ｃｄ、及び出力用光導波路３´からなる親ＭＺ光導波路を構成している。

光は光導波路３ａ、３ｂ、及び３ｃ、３ｄを伝搬しつつ不図示の進行波電極と相互作用する。またその際に変調の効率を最大とするために子ＭＺ光導波路３ａｂにおいて光導波路３ａと３ｂを伝搬する光の位相がπずれるように光導波路３ａと３ｂには不図示の子ＭＺ光導波路用バイアス電極が具備される。同様に、子ＭＺ光導波路３ｃｄにおいても光導波路３ｃと３ｄを伝搬する光の位相がπずれるように光導波路３ｃと３ｄに不図示の子ＭＺ用バイアス電極が具備される。

さらに、子ＭＺ光導波路３ａｂと子ＭＺ光導波路３ｃｄを伝搬する光の位相がπずれるように、親ＭＺ光導波路用バイアス電極Ｉが形成されている。ここで電極４ａと４ｂは各々光導波路３ａと３ｂの上に、また電極６ａと６ｂは各々電極４ａと４ｂの接地導体の役割をしている。

一方、給電電極７により電極６ａと６ｂに接続された電極６ｃと６ｄは各々光導波路３ｃと３ｄの上に形成され、給電電極５により電極４ａと４ｂに接続された電極４ｃと４ｄは電極６ｃと６ｄの接地導体の役割をしている。

図６からわかるように、電極４ａと４ｂは互いに同電位であるため、光導波路３ａと３ｂに互いに同じ大きさの屈折率変化Δｎを与え、電極６ｃと６ｄは互いに同電位であるため、光導波路３ｃと３ｄに符号が反対で絶対値が同じ大きさの屈折率変化−Δｎを与える構成となっている。

次に、図６に示した従来技術における問題点を説明するために図６のＡ−Ａ´における断面図を図７に示す。なお電極４ａと４ｂの中心線間の距離（光導波路３ａ、３ｂの中心線間の距離）をＳとする。

さてここで給電電極５に正のバイアス電圧を、給電電極７に負のバイアス電圧を印加したとする。この場合、図７に示すように、電極４ａから発せられた後に接地導体の役割をする電極６ａに向かう電気力線８ａは光導波路３ａに印加され、電極４ｂから発せられた後に接地導体の役割をする電極６ｂに向かう電気力線８ｂは光導波路３ｂに印加される。そして、図７において光導波路３ａと３ｂに対して同じ方向（図７において下向き）に印加されている。

なお、図６からわかるように、光導波路３ｃと光導波路３ｄにおいては図７と逆向きの不図示の電気力線が光導波路３ｃと３ｄに印加されることになる。

ところが、実際の光変調器の開発では図７において電極４ａを光導波路３ａの最適位置に、また電極４ｂを光導波路３ｂの最適位置に配置することは極めて難しく、少し誇張して描いてはいるが、図８のように光導波路３ａと３ｂとそれらの上に配置した電極４ａと４ｂとは最適配置からのパターンずれを生じてしまう（このことは光導波路３ｃと３ｄとそれらの上に配置した電極６ｃと６ｄについても言うことができる）。

電極４ａと４ｂは同電位であるため、電極４ａと４ｂの間に電気力線の行き来はない。従って、図８のようにパターンずれした場合には、光導波路３ｂに印加される電気力線８ｂの数は著しく減少する。一方、光導波路３ａについては電気力線８ｂが多く存在する箇所へ位置ずれするため、光導波路３ａに印加される電気力線８ａの数の減少は急激ではなく、緩やかである。

この様子を図９に示す。図９において横軸は光導波路３ａ、３ｂと電極４ａ、４ｂ、６ａ、６ｂとのパターンずれ量Δｘであり、縦軸は光導波路３ａと３ｂの屈折率が電界効果により変化する効率を表している。実線と点線は各々光導波路３ａと３ｂに対応している。図６の親ＭＺ光導波路用バイアス電極Ｉについて、電極４ａ、４ｂと光導波路３ａ、３ｂ、及び電極６ｃ、６ｄと光導波路３ｃ、３ｄとがパターンずれすると電界効果による屈折率変化の効率ηが光導波路３ａ、３ｂにおいて異なり、それらの間にΔηの差が生じてしまう（なお、詳しい説明は省略するが、この時光導波路３ｃと３ｄの間には屈折率変化の効率について−Δηの差が生じる）。

従って、実際に光変調器を動作させる際、親ＭＺ光導波路用バイアス電極Ｉ（具体的には電極４ａ、４ｂ、６ａ、及び６ｂと電極６ｃ、６ｄ、４ｃ、及び４ｄ）に電圧を印加させると光導波路３ａ、３ｂ間の位相差に変化が生じてしまい、光導波路３ａ、３ｂが構成する子ＭＺ光導波路としてのバイアス状態が最適条件からずれてしまう。同様に、光導波路３ｃ、３ｄ間の位相差に変化が生じてしまい、光導波路３ｃ、３ｄが構成する子ＭＺ光導波路としてのバイアスが最適条件からずれてしまう。

特開昭６２−１４６２７号公報

以上のように、従来技術では親ＭＺ光導波路用バイアス電極に電圧を印加すると、親ＭＺ光導波路用バイアス電極と光導波路との位置ずれのために、親ＭＺ光導波路のネスト内にある各子ＭＺ光導波路を構成する光導波路の屈折率変化が互いに等しくはならなくなっていた。そのため、トランスポンダの構成部品として動作させた際に、電気回路が親ＭＺ光導波路用バイアス電極に電圧を印加すると、子ＭＺ光導波路としてのバイアス状態が最適条件からずれてしまい、オートバイアスコントロール（ＡＢＣ）がバイアス状態を収束できなくなるという問題があった。

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光導波路を有し、当該光導波路は親マッハツェンダ光導波路の分岐光導波路上に子マッハツェンダ光導波路をそれぞれ有するネスト型構造を成し、前記子マッハツェンダ光導波路を成す２本の光導波路の上方にバイアスを印加するための中心導体の役割を成す２つの電極を各々有し、該２つの電極に同相のバイアス電圧を印加することにより、前記親マッハツェンダ光導波路としてのバイアスを設定する光変調器であって、前記子マッハツェンダ光導波路を成す前記２本の光導波路と当該２本の光導波路の上方に形成された前記２つの電極の位置が前記光の導波方向と交わる方向にずれた状態であっても当該２本の光導波路において発生する屈折率変化が互いに等しくなるように、接地導体の役割をなす３つの電極を、前記光の導波方向と交わる方向における前記２つの電極の各電極の両側にして当該２つの電極の間は共通で設けたことを特徴としている。

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記載の光変調器において、接地導体の役割をなす前記３つの電極の幅を互いに略等しく設定したことを特徴としている。

本発明を適用することにより、親ＭＺ光導波路用バイアス電極にバイアス電圧を印加した場合において、親ＭＺ光導波路のネスト内にある各子ＭＺ光導波路を構成する２本の光導波路の屈折率変化を互いに等しくすることができる。そのため親ＭＺ光導波路用バイアス電極にバイアス電圧を印加した際における子ＭＺ光導波路としてのバイアス状態が最適条件からずれることがなくなるという極めて重要な効果がある。

本発明の光変調器における実施形態の模式的な上面図本発明の実施形態を表す図１のＢ−Ｂ´線における断面図本発明の原理を説明する図本発明の原理を説明する図本発明の原理を説明する図従来技術の模式的な上面図従来技術を表す図６のＡ−Ａ´線における断面図従来技術の問題点を説明する図従来技術の問題点を説明する図

以下、本発明の実施形態について説明するが、図６から図９に示した従来技術と同一番号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一番号を持つ機能部の説明を省略する。

（実施形態）
図１に本発明における第１の実施形態の概略上面図を示す。子ＭＺ光導波路３ａｂと子ＭＺ光導波路３ｃｄを伝搬する光の位相がπずれるように、親ＭＺ光導波路用バイアス電極ＩＩが形成されている。ここで電極９ａと９ｂは各々光導波路３ａ´と３ｂ´の上に、また電極１１ａ、１１ｂ及び新たに設けられた１１ｃが電極９ａと９ｂの接地導体の役割をしている。

一方、給電電極１２により電極１１ａ、１１ｂ及び１１ｃに接続された電極１１ｄと１１ｅは、各々光導波路３ｃ´と３ｄ´の上に形成され、給電電極１０により電極９ａと９ｂと接続された電極９ｃ、９ｄ、及び９ｅが電極１１ｄと１１ｅの接地導体の役割をしている。

図６に示した従来技術と同じく、電極９ａと９ｂは互いに同電位であるため、光導波路３ａ´と３ｂ´に同じ大きさの屈折率変化を与える。また、電極１１ｄと１１ｅは互いに同電位であるため、光導波路３ｃと３ｄに同じ大きさの屈折率変化を与える。

本発明と図６と図７に示した従来技術との差異を説明するために、図２に図１のＢ−Ｂ´における断面図を示す。ここで給電電極１０に正のバイアス電圧を、給電電極１２に負のバイアス電圧を印加したとする。なお、図６や図７に示した従来技術と比較して、電極９ａと９ｂに対して接地導体の役割をする電極１１ｃを新たに設けたので、電極９ａ、９ｂの中心線間の距離（光導波路３ａ´、３ｂ´の中心線間の距離）Ｓ´は図７のＳに比べて広くするのが好適である。

図２に示すように、本発明では電極９ａから発せられた後に接地導体の役割をする電極１１ａに向かう電気力線８ａ´と１１ｃに向かう電気力線８ａ´´は電極９ａの中心線に対してほぼ左右対称に分布し、光導波路３ａ´に対して印加される。電極９ｂから発せられた後に接地導体の役割をする電極１１ｂと電極１１ｃに向かう電気力線８ｂ´と８ｂ´´は電極９ｂの中心線に対してほぼ左右対称に分布し、光導波路３ｂ´に対して印加される。そして、図７と同様に図２においても光導波路３ａ´と３ｂ´に対して同じ方向（図２において下向き）に印加されている。なお、図１からわかるように、光導波路３ｃ´と３ｄ´においては図２と逆向きの不図示の電気力線が光導波路３ｃ´と３ｄ´に印加されることになる。

図２において説明したように、本発明では電極９ａから発せられた電気力線８ａ´と８ａ´´が電極９ａの中心線に対してほぼ左右対称に分布し、電極９ｂから発せられた電気力線８ｂ´と８ｂ´´も電極９ｂの中心線に対してほぼ左右対称に分布する。従って、図３のように中心導体の役割をする電極９ａと９ｂ、及び接地導体の役割をする１１ａ、１１ｂ、１１ｃと光導波路３ａ´、３ｂ´がパターンずれしても、光導波路３ａ´へ印加される電気力線８ａ´、８ａ´´と、光導波路３ｂ´に印加される電気力線８ｂ´、８ｂ´´の本数はほぼ等しいので、親ＭＺ光導波路に印加されたバイアス電圧による光導波路３ａ´と３ｂ´の屈折率変化もほぼ等しくなる。

この様子を図４に示す。図４の横軸は光導波路３ａ´、３ｂ´と電極９ａ、９ｂ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃとのパターンずれ量Δｘであり、縦軸は電界効果による光導波路３ａ´と３ｂ´の屈折率変化の効率である。光導波路３ａ´と３ｂ´について屈折率変化の効率がほぼ等しいので、図４では１本の線のように描かれている。なお、図１において光導波路３ｃ´、３ｄ´についても同じことが成り立つ。

このように、本発明はパターンずれしても親ＭＺ光導波路を構成する子ＭＺ光導波路の２本の光導波路に発生する屈折率変化がほぼ等しいので、本発明を適用することにより、光変調器の製作の歩留まりを極めて高くすることが可能となった。

ここで、図５を用いて本発明における電極の幅や電極間のギャップについて説明する。この図５も図２と同位置における断面である。電極９ａの幅をＳａ、電極９ｂの幅をＳｂ、電極１１ａの幅をＷａ、電極１１ｃの幅をＷｂ、電極１１ｃの幅をＷｃとしている。また、電極９ａと電極１１ａ及び１１ｃとの間のギャップを各々ＧａとＧｂ、電極９ｂと電極１１ｃ及び１１ｂとの間のギャップを各々ＧｃとＧｄとすると、図４の結果はＳａ＝Ｓｂ、Ｇａ＝Ｇｂ＝Ｇｃ＝Ｇｄ、Ｗａ＝Ｗｂ＝Ｗｃとした場合の結果である。なお、Ｓａ＝Ｓｂ＝Ｗａ＝Ｗｂ＝Ｗｃとしても良いが、Ｓａ＝Ｓｂ＜Ｗａ＝Ｗｂ＝Ｗｃ、特にＷａ＝Ｗｂ＝ＷｃをＳａ＝Ｓｂの３倍以上とすると屈折率変化の効率を大幅に改善できることを確認している。

各電極やギャップを図５のように設定することにより本発明の効果を完全に発揮できるが、光導波路３ａ´と３ｂ´との間にあり、接地導体の役割をする電極１１ｃの幅ＷｃがギャップＧｂやＧｃに比べて３倍以上広い場合には、電極１１ｃの幅Ｗｃは無限に広い場合とほぼ同じと見なせることを確認している。そのため、同じく接地導体の役割をする電極１１ａや１１ｂの幅もギャップＧｂやＧｃに比べて３倍以上広ければ、Ｗａ、Ｗｂ、及びＷｃの値は等しくなくても良いことは言うまでもない。但し、電極９ａの幅Ｓａと９ｂの幅Ｓｂは等しいことが望ましい。

（各実施形態について）
以上の実施形態ではプレーナ構造を用いて説明してきたが、リッジ構造でも良いことはいうまでもない。

また、進行波電極としては具体的な構造について説明しなかったが、ＣＰＷ電極でも良いし、非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）や対称コプレーナストリップ（ＣＰＳ）などの各種進行波電極、あるいは集中定数型の電極でも良いことは言うまでもない。

また、基板の一部に分極反転を含むか含まないかは親ＭＺ光導波路のバイアスについて本質的に関連しないので、分極反転を含んでいても良いことはいうまでもない。

基板はｚ−カットＬＮ基板のみでなく、ｘカットＬＮ基板でも良いし、リチウムタンタレートや半導体などその他の基板でも良い。

さらに、ネスト構造のＭＺ光導波路が全てＬＮ光導波路で構成されているＬＮモノリシック光変調器として説明してきたが、屈折率変化を生じさせる部分にはＬＮ光導波路を用い、Ｙ分岐などには石英光導波路を用いる、いわゆるＰＬＣ―ＬＮハイブリッド光変調器にも適用可能であることは言うまでもない。

１：ｚ−カットＬＮ基板
２：ＳｉＯ_２バッファ層
３：入力用光導波路
３´：出力用光導波路
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ａ´、３ｂ´、３ｃ´、３ｄ´：光導波路
３ａｂ、３ｃｄ：子ＭＺ光導波路
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ：電極
５、７、１０、１２：給電電極
８ａ、８ｂ、８ａ´、８ｂ´、８ａ´´、８ｂ´´：電気力線
Ｉ、ＩＩ：親ＭＺ光導波路用バイアス電極

Claims

電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路を有し、当該光導波路は親マッハツェンダ光導波路の分岐光導波路上に子マッハツェンダ光導波路をそれぞれ有するネスト型構造を成し、
前記子マッハツェンダ光導波路を成す２本の光導波路の上方にバイアスを印加するための中心導体の役割を成す２つの電極を各々有し、該２つの電極に同相のバイアス電圧を印加することにより、前記親マッハツェンダ光導波路としてのバイアスを設定する光変調器であって、
前記子マッハツェンダ光導波路を成す前記２本の光導波路と当該２本の光導波路の上方に形成された前記２つの電極の位置が前記光の導波方向と交わる方向にずれた状態であっても当該２本の光導波路において発生する屈折率変化が互いに等しくなるように、
接地導体の役割をなす３つの電極を、前記光の導波方向と交わる方向における前記２つの電極の各電極の両側にして当該２つの電極の間は共通で設けたことを特徴とする光変調器。
接地導体の役割をなす前記３つの電極の幅を互いに略等しく設定したことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。