JP2014123032A - 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.
(従来技術)
従来技術の光変調器として、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光変調器をとりあげ、その概略上面図を図3に示す。また、図4(a)と(b)は図3のA−A´とB−B´線における概略断面図である。
(Conventional technology)
As a prior art optical modulator, a so-called ridge type LN optical modulator constructed using a z-cut LN substrate 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。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、本明細書では温度ドリフト抑圧のための通常用いるSi導電層を省略して議論を進める。
An SiO 2 buffer layer 2 is formed on the upper surface of the
また、図3において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、Iは高周波電気信号用相互作用部と呼ばれる。一方、IIとして示された領域では、バイアス電極5a―1と5a−2を有するバイアス電極5aとバイアス電極5b―1と5b−2を有するバイアス電極5bに印加されたバイアス電圧と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、DCバイアス用相互作用部(あるいはDCバイアス部、もしくは簡単にバイアス部)と呼ばれる。なお、下方に相互作用光導波路3a、3bがあるバイアス電極5b−2、5a―1をそれぞれ第1のバイアス電極、第2のバイアス電極とも言い、下方に相互作用光導波路3a、3bが無いバイアス電極5a−2と5b―1を、別のバイアス電極とも言う。
In the region indicated by I in FIG. 3, the high-frequency electric signal propagating through the
図4に示すように、この従来技術では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、リッジ部6a、6bを有するリッジ構造を形成している。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4ではリッジ部6a、6b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。
As shown in FIG. 4, in this prior art, the z-cut
図4(b)のバイアス相互作用部において、バイアス電極5a−1、5a−2と5b−1、5b−2との間に電圧が印加されることにより、電気力線7−1、7−2、及び7−3が発生し、この電気力線が光導波路3aと3bを伝搬する光と相互作用する。
In the bias interaction part of FIG. 4B, when a voltage is applied between the
この従来技術では、バイアス電極5a−1、5a−2と5b−1、5b−2のギャップがWと全て等しいので、バイアス電圧の電気力線7−1、7−2、及び7−3と光導波路3a、3bを伝搬する光との相互作用の効率が悪く、結果的にバイアス部の半波長電圧(あるいはDCVπ、DCバイアス電圧、もしくは簡単にバイアス電圧)が高いという問題があった。
In this prior art, since the gaps between the
以上のように、従来技術として示した構成においては、バイアス電極間のギャップが全て等しかったので、バイアス電圧の電気力線とバイアス部の光導波路を伝搬する光との相互作用の効率が悪く、結果的にバイアス部の半波長電圧(DCVπ)が高くなるという問題があった。 As described above, in the configuration shown as the prior art, since the gaps between the bias electrodes were all equal, the efficiency of interaction between the electric lines of force of the bias voltage and the light propagating through the optical waveguide of the bias unit was poor, As a result, there has been a problem that the half-wave voltage (DCVπ) of the bias portion becomes high.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、DCバイアス電圧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 DC bias voltage is sufficiently reduced at the same time.
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DCバイアス用相互作用部とを具備する光変調器において、前記DCバイアス用相互作用部における前記バイアス電極は、下方に前記2本の光導波路がある第1のバイアス電極および第2のバイアス電極と、下方に前記2本の光導波路が無い少なくとも1つの別のバイアス電極とで構成されており、前記第1のバイアス電極と前記第2のバイアス電極とのギャップが、前記第1のバイアス電極または前記第2のバイアス電極と前記別のバイアス電極とのギャップよりも狭いことを特徴としている。
In order to solve the above problems, an optical modulator according to
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、前記別のバイアス電極が2つで構成され、当該2つのうちの一方が前記第1のバイアス電極と相対向して配置され、当該2つのうちの他方が前記第2のバイアス電極と相対向して配置されることを特徴としている。 An optical modulator according to a second aspect of the present invention is the optical modulator according to the first aspect, wherein the another bias electrode is composed of two, and one of the two bias electrodes is the first bias electrode. And the other of the two is disposed opposite to the second bias electrode.
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DCバイアス用相互作用部は、前記基板を掘り下げることにより形成したリッジ構造を有することを特徴としている。
The optical modulator according to
本発明の請求項4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DCバイアス用相互作用部は、前記基板が平面構造であることを特徴としている。 An optical modulator according to a fourth aspect of the present invention is the optical modulator according to the first or second aspect, wherein the substrate for the DC bias interaction unit has a planar structure.
本発明に係る光変調器では、DCバイアス用相互作用部においてバイアス電極間のギャップを異ならしめることにより、バイアス電圧の電気力線と光導波路との相互作用の効率を高くすることができ、DCバイアス部の半波長電圧を低減することが可能となるという効果がある。 In the optical modulator according to the present invention, by making the gap between the bias electrodes different in the DC bias interaction section, the efficiency of the interaction between the electric field lines of the bias voltage and the optical waveguide can be increased. There is an effect that the half-wave voltage of the bias section can be reduced.
以下、本発明の実施形態について説明するが、図3から図4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 prior art shown in FIGS. 3 to 4 correspond to the same functional units, description of functional units having the same reference numerals is omitted here. To do.
(実施形態)
図1は本発明における光変調器の上面図である。図1のC−C´線とD−D´線における断面図を各々図2(a)と(b)に示す。本発明は従来技術と同様に、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。図1から分かるように、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とで、相互作用光導波路3aと3bとの間隔が異なっている。
(Embodiment)
FIG. 1 is a top view of an optical modulator according to the present invention. 2A and 2B are cross-sectional views taken along line CC ′ and DD ′ in FIG. 1, respectively. As in the prior art, the present invention is a bias-separated optical modulator that includes a high-frequency electrical signal interaction section I and a DC bias interaction section III. As can be seen from FIG. 1, the spacing between the interaction
まず、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、前述した従来技術と同様に、中心導体4aと接地導体4b、4cとからなる進行波電極4を伝搬する高周波電気信号の実効屈折率が相互作用光導波路3bを伝搬する光の等価屈折率に近くなるように、リッジ構造としている。
First, as can be seen from FIG. 2 (a) corresponding to the high frequency electrical signal interaction section I, the
そして本発明においては、図2(b)に示すように、DCバイアス用相互作用部IIIにおける光導波路3a、3bの上方にあるバイアス電極5b−2´と5a−1´との間のギャップW1を、バイアス電極5b−2´および5a−1´と下方に光導波路がないバイアス電極5a−2´および5b−1´とのギャップW2、W3よりも狭くしている。つまり、W1<W2、W3とする。なお、下方に相互作用光導波路3a、3bがあるバイアス電極5b−2´、5a―1´をそれぞれ第1のバイアス電極、第2のバイアス電極とも言い、下方に相互作用光導波路3a、3bが無いバイアス電極5a−2´と5b―1´を、別のバイアス電極とも言う。
In the present invention, as shown in FIG. 2B, the gap W between the
このように構成することにより、次の2つの作用効果を奏する。即ち、バイアス電極5a−1´と5b−2´との間のギャップW1が狭いので、電気力線上の電界を強くすることができ、かつ多くの電気力線を光導波路3a、3bに印加することが可能となる。この2つの効果により、結果的にDCバイアス部IIIでのDCVπを低減することができる。
By comprising in this way, there exist the following two effects. That is, applied since the gap W 1 between the
つまり、本発明ではW1<W2、W3とすることにより、光導波路3aの上方のバイアス電極5b−2´と光導波路3bの上方のバイアス電極5a−1´との間の電気力線7−1´の本数を、バイアス電極5b−2´と光導波路が下方に存在しないバイアス電極5a−2´との間の電気力線7−2´の本数やバイアス電極5a−1´と光導波路が下方に存在しないバイアス電極5b−1´との間の電気力線7−3´の本数よりも多く、かつ強度も強くなるようにしている。
That is, in the present invention, the electric lines of force between the
また、バイアス電極5b−1´とバイアス電極5a−2´が存在することにより電気力線7−2´と電気力線7−3´が存在するので、バイアス電極5a−1´やバイアス電極5b−2´と光導波路3bや3aとの位置ずれ(製造工程におけるパターンずれ)が生じた場合であっても、DCバイアス電圧が著しく上昇することはない。
Further, since the electric force lines 7-2 'and the electric force lines 7-3' are present due to the presence of the
なお、本発明はバイアス電極5b−1´とバイアス電極5a−2´のどちらか一方がなくても適用可能である。
The present invention can be applied without either the
(各実施形態)
以上の説明では、リッジ構造を有する光変調器について説明したが、本発明は平面構造の光変調器にも適用可能であることは言うまでもない。あるいは、高周波電気信号用相互作用部はリッジ構造で、DCバイアス用相互作用部は平面構造(あるいはプレーナ構造とも言う)の場合でも適用可能であることは言うまでもない。
(Each embodiment)
In the above description, an optical modulator having a ridge structure has been described, but it goes without saying that the present invention can also be applied to an optical modulator having a planar structure. Alternatively, it is needless to say that the high-frequency electrical signal interaction unit can be applied to a ridge structure, and the DC bias interaction unit can be applied to a planar structure (also referred to as a planar structure).
また、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。 Further, although the Mach-Zehnder optical waveguide is used as an example of the branched optical waveguide, it goes without saying that the present invention can be applied to other branched / multiplexed optical waveguides such as a directional coupler. 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.
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:進行波導体
4a:中心導体
4b、4c:接地導体
5a、5a´、5b、5b´:バイアス電極
5b−2、5b−2´:バイアス電極(第1のバイアス電極)
5a−1、5a−1´:バイアス電極(第2のバイアス電極)
5a−2、5a−2´、5b−1、5b−1´:バイアス電極(別のバイアス電極)
6a、6a´、6b、6b´:リッジ部
7−1、7−1´、7−2、7−2´、7−3、7−3´:DCバイアス電圧の電気力線
I:高周波電気信号用相互作用部
II、III: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
5a-1, 5a-1 ': Bias electrode (second bias electrode)
5a-2, 5a-2 ', 5b-1, 5b-1': Bias electrode (another bias electrode)
6a, 6a ', 6b, 6b': Ridge portion 7-1, 7-1 ', 7-2, 7-2', 7-3, 7-3 ': Electric field lines of DC bias voltage I: High frequency electricity Signal interaction part II, III: DC bias interaction part
Claims (4)
前記光導波路は、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DCバイアス用相互作用部とを具備する光変調器において、
前記DCバイアス用相互作用部における前記バイアス電極は、下方に前記2本の光導波路がある第1のバイアス電極および第2のバイアス電極と、下方に前記2本の光導波路が無い少なくとも1つの別のバイアス電極とで構成されており、
前記第1のバイアス電極と前記第2のバイアス電極とのギャップが、前記第1のバイアス電極または前記第2のバイアス電極と前記別のバイアス電極とのギャップよりも狭い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 includes 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. In an optical modulator comprising a DC bias interaction unit for adjusting the phase of light,
The bias electrode in the DC bias interaction unit is divided into a first bias electrode and a second bias electrode having the two optical waveguides below, and at least one separate one having no two optical waveguides below. With a bias electrode of
An optical modulation characterized in that a gap between the first bias electrode and the second bias electrode is narrower than a gap between the first bias electrode or the second bias electrode and the other bias electrode. vessel.
3. The optical modulator according to claim 1, wherein the substrate for the DC bias interaction unit has a planar structure.
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