JP2686560B2 - 光変調素子 - Google Patents
光変調素子Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電界印加により屈折率が変化する材料を利用
した光変調素子に関する。
した光変調素子に関する。
本発明は、電界印加により屈折率が変化する光導波路
に絶縁バッファ層を介して高周波電界を印加する構造の
光変調素子において、 各部の寸法が特定の条件を満たすように構成すること
により、 電極の特性インピーダンスを所望の値に設定したま
ま、光と高周波とを完全位相整合（群速度整合）させる
ものである。
に絶縁バッファ層を介して高周波電界を印加する構造の
光変調素子において、 各部の寸法が特定の条件を満たすように構成すること
により、 電極の特性インピーダンスを所望の値に設定したま
ま、光と高周波とを完全位相整合（群速度整合）させる
ものである。
ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムは、電界を印
加することにより屈折率が変化する電気光学効果を示す
ことから、このような性質を利用した光変調素子が従来
から知られている。
加することにより屈折率が変化する電気光学効果を示す
ことから、このような性質を利用した光変調素子が従来
から知られている。
第３図はニオブ酸リチウムLiNbO3を用いた従来例光変
調素子の断面図である。
調素子の断面図である。
LiNbO3基板１には光導波路２が形成され、基板１の表
面にはSiO2をバッファ層３が形成され、このSiO2バッフ
ァ層３を介して光導波路２に高周波電界を印加するた
め、SiO2バッファ層３の表面に光導波路２に沿って電極
４、４′が設けられる。
面にはSiO2をバッファ層３が形成され、このSiO2バッフ
ァ層３を介して光導波路２に高周波電界を印加するた
め、SiO2バッファ層３の表面に光導波路２に沿って電極
４、４′が設けられる。
光導波路２の入射端側から電極４、４′間に高周波、
特にマイクロ波を供給すると、この電極４、４′が伝送
線路となり、光導波路２に沿って高周波を伝搬する。こ
の高周波の電界により光導波路２の屈折率が変化し、そ
の内部を伝搬する光に位相変調を施すことができる。こ
のとき、光の位相速度と高周波の位相速度とを整合させ
ることができれば（厳密には群速度どうしを整合させる
ことができれば）、変調帯域を広くすることができる。
特にマイクロ波を供給すると、この電極４、４′が伝送
線路となり、光導波路２に沿って高周波を伝搬する。こ
の高周波の電界により光導波路２の屈折率が変化し、そ
の内部を伝搬する光に位相変調を施すことができる。こ
のとき、光の位相速度と高周波の位相速度とを整合させ
ることができれば（厳密には群速度どうしを整合させる
ことができれば）、変調帯域を広くすることができる。
しかし、従来の構造の光変調素子では、高周波に対す
る等価屈折率が大きく、高周波の位相速度（群速度）と
光の位相速度（群速度）とを整合させることが困難であ
った。
る等価屈折率が大きく、高周波の位相速度（群速度）と
光の位相速度（群速度）とを整合させることが困難であ
った。
また、変調に必要な電界が光導波路の部分にのみ印加
されればよいが、従来の構造では他の部分にも不要な電
界が印加されていた。
されればよいが、従来の構造では他の部分にも不要な電
界が印加されていた。
この課題を解決するため本願発明者は、電極以外の部
分の絶縁バッファ層を取り除いた構造の光変調素子を発
明し、既に特許出願した（特願平１−211013、以下「先
の出願」という）。この発明により、光と高周波との完
全位相整合（群速度整合）を容易に得ることができるよ
うになった。
分の絶縁バッファ層を取り除いた構造の光変調素子を発
明し、既に特許出願した（特願平１−211013、以下「先
の出願」という）。この発明により、光と高周波との完
全位相整合（群速度整合）を容易に得ることができるよ
うになった。
しかし、従来例に示した構造の素子や先の出願で示し
た構造の素子では、電極の特性インピーダンスについて
考慮されていなかった。
た構造の素子では、電極の特性インピーダンスについて
考慮されていなかった。
従来例や先の出願に示した構造の光変調素子を低電力
で動作させるためには、電極の特性インピーダンスを高
周波供給系の特性インピーダンスに整合させることが有
効である。例えば一般に用いられる同軸ケーブルの特性
インピーダンスは50Ω程度であり、電極の特性インピー
ダンスをこの程度の値にすることが望ましい。ところ
が、従来例に示した構造の素子では、完全位相整合を得
るには特性インピーダンスを小さくする必要があった。
また、特性インピーダンスを50Ωにすることも可能であ
ったが、位相整合は得られなかった。
で動作させるためには、電極の特性インピーダンスを高
周波供給系の特性インピーダンスに整合させることが有
効である。例えば一般に用いられる同軸ケーブルの特性
インピーダンスは50Ω程度であり、電極の特性インピー
ダンスをこの程度の値にすることが望ましい。ところ
が、従来例に示した構造の素子では、完全位相整合を得
るには特性インピーダンスを小さくする必要があった。
また、特性インピーダンスを50Ωにすることも可能であ
ったが、位相整合は得られなかった。
本発明は、以上の課題を解決し、電極の特性インピー
ダンスが所望の値に設定され、かつ光と高周波との位相
（群速度）が整合する構成の光変調素子を提供すること
を目的とする。
ダンスが所望の値に設定され、かつ光と高周波との位相
（群速度）が整合する構成の光変調素子を提供すること
を目的とする。
本発明の光変調素子は、二つの電極間に要求される特
性インピーダンスZ0に対し、高周波電気信号の位相速度
と光の位相速度とが実質的に同一となるように、二つの
電極、基板、光導波路および絶縁バッファ層の材料、形
状および配置が設定されたことを特徴とする。
性インピーダンスZ0に対し、高周波電気信号の位相速度
と光の位相速度とが実質的に同一となるように、二つの
電極、基板、光導波路および絶縁バッファ層の材料、形
状および配置が設定されたことを特徴とする。
すなわち、基板、光導波路および絶縁バッファ層が無
い（二つの電極のみが真空中に浮いている状態）と仮定
したときの電極間の静電容量C0が、光導波路の伝搬光に
対する屈折率n0、光速ｃおよび二つの電極の間に要求さ
れる特性インピーダンスZ0に対して、 C0＝1/（ｃ・n0・Z0） を実質的に満たす形状および配置で電極が形成され、基
板、光導波路および絶縁バッファ層の存在により電極間
の静電容量Ｃが、 Ｃ＝n0/（Z0・ｃ） を実質的に満たす材料、形状および配置で基板、光導波
路および絶縁バッファ層が形成されたことを特徴とす
る。
い（二つの電極のみが真空中に浮いている状態）と仮定
したときの電極間の静電容量C0が、光導波路の伝搬光に
対する屈折率n0、光速ｃおよび二つの電極の間に要求さ
れる特性インピーダンスZ0に対して、 C0＝1/（ｃ・n0・Z0） を実質的に満たす形状および配置で電極が形成され、基
板、光導波路および絶縁バッファ層の存在により電極間
の静電容量Ｃが、 Ｃ＝n0/（Z0・ｃ） を実質的に満たす材料、形状および配置で基板、光導波
路および絶縁バッファ層が形成されたことを特徴とす
る。
光速ｃをm/s、特性インピーダンスZ0をΩの単位で表
すとき、C0、Ｃの単位はF/mとなる。
すとき、C0、Ｃの単位はF/mとなる。
絶縁バッファ層は、電極が設けられた部分以外が除去
されていることが望ましい。すなわち、光導波路に沿っ
て設けられた側の電極（以下「第一電極」という）と光
導波路との間に第一電極の幅に等しいまたは狭い幅に形
成された第一領域と、第一電極と平行に設けられた電極
（以下「第二電極」という）と基板との間に形成された
第二領域とを含むことが望ましい。第二領域もまた、第
二電極の幅に等しいまたは狭い幅に形成されることが望
ましい。
されていることが望ましい。すなわち、光導波路に沿っ
て設けられた側の電極（以下「第一電極」という）と光
導波路との間に第一電極の幅に等しいまたは狭い幅に形
成された第一領域と、第一電極と平行に設けられた電極
（以下「第二電極」という）と基板との間に形成された
第二領域とを含むことが望ましい。第二領域もまた、第
二電極の幅に等しいまたは狭い幅に形成されることが望
ましい。
基板内に電圧印加により屈折率が変化する材料で光導
波路が形成され、この光導波路に沿って幅Ｗ、厚さt1の
第一電極が配置され、この第一電極と間隔Ｇの位置に厚
さt1の第二電極が配置され、基板と第一電極との間に幅
ａ、厚さt2の絶縁バッファ層が設けられ、第二電極と基
板との間にも厚さt2の絶縁バッファ層が設けられた構造
を考える。基板および光導波路の材料および構造は定ま
っているものとする。
波路が形成され、この光導波路に沿って幅Ｗ、厚さt1の
第一電極が配置され、この第一電極と間隔Ｇの位置に厚
さt1の第二電極が配置され、基板と第一電極との間に幅
ａ、厚さt2の絶縁バッファ層が設けられ、第二電極と基
板との間にも厚さt2の絶縁バッファ層が設けられた構造
を考える。基板および光導波路の材料および構造は定ま
っているものとする。
このとき、マイクロ波に対するこの素子の等価屈折率
nm、電極の特性インピーダンスZ0〔Ω〕よび、変調帯域
Δｆ〔Hz/m〕は、 Z0＝1/（ｃ・nm・C0） ……（２） Δｆ＝1.4c/（π|nm−n0|L） ……（３） で表される。ここで、 C:電極間の容量（単位はF/m） C0:電極のみが真空中に浮いたと仮定したときの容量
（単位はF/m） c:光速（単位はm/s） n0:光の屈折率（単位なし） L:光と高周波との相互作用長（単位はｍ） である。
nm、電極の特性インピーダンスZ0〔Ω〕よび、変調帯域
Δｆ〔Hz/m〕は、 Z0＝1/（ｃ・nm・C0） ……（２） Δｆ＝1.4c/（π|nm−n0|L） ……（３） で表される。ここで、 C:電極間の容量（単位はF/m） C0:電極のみが真空中に浮いたと仮定したときの容量
（単位はF/m） c:光速（単位はm/s） n0:光の屈折率（単位なし） L:光と高周波との相互作用長（単位はｍ） である。
マイクロ波に対する等価屈折率nmが光の屈折率n0と等
しければ、マイクロ波の位相速度が光の位相速度に一致
する。このとき、（３）式に示したように、変調帯域Δ
ｆが無限大となる。nm＝n0が得られるためには、（２）
式から、 C0＝1/（ｃ・n0・Z0） ……（４） であることが必要となり、（１）式および（４）式か
ら、 Ｃ＝n0/（Z0・ｃ） ……（５） であることが必要となる。この二つの式で与えられる容
量ＣおよびC0を実現するように、素子の構造を設計す
る。
しければ、マイクロ波の位相速度が光の位相速度に一致
する。このとき、（３）式に示したように、変調帯域Δ
ｆが無限大となる。nm＝n0が得られるためには、（２）
式から、 C0＝1/（ｃ・n0・Z0） ……（４） であることが必要となり、（１）式および（４）式か
ら、 Ｃ＝n0/（Z0・ｃ） ……（５） であることが必要となる。この二つの式で与えられる容
量ＣおよびC0を実現するように、素子の構造を設計す
る。
容量C0の値は、素子の構造からすると、電極のみに依
存する。したがって、（４）式により求めた容量C0の値
に対して、その値が得られるような電極の形状、すなわ
ち第一電極の幅Ｗ、第一電極と第二電極との間隔Ｇおよ
び二つの電極の厚さt1を求める。
存する。したがって、（４）式により求めた容量C0の値
に対して、その値が得られるような電極の形状、すなわ
ち第一電極の幅Ｗ、第一電極と第二電極との間隔Ｇおよ
び二つの電極の厚さt1を求める。
電極の形状が定まったなら、その条件で（５）式を満
たすように、光導波路および基板の構造を考慮しなが
ら、絶縁バッファ層の厚さt2および幅ａを設定する。
たすように、光導波路および基板の構造を考慮しなが
ら、絶縁バッファ層の厚さt2および幅ａを設定する。
第１図は本発明実施例光変調素子の斜視図を示し、第
２図は断面図を示す。
２図は断面図を示す。
この光変調素子は、電圧印加により屈折率が変化する
材料としてニオブ酸リチウムLiNbO3を用い、この材料の
基板１に形成された光導波路２と、この光導波路２に沿
って配置された電極４と、この電極４と平行に配置され
た電極４′と、光導波路２および基板１と電極４、４′
とを光学的に絶縁するSiO2バッファ層３とを備える。電
極４、４′の一端には電極５が接続され、他端には終端
抵抗６が接続される。
材料としてニオブ酸リチウムLiNbO3を用い、この材料の
基板１に形成された光導波路２と、この光導波路２に沿
って配置された電極４と、この電極４と平行に配置され
た電極４′と、光導波路２および基板１と電極４、４′
とを光学的に絶縁するSiO2バッファ層３とを備える。電
極４、４′の一端には電極５が接続され、他端には終端
抵抗６が接続される。
ここで本実施例の特徴とするところは、電極４、４′
が、基板１、光導波路２およびSiO2バッファ層３が無い
と仮定したときの静電容量C0が、光導波路２の伝搬光に
対する屈折率n0、光速ｃおよび電極４、４′の間に要求
される特性インピーダンスZ0に対して上述の（４）式を
実質的に満たす形状および間隔で形成され、基板１、光
導波路２およびSiO2バッファ層３は、これらの存在によ
り電極４、４′間の静電容量Ｃが上述の（５）式を実質
的に満たす材料、形状および配置で形成されたことにあ
る。
が、基板１、光導波路２およびSiO2バッファ層３が無い
と仮定したときの静電容量C0が、光導波路２の伝搬光に
対する屈折率n0、光速ｃおよび電極４、４′の間に要求
される特性インピーダンスZ0に対して上述の（４）式を
実質的に満たす形状および間隔で形成され、基板１、光
導波路２およびSiO2バッファ層３は、これらの存在によ
り電極４、４′間の静電容量Ｃが上述の（５）式を実質
的に満たす材料、形状および配置で形成されたことにあ
る。
（５）式は、マイクロ波の位相速度が光の位相速度と
一致するための条件、すなわちnm＝n0の条件から導かれ
た式である。一般には、光の屈折率n0の方がマイクロ波
の屈折率nmより小さく、光の位相速度の方が高周波の位
相速度より大きい。nm＝n0の条件を得るには、高周波の
屈折率が下がる構造が必要であるnm＝n0の条件を満たす
には、電極４、４′が設けられた部分以外の絶縁バッフ
ァ層を取り除くことが有効である。特に、電極４の幅を
Ｗとするとき、電極４と光導波路２との間に形成された
SiO2バッファ層３の幅ａが、 ａ≦Ｗ ……（６） であることが望ましい。
一致するための条件、すなわちnm＝n0の条件から導かれ
た式である。一般には、光の屈折率n0の方がマイクロ波
の屈折率nmより小さく、光の位相速度の方が高周波の位
相速度より大きい。nm＝n0の条件を得るには、高周波の
屈折率が下がる構造が必要であるnm＝n0の条件を満たす
には、電極４、４′が設けられた部分以外の絶縁バッフ
ァ層を取り除くことが有効である。特に、電極４の幅を
Ｗとするとき、電極４と光導波路２との間に形成された
SiO2バッファ層３の幅ａが、 ａ≦Ｗ ……（６） であることが望ましい。
ここで、最も一般的な形態として、基板１がｚ板LiNb
O3であり、特性インピーダンスZ0が50Ωであり、光導波
路２に1.55μｍの波長帯の光を伝搬させる場合につい
て、具体的な数値を示す。1.55μｍに対する光導波路２
の屈折率n0はn0＝2.136である。
O3であり、特性インピーダンスZ0が50Ωであり、光導波
路２に1.55μｍの波長帯の光を伝搬させる場合につい
て、具体的な数値を示す。1.55μｍに対する光導波路２
の屈折率n0はn0＝2.136である。
Z0＝50Ω、nm＝n0＝2.136とするためには、（４）、
（５）式、または（２）、（１）式から、 C0＝3.12×10-11F/m ……（７） Ｃ＝1.42×10-10F/m ……（８） が満たすことが必要である。これらが満たされるよう
に、素子の寸法を選択する。
（５）式、または（２）、（１）式から、 C0＝3.12×10-11F/m ……（７） Ｃ＝1.42×10-10F/m ……（８） が満たすことが必要である。これらが満たされるよう
に、素子の寸法を選択する。
まず、（７）式で表される容量C0の条件から、電極
４、４′の形状、すなわち電極４の幅Ｗ、電極４、４′
の間隔Ｇおよび電極４、４′の厚さt1を選択する。以下
では、Ｗ、Ｇおよびt1をμｍ単位で表す。また、実用的
な寸法範囲として、 ６μｍ≦Ｗ≦12μｍ、４μｍ≦Ｇ≦12μｍ ……（９） の場合について説明する。
４、４′の形状、すなわち電極４の幅Ｗ、電極４、４′
の間隔Ｇおよび電極４、４′の厚さt1を選択する。以下
では、Ｗ、Ｇおよびt1をμｍ単位で表す。また、実用的
な寸法範囲として、 ６μｍ≦Ｗ≦12μｍ、４μｍ≦Ｇ≦12μｍ ……（９） の場合について説明する。
第４図ないし第７図は、電極４の幅Ｗ、電極４、４′
の間隔Ｇおよび電極４、４′の厚さt1に対する容量C0の
計算値を示す。これらの図では、電極４の幅Ｗを６、
８、10、12μｍ、電極４、４′の間隔Ｇを４、６、８、
10、12μｍとしたときの、電極４、４′の厚さt1に対す
る容量C0の値を示す。
の間隔Ｇおよび電極４、４′の厚さt1に対する容量C0の
計算値を示す。これらの図では、電極４の幅Ｗを６、
８、10、12μｍ、電極４、４′の間隔Ｇを４、６、８、
10、12μｍとしたときの、電極４、４′の厚さt1に対す
る容量C0の値を示す。
これらの計算値は有限要素法により求めたものであ
り、電極４の幅の方向をｘ方向、光の進行方向をｙ方
向、基板１の表面に直交する方向をｚ方向（光軸方向）
とし、 SiO2の比誘電率＝3.75 LiNbO3の比誘電率εｚ＝28、εｘ＝εｙ＝43とした。
り、電極４の幅の方向をｘ方向、光の進行方向をｙ方
向、基板１の表面に直交する方向をｚ方向（光軸方向）
とし、 SiO2の比誘電率＝3.75 LiNbO3の比誘電率εｚ＝28、εｘ＝εｙ＝43とした。
第４図から第７図に示したように、容量C0は、Ｗ、Ｇ
の値が決まると、 C0＝mt1＋ｂ 〔F/m〕 ……（10） と一次式で表すことができる。次に、ｍとｂに関して、
Ｗの値を固定してＧの依存性を調べたところ、 ｍ＝a1G2＋a2G＋a3 ……（11） ｂ＝a1′G2＋a2′Ｇ＋a3′ ……（12） と、Ｇに関して二次の関係をもっていた。実際にＷの値
毎に（10）式、（11）式を求めたところ、ｍについては
Ｗの依存性を無視でき、 の値が得られた。また、ｂについては、Ｗの依存性があ
り、その関係は一次であるとみなすことができ、 の関係が得られた。
の値が決まると、 C0＝mt1＋ｂ 〔F/m〕 ……（10） と一次式で表すことができる。次に、ｍとｂに関して、
Ｗの値を固定してＧの依存性を調べたところ、 ｍ＝a1G2＋a2G＋a3 ……（11） ｂ＝a1′G2＋a2′Ｇ＋a3′ ……（12） と、Ｇに関して二次の関係をもっていた。実際にＷの値
毎に（10）式、（11）式を求めたところ、ｍについては
Ｗの依存性を無視でき、 の値が得られた。また、ｂについては、Ｗの依存性があ
り、その関係は一次であるとみなすことができ、 の関係が得られた。
したがって、電極４の幅Ｗ、電極４、４′の間隔Ｇ、
電極４、４′の厚さt1に対して容量C0は、 C0＝〔（2.281×10-3・G2−0.056G＋0.4245）t1 ＋（1.78W＋2.866）×10-3・G2 −（4.94×10-3・Ｗ＋0.081）Ｇ ＋0.0657W＋2.002〕×10-11 ……（15） で表される。ただし、上述したように、C0の単位はF/
m、Ｗ、Ｇおよびt1の単位はμｍである。この式の値が
（７）式の値と一致するように、すなわち、 （2.281×10-3・G2−0.056G＋0.4245）t1 ＋（0.178W＋2.866）×10-3・G2 −（4.94×10-3・Ｗ＋0.081）Ｇ ＋0.0657W＋2.002 ＝3.12 ……（15）′ となるように、幅Ｗ、間隔Ｇおよび厚さt2を選択する。
電極４、４′の厚さt1に対して容量C0は、 C0＝〔（2.281×10-3・G2−0.056G＋0.4245）t1 ＋（1.78W＋2.866）×10-3・G2 −（4.94×10-3・Ｗ＋0.081）Ｇ ＋0.0657W＋2.002〕×10-11 ……（15） で表される。ただし、上述したように、C0の単位はF/
m、Ｗ、Ｇおよびt1の単位はμｍである。この式の値が
（７）式の値と一致するように、すなわち、 （2.281×10-3・G2−0.056G＋0.4245）t1 ＋（0.178W＋2.866）×10-3・G2 −（4.94×10-3・Ｗ＋0.081）Ｇ ＋0.0657W＋2.002 ＝3.12 ……（15）′ となるように、幅Ｗ、間隔Ｇおよび厚さt2を選択する。
第８図は（７）式を満たすＷ、Ｇおよびt1の組の例を
示す。この図は、第４図ないし第７図におけるC0＝3.12
×10-11F/mの点をプロットしたものである。この図か
ら、 1.68G−0.25W−0.8−t1＝０ ……（16） と近似できる。
示す。この図は、第４図ないし第７図におけるC0＝3.12
×10-11F/mの点をプロットしたものである。この図か
ら、 1.68G−0.25W−0.8−t1＝０ ……（16） と近似できる。
このようにしてＷ、Ｇおよびt1の組を選択した後、
（８）式を満たすように、SiO2バッファ層３の厚さt2お
よび幅ａを選択する。
（８）式を満たすように、SiO2バッファ層３の厚さt2お
よび幅ａを選択する。
第９図ないし第12図は、（７）式を満たすＷ、t1およ
びＧの組を選んだときの、SiO2バッファ層３の厚さt2に
対する容量Ｃの値を示す。この値については、容量C0の
計算と同様に有限要素法によって求めた。それぞれの図
において、同一のＷ、Ｇ、t1の組に対してＣの値が大き
い曲線は、基板１の上面（電極４、４′が設けられる
面）全体にSiO2を設けた場合の値を示す。また、Ｃの値
が小さい曲線は、SiO2を設けない場合、すなわち電極
４、４′が基板１の上に浮いている場合（現実にはあり
得ないが）の値を示す。
びＧの組を選んだときの、SiO2バッファ層３の厚さt2に
対する容量Ｃの値を示す。この値については、容量C0の
計算と同様に有限要素法によって求めた。それぞれの図
において、同一のＷ、Ｇ、t1の組に対してＣの値が大き
い曲線は、基板１の上面（電極４、４′が設けられる
面）全体にSiO2を設けた場合の値を示す。また、Ｃの値
が小さい曲線は、SiO2を設けない場合、すなわち電極
４、４′が基板１の上に浮いている場合（現実にはあり
得ないが）の値を示す。
例えば第11図に示したＷ＝10μｍの場合であれば、t2
＜0.5μｍでは（８）式で示される容量Ｃの値を得るこ
とができず、t2＞1.9μｍでも（８）式の条件を満たす
ことができない。これに対して0.5μｍ≦t2≦1.9μｍで
あれば、例えばt2＝１μｍのとき、全面にSiO2を設ける
と（８）式を満たすことができないが、電極４、４′以
外の部分を取り除いて容量Ｃの値を小さくすれば、
（８）式を満たすようにできる。
＜0.5μｍでは（８）式で示される容量Ｃの値を得るこ
とができず、t2＞1.9μｍでも（８）式の条件を満たす
ことができない。これに対して0.5μｍ≦t2≦1.9μｍで
あれば、例えばt2＝１μｍのとき、全面にSiO2を設ける
と（８）式を満たすことができないが、電極４、４′以
外の部分を取り除いて容量Ｃの値を小さくすれば、
（８）式を満たすようにできる。
容量Ｃの値は、（７）式を満たす条件においては主
に、電極４の幅Ｗ、SiO2バッファ層３の厚さt2およびSi
O2バッファ層３の幅ａに依存する。そこで、SiO2バッフ
ァ層３がないと仮定したときの容量Cnon-insと、SiO2バ
ッファ層３が基板１および光導波路２の表面全体に設け
られたと仮定したときの容量Cfull-insとについて、（1
5）式の導出と同様にして近似した。この結果、 Cnon-ins＝〔（0.0238W＋0.367）t2 2 −（0.0857W＋1.137）t2 ＋0.105W＋1.316〕×10-10 ……（17） Cfull-ins＝〔0.485t2 2 −（0.0103W＋1.727）t2 ＋0.096W＋2.254〕×10-10 ……（18） と近似されることが判明した。ただし、Ｗ、t2の単位は
μｍであり、Cnon-ins、Cfull-insの単位はF/mである。
に、電極４の幅Ｗ、SiO2バッファ層３の厚さt2およびSi
O2バッファ層３の幅ａに依存する。そこで、SiO2バッフ
ァ層３がないと仮定したときの容量Cnon-insと、SiO2バ
ッファ層３が基板１および光導波路２の表面全体に設け
られたと仮定したときの容量Cfull-insとについて、（1
5）式の導出と同様にして近似した。この結果、 Cnon-ins＝〔（0.0238W＋0.367）t2 2 −（0.0857W＋1.137）t2 ＋0.105W＋1.316〕×10-10 ……（17） Cfull-ins＝〔0.485t2 2 −（0.0103W＋1.727）t2 ＋0.096W＋2.254〕×10-10 ……（18） と近似されることが判明した。ただし、Ｗ、t2の単位は
μｍであり、Cnon-ins、Cfull-insの単位はF/mである。
ここで、現実に製造多される素子の容量Ｃは、 Cnon-ins＜Ｃ≦Cfull-ins ……（19） である。したがって（８）式から、 Cnon-ins＜1.4245×10-10≦Cfull-ins ……（20） の条件が必要となる。
第13図には、（９）式の範囲において（20）式が得ら
れるＷとt2の関係を示す。Ｗとt2とには、 0.0425W＋0.09＜t2≦0.183W＋0.102 ……（21） の関係が必要である。Ｗ、t2の単位はμｍである。
れるＷとt2の関係を示す。Ｗとt2とには、 0.0425W＋0.09＜t2≦0.183W＋0.102 ……（21） の関係が必要である。Ｗ、t2の単位はμｍである。
第14図は、以上の条件を満たすようにＷ、Ｇ、t1、t2
を選択した場合について、SiO2バッファ層３の幅ａに対
する容量Ｃの変化を示す。ここでは、Ｗ＝10μｍ、Ｇ＝
10μｍ、t1＝13μｍ、t2＝１μｍのときの例を示す。ａ
≦Ｗの範囲では、ほぼ、 Ｃ≒Cnon-ins ＋0.9（Cfull-ins−Cnon-ins）×（a/W） ……（21） の関係がある。したがって、ａ＝５μｍとすれば、
（８）式をほぼ満足できる。
を選択した場合について、SiO2バッファ層３の幅ａに対
する容量Ｃの変化を示す。ここでは、Ｗ＝10μｍ、Ｇ＝
10μｍ、t1＝13μｍ、t2＝１μｍのときの例を示す。ａ
≦Ｗの範囲では、ほぼ、 Ｃ≒Cnon-ins ＋0.9（Cfull-ins−Cnon-ins）×（a/W） ……（21） の関係がある。したがって、ａ＝５μｍとすれば、
（８）式をほぼ満足できる。
逆に、Ｗ＝10μｍ、Ｇ＝10μｍ、t1＝13μｍ、t2＝１
μm W、ａ＝５μｍであれば、マイクロ波に対する屈折
率nm、特性インピーダンスZ0および変調帯域Δｆが、 nm＝2.139 Z0＝50.6〔Ω〕 Δｆ＝3700〔GHz/cm〕 となり、所望の特性をほぼ満足できる。
μm W、ａ＝５μｍであれば、マイクロ波に対する屈折
率nm、特性インピーダンスZ0および変調帯域Δｆが、 nm＝2.139 Z0＝50.6〔Ω〕 Δｆ＝3700〔GHz/cm〕 となり、所望の特性をほぼ満足できる。
第15図ないし第20図は、比較例として、Z0＝40Ω、屈
折率nm＝2272の光変調素子を得るための計算例を示す。
これらの図は、それぞれ第８図ないし第13図と同等の計
算値を表す。
折率nm＝2272の光変調素子を得るための計算例を示す。
これらの図は、それぞれ第８図ないし第13図と同等の計
算値を表す。
この場合には、（２）式および（１）式から、 C0＝3.67×10-11〔F/m〕 ……（７）′ Ｃ＝1.89×10-10〔F/m〕 ……（８）′ の条件を満たせばよい。第15図は（７）′式を満たす
Ｗ、Ｇおよびt1の組の例を示し、第16図ないし第19図
は、（７）′式を満たすＷ、t1およびＧの組を選んだと
きのt2に対するＣの値を示し、第20図はＷとt2の関係を
示す。
Ｗ、Ｇおよびt1の組の例を示し、第16図ないし第19図
は、（７）′式を満たすＷ、t1およびＧの組を選んだと
きのt2に対するＣの値を示し、第20図はＷとt2の関係を
示す。
以上の説明では、ｚ板LiNbO3の光導波路に1.55μｍの
光を伝搬させる場合を例に説明したが、光導波路として
他の結晶方向や他の材料、例えばタンタル酸リチウムを
用いても本発明を同様に実施でき、他の波長を伝搬させ
る場合でも本発明を同様に実施できる。ただし、光の屈
折率n0が既知であることが必要である。ｚ板LiNbO3にお
ける伝搬波長と光の屈折率n0との関係を示す。
光を伝搬させる場合を例に説明したが、光導波路として
他の結晶方向や他の材料、例えばタンタル酸リチウムを
用いても本発明を同様に実施でき、他の波長を伝搬させ
る場合でも本発明を同様に実施できる。ただし、光の屈
折率n0が既知であることが必要である。ｚ板LiNbO3にお
ける伝搬波長と光の屈折率n0との関係を示す。
特性インピーダンスZ0は、電力供給系の特性インピー
ダンスに整合するように、50Ω以外に設定することもで
きる。
ダンスに整合するように、50Ω以外に設定することもで
きる。
また、以上の説明では光導波路が基板内に形成されて
いる場合を例に説明した。これは、光導波路を形成する
ために、一般に、基板にTi拡散を行ってその領域の屈折
率を変化させる方法が用いられるからである。この場合
には光導波路が基板内に形成される。しかし、基板上に
光導波路を積層させることもできる。本発明は、このよ
うな場合にも同様に実施できる。
いる場合を例に説明した。これは、光導波路を形成する
ために、一般に、基板にTi拡散を行ってその領域の屈折
率を変化させる方法が用いられるからである。この場合
には光導波路が基板内に形成される。しかし、基板上に
光導波路を積層させることもできる。本発明は、このよ
うな場合にも同様に実施できる。
絶縁バッファ層としては、SiO2の他に、アルミナや窒
化膜を用いることができる。
化膜を用いることができる。
本発明の光変調素子は、それ自体が光位相変調器とし
て用いられるだけでなく、マッハツェンダ干渉計の一方
の光路に挿入されて光強度変調器の構成要素として用い
られる。
て用いられるだけでなく、マッハツェンダ干渉計の一方
の光路に挿入されて光強度変調器の構成要素として用い
られる。
以上説明したように、本発明の光変調素子は、変調信
号として印加される高周波の位相速度（群速度）を搬送
波である光の位相速度（群速度）に実質的に一致させ、
しかも電極の特性インピーダンスを電力供給系のインピ
ーダンスに整合させることができる。すなわち、位相速
度（群速度）の一致により変調帯域を拡大でき、インピ
ーダンス整合により低電圧駆動が可能となる効果があ
る。
号として印加される高周波の位相速度（群速度）を搬送
波である光の位相速度（群速度）に実質的に一致させ、
しかも電極の特性インピーダンスを電力供給系のインピ
ーダンスに整合させることができる。すなわち、位相速
度（群速度）の一致により変調帯域を拡大でき、インピ
ーダンス整合により低電圧駆動が可能となる効果があ
る。
第１図は本発明実施例光変調素子の斜視図。 第２図は断面図。 第３図は従来例光変調素子の断面図。 第４図ないし第７図は選択されたＷ、Ｇおよびt1の組に
対する容量C0の値を示す図。 第８図はC0の条件を満たすＷ、Ｇおよびt1の組の例を示
す図。 第９図ないし第12図は選択されたＷ、Ｇおよびt1の組に
対するt2とＣとの関係を示す図。 第13図はＣの条件を満たすＷとt2との関係を示す図。 第14図は選択されたＷ、Ｇ、t1、t2に対するａとＣとの
関係を示す図。 第15図は比較例におけるC0の条件を満たすＷ、Ｇおよび
t1の組の例を示す図。 第16図ないし第19図は選択されたＷ、Ｇおよびt1に対す
るt2とＣとの関係を示す図。 第20図はＣの条件を満たすＷとt2の関係を示す図。 １……基板、２……光導波路、３……SiO2バッファ層、
４、４′……電極、５……電源、６……終端抵抗。
対する容量C0の値を示す図。 第８図はC0の条件を満たすＷ、Ｇおよびt1の組の例を示
す図。 第９図ないし第12図は選択されたＷ、Ｇおよびt1の組に
対するt2とＣとの関係を示す図。 第13図はＣの条件を満たすＷとt2との関係を示す図。 第14図は選択されたＷ、Ｇ、t1、t2に対するａとＣとの
関係を示す図。 第15図は比較例におけるC0の条件を満たすＷ、Ｇおよび
t1の組の例を示す図。 第16図ないし第19図は選択されたＷ、Ｇおよびt1に対す
るt2とＣとの関係を示す図。 第20図はＣの条件を満たすＷとt2の関係を示す図。 １……基板、２……光導波路、３……SiO2バッファ層、
４、４′……電極、５……電源、６……終端抵抗。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−134643（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−69122（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−181318（ＪＰ，Ａ)
Claims (8)
- 【請求項１】電圧印加により屈折率が変化する材料の基
板に形成された光導波路と、 この光導波路に沿って配置された第一電極と、 この第一電極と平行に配置された第二電極と、 上記光導波路および上記基板と上記第一電極および上記
第二電極とを光学的に絶縁する絶縁バッファ層と を備えた光変調素子において、 上記第一電極と上記第二電極との間に要求される特性イ
ンピーダンスZ0に対し、上記第一電極に伝播する高周波
電気信号の位相速度と上記光導波路に伝播する光の位相
速度とが実質的に同一となるように、上記第一電極、上
記第二電極、上記基板、上記光導波路および上記絶縁バ
ッファ層の材料、形状および配置が設定された ことを特徴とする光変調素子。 - 【請求項２】上記第一電極および上記第二電極は、上記
基板、上記光導波路および上記絶縁バッファ層がないと
仮定したときの静電容量C0が、上記光導波路の伝搬光に
対する屈折率n0、光速ｃおよび上記第一電極と上記第二
電極との間に要求される特性インピーダンスZ0に対し
て、 C0＝1/（ｃ・n0・Z0） を実質的に満たす形状および間隔で形成され、 上記基板、上記光導波路および上記絶縁バッファ層は、
これらの存在により上記第一電極と上記第二電極との間
の静電容量Ｃが、 Ｃ＝n0/（Z0・ｃ） を実質的に満たす材料、形状および配置で形成された 請求項１記載の光変調素子。 - 【請求項３】絶縁バッファ層は、第一電極と光導波路と
の間に前記第一電極の幅に等しいまたは狭い幅に形成さ
れた第一領域と、第二電極と基板との間に形成された第
二領域とを含む請求項２記載の光変調素子。 - 【請求項４】基板はｚ板LiNbO3であり、特性インピーダ
ンスZ0は50Ωであり、光導波路に1.55μｍの波長帯の光
を伝搬させるとき、 C0＝3.12×10-11〔F/m〕 Ｃ＝1.42×10-10〔F/m〕 を満たすように形成された請求項２記載の光変調素子。 - 【請求項５】第一電極の幅Ｗ、厚さt1および第一電極と
第二電極との間隔Ｇは、それぞれをμｍ単位で表すと
き、 （2.281×10-3・G2−0.056G＋0.4245）t1 ＋（0.178W＋2.866）×10-3・G2 −（4.94×10-3・Ｗ＋0.081）Ｇ ＋0.0657W＋2.002 ＝3.12 を満たす請求項４記載の光変調素子。 - 【請求項６】絶縁バッファ層はSiO2により形成され、 この絶縁バッファ層の厚さt2と第一電極の幅Ｗとは、そ
れぞれをμｍ単位で表すとき、 絶縁バッファ層がないと仮定したときの第一電極と第二
電極との間の容量Cnon-insが、 Cnon-ins＝〔（0.0238W＋0.367）t2 2 −（0.0857W＋1.137）t2 ＋0.105W＋1.316〕×10-10 ＜1.42×10-10〔F/m〕 となり、 絶縁バッファ層が基板および光導波路の表面全体に設け
られたと仮定したときの第一電極と第二電極との間の容
量Cfull-insが、 Cfull-ins＝〔0.485t2 2 −（0.0103W＋1.727）t2 ＋0.096W＋2.254〕×10-10 ≧1.42×10-10〔F/m〕 となる条件を満たす 請求項４記載の光変調素子。 - 【請求項７】絶縁バッファ層の厚さt2は、第一電極の幅
Ｗに対して、それぞれの厚さをμｍ単位で表すとき、 0.0425W＋0.09＜t2＜0.183W＋0.102 の関係を満たす請求項６記載の光変調素子。 - 【請求項８】絶縁バッファ層は、第一電極と光導波路と
の間の領域が、前記第一電極の幅Ｗに等しいまたは狭い
幅に形成された請求項７記載の光変調素子。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1311467A JP2686560B2 (ja) | 1989-11-29 | 1989-11-29 | 光変調素子 |
| US07/567,354 US5061030A (en) | 1989-08-15 | 1990-08-14 | Optical integrated modulator |
| DE69014767T DE69014767T2 (de) | 1989-08-15 | 1990-08-15 | Optischer Modulator. |
| EP90308949A EP0413568B1 (en) | 1989-08-15 | 1990-08-15 | Optical modulator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1311467A JP2686560B2 (ja) | 1989-11-29 | 1989-11-29 | 光変調素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03170909A JPH03170909A (ja) | 1991-07-24 |
| JP2686560B2 true JP2686560B2 (ja) | 1997-12-08 |
Family
ID=18017579
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1311467A Expired - Fee Related JP2686560B2 (ja) | 1989-08-15 | 1989-11-29 | 光変調素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2686560B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113409721B (zh) * | 2021-04-21 | 2022-08-12 | 福州大学 | 一种发光器件电场驱动调制装置 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2309890A1 (fr) * | 1975-04-30 | 1976-11-26 | Thomson Csf | Commutateur electro-optique et modulateur utilisant ce commutateur |
| JPS5911086B2 (ja) * | 1978-11-21 | 1984-03-13 | 日本電信電話株式会社 | 光変調装置 |
| JPS59181318A (ja) * | 1983-03-31 | 1984-10-15 | Fujitsu Ltd | 光導波路の作製方法 |
-
1989
- 1989-11-29 JP JP1311467A patent/JP2686560B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03170909A (ja) | 1991-07-24 |
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