JP2734708B2 - 光変調器 - Google Patents

光変調器

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JP2734708B2 JP1344075A JP34407589A JP2734708B2 JP 2734708 B2 JP2734708 B2 JP 2734708B2 JP 1344075 A JP1344075 A JP 1344075A JP 34407589 A JP34407589 A JP 34407589A JP 2734708 B2 JP2734708 B2 JP 2734708B2
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    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/03Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
    • G02F1/035Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure
    • G02F1/0356Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure controlled by a high-frequency electromagnetic wave component in an electric waveguide structure

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 光変調器に関し、 高速駆動の外部光変調において、動作電圧が低く,か
つ、変調周波数帯域巾が広い簡易な構成の光変調器を実
現することを目的とし、 平面に加工した電気光学効果を有する基板上に、第1
および第2の分岐光導波路を有する光導波路を設け、前
記第1の分岐光導波路と第2の分岐光導波路を伝播する
光の間に位相差を生じさせるように信号電極および接地
電極を対向対称配置してなるマッハツェンダ型光変調器
において、前記接地電極の外側に補助接地電極を分離し
て形成し、前記接地電極と補助接地電極との間を、複数
の接地電極ブリッジで電気的に接続して光変調器を構成
する。さらに、前記接地電極と補助接地電極との間の基
板に細長い溝を形成した光変調器を構成する。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、高速・高安定・低動作電圧で光変調を行
い、かつ、簡易な構成の光変調器,とくに、その電極構
成に関する。
最近の光通信システムの光送信系において、たとえ
ば、1.6GHz程度までの光通信システムにおいては、レー
ザダイオード(LD)を直接変調する方式を用いてきた
が、変調周波数がより高くなると変調光波長の時間的微
小変動,いわゆる、チャーピング現象が起こり高速化と
長距離通信への限界となる。
一方、今後ますます大容量・長距離通信の要求が強ま
ってくるので、より高速,かつ、高安定で動作電圧が低
い光変調器の開発が求められている。
〔従来の技術〕
高速光変調方式としては、半導体レーザ光を外部で変
調する外部変調方式,とくに、電気光学結晶基板上に分
岐光導波路を設け、進行波電極で駆動するマッハツェン
ダ型光変調器が知られている。
第4図は従来の光変調器の例を示す図(非対称電極配
置型)で、同図(イ)は平面図、同図(ロ)はY−Y′
断面図である。
図中、1は平面に加工した電気光学効果を有する基
板,たとえば、LiNbO3基板である。2は光導波路で中間
に分岐光導波路2a,2bが形成されている。この光導波路
は通常基板の表面にTiなどの金属を、光導波路部分だけ
に選択的に拡散させ、その部分の屈折率を回りの部分よ
りも少し大きくなるようにしてある。3は信号電極で,
たとえば、進行波信号電極、4′は接地電極である。5
は光導波路上の金属電極層への光の吸収を小さくするた
めのバッファ層で、通常、SiO2などの薄膜が用いられて
いる。信号電極3と接地電極4′はバッファ層5を介し
て光導波路上に、Auなどの金属を蒸着あるいはメッキに
よって形成している。
いま,たとえば、こゝには図示していない半導体レー
ザから発した直流光が左側の光導波路2から入り、分岐
光導波路2a,2bで2つに分けられ、その間に、信号電極
3に高周波変調信号源7から信号電圧を印加すると、基
板上に設けられた前記分岐光導波路2a,2bにおける電気
光学効果によって分岐された両光に位相差が生じる。こ
の両光を再び合流させて、右側の一本の光導波路2から
変調された光信号出力を取り出し、こゝに図示してない
光検知器で電気信号に変換するように構成されている。
前記分岐光導波路2a,2bにおける両光の位相差が0,ある
いは、πになるように駆動電圧を印加すれば,たとえ
ば、光信号出力はON−OFFのパルス信号として得られ
る。なお、RTは終端抵抗である。
この例では、図からもわかるように信号電極3に比較
して、接地電極4′を大きく形成してありその抵抗値が
低いので、誘導などによる両電極間の相互作用が小さ
く、比較的周波数帯域が広く取れるという特徴がある。
第5図は従来の光変調器の例を示す図(対称電極配置
型)で、同図(イ)は平面図、同図(ロ)はY−Y′断
面図である。図中、4″は接地電極である。
なお、前記従来例の図面で説明したものと同等の部分
については同一符号を付し、かつ、同等部分についての
説明は省略する。
この例の構成の場合は、信号電極3と接地電極4″と
は同一の巾で形成されているので、2つの分岐光導波路
2a,2bにかゝる実効的な変調電界は等しく、プッシュプ
ル動作による低電圧駆動が可能である。また、両分岐光
導波路間に温度差に基づく歪みが生じることがないの
で、変調器動作点が変動する恐れもないという特徴があ
る。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、上記の非対称電極配置型の従来例の場合、接
地電極4′は高周波電気信号の伝達をよくするため、信
号電極3よりも大きくしてあり,したがって、分岐光導
波路2a,2bに印加される電界分布は等しくなく、そのた
めに、それぞれでの光に作用する実効的な電界の大きさ
EaおよびEbは非対称で、通常EaはEbの3〜6倍程度にな
る。変調効率は(Ea+Eb)に比例するので、上記の如
く、EbがEaに比較して非常に小さいことは変調効率が上
がらず,結局、変調用の駆動電圧を大きくしなければな
らないことになる。
さらに、信号電極3と接地電極4′にかゝる電界の非
対称性のために、分岐光導波路2a,2bに温度差が生じ、
それに基づく歪みによって光変調特性の動作点がシフト
してしまうという問題がある。
一方、対称電極配置型の従来例の場合には、信号電極
3と同一の巾の接地電極4″が狭い間隔gを置いて近接
・対向して配置されているので、電気的誘導などに基づ
く相互干渉が大きく、変調信号のS/Nが劣化し、変調帯
域巾が広く取れないなどといった問題があり、その解決
が必要であった。
〔課題を解決するための手段〕
上記の課題は、平面に加工した電気光学効果を有する
基板上に、第1および第2の分岐光導波路2a,2bを有す
る光導波路2を設け、前記第1の分岐光導波路2aと第2
の分岐光導波路2bを伝播する光の間に位相差を生じさせ
るように信号電極3および接地電極4を対向対称配置し
てなるマッハツェンダ型光変調器において、前記接地電
極4の外側に補助接地電極40を分離して形成し、前記接
地電極4と補助接地電極40との間を、複数の接地電極ブ
リッジ41で電気的に接続して光変調器を構成することに
よって解決することができる。さらに、前記接地電極4
と補助接地電極40との間の基板1に細長い溝6を形成し
た前記光変調器により一層効果を高めることができる。
〔作用〕
本発明の構成によれば、接地電極4は信号電極3と同
じ狭い巾に形成されているので、分岐光導波路2a,2bに
印加される電界分布はほゞ等しく,したがって、プッシ
ュプル動作による駆動が可能で低電圧駆動ができる。し
かも、接地電極4の外側には離れた位置に巾の広い補助
接地電極40が形成され、接地電極4と補助接地電極40と
の間を接地電極ブリッジ41で電気的に接続しているの
で、アースが浮いて誘導を受けるといった心配がなく,
したがって、変調周波数帯域が劣化することがない。さ
らに、接地電極3の直ぐ外側の補助接地電極40との間の
基板1に溝6を形成して、高誘電率の基板LiNbO3を通し
て電気力線が補助接地電極40側に洩れるのを防げばより
一層効果を上げることができる。
〔実施例〕
第1図は本発明の実施例を示す図で、同図(イ)は平
面図、同図(ロ)はY−Y′断面図である。
基板1には大きさ30mm×2mm,厚さ1mmのLiNbO3のZ板
の表面を鏡面研磨して使用した。この基板の上にTiを約
90nmの厚さに真空蒸着し、分岐光導波路2aおよび2bを含
む光導波路2に相当する部分にTiが残るように通常のホ
トエッチング法で処理したのち、約800℃でTiをLiNbO3
中に熱拡散して全光導波路2を形成した。
分岐光導波路部分の長さは20nm,光導波路の幅は全て
7μmになるように調整した。
次いで、バッファ層としてSiO2を300nmの厚さにスパ
ッタ法で形成した。
信号電極3はAu/Tiの2層膜を蒸着したのち、分岐光
導波路2aおよび2bの上に巾9μmの電極形状にパターン
エッチングし、さらに、その上に厚さ3μmのAuをメッ
キにより付着形成した。
接地電極4は信号電極3と同様のプロセスで9μmの
巾で信号電極形成と同時形成する。補助接地電極40は接
地電極4の外側に0.4mm離して平行に配置し、接地電極
ブリッジ41は接地電極4と補助接地電極40の間を,たと
えば、4個所で巾10μmの導体膜により電気的に接続す
る。補助接地電極40と接地電極ブリッジ41の形成には,
たとえば、接地電極4および信号電極3と同様のプロセ
スで3μmの厚さのAuメッキ膜を,図示したごとき形状
に信号電極形成と同時形成する。
以上の構成により、従来約5GHzまでの周波数帯域であ
ったものが、駆動電圧6vと低電圧動作を維持したまゝ
で、15GHz程度まで帯域巾を広げることが可能となっ
た。
第2図は本発明の他の実施例を示す図で、同図(イ)
は平面図、同図(ロ)はY−Y′断面図である。
図中、6は溝で,たとえば、巾0.2mm,深さ0.15mmで接
地電極4の直ぐ外側の補助接地電極40との間の基板1に
形成されている。
なお、前記の図面で説明したものと同等の部分につい
ては同一符号を付し、かつ、同等部分についての説明は
省略する。
本実施例では4本の接地電極ブリッジ41の中央部分の
2本をボンディングワイヤで溝6を跨いで接続してお
り、前記第1図の実施例と同等以上の効果が得られる。
第3図は本発明のさらに他の実施例を示す平面図であ
る。
本実施例は前記第2図で説明した場合よりも、溝6の
長さを大きくして接地電極4と補助接地電極40の隔離効
果をより高めるようにしている。したがって、接地電極
ブリッジ41は全てボンディングワイヤにより溝6を跨い
で接続されている。
溝6が形成されていることにより、基板1の巾方向に
伝播される弾性波に基づく相互干渉の影響が高周波側に
ずれるので(信号電極3と接地電極4が形成されている
基板部分の巾が大きいほど、弾性波に基づくノイズの影
響が低周波側に生じてくることが知られている)、前記
第1図の溝6を形成していない場合に比較して、周波数
帯域はさらに広がり約30GHzまで使用可能な光変調器が
得られた。
溝6の形成には、ダイヤモンドカッターやダイシング
マシンを使用するか、レーザ光により溝付けするか,あ
るいは、化学的にエッチングして形成してもよい。
なお、溝6の長さ方向の形成範囲は、さらに広げて信
号電極3の電極引き出し部分を横切るようにしてもよ
く、この場合には溝6はウエーハ上で連続した溝とし
て,たとえば、ダイシングソーで一括形成すればよので
極めて容易であり,また、電気的接続は信号電極の電極
引き出し部分を含めて、溝6を跨いで同様にボンディン
グワイヤで電気的に接続すればよい。
以上述べた実施例は数例を示したもので、本発明の趣
旨に添うものである限り、使用する素材や構成,寸法,
製作プロセスなど適宜好ましいもの、あるいはその組み
合わせを用いることができることは言うまでもない。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば接地電極4は信
号電極3と同じ狭い巾に形成されているので、分岐光導
波路2a,2bに印加される電界分布はほゞ等しく低電圧駆
動ができる。しかも、接地電極4の外側には離れた位置
に巾の広い補助接地電極40が形成され、接地電極4と補
助接地電極40との間を接地電極ブリッジ41で電気的に接
続しているので、アースが浮いて誘導を受けるといった
心配がなく,したがって、広い変調周波数帯域が得られ
るる。さらに、接地電極3の直ぐ外側の補助接地電極40
との間の基板1に溝6を形成すれば、高誘電率の基板Li
NbO3を通して電気力線が補助接地電極40側に洩れるのを
防ぐとともに、弾性波に基づくノイズの発生を抑えるの
で、より一層効果を上げることができ、高周波・長距離
光通信用の光変調器の性能・品質の向上に寄与するとこ
ろが極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例を示す図、 第2図は本発明の他の実施例を示す図、 第3図は本発明のさらに他の実施例を示す平面図、 第4図は従来の光変調器の例を示す図(非対称電極配置
型)、 第5図は従来の光変調器の例を示す図(対称電極配置
型)図である。 図において、 1は基板、2は光導波路、 2aおよび2bは第1および第2の分岐光導波路、 3は信号電極、4は接地電極、5はバッファ層、 40は補助接地電極、 41は接地電極ブリッジである。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】平面に加工した電気光学効果を有する基板
    (1)上に、第1および第2の分岐光導波路(2a,2b)
    を有する光導波路(2)を設け、前記第1の分岐光導波
    路(2a)と第2の分岐光導波路(2b)を伝播する光の間
    に位相差を生じさせるように信号電極(3)および接地
    電極(4)を対向対称配置してなるマッハツェンダ型光
    変調器において、 前記接地電極(4)の外側に補助接地電極(40)を分離
    して形成し、前記接地電極(4)と補助接地電極(40)
    との間を、複数の接地電極ブリッジ(41)で電気的に接
    続することを特徴とした光変調器。
  2. 【請求項2】前記接地電極(4)と補助接地電極(40)
    との間の基板(1)に細長い溝(6)を形成することを
    特徴とした請求項(1)記載の光変調器。
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