JP2825056B2 - 光制御デバイス - Google Patents
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Description
いて光波の変調、光路切り替えを行う光制御デバイスに
関し、特に電気光学結晶基板中に形成された光導波路を
用いて制御を行う導波型光制御デバイスに関するもので
ある。
容量で多機能の高度なシステムが求められており、より
高速の光信号の発生や光伝送路の切り替え、交換等の新
たな機能の付加が必要とされている。現在の実用システ
ムでは光信号は直接半導体レーザや発光ダイオードの注
入電流を変調することによって得られているが、直接変
調では緩和振動等の効果のため数GHz以上の高速変調
が難しいこと、波長変動が発生するためコヒーレント光
伝送方式には適用が難しい等の欠点がある。これを解決
する手段としては、外部変調器を使用する方法があり、
特に電気光学結晶基板中に形成されたマッハツェンダ型
光導波路により構成される導波型の光変調器は小型、高
効率、高速という特徴がある。
の交換機能を得る手段としては、光スイッチが使用され
ている。現在実用化されている光スイッチはプリズム、
ミラー、ファイバ等を機械的に移動させて光路を切り替
えるものであり、低速であること、形状が大きくマトリ
クス化に不適等の欠点がある。これを解決する手段とし
ても光導波路を用いた導波型の光スイッチの開発が進め
られており、高速、多素子の集積化が可能、高信頼等の
特徴がある。
晶等の強誘電体材料を用いたものは、光吸収が小さく低
損失であること、大きな電気光学効果を有しているため
高効率である等の特徴があり、方向性結合器型光変調器
・光スイッチ、マッハツェンダ型光変調器、バランスブ
リッジ型光変調器・光スイッチ、全反射型光スイッチ等
の種々の方式の光制御デバイスが報告されている。例え
ば、カワノ(KAWANO)他の文献エレクトロニクス
レターズ(ELECTRONICS LETTERS)
Vol.25 No.20 1989並びに清野実他1
990年電子情報通信学会秋季全国大会予稿集C−14
0によれば20GHzを越える高速光強度変調器のよう
な単一素子からなる光制御デバイスの研究開発も盛んに
進められている。
は、周波数帯域、スイッチング電圧(電力)、クロスト
ーク、消光比、損失、温度や衝撃などの環境に対する動
作の安定性などがある。
でも周波数帯域を維持したまま、温度や衝撃などの環境
に対する動作の安定性を得ることが最も重要な課題であ
る。
る。図4(a)、(b)はマッハツェンダ型光回路5を
用いた従来の高速光変調器の構造を示す斜視図である。
図5(a)、(b)は図4(a)、(b)の従来の高速
光変調器の断面図である。図4,5において、多くはZ
板LiNbO3 基板を電気光学結晶基板1に用いられて
いる。電気光学結晶基板1に2つのY分岐光導波路6と
電気光学効果を作用させる2本の光導波路アーム2a、
2bからなるマッハツェンダ型光回路5が形成されてい
る。更に、前記電気光学結晶基板1上にバッファ層3が
装荷され、前記バッファ層3を介して金属材料からなる
マイクロ波を伝達する信号電極4aと図4(a)、図5
(a)では信号電極4aを挟む様に2つのアース電極4
b、4cが、また図4(b)、図5(b)では1つのア
ース電極が光導波路2a、2bの近傍に形成される。前
記バッファ層3は、金属電極4a、4bによる光の吸収
を防ぐための光学的バッファ層として用いられ、各電極
4a、4b、4cは高速動作が行えるように体積抵抗率
が小さい、たとえば金(Au)が用いられる。
電極配置は、2本の光導波路アーム2a、2bに対して
対称ではない。つまり、片方の光導波路アーム2aの上
には光導波路2aの幅とほぼ同じ幅の信号電極4aが形
成されている。すなわち信号電極4aの両方のエッジが
光導波路2aの近傍にあるのに対して、もう一方の光導
波路アーム2bにおいては、アース電極4b、4cの片
方のエッジだけが光導波路2bの近傍にあるように形成
される。
撃などで加えられた歪は、弾性波の不連続点である信号
電極4aやアース電極4b、4cのエッジに集中する。
この歪により光弾性効果などにより、歪が発生した信号
電極4aやアース電極4b、4cのエッジ付近の電気光
学結晶基板1部分、すなわち2本の光導波路2a,2b
近傍の屈折率が変動する。従って、2本の光導波路2
a,2bの伝搬定数が変動することになる。図4
(a)、(b)、図5(a)、(b)の構造では、2本
の光導波路2a,2b間では上部に形成された各種電極
4a,4b、4cの構造が異なるため、すなわち2本の
光導波路2a,2bの間で各種電極4a,4b、4cの
エッジの位置が異なるため、2本の光導波路2a,2b
の間で歪による伝搬定数の変動も異なる。2本の光導波
路2a,2bの伝搬定数が異なると、等価的に印加電圧
に対する光出力特性が印加電圧軸に沿って平行移動した
特性を示すことになり、高速光変調器の消光比の変動や
動作電圧点のシフトが発生する。従って、従来のマイク
ロ波で駆動する高速光変調器の電極配置では温度変動や
外部からの衝撃などがあると、消光比の変動や動作電圧
点のシフトが発生するという問題があるが、解決方法が
与えられていない。
速動作を維持したまま、温度や衝撃などの環境に対する
動作の安定性が得られる光制御デバイスを与えることに
ある。
イスは、電気光学効果を有する結晶基板に形成された2
本の近接した光導波路からなる光回路と、前記2本の各
光導波路の近傍に形成されたマイクロ波が伝搬する信号
電極とそれを挟む2つのアース電極からなる光制御デバ
イスにおいて、前記2つのアース電極のうち一方のアー
ス電極の一部分を信号電極と同様な形状にせしめること
により、信号電極と同様な形状のアース電極部分を含
む、信号電極とアース電極からなる電極配置の部分が、
前記光回路をなす2本の光導波路の真中の軸に対して対
称化されていることを特徴とする。
分が複数からなり、前記電極配置が対称化されている部
分の間の間隔が、光制御デバイスを動作させるマイクロ
波が前記信号電極を伝搬する際の波長の2分の1より短
いことを特徴とする。
成された2本の近接した光導波路からなる光回路と、前
記2本の各光導波路の近傍に形成されたマイクロ波が伝
搬する信号電極とそれを挟むアース電極からなる光制御
デバイスにおいて、前記アース電極のうち1つのアース
電極を、信号電極と同様な形状の第1のアース電極と、
この第1のアース電極に平行に延びる第2のアース電極
とに分け、第1のアース電極と第2のアース電極の上面
間が接続せしめられ、信号電極とアース電極からなる電
極配置が、前記光回路をなす2本の光導波路の真中の軸
に対して対称化されていることを特徴とする。
数帯域を維持したまま、温度や衝撃などの環境に対する
動作の安定性が得られる。すなわち、本発明では従来の
構造と異なり、歪が2本の光導波路の間で同じように発
生するようなアース電極構造を一部分に適用し、その他
の部分は周波数帯域を劣化させないために従来の電極構
造を適用している構造を用いているためである。
る。
ッハツェンダ型光回路5を用いた高速動作用の光制御デ
バイスの構造を示す斜視図である。
気光学結晶基板1に用いる。電気光学結晶基板1に2つ
のY分岐光導波路6と電気光学効果を作用させる2本の
光導波路アーム2a、2bからなるマッハツェンダ型光
回路5が形成されている。更に、前記電気光学結晶基板
1上にバッファ層が装荷され、前記バッファ層3を介し
て金属材料からなるマイクロ波が伝達する信号電極4a
と信号電極4aを挟む様に2つのアース電極4b、4c
が形成される。信号電極4aは片方の光導波路2aの上
に形成され、光導波路2aとほぼ同じ幅を有する。アー
ス電極4b、4cのうち片方のアース電極4bは他方の
光導波路2bを覆うように形成される。信号電極4aに
高周波数のマイクロ波を伝達させて、強度変調やスイッ
チングの高速動作を得る。前記バッファ層3は、金属電
極4a、4bによる光の吸収を防ぐための光学的バッフ
ァ層として用いられ、例えばSiO2 が用いられる。各
電極には4a、4b、4cは高速動作が行えるように体
積抵抗率が小さい、たとえば金(Au)が用いられる。
する電極配置が対称になる部分が形成されている。すな
わち、光導波路2bの上に形成されたアース電極4bに
おいて、光導波路2bの上のアース電極4bの一部分4
d(今後、細線アース電極と呼ぶ)が信号電極4aと同
じ幅になるように、アース電極4bの一部分がくりぬか
れた構造となっている。この部分では、2本の光導波路
に対する電極配置が対称部位7(今後、対称電極部位と
呼ぶ)になり、温度変動により発生する歪や外部からの
衝撃などで加えられた歪があったとしても2本の光導波
路2a,2bには同じ歪がかかるため、2本の光導波路
2a,2bの間に伝搬定数差は発生しない。従って、こ
のような電極構造を一部分でも有する光制御デバイス
は、従来の光制御デバイスと比較して、消光比変動、動
作電圧点シフトが少ない安定な動作が得られる。また、
高周波のマイクロ波に対して細線アース電極4dが隣接
したアース電極4bと接続しているため、周波数帯域内
の特性劣化も少ない。
部位7の領域を増やしていけばよい。このとき、対称電
極部位7の長さPが、光制御デバイスを動作させるマイ
クロ波が信号電極4aを伝搬する際の波長の2分の1よ
り長い場合には、信号電極4aに隣接したアース電極4
bがマイクロ波にとってアースとして働かなくなること
を発明者は見いだした。従って、複数個存在する対称電
極部位7の長さPは、マイクロ波が信号電極4aを伝搬
する際の波長の2分の1より短くさせる。これにより、
信号電極を伝播しているマイクロ波が細線アース電極に
誘導されないので、周波数帯域内の特性劣化は全く観測
されなかった。従って、本発明により周波数帯域、すな
わち高速動作を維持したまま、温度や衝撃などの環境に
対する動作が安定した高速動作の光制御デバイスが得ら
れる。
係わる光制御デバイスにおける対称電極部位7以外の部
分の断面図である。図2(a)はアース電極4bと細線
アース電極4dとのアース接続部8を示し、底面から接
続させている。このアース接続部8の形成にはリソグラ
フィ技術を用いて、他の電極と同時に一括形成する方法
や光CVD法を用いて他の電極の形成後に堆積する方法
などが用いられる。図2(b)はアース接続部8として
空中配線が用いられ、アース電極4bと細線アース電極
4dが接続されている。このアース接続部8の形成には
光CVD法、ボンディング法や金リボン接続などが用い
られる。本構造では、2本の光導波路2a、2bに対し
て加わる歪が電極全長Lの領域に渡って対称化されてい
るため、周波数帯域、すなわち高速動作を維持したま
ま、温度や衝撃などの環境に対する動作がさらに安定し
た高速動作の光制御デバイスが得られる。図2(c)は
本発明の一実施例に係わる光制御デバイスにおける対称
電極部位の断面図である。
係わるマッハツェンダ型光回路5を用いた高速動作用の
光制御デバイスの構造を示す斜視図と断面図である。図
3(a)は細線アース電極4dが電極の全長Lに渡って
形成されており、空中配線でアース電極4bと細線アー
ス電極4dが接続されており、光CVD法、ボンディン
グ法や金リボン接続などが用いられる。本発明では、す
べての領域が対称電極部位となっているとともに、すべ
ての領域でアース電極4bと細線アース電極4dが接続
している。従って、本発明により周波数帯域内外の特性
が全く劣化せず、温度や衝撃などの環境に対する動作が
極めて安定した光制御デバイスが得られる。
性結合器、マッハツェンダ型、バランスブリッジ型など
なんでもよく、なんら制限が無いのは明らかである。
系が用いられるが、その他にAl2O3 、MgF2 、S
iON、Si3 N4 などが用いられ、厚さは0.2から
2μm程度を用いる。電極4a、4b、4c及びアース
電極接続部8としては主にAuが用いられるが、その他
にAl、Mo、ITO、ZnO系材料、導電性高分子な
どが用いられ、厚さは1μmから30μm程度を用い
る。厚い金属膜を堆積する方法には、主にメッキ法が適
用されるが、その他に蒸着法、スパッタリング法なども
用いられる。
り、歪が2本の光導波路の間で同じように発生するよう
なアース電極構造を一部分、または全部分に適用し、ま
た周波数帯域を劣化させないためにアースを強化した電
極構造を用いているため、周波数帯域を維持したまま、
温度や衝撃などの環境に対する動作の安定性を得ること
ができる。
ある。
面図(b)である。
る。
る。
Claims (3)
- 【請求項1】電気光学効果を有する結晶基板に形成され
た2本の近接した光導波路からなる光回路と、前記2本
の各光導波路の近傍に形成されたマイクロ波が伝搬する
信号電極とそれを挟む2つのアース電極からなる光制御
デバイスにおいて、前記2つのアース電極のうち一方の
アース電極の一部分を信号電極と同様な形状にせしめる
ことにより、信号電極と同様な形状のアース電極部分を
含む、信号電極とアース電極からなる電極配置の部分
が、前記光回路をなす2本の光導波路の真中の軸に対し
て対称化されていることを特徴とする光制御デバイス。 - 【請求項2】前記電極配置が対称化されている部分が複
数からなり、前記電極配置が対称化されている部分の間
の間隔が、光制御デバイスを動作させるマイクロ波が前
記信号電極を伝搬する際の波長の2分の1より短いこと
を特徴とする請求項1記載の光制御デバイス。 - 【請求項3】電気光学効果を有する結晶基板に形成され
た2本の近接した光導波路からなる光回路と、前記2本
の各光導波路の近傍に形成されたマイクロ波が伝搬する
信号電極とそれを挟むアース電極からなる光制御デバイ
スにおいて、前記アース電極のうち1つのアース電極
を、信号電極と同様な形状の第1のアース電極と、この
第1のアース電極に平行に延びる第2のアース電極とに
分け、第1のアース電極と第2のアース電極の上面間が
接続せしめられ、信号電極とアース電極からなる電極配
置が、前記光回路をなす2本の光導波路の真中の軸に対
して対称化されていることを特徴とする光制御デバイ
ス。
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