JP2946630B2 - 光変調器 - Google Patents

光変調器

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【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器において、周波数チャーピン
グの量を制御することを目的とし、 電気光学効果を有する基板上に、導波路型強度変調器
と導波路型位相変調器とが縦続接続されており、後段の
該導波路型位相変調器に印加される電気信号が、前段の
該導波路型強度変調器に印加される電気信号に遅延を掛
けたものであるように光変調器を構成する。また、後段
の該導波路型位相変調器に印加される電気信号が、前段
の該導波路型強度変調器に印加される電気信号の信号強
度を可変したものであり、さらに、該導波路型強度変調
器は、マッハツェンダ型であるように光変調器を構成す
る。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、高速駆動の外部光変調器の周波数チャーピ
ングの量を制御し、長距離光ファイバ伝送の特性を向上
させる光変調器の構成に関する。
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、チャーピング現象のため、光ファイ
バの分散特性と相まって長距離通信への限界となってい
る。これに対して、外部光変調器,たとえば、進行波電
極を有する導波路型変調器では周波数チャーピングがな
いと考えられ高速・長距離通信用に採用されはじめてい
る。
しかし、条件によっては若干の周波数チャーピング
が,かえって、伝送特性を良好にする場合があることが
わかってきており、周波数チャーピングの量を制御でき
る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7図は従来のマッハツェンダ型光変調器の例を示す
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、LiTaO3あるいはLiNbO3基板であ
る。20′は光導波路で中間に分岐光導波路21′,22′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。23′は信号電極で,たとえば、進行波電
極、24′は接地電極で、いずれもAuなどの金属を蒸着あ
るいはめっきによって形成したもの、4は電気信号源で
ある。なお、図には示してないが光導波路と電極との間
には前記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,たとえば、 SiO2などの薄膜が設けられている。
いま,たとえば、図示してない半導体レーザから発し
た直流光が左側の光導波路20′から入射し分岐光導波路
21′,22′で2つに分けられ、その間に、信号電極23′
に電気信号源4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21′,22′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20′から変
調された光信号出力を出射させ、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る。前記分岐光導波
路21′,22′における両光の位相差がπ,あるいは、0
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。
このとき変調電界Eにより分岐光導波路21′,22′で
それぞれφ1′(E),φ2′(E)の位相変化を生じ
るとすると変調器出力の光電界は次式で表される。
EOUT=E0/2[Cos(ω0t+φ1′(E))+Cos(ω0t +φ2′(E))]=E0/2(X2+Y21/2・Co s[ω0t−tan-1(Y/X)] ……(1) たゞし、X=Cosφ1′(E)+Cosφ2′(E) Y=Sinφ1′(E)+Sinφ2′(E) こゞで、分岐光導波路21′,22′での変調効率が等し
ければ[−φ1′(E)=φ2′(E)]、 EOUT=E0Cosφ(E)・Cos(ω0t) ……(2) となって周波数チャーピングは起こらない。
しかし、図に示すごとく信号電極23′と接地電極24′
とが非対称であるため、分岐光導波路21′,22′での変
調効率が等しくなくなり,その結果、周波数チャーピン
グが生じることになる。
式(1)の位相部分ω0t−tan-1(Y/X)をΦ(t)と
し、これを時間tで微分すると変調器出力の角周波数ω
(t)となる。
ω(t)=dΦ(t)/dt =ω−d[tan-1(Y/X)/dt ……(3) この式(3)の第2項が周波数チャーピングとなる
(横田,清野ほか;電子情報通信学会全国大会予稿集,p
4−87,B−711,1989参照)。
通常、変調効率の非対称性は3〜6対1程度であり、
この場合の周波数チャーピング量は,たとえば、DFB型
の半導体レーザの直接変調の場合に比較して一桁程度小
さい量である。
〔発明が解決しようとする課題〕
第8図は光変調器の周波数チャーピング特性を示す図
で、同図(イ)は電気信号を、同図(ロ)は周波数チャ
ーピングを示す。すなわち、同図(イ)に示したような
電気信号が印加されると、同図(ロ)のような周波数チ
ャーピングが生じる。
しかし、上記のようなマッハツェンダ型光変調器の周
波数チャーピングは分岐光導波路21′,22′での変調効
率の違いに起因するものであり,通常は、変調器の設計
により固定されてしまい任意の大きさに制御することは
できず、そのまゝでは高速光伝送の伝送特性の改善には
利用することができない。したがって、マッハツェンダ
型光変調器を含んだ外部光変調器の周波数チャーピング
量を制御する手段の提供が強く求められる。
〔課題を解決するための手段〕
上記の課題は、電気光学効果を有する基板1上に、導
波路型強度変調器2と導波路型位相変調器3とが縦続接
続されており、後段の該導波路型位相変調器3に印加さ
れる電気信号が、前段の該導波路型強度変調器2に印加
される電気信号に遅延を掛けたものであるように構成さ
れた光変調器によって解決することができる。また、後
段の該導波路型位相変調器3に印加される電気信号が、
前段の該導波路型強度変調器2に印加される電気信号の
信号強度を可変したものであり、さらに、該導波路型強
度変調器2は、マッハツェンダ型であるように構成され
た光変調器によって解決することができる。
〔作用〕
直線光導波路を伝播する光がφなる位相変化を与え
られると光電界は次式のごとく表される。
E′OUT=E0′Cos(ω0t+φ(E′))……(4) 式(4)の位相部分を時間微分すると、 ω(t)=ω+dφ(E′)/dt ……(5) となる。
すなわち、この場合には前記のマッハツェンダ型の光
変調器の場合とは異なり、印加する電気信号を変化させ
ることにより周波数チャーピングの量を制御できる。
したがって、本発明によれば強度変調器と位相変調器
とを縦続接続しているので、総合された光変調器出力の
光電界は次式で表される。
EOUT=E0/2(X2+Y21/2・Cos[ω0t−tan-1 (Y/X)+φ(E)] ……(6) 式(6)の位相部分を時間微分すると、 ω(t)=ω−d[tan-1(Y/X)]/dt +dφ(E)/dt=ω−δ″ω ……(7) となる。
たゞし、δ″ω=d[tan-1(Y/X)]/dt+dφ
(E)/dtである。
式(7)において、dφ(E)/dtは印加する電気
信号によって変化させることができるので、光の角周波
数の時間変動項δ″ω,すなわち、周波数チャーピング
を可変制御することが可能となる。そして、ある時間に
変調器に入射してきた光が前段の変調器(強度変調器ま
たは位相変調器)で変調される電気信号と、後段の変調
器(位相変調器または強度変調器)で変調される電気信
号が同一になるように、光が前段の変調器に到達したと
きから後段の変調器に到達するまでに要する時間だけ後
段の変調器に印加する電気信号に遅延をかけているの
で、両変調器の同期がとれ極めて有効な変調器特性が得
られるのである。
〔実施例〕
第1図は本発明の第1実施例を示す図である。
基板1には大きさ60mm×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21aおよび22aを含む光導波路20および30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1050℃でTiをLiNbO3中に熱拡散して全光
導波路を形成した。
光導波路の幅は全て7〜11μmになるように調整し
た。次いで、バッファ層としてSiO2を300〜1000nmの厚
さにスパッタ法で形成した。
前段の非対称型の導波路型強度変調器2aとして、分岐
光導波路21aおよび22aのそれぞれに信号電極23aおよび
接地電極24aを形成した。また、後段の導波路型位相変
調器3としては前記導波路型強度変調器2aに縦続して、
合流された光導波路30に信号電極31および接地電極32を
設けて形成した。
両変調器の接地電極24aおよび32が覆う光導波路の長
さはそれぞれ20mmで、両変調器の間は3mmの間隔をあけ
て構成した。信号電極の巾は7〜9μm,信号電極と接地
電極間のスペースは15μmとし、電極形成には,たとえ
ば、Ti−Au合金膜を蒸着したのち公知の方法で所定の電
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をめっきにより付着形成した。
40,41は信号用ケーブルで一方の端はそれぞれ導波路
型強度変調器2aおよび導波路型位相変調器3の信号電極
23a,31の入力端に接続され、信号用ケーブル40の他方の
端は,たとえば、増巾器5を経由して電気信号源4に,
また、信号用ケーブル41の他方の端は,たとえば、遅延
手段7,電気信号可変手段6,増巾器5を経由して電気信号
源4に接続されている。RTは終端抵抗である。
いま,直流光として光導波路20に入射した光は分岐光
導波路21a,22aにおける両光の位相差がπ,あるいは、
0になるように電気信号源4から電気信号を印加すれば
導波路型強度変調器2aからの光信号出力はON−OFFのパ
ルス信号となって、後段の導波路型位相変調器3に入射
する。後段の導波路型位相変調器3で,同じく、電気信
号源4から電気信号を印加すると入射光パルス信号は印
加される電気信号の大きさに対応した位相変調を受けて
光導波路30から出射する。
なお、後段に印加する電気信号,すなわち、電気信号
分岐点Cと後段の導波路型位相変調器3の先頭点Bの間
の伝達時間は、前段に印加する電気信号,すなわち、電
気信号分岐点Cと前段の導波路型強度変調器2aの先頭点
Aとの間の伝達時間よりも、前記両変調器の先頭点Aお
よびBの間を光が走行するに要する時間だけ遅延させる
ように、遅延手段7,たとえば、同軸ケーブルやストリッ
プラインからなる信号ケーブル41の長さを適当に長くす
ればよい。また、電気信号可変手段6,たとえば、減衰器
あるいは増巾器で電気信号の大きさを変えることにより
周波数チャーピングの量を制御することができる。
第2図は本発明実施例の周波数チャーピング特性を示
す図で、同図(イ)は電気信号を、同図(ロ)は周波数
チャーピングを示す。すなわち、同図(イ)に示したよ
うな電気信号が印加されると、同図(ロ)のような周波
数チャーピング量δ″ωが生じる。この周波数チャーピ
ング量δ″ωは式(7)で示したごとく電気信号の大き
さで制御することができ,しかも、その符号も反転可能
である(たとえば、,→,)。
第3図は本発明による伝送波形の変化を説明する図
で、太い実線が周波数チャーピングがない場合、細い実
線(,)と破線(,)が周波数チャーピングが
ある場合を模式的に示したものである。すなわち、たと
えば周波数チャーピングの量を破線(,)のように
制御するとバルス巾の圧縮が行われ長距離伝送特性が改
善される。
第4図は本発明の第2実施例を示す図で、この実施例
では導波路型強度変調器2bとして方向性結合器型強度変
調器を用いた場合である。電気信号源その他については
図示するのを省略し,さらに、その動作メカニズムも前
記実施例と同一であるので説明を省略する。
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。
第5図は本発明の第3実施例を示す図で、本実施例は
前記第1実施例の前段の変調器と後段の変調器を入れ換
えただけでその機能,動作は全く同様であるので詳細説
明は省略する。
第6図は本発明の第4実施例を示す図で、本実施例も
前記第2実施例の前段の変調器と後段の変調器を入れ換
えただけでその機能,動作は全く同様であるので詳細説
明は省略する。
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
合わせを用いてよいことは言うまでもない。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば光変調器の周波
数チャーピングの量を制御できるので、長距離光ファイ
バ伝送特性が改善でき、電気光学結晶を用いた外部光変
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図は本発明の第1実施例を示す図、 第2図は本発明実施例の周波数チャーピング特性を示す
図、 第3図は本発明による伝送波形の変化を説明する図、 第4図は本発明の第2実施例を示す図、 第5図は本発明の第3実施例を示す図、 第6図は本発明の第4実施例を示す図、 第7図は従来のマッハツェンダ型光変調器の例を示す
図、 第8図は光変調器の周波数チャーピング特性を示す図で
ある。 図において、 1は基板、 2(2a,2b)は導波路型強度変調器、 3は導波路型位相変調器、 4は電気信号源、 5は増巾器、 6は電気信号可変手段、 7は遅延手段、 20,30は光導波路、 21a,22aは分岐光導波路、 23(23a,23b),31は信号電極、 24(24a,24b),32は接地電極である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02F 1/035 JICST

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電気光学効果を有する基板上に、導波路型
    強度変調器と導波路型位相変調器とが縦続接続されてお
    り、後段の該導波路型位相変調器に印加される電気信号
    が、前段の該導波路型強度変調器に印加される電気信号
    に遅延を掛けたものであることを特徴とする光変調器。
  2. 【請求項2】後段の該導波路型位相変調器に印加される
    電気信号が、前段の該導波路型強度変調器に印加される
    電気信号の信号強度を可変したものであることを特徴と
    する請求項1記載の光変調器。
  3. 【請求項3】該導波路型強度変調器は、マッハツェンダ
    型であることを特徴とする請求項1記載の光変調器。
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