JP3639198B2

JP3639198B2 - 周期ドメイン反転構造電気光学ｓｓｂ光変調器・光周波数シフタ

Info

Publication number: JP3639198B2
Application number: JP2000250492A
Authority: JP
Inventors: 博司村田; 哲郎小林
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2000-08-22
Filing date: 2000-08-22
Publication date: 2005-04-20
Anticipated expiration: 2020-08-22
Also published as: JP2002062516A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学機器、計測器、光エレクトロニクス、光通信、光集積回路に好適な、１〜１００ＧＨｚの高周波領域で動作する、周期ドメイン反転構造電気光学ＳＳＢ光変調器および光周波数シフタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の先行技術としては、以下に示すようなものがある。
【０００３】
〔１〕Ｍ．Ｉｚｕｔｓｕ，ｅｔａｌ．，ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．，ＱＥ−１７，ｐ．２２２５，１９８１．
〔２〕Ｇ．Ｈ．Ｓｍｉｔｈ，ｅｔａｌ．，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．Ｌｅｔｔｅｒｓ．，Ｖｏｌ．３３，ｐ．７４，１９９７．
ニオブ酸リチウムなどの強誘電材料を用いた電気光学変調器が実用化された今日では、光波を高周波電気信号（〜４０ＧＨｚ）で変調すること自体はさほど困難ではない。
【０００４】
しかし、高周波領域で光波を自由自在に変調する技術、制御する技術はまだ十分に確立されているとは言えない。たとえば、前述の市販の電気光学変調器は、搬送波である光波の周波数の高周波側および低周波側の両方に、変調によるサイドバンド周波数成分が生じる、ＤＳＢ（ＤｕａｌＳｉｄｅＢａｎｄ）タイプの変調器である。このＤＳＢ変調方式は冗長性があり、情報伝送のためには片側のサイドバンドのみを生じさせるＳＳＢ（ＳｉｎｇｌｅＳｉｄｅＢａｎｄ）変調方式で十分であることが知られている。しかし、１ＧＨｚを超える高周波領域でＳＳＢ光変調を行うことは難しく、実用的なＳＳＢ光変調器はまだ得られていない。
【０００５】
ＳＳＢ変調は、古くから商用ラジオ放送などで用いられており、電波領域では確立された技術ではあるが、光波領域においては、まだ発展途上段階にあると言える。しかし、近年来、光通信、光計測に代表される光波を利用した技術が広く使われるようになり、また応用技術が高度化するに伴って、光ＳＳＢ変調の重要性は増すばかりのように見える。例えば、光通信においては、情報量あたりの周波数帯域を減らして周波数帯域資源を有効に活用するために、また光ファイバーなどの伝送路の分散による信号劣化を防ぐためにも、占有周波数帯域の小さいＳＳＢ動作の高速光変調器が重要視されている。
【０００６】
一方、光周波数シフタは、光通信システムやヘテロダイン計測、分光などにおいて非常に重要である。特に、数十ＧＨｚで動作する光周波数シフタを用いることができれば、波長多重通信システムにおいて必須である周波数が数十ＧＨｚずつ異なる複数の光源を容易に得ることができる。それゆえに、近年、数十ＧＨｚ以上の高周波域で動作する光周波数シフタの開発が切望されている。
【０００７】
現在市販されている光ＳＳＢ変調器／光周波数シフタとしては、音響光学効果を用いたデバイスがある。これは、結晶中を伝搬する音波による光の回折を利用するものであるが、動作周波数に上限があり、数１００ＭＨｚ程度である。１ＧＨｚ以上の高周波数域では、音波の波長が光波波長に比べて小さくなってしまい原理的に回折が起きなくなることや、結晶中での音波の伝搬損失が非常に大きくなるという本質的な問題がある。
【０００８】
電気光学効果を用いたデバイスとしては、複数の光変調素子とマッハツェンダー型の光干渉計とを組み合わせて、位相がπ／２ずれた変調信号をそれぞれの変調素子に印加するとともに、２つの導波路にλ／４の光路差を与えることでＳＳＢ変調／光周波数シフト作用を得るものとして、詳細に後述するＳＳＢ変調器が提案されており、動作実験の報告もなされている。
【０００９】
ＳＳＢ変調は、上述したような電気光学効果を用いるので、原理的に高速動作が期待できるが、しかし、この方式では、位相がπ／２ずれた信号を用意せねばならないことや、デバイスの構造が複雑であることなどの問題点があり、まだ実用化には至っていない。
【００１０】
また、右回り・左回りの２つの円偏光を用いた方式もあるが、導波路化が難しく大振幅の変調信号を用いねばならず、光ファイバ通信システムとの整合性の問題や、動作電力が大きくなることなどの問題が考えられ、実際的なデバイスとは言えない。
【００１１】
近年では、本願発明者により提案された、斜周期分極反転構造を用いた光周波数シフタ（特開平１０−８３００１号公報参照）があり、電気光学効果を用いること、分極反転（ドメイン反転構造）を用いること、などの類似点があるものの、斜周期分極反転構造を巧みに利用して実効的な進行波位相格子を得ようというものであり、下記に述べる本発明とは本質的な動作原理が異なる。また、このデバイスも導波路化は難しいと考えられ、光ファイバとの整合性の問題、動作電力増大などの問題点があると思われる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来、光を用いた通信・情報処理・計測においては、光の特性を活かすべく、高周波領域でのＳＳＢ光変調器や光周波数シフタが望まれており、上述の通り、複数の電気光学変調器を組み合わせて、光波にｓｉｎ変調、ｃｏｓ変調を行い合波する方法がある。
【００１３】
しかしながら、上記した従来のＳＳＢ光変調器や光周波数シフタは、構成や調整が複雑である。
【００１４】
また、その他の従来の技術も、技術的に満足できるものではない。
【００１５】
本発明は、上記状況に鑑みて、構成が簡単で、調整も容易な１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの高周波数で動作する、小型・高効率・低電力駆動の周期ドメイン反転構造電気光学ＳＳＢ光変調器・光周波数シフタを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために、
〔１〕周期ドメイン反転構造電気光学ＳＳＢ光変調器・光周波数シフタであって、互いに空間的配置を１／４周期ずらした周期分極反転構造を施した電気光学結晶を用いて、この電気光学結晶をマッハツェンダー干渉計導波路と進行波電極とを組み合わせた構造とし、一つの給電回路から変調波を供給するだけで、ｓｉｎ変調、ｃｏｓ変調作用を奏することができる。
【００１７】
〔２〕上記〔１〕記載の周期ドメイン反転構造電気光学ＳＳＢ光変調器・光周波数シフタにおいて、進行波電極長を前記周期分極反転構造の半整数値に設定して直流電圧を変調波に重畳することにより、光波のλ／４位相シフトを得ることができる。
【００１８】
上記のように、電気光学結晶（強誘電体結晶）に一組のマッハツェンダー型導波路と進行波電極を設けた電気光学変調器で、前記強誘電体結晶の分極の向きを周期的に反転させて、分岐された導波路を通る光は変調を受ける。分岐された両波に対応する分極反転構造の周期を１／４周期分ずらした構造として、プッシュプル型の変調を行うと、両導波路を通過する光波は位相がπ／２ずれた変調を受ける。進行波電極に高周波信号と直流バイアスを重畳すれば、合波による出力として、一個のデバイスでＳＳＢ変調光が得られる。変調度を適切に選べば、１〜１００ＧＨｚの光周波数シフタとなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
まず、本発明に至る従来のＳＳＢ光変調／光周波数シフタの基本構成について説明する。
【００２１】
図２は従来のＳＳＢ光変調器の模式図である。
【００２２】
この図において、ＳＳＢ変調器１００は、変調信号ｓｉｎΩｔが印加される高周波位相変調器１０１を有する第１の導波路と、ＤＣ信号が印加される位相変調器１０２と、変調信号ｃｏｓΩｔが印加される高周波位相変調器１０３が直列に設けられる第２の導波路とが並列に配置されている。なお、１０４は入力光、１０５はＳＳＢ出力光である。
【００２３】
図２に示すように、入力光１０４を２つに分けて、それぞれを位相がπ／２ずれた変調信号を用いて位相変調を行い、さらに２光波位相をπ／２（λ／４）ずらした後、合波することによりＳＳＢ光変調作用が得られる。このとき、位相変調の深さを適切に選ぶと、搬送波光波の周波数成分を抑制してＳＳＢ１次サイドバンド成分のみを取り出すことができる。つまり、光周波数シフタとして動作する。
【００２４】
この方式は電波領域でのＳＳＢ変調回路においても使用されているものである。これまでに提案、試作されている電気光学ＳＳＢ光変調器／光周波数シフタの多くは、図２の回路構成を複数の電気光学位相変調器とマッハツェンダー型光導波路とを組み合わせたものである。しかし、変調信号としてπ／２位相がずれた信号を用意せねばならないことや、構成が複雑であることなどの問題点がある。
【００２５】
また、通常のＤＳＢ変調器と狭帯域のバンドパス光フィルタとを組み合わせる方式も考えられるが、システム構成が複雑になることや、光領域では狭帯域フィルタ回路を構成することが難しいことなどのために、現実的なものとは言えない。
【００２６】
本発明は、以下に述べる「位相シフト周期分極反転構造による変調位相制御」を利用して、図２と等価な回路を、一組の進行波型変調電極とマッハツェンダー型導波路のみで実現するものである。
【００２７】
〔変調位相の制御の原理〕
図３は進行波型の電気光学変調器の模式図、図４はその進行波型電気光学変調器の相互作用長（電極長）と変調指数の関係を示す図である。
【００２８】
図３において、２０１は進行波型電気光学変調器、２０２はその電気光学材料（バルク）、２０３は進行波電極、２０４は入力光波、２０５は変調波（進行波）、２０６は入力側の進行波電極２０３と電気光学材料２０２に印加される変調信号、２０７は出力側の進行波電極２０３と電気光学材料２０２に接続される終端抵抗、２０８は変調出力光である。
【００２９】
この進行波型電気光学変調器２０１では、入力光波２０４と同じ方向に変調波２０５を進行波として伝送させるので、電極容量、光波走行時間効果による制限を受けることがなく、高周波領域においても効率の良い変調作用を得ることができる。
【００３０】
しかし、通常用いられる電気光学材料２０２においては、入力光波２０４の速度と変調波２０５の速度に差があり、入力光波２０４の方が変調波２０５に比べて速いので、入力光波２０４は伝搬するにつれて変調波２０５に先行するようになる。やがて、入力光波２０４が、電気光学材料２０２へ入射した時の変調波２０５の符号と逆の符号を持つ変調波の領域まで達すると、図４に示すように、それまでに累積的に受けてきた変調作用と逆の変調を受けてトータルの変調効果が減少するようになり、ついには変調度がキャンセルされてしまう。なお、図４において、ａは速度整合、ｂは擬似速度整合、ｃは速度非整合を示している。
【００３１】
この問題点を解決するために、提案されたのが擬似速度整合型の進行波光変調器である。
【００３２】
図５は擬似速度整合進行波型電気光学位相変調器の模式図である。
【００３３】
この図において、３０１は擬似速度整合進行波型電気光学位相変調器、３０２はその電気光学材料（バルク）、３０３は進行波電極、３０４は入力光波、３０５は変調波（進行波）、３０６は入力側の進行波電極３０３と電気光学材料３０２に印加される変調信号、３０７は出力側の進行波電極３０３と電気光学材料３０２に接続される終端抵抗、３０８は変調出力光である。黒色矢印は自発分極の向きを示している。
【００３４】
そこで、入力光波３０４と変調波３０５との速度差により変調作用がキャンセルする領域において電気光学材料３０２の分極の向きをあらかじめ反転させることにより、この領域での変調の符号を逆転させて、累積的な変調作用を得るものである。分極を反転させる領域の長さは、入力光波３０４の群速度、変調波３０５の位相速度、変調周波数によって決まる。ある変調周波数に対して最適な反転領域長が存在する。
【００３５】
さて、この擬似速度整合型の変調器において、分極反転の周期は変えずに、その位置を進行方向にずらした２つのものを考える。
【００３６】
図６はその分極反転パターンの空間的配置と変調位相との関係を示す図であり、図６（ａ）はｔ＝Ｔ／２が変調作用最小でｔ＝３Ｔ／４が変調作用ゼロとなる場合、図６（ｂ）はｔ＝Ｔ／２が変調作用ゼロでｔ＝３Ｔ／４が変調作用最大となる場合を示す図である。なお、図６において、▲１▼は光波の見る変調波信号、▲２▼は実効的な変調作用を示している。
【００３７】
反転周期は同じなので、同じ変調周波数に対して速度整合が取れる。しかし、反転パターンの空間的な位置がずれているので、両者では累積的な変調を受けることのできるタイミングがずれる、つまり、変調作用の位相がずれることとなる。したがって、反転構造の位置を１／４周期分ずらしておくと、位相がπ／２異なる変調、つまりｓｉｎ波による変調作用とｃｏｓ波による変調作用が得られることになる。
【００３８】
図１は本発明の実施例を示す周期ドメイン反転構造電気光学ＳＳＢ光変調器の模式図である。
【００３９】
この図において、１は周期ドメイン反転構造電気光学ＳＳＢ光変調器、２はその電気光学材料（バルク：フェロエレクトリック材料）、３はマッハツェンダー干渉計導波路、４は入力光波、５は進行波電極、６は周期ドメイン変換領域、７は接地電極、８は入力側の進行波電極５と接地電極７に印加される変調信号、９は出力側の進行波電極５と接地電極７に接続される終端抵抗、１０は変調出力光である。
【００４０】
本発明の特徴点は、この光波の伝搬方向に対して相対位置をずらした周期分極反転構造を用いることであり、位相が、π／２ずれた変調効果を得ることにある。変調位相の制御には分極反転構造を利用するので、変調波は同相（あるいは逆相）であれば良く、複雑な給電回路の必要がない。また、電極長（相互作用長）を分極反転周期の半整数倍となるようにすれば、直流電圧を重畳して２つの導波路の間に静的な光路差（光波位相シフト）を得ることができる。
【００４１】
デバイス構造としては、一つのマッハツェンダー干渉計導波路と、一つの進行波電極からなるプッシュプル型の変調器構成であり、非常にシンプルなものとなる。
【００４２】
さらに、擬似速度整合進行波型光変調をベースとしているので、高周波数領域においても効率の良い変調作用が得られる。つまり、小型で高効率な高速高性能ＳＳＢ光変調器／光周波数シフタを得ることができる。
【００４３】
上記したように、本発明によれば、互いに空間的配置を１／４周期ずらした周期分極反転構造を施した電気光学結晶（電気光学媒質、材料）を用いて、さらに、これをマッハツェンダー干渉計導波路と進行波電極とを組み合わせた構造とする、新しいＳＳＢ光変調器／光周波数シフタを得ることができる。
【００４４】
本発明では、空間的配置をずらした周期分極反転構造を用いて擬似速度整合進行波光変調を行うことにより、ｓｉｎ変調、ｃｏｓ変調が得られることに着目している。これを一つの進行波電極と組み合わせることで、一つの給電回路から変調波を供給するだけで、ｓｉｎ変調、ｃｏｓ変調作用を得ている。
【００４５】
さらには電極長を周期分極反転構造の半整数値に設定して直流電圧を変調波に重畳することで、光波のλ／４位相シフトをも得ている。これにより、１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの高周波領域で動作することのできる、小型でシンプルな構造の高速・高効率ＳＳＢ光変調器および光周波数シフタを実現することができる。
【００４６】
〔具体例〕
電気光学結晶としての強誘電体結晶に一組のマッハツェンダー干渉計導波路と進行波電極を設けて電気光学変調器となし、前記強誘電体結晶の分極の向きを周期的に反転させて、分岐された導波路を通る光は変調を受ける。分岐された両波に対応する分極反転構造の周期を１／４周期分ずらした構造としてプッシュプル型の変調を行うと、両導波路を通過する光波は位相がπ／２ずれた変調を受ける。進行波電極に高周波信号と直流バイアスを重畳すれば、合波による出力として、一個のデバイスでＳＳＢ変調光が得られる。変調度を適切に選べば、１〜１００ＧＨｚの光周波数シフタとなる。
【００４７】
また、強誘電体結晶基板としてＬｉＴａＯ₃を用い、直流電圧印加法で分極反転周期８．２ｍｍ、相互作用長２２．５５ｍｍの分極反転構造を作製し、プロトン交換法でマッハツェンダー干渉計導波路を作り、コプレーナ電極を設けた。６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを用いて実証した。特に、光通信システムにおいて小型で設計容易な光学変調器を提供するものである。
【００４８】
（試作・動作実験）
ｚ−ｃｕｔＬｉＴａＯ₃基板に、直流電圧印加法により周期８．２０ｍｍの位相シフト分極反転構造を作製した。アニールの後、プロトン交換によりマッハツェンダー導波路（導波路間隔３０μｍ）を作製し、さらに、ＳｉＯ₂バッファ層を介してＡｌコプレーナ電極を作製した。設計では、光波波長６３３ｎｍにおける動作周波数は１５ＧＨｚ（３ｄＢ帯域６ＧＨｚ）である。
【００４９】
以下、詳細に各部の作製方法例を示すと、
強誘電体結晶基板としてのＬｉＴａＯ₃の寸法は、８ｍｍ×４０ｍｍ×０．５ｍｍ（厚さ）のｚ−ｃｕｔである。
【００５０】
分極反転作製は、強誘電体結晶基板の＋Ｃ面にマスクを用いてＡｌを蒸着した。Ａｌを蒸着後パターニングしても良い。次に、＋Ｃ面を＋電極、−Ｃ面を−電極とする直流電圧印加法を用いて、分極反転構造を作る。必要電圧は、通常１〜１００ｋＶ／ｍｍで実験では１１ｋＶを徐々に印加した。放電を防ぐため、フロロカーボン液中に基板を浸して行った。その後、結晶構造安定化のためアニールを５５０℃で６時間行った。
【００５１】
導波路形状は、マッハツェンダー型であり、上下導波路間隔は３０μｍ、Ｙ型分岐角は０．０１ｒａｄである。導波路の作製にはプロトン交換法を用いた。ここでは安息香酸を用いているが、フタル酸、インフタル酸、ピロリン酸でもよい。プロトン交換の条件は、２４０℃、１２０分にしたが、条件は溶液、液濃度等に依存する。
【００５２】
コプレーナ電極形成にあたっては、電極形成前に光波伝搬損失を低減させるためにバッファ層として、ＳｉＯ₂膜（０．１μｍ）を形成した。電極材料はＡｌ（約１μｍ）を用いたが、Ａｕの方が損失が少なくてよい。導波路との位置合わせを十分に行い、電極を形成した後、再度アニール（４００℃、１時間）を行った。
【００５３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００５５】
（Ａ）互いに空間的配置を１／４周期ずらした周期分極反転構造を施した電気光学結晶を用いて、これをマッハツェンダー干渉計導波路と進行波電極と組み合わせた構造とし、新しいＳＳＢ光変調器・光周波数シフタを得ることができる。
【００５６】
（Ｂ）電極長を周期分極反転構造の半整数値に設定して直流電圧を変調波に重畳することで、光波のλ／４位相シフトをも得ることができる。これにより、１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの高周波領域で動作することができる、小型でシンプルな構造の高効率・低電力駆動のＳＳＢ光変調器および光周波数シフタを実現することができる。
【００５７】
（Ｃ）分極反転構造を利用するため、変調波と同相もしくは逆相であればよく、複雑な給電回路を必要としないと同時に、分極反転構造作製にも厳しい精度が不要なため、製作が容易な周期ドメイン反転構造電気光学ＳＳＢ光変調器・光周波数シフタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す周期ドメイン反転構造電気光学ＳＳＢ光変調器の模式図である。
【図２】従来のＳＳＢ光変調器の模式図である。
【図３】進行波型の電気光学変調器の模式図である。
【図４】進行波型の電気光学変調器の相互作用長（電極長）と変調指数の関係を示す図である。
【図５】擬似速度整合進行波型電気光学位相変調器の模式図である。
【図６】擬似速度整合進行波型電気光学位相変調器の分極反転パターンの空間的配置と変調位相との関係を示す図である。
【符号の説明】
１周期ドメイン反転構造電気光学ＳＳＢ光変調器
２電気光学材料（バルク：フェロエレクトリック材料）
３マッハツェンダー干渉計導波路
４入力光波
５進行波電極
６周期ドメイン変換領域
７接地電極
８変調信号
９終端抵抗
１０変調出力光

Claims

互いに空間的配置を１／４周期ずらした周期分極反転構造を施した電気光学結晶を用いて、該電気光学結晶をマッハツェンダー干渉計導波路と進行波電極とを組み合わせた構造とし、一つの給電回路から変調波を供給するだけで、ｓｉｎ変調、ｃｏｓ変調作用を奏することができる周期ドメイン反転構造電気光学ＳＳＢ光変調器・光周波数シフタ。
請求項１記載の周期ドメイン反転構造電気光学ＳＳＢ光変調器・光周波数シフタにおいて、進行波電極長を前記周期分極反転構造の半整数値に設定して直流電圧を変調波に重畳することにより、光波のλ／４位相シフトを得る周期ドメイン反転構造電気光学ＳＳＢ光変調器・光周波数シフタ。