JP3701041B2 - 導波路型光変調器 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、導波路型光変調器、特にマッハツェンダー型光変調器に関するものである。更に詳しく述べるならば、本発明は、チャーピング特性および半波長電圧特性などの光変調特性が改善されたマッハツェンダー光強度変調器に関するものである。
本発明の導波路型光変調器は、光通信システムのキーデバイスとして用いられる外部光変調器として有用なものである。
【0002】
【従来の技術】
光通信システムに搭載される高速光強度変調器のチャーピング現象は、光ファイバの実現可能な伝搬光帯域を制限してしまう。したがって、これまで、周波数チャーピングを低減するための変調器構造が、数多く提案されてきた (F.Koyama and K.Iga, IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol.76 (1), pp87-92, Jan. 1988) 。
【0003】
ニオブ酸リチウム基板を変調器に用いる場合、そのzカット基板上に光導波路を形成し、その上に、光とマイクロ波の速度を整合するための酸化シリコン等の誘電体バッファ層を形成して、高速化を達成することが好ましい(K.Kawano, The Journal of IEICE, vol.76 (12), pp1306-1313, Dec. 1993)。このような従来構造の場合、周波数変調された波(マイクロ波)は、広いグランド電極を有する非対称な平面電極構成系の中を伝搬されることになる(M.Izutsu and T.Sueta, IECE, vol.J64-C (4), pp264-271, 1981) 。これは、非対称な電界を発生させる結果となり、さらに、マッハツェンダー型干渉素子の一対の光導波路分岐部を伝搬する光波に、等しくない位相変化を与える結果となり、素子のプッシュプル動作機能を低下させる。つまり、素子の残留周波数チャーピングの存在を無視できなくなる(A.Djupsjobacka, IEEE Photonics Technology Letters, vol.4 (1), pp41-43, Jan. 1992) 。
【0004】
このような問題を改善する一つの方法として、マッハツェンダー型導波路の一対の導波路分岐部の幅を、左右非対称にすることにより、チャーピングを低減できることが知られている(J.Nayyer, S.Shimotsu, J.Ichikawa and T.Kitazawa, 5th Optoelectronics Conference, OEC'94, July 12-15, 1994, Chiba, Japan, 14E22) 。しかし、この構造系には、導波路の半波長電圧が増加してしまう、という弱点がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、マッハツェンダー型高速光強度変調器の、上記課題を克服して、周波数チャーピング量が制御され、好適にはチャーピングが完全に削除され、かつ低い半波長電圧が実現できる、導波路型光変調器を提供しようとするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の導波路型光変調器は、光導波路と、この光導波路の屈折率を変化させる電界調節手段2とを有し、
前記光導波路1が、光波入力端部3と、この入力端部から分岐している第1および第2分岐導波路部4,5と、前記2本の分岐導波路部が収斂している光波出力端部6とを有し、
前記電界調節手段が、前記第1分岐導波路部に対向して配置されたホット電極7と、前記第2分岐導波路部に対向して配置された第1グランド電極8と、前記ホット電極に関し、前記第1グランド電極に対して反対側に配置された第2グランド電極9とを有し、
前記第1分岐導波路部4が、前記入力端部に近く、かつ前記ホット電極7と重なっている第1部分4aと、前記出力端部に近く、かつ前記ホット電極7から外れて前記第2グランド電極9側に、張り出ている第2部分4bとを有し、
前記ホット電極7の長さD1と、前記第1グランド電極8の長さD2と、前記第2グランド電極9の長さD3と、前記第1分岐導波路部第1部分4aの長さP1とが、下記関係:
D1=D2、
および
O≦D3≦P1<D2
を満足することを特徴とするものである。
【0007】
本発明の導波路型光変調器において、前記第1分岐導波路部4が、その第1部分4aの、前記ホット電極7に平行な部分W1aと、前記第2部分の、前記ホット電極7に平行な部分W1cと、これら部分W1aと部分W1cとを連結するS字形曲線連結部分W1bと、前記第1部分4aを前記入力端部3に連結している入力端側連結部分Y1aと、前記第2部分4bを前記出力端部に連結している出力端側連結部分Y1bとからなり、
前記第2分岐導波路部5が、前記第1グランド電極8に平行な部分W2aと、前記部分W2aを前記入力端部3に連結する入力端側連結部分Y2aと、前記部分W2aから前記出力端部6に向って伸び出しS字形に屈曲している屈曲部分W2bと、この屈曲部分W2bと、前記出力端部6とを連結する出力側連結部分Y2bとからなり、
前記第1分岐導波路部4の全長(W1a+W1b+W1c+Y1a+Y1b)が、前記第2分岐導波路部5の全長(W2a+W2b+Y2a+Y2b)に等しいことが好ましい。
【0008】
本発明の導波路型光変調器において、前記光導波路1が、zカットニオブ酸リチウム基板に、チタンを拡散させることにより形成されたものであり、前記電極7,8、および9と前記ニオブ酸リチウム基板との間に酸化シリコン層が形成されていることが好ましい。
【0009】
【作用】
図1に、本発明の導波路型光変調器における導波路および電極の配置および構成の一例を示す。図1に示された導波路型光変調器は、光導波路1と、この光導波路1の屈折率を変化させて、それを伝播する光波の光強度を変調するための電界調節手段2とを有するものである。前記光導波路1は、光波入力端部3と、この入力端部3から分岐している第1および第2分岐導波路部4,5と、前記2本の分岐導波路4,5が収斂している光波出力端部6とを有している。
【0010】
前記電界調節手段2は、前記第1分岐導波路部4に対向して配置されたホット電極7と、前記第2分岐導波路5に対向して配置された第1グランド電極8と、前記ホット電極7に関し、前記第1グランド電極の反対側に配置された第2グランド電極9とを有するものであって、これらの電極は、電源およびアース(図示されていない)に連結され、ホット電極とグランド電極との間に所望の電圧を付与して導波路の屈折率を変化させ、それに対応してこの導波路を伝播する光波の速度を変化させることができる。
【0011】
前記導波路1は、電気光学材料から作られた基板、好ましくはzカットニオブ酸リチウム基板に、所望のパターに従ってチタンを拡散させることによって形成される。また電極と光導波路を包含する基板表面との間に、誘電体物質、好ましくは酸化シリコンからなるバッファ層(図示されていない)が形成されている。
【0012】
本発明の光変調器の光導波路1において、図1に示されているように、前記第1分岐導波路部4は、第1部分4aと第2部分4bとを有し、第1部分4aは、前記入力端部に近く、ホット電極7に対向し、誘電体層をはさんでこれに重なり合っている部分であり、第2部分4bは出力端部6に近く、ホット電極7との重なり合いから外れ、前記第2グランド電極9側に張り出ている部分である。
【0013】
本発明の光変調器の光導波路1および電界調節手段2において、ホット電極7の長さD1と、第1グランド電極8の長さD2と、第1分岐導波路部第1部分4aの長さP1とが、下記の関係:
D1=D2
および
O≦D3≦P1<D2
を満足するものである。このとき、第2分岐導波路部5の、第1グランド電極8に対向し、誘電体層をはさんでこれと重なり合っている部分の長さP2は、第1グランド電極の長さD2に等しい。また、第2グランド電極9の長さD3は0(ゼロ)でもよいが、電極帯域の性能を向上させるために、K−コネクション構造をとることが好ましいから、この点を考慮すればD3はゼロでないことが好ましい。また、第1分岐導波路第1部分4aの長さP1は、ホット電極7の有効電極長を表す。
【0014】
また、本発明の光変調器の光導波路1の構成をさらに詳しく説明すると、図1に示されているように、第1分岐導波路部4は、
(i)その前記第1部分4aの、前記ホット電極7に平行な部分W1aと、
(ii)前記第2部分4bの、前記ホット電極7に平行な部分W1cと、
(iii) 前記部分W1aと前記部分W1cとを連結するS字形曲線連結部分W1bと、
(iv) 前記第1部分4aを、前記入力端部3に連結する入力端側連結部Y1aと、および
(v)前記第2部分4bを、前記出力端部6に連結する出力端側連結部Y1bと
により構成されている。
【0015】
また、第2分岐導波路部5は、図1に示されているように、
(vi) 前記第1グランド電極8に対向し、これに平行な部分W2aと、
(vii) 前記部分W2aを前記入力端部3に連結する入力端側連結部分Y2aと、
(viii) 前記部分W2aから、前記出力端部6に向って伸び出し、S字形に屈曲している屈曲部分W2bと、
および
(ix) この屈曲部分W2bと、前記出力端部6とを連結する出力端側連結部Y2bと
から構成されている。
【0016】
本発明の好ましい態様において、第1分岐導波路部4の全長(W1a+W1b+W1c+Y1a+Y1b)が、第2分岐導波路部5の全長(W2a+W2b+Y2a+Y2b)に等しい。
【0017】
上記のような本発明による光導波路の構成および電極構成により、得られる光変調器のチャーピングを低減し、半波長電圧を低減することができる。その理由を下記において説明する。
【0018】
図2に一般的な非対称構成マッハツェンダー型導波路の一例を示す。
光導波路11は、光波入力端部13と、2本の第1および第2分岐導波路部14,15と、光波出力端部16とからなり、第1分岐導波路部14に対向してホット電極17が配置され、第2分岐導波路部15に対向してグランド電極18が配置されている。
【0019】
入力端部13に入射された光は、非対称型第1および第2分岐導波路部14,15に分岐して伝播する。このときの光のパワーの分岐比(第1分岐導波路部14/第2分岐導波路部15)をm:1とする。また、第1および第2分岐導波路部14,15の伝搬定数をβ1 ,β2 とし、その長さをl1 およびl2 とする。またホット電極およびグランド電極の長さをL1 ,L2 とする。このときの出射光の電界Eは、下記式(1)で表わされる。
【数1】
式(1)において、k0 は真空中における波数を表わし、Δn1 およびΔn2 はそれぞれ、第1および第2分岐導波路部14,15の屈折率変化量を表わす。
【0020】
出射電界Eを式(2)の形式に変形する。
【数2】
そして、チャープパラメータαの下記定義式(3)(F.Koyama and K.Iga, IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol.76 (1), pp87-92, Jan. 1988参照)
【数3】
に式(2)を適用すると、非対称型導波路のチャープパラメータαは、式(4)により表わされる。
【数4】
但し、式(4)中、AおよびBは式(5)により定義される。
【数5】
式(4)において、η1 およびη2 は印加電圧当りの屈折率変化を表わす。
【0021】
上記結果から変調器において、導波路を対称型にしたとき(β1 =β2 、m=1、l1 =l2 )、式(4)は、下記式(6)に変換され、そのときの残留チャープνは、下記式(7)により定義されることになる。
【数6】
【数7】
【0022】
次に基板をzカットニオブ酸リチウムで形成し、バッファ層を酸化シリコンにより形成した光変調器の光学特性値をExtended Spectral Domain法 (T.Kitazawa, D.Polifko and H.Ogawa, IEEE Microwave & Guided Wave Letters, vol.2 (8), pp313-315, Aug. 1992) により求めた。その結果を図4に示す。
【0023】
図3は、図1に示された構成を有する本発明の光変調器に用いられる電界調節手段の一例の、電気的実効屈折率(nm )および電極帯域(電極が作働可能な高周波の周波数の上限値、Δf)と電極長(D1(=D2))との積(Δf・D1(=D2))の、ホット電極とグランド電極との間の距離S(図1)に対する依存性を示す。前記電界調節手段の電極は金により形成され、その厚さを15μm一定とした。また光変調器のバッファ層の厚さ(H)を0.5,0.75及び1.0μmの3水準に設定した。
図3から、バッファ層の厚さH、および電極間距離Sを適正化することにより電極の電気的屈折率及びΔf・D1の値を適切な値に設定し、それによって、超高速変調器を作製し得ることが理解できる。
【0025】
図1の光変調器の高速変調を可能とする実際的条件の一例において、電極厚さ:15μm一定、電極間距離S:14μm、バッファ層の厚さH:1μmとした場合、本発明による図1の光導波路/電界調節手段構成において、有効電極長比(グランド電極8の有効電極長:D2=P2 /ホット電極7の有効電極長:P1 =(D2=P2 )/P1 )と、残留チャープνとの関係、及び前記電極長比と(半波長電圧(駆動電圧)とホット電極の有効長との積(Vπ・P1 ))との関係を図4に示す。
【0026】
図4において、チャープ量νは、有効電極長比P2 /P1 比を大きくすることによって低減可能であることがわかる。また、P2 /P1 =6.3のとき、チャープνはほゞ0(ゼロ)になる。さらに、本発明においては、有効電極長が対称(P1 =P2 )である素子の場合にくらべて、半波長電圧(駆動電圧)が低いことがわかる。つまり、本発明の構成を用いることにより、光変調器のチャープおよび半波長電圧(=駆動電圧)を同時に低下させることが可能になる。
【0027】
【発明の効果】
本発明による光導波路および電界調節手段を用いることにより導波路型光変調器の残留チャープ量を低下させ、かつ半波長電圧も小さくすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明の光変調器の光導波路および電界調節手段の構成を示す平面説明図。
【図2】 図2は、従来のマッハツェンダー型非対称導波路型光素子の一例を示す平面説明図。
【図3】 図3は、光変調器の電界調節手段における電極間距離Sと、屈折率nm および電極帯域×電極長Δf・D1の関係を示すグラフ。
【図4】 図4は、光変調器における有効電極長比P2 /P1 と、半波長電圧×有効電極長Vπ・P1 および残留チャープとの関係を示すグラフ。
【符号の説明】
1,11…光導波路
2…電界調節手段
3,13…入力端部
4,14…第1分岐導波路部
4a…第1部分
4b…第2部分
5,15…第2分岐導波路部
6,16…出力端部
W1a,W1b,W1c,Y1a,Y1b…第1分岐導波路部の構成部分
W2a,W2b,Y2a,Y2b…第2分岐導波路部の構成部分
7,17…ホット電極
8…第1グランド電極
9…第2グランド電極
18…グランド電極
Claims (3)
- 光導波路1と、この光導波路の屈折率を変化させる電界調節手段2とを有し、
前記光導波路1が、光波入力端部3と、この入力端部から分岐している第1および第2分岐導波路部4,5と、前記2本の分岐導波路部が収斂している光波出力端部6とを有し、
前記電界調節手段2が、前記第1分岐導波路部4に対向して配置されたホット電極7と、前記第2分岐導波路部5に対向して配置された第1グランド電極8と、前記ホット電極に関し、前記第1グランド電極の反対側に配置された第2グランド電極9とを有し、
前記第1分岐導波路部4が、前記入力端部に近く、かつ前記ホット電極と重なっている第1部分4aと、前記出力端部に近く、かつ前記ホット電極から外れて前記第2グランド電極側に、張り出ている第2部分4bとを有し、
前記ホット電極7の長さD1と、前記第1グランド電極8の長さD2と、前記第2グランド電極9の長さD3と、前記第1分岐導波路部第1部分4aの長さP1とが、下記関係:
D1=D2、
および
O≦D3≦P1<D2
を満足することを特徴とする導波路型光変調器。 - 前記第1分岐導波路部4が、その第1部分4aの、前記ホット電極7に平行な部分W1aと、前記第2部分の、前記ホット電極7に平行な部分W1cと、これら部分W1aと部分W1cとを連結するS字形曲線連結部分W1bと、前記第1部分4aを前記入力端部3に連結している入力端側連結部分Y1aと、前記第2部分4bを前記出力端部に連結している出力端側連結部分Y1bとからなり、
前記第2分岐導波路部5が、前記第1グランド電極8に平行な部分W2aと、前記部分W2aを前記入力端部3に連結する入力端側連結部分Y2aと、前記部分W2aから前記出力端部6に向って伸び出しS字形に屈曲している屈曲部分W2bと、この屈曲部分W2bと、前記出力端部6とを連結する出力側連結部分Y2bとからなり、
前記第1分岐導波路部4の全長(W1a+W1b+W1c+Y1a+Y1b)が、前記第2分岐導波路部5の全長(W2a+W2b+Y2a+Y2b)に等しい、請求項1に記載の変調器。 - 前記光導波路1が、zカットニオブ酸リチウム基板に、チタンを拡散させることにより形成されたものであり、前記電極7,8、および9と前記ニオブ酸リチウム基板との間に酸化シリコン層が形成されている、請求項1又は2に記載の変調器。
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