JP3719563B2

JP3719563B2 - 光変調器

Info

Publication number: JP3719563B2
Application number: JP04506197A
Authority: JP
Inventors: 一加藤
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2017-02-28
Also published as: JPH10239647A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信における光変調器に係り、特に、電気光学効果を有する基板（光学基板）を用いた光変調器の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、通信分野に於いては、通信の高速化に伴い光通信システムが急速な発展を遂げている。かかる光通信システムで使用される送信モジュールは、一般に、図７のブロック図に示したように、レーザーダイオードモジュール３、光アイソレータ２、光変調器１で構成されている。この送信モジュールを用いて送信を行う場合、レーザーダイオードモジュール３から出力されたレーザー光は光アイソレータ２を通過した後、光変調器１で変調信号（電気信号）に応じて強度変調され幹線系に送出される。
【０００３】
ここで、レーザーダイオードモジュール３は、レーザーダイオードを用いてレーザー光を発生させるためのモジュールであり、光アイソレータ２は、レーザー光を一方向に通過させるための光学素子であり、光変調器１は、レーザー光に変調信号を乗せるための光学素子である。
【０００４】
又、レーザー光に変調信号を乗せる変調方法としては、レーザー光を出力するレーザーダイオードに変調した電気信号を直接入力するする直接変調と、レーザーダイオードから出力されたレーザー光に変調をかける間接変調がある。
【０００５】
上記間接変調にかかる光変調器としては、半導体を用いた半導体光変調器とニオブ酸リチウムに代表される電気光学効果を有する基板（光学基板）を使用した光変調器が知られている。これらの光変調器は、直接変調を利用したものに比べチャーピングが小さいといった特徴があり、中でもニオブ酸リチウム基板を用いた光変調器（電気光学効果を利用した光変調器）は半導体光変調器に比べ挿入損失の点でも優れている（挿入損失が小さい）。
【０００６】
［電気光学効果を利用した光変調器について］
上記電気光学効果を利用した光変調器の構成及び動作について図８〜図１０を参照して説明する。尚、図８は光変調器の構成を示した平面図であり、図９は図８のＡＡ’断面を示した断面図であり、図１０は光変調器の動作原理を示した説明図である。
【０００７】
図８、図９に示した光変調器は、Ｚカットのニオブ酸リチウム基板１８の表面にマッハツェンダ型チタン拡散光導波路１１を形成し、その上層に二酸化珪素からなるバッファ層１９を設け、更にその上層に進行波電極１６及び接地電極１７が設けられている。
【０００８】
ここで、マッハツェンダ型チタン拡散光導波路１１はニオブ酸リチウム基板１８上にチタンを熱拡散させて形成したものであり、途中で2本に分岐し再び合流している。そして、進行波電極１６に変調信号（マイクロ波信号）を印加すると、進行波電極１６と接地電極１７との間に電界２０が発生し、この電界２０は分岐された2本の光導波路１１に対して逆の方向に印可される。つまり、一方の光導波路を電界（電気力線）が上から下に向かって横切った場合、他方の光導波路は電界（電気力線）が下から上に向かって横切る。
【０００９】
又、光導波路１１を形成した基板（光学基板）１８の材料であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）の電気光学効果を有するため、印可された電界に応じて光導波路１１中の屈折率が変化する。この屈折率変化は、印加電界の方向が逆の場合には逆の屈折率変化となり、その変化量は基板（光学基板）固有の電気光学定数と印加電界強度によって決まる。尚、ニオブ酸リチウム基板１８として、Ｚカット基板が用いられるのは、ニオブ酸リチウム基板の場合、Ｚ軸方向に電界を印可したときに最も大きな屈折率変化が得られるからである。又、ニオブ酸リチウム基板１８と電極（進行波電極１６及び接地電極１７）との間に形成されたバッファ層１９は、ＤＣドリフトを抑制する目的等のために設けられたものである。
【００１０】
上記の様にして光導波路１１の屈折率が変化した場合、光導波路１１中を進行するレーザー光に位相変化が生じる。この位相変化は２本に分岐した光導波路１１間で異なるため、２本の光導波路中を進行するレーザー光に位相差が生じる。そして、位相差を生じたレーザー光は光導波路１１の合流点で合波干渉するため、光変調器が出力するレーザー光は強度変調されることとなる。
【００１１】
例えば、図１０に示したように一定強度のレーザー光を光導波路１１に入力し、２本に分岐した光導波路１１を進行するレーザー光が互いに逆位相となるような変調信号を印可（進行波電極１６に印可）した場合、合流点で合波干渉されたレーザー光は強度が０となって出力される。
【００１２】
［進行波電極及び接地電極について］
次に、進行波電極１６及び接地電極１７について図８を参照して説明する。
【００１３】
進行波電極１６は、光導波路１１近傍の相互作用部分１２で効率良く光変調を行うことができる電極幅、具体的には５〜１５μm程度で形成されており、その両側には進行波電極１６の特性インピーダンスを５０Ωに保つため、１０〜２０μｍ程度の電極間ギャップをおいて接地電極１７が形成されている。
【００１４】
又、進行波電極１６の両端には、変調信号（マイクロ波信号）を入力するＲＦコネクタとの接続を容易にするため、テーパー部分１３及び給電部分１４が設けられている。従って、変調信号（マイクロ波信号）は、給電部分１４及びテーパー部分１３を介して相互作用部分１２に供給（印可）される。
【００１５】
ここで、進行波電極１６の相互作用部分１２の電極幅（５〜１５μm程度）を給電部分１４の電極幅（数百μm）まで徐々に広げるテーパー部分１３を設けたのは、進行波電極１６の特性インピーダンスを５０Ωに保つためである。又、テーパー部分１３に於ける電極間ギャップについても、進行波電極１６の特性インピーダンスを５０Ωに保つため、電極幅の増加に伴い、相互作用部分１２に於ける電極間ギャップ（１０〜２０μm）から数百μmにまで徐々に広げられている。
【００１６】
尚、相互作用部分１２は、変調信号（マイクロ波信号）によって生じる電界が光導波路に影響を及ぼす部分であり、この長さが長くなるほど光変調器の感度が増加し、駆動電圧を低くすることができる。又、光変調器の光変調特性は、変調信号であるマイクロ波信号に対する進行波電極１６の電気的透過特性（透過損失）に影響される。
【００１７】
ところで、光変調器は、通常、基板（光学基板）１８の裏面を接地された金属筐体に直接固定されるが、この様にした場合、マイクロ波の共振により進行波電極１６の透過損失に図１１の２１に示した様な数ｄＢの鋭いディップ（特性の急激な低下）を生じ、光変調特性にも同様のディップが生じてしまう。
【００１８】
従来、この透過損失に生じるディップを抑制するため、基板（光学基板）の厚さや幅を縮小したり、図１２及び図１３（図１２のＢＢ’断面図）に示した様に基板（光学基板）１８と金属筐体２３との間に空気層２２を設ける（特開平４ー１６０４）等してマイクロ波の共振を抑えていた。
【００１９】
又、特開平５ー９３８９２に示されている光変調器では、マイクロ波の共振を抑えるために、基板（光学基板）と金属筐体との間に、ガラス等の誘電率が低い材料の層を設けている。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の様なマイクロ波の共振に対する対策が施された光変調器には、以下の問題点があった。
【００２１】
（１）基板（光学基板）と金属筐体との間に空気層を設けた光変調器の場合、基板（光学基板）が金属筐体で補強されていないため、機械的強度が弱く、その取り扱いや光ファイバーとの接続が難しかった。
【００２２】
（２）.誘電率が低い材料として熱的強度が弱いガラス等を使用した場合、金属筐体に固定するときやＲＦコネクタを接続するときに熱を加える加工を行うことができない。
【００２３】
尚、従来は、進行波電極の透過損失（電気的透過特性）に生じるディップの原因であるマイクロ波の共振が、どの部分で起こっているかについては十分に解明されていなかったため、マイクロ波の共振に対する的確な対策を施すことが困難であった。
【００２４】
そこで、本発明はマイクロ波の共振が起こる部分及び原因を解明し、かかるマイクロ波の共振に対して的確な対策を施したものであって、光変調器の光変調特性に生じるディップ（進行波電極の透過損失（電気的透過特性）に生じるディップ）を抑えつつ上記問題点を解決した光変調器を提供するものである。
【００２５】
尚、本発明によれば、簡単かつ確実な方法でマイクロ波の共振に対する対策を施すことができる。
【００２６】
請求項１記載の光変調器は、電気光学効果を有する光学基板上に光導波路、進行波電極及び接地電極が形成され、かつ前記光学基板が金属筐体上に固定されている光変調器において、進行波電極のテーパー部分、給電端部分及びそれらの周辺部の下方であって前記光学基板と前記筐体の間に電波吸収体の層を設けたことを特徴とするものである。
【００２７】
請求項２記載の光変調器は、
請求項１の光変調器に於いて、
進行波電極から金属筐体までの距離Ｌ１を、進行波電極から接地電極までの距離Ｌ２としたときに、
Ｌ１≧１．２×Ｌ２
を満たすことを特徴とするものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
［マイクロ波の共振が起こる部分及び原因について］
図１４及び図１５を参照して、従来の光変調器に於いてマイクロ波の共振が起こる部分及び原因について説明する。
【００２９】
光変調器の光変調特性に生じるディップ（進行波電極の透過損失（電気的透過特性）に生じるディップ）は、基板（光学基板）１８内を伝搬する電磁波の共振に起因する。そして、この電磁波の共振は、図８に示したように進行波電極１６と接地電極１７との電極間ギャップが広い部分、つまりテーパー部分１３及び給電部分１４での電界分布が原因で発生する。
【００３０】
図１４は、従来の光変調器の進行波電極のテーパー部分又は給電部分に於ける基板（光学基板）内の電界分布（電気力線）を示したものである。同図に示した進行波電極のテーパー部分又は給電部分では、進行波電極１６と接地電極１７との電極間ギャップが広くなるため、基板（光学基板）１８内の電気力線を示した場合、そのほとんどが進行波電極１６から金属筐体２３に向かうものになる。
【００３１】
この電界分布（電磁界分布）は、電磁波が導波管内を伝搬する際のＴＥ₁₀モード（図１５参照）に非常に近似している。このＴＥ₁₀モードは、低次モードであり、電磁波が基板（光学基板）１８内を伝搬し得る最も単純な電磁界分布である。この電磁界分布は、電界成分が進行方向に対して垂直方向だけに存在し、磁界は進行方向にも存在するモードであり、ＴＥ₁₀モードは、そのモードの中で最も単純な電磁界分布を有するモードである。
【００３２】
従って、ＴＥ₁₀モードに近似した電磁界分布が基板（光学基板）１８内に生じた場合、進行波電極１６に変調信号（マイクロ波信号）を印可したときに基板（光学基板）１８内を伝搬する電磁波が生じる。そして、この電磁波が基板（光学基板）内で共振現象を引き起こすため、進行波電極１６の透過損失（電気的透過特性）にディップが生じ、光変調器の光変調特性にもディップが生じる。
【００３３】
この光変調器の光変調特性に生じるディップ（進行波電極１６の透過損失（電気的透過特性）に生じるディップ）を除去するためには、進行波電極１６から金属筐体２３に向かう電気力線で示された電界２０のエネルギーを何らかの方法で吸収して基板（光学基板）内に伝搬しないようにすればよい。
【００３４】
［本発明にかかる光変調器の構成］
次に、進行波電極１６から金属筐体２３に向かう電気力線で示された電界２０のエネルギーを吸収する部分を設けた本発明にかかる光変調器の構成について説明する。
【００３５】
図１は、本発明にかかる光変調器の構成を示した分解図である。同図に於いては、金属筐体２３の構造を示すために、基板（光学基板）１８と金属筐体２３を分離した状態で示しているが、実際は、基板（光学基板）１８が導電性接着剤などを用いて接地された金属筐体２３に固定されている。ここで、金属筐体２３に設けられている溝部２５は、基板（光学基板）１８を金属筐体２３に固定したときに電波吸収体層を設ける（電波吸収体２４を充填する）部分である。
【００３６】
この溝部２５は、図２、３（図１のＣＣ’断面）に示したように基板（光学基板）１８を金属筐体２３に固定したときに、基板（光学基板）１８上に設けられている進行波電極１６のテーパー部分、給電部分及びそれらの周辺部の下方に位置するように設けられ、その部分に電波吸収体２４が充填される。
【００３７】
上記電波吸収体２４を溝部２５に充填した場合、発生した電界のエネルギーが電波吸収体２４により吸収されるので基板内を電磁波が伝搬することが無くなり進行波電極１６の透過損失（電気的透過特性）に生じるディップを除去する効果は得られる。
【００３８】
ここで、進行波電極１６から接地電極1７に向かう電気力線で示された電界２０のエネルギーを電波吸収体２４で効率よく吸収するには進行波電極１６から金属筐体２３までの距離Ｌ１を、進行波電極１６から接地電極１７までの距離Ｌ２よりも長くする必要があり、
Ｌ１≧１．２×Ｌ２・・・（１）
となるように溝部２５を設け電波吸収体２４を充填することが望ましい。但し、上記電界のエネルギーを吸収するためには、
Ｌ１＝１．２×Ｌ２・・・（２）
で十分であり、機械的強度を考慮すれば、Ｌ１を余り長くすることは好ましくない。又、Ｌ１が短い場合（式（１）を満たさない場合）であっても、光変調器の光変調特性に生じるディップ（進行波電極１６の透過損失（電気的透過特性）に生じるディップ）を除去する効果は得られる。但し、その効果は小さくなる。
【００３９】
［溝部について］
次に、上記溝部の形状について説明する。
【００４０】
上記溝部の形状については、特に限定されず、その断面形状が曲線や弧等で示されるものであってもよい。従って、溝部の形状については加工の容易性や基板（光学基板）強度の低下等を考慮して自由に決めることができる。
【００４１】
例えば、図４に示したように金属筐体２３に段差２６を設けてもよい。この場合、進行波電極のテーパー部分、給電部分及びそれらの電極間ギャップ部分の下方以外の部分にも電波吸収体２４の層を設けることになる。又、図５に示したように金属ブロック２７を用いて段差を設けてもよい。
【００４２】
［電波吸収体について］
上記電波吸収体としては、抵抗損失、誘電損失、磁気損失のいずれかが大きい材料であれば、特に、材料は限定されない。
【００４３】
例えば、カーボンゴム、カーボン粉末と接着剤を混合して抵抗値を１００ｋΩ／ｃｍ〜１０ＭΩ／ｃｍ程度にしたも、フェライト粉末を混ぜ込んだゴム、フェライト粉末と接着剤を混合したもの等を用いることができる。
【００４４】
【実施例】
次に、本発明にかかる光変調器の実施例について説明する。尚、本実施例では、図１及び図２に示した構成の光変調器を作製した。
【００４５】
（１）まず、基板（光学基板）１８として、厚さ０．５ｍｍ（通常０．２〜０．８mm程度）のＺカットＹ軸伝搬ニオブ酸リチウム基板を用意し、この基板（光学基板）上に幅９μm（通常６〜１２μm程度）、膜厚８０ｎｍ（通常４０〜１２０ｎｍ程度）のチタン薄膜のパターンを形成した。ここで、チタン薄膜の形成には電子ビーム蒸着法、パターン形成にはリフトオフ法を用いた。その後、この基板（光学基板）に９５０〜１１００℃で熱拡散処理を施し、マッハツェンダ型チタン拡散光導波路１１を作製した。
【００４６】
（２）次に、この基板（光学基板）１８上にバッファ層１９として、厚さ１μm（通常０．３〜２μm程度）の二酸化珪素（ＳｉＯ₂）薄膜を、電子ビーム蒸着法により形成した。
【００４７】
（３）続いて、バッファ層１９上にガイドレジストの形成を経て電界メッキにより厚さ１５μmの金からなる進行波電極１６及び接地電極１７を形成した。
【００４８】
（４）次に、真鍮からなる金属筐体２３を用意し、切削加工により進行波電極のテーパー部分１３、給電部分１４及びそれらの電極間ギャップ部分の下になる部分に深さ２ｍｍの溝部を形成した。
【００４９】
（５）上記において形成した溝部２５に電波吸収体２４として、抵抗値が５００ｋΩ／ｃｍ程度になるようにカーボンの粉を溶かし込んだ接着剤を充填した。
【００５０】
（６）上記基板（光学基板）１８を導電性接着剤を用いて上記金属筐体２３に固定し、金属筐体２３に設けられているＲＦコネクタ（マイクロ波を光変調器に入力するために設けられた高周波用のコネクタ）２８を進行波電極１６の給電部分１４に半田付けする。
【００５１】
以上のようにして作製した光変調器について、進行波電極１６の透過損失（電気的透過特性）を測定した結果を図６に示した。同図からもわかるように、進行波電極１６の透過損失（電気的透過特性）に生じるディップが十分に除去されていることが確認できた。又、光変調器の光変調特性についても良好な特性が得られた。
【００５２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の光変調器によれば、進行波電極のテーパー部分、給電部分及びそれらの周辺部（電極間ギャップ部分等）の下方に前記光学基板を介して電波吸収体の層を設けたことにより以下の効果を得ることができた。
【００５３】
（１）光変調器の光変調特性に生じるディップ（進行波電極の透過損失（電気的透過特性）に生じるディップ）を除去するができる。つまり、光変調器の光変調特性（進行波電極の電気的透過特性）を向上させることができる。
【００５４】
（２）金属筐体の溝部以外の部分では、基板（光学基板）が金属筐体で補強されるため、機械的強度が低下することがほとんどない。
【００５５】
（３）金属筐体に設ける溝部を変更するだけで、容易に設計変更に対応することができる。
【００５６】
（４）金属筐体の溝部に充填した電波吸収体は、熱的強度が強いため、金属筐体への固定やＲＦコネクタの接続の際に、熱を加える加工が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる光変調器の構成を示した分解図（斜視図）である。
【図２】本発明にかかる光変調器の構成を示した断面図（図１のＣＣ’断面）である。
【図３】本発明にかかる光変調器に於ける進波電極のテーパー部分又は給電部分に生じる電界分布（電気力線）を示した図面である。
【図４】本発明にかかる光変調器の構成を示した分解図（斜視図）である。
【図５】本発明にかかる光変調器の構成を示した分解図（斜視図）である。
【図６】本発明にかかる光変調器に於ける進行波電極の透過損失（電気的透過特性）を示したグラフである。
【図７】送信モジュールの構成を示したブロック図である。
【図８】光変調器の構成を示した平面図である。
【図９】光変調器の構成を示した断面図（図８のＡＡ’断面）である。
【図１０】光変調器の動作を説明するための図面である。
【図１１】従来の光変調器に於ける進行波電極の透過損失（電気的透過特性）を示したグラフである。
【図１２】従来の光変調器の構成を示した分解図（斜視図）である。
【図１３】従来の光変調器の構成を示した断面図（図１２のＢＢ’断面）である。
【図１４】従来の光変調器に於ける行波電極のテーパー部分又は給電部分に生じる電界分布（電気力線）を示した図面である。
【図１５】ＴＥ₁₀モードの電磁界分布を示した図面である。
【符号の説明】
１光変調器
２光アイソレータ
３レーザーダイオードモジュール
１１光導波路
１２相互作用部分
１３テーパー部分
１４給電部分
１６進行波電極
１７接地電極
１８基板（光学基板）
１９バッファ層
２０電界（電気力線）
２１ディップ
２２空気層
２３金属筐体
２４電波吸収体
２５溝部
２６段差
２７金属ブロック
２８ＲＦコネクタ

Claims

電気光学効果を有する光学基板上に光導波路、進行波電極及び接地電極が形成され、かつ前記光学基板が金属筐体上に固定されている光変調器において、前記進行波電極のテーパー部分、給電端部分及びそれらの周辺部の下方であって前記光学基板と前記筐体の間に電波吸収体の層を設けたことを特徴とする光変調器。
請求項１記載の光変調器において、前記進行波電極から前記金属筐体までの距離をＬ１、前記進行波電極から前記接地電極までの距離をＬ２としたときに、Ｌ１≧１．２×Ｌ２を満たすことを特徴とする光変調器。