JP3902047B2 - 導波路型光変調器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光共振器並びに光周波数コム発生器に関し、光通信、光ＣＴ、光周波数標準器など多波長でコヒーレンス性の高い標準光源、又は、各波長間のコヒーレンス性も利用できる光源を必要とする分野に適用される。
【０００２】
【従来の技術】
光共振器は、例えば光周波数測定や、光通信における微小信号検出等、様々な光応用技術に適用される。特に近年の光エレクトロニクスの発展に伴い、周波数多重通信のためのレーザ光制御や、広範囲に分布する吸収線の周波数測定の要請に応えるべく、導波路で共振させた光を変調させる導波路型光変調器が多用されるようになっている。
【０００３】
かかる導波路型光変調器における従来の構成例について詳細に説明する。図６は、従来における導波路型光変調器７を示している。この導波路型光変調器７は、基板７１と、導波路７２と、バッファ層７３と、入射側反射膜７４と、出射側反射膜７５と、電極７６と、給電部７７とを備える。
【０００４】
基板７１は、例えば引き上げ法により育成された３〜４インチ径のＬｉＮｂＯ_３やＧａＡｓ等の大型結晶をウェハ状に切り出したものである。この切り出した基板７１上では、プロトン交換やチタン拡散等により導波路７２を成長させるため、機械研磨や化学研磨等の処理が施される場合もある。
【０００５】
導波路７２は、基板７１上において、Ｔｉ等をドープすることにより形成される。この導波路７２は、入射された光を伝搬させるために基板７１を含む他の層より屈折率が高めに設定される。バッファ層７３は、例えばＳｉＯ_２等からなり導波路７２上に積層される。
【０００６】
入射側反射膜７４及び出射側反射膜７５は、それぞれ導波路７２端面に形成されたいわゆる反射ミラーであり、導波路７２を伝搬する光を往復反射させることにより共振させる。ちなみにこの入射側反射膜７４及び出射側反射膜７５は、例えば１００％に近い反射率を有する誘電体多層膜であり、屈折率が大小異なる薄膜を交互に重ねて蒸着することにより得られる。なお共振させた光を外部に取り出すため、出射側反射膜７５の反射率は、１００％よりやや低めに設定される場合もある。
【０００７】
電極７６は、導波路７２を伝搬する光に対して、位相変調をかけるべくバッファ層の上部に配されるものであり、例えばコプレーナストリップ等のマイクロストリップ線路構造からなる。このマイクロストリップ線路からなる電極７６に対して、例えば同軸ケーブルからなる給電部７７を介してマイクロ波を給電することにより、電極７６の下部において電圧と電極幅に応じた電界を発生させることができる。この発生された電界により導波路７２の屈折率は変化するため、導波路７２内を共振する光の位相を変調させることが可能となる。
【０００８】
ここで、広帯域で変調するためには、図７に示すような進行波タイプの電極７６を用いる。この電極７６は、導波路７２内部を伝搬する光の速度と、図示しない発振器から供給され、電極７６内を伝搬するマイクロ波の速度との間で整合がとれるように設計される。
【０００９】
一方、上述の変調において特に広帯域性が必要とされない場合には、図６に示す構成により、マイクロ波を共振させることにより高い電界を発生させることができる。なお導波路７２を構成する結晶を長い領域にわたり利用した方が高い変調効率が得ることができるため、電極７６は、導波路７２と平行するように、かつ、導波路７２の長さに合致するように延長させられる。
【００１０】
ところで、電極７６をあまりに長く延長させると電極７６自身の抵抗が過大となり、図示しない発振器から供給されるマイクロ波の損失が大きくなってしまう。
【００１１】
図８は、図６に示すように電極７６を延長した構成において、電極７６内を伝搬するマイクロ波の損失を計算した結果を示している。この図８に示す計算では、給電部７７による給電の影響は、電極の電圧分布、電流分布、電界分布、抵抗損失分布に対しては無視できるものとする。また電極７６の両端は開放されているものとし、長さＬの電極７６に対して、電極７６内を伝搬するマイクロ波の波長λが２Ｌ＝Ｎλの関係を満たす場合に、共振状態となるものとし、更に変調効率が高い場合を想定して計算を行なうために、電極７６内を伝搬するマイクロ波の速度と、導波路７２内部を伝搬する光の速度は等しいものとする。
【００１２】
ここで、光の入射側反射膜からの距離をｘとし、マイクロ波の波長λが電極７２の長さＬと等しい場合を想定するためにＮを２とし、更に最大電圧をＶ_０としたとき、図８(a)に示す電圧Ｖの分布は、Ｖ＝Ｖ_０Ｃｏｓ（２πｘ／Ｌ）Ｓｉｎ（ωｔ）で表される（ちなみに、時間変化を表すＳｉｎ（ωｔ）の成分は１とする）。電極７６における電界強度についても、電極幅が一様であるため、規格化することにより図８(b)に示すように電圧分布と同様になる。また電極７６における電流Ｉの分布は図８(c)に示すように、Ｉ＝Ｉ_０Ｃｏｓ（２πｘ／Ｌ）Ｓｉｎ（ωｔ＋φ）で表される。ここでＩ_０は、電極７６における特性インピーダンスＺで決定される因子でありＩ_０ ＝Ｖ_０／Ｚで表される。またφは、電流と電圧の位相差である。
【００１３】
更に図８(d)に示される電極７６上の抵抗損失Ｌｓは、電流の２乗に比例し、Ｌｓ＝Ｌｓ_０Ｃｏｓ（２πｘ／Ｌ）^２で表される。ここで、Ｌｓ_０＝ＲＩ^２／２であり、Ｒは電極７６の単位長さ当りの電気抵抗である。この図８(d)に示される抵抗損失Ｌｓは、マイクロ波の半波長λ／２に一致した周期で大きくなる。このため、電極７６の長さをマイクロ波の半波長λ／２以下に制御する必要がある。ちなみに、導波路７２を構成する結晶を長い領域にわたり利用することで高い変調効率を確保するためには、図９に示すようにマイクロ波の半波長λ／２以下に短縮した電極７６を複数列設する必要があった。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図９に示すような電極７６を列設する構成では、複数の給電部７７を設ける必要があるため、図示しない発振器から供給されるマイクロ波を複数に分割しなければならず、また分割されたマイクロ波間の位相を制御する必要があるため、回路構成が複雑化するという問題点がある。また、このような複雑な回路構成は却ってマイクロ波の損失を増大させ、ひいては変調効率を悪化させる原因ともなりうる。
【００１５】
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、簡単な回路構成で、電極抵抗によるマイクロ波の損失を軽減し、高い変調効率を確保できる導波路型光変調器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】
本発明者は、電流抵抗を低減させた電極を介して、変調電界を印加することにより、高い変調効率を維持しつつ、マイクロ波の損失を軽減できることに着目し、広幅領域と狭幅領域からなる電極を、広幅領域が発振手段から発振された上記マイクロ波の半波長に合わせた周期になるように、光を共振させる導波路と平行するように設けた導波路型光変調器を発明した。
【００１７】
すなわち、本発明に係る導波路型光変調器は、上述した問題点を解決するために、 電界が印加されることにより屈折率が変化する電気光学結晶からなり、入射された光の位相をマイクロ波により変調する光変調手段と、
上記光変調手段を構成する上記電気光学結晶に形成されている導波路と平行するように上記電気光学結晶に沿って配され、広幅領域と狭幅領域からなり、上記マイクロ波に基づき上記光変調手段に電界を印加するための電極を備え、
上記電極は、上記マイクロ波が共振状態となる長さに形成され、上記狭幅領域と広幅領域が交互に設けられ、給電部を介して上記狭幅領域に供給される上記マイクロ波の半波長に合わせた周期で、上記広幅領域が設けられていることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明を適用した導波路型光変調器１の構成を示す図である。この導波路型光変調器１は、基板１１と、導波路１２と、バッファ層１３と、入射側反射膜１４と、出射側反射膜１５と、電極１６と、給電部１７と、発振部１８とを備える。
【００２０】
基板１１は、例えば引き上げ法により育成された３〜４インチ径のＬｉＮｂＯ_３やＧａＡｓ等の大型結晶をウェハ状に切り出したものである。この切り出した基板１１上では、プロトン交換やチタン拡散等により導波路１２を成長させるため、機械研磨や化学研磨等の処理が施される場合もある。
【００２１】
導波路１２は、基板１１上において、Ｔｉ等をドープすることにより形成される。この導波路１２は、入射された光を伝搬させるために基板１１を含む他の層より屈折率が高めに設定される。バッファ層１３は、例えばＳｉＯ_２等からなり導波路１２上に積層される。
【００２２】
入射側反射膜１４及び出射側反射膜１５は、それぞれ導波路１２端面に形成されたいわゆる反射ミラーであり、導波路１２を伝搬する光を往復反射させることにより共振させる。ちなみにこの入射側反射膜１４及び出射側反射膜１５は、例えば１００％に近い反射率を有する誘電体多層膜であり、屈折率が大小異なる薄膜を交互に重ねて蒸着することにより得られる。なお共振させた光を外部に取り出すため、出射側反射膜１５の反射率は、１００％よりやや低めに設定される。
【００２３】
なお、本発明を適用した導波路型光変調器１は、入射側反射膜１４及び出射側反射膜１５を設けない構成にも適用可能である。これにより導波路１２へ入射した光は、導波路内部を往復反射することなく、そのまま透過することとなる。
【００２４】
電極１６は、導波路１２を伝搬する光に対して、位相変調をかけるべくバッファ層の上部に配されるものであり、例えばコプレーナストリップ等のマイクロストリップ線路構造からなる。このマイクロストリップ線路からなる電極１６に対して、発振部１８から発振されたマイクロ波を、例えば同軸ケーブルからなる給電部１７を介して給電することにより、電極１６の下部において電圧と電極幅に応じた電界を発生させることができる。この発生された電界により導波路１２の屈折率は変化するため、導波路１２内を共振する光の位相を変調させることが可能となる。ちなみに、この電極１６の周囲にはグラウンドが設けられる。
【００２５】
なお導波路１２を構成する結晶を長い領域にわたり利用した方が高い変調効率が得ることができるため、電極１６は、導波路１２と平行するように、また導波路１２の長さに合致するように延長させられる。また電極１６は、図１に示すように幅の広い領域（以下、この領域を広幅領域１６ａと称する）と、幅の狭い領域（以下、この領域を狭幅領域１６ｂと称する）を有する。ちなみに広幅領域は、Ａ−Ａ´断面図の例において、導波路の幅よりも広く設定され、例えば幅約１００μｍのサイズからなる。また狭幅領域１６ｂは、導波路の幅とほぼ等しい長さに設定され、幅約１０μｍのサイズからなる。
【００２６】
このように、広幅領域１６ａと狭幅領域１６ｂを交互に設けることにより、電極１６自身の電気抵抗を各領域毎に変化させることができる。特に図１に示す例のように、広幅領域１６ａの電極幅を狭幅領域１６ｂの電極幅の１０倍とすれば、抵抗を１／１０に減少させることができる。
【００２７】
次に、上述した広幅領域１６ａ及び狭幅領域１６ｂからなる電極１６内を伝搬するマイクロ波の損失について説明する。図２は、電極１６内を伝搬するマイクロ波の損失等について示している。
【００２８】
この図２に示す計算では、給電部１７による給電の影響は、電極の電圧分布、電流分布、電界分布、抵抗損失分布に対しては無視できるものとする。また電極１６の両端は開放されているものとし、長さＬの電極１６に対して、電極１６内を伝搬するマイクロ波の波長λが２Ｌ＝Ｎλの関係を満たす場合に共振状態となるものとし、更に変調効率が高い場合を想定して計算を行なうために、電極１６内を伝搬するマイクロ波の速度と、導波路１２内部を伝搬する光の速度は等しいものとする。また電極１６全体の特性インピーダンス、マイクロ波速度は、狭幅領域のみから構成される従来の導波路型光変調器の電極と同様になるように、電極間隔が調整される。すなわち、マイクロ波が共振している状態となるように調整される。
【００２９】
ここで、光の入射側反射膜からの距離をｘとし、マイクロ波の波長λが電極７２の長さＬと等しい場合を想定するためにＮを２とした。更に最大電圧をＶ_０としたとき、図２(a)に示す電圧Ｖの分布は、Ｖ＝Ｖ_０Ｃｏｓ（２πｘ／Ｌ）Ｓｉｎ（ωｔ）で表される（ちなみに、時間変化を表すＳｉｎ（ωｔ）の成分は１とする）。すなわち電極１６全体の特性インピーダンス、マイクロ波速度は、狭幅領域のみから構成される電極と同様であるものと仮定しているため、電圧分布は、従来の導波路型光変調器と同様な傾向となる。
【００３０】
また電極１６における電流Ｉの分布についても、図２(c)に示すように、Ｉ＝Ｉ_０Ｃｏｓ（２πｘ／Ｌ）Ｓｉｎ（ωｔ＋φ）で表される。ここでＩ_０は、電極７６における特性インピーダンスＺで決定される因子でありＩ_０ ＝Ｖ_０／Ｚで表され、φは電流と電圧の位相差である。この図２(c)に示す電流分布は、電圧の傾向に依存するため、従来の導波路型光変調器と同様の傾向となる。なお、この図２に示す電圧分布、電流分布とも共振状態を前提に計算しているため、実際にはそれぞれ極性反転した電圧Ｖ、電流Ｉが分布している状態となる。
【００３１】
また電流が最も流れているｘ＝Ｌ／４，３Ｌ／４付近の領域では、電圧は低い。このため、当該領域の変調を犠牲にして電流損失を低減しても、換言すれば当該領域における変調効率が低下しても、全体の変調効率に対する影響を軽減させることが可能となる。従ってｘ＝Ｌ／４，３Ｌ／４付近の領域を、広幅領域とする。これにより、電流抵抗を軽減させることができるため、マイクロ波の損失を低減させることができる。
【００３２】
ちなみに電極１６上の抵抗損失Ｌｓは、電流の２乗に比例し、Ｌｓ＝Ｌｓ_０Ｃｏｓ（２πｘ／Ｌ）^２で表される。ここでＬｓ_０＝ＲＩ^２／２であり、Ｒを電極７６の単位長さ当りの電気抵抗としたとき、狭幅領域１６ｂの１０倍の電極幅からなる広幅領域１６ａのマイクロ波損失は、図２(d)のように表される。広幅領域１６ａを設けることにより電流抵抗を低減させた結果、図２(d)に示されるように、マイクロ波の半波長λ／２に一致した周期で、マイクロ波損失を大きく低減させることができる。
【００３３】
また、電極１６の幅が広くとることにより、単位面積当りの電気力線の数が減少するため、図２(b)に示すように広幅領域１６ａにおいて電界が小さくなる。
【００３４】
すなわち、マイクロ波の損失を低減できる一方で、マイクロ波により電極１６を介して発生する電界を下げてしまい、その結果変調効率を低下させる原因ともなる。
【００３５】
図３は、電極１６に印加される電圧が一定であると仮定した場合における、電極１６上のマイクロ波損失と、変調効率の変化について計算した結果を示している。この図３において、横軸Ｂ／Ｌは、広幅領域１６ａの長さＢの、抵抗１６全体の長さＬに対する割合を示している。広幅領域１６ａの割合を増加させるに伴い、電気抵抗の低下によるマイクロ波損失は減少し、また図２(b)示すように電界強度も局所的に低下することから変調効率についても減少する。しかしながら、変調効率の減少の度合いは、マイクロ波損失の減少の度合いよりも緩やかである。すなわち、広幅領域１６ａを設けることにより、変調効率の減少割合を低く抑えつつ、マイクロ波損失を減少させることができることを示唆している。
【００３６】
また図４は、投入電力を導波路型光変調器１内部で全て消費できるように、電極１６全体の特性インピーダンスを制御する場合を仮定し、更に簡単のためマイクロ波の損失が全て電極１６の抵抗によるものと仮定して、変調効率を計算した結果を示している。この電力一定の場合における変調効率を示した図４において、Ｂ／Ｌの値が約０．６５の場合に変調効率が最大１．８となることが分かる。これは、電圧で規格化した場合には、変調効率は減少するが、導波路型光変調器１全体に投入される電力で規格化した場合には、変調効率は高くなることを示唆するものである。なお、この変調効率の最大値は、広幅領域１６ａや狭幅領域１６ｂの幅を調整することにより、さらに改善できることは勿論である。
【００３７】
以上詳細に説明したように、本発明に係る導波路型光変調器１は、電流抵抗を低減させた広幅領域１６ａを有する電極１６を介して、変調電界を印加することができるため、マイクロ波の損失を軽減することができる。またマイクロ波の波長に応じて広幅領域１６ａ及び狭幅領域１６ｂの位置を制御することにより、マイクロ波の損失を軽減しつつ、さらに変調効率の低下をも抑えることが可能となり、電力規格化した場合には変調効率を改善することができる。またマイクロ波の波長λが電極の長さＬと等しい場合以外も、マイクロ波の半波長λ／２に合わせた周期で、広幅領域を複数個設けることにより、マイクロ波の損失を抑えることが可能となる。
【００３８】
すなわち、本発明を適用した導波路型光変調器１は、超伝導材を電極の材料として使用せずとも、通常のＡｕ等の金属電極を用いることにより、マイクロ波の損失を軽減し、高い変調効率を担保できる。また導波路７２を構成する結晶を長い領域にわたり利用することで高い変調効率を期待する場合においても、複数の給電部１７を設けることなく、広幅領域１６ａを設けることでマイクロ波の損失を軽減させることができる。このため、本発明を適用した導波路型光変調器１は、回路構成が複雑化するという問題点をも改善することが可能となる。
【００３９】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではない。広幅領域１６ａの電極幅は、狭幅領域１６ｂの電極幅の１０倍である場合のみならず、何倍であっても良い。また、広幅領域１６ａの形状も実施の形態に限定されるものではなく、テーパ等を設けることにより対処しても良い。また、広幅領域１６ａを制御する場合のみならず、例えば狭幅領域１６ｂの形状を制御することにより、同一の効果を目指す構成も含まれる。
【００４０】
また本発明に適用する電極の構造を、光位相変調器に対して適用可能であり、また光強度変調器に対しても適用可能である。また本発明では、構成上電極１６の幅を変えた広幅領域１６ａ及び狭幅領域１６ｂを設けることにより、マイクロ波の損失を抑えているが、電極１６の幅ではなく厚さを変えることによっても、同一の効果を期待できる。
【００４１】
なお本発明を適用した導波路型光変調器１は、更に図５に示すような電極１６の構成を採用しても良い。なお、この図５では、給電部１７は省略する。
【００４２】
図５(a)は、電極１６の周囲に配していたグラウンドを、基板１１の底部に設けるようにしたものである。また図５(b)に示す例は、２電極のコプレーナ線路を用いた場合である。更に図５(c)に示す例は、電極１６として、コプレーナストリップ線路を用いた場合である。また、図５(d)に示す例は、電極１６としてメッシュの付いたスロットラインを用いた場合である。メッシュの付いたスロットラインでは、電極間隔を狭く維持しながら、静電容量を減少させることができるが、メッシュ部分の抵抗が逆に大きくなってしまう。このため、高電流の領域ではメッシュ部分を割愛し、電極間隔を大きくすることで対処する。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明を適用した導波路型光変調器は、マイクロ波が共振状態となる長さに形成され、狭幅領域と広幅領域が交互に設けられ、給電部を介して上記狭幅領域に供給される上記マイクロ波の半波長に合わせた周期で、上記広幅領域が設けられてなる電極を、光を共振させる導波路と平行するように設けることにより、簡単な回路構成で、高い変調効率を維持しつつ、マイクロ波の損失を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した導波路型光変調器の構成例を説明するための図である。
【図２】電極内を伝搬するマイクロ波の損失等について示した図である。
【図３】電極に印加される電圧が一定であると仮定した場合における、電極上のマイクロ波損失と、変調効率の変化について計算した結果を示した図である。
【図４】電力一定の場合における変調効率を示した図である。
【図５】本発明を適用した導波路型光変調器における電極を例示した図である。
【図６】導波路型光変調器の従来における構成例を示した図である。
【図７】進行波タイプの電極を用いる場合について説明するための図である。
【図８】従来の導波路型光変調器における電極内を伝搬するマイクロ波の損失等について示した図である。
【図９】マイクロ波の半波長λ／２以下に短縮した電極を複数列設する場合について説明するための図である。
【符号の説明】
１ 導波路型光変調器、１１ 基板、１２ 導波路、１３ バッファ層、１４入射側反射膜、１５ 出射側反射膜、１６ 電極、１６ａ 広幅領域、１６ｂ
狭幅領域、１７ 給電部、１８ 発振部

Claims (3)

1. 電界が印加されることにより屈折率が変化する電気光学結晶からなり、入射された光の位相をマイクロ波により変調する光変調手段と、
   上記光変調手段を構成する上記電気光学結晶に形成されている導波路と平行するように上記電気光学結晶に沿って配され、広幅領域と狭幅領域からなり、上記マイクロ波に基づき上記光変調手段に電界を印加するための電極を備え、
   上記電極は、上記マイクロ波が共振状態となる長さに形成され、上記狭幅領域と広幅領域が交互に設けられ、給電部を介して上記狭幅領域に供給される上記マイクロ波の半波長に合わせた周期で、上記広幅領域が設けられていることを特徴とする導波路型光変調器。
2. 互いに平行な入射側反射膜及び出射側反射膜から構成され、入射側反射膜を介して入射された光を共振させる共振手段を備え、上記入射側反射膜と上記出射側反射膜が光入射端と光出射端にそれぞれ形成され、上記共振手段において共振された光の位相を上記マイクロ波により変調することを特徴とする請求項１記載の導波路型光変調器。
3. 上記電極において、大電流が流れ、かつ低電圧が印加されている領域に、上記広幅領域を設けることを特徴とする請求項１記載の導波路型光変調器。

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