JP4138760B2 - Light modulator - Google Patents
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Description
本発明は、光導波路に入射した光を電気光学効果を利用して高周波電気信号で変調して光信号パルスとして出射する光変調器に関する。 The present invention relates to an optical modulator that modulates light incident on an optical waveguide with a high-frequency electric signal using an electro-optic effect and emits the light as an optical signal pulse.
近年、高速、大容量の光通信システムが実用化されている。このような高速、大容量の光通信システムに組込むための高速、小型、かつ低価格の光変調器の開発が求められている。 In recent years, high-speed and large-capacity optical communication systems have been put into practical use. There is a demand for the development of a high-speed, small, and low-cost optical modulator to be incorporated into such a high-speed, large-capacity optical communication system.
このような要望に応える光変調器として、リチウムナイオベート(LiNbO3)のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板(以下、LN基板と略す)に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器(以下、LN光変調器と略す)がある。このLN光変調器は、その優れたチャーピング特性から2.5Gbit/s、10Gbit/sの大容量光通信システムに適用されている。最近はさらに40Gbit/sの超大容量光通信システムにも適用が検討されている。 As an optical modulator that meets such demands, a light modulator such as lithium niobate (LiNbO 3 ) is used for a substrate having a so-called electro-optical effect (hereinafter abbreviated as an LN substrate) whose refractive index changes by applying an electric field. There is a traveling wave electrode type lithium niobate optical modulator (hereinafter abbreviated as an LN optical modulator) in which a waveguide and a traveling wave electrode are formed. This LN optical modulator is applied to a large capacity optical communication system of 2.5 Gbit / s and 10 Gbit / s because of its excellent chirping characteristics. Recently, application to an ultra-high capacity optical communication system of 40 Gbit / s is also being studied.
以下、従来、実用化され、又は提唱されてきたリチウムナイオベートの電気光学効果を利用した各LN光変調器の特徴を順番に説明していく。 Hereinafter, the characteristics of each LN optical modulator using the electro-optic effect of lithium niobate, which has been practically used or proposed, will be described in order.
(第1従来例)
図4は、z−カットLN基板を用いて構成した第1従来例のLN光変調器の斜視図であり、図5は図4のA−A’線における断面図である。
(First conventional example)
4 is a perspective view of a first conventional LN optical modulator configured using a z-cut LN substrate, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.
z−カットLN基板1上に光導波路3が形成されている。この光導波路3は、金属Tiを1050℃で約10時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系(あるいは、マッハツェンダ光導波路)を構成している。したがって、光導波路3には、電気信号と光が相互作用する部(相互作用部と言う)における2本の光導波路3a、3b(あるいは、相互作用光導波路)、つまりマッハツェンダ光導波路の2本のアームが形成されている。
An
この光導波路3の上面にSiO2バッファ層2が形成され、このSiO2バッファ層2の上面に進行波電極4が形成されている。進行波電極4としては、1つの中心導体4aと2つの接地導体4b、4cを有するコプレーナウェーブガイド(CPW)を用いることを想定する。
An SiO 2 buffer layer 2 is formed on the upper surface of the
光導波路3a、3bを導波する光が中心導体4aと接地導体4b、4cからなる進行波電極4を構成する金属(一般に、Auを用いる)から受ける吸収損を抑えるためと、進行波電極4を導波する電気信号のマイクロ波等価屈折率(あるいは、進行波電極のマイクロ波等価屈折率)nmを低減し光導波路3a、3bを導波する光の等価屈折率(あるいは、光導波路の等価屈折率)noに近づけるとともに、特性インピーダンスをなるべく50Ωに近づけるために、進行波電極4とz−カットLN基板1との間には、通常、400nm〜1μm程度の厚いSiO2バッファ層2を堆積する。
In order to suppress the absorption loss that the light guided through the
図6に進行波電極の中心導体4aと接地導体4b、4c間に電界を印加した際における電気力線5の分布を示す。この図6から理解できるように、2つの光導波路3a、3bを横切る電気力線5の向きは互いに逆向きである。そのため、中心導体4aの下にある光導波路3bを伝搬する光の位相変化量をΔφ1、接地導体4bの下にある光導波路3aを伝搬する光の位相変化量をΔφ2とすると、Δφ1とΔφ2の符号は異なっている。
FIG. 6 shows the distribution of the lines of
マッハツェンダ光導波路では2本の光導波路3a、3bを伝搬する光の位相差Δφt(=|Δφ1|+|Δφ2|)をπとすることにより、合成された光のOFF状態を実現でき、この光変調器で光信号パルスを形成できる。
In the Mach-Zehnder optical waveguide, the OFF state of the synthesized light can be realized by setting the phase difference Δφ t (= | Δφ 1 | + | Δφ 2 |) of the light propagating through the two
ところが、この第1従来例のz-カットLN光変調器で形成した光信号パルスには数10Kmの長さの単一モード光ファイバー内を伝搬した際に、パルスの形が崩れる、いわゆるチャーピングが発生するという問題点がある。次にこれについて説明する。 However, the optical signal pulse formed by the z-cut LN optical modulator of the first conventional example has a so-called chirping in which the shape of the pulse collapses when propagating through a single mode optical fiber having a length of several tens of kilometers. There is a problem that it occurs. Next, this will be described.
図6から理解できるように、中心導体4aの幅は接地導体4b、4cの幅より小さく、その幅はほぼ光導波路3bの幅と同じで6μm〜11μm程度である。したがって、中心導体4aの下にある光導波路3bを伝搬する光と電気力線5との相互作用の効率は高い。一方、接地導体4b、4cは幅が広いので中心導体4aから出た電気力線5は接地導体4b、4cに広く分布し、接地導体4b側の光導波路3aと電気力線5との相互作用の効率は低い。近似的に位相変化量は、|Δφ1|≒5|Δφ2|となる。
As can be understood from FIG. 6, the width of the
そのため、この第1従来例のLN光変調器を用いて形成した光信号パルスにはチャーピングが生じる。ちなみに、チャーピングの度合いを表すアルファパラメータ(あるいは、αパラメータ)はこの光変調器から出力される光信号パルスが有する位相φと強度(パワー)Eとを用いて(1)式のように表現できる(非特許文献1)。 For this reason, chirping occurs in the optical signal pulse formed by using the LN optical modulator of the first conventional example. Incidentally, the alpha parameter (or α parameter) representing the degree of chirping is expressed as in equation (1) using the phase φ and intensity (power) E of the optical signal pulse output from this optical modulator. Yes (Non-Patent Document 1).
α=[dφ/dt]/[(1/E)(dE/dt)] …(1)
このように、αパラメータは、出力される光信号パルスが有する位相変化量と強度変化量を用いて表現できる。
α = [dφ / dt] / [(1 / E) (dE / dt)] (1)
Thus, the α parameter can be expressed using the phase change amount and the intensity change amount of the output optical signal pulse.
さらに、具体的には、αパラメータは、(1)式を発展させた(2)式で表現できる。 More specifically, the α parameter can be expressed by equation (2) obtained by developing equation (1).
α=(Γ1―Γ2)/(Γ1+Γ2) …(2)
Γ1;電気信号(振幅)と光導波路1(3a)を伝搬する光(パワー)との1で規格化した重なり積分で示した効率
Γ2;電気信号(振幅)と光導波路2(3b)を伝搬する光(パワー)との1で規格化した重なり積分で示した効率
以上のように、図4、図5に示した第1従来例のLN光変調器で生成された光信号パルスにチャーピングが発生する原因は中心導体4a側の光導波路3bと接地導体4b側の光導波路3aに発生する位相変化量の絶対値が同じでないことに起因する。
α = (Γ 1 −Γ 2 ) / (Γ 1 + Γ 2 ) (2)
Γ 1 ; Efficiency shown by overlap integral normalized by 1 between the electric signal (amplitude) and the light (power) propagating in the optical waveguide 1 (3a) Γ 2 ; Electric signal (amplitude) and the optical waveguide 2 (3b) As described above, the efficiency of the optical signal pulse generated by the LN optical modulator of the first conventional example shown in FIGS. 4 and 5 is as follows. The cause of the chirping is that the absolute value of the phase change amount generated in the
(第2従来例)
図7は、上述した第1従来例の問題点を解消するために提唱された第2従来例のLN光変調器の断面図である。なお、図5に示す第1従来例のLN光変調器と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
(Second conventional example)
FIG. 7 is a cross-sectional view of the LN optical modulator of the second conventional example proposed in order to solve the problems of the first conventional example. The same parts as those of the LN optical modulator of the first conventional example shown in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals, and detailed description of the overlapping parts is omitted.
この第2従来例のLN光変調器においては、進行波電極として、2つの中心導体6a、6bと3つの接地導体7a、7b、7cが形成されている。すなわち、第1従来例に示したCPW電極が2つ使用されており、2電極型、あるいはプッシュプル型CPW進行波電極と呼ばれている。したがって、中心導体6a、6bと接地導体7a、7b、7cとの間に図7に示す電気力線8が生じる。
In the LN optical modulator of the second conventional example, two
この第2従来例においては、光導波路3a、3bは各々幅の等しい2つのCPW電極の中心導体6a、6bの直下にあるので、光導波路3a、3bを伝搬する光の位相変化量は絶対値が等しく符号が逆となり、原理的にチャーピングゼロを実現できるはずである。
In the second conventional example, since the
ところが、前述のように、光導波路3a、3bを伝搬する光の位相変化量は絶対値が等しく符号が正確に逆でなければならないため、この第2従来例のLN光変調器をチャーピングゼロ状態で動作させるためには、中心導体6a、6bには正確に正、負逆位相の電気信号を加える必要があり、極めて難しい問題を生じる。
However, as described above, the phase change amount of the light propagating through the
つまり、集積回路(Integrated Circuit :IC)の異なるポートから出る2つの逆位相の電気信号が、ICを出た後に中心導体6a、6bに加わる際の位相を正確に正、負逆位相とすることは、ICからの出力後、進行波電極の各中心導体6a、6bにおける各相互作用部までの電気的長さを完全に同じにするとともに、電気波形の立ち上がり、立下りの形状まで同じにすることを意味しており、実際には技術的に多大の手間と時間と困難性との課題がある。
In other words, the phases when two anti-phase electrical signals output from different ports of an integrated circuit (IC) are applied to the
(第3従来例)
図8は上述した第2従来例の問題点を解消するために特許文献1にて提唱された第3従来例のLN光変調器の平面図であり、図9は図8のB−B’線における断面図である。なお、図5、図6に示す第1従来例のLN光変調器と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
(Third conventional example)
FIG. 8 is a plan view of the LN optical modulator of the third conventional example proposed in
この第3従来例のLN光変調器においては、光導波路9にはマッハツェンダ光導波路を構成する2本の光導波路9a、9bが形成されている。また、進行波電極として、2つの中心導体10a、10bと3つの接地導体11a、11b、11cが形成されている。さらに、z−カットLN基板1は分極を反転していない領域1aと分極を反転した領域1bとで構成されている。具体的には、z−カットLN基板1は2本の光導波路9a、9b相互間の中心付近を境界として、分極が反転されている。光導波路9a側が分極を反転していない領域1aに対応し、光導波路9b側が分極を反転した領域1bに対応する。中心導体10a、10bと接地導体11a、11b、11cとの間に図9に示す電気力線12が生じる。
In the third conventional LN optical modulator, the
このような第3従来例のLN光変調器の動作原理を説明する。まず、光導波路9に入射した光は、マッハツェンダ光導波路を構成する2本の光導波路9a、9bを伝搬するように2分岐される。一方、中心導体10も2つの中心導体10a、10bに2分岐されているので、電気信号は図9に示すように、光導波路9a、9bに同方向に印加される。
The operating principle of the third conventional LN optical modulator will be described. First, the light incident on the
通常、z−カット光変調器は光導波路9を製作するための金属Tiの拡散状態から基板表面として−z面が使用される。従って、分極を反転していない領域1aでは−z面を、分極を反転した領域1bでは+z面を使用している。電気光学的には−z面と+z面に電界を印加すると、生じる屈折率変化は絶対値が等しく符号が逆である。
Usually, in the z-cut optical modulator, a −z plane is used as a substrate surface from the diffusion state of metal Ti for manufacturing the
この第3従来例では、z−カットLN基板1はマッハツェンダ光導波路の中心付近を境界として分極を反転しているので、図9に示す同方向の電気力線12によっても、光導波路9a、9bを伝搬する光の位相変化は符号が逆となる。したがって、光導波路9a、9bを伝搬する光の位相変化を絶対値が同じで符号が逆とすることにより、このLN光変調器から出力される光信号パルスのチャーピングを低減している。
In the third conventional example, since the z-cut
しかしながら、この第3従来例のLN光変調器においてもまだ次のような課題があった。 However, the third conventional LN optical modulator still has the following problems.
一般に、LN光変調器は3インチから4インチの大きさのz−カットLN基板1上に製作するが、各LN光変調器は15μm〜30μm程度のギャップを有するマッハツェンダ光導波路9a、9bを有している。図8に示した第3従来例のLN光変調器を製作する工程のうち、光導波路を実際に製作する工程について考える。
In general, an LN optical modulator is manufactured on a z-cut
まず、マッハツェンダ光導波路9の2本の光導波路9a、9bのギャップの中心を境界として分極を反転する。この分極を反転する工程には、z−カットLN基板1における所望の位置の上面と下面全面に電極をパターニングした後、高電界を印加して分極ドメインを反転させた後、上下に形成した電極をエッチングはく離する。次に、分極を反転した境界が2本の光導波路9a、9bのギャップの中央に合うようにマッハツェンダ光導波路用のフォトレジストパターンを形成するとともに、金属Tiを蒸着・リフトオフする。最後に、形成された金属Tiパターンを熱拡散し、マッハツェンダ光導波路9を形成する。
First, the polarization is inverted with the center of the gap between the two
分極を反転していない領域1aと分極を反転した領域1bでは基板の物性が異なるため、光導波路9a、9bを形成するための金属Tiがz−カットLN基板1へ拡散する状態も異なってくる。その結果、光のスポットサイズや伝搬損失について、分極を反転していない領域1aと分極を反転した領域1bとでは異なる。
Since the physical properties of the substrate are different between the
分極を反転していない領域1aに形成した光導波路9aを伝搬する光のスポットサイズが分極を反転した領域1bに形成した光導波路9a、9bを伝搬する光のスポットサイズが異なるということは、中心導体10a、10bと接地導体11a、11bからなる進行波電極を伝搬する電気信号と2本の光導波路9a、9bを伝搬する光の相互作用の効率(一般には、前述したように、電気信号と光のパワーの重なり積分で表される)が2本の光導波路9a、9bとで異なることになる。
The fact that the spot size of light propagating through the
図6に示す第1従来例のLN光変調器で説明したように、2本の光導波路9a、9bを伝搬する光の位相変化量の絶対値が異なると、LN光変調器から出射された光信号パルスがチャーピング特性を持つことになり、チャーピングを極めて小さくするという課題の充分な解決にはなってはいない。
As described in the LN optical modulator of the first conventional example shown in FIG. 6, when the absolute value of the phase change amount of the light propagating through the two
また、分極を反転していない領域1aと分極を反転した領域1bでは伝搬損失も異なるので、2本の光導波路9a、9bを伝搬する光のパワーに差が生じ、結果的にLN光変調器から出射された光信号パルスにおけるOFF時の消光比が劣化するという問題もあった。
In addition, since the propagation loss is different between the
さらに最も大きな問題点は、図8から理解できるように、電気信号と光との相互作用部において中心導体10を2つの中心導体10a、10bに2分割する必要がある。ここで、中心導体10a、10bの部分において50Ω系とすると分割前は25Ω程度と低くなるし、分割部において50Ω系とすると、分割後の中心導体10a、10bの部分においては100Ω程度と高くなるというインピーダンス不整合という重大な問題を原理的に持っている。あるいはこの分岐部の寸法精度上及び材料特性上の出来・不出来が反射特性(S11特性)に大きく影響し、結果的にLN光変調器の製造時における歩留まりに大きな影響があるという難しい問題を抱えていた。
Further, as can be understood from FIG. 8, it is necessary to divide the
(第4従来例)
図10は非特許文献2にて提唱された第4従来例のLN光変調器の平面図である。
(Fourth conventional example)
FIG. 10 is a plan view of a fourth conventional LN optical modulator proposed in
この第4従来例のLN光変調器においては、LN基板は、光の入射側から順番に、分極を反転していない領域15a、分極を反転している領域15b、および分極を反転していない領域15cに区分けされている。そして、マッハツェンダ光導波路13を構成する2本の光導波路13a、13bが、LN基板における分極を反転していない領域15aから分極を反転している領域15bを通過している。
In the LN optical modulator of the fourth conventional example, the LN substrate, in order from the light incident side, the
また、進行波電極として、1つの中心導体14aと2つの接地導体14b、14cとが形成されている。中心導体14aは、分極を反転していない領域15aでは長さL/2だけ光導波路13bの上方に、また分極を反転している領域15bにおいても長さL/2だけ光導波路13aの上方に位置している。なお、ここでは領域15cも分極を反転していない領域とした。
Further, as the traveling wave electrode, one center conductor 14a and two
この第4従来例の光変調器の特徴は、分極を反転していない領域15aにおける中心導体14aの長さと分極を反転している領域15bにおける中心導体14aの長さがL/2と互いに等しいことである。
The optical modulator of the fourth conventional example is characterized in that the length of the central conductor 14a in the
第4従来例においては、2本の光導波路13a、13bを伝搬する各々の光が分極を反転していない領域15aと分極を反転している領域15bを伝搬する距離を等しく(=L/2)することにより、このLN光変調器から出射される光信号パルスにおけるチャーピングを小さくできるという考え方である。
In the fourth conventional example, each light propagating through the two
さて、一般に、電気信号の周波数が高くなると金属が持つ導体損失のために、中心導体14a、接地導体14b、14cからなる進行波電極を伝搬する電気信号は伝搬とともに弱くなる。この電気信号の伝搬損失のために、分極を反転していない領域15aと分極を反転している領域15bの長さがたとえL/2と等しくても、電気信号の下流側に位置する分極を反転している領域15bにおいて進行波電極を伝搬する電気信号の強度は分極を反転していない領域15aよりも弱い。
Now, in general, when the frequency of an electric signal increases, the electric signal propagating through the traveling wave electrode composed of the center conductor 14a and the
その結果、中心導体14aと接地導体14b、14cとの間に印加される電気信号の周波数が高くなると、2本の光導波路13a、13bを伝搬する光の位相差の絶対値は異なってしまう。
As a result, when the frequency of the electric signal applied between the center conductor 14a and the
図12に、LN光変調器の中心導体と接地導体間に印加される電気信号の周波数を変化させた場合における、前述した(1)式又は(2)式で求まるチャーピングの大きさを示すαパラメータの変化(αパラメータの周波数特性)を示す。 FIG. 12 shows the magnitude of chirping obtained from the above-described equation (1) or (2) when the frequency of the electric signal applied between the center conductor and the ground conductor of the LN optical modulator is changed. Changes in the α parameter (frequency characteristics of the α parameter) are shown.
第4従来例のLN光変調器においては、図12の破線特性で示したように、DC付近の低周波ではチャーピングゼロ(αパラメータがゼロ)をほぼ実現できるものの、高い周波数ではチャーピングが大きくなる。その結果、光変調器から出射された光信号パルスは大きなチャーピングが生じることが理解できる。 In the LN optical modulator of the fourth conventional example, as shown by the broken line characteristic in FIG. 12, chirping zero (α parameter is zero) can be substantially realized at a low frequency near DC, but chirping is performed at a high frequency. growing. As a result, it can be understood that large chirping occurs in the optical signal pulse emitted from the optical modulator.
(第5従来例)
図11は上述した第4従来例の問題点を解決するために同じく非特許文献2にて提唱された第5従来例のLN光変調器の平面図である。
(Fifth conventional example)
FIG. 11 is a plan view of the LN optical modulator of the fifth conventional example similarly proposed in
この第5従来例のLN光変調器においては、LN基板は、光の入射側から順番に、分極を反転していない領域18a、分極を反転している領域18b、および分極を反転していない領域18cに区分けされている。そして、マッハツェンダ光導波路16の2本の光導波路16a、16bの上にある中心導体17aの長さをL/4、L/2、L/4と分け、中心導体17a、接地導体17b、17cからなる進行波電極を伝搬する電気信号の強度が強い領域と電気信号が弱い領域に各々長さL/4だけ分極を反転していない領域を割り当て、電気信号の強度が中位の領域に長さL/2だけ分極を反転した領域を割り当てている。このようにして、光と電気信号の相互作用の絶対値をマッハツェンダ光導波路16の2本の光導波路16a、16bにおいてなるべく近くしている。
In the LN optical modulator of the fifth conventional example, the LN substrate is, in order from the light incident side, the
その結果、この第5従来例のLN光変調器においては、図12の実線特性で示したように、チャーピング量を表すαパラメータを、破線特性で示した第4従来例のLN光変調器のαパラメータより大幅に低減させることができる。 As a result, in the LN optical modulator of the fifth conventional example, as shown by the solid line characteristic in FIG. 12, the α parameter representing the chirping amount is represented by the broken line characteristic of the fourth conventional LN optical modulator. The α parameter can be significantly reduced.
しかしながら、図12の実線特性からも理解できるように、この第5従来例のLN光変調器においても、中心導体と接地導体間に印加される電気信号の周波数の増加に伴って、αパラメータが大きくなっており、高速光変調を行うとLN光変調器から出力される光信号パルスにチャーピングが生じてしまうという問題がある。
以上のように、LN基板に対して分極反転を用いる従来例としては、分極を反転していない領域と反転した領域の境界がマッハツェンダ光導波路を構成する2本のアーム(光導波路)に平行となるように分極を反転した領域を形成する構成(第3従来例)と、その境界が2本のアーム(光導波路)に垂直になるように分極を反転した領域を形成する構成(第4従来例、第5従来例)とがある。 As described above, as a conventional example using polarization reversal for an LN substrate, the boundary between a region where polarization is not reversed and a region where the polarization is reversed is parallel to the two arms (optical waveguides) constituting the Mach-Zehnder optical waveguide. A configuration in which the polarization-inverted region is formed (third conventional example) and a configuration in which the polarization-inverted region is formed so that the boundary is perpendicular to the two arms (optical waveguide) (fourth conventional example) Example, fifth conventional example).
前者の場合、すなわち光導波路を各々異なる分極のLN基板に形成する場合(第3従来例、図8、図9)には、2本のアーム(光導波路)を伝搬する光のスポットサイズが異なっているので、中心導体と接地導体間に印加される電気信号の周波数が0、すなわち、DC付近においてでさえもチャーピングを極めて小さくすることが難しく、また何よりも中心導体を2分岐せねばならずインピーダンスが不整となるという重大な問題を持っていた。 In the former case, that is, when the optical waveguides are formed on LN substrates having different polarizations (third conventional example, FIGS. 8 and 9), the spot sizes of light propagating through the two arms (optical waveguides) are different. Therefore, it is difficult to make the chirping extremely small even when the frequency of the electric signal applied between the center conductor and the ground conductor is 0, that is, in the vicinity of DC, and above all, the center conductor must be bifurcated. There was a serious problem that the impedance became irregular.
一方、後者の構成において、分極を反転していない相互作用領域と分極を反転した相互作用領域の長さを等しくする場合(第4従来例、図10)には、DC付近においてチャーピングがゼロであっても周波数とともにチャーピングが大幅に大きくなる。また、分極を反転していない相互作用領域と分極を反転した相互作用領域の長さを従来の考え方に基づいて異ならしめるように設定する場合(第5従来例、図11)には、DC付近においてチャーピングがゼロであっても周波数が大きくなるとチャーピングが生じてしまうという問題があった。 On the other hand, in the latter configuration, when the length of the interaction region where the polarization is not reversed is equal to the length of the interaction region where the polarization is reversed (fourth conventional example, FIG. 10), the chirping is zero near DC. Even so, chirping increases significantly with frequency. In the case where the length of the interaction region in which the polarization is not reversed and the length of the interaction region in which the polarization is reversed is set based on the conventional concept (fifth conventional example, FIG. 11), However, even if chirping is zero, there is a problem that chirping occurs when the frequency increases.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、進行波電極を1つの中心導体と2つの接地導体とで形成する簡単な構造を維持した状態で、たとえ中心導体と接地導体間に印加される高周波電気信号の周波数が変化したとしても、光導波路から出射される光信号パルスに発生するチャーピングの大きさを極力抑制できる光変調器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and maintains a simple structure in which a traveling wave electrode is formed of one central conductor and two ground conductors, even between the central conductor and the ground conductor. An object of the present invention is to provide an optical modulator capable of suppressing the chirping generated in the optical signal pulse emitted from the optical waveguide as much as possible even if the frequency of the applied high-frequency electrical signal changes.
上記課題を解消するために、本発明は、電気光学効果を有する材料からなるとともに、分極を反転しない領域と分極を反転する領域との2種類の領域で形成された基板と、基板の一面側に形成され、入射された光を分岐し合波するための第1、第2の分岐光導波路を備えた光導波路と、各分岐光導波路を伝搬する光と相互作用する高周波電気信号を伝搬させる中心導体及び接地導体からなる相互作用部とを具備し、中心導体は第1、第2の分岐光導波路に対してそれぞれ第1、第2の長さだけ対向し、基板における第1の長さに対向する部分と第2の長さに対向する部分とは互いに異なる方向に分極した領域で形成され、相互作用部の領域で各分岐光導波路を伝搬する光の位相を変調する光変調器に適応される。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention comprises a substrate made of a material having an electro-optic effect, formed of two types of regions, a region where polarization is not reversed and a region where polarization is reversed, and one surface side of the substrate An optical waveguide having first and second branch optical waveguides for branching and multiplexing incident light, and a high-frequency electric signal that interacts with the light propagating through each branch optical waveguide is propagated An interaction portion comprising a center conductor and a ground conductor, the center conductor facing the first and second branch optical waveguides by the first and second lengths, respectively, and a first length on the substrate The optical modulator that modulates the phase of the light propagating through each branch optical waveguide in the region of the interaction portion is formed by regions polarized in different directions from the portion facing the second length and the portion facing the second length. Adapted.
そして、高周波電気信号に基づいた所定の変調周波数の帯域内で、光導波路から出射される光信号パルスのチャーピングの大きさを表すアルファパラメータの符号が変調周波数変化に伴ってプラスからマイナスへ又はマイナスからプラスへ変化するように、第1、第2の長さを設定し、これにより前記第1の長さと前記第2の長さとが異なっており、これにより、光導波路から出射される光信号パルスに発生するチャーピングを抑制する。 The sign of the alpha parameter representing the chirping magnitude of the optical signal pulse emitted from the optical waveguide within the band of the predetermined modulation frequency based on the high-frequency electrical signal is changed from plus to minus with the modulation frequency change. The first and second lengths are set so as to change from minus to plus, whereby the first length and the second length are different, and thereby the light emitted from the optical waveguide Suppresses chirping that occurs in signal pulses.
このように構成された光変調器においては、接地導体とで印加される高周波電気信号の進行波電極すなわち相互作用部を構成する中心導体は第1、第2の分岐光導波路に対して互いに異なる部分でそれぞれ第1、第2の長さだけ対向している。さらに、基板における第1の長さに対向する部分と第2の長さに対向する部分とは互いに異なる種類(分極非反転と分極反転との2種類)の領域で形成されている。 In the optical modulator configured as described above, the traveling wave electrode of the high-frequency electric signal applied to the ground conductor, that is, the central conductor constituting the interaction portion is different from that of the first and second branch optical waveguides. The portions face each other by the first and second lengths. Further, the portion facing the first length and the portion facing the second length in the substrate are formed of different types of regions (two types of polarization non-inversion and polarization inversion).
そして、第1、第2の分岐光導波路を伝搬されている光の位相を相互作用部が正常に互いに異なる方向(異なる符号に)に変調する範囲である、中心導体における第1の光導波路に対向するとともに分極を反転していない領域に対向する第1の長さと、中心導体における第2の光導波路に対向するとともに分極を反転した領域に対向する第2の長さを調整して、使用周波数が含む変調帯域内においてチャーピング量を表すαパラメータの符号をプラスからマイナスへ、あるいはマイナスからプラスへ変更させている。 Then, the first optical waveguide in the central conductor is a range in which the interaction unit normally modulates the phase of the light propagating through the first and second branch optical waveguides in different directions (in different signs) from each other. The first length that faces the region that is opposite and does not reverse the polarization, and the second length that faces the second optical waveguide in the central conductor and that faces the region where the polarization is reversed are used. The sign of the α parameter representing the chirping amount is changed from plus to minus or from minus to plus within the modulation band included in the frequency.
したがって、この光変調器から出力される光信号パルスに生じるチャーピングが平均的に小さくなる。 Therefore, chirping generated in the optical signal pulse output from the optical modulator is reduced on average.
また、別の発明においては、上述した発明の光変調器において、高周波電気信号に基づいた所定の周波数帯域におけるアルファパラメータの周波数についての積分値がほぼゼロとなるように、第1、第2の長さを設定している。 In another invention, in the optical modulator of the invention described above, the first and second values are set so that the integral value for the frequency of the alpha parameter in a predetermined frequency band based on the high-frequency electrical signal is substantially zero. The length is set.
先の発明においてはαパラメータの符号がプラスからマイナスへ、あるいはマイナスからプラスへ変わり、ある1点の周波数においてαパラメータをゼロとしても、光パルスとして必要な周波数帯域内においてαパラメータが平均的にゼロとなっておらず、チャーピングが生じてしまう可能性もある。 In the previous invention, the sign of the α parameter changes from plus to minus or from minus to plus, and even if the α parameter is zero at a certain frequency, the α parameter is averaged within the frequency band required for the optical pulse. It is not zero and there is a possibility that chirping will occur.
実際の光通信に使用されるNRZ、RZ、ソリトン等の光信号パルスは、単一の周波数でなく広い周波数帯域を含んでいる。したがって、光変調器により生成された光信号パルスのチャーピングを極めて小さくするためには、単一周波数だけではなく、光信号パルスが含む所定の周波数帯域内においてαパラメータを平均的にゼロとすることが重要である。 Optical signal pulses such as NRZ, RZ, and soliton that are used in actual optical communication include a wide frequency band instead of a single frequency. Therefore, in order to extremely reduce the chirping of the optical signal pulse generated by the optical modulator, the α parameter is set to zero on average within a predetermined frequency band included in the optical signal pulse as well as a single frequency. This is very important.
そこで、上述したように、基板における互いに異なる種類(分極非反転と分極反転との2種類)の領域に対向する中央導体における第1、第2の長さを調整して、周波数帯域内におけるαパラメータの周波数についての積分値をほぼゼロにしている。したがって、実際の光通信システムにおいてチャーピングが極めて小さな光変調器を提供できる。 Therefore, as described above, the first and second lengths of the central conductor facing the different types of regions (two types of polarization non-inversion and polarization inversion) in the substrate are adjusted, and α in the frequency band is adjusted. The integral value for the parameter frequency is almost zero. Therefore, it is possible to provide an optical modulator with extremely small chirping in an actual optical communication system.
また、別の発明においては、上述した発明の光変調器において、基板における分極を反転しない領域の数及び分極を反転した領域の少なくとも一方の数が複数個ある。 In another invention, in the optical modulator of the above-described invention, there are a plurality of regions in the substrate where the polarization is not reversed and at least one of the regions where the polarization is reversed.
本発明においては、第1、第2の光導波路に対向するととも基板における互い異なる種類(分極非反転と分極反転との2種類)の領域に対向する中央導体における第1、第2の長さを調整して、光信号パルスのチャーピングの大きさを表すアルファパラメータを変調周波数変化に伴ってプラスからマイナスへ又はマイナスからプラスへ変化させている。 In the present invention, the first and second lengths in the central conductor facing the first and second optical waveguides and facing different types of regions (two types of polarization non-inversion and polarization inversion) in the substrate. Is adjusted to change the alpha parameter representing the chirping magnitude of the optical signal pulse from plus to minus or from minus to plus as the modulation frequency changes.
したがって、進行波電極を1つの中心導体と2つの接地導体とで形成する簡単な構造を維持した状態で、たとえ中心導体と接地導体間に印加される高周波電気信号の周波数が変化したとしても、光導波路から出射される光信号パルスに発生するチャーピングの大きさを極力抑制できる。 Therefore, even if the frequency of the high-frequency electrical signal applied between the center conductor and the ground conductor is changed while maintaining a simple structure in which the traveling wave electrode is formed by one center conductor and two ground conductors, The size of chirping generated in the optical signal pulse emitted from the optical waveguide can be suppressed as much as possible.
以下、本発明の各実施形態を図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1(a)は本発明の第1実施形態に係わる光変調器の概略構成を模式的に示す平面図であり、図1(b)は図1(a)の光変調器におけるC―C’線の断面図であり、図1(c)は図1(a)の光変調器におけるD―D’線の断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1A is a plan view schematically showing a schematic configuration of the optical modulator according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a CC diagram of the optical modulator of FIG. FIG. 1C is a cross-sectional view taken along the line DD ′ in the optical modulator of FIG.
z−カットLN基板21上に光導波路19が形成されている。この光導波路19は、金属Tiを1050℃で約10時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系(あるいは、マッハツェンダ光導波路)を構成している。したがって、光導波路19は、この光変調器の左端の入射面に入射した光を導く導入用の光導波路19cと、光変調器の中央部分における分岐光導波路としての2本の光導波路19a、19bと、右端の出射面から光通信パルスを出射する出射用の光導波路19dとで構成されている。
An
この光導波路19の上面に400nm〜1μm程度の厚みを有するSiO2バッファ層22が形成され、このSiO2バッファ層22の上面に進行波電極が形成されている。進行波電極としては、1つの中心導体20aと2つの接地導体20b、20cを有するコプレーナウェーブガイド(CPW)を採用している。この進行波電極における中心導体20aと接地導体20b、20cとの間に、変調信号としての高周波電気信号が印加される。
A SiO 2 buffer layer 22 having a thickness of about 400 nm to 1 μm is formed on the upper surface of the
中心導体20aは、第1の長さL1だけ第1の分岐光導波路としての光導波路19bの上方に位置し、さらに、第2の長さL2だけ第2の分岐光導波路としての光導波路19aの上方に位置している。一方の接地導体20bは中心導体20aに対して所定の間隔(ギャップ)を有して、中心導体20aの左側(入射面側)に位置し、他方の接地導体20cは中心導体20aに対して所定の間隔(ギャップ)を有して、中心導体20aの右側(出射面側)に位置している。
The
z−カットLN基板21は、分極を反転していない領域(―z面領域)21aと、分極を反転している領域(+z面領域)21bとで構成されている。分極を反転していない領域21aと、分極を反転をしている領域21bとの境界は、図1(a)に点線で示すように、光導波路19a、19bに対して直角に、かつ、中心導体20aの第1の長さL1と第2の長さL2と接点を通過する。
The z-cut
その結果、中心導体20aの第1の長さL1の部分は、第1の分岐光導波路としての光導波路19bとz−カットLN基板21における分極を反転していない領域21aに対向している。また、中心導体20aの第2の長さL2の部分は、第2の分岐光導波路としての光導波路19aとz−カットLN基板21における分極を反転をしている領域21bに対向している。
As a result, the first length L 1 portion of the
このような構造の光変調器において、中心導体20aと接地導体21b、21cに変調信号としての高周波電気信号を印加した状態、具体的には中心導体20aの第1の長さL1側端からマイクロ波を入力した状態において、光をこの光変調器の左端の入射面から入射すると、光は導入用の光導波路19cを通過して、2本の光導波路19a、19bへ分岐される。分岐された各光は、この光導波路19a、19bを伝搬する過程で、中心導体20aと接地導体20b、20cとからなる相互作用部にて、高周波電気信号に応じて位相変調され、出射用の光導波路19dで波形合成されて、出射端から光信号パルスとして出力される。
In the optical modulator having such a structure, the
このような光変調機能を有する第1実施形態の光変調器において、高周波電気信号を中心導体20aと接地導体20b、20cに印加した状態において、中心導体20aと接地導体20b、20cとからなる進行波電極の高周波電気信号の周波数fにおけるマイクロ波伝搬損失をβm(f)とし、中心導体20aにおける、第1の長さL1の部分(光導波路19bに対向しかつ分極を反転していない領域21aに対向する部分)と、第2の長さL2の部分(光導波路19aに対向しかつ分極を反転している領域21bに対向する部分)とにおいて、電気信号と光導波路19a、19bを伝搬する光との相互作用の効率をそれぞれI1(f)、I2(f)と表す。光及び電気信号の伝搬方向を図1(a)に示すようにzとすると、各相互作用の効率I1(f)、I2(f)は周波数fに依存し、(3)、(4)式で記述できる。
In the optical modulator according to the first embodiment having such an optical modulation function, the progress made up of the
I1(f)=∫0 L1 exp(−βm(f)・z)dz
=(1−exp(−βm(f)・L1))/βm(f) …(3)
I2(f)=∫L1 L2 exp(−βm(f)・z)dz
=exp(−βm(f)・L1)・(1−exp(−βm(f)・L2))/βm(f)
…(4)
そこで、両者の相互作用の効率I1(f)、I2(f)が等しくなる(5)式の条件
I1(f)=I2(f) …(5)
を満たす中心導体20aにおける第1の長さL1と、第2の長さL2を設定することにより、任意に指定された周波数fにおいてチャーピングをゼロとできる。つまり、(5)式が成立する場合にはαパラメータがゼロとなる。
I 1 (f) = ∫ 0 L1 exp (−β m (f) · z) dz
= (1-exp (-β m (f) · L 1)) / β m (f) ... (3)
I 2 (f) = ∫ L1 L2 exp (−β m (f) · z) dz
= Exp (-β m (f) · L 1) · (1-exp (-β m (f) · L 2)) / β m (f)
…(Four)
Therefore, the conditions I 1 (f) = I 2 (f) (5) in which the efficiency of the interaction I 1 (f) and I 2 (f) are equal to each other.
By setting the first length L 1 and the second length L 2 in the
(5)式を満たす第1の長さL1と第2の長さL2から、第1の長さL1の部分の相互作用の効率I1(f)、第2の長さL2の部分の相互作用の効率I2(f)を求め、さらに、前述した(2)式を用いて、高周波電気信号の各周波数fにおける示すαパラメータの周波数特性が求まる。 From the first length L 1 and the second length L 2 satisfying the expression (5), the interaction efficiency I 1 (f) of the portion of the first length L 1 and the second length L 2 The interaction efficiency I 2 (f) is obtained, and the frequency characteristic of the α parameter indicated at each frequency f of the high-frequency electric signal is obtained using the above-described equation (2).
図2(a)、図2(b)に求めたαパラメータの周波数特性を示す。図2(a)に、印加された高周波電気信号の周波数fの増加に伴ってαパラメータの符号がマイナス(−)からプラス(+)へ変化するαパラメータの周波数特性を示し、図2(b)に、高周波電気信号の周波数fの増加に伴ってαパラメータの符号がプラス(+)からマイナス(−)へ変化するαパラメータの周波数特性を示す。 FIG. 2A and FIG. 2B show the frequency characteristics of the α parameter obtained. FIG. 2A shows the frequency characteristics of the α parameter in which the sign of the α parameter changes from minus (−) to plus (+) as the frequency f of the applied high-frequency electrical signal increases. ) Shows the frequency characteristics of the α parameter in which the sign of the α parameter changes from plus (+) to minus (−) as the frequency f of the high-frequency electrical signal increases.
このように、印加された高周波電気信号の周波数fにおけるDC付近の低周波領域と高周波領域においてチャーピング量を表すαパラメータの符号が入れ替わるように、中心導体20aにおける分極を反転していない領域21aに対向する第1の長さL1と、中心導体20aにおける分極を反転した領域21bに対向する第2の長さL2を設定している。これを実現するためには、L1/L2=0.89であった。すなわち、中心導体20aにお第2の長さL2を第1の長さL1より若干長く設定すればよい。但し、この値は電極の構造により変わるので、第1の長さL1と第2の長さL2の比はこの限りではないことは言うまでもない。
In this way, the
なお、注意すべきはαパラメータが常に正、あるいは常に負で、ある周波数でのみゼロとなる場合にも(5)式を満足することができるが、光変調器から出射する光信号パルスにとって重要なことは、必要な所定の周波数帯域内においてαパラメータを平均的にゼロとすることであり、特定の周波数のみでゼロになったとしても、このような光変調器を光通信システムに採用することはできない。 Note that (5) can be satisfied even when the α parameter is always positive or always negative and is zero only at a certain frequency, but it is important for the optical signal pulse emitted from the optical modulator. What is important is that the α parameter is averaged to be zero within a required predetermined frequency band, and such an optical modulator is adopted in an optical communication system even if it becomes zero only at a specific frequency. It is not possible.
(第2実施形態)
次に本発明の第2実施形態の光変調器を説明する。第2実施形態の光変調器は第1実施形態の光変調器の改良型である。つまり、第1実施形態の光変調器から出射した光信号パルスのチャーピングはかなり小さくなるものの、光通信システムで伝送される光信号パルスとして必要な所定の周波数帯域内においてαパラメータを平均的にゼロとすることがより強く求められる。
(Second Embodiment)
Next, an optical modulator according to a second embodiment of the present invention will be described. The optical modulator of the second embodiment is an improved type of the optical modulator of the first embodiment. That is, the chirping of the optical signal pulse emitted from the optical modulator of the first embodiment is considerably reduced, but the α parameter is averaged within a predetermined frequency band necessary for the optical signal pulse transmitted in the optical communication system. Zero is more strongly required.
第2実施形態の光変調器では、図3(a)、図3(b)に示すように、光信号パルスとして必要な所定の周波数帯域の最大周波数をfmaxとし、図3(a)に示すように、周波数fの増加に伴ってαパラメータの符号がマイナス(−)からプラス(+)からへ変化するαパラメータの周波数特性のうちの、DC近傍からαパラメータがゼロとなる周波数f0までのαパラメータをα1(f)とし、周波数f0から最大周波数fmaxまでのαパラメータをα2(f)とすると、
∫0 f0α1(f)df=∫f0 fmaxα2(f)df …(6)
となるように、中心導体20aにおける分極を反転していない領域21aに対向する第1の長さL1と、中心導体20aにおける分極を反転した領域21bに対向する第2の長さL2を設定する。このことは、図3(a)において面積S1と面積S2とを等しくすることに対応する。
In the optical modulator of the second embodiment, as shown in FIGS. 3A and 3B, the maximum frequency of a predetermined frequency band required as an optical signal pulse is set to f max, and FIG. As shown in the frequency characteristic of the α parameter in which the sign of the α parameter changes from minus (−) to plus (+) as the frequency f increases, the frequency f 0 at which the α parameter becomes zero from near DC. Α parameters up to α 1 (f) and α parameters from frequency f 0 to the maximum frequency f max are α 2 (f).
∫ 0 f0 α 1 (f) df = ∫ f0 fmax α 2 (f) df (6)
So that the first length L 1 facing the
また、図3(b)に示すように、周波数fの増加に伴ってαパラメータの符号がプラス(+)からマイナス(−)へ変化するαパラメータの周波数特性のうちの、DC近傍からαパラメータがゼロとなる周波数f0までのαパラメータをα3(f)とし、周波数f0から最大周波数fmaxまでのαパラメータをα4(f)とすると、
∫0 f0α3(f)df=∫f0 fmaxα4(f)df …(7)
となるように、中心導体20aにおける分極を反転していない領域21aに対向する第1の長さL1と、中心導体20aにおける分極を反転した領域21bに対向する第2の長さL2を設定する。このことは、図3(b)において面積S3と面積S4とを等しくすることに対応する。
Further, as shown in FIG. 3B, the α parameter from the vicinity of DC is included in the frequency characteristics of the α parameter in which the sign of the α parameter changes from plus (+) to minus (−) as the frequency f increases. When but a alpha parameter to the frequency f 0 becomes zero and α 3 (f), the alpha parameter to the maximum frequency f max and alpha 4 (f) from the frequency f 0,
∫ 0 f0 α 3 (f) df = ∫ f0 fmax α 4 (f) df (7)
So that the first length L 1 facing the
これを実現するためには、L1/L2=0.7が好ましい値であった。但し、この値は電極の構造により変わるので、この限りではないことは言うまでもない。また、光信号パルスに含まれる最大周波数は光伝送方式によって異なるので、例として図示した実施形態の限りではない。 In order to realize this, L 1 / L 2 = 0.7 was a preferable value. However, since this value varies depending on the electrode structure, it is needless to say that this is not the case. Further, the maximum frequency included in the optical signal pulse differs depending on the optical transmission method, and is not limited to the embodiment illustrated as an example.
なお、図2(a)、図2(b)に示す第1実施形態の光変調器においてαパラメータをゼロにする周波数と、図3(a)、図3(b)に示す第2実施形態の光変調器において(6)、(7)式を満たす周波数f0とは当然異なっている。 In the optical modulator of the first embodiment shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the frequency at which the α parameter is made zero, and the second embodiment shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). Of course, the frequency f 0 satisfying the expressions (6) and (7) in the optical modulator of FIG.
ここで、本発明の第1実施形態において補足説明したαパラメータが常に正、あるいは常に負で、ある特定周波数においてのみゼロとなる場合には、(5)式は満たすものの、(6)、(7)式を満足することはない。この観点からも上述したαパラメータが常に正、あるいは常に負で、ある特定周波数においてのみゼロとなる場合は、光通信システムで伝送される光信号パルスとして必要な所定の周波数帯域内においてαパラメータを平均的にゼロとすることができない。 Here, when the α parameter supplementarily described in the first embodiment of the present invention is always positive or always negative, and becomes zero only at a specific frequency, the equation (5) is satisfied, but (6), ( 7) The formula is not satisfied. From this point of view, if the α parameter described above is always positive or always negative and becomes zero only at a specific frequency, the α parameter is set within a predetermined frequency band required as an optical signal pulse transmitted in the optical communication system. It cannot be zero on average.
さらに、電気信号をフーリエ変換した場合に、その電気信号が特定の周波数領域の成分を多く有する場合にはその周波数領域を表す重みW(f)を用いて、以下のように積分しても良い。 Further, when an electrical signal is Fourier-transformed and the electrical signal has many components in a specific frequency region, integration may be performed as follows using a weight W (f) representing the frequency region. .
∫0 f0α1(f)W(f)df=∫f0 fmaxα2(f)W(f)df
…(8)
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。
∫ 0 f0 α 1 (f) W (f) df = ∫ f0 fmax α 2 (f) W (f) df
… (8)
The present invention is not limited to the above-described embodiments.
実施形態においては、z−カットLN基板21における分極反転をしていない領域21aを光の入射面側に配置し、分極反転をしている領域21bを光信号パルスの出射面側に配置したが、この逆の位置に配置してもよい。
In the embodiment, the
また、実施形態の光変調器においては、簡単のために図10に示した第4従来例の光変調器とほぼ同じ基本構造としたが、図11に示した第5従来例の光変調器に対しても、中心導体に対向する分極を反転した領域としない領域の長さを適切に設定することにより本発明の効果を実現できる。 The optical modulator of the embodiment has almost the same basic structure as the optical modulator of the fourth conventional example shown in FIG. 10 for the sake of simplicity, but the optical modulator of the fifth conventional example shown in FIG. On the other hand, the effect of the present invention can be realized by appropriately setting the length of the region where the polarization opposite to the central conductor is reversed and the region where the polarization is not reversed.
さらに、分極を反転した領域と分極を反転しない領域の繰り返しの数を多く増やしても、光信号パルスとして必要な所定の周波数帯域内においてαパラメータの符号を異ならしめる、あるいはその所定の周波数帯域内におけるαパラメータの周波数に対する積分値をほぼゼロとするという本発明の考えを用いることによりチャーピングを著しく小さくすることが可能となる。 Furthermore, even if the number of repetitions of the region where the polarization is reversed and the region where the polarization is not reversed is increased, the sign of the α parameter is changed within the predetermined frequency band necessary for the optical signal pulse, or within the predetermined frequency band. By using the idea of the present invention that the integral value with respect to the frequency of the α parameter at is substantially zero, the chirping can be remarkably reduced.
以上では、進行波電極を伝搬する電気信号と光導波路を伝搬する光が相互作用する相互作用部において、中心導体に対向する分極を反転した領域の長さと分極を反転しない領域の長さを異ならしめる構成について説明した。一方、中心導体の幅や中心導体と接地導体の間のギャップを広くしても進行波電極の伝搬損失を低減できるので、逆に、分極を反転した領域と分極を反転しない領域の長さを等しくするとともに、中心導体の幅や中心導体と接地導体のギャップの幅を光や電気信号の伝搬方向において異ならしめても良いし、これらの構成を組み合わせても良い。 In the above, in the interaction part where the electric signal propagating through the traveling wave electrode interacts with the light propagating through the optical waveguide, the length of the region where the polarization opposite to the central conductor is inverted is different from the length of the region where the polarization is not inverted. The configuration to be shown has been described. On the other hand, even if the width of the center conductor or the gap between the center conductor and the ground conductor is widened, the propagation loss of the traveling wave electrode can be reduced, so conversely, the length of the region where the polarization is reversed and the region where the polarization is not reversed are reduced. In addition, the width of the center conductor and the width of the gap between the center conductor and the ground conductor may be made different in the propagation direction of the light or the electric signal, or these configurations may be combined.
なお、通常は光導波路と上方で重なる中心導体の長さは、光導波路と上方で重なる接地導体の長さと等しいが、どちらか一方を他方よりも長くすることにより、光電気信号の相互作用領域の長さをより長く確保できるので、変調の効率をより高めることが可能となる。 Normally, the length of the central conductor that overlaps the optical waveguide is equal to the length of the ground conductor that overlaps the optical waveguide, but by making one of them longer than the other, the interaction area of the photoelectric signal As a result, the modulation efficiency can be further increased.
分岐光導波路の例としてマッハツェンダ光導波路を用いたが、方向性結合器などその他の分岐合波型の光導波路にも本発明を適用可能であることは言うまでもないし、考え方は3本以上の光導波路にも適用可能である。また光導波路の形成法としてはTi熱拡散法の他に、プロトン交換法など光導波路の各種形成法を適用できるし、バッファ層としてSiO2以外の各種材料も適用できる。
Although the Mach-Zehnder optical waveguide is used as an example of the branched optical waveguide, it goes without saying that the present invention can be applied to other branched / multiplexed optical waveguides such as directional couplers. It is also applicable to. As a method for forming the optical waveguide, various methods for forming the optical waveguide such as a proton exchange method can be applied in addition to the Ti thermal diffusion method, and various materials other than
電極構成としてはCPW電極を用いた構成について説明したが、非対称コプレーナストリップ(ACPS)あるいは対称コプレーナストリップ(CPS)など、その他の構成でも良い。 Although the configuration using the CPW electrode has been described as the electrode configuration, other configurations such as an asymmetric coplanar strip (ACPS) or a symmetric coplanar strip (CPS) may be used.
また、相互作用部におけるz-カットLN基板の分極を反転した領域は1箇所として説明したがそれ以上とし、分極を反転しない領域と分極を反転させた領域を交互に組み合わせた構造でも良いことは言うまでもない。なお、分極は基板の表面のみについて反転してもよい。 In addition, although the region where the polarization of the z-cut LN substrate in the interaction portion is reversed is described as one place, it may be more than that, and the structure in which the region where the polarization is not reversed and the region where the polarization is reversed is alternately combined may be used. Needless to say. The polarization may be reversed only on the surface of the substrate.
さらに、従来使用されている進行波電極を厚くする、あるいはバッファ層を厚くするなど電気信号と光の速度差を小さくする手法はそのまま本発明にも適用可能である。また電気信号の出力側を40Ωや50Ωなどの終端器で終端しても良いことは言うまでもない。 Furthermore, a conventionally used technique for reducing the speed difference between an electric signal and light, such as increasing the traveling wave electrode or increasing the buffer layer, can be applied to the present invention as it is. Needless to say, the output side of the electric signal may be terminated by a terminator such as 40Ω or 50Ω.
1,21…z−カットLN基板、1a,15a,15c,21a…分極を反転しない領域、1b,15b,21b…分極を反転する領域、2,22…SiO2バッファ層、3,9,13,16,19…マッハツェンダ光導波路、3a,3b,9a,9b,13a,13b,16a,16b,19a,19b…マッハツェンダ光導波路を構成する光導波路、4…進行波電極、4a,6a,6b,10a,10b,14a,17a,20a…中心導体、4b,4c,7a,7b,7c,11a,11b,11c,14b,14c,17b,17c,20b,20c…接地導体 1, 21 ... z-cut LN substrate, 1a, 15a, 15c, 21a ... region not reverse the polarization, 1b, 15b, 21b ... region to reverse the polarization, 2, 22 ... SiO 2 buffer layer, 3,9,13 16, 19 ... Mach-Zehnder optical waveguides, 3a, 3b, 9a, 9b, 13a, 13b, 16a, 16b, 19a, 19b ... Optical waveguides constituting the Mach-Zehnder optical waveguides, 4 ... Traveling wave electrodes, 4a, 6a, 6b, 10a, 10b, 14a, 17a, 20a ... center conductor, 4b, 4c, 7a, 7b, 7c, 11a, 11b, 11c, 14b, 14c, 17b, 17c, 20b, 20c ... ground conductor
Claims (3)
前記基板の一面側に形成され、入射された光を分岐し合波するための第1、第2の分岐光導波路を備えた光導波路と、
前記各分岐光導波路を伝搬する光と相互作用する高周波電気信号を伝搬させる中心導体及び接地導体からなる相互作用部とを具備し、
前記中心導体は前記第1、第2の分岐光導波路に対してそれぞれ第1、第2の長さだけ対向し、
前記基板における前記第1の長さに対向する部分と前記第2の長さに対向する部分とは互いに異なる方向に分極した領域で形成され、
前記相互作用部の領域で前記各分岐光導波路を伝搬する光の位相を変調する光変調器において、
前記高周波電気信号に基づいた所定の変調周波数の帯域内で、前記光導波路から出射される光信号パルスのチャーピングの大きさを表すアルファパラメータの符号が変調周波数変化に伴ってプラスからマイナスへ又はマイナスからプラスへ変化するように、前記第1、第2の長さを設定し、これにより前記第1の長さと前記第2の長さとが異なってなり、
前記光導波路から出射される光信号パルスに発生するチャーピングを抑制する
ことを特徴とする光変調器。 A substrate made of a material having an electro-optic effect and formed of two types of regions, a region where polarization is not reversed and a region where polarization is reversed;
An optical waveguide formed on one surface side of the substrate and provided with first and second branch optical waveguides for branching and multiplexing incident light;
An interaction portion comprising a central conductor and a ground conductor for propagating a high-frequency electrical signal that interacts with light propagating through each of the branched optical waveguides;
The central conductor faces the first and second branch optical waveguides by the first and second lengths, respectively.
The portion facing the first length and the portion facing the second length in the substrate are formed of regions polarized in different directions,
In an optical modulator that modulates the phase of light propagating through each branch optical waveguide in the region of the interaction section,
Within a predetermined modulation frequency band based on the high-frequency electrical signal, the sign of the alpha parameter representing the chirping magnitude of the optical signal pulse emitted from the optical waveguide is changed from plus to minus as the modulation frequency changes. The first and second lengths are set so as to change from minus to plus, whereby the first length and the second length are different,
An optical modulator characterized in that chirping generated in an optical signal pulse emitted from the optical waveguide is suppressed .
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