JP4197316B2

JP4197316B2 - Light modulator

Info

Publication number: JP4197316B2
Application number: JP2004505793A
Authority: JP
Inventors: 勉永塚; 嘉仁平野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2022-05-17
Also published as: JPWO2003098330A1; WO2003098330A1

Description

【０００１】
技術分野
この発明は、高速光通信システムの送信装置などに用いられる光変調器に関するものである。
【０００２】
背景技術
第５図は、１９９３年電子情報通信学会春季大会講演論文集Ｃ−２１４に記載された従来の光変調器を示す図である。同図において、１は基板、２は光導波路、３は電極、４はＹ分岐、５は光入力端子、６は光出力端子、７はマイクロ波入力端子、８は終端抵抗をそれぞれ示している。同図において、基板１はニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料で作られている。基板１にはＴｉ拡散法などによって光導波路２が形成されており、２つのＹ分岐４によって、光導波路２が分離／結合されている。基板１には、さらに金属によって電極３が形成されている。
【０００３】
第５図において、電極３に電圧が印加されると、光導波路２を間に含むそれぞれの電極３間に電界が生じ、基板１の電気光学効果により、光導波路２の屈折率が変化する。この屈折率の変化が、光導波路２の２つの経路に、光の速度差を生じさせる。そして、この光の速度差が光の位相差を作りだし、Ｙ分岐４で合波される光の強度を変化させる。このように、印加する電圧の値によって、Ｙ分岐４で取り出される合波出力光の強度を変化させることができる。したがって、送信するデータ０、１に対応して異なる適当な電圧の値を設定し、この電圧を電極３に印加することにより、入力データによって光の強度が変化する光の強度変調器として動作させることができる。
【０００４】
この光変調器は、小さい電圧値でも動作するが、変調効率のよい光変調器を得るためには、電極３に電圧を印加したときに生じる電界が、光導波路２をできるだけ効率よく横切るようにし、基板１の電気光学効果を効果的に引き出すことが必要である。
【０００５】
ところで、電極３に入力するデータが高速に変化し、ビットレートが大きいマイクロ波領域になると、光が光導波路２を通過するのに要する時間が無視できなくなる。このような高ビットレートの場合には、電極３を進行波型にし、電極３を伝搬するマイクロ波の速度と光導波路２を伝搬する光の速度とを一致させる、いわゆる速度整合が必要になる。
【０００６】
一般的に、基板１に使用するニオブ酸リチウムなどの材料では、光に対する誘電率とマイクロ波に対する誘電率の値が大きく異なっており、光に対する誘電率よりもマイクロ波に対する誘電率の値が大きい。このため、通常ではマイクロ波の速度は光の速度に対して遅くなり、速度整合がとれない状態になっている。
【０００７】
第６図は、第５図に示す従来の光変調器のＡ−Ａ’線の断面図である。第６図から分かるように、電極３の厚さを非常に厚くしているが、この理由はつぎのとおりである。同図の矢印が示すように、電極３間に生じる電界の一部を基板１の中を通過させる一方で、電界の多くを空気中に洩漏させることにより、マイクロ波の実効誘電率を低くし、マイクロ波の速度が光の速度よりも速くなる現象を利用し、マイクロ波の速度と光の速度との速度整合をとるようにしているからである。
【０００８】
しかしながら、電界の多くを空気中に漏洩させることは、基板１を通過させ、光導波路２を横切る電界を少なくさせることであり、その分変調効率を大きく劣化させる原因を生じさせていることを意味する。
【０００９】
このように、従来の光変調器では、高速に動作させるためは速度整合をとる必要があり、その結果、光導波路を通過する電界が少なくなり、光変調器の変調効率が劣化するという欠点があった。
【００１０】
したがって、この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、高速で動作する場合であっても、変調効率の劣化を局限した光変調器を提供することを目的としている。
【００１１】
発明の開示
この発明にかかる光変調器は、電気光学効果を有する基板と、光を伝搬させるための前記基板に設けた光導波路と、前記基板に設けた進行波型の電極とを備える光変調器において、前記電極を伝搬するマイクロ波の進行速度が前記導波路を伝搬する光の進行速度よりも遅い第１の領域と、前記電極を伝搬するマイクロ波の進行速度が前記導波路を伝搬する光の進行速度よりも速い第２の領域と、を備え、前記電極は前記マイクロ波が供給される信号電極を有し、前記第１の領域における信号電極の厚さを、前記第２の領域における信号電極の厚さよりも薄くするとともに、前記第１の領域と前記第２の領域との全体でのマイクロ波の進行速度の平均値を、前記光導波路を伝搬する光の速度と概一致させたことを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、第１の領域では、電極を伝搬するマイクロ波の進行速度が導波路を伝搬する光の進行速度よりも遅くなり、第２の領域では、電極を伝搬するマイクロ波の進行速度が導波路を伝搬する光の進行速度よりも速くなるので、領域全体としてマイクロ波と光の速度との速度整合がとられ、高ビットレートの入力データにも追随できる光変調器を得ることができるという効果を奏する。さらに、第１の領域における信号電極の厚さが、第２の領域における信号電極の厚さよりも薄くすることで、第１の領域での変調効率を非常に大きくすることができるので、全体として、より低電圧で動作しかつ変調効率のよい光変調器を得ることができるという効果を奏する。
【００１３】
発明を実施するための最良の形態
以下、添付図面を参照して、この発明にかかる光変調器の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
実施の形態１．
第１図は、この実施の形態１である光変調器の構成を模式的に示す説明図である。同図において、１は基板、２は光導波路、３は電極、４はＹ分岐、５は光入力端子、６は光出力端子、７はマイクロ波入力端子、８は終端抵抗、１１は第１の領域、１２は第２の領域をそれぞれ示している。
【００１５】
第１図において、基板１は電気光学効果を有するＸカットのニオブ酸リチウムを用いており、Ｔｉ拡散法によって光導波路２を形成している。光導波路２は、一方のＹ分岐４により２つの経路に分離され、他方のＹ分岐４により２つの経路が結合されている。基板１上、光導波路２が２つの経路に分かれている部分には、金属により進行波型の電極３が設けられ、この電極３の両端にはマイクロ波入力端子７および終端抵抗８が接続されている。なお、電極３の部分で、マイクロ波が伝搬する方向に沿って、構造の異なる２つの領域が存在し、これらの２つの領域をそれぞれ、第１の領域１１および第２の領域１２として示している。
【００１６】
第２図は、第１図における光導波路２および電極３の部分を示した断面図であり、第２図（ａ）は第１の領域１１のＡ−Ａ’線の断面図であり、第２図（ｂ）は第２の領域１２のＢ−Ｂ’線の断面図である。第２図（ａ）に示すように第１の領域１１の部分では、電極３の全体の厚さを非常に薄くしているのに対し、第２図（ｂ）に示す第２の領域１２の部分では、中央の電極３の厚さを厚くしている点に特徴がある。
【００１７】
第１図において、マイクロ波入力端子７を通して電極３に電圧が印加されると、電極３間に電界が生じ、基板１の電気光学効果により光導波路２の屈折率が変化する。この屈折率の変化が、光導波路２の２つの経路において、光の速度差を生じさせる。また、この光の速度差が光の位相差を作りだし、Ｙ分岐４で合波した光の強度を変化させる。このように、印加する電圧の値によって、Ｙ分岐４の合波出力光の強度を変化させることができる。したがって、送信したいデータ０、１に対応して異なる適当な電圧の値を設定し、この電圧をマイクロ波入力端子７を通して電極３に印加することにより、入力データによって光の強度が変化する光の強度変調器として動作させることができる。この動作については、第５図に示した従来の光変調器としての動作と同様のものである。しかし、第１図にかかる実施の形態１の光変調器は、従来の光変調器と異なり、上述したように、電極３の部分が、構造の異なる第１の領域１１と第２の領域１２とを備えている。
【００１８】
電極３間に生じる電界は、電極３の対向する面積に比例するので、第２図（ａ）に示す第１の領域１１に形成されるような薄い電極では、従来の光変調器に比べ、同図の矢印で示すように、空気中へ漏洩する電界が少なく、その一方で、基板１の中を通過する電界、すなわち、光導波路２を横切る電界が多くなる。
【００１９】
このため、電極３に印加する電圧が低い場合でも、光導波路２を横切る電界が多くなり基板１の電気光学効果を効率よく引き出すことができる。したがって光変調器の変調効率を極めて大きくすることができる。ただし、空気中に漏洩する電界が少なく、マイクロ波の実効誘電率は大きくなるため、マイクロ波の速度は光の速度よりも小さく、速度整合はとれていない。しかし、速度整合にとらわれずに電極３の形状を最適に設計できるため、従来の光変調器に比べ極めて大きな変調効率を得ることができる。
【００２０】
一方、第２図（ｂ）に示す第２の領域１２では、中央部の電極３の厚さを非常に厚くしているので、第２図（ａ）に比して、空気中に漏洩する電界が多くなっている。逆に、基板１を通る電界は少ない。このため、マイクロ波の実効誘電率は小さくなる。ところで、光の電界は、ほとんどが光導波路２および基板１の内部に閉じ込められているので、光の速度に関しては、第１の領域１１の部分でも、第２の領域１２の部分でもあまり大きくは変化しない。一方、第２の領域１２の部分では、第１の領域１１とは逆に、マイクロ波の実効誘電率が小さくなるため、電極３を伝搬するマイクロ波の速度が光導波路２を伝搬する光の速度よりも速くなる。
【００２１】
このように、第１の領域１１では、電極３を伝搬するマイクロ波の速度は光より遅く、光に対して徐々に遅れていく。一方、第２の領域１２ではマイクロ波の速度は光より速く、光に対して徐々に進んでいく。その結果、第１の領域１１と第２の領域１２の部分を合わせて通過したときのマイクロ波の平均の速度は、光の速度と概ね一致するようになっている。
【００２２】
つまり、第１の領域１１、第２の領域１２それぞれにおいて、マイクロ波と光の速度は一致していないが、全体としてマイクロ波と光の速度が概ね一致し、擬似速度整合がとられているため、従来の速度整合をとった光変調器と同様に高いビットレートの入力データにも対応できる高速な動作が可能となる。さらに、第１の領域１１の部分では変調効率を非常に大きくすることができるため、全体として、従来の光変調器と比較して、より低電圧で動作し、かつ、変調効率のよい光変調器を得ることができる。
【００２３】
なお、例えば、光変調器の全体の長さを長くしたい場合、第１の領域１１または第２の領域１２の長さをあまり長くすると、マイクロ波と光の速度のずれが局所的に大きくなり、速度整合の効率が劣化する。このため、第１の領域１１と第２の領域１２の長さをそれぞれ短くし、これらを交互に並べる構成とすることにより、全体の長さが長くても効率のよい速度整合を可能とする光変調器を得ることができる。
【００２４】
以上のように、この実施の形態１では、第１の領域１１と第２の領域１２とで、電極３の部分を異なる構造とすることにより、高速で動作し、変調効率のよい光強度変調器が得られるという効果がある。
【００２５】
なお、上述した実施の形態１では、基板１としてＸカットのニオブ酸リチウムを用いた場合について説明したが、Ｚカットのニオブ酸リチウムを用いてもよい。この場合良く知られているように光導波路２や電極３等の構造を若干変化させる必要があるが、この実施の形態１と同様な効果が得られる。また、ニオブ酸リチウム以外にタンタル酸リチウムやガリウム砒素等、電気光学効果を有する他の材料を基板１として用いることもでき、この場合も同様の効果を得ることができる。
【００２６】
また、実施の形態１では、Ｔｉ拡散法によって製作した光導波路２を有する光変調器を例示したが、これに限定されるものではなく、Ｍｇ拡散法やプロトン交換法など種々の製造法により製作した光導波路２を用いても同様の効果が得られる。
【００２７】
さらに、実施の形態１では、電極の厚さを変化させることにより第１の領域１１と第２の領域１２のマイクロ波の速度を変化させる構成について示したが、これに限定されるものでもなく、例えば中央の電極と外側の電極との間隔、導波路の厚み等のパラメータを調整し、空気中に漏洩する電界と基板を通過する電界の比を可変することにより速度を変化させてもよく、この場合も同様の効果が得られる。
【００２８】
実施の形態２．
第３図は、この実施の形態２である光変調器の構成を模式的に示す説明図である。同図において、１は基板、２は光導波路、３は電極、５は光入力端子、６は光出力端子、７はマイクロ波入力端子、８は終端抵抗、１１は第１の領域、１２は第２の領域をそれぞれ示している。第１図と比較して、単一の導波路を有する構造であり、Ｙ分岐を用いていない点が相違している。
【００２９】
第３図において、基板１は電気光学効果を有するＸカットのニオブ酸リチウムを用いており、Ｔｉ拡散法によって光導波路２を形成している。また、金属により進行波型の電極３が設けられ、この電極３の両端にはマイクロ波入力端子７および終端抵抗８が接続されている。なお、電極３の部分で、マイクロ波の伝搬方向に沿って、構造の異なる２つの領域が存在し、これらの２つの領域をそれぞれ、第１の領域１１および第２の領域１２としている。
【００３０】
第４図は、第３図における光導波路２および電極３の部分を示した断面図であり、第４図（ａ）は第１の領域１１のＡ−Ａ’線の断面図であり、第４図（ｂ）は第２の領域１２のＢ−Ｂ’線の断面図である。第４図（ａ）に示す第１の領域１１の部分では、電極３の厚さを非常に薄くし、第４図（ｂ）に示す第２の領域１２の部分では、中央の電極３の厚さを厚くしている点は、それぞれ、第２図（ａ）および第２図（ｂ）と同じ特徴を有している。
【００３１】
第３図において、マイクロ波入力端子７を通して電極３に電圧が印加されると、電極３間に電界が生じ、基板１の電気光学効果により、光導波路２の屈折率が変化する。この屈折率の変化が、光導波路２を伝搬する光の速度が変化し、光の位相に変化を生じさせる。したがって、送信したいデータ０、１に対応して異なる適当な電圧の値を対応させ、この電圧をマイクロ波入力端子７を通して電極３に印加することにより、入力データによって光の位相が変化する光の位相変調器として動作させることができる。
【００３２】
実施の形態１においても説明したように、電極３間に生じる電界は、電極３の対向する面積に比例するので、第４図（ａ）の第１の領域１１に示すような薄い電極では、同図の矢印で示すように、空気中へ漏洩する電界が少なく、その一方で、基板１の中を通過する電界、すなわち、光導波路２を横切る電界が多くなる。このため、電極３に印加する電圧が低い場合でも、光導波路２を横切る電界が多くなり基板１の電気光学効果を効率よく引き出すことができ、光変調器の変調効率を極めて大きくすることができる。ただし、空気中に漏洩する電界が少なく、マイクロ波の実効誘電率は大きくなるため、マイクロ波の速度は光の速度よりも小さく、速度整合はとれていない。しかし、速度整合にとらわれずに電極３の形状を最適に設計できるため、従来の光変調器に比べ極めて大きな変調効率を得ることができる。
【００３３】
一方、第４図（ｂ）に示す第２の領域１２では、電極３の厚さを非常に厚くしているので、第４図（ａ）に比して、空気中に漏洩する電界が多くなっており、その反面、基板１を通る電界が少なくなっている。このため、マイクロ波の実効誘電率は小さくなる。ところで、光の電界は、ほとんどが光導波路２および基板１の内部に閉じ込められているので、光の速度に関しては、第１の領域１１の部分でも、第２の領域１２の部分でもあまり大きくは変化しない。一方、第２の領域１２の部分では、第１の領域１１とは逆に、マイクロ波の実効誘電率が小さくなるため、電極３を伝搬するマイクロ波の速度が光導波路２を伝搬する光の速度よりも速くなる。
【００３４】
このように第１の領域１１では、電極３を伝搬するマイクロ波の速度は光より遅く、光に対して徐々に遅れていく。しかし、第２の領域１２ではマイクロ波の速度は光より速く、光に対して徐々に進んでいく。そして、第１の領域１１と第２の領域１２の部分を合わせて通過したときのマイクロ波の平均の速度が、光の速度と概ね一致するようになっている。
【００３５】
つまり、第１の領域１１、第２の領域１２それぞれにおいては、マイクロ波と光の速度は一致していないが、全体としてマイクロ波と光の速度が概ね一致している擬似速度整合がとられているため、実施の形態１の光変調器と同様に、高いビットレートの入力データにも対応できる高速な動作が可能である。さらに、第１の領域１１の部分では変調効率を非常に大きくすることができるため、全体として、従来の光変調器と比較して、より低電圧で動作し、かつ、変調効率のよい光変調器を得ることができる。
【００３６】
なお、例えば、光変調器の全体の長さを長くしたい場合、第１の領域１１と第２の領域１２の長さをあまり長くすると、マイクロ波と光の速度のずれが局所的に大きくなり、速度整合の効率が劣化する。このため、第１の領域１１と第２の領域１２の長さそれぞれを短くし、これらを交互に並べる構成とすることにより、全体の長さが長くても効率のよい速度整合を可能とする光変調器を得ることができる。
【００３７】
以上のように、この発明にかかる実施の形態２では、第１の領域１１と第２の領域１２とで、電極３の部分を異なる構造とすることにより、高速で動作し、変調効率のよい光位相変調器が得られるという効果がある。
【００３８】
なお、実施の形態２においても、基板１として、Ｚカットのニオブ酸リチウムや他の電気光学効果を有する材料を用いてもよく、この場合にも同様の効果を得ることができる。
【００３９】
また、実施の形態２では、Ｔｉ拡散法によって製作した光導波路２を有する光変調器を例示したが、これに限定されるものではなく、Ｍｇ拡散法やプロトン交換法など種々の製造法により製作した光導波路２を用いても同様の効果が得られる。
【００４０】
さらに、実施の形態１では、電極の厚さを変化させることにより第１の領域１１と第２の領域１２のマイクロ波の速度を変化させる構成について示したが、これに限定されるものでもなく、例えば中央の電極と外側の電極との間隔、導波路の厚み等のパラメータを調整し、空気中に漏洩する電界と基板を通過する電界の比を可変することにより速度を変化させてもよく、この場合も同様の効果が得られる。
【００４１】
（各実施の形態の効果）
この実施の形態にかかる光変調器は、電気光学効果を有する基板と、光を伝搬させるための前記基板に設けた光導波路と、前記基板に設けた進行波型の電極とを備える光変調器において、前記電極を伝搬するマイクロ波の進行速度が前記導波路を伝搬する光の進行速度よりも遅い第１の領域と、前記電極を伝搬するマイクロ波の進行速度が前記導波路を伝搬する光の進行速度よりも速い第２の領域とを備え、前記第１の領域と前記第２の領域との全体でのマイクロ波の進行速度の平均値を、前記光導波路を伝搬する光の速度と概一致させる。
【００４２】
この実施の形態によれば、第１の領域では、電極を伝搬するマイクロ波の進行速度が導波路を伝搬する光の進行速度よりも遅くなり、第２の領域では、電極を伝搬するマイクロ波の進行速度が導波路を伝搬する光の進行速度よりも速くなるので、領域全体としてマイクロ波と光の速度との速度整合がとられ、高ビットレートの入力データにも追随できる光変調器を得ることができるという効果を奏する。
【００４３】
光変調器は、上記の実施の形態において、前記第１の領域と前記第２の領域とが複数交互に並んでいる。
【００４４】
第１の領域と第２の領域とを複数交互に並べることで、マイクロ波の速度と光の速度との局所的なずれが各領域で大きくならないうちに領域を切り換えることができるので、領域全体としてマイクロ波と光の速度の速度整合がとられ、高ビットレートの入力データにも追随できる光変調器を得ることができるという効果を奏する。
【００４５】
光変調器は、上記の実施の形態において、前記第１の領域における電極の厚さが、前記第２の領域における電極の厚さよりも薄い。
【００４６】
第１の領域ではマイクロ波の速度が光より遅く、第２の領域ではマイクロ波の速度が光より速くなり、領域全体で速度整合をとることができるとともに、第１の領域での変調効率を非常に大きくすることができるので、全体として、より低電圧で動作しかつ変調効率のよい光変調器を得ることができるという効果を奏する。
【００４７】
光変調器は、上記の実施の形態において、電気光学効果により前記光導波路の屈折率を変化させ、前記光導波路を伝搬する光の位相変化を利用して、出力光の位相を変調する。
【００４８】
電気光学効果により光導波路の屈折率を変化させ、光導波路を伝搬する光の位相変化を利用して、出力光の位相を変調することができるので、高速で動作し、変調効率のよい光強度変調器が得られるという効果を奏する。
【００４９】
光変調器は、上記の実施の形態において、電気光学効果により前記光導波路の屈折率を変化させ、前記光導波路を伝搬する光の位相変化を利用して、出力光の位相を変調する。
【００５０】
電気光学効果により光導波路の屈折率を変化させ、光導波路を伝搬する光の位相変化を利用して、出力光の位相を変調することができるので、高速かつ低電圧で動作し、変調効率のよい光強度変調器が得られるという効果を奏する。
【００５１】
光変調器は、上記の実施の形態において、前記光導波路が、途中を２つの経路に分岐させたマッハツェンダー型の導波路であり、電気光学効果により前記光導波路の屈折率を変化させ、前記２つの経路の光導波路を伝搬する光の位相変化を利用して、出力光の強度を変調する。
【００５２】
光導波路が、途中を２つの経路に分岐させたマッハツェンダー型の導波路の屈折率を電気光学効果により変化させ、２つの経路の光導波路を伝搬する光の位相変化を利用して、出力光の強度を変調することができるので、高速かつ低電圧で動作し、変調効率のよい光強度変調器が得られるという効果を奏する。
【００５３】
光変調器は、上記の実施の形態において、前記基板にニオブ酸リチウムを用いる。
【００５４】
ニオブ酸リチウムを用いた基板により、電極を伝搬するマイクロ波の速度と光導波路を伝搬する光の速度との大小を、効率よく切り換えることができるので、高速かつ低電圧で動作し、変調効率のよい光強度変調器が得られるという効果を奏する。
【００５５】
光変調器は、上記の実施の形態において、前記基板にタンタル酸リチウムを用いる。
【００５６】
タンタル酸リチウムを用いた基板により、電極を伝搬するマイクロ波の速度と光導波路を伝搬する光の速度との大小を、効率よく切り換えることができるので、高速かつ低電圧で動作し、変調効率のよい光強度変調器が得られるという効果を奏する。
【００５７】
光変調器は、上記の実施の形態において、前記基板にガリウム砒素を用いる。
【００５８】
ガリウム砒素を用いた基板により、電極を伝搬するマイクロ波の速度と光導波路を伝搬する光の速度との大小を、効率よく切り換えることができるので、高速かつ低電圧で動作し、変調効率のよい光強度変調器が得られるという効果を奏する。
【００５９】
産業上の利用可能性
以上のように、この発明にかかる光変調器は、ビットレートが大きく、入力データが高速に変化するようなデータ通信を実現するための光変調器を必要とする高速光通信の分野に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１図は、この実施の形態１である光変調器の構成を模式的に示す説明図である。
【図２】第２図（ａ）は第１の領域１１のＡ−Ａ’線の断面図であり、第２図（ｂ）は第２の領域１２のＢ−Ｂ’線の断面図である。
【図３】第３図は、この実施の形態２である光変調器の構成を模式的に示す説明図である。
【図４】第４図（ａ）は第１の領域１１のＡ−Ａ’線の断面図であり、第４図（ｂ）は第２の領域１２のＢ−Ｂ’線の断面図である。
【図５】第５図は、１９９３年電子情報通信学会春季大会講演論文集Ｃ−２１４に記載された従来の光変調器を示す図である。
【図６】第６図は、第５図に示す従来の光変調器のＡ−Ａ’線の断面図である。[0001]
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an optical modulator used in a transmission device of a high-speed optical communication system.
[0002]
FIG. 5 is a diagram showing a conventional optical modulator described in the 1993 IEICE Spring Conference Lecture Collection C-214. In the figure, 1 is a substrate, 2 is an optical waveguide, 3 is an electrode, 4 is a Y branch, 5 is an optical input terminal, 6 is an optical output terminal, 7 is a microwave input terminal, and 8 is a termination resistor. . In the figure, the substrate 1 is made of a material having an electro-optic effect such as lithium niobate. An optical waveguide 2 is formed on the substrate 1 by a Ti diffusion method or the like, and the optical waveguide 2 is separated / coupled by two Y branches 4. An electrode 3 is further formed on the substrate 1 from a metal.
[0003]
In FIG. 5, when a voltage is applied to the electrodes 3, an electric field is generated between the electrodes 3 including the optical waveguide 2, and the refractive index of the optical waveguide 2 changes due to the electrooptic effect of the substrate 1. This change in refractive index causes a difference in speed of light in the two paths of the optical waveguide 2. The speed difference of the light creates a phase difference of the light, and the intensity of the light combined at the Y branch 4 is changed. Thus, the intensity of the combined output light extracted by the Y branch 4 can be changed depending on the value of the applied voltage. Accordingly, a different appropriate voltage value is set corresponding to the data 0 and 1 to be transmitted, and this voltage is applied to the electrode 3, thereby operating as a light intensity modulator whose light intensity varies depending on the input data. be able to.
[0004]
Although this optical modulator operates even with a small voltage value, in order to obtain an optical modulator with good modulation efficiency, an electric field generated when a voltage is applied to the electrode 3 is made to cross the optical waveguide 2 as efficiently as possible. It is necessary to effectively extract the electro-optic effect of the substrate 1.
[0005]
By the way, when the data input to the electrode 3 changes at high speed and becomes a microwave region with a high bit rate, the time required for light to pass through the optical waveguide 2 cannot be ignored. In the case of such a high bit rate, so-called speed matching is required in which the electrode 3 is made a traveling wave type, and the speed of the microwave propagating through the electrode 3 and the speed of the light propagating through the optical waveguide 2 are matched. .
[0006]
In general, in materials such as lithium niobate used for the substrate 1, the dielectric constant for light and the dielectric constant for microwave are greatly different, and the dielectric constant for microwave is larger than the dielectric constant for light. . For this reason, the speed of the microwave is usually slower than the speed of the light, and the speed cannot be matched.
[0007]
FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the conventional optical modulator shown in FIG. As can be seen from FIG. 6, the thickness of the electrode 3 is very large for the following reason. As indicated by the arrows in the figure, a part of the electric field generated between the electrodes 3 is allowed to pass through the substrate 1, while most of the electric field leaks into the air, thereby reducing the effective dielectric constant of the microwave. This is because the phenomenon that the speed of the microwave is higher than the speed of the light is utilized to match the speed of the microwave and the speed of the light.
[0008]
However, leaking most of the electric field into the air means that the electric field that passes through the substrate 1 and crosses the optical waveguide 2 is reduced, and this causes a great deterioration in modulation efficiency. To do.
[0009]
As described above, in the conventional optical modulator, it is necessary to achieve speed matching in order to operate at high speed. As a result, the electric field passing through the optical waveguide is reduced, and the modulation efficiency of the optical modulator is deteriorated. there were.
[0010]
Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an optical modulator that localizes degradation of modulation efficiency even when operating at high speed. .
[0011]
DISCLOSURE OF THE INVENTION An optical modulator according to the present invention includes a substrate having an electro-optic effect, an optical waveguide provided on the substrate for propagating light, and a traveling wave electrode provided on the substrate. A first region where the traveling speed of the microwave propagating through the electrode is slower than the traveling speed of the light propagating through the waveguide, and the traveling speed of the microwave propagating through the electrode propagates through the waveguide. A second region faster than the traveling speed of light, and the electrode has a signal electrode to which the microwave is supplied, and the thickness of the signal electrode in the first region is set to the second region. And the average value of the traveling speed of the microwaves in the entire first region and the second region is approximately equal to the speed of light propagating through the optical waveguide. It is characterized by that.
[0012]
According to the present invention, in the first region, the traveling speed of the microwave propagating through the electrode is slower than the traveling speed of the light propagating through the waveguide, and in the second region, the traveling of the microwave propagating through the electrode. Since the speed is higher than the traveling speed of the light propagating in the waveguide, the speed of the microwave and the speed of the light is matched as a whole region, and an optical modulator that can follow high bit rate input data is obtained. There is an effect that can be. Furthermore, since the thickness of the signal electrode in the first region is smaller than the thickness of the signal electrode in the second region, the modulation efficiency in the first region can be greatly increased. As a result, it is possible to obtain an optical modulator that operates at a lower voltage and has high modulation efficiency .
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Preferred embodiments of an optical modulator according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
[0014]
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the optical modulator according to the first embodiment. In the figure, 1 is a substrate, 2 is an optical waveguide, 3 is an electrode, 4 is a Y branch, 5 is an optical input terminal, 6 is an optical output terminal, 7 is a microwave input terminal, 8 is a termination resistor, and 11 is a first resistor. , 12 indicates the second area.
[0015]
In FIG. 1, a substrate 1 uses X-cut lithium niobate having an electro-optic effect, and an optical waveguide 2 is formed by a Ti diffusion method. The optical waveguide 2 is separated into two paths by one Y branch 4, and the two paths are coupled by the other Y branch 4. A traveling wave type electrode 3 is provided with a metal on a portion of the substrate 1 where the optical waveguide 2 is divided into two paths, and a microwave input terminal 7 and a terminating resistor 8 are connected to both ends of the electrode 3. ing. In the electrode 3, there are two regions having different structures along the direction in which the microwave propagates, and these two regions are shown as a first region 11 and a second region 12, respectively. Yes.
[0016]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing portions of the optical waveguide 2 and the electrode 3 in FIG. 1. FIG. 2 (a) is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the first region 11. FIG. 2B is a sectional view taken along line BB ′ of the second region 12. As shown in FIG. 2 (a), the entire thickness of the electrode 3 is very thin in the portion of the first region 11, whereas the second region 12 shown in FIG. 2 (b). This is characterized in that the thickness of the central electrode 3 is increased.
[0017]
In FIG. 1, when a voltage is applied to the electrode 3 through the microwave input terminal 7, an electric field is generated between the electrodes 3, and the refractive index of the optical waveguide 2 changes due to the electrooptic effect of the substrate 1. This change in refractive index causes a difference in speed of light in the two paths of the optical waveguide 2. In addition, the speed difference of the light creates a phase difference of the light, and the intensity of the light combined at the Y branch 4 is changed. Thus, the intensity of the combined output light of the Y branch 4 can be changed according to the value of the applied voltage. Therefore, by setting a different appropriate voltage value corresponding to the data 0 and 1 to be transmitted, and applying this voltage to the electrode 3 through the microwave input terminal 7, the intensity of the light whose light intensity varies depending on the input data. It can be operated as an intensity modulator. This operation is the same as that of the conventional optical modulator shown in FIG. However, the optical modulator of the first embodiment according to FIG. 1 is different from the conventional optical modulator, as described above, the portion of the electrode 3 includes the first region 11 and the second region 12 having different structures. And.
[0018]
Since the electric field generated between the electrodes 3 is proportional to the opposing area of the electrodes 3, a thin electrode as formed in the first region 11 shown in FIG. As indicated by the arrows in the figure, the electric field leaking into the air is small, while the electric field passing through the substrate 1, that is, the electric field crossing the optical waveguide 2 is increased.
[0019]
For this reason, even when the voltage applied to the electrode 3 is low, the electric field across the optical waveguide 2 increases, and the electro-optic effect of the substrate 1 can be efficiently extracted. Therefore, the modulation efficiency of the optical modulator can be greatly increased. However, since the electric field leaking into the air is small and the effective dielectric constant of the microwave is large, the speed of the microwave is smaller than the speed of light, and speed matching is not achieved. However, since the shape of the electrode 3 can be optimally designed without being restricted by speed matching, extremely large modulation efficiency can be obtained as compared with the conventional optical modulator.
[0020]
On the other hand, in the second region 12 shown in FIG. 2 (b), the thickness of the central electrode 3 is made very thick, so that it leaks into the air as compared with FIG. 2 (a). The electric field is increasing. Conversely, the electric field passing through the substrate 1 is small. For this reason, the effective dielectric constant of a microwave becomes small. By the way, most of the electric field of light is confined inside the optical waveguide 2 and the substrate 1, so that the speed of light is not so great in both the first region 11 and the second region 12. It does not change. On the other hand, in the portion of the second region 12, the effective dielectric constant of the microwave is small, contrary to the first region 11, so that the speed of the microwave propagating through the electrode 3 is the speed of the light propagating through the optical waveguide 2. Be faster than speed.
[0021]
As described above, in the first region 11, the speed of the microwave propagating through the electrode 3 is slower than the light and gradually delays with respect to the light. On the other hand, in the second region 12, the speed of the microwave is faster than that of light, and gradually proceeds with respect to the light. As a result, the average speed of the microwave when passing through the first region 11 and the second region 12 together substantially matches the speed of light.
[0022]
That is, in each of the first region 11 and the second region 12, the speeds of the microwave and the light do not coincide with each other, but the speeds of the microwave and the light almost coincide with each other, and pseudo speed matching is achieved. Therefore, it is possible to perform a high-speed operation that can cope with input data with a high bit rate, as in the case of a conventional optical modulator with speed matching. Furthermore, since the modulation efficiency can be very large in the first region 11, as a whole, the optical modulation which operates at a lower voltage and has a high modulation efficiency compared with the conventional optical modulator. Can be obtained.
[0023]
For example, when it is desired to increase the entire length of the optical modulator, if the length of the first region 11 or the second region 12 is made too long, the difference between the speeds of the microwave and the light locally increases. The efficiency of speed matching is degraded. For this reason, by shortening the lengths of the first region 11 and the second region 12 and arranging them alternately, it is possible to achieve efficient speed matching even if the overall length is long. An optical modulator can be obtained.
[0024]
As described above, in the first embodiment, the first region 11 and the second region 12 have different structures in the electrode 3 to operate at high speed and to modulate the light intensity with high modulation efficiency. There is an effect that a vessel is obtained.
[0025]
In the first embodiment described above, the case where X-cut lithium niobate is used as the substrate 1 has been described. However, Z-cut lithium niobate may be used. In this case, it is necessary to slightly change the structure of the optical waveguide 2 and the electrode 3 as is well known, but the same effect as in the first embodiment can be obtained. In addition to lithium niobate, other materials having an electro-optical effect such as lithium tantalate and gallium arsenide can be used as the substrate 1, and the same effect can be obtained in this case.
[0026]
In the first embodiment, the optical modulator having the optical waveguide 2 manufactured by the Ti diffusion method is exemplified. However, the optical modulator is not limited to this, and manufactured by various manufacturing methods such as the Mg diffusion method and the proton exchange method. Even if the optical waveguide 2 is used, the same effect can be obtained.
[0027]
Furthermore, in Embodiment 1, although the structure which changes the microwave speed of the 1st area | region 11 and the 2nd area | region 12 by changing the thickness of an electrode was shown, it is not limited to this. For example, the speed may be changed by adjusting parameters such as the distance between the center electrode and the outer electrode, the thickness of the waveguide, and the ratio of the electric field leaking into the air and the electric field passing through the substrate. In this case, the same effect can be obtained.
[0028]
Embodiment 2. FIG.
FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the optical modulator according to the second embodiment. In the figure, 1 is a substrate, 2 is an optical waveguide, 3 is an electrode, 5 is an optical input terminal, 6 is an optical output terminal, 7 is a microwave input terminal, 8 is a termination resistor, 11 is a first region, and 12 is Each of the second regions is shown. Compared to FIG. 1, the structure has a single waveguide and is different in that no Y branch is used.
[0029]
In FIG. 3, the substrate 1 uses X-cut lithium niobate having an electro-optic effect, and the optical waveguide 2 is formed by a Ti diffusion method. Further, a traveling wave type electrode 3 is provided by metal, and a microwave input terminal 7 and a terminating resistor 8 are connected to both ends of the electrode 3. In the electrode 3, there are two regions having different structures along the propagation direction of the microwave, and these two regions are defined as a first region 11 and a second region 12, respectively.
[0030]
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a portion of the optical waveguide 2 and the electrode 3 in FIG. 3, and FIG. 4 (a) is a cross-sectional view of the first region 11 taken along the line AA ′. FIG. 4B is a sectional view taken along line BB ′ of the second region 12. In the portion of the first region 11 shown in FIG. 4 (a), the thickness of the electrode 3 is very thin. In the portion of the second region 12 shown in FIG. The points of increasing thickness have the same characteristics as in FIGS. 2 (a) and 2 (b), respectively.
[0031]
In FIG. 3, when a voltage is applied to the electrode 3 through the microwave input terminal 7, an electric field is generated between the electrodes 3, and the refractive index of the optical waveguide 2 changes due to the electro-optic effect of the substrate 1. This change in refractive index changes the speed of light propagating through the optical waveguide 2 and causes a change in the phase of the light. Therefore, by matching the values of different appropriate voltages corresponding to the data 0 and 1 to be transmitted and applying this voltage to the electrode 3 through the microwave input terminal 7, the light phase whose light changes in accordance with the input data can be obtained. It can be operated as a phase modulator.
[0032]
As described in the first embodiment, since the electric field generated between the electrodes 3 is proportional to the opposing area of the electrodes 3, the thin electrode as shown in the first region 11 of FIG. As indicated by the arrows in the figure, the electric field leaking into the air is small, while the electric field passing through the substrate 1, that is, the electric field crossing the optical waveguide 2 is increased. For this reason, even when the voltage applied to the electrode 3 is low, the electric field across the optical waveguide 2 increases, the electro-optic effect of the substrate 1 can be efficiently extracted, and the modulation efficiency of the optical modulator can be extremely increased. . However, since the electric field leaking into the air is small and the effective dielectric constant of the microwave is large, the speed of the microwave is smaller than the speed of light, and speed matching is not achieved. However, since the shape of the electrode 3 can be optimally designed without being restricted by speed matching, extremely large modulation efficiency can be obtained as compared with the conventional optical modulator.
[0033]
On the other hand, in the second region 12 shown in FIG. 4 (b), the thickness of the electrode 3 is very large, so that there are more electric fields leaking into the air than in FIG. 4 (a). On the other hand, the electric field passing through the substrate 1 is reduced. For this reason, the effective dielectric constant of a microwave becomes small. By the way, most of the electric field of light is confined inside the optical waveguide 2 and the substrate 1, so that the speed of light is not so great in both the first region 11 and the second region 12. It does not change. On the other hand, in the portion of the second region 12, the effective dielectric constant of the microwave is small, contrary to the first region 11, so that the speed of the microwave propagating through the electrode 3 is the speed of the light propagating through the optical waveguide 2. Be faster than speed.
[0034]
As described above, in the first region 11, the speed of the microwave propagating through the electrode 3 is slower than the light and gradually delays with respect to the light. However, in the second region 12, the speed of the microwave is faster than that of light, and gradually proceeds with respect to the light. Then, the average speed of the microwave when passing through the first region 11 and the second region 12 together substantially matches the speed of light.
[0035]
That is, in each of the first region 11 and the second region 12, the speeds of the microwave and the light do not coincide with each other, but the pseudo-velocity matching in which the speeds of the microwave and the light almost coincide as a whole is taken. Therefore, similarly to the optical modulator of the first embodiment, high-speed operation that can cope with input data with a high bit rate is possible. Furthermore, since the modulation efficiency can be very large in the first region 11, as a whole, the optical modulation which operates at a lower voltage and has a high modulation efficiency compared with the conventional optical modulator. Can be obtained.
[0036]
For example, when it is desired to increase the overall length of the optical modulator, if the lengths of the first region 11 and the second region 12 are too long, the difference between the speeds of the microwave and the light locally increases. The efficiency of speed matching is degraded. For this reason, by shortening the lengths of the first region 11 and the second region 12 and arranging them alternately, it is possible to achieve efficient speed matching even if the overall length is long. An optical modulator can be obtained.
[0037]
As described above, in the second embodiment according to the present invention, the first region 11 and the second region 12 have different structures in the electrode 3 to operate at high speed and have high modulation efficiency. There is an effect that an optical phase modulator is obtained.
[0038]
Also in the second embodiment, a Z-cut lithium niobate or other material having an electro-optic effect may be used as the substrate 1, and the same effect can be obtained in this case.
[0039]
In the second embodiment, the optical modulator having the optical waveguide 2 manufactured by the Ti diffusion method is exemplified. However, the optical modulator is not limited to this, and manufactured by various manufacturing methods such as the Mg diffusion method and the proton exchange method. Even if the optical waveguide 2 is used, the same effect can be obtained.
[0040]
Furthermore, in Embodiment 1, although the structure which changes the microwave speed of the 1st area | region 11 and the 2nd area | region 12 by changing the thickness of an electrode was shown, it is not limited to this. For example, the speed may be changed by adjusting parameters such as the distance between the center electrode and the outer electrode, the thickness of the waveguide, and the ratio of the electric field leaking into the air and the electric field passing through the substrate. In this case, the same effect can be obtained.
[0041]
(Effect of each embodiment)
An optical modulator according to this embodiment includes a substrate having an electro-optic effect, an optical waveguide provided on the substrate for propagating light, and a traveling wave electrode provided on the substrate. A first region in which the traveling speed of the microwave propagating through the electrode is slower than the traveling speed of the light propagating through the waveguide, and light in which the traveling speed of the microwave propagating through the electrode propagates through the waveguide A second region faster than the traveling speed of the first region, the average value of the traveling speed of the microwaves in the first region and the second region as a whole, and the speed of light propagating through the optical waveguide Match roughly.
[0042]
According to this embodiment, in the first region, the traveling speed of the microwave propagating through the electrode is slower than the traveling speed of the light propagating through the waveguide, and in the second region, the microwave propagating through the electrode. Since the traveling speed of the light is faster than the traveling speed of the light propagating through the waveguide, the speed of the microwave and the speed of the light is matched as a whole region, and an optical modulator that can follow high bit rate input data. There is an effect that it can be obtained.
[0043]
In the optical modulator, a plurality of the first regions and the second regions are alternately arranged in the above embodiment.
[0044]
By arranging a plurality of first regions and second regions alternately, the regions can be switched before the local shift between the microwave speed and the light velocity increases in each region. As a result, the speed of the microwave and the speed of light are matched, and an optical modulator capable of following high-bit-rate input data can be obtained.
[0045]
In the optical modulator, the thickness of the electrode in the first region is thinner than the thickness of the electrode in the second region.
[0046]
In the first region, the speed of the microwave is slower than that of light, and in the second region, the speed of the microwave is faster than that of light. Thus, speed matching can be achieved in the entire region, and the modulation efficiency in the first region can be increased. Since it can be made very large, as a whole, it is possible to obtain an optical modulator that operates at a lower voltage and has high modulation efficiency.
[0047]
In the above embodiment, the optical modulator changes the refractive index of the optical waveguide by the electro-optic effect, and modulates the phase of the output light by using the phase change of the light propagating through the optical waveguide.
[0048]
The phase of the output light can be modulated by changing the refractive index of the optical waveguide due to the electro-optic effect and using the phase change of the light propagating through the optical waveguide, so it operates at high speed and has high modulation efficiency. There is an effect that a modulator is obtained.
[0049]
In the above embodiment, the optical modulator changes the refractive index of the optical waveguide by the electro-optic effect, and modulates the phase of the output light by using the phase change of the light propagating through the optical waveguide.
[0050]
The phase of the output light can be modulated by changing the refractive index of the optical waveguide by the electro-optic effect, and using the phase change of the light propagating through the optical waveguide. There is an effect that a good light intensity modulator can be obtained.
[0051]
In the above embodiment, the optical modulator is a Mach-Zehnder type waveguide in which the optical waveguide is branched into two paths in the middle, and the refractive index of the optical waveguide is changed by an electro-optic effect. The intensity of the output light is modulated using the phase change of the light propagating through the optical waveguides of the two paths.
[0052]
The optical waveguide changes the refractive index of the Mach-Zehnder type waveguide branched in the middle into two paths by the electro-optic effect, and uses the phase change of the light propagating through the two paths of the optical waveguide to output light. Therefore, it is possible to obtain a light intensity modulator that operates at a high speed and a low voltage and has high modulation efficiency.
[0053]
In the above embodiment, the optical modulator uses lithium niobate for the substrate.
[0054]
The substrate using lithium niobate can efficiently switch between the speed of the microwave propagating through the electrode and the speed of the light propagating through the optical waveguide. There is an effect that a good light intensity modulator can be obtained.
[0055]
In the above embodiment, the optical modulator uses lithium tantalate for the substrate.
[0056]
The substrate using lithium tantalate can efficiently switch between the speed of the microwave propagating through the electrode and the speed of the light propagating through the optical waveguide. There is an effect that a good light intensity modulator can be obtained.
[0057]
In the above embodiment, the optical modulator uses gallium arsenide for the substrate.
[0058]
Since the substrate using gallium arsenide can efficiently switch between the speed of the microwave propagating through the electrode and the speed of the light propagating through the optical waveguide, it operates at high speed and low voltage and has high modulation efficiency. There is an effect that a light intensity modulator is obtained.
[0059]
Industrial Applicability As described above, the optical modulator according to the present invention is a high-speed optical device that requires an optical modulator for realizing data communication in which the bit rate is large and input data changes at high speed. Suitable for communication field.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing a configuration of an optical modulator according to a first embodiment.
2A is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the first region 11, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of the second region 12. FIG. is there.
FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing a configuration of an optical modulator according to the second embodiment.
4A is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the first region 11, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of the second region 12. FIG. is there.
FIG. 5 is a view showing a conventional optical modulator described in the 1993 IEICE Spring Conference Proceedings C-214.
6 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of the conventional optical modulator shown in FIG. 5. FIG.

Claims

In an optical modulator comprising a substrate having an electro-optic effect, an optical waveguide provided on the substrate for propagating light, and a traveling wave electrode provided on the substrate,
A first region in which the traveling speed of the microwave propagating through the electrode is slower than the traveling speed of the light propagating through the waveguide;
A second region in which the traveling speed of the microwave propagating through the electrode is faster than the traveling speed of the light propagating through the waveguide;
With
The electrode has a signal electrode to which the microwave is supplied ,
The thickness of the signal electrode in the first region is made thinner than the thickness of the signal electrode in the second region, and the microwave traveling speed in the whole of the first region and the second region is increased. An optical modulator characterized in that the average value of is substantially matched with the speed of light propagating through the optical waveguide.

The first area and the second area are present in plural, and the first area and the second area are alternately arranged. An optical modulator according to 1.

3. The phase of output light is modulated by changing a refractive index of the optical waveguide by an electro-optic effect and utilizing a phase change of light propagating through the optical waveguide . The optical modulator according to item .