JP4241622B2 - 光変調器 - Google Patents
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Description
特に、光信号の長距離伝送を可能とするために、広帯域での高速変調特性及び耐分散特性に優れている、LiNbO3(ニオブ酸リチウム,リチウムナイオベート;LN)を用いたマッハツェンダ型光変調器の開発が進められている。
このため、RZ光変調器100において、チップ長さをできるだけ短くし、コンパクトなものを実現したい。なお、チップ長さを短くしてコンパクトな光変調器を実現するための技術として、例えば特開平5−232417号公報,特開平11−237517号公報などに開示されたものがある。
このような目的を達成するために、本発明の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、基板上に形成される光導波路と、光導波路の近傍に形成される電極とを含む2つのマッハツェンダ型光変調器と、基板の端面にミラーとを備え、2つのマッハツェンダ型光変調器が、相互に作用長が異なり、基板上に並列に配置され、ミラーを介して多段接続されており、ミラーが、2つのマッハツェンダ型光変調器の中間に位置する中心線から2つのマッハツェンダ型光変調器のうちの長作用長の変調器側にずれた位置に備えられていることを特徴としている。
図2(a),(b)は、本発明の一実施形態にかかるRZ光変調器のミラー部分を示す模式図である。
図3は、本発明の一実施形態にかかるRZ光変調器の変形例を示す模式図である。
図4は、本発明の一実施形態にかかるRZ光変調器の他の変形例を示す模式図である。
図6は、本発明の一実施形態にかかるRZ光変調器の他の変形例を示す模式図である。
図7(a)〜(f)は、本発明の一実施形態にかかるRZ光変調器による光変調動作を説明するための図である。
図8(a),(b)は、本発明の一実施形態にかかるRZ光変調器による光変調動作を説明するための図である。
図10は、従来のRZ光変調器の全体構成を示す模式図である。
本実施形態では、RZ光変調器[入力光に対してクロック信号とデータ信号を与えてRZ(Return to Zero)信号を生成する光変調器(クロック変調型光変調器)]について、図1〜図6を参照しながら説明する。なお、RZ光変調器は、例えば長距離光伝送システムにおける光送信器として用いられる。
つまり、RZ光変調器1は、図1に示すように、ニオブ酸リチウム結晶を結晶方位のZ軸方向にカット(Z軸カット)して切り出されたニオブ酸リチウム結晶基板(LN基板)4上に、マッハツェンダ型の第1光導波路(以下、第1光導波路という)21,マッハツェンダ型の第2光導波路(以下、第2光導波路という)31を含む光導波路5を形成し、さらに、第1光導波路21,第2光導波路31の近傍にそれぞれ第1電極(信号電極)22,第2電極(信号電極)32を形成するとともに、第1電極22及び第2電極32に共用の接地電極6を形成して、1チップ内に集積化した構造になっている。
ここで、LiNbO3結晶やLiTaO2結晶などの電気光学効果を有する基板を用いたRZ光変調器1は、例えばLiNbO3結晶やLiTaO2結晶等からなる基板上の一部に金属膜を形成し、熱拡散させて光導波路を形成するか、又は、金属膜をパターニングした後に、安息香酸中でプロトン交換するなどして光導波路を形成した後、光導波路の近傍に電極を設けることで形成される。
光導波路5は、図1に示すように、入力側光導波路7と、マッハツェンダ型の第1光導波路21と、中間光導波路8と、マッハツェンダ型の第2光導波路31と、出力側光導波路9とを備えるものとして構成される。
一方、マッハツェンダ型の第2光導波路31は、図1に示すように、中間光導波路8に接続される光入射側のY分岐光導波路31Aと、2つの平行な直線状光導波路(平行導波路)31B,31Cと、出射側光導波路9に接続される光出射側のY分岐光導波路31Dとを備えるものとして構成される。
第1電極22は、図1に示すように、一部が第1光導波路21を構成する一方の直線状光導波路21Bと重なるように設けられる。また、第2電極32は、図1に示すように、一部が第2光導波路31を構成する一方の直線状光導波路31Bと重なるように設けられる。なお、符号22a,22b,32a,32bは、それぞれ第1電極22及び第2電極32のコネクタ接点としての接続パッドである。このうち、クロック信号やデータ信号を入力するための接続パッド22a,32aを特に入力パッド(電気信号入力用パッド,RF入力パッド)という。
なお、クロック変調器2の第1電極22と接地電極6との間隔は、データ変調器3の信号電極32と接地電極6との間隔と同じにしても良いし、異なるものとしても良い。例えば、2つのマッハツェンダ変調器で、信号電極と接地電極との間隔が異なるようにしても良い。
このように、本実施形態では、第1電極22,第2電極32,接地電極6を直線状導波路21B,21C,31B,31Cの真上にパターニングするため、直線状光導波路21B,21C,31B,31C中を伝搬する光が各電極22,32,6によって吸収されてしまうおそれがある。これを防ぐために、本実施形態では、LN基板4と各電極22,32,6との間にバッファ層(誘電体層)を形成している。このバッファ層は例えばSiO2膜として形成すれば良く、その厚さは、0.2〜1μm程度とすれば良い。
本実施形態では、RZ光変調器1は、上述のように構成されるため、図示しない光源(半導体レーザ)からの入力光が、入力側光導波路7を介して第1光導波路21(第1光変調器2)に導入され、この第1光導波路21を伝播する際に所望のクロック信号(電気信号)に基づいて変調された後、第1光導波路21の出力側に連結されている中間光導波路8を介して第2光導波路31(第2光変調器3)へ導かれ、さらに第2光導波路31でNRZデータ信号(電気信号)に基づいて変調され、第2光導波路31の出力側に連結されている出力側光導波路9を介して、変調された出力光(信号光,光NR信号)が出力されることになる。
このため、本実施形態では、図1に示すように、上述のように構成される複数(ここでは2つ)のマッハツェンダ型光変調器2,3が、基板4上に並列に配置され、多段接続(光の伝播方向に直列に接続)されるようにしている。
好ましくは、基板端面4Aに設けられるミラー12は、基板端面4Aを例えば金属膜,誘電体多層膜等で覆うことで形成される反射コートとして構成する。
例えば、図3に示すように、中間光導波路を設けずに、基板4上に第1光導波路21及び第2光導波路31が基板4上に(基板4の長手方向に沿って)並列に配置されるように形成し、第1光変調器2の出力側に設けられるY分岐光導波路21Dと第2光変調器3の入力側に設けられるY分岐光導波路31Aとを接続しうるように、基板端面4Aにファイバ(例えば定偏波ファイバ)14を取り付けることで、2つのマッハツェンダ型光変調器2,3を多段接続するようにしても良い。
本実施形態のように、例えば40Gb/s変調器に適用する場合には、信号電極22,32と接地電極6との間隔は約50μm以上とするのが好ましい。この結果、マイクロ波の損失も低減することができる。なお、信号電極22,32及び接地電極6をRF電極ともいう。
なお、上述の実施形態では、図1に示すように、2つの入力パッド(クロック信号を入力するための入力パッド22a及びデータ信号を入力するための入力パッド32a)をそれぞれチップの反対側(両側)に配置しているが、例えば図5に示すように、信号電極22,32及び接地電極6を形成することで、2つの入力パッド22a,32aの双方をチップの片側に配置するようにしても良い。これにより、2つの入力パッド22a,32aに接続するコネクタをいずれも光変調器1の片側に配置できるようになり、実装時の光変調器モジュールの占有面積を小さくすることができるようになる。
例えば、駆動電圧を低減すべく、2つのマッハツェンダ型光変調器2,3をいずれも2つの信号電極(デュアル電極)を有するものとし、いずれもデュアル駆動型の光変調器(デュアルドライブ変調器)として構成しても良いし、2つのマッハツェンダ型光変調器2,3のいずれか一方を2つの信号電極(デュアル電極)を有するものとし、デュアル駆動型の光変調器(デュアルドライブ変調器)として構成しても良い。
ここでは、図6に示すように、前段側にデータ変調器30を設け、後段側にクロック変調器20を設け、データ変調器30をシングルドライブ変調器とし、クロック変調器20をデュアルドライブ変調器として、RZ光変調器100を構成している。なお、以下に記載した構成以外の構成は、上述の実施形態のものと同様である。
また、データ変調器の信号電極と接地電極との間隔は、上述のクロック変調器の信号電極と接地電極との間隔と同じにしても良いし、異なるものとしても良い。例えば、2つのマッハツェンダ変調器で、信号電極と接地電極との間隔が異なるようにしても良い。
一方、シングルドライブ変調器としてのデータ変調器(第2変調器)30も、同様に、信号電極31は、入力部31aと、相互作用部31bと、出力部31cとを備えるものとして構成される。また、信号電極31にはデータ信号供給部111が接続されている。さらに、信号電極31,接地電極60からなるRF電極のほかにバイアス電極(バイアス制御用電極)32が設けられており、バイアス制御部106を介してバイアス調整を行なえるようになっている。
ここで、クロック変調器20及びデータ変調器30では、相互作用部間の間隔(電極間ギャップ)は、同じにしても良いし、異なるものとしても良い。これは、上述の実施形態のようにRZ光変調器を構成する場合も同様である。
特に、クロック変調器20が、光クロック信号[図7(d)参照]のビットレート(光RZ信号)の半分(1/2)の周波数で、かつ、半波長電圧Vπの2倍の電圧2Vπ(例えば−Vπ〜+Vπ)で駆動される場合[例えば図7(a)参照;ここではデュアルドライブであるため、一の信号電極に印加する駆動電圧(クロック信号電圧)はVπ;図7(b),(c)参照]には、例えばCS−RZ(CarrierSuppressed Return to Zero)変調方式のように帯域を犠牲にして(例えば光出力信号として得られる光クロック信号の周波数を40GHzから20GHzにする)、駆動電圧が低くなるように設計するのが好ましい。
特に、ここでは、クロック変調器20の駆動電圧を低減することに重点をおき、クロック変調器20の作用長をデータ変調器30の作用長よりも長くして駆動電圧の低減を図っている。
Claims (13)
- 電気光学効果を有する基板と、前記基板上に形成される光導波路と、前記光導波路の近傍に形成される電極とを含む2つのマッハツェンダ型光変調器と、
前記基板の端面にミラーとを備え、
前記2つのマッハツェンダ型光変調器が、相互に作用長が異なり、前記基板上に並列に配置され、前記ミラーを介して多段接続されており、
前記ミラーが、前記2つのマッハツェンダ型光変調器の中間に位置する中心線から前記2つのマッハツェンダ型光変調器のうちの長作用長の変調器側にずれた位置に備えられていることを特徴とする、光変調器。 - 前記2つのマッハツェンダ型光変調器と前記ミラーとを接続するマルチモード光導波路を備え、
前記2つのマッハツェンダ型光変調器が、前記マルチモード光導波路及び前記ミラーを介して多段接続されていることを特徴とする、請求項1記載の光変調器。 - 前記ミラーが、前記基板の端面に形成される反射コートによって構成されることを特徴とする、請求項1又は2記載の光変調器。
- 前記反射コートが、金属膜であることを特徴とする、請求項3記載の光変調器。
- 前記反射コートが、誘電体多層膜であることを特徴とする、請求項3記載の光変調器。
- 前記反射コートが、前記基板の端面の前記光導波路が接続される部分のみに形成されていることを特徴とする、請求項3記載の光変調器。
- 前記2つのマッハツェンダ型光変調器と前記ミラーとを接続する曲がり導波路を備え、
前記2つのマッハツェンダ型光変調器が、前記曲がり導波路及び前記ミラーを介して多段接続されていることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の光変調器。 - 前記2つのマッハツェンダ型光変調器の電気信号入力用パッドが、全てチップの片側に配置されていることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載の光変調器。
- 前記2つのマッハツェンダ型光変調器が、バイアス制御用電極を有することを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1項に記載の光変調器。
- 前記2つのマッハツェンダ型光変調器のうち、一方をクロック変調器とし、他方をデータ変調器として構成することを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載の光変調器。
- 前記クロック変調器が、ビットレート(光クロック信号)の1/2の周波数で、かつ、半波長電圧の2倍の電圧で駆動されることを特徴とする、請求項10記載の光変調器。
- 前記2つのマッハツェンダ型光変調器が、少なくとも1つのデュアルドライブ変調器を含むことを特徴とする、請求項1〜11のいずれか1項に記載の光変調器。
- 前記2つのマッハツェンダ型光変調器が、相互に信号電極と接地電極との間隔が異なるものとして構成されることを特徴とする、請求項1〜12のいずれか1項に記載の光変調器。
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