JP4420202B2 - Light modulator - Google Patents
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Description
本発明は、光変調器に関し、特に、同一基板の異なる面上に形成された光導波路を、光学的に結合することを特徴とする光変調器に関する。 The present invention relates to an optical modulator, and more particularly to an optical modulator characterized by optically coupling optical waveguides formed on different surfaces of the same substrate.
近年、光通信などの分野において、高速なスイッチングを可能にすることなどの目的から、光導波路デバイスなどの外部変調器が広く用いられるようになった。そして、このような外部変調器としては、高周波特性や低挿入損失、高消光比などの特徴を有するニオブ酸リチウム(LiNbO3;以下、LNという)を基板に用い、この基板にTiなどを熱拡散させることにより形成した光導波路を具える導波路型の光変調器が実用化されている。 In recent years, external modulators such as optical waveguide devices have been widely used in the field of optical communications and the like for the purpose of enabling high-speed switching. As such an external modulator, lithium niobate (LiNbO 3 ; hereinafter referred to as LN) having characteristics such as high frequency characteristics, low insertion loss, and high extinction ratio is used as a substrate, and Ti or the like is heated on the substrate. A waveguide type optical modulator having an optical waveguide formed by diffusing has been put into practical use.
従来、光変調器の機能を向上又は追加する際には、光導波路と該導波路に電界を印加する制御用電極との作用長を長く設定したり、機能毎に異なる電極を設けるなどの工夫が行われていた。例えば、駆動電圧の低減のため前記作用長と長くする方法や、変調制御の利便性を考慮して、高周波信号用とDCバイアス用の電極を分離する方法などがある。
また、光変調器には、光強度変調器、位相変調器、偏波変調器などがあり、これらを複数組み合わせることにより、多種多様な光回路を形成することも行われている。
Conventionally, when the function of an optical modulator is improved or added, a device such as setting a longer working length between an optical waveguide and a control electrode for applying an electric field to the waveguide, or providing a different electrode for each function Was done. For example, there are a method of increasing the working length to reduce the driving voltage, a method of separating electrodes for high frequency signals and DC bias in consideration of the convenience of modulation control.
In addition, the optical modulator includes a light intensity modulator, a phase modulator, a polarization modulator, and the like, and various optical circuits are formed by combining a plurality of these.
これらは、光変調器自体の大型化の原因となり、製造の高コスト化や、光変調器を使用する装置の大きさが限定されるなどの問題を生じる。しかも、限られたサイズの基板上に複数の電極を配置する場合には、電極配線の関係から十分な長さの電極を配置できないなどの問題も生じている。
他方、以下の特許文献1では、基板の同一平面上に複数の光変調部分を並列して形成し、基板の端部側で光波を折り返すことにより、基板の長さの増大を抑制することが提案されている。しかしながら、特許文献1のように複数の光変調部を並列して配置する場合は、基板の横幅が広くなり、依然として製造コストの増加や適用場所の制限は解消されていない。
On the other hand, in
本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、集積度が高く、コンパクトな光変調器を提供することであり、しかも、駆動電圧の低減、チャーピングの抑制、偏波無依存化など多様な機能を有する光変調器を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to solve the above-mentioned problems, to provide a highly integrated and compact optical modulator, and to reduce driving voltage, suppress chirping, and polarization The object is to provide an optical modulator having various functions such as independence.
上記課題を解決するために、請求項1に係る発明は、電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板の表面に形成された表面側光導波路と、該基板の裏面に形成された裏面側光導波路と、該表面側光導波路内を伝搬する光波の位相を制御するための表面側制御用電極と、該裏面側光導波路内を伝搬する光波の位相を制御するための裏面側制御用電極とを備え、該基板の少なくとも一端面において、前記異なる面に形成された光導波路が出射口と入射口とを有し、該出射口から出射した光波が該入射口に入射するように、折り返し素子を前記一端面に近接して配置することを特徴とする光変調器である。
本発明における「表面」及び「裏面」とは、基板の一方の面から出射した光波が他方の面に入射する場合、光波が出射する面を「表面」とし、光波が入射する面を「裏面」としている。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
In the present invention, the “front surface” and the “back surface” mean that when a light wave emitted from one surface of the substrate is incident on the other surface, the surface from which the light wave is emitted is referred to as “front surface”, and the surface on which the light wave is incident is referred to as “back surface” "
また、請求項2に係る発明では、請求項1に記載の光変調器において、該表面側制御用電極又は該裏面側制御電極の少なくとも電極の一部は、前記基板と異なる板状体上に形成され、該板状体を該基板に近接して配置することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the optical modulator according to the first aspect, at least a part of the front-side control electrode or the rear-side control electrode is on a plate-like body different from the substrate. It is formed, and the plate-like body is disposed in proximity to the substrate.
また、請求項3に係る発明では、請求項1に記載の光変調器において、該表面側制御用電極と該裏面側制御用電極とが互いに電気的に接続され、表面側制御用電極を進行する高周波信号が引き続き裏面側制御用電極を進行することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the optical modulator according to the first aspect, the front-side control electrode and the rear-side control electrode are electrically connected to each other, and the front-side control electrode advances. The high-frequency signal to be transmitted continues to travel through the back side control electrode.
また、請求項4に係る発明では、請求項3に記載の光変調器において、該電気的接続が、該基板を貫通する線路又は該基板の側面に形成される線路、あるいは該基板に当接される導電部材のいずれかで行われることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the optical modulator according to the third aspect, the electrical connection is in contact with a line penetrating the substrate, a line formed on a side surface of the substrate, or the substrate. It is performed by any of the electrically-conductive members to be performed.
また、請求項5に係る発明では、請求項1に記載の光変調器において、該表面側光導波路と該裏面側光導波路とが互いに光学的に接続される少なくとも2つの光導波路を有し、前記2つの光導波路を伝搬する光波に対する表面側制御用電極による変調と、裏面側制御用電極による変調とが、それぞれの光導波路に対して同じ符号の屈折率変化を生じさせるように、前記光学的な接続や、各面の光導波路と制御用電極との配置並びに該制御用電極の形状が設定されていることを特徴とする。
In the invention according to
また、請求項6に係る発明では、請求項1に記載の光変調器において、該表面側光導波路と該裏面側光導波路とが互いに光学的に接続される少なくとも2つの光導波路を有し、前記2つの光導波路を伝搬する光波に対する表面側制御用電極による変調と、裏面側制御用電極による変調とが、それぞれの光導波路に対して逆符号の屈折率変化を生じさせるように、前記光学的な接続や、各面の光導波路と制御用電極との配置並びに該制御用電極の形状が設定されていることを特徴とする。
Further, in the invention according to
また、請求項7に係る発明では、請求項1に記載の光変調器において、該表面側光導波路と該裏面側光導波路とが互いに光学的に接続される少なくとも1つの光導波路を有し、前記光導波路を伝搬する光波に対し、表面側制御用電極により主として変調される偏波面と、裏面側制御用電極により主として変調される偏波面とが異なるように、各面の光導波路と制御用電極との配置並びに該制御用電極の形状が設定されていることを特徴とする。
Further, in the invention according to
また、請求項8に係る発明では、請求項5乃至7のいずれかに記載の光変調器において、前記光学的に接続される光導波路が、表面側と裏面側とでは異なる分極方向を有する基板領域を通過することを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in the optical modulator according to any one of the fifth to seventh aspects, the optical waveguide to be optically connected has different polarization directions on the front surface side and the back surface side. It is characterized by passing through an area.
請求項1に係る発明によれば、基板の表面と裏面に基板の一端面で折り返す光導波路を形成することで、光変調器の長さを抑え、コンパクト化することが可能となると共に、各面に形成された制御用電極により、光導波路を伝搬する光波を任意に位相制御することが可能となるため、多様な機能を集積化した光変調器を提供することが可能となる。 According to the first aspect of the present invention, by forming the optical waveguide that is folded back at the one end surface of the substrate on the front surface and the back surface of the substrate, the length of the optical modulator can be suppressed and the optical waveguide can be made compact. Since the control electrode formed on the surface can arbitrarily control the phase of the light wave propagating through the optical waveguide, an optical modulator in which various functions are integrated can be provided.
請求項2に係る発明によれば、表面側制御用電極又は裏面側制御電極の一部が、光導波路や他の電極が形成された基板とは異なる板状体上に形成されているため、基板自体に電極を形成する製造工程を簡略化できると共に、基板と該板状体との位置関係を調整することにより、基板上の光導波路に印加する電界の状態を調整することが可能となる。
しかも、板状体上に形成する電極パターンを変化させることにより、多種多様な光変調器を実現することができる。
According to the invention according to claim 2, a part of the front side control electrode or the back side control electrode is formed on a plate-like body different from the substrate on which the optical waveguide and other electrodes are formed. The manufacturing process for forming electrodes on the substrate itself can be simplified, and the state of the electric field applied to the optical waveguide on the substrate can be adjusted by adjusting the positional relationship between the substrate and the plate-like body. .
Moreover, a wide variety of optical modulators can be realized by changing the electrode pattern formed on the plate-like body.
請求項3に係る発明によれば、表面側制御用電極と裏面側制御用電極とが互いに電気的に接続され、表面側制御用電極を進行する高周波信号が引き続き裏面側制御用電極を進行するため、光変調器自体の大きさを変えずに、電極を進行する高周波信号と光導波路内を伝搬する光波との作用長を長くすることが可能となる。
According to the invention of
請求項4に係る発明によれば、表面側制御用電極と裏面側制御用電極との電気的接続が、基板を貫通する線路又は基板の側面に形成される線路、あるいは基板に当接される導電部材のいずれかで行われているため、表面側制御用電極と裏面側制御用電極とを細線で接続するなどの煩雑な作業を省略することが可能となる。特に、基板を貫通する線路の場合は、制御用電極の配線が複雑化することを抑制することができる。
According to the invention of
請求項5に係る発明によれば、表面側光導波路と裏面側光導波路とが互いに光学的に接続される少なくとも2つの光導波路を有し、しかも前記2つの光導波路を伝搬する光波に対する表面側制御用電極による変調と、裏面側制御用電極による変調とが、それぞれの光導波路に対して同じ符号の屈折率変化を生じさせるため、駆動電圧の低減を実現することが可能となる。 According to the fifth aspect of the present invention, the front-side optical waveguide and the back-side optical waveguide have at least two optical waveguides that are optically connected to each other, and the surface side with respect to the light wave that propagates through the two optical waveguides Since the modulation by the control electrode and the modulation by the back-side control electrode cause a change in the refractive index of the same sign for each optical waveguide, it is possible to reduce the drive voltage.
請求項6に係る発明によれば、表面側光導波路と裏面側光導波路とが互いに光学的に接続される少なくとも2つの光導波路を有し、しかも前記2つの光導波路を伝搬する光波に対する表面側制御用電極による変調と、裏面側制御用電極による変調とが、それぞれの光導波路に対して逆符号の屈折率変化を生じさせるため、一方の基板面で制御用電極によるチャーピングが発生する場合でも、他方の基板面において、発生したチャーピングを補正することが可能となり、チャーピングを抑制した光変調が可能となる。
According to the invention of
請求項7に係る発明によれば、表面側光導波路と裏面側光導波路とが互いに光学的に接続される少なくとも1つの光導波路を有し、しかも前記光導波路を伝搬する光波に対し、表面側制御用電極により主として変調される偏波面と、裏面側制御用電極により主として変調される偏波面とが異なるため、基板の表面と裏面では同じ光波の異なる偏波面を主として変調することとなり、ランダムな偏波面を有する光波に対しても、偏波面に依存しない変調を行うことが可能となる。
According to the invention of
請求項8に係る発明によれば、光学的に接続される光導波路が、表面側と裏面側とでは異なる分極方向を有する基板領域を通過するため、光学的な接続や、各面の光導波路と制御用電極との配置並びに該制御用電極の形状などを設計するに際し、より多様な設計を行うことが可能となる。
According to the invention according to
以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板の表面に形成された表面側光導波路と、該基板の裏面に形成された裏面側光導波路と、該表面側光導波路内を伝搬する光波の位相を制御するための表面側制御用電極と、該裏面側光導波路内を伝搬する光波の位相を制御するための裏面側制御用電極とを備え、該基板の少なくとも一端面において、前記異なる面に形成された光導波路が出射口と入射口とを有し、該出射口から出射した光波が該入射口に入射するように、折り返し素子を前記一端面に近接して配置することを特徴とする光変調器である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail using preferred examples.
The present invention includes a substrate made of a material having an electro-optic effect, a surface-side optical waveguide formed on the surface of the substrate, a back-side optical waveguide formed on the back surface of the substrate, and the inside of the surface-side optical waveguide. A front-side control electrode for controlling the phase of the propagating light wave, and a back-side control electrode for controlling the phase of the light wave propagating in the back-side optical waveguide, and at least on one end surface of the substrate The optical waveguide formed on the different surface has an exit port and an entrance port, and the folding element is arranged close to the one end surface so that the light wave emitted from the exit port enters the entrance port. This is an optical modulator.
図1は、本発明に係る光変調器の概略図を示す。電気光学効果を有する基板1の表面に、光導波路2−1,2−2を形成したものである。光導波路の形状は、光変調器の種類により種々の形状のものが選択可能であるが、ここでは、マッハツェンダー型の光導波路を中心に説明する。
基板1の裏面には、不図示の光導波路が形成され、裏面側の光導波路の形状は、基本的に図1の表面側の光導波路とほぼ同じ形状を有している。そして、表面側光導波路と裏面側光導波路とを光学的に結合させることにより、一つのマッハツェンダー型光導波路を形成する。
FIG. 1 shows a schematic diagram of an optical modulator according to the present invention. Optical waveguides 2-1 and 2-2 are formed on the surface of a
An optical waveguide (not shown) is formed on the back surface of the
光変調器を構成する基板としては、電気光学効果を有する材料、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、PLZT(ジルコン酸チタン酸鉛ランタン)、及び石英系の材料から構成され、具体的には、これら単結晶材料の、Xカット板、Yカット板、及びZカット板から構成され、特に、光導波路デバイスとして構成されやすく、かつ異方性が大きいという理由から、ニオブ酸リチウム(LN)を用いることが好ましい。
基板上の光導波路は、Tiなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより形成することができる。
The substrate constituting the optical modulator is composed of a material having an electro-optic effect, for example, lithium niobate, lithium tantalate, PLZT (lead lanthanum zirconate titanate), and a quartz-based material. These single crystal materials are composed of an X-cut plate, a Y-cut plate, and a Z-cut plate. In particular, lithium niobate (LN) is used because it is easily constructed as an optical waveguide device and has a large anisotropy. It is preferable to use it.
The optical waveguide on the substrate can be formed by diffusing Ti or the like on the substrate surface by a thermal diffusion method or a proton exchange method.
3は、表面側光導波路と裏面側光導波路とを光学的に結合させるための、折り返し素子を示す。
折り返し素子としては、特許文献1に開示されるようなGRINレンズを利用することが可能であり、それ以外にも、ミラー、プリズムなどの反射部材を利用することもできる。
As the folding element, a GRIN lens as disclosed in
図2は、図1の一点鎖線A−A’における断面図を示すものである。
図2(a)において、基板1の表面側には、光導波路2−1,2−2を形成し、更に、SiO2などで形成されるバッファ層4や、制御用電極を構成する変調電極5と接地電極6などが形成されている。
他方、基板1の裏面側には、光導波路2−3,2−4が形成され、更に、バッファ層4や、DCバイアス電極7,8などが形成されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along one-dot chain line AA ′ in FIG.
In FIG. 2A, optical waveguides 2-1 and 2-2 are formed on the surface side of the
On the other hand, optical waveguides 2-3 and 2-4 are formed on the back side of the
そして、折り返し素子3により、光導波路「2−1」から同「2−4」へ、さらに光導波路「2−2」から同「2−3」へ、または光導波路「2−1」から同「2−3」へ、さらに光導波路「2−2」から同「2−4」へというように、表面側光導波路と裏面側光導波路とを光学的に接続すると、表面側光導波路を伝搬する光波は、変調電極5を進行する高周波信号による変調制御を受け、さらに裏面側光導波路を伝搬する際には、DCバイアス電極7,8によるバイアス制御を受けることとなる。
Then, the
これにより、高周波信号用とDCバイアス用の電極とを分離することによる変調制御の利便性が向上すると共に、光波の光路を折り返しているため光変調器のサイズもコンパクトなものとすることができる。 As a result, the convenience of modulation control by separating the high-frequency signal electrode and the DC bias electrode is improved, and since the optical path of the light wave is folded, the size of the optical modulator can be made compact. .
図2(b)は、図2(a)における裏面のDCバイアス電極7,8を別の絶縁性のある板状体上に形成し、基板1の裏面に近接(密着又は僅かに離間)して配置したものである。
このように、基板と異なる他の部材に、裏面の電極を形成しているため、基板自体に電極を形成する製造工程を簡略化できると共に、基板と該板状体との位置関係を調整することにより、基板上の光導波路に印加する電界の状態を調整することも可能となる。
In FIG. 2 (b), the
Thus, since the back electrode is formed on another member different from the substrate, the manufacturing process for forming the electrode on the substrate itself can be simplified, and the positional relationship between the substrate and the plate-like body is adjusted. Thus, the state of the electric field applied to the optical waveguide on the substrate can be adjusted.
図2(b)では、裏面のDCバイアス電極の例を示したが、これに限らず、表面側制御用電極又は裏面側制御電極の一部のみを、他の板状体に形成し、基板に近接配置することも可能である。また、板状体上に形成する電極パターンも、複数種類用意することにより、必要に応じて、電極パターンを変化させ、多種多様な光変調器を実現することも可能となる。 Although FIG. 2B shows an example of the DC bias electrode on the back surface, the present invention is not limited to this, and only a part of the front-side control electrode or the back-side control electrode is formed on another plate-like body. It is also possible to arrange them close to each other. Also, by preparing a plurality of types of electrode patterns to be formed on the plate-like body, it is possible to change the electrode patterns as necessary to realize a wide variety of optical modulators.
次に、表面側制御用電極と裏面側制御用電極とを電気的に接続する例について説明する。
図3は、基板1としてZカット板を利用し、基板1の表面側には、図2と同様に、光導波路2−1,2−2、バッファ層4、変調電極5及び接地電極6が形成されている。他方、基板1の裏面側には、光導波路2−3,2−4、バッファ層4と、表面側と同様な変調電極5’及び接地電極6’が形成されている。
Next, an example in which the front side control electrode and the back side control electrode are electrically connected will be described.
3 uses a Z-cut plate as the
さらに、基板1の分極方向は、表面側光導波路の形成領域と裏面側光導波路の形成領域とでは、異なる分極方向を有するように、基板の分極反転が行われている。図3(a)に示す矢印は、基板1の分極方向を示している。そして、折り返し素子により光導波路2−1から同2−4へ、光導波路2−2から同2−3へ光学的に接続する。また、表面側の変調電極5は裏面側の変調電極5’に、表面側の接地電極6は裏面側の接地電極6’に、各々接続する。
Furthermore, the polarization inversion of the substrate is performed so that the polarization direction of the
図3(a)の光変調器において、光導波路へ光波を導入し、変調電極5に高周波信号を印加すると、基板表面から裏面に渡り、光波が光導波路内を伝搬するのに併せて、変調電極5を高周波信号が進行するため、光波に対して継続的に電界を作用させることが可能となり、光変調器自体の大きさを変えずに、電極を進行する高周波信号と光導波路内を伝搬する光波との作用長を長くすることが可能となる。
In the optical modulator of FIG. 3 (a), when a light wave is introduced into the optical waveguide and a high frequency signal is applied to the
また、図3(a)では、伝搬する光波に対する表面側制御用電極による変調と、裏面側制御用電極による変調とが、それぞれの光導波路に対して同じ符号の屈折率変化を生じさせるよう設定されている。このような変調状態を「同相状態」とも言う。また、前記変調が、それぞれの光導波路に対して逆符号の屈折率変化を生じさせる場合には、「逆相状態」とも言う。 Further, in FIG. 3A, the modulation by the front side control electrode and the modulation by the back side control electrode with respect to the propagating light wave are set so as to cause the refractive index change of the same sign for each optical waveguide. Has been. Such a modulation state is also referred to as “in-phase state”. Further, when the modulation causes a change in the refractive index of the opposite sign for each optical waveguide, it is also referred to as a “reverse phase state”.
具体的には、光導波路2−2を伝搬する光波に着目すると、光導波路2−2の形成領域における基板の分極方向は矢印のように上向きであり、変調電極5にプラスの電圧が印加される場合には、分極方向とは逆向きの電界を生じることとなる。これに対し、光導波路2−3においては、光導波路2−3の形成領域における基板の分極方向は矢印のように下向きであり、変調電極5’にプラスの電圧が印加される場合には、分極方向とは逆向きの電界を生じることとなる。つまり、基板の表面側の光導波路2−2を伝搬する光波が、基板の裏面側の光導波路2−3を伝搬する場合には、伝搬する光波に対しては、変調電極にプラスの電圧が印加されると、光導波路の形成領域における基板の分極方向とは逆向きの電界が、常に印加されることとなる。
このように、基板の表面側と裏面側は共に光波に対して同じ動作をすることから、基板の大きさを変えずに、光波に対する実質的な作用長を拡大でき、駆動電圧の低減を実現することが可能となる。
Specifically, paying attention to the light wave propagating through the optical waveguide 2-2, the polarization direction of the substrate in the formation region of the optical waveguide 2-2 is upward as indicated by an arrow, and a positive voltage is applied to the
In this way, both the front and back sides of the substrate perform the same operation with respect to light waves, so that the effective action length for light waves can be expanded without changing the size of the substrate, and the drive voltage can be reduced. It becomes possible to do.
図3(b)は、Xカット板を基板1に用いた場合の例を示す。
基板1の表面側には、図3(a)と同様に、光導波路2−1,2−2、バッファ層4、変調電極5及び接地電極6が形成されている。他方、基板1の裏面側には、光導波路2−3,2−4、バッファ層4と、表面側と同様な変調電極5’及び接地電極6’が形成されている。基板1の分極方向は、図3(b)の矢印で示す左方向である。
FIG. 3B shows an example in which an X-cut plate is used for the
On the surface side of the
そして、折り返し素子により光導波路2−1から同2−4へ、光導波路2−2から同2−3へ光学的に接続する。また、表面側の変調電極5は裏面側の変調電極5’に、表面側の接地電極6は裏面側の接地電極6’に、各々接続する。
Then, the optical waveguides 2-1 to 2-4 and optical waveguides 2-2 to 2-3 are optically connected by the folding element. The front surface
光導波路2−2を伝搬する光波に着目すると、光導波路2−2の形成領域における基板の分極方向は矢印のように左向きであり、変調電極5にプラスの電圧が印加される場合には、分極方向と同方向の電界を生じることとなる。これに対し、光導波路2−3においては、光導波路2−3の形成領域における基板の分極方向は矢印のように左向きであり、変調電極5’にプラスの電圧が印加される場合には、分極方向と同方向の電界を生じることとなる。つまり、基板の表面側の光導波路2−2を伝搬する光波が、基板の裏面側の光導波路2−3を伝搬する場合には、伝搬する光波に対しては、変調電極にプラスの電圧が印加されると、光導波路の形成領域における基板の分極方向と同方向の電界が、常に印加されることとなる。
したがって、図3(a)と同様に、図3(b)のXカット板の場合にも、伝搬する光波に対する表面側制御用電極による変調と、裏面側制御用電極による変調とが、同相状態となるよう設定されている。
Focusing on the light wave propagating through the optical waveguide 2-2, the polarization direction of the substrate in the formation region of the optical waveguide 2-2 is leftward as indicated by an arrow, and when a positive voltage is applied to the
Therefore, similarly to FIG. 3A, in the case of the X-cut plate of FIG. 3B, the modulation by the front-side control electrode and the modulation by the back-side control electrode with respect to the propagating light wave are in the same phase state. It is set to become.
図3(c)は、Zカット板を基板1に用いた場合の例を示す。
基板1の表面側には、図3(a)と同様に、光導波路2−1,2−2、バッファ層4、変調電極5及び接地電極6が形成されている。他方、基板1の裏面側には、光導波路2−3,2−4、バッファ層4と、表面側と同様な変調電極5’及び接地電極6’が形成されている。基板1の分極方向は、図3(c)の矢印で示す上向きである。
FIG. 3C shows an example where a Z-cut plate is used for the
On the surface side of the
そして、折り返し素子により光導波路2−1から同2−4へ、光導波路2−2から同2−3へ光学的に接続する。また、表面側の変調電極5は裏面側の変調電極5’に、表面側の接地電極6は裏面側の接地電極6’に、各々接続する。
Then, the optical waveguides 2-1 to 2-4 and optical waveguides 2-2 to 2-3 are optically connected by the folding element. The front surface
光導波路2−2を伝搬する光波に着目すると、光導波路2−2の形成領域における基板の分極方向は矢印のように上向きであり、変調電極5にプラスの電圧が印加される場合には、分極方向と逆方向の電界を生じることとなる。これに対し、光導波路2−3においては、光導波路2−3の形成領域における基板の分極方向は矢印のように上向きであり、変調電極5’にプラスの電圧が印加される場合には、分極方向と同方向の電界を生じることとなる。つまり、基板の表面側の光導波路2−2を伝搬する光波が、基板の裏面側の光導波路2−3を伝搬する場合には、伝搬する光波に対しては、変調電極にプラスの電圧が印加されると、基板の表面側と裏面側とでは、光導波路の形成領域における基板の分極方向に対し異なる方向の電界が、印加されることとなる。
したがって、図3(c)の場合は、伝搬する光波に対する表面側制御用電極による変調と、裏面側制御用電極による変調とが、逆相状態となるよう設定されている。
When attention is paid to the light wave propagating through the optical waveguide 2-2, the polarization direction of the substrate in the formation region of the optical waveguide 2-2 is upward as indicated by an arrow, and when a positive voltage is applied to the
Therefore, in the case of FIG. 3C, the modulation by the front-side control electrode and the modulation by the back-side control electrode with respect to the propagating light wave are set to be in a reverse phase state.
図3(c)のような逆相状態は、図3(a)及び図3(b)においても、各光導波路の接続方法を、光導波路2−1から同2−3へ、また光導波路2−2から同2−4へと接続することにより、同様な逆相状態を実現することができる。
また、制御用電極の形状や光導波路に対する配置を調整することで、電界の方向を変更し、逆相状態とすることも可能である。
In the reverse phase state as shown in FIG. 3C, the connection method of each optical waveguide is changed from the optical waveguide 2-1 to the same 2-3 in FIG. 3A and FIG. By connecting from 2-2 to 2-4, a similar reverse phase state can be realized.
Further, by adjusting the shape of the control electrode and the arrangement with respect to the optical waveguide, the direction of the electric field can be changed to be in a reverse phase state.
例えば、図3(c)の表面側では、光導波路に対する制御用電極の配置・形状が、各光導波路において異なるため、各光導波路2−1,2−2に印加される電界の強さ・方向が異なり(方向に関しては、通常、逆方向であり、方向が異なるとは、この逆方向の関係からズレを生じることを意味する。)、変調された光波を合波した際に、チャーピングを発生することとなる。
しかしながら、このような逆相状態により、基板の表側で生じたチャーピングに対し、基板の裏面では逆方向のチャーピングを生じることとなるため、結果として光変調器全体では、チャーピングが抑制されることとなる。
For example, on the surface side of FIG. 3C, since the arrangement and shape of the control electrode with respect to the optical waveguide are different in each optical waveguide, the strength of the electric field applied to each optical waveguide 2-1, 2-2 The direction is different (the direction is usually the reverse direction, which means that the direction is different from this reverse direction), and chirping is performed when the modulated light waves are combined. Will be generated.
However, such a reverse phase state causes chirping in the reverse direction on the back surface of the substrate with respect to chirping generated on the front side of the substrate, and as a result, chirping is suppressed in the entire optical modulator. The Rukoto.
次に、本発明を、偏波無依存型の光変調器として利用する場合の例を示す。
図4は、基板1の表面側には、光導波路10、バッファ層4、変調電極5及び接地電極6が形成されている。他方、基板1の裏面側には、光導波路10’、バッファ層4と、表面側と同様な変調電極5’及び接地電極6’が形成されている。
そして、折り返し素子により光導波路10から同10’へ光学的に接続する。また、表面側の変調電極5は裏面側の変調電極5’に、表面側の接地電極6は裏面側の接地電極6’に、各々接続する。
Next, an example in which the present invention is used as a polarization-independent optical modulator will be described.
In FIG. 4, the
Then, the
光導波路10を伝搬する光波に着目すると、変調電極5に高周波信号が印加される場合、伝搬する光波に対しては、基板面に垂直な向きの電界が印加され、光導波路10’内を伝搬する際には、基板面に平行な向きの電界が印加されることとなる。
これにより、光波の異なる偏波面(基板面に垂直及び平行な偏波面)に対し、共に変調制御することが可能となる。つまり、ランダムな偏波面を有する光波に対しても、偏波面に依存しない変調を行うことが可能となる。
Focusing on the light wave propagating through the
As a result, it is possible to perform modulation control on both polarization planes (polarization planes perpendicular to and parallel to the substrate plane) of light waves. That is, it is possible to perform modulation independent of the polarization plane even for a light wave having a random polarization plane.
なお、変調効率は、基板の分極方向と電界の方向との関係にも依存するため、図4のような構造を用いた場合には、基板1にXカット板やZカット板のいずれを用いても良いが、基板の各面における変調効率を同じに調整するため、光導波路内を伝搬する光波に対する制御用電極の電界が作用する長さである作用長や、電界の強さや方向に影響を与える光導波路と制御用電極との配置及び制御用電極の形状などを調整することが好ましい。
Since the modulation efficiency also depends on the relationship between the polarization direction of the substrate and the direction of the electric field, when the structure as shown in FIG. 4 is used, either the X-cut plate or the Z-cut plate is used for the
次に、表面側制御用電極と裏面側制御用電極への電気的接続の方法について説明する。
図5は、基板1を表面から裏面に貫通する線路であるビアホール21を用いた接続方法を示す。ビアホール21は、光導波路2−1に電界を印加する変調電極20−1と、光導波路2−2に電界を印加する変調電極20−2との終端に接続されている。
該ビアホール21の裏面側には、図5と同様に、光導波路及び変調電極が形成され、基板1を貫通した線路であるビアホールに、裏面側の変調電極の始点が接続されている。
Next, a method of electrical connection to the front surface side control electrode and the back surface side control electrode will be described.
FIG. 5 shows a connection method using a via
Similar to FIG. 5, an optical waveguide and a modulation electrode are formed on the back surface side of the via
また、図6は、基板1の側面に表面側と裏面側とを接続する線路を形成するものである。
図6(a)は、基板1の長手方向に平行な側面に線路22を形成したものであり、図6(b)は、基板1の折り返し素子3側に線路23を形成したものである。
さらに、図7のように、図6(a)に示す線路22の代わりに、導電部材24(絶縁体に表面に導電性部分を形成したものでも良い)を基板1の側面に配置し、表面と裏面と電気的接続を、該導電部材により行うことも可能である。しかも、このような導電部材に、基板1の支持機能を兼用させるなど、基板1を取り巻く筐体の等の部品の一部を利用することも可能である。
Further, FIG. 6 shows that a line connecting the front surface side and the back surface side is formed on the side surface of the
6A shows a structure in which a
Further, as shown in FIG. 7, instead of the
以上示した電気的接続方法では、基板1の表面側制御用電極と裏面側制御用電極を接続する際に重要なことは、変調電極の接続において、変調電極を進行する高周波信号と光導波路及び折り返し素子3を介して伝搬する光波とが、同期するように配慮することである。
つまり、高周波信号が形成する電界が光波に作用するタイミングを、基板の表面と裏面とで、同じになるように、接続線路の長さや、変調電極の形状等を設定することが必要である。
In the electrical connection method shown above, what is important when connecting the front-side control electrode and the back-side control electrode of the
That is, it is necessary to set the length of the connection line, the shape of the modulation electrode, and the like so that the timing at which the electric field generated by the high-frequency signal acts on the light wave is the same on the front surface and the back surface of the substrate.
また、基板の表面側制御用電極と裏面側制御用電極とに、高周波信号を印加する他の方法として、図8のように、基板1への入力線路を途中で分岐させ、2つの信号線路30−1,30−2に分け、信号線路30−1を表面側の変調電極に、信号線路30−2を裏面側の変調電極に接続する。
この場合においても、変調電極を進行する高周波信号と光導波路及び折り返し素子3を介して伝搬する光波とを同期させるため、信号線路30−2を所定時間遅延するように、信号線路の長さを調整することが必要である。
Further, as another method for applying a high frequency signal to the front surface side control electrode and the back surface side control electrode of the substrate, as shown in FIG. 30-1 and 30-2, the signal line 30-1 is connected to the modulation electrode on the front surface side, and the signal line 30-2 is connected to the modulation electrode on the back surface side.
Also in this case, in order to synchronize the high-frequency signal traveling through the modulation electrode and the light wave propagating through the optical waveguide and the
また、高周波信号が形成する電界が光波に作用するタイミングを調整する他の方法としては、光波の折り返しに係る部分の光路長(物理的な長さ、光路中の屈折率など)を調整することにより同期をとる方法や、折り返しまでに変調信号と光波とで時間差が生じる場合には、折り返しに係る部分の光波や変調信号を調整することで、該時間差を補正する方法などがある。 Another method for adjusting the timing at which the electric field generated by the high-frequency signal acts on the light wave is to adjust the optical path length (physical length, refractive index in the optical path, etc.) of the portion related to the folding of the light wave. There is a method of synchronizing with each other and a method of correcting the time difference by adjusting the light wave and the modulation signal of the part related to the folding when there is a time difference between the modulation signal and the light wave until the folding.
なお、変調信号を常に一定周波数で動作させる場合には、変調信号が一定周期ごとに同じ信号となるため、変調信号と光波のタイミングがずれた場合でも同期を取ることが可能である。つまり、変調信号と光波のタイミングを取るポイントは一点ではなく、変調信号の周期ごとに現れる。
さらに、変調信号を一定周波数で動作させる場合において、変調信号を半周期分ずらして、光波とタイミングを合わせることにより、新しい効果が得られる。
例えば、変調信号と光波のタイミングが合った場合では、図3(c)を用いて説明したように、チャーピングの抑制できる変調が可能となる。また、変調信号を半周期ずらして光波とタイミングを合わせた場合には、裏面の光導波路の屈折率変化も表面と同じ同相状態となり、駆動電圧の低減が実現できる。
従って、変調信号が一定周波数の場合には,変調信号と光波のタイミングを取るポイントが周期ごとに現れ、また、電気光学効果を有する基板の分極方向や光導波路と制御用電極との位置関係などを変更することなく、変調信号と光波のタイミングを調整することにより、同相状態や逆相状態を実現できる。
Note that when the modulation signal is always operated at a constant frequency, the modulation signal becomes the same signal every fixed period, so that synchronization can be achieved even when the timing of the modulation signal and the light wave is shifted. That is, the timing point of the modulated signal and the light wave is not a single point, but appears every period of the modulated signal.
Further, when the modulation signal is operated at a constant frequency, a new effect can be obtained by shifting the modulation signal by a half cycle and matching the timing with the light wave.
For example, when the timing of the modulation signal matches that of the light wave, modulation capable of suppressing chirping is possible as described with reference to FIG. In addition, when the modulation signal is shifted by a half period and the timing is matched with the light wave, the refractive index change of the optical waveguide on the back surface is also in the same phase as the front surface, and a reduction in driving voltage can be realized.
Therefore, when the modulation signal has a constant frequency, the timing point of the modulation signal and the light wave appears for each period, the polarization direction of the substrate having the electro-optic effect, the positional relationship between the optical waveguide and the control electrode, etc. By adjusting the timing of the modulation signal and the light wave without changing the signal, an in-phase state or a reverse-phase state can be realized.
次に、本発明に係る光変調器の応用例について説明する。
図9は、2つの基板40,40’に、各々光変調器を作り込み、重ね合わせることにより、より多機能な光変調器を構成するものである。
基板40の表面側には、図2のように、光導波路41、変調電極43、接地電極44が形成され、裏面側には光導波路42、DC電極45,46を形成する。
他方、基板40’の表面側には光導波路47を形成し、裏面側には光導波路48、変調電極49、接地電極50が形成されている。
Next, application examples of the optical modulator according to the present invention will be described.
FIG. 9 shows a configuration in which a more multifunctional optical modulator is formed by forming and superposing optical modulators on two
As shown in FIG. 2, an
On the other hand, an
基板40と基板40’に光導波路及び各電極を形成した後、両者を重ね合わせて配置し固定することで、基板40の裏面側のDC電極45,46が、基板40’の表面側の電極を兼ねることが可能となる。
この構成により、複数の光変調器をコンパクトに集積することが可能となると共に、電極の共有化により、電極の製造工程の一部を省略することも可能となるなど、より機能性の高い光変調器を提供することができる。
After the optical waveguide and each electrode are formed on the
With this configuration, it is possible to integrate a plurality of optical modulators in a compact manner, and it is possible to omit a part of the electrode manufacturing process by sharing the electrodes. A modulator can be provided.
なお、図9に示すような多機能な光変調器は、例示したものに限定されるものではなく、例えば、共有する電極を変調電極や接地電極の組合せで構成することや、折り返し素子を複数の基板で共有するなどの、各種の変更を行うことも可能である。また、折り返し素子を共有する場合には、基板40の光導波路41から出射する光波を基板40’の光導波路48に導入し、同様に光導波路42から出射する光波を光導波路47に導入するなど、基板を跨ぐ光波の折り返しを行うことも可能である。
Note that the multifunctional optical modulator as shown in FIG. 9 is not limited to the exemplified ones. For example, a shared electrode may be configured by a combination of a modulation electrode and a ground electrode, or a plurality of folding elements may be provided. It is also possible to make various changes such as sharing with other substrates. Further, when sharing the folded element, the light wave emitted from the
次に光変調器内を伝搬する光波の一部を参照光として取り出す方法を、図10,11に示す。
図10(a)は、光変調器の表側から見た概略図であり、図10(b)は裏側から見た概略図を示す。基板60の表側には、光導波路として分岐導波路61−1,61−2が形成され、分岐導波路61−1の端部からは、光変調器の外部に向かって参照光を出射するよう構成されている。
Next, a method of extracting a part of the light wave propagating in the optical modulator as reference light is shown in FIGS.
FIG. 10A is a schematic diagram viewed from the front side of the optical modulator, and FIG. 10B is a schematic diagram viewed from the back side. Branch waveguides 61-1 and 61-2 are formed as optical waveguides on the front side of the
他方、分岐導波路61−2は、位相変調電極63が設けられると共に、折り返し素子64により、裏面側の光導波路62に光学的に接続されている。裏面側においては、光導波路62に繋がる強度変調部63を形成され、表面側で位相変調された光波を更に強度変調するよう構成されている。
On the other hand, the branch waveguide 61-2 is provided with the
図11は、基板70の表側から見た概略図であり、基板70上にはマッハツェンダー型の光導波路71に方向性結合器72を接続した光導波路が形成されている。
方向性結合器72から出射する光波の一方は参照光として外部に出射され、他方の光波は、折り返し素子73により裏面側に導入される。
FIG. 11 is a schematic view seen from the front side of the
One of the light waves emitted from the
図10及び11に示したように、光導波路の一部を分岐する分岐導波路や方向性結合器などを利用することで、光変調器内を伝搬する光波の波長や光強度をモニターする参照光を、容易に取り出すことが可能となる。 As shown in FIGS. 10 and 11, a reference for monitoring the wavelength and intensity of a light wave propagating in the optical modulator by using a branching waveguide or a directional coupler that branches a part of the optical waveguide. Light can be easily extracted.
以上説明したように、本発明によれば、集積度が高く、コンパクトな光変調器をでき、しかも、駆動電圧の低減、チャーピングの抑制、偏波無依存化など多様な機能を有する光変調器を提供することが可能となる。 As described above, according to the present invention, an optical modulator having a high degree of integration and a compact optical modulator and having various functions such as driving voltage reduction, chirping suppression, and polarization independence can be achieved. Can be provided.
1 基板
2−1,2−2,2−3,2−4,10 光導波路
3 折り返し素子
4 バッファ層
5,5’ 変調電極
6,6’ 接地電極
DESCRIPTION OF
Claims (8)
8. The optical modulator according to claim 5, wherein the optically connected optical waveguide passes through a substrate region having different polarization directions on the front surface side and the back surface side. Modulator.
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