JP4495326B2

JP4495326B2 - 光変調素子のチャープ制御方法

Info

Publication number: JP4495326B2
Application number: JP2000298368A
Authority: JP
Inventors: 義浩橋本; 猛坂井; 徹菅又; 裕俊永田
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2020-09-29
Also published as: JP2002107682A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光変調素子のチャープ制御方法に関し、さらに詳しくは、長距離ファイバ通信システムにおける光変調器などに好適に用いることのできる、光変調素子のチャープ制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、長距離ファイバ通信システムの進歩に伴い、外部変調器に代表されるように、光導波路素子を用いた光変調素子が実用化され、広く用いられるようになってきている。
【０００３】
このような光変調素子は、一般に電気光学効果を有する基板の主面にマッハツエンダー型の光導波路が形成されるとともに、前記基板の前記主面上に前記光導波路中を導波する光波を変調させるための、信号電極と接地電極とからなる変調用電極が形成されてなる構成を有している。
【０００４】
そして、前記変調用電極に所定の外部電源より高周波電圧を導入し、この高周波電圧を変調信号として前記光導波路中の光波に印加して、光信号のオン／オフを行うものである。この場合においては、前記変調信号印加による前記光波の光強度の変調度合いが最大となるように、前記光変調素子の動作点を予め設定しておく。
【０００５】
しかしながら、この動作点は環境温度の変化などによって変化してしまうため、前記光変調素子を長時間使用した場合には、その動作点が大きくシフトしてしまう場合があった。したがって、当初の高周波電圧では前記光波に対して所望するオン／オフ動作を行うことができない場合があった。
【０００６】
そこで、本発明者らは、このような動作点シフトの問題を解決した、図１に示すような構成の光変調素子を発明し、特許出願を行っている（特願平１１−１７４１０３号）。
図１は、このような光変調素子の一例を示す斜視図である。
図１に示す光変調素子１０は、電気光学効果を有する材料のＸカット板からなる基板１と、この基板１の主面１Ａに形成された、マッハツエンダー型光導波路を構成する第１の分岐光導波路２及び第２の分岐光導波路３を具えている。そして、バッファ層８を介して信号電極４、第１の接地電極５、及び第２の接地電極６から構成される変調用電極が形成されている。
【０００７】
信号電極４は、第１の分岐光導波路２及び第２の分岐光導波路間に位置するとともに、第１の接地電極５及び第２の接地電極は、それぞれ第１の分岐光導波路２及び第２の分岐光導波路３を挟んで、信号電極と対向している。
また、第２の接地電極６は、光導波路の長さ方向に分断されて、信号電極４と同一形態の第１の部分及び第２の部分とから構成されている。そして、信号電極４、第１の接地電極５、及び第２の接地電極６から構成される変調用電極は、第１の分岐光導波路２と第２の分岐光導波路３との中心Ｉに対して実質的に左右対象となるように構成されている。
【０００８】
なお、図１においては、分断したことによって生じる第２の接地電極６の導通性の劣化を補って、高周波特性の劣化を抑制すべく、第２の接地電極の第１の部分と第２の部分との間を埋めるようにして、導電性薄膜７を設けている。
【０００９】
このような構成の光変調素子によれば、長時間の使用によって環境温度が変化しても、変調用電極から第１の分岐光導波路及び第２の分岐光導波路に付加される応力変化が均一となり、これら光導波路近傍の屈折率変化が均一となる。したがって、上記のような環境温度変化に伴う温度ドリフトを防止することができ、これによって上記のような動作点シフトを防止することができるものである。
なお、図１における矢印Ａは、基板の結晶軸方向を示している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１に示す光変調素子を長距離ファイバ通信などに使用すると、
チャーピング及び波長分散の影響を受けて、伝送すべき光信号の波形劣化を生じる場合がある。このような波形劣化は、前記光変調素子に予めある一定のチャープを付与しておくことにより、抑制することができる。
チャープは、例えば、前記光変調素子の変調用電極に所定の直流バイアス電圧を印加することによって付与することができる。
【００１１】
しかしながら、現状の動作点位置においてある程度の大きさで発生しているチャープと極性の異なるチャープを付与しようとすると、前記光変調素子における光強度曲線の半波長電圧分を加えた、比較的大きな直流バイアス電圧を印加する必要が生じる。このように大きな直流バイアス電圧の印加は、ＤＣドリフトなどの原因となり光変調素子の長期信頼性に劣る結果となる。
【００１２】
本発明は、長距離ファイバ通信などにおける波形劣化を防止すべく、光変調素子にチャープを付与するためのチャープ制御方法において、上記のように大きな直流バイアス電圧を印加することなく、極性の異なるチャープを付与することを可能とする方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明の光変調素子のチャープ制御方法は、電気光学効果を有する材料からなる基板と、この基板の主面に形成された、第１の分岐光導波路及び第２の分岐光導波路を有するマッハツエンダー型光導波路と、この光導波路中を導波する光波を制御するための信号電極、第１の接地電極及び第２の接地電極からなる変調用電極とを具え、前記第２の接地電極は、前記マッハツエンダー型光導波路の長さ方向において、前記信号電極と同一形態の第１の部分と第２の部分とに分断され、前記信号電極は前記第１の分岐光導波路と前記第２の分岐光導波路との間に位置するとともに、前記第１の接地電極及び前記第２の接地電極は、それぞれ前記第１の分岐光導波路及び前記第２の分岐光導波路を挟んで前記信号電極と対向することにより、前記信号電極、前記第１の接地電極、及び前記第２の接地電極からなる前記変調用電極が、前記第１の分岐光導波路及び前記第２の分岐光導波路間の中心に対して実質的に左右対称に形成されてなる光変調素子のチャープ制御方法であって、前記変調用電極を構成する前記第１の接地電極、前記信号電極、及び前記第２の接地電極と、前記基板の結晶軸の方向との相対的位置関係を調整して配置することにより、前記光変調素子におけるチャープの極性を調整することを特徴とする。
【００１４】
本発明者らは、大きな直流バイアス電圧を印加することなく、極性の異なるチャープを付与することが可能な方法を見出すべく、鋭意検討を実施した。
その結果、図１に示すような構成の光変調素子において、第１の接地電極５、信号電極４、及び第２の接地電極６の配列方向に対して、電気光学効果を有する材料のＸカット板からなる基板１の、主面１Ａと平行な結晶軸の方向を変化させることにより、直流バイアス電圧の値を何ら操作することなく、そのままの電圧値においてチャープが変化することを見出したものである。
そして、前記配列方向に対して前記結晶軸の方向を反転させることによって、チャープの極性自体が変化することをも見出した。
【００１５】
さらに、基板１が電気光学効果を有する材料のＺカット板から構成されている場合は、主面と垂直な結晶軸の方向を変化させることにより、直流バイアス電圧の値を何ら操作することなく、チャープを変化させることが可能であることを見出したものである。そして、前記結晶軸の方向を反転させることにより、上記同様にチャープの極性が変化することを見出した。
【００１６】
本発明によれば、直流バイアス電圧を印加することなく、チャープを変化させることができる。さらに、大きな直流バイアス電圧を印加することなく、極性の反転したチャープを付与することができる。したがって、長距離ファイバ通信などによる光信号の波形劣化を効果的に防止できるとともに、長期信頼性に優れた光変調素子の提供が可能となる。
【００１７】
なお、上述した説明から明らかなように、本発明のチャープ制御方法によれば、第１及び第２の接地電極、並びに信号電極に対する、基板の結晶軸の方向を適宜に変化させることによって、光変調素子のチャープの極性のみならず、その大きさを任意に変化させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図２は、本発明の光変調素子のチャープ制御方法を説明するための、光変調素子の構成の一例を示す図である。なお、図２において、図１と同様の部分については同じ符号を用いて表している。
【００１９】
図２に示す光変調素子２０は、図１に示す光変調素子１０において第１の接地電極と第２の接地電極とを入れ換えて、その信号電極、第１の接地電極、及び第２の接地電極の配列順序を、図１に示すこれらの配列順序に対して逆向きにして反転させたものである。すなわち、図１に示す光変調素子１０は、矢印Ａで示される基板の結晶軸方向に対して、第１の接地電極５、信号電極４、及び第２の接地電極６の順に配列されているが、図２に示す光変調素子２０は、基板の結晶軸方向に対して、第２の接地電極６、信号電極４、及び第１の接地電極５の順に並んでいる。
【００２０】
したがって、図２に示す光変調素子は、第１の接地電極、信号電極、及び第２の接地電極の、基板の結晶軸方向に対する配列順序が、図１に示す光変調素子と比較して逆向きになっているので、図１に示す光変調素子と異なる極性のチャープを得ることができる。
【００２１】
また、図２に示す光変調素子においては、第１の接地電極６は、光導波路の長さ方向に分断されて、信号電極４側に第１の部分６−１を有し、その反対側に第２の部分６−２を有している。さらに、信号電極４は、第１の分岐光導波路２及び第２の分岐光導波路３の間に位置するとともに、第１の接地電極５及び第２の接地電極６は、それぞれ第１の分岐光導波路２及び第２の分岐光導波路３を挟んで、信号電極４と対向している。
【００２２】
そして、信号電極４、第１の接地電極５、及び第２の接地電極６からなる変調用電極は、第１の分岐光導波路２及び第２の分岐光導波路３間の中心IIに対して、実質的に左右対称に形成されている。したがって、環境温度が変化した場合においても、第１の分岐光導波路２及び第２の分岐光導波路３に対する変調用電極からの応力変化が同一となり、このためこれら光導波路近傍の屈折率変化も同一となるため、使用中における動作点シフトをも効果的に防止することができる。
【００２３】
なお、導電性薄膜７は、図１に示す光変調素子の場合と同様に、第２の接地電極６の導通性の劣化を抑制して、高周波特性を改善するために設けられたものである。
【００２４】
図３は、本発明の光変調素子のチャープ制御方法を説明するための、光変調素子の構成の他の例を示す図である。なお、図３においても、図１及び図２に示す光変調素子と同様の部分については、同一の符号を用いて表している。
図３に示す光変調素子３０は、基本的には図１に示す光変調素子１０と同一の構成を有する。しかしながら、基板１の結晶軸方向が矢印Ｂで示されるように、図１に示す光変調素子１０の基板１と逆向きに反転している点で異なる。
【００２５】
すなわち、図３に示す光変調素子３０は、基板１の、主面１Ａと平行な結晶軸を反転させることにより、変調用電極を構成する第１の接地電極５、信号電極４、及び第２の接地電極６の配列方向を、図１に示す光変調素子１０に対して逆向きに変化させている。
したがって、図３に示す光変調素子３０は、図１に示す光変調素子１０に対して極性の異なるチャープを有するようになる。
【００２６】
なお、図３に示す光変調素子３０において、基板１の結晶軸を反転させることなく、適宜任意の方向に変化させることにより、光変調素子３０のチャープを任意の値に変化させることができる。
【００２７】
また、図３に示す光変調素子３０においても、信号電極４、第１の接地電極５、及び第２の接地電極６で構成される変調用電極が、第１の分岐光導波路及び第２の分岐光導波路間の中心IIIに対して左右対称となっているので、上述したように、環境温度が変化した場合においても動作点シフトの発生を抑制することができる。
なお、導電性薄膜７は上記と同じ目的で設けているものである。
【００２８】
また、図１及び３に示す光変調素子が電気光学効果を有する材料のＺカット板の基板から構成されている場合は、基板の主面に垂直な結晶軸の方向を反転させることにより、光変調素子のチャープの極性を変化させることができる。また、前記結晶軸を任意の方向に変化させることにより、光変調素子のチャープを任意の値に制御することができる。
【００２９】
本発明のチャープ制御方法を適用すべき光変調素子において、基板は、電気光学効果を有する材料から構成されることが必要であり、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）などの強誘電体材料を例示することができる。そして、これら材料のＸカット板、Ｙカット板及びＺカット板のいずれをも用いることができる。
また、光導波路はＴｉ拡散法やプロトン交換法など公知の方法によって形成することができる。
【００３０】
さらに、信号電極及び接地電極には、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの導電性に富む材料から真空蒸着法及びスパッタリング法などの公知の成膜法とメッキ法などを併用することによって形成することができる。
また、導電性薄膜は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ａｕ、及びＴｉなどから構成することができる。
【００３１】
【実施例】
以下、実施例において本発明を具体的に説明する。
実施例１
ニオブ酸リチウム単結晶のＸカット板を基板１として用い、この基板上にフ
ォトレジストによってマッハツエンダー型の光導波路パターンを作製した。次いで、このパターン上に蒸着法によってチタンを堆積させた。その後、基板全体を９５０〜１０５０℃で１０〜２０時間加熱することによって、前記チタンを基板１内部へ拡散し、マッハツエンダー型光導波路を構成する第１及び第２の分岐光導波路２及び３を作製した。
次いで、基板１上に酸化シリコンからなるバッファ層８を厚さ０．５μｍに形成した。
【００３２】
その後、信号電極及び接地電極に相当する部分のみに開口部を有するマスクを用い、蒸着法及びメッキ法を併用することによって、金（Ａｕ）からなる信号電極４と、第１の接地電極５と、第１の部分６−１及び第２の部分６−２を有する第２の接地電極６とを厚さ１５μｍに形成した。次いで、第１の部分及び第２の部分の分断された部分に、蒸着法によってＡｌからなる導電性薄膜７を厚さ２０００Åに形成して、図１〜３に示す光導波路素子１０、２０、及び３０を作製した。
【００３３】
次いで、このようにして作製した光導波路素子のそれぞれにおいて、信号電極４と、第１の接地電極５及び第２の接地電極６との間に１〜２０ＧＨｚ、約０．５Ｖの高周波電圧を印加し、このときのチャープパラメータαをネットワークアナライザによって測定した。
【００３４】
その結果、図１に示す光変調素子１０においては、チャープパラメータαが；０．７３であったのに対し、図２及び図３に示す光変調素子２０及び３０においては、チャープパラメータαが−０．７１及び−０．６８であった。すなわち、図１に示す光変調素子１０と比較して、変調用電極を構成する第１の接地電極５、信号電極４、及び第２の接地電極６の配列方向を、基板１の主面１Ａと平行な、基板１の結晶軸方向と逆向きにした図２及び３に示す光変調素子は、チャープの極性が逆向きになっていることが分かる。
すなわち、本発明の光変調素子のチャープ制御方法によれば、大きな直流バイアス電圧を加えなくとも、チャープの極性を変化させることができる。
【００３５】
以上、本発明について具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲においてあらゆる変形や変更が可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光変調素子のチャープ制御方法によれば、大きな直流バイアス電圧を印加することなく、極性の異なるチャープを付与することができる。したがって、長距離ファイバ通信などによる光信号の波形劣化を効果的に防止できるとともに、長期信頼性に優れた光変調素子の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光変調素子の一例を示す断面図である。
【図２】本発明のチャープ制御方法において用いられる光変調素子の一例を示す断面図である。
【図３】本発明のチャープ制御方法において用いられる光変調素子の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１基板
１Ａ基板の主面
２第１の分岐光導波路
３第２の分岐光導波路
４信号電極
５第１の接地電極
６第２の接地電極
７導電性薄膜
８バッファ層
１０、２０、３０光変調素子

Claims

電気光学効果を有する材料からなる基板と、
この基板の主面に形成された、第１の分岐光導波路及び第２の分岐光導波路を有するマッハツエンダー型光導波路と、
この光導波路中を導波する光波を制御するための信号電極、第１の接地電極及び第２の接地電極からなる変調用電極とを具え、
前記第２の接地電極は、前記マッハツエンダー型光導波路の長さ方向において、前記信号電極と同一形態の第１の部分と第２の部分とに分断され、
前記信号電極は前記第１の分岐光導波路と前記第２の分岐光導波路との間に位置するとともに、前記第１の接地電極及び前記第２の接地電極は、それぞれ前記第１の分岐光導波路及び前記第２の分岐光導波路を挟んで前記信号電極と対向することにより、前記信号電極、前記第１の接地電極、及び前記第２の接地電極からなる前記変調用電極が、前記第１の分岐光導波路及び前記第２の分岐光導波路間の中心に対して実質的に左右対称に形成されてなる光変調素子のチャープ制御方法であって、
前記変調用電極を構成する前記第１の接地電極、前記信号電極、及び前記第２の接地電極と、前記基板の結晶軸の方向との相対的位置関係を調整して配置することにより、前記光変調素子におけるチャープを調整することを特徴とする、光変調素子のチャープ制御方法。
前記変調用電極を構成する前記第１の接地電極、前記信号電極、及び前記第２の接地電極の配列方向に対して、前記基板の、前記主面と平行な結晶軸の方向を調整して配置することにより、前記光変調素子におけるチャープを調整することを特徴とする、請求項１に記載の光変調素子のチャープ制御方法。
前記変調用電極を構成する前記第１の接地電極と前記第２の接地電極との配置を入れ替えることにより、前記変調用電極を構成する前記第１の接地電極、前記信号電極、及び前記第２の接地電極の配列方向に対して、前記基板の、前記主面と平行な結晶軸の方向を反転させ、前記光変調素子におけるチャープの極性を反転させることを特徴とする、請求項２に記載の光変調素子のチャープ制御方法。
前記基板の、前記主面と平行な結晶軸の方向を変化させることにより、前記変調用電極を構成する前記第１の接地電極、前記信号電極、及び前記第２の接地電極の配列方向に対して、前記基板の、前記主面と平行な結晶軸の方向を調整することを特徴とする、請求項２に記載の光変調素子のチャープ制御方法。
前記基板の、前記主面と平行な結晶軸の方向を反転させることにより、前記変調用電極を構成する前記第１の接地電極、前記信号電極、及び前記第２の接地電極の配列方向に対して、前記基板の、前記主面と平行な結晶軸の方向を反転させ、前記光変調素子におけるチャープの極性を変化させることを特徴とする、請求項４に記載の光変調素子のチャープ制御方法。
前記変調用電極を構成する前記第１の接地電極、前記信号電極、及び前記第２の接地電極に対して、前記基板の、前記主面と垂直な結晶軸の方向を調整することにより、前記光変調素子におけるチャープを調整することを特徴とする、請求項１に記載の光変調素子のチャープ制御方法。
前記基板の、前記主面と垂直な結晶軸の方向を反転させることにより、前記変調用電極を構成する前記第１の接地電極、前記信号電極、及び前記第２の接地電極に対して、前記基板の、前記主面と垂直な結晶軸の方向を反転させ、前記光変調素子におけるチャープの極性を変化させることを特徴とする、請求項６に記載の光変調素子のチャープ制御方法。
前記第２の接地電極の、分断された前記第１の部分と前記第２の部分との間を埋めるように導電性薄膜を設けたことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載の光変調素子のチャープ制御方法。