JP4538721B2 - Mach-Zehnder optical modulator - Google Patents
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Description
本発明は信号光を入力して強度変調された信号光を出力するマッハツェンダ型光変調器に関し、さらに詳しくは光ファイバ通信システム、電界センサー或いは繰り返しレーザパルスのパルス間引き器などに使用可能な温度ドリフト(温度変動による出力光の変動)の少ないマッハツェンダ型光変調器に関する。 The present invention relates to a Mach-Zehnder optical modulator that inputs signal light and outputs intensity-modulated signal light, and more specifically, temperature drift that can be used for an optical fiber communication system, an electric field sensor, or a pulse thinning-out device for repeated laser pulses. The present invention relates to a Mach-Zehnder type optical modulator with less (variation of output light due to temperature variation).
LiNbO3に代表される電気光学結晶を基板として作製されるマッハツェンダ型光変調器は、図9に示すように、一本の入力光導波路81をY分岐85で二本の干渉腕光導波路82、82’に分岐し、Y分岐85’で再び一本の出力光導波路81’に交差させている(例えば、特許文献1参照)。入力光導波路81に入力された信号光I0はY分岐85で二等分されてI0/2となり、それぞれ干渉腕光導波路82、82’を伝播する。そしてY分岐85’で合波され、出力光導波路81’から出力される。二本の干渉腕光導波路82、82’の長さは等しくなるように作られており、理想的には図10の点線で示す変調曲線に従って変調された信号光を出力する。すなわち、電極83bを接地して電極83aに電圧を印加しないと、干渉腕光導波路82,82’を伝播する二等分された信号光に位相差が生じないので、二等分された信号光はそのまま足し算され出力光導波路81’から出力される信号光はI0でONとなる。一方、電極83aに、二等分された信号光に位相差πが生じるVπ電圧を印加すると、二等分された信号光がY分岐85’で合波されると互いに打消し合い出力光導波路81’から信号光が出力されずOFFとなる。したがって、電圧を印加しない場合と印加した場合のON−OFF消光比は0である。電極83に電圧を印加すると位相差が生じるのは、電気光学効果で干渉腕光導波路82,82’の屈折率が変化するためである。
As shown in FIG. 9, a Mach-Zehnder type optical modulator manufactured using an electro-optic crystal typified by LiNbO 3 as a substrate has a single input
理想的には上記の通りであるが、実際は二本の干渉腕光導波路82,82’を全く同じに、すなわち、導波路の長さ、断面形状及び屈折率、電極との位置関係、などを同じにできないため、例えば、図10の実線で示す変調曲線にシフトする。従ってこのシフトに起因して動作点がシフトし消光比が劣化する。しかもそのシフト量は個々の変調器の製造プロセスなどの影響を受け一定にすることができない。そこで、一方の干渉腕光導波路82’の一部84に干渉腕光導波路82’と異なるドーパントをドープしてシフト量を調節することが行われている。しかし、折角調節したシフト量も環境温度が変化すると変動し、消光比が劣化する問題があった。すなわち、従来の光変調器は環境温度が変化すると動作点が変動しやすいため、ON−OFF消光比を高く取りにくいという問題があった。
上記のように、従来のマッハツェンダ型光変調器では、環境温度が変化すると、動作点が変動しやすく消光比が劣化しやすいという問題があった。 As described above, the conventional Mach-Zehnder type optical modulator has a problem that when the environmental temperature changes, the operating point tends to fluctuate and the extinction ratio tends to deteriorate.
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、環境温度が変化しても消光比が劣化しにくいマッハツェンダ型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 the above problems, and an object of the present invention is to provide a Mach-Zehnder type optical modulator in which the extinction ratio does not easily deteriorate even when the environmental temperature changes.
この課題を解決するためになされた本発明はマッハツェンダ型光変調器であって、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された二つの干渉腕光導波路をもつマッハツェンダ型光導波路と、該二つの干渉腕光導波路の温度又は温度変動を一定にする二対の温度制御体と、を有し、 前記二対の温度制御体が前記二つの干渉腕光導波路のそれぞれの中間点から等距離離れた前記二つの干渉腕光導波路上に前記中間点を挟んでそれぞれ対称的に配置されていることを特徴としている。 The present invention made to solve this problem is a Mach-Zehnder type optical modulator, a substrate having an electro-optic effect, a Mach-Zehnder type optical waveguide having two interference arm optical waveguides formed on the substrate, Two pairs of temperature control bodies that make the temperature or temperature variation of the two interference arm optical waveguides constant, and the two pairs of temperature control bodies are equidistant from the respective intermediate points of the two interference arm optical waveguides They are characterized in that they are symmetrically arranged on the two interference arm optical waveguides separated from each other with the intermediate point therebetween.
環境温度が変化しても二つの干渉腕光導波路の温度又は温度変動が温度制御体で一定にされるので、動作点が変動しにくくなり消光比が劣化しにくくなる。 Even if the environmental temperature changes, the temperature or temperature fluctuation of the two interference arm optical waveguides is made constant by the temperature control body, so that the operating point hardly changes and the extinction ratio hardly deteriorates.
上記のマッハツェンダ型光変調器は、前記基板と前記温度制御体との間にあって、該温度制御体からの熱を前記二つの干渉腕光導波路に均一に作用させる熱均一部材をさらに有するとよい。 The Mach-Zehnder optical modulator may further include a heat uniform member that is between the substrate and the temperature control body and that uniformly applies heat from the temperature control body to the two interference arm optical waveguides.
温度制御体からの熱を熱均一部材を介して二つの干渉腕光導波路に均一に作用させることができ、環境温度が変化しても二つの干渉腕光導波路の温度がより一層一定化される。さらに、二つの干渉腕光導波路の温度変動を完全に一定にできなくても、二つの干渉腕光導波路の温度変動を一定にすることができる。これにより動作点が変動しにくくなり、消光比が劣化しにくくなる。また、少ない温度制御体で一定化することができる。より一層一定化されるので、消光比の劣化を抑え消光比を高くすることができる。 Heat from the temperature control body can be applied uniformly to the two interference arm optical waveguides via the heat uniform member, and the temperature of the two interference arm optical waveguides can be made more constant even if the environmental temperature changes. . Furthermore, even if the temperature fluctuations of the two interference arm optical waveguides cannot be made completely constant, the temperature fluctuations of the two interference arm optical waveguides can be made constant. As a result, the operating point is less likely to fluctuate and the extinction ratio is less likely to deteriorate. Moreover, it can be made constant with a small temperature control body. Since it becomes more constant, it is possible to suppress the deterioration of the extinction ratio and increase the extinction ratio.
また、前記熱均一部材が前記基板を収納するケースを兼ねているとよい。 Also, it is preferable prior SL thermal uniformity member also serves as a case for accommodating the substrate.
基板がケースに収納され外気から遮断されているので、環境温度が変化しても二つの干渉腕光導波路の温度がより一層一定化される。 Since the substrate is housed in the case and shielded from the outside air, the temperature of the two interference arm optical waveguides can be made more constant even if the environmental temperature changes.
温度制御体が二つの干渉腕光導波路の一方及び他方と同一位置関係になるように配置されているので、少ない温度制御体で二つの干渉腕光導波路を均一に加熱でき温度の一定化が容易である。さらに、二つの干渉腕光導波路の温度変動を完全に一定にできなくても、二つの干渉腕光導波路の温度変動を一定にすることができる。これにより動作点が変動しにくくなり、消光比が劣化しにくくなる。 Since the temperature control body is arranged so as to be in the same positional relationship as one and the other of the two interference arm optical waveguides, the two interference arm optical waveguides can be heated uniformly with a small temperature control body, and the temperature can be easily fixed. It is. Furthermore, even if the temperature fluctuations of the two interference arm optical waveguides cannot be made completely constant, the temperature fluctuations of the two interference arm optical waveguides can be made constant. As a result, the operating point is less likely to fluctuate, and the extinction ratio is less likely to deteriorate.
また、上記のマッハツェンダ型光変調器は、さらに周囲との熱の流れを遮断する断熱容器を有するとよい。
Further, the Mach-Zehnder optical modulator may further have a heat-insulating container for blocking the flow of heat with the surroundings.
周囲との熱の流れを遮断する断熱容器を有するので二つの干渉腕光導波路の温度を長時間安定に一定化することができる。さらに、二つの干渉腕光導波路における温度変動を一定にしやすくなる。 Since the heat insulating container for blocking the heat flow with the surroundings is provided, the temperatures of the two interference arm optical waveguides can be stably stabilized for a long time. Furthermore, it becomes easy to make the temperature fluctuation in the two interference arm optical waveguides constant.
二つの干渉腕光導波路の温度又は温度変動(二つの干渉腕導波路に与えられる温度変動)を一定にする温度制御体を有しているので、環境温度が変化しても二つの干渉腕光導波路の温度又は温度変動が温度制御体で一定にされ、動作点が変動し消光比が劣化することがない。 Since it has a temperature control body that makes the temperature or temperature fluctuation (temperature fluctuation given to the two interference arm waveguides) of the two interference arm optical waveguides constant, the two interference arm light guides can be used even if the environmental temperature changes. The temperature or temperature fluctuation of the waveguide is made constant by the temperature control body, the operating point does not fluctuate, and the extinction ratio does not deteriorate.
周囲との熱の流れを遮断する断熱容器を有するようにすることで二つの干渉腕光導波路の温度を長時間安定に一定化することができる。 The temperature of the two interference arm optical waveguides can be stably stabilized for a long time by having a heat insulating container that blocks heat flow from the surroundings.
本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。図1は第1の実施形態のマッハツェンダ型光変調器の概略平面図であり、図2は図1のA1−A1断面図である。 The best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic plan view of a Mach-Zehnder optical modulator according to the first embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A1-A1 of FIG.
マッハツェンダ型光変調器は、電気光学効果を有する基板1にマッハツェンダ型光導波路2と信号電極13a、接地電極13bと温度制御体14、14’及び温度センサ15、15’を形成したものである。
The Mach-Zehnder type optical modulator is obtained by forming a Mach-Zehnder type
電気光学効果を有する基板1にはニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)などを使用することができる。ニオブ酸リチウムを使用する場合は、X板、Y板、及びZ板のいずれも使用できるが、温度変動による消光比の劣化を低減するためにはX板を使用することが好ましい。
For the
マッハツェンダ型光導波路2は入力光導波路21をY分岐22で二本の干渉腕光導波路23、23’に分岐し、Y分岐22’で出力光導波路21’に交差させたものである。
The Mach-Zehnder type
基板1にマッハツェンダ型光導波路2を形成するには、最初導波路パターンを転写形成するためのフォトレジストをスピンコータ等で塗布する。次に中心線C1及びC2(図1参照)に対称な導波路パターンが描画されているフォトマスクを用いて露光・現像を行い導波路パターンを形成する。次に導波路を形成するために例えばチタンを蒸着し、フォトレジストとその上のチタンを除去する。次に基板1を900〜1100°Cに加熱処理して、チタンを熱拡散させることでマッハツェンダ型光導波路2が形成される。
In order to form the Mach-Zehnder type
基板1に電極13a、13bを形成するには、最初電極パターンを転写するためのフォトレジストをスピンコータで塗布し、電極パターンが描画されているフォトマスクを用いて露光・現像を行い電極パターンを形成する。次に例えば電気メッキ法で金メッキを行い、金電極(信号電極13a、接地電極13b)を形成する。
In order to form the
一方の干渉腕光導波路23の上に設けられた温度制御体14と他方の干渉腕光導波路23’の上に設けられた温度制御体14’には、例えば酸化ルテニウム(RuO2)等の膜状ヒータやニクロム線を埋め込んだセラミックヒータなどを用いることができる。基板1に膜状ヒータを形成するには、最初温度制御体パターンを転写するためのフォトレジストを塗布し、中心線C1及びC2(図1参照)に対称な温度制御体パターンが描画されているフォトマスクを用いて露光・現像を行い、温度制御体パターンを形成する。次に例えば、RuO2粉末を水で練ったペーストを塗布し700°Cで焼成し温度制御体14、14’を形成する。温度制御体14、14’は、中心線C1及びC2(或いはC3)を対称中心とする干渉腕光導波路23、23’上に形成されているので、温度制御体14、14’が干渉腕光導波路23、23’と同一位置関係に配置されていることになる。
The
干渉腕光導波路23、23’と中心線C1との交点に設けられた温度センサ15、15’には、例えば、膜状サーミスタ等を用いることができる。膜状サーミスタは、測温抵抗素子に半導性(Ba、Sr)TiO3などを用いたものである。
For example, a film thermistor or the like can be used for the
10は入力光導波路21に接続された入力光ファイバであり、10’は出力光導波路21’に接続された出力光ファイバである。
温度センサ15、15’及び温度制御体14、14’を図示しない温度コントローラに接続することで干渉腕光導波路23、23’の温度を環境温度に左右されることなく一定にして、消光比を高く維持することができる。あるいは、環境温度が変化しても、二つの干渉腕光導波路における温度変動を両者で一定にすることで、消光比を高く維持することができる。
By connecting the
次に第2の実施形態のマッハツェンダ型光変調器を図3、4を用いて説明する。図3は第2の実施形態のマッハツェンダ型光変調器の概略平面図であり、図4は図3のA2−A2断面図である。なお、第1の実施形態と同じ構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する。また、第1の実施形態の電極13a、13b及び光ファイバ10、10’は省略してある。
Next, a Mach-Zehnder optical modulator according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a schematic plan view of a Mach-Zehnder optical modulator according to the second embodiment, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line A2-A2 of FIG. In addition, the same number is attached | subjected to the same component as 1st Embodiment, and description is abbreviate | omitted. Further, the
第2の実施形態では、基板1と温度制御体16、16’の間に熱均一部材17を設けている点と、温度制御体16、16’が温度センサを内蔵している点以外は第1の実施形態と同じである。すなわち、第1の実施形態では温度制御体14、14’が基板1の干渉腕光導波路23、23’に直接設けられたが、第2の実施形態では、温度制御体16、16’が熱均一部材17に設けられている。また、第1の実施形態では温度制御体14、14’と温度センサ15、15’が分離していたが、第2の実施形態では温度制御体16、16’が温度センサを内蔵している。
In the second embodiment, the
熱均一部材17は、例えば、金属製の箱状をしており、Y分岐22からY分岐22’の間の光導波路を覆うように基板1に取り付けられている。金属としては熱伝導率の高いアルミ等が好ましい。
The
温度制御体16、16’は、例えばヒータとサーミスタを内蔵した市販の温度制御チップであり、形状、大きさ、仕様・性能が同じである。温度制御体16と16’はそれぞれ中心線C2を対称中心とするように熱均一部材17に取り付けられている。また、温度制御体16と16’は中心線C1を対称中心とするように熱均一部材17に取り付けられている。すなわち、温度制御体16’は温度制御体16の中心線C1を対称中心とする対称位置に位置している。
The
温度制御体16、16’を図示しない温度コントローラに接続することで干渉腕光導波路23、23’の温度を環境温度に左右されることなく一定にして、消光比を高く維持することができる。しかも本実施形態では、熱均一部材17を介して干渉腕光導波路23、23’を加熱制御するので、温度制御体の数を第1実施形態に比べ1/2に減らすことができ、低コスト化が図れる。なお、温度制御体16、16’に、例えばペルチェ素子とサーミスタを内蔵した温度制御チップを用いることもできる。温度制御チップだけで加熱と冷却ができるので、一定温度にするまでの時間を短縮できる。
By connecting the
次に第3の実施形態のマッハツェンダ型光変調器を図5〜7を用いて説明する。図5は第3の実施形態のマッハツェンダ型光変調器の概略平面図であり、図6は図5のA3−A3断面図、図7は図5のA4−A4断面図である。なお、第1、第2の実施形態と同じ構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する。また、第1の実施形態の電極13a、13bは省略してある。
Next, a Mach-Zehnder optical modulator according to a third embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a schematic plan view of a Mach-Zehnder optical modulator according to the third embodiment, FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line A3-A3 in FIG. 5, and FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line A4-A4 in FIG. In addition, the same number is attached | subjected to the same component as 1st, 2nd embodiment, and description is abbreviate | omitted. Further, the
第3の実施形態は、第2の実施形態の熱均一部材17を基板1を収納するケース18に変更し、ケース18の上面181と下面181’に温度制御体16、16’を取り付けた点以外は、第2の実施形態と同じである。図6に示すように、二つの温度制御体16は、それぞれ二つの干渉腕光導波路23、23’の中心線C3と中心を同じにしている。同様に、図7に示すように、二つの温度制御体16’も、それぞれ二つの干渉腕光導波路23、23’の中心線C3と中心を同じにしている。したがって、断面においてそれぞれの温度制御体16、16’と干渉腕光導波路23、23’とは同一位置関係にある。また、図5に示すように、温度制御体16と16’は、干渉腕光導波路23、23’の対称中心C1を対称中心とするように配置されているので、平面においてもそれぞれの温度制御体16、16’と干渉腕光導波路23、23’とは同一位置関係にある。
In the third embodiment, the
温度制御体16、16’を図示しない温度コントローラに接続することで干渉腕光導波路23、23’の温度を環境温度に左右されることなく一定にしやすくなり、消光比を高く維持することができる。また、干渉腕光導波路23、23’の温度を完全に一定にできなくなくても、二つの干渉腕光導波路23、23’における温度変動を一定にしやすくなり、消光比を高く維持することができる。しかも本実施形態では、基板1をケース18に収納し、ケース18の上面181と下面181’に温度制御体16、16’を設けたので、より一層環境温度変動の影響を受けずに消光比を高く維持することができる。
By connecting the
次に第4の実施形態のマッハツェンダ型光変調器を図8を用いて説明する。図8は、第4の実施形態のマッハツェンダ型光変調器の断面図である。本実施形態のマッハツェンダ型光変調器は、前記第3の実施形態のマッハツェンダ型光変調器を断熱容器19に収納したものであり、第3実施形態と同じ要素には同じ番号を付し、説明を省略する。なお、図8では光導波路2を省略してあるが、第3の実施形態と同様に温度制御体16、16’と干渉腕光導波路23、23’とは同一位置関係にある。断熱容器19は、セラミックスや、発泡スチロール、断熱スポンジなどで構成することができる。断熱容器19に収納する代わりに第3の実施形態のケース入りマッハツェンダ型光変調器のケースの外周面に断熱材を貼り付けてもよい。図8の断熱容器19は、例えば、厚さ5mmの断熱スポンジで構成されている。
Next, a Mach-Zehnder optical modulator according to a fourth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a cross-sectional view of a Mach-Zehnder optical modulator according to the fourth embodiment. The Mach-Zehnder type optical modulator of the present embodiment is the one in which the Mach-Zehnder type optical modulator of the third embodiment is housed in a
本実施形態では、第3の実施形態のケース入りマッハツェンダ型光変調器を断熱容器19に収納したので、干渉腕光導波路と外気との間の熱の流れが遮断され、環境温度が変動しても干渉腕光導波路の温度を高精度に一定にすることができる。
In the present embodiment, since the Mach-Zehnder type optical modulator containing the case of the third embodiment is housed in the
本実施例のマッハツェンダ型光変調器は、図5〜7に示す第3の実施形態の光変調器であり、ヒータとサーミスタが内蔵された温度制御チップ16、16’が熱伝導性接着剤でケース18の上面181と下面181’に固定されている。それぞれ2個づつの温度制御チップ16、16’を図示しない温度コントローラに接続してチップ16、16’の温度を40°Cになるように制御した。チップ16、16’の温度を40°Cに制御しながら環境温度を10〜40°Cの範囲で変動させたところ、ケース18の外周面での最大温度変動分布誤差が0.1〜0.2°Cであった。
The Mach-Zehnder type optical modulator of this example is the optical modulator of the third embodiment shown in FIGS. 5 to 7, and the
環境温度を10〜40°Cに変動させながら、図5〜7では省略された電極13a、電極13b(図1参照)間に変調電圧を印加し、入力ファイバ10から信号光を入射させ出力光ファイバ10’から出力される信号光を光検出器で検出したところ、25dbの消光比が得られた。
While changing the environmental temperature to 10 to 40 ° C., a modulation voltage is applied between the
本実施例のマッハツェンダ型光変調器は、図8に示す第4の実施形態の光変調器である。すなわち、実施例1の光変調器を断熱容器19に収納したものである。
The Mach-Zehnder type optical modulator of this example is the optical modulator of the fourth embodiment shown in FIG. That is, the light modulator of Example 1 is housed in the
環境温度を10〜40°Cに変動させながら、図8では省略された電極13a、電極13b(図1参照)間に変調電圧を印加し、入力ファイバ10から信号光を入射させ出力光ファイバ10’から出力される信号光を光検出器で検出したところ、40dbの消光比が得られた。
While changing the environmental temperature to 10 to 40 ° C., a modulation voltage is applied between the
[比較例1]
本比較例のマッハツェンダ型光変調器は、実施例1の光変調器から温度制御チップ16、16’を除去したものである。
[Comparative Example 1]
The Mach-Zehnder type optical modulator of this comparative example is obtained by removing the
環境温度を10〜40°Cに変動させながら、図5〜7では省略された電極13a、電極13b(図1参照)間に変調電圧を印加し、入力ファイバ10から信号光を入射させ出力光ファイバ10’から出力される信号光を光検出器で検出したところ、最大でも15dbの消光比しか得られなかった。
While changing the environmental temperature to 10 to 40 ° C., a modulation voltage is applied between the
1・・・・・・・・・・・・・・基板
2・・・・・・・・・・・・・・マッハツェンダ型光導波路
14、14’、16、16’・・温度制御体
17・・・・・・・・・・・・・熱均一部材
18・・・・・・・・・・・・・ケース
19・・・・・・・・・・・・・断熱容器
23、23’・・・・・・・・・干渉腕光導波路
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記基板に形成された二つの干渉腕導波路をもつマッハツェンダ型光導波路と、
前記二つの干渉腕光導波路の温度又は温度変動を一定にする二対の温度制御体と、を有し、
前記二対の温度制御体が前記二つの干渉腕光導波路のそれぞれの中間点から等距離離れた前記二つの干渉腕光導波路上に前記中間点を挟んでそれぞれ対称的に配置されていることを特徴とするマッハツェンダ型光変調器。 A substrate exhibiting an electro-optic effect;
A Mach-Zehnder type optical waveguide having two interference arm waveguides formed on the substrate;
Two pairs of temperature control bodies that make the temperature or temperature fluctuation of the two interference arm optical waveguides constant, and
The two pairs of temperature control bodies are symmetrically arranged on the two interference arm optical waveguides equidistant from the intermediate points of the two interference arm optical waveguides with the intermediate point therebetween, respectively. A characteristic Mach-Zehnder type optical modulator.
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