JP4563383B2 - 共振型光変調器 - Google Patents
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Description
その基板上に形成される電極の両端は、電気的に開放されており、給電点から特定の周波数の電気信号を入力すると、その電極に電気信号の定在波が生じる。
この電気信号の電圧により、電極とグランドの間に電界が生じ、この電界が基板の電気光学効果によって基板の屈折率を変化させるため、光導波路を伝搬する光の伝搬速度がわずかに変化する。
また、光導波路の一部を2つの経路に分岐させて、2つの分岐光を干渉させれば、光の強度変調器として動作する。
このように、共振型光変調器は、電気信号の共振を利用しているので、特定の周波数を入力したときに、特に効率良く動作する。
しかし、電気信号による電界を、光導波路を伝搬する光にカップリングさせるため、電極の長さが電気信号の1波長よりも短くなるように設計される。
そのため、変調器の効率を表すパラメータである半波長電圧Vπが概ね10V以上となり、非常に高い電圧を印加しなければ、十分な動作が得られない(例えば、非特許文献1を参照)。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による共振型光変調器を示す構成図である。図において、基板1は電気光学効果を有するニオブ酸リチウム(LN)を用いて構成されている。
光導波路2はチタン拡散法によって基板1上に形成され、光導波路2の一部が2つの経路に分岐している。
給電点4は電極3上の1点に形成され、給電回路10から電気信号を入力して電極3に供給する。この実施の形態1では、電極3における電気信号の伝搬速度は光導波路2における光の伝搬速度と一致する。
なお、基板1上にはグランド5が形成されている。
給電点4が給電回路10から電気信号を入力すると、その電気信号が電極3に伝搬する。
電極3の両端は、図1に示すように、電気的に開放されているため、電気信号が電極3の端部で反射して定在波となる。
このため、基板1の電気光学効果により光導波路2の屈折率が変化し、光導波路2における光の伝搬速度が変化する。
このため、図1の共振型光変調器では、電気信号による電界と光のカップリングを長い距離に亘って実現することができるため効率を高めることができる。
ここで、“効率が高い”の意味は、給電点4から入力する電気信号の電力が小さい場合でも、所要の光の変調度が得られるという意味であり、半波長電圧Vπが小さいという事と同意である。
電極3に励振される電気信号は、上述したように、電極3の両端で反射されて定在波となる。
定在波は、図中、左から右に進行する波と、右から左に進行する波との重ね合わせでできている。
光導波路2を伝搬する光が、図中、左から右に進行するものとすると、光が感じる電界は、主に左から右に進行する電気信号の波によって作られるものであると考えられる。
角周波数ωにおける電気信号の波長をλmで表すと、ω=2πvm/λmの関係が成立するので、式(1)は、次のように変形することができる。
図2では電気的な整合回路として開放スタブを示しているが、これに限るものではなく、例えば、短絡スタブを用いることもできる。また、スタブに限らず、キャパシタやインダクタなどの素子を単独で構成、あるいは、複数用いて構成することもでき、同様の効果を得ることができる。
この場合、光導波路2を伝搬した後の光の位相を、給電点4から入力された電気信号に応じて変化させる光の位相変調器として動作する共振型光変調器を得ることができる。
図4はこの発明の実施の形態2による共振型光変調器を示す構成図である。図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
電極11は光導波路2に沿うように基板1上に形成され、その両端が電気的に開放されている。電極11の長さLは電気信号の波長の約2倍の長さに設計されている。
この実施の形態2では、例えば、光導波路2を伝搬する光の伝搬速度voを真空中の光速の約2.2分の1の速さにして、電極11を伝搬する電気信号の伝搬速度vmを真空中の光速の約2.75分の1の速さにしているものについて説明する。即ち、電極11を伝搬する電気信号の伝搬速度vmを、光導波路2を伝搬する光の伝搬速度voの0.8倍の大きさにしているものについて説明する。
図4の共振型光変調器の動作は、基本的には図1の共振型光変調器の動作と同様である。
ただし、電気信号の伝搬速度vmと電極の長さLが若干異なっているため、特性が若干相違している。
いま、電極11を伝搬する電気信号の伝搬速度vmが、光導波路2を伝搬する光の伝搬速度voのp倍の大きであるとする。
即ち、vm=p・voとする。このとき、Φは、式(3)と式(4)より次のようになる。
L=0のときは、Φは電気信号の電圧の振幅V0と一致するが、電極11の長さLが大きくなると、Φの値は次第に減少する。
電極11の長さLが2.21λmのときは、Φ=0.707V0となり、振幅V0より3dB小さくなる。
電極11の長さLが5λmになると、Φ=0となり、変調が全く行われなくなる。
図4の共振型光変調器では、p=0.8で、電極11の長さLが約2λmであるので、Φ=約0.76V0となり、振幅V0より約2.4dBだけ小さいが、十分大きい値が得られている。
図6はp=0.7,0.8,0.9,1.0である場合の電極の長さLに対するΦLの値の絶対値を示している。
しかし、p=1.0ではなく、電気信号の伝搬速度vmと、光の伝搬速度voとが完全に一致していない場合でも、速度整合の度合いに応じて、電極11の長さLを、ある長さまで長くしてもΦLの値を大きくすることができる。
したがって、半波長電圧Vπの値を小さくすることができ、十分な効率が得られることが分かる。
図7に示すように、電極11の長さLを1λmとして、Φが0.5V0以上となるのは、pを0.397から1.603までの値としたときである。
したがって、電極11を伝搬する電気信号の伝搬速度vmと、光導波路2を伝搬する光の伝搬速度voとの比率を、この値の範囲内にすれば、光が受ける電圧の平均値を電気信号の電圧の振幅V0の6dBダウン以内に抑えることができ、従来よりも効率の良い共振型光変調器を得ることができる。
したがって、電極11を伝搬する電気信号の伝搬速度vmと、光導波路2を伝搬する光の伝搬速度voとの比率を、この値の範囲内にすれば、光が受ける電圧の平均値を電気信号の電圧の振幅V0の3dBダウン以内に抑えることができ、さらに効率の良い共振型光変調器を得ることができる。
例えば、p=0.8である場合は、電極11の長さLを3.0λmまで長くすることができ、p=0.9である場合は、電極11の長さLを6.0λmまで長くすることができる。
例えば、p=0.8である場合は、電極11の長さLを2.2λmまで長くすることができ、p=0.9である場合は、電極11の長さLを4.4λmまで長くすることができる。
この場合、光導波路2を伝搬した後の光の位相を、給電点4から入力された電気信号に応じて変化させる光の位相変調器として動作する共振型光変調器を得ることができる。
図10はこの発明の実施の形態3による共振型光変調器を示す構成図である。図において、図4と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
電極21は光導波路2に沿うように基板1上に形成されており、電極21の長さLは電気信号の波長の約2倍の長さに設計されている。
ただし、電極21は一方の端部が電気的に短絡され、他方の端部が電気的に開放されている。
図10では、電極21の一方の端部が電気的に短絡され、他方の端部が電気的に開放されているものについて示したが、両端が電気的に短絡されていてもよく、同様の効果を奏することができる。
また、いわゆるZカットやXカットなどのカット角に拘わらず、本発明の効果は同様に得られる。
Claims (14)
- 電気光学効果を有する基板上に形成された光導波路と、上記光導波路に沿うように上記基板上に形成された電極と、給電回路から上記電極に供給する電気信号を入力する給電点とを備えた共振型光変調器において、上記電極における電気信号の伝搬速度が上記光導波路における光の伝搬速度と一致しており、上記電極の長さが上記電気信号の1波長より長いことを特徴とする共振型光変調器。
- 給電点に電気的な整合回路が接続されていることを特徴とする請求項1記載の共振型光変調器。
- 光導波路の一部が2つの経路に分岐していることを特徴とする請求項1記載の共振型光変調器。
- 光導波路が単一の経路を構成していることを特徴とする請求項1記載の共振型光変調器。
- 電気光学効果を有する基板上に形成された光導波路と、上記光導波路に沿うように上記基板上に形成された電極と、給電回路から上記電極に供給する電気信号を入力する給電点とを備えた共振型光変調器において、上記電極における電気信号の伝搬速度が上記光導波路における光の伝搬速度のp倍であり、そのpが0.397より大きく、1.603より小さい場合、上記電極の長さが上記電気信号の1波長より長く、かつ、上記電極の長さが上記電気信号の波長の0.603/|p−1|倍より短いことを特徴とする共振型光変調器。
- 電極の長さを電気信号の2波長と一致させる場合、上記電極における電気信号の伝搬速度が光導波路における光の伝搬速度の0.698倍より早く、光の伝搬速度の1.302倍より遅いことを特徴とする請求項5記載の共振型光変調器。
- 給電点に電気的な整合回路が接続されていることを特徴とする請求項5記載の共振型光変調器。
- 光導波路の一部が2つの経路に分岐していることを特徴とする請求項5記載の共振型光変調器。
- 光導波路が単一の経路を構成していることを特徴とする請求項5記載の共振型光変調器。
- 電気光学効果を有する基板上に形成された光導波路と、上記光導波路に沿うように上記基板上に形成された電極と、給電回路から上記電極に供給する電気信号を入力する給電点とを備えた共振型光変調器において、上記電極における電気信号の伝搬速度が上記光導波路における光の伝搬速度のp倍であり、そのpが0.557より大きく、1.443より小さい場合、上記電極の長さが上記電気信号の1波長より長く、かつ、上記電極の長さが上記電気信号の波長の0.443/|p−1|倍より短いことを特徴とする共振型光変調器。
- 電極の長さを電気信号の2波長と一致させる場合、上記電極における電気信号の伝搬速度が光導波路における光の伝搬速度の0.779倍より早く、光の伝搬速度の1.221倍より遅いことを特徴とする請求項10記載の共振型光変調器。
- 給電点に電気的な整合回路が接続されていることを特徴とする請求項10記載の共振型光変調器。
- 光導波路の一部が2つの経路に分岐していることを特徴とする請求項10記載の共振型光変調器。
- 光導波路が単一の経路を構成していることを特徴とする請求項10記載の共振型光変調器。
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