JP4563383B2

JP4563383B2 - 共振型光変調器

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Publication number: JP4563383B2
Application number: JP2006514630A
Authority: JP
Inventors: 勉永塚; 嘉仁平野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-06-18
Filing date: 2004-06-18
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2024-06-18
Also published as: JPWO2005124436A1; WO2005124436A1

Description

この発明は、電気光学効果により光導波路の屈折率を変化させて、その光導波路を伝搬する光の強度や位相を変調する共振型光変調器に関するものである。

従来の共振型光変調器は、例えば、光通信システムの送信装置などに用いられ、その基板がニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料で作られている。
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。

したがって、光導波路を伝搬した後の光の位相が、給電点から入力された電気信号に応じて変化するため、光の位相変調器として動作する。
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。

ところで、このような共振型光変調器は、電気信号を電極に閉じ込める共振現象を利用するため、一般に進行波型光変調器よりも電極単位長さ当りの効率が良い。
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。

よって、電極単位長さ当りの効率は良いが、電極の長さを十分長くすることができず、トータルの効率を良くすることができない。
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）。

２０００年電子情報通信学会総合大会予稿集、Ｃ−３−２５

従来の共振型光変調器は以上のように構成されているので、電極単位長さ当りの効率は良いが、電極の長さを十分長くすることができず、トータルの効率が悪くなるなどの課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、電極の長さを長くできるようにして、トータルの効率を高めることができる共振型光変調器を得ることを目的とする。

この発明に係る共振型光変調器は、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と一致しており、その電極の長さが電気信号の１波長より長いようにしたものである。

このことによって、トータルの効率を高めることができる効果がある。

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。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。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。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。電極の長さＬに対するΦの値の絶対値を示す説明図である。電極の長さＬに対するΦＬの値の絶対値を示す説明図である。電極の長さＬを１λ_mとして、ｐを変化させたときのΦの値を示す説明図である。ｐを変化させたとき、Φが０．５Ｖ₀となるときのＬの値を示す説明図である。ｐを変化させたとき、Φが０．７０７Ｖ₀となるときのＬの値を示す説明図である。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。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について、添付の図面に従って説明する。
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。

電極３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３の長さＬは電気信号の波長の約３倍の長さに設計されている。
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。

次に動作について説明する。
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。

このように、電気信号が電極３の端部で反射して定在波となることにより、電極３とグランド５の間に電界が生じ、この電界が基板１上に形成された光導波路２に到達する。
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。

したがって、光導波路２を伝搬した後の光の位相は、給電点４から入力された電気信号の電圧強度に応じて変化し、２本の分岐波路を伝搬した光が相互に干渉するので、図１の共振型光変調器は、光の強度変調器として動作する。

図１の共振型光変調器においては、上述したように、電極３の長さＬが電気信号の波長の約３倍の長さに設計されている。従来の共振型光変調器は、電極の長さが電気信号の１波長より短く設計されている。
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。

以下、電極３の長さを長くできる理由について説明する。
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。

電極３に存在する電気信号の定在波のうち、左から右に進行する波のみによる電圧をＶとすると、下記の式（１）のように、時間ｔと電極３における位置ｘの関数として表すことができる。

ただし、Ｖ₀は電圧の振幅、ｊは虚数単位、ωは電気信号の角周波数、ｖ_mは電気信号の伝搬速度を表している。

実際には、電極３には損失があるため、電極３を伝搬する電気信号は減衰を伴っている。このため、厳密には式（１）は成立しないが、このような共振型光変調器において、電極３の損失は通常小さいので、式（１）は近似的に十分成り立っていると考えることができる。
角周波数ωにおける電気信号の波長をλ_mで表すと、ω＝２πｖ_m／λ_m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。

次に、光導波路２を伝搬する光の伝搬速度をｖ_oとすれば、進行している光が位置ｘにおいて感じる電圧は、式（１）の時間ｔに対して、ｔ＝ｘ／ｖ_oを代入したものとなるので、下記の式（３）のようになる。

いま、電気信号の伝搬速度ｖ_mが光の伝搬速度ｖ_oと等しいならば（図１の共振型光変調器では、光の伝搬速度ｖ_oを真空中の光速の約２．２分の１の速さにし、電気信号の伝搬速度ｖ_mも真空中の光速の約２．２分の１の速さにしている）、式（２）の関数ｅｘｐの引数は“０”となり、式（２）に示した電圧Ｖは、位置ｘに依らず一定値Ｖ₀になることが分かる。即ち、位置ｘが変化しても、光は常に一様の電圧を感じ続けることになる。

したがって、電極３の長さを長くしても、電気信号の電圧の位相が変化することがなく、必要な長さまで長くすることができる。実際には、電極３の電気損失によって電気信号が若干減衰するが、電極を長くした分だけ、電気光学効果による屈折率変化の影響を強く受け、光の位相の変化が大きくなる。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、電極３における電気信号の伝搬速度ｖ_mが光導波路２における光の伝搬速度ｖ_oと一致するように構成したので、従来のように電極３の長さＬが制限されず、電極３の長さＬを電気信号の１波長よりも長くすることができる（必要な効率を得られるだけ電極３の長さＬを長くすることができる）。そのため、トータルの効率を高めることができる効果を奏する。

なお、電極３の長さＬを電気信号の２波長より長くすれば、従来に比べて、約２倍以上の効率が得られる。図１の共振型光変調器では、電極３の長さＬを電気信号の約３波長と等しくなるよう設計しているので、特定の周波数において、従来よりも非常に大きな効率が得られる。

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ｖ_mが光導波路２における光の伝搬速度ｖ_oと一致するように電極３の形状を設計するものについて示したが、図２に示すように、給電点４の付近に電気的な整合回路であるスタブ６を設けるようにしてもよい。

スタブ６は先端が開放されており、キャパシタとして動作するため、給電回路１０から供給される電気信号を効率良く電極３に入力するためのインピーダンス整合回路として作用する。したがって、共振型光変調器の効率が更に大きくなる効果が得られる。
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。

この実施の形態１では、光導波路２の一部が２つの経路に分岐しているものについて示したが、即ち、光導波路２をマッハツェンダー型に形成して、光の強度を変調する強度変調器を構成するものについて示したが、図３に示すように、光導波路２が単一の経路を構成しているようにしてもよい。
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。

実施の形態２．
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。

給電点１２は電極１１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１１に供給する。この実施の形態２では、電極１１における電気信号の伝搬速度が光導波路２における光の伝搬速度の０．３９７倍より早く、光の伝搬速度の１．６０３倍より遅くしている。
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ｖ_o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ｖ_m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ｖ_mを、光導波路２を伝搬する光の伝搬速度ｖ_oの０．８倍の大きさにしているものについて説明する。

次に動作について説明する。
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ｖ_m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。

共振型光変調器の効率を表すパラメータの１つとして、以下の式（４）に示すようなΦの値を考える。

ただし、Ｖは式（１）における電極上での電気信号の電圧である。

式（４）のΦの値は、電極１１に沿って左から右に進行する光が、電極１１の端から端までを伝搬する際に、電極１１から受ける電圧の平均値を表している。
いま、電極１１を伝搬する電気信号の伝搬速度ｖ_mが、光導波路２を伝搬する光の伝搬速度ｖ_oのｐ倍の大きであるとする。
即ち、ｖ_m＝ｐ・ｖ_oとする。このとき、Φは、式（３）と式（４）より次のようになる。

この積分は容易に計算することができ、次の式（６）を得ることができる。

図５はｐ＝０．８である場合の電極の長さＬに対するΦの値の絶対値を示しており、式（６）を用いて、Φの値を計算している。
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２．２１λ_mのときは、Φ＝０．７０７Ｖ₀となり、振幅Ｖ₀より３ｄＢ小さくなる。

また、電極１１の長さＬが３．０２λ_mのときは、Φ＝０．５Ｖ₀となり、振幅Ｖ₀より６ｄＢ小さくなる。
電極１１の長さＬが５λ_m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２λ_m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。

式（６）のΦの値は、光が受ける平均の電圧を表しているが、共振型光変調器の実際の効率は、このΦの値に作用長である電極１１の長さＬを掛けた値ΦＬに比例する。
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。

共振型光変調器の半波長電圧Ｖπは、ΦＬの値に反比例して小さくなる。図６に示すように、ｐ＝１．０のとき（電極１１を伝搬する電気信号の伝搬速度ｖ_mを、光導波路２を伝搬する光の伝搬速度ｖ_oと完全に一致させたとき）は、電極１１の長さＬを長くする程、ΦＬの値を大きくすることができる。
しかし、ｐ＝１．０ではなく、電気信号の伝搬速度ｖ_mと、光の伝搬速度ｖ_o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は電極１１の長さＬを１λ_mとして、ｐを変化させたときのΦの値を示している。
図７に示すように、電極１１の長さＬを１λ_m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ｖ_mと、光導波路２を伝搬する光の伝搬速度ｖ_o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。

また、図７に示すように、電極１１の長さＬを１λ_mとして、Φが０．７０７Ｖ₀以上となるのは、ｐを０．５５７から１．４４３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ｖ_mと、光導波路２を伝搬する光の伝搬速度ｖ_o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。

図８はｐを変化させたとき、式（６）のΦが０．５Ｖ₀となるときのＬの値を表している。このＬの値は次の式（７）で表すことができる。

ただし、記号｜｜は絶対値を表している。

したがって、電極１１の長さＬを式（７）の値より小さくすれば、Φの値が０．５Ｖ₀以上となり、光が受ける電圧の平均値を振幅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。
例えば、ｐ＝０．８である場合は、電極１１の長さＬを３．０λ_m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６．０λ_mまで長くすることができる。

式（６）より、電極１１の長さＬを２λ_mとしたとき、Φが０．５Ｖ₀以上となるのは、ｐを０．６９８から１．３０２までの値としたときである。このときも、Φの値が十分大きいので、効率の良い共振型光変調器を得ることができる。しかも、ｐが上記範囲の値であれば、電極１１の長さＬを２λ_mよりも大きくすることができるので、非常に効率の良い共振型光変調器を得ることができる。

次に、図９はｐを変化させたとき、式（６）のΦが０．７０７Ｖ₀となるときのＬの値を表している。このＬの値は次の式（８）で表すことができる。

したがって、電極１１の長さＬを式（８）の値より小さくすれば、Φの値が０．７０７Ｖ₀以上となり、光が受ける電圧の平均値を振幅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２．２λ_m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４．４λ_mまで長くすることができる。

式（６）より、電極１１の長さＬを２λ_mとしたとき、Φが０．７０７Ｖ₀以上となるのは、ｐを０．７７９から１．２２１までの値としたときである。このときも、Φの値が十分大きいので、効率の良い共振型光変調器を得ることができる。しかも、ｐが上記範囲の値であれば、電極１１の長さＬを２λ_mよりも大きくすることができるので、非常に効率の良い共振型光変調器を得ることができる。

図４の共振型光変調器には、電気的な整合回路が設けられていないが、図２の共振型光変調器と同様に、給電点４の付近に電気的な整合回路であるスタブ６を設けるようにしてもよいことは言うまでもない。

この実施の形態２では、光導波路２の一部が２つの経路に分岐しているものについて示したが、即ち、光導波路２をマッハツェンダー型に形成して、光の強度を変調する強度変調器を構成するものについて示したが、図３の共振型光変調器と同様に、光導波路２が単一の経路を構成しているようにしてもよい。
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。

実施の形態３．
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の共振型光変調器と図４の共振型光変調器を比較すると、図４の共振型光変調器における電極１１の両端が開放されているのに対して、図１０の共振型光変調器における電極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点で相違している。

このように、電極２１の一方の端部が電気的に短絡されていても、電気信号が電極２１の両端で効率良く反射するので、上記実施の形態２と同様に、効率の良い共振型光変調器を得ることができる。
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。

上記実施の形態１〜３では、電気光学効果を有するニオブ酸リチウムからなる基板１を示したが、ニオブ酸リチウム以外の電気光学効果を有する結晶や、他の材料を用いて基板１を構成してもよく、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。

以上のように、この発明に係る共振型光変調器は、電気光学効果により光導波路の屈折率を変化させて、その光導波路を伝搬する光の強度や位相を変調するに際して、その変調効率を高める必要がある光通信システムの送信装置などに用いるのに適している。

Claims

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。