JP4668329B2

JP4668329B2 - 光制御デバイス

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Publication number: JP4668329B2
Application number: JP2009088508A
Authority: JP
Inventors: 勇貴金原; 雅之市岡; 潤一郎市川; 哲及川; 泰弘石川
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2010237629A; CN101852966B; US8380015B2; US20100266234A1; CN101852966A

Description

本発明は光制御デバイスに関し、特に、誘電率異方性基板を用いた光制御デバイスに関する。

光通信分野や光計測分野において、電気光学効果を有する基板上に、光導波路、信号電極及び接地電極を形成し、該信号電極に高周波を印加し、光導波路を伝播する光波を変調する光制御デバイスが多用されている。

大量データの高速転送や多種多様な光変調を実現するため、光制御デバイスに利用される光導波路の形状も複雑化し、それを制御する信号電極の数も増加傾向にある。例えば、差動直交位相偏移変調（ＤＱＰＳＫ）や特許文献１の単側波帯変調（ＳＳＢ）などでは、図１に示すように、一つのマッハツェンダー型導波路（主マッハツェンダー型導波路）１を構成する２つの分岐導波路２に、別のマッハツェンダー型導波路（副マッハツェンダー型導波路）３を組み込む、ネスト型導波路が利用されている。信号電極４はマッハツェンダー型導波路３と相互作用するよう配置する。また、更なる高速変調を実現させるため、上記差動直交位相偏移変調形状を並列に並べ、それぞれの変調を直交した偏波にて行う偏波合成型変調（Polarization Multiplex）や、位相情報を細分化させた変調（D8PSK,D16PSK）等も提案されている。

また、信号の線路切り替えを光導波路にて行う光制御デバイスが研究されており、特許文献２に示す様な方向性結合器を用いた光制御デバイス、特許文献３に示す様な、大きな屈折率差を設け、屈折率の高いアームに光を集中させた光制御デバイス、特許文献４に示す様な、全反射を用いた光制御デバイス、及び特許文献５に示す様な、マッハツェンダー干渉系を用いた光制御デバイス等が存在する。

しかしながら、信号電極が複数になると、各信号電極に印加した電気信号が光導波路を伝播する光波に作用する作用部（図１の点ｂから点ｃとの間）Ｓに、所定のタイミングで到達する必要がある。そのためには、各信号電極毎に、電極パッドで構成される信号入力端部５（点ａ）から作用部Ｓの開始点（点ｂ）までの入力側信号電極部Ｉを、高周波信号が伝播する時間を考慮することが不可欠となる。

この入力側信号電極部Ｉにおける電気信号の伝播時間を考慮する方法としては、信号入力端部５に入力する電気信号の入力タイミングを、信号電極毎の入力側信号電極部Ｉの長さを考慮して調整する方法や、特許文献６又は７に示すように、各信号電極の入力側信号電極部Ｉの長さを同じになるよう調整する方法がある。

他方、誘電率に異方性を持つ材料（誘電率異方性基板）を使用する場合は、高周波屈折率も異方性を持つため、伝播方向に応じて電気信号の伝播速度、インピーダンス、及び伝播損失も変化する。このため、基板表面に平行な直交方向毎に誘電率が異なる電気光学効果を有する基板を用いて、該基板上に変調電極を形成した場合には、例えば、各信号電極の入力側信号電極部Ｉの実効的な電極長を同じとなるように調整しても、インピーダンスの不整合による電気反射及び伝播損失が、各変調電極毎に異なるため、変調特性の劣化が起こる。しかも、電気信号の屈折率は、電気信号の周波数により変化するため、同じ電極形状で周波数が異なる電気信号を入力した時、変調が開始されるタイミングが各変調電極毎に異なるという問題も発生する。

特開２００８−１１６８６５号公報特許第３１３９００９号特許第２７４６２１６号特許第２５８３４８０号特開平７−４９５１１号公報特開２０００−５６２８２号公報特開２００２−１８２１７２号公報

本発明は、上述した問題を解消し、誘電率異方性基板を用いた光制御デバイスにおいても、複数の信号電極間における光導波路を伝播する光波への変調タイミング、伝播損失による入力信号強度、及びインピーダンスを正確に合致させることが可能な光制御デバイスを提供することである。
なお、本発明における光制御デバイスとは、光波と電界との相互作用により、光変調、光路切り替えを行う素子を意味する。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、誘電率異方性基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波と、変調電極を伝播する電気信号とが相互作用する光制御デバイスにおいて、該変調電極は、複数の信号電極と該信号電極の周囲に配置される接地電極から構成され、該複数の信号電極の各々が該基板の誘電率の異なる方向に配置される電極部を有し、該信号電極の信号入力端部から該光導波路を伝播する光波と電気信号との相互作用が開始する点までの信号電極を入力側信号電極部とし、該複数の信号電極の各々を含む各変調電極におけるインピーダンスを一致させ、かつ該入力側信号電極部の該誘電率の異なる方向毎における、電極の物理長と電気信号の実効的な屈折率との積である実効的な電極長の各々の総和が一致するように構成したことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項1に記載の光制御デバイスにおいて、該複数の信号電極の各々を含む各変調電極における該入力側信号電極部の該誘電率が異なる方向毎における電極の物理長の各々の総和が一致するように構成したことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光制御デバイスにおいて、該複数の信号電極の各々を含む各変調電極における該入力側信号電極部の少なくとも一部に電気損失を低減させる損失低減部を有し、該損失低減部の該誘電率の異なる方向毎の実効的な電極長の各々の総和が一致するように構成されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光制御デバイスにおいて、該光導波路は、複数のマッハツェンダー型導波路が並列に並んだ形状を有し、該信号電極は、各々のマッハツェンダー型導波路の分岐導波路を伝播する光波を変調するための電気信号を供給する電極であることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光制御デバイスにおいて、該光導波路を伝播する光波と、該信号電極を伝播する電気信号との相互作用により、光路を切り替えることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、誘電率異方性基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波と、変調電極を伝播する電気信号とが相互作用する光制御デバイスにおいて、該変調電極は、複数の信号電極と該信号電極の周囲に配置される接地電極から構成され、該複数の信号電極の各々が該基板の誘電率の異なる方向に配置される電極部を有し、該信号電極の信号入力端部から該光導波路を伝播する光波と電気信号との相互作用が開始する点までの信号電極を入力側信号電極部とし、該複数の信号電極の各々を含む各変調電極におけるインピーダンスを一致させ、かつ該入力側信号電極部の該誘電率の異なる方向毎における、電極の物理長と電気信号の実効的な屈折率との積である実効的な電極長の各々の総和が一致するため、変調信号の伝播方向毎のインピーダンス、信号強度、及び実効的な電極長が全ての信号電極間で一致し、結果として各信号電極の高周波特性も同じとなる。このため、変調信号の周波数が変化しても、信号電極間で作用部における変調タイミング、及び変調強度を正確に合致させることができる。
なお、本発明における「入力側信号電極部」とは、信号電極の信号入力端部から光導波路を伝播する光波に変調を行う作用部の開始点までの信号電極のことを意味する。

請求項２に係る発明により、複数の信号電極の各々を含む各変調電極における入力側信号電極部の該誘電率が異なる方向毎における電極の物理長の各々の総和が一致するため、誘電率が異なる方向毎における屈折率が一定の条件下で、各信号電極の伝播時間も同じとなる。

請求項３に係る発明により、複数の信号電極の各々を含む各変調電極における入力側信号電極部の少なくとも一部に電気損失を低減させる損失低減部を有し、該損失低減部の該誘電率の異なる方向毎の実効的な電極長の各々の総和が一致するため、変調信号の伝播方向毎の伝播損失も同じになるため、信号電極間で作用部における変調強度を正確に合致させることができる。

請求項４に係る発明により、光導波路は、複数のマッハツェンダー型導波路が並列に並んだ形状を有し、信号電極は、各々のマッハツェンダー型導波路の分岐導波路を伝播する光波を変調するための電気信号を供給する電極であるため、ＤＱＰＳＫ変調やＳＳＢ変調などのネスト型導波路を有する光制御デバイスや、それを更にネスト型にした導波路を有する光制御デバイスなど、複数のマッハツェンダー型導波路を並列に配置した光制御デバイスに対しても、信号電極の作用部における変調タイミングや変調強度を調整でき、広帯域な光制御デバイスを提供することが可能となる。

請求項５に係る発明により、光導波路を伝播する光波と、信号電極を伝播する電気信号との相互作用により、光路を切り替えることを特徴とするため、方向性結合器を用いた光制御デバイス、屈折率の高いアームに光を集中させた光制御デバイス、全反射を用いた光制御デバイス、マッハツェンダー干渉系を用いた光制御デバイス等に対しても、信号のタイミングや信号強度を調整でき、高速な光路切り替え素子を提供することが可能となる。

ネスト型導波路を有する光制御デバイスの一例を示す図である。本発明の光制御デバイスの基本原理を説明する図である。直交方向毎の実効的な電極長を算出するためのモデルを示す図である。４つの信号電極に対する入力側信号電極部の形状の一例を示す図である。（ａ）は全体図、（ｂ）は中心部の拡大図である。

本発明の光制御デバイスについて、以下に詳細に説明する。
本発明の第１の特徴は、誘電率異方性基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波と、変調電極を伝播する電気信号とが相互作用する光制御デバイスにおいて、該変調電極は、複数の信号電極と該信号電極の周囲に配置される接地電極から構成され、該複数の信号電極の各々が該基板の誘電率の異なる方向に配置される電極部を有し、該信号電極の信号入力端部から該光導波路を伝播する光波と電気信号との相互作用が開始する点までの信号電極を入力側信号電極部とし、該複数の信号電極の各々を含む各変調電極におけるインピーダンスを一致させ、かつ該入力側信号電極部の該誘電率の異なる方向毎における、電極の物理長と電気信号の実効的な屈折率との積である実効的な電極長の各々の総和が一致することである。

本発明が適用される誘電率異方性基板とは、基板の異なる方向毎に誘電率が異なるものを意味し、一般に結晶軸の方向毎に誘電率が異なる基板を意味する。例えば、ＬｉＮｂＯ_３結晶のＸ軸を法線ベクトルとした面で切断した基板（Ｘカット基板）では、Ｙ軸とＺ軸が基板表面に平行な直交方向となり、Ｙ軸とＺ軸では各々誘電率が異なっている。なお、本発明における誘電性異方性基板は、誘電率の異なる方向が必ずしも、基板表面に平行な直交方向である必要はない。

図２は、本発明の光制御デバイスの基本的原理を説明する図である。Ｙ−Ｚ軸を平面とする基板上に、点線で表示された光導波路１０〜１２が形成されている。光導波路は、図１と同様に、主マッハツェンダー型導波路１０の２つの主分岐導波路の各々に、２つの副マッハツェンダー型導波路１１，１２を組み込んだネスト型導波路の一部を示している。

図２では、信号電極（２１，２３）が２つの場合を示し、図面を簡略化するため、接地電極は図示していない。Ｘカット基板を用いる場合には、通常、光導波路を伝播する光波を変調するためには、光導波路を挟むように配置される信号電極と接地電極とが形成する電界が利用される。信号電極及び接地電極からなる変調電極が形成する電界が光導波路を伝播する光波に作用する領域を作用部と呼び、図２の符号Ｓの領域がこれに該当する。

信号電極（２１，２３）は、信号入力端部となる電極パッド（２０，２２）から作用部Ｓに至るまでの入力側信号電極部において、接地電極が信号電極を挟むよう配置される、所謂、コプレーナ型の電極配置となっている。

図２に示す各信号電極の入力側信号電極部は、Ｚ軸方向に平行な成分とＹ軸方向な成分に分けられ、Ｚ軸とＹ軸とでは誘電率が異なるため、変調信号の伝播速度及び伝播損失が異なる。このため、本発明では、入力側信号電極部におけるＺ軸及びＹ軸の直交する方向毎に、実効的な電極長の総和が、各信号電極間で一致するよう構成されている。つまり、信号電極２１の入力側信号電極部におけるＺ軸方向の実効的な電極長はαであり、同様に、信号電極２３の場合は、Ｚ軸方向の実効的な電極長がβ＋γとなる。また、Ｙ軸方向についても同様であり、信号電極２１の場合には、実効的な電極長がＡであるが、信号電極２３の場合には、実効的な電極長がＢ＋Ｃ＋Ｄとなる。

本発明の光変調器における実効的な電極長に関する条件を満足するには、次式を満たす必要がある。
Ｚ軸方向； α=β＋γ
Ｙ軸方向；Ａ＝Ｂ＋Ｃ＋Ｄ

通常、信号電極の形状は、図２のように、直角に折れ曲がることは無く、直線及び曲線の集合として描かれている。これは、急激な方向転換は、高周波信号が折れ曲がり部で反射し、伝播信号強度、及び品質の劣化原因となるためである。そこで、図３に描くように任意の曲線において、点ａから点ｂに至るまで間における、Ｚ軸成分の実効的な電極長の総和とＹ軸成分の実効的な電極長の総和を算出する。ここでは、曲線の座標変化を（ｆ（ｔ），ｇ（ｔ））で表わし、ｔは、点ａ〜点ｂの範囲で変化するパラメータとする。曲線の接線方向を占めすベクトルは、曲線座標の微分値であり、（ｆ’（ｔ），ｇ’（ｔ））で表現することができる。

数１に、Ｚ軸成分の実効的な電極長の総和（１）とＹ軸成分の実効的な電極長の総和（２）とを示す。

任意の曲線を有する信号電極について伝播時間や伝播損失の調整を行うには、各信号電極の入力側信号電極部におけるＺ軸成分の実効的な電極長の総和とＹ軸成分の実効的な電極長の総和とを、数１の各式から算出し、信号電極間で各成分の総和が一致するように調整すれば良い。

図４は、図１に示すようなネスト型導波路の４つの分岐導波路に対応する、２つの信号電極について、入力側信号電極部の例を示すものである。

実効的な電極長をＹ、Ｚ軸成分に分解し、長さを調整するため、線路Ａ、Ｂにおける入力端から変調信号と導波路との相互作用開始位置までの信号電極を、円弧（Ｒ１〜Ｒ８）、直線（Ｌ１、Ｌ２）に分割する。線路ＢにおけるＺ軸成分の実効的な電極長を最短とするよう、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を決める。例えば、Ｒ１におけるＺ軸成分の長さは、以下の数２に示す式で書き表される。数２はＲ２、Ｒ３にも同様に書き表されるため、線路ＢのＺ軸成分の長さは、１／４×（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）πとなる。

線路ＡにおけるＺ軸成分の実効的な電極長を線路Ｂに合わせるため、Ｒ４〜Ｒ８を決める。Ｒ４，５，８が９０度の円弧、Ｒ６がθ０の円弧、Ｒ７がθ１の円弧の場合、Ｚ軸成分の長さは、以下の数３に示す式で合わせることが可能である。

次に、Ｚ軸成分の長さを合わせた後、Ｙ軸成分を合わせる。Ｙ軸成分は、以下の数４に示す式により合わせることが可能である。

実際に、図４に示すような入力側信号電極部を有する光制御デバイスを作成したところ、Ｚ軸成分の電極の物理長の総和が３９３μｍ、Ｙ軸成分の電極の物理長の総和が１７８４μｍとなる信号電極が形成できることを確認した。このように調整された光制御デバイスを動作させたところ、光制御デバイスから出力される光波のジッタが従来のものより改善されていることを確認した。これは、信号電極間で変調タイミングや変調強度が精度良く一致しているため、チャープの発生が抑制されていることに起因する。

次に、本発明の第２の特徴について説明する。
本発明の第２の特徴は、入力側信号電極部の少なくとも一部に電気損失を低減させる損失低減部を有し、該損失低減部の誘電率の異なる方向毎の実効的な電極長の総和が、各信号電極間で一致させることである。

図２〜４を用いて説明した光制御デバイスにおいては、変調電極を構成する信号電極及び接地電極は、信号電極毎で同じ電気損失であると仮定した。つまり、信号電極の材質や信号電極の幅や高さ、さらに信号電極と接地電極との間隔、電気光学効果を有する基板の物理定数（誘電率や誘電正接）や形状（厚さ、断面形状）などは、どの信号電極でも同じと仮定している。

しかしながら、信号電極の材質や信号電極の幅や高さ、信号電極と接地電極との間隔や、信号電極と接地電極との間の空間に充填する材料の種類、電気光学効果を有する基板の物理定数（誘電率や誘電正接）や形状（厚さ、断面形状）などにより、伝播損失、及びインピーダンスが変化する。

このため、上述した各種パラメータを任意に操作して伝播損失、及びインピーダンスを調整することができる。本発明では、上記パラメータにより伝播損失を低減させつつ、インピーダンスを調整した領域を損失低減部と定義し、上述した第１の特徴と同様に、損失低減部について直交方向毎の実効的な電極長の総和が、各信号電極間で一致するよう構成している。各方向の実効的な電極長の総和を算出する方法も、上述した数１の式などが利用可能である。

しかも、インピーダンスや伝播損失は、基板の誘電率にも影響されるため、基板の結晶軸方向との関係でインピーダンスや伝播損失低減量が変化する。これを補償するため、損失低減部について誘電率の異なる方向毎、例えば、上述のように直交方向毎の実効的な電極長の総和に着目している。

本発明の第２の特徴を利用することにより、インピーダンスや伝播損失を信号電極間で一致させることが可能となる、各作用部に印加される変調信号の強度を、精度良く一致させることができる。

上述した本発明の第１及び第２の特徴を光制御デバイスに適用することで、複数の信号電極に対して、作用部に印加される変調信号のタイミングや強度を極めて高精度に一致させることが可能となる。このため、数十ＧＨｚ以上の広帯域で精度の高い光変調が要求されるＤＱＰＳＫ変調やＳＳＢ変調、さらには、偏波合成型変調や、位相情報を細分化させた変調（Ｄ８ＰＳＫ，Ｄ１６ＰＳＫ）などにも、本発明が好適に採用することが可能である。これらの変調方式では、複数のマッハツェンダー型導波路を並列に配置し、各々のマッハツェンダー型導波路に分岐導波路を伝播する光波を変調するための電気信号を供給する複数の信号電極を有しており、このような複雑な変調方式には、本発明による光変調のタイミングや強度の高度な調整は、極めて有用である。

更に、上述した本発明の第１及び第２の特徴を光路切り替え素子に適用する事で、様々の方法で作成される光切り替え素子において、１×２や２×２ポートの小規模なものから、Ｎ×Ｎの大規模なものまで、光切り替えのタイミング、及び信号強度の調整が行えるため、極めて有用である。

以上説明したように、本発明によれば、誘電率異方性基板を用いた光制御デバイスにおいても、複数の信号電極間における光導波路を伝播する光路と電気信号との相互作用のタイミングや、インピーダンス不整合による反射減衰率、伝播損失による信号電圧を正確に合致させることが可能な光制御デバイスを提供することが可能となる。

１，１０主マッハツェンダー型導波路
２主分岐導波路
３，１１，１２副マッハツェンダー型導波路結合導波路
４，２１，２３信号電極
５，２０，２２電極パッド

Claims

誘電率異方性基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波と、変調電極を伝播する電気信号とが相互作用する光制御デバイスにおいて、
該変調電極は、複数の信号電極と該信号電極の周囲に配置される接地電極から構成され、
該複数の信号電極の各々が該基板の誘電率の異なる方向に配置される電極部を有し、
該信号電極の信号入力端部から該光導波路を伝播する光波と電気信号との相互作用が開始する点までの信号電極を入力側信号電極部とし、
該複数の信号電極の各々を含む各変調電極におけるインピーダンスを一致させ、かつ該入力側信号電極部の該誘電率の異なる方向毎における、電極の物理長と電気信号の実効的な屈折率との積である実効的な電極長の各々の総和が一致するように構成したことを特徴とする光制御デバイス。
請求項１に記載の光制御デバイスにおいて、該複数の信号電極の各々を含む各変調電極における該入力側信号電極部の該誘電率が異なる方向毎における電極の物理長の各々の総和が一致するように構成したことを特徴とする光制御デバイス。
請求項１又は２に記載の光制御デバイスにおいて、該複数の信号電極の各々を含む各変調電極における該入力側信号電極部の少なくとも一部に電気損失を低減させる損失低減部を有し、該損失低減部の該誘電率の異なる方向毎の実効的な電極長の各々の総和が一致するように構成されていることを特徴とする光制御デバイス。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光制御デバイスにおいて、該光導波路は、複数のマッハツェンダー型導波路が並列に並んだ形状を有し、該信号電極は、各々のマッハツェンダー型導波路の分岐導波路を伝播する光波を変調するための電気信号を供給する電極であることを特徴とする光制御デバイス。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光制御デバイスにおいて、該光導波路を伝播する光波と、該信号電極を伝播する電気信号との相互作用により、光路を切り替えることを特徴とする光制御デバイス。