JP4703158B2 - 光制御素子 - Google Patents

Description

本発明は、光制御素子に関し、特に、異なる光導波路に同一の変調信号を印加するための光制御素子に関する。

従来、光通信技術や光計測技術において、高周波の光変調手段として外部光変調器などの光制御素子が利用されている。中でも、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料を基板に用い、該基板上に光導波路や電極を形成した光制御素子は、動作の安定性や、高速動作性などの点から、特に注目されている。

光制御素子の例としては、図１に示すように、電気光学効果を有する基板１に、光波を導波するための光導波路２と、該光波にマイクロ波帯域の高速変調信号を印加するための変調電極３及び接地電極４が形成されている。図１（ａ）の一点鎖線における断面図を図１（ｂ）に示す。なお、図１（ａ）では、省略されているが、基板と電極との間に、ＳｉＯ_２などのバッファ層が形成されている。光導波路２は、２つの分岐光導波路を有するマッハツェンダー型光導波路（以下、「ＭＺ型光導波路」という）であり、単一の変調電極３により該光導波路を伝播する光波が光変調を受けるように構成されている。

図１のような光制御素子では、光変調に掛る駆動電圧が高く、２つの分岐光導波路に印加される電界も対称なものではないことから、光制御素子から出射される光波にチャープ現象が生じ長距離伝送などを制限する原因ともなる。このため、駆動電圧を低減し、ゼロチャープを実現するものとして、図２に示すような、２つの変調電極５を利用したデュアル型の光制御素子も実用化されている。ただし、図２に示すデュアル型光制御素子では、２つの変調電極に同一信号かつ逆位相の変調信号を正確に印加することが必要であるため、装置の設定調整が煩雑化し、部品点数も増大するなど高コスト化の原因ともなっている。

特許文献１では、基板の一部、特に、一方の分岐光導波路を含む基板の領域を分極反転し、図２で必要な２つの変調電極を、単一の線路から分岐した分岐線路を有する変調電極で構成している。このような分極反転を利用した光制御素子においては、デュアル型光制御素子の低駆動電圧とゼロチャープを実現すると共に、変調電極への変調信号の印加を、図１の単一変調電極と同様に簡素化できる。
特開２００３−２０２５３０号公報

他方、特許文献２に示すように、光制御素子の短尺化や偏波無依存化を図るため、電気光学効果を有する基板の一端部において、基板上に形成された光導波路を折り返すものも提案されている。図３に示すように、基板１に形成された光導波路１０は、基板の一端部（図の右側）で折り返され、各分岐光導波路には変調電極１３，１５と接地電極１４，１６が配置されている。偏波無依存型光制御素子では、折り返し部に反射ミラー１２と１／４波長板１１を配置し、伝播する光波の偏波面を９０°回転するよう構成されている。
特開平７−３２５２７６号公報

このような折り返し光導波路を持つ光制御素子では、変調電極１３，１５に変調信号を印加するためには、例えば、図４に示すような、単一の変調電極２０を用いる必要があり、図１と同様に、駆動電圧の上昇、チャープ現象の発生の原因ともなる。２１，２２は接地電極を示す。仮に、図２に示すような２つの変調電極を用いる場合には、電極１３と１５、並びに電極１４と１６とを各々結線する際に信号線路がクロスし、ジャンパー線を用いることが必要となるため、変調信号の伝搬損失が著しく増加する原因となる。

本発明が解決しようとする課題は、上述した問題を解決し、基板の一端部で折り返された光導波路などのように複雑な光導波路を有する光制御素子に対しても、変調電極の取り回しが可能であり、しかも、低駆動電圧やゼロチャープを実現可能な光制御素子を提供することである。

請求項１に係る発明では、電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板上に形成された２つの分岐光導波路を有するマッハツェンダー型の光導波路であり、かつ、該分岐光導波路の一部が該基板の側面部で折り返されるよう構成されており、該分岐光導波路に電界を印加する変調電極とを有する光制御素子において、該変調電極は、一つの線路を複数の線路に分岐し、分岐した該線路を再度、一つの線路に合流させる分岐・合流線路を、同一線路上に少なくとも２組以上有すると共に、該分岐・合流線路における分岐した各線路は、異なる分岐光導波路に同一の変調信号を印加するよう設定され、少なくとも該折り返しの前後の各分岐光導波路に、同一線路上にある分岐・合流線路が各々配置されていることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明では、請求項１に記載の光制御素子において、該基板は、該分岐・合流線路の分岐した線路により電界が印加される分岐光導波路を含む基板の一部が、分極反転されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、変調電極が、一つの線路を複数の線路に分岐し、分岐した該線路を再度、一つの線路に合流させる分岐・合流線路を、同一線路上に少なくとも２組以上有すると共に、該分岐・合流線路における分岐した各線路は、異なる光導波路に同一の変調信号を印加するよう設定されているため、光導波路に変調電極による電界を印加する領域（以下、「作用部」という）においては分岐・合流線路を利用し、ある作用部から他の作用部に変調電極を取り回す際には、一本の線路を利用することが可能となるため、複数の線路がクロスする状態を避けることができる。しかも、変調電極の取り回し時には線路が一つとなるため、複数の線路を取り回す際の線路間の伝搬損失差も発生しない。
分岐・合流線路とは、一つの線路を電気的に複数の線路に分岐させ、分岐した線路を再度、一つの線路に合流させる形状を有する電極を意味する。特に、マイクロ波などの変調信号を用いる電極においては、合流時に、分岐した線路を伝搬するマイクロ波の位相が一致するように、分岐した線路の長さや形状が設定されている。
また、分岐光導波路の一部が基板の側面部で折り返されており、少なくとも該折り返しの前後の各分岐光導波路に、同一線路上にある分岐・合流線路が各々配置されているため、折り返し型の光導波路を有する光制御素子であっても、単一の変調電極による取り回しが可能となる。

請求項２に係る発明により、基板は、分岐・合流線路の分岐した線路により電界が印加される分岐光導波路を含む基板の一部が、分極反転されているため、同一線路から分岐した電極により同一の変調信号を異なる光導波路に印加する場合でも、実質的に逆相状態の変調が実現できるため、光制御素子の駆動電圧の低減化並びにゼロチャープ化が可能となる。

本発明に係る光制御素子について、以下に詳細に説明する。
図５は、本発明に係る光制御素子に利用される変調電極の基本的原理を示す図である。変調電極は、例えば、単一の線路に導入線路ａ、第１の分岐・合流線路ｂ、単一の中間線路ｃ、第２の分岐・合流線路ｄ、及び導出線路ｅから構成される。必要に応じ、分岐・合流線路をさらに追加することも可能である。

図５のような変調電極においては、導入線路ａから入力されたマイクロ波は、第１の分岐・合流線路ｂにおいて、２つのマイクロ波Ａ，Ｂに分岐され、その後中間線路ｃにおいて再度一つのマイクロ波Ｃに合成される。さらに、第２の分岐・合流線路ｄにおいても同様に２つのマイクロ波Ｄ，Ｅに分岐され、導出線路ｅにて一つのマイクロ波Ｆとなる。なお、変調電極の最終端においては、図５のように導出線路ｅを設けず、分岐・合波線路中の分岐した線路の端部に終端器を直接接続することも可能である。

分岐したマイクロ波Ａ，Ｂ，Ｄ，及びＥは、個別に光導波路へ印加されるため、各光導波路と分岐した変調電極との位置関係や各変調電極の形状（長さや幅、電極の高さなど）に応じて、必要な強度比に分けられる。通常は、分岐したマイクロ波ＡとＢ、またはＤとＥは、印加される変調電極が各々対称な形状を有するため、同じ強度となるよう分岐される。また、分岐したマイクロ波の合流に際しては、マイクロ波の強度を最大限に高めるため、分岐したマイクロ波の位相差が実質的にゼロとなるよう調整されている。なお、定常波で変調する場合には、定常波の周期の整数倍に相当する位相差に調整することも可能である。

次に、上述した変調電極を用いて、図３のような折り返し型光導波路を有する光制御素子に適用した実施例について説明する。
図６は、ＭＺ型光導波路３０を基板１の端部で折り返したものであり、光導波路の折り返し部には、反射効率を上げるための反射ミラー３５が設置されている。
電気光学効果を有する基板１としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料から構成され、具体的には、これら単結晶材料の、Ｘカット板、Ｙカット板、及びＺカット板から構成され、特に、光導波路デバイスとして構成されやすく、かつ異方性が大きいという理由から、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）を用いることが好ましい。また、後述する分極反転の形成し易さを考慮して、図６ではＺカット板を利用する例を示す。

基板上の光導波路３０は、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより形成することができる。また、変調電極や変調電極を取り巻く接地電極などは、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ_２等のバッファ層を設けることや、変調電極が形成する電界が効率的に導波路に印加されるようにリッジ構造を設けることも可能である。

光導波路の折り返しの前後において、変調電極の２つの分岐・合流線路３１，３４が位置するように配置されている。また、分岐・合流線路の分岐した線路と光導波路３０の分岐光導波路との作用部の一部には、基板の分極方向を逆向きにした分極反転領域３３，３４が形成されている。各分岐・合流線路の領域においては、特許文献１に記載された光変調器と同様に、分岐した線路により同一の変調信号が同位相で各分岐光導波路に印加されると共に、分岐光導波路の分極反転領域に関しては逆位相状態で光変調が行われる。このため、光変調に係る駆動電圧の低下やチャープ現象の発生を抑制することが可能となる。

さらに、２つの分岐・合流線路３１，３４は単一の中間線路により接続されているため、光変調を行う作用部においては２つの変調電極は存在するにも拘らず、線路の取り回しに置いて線路がクロスすることが無い。
図７は、第２の実施例であり、ＭＺ型光導波路４０，４１の折り返しを、ＧＲＩＮレンズ４５及び該レンズの一端に取り付けられた反射ミラー４６で行ったものを示す。入力側の光導波路４０から出射した光波は４７で示す軌跡を辿りながら、出力側の光導波路４１に入射される。各光導波路４０，４１に対しては、図６と同様に、２つの分岐・合流線路４２，４３を有する変調電極が設置されている。また、分極反転領域４４も各光導波路の一部に形成されており、図６と同様に動作する。

次に、第３の実施例を図８に示す。
図８は、基板１上にＭＺ型光導波路５０，５１を直列に配置する光導波路を形成したものである。このような複数のＭＺ型光導波路を利用することにより、一方のＭＺ型光導波路で光変調された光波を、他のＭＺ型光導波路により再度光変調を行うことができ、特に、同一変調信号で変調する場合には、変調に係る消光比特性を向上させることが可能となる。

図８においては、２つの分岐・合流線路５２，５３が各ＭＺ型光導波路の作用部に対応して配置されており、各分岐光導波路の一部には分極反転領域５４，５５も形成されている。各分岐・合流線路５２，５３は、単一の中間線路で接続されており、線路の取り回しが簡便になるだけでなく、各ＭＺ型光導波路において２つの分岐光導波路に同じ強さの変調信号が印加されることを可能となる。例えば、図８の変調電極に代えて、各ＭＺ型光導波路に跨る２つの線路を用いる場合（一方のＭＺ型光導波路の分岐光導波路から他のＭＺ型光導波路の分岐光導波路まで２つの線路で接続する場合）では、ＭＺ型光導波路間の距離が長くなると、各線路間のマイクロ波の伝搬損失や位相に差が生じ、次のＭＺ型光導波路に適正な変調信号を印加することが難しくなる。これに対し、上述のような単一の中間線路を利用する場合には、新たなＭＺ型光導波路に変調信号が導入される際には、常に単一の線路で導入され、その後、分岐・合流線路により２つの分岐した変調信号に分けられるため、ＭＺ型光導波路の各分岐光導波路では、所定の強度の変調信号を得ることが可能となる。

また、図８に図示するように、中間線路において変調信号の遅延線路５６を形成し、次ぎのＭＺ型光導波路５１に入る変調信号のタイミングを調整することも可能である。

図９は、第４の実施例を示すものであり、図８の２つのＭＺ型光導波路を折り返しにより構成するものである。折り返し部は、反射ミラー６６が形成され、また、各ＭＺ型光導波路６０，６１には、分岐・合流線路６２，６３や分極反転領域６４，６５が形成されている。さらに、次のＭＺ型光導波路６１に入る光波と変調信号とのタイミングを調整するため、遅延線路６７を形成することも可能である。

図１０は、第５の実施例を示すものであり、２つのＭＺ型光導波路７３，７４に対し、２つの分岐・合流線路７０，７１を設ける。特に、分岐・合流線路７０においては、遅延線路７２を形成し、各分岐光導波路に印加される変調信号の位相差を調整可能に設定されている。さらに、合流時の位相差を実質的にゼロ（定常波で変調する場合には、変調周期の整数倍の差であっても良い）とするための他の遅延線路７２が形成されている。なお、遅延線路を形成しない場合には、上述のように分極反転領域７５を設けることも可能である。

本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、例えば、分岐・合流線路において、分岐時のマイクロ波の反射等を防止するため、分岐前後のインピーダンスを整合させるなど、当該技術分野において公知の技術を、本発明に組合わせることも可能であることは、言うまでもない。

以上のように、本発明によれば、基板の一端部で折り返された光導波路などのように複雑な光導波路を有する光制御素子に対しても、変調電極の取り回しが可能であり、しかも、低駆動電圧やゼロチャープを実現可能な光制御素子を提供することが可能となる。

従来の単一の変調電極を用いた光制御素子を示す。 従来の２つの変調電極を用いた光制御素子を示す。 従来の折り返し型光導波路を用いた光制御素子を示す。 従来の折り返し型光導波路と単一の変調電極を用いた光制御素子を示す。 本発明に係る変調電極の基本的原理を示す。 本発明に係る第１の実施例を示す。 本発明に係る第２の実施例を示す。 本発明に係る第３の実施例を示す。 本発明に係る第４の実施例を示す。 本発明に係る第５の実施例を示す。

符号の説明

ａ 導入線路
ｂ，ｄ，３１，３２ 分岐・合流線路
ｃ 中間線路
ｅ 導出線路
１ 基板
３０ 光導波路
３３，３４ 分極反転領域
３５ 反射ミラー

Claims (2)

1. 電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板上に形成された２つの分岐光導波路を有するマッハツェンダー型の光導波路であり、かつ、該分岐光導波路の一部が該基板の側面部で折り返されるよう構成されており、該分岐光導波路に電界を印加する変調電極とを有する光制御素子において、
   該変調電極は、一つの線路を複数の線路に分岐し、分岐した該線路を再度、一つの線路に合流させる分岐・合流線路を、同一線路上に少なくとも２組以上有すると共に、該分岐・合流線路における分岐した各線路は、異なる分岐光導波路に同一の変調信号を印加するよう設定され、少なくとも該折り返しの前後の各分岐光導波路に、同一線路上にある分岐・合流線路が各々配置されていることを特徴とする光制御素子。
2. 請求項１に記載の光制御素子において、該基板は、該分岐・合流線路の分岐した線路により電界が印加される分岐光導波路を含む基板の一部が、分極反転されていることを特徴とする光制御素子。

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