JP4920212B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は高速で駆動電圧が低く、かつＤＣバイアス電圧が小さく、製作の歩留まりの良い光変調器の分野に属する。

リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、リチウムナイオベート基板をＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ/ｓ、１０Ｇｂｉｔ/ｓの大容量光伝送システムに適用されている。最近はさらに４０Ｇｂｉｔ/ｓの超大容量光伝送システムにも適用が検討されており、キーデバイスとして期待されている。このＬＮ光変調器にはｚ−カット基板を使用するタイプとｘ−カット基板（あるいはｙ−カット基板）を使用するタイプがある。

［第１の従来技術］
ここでは、第１の従来技術としてｘ−カットＬＮ基板とコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）進行波電極を使用したｘ−カット基板ＬＮ光変調器をとり上げ、その斜視図を図４に示す。図５は図４のＡ−Ａ’における断面図である。なお、以下の議論はｚ−カットでも同様に成り立つ。

図中、１はｘ−カットＬＮ基板、２は１．３μｍ、あるいは１．５５μｍなど光通信において使用する波長領域で透明な厚みＤのＳｉＯ_２バッファ層（なお、厚みＤは２００ｎｍから１μｍ程度である）、３はｘ−カットＬＮ基板１にＴｉを蒸着後、１０５０℃で約１０時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系（あるいは、マッハツェンダ光導波路）を構成している。なお、３ａ、３ｂは電気信号と光が相互作用する部位（相互作用部と言う）における光導波路（あるいは、相互作用光導波路）、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームを構成する光導波路である。ＣＰＷ型の進行波電極４は中心導体４ａ、接地導体４ｂ、４ｃからなっている。

この第１の従来技術では、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間にバイアス電圧（通常はＤＣバイアス電圧）と高周波電気信号（ＲＦ電気信号とも言う）を重畳して印加するので、相互作用光導波路においてはＲＦ電気信号のみならず、ＤＣバイアス電圧も光の位相を変える。また、ＳｉＯ_２バッファ層２は電気信号のマイクロ波実効屈折率ｎ_ｍを光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の実効屈折率ｎ_ｏに近づけることにより、光変調帯域を拡大するという重要な働きをしている。

この第１の従来技術の上面から見た模式図を図６に示す。ここで、１０は電気信号源１１に内蔵しているＤＣ成分をカットするコンデンサーである。１２は電気的な終端、１３はＤＣ成分をカットするコンデンサー、また１４はＤＣバイアス電圧を印加するためのＤＣ電源である。２つのコンデンサー１０と１３があるために、ＤＣ電源１４からのＤＣ成分は電流として流れることはない。

この第１の従来技術に設けた長さＬ_１の進行波電極４を有する相互作用部１５には図４に示したようにＳｉＯ_２バッファ層２があり、このＳｉＯ_２バッファ層２にＤＣバイアス電圧Ｖｂが印加される。ところが、このＳｉＯ_２バッファ層２は電気的抵抗が高いので、ここでの電圧降下により、いわゆるＤＣドリフトが発生することが知られている。このＤＣドリフトはＬＮ光変調器の信頼性に大きな悪い影響を与える。

次に、このように構成されるＬＮ光変調器の動作について説明する。このＬＮ光変調器を動作させるには、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間にＲＦ電気信号と同時にＤＣバイアス電圧を印加する必要がある。

図７は、ＬＮ光変調器の電圧−光出力特性の一例を示す特性図であり、進行波電極４に印加される電圧と、ＬＮ光変調器から出力される光の強度との関係を表している。ここで、Ｖｂは動作時におけるＤＣバイアス電圧である。この図７に示すように、通常、ＤＣバイアス電圧Ｖｂは光出力特性の山と底の中点に設定される。

図８には相互作用部１５に設けた進行波電極４の長さＬ_１を変数とした場合のＲＦ電気信号についての半波長電圧Ｖπ_ＲＦとＤＣバイアスについての半波長電圧Ｖπ_ＤＣを示す。ＲＦ電気信号についての半波長電圧Ｖπ_ＲＦはＬＮ光変調器における高周波（ＲＦ）動作についての重要な性能指標の一つであり、この値が小さいほど高速での駆動が容易となる。一方、ＤＣバイアスについての半波長電圧Ｖπ_ＤＣはＬＮ光変調器の長期信頼性を決定する極めて重要な性能指標であり、後に述べるようにこの値が小さいほどＤＣドリフトが小さくなり、長期信頼性が優れている。

この第１の従来技術では相互作用部１５の進行波電極４にＲＦ電気信号とＤＣバイアス電圧を同時に印加するので、ＲＦ電気信号の半波長電圧Ｖπ_ＲＦとＤＣバイアスについての半波長電圧Ｖπ_ＤＣは一致する。また、図からわかるように、ＲＦ電気信号の半波長電圧Ｖπ_ＲＦとＤＣバイアスについての半波長電圧Ｖπ_ＤＣはともに進行波電極４の長さＬ_１に厳密に反比例する。

図８に示したように、相互作用部１５の長さＬ_１を長くすることにより、ＬＮ光変調器の重要な性能指標である２つの半波長電圧Ｖπ_ＲＦとＶπ_ＤＣを低減することができる。では単に相互作用部１５の長さＬ_１を長くすれば駆動しやすくかつ長期信頼性に優れたＬＮ光変調器を実現できるかというとそうではない。

図９にはＬＮ光変調器の相互作用部１５の長さＬ_１に対する３ｄＢ光変調帯域Δｆを示す。ＲＦ電気信号は進行波電極４を伝搬するとともに減衰するので、３ｄＢ光変調帯域ΔｆはＬＮ光変調器の相互作用部１５の長さＬ_１に反比例するよりも、さらに急速に劣化する。

次に、これを改善する手法について述べる。ＬＮ光変調器の３ｄＢ光変調帯域Δｆは近似的に次式で表される。

Δｆ＝１．４・ｃ_０／（π｜ｎ_ｍ−ｎ_ｏ｜・Ｌ） （１）
ここで、ｎ_ｍとｎ_ｏは各々進行波電極４と相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬するＲＦ電気信号と光の等価屈折率、ｃ_０は真空中の光速である。

そのため、ＲＦ電気信号等価屈折率ｎ_ｍを変数とした場合のＬＮ光変調器の３ｄＢ光変調帯域Δｆは図１０のように示される。つまり、ＲＦ電気信号の等価屈折率ｎ_ｍが光の等価屈折率ｎ_ｏに近づくにつれて、ＬＮ光変調器の３ｄＢ光変調帯域Δｆは急速に大きくなる。なお、実際にはＲＦ電気信号等価屈折率ｎ_ｍと光の等価屈折率ｎ_ｏの差に加えて中心導体４ａ、接地導体４ｂ、４ｃからなる進行波電極４を伝搬するＲＦ電気信号には伝搬損失があるので、例え２つの等価屈折率が等しく（ｎ_ｍ＝ｎ_ｏ）なってもΔｆは発散するほど大きくなることはない。

一般に、ＲＦ電気信号の等価屈折率ｎ_ｍは波長が１．５５μｍ付近では２．２弱である光の等価屈折率ｎ_ｏよりも大きく、光変調器の性能を改善するにはその低減が重要となる。そのために、特許文献１に示されている通常中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの厚みを厚くする手法と合わせて、特許文献２に示されているＳｉＯ_２バッファ層２の厚みＤを厚くする手法が広く用いられている。後者は進行波電極４の特性インピーダンスＺを高める上でも有用である。

図１１にはＳｉＯ_２バッファ層２の厚みＤを変数とした場合のＲＦ電気信号の等価屈折率ｎ_ｍを示す。図からわかるように、ＳｉＯ_２バッファ層２の厚みＤが厚くなると、ＲＦ電気信号の等価屈折率ｎ_ｍは急速に小さくなる。

つまり、図１２に示したように、ＳｉＯ_２バッファ層２の厚みＤを厚くするとＬＮ光変調器の３ｄＢ光変調帯域Δｆは改善される。しかしながら、ＳｉＯ_２バッファ層２とｘ−カットＬＮ基板１の熱膨張係数は異なるので、厚いＳｉＯ_２バッファ層２はｘ−カットＬＮ基板１から剥離しやすい。また、実際に使用するドライバーの出力は５〜６Ｖ程度であるので、ＳｉＯ_２バッファ層２の厚みＤをむやみに厚くすることはできない。従って、ＳｉＯ_２バッファ層２の厚みＤとしては１．３μｍ程度が限界である。このことは基板としてｚ−カットＬＮ基板を用いても同様である。図１２には第１の従来技術の例について記号で示している。

第１の従来技術では相互作用部１５の長さＬ_１をある程度は長くとることができるために、図１２に記号で示したようにＬＮ光変調器の３ｄＢ光変調帯域Δｆが急速に高くなる領域を使用している。但し、前述のようにＳｉＯ_２バッファ層２の厚みＤをむやみに厚くすることはできないので、設定できる相互作用部１５の長さＬ_１にも限界がある。そのため、図４や図６においてマッハツェンダ光導波路３の分岐部と合波部の間にある２本の光導波路３ａと３ｂの長さの全てを活用することはできない。

次に、ＬＮ光変調器の信頼性を左右するＤＣドリフトについて考える。図７で述べたＤＣバイアス電圧Ｖｂは時間とともに変化する。これをＤＣドリフトという。このＤＣドリフトはＳｉＯ_２バッファ層２に起因する要素と（ｚ−カットＬＮ基板でも同様であるが）ｘ−カットＬＮ基板１に起因する要素があり、一般に前者が後者よりも大きい。また、中期的なＤＣドリフトはＳｉＯ_２バッファ層２が決定し、長期的なＤＣドリフトはｘ−カットＬＮ基板１が決定する。

図１３にはＳｉＯ_２バッファ層２におけるＤＣ的な内部電界強度Ｅ_{ｉｎｔ，Ｂ}を変数とした場合におけるＳｉＯ_２バッファ層２に起因するＤＣドリフトΔＶ_{ｄｒｉｆｔ，Ｂ}を示す。図からわかるように、ＳｉＯ_２バッファ層２に起因するＤＣドリフトΔＶ_{ｄｒｉｆｔ，Ｂ}はＳｉＯ_２バッファ層２のＤＣ的な内部電界強度Ｅ_{ｉｎｔ，Ｂ}が大きくなると増加する。従って、ＳｉＯ_２バッファ層２に起因するＤＣドリフトΔＶ_{ｄｒｉｆｔ，Ｂ}を小さくするにはバッファ層２のＤＣ的な内部電界強度Ｅ_{ｉｎｔ，Ｂ}を小さくすることが重要となる。

図１４には相互作用部１５の長さＬ_１に対するＳｉＯ_２バッファ層２に起因するＤＣドリフトΔＶ_{ｄｒｉｆｔ，Ｂ}を示す。図４や図５に示したように、第１の従来技術ではバッファ層２を介してＤＣバイアス電圧を中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃに印加しており、５〜６Ｖと比較的大きな値のＤＣバイアス電圧ＶｂがＳｉＯ_２バッファ層２に印加されることになる。従って、この第１の従来技術ではバッファ層２に起因するＤＣドリフトΔＶ_{ｄｒｉｆｔ，Ｂ}が大きくなってしまう。

以上のように、第１の従来技術では、マッハツェンダ光導波路３の２本の光導波路３ａ、３ｂの長さを充分には活用できず、その結果ＳｉＯ_２バッファ層２に起因するＤＣドリフトΔＶ_{ｄｒｉｆｔ，Ｂ}が大きいという問題点があった。

［第２の従来技術］
第１の従来技術におけるＤＣドリフトの問題を解決しようとする試みである第２の従来技術について上面から見た模式図を図１５に示す。

前述のように、第１の従来技術における大きな問題、即ちＤＣドリフトはＤＣバイアス電圧が印加されたＳｉＯ_２バッファ層２においてＤＣ電圧の降下があるために引き起こされた。

そこで、この第２の従来技術ではＲＦ電気信号を印加する領域（１７）とＤＣバイアス電圧を印加する領域（１８）とを分離する。図１５に示すように、ＲＦ電気信号が印加される長さＬ_２のＲＦ電気信号用相互作用部１７と、ＤＣバイアス電圧が印加される長さＬ_３の中心導体１６ａと接地導体１６ｂ、１６ｃからなるバイアス電極を有するＤＣバイアス用相互作用部１８を具備している。つまり、図１５のＢ−Ｂ’における断面図として示した図１６からわかるように、ＤＣバイアス用相互作用部１８には第１の従来技術として示した図４に存在したＳｉＯ_２バッファ層２がない。

従って、この第２の従来技術ではＳｉＯ_２バッファ層２に起因するＤＣドリフトが存在せず、長期信頼性はｘ−カットＬＮ基板１そのものに起因するＤＣドリフトにより決定される。一般に、ｘ−カットＬＮ基板１そのものに起因するＤＣドリフトはＳｉＯ_２バッファ層に起因するＤＣドリフトよりも小さいので、ＬＮ光変調器の信頼性向上に有力な手段として採用されてきた。

しかしながら、図１５に示した第２の従来技術の場合であっても、ＲＦ電気信号が印加されるＲＦ電気信号用相互作用部１７の長さＬ_２とＤＣバイアス電圧が印加されるＤＣバイアス用相互作用部１８の長さＬ_３の合計はマッハツェンダ光導波路の２本の光導波路３ａ、３ｂの長さでほぼ決まっている。そのため、ＲＦ電気信号が印加されるＲＦ電気信号用相互作用部１７の長さＬ_２を長くするとＤＣバイアス電圧が印加されるＤＣバイアス用相互作用部１８の長さＬ_３が短くなり、逆にＤＣバイアス用相互作用部１８の長さＬ_３を長くすると、今度はＲＦ電気信号用相互作用部１７の長さＬ_２が短くなってしまう。

図１７にはＤＣバイアス用相互作用部１８の長さＬ_３に対するＤＣバイアスの半波長電圧Ｖπ_ＤＣを示す。ＤＣバイアス用相互作用部１８の長さＬ_３が短いと、その中心導体１６ａと接地導体１６ｂ、１６ｃに印加するＤＣバイアス電圧を高くする必要がある。そうすると、中心導体１６ａと接地導体１６ｂ、１６ｃの間における電界強度が高くなり、ＳｉＯ_２バッファ層２に起因するＤＣドリフトよりは小さいとはいえ、ｘ−カットＬＮ基板１の中における高い内部電界強度に起因するｘ−カットＬＮ基板１の中でのＤＣドリフトが生じてしまう。

一方、ＬＮ光変調器としての信頼性を確保するために、ＤＣバイアス用相互作用部１８の長さＬ_３を長くすると、今度はＲＦ電気信号用相互作用部１７の長さＬ_２が短くなってしまい、ＲＦ電気信号の半波長電圧Ｖπ_ＲＦが高くなる。この様子を図１８に示す。第２の従来技術におけるＲＦ電気信号の相互作用部１７の長さＬ_２は第１の従来技術におけるＲＦ電気信号の相互作用部１５の長さＬ_１よりも短いため、図からわかるように、ＲＦ電気信号の半波長電圧Ｖπ_ＲＦが高くなっている。

これを避けるためには、ＲＦ電気信号用相互作用部１７におけるＳｉＯ_２バッファ層２（不図示）の厚みＤを薄く設定する必要があり、ＲＦ電気信号と光との速度整合、および特性インピーダンスの観点から不利となってしまう。
特開平０１−０９１１１１号公報 特開平０２−０５１１２３号公報

以上のように、第１の従来技術ではＲＦ電気信号が光と相互作用する相互作用部にＤＣバイアス電圧も印加していたので、ＳｉＯ_２バッファ層に起因するＤＣドリフトが生じてしまっていた。一方、第１の従来技術の問題を避けるために考案された第２の従来技術では、ＲＦ電気信号用相互作用部とは独立に設けたＤＣバイアス用相互作用部にＤＣバイアスのみを印加するが、ＲＦ電気信号用相互作用部の長さとＤＣバイアス用相互作用部の長さの和は決まっている。その結果、ＤＣバイアス用相互作用部の長さ、もしくはＲＦ電気信号用相互作用部の長さを充分にとることができないため、ＬＮ基板内での高い内部電界強度に起因して信頼性が劣化する、あるいはＬＮ光変調器としてのＲＦ変調性能が劣化するなどの問題があった。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成され光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調する高周波電気信号を伝搬するための中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光にバイアス電圧を印加する中心導体及び接地導体からなるバイアス電極とを有し、前記光導波路には前記進行波電極に前記高周波電気信号が印加されることにより前記光の位相を変調するための高周波電気信号用相互作用部と、前記バイアス電極にバイアス電圧を印加することにより前記光の位相を調整するためのバイアス用相互作用部とが具備されている光変調器において、前記高周波電気信号用相互作用部を挟んで、前記光が伝搬する方向の前後に前記バイアス用相互作用部を具備し、当該バイアス用相互作用部を構成する各々の前記バイアス電極の中心導体が、前記高周波電気信号用相互作用部の中心導体と接地導体との間を除く位置で電気的に接続されてなり、前記高周波電気信号用相互作用部に設けた前記進行波電極の前記中心導体と前記バイアス用相互作用部に設けた前記バイアス電極の前記中心導体とが電気的に接続されてなり、接続すべき単一の電源から、前記光が伝搬する方向の前後に配置された前記バイアス用相互作用部の中心導体のうちの１つに前記バイアス電圧が印加されるとともに、前記高周波電気信号用相互作用部に設けた前記進行波電極の前記中心導体にも前記バイアス電圧が印加されることを特徴とする。

ＤＣバイアス用相互作用部を具備せずＲＦ電気信号とＤＣバイアス電圧を同時に相互作用部に印加する、あるいはＲＦ電気信号用相互作用部にはＲＦ電気信号のみを、ＤＣバイアス用相互作用部にはＤＣバイアス電圧のみを印加していた従来の技術と異なり、本発明の請求項１の発明では、ＲＦ電気信号とＤＣバイアス電圧を同時に印加する進行波電極を具備する相互作用部とＤＣバイアスのみを印加するバイアス電極を具備するＤＣバイアス用相互作用部を備えている。従って、ＤＣバイアス電圧を印加する相互作用部の全長が長くなるので、ＤＣバイアス半波長電圧を低減することができる。その結果、ＲＦ電気信号とＤＣバイアス電圧を同時に印加する相互作用部でのＳｉＯ_２バッファ層に起因するＤＣドリフトと、ＬＮ基板そのものに起因するＤＣドリフトを抑制することが可能となる。また、ＤＣバイアスを印加する相互作用部の全長を長くとれるので、一部をＲＦ電気信号用相互作用部に割り振ることが可能となり、高速応答特性やＲＦ電気信号半波長電圧を低減する設計も可能となる。

また、ＲＦ電気信号とＤＣバイアス電圧を同時に印加する相互作用部の中心導体とＤＣバイアスのみを印加するＤＣバイアス用相互作用部の中心導体を電気的に接続することにより、ＤＣバイアス用電源を共通化できるので光変調器を駆動する際の構成が簡単になるという効果がある。

以下、本発明の実施形態について説明するが、図４から図１９に示した従来の実施形態と同一番号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一番号を持つ機能部の説明を省略する。

［第１の実施形態］
図１に本発明における第１の実施形態の模式的な上面図を示す。図６に示した第１の従来技術と同様に、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃからなりＲＦ電気信号とＤＣバイアス電圧を印加する長さＬ_４の相互作用部２０を具備している。また、図１５に示した第２の従来技術と同様に、中心導体１９ａと接地導体１９ｂ、１９ｃからなりＤＣバイアス電圧のみを印加する長さＬ_５のバイアス電極を有するＤＣバイアス電圧用相互作用部２１を有している。

図２には図１におけるＣ−Ｃ’での断面図を示す。２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄはＳｉＯ_２バッファ層である。なお、これらのＳｉＯ_２バッファ層２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは第２の従来技術のようになくても良いが、本実施形態ではこれらを用いることにより中心導体１９ａや接地導体１９ｂ、１９ｃのエッジを光導波路３ａ、３ｂに近づけ、ＤＣバイアス半波長電圧Ｖπ_ＤＣを低減している。

本実施形態では図６に示した第１の従来技術と同じく、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間にもＤＣバイアスを印加できるようにＤＣ成分をカットするコンデンサー１３を用いるとともに、ＤＣ電源１４を電気的結線３０により電気的に接続している。また、このＤＣ電源１４からのＤＣバイアス電圧はＤＣバイアス用相互作用部２１の中心導体１９ａと接地導体１９ｂ、１９ｃの間にも供給されている。なお、中心導体４ａと中心導体１９ａには個々に設けたＤＣ電源からＤＣバイアス電圧を供給しても良いが、この実施形態では印加するＤＣバイアス電圧を同じ電源から供給することにより構成を簡略化している。

このように、本実施形態ではＤＣバイアス電圧をＤＣバイアス用相互作用部２１のみならず、ＲＦ電気信号を印加する相互作用部２０にも供給している。従って、ＤＣバイアス電圧にとってはその相互作用部の長さがＬ_４＋Ｌ_５になる。さらに、図２に示したように、ＤＣバイアス用相互作用部２１では、中心導体１９ａと接地導体１９ｂ、１９ｃがｘ−カットＬＮ基板１に直接接触している。

ＤＣバイアス半波長電圧Ｖπ_ＤＣについては、図１７に示したＳｉＯ_２バッファ層がなく中心導体１９ａと接地導体１９ｂ、１９ｃがｘ−カットＬＮ基板１に直接接触している場合には、図８に示したＳｉＯ_２バッファ層２を介してＤＣバイアス電圧を供給する場合よりも著しく低くなる。つまり、中心導体１９ａと接地導体１９ｂ、１９ｃがｘ−カットＬＮ基板１に直接接触する場合には、ＤＣバイアス半波長電圧Ｖπ_ＤＣは低く、たとえＤＣバイアス用相互作用部２１の長さＬ_５が短くても効果的にＤＣバイアス電圧を供給できる。従って、ＤＣバイアス用相互作用部２１にＤＣバイアス電圧を印加することにより、相互作用部２０にのみＤＣバイアス電圧を印加するよりも光変調器全体としてのＤＣバイアス半波長電圧Ｖπ_ＤＣを下げることができる。

このように、ＤＣバイアス電圧を印加するための相互作用部の全長さがＬ_４＋Ｌ_５と第１と第２の従来技術よりも長くなり、必要なＤＣバイアス電圧を低く設定できる。つまり、相互作用部２０とＤＣバイアス用相互作用部に印加されるＤＣバイアス電圧も下げることができる。従って、相互作用部２０においてＳｉＯ_２バッファ層２に起因するＤＣドリフトとＤＣバイアス用相互作用部２１におけるｘ−カットＬＮ基板に起因するＤＣドリフトの双方を同時に低減できることを意味している。さらに、ＲＦ電気信号を印加する相互作用部２０の長さＬ_４も第１の従来技術の程度には長くとれるので、３ｄＢ光変調帯域Δｆも広くできることになる。

図１に示した本発明の第１の実施形態と図４と図１５に各々示した第１の従来技術と第２の従来技術によるｘ−カットＬＮ光変調器の特性を表１にまとめている。この表からわかるように、本実施形態では３ｄＢ光変調帯域Δｆ、ＲＦ電気信号半波長電圧Ｖπ_ＲＦ、ＤＣバイアス半波長電圧Ｖπ_ＤＣともにより改善された特性を実現することができた。特に、ＤＣバイアス半波長電圧Ｖπ_ＤＣが低いので、高い信頼性を実現できるという優れた利点がある。

［第２の実施形態］
図３には本発明の第２の実施形態の光変調器について模式的な上面図を示す。図１に示した本発明の第１の実施形態の光変調器が具備していた中心導体４ａ、接地導体４ｂ、４ｃからなりＲＦ電気信号とＤＣバイアス電圧を印加する長さＬ_６の相互作用部２５と、中心導体２３ａ、接地導体２３ｂ、２３ｃからなりＤＣバイアス電圧を印加する長さＬ_７のバイアス電極を有するＤＣバイアス用相互作用部２６（ここでは第１のＤＣバイアス用相互作用部と呼ぶ）に加えて、本発明ではさらに、中心導体２４ａと接地導体２４ｂ、２４ｃからなるとともにＤＣバイアスを印加する長さＬ_８のバイアス電極を有するＤＣバイアス用相互作用部２７（第２のＤＣバイアス用相互作用部と呼ぶ）も具備している。なお、第１のＤＣバイアス用相互作用部２６と第２のＤＣバイアス用相互作用部２７の断面は図２（あるいは図１６）と同様である。

第１のＤＣバイアス用相互作用部２６と第２のＤＣバイアス用相互作用部２７を構成する各々のバイアス電極の中心導体２３ａと２４ａを電気的な結線３１で接続し、かつＲＦ電気信号とＤＣバイアス電圧を同時に印加する相互作用部２５の中心導体４ａとも電気的な結線３０で接続しておけば、ＤＣ電源１４は１つのみで済むので好適である。なお、第１のＤＣバイアス用相互作用部２６と第２のＤＣバイアス用相互作用部２７の中心導体２３ａと２４ａを電気的に接続する場合、相互作用部２５の中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間のギャップを避けて配線するのが望ましい。

また、接地導体２３ｂ、２３ｃ、２４ｂ、２４ｃはお互いに電気的に接続した後、あるいは直接に（不図示の）金属筐体をアースとして接続すれば好都合である。通常バイアスはＤＣもしくは極めて低周波であるので、このように電極を引き回して接続してもなんら問題が生じることはない。但し、中心導体４ａ、２３ａと２４ａに異なる電源からバイアス電圧を供給しても良いことは言うまでもない。

図３に示した本発明の第２の実施形態ではＤＣバイアス電圧を印加する領域の長さの総和がＬ_６＋Ｌ_７＋Ｌ_８と大幅に長くできる。あるいは、その長さの一部を相互作用部２５に割り振り、その長さＬ_６を長くすることもできる。その結果、表１に示すように、本発明の第２の実施形態では、ＤＣバイアス半波長電圧Ｖπ_ＤＣを低減できるばかりでなく、３ｄＢ光変調帯域Δｆも改善できる。

前述のように、一般に、ＲＦ電気信号用相互作用部の長さを長くできれば、進行波電極４の直下に形成するバッファ層の厚みを厚くすることが可能となる。従って、マイクロ波と光の速度を近づけるとともに光変調器の特性インピーダンスをドライバーの特性インピーダンスに近づけることができ、変調性能が向上する。

また、ＤＣバイアス半波長電圧Ｖπ_ＤＣを低減されると、相互作用部２５に印加するＤＣバイアス電圧も低くでき、ＳｉＯ_２バッファ層２に起因するＤＣドリフトも抑制できる。さらに、中心導体２３ａ、２４ａ、接地導体２３ｂ、２３ｃ、２４ｂ、２４ｃが直接ｘ−カットＬＮ基板１に接触しているＤＣバイアス用相互作用部の総和が長くなれば、ｘ−カットＬＮ基板１内のＤＣ電界強度を低くすることができるのでｘ−カットＬＮ基板１におけるＤＣドリフトを低減することが可能となる。

［各実施形態について］
なお、ｘ−カットＬＮ基板の代わりにｚ−カット基板を使用する際には、ＤＣバイアス用相互作用部において光導波路の直上にバッファ層が必要となる。本発明ではＤＣバイアス用相互作用部の総和を長くとれるので、ＤＣバイアス電圧を低く設定できる。つまり、バッファ層内の電界強度も下げることができるので、ｚ−カットＬＮ基板内におけるＤＣドリフトのみならず、バッファ層に起因するＤＣドリフトも低減することが可能となる。

以上においては、進行波電極としてはＣＰＷ電極を例にとり説明したが、非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）や対称コプレーナストリップ（ＣＰＳ）などの各種進行波電極、あるいは集中定数型の電極でも良いことは言うまでもない。また、光導波路としてはマッハツェンダ型光導波路の他に、方向性結合器や直線など、その他の光導波路でも良いことは言うまでもない。

また、ＤＣバイアス相互作用部にはＲＦ電界は印加されないので、ＤＣバイアス用相互作用部の特性インピーダンスは考える必要はなく、ＤＣバイアス用相互作用部の中心導体の幅はＲＦ電気信号用相互作用部の中心導体の幅よりも広くする、あるいはＤＣバイアス用相互作用部における中心導体と接地導体の間のギャップをＲＦ電気信号用相互作用部における中心導体と接地導体の間のギャップよりも狭くすることが可能であることは言うまでもない。

また、以上の実施形態においては、ｘ−カット，ｙ−カットもしくはｚ−カットの面方位、即ち、基板表面（カット面）に対して垂直な方向に結晶のｘ軸、ｙ軸もしくはｚ軸を持つ基板でも良いし、以上に述べた各実施形態での面方位を主たる面方位とし、これらに他の面方位が副たる面方位として混在しても良いし、ＬＮ基板のみでなく、リチウムタンタレートや半導体などその他の基板でも良いことは言うまでもない。

以上のように、本発明に係る光変調器は、高速で駆動電圧が低く、かつＤＣバイアス電圧が小さく、製作の歩留まりの良い光変調器として有用である。

本発明の第１の実施形態における光変調器の模式的な上面図 本発明の第１の実施形態の光変調器を表す図１のＣ−Ｃ’線における断面図 本発明の光変調器における第２の実施形態の模式的な上面図 第１の従来技術の斜視図 第１の従来技術を表す図４のＡ−Ａ’線における断面図 第１の従来技術の模式的な上面図 一般の光変調器の動作を説明する図 一般の光変調器のＶπ_ＲＦ、Ｖπ_ＤＣとＬ_１との関係を示す図 一般の光変調器のΔｆとＬ_１との関係を示す図 一般の光変調器のΔｆとｎ_ｍとの関係を示す図 一般の光変調器のｎ_ｍとＤとの関係を示す図 一般の光変調器のΔｆとＤとの関係を示す図 バッファ層の内部電界強度とバッファ層に起因するＤＣドリフトを説明する図 ＤＣバイアス用相互作用部の長さとバッファ層に起因するＤＣドリフトを説明する図 第２の従来技術の模式的な上面図 第２の従来技術のＢ−Ｂ’線における断面図 一般の光変調器のＶπ_ＤＣとＬ_３との関係を示す図 一般の光変調器のＶπ_ＲＦとＬ_２との関係を示す図 ＤＣバイアス用相互作用部の長さとｘ−カットＬＮ基板に起因するＤＣドリフトを説明する図

符号の説明

１：ｘ−カットＬＮ基板（基板）
２：ＳｉＯ_２バッファ層（バッファ層）
３：光導波路
３ａ、３ｂ：相互作用部の光導波路（光導波路）
４：進行波電極
４ａ：中心導体
４ｂ、４ｃ：接地導体
１０：コンデンサー
１１：電気信号源
１２：電気的な終端
１３：コンデンサー
１４：ＤＣ電源
１５：相互作用部
１６ａ：中心導体
１６ｂ、１６ｃ：接地導体
１７：ＲＦ電気信号用相互作用部
１８：ＤＣバイアス用相互作用部
１９ａ：中心導体
１９ｂ、１９ｃ：接地導体
２０：相互作用部
２１：相互作用部
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ：ＳｉＯ_２バッファ層
２３ａ：中心導体
２３ｂ、２３ｃ：接地導体
２４ａ：中心導体
２４ｂ、２４ｃ：接地導体
２５：相互作用部
２６：相互作用部
２７：相互作用部
３０、３１：電気的結線

Claims (1)

1. 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成され光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調する高周波電気信号を伝搬するための中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光にバイアス電圧を印加する中心導体及び接地導体からなるバイアス電極とを有し、
   前記光導波路には前記進行波電極に前記高周波電気信号が印加されることにより前記光の位相を変調するための高周波電気信号用相互作用部と、前記バイアス電極にバイアス電圧を印加することにより前記光の位相を調整するためのバイアス用相互作用部とが具備されている光変調器において、
   前記高周波電気信号用相互作用部を挟んで、前記光が伝搬する方向の前後に前記バイアス用相互作用部を具備し、当該バイアス用相互作用部を構成する各々の前記バイアス電極の中心導体が、前記高周波電気信号用相互作用部の中心導体と接地導体との間を除く位置で電気的に接続されてなり、
   前記高周波電気信号用相互作用部に設けた前記進行波電極の前記中心導体と前記バイアス用相互作用部に設けた前記バイアス電極の前記中心導体とが電気的に接続されてなり、
   接続すべき単一の電源から、前記光が伝搬する方向の前後に配置された前記バイアス用相互作用部の中心導体のうちの１つに前記バイアス電圧が印加されるとともに、前記高周波電気信号用相互作用部に設けた前記進行波電極の前記中心導体にも前記バイアス電圧が印加されることを特徴とする光変調器。

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