JP4926423B2

JP4926423B2 - 光変調器

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Publication number: JP4926423B2
Application number: JP2005217450A
Authority: JP
Inventors: 健治河野; 雅也名波; 勇治佐藤; 靖二内田; 信弘五十嵐; 武本藤
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2025-07-27
Also published as: JP2007033894A

Description

本発明は高速で消光比が大きく、また駆動電圧とＤＣバイアス電圧が小さ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。

［従来技術］
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。ここでは、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５に示す。図６は図５のＡ−Ａ’における断面図である。

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は透明な２００ｎｍから１μｍ程度の厚みのＳｉＯ_２バッファ層、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。

図６において、Ｗ_ａとＷ_ｂは相互作用光導波路３ａと３ｂの幅で、この従来技術では２本の相互作用光導波路３ａと３ｂの幅は等しい（つまり、Ｗ_ａ＝Ｗ_ｂで、例えばＷ_ａ、Ｗ_ｂとも９μｍ）。Ｇ_ｗｇは相互作用光導波路３ａと３ｂの間の距離（導波路ギャップとも言う）であり、例えば１６μｍである。また、Ｓ_ｗｇは相互作用光導波路３ａと３ｂの中心間の距離である（この例の場合には２５μｍとなる）。Δは中心導体４ａのエッジと相互作用光導波路３ａ、もしくは３ｂの中心との距離である（この図では中心導体４ａのエッジと相互作用光導波路３ｂの中心との距離としている）。

図７には光導波路３についてのみの上面図を示している。ここで、相互作用光導波路３ａ、３ｂの長さをＬとする。なお、この図７は光導波路のみではあるが、図５の斜視図におけるＡ−Ａ’に対応する位置にＡ−Ａ’と記している。

この従来技術では、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、バッファ層２は電気信号のマイクロ波実効屈折率ｎ_ｍを相互作用光導波路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。

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ＤＣバイアス電圧とＲＦ電気信号とを印加する。

図８は、ある状態での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８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９には、半波長電圧Ｖπと相互作用光導波路の長さＬとの積（Ｖπ・Ｌと呼ばれ、駆動電圧を考える上で尺度となる）と中心導体４ａのエッジと相互作用光導波路３ｂの中心との距離Δとの関係を示す。この計算では、光導波路３ａ、３ｂ間のギャップＧ_ｗｇを変化させることによりΔの値を決定している。図９から、中心導体４ａのエッジと相互作用光導波路３ｂの中心との距離Δはある程度小さいほうが良く、さらには最適値が存在することがわかる。

そこで、駆動電圧を下げるために、中心導体４ａのエッジと相互作用光導波路３ｂ（及び３ａ）の中心との距離Δを小さくしようとすると、相互作用光導波路３ａ、３ｂ間のギャップＧ_ｗｇが小さくなる。ところが、図１０に示すように、相互作用光導波路３ａ、３ｂ間のギャップＧ_ｗｇが小さくなると、相互作用光導波路３ａ、３ｂ間の結合度が著しく大きくなり、光をＯＮ／ＯＦＦした際のパワー、即ち消光比の劣化を生じるという問題があった。

以上のように、駆動電圧を下げるために、従来技術のように、２本の相互作用光導波路を中心導体に近づけると、２本の相互作用光導波路が互いに近づく。そのため、光が結合し、結果的に消光比の劣化を生じてしまうという問題があった。

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、電気光学効果を有しｘ−カットもしくはｙ−カットの少なくとも一方の面方位を有する基板と、該基板に形成された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、前記光を変調するための高周波電気信号を印加するための高周波電気信号用の中心導体及び接地導体からなる進行波電極を備えた相互作用部を有し、前記光導波路は前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光の位相を変調するための少なくとも２本の相互作用光導波路を含むマッハツェンダ光導波路を具備する光変調器において、前記進行波電極の中心導体が、前記相互作用部において分岐されて隔置されて設けられ、前記２本の相互作用光導波路は、前記隔置された各々の中心導体のエッジと各々の前記相互作用光導波路の中心との距離Δが駆動電圧を低減する所定距離にして、半波長電圧Ｖπと相互作用光導波路の長さＬとの積Ｖπ・Ｌと前記Δとの相関関係において前記Δが大きくなるにつれて前記Ｖπ・Ｌが極小値を持った下に凸の特性を持ち、当該Ｖπ・Ｌが当該極小値近傍になる場合の前記Δである当該所定距離となるとともに、前記２本の相互作用光導波路をそれぞれ伝搬する前記光の結合が疎となるように、前記中心導体の直下から互いに離れる方向にずれた位置に形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項２の光変調器は、請求項１に記載の光変調器において、前記２本の相互作用光導波路間のギャップが１８μｍ以上であることを特徴とする。

本発明の請求項３の光変調器は、請求項１または２に記載の光変調器において、分岐された前記中心導体が、前記相互作用部の前後において一体化されていることを特徴とする。

請求項１および２の発明では、進行波電極を伝搬するＲＦ電気信号と、マッハツェンダ光導波路を伝搬する光が互いに相互作用する相互作用領域において、中心導体を２分割するとともにそれらを隔置している。そのため相互作用領域の２本の相互作用光導波路も隔置できるので、２本の相互作用光導波路が方向性結合器を成すことを抑制できる。その結果、２本の相互作用光導波路が方向性結合器を構成することに起因する光変調器としての消光比を含めた特性劣化を抑えることが可能となる。さらに、２分割した中心導体の近くに相互作用光導波路の各々を配置できるので、光変調器としての駆動電圧を低減できる利点もある。

請求項３の発明では、２分割した中心導体が相互作用領域の長手方向における前後において一体化しているので、相互作用部において光と相互作用したＲＦ電気信号を電気的終端で処理する、あるいはコネクタで外部に出力することを容易としている。

以下、本発明の実施形態について説明するが、図５に示した従来技術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の実施形態の上面図を示す。そのＢ−Ｂ’における断面図を図２に示す。なお、本発明による光変調器の製作手順は図５に示した従来技術と同様である。

図中、５はマッハツェンダ光導波路で、５ａ、５ｂはマッハツェンダ光導波路のアームを構成する２本の相互作用光導波路である。６ａ、６ｂは中心導体、６ｃ、６ｄ、及び６ｅは接地導体である。７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは電気信号の電気力線である。

本実施形態の動作原理について説明する。まずマッハツェンダ光導波路５に入射した光は、２本の相互作用光導波路５ａ、５ｂに２分岐される。一方、中心導体６も６ａ、６ｂに２分岐されている。電気信号の電気力線は図２に示すように分布しており、従来のｘ−カットＬＮ光変調器と同様にプッシュプル動作が可能となる。

中心導体６は６ａ、６ｂに２分岐されているので、相互作用光導波路５ａ、５ｂが互いに結合しないように充分な距離で隔置することができる。この相互作用光導波路５ａ、５ｂの間の距離は図１０から決定できるが、図のＧ_ｗｇ’として一般に１８μｍかそれ以上あれば充分である。

さてここで重要なことがある。従来技術について図９を用いて説明したように、従来技術の中心導体４ａのエッジと光導波路３ｂ（３ａも同様である）の中央の間の距離Δには駆動電圧を低減する観点から最適値があった。しかしながら、従来技術においてこの最適値を実現しようとすると、相互作用光導波路３ａと３ｂが方向性結合器として動作してしまい、それぞれの相互作用光導波路３ａ、３ｂを導波する光が互いに結合してしまう。その結果、消光比劣化や光変調器としてのその他の特性を劣化させてしまっていた。

ところが、本発明では光導波路５ａ、５ｂが方向性結合器として動作しない程度の距離になるように中心導体６を６ａ、６ｂと分岐し、隔置できる。従って、２本の相互作用光導波路が方向性結合器として動作し、光変調器としての特性を劣化させることはない。

なお、図２において光導波路５ａ、５ｂは、電気力線７ａ、７ｄが光導波路５ａ、５ｂを横切るように配置したが、電気力線７ｂ、７ｃが横切るように配置しても良い。

［第２の実施形態］
図３は本発明の第２の実施形態である。本実施形態では第１の実施形態における接地導体６ｄを省略することにより、進行波電極をＣＰＷ型から非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）型としている。

［第３の実施形態］
図４は本発明の第３の実施形態である。本実施形態では中心導体８を８ａ、８ｂに分割して、相互作用光導波路５ａ、５ｂを伝搬する光との相互作用を終えたＲＦ電気信号を再度一体化した中心導体に伝搬させている。その後は、コネクタから光変調器の外部へ取り出しても良いし、電気的終端器により消費しても良い。

なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。

［各実施形態について］
以上においては、進行波電極としてはＣＰＷ電極とＡＣＰＳを用いて説明したが、その他の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、本発明を実施する上で、相互作用部における２本の光導波路の一部もしくは全部の幅を互いに異ならしめてもよい。相互作用部における２本の相互作用光導波路の幅を異ならしめ、かつその大小関係を相互作用部の長手方向において入れ替える場合には、電極の伝搬損失を考えて入れ替える長さを決定すると、変調された光のチャーピングを極めて小さくするのに有用である。

さらに、以上の実施形態においては、ｘ−カットもしくはｙ−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、もしくはｙ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、高速で消光比が大きく、また駆動電圧とＤＣバイアス電圧が小さい光変調器として有用である。

本発明の第１の実施形態によるＬＮ光変調器の上面図本発明の第１の実施形態のＢ−Ｂ’線における断面図本発明の第２の実施形態によるＬＮ光変調器の上面図本発明の第３の実施形態によるＬＮ光変調器の上面図従来技術によるＬＮ光変調器の斜視図従来技術によるＬＮ光変調器のＡ−Ａ’線における断面図従来技術の光導波路の上面図従来技術によるＬＮ光変調器の動作を説明する図Ｖπ・ＬとΔとの関係を示す図光の結合度とＧ_ｗｇとの関係を示す図

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、５：光導波路
３ａ、３ｂ、５ａ、５ｂ：相互作用光導波路
４、６：進行波電極
４ａ、６ａ、６ｂ、８ａ、８ｂ：中心導体
４ｂ、４ｃ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、８ｃ、８ｅ：接地導体
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ：電気力線

Claims

電気光学効果を有しｘ−カットもしくはｙ−カットの少なくとも一方の面方位を有する基板と、該基板に形成された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、前記光を変調するための高周波電気信号を印加するための高周波電気信号用の中心導体及び接地導体からなる進行波電極を備えた相互作用部を有し、前記光導波路は前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光の位相を変調するための少なくとも２本の相互作用光導波路を含むマッハツェンダ光導波路を具備する光変調器において、
前記進行波電極の中心導体が、前記相互作用部において分岐されて隔置されて設けられ、
前記２本の相互作用光導波路は、前記隔置された各々の中心導体のエッジと各々の前記相互作用光導波路の中心との距離Δが駆動電圧を低減する所定距離にして、半波長電圧Ｖπと相互作用光導波路の長さＬとの積Ｖπ・Ｌと前記Δとの相関関係において前記Δが大きくなるにつれて前記Ｖπ・Ｌが極小値を持った下に凸の特性を持ち、当該Ｖπ・Ｌが当該極小値近傍になる場合の前記Δである当該所定距離となるとともに、前記２本の相互作用光導波路をそれぞれ伝搬する前記光の結合が疎となるように、前記中心導体の直下から互いに離れる方向にずれた位置に形成されていることを特徴とする光変調器。
前記２本の相互作用光導波路間のギャップが１８μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
分岐された前記中心導体が、前記相互作用部の前後において一体化されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光変調器。