JP5145403B2 - Light modulator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気光学効果を利用して、光導波路に入射した光を高周波電気信号で変調して光信号パルスとして出射し、環境温度に対してDCバイアス電圧の変化が小さな光変調器に関する。 The present invention relates to an optical modulator that utilizes an electro-optic effect to modulate light incident on an optical waveguide with a high-frequency electrical signal and emit it as an optical signal pulse, with a small change in DC bias voltage with respect to ambient temperature.
近年、高速、大容量の光通信システムが実用化されている。このような高速、大容量の光通信システムに組込むための高速、小型、低価格、かつ高安定な光変調器の開発が求められている。 In recent years, high-speed and large-capacity optical communication systems have been put into practical use. There is a demand for the development of a high-speed, small, low-cost, and highly stable optical modulator for incorporation into such a high-speed, large-capacity optical communication system.
このような要望に応える光変調器として、リチウムナイオベート(LiNbO3)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、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)がある。このLN光変調器は、その優れたチャーピング特性から2.5Gbit/s、10Gbit/sの大容量光通信システムに適用されている。最近はさらに40Gbit/sの超大容量光通信システムにも適用が検討されている。 As an optical modulator that meets such demands, a light modulator such as lithium niobate (LiNbO 3 ) is used for a substrate having a so-called electro-optical effect (hereinafter abbreviated as an LN substrate) whose refractive index changes by applying an electric field. There is a traveling wave electrode type lithium niobate optical modulator (hereinafter abbreviated as an LN optical modulator) in which a waveguide and a traveling wave electrode are formed. This LN optical modulator is applied to a large capacity optical communication system of 2.5 Gbit / s and 10 Gbit / s because of its excellent chirping characteristics. Recently, application to a 40 Gbit / s ultra-high capacity optical communication system is also being studied.
以下、従来、実用化され、又は提唱されてきたリチウムナイオベートの電気光学効果を利用したLN光変調器について説明する。 Hereinafter, an LN optical modulator using the electro-optic effect of lithium niobate that has been put to practical use or has been proposed will be described.
(第1の従来技術)
特許文献1に開示された、z−カットLN基板を用いて構成した、いわゆるリッジ型LN光変調器を第1の従来技術の光変調器として図4にその概略斜視図を示す。ここで、図5は図4の概略上面図であり、図6は図4と図5のA−A´線における概略断面図である。
(First prior art)
FIG. 4 shows a schematic perspective view of a so-called ridge type LN optical modulator disclosed in
z−カットLN基板1上に光導波路3が形成されている。この光導波路3は、金属Tiを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。したがって、光導波路3の電気信号と光が相互作用する部位(相互作用部と言う)には2本の相互作用光導波路3a、3b、つまりマッハツェンダ光導波路の2本のアームが形成されている。
An
この光導波路3の上面にSiO2バッファ層2が形成され、このSiO2バッファ層2の上面に導電層5を介して進行波電極4が形成されている。導電層5はz−カットLN基板1を用いて製作したLN光変調器に特有の焦電効果に起因する温度ドリフトを抑圧するための導電層であり、通常はSi導電層を用いる。進行波電極4としては、1つの中心導体4aと2つの接地導体4b、4cを有するコプレーナウェーブガイド(CPW)を用いている。なお、通常、進行波電極4は貴金属材料であるAuにより形成されている。中心導体4aは各種の値をとるが、多くの場合7μm程度であり、中心導体4aと接地導体4b、4cの間のギャップも各種の値をとるが、15μm程度であることが多い。なお、説明を簡単にするために、図4では図示した温度ドリフト抑圧のためのSi導電層5を図5や図6においては省略している。また、以下においてもSi導電層5は省略して議論する。6は高周波電気信号(あるいは、マイクロ波)の給電線であり、高周波コネクタやマイクロ波線路である。7は高周波電気信号の出力線路であり、通常電気的終端が使われるが、高周波コネクタやマイクロ波線路でも良い。
A SiO 2 buffer layer 2 is formed on the upper surface of the
また、図5のIとして示された領域では、中心導体4aと接地導体4b、4cとを伝搬する高周波電気信号と2本の相互作用光導波路3a、3bを伝搬する光とが相互作用するので、高周波電気信号用相互作用部(あるいは簡単に相互作用部)と呼ばれる。
Further, in the region shown as I in FIG. 5, the high-frequency electrical signal propagating through the
この第1の従来技術では、z−カットLN基板1をエッチングなどで掘り込むことにより、凹部9a、9b、及び9c(あるいは、リッジ部8a、8bとも言える)を形成している。ここで、12はリッジ部(ここでは8a)の側壁である。
In the first prior art, the
このリッジ構造をとることにより、高周波電気信号(あるいは、マイクロ波)の実効屈折率(あるいは、マイクロ波実効屈折率)、特性インピーダンス、変調帯域、駆動電圧などにおいて優れた特性を実現することができる。なお、図6では凹部9a、9b、及び9cの深さ(あるいはリッジ部8a、8bの高さ)を強調して描いているが、実際には数μm程度の深さであり、中心導体4aや接地導体4b、4cの厚み数十μmに比較するとその値は小さい。
By adopting this ridge structure, it is possible to realize excellent characteristics in the effective refractive index (or microwave effective refractive index), characteristic impedance, modulation band, driving voltage, etc. of a high-frequency electric signal (or microwave). . In FIG. 6, the depth of the
次に、この第1の従来技術からなる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バイアス電圧と高周波電気信号とを印加する必要がある。
Next, the operation of the LN optical modulator according to the first prior art will be described. In order to operate this LN optical modulator, it is necessary to apply a DC bias voltage and a high-frequency electric signal between the
図7に示す電圧−光出力特性はLN光変調器の電圧−光出力特性であり、Vbはその際の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。この第1の従来技術では高周波電気信号と光とが相互作用する相互作用部IにDCバイアス電圧も印加するので、高周波電気信号の出力部に設ける不図示の電気的終端にコンデンサーを具備させることによりバイアスTの機能を持たせる必要があり、構造が複雑となってしまう。 The voltage-light output characteristic shown in FIG. 7 is the voltage-light output characteristic of the LN optical modulator, and Vb is the DC bias voltage at that time. As shown in FIG. 7, the DC bias voltage Vb is normally set at the midpoint between the peak and bottom of the light output characteristic. In the first prior art, a DC bias voltage is also applied to the interaction part I where the high-frequency electrical signal and light interact, so that a capacitor is provided at the electrical terminal (not shown) provided at the output part of the high-frequency electrical signal. Therefore, it is necessary to provide the function of the bias T, and the structure becomes complicated.
(第2の従来技術)
図8は第2の従来技術であり、第1の従来技術において必要であったバイアスTを無くすために、不図示の電気的終端を抵抗のみとし、DCバイアスを新たに設けたDCバイアス用相互作用部(あるいは簡単にDCバイアス部)IIに印加する構造とした、いわゆるバイアス分離構造のLN光変調器である。この構造では高周波電気信号が相互作用光導波路3a、3bと相互作用する高周波電気信号用相互作用部Iと、DCバイアス電圧が相互作用光導波路3a、3bに印加されるDCバイアス部IIを具備しており、バイアス分離型構造と呼ばれる。その一例が特許文献2に開示されている。
(Second prior art)
FIG. 8 shows the second prior art. In order to eliminate the bias T required in the first prior art, the electrical termination (not shown) includes only a resistor, and a DC bias is newly provided with a DC bias. This is an LN optical modulator having a so-called bias separation structure that is applied to the action part (or simply the DC bias part) II. This structure includes a high-frequency electrical signal interaction unit I in which a high-frequency electrical signal interacts with the interaction
図8のB−B´とC−C´における断面図を各々図9(a)と(b)に示す。ここで、4a´は中心導体、4b´と4c´は接地導体である。9a´、9b´、及び9c´はDCバイアス部の凹部であり、リッジ部8a´、8b´を形成している。11aと11bはDCバイアス電極である。
Sectional views taken along the lines BB ′ and CC ′ of FIG. 8 are shown in FIGS. Here, 4a ′ is a central conductor, and 4b ′ and 4c ′ are ground conductors.
ここで、図8、図9に示した第2の従来技術の問題点について考察する。図9(a)に示した相互作用部Iについては特許文献3に開示された構造により温度ドリフトを抑圧できる。その一方、この特許文献3の構造はDCバイアス電極11a、11bの厚みが数十μmと厚く形成されている。従って、環境温度が変化した際に、DCバイアス電極11a、11bを構成するAu、SiO2バッファ層2、及びLN基板1の熱膨張係数が互いに大きく異なるため、DCバイアス電圧が変化するいわゆる温度ドリフトが発生する。この場合、特にAuの影響が大きい。
Here, the problem of the second prior art shown in FIGS. 8 and 9 will be considered. Regarding the interaction part I shown in FIG. 9A, the temperature drift can be suppressed by the structure disclosed in
以上のように、DCバイアス部における温度ドリフトを抑えることが、LN光変調器全体としての温度ドリフト抑圧に必要とされる。 As described above, suppressing the temperature drift in the DC bias section is necessary for suppressing the temperature drift of the entire LN optical modulator.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、DCバイアス部における簡易で効果的な温度ドリフト抑圧の構造を有する光変調器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide an optical modulator having a simple and effective temperature drift suppression structure in a DC bias section.
上記課題を解決するために、本発明の請求項1に記載の光変調器は、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と、前記光にバイアス電圧を印加するための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を印加す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、前記高周波電気信号用相互作用部と前記バイアス用相互作用部の両方に前記基板の少なくとも一部を掘り下げることにより形成した凹部により構成されるリッジ部を具備し、温度ドリフトを抑圧するよう、前記バイアス電極が3.8μm以下の所定厚さでなることを特徴としている。
In order to solve the above problems, an optical modulator according to
上記課題を解決するために、本発明の請求項2に記載の光変調器は、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と、前記光にバイアス電圧を印加するための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を印加す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、前記高周波電気信号用相互作用部と前記バイアス用相互作用部の両方に前記基板の少なくとも一部を掘り下げることにより形成した凹部により構成されるリッジ部を具備し、温度ドリフトを抑圧するよう、前記バイアス電極が0.5μm以下の所定厚さでなることを特徴としている。
In order to solve the above problems, an optical modulator according to
上記課題を解決するために、本発明の請求項3に記載の光変調器は、請求項1または2に記載の光変調器において、少なくとも、前記バイアス用相互作用部の前記光導波路の上方に形成された前記バイアス電極が、前記所定厚さでなることを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problem, an optical modulator according to a third aspect of the present invention is the optical modulator according to the first or second aspect, wherein at least the optical waveguide of the bias interaction unit is above the optical waveguide. The formed bias electrode has the predetermined thickness.
上記課題を解決するために、本発明の請求項4に記載の光変調器は、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の光変調器において、前記バイアス電極の前記所定厚さが100Å以上であることを特徴としている。 In order to solve the above problems, an optical modulator according to a fourth aspect of the present invention is the optical modulator according to any one of the first to third aspects, wherein the predetermined thickness of the bias electrode is 100 mm. It is characterized by the above.
本発明に係る光変調器では、DCバイアス部におけるDCバイアス電極の厚みを3.5μm以下、好適には0.5μm以下の所定厚さとすることにより、著しく温度ドリフトが抑圧された極めて簡易で製作が容易な光変調器を提供できるという優れた利点がある。 In the optical modulator according to the present invention, the thickness of the DC bias electrode in the DC bias unit is set to a predetermined thickness of 3.5 μm or less, preferably 0.5 μm or less, and thus the temperature drift is remarkably suppressed and the manufacturing is extremely simple. However, there is an excellent advantage that an easy optical modulator can be provided.
以下、本発明の実施形態について説明するが、図4から図9に示した従来技術と同一の符号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一の符号を持つ機能部の説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. However, since the same reference numerals as those in the prior art shown in FIGS. 4 to 9 correspond to the same functional units, description of the functional units having the same reference numerals is omitted here. To do.
(第1の実施形態)
図1は本発明における第1の実施形態の上面図である。図1のD−D´とE−E´における断面図を各々図2(a)、(b)に示す。高周波電気信号用相互作用部Iに対応する図2(a)からわかるように、第1の従来技術や第2の従来技術と同様に、中心導体4a´と接地導体4b´、4c´とからなる進行波電極を伝搬する高周波電気信号の実効屈折率が高周波電気信号用相互作用光導波路3bを伝搬する光の等価屈折率に近くなるように、中心導体4a´と接地導体4b´、4c´の厚みは厚い。
(First embodiment)
FIG. 1 is a top view of a first embodiment of the present invention. 2A and 2B are sectional views taken along line DD 'and EE' in FIG. 1, respectively. As can be seen from FIG. 2 (a) corresponding to the high-frequency electrical signal interaction section I, the
一方、図2(b)からわかるように、DCバイアス部IIのDCバイアス電極11a´、11b´の厚みは薄い。図3にはLN光変調器の環境温度が25℃から80℃まで変化した際におけるDCバイアスの変化、いわゆる温度ドリフトを示す。図からわかるようにDCバイアス電極11a´、11b´の厚みを3.8μm以下にすると温度ドリフト抑圧の効果が大きく、さらにDCバイアス電極11a´、11b´の厚みを0.5μm以下にすると著しい効果があることがわかる。一方、DCバイアス電極11a´、11b´の厚みは、メタルの強度を保持するために100Å以上で形成するとよい。
On the other hand, as can be seen from FIG. 2B, the thickness of the
なお、全てのDCバイアス電極についてそれらの厚みを薄くすることが好ましいが、特に相互作用光導波路3a、3bの上方にあるDCバイアス電極の影響が特に大きいので、それらの厚みを薄くすることが好ましい。つまり、最も好適には、DCバイアス電極をいわゆる相互作用部Iの中心導体4a´と接地導体4b´、4c´をメッキするために使用する下地電極程度の厚みとすることにより、(下地電極がDCバイアス電極を成すことになるために)DCバイアス電極を形成する必要がないので、短い工数で光変調器を作ることができる。
Although it is preferable to reduce the thickness of all the DC bias electrodes, the influence of the DC bias electrodes above the interaction
(各実施形態)
分岐光導波路の例としてマッハツェンダ光導波路を用いたが、方向性結合器などその他の分岐合波型の光導波路にも本発明を適用可能であることは言うまでもなく、本発明の思想は3本以上の光導波路にも適用可能である。また光導波路の形成法としてはTi熱拡散法の他に、プロトン交換法など光導波路の各種形成法を適用できるし、バッファ層としてAl2O3等のSiO2以外の各種材料も適用できる。
(Each embodiment)
Although the Mach-Zehnder optical waveguide is used as an example of the branched optical waveguide, it goes without saying that the present invention can be applied to other branched / multiplexed optical waveguides such as a directional coupler. The present invention is also applicable to the optical waveguide. As a method for forming the optical waveguide, various methods for forming the optical waveguide such as a proton exchange method can be applied in addition to the Ti thermal diffusion method, and various materials other than SiO 2 such as Al 2 O 3 can be applied as the buffer layer.
また、本発明はDCバイアス部の電極構造に依存せず、CPW構造や非対称コプレーナストリップ(ACPS)構造、あるいは対称コプレーナストリップ(CPS)構造など、各種の電極構造について成り立つことはいうまでもない。 In addition, the present invention does not depend on the electrode structure of the DC bias unit, and it goes without saying that the present invention can be applied to various electrode structures such as a CPW structure, an asymmetric coplanar strip (ACPS) structure, and a symmetric coplanar strip (CPS) structure.
1:z−カットLN基板(LN基板)
2:SiO2バッファ層(バッファ層)
3:マッハツェンダ光導波路(光導波路)
3a、3b:マッハツェンダ光導波路を構成する相互作用光導波路
4:進行波電極
4a、4a´:中心導体
4b、4b´、4c、4c´:接地導体
5:Si導電層
6:高周波電気信号給電線
7:高周波電気信号出力線
8a、8b:相互作用部Iにおけるリッジ部
8a´、8b´:DCバイアス部IIにおけるリッジ部
9a、9b、9c:相互作用部Iにおける凹部
9a´、9b´、9c´:DCバイアス部IIにおける凹部
11a、11b、11a´、11b´:DCバイアス電極
I:高周波電気信号用相互作用部(相互作用部)
II:DCバイアス用相互作用部(DCバイアス部)
1: z-cut LN substrate (LN substrate)
2: SiO 2 buffer layer (buffer layer)
3: Mach-Zehnder optical waveguide (optical waveguide)
3a, 3b: interaction optical waveguide constituting Mach-Zehnder optical waveguide 4: traveling
II: DC bias interaction section (DC bias section)
Claims (4)
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を印加す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、
前記高周波電気信号用相互作用部と前記バイアス用相互作用部の両方に前記基板の少なくとも一部を掘り下げることにより形成した凹部により構成されるリッジ部を具備し、
温度ドリフトを抑圧するよう、前記バイアス電極が3.8μm以下の所定厚さでなることを特徴とする光変調器。 A substrate having an electro-optic effect, an optical waveguide for guiding light formed on the substrate, and a high-frequency electric signal formed on one surface side of the substrate for applying a high-frequency electric signal for modulating the light A traveling wave electrode composed of a center conductor and a ground conductor for electrical signals, and a bias electrode composed of a center conductor and a ground conductor for applying a bias voltage to the light,
The optical waveguide has a high frequency electrical signal interaction unit for modulating the phase of the light by applying the high frequency electrical signal to the traveling wave electrode, and a bias voltage to the bias electrode to apply the light. And a bias interaction unit for adjusting the phase of
Comprising a ridge portion constituted by a recess formed by digging up at least a part of the substrate in both the high-frequency electrical signal interaction portion and the bias interaction portion;
The optical modulator, wherein the bias electrode has a predetermined thickness of 3.8 μm or less so as to suppress temperature drift.
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を印加す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、
前記高周波電気信号用相互作用部と前記バイアス用相互作用部の両方に前記基板の少なくとも一部を掘り下げることにより形成した凹部により構成されるリッジ部を具備し、
温度ドリフトを抑圧するよう、前記バイアス電極が0.5μm以下の所定厚さでなることを特徴とする光変調器。 A substrate having an electro-optic effect, an optical waveguide for guiding light formed on the substrate, and a high-frequency electric signal formed on one surface side of the substrate for applying a high-frequency electric signal for modulating the light A traveling wave electrode composed of a center conductor and a ground conductor for electrical signals, and a bias electrode composed of a center conductor and a ground conductor for applying a bias voltage to the light,
The optical waveguide has a high frequency electrical signal interaction unit for modulating the phase of the light by applying the high frequency electrical signal to the traveling wave electrode, and a bias voltage to the bias electrode to apply the light. And a bias interaction unit for adjusting the phase of
Comprising a ridge portion constituted by a recess formed by digging up at least a part of the substrate in both the high-frequency electrical signal interaction portion and the bias interaction portion;
The optical modulator, wherein the bias electrode has a predetermined thickness of 0.5 μm or less so as to suppress temperature drift.
3. The optical modulator according to claim 1, wherein at least the bias electrode formed above the optical waveguide of the bias interaction unit has the predetermined thickness. 4.
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