JP5171808B2 - 光位相変調器 - Google Patents
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Description
本発明は、光位相変調器に関するものである。
「IEICE TRABS.ELECTRON.,」VOL.E78−C,No.1,January 1995‘’Band Operation of Guided−Wave Light Modulators with Filter−Type Coplanar Electrodes”には、いわゆるACPS型電極を利用した光位相変調器が開示されている。この変調器では、ACPS型電極の接地電極と信号電極との間にチャンネル光導波路を形成し、光導波路に電圧を印加して伝搬光の位相を変調する。
一方、特開平2−269309号公報には、入射光の振幅を変調する振幅変調器において、マッハツェンダー型光導波路の一対の分岐導波路に対して、非対称コプレナー型電極から変調電圧を印加することが記載されている(図9)。このタイプの電極では、一対のギャップの各幅は異なっている。
特開2005−91698号公報では、入射光の振幅を変調する振幅変調器において、マッハツェンダー型光導波路の一対の分岐導波路に対して、非対称コプレナー型電極から変調電圧を印加することが記載されている。これによって、一対の分岐導波路に加わる電界強度を異ならせ、これによって各分岐導波路を伝搬する光の変調度を異ならせる。これによってチャープ特性を得ることを目的としている。
なお、特開2004−219600では、CPW型、ACPS型のマッハツェンダー光変調器において、接地電極と信号電極とのギャップGに対する信号電極の幅Wの比率W/Gを0.8以上とすること、特には2.5以上とすることによって、電極伝搬損失を低減できることを開示した。
一方、特開平2−269309号公報には、入射光の振幅を変調する振幅変調器において、マッハツェンダー型光導波路の一対の分岐導波路に対して、非対称コプレナー型電極から変調電圧を印加することが記載されている(図9)。このタイプの電極では、一対のギャップの各幅は異なっている。
特開2005−91698号公報では、入射光の振幅を変調する振幅変調器において、マッハツェンダー型光導波路の一対の分岐導波路に対して、非対称コプレナー型電極から変調電圧を印加することが記載されている。これによって、一対の分岐導波路に加わる電界強度を異ならせ、これによって各分岐導波路を伝搬する光の変調度を異ならせる。これによってチャープ特性を得ることを目的としている。
なお、特開2004−219600では、CPW型、ACPS型のマッハツェンダー光変調器において、接地電極と信号電極とのギャップGに対する信号電極の幅Wの比率W/Gを0.8以上とすること、特には2.5以上とすることによって、電極伝搬損失を低減できることを開示した。
本発明者は、動作安定性が高く、インピーダンス整合を行った上で、駆動電圧が低い光位相変調器を作製しようと試みてきた。例えば、「IEICE TRABS.ELECTRON.,」VOL.E78−C,No.1,January 1995‘’Band Operation of Guided−Wave Light Modulators with Filter−Type Coplanar Electrodes”の光位相変調器においては、電極の特性インピーダンスを同軸線路に整合させた上で、駆動電圧を低くすることは困難であった。さらに、コプレナー型電極のように信号線の両側をGND電極で挟まれるという構造でないため、高周波信号の電界閉じ込めが弱く、信号電極曲げ部及び高周波同軸ケーブルとの接続部等の不連続点を原因として高周波特性にリップルが発生しやすいという欠点があった。
特開平2−269309号公報、特開2005−91698号公報の各変調器は、光振幅を変調するさいに、電極の各ギャップ幅を異ならせることで各分岐導波路に加わる電界強度を異ならせ、これによって所望のチャープ特性を得るものである。しかし、チャープ特性を所望の特性に制御する必要があるのは振幅変調器であり、チャープ量が無限大に固定される光位相変調器には、チャープ量を制御するという概念は適用できない。また、ACPW型電極を使用しているので、振幅変調の際に、特性インピーダンスを整合させたときに、通常の対称型CPW電極を用いた場合と比べて駆動電圧は上昇するものである。
本発明の課題は、動作安定性が高く、インピーダンス整合を行った上で、駆動電圧が低い光位相変調器を提供することである。
本発明に係る光位相変調器は、
電気光学材料からなる基板、
基板上に設けられた信号電極、
信号電極を挟む第一および第二の接地電極、および
第一の接地電極と信号電極との間の第一ギャップに設けられた光導波路を備えている光位相変調部を備えており、
第一の接地電極と信号電極との間の第一ギャップの大きさG1が、第二の接地電極と信号電極との間の第二ギャップの大きさG2よりも小さく、第二ギャップに光導波路が設けられておらず、第一の接地電極と信号電極との間に変調電圧を印加することによって、光導波路を伝搬する光の位相を変調することを特徴とする。
本発明によれば、第一の接地電極と信号電極との間の第一ギャップの大きさG1が、第二の接地電極と信号電極との間の第二ギャップの大きさG2よりも小さくなるようにした上で、第二ギャップに光導波路を設けない。そして、第一の接地電極と信号電極との間に変調電圧を印加することによって、第一ギャップに設けられた光導波路を伝搬する光の位相を変調する。
このように、第一ギャップに光導波路を設けることで、動作安定性を高くできる。そして、第一ギャップ幅を第二ギャップ幅よりも小さくし、光導波路を幅の狭い第一ギャップ内に設け、幅の広い第二ギャップに設けないようにしている。第一ギャップでは、幅が狭いことから、ギャップ内の光導波路に加わる電界強度は大きくなり、所定の位相変調に必要な駆動電圧は、通常の対称型CPW電極を用いた場合と比較して低下する。一方、幅の広い第二ギャップ内の光導波路に加わる電界強度は小さくなるが、光位相変調であるので第二ギャップ内には光導波路を形成しない。そして、幅の広い第二ギャップを設けることによって、電極の特性インピーダンスを大きくし、インピーダンス整合を容易に図ることができる。さらに、信号電極を2つのGND電極で挟むことにより、電界の閉じ込めを強くし、リップルのない良好な高周波特性を実現することが出来る。
「IEICE TRABS.ELECTRON.,」VOL.E78−C,No.1,January 1995‘’Band Operation of Guided−Wave Light Modulators with Filter−Type Coplanar Electrodes”記載の光位相変調器では、特性インピーダンスを整合を図るためにギャップを大きくすると、位相変調に必要な駆動電圧は上昇する。
特開平2−269309号公報、特開2005−91698号公報記載のチャープ光振幅変調器では、幅の狭いギャップと幅の広いギャップとにおける光変調度の差を利用してチャープ特性を得る変調器であるので、幅の広いギャップを設けることで振幅変調に必要な駆動電圧は上昇してしまう。また、幅の広いほうのギャップにマッハツェンダー導波路の片側の分岐導波路を設けないと振幅変調が不可能である。
特開平2−269309号公報、特開2005−91698号公報の各変調器は、光振幅を変調するさいに、電極の各ギャップ幅を異ならせることで各分岐導波路に加わる電界強度を異ならせ、これによって所望のチャープ特性を得るものである。しかし、チャープ特性を所望の特性に制御する必要があるのは振幅変調器であり、チャープ量が無限大に固定される光位相変調器には、チャープ量を制御するという概念は適用できない。また、ACPW型電極を使用しているので、振幅変調の際に、特性インピーダンスを整合させたときに、通常の対称型CPW電極を用いた場合と比べて駆動電圧は上昇するものである。
本発明の課題は、動作安定性が高く、インピーダンス整合を行った上で、駆動電圧が低い光位相変調器を提供することである。
本発明に係る光位相変調器は、
電気光学材料からなる基板、
基板上に設けられた信号電極、
信号電極を挟む第一および第二の接地電極、および
第一の接地電極と信号電極との間の第一ギャップに設けられた光導波路を備えている光位相変調部を備えており、
第一の接地電極と信号電極との間の第一ギャップの大きさG1が、第二の接地電極と信号電極との間の第二ギャップの大きさG2よりも小さく、第二ギャップに光導波路が設けられておらず、第一の接地電極と信号電極との間に変調電圧を印加することによって、光導波路を伝搬する光の位相を変調することを特徴とする。
本発明によれば、第一の接地電極と信号電極との間の第一ギャップの大きさG1が、第二の接地電極と信号電極との間の第二ギャップの大きさG2よりも小さくなるようにした上で、第二ギャップに光導波路を設けない。そして、第一の接地電極と信号電極との間に変調電圧を印加することによって、第一ギャップに設けられた光導波路を伝搬する光の位相を変調する。
このように、第一ギャップに光導波路を設けることで、動作安定性を高くできる。そして、第一ギャップ幅を第二ギャップ幅よりも小さくし、光導波路を幅の狭い第一ギャップ内に設け、幅の広い第二ギャップに設けないようにしている。第一ギャップでは、幅が狭いことから、ギャップ内の光導波路に加わる電界強度は大きくなり、所定の位相変調に必要な駆動電圧は、通常の対称型CPW電極を用いた場合と比較して低下する。一方、幅の広い第二ギャップ内の光導波路に加わる電界強度は小さくなるが、光位相変調であるので第二ギャップ内には光導波路を形成しない。そして、幅の広い第二ギャップを設けることによって、電極の特性インピーダンスを大きくし、インピーダンス整合を容易に図ることができる。さらに、信号電極を2つのGND電極で挟むことにより、電界の閉じ込めを強くし、リップルのない良好な高周波特性を実現することが出来る。
「IEICE TRABS.ELECTRON.,」VOL.E78−C,No.1,January 1995‘’Band Operation of Guided−Wave Light Modulators with Filter−Type Coplanar Electrodes”記載の光位相変調器では、特性インピーダンスを整合を図るためにギャップを大きくすると、位相変調に必要な駆動電圧は上昇する。
特開平2−269309号公報、特開2005−91698号公報記載のチャープ光振幅変調器では、幅の狭いギャップと幅の広いギャップとにおける光変調度の差を利用してチャープ特性を得る変調器であるので、幅の広いギャップを設けることで振幅変調に必要な駆動電圧は上昇してしまう。また、幅の広いほうのギャップにマッハツェンダー導波路の片側の分岐導波路を設けないと振幅変調が不可能である。
図1は、本発明の一実施形態に係る光位相変調器1を示す平面図である。
図2は、図1の光位相変調器の断面図である。
図3は、本発明の他の実施形態に係る光位相変調器21の平面図である。
図4は、図3、図5、図7の光位相変調器の断面図である。
図5は、本発明の更に他の実施形態に係る光位相変調器21Aの平面図である。
図6は、DPSK光変調を説明するための模式図である。
図7は、本発明の更に他の実施形態に係る光位相変調器21Bの平面図である。
図2は、図1の光位相変調器の断面図である。
図3は、本発明の他の実施形態に係る光位相変調器21の平面図である。
図4は、図3、図5、図7の光位相変調器の断面図である。
図5は、本発明の更に他の実施形態に係る光位相変調器21Aの平面図である。
図6は、DPSK光変調を説明するための模式図である。
図7は、本発明の更に他の実施形態に係る光位相変調器21Bの平面図である。
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
図1は、本発明に係る光変調器1を概略的に示す平面図であり、図2は断面図である(ハッチング略)。光変調器1は、例えば平板形状の基板10を備えている。基板10の表面10a上に、信号電極3、第一の接地電極2および第二の接地電極4が形成されている。光導波路9は、第一ギャップ7内に形成されており、第二ギャップ8内には光導波路は形成されていない。第二ギャップ8の大きさ(幅)は、第一ギャップ7の大きさ(幅)よりも大きい。信号電極3と第一の接地電極2との間に信号電圧を印加することによって、光導波路9を伝搬する光を位相変調し、これによって光位相変調部Aを形成している。5は、信号電極への電力供給線路であり、6は、第二の接地電極への電力供給線路である。
相対的に幅が狭い電極ギャップ7においては、光導波路に加わる電界強度が大きくなるので、駆動電圧を低減できるが、電極の特性インピーダンスを低下させる傾向がある。一方、相対的に幅が広い電極ギャップ8では、光の位相変調を行わず、電極の特性インピーダンスを大きくする傾向がある。
図2の例においては、光導波路基板10は、接合層11を介して支持基体12に対して接合されている。これによって、基板10を例えば100μm以下まで薄くしても、取り扱い時に基板10にクラックが発生することを防止できる。
本発明においては、光導波路および電極の形成される基板を構成する材質は、強誘電性の電気光学材料、好ましくは単結晶からなる。こうした結晶は、光の変調が可能であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、KTP、GaAs及び水晶などを例示することができる。
接地電極、信号電極は、低抵抗でインピーダンス特性に優れる材料であれば特に限定されるものではなく、金、銀、銅などの材料から構成することができる。
好適な実施形態においては、光導波路基板と電極との間にバッファ層を設けない。これによって、光導波路を伝搬する光の位相変調に必要な駆動電圧を、一層低減することができる。特に、G1を極めて小さくした場合、光導波路基板の表面(電極の下)にバッファ層が存在すると、変調電極と光導波路の距離が離れるため、横方向の変調電界は非常に弱くなり、結果としてG1を小さくしても駆動電圧が下がらないか、もしくは逆に上がってしまう。バッファ層がなければ、G1を小さくしても横方向の変調電界が光導波路に効率よく印加されるため、より狭いギャップG1で、より低い駆動電圧が実現できる。
光導波路は、基板に形成されており、好ましくは基板の表面側に形成されている。光導波路は、基板の表面に直接形成されたリッジ型の光導波路であってよく、基板の表面上に他の層を介して形成されたリッジ型の光導波路であってよく、また基板の内部に内拡散法やイオン交換法によって形成された光導波路、例えばチタン拡散光導波路、プロトン交換光導波路であってよい。電極は、基板表面側に設けられているが、基板表面に直接形成されていてよく、バッファ層の上に形成されていてよい。
基板と支持基体とを接着する接着剤の種類は特に限定されないが、厚さ300μm以下が適当である。また、低誘電率層として用いる好適な低誘電体材料としては、高周波変調信号の伝搬損失を低減する観点から低誘電体損(低 tanδ)を有する材料を用いることが望ましい。このような低誘電率、低誘電体損の材質としてはテフロン、アクリル系接着剤が例示できる。また、他の低誘電率材料としては、ガラス系接着剤、エポキシ系接着剤、半導体製造用層間絶縁体、ポリイミド樹脂を例示できる。
本発明における光位相変調器とは、入射光に対して位相変調を加え、出射光から位相変調信号を取り出すものを意味する。従って、位相変調を目的とする限り、その種類は特に限定されず、DQPSK、SSB等の各種位相変調方式を利用できる。なお、マッハツェンダー型光導波路を利用した光振幅変調器においては、各分岐導波路内では光の位相を変調しているが、各分岐導波路の出射光を合波し、合波光の光振幅から0値または1値を判定している。これは出射光(合波光)の振幅を変調するものであり、本発明で言う光位相変調器には該当しない。
本発明においては、第一の接地電極と信号電極との間の第一ギャップの大きさG1が、第二の接地電極と信号電極との間の第二ギャップの大きさG2よりも小さい。ここで、G1とG2の比(G2/G1)は、1.3以上が好ましく、2.0以上がさらに好ましく、3.0以上が最も好ましい。また、G1は2〜30μmが好ましく、8〜18μmが更に好ましい。また、G2は、3〜200μmが好ましく、20〜130μmが更に好ましい。
好適な実施形態においては、基板の厚さが100μm以下であり、支持基体、およびこの支持基体と基板とを接合する接合層を備えている。この実施形態は図2に示した。
また、好適な実施形態においては、光位相変調器が、複数の光位相変調部を備えている。この実施形態においては、好ましくは、一つの光位相変調部の第一の接地電極または第二の接地電極が、隣接する光位相変調部の第一の接地電極または第二の接地電極と共通接地電極を構成している。このような共通接地電極を形成することによって、光変調部に必要な寸法を小さくし、チップの小型化に資することができる。
この実施形態においては、共通接地電極の幅は、各光位相変調器の各信号電極の幅以上であることが好ましく、これによって、隣接する変調部からの影響を防止することができる。また、共通接地電極の幅の上限は特にないが、光位相変調器チップの小型化という観点からは、300μm以下が好ましく、200μm以下が好ましく、150μm以下が更に好ましい。
また、好適な実施形態においては、共通接地電極の幅が、共通接地電極以外の各接地電極の各幅と等しい。なお、これは製造上の誤差は許容するものである。
好適な実施形態においては、複数の光導波路を伝搬する各光の位相を変調し、各変調光を合波し、この合波光から位相変調の情報を得る。
図3は、本実施形態に係る光変調器21を概略的に示す平面図であり、図4は断面図である(ハッチング略)。光変調器21は、例えば平板形状の基板10を備えている。基板10の表面10a上に、信号電極3A、3B、共通接地電極22、第一の接地電極2Aおよび第二の接地電極4Aが形成されている。光導波路9A、9Bは、それぞれ、第一ギャップ7A、7B内に形成されている。第二ギャップ8A、8B内には光導波路は形成されていない。第二ギャップ8A、8Bの大きさ(幅)は、それぞれ、第一ギャップ7A、7Bの大きさ(幅)よりも大きい。信号電極3A、3Bと第一の接地電極22、4Aとの間に信号電圧を印加することによって、光導波路9A、9Bを伝搬する各光を位相変調し、これによって光位相変調部A、Bをそれぞれ形成している。5は、信号電極への電力供給線路であり、13は、共通接地電極への電力供給線路である。
相対的に幅が狭い電極ギャップ7A、7Bにおいては、光導波路に加わる電界強度が大きくなるので、駆動電圧を低減できるが、電極の特性インピーダンスを低下させる傾向がある。一方、相対的に幅が広い電極ギャップ8A、8Bでは、光の位相変調を行わず、電極の特性インピーダンスを大きくする傾向がある。
図4の例においては、光導波路基板10は、接合層11を介して支持基体12に対して接合されている。これによって、基板10を薄くしても、取り扱い時に基板10にクラックが発生することを防止できる。
図5は、本実施形態に係る光変調器21Aを概略的に示す平面図である。この断面は図4と同様である。光変調器21Aは、例えば平板形状の基板10を備えている。基板10の表面10a上に、信号電極3A、3B、共通接地電極22A、第二の接地電極4A、4Bが形成されている。光導波路9A、9Bは、それぞれ、第一ギャップ7A、7B内に形成されている。第二ギャップ8A、8B内には光導波路は形成されていない。第二ギャップ8A、8Bの大きさ(幅)は、それぞれ、第一ギャップ7A、7Bの大きさ(幅)よりも大きい。信号電極3A、3Bと共通接地電極22Aとの間に信号電圧を印加することによって、光導波路9A、9Bを伝搬する各光を位相変調し、これによって光位相変調部A、Bをそれぞれ形成している。5は、信号電極への電力供給線路であり、13は、共通接地電極への電力供給線路である。
本実施形態では、光導波路は、マッハツェンダー型光導波路を形成している。すなわち、入射部17から入射した光は、分岐部18で分岐し、各光導波路9A,9Bに入射し、それぞれ独立して位相変調を受ける。次いで、位相変調後の変調光は、合波部19において合波され、変調器外に出力される。この出力された変調光から、位相変調信号の情報を得る。
複数の位相変調部を用いた場合の位相変調方式は特に限定されず、DQPSK、SSB、DPSKなど、種々の位相変調方式を採用できる。各変調方式それ自体は公知である。
例えば、図6は、DPSK用光位相変調器を示す概念図である。DPSK変調とは、「Differential Phase Shift Keying:差動位相偏移変調」のことである。まず、入力ポート1に入力信号1(電圧0とVπ)を入力する。これと同時に、入力ポート2に、入力信号1の極性反転信号2(電圧0と−Vπ)を入力する。
この結果、
(状態1) 入力ポート1に0V: 入力ポート2に0V
(状態2) 入力ポート1にVπV: 入力ポート2に−VπV
の2状態がある。両状態で出力される光信号は、共に、光強度が最大の状態である。言い換えると、両分岐導波路9A、9Bからの各出射光は、合波時に強めあうので、合波後の光強度は最大になる。合波光強度は数1で示す。そして、両状態間の位相差がπラジアンとなるために、DPSK変調できる。
一方、2つの高周波入力ポートに同一信号(電圧Vπ)を印加する場合について、図5の変調器を例として説明する。電極配置の違いから、光導波路にかかる電気力線の方向が図3の場合とは異なる。
まず、入力ポート1に入力信号1(電圧0とVπ)を入力する。これと同時に、入力ポート2に、入力信号1の極性反転信号2(電圧0と−Vπ)を入力する。
この結果、
(状態1) 入力ポート1に0V: 入力ポート2に0V
(状態2) 入力ポート1にVπV: 入力ポート2にVπV
の2状態がある。両状態で出力される光信号は、共に、光強度が最大の状態である。言い換えると、両分岐導波路9A、9Bからの各出射光は、合波時に強めあうので、合波後の光強度は最大になる。そして、位相差がπラジアンとなるために、DPSK変調できる。
むろん、図3、図5の各位相変調器は、DPSKの他、DQPSK(Differential Quadrature Phase Shift Keying)、SSB(Single Side Band amplitude modulation)にも利用できる。
共通接地電極を使用する場合には、二つの光変調部の駆動電圧(半波長電圧)を一致させるという観点からは、前述したように、上下の接地電極の幅(WGND2とWGND3)と共通接地電極の幅(WGND)とは等しいことが好ましい(図4参照)。
また、複数の光導波路を伝搬する各光の位相を独立に変調することができる。図7は、この実施形態に係る位相変調器21Bを示す平面図である。この断面は図4に示すものと同様である。光変調器21Bは、例えば平板形状の基板10を備えている。基板10の表面10a上に、信号電極3A、3B、共通接地電極22、第一の接地電極2A、4Aが形成されている。光導波路9A、9Bは、それぞれ、第一ギャップ7A、7B内に形成されている。第二ギャップ8A、8B内には光導波路は形成されていない。第二ギャップ8A、8Bの大きさ(幅)は、それぞれ、第一ギャップ7A、7Bの大きさ(幅)よりも大きい。信号電極3A、3Bと各接地電極との間に信号電圧を印加することによって、光導波路9A、9Bを伝搬する各光を位相変調し、これによって光位相変調部C、Dをそれぞれ形成している。5は、信号電極への電力供給線路であり、13は、共通接地電極への電力供給線路である。
そして、変調部Cで変調された変調光は、光導波路9Aから出射し、その出射光から位相変調信号が検出される。また、変調部Dで変調された変調光は、光導波路9Bから出射し、その出射光から位相変調信号が検出される。
好適な実施形態においては、信号電極の幅Wの第一ギャップの大きさG1に対する比率(W/G1)が2.3以上である。これによって、電極損失が著しく低下する。この観点からは、(W/G1)は4.0以上であることが更に好ましい。
(W/G1)が大きくなるほど、電極損失の低減という観点からは好ましい。しかし、これが大きくなりすぎると、デバイスが大きくなり、特性インピーダンスが低くなり、光波とマイクロ波の完全速度整合が難しくなってくる。このため、(W/G1)は15以下が好ましい。
G2が大きすぎると電極の非対称性から高周波特性上のリップルが大きくなる。このため、G2は1mm以下が好ましく、500ミクロン以下が更に好ましく、150ミクロン以下がいっそう好ましい。
図1は、本発明に係る光変調器1を概略的に示す平面図であり、図2は断面図である(ハッチング略)。光変調器1は、例えば平板形状の基板10を備えている。基板10の表面10a上に、信号電極3、第一の接地電極2および第二の接地電極4が形成されている。光導波路9は、第一ギャップ7内に形成されており、第二ギャップ8内には光導波路は形成されていない。第二ギャップ8の大きさ(幅)は、第一ギャップ7の大きさ(幅)よりも大きい。信号電極3と第一の接地電極2との間に信号電圧を印加することによって、光導波路9を伝搬する光を位相変調し、これによって光位相変調部Aを形成している。5は、信号電極への電力供給線路であり、6は、第二の接地電極への電力供給線路である。
相対的に幅が狭い電極ギャップ7においては、光導波路に加わる電界強度が大きくなるので、駆動電圧を低減できるが、電極の特性インピーダンスを低下させる傾向がある。一方、相対的に幅が広い電極ギャップ8では、光の位相変調を行わず、電極の特性インピーダンスを大きくする傾向がある。
図2の例においては、光導波路基板10は、接合層11を介して支持基体12に対して接合されている。これによって、基板10を例えば100μm以下まで薄くしても、取り扱い時に基板10にクラックが発生することを防止できる。
本発明においては、光導波路および電極の形成される基板を構成する材質は、強誘電性の電気光学材料、好ましくは単結晶からなる。こうした結晶は、光の変調が可能であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、KTP、GaAs及び水晶などを例示することができる。
接地電極、信号電極は、低抵抗でインピーダンス特性に優れる材料であれば特に限定されるものではなく、金、銀、銅などの材料から構成することができる。
好適な実施形態においては、光導波路基板と電極との間にバッファ層を設けない。これによって、光導波路を伝搬する光の位相変調に必要な駆動電圧を、一層低減することができる。特に、G1を極めて小さくした場合、光導波路基板の表面(電極の下)にバッファ層が存在すると、変調電極と光導波路の距離が離れるため、横方向の変調電界は非常に弱くなり、結果としてG1を小さくしても駆動電圧が下がらないか、もしくは逆に上がってしまう。バッファ層がなければ、G1を小さくしても横方向の変調電界が光導波路に効率よく印加されるため、より狭いギャップG1で、より低い駆動電圧が実現できる。
光導波路は、基板に形成されており、好ましくは基板の表面側に形成されている。光導波路は、基板の表面に直接形成されたリッジ型の光導波路であってよく、基板の表面上に他の層を介して形成されたリッジ型の光導波路であってよく、また基板の内部に内拡散法やイオン交換法によって形成された光導波路、例えばチタン拡散光導波路、プロトン交換光導波路であってよい。電極は、基板表面側に設けられているが、基板表面に直接形成されていてよく、バッファ層の上に形成されていてよい。
基板と支持基体とを接着する接着剤の種類は特に限定されないが、厚さ300μm以下が適当である。また、低誘電率層として用いる好適な低誘電体材料としては、高周波変調信号の伝搬損失を低減する観点から低誘電体損(低 tanδ)を有する材料を用いることが望ましい。このような低誘電率、低誘電体損の材質としてはテフロン、アクリル系接着剤が例示できる。また、他の低誘電率材料としては、ガラス系接着剤、エポキシ系接着剤、半導体製造用層間絶縁体、ポリイミド樹脂を例示できる。
本発明における光位相変調器とは、入射光に対して位相変調を加え、出射光から位相変調信号を取り出すものを意味する。従って、位相変調を目的とする限り、その種類は特に限定されず、DQPSK、SSB等の各種位相変調方式を利用できる。なお、マッハツェンダー型光導波路を利用した光振幅変調器においては、各分岐導波路内では光の位相を変調しているが、各分岐導波路の出射光を合波し、合波光の光振幅から0値または1値を判定している。これは出射光(合波光)の振幅を変調するものであり、本発明で言う光位相変調器には該当しない。
本発明においては、第一の接地電極と信号電極との間の第一ギャップの大きさG1が、第二の接地電極と信号電極との間の第二ギャップの大きさG2よりも小さい。ここで、G1とG2の比(G2/G1)は、1.3以上が好ましく、2.0以上がさらに好ましく、3.0以上が最も好ましい。また、G1は2〜30μmが好ましく、8〜18μmが更に好ましい。また、G2は、3〜200μmが好ましく、20〜130μmが更に好ましい。
好適な実施形態においては、基板の厚さが100μm以下であり、支持基体、およびこの支持基体と基板とを接合する接合層を備えている。この実施形態は図2に示した。
また、好適な実施形態においては、光位相変調器が、複数の光位相変調部を備えている。この実施形態においては、好ましくは、一つの光位相変調部の第一の接地電極または第二の接地電極が、隣接する光位相変調部の第一の接地電極または第二の接地電極と共通接地電極を構成している。このような共通接地電極を形成することによって、光変調部に必要な寸法を小さくし、チップの小型化に資することができる。
この実施形態においては、共通接地電極の幅は、各光位相変調器の各信号電極の幅以上であることが好ましく、これによって、隣接する変調部からの影響を防止することができる。また、共通接地電極の幅の上限は特にないが、光位相変調器チップの小型化という観点からは、300μm以下が好ましく、200μm以下が好ましく、150μm以下が更に好ましい。
また、好適な実施形態においては、共通接地電極の幅が、共通接地電極以外の各接地電極の各幅と等しい。なお、これは製造上の誤差は許容するものである。
好適な実施形態においては、複数の光導波路を伝搬する各光の位相を変調し、各変調光を合波し、この合波光から位相変調の情報を得る。
図3は、本実施形態に係る光変調器21を概略的に示す平面図であり、図4は断面図である(ハッチング略)。光変調器21は、例えば平板形状の基板10を備えている。基板10の表面10a上に、信号電極3A、3B、共通接地電極22、第一の接地電極2Aおよび第二の接地電極4Aが形成されている。光導波路9A、9Bは、それぞれ、第一ギャップ7A、7B内に形成されている。第二ギャップ8A、8B内には光導波路は形成されていない。第二ギャップ8A、8Bの大きさ(幅)は、それぞれ、第一ギャップ7A、7Bの大きさ(幅)よりも大きい。信号電極3A、3Bと第一の接地電極22、4Aとの間に信号電圧を印加することによって、光導波路9A、9Bを伝搬する各光を位相変調し、これによって光位相変調部A、Bをそれぞれ形成している。5は、信号電極への電力供給線路であり、13は、共通接地電極への電力供給線路である。
相対的に幅が狭い電極ギャップ7A、7Bにおいては、光導波路に加わる電界強度が大きくなるので、駆動電圧を低減できるが、電極の特性インピーダンスを低下させる傾向がある。一方、相対的に幅が広い電極ギャップ8A、8Bでは、光の位相変調を行わず、電極の特性インピーダンスを大きくする傾向がある。
図4の例においては、光導波路基板10は、接合層11を介して支持基体12に対して接合されている。これによって、基板10を薄くしても、取り扱い時に基板10にクラックが発生することを防止できる。
図5は、本実施形態に係る光変調器21Aを概略的に示す平面図である。この断面は図4と同様である。光変調器21Aは、例えば平板形状の基板10を備えている。基板10の表面10a上に、信号電極3A、3B、共通接地電極22A、第二の接地電極4A、4Bが形成されている。光導波路9A、9Bは、それぞれ、第一ギャップ7A、7B内に形成されている。第二ギャップ8A、8B内には光導波路は形成されていない。第二ギャップ8A、8Bの大きさ(幅)は、それぞれ、第一ギャップ7A、7Bの大きさ(幅)よりも大きい。信号電極3A、3Bと共通接地電極22Aとの間に信号電圧を印加することによって、光導波路9A、9Bを伝搬する各光を位相変調し、これによって光位相変調部A、Bをそれぞれ形成している。5は、信号電極への電力供給線路であり、13は、共通接地電極への電力供給線路である。
本実施形態では、光導波路は、マッハツェンダー型光導波路を形成している。すなわち、入射部17から入射した光は、分岐部18で分岐し、各光導波路9A,9Bに入射し、それぞれ独立して位相変調を受ける。次いで、位相変調後の変調光は、合波部19において合波され、変調器外に出力される。この出力された変調光から、位相変調信号の情報を得る。
複数の位相変調部を用いた場合の位相変調方式は特に限定されず、DQPSK、SSB、DPSKなど、種々の位相変調方式を採用できる。各変調方式それ自体は公知である。
例えば、図6は、DPSK用光位相変調器を示す概念図である。DPSK変調とは、「Differential Phase Shift Keying:差動位相偏移変調」のことである。まず、入力ポート1に入力信号1(電圧0とVπ)を入力する。これと同時に、入力ポート2に、入力信号1の極性反転信号2(電圧0と−Vπ)を入力する。
この結果、
(状態1) 入力ポート1に0V: 入力ポート2に0V
(状態2) 入力ポート1にVπV: 入力ポート2に−VπV
の2状態がある。両状態で出力される光信号は、共に、光強度が最大の状態である。言い換えると、両分岐導波路9A、9Bからの各出射光は、合波時に強めあうので、合波後の光強度は最大になる。合波光強度は数1で示す。そして、両状態間の位相差がπラジアンとなるために、DPSK変調できる。
一方、2つの高周波入力ポートに同一信号(電圧Vπ)を印加する場合について、図5の変調器を例として説明する。電極配置の違いから、光導波路にかかる電気力線の方向が図3の場合とは異なる。
まず、入力ポート1に入力信号1(電圧0とVπ)を入力する。これと同時に、入力ポート2に、入力信号1の極性反転信号2(電圧0と−Vπ)を入力する。
この結果、
(状態1) 入力ポート1に0V: 入力ポート2に0V
(状態2) 入力ポート1にVπV: 入力ポート2にVπV
の2状態がある。両状態で出力される光信号は、共に、光強度が最大の状態である。言い換えると、両分岐導波路9A、9Bからの各出射光は、合波時に強めあうので、合波後の光強度は最大になる。そして、位相差がπラジアンとなるために、DPSK変調できる。
むろん、図3、図5の各位相変調器は、DPSKの他、DQPSK(Differential Quadrature Phase Shift Keying)、SSB(Single Side Band amplitude modulation)にも利用できる。
共通接地電極を使用する場合には、二つの光変調部の駆動電圧(半波長電圧)を一致させるという観点からは、前述したように、上下の接地電極の幅(WGND2とWGND3)と共通接地電極の幅(WGND)とは等しいことが好ましい(図4参照)。
また、複数の光導波路を伝搬する各光の位相を独立に変調することができる。図7は、この実施形態に係る位相変調器21Bを示す平面図である。この断面は図4に示すものと同様である。光変調器21Bは、例えば平板形状の基板10を備えている。基板10の表面10a上に、信号電極3A、3B、共通接地電極22、第一の接地電極2A、4Aが形成されている。光導波路9A、9Bは、それぞれ、第一ギャップ7A、7B内に形成されている。第二ギャップ8A、8B内には光導波路は形成されていない。第二ギャップ8A、8Bの大きさ(幅)は、それぞれ、第一ギャップ7A、7Bの大きさ(幅)よりも大きい。信号電極3A、3Bと各接地電極との間に信号電圧を印加することによって、光導波路9A、9Bを伝搬する各光を位相変調し、これによって光位相変調部C、Dをそれぞれ形成している。5は、信号電極への電力供給線路であり、13は、共通接地電極への電力供給線路である。
そして、変調部Cで変調された変調光は、光導波路9Aから出射し、その出射光から位相変調信号が検出される。また、変調部Dで変調された変調光は、光導波路9Bから出射し、その出射光から位相変調信号が検出される。
好適な実施形態においては、信号電極の幅Wの第一ギャップの大きさG1に対する比率(W/G1)が2.3以上である。これによって、電極損失が著しく低下する。この観点からは、(W/G1)は4.0以上であることが更に好ましい。
(W/G1)が大きくなるほど、電極損失の低減という観点からは好ましい。しかし、これが大きくなりすぎると、デバイスが大きくなり、特性インピーダンスが低くなり、光波とマイクロ波の完全速度整合が難しくなってくる。このため、(W/G1)は15以下が好ましい。
G2が大きすぎると電極の非対称性から高周波特性上のリップルが大きくなる。このため、G2は1mm以下が好ましく、500ミクロン以下が更に好ましく、150ミクロン以下がいっそう好ましい。
(実施例1)
図1および図2に示す光位相変調器1を作製し、位相変調実験を行った。ただし、以下のような寸法とした(図2参照)。
G1=16μm、 G2=92μm、 W=38μm、 Tm=20μm、
Tsub=7.0μm、 Tad=50μm、 低誘電率層11の比誘電率4.0。
電気光学基板10としては、Xカットされたニオブ酸リチウム基板を用いた。この構造で、マイクロ波実効屈折率は2.2となり、マイクロ波と光が速度整合した。特性インピーダンスは43Ωであった。また、半波長電圧Vπは、電極の相互作用長が32mmの場合で、3.3Vにまで低下した。
(実施例2)
図3および図4に示す光位相変調器21を作製し、位相変調実験を行った。ただし、以下のような寸法とした。
W=40μm, G1=16.5μm, G2=90μm,
WGND=WGND2=WGND3=100μm, Tsub=7μm,
電極厚Tm=17μm,電極相互作用長L=3.2cm
電気光学基板1としては、Xカットされたニオブ酸リチウム基板を用いた。この構造で、マイクロ波実効屈折率は2.2となり、マイクロ波と光が速度整合した。この条件で以下のデータが得られる。
電極導体損失α=0.33dB・cm−1・GHZ−1/2
特性インピーダンスZ=41Ω
半波長電圧Vπ=3.4V
半波長電圧相互作用長積VπL=10.8V・cm
3dB帯域ΔF3dB=25GHz
(実施例3)
実施例2において、接地電極幅WGNDへの依存性を調査した。すなわち、図4において、WGNDのみを種々変更した。この結果、接地電極幅WGND=50,150,200,500μmの時、電極伝搬損失αは、それぞれ、0.34,0,32,0.31,0.31dB・cm−1・GHZ−1/2となった。WGNDを50μm程度まで狭くしても、電極伝搬損失はそれほど変化しないことが分かる。
(実施例4)
実施例2において、電極ギャップG1への依存性を調査した。すなわち、図4において、電極ギャップG1のみを種々変更した。この結果、電極ギャップG1=20,13.5,10μmの時、駆動電圧VπLは、それぞれ、12.7,9.2,7.5V・cmとなった。このように、ギャップG1を小さくすることによって駆動電圧は顕著に低減される。
(実施例5)
実施例2において、電極ギャップG2への依存性を調査した。すなわち、図4において、LN基板厚Tsub=7μmとし、電極ギャップG2を種々変更した。この結果、電極ギャップG2=40,60,90,150μmの時、特性インピーダンスZは、それぞれ、36,39,41,42Ωに変化した。すなわち、電極ギャップG2を大きくすることによって、特性インピーダンスは顕著に上昇する。
(実施例6)
実施例2において、電極ギャップG2への依存性を調査した。すなわち、図4において、LN基板厚Tsub=4.5μmとし、電極ギャップG2を種々変更した。この結果、電極ギャップG2=40,60,90,150μmの時、特性インピーダンスZは、それぞれ、45,49,51,52Ωに変化した。すなわち、電極ギャップG2を大きくすることによって、特性インピーダンスは顕著に上昇する。
(実施例7)
実施例2において、中心導体幅Wへの依存性を調査した。すなわち、図4において、Wを20,60,100μmに変化させた時、電極伝搬損失αは、それぞれ、0.36,0.30,0.28dB・cm−1・GHZ−1/2となった。
(実施例8)
図1および図2に示す光位相変調器1を作製し、位相変調実験を行った。ただし、以下のような寸法とした(図2参照)。
G1=13.5μm、 G2=70μm、 Tsub=5.0μm、 Tad=100μm、
低誘電率層11の比誘電率4.0
電気光学基板10としては、Xカットされたニオブ酸リチウム基板を用いた。この構造で、FEMを利用してシミュレーションを詳細に行い、マイクロ波実効屈折率が2.2となり、特性インピーダンスが約45Ωとなるような各寸法条件を探索した。ただし、信号電極幅Wと電極厚さTmとを変化させる。この結果、表1に示す各寸法条件が得られた。そして、表1に示す各寸法条件について、電極伝搬損失αを算出し、表1に示した。
(実施例9)
図1および図2に示す光位相変調器1を作製し、位相変調実験を行った。ただし、以下のような寸法とした(図2参照)。
G1=16.5μm、 G2=90μm、 Tsub=7.0μm、 Tad=50μm、
低誘電率層11の比誘電率4.0
電気光学基板10としては、Xカットされたニオブ酸リチウム基板を用いた。この構造で、FEMを利用してシミュレーションを詳細に行い、マイクロ波実効屈折率が2.2となり、特性インピーダンスが約45Ωとなるような各寸法条件を探索した。ただし、信号電極幅Wと電極厚さTmとを変化させる。この結果、表2に示す各寸法条件が得られた。そして、表2に示す各寸法条件について、電極伝搬損失αを算出し、表2に示した。
表1、表2に示すように、(W/G1)が2.3以上、15以下、G2が2G1以上、G2が1mm以下の場合に、特に電極損失を低減できる。
図1および図2に示す光位相変調器1を作製し、位相変調実験を行った。ただし、以下のような寸法とした(図2参照)。
G1=16μm、 G2=92μm、 W=38μm、 Tm=20μm、
Tsub=7.0μm、 Tad=50μm、 低誘電率層11の比誘電率4.0。
電気光学基板10としては、Xカットされたニオブ酸リチウム基板を用いた。この構造で、マイクロ波実効屈折率は2.2となり、マイクロ波と光が速度整合した。特性インピーダンスは43Ωであった。また、半波長電圧Vπは、電極の相互作用長が32mmの場合で、3.3Vにまで低下した。
(実施例2)
図3および図4に示す光位相変調器21を作製し、位相変調実験を行った。ただし、以下のような寸法とした。
W=40μm, G1=16.5μm, G2=90μm,
WGND=WGND2=WGND3=100μm, Tsub=7μm,
電極厚Tm=17μm,電極相互作用長L=3.2cm
電気光学基板1としては、Xカットされたニオブ酸リチウム基板を用いた。この構造で、マイクロ波実効屈折率は2.2となり、マイクロ波と光が速度整合した。この条件で以下のデータが得られる。
電極導体損失α=0.33dB・cm−1・GHZ−1/2
特性インピーダンスZ=41Ω
半波長電圧Vπ=3.4V
半波長電圧相互作用長積VπL=10.8V・cm
3dB帯域ΔF3dB=25GHz
(実施例3)
実施例2において、接地電極幅WGNDへの依存性を調査した。すなわち、図4において、WGNDのみを種々変更した。この結果、接地電極幅WGND=50,150,200,500μmの時、電極伝搬損失αは、それぞれ、0.34,0,32,0.31,0.31dB・cm−1・GHZ−1/2となった。WGNDを50μm程度まで狭くしても、電極伝搬損失はそれほど変化しないことが分かる。
(実施例4)
実施例2において、電極ギャップG1への依存性を調査した。すなわち、図4において、電極ギャップG1のみを種々変更した。この結果、電極ギャップG1=20,13.5,10μmの時、駆動電圧VπLは、それぞれ、12.7,9.2,7.5V・cmとなった。このように、ギャップG1を小さくすることによって駆動電圧は顕著に低減される。
(実施例5)
実施例2において、電極ギャップG2への依存性を調査した。すなわち、図4において、LN基板厚Tsub=7μmとし、電極ギャップG2を種々変更した。この結果、電極ギャップG2=40,60,90,150μmの時、特性インピーダンスZは、それぞれ、36,39,41,42Ωに変化した。すなわち、電極ギャップG2を大きくすることによって、特性インピーダンスは顕著に上昇する。
(実施例6)
実施例2において、電極ギャップG2への依存性を調査した。すなわち、図4において、LN基板厚Tsub=4.5μmとし、電極ギャップG2を種々変更した。この結果、電極ギャップG2=40,60,90,150μmの時、特性インピーダンスZは、それぞれ、45,49,51,52Ωに変化した。すなわち、電極ギャップG2を大きくすることによって、特性インピーダンスは顕著に上昇する。
(実施例7)
実施例2において、中心導体幅Wへの依存性を調査した。すなわち、図4において、Wを20,60,100μmに変化させた時、電極伝搬損失αは、それぞれ、0.36,0.30,0.28dB・cm−1・GHZ−1/2となった。
(実施例8)
図1および図2に示す光位相変調器1を作製し、位相変調実験を行った。ただし、以下のような寸法とした(図2参照)。
G1=13.5μm、 G2=70μm、 Tsub=5.0μm、 Tad=100μm、
低誘電率層11の比誘電率4.0
電気光学基板10としては、Xカットされたニオブ酸リチウム基板を用いた。この構造で、FEMを利用してシミュレーションを詳細に行い、マイクロ波実効屈折率が2.2となり、特性インピーダンスが約45Ωとなるような各寸法条件を探索した。ただし、信号電極幅Wと電極厚さTmとを変化させる。この結果、表1に示す各寸法条件が得られた。そして、表1に示す各寸法条件について、電極伝搬損失αを算出し、表1に示した。
図1および図2に示す光位相変調器1を作製し、位相変調実験を行った。ただし、以下のような寸法とした(図2参照)。
G1=16.5μm、 G2=90μm、 Tsub=7.0μm、 Tad=50μm、
低誘電率層11の比誘電率4.0
電気光学基板10としては、Xカットされたニオブ酸リチウム基板を用いた。この構造で、FEMを利用してシミュレーションを詳細に行い、マイクロ波実効屈折率が2.2となり、特性インピーダンスが約45Ωとなるような各寸法条件を探索した。ただし、信号電極幅Wと電極厚さTmとを変化させる。この結果、表2に示す各寸法条件が得られた。そして、表2に示す各寸法条件について、電極伝搬損失αを算出し、表2に示した。
Claims (9)
- 電気光学材料からなる基板、
前記基板上に設けられた信号電極、
前記信号電極を挟む第一および第二の接地電極、および
前記第一の接地電極と前記信号電極との間の第一ギャップに設けられた光導波路を備えている光位相変調部を備えており、
前記第一の接地電極と前記信号電極との間の第一ギャップの大きさG1が、前記第二の接地電極と前記信号電極との間の第二ギャップの大きさG2よりも小さく、前記第二ギャップに光導波路が設けられておらず、前記第一の接地電極と前記信号電極との間に変調電圧を印加することによって、前記光導波路を伝搬する光の位相を変調することを特徴とする、光位相変調器。 - 前記基板の厚さが100μm以下であり、支持基体、およびこの支持基体と前記基板とを接合する接合層を備えていることを特徴とする、請求項1記載の光位相変調器。
- 複数の前記光位相変調部を備えていることを特徴とする、請求項1または2記載の光位相変調器。
- 一つの前記光位相変調部の前記第一の接地電極または前記第二の接地電極が、隣接する前記光位相変調部の前記第一の接地電極または前記第二の接地電極と共通接地電極を構成していることを特徴とする、請求項3記載の光位相変調器。
- 前記共通接地電極の幅が、前記信号電極の幅以上であり、300μm以下であることを特徴とする、請求項4記載の光位相変調器。
- 複数の前記光導波路を伝搬する各光の位相を独立に変調することを特徴とする、請求項3〜5のいずれか一つの請求項に記載の光位相変調器。
- 複数の前記光導波路を伝搬する各光の位相を変調し、各変調光を合波し、この合波光から位相変調の情報を得ることを特徴とする、請求項3〜5のいずれか一つの請求項に記載の光位相変調器。
- 前記信号電極の幅Wの前記第一ギャップの大きさG1に対する比率(W/G1)が2.3以上であることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一つの請求項に記載の光位相変調器。
- 前記第二ギャップの大きさG2の前記第一ギャップの大きさG1に対する比率(G2/G1)が2.0以上であることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一つの請求項に記載の光位相変調器。
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