JPH03188416A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 光変調器に関し、 高速駆動の外部光変調において、動作点の変動のない、
かつ、長期にわたって安定な光変調器を実現することを
目的とし、 平面に加工した電気光学効果を有する基板と、前記基板
の上に形成された、２分岐光導波路を有する光導波路と
、第１の分岐光導波路中を伝送される光と、第２の分岐
光導波路中を伝送される光との間に位相差を生じさせる
ように、前記第１および第２の分岐光導波路上にバッフ
ァ層を介して設けられた第１および第２の進行波信号電
極と、前記第１および第２の進行波信号電極それぞれと
対をなし、高周波パルス信号の印加により前記第１およ
び第２の分岐光導波路中を伝送される光に位相変化を生
じさせるように配置された第１および第２の接地電極と
、前記第１および第２の進行波信号電極に高周波パルス
信号を入力させる第１および第２の信号線と、前記第１
および第２の信号線に高周波パルス信号源からの信号を
分割伝送させるディバイダとを少なくとも備え、前記第
１の分岐光導波路のパルス信号入力端へ入力する高周波
パルス信号と前記第２の分岐光導波路のパルス信号入力
端へ入力する高周波パルス信号との位相遅延時間と、前
記第１の分岐光導波路のパルス信号入力端から前記第２
の分岐光導波路のパルス信号入力端に相当する第１の分
岐光導波路上の位置までの距離を光が伝送される時間と
の差が、１ビット分のパルス巾に相当する時間に一致す
るようにして光変調器を構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、高速・高安定に光変調を行うための光変調器
の構成と駆動方法に関する。

最近の光通信システムの光送信系において、たとえば、
７１６ＧＨｚ程度までの光通信システムにおいては、レ
ーザダイオード（ＬＤ）を直接変調する方式を用いてき
たが、変調周波数がより高くなると、変調光波長の時間
的微小変動、いわゆる、チャーピング現象が発生するた
めに高速化と長距離通信への限界となる。

一方、今後ますます大容量・長距離通信の要求が強まっ
てくるので、より高速、かつ、高安定な光変調方式、た
とえば、安定に動作する外部変調方式の開発が求められ
ている。

〔従来の技術〕

高速光変調方式としては、半導体レーザ光を外部で変調
する外部変調方式がよく知られている。

とくに、電気光学効果を有する基板上に分岐光導波路を
設け、進行波電極を用いて駆動するマツハツエンダ型光
変調器が有力視されている。

第４図は従来のマツハツエンダ型外部奥変調器の構成例
を示す図で、同図（イ）は上面図で主として基板上の電
極、導波路配置を示し、同図（ロ）は同図（イ）のＹ−
Ｙ’断面図である。

図中、１０は電気光学効果を有する基板、４ｃは光導波
路で中間に分岐光導波路４１ｃ、　４２ｃが形成されて
いる。この光導波路は通常基板の表面にＴｉなどの金属
を、光導波路部分だけに選択的に拡散させ、その部分の
屈折率を回りの部分よりも少し大きくなるようにしであ
る。ｌｃは進行波信号電極、１１ｃは接地電極である。

８は光導波路上の金属電極層への光の吸収を小さくする
ためのバッファ層で、通常、５ｉ０２などの薄膜が用い
られている。

進行波信号電極ＩＣと接地電極１１ｃは、バッファ層８
を介して光導波路上に、＾Ｕなどの金属を蒸着あるいは
めっきによって形成している。

いま、半導体レーザ５０からの直流光が左側の光導波路
４ｃから入り、分岐光導波路４１ｃ、　４２ｃで２つに
分けられ、そこを通過する間に、進行波信号電極ＩＣに
高周波変調信号電圧を印加すると、基板上に設けられた
前記分岐光導波路４１ｃ、　４２ｃにおける電気光学効
果によって分岐された両光に位相差が生じる。この両光
を再び合波点４３で合流させて右側の光導波路４ｃの光
出射端から変調された光信号出力を取り出し、光検知器
６０で受光して電気信号に変換するように構成されてい
る。なお、Ｒ７は終端抵抗である。

第５図は従来の外部変調器の動作特性を示す図で、同図
（イ）は変調特性、同図（ロ）は駆動電圧波形、同図（
ハ）は光出力波形である。

すなわち、前記分岐光導波路４１ｃ、　４２ｃにおける
両光の位相差がＯおよびπになるように駆動電圧（０お
よびＶπ）を印加すれば、光信号出力はＯＮ−ＯＦＦの
パルス信号として得られるのである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記従来例の光変調器において、進行波信号電
極１ｃと接地電極１１ｃは通常面積を異にしており、分
岐光導波路４１ｃ、　４２ｃの間に温度差を生じ、それ
に起因する動作点シフトが起こったり、ＤＣ電圧に対し
て光変調応答が悪くなって動作点がずれていく、いわゆ
る、ＤＣドリフトといった障害が発生することがある。

第６図は動作点シフトを説明する図で、同図（イ）は変
調特性、同図（ロ）は光出力パルス特性である。一般に
、接地電極１１ｃは高周波電気信号の伝達をよくするた
め、進行波信号電極１ｃよりもずっと大きくしてあり、
したがって、２つの分岐光導波路４１ｃ、　４２ｃのう
ち細い電極１ｃが装荷されている第１の分岐光導波路４
１ｃの方が高温となり、同図（イ）の実線■の正常動作
点から破線■で示した非正常な動作点にシフトしてしま
う。その結果、同図（ロ）に示したごとく、実線■のき
れいな出力パルス波形から、破線の■のようにピークが
下がりボトムが上がった波形になる。すなわち、消光比
の劣化が生じることになる。

また、第７図はＤＣドリフトを説明する図で、たとえば
、一般に最も多く使用されるＬｉＮｂ０ａを基板１０と
した場合に、ＤＣ電圧を印加し続けると次第に電圧が有
効にか−らなくなることがあり、短期のＤＣドリフトと
長期のＤＣドリフトが存在することが報告されている（
たとえば、Ｊａｐ、Ｊ、ＡＩ）１１７１　Ｐｈｙｓ、。

Ｖｏｌ、２０．　Ｎｏ、　４．　ｐｐ７３３〜７３４　
、１９８１参照）。

すなわち、同図（イ）に示したように、一定の電圧Ｖπ
を印加し続けると、本来“０“レベルを維持し続けなけ
ればならないのに、同図（ロ）の実線■のごとく時間の
経過とともに、次第に光が出力されてしまう。

以上の現象は、いずれも外部変調器としての安定性と、
長期の信頼性とを著しく阻害する重大な問題であり、そ
の解決が求められていた。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は、平面に加工した電気光学効果を有する基
板１０と、前証基板１０の上に形成された、分岐光導波
路４１および４２を有する光導波路４と、前記第１の分
岐光導波路４１中を伝送される光と前記第２の分岐光導
波路４２中を伝送される光との間に位相差を生じさせる
ように、前記分岐光導波路４１および４２上にそれぞれ
バッファ層８を介して設けられた第１および第２の進行
波信号電極１゜２と、前記第１および第２の進行波信号
電極１゜２のそれぞれと対をなし、高周波パルス信号の
印加により前記第１および第２の分岐光導波路４１゜４
２中を伝送される光に位相変化を生じさせるように配置
された第１および第２の接地電極１７１１２と、前記第
１および第２の進行波信号電極７１２に高周波パルス信
号を入力させる第１および第２の信号線７７１７２と、
前記第１および第２の信号線７１゜７２に高周波パルス
信号源６からの信号を分割伝送させるディバイダ５とを
少なくとも備え、前記第１の分岐光導波路４１のパルス
信号入力端へへ入力する高周波パルス信号と前記第２の
分岐光導波路４２のパルス信号入力端Ｂへ入力する高周
波パルス信号との位相遅延時間（τ’１ｌ−１２）と、
前記第１の分岐光導波路４１のパルス信号入力端Ａから
前記第２の分岐光導波路４２のパルス信号入力端已に相
当する第１の分岐光導波路４１上の位置Ｂ。

までの距離を光が伝送される時間（ｔＡ−ｍ・）との差
（τ’１１−１２　　ｔ　Ａ−１１・）が、１ビット分
のパルス巾に相当する時間（ｔ０）に一致するようにし
て光変調器を構成することにより解決することができる
。

〔作用〕

本発明の構成によれば、第１の進行波信号電極１と第２
の進行波信号電極２．および、第１の接地電極１１と第
２の接地電極１２とが、２つの分岐光導波路４１および
４２に対して全く対称に配置されているので、両分岐光
導波路４１および４２へのパルス信号電圧が印加される
部分、すなわち、２つの位相変化部分における電流によ
る発熱量および放熱量は、それぞれ相等しく温度差が生
じることなく。

したがって、動作点のシフトも生じないのである。

また、本発明方法では第２図に示すように、１ビツト前
のパルス信号と比較して、異なるレベルなら光出力が０
′、同じなら１°となる。これを光の位相シフトの観点
からみると、第１の電極で受けた位相シフト量と第２の
電極で受けた位相シフト量が同じなら゛１°１１°シフ
ト量が異なる場合には“０′　ということになる。

いま、ＤＣ電圧Ｖπを印加し続けると光出力はＩｌｌ　
となり、かりにＤＣドリフトが生じて各電極での位相シ
フト量が減ったとしても、２つの電極対で生ずる位相シ
フト量は同じなので、光出力は“１°に維持される。印
加される信号が上記以外の場合は、信号はＡＣであるか
らＤＣドリフトが発生することはなく、シたがって、本
発明の場合にはＤＣドリフトの問題は起こらないのであ
る。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例の構成を示す図で、同図（イ）
は平面図、同図（ロ）はＹ−Ｙ’断面図である。

なお、前記従来例の諸国面で説明したものと同等の部分
については同一符号を付し、かつ、同等部分についての
説明は省略する。

基板１０には大きさ３０ｍｍ　Ｘ　３　ｍｍ、厚さ１ｍ
ｍのＬｉＮｂＯ３のＺ板の表面を鏡面研磨して使用した
。

この基板の上にＴｉを約１１００ｎの厚さに真空蒸着し
、分岐光導波路４１ａおよび４棒を含む光導波路４ａに
相当する部分にＴｉが残るように通常のホトエツチング
法で処理したのち、約１０５０ＤＣ１酸素中で１０時間
加熱しＴｉをＬｉＮｂＯ５中に熱拡散して深さ約５μｍ
の分岐光導波路４１ａおよび４２ａを含む光導波路４ａ
を形成した。

分岐光導波路部分の長さは２０ｍｍ、光導波路の幅は全
て７〜１１μｍになるように調整した。分岐光導波路４
１ａおよび４２ａの間隔は約１５μｍとした。

次いで、バッファ層としてＳｉ口、を５００ｎｍの厚さ
にスパッタ法で形成した。

進行波信号電極１ａおよび２ａはＴｉ−＾Ｕ合金膜を蒸
着したのち、分岐光導波路４１ａおよび４２ａの上に幅
９μｍの電極形状にパターンエツチングし、さらに、そ
の上に厚さ８μｍの八〇をめっきにより付着形成した。

接地電極１１ａおよび１２ａは進行波信号電極と同様の
プロセスで進行波信号電極形成と同時形成した。接地電
極と進行波信号電極の間隔はそれぞれ１５μｍとし接地
電極はできるだけ大きくなるように設計した。なお、終
端抵抗Ｒｔは進行波信号電極１ａおよび２ａの特性イン
ピーダンスにあわせて５０Ωになるように調整した。

５はディバイダでＤＣから高周波域まで良好な特性を持
ち、高周波パルス信号源６からのパルス信号を等分割し
、第１の分岐光導波路４１ａおよび第２の分岐光導波路
４２ａに接続される。たとえば同軸ケーブルからなる信
号線７１ａおよび？２ａに送信するようにしている。Ａ
およびＢは、それぞれ第１の分岐光導波路４１ａのパル
ス信号入力端および第２の分岐光導波路４２ａのパルス
信号入力端である。この例では、ＡおよびＢはいずれも
光導波路４ａの分岐点４２から等距離に形成されている
。

第２図は本発明実施例の動作状態を示す図である。同図
（イ）は変調特性で信号電圧が０の時に光出力が１であ
り、信号電圧が±Ｖπの時に光出力が０となるように駆
動される。

同図（ロ）は第１の分岐光導波路４１ａのパルス信号入
力端Ａに信号線７１ａから印加されるパルス信号電圧Ｖ
４１ａの時間特性を示したもので、信号情報１ビット分
に相当するパルス巾はｔｏである。

これに対して同図（ハ）は第２の分岐光導波路４２ａの
パルス信号入力端Ｂに信号線７２ａから印加されるパル
ス信号電圧Ｖ４２ｍの時間特性を示したものである。

すなわち、パルス信号電圧Ｖ４＋ａはパルス信号電圧Ｖ
　４２Ｍよりも１ビット分に相当するパルス巾ｔｏだけ
遅延した信号電圧が印加されている。

同図（ニ）は、以上のように互いに１ビット分の時間遅
延のある信号電圧が印加された、両分岐導波路４１ａお
よび４２ａの合波点４３における両光波の位相差φ４１
ａ−４２ａの時間変化を示したものである。

すなわち、両分岐導波路のパルス信号入力端に印加され
る信号レベルがＶπと０のごとく異なる場合は位相差φ
４１ａ−４２ａ　＝πとなり、したがって、同図（ホ）
に示したごとく光出力は０となり、方、両分岐導波路の
パルス信号入力端に印加される信号レベルが０と０．ま
たは、ＶπとＶπのごとく同一の場合は位相差φ４１ａ
−４２ａ　”０となり。

したがって、同図（ホ）に示したごとく光出力は１とな
る。

この結果、同図（ホ）のごとき所要の光出力信号が得ら
れること＼なり、しかも、前記作用の項において述べた
ごとく動作点シフトその他の問題の発生を防止すること
ができる。

なお、本実施例においてパルス信号電圧Ｖ４１ｍをパル
ス信号電圧Ｖ４２．よりも１ビット分に相当するパルス
巾ｔ０だけ遅延して印加するには、たとえば、信号線７
１ａの長さを信号線７２ａの長さよりも信号の伝送時間
ｔ０に相当する分だけ長くしておけばよい。勿論その他
の公知の遅延方法を用いてもよいことは言うまでもない
。

第３図は本発明の他の実施例の構成を示す図で、同図（
イ）は平面図、同図（ロ）はＹ−Ｙ’断面図である。

本実施例は前記第１図の実施例をより一般化した場合で
、第１の分岐光導波路４１ｂのパルス信号入力端Ａと第
２の分岐光導波路４２ｂのパルス信号入力端Ｂとの相対
位置をずらし、分岐光導波路の一方に進行波信号電極を
、それと対応する他の一方に接地電極を配設している。

したがって、この場合には一方の分岐光導波路を走行す
る光信号の遅延時間も考慮に入れる必要がある。

すなわち、第１の分岐光導波路４１ｂのパルス信号入力
端Ａへ入力する高周波パルス信号と前記第２の分岐光導
波路４２ｂのパルス信号入力端Ｂへ入力する高周波パル
ス信号との位相遅延時間（τ、ｌ−７２）と、前記第１
の分岐光導波路４１ｂのパルス信号入力端Ａから前記第
２の分岐光導波路４２ｂのパルス信号入力端Ｂに相当す
る第１の分岐光導波路４１ｂ上の位置Ｂ′までの距離を
光が伝送される時間（ｔＡ−ａ’）との差（τ７１−７
２　　ｔ　Ａ−１１’）が、１ビット分のパルス巾に相
当する時間（ｔ０）に一致するように構成すれば、前記
第２図で説明したのと全く同様に光変調器の動作を行わ
せることができる。な右、本実施例の場合は一つの位相
変化部はプッシュプル動作をしているので、印加する電
圧は前記第１図の実施例の場合の半分で済むという特徴
がある。

また、上記実施例では信号線７１ｂおよび７２ｂ間の遅
延時間（τ’７ｌ−ｆｆ２）と、Ａ点からＢ′点までの
距離を光が伝送される時間（ｔＡ−ａ’）の両方で１ピ
ット分のパルス巾に相当する時間（ｔ０）を与えるよう
にしたが、信号線７１ｂおよび７２ｂの長さを同じにし
、すなわち、τ’Ｔｌ−７２−〇とし、Ａ点からＢ°点
までの距離を光が伝送される時間（ｔＡ−ｍ’）だけで
印加信号電圧の遅延を行わせてもよいことは勿論である
。

以上述べた実施例は例を示したもので、本発明の趣旨に
添うものである限り、使用する素材や構成など適宜好ま
しいもの、あるいはその組み合わせを用いることができ
ることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の構成によれば、第１の進
行波信号電極１と第２の進行波信号電極２、および、第
１の接地電極１１と第２の接地電極１２とが、２つの分
岐光導波路４１および４２に対して全く対称に配置され
ているので、両分岐光導波路４１およヒ４２へのパルス
信号電圧が印加される部分。

すなわち、２つの位相変化部分における電流による発熱
量および放熱量は、それぞれ相等しく温度差が生じるこ
とはない。したがって、動作点のシフトなどの諸問題を
生じることがなく、高周波・長距離光通信用の光変調器
の性能および品質の向上に寄与するところが極めて大き
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の構成を示す図、第２図は本発
明実施例の動作状態を示す図、第３図は本発明の他の実
施例の構成を示す図、第４図は従来のマツハツエンダ型
外部変調器の第６図は動作点シフトを説明する図、 第７図はＤＣドリフトを説明する図である。 図において、 １　（ｌａ、　ｌｂ）は第１の進行波信号電極、２　（
２ａ、　２ｂ）は第２の進行波信号電極、４　（４ａ、
　４ｂ）は光導波路、５はディバイダ、６は高周波パル
ス信号源、８はバッファ層、１０は基板、１１　（ｌｌ
ａ、　１ｌｂ）は第１の接地電極、１２　（１２ａ、　
１２ｂ）は第２の接地電極、４１　（４１ａ、　４１ｂ
）は第１の分岐光導波路、４２　（４２ａ、　４２ｂ）
は第２の分岐光導波路、７１　（７１ａ、　７１ｂ）お
よび７２　（７２ａ、　？２ｂ）は信号線である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 平面に加工した電気光学効果を有する基板（１０）と、 前記基板（１０）の上に形成された、分岐光導波路（４
   １）および（４２）を有する光導波路（４）と、前記第
   １の分岐光導波路（４１）中を伝送される光と、前記第
   ２の分岐光導波路（４２）中を伝送される光との間に位
   相差を生じさせるように、前記分岐光導波路（４１）お
   よび（４２）上にそれぞれ設けられた第１および第２の
   進行波信号電極（１，２）と、前記第１および第２の進
   行波信号電極（１，２）それぞれと対をなし、高周波パ
   ルス信号の印加により前記第１および第２の分岐光導波
   路（４１，４２）中を伝送される光に位相変化を生じさ
   せるように配置された第１および第２の接地電極（１１
   ，１２）と、前記第１および第２の進行波信号電極（１
   ，２）に高周波パルス信号を入力させる第１および第２
   の信号線（７１，７２）と、 前記第１および第２の信号線（７１，７２）に高周波パ
   ルス信号源（６）からの信号を分割伝送させるディバイ
   ダ（５）とを少なくとも備え、 前記第１の分岐光導波路（４１）のパルス信号入力端（
   Ａ）へ入力する高周波パルス信号と前記第２の分岐光導
   波路（４２）のパルス信号入力端（Ｂ）へ入力する高周
   波パルス信号との位相遅延時間（τ＿７＿１＿−＿７＿
   ２）と、前記第１の分岐光導波路（４１）のパルス信号
   入力端（Ａ）から前記第２の分岐光導波路（４２）のパ
   ルス信号入力端（Ｂ）に相当する第１の分岐光導波路（
   ４１）上の位置（Ｂ′）までの距離を光が伝送される時
   間（ｔ＿Ａ＿−＿Ｂ＿′）との差（τ＿７＿１＿−＿７
   ＿−ｔ＿Ａ＿−＿Ｂ＿′）が、１ビット分のパルス巾に
   相当する時間（ｔ＿０）に一致するようにしたことを特
   徴とする光変調器。