JPH03229214A

JPH03229214A - 光変調素子

Info

Publication number: JPH03229214A
Application number: JP2220890A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kono; 健治河野; Toshinori Nozawa; 野沢　敏矩; Hiromichi Jumonji; 十文字　弘道; Kazuto Noguchi; 一人野口; Tsutomu Kito; 勤鬼頭
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-02-02
Filing date: 1990-02-02
Publication date: 1991-10-11
Anticipated expiration: 2012-05-21
Also published as: JP2612948B2

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】［産業上の利用分野］本発明は動作速度が極めて速い光変調素子に関するもの
である。

［従来の技術］従来の光変調素子の１例として、第８図（Ａ）および（
Ｂ）に進行波電極を使用したマツハツエンダ形光強度変
調器を示す。

第８図（Ａ）および（Ｂ）において、例えばＺカットし
１Ｎｂ０３等の電気光学効果を有する基板１の一方の主
面に、例えばＴｉ拡散法等により光導波路２を形成し、
この主面上に、バッファ層３を介在させて中心電極４お
よびアース電極５を有するコプレーナウェーブガイド電
極を形成することにより、光変調器が形成される。６は
電極４と５との間に接続した終端抵抗である。１０およ
び１１は電極４と５との間に形成されたギャップである
。この光変調器を駆動するにあたっては、マイクロ波信
号給電線７を通じて電気信号を電極４と５との間に印加
する。それにより、入力光が変調されて出力光信号を得
ることができる。

このような構成の光変調器の変調帯域（Δｆ）は、主に
光波とマイクロの伝搬速度により、決定される。その変
調帯域は、井筒等により、電子通信学会論文誌ｖｏ１．
Ｊ、　６４−Ｃ，ｐｐ、　２６４−２７１．１９８１に
述べられているように、次式で与えられる。

Δｆ　＝　１．９０／（７Ｃｌｎａ＋−ｎｏｌＬ）Ｃ：
光速ｎ、：マイクロ波実効屈折率ｎｏ：光の実効屈折率Ｌ：相互作用長なお、ここで変調帯域Δｆは光電力における３ｄＢ帯域
である。上記文献では、電気レベルにおける３ｄＢ帯域
で表していたため、参考文献における係数１．４を１．
９に変更している。

上記従来例のような構造では、一般にｎｍと００が大き
く異なっており、マイクロ波と光との速度差により帯域
制限を受ける。ＬｉＮｂＯ５光変調器について、スペク
トル領域法（河野他：　ＩＥＥＥ　ＰｈｏｔｏｎｉｃＴ
ｅｃｈｎｏｌ、　Ｌｅｔｔ、　、　ｖｏｌ、　１　、　
ｐｐ、　３３−３４．１９８９）を用いて計算を行なう
と、たとえマイクロ波伝搬損失αを無視しても３ｄＢ帯
域は９ＧＨｚ程度である。

光変調素子の広帯域化を実現するためには、ｎｏとｎ。

を一致させるとともにマイクロ波伝搬損失αを低減する
ことが不可欠になってくる。

第９図（Ａ）および（Ｂ）は、本発明者等が先の出願の
特願平１−３９１６２号において開示した速度整合形の
光変調器の１実施例である。なお、第９図（Ａ）の平面
図ではシールド導体９を省略している。この実施例では
、マツハツエンダ光導波路２を備えたＺカットＬｉＮｂ
Ｏ５基板１の一方の主面上に、厚いバッファ層３を介し
て進行波電極としての中心電極４およびアース電極５を
配置し、さらに光導波路２と進行波電極４，５とが相互
作用する領域の近傍にオーバレイ８を介してシールド導
体９を配置する。

この光変調器において、中心電極４の幅２Ｗを８μｍ、
中心電極４とアース電極５とのギャップ２Ｇを１５μｍ
、ＳｉＯ□バッファ層３の厚みを１．２μＩとすると、
空気であるオーバレイ８の厚みをｌｏＬＬｍ以下の適切
な値に設定すれば、数１０から数］、００ＧＨｚの広帯
域光変調器を実現できることを、先のスペクトル領域法
を用いて明らかにした。

しかし、この先願の実施例では、マイクロ波伝搬損失を
低減するとともに、マイクロ波と光の速度不整合を軽減
するために、厚いバッファ層３を用いる必要があった。

従って、マイクロ波と光波との相互作用が疎となり、動
作波長１．５μｍ帯において駆動電圧を５ｖ以下とする
ためには、マイクロ波と光との相互作用長りを２．７ｃ
ｍ程度と長（する必要があった。従って、マイクロ波伝
搬損失のため光変調帯域は高々２０ＧＨｚに制限されて
いた。

第１０図には佐原等により、電子通信学会論文誌ｖｏ１
．　Ｊ、　６９−Ｃ，ｐｐ、　１２９１−１２９６．１
９８６に提案された速度整合形光変調器を示す。ここで
は、基板１の一方の主面を、光導波路２の部分を除いて
掘り込み、その掘り込んで形成された溝部にバッファ層
３および中心電極４とアース電極５を配置する。

この構成は、掘り込み部分がある点で一見本発明に似て
いるが、電界強度が強い電極４，５のエツジが誘電率の
高い基板１　（基板の誘電率の値は異方性を考慮すると
、近似的に３５となる）に接している点、あるいはシー
ルド導体を用いていない点で大きく異なっている。これ
らのため、マイクロ波実効屈折が充分に下がらず、その
結果、完全な速度整合は困難であるという欠点を有して
いた。

第１１図には、井筒等により文献Ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　０ｐｔｅｌｅｃｔｒ
ｏｎｉｃｓ（Ｇ、Ａ、Ｍｏｕｒｏｕｅｔ　ａｌ、　ｅｄ
、）ｐｐ、１７２−１７５．　Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅ
ｒｌａｇ、１９８５に提案された構造を示す。ここでは
、基板１のうち、電極４と５との間に対応する部分を掘
り込んでからバッファ層３を形成しているが、かかる掘
り込み部分があるという点で、この構造も本発明と一見
似ているものの、電極４，５の直近を掘り込んでおらず
、またシールド導体を用いておらず、マイクロ波実効屈
折率の大幅な低減効果は得られず、その結果、完全な速
度整合は困難であるという欠点を有していた。

〔発明が解決しようとする課題］そこで、本発明の目的は、以上に述べた従来例および先
願例の欠点を解決し、マイクロ波伝搬損失の増加に起因
する帯域制限や、電極が誘電率の高い基板に接触してい
るために充分にはマイクロ波実効屈折率が下がらないこ
とに起因する帯域制限を解決して、速度整合形広帯域光
変調素子を提供することにある。

［課題を解決するための手段］このような目的を達成するために、本発明は、少なくと
も１本の先導波路を有する基板と、該基板の一方の主面
上に配置されたバッファ層と、該バッファ層の上に配置
された中心電極およびアース電極からなるマイクロ波電
極とを備えて構成された光変調素子において、マイクロ
波の伝搬損失を低減するとともに前記マイクロ波電極を
伝搬するマイクロ波の実効屈折率が前記光導波路を伝搬
する光の実効屈折率に近くなり、かつ前記マイクロ波電
極の特性インピーダンスが外部回路の特性インピーダン
スに近くなるように、前記基板のうち前記マイクロ波電
極の近傍の部分の厚さを少くして前記少なくとも１本の
光導波路を前記基板に形成された突起部分に配置するよ
うになして、前記マイクロ波電極の近傍における前記バ
ッファ層の厚さを厚（なし、および光とマイクロ波が相
互作用する領域において、前記マイクロ波電極が前記基
板に接触しないように前記マイクロ波電極と前記基板と
を配置したことを特徴とする。

ここで、前記マイクロ波電極と前記光導波路とが相互作
用する領域の近傍に、オーバレイを介して、シールド導
体を配置したことを特徴とすることができる。

あるいはまた、前記少なくとも１本の先導波路のうちの
少なくとも１本の光導波路を前記バッファ層を介して前
記中心電極の直下に配置するとともに、前記中心電極の
幅を当該中心電極の直下に配置された少なくとも１本の
光導波路に対応する前記突起部分の幅にほぼ等しいかあ
るいはごく僅かに広（定めることができる。

あるいはまた、前記少なくとも１本の光導波路を前記中
心電極と前記アース電極とのほぼ中間の付近に配置する
ことができる。

［作　用］本発明によれば、基板のうち、マイクロ波電極の少なく
とも真近の部分を、掘り込むなどしてその基板厚を小さ
くして光導波路を含む基板部分を突起状となしたことに
よって、電極の直下に誘電率が低く、かつ厚さの厚いバ
ッファ層が配置されることとなる。従って、中心電極と
アース電極とを結ぶ電気力線は誘電率の低い厚いバツツ
ファ層（例えばＳｉＯｘの誘電率は約４）を感じるので
、均一にバッファ層が厚い場合と同様にマイクロ波実効
屈折率を低減できる。一方、空気とバッファ層との界面
から光導波路までの深さは、バッファ層が均一に厚い場
合と比較して浅くできる。従って、マイクロ波と光との
相互作用の効率は大きくなり、駆動電圧を低減できる。

その結果、相互作用長りを短くすることができるので、
最終的に広帯域化できることになる。

［実施例］第１図（Ａ）および（Ｂ）は本発明をＸカットＬｉＮｂ
０ｍ基板に適用した一実施例を示す。ここで、第８図と
同様の個所には同一符合を付す。

この第１の実施例では、基板１のうち、マイクロ波電極
、すなわち中心電極４とアース電極５の近傍の部分、こ
こではこれら電極４，５の直下の部分をエツチングなど
で掘り込んでその直下部分の厚さを薄くなし、ギャップ
ｌＯおよび１１に対応する基板部分を突起状になし、そ
の突起部分２Ａに先導波路２を配置する。すなわち、光
導波路２は中心電極４とアース電極５とのほぼ中間付近
に配置される。このようにして突起部分２Ａの形成され
た基板１の表面上に、表面が平坦になるようにバッファ
層３を配置する。これにより、バッファ層３のうち、電
極４，５の直下における部分の厚さは厚くなる。

すなわち、この実施例では、電極４および５の直下に誘
電率の低い厚いバッファ層３が配置されるとともに、電
極４．５において強い電気力線を発するエツジが基板１
に接触していないため、誘電率の低減効果が著しい。

本実施例の光変調素子を製作するには、基板１上に通常
の手法でＴｉ熱拡散により光導波路２を製作した後、基
板１の表面のうち、光導波路２のご（近傍を残して、残
りの部分の一部もしくは全部をエツチングして除去すれ
ばよい。

第２図にはその掘り込みの深さとマイクロ波実効屈折率
および特性インピーダンスとの関係を示す。第２図から
、掘り込みの深さが深くなればマイクロ波実効屈折率が
低減されていくことがわかる。

第３図には掘り込みの深さとマイクロ波伝搬損失αとの
関係を示す。第３図から、掘り込みの深さが深（なれば
マイクロ波伝搬損失が低減されていくことがわかる。

第４図には光導波路２の直上のバッファ層３の厚みと■
π・Ｌ（Ｖπ：半波長電圧、Ｌ：相互作用長）との関係
を示す。本発明では先導波路２の部分のバッファ層３の
厚みが薄いので、駆動電圧を低（抑えることができる。

つまり、本実施例では、マイクロ波電極に対応して部分
的に厚膜のバッファ層を用いることによるマイクロ波の
実効屈折率および伝搬損失の低減効果と、光導波路に対
応しては薄いバッファ層を用いることにより駆動電圧の
上昇を抑える効果の双方を発揮させることができる。

第５図（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の第２の実施例で
あり、第１の実施例の構成に加えて、電極５の上に、電
極４をまたいでシールド導体９を設ける。これにより、
掘り込みが比較的浅くても、マイクロ波と光の実効屈折
率の完全整合を達成できる。本実施例では、駆動電圧が
第１の実施例と同程度に低いため、所望の駆動電圧を得
るための相互作用長しが短くてすむ。従って、その分だ
け光変調の広帯域化を図ることができることになる。

第６図（Ａ）および（Ｂ）は本発明の第３実施例であり
、基板１としてＺカットＬｉＮｂ０．基板を用いる。こ
こでは、２つの光導波路２のうちの一方をバッファ層３
を介して中心電極４の真下に配置し、他方の光導波路２
をアース電極５の真下に配置する。したがって、バッフ
ァ層３の厚さは、アース電極５の真下およびギャップｌ
Ｏと１１の真下において厚（、アース電極５のうち光導
波路２に対応する部分の真下および中心電極４の真下に
おいて薄い。

この実施例における広帯域化の原理について中心電極４
を例にとって述べる。中心電極４の近傍、つまりバッフ
ァ層３が存在するような浅い領域では、深さ方向の電界
強度Ｅｙは中心電極４の幅２Ｗの中で一定となっておら
ず、電極４のエツジ付近で急峻に強くなる。従って、深
さ方向の電界Ｅｙの強い領域に厚いバッファ層３があれ
ば、マイクロ波実効屈折率を低減する効果があることに
なる。実際には、電極４のエツジ付近の急峻な電界がバ
ッファ層３を感じるように、中心電極４の幅２ＷをＬｚ
ＮｂＯｓ基板ｌのう基板溝波路２とともに残された部分
の幅にほぼ等しいか、あるいはごくわずか広くしておけ
ば、マイクロ波実効屈折率の低減効果がある。

第７図（Ａ）および（Ｂ）は本発明の第４の実施例であ
り、ここでは第３の実施例の構成に加えて、電極５の上
に、電極４をまたいでシールド導体９を配置する。これ
により、基板１の掘り込みが比較的浅くても、マイクロ
波と光の実効屈折率の完全整合を達成できる０本実施例
では、駆動電圧が第３の実施例と同程度に低いため、所
望の駆動電圧を得るための相互作用長しが短くてすむ。

従って、その分だけ光変調の広帯域化を図ることができ
ることになる。

以上では、先導波路２としてマツハツエンダ形先導波路
の場合を例にとって説明したが、本発明はかかる実施例
に限られるものではなく、第１および第２の実施例にお
いて、中心電極４の直下の先導波路２のみを用いた場合
、あるいは第３および第４の実施例において、いずれか
１本の先導波路２のみを用いた場合には位相変調器を実
現できる。

これまでの説明では、電極４，５としてコプレーナウェ
ーでガイドの場合について説明したが、非対称コプレー
ナストリップなど、その他の形態の電極でもよい。また
、基板２として、ｙカットＬＪｂＯｓを用いることもで
きるし、ＬｉＮｂＯ５以外の電気光学効果を有するその
他の基板であってもよい。さらに、シールド導体９は、
電気壁として作用すればよいので、アース電極５に接地
させなくてもスペーサを介して保持してもよいことはも
ちろんである。

［発明の効果〕以上に述べたように、本発明では、基板のうち、マイク
ロ波電極の少なくとも真近の部分を、掘り込むなどして
その基板厚を小さ（して光導波路を含む基板部分を突起
状となしたことによって、電極の直下に誘電率が低（、
かつ厚さの厚いバッファ層が配置されることとなる。従
って、中心電極とアース電極とを結ぶ電気力線は誘電率
の低い厚いバッッファ層（例えばＳＬＯ□の誘電率は約
４）を感じるので、均一にバッファ層が厚い場合と同様
にマイクロ波実効屈折率を低減できる。−方、空気とバ
ッファ層との界面から光導波路までの深さは、バッファ
層が均一に厚い場合と比較して浅くできる。従って、本
発明によれば、マイクロ波と光との速度整合を確保しつ
つ、駆動電圧を低減できる。従って、相互作用長を短く
できるので、広帯域光変調が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）および（Ｂ）は本発明の第１の実施例を示
す、それぞれ、平面図およびＡＡ’線断面図、第２図はその掘り込みの深さとマイクロ波実効屈折率お
よび特性インピーダンスとの関係を表す図、第３図は同じく掘り込みの深さとマイクロ波伝−損失α
との関係を表す図、第４図は光導波路の真上のバッファ層の厚みとＶπ佳と
の関係を示す図、第５図（Ａ）および（Ｂ）は本発明の第２実施例を示す
、それぞれ、平面図およびＡＡ’線断面図、第６図（Ａ
）および（Ｂ）は本発明の第３実施例を示す、それぞれ
、平面図およびＡＡ’線断面図、第７図は（Ａ）および
（Ｂ）は本発明の第４実施例を示す、それぞれ、平面図
およびＡＡ’線断面図、第８図（Ａ）および（Ｂ）は従来例を示す、それぞれ、
平面図およびＡＡ’線断面図、第９図（Ａ）　Ｓよび（Ｂ）は先願例な示す、それぞれ
、平面図およびＡＡ’線断面図、第１Ｏ図および第１１図は従来例のさらに他の２例を示
す断面図である。１・・・基板、２・・・光導波路、２Ａ・・・突起部分、３・・・バッファ層、４・・・中心電極、５・・・アース電極、６・・・終端抵抗、７・・・変調用マイクロ波信号給電線、８・・・オーバ
レイ、９・・・シールド導体、１０、１１・・・ギャップ。

Claims

【特許請求の範囲】１）少なくとも１本の光導波路を有する基板と、該基板の一方の主面上に配置されたバッファ層と、該バッファ層の上に配置された中心電極およびアース電
極からなるマイクロ波電極とを備えて構成された光変調
素子において、マイクロ波の伝搬損失を低減するととも
に前記マイクロ波電極を伝搬するマイクロ波の実効屈折
率が前記光導波路を伝搬する光の実効屈折率に近くなり
、かつ前記マイクロ波電極の特性インピーダンスが外部
回路の特性インピーダンスに近くなるように、前記基板
のうち前記マイクロ波電極の近傍の部分の厚さを少くし
て前記少なくとも１本の光導波路を前記基板に形成され
た突起部分に配置するようになして、前記マイクロ波電
極の近傍における前記バッファ層の厚さを厚くなし、お
よび光とマイクロ波が相互作用する領域において、前記
マイクロ波電極が前記基板に接触しないように前記マイ
クロ波電極と前記基板とを配置したことを特徴とする光
変調素子。２）請求項１記載の光変調素子において、前記マイクロ
波電極と前記光導波路とが相互作用する領域の近傍に、
オーバレイを介して、シールド導体を配置したことを特
徴とする光変調素子。３）請求項１または２記載の光変調素子において、前記
少なくとも１本の光導波路のうちの少なくとも１本の光
導波路を前記バッファ層を介して前記中心電極の直下に
配置するとともに、前記中心電極の幅を当該中心電極の
直下に配置された少なくとも１本の光導波路に対応する
前記突起部分の幅にほぼ等しいかあるいはごく僅かに広
く定めたことを特徴とする光変調素子。４）請求項１または２記載の光変調素子において、前記
少なくとも１本の光導波路を前記中心電極と前記アース
電極とのほぼ中間の付近に配置したことを特徴とする光
変調素子。