JPH0414010A - 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器において、周波数チャーピング
の量を制御することを目的とし、電気光学効果を有する
基板上に、導波路型強度変調器と導波路型位相変調器と
が縦続接続されるように光変調器を構成する。さらに、
具体的には縦続接続された前段および後段それぞれの光
変調器で、進行してくる光に対して同一電気信号が印加
されるように、後段側の光変調器に印加される電気信号
に遅延をかけ、かつ、前記導波路型位相変調器に印加さ
れる電気信号の大きさを可変にするように光変調器を構
成する。

〔産業上の利用分野］ 本発明は、高速駆動の外部光変調器の周波数チャーピン
グの量を制御し、長距離光フアイバ伝送の特性を向上さ
せる光変調器の構成に関する。

最近の光通信システムの光送信系において、たとえば、
１．６　ＧＨｚ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、チャーピング現象のため、光フ
ァイバの分散特性と相まって長距離通信への限界となっ
ている。これに対して、外部光変調器、たとえば、進行
波電極を有する導波路型変調器では周波数チャーピング
がないと考えられ高速・長距離通信用に採用されはじめ
ている。

しかし、条件によっては若干の周波数チャーピングが、
かえって、伝送特性を良好にする場合があることがわか
ってきており、周波数チャーピングの量を制御できる光
変調器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、とくに、電気光学結晶基板上に分岐
光導波路を設け、進行波電極で駆動するマツハツエンダ
型光変調器が知られている。

第７図は従来のマツハツエンダ型光変調器の例を示す図
である。図中、１は平面に加工した電気光学効果を有す
る基板、たとえば、ＬｉＴａＯ３あるいはＬｉＮｂ０．
基板である。２０゛　は光導波路で中間に分岐先導波路
２１’、２２’　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。２３′　は信号電極
で、たとえば、進行波電極、２４“は接地電極で、いず
れもＡｕなどの金属を蒸着あるいはめっきによって形成
したもの、４は電気信号源である。なお、図には示して
ないが光導波路と電極との間には前記金属電極層への光
の吸収を小さくするためのパンフ７層、たとえば、Ｓｉ
Ｏ□などの薄膜が設けられている。

いま、たとえば、図示してない半導体レーザから発した
直流光が左側の光導波路２０゛　から入射し分岐光導波
路２１”、２２゛で２つに分けられ、その間に、信号電
極２３゛　に電気信号源４から信号電圧を印加すると、
基板上に設けられた前記分枝光導波路２Ｆ、２２”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。この両光を再び合流させて、右側の一本の光導波
路２０”から変調された光信号出力を出射させ、図示し
てない光検知器で電気信号に変換するように構成さる。

前記分枝光導波路２１’、２２”における両光の位相差
がπ、あるいは、Ｏになるように駆動電圧を印加すれば
たとえば、光信号出力は０Ｎ−ＯＦＦのパルス信号とし
て得られる。なお、Ｒ丁は終端抵抗である。

このとき変調電界Ｅにより分岐先導波路２１’、２２’
でそれぞれφ８・（Ｅ）、φ２・（Ｅ）の位相変化を生
じるとしたと変調器出力の光電界は次式で表される。

ＥＯＬＩＴ　＝Ｅｏ／２［Ｃｏｓ　（ωｏｔ＋φ＋・（
Ｅ））＋Ｃｏ５（ω。ｔ＋φｚ・（Ｅ）））　−Ｅｏ／
２（Ｘ２＋Ｙ”）””　・Ｃ。

ｓ　［Ｃｏ　ｔ　−ｔａｎ　−’　（Ｙ／Ｘ）　］　−
−−−−−−−−−−−−−−−（１）た＼し、Ｘ　＝
Ｃｏｓ　　φ、−（Ｅ）　　＋Ｃｏｓ　　φ！、（Ｅ）
Ｙ　＝Ｓｉｎ　φ１・（Ｅ）　＋Ｓｉｎ　φｔ’　（Ｅ
）こヌ゛で、分岐光導波路２１’、２２’での変調効率
が等しければ［−φ１・（Ｅ）＝φ２・（Ｅ）１、Ｅｏ
ｕｔ　＝Ｅｏ　Ｃｏｓφ（Ｅ）　　・Ｃｏ５（ωｏｔ）
　−−−−−−−（２）となって周波数チャーピングは
起こらない。

しかし、図に示すごとく信号電極２３′　と接地電極２
４′　とが非対称であるため、分岐先導波路２１゛。

２２′での変調効率が等しくな（なり、その結果、周波
数チャーピングが生じることになる。

式（１）の位相部分ωｏｔ−ｔａｎ−’（Ｙ／Ｘ）をΦ
（１）とし、これを時間ｔで微分すると変調器出力の角
周波数ω（１）となる。

ω（ｔ）　＝　ｄΦ（ｔ）／ｄｔ ＝　Ｃｏ　−ｄ　［ｔａｎ　−’　（Ｙ／Ｘ）　］　／
ｄｔ　−−−−−（３）この式（３）の第２項が周波数
チャーピングとなる（横田、清野はか；電子情報通信学
会全国大会予稿集、ｐ４−８７．Ｂ−７１１，１９８９
参照）。

通常、変調効率の非対称性は３〜６対１程度であり、こ
の場合の周波数チャーピング量は、たとえば、ＤＦＢ型
の半導体レーザの直接変調の場合に比較して一桁程度小
さい量である。

〔発明が解決しようとした課題〕

第８図は光変調器の周波数チャーピング特性を示す図で
、同図（イ）は電気信号を、同図（ロ）は周波数チャー
ピングを示す。すなわち、同図（イ）に示したような電
気信号が印加されると、同図（ロ）のような周波数チャ
ーピングが生しる。

しかし、上記のようなマ・７ハツエンダ型光変調器の周
波数チャーピングは分岐光導波路２１’、２２″での変
調効率の違いに起因するものであり１通常は、変調器の
設計により固定されてしまい任意の大きさに制御するこ
とはできず、そのま＼では高速光伝送の伝送特性の改善
には利用することができない。したがって、マツハツエ
ンダ型光変調器を含んだ外部光変調器の周波数チャーピ
ング量を制御する手段の提供が強く求められる。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は、電気光学効果を有する基板１上に、導波
路型強度変調器２と導波路型位相変調器３とが縦続接続
されてなる光変調器により解決することができる。さら
に、具体的には縦続接続された前段および後段それぞれ
の光変調器で、進行して（る光に対して同一電気信号が
印加されるように、後段側の光変調器に印加される電気
信号に遅延をかけ、かつ、前記導波路型位相変調器３に
印加される電気信号の大きさを可変にすることによって
解決することができる。

［作用］ 直線光導波路を伝播する光がφ。なる位相変化を与えら
れると光電界は次式のごとく表される。

Ｅ’ｏｕｔ　＝Ｅｏ’Ｃｏｓ　（ωｏｔ＋φｃ（Ｅ’）
）　−−−ｍ−・−（４）式（４）の位相部分を時間微
分すると、ω（ｔ）＝ω。±ｄφ、　（Ｅ“）／ｄｔ　
−・−一一−−−−−−・−（５）となる。

すなわち、この場合には前記のマツハツエンダ型の光変
調器の場合とは異なり、印加する電気信号を変化させる
ことにより周波数チャーピングの量を制御できる。

したがって、本発明によれば強度変調器と位相変調器と
を縦続接続しているので、総合された光変調器ａ力の光
電界は次式で表される。

Ｅｏｕｔ　＝Ｅｏ／２（Ｘ２＋Ｙ”）””Ｃｏｓ［ω。

ｔ−ｊａｎ（Ｙ／Ｘ）十φｃ（Ｅ）　１・−−−−−−
−−−−−−−（６）式（６）の位相部分を時間微分す
ると、ω（ｔ）　　＝（ＩＩＪＯ−ｄ［ｔａｎ　　−’
（Ｙ／Ｘ）］／ｄｔ＋ｄ　φ、　　（Ｅ）／ｄｔ、＝ω
。−δパ　ω　−（７）となる。

たヌし、δ”　ω＝ｄ［ｔａｎ　−’（Ｙ／Ｘ）］／ｄ
ｔ　＋ｄ　　φ０（Ｅ）／ｄｔである。

弐（７）において、ｄφｃ（Ｅ）／ｄｔは印加する電気
信号によって変化させることができるので、光の角周波
数の時間変動項δ”ω、すなわち、周波数チャーピング
を可変制御することが可能となる。そして、ある時間に
変調器に入射してきた光が前段の変調器（強度変調器ま
たは位相変調器）で変調される電気信号と、後段の変調
器（位相変調器または強度変調器）で変調される電気信
号が同一になるように、光が前段の変調器に到達したと
きから後段の変調器に到達するまでに要する時間だけ後
段の変調器に印加する電気信号に遅延をかけているので
、両変調器の同期がとれ極めて有効な変調器特性が得ら
れるのである。

（実施例〕 第１図は本発明の第１実施例を示す図である。

基板ｌには大きさ６０ｍｍＸ２　ｍｍ、厚さ１ｍｍのＬ
ｉＮｂＯ３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９０　ｎ、　ｍの厚さに真空蒸
着し、分岐光導波路２１ａおよび２２ａを含む光導波路
２０および３０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１０５０°Ｃで
ＴｉをＬｉＮｂＯ３中に熱拡散して全光導波路を形成し
また。

光導波路の幅は全て７〜１１μｍになるように調整した
。次いで、バッファ層としてＳｉＯ□を３００〜１００
０　ｎ　ｍの厚さにスバ・ツタ法で形成した。

前段の非対称型の導波路型強度変調器２ａとして、分岐
光導波路２１ａおよび２２ａのそれぞれに信号電極２３
ａおよび接地電極２４ａを形成した。また、後段の導波
路型位相変調器３としては前記導波路型強度変調器２ａ
に縦続して、合流された光導波路３０に信号電極３１お
よび接地電極３２を設けて形成した。

両変調器の接地電極２４ａおよび３２が覆う光導波路の
長さはそれぞれ２０ｍｍで、両度調器の間は３ｍｍの間
隔をあけて構成した。信号電極の巾は７〜９μｍ、信号
電極と接地電極間のスペースは１５μｍとし、電極形成
には、たとえば、Ｔ　ｉ　−Ａ　ｕ合金膜を蒸着したの
ち公知の方法で所定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３μｍのＡｕをめっきにより付
着形成した。

４０．４１は信号用ケーブルで一方の端はそれぞれ導波
路型強度変調器２ａおよび導波路型位相変調器３の信号
電極２３ａ、３１の入力端に接続され、信号用ケーブル
４０の他方の端は、たとえば、増巾器５を経由して電気
信号源４に、また、信号用ケーブル４１の他方の端は、
たとえば、遅延手段７．電気信号可変手段６．増巾器５
を経由して電気信号源４に接続されている。Ｒ７は終端
抵抗である。

いま、直流光として光導波路２０に入射した光は分岐光
導波路２１ａ、２２ａにおける両光の位相差がπあるい
は、０になるように電気信号源４から電気信号を印加す
れば導波路型強度変調器２ａからの光信号出力は０Ｎ−
ＯＦＦのパルス信号となって、後段の導波路型位相変調
器３に入射する。後段の導波路型位相変調器３で、同じ
く、電気信号源４から電気信号を印加すると入射光パル
ス信号は印加される電気信号の大きさに対応した位相変
調を受けて光導波路３０から出射する。

なお、後段に印加する電気信号、すなわち、電気信号分
岐点Ｃと後段の導波路型位相変調器３の先頭点Ｂの間の
伝達時間は、前段に印加する電気信号、すなわち、電気
信号分岐点Ｃと前段の導波路型強度変調器２ａの先頭点
Ａとの間の伝達時間よりも、前記両度調器の先頭点Ａお
よびＢの間を光が走行するに要する時間だけ遅延させる
ように、遅延手段７．たとえば、同軸ケーブルやストリ
ップラインからなる信号ケーブル４１の長さを適当に長
くすればよい。また、電気信号可変手段６．たとえば、
減衰器あるいは増巾器で電気信号の大きさを変えること
により周波数チャーピングの量を制御することができる
。

第２図は本発明実施例の周波数チャーピング特性を示す
図で、同図（イ）は電気信号を、同図（ロ）は周波数チ
ャーピングを示す。すなわち、同図（イ）に示したよう
な電気信号が印加されると、同図（ロ）のような周波数
チャーピング量δ”ωが生しる。この周波数チャーピン
グ量δ”ωは弐（７）で示したごとく電気信号の大きさ
で制御することができ、しかも、その符号も反転可能で
ある（たとえば、■、■→■、■）。

第３図は本発明による伝送波形の変化を説明する図で、
太い実線が周波数チャーピングがない場合、細い実線（
■、■）と破線（■、■）が周波数チャーピングがある
場合を模式的に示したものである。すなわち、たとえば
周波数チャーピングの量を破線（■、■）のように制御
するとハルス巾の圧縮が行われ長距離伝送特性が改善さ
れる。

第４図は本発明の第２実施例を示す図で、この実施例で
は導波路型強度変調器２ｂとして方向性結合器型強度変
調器を用いた場合である。電気信号源その他については
図示するのを省略し、さらに、その動作メカニズムも前
記実施例と同一であるので説明を省略する。

なお、前記の図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。

第５図は本発明の第３実施例を示す図で、本実施例は前
記第１実施例の前段の変調器と後段の変調器を入れ換え
ただけでその機能、動作は全く同様であるので詳細説明
は省略する。

第６図は本発明の第４実施例を示すメで、本実施例も前
記第２実施例の前段の変調器と後段の変調器を入れ換え
ただけでその機能、動作は全く同様であるので詳細説明
は省略する。

以上述べた実施例は数例を示したもので、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３寸法、製
作プロセスなど適宜好ましいもの、あるいはその組み合
わせを用いてよいことは言うまでもない。

〔発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば光変調器の周波数
チャーピングの量を制御できるので、長距離光フアイバ
伝送特性が改善でき、電気光学結晶を用いた外部光変調
器の性能・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図は本発明の第１実施例を示す図、第２図は本発明
実施例の周波数チャーピング特性を示す図、 第３図は本発明による伝送波形の変化を説明する図、 第４図は本発明の第２実施例を示す図、第５図は本発明
の第３実施例を示す図、第６図は本発明の第４実施例を
示す図、第７図は従来のマンハツェンダ型光変調器の例
を示す図、 第８図は光変調器の周波数チャーピング特性を示す図で
ある。 図において、 １は基板、 ２　（２ａ　、　２ｂ）は導波路型強度変調器、は導波
路型位相変調器、 は電気信号源、 は増巾器、 は電気信号可変手段、 は遅延手段、 ３０は光導波路、 ２２ａは分岐光導波路、 ２３（２３ａ、２３ｂ）、３１は信号電極、２４（２４
ａ、２４ｂ）　、３２は接地電極である。 導波路型位相変調器 導波路型位相変調器 本発明による伝送墳形の変化Σ説明する図第　３　図 本発明の第１大施例宮示す閃 第　１　閃 本発明大と例の周破蚊千Ｎ−ピンク特性左ホナ図第２磨 本発明の第４芙鍔クリに示す凶 第　６　閃

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電気光学効果を有する基板（１）上に、導波路型
   強度変調器（２）と導波路型位相変調器（３）とが縦続
   接続されてなることを特徴とした光変調器。
2. （２）縦続接続された前段および後段それぞれの光変調
   器で、進行してくる光に対して同一電気信号が印加され
   るように、後段側の光変調器に印加される電気信号に遅
   延をかけ、かつ、前記導波路型位相変調器（３）に印加
   される電気信号の大きさを可変にすることを特徴とした
   請求項（１）記載の光変調器。