JPH05257104A - 光制御素子 - Google Patents
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- JPH05257104A JPH05257104A JP7565391A JP7565391A JPH05257104A JP H05257104 A JPH05257104 A JP H05257104A JP 7565391 A JP7565391 A JP 7565391A JP 7565391 A JP7565391 A JP 7565391A JP H05257104 A JPH05257104 A JP H05257104A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
- G02F1/035—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure
- G02F1/0356—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure controlled by a high-frequency electromagnetic wave component in an electric waveguide structure
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 電気光学結晶基板に形成された光導波路に沿
って進行波電極を設け、その進行波電極に伝搬するマイ
クロ波の電界により光導波路に伝搬する光を制御する構
成の光制御素子において、周波数の高い領域における電
気通過特性を改善する。 【構成】 基板の厚さを薄くしてＴＥＭ波以外のモード
の発生を防止する。
って進行波電極を設け、その進行波電極に伝搬するマイ
クロ波の電界により光導波路に伝搬する光を制御する構
成の光制御素子において、周波数の高い領域における電
気通過特性を改善する。 【構成】 基板の厚さを薄くしてＴＥＭ波以外のモード
の発生を防止する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光導波路を伝搬する光の
制御に利用する。本発明は、特に、ニオブ酸リチウム L
iNbO3 を用いた外部光変調器に利用するに適する。
制御に利用する。本発明は、特に、ニオブ酸リチウム L
iNbO3 を用いた外部光変調器に利用するに適する。
【０００２】
【従来の技術】LiNbO3 基板に設けられた光導波路に沿
ってコプレーナ電極と呼ばれる進行波電極を設け、この
コプレーナ電極を伝搬するマイクロ波の電界によりその
光導波路内に伝搬する光を変調する外部光変調器が従来
から知られている。
ってコプレーナ電極と呼ばれる進行波電極を設け、この
コプレーナ電極を伝搬するマイクロ波の電界によりその
光導波路内に伝搬する光を変調する外部光変調器が従来
から知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のこの種
の外部光変調器では、コプレーナ電極に伝搬するマイク
ロ波の周波数が高くなると、その通過特性Ｓ21に多数の
ディップが生じてしまう欠点があった。これは、電気光
学結晶の光導波路にマイクロ波電界を印加してその伝搬
光を制御する素子に共通の課題である。本発明は、この
ような課題を解決し、周波数の高い領域でも電気通過特
性の劣化が少ない光制御素子を提供することを目的とす
る。
の外部光変調器では、コプレーナ電極に伝搬するマイク
ロ波の周波数が高くなると、その通過特性Ｓ21に多数の
ディップが生じてしまう欠点があった。これは、電気光
学結晶の光導波路にマイクロ波電界を印加してその伝搬
光を制御する素子に共通の課題である。本発明は、この
ような課題を解決し、周波数の高い領域でも電気通過特
性の劣化が少ない光制御素子を提供することを目的とす
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の光制御素子は、
電気光学結晶基板の厚さが電極に伝搬する電磁波のＴＥ
Ｍ以外のモードを遮断する値に形成されたことを特徴と
する。電気光学結晶としては LiNbO3 が一般的である
が、 LiTaO3 、GaAsなどでもよい。 LiNbO3 を用いる場
合には、基板の厚さｔが、コプレーナ電極に伝搬させる
べきマイクロ波の周波数ｆに対して、 -0.636・log ｔ＋2.982 ＝log ｆ を満たす値より薄く形成されていることが望ましい。さ
らに、厚さｔは250 μmより薄いことが望ましい。基板
の幅は特性には関係ないが、加工性の観点から、１mm以
上であることが望ましい。
電気光学結晶基板の厚さが電極に伝搬する電磁波のＴＥ
Ｍ以外のモードを遮断する値に形成されたことを特徴と
する。電気光学結晶としては LiNbO3 が一般的である
が、 LiTaO3 、GaAsなどでもよい。 LiNbO3 を用いる場
合には、基板の厚さｔが、コプレーナ電極に伝搬させる
べきマイクロ波の周波数ｆに対して、 -0.636・log ｔ＋2.982 ＝log ｆ を満たす値より薄く形成されていることが望ましい。さ
らに、厚さｔは250 μmより薄いことが望ましい。基板
の幅は特性には関係ないが、加工性の観点から、１mm以
上であることが望ましい。
【０００５】
【作用】コプレーナ電極の電気通過特性に多数のディッ
プが生じる原因について、清野らは、基板の内部共振に
よるものと考えている。 (1) 清野、女鹿田、並木、中島、「Ti:LiNbO3 変調器
の高周波特性改善」、1990年電子情報通信学会春季全国
大会、C-227 、(2) セイノ他、ECOC 90 、第３巻第99
9 頁から第1002頁(M.SEINO et al., "20-GHz 3dB-BANDW
IDTH Ti:LiNbO3 MACH-ZEHNDERMODULATOR", Proceeding
s,Vol.2 of 16th European Conference onOptical Comm
unication)
プが生じる原因について、清野らは、基板の内部共振に
よるものと考えている。 (1) 清野、女鹿田、並木、中島、「Ti:LiNbO3 変調器
の高周波特性改善」、1990年電子情報通信学会春季全国
大会、C-227 、(2) セイノ他、ECOC 90 、第３巻第99
9 頁から第1002頁(M.SEINO et al., "20-GHz 3dB-BANDW
IDTH Ti:LiNbO3 MACH-ZEHNDERMODULATOR", Proceeding
s,Vol.2 of 16th European Conference onOptical Comm
unication)
【０００６】しかし、本発明者らの研究では、内部共振
によると考えられるデータは得られず、ＴＥＭ波以外の
モードによると考えられるデータが得られた。コプレー
ナ電極を設計する場合、従来はＴＥＭ波のみが伝搬する
と仮定していたが、実際には変調周波数が高くなるにし
たがってＴＭ波やＴＥ波が伝搬するようになり、これが
電気通過特性にディップを生じる原因となると考えられ
る。
によると考えられるデータは得られず、ＴＥＭ波以外の
モードによると考えられるデータが得られた。コプレー
ナ電極を設計する場合、従来はＴＥＭ波のみが伝搬する
と仮定していたが、実際には変調周波数が高くなるにし
たがってＴＭ波やＴＥ波が伝搬するようになり、これが
電気通過特性にディップを生じる原因となると考えられ
る。
【０００７】ＴＥＭ波以外のモードの発生を防止するに
は、基板の厚さを変えることが効果的である。すなわ
ち、基板の厚さを変えることによりＴＥＭ波以外のモー
ドに対する遮断周波数を変化させることができ、基板を
薄くすれば、比較的高い周波数までほぼ平坦な電気通過
特性を得ることができる。
は、基板の厚さを変えることが効果的である。すなわ
ち、基板の厚さを変えることによりＴＥＭ波以外のモー
ドに対する遮断周波数を変化させることができ、基板を
薄くすれば、比較的高い周波数までほぼ平坦な電気通過
特性を得ることができる。
【０００８】
【実施例】図１は本発明実施例の外部光変調器の一例を
示す斜視図であり、図２は基板部分の平面図、図３は断
面図である。 LiNbO3 基板１にはTi拡散、プロトン交換
などの処理により光導波路10が形成され、この光導波路
10に沿って信号線路２が設けられ、この信号線路２に沿
って接地電極３が設けられる。基板１と信号線路２およ
び接地電極３との間には、絶縁バッファ層として SiO2
膜６が設けられる。基板１は筐体などの金属板４に取り
付けられ、接地電極３がこの金属板４に電気的に接続さ
れる。また、金属板４には貫通孔５が設けられ、この貫
通孔５を通して、信号線路２が外部のマイクロ波供給源
に接続される。ここで本実施例の特徴とするところは、
基板１の厚さｔが信号線路２に伝搬させるべきマイクロ
波の周波数ｆに対して、 -0.636・log ｔ＋2.982 ＝log ｆ を満たす値より薄く形成されたことにある。
示す斜視図であり、図２は基板部分の平面図、図３は断
面図である。 LiNbO3 基板１にはTi拡散、プロトン交換
などの処理により光導波路10が形成され、この光導波路
10に沿って信号線路２が設けられ、この信号線路２に沿
って接地電極３が設けられる。基板１と信号線路２およ
び接地電極３との間には、絶縁バッファ層として SiO2
膜６が設けられる。基板１は筐体などの金属板４に取り
付けられ、接地電極３がこの金属板４に電気的に接続さ
れる。また、金属板４には貫通孔５が設けられ、この貫
通孔５を通して、信号線路２が外部のマイクロ波供給源
に接続される。ここで本実施例の特徴とするところは、
基板１の厚さｔが信号線路２に伝搬させるべきマイクロ
波の周波数ｆに対して、 -0.636・log ｔ＋2.982 ＝log ｆ を満たす値より薄く形成されたことにある。
【０００９】この外部光変調器では、信号線路２にマイ
クロ波を進行させると、信号線路２と接地電極３との間
の電界により光導波路10の屈折率が変化し、光導波路10
に伝搬する光の位相を変調できる。また、光導波路10を
一旦分岐した後に再び合流する構造とし、その一方に沿
って信号線路を配置することにより、マッハツェンダ形
の外部光変調器として、光信号の強度変調に使用でき
る。
クロ波を進行させると、信号線路２と接地電極３との間
の電界により光導波路10の屈折率が変化し、光導波路10
に伝搬する光の位相を変調できる。また、光導波路10を
一旦分岐した後に再び合流する構造とし、その一方に沿
って信号線路を配置することにより、マッハツェンダ形
の外部光変調器として、光信号の強度変調に使用でき
る。
【００１０】図４は外部光変調器の断面における磁界分
布を示す。図１ないし図３に示した構造の外部光変調器
では、信号線路２に伝搬するマイクロ波の周波数が高く
なると、その通過特性Ｓ21に多数のディップが生じる。
これは、図３に示すように、磁界分布に基板の厚さ方向
の成分が存在し、その基板の厚さによる境界条件によっ
て、ＴＥＭ波以外のモード（以下「不要モード」とい
う）が励起されるものと考えられる。したがって、基板
の厚さを変えれば、不要モードの遮断周波数が変化す
る。
布を示す。図１ないし図３に示した構造の外部光変調器
では、信号線路２に伝搬するマイクロ波の周波数が高く
なると、その通過特性Ｓ21に多数のディップが生じる。
これは、図３に示すように、磁界分布に基板の厚さ方向
の成分が存在し、その基板の厚さによる境界条件によっ
て、ＴＥＭ波以外のモード（以下「不要モード」とい
う）が励起されるものと考えられる。したがって、基板
の厚さを変えれば、不要モードの遮断周波数が変化す
る。
【００１１】図５ないし図７に電気通過特性Ｓ21の測定
例を示す。これらの測定は、 基板１の幅Ｗ1 ： ５mm 基板１の長さＬ1 ： 23mm 信号線路２と光導波路10とが近接している部分の長さＬ
2 ： 13 mm 信号線路２の幅Ｗ2 ： 10μm 信号線路２と接地電極３との間隔Ｗ3 ： 10μm 信号線路２の厚さＤ1 ：10μm 信号線路２の終端の幅Ｗ4 ： 300μm 信号線路２の終端における接地電極３との間隔Ｇ： 100
μm SiO2 膜６の厚さＤ2 ： １μm とし、基板１の厚さｔを 500μm 、300 μm 、150 μm
として測定したものである。また、この測定では、本出
願人による先の出願、特願平1-211013および特願平1-31
1467（本件出願時未公開）に示された速度整合構造を組
み合わせた。すなわち、信号線路２および接地電極３の
部分以外について SiO2 膜６を取り除き、基板１と信号
線路２との間の SiO2 膜６の幅を６μm とした。さら
に、接地電極３に銅ブロックを接続し、アース強化を行
った。
例を示す。これらの測定は、 基板１の幅Ｗ1 ： ５mm 基板１の長さＬ1 ： 23mm 信号線路２と光導波路10とが近接している部分の長さＬ
2 ： 13 mm 信号線路２の幅Ｗ2 ： 10μm 信号線路２と接地電極３との間隔Ｗ3 ： 10μm 信号線路２の厚さＤ1 ：10μm 信号線路２の終端の幅Ｗ4 ： 300μm 信号線路２の終端における接地電極３との間隔Ｇ： 100
μm SiO2 膜６の厚さＤ2 ： １μm とし、基板１の厚さｔを 500μm 、300 μm 、150 μm
として測定したものである。また、この測定では、本出
願人による先の出願、特願平1-211013および特願平1-31
1467（本件出願時未公開）に示された速度整合構造を組
み合わせた。すなわち、信号線路２および接地電極３の
部分以外について SiO2 膜６を取り除き、基板１と信号
線路２との間の SiO2 膜６の幅を６μm とした。さら
に、接地電極３に銅ブロックを接続し、アース強化を行
った。
【００１２】図５に示したように、基板１の厚さｔ＝ 5
00μm の場合には、不要モードに対する遮断周波数が1
8.5GHz であり、それ以上の周波数ではＴＥＭ波以外の
モードが発生してしまう。したがって、外部光変調器と
しては直流〜18.5GHz の帯域でしか使用できない。これ
に対して図６に示すように厚さｔ＝ 300μm とすると、
不要モードに対する遮断周波数が25.5GHz となった。さ
らに、厚さｔ＝ 150μmとすると、遮断周波数が40GHz
まで延長され、この周波数までほぼ平坦な電気通過特性
が得られた。
00μm の場合には、不要モードに対する遮断周波数が1
8.5GHz であり、それ以上の周波数ではＴＥＭ波以外の
モードが発生してしまう。したがって、外部光変調器と
しては直流〜18.5GHz の帯域でしか使用できない。これ
に対して図６に示すように厚さｔ＝ 300μm とすると、
不要モードに対する遮断周波数が25.5GHz となった。さ
らに、厚さｔ＝ 150μmとすると、遮断周波数が40GHz
まで延長され、この周波数までほぼ平坦な電気通過特性
が得られた。
【００１３】また、基板１の幅Ｗ1 を５mmから２mmに変
更しても遮断周波数に変化はなく、上述した文献に示さ
れたような内部共振によるものではないと考えられる。
すなわち、共振ならば、共振器長が２／５になっている
ので、共振周波数が大きく変化し特性も大きく変化する
はずであるが、そのような変化は見られなかった。
更しても遮断周波数に変化はなく、上述した文献に示さ
れたような内部共振によるものではないと考えられる。
すなわち、共振ならば、共振器長が２／５になっている
ので、共振周波数が大きく変化し特性も大きく変化する
はずであるが、そのような変化は見られなかった。
【００１４】図８に基板１の厚さｔと遮断周波数ｆc と
の関係の測定結果を示す。この関係を式で表すと、 -0.636・log ｔ＋2.982 ＝log ｆc となる。したがって、基板１をこの式のｔで表される値
により薄くすれば、周波数ｆc 以下の周波数ではほぼ平
坦な電気通過特性が得られる。
の関係の測定結果を示す。この関係を式で表すと、 -0.636・log ｔ＋2.982 ＝log ｆc となる。したがって、基板１をこの式のｔで表される値
により薄くすれば、周波数ｆc 以下の周波数ではほぼ平
坦な電気通過特性が得られる。
【００１５】図９は基板の厚さｔを150 μm とし、光位
相変調を行ったときの電極の電気通過特性と光変調特性
との測定例を示す。電気通過特性は図７に示したものと
同じであり、この特性に追従して良好な光変調特性が得
られた。
相変調を行ったときの電極の電気通過特性と光変調特性
との測定例を示す。電気通過特性は図７に示したものと
同じであり、この特性に追従して良好な光変調特性が得
られた。
【００１６】以上の実施例では、特定の電極パターンお
よび寸法の場合について説明したが、電極の形状、大き
さを変えても本発明を同様に実施できる。また、測定で
用いたような速度整合構造およびアース強化の構造を組
み合わせて用いることが望ましいが、それ以外の構造で
も本発明を同様に実施できる。
よび寸法の場合について説明したが、電極の形状、大き
さを変えても本発明を同様に実施できる。また、測定で
用いたような速度整合構造およびアース強化の構造を組
み合わせて用いることが望ましいが、それ以外の構造で
も本発明を同様に実施できる。
【００１７】また、以上の実施例では外部光変調器につ
いて説明したが、本発明は、他の超高速動作する素子、
例えばスイッチ、方向性結合器、光偏向器などの光制御
素子にも同様に実施できる。具体的には、西原他共著、
オーム社刊、「光集積回路」第１版または第２版、第 3
04頁〜第 310頁または第 356頁〜第 358頁に示された素
子にも本発明を実施できる。さらに、電気光学結晶とし
て、 LiNbO3 の他に、LiNbO3 やGaAsを用いることもで
きる。
いて説明したが、本発明は、他の超高速動作する素子、
例えばスイッチ、方向性結合器、光偏向器などの光制御
素子にも同様に実施できる。具体的には、西原他共著、
オーム社刊、「光集積回路」第１版または第２版、第 3
04頁〜第 310頁または第 356頁〜第 358頁に示された素
子にも本発明を実施できる。さらに、電気光学結晶とし
て、 LiNbO3 の他に、LiNbO3 やGaAsを用いることもで
きる。
【００１８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の光制御素
子は、基板を薄くして不要モードの発生を防止すること
より、コプレーナ電極の電気通過特性の帯域を拡張でき
る効果がある。現状の技術で実現できる基板の厚さは50
〜100 μm 程度であり、これにより80GHz 程度まで帯域
を拡張できるが、今後プロセス技術が進歩すればさらに
薄膜化が可能になり、さらに高い周波数での利用が可能
となる。本発明は、特に外部光変調器として用いること
により、高速光変調が可能となる効果がある。
子は、基板を薄くして不要モードの発生を防止すること
より、コプレーナ電極の電気通過特性の帯域を拡張でき
る効果がある。現状の技術で実現できる基板の厚さは50
〜100 μm 程度であり、これにより80GHz 程度まで帯域
を拡張できるが、今後プロセス技術が進歩すればさらに
薄膜化が可能になり、さらに高い周波数での利用が可能
となる。本発明は、特に外部光変調器として用いること
により、高速光変調が可能となる効果がある。
【図１】 本発明実施例の外部光変調器の一例を示す斜
視図。
視図。
【図２】 基板部分の平面図。
【図３】 断面図。
【図４】 外部光変調器の断面における磁界分布を示す
図。
図。
【図５】 基板の厚さが 500μm のときの電気通過特性
測定例を示す図。
測定例を示す図。
【図６】 基板の厚さが 300μm のときの電気通過特性
測定例を示す図。
測定例を示す図。
【図７】 基板の厚さが 150μm のときの電気通過特性
測定例を示す図。
測定例を示す図。
【図８】 基板の厚さｔと遮断周波数ｆc との関係の測
定結果を示す図。
定結果を示す図。
【図９】 基板の厚さｔを150 μm として光位相変調を
行ったときの電極の電気通過特性と光変調特性との測定
例を示す図。
行ったときの電極の電気通過特性と光変調特性との測定
例を示す図。
１ 基板 ２ 信号線路 ３ 接地電極 ４ 金属板 ５ 貫通孔 ６ SiO2 膜 10 光導波路
Claims (3)
- 【請求項１】 電気光学結晶基板と、 この基板に形成された光導波路と、 この光導波路に沿ってマイクロ波を伝搬させることによ
りこの光導波路に伝搬する光を制御する進行波電極とを
備えた光制御素子において、 前記結晶基板の厚さが前記電極に伝搬する電磁波のＴＥ
Ｍ以外のモードを遮断する値に形成されたことを特徴と
する光制御素子。 - 【請求項２】 電気光学結晶は LiNbO3 であり、 基板の厚さｔは、前記進行波電極に伝搬させるべきマイ
クロ波の周波数ｆに対して、 -0.636・log ｔ＋2.982 ＝log ｆ を満たす値より薄く形成された請求項１記載の光制御素
子。 - 【請求項３】 基板の厚さｔは250 μm 以下である請求
項２記載の光制御素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7565391A JPH05257104A (ja) | 1991-03-14 | 1991-03-14 | 光制御素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7565391A JPH05257104A (ja) | 1991-03-14 | 1991-03-14 | 光制御素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05257104A true JPH05257104A (ja) | 1993-10-08 |
Family
ID=13582420
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7565391A Pending JPH05257104A (ja) | 1991-03-14 | 1991-03-14 | 光制御素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05257104A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001174766A (ja) * | 1999-12-21 | 2001-06-29 | Sumitomo Osaka Cement Co Ltd | 導波路型光変調器 |
| US8135241B2 (en) | 2008-06-26 | 2012-03-13 | Fujitsu Limited | Optical modulation device utilizing electro-optic effect |
-
1991
- 1991-03-14 JP JP7565391A patent/JPH05257104A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001174766A (ja) * | 1999-12-21 | 2001-06-29 | Sumitomo Osaka Cement Co Ltd | 導波路型光変調器 |
| JP4587509B2 (ja) * | 1999-12-21 | 2010-11-24 | 住友大阪セメント株式会社 | 導波路型光変調器 |
| US8135241B2 (en) | 2008-06-26 | 2012-03-13 | Fujitsu Limited | Optical modulation device utilizing electro-optic effect |
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