JPH0690370B2 - オプトエレクトロニク変調器 - Google Patents

オプトエレクトロニク変調器

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JPH0690370B2
JPH0690370B2 JP61097007A JP9700786A JPH0690370B2 JP H0690370 B2 JPH0690370 B2 JP H0690370B2 JP 61097007 A JP61097007 A JP 61097007A JP 9700786 A JP9700786 A JP 9700786A JP H0690370 B2 JPH0690370 B2 JP H0690370B2
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electrode
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electrodes
conductors
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グスタフ ドユプスヨーバツカ アンデルス
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光信号を発生するオプトエレクトロニク変調器
に関するものである。オプトエレクトロニク変調器は３
個の平面電極と２個の光波導体とを含み、それらの差変
調が出力で検出される。
（従来の技術） この種の変調器はオプトエレクトロニク材料のウエーハ
に光波導体が形成され、光波導体に沿つて細長い３個の
長方形の平面電極が形成されているのが知られている。
電極は電気的なマイクロ波発生源に接続されている。そ
してマイクロ波発生源は導体により電界を発生し、導体
の屈折率を変化させる。これはまた光波導体の光路長も
変化させるので、２個の光波導体中の光波を重畳させる
ことにより光波を変調するのに用いられる。光波の速度
はマイクロ波よりも速いから、変調器の周波数範囲には
限界がある。これがいわゆる「ウオーク・オフ（walk−
off）効果」である。上限周波数を上げるには、電極を
短くすればよいが、そうするとマイクロ波の電圧を高く
しなければならず、これが難しいのである。米国特許明
細書第4,448,479号には、普通の変調電圧で高い上限周
波数の得られる比較的複雑な電極を有する、変調器が開
示されている。この変調器は電極が複雑である点を別に
しても不利な点を有する。それは個別の電気パルスに対
する変調能力が貧弱である、すなわちパルス応答が鈍い
という点である。この点は例えば二進数が離れたパルス
列により送信されるような情報伝送には非常に不利であ
る。上記変調器はまた低周波の変調用マイクロ波に対す
る変調能力にも限界がある。
（発明が解決すべき課題） 本願発明は、簡単に形成できる電極をもち、低周波での
変調能力が良好で、高い上限周波数を有し、パルス応答
性のよいオプトエレクトロニク変調器を提供することを
目的とする。
（課題を解決するための手段） 本願発明の光信号を発生するためのオプトエレクトロニ
ク変調器は、オプトエレクトロニク物質のウェーファ
と、２個の間隔を置いて平行な光波導体であって、両端
において相互に接続されて入力端と出力端を作る上記光
波導体と、一定振幅で一定波長の光波を上記入力端に導
入する装置であって、導入された光波は２個の導体へと
分配され、また相互に位相偏移を生じ、上記２個の導体
は入力端と出力端の間で結合されていないため、２つに
分配された光波は相互に干渉することはなく、また２個
の導体間の差変調は出力端で検出される上記光波を導入
する装置と、相互に本質的に平行に延びる３個の平面電
極であって、それぞれが横方向へ変位した部分をもち、
これにより相隣接する２個の電極の縦方向の辺によって
多くても３個の区間からなる細長い中間空間を形成し、
これらの区間は相互に横方向に変位した関係にあるため
１つの区間の一方の側の縦方向の辺は隣接する区間の他
方の側の縦方向の辺のほぼ延長線上に位置し、また上記
光波導体はそれぞれ上記延長線に沿って配置され、これ
により各光波導体は１つの電極の１つの部分とそれに隣
接する電極の隣接する部分に接続される上記平面電極
と、中央の電極と２つの外側の電極との間に変調電圧を
印加する装置であって、これによりそれぞれの光波導体
は、上記変調電圧により２つの隣接する区間において反
対位相で変調される上記変調電圧を印加する装置と、か
らなり上記それぞれの区間の長さの関係は、最も長い区
間の長さと電極の長さとの比は、0.70から0.94の範囲に
あり、これにより上記変調器は直流から高周波数の間の
周波数応答をもっている。
（実施例） 第１図に従来のオプトエレクトロニク・マツハツエンダ
（Mach−Zehnder）変調器の斜視図を示す。例えばニオ
ブ酸リチウムのようなオプトエレクトロニク材料のウエ
ーハ１の上面２に光波導体３が形成されている。これら
の導体の屈折率はウエーハの屈折率より大きく、ウエー
ハ１に所定の深さにチタンを拡散するような方法でつく
ることができる。光波は共通入力５から入つて、２本の
平行な光波導体3aと3bに分岐し、それから一緒になつて
共通出力６から出ていく。ウエーハの上面には光波導体
3aと3bに沿つて３個の金属電極４がある。第２図に示す
ように、これらの電極によりウエーハ内に電界Ｅをつく
り出すことができる。この電界が２個の平行な光波導体
3aと3bに加わると、導体の屈折率ｎが少し変化する。こ
の変化率は電界の強さにほぼ比例する。図示したような
電界が生じている場合には、導体3aと3bの屈折率の変化
は逆符号になる。このようにして両光波導体間に光路長
の差が生ずることを利用して、一定の振幅と波長を持つ
て変調器入力ｓに入つてくる光波Ｐを変調することがで
きる。光波Ｐは分割されて、光波導体3aと3b内では光路
長の差に応じて相互に移相が生じ、それからこれらの波
が出力６で重畳されて光信号Pmとなる。両光波は導体内
で同じ振幅を有しているので、電極電圧を適当に選択す
ることにより、半波長だけ移相させて、重畳時に光波を
完全に消すことができる。
第１図の変調器が第３図では高周波変調器として接続さ
れている。いわゆる移動波電極である電極４はここでは
長さＬの送信導体であつて、抵抗器Ｒを経由して無反射
終端になつている。高周波信号Ｕが電極に加えられて の速度で電極に沿つて伝播する。ここでCOは光の速度で
あり、εは電極４の実効誘電率である。導体3aと3b内で
は光波が の速度で伝播する。ここでVu＜Ｃである。ここでいわゆ
るウオークオフ効果を生ずる。このウオークオフ効果を
第４図を用いて説明する。第４図において、Ｅは周波数
f1の信号U1によつてつくられる電界を表わし、Ｘは電極
４に沿つた位置を表わしている。第4a図では、光波導体
3b内の光子がちようど電極４に到達した瞬間の電界Ｅが
示されている。光子の位置は図で矢印で示され、光子の
近傍の電界は実線で示されている。光子の位置では、光
波導体3bに加わる電界はＥ＝０である。第4b図では光子
は速度ｃでＸ＝L/2の位置に到達しているが、信号号U1
は速度VuでＸ＝X1の位置に到達しているにすぎない。こ
の例では、この位置で電界の最大値E1が光子に作用する
ように、周波数f1が選ばれている。第4c図では、信号U1
はＸ＝X2に到達しているが、光子は電極の端Ｘ＝Ｌに到
達しているので、変調が終る、すなわち符号が変る。こ
れが通常「ウオークオフ」と呼ばれるものである。信号
U1は光子よりも半波長遅れており、光子のいる位置の電
界はＥ＝０である。この例において、光子が光波導体中
を移動する間に光波導体3bに加わる電界の強さを第5b図
に示す。ここでＥは電界の強さを表わし、Ｘは電極４に
沿つた位置を表わし、Ｌは電極の長さを表わす。光波の
合計移相は第２図の説明にしたがつて、図では曲線の下
の斜線領域で表わす。この領域は信号U1が達成すること
ができる光波の移相と一致する。２個の干渉する光波が
変調器の出力６で半波長移相してお互いに完全に消える
ためには、信号U1は所定の振幅を持たなければならな
い。第5a図には、信号Ｕが直流電圧U0であるときの光波
導体における電界が示されている。第5c図には、f21.
3×f1なる周波数の信号U2が電極に加えられたときの、
光波導体中で光子に作用する電界が示されている。光波
導体3aと3b内では第5b図で説明したようにして、光波は
位置X3に向つて周波数f2で相互に移相している。位置X3
でウオークオフが起こり、両光波間の移相は位置X3から
電極の端Ｘ＝Ｌに光が引続き移動する間に減少する。こ
うして斜線領域で示すように移相が起こる。これはＸ軸
の上の領域と下の領域の差である。光波Ｐを変調するの
に充分な移相を起こすには、周波数f2の信号U2は信号U1
の最大値より実質的に大きい最大値を持たなければなら
ない。振幅の大きい周波数信号を発生させるのは難しい
ので、今述べたことは従来の高周波変調器にとつて非常
に不利なことである。第5d図には周波数f3＝２×f1の信
号U3が電極に加えられたとき、光波導体内の光子に作用
する電界が示されている。ウオークオフが位置Ｘ＝L/2
で周波数f3で起こり、その結果斜線領域はゼロである。
光波Ｐの変調はなく、周波数f3はこの従来の高周波変調
器の上限周波数である。
本発明による高周波変調器の実施例を第６図に示す。ニ
オブ酸リチウムのようなオプトエレクトロニク材料のウ
エーハ10には、従来の変調器と同様、所定の深さに光波
導体13が拡散されている。本発明による変調器では入力
15から光波導体が分岐して２本の平行な光波導体13aと1
3bとなり、次いでこれらが一緒になつて出力６になる。
光波導体内に電界を形成するために、変調器は３個の電
極14a,14b,14cを有する。これらの電極は前述のような
移動波電極であり、２個の部分に分かれている。図にお
いて、Ｘは電極に沿つた位置を表わし、ｄは一方の光波
導体13a又は13bと、隣りの電極の最も近い長辺間の距離
を表わす。入力15に近い方の長さL1の最初の部分では、
第２図の断面図で示したように光波導体13aは電極14aの
下にあり、隣りの電極14bから距離ｄだけ離れている。
光波導体13bは電極14bの下にあり、電極14cから距離ｄ
だけ離れている。Ｘ＝L1の位置で電極は横断方向に偏移
している。ここで である。導体13aが電極14bの下にあつて、電極14aから
ｄの距離だけ離れている。導体13bは電極14cの下にあつ
て、電極14bからｄの距離だけ離れている。このように
電極が横断方向に偏移することにより、電極に直流電圧
U0が接続されると、導体に加えられる電界Ｅの方向がＸ
＝L1の位置で逆転する。このことは図では で示してある。電極が横断方向に偏移すると、その結果
ウオークオフ効果が妨げられるので、上限周波数は上が
るであろう。このことは第7d図を用いて第5d図と比較し
ながら説明する。第7a図から第7d図において、Ｘは電極
に沿つた位置を表わし、Ｅは導体13aと13bに加わる電界
強度を表わす。電界は導体を通る光子に作用する。電極
14bと14cは前述の周波数f3の高周波信号U3に接続されて
いる。第5d図で説明したように、ウォークオフはこの周
波数ではＸ＝L/2で起こる。第４図に示した電極構造を
有する従来の変調器では、Ｘ＝L/2から電極の端Ｘ＝Ｌ
まで光が移動する間移相は減少していくので、変調効果
は完全になくなる。本発明の電極構造の場合、電界Ｅの
符号は位置Ｘ＝L1で逆転する。この位置で電極は横断方
向に偏移している。この結果、光波導体13aと13bにおけ
る両光波間の移相は、Ｘ＝L1の位置から電極の端Ｘ＝Ｌ
まで光が移動する間に再び増加する。選択された周波数
f3では、両光波間の全移相はこのようにして第7d図で斜
線を施した領域になる。第7a図と第7b図は電極の長辺が
横断方向に偏移すると、直流電圧である変調信号U0と、
周波数f1の変調信号U1が加えられたときに、移相にどの
ように作用するかを示している。斜線を施した領域に相
当する、信号Ｕの所定の最大値における全移相は、これ
らの周波数では従来の変調器よりも本発明の変調器の方
が少ない。例えば周波数f2とf3のような高周波の場合に
は、第7c図と第7d図に示すように移相は本発明の変調器
の方が従来の変調器よりも大きい。このように変調器を
比較するのに、変調器の帯域幅と信号Ｕの必要な電圧と
の商であるＱ因子Ｇで表わすことができる。このように
して比較したいくつかの変調器の例を下表に示す。電極
の長い部分はL1で表わし、電極の全長はＬで表わし、信
号Ｕが直流電圧であるときの移相の相対値をＤで表わし
てある。
L1/L Ｄ Ｇ 1.00 0.24 14.2 0.90 0.20 15.6 0.80 0.15 18.9 0.75 0.13 21.1 0.70 0.10 18.4 0.60 0.05 18.2 第８図は表からＱ因子Ｇを商L1/Lの関数として描いたも
のである。この図からL1/L＝0.77である本発明の変調器
は、L1/L＝１である従来の変調器よりもＱ因子Ｇが約50
％大きいことがわかる。この表によれば、直流電圧印加
時の移相はL1/L＝0.77の本発明の変調器の方が従来の変
調器よりも少ない。このことは実用面から見れば、大き
い振幅の高周波交流電圧よりも、大きな直流電圧の方が
つくりやすいので、部分的に釣合いがとれているのであ
る。L1/L＜0.7の値は興味の対象外である、なぜならば
Ｑ因子ＧはL1/Lの小さい方では殆んど一定であり、低周
波特性を表わす因子Ｄは非常に小さいからである。
第６図によれば、本発明による変調器の電極は変調器の
出力に近い第２の部分が横断方向に偏移している。この
部分の長さはL/2より短い。このように電極の長手側が
横断方向に偏移するのは、本発明では変調器の入力15に
近い部分であつてもよい。この場合第２の部分の長さが となる。この変調器の移相特性は第7c図で説明したのと
同じになるであろう。本発明による変調器の他の実施例
を第９図に示す。この変調器では、オプトエレクトロニ
ク材料のウエーハ20の上に光波導体23が所定の深さに拡
散により形成されている。光波導体には入力25があり、
それから２本の平行な導体23aと23bに分岐し、次いでそ
れらが一緒になり出力26となる。変調器の表面には長さ
Ｌの３個の電極24a,24b,24cがある。これらは移動波型
の電極であり、３個の部分に分割されている。図では、
Ｘは電極に沿つた位置を表わし、ｄは導体23a又は23bと
隣りの電極の一方の長辺間の距離を表わす。長さL2の第
１の部分では、導体23aは第２図に示すように電極24aの
下にあり、隣りの電極24bからｄだけ離れている。導体2
3bは電極24bの下にあり、隣りの電極24cからｄだけ離れ
ている。Ｘ＝L2の位置で電極は横方向に偏移しているの
で、長さL1の第２の部分では導体23aは電極24bの下にあ
り、隣りの電極24aからｄだけ離れている。導体23bは電
極24cの下にあり、電極24bからｄだけ離れている。Ｘ＝
L1＋L2の位置で電極は再び横断方向に偏移している。長
さL3の第３の部分では、電極は導体23aと23bに関して第
１の部分と横断方向には同じ位置関係にある。第7d図で
説明したのと同じ理由により、第９図の変調器は第６図
の実施例と実質的に同じ移相特性を示す。
例えば情報の伝送に用いるような多くの高周波変調器で
は、変調器のパルス応答が良好であることが必須であ
る。このために、鋭い電気パルスが変調器の電極に加え
られたときに変調器が鋭い光のパルスを生ずるように図
られる。前述の如く、連続的な高周波電気入力信号に対
して高い上限周波数を有する変調器はあるが、これらは
電極に別に電気パルスが加えられたときのパルス応答が
貧弱である。本発明による変調器は、高い上限周波数は
別にして、第10図の例に示すように良好なパルス応答を
示す。この図では、第３図の従来の変調器と本発明のL1
/L＝0.75の変調器のパルス応答が比較してある。第10a
図に示すような２個のパルスが変調器の電極に加えられ
る。ここでＶはパルス電圧を示し、Ｔはピコ秒（ps）で
表わした時間を示す。1ps＝10-12秒である。両パルスの
最大値間の時間は75psであり、最大値の半分の電圧のと
ころではパルス幅が50psになつている。従来の変調器の
パルス応答は第10b図に、本発明の変調器のパルス応答
は第10c図に示す。これらの図で、Ｉは光パルスの強度
を示し、Ｔはピコ秒（ps）で表わした時間を示す。本発
明の変調器では光パルスはお互いに鋭く分離している。
従来の変調器ではパルスは幅広になつてお互いに混じり
合つているので、受信器により１パルスとして受取られ
るであろう。本発明の変調器では、電極が横断方向に偏
移しているので、第１のパルスの変調に負に寄与する
が、第２のパルスの立上りの変調には逆に正に作用する
ので、良好なパルス応答が得られるのである。両パルス
間の合計変調効果は小さくなるので、第10c図に示すよ
うにパルスはお互いに鋭く分離することになる。
（発明の効果） 本願発明においては、３個の平面電極は、それぞれ横方
向に変位しており、各電極は縦方向に２つ又は多くても
３つの部分ができ、これにより相隣接する２個の電極間
の縦方向の辺によっても２つ又は多くても３つの区間か
らなる細長い中間空間が形成される。これにより、ある
電極の下にある一方の光波導体は、各電極が横方向に変
位することにより、その電極に隣接する電極の変位した
部分の下に位置する。
このため、電極の構造は簡単である。
また、高周波の変調信号の場合に、電極の中間で発生し
ていたウオークオフは、電極が横方向に変位することに
より光波導体に印加される電界が逆転するためウオーク
オフの作用は妨げられ、上限周波数は高くなり広帯域が
得られる。
また、変調信号が直流電圧又は低周波数の場合は、電極
の中途での電界の逆転により移相は、逆転しないものに
比べて減少するが、大きい振幅の高周波電圧よりも大き
な電圧が作り易いので、実用面からみて低周波の変調能
力は、良好である。
また、相隣接する２つの電極間の細長い中間空間の２つ
又は多くても３個の区間（電極の各部分もこれに対応す
る）のうち最も長い区間の長さと電極の全長との比が0.
70から0.94の範囲に選択されるので、変調信号として電
気パルスを印加した場合でも、電極が横方向に変位して
いるので、第１のパルスの変調には負に寄与するが、第
２のパルスの立上りの変調には逆に正に作用するので、
両パルス間の合計変調効果は小さくなり、両パルスは相
互に鋭く分離され良好なパルス応答が得られるという効
果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来の構造の電極を有するマツハツエンダー型
オプトエレクトロニク変調器の斜視図である。第２図は
オプトエレクトロニク変調器の断面図である。第３図は
従来の変調器の平面図であつて、電極は移動波電極とし
て接続され、変調波電圧Ｕが印加されている。第4a図か
ら第4c図は光波と変調用マイクロ波との速度を比較した
図である。第5a図から第5d図は電圧Ｕの異なる変調周波
数における従来の変調器の変調能力を示す図である。第
６図は本発明の変調器の平面図であつて、電極は移動波
電極として接続され、変調波電圧Ｕが印加されている。
第7a図から第7d図は電圧Ｕの異なる変調周波数における
本発明の変調器の変調能力を示す図である。第８図は従
来の変調器と本発明の変調器とを比較する図である。第
９図は本発明の他の実施例の平面図である。第10a図は
２個の隣り合う電気パルスを示す図である。第10b図は
これらのパルスに対する従来の変調器のパルス応答を示
す図である。第10c図はこれらのパルスに対する本発明
の変調器のパルス応答を示す図である。 （符号の説明） 10…ウエーハ 13,13a,13b…光波導体 23a,23b…光波導体 14a,14b,14c,24a,24b,24c…電極 L1，L2，L3…電極の長さ Ｕ…変調交流電圧

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光信号を発生するためのオプトエレクトロ
    ニク変調器であって、 オプトエレクトロニクス物質のウェーファと、 ２個の間隔を置いて平行な光波導体であって、両端にお
    いて相互に接続されて入力端と出力端を作る、上記光波
    導体と、 一定振幅で一定波長の光波を上記入力端に導入する装置
    であって、導入された光波は２個の導体へと分配され、
    また相互に位相偏移を生じ、上記２個の導体は入力端と
    出力端の間で結合されていないため、２つの分配された
    光波は相互に干渉することはなく、また２個の導体間の
    差変調は出力端で検出される上記光波を導入する装置
    と、 相互に本質的に平行に延びる３個の平面電極であって、
    それぞれが横方向へ変位した部分をもち、これにより相
    隣接する２個の電極の縦方向の辺によって多くても３個
    の区間からなる細長い中間空間を形成し、これらの区間
    は相互に横方向に変位した関係にあるため１つの区間の
    一方の側の縦方向の辺は隣接する区間の他方の側の縦方
    向の辺のほぼ延長線上に位置し、また上記光波導体はそ
    れぞれ上記延長線に沿って配置され、これにより各光波
    導体は１つの電極の１つの部分とそれに隣接する電極の
    隣接する部分に接続される上記平面電極と、 中央の電極と２つの外側の電極との間に変調電圧を印加
    する装置であって、これによりそれぞれの光波導体は、
    上記変調電圧により２つの隣接する区間において反対位
    相で変調される上記変調電圧を印加する装置と、からな
    り 上記それぞれの区間の長さの関係は、最も長い区間の長
    さと電極の長さとの比は、0.70から0.94の範囲にあり、
    これにより上記変調器は直流から高周波数の間の周波数
    応答をもつ、オプトエレクトロニク変調器。
  2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項の変調器であって、
    上記比は0.77であるオプトエレクトロニク変調器。
  3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項の変調器であって、
    上記中間空間の区間の数は２個であるオプトエレクトロ
    ニク変調器。
  4. 【請求項４】特許請求の範囲第１項の変調器であって、
    上記中間空間の区間の数は３個であるオプトエレクトロ
    ニク変調器。
  5. 【請求項５】特許請求の範囲第１項の変調器であって、
    上記電極はそれぞれ上記変位した区間を形成するために
    等しい量だけ横方向に変位した部分を含むオプトエレク
    トロニク変調器。
  6. 【請求項６】特許請求の範囲第５項の変調器であって、
    上記区間の数は３個であり、また各電極は、中央部分と
    ２つの端部分を含み、中央部分が上記端部分に対して横
    方向に変位しているオプトエレクトロニク変調器。
  7. 【請求項７】特許請求の範囲第１項の変調器であって、
    各電極は、その長さに沿って連続的であるオプトエレク
    トロニク変調器。
  8. 【請求項８】特許請求の範囲第１項の変調器であって、
    各光波導体は、上記延長線上に延びて一方の電極の長い
    部分及び隣接する電極の短い部分に接続するオプトエレ
    クトロニク変調器。
JP61097007A 1985-04-30 1986-04-28 オプトエレクトロニク変調器 Expired - Lifetime JPH0690370B2 (ja)

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