JPH07325277A

JPH07325277A - 導波路型光デバイス

Info

Publication number: JPH07325277A
Application number: JP12105294A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Toyohara; 篤志豊原
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-06-02
Filing date: 1994-06-02
Publication date: 1995-12-12

Abstract

(57)【要約】【目的】マッハツェンダ型導波路型光デバイスのバイア
ス電圧が環境温度の変化等があっても常にゼロになるよ
うにして、バイアス電圧印加によるＤＣドリフトの発生
を回避して安定した動作を得る。【構成】マッハツェンダ型導波路の２本の導波路のそれ
ぞれの近傍に基板温度を調整するための温度制御素子を
装着する。各温度制御素子により、２本の導波路の温度
を個別に設定して、電圧無印加の状態で両導波路の位相
差がゼロになるようにしてバイアス電圧をゼロにする。
環境温度が変化しても随時両温度制御素子を温度制御し
て常に位相差がゼロの状態を保つ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は導波路型光デバイスに関
し、特に導波路型光変調器や導波路型光スイッチの特性
改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気光学効果を有する基板を用いた導波
路型光デバイスは、基板中に屈折率の高い部分からなる
導波路が形成されており、さらに導波路に電界を印加す
るための電極が形成されている。この電極に外部から電
圧を印加することにより、基板中に電界を印加して屈折
率を変化させることにより、光の位相や強度を変化させ
て光変調を行ったり、光路を切り換えたりする。

【０００３】比較的高い電気光学効果を有することか
ら、この種のデバイスの基板としてニオブ酸リチウム
（ＬｉＮｂ０３）が広く用いられている。ＬｉＮｂＯ３
基板を用いた導波路型光デバイスでは、通常基板に一定
膜圧のチタン膜がスパッタなどにより形成され、所望の
導波路パターンにパターニングされた後、１０００℃前
後の高温に数時間放置されることにより熱拡散されて導
波路が形成される。さらに、この上部にＳｉＯ２などの
バッファ層を介して金属膜からなる電極が形成される。
導波路光デバイスは、基板上に光変調機能や光路切換機
能を有する素子を集積化することが可能であり、大容量
光通信用外部光変調器などに適用される。

【０００４】上述の外部変調器として従来から広く研究
・開発、実用化の検討されている導波路型光デバイスと
して、図４に示されるマッハツェンダ型光変調器があ
る。これは、ＬｉＮｂＯ３基板１に形成された導波路２
は、分岐部と干渉部とこれらの間に形成された２本の平
行な導波路を備えている。図５（ａ）に示されるよう
に、２本の平行な導波路の上部には導波路基板１の表面
全体に成膜された二酸化シリコンからなるバッファ層３
が形成され、さらにその上部には金属膜からなる電極４
と電極５がそれぞれ形成されている。

【０００５】一方、分岐部と干渉部につながる導波路の
基板端面にはそれぞれ入力側光ファイバ７と出力側光フ
ァイバ８がそれぞれ光学的に結合するように接続されて
いる。また、電極４には電圧を印加して信号入力するた
めの駆動回路９の出力端が接続され、また電極５は終端
されている。

【０００６】次に、上述のマッハツェンダ型導波路の動
作について簡単に説明する。電極４に駆動回路９から電
圧が印加されると、図５（ｂ）に示されるように基板中
に形成された導波路２に縦方向（垂直方向）の電界（図
中矢印で表示）が発生し、電気光学効果により導波路２
の屈折率が変化する。

【０００７】図５は印加された電圧と光出力の関係を示
している。電極４に電圧を印加しない状態では光は分岐
部で分岐され、各導波路を経た光は干渉部で再び合流す
る。マッハツェンダ型導波路の分岐部と干渉部の間に形
成された２本の導波路の構成が全く等しい場合、分岐し
た２つの導波光の間には位相差がないため、伝搬損や分
岐損を除いた光がそのまま出力される。

【０００８】一方、印加される電圧の増大に伴って分岐
されたそれぞれの光の位相差も増大し、ある電圧に達す
ると位相差は最大値πになる。位相差がπの状態では、
干渉部で合流する光は互いに干渉し合い、光出力はされ
なくなる。

【０００９】上述の通り、マッハツェンダ型光変調器で
は、光出力が最大となる電圧Ｖｈと光出力が最小となる
電圧Ｖｌを与えて光変調が行われる。このときの変調電
圧（動作電圧）は一般にＶπと記されＶｈとＶｌの差で
与えられる。通常、効率のよい光変調がなされるために
は、Ｖπ以外に（Ｖｈ−Ｖｌ）／２で設定されるバイア
ス電圧ＶＢが重畳されて電圧印加される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】通常、光通信において
用いられる導波路型光デバイスはバイアス電圧ＶＢが印
加される。ところが、バイアス電圧ＶＢが長時間にわた
って印加されつづけるとＤＣドリフトが発生し、光出力
の最大値と最小値の差、すなわち消光比が低下し、これ
により光伝送時の特性、例えばアイパターンやエラーレ
ートが劣化する。

【００１１】バイアス電圧ＶＢが０であればＤＣドリフ
トは発生しない。ところが、導波路基板自体の問題や、
成膜による機械的な歪等に起因して、電極４に電圧が印
加されていない状態でも必ずしも最大の光出力が得られ
るとは限らず、一定の消光比を得るためには、通常上述
のバイアス電圧の印加が必要となる。従って、一定の消
光比を確保した状態で使用するためには通常バイアス電
圧の印加が不可欠であり、このためにＤＣドリフトによ
る特性劣化が生じるという問題がある。

【００１２】外部からの制御によりバイアス電圧ＶＢを
０にする構成として、例えば特開平４−３３７７０７号
公報記載の構成が開示されている。これは、２本の導波
路の一方にのみ温度制御素子が配置され、係る温度制御
素子によりバイアス電圧ＶＢが印加されていなくても最
大光出力が得られるようにするものである。しかしなが
ら、上記構成では初期の温度条件ではバイアス電圧ＶＢ
を０にし得るが、環境温度が変化した場合にでも常に０
に維持することはできない。これは、例えば温度制御素
子の設定温度をＴ１、温度制御素子が設定されていない
側の導波路の温度をＴ２、環境温度をＴ０とすると、Ｔ
１とＴ０が等しいときにはおのずとＴ０及びＴ１とＴ２
も等しくなるため、温度制御による効果がなくなってし
まうからである。

【００１３】本発明は係る問題点に鑑みて、環境温度が
変化した場合でも常にバイアス電圧が０になるように調
整し、ＤＣドリフトの発生を回避して動作させることが
可能な導波路型光デバイスを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述の欠点を解決するた
めに、本発明の導波路型光デバイスは、電気光学効果を
有する基板に形成された分岐部導波路と干渉部導波路と
これら分岐部導波路と干渉部導波路の間に形成された２
本の導波路を含むマッハツェンダ型導波路と、２本の導
波路の上にバッファ層を介して形成された電極とを備え
た導波路型光デバイスにおいて、２本の光導波路のそれ
ぞれの近傍に温度制御手段を備えていることを特徴とし
ている。

【００１５】温度制御手段は、２本の導波路のうち第１
の導波路の外側近傍に第１の温度制御手段が、第２の導
波路の外側近傍に第２の温度制御手段がそれぞれ形成さ
れていることを特徴としている。

【００１６】特に、第１の温度制御手段により設定され
る温度と、第２の温度制御手段により設定される温度が
互いに異なっていることを特徴としている。

【００１７】

【作用】上記構成を採用することにより、２つの温度制
御素子の設定温度をそれぞれＴ１、Ｔ２とした場合、分
岐後の導波路の屈折率差はその温度差ΔＴ、すなわちＴ
２とＴ１の差により与えられ、ΔＴを調整することによ
りＶＢを任意に設定することができる。したがって、環
境温度が変化した場合にでも、ΔＴが所望の値になるよ
うに両側の温度調整素子をそれぞれ行うことにより常に
バイアス電圧を０に維持することが可能になる。また、
Ｔ１、Ｔ２を固定することにより、環境温度Ｔ０の変化
に対しても導波路は一定温度となるため、Ｔ０の変化に
対してもバイアス電圧ＶＢは安定する。

【００１８】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して詳細に
説明する。

【００１９】図１は、本発明の導波路型光デバイスでマ
ッハツェンダ型光変調器の一実施例の上面図を、図２は
図１に示される構成のマッハツェンダ部における断面図
をそれぞれ示している。マッハツェンダ型導波路の基本
構成及び導波路の製造方法等は従来の技術で記述される
構成等と同じである。本発明では、従来の構成に加えて
マッハツェンダ部の２本の導波路１２、２２の外側近傍
にそれぞれ温度制御素子９、１９が装着されている。本
発明ではこの温度制御素子としてペルチャ素子を基板表
面に樹脂により固着している。これらの温度制御素子
９、１９はそれぞれ独立の制御回路１０、２０に接続さ
れており、ここから制御信号を受けて温度制御がなされ
る。

【００２０】図３は、本実施例のマッハツェンダ型光変
調器でバイアス電圧が印加されない状態での電圧Ｖと光
出力Ｌとの関係を示すグラフである。横軸は印加電圧値
を、縦軸は光出力を表している。電圧値に対して光出力
値はほぼ余弦値の自乗で示される曲線で示される。しか
しながら、従来の技術で説明したように基板の機械的な
歪等によりバイアス電圧は約１Ｖ電圧がマイナス側にシ
フトしている。このシフトしている電圧値は、製造条件
のわずかな違い等により通常はバラツキが生じる。

【００２１】図４は本実施例のマッハツェンダ型光変調
器のバイアス電圧ＶＢのΔＴに対する依存性を示してい
る。また、図５は同様にバイアス電圧ＶＢのＴ０に対す
る依存性を示している。上述のような基本特性を有する
本実施例のマッハツェンダ型光変調器において、まずＶ
Ｂが０ＶとなるようにΔＴを設定する。本実施例では図
３に示されるようにＶＢは−１Ｖであるから、バイアス
電圧ＶＢを０Ｖとするためには、ΔＴを調整することに
より＋１Ｖとする必要がある。従って、図４より本実施
例ではΔＴを１０℃とすればよいことがわかるので、こ
の値に設定される。一方、図５より本実施例のマッハツ
ェンダ型光変調器の環境温度に対するバイアス電圧ＶＢ
の安定領域は１０〜４０℃であるので、Ｔ１、Ｔ２はそ
れぞれ２０℃、３０℃に設定される。以上のように導波
路光デバイスの初期の特性に合致するように各温度制御
素子９、１９の温度をそれぞれ設定することによりバイ
アス電圧の安定化を図ることができる。

【００２２】次に、本発明によるマッハツェンダ型光変
調器と、従来の片側のみに温度制御素子が配置されるマ
ッハツェンダ型光変調器と、全く温度制御素子を備えて
いないマッハツェンダ型光変調器の３種類の光変調器に
ついて、Ｔ０を２０℃から７０℃まで変化させたときの
バイアス電圧の経時変化の測定結果を図６に示す。図６
からわかるように、本発明によるマッハツェンダ型光変
調器のバイアス電圧は温度変化によらず常にゼロであ
る。これに対して、従来の構成のうち片側にのみ温度制
御素子を備えた光変調器では、低温度域では安定してい
るが高温度域ではバイアス電圧はゼロではなく温度上昇
に伴って上昇している。また、温度制御素子を備えてい
ない光変調器では、低温度域でも安定せず全温度範囲に
わたってバイアス電圧が温度とともに変化する。

【００２３】なお、上述の実施例ではすべてマッハツェ
ンダ型導波路について説明したが、２本の導波路が近接
して配置される方向性結合型導波路においても、２本の
導波路の外側近傍にそれぞれ温度制御素子が配置される
ことにより同様に位相差の調整が可能であり、バイアス
電圧をゼロにするという同様の効果を得ることが可能に
なる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の導波路型
光デバイスはマッハツェンダ型導波路において２本の導
波路のそれぞれの近傍に温度制御素子が配置されてお
り、それぞれを異なる温度に設定することにより、環境
温度が変化した場合にでもバイアス電圧を０にすること
が可能になる。これにより、長時間使用してもＤＣドリ
フトによる影響を回避することができ、安定した動作を
実現することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の導波路型光デバイスの一実施例の上面
図である。

【図２】本発明の導波路型光デバイスの一実施例の断面
図である。

【図３】本発明の導波路型光デバイスの一実施例の電圧
−光出力特性を表すグラフである。

【図４】本発明の導波路型光デバイスの一実施例の両温
度制御素子の設定温度差ΔＴとバイアス電圧ＶＢの関係
を表すグラフである。

【図５】本発明の導波路型光デバイスの一実施例におい
てＴ０を変化させたときのバイアス電圧ＶＢの変化を示
すグラフである。

【図６】本発明の導波路型光デバイスの一実施例におい
て環境温度が変化したときのバイアス電圧ＶＢの経時変
化を示すグラフである。

【図７】従来の導波路型光デバイスの一実施例の上面図
である。

【図８】従来の導波路型光デバイスの一実施例の断面図
で、（ａ）は電圧無印加時、（ｂ）は電圧印加時であ
る。

【図９】従来の導波路型光デバイスの一実施例に電界が
印加されたときの断面図である。

【符号の説明】

１基板２、１２、２２導波路３バッファ層４電極５グランド電極６入射側光ファイバ７出力側光ファイバ８駆動回路９、１９温度制御素子１０、２０制御回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学効果を有する基板に形成された
分岐部導波路と干渉部導波路と該分岐部導波路と前記干
渉部導波路の間に形成された２本の導波路を含むマッハ
ツェンダ型導波路と、前記２本の導波路の上にバッファ
層を介して形成された電極とを備えた導波路型光デバイ
スにおいて、前記２本の光導波路のそれぞれの近傍に温度制御手段を
備えていることを特徴とする導波路型光デバイス。
【請求項２】前記温度制御手段は、前記２本の導波路
のうち第１の導波路の外側近傍に第１の温度制御手段
が、第２の導波路の外側近傍に第２の温度制御手段がそ
れぞれ形成されていることを特徴とする「請求項１」記
載の導波路型光デバイス。
【請求項３】前記第１の温度制御手段により設定され
る温度と、前記第２の温度制御手段により設定される温
度が互いに異なっていることを特徴とする「請求項２」
記載の導波路型光デバイス。
【請求項４】前記温度制御手段が前記基板上に配置さ
れたペルチェ素子であることを特徴とする「請求項３」
記載の導波路型光デバイス。
【請求項５】前記基板はニオブ酸リチウムであること
を特徴とする「請求項１」記載の導波路型光デバイス。