JPH0750265B2

JPH0750265B2 - 広帯域進行波形光変調器

Info

Publication number: JPH0750265B2
Application number: JP61194720A
Authority: JP
Inventors: 皆方　　誠; 和則三浦
Original assignee: Sumitomo Special Metals Co Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 1986-08-20
Filing date: 1986-08-20
Publication date: 1995-05-31
Anticipated expiration: 2010-05-31
Also published as: US4866406A; JPS6349732A

Description

【発明の詳細な説明】利用産業分野この発明は、電気光学効果を有する物質を用い、対向す
る一対の進行波形電極間に光導波路を有する導波路構造
からなる光変調器に係り、広帯域であり、駆動電圧が小
さく、かつ変調能率が高く、光波と変調波の位相速度の
完全な整合が得られる広帯域光変調器に関する。

背景技術光変調器は、光波の強度や位相を信号に応じて変化させ
る素子であり、光通信や光情報処理において、最も基本
的な能動デバイスの一つである。

光変調器や光スイッチは、広帯域、超高速かつ低電力で
動作することが要求されるため、一般に、原理的に動作
速度の速い電気光学効果が利用され、高能率特性の得ら
れる導波路形素子が開発されている。

さらに、光変調器や光スイッチの広帯域あるいは超高速
化には、進行波形電極を用いる構成がすぐれているとさ
れ、後述する如く、種々の構成が提案されている。

電気光学効果を有する物質を光導波路とし、進行波形電
極を有する光変調器に関し、一般に、以下の各式が成立
する。

まず、光波に対する導波路の屈折率をn_o、変調波に対する電気光学効果物質の等価屈折率をn_mとす
れば、光波及び変調波の位相速度Vo、Vmは式で与えられる。

Vo＝c_o/n_o、Vm＝c_o/nm ……… 但し、Coは真空中の光速である。

次に、進行波動作による“3dB down"の変調帯域幅をfm
とすれば、電極長さをｌとして、式が与えられる。

すなわち、変調帯域幅または高速変調周波数の上限は、
nmとnoとの差で制限されることが分る。

noの値は、光導波路の屈折率の値であるが、変調波に対
する等価屈折率nmは、電極の単位長さ当りの静電容量を
Ｃとすれば式で与えられる。

n_m＝（C/Co）^1/2 ……… 但し、Coは電気光学効果物質を真空中に起き代えた場合
の単位長さ当りの静電容量である。

また、100％変調に必要な駆動電力Ｐは式で与えられ
る。

ｐ＝Ｖ_Π ²/Zo ……… ここで、Ｖ_Π、Zoは、半波長電圧、電極の特性インピー
ダンスであり、式で与えられる。

Ｖ_Π＝λｏ・g/no³・ｒ・Γ・ｌ ……… Zo＝1/co・nm・Co ……… 但し、λｏは光の波長、ｇは電極間隔、ｒは電気光学定数、 Γは変調電界と導波光強度の重畳積分係数であり、電極
形状等によって値が変化するため、電界補正係数ともよ
ばれ、０＜Γ≦１の値を取る。

以上の〜式に基づいて、従来の光変調器の特徴を詳
述する。

第11図に示す光変調器は、従来、最も広く利用されたも
ので、LiNbO₃結晶基板（10）の表面近くに、所要方向の
光導波路（11）を設け、光導波路（11）を挟み、基板
（10）表面に非対称形状でプレーナ形の進行波形電極
（12）を被着し、進行波形電極（12）の一端部に変調用
電源（13）を接続し、進行波形電極（12）の終端部に抵
抗（14）を設けた構成からなる。

変調用電源（13）から供給された変調波は、進行波形電
極（12）を位相速度Vmで進行し、抵抗（14）で熱として
消費され、電源（13）側に戻らない構成である。

また、入射光（15）は、光導波路（11）中を位相速度Vo
で進み、進行波変調電界によって変調を受ける。

LiNbO₃結晶基板を用いた光導波路では、高能率を得るた
めに、異常光線に対する屈折率を使う場合が多く、n_o＝
2.20である。

これに対して、LiNbO₃の比誘電率 ε_１＝43、ε_３＝28を用いると、式より次式を得る。

ここで、ε_Ｅは実効的な比誘電率とよばれており、逐次
過緩和法による正確な計算によれば、 n_m4.28となる。

従って、n_o＝2.20、n_m＝4.20とおいて、，式に代入すると、 Vo/Vm＝1.95 fm・ｌ9.2GHz・cmを得る。

すなわち、第11図に示した光変調器では、光波は変調波
より1.95倍速いため、電極長さｌ＝1cmとした場合、9.2
GHz以上の帯域幅または9.2GHz以上の高速変調は得られ
ないという欠点を有することが分る。

また、第11図の非対称形状の進行波形電極（12）のうち
幅の広い方の電極幅を半無限大、細い方の電極幅をＷ、
電極間隔をｇとすれば、 W/g1.5の場合、Zo＝50Ωとなり、給電系に整合がとれる。

但し、w/gの値を変化させても、n_m4.2は一定の値をと
るため、fmの値は変化しない。

また、一般に、プレーナ形の進行波形電極では、Γの値
は小さく、高々、Γ＜0.4であり、Ｖ_Πが大きく、変調
能率が低いという欠点がある。

さらに、帯域制限を与える重要な問題として、電極抵抗
による変調波の吸収損失がある。従って、電極の厚み
は、スキンディプス（AlやAu電極で３μｍ程度）以上が
必要とされる。

前記式より、Ｖ_Πを小さくするには、ｇを小さくする
必要があるが、Zo＝50Ωとするために、W/g＝1.5なる制
限があり、電極幅が極端に細くなり、抵抗は増大するこ
となる。

また、ｇの減少に伴ないΓが低減し、加工上の制約から
ｇを小さくする程、電極厚みを薄くする必要があるた
め、前述のプレーナ形電極では、高能率化しようとすれ
ばする程、変調帯域幅は減少する欠点がある。

第12図に示す光変調器は、第11図の光変調器と同様の構
成であるが、進行波形電極（16）が周期的に位相を反転
させるため、光導波路（11）方向に周期的に蛇行した構
成からなり、光導波路（11）に印加される電界の符号が
反転する。

この光変調器では、変調周波数が充分に低い時は、位相
変調される符号が周期毎に入れ代わり相殺され、光はわ
ずかしか変調されない。

一方、周波数が高くなり、波長が電極周期と等しくなっ
た場合は、負（または正）の電界の周期部分が電極折り
返しにより反転するため、光は常に正（または負）の電
界のみを受けることになり、変調能率は低下しない、さらに、高周波になると、変調電界の波長が短くなり、
電極の折り返し周期とずれてくるため、変調能率は再び
劣化する。

従って、第12図の構成では、原理的に広帯域特性を得る
ことは困難である。また、電極の形状から、実効的な変
調領域が短くなり、電極抵抗も多く、かつプレーナ形で
あることからΓが小さく能率が低い。さらに、特性イン
ピーダンスZoが変動しており、電極成形も工程数が多く
困難である等の問題点を有する。

第13図に示す光変調器は、途中で２路に分岐した光導波
路（17）間の基板（10）に溝部（18）を設けた分岐干渉
型構成からなり、光出力は強度変調される。進行波形電
極（12）は非対称形状からなり、変調特性は位相変調特
性で決る。

かかる構成では溝部（18）を有するため、印加電界の成
分が空気中に漏洩し、変調波の等価屈折率n_mが低下す
る。

溝部（18）の形状を種々変化させても、n_mに下限があ
り、例えば、LiNbO₃基板に、幅６μｍ×深さ６μｍ寸法の溝を設けた場合、 n_m3.8まで低下し、式より、 fm・ｌ12GHz・cm となり、溝を設けない場合と比較して、帯域幅は約30％増大す
る。

しかし、前述の如く、溝部に電界成分を漏らすため、Γ
の値は、溝なしのプレーナ形電極の場合と比較して、さ
らに低下し、しかも広帯域化する程劣化して、高々、Γ
＜0.35程度となる。

第14図に示す光変調器は、LiTaO₃結晶Ｃ板基板（20）と
断面逆Ｌ字型形状の進行波形電極（22）を有する光変調
基であり、光導波路（11）を挟み基板（20）上に、一対
のSiO₂板（21）を配置して、その上面と対向端面に断面
逆Ｌ字型形状の進行波形電極（22）を設け、この電極幅
Ｌと高さＨを種々変化させることにより、特性インピー
ダンスZoと等価屈折率n_mを変化させることができる。

電極幅Ｌを大きくしてゆくと、nmは最大値をとり、その
後、わずかづつ低下してゆく。

一方、Zoは緩かに低減するため、適当なＬ値にて、Zo＝
50Ωに整合がとれる。この時のＬの値はＨが大きい程大
きい。

また、Ｌを小さくしてゆくと、Ｈが大きい程n_mは低下す
るが、逆にZoは急激に大きくなり、50Ω系に全く整合が
取れなくなるため、n_mには下限があることが分る。

従って、適当な設計例として、Ｈ＝５μｍ、Ｌ＝200μｍ、ｇ＝50μｍの場合、 Zo＝50Ω、n_m＝3.5となり、式より、 fm・ｌ＝14.7GHz・cm となることから、第14図の光変調器は、第11図の光変調器の帯域幅に比べ
て、約1.6倍大きい。

しかし、かかる構成では、光波と変調波の速度整合は困
難であり、さらに、特性インピーダンス整合を同時に行
なうことは極めて困難となる。

また、変調電界は電極（22）近傍のSiO₂板（21）と空気
層に洩れるため、n_mは低減化するが、光導波路（11）部
分への掛りが弱く、Γの値は、高々、前述のプレーナ形
電極の場合と同等である。

また、電極間隔もインピーダンス整合のために制約があ
り、これを著しく狭くすることは困難となり、結局、Ｖ
_Πが大きくなるという欠点を有する。

第15図に示す光変調器は、所謂リッジ形光導波路からな
り、基板（10）面上に凸条形状の光導波路（23）が設け
られ、断面矩形の光導波路（23）により、光のエネルギ
ー閉じ込め率が良好であり、回折制限なしに微小化で
き、また曲り等の任意のパターン化光導波路を形成する
ことが容易になる等の特徴がある。

特に、LiNbO₃等の基板材料の場合は、図に示す断面Ｌ字
型形状の集中定数形電極（12a）からなる電極構成によ
り、Γの値を十分大きくすることが可能であり、高能率
化、低駆動電圧化が実現できる。

第15図のリッジ形光変調器は、断面矩形の光導波路（2
3）を有するため、第11図から第14図に示す前述した光
変調器の種々の欠点を解消するこができるが、n_m＞4.2
と大きく、Zo＞50Ωとなるために、光波と変調波の位相
速度の完全な整合は不可能である上に、インピーダンス
整合は困難であるという欠点があった。

発明の目的この発明は、前述した従来の光変調器の問題点を解消
し、広帯域であり、駆動電圧が小さく、かつ変調能率が
高く、さらに、光波と変調波の位相速度の完全な整合が
得られる広帯域進行波形光変調器を目的とする。

発明の構成と効果この発明は、電気光学効果を有する物質を用いた導波路
構造からなる光変調器において、低駆動電圧化、光波と
変調波の位相速度整合の完全化により広帯域化を目的
に、種々、光変調器の構成を検討した結果、第15図に示
すリッジ型光導波路（23）上にそれより屈折率の低い物
質を積層し、従来の集中定数形電極（12a）に変えて、
光進行方向に平行する積層端面に一対の進行波形電極を
対向配置することにより、理論上で無限大の超広帯域特
性が得られ、また、電界補正係数を大きくして高能率を
達成し得、駆動電圧も極めて小さくでき、さらに、50Ω
インピーダンスの給電系との整合も取り得るなど、従来
の光変調器には見られないすぐれた特性を有し、高速大
容量光伝送用光変調器として、あるいは超広帯域光変換
機等に使用し得ることを知見し、この発明を完成したも
のである。

すなわち、この発明は、基板上に設けられた電気光学効果を有する物質からなる
光導波路部と、光導波路部の上部に形成され、光導波路
部の屈折率より低い屈折率を有する物質からなる低屈折
率部と、前記光導波路部と低屈折率部の光進行方向に平
行する側端面に、これらを並列的に挟持して対向配置す
る一対の進行波形電極とを有し、一対の進行波形電極間
の光導波路部と低屈折率部に進行波変調電界を加えるこ
とで、光導波路部を伝搬する光を変調することを特徴と
する広帯域進行波形光変調器である。

この発明による光変調器は、前記の如く、従来の進行波
形光変調器及びリッジ形光変調器と比較して、光波と変
調波の位相速度を完全に整合できるため、超広帯域特性
を有する。

その理由は、光導波路部とその上部に形成される低屈折
率部とを挟む一対の進行波形電極構成にあり、変調電界
の大部分の電力が前記低屈折率部に掛かり、等価屈折率
n_mを低下させる効果を有し、かつ光導波路部には、電極
のエッジ効果により大きな変調電界が印加されるため、
電力は一部分しか使用しないにも拘わらず、大きなΓの
値を得ることができ、かかる効果により、駆動電圧が低
く、高性能が得られる。

この発明において、光導波路の電気光学効果物質は、圧
電磁器材料や、GaAs、InP、ZnS等の半導体材料等が利用
し得るが、電気光学定数が大きく、高周波変調ができる
材料が好ましく、LiNbO₃、LiTaO₃等が望ましい。また、
基板にも、かかる材料を用いた場合、実施例の如く、Ti
拡散を施したLiNbO₃、あるいはプロトン交換LiNbO₃、Li
₂Oの外拡散LiNbO₃などが好ましい。

また、光導波路部分以外の基板材料は、屈折率の値が光
導波路部分よりも僅かに小さければ、必ずしも上述の電
気光学効果物質に限定されるものでない。

従って、基板上に設けられる光導波路は、実施例のLiNb
O₃とTi拡散を施したLiNbO₃の如く、基板と一体であるほ
か、同種あるいは異種材料の積層構造でもよく、光変調
器の用途や光導波路の構成等に応じて適宜選定し得る。

この発明において、一対の進行波形電極間で光導波路部
の上部に形成される低屈折率部を構成する物質は、光導
波路材料の屈折率より小さな屈折率を有するもので、高
周波における誘電体損失が小さな材料であれば、いずれ
の材料も利用し得、ポリウレタン、弗素樹脂等の有機薄
膜やガラス等があり、SiO₂、空気が好ましい。

また、一対の進行波形電極間で光導波路部の上部に形成
される低屈折率部を構成する物質は、光進行方向に直交
する面での断面形状が、矩形、台形状が好ましく、特
に、光導波路との接触幅が同幅で接触面を短辺とする長
方形状が好ましい。

光導波路部及び低屈折率部を並列的に挟持して対向配置
する一対の進行波形電極は、公知の材料並びに種々の形
状が利用できるが、電気インピーダンスの点からその形
状は対称であることが望ましい。また、一対の進行波形
電極は、平板状で平行配置されるのが最も好ましい。

発明の好ましい実施態様以下に、この発明による広帯域進行波形光変調器（以
下、広帯域光変調器）の構成を図面に基づいて詳述す
る。

第１図a,bはこの発明による広帯域光変調器を示す斜視
図と断面説明図である。

第２図ａ〜ｆは第１図に示す広帯域光変調器の製造工程
を示す説明図であり、同ｇ図はイオンエッチング後の素
材の寸法を示す説明図である。

第３図は第１図に示す広帯域光変調器の特性を示すd_R/
g、d/g、Z₀、Γとの関係のグラフである。

第４図は超広帯域光変調特性を測定するための測定装置
のブロックダイヤグラムである。

第５図は第１図に示す広帯域光変調器の変調特性を示す
スペクトル図である。

第６図a,bはこの発明による別の広帯域光変調器を示す
斜視図と断面説明図である。

第７図ａ〜ｈは第６図に示す広帯域光変調器の製造工程
を示す説明図である。

第８図は第６図に示す広帯域光変調器の特性を示すd_R/
g、d/g、Z₀、Γとの関係のグラフである。

第９図と第10図はこの発明の応用例を示す他の広帯域光
変調器の斜視説明図である。

第１図の広帯域光変調器は、LiNbO₃、ｙ板からなる基板
上（１）に設けられた電気光学効果を有する物質（Ti拡
散LiNbO₃）からなる光導波路（２）上に、光導波路
（２）の屈折率より低い屈折率を有する物質、SiO₂層
（３）を配置した積層体を介して、前記積層体の光進行
方向に平行する側端面に、例えば、Al（他にAu等がある
が、以下Alの例を説明する）からなる一対の進行波形電
極（４）を対向配置し、さらに、進行波形電極（４）の
一端部に変調用電源（５）を接続し、進行波形電極
（４）の終端部に抵抗（６）を設けた構成からなる。

第２図に基づいて製造方法を説明すると、ａ） LiNbO₃基板（１）上にTiを蒸着した後、空気中で
熱拡散した。

ｂ）次に、SiO₂層（３）を所要厚みスパッタ堆積し、ｃ） SiO₂層（３）上に、Tiマスクをスパッタしてパタ
ーン化した後、ｄ） ECR型反応性イオンエッチングによりSiO₂（３）
層及びTi拡散LiNbO₃層を所望の深さまでエッチングし、
基板（１）上に、光導波路（２）となるTi拡散LiNbO₃層
と、その上に積層されたSiO₂（３）層からなる積層体の
凸状が形成された。

ｅ）さらに、積層体部を含む基板（１）全面に、光減
衰を防ぐためにAl₂O₃膜を蒸着した後、ｆ）前記積層体部の長手方向の積層端面に、Al電極
（４）をスパッタ堆積しパターン化した。すなわち、Ti
拡散LiNbO₃層からなる光導波路（２）上にその屈折率よ
り低い屈折率を有するSiO₂層（３）を配置した積層体を
介して、一対のAl電極（４）が対向配置されている。

前記の広帯域光変調器は、基板（１）としてLiNbO₃結晶
のｙ板を使用できるので、光導波路（２）に平行平板状
の進行波形電極（４）を形成して、電界を印加すると最
も大きい電気光学定数r₃₃が使用できる他、Γの値も大
きくなるので前記式よりＶ_Πは極めて小さくなる。

前述した第１図に示す広帯域光変調器において、光導波
路上に積層する誘電体にSiO₂（誘電率ε_ｖ＝3.6）を用
いた場合、光導波路幅をｇ、光導波路の高さをd_R、光導
波路とSiO₂層と高さをｄとし、d/g、d_R/gに対する静電
容量Ｃ、Coを逐次過緩和法により計算し、式より
周波数帯域幅fm・ｌ、特性インピーダンスZoを求め、そ
の結果を第３図に示す。

ここでは、LiNbO3の比誘電率 ▲ε^Y _r▼＝ε_１＝43、▲ε^Z _r▼＝ε_３＝28を用いた。

第３図より、d/g＞７の条件ではfm・ｌ＝∞、すなわ
ち、光波と変調波の位相速度は完全に整合することがわ
かる。この時のZ₀は約22Ω以下となる。位相速度整合条
件を保ったままでd_R/g、d/gを共に大きくして行くとΓ
の値は大きくなる。

例として、 d_R/g＝0.2、d/g＝10とすれば、 Γ0.5であり、式よりＶ_Π・ｌ＝1.54Vcm、Zo＝15Ω、fm・ｌ＝∞ に必要な変調電力は式より Pl²＝80mW・cm²となる。

但し、ｇ＝４μｍ、λｏ＝633n_m、γ₃₃＝30.8×10^-12m/
Vを用いた。

第６図に示す広帯域光変調器は、LiNbO₃、ｙ板からなる
基板上（１）に設けられた電気光学効果を有する物質
（Ti拡散LiNbO₃）からなる光導波路（２）上に、光導波
路（２）の屈折率より低い屈折率を有する物質として空
気（７）を配置した積層体となし、前記積層体の光進行
方向に平行する側端面に、Alからなる一対の進行波形電
極（４）を対向配置するために、一対の進行波形電極の
外向面側を基板（１）上に積層配置したSiO₂からなる電
極支持部材（８）にて支持してあり、さらに、進行波形
電極（４）の一端部に変調用電源（５）を接続し、進行
波形電極（４）の終端部に抵抗（６）を設けた構成から
なる。

第７図に基づいて製造方法を説明すると、ａ） LiNbO₃基板（１）上にTiを蒸着した後、空気中で
熱拡散した。

ｂ）次に、例えば、高分子樹脂（AZ系、PMMA系等）あ
るいはZnOをコーティングまたはスパッタリングする。

ｃ）高分子樹脂あるいはZnO層上に、Tiマスクをスパ
ッタしてパターン化した後、ｄ）プラズマエッチングにより、高分子樹脂あるいは
ZnO層を所望の深さまでエッチングする。

ｅ） ECR型反応性イオンエッチングにより、Ti拡散LiN
bO₃層を所望の深さまでエッチングし、基板（１）上
に、光導波路（２）となるTi拡散LiNbO₃層と、その上に
積層された高分子樹脂あるいはZnO層からなる積層体の
凸状が形成された。

ｆ）さらに、積層体部を含む基板（１）全面に、光減
衰を防ぐためにAl₂O₃バッファ層を蒸着した後、前記積
層体部の長手方向の積層端面に、Al電極（進行波形電
極）（４）をスパッタ堆積しパターン化した。

ｇ）前記積層体部の長手方向の積層端面の斜め上方か
ら、図で左右方向の２回、SiO₂層を所要厚みに斜蒸着し
た。

ｈ）さらに、高分子樹脂あるいはZnO層を、溶媒（高
分子樹脂はアセトンあるいはＪ−100リムーバ、ZnOはHC
l系エッチャント）にて、溶解、除去する。

上記工程により、Ti拡散LiNbO₃層からなる光導波路
（２）上にその屈折率より低い屈折率を有する空気層
（７）を配置した積層体を介して、一対のAl電極（４）
が対向配置され、かつ、その外向面側を基板（１）上に
積層配置したSiO₂からなる電極支持部材（８）にて支持
した広帯域光変調器が得られる。

光導波路上の積層物質に空気層を用い、電極支持部材に
SiO₂を用いた場合、第１図の広帯域光変調器と同様にし
て、fm、Zo、Γとd/g、d_R/gの関係を〜式を用いて
計算した結果を第８図に示す。

前記積層物質に空気層を用いると、 n_m＝１〜５の範囲で制御できるため、n_o＝2.20とは完全
に整合が取れる。すなわち、帯域幅が理論上無限大とな
る。

さらに、前記構成の広帯域光変調器は、 fm・ｌ＝∞において、Zo＜55Ωを実現できるので位相速
度整合と同時に、Zo＝50Ωなるインピーダンス整合も取
れることになる。

例えば、λｏ＝633n_mに対して、単一モード光導波路と
なるようにｇ＝４μｍとすれば、第８図より、d_R/g＝0.02、d/g＝2.35、すなわち、dR0.1μｍ、ｄ＝9.4μｍにおいて、 fm・ｌ＝∞GHz・cm,Zo＝50Ωとなる。

この時、Γ＝0.38となりＶ_Π・ｌ＝2.2V・cm、Pl²＝60mW・cm²となる。

また、第８図より、特性インピーダンスをZo＝35Ω程度
で設計すると、Zo＝50Ωの場合に比べて50Ω給電系に対
して効率は97％と僅かに劣化するが、ｇ＝４μｍでd_R/g
＝0.2、d/g＝4.0、すなわち、d_R＝0.8μｍ、ｄ＝16μｍの寸法で、 fm・ｌ＝∞GHz・cmとなり、 Γ＝0.53で、Ｖ_Π・ｌ＝1.54Vcm、Pl²＝35mW・cm² 程度の高性能素子が容易に得られることがわかる。

第９図、第10図に示すこの発明による広帯域光変調器
は、光強度変調器に応用した例を示す。

基板（１）上に設けた光導波路（９）は、中央部で２本
の光導波路に分岐した構成からなり、その一方の光導波
路にこの発明による広帯域光変調器を形成したもので、
第９図の例は前記の第１図の広帯域光変調器を用い、第
10図の例は前記第６図の広帯域光変調器を適用したもの
である。

Ｙ分岐などの3dB結合器により２等分された入射光は、
各分岐光導波路中を独立に伝搬する。変調電圧を印加せ
ず等位相で出力側のＹ分岐に合流した光は出力端から出
てくる。これに対して、二本の位相推移部（二本の分岐
光導波路部分）の出射端において、変調電圧を印加する
ことによってΠの位相差を与えるとＹ分岐の出射端には
光出力が現れない。すなわち、前記構成により、位相変
化を強度変化に変換することが可能となる。

前記の3dB結合部にはＹ分岐の他に、方向性結合器，ゲ
ート結合器（三本導波路で構成される分布結合器），ア
ンテナ結合形Ｙ分岐などの低損失素子を使用できる。

前記説明にて明らかにした如く、前記の位相推移部に、
この発明による広帯域光変調器を用いれば、変調帯域幅
fm＝∞GHzの強度変調器が容易に実現できる。また、第
９図及び第10図の光変調器において、fm＝∞GHzの条件
の下では、電極長には理論上の制約がないので、式よ
りｌを長くするとＶ_Πは極めて低減化できることがわか
る。

以上に詳述したように、本発明による広帯域光変調器
は、理論上無限大の超広帯域特性を有するばかりでな
く、駆動電圧が極めて小さく、50Ωの給電系との整合も
とり得る従来にはない優れた性能をもつので、高速大容
量光伝送用光変調器として、あるいは超広帯域光変換機
等に使用できる利点をもつ。

実施例実施例１前記第１図の広帯域光変調器を製造するため、電極の高
さｄ＝６μｍ、幅ｇ＝３μｍ、長さｌ＝4.8mm、光導波
路の高さd_R＝0.8μｍを製作目標とした。

ここで、λｏ＝633n_mを想定すると、その特性は前記〜式、第３図よりＶ_Π＝2.4V、Γ＝0.5、Zo＝40Ω、fm＝62.5GHz、Ｐ＝72mWとなる。

前記した第２図の製造方法にて、この発明による広帯域
光変調器を製造した。

すなわち、LiNbO₃上にTiを300Å厚みで蒸着した後、空
気中で1040℃,5時間熱拡散した。次に、SiO₂を５μｍ厚
みでスパッタ堆積し、さらにTiマスクをスパッタしてパ
ターン化した。その後、ECR型反応性イオンエッチング
によりSiO₂及びTi拡散LiNbO₃を所望の深さまでエッチン
グした。ついで、光減衰を防ぐためにAl₂O₃膜を基板全
面に0.2μｍ厚みで蒸着した後、Al電極を１μｍ厚みで
スパッタ堆積し所要形状にパターン化した。

得られた広帯域光変調器寸法は、電極の高さｄ＝5.2μｍ、幅ｇ＝２μｍ、長さｌ＝4.6mm、光導波路の高さd_R＝0.8μｍであった。

前記広帯域光変調器の測定は第４図に示すように、変調
器からの出射光をファブリーペロー共振器形スペクトラ
ムアナライザを用いて検出し、マイクロ波電力印加によ
って生ずるサイドバンド（スペクトルの変化）を観測し
た。

第５図に前記測定例を示す。（ａ）は1.1GHz,（ｂ）は1
6.1GHz変調の例である。電極の厚さが薄いために10GHz
以上ではマイクロ波損失が10dB程度あった。スペクトル
は、使用した電源上の制約で20GHzまでしか測定できな
かったが、別途行ったインピーダンスの測定結果から素
子は50GHz程度まで動作するものと推定される。

また、実測したＶ_Πは1.7Vであり、理論値よりも小さい
値が得られており、従来例になくすぐれた特性を有する
広帯域光変調器が得られたことを確認することができ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図a,bはこの発明による広帯域光変調器を示す斜視
図と断面説明図である。第２図ａ〜ｆは第１図に示す広帯域光変調器の製造工程
を示す説明図であり、同ｇ図はイオンエッチング後の素
材の寸法を示す説明図である。第３図は第１図に示す広帯域光変調器の特性を示すd_R/
g、d/g、Z₀、Γとの関係のグラフである。第４図は超広帯域光変調特性を測定するための測定装置
のブロックダイヤグラムである。第５図は第１図に示す広帯域光変調器の変調特性を示す
スペクトル図である。第６図a,bはこの発明による別の広帯域光変調器を示す
斜視図と断面説明図である。第７図ａ〜ｈは第６図に示す広帯域光変調器の製造工程
を示す説明図である。第８図は第６図に示す広帯域光変調器の特性を示すd_R/
g、d/g、Z₀、Γとの関係のグラフである。第９図と第10図はこの発明の応用例を示す他の広帯域光
変調器の斜視説明図である。第11図と第12図は従来の光変調器を示す斜視説明図であ
り、第11図は非対称電極を有したもの、第12図は周期的
に位相を反転した進行波形電極を有するものを示す。第13図a,bと第14図a,bは従来の光変調器を示す斜視図と
断面説明図である。第15図は従来の光変調器を示す斜視説明図であり、リッ
ジ形の場合を示す。１……基板、2,9……光導波路、３……SiO₂層、４……
進行波形電極、５……電源、６……抵抗、７……空気
層、８……電極支持部材。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に設けられた電気光学効果を有する
物質からなる光導波路部と、光導波路部の上部に形成さ
れ、光導波路部の屈折率より低い屈折率を有する物質か
らなる低屈折率部と、前記光導波路部と低屈折率部の光進行方向に平行する側
端面に、これらを並列的に挟持して対向配置する一対の
進行波形電極とを有し、一対の進行波形電極間の光導波路部と低屈折率部に進行
波変調電界を加えることで、光導波路部を伝搬する光を
変調することを特徴とする広帯域進行波形光変調器。
【請求項２】一対の進行波形電極間で光導波路の上部に
形成された低屈折率部を構成する物質がSiO₂であること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の広帯域進行波
形光変調器。
【請求項３】一対の進行波形電極間で光導波路の上部に
形成された低屈折率部を構成する物質が空気であること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の広帯域進行波
形光変調器。
【請求項４】一対の進行波形電極がその外向面に当接す
るSiO₂からなる電極支持部材にて支持されていることを
特徴とする特許請求の範囲第３項記載の広帯域進行波形
光変調器。
【請求項５】基板材質がLiNbO₃からなり、光導波路物質
がTi拡散を施したLiNbO₃からなることを特徴とする特許
請求の範囲第１項、第２項、第３項または第４項記載の
広帯域進行波形光変調器。
【請求項６】光進行方向に直交する面での電極間の断面
形状が矩形または台形であることを特徴とする特許請求
の範囲第１項、第２項、第３項、第４項または第５項記
載の広帯域進行波形光変調器。
【請求項７】一対の進行波形電極の対応面が対称形状か
らなることを特徴とする特許請求範囲第１項、第２項、
第３項、第４項、第５項または第６項記載の広帯域進行
波形光変調器。