JPH075404A - 周期的ドメイン反転電気・光変調器 - Google Patents

周期的ドメイン反転電気・光変調器

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JPH075404A
JPH075404A JP6012919A JP1291994A JPH075404A JP H075404 A JPH075404 A JP H075404A JP 6012919 A JP6012919 A JP 6012919A JP 1291994 A JP1291994 A JP 1291994A JP H075404 A JPH075404 A JP H075404A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、高周波信号と光信号の間の速度不
整合に基づく不所望の高周波反射または散乱を受けない
電気・光変調器を提供することを目的とする。 【構成】 強誘電性ドメインを有する基体32と、強誘電
性ドメイン中の逆方向の変化部分を貫通して基体中に形
成された光導波体38, 40と、光導波体38, 40に光入力信
号を結合する光入力手段56と、基体32上に形成され、光
導波体38, 40上の領域50に電界を与え、それによって光
信号の変調を誘導する高周波導波体46, 48と、高周波導
波体に高周波電気信号を結合する電気駆動源58と、変調
内の位相差を補償する周期的な反転および非反転領域5
2, 54と、変調された光出力信号を供給する光出力手段6
0とを具備していることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般に光信号を変調する
電気・光変調器、特に位相速度整合された電気・光変調
器に関する。
【０００２】
【従来の技術】光信号の振幅および位相変調を行う進行
波集積電気・光変調器が技術的に知られている。電気・
光変調器は一般にミリメータ波通信およびレーダシステ
ムを多数の適用に対する重要性が高まってきている光フ
ァイバリンクと共に使用されている。外部電気・光変調
器は、固体状態レーザ信号の直接変調が一般にマイクロ
波周波数より上では不可能であるため一般にミリメータ
波光ファイバリンクに要求されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】電気・光変調器は典型
的に基体中に形成され、上に位置した金属電極構造を有
する光導波体を含む。光学的およびマイクロ波位相速度
が等しい基体材料で製造された電気・光変調器は、非常
に広い変調帯域幅の可能性を提供する。しかしながら、
リチウムニオベイト（ＬｉＮｂＯ3 ）のような重要な電
気・光基体材料に対して、光学およびＲＦマイクロ波速
度間には固有の不整合がある。リチウムニオベイト中の
光信号位相速度はマイクロ波駆動信号速度のほぼ２倍で
あるため、位相変調の大きさは、光学および駆動信号間
の位相差が増加すると減少し始める。この現象は、しば
しば位相“ウォークオフ（walk off）”と呼ばれる。
【０００４】この速度不整合のために設計における妥協
が要求される。一方において、達成可能な最大駆動周波
数は、変調器の長さが増加されると減少する。他方では
要求される駆動電圧および電力を低くするために、一般
に長い装置長が必要とされる。したがって、一般に最大
駆動周波数と要求される駆動電力との間において妥協が
行われる。
【０００５】従来固有の速度不整合を補償することが試
みられてきた。周期的な電極構造は共平面電気・光変調
器において使用され、一般に周期的位相反転電極または
間欠的相互作用電極として分類される。既知の周期的電
極構造は、伝播軸に関して非対称的な不平衡な伝送ライ
ンを含む。しかしながら、これは結果的に別の光ファイ
バリンク伝送素子への平衡にされたライン転移と適合し
ない。
【０００６】近年の電気・光変調器の例は、 Schaffner
氏他による米国特許第 5,005,932号明細書に認められ
る。この従来技術の変調器は、周期的不連続性を持つ進
行波電極を使用することによって光および高周波信号の
速度整合を達成する。この方法は一般にほとんどの適用
に適するが、不連続性はリチウムニオベイト基体中への
高周波信号の一部分の電磁散乱と共にソースへの高周波
信号の一部分の反射を固有に発生させる。結果的に、こ
のような従来技術の方法は一般に特にミリメータ波範囲
等の高い周波数でこれらの損失を受ける。
【０００７】したがって、従来技術に認められるような
不所望の高周波反射または散乱を受けない改良された電
気・光変調器を提供することが望ましい。特に、高周波
信号と光信号との間において速度不整合を示すミリメー
タ波集積電気・光変調器における位相差をリセットする
改良された技術を提供することが望ましい。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の技術によると、
光信号と高周波信号との間の位相速度不整合を補償する
電気・光変調器が提供される。この変調器は強誘電性基
体に形成され、光入力に結合された光導波体を含む。高
周波導波体は、光信号を変調するように光導波体に隣接
した領域に電界を与えるために基体上に形成される。強
誘電性基体は、変調領域内の位相差を補償する周期的に
反転および非反転される強誘電性ドメイン領域を有す
る。好ましい実施例において、高周波導波体は、光信号
の振幅変調（ＡＭ）を行うように光導波体マッハツェン
ダー干渉計に結合される。本発明のその他の目的および
利点は、以下の詳細な説明および添付図面から当業者に
明らかになるであろう。
【０００９】
【実施例】従来技術による既存の電気・光変調器10が図
１に示されている。ここに示された従来技術の電気・光
変調器10は、リチウムニオベイト（ＬｉＮｂＯ3 ）基体
12から製造された周期的位相反転（ＰＰＲ）変調器であ
る。従来技術のＰＰＲ変調器10は、その上に位相変調を
誘導するように光信号に電界を与えるために光信号をそ
れを通して伝送する集積された光学マッハツェンダー干
渉計および周期的位相反転（ＰＰＲ）電極を含んでい
る。
【００１０】従来技術によると、マッハツェンダー干渉
計は、互いに平行に配置された一部分を有する基体12に
形成された１対の光導波体チャンネル16および18を含ん
でいる。干渉計はさらに第１および第２の光導波体16お
よび18間において光入力信号13を分配する入力Ｙ接合部
15に達する光入力路14を含んでいる。干渉計は同様に第
１および第２の光導波体16および18の出力を結合し、変
調器出力路28に振幅変調された（ＡＭ）出力信号29を供
給する出力Ｙ接合部27を含んでいる。
【００１１】ＰＰＲ電極は、光信号13を横切る高周波電
界を与える活性中央導体22および１対の接地導体24ａお
よび24ｂを含む。中央導体22は、光導波体16および18の
間の領域の上方に配置されている。接地導体24ａおよび
24ｂの対は、光導波体16および18の外側の領域の上方に
配置されている。したがって、中央導体22は電源23から
高周波信号を受け、一方接地導体24ａおよび24ｂは一般
に低い接地基準電圧に結合されている。
【００１２】したがって、光入力信号13は光導波体16お
よび18を通って進行し、位相変調を生じさせるように高
周波入力信号25と相互作用する。しかしながら、高周波
電気信号の位相速度は一般にリチウムニオベイトにおい
てほぼ 0.6の係数だけ光信号の位相速度より小さいこと
が一般的に知られている。したがって、変調器10が十分
に長い場合、高周波信号と光信号に誘導された変調との
間の位相差はある点で180°に達する。この位相差を補
償するために、通常の方法は光導波体16および18の周囲
の電極の低速部分20によって光信号に関して電界の方向
を反転するために周期的位相反転電極を使用する。この
効果は、光信号13に対する変調と高周波信号25との間の
全位相差を 360°にし、それによって高周波および光信
号を再整列させることである。
【００１３】したがって、従来技術による方法は高周波
電気信号13と光信号25の変調との間の位相差が 180°の
差になる位置において電極低速部分20を備えたエアギャ
ップ21を有する電極を提供する。しかしながら、従来技
術の方法は、高周波信号25が周期的な電極不連続性によ
って光導波体16および18の側面に関して物理的に移動さ
れることが必要である。非常に高い周波数において、従
来技術の不連続性は一般に高周波信号25の一部分を高周
波ソース23に向かって反射させ、高周波信号25の一部分
を基体12中に散乱させる。その結果、この後方への反射
および散乱は不所望の信号損失を生じさせる。
【００１４】図２および図３を参照すると、本発明によ
る周期的ドメイン反転電気・光変調器30が示されてい
る。周期的ドメイン反転電気・光変調器30は、本発明の
好ましい実施例にしたがってリチウムネオベイト（Ｌｉ
ＮｂＯ3 ）基体32の＋Ｚ面上に製造される。基体は方向
を逆に変化させるように形成された選択された領域を有
する強誘電性ドメインを有している。変調器30は、変調
器30を通って光信号56を案内する集積された光学マッハ
ツェンダー干渉計を含んでいる。変調器30はさらに各導
波体において光信号56に位相変調を誘導するように光信
号56を横切る電界を与える非対称的な共平面導波体進行
波電極を含む。
【００１５】干渉計は光入力信号56を受信する光入力端
子34および振幅変調（ＡＭ）光出力信号60を供給する出
力端子44を含む。干渉計はさらに１対の光導波体チャン
ネル38および40の間で光入力信号56を分配する入力Ｙ接
合部36を含んでいる。１対の光導波体チャンネル38およ
び40は、実質的に互いに平行に配置された部分を有して
いる。干渉計は、同様に出力端子44に達する１対の光導
波体チャンネル38および40を結合する出力Ｙ接合部42を
有している。
【００１６】干渉計および関連した光導波体チャンネル
38および40は、この技術的な分野で知られている確立さ
れた技術にしたがって光導波体チャンネル38および40を
形成するように基体32中にチタニウムを拡散することに
よってリチウムネオベイト基体内に製造される。光導波
体チャンネル38および40は互いに実質的に平行に配列さ
れた部分を有するように形成され、強誘電性ドメインに
おいて１以上の方向が逆に変化させられる。さらに、二
酸化シリコンムバッファ層62は、そうでなければ金属電
極46および48によって発生させられる光導波体チャンネ
ル38および40からの光学損失を阻止するために基体32の
上部に配置されていることが好ましい。
【００１７】非対称的な共平面導波体進行波電極は、光
導波体チャンネル38および40の実質的に上方の領域にお
いてバッファ層62の上部に形成される。進行波電極は活
性導電ライン46および導電性接地ライン48を含んでい
る。活性導電ライン46は、高周波電気信号59を受信する
高周波電源58に結合される。他方において、導電性接地
ライン48は接地に結合される。活性導電ライン46は導電
性接地ライン48から変位され、結果として活性変調領域
50を形成し、変調領域50を横断する高周波電界を与える
ように動作する。したがって、電界は各光導波体チャン
ネル38および40において光入力信号56を位相変調させ
る。
【００１８】本発明によると、変調器30は反転領域54お
よび非反転領域52を有する強誘電性ドメインを有する基
体32において製造される。強誘電性ドメインの反転およ
び非反転領域54および52は、技術的に知られている光リ
ソグラフ技術による製造プロセス中に限定される。１つ
のこのような技術は文献（宮沢氏による“Ferroelectri
c Domain Inversion in Ti-Diffused LiNb O3 Optical
Waveguide”，J.Appl.Phys.，50(7) ，1979年 7月，45
99乃至4603頁）に記載されている。そのように実行する
時にほぼ 500オングストロームの薄いチタニウム層は、
反転領域52中に形成される各領域内において蒸着され
る。その後、チタニウムはほぼ1000℃でチタニウムドー
プされたリチウムネオベイトに対するキュリー温度より
上の温度で基体32中に拡散されるため、強誘電性ドメイ
ン反転が発生する。
【００１９】反転および非反転領域52および54は、光入
力信号56の変調と高周波電気信号59との間の位相差が 1
80°に達する光導波体チャンネル38および40に沿って選
択された位置において位相補償を行うように選択され
る。したがって、この補償は光信号56の誘導された位相
変調の符号を変化するため、光信号56の変調と高周波電
気信号59との間の全位相差は 360°であり、信号は同位
相において戻される。これは、変調器30が連続する変調
利得を得ることを可能にする。
【００２０】動作において、周期的ドメイン反転電気・
光変調器30は、光導波体チャンネル38および40を通過し
た光入力信号56を受信する。高周波電気信号59は、光入
力信号56に位相変調を誘導する電界を発生するように高
周波電源58を介して供給される。そのように実行する時
に、光入力信号56は入力端子34によって受信され、この
入力端子34は第１および第２の光導波体チャンネル38お
よび40の間で光入力信号56を分割する入力Ｙ接合部36に
導かれる。
【００２１】光導波体チャンネル38および40は、互いに
実質的に平行に延在し、活性変調領域50内において電界
に光入力信号56をさらす部分を有する。光信号56は各光
導波体38および40を通過し、各チャンネル中の光信号56
は位相変調される。そのように実行する時に、光信号56
は活性変調領域50内の強誘電性ドメインの反転領域54お
よび非反転領域52を通過する。反転領域54と非反転領域
52との間の各転移は、光信号の誘導された位相変調の符
号を変化させる。これは、高周波および光信号間におけ
る位相速度不整合によって生じる光信号56の変調と高周
波電気信号59との間の 180°の位相差を補償する。
【００２２】光導波体38および40は、出力端子44に導か
れる出力Ｙ接合部42において接合される。したがって、
位相変調された光信号は振幅変調（ＡＭ）出力号60を得
るように出力Ｙコネクタ42を介して結合される。振幅変
調された信号を形成するように位相変調された光信号の
対を結合する原理は技術的に良く知られているため、こ
こでは詳細に説明しない。位相変調された出力信号が所
望された場合、本発明の技術的範囲を逸脱することなく
第１および第２の導波体38および40の代わりに単一の光
導波体を使用することができると考えられる。
【００２３】本発明の好ましい実施例によると、計算さ
れた特性データは、図４の正規化された周波数範囲にわ
たって相対的な光学変調64のグラフで示されている。そ
こにおいて使用された特定の例は、光入力信号56がほぼ
60ＧＨｚの周波数で７つの周期的反転および非反転領域
52および54にさらされる活性変調領域50に対して与えら
れている。これは、変調器30が全部で６回位相補償を行
うことを意味する。したがって、グラフは最小の損失で
光信号を振幅変調する非常に高い特性を示す。
【００２４】図４によると、周波数は60ＧＨｚの設計周
波数に正規化され、光学変調64はピーク応答特性に正規
化される。周期的ドメイン反転変調器30は、1.0 から正
規化された周波数において光信号の位相変調が反転／非
反転ドメイン境界部で 180°変化されるためバンドパス
特性を有するが、光信号と高周波信号との間の位相差は
境界部で 180°ではない。したがって、残りの位相不整
合は各変調部分の始めに存在し、この残留位相不整合の
累積は変調器応答特性の劣化を生じさせる。
【００２５】図５および図６を特に参照すると、本発明
の別の実施例による周期的ドメイン反転電気・光変調器
の別の実施例が示されている。電気・光変調器70の別の
実施例は、４−ジメチルアミノ４´−ニトロスチルベン
（ＤＡＮＳ）のような有機重合非直線光学材料を含む電
気・光ポリマー78により製造される。導電性接地面74
は、マイクロチップ高周波伝送ラインを形成するために
シリコン基体材料94上に配置される。クラッド層76は、
導電性接地面74の上部に配置され、ほぼ４ミクロンの厚
さを有する。電気・光ポリマー層78はクラッド層76の上
部に配置され、ほぼ２ミクロンの好ましい厚さを有す
る。第２のクラッド層80はさらに電気・光ポリマー層78
の上部に配置される。
【００２６】電気・光ポリマー層78は、この技術分野に
おいて知られている光ブリーチ技術にしたがって形成さ
れる１対の光導波体チャンネル32´および40´を含む。
１つのこのような光ブリーチ技術は、文献（D.G.Girton
氏他による“ 20 GHz Electro-Optic Polymer Mach-Zeh
nder Modulator”，Appl.Phys.Lett.58(16) ，1991年4
月22日，1730乃至32頁）に記載されている。反転および
非反転領域86および88は、強誘電性ドメインを整列する
ように電界で電気・光ポリマー78に極性を与えることに
よって光導波体チャンネル38´および40´に形成され
る。活性導電ライン90および92は、各導電ライン90およ
び92から導電性接地面74まで電磁フィールドを誘導する
ために第２のクラット層80の上部に形成される。結果的
に、電界は各光導波体チャンネル38´および40´を直接
通過して位相変調を与える。
【００２７】上記から本発明は、位相速度不整合を補償
する改良された電気・光変調器（30または70）を利用者
が実現することを可能にすると考えられることができ
る。したがって、本発明はここにおいて特定の実施例と
組合わせられて記載されているが、当業者は本発明の技
術的範囲を逸脱することなく明細書および図面を検討す
ることによってその他の適用が実現可能であることを理
解するため、添付された特許請求の範囲において限定さ
れる以外何等制限を与えられるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による通常の周期的位相反転電気・光
変調器の上面図。
【図２】本発明の好ましい実施例による電気・光変調器
の上面図。
【図３】図２のライン３−３における断面図。
【図４】本発明による電気・光変調器の１実施例に対す
る周波数応答特性を示したグラフ。
【図５】本発明の別の実施例による電気・光変調器の上
面図。
【図６】図５のライン６−６における断面図。

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 強誘電性ドメインを有する基体と、 前記強誘電性ドメイン中の少なくとも１つの逆方向の変
    化部分を貫通して前記基体中に形成された光導波体手段
    と、 光導波体手段に光入力信号を結合する光入力手段と、 前記基体上に形成され、光導波体手段上の領域に電界を
    与え、それによって前記光信号の変調を誘導する高周波
    導波体手段と、 高周波導波体手段に高周波電気信号を結合する電気駆動
    源手段と、 前記変調内の位相差を補償する周期的な反転および非反
    転領域と、 変調された光出力信号を供給する光出力手段とを具備し
    ていることを特徴とする電気・光変調器。
  2. 【請求項２】 前記高周波導波体手段は、 前記高周波電気信号を受信する第１の金属導体と、 接地点に結合され、電界をそれらの間に発生させるよう
    に前記第１の金属導体から分離されている第２の金属接
    地導体とを含む共平面導波体を具備している請求項１記
    載の変調器。
  3. 【請求項３】 前記実質的に平行な光導波体チャンネル
    は実質的に前記第１および第２の金属導体によって制限
    された変調器活性領域内に配置されている請求項２記載
    の変調器。
  4. 【請求項４】 前記強誘電性ドメイン内の前記反転およ
    び非反転領域は、前記変調と前記高周波信号との間の位
    相差が実質的に 180°である場合、前記位相差を補償す
    るように交互に配置されｗｅる請求項１記載の変調器。
  5. 【請求項５】 強誘電性ドメインを有している基体と、 前記基体中に形成された少なくとも２つのほぼ平行な光
    導波体チャンネルを有する光導波体手段と、 前記基体上に形成され、光導波体チャンネル上の変調器
    活性領域を有する高周波導波体と、 光導波体に所定の位相の光入力信号を結合する光入力手
    段と、 高周波導波体に電磁エネルギを結合する電磁駆動源手段
    と、 前記光信号および前記高周波信号が実質的に 180°位相
    からずれている位置において電界の方向を変化させる周
    期的な反転および非反転領域と、 振幅変調された光出力信号を供給する光出力手段とを具
    備していることを特徴とする電気・光変調器。
  6. 【請求項６】 前記光導波体手段は少なくとも２つのほ
    ぼ平行な光導波体チャンネルを含んでいる請求項１また
    は５記載の変調器。
  7. 【請求項７】 前記強誘電性ドメインは複数の実質的に
    平行な交互の反転および非反転領域を含んでいる請求項
    １または５記載の変調器。
  8. 【請求項８】 前記基体はリチウムニオベイト（ＬｉＮ
    ｂＯ3 ）で構成されている請求項１または５記載の変調
    器。
  9. 【請求項９】 前記基体はポリマーで構成されている請
    求項１または５記載の変調器。
  10. 【請求項１０】 基体中に形成された光導波体に光入力
    信号を供給し、 位相変調を誘導するように活性変調領域内において前記
    光導波体を横切って電気信号を発生し、 前記活性変調領域内で見出された強誘電性ドメインの反
    転および非反転領域を介して前記光導波体を通って前記
    光入力信号を供給し、 変調された出力信号を供給する光信号変調方法。
  11. 【請求項１１】 さらに、第１および第２の光導波体チ
    ャンネル間で前記光入力信号を分配し、 振幅変調された出力信号を供給するように前記第１およ
    び第２の光導波体チャンネルのそれぞれからの前記位相
    変調光信号を結合するステップを含んでいる請求項１０
    記載の方法。
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