JPH08166566A - 光制御デバイス - Google Patents
光制御デバイスInfo
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- JPH08166566A JPH08166566A JP31046194A JP31046194A JPH08166566A JP H08166566 A JPH08166566 A JP H08166566A JP 31046194 A JP31046194 A JP 31046194A JP 31046194 A JP31046194 A JP 31046194A JP H08166566 A JPH08166566 A JP H08166566A
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- Japan
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- thickness
- buffer layer
- conductor
- modulator
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 特性インピーダンス整合と、マイクロ波・光
波速度整合とをとると共に、導体損失を低滅することに
より、低駆動電圧で高速動作が可能な光制御デバイスを
提供する。 【構成】 本発明にもとづく光制御デバイスは、リッジ
部が形成された基板と、該基板上に積層されたバッファ
層と、前記リッジ部に形成された光導波路と、前記バッ
ファ層を介して前記光導波路近傍に設けられた中心導体
と接地導体とからなる電極層とを少なくとも有し、さら
に、前記バッファ層の厚さが０．２μｍないし２μｍ、
前記中心導体の幅が３μｍないし１０μｍ、前記中心導
体と前記接地導体との間隔が１０μｍないし５０μｍ、
前記電極層の厚さが５μｍないし５０μｍ、および前記
リッジ部の高さが１μｍないし１０μｍの範囲内である
ことを特徴とする。
波速度整合とをとると共に、導体損失を低滅することに
より、低駆動電圧で高速動作が可能な光制御デバイスを
提供する。 【構成】 本発明にもとづく光制御デバイスは、リッジ
部が形成された基板と、該基板上に積層されたバッファ
層と、前記リッジ部に形成された光導波路と、前記バッ
ファ層を介して前記光導波路近傍に設けられた中心導体
と接地導体とからなる電極層とを少なくとも有し、さら
に、前記バッファ層の厚さが０．２μｍないし２μｍ、
前記中心導体の幅が３μｍないし１０μｍ、前記中心導
体と前記接地導体との間隔が１０μｍないし５０μｍ、
前記電極層の厚さが５μｍないし５０μｍ、および前記
リッジ部の高さが１μｍないし１０μｍの範囲内である
ことを特徴とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、周波数特性が極めて広
帯域で、かつ低駆動電圧の光変調器、光スイッチ等の光
制御デバイスに関する。
帯域で、かつ低駆動電圧の光変調器、光スイッチ等の光
制御デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】光通信システムや光応用計測技術では、
電気光学効果を持つ強誘電体（例えばニオブ酸リチウム
（ＬｉＮｂＯ3 、以下ＬＮとする）結晶）を利用した光
変調器、光スイッチ、あるいは偏波制御器等のような電
気信号によって光の変調、スイッチング、偏波制御等を
行う光制御デバイスが数多く用いられている。
電気光学効果を持つ強誘電体（例えばニオブ酸リチウム
（ＬｉＮｂＯ3 、以下ＬＮとする）結晶）を利用した光
変調器、光スイッチ、あるいは偏波制御器等のような電
気信号によって光の変調、スイッチング、偏波制御等を
行う光制御デバイスが数多く用いられている。
【０００３】図７は、ＬＮ結晶を用いた従来の進行波形
高速光強度変調器の構成例を説明するためのもので、
（ａ）は非対称コンプレーナストリップ線路形変調電極
を用いた光変調器の断面図、（ｂ）はコプレーナ線路を
用いたシールド形光強度変調器の断面図である。
高速光強度変調器の構成例を説明するためのもので、
（ａ）は非対称コンプレーナストリップ線路形変調電極
を用いた光変調器の断面図、（ｂ）はコプレーナ線路を
用いたシールド形光強度変調器の断面図である。
【０００４】図７（ａ）の非対称コプレーナストリップ
線路形変調電極を用いた光変調器は、電気光学効果を持
つｚカットＬｉＮｂＯ3 基板７０１と、該基板上にＴｉ
熱拡散により形成されたマッハ・ツェンダ形光導波路７
０２と、ＳｉＯ2 等の誘電体からなる厚さｔb のバッフ
ァ層（光導波路のクラッド層）７０３と、該バッファ層
７０３上に形成されたＡｕ, Ａｌ等の中心導体７０４お
よび接地導体７０５から構成される非対称コプレーナス
トリップ線路形変調電極とを有する。一方、図７（ｂ）
のコプレーナ線路を用いたシールド形光強度変調器は、
さらに変調電極７０４および７０５上にシールド電極７
０６が設けられている。
線路形変調電極を用いた光変調器は、電気光学効果を持
つｚカットＬｉＮｂＯ3 基板７０１と、該基板上にＴｉ
熱拡散により形成されたマッハ・ツェンダ形光導波路７
０２と、ＳｉＯ2 等の誘電体からなる厚さｔb のバッフ
ァ層（光導波路のクラッド層）７０３と、該バッファ層
７０３上に形成されたＡｕ, Ａｌ等の中心導体７０４お
よび接地導体７０５から構成される非対称コプレーナス
トリップ線路形変調電極とを有する。一方、図７（ｂ）
のコプレーナ線路を用いたシールド形光強度変調器は、
さらに変調電極７０４および７０５上にシールド電極７
０６が設けられている。
【０００５】このような従来の変調器では、一般に電極
の寸法を中心導体幅（図中、矢印Ｗで示す範囲）が５μ
ｍないし１０μｍ、中心導体と接地導体との間隔（図
中、矢印Ｇで示す範囲）が１０μｍないし３０μｍ程度
となるようにする。また、高速動作を可能とするため
に、電極の特性インピーダンスＺを信号源等の入出力イ
ンピーダンスに整合させる必要がある。そのため、通常
は特性インピーダンスＺ＝５０Ωにする。この場合、変
調器の動作帯域は主に変調信号の伝搬速度と光導波路を
伝わる光波速度との不整合によって制限される。
の寸法を中心導体幅（図中、矢印Ｗで示す範囲）が５μ
ｍないし１０μｍ、中心導体と接地導体との間隔（図
中、矢印Ｇで示す範囲）が１０μｍないし３０μｍ程度
となるようにする。また、高速動作を可能とするため
に、電極の特性インピーダンスＺを信号源等の入出力イ
ンピーダンスに整合させる必要がある。そのため、通常
は特性インピーダンスＺ＝５０Ωにする。この場合、変
調器の動作帯域は主に変調信号の伝搬速度と光導波路を
伝わる光波速度との不整合によって制限される。
【０００６】マイクロ波変調信号に対する電極の実効屈
折率をｎm 、光導波路の実効屈折率をｎ0 （波長λ＝
１．５５μｍ帯ではｎ0 ＝２．１５）とすると、光変調
器の帯域幅Δｆ1 （エレクトリカル３ｄＢ）は、下記式
（１）の関係で与えられる。
折率をｎm 、光導波路の実効屈折率をｎ0 （波長λ＝
１．５５μｍ帯ではｎ0 ＝２．１５）とすると、光変調
器の帯域幅Δｆ1 （エレクトリカル３ｄＢ）は、下記式
（１）の関係で与えられる。
【０００７】
【数１】 Δｆ1 ＝１．４ｃ／（π｜ｎm −ｎ0 ｜Ｌ） （１） 式中、ｃは真空中の高速、Ｌは変調電極の相互作用長で
ある。
ある。
【０００８】また、変調器の駆動電圧Ｖπの大きさは変
調電極長Ｌに反比例する関係がある。したがって、上記
式（１）の関係から、駆動電圧を大きくすることなく広
帯域化を図るためには、Ｚ＝５０Ωとし、さらにｎm の
大きさをｎ0 の大きさに近づけるように、電極厚ｔm 、
バッファ層厚ｔb 、あるいはシールド電極間隔ｔs の大
きさを設定している。
調電極長Ｌに反比例する関係がある。したがって、上記
式（１）の関係から、駆動電圧を大きくすることなく広
帯域化を図るためには、Ｚ＝５０Ωとし、さらにｎm の
大きさをｎ0 の大きさに近づけるように、電極厚ｔm 、
バッファ層厚ｔb 、あるいはシールド電極間隔ｔs の大
きさを設定している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の構
成では、ｎm をｎ0 の値に近づけた場合、主に電極の抵
抗に起因する導体損失の大きさによって、帯域幅Δｆ2
が制限されるようになる。例えば、ｎm ＝ｎ0 の場合、
成では、ｎm をｎ0 の値に近づけた場合、主に電極の抵
抗に起因する導体損失の大きさによって、帯域幅Δｆ2
が制限されるようになる。例えば、ｎm ＝ｎ0 の場合、
【００１０】
【数２】 Δｆ2 （ＧＨｚ）＝４０／（αＬ）2 （２） （式中、αは１ＧＨｚでの減衰定数（ｄＢ／ｃｍ）） となる。したがって、さらに低駆動電圧化や広帯域・高
速化を達成するためには、特性インピーダンス整合、マ
イクロ波・光波速度整合とともに、変調電極の導体損失
を小さくすることが求められる。
速化を達成するためには、特性インピーダンス整合、マ
イクロ波・光波速度整合とともに、変調電極の導体損失
を小さくすることが求められる。
【００１１】したがって、本発明の目的は、上記従来の
問題点を解決し、特性インピーダンス整合と、マイクロ
波・光波速度整合とをとると共に、導体損失を低滅する
ことにより、低駆動電圧で高速動作が可能な光制御デバ
イスを提供することである。
問題点を解決し、特性インピーダンス整合と、マイクロ
波・光波速度整合とをとると共に、導体損失を低滅する
ことにより、低駆動電圧で高速動作が可能な光制御デバ
イスを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明にもとづく光制御デバイスは、リッジ部が形
成された基板と、該基板上に積層されたバッファ層と、
上記リッジ部に形成された光導波路と、上記バッファ層
を介して光導波路近傍に設けられた中心導体と接地導体
とからなる電極層とを少なくとも有し、さらに、バッフ
ァ層の厚さが０．２μｍないし２μｍ、中心導体の幅が
３μｍないし１０μｍ、中心導体と接地導体との間隔が
１０μｍないし５０μｍ、前記電極層の厚さが５μｍな
いし５０μｍ、およびリッジ部の高さが１μｍないし１
０μｍの範囲内であることを特徴とする。
に、本発明にもとづく光制御デバイスは、リッジ部が形
成された基板と、該基板上に積層されたバッファ層と、
上記リッジ部に形成された光導波路と、上記バッファ層
を介して光導波路近傍に設けられた中心導体と接地導体
とからなる電極層とを少なくとも有し、さらに、バッフ
ァ層の厚さが０．２μｍないし２μｍ、中心導体の幅が
３μｍないし１０μｍ、中心導体と接地導体との間隔が
１０μｍないし５０μｍ、前記電極層の厚さが５μｍな
いし５０μｍ、およびリッジ部の高さが１μｍないし１
０μｍの範囲内であることを特徴とする。
【００１３】好ましくは、上記基板はニオブ酸リチウム
からなる。
からなる。
【００１４】
【作用】上記の構成により、特性インピーダンスが適当
な値に設定され、かつマイクロ波実効屈折率の大きさが
光の実効屈折率の大きさと合う。また、変調電極のマイ
クロ波減衰定数の値が小さくなり、低電圧で高速広帯域
動作が可能となる。
な値に設定され、かつマイクロ波実効屈折率の大きさが
光の実効屈折率の大きさと合う。また、変調電極のマイ
クロ波減衰定数の値が小さくなり、低電圧で高速広帯域
動作が可能となる。
【００１５】
【実施例】以下、図面を参照して本発明にもとづく光制
御デバイスの一例を詳細に説明する。
御デバイスの一例を詳細に説明する。
【００１６】図１は、本発明にもとづく光制御デバイス
の一例として、ｚ軸（結晶軸）カット−ＬｉＮｂＯ3 基
板とコプレーナ線路電極とを用いたマッハ・ツェンダ形
光強度変調器を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ′線に沿う断面図である。
の一例として、ｚ軸（結晶軸）カット−ＬｉＮｂＯ3 基
板とコプレーナ線路電極とを用いたマッハ・ツェンダ形
光強度変調器を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ′線に沿う断面図である。
【００１７】ｚ軸（結晶軸）カット−ＬｉＮｂＯ3 基板
１０１は、表面の一部１０７がエッチングされることに
よって形成された２つのリッジ部を有する。この場合、
電極中心導体１０４の幅Ｗ、中心導体−接地導体１０５
の間隔Ｇ、バッファ層１０３の厚さｔb 、リッジ部の深
さtr、および電極の厚さｔm は、マイクロ波・光波速度
整合を図ることが可能で、かつ特性インピーダンスＺの
値が適当な大きさ（例えば、Ｚ＝５０Ω）となり、さら
に駆動電圧Ｖπおよび電極の導体損失（減衰定数）の値
が小さくなるようにして決められる。
１０１は、表面の一部１０７がエッチングされることに
よって形成された２つのリッジ部を有する。この場合、
電極中心導体１０４の幅Ｗ、中心導体−接地導体１０５
の間隔Ｇ、バッファ層１０３の厚さｔb 、リッジ部の深
さtr、および電極の厚さｔm は、マイクロ波・光波速度
整合を図ることが可能で、かつ特性インピーダンスＺの
値が適当な大きさ（例えば、Ｚ＝５０Ω）となり、さら
に駆動電圧Ｖπおよび電極の導体損失（減衰定数）の値
が小さくなるようにして決められる。
【００１８】図２は、上記リッジ部を形成した場合に得
られる効果を説明するためのものである。ここでは、電
極中心導体１０４の幅Ｗと中心導体−接地導体１０５の
間隔Ｇとの比をＷ／Ｇ＝８／１５μｍ、ＳｉＯ2 からな
るバッファ層１０３の厚さをｔb ＝１．２μｍする。リ
ッジ部の深さｔr （μｍ）を変えて、電極の厚さｔｍに
依存した特性インピーダンスＺ、マイクロ波実効屈折率
ｎｍ 、減衰定数α、および単位長さ電極あたりの駆動
電圧ＶπＬの値を求めた。図２（ａ）中、破線１〜４は
特性インピーダンスＺの値の変化を示す曲線であり、破
線１はｔm ＝５μｍ、破線２はｔm ＝１０μｍ、破線３
はｔm ＝１５μｍ、および破線４はｔm ＝２０μｍの場
合を示す。また、実線５〜８は実効屈折率ｎm の値の変
化を示す曲線であり、実線５はｔm ＝５μｍ、実線６は
ｔm ＝１０μｍ、実線７はｔm ＝１５μｍ、および実線
８はｔm ＝２０μｍの場合を示す。図２（ｂ）中、破線
９（ｔm = ５μｍ〜２０μｍ）は単位長さ電極あたりの
駆動電圧ＶπＬ値の変化を示す曲線であり、一方実線１
０〜１３は減衰定数αの値の変化を示す曲線である（実
線１０はｔm ＝５μｍ、実線１１はｔm ＝１０μｍ、実
線１２はｔm ＝１５μｍ、および実線１３はｔm ＝２０
μｍの場合を示す）。
られる効果を説明するためのものである。ここでは、電
極中心導体１０４の幅Ｗと中心導体−接地導体１０５の
間隔Ｇとの比をＷ／Ｇ＝８／１５μｍ、ＳｉＯ2 からな
るバッファ層１０３の厚さをｔb ＝１．２μｍする。リ
ッジ部の深さｔr （μｍ）を変えて、電極の厚さｔｍに
依存した特性インピーダンスＺ、マイクロ波実効屈折率
ｎｍ 、減衰定数α、および単位長さ電極あたりの駆動
電圧ＶπＬの値を求めた。図２（ａ）中、破線１〜４は
特性インピーダンスＺの値の変化を示す曲線であり、破
線１はｔm ＝５μｍ、破線２はｔm ＝１０μｍ、破線３
はｔm ＝１５μｍ、および破線４はｔm ＝２０μｍの場
合を示す。また、実線５〜８は実効屈折率ｎm の値の変
化を示す曲線であり、実線５はｔm ＝５μｍ、実線６は
ｔm ＝１０μｍ、実線７はｔm ＝１５μｍ、および実線
８はｔm ＝２０μｍの場合を示す。図２（ｂ）中、破線
９（ｔm = ５μｍ〜２０μｍ）は単位長さ電極あたりの
駆動電圧ＶπＬ値の変化を示す曲線であり、一方実線１
０〜１３は減衰定数αの値の変化を示す曲線である（実
線１０はｔm ＝５μｍ、実線１１はｔm ＝１０μｍ、実
線１２はｔm ＝１５μｍ、および実線１３はｔm ＝２０
μｍの場合を示す）。
【００１９】図２から明らかなように、電極の厚さｔm
を一定とし、リッジ部の深さｔr を大きくすると、それ
にともなって特性インピーダンスＺ、マイクロ波実効屈
折率ｎm 、および減衰定数αの値が小さくなる。これ
は、リッジ部の深さｔr の値が大きくなるにつれて、強
誘電体のＬｉＮｂＯ3 に代わって低誘電率のＳｉＯ2 や
空気に置き換えられるために、実効的な誘電率が低下す
るためである。また、駆動電圧ＶπＬの値については、
リッジ部の深さｔr の値（以下、ｔr 値ともいう）が３
μｍ〜４μｍで最小となり、さらにｔr 値が大きくなる
とわずかに増加する傾向にある。これはｔr 値が０から
３ないし４μｍ程度の大きさになると、ＬｉＮｂＯ3 基
板中の光導波路近傍に電気力線が集中することによっ
て、マイクロ波電界強度が強まり、駆動電圧が低下する
効果が現れるためである。しかし、ｔr 値がさらに大き
くなると、中心導体と接地導体との間の実効的な距離が
大きくなる効果が強まり、電界強度が低下するためにＶ
πＬの値は逆に大きくなる。
を一定とし、リッジ部の深さｔr を大きくすると、それ
にともなって特性インピーダンスＺ、マイクロ波実効屈
折率ｎm 、および減衰定数αの値が小さくなる。これ
は、リッジ部の深さｔr の値が大きくなるにつれて、強
誘電体のＬｉＮｂＯ3 に代わって低誘電率のＳｉＯ2 や
空気に置き換えられるために、実効的な誘電率が低下す
るためである。また、駆動電圧ＶπＬの値については、
リッジ部の深さｔr の値（以下、ｔr 値ともいう）が３
μｍ〜４μｍで最小となり、さらにｔr 値が大きくなる
とわずかに増加する傾向にある。これはｔr 値が０から
３ないし４μｍ程度の大きさになると、ＬｉＮｂＯ3 基
板中の光導波路近傍に電気力線が集中することによっ
て、マイクロ波電界強度が強まり、駆動電圧が低下する
効果が現れるためである。しかし、ｔr 値がさらに大き
くなると、中心導体と接地導体との間の実効的な距離が
大きくなる効果が強まり、電界強度が低下するためにＶ
πＬの値は逆に大きくなる。
【００２０】一方、リッジ部の深さｔr を一定にし、電
極厚ｔm の値を大きくすると、特性インピーダンスＺ、
マイクロ波実効屈折率ｎm 、および減衰定数αの値は小
さくなるが、駆動電圧ＶπＬはほとんど変化しない。こ
れはｔm 値が大きくなるにしたがって、中心導体と接地
導体との間の静電容量が大きくなる一方で、光導波路近
傍の電界強度の大きさがほとんど変化しないためであ
る。なお、図２では、バッファ層厚ｔb =1.2μｍの場合
を示したが、ｔb 値を大きくすると、特性インピーダン
スＺ、マイクロ波実効屈折率ｎm 、および減衰定数αの
値は小さくなるが、駆動電圧ＶπＬの値は大きくなる。
極厚ｔm の値を大きくすると、特性インピーダンスＺ、
マイクロ波実効屈折率ｎm 、および減衰定数αの値は小
さくなるが、駆動電圧ＶπＬはほとんど変化しない。こ
れはｔm 値が大きくなるにしたがって、中心導体と接地
導体との間の静電容量が大きくなる一方で、光導波路近
傍の電界強度の大きさがほとんど変化しないためであ
る。なお、図２では、バッファ層厚ｔb =1.2μｍの場合
を示したが、ｔb 値を大きくすると、特性インピーダン
スＺ、マイクロ波実効屈折率ｎm 、および減衰定数αの
値は小さくなるが、駆動電圧ＶπＬの値は大きくなる。
【００２１】ところで、高速光変調器を実現するために
は、マイクロ波と光波との速度整合をとる必要があり、
マイクロ波実効屈折率ｎm が光波の等価屈折率ｎ0 とほ
ぼ等しい大きさ（波長λ＝１．５５μｍ帯ではｎ0 ＝
２．１５）になるように、変調器構造が選ばれる。ま
た、リッジ部の深さｔr の値が大きくなるにしたがっ
て、減衰定数αの値が減少して変調器の特性改善につな
がる。
は、マイクロ波と光波との速度整合をとる必要があり、
マイクロ波実効屈折率ｎm が光波の等価屈折率ｎ0 とほ
ぼ等しい大きさ（波長λ＝１．５５μｍ帯ではｎ0 ＝
２．１５）になるように、変調器構造が選ばれる。ま
た、リッジ部の深さｔr の値が大きくなるにしたがっ
て、減衰定数αの値が減少して変調器の特性改善につな
がる。
【００２２】そこで、一例として、ｔr ＝３μｍまたは
５μｍに設定し、電極中心導体の幅Ｗと中心導体−接地
導体の間隔Ｇとの比の値Ｗ／Ｇをパラメータとした場
合、速度整合条件（ｎm ＝ｎ0 ）を満たすために必要な
電極厚ｔm と、その場合の減衰定数α、駆動電圧Ｖπ
Ｌ、および変調器の性能指数ｐは、図３または図４に示
すようなバッファ層厚ｔb 依存性を示す。
５μｍに設定し、電極中心導体の幅Ｗと中心導体−接地
導体の間隔Ｇとの比の値Ｗ／Ｇをパラメータとした場
合、速度整合条件（ｎm ＝ｎ0 ）を満たすために必要な
電極厚ｔm と、その場合の減衰定数α、駆動電圧Ｖπ
Ｌ、および変調器の性能指数ｐは、図３または図４に示
すようなバッファ層厚ｔb 依存性を示す。
【００２３】図３は、ｔr ＝３μｍの場合を示すもの
で、（ａ）はバッファ層厚ｔb と速度整合（ｎm ＝２．
１５）のための電極厚ｔm との関係、（ｂ）はバッファ
層厚ｔb と特性インピーダンスＺとの関係、（ｃ）はバ
ッファ層厚ｔb と減衰定数αとの関係、（ｄ）はバッフ
ァ層厚ｔb と駆動電圧ＶπＬとの関係、そして（ｅ）は
バッファ層厚ｔb と変調器の性能指数ｐとの関係を示
す。また、図４は、ｔr ＝５μｍの場合を示すもので、
（ａ）はバッファ層厚ｔb と速度整合（ｎm ＝２．１５
のための電極厚ｔm との関係、（ｂ）はバッファ層厚ｔ
b と特性インピーダンスＺとの関係、（ｃ）はバッファ
層厚ｔb と減衰定数αとの関係、（ｄ）はバッファ層厚
ｔb と駆動電圧ＶπＬとの関係、そして（ｅ）はバッフ
ァ層厚ｔb と変調器の性能指数ｐとの関係を示す。
で、（ａ）はバッファ層厚ｔb と速度整合（ｎm ＝２．
１５）のための電極厚ｔm との関係、（ｂ）はバッファ
層厚ｔb と特性インピーダンスＺとの関係、（ｃ）はバ
ッファ層厚ｔb と減衰定数αとの関係、（ｄ）はバッフ
ァ層厚ｔb と駆動電圧ＶπＬとの関係、そして（ｅ）は
バッファ層厚ｔb と変調器の性能指数ｐとの関係を示
す。また、図４は、ｔr ＝５μｍの場合を示すもので、
（ａ）はバッファ層厚ｔb と速度整合（ｎm ＝２．１５
のための電極厚ｔm との関係、（ｂ）はバッファ層厚ｔ
b と特性インピーダンスＺとの関係、（ｃ）はバッファ
層厚ｔb と減衰定数αとの関係、（ｄ）はバッファ層厚
ｔb と駆動電圧ＶπＬとの関係、そして（ｅ）はバッフ
ァ層厚ｔb と変調器の性能指数ｐとの関係を示す。
【００２４】図３および図４中、●はＷ／Ｇ（μｍ）＝
８／３０，□はＷ／Ｇ（μｍ）＝８／２５，△はＷ／Ｇ
（μｍ）＝８／２０，そして○はＷ／Ｇ（μｍ）＝８／
１５である。
８／３０，□はＷ／Ｇ（μｍ）＝８／２５，△はＷ／Ｇ
（μｍ）＝８／２０，そして○はＷ／Ｇ（μｍ）＝８／
１５である。
【００２５】上記性能指数ｐは、下記式（３）で定義さ
れるパラメータである。
れるパラメータである。
【００２６】
【数３】 ｐ＝ＶπＬ・α （３） 変調器と信号源とのインピーダンス整合がとれている場
合、変調器の駆動電圧Ｖπ（Ｖ）、３ｄＢ帯域幅Δｆ
（ＧＨｚ）は、
合、変調器の駆動電圧Ｖπ（Ｖ）、３ｄＢ帯域幅Δｆ
（ＧＨｚ）は、
【００２７】
【数４】 Ｖπ／Δｆ1/2 ＝ｐ／６．４ （４） の関係で与えられる。すなわちｐが小さい電極構造ほ
ど、高性能化（低駆動電圧化、広帯域化）が可能にな
る。
ど、高性能化（低駆動電圧化、広帯域化）が可能にな
る。
【００２８】図３（ｂ）および図４（ｂ）より、ｔm の
大きさを適当な値に設定して速度整合条件を満たした場
合、特性インピーダンスＺは、Ｗ／Ｇの大きさにかかわ
らず、リッジ深さｔr とバッファ層厚ｔb の大きさでほ
ぼ一義的に決まることが分かる。また、駆動電圧ＶπＬ
も図３（ｄ）および図４（ｄ）より、Ｗが一定の下では
Ｇの大きさにほとんど影響を受けず、リッジ深さｔr と
バッファ層厚ｔb の大きさで一義的に決まることが分か
る。これは、主にＬｉＮｂＯ3 基板の誘電率が、結晶軸
に対して平行方向と垂直方向で異方性を持つことに起因
している。
大きさを適当な値に設定して速度整合条件を満たした場
合、特性インピーダンスＺは、Ｗ／Ｇの大きさにかかわ
らず、リッジ深さｔr とバッファ層厚ｔb の大きさでほ
ぼ一義的に決まることが分かる。また、駆動電圧ＶπＬ
も図３（ｄ）および図４（ｄ）より、Ｗが一定の下では
Ｇの大きさにほとんど影響を受けず、リッジ深さｔr と
バッファ層厚ｔb の大きさで一義的に決まることが分か
る。これは、主にＬｉＮｂＯ3 基板の誘電率が、結晶軸
に対して平行方向と垂直方向で異方性を持つことに起因
している。
【００２９】図３（ｅ）および図４（ｅ）中の破線は速
度整合条件を満たす電極厚ｔm （図３（ａ）および図４
（ａ））が、１０，１５，２０，２５，３０μｍ一定に
なる関係を示したものであり、ｔm が一定の時ｐの大き
さはバッファ層厚ｔb の大きさに対する依存性は小さい
が、ｔm を厚くする程ｐパラメータを小さくできること
が分かる。以上のことから、例えば特性インピーダンス
をＺ＝５０Ωにする場合、バッファ層厚ｔb はｔb ＝
１．２μｍ（リッジ深さｔr ＝３μｍの場合）、０．９
μｍ（リッジ深さｔr ＝５μｍの場合）に設定すればよ
い。この時、電極間隔Ｇを大きくする（それに伴って電
極厚ｔm は大きくなる）程ｐパラメータは小さくなり、
低駆動電圧で広帯域な高性能光変調器を実現できる。な
お、変調器構造を設計する場合、あるｐ値の電極構造に
おいて、例えばＶπの大きさを設定すると、式（３）よ
りその時の３ｄＢ帯域幅Δｆが決まり、図３（ｄ）およ
び図４（ｄ）のＶπＬ特性の関係より必要な変調電極長
Ｌを設定することができる。
度整合条件を満たす電極厚ｔm （図３（ａ）および図４
（ａ））が、１０，１５，２０，２５，３０μｍ一定に
なる関係を示したものであり、ｔm が一定の時ｐの大き
さはバッファ層厚ｔb の大きさに対する依存性は小さい
が、ｔm を厚くする程ｐパラメータを小さくできること
が分かる。以上のことから、例えば特性インピーダンス
をＺ＝５０Ωにする場合、バッファ層厚ｔb はｔb ＝
１．２μｍ（リッジ深さｔr ＝３μｍの場合）、０．９
μｍ（リッジ深さｔr ＝５μｍの場合）に設定すればよ
い。この時、電極間隔Ｇを大きくする（それに伴って電
極厚ｔm は大きくなる）程ｐパラメータは小さくなり、
低駆動電圧で広帯域な高性能光変調器を実現できる。な
お、変調器構造を設計する場合、あるｐ値の電極構造に
おいて、例えばＶπの大きさを設定すると、式（３）よ
りその時の３ｄＢ帯域幅Δｆが決まり、図３（ｄ）およ
び図４（ｄ）のＶπＬ特性の関係より必要な変調電極長
Ｌを設定することができる。
【００３０】以上では、電極の中心導体幅はＷ＝８μｍ
の場合を示したが、Ｗの大きさは、ＶπＬの大きさを低
減するために、光導波路の幅と同程度にすればよく、光
導波路の幅に合わせてＷ＝３μｍ〜１０μｍ程度の大き
さにすればよい。中心導体−接地導体間隔Ｇについて
は、Ｇを大きくする程ｐパラメータが小さくなるが、必
要以上に大きくすると構造分散によるマイクロ波特性へ
の悪影響が出てくるために、Ｇ＝１０μｍ〜５０μｍ程
度の大きさが選ばれる。変調電極の厚さｔm について
は、ｔm が大きい程設計上は望ましいが、製作性の制限
からｔm ＝５μｍ〜５０μｍにすればよい。バッファ層
の厚さｔb は、主に特性インピーダンスの大きさの制約
から設計されるが、製作性や変調器の光挿入損失・安定
性を考慮してｔb ＝０．２μｍ〜２μｍになる。ＬｉＮ
ｂＯ3 基板のリッジ深さｔr については、ＶπＬ特性の
低減効果と、ＬｉＮｂＯ3 エッチング工程の容易さを考
慮して、通常１〜１０μｍ程度に設定される。
の場合を示したが、Ｗの大きさは、ＶπＬの大きさを低
減するために、光導波路の幅と同程度にすればよく、光
導波路の幅に合わせてＷ＝３μｍ〜１０μｍ程度の大き
さにすればよい。中心導体−接地導体間隔Ｇについて
は、Ｇを大きくする程ｐパラメータが小さくなるが、必
要以上に大きくすると構造分散によるマイクロ波特性へ
の悪影響が出てくるために、Ｇ＝１０μｍ〜５０μｍ程
度の大きさが選ばれる。変調電極の厚さｔm について
は、ｔm が大きい程設計上は望ましいが、製作性の制限
からｔm ＝５μｍ〜５０μｍにすればよい。バッファ層
の厚さｔb は、主に特性インピーダンスの大きさの制約
から設計されるが、製作性や変調器の光挿入損失・安定
性を考慮してｔb ＝０．２μｍ〜２μｍになる。ＬｉＮ
ｂＯ3 基板のリッジ深さｔr については、ＶπＬ特性の
低減効果と、ＬｉＮｂＯ3 エッチング工程の容易さを考
慮して、通常１〜１０μｍ程度に設定される。
【００３１】図５および図６は、本発明による高速Ｌｉ
ＮｂＯ3 光強度変調器の他の実施例の断面図であり、変
調電極としてそれぞれ非対称コプレーナストリップ線路
５０４，５０５、および対称コプレーナストリップ線路
６０４，６０５を用いた場合を示す。これらの場合も、
図１に示した例と同様の原理により、電極の中心導体５
０４，６０４の幅Ｗ、中心導体−接地導体５０５，６０
５の間隔Ｇと、バッファ層５０３，６０３の厚さｔb 、
リッジ深さｔr 、電極の厚さｔm の大きさを、光とマイ
クロ波との速度整合を図り、特性インピーダンスＺを適
当な大きさ（例えばＺ＝５０Ω）にして、さらにｐパラ
メータを小さくする変調器構成を採用すればよい。これ
によって電極のマイクロ波損失を小さくすることが可能
であり、低駆動電圧で広帯域な高性能光変調器を実現で
きる。
ＮｂＯ3 光強度変調器の他の実施例の断面図であり、変
調電極としてそれぞれ非対称コプレーナストリップ線路
５０４，５０５、および対称コプレーナストリップ線路
６０４，６０５を用いた場合を示す。これらの場合も、
図１に示した例と同様の原理により、電極の中心導体５
０４，６０４の幅Ｗ、中心導体−接地導体５０５，６０
５の間隔Ｇと、バッファ層５０３，６０３の厚さｔb 、
リッジ深さｔr 、電極の厚さｔm の大きさを、光とマイ
クロ波との速度整合を図り、特性インピーダンスＺを適
当な大きさ（例えばＺ＝５０Ω）にして、さらにｐパラ
メータを小さくする変調器構成を採用すればよい。これ
によって電極のマイクロ波損失を小さくすることが可能
であり、低駆動電圧で広帯域な高性能光変調器を実現で
きる。
【００３２】以上では電気光学効果を有する基板として
ＬｉＮｂＯ3 を、バッファ層としてＳｉＯ2 を用いた高
速光強度変調器を例として本発明の原理・効果・実施例
を述べたが、この他に、電気光学効果を有する基板とし
てＬｉＴａＯ3 やＰＬＺＴ等の強誘電体や半導体、誘起
材料等を利用し、バッファ層として例えばＡｌ2 Ｏ3や
ＩＴＯ、ポリイミド等の誘電体を利用しても良い。ま
た、光強度変調器以外に光位相変調器、光スイッチ、偏
波制御器等のような、電気信号によって光出力を制御す
るあらゆる光制御デバイスに、本発明を適用できること
は自明である。
ＬｉＮｂＯ3 を、バッファ層としてＳｉＯ2 を用いた高
速光強度変調器を例として本発明の原理・効果・実施例
を述べたが、この他に、電気光学効果を有する基板とし
てＬｉＴａＯ3 やＰＬＺＴ等の強誘電体や半導体、誘起
材料等を利用し、バッファ層として例えばＡｌ2 Ｏ3や
ＩＴＯ、ポリイミド等の誘電体を利用しても良い。ま
た、光強度変調器以外に光位相変調器、光スイッチ、偏
波制御器等のような、電気信号によって光出力を制御す
るあらゆる光制御デバイスに、本発明を適用できること
は自明である。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明にもとづく
光制御デバイスは、リッジ部が形成された基板と、該基
板上に積層されたバッファ層と、前記リッジ部に形成さ
れた光導波路と、前記バッファ層を介して前記光導波路
近傍に設けられた中心導体と接地導体とからなる電極層
とを少なくとも有し、さらに、前記バッファ層の厚さが
０．２μｍないし２μｍ、前記中心導体の幅が３μｍな
いし１０μｍ、前記中心導体と前記接地導体との間隔が
１０μｍないし５０μｍ、および前記リッジ部の高さが
１ｍないし１０μｍの範囲内であることを特徴とする。
したがって、特性インピーダンスが適当な値に設定さ
れ、かつマイクロ波実効屈折率の大きさが光の実効屈折
率の大きさと合うようにしることが可能である。また、
変調電極のマイクロ波減衰定数の値が小さくなり、低電
圧で高速広帯域動作が可能となる。
光制御デバイスは、リッジ部が形成された基板と、該基
板上に積層されたバッファ層と、前記リッジ部に形成さ
れた光導波路と、前記バッファ層を介して前記光導波路
近傍に設けられた中心導体と接地導体とからなる電極層
とを少なくとも有し、さらに、前記バッファ層の厚さが
０．２μｍないし２μｍ、前記中心導体の幅が３μｍな
いし１０μｍ、前記中心導体と前記接地導体との間隔が
１０μｍないし５０μｍ、および前記リッジ部の高さが
１ｍないし１０μｍの範囲内であることを特徴とする。
したがって、特性インピーダンスが適当な値に設定さ
れ、かつマイクロ波実効屈折率の大きさが光の実効屈折
率の大きさと合うようにしることが可能である。また、
変調電極のマイクロ波減衰定数の値が小さくなり、低電
圧で高速広帯域動作が可能となる。
【図１】本発明にもとづく光制御デバイスの一例とし
て、ｚ軸（結晶軸）カット−ＬｉＮｂＯ3 基板とコプレ
ーナ線路電極とを用いたマッハ・ツェンダ形光強度変調
器を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−
Ａ′線に沿う断面図である。
て、ｚ軸（結晶軸）カット−ＬｉＮｂＯ3 基板とコプレ
ーナ線路電極とを用いたマッハ・ツェンダ形光強度変調
器を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−
Ａ′線に沿う断面図である。
【図２】本発明にもとづく光制御デバイスの一例とし
て、ｚ軸（結晶軸）カット−ＬｉＮｂＯ3 基板とコプレ
ーナ線路電極とを用いたマッハ・ツェンダ形光強度変調
器のリッジ部の効果を説明するための図で、（ａ）はリ
ッジ部の深さｔr と特性インピーダンスＺおよびマイク
ロ波実効屈折率ｎm との関係を示すもので、また（ｂ）
はリッジ部の深さｔr と減衰定数αおよび単位長さ電極
あたりの駆動電圧ＶπＬとの関係を示すものである。
て、ｚ軸（結晶軸）カット−ＬｉＮｂＯ3 基板とコプレ
ーナ線路電極とを用いたマッハ・ツェンダ形光強度変調
器のリッジ部の効果を説明するための図で、（ａ）はリ
ッジ部の深さｔr と特性インピーダンスＺおよびマイク
ロ波実効屈折率ｎm との関係を示すもので、また（ｂ）
はリッジ部の深さｔr と減衰定数αおよび単位長さ電極
あたりの駆動電圧ＶπＬとの関係を示すものである。
【図３】本発明にもとづく光制御デバイスの一例とし
て、ｚ軸（結晶軸）カット−ＬｉＮｂＯ3 基板とコプレ
ーナ線路電極とを用いたマッハ・ツェンダ形光強度変調
器のリッジ部の深さをｔr ＝３μｍとした場合の各特性
について説明するための図で、（ａ）はバッファ層厚ｔ
b と速度整合（ｎm ＝２．１５）のための電極厚ｔm と
の関係、（ｂ）はバッファ層厚ｔb と特性インピーダン
スＺとの関係、（ｃ）はバッファ層厚ｔb と減衰定数α
との関係、（ｄ）はバッファ層厚ｔb と駆動電圧ＶπＬ
との関係、そして（ｅ）はバッファ層厚ｔb と変調器の
性能指数ｐとの関係を示す。
て、ｚ軸（結晶軸）カット−ＬｉＮｂＯ3 基板とコプレ
ーナ線路電極とを用いたマッハ・ツェンダ形光強度変調
器のリッジ部の深さをｔr ＝３μｍとした場合の各特性
について説明するための図で、（ａ）はバッファ層厚ｔ
b と速度整合（ｎm ＝２．１５）のための電極厚ｔm と
の関係、（ｂ）はバッファ層厚ｔb と特性インピーダン
スＺとの関係、（ｃ）はバッファ層厚ｔb と減衰定数α
との関係、（ｄ）はバッファ層厚ｔb と駆動電圧ＶπＬ
との関係、そして（ｅ）はバッファ層厚ｔb と変調器の
性能指数ｐとの関係を示す。
【図４】本発明にもとづく光制御デバイスの一例とし
て、ｚ軸（結晶軸）カット−ＬｉＮｂＯ3 基板とコプレ
ーナ線路電極とを用いたマッハ・ツェンダ形光強度変調
器のリッジ部の深さをｔr ＝５μｍの場合を示す図で、
（ａ）はバッファ層厚ｔbと速度整合（ｎm ＝２．１
５）のための電極厚ｔm との関係、（ｂ）はバッファ層
厚ｔb と特性インピーダンスＺとの関係、（ｃ）はバッ
ファ層厚ｔb と減衰定数αとの関係、（ｄ）はバッファ
層厚ｔb と駆動電圧ＶπＬとの関係、そして（ｅ）はバ
ッファ層厚ｔb と変調器の性能指数ｐとの関係を示す。
て、ｚ軸（結晶軸）カット−ＬｉＮｂＯ3 基板とコプレ
ーナ線路電極とを用いたマッハ・ツェンダ形光強度変調
器のリッジ部の深さをｔr ＝５μｍの場合を示す図で、
（ａ）はバッファ層厚ｔbと速度整合（ｎm ＝２．１
５）のための電極厚ｔm との関係、（ｂ）はバッファ層
厚ｔb と特性インピーダンスＺとの関係、（ｃ）はバッ
ファ層厚ｔb と減衰定数αとの関係、（ｄ）はバッファ
層厚ｔb と駆動電圧ＶπＬとの関係、そして（ｅ）はバ
ッファ層厚ｔb と変調器の性能指数ｐとの関係を示す。
【図５】本発明にもとづく光制御デバイスの他の例を説
明するための断面図である。
明するための断面図である。
【図６】本発明にもとづく光制御デバイスの他の例を説
明するための断面図である。
明するための断面図である。
【図７】ＬＮ結晶を用いた従来の進行波形高速光強度変
調器の構成例を説明するための図で、（ａ）は非対称コ
プレーナストリップ線路形変調電極を用いた光変調器の
断面図、（ｂ）はコプレーナ線路を用いたシールド形光
強度変調器の断面図である。
調器の構成例を説明するための図で、（ａ）は非対称コ
プレーナストリップ線路形変調電極を用いた光変調器の
断面図、（ｂ）はコプレーナ線路を用いたシールド形光
強度変調器の断面図である。
１０１ ＬｉＮｂＯ3 基板 １０２ 光導波路 １０３ バッファ層 １０４ 中心導体 １０７ リッジ部を形成する領域
Claims (2)
- 【請求項１】 リッジ部が形成された基板と、該基板上
に積層されたバッファ層と、前記リッジ部に形成された
光導波路と、前記バッファ層を介して前記光導波路近傍
に設けられた中心導体と接地導体とからなる電極層とを
少なくとも有し、さらに、 前記バッファ層の厚さが０．２μｍないし２μｍ、 前記中心導体の幅が３μｍないし１０μｍ、前記中心導
体と前記接地導体との間隔が１０μｍないし５０μｍ、
前記電極層の厚さが５μｍないし５０μｍ、および前記
リッジ部の高さが１μｍないし１０μｍの範囲内である
ことを特徴とする光制御デバイス。 - 【請求項２】 請求項１記載の光制御デバイスにおい
て、前記基板はニオブ酸リチウムからなることを特徴と
する光制御デバイス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31046194A JPH08166566A (ja) | 1994-12-14 | 1994-12-14 | 光制御デバイス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31046194A JPH08166566A (ja) | 1994-12-14 | 1994-12-14 | 光制御デバイス |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08166566A true JPH08166566A (ja) | 1996-06-25 |
Family
ID=18005535
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31046194A Pending JPH08166566A (ja) | 1994-12-14 | 1994-12-14 | 光制御デバイス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08166566A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5790719A (en) * | 1995-11-28 | 1998-08-04 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Optical control device |
| JP2006162984A (ja) * | 2004-12-07 | 2006-06-22 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光強度変調器 |
| JP2008097023A (ja) * | 2003-03-19 | 2008-04-24 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光変調器 |
| WO2009090687A1 (ja) * | 2008-01-18 | 2009-07-23 | Anritsu Corporation | 光変調器 |
| JP2011090332A (ja) * | 2011-01-05 | 2011-05-06 | Fujitsu Optical Components Ltd | 光変調装置 |
| US8050524B2 (en) | 2008-09-26 | 2011-11-01 | Fujitsu Limited | Optical device and method related thereto |
| JP2012068679A (ja) * | 2011-12-19 | 2012-04-05 | Sumitomo Osaka Cement Co Ltd | 光導波路素子 |
| WO2014123230A1 (ja) * | 2013-02-08 | 2014-08-14 | 住友大阪セメント株式会社 | 光変調器 |
| CN109416495A (zh) * | 2016-07-01 | 2019-03-01 | 奥兰若技术有限公司 | Rf波导阵列的接地结构 |
-
1994
- 1994-12-14 JP JP31046194A patent/JPH08166566A/ja active Pending
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5790719A (en) * | 1995-11-28 | 1998-08-04 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Optical control device |
| JP2008097023A (ja) * | 2003-03-19 | 2008-04-24 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光変調器 |
| JP4711351B2 (ja) * | 2003-03-19 | 2011-06-29 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
| JP2006162984A (ja) * | 2004-12-07 | 2006-06-22 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光強度変調器 |
| JP4494182B2 (ja) * | 2004-12-07 | 2010-06-30 | 日本電信電話株式会社 | 光強度変調器 |
| JPWO2009090687A1 (ja) * | 2008-01-18 | 2011-05-26 | アンリツ株式会社 | 光変調器 |
| WO2009090687A1 (ja) * | 2008-01-18 | 2009-07-23 | Anritsu Corporation | 光変調器 |
| US8050524B2 (en) | 2008-09-26 | 2011-11-01 | Fujitsu Limited | Optical device and method related thereto |
| JP2011090332A (ja) * | 2011-01-05 | 2011-05-06 | Fujitsu Optical Components Ltd | 光変調装置 |
| JP2012068679A (ja) * | 2011-12-19 | 2012-04-05 | Sumitomo Osaka Cement Co Ltd | 光導波路素子 |
| WO2014123230A1 (ja) * | 2013-02-08 | 2014-08-14 | 住友大阪セメント株式会社 | 光変調器 |
| JP6020555B2 (ja) * | 2013-02-08 | 2016-11-02 | 住友大阪セメント株式会社 | 光変調器 |
| US9599843B2 (en) | 2013-02-08 | 2017-03-21 | Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd. | Optical modulator |
| CN109416495A (zh) * | 2016-07-01 | 2019-03-01 | 奥兰若技术有限公司 | Rf波导阵列的接地结构 |
| CN109416495B (zh) * | 2016-07-01 | 2022-07-05 | 朗美通技术英国有限公司 | Rf波导阵列的接地结构 |
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