JPH09159979A

JPH09159979A - 導波路型光変調器

Info

Publication number: JPH09159979A
Application number: JP34602495A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Yasuma; 康浩安間; Tomonori Ichikawa; 智徳市川
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 1995-12-11
Filing date: 1995-12-11
Publication date: 1997-06-20

Abstract

(57)【要約】【課題】直流バイアス電圧をかけなくても動作点を任
意の位置に自由に設定できるようにし、それによって本
質的にＤＣドリフトが生じないようにする。【解決手段】電気光学効果を有する結晶からなる導波
路基板３０に閉ループ状の分岐部３２を有する導波路３
４を形成するとともに、前記分岐部の両分岐導波路３４
ａ，３４ｂにそれぞれ電極３６ａ，３６ｂを形成した導
波路型光デバイス３８と、その両電極間に交番駆動電圧
を印加する駆動回路４０を具備し、該駆動回路により前
記電極間に印加する電位差に基づいて出射光の強度を制
御する導波路型光変調器である。導波路型光デバイスの
一方の分岐導波路３４ｂの一部にフォトリフラクティブ
効果を利用した位相シフト部３７を設け、入射光強度の
調整により導波光の位相を変化させることで直流バイア
ス電圧を必要とせずに単一の駆動回路による交番駆動電
圧の印加のみで光強度変調させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、導波路型光デバイ
スを用いる電気光学効果を利用した光変調器に関し、更
に詳しく述べると、導波路型光デバイスの一方の分岐導
波路の一部にフォトリフラクティブ効果を利用した位相
シフト部を設けて導波光の位相を変化させることで、直
流バイアス電圧成分を持たない交番駆動電圧の印加のみ
で駆動することにより特性の安定化を図った光変調器に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】広い分野にわたるレーザ光の実用を可能
にした重要な技術の一つに、光の強度変調技術がある。
光の強度変調にはさまざまな物理的効果を利用した変調
技術が開発されているが、その応用例の一つに電気光学
効果を利用した導波路型光変調器がある。

【０００３】この種の導波路型光変調器の一例を図６に
示し、そのＡ−Ａ′断面を図７に示す。これは対称分岐
干渉型と呼ばれる形式である。Ｚカットのニオブ酸リチ
ウム（ＬｉＮｂＯ₃）基板等の電気光学効果（電界によ
って屈折率が変化する現象）を有する一軸結晶からなる
導波路基板１０に、閉ループ状の分岐部１２を有する導
波路１４を形成するとともに前記分岐部１２の両分岐導
波路１４ａ，１４ｂの直上にそれぞれバッファ層（Ｓｉ
Ｏ₂，Ａｌ₂Ｏ₃）１５を介して電極１６ａ，１６ｂを
形成した導波路型光デバイス１８と、その電極１６ａ，
１６ｂ間に駆動電圧を印加する駆動回路２０を具備して
いる。導波路型光デバイス１８に入力した入射光は、分
岐して分岐導波路１４ａ，１４ｂを通った後に結合し、
出射光として出力する。その際、駆動回路２０により前
記電極１６ａ，１６ｂ間に印加する電位差に基づいて出
射光の強度を制御する構成である。通常、低電圧駆動が
可能なように、ニオブ酸リチウム結晶のもつ電気光学定
数のうち最大値のｒ₃₃を用いる。このため印加する電界
はｚ軸に平行となるようにする。

【０００４】ここで導波路基板１０に形成する導波路１
４は、通常、金属チタンを蒸着法などによりパターニン
グし、１０００〜１０５０℃で８時間程度の熱処理を行
う方法（熱拡散法）によって形成している。具体的に
は、導波路基板１０の長手方向の寸法は２０〜３０mm程
度であり、図面では分かりやすくするために広く描いて
いるが、分岐部１２の両分岐導波路１４ａ，１４ｂの間
隔は２０μｍ程度と極めて狭く設定されている。

【０００５】このような光変調器は、図８の光変調特性
曲線ａに示すような電圧Ｖに対する出射光強度Ｉの電気
光学特性を呈する。分岐導波路間に光学的な距離の差が
無い場合、理論的には電圧無印加状態において出射光強
度Ｉは極大値を示し、それよりも半波長電圧Ｖπだけ大
きい電圧（又は小さい電圧）を印加した状態において極
小値を示す。従って、この光変調器においてオン−オフ
の光信号を作成するためには、Ｖπ／２という値の直流
電圧Ｖ_DCをオフセットとしてかけた状態（直流バイアス
電圧印加）で、振幅Ｖπ／２以下の交番信号（±ｖ）を
乗せなければならない。これによって出射光のオン−オ
フ制御を行うことができる。これはデジタル変調の場合
であるが、アナログ変調の場合も同様である。直流バイ
アス電圧（Ｖ_DC＝Ｖπ／２）を印加した状態でアナログ
信号電圧を重畳すれば、前記光変調特性曲線の直線状の
部分を利用することで光強度を変調することができる。

【０００６】従って、図６に示すように従来技術におい
ては、交番駆動電圧（±ｖ）を直流バイアス電圧（Ｖ_DC
＝Ｖπ／２）に重畳するような駆動電源２０を必要とす
る。また導波路型光デバイスには動作中、常時、一定の
直流電圧が印加され続けることになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の導
波路型光デバイスでは、ＤＣ（直流）ドリフトと呼ばれ
る不安定現象が生じることが知られている。このＤＣド
リフトとは、長時間にわたって使用し続けていると光変
調特性（電圧−光強度特性）曲線が電圧印加方向にシフ
トし、動作点がずれてしまう現象を言う。このような不
安定現象が生じる理由については未だ十分に解明されて
いるわけではないが、熱拡散を利用して導波路を形成し
ているために表面層にキャリアが発生し、常時印加され
ている直流電圧によってキャリアが移動するために生じ
るのではないかと言われている。

【０００８】そこで、このようなＤＣドリフトを抑制す
るためのさまざまな検討がなされている。例えば印加す
る直流バイアス電圧を自動的に調整する方法、あるいは
２個の駆動回路を組み合わせてバイアス電圧の極性を一
定時間ごとに反転させる方法などが提案されている。し
かし、このような従来のＤＣドリフト抑制方法では、周
辺回路が複雑になる欠点がある。

【０００９】本発明の目的は、直流バイアス電圧をかけ
なくても動作点を任意の位置に自由に設定できるように
し、それによって本質的にＤＣドリフトが生じないよう
な導波路型光変調器を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、電気光学効果
を有する結晶からなる導波路基板に閉ループ状の分岐部
を有する導波路を形成するとともに、前記分岐部の両分
岐導波路の近傍に電極を形成した導波路型光デバイス
と、その電極間に交番駆動電圧を印加する駆動回路を具
備し、該駆動回路により前記電極間に印加する電位差に
基づいて出射光の強度を制御する導波路型光変調器であ
る。ここで本発明の特徴は、前記導波路型光デバイスの
一方の分岐導波路の一部にフォトリフラクティブ（Phot
o Refractive）効果を利用した位相シフト部を設け、入
射光強度の調整により導波光の位相を変化させることで
直流バイアス電圧を必要とせずに単一の駆動回路による
交番駆動電圧の印加のみで光強度変調させる点にある。

【００１１】また本発明には、同一導波路基板上に、２
入力導波路と閉ループ状の分岐部を有する導波路と出力
導波路が直列に接続されるように設けると共に、閉ルー
プ状の分岐部を有する導波路の一方の分岐導波路の一部
にフォトリフラクティブ効果を利用した位相シフト部を
設け、前記出力導波路に位相シフト光の透過を阻止する
偏光子を設けた構造の導波路型光デバイスを用いる構成
もある。この場合、フォトリフラクティブ効果が生じ難
い波長λ₁で且つ１方向に偏光している信号光を一方の
入力導波路から入力すると共に、低パワーで容易にフォ
トリフラクティブ効果が起きる波長λ₂で且つ信号光と
は偏光が９０°傾いている位相シフト光を他方の入力導
波路から入力し、前記位相シフト部で位相シフト光によ
り信号光の位相を変化させて単一の駆動回路による直流
バイアス電圧成分を持たない交番駆動電圧の印加のみで
信号光を光強度変調させる。

【００１２】ここで導波路型光デバイスは、例えば一軸
結晶であるニオブ酸リチウム結晶からなる導波路基板
に、金属チタンを蒸着法などによってパターニングした
後、熱拡散処理することにより導波路を形成したもので
ある。また位相シフト部は、導波路基板であるニオブ酸
リチウムにＦｅ²⁺をドープすることで形成することがで
きる。

【００１３】

【発明の実施の形態】フォトリフラクティブ効果は入射
光の強度によって屈折率変化を生じる現象である。位相
シフト部はフォトリフラクティブ効果を生じる領域であ
り、従って、その領域では、入射光強度によって位相が
変化する。このような位相シフト部を一方の分岐導波路
に設けておくと、入射光の強度に応じて位相シフト部の
屈折率が変化するために、分岐していた導波光が結合し
た時の両導波光の位相差を任意に制御することが可能と
なる。これによって電圧無印加状態における相対的な出
射光強度を任意の値に設定できることになる。つまり、
直流バイアス電圧を印加しなくても動作点を自由に変え
ることができ、そのため本質的に従来技術のようなＤＣ
ドリフトと呼ばれる不安定現象が生じるのを回避でき
る。

【００１４】

【実施例】図１は本発明に係る導波路型光変調器の一実
施例を示す説明図である。この光変調器は、導波路型光
デバイス３８とその駆動電源４０との組み合わせによっ
て構成されている。導波路型光デバイスの断面構造は、
図７に示す従来技術と同様であってよい。

【００１５】導波路型光デバイス３８は、Ｚカットのニ
オブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）結晶からなる導波路基
板３０に閉ループ状の分岐部３２を有する導波路３４を
形成するとともに、該分岐部３２の両分岐導波路３４
ａ，３４ｂの直上にそれぞれバッファ層３５を介して電
極３６ａ，３６ｂを形成し、一方の分岐導波路（ここで
は分岐導波路３４ｂ）の一部にフォトリフラクティブ効
果を利用した位相シフト部３７を設けたものである。導
波路型光デバイス３８の構造は、位相シフト部３７を除
けば従来技術と同様であってよい。導波路基板３０の長
さは２０〜３０mm程度であり、それに対して両方の分岐
導波路３４ａ，３４ｂの間隔は狭く（図面では分かりや
すくするために広く描いてあるが、実際は非常に狭い）
２０μｍ程度である。導波路３４は、蒸着法などによっ
て導波路基板３０の表面に金属チタンを所定の形状にパ
ターニングした後、熱拡散法（例えば、１０００〜１０
５０℃の温度で８時間程度の熱処理を行う方法）により
埋め込むことで形成する。

【００１６】フォトリフラクティブ効果を利用した位相
シフト部３７は、具体的には、分岐導波路となる部分に
所定の範囲にわたってＦｅ²⁺をドープした領域からな
る。入射光の強度を調整することで、位相シフト部３７
の屈折率を変化させ、それによって両分岐導波路３４
ａ，３４ｂを通る導波光の位相差を制御できる。本発明
では、これを利用して直流バイアス電圧を印加しない状
態でも自由に動作点を調整することが可能となる。

【００１７】そのため、両方の電極３６ａ，３６ｂの間
に駆動電圧を印加する駆動回路４０は、従来技術のよう
な直流バイアス電圧に交番駆動電圧を重畳した駆動信号
を発生するものではなく、所定の交番電圧信号のみを発
生する（直流バイアス電圧を必要としない）単一の駆動
回路でよい。

【００１８】導波路３４に入射光を導入し、直流バイア
ス電圧を必要としない状態で最適動作点が実現されるよ
うに、その光強度を調整する。そして駆動回路４０によ
り交番駆動電圧を印加することで電位差に基づいて出射
光の強度を制御する。その様子を図２に示す。電圧Ｖに
対する出射光強度Ｉの関係は、光変調特性曲線ｂに示す
ような状態となる。つまり一方の分岐導波路３４ｂにフ
ォトリフラクティブ効果を利用した位相シフト部３７を
形成した場合には、入射光強度によってその位相シフト
部３７での屈折率が変化するために、その後に結合した
時に両導波光の位相差を任意に制御可能となる。つまり
光変調特性曲線を左右にシフトできる。これによって図
２に示すように、電圧無印加状態における出射光強度Ｉ
が極大点と極小点の丁度中間に位置するように設定でき
る。この状態で±ｖの交番信号電圧を電極間に印加する
と、それに応じてオン−オフスイッチングする光出力が
得られる。駆動電圧信号を任意のアナログ信号で行え
ば、それに応じた光強度の出射光を出力させる（強度変
調させる）ことが可能となる。

【００１９】位相シフト部３７の長さは、次のようにし
て求める。フォトリフラクティブ効果による屈折率変化
Δｎは、入射光の波長、強度、ニオブ酸リチウム中のＦ
ｅ濃度などにより変化する。例えば、波長λ＝０．４８
８μｍ、１２ｍＷ（空間伝搬光）の光を、０．１重量％
Ｆｅドープのニオブ酸リチウム中に入射すると、屈折率
変化Δｎ＝３×１０^-4を引き起こす（ドープ無しの場合
には、Δｎが１０^-6以下である）。導波路形状では、光
を狭い空間内に閉じ込めるために、光強度が約０．２５
μＷでも等価な変化が期待できる。図１の構成におい
て、光変調特性曲線をλ／４（π／２）だけシフトする
ためには、位相シフト部の長さＬ（μｍ）は次の式を満
たすように設定すればよい。Ｌ（２．２０６３−２．２０６）／０．４８８＝０．２
５これを計算すると、位相シフト部の長さＬは４０７μｍ
になる。つまり上記の条件では、理論的には４０７μｍ
の長さの位相シフト部を一方の分岐導波路に形成するこ
とにより、所期の目的を達成することができる。なお、
実際には両方の分岐導波路の製作上の寸法誤差（バラツ
キ）がある。入射光の強度の調整による動作点の設定
は、両方の分岐導波路の製作上の寸法誤差を吸収し、そ
れを含めて最適の動作点に設定することを可能にしてい
る。

【００２０】フォトリフラクティブ効果は緩和現象であ
り、その緩和時間は、Ｆｅドープ結晶の場合、Ｆｅ²⁺／
Ｆｅ³⁺に影響される。この比率が高い方が応答性がよ
く、早く飽和値に達する。そのため、本実施例のよう
に、ニオブ酸リチウム中にＦｅ²⁺をドープすることで位
相シフト部を形成するのが望ましい。ドープ方法は熱拡
散法を用いればよい。ニオブ酸リチウム中への熱拡散
は、例えばＦｅ₂Ｏ₃を用いて行うことができる。

【００２１】なお両分岐導波路を伝搬する導波光間の位
相差は入射光強度、Ｆｅドープ量、ドープ領域の長さに
より制御可能であるため、事前の試作実験によってデー
タを採取し、それに応じて製造すればよい。特にＦｅの
ドープ量の制御やドープ量の屈折率変化への対応は製作
に不可欠なデータである。同一の屈折率変化Δｎを引き
起こさせる場合でも、入射光の波長、光強度、Ｆｅ濃度
などのうちのどのパラメータを変更するかは、使用条件
や製作条件などによって異なり、適宜選択して実行する
ことになる。

【００２２】ところでフォトリフラクティブ効果は、入
射光の波長が短いほど効果が大きい傾向にある。そこで
図３に示すような装置構成も有効である。すなわちカッ
プラ５０によって通信用信号光（例えば波長１．３μｍ
の近赤外光）と短波長レーザ光を結合して本発明に係る
導波路型光変調器５２に供給し、その出射力のうち短波
長レーザ光をフィルタ（あるいは分波器など）５４で除
去することにより光強度変調された通信用信号光のみ出
力させる構成である。短波長レーザ光によって光変調器
５２の位相シフト部の屈折率を大きく変化させ、光変調
特性曲線をシフトして所望の動作点で光変調動作が行わ
れるように制御するのである。

【００２３】図４に本発明の他の実施例を示し、図５に
その部分断面を示す。基板にはＹカット（又はＸカッ
ト）のニオブ酸リチウム結晶を用い、ｙ方向（又はｘ方
向）に光が伝播するように導波路を形成する。同一導波
路基板上に、２入力導波路６０と閉ループ状の分岐部を
有する導波路６２と出力導波路６４が直列に接続される
ように設けると共に、閉ループ状の分岐部を有する導波
路６２の一方の分岐導波路の一部にフォトリフラクティ
ブ効果を利用した位相シフト部６６を設け、更に前記出
力導波路６４に位相シフト光の透過を阻止する金属装荷
型偏光子６８を設け、導波路基板表面にて両分岐導波路
を挾むように３本の電極７０を形成することで導波路型
光デバイスを構成する。ここでもｚ軸方向に平行に電界
を印加するようにしている。

【００２４】ところで導波路上に直接金属を装荷する
と、導波路中に伝播するＴＥ及びＴＭモード光に対して
異なる影響を及ぼす。導波路中を伝播するＴＭモード光
の電磁界分布がＴＥモード光のそれに比較してより深く
金属中に浸透するために、ＴＭモード光には大きな伝播
損失が与えられる。金属装荷型偏光子６８は、このモー
ド依存性を利用したものである。

【００２５】導波路６０，６２，６４は、前記実施例と
同様、金属チタンの熱拡散法によって基板内に形成すれ
ばよい。また位相シフト部６６は一方の分岐導波路の一
部にＦｅを熱拡散することで形成する。金属装荷型偏光
子６８及び電極７０は、基板上に蒸着法あるいはスパッ
タ法によって直接金属を付着することで同時に形成でき
る。

【００２６】２入力導波路６０の一方の導波路には、フ
ォトリフラクティブ効果が生じ難い波長λ₁で且つ１方
向に偏光している信号光を入力し、他方の導波路には、
低パワーで容易にフォトリフラクティブ効果が起きる波
長λ₂で且つ信号光とは偏光が９０°傾いている位相シ
フト光を入力する。信号光には、例えば波長１．３又は
１．５５μｍの近赤外光を用い、ニオブ酸リチウムの最
大の電気光学定数ｒ₃₃が有効に活用できるようにＴＥ偏
光とする。他方、位相シフト光には、例えば波長０．４
８８又は０．６３３μｍの可視光を用い、且つ金属装荷
型偏光子で光吸収が起こるようにＴＭ偏光とする。

【００２７】中央の電極を接地し、両側の電極間に駆動
回路７２を接続する。この駆動回路も、直流バイアス電
圧を必要としない交番電圧信号のみを発生する単一の駆
動回路でよい。

【００２８】位相シフト光により位相シフト部６６で信
号光の位相を変化させて、両分岐導波路での信号光に所
望の位相差を発生させる。これによって図２の光変調特
性曲線に示すのと同様、動作点を直流バイアス電圧を必
要としない状態の最適動作点にシフトさせる。そして駆
動回路７２により交番駆動電圧を印加することで、発生
する電位差に基づいて信号光の強度が制御される。なお
位相シフト光は金属装荷型偏光子６８で吸収されるた
め、光強度変調された信号光のみが出力することとな
る。

【００２９】上記の実施例では金属装荷型偏光子を使用
しているが、他の偏光子の使用も可能である。この分野
で用いられる偏光子としては、プロトン交換導波路があ
る。これはＴＥあるいはＴＭモード光のいずれか一方に
のみ導波路として機能するものである。但し、Ｔｉ熱拡
散導波路との接続の問題や、作製プロセスの複雑化が伴
うため、電極作製プロセスにおいて同時に形成が可能な
金属装荷型偏光子の方が好ましい。

【００３０】

【発明の効果】本発明は上記のように導波路型光デバイ
スの一方の分岐導波路の一部にフォトリフラクティブ効
果を利用した位相シフト部を設け、入射光強度の調整に
より導波光の位相を変化させ光変調特性曲線を所望の量
だけシフトさせる構成としたので、直流バイアス電圧を
必要とせず、交番駆動電圧を発生する単一の電源で駆動
でき、そのためＤＣドリフトと言う不安定現象が生じる
のを防止でき、信頼性の高い導波路型光変調器を得るこ
とができる。また必要な外部回路構成も簡素化できる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る導波路型光変調器の一実施例を示
す説明図。

【図２】その動作説明図。

【図３】本発明を利用した光変調装置の実施例を示す説
明図。

【図４】本発明に係る導波路型光変調器の他の実施例を
示す説明図。

【図５】その部分断面図。

【図６】従来の導波路型光変調器の一例を示す説明図。

【図７】そのＡ−Ａ′断面図。

【図８】その動作説明図。

【符号の説明】

３０導波路基板３２分岐部３４導波路３４ａ，３４ｂ分岐導波路３６ａ，３６ｂ電極３７位相シフト部４０駆動回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学効果を有する結晶からなる導波
路基板に閉ループ状の分岐部を有する導波路を形成する
とともに、前記分岐部の両分岐導波路の近傍に電極を形
成した導波路型光デバイスと、その電極間に交番駆動電
圧を印加する駆動回路を具備し、該駆動回路により前記
電極間に印加する電位差に基づいて出射光の強度を制御
する導波路型光変調器において、前記導波路型光デバイスの一方の分岐導波路の一部にフ
ォトリフラクティブ効果を利用した位相シフト部を設
け、入射光強度の調整により導波光の位相を変化させる
ことで単一の駆動回路による直流バイアス電圧成分を持
たない交番駆動電圧の印加のみで光強度変調させること
を特徴とする導波路型光変調器。
【請求項２】導波路型光デバイスは、導波路基板がＺ
カットのニオブ酸リチウム結晶からなり、導波路は金属
チタンをパターニングし熱拡散処理することにより形成
されていて、電極は分岐導波路上にバッファ層を介して
設けられ、位相シフト部は導波路基板であるニオブ酸リ
チウムにＦｅ²⁺をドープすることによって形成されてい
る請求項１記載の導波路型光変調器。
【請求項３】電気光学効果を有する結晶からなる導波
路基板に閉ループ状の分岐部を有する導波路を形成する
とともに、前記分岐部の両分岐導波路の近傍に電極を形
成した導波路型光デバイスと、その電極間に交番駆動電
圧を印加する駆動回路を具備し、該駆動回路により前記
電極間に印加する電位差に基づいて出射光の強度を制御
する導波路型光変調器において、前記導波路型光デバイスは、同一導波路基板上に、２入
力導波路と閉ループ状の分岐部を有する導波路と出力導
波路が直列に接続されるように設けると共に、閉ループ
状の分岐部を有する導波路の一方の分岐導波路の一部に
フォトリフラクティブ効果を利用した位相シフト部を設
け、前記出力導波路に位相シフト光の透過を阻止する偏
光子を設けた構造をなし、フォトリフラクティブ効果が
生じ難い波長λ₁で且つ１方向に偏光している信号光を
一方の入力導波路から入力すると共に、容易にフォトリ
フラクティブ効果が起きる波長λ₂で且つ信号光とは偏
光が９０°傾いている位相シフト光を他方の入力導波路
から入力し、前記位相シフト部で位相シフト光により信
号光の位相を変化させて単一の駆動回路による直流バイ
アス電圧成分を持たない交番駆動電圧の印加のみで信号
光を光強度変調し出力させることを特徴とする導波路型
光変調器。
【請求項４】導波路型光デバイスは、導波路基板がＸ
カット又はＹカットのニオブ酸リチウムの結晶からな
り、導波路は金属チタンをパターニングし熱拡散処理す
ることにより形成されていて、電極は分岐導波路を挾む
ように配置されていて、位相シフト部は導波路基板であ
るニオブ酸リチウムにＦｅ²⁺をドープすることによって
形成され、偏光子が金属装荷型偏光子である請求項３記
載の導波路型光変調器。