JPH11237593A

JPH11237593A - 光変調器

Info

Publication number: JPH11237593A
Application number: JP3914398A
Authority: JP
Inventors: Toru Sugamata; 徹菅又; Yasuyuki Miyama; 靖之深山; Yoshihiro Hashimoto; 義浩橋本; Kazumasa Kiuchi; 和昌木内
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1998-02-20
Publication date: 1999-08-31

Abstract

(57)【要約】【課題】高周波アンプを用いなくても高速変調が可
能で、ＤＣドリフトや温度特性が優れている光変調器を
提供することを課題とする。【解決手段】電気光学効果を有する基板と、この基
板に形成したマッハツェンダー型光導波路と、この光導
波路を伝搬する光波を変調するための少なくとも一組の
電極とを有し、この一組の電極が信号電極と接地電極と
からなる光変調器において、前記接地電極の幅Ｗｇと前
記信号電極の幅Ｗｈとの比率Ｗｇ／Ｗｈを１以上７以下
とし、かつ前記一組の電極の有効電極長Ｌを５ｃｍ以上
９ｃｍ以下とするように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高速大容量の光フ
ァイバー通信システム等に用いられる導波路型の光変調
器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来利用されている高速大容量光ファイ
バー通信システムには、高速変調が可能で低損失や低チ
ャープ特性等が優れたＬｉＮｂＯ₃（以下ＬＮと略す）
等を基板として光導波路を形成したＬＮ変調器を用いた
ものが多くある。

【０００３】これらの光変調器を用いる際には、電気信
号を増幅するために高周波アンプを必ず用いている。こ
の場合には、高周波電気信号源回路（以下高周波ドライ
バという）の出力電圧（通常は２Ｖ）よりＬＮ変調器の
実効的な駆動電圧（以下半波長電圧という）が高いた
め、十分な変調をするためには高周波電気信号を増幅し
てＬＮ変調器に信号を印加する必要が生じる。

【０００４】この場合に用いられる高周波アンプは一般
的に高価でありかつ静電気に弱く、取扱いに特段の注意
が必要であり、またアンプ駆動用の電源及び冷却用のフ
ァンなど付加的な部品も必要となり、高速通信システム
を構成する上でコスト、信頼性、作業性などの観点から
問題があった。

【０００５】半波長電圧を低減させる方法としては、接
地電極幅を狭くする方法があるが、高周波特性を劣化さ
せ、特に高周波伝搬損失（マイクロ波伝搬損失）を増加
させるという問題点が生じる。また、有効電極長を長く
する事により半波長電圧を低減させる方法もあるが、光
変調帯域を低減させ、高速変調を困難にするという問題
点が生じる。

【０００６】例えば、ＬＮを用いたマッハツェンダー型
変調器の場合では、図５に示すように、ＬＮ変調器を用
いた高速光通信システムは、光源１から一定の出力光が
出され、光ファイバー６を通してＬＮ変調器２に導入さ
れ、高周波アンプ４を通して高周波ドライバ３からＬＮ
変調器に電気信号を印加すると、導波光は印加された電
気信号に応じて変調され、変調光は光ファイバー６を通
して受光器５に入力される。

【０００７】これは、ＬＮなどの変調器を用いた高速光
通信システムを簡単に説明したものであるが、ＬＮ変調
器２を実システムに適用する場合、高周波アンプ４は必
須である。これは、高周波ドライバ３の出力電圧（通常
は２Ｖ）よりＬＮ変調器２の実効的な半波長電圧が高い
ため、高周波電気信号を増幅してＬＮ変調器２に信号を
印加する必要が生じる。

【０００８】このような高速光通信に用いられる高周波
アンプは一般的に高価であり、かつ静電気に弱く、取扱
いに特段の注意が必要であり、またアンプ駆動用の電源
及び冷却用のファンなど付加的な部品も必要となるた
め、高速通信システムを構成する上では、コスト、信頼
性、作業性などの観点からは問題があった。

【０００９】このため、ＬＮ変調器を代表とする導波路
型光変調器の半波長電圧を低減する技術が幾つか開示さ
れている。例えば、特開平２−１９６２１２号公報記載
の技術では２本の導波路上にそれぞれ信号電極を設置
し、タイミングを調整した逆符号の電気信号を差動的に
印加する。特開平３−７３９１３号公報記載の技術では
信号電極より狭いバッファー層を形成する。また、特開
平５−１９６９０２号公報記載の技術では接地電極幅を
信号電極幅の３倍以内にする等が行われている。

【００１０】〔問題点〕しかし、特開平２−１９６２１
２号公報記載の技術のように、高周波電気信号のタイミ
ングを調整して作動させるためには、タイミング調整の
ための新たな回路が必要となり、システム構成の部品が
増えコスト増やシステムが複雑になるなどの問題点があ
る。

【００１１】また、特開平３−７３９１３号公報記載の
技術のように、信号電極より狭いバッファー層を形成す
る構成では、バッファー層の加工工程が増え、また、加
工時の不純物や加工ひずみによるＤＣドリフトや温度特
性の劣化を生じるなどの問題点がある。

【００１２】また、特開平５−１９６９０２号公報記載
の技術のように、接地電極の幅を信号電極の３倍以内に
するだけでは足りず、半波長電圧の低減効果について一
部言及されてはいるものの、この技術の主目的が変調器
の広帯域化とインピーダンス整合を図ることであるた
め、接地電極の幅を狭くすることによるマイクロ波の伝
搬損失の増加に関する問題点、すなわち変調帯域と有効
電極長さとの関連および半波長電圧と接地電極、信号電
極の比との関連等が不明であり、高周波アンプを使用し
なくても高速変調が可能となる構成方法や設定パラメー
タについては明らかにされていないという問題点があ
る。

【００１３】このように、半波長電圧を低くする構成に
関して幾つかの技術が開示されてはいるものの、高周波
特性が十分でなかったり、ＤＣドリフトや温度特性の劣
化等の問題点があり、さらに、いずれの先行技術も高周
波アンプを使用することなく高速変調が可能な構成や設
定パラメータに関して明らかにされていないため実現で
きないという問題点がある。

【００１４】したがって、高周波アンプを用いなくても
使用できる、より半波長電圧の低いＬＮ変調器の開発が
望まれているが、なお、多くの改良すべき点が多くある
ため、現時点では、高周波アンプを使用することなく実
システムに適用できるような光変調器は得られていなか
った。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の技術
における前記問題点を解消するためのものであり、その
問題点解消のため具体的に設定した課題は、高周波アン
プを用いなくても高速変調が可能で、ＤＣドリフトや温
度特性が優れ、低コストで信頼性が高く、作業性の良
い、光変調帯域が現在大部分の実システムで用いられて
いる 2.5ＧＨｚ以上の高速光通信システム用の光変調器
を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明における請求項１
に係る光変調器は、電気光学効果を有する基板と、この
基板に形成したマッハツェンダー型光導波路と、この光
導波路を伝搬する光波を変調するための少なくとも一組
の電極とを有し、この一組の電極が信号電極と接地電極
とからなる光変調器において、前記接地電極の幅Ｗｇと
前記信号電極の幅Ｗｈとの比率Ｗｇ／Ｗｈを１以上７以
下とし、かつ前記一組の電極の有効電極長Ｌを５ｃｍ以
上９ｃｍ以下とすることを特徴とするものである。

【００１７】また、請求項２に係る光変調器は、前記基
板がＬｉＮｂＯ₃であることを特徴とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を具体
的に説明する。ただし、この実施の形態は、本発明の趣
旨をより良く理解させるため具体的に説明するもので、
特に指定のない限り、発明内容を限定するものではな
い。

【００１９】この実施の形態における光変調器として、
Ｚカット板のＬＮにマッハツェンダー型の光導波路を形
成した高速光変調器を図１に示し、この例により説明す
る。先ず、ＬＮ基板７に光導波路８を形成するためＴｉ
をＬＮ基板７に成膜する。このとき事前にフォトリソグ
ラフィーによって、レジストのマッハツェンダー型導波
路パターンを転写しておく。Ｔｉ成膜後、この基板を有
機溶剤に浸し、不要な部分のＴｉをリフトオフして光導
波路８の原型を形成する。なお、この場合の光導波路８
の幅は７μｍ、Ｔｉ厚は９００Åとする。

【００２０】次に、この基板を１０００℃で１０時間熱
拡散し、ＬＮ基板７に光導波路８を形成する。この光導
波路８のＴｉ厚や幅や拡散条件は、例えば波長λ＝ 1.5
5 μｍの光波でシングルモード導波路となるような条件
が選ばれる。このＬＮ基板７の上に、図示していない
が、導波光の金属電極による吸収損失を抑えるため、Ｓ
ｉＯ₂などでバッファー層を形成する。ここではＳｉＯ
₂バッファー層を真空蒸着によって、膜厚が 0.5μｍに
なるように形成する。

【００２１】次に、この光導波路８を伝搬する導波光を
変調するための電極を形成する。まず、基板全面にニク
ロムを蒸着し、その後、金を蒸着する。その後、導波路
形成時と同様に、レジストで電極パターンを転写し、電
気メッキによって接地電極９と信号電極１０とを形成す
る。有機溶剤によってレジスト除去後、ケミカルエッチ
ングによって各電極９，１０間の不要な金属を除去す
る。このときの信号電極１０の幅Ｗｈ及び接地電極９の
幅Ｗｇは、それぞれ７μｍおよび１８μｍとし、有効電
極長Ｌを６ｃｍとする。

【００２２】電極形成が終わったＬＮ基板７からチップ
を切り出し、チップの入出射端面を研磨した後、図示し
ないケースにこのチップを固定し、光導波路８を合わせ
て光ファイバー６を接続する。また、上記電極９，１０
に電気コネクタも接続する。なお、信号電極１０の片方
の電気コネクタには５０Ωの終端抵抗１１を接続する。

【００２３】このようにして製作したＬＮ変調器の半波
長電圧及び光変調帯域を測定したところ、それぞれ約
1.7Ｖ及び約３ＧＨｚであった。このＬＮ変調器の半波
長電圧は高周波ドライバの出力（通常２Ｖ）より低くな
っているため、高周波アンプを使用せずに、この変調器
を駆動してみた。

【００２４】図２は、この構成によるＬＮ変調器を、高
周波アンプ無しで 2.5Ｇｂｉｔ／ｓの高速デジタル変調
を行った実験結果である。この図２より、この光変調器
は、高周波アンプ無しであっても、 2.5Ｇｂｉｔ／ｓの
アイが十分開いており、高速光通信に使用できることが
分かった。

【００２５】さらに、上記光変調器を拡張するならば、
電気光学効果をもった基板７と、この基板７に形成した
マッハツェンダー型の光導波路８と、この光導波路８を
伝搬する光波を変調するための少なくとも一組の電極
９，１０とを有し、この一組の電極９，１０が信号電極
１０と接地電極９とからなり、接地電極９の幅Ｗｇと信
号電極１０の幅Ｗｈとの比率Ｗｇ／Ｗｈを１以上７以下
とし、かつ前記一組の電極９，１０の有効電極長Ｌを５
ｃｍ以上９ｃｍ以下とする。

【００２６】このように接地電極９，１０を狭くするこ
とで、劣化する高周波特性と、増大する高周波伝搬損失
を最小限に抑圧し、かつ接地電極９と信号電極１０の幅
の比率Ｗｇ／Ｗｈ及びそれらの有効電極長Ｌを特定の範
囲に設定することで、従来必須であった高周波アンプを
使用しなくても、高速伝送が可能で、ＤＣドリフトや温
度特性を劣化させず、安定させることができるようにな
る。

【００２７】接地電極９の幅を信号電極１０の幅と同程
度に狭くすることは、広く分布していた電界が狭くした
接地電極９に集中し、光導波路８を伝搬する導波光との
相互作用が強くなり、光変調器の半波長電圧を下げる効
果がある。一方、接地電極９の幅を狭くすると、電極の
断面積が減少し、電気抵抗が増加する。この結果、マイ
クロ波の伝搬損失が増加し、光変調器の変調帯域が狭く
なる。

【００２８】図３には、信号電極１０の幅Ｗｈを７μｍ
とした場合における光変調器の半波長電圧と電極長の積
Ｖπ・Ｌ（Ｖ・ｃｍ）とマイクロ波減衰定数α（ｄＢ/
(ＧＨｚ）^0.5・ｃｍ）との関係を示す。

【００２９】この図３から分かるように、接地電極９の
幅Ｗｇを次第に狭くしてゆくと、光変調器の半波長電圧
が減少してゆくが、信号電極１０の幅より細くなると、
急激に半波長電圧が上昇する。さらに、マイクロ波減衰
定数αも増加し、変調器の光変調帯域を狭くする。ま
た、接地電極９の幅Ｗｇと信号電極１０の幅Ｗｈの比率
Ｗｇ／Ｗｈが７より大きい場合は、マイクロ波の減衰が
減るものの、半波長電圧が上昇してしまう。このため、
比率Ｗｇ／Ｗｈは、１以上７以下が望ましく、より低半
波長電圧低減化を図るためには、図３の特性を踏まえて
３以上５以下が更に望ましい。

【００３０】図４は、前記電極９，１０の有効電極長Ｌ
に対する半波長電圧（半波長電圧）Ｖπ及び光変調器の
光変調帯域Ｂ．Ｗ．の関係を示す。この図４より、通常
の高周波ドライバの出力電圧は約２Ｖであるため、この
半波長電圧以下で十分な変調を行うために必要な有効電
極長Ｌは約５ｃｍ以上必要となる。一方、有効電極長を
長くしていくとマイクロ波の伝搬損失の増加や、光波と
マイクロ波の速度整合のずれから、光変調帯域が狭くな
ってゆく。

【００３１】ＬＮ変調器を用いた多くの高速光通信シス
テムは 2.5Ｇｂｉｔ／ｓ以上の伝送速度を使用してお
り、これに必要な変調器の光変調帯域がおよそ 2.5ＧＨ
ｚ程度であるため、有効電極長Ｌの長さは９ｃｍ以下と
なる。なお、この実施の形態によれば、電気信号のタイ
ミング調整のための新たな回路は不必要であり、バッフ
ァー層の加工も不必要である。従って、システム構成の
部品が増えたりコスト増やシステムが複雑になることも
なく、またバッファー層の加工時の不純物や、加工ひず
みによるＤＣドリフトや、温度特性の劣化などもない。

【００３２】以上の特性は理想的な状態における計算例
を示したものであるが、現実の変調器においては、プロ
セス誤差や電極の形状、材質などのバラツキがあるた
め、上記計算例と比べ、ズレが生じる。しかし、接地電
極９の幅Ｗｇと信号電極１０の幅Ｗｈの比率Ｗｇ／Ｗｈ
の値が１以上７以下であり、かつ電極の有効電極長Ｌが
５ｃｍ以上９ｃｍ以下のような構成とすることによっ
て、従来必須であった高周波アンプを使用することな
く、高速変調が可能となり、低コストで、信頼性が高
く、作業性の良い、高速光通信システム用の変調器が実
現できる。

【００３３】〔別態様〕以上述べた実施の形態は、具体
例としてＺカット板のＬＮにマッハツェンダー型の光導
波路８を形成した高速光変調器を例にしているが、Ｘカ
ット板のＬＮや、電気光学効果をもつものであれば、他
の基板であっても良いことは明らかである。また、この
実施の形態では、信号電極１０の幅Ｗｈ及び接地電極９
の幅Ｗｇは、それぞれ７μｍおよび１８μｍとし（Ｗｇ
／Ｗｈ＝約 2.6）、有効電極長Ｌを６ｃｍとしたが、上
述したとおり、接地電極９の幅Ｗｇと信号電極１０の幅
Ｗｈとの比率Ｗｇ／Ｗｈが１以上７以下であり、かつ電
極９，１０の有効電極長Ｌが５ｃｍ以上９ｃｍ以下であ
れば、従来必須であった高価な高周波アンプを使用する
ことなく、高速変調が可能となり、低コストで、信頼性
が高く、作業性の良い、高速光通信システム用の光変調
器が実現できる。

【００３４】

【発明の効果】以上のように本発明では、請求項１に係
る光変調器では、電気光学効果を有する基板と、この基
板に形成したマッハツェンダー型光導波路と、この光導
波路を伝搬する光波を変調するための少なくとも一組の
電極とを有し、この一組の電極が信号電極と接地電極と
からなる光変調器において、前記接地電極の幅Ｗｇと前
記信号電極の幅Ｗｈとの比率Ｗｇ／Ｗｈが１以上７以下
とし、かつ前記一組の電極の有効電極長Ｌが５ｃｍ以上
９ｃｍ以下としたことにより、高周波アンプを用いなく
ても高速変調が可能であり、ＤＣドリフトや温度特性の
優れた変調器が実現でき、低コストで信頼性が高く作業
性の良い高速光通信システム用の光変調器を実現するこ
とができる。

【００３５】また、請求項２に係る光変調器では、前記
基板がＬｉＮｂＯ₃であることにより、低損失で低チャ
ープ特性に優れた光変調器ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における光変調器を示す平
面説明図である。

【図２】実施の形態におけるＬＮ変調器について、高周
波アンプなしで 2.5Ｇｂｉｔ／ｓの高速デジタル変調を
行った実験結果（アイパターン）を示すグラフである。

【図３】実施の形態における接地電極の幅と信号電極の
幅との比率Ｗｇ／Ｗｈに対するＬＮ変調器の半波長電圧
と電極長との積及びマイクロ波減衰定数との計算例を示
すグラフである。

【図４】実施の形態におけるＬＮ変調器の電極の有効電
極長さに対する半波長電圧及び光変調帯域の計算例を示
すグラフである。

【図５】従来のＬＮ変調器を用いた高速光通信システム
の概略図を示すブロック図である。

【符号の説明】

１光源３高周波ドライバ４高周波アンプ５受光器６光ファイバ７ＬＮ基板８光導波路９接地電極１０信号電極１１終端抵抗

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者木内和昌千葉県船橋市豊富町585番地住友大阪セメント株式会社新規技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学効果を有する基板と、この基板に
形成したマッハツェンダー型光導波路と、この光導波路
を伝搬する光波を変調するための少なくとも一組の電極
とを有し、この一組の電極が信号電極と接地電極とから
なる光変調器において、前記接地電極の幅Ｗｇと前記信号電極の幅Ｗｈとの比率
Ｗｇ／Ｗｈを１以上７以下とし、かつ前記一組の電極の
有効電極長Ｌを５ｃｍ以上９ｃｍ以下とすることを特徴
とする光変調器。
【請求項２】前記基板がＬｉＮｂＯ₃であることを特徴
とする請求項１記載の光変調器。