JPS63234219A

JPS63234219A - 光変調器

Info

Publication number: JPS63234219A
Application number: JP6712987A
Authority: JP
Inventors: Osamu Mitomi; 修三冨; Kenji Kono; 健治河野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1987-03-20
Filing date: 1987-03-20
Publication date: 1988-09-29

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」本発明は、電気光学効果を利用した外部光変調器に係り
、特に動作速度が速く、しかも駆動電圧が小さい光変調
器に関するものである。

「従来の技術」高速・大容量の光フアイバ通信システム、特にコヒーレ
ント光ファイバ通信システムにおいては、高速で駆動電
圧が小さい高性能な外部光変調器が有用である。この種
の外部光変調器としては、光強度変調器、光位相変調器
、光周波数変調器等があり、電気光学効果、音響光学効
果等を利用したものが知られている。また、光スィッチ
も同様の原理で作られている。本明細書では、電気光学
効果を利用した導波路形光変調器（光スィッチも含む）
について扱う。

従来の方向性結合器形光強度変調器の基本構成を第５．
６図に示す。

第５図は、変調電極１．２を分布定数回路として構成し
た場合である。この場合、例えば、ニオブ酸リチウム（
Ｌ　ｉＮ　ｂｏ　ｓ：以下ＬＮと記す）等の電気光学効
果を持つ基板３に、光導波路４，５が方向性結合器とし
て形成されている。光導波路４゜５は、例えば、チタン
（Ｔ　ｉ）熱拡散法やプロトン交換法等により形成され
る。６は、変調電極１゜２による光導波路の光伝搬損失
を低減させるためのバッファ層であり、二酸化シリコン
（Ｓ　ｉｏ　＝）や、アルミナ（Ａ１２ｔ０３）等によ
り構成される。そして、強度が一定の光７を光導波路４
に入射させ、信号源８から電極間１．２に信号を人力す
ると、その信号に応じて強度変調された光９が、光導波
路４もしくは光導波路５より出射される。

この光変調器の場合、電極１．２は分布定数回路として
構成されているため、理想的には電気回路的な帯域幅の
制限はない。また、電極１．２間を伝搬する信号波と光
の伝搬速度が一致する限りは、入射光７が光導波路４，
５を走行する時間の影響による帯域幅の制限もないので
、一般に、高速動作用の光変調器に使用される。

しかし、実際には信号波と光の速度差があり、これによ
って帯域幅が制限される。信号波に対する基板３の屈折
率をｎｌ１１、光に対する光導波路４゜５の屈折率をｎ
。、電極の長さをＱと表わすと、この速度差によって生
じる帯域幅ＢＷは、ＢＷ＝　１．４ｃ／（πＱｌ　ｎｆ
ｆ１−ｎｏｌ　）・・−・・（１）ただし、Ｃは光速となる（参考文献：信学論（Ｃ）、　Ｊ６４−Ｃ，４，
Ｐ２６４−２７１゜１９８１）。上記屈折率ｎ１は基板
３の実効誘電率εｅｆｆに対してｎ１ｌｌ−Ｆ１７τロ′・・・・・・（２）で与えられ
る。

電気光学効果を持つ基板材料では、信号波に対する屈折
率ｎ、は、通常、光に対する屈折率ｎ。より大きな値に
なる。基板３の実効誘電率εｅ［は、主に、基板材料の
誘電率ε、厚さｄ、電極の間隔ｇ、動作周波数等によっ
て決まる。厚さｄは、通常、光変調器製作時における基
板の取扱い易さの制限から、０．５〜数ｍＶの厚さであ
る。また、電極間隔ｇは、光導波路４．５の大きさく幅
）の数倍の大きさが選ばれ５〜１０μｍ程度である。従
って、通常は、厚さｄの大きさが電極間隔ｇより充分大
きく、εｅｒｒ片（ε＋１）／２・・・・・・（３）に
なる。例えば基板３がＬＮの場合、基板材料の誘電率ε
″Ｆ３０であり、屈折率ｎ＋ｅ　＃４　、　ｎｏ　＃２
で、屈折率ｎｌ、ｌは屈折率ｎ。の約２倍の大きさにな
るので、５ＧＨｚ動作の時、電極の長さＱとしては、Ｉ
ＯｍＩ＋＋前後が選ばれる（上記（１）式参照）。

次に、第６図は、変調電極１１．１２を集中定数回路と
して構成した場合である。この場合、電極１１．１２間
は一種のコンデンサ（電気容量をＣとする）と見なすこ
とができる。負荷抵抗ＩＯの値をＲｃとすると、この光
変調器の帯域幅ＢＷはＢＷ＝　Ｉ　／Ｃｙｒ　ＲｃＣ）
−・（４）になる。

「発明が解決しようとする問題点」上述した第５図の光変調器を高速動作化するには、（１
）式から分かるように、動作周波数に応じて、電極１．
２の長さρを短くする必要がある。しかし、電極＆ｅを
短かくすると、光変調器の駆動電圧が大きくなるため、
変調効率が低下する欠点を有していた。

一方、第６図の光変調器の変調速度は、光７が光導波路
を通過する時間によっても制限されるが、通常は容量Ｃ
によるものが主（こなる（上記（４）式参照）。従って
、この光変調器を高速動作化するには、容量Ｃを小さく
する必要がある。このために、電極間隔ｇを大きくする
と、光導波路部における信号波の電界強度が低下するの
で駆動電圧が大きくなり、変調効率が低下する。同様に
、電極の長さρを短くしても変調効率が低下する欠点を
有していた。

この発明は、このような背景の下になされたもので、そ
の目的は、高速かつ低駆動電圧の光変調器を提供するこ
とにある。

「問題点を解決するための手段」上記目的を達成するため、この発明は、電気光学効果を
持つ基板の一方の表面付近に光導波路を有し、かつ該光
導波路を形成した面、もしくはこの面ともう一方の面と
を含む両面に変調電極を備えた光変調器において、前記
基板の前記光導波路が形成された而と反対側の面の、前
記光導波路を含み電界が印加される領域の一部又はすべ
てを前記基板の他の部分の厚さより薄く構成したことを
特徴とする。

「作用」本発明によると、基板の、光導波路を含み変調電界が印
加される領域を薄く構成しているので、基板の実効誘電
率を従来品より小さくできる。これにより、信号波に対
する屈折率の大きさを小さくできるので、前記薄い領域
の厚さを適当に設定すれば、低駆動電圧で高速動作の光
変調器を実現できる。

又、例えば、基板中央部に光導波路および変調電極を設
けた場合、基板周辺部の厚さは、中央部より厚くなるか
ら、基板の機械的強度を確保でき、製作性が良く、信頼
性の優れた光変調器を実現できる。

さらに、基板の薄い領域と厚い領域との間の領域の厚さ
をテーパ状に構成した場合、電極を伝搬する信号波の反
射の問題がなく、変調周波数特性が均一の高性能な光変
調器を得ることができる。

「実施例」第■実施例第１図（Ａ）、（Ｂ）は、分布定数回路を用いた方向性
結合器形光強度変調器に適用した本発明の一実施例を示
す構成図であり、（Ａ）は中央部断面図、（Ｂ）は上面
図である。なお、従来例と同一構成部分は同一符号をも
って表わしている。

第１図において、１３は、電気光学効果を有する厚さｄ
の基板である。基板１３の裏面中央部には、幅がＷｖ、
長さがＷＱ、深さが（ｄ−ｈ）の凹部が形成されている
。つまり、基板１３の中央部には、厚さの薄い領域１４
が形成され、その厚さがｈになっている。また、基板Ｉ
３の表面には、バッファ層６を介して、電極１５．１６
が形成されている。

電極１５．１６は、スロット線路として構成されており
、その間隔はｇ１長さはｅである。

本実施例によると、従来の光変調器と比較して、信号波
と光の速度差による帯域幅制限効果が緩和される。以下
、その原理を説明する。

■基板の厚さが薄い場合の実効誘電率εｅｆｆ、つまり
屈折率ｎｍは小さいこと。

厚さがｈの均一の基板上に、分布定数回路が構成されて
いる場合、厚さｈが薄くなり、これが電極間隔ｇに対し
て無視できない程度の薄さく厚さｈが１００ｇ程度以下
）になると、厚さｈが薄くなる程、基板の実効誘電率ε
ｅｆｆは小さくなる傾向を示す（参考文献；“Ｍｉｃｒ
ｏｓｔｒｉｐ　Ｌ　１ｎｅｓ　ａｎｄ　Ｓ　１ｏｔｌｉ
ｎｅｓ″Ｋ　、　Ｃ、Ｇ　ｕｐＬａｌ　、　Ａ　ｒｔｅ
ｃｈ　Ｈｏｕｓｅ社、ＵＳＡ出版）。

例えば、誘電率εが２０の基板において、電極間隔ｇが
１０μｍのスロット線路の場合、基板の厚さｈが０．５
ｍｍと０．０５ｍｍの時を比較すると、信号波に対する
基板１３の屈折率ｎｍは、動作周波数が１ＯＧＨｚの時
はそれぞれ２．９．２．４になり、２０ＧＨｚの時はそ
れぞれ３，１．２．５になる。

■光導皮路４．５の光に対する屈折率ｎ。は、厚さｈに
依存しないこと。

光導波路４．５の光に対する屈折率の大きさｎ。

は、厚さｈが光導波路４，５の幅Ｗｗに対して充分に大
きい時、つまり、厚さｈが光導波路４．５の幅Ｗｗの３
倍程度以上の場合は、厚さｈに依存せず、基板材料、光
導波路形成方法、光の波長等により決まる一定の値にな
る。

■上記■、■により、基板１３の信号波に対する屈折率
ｎｍを小さくできること。

一方、この実施例において、薄い領域１４の幅ＷｖがＴ
ｊ１極間極間隔穴きさの数倍〜数ｌＯ倍以上で、領域１
４の長さＷＱが電極長Ｑより充分大きい場合、基板１３
の、電極１５．１６に対する実効誘電率の大きさεｅｒ
ｒは、均一の厚さｈの基板の実効誘電率と同等の大きさ
になる。

従って、上記■〜■より、薄い領域ｔ４の寸法ｈ　、　
Ｗ　ｖ　、　Ｗ　Ｑを適当な大きさに設定することによ
り、実効誘電率εｅｆ「の大きさ、すなわち屈折率ｎｍ
（＝ｒ丁訂刀の大きさを、光に対する屈折率の大きさｎ
ｏに等しいか、もしくは近い値にできる。しかも、基板
周辺部の厚さｄは、光変調器製作時の取扱い易さを考慮
し、基板の機械的強度を確保した適当な厚さに設定でき
る。

以上のことから、本実施例によると、従来の光変調器と
比較して、信号波と光の速度差による帯域幅制限効果が
緩和される。従って、例えば電極長Ｑを従来と同じにす
ると、（１）式により、帯域幅は大きくなり、駆動電圧
を大きくすることなしに高速動作化が可能になる。また
、帯域幅を従来と同じにすると、電極長ρを長く出来る
ので駆動電圧を小さくすることができ、変調効率を向上
させた高性能な光変調器を実現できる。さらに基板周辺
部の厚さｄは従来と同様の大きさにできるので、基板の
製作性・信頼性の問題も発生しない。

本実施例による光変調器を製作するには、基板１３の中
央部１４は、例えば化学エツチング法や機械研磨法、あ
るいはイオンビーム加工法等により、任意の領域を任意
の厚さに薄く形成できる。

また、光変調器の他の構成部分については、従来と同様
の工法で製作できる。

例として、本実施例において、基板１３にＬＮを使用し
た場合について説明する。

この場合、光導波路４．５は、Ｔｉ熱拡散法等によって
形成されろ。その単一モード先導波条件や方向性結合器
の結合長等の制限から、光導波路４゜５の大きさＷｗ、
および方向性結合器の光結合部分■７における光導波路
４．５の間隔は、それぞれ５〜ｌＯμｍ程度の大きさに
設定される。Ｗ　ｔｉ間隔ｇは、信号波による電界が光
導波路４．５に有効に作用し、しかも電極１５．１６の
特性インピーダンスの大きさなどを考慮して設定される
。基板１３の厚さｈは、その信号波に対する屈折率ｎｍ
を小さくするために、できる限り薄くすることが望まし
いが、基板の機械的強度等の制限から１０μｍ程度以上
にする必要がある。基板周辺部の厚さｄはその製作性の
制限から０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度にすれば良い。なお、
基板１３の薄い領域１４の幅Ｗｖは１００μｍ以上にと
り、長さＷρは電極長ｅ＋０．２ｍｍ以上に設定すれば
良い。

上記電極長Ｑは次のようにして定める。ＬＮの誘電率ε
は約３０で、光に対する光導波路４，５の屈折率ｎ。は
２．２程度である。また、例えば、ｇ−１０μｍ、ｈ＝
５０７ｚｎ＋とすると、電極１５．１６の特性インピー
ダンスＺ１２および屈折率ｎｍは、動作周波数がＩＯＣ
；Ｈｚでそれぞれ３３Ω、２．９に、２０ＧＨｚで３４
Ω、３．０になる。従って、前述した（１）式より、電
極長Ｑは、１０ＧＨｚの時１９＋ｎ＋ｎ、　２０　ＧＨ
ｚの時８．４１１ＩＩ１１にすれば良い。

一方、従来の方法により、ＬＮ基板で光変調器を構成す
ると、例えば、その厚さｈ＝ｄ＝　ｌ　ｍｍの場合、光
導波路、電極の構成が上記の例と同じ場合、屈折率ｎ１
１１．電極長Ｑは、それぞれ、１０ＧＨｚの時３．８，
８．４ｍｍ、２０ＧＨｚの時４．０，３．７ｍｍになる
。

以上のことから、本実施例によると、駆動電圧は、従来
品と比較して、動作周波数が１ＯＧＨｚの時約１／２に
、２０ＧＨｚの時約１／２．３になり、低駆動電圧の光
変調器を実現できる。この実施例は、薄い領域１４の厚
さｈ＝５０μｍめ場合であるが、厚さｈをさらに小さく
すれば、効果はさらに大きくなる。

以上の説明は、電極を分布定数回路として構成した場合
であるが、電極を集中定数回路として構成した場合に本
実施例を適用した時も同様の効果を得ることができる。

すなわち、基板の中央部を同様に薄くすると、電極間の
実効誘電率εｅｒｆが小さくなるので、従来の光変調器
と比較して、電極間隔ｇ１長さＱを同じ大きさにすると
、電極間の容量Ｃが小さくなり、駆動電圧を大きくする
ことなく高速動作が可能になる。また、帯域幅を同じに
すると、電極長ｅを長く、もしくは電極間隔ｇを小さく
できるので、駆動電圧を小さくできる。

第２実施例第２図は、本発明の第２実施例を示すもので、光強度変
調方法として、光導波路１８．１９をマツハツエンダ光
干渉形で、電極２０．２１をコプレナー線路で構成した
分布定数回路形光強度変調器である。この場合も、基板
中央部の薄い領域１４を周辺部より薄く形成しであるの
で、第１図の実施例と同様に、基板１３の実効誘電率ε
ｅｆｆを従来品より小さくでき、同様の効果を得ること
ができる。

第３実施例第３図は、本発明の第３実施例を示すもので、電極に分
布定数回路を用いた光位相変調器の構成図である。

第３図（Ａ）は、電極１６．１７をスロット線路で、（
Ｂ）は、非対称形コプレナーストリップ線路２３．２４
で、（Ｃ）は、マイクロストリップ線路２５．２６で、
（Ｄ）は、対称形コプレナーストリップ線路２７．２８
で構成した場合である。

この光位相変調器の場合も、帯域幅は光強度変調器の場
合と同じ原因で制限される（前記（１）式参照）。従っ
て、本発明により基板の実効誘電率εｅｆＩを適当な大
きさに設定すれば、いずれの分布定数回路を用いた光位
相変調器の場合も、同様に、高速で低駆動電圧の特性を
得ることができる。

第４実施例第４図は、本発明の第４実施例を示すものであり、基板
２９の中央部の薄い領域１４と、周辺部の厚い領域との
間の領域３０を、テーパ状の厚みに形成した分布定数回
路形光位相変調器の構成図である。

電極２３．２４は、非対称形コ′ｊ′、−レナーストリ
ップ線路で構成させており、信号源８ならびに負荷抵抗
１０は、基板２９の同一側面側に接続される場合である
。電極２３．２４の間隔、および電極２３の幅は、電極
の特性インピーダンスが特定の値になるように形成させ
ており、基板厚さがテーパ状の領域３０では、基板の厚
さに応じて、電極の間隔、幅もテーパ状に構成される。

この場合、基板厚さがｄからｈに連続的に変化している
ので、領域３０における分布定数回路の不要な浮遊容量
、インダクタンスを極めて小さくできる。従って、電極
を伝搬する信号波の反射の問題が生じないので周波数特
性の優れた光変調器を実現できる。また、環境温度の急
激な変化や、外力が基板に加わっても、傾城３０がテー
パ状になっているため、この領域にクラック等の破損が
生じにくくなり、機械的強度を改善する上でも効果があ
る。

以上の各実施例では、光導波路、電極を基板中央部に形
成し、その近傍の領域の基板厚さを薄く構成した場合に
ついて説明した。この他に、例えば、基板周辺部に光導
波路、電極を形成した場合、その近傍領域のみ基板を薄
くしても、本発明の効果を得ることかできるのは自明で
ある。

また、例えば第４図において、電極２３．２４が形成さ
れる全域で、基板厚さを薄く均一の厚さに構成すれば、
電極間隔、幅等の電極形状を基板厚さに応じて変えると
いった処置が不必要なので、電極形状を単純な形で構成
できる。・従って、基板厚さが変わることによる信号波
の反射の問題がなく、周波数特性が優れ、製作性の良い
光変調器を実現できる。

以上では、光強度変調器、光位相変調器に本発明を実施
した場合について説明したが、この他に、光周波数変調
器や光スィッチ等、電気光学効果を利用した光デバイス
に対して本発明を適用すれば同様の効果を得ることがで
きる。

「発明の効果」以上説明したように、本発明による光変調器では、変調
電極、光導波路が形成される基板の厚さを薄く構成して
いるので、次の効果を得ることができる。

■基板の実効誘電率が小さくなり、信号波に対する屈折
率の大きさを光に対する屈折率とほぼ等しくできる。し
たがって、高速で低駆動電圧の特性を実現できる。

■変調電極、光導波路を基板の中央部に設けた場合、周
辺部を適当に厚く構成できるので、基板の機械的強度を
確保でき、製作性、信頼性の優れた光変調器を実現でき
る。

■基板の薄い領域と、厚い領域との間の領域で、基板の
厚さをテーパ状に構成すれば、電極を伝搬する信号波の
反射の問題がなく、優れた周波数特性を得ることができ
、さらに、耐環境性についても優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明の第１実施例および第２
実施例による光変調器の構成を示す断面図と上面図、第
３図は、本発明の第３実施例による光変Ｒ器の構成を示
す断面図、第４図は、本発明の第４実施例による光変調
器の構成を示す断面図および上面図、第５図は、分布定
数回路を用いた従来の光変調器の構成を示す斜視図、第
６図は、集中定数回路を用いた従来の光変調器の構成を
示す斜視図である。１．２・・・・・・分布定数形電極、３・・・・・・基
板、４．５・・・・・・方向性結合器光導波路、６・・
・・・・バッファ層、７・・・・・・入射光、８・・・
・・・信号源、９・・・・・・変調光、１０・・・・・
・負荷抵抗、ｌ　１，１２・・・・・・集中定数形電極
、１３・・・・・・基板、１４・・・・・・基板厚みが
薄い領域、１５．１６・・・・・・スロット線路形電極
、１７・・・・・・方向性結合器の結合部、Ｒｃ・・・
・・・負荷抵抗値、１８゜１９・・・・・・マツハツエ
ンダ光干渉形光導波路、２ｏ。２１・・・・・・コプレナー線路形電極、２２・・・・
・・光導波路、２３．２４・・・・・・非対称形コプレ
ナストリップ線路形電極、２５．２６・・・・・・マイ
クロストリップ線路形電極、２７．２８・・・・・・対
称形コプレナストリップ線路形電極、２９・・・・・・
基板、３ｏ・・・・・・基板厚みがテーパ状の領域、ｄ
・・・・・・基板の周辺部の厚さ、ｇ・・・・・・電極
の間隔、ｈ・・・・・・基板の薄い領域１４の厚さ、ａ
・・・・・・電極の光との結合部の長さ、Ｗｖ・・・・
・・基板の薄い領域１４の幅、ｗ１２・・・・・・基板
の薄い領域１４の長さ、Ｗｗ・・・・・・光導波路の幅
。出願人　　日本電信電話株式会社（Ａ）（Ｂ）一一一、−一一ノ（Ａ）（Ｂ）第４図（Ａ）

Claims

【特許請求の範囲】１）電気光学効果を持つ基板の一方の表面付近に光導波
路を有し、かつ該光導波路を形成した面、もしくはこの
面ともう一方の面とを含む両面に変調電極を備えた光変
調器において、前記基板の前記光導波路が形成された面と反対側の面の
、前記光導波路を含み電界が印加される領域の一部又は
すべてを前記基板の他の部分の厚さより薄く構成したこ
とを特徴とする光変調器。２）前記基板の薄く構成した部分が、前記基板の周辺部
を含まないことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の光変調器。３）前記基板の薄く構成した部分とそれ以外の部分の間
の領域を、テーパ状に構成したことを特徴とする特許請
求の範囲第１項または第２項記載の光変調器。４）前記基板の厚さに応じて、変調電極の間隔および幅
もテーパ状に構成したことを特徴とする特許請求の範囲
第３項記載の光変調器。