JPS63261219A - 光変調素子 - Google Patents

光変調素子

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JPS63261219A
JPS63261219A JP9523387A JP9523387A JPS63261219A JP S63261219 A JPS63261219 A JP S63261219A JP 9523387 A JP9523387 A JP 9523387A JP 9523387 A JP9523387 A JP 9523387A JP S63261219 A JPS63261219 A JP S63261219A
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JP
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electrodes
electrode
buffer layer
light
width
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JP9523387A
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Minoru Kiyono
實 清野
Toru Shiina
徹 椎名
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/03Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
    • G02F1/035Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure
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    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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    • G02F1/21Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference
    • G02F1/225Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference in an optical waveguide structure
    • G02F1/2255Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference in an optical waveguide structure controlled by a high-frequency electromagnetic component in an electric waveguide structure

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】 〔概 要〕 本発明による光変調素子は、導波路と導体電極の間にバ
ッファ層を介在させた構造を有する導波路型光変調素子
に係り、前記導波路がニオブ酸リチウム中に形成され、
そして前記バッファ層が膜厚2000〜5000人の5
in2膜からなりかつ電極の幅Wと電極間隔Sの比が6
もしくはそれ以上であることを特徴とする。本発明によ
れば、電極の設計を従来方法に比較してより正確に行う
ことができる、等の利点を得ることができる。
〔産業上の利用分野〕
本発明は光変調素子に関する。本発明は、さらに詳しく
述べると、導波路型あるいは光導波路型の、すなわち、
光導波路(光ガイド)に光ビームを閉じ込めて伝送する
構造の光変調素子、例えば光変調器、光スィッチなどに
関する。
〔従来の技術〕
従来の光変調器、光スィッチ等は、それらの多くが電気
光学効果を利用している。これらの光変調素子は、した
がって、印加された電流の電界によって、媒質の屈折率
が変化する現象である電気光学効果をもつ結晶、いわゆ
る電気光学結晶、具体的にはニオブ酸リチウム(LiN
b(L+)などを基板として用いている。このような電
気光学効果を利用した光変調素子のなかで、とりわけ導
波路型光変調素子が注目されている。なぜなら、かかる
光変調素子は、光ビームを自由伝播させる構造のバルク
型光変調素子と比較して、低電圧で高速動作が可能であ
り、小型で広帯域であり、個別素子として優れているか
らである。
従来の導波路型光変調素子、特に光変調器は、例えば第
7図及び第8図に断面で示すような導波路−電極構造を
有しているのが一般的である。図示の変調器は、前記し
たLiNbO3のような結晶を基板lとして用いている
。基板1の光導波路3A及び3Bは、その基板へのチタ
ン(Ti)等の拡散処理によって形成することができる
。基板1の光導波路3A及び3Bの上面には、それぞれ
、例えばアルミニウム(AIl)のような導体からなる
電極4A及び4Bが、直接に(第7図)あるいは例えば
Si0g膜のようなバッファ層2を介して(第6図)、
形成されている。バッファ層2は、導波路上に電極を直
接に配置する場合に発生する悪影響を避けるために屡々
用いられている。電極と導波路の配置についてみると、
両者はほぼ同じ幅を有し、電極間隔は導波路間隔より大
きくなっている。これは、電極4A及び4Bの電界がそ
れらの端部4a及び4bの真下で最大となるので、導波
路3A及び3Bの中心、すなわち、光波の中心が、電極
端4a及び4bの下になるように、電極及び導波路が配
置されているからである。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来の導波路型光変調素子において、LiNb0i結晶
基板上に形成された導波路に電界を印加するために形成
される電極は、非常に多くの種類及び形状のものが知ら
れている。しかし、これらの電極は、もしもバッファ層
が存在していないならば、所望とする特性インピーダン
ス、一般に50Ωを考慮して、常用の計算式から容易か
つ正確に設計し得るというものの、例えば5t(h膜の
ようなバッファ層が存在した場合には事実上正確に設計
することが困難である。但し、電極の特性インピーダン
スを50Ωとすることは、高速での信号の伝送のために
進行波動作が光変調素子において用いられかつ、その際
、同時に用いられろ同軸ケーブル等の電気導波路も50
Ωで設計されているので素子内部も50Ωで設計し、素
子そのものもパワーの損失を伴なわない線路の状態とす
ることが望ましい事実にかんがみて、ぜひとも解決され
なければならない問題点である。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明者らは、このたび、導波路型光変調素子、すなわ
ち、対向せる導波路上にそれらに対応する導体電極がバ
ッファ層を介して配設されている構造をもった光変調素
子において電極の設計を行うに当って、バッファ層の材
質及び膜厚ならびに電極の幅及び電極間隔を選択するこ
とにより、電極のインピーダンスを所望の値にし得ると
いうことを見い出した。
本発明による光変調素子は、その導波路がニオブ酸リチ
ウム中に形成され、そしてそのバッファ層が膜厚200
0〜5000人、好ましくは2500Å以上の5i02
膜からなり、そして電極の幅Wと電極間隔Sの比:W/
Sが6もしくはそれ以上であることを特徴とする。ここ
で、電極の幅Wは、もしもその電極の対が非対称電極で
あるならば、幅の小さいほうの電極の幅を指す。対称電
極の場合の電極の幅Wは、いずれか一方の電極の幅を指
す。
本発明の光変調素子において用いられる電極は、上記し
た通り、対称電極又は非対称電極のいずれであってもよ
い。しかし、アースの設置や実用性を考慮した場合、非
対称電極のほうがより有効である。また、これらの電極
は、好ましくは、それらの対が特性インピーダンス50
Ωを示す線路から構成されておりかつ進行波電気信号を
伝播させる電極である。
バッファ層の材質及び膜厚ならびに電極の幅及び電極間
隔の選択は、基板として用いられる結晶、特にLiNb
0i結晶の種類(カッHによって変化するが、これらは
単に誘電率の軸方向に対する異方性を考慮すれば容易に
設計の変更が可能である。
〔作 用〕
本発明による光変調素子において、基板の材質及び方位
、バッファ層の材質及び厚さ、電極の幅、そして電極間
隔を任意に組み合わせることの結果として、電極の特性
インピーダンスを正確に設計することができ、また、電
極の幅を太く構成することにより、この電極を進行波電
極として用いた場合、電極の導体損失を低減でき、高周
波信号を印加できる。また、バッファ層を厚くすること
により、光波とマイクロ波の高速整合をとることができ
、変調帯域を高帯域化できる。
〔実施例〕
以下、添付の図面を参照しながら本発明の光変調素子を
説明する。なお、図示の素子において、基板、導波路、
バッファ層及び電極の位置及び寸法は、それぞれ、説明
の簡略化のために変更して示してあり、実際と異なるこ
とを理解されたい。
第1図は、本発明による光変調器の一例を示した斜視図
である。この光変調器は、線分n−nにそって見た場合
、第2図に示すような断面を有する。Z板LiNb0z
結晶からなる基板1はTi拡散層からなる光導波路3A
及び3Bを有する。これらの導波路は、図示の干渉形の
ほかに、直線形、方形等の形をとることができる。5i
02バッファ層2の膜厚りは2500Å以上である。バ
ッファ層2の上面には電極4Aおよび4Bが形成されて
いる。これらの電極は対称電極であって、電極の幅Wと
電極間隔Sの比は6以上である。なお、図示の素子にお
いては、本発明者らの最近の発明から、電極をその下方
の導波路よりも幅広としかつ電極間隔を導波路間隔より
も狭くして低電圧で素子を駆動可能としているけれども
、従来のように導波路及び電極を配置することも可能で
ある(第8図参照)図示の本発明による光変調器では、
入射光を導波路3に案内した後、2本の平行導波路3A
及び3Bに等分割し、差動位相変調を行った後に再び合
成して出力する。ここで、電源5を5Vとしかつ終端抵
抗6を50Ωとすると、変調器の内部も50Ωと、すな
わち、線路と同じ状態とすることができる。
図示のような対称電極をもった光変調器において、特性
インピーダンスZOと容量C及びCOの関係を第5図に
示す。SiO。バッファ層の膜厚りが3000人であり
かつ電極間隔Sが15μmである場合、特性インピーダ
ンスZo=50Ωを得ることのできるW/S比は24で
ある。ここで、電極間隔5−15μmであるので、電極
の幅Wは360μmとなる。このような幅広の電極は、
従来のこの種の電極がW=数μm〜数十μmで設計され
ていた(バッファ層を考慮に入れた計算は非常に難解な
ため、バッファ層のない場合の結果を近イ以的に用いて
いたから;したがって、従来の電極のW/S比はせいぜ
い約0.6が一般的であった)ことからすれば、非常に
驚異的なことである。このように電極の幅を広くするこ
とによって、この電極を進行波電極として用いた場合、
電極の導体損失を低減でき、高周波信号を印加できる。
第3図は、第1図に示した変調器の1変更例を示してい
る。この図及びその線分IV−TVにそった断面図であ
る第4図から理解されるように、図示の変調器の電極は
非対称電極である。非対称電極も、対称電極と同様な効
果を得ることができる。
このことを添付の第6図を参照して説明する。
第6図は、非対称電極におけるインピーダンスと容量の
関係を示したグラフである。5iOzハソファ層の膜厚
りが3000人でありかつ電極間隔Sが15μmである
場合、特性インピーダンスZo −50Ωを得ることの
できるW/S比は20である。
ここで、電極間隔Sが15μmであるので、狭いほうの
電極4Aの幅Wは300μmとなる。電極を太く構成す
ることの効果は前記した。なお、上記の例はZ板LiN
bO3基板について記載したけれども、他の基板、方位
に対しても単に誘電率の変更により同様に設計され、こ
の場合にもW/S比は6以上である。
〔発明の効果〕
本発明によれば、光変調素子の線路の特性インピーダン
スを正確に50Ωとすることができる。
また、対称電極、非対称電極にかかわらず、電極幅を極
めて太くすることができるので、進行波電極として用い
た場合、導体損失を小さくすることができる。また、バ
ッファ層が厚いため、光波とマイクロ波の速度整合がと
れ、広帯域変調が可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明による導波路型光変調器の一例を示し
た斜視図、 第2図は、第1図の変調器の線分n−nにそった断面図
、 第3図は、第1図の変調器の一変更例を示した斜視図、 第4図は、第3図の変調器の線分IV−IVにそった断
面図、 第5図は、対称電極におけるインピーダンスと容量の関
係を示したグラフ、 第6図は、非対称電極におけるインピーダンスと容量の
関係を示したグラフ、 そして 第7図及び第8図は、それぞれ、従来の変調器の一例を
示した断面図である。 図中、1はLiNb0.結晶基板、2は5in2バッフ
ァ層、3,3A及び3Bは光導波路、4A及び4Bは電
極、5は電源、そして6は終端抵抗である。 変調器の断面図 第2図 /7出射光 変調器の斜視図 変調器の断面図 第4図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、対向せる導波路上にそれらに対応する導体電極がバ
    ッファ層を介して配設されている構造をもった光変調素
    子において、 前記導波路がニオブ酸リチウム中に形成され、そして 前記バッファ層が膜厚2000〜5000ÅのSiO_
    2膜からなり、そして前記電極の対のうち小さい幅を有
    する電極の幅Wと電極間隔Sの比W/Sが6もしくはそ
    れ以上であることを特徴とする光変調素子。 2、前記電極の対が特性インピーダンス50Ωを示す線
    路から構成されている、特許請求の範囲第1項に記載の
    光変調素子。 3、前記電極が進行波電気信号を伝播させる電極である
    、特許請求の範囲第1項又は第2項に記載の光変調素子
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