JPWO2004053574A1 - 光変調器 - Google Patents
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Abstract
Description
図9は、従来のマッハツェンダ型光変調器の一例を示す構成図であって、(A)は平面図、(B)はX−X断面図である。
図9において、従来のマッハツェンダ型光変調器は、基板101に形成された入射導波路111、分岐部112、平行導波路113A,113B、合波部114および出射導波路115からなる光導波路構造を有し、平行導波路113A,113B上に信号電極121および接地電極122を設けたコプレーナ電極を備える。このコプレーナ電極は、例えばZ−カットの結晶基板101を用いる場合、Z方向の電界による屈折率変化を利用するために、平行導波路113A,113Bの真上に信号電極121および接地電極122が配置される。具体的には、平行導波路113A,113Bの上に各電極121,122がそれぞれパターニングされることになるが、平行導波路113A,113B中を伝搬する光が信号電極121および接地電極122によって吸収されるのを防ぐために、結晶基板101と信号電極121および接地電極122との間にバッファ層102が形成される。このバッファ層102としては、例えば、厚さ0.2〜1μmのSiO2が用いられる。
上記のような従来のマッハツェンダ型光変調器を高速で駆動する場合は、信号電極121の一端を抵抗を介して接地して進行波電極とし、信号電極121の他端からマイクロ波等の高周波電気信号Sを印加する。このとき、信号電極121と接地電極122の間で発生する電界Eによって平行導波路113A,113Bの屈折率がそれぞれ+ΔnS,−ΔnGのように変化するため、平行導波路113A,113Bを伝搬する各光の位相差が変化して、強度変調された信号光が出射導波路114から出力されるようになる。
また、電極の断面形状を変化させてマイクロ波の実行屈折率を制御し、光とマイクロ波の伝搬速度を整合させることによって、広帯域の光応答特性を得ることなどもできる。さらに、例えば図10に示すように、上記図9の構成を2段直列に接続して、前段の信号電極121にクロック信号を与え、後段の信号電極121’にデータ信号を与えることで、RZ(Return to Zero)フォーマット等の変調光を生成できるようにした光変調器も公知である。
しかしながら、上記のような従来のマッハツェンダ型光変調器については、次のような波長チャープに関する問題点がある。すなわち、従来のマッハツェンダ型光変調器では、信号電極121に対する配置の違いによって、各平行導波路113A,113Bに印加される電界Eの強さが異なるようになるため、信号電極121に近い平行導波路113Bの屈折率の変化量(Δns)の方が、信号電極121から遠い平行導波路113Aの屈折率の変化量(ΔnG)よりも大きくなる。このため、平行導波路113A,113Bを伝搬する各光の位相変化も絶対値が異なるようになり、信号が「0」から「1」または「1」から「0」に切り替わる時に、変調光の波長変化(波長チャープ)が発生して伝送後の信号波形を劣化させるという問題がある。
波長チャープを低減するためには、例えば、X−カットの結晶基板を用いる方法や、2つの信号電極を各平行導波路上にそれぞれ配置して、マッハツェンダ型光変調器をプッシュプル駆動する方法などがある。
X−カットの結晶基板を用いる場合は、基板と平行な電界を利用して2つの平行導波路にそれぞれ+z方向と−z方向の電界を印加することで、波長チャープが発生しない変調を行うことが可能になる。しかし、平行導波路を信号電極の直下に配置することができないため、信号電極と導波路の間の距離が長くなり、高い駆動電圧を印加する必要が生じるなどの欠点がある。
また、2つの信号電極を用いてプッシュプル駆動を行う場合は、高周波電気信号の入力コネクタが2つ必要になると共に、両方の信号電極に対してデータの反転した電気信号を位相を制御しながら印加することが必要になるため、駆動系の回路構成が複雑化するなどの欠点がある。
本発明は上記の点に着目してなされたもので、変調光に生じる波長チャープを低減することのできるマッハツェンダ型の光変調器を提供することを第1の目的とする。また、所望の波長チャープが発生した変調光を出力することのできるマッハツェンダ型の光変調器を提供することを第2の目的とする。
なお、例えば特開昭53−90747号公報には分極反転形光変調器が開示されている。この分極反転形光変調器は、2次元導波路中に分極方向の反転した領域を帯状に設け、その分極反転領域を平行に挟むように配置した2つの電極間に電圧を印加することによって、分極反転領域を伝搬する光を変調するものである。このような分極反転形光変調器は、シングルモード、マルチモードの区別なく使用でき、偏光子や検光子が不要で、温度に対する依存性も小さいなどの利点を有する。しかしながら、上記の分極反転形光変調器は、基本的に光導波路構造がマッハツェンダ型とは異なるため、前述したような波長チャープについての問題を解決するものではなく、その目的が本発明とは相違している。
かかる構成の光変調器では、光導波路に入射された光は分岐部で2分岐されて一対の平行導波路にそれぞれ送られる。各平行導波路には、信号電極を伝搬する電気信号に応じて信号電極と接地電極の間で発生する電界が印加され、この電界による電気光学効果によって各平行導波路の屈折率が変化して、各平行導波路を伝搬する光の位相がそれぞれ変化する。このとき、相互作用部には分極方向が相反する分極反転領域および非反転領域が形成され、一対の平行導波路に対する信号電極の配置が各領域で変えられているので、各平行導波路を伝搬する光の位相変化量の差が打ち消され、合波部で合波される変調光に発生する波長チャープが低減されるようになる。
上記光変調器の1つの態様として、分極反転領域は、一対の平行導波路における光の伝搬方向について相互作用部の全長の略1/2倍の長さを有し、光の伝搬方向に垂直な方向について一対の平行導波路を含むことが可能な長さを有するようにしてもよい。これにより、分極反転領域および非反転領域では、絶対値が略等しく符号が反転した位相変調が行われるようになるため、波長チャープが略零の変調光が生成されるようになる。
また、上記光変調器の他の態様として、分極反転領域は、一対の平行導波路における光の伝搬方向について、波長チャープの要求値に応じて設定される長さを有し、光の伝搬方向に垂直な方向について、一対の平行導波路を含むことが可能な長さを有するようにしてもよい。かかる構成では、適用されるシステムの要求値に応じた波長チャープが発生した変調光を得ることができるようになる。
この発明の他の目的、特徴及び利点は、添付図面に関連する実施態様についての次の説明で明白になるであろう。
図2は、図2は、図1の各部における断面の要部構造を示す図である。
図3は、上記の第1実施形態における非反転領域の長さと波長チャープの関係を例示した図である。
図4は、本発明の第2実施形態による光変調器の構成を示す平面図である。
図5は、本発明の第3実施形態による光変調器の構成を示す平面図である。
図6は、上記の第3実施形態に関連した他の構成例を示す平面図である。
図7は、本発明の第4実施形態による光変調器の構成を示す平面図である。
図8は、上記の各実施形態に関連した応用例の構成を示す平面図である。
図9は、従来のマッハツェンダ型光変調器の構成例を示す図である。
図10は、従来のRZフォーマットに対応したマッハツェンダ型光変調器の構成例を示す平面図である。
図1は、本発明の第1実施形態によるマッハツェンダ型光変調器の構成を示す平面図である。また、図2は、図1の各部における断面の要部構造を示す図であって、(A)はX−X断面図、(B)はY−Y断面図である。
図1および図2において、本実施形態の光変調器は、電気光学効果を有し、分極方向の反転した領域Rを具備する基板1と、その基板1の表面に形成された分岐干渉型の光導波路10と、基板1の表面にバッファ層2を介して形成されたコプレーナ電極20とを備えて構成される。
基板1は、例えば、Z−カットのLiNbO3基板等に対して、チタン(Ti)拡散またはプロトン交換などの公知の処理を施すことで光導波路10を形成した後、光導波路10を伝搬する光Lとコプレーナ電極20を伝搬する高周波電気信号Sとが相互に作用する部分(以下、相互作用部とする)のうちの後半部分にあたる領域(図1および図2(B)において破線で囲んだ領域)Rの分極方向を他の領域の分極方向に対して反転させたものである。ここでは、相互作用部の分極反転された領域Rを分極反転領域と呼び、分極反転されていない領域を非反転領域と呼ぶことにする。上記の分極反転領域Rは、例えば、レジスト等でパターニングした後にパルス高電界を印加するなどして形成することが可能である。また、分極反転領域Rの大きさは、相互作用部の長手方向(光の伝搬方向)の全長をLとした場合に、光の伝搬方向について約L/2の長さを有し、光の伝搬方向に対して垂直な方向については、2分岐された平行な2つの光導波路13A,13Bを含むことが可能な長さを有するものとする。
光導波路10は、前述の図9に示した従来の構成の場合と同様に、入射導波路11、分岐部12、平行導波路13A,13B、合波部14および出射導波路15を有し、マッハツェンダ干渉計を構成する。この光導波路10は、従来と同様にして熱拡散やプロトン交換等の処理を施すことにより、基板1の−Z面に形成される。入射導波路11の光入射端(図1で左側に位置する一端)および出射導波路15の光出射端(図1で右側に位置する一端)は、それぞれ基板1の対向する側面に達している。なお、ここでは図2に示すように、光導波路10の断面形状を矩形としているが、本発明における光導波路の断面形状は上記の一例に限定されるものではない。
コプレーナ電極20は、信号電極21および接地電極22を有する。信号電極21は、例えば図1に示したように、基板1の非反転領域において平行導波路13A上を通り、分極反転領域Rにおいて平行導波路13B上を通るような所要の形状にパターニングされている。一方、接地電極22は、信号電極21とは一定の距離を隔てて、基板1の非反転領域において平行導波路13B上を通り、分極反転領域Rにおいて平行導波路13A上を通るような所要の形状にパターニングされている。上記の信号電極21は、図1において右上に位置する出力端がここでは図示しないが抵抗を介して接地されることにより進行波電極とされ、変調データに対応した高周波電気信号Sが図1において左下に位置する入力端から印加される。
なお、コプレーナ電極20と基板1の表面との間に形成されるバッファ層は、光導波路10中を伝搬する光がコプレーナ電極20によって吸収されるのを防ぐためのものであり、具体的には、厚さ0.2〜1μmのSiO2などを用いることが可能である。
次に、第1実施形態の光変調器の動作について説明する。
本光変調器では、外部から入射導波路11に与えられた連続光が分岐部12で2分岐されて各平行導波路13A,13Bにそれぞれ送られる。各平行導波路13A,13Bには、信号電極21を進行する高周波電気信号Sに応じて信号電極21と接地電極22の間で発生する電界E(図2の矢印線)が印加され、この電界Eによる電気光学効果によって各平行導波路13A,13Bの屈折率が変化する。これにより、各平行導波路13A,13Bを伝搬する各々の光の位相がそれぞれ変化するようになる。
このとき、相互作用部の長手方向(全長L)について、非反転領域の長さL1と分極反転領域Rの長さL2とが略等しくなるように、すなわち、理想状態としてL1=L2=L/2の関係が成り立つように分極反転領域Rが形成されていると、平行導波路13Aを伝搬する光の位相は、次の(1)式に示すθAだけ変化し、平行導波路13Bを伝搬する光の位相は、次の(2)式に示すθBだけ変化するようになる。
θA=(+ΔnS)・L1+(+ΔnG)・L2
=+(ΔnS+ΔnG)・L/2 …(1)
θB=(−ΔnG)・L1+(−ΔnS)・L2
=−(ΔnS+ΔnG)・L/2 …(2)
ただし、ΔnSは信号電極21の下に位置する平行導波路の屈折率変化量であり、ΔnGは接地電極22の下に位置する平行導波路の屈折率変化量である。
上記の(1)式および(2)式より明らかなように、各平行導波路13A,13Bを伝搬する各々の光の位相は、非反転領域において(+ΔnS)・L1,(−ΔnG)・L1だけそれぞれ変化し、分極反転領域Rにおいて(+ΔnG)・L2,(−ΔnS)・L2だけそれぞれ変化する。従って、各平行導波路13A,13Bを通って合波部14に到達する各々の光の位相は、+(ΔnS+ΔnG)・L/2,−(ΔnS+ΔnG)・L/2だけ変化することになり、絶対値が等しく符号が反転した位相変調となる。そのため、従来、Z−カットの基板を用いたマッハツェンダ型光変調器において変調光に発生していた波長チャープを略零にすることができる。
図3は、非反転領域(または分極反転領域R)の長さと発生する波長チャープとの関係を例示した図である。ただし、ここでは相互作用部の全長L(=L1+L2)に対する非反転領域の長さL1の割合を横軸にとり、発生する波長チャープを示すαパラメータの値を縦軸にとっている。図3より、L1/L=0.5のとき、すなわち、非反転領域の長さL1と分極反転領域Rの長さL2が等しくなる場合に、αパラメータの値が0となって波長チャープの発生がなくなっていることが分かる。
上記のように第1実施形態によれば、Z−カットの基板を用いたマッハツェンダ型光変調器について、相互作用部の後半部分に分極反転領域Rを設け、その分極反転領域Rに応じて信号電極21および接地電極22をパターニングするようにしたことで、従来のプッシュプル駆動のように2つの信号電極に高周波電気信号を印加することなく、1つの信号電極に対して高周波電気信号を印加するだけでも、波長チャープの発生を略零にした光変調器を実現することが可能になる。また、本光変調器は、Z−カットの基板を用いることにより信号電極21の直下に光導波路を配置できるため、従来のX−カットの基板を用いて波長チャープの発生を抑えた光変調器に比べて駆動電圧を低くすることが可能である。
なお、上記の第1実施形態では、相互作用部の後半部分に分極反転領域Rを形成するようにしたが、分極反転領域Rを相互作用部の前半部分に設けるようにしてもよい。
また、非反転領域では平行導波路13A上に信号電極21を配置し、分極反転領域Rでは平行導波路13B上に信号電極21を配置するようにしたが、非反転領域および分極反転領域Rにおける信号電極21の配置を上記とは逆にすることも勿論可能である。
さらに、非反転領域の長さL1と分極反転領域Rの長さL2とが略等しくなるようにして波長チャープの発生をなくすようにしたが、例えば、分極反転領域Rの電気光学定数が非反転領域の電気光学定数と異なる場合は、その差に応じて反転領域の長さL2を調節して波長チャープの発生が抑えられるようにすればよい。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
上記の第1実施形態では、マッハツェンダ型光変調器で発生する波長チャープを略零にすることを目標として分極反転領域Rの長さを設計するようにした。しかし、本光変調器が適用されるシステムによっては、波長チャープの要求値が零でない場合もある。そこで、第2実施形態では、上記のような場合に対応した光変調器について説明する。
図4は、第2実施形態のマッハツェンダ型光変調器の構成を示す平面図である。
図4において、本マッハツェンダ型光変調器の構成が、前述の図1に示した第1実施形態の場合の構成と異なる点は、基板1に形成される分極反転領域Rの光の伝搬方向についての長さL2を、システムで要求される波長チャープの値に応じて変更すると共に、その分極反転領域Rの変更に対応して信号電極21および接地電極22のパターンを変更した点である。上記以外の他の構成は、第1実施形態の場合と同様であるためここでの説明を省略する。
前述の図3に例示したように、相互作用部の長手方向の全長Lに対する非反転領域の長さL1または分極反転領域Rの長さL2の割合を変えることによって、変調光に発生する波長チャープ(αパラメータ)の値が変化することが分かる(図3の例では−0.7〜+0.7の変化範囲)。そこで、本実施形態では、波長チャープの要求値に対応したL1/LまたはL2/Lの割合を求め、その値に従って基板1の所要の部分(図4では出射側の部分)に分極反転領域Rを形成し、また、この分極反転領域Rの配置に対応させて、信号電極21が非反転領域では平行導波路13A上に位置し、分極反転領域Rでは平行導波路13B上に位置するようにコプレーナ電極20をパターニングする。これにより、本光変調器では、システムの要求値に略一致する波長チャープの発生した変調光が出射導波路15から出射されるようになる。
このように第2実施形態によれば、Z−カットの基板1を用いたマッハツェンダ型光変調器により、所望の値の波長チャープが発生した変調光を容易に得ることが可能になる。
なお、上記の第2実施形態では、分極反転領域Rの長さL2を非反転領域の長さL1よりも短くした一例を図4に示したが、分極反転領域Rの長さL2を非反転領域の長さL1よりも長くして、波長チャープの要求値を実現することも勿論可能である。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。
図5は、第3実施形態のマッハツェンダ型光変調器の構成を示す平面図である。
図5において、本マッハツェンダ型光変調器の構成が前述の図1に示した第1実施形態の場合の構成と異なる点は、基板1における相互作用部の長手方向の中央部分に分極反転領域Rを形成することによって、その分極反転領域Rの前後(図5で左側および右側)に非反転領域がそれぞれ配置されるようにし、また、上記分極反転領域Rの配置に対応させて、信号電極21が非反転領域では平行導波路13A上に位置し、分極反転領域Rでは平行導波路13B上に位置するようにコプレーナ電極20のパターンを変更した点である。上記以外の他の構成は、第1実施形態の場合と同様であるためここでの説明を省略する。
一般に、コプレーナ線路に与えられる電気信号の伝搬損失は、その周波数が高くなるほど増大することが知られている。このため、コプレーナ電極20の信号電極21に高周波電気信号Sを与えて本光変調器をより高速で駆動する場合には、高周波電気信号Sが信号電極21を進行するにつれて強度が減衰し、平行導波路13A,13Bを伝搬する各光との相互作用の状態が入射側と出射側とでは相違するようになる。従って、前述した第1実施形態の場合のように、非反転領域および分極反転領域Rの長さを略等しく設定して、その一方を入射側に配置し他方を出力側に配置した構成では、非反転領域における光の位相変化と分極反転領域Rにおける光の位相変化とに差が生じ、波長チャープの発生を抑えることが難しくなってしまう可能性がある。
これに対して本実施形態のように相互作用部の中央部分に長さがL/2の分極反転領域Rを形成することによって、相互作用部の前半と後半のそれぞれで位相差の絶対値が補正されるようになる。これにより、コプレーナ線路20の伝搬損失が大きくなるような駆動状態であって、波長チャープの発生を確実に抑えることが可能になる。
なお、上記の第3実施形態では、分極反転領域Rを相互作用部の中央に形成するようにしたが、例えば図6に示すように、相互作用部の入射側および出射側に長さがL/4の分極反転領域R1,R2をそれぞれ形成し、相互作用部の中央部分を長さL/2の非反転領域となるような構成としても、上記の場合と同様の作用効果を得ることができる。また、ここでは相互作用部の前半と後半の2箇所で位相差の補正を行うようにしたが、本発明はこれに限らず、相互作用部の長手方向に非反転領域および分極反転領域の組み合わせを3つ以上順番に並べて配置し、位相差の補正を3箇所以上で行うようにしてもよい。このような構成とすれば、波長チャープの発生をより確実に抑えることが可能になる。
次に、本発明の第4実施形態について説明する。
図7は、第4実施形態のマッハツェンダ型光変調器の構成を示す平面図である。
図7において、本実施形態のマッハツェンダ型光変調器は、例えば、前述の図5に示した第3実施形態の構成を2段直列に接続して1つの光変調器を構成したものである。この光変調器に対しては、例えば、前段の信号電極21に印加する高周波電気信号Sとしてクロック信号を使用し、後段の信号電極21’に印加する高周波電気信号S’としてデータ信号を使用することにより、RZフォーマット等に従って変調された光信号が生成されるようになる。これにより、波長チャープの発生を抑えたRZ形式の光信号をZ−カットのマッハツェンダ型光変調器によって容易に得ることが可能になる。
なお、上記の第4実施形態では、図5に示した構成が2段直列に接続される一例を説明したが、図1、図4または図6に示した構成についても同様にして2段構成とすることが可能である。また、2段構成のマッハツェンダ型光変調器により生成される光信号の符号形式としてRZフォーマットを例示したが、本発明の光変調器によって得られる変調光の符号形式は上記の一例に限られるものではない。
さらに、上述の第1〜第4実施形態では、コプレーナ電極20に高周波電気信号を与えてマッハツェンダ型光変調器の高速駆動を行う場合を説明したが、例えば図8に示すように、コプレーナ電極20とは別に、所要のバイアス電圧VBを基板1に与える電極23を設け、バイアス電圧VBを調整することで動作点のドリフトの補償を行うようにした構成についても本発明を適用することが可能である。この場合、上述した相互作用部の全長Lは、平行導波路13A,13Bを伝搬する光とコプレーナ電極20の信号電極21を伝搬する高周波電気信号Sとが相互作用する部分の長さに相当するものであって、バイアス電圧VBが印加される電極23までを含んだ長さとは相違する。
Claims (12)
- 電気光学効果を有する基板にマッハツェンダ干渉計の構造を有する光導波路を形成し、該光導波路の分岐部および合波部の間に位置する一対の平行導波路に沿って信号電極および接地電極を設け、前記信号電極に電気信号を印加することにより前記光導波路を伝搬する光の変調を行うマッハツェンダ型の光変調器であって、
前記基板は、前記一対の平行導波路を伝搬する光と前記信号電極を伝搬する電気信号とが相互に作用する相互作用部について、一部の領域の分極方向を他の領域の分極方向に対して反転させた分極反転領域を有し、
前記信号電極は、前記相互作用部の分極反転領域内では前記一対の平行導波路のうちの一方の平行導波路近傍に配置され、前記相互作用部の分極反転されていない非反転領域内では他方の平行導波路近傍に配置されることを特徴とする光変調器。 - 請求項1に記載の光変調器であって、
前記分極反転領域は、前記一対の平行導波路における光の伝搬方向について、前記相互作用部の全長の略1/2倍の長さを有し、前記光の伝搬方向に垂直な方向について、前記一対の平行導波路を含むことが可能な長さを有することを特徴とする光変調器。 - 請求項2に記載の光変調器であって、
前記分極反転領域は、前記一対の平行導波路における光の伝搬方向についての中心位置が、前記相互作用部の光の伝搬方向についての中心位置に略一致することを特徴とする光変調器。 - 請求項2に記載の光変調器であって、
前記分極反転領域は、複数の小領域に分けて前記相互作用部に配置され、該複数の小領域の光の伝搬方向についての長さの和が前記相互作用部の全長の略1/2倍となることを特徴とする光変調器。 - 請求項4に記載の光変調器であって、
前記分極反転領域の複数の小領域は、前記相互作用部の光の伝搬方向についての中心を軸として対称な位置に配置されることを特徴とする光変調器。 - 請求項1に記載の光変調器であって、
前記分極反転領域は、前記一対の平行導波路における光の伝搬方向について、波長チャープの要求値に応じて設定される長さを有し、前記光の伝搬方向に垂直な方向について、前記一対の平行導波路を含むことが可能な長さを有することを特徴とする光変調器。 - 請求項6に記載の光変調器であって、
前記分極反転領域は、複数の小領域に分けて前記相互作用部に配置され、該複数の小領域の光の伝搬方向についての長さの和が前記波長チャープの要求値に応じた値となることを特徴とする光変調器。 - 請求項1に記載の光変調器を1つの単位構成として、複数の単位構成を直列に接続して構成したことを特徴とする光変調器。
- 請求項1に記載の光変調器であって、
前記基板に対してバイアス電圧に応じた電界を与えるためのバイアス電極を有し、前記信号電極には、変調データに従って変化する高周波電気信号が印加されることを特徴とする光変調器。 - 請求項1に記載の光変調器であって、
前記信号電極および前記接地電極は、前記基板の表面にバッファ層を介して設けられることを特徴とする光変調器。 - 請求項1に記載の光変調器であって、
前記基板は、Z−カットのニオブ酸リチウム基板であることを特徴とする光変調器。 - 請求項11に記載の光変調器であって、
前記光導波路は、前記基板の−Z面に形成されることを特徴とする光変調器。
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