WO2022118386A1 - 光変調器 - Google Patents

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optical
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英隆 西
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日本電信電話株式会社
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    • G02F1/212Mach-Zehnder type

Definitions

  • the present invention relates to an optical modulator using an electro-optical material.
  • the optical waveguide type high-speed phase shifter is being researched and developed as a key device with the aim of applying it to various applications using Tbit / s class ultra-high-speed optical communication and millimeter waves and terahertz waves.
  • the plasmonic optical waveguide type phase shifter using an electro-optical (EO) material as a core uses a dielectric response by an external modulation electric field as an operating principle in order to cause a change in the refractive index, and further modulates a high frequency. Since an ultra-small phase shifter that can be regarded as a centralized constant element for a signal can be realized, it has a feature that an optical modulator capable of high-speed operation can be realized.
  • a first metal layer 302 connected to a signal line (not shown) and a second metal arranged on both sides of the first metal layer 302 connected to a ground wire (not shown).
  • a plasmonic optical waveguide is formed by the first metal layer 302, the two second metal layers 303a and 303b, and the cores 304a and 304b between them.
  • first metal layer 302 and the second metal layers 303a and 303b are electrodes for applying a voltage for driving the light modulator 300 to the cores 304a and 304b.
  • first metal layer 302, the second metal layer 303a, and the second metal layer 303b are electrodes for applying a voltage for driving the light modulator 300 to the cores 304a and 304b.
  • the above-mentioned optical modulation It can be a vessel 300.
  • the voltage for driving this light modulator is supplied from an external modulation signal source as a high frequency signal.
  • an external modulation signal source As a high frequency signal.
  • the frequency characteristics and output impedance of the externally modulated signal source and the optical modulation including the electrodes by the metal layer constituting the plasmonic optical waveguide are included. It is important to comprehensively consider the input impedance and frequency characteristics of the device when designing the high frequency of each element.
  • a core 304a and a core 304b made of an EO material exist between the first metal layer 302 and the second metal layer 303a and the second metal layer 303b. Therefore, it is isolated in principle, and the input impedance of the optical modulator is infinite.
  • Non-Patent Document 1 a high frequency signal from an external modulation signal source (source) is supplied through a line having a characteristic impedance of 50 ⁇ , and this line is open-ended.
  • the optical modulator 300 is connected so as to do so. Therefore, the element design has not been made according to the output impedance of the externally modulated signal source (source), and the operating frequency band as an optical transmitter has not always been maximized.
  • the reflection of the modulated high-frequency signal due to the impedance mismatch between the external modulation signal source (source) and the optical modulator 300 is also large, which may cause a frequency dependence peculiar to the frequency response characteristics of the optical transmitter. It was a big problem.
  • a high frequency signal from a differential drive type external modulation signal source is supplied to the optical modulator 300, and the external modulation signal source and the optical modulator
  • the optical modulator 300 is connected so as to be loaded as a centralized capacitance in the middle of the high frequency line between the 300 and the 300.
  • the frequency of the optical modulator 300 by designing the input terminating resistor, the output terminating resistor, the line shape, and each material in FIG. 8 so as to show the desired frequency characteristics. The characteristics can be the same.
  • the frequency characteristics of the optical modulator as described above follow the frequency characteristics of the high frequency line, the frequency characteristics of the optical modulator are optimized by compensating for or improving the frequency characteristics of the high frequency line. Furthermore, no method of maximizing the performance of the light modulator has been shown.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and optimizes and maximizes the high frequency characteristics of the voltage amplitude of the optical modulator by the plasmonic optical waveguide, and improves the performance as the optical modulator.
  • the purpose is to make it.
  • the optical modulator according to the present invention has a core formed on a lower clad layer made of a material having an electro-optical effect, and is arranged on the lower clad layer in a state of sandwiching the core.
  • a first metal layer and a second metal layer formed in contact with the core and to which a high frequency signal is applied, and formed on the lower clad layer so as to cover the core, the first metal layer, and the second metal layer.
  • a monic optical waveguide is configured.
  • a resistance is provided on the upper clad layer above the core made of a material having an electro-optical effect, and the first metal layer and the second metal layer that enclose the core are formed. Since the connection is made, the high frequency characteristics of the voltage amplitude of the optical modulator by the plasmonic optical waveguide can be optimized and maximized, and the performance as the optical modulator can be improved.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the optical modulator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing the configuration of the optical modulator according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B is a plan view showing the configuration of the optical modulator according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of an optical transmitter to which the optical modulator according to the second embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 4 shows the frequency dependence of the high frequency voltage applied between the first metal layer 104 and the second metal layer 105a (second metal layer 105b) when the light modulator 100 is driven by the high frequency signal. It is a characteristic diagram.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the optical modulator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing the configuration of the optical modulator according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B
  • FIG. 5 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of another optical transmitter to which the optical modulator according to the second embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of a conventional optical modulator.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of the optical transmitter of Non-Patent Document 1.
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of the optical transmitter of Non-Patent Document 2.
  • FIG. 1 shows a cross section of a surface perpendicular to the waveguide direction.
  • This light modulator includes a core 103 formed on the lower clad layer 101, and a first metal layer 104 and a second metal layer 105 arranged on the lower clad layer 101 in a state of sandwiching the core 103. To prepare for.
  • the core 103 is made of a material having an electro-optical effect.
  • the first metal layer 104 and the second metal layer 105 are formed in contact with both side surfaces of the core 103, and the core 103, the first metal layer 104, and the second metal layer 105 form a plasmonic optical waveguide. Further, a high frequency signal is applied to the first metal layer 104 and the second metal layer 105.
  • a slab layer 102 made of a material having an electro-optical effect is provided on the lower clad layer 101, and the core 103 is formed in contact with the slab layer 102.
  • the slab layer 102 and the core 103 are integrally formed.
  • the core 103 and the slab layer 102 constitute a well-known ribbed optical waveguide.
  • the material having the above-mentioned electro-optic effect can be, for example, lithium niobate (LiNbO 3 ).
  • the above-mentioned materials include, for example, strong dielectric perovskite oxide crystals such as BaTiO 3 , LiNbO 3 , LiTaO 3 , and KTN, and cubic perovskite oxidation such as KTN, BaTiO 3 , SrTiO 3 , and Pb 3 MgNb 2 O 9 . It can also be a physical crystal.
  • the above-mentioned material may be KDP type crystal, zinc zinc ore type crystal or the like.
  • the first metal layer 104 and the second metal layer 105 can be made of, for example, Au.
  • the first metal layer 104 and the second metal layer 105 may be any metal as long as they can excite the surface plasmon polariton (SPP) at the interface with the core 103 with respect to the light having the wavelength waveguideed by the plasmonic optical waveguide.
  • SPP surface plasmon polariton
  • Au for example, Ag, Al, Cu, Ti, Pt and the like can be applied.
  • this light modulator includes an upper clad layer 106 formed on the lower clad layer 101 so as to cover the core 103, the first metal layer 104, and the second metal layer 105.
  • the lower clad layer 101 and the upper clad layer 106 can be made of an oxide such as silicon oxide.
  • this light modulator comprises a resistor 107 formed on top of the upper clad layer 106 above the core 103.
  • the resistance 107 is a first through wiring 108 that penetrates the upper clad layer 106 and is electrically connected to the first metal layer 104.
  • the resistance 107 is a second through wiring 109 that penetrates the upper clad layer 106 and is electrically connected to the second metal layer 105.
  • the resistance 107 can be made of a resistance material such as titanium nitride or tungsten nitride.
  • the resistance 107 can also be made of a semiconductor such as Si into which an impurity expressing a predetermined conductive type is introduced.
  • a phase shifter is composed of a first metal layer 104, a second metal layer 105, and a core 103, and a high-frequency signal is transmitted from an external modulation signal source (not shown) to the first metal layer 104 and the first metal layer 104.
  • the electric field supplied to the two metal layers 105 and generated by the supplied high-frequency signal is applied to the core 103 to modulate the phase of the light waveguide through the plasmonic optical waveguide.
  • the resistance 107 since the resistance 107 is connected in parallel to the core 103 to the first metal layer 104 and the second metal layer 105, the parasitic component can be reduced.
  • the resistance 107 causes the frequency characteristics and output impedance of the external modulation signal source to be the input of the optical modulator including the first metal layer 104 and the second metal layer 105 constituting the plasmonic optical waveguide.
  • High frequency design considering impedance and frequency characteristics is possible. As a result, it becomes possible to optimize and maximize the high frequency characteristics of the voltage amplitude of the optical modulator by the plasmonic optical waveguide, and improve the performance as the optical modulator.
  • FIG. 2A shows a cross section of a plane perpendicular to the waveguide direction.
  • the light modulator 100 according to the second embodiment includes two cores 103a and 103b formed on the lower clad layer 101.
  • the two cores 103a and 103b extend parallel to each other.
  • the core 103 and the core 103b are made of a material having an electro-optical effect.
  • a slab layer 102 made of a material having an electro-optical effect is provided on the lower clad layer 101, and the core 103a and the core 103b are formed in contact with the slab layer 102.
  • the slab layer 102, the core 103a, and the core 103b are integrally formed.
  • the core 103a and the slab layer 102 constitute a well-known rib-type optical waveguide.
  • the core 103b and the slab layer 102 form a rib-type optical waveguide.
  • the material having the above-mentioned electro-optic effect can be, for example, lithium niobate (LiNbO 3 ).
  • the width of the core 103a and the core 103b can be 40 nm, and the core height can be 100 nm.
  • the thickness of the slab layer 102 is 100 nm, and the waveguide length is 10 ⁇ m.
  • a first metal layer 104, two second metal layers 105a, and a second metal layer 105b arranged so as to sandwich the core 103a and the core 103b are provided on the lower clad layer 101.
  • Two second metal layers 105a and two second metal layers 105b are provided corresponding to the two cores 103a and 103b.
  • the first metal layer 104 is arranged so as to be sandwiched between the two cores 103a and 103b.
  • the second metal layer 105a and the first metal layer 104 are arranged so as to sandwich the core 103a.
  • the second metal layer 105b and the first metal layer 104 are arranged so as to sandwich the core 103b.
  • Each core and each metal layer are formed in contact with each other on each side surface of the lower clad layer 101 in the plane direction.
  • the light modulator 100 covers the two cores 103a, the core 103b, the first metal layer 104, and the two second metal layers 105a and the second metal layer 105b, and is formed on the lower clad layer 101.
  • a clad layer 106 is provided.
  • the upper clad layer 106 can have a thickness of, for example, 3 ⁇ m.
  • the plasmonic optical waveguide is configured by the core 103a, the first metal layer 104, and the second metal layer 105a, and also constitutes a phase shifter.
  • the core 103b, the first metal layer 104, and the second metal layer 105b form a plasmonic optical waveguide and also form a phase shifter.
  • each of the two cores 103a and 103b is configured to be arranged on each of the two arms of the Mach-Zehnder interferometer 130, which is generally used in existing light modulators.
  • the plasmonic optical waveguide by the core 103a constitutes one arm of the Mach-Zehnder interferometer 130
  • the plasmonic optical waveguide by the core 103b constitutes the other arm of the Mach-Zehnder interferometer 130.
  • Each arm of the Mach-Zehnder interferometer 130 is connected to an LN on-insulator (LNoI) dielectric optical waveguide via a mode converter.
  • LNoI LN on-insulator
  • This dielectric optical waveguide is, for example, a rib-type optical waveguide, and has a core width of 1 ⁇ m, a core height of 100 nm, and a slab thickness of 100 nm.
  • a plasmonic optical waveguide and a dielectric optical waveguide are formed on the lower clad layer 101. Further, the upper clad layer 106 is formed in common with the plasmonic optical waveguide and the dielectric optical waveguide.
  • a signal line is connected to the first metal layer 104
  • a ground wire is connected to the two second metal layers 105a and the second metal layer 105b
  • high-frequency signals are connected to the core 103a and the core 103b by these coplanar lines. Is applied.
  • the light modulator 100 includes two resistances 107a and 107b corresponding to the two cores 103a and 103b.
  • the two resistances 107a and 107b are formed on the upper clad layer 106.
  • the resistor 107a is formed on the upper clad layer 106 above the core 103a.
  • the resistor 107b is formed on the upper clad layer 106 above the core 103b.
  • first through wiring 108a and a first through wiring 108b corresponding to the two second metal layers 105a, the second metal layer 105b, and the two resistances 107a and the resistance 107b.
  • the resistance 107a is electrically connected to the second metal layer 105a by the second through wiring 109a.
  • the resistance 107b is electrically connected to the second metal layer 105b by the second through wiring 109b.
  • Each through wiring is formed through the upper clad layer 106.
  • the parasitic components can be reduced by providing the resistors 107a and 107b. Further, the resistance 107a and the resistance 107b are connected so as to straddle the core 103a and the core 103b of the plasmonic optical waveguide having stronger optical confinement than the dielectric optical waveguide, thereby reducing the influence on the propagating light. can.
  • a signal line is connected to the first metal layer 104 by partially using an electrode pad. Further, each of the two second metal layers 105a and the second metal layer 105b is connected to a ground wire by partially using an electrode pad. For example, as shown in the equivalent circuit of FIG. 6, a high frequency signal from an externally modulated signal source (source) is supplied through a signal line having a characteristic impedance of 50 ⁇ and a high frequency line (coplanar line) with a ground line. Further, the light modulator 100 is connected to this high frequency line.
  • the high frequency voltage applied between the first metal layer 104 and the second metal layer 105a (second metal layer 105b) when the optical modulator 100 is driven by the modulation signal supplied by the above-mentioned high frequency line The frequency dependence of is shown in FIG.
  • the vertical axis represents the high-frequency voltage amplitude applied between the first metal layer 104 and the second metal layer 105a (second metal layer 105b) between the signal line and the ground line of the high-frequency line. It is standardized by the high frequency voltage amplitude applied between them and displayed in logarithm.
  • FIG. 7 shows the frequency response to each of the phase shifter by the core 103a and the phase shifter by the core 103b when the resistance values of the resistors 107a and 107b are changed.
  • the -3dB band is about 75 GHz.
  • a 100 ohm resistor 107a and a resistor 107b are provided in order to easily match the impedance of the input line, it is provided.
  • the -3 dB band is widened to about 100 GHz. This can be said to be a state of being terminated by about 50 ohm.
  • the -3 dB band is widened to about 160 GHz
  • the resistance 107a and the resistance 107b of 10 ohm are provided, the band of the -3 dB band is expanded to 200 GHz or more.
  • the absolute value of the voltage amplitude also changes according to the resistance values of the resistors 107a and 107b, and the voltage amplitude decreases as the resistance becomes lower. Therefore, the resistance value is appropriately set in consideration of the frequency band and the voltage amplitude. Is desirable.
  • the optimum resistance values of the resistance 107a and the resistance 107b also change.
  • the parasitic capacitance of the optical modulator also changes due to the change in the electrode pad structure provided in each metal layer for applying the high frequency modulation signal.
  • the optimum resistance value of the resistance 107b also changes.
  • the light modulator 100 using the phase shifter by the plasmonic optical waveguide is connected as the terminal element of the high frequency line, and the resistors 107a and 107b having appropriate resistance values according to the structure of the phase shifter are connected.
  • the frequency characteristics of the voltage applied to each metal layer including the core 103a and the core 103b that determine the frequency characteristics of the optical modulator can be changed, and the desired frequency characteristics can be obtained.
  • a high frequency signal from a differential drive type external modulation signal source is supplied to the optical modulator 100, and a high frequency line between the external modulation signal source and the optical modulator 100 is provided. It is also possible to connect the optical modulator 100 so that it is loaded as a centralized capacitance on the way.
  • the frequency of the optical modulator 100 by designing the input terminating resistor, the output terminating resistor, the line shape, and each material in FIG. 5 so as to show the desired frequency characteristics. The characteristics can be the same.
  • a resistance is provided on the upper clad layer above the core made of a material having an electro-optical effect, and the first metal layer and the second metal layer that enclose the core are provided. Since it is connected to, the high frequency characteristic of the voltage amplitude of the optical modulator by the plasmonic optical waveguide can be optimized and maximized, and the performance as the optical modulator can be improved.

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Abstract

光変調器は、下部クラッド層(101)の上に形成されたコア(103)と、下部クラッド層(101)の上で、コア(103)を挾む状態に配置された第1金属層(104)および第2金属層(105)とを備える。また、光変調器は、コア(103)、第1金属層(104)、および第2金属層(105)を覆って下部クラッド層(101)の上に形成された上部クラッド層(106)を備える。加えて、光変調器は、コア(103)の上方の上部クラッド層(106)の上に形成された抵抗(107)を備える。抵抗(107)は、上部クラッド層(106)を貫通する第1貫通配線(108)で、第1金属層(104)に電気的に接続し、上部クラッド層(106)を貫通する第2貫通配線(109)で、第2金属層(105)に電気的に接続している。

Description

光変調器
 本発明は、電気光学材料を用いた光変調器に関する。
 Tbit/s級の超高速光通信や、ミリ波・テラヘルツ波を用いた様々なアプリケーションへの応用を目指して、光導波路型高速位相シフタはキーデバイスとして研究開発が進められている。このような高速位相シフタの中でも、電気光学(EO)材料をコアとして用いたプラズモニック光導波路型位相シフタは、屈折率変化を生じるために外部変調電界による誘電応答を動作原理とし、さらに変調高周波信号に対して集中定数素子と見なせる超小型な位相シフタが実現できるため、高速動作可能な光変調器を実現できるという特徴を有する。
 例えば、図6に示すように、信号線(不図示)に接続する第1金属層302と、接地線(不図示)に接続して第1金属層302の両脇に配置される第2金属層303a、第2金属層303bとの間に、EO材料によるコア304a、コア304bを配置した光変調器300がある(非特許文献1,非特許文献2)。第1金属層302および2つの第2金属層303a、303bと、これらの間のコア304a、304bとにより、プラズモニック光導波路が形成されている。また、第1金属層302および第2金属層303a、303bが、光変調器300を駆動するための電圧を、コア304a、304bに印加するための電極となっている。例えば、絶縁基板301の上に、第1金属層302および第2金属層303a、第2金属層303bを形成し、これらの上に、EO材料の層305を形成することで、上述した光変調器300とすることができる。
 この光変調器を駆動するための電圧は、高周波信号として外部変調信号源から供給される。外部変調信号源を含めて、光送信機として所望の周波数特性を得るためには、外部変調信号源の周波数特性および出力インピーダンスと、プラズモニック光導波路を構成する金属層による電極を含めた光変調器の入力インピーダンスおよび周波数特性とを、総合的に考慮し、各素子の高周波設計を行うことが重要となる。
W. Heni et al., "108 Gbit/s Plasmonic Mach-Zehnder Modulator with > 70-GHz Electrical Bandwidth", Journal of Lightwave Technology, vol. 34, no. 2, pp. 393-400, 2016. U. Koch et al., "A monolithic bipolar CMOS electronic-plasmonic high-speed transmitter", Nature Electronics, vol. 3, pp. 338-345, 2020.
 ところで、上述した技術では、図6に示したように、第1金属層302と、第2金属層303a、第2金属層303bとの間には、EO材料によるコア304a、コア304bが存在しているため原理的には絶縁されており、光変調器の入力インピーダンスとしては無限大となっている。
 ここで、非特許文献1の光送信機では、図7の等価回路に示すように、外部変調信号源(source)からの高周波信号を、特性インピーダンス50Ωの線路を通して供給し、この線路を開放終端するように光変調器300を接続している。このため、外部変調信号源(source)の出力インピーダンスに合わせた素子設計はなされておらず、光送信機としての動作周波数帯域は必ずしも最大化されていなかった。また、外部変調信号源(source)と光変調器300との間のインピーダンス不整合による変調高周波信号の反射も大きく、このため光送信機としての周波数応答特性に特異な周波数依存性が生じることも大きな問題であった。
 非特許文献2の光送信機では、図8の等価回路に示すように、差動駆動式の外部変調信号源からの高周波信号を光変調器300に供給し、外部変調信号源と光変調器300との間の高周波線路の途中に集中容量として装荷されるように光変調器300を接続している。図8中の入力終端抵抗(Input terminating resistor)、出力終端抵抗(Output terminating resistor)や、線路形状、また各材料を、所望の周波数特性を示すように設計することで、光変調器300の周波数特性もそれと同様にできる。
 しかし、上述したような光変調器の周波数特性は、高周波線路の周波数特性に追従するため、高周波線路の周波数特性を補償したり改善したりすることで、光変調器の周波数特性を最適化、さらには光変調器の性能を最大化させる方法は示されていない。
 本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、プラズモニック光導波路による光変調器の電圧振幅の高周波特性を最適化、最大化し、光変調器としての性能を向上させることを目的とする。
 本発明に係る光変調器は、電気光学効果を有する材料から構成されて下部クラッド層の上に形成されたコアと、前記下部クラッド層の上で、前記コアを挾む状態に配置され、前記コアに接して形成され、高周波信号が印加される第1金属層および第2金属層と、前記コア、前記第1金属層、および前記第2金属層を覆って前記下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層と、前記コアの上方の前記上部クラッド層の上に形成された抵抗と、前記上部クラッド層を貫通して前記抵抗と前記第1金属層とを電気的に接続する第1貫通配線と、前記上部クラッド層を貫通して前記抵抗と前記第2金属層とを電気的に接続する第2貫通配線とを備え前記コア、前記第1金属層、前記第2金属層によりプラズモニック光導波路が構成されている。
 以上説明したように、本発明によれば、電気光学効果を有する材料から構成されたコアの上方の上部クラッド層の上に抵抗を設け、コアを挾む第1金属層および第2金属層に接続したので、プラズモニック光導波路による光変調器の電圧振幅の高周波特性を最適化、最大化し、光変調器としての性能を向上させることができる。
図1は、本発明の実施の形態1に係る光変調器の構成を示す断面図である。 図2Aは、本発明の実施の形態2に係る光変調器の構成を示す断面図である。 図2Bは、本発明の実施の形態2に係る光変調器の構成を示す平面図である。 図3は、本発明の実施の形態2に係る光変調器を適用した光送信機の等価回路を示す回路図である。 図4は、高周波信号で光変調器100を駆動する際の、第1金属層104と第2金属層105a(第2金属層105b)との間に印加される高周波電圧の周波数依存性を示す特性図である。 図5は、本発明の実施の形態2に係る光変調器を適用した他の光送信機の等価回路を示す回路図である。 図6は、従来の光変調器の構成を示す断面図である。 図7は、非特許文献1の光送信機の等価回路を示す回路図である。 図8は、非特許文献2の光送信機の等価回路を示す回路図である。
 以下、本発明の実施の形態に係る光変調器について説明する。
[実施の形態1]
 はじめに、本発明の実施の形態に係る光変調器について、図1を参照して説明する。なお、図1は、導波方向に垂直な面の断面を示している。この光変調器は、下部クラッド層101の上に形成されたコア103と、下部クラッド層101の上で、コア103を挾む状態に配置された第1金属層104および第2金属層105とを備える。
 コア103は、電気光学効果を有する材料から構成されている。第1金属層104、第2金属層105は、コア103の両方の側面に接して形成され、コア103、第1金属層104、第2金属層105によりプラズモニック光導波路が構成されている。また、第1金属層104および第2金属層105には、高周波信号が印加される。
 この例では、下部クラッド層101の上に電気光学効果を有する材料から構成されたスラブ層102を備え、コア103はスラブ層102の上に接して形成されている。例えば、スラブ層102とコア103とは、一体に形成されている。コア103とスラブ層102とにより、よく知られたリブ型光導波路が構成されている。
 上述した電気光学効果を有する材料は、例えば、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)とすることができる。また、上述した材料は、例えば、BaTiO3、LiNbO3,LiTaO3,KTNなど強誘電性ペロブスカイト酸化物結晶、KTN、BaTiO3、SrTiO3、Pb3MgNb29などの立方晶系形ペロブスカイト酸化物結晶とすることもできる。また、上述した材料は、KDP形結晶、せん亜鉛鉱形結晶などとすることもできる。
 第1金属層104、第2金属層105は、例えば、Auから構成することができる。第1金属層104、第2金属層105は、プラズモニック光導波路を導波させる波長の光に対して、コア103との界面に、表面プラズモンポラリトン(SPP)を励起可能な金属であれば良く、Auに限らず、例えば、Ag,Al,Cu,Ti,Ptなどが適用可能である。
 また、この光変調器は、コア103、第1金属層104、および第2金属層105を覆って下部クラッド層101の上に形成された上部クラッド層106を備える。下部クラッド層101、上部クラッド層106は、例えば、酸化シリコンなどの酸化物から構成することができる。
 加えて、この光変調器は、コア103の上方の上部クラッド層106の上に形成された抵抗107を備える。抵抗107は、上部クラッド層106を貫通する第1貫通配線108で、第1金属層104に電気的に接続している。また、抵抗107は、上部クラッド層106を貫通する第2貫通配線109で、第2金属層105に電気的に接続している。抵抗107は、例えば、窒化チタンや窒化タングステンなどの抵抗材料から構成することができる。また、抵抗107は、所定の導電型を発現する不純物を導入したSiなどの半導体から構成することもできる。
 実施の形態1に係る光変調器は、第1金属層104、第2金属層105とコア103とにより位相シフタが構成され、図示しない外部変調信号源から高周波信号が第1金属層104、第2金属層105に供給され、供給された高周波信号による電界がコア103に印加されることにより、プラズモニック光導波路を導波する光の位相が変調される。また、この光変調器は、第1金属層104および第2金属層105に、コア103に対して並列に抵抗107が接続されているので、寄生成分を低減することができる。
 この光変調器によれば、抵抗107により、外部変調信号源の周波数特性および出力インピーダンスに、プラズモニック光導波路を構成する第1金属層104、第2金属層105を含めた光変調器の入力インピーダンスおよび周波数特性を考慮した高周波設計ができる。この結果、プラズモニック光導波路による光変調器の電圧振幅の高周波特性を最適化、最大化し、光変調器としての性能を向上させることができるようになる。
[実施の形態2]
 次に、本発明の実施の形態2について、図2A、図2Bを参照して説明する。なお、図2Aは、導波方向に垂直な面の断面を示している。実施の形態2に係る光変調器100は、下部クラッド層101の上に形成された2つのコア103a、コア103bを備える。2つのコア103a、103bは、互いに平行に延在している。コア103、コア103bは、電気光学効果を有する材料から構成されている。
 この例では、下部クラッド層101の上に電気光学効果を有する材料から構成されたスラブ層102を備え、コア103a、コア103bはスラブ層102の上に接して形成されている。例えば、スラブ層102とコア103a、コア103bとは、一体に形成されている。コア103aとスラブ層102とにより、よく知られたリブ型光導波路が構成されている。同様に、コア103bとスラブ層102とにより、リブ型光導波路が構成されている。上述した電気光学効果を有する材料は、例えば、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)とすることができる。また、コア103a、コア103bの幅は40nm、コア高さは100nmとすることができる。また、スラブ層102の厚さは100nm、導波路長さは10μmである。
 また、下部クラッド層101の上で、コア103a、コア103bを挾む状態に配置された第1金属層104および2つの第2金属層105a、第2金属層105bを備える。2つのコア103a、103bに対応して2つの第2金属層105a、第2金属層105bを備える。第1金属層104は、2つのコア103a、コア103bに挾まれて配置されている。また、コア103aを挟んで、第2金属層105aと第1金属層104とが配置されている。また、コア103bを挾んで、第2金属層105bと第1金属層104とが配置されている。各コアと、各金属層は、下部クラッド層101の平面方向の各側面において、各々接して形成されている。
 また、光変調器100は、2つのコア103a、コア103b,第1金属層104、および2つの第2金属層105a、第2金属層105bを覆って下部クラッド層101の上に形成された上部クラッド層106を備える。上部クラッド層106は、例えば、厚さ3μmとすることができる。
 上述した構成により、コア103a、第1金属層104、第2金属層105aによりプラズモニック光導波路が構成され、また位相シフタを構成している。同様に、コア103b、第1金属層104、第2金属層105bによりプラズモニック光導波路が構成され、また位相シフタを構成している。
 また、2つのコア103a、コア103bの各々は、既存の光変調器でも一般的に用いられるマッハツェンダー干渉計130の2つのアームの各々に配置された構成となっている。コア103aによるプラズモニック光導波路が、マッハツェンダー干渉計130の一方のアームを構成し、コア103bによるプラズモニック光導波路が、マッハツェンダー干渉計130の他方のアームを構成している。なお、マッハツェンダー干渉計130の各アームには、モード変換器を介して、LNオンインシュレータ(LNoI)誘電体光導波路と接続されている。この誘電体光導波路は、例えば、リブ型光導波路とされ、コア幅が1μm、コア高さが100nm、スラブ厚100nmとされている。下部クラッド層101の上に、プラズモニック光導波路および誘電体光導波路が形成されている。また、プラズモニック光導波路および誘電体光導波路に共通して、上部クラッド層106が形成されている。
 また、第1金属層104には信号線が接続し、2つの第2金属層105a、第2金属層105bには、接地線が接続し、これらコプレーナ線路により、コア103a、コア103bに高周波信号が印加される。
 また、実施の形態2に係る光変調器100は、2つのコア103a、コア103bに対応して2つの抵抗107a、抵抗107bを備える。2つの抵抗107a、抵抗107bは、上部クラッド層106の上に形成されている。抵抗107aは、コア103aの上方の上部クラッド層106の上に形成されている。また、抵抗107bは、コア103bの上方の上部クラッド層106の上に形成されている。
 また、2つの第2金属層105a、第2金属層105bおよび2つの抵抗107a、抵抗107bに対応して2つの第1貫通配線108a、第1貫通配線108bを備える。なお、抵抗107aは、第2貫通配線109aで、第2金属層105aに電気的に接続している。また、抵抗107bは、第2貫通配線109bで、第2金属層105bに電気的に接続している。各貫通配線は、上部クラッド層106を貫通して形成されている。
 前述した実施の形態1と同様に、抵抗107a、抵抗107bを設けることで、寄生成分を低減することができる。また、抵抗107a、抵抗107bは、誘電体光導波路の上よりも、光閉じ込めの強いプラズモニック光導波路のコア103a,コア103bの上で跨ぐように接続することで、伝搬光への影響を低減できる。
 第1金属層104は、一部を電極パッドとすることで、信号線が接続される。また、2つの第2金属層105a、第2金属層105bの各々は、一部を電極パッドとすることで、接地線が接続される。例えば、図6の等価回路に示すように、外部変調信号源(source)からの高周波信号が、特性インピーダンス50Ωの信号線、接地線による高周波線路(コプレーナ線路)を通して供給される。また、この高周波線路に、光変調器100が接続される。
 以下、上述した高周波線路により供給される変調信号で光変調器100を駆動する際の、第1金属層104と第2金属層105a(第2金属層105b)との間に印加される高周波電圧の周波数依存性を図4に示す。図4のグラフにおいて、縦軸は、第1金属層104と第2金属層105a(第2金属層105b)との間に印加される高周波電圧振幅を、高周波線路の信号線と接地線との間に印加される高周波電圧振幅で規格化し、対数表示している。また、図7には、コア103aによる位相シフタと、コア103bによる位相シフタの各々の、抵抗107a、抵抗107bの抵抗値を変化させた場合の、それぞれの抵抗値に対する周波数応答を示している。
 抵抗を設けない場合[No Load(Open]、-3dB帯域は75GHz程度である。これに対し、入力線路のインピーダンスと簡易的に整合させるべく,100ohmの抵抗107a、抵抗107bを設けた場合付与した状態では、-3dB帯域は約100GHzまで広帯域化されることがわかる。これは、おおむね50ohm終端した状態と言える。
 さらに、33ohmの抵抗107a、抵抗107bを設けると、-3dB帯域は160GHz程度まで広帯域化され、10ohmの抵抗107a、抵抗107bを設けると-3dB帯域は200GHz以上まで帯域が拡大される。なお、抵抗107a、抵抗107bの各抵抗値に応じて電圧振幅の絶対値も変化し、特に低抵抗となるほど電圧振幅は低下するため、周波数帯域と電圧振幅を考慮し、抵抗値を適宜設定することが望ましい。
 なお、上述した結果について、コア103a(コア103b)の各寸法、およびプラズモニック光導波路の導波路長が変化すれば、抵抗107a、抵抗107bの最適な抵抗値も変化する。また、高周波変調信号を印加するための、各金属層に設ける電極パッド構造の変化によっても、光変調器の寄生容量が変化するため、これに伴い所望の周波数特性を得るための、抵抗107a、抵抗107bの最適な抵抗値も変化する。
 以上に説明したように、プラズモニック光導波路による位相シフタを用いた光変調器100を高周波線路の終端素子として接続し、位相シフタの構造に応じた適切な抵抗値を有する抵抗107a、抵抗107bを設けることで、光変調器の周波数特性を決定するコア103a,コア103bを挾む各金属層に印加される電圧の周波数特性を変化させ、所望の周波数特性を得ることができる。
 ところで、図5の等価回路に示すように、差動駆動式の外部変調信号源からの高周波信号を光変調器100に供給し、外部変調信号源と光変調器100との間の高周波線路の途中に集中容量として装荷されるように光変調器100を接続することもできる。図5中の入力終端抵抗(Input terminating resistor)、出力終端抵抗(Output terminating resistor)や、線路形状、また各材料を、所望の周波数特性を示すように設計することで、光変調器100の周波数特性もそれと同様にできる。
 高速外部変調信号源から差動信号が出力される場合、信号線(S)と接地線GとがG-S-G-S-Gのように構成されているコプレーナ線路に対しても、抵抗107a、抵抗107bを用いることで、光変調器100を構成しているコア103a、コア103bを挾む各金属層の間に印加される電圧の周波数特性を変化させ、所望の周波数特性を得ることができる。これは、コプレーナ線路の周波数特性に対して、この特性に追従するようなフラットな周波数特性を光変調器100に与えたり、あるいはコプレーナ線路の周波数特性の帯域を補償するような異なる周波数特性を光変調器100に与えたり、さらには光変調器100に印加される電圧振幅を、コプレーナ線路を伝搬する振幅に対して増大させたりすることができるという、優れた効果が得られる。
 以上に説明したように、本発明によれば、電気光学効果を有する材料から構成されたコアの上方の上部クラッド層の上に抵抗を設け、コアを挾む第1金属層および第2金属層に接続したので、プラズモニック光導波路による光変調器の電圧振幅の高周波特性を最適化、最大化し、光変調器としての性能を向上させることができる。
 なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
 101…下部クラッド層、102…スラブ層、103…コア、104…第1金属層、105…第2金属層、106…上部クラッド層、107…抵抗、108…第1貫通配線、109…第2貫通配線。

Claims (4)

  1.  電気光学効果を有する材料から構成されて下部クラッド層の上に形成されたコアと、
     前記下部クラッド層の上で、前記コアを挾む状態に配置され、前記コアに接して形成され、高周波信号が印加される第1金属層および第2金属層と、
     前記コア、前記第1金属層、および前記第2金属層を覆って前記下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層と、
     前記コアの上方の前記上部クラッド層の上に形成された抵抗と、
     前記上部クラッド層を貫通して前記抵抗と前記第1金属層とを電気的に接続する第1貫通配線と、
     前記上部クラッド層を貫通して前記抵抗と前記第2金属層とを電気的に接続する第2貫通配線と
     を備え
     前記コア、前記第1金属層、前記第2金属層によりプラズモニック光導波路が構成されていることを特徴とする光変調器。
  2.  請求項1記載の光変調器において、
     互いに平行に延在する2つの前記コアを備え、
     前記第1金属層は、2つの前記コアに挾まれて配置され、
     2つの前記コアに対応して2つの前記第2金属層を備え、
     2つの前記コアに対応して2つの前記抵抗を備え、
     2つの前記第2金属層および2つの前記抵抗に対応して2つの前記第1貫通配線を備え、
     前記第1金属層に信号線が接続し、2つの前記第2金属層の各々に接地線が接続し、
     2つの前記コアの各々は、マッハツェンダー干渉計の2つのアームの各々に配置されている
     ことを特徴とする光変調器。
  3.  請求項1または2記載の光変調器において、
     前記下部クラッド層の上に形成され、電気光学効果を有する材料から構成されたスラブ層を備え、
     前記コアは前記スラブ層の上に接して形成されている
     ことを特徴とする光変調器。
  4.  請求項3記載の光変調器において、
     前記スラブ層と前記コアとは、一体に形成されていることを特徴とする光変調器。
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