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JP2005091698A - 光変調器 - Google Patents

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JP2005091698A
JP2005091698A JP2003324373A JP2003324373A JP2005091698A JP 2005091698 A JP2005091698 A JP 2005091698A JP 2003324373 A JP2003324373 A JP 2003324373A JP 2003324373 A JP2003324373 A JP 2003324373A JP 2005091698 A JP2005091698 A JP 2005091698A
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謙治 青木
Osamu Mitomi
修 三冨
Jungo Kondo
順悟 近藤
Atsuo Kondo
厚男 近藤
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Abstract


【課題】チャープ量を制御可能な変調器の提供。
【解決手段】光変調器1Cは、電気光学材料からなり、一方の主面と他方の主面とを備えている基板2、基板2に形成され、一方の分岐部5および他方の分岐部3を有する光導波路、および基板の一方の主面側に設けられた接地電極4A、4Cおよび信号電極4Bを備えている。一方の分岐部5と他方の分岐部3とが接地電極4A、4Cのエッジと信号電極4Bのエッジとの間に設けられている。マイクロ波電界を一方の分岐部5および他方の分岐部3の各電極相互作用部に印加し、一方および他方の分岐部3、5を伝搬する光を変調するのに際して、一方の分岐部および他方の分岐部において電界強度の電極相互作用長による各積分値が異なっており、所定のチャープ量を得る。
【選択図】図3

Description

本発明は光変調器に関するものである。
本出願人は、特許文献1、2において、進行波形光変調器の基板の光導波路の下に肉薄部分を設け、この肉薄部分の厚さを例えば10μm以下に薄くすることを開示した。これによって、酸化珪素からなるバッファ層を形成することなしに高速光変調が可能であるし、駆動電圧Vπと電極の長さLとの積(Vπ・L)を小さくできるので、有利である。
特開平10−133159号公報 特開2002−169133号公報
特許文献1、2に記載のような進行波形光変調器においては、例えばニオブ酸リチウム単結晶のX板上にCPW(コプレーナ型)電極およびマッハツェンダー型の光導波路を形成し、光導波路の各分岐部に対して同様の電界を印加すると共に電極相互作用長を等しくし、これによって0チャープ特性の光変調器を得る。
しかし、実際の光伝送システムにおいては、X板やY板を基板として用いた光変調器についても、所定のチャープ量をもたせることが有利な場合がある。しかし、電気光学結晶のX板やY板を基板として用いた光変調器について、このような所定のチャープ量をもたせることは、これまで検討されてこなかった。
本発明の課題は、電気光学材料からなり、一方の主面と他方の主面とを備えている基板、一方の分岐部および他方の分岐部を有する光導波路、および基板の一方の主面側に設けられた接地電極および信号電極を備えている光変調器において、チャープ量を適切な値に制御可能とする構成を提供することである。
本発明は、電気光学材料からなり、一方の主面と他方の主面とを備えている基板、この基板に形成され、一方の分岐部および他方の分岐部を有する光導波路、および基板の一方の主面側に設けられた接地電極および信号電極を備えており、一方の分岐部と他方の分岐部とが接地電極と信号電極との電極ギャップに設けられており、マイクロ波電界を一方の分岐部および他方の分岐部の各電極相互作用部に印加し、一方の分岐部および他方の分岐部を伝搬する光を変調するのに際して、一方の分岐部および他方の分岐部において電界強度の電極相互作用長による各積分値が異なっており、これによって所定のチャープ量を得ることを特徴とする。
また、本発明は、電気光学材料からなり、一方の主面と他方の主面とを備えている基板、この基板に形成され、一方の分岐部および他方の分岐部を有する光導波路、および基板の一方の主面側に設けられた接地電極および信号電極を備えており、一方の分岐部が接地電極と信号電極との間の電極ギャップに設けられており、他方の分岐部が接地電極下に設けられており、マイクロ波電界を一方の分岐部および他方の分岐部の各電極相互作用部に印加し、一方の分岐部および他方の分岐部を伝搬する光を変調することを特徴とする、光変調器に係るものである。
以下、本発明について更に詳細に説明する。
最初にチャープ量について述べる。チャープ量は、「チャープパラメータα」とも呼ばれるものである。
光変調器の2つの分岐部(光導波路)aとbとで、それぞれ、電界強度E(z)の電極相互作用長zによる各積分値A、Aを算出する。 分岐部の電界強度の電極相互作用長とは、分岐部の各点zにおける電界強度E(z)を、分岐部の全長Lにわたって積分して得られた値である。この積分値は以下のように与えられる。
Figure 2005091698
たとえば特開平07-064031号公報によれば、チャープを表すパラメータαは以下の通りである。
Figure 2005091698
ここで、ΔβLは、通常はπ/4もしくは-π/4であるから、cot(ΔβL)=1もしくは−1である。Δn1とΔn2は、それぞれ、導波路a,bでの屈折率変化を表す。この平均的な屈折率変化は
Figure 2005091698

に比例する。従って下式が成り立つ。
Figure 2005091698
従来のX-cut LN光変調器では、一般的に中心電極中央で対称構造であり。両アームで光導波路の相互作用長は同じとなっている。このため、A1=−A2であった。従って、m=−1となり、チャープ量α=0となっていた。このため、種々の光伝送系において光変調器に所定チャープ量が必要となる場合に対応できなかった。
本発明によれば、このようなタイプの光変調器において、一方の分岐部および他方の分岐部において電界強度の電極相互作用長による各積分値を異ならせ、これによって光変調器において所定のチャープ量が得られるように調整している。
好適な実施形態においては、一方の分岐部および他方の分岐部に対して、相異なる強度のマイクロ波電界を印加することによって、電界強度の電極相互作用長による各積分値を異ならせる。この具体的形態は限定されないが、好ましくは、複数の接地電極を設け、信号電極と各接地電極との間の各電極ギャップの幅を異ならせる。一方の電極ギャップの幅と他方の電極ギャップの幅とを異ならせると、各電極ギャップ下に配置されている各分岐部における電界強度も異なる。
図1は、この実施形態に係る光変調器1Aを概略的に示す断面図である。光変調器1Aは、例えば平板形状の基板2を備えている。基板2の一方の主面2a側に、光導波路の分岐部3、5が設けられており、また主面2a上に、例えばコプレーナ型の信号電極4Bおよび接地電極4A、4Cが設けられている。分岐部3は電極ギャップ20A内に配置されており、分岐部5は電極ギャップ20B内に配置されている。本例では、いわゆるコプレーナ型(Coplanar waveguide:CPW電極) の電極配置を採用しているが、電極の配置形態は特に限定されない。本発明は、いわゆる非対称コプレーナストリップライン(Asymmetric coplanar strip line:A−CPS電極) 型の電極配置にも適用できる。
本例では、接地電極4Aと中心電極4Bとの間、および中心電極4Bと接地電極4Cとの間に、それぞれ光導波路の分岐部3、5が形成されており、各分岐部分3、5に対して略水平方向に信号電圧を印加するようになっている。光導波路は、平面的に見るといわゆるマッハツェンダー型の光導波路を構成している。
このような設計とすると、相対的に幅が狭い電極ギャップ20Aにおいては、分岐部3に加わる電界強度Eが相対的に大きくなるので、電界強度の電極相互作用長による積分値も大きくなる。相対的に幅が広い電極ギャップ20Bにおいては、分岐部5に加わる電界強度は相対的に小さくなる。この結果、光変調器1Aのチャープ量を所望値に調整することが可能である。
2つの電極ギャップの幅を変更するという本実施形態(例えば図1、図2)では、光変調器のチャープ量を大きくするという観点からは、GとGとの差は、3ミクロン以上であることが好ましく、20ミクロン以上であることが更に好ましい。Gは、全体のVπLを小さく抑えるためには、100ミクロン以下であることが好ましく、40ミクロン以下であることが更に好ましい。G、Gは、信号電極と接地電極との導通を防止するためには1ミクロン以上であることが好ましく、3ミクロン以上であることが更に好ましい。
以下、検証のために、FEMを用いて準TEM波解析を行った。Gは20μmに設定した。信号電極4Bの幅を30μmに設定し、基板2はニオブ酸リチウム単結晶とし、厚さTsubは8μmとした。電極膜厚Tmは26μmとした。広い方の電極ギャップ20Bの幅Gを、表1に示すように30〜100μmで種々変更した。そして、インピーダンスZc、全体のVπL、分岐部3側のVπL1、分岐部5側のVπL2、およびチャープ量(α−para)を算出した。この結果を表1に示す。
表1から分かるように、電極ギャップ20Bの幅Gを変更することによって、光変調器のチャープ量αを幅広い範囲で適切に制御できることが分かる。
Figure 2005091698
また、好適な実施形態においては、相対的に幅の狭い電極ギャップにおいて、一方の分岐部を信号電極または接地電極のエッジ近傍に配置する。例えば、図2に示す光変調器1Bの場合には、相対的に幅の狭い電極ギャップ20Aにおいて、分岐部3を信号電極4BのエッジEまたは接地電極4AのエッジE近傍に配置する。幅の狭い電極ギャップ20A側の分岐部3に対しては、相対的に大きな電界が印加される。ここで、分岐部3aを信号電極4BのエッジEまたは接地電極4AのエッジE近傍に配置することによって、分岐部3aに加わる電界強度を一層大きくすることができ、これによってチャープ量を一層大きい範囲で調整することができ、駆動電圧-電極長積VπLも下げることが可能となる。
この観点からは、分岐部3の中心線Sと信号電極または接地電極との間隔d1は、20ミクロン以下とすることが好ましく、10ミクロン以下とすることが一層好ましい。
また、光変調器のチャープ量を一層大きくするためには、相対的に幅広い電極ギャップ20Bにおいて、分岐部5と接地電極および信号電極との間隔をできるだけ大きくすることが好ましい。これによって、分岐部5に加わる電界強度を最小限とし、光変調器のチャープ量を大きくできるからである。この観点からは、分岐部5と接地電極または信号電極との間隔d2(小さい方の値)は、10ミクロン以上であることが好ましく、20ミクロン以上であることが更に好ましい。
また、好適な実施形態においては、一方の分岐部と他方の分岐部の各電極相互作用長が異なっている。これによって、電界強度の電極相互作用長による各積分値を異ならせることができる。これは、電界強度が同程度とすると、電極相互作用長Lが大きければ、前記積分値も大きくなるからである。
この実施形態において更に好ましくは、一方の分岐部の一部を信号電極または接地電極の直下に配置することによって、一方の分岐部の電極相互作用長を他方の分岐部の電極相互作用長よりも小さくすることができる。
図3は、この実施形態に係る光変調器1Cを概略的に示す平面図である。光変調器1Cにおいては、基板2の上に、マッハツェンダー型の光導波路6、7、3、5が設けられている。他方の分岐部3は、信号電極4Bと接地電極4Aとの電極ギャップ20A内に形成されており、その全長L(ほぼL1+L2)にわたって一定の電界Eが印加されている。これに対して、一方の分岐部5の方は、電極ギャップ20B内の部分5aには、その全長にわたって略一定強度の電界が印加される。また傾斜部分5bにおいても電界が印加される。しかし、接地電極4C下の被覆部分においては紙面x方向電界が印加されない。この結果、長さL1にわたっては所定の電界が分岐部に印加されるが、長さL2にわたってほとんど電界が印加されず、前記積分値が小さくなる。例えば、チャープ量α=0.6を実現するためには、前記積分値の比率は1:4程度とする必要がある。このためには、分岐部3と5との間で電極相互作用長の比率(L:L1)を1:4とする必要がある。
このように、分岐部3と5との間で電極相互作用長を異ならせた場合に、更に、電極ギャップの大きさを互いに異ならせたり、分岐部と電極エッジとの間隔を異ならせることによって、光変調器のチャープ量を一層広範囲にわたって制御可能となる。
また、他の好適な実施形態においては、複数の接地電極を設け、信号電極と一方の接地電極との間の電極ギャップ下における基板の厚さと、信号電極と他方の接地電極との間の電極ギャップにおける基板の厚さとを異ならせる。基板が厚い側の電極ギャップにおいて分岐部に印加される電界強度と、基板が薄い側の電極ギャップにおいて分岐部に印加される電界強度とは異なる。従って、両方の分岐部における前記積分値を異ならせることができる。
図4は、この実施形態に係る光変調器1Dを概略的に示す断面図である。図1に示したのと同じ構造部分および寸法については、同じ符号を付け、その説明を参照する。本例においては、基板12が、相対的に厚さの大きい肉厚部分12cと、厚さの小さい肉薄部分12dとを備えている。12a、12bは主面である。電極ギャップ20Aは肉薄部分12d側に設けられており、電極ギャップ20Bは肉厚部分12c側に設けられている。上述したように、分岐部3と5との間で前記積分値を異ならせるためには、肉薄部分12dの厚さTsub1と肉厚部分12cの厚さTsub2との差を、2ミクロン以上とすることが好ましく、20ミクロン以上とすることが更に好ましい。また、高速光変調という観点からは、Tsub1は、20ミクロン以下であることが好ましい。
また、好適な実施形態においては、複数の接地電極を設け、信号電極と一方の接地電極との間の電極ギャップ下において基板下に一方の低誘電率部を設け、信号電極と他方の接地電極との間の電極ギャップ下において基板下に他方の低誘電率部を設ける。そして、一方の低誘電率部の比誘電率と他方の低誘電率部の比誘電率とを異ならせる。基板下の低誘電率部の比誘電率が互いに異なっていると、各分岐部に印加される電界強度も互いに異なる。従って、両方の分岐部における前記積分値を異ならせることができる。
図5は、この実施形態に係る光変調器1Eを概略的に示す断面図である。図1に示した構造部分および寸法と同じ構造部分および寸法については、同じ符号を付け、その説明を流用する。本例においては、基板2の下に一方の低誘電率部10Aと他方の低誘電率部10Bとが設けられている。電極ギャップ20Aは低誘電率部10A側に設けられており、電極ギャップ20Bは低誘電率部10B側に設けられている。上述したように、分岐部3と5との間で前記積分値を異ならせるためには、低誘電率部10Aと低誘電率部10Bとの比誘電率の比率を2倍以上とすることが好ましく、5倍以上とすることが更に好ましい。
また、他の発明に係る光変調器においては、一方の分岐部が接地電極と信号電極との間の電極ギャップに設けられており、他方の分岐部が接地電極下に設けられている。そして、マイクロ波電界を一方の分岐部および他方の分岐部の各電極相互作用部に印加し、一方の分岐部および他方の分岐部を伝搬する光を変調する。この際、一方の分岐部を電極ギャップ内に配置させることによって、チャープ量を適切に調整することができる。
また、従来のZ板光変調器において片側駆動を用いた場合、2つの分岐部に印加される電界強度が異なるために、典型的にはチャープ量(α−para)が0.6〜0.7程度となっていた。しかし、適用される光通信システムによっては、より小さなαが好ましい場合もある。このため、適用されるシステムに適切なチャープ量へ調整できることが望ましい。
図6は、この実施形態に係る光変調器11を概略的に示す断面図である。基板13の主面13a側には、マッハツェンダー型光導波路の一方の分岐部14および他方の分岐部15が形成されている。13bは基板13の底面である。分岐部15は信号電極17Bの下にバッファ層16を介して設けられている。信号電極17Aと接地電極17Bとの間には電極ギャップ25が設けられている。分岐部14は電極ギャップ25に出ており、分岐部14の中心線Sは信号電極17AのエッジEからtだけ離れて外側に設けられている。分岐部14と信号電極17Aとの間はバッファ層16によって分離されている。
ここで、分岐部14の中心線Sと信号電極17AのエッジEとの間隔tを変更することによって、分岐部14へと加わる電界強度を変更することができ、これによって光変調器11のチャープ量を変更できる。tを小さくすると、分岐部14に加わる電界強度を大きくでき、tを大きくすると、分岐部14に加わる電界強度を小さくできる。分岐部14において効率的な光変調を行うためには、tは20ミクロン以下であることが好ましく、10ミクロン以下であることが更に好ましい。また、チャープ量を小さくするという観点からは、tは0.5ミクロン以上であることが好ましく、1ミクロン以上であることが更に好ましい。
この実施形態においては、各分岐部に対して、基板主面と略垂直な方向へと向かって電界が印加されることが好ましい。
好適な実施形態においては、前記基板の厚さが、少なくとも電極相互作用長部分において30μm以下である。そして、基板が、厚さ30μm以上、好ましくは厚さ200μm以上の基部を備えており、基部の内側に凹部が形成されている。このような基板によれば、基板に取り扱いに適した機械的強度を付与しつつ、高速光変調を実現できる。
この実施形態において特に好ましくは、基板が、凹部に面する相対的に厚さの大きい第一の肉薄部分と、凹部に面する相対的に厚さの小さい第二の肉薄部分とを備えており、光導波路が第一の肉薄部分内に設けられている。このような形態の基板は、特許文献1、特許文献2に記載の基板本体を利用できる。例えば図7に示す基板32は、基部32d、凹部33に面する相対的に厚さの大きい第一の肉薄部分32b、および、凹部33に面する相対的に厚さの小さい第二の肉薄部分32cを備えている。光導波路が第一の肉薄部分32b内に設けられている。32aは基板主面である。
基板2、12、13の底面は、接合層を介して別体の保持基体に対して接合することもできる。
光導波路基板2、12、13を構成する材質は、強誘電性の電気光学材料、好ましくは単結晶からなる。こうした結晶は、光の変調が可能であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、KTP、GaAs及び水晶などを例示することができる。
接地電極、信号電極は、低抵抗でインピーダンス特性に優れる材料であれば特に限定されるものではなく、金、銀、銅などの材料から構成することができる。
バッファ層は、酸化シリコン、弗化マグネシウム、窒化珪素、及びアルミナなどの公知の材料を使用することができる。
光導波路は、基板本体に形成されており、好ましくは基板本体の一方の主面側に形成されている。光導波路は、基板本体の一方の主面に直接形成されたリッジ型の光導波路であってよく、基板本体の一方の主面の上に他の層を介して形成されたリッジ型の光導波路であってよく、また基板本体の内部に内拡散法やイオン交換法によって形成された光導波路、例えばチタン拡散光導波路、プロトン交換光導波路であってよい。電極は、基板本体の一方の主面側に設けられているが、基板本体の一方の主面に直接形成されていてよく、バッファ層の上に形成されていてよい。
前記した低誘電率部とは、基板本体を構成する電気光学材料の比誘電率よりも低い比誘電率を有する部分を意味する。(低誘電率部分の比誘電率)/(基板を構成する電気光学材料の比誘電率)は、1/3以下であることが好ましく、1/10以下であることが更に好ましい。
低誘電率部は空隙であってよい。また、低誘電率部は、基板を構成する電気光学材料の比誘電率よりも低い比誘電率を有する固形材料からなっていてよい。このような材料としては、アルミナ、窒化アルミニウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ガリウムヒ素、酸化シリコンを例示できる。
また、低誘電率部は接着剤であってよい。接着剤の種類は特に限定されないが、厚さ300μm以下が適当である。また、低誘電率層として用いる好適な低誘電体材料としては、高周波変調信号の伝搬損失を低減する観点から低誘電体損(低tanδ)を有する材料を用いることが望ましい。このような低誘電率、低誘電体損の材質としてはテフロン(登録商標)、アクリル系接着剤が例示できる。また、他の低誘電率材料としては、ガラス系接着剤、エポキシ系接着剤、半導体製造用層間絶縁体、ポリイミド樹脂を例示できる。
本発明の一実施形態に係る光変調器1Aを概略的に示す断面図であり、電極ギャップ20Aの幅が電極ギャップ20Bの幅よりも小さい。 本発明の他の実施形態に係る光変調器1Bを概略的に示す断面図であり、電極ギャップ20Aの幅が電極ギャップ20Bの幅よりも小さい。 本発明の更に他の実施形態に係る光変調器1Cを概略的に示す平面図であり、分岐部5の一部5cが接地電極4C下に設けられている。 本発明の更に他の実施形態に係る光変調器1Dを概略的に示す断面図であり、分岐部3が肉薄部分12d側に設けられており、分岐部5が肉厚部分12c側に設けられている。 本発明の更に他の実施形態に係る光変調器1Eを概略的に示す断面図であり、基板2下に低誘電率部10A、10Bが設けられている。 本発明の更に他の実施形態に係る光変調器11を概略的に示す断面図であり、分岐部14が電極ギャップ25内に設けられており、分岐部15が接地電極17B下に設けられている。 本発明の更に他の実施形態に係る光変調器1Fを概略的に示す断面図であり、基板32が、基部32d、厚さの異なる薄肉部分32b、32cを備えている。
符号の説明
1A、1B、1C、1D、1E、1F 光変調器 2、12、13 基板 2a、2b、12a、12b、13a、13b 基板2、12、13の主面 3、5、14、15 分岐部 4A、4C、17B 接地電極 4B、17A 信号電極 5a、5b 電極作用部 5c 電界が作用しない部分 10A、10B 低誘電率部 12c 肉厚部分 12d 肉薄部分 20A、20B 電極ギャップ t、d1、d2 分岐部と電極エッジEとの間隔 E 電極エッジ G、G 電極ギャップの寸法 L、L1 電極相互作用長 L2 電界が作用しない部分の長さ S 光導波路の中心線 Tm 電極の厚さ Tsub 基板2の厚さ

Claims (10)

  1. 電気光学材料からなり、一方の主面と他方の主面とを備えている基板、この基板に形成され、一方の分岐部および他方の分岐部を有する光導波路、および前記基板の前記一方の主面側に設けられた接地電極および信号電極を備えており、前記一方の分岐部と前記他方の分岐部とが前記接地電極と前記信号電極との電極ギャップに設けられており、マイクロ波電界を前記一方の分岐部および前記他方の分岐部の各電極相互作用部に印加し、前記一方の分岐部および前記他方の分岐部を伝搬する光を変調するのに際して、前記一方の分岐部および前記他方の分岐部において電界強度の電極相互作用長による各積分値が異なっており、これによって所定のチャープ量を得ることを特徴とする、光変調器。
  2. 前記一方の分岐部および前記他方の分岐部に対して相異なる強度のマイクロ波電界を印加することを特徴とする、請求項1記載の光変調器。
  3. 複数の前記接地電極を有しており、前記信号電極と前記各接地電極との間の前記各電極ギャップの幅が互いに異なっていることを特徴とする、請求項2記載の光変調器。
  4. 前記電極ギャップのうち相対的に幅の狭い電極ギャップにおいて、前記一方の分岐部が前記信号電極または前記接地電極のエッジ近傍に配置されていることを特徴とする、請求項3記載の光変調器。
  5. 前記一方の分岐部と前記他方の分岐部の前記各電極相互作用長が互いに異なっていることを特徴とする、請求項1記載の光変調器。
  6. 前記一方の分岐部の一部を前記信号電極または前記接地電極の直下に配置することによって、前記一方の分岐部の前記電極相互作用長を前記他方の分岐部の前記電極相互作用長よりも小さくすることを特徴とする、請求項5記載の光変調器。
  7. 前記電極相互作用長部分における前記基板の厚さが30μm以下であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一つの請求項に記載の光変調器。
  8. 複数の前記接地電極を有しており、前記信号電極と一方の前記接地電極との間の電極ギャップ下における前記基板の厚さと、前記信号電極と他方の前記接地電極との間の前記電極ギャップにおける前記基板の厚さとが異なっていることを特徴とする、請求項1記載の光変調器。
  9. 複数の前記接地電極を有しており、前記信号電極と一方の前記接地電極との間の電極ギャップ下において前記基板下に一方の低誘電率部が設けられており、前記信号電極と他方の前記接地電極との間の電極ギャップ下において前記基板下に他方の低誘電率部が設けられており、前記一方の低誘電率部の比誘電率と前記他方の低誘電率部の比誘電率とが異なっていることを特徴とする、請求項1記載の光変調器。
  10. 電気光学材料からなり、一方の主面と他方の主面とを備えている基板、この基板に形成され、一方の分岐部および他方の分岐部を有する光導波路、および前記基板の前記一方の主面側に設けられた接地電極および信号電極を備えており、前記一方の分岐部が前記接地電極と前記信号電極との間の電極ギャップに設けられており、前記他方の分岐部が前記接地電極下に設けられており、マイクロ波電界を前記一方の分岐部および前記他方の分岐部の各電極相互作用部に印加し、前記一方の分岐部および前記他方の分岐部を伝搬する光を変調することを特徴とする、光変調器。
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