JP2848455B2 - 導波型光デバイス - Google Patents
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- G—PHYSICS
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Description
イッチングネットワーク、光情報処理、光画像処理な
ど、各種光システムに用いられる、導波型光変調器や導
波型光スイッチなどに関する。
は、高速光通信、光スイッチングネットワーク、光情報
処理、光画像処理など、各種光システムの実現において
非常に重要な要素となるものである。導波型光変調器
は、さまざまな製造方法により、注目される数種の基板
上に形成される。しかしながら、導波型光デバイスの研
究の大半は、LiNbO3や半導体(たとえばGaAs
系の)基板に関するものである。LiNbO3へのチタ
ンの内拡散法によれば、良好な電気光学特性を備えた低
損失ストリップ状導波路を基板に形成するための、便利
で比較的簡単な方法が得られる。導波型光変調器の重要
なパラメータは、駆動電力(あるいは駆動電圧)と、変
調帯域幅と、特性インピーダンスと、挿入損失である。
これらのパラメータのうち、変調帯域幅と駆動電圧とは
トレード・オフの関係にあった。すなわち、広い変調帯
域幅と低い駆動電圧に対する要請を、同時に満足するこ
とは困難であった。そこで、導波型光変調器の研究は、
このトレード・オフの関係を最適化することに集中して
いる。
と、光波およびマイクロ波間の速度不整合により制限さ
れ、それ以外には、おもに、電極の種類・材料・配置
と、基板の誘電率に依存する。広帯域の用途には、進行
波電極が広く用いられている。その概念は、電極を駆動
伝送線路の延長として構成することである。そのため、
電極の特性インピーダンスは、電源およびケーブルの特
性インピーダンスと同じでなくてはならない。この場合
の変調速度は、光波およびマイクロ波の走行時間(また
は位相速度または有効屈折率)の差により制限される。
用い得る進行波電極構造としては、1)非対称ストリップ
ライン(Asymmetric Strip Line
(以下、ASLと略称する))型または非対称平面スト
リップ(Asymmetric Coplanar S
trip(以下、ACPSと略称する))型電極構造
と、2)平面導波(Coplanar Waveguid
es(以下、CPWと略称する))型電極構造の2種類
がある。
ファ層パラメータおよび電極パラメータを最適化するこ
とにより低減させることができる。同様に、帯域幅とト
レード・オフの関係にある駆動電圧は、電波(すなわ
ち、マイクロ波)と光波との重なり積分、即ち、オーバ
ーラップ積分と、さらには、バッファ層の厚さと、信号
電極および接地電極間の間隔と、信号電極/接地電極の
長さに関連する。速度整合および50Ωに近い特性イン
ピーダンスを保ちながら帯域幅を広げるためには、バッ
ファ層を厚くするとともに、電極幅を小さくし電極間の
間隔を広くした厚い電極を設けることが必要である。ま
た、要求される帯域幅/特性インピーダンス条件に対し
て導波路パラメータを固定させる。しかし、このこと
は、デバイスの駆動電圧を増大させるため、望ましくな
い。
い電極構造を用い、しかも、広帯域で(比較的)駆動電
圧の低い光変調器を実現した。これは、「A wide
−band Ti:LiNbO3 optical m
odulator witha convention
al coplanar waveguide typ
e electrode(従来の平面導波型電極を備え
た、広帯域TI:LiNbO3光変調器)」と題する論
文(IEEE Photonics Technolo
gy Letters、第4巻第9号(1992年)、
1020〜1022頁)に開示されている。本発明者ら
は、電極長2.5cmに対して帯域幅20GHz、駆動
電圧5Vを達成した。
ェンダ干渉計)およびCPW電極構造を備えたマッハ・
ツェンダ干渉計光変調器(上記実施例の)の基本構成を
示している。図5(b)は、A−A´線に沿う断面図で
ある。電気光学効果を有する結晶基板(ニオブ酸リチウ
ム結晶のような)1上に、導波路2、3、4が、チタン
金属膜ストリップを成膜し、結晶中に熱内拡散すること
により形成されている。光導波路構造は、2つのY字分
岐型導波路(入射側および出射側の両側)2および3
と、位相シフト部4が設けられている。厚さ1μmのバ
ッファ層(SiO2誘電体層)5で被覆される。バッフ
ァ層は、光導波路構造上を均一に被覆される。その上
に、信号電極および2つの接地電極からなる平面導波
(CPW)型電極構造が形成される。この電極構造は長
さ2.5cm、幅7μm、厚さ12μmのサイズを有し
ている。信号電極と接地電極との距離は、15μmであ
る。この構造によれば、バッファ層の厚さと、電極幅
(導波路幅)、電極間の間隔などは固定されるため、光
波と電波との重なり積分は固定されて駆動電圧が制限さ
れる。
ジ型導波路構造を用いることであり、このことは、特開
平6−300995号に開示されている。この特許にお
いて(図1および図2)、入射側および出射側Y字分岐
型導波路と、位相シフト部からなる光導波路構造には、
リッジ構造を持たせている。位相シフト部の干渉計アー
ム上の領域を除いて、それ以外の領域(すなわち、干渉
計アーム間の領域)はバッファ層で被覆され、バッファ
層上にCPW電極構造が形成される。この構造は低い駆
動電圧をもつことを要求されているが、水平電界(通常
の垂直電界の代わりに)を用いており、垂直電界を用い
るのに比べて全体の駆動電圧は約3倍に増大する。この
ことは、光変調器に関するいくつかの論文に述べられて
おり、例えば、「Waveguide Electro
optic Modulators(導波路型電気光学
変調器)」(IEEE Transactions o
nMicrowave Theory and Tec
hniques、Vol.MTT−30,No.8(1
982年)、1121〜1137頁、特に1123頁の
図3)を挙げることができる。また、リッジ型導波路の
製造には複雑な製造工程が含まれる。それゆえに、広帯
域幅かつ低駆動電圧の光変調器を得るために、ほとんど
すべての公知文献において普通に用いられている垂直電
界用の構成は、水平電界を用いた上記した構成にはほと
んど役に立たない。そこで、駆動電圧を低減することの
できる新規な構造が強く求められている。
り積分を増大させることを可能とすることによって、バ
ッファ層パラメーターと電極パラメーター、特にバッフ
ァ層の厚さ(すなわち、実際には、重なり積分)により
駆動電圧が制限されるという上記問題を解決する。
に配置され、電界(垂直電界あるいは水平電界のいずれ
か)が電極を介して印加される。直線的光電効果(ポッ
ケルス効果)により、導波路の屈折率プロファイルは印
加電圧に比例して変化する。この屈折率の変化の結果、
電気光学的に位相シフトが誘導され、この位相シフトの
結果として、変調が行なわれる。
変化Δnは、(印加電圧Vの関数として)数1式で表さ
れる。
晶(垂直電界が用いられる場合には、zカットによる基
板結晶)の電気光学係数、E(x,y)は印加電界、V
は印加電圧、Gは電極間の距離、Γは印加電界と光学モ
ードフィールド(以下、単に、光学フィールドと呼ぶ)
との重なり積分である。この重なり積分の値は、電極間
の距離と、導波路光学モードプロファイルと、電界プロ
ファイルと、バッファ層の厚さに依存する。そして、こ
のΓの値は0と1の間にあり、数2式で与えられる。
E(x,y)は二次元電界である。印加電界プロファイ
ルと光学フィールドプロファイル(すなわちモードプロ
ファイル)は異なるため、重なり積分Γは、これら2つ
のモードプロファイル間のオーバーラップ量をあらわ
す。電圧を減少させるためには、Γの値を、理論的限界
である1に限りなく近くなるよう増加させる必要がある
が、実際に達成可能な値は、バッファ層の厚さ、電極の
幅、間隔などのパラメータにより、0.3〜0.6の範
囲であった。
たる誘導総位相シフト量Δβは数3式で与えられる。
ち、オン−オフ動作)は、この誘導位相シフト量がゼロ
(オン状態)またはπ(オフ状態)をとることによって
可能である。
位相シフトは起こらず、変調器/スイッチはオンの状態
になる。他方、電圧Vが与えられると、πラジアンの位
相シフトが生じ、変調器/スイッチはオフの状態にな
る。
式を変形すると、電圧と長さの積VLが数4式であらわ
される。
イッチング電圧とも呼ばれる。
ことである。光学フィールドは、導波路の中心近傍(実
際の位置、すなわち、中心からの偏移[deviation] は導
波路の設計および製造のパラメーターにより得られる)
に集中し、電界は、電極の端部に集中する。図5に示し
た実施例において、Γの値は小さい。これは、電界強度
の最大点が光学フィールド強度の最大点とは異なるから
である。
が存在しない場所(すなわち、導波路間)から部分的に
バッファ層を除去すること、および、導波路の端部から
ずらした位置にバッファ層および電極構造を移動させる
ことによって、光学フィールド強度の最大点を電界強度
の最大点と整合させた導波路型光デバイスが得られる。
この場合、バッファ層は、TMモード損失を低減すると
いう観点で導波路上に必ず用いられる。導波路間にバッ
ファ層を設けずに導波路上に直接電極を配置されると、
光波のTMモードは失われてしまう。そこで、導波路あ
るいは電極構造のない場所においてバッファ層を除去す
れば、TMモード損失に悪影響を与えずに、重なり積分
を増大させることの助けとなる。同時に、導波路の端部
からずれた位置に(すなわち導波路の中心方向に)バッ
ファ層および電極の端部を移すことにより、さらに重な
り積分が増大する。導波路製造のパラメーターと、バッ
ファ層のパラメーターと、電極のパラメーターは、速度
整合状態とマイクロ波減衰状態を変化させないように、
適切な設計によって、最適化される。
示す。図1(a)は本発明の第1の実施の形態に係わる
導波型光デバイスの平面図であり、図1(b)は、図1
(a)のA−A´面に沿う断面図である。
ニオブ酸リチウム結晶など)1上に、導波路2、3、4
が、幅5〜20μm、厚さ500〜1200オングスト
ロームのチタン金属膜ストリップを成膜し、900〜1
100℃で5〜12時間、結晶中に内拡散することによ
って形成されている。入射側導波路2および出射側導波
路3として機能する2つのY字分岐型導波路と、位相シ
フト部4が設けられている。厚さ(T)1〜10μmの
バッファ層5(誘電率1.2〜40の誘電体層)で被覆
される。バッファ層5は、導波路あるいは電極の存在し
ない場所(すなわち、電極間)を除いて形成され、バッ
ファ層および電極の端部は、導波路の中心方向にずらさ
れている。バッファ層5上に、当該バッファ層と同様の
形状の平面導波(CPW)型電極構造が形成される。こ
の電極構造は信号電極6と2つの接地電極7とにより構
成され、信号電極は幅(W)5〜20μm、長さ(L)
10〜70mm、厚さ3〜40μmのサイズを有し、他
方、接地電極は幅100〜9000μm、長さ10〜7
0mm、厚さ3〜40μmのサイズを有している。信号
電極6と接地電極7との距離Gは、W/Gの値が1〜
0.1(すなわちG=5〜200μm)になるような距
離に選ばれている。
8がデバイスに取り付けられる。マイクロ波(電波)が
コネクタを介して信号電極6に与えられる。デバイスの
両側には、ファイバ及び当該ファイバーパッケージ9が
取り付けられ、デバイスに光が入射し、出射するのを可
能としている。
示す。図2(a)は本発明の第2の実施の形態に係わる
導波型光デバイスの平面図であり、図2(b)は、図2
(a)のA−A´面に沿う断面図である。
ニオブ酸リチウム結晶など)1上に、導波路2、3、4
が、幅5〜20μm、厚さ500〜1200オングスト
ロームのチタン金属膜ストリップを成膜し、900〜1
100℃で5〜12時間、結晶中に内拡散することによ
って形成されている。入射側導波路2および出射側導波
路3として機能する2つのY字分岐型導波路と、位相シ
フト部4が設けられている。厚さ(T)1〜10μmの
バッファ層5(誘電率1.2〜40の誘電体層)で被覆
される。バッファ層5は、導波路あるいは電極の存在し
ない場所(すなわち、電極間)を除いて形成され、バッ
ファ層および電極の端部は、導波路の中心方向にずらさ
れている。更に、バッファ層の厚さは、その一部が残り
の部分よりも薄くなるように、階段状に変化している。
バッファ層5上に、下のバッファ層と同じ形状の平面導
波(CPW)型電極構造が形成される。この電極構造は
信号電極6と2つの接地電極7とにより構成され、信号
電極は幅(W)5〜20μm、長さ(L)10〜70m
m、厚さ3〜40μmのサイズを有し、他方、接地電極
は幅100〜9000μm、長さ10〜70mm、厚さ
3〜40μmのサイズを有している。信号電極6と接地
電極7との距離Gは、W/Gの値が1〜0.1(すなわ
ちG=5〜200μm)になるような距離に選ばれてい
る。
8がデバイスに取り付けられる。マイクロ波(電波)が
コネクタを介して信号電極6に与えられる。デバイスの
両側には、ファイバ及び当該ファイバーパッケージ9が
取り付けられ、デバイスに光が入射し、出射するのを可
能としている。
示す。図3(a)は本発明の第3の実施の形態に係わる
導波型光デバイスの平面図であり、図3(b)は、図3
(a)のA−A´面に沿う断面図である。
ニオブ酸リチウム結晶など)1上に、導波路2、3、4
が、幅5〜20μm、厚さ500〜1200オングスト
ロームのチタン金属膜ストリップを成膜し、900〜1
100℃で5〜12時間、結晶中に内拡散することによ
って形成されている。入射側導波路2および出射側導波
路3として機能する2つのY字分岐型導波路と、位相シ
フト部4が設けられている。厚さ(T)1〜10μmの
バッファ層5(誘電率1.2〜40の誘電体層)で被覆
される。バッファ層5は、導波路あるいは電極の存在し
ない場所(すなわち、電極間)を除いて形成され、バッ
ファ層および電極の端部は、導波路の中心方向にずらさ
れている。バッファ層5上に、当該バッファ層と同様な
形状の非対称平面ストリップ(ACPS)型(または非
対称ストリップライン(ASL))型電極構造が形成さ
れる。これは、幅(W)5〜20μm、長さ(L)10
〜70mm、厚さ3〜40μmの信号電極6と、幅10
0〜9000μm、長さ10〜70mm、厚さ3〜40
μmの単一の接地電極7からなる。信号電極6と接地電
極7との距離Gは、W/Gの値が1〜0.1(すなわち
G=5〜200μm)になるような距離である。つぎ
に、コネクタ及びコネクタ用パッケージ8がデバイスに
取り付けられる。マイクロ波(電波)がコネクタを介し
て信号電極6に与えられる。デバイスの両側には、ファ
イバ及びそのファイバーパッケージ9が取り付けられ、
デバイスに光が入射し、出射するのを可能としている。
示す。図4(a)は本発明の第4の実施の形態に係わる
導波型光デバイスの平面図であり、図4(b)は、図4
(a)のA−A´面に沿う断面図である。
ニオブ酸リチウム結晶など)1上に、導波路2、3、4
が、幅5〜20μm、厚さ500〜1200オングスト
ロームのチタン金属膜ストリップを成膜し、900〜1
100℃で5〜12時間、結晶中に内拡散することによ
って形成されている。入射側導波路2および出射側導波
路3として機能する2つのY字分岐型導波路と、位相シ
フト部4が設けられている。厚さ(T)1〜10μmの
バッファ層5(誘電率1.2〜40の誘電体層)で被覆
される。バッファ層5は、導波路あるいは電極の存在し
ない場所(すなわち、電極間)を除いて形成され、バッ
ファ層および電極の端部は、導波路の中心方向にずらさ
れている。更に、バッファ層の厚さは、その一部が残り
の部分よりも薄くなるように、階段状に変化している。
バッファ層5上に、下のバッファ層と同じ形状の非対称
平面ストリップ(ACPS)型(または非対称ストリッ
プライン(ASL))型電極構造が形成される。これ
は、幅(W)5〜20μm、長さ(L)10〜70m
m、厚さ3〜40μmの信号電極6と、幅100〜90
00μm、長さ10〜70mm、厚さ3〜40μmの単
一の接地電極7からなる。信号電極6と接地電極7との
距離Gは、W/Gの値が1〜0.1(すなわちG=5〜
200μm)になるような距離である。つぎに、コネク
タ及びコネクタ用パッケージ8がデバイスに取り付けら
れる。マイクロ波(電波)がコネクタを介して信号電極
6に与えられる。デバイスの両側には、ファイバ及びそ
のファイバーパッケージ9が取り付けられ、デバイスに
光が入射し、出射するのを可能としている。
ら部分的にバッファ層を除去し、且つ、導波路の端部か
らずれた位置にバッファ層および電極の端部を移動させ
ることにより、駆動電圧を低減できる。
型光デバイスの基本構成を示す平面図である。(b)は
図1(a)のA−A´線に沿う断面図である。
型光デバイスの基本構成を示す平面図である。(b)は
図2(a)のA−A´線に沿う断面図である。
型光デバイスの基本構成を示す平面図である。(b)は
図3(a)のA−A´線に沿う断面図である。
型光デバイスの基本構成を示す平面図である。(b)は
図4(a)のA−A´線に沿う断面図である。
示す平面図である。(b)は図5(a)のA−A´線に
沿う断面図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 電気光学効果を有する結晶基板と、前記
結晶基板に設けられた少なくとも1つの導波路と、前記
結晶基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層
上に形成された電極とを備え、前記バッファ層は電極の
下部に形成されたバッファ層を少なくとも含み、当該電
極の下部に形成されたバッファ層の端部及び前記電極の
端部は、前記導波路の中心方向にずらされていることを
特徴とする導波路型光デバイス。 - 【請求項2】 電気光学効果を有する結晶基板と、前記
結晶基板に設けられた少なくとも1つの導波路と、前記
結晶基板上に形成されたバッファ層と、1つの信号電極
と前記信号電極を囲む2つの接地電極からなる電極群と
を備え、前記バッファ層は、前記信号電極の下部に形成
されたバッファ層を少なくとも含み、当該電極の下部に
形成されたバッファ層の端部および前記電極の端部は前
記導波路の中心方向にずらされていることを特徴とする
導波路型光デバイス。 - 【請求項3】 電気光学効果を有する結晶基板と、前記
結晶基板に設けられた少なくとも1つの導波路と、前記
結晶基板上に形成されたバッファ層と、1つの信号電極
と前記信号電極を囲む2つの接地電極からなる電極群と
を備え、前記バッファ層は、前記信号電極の下部に形成
されたバッファ層を少なくとも含み、前記信号電極の下
部に形成されたバッファ層の端部および前記電極の端部
は前記導波路の中心方向にずらして構成され、前記信号
電極の下部に形成されたバッファ層の厚さは、その一部
が残りの部分よりも薄くなるように階段状に変化してい
ることを特徴とする導波路型光デバイス。 - 【請求項4】 電気光学効果を有する結晶基板と、前記
結晶基板に設けられた少なくとも1つの導波路と、前記
結晶基板上に形成されたバッファ層と、1つの信号電極
と前記信号電極を囲む1つの接地電極からなる電極群
と、コネクタ及びコネクタ用パッケージ/マウントと、
前記導波路の両端に取り付けられたファイバ及びファイ
バパッケージを備え、前記バッファ層は、前記信号電極
の下部に形成されたバッファ層を少なくとも含み、当該
電極の下部に形成されたバッファ層の端部および前記電
極の端部は前記導波路の中心方向にずらされていること
を特徴とする導波路型光デバイス。 - 【請求項5】 電気光学効果を有する結晶基板と、前記
結晶基板に設けられた少なくとも1つの導波路と、前記
結晶基板上に形成されたバッファ層と、1つの信号電極
と前記信号電極を囲む1つの接地電極からなる電極群
と、コネクタ及びコネクタ用パッケージ/マウントと、
前記導波路の両端に取り付けられたファイバ及びファイ
バパッケージを備え、前記バッファ層は、前記信号電極
の下部に形成されたバッファ層を少なくとも含み、当該
電極の下部に形成されたバッファ層の端部および前記電
極の端部は前記導波路の中心方向にずらして構成され、
前記バッファ層の厚さは、その一部が残りの部分よりも
薄くなるように階段状に変化していることを特徴とする
導波路型光デバイス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8296802A JP2848455B2 (ja) | 1996-11-08 | 1996-11-08 | 導波型光デバイス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8296802A JP2848455B2 (ja) | 1996-11-08 | 1996-11-08 | 導波型光デバイス |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10142568A JPH10142568A (ja) | 1998-05-29 |
| JP2848455B2 true JP2848455B2 (ja) | 1999-01-20 |
Family
ID=17838341
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8296802A Expired - Fee Related JP2848455B2 (ja) | 1996-11-08 | 1996-11-08 | 導波型光デバイス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2848455B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008039859A (ja) | 2006-08-01 | 2008-02-21 | Fujitsu Ltd | 光変調器 |
| JP6191116B2 (ja) * | 2012-10-12 | 2017-09-06 | 株式会社豊田中央研究所 | 光変調装置 |
-
1996
- 1996-11-08 JP JP8296802A patent/JP2848455B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 1996年電子情報通信学会総合全国大会講演論文誌 エレクトロニクス1 (1996年3月11日発行) マダプシ ランガラージュ et.al.,「C−289 A Wide−band Ti:LiNb03 Optical Modulator with Low Driving Voltage」 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10142568A (ja) | 1998-05-29 |
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