JP2002350796A - マッハ−ツェンダ電子−光学変調器 - Google Patents
マッハ−ツェンダ電子−光学変調器Info
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Abstract
マッハ−ツェンダ電子−光学変調器構成を提供するこ
と。 【解決手段】 本発明のマッハ−ツェンダ電子−光学変
調器は、3つの領域を含む。第1領域は、一対の離間し
た導波路を有し、第2導波路64上に配置された接地電
極76と第1導波路66上に配置された変調信号を搬送
するRF電極(ホット電極とも称する)72を具備す
る。第2の遷移領域が第1領域の直後に配置される。電
極構造はこの第2領域に移り、RF電極72は、第2領
域の出口点で第2導波路64上に重ねて配置され、接地
電極78が第1導波路66上に配置される。第3領域が
第2領域の後に配置される。そしてRF電極72は第2
導波路64上に保持され、接地電極78が第1導波路6
6上に保持される。
Description
電子ー光変調器に関し、特に変調器内を通過する別個の
光学信号の位相差により引き起こされるデバイスのチャ
ープを補償するために、適宜の長さを有する領域を交互
に適宜の数だけ配置したリチュウム−ナイオバイト(li
thium niobate)製基板を含むマッハ−ツェンダ電子−
光学変調器に関する。
システムにおいては、送信器として機能する適宜の光ソ
ースが必須のものである。半導体レーザは、高速で直接
変調することが可能であり、そのため光学伝送システム
で幅広く用いられている。しかし高速ビットレート(す
なわち10Gb/s以上、時には40Gb/s)の需要が
増加するにつれて、半導体レーザのある固有の特性が重
要な役目をするようになる。これらの固有の特性の一つ
は「チャーピング」であり、これはレーザが高速ビット
レートの入力信号で変調される際に伝送波長の変動とし
て定義される。
は、半導体レーザのデバイスを「直接」変調する代わり
に、いわゆる「外部」変調を用いることである。外部変
調器では、従来の1.5−1.6μmの半導体レーザ
は、連続波(continuous wave:CW))モードで動作
し、レーザからの連続出力は、光学変調器を用いて「オ
ン」と「オフ」で外部から切り替えて、所望の高速ビッ
トレート(2進)の光学信号を得る際には、マッハツェ
ンダー干渉器を光学変調器として用いている。
プリッタ(分離器)と光学導波路コンバイナ(結合器)
との間に接続された一対の導波路チャネル(アームとも
称する)を有する。光学ソース(例えばCWレーザーダ
イオード)が導波路スプリッタに結合されて、この導波
路スプリッタがY型ブランチスプリッタ、あるいは方向
性カプラとして機能する。スプリッタからの2本の光ビ
ームは一対の導波路チャネル内を伝搬し、導波路コンバ
イナにより再結合される。電極が一対の導波路チャネル
の各アーム上に配置され、変調電圧(すなわち入力「デ
ータ」オン/オフ信号)を一方、あるいは両方の電極に
与え、2本の光ビームの相対位相を変更している。従来
の構成においては、一個の電極を接地電位に維持し、他
方の電極を電気RFデータ信号でもって変調している。
ビットレートが達成可能であることが見いだされている
が、従来の最高速の外部変調器を構成するために用いら
れるリチウムナイオバイト製の基板材料は、変調器の2
本のアーム間に位相差を示す。これは各アームにかかる
電界が異なることにより引き起こされたものである。す
なわち電極に加えられる電圧は、RF電極と接地面の両
方の真下にあるリチウムナイオバイト製の基板材料内に
(異なった量だけ)電界を変化させる。各導波路チャネ
ル上の電界が異なるために、各アーム内の有効屈折率の
変化量が異なり、これにより位相差(チャープ)が出力
信号に導入されることになる。
及び将来の通信アプリケーションに必要な高いビットレ
ートのスループットを与えることができ、かつ不要なチ
ャープを光学出力信号に導入することのないマッハ−ツ
ェンダ電子−光学変調器構成を提供することである。
り解決できる。本発明は、マッハ−ツェンダ電子光学変
調器に関し、特に強誘電性領域を交互に配置してなるリ
チウムナイオバイト製の基板を含むマッハ−ツェンダ電
子−光学変調器に関し、マッハ−ツェンダ変調器の2本
のアームを通過する光学的に分離した信号間の光学位相
差を補償するものである。
−ツェンダ電子−光学変調器は、3つの領域を直列に配
置した構造を含む。第1領域は従来のマッハ−ツェンダ
電子−光学変調器と類似し、一対の離間した導波路を有
し、第2導波路に配置された接地電極と第1導波路上に
配置された変調信号を搬送するRF電極(ホット電極と
も称する)を具備する。第2の比較的短い遷移領域が第
1領域の直後に配置される。電極構造はこの第2領域に
移り、その結果RF電極は、第2領域の出口点で第2導
波路上に重ねて配置され、接地電極が第1導波路上に配
置される。第3領域(第1領域に対し反転された領域を
有するリチウムナイオバイト製基板材料を含む)が第2
領域の後に配置される。そしてRF電極は第2導波路上
に保持され、接地電極が第1導波路上に保持される。
対の光学信号間に正の全光学パス長(total optical p
ath length difference (TOPD)、チャープとも
称する)を導入する(信号が再度組み合わされ、デバイ
ス出力がこの点で取り上げられた場合には信号チャープ
となる)。しかし反対の符号のTOPDが第3領域に現
れる。そのため第1領域と、第2領域と、第3領域の組
み合わせを適宜制御することにより、TOPDは0にす
ることができる。第1領域と、第3領域の導波路の光学
パス長さが実質的に等しい限り、TOPDの正の値と負
の値が打ち消しあい、光学出力信号内のチャープの大部
分を取り除くことができる。
製基板の領域を用いることにより、光学出力信号上の変
調を保存するが、これは電極の配置が第1領域と、第3
領域で切り替わるからである。そのため変調器のRF電
極を移動させること及びある領域のドメインを反転させ
ることを組み合わせることにより、チャープを大幅に減
らしたマッハ−ツェンダデバイスが得られる。
量のチャープ(ある種のアプリケーションズが有用であ
る)を、第1領域又は第3領域のいづれか、あるいはそ
の両方の物理的長さを変更することにより導入すること
ができる。
イン反転領域を光学基板の長さ方向に沿ってカスケード
接続することにより、正のPOTDと、負のPOTDの
間で切り替わるデバイスを形成し、これにより光学入力
信号のチャープ量の制御が容易となる。
ンダ変調器10の斜視図である。マッハ−ツェンダ変調
器10は、例えばリチウムナイオバイト製の光学−電子
基板12内に形成され、入力導波路部分14を含む。こ
の入力導波路部分14は、導波路を一対の平行に配置さ
れた導波路アーム16,18に分離する3dBカプラを
含む。導波路アーム16,18は、所定の長さLを有
し、そして個々のアームがその後出力導波路部分20で
再結合される。変調器の機能を与えるために、入力レー
ザデバイス(図示せず)を用いて連続波(CW)の入力
光学信号を入力導波路部分14に与える。RFソース2
3からの変調入力(データ)信号(すなわち電気RF信
号)がRF入力として与えられ、CW入力光学信号を変
調し、データ符号化された光学出力信号を生成する。
調器10は、光学−電子基板12の上部表面24上に配
置された第1電極22を有し、導波路アーム16の上に
重ねられている。上部表面24の残りの領域は絶縁領域
28,29を除いて接地電極26によりカバーされてお
り、これを用いて第1電極22と接地電極26の間の電
気的絶縁を保持している。そのため図1に示すように、
接地電極26は、一対の導波路アーム内の導波路アーム
18の上に重なって形成されている。第1電極22は、
RFソース23に電気的に接続されて、導波路アーム1
6と導波路アーム18の長さ方向に沿って電界を変更す
る。
を残りの電極にかける構成により、変調器の駆動電圧を
低く維持することができる。しかし導波路アーム16,
18は、異なる量の位相シフト受けるために、異なる光
学パス長さを含むよう形成される。位相シフト差は、導
波路アーム16の上に形成されたホット電極である第1
電極22が原因であり、これにより導波路アーム16
は、(第2の接地電極接地電極26の下に配置された)
導波路アーム18よりもより大きな電界(同様に、光学
屈折率のより大きな変化)を受ける。導波路アーム16
と導波路アーム18に沿って伝搬する2つの光学信号
が、出力導波路部分20で再度結合すると、出力光の位
相は、導波路アーム16,18の光学位相の平均とみな
すことができる(導波路アーム16,18が同程度の光
学伝搬損失特性を示す場合)。同様の表現方法をとる
と、デバイスの全光学パス長さは、デバイスの2本の光
学パス長さの平均とみなすことができる。特に導波路ア
ーム16の光学パス長さの変化はΔn1xL1であり、
導波路アーム18の光学パス長さの変化は、Δn2xL
2である。ここでΔn1とΔn2は、RF信号が印加さ
れた結果として導波路アーム16,18の有効屈折率の
変化であり、L1、L2は導波路アーム16,18の実
際の長さである。多くの場合図1に示すようにL1=L
2=Lである。従来技術にかかるマッハ−ツェンダ変調
器10のRF信号/光学導波路のオーバーラップから得
られる「全光学パス長さの差 total oputical path
differenceTOPD」は次式で提示される。 TOPD=((|Δn1|xL1)−(|Δn2|xL
2))/2=L/2x(|Δn1|−Δn2|)
−ツェンダ変調器10においては、|Δn1|は4x|
Δn2|にほぼ等しい。Δn1とΔn2が印加されたR
F電圧の大きさに依存するものとすると、変調器がオン
状態とオフ状態の間で切り替わるにつれてTOPDも変
化する。そのため変調器の光学信号のスループットが変
化すると、出力光学信号の位相も変化する。これは従来
のシングルエンド光学変調器におけるチャープの物理的
原因である。
生する出力信号のチャープは、本発明の多段マッハ−ツ
ェンダ変調器を用いることにより大幅に減らすことがで
きる。本発明のマッハ−ツェンダ変調器は、図1で説明
したような構成で導入されたチャープを受ける反転ドメ
イン領域を含む。特に図2は、本発明により形成された
マッハ-ツェンダ変調器30の上面図であり、同図にお
いてマッハ-ツェンダ変調器30は、従来の変調器に類
似した第1領域32と、第2遷移領域34と、第3領域
36とを有し、基板材料の強誘電性ドメインが第3領域
36内で反転され、第1領域32内の光学信号が受ける
アンバランスな位相変化を補償している。
器30内の光学導波領域は、(入力CW光学信号に応答
する)入力光学導波路40から枝分かれした平行な第1
導波路アーム42,第2導波路アーム44と、(第1導
波路アーム42,第2導波路アーム44に沿って伝搬す
る光学信号を再結合する)出力光学導波路46とを有す
る。RF電極48は、マッハ-ツェンダ変調器30の第
1領域32の領域では第1導波路アーム42の上に重ね
て形成されている。接地電極50は、第1領域32の残
りの表面領域の上をカバーするように形成されている。
ただしRF電極48と接地電極50との間の電気的分離
を維持するために用いられる絶縁領域52,54の対と
なっている部分を除く。そのため第1領域32において
は、入力RF電気信号が第1導波路アーム42の屈折率
(Δn1)を、第2導波路アーム44の屈折率(Δ
n2)よりも大きく変化させる。この構成により第1領
域32のTOPDの正(負)の値(|Δn1|>|Δn
2|)を導入させ、Δn1>Δn2の場合には「正の変
化」であり、Δn1<Δn2の場合には「負の変化」で
ある。そのため第1導波路アーム42はホット電極であ
るRF電極48の下にあるため、かくして有効光学パス
長さが減少(または増加)することにより、第1導波路
アーム42では、第1領域32の光学位相を前進させる
(または遅らせる)、一方、第2導波路アーム44は、
接地電極50の存在により光学位相の遅れ(または前
進)を受ける。すなわち有効光学パス長さの増加(また
は減少)する。
域34は、RF電極48の位置を第1導波路アーム42
の上から第2導波路アーム44の上にシフトするために
形成されている。すなわちRF電極48は、第2遷移領
域34の領域において第1導波路アーム42から離れる
ように湾曲し、第2遷移領域34の端部でRF電極48
は第2導波路アーム44の上に重なっている。同時に接
地電極50は、マッハ-ツェンダ変調器30の第3領域
36領域で第1導波路アーム42の上に重なるように構
成される。第2遷移領域34の沿った両方電極の一致し
た動きにより光学パス長さの遅延を導入しないようにで
きる。
変調器30は、第3領域36の基板材料のドメインが第
1領域32の基板材料のドメインに対し反転(第3領域
36の領域に示されるように)するように形成される。
本発明による基板材料のドメインを反転することによ
り、第1領域32で生成されるのとは反対の光学位相シ
フト、すなわち光学パス長さの変化を生成し、これは各
領域の同一の電界を用いることにより行なわれる。その
ためホット電極であるRF電極48を第1導波路アーム
42に移動させることと、反転されたドメインとを組み
合わせることによりデバイスの変調特性を保持しながら
(例えば第1導波路アーム42に沿った位相は第2導波
路アーム44に対し進んだ状態にある)、第1領域32
の出力点における信号に存在するチャープをキャンセル
する。
きRF電極48を移動させることにより、この領域の屈
折率の変化を増加させ(|Δn2|>|Δn1|)、こ
れは第1領域32の正(または負)の値に等しい負(ま
たは正)の値のTOPDを生成する。電極の移動とドメ
イン反転により、第1導波路アーム42の沿った位相の
フロントをさらに前進させ(すなわち光学パス長さをさ
らに短くし)、第2導波路アーム44に沿った位相のフ
ロントをさらに遅らせる(すなわち光学パス長さをさら
に増加させる)。一方の導波路から他方の導波路へ電極
を移動させることにより、光学パス長さの差を維持でき
る機能は、デバイスの変調特性を維持するのに重要であ
る。
図2に示すように対称のデバイスとして構成される。す
なわち第1領域32と第3領域36の導波路アームの光
学パス長さの変化は、この変化が第1導波路アーム4
2,第2導波路アーム44で受ける変化に等しいか、あ
るいは反対のものとなるようにバランスをとる。RF電
極48は、各領域の導波路の適宜の長さにわたって延び
るよう配置されている。この対称性によりデバイス内に
存在する全てのチャープをキャンセルすることができ
る。しかしある種のアプリケーションにおいては所定量
のチャープを維持するのが望ましい場合がある。このよ
うな場合においては、第1領域32と第3領域36のR
F電極の長さを制御して、所定量のチャープを有するよ
うな変調器を構成することが可能である。
エンドのチャープを補償したマッハ−ツェンダ変調器6
0を示す。上記したように図2に示した構成を変更する
ことにより、図3に示したカスケード接続された複数の
遷移領域とドメイン反転領域とを有する。特にマッハ−
ツェンダ変調器60は、図2で議論したのと同様な光学
導波路構造を有し、入力結合部分62と、平行に配置さ
れた導波路アーム64,66と、出力結合部分68とを
有する。
力信号Iは入力結合部分62に入力され、変調された光
学出力信号Oが出力結合部分68から出る。この導波路
構造は、例えばリチウムナイオバイト製の光学基板材料
70内に形成される。RF電極72は、光学基板材料7
0の上部表面74の上に形成され、特にこの構成におい
ては導波路アーム66の一部をまずカバーし、その後所
定の長さL2にわたって遷移して、次に導波路アーム6
4の一部を長さL3にわたってカバーし、その後所定の
長さL4だけその遷移状態を戻して再び導波路アーム6
6の一部をカバーするようにする。そしてこれを繰り返
す。
板材料のドメインは各領域で反転され(+Zで示す)、
RF電極72が導波路アーム64の上に配置される。接
地電極領域76,78も示されている。この構成におい
てはチャープは、ドメインが反転されるような、さらに
余分の領域を用いて−Zドメイン材料と+Zドメイン材
料の両方に対する領域を短くすることにより、チャープ
をより細かく制御することができる。遷移領域は図では
Tで示している。
な変形例を考えることができるがそれらは本発明の範囲
内に入る。
記載した番号は、本発明の一実施例の対応関係を示すも
ので本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではな
い。
変調器を表す斜視図
シングルエンドマッハ−ツェンダ電子−光学変調器の上
面図
に沿って複数のカスケード接続された遷移領域と、ドメ
イン反転領域を有するマッハ−ツェンダ電子−光学変調
器を表す上面図
Claims (9)
- 【請求項1】 光学入力信号がRF電気信号に応答して
変調された光学出力信号を生成する光学基板上に形成さ
れたマッハ−ツェンダ電子−光学変調器において、 (A) 一対の第1と第2の導波路(66,64)に分
離される入力導波路スプリッタ(62)と、 (B) 前記一対の第1と第2の導波路(66,64)
に接続された一対の導波路と少なくとも一個の出力光学
ポートとを有する出力導波路コンバイナ(68)と、 (C) 前記第1導波路(66)の第1所定長さ
(L1)をカバーし、その後前記第1導波路(66)か
ら第2導波路(64)へ位置をシフトさせ、さらに第2
導波路(64)の第2所定長さ(L3)をカバーするよ
う配置されるRF電極(72)と、 (D) 第2導波路(64)の第1所定長さ(L1)
と、第1導波路の第2所定長さ(L3)をカバーするよ
う配置された接地電極(78)とを有することを特徴と
するマッハ−ツェンダ電子−光学変調器。 - 【請求項2】 前記光学基板材料は、リチウムナイオバ
イトを含むことを特徴とする請求項1記載の変調器。 - 【請求項3】 前記第1導波路と第2導波路の第1所定
長さ(L1)内で電子−光学的に誘起される位相シフト
の量は、前記第1導波路と第2導波路の第2所定長さ
(L3)内で電子−光学的に誘起される位相シフトの量
に等しく、その結果光学出力信号内のチャープをキャン
セルすることを特徴とする請求項1記載の変調器。 - 【請求項4】 前記第1導波路と第2導波路の第1所定
長さ(L1)内で電子−光学的に誘起される位相シフト
の量は、前記第1導波路と第2導波路の第2所定長さ
(L3)内で電子−光学的に誘起される位相シフトの量
に等しくなく、その結果光学出力信号内に所定量のチャ
ープを導入することを特徴とする請求項1記載の変調
器。 - 【請求項5】 前記接地電極は、光学基板の表面をカバ
ーする接地プレーンとして形成され、 (E) 前記接地プレーンとRF電極間に絶縁を維持す
るための絶縁領域をさらに有することを特徴とする請求
項1記載の変調器。 - 【請求項6】 光学入力信号がRF電気信号に応答して
変調された光学出力信号を生成する光学基板上に形成さ
れたマッハ−ツェンダ電子−光学変調器において、 (A) 一対の第1と第2の導波路(66,64)に分
離される入力導波路スプリッタ(62)と、 (B) 前記一対の入力導波路スプリッタ(66,6
4)から伸びた一対の第1と第2の導波路と少なくとも
一個の出力光学ポートとを有する出力導波路コンバイナ
(68)と、 (C) 前記第1導波路と第2導波路との交互に配置さ
れた長さ部分をカバーするよう配置されるRF電極と、 前記第1導波路と第2導波路の間には遷移領域があり、 (D) 前記第1導波路と第2導波路の交互に配置され
た長さ上に配置されたRF電極とは逆の場所に配置され
た接地電極とを有することを特徴とするマッハ−ツェン
ダ電子−光学変調器 - 【請求項7】 前記光学基板材料は、リチウムナイオバ
イトを含むことを特徴とする請求項6記載の変調器。 - 【請求項8】 前記RF電極によりカバーされる第1導
波路の各セクション内で電子−光学的に誘導される位相
シフト量は、前記RF電極によりカバーされる第2導波
路の各セクション内で電子−光学的に誘導される位相シ
フト量に等しく、その結果、光学出力信号内にあるチャ
ープをキャンセルすることを特徴とする請求項6記載の
変調器。 - 【請求項9】 前記RF電極によりカバーされる第1導
波路の各セクション内で電子−光学的に誘導される位相
シフト量は、前記RF電極によりカバーされる第2導波
路の各セクション内で電子−光学的に誘導される位相シ
フト量に等しくなく、その結果、光学出力信号内に所定
量のチャープを導入することを特徴とする請求項6記載
の変調器。
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