JP3592245B2 - 共振型光変調器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信分野で位相変調器や強度変調器あるいは偏波変調器として用いられる光変調器の構成に関し、特に、小電力で変調効果の高い共振型光変調器の構成に関している。
【0002】
【従来の技術】
光変調器とは、電気信号の情報を、強度、位相、周波数、などの光キャリアに変換して出力するデバイスであり、その変調方法としては、光源であるレーザを直接変調する方法と、光源の外部の変調器を用いて変調する方法がある。上記の直接変調する方法は、装置的に簡単な構成とすることができるが、外部の変調器を用いて変調する方が高品質の変調が行えることが知られている。このため、超高速通信や長距離通信では、外部の変調器を用いて変調することが一般的に行なわれている。
【0003】
このように外部の変調器を用いて変調する場合には、電気光学効果を利用する変調器や、半導体の電界吸収効果を利用する変調器などが使われている。そのうちの前者の電気光学効果を利用する変調器に、本発明は関しているため、この点について以下にさらに詳しく説明する。
【0004】
光変調器に最も良く使われている電気光学効果を示す物質のひとつとして、LiNbO3がある。この物質の特性である、1次の電気光学効果であるポッケルス効果による屈折率変化を利用して変調を行なうことができる。その際、LiNbO3基板表面に平行に電界を印加するものと、垂直に電界を印加するものとがあることがよく知られている。これらは、LiNbO3基板の結晶方向の違いによるものであり、上記のそれぞれの電界に対応する基板は、それぞれ、Xカット、Zカット、と呼ばれている。
【0005】
前記のLiNbO3には、その他の特性として、基板にTi(チタン)などを熱拡散することによって、容易に屈折率を調整することができることがある。この特性を用いて、導波路をLiNbO3基板内部に形成し、集積化することがよくおこなわれている。
【0006】
このようなLiNbO3基板を用いた変調器には、進行波型光変調器と、共振型光変調器とがあることが知られている。進行波型光変調器は、光波と電気信号を同方向に導波させ導波しているあいだに光を変調する変調器である。この変調器は、直流信号から高周波信号までの広い帯域幅を持っているが、変調に必要な駆動電流が大きいという特徴がある。一方、共振型光変調器は、変調信号の共振を用いて変調を行なうため、使用しうる帯域は、マイクロ波領域の狭い帯域に限られるが、変調効率が高いという特徴がある。このため、狭い帯域で高効率に動作することが求められる偏波スクランブラやマルチプレクサなどに用いられると効果的である。
【0007】
本発明は、このような共振型光変調器の構成に関するため、次に、これを説明する。これについて既に知られている共振型光変調器(及川、他3名、「10GHZ帯共振型LiNbO3光変調器の検討」、2000年電子情報通信学会総合大会予稿集、204頁、講演番号C−3−25)の模式図を図7(a)、(b)に示す。図7(a)に示す変調器は、Zカット型であり、光導波路とその上に配置された電極(変調電極)とインピーダンス整合用のキャパシタンスからなっている。またその電極は、入力されるマイクロ波に共振するサイズを持っている。また、図7(b)に示す変調器は、変調電極とインピーダンス整合用のオープンスタブからなっている。この変調器は、図7(a)に示す変調器に比べて、製造が容易である、という特徴がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
図7(b)に示す変調器は、変調電極とインピーダンス整合用のオープンスタブが、同じメタル層を加工して形成されるため、製造が容易である、という特徴を持っている。しかし、共通電位配線層は、高周波信号の入力側の他に、光路を越えた側にも設けられており、しかも、これは変調電極を迂回する配置のため、共通電極でありながら、共通電位になるように構成するのが困難であり、また、光路に印加される変調に有効な電界強度が、共通電位配線層が高周波信号の入力側のみに設けられた場合に比べて、ほぼ半分になる、という欠点を持っている。
【0009】
この発明は、上記に鑑み提案されたもので、製造が容易でありながら、光路に印加される変調に有効な電界を損なうことの無い構成を持つようにして、小電力で変調効果の高い共振型光変調器を実現するものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第1の発明は、共振型光変調器に関して、電気光学効果特性を持った光路と、該光路に沿って形成された光路に電界を印加するための変調電極と、該変調電極に対向して形成された共通電極と、変調信号による該変調電極の電位分布の谷の部分で該変調電極に電磁的に接続された給電線と、該給電線に接続されたスタブと、共通電極とを含み、上記の変調電極によって分けられた領域の一方の側に、上記の給電線と、スタブと、共通電極とが設けられ、上記の変調電極は変調信号に共振するサイズであるという構成を持つことを特徴としている。
【0011】
また、変調器は、外部信号源により同軸ケーブルにより給電されることが多く、インピーダンス整合を取りながら、微小領域に給電する必要があるため、第2の発明は、第1の発明に加えて、上記の給電線は、テーパー状変成器を含むことを特徴としている。
【0012】
また、スタブは、単数でも複数でも良いが、複数設ける場合には、左右対称になる配置にすることにより、設計を容易にできることから、第3の発明は、第1あるいは第2の発明に記載の共振型光変調器において、上記のスタブは偶数個であり、上記の給電線について対称な位置にそれぞれ設けられていることを特徴としている。
【0013】
また、第1の発明において、スタブの設けられる位置は、変調電極と配線との交点であることが望ましいため、第4の発明は、第1の発明に加えて、上記の変調電極と給電線とは直角に交わり、スタブは給電線と変調電極とに接する配置を持つことを特徴としている。
【0014】
また、第1乃至第4のいずれかの発明において、開放端を持った変調電極を用いる事ができることから、第5の発明は、第1乃至第4のいずれかの発明に加えて、変調電極と該変調電極に対向して形成された共通電極とは、その両端において開放端を形成していることを特徴としている。
【0015】
また、第1乃至第4のいずれかの発明において、短絡端を持った変調電極を用いる事ができることから、第6の発明は、第1乃至第4のいずれかの発明に加えて、変調電極と該変調電極に対向して形成された共通電極とは、その両端において短絡端を形成していることを特徴としている。
【0016】
また、用いるスタブは、開放端をもったオープンスタブでも、短絡端をもったショートスタブでも良いことから、第7の発明は、第1乃至第6のいずれかの発明において、上記のスタブは、オープンスタブであることを特徴とし、第8の発明は、上記のスタブは、ショートスタブであることを特徴としている。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を、開放端を持った変調電極の場合を1)実施例1とし、短絡端を持った変調電極の場合を2)実施例2とし、また、先の変調器よりも長い変調電極をもつ場合を3)実施例3として図面に基づいて詳細に説明する。
【0018】
1)実施例1
光路に沿って形成された光路に電界を印加するための変調電極と、該変調電極に対向して形成された共通電極は、非対称コプレーナ導波路を形成するが、開放端を持った高周波信号の非対称コプレーナ導波路による変調電極を用いた共振型光変調器の模式図を図1に示す。その平面図を図1(a)に、その断面図を図1(b)に示す。この共振型光変調器は、波長1.55ミクロンの光を、中心周波数10GHzの高周波信号で強度変調するための、マッハ・ツェンダ‐干渉計型光変調器の構成を示している。ここで用いられている基板は、ZカットのLiNbO3基板であり、その光路はTi(チタン)を熱拡散することによって形成したものである。この基板上には、光導波路を伝搬する光の減衰を抑制するために0.55μ厚の酸化シリコン層9が形成され,その上に変調電極や変成器やスタブ、あるいは共通電極を形成する金属層(金、厚さ2μm)が設けられている。
【0019】
変調電極1は、共通電極6および7との距離は27μmであり、幅5μm長さ3250μmで、これは、変調信号である高周波信号の波長の0.19倍であるが、0.18〜0.22倍程度(あるいは0.67〜0.70倍程度)に設定することができる。この変調電極1の長さは、スタブ電極との合成インピーダンスが適度な領域に留まるようにするため、高周波信号にたいする共振点からすこし、20〜25%程度短く、ずれた長さであることが望ましい。
【0020】
また、ショートスタブ4および5は、共通電極6および7との距離は27μmであり、幅50μm長さ875μmで、これは、変調信号である高周波信号の波長の0.12倍である。ショートスタブ4および5は、変調電極1のほぼ中心に接続されており、変調電極1に対して斜め方向に設けられている。その接続部には給電線が接続されている。この接続は、図1(a)おいては連続した導電体により直流電流的に接続されているが、このように直流電流的な接続でなくても、キャパシタンスあるいはインダクタンスによる電磁的な接続であっても、目的を達成することができる。給電線としては、配線あるいはテーパー状変成器を含む。図1では、前記の接続部とそのテーパー状変成器の間に100μmの配線が設けられている。ショートスタブ4および5は、この配線にそって移動させても特段の不都合は発生しない。ここで、配線を設ける本質的な理由はなく、省略することも可能である。また、テーパー状変成器は、入力部分のコプレーナ導波路からの信号を反射して戻すことなくショートスタブに供給するためのものであり、長さ800μmで、幅は100μmから35μmに傾斜する形状となっている。また、その傾斜に合わせて、共通電極との距離も、325μmから107.5μmに傾斜している。また、ショートスタブは、変調電極の入力インピーダンスの周波数にたいする過剰な低下を抑制するものであり、特に、共振時のインピーダンスの過剰な低下の抑制に効果がある。このショートスタブは、入力する高周波信号の光の位相変化に及ぼす効果(誘導位相量)が最大になるように調整する必要がある。
【0021】
以上の構造の、波長1.55ミクロンの光を、中心周波数10GHzの高周波信号で強度変調するための、マッハ・ツェンダ‐干渉計型の共振型光変調器の、変調電極上での導波路中を進行する光からみた電界の強度と位相についての計算機シミュレーション結果を図2に示す。この図の電界強度は、入力した高周波信号の振幅で規格化したものであり、電界強度が高くなっているのが分かる。位相については、進行する光からみているため、左から右に増加している。また、最適化しない場合(具体的には、変調電極長を高周波信号の波長の0.5倍としたもの)の計算機シミュレーション結果を図3示す。図2と図3とを比べてみれば容易に分かるように、最適化により変調電極上の電位が増大していることが分かる。また、スタブを用いない場合(スタブ以外は図2の結果を得た条件と同じ)の計算機シミュレーション結果を図4示す。図2と図4とを比べてみれば容易に分かるように、スタブを用いることにより変調電極上の電位が増大していることが分かる。
【0022】
図1において、2個のショートスタブを用いているが、1個のショートスタブを用いても同様の効果を得る事ができる。この場合のショートスタブの構造は、前記の2個の場合に比べて、1.42倍の長さとすれば、良い。
【0023】
2)実施例2
次に、第2の実施例として、短絡端を持った高周波信号の非対称コプレーナ導波路による変調電極を用いた共振型光変調器の模式図を図5(a)に、その断面図を図5(b)に示す。この共振型光変調器も上記と同様に、波長1.55ミクロンの光を、中心周波数10GHzの高周波信号で強度変調するための、マッハ・ツェンダ‐干渉計型光変調器の構成を示している。基板や断面構造については、前記の実施例1の場合と同じであるため、以下の説明では省略する。
【0024】
変調電極8は、両端が共通電極に接続された形状をもっており、共通電極6および7との距離は27μmであり、幅5μm長さ7010μmで、これは、変調信号である高周波信号の波長の0.41倍であるが、0.41〜0.44倍程度(あるいは0.91〜0.94倍程度)に設定することができる。この変調電極8の長さも、上記の場合と同様に、スタブ電極との合成インピーダンスが適度な領域に留まるようにするため、高周波信号に対する共振点からすこし、15〜20%程度、短波長側にずれた長さであることが望ましい。
【0025】
また、ショートスタブ4および5は、共通電極6および7との距離は27μmであり、幅50μm長さ1165μmで、これは、変調信号である高周波信号の波長の0.16倍である。ショートスタブ4および5は、変調電極1のほぼ中心に接続されており、変調電極1に対して斜め方向に設けられている。その接続部からテーパー状変成器までは、100μmの配線が設けられている。この場合も、配線を設ける本質的な理由はなく、省略することも可能である。このショートスタブは、入力する高周波信号の光の位相変化に及ぼす効果(誘導位相量)が最大になるように調整する必要がある。
【0026】
開放端の変調電極長と、短絡端の変調電極長とを比べた場合、開放端の変調電極の場合、電極上の高周波信号の波長で、ほぼ2分の1波長であるが、短絡端の変調電極の場合は、ほぼ1波長に相当する。したがって、使いたい変調電極長によって、それらを選択することができるようになった。
【0027】
3)実施例3
図8は、波長1.55ミクロンの光を、中心周波数10GHzの高周波信号で強度変調するための、高周波信号波長の0.69倍の長さを持った変調電極のマッハ・ツェンダ‐干渉計型の共振型光変調器の、変調電極上での導波路中を進行する光からみた電界の強度と位相についての計算機シミュレーション結果を示す図である。この場合は、横軸が−0.4λ付近で電界の位相が180度以上になり反転しているのが分かる。位相が180度以上になるこの部分では、入力する高周波信号の光の位相変化に及ぼす効果(誘導位相量)が他の部分の逆になっているのがわかる。
【0028】
この現象により、総和としての誘導位相量が減少することが起こる。この減少を防止するためには、位相が180度を越えた領域では、変調電極と光路とがさらに離間した構成とするか、あるいは、基板の分極方向を反転させておくことが望ましい。離間した構成の場合には、この部分の誘導位相量は増加しないが、この部分のこの反転により、前記の減少が増加に転じる。この分極方向を反転するには、20〜25kV/mmの直流高電圧を印加すればよく、その方法は、例えば、論文(H.Murata, K.Kinoshita, G.Miyaji, A.Morimoto and K.Kobayashi, “Quasi−velocity−matched LiTaO3 guided wave optical phase modulator for integrated ultrashort optical pulse generators”, ELECTRONIC LETTERS 17th August 2000, vol.36 No.17, 1459−1460)に記載されている。以上で、実施例3の説明を終る。
【0029】
上述のいずれの変調器も、図6に示す様に、直列に接続して、変調の効果を強化することができる。この際、変調信号である高周波信号を、光の伝搬に合わせて、遅延器により調整する。
【0030】
上記の説明では、変調電極と共通電極は、直接向かい合う構成となっているが、これらの間に、高周波信号においては孤立したと等価な状態に有る他の導電体が挿入されたICPW(Interdigital Coplanar Waveguide)として知られた構成であっても、本発明の目的を達することができる。このような送電体を配置する導波路は、論文(David A. Thompson and Robert L. Rogers, IEEE MIVROWAVE AND GUIDED WAVE LETTERS, VOL., 8, NO. 7, JULY 1998, pp257−259)の図1に記載されている。本発明で用いる構成は、その構成において一方の共通電極を削除した非対称ICPWであり、これを図9に示す。
【0031】
また、上記の実施の形態においては、強度変調器について説明したが、電気光学効果を用いた偏波変調器では、上記の強度変調器と同様の構成をもつため、本発明が適用できることは明らかである。また、電気光学効果を用いた位相変調器では、変調電極のある光路のみの変調器であるため、本発明が適用できることは明らかである。
【0032】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【0033】
第1および第2の発明では、製造が容易でありながら、光路に印加される変調に有効な電界が増大されるため、小電力で変調効果の高い共振型光変調器を実現できるようになった。
【0034】
また、第3の発明では、左右にバランスのとれた配置となり、予期しない寄生振動をおこすことが無くなった。
【0035】
さらに、第4の発明では、簡単な構成となり、設計が容易になった。
【0036】
さらに、第5のおよび第6発明では、最適な変調電極の長さが異なるので、使いたい変調電極の長さに合わせて選択できる様になった。
【0037】
さらに、第7のおよび第8発明では、直流バイアスや低周波バイアスの有無にあわせて、使いたいスタブの形状を選択できる様になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】開放端を持った変調電極を用いた共振型光変調器の模式図を示す図で、(a)は、平面図であり、(b)は、断面図である。
【図2】波長1.55ミクロンの光を、中心周波数10GHzの高周波信号で強度変調するための、マッハ・ツェンダ‐干渉計型の共振型光変調器の、変調電極上での導波路中を進行する光からみた電界の強度と位相についての計算機シミュレーション結果を示す図である。
【図3】最適化しない場合(具体的には、変調電極長を高周波信号の波長の0.5倍としたもの)の、波長1.55ミクロンの光を、中心周波数10GHzの高周波信号で強度変調するための、マッハ・ツェンダ‐干渉計型の共振型光変調器の、変調電極上での導波路中を進行する光からみた電界の強度と位相についての計算機シミュレーション結果を示す図である。
【図4】スタブを用いない場合の、波長1.55ミクロンの光を、中心周波数10GHzの高周波信号で強度変調するための、マッハ・ツェンダ‐干渉計型の共振型光変調器の、変調電極上での導波路中を進行する光からみた電界の強度と位相についての計算機シミュレーション結果を示す図である。
【図5】短絡端を持った変調電極を用いた共振型光変調器の模式図を示す図で、(a)は、平面図であり、(b)は、断面図である。
【図6】複数の変調器を直列に接続して変調する構成を示すブロック図である。
【図7】既に知られている共振型光変調器を示す模式図である。
【図8】波長1.55ミクロンの光を、中心周波数10GHzの高周波信号で強度変調するための、高周波信号波長の0.69倍の長さを持った変調電極のマッハ・ツェンダ‐干渉計型の共振型光変調器の、変調電極上での導波路中を進行する光からみた電界の強度と位相についての計算機シミュレーション結果を示す図である。
【図9】変調電極として用いることのできる非対称ICPW(Interdigital Coplanar Waveguide)を用いた変調器を示す模式図である。
【符号の説明】
1 変調電極
2 配線
3 テーパー状変成器
4、5 スタブ
6、7 共通電極
8 変調電極
9 酸化シリコン層
10、11、12 導波路
Claims (8)
- 電気光学効果特性を持った光路と、該光路に沿って形成された光路に電界を印加するための変調電極と、該変調電極に対向して形成された共通電極と、変調信号による該変調電極の電位分布の谷の部分で該変調電極に電磁的に接続された給電線と、該給電線に接続されたスタブと、共通電極とを含み、上記の変調電極によって分けられた領域の一方の側に、上記の給電線と、スタブと、共通電極とが設けられ、上記の変調電極は変調信号に共振するサイズであるという構成を持つことを特徴とする共振型光変調器。
- 上記の給電線は、テーパー状変成器を含むことを特徴とする請求項1に記載の共振型光変調器。
- 上記のスタブは偶数個であり、上記の給電線について対称な位置にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項1あるいは2に記載の共振型光変調器。
- 上記の変調電極と給電線とは直角に交わり、スタブは給電線と変調電極とに接する配置を持つことを特徴とする請求項1に記載の共振型光変調器。
- 変調電極と該変調電極に対向して形成された共通電極とは、その両端において開放端を形成していることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の共振型光変調器。
- 変調電極と該変調電極に対向して形成された共通電極とは、その両端において短絡端を形成していることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の共振型光変調器。
- 上記のスタブは、オープンスタブであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の共振型光変調器。
- 上記のスタブは、ショートスタブであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の共振型光変調器。
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