JPH04304415A

JPH04304415A - 光制御素子

Info

Publication number: JPH04304415A
Application number: JP9475391A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Miyazawa; 弘宮澤; Osamu Mitomi; 修三冨; Kazuto Noguchi; 一人野口
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1991-04-01
Filing date: 1991-04-01
Publication date: 1992-10-27

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、動作速度が極めて速い
光変調器、光スイッチなどの光制御素子に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】高速かつ大容量の光ファイバ通信システ
ム、特にコヒーレント光ファイバ通信システムにおいて
は、高速で駆動電圧が小さい高性能な光制御素子が有用
である。この種の光制御素子の一例としては、外部変調
器、例えば光強度変調器、光位置変調器等がある。

【０００３】従来の外部光変調器としては、例えばマッ
ハツェンダ形光強度変調器がある。図８（ａ）　および
（ｂ）　は、従来の報告の中で、約２０　ＧＨｚの光３
ｄＢ変調帯域を達成したマッハツェンダ形光変調器の一
例の平面図およびそのＡ−Ａ′における一部分の拡大断
面図である（河野他：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．　Ｌｅｔｔ．
　，　ｖｏｌ．　２５．　ｐｐ．１３８２−１３８３．
１９８９　）。なお、図８（ａ）　の平面図ではシール
ド導体は省略してある。この例では、電気光学効果を有
するｚ板　ＬｉＮｂＯ３基板７０１　に、Ｔｉ熱拡散に
よりマッハツェンダ形光導波路７０２　が形成されてい
る。基板７０１　の上には厚さＤのＳｉＯ２バッファ層
７０３　が１μｍ　程度形成され、そのバッファ層７０
３　の上に中心電極７０４　およびアース電極７０５　
から構成されるコプレーナウェーブガイド　（ｃｏ−ｐ
ｌａｎａｒ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，ＣＰＷ）　が形成さ
れている。さらに、光導波路７０２　と進行波電極７０
４，　７０５が相互作用する領域の近傍にオーバレイ７
０６　を介してシールド導体７０７　が配置されている
。電極７０４　および７０５　は　ＣＰＷ電極と総称され
ており、進行波電極として構成されている。７０９　は
　ＣＰＷ電極７０４　と７０５　との間に接続された終
端抵抗であり、７０８　は電極７０４　および７０５　
に接続されて、制御用マイクロ波信号を、これら電極７
０４　および７０５　に供給する給電線である。電極７
０４　と７０５　の寸法としては、厚さは通常１〜４μ
ｍ　であり、中心電極７０４　の幅Ｗは８μｍ　であり
、中心電極７０４　とアース電極７０５　とのギャップ
Ｇは１５μｍ　である。オーバレイ７０６　の厚みは、
信号波の実効屈折率が光導波路を伝搬する光の実効屈折
率とほぼ等しくなるように、４μｍ　程度に設定されて
いる。一般に、バッファ層７０３　の厚さが厚い場合、
光導波路に印加される実効的な電界が弱くなり、単位長
あたりの駆動電圧が大きくなることが知られている。こ
のため、電極長を長くして駆動電圧を小さくするように
してある。この構造を用いることにより、これまで信号
波の実効屈折率と光導波路を伝搬する光の実効屈折率と
の不一致、つまり信号波と光との位相速度の不整合によ
る帯域制限　（数ＧＨｚ　程度）　がほぼ解消され、光
３ｄＢ変調帯域として２０ＧＨｚ　程度まで高速化され
た。

【０００４】図９は、Ｓｅｃｏｎｄ　Ｏｐｔｏｅｌｅｃ
ｔｒｏｎｉｃｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　（ＯＥＣ′８
８）　Ｐｏｓｔ−Ｄｅａｄｌｉｎｅ　Ｐａｐｅｒｓ　Ｔ
ｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ，　ＰＤ−１　（Ｏｃ
ｔｏｂｅｒ１９８８　，　Ｔｏｋｙｏ　）において提案
された光変調器の例である。この例では、進行波電極　
（ここでは非対称コプレーナストリップ：ＡＣＰＳを例
として用いた）を電極幅または電極間隔と同程度以上に
厚く形成することにより、信号波の実効屈折率を低減で
き、信号波と光との位相速度の差を緩和できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般に、進行波電極を
伝搬する信号波の伝搬損失は、信号波周波数の平方根お
よび電極長に比例する。このため、信号波の周波数がマ
イクロ波領域からミリ波領域と高くなるにつれ、信号波
の伝搬損失が新たな帯域制限の要因となる。進行波電極
の特性インピーダンスと外部回路の特性インピーダンス
が等しい場合、電極を伝搬する信号波と光導波路内を伝
搬する光とが相互作用を始める位置での信号波の電力に
対し、その相互作用が終わる位置での信号波の電力が約
１４ｄＢ減衰する信号波周波数が光３ｄＢ帯域となる。図８の従来例では、バッファ層７０３　が一様であるた
め、バッファ層形状による信号波の実効屈折率の低減効
果を有効に活用していない。このため、オーバレイ７０
８　の厚さが電極の幅または間隔と比較して小さく、信
号波の伝搬損失が大きくなり、広帯域化、高速化を阻ん
でいる。一方、前述したように電極長を短くすれば、伝
搬損失が小さくなって帯域が延びるが、電極長と駆動電
圧の積が一定であるので、駆動電圧が増加してしまう欠
点がある。また、図９の場合、信号波と光の位相速度整
合をとるためには、電極８０４，　８０５の厚みを、電
極の幅または間隔より大きく、数１０μｍ　程度形成す
る必要があり、電極８０４，８０５　間で短絡が生じる
等、製作上極めて高度な技術を要する。従って、現状の
技術では駆動電圧が同等で動作速度が極めて速い光制御
素子を実現することは困難である。本発明の目的は、前述した従来の問題点を解消し、動作
速度が極めて速く高効率な光制御素子を提供することに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は前記問題点を解
決すべく提案されたもので、少なくとも１本の光導波路
を具えた電気光学効果を有する基板と、基板の上に配置
されたバッファ層と、バッファ層の上に配置された進行
波電極と、光導波路と進行波電極とが相互作用する領域
の近傍にオーバレイを介して配置したシールド導体とを
具えた光制御素子において、バッファ層の厚さを場所に
より異なるように形成し、さらに電極の厚さおよびオー
バレイの厚さを厚く設定する。

【０００７】本発明によれば、高度な製作技術を必要と
しないで、信号波の実効屈折率を光導波路を伝搬する光
の実効屈折率に近くすること、進行波電極の特性インピ
ーダンスを外部回路の特性インピーダンスに近くするこ
と、および信号波の伝搬損失を低減することを同時に行
うことが可能である。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図１（ａ）　および（ｂ）　は、本発明に
よる光制御素子の実施例を説明するための平面図、およ
びそのＡ−Ａ′における一部分の拡大断面図である。な
お、図１（ａ）の平面図ではシールド導体は省略して示
している。この実施例では、図８（ａ）　および（ｂ）　に示した
従来例と同様にＴｉ熱拡散により形成した２本の光導波
路１０２　を具えた電気光学効果を有するＺ板ＬｉＮｂ
Ｏ３基板１０１（誘電率ε＝３６）の上に、進行波電極
としての中心電極１０４　およびアース電極１０５　を
配置する。導波路１０２　を伝搬する光が電極１０４，
　１０５に吸収されることによる損失を少なくするため
に、例えばＳｉＯ２バッファ層１０３　（　誘電率ε＝
４）を、必ず基板１０１　、電極１０４，　１０５間に
設ける必要がある。さらに光導波路１０２　と進行波電
極１０４，　１０５が相互作用する領域の近傍に、オー
バレイ１０６　を介してシールド導体１０７　を配置す
る。以上のように構成した光変調器において、進行波電
極１０４，　１０５に給電線１０８　から印加された信
号波に対する基板１０１　の実効屈折率ｎｍが、光導波
路１０２　を伝搬する光の実効屈折率ｎｏに近くなると
ともに、進行波電極１０４，　１０５の特性インピーダ
ンスＺｏ　が、外部回路の特性インピーダンスに近くな
るように、バッファ層１０３　の形状とオーバレイ１０
６　の厚さを設定する。

【０００９】この実施例では、中心電極１０４　の幅Ｗ
を８μｍ　、電極１０４　と電極１０５　との間隔Ｇを
１５μｍ　とし、光導波路１０２　の幅を、中心電極１
０４　の幅とほぼ等しい７μｍ　とした。さらに　Ｓｉ
Ｏ２　バッファ層１０３　の厚みは、中心電極１０４　
およびアース電極１０５　と基板１０１　との間　（バ
ッファ層の厚さ）　Ｄ１では　１．２μｍ　、電極１０
４，　１０５間と基板１０１　との間　（バッファ層の
厚さ）　Ｄ２ではＤ１より薄くした。オーバレイ１０６
　（ここでは、空気　（ε＝１）としている）の厚みＨ
と、近似計算による信号波の実効屈折率ｎｍおよび特性
インピーダンスＺｏとの関係を図２に、また信号波の伝
搬損失αとの関係を図３に示す。図２、図３中の実線お
よび破線はそれぞれこの実施例および従来例　（図７）
の値を示している。図２からわかるように、オーバレイ
１０６　の厚みＨを薄くすると、信号波の実効屈折率ｎ
ｍの値は小さくなり、光導波路１０２　の実効屈折率ｎ
ｏに近づくとともに、特性インピーダンスＺｏも小さく
なる性質がある。また図３からオーバレイ１０６　の厚
みＨを薄くすると、信号波の伝搬損失αは急激に増加す
ることがわかる。しかしながら、バッファ層１０３　の
厚さＤ２がＤ１と等しい従来例の構造においては、ｎｍ
をｎｏ（＝２．１５）　に一致させるようにオーバレイ
の厚みを選ぶ　（Ｈｂ　点）と、Ｚｏは約４５Ωとなる
が、αは約

【数１】であり、電極と光導波路の相互作用長を２．７ｃｍ　と
すると、光３ｄＢ帯域として約１９ＧＨｚ　となる。

【００１０】一方、バッファ層１０３　の厚さＤ２をＤ
１より薄くした場合では、従来例の場合と比較して、バ
ッファ層１０３　のみを通過する電気力線によって生ず
る容量が小さくなるので、シールド導体１０７　が存在
しない　（オーバレイ１０６　の厚さＨが無限大となる
）時の信号波の実効屈折率ｎｍが低減する。したがって
、ｎｍを　ｎｏ（＝２．１５）　に一致させるのに必要
なオーバレイ１０６　の厚みは、Ｈａ　点で示すように
Ｈｂ　点より厚くなる。このとき、Ｚｏは約５３Ωとな
り、αは約

【数２】と小さくなる。よって、光３ｄＢ帯域として３０ＧＨｚ
　以上の値が得られることになる。このように、シール
ド導体１０７　が存在しない場合の信号波の実効屈折率
ｎｍを僅かに小さくすることでも、ｎｍをｎｏと一致さ
せるオーバレイ１０６　の厚さを厚くすることができ、
信号波の伝搬損失を低減することができる。したがって
、超高速化を図ることが可能となる。

【００１１】この実施例では　ＳｉＯ２　バッファ層１
０３　の厚さＤ１を　１．２μｍ　としたが、所望する
変調帯域に応じてＺｏが５０Ωとなり、αが小さくなる
ように、Ｄ１，　Ｄ２，　Ｈ，Ｗ，Ｇの値を調整すれば
よい。なお、図２および図３に示す計算値は、概算によ
る結果であり、構造設計の目安を与えるものであるが、
例えば有限要素法等の構造解析法により厳密な構造設計
が可能である。

【００１２】図４（ａ）　，　（ｂ）　は本発明の他の
実施例の断面図である。図４（ａ）　は、光導波路４０
２　に近接していないアース電極４０５　の下のバッフ
ァ層４０３　の厚さを、光導波路４０２　に近接してい
るアース電極４０５　の下のバッファ層の厚さより厚く
した場合である。前述の実施例と同様にバッファ層４０
３　のみを通過する電気力線によって生ずる容量が小さ
くなり、シールド導体４０７　が存在しない場合の信号
波の実効屈折率ｎｍが小さくなる。したがって、前述し
たように超高速化が可能となる。また、図４（ｂ）　に
示すように、電極４０４，　４０５のエッジ近傍とバッ
ファ層４０３　′とが接触しないように構成することに
より、電極４０４，　４０５のエッジ近傍とバッファ層
４０３′との電気的結合が弱くなり、信号波の実効屈折
率ｎｍがオーバレイ４０６　の屈折率に近づくので、図
１に示す実施例と同様の効果が得られる。

【００１３】図５は、光導波路をリッジ型光導波路とし
た本発明の他の実施例の断面図である。前述の実施例に
おける光導波路内の光電界分布が閉じ込められるので、
超高速化と同時に低駆動電圧が可能である。図６（ａ）
　は、電極６０４，　６０５の厚さを電極６２と電極６
５との間隔程度に厚くした場合の本発明の他の実施例の
断面図である。この場合、電極６０４，　６０５間を平行板のコンデン
サとみなすことができ、信号波の実効屈折率ｎｍがオー
バレイ６０６　の屈折率に近づくので、前記実施例と同
様の効果が得られる。また、図６（ａ）　の実施例にお
いて、図６（ｂ）　に示すように、電極形状をオーバハ
ング状にすることにより、電極６０４，　６０５間の電
気的結合が強くなり（特願昭６２−２４８１５３）　、
電極厚を厚くすることと同様の効果を得ることができる
。なお、バッファ層の厚さは均一である必要はなく、電
極が形成されていない部分の最も厚い部分が、電極が形
成されている部分よりも薄ければよい。

【００１４】以上では、Ｔｉ　熱拡散やリッジ加工によ
る光導波路について説明したが、例えばイオン交換法に
より形成してもよい。さらに光導波路として直線導波路
や方向性結合器等を用いることによって、位相変調器や
スイッチ等を構成できる。オーバレイが空気の場合につ
いて説明したが、オーバレイとしては、ポリイミドや　
ＩＴＯ等誘電体や半絶縁体を用いてもよい。またバッフ
ァ層材料についても、ＳｉＯ２の場合について説明した
が、アルミナやテフロン等の誘電体や半絶縁体を用いて
もよい。さらにまた、光導波路を形成する基板としては
、Ｚ板のほかに他の方位面、例えばＸ板等を用いてもよ
い。ＬｉＮｂＯ３基板以外の電気光学効果を有する基板
、例えば　ＬｉＴａＯ３，　　ＫＴｉＯＰＯ４　等の基
板を用いてもよい。本発明の実施例では、進行波電極と
して　ＣＰＷ電極について説明したが、ＡＣＰＳ電極等
の電極構造を用いてもよい。

【００１５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
バッファ層の形状および電極の厚さにより、オーバレイ
の厚みを厚くできるので、信号波の伝搬損失が低減され
、高度な技術を必要としないで光変調の超高速化が可能
となる。また、一般に５０Ω系で設計されている外部回
路とのインピーダンス整合の点で有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）　は、本発明の一実施例の平面図である
。（ｂ）　は、図１（ａ）　に示すＡ−Ａ′における一部
分の拡大断面図である。

【図２】本発明の実施例における信号波の実効屈折率ｎ
ｍおよび特性インピーダンスＺｏとオーバレイの厚みＨ
との関係を示す特性図である。

【図３】本発明の実施例における進行波電極を伝搬する
信号波の伝搬損失αとオーバレイの厚みＨとの関係を示
す特性図である。

【図４】（ａ）　は、光導波路に近接していないアース
電極の下のバッファ層の厚さを光導波路に近接している
アース電極の下のバッファ層の厚さより厚くした本発明
の実施例の断面図なある。（ｂ）は、電極のエッジ近接とバッファ層とが接触しな
いようにした本発明の実施例の断面図である。

【図５】基板の形状を変えた本発明の他の実施例の断面
図である。

【図６】（ａ）　は、電極の厚さを電極間の間隔程度に
厚くした本発明の実施例の断面図である。（ｂ）　は、図６（ａ）　において、電極形状をオーバ
ハンク状にした本発明の実施例の断面図である。

【図７】（ａ）　は、従来のマッハツェンダ強度光変調
器の一例を示す平面図である。（ｂ）　は、図７（ａ）　のＡ−Ａ′における一部分の
拡大断面図である。

【図８】従来のマッハツェンダ強度光変調器の他の例の
断面図である。

【符号の説明】

１０１，　４０１，　５０１，　６０１，　７０１，　
８０１　　　　ＬｉＮｂＯ３基板１０２，　４０２，　
５０２，　６０２，　７０２，　８０２　　　　光導波
路１０３，　４０３，　４０３　′，　５０３，　６０
３，　７０３，　８０３　　　　ＳｉＯ２バッファ層１０４，　４０４，　５０４，　６０４，　７０４　　
　ＣＰＷの中心電極１０５，　４０５，　５０５，　６
０５，　７０５　　　ＣＰＷのアースの電極８０４　　
　ＡＣＰＳの中心電極８０５　　　ＡＣＰＳのアース電極１０６，　４０６，　５０６，　６０６，　７０６　　
　オーバレイ　（空気）１０７，　４０７，　５０７，
　６０７，　７０７　　　シールド導体１０８，　７０
８　　信号波給電線１０９，　７０９　　終端抵抗

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　少なくとも１本の光導波路を具えた電
気光学効果を有し、変調用信号波に対する実効屈折率が
、光導波路の光に対する実効屈折率よりも大きい基板と
、該基板の上に配置されたバッファ層と、該バッファ層
の上に配置された進行波電極と、該光導波路と該進行波
電極とが相互作用する領域の近傍にオーバレイを介して
配置したシールド導体とを具えた光制御素子において、
該進行波電極に印加される変調用信号波に対する実効屈
折率が前記光導波路の光に対する実効屈折率に近くなる
とともに、該進行波電極の特性インピーダンスが外部回
路の特性インピーダンスに近くなるように、かつ該信号
波の伝搬損失が小さくなるように、該バッファ層および
該オーバレイの厚さが定められており、さらに該バッフ
ァ層の厚さは、進行波電極の形成さていない部分が、バ
ッファ層の他の部分よりも薄く形成されていることを特
徴とする光制御素子。
【請求項２】　　前記光導波路に接近していないアース
電極の下のバッファ層の厚さを、前記光導波路に近接し
ているアース電極の下のバッファ層の厚さより厚くした
ことを特徴とする請求項１に記載の光制御素子。
【請求項３】　　前記進行波電極のエッジ近傍とバッフ
ァ層とが接触してないようにしたことを特徴とする請求
項１に記載の光制御素子。
【請求項４】　　前記光導波路をリッジ型光導波路とし
たことを特徴とする請求項１に記載の光制御素子。
【請求項５】　　前記進行波電極の厚さを、電極間の間
隔程度に厚くしたことを特徴とする請求項１に記載の光
制御素子。