JPH05297332A

JPH05297332A - 光変調器

Info

Publication number: JPH05297332A
Application number: JP9973592A
Authority: JP
Inventors: Manabu Yamada; 学山田; Toru Sugamata; 徹菅又; Jun Hidaka; 潤日高; Kazumasa Kiuchi; 和昌木内
Original assignee: Sumitomo Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Cement Co Ltd
Priority date: 1992-04-20
Filing date: 1992-04-20
Publication date: 1993-11-12

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】マッハ・ツェンダ型光変調器において、分岐
光導波路の平行部の間隔を従来の対称型分岐光導波路構
造のものと同一にしたままで、分岐光導波路の光路長差
を制御することにより、半波長電圧Ｖπの増大、並び
に、変調帯域の劣化を招くことはなく、変調器動作点シ
フト値を幅広く制御することができる光変調器を提供す
る。【構成】電気光学効果を有する平面状基板１に、２個
のＹ分岐２ｃ，２ｄにより分岐し、そして合流される第
１及び第２の光導波路２ａ，２ｂを有する光導波路２，
２ｅを設け、前記の第１及び第２の分岐光導波路２ａ，
２ｂを伝播する光の間に位相差を生じさせるように、信
号電極３及び接地電極４ａ，４ｂを設けたマッハ・ツェ
ンダ型光変調器において、前記の第１及び第２の分岐光
導波路２ａ_１，２ｂ_１の平行している部分の一部分を、
相互の間隔を保持して湾曲させて、２本の光導波路間に
光路長差を生じさせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、外部からの電気信号に
より光変調を行なうための外部変調器の、光導波路に関
する。

【０００２】

【従来の技術】最近の光通信システムにおける光変調方
式としては、光源としてのレーザ・ダイオードを直接に
変調する方式が用いられているが、この方式では変調光
波長の時間的微小変動、いわゆる、チャ−ピング現象が
存在するため、数ＧＨｚ以上の高速化や長距離伝送には
限界がある。今後、より大容量、長距離伝送が必要とさ
れることから、より高速、低駆動電圧でチャ−ピングが
無く、しかも、変調器動作点が制御できる光変調器の開
発が求められている。

【０００３】現在、光通信システムにおける高速変調方
式としては、レーザ光を外部で変調する外部変調方式が
知られている。特に電気光学効果を有する基板上に分岐
導波路を設け、進行波型電極を用いて駆動するマッハ・
ツェンダ型光強度変調器が有望視されている。図５は、
通常のマッハ・ツェンダ型光強度変調器の一例を示す構
造図である。（ａ）は平面図で、（ｂ）は中央部Ｙ−
Ｙ’線に沿う断面図である。電気光学効果を有する基板
１の表面部分に、分岐型光導波路２ａ、２ｂが、その部
分のみを選択的に屈折率を高める方法で形成され、光が
閉じ込められるようになっている。なお、分岐光導波路
２ａ及び２ｂは、対称的な形状に作製されており、長さ
は等しくなっている。信号電極３と接地電極４ａ、４ｂ
は、いずれも金等の金属薄膜により形成されている。５
はバッファー層で、通常、ＳｉＯ₂ 等の薄膜である。

【０００４】図６は、図５のマッハ・ツェンダ型光強度
変調器の動作状態を示すグラフであり、横軸に駆動電
圧、縦軸に出力光強度をとっており、実線が図５の変調
器の動作状態を示す。図５の分岐導波路２の左側から入
射した光は、分岐部２ｃにより分岐導波路２ａ、２ｂに
等強度に分割され、合流部２ｄにより再度１つにまとめ
られる。この際に、駆動電圧が０（印加しない）であれ
ば、合流端２ｄにおいて両導波路相互の光の位相差は０
で最大光出力強度が得られる。駆動電圧として、Ｖπを
電源６より信号電極３に印加した場合には、電気光学効
果により両導波路間の屈折率に変化が生じ、光の進行速
度が変わるため、合流点２ｄにおける両導波路相互の光
は、半波長（π）分の位相差を生じて、相互に打ち消し
あい、光出力強度は０となる。従って、０及びＶπとな
るように駆動電圧を印加することにより、光信号出力と
しては、ｏｎ（０の場合）及びｏｆｆ（ｖπの場合）の
信号として得ることができる。なお、Ｒは終端抵抗であ
る。

【０００５】一方、このような光変調器を実際に使用す
る場合には、動作点をシフトさせ、例えば、図６の点線
に示したように光信号出力のｏｎ−ｏｆｆを逆転させる
（即ち、駆動電圧０でｏｆｆ、ｖπでｏｎする）必要が
ある場合がある。従って、動作点シフトの制御が重要な
課題となる。動作点シフトの制御方法としては、変調電
圧にＤＣバイアスを印加する方法が考えられる。図５、
６の例では、駆動電圧に対して、＋Ｖπ若しくは−Ｖπ
を印加することにより、動作点をＶπ分、即ち、πだけ
シフトさせ、光信号出力のｏｎ−ｏｆｆを逆転すること
ができる。然し乍ら、この方法は、動作点の経時変化、
即ち、ＤＣドリフトが発生するため、実用に耐えないと
いう問題がある。

【０００６】これに対して、分岐導波路２ａ、２ｂ間に
光路長差を設けた非対称分岐導波路構造とすることによ
り、動作点シフトの制御を行なう方法が提案されてい
る。図７は、従来の動作点シフト型非対称分岐導波路構
造を有する光変調器の構造を示す。この場合、２本の分
岐光導波路の一方、例えば、２’ａを、対称型の位置
２’ａ’と比べ、分岐／合流点の頂点を結ぶ線Ｘ−Ｘ’
に対して、引き離した構造とすることにより、２つの導
波路間に光路長差を設け、変調器動作点のシフトを制御
する。より詳細には、Ｙ型分岐部に形成されるＳ字曲線
光導波路部において、その変曲部に直線２’ｇ、２’ｈ
を挾むことにより、光路長を増加させている。

【０００７】また、従来の電界センサ等の各種センサで
は、検出部から記録、制御部までを電気信号回路で結ん
でいる。然し乍ら、信号電圧が微弱であることから伝達
回路系において外乱を受け易く、安定動作や調整に問題
が生じている。そこで、検出部において電気信号を光信
号に変換し、検出部と記録、制御部を光信号（光ファイ
バー）で結ぶことにより、外乱を受けることを防止する
方法が提案されている。この場合における、電気／光変
換装置として、前記光通信システムに用いられているも
のと同様の、マッハ・ツェンダ型光変調器の使用が提案
されている。この場合、高感度化のため、低駆動電圧
化、並びに、変調器動作点の移動、調整等の制御が不可
欠となっており、このような要求を満たす外部変調器が
求められている。

【０００８】然し乍ら、マッハ・ツェンダ型光変調器を
実際に使用する場合、電気信号が微弱であること、電気
信号強度に対して光信号強度の直線性が必要とされるこ
とから、動作点を、π／２シフトした図６の一点鎖線で
示した特性で使用される場合が多い。この場合、動作点
シフトの制御方法としては、光通信システムの場合と同
様に直流バイアスの印加が考えられる。然し乍ら、直流
バイアス電源として電池等の内部電源を用いた場合では
長期安定性を得ることが難しく、一方、外部より電源を
供給する場合では、供給のための電気回路が外乱を受け
るため、信号回路を光として、ノイズを除去すること自
体が無意味になってしまうという欠点がある。従って、
直流バイアス印加は、光通信システムの場合以上に難し
いものである。更に、電界センサでは、センサ周囲の電
場を直接電気信号として使用するため、ＤＣバイアスの
印加自体がセンサ特性を変化させてしまうため、ＤＣバ
イアスの使用自体が不可能である。

【０００９】そこで、光通信システムに使用する場合と
同様に、分岐導波路２ａ、２ｂ間の光路長差を設けた非
対称分岐導波路により、動作点シフトの制御を行なうこ
とが提案されている。図８は、従来の動作点シフト型非
対称分岐導波路構造を有する電界センサ型光変調器の例
の構造を示す。この場合、光変調器自体が電界センサと
しての機能を有している。構造的には、分岐光導波路構
造は光通信システム用と同じく、２本の分岐光導波路の
一方、例えば、２”ａを対称型の位置２”ａ’と比し
て、線Ｘ−Ｘ’に対して引き離した構造とすることによ
り、２つの導波路間に光路長差を設け、変調器動作点を
π／２シフトしている。電界を検出するアンテナ７は、
光変調器の電極（集中定数型）３ａ、３ｂに直接接続さ
れており、外部環境の電界により、アンテナに誘起され
る電位により、光信号を制御している。

【００１０】また、特開平３−１８４０１５号は、マッ
ハ・ツェンダ型光変調器において、分岐光導波路を伝播
する光の間に位相差を生じさせるために、平行光導波路
部分を除く分岐光導波路部分に湾曲部を形成すること、
或いは、光入射側部分と光出射部分を、平行光導波路に
対して同じ方向に傾けることが行なわれている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、前記のよう
な光通信システム用及び各種センサ用のような非対称分
岐導波路を有する光変調器では、一方の分岐導波路（上
記では、２’ａ並びに２”ａ）を分岐／合流点の頂点を
結ぶ線Ｘ−Ｘ’に対して、引き離した構造とすることか
ら、分岐導波路２’ａ、２’ｂの相互間、並びに、２”
ａ、２”ｂの相互間の間隔ｄ’並びにｄ”は、対称型導
波路の場合、ｄ’₀（図５．７、８参照）に比べ必然的
に離れてしまう。このため、従来の光通信システム用の
場合には、駆動電圧の増加、帯域の低減等、また、各種
センサ用としては、感度の低下等を招いてしまい、問題
となっており、解決が求められている。また、この非対
称導波路構造の場合、動作点シフト値を制御するために
分岐導波路長即ち光路長差を変えた場合、分岐導波路相
互の間隔；ｄ’並びにｄ”も同時に変わってしまうた
め、動作点シフト以外の各種特性の把握、制御並びに特
性解析などが、非常に困難になり、解決が望まれる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の技術的
な課題の解決のために、電気光学効果を有する平面状基
板に、２個のＹ分岐若しくは３ｄＢカップラーを用いた
第１及び第２の分岐部により、分岐し、そして合流され
る第１及び第２の光導波路を有する光導波路を設け、前
記の第１及び第２の分岐光導波路を伝播する光の間に位
相差を生じさせるように、信号電極及び接地電極を設け
た構造からなるマッハ・ツェンダ型光変調器において、
前記の第１及び第２の分岐光導波路の平行している部分
の一部分を、相互の間隔を保持して湾曲させることによ
り、２本の光導波路間に光路長差を生じさせることを特
徴とする前記光変調器を提供する。即ち、上記の特開平
３−１８４０１５号の解決法である、平行光導波路部分
を除く分岐光導波路部分に湾曲部を形成すること、或い
は、光入射側部分と光出射部分を、平行光導波路に対し
て同じ方向に傾けることとは、まったく逆に、平行分岐
光導波路の平行している部分の一部分を、相互の間隔を
保持して湾曲させることにより、解決しようとするもの
である。

【００１３】

【作用】本発明の変調器の構造によると、位相変調部、
即ち変調用電極構成部である分岐光導波路中央平行部２
ａ１、２ｂ１（図１参照）の間隔ｄ₀を、従来の対称型
分岐光導波路構造のものと同一にしたままで、分岐光導
波路の光路長差を制御することができる。従って、半波
長電圧Ｖπの増大、並びに、変調帯域の劣化を招くこと
はない。即ち、光通信システム用の場合には駆動電圧の
増加、変調帯域の劣化を招くことなく、また、各種セン
サ用の場合には感度の低下、変調帯域の劣化を招くこと
なく、変調器動作点シフト値を幅広く制御することがで
きる。また、分岐光導波路の間隔ｄ₀は、動作点シフト
値の変化にかかわらず一定であり、光路長差の制御は、
湾曲部の角度を変えるだけで済むことであるから、各種
特性の把持、制御並びに特性解析なども何ら問題なく行
なうことができる。

【００１４】次に、従来型の非対称分岐光導波路構造で
は、光路長差を得るための部分は、分岐光導波路２ａ、
２ｂ間相互の間隔が変化しているため、この部分に電極
を設けることはできなかった。然し、本発明の変調器の
構造では、光路長差を得るために湾曲させた部分は、分
岐光導波路２ａ、２ｂ間相互の間隔が、直線部分を含め
て一定であることから、この湾曲部分に電極を設けるこ
とが可能であり、光路長差を得るための導波路のみの部
分がないことから、変調器自体の長さ（光導波路と平行
方向）の増大を招くことがなく、この点でも有利な構造
である。

【００１５】尚、電気光学効果を有する基板１における
電気光学効果が、基板の方向により極端に変化する場合
には、湾曲型部に電極を設けることが難しいため、本発
明における分岐型光導波路構造を用い、その直線平行部
のみに電極を設ける構造とすることにより、支障無く使
用することができる。また、電気光学効果を有する基板
１における電気光学効果が、基板の方向により若干変化
する場合にも、前記と同様に、湾曲部に電極を設けるこ
とに問題が発生する可能性がある。然し乍ら、湾曲角度
θは、実際には、１°以下の場合がほとんどであり、基
板１の異方性による影響は、ほとんど無視できるため、
湾曲部に電極を設けても、支障なく使用することができ
る。また、電気光学効果を有する基板１における電気光
学効果が、基板の方向によらず、等方的な場合には、湾
曲部に電極を設けても問題なく使用することができる。

【００１６】次に、本発明を具体的に実施例により説明
するが、本発明はそれらによって限定されるものではな
い。

【００１７】

【実施例１】図１は、本発明の光変調器を概略に示す光
変調器の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。電気光
学効果を有する基板１として、長さ３０ｍｍ×幅０．８
ｍｍ×厚さ０．５ｍｍのＬｉＮｂＯ₃ のＺ板を使用し
た。この基板１の上に、厚さ約９０ｎｍのＴｉ薄膜を、
２で示す導波路形状に形成した後、約１０００℃、１０
時間空気中で加熱することにより、ＴｉをＬｉＮｂＯ₃
結晶中に熱拡散し、分岐光導波路２を形成した。

【００１８】導波路幅は、７μｍで、変調用電極構成部
である分岐光導波路中央の直線部２ａ１、２ｂ１の長さ
は、１３．５ｍｍ、間隔ｄ₀は１５μｍとした。光導波
路湾曲部２ａ２、２ｂ２は、各々直線部２ａ１、２ｂ１
並びにＹ分岐部２ｄの各導波路と滑らかにつながるよう
にした。湾曲部の形状は、同心円状とし、曲率半径は両
導波路間の中心で５０ｍｍ、湾曲角度θは、０°、０．
４７°、０．９４°の３種類とした。なお、湾曲角度０
°のものは、従来の対称型光導波路構造を有するものと
全く同一であり、比較用として作製した。

【００１９】次に、ＳｉＯ₂ を４００ｎｍの厚さに成膜
した後、約６００℃でアニ−ルし、バッファー層を形成
した。信号電極３は、進行波型構造とし、分岐光導波路
２ａ１、２ｂ１の直線部分のみに設ける構造とした。電
極長は、湾曲角度にかかわらず１３．５ｍｍで一定とし
た。作製は、Ｔｉ／Ａｕ電極膜を蒸着した後、約７μｍ
幅にパターンエッチングし、その上に厚さ５μｍのＡｕ
膜電極をメッキにより形成した。接地電極は、信号電極
の両側に配する構造とし、信号電極と同時に形成した。

【００２０】以上の構造の光導波路に、波長１．５５μ
ｍのレーザ光を導入し、電源６より信号電極３に電圧を
印加した結果を、図２に示す。図２（ａ）は、各湾曲角
度における出力光強度と印加駆動電圧の関係を示すグラ
フであり、図２（ｂ）は、各湾曲角度と駆動電圧（半波
長電圧：Ｖπ）の関係を示し、図２（ｃ）は、光学的３
ｄＢダウンの値を示した変調帯域（ＧＨｚ）と湾曲角度
との関係を示す。湾曲角度θを、０°、０．４７°、
０．９４°とすることにより、分岐光導波路の光路長差
が、各々波長の０、１／４、１／２倍となり、図２
（ａ）に示すように動作点を制御良くシフトさせること
ができた。また、図２（ｂ）に示すように、駆動電圧
（半波長電圧：Ｖπ）は、湾曲角度を変化させた場合で
も湾曲角度０のものと変わらず一定であり、更に図２
（ｃ）に示すように変調帯域も変化せず、従来の構造の
欠点を排除することができた。本明細書の実施例では、
基板として、ＬｉＮｂＯ₃ 結晶のＺカット板を用いて説
明したが、基板としては、Ｚカット板のみならず、Ｙカ
ット板やＸカット板は、勿論、他の材料、例えば、Ｌｉ
ＴａＯ₃ 結晶やＫＴＰ結晶等の電気光学効果を有するも
のであれば、何でも使用することができる。

【００２１】

【実施例２】図３は、本発明の他の例の光導波路を示
す。図３（ａ）は、平面図で、（ｂ）は、中央部Ｙ−
Ｙ’線に沿う断面図である。湾曲部の形状は、同心円状
とし、曲率半径は両導波路間の中心で２００ｍｍであ
り、湾曲角度θは、０．４７°とした。導波路幅は、７
μｍであり、分岐光導波路直線部２ａ１、２ｂ１の長さ
は、約１．６ｍｍとした。また、湾曲部２ａ２、２ｂ２
は各々直線部２ａ１、２ｂ１並びにＹ分岐部２ｄの各導
波路と滑らかにつながるようにした。尚、湾曲角度０°
（即ち従来の対称型光導波路構造を有するもの）のもの
も、比較用として作製した。基板の材質／寸法、分岐光
導波路の作製、バッファー層の作製、電極の作製は、前
記の実施例１と同様に行なった。

【００２２】図３の電極３、４の構造は、センサ用とし
て使用が考慮されている集中定数型とし、光導波路湾曲
部２ａ２、２ｂ２も含めて電極が構成される形とした。
電極の有効長は１４ｍｍとした。本実施例で作製した光
導波路に、波長１．５５μｍのレーザ光を導入し、電源
６より信号電極３に電圧を印加して測定した結果を、図
４に示す。図４（ａ）は出力光強度と印加駆動電圧の関
係を示し、図４（ｂ）は駆動電圧（半波長電圧）を従来
の対称型光導波路構造（湾曲角度０°）のものと比較し
たものである。上記の寸法設定を行なうことにより、分
岐光導波路の光路長差が波長の１／４になり、図４
（ａ）に示すように動作点を制御良くシフトさせること
ができた。また、図４（ｂ）に示すように、駆動電圧
（半波長電圧：Ｖπ）は従来の対称型光導波路構造のも
のと変わらず一定であり、従来の構造の欠点を排除する
ことができた。

【００２３】以上はあくまで実施例であり、使用する基
板材料（ＬｉＴａＯ₃ 等の酸化物、ＧａＡｓ等の半導体
等の各種材料）、光導波路の構成、電極の構成等の要因
に関しては、本発明の趣旨に沿うものであれば、任意に
選択、組合わせが可能である。例えば、上記の実施例で
は、分岐平行光導波路の片端を湾曲させているが、これ
に限定されるものではなく、湾曲部を２ケ所以上設けて
もよく、また、分岐光導波路の中央部等の他の部分を湾
曲させても良い。更に、上記実施例では湾曲形状を同心
円状としたが、これに限定されるものではなく、湾曲部
の分岐導波路２ａ２、２ｂ２間相互の間隔が同一に保た
れれば楕円状、放射線状などの他の形状を用いても良
い。また、光の入力／出力は図中の導波路２の左右端い
ずれでもかまわない。これは、上記のように構造を変化
させた場合も同様である。なお、図１並びに図２の右端
の光導波路曲線部２ｅは、基板端面と光導波路を直角に
接するようにするために設けたものであり、必ずしも必
要ではなく、従って、本発明とは直接関係しないもので
ある。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光変調器
の構造により、次のような顕著な技術的効果が得られ
た。第１に、従来型の対称型光導波路構造の光変調器に
対して、駆動電圧の増大並びに変調帯域の劣化を招くこ
となく、変調器動作点のシフト値を任意に制御すること
ができる。第２に、従って、高速光通信システム、各種
センサ等の用いられる光変調器の性能向上に寄与するこ
とが極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光変調器の１例の構造を示す平面図及
びそのＡ−Ａ’線に沿う断面図である。

【図２】図１の光変調器の各々の特性を示すグラフであ
る。

【図３】本発明の他の例の光変調器を示す平面図及びそ
のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。

【図４】図２の光変調器の各々の特性を示すグラフであ
る。

【図５】本発明の光変調器をマッハツエンダ型光強度変
調器に適用した例を示す平面図及びそのＡ−Ａ’線に沿
う断面図である。

【図６】図５の光変調器の動作状態を示すグラフであ
る。

【図７】従来の動作点シフト型非対称分岐導波路構造の
光変調器の１例を示す平面図である。

【図８】従来の動作点シフト型非対称分岐導波路構造の
電界センサ型光変調器の１例を示す平面図である。

【符号の説明】

１電気光学効果を有する基板
（ＬｉＮｂＯ₃ 基板）２ａ、２ｂ光導波路３信号電極４接地電極５ＳｉＯ₂ バッファー層６電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者木内和昌千葉県船橋市豊富町585番地住友セメント株式会社中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学効果を有する平面状基板に、２
個のＹ分岐若しくは３ｄＢカップラーを用いた第１及び
第２の分岐部により、分岐し、そして合流される第１及
び第２の光導波路を有する光導波路を設け、前記の第１
及び第２の分岐光導波路を伝播する光の間に位相差を生
じさせるように、信号電極及び接地電極を設けた構造か
らなるマッハ・ツェンダ型光変調器において、前記の第１及び第２の分岐光導波路の平行している部分
の一部分を、相互の間隔を保持して湾曲させることによ
り、２本の光導波路間に光路長差を生じさせることを特
徴とする前記光変調器。