JP2007147774A - Optical modulator and optical modulation module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光変調器および光変調モジュールに関し、具体的には多モード干渉導波路を伝搬する複数の導波モード光の干渉を利用して光信号を変調する光変調器、および前記光変調器を有する光変調モジュールに関する。 The present invention relates to an optical modulator and an optical modulation module, and more specifically, an optical modulator that modulates an optical signal using interference of a plurality of guided mode light propagating in a multimode interference waveguide, and the optical modulation The present invention relates to a light modulation module having an optical device.
光信号の位相及び強度を操作可能な伝搬システムは非常に重要である。光信号の位相及び強度を変調する最も一般的なデバイスは光変調器であり、これらは急速に重要なデバイスとなった。 Propagation systems that can manipulate the phase and intensity of an optical signal are very important. The most common devices that modulate the phase and intensity of optical signals are optical modulators, which quickly became important devices.
光変調器としては、これまで、マッハ・ツェンダー型光変調器(MZM;Mach-Zehnder Modulator)が最も広く使用されてきた。 To date, a Mach-Zehnder Modulator (MZM) has been most widely used as an optical modulator.
マッハ・ツェンダー型光変調器は、Y分岐導波路などを用いてマッハ・ツェンダー型干渉計を構成し、電気光学効果等を利用して強度変調を行う光変調器である。このデバイスでは、光信号の光路が2つに分割され、両光路からの光信号が再結合されて干渉パターンを形成する。各光路の導波路アームに電場が印加されると、両光路から得られる光信号間に位相ずれが発生し干渉パターンが変化する。これにより、印加された電場に応じて光信号の強度が連続的に変調される。 The Mach-Zehnder type optical modulator is an optical modulator that configures a Mach-Zehnder type interferometer using a Y-branch waveguide or the like and performs intensity modulation using an electro-optic effect or the like. In this device, the optical path of the optical signal is divided into two, and the optical signals from both optical paths are recombined to form an interference pattern. When an electric field is applied to the waveguide arm of each optical path, a phase shift occurs between optical signals obtained from both optical paths, and the interference pattern changes. Thereby, the intensity | strength of an optical signal is continuously modulated according to the applied electric field.
以上の理由からマッハ・ツェンダー型光変調器が汎用されているが、このデバイスの製造条件はかなり厳しく、その結果、製造上の歩留まりは低くなる。例えば、入力された光信号を2つに分割する場合、最大減衰率を得るためには、理想的には前記光信号を正確に半分に分割されなければならない。光信号の分割は、通常、Y分岐導波路または光方向性カプラーを用いて行われる。 For the above reasons, the Mach-Zehnder type optical modulator is widely used. However, the manufacturing conditions of this device are quite severe, and as a result, the manufacturing yield is low. For example, when the input optical signal is divided into two, in order to obtain the maximum attenuation rate, the optical signal should ideally be divided exactly in half. The division of the optical signal is usually performed using a Y-branch waveguide or an optical directional coupler.
Y分岐導波路を用いる場合には、分岐部の先端形状を精密に形成する必要があり、高い歩留まりを達成するためには、高解像度でフォトリソグラフィーを行うことができる高性
能なステッパーが必要になる。一方、光方向性カプラーは、分岐部における光の分離比や屈折率の影響を受けやすいので一般に丈夫さに欠ける。
When using a Y-branch waveguide, it is necessary to precisely form the tip of the branch part, and in order to achieve a high yield, a high-performance stepper capable of performing photolithography with high resolution is required. Become. On the other hand, the optical directional coupler is generally not strong because it is easily affected by the light separation ratio and refractive index at the branching portion.
このように、汎用されているマッハ・ツェンダー型光変調器は、Y分岐導波路や光方向性カプラーを用いているため、各航路に光パワーを均等に分割することが極めて困難であという問題があった。また、高精度な光変調器を高い歩留まりで製造することも困難であった。 As described above, since the general-purpose Mach-Zehnder type optical modulator uses a Y-branch waveguide or an optical directional coupler, it is extremely difficult to divide the optical power equally into each route. was there. In addition, it is difficult to manufacture a high-precision optical modulator with a high yield.
そこで、前記問題を解決した光変調素子として、基板上にコア層と該コア層を挟み込む一対のクラッド層とが積層されて形成された光導波路を備えた光変調器であって、前記光導波路が、入力された光を単一モードで伝搬させる入力側単一モード導波路と、前記入力側単一モード導波路から伝搬された光を複数の導波モードで伝搬させる多モード導波路と、前記多モード導波路から伝搬された光を単一モードで伝搬させて出力する出力側単一モード導波路とを含み、前記多モード導波路の下方に設けられた下部電極層と、前記多モード導波路の上方に設けられ、前記下部電極層と共に前記多モード導波路に電場又は熱を印加する上部電極とを備える光変調器が提案された(特許文献1)。 An optical modulator comprising an optical waveguide formed by laminating a core layer and a pair of clad layers sandwiching the core layer on a substrate as an optical modulation element that solves the above problem, An input-side single-mode waveguide that propagates input light in a single mode; a multi-mode waveguide that propagates light propagated from the input-side single-mode waveguide in a plurality of waveguide modes; An output-side single mode waveguide that propagates and outputs light propagated from the multimode waveguide in a single mode; a lower electrode layer provided below the multimode waveguide; and the multimode There has been proposed an optical modulator that is provided above a waveguide and includes an upper electrode that applies an electric field or heat to the multimode waveguide together with the lower electrode layer (Patent Document 1).
前記光変調器は、通常のマッハ−ツェンダ型光変調器とは異なり、Y分岐導波路も光方向性カプラーも必要ないので、丈夫さに優れる。 Unlike the ordinary Mach-Zehnder type optical modulator, the optical modulator is excellent in robustness because neither a Y-branch waveguide nor an optical directional coupler is required.
前記光変調器においては、前記多モード導波路は、多モード光学干渉セクションとして機能するから、前記多モード導波路に電場又を印加することにより、前記多モード導波路を伝搬する複数の導波モードの各々を位相変調し、位相変調された複数の導波モードの干渉により、前記出力側単一モード導波路から出力される光の強度を連続的に変調できる。
前記上部電極としては、四角形、三角形、砲弾型などの各種の平面形状を有する面状電極が使用されるが、前記上部電極が面状であると、光変調器において10GHzまたはそれ以上の高速で光を変調すると、上側電極と多モード導波路との間に大きな寄生キャパシティが生じ、入力した電気信号に対して光の変調タイミングに大きな遅れが生じるという問題がある。 As the upper electrode, a planar electrode having various planar shapes such as a quadrangle, a triangle, and a bullet shape is used. If the upper electrode is a planar shape, the optical modulator has a high speed of 10 GHz or more. When the light is modulated, there is a problem that a large parasitic capacity is generated between the upper electrode and the multimode waveguide, and the light modulation timing is greatly delayed with respect to the input electric signal.
この対策として、前記特許文献1には、上側電極として多モード導波路における光の伝搬方向に交差するようにストライプ状の進行波型電極を設けることが提案されている。
As a countermeasure against this,
上側電極として進行波型電極を有する光変調器においては、10GHzまたはそれ以上の高速で光変調を行っても、上側電極と多モード導波路との間に生じた寄生キャパシティによって光変調に位相遅れが生じることが防止される。 In an optical modulator having a traveling wave type electrode as the upper electrode, even if optical modulation is performed at a high speed of 10 GHz or higher, the phase is not adjusted due to the parasitic capacity generated between the upper electrode and the multimode waveguide. Delays are prevented from occurring.
しかしながら、このような光変調器においても、駆動電圧を高くしないと上側電極に印加した電気信号によって多モード導波路において光変調が生じないという問題がある。 However, even in such an optical modulator, there is a problem that optical modulation does not occur in the multimode waveguide due to the electric signal applied to the upper electrode unless the drive voltage is increased.
本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、従来よりも低い駆動電圧でも高速での光変調が可能な光変調器および前記光変調器を有する光変調モジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and provides an optical modulator capable of performing optical modulation at high speed even with a driving voltage lower than that of the prior art, and an optical modulation module having the optical modulator. Objective.
請求項1に記載の発明は、単一モードで光を伝搬する入射導波路および出射導波路と、前記入射導波路が一端に、前記出射導波路が他端に接続され、前記入射導波路から入射された光が前記出射導波路に向かって多モードで伝搬される多モード導波路と、前記多モード導波路内を伝搬される光を変調する変調信号が印加される変調電極と、前記多モード導波路を挟んで前記変調電極の反対側に位置する接地電極とを有し、前記多モード導波路においては、前記入射導波路から光を入射したときに、前記光が互いに干渉して複数の光像を形成するとともに、前記変調電極は、少なくとも一部が前記多モード導波路において形成される光像の上方に位置するように形成されてなることを特徴とする光変調器に関する。 According to the first aspect of the present invention, there is provided an incident waveguide and an output waveguide that propagate light in a single mode, the incident waveguide is connected to one end, and the output waveguide is connected to the other end. A multimode waveguide in which incident light is propagated in multiple modes toward the output waveguide; a modulation electrode to which a modulation signal for modulating light propagated in the multimode waveguide is applied; A ground electrode located on the opposite side of the modulation electrode across the mode waveguide. In the multimode waveguide, when light enters from the incident waveguide, the light interferes with each other and The modulation electrode is formed so that at least a part thereof is positioned above the optical image formed in the multimode waveguide.
前記光変調器においては、入射導波路を単一モードで伝搬されてきた光は、前記入射導波路と多モード導波路との接続部において分散し、多モードで前記多モード導波路に入射される。そして、前記多モード導波路を多モードで伝搬された光は、前記多モード導波路と前記出射導波路との接続部において単一モード光に収束され、前記出射導波路を単一モードで伝搬される。 In the optical modulator, light that has propagated through the incident waveguide in a single mode is dispersed at the connection between the incident waveguide and the multimode waveguide, and is incident on the multimode waveguide in multiple modes. The The light propagated in the multimode through the multimode waveguide is converged to a single mode light at the connection portion between the multimode waveguide and the output waveguide, and propagates through the output waveguide in a single mode. Is done.
したがって、前記入射導波路と多モード導波路との接続部および前記多モード導波路と前記出射導波路との接続部の両方において光像が生じると共に、前記多モード導波路の内部においても、多モードで伝搬されている光が互いに干渉して光像を形成する。 Therefore, an optical image is generated both in the connection portion between the incident waveguide and the multimode waveguide and in the connection portion between the multimode waveguide and the output waveguide, and also in the inside of the multimode waveguide. The light propagating in the mode interferes with each other to form an optical image.
ここで、変調電極は、少なくとも一部が、前記多モード導波路において形成される光像の上方に位置するように形成されている。 Here, the modulation electrode is formed so that at least a part thereof is positioned above the optical image formed in the multimode waveguide.
したがって、前記変調電極に電場を印加すると、前記多モード導波路中の光が互いに干渉する部分において電気工学的な性質が変化し、前記部分を通過する光の位相がずれるから、前記多モード導波路を伝搬される光を従来よりも電圧の低い電解で効果的に変調できる。 Therefore, when an electric field is applied to the modulation electrode, the electrical properties change in the portion where the light in the multimode waveguide interferes with each other, and the phase of the light passing through the portion is shifted. Light propagating through the waveguide can be effectively modulated by electrolysis with a lower voltage than in the past.
請求項2に記載の発明は、前記変調電極が、前記多モード導波路における光の伝搬方向に平行な側縁に沿って設けられ、光を変調するための電場が入力される1対の平行部と、前記1対の平行部を互いに結合すると共に、前記光の伝搬方向に対して斜めに設けられた斜行部とを有する請求項1に記載の光変調器に関する。
According to a second aspect of the present invention, the modulation electrode is provided along a side edge parallel to a light propagation direction in the multimode waveguide, and a pair of parallel electrodes to which an electric field for modulating light is input. 2. The optical modulator according to
そして、請求項3に記載の発明は、前記平行部と前記斜行部とのなす角度αが、以下の式
arctan(W2/L)<α<π/2
(但し、W2は前記多モード導波路の巾を、Lは前記多モード導波路の長さである。)を満たす請求項2に記載の光変調器に関する。
According to a third aspect of the present invention, an angle α formed by the parallel portion and the skew portion is expressed by the following equation:
arctan (W 2 / L) <α <π / 2
The optical modulator according to
前記光変調器においては、前記平行部に電場を印加すると、前記斜行部が進行波型電極として機能するから、入力する電場の周波数が10GHzを超え、100GHzに至る場合においても、大きな位相遅れを生じさせることなく光変調を行うことができる。したがって、光の高速変調に特に好適に使用される。 In the optical modulator, when an electric field is applied to the parallel part, the skewed part functions as a traveling wave type electrode. Therefore, even when the frequency of the input electric field exceeds 10 GHz and reaches 100 GHz, a large phase lag occurs. The light modulation can be performed without causing the above. Therefore, it is particularly preferably used for high-speed modulation of light.
請求項4に記載の発明は、前記入射導波路および出射導波路の巾をW1とすると、前記入射導波路および出射導波路に対する前記多モード導波路の巾の割合W2/W1が、
1<W2/W1<100
である請求項1〜3の何れか1項に記載の光変調器に関する。
In the invention according to
1 <W 2 / W 1 <100
It is related with the optical modulator of any one of Claims 1-3.
多モード導波路と入射導波路および出射導波路との巾の比率W2/W1が前記範囲内であれば、入射導波路を単一モードで伝搬された光は、多モード導波路において多モードで安定に伝搬され、出射導波路から再び単一モードで伝搬される。 If the ratio W 2 / W 1 of the width of the multimode waveguide to the incident waveguide and the output waveguide is within the above range, light propagated in a single mode through the incident waveguide Propagated stably in the mode and propagated again in the single mode from the output waveguide.
請求項5に記載の発明は、基板と、前記基板上に形成された下側クラッド層と、前記下側クラッド層の上方に位置する上側クラッド層と、前記下側クラッド層と前記上側クラッド層とに挟まれ、前記多モード導波層と前記入射導波路と前記出射導波路とを形成するコア層とを備え、前記コア層は、前記上側クラッド層および下側クラッド層の何れよりも大きな屈折率を有すると共に、前記変調電極は前記上側クラッド層の表面またはその上方に、前記接地電極は前記基板と下側電極との間に形成されてなる請求項1〜4の何れか1項に記載の光変調器に関する。
The invention according to
前記光変調器においては、コア層を伝搬する光は、コア層とクラッド層との境界面で全反射しながら伝搬するから、光が外部に漏洩することがない。また、前記変調電極に印加された電場は、上側クラッド層を介してコア層における多モード導波路に到達し、多モード導波路を通過する光を変調する。 In the optical modulator, the light propagating through the core layer propagates while being totally reflected at the boundary surface between the core layer and the clad layer, so that the light does not leak to the outside. The electric field applied to the modulation electrode reaches the multimode waveguide in the core layer via the upper cladding layer, and modulates light passing through the multimode waveguide.
請求項6に記載の発明は、前記多モード導波路は、前記コア層が前記上側クラッド層に向かってリブ状に突出したリブ構造の導波路である請求項5に記載の光変調器に関する。
The invention according to
前記光変調器においては、変調電極に印加した電場によってコア層により大きな電界が生じるから、低い電圧の電場を印加した場合においても、多モード導波路を伝搬される光を効率的に変調できる。 In the optical modulator, since a large electric field is generated in the core layer by the electric field applied to the modulation electrode, light propagating through the multimode waveguide can be efficiently modulated even when a low voltage electric field is applied.
請求項7に記載の発明は、前記多モード導波路が、前記コア層が前記下側クラッド層に向かってリブ状に突出した逆リブ構造の導波路である請求項5に記載の光変調器に関する。
The invention according to
前記光変調器においては、基板上に接地電極および下側クラッド層を形成したあと、下側クラッド層の表面を適宜の方法でエッチングし、コア層に形成しようとするモード導波層と入射導波路と出射導波路とに対応する凹陥部を形成し、次いでコア層を形成することにより、モード導波層と入射導波路と出射導波路とを形成できる。したがって、何らかの事情により、コア層の表面をエッチング処理できない場合に好適である。 In the optical modulator, after forming the ground electrode and the lower clad layer on the substrate, the surface of the lower clad layer is etched by an appropriate method, and the mode waveguide layer to be formed in the core layer and the incident waveguide are formed. By forming the recesses corresponding to the waveguide and the output waveguide, and then forming the core layer, the mode waveguide layer, the incident waveguide, and the output waveguide can be formed. Therefore, it is suitable when the surface of the core layer cannot be etched for some reason.
請求項8に記載の発明は、前記上側クラッド層の表面に形成され、前記上側クラッド層よりも大きな誘電率を有する誘電体層を備え、前記変調電極は前記誘電体層の表面に形成されてなる請求項5〜7の何れか1項に記載の光変調器に関する。
The invention according to
前記光変調器においては、上側クラッド層と変調電極との間に誘電体層が配設されているから、変調電極に同一の強さの電場を印加した場合においても、誘電体層がない場合に比較して大きな電界が上側クラッド層およびコア層に生じる。 In the optical modulator, since the dielectric layer is disposed between the upper cladding layer and the modulation electrode, there is no dielectric layer even when an electric field having the same strength is applied to the modulation electrode. As compared with the above, a large electric field is generated in the upper cladding layer and the core layer.
したがって、より低い電圧においても効果的に光変調を行うことができる。 Therefore, light modulation can be effectively performed even at a lower voltage.
請求項9に記載の発明は、前記基板上に接地電極と下側クラッド層とコア層と上側クラッド層とを形成した後、前記上部クラッド層の上方に種電極を形成し、前記種電極と接地電極との間にに厚さ方向の電場を印加して前記コア層を分極配向処理する請求項5〜8の何れか1項に記載の光変調器に関する。
According to a ninth aspect of the present invention, a ground electrode, a lower clad layer, a core layer, and an upper clad layer are formed on the substrate, and then a seed electrode is formed above the upper clad layer, The optical modulator according to
前記光変調器は、従来のプロセスで作製できる。 The light modulator can be manufactured by a conventional process.
請求項10に記載の発明は、前記コア層を予め分極配向処理し、分極配向処理されたコア層の両面に上側クラッド層および下側クラッド層を形成してなる請求項5〜8の何れか1項に記載の光変調器に関する。
The invention according to
前記光変調器においては、予め分極配向処理したコア層を用いているから、分極配向処理効率の低い材料をコア層として用いた場合においても、コア層が高い光電気特性を有し、換言すれば、弱い電場を印加した場合においてもコア層の屈折率を大きく変化させることができる。 Since the optical modulator uses a core layer that has been subjected to polarization orientation treatment in advance, even when a material having low polarization orientation efficiency is used as the core layer, the core layer has high photoelectric characteristics, in other words, For example, even when a weak electric field is applied, the refractive index of the core layer can be greatly changed.
したがって、前記光変調器においては、低い電圧で効率的に光変調が可能である。 Therefore, the optical modulator can efficiently modulate light with a low voltage.
請求項11に記載の発明は、請求項1〜10の何れか1項に記載の光変調器と、前記光変調器の変調電極に電気信号を入力する電気信号入力部と、前記光変調器の入射導波路に連続光を入射する連続光源とを備えることを特徴とする光変調モジュールに関する。 According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided the optical modulator according to any one of the first to tenth aspects, an electric signal input unit that inputs an electric signal to a modulation electrode of the optical modulator, and the optical modulator. The present invention relates to a light modulation module comprising: a continuous light source that inputs continuous light into the incident waveguide.
請求項12に記載の発明は、前記電気信号入力部が、デジタル信号を入力するデジタル信号入力部である請求項11に記載の光変調モジュールに関する。 A twelfth aspect of the present invention relates to the light modulation module according to the eleventh aspect, wherein the electrical signal input section is a digital signal input section for inputting a digital signal.
請求項13に記載の発明は、前記電気信号入力部が、アナログ信号を入力するアナログ信号入力部である請求項11に記載の光変調モジュールに関する。 A thirteenth aspect of the present invention relates to the light modulation module according to the eleventh aspect, wherein the electric signal input unit is an analog signal input unit that inputs an analog signal.
前記光変調モジュールの備える光変調器は、低い電圧で高速の光変調が可能であるから、電気信号入力部においては高電圧を発生させる必要がない。また、光変調にマイクロ波を使用できるから大容量のデータ伝送が可能である。 Since the optical modulator included in the optical modulation module can perform high-speed optical modulation with a low voltage, it is not necessary to generate a high voltage in the electric signal input unit. Also, since microwaves can be used for optical modulation, large-capacity data transmission is possible.
以上説明したように本発明によれば、従来よりも低い駆動電圧でも高速での光変調が可能な光変調器および前記光変調器を有する光変調モジュールが提供される。 As described above, according to the present invention, an optical modulator capable of performing optical modulation at high speed even with a driving voltage lower than that of the prior art and an optical modulation module having the optical modulator are provided.
1.実施形態1
1−1 光変調器
(1)構成
実施形態1に係る光変調器100は、図1〜図7に示すように、入射導波路1と、出射導波路6と、入射導波路1が一端に、出射導波路6が他端に接続された多モード導波路2と、多モード導波路2内を伝搬される光を変調するためのラジオ波などの変調信号が印加される変調電極3とを有する。
1.
1-1 Optical Modulator (1) Configuration As shown in FIGS. 1 to 7, the
入射導波路1と出射導波路6と多モード導波路2とは、図5〜図7に示すように、下側クラッド層9と上側クラッド層11とに挟まれたコア層10によって一体に形成されている。コア層10は、下側クラッド層9および上側クラッド層11の何れよりも大きな屈折率を有している。なお、下側クラッド層9と上側クラッド層11とは屈折率が同一であっても異なっていてもよい。
As shown in FIGS. 5 to 7, the
下側クラッド層9は、基板7の表面に形成され、下側クラッド層9と基板7との間には電位が0になるように接地される接地電極8が形成されている。
The lower
上側クラッド層11と変調電極3との間には、上側クラッド層11よりも大きな誘電率を有する誘電体層12が形成されている。
Between the
入射導波路1と出射導波路6と多モード導波路2は、図6に示すように、上側クラッド層11に向かってリブ状に突出したリブ構造の導波路であっても、図7に示すように、下側クラッド層9に向かってリブ状に突出した逆リブ構造の導波路であってもよいが、リブ構造の導波路であれば、変調電極3に印加した変調信号によってコア層10、具体的には多モード導波路2により大きな電界が生じるから、変調信号が低電圧であっても、多モード導波路2においてより効率的に光を変調できる。なお、何らかの事情でコア層10をエッチングして入射導波路1と出射導波路6と多モード導波路2を形成できない場合は、下側クラッド層9を所定の形状にエッチングした後にコア層10を形成するための形成溶液を流延し、加熱、硬化させることにより、入射導波路1と出射導波路6と多モード導波路2とを逆リブ構造の導波路として形成することができる。
As shown in FIG. 6, the
入射導波路1と出射導波路6とは同一の巾W1を有している。そして、多モード導波路2の巾W2は、以下の関係式:
1<W2/W1<100
を満たすことが、多モード導波路2において安定に多モード伝送を行ううえで好ましい。
It has the same width W 1 and the
1 <W 2 / W 1 <100
It is preferable that the
多モード導波路2の長さLは、下側クラッド層9および上側クラッド層11の屈折率n2とコア層10の屈折率n1との差Δnと、入射導波路1と出射導波路6との巾W1と、多モード導波路2の巾W2との関数として設定できる。
The length L of the
変調電極3は、図1〜図3に示すように誘電体層12の表面における多モード導波路2の上方に位置している。そして多モード導波路2における光の伝搬方向に対して平行な平行部4cおよび平行部4dと、平行部4cおよび平行部4dを互いに結合すると共に、前記光の伝搬方向に対して斜めに設けられた斜行部4aおよび斜行部4bとを有する。
The
斜行部4aと斜行部4bおよび平行部4bと平行部4cは、夫々互いに平行である。そして、斜行部4aおよび斜行部4bは、夫々の端部において平行部4cおよび平行部4dに一体的に接続されている。したがって、変調電極3は、平行部4cおよび平行部4dと斜行部4aおよび斜行部4bとによって全体として平行四辺形状に形成されている。したがって、斜行部4aと平行部4d、および斜行部4bと平行部4cおよびとがなす角度αは、以下の式
arctan(W2/L)<α<π/2
(但し、W2は多モード導波路2の巾であり、Lは多モード導波路2の長さである。)を満たす。なお、実施形態1の例においては、α=arctan(3W2/L)であるが、角度αは前記角度には限定されない。
The
arctan (W 2 / L) <α <π / 2
(W 2 is the width of the
変調電極3に電場を印加しない状態においては、入射導波路1から入射した光は、入射導波路1と多モード導波路2との接続部、および多モード導波路2と出射導波路6との接続部で光像を形成する。前記光は、多モード導波路2内を多モードで伝搬されるから、互いに干渉して多モード導波路2内部においても光像を生じさせる。光変調器100においては、変調電極3は、図2に示すように、平行部4cと平行部4dとが前記光像の上方に位置するように形成されているが、斜行部4aおよび斜行部4bが前記光像の上方を通過するように形成されていてもよい。
In a state where no electric field is applied to the
多モード導波路2の巾方向に沿った変調電極3の寸法、即ち変調電極3の巾Wは、多モード導波路2の巾W2以下であってもよいが、後述するように、前記巾W2よりも大きければ、同一の強さの電場を印加した場合においても、多モード導波路2により強い電界を生じさせることができる故に好ましい。
The dimension of the
斜行部4a、斜行部4b、平行部4c、平行部4dは、巾が互いに異なっていてもよいが、同一であることが好ましい。
The
平行部4cおよび平行部4dは、端縁が多モード導波路2の端縁に一致するかやや外側になるように形成されている。そして、平行部4cおよび4dには、変換信号としてラジオ波のような交流電場が印加される電場印加片5aおよび電場印加片5bが夫々一体的に設けられている。電場印加片5aは平行部4dに接続されているとともにラジオ波などの高周波を発生させる高周波電源に接続されている。一方、電場負荷片5bは、平行部4cに接続されているとともに、抵抗Rを介して接地されている。電場印加片5aおよび電場印加片5bは、矩形状であってもよいが、図3および図4に示すように、端部に、末端に向かって広がるテーパ状のマイクロ波ストリップが形成されていれば、より少ない損失でラジオ波を印加できるから好ましい。また、電場印加片5aおよび電場印加片5bの平行部4cおよび4dに接続される側の巾は、平行部4cおよび4dの巾に等しいことが好ましい。
The
コア層10、上側クラッド層11、および下側クラッド層9の材質としては、アクリル樹脂やエポキシ樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、弗素化ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリシロキサン樹脂などの透光性高分子材料、酸化ケイ素、各種ガラス、チタン酸ストロンチウム、ガリウム砒素、インジウム燐など、電場を印加すると屈折率が変化する電気光学効果を有するとともに、変調しようとする光に対して透明な材料であれば、どのようなものも使用できる。なお、前記透光性高分子を使用する場合には、非線形光学効果を発現させるため、電気光学効果を有する色素を分散させるか、または、主鎖や側鎖に非線形光学効果を有する基を結合させることが好ましい。
Materials for the
変調電極3、電場印加片5a、および電場印加片5bの材質としては、アルミニウム、チタン、金、銅、ITOなど、電極用材料として知られている各種金属材料や金属酸化物が挙げられる。
Examples of the material of the
(2)作製手順
光変調器100は、図8〜図10に示す手順で作製することができる。
(2) Manufacturing Procedure The
先ず、図8において(A)に示すように基板7を用意する。基板7としては、ガラス基板や石英基板、シリコン基板、ポリイミド基板など任意の材料からなる基板を用いることが可能である。基板7にシランカップリング剤などを塗布すれば、接地電極8との接着性を向上させることができる。
First, a
次に、同図において(B)に示すように、基板7の表面に接地電極8を形成する。接地電極8は、基板7の表面にアルミニウム、チタン、金、銅などの金属を蒸着または鍍金して形成してもよく、また、前記金属の箔を貼り合わせてもよい。
Next, a
接地電極8が形成されたら、同図において(C)に示すように、接地電極8の表面に下側クラッド層9を形成する。先ず、前記接地電極8の表面に、下側クラッド層9を形成する透光性高分子の溶液を塗布する。前記溶液を接地電極8に塗布する方法としては、カーテンコーティング法、押出成形コーティング法、ロールコーティング法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、バーコーティング法、スプレーコーティング法、スライドコーティング法、印刷コーティング法などが挙げられる。上記材料の溶液の溶液を第1の基板に塗布したら、加熱して溶媒を溜去し、必要に応じて反応、硬化させて下側クラッド層9を形成する。
When the
次に、同図において(D)に示すように、下側クラッド層9の表面にコア層10を形成する。コア層10は、たとえば、コア層10を形成する透光性高分子の溶液を下側クラッド層9の表面に塗布し、加熱、硬化させて形成できる。前記溶液の塗布方法は、下側クラッド層9のところで述べたのと同様の方法が使用される。
Next, as shown in FIG. 3D, the
コア層10が形成されたら、図9において(A)に示すように、コア層10に入射導波路1、出射導波路6、および多モード導波路2などの導波路を形成する。導波路を形成する手段としては、エッチングなどの手段が挙げられる。また、下側クラッド層9に前記導波路に対応する形状の凹陥部を形成し、その上から透光性高分子の溶液を塗布して加熱、硬化させることにより、前記導波路を形成してもよい。
When the
次に、同図において(B)に示すように、コア層10の上に上側クラッド層11を形成し、同図において(C)に示すように、更にその上に誘電体層12を形成する。上側クラッド層11および誘電体層12の形成は、下側クラッド層9およびコア層10の形成と同様の手順で行うことができる。なお、誘電体層12としては、アクリル樹脂やエポキシ樹脂、シリカなどが使用される。
Next, as shown in FIG. 2B, an
誘電体層12を形成したら、図10において(A)に示すように、誘電体層12の表面に金属皮膜からなる種電極13を形成する。種電極13は、接地電極8と同様にして形成できる。そして、種電極13に所定の正電圧を印加してコア層10に電場を印加し、コア層10の入射導波路1、出射導波路6、および多モード導波路2が形成された部分を分極配向処理する。
When the
分極配向処理が終了したら、図10において(B)に示すように、種電極13を変調電極3の平面形状にエッチングする。そして、図10において(C)に示すように電気鍍金などの手段によって種電極13の厚みを増加させて変調電極3を形成する。
When the polarization alignment process is completed, the
(3)作用
前述のように、光変調器100の変調電極3に電場を印加しない状態で入射導波路1から多モード導波路2に光を入射させると、入射導波路1を単一モードで伝搬された光は、多モード導波路2で多モード光に分離される。それによって入射導波路1と多モード導波路2との接続部において光像が生じる。多モード導波路2においては、光は、多モードで伝播するから、多モード導波路2の内部で互いに干渉して光像を形成する。そして、多モード導波路2を多モードで伝搬された光は、多モード導波路2と出射導波路6との接続部において互いに干渉しつつ単一モード光に収束されるから、前記接続部においても光像が生じ、入射導波路1から入射したのと実質的に同一の強度の光が出射導波路6を通って外部に出射する。
(3) Operation As described above, when light is incident on the
ここで、多モード導波路2は電気光学効果を有する材質で形成されているから、変調電極3に電場を印加すると、多モード導波路2の屈折率が変化し、特に光像の生じる箇所において屈折率が大きく変化する。したがって、それまで光像が生じていた箇所で光像が生じなくなるから、入射導波路1から入射した光は出射導波路6まで届かなくなる。
Here, since the
したがって、入射導波路1から連続光を入射しつつ、変調電極3にマイクロ波などのラジオ波を印加すると、出射導波路6からは、前記ラジオ波の周波数に対応する周期で明滅する断続光が出射される。
Accordingly, when a radio wave such as a microwave is applied to the
(4)特長
光変調器100においては、変調電極3は、多モード導波路2における光の伝搬方向に対して斜めに配設されたストライプ状の斜行部4aおよび斜行部4bを有するから、電場印加片5aにマイクロ波を印加した場合においても、印加されたマイクロ波と変調光との位相整合をとることができる。したがって、100GHz程度の高速での光変調も容易に行える。
(4) Features In the
また、変調電極3の平行部4cおよび4dが、多モード導波路2において形成される光像の上方を通過するように配置されていること、および変調電極3と上側クラッド層11との間に誘電体層12が配置されていることにより、3V程度の低電圧で光変調を行うことができる。
Further, the
更に、従来のマッハ−ツェンダ型光変調器とは異なり、導波路の形状が単純であるから、製造が容易であり、丈夫さにも優れる。 Further, unlike the conventional Mach-Zehnder type optical modulator, the shape of the waveguide is simple, so that it is easy to manufacture and excellent in robustness.
1−2 光変調モジュール
実施形態1に係る光変調器を用いた光変調モジュールとしては、デジタル信号により光変調するデジタル光変調モジュール200、およびラジオ波を受信して光変調するアナログ光変調モジュール202などがある。
1-2 Light Modulation Module As a light modulation module using the light modulator according to the first embodiment, a digital
デジタル光変調モジュール200は、図15に示すように、変調光を発生させて出力側光ファイバに入射する光変調器100と、光変調器100の入射導波路1に連続レーザ光を入射する連続レーザ光源102と、入力されたデジタルデータに応じた変調信号を発生させて光変調器100の変調電極3に印加する変調信号発生器104と、外部から入力されたデジタルデータを統合して変調信号発生器104に伝送する統合側データバス106と、入力側光ファイバから入射したパルス光を受光してパルス状の電気信号に変換するとともに、前記電気信号を増幅する受光プリアンプ108と、受光プリアンプ108で変換、増幅された電気信号が入力され、前記電気信号を対応するデジタルデータに変換するデータ変換回路110と、データ変換回路110で変換されたデジタルデータをCPUなどに伝送するデータバス112とを備える。
As shown in FIG. 15, the digital
デジタル光変調モジュール200にデジタルデータが入力されると、デジタルデータが入力されるタイミングに合わせて変調信号発生器104においてパルス状の変調信号Aが発生する。発生した変調信号Aは、光変調器100の変調電極3に印加される。連続レーザ光源102から入射導波路1を通して光変調器100の多モード導波路2に入射された連続レーザ光は、変調信号Aが変調電極3に印加されることによって前記変調信号Aに対応した断続光に変換され、出射導波路6を通って出力側光ファイバに入射される。
When digital data is input to the digital
一方、入力側光ファイバを通してデジタル光変調モジュール200に入射したパルス光は、受光プリアンプ108においてパルス状のデジタル電気信号に変換される。前記デジタル電気信号はデータ変換回路110で増幅されてデータバス112を介してCPUなどに伝送される。
On the other hand, the pulsed light incident on the digital
このように、デジタル光変調モジュール200によれば、光ファイバを通してデジタルデータを授受することができる。
Thus, according to the digital
一方、アナログ光変調モジュール202は、図16に示すように、変調光を発生させて光ファイバに入射する光変調器100と、光変調器100の入射導波路1に連続レーザ光を入射する連続レーザ光源102と、ラジオ波を受信するアンテナ114と、アンテナ114で受信したラジオ波を増幅して光変調器100に入力する高周波増幅回路116とを備える。
On the other hand, as shown in FIG. 16, the analog
アナログ光変調モジュール202においては、音声や画像信号などのアナログ信号を含むラジオ波がアンテナ14で受信されると、前記ラジオ波は高周波増幅回路116で増幅され、光変調器100の変調電極3に印加される。これにより、連続レーザ光源102からの連続レーザ光が変調されて切れ目のない変調光が生じる。
In the analog
アナログ光変調モジュール202によれば、アナログ信号をラジオ波によるよりも遥かに少ない減衰で遠くまで伝送できる。
According to the analog
基板7上にVCD法によって金を蒸着して接地電極8を形成し、その上に、アクリル系樹脂をスピンコートして紫外線硬化させ、厚さ3.5μmの下側クラッド層9を形成した。
Gold was vapor-deposited on the
そして、下側クラッド層9にFTC(2−ジシアノメチレン−3−シアノ−4−{2−[トランス−(4−N,N−ジアセトキシエチル−アミノ)フェニレン−3,4−ジブチレン−5]ビニル}−5,5−ジメチル−2,5−ジヒドロフラン)にDisperse−Red 1を分散させたものをスピンコートして加熱、硬化させ、厚さ3.2μmのコア層10を形成した。
Then, FTC (2-dicyanomethylene-3-cyano-4- {2- [trans- (4-N, N-diacetoxyethyl-amino) phenylene-3,4-dibutylene-5] is formed on the lower
次いで、コア層をエッチングして入射導波路1と多モード導波路2と出射導波路6とを形成した。入射導波路1および出射導波路6の巾W1を5μmとし、多モード導波路2の巾W2を50μmとした。したがって、W2/W1=10である。多モード導波路2の長さLは6150μmとした。コア層10は、入射導波路1と多モード導波路2と出射導波路6の周囲の部分を厚みが2.6μmになるようにエッチングした。
Next, the core layer was etched to form the
コア層10に入射導波路1と多モード導波路2と出射導波路6とを形成したら、その上に下側クラッド層9を形成するのに使用したのと同様のアクリル樹脂をスピンコートして紫外線で硬化させた。下側クラッド層9および上側クラッド層11の屈折率は1.471であり、コア層10に屈折率は1.582であった。
After forming the
上側クラッド層11が形成されたら、その上に2液系室温硬化型エポキシ樹脂接着剤を塗布して硬化させ、厚さ0.8μmの誘電体層12を形成した。そして、その上に金を蒸着させて種電極13を形成した。
When the upper clad
種電極13が形成されたら、90〜250℃の高温で接地電極8と種電極13との間に400〜2000Vの電圧を印加し、前記電圧を印加した状態で常温まで放冷してコア層10を分極配向処理した。
When the
分極配向処理が終了したら、種電極13を図1に示す変調電極3の形状になるようにエッチングし、厚さ4.5μmになるまで金鍍金して変調電極3を形成した。
When the polarization alignment treatment was completed, the
変調電極3の巾Wは多モード導波路2の巾W2と等しい50μmとし、長さも多モード導波路2の長さLと等しい6150μmとした。そして、角度αを24.4ミリラジアンとした。斜行部4a、斜行部4b、平行部4c、および平行部4dの巾は、何れも10μmとし、電場印加片5aおよび電場印加片5bの巾は何れも38μmとした。変調電極3の固有インダクタンスは40Ωであった。
Width W of the
光変調器100において斜行部4a、斜行部4b、平行部4c、および平行部4dの巾wと、電場印加片5aに印加されるマイクロ波と多モード導波路2で変調される変調光との位相差である位相不整合、および前記マイクロ波と前記変調光との重なりEO overlapとの間には、図12に示すように、巾wが大きくなればなるほど位相不整合およびEO overlapが増大する関係にあることがわかる。ここで、本実施例においては、斜行部4a、斜行部4b、平行部4c、および平行部4dの巾wは10μmであるので、図12から、位相不整合およびEO overlapは夫々0.04および0.92であることが判る。
In the
ここで、0.6dB/(GHz)1/2×cmの電極減衰定数で100GHzの帯域を達成するためには、位相不整合は、図11に示すように、0.06以下である必要があるが、前述のように、本実施例に係る光変調器100においては、位相不整合は0.04と前記0.06よりも小さいから、100GHzの帯域を十分に達成できることがわかる。また、EO overlapが0.92であることから、低電圧駆動が十分に可能なこともわかる。
Here, in order to achieve the 100 GHz band with the electrode attenuation constant of 0.6 dB / (GHz) 1/2 × cm, the phase mismatch needs to be 0.06 or less as shown in FIG. However, as described above, in the
本実施例に係る光変調器100において、変調電極3に印加する電場の電圧を0Vから4Vまで変化させて出射導波路6から出射される出射光の出力を測定したところ、図13に示すように、3Vで−37dBと最も低い出力を示した。このことからも、前記光変調器100においては3V程度の低電圧での駆動が可能であることがわかる。
In the
また、図14に示すように、光学損失が−3dB即ち電極減衰定数が0.6dB/(GHz)1/2×cmのとき、周波数は80GHz以上であることが判る。 Further, as shown in FIG. 14, when the optical loss is −3 dB, that is, the electrode attenuation constant is 0.6 dB / (GHz) 1/2 × cm, it can be seen that the frequency is 80 GHz or more.
1 入射導波路
2 多モード導波路
3 変調電極
4a 斜行部
4b 斜行部
4c 平行部
4d 平行部
5a 電場印加片
5b 電場印加片
6 出射導波路
7 基板
8 接地電極
9 下側クラッド層
10 コア層
11 上側クラッド層
12 誘電体層
13 種電極
14 アンテナ
100 光変調器
102 連続レーザ光源
104 変調信号発生器
106 統合側データバス
108 受光プリアンプ
110 データ変換回路
112 データバス
114 アンテナ
116 高周波増幅回路
200 デジタル光変調モジュール
202 アナログ光変調モジュール
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記入射導波路が一端に、前記出射導波路が他端に接続され、前記入射導波路から入射された光が前記出射導波路に向かって多モードで伝搬される多モード導波路と、
前記多モード導波路内を伝搬される光を変調する変調信号が印加される変調電極と、
前記多モード導波路を挟んで前記変調電極の反対側に位置する接地電極と
を有し、
前記多モード導波路においては、前記入射導波路から光を入射したときに、前記光が互いに干渉して複数の光像を形成するとともに、前記変調電極は、少なくとも一部が前記多モード導波路において形成される光像の上に位置するように形成されてなることを特徴とする光変調器。 An input waveguide and an output waveguide that propagate light in a single mode;
A multimode waveguide in which the incident waveguide is connected to one end, the output waveguide is connected to the other end, and light incident from the incident waveguide is propagated in a multimode toward the output waveguide;
A modulation electrode to which a modulation signal for modulating light propagating in the multimode waveguide is applied;
A ground electrode located on the opposite side of the modulation electrode across the multimode waveguide;
In the multimode waveguide, when light is incident from the incident waveguide, the light interferes with each other to form a plurality of optical images, and at least a part of the modulation electrode is the multimode waveguide. An optical modulator formed so as to be positioned on an optical image formed in the above.
前記多モード導波路における光の伝搬方向に平行な側縁に沿って設けられ、光を変調するための電場が入力される1対の平行部と、
前記1対の平行部を互いに結合すると共に、前記光の伝搬方向に対して斜めに設けられた斜行部と
を有する請求項1に記載の光変調器。 The modulation electrode is
A pair of parallel portions provided along side edges parallel to the light propagation direction in the multimode waveguide, to which an electric field for modulating light is input;
The optical modulator according to claim 1, wherein the pair of parallel portions are coupled to each other, and has an oblique portion provided obliquely with respect to the light propagation direction.
arctan(W2/L)<α<π/2
(但し、W2は前記多モード導波路の巾であり、Lは前記多モード導波路の長さである。)
を満たす請求項2に記載の光変調器。 The angle α formed between the parallel portion and the skew portion is expressed by the following equation:
arctan (W 2 / L) <α <π / 2
(However, W 2 is the width of the multimode waveguide, L is the length of the multimode waveguide.)
The optical modulator according to claim 2, wherein:
1<W2/W1<100
である請求項1〜3の何れか1項に記載の光変調器。 When the width of the input waveguide and the output waveguide and W 1, the ratio W 2 / W 1 of the relative said input waveguide and the output waveguide of the multimode waveguide width is
1 <W 2 / W 1 <100
The optical modulator according to any one of claims 1 to 3.
前記基板上に形成された下側クラッド層と、
前記下側クラッド層の上方に位置する上側クラッド層と、
前記下側クラッド層と前記上側クラッド層とに挟まれ、前記多モード導波層と前記入射導波路と前記出射導波路とを形成するコア層と
を備え、
前記コア層は、前記上側クラッド層および下側クラッド層の何れよりも大きな屈折率を有すると共に、
前記変調電極は前記上側クラッド層の表面またはその上方に、前記接地電極は前記基板と下側電極との間に形成されてなる請求項1〜4の何れか1項に記載の光変調器。 A substrate,
A lower cladding layer formed on the substrate;
An upper cladding layer located above the lower cladding layer;
A core layer sandwiched between the lower clad layer and the upper clad layer to form the multimode waveguide layer, the incident waveguide and the output waveguide;
The core layer has a refractive index larger than any of the upper cladding layer and the lower cladding layer,
5. The optical modulator according to claim 1, wherein the modulation electrode is formed on or above the surface of the upper cladding layer, and the ground electrode is formed between the substrate and the lower electrode.
前記光変調器の変調電極に電気信号を入力する電気信号入力部と、
前記光変調器の入射導波路に連続光を入射する連続光源と
を備えることを特徴とする光変調モジュール。 The optical modulator according to any one of claims 1 to 10,
An electric signal input unit for inputting an electric signal to the modulation electrode of the optical modulator;
An optical modulation module comprising: a continuous light source that inputs continuous light into an incident waveguide of the optical modulator.
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Cited By (1)
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JP2016130772A (en) * | 2015-01-13 | 2016-07-21 | 株式会社豊田中央研究所 | Optical modulator and optical modulation device |
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2005
- 2005-11-24 JP JP2005339303A patent/JP2007147774A/en active Pending
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