JP2007147774A - 光変調器および光変調モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】低電圧で動作し、高速で光変調可能な光変調器、および前記光変調器を有する光変調モジュールの提供。
【解決手段】入射導波路と出射導波路と多モード導波路と変調電極と接地電極とを有し、前記多モード導波路においては、前記入射導波路から入射した光が互いに干渉して複数の光像を形成し、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たことを特徴とする光変調器、前記光変調器を有する光変調モジュール。
【選択図】図１

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。
特開２００５−２２１９９９号

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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（Ｗ_２／Ｌ）＜α＜π／２
（但し、Ｗ_２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。

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。

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Ｗ_１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Ｗ_２／Ｗ_１が、
１＜Ｗ_２／Ｗ_１＜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。

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Ｗ_２／Ｗ_１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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

前記光変調器は、従来のプロセスで作製できる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

入射導波路１と出射導波路６とは同一の巾Ｗ_１を有している。そして、多モード導波路２の巾Ｗ_２は、以下の関係式：
１＜Ｗ_２／Ｗ_１＜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。

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ｎ_２とコア層１０の屈折率ｎ_１との差Δｎと、入射導波路１と出射導波路６との巾Ｗ_１と、多モード導波路２の巾Ｗ_２との関数として設定できる。

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。

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（Ｗ_２／Ｌ）＜α＜π／２
（但し、Ｗ_２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（３Ｗ_２／Ｌ）であるが、角度αは前記角度には限定されない。

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。

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Ｗ_２以下であってもよいが、後述するように、前記巾Ｗ_２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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｗ_１を５μｍとし、多モード導波路２の巾Ｗ_２を５０μｍとした。したがって、Ｗ_２／Ｗ_１＝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。

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。

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。

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。

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。

変調電極３の巾Ｗは多モード導波路２の巾Ｗ_２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。

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。

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。

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。

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。

図１は、実施形態１に係る光変調器の構成を示す平面図である。 図２は、実施形態１に係る光変調器において多モード導波路に形成される光像と変調電極との位置関係を示す平面図である。 図３は、実施形態１に係る光変調器の別の例について構成を示す斜視図である。 図４は、図３に示す光変調器の平面図である。 図５は、実施形態１に係る光変調器を厚さ方向に切断した断面を示す断面図である。 図６は、実施形態１に係る光変調器において導波路がリブ型であるものの断面を示す断面図である。 図７は、実施形態１に係る光変調器において導波路が逆リブ型であるものの断面を示す断面図である。 図８は、実施形態１に係る光変調器を作製する手順の一部を示す工程図である。 図９は、実施形態１に係る光変調器を作製する手順の一部を示す工程図である。 図１０は、実施形態１に係る光変調器を作製する手順の残りを示す工程図である。 図１１は、帯域と電極減衰定数との関係を示すグラフである。 図１２は、実施例１の光変調器において、変調電極を構成する斜行部および平行部の巾を変化させたときの、位相不整合、およびＥＯ−ｏｖｅｒｌａｐの変化を示すグラフである。 図１３は、前記変調電極に印加する電圧と出射導波路からの出射光の出力との関係を示すグラフである。 図１４は、実施例１の光変調器における周波数帯域と光学損失との関係を示すグラフである。 図１５は、実施形態１に係る光変調器を用いたデジタル光変調モジュールの構成を示すブロック図である。 図１６は、実施形態１に係る光変調器を用いたアナログ光変調モジュールの構成を示すブロック図である。

符号の説明

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

Claims (13)

1. 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。
2. 前記変調電極は、
   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。
3. 前記平行部と前記斜行部とのなす角度αは、以下の式
   ａｒｃｔａｎ（Ｗ_２／Ｌ）＜α＜π／２
   （但し、Ｗ_２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。
4. 前記入射導波路および出射導波路の巾をＷ_１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Ｗ_２／Ｗ_１は、
   １＜Ｗ_２／Ｗ_１＜１００
   である請求項１〜３の何れか１項に記載の光変調器。
5. 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。
6. 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。
7. 前記多モード導波路は、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。
8. 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。
9. 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に、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。
10. 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。
11. 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。
12. 前記電気信号入力部は、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。
13. 前記電気信号入力部は、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。

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