JP2008139554A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】高速で駆動電圧が低く、かつＤＣバイアス電圧が小さい光変調器を提供する。
【解決手段】基板１と、光導波路３と、中心導体４ａ及び接地導体４ｂ、４ｃからなる進行波電極４と、進行波電極に高周波電気信号を印加することにより光導波路を伝搬する光の位相が変調される領域である相互作用部１５と、相互作用部の中心導体に外部電気回路から高周波電気信号を印加するための入力側フィードスルー部４２と、相互作用部における進行波電極の中心導体を通過して伝搬してくる高周波電気信号を伝搬させるための出力側フィードスルー部５２を具備し、入力側フィードスルー部用中心導体７２は、高周波電気信号が給電される給電部を有し、出力側フィードスルー部用中心導体８２は、高周波電気信号が出力される出力部を有する光変調器において、相互作用部の長さが、給電部と出力部との基板の長手方向における距離よりも長くする。
【選択図】図１

Description

本発明は高速で駆動電圧が低く、かつＤＣバイアス電圧が小さく、製作の歩留まりの良い光変調器の分野に属する。

リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、リチウムナイオベート基板をＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ／ｓ、１０Ｇｂｉｔ／ｓの大容量光伝送システムに適用されている。最近はさらに４０Ｇｂｉｔ／ｓの超大容量光伝送システムにも適用が検討されており、キーデバイスとして期待されている。

［第１の従来技術］
このＬＮ光変調器にはｚ−カット基板を使用するタイプとｘ−カット基板（あるいはｙ−カット基板）を使用するタイプがある。ここでは、第１の従来技術としてｘ−カットＬＮ基板とコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）進行波電極を使用したｘ−カット基板ＬＮ光変調器をとり上げ、その斜視図を図４に示す。図５は図４のＡ−Ａ’における断面図である。なお、以下の議論はｚ−カット基板でも同様に成り立つ。

図中、１はｘ−カットＬＮ基板、２は１．３μｍ、あるいは１．５５μｍなど光通信において使用する波長領域では透明な２００ｎｍから１μｍ程度の厚みのＳｉＯ_２バッファ層、３はｘ−カットＬＮ基板１にＴｉを蒸着後、１０５０℃で約１０時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系（あるいは、マッハツェンダ光導波路）を構成している。なお、３ａ、３ｂは電気信号と光が相互作用する部位（相互作用部と言う）における光導波路（あるいは、相互作用光導波路）、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームである。ＣＰＷ進行波電極４は中心導体４ａ、接地導体４ｂ、４ｃからなっている。また、６０は光導波路３へ光を入射する光入射用端面であり、６１は光導波路３から光を出射する光出射用端面である。さらに、４０は電気信号源からの高周波電気信号（マイクロ波、あるいはＲＦ電気信号とも言う）をＣＰＷ進行波電極４に伝搬させるための入力側フィードスルー部であり、５０はＲＦ電気信号をＣＰＷ進行波電極４から出力するための出力側フィードスルー部である。ここで、７０と８０は入力側フィードスルー部４０と出力側フィードスルー部５０の各々の中心導体であり、それぞれ入力側フィードスルー部用中心導体、あるいは出力側フィードスルー部用中心導体とも呼ばれるが、ここではフィードスルー部の中心導体、あるいは中心導体と簡略化して表現する。

この第１の従来技術では、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間にバイアス電圧（低周波電圧でも良いが、通常はＤＣバイアス電圧なので、説明を簡単にするために以下ではこう記述する）とＲＦ電気信号を重畳して印加するので、相互作用光導波路においてはＲＦ電気信号のみならず、ＤＣバイアス電圧も光の位相を変える。また、バッファ層２は電気信号のマイクロ波実効屈折率ｎ_ｍを光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の実効屈折率ｎ_ｏに近づけることにより、変調帯域を拡大するという重要な働きをしている。

次に、このように構成されるＬＮ光変調器の動作について説明する。このＬＮ光変調器を動作させるには、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間にＤＣバイアス電圧とＲＦ電気信号とを印加する必要がある。

図６に示す電圧−光出力特性はある状態でのＬＮ光変調器の電圧−光出力特性であり、Ｖ_ｂはその際のＤＣバイアス電圧である。この図６に示すように、通常、ＤＣバイアス電圧Ｖ_ｂは光出力特性の山と底の中点に設定される。

図７には第１の従来技術の光変調器について実際の実装形態と電気的な接続について詳しく示している。ここで、５は金属からなる筐体、６はＲＦ電気信号であるマイクロ波を外部電気回路からＬＮ光変調器に入力するためのＲＦ電気信号入力用のコネクタ、７はＲＦ電気信号入力用のコネクタ６の芯線、８はＲＦ電気信号を取り出すためのＲＦ電気信号出力用のコネクタ、９はＲＦ電気信号出力用のコネクタ８の芯線である。また、１０は電気信号源１１に内蔵しているＤＣ成分をカットするコンデンサーである。１２は電気的な終端、１３はＤＣ成分をカットするコンデンサー、１４はＤＣバイアス電圧を印加するためのＤＣ電源である。２つのコンデンサー１０と１３があるために、ＤＣ電源１４からのＤＣ成分は電流として流れることはない。

なお、通常は、小型化とコスト低減のために、終端１２、コンデンサー１３は筐体５に内蔵するとともに、ＤＣ電源１４からのＤＣバイアス電圧は、ＲＦ電気信号出力用のコネクタ８の代わりに簡単なピンやワイヤーを介して供給されることが多い。

さて、ここで重要なことがある。光通信においてＬＮ光変調器はトランスポンダという送受信装置の中で使用されるが、そのトランスポンダには多くの機器が搭載されているため、ＬＮ光変調器とその他の機器との相対位置は決まっている。換言すると、ＬＮ光変調器にＲＦ電気信号を入力するためのコネクタ６の位置は筐体５に対して任意に設定することはできず、ほぼ一義的に決まってしまう。一方、筐体５内におけるｘ−カットＬＮ基板１の位置もほぼ決まる。

つまり、ＲＦ電気信号を入力するために使用するコネクタ６の芯線７の位置はｘ−カットＬＮ基板１において図７にＢとして示した位置にほぼ一義的に決定されることになる。

この第１の従来技術に係る光変調器の上面から見た模式図を図８に示す。なお、図をわかりやすくするために、入力側フィードスルー部４０と出力側フィードスルー部５０においては、中心導体７０と８０のみを示している。

前述のように、ＬＮ光変調器では、ｘ−カットＬＮ基板１においてＲＦ電気信号を入力するために使用するコネクタ６の芯線７を固定する位置は図中のＢの位置としてほぼ自動的に決まる。従って、進行波電極４の中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃに印加されたＲＦ電気信号とＤＣバイアス電圧が光と相互作用する相互作用部１５の長さＬ_１も自動的に決まることになる。

ＲＦ電気信号をＯＮ／ＯＦＦするために必要なＲＦ電圧、いわゆるＲＦ駆動電圧や変調帯域など、ＬＮ光変調器の性能を表す性能指数にはこの相互作用部１５の長さＬ_１が重要な影響を与え、この相互作用部の長さＬ_１は長い方が性能指数の高い、即ち性能的に優れたＬＮ光変調器を実現できる。

ところが、ＲＦ電気信号を入力するために使用するコネクタ６の芯線７の位置Ｂから光とＲＦ電気信号の相互作用部１５へＲＦ電気信号を伝達するためのコネクタ６の芯線７付近の電極、つまり図７と図８の入力側フィードスルー部４０は、通常、構造を簡単化するためにｘ−カットＬＮ基板１の長手方向の側面に対してほぼ垂直に設定する（勿論、入力側フィードスルー部４０の中心導体７０もｘ−カットＬＮ基板１の長手方向の側面に対してほぼ垂直に設定する）。また、光とＲＦ電気信号が相互作用する相互作用部１５からＲＦ電気信号を出力するための出力用フィードスルー部５０もｘ−カットＬＮ基板１の長手方向の側面に対してほぼ垂直に設定する（勿論、出力側フィードスルー部５０の中心導体８０もｘ−カットＬＮ基板１の長手方向の側面に対してほぼ垂直に設定する）。

そのため、マッハツェンダ光導波路の２本の光導波路３ａ、３ｂにおいては、芯線７の位置Ｂから光入力側にある領域は通常光の位相を変えることには活用されておらず、ＬＮ光変調器が有する優れた特性を充分には活用できてはいなかった。

なお、芯線７の位置Ｂは、入力側フィードスルー部４０が有する中心導体７０のｘ−カットＬＮ基板１の長手方向、つまりマッハツェンダ光導波路の２本の光導波路３ａ、３ｂの長手方向における中心に一致している（よって、芯線７の位置Ｂは入力側フィードスルー部４０の中心、あるいは入力側フィードスルー部用中心導体７０の中心と呼ぶこともできる）。

また、入力側フィードスルー部４０の中心導体７０において、芯線７と接している部分を給電部という。

同様に、位置Ｂ’は、出力側フィードスルー部５０が有する中心導体８０のｘ−カットＬＮ基板１の長手方向、つまりマッハツェンダ光導波路の２本の光導波路３ａ、３ｂの長手方向における中心に一致している（簡単に、出力側フィードスルー部５０の中心、あるいは出力側フィードスルー部用中心導体８０の中心と呼ぶ）。

また、出力側フィードスルー部５０の中心導体８０において、芯線９と接している部分を出力部という。

このように考えると、この第１の従来技術では、入力側フィードスルー部４０の中心Ｂと出力側フィードスルー部５０の中心Ｂ’との間の距離が相互作用部１５の長さＬ_１に等しいと言える。

そして、この第１の従来技術では、長さＬ_１の相互作用部１５には図５に示したようにＳｉＯ_２バッファ層２があり、このＳｉＯ_２バッファ層２にＤＣバイアス電圧Ｖ_ｂが印加される。ところが、一般にこのＳｉＯ_２バッファ層２は電気的抵抗が高いので、ここでの電圧降下により、いわゆるＤＣドリフトが発生し易いことが知られている。あるいは、ＳｉＯ_２バッファ層２内に高いＤＣ電界が印加されると、ＳｉＯ_２バッファ層２内の不純物キャリアが動くことによってもＤＣドリフトが生じる。そしてこのＤＣドリフトはＬＮ光変調器の信頼性に大きな悪い影響を与える。

［第２の従来技術］
第１の従来技術におけるＤＣドリフトの問題を解決しようとする試みの上面から見た模式図を図９に第２の従来技術として示す。

前述のように、第１の従来技術における大きな問題、即ちＤＣドリフトは第１の従来技術のＳｉＯ_２バッファ層２に生じるＤＣ電圧の降下や、高いＤＣ電界によるＳｉＯ_２バッファ層２におけるキャリアの移動により引き起こされた。そこで、この第２の従来技術では、まず、ＲＦ電気信号が印加される長さＬ_２のＲＦ電気信号用相互作用部１７と、ＤＣバイアス電圧が印加される長さＬ_３の中心導体１６ａと接地導体１６ｂ、１６ｃからなるＤＣバイアス電極を有するＤＣバイアス電圧用相互作用部１８を具備することにより、ＲＦ電気信号を印加する領域（１７）とＤＣバイアス電圧を印加する領域（１８）とを分離する。さらに、図９のＣ−Ｃ’における断面図として示した図１０からわかるように、ＤＣバイアス電圧用相互作用部１８には第１の従来技術として示した図５に存在したＳｉＯ_２バッファ層２がない。

従って、この第２の従来技術ではＳｉＯ_２バッファ層２に起因するＤＣドリフトが存在せず、ＬＮ光変調器の信頼性向上に有力な手段として採用されてきた。

ところが、図９に示した第２の従来技術の場合であっても、不図示のＲＦ電気信号を入力するために使用するコネクタ６の芯線７の位置Ｂは図８に示した第１の従来技術の場合と同じである。

つまり、ＲＦ電気信号が印加されるＲＦ電気信号用相互作用部１７の長さＬ_２とＤＣバイアス電圧が印加されるＤＣバイアス電圧用相互作用部１８の長さＬ_３は、第１の従来技術として示した図８におけるＲＦ電気信号とＤＣバイアス電圧が光と相互作用する相互作用部１５の長さＬ_１を分割して構成することになる。そのため、ＲＦ電気信号が印加されるＲＦ電気信号用相互作用部１７の長さＬ_２を長くするとＤＣバイアス電圧が印加されるＤＣバイアス電圧用相互作用部１８の長さＬ_３が短くなり、逆にＤＣバイアス電圧用相互作用部１８の長さＬ_３を長くすると、今度はＲＦ電気信号用相互作用部１７の長さＬ_２が短くなってしまう。

ＤＣバイアス電圧用相互作用部１８の長さＬ_３が短いと、ＤＣバイアス電圧用相互作用部１８の中心導体１６ａと接地導体１６ｂ、１６ｃに印加するＤＣバイアス電圧を高くする必要がある。そうすると、中心導体１６ａと接地導体１６ｂ、１６ｃの間における電界強度が高くなり、ＬＮ基板１の中の高い内部電界強度に起因するＬＮ基板の内でのＤＣドリフトが生じてしまう。

一方、ＲＦ電気信号用相互作用部１７の長さＬ_２が短いとＲＦ駆動電圧が高くなる。これを避けるためには、ＲＦ電気信号用相互作用部１７におけるＳｉＯ_２バッファ層２の厚みを薄く設定せざるを得ず、ＲＦ電気信号と光との速度整合、および特性インピーダンスの観点から不利となってしまう。

なお、第２の従来技術においても、ＲＦ電気信号を入力するために使用する不図示のコネクタ６の芯線７の位置Ｂから光とＲＦ電気信号の相互作用部（ＲＦ電気信号用相互作用部１７）までの入力側フィードスルー部４１は、通常、構造を簡単にするためにｘ−カットＬＮ基板１の長手方向の側面に対してほぼ垂直に設定する（勿論、入力側フィードスルー部４１が有する中心導体７１もｘ−カットＬＮ基板１の長手方向の側面に対してほぼ垂直に設定する）。

その結果、マッハツェンダ光導波路の２本の光導波路３ａ、３ｂにおいては、芯線７の位置Ｂから光入力側にある領域は通常光の位相を変えることには活用されておらず、ＬＮ光変調器が有する優れた特性を充分には実現できてはいなかった。

また、第１の従来技術と同じく、出力側フィードスルー部５１も、ｘ−カットＬＮ基板１の長手方向の側面に対してほぼ垂直に設定されている（勿論、出力側フィードスルー部５１が有する中心導体８１もｘ−カットＬＮ基板１の長手方向の側面に対してほぼ垂直に設定されている）。

第１の従来技術と同様に、芯線７の位置Ｂは入力側フィードスルー部４１が有する中心導体７１のｘ−カットＬＮ基板１の長手方向、つまりマッハツェンダ光導波路の２本の光導波路３ａ、３ｂの長手方向における中心である（第１の従来技術と同じく、Ｂを入力側フィードスルー部４１の中心、あるいは入力側フィードスルー部用中心導体７１の中心と呼ぶ）。

また、位置Ｂ’は、出力側フィードスルー部５１が有する中心導体８１のｘ−カットＬＮ基板１の長手方向、つまりマッハツェンダ光導波路の２本の光導波路３ａ、３ｂの長手方向における中心である（第１の従来技術と同じく、Ｂ’を出力側フィードスルー部５１の中心、あるいは出力側フィードスルー部用中心導体８１の中心と呼ぶ）。

この第２の従来技術においても、ｘ−カットＬＮ基板１の基板側面における入力側フィードスルー部４１の中心Ｂと出力側フィードスルー部５１の中心Ｂ’との間の距離がＲＦ電気信号用相互作用部１７の長さＬ_２に等しいと言える。

以上のように、第１の従来技術ではＲＦ電気信号が光と相互作用する相互作用部にＤＣ電圧も印加していたので、ＳｉＯ_２バッファ層に起因するＤＣドリフトが生じ易いという問題があった。一方、第１の従来技術の問題を避けるために考案された第２の従来技術では、ＲＦ電気信号用相互作用部とは独立に設けたＤＣバイアス電圧用相互作用部にＤＣバイアス電圧のみを印加するが、ＬＮ光変調器ではＲＦ信号を供給するために使用するコネクタの芯線の位置がＬＮ基板に対して決まってしまっている。そのため、光をＲＦ的、及びＤＣ的に変調できる長さ、即ちＲＦ電気信号用相互作用部の長さとＤＣバイアス電圧用相互作用部の長さの和も決まっている。その結果、ＤＣバイアス電圧用相互作用部の長さ、もしくはＲＦ電気信号用相互作用部の長さを充分にとることができないため、ＬＮ基板内での高い内部電界強度に起因する信頼性が劣化する、あるいはＬＮ光変調器としてのＲＦ変調性能が劣化するなどの問題があった。このように、第１の従来技術、第２の従来技術とも、マッハツェンダ光導波路の２本の光導波路を光の位相を変えるために長手方向において充分には活用しておらず、ＬＮ光変調器が有する優れた特性を充分には実現できてはいなかった。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調する高周波電気信号を印加する中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光導波路を伝搬する前記光の位相が変調される領域である相互作用部と、前記相互作用部の前記中心導体に外部電気回路から高周波電気信号を印加するための入力側フィードスルー部用中心導体を有する入力側フィードスルー部と、前記相互作用部における前記進行波電極の前記中心導体を通過して伝搬してくる前記高周波電気信号を伝搬させるための出力側フィードスルー部用中心導体を有する出力側フィードスルー部とを具備し、前記入力側フィードスルー部用中心導体は、前記高周波電気信号が給電される給電部を有し、前記出力側フィードスルー部用中心導体は、前記高周波電気信号が出力される出力部を有する光変調器において、前記相互作用部の長さが、前記給電部から前記出力部までの前記基板の長手方向における距離よりも長いことを特徴とする。

本発明の請求項２の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を入射するための光入射用端面と該光を出射するための光出射用端面とを有する該光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調する高周波電気信号を印加する中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光導波路を伝搬する前記光の位相が変調される領域である相互作用部と、前記相互作用部の前記中心導体に外部電気回路から高周波電気信号を印加するための入力側フィードスルー部用中心導体を有する入力側フィードスルー部と、前記相互作用部における前記進行波電極の前記中心導体を通過して伝搬してくる前記高周波電気信号を伝搬させるための出力側フィードスルー部用中心導体を有する出力側フィードスルー部とを具備し、前記入力側フィードスルー部用中心導体は、前記高周波電気信号が給電される給電部を有する光変調器において、前記相互作用部における前記光の位相が変調される領域の始点から前記光入射用端面までの前記基板の長手方向における距離が、前記給電部から前記光入射用端面までの前記基板の長手方向における距離よりも短いことを特徴とする。

本発明の請求項３の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を入射するための光入射用端面と該光を出射するための光出射用端面とを有する該光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調する高周波電気信号を印加する中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光導波路を伝搬する前記光の位相が変調される領域である相互作用部と、前記相互作用部の前記中心導体に外部電気回路から高周波電気信号を印加するための入力側フィードスルー部用中心導体を有する入力側フィードスルー部と、前記相互作用部における前記進行波電極の前記中心導体を通過して伝搬してくる前記高周波電気信号を伝搬させるための出力側フィードスルー部用中心導体を有する出力側フィードスルー部とを具備し、前記出力側フィードスルー部用中心導体は、前記高周波電気信号が出力される出力部を有する光変調器において、前記相互作用部における前記光の位相が変調される領域の終点から前記光出射用端面までの前記基板の長手方向における距離が、前記出力部から前記光出射用端面までの前記基板の長手方向における距離よりも短いことを特徴とする。

本発明の請求項４の光変調器は、請求項１と２に記載の光変調器において、前記入力側フィードスルー部用中心導体の幅の少なくとも一部が、前記相互作用部の中心導体の幅よりも広いことを特徴とする。

入力側フィードスルー部の中心（あるいは、入力側フィードスルー部用中心導体の中心）と出力側フィードスルー部の中心（あるいは、出力側フィードスルー部用中心導体の中心）との間の距離がＲＦ電気信号の相互作用部の長さに等しい従来技術と比較して、本発明により、ＲＦ電気信号の相互作用部の長さ、あるいはＲＦ電気信号の相互作用部の長さとＤＣバイアスの相互作用部の長さとの和を長くすることができる。その結果、ＲＦ電気信号の相互作用部の長さを長くした場合には、光変調器としての変調帯域やＲＦ駆動電圧などの高周波特性を向上させることができるし、ＤＣバイアスの相互作用部の長さを長くした場合にはＤＣバイアス電圧を低減できるので、ＤＣドリフト特性も改善することが可能となる。ＲＦ電気信号用相互作用部とＤＣバイアス相互作用部の両方を長くした場合には、高周波特性とＤＣバイアス特性の両方を改善できることになる。

以下、本発明の実施形態について説明するが、図４から図１０に示した従来の実施形態と同一番号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一番号を持つ機能部の説明を省略する。

［第１の実施形態］
図１に本発明に係る第１の実施形態の光変調器を示す。また、その模式的な上面図を図２に示す。なお、図をわかりやすくするために、入力側フィードスルー部４２と出力側フィードスルー部５２においては、中心導体７２と８２のみを示している。なお、第１の従来技術及び第２の従来技術と同じく、中心導体７２と８２は各々入力側フィードスルー部用中心導体、あるいは出力側フィードスルー部用中心導体とも呼ばれるが、ここでは簡略化して表現している。なお、入力側フィードスルー部用中心導体７２においてＲＦ電気信号が給電される部分を給電部といい、本実施の形態においては、入力側フィードスルー部４２の中心導体７２において、芯線７と接している部分をいう。また、出力側フィードスルー部用中心導体８２においてＲＦ電気信号が出力あるいは終端される部分を出力部といい、本実施の形態においては、出力側フィードスルー部５２の中心導体８２において、芯線９と接している部分をいう。

図１と図２からわかるように、この第１の実施形態では、入力側フィードスルー部４２と出力側フィードスルー部５２を各々光入射用端面６０と光出射用端面６１の方向に折り曲げる構成としている。

この入力側フィードスルー部４２と出力側フィードスルー部５２を折り曲げる構成をとることにより、ｘ−カットＬＮ基板１の基板側面におけるコネクタ６の芯線７の中心Ｂ（つまり、入力側フィードスルー部４２の中心導体７２の中心、あるいは入力側フィードスルー部用中心導体７２の中心）と出力側フィードスルー部５２の中心（つまり、出力側フィードスルー部５２の中心導体８２の中心）との間の距離（第１の従来技術における相互作用部１５の長さＬ_１と同じ長さ）よりも、進行波電極４の中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃに印加されたＲＦ電気信号とＤＣバイアス電圧が光と相互作用する相互作用部２５の長さＬ_４を長くすることが可能となる。

なお、この第１の実施形態においては、入力側フィードスルー部４２及び出力側フィードスルー部５２の両方を折り曲げることにより、相互作用部２５の長さＬ_４を長くしているが、入力側フィードスルー部４２、もしくは出力側フィードスルー部５２のみを本実施形態のように折り曲げても、従来技術での相互作用部１５、１７よりは相互作用部２５の長さＬ_４を長くすることができる。そして、このことは本発明の全ての実施形態について成り立つ。なお、入力側フィードスルー部４２のみを折り曲げた実施形態を次の第２の実施形態として示す。

前述のように、一般に、ＲＦ電気信号が印加される相互作用部の長さを長くできれば、進行波電極４の直下に形成するバッファ層の厚みを厚くすることが可能となる。従って、マイクロ波と光の速度を近づけるとともに特性インピーダンスをドライバーのインピーダンスに近づけることができ、変調性能が向上する。また、印加すべきＤＣバイアス電圧が低いので、ＳｉＯ_２バッファ層２やｘ−カットＬＮ基板１内の電界強度も下げることができるので、ＳｉＯ_２バッファ層２やｘ−カットＬＮ基板１内におけるＤＣドリフトを低減することが可能となる。

以上のように本発明ではこれまで使用されていなかった領域を相互作用部として活用できるので、ＬＮ光変調器の特性を大幅に改善することが可能となる。

また、相互作用部２５の中心導体４ａとコネクタ６の芯線７との間にある入力側フィードスルー部７２の中心導体７２の幅を相互作用部２５の中心導体４ａよりも広くできるので、ＲＦ電気信号が入力側フィードスルー部４２を伝搬する際の伝搬損失は小さくて済む。以上のことから、本発明における第１の実施形態のように、入力側フィードスルー部７２と出力側フィードスルー部８２を各々光入射用端面６０と光出射用端面６１の方向に折り曲げる構成としても、変調帯域に与える影響は極めて少ない。そして、このことは本発明の全ての実施形態について言える。

［第２の実施形態］
図３には本発明における第２の実施形態の光変調器についての上面図の模式図を示す。本実施形態では、ＲＦ電気信号が印加される長さＬ_５のＲＦ電気信号用相互作用部２６と、ＤＣバイアス電圧が印加される長さＬ_６の中心導体１６ａ、接地導体１６ｂ、１６ｃからなるＤＣバイアス電極を有するＤＣバイアス電圧用相互作用部２７を具備している。

なお、図をわかりやすくするために、入力側フィードスルー部４３と出力側フィードスルー部５３においては、中心導体７３と８３（中心導体７３と８３は各々入力側フィードスルー部用中心導体、及び出力側フィードスルー部用中心導体と呼ばれる）のみを示している。この第２の実施形態では、入力側フィードスルー部４３を光入射用端面６０の方向に折り曲げる構成としている。

図３からわかるように、入力側フィードスルー部４３を光入射用端面６０の方向に折り曲げる構成とすることにより、光の位相を変調するための相互作用部の実効的な長さを大幅に長くすることも可能となる。

図９に示した第２の従来技術に係る光変調器ではＲＦ電気信号用相互作用部１７とＤＣバイアス電圧用相互作用部１８の合計の長さはＬ_２＋Ｌ_３であった。一方、図３に示した本発明の第２の実施形態では従来使用されていなかった領域の相互作用光導波路３ａ、３ｂを活用するので、ＲＦ電気信号用相互作用部２６とＤＣバイアス電圧用相互作用部２７の合計の長さがＬ_５＋Ｌ_６と第２の従来技術の場合と比較して大幅に長くできる。

従って本発明のＲＦ電気信号用相互作用部２６の長さＬ_５を第２の従来技術のＲＦ電気信号用相互作用部１７の長さＬ_２よりも長くすることができるし、同時に本実施形態におけるＤＣバイアス電圧用相互作用部２７の長さＬ_６を第２の従来技術におけるＤＣバイアス電圧用相互作用部１８の長さＬ_３よりも長くすることができる。

前述のように、一般に、ＲＦ電気信号用相互作用部の長さを長くできれば、進行波電極４の直下に形成するバッファ層２の厚みを厚くすることが可能となる。従って、マイクロ波と光の速度を近づけるとともに特性インピーダンスをドライバーのインピーダンスに近づけることができ、変調性能が向上する。また、ＤＣバイアス電極を具備するＤＣバイアス電圧用相互作用部２７の長さが長くなれば、ｘ−カットＬＮ基板１内のＤＣ電界強度を低くすることができるので、ｘ−カットＬＮ基板１におけるＤＣドリフトを低減することが可能となる。

なお、ｘ−カットＬＮ基板１の代わりにｚ−カットＬＮ基板を使用する際には、ＤＣバイアス電圧用相互作用部において光導波路の直上にバッファ層が必要となる。本発明ではＤＣバイアス電圧用相互作用部の長さを長くとれるので、ＤＣバイアス電圧を低く設定できる。つまり、バッファ層内の電界強度も下げることができるので、ｚ−カットＬＮ基板内におけるＤＣドリフトのみならず、バッファ層に起因するＤＣドリフトも低減することが可能となる。なお、このことは本発明の第１の実施形態についても言える。

また、ＲＦ電気信号用相互作用部２６の中心導体４ａとコネクタ６の芯線７との間にある入力側フィードスルー部４３の中心導体７３の幅をＲＦ電気信号用相互作用部２６の中心導体４ａよりも広くできるので、ＲＦ電気信号が入力側フィードスルー部４３を伝搬する際の伝搬損失は小さくて済む。そのため、入力側フィードスルー部７３を光入射用端面６０の方向に折り曲げる構成としても、変調帯域に与える影響は極めて少ない。

［各実施形態について］
以上においては、進行波電極としてはＣＰＷ電極を例にとり説明したが、非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）や対称コプレーナストリップ（ＣＰＳ）などの各種進行波電極、あるいは集中定数型の電極でも良いことは言うまでもない。さらに、入力側フィードスルー部や出力側フィードスルー部はマイクロストリップ線路でも良い。また、光導波路としてはマッハツェンダ型光導波路の他に、方向性結合器や直線など、その他の光導波路でも良いことは言うまでもない。

また、以上の実施形態では、入力側フィードスルー部や出力側フィードスルー部をＬＮ基板における長手方向の側面のエッジに達するまで形成しているが、このことは本発明において本質的なことではない。つまり、入力側フィードスルー部や出力側フィードスルー部の両方、もしくは片方をＬＮ基板における長手方向の側面のエッジに達する前に打ち切っても勿論良い。なお、電気的な終端はＬＮ光変調器の筐体の中に、さらにはＬＮ基板の上に設けても良い。

入力側フィードスルー部や出力側フィードスルー部にコンデンサー、抵抗、ローパスフィルター、ハイパスフィルター、あるいはバンドパスフィルターなどを搭載することにより、光変調以外の他の機能を付加することが可能である。

なお、ＤＣバイアス電圧用相互作用部にはＲＦ電界を印加しないので、ＤＣバイアス電圧用相互作用部の特性インピーダンスについては考慮する必要はなく、ＤＣバイアス電圧用相互作用部の中心導体の幅はＲＦ電気信号用相互作用部の中心導体の幅よりも広くする、あるいはＤＣバイアス電圧用相互作用部における中心導体と接地導体の間のギャップをＲＦ電気信号用相互作用部における中心導体と接地導体の間のギャップよりも狭くすることが可能であることは言うまでもない。

上記の実施形態では、１つの相互作用部にＲＦ電気信号とＤＣバイアス電圧を印加する構造（第１の実施形態）とＲＦ電気信号のみを印加するＲＦ電気信号用相互作用部とＤＣバイアス電圧のみを印加するＤＣバイアス電圧用相互作用部を別個に持つ構造（第２の実施形態）として説明した。しかしながら第２の実施形態において、本願出願人による特願２００５−２１６０３４のように、ＲＦ電気信号用相互作用部とＤＣバイアス電圧用相互作用部の双方にＤＣバイアス電圧を印加することにより、ＤＣバイアス電圧を大幅に低減でき、信頼性をさらに向上できることは言うまでもない。そして、こうした構造にも本願発明を適用することにより２つの相互作用部の長さの和をより長くすることが可能となる。

また、以上の実施形態においては、ｘ−カット、ｙ−カットもしくはｚ−カットの面方位、即ち、基板表面（カット面）に対して垂直な方向に結晶のｘ軸、ｙ軸もしくはｚ軸を持つ基板でも良いし、以上に述べた各実施形態での面方位を主たる面方位とし、これらに他の面方位が副たる面方位として混在しても良いし、ＬＮ基板のみでなく、リチウムタンタレートなどその他の基板でも良いことは言うまでもない。

以上のように、本発明に係る光変調器は、ＲＦ変調性能とＤＣドリフト特性について大幅に改善することができるという効果を有し、高速で駆動電圧が低く、かつＤＣバイアス電圧が小さく、製作の歩留まりの良い光変調器として有用である。

本発明の第１の実施形態における光変調器の上面図 本発明の第１の実施形態における光変調器の模式的な上面図 本発明の第２の実施形態における光変調器の模式的な上面図 第１の従来技術に係る光変調器の斜視図 図４のＡ−Ａ’線における断面図 第１の従来技術に係る光変調器の動作を説明する図 第１の従来技術に係る光変調器の詳しい実装状態と電気的構成 第１の従来技術に係る光変調器の模式的な上面図 第２の従来技術に係る光変調器の模式的な上面図 図９のＣ−Ｃ’線における断面図

符号の説明

１：ｘ−カットＬＮ基板（基板）
２：ＳｉＯ_２バッファ層（バッファ層）
３：光導波路
３ａ、３ｂ：相互作用部の光導波路（光導波路）
４：進行波電極
４ａ、７０、８０：中心導体
４ｂ、４ｃ：接地導体
５：筐体
６：ＲＦ電気信号入力用のコネクタ（コネクタ部）
７：ＲＦ電気信号入力用のコネクタ６の芯線
８：ＲＦ電気信号出力用のコネクタ
９：ＲＦ電気信号出力用のコネクタ８の芯線
１０：コンデンサー
１１：電気信号源
１２：電気的な終端（終端）
１３：コンデンサー
１４：ＤＣ電源
１５：相互作用部
１６ａ：中心導体
１６ｂ、１６ｃ：接地導体
１７：ＲＦ電気信号用相互作用部
１８：ＤＣバイアス電圧用相互作用部
２５：相互作用部
２６：ＲＦ電気信号用相互作用部
２７：ＤＣバイアス電圧用相互作用部
４０、４１、４２、４３：入力側フィードスルー部（領域）
５０、５１、５２、５３：出力側フィードスルー部（領域）
７０、７１、７２、７３：入力側フィードスルー部用中心導体
８０、８１、８２、８３：入力側フィードスルー部用中心導体
６０：光入射用端面
６１：光出射用端面
Ｂ：ＲＦ電気信号を入力するために使用するコネクタ６の芯線７の位置（入力側フィードスルー部の中心）
Ｂ’：出力側フィードスルー部の中心

Claims (4)

1. 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調する高周波電気信号を印加する中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光導波路を伝搬する前記光の位相が変調される領域である相互作用部と、前記相互作用部の前記中心導体に外部電気回路から高周波電気信号を印加するための入力側フィードスルー部用中心導体を有する入力側フィードスルー部と、前記相互作用部における前記進行波電極の前記中心導体を通過して伝搬してくる前記高周波電気信号を伝搬させるための出力側フィードスルー部用中心導体を有する出力側フィードスルー部とを具備し、
   前記入力側フィードスルー部用中心導体は、前記高周波電気信号が給電される給電部を有し、
   前記出力側フィードスルー部用中心導体は、前記高周波電気信号が出力される出力部を有する光変調器において、
   前記相互作用部の長さが、前記給電部から前記出力部までの前記基板の長手方向における距離よりも長いことを特徴とする光変調器。
2. 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を入射するための光入射用端面と該光を出射するための光出射用端面とを有する該光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調する高周波電気信号を印加する中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光導波路を伝搬する前記光の位相が変調される領域である相互作用部と、前記相互作用部の前記中心導体に外部電気回路から高周波電気信号を印加するための入力側フィードスルー部用中心導体を有する入力側フィードスルー部と、前記相互作用部における前記進行波電極の前記中心導体を通過して伝搬してくる前記高周波電気信号を伝搬させるための出力側フィードスルー部用中心導体を有する出力側フィードスルー部とを具備し、
   前記入力側フィードスルー部用中心導体は、前記高周波電気信号が給電される給電部を有する光変調器において、
   前記相互作用部における前記光の位相が変調される領域の始点から前記光入射用端面までの前記基板の長手方向における距離が、前記給電部から前記光入射用端面までの前記基板の長手方向における距離よりも短いことを特徴とする光変調器。
3. 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を入射するための光入射用端面と該光を出射するための光出射用端面とを有する該光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調する高周波電気信号を印加する中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光導波路を伝搬する前記光の位相が変調される領域である相互作用部と、前記相互作用部の前記中心導体に外部電気回路から高周波電気信号を印加するための入力側フィードスルー部用中心導体を有する入力側フィードスルー部と、前記相互作用部における前記進行波電極の前記中心導体を通過して伝搬してくる前記高周波電気信号を伝搬させるための出力側フィードスルー部用中心導体を有する出力側フィードスルー部とを具備し、
   前記出力側フィードスルー部用中心導体は、前記高周波電気信号が出力される出力部を有する光変調器において、
   前記相互作用部における前記光の位相が変調される領域の終点から前記光出射用端面までの前記基板の長手方向における距離が、前記出力部から前記光出射用端面までの前記基板の長手方向における距離よりも短いことを特徴とする光変調器。
4. 前記入力側フィードスルー部用中心導体の幅の少なくとも一部が、前記相互作用部の中心導体の幅よりも広いことを特徴とする請求項１と２に記載の光変調器。

Images