JP2758538B2 - 光変調素子と光変調装置及びその駆動方法 - Google Patents
光変調素子と光変調装置及びその駆動方法Info
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Description
理システムなどに用いられる光変調素子及びその駆動方
法に関する。
システムなどにおいて基本となる素子であり、将来、超
高速で動作できる光変調素子に対する要求はますます増
大するものと考えられる。しかしながら、従来利用され
てきた半導体レーザの直接変調では、このような要求に
対処することが困難であるため、高速動作が可能な外部
変調型の素子の開発が急がれている。中でも、特に大き
なポッケルス効果を有する誘電体結晶を用いた、いわゆ
る電気光学光変調素子は、超高速動作が可能であり、ま
た、変調に伴う位相の乱れも少ないことから、高速情報
伝送や長距離光ファイバ通信などに非常に有効である。
さらに、光導波路構造を用いれば、小型化と高効率化と
を一挙に実現できる可能性がある。
結晶上に変調電極として変調信号を伝搬させる伝送線路
と、該伝送線路の近傍に形成された光導波路とにより構
成されている。そして、変調電極周辺に誘起される電界
によって光導波路部分の屈折率を変化させることによ
り、光導波路中を伝搬する光波の位相を変調信号に伴っ
て変化させるようにされている。
は、光変調の基本となる電気光学係数は、通常の結晶で
は比較的小さい。従って、この方式の光変調素子におい
ては、電界を光導波路に効率良く印加することが重要と
なる。
す。図10に示すように、電気光学効果を有する基板5
1上には、その中心線上に光導波路52が形成されてお
り、該光導波路52の両側方にはストリップ電極53と
接地電極54とからなる変調電極が形成されている。こ
こで、変調電極は、アルミニウムなどの金属薄膜からな
り、ストリップ電極53と接地電極54との間には信号
源59が接続されている。このため、信号源59からス
トリップ電極53に変調信号を供給してやれば、該スト
リップ電極53中を変調波が伝搬し、これによりストリ
ップ電極53と接地電極54との間に電界が生じるの
で、電気光学効果によって光導波路52の屈折率が変化
し、光変調を実現することができる。
は、ストリップ電極53の両端を適当に終端し、ストリ
ップ電極53を線路共振器として動作させる、いわゆる
共振器型構造を利用する方法もある。但し、この場合、
変調効率は共振器のQ値(共振動作の鋭さを示す)が大
きいほど向上するが、変調帯域幅は共振周波数付近に限
られる。
2中を伝搬する光波の位相が変化する、いわゆる位相変
調器として動作するが、基板51内あるいはその外部に
適当に干渉計を構成すれば、光強度変調器として動作さ
せることも可能である。
のように構成された従来の電気光学光変調素子の場合、
接地電極54の電位は0に固定されるため、接地電極5
4とストリップ電極53との間の電位差は、ストリップ
電極53の電位を上限とし、それ以上の電位差を得るこ
とはできない。また、図10の光変調素子の場合、電極
構造に通常のマイクロストリップ線路を用いると、基板
裏面のグランドプレーンが接地電極となるため、ストリ
ップ電極周辺の電界強度は非常に小さくなる。従って、
強電界が必要な光変調素子では、ストリップ電極53と
接地電極54との間隔を小さくできる図10のようなコ
プレナー線路構造を利用する必要があるが、この構造の
線路は変調波の伝搬損失が比較的大きく、変調効率を低
下させる原因となっている。さらに、ストリップ電極幅
とストリップ電極・接地電極間隔との関係で線路の特性
インピーダンスが決定されるため、特性インピーダンス
を実用的な範囲(50Ω前後)に保つには、ストリップ
電極・接地電極間隔を小さくするに伴ってストリップ電
極幅も小さくする必要がある。すると、線路の伝送損失
はますます大きくなり、変調効率を逆に減少させてしま
うことになる。
調素子として動作させた場合には、ストリップ電極53
の長さが半波長程度と長くなるため、光変調素子の寸法
が大きくなるだけではなく、さらに、光がストリップ電
極を通過する走行時間が変調信号の1周期に比較して無
視できなくなる程度の高周波になると、電極長が長いと
逆に変調効率が急激に悪化してしまう。
子を実現するためには、新たな電極構成が必要となる。
また、変調電極に変調信号を供給する場合には、変調電
極と入力端子との最適な結合状態を実現することも効率
の良い光変調にとって非常に重要となる。
ため、変調効率を大幅に改善することのできる光変調素
子及びその駆動方法を提供することを目的とする。
め、本発明に係る第1番目の光変調素子は、基板と、前
記基板の表面上に形成された電気光学効果を有する光導
波路と、前記基板の裏面に形成された接地電極と、前記
光導波路の両側に形成された第1及び第2の導体線とを
備え、前記基板と前記第1及び第2の導体線と前記接地
電極とでマイクロストリップ構造の結合線路を形成した
ことを特徴とする。
は、第1の基板と、前記第1の基板の表面上に形成され
た電気光学効果を有する光導波路と、前記第1の基板の
裏面に形成された接地電極と、前記光導波路の両側に形
成された第1及び第2の導体線と、前記光導波路の上に
形成された第2の基板と、前記第2の基板のさらに上に
形成された第2の接地電極とを備え、前記第1及び第2
の基板と前記第1及び第2の導体線及び前記第1及び第
2の接地電極とでストリップライン構造の結合線路を形
成したことを特徴とする。
は、基板と、前記基板の表面上に形成された電気光学効
果を有する光導波路と、前記光導波路の両側に形成され
た第1及び第2の導体線と、前記基板の表面上に形成さ
れ、前記第1及び第2の導体線を取り囲むように配置さ
れた接地電極とを備え、前記基板と、前記第1及び第2
の導体線と電気接地電極とでコプレナー型の結合線路を
形成したことを特徴とする。
素子においては、第1及び第2の導体線のそれぞれの一
端を単一線路によって接続したことが好ましい。
素子においては、第1及び第2の導体線のそれぞれの一
端を単一線路によって接続し、それぞれの他端を電気容
量的に結合したことが好ましい。前記光変調素子におい
ては、第1及び第2の導体線を電気容量的に結合する際
に、可変容量素子を用いて電気容量的に結合したことが
好ましい。
記第1〜3番目の光変調素子の構成に加えて、途中で2
つに分岐された入力端子を具備し、前記入力端子の第1
の分岐片を第1の導体線の端部に電気容量的に結合さ
せ、第2の分岐片を第2の導体線の端部に磁界結合させ
たことを特徴とする。
記第1〜3番目の光変調素子の構成に加えて、途中で2
つに分岐された入力端子を具備し、前記入力端子の第1
の分岐片を第1の導体線の端部に直接接続させ、第2の
分岐片を第2の導体線の端部に遅延線路を介して接続さ
せたことを特徴とする。
記第1〜3番目の光変調素子の構成に加えて、第1また
は第2の導体線のいずれか一方の一部分と電気容量的に
結合している入力端子を備えたことを特徴とする。次に
本発明の第4番目の光変調装置は、前記請求項4、5ま
たは6に記載の光変調素子の構成に加えて、第1または
第2の導体線のいずれか一方の一部分と磁界結合してい
る入力端子を備えたことを特徴とする。
記請求項1〜6に記載の光変調素子の駆動方法であっ
て、第1及び第2の導体線に励起する電磁波が奇対称モ
ードであることを特徴とする。
路に奇対称モードを励振させることにより、光導波路に
効率的に大きな変調電界を印加することが可能となるの
で、光変調素子の変調効率を大幅に改善することができ
る。
損失が極めて小さく、また、線路の導体損失も小さいこ
とから、変調効率のさらに優れた光変調素子を提供する
ことができる。
の片面にグランドプレーンを含めた全ての回路を構成す
ることができるので、製作プロセスの簡略化を図ること
ができる。
共振モードにおいて平行結合線路に奇対称モードのみが
存在することとなるため、適当な方法によってこの共振
器を駆動させることにより、極めて効率的な光変調を実
現することができる。
的に結合された側において反射の際に変調波の位相が変
化するため、電極の共振周波数を低くすることができ
る。従って、同じ周波数では電極構造をより小型にでき
るので、光変調素子の小型化を図ることができる。
結合線路の一方端を可変容量素子を用いて容量的に結合
させるという好ましい構成によれば、電極作製後に共振
周波数を微調整したり、電気信号によって共振周波数を
変化させることが可能となる。
平行結合線路に位相が180°ずれた逆位相の変調信号
を供給して、平行結合線路に奇対称モードを励振させる
ことができるので、効率の良い光変調素子を実現するこ
とができる。さらに、基板上の小さな面積に構成するこ
とができるので、変調波の周波数変化に対してもある程
度安定に動作できる。
遅延線路の遅延量を180°に設定することにより、平
行結合線路に位相が180°ずれた逆位相の変調信号を
供給して、平行結合線路に奇対称モードを励振させるこ
とができるので、効率の良い光変調素子を実現すること
ができる。さらに、入力端子から平行結合線路までの間
に不連続部分が存在しないので、変調信号の反射による
影響が少ない。
結合容量を調節することにより、共振器と入力端子との
結合度を調節することができるので、共振電極のQ値が
比較的大きい場合に最適な共振動作を実現することがで
きる。
共振器内における結合部の位置を調整することにより、
共振器と入力端子との結合度を調節することができるの
で、共振電極のQ値が比較的小さい場合に最適な共振動
作を実現することができる。
に説明する。 (実施例1)図1aは本発明に係る光変調素子の一実施
例を示す平面図であり、図1bは図1aの要部断面図で
ある。
晶などの電気光学効果を有する基板11の表面には、そ
の中心線上に金属チタンを熱拡散することによって光導
波路12が形成されており、該光導波路12の左右両側
には、真空蒸着法、フォトリソグラフィー及び反応性イ
オンエッチングなどの薄膜製造手段によって、アルミニ
ウムや金などの金属薄膜からなる平行結合線路13、1
3が形成されている。また、前記基板11の裏面には、
金属膜の蒸着法などによってグランドプレーン14が形
成されている。
かれ、平行結合線路部13、13の間隙部16を通過し
た後、光導波路12の他方端から出力光17として出力
される。従って、適当な方法によって平行結合線路1
3、13に変調波を伝搬させれば、間隙部16に電界が
生じ、電気光学効果により電界強度に応じて光導波路1
2の屈折率が変化する。これにより、出力光17の位相
が変化し、本光変調素子は位相変調器として動作する。
称モードと奇対称モードの2種類のモードが存在する。
そして、奇対称モードでは平行結合線路を構成する2本
の線路の電圧が互いに反転することとなるため、間隙部
に非常に大きな電界が誘起される。従って、本光変調素
子では、変調信号によって平行結合線路13、13に奇
対称モードを励振させることにより、極めて高い効率の
光変調が可能となる。
は、変調信号によって平行結合線路に奇対称モードを効
率よく励振させる必要がある。以下、実施例1に示した
光変調素子の駆動方法について説明する。 (実施例2)図2は図1の光変調素子の駆動方法を示す
平面図である。
入力端子18が形成されており、該入力端子18とグラ
ンドプレーン14との間には信号源19が接続されてい
る。ここで、入力端子18は2つに分岐されており、第
1の分岐片18aは、一方の平行結合線路13の端部に
間隙20を介して容量的に結合され、第2の分岐片18
bは、他方の平行結合線路13の端部にタップ21を介
して磁界結合されている。これにより、平行結合線路1
3、13には、位相が180°ずれた逆位相の変調信号
が供給され、平行結合線路13、13に奇対称モードが
励振されるので、効率の良い光変調素子を実現すること
ができる。そして、この駆動方法は基板上の小さな面積
に構成することができるので、変調波の周波数変化に対
してもある程度安定に動作できるという利点がある。
を平行結合線路13、13に結合させる手段として、間
隙20及びタップ21を用いているが、必ずしもこの構
成に限定されるものではなく、容量性及び誘導性をもつ
個別部品を用いて入力端子18を平行結合線路13、1
3に結合させるようにしても同様の作用効果を奏するこ
とができる。 (実施例3)図3は図1の光変調素子の駆動方法の他の
実施例を示す平面図である。
入力端子22が形成されており、該入力端子22とグラ
ンドプレーン14との間には信号源19が接続されてい
る。ここで、入力端子22は2つに分岐されており、第
1の分岐片22aは、一方の平行結合線路13の端部に
直接接続され、第2の分岐片22bは、他方の平行結合
線路13の端部に遅延線路23を介して接続されてい
る。ここで、遅延線路23の遅延量を180°に設定す
れば、平行結合線路13、13には、位相が180°ず
れた逆位相の変調信号が供給され、平行結合線路13、
13に奇対称モードが励振されるので、効率の良い光変
調素子を実現することができる。そして、この駆動方法
を採用すれば、入力端子22から平行結合線路13、1
3までの間に不連続部が存在しないので、変調信号の反
射による影響が少ないという利点がある。
結合線路13、13の両端のうち、入力端子18(2
2)が結合されていない方の端を開放した場合を示して
いるが、平行結合線路13、13の特性インピーダンス
と等しい抵抗値を有する抵抗器を用いて終端させること
もできる。そして、このように構成すれば、入力端子1
8(22)が結合されていない方の端における変調波の
反射をなくすことができ、その結果、変調信号に対して
より忠実な光変調が可能となる。
結合線路の両端を適当に終端させ、共振器動作を行わせ
ることにより、変調効率をさらに向上させることもでき
る。以下、このような共振器構造を有する光変調素子に
ついて説明する。 (実施例4)図4は共振器型光変調素子を示す平面図で
ある。
3の一方の端は開放されており、他方の端は単一線路2
4によって接続されている。この共振器は、通常のヘア
ピン型共振器を発展させたものであり、変調波は平行結
合線路13、13の開放端で反射し、共振動作を起こ
す。この共振電極においては、基本共振モードで、平行
結合線路13、13に奇対称モードのみが存在するた
め、適当な方法によってこの共振器を駆動させれば、極
めて高い効率の光変調が可能となる。 (実施例5)図5は図4の光変調素子をさらに発展させ
た光変調素子を示す平面図である。
3の一方の端は単一線路24によって接続されており、
他方の端はコンデンサ25を接続することによって容量
的に結合されている。これにより、平行結合線路13、
13のコンデンサ25が接続された側において反射の際
に変調波の位相が変化するため、電極の共振周波数を低
くすることができる。従って、同じ周波数では電極構造
をより小さくできるので、光変調素子の小型化を図るこ
とができる。
結合させる方法としては、コンデンサ25のような個別
部品を用いるほか、平行結合線路13と同じ薄膜材料を
パターン化することによっても実現することができる。
この場合、大きな結合度を得ることは困難であるが、電
極と同時に作製することができるほか、容量結合度を精
度よく設定できる点で優れている。
コンデンサやバラクタダイオードなどの可変容量素子を
用いれば、電極作製後に共振周波数を微調整したり、電
気信号によって共振周波数を変化させることが可能とな
る。共振器型光変調素子の場合には、通常、共振周波数
の調節は不可能であるが、光変調素子を本発明のように
構成すれば、このように比較的簡単な構成で可能にな
る。
させるためには、その優れた特徴を損なわないような駆
動方法が要求される。以下、共振器型光変調素子の駆動
方法について説明する。 (実施例6)図6は共振器型光変調素子の駆動方法を示
す平面図である。
は、平行結合線路13、13の一方の線路の一部分に間
隙26を介して入力端子27が形成されており、該入力
端子27とグランドプレーン14との間には信号源19
が接続されている。このように構成すれば、入力端子2
7と平行結合線路13とが容量的に結合された状態とな
るので、信号源19からの変調信号によって平行結合線
路13、13を駆動させることにより、光変調を行うこ
とができる。
隙26の位置と距離とを適当に設定することにより、平
行結合線路13、13と入力端子27との結合度を調節
することができるので、最適な共振動作を実現して効率
的な光変調を行うことが可能となる。
さな入力結合が必要な場合に特に有効である。なぜな
ら、この方法では、入力結合度が比較的小さい場合に、
結合容量を精密に制御することが可能となるからであ
る。通常、平行結合線路13、13のQ値が比較的大き
い場合、例えば超伝導体を平行結合線路13、13の材
料として用いた場合などは、このような小さな入力結合
が、効率的な光変調のために有効となる。 (実施例7)図7は共振器型光変調素子の駆動方法の他
の実施例を示す平面図である。
は、平行結合線路13、13の一方の線路の一部分にタ
ップ28を介して接続された入力端子29が形成されて
おり、該入力端子29とグランドプレーン14との間に
は信号源19が接続されている。このように構成すれ
ば、入力端子29と平行結合線路13、13とが磁界結
合された状態となるので、信号源19からの変調信号に
よって平行結合線路13、13を駆動させることによ
り、光変調を行うことができる。
ップ28の位置を適当に設定することにより、平行結合
線路13、13と入力端子29との結合度を調節するこ
とができるので、最適な共振動作を実現して効率的な光
変調を行うことが可能となる。
きな入力結合が必要な場合に特に有効である。なぜな
ら、この方法では、入力結合度が比較的大きい場合に、
結合度を精密に制御することが可能となるからである。
通常、平行結合線路13、13のQ値が比較的小さい場
合、例えば、変調効率は低くとも比較的広い変調帯域幅
が必要な場合などは、このような磁界結合が有効とな
る。
子27(29)を平行結合線路13の一部分に結合させ
ているが、必ずしもこの構成に限定されるものではな
く、所望の入力結合度を得るためには単一線路24の一
部分と結合させても構わない。この駆動方法は、より小
さな結合度を必要とする場合に有効である。
結合線路13、13の材料としては、製作の容易さ、優
れた電気伝導性などから、前述したアルミニウムや金な
どの金属材料が有効であるが、電気伝導性のさらに高い
材料、例えば超伝導体を用いれば、Q値の極めて大きな
共振器電極を実現することができるので、変調効率を飛
躍的に改善することが可能となる。
造として、基板裏面にグランドプレーンを形成するマイ
クロストリップ線路構造を用いた場合について説明した
が、必ずしもこの構成に限定されるものではなく、図8
に示すようなストリップ線路構造、あるいは、図9に示
すようなコプレナー線路構造を用いることもできる。
8に示すように、基板11の上にさらに誘電体30及び
グランドプレーン31を形成することとなるため、構造
が多少複雑になるという問題点はあるが、放射損失が極
めて小さく、また、線路の導体損失も小さいことから、
変調効率のさらに優れた光変調素子を提供することがで
きる。
は、損失が比較的大きいという問題点はあるが、図9に
示すように、基板11の片面にグランドプレーン14を
含めた全ての回路を構成することができるので、製作プ
ロセスの簡略化を図ることができる。
素子は、光波の位相を変調する、いわゆる位相変調素子
として動作する。位相変調は、コヒーレント光通信など
の次世代の光通信システムでの利用が期待されている。
尚、この光変調素子を、現在の光通信システムで主とし
て用いられている光強度変調素子として動作させるに
は、光導波路を用いて、基板上にマッハツェンダー干渉
計を構成すればよい。
1自体に電気光学効果を有する材料を用いているが、必
ずしもこの構成に限定されるものではなく、光導波路部
分、あるいは光導波路中の電界が及ぶ範囲またはその一
部分が電気光学効果を有していればよい。電気光学結晶
であるニオブ酸リチウム単結晶基板に金属チタンを熱拡
散する方法は、電気光学効果を有する光導波路を形成す
る最も簡単な方法であるが、必ずしもこの方法に限定さ
れるものではない。例えば、他の機能素子との集積化な
どのために、ニオブ酸リチウム単結晶以外の基板を利用
する必要がある場合には、基板上に、該基板よりも屈折
率が高く、かつ、電気光学効果を有する材料を薄膜化
し、その薄膜部分を光導波路として用いることもでき
る。また、基板表面に周囲よりも屈折率の高いコア部分
を形成し、その上にクラッド部分として電気光学効果を
有する材料を形成することにより、コア部分から染み出
した電界を利用して光変調を行うことも同様に有効であ
る。
調素子の構成によれば、平行結合線路に奇対称モードを
励振させることによって光導波路に効率的に大きな変調
電界を印加することが可能となるため、光変調素子の変
調効率を大幅に改善することができる。また、平行結合
線路の端部を単一線路によって互いに接続して共振器電
極を構成すれば、基本共振モードにおいて平行結合線路
に奇対称モードのみが存在することとなるため、適当な
方法によってこの共振器を駆動させることにより、極め
て効率的な光変調を実現することができる。また、本発
明に係る光変調素子の駆動方法によれば、平行結合線路
からなる変調電極に効率的に変調信号を供給することが
可能となるので、光変調のさらなる効率化を図ることが
できる。
示す平面図であり、図1bは図1aの要部断面図であ
る。
る。
す平面図である。
る。
子を示す平面図である。
ある。
示す平面図である。
素子を示す要部断面図である。
素子を示す要部断面図である。
平面図であり、図10bは図10aの要部断面図であ
る。
Claims (11)
- 【請求項1】 基板と、前記基板の表面上に形成された
電気光学効果を有する光導波路と、前記基板の裏面に形
成された接地電極と、前記光導波路の両側に形成された
第1及び第2の導体線とを備え、前記基板と前記第1及
び第2の導体線と前記接地電極とでマイクロストリップ
構造の結合線路を形成したことを特徴とする光変調素
子。 - 【請求項2】 第1の基板と、前記第1の基板の表面上
に形成された電気光学効果を有する光導波路と、前記第
1の基板の裏面に形成された接地電極と、前記光導波路
の両側に形成された第1及び第2の導体線と、前記光導
波路の上に形成された第2の基板と、前記第2の基板の
さらに上に形成された第2の接地電極とを備え、前記第
1及び第2の基板と前記第1及び第2の導体線及び前記
第1及び第2の接地電極とでストリップライン構造の結
合線路を形成したことを特徴とする光変調素子。 - 【請求項3】 基板と、前記基板の表面上に形成された
電気光学効果を有する光導波路と、前記光導波路の両側
に形成された第1及び第2の導体線と、前記基板の表面
上に形成され、前記第1及び第2の導体線を取り囲むよ
うに配置された接地電極とを備え、前記基板と、前記第
1及び第2の導体線と電気接地電極とでコプレナー型の
結合線路を形成したことを特徴とする光変調素子。 - 【請求項4】 第1及び第2の導体線のそれぞれの一端
を単一線路によって接続したことを特徴とする請求項
1、2又は3に記載の光変調素子。 - 【請求項5】 第1及び第2の導体線のそれぞれの一端
を単一線路によって接続し、それぞれの他端を電気容量
的に結合したことを特徴とする請求項1、2又は3に記
載の光変調素子。 - 【請求項6】 第1及び第2の導体線を電気容量的に結
合する際に、可変容量素子を用いて電気容量的に結合し
たことを特徴とする請求項5に記載の光変調素子。 - 【請求項7】 請求項1、2または3に記載の光変調素
子に加えて、途中で2つに分岐された入力端子を具備
し、前記入力端子の第1の分岐片を第1の導体線の端部
に電気容量的に結合させ、第2の分岐片を第2の導体線
の端部に磁界結合 させたことを特徴とする光変調装置。 - 【請求項8】 請求項1、2または3に記載の光変調素
子に加えて、途中で2つに分岐された入力端子を具備
し、前記入力端子の第1の分岐片を第1の導体線の端部
に直接接続させ、第2の分岐片を第2の導体線の端部に
遅延線路を介して接続させたことを特徴とする光変調装
置。 - 【請求項9】 請求項4、5または6に記載の光変調素
子の構成に加えて、第1または第2の導体線のいずれか
一方の一部分と電気容量的に結合している入力端子を備
えたことを特徴とする光変調装置。 - 【請求項10】 請求項4、5または6に記載の光変調
素子の構成に加えて、第1または第2の導体線のいずれ
か一方の一部分と磁界結合している入力端子を備えた光
変調装置。 - 【請求項11】 請求項1〜6に記載の光変調素子の駆
動方法であって、第1及び第2の導体線に励起する電磁
波が奇対称モードであることを特徴とする光変調素子の
駆動方法。
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