JP5050003B2 - Light modulator - Google Patents
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Description
本発明は高速で駆動電圧が低く、かつ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。 The present invention belongs to the field of optical modulators that are high-speed, low in driving voltage, low in bias voltage, and good in production yield.
リチウムナイオベート(LiNbO3)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。 An optical waveguide and a traveling wave electrode are provided on a substrate having a so-called electro-optic effect (hereinafter, the lithium niobate substrate is abbreviated as an LN substrate) such as lithium niobate (LiNbO 3 ) whose refractive index is changed by applying an electric field. The formed traveling wave electrode type lithium niobate optical modulator (hereinafter abbreviated as LN optical modulator) is applied to a 2.5 Gbit / s, 10 Gbit / s large capacity optical transmission system because of its excellent chirping characteristics. Yes. Recently, application to an ultra large capacity optical transmission system of 40 Gbit / s is also being studied, and it is expected as a key device.
(第1の従来技術)
近年の40Gbit/sでは、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)を用いるDQPSKやDPSKなどの位相変調方式が使用されつつある。
(First prior art)
In recent 40 Gbit / s, a phase modulation method such as a type using a z-cut substrate and a DQPSK or DPSK using an x-cut substrate (or a y-cut substrate) is being used.
LN光変調器の例としてz―カット基板を使用するDQPSKを考える。図12に特許文献1に開示されたDQPSKのLN光変調器の構造を示す。図12からわかるように、DQPSKのLN光変調器は2つの小さなマッハツェンダ(あるいは、チャイルドマッハツェンダ、もしくはチャイルドMZ)が大きなマッハツェンダ(あるいは、ペアレントマッハツェンダ、もしくはペアレントMZ)に組み込まれた構造(ネスト構造とも呼ばれる)となっている。 Consider DQPSK using a z-cut substrate as an example of an LN optical modulator. FIG. 12 shows the structure of a DQPSK LN optical modulator disclosed in Patent Document 1. As can be seen from FIG. 12, the DQPSK LN optical modulator has a structure in which two small Mach-Zehnders (or child Mach-Zehnders or child MZs) are incorporated in a large Mach-Zehnder (or parent Mach-Zehnder or parent MZ). Called).
ここで、1はz−カットLN基板、3は光導波路、3a、3b、3c、3dは高周波電気信号と光が相互作用する相互作用部の光導波路(正確には、高周波電気信号用相互作用光導波路というが、相互作用光導波路、あるいは簡単に光導波路ともいう)、4a、4b、4c、4dは高周波電気信号が伝搬し、高周波電気信号と光とを相互作用させる進行波電極の中心導体、5a、5b、5c、5d、5eは進行波電極の接地導体、6はペアレントMZとしての光の位相をπ/2シフトさせるバイアス部(または、π/2シフト部、位相シフト部、あるいはペアレントMZとしての位相シフト部)であり、3eと3fはπ/2シフト部の光導波路(あるいは、バイアス電圧用相互作用光導波路)を示している。なお、説明を簡単にするために、z−カットLN基板1の上に堆積されるSiO2バッファ層と温度ドリフト抑圧用のSi導電層は省略している。 Here, 1 is a z-cut LN substrate, 3 is an optical waveguide, 3a, 3b, 3c, and 3d are optical waveguides of an interaction portion where a high-frequency electrical signal and light interact (more precisely, an interaction for a high-frequency electrical signal) 4a, 4b, 4c, and 4d are the center conductors of traveling-wave electrodes that allow high-frequency electrical signals to propagate and allow high-frequency electrical signals and light to interact with each other. 5a, 5b, 5c, 5d, and 5e are ground conductors of traveling wave electrodes, and 6 is a bias unit (or π / 2 shift unit, phase shift unit, or parent) that shifts the phase of light as parent MZ by π / 2. 3e and 3f are optical waveguides of the π / 2 shift part (or an interaction optical waveguide for bias voltage). In order to simplify the description, the SiO 2 buffer layer and the Si conductive layer for suppressing temperature drift deposited on the z-cut LN substrate 1 are omitted.
なお、実際のz−カットLN基板1を用いたLN光変調器では進行波電極やバイアス電極を光導波路の上方に形成するので、これらの電極の上からは光導波路を見ることはできないが、電極や光導波路に付与している番号を明確にするために本明細書では電極を透過して光導波路を見ることができるように図を描いている。また、説明を簡単にするために、本明細書では一部の図面については進行波電極を省略した図としている。 Note that in an LN optical modulator using an actual z-cut LN substrate 1, since traveling wave electrodes and bias electrodes are formed above the optical waveguide, the optical waveguide cannot be seen from above these electrodes. In order to clarify the numbers assigned to the electrodes and the optical waveguide, in the present specification, a diagram is drawn so that the optical waveguide can be seen through the electrodes. Further, in order to simplify the explanation, in this specification, a traveling wave electrode is omitted in some drawings.
図12のDQPSK用LN光変調器のπ/2シフト部についての実際の電極を図13に示す。ここで、7aはπ/2シフト部の中心導体(あるいは、バイアス電圧用の中心導体)、7bはπ/2シフト部の接地導体(あるいは、バイアス電圧用の接地導体)である。このように、従来技術ではDQPSK用LN光変調器のペアレントMZとしてのπ/2シフトを実現するためにはチャイルドMZの直後にあるπ/2シフト部の光導波路3eと3fを使用していた。
FIG. 13 shows actual electrodes for the π / 2 shift unit of the DQPSK LN optical modulator of FIG. Here, 7a is a central conductor (or a bias voltage central conductor) of the π / 2 shift portion, and 7b is a ground conductor (or a bias voltage ground conductor) of the π / 2 shift portion. As described above, in the prior art, in order to realize the π / 2 shift as the parent MZ of the LN optical modulator for DQPSK, the
通常、チャイルドMZの直後にあるπ/2シフト部の光導波路3eと3fの長さ(印加したバイアスと光とが相互作用する長さ)は約10mmと短いので、π/2シフトに必要な電圧は20V程度と高くなる。実際の光通信では供給できるバイアス電圧に限界があるので、20年以上と長い期間にわたる信頼性上の問題があった。
Normally, the length of the
(第2の従来技術)
図14には第2の従来技術のπ/2シフト部についての電極を示す。8aと8bが各々π/2シフト部の中心導体と接地導体である。この図からわかるように、この第2の従来技術においても、π/2シフト部の中心導体(あるいは、バイアス電圧用の中心導体)8aと接地導体(あるいは、バイアス電圧用の接地導体)8bはチャイルドMZの直後に形成された長さが約10mmと比較的短い光導波路3eと3fに形成されている。第1の従来技術と比較して、この第2の従来技術では2つのチャイルドMZから出射される光の位相がπ/2シフトするのに必要な電圧が低減できてはいるものの、それでも13V程度と高く、やはり実際の光通信システムにおいて使用するには長期信頼性における問題があった。
(Second prior art)
FIG. 14 shows electrodes for the π / 2 shift portion of the second prior art.
なお、図14に示した第2の従来技術において高周波電気信号が伝搬する領域をさらに詳しく描くと図15のようになる。このように実際には、高周波電気信号を伝搬させる進行波電極の中心導体4a、4b、4c、4dと接地導体5a、5b、5c、5d、5eはz−カットLN基板1の縁まで形成されている。
In addition, when the area | region which a high frequency electric signal propagates in the 2nd prior art shown in FIG. 14 is drawn in more detail, it will become like FIG. As described above, the
なお、後の議論のためにもう少し定量的に説明をしておく。図16には図15を簡単化して示す。図を見やすくするために、高周波電気信号用の接地導体5a、5b、5c、5d、5eを省略した。またバイアス電圧用相互作用部の中心導体と接地導体も各々8a´、8b´として簡単化した。
In addition, I will explain a little more quantitatively for later discussion. FIG. 16 shows a simplified version of FIG. In order to make the drawing easier to see, the
図16において2つのチャイルドMZのうち、上側のチャイルドMZが持つ高周波電気信号用相互作用部の光導波路3a、3bを伝搬する各々の光の位相シフトΔΦ1´がπとなるように高周波電気信号用相互作用部の中心導体4aと4bの電圧をVa´とVb´(電位差ΔV1´=Va´−Vb´)とする。なお、一般に、Va´とVb´のどちらか片方を0Vとするが、例えばVb´=0Vとすると、ΔV1´=Va´となる。
In FIG. 16, among the two child MZs, the high-frequency electric signal is such that the phase shift ΔΦ 1 ′ of each light propagating through the
同様に、下側のチャイルドMZが持つ高周波電気信号用相互作用部の光導波路3c、3dを伝搬する各々の光の位相シフトΔΦ2´がπとなるように高周波電気信号用相互作用部の中心導体4cと4dの電圧をVc´とVd´(電位差ΔV2´=Vd´−Vc´)とする。なお、一般に、Vc´とVd´の片方の電圧を0Vとするので、ここではVc´=0Vとすると、ΔV2´=Vd´となる。
Similarly, the center of the high-frequency electrical signal interaction unit is set so that the phase shift ΔΦ 2 ′ of each light propagating through the
このように図16のチャイルドMZを伝搬する光は各々のチャイルドMZを構成する相互作用光導波路に対して位相シフトがπとなるように、つまり所望のΔV1´とΔV2´を得ることができるように、高周波電気信号用相互作用部の進行波電極に対して中心導体4aの電圧Va´と中心導体4dの電圧Vd´を与える。ここで、簡単のために、中心導体4bの電圧Vb´と中心導体4cの電圧Vc´は0Vとした(つまり、アースに落ちているとした)。
In this way, the light propagating through the child MZ in FIG. 16 can obtain a desired ΔV 1 ′ and ΔV 2 ′ so that the phase shift becomes π with respect to the interactive optical waveguides constituting each child MZ. The voltage V a ′ of the
そして、ペアレントMZとしてのπ/2シフト部のバイアス電圧用相互作用光導波路3eと3fを伝搬する各々の光の位相シフトΔΦ3´がπ/2となるように、バイアス電圧用中心導体の電圧VA´とバイアス電圧用接地導体の電圧VB´の値を決める。ここで、通常VB´=0なので、ΔV3´=VA´−VB´=VA´となる。そして、ペアレントMZとしてのπ/2シフト部のバイアス電圧用相互作用光導波路3eと3fの長さが約10mmと短いので、所望の光の位相シフト(あるいは位相差)ΔΦ3´(=π/2)を得るための電位差ΔV3´が大きくなってしまっていた。
Then, the voltage of the bias voltage central conductor is set so that the phase shift ΔΦ 3 ′ of each light propagating through the bias voltage interaction
(第3の従来技術)
図17は、特許文献2において提案されたDQPSK型の送信装置について示された第3の従来技術である。図17では、LN光変調器の他に、高周波電気信号を生成するDQPSK信号源700、光を出射するLD500、バイアスを安定化するABC回路100、2つのチャイルドMZ間における光の位相差をπシフトするためのバイアス電圧を供給するバイアス供給部120−2、位相シフトの制御命令を出す位相シフト制御部110、あるいはπ/2シフトするためのバイアス電圧を供給するバイアス供給部120−3などの電気部品・電子部品・制御回路も含んでおり、図17はDQPSK送信装置と言える。
(Third prior art)
FIG. 17 shows the third prior art shown for the DQPSK type transmitting apparatus proposed in
そして、本従来技術では、チャイルドMZ間における光の位相がπ/2シフトするのに必要なバイアス電圧を低減するための工夫をしている。以下、本従来技術の構成を説明する。 And in this prior art, the device for reducing the bias voltage necessary for the phase of the light between the child MZs to shift by π / 2 is devised. Hereinafter, the configuration of the conventional technology will be described.
ここで、200と300は各々チャイルドMZ、200bと300bは変調電極(進行波電極)、200aと300aはチャイルドMZのY分岐光導波路、200cと300cはπシフト部のバイアス電極である。500はLD(レーザーダイオード)からなる光源、400と600はペアレントMZのY分岐光導波路、700はDQPSK信号源、800−1と800−2はドライバ、900はPD(フォトダイオード)、100はABC(オートバイアスコントロール)回路、110は位相シフト制御部、120−1と120−2は各チャイルドMZを構成する各々の光導波路間の位相シフトをπにするための、いわゆるπシフト用のバイアス供給部、120−3はチャイルドMZ間(あるいは、ペアレントMZ間)におけるπ/2(あるいは、2π/4)シフト用のバイアス供給部である。 Here, 200 and 300 are child MZs, 200b and 300b are modulation electrodes (traveling wave electrodes), 200a and 300a are Y branch optical waveguides of the child MZ, and 200c and 300c are bias electrodes of the π shift unit. 500 is a light source composed of an LD (laser diode), 400 and 600 are parent MZ Y-branch optical waveguides, 700 is a DQPSK signal source, 800-1 and 800-2 are drivers, 900 is a PD (photodiode), 100 is ABC (Auto-bias control) circuit, 110 is a phase shift control unit, 120-1 and 120-2 are so-called π shift bias supplies for setting the phase shift between optical waveguides constituting each child MZ to π. The reference numeral 120-3 denotes a bias supply unit for π / 2 (or 2π / 4) shift between the child MZs (or between the parent MZs).
この第3の従来技術では、例えば特許文献2の請求項1において “該合波導波路で合波される2個の前記信号光が実質的に2π/4の位相偏移差となる移送用電圧についても前記駆動電圧信号とともに印加することを特徴とする”と記載されており、また段落[0030]や[0039]などの各所に、LN光変調器にドライバ800−2からの高周波電気信号を印加する前に、この高周波電気信号とπ/2シフト用のバイアス供給部120−3からのバイアス電圧を130−2のバイアスTにより重畳し、この重畳信号(あるいは、合成信号)をDQPSK型のLN光変調器に印加すると記載されている。つまり、本従来技術ではLN光変調器の外部にあるバイアスT130−2がドライバ800−2からの高周波電気信号とチャイルドMZ間におけるπ/2シフト用のバイアス供給部120−3からのバイアス電圧を重畳するという重要な働きをしている。
In the third prior art, for example, in claim 1 of
ところが、チャイルドMZ同士間でのπ/2の位相シフトを形成するための電気信号を高周波電気信号に重畳してLN光変調器に供給するこの第3の従来技術では、2つの電気信号を重畳するためにバイアスTなどの新たなデバイスが必要であり、構造が複雑となる、さらに、バイアスTを使用すると、高周波電気信号が減衰するとともに場合によっては波形が劣化するという問題が生じていた。 However, in the third prior art in which an electrical signal for forming a π / 2 phase shift between the child MZs is superimposed on a high-frequency electrical signal and supplied to the LN optical modulator, two electrical signals are superimposed. Therefore, a new device such as a bias T is required, and the structure becomes complicated. Further, when the bias T is used, a high-frequency electric signal is attenuated and a waveform is sometimes deteriorated.
(第4の従来技術)
図18は、特許文献2において提案されたDQPSK型の送信装置について示された第4の従来技術である。図18においては、変調電極(進行波電極)200b、300bは光に高周波電気信号のみを印加しており、200と300の各々のチャイルドMZ間にπ/2の位相シフトを設ける機能を有していない。従って、図17に示されているように、特許文献2における特徴である進行波電極を用いてπ/2の位相シフトを発生させるためのバイアスを印加する際に用いるバイアスT130−2は不要となっている。
(Fourth prior art)
FIG. 18 shows the fourth prior art shown for the DQPSK type transmitting apparatus proposed in
なお、各々のチャイルドMZ200と300内において光の位相をシフトさせるためにABC回路100から供給されるバイアス電圧は、チャイルドMZ200と300同士の間における位相シフトπ/2(図18からわかるように、π/4−(−π/4)=π/2)を与えるために位相シフト制御部110で検知されて送られた指令に基づいてバイアス供給部120−41、120−42で発生されたバイアス電圧とともに、バイアス電極200cと300cに印加される。
Note that the bias voltage supplied from the
つまり、この第4の従来技術では、各々のチャイルドMZ200と300内のうち、高周波電気信号と光との相互作用部として使用することができる平行な2本の光導波路の箇所に位相シフトπ/2のためのバイアス電極200cと300cを設けている。そして、その平行な2本の光導波路においてπ/2の位相シフトを完了している。
In other words, in the fourth prior art, phase shifts π / in the positions of two parallel optical waveguides that can be used as interaction portions between high-frequency electrical signals and light in each of the
その結果、チャイルドMZ200と300同士の間における位相シフトπ/2を発生させる位相シフトπ/2用のバイアス電極200cと300cの長さを長くすると、進行波電極200b、300bの長さが短くなるので、高周波電気信号としての駆動電圧が上昇してしまう。逆に、高周波電気信号としての駆動電圧を低減するためにバイアス電極200c、300cの長さを短くすると、チャイルドMZ200と300同士の間における位相シフトπ/2を与えるためのバイアス電圧が高くなってしまい、光変調器としての長期信頼性に影響を及ぼすという問題があった。
As a result, when the lengths of the
以上のように、第1や第2の従来技術ではチャイルドMZ同士間での位相シフトπ/2を形成するために、チャイルドMZの直後に設けられたペアレントMZの直線状の光導波路にのみバイアスを印加していたので、チャイルドMZ同士間での位相シフトを設定するためのバイアス電圧が高くなっていた。そして、実際の光通信システムにおいて使用されるトランスポンダに供給できるバイアス電圧には限界があるため、長期にわたる使用において信頼性上の問題が生じていた。 As described above, in the first and second prior arts, in order to form a phase shift π / 2 between the child MZs, only the parent MZ linear optical waveguide provided immediately after the child MZ is biased. Is applied, the bias voltage for setting the phase shift between the child MZs is high. In addition, since there is a limit to the bias voltage that can be supplied to the transponder used in the actual optical communication system, there has been a problem of reliability in the long-term use.
あるいは、第3の従来技術ではLN光変調器の外部で高周波電気信号とチャイルドMZ同士間での位相シフトπ/2を形成するためのバイアス電圧を重畳し、その重畳電気信号(あるいは、合成電気信号)をLN光変調器に供給していた。そして、その高周波電気信号とバイアス電圧の重畳のためにバイアスTという新たなデバイスが必要であり、構造が複雑となっていた。また、バイアスTを使用すると、高周波電気信号が減衰する、あるいは波形が劣化するなどの問題を生じていた。 Alternatively, in the third prior art, a bias voltage for forming a phase shift π / 2 between the high-frequency electric signal and the child MZ is superimposed outside the LN optical modulator, and the superimposed electric signal (or combined electric signal) Signal) to the LN optical modulator. A new device called a bias T is required to superimpose the high-frequency electric signal and the bias voltage, and the structure is complicated. Further, when the bias T is used, problems such as attenuation of the high-frequency electric signal or deterioration of the waveform occur.
さらに、第4の従来技術では、チャイルドMZ同士の間における位相シフトπ/2を形成するためのバイアス電圧をチャイルドMZにおいて高周波電気信号と光とが相互作用する相互作用光導波路として使用することができる平行な直線状の光導波路に設け、その平行な2本の光導波路においてπ/2の位相シフトを完了している。そのため、チャイルドMZ同士の間における位相シフトπ/2用のバイアス電極を長くすると高周波電気信号の駆動電圧が上昇し、逆に、高周波電気信号の駆動電圧を低減するために位相シフトπ/2用のバイアス電極を短くすると、位相シフトπ/2を形成するためのバイアス電圧が高くなるという問題があった。 Furthermore, in the fourth prior art, a bias voltage for forming a phase shift π / 2 between the child MZs may be used as an interactive optical waveguide in which high-frequency electrical signals and light interact in the child MZ. A parallel linear optical waveguide is provided, and a phase shift of π / 2 is completed in the two parallel optical waveguides. Therefore, if the bias electrode for phase shift π / 2 between the child MZs is lengthened, the drive voltage of the high frequency electrical signal increases, and conversely, in order to reduce the drive voltage of the high frequency electrical signal, When the bias electrode of this is shortened, there is a problem that the bias voltage for forming the phase shift π / 2 increases.
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、前記進行波電極に電気的に接続され、前記高周波電気信号を減衰させるための電気的終端とを有し、前記光導波路はペアレントマッハツェンダ光導波路の分岐光導波路上にチャイルドマッハツェンダ光導波路をそれぞれ有するネスト型光導波路でなる光変調器であって、前記電気的終端は、直流的に接地されていない電気的抵抗を含み、前記ペアレントマッハツェンダ光導波路のY分岐アームに沿って、バイアス電極が形成されており、前記チャイルドマッハツェンダ光導波路から出射される光同士の間に位相シフトが生じるように、前記バイアス電極にバイアス電圧が印加されるとともに、前記電気的終端を介して前記進行波電極の前記中心導体に前記バイアス電圧が印加されることを特徴とする。
In order to solve the above problems, an optical modulator according to claim 1 of the present invention includes a substrate having an electro-optic effect, an optical waveguide for guiding light formed on the substrate, and one of the substrates. A traveling wave electrode formed on the surface side and made up of a central conductor and a ground conductor for applying a high frequency electric signal for modulating the light; and an electric circuit electrically connected to the traveling wave electrode for attenuating the high frequency electric signal The optical waveguide is a nested optical waveguide having a child Mach-Zehnder optical waveguide on a branched optical waveguide of the parent Mach-Zehnder optical waveguide, and the electrical termination is DC include an electrical resistance which is not grounded, along said parent Mach-Zehnder optical waveguide Y-branch arms, and the bias electrode is formed, the child Mach-Zehnder Phase shift between the light between emitted from the waveguide to occur, with a bias voltage is applied to the bias electrode, said bias voltage to the center conductor of the traveling wave electrode through the electrical terminations It is characterized by being applied.
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、前記進行波電極に電気的に接続され、前記高周波電気信号を減衰させるための電気的終端とを有し、前記光導波路はペアレントマッハツェンダ光導波路の分岐光導波路上にチャイルドマッハツェンダ光導波路をそれぞれ有するネスト型光導波路でなる光変調器であって、前記電気的終端は、直流的に接地されていない電気的抵抗を含み、前記ペアレントマッハツェンダ光導波路のY分岐アームから前記チャイルドマッハツェンダ光導波路のY分岐アームまでの光導波路に沿って、バイアス電極が形成されており、前記チャイルドマッハツェンダ光導波路から出射される光同士の間に位相シフトが生じるように、前記バイアス電極にバイアス電圧が印加されるとともに、前記電気的終端を介して前記進行波電極の前記中心導体に前記バイアス電圧が印加されることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, there is provided an optical modulator comprising: a substrate having an electro-optic effect; an optical waveguide for guiding light formed on the substrate; and the optical modulator formed on one surface side of the substrate. A traveling wave electrode composed of a central conductor and a ground conductor for applying a high frequency electrical signal that modulates, and an electrical termination electrically connected to the traveling wave electrode for attenuating the high frequency electrical signal, The optical waveguide is an optical modulator composed of a nested optical waveguide having a child Mach-Zehnder optical waveguide on a branched optical waveguide of the parent Mach-Zehnder optical waveguide, and the electrical termination has an electrical resistance not grounded in DC. wherein, along said from Y branch arms of the parent Mach-Zehnder optical waveguide in the optical waveguide to the Y branch arms of the child Mach-Zehnder optical waveguide, the bias electrode shape Are, as the phase shift between the light between emitted from the child Mach-Zehnder optical waveguide is produced, with a bias voltage is applied to the bias electrode, wherein the traveling wave electrode through the electrical termination It said bias voltage is applied to the central conductor and said and Turkey.
本発明の請求項3の光変調器は、請求項1または2に記載の光変調器において、前記チャイルドマッハツェンダ光導波路を挟んで前記光が導波する方向の前後に、前記バイアス電極が形成されており、それぞれのチャイルドマッハツェンダ光導波路における両側の前記バイアス電極の中心導体が、電気的に接続されていることを特徴とする。
An optical modulator according to a third aspect of the present invention is the optical modulator according to the first or second aspect , wherein the bias electrode is formed before and after the light is guided across the child Mach-Zehnder optical waveguide. The center conductors of the bias electrodes on both sides of each child Mach-Zehnder optical waveguide are electrically connected.
本発明では、第1や第2の従来技術と異なり、例えばπ/2のようなチャイルドMZ同士間での位相シフトを形成するためのバイアスを、電気的終端の電気的抵抗とコンデンサの後と進行波電極を電気的に接続することにより、チャイルドMZが有する長さが長い進行波電極にも印加する。これにより、高周波電気信号とDCバイアス電圧を重畳するためにバイアスTを用いることなく、所望の位相シフトπ/2を得るのに必要なバイアス電圧が印加される光導波路の実質的な相互作用長を大幅に長くすることができる。そして位相シフトπ/2を形成するために必要な電圧はこのバイアス電圧にとっての実質的な相互作用長に正確に反比例するので、チャイルドMZ同士間での位相シフトπ/2を形成するために必要なバイアス電圧を著しく低減することができる。そして、本発明において重要なことは、第3の従来技術とは異なり、バイアスTを用いてチャイルドMZ同士間での位相シフトを形成するために必要なバイアス電圧と高周波電気信号とを重畳し、その重畳信号を進行波電極に印加していないことである。一般に高周波電気信号に他の電気信号やDCバイアスを重畳するには、バイアスTのような特殊なデバイスが必要となり、LN光変調器を用いる送信装置の構成が複雑となる。さらに、こうした特殊なデバイスを使用すると、コストが高くなるばかりでなく、高周波電気信号とLN光変調器の間にデバイスが入ることになり、高周波電気信号が減衰する、あるいはその波形が劣化してしまう。そのため、本発明ではπ/2のようなチャイルドMZ同士間の位相シフトを形成するバイアス電圧を、LN光変調器の外部において高周波電気信号と重畳し、その重畳電圧(あるいは合成電圧)をLN光変調器に印加することをしない構成をとっている。つまり、本発明では、バイアス電圧を高周波電気信号とは完全に独立して光導波路に供給する。このように、本発明では本発明ではバイアスTを使用しないので構成が極めてシンプルである。さらに、高周波電気信号は電気的終端の中の電気的抵抗によりほぼ完全に減衰させることができるので、本発明を適用することにより、位相シフトπ/2のためのバイアス電圧を高周波電気信号とは完全に無関係に独立にLN光変調器に印加できる。従って、高周波電気信号とチャイルドMZ同士間の位相シフトを形成するバイアス電圧を重畳するバイアスTのようなデバイスが必要でなくなるので、コスト低減に著しい効果があるばかりでなく、高周波電気信号が減衰することもないし、その波形が劣化することもない。その結果、実際の光通信システムにおける長期信頼性を向上できるとともに、送信装置として省電力化でき、さらに光の波形の品質を改善することが可能となる。 In the present invention, unlike the first and second prior arts, for example, a bias for forming a phase shift between child MZs such as π / 2 is applied between the electrical resistance of the electrical termination and the capacitor. By electrically connecting the traveling wave electrodes, the child MZ is also applied to the traveling wave electrode having a long length. Thus, the substantial interaction length of the optical waveguide to which the bias voltage necessary to obtain the desired phase shift π / 2 is applied without using the bias T to superimpose the high-frequency electric signal and the DC bias voltage. Can be significantly lengthened. The voltage required to form the phase shift π / 2 is exactly inversely proportional to the substantial interaction length for this bias voltage, so it is necessary to form the phase shift π / 2 between the child MZs. The bias voltage can be significantly reduced. What is important in the present invention is that, unlike the third prior art, a bias voltage necessary to form a phase shift between the child MZs using the bias T and a high-frequency electric signal are superimposed, The superimposed signal is not applied to the traveling wave electrode. In general, in order to superimpose another electric signal or DC bias on a high-frequency electric signal, a special device such as a bias T is required, and the configuration of a transmission apparatus using an LN optical modulator becomes complicated. Furthermore, using such a special device not only increases the cost, but also inserts the device between the high-frequency electrical signal and the LN optical modulator, which attenuates the high-frequency electrical signal or degrades its waveform. End up. Therefore, in the present invention, a bias voltage that forms a phase shift between child MZs such as π / 2 is superimposed on a high-frequency electrical signal outside the LN optical modulator, and the superimposed voltage (or combined voltage) is LN light. The structure which does not apply to a modulator is taken. That is, in the present invention, the bias voltage is supplied to the optical waveguide completely independently of the high-frequency electric signal. Thus, in the present invention, since the bias T is not used in the present invention, the configuration is extremely simple. Furthermore, since the high frequency electrical signal can be almost completely attenuated by the electrical resistance in the electrical termination, by applying the present invention, the bias voltage for the phase shift π / 2 is defined as the high frequency electrical signal. It can be applied independently to the LN optical modulator independently of each other. This eliminates the need for a device such as a bias T that superimposes a bias voltage that forms a phase shift between the high-frequency electrical signal and the child MZ, which not only significantly reduces costs but also attenuates the high-frequency electrical signal. Neither does the waveform deteriorate. As a result, it is possible to improve long-term reliability in an actual optical communication system, to save power as a transmission device, and to improve the quality of the light waveform.
また、本発明は、ペアレントMZを構成するY分岐アームの光導波路(あるいは、簡単にY分岐アーム)にもバイアス電圧を印加する実施形態も含んでいる。そして、それらの実施形態では高周波電気信号と光との相互作用部のみでなく、ペアレントMZの光を合波、あるいは分波するY分岐アームにも位相シフトを発生させ、それらを合成した結果、ペアレントMZとしての位相シフトπ/2を発生させている。従って、チャイルドMZの高周波電気信号と光とが相互作用する相互作用部のみでなく、ペアレントMZの光を合波、あるいは分波するY分岐アームも位相シフトπ/2のための相互作用部として使用するので、バイアス電圧による位相シフトπ/2を得るための実質的な相互作用長が大幅に長くなり、必要なバイアス電圧を著しく低減することが可能となる。そして、ペアレントMZとしてのバイアス電極の長さをチャイルドMZとしてのバイアス電極の長さよりも長くすることにより、本発明の優れた利点を発揮している。 The present invention also includes an embodiment in which a bias voltage is also applied to the optical waveguide of the Y branch arm (or simply the Y branch arm) constituting the parent MZ. And in those embodiments, not only the interaction portion between the high-frequency electrical signal and the light, but also the Y branch arm that multiplexes or demultiplexes the light of the parent MZ, the phase shift is generated, and as a result of combining them, The phase shift π / 2 as the parent MZ is generated. Therefore, not only the interaction part where the high-frequency electrical signal of child MZ interacts with light, but also the Y branch arm that multiplexes or demultiplexes the light of parent MZ as an interaction part for phase shift π / 2. Therefore, the substantial interaction length for obtaining the phase shift π / 2 due to the bias voltage is significantly increased, and the required bias voltage can be significantly reduced. Then, by making the length of the bias electrode as the parent MZ longer than the length of the bias electrode as the child MZ, the excellent advantage of the present invention is exhibited.
以下、本発明の実施形態について説明するが、図12から図17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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. However, since the same reference numerals as those of the conventional embodiments shown in FIGS. 12 to 17 correspond to the same function units, description of the function units having the same numbers is omitted here. To do.
(第1の実施形態)
図1にDQPSK型光変調器に本発明を適用した第1の実施形態の上面図を示す。また、参考のために、図2には図1の部分拡大図を示す。図3には光導波路の構成を示す。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a top view of a first embodiment in which the present invention is applied to a DQPSK type optical modulator. For reference, FIG. 2 shows a partially enlarged view of FIG. FIG. 3 shows the configuration of the optical waveguide.
図1から図3において、1はz−カットLN基板、3は光導波路、3a、3b、3c、3dは高周波電気信号と光とが相互作用する相互作用部の光導波路、4a、4b、4c、4dは高周波電気信号を伝搬させ、その高周波電気信号と光とを相互作用させる進行波電極の中心導体である。ここで、説明を簡単にするために、高周波電気信号の入力側については省略した。また、接地導体、及び、z−カットLN基板1の上に堆積されるSiO2バッファ層と温度ドリフト抑圧用のSi導電層も省略している。なお、基板としてはx−カットやy−カットなど、z−カット以外の基板を用いても良いことは言うまでもない。
1 to 3, reference numeral 1 denotes a z-cut LN substrate, 3 denotes an optical waveguide, 3a, 3b, 3c, and 3d denote optical waveguides of interaction portions where high-frequency electrical signals interact with light, 4a, 4b, and 4c.
ここで、相互作用光導波路3a、3bを含むチャイルドMZを第1のチャイルドMZ、相互作用光導波路3c、3dを含むチャイルドMZを第2のチャイルドMZと呼ぶ。
Here, the child MZ including the interaction
図3のペアレントMZのY分岐アーム3e´、3f´、3g´、3h´と、チャイルドMZのY分岐アーム3i´、3j´、3k´、3m´には、図1に示すように光の位相をシフトさせるためのバイアス電圧用中心導体(あるいは、バイアス電極)20a、20b、20c、20dが形成されており、20aと20bは電気配線21aにより、20cと20dは電気配線21bにより電気的に接続されている。また、10a、10b、10c、10dは高周波電気信号用の電気的終端である。
The parent MZ
ここで、バイアス電極20a、20b、21aと電気的につながっている電極パッド20eと、電気的終端10aとは例えばワイヤ22aなどにより電気的に接続されている。また、バイアス電極20c、20d、21bと電気的につながっている電極パッド20fと、電気的終端10cとは例えばワイヤ22bなどにより電気的に接続されている。ここで、22cと22dは各々電極パッド20e、20fにペアレントMZとしての位相シフトを得るための電圧を供給するためのワイヤである。4a´、4b´、4c´、4d´は各々中心導体4a、4b、4c、4dに電気的に接続されている電極パッドである。なお、40は電極配線である。
Here, the
ペアレントMZとしての位相シフトを生じさせるためのバイアス電圧VAをワイヤ22cから電極パッド20eに印加すると、この電圧VAは電極パッド20eに電気的に接続されているバイアス電極20aと20bに印加され、第1のチャイルドMZのY分岐アーム3i´、3j´とペアレントMZのY分岐アーム3e´、3f´において光の屈折率変化(位相変化)が生じる。
When a bias voltage VA for causing a phase shift as the parent MZ is applied from the
後で詳しく述べるように、本発明の特徴として電極パッド20eと電気的終端10aとは例えばワイヤ22aなどにより電気的に接続されている。さらに、電気的終端10aと進行波電極の中心導体4aの電極パッド4a´とは例えばワイヤ22eなどにより電気的に接続されている。従って、バイアス電圧VAは第1のチャイルドMZの進行波電極を構成する中心導体4aにも印加されるので、高周波電気信号と光とが相互作用する相互作用光導波路3aにおいても、位相シフトπ/2のための屈折率変化が生じる。
As will be described in detail later, as an aspect of the present invention, the
また、ペアレントMZとしての位相シフトを生じさせるためのバイアス電圧VBをワイヤ22dから電極パッド20fに印加すると、この電圧VBは電極パッド20fに電気的に接続されているバイアス電極20cと20dに印加され、第2のチャイルドMZのY分岐アーム3k´、3m´とペアレントMZのY分岐アーム3g´、3h´において光導波路の屈折率変化(光の位相変化)が生じる。
Further, when a bias voltage V B for causing a phase shift as the parent MZ is applied from the
そして、前述と同様に、電極パッド20fと電気的終端10cとは例えばワイヤ22bなどにより電気的に接続されている。さらに、電気的終端10cと進行波電極の中心導体4cの電極パッド4c´とは例えばワイヤ22gなどにより電気的に接続されている。従って、バイアス電圧VBは第2のチャイルドMZの進行波電極を構成する中心導体4cにも印加されるので、高周波電気信号と光とが相互作用する相互作用光導波路3cにおいても、位相シフトπ/2のための屈折率変化が生じる。
In the same manner as described above, the
なお、図1では説明をわかり易くするために、電極配線40の幅を広く誇張して描いているが、実際には図1における電極配線40の各々の幅は10〜50μmであり、電極配線40の幅の合計が光導波路の長手方向において占める長さはほぼ無視できるほど短い。さらに、本実施形態ではペアレントMZとしての位相シフトπ/2を得るためにチャイルドMZの光導波路3a、3b、3c、3dとY分岐アーム3i´、3j´、3k´、3m´、及びペアレントMZのY分岐アーム3e´、3f´、3g´、3h´における屈折率の変化を用いる。
In FIG. 1, the width of the
そして本実施形態では、ペアレントMZとしての位相シフトを生じさせるためのバイアス電圧をバイアスTによりあらかじめ高周波電気信号に重畳し、その重畳信号をLN光変調器に印加することをしない。つまり、このバイアス電圧は高周波電気信号に重畳することなく、高周波電気信号とは独立にLN光変調器に印加される。そのために、本発明では10a、10b、10c及び10dの電気的終端を利用する。 In this embodiment, a bias voltage for causing a phase shift as the parent MZ is superimposed on the high-frequency electric signal in advance by the bias T, and the superimposed signal is not applied to the LN optical modulator. That is, the bias voltage is applied to the LN optical modulator independently of the high frequency electric signal without being superimposed on the high frequency electric signal. To that end, the present invention utilizes 10a, 10b, 10c and 10d electrical terminations.
まず、図3におけるペアレントMZのY分岐アーム3f´、3e´、第1のチャイルドMZのY分岐アーム3j´、3i´と相互作用光導波路3a、3bについて考える。
First, consider the
ペアレントMZとしての位相シフトを生じさせるために、ワイヤ22cを介してバイアス電圧VAを印加する電極パッド20eが電気的に接続された電気的終端10aについて、ワイヤ22a、22cの接続の様子を含め、図4に示す。ここで、12は電気的抵抗、13a、13b、13cはコンデンサ、4a´は中心導体4aにつながる電極パッド、5a´、5a´´は中心導体4aに対応する不図示の接地導体につながる電極パッド、22eは電極パッド4a´と電気的抵抗12とを電気的に接続する例えばワイヤ、22e´、22e´´は電極パッド5a´、5a´´とコンデンサ13a、13bとを電気的に接続する例えばワイヤである。図4からわかるように、本発明では終端抵抗10aを介してペアレントMZの電圧を印加するワイヤ22cを第1チャイルドMZの中心導体4aにつながる電極パッド4a´に電気的に接続している。
In order to cause a phase shift as the parent MZ, the connection of the
電極パッド4a´と電気的抵抗12とはワイヤ22eにより電気的に接続されているので、ワイヤ22cを介して電極パッド20eに印加されたバイアス電圧VAはバイアス電圧用相互作用部である光導波路3e´と3f´のみでなく、進行波電極の中心導体4aにも印加され、第1のチャイルドMZのY分岐アーム3i´、3j´や高周波電気信号用相互作用部の相互作用光導波路3aにも作用する。なお、図4において中心導体4aから電極パッド4a´まで伝搬してきた高周波電気信号は電気的終端10aの電気的抵抗12によりすでに消費されている。つまり、本発明においてバイアス電圧VAは高周波電気信号に対して独立に供給することができる。
Since the
ここで注意すべきことについて述べる。電気的終端10aも実際にはLN光変調器の進行波電極と同様に、不図示の中心導体と不図示の接地導体からなっている。そして、その不図示の中心導体と不図示の接地導体の間に電気抵抗12を設けている。図4に示した電気回路図ではワイヤ22aを電気的抵抗12の直下に接続しているが、これはワイヤ22aを電気的終端10aの不図示の接地導体に接続しているためである。さて、ワイヤ22aの接続点を電気的終端10aの不図示の中心導体とし、かつ高周波電気信号にとって幾何学的な配置の観点から電気的抵抗12を過ぎた箇所にあるように位置させておけば、ワイヤ22aの不図示の中心導体への接続が高周波電気信号に与える影響をほとんど無視できるほど小さくできる。そして、この場合には図4の電気回路図ではワイヤ22aは電気的抵抗12の直上に接続されることになる。
Here are some things to note. The
なお、図4の電気的抵抗12はコンデンサ13a、13b、13cがあるために直流的には接地されていない。
Note that the
以上のように、この実施形態も含め本発明では、ペアレントMZとしての位相シフトを生じさせるためのバイアス電圧VAと高周波電気信号とを、あらかじめバイアスTを用いて重畳した重畳信号を進行波電極の中心導体4bに印加することをしていない。
As described above, in the present invention including this embodiment, the superimposed signal obtained by superimposing the bias voltage V A and the high-frequency electrical signal for causing the phase shift as the parent MZ in advance using the bias T is the traveling wave electrode. The
一方、第1のチャイルドMZに属し、中心導体4aのペアとなる中心導体4bが電気的に接続された電極パッド4b´と電気的終端10bについて、第1のチャイルドMZのバイアス電圧Vbを印加するワイヤ30eも含め、図5に示す。ここで、12´は電気的抵抗、13a´、13b´、13c´はコンデンサ、4b´は中心導体4bにつながる電極パッド、5b´、5b´´は中心導体4bに対応する不図示の接地導体につながる電極パッド、22fは電極パッド4b´と電気的抵抗12´とを電気的に接続する例えばワイヤ、22f´、22f´´は電極パッド5b´、5b´´とコンデンサ13a´、13b´とを電気的に接続する例えばワイヤである。また、図4において述べたのと同じく、図5の電気回路図においてもワイヤ30eを電気的抵抗12´の直上に接続しても良い。なお、図5の電気的抵抗12´は各々コンデンサ13a´、13b´、13c´があるため直流的には接地されていない。
On the other hand, the bias voltage Vb of the first child MZ is applied to the
次に、図3におけるペアレントMZのY分岐アーム3h´、3g´、第2のチャイルドMZのY分岐アーム3m´、3k´と相互作用光導波路3c、3dについて考える。
Next, consider the
ペアレントMZとしての位相シフトを生じさせるために、ワイヤ22dを介してバイアス電圧VBを印加する電極パッド20fが電気的に接続された電気的終端10cについて、ワイヤ22b、22dの接続の様子を含め、図6に示す。ここで、14は電気的抵抗、15a、15b、15cはコンデンサ、4c´は中心導体4cにつながる電極パッド、5c´、5c´´は中心導体4cに対応する不図示の接地導体の電極パッド、22gは電極パッド4c´と電気的抵抗14とを電気的に接続する例えばワイヤ、22g´、22g´´は電極パッド5c´、5c´´とコンデンサ14a、14bとを電気的に接続する例えばワイヤである。図6からわかるように、本発明では終端抵抗10cを介してペアレントMZの電圧を印加するワイヤ22dを第2チャイルドMZの中心導体4cにつながる電極パッド4c´に電気的に接続している
電極パッド4c´と電気的抵抗14とはワイヤ22gにより電気的に接続されているので、ワイヤ22dを介して電極パッド20fに印加されたバイアス電圧VBはバイアス電圧用相互作用部である光導波路3h´と3g´のみでなく、第2のチャイルドMZのY分岐アーム3k´、3m´や進行波電極の中心導体4cにも印加され、高周波電気信号用相互作用部の相互作用光導波路3cにも作用する。なお、図6において中心導体4cから電極パッド4c´まで伝搬してきた高周波電気信号は電気的終端10cの電気的抵抗14により消費されている。つまり、本発明においてバイアス電圧VBは高周波電気信号に対して独立に供給される。また、図4において述べたのと同じく、図6の電気回路図においてもワイヤ22bを電気的抵抗14の直上に接続しても良い。
To produce a phase shift as a parent MZ, the
なお、図6の電気的抵抗14はコンデンサ15a、15b、15cがあるために直流的には接地されていない。
6 is not grounded in terms of direct current due to the presence of the
上述のように、本発明では、ペアレントMZとしての位相シフトを生じさせるためのバイアス電圧VBと高周波電気信号とを、あらかじめバイアスTを用いて重畳した重畳信号を進行波電極の中心導体4cに印加することをしていない。
As described above, in the present invention, the superimposed signal obtained by superimposing the bias voltage V B and the high-frequency electric signal for causing the phase shift as the parent MZ in advance using the bias T is applied to the
また、中心導体4cのペアとなる中心導体4dが電気的に接続された電極パッド4d´と電気的終端10dについて、第2のチャイルドMZ用のバイアス電圧Vdが印加されるワイヤ30fも含め、図7に示す。ここで、14´は電気的抵抗、15a´、15b´、15c´はコンデンサ、4d´は中心導体4dにつながる電極パッド、5d´、5d´´は中心導体4dに対応する不図示の接地導体につながる電極パッド、30fは電極パッド4d´と電気的抵抗14´とを電気的に接続する例えばワイヤ、22h´、22h´´は電極パッド5d´、5d´´とコンデンサ15a´、15b´とを電気的に接続する例えばワイヤである。また、図5において述べたのと同じく、図7の電気回路図においてもワイヤ30fを電気的抵抗14´の直上に接続しても良い。
Further, the
なお、図7の電気的抵抗14´は各々コンデンサ15a´、15b´、15c´があるため直流的には接地されていない。
It should be noted that the
図8は本発明の原理をわかりやすく説明するために、図1を模式的に表した図である。23aはバイアス電極20aと中心導体4aが電気的に接続されていることを表す模擬的なワイヤ、また23bはバイアス電極20cと中心導体4cが電気的に接続されていることを表す模擬的なワイヤである。バイアス電極20a、20bと中心導体4aはほぼ同電位であり、またバイアス電極20c、20dと中心導体4cはほぼ同電位である。
FIG. 8 is a diagram schematically showing FIG. 1 for easy understanding of the principle of the present invention. 23a is a simulated wire indicating that the
次に、図1〜図8を用いてこの第1の実施形態の動作原理を説明する。このDQPSKLN光変調器をバイアスコントロールするには以下の制御工程を用いる。 Next, the operation principle of the first embodiment will be described with reference to FIGS. The following control process is used for bias control of the DQPSKLN optical modulator.
a)第1の制御工程
この工程はペアレントMZに位相シフトπ/2を与える工程である。ワイヤ22cを介してバイアス電極20aにバイアス電圧VAを印加すると、前述のようにバイアス電極20b、さらに中心導体4aもほぼ同電位VAとなる。すると、ペアレントMZのY分岐アーム3e´、3f´、第1のチャイルドMZのY分岐アーム3i´、3j´と第1のチャイルドMZを構成する相互作用光導波路3aの屈折率、つまり光導波路の位相が変化する。
a) First Control Step This step is a step of giving a phase shift π / 2 to the parent MZ. When the bias voltage VA is applied to the
一方、ワイヤ22dを介してバイアス電極20cにバイアス電圧VBを印加すると、バイアス電極20d、さらに中心導体4cもほぼ同電位VBとなる。すると、ペアレントMZのY分岐アーム3g´、3h´、第2のチャイルドMZのY分岐アーム3k´、3m´と第2のチャイルドMZを構成する相互作用光導波路3cの屈折率、つまり光導波路の位相が変化する。
On the other hand, when through the
この時、バイアス電圧VAとVBの符号を異ならしめておけば、絶対値が小さなバイアス電圧VA、VB(電位差ΔV3=VA−VB)によりペアレントMZとしての位相シフトΔφ3をπ/2に設定することできる。 At this time, if the signs of the bias voltages V A and V B are different, the phase shift Δφ 3 as the parent MZ is caused by the bias voltages V A and V B (potential difference ΔV 3 = V A −V B ) having small absolute values. It can be set to π / 2.
b)第2の制御工程
この工程は第1のチャイルドMZを構成する2本の光導波路に位相シフトπを与える工程である。ワイヤ30eを介して第1のチャイルドMZの中心導体4bにバイアス電圧Vbを印加することにより第1のチャイルドMZを構成する2本の相互作用光導波路3a、3bの間の位相シフトΔφ1をπとすることができる。第1のチャイルドMZの高周波電気信号と光とが相互作用する相互作用部における中心導体4aと4bの電位差ΔV1はVA−Vbとなる。
b) Second control step This step is a step of giving a phase shift π to the two optical waveguides constituting the first child MZ. First child
c)第3の制御工程
この工程は第2のチャイルドMZを構成する2本の光導波路に位相シフトπを与える工程である。ワイヤ30fを介して第2のチャイルドMZの中心導体4dにバイアス電圧Vdを印加することにより第2のチャイルドMZを構成する2本の相互作用光導波路3c、3dの間の位相シフトΔφ2をπとすることができる。第2のチャイルドMZの高周波電気信号と光とが相互作用する相互作用部における中心導体4cと4dの電位差ΔV2はVB−Vdとなる。
c) Third control step This step is a step of giving a phase shift π to the two optical waveguides constituting the second child MZ. Two interaction
d)第4の制御工程
第2の制御工程と第3の制御工程を行うと(つまりΔφ1をπ、Δφ2をπとするためにVbとVdを設定しΔV1とΔV2を与えると)、第1の制御工程において設定したペアレントMZとしての位相シフトΔφ3はπ/2からずれてしまう。そこで、再度第1の制御工程を行うが、以下のように本発明の利点を発揮できる。
d) Performing a fourth control step the second control step and the third control step (i.e. [Delta] [phi 1 [pi, the [Delta] V 1 and [Delta] V 2 sets the V b and V d to the a [Delta] [phi 2 [pi The phase shift Δφ 3 as the parent MZ set in the first control step deviates from π / 2. Then, although a 1st control process is performed again, the advantage of this invention can be exhibited as follows.
ペアレントMZとしての位相シフトΔφ3をπ/2とするために、ワイヤ22cに加えるバイアス電圧を第1の制御工程のVAからVA´へ、ワイヤ22dに加えるバイアス電圧を第1の制御工程のVBからVB´へと変更する。その結果バイアス電極20aと20cの電位差はΔV3=VA−VBからΔV3´=VA´−VB´へと変わる。ここで、重要なことは、ペアレントMZとしての位相シフトΔφ3を生じさせるバイアス電極の長さ(ペアレントMZのY分岐アームに形成した電極20a、20b、20c、20dの長さとチャイルドMZの中心導体4a、4cの長さの和)がチャイルドMZとしての位相シフトΔφ1と位相シフトΔφ2を得るための中心導体20b、20dの長さよりも長いことである。
The phase shift [Delta] [phi 3 as parent MZ to the [pi / 2, a bias voltage applied to the
そのため、新たにペアレントMZとしての位相シフトΔφ3をπ/2とするのに必要なバイアス電圧の変化ΔV3´−ΔV3は、チャイルドMZとして必要なΔV1とΔV2に対して、チャイルドMZとしてのバイアス電極の長さ(つまりここでは、中心導体4b、4dの長さ)とペアレントMZとしてのバイアス電極の長さとの比だけ小さくすることができる。ここでこの比をRとすると、本発明では必ずR<1となる。
Therefore, the change ΔV 3 '-ΔV 3 newly bias voltage required to phase shift [Delta] [phi 3 and [pi / 2 as parent MZ, to the [Delta] V 1 and [Delta] V 2 required as child MZ, Child MZ The length of the bias electrode (that is, the length of the
さて、ペアレントMZとしての位相シフトΔφ3を改めてπ/2としたために、チャイルドMZの位相シフトΔφ1、Δφ2がπからずれてしまう。そこで、Δφ1、Δφ2がπとなるように、ΔV1とΔV2を変更するが、その結果再度ペアレントMZとしての最適バイアス電圧が変化してしまう。 Now, since the phase shift Δφ 3 as the parent MZ is again set to π / 2, the phase shifts Δφ 1 and Δφ 2 of the child MZ shift from π. Therefore, ΔV 1 and ΔV 2 are changed so that Δφ 1 and Δφ 2 become π. As a result, the optimum bias voltage as the parent MZ changes again.
しかしながら、容易にわかるように、必要なペアレントMZのバイアス電圧の変化量はチャイルドMZのバイアス電圧ΔV1とΔV2の変更分にチャイルドMZとしてのバイアス電極の長さとペアレントMZとしてのバイアス電極の長さとの比Rを掛けた電圧だけを変化させれば良い。このように、バイアス電極の比Rが1より小さいために、チャイルドMZとペアレントMZに必要な電圧はチャイルドMZとペアレントMZについてバイアス電極に関する長さの比Rのべき乗で急速に収束することになる。これは電子回路にとっては瞬時にできる作業である。一方、LN光変調器における最適バイアス電圧のドリフト現象は時間的に極めて緩やかであるため、本発明を用いることによりバイアス電圧の制御の遅れは全く発生しない。 However, as can be easily understood, the required amount of change in the bias voltage of the parent MZ depends on the change in the bias voltages ΔV 1 and ΔV 2 of the child MZ and the length of the bias electrode as the child MZ and the length of the bias electrode as the parent MZ. It is sufficient to change only the voltage multiplied by the ratio R. Thus, since the bias electrode ratio R is smaller than 1, the voltages required for the child MZ and the parent MZ rapidly converge with the power of the length ratio R of the bias electrode for the child MZ and the parent MZ. . This is an instantaneous task for electronic circuits. On the other hand, since the optimum bias voltage drift phenomenon in the LN optical modulator is extremely slow in time, the use of the present invention causes no delay in bias voltage control.
なお、上記の制御工程は順番を入れ替えても良いことはいうまでもない。また、第2の制御工程と第3の制御工程を行った後、第1のチャイルドMZと第2のチャイルドMZを出射した各々の光の位相差が、ペアレントMZの位相差π/2に影響を与えないように第1のチャイルドMZと第2のチャイルドMZにバイアス電圧を印加する場合には、第4の工程を省くことが可能である。 In addition, it cannot be overemphasized that said control process may change order. Further, after performing the second control step and the third control step, the phase difference between the light beams emitted from the first child MZ and the second child MZ affects the phase difference π / 2 of the parent MZ. In the case where a bias voltage is applied to the first child MZ and the second child MZ so as not to give the error, the fourth step can be omitted.
中心導体4a、4b、4c、4dの長さは40〜70mmである。一方、ペアレントMZとしての長さはY分岐アームも含めるとそれらの2〜4倍程度ある。従って、図17に示した第3の従来技術や図18に示した第4の従来技術と比較して、本実施形態を使用することによりペアレントMZの位相シフトπ/2を実現するためのバイアス電圧を著しく低減できるばかりでなく、バイアス電極の長さの比Rが1より小さいことを利用して最適バイアス電圧を瞬時に設定することが可能となる。
The lengths of the
なお、ペアレントMZとしての位相シフトπ/2を実現するためのバイアス電極20a、20b、20c、20dを高周波電気信号用の中心導体4a、4b、4c、4dの前後に配置し、それらを電気的に接続したが、20aと20cのみ、あるいは20bと20dのみ、さらにはどれか一つのみなど、を配置しても良い。そしてこのことは本発明の全ての実施形態について言うことができる。ペアレントMZとしてのバイアス電極20a、20b、20c、20dについては少なくとも一つを配置すれば良い。
In addition,
また、以上の説明においては本発明の考え方をLN変調器のチップ内に作り作り付けた実施形態について説明した。そしてキーポイントはネスト型LN光変調器の例えばペアレントMZ用のバイアス電圧を電気的終端から印加するとともに、「ペアレントMZとしての位相シフトπ/2を生じさせるためのバイアス電極の長さを、チャイルドMZとしての位相シフト(例えばπ)を得るためのチャイルドMZ内におけるバイアス電極の長さよりも長く設定する」ことにより、ペアレントMZ、及びチャイルドMZとして必要なバイアス電圧を必要な値に収束させていることである。この考え方を使う全ての実施形態は本発明に属することになる。 In the above description, the embodiment in which the idea of the present invention is built in the chip of the LN modulator has been described. The key point is that a bias voltage for the parent MZ of the nested LN optical modulator, for example, is applied from the electrical terminal, and “the length of the bias electrode for generating the phase shift π / 2 as the parent MZ is determined by the child. The bias voltage required for the parent MZ and the child MZ is converged to a required value by setting the length longer than the length of the bias electrode in the child MZ for obtaining the phase shift (for example, π) as the MZ. That is. All embodiments that use this concept belong to the present invention.
つまり、例えLN光変調器チップ内ではペアレントMZのアームに形成したペアレントMZとしての位相シフト用のバイアス電極とチャイルドMZの進行波電極とが電気的に接続されていない場合でも、そのLN光変調器のチップを筺体の中に組み込んで製作したLN光変調器モジュールについて、ペアレントMZとチャイルドMZのバイアス端子を電気的に接続することにより、電気長の観点から「ペアレントMZとしての位相シフトπ/2を生じさせるためのバイアス電極の長さを、チャイルドMZとしての位相シフト(例えばπ)を得るためのチャイルドMZ内におけるバイアス電極の長さよりも長く設定する」ことができ、本発明の効果を実現することが可能となる。そして、この考え方は本発明の第3の実施形態を除く全ての実施形態について適用することができる。 That is, even if the phase shift bias electrode as the parent MZ formed on the parent MZ arm and the traveling wave electrode of the child MZ are not electrically connected in the LN optical modulator chip, the LN optical modulation is performed. From the viewpoint of electrical length, the phase shift as parent MZ is obtained by electrically connecting the bias terminals of the parent MZ and the child MZ to the LN optical modulator module manufactured by incorporating the chip of the detector in the housing. 2 can be set longer than the length of the bias electrode in the child MZ for obtaining a phase shift (for example, π) as the child MZ ”. It can be realized. This concept can be applied to all embodiments except the third embodiment of the present invention.
(第2の実施形態)
図9は本発明の第2の実施形態についての上面図である。この実施形態では図1に示したバイアス電極20a、20b、20c、20dと図9に示す20a´、20b´、20c´、20d´を比較するとわかるように、図9ではチャイルドMZのY分岐アームに電極を形成しないようにしている。
(Second Embodiment)
FIG. 9 is a top view of the second embodiment of the present invention. In this embodiment, as can be seen by comparing the
(第3の実施形態)
図10は本発明の第3の実施形態についての上面図である。本実施形態では、ペアレントMZとしての位相シフトπ/2を実現するために、ペアレントMZのY分岐アームを用いず、図3に示したチャイルドMZの相互作用光導波路3a、3b、3c、3dのみを使用している。本発明においてもバイアスTを用いず、ワイヤ22c´と22d´から高周波電気信号と無関係に独立に電気的終端10a、10b、10c、10dを介してバイアス電圧を中心導体4a、4c、4b、4dに印加している。
(Third embodiment)
FIG. 10 is a top view of the third embodiment of the present invention. In the present embodiment, in order to realize the phase shift π / 2 as the parent MZ, only the child MZ interaction
図1に示した第1の実施形態と比較して、本実施形態では位相シフトπ/2を生じさせるための相互作用長が短いので、位相シフトπ/2を生じさせるために必要なバイアス電圧は第1の実施形態本実施形態よりも高くなってしまうが、図17の第3の従来技術とは異なり、バイアスTを使用しないために得ることのできるコスト削減や変調波形の劣化を抑圧できるという利点を有している。 Compared with the first embodiment shown in FIG. 1, the present embodiment has a shorter interaction length for generating the phase shift π / 2, so that the bias voltage necessary for generating the phase shift π / 2 is required. However, unlike the third prior art shown in FIG. 17, the cost reduction and the deterioration of the modulation waveform that can be obtained because the bias T is not used can be suppressed. Has the advantage.
本発明の第3の実施形態を動作するには、まず、中心導体4aと4b、4cと4dにバイアス電圧を印加して、第1のチャイルドMZと第2のチャイルドMZとしての光の位相差πを実現する。次に、中心導体4aと4bのペアと4cと4dのペアの少なくとも一方にバイアス電圧を印加することにより、ペアレントMZとしての位相差π/2を実現すれば良い。
In order to operate the third embodiment of the present invention, first, a bias voltage is applied to the
(第4の実施形態)
図11は本発明の第4の実施形態についての上面図である。図中、50は分極反転領域である。この実施形態ではバイアス電極20a、20b、20c、20dは電極配線21bにより電気的に接続されている。20f´´はこれらのバイアス電極につながる電極パッドであり例えばワイヤ22d´にバイアス電圧を印加すると、このバイアス電圧はバイアス電極20a、20b、20c、20dのみでなく、チャイルドMZの中心導体4a、4cに印加される。そして、ペアレントMZとしてのバイアス電圧印加において、1つのバイアス電源を用いてもプッシュプル型のバイアス動作が可能となる。
(Fourth embodiment)
FIG. 11 is a top view of the fourth embodiment of the present invention. In the figure, 50 is a domain-inverted region. In this embodiment, the
(各実施形態について)
以上においては、DQPSKを例にとり説明したが、チャイルドMZが2個よりも多い構造についても適用できるし、π/2シフトではなく、mとnを整数としてmπ/nシフト、さらにはmπ/n+α(αは任意の定数)シフトの場合にも適用できる。
(About each embodiment)
In the above description, DQPSK has been described as an example. However, the present invention can be applied to a structure having more than two child MZs, and is not a π / 2 shift, but an mπ / n shift where m and n are integers, and mπ / n + α. (Α is an arbitrary constant) This can also be applied to a shift.
また、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。 Further, although the CPW electrode has been described as an example of the traveling wave electrode, it goes without saying that various traveling wave electrodes such as an asymmetric coplanar strip (ACPS) and a symmetric coplanar strip (CPS), or a lumped constant electrode may be used.
そして、本発明の実施形態におけるπ/2シフト部のバイアス電極については中心導体の両側に接地導体を設ける、あるいは接地導体の両側に中心導体を設けるなどの構造で説明したが、これらは単に説明するために用いた例にすぎず、これに限らない。本発明はどのようなバイアス部の電極構造にでも適用可能である。 In the embodiment of the present invention, the bias electrode of the π / 2 shift unit has been described with a structure in which a ground conductor is provided on both sides of the center conductor, or a center conductor is provided on both sides of the ground conductor. It is only an example used for doing, and it is not restricted to this. The present invention can be applied to any bias electrode structure.
さらに、π/2シフトのためのバイアス電圧を高周波電気信号用の進行波電極に印加する構造としたが、チャイルドMZを構成する2本の光導波路間の位相を互いにπずらすためにバイアス分離型を採用している光変調器ではその分離したバイアス部、あるいは進行波電極、さらにはそれらの両方に印加しても良いことは言うまでもない。 Further, the bias voltage for π / 2 shift is applied to the traveling wave electrode for high-frequency electrical signals, but the bias separation type is used to shift the phase between the two optical waveguides constituting the child MZ by π. It goes without saying that the optical modulator adopting the above may be applied to the separated bias portion, the traveling wave electrode, or both of them.
以上の実施形態においては、z−カット基板について説明したが、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軸を持つ基板について適用可能であるし、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。また、LN基板のみでなく、リチウムタンタレートや半導体などその他の基板でも良いことは言うまでもない。 In the above embodiments, the z-cut substrate has been described, but the x-cut, y-cut or z-cut plane orientation, that is, the x-axis of the crystal in the direction perpendicular to the substrate surface (cut plane). It is applicable to a substrate having a y-axis or a z-axis, and the plane orientation in each of the embodiments described above may be used as a main plane orientation, and other plane orientations may be mixed as sub-plane orientations. . It goes without saying that not only the LN substrate but also other substrates such as lithium tantalate and semiconductors may be used.
1:z−カットLN基板
3:光導波路
3a、3b、3c、3d:高周波電気信号用相互作用光導波路
3e´、3f´、3g´、3h´:ペアレントMZのY分岐アーム
3e、3f:バイアス電圧用相互作用光導波路
3i´、3j´、3k´、3m´:チャイルドMZのY分岐アーム
4a、4b、4c、4d:高周波電気信号用進行波電極の中心導体
4a´、4b´、4c´、4d´、5a´、5a´´、5b´、5b´´、5c´、5c´´、5d´、5d´´、20e、20f:電極パッド
5a、5b、5c、5d、5e:高周波電気信号用進行波電極の接地導体
6:π/2シフト部
7a、8a、8a´、20a、20a´、20b、20b´、20c、20c´、20d、20d´:バイアス電圧用中心導体
21a、21b、40:電気配線
7b、8b、8b´:バイアス電圧用接地導体
10a、10b、10c、10d:電気的終端
11、22a、22b、22c、22c´、22d、22d´、22e、22e´、22e´´、22f、22f´、22f´´、22g、22g´、22g´´、22h´、22h´´、23a、23b、30e、30f:ワイヤ
12、12´、14、14´:電気的抵抗
13a、13b、13c、13a´、13b´、13c´、15a、15b、15c、15a´、15b´、15c´:コンデンサ
50:分極反転領域
100:ABC回路
110:位相シフト制御部
120−1、120−2、120−3、120−41、120−42:バイアス供給部
200、300:チャイルドMZ
200a、300a:チャイルドMZのY分岐光導波路
200b、300b:変調電極(進行波電極)
200c、300c:バイアス電極
500:LD(レーザーダイオード)
400、600:ペアレントMZのY分岐光導波路
800−1、800−2:ドライバ
700:DQPSK信号源
900:フォトダイオード(PD)
1: z-cut LN substrate 3: optical waveguides 3a, 3b, 3c, 3d: high-frequency electric signal interaction optical waveguides 3e ', 3f', 3g ', 3h': parent MZ Y branch arm 3e, 3f: bias Voltage-interacting optical waveguides 3i ', 3j', 3k ', 3m': Child MZ Y-branch arms 4a, 4b, 4c, 4d: Center conductors of high-frequency electrical signal traveling wave electrodes 4a ', 4b', 4c ' 4d ′, 5a ′, 5a ″, 5b ′, 5b ″, 5c ′, 5c ″, 5d ′, 5d ″, 20e, 20f: electrode pads 5a, 5b, 5c, 5d, 5e: high frequency electricity Signal traveling wave electrode ground conductor 6: π / 2 shift portion 7a, 8a, 8a ′, 20a, 20a ′, 20b, 20b ′, 20c, 20c ′, 20d, 20d ′: bias voltage central conductors 21a, 21b 40: Electric wiring 7b, 8 8b ': Ground conductor for bias voltage 10a, 10b, 10c, 10d: Electrical termination 11, 22a, 22b, 22c, 22c', 22d, 22d ', 22e, 22e', 22e ", 22f, 22f ', 22f ″, 22g, 22g ′, 22g ″, 22h ′, 22h ″, 23a, 23b, 30e, 30f: Wire 12, 12 ′, 14, 14 ′: Electrical resistance 13a, 13b, 13c, 13a ′ , 13b ′, 13c ′, 15a, 15b, 15c, 15a ′, 15b ′, 15c ′: capacitor 50: polarization inversion region 100: ABC circuit 110: phase shift control unit 120-1, 120-2, 120-3, 120-41, 120-42: Bias supply unit 200, 300: Child MZ
200a, 300a: Y branch optical waveguide of
200c, 300c: bias electrode 500: LD (laser diode)
400, 600: Parent MZ Y-branch optical waveguide 800-1, 800-2: Driver 700: DQPSK signal source 900: Photodiode (PD)
Claims (3)
前記光導波路はペアレントマッハツェンダ光導波路の分岐光導波路上にチャイルドマッハツェンダ光導波路をそれぞれ有するネスト型光導波路でなる光変調器であって、
前記電気的終端は、直流的に接地されていない電気的抵抗を含み、
前記ペアレントマッハツェンダ光導波路のY分岐アームに沿って、バイアス電極が形成されており、
前記チャイルドマッハツェンダ光導波路から出射される光同士の間に位相シフトが生じるように、前記バイアス電極にバイアス電圧が印加されるとともに、前記電気的終端を介して前記進行波電極の前記中心導体に前記バイアス電圧が印加されることを特徴とする光変調器。 A substrate having an electro-optic effect; an optical waveguide for guiding light formed on the substrate; a central conductor formed on one side of the substrate for applying a high-frequency electrical signal that modulates the light; A traveling wave electrode composed of a ground conductor; and an electrical termination electrically connected to the traveling wave electrode for attenuating the high frequency electrical signal;
The optical waveguide is an optical modulator composed of a nested optical waveguide each having a child Mach-Zehnder optical waveguide on a branched optical waveguide of a parent Mach-Zehnder optical waveguide,
The electrical termination includes an electrical resistance that is not DC grounded;
A bias electrode is formed along the Y branch arm of the parent Mach-Zehnder optical waveguide,
As the phase shift between the light between emitted from the child Mach-Zehnder optical waveguide is produced, with a bias voltage is applied to the bias electrode, the said central conductor of said traveling wave electrode through the electrical termination An optical modulator to which a bias voltage is applied.
前記光導波路はペアレントマッハツェンダ光導波路の分岐光導波路上にチャイルドマッハツェンダ光導波路をそれぞれ有するネスト型光導波路でなる光変調器であって、
前記電気的終端は、直流的に接地されていない電気的抵抗を含み、
前記ペアレントマッハツェンダ光導波路のY分岐アームから前記チャイルドマッハツェンダ光導波路のY分岐アームまでの光導波路に沿って、バイアス電極が形成されており、
前記チャイルドマッハツェンダ光導波路から出射される光同士の間に位相シフトが生じるように、前記バイアス電極にバイアス電圧が印加されるとともに、前記電気的終端を介して前記進行波電極の前記中心導体に前記バイアス電圧が印加されることを特徴とする光変調器。 A substrate having an electro-optic effect; an optical waveguide for guiding light formed on the substrate; a central conductor formed on one side of the substrate for applying a high-frequency electrical signal that modulates the light; A traveling wave electrode composed of a ground conductor; and an electrical termination electrically connected to the traveling wave electrode for attenuating the high frequency electrical signal;
The optical waveguide is an optical modulator composed of a nested optical waveguide each having a child Mach-Zehnder optical waveguide on a branched optical waveguide of a parent Mach-Zehnder optical waveguide,
The electrical termination includes an electrical resistance that is not DC grounded;
A bias electrode is formed along the optical waveguide from the Y-branch arm of the parent Mach-Zehnder optical waveguide to the Y-branch arm of the child Mach-Zehnder optical waveguide ,
As the phase shift between the light between emitted from the child Mach-Zehnder optical waveguide is produced, with a bias voltage is applied to the bias electrode, the said central conductor of said traveling wave electrode through the electrical termination optical modulator characterized and Turkey bias voltage is applied.
それぞれのチャイルドマッハツェンダ光導波路における両側の前記バイアス電極の中心導体が、電気的に接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光変調器。
The bias electrode is formed before and after the light is guided across the Child Mach-Zehnder optical waveguide,
3. The optical modulator according to claim 1 , wherein central conductors of the bias electrodes on both sides of each child Mach-Zehnder optical waveguide are electrically connected .
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JP2010152306A (en) | 2010-07-08 |
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