(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路１と、この光導波路の屈折率を変化させる電界調節手段２とを有し、
前記光導波路１が、光波入力端部３と、この入力端部から分岐している第１および第２分岐導波路部４，５と、前記２本の分岐導波路部が収斂している光波出力端部６とを有し、
前記電界調節手段２が、前記第１分岐導波路部４に対向して配置されたホット電極７と、前記第２分岐導波路部５に対向して配置された第１グランド電極８と、前記ホット電極に関し、前記第１グランド電極の反対側に配置された第２グランド電極９とを有し、
前記第１分岐導波路部４が、前記入力端部に近く、かつ前記ホット電極と重なっている第１部分４ａと、前記出力端部に近く、かつ前記ホット電極から外れて前記第２グランド電極側に、張り出ている第２部分４ｂとを有し、
前記ホット電極７の長さＤ１と、前記第１グランド電極８の長さＤ２と、前記第２グランド電極９の長さＤ３と、前記第１分岐導波路部第１部分４ａの長さＰ１とが、下記関係：
Ｄ１＝Ｄ２、
および
Ｏ≦Ｄ３≦Ｐ１＜Ｄ２
を満足することを特徴とする導波路型光変調器。
【請求項２】
前記第１分岐導波路部４が、その第１部分４ａの、前記ホット電極７に平行な部分Ｗ１ａと、前記第２部分の、前記ホット電極７に平行な部分Ｗ１ｃと、これら部分Ｗ１ａと部分Ｗ１ｃとを連結するＳ字形曲線連結部分Ｗ１ｂと、前記第１部分４ａを前記入力端部３に連結している入力端側連結部分Ｙ１ａと、前記第２部分４ｂを前記出力端部に連結している出力端側連結部分Ｙ１ｂとからなり、
前記第２分岐導波路部５が、前記第１グランド電極８に平行な部分Ｗ２ａと、前記部分Ｗ２ａを前記入力端部３に連結する入力端側連結部分Ｙ２ａと、前記部分Ｗ２ａから前記出力端部６に向って伸び出しＳ字形に屈曲している屈曲部分Ｗ２ｂと、この屈曲部分Ｗ２ｂと、前記出力端部６とを連結する出力側連結部分Ｙ２ｂとからなり、
前記第１分岐導波路部４の全長（Ｗ１ａ＋Ｗ１ｂ＋Ｗ１ｃ＋Ｙ１ａ＋Ｙ１ｂ）が、前記第２分岐導波路部５の全長（Ｗ２ａ＋Ｗ２ｂ＋Ｙ２ａ＋Ｙ２ｂ）に等しい、請求項１に記載の変調器。
【請求項３】
前記光導波路１が、ｚカットニオブ酸リチウム基板に、チタンを拡散させることにより形成されたものであり、前記電極７，８、および９と前記ニオブ酸リチウム基板との間に酸化シリコン層が形成されている、請求項１又は２に記載の変調器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、導波路型光変調器、特にマッハツェンダー型光変調器に関するものである。更に詳しく述べるならば、本発明は、チャーピング特性および半波長電圧特性などの光変調特性が改善されたマッハツェンダー光強度変調器に関するものである。
本発明の導波路型光変調器は、光通信システムのキーデバイスとして用いられる外部光変調器として有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムに搭載される高速光強度変調器のチャーピング現象は、光ファイバの実現可能な伝搬光帯域を制限してしまう。したがって、これまで、周波数チャーピングを低減するための変調器構造が、数多く提案されてきた (F.Koyama and K.Iga, IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol.76 (1), pp87-92, Jan. 1988) 。
【０００３】
ニオブ酸リチウム基板を変調器に用いる場合、そのｚカット基板上に光導波路を形成し、その上に、光とマイクロ波の速度を整合するための酸化シリコン等の誘電体バッファ層を形成して、高速化を達成することが好ましい（K.Kawano, The Journal of IEICE, vol.76 (12), pp1306-1313, Dec. 1993)。このような従来構造の場合、周波数変調された波（マイクロ波）は、広いグランド電極を有する非対称な平面電極構成系の中を伝搬されることになる（M.Izutsu and T.Sueta, IECE, vol.J64-C (4), pp264-271, 1981) 。これは、非対称な電界を発生させる結果となり、さらに、マッハツェンダー型干渉素子の一対の光導波路分岐部を伝搬する光波に、等しくない位相変化を与える結果となり、素子のプッシュプル動作機能を低下させる。つまり、素子の残留周波数チャーピングの存在を無視できなくなる（A.Djupsjobacka, IEEE Photonics Technology Letters, vol.4 (1), pp41-43, Jan. 1992) 。
【０００４】
このような問題を改善する一つの方法として、マッハツェンダー型導波路の一対の導波路分岐部の幅を、左右非対称にすることにより、チャーピングを低減できることが知られている（J.Nayyer, S.Shimotsu, J.Ichikawa and T.Kitazawa, 5th Optoelectronics Conference, OEC'94, July 12-15, 1994, Chiba, Japan, 14E22) 。しかし、この構造系には、導波路の半波長電圧が増加してしまう、という弱点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、マッハツェンダー型高速光強度変調器の、上記課題を克服して、周波数チャーピング量が制御され、好適にはチャーピングが完全に削除され、かつ低い半波長電圧が実現できる、導波路型光変調器を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の導波路型光変調器は、光導波路と、この光導波路の屈折率を変化させる電界調節手段２とを有し、
前記光導波路１が、光波入力端部３と、この入力端部から分岐している第１および第２分岐導波路部４，５と、前記２本の分岐導波路部が収斂している光波出力端部６とを有し、
前記電界調節手段が、前記第１分岐導波路部に対向して配置されたホット電極７と、前記第２分岐導波路部に対向して配置された第１グランド電極８と、前記ホット電極に関し、前記第１グランド電極に対して反対側に配置された第２グランド電極９とを有し、
前記第１分岐導波路部４が、前記入力端部に近く、かつ前記ホット電極７と重なっている第１部分４ａと、前記出力端部に近く、かつ前記ホット電極７から外れて前記第２グランド電極９側に、張り出ている第２部分４ｂとを有し、
前記ホット電極７の長さＤ１と、前記第１グランド電極８の長さＤ２と、前記第２グランド電極９の長さＤ３と、前記第１分岐導波路部第１部分４ａの長さＰ１とが、下記関係：
Ｄ１＝Ｄ２、
および
Ｏ≦Ｄ３≦Ｐ１＜Ｄ２
を満足することを特徴とするものである。
【０００７】
本発明の導波路型光変調器において、前記第１分岐導波路部４が、その第１部分４ａの、前記ホット電極７に平行な部分Ｗ１ａと、前記第２部分の、前記ホット電極７に平行な部分Ｗ１ｃと、これら部分Ｗ１ａと部分Ｗ１ｃとを連結するＳ字形曲線連結部分Ｗ１ｂと、前記第１部分４ａを前記入力端部３に連結している入力端側連結部分Ｙ１ａと、前記第２部分４ｂを前記出力端部に連結している出力端側連結部分Ｙ１ｂとからなり、
前記第２分岐導波路部５が、前記第１グランド電極８に平行な部分Ｗ２ａと、前記部分Ｗ２ａを前記入力端部３に連結する入力端側連結部分Ｙ２ａと、前記部分Ｗ２ａから前記出力端部６に向って伸び出しＳ字形に屈曲している屈曲部分Ｗ２ｂと、この屈曲部分Ｗ２ｂと、前記出力端部６とを連結する出力側連結部分Ｙ２ｂとからなり、
前記第１分岐導波路部４の全長（Ｗ１ａ＋Ｗ１ｂ＋Ｗ１ｃ＋Ｙ１ａ＋Ｙ１ｂ）が、前記第２分岐導波路部５の全長（Ｗ２ａ＋Ｗ２ｂ＋Ｙ２ａ＋Ｙ２ｂ）に等しいことが好ましい。
【０００８】
本発明の導波路型光変調器において、前記光導波路１が、ｚカットニオブ酸リチウム基板に、チタンを拡散させることにより形成されたものであり、前記電極７，８、および９と前記ニオブ酸リチウム基板との間に酸化シリコン層が形成されていることが好ましい。
【０００９】
【作用】
図１に、本発明の導波路型光変調器における導波路および電極の配置および構成の一例を示す。図１に示された導波路型光変調器は、光導波路１と、この光導波路１の屈折率を変化させて、それを伝播する光波の光強度を変調するための電界調節手段２とを有するものである。前記光導波路１は、光波入力端部３と、この入力端部３から分岐している第１および第２分岐導波路部４，５と、前記２本の分岐導波路４，５が収斂している光波出力端部６とを有している。
【００１０】
前記電界調節手段２は、前記第１分岐導波路部４に対向して配置されたホット電極７と、前記第２分岐導波路５に対向して配置された第１グランド電極８と、前記ホット電極７に関し、前記第１グランド電極の反対側に配置された第２グランド電極９とを有するものであって、これらの電極は、電源およびアース（図示されていない）に連結され、ホット電極とグランド電極との間に所望の電圧を付与して導波路の屈折率を変化させ、それに対応してこの導波路を伝播する光波の速度を変化させることができる。
【００１１】
前記導波路１は、電気光学材料から作られた基板、好ましくはｚカットニオブ酸リチウム基板に、所望のパターに従ってチタンを拡散させることによって形成される。また電極と光導波路を包含する基板表面との間に、誘電体物質、好ましくは酸化シリコンからなるバッファ層（図示されていない）が形成されている。
【００１２】
本発明の光変調器の光導波路１において、図１に示されているように、前記第１分岐導波路部４は、第１部分４ａと第２部分４ｂとを有し、第１部分４ａは、前記入力端部に近く、ホット電極７に対向し、誘電体層をはさんでこれに重なり合っている部分であり、第２部分４ｂは出力端部６に近く、ホット電極７との重なり合いから外れ、前記第２グランド電極９側に張り出ている部分である。
【００１３】
本発明の光変調器の光導波路１および電界調節手段２において、ホット電極７の長さＤ１と、第１グランド電極８の長さＤ２と、第１分岐導波路部第１部分４ａの長さＰ１とが、下記の関係：
Ｄ１＝Ｄ２
および
Ｏ≦Ｄ３≦Ｐ１＜Ｄ２
を満足するものである。このとき、第２分岐導波路部５の、第１グランド電極８に対向し、誘電体層をはさんでこれと重なり合っている部分の長さＰ２は、第１グランド電極の長さＤ２に等しい。また、第２グランド電極９の長さＤ３は０（ゼロ）でもよいが、電極帯域の性能を向上させるために、Ｋ−コネクション構造をとることが好ましいから、この点を考慮すればＤ３はゼロでないことが好ましい。また、第１分岐導波路第１部分４ａの長さＰ１は、ホット電極７の有効電極長を表す。
【００１４】
また、本発明の光変調器の光導波路１の構成をさらに詳しく説明すると、図１に示されているように、第１分岐導波路部４は、
（ｉ）その前記第１部分４ａの、前記ホット電極７に平行な部分Ｗ１ａと、
（ii）前記第２部分４ｂの、前記ホット電極７に平行な部分Ｗ１ｃと、
（iii)  前記部分Ｗ１ａと前記部分Ｗ１ｃとを連結するＳ字形曲線連結部分Ｗ１ｂと、
（iv) 前記第１部分４ａを、前記入力端部３に連結する入力端側連結部Ｙ１ａと、および
（ｖ）前記第２部分４ｂを、前記出力端部６に連結する出力端側連結部Ｙ１ｂと
により構成されている。
【００１５】
また、第２分岐導波路部５は、図１に示されているように、
（vi) 前記第１グランド電極８に対向し、これに平行な部分Ｗ２ａと、
（vii)  前記部分Ｗ２ａを前記入力端部３に連結する入力端側連結部分Ｙ２ａと、
（viii) 前記部分Ｗ２ａから、前記出力端部６に向って伸び出し、Ｓ字形に屈曲している屈曲部分Ｗ２ｂと、
および
（ix) この屈曲部分Ｗ２ｂと、前記出力端部６とを連結する出力端側連結部Ｙ２ｂと
から構成されている。
【００１６】
本発明の好ましい態様において、第１分岐導波路部４の全長（Ｗ１ａ＋Ｗ１ｂ＋Ｗ１ｃ＋Ｙ１ａ＋Ｙ１ｂ）が、第２分岐導波路部５の全長（Ｗ２ａ＋Ｗ２ｂ＋Ｙ２ａ＋Ｙ２ｂ）に等しい。
【００１７】
上記のような本発明による光導波路の構成および電極構成により、得られる光変調器のチャーピングを低減し、半波長電圧を低減することができる。その理由を下記において説明する。
【００１８】
図２に一般的な非対称構成マッハツェンダー型導波路の一例を示す。
光導波路１１は、光波入力端部１３と、２本の第１および第２分岐導波路部１４，１５と、光波出力端部１６とからなり、第１分岐導波路部１４に対向してホット電極１７が配置され、第２分岐導波路部１５に対向してグランド電極１８が配置されている。
【００１９】
入力端部１３に入射された光は、非対称型第１および第２分岐導波路部１４，１５に分岐して伝播する。このときの光のパワーの分岐比（第１分岐導波路部１４／第２分岐導波路部１５）をｍ：１とする。また、第１および第２分岐導波路部１４，１５の伝搬定数をβ1 ，β2 とし、その長さをｌ1 およびｌ2 とする。またホット電極およびグランド電極の長さをＬ1 ，Ｌ2 とする。このときの出射光の電界Ｅは、下記式（１）で表わされる。
【数１】
0003701041.tif 000002
式（１）において、ｋ0 は真空中における波数を表わし、Δｎ1 およびΔｎ2 はそれぞれ、第１および第２分岐導波路部１４，１５の屈折率変化量を表わす。
【００２０】
出射電界Ｅを式（２）の形式に変形する。
【数２】
0003701041.tif 000003
そして、チャープパラメータαの下記定義式（３）（F.Koyama and K.Iga, IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol.76 (1), pp87-92, Jan. 1988参照)
【数３】
0003701041.tif 000004
に式（２）を適用すると、非対称型導波路のチャープパラメータαは、式（４）により表わされる。
【数４】
0003701041.tif 000005
但し、式（４）中、ＡおよびＢは式（５）により定義される。
【数５】
0003701041.tif 000006
式（４）において、η1 およびη2 は印加電圧当りの屈折率変化を表わす。
【００２１】
上記結果から変調器において、導波路を対称型にしたとき（β1 ＝β2 、ｍ＝１、ｌ1 ＝ｌ2 ）、式（４）は、下記式（６）に変換され、そのときの残留チャープνは、下記式（７）により定義されることになる。
【数６】
0003701041.tif 000007
【数７】
0003701041.tif 000008
【００２２】
次に基板をｚカットニオブ酸リチウムで形成し、バッファ層を酸化シリコンにより形成した光変調器の光学特性値をExtended Spectral Domain法 (T.Kitazawa, D.Polifko and H.Ogawa, IEEE Microwave & Guided Wave Letters, vol.2 (8), pp313-315, Aug. 1992) により求めた。その結果を図４に示す。
【００２３】
図３は、図１に示された構成を有する本発明の光変調器に用いられる電界調節手段の一例の、電気的実効屈折率（ｎm ）および電極帯域（電極が作働可能な高周波の周波数の上限値、Δｆ）と電極長（Ｄ１（＝Ｄ２））との積（Δｆ・Ｄ１（＝Ｄ２））の、ホット電極とグランド電極との間の距離Ｓ（図１）に対する依存性を示す。前記電界調節手段の電極は金により形成され、その厚さを１５μｍ一定とした。また光変調器のバッファ層の厚さ（Ｈ）を０．５，０．７５及び１．０μｍの３水準に設定した。
図３から、バッファ層の厚さＨ、および電極間距離Ｓを適正化することにより電極の電気的屈折率及びΔｆ・Ｄ１の値を適切な値に設定し、それによって、超高速変調器を作製し得ることが理解できる。
【００２５】
図１の光変調器の高速変調を可能とする実際的条件の一例において、電極厚さ：１５μｍ一定、電極間距離Ｓ：１４μｍ、バッファ層の厚さＨ：１μｍとした場合、本発明による図１の光導波路／電界調節手段構成において、有効電極長比（グランド電極８の有効電極長：Ｄ２＝Ｐ2 ／ホット電極７の有効電極長：Ｐ1 ＝（Ｄ２＝Ｐ2 ）／Ｐ1 ）と、残留チャープνとの関係、及び前記電極長比と（半波長電圧（駆動電圧）とホット電極の有効長との積（Ｖπ・Ｐ1 ））との関係を図４に示す。
【００２６】
図４において、チャープ量νは、有効電極長比Ｐ2 ／Ｐ1 比を大きくすることによって低減可能であることがわかる。また、Ｐ2 ／Ｐ1 ＝６．３のとき、チャープνはほゞ０（ゼロ）になる。さらに、本発明においては、有効電極長が対称（Ｐ1 ＝Ｐ2 ）である素子の場合にくらべて、半波長電圧（駆動電圧）が低いことがわかる。つまり、本発明の構成を用いることにより、光変調器のチャープおよび半波長電圧（＝駆動電圧）を同時に低下させることが可能になる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明による光導波路および電界調節手段を用いることにより導波路型光変調器の残留チャープ量を低下させ、かつ半波長電圧も小さくすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明の光変調器の光導波路および電界調節手段の構成を示す平面説明図。
【図２】  図２は、従来のマッハツェンダー型非対称導波路型光素子の一例を示す平面説明図。
【図３】  図３は、光変調器の電界調節手段における電極間距離Ｓと、屈折率ｎm および電極帯域×電極長Δｆ・Ｄ１の関係を示すグラフ。
【図４】  図４は、光変調器における有効電極長比Ｐ2 ／Ｐ1 と、半波長電圧×有効電極長Ｖπ・Ｐ1 および残留チャープとの関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１，１１…光導波路
２…電界調節手段
３，１３…入力端部
４，１４…第１分岐導波路部
４ａ…第１部分
４ｂ…第２部分
５，１５…第２分岐導波路部
６，１６…出力端部
Ｗ１ａ，Ｗ１ｂ，Ｗ１ｃ，Ｙ１ａ，Ｙ１ｂ…第１分岐導波路部の構成部分
Ｗ２ａ，Ｗ２ｂ，Ｙ２ａ，Ｙ２ｂ…第２分岐導波路部の構成部分
７，１７…ホット電極
８…第１グランド電極
９…第２グランド電極
１８…グランド電極
【図１】
0003701041.tif 000009
【図２】
0003701041.tif 000010
【図３】
0003701041.tif 000011
【図４】
0003701041.tif 000012