(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光入力信号とＲＦ電気信号とに応答して出力として変調された光信号を生成する、光基板上に形成されたマッハ−ツェンダ電気光学変調器であって、
前記光基板の表面に沿って配置された入力光導波路スプリッタと、
前記光基板の表面に沿って配置された出力光導波路再結合器とを有し、前記出力光導波路再結合器は一対の光導波路アームと少なくとも１つの出力光ポートとを有し、前記一対の光導波路アームは、前記入力光導波路スプリッタから延びる一対の光導波路アームと結合して、第１及び第２導波路を形成するものであり、
前記マッハ−ツェンダ電気光学変調器は、入力端から延在する第１領域と、出力端から延在する第２領域と、前記第１領域及び第２領域の間の遷移領域とからなり、さらに、
前記第１領域において前記第１導波路の第１所定長さ（Ｌ１）をカバーし、且つ、前記第２領域において前記第２導波路の第２所定長さ（Ｌ２）をカバーするよう配置された単一のＲＦ電極を有し、前記ＲＦ電極は前記遷移領域において前記第１導波路から第２導波路へシフトするように形成され、さらに、
前記第２領域内の前記第１導波路と前記第１領域内の前記第２導波路とをカバーするよう配置された接地電極を有し、
前記光基板の材料は、前記第２領域の基板材料のドメインが前記第１領域の基板材料のドメインに対し反転するよう形成されていることを特徴とするマッハ−ツェンダ電気光学変調器。
【請求項２】
前記光基板はニオブ酸リチウムを含むことを特徴とする請求項１に記載のマッハ−ツェンダ電気光学変調器。
【請求項３】
前記第１導波路と前記第２導波路の前記第１所定長さに電気光学的に誘起される位相シフトは、前記変調器を伝わる光信号のチャープを実質的にキャンセルするように、前記第１導波路と前記第２導波路の前記第２所定長さに電気光学的に誘起される位相シフトに等しいことを特徴とする請求項１に記載のマッハ−ツェンダ電気光学変調器。
【請求項４】
前記第１導波路と前記第２導波路の前記第１所定長さに電気光学的に誘起される位相シフトは、光出力信号内に所定量のチャープを導入するよう、前記第１導波路と前記第２導波路の前記第２所定長さに電気光学的に誘起される位相シフトに等しくないことを特徴とする請求項１に記載のマッハ−ツェンダ電気光学変調器。
【請求項５】
前記接地電極は前記光基板の表面をカバーする接地プレーンとして形成され、前記変調器は、前記接地プレーンと前記ＲＦ電極との間の電気的な絶縁を維持する絶縁領域をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のマッハ−ツェンダ電気光学変調器。
【請求項６】
光入力信号とＲＦ電気信号とに応答して出力として変調された光信号を生成する、光基板上に形成されたマッハ−ツェンダ電気光学変調器であって、
前記光基板の表面に沿って配置された入力光導波路スプリッタと、
前記光基板の表面に沿って配置された出力光導波路再結合器とを有し、前記出力光導波路再結合器は一対の光導波路アームと少なくとも１つの出力光ポートとを有し、前記一対の光導波路アームは、前記入力光導波路スプリッタから延びる一対の光導波路アームと結合して、第１及び第２導波路を形成するものであり、さらに、
前記第１導波路の所定の長さと前記第２導波路の所定の長さとを交互にカバーするよう配置された単一のＲＦ電極を有し、前記ＲＦ電極は、前記ＲＦ電極が前記第１導波路をカバーするよう配置されている各領域と前記ＲＦ電極が前記第２導波路をカバーするよう配置されている各領域との間でシフトするように形成され、
前記第１導波路と前記第２導波路を交互に覆う前記ＲＦ電極とは反対に配置された接地電極とを有し、前記光基板の材料は、前記ＲＦ電極が前記第２導波路をカバーするよう配置されている各領域の基板材料のドメインが、前記ＲＦ電極が前記第１導波路をカバーするよう配置されている各領域の基板材料のドメインに対し反転するよう形成されていることを特徴とするマッハ−ツェンダ電気光学変調器。
【請求項７】
前記光基板はニオブ酸リチウムを含むことを特徴とする請求項６に記載のマッハ−ツェンダ電気光学変調器。
【請求項８】
前記ＲＦ電極によりカバーされる前記第１導波路の各セクションに電気光学的に誘導される位相シフトは、光出力信号内にあるチャープをキャンセルするように、前記ＲＦ電極によりカバーされる前記第２導波路の各セクションに電気光学的に誘導される位相シフトに等しいことを特徴とする請求項６に記載の変調器。
【請求項９】
前記ＲＦ電極によりカバーされる前記第１導波路の各セクションに電気光学的に誘導される位相シフトは、光出力信号内に所定量のチャープを導入するように、前記ＲＦ電極によりカバーされる前記第２導波路の各セクションに電気光学的に誘導される位相シフトに等しくないことを特徴とする請求項６に記載の変調器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マッハ−ツェンダ電子ー光変調器に関し、特に変調器内を通過する別個の光学信号の位相差により引き起こされるデバイスのチャープを補償するために、適宜の長さを有する領域を交互に適宜の数だけ配置したリチュウム−ナイオバイト（ニオブ酸リチウム、lithium niobate）製基板を含むマッハ−ツェンダ電子−光学変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高ビットレートの光ファイバ長距離通信システムにおいては、送信器として機能する適宜の光ソースが必須のものである。半導体レーザは、高速で直接変調することが可能であり、そのため光学伝送システムで幅広く用いられている。しかし高速ビットレート(すなわち１０Gｂ／ｓ以上、時には４０Gｂ／ｓ)の需要が増加するにつれて、半導体レーザのある固有の特性が重要な役目をするようになる。これらの固有の特性の一つは「チャーピング」であり、これはレーザが高速ビットレートの入力信号で変調される際に伝送波長の変動として定義される。
【０００３】
送信器のチャープをよりよく制御することは、半導体レーザのデバイスを「直接」変調する代わりに、いわゆる「外部」変調を用いることである。外部変調器では、従来の１．５−１．６μmの半導体レーザは、連続波（continuous  wave：ＣＷ））モードで動作し、レーザからの連続出力は、光学変調器を用いて「オン」と「オフ」で外部から切り替えて、所望の高速ビットレート（２進）の光学信号を得る際には、マッハツェンダー干渉器を光学変調器として用いている。
【０００４】
マッハツェンダー干渉器は、光学導波路スプリッタ（分離器）と光学導波路コンバイナ（結合器）との間に接続された一対の導波路チャネル（アームとも称する）を有する。光学ソース（例えばＣＷレーザーダイオード）が導波路スプリッタに結合されて、この導波路スプリッタがＹ型ブランチスプリッタ、あるいは方向性カプラとして機能する。スプリッタからの２本の光ビームは一対の導波路チャネル内を伝搬し、導波路コンバイナにより再結合される。電極が一対の導波路チャネルの各アーム上に配置され、変調電圧（すなわち入力「データ」オン/オフ信号）を一方、あるいは両方の電極に与え、２本の光ビームの相対位相を変更している。従来の構成においては、一個の電極を接地電位に維持し、他方の電極を電気ＲＦデータ信号でもって変調している。
【０００５】
外部変調器を用いることによりさらに高いビットレートが達成可能であることが見いだされているが、従来の最高速の外部変調器を構成するために用いられるリチウムナイオバイト製の基板材料は、変調器の２本のアーム間に位相差を示す。これは各アームにかかる電界が異なることにより引き起こされたものである。すなわち電極に加えられる電圧は、ＲＦ電極と接地面の両方の真下にあるリチウムナイオバイト製の基板材料内に（異なった量だけ）電界を変化させる。各導波路チャネル上の電界が異なるために、各アーム内の有効屈折率の変化量が異なり、これにより位相差（チャープ）が出力信号に導入されることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、現在及び将来の通信アプリケーションに必要な高いビットレートのスループットを与えることができ、かつ不要なチャープを光学出力信号に導入することのないマッハ−ツェンダ電子−光学変調器構成を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、本発明により解決できる。本発明は、マッハ−ツェンダ電子光学変調器に関し、特に強誘電性領域を交互に配置してなるリチウムナイオバイト製の基板を含むマッハ−ツェンダ電子−光学変調器に関し、マッハ−ツェンダ変調器の２本のアームを通過する光学的に分離した信号間の光学位相差を補償するものである。
【０００８】
本発明によれば、シングルエンドのマッハ−ツェンダ電子−光学変調器は、３つの領域を直列に配置した構造を含む。第１領域は従来のマッハ−ツェンダ電子−光学変調器と類似し、一対の離間した導波路を有し、第２導波路に配置された接地電極と第１導波路上に配置された変調信号を搬送するＲＦ電極（ホット電極とも称する）を具備する。第２の比較的短い遷移領域が第１領域の直後に配置される。電極構造はこの第２領域に移り、その結果ＲＦ電極は、第２領域の出口点で第２導波路上に重ねて配置され、接地電極が第１導波路上に配置される。第３領域（第１領域に対し反転された領域を有するリチウムナイオバイト製基板材料を含む）が第２領域の後に配置される。そしてＲＦ電極は第２導波路上に保持され、接地電極が第１導波路上に保持される。
【０００９】
本発明の構成により、第１領域からでた一対の光学信号間に正の全光学パス長（total optical  path  length  difference  (ＴＯＰＤ）、チャープとも称する）を導入する（信号が再度組み合わされ、デバイス出力がこの点で取り上げられた場合には信号チャープとなる）。しかし反対の符号のＴＯＰＤが第３領域に現れる。そのため第１領域と、第２領域と、第３領域の組み合わせを適宜制御することにより、ＴＯＰＤは０にすることができる。第１領域と、第３領域の導波路の光学パス長さが実質的に等しい限り、ＴＯＰＤの正の値と負の値が打ち消しあい、光学出力信号内のチャープの大部分を取り除くことができる。
【００１０】
第３領域の反転したリチウムナイオバイト製基板の領域を用いることにより、光学出力信号上の変調を保存するが、これは電極の配置が第１領域と、第３領域で切り替わるからである。そのため変調器のＲＦ電極を移動させること及びある領域のドメインを反転させることを組み合わせることにより、チャープを大幅に減らしたマッハ−ツェンダデバイスが得られる。
【００１１】
本発明の他の実施例においては、逆に所定量のチャープ（ある種のアプリケーションズが有用である）を、第１領域又は第３領域のいづれか、あるいはその両方の物理的長さを変更することにより導入することができる。
【００１２】
本発明の一態様は、複数の遷移領域とドメイン反転領域を光学基板の長さ方向に沿ってカスケード接続することにより、正のＰＯＴＤと、負のＰＯＴＤの間で切り替わるデバイスを形成し、これにより光学入力信号のチャープ量の制御が容易となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、従来技術のマッハ−ツェンダ変調器１０の斜視図である。マッハ−ツェンダ変調器１０は、例えばリチウムナイオバイト製の光学−電子基板１２内に形成され、入力導波路部分１４を含む。この入力導波路部分１４は、導波路を一対の平行に配置された導波路アーム１６，１８に分離する３ｄＢカプラを含む。導波路アーム１６，１８は、所定の長さＬを有し、そして個々のアームがその後出力導波路部分２０で再結合される。変調器の機能を与えるために、入力レーザデバイス（図示せず）を用いて連続波（ＣＷ）の入力光学信号を入力導波路部分１４に与える。ＲＦソース２３からの変調入力（データ）信号（すなわち電気ＲＦ信号）がＲＦ入力として与えられ、ＣＷ入力光学信号を変調し、データ符号化された光学出力信号を生成する。
【００１４】
特に従来技術にかかるマッハ−ツェンダ変調器１０は、光学−電子基板１２の上部表面２４上に配置された第１電極２２を有し、導波路アーム１６の上に重ねられている。上部表面２４の残りの領域は絶縁領域２８，２９を除いて接地電極２６によりカバーされており、これを用いて第１電極２２と接地電極２６の間の電気的絶縁を保持している。そのため図１に示すように、接地電極２６は、一対の導波路アーム内の導波路アーム１８の上に重なって形成されている。第１電極２２は、ＲＦソース２３に電気的に接続されて、導波路アーム１６と導波路アーム１８の長さ方向に沿って電界を変更する。
【００１５】
一方の電極を接地電位に保持し、ＲＦ信号を残りの電極にかける構成により、変調器の駆動電圧を低く維持することができる。しかし導波路アーム１６，１８は、異なる量の位相シフト受けるために、異なる光学パス長さを含むよう形成される。位相シフト差は、導波路アーム１６の上に形成されたホット電極である第１電極２２が原因であり、これにより導波路アーム１６は、（第２の接地電極接地電極２６の下に配置された）導波路アーム１８よりもより大きな電界（同様に、光学屈折率のより大きな変化）を受ける。導波路アーム１６と導波路アーム１８に沿って伝搬する２つの光学信号が、出力導波路部分２０で再度結合すると、出力光の位相は、導波路アーム１６，１８の光学位相の平均とみなすことができる（導波路アーム１６，１８が同程度の光学伝搬損失特性を示す場合）。同様の表現方法をとると、デバイスの全光学パス長さは、デバイスの２本の光学パス長さの平均とみなすことができる。特に導波路アーム１６の光学パス長さの変化はΔｎ１ｘＬ１であり、導波路アーム１８の光学パス長さの変化は、Δｎ２ｘＬ２である。ここでΔｎ１とΔｎ２は、ＲＦ信号が印加された結果として導波路アーム１６，１８の有効屈折率の変化であり、Ｌ１、Ｌ２は導波路アーム１６，１８の実際の長さである。多くの場合図１に示すようにＬ１＝Ｌ２＝Ｌである。従来技術にかかるマッハ−ツェンダ変調器１０のＲＦ信号／光学導波路のオーバーラップから得られる「全光学パス長さの差  total  oputical  path  differenceＴＯＰＤ」は次式で提示される。
0003929814.tif 000002
【００１６】
図１に示す従来のシングルエンドのマッハ−ツェンダ変調器１０においては、｜Δｎ１｜は４ｘ｜Δｎ２｜にほぼ等しい。Δｎ１とΔｎ２が印加されたＲＦ電圧の大きさに依存するものとすると、変調器がオン状態とオフ状態の間で切り替わるにつれてＴＯＰＤも変化する。そのため変調器の光学信号のスループットが変化すると、出力光学信号の位相も変化する。これは従来のシングルエンド光学変調器におけるチャープの物理的原因である。
【００１７】
光学信号の位相の変化、その結果として発生する出力信号のチャープは、本発明の多段マッハ−ツェンダ変調器を用いることにより大幅に減らすことができる。本発明のマッハ−ツェンダ変調器は、図１で説明したような構成で導入されたチャープを受ける反転ドメイン領域を含む。特に図２は、本発明により形成されたマッハ-ツェンダ変調器３０の上面図であり、同図においてマッハ-ツェンダ変調器３０は、従来の変調器に類似した第１領域３２と、第２遷移領域３４と、第３領域３６とを有し、基板材料の強誘電性ドメインが第３領域３６内で反転され、第１領域３２内の光学信号が受けるアンバランスな位相変化を補償している。
【００１８】
同図に示すように、マッハ-ツェンダ変調器３０内の光学導波領域は、（入力ＣＷ光学信号に応答する）入力光学導波路４０から枝分かれした平行な第１導波路アーム４２，第２導波路アーム４４と、（第１導波路アーム４２，第２導波路アーム４４に沿って伝搬する光学信号を再結合する）出力光学導波路４６とを有する。ＲＦ電極４８は、マッハ-ツェンダ変調器３０の第１領域３２の領域では第１導波路アーム４２の上に重ねて形成されている。接地電極５０は、第１領域３２の残りの表面領域の上をカバーするように形成されている。ただしＲＦ電極４８と接地電極５０との間の電気的分離を維持するために用いられる絶縁領域５２，５４の対となっている部分を除く。そのため第１領域３２においては、入力ＲＦ電気信号が第１導波路アーム４２の屈折率（Δｎ１）を、第２導波路アーム４４の屈折率（Δｎ２）よりも大きく変化させる。この構成により第１領域３２のＴＯＰＤの正（負）の値（｜Δｎ１｜＞｜Δｎ２｜）を導入させ、Δｎ１＞Δｎ２の場合には「正の変化」であり、Δｎ１＜Δｎ２の場合には「負の変化」である。そのため第１導波路アーム４２はホット電極であるＲＦ電極４８の下にあるため、かくして有効光学パス長さが減少（または増加）することにより、第１導波路アーム４２では、第１領域３２の光学位相を前進させる（または遅らせる）、一方、第２導波路アーム４４は、接地電極５０の存在により光学位相の遅れ（または前進）を受ける。すなわち有効光学パス長さの増加（または減少）する。
【００１９】
マッハ-ツェンダ変調器３０の第２遷移領域３４は、ＲＦ電極４８の位置を第１導波路アーム４２の上から第２導波路アーム４４の上にシフトするために形成されている。すなわちＲＦ電極４８は、第２遷移領域３４の領域において第１導波路アーム４２から離れるように湾曲し、第２遷移領域３４の端部でＲＦ電極４８は第２導波路アーム４４の上に重なっている。同時に接地電極５０は、マッハ-ツェンダ変調器３０の第３領域３６領域で第１導波路アーム４２の上に重なるように構成される。第２遷移領域３４の沿った両方電極の一致した動きにより光学パス長さの遅延を導入しないようにできる。
【００２０】
上記したように本発明のマッハ-ツェンダ変調器３０は、第３領域３６の基板材料のドメインが第１領域３２の基板材料のドメインに対し反転（第３領域３６の領域に示されるように）するように形成される。本発明による基板材料のドメインを反転することにより、第１領域３２で生成されるのとは反対の光学位相シフト、すなわち光学パス長さの変化を生成し、これは各領域の同一の電界を用いることにより行なわれる。そのためホット電極であるＲＦ電極４８を第１導波路アーム４２に移動させることと、反転されたドメインとを組み合わせることによりデバイスの変調特性を保持しながら（例えば第１導波路アーム４２に沿った位相は第２導波路アーム４４に対し進んだ状態にある）、第１領域３２の出力点における信号に存在するチャープをキャンセルする。
【００２１】
第２導波路アーム４４の上に配置されるべきＲＦ電極４８を移動させることにより、この領域の屈折率の変化を増加させ（｜Δｎ２｜＞｜Δｎ１｜）、これは第１領域３２の正（または負）の値に等しい負（または正）の値のＴＯＰＤを生成する。電極の移動とドメイン反転により、第１導波路アーム４２の沿った位相のフロントをさらに前進させ（すなわち光学パス長さをさらに短くし）、第２導波路アーム４４に沿った位相のフロントをさらに遅らせる（すなわち光学パス長さをさらに増加させる）。一方の導波路から他方の導波路へ電極を移動させることにより、光学パス長さの差を維持できる機能は、デバイスの変調特性を維持するのに重要である。
【００２２】
本発明のマッハ-ツェンダ変調器３０は、図２に示すように対称のデバイスとして構成される。すなわち第１領域３２と第３領域３６の導波路アームの光学パス長さの変化は、この変化が第１導波路アーム４２，第２導波路アーム４４で受ける変化に等しいか、あるいは反対のものとなるようにバランスをとる。ＲＦ電極４８は、各領域の導波路の適宜の長さにわたって延びるよう配置されている。この対称性によりデバイス内に存在する全てのチャープをキャンセルすることができる。しかしある種のアプリケーションにおいては所定量のチャープを維持するのが望ましい場合がある。このような場合においては、第１領域３２と第３領域３６のＲＦ電極の長さを制御して、所定量のチャープを有するような変調器を構成することが可能である。
【００２３】
図３は本発明の他の実施例によるシングルエンドのチャープを補償したマッハ−ツェンダ変調器６０を示す。上記したように図２に示した構成を変更することにより、図３に示したカスケード接続された複数の遷移領域とドメイン反転領域とを有する。特にマッハ−ツェンダ変調器６０は、図２で議論したのと同様な光学導波路構造を有し、入力結合部分６２と、平行に配置された導波路アーム６４，６６と、出力結合部分６８とを有する。
【００２４】
次に動作について説明すると、ＣＷ光学入力信号Ｉは入力結合部分６２に入力され、変調された光学出力信号Ｏが出力結合部分６８から出る。この導波路構造は、例えばリチウムナイオバイト製の光学基板材料７０内に形成される。ＲＦ電極７２は、光学基板材料７０の上部表面７４の上に形成され、特にこの構成においては導波路アーム６６の一部をまずカバーし、その後所定の長さＬ２にわたって遷移して、次に導波路アーム６４の一部を長さＬ３にわたってカバーし、その後所定の長さＬ４だけその遷移状態を戻して再び導波路アーム６６の一部をカバーするようにする。そしてこれを繰り返す。
【００２５】
本発明の教示するところによれば、光学基板材料のドメインは各領域で反転され（＋Ｚで示す）、ＲＦ電極７２が導波路アーム６４の上に配置される。接地電極領域７６，７８も示されている。この構成においてはチャープは、ドメインが反転されるような、さらに余分の領域を用いて−Ｚドメイン材料と＋Ｚドメイン材料の両方に対する領域を短くすることにより、チャープをより細かく制御することができる。遷移領域は図ではＴで示している。
【００２６】
上記は本発明の一実施例で、当業者は様々な変形例を考えることができるがそれらは本発明の範囲内に入る。
【００２７】
特許請求の範囲の発明の要件の後に括弧で記載した番号は、本発明の一実施例の対応関係を示すもので本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術にかかるマッハ−ツェンダ電子−光学変調器を表す斜視図
【図２】本発明の一実施例によるチャープ量を減らしたシングルエンドマッハ−ツェンダ電子−光学変調器の上面図
【図３】本発明の他の実施例による光学基板の長さ方向に沿って複数のカスケード接続された遷移領域と、ドメイン反転領域を有するマッハ−ツェンダ電子−光学変調器を表す上面図
【符号の説明】
１０  マッハ−ツェンダ変調器
１２   光学−電子基板
１４  入力導波路部分
１６，１８  導波路アーム
２０  出力導波路部分
２２  第１電極
２３  ＲＦソース
２４  上部表面
２６  接地電極
２８、２９  絶縁領域
３０  マッハ−ツェンダ変調器
３２  第１領域
３４  第２遷移領域
３６  第３領域
４０  入力光学導波路
４２  第１導波路アーム
４４  第２導波路アーム
４６  出力光学導波路
４８  ＲＦ電極
５０  接地電極
５２，５４  絶縁領域
６０  マッハ−ツェンダ変調器
６２  入力結合部分
６４，６６  導波路アーム
６８  出力結合部分
７０  光学基板材料
７２  ＲＦ電極
７４  上部表面
７６，７８  接地電極領域
【図１】
0003929814.tif 000003
【図２】
0003929814.tif 000004
【図３】
0003929814.tif 000005