JPH03504051A - 進行波光変調器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 進行波光変調器 本発明は進行波光変調器、特にそれに限定されるものではないが広帯域動作に対 する変調器に関する。光とは誘電光導波体によって伝送されることが可能である 可視領域の各端部における赤外線および赤外線領域の部分を含めて可視領域とし て一般的に知られている電子−磁気スペクトルの部分を意味する。

電子−光効果を利用する案内波変調器は光伝送および処理システムにおいて多く の適用がある。ニオブ酸リチウム集積光装置は例えば必要な駆動電圧が低く、ブ レーナ処理によって製造されるので魅力的である。

半導体および誘電導波体における電子−光効果は比較的に弱いので、１または２ ギガヘルツより上の高い変調周波数で有効に動作するために、集中した電極では なく、進行波構造が通常利用されている。すなわち、電極は伝播光波と同線形に 供給されたマイクロ波変調入力信号に整合された伝送ラインとして設計されてい る。

基本的な進行波装置の帯域幅は電極を伝播する変調信号の速度と導波体を伝播す る光信号の速度との間の不整合によって制限され、２つの信号の「ウオークオフ （ｗａｌｋ　ｏｆ’ｆ）　Ｊ　ヲ生じさせる。両速度が等しいと、電極は低い駆 動電圧で所望の位相変化を得ることができる任意の長さである。しかし、ニオブ 酸リチウムのような主要な材料はこれらの速度において本来の不整合を有し、装 置の長さを増加させることによって駆動電圧および電力を減少させる任意の試み は最大可能駆動周波数を減少させる。文献（１９８４年３月付けのＩＥＥＥ　Ｊ ｕｌＱｕ　Ｅｌｅｃ　Ｖｏｌ　ＱＥ−２０）に記載されたこの限定を克服する１ つの試みは断続性相互作用によって速度整合する方法である。

電極は変調信号と光信号との速度不整合が供給されたフィールドの極性反転を生 じさせる十分な信号のウオークオフを生じる前またはその時に光導波体から分割 される。電極は再結合点で導波体を再結合するように回復され、電極および導波 体通路は分割点と回復点の間に設計された長さを有する。それ故、導波体中の光 信号は前の部分で誘起したものと同位相の一致した電極および導波体の次の部分 にわたって誘起された位相シフトを再度受けるように電極信号と関連して進行す る。これは所望の光信号の位相の全ての効果を得るために繰返される。

この既知の断続的相互作用の欠点、すなわち速度整合技術は所定の予め定められ た高い周波数で速度不整合を補償する法を提供するが、それは限定された進行波 光変調器の帯域幅の実質上の増加を生成しない。累積された位相シフトは一般的 に供給された変調信号周波数の複雑な依存を示す。さらに、それは１部分から次 の部分へ進行するように変調信号の部分を連続して進行されることによって変調 されるので、光信号のような周期性でない変調信号で動作しない。

断続動作を行うための代りの試みは光および電極通路を設計することによってウ オークオフを補償して、光信号が次の相互作用に対する所望の位相整合を達成す るために電極信号に関連して遅延されるものである。従来、短いジグザグまたは 直線形電極により形成された相互作用領域内で断続的に通過する自由に伝播する 光信号をジグザグ形通路に沿って反射させるために平行反射器と共にバルククリ スタルによって構成された。それらは米国特許３，７９１．７１８号、および同 ３，３９３゜９５４号明細書に記載されている。しかしながら、そのような既知 の断続的相互作用の光変調器は十分に集積された光回路に形成することに適して おらず、光信号が所望の相互作用領域に伝播することを保証するために慎重な処 理と反射面の取扱いおよび正確な光入力の整列を必要する。

本発明による進行波光変調器は基体と、その基体の表面の限度内に限定された光 導波体と、予め定められた周波数の変調された電界を少なくとも先導波体の１部 分に供給する進行波電極と、それぞれの分割点と再結合点の間の１以上の遅延部 分とを具備し、その分割点において光導波体は電極から分離され、分割点と再結 合点の間の走行時間は電極の電界よりも先導波体の光信号の方が長い。

この断続的相互作用の装置に関して、光信号は生じたウオークオフを保障するた めに電極信号と関連して遅延される。

しかし既知の断続的相互作用装置と対照的に、それは同じ電極信号によって変調 されるために電極を再結合して戻される。

したがって電極信号は周期的である必要がない。

本発明の実施例は添付図面を参照にして説明する。しかしこれは単なる例示に過 ぎない。

第１図は、本発明によるプロトン交換先導波体を有する進行波光変調器の第１の 実施例の平面図である。

第２図は、プロトン交換先導波体を有する本発明の第２の実施例の平面図である 。

第３図は、先導波体が基体表面の近くに反射要素を含む本発明の第３の実施例の 平面図である。

第４図は、光導波体は基体内に構成された複数の反射要素を含む本発明の第４の 実施例の平面図である。

第１図を参照にすると、進行波光変調器２は−ｖｅ　Ｚ上面６に既知の方法で形 成されたほぼＳ形のプロトン交換光導波体８を有するＺカットニオブ酸リチウム 基体４を具備する。導波体は光信号の入力および変調後の対応する光信号の出力 のための光フアイバ導波体（示されていない）の容易な接続を許容するために研 磨された端面１４，１Ｂの端部１０．１２で終端されている。ＬＮｂ０３基体４ の上面６上の誘電体バッファ層（例えば０．２５μｍの厚さの５ｉＯ２）の上面 の電子ビーム蒸着、フォトリソグラフおよびプラズマエツチングによって製造さ れたアース平面８および加熱電極２０は共にこの電極２０の下の活性変調領域２ ２を定める進行波電極を形成する。加熱電極２０の角は加熱電極幅に対する切断 された縁部の長さの割合が約１．３であるようにその直角の屈曲部の外側で角を 斜めに切断されている。

先導波体８は３つの同じ長さの部分Ｓ、、Ｓ２＋　　Ｂ３において変調領域２２ 内に位置する。光信号が端部ｌＯから入ると仮定すると、それは部分Ｓ１におい て進行波電極に沿って第１の分割点ＡＩまで通過する変調信号により影響される 。光導波体は第１の再結合点Ｂ１で再結合するまで活性領域２２から離れている 。上記の動作はそれぞれ部分Ｓ２と第２の分割点Ａ２と第２の再結合点Ｂ２を通 って繰返される。最後に、光信号は活性領域２２からの最後の分割の前に部分Ｓ ３に沿って通過し、導波体端部１２で出る。

分割点Ａ１と再結合点Ｂ１の間の電気導波体および光導波体の長さはそれぞれの 通路Ａ、　、Ｂ１に沿った細長い部分に沿って光および電気信号の全走行時間が 同じであるようにされる。その後、光および電気信号は細長い部分Ｓ１に入った ときと同じように同じ位相関係で細長い部分Ｓ２に入る。同様に、光信号は第２ の分割点Ａ２と再結合点Ｂ２の間のマイクロ波信号と関連して遅延される。故に 、信号は部分Ｓｌ、Ｂ２に入ったときと同じように同じ初めの位相関係で細長い 部分Ｓ３に入る。

相互作用長が式（２πＮｍ　　ｆｌｗ）／Ｃによって与えられた後に、上記の関 連した文献は光およびマイクロ波信号の間のウオークオフを計算している。

この場合、ｗ＝　（１−Ｎｏ／Ｎｍ）であり、Ｎｏは光学指数であり、 Ｎｍはマイクロ波指数であり、 Ｃは光の速度であり、 ｆはマイクロ波周波数である。

第１図の装置では、細長い部分ＳＬ、Ｂ２、Ｂ３はそれぞれの長さしである。

２ｙｒＮｍ　　　Ｌｆ、−ｙｒ Ｃ ｆａは任意の設計周波数である。

故に、ウオークオフが供給されたフィールドの極性反転に生じる分割点で光およ びマイクロ波は分割される。Ａ１と８１の間の光導波体の長さはこれらの点間の 進行波導波体よりも長いＬ　（１−Ｎｏ／ＮＯ＋　）である。

プロトン交換光導波体を使用する特別の利点は、湾曲の半゛　　径が十分に小さ く、先導波体が例えば第３および第４の実施例の反射表面を必要としないで基体 の限度内で加熱電極から離れまた再結合できることである。

他の導波体の形状的装置も可能であり、例えば第２図に示されているように直線 状加熱電極１９および接地面２１を有する進行波光変調器の部分でもよい。加熱 電極１９はＺカットのＬｉＮｂＯ３ウェハ２５の表面上にプロトン交換先導波体 ２３の部分を被覆する。動作の原理は第１図に示された装置と同様である。

第３図を参照にすると、２力ツトニオブ酸リチウム基体３４の上面（−２表面） ３２に構成された進行波光変調器が示されている。活性領域３４を有する進行波 電極は第１図の装置と同様に接地面電極３８および加熱電極４０によって限定さ れる。表面３２上に形成されたチタニウム内部拡散先導波体４２は反応的にエツ チングされたミラー表面４８によって光学的に結合された２つの直線部分４４． ４ｆ３から構成する。導波体アーム４４．４８は研磨された表面５６．５８の端 部５２．５４でそれぞれ終端する。

それらの表面は導波体アーム４４．４６と垂直である。加熱電極はマイクロ波損 失を減少させるために部分Ｓ９、Ｓ４から離れた幅の広い部分４７を有する。接 地面と加熱電極の間の距離は加熱電極が一定の特性インピーダンスを維持するよ うに大きさが変化されるような既知の方法で調節されるべきである。

約０．４〜４μｍの波長の動作に対する導波体は以下のように製造されることが 可能である。チタニウムは厚さ４０〜１６０ｎｍで幅４〜１６μｍの電子ビーム 蒸着によって−２表面上に付着される。拡散はｏ２が毎分３ｇの割合で湯浴（５ ６℃）およびバブラを通って約７時間半流れる状態で１０５０℃の拡散温度で実 行される。シリカフィルムは仁　ｖ、　　ｄ、により約０゜２５μｍの厚さで基 体上に付着される。装置はミラー５０および端面５Ｂ、５８を形成するために研 磨される。

厚さ５μｍのアルミニウムが付着され、Ｔ　Ｆ　２０フオトレジストを使用して 形成された電極パターンはＣＣ１４エツチングガスを使用してプラズマエツチン グされる。

導波体４２は長さＬ２の２つの同じ長さの部分Ｓ、、Ｓ、において活性変調領域 ３６内に位置する。第１図の装置と類似した方法で、光信号は導波体４２の端部 ５４から入り、活性領域Ｓ、を通って進行する。それは分割点Ａ３で活性領域か ら分割され、表面４８によって再結合点Ａ４へ反射され、端部５２から出る前に 活性領域Ｓ４を通過する。

この装置の解析は第１図に示された装置と同様である。すなわち光信号は部分Ｓ ３に沿って通過するときにウオークオフを補償するために点Ａ　３　、　Ａ　ａ の間マイクロ波信号に関連して遅延される。Ｎｆｌｌが約４．３でＮ。が約２， ２の場合、アーム４４と４６の間に挾まれた角度は２９°であり、Ｌ２は４ｍｍ であり、光導波体に対するＡ３−Ａ４は８ｍｍで、進行波電極に対するＡ、−Ａ ４は２ｍｍである。長さＬ２はこの例では約２０ギガヘルツであるｆ、によって 定められる。

再位相は一般的の場合には次のときに生じる。（［Ａ３からＡ４コ。ｐ＋　＋Ｌ ２　）／Ｖｏ−ｃ　［Ａ３からＡ４　］　、＋、、＋Ｌ２）／Ｖμ。ＬｉＮｂＯ ３においてＶ　ｏ　／　Ｖμはほぼ２であり、実際の置換は第２図の実施例にお いて次の場合に生じる。

［Ａ３からＡ４　］　ａｐｔ　　　Ｌ　２　／　Ｖ　ｏ　＝　［Ａ３からＡ４］ ［Ａ３からＡ４コｏｐ＋　−１０ｍｒｎ［Ａ３からＡ４　］　ｅｌｓｅ／　Ｖ　 μｍ　２１ｍｍ第４図を参照にすると、進行波光変調器は光導波体の遅延を限定 させるために基体の容積内で反射面を利用する。変調器６０は研磨された基体表 面７６における端部７２．７４を有し接地面電極６８および加熱電極７０によっ て限定された直線活性変調領域６６内に部分Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７を有するＴ１内部 拡散先導波体６４からのＺカットニオブ酸リチウム基体６２上に形成される。導 波体６４の端部７２に入る光信号は図面を簡明にするために符号８０だけが示さ れている反応性エツチングミラー表面によって活性部分Ｓ、と８６と８７の間で 反射されて遅延ループ７６．７８を通る。

活性領域と電極と活性領域間の導波通路の長さは第２図に示されている実施例と 同じであり、したがって同じ解析が適用される。しかし、この装置は第２図の２ つの活性領域と比較された３つの活性領域を有する。

ミラー８０．４８は例えばイオンビームミリングなどの他の方法によって形成さ れることが可能である。

第３図の構造は部分Ｓ３、Ｓ６、Ｓ７のフィールド活性領域を限定するために通 常電極の適切な横方向シフトと共にＸまたはｙカットＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３に用 いられている。漏洩モードを避けるために導波体は結晶ＹおよびＺまたはＸおよ びＺ軸とほぼ平行に構成される（±５°）。

活性領域および光遅延部分はマイクロ波および光信号の相対位置がそれぞれの連 続する活性領域Ｓ、のスタートにリセットされるように所望の回数だけ繰返され ることが可能である。

装置は本発明にしたがって形成されることが可能であり、。

活性領域は電気および光信号の十分なウオークオフを生じさせる程は長くなく、 少量のウオークオフしか生じない。その様な場合では、光信号に与えられた遅延 は減少されたウオークオフを補償するように小さくする必要がある。

本発明の装置の製造ではＬｉＮｂ０．以外の、例えばＬｉＴ　ａ、　０３の基体 が利用されることができる。

本発明は多くの領域で適用されることが認められ、電子−光導波装置は例えば位 相変調器、マツノ１ゼングー装置および指向性カップラ等に使用される。

国際調査報告 ＰＣＴ／ＧＢ　　８９１００４５６ ′″′″″′″ｍｍ　ａ＠″＠１−“０２国際調査報告

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．基体と、基体の表面の限度内に限定された光導波体と、少なくとも光導波体 の１部分に予め定められた周波数の変調された電界を供給する進行波電極と、そ れぞれの分割点と再結合点の間の１以上の遅延部分とを具備し、その分割点にお いて光導波体は電極から分離され、分割点と再結合点の間の走行時間は電極の電 界よりも光導波体の光信号のほうが長いことを特徴とする進行波光変調器。
2. ２．電界と光信号の間のウォークオフが相対位相反転を生じさせるとき分割点が 生じる請求項１記載の光変調器。
3. ３．光導波体は遅延部分内に１以上の反射器を含む請求項１または２記載の光変 調器。
4. ４．光導波体はチタニウム内部拡散導波体を具備する請求項１乃至３のいずれか １項記載の光変調器。
5. ５．光導波体はプロトン交換導波体を具備する請求項１または２記載の光変調器 。
6. ６．基体はニオブ酸リチウムを具備する請求項１乃至５のいずれか１項記載の光 変調器。
7. ７．ニオブ酸リチウム基体はＺカットである請求項６記載の光変調器。
8. ８．第１図、第２図および第４図のいずれかを参照に記載された光変調器。