JPH0713711B2

JPH0713711B2 - 高速光変調器

Info

Publication number: JPH0713711B2
Application number: JP24815387A
Authority: JP
Inventors: 修三冨; 勤鬼頭; 健治河野; 俊雄鈴木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1987-10-02
Filing date: 1987-10-02
Publication date: 1995-02-15
Anticipated expiration: 2010-02-15
Also published as: JPS6491111A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、特に動作速度が速く、しかも駆動電圧が小さ
い光変調器に関するものである。

（従来の技術）高速・大容量の光ファイバ通信システム、特にコヒーレ
ント光ファイバ通信システムにおいては、高速で駆動電
圧が小さい高性能な外部光変調器が有用である。この種
の外部光変調器としては、光強度変調器、光位相変調
器、光周波数変調器等がある。

従来の外部光変調器の例としては、方向性結合器形光強
度変調器の基本構成を第14図に示す。

第14図は、中心導体と接地導体とからなる変調電極1,2
を分布定数回路として構成した場合である。この場合、
例えばニオブ酸リチウム（LiNbO₃以下LNと記す）等の電
気光学効果を持つ基板３に、光導波路4,5が方向性結合
器として形成されている。光導波路4,5は、例えばチタ
ン（Ti）熱拡散法やプロトン交換法等により形成され
る。６は変調電極1,2による光導波路の光伝搬損失を低
減させるためのバッファ層であり、二酸化シリコン（Si
O₂）や、アルミナ（Al₂O3）等により構成される。そし
て、強度が一定の入射光７を光導波路４に入射させ、信
号源８から変調電極1,2の間に信号を入力すると、その
信号に応じて強度変調された光９が、光導波路４もしく
は光導波路５より出射される。

この光変調器の場合、変調電極1,2は分布定数回路とし
て構成されているので、理想的には電気回路的な帯域幅
の制限はない。また、変調電極1,2の間を伝搬する信号
波と光の伝搬速度が一致する限りは、入射光７が光導波
路4,5を走行する時間の影響による帯域幅の制限もない
ので、一般に高速動作用の光変調器に使用される。

しかし、実際には信号波と光の速度差があり、これによ
って帯域幅が制限される。信号波に対する基板３の実効
的な屈折率をn_m、光に対する光導波路4,5の実効的な屈
折率をn_o、電極の長さをｌと表わすと、この速度差によ
って生じる帯域幅BWは、 BW＝1.4c/（πl|n_m−n_o｜） ……（１）ただし、ｃは光束となる〔参考文献：信学論（ｃ）,J64
−C,4,P264−271,1981〕。上記屈折率n_mは基板３の実効
誘電率ε_effに対して、で与えられる。

電気光学効果を持つ基板材料では、信号波に対する屈折
率n_mは、通常、光に対する屈折率n_oより大きな値にな
る。基板３の実効誘電率ε_effは、主に基板材料の誘電
率ε_ｓ、電極の間隔ｇ、幅w₁,w₂、基板の厚さｄ等によ
って決まる。基板の厚さｄは、通常、光変調器製作時に
おける基板の取扱い易さの制限から、0.5〜数mmの厚さ
である。また電極間隔ｇは、光導波路4,5の幅の数倍の
大きさが選ばれ、５〜10μｍ程度である。また電極1,2
の厚さｔは、電極材料の導電率の大きさやマイクロ波表
皮効果による抵抗の大きさ等を考慮して２〜３μｍ程度
が選ばれる。従って、通常は電極間隔ｇの大きさが基板
厚さｄより充分小さく、また電極の厚さｔがｇより小さ
いので、実効誘電率は近似値として、 ε_eff≒（ε_ｓ＋１）/2 ……（３）になる。例えば、基板３がLNの場合、基板材料の誘電率
ε_ｓ≒35であり、屈折率n_m≒4.2,n_o≒2.2で、屈折率n_m
は屈折率n_oの約２倍の大きさになるので、5GHz動作の
時、電極の長さｌとしては、10mm前後が選ばれる〔上記
（１）式参照〕。

（発明が解決しようとする問題点）上述した第14図の光変調器を光束動作化するには、
（１）式からわかるように、動作周波数に応じて、電極
1,2の長さｌを短くする必要がある。しかし電極長ｌを
短くすると、光変調器の駆動電圧が大きく成るので、変
調効率が低下する欠点がある。

本発明は、このような背景の下になされたもので、高
速、かつ低駆動電圧の光変調を提供することにある。

（問題点を解決するための手段）本発明は、基板表面付近に光導波路を形成し、かつ該光
導波路を形成した面に変調電極を備えた光変調器におい
て、前記光導波路を形成した面上に構成された変調電極
の実効的な厚さを変調電極の間隔と同程度、もしくはそ
の大きさより厚くする。

本発明によると、変調電極の実効的な厚さを厚くしてあ
るので、変調電極の変調信号波に対する実効誘電率ε
_effを小さくできる。これにより、変調信号波に対する
実効屈折率を従来の構成品より小さくできるので、変調
信号波と光との位相速度の差が小さくなり、低駆動電圧
で高速動作の光変調器を実現できる。

（実施例）第１図（ａ），（ｂ）は、変調電極として対称コプレー
ナストリップ線路を適用した本発明の一実施例の構成図
であり、（ａ）は中央部断面図、（ｂ）は平面図であ
る。なお、従来例と同一構成部分は同一符号で表してい
る。

第１図において、11,12は対称コプレーナストリップ線
路であり、幅がｗ、間隔がｇ、厚さがｔ、長さがｌであ
る。この実施例によると、従来の光変調器と比較して、
信号波と光の速度差による帯域幅制限効果が緩和され
る。以下、その原理を第２図（ａ），（ｂ）を用いて説
明する。

第２図は、変調電極部の電気力線および容量分布を表し
ており、（ａ）は従来例の場合、（ｂ）は本発明の実施
例の場合を示している。

すなわち従来例の場合、第14図に示すバッファ層６の厚
さや電極1,2の厚さｔが電極間隔ｇより充分小さいの
で、電極1,2の間の容量Ｃは、電極上面側の間の容量Ca
と、電極下面（基板）側の間の容量Csで構成される。容
量Caの間隙部の誘電体は空気からなり、その比誘電率ε
_ａは約1.0である。容量Csの間は基板材料が満たされて
おり、その比誘電率は基板材料３の比誘電率ε_ｓにな
る。そして変調電極1,2間に信号波が入力すると、信号
波に応じて変調電極間に電気力線が発生する。基板３内
に発生する電気力線13の量と基板３外に発生する電気力
線14の量との割合は、容量CsとCaとの大きさの割合に対
応する。この場合、変調電極の実効誘電率ε_effは、そ
れぞれ電気力線13,14の量に応じてε_ａとε_ｓの間の値
になり、（３）式で与えられる。従って、基板材料が決
まると、ε_effの大きさは一義的に決まる。

一方、本発明の実施例の場合、電極の厚さｔが間隔ｇの
大きさに対して同程度もしくはそれより大きくしてある
ので、電極11,12の間の容量Ｃは、容量Ca,Csと電極の間
隙部の容量Cgで構成される。このため、基板３内の電気
力線13の量に対して、基板外の電気力線14の量が相対的
に増加し、基板外での誘電体（空気）比誘電率ε_ａは基
板３の比誘電率ε_ｓより小さいので、変調電極11,12の
実効誘電率ε′_effは前記のε_effより小さくなる。この
ことは、基板外の電気力線14の量のしめる割合が大きく
なる程、ε′_effは小さくなる。

第３図は、第１図の実施例において、基板３をLNで構成
した場合、電極の幅ｗと間隔ｇの比w/gを横軸に、縦軸
に近似計算による電極の実効屈折率n_mと変調帯幅BWを表
している。ここで電極の厚さｔと間隔ｇの比t/gをパラ
メータにしている。なお、計算ではε＝35であり、バッ
ファ層６はないものとしている。また容量Cgの大きさ
は、LN基板３による容量成分を無視して算出している。
第３図からわかるように、w/gが小さく、t/gが大きくな
る程、実効屈折率n_mの大きさは小さくなる傾向があり、
さらに光に対する屈折率N_o（約2.2）と完全に一致させ
ることができる。

この場合、変調信号波と光の位相速度を整合でき、
（１）式によれば無限大の変調帯域幅BWを実現すること
ができる。また所望の変調帯域BWは、変調電極の構造w/
g、t/gと基板材料の誘電率ε_ｓの大きさの組合せによ
り、同様に（１）式の関係により実現できる。

なお第３図に示す、n_mとw/g、t/gとの関係は概算による
結果であり、構造設計の目安を与えるものであるが、例
えば有限要素法等の構造解析法により、厳密な構造設計
が可能である。

以上のことから、この実施例によると、従来の光変調器
と比較して、信号波と光の速度差による帯域幅制限効果
が緩和される。従って、例えば電極長ｌを従来と同じに
すると、（１）式により、帯域幅は大きくなり、駆動電
圧を大きくすることなしに高速動作化が可能になる。

また帯域幅を従来と同じにすると、電極長ｌを長くでき
るので、駆動電圧を小さくすることができ、変調効率を
向上させた高性能な光変調器を実現できる。

この実施例の光変調器は、例えば以下の方法で製作でき
る。

基板３の表面付近に形成される光導波路（方向性結合
器）4,5およびバッファ層６は、第14図の従来例と同様
の方法で製作できる。このバッファ層６の形成された基
板３上に、蒸着等により、例えばNiCr等のバッファ用の
金属膜を必要に応じて数100Åから数1000Å付着させ、
さらにAu等の導電性の良い金属膜を数100Åから数1000
Å付着させる。

次にフォトレジストをこの金属面上に、例えばスピナー
等により塗布する。この時、例えばスピナーを用いる場
合、回転速度と時間を適当に設定する等の操作により、
フォトレジストの厚さを数μｍから数10μｍ程度まで任
意に形成できるので、形成する電極の厚さｔと同程度
か、もしくは数μｍ以上ｔより厚く、フォトレジストを
形成する。さらに電極11,12のパターンと同じ形状のフ
ォトマスクを通して、フォトレジスト露光し、現象する
ことによって、電極11,12を形成する部分のみレジスト
を除去し、電極パターンと同じ形状のレジストパターン
を形成する。その後、例えば電界メッキ法等の方法によ
り、Au等の金属を厚さｔだけ形成させる。

さらにレジストを除去した後、化学エッチング法やイオ
ンビームエッチング法により、最初に形成したNiCr,Au
等の金属膜を除去することにより、任意の厚さの変調電
極を形成できる。

第４図（ａ），（ｂ）は本発明の他の実施例の断面図お
よび平面図であって、光導波路としてマッハツエンダ形
干渉器15,16を、変調電極として非対称コプレーナスト
リップ線路17,18を適用した場合を示す。ここで非対称
コプレーナストリップ線路17の中心導体の幅をｗ、中心
導体と非対称コプレーナストリップ線18の接地導体の間
隔をｇ、線路の厚さをｔとしている。

第５図に、この実施例において、同様に基板としてLNを
用いた場合、変調信号波に対する実効屈折率n_mに関し
て、第３図と同様の方法で計算した結果を示す。第５図
から、この実施においても変調信号波の実効屈折率n_mを
光の実効屈折率n_oに近づけ、さらには完全に整合をとる
ことも可能なことがわかる。

第６図（ａ），（ｂ）は本発明の他の実施例の断面図お
よび平面図であって、変調電極としてコプレーナ線路1
9,18を適用した場合を示す。第７図は、この実施例にお
いて同様にLN基板を用いた時の変調信号波に対する実効
屈折率n_mの計算結果を示す。第７図から、この実施例に
おいても、前記の実施例と同様な効果を得ることができ
ることがわかる。

第８図は、変調電極11,12の表面付近にオーバハング部
分21を形成した本発明の他の実施例の断面図てある。こ
の場合、変調電極のオーバハング部21間の容量がさらに
付加され、この部分における電気力線の量が相対的に増
加するので、電極の厚さｔが比較的薄くても前記の実施
例で説明した場合より実効屈折率n_mを小さくすることが
可能である。

第９図は、変調電極11,12の光導波路4,5に接する端部を
鋭角θになるように構成した本発明の他の実施例の断面
図である。電極端部の角度θが小さくなる程、この端部
に電気力線が集中し、端部付近の電界強度が強くなる傾
向がある。従って、この端部付近に光導波路4,5を配置
させることにより、電界強度の増大効果によって駆動電
圧を小さくできる利点がある。角度θが小さい程、その
効果は著しくなる。

第10図は、本発明の他の実施例の断面図である。この場
合、変調電圧11,12は、電極間隔ｇより充分小さい厚さ
ｔ′の変調電極用金属膜22と変調電極用金属11′,12′
より構成されており、変調電極11,12の厚さはｔであ
る。金属膜22の厚さｔ′はｇより充分小さく構成してい
るので、この端部付近では、第９図の実施例と同様に、
電界強度の増大効果を得ることができ、駆動電圧を小さ
くできる利点がある。また金属11′,12′では、第８図
の実施例と同様に、オーバハング部が形成されているの
で、変調電極の厚さｔが薄くても実効屈折率n_mを小さく
することが可能である。

第11図は、本発明の他の実施例の断面図であり、変調電
極11,12間の基板３の表面付近に溝23を形成させてい
る。この溝23部分の比誘電率は空気の比誘電率（ε_ａ〜
１）になり、基板の比誘電率より小さいので、第２図に
示す基板３側の容量C_sは、第１図の実施例の溝23がない
場合のC_sより小さくなり、実効屈折率n_mがより小さくな
る。溝23の深さdgが大きくなる程、n_mは小さくなる傾向
がある。（参考文献:IEEE J.QE−22,6,P902−906,198
6、特公昭60−11326）。従って、この実施例によって、
電極厚さｔが比較的小さくても、n_mを小さくできる利点
がある。

第12図は、本発明の他の実施例の断面図であり、光導波
路4,5が形成されている近傍の基板３の上に、基板３の
誘電率ε_ｓより小さい誘電率の絶縁体24を形成し、さら
に変調電極11,12を絶縁体24を覆うように形成してい
る。この場合、絶縁体24の厚さはｔの大きさになってい
るので、電極自体の厚さは、上記実施例より薄くても、
同様の効果を得ることができる。また第12図に示すよう
に変調電極11,12が絶縁体上を覆うように形成すること
により、第８図の実施例と同様に、ｔが比較的薄くて
も、実効屈折率n_mを小さくすることが可能である。この
実施例において、絶縁体24の材質としては、基板３にLN
を使用する場合、例えばSiO₂やAl₂O₃等を用いれば本発
明の効果を得ることができる。

第13図（ａ），（ｂ）は、本発明の他の実施例の断面図
である。一般に、LNのような電気光学効果を有する材料
では、その電気光学定数は結晶軸に対する異方性があ
り、LNの場合、Ｚ（ｃ）軸方向の電気光学定数が、X,Y
軸方向より大きい。従って、基板として例えばＺ−cut
のLN基板を用いる場合、基板のＺ方向の電界は、変調電
極端部の真下付近が最大の大きさになることから、前記
実施例の第1,4,6,8,9,10,11,12図に示す構成が、駆動電
圧をできる限り小さくする観点から有利になる。一方こ
の実施例のようにＸ−cutもしくＹ−cutのLN基板25を用
いる場合、第13図（ａ），（ｂ）に示すように、変調電
極19,20のほぼ中間の位置に光導波路15,16を配置する方
が有利になる。第13図（ａ），（ｂ）は変調電極19,20
としてコプレーナ線路を用いた場合であり、また前記の
実施例に対して、変調電極19,20と光導波路15,16が、直
接、接していないので、変調電極による光導波路の伝搬
損失の問題がなくなり、前記実施例におけるバッファ層
６が不要になる。

本発明の効果は、以上で説明した実施例以外に、変調電
極として、スロット線路やマイクロストリップ線路等の
各種マイクロ波平面回路を適用しても、同様に得ること
ができる。また光強度変調器だけでなく、光周波数変調
器、光位相変調器、さらには例えば光スイッチ等、電気
光学効果を利用した光と動作信号の位相速度を整合させ
ることが有効な光デバイスには本発明を適用できる。光
導波路を形成する基板としてLNを例に説明したが、電気
光学効果を有するその他の誘電体基板または半導体基板
等を用いてもよい。また光導波路としてTi熱拡散導波路
の場合も説明したが、プロトン交換導波路やリッジ形導
波路等を用いても同様の効果を得ることができるのは自
明である。電極形成方法については、以上ではメッキ法
による場合を説明したが、蒸着法やスパッタ法等の通常
の金属電極形成法を利用してもよい。

（発明の効果）以上説明したように、本発明の高速光変調器は、変調電
極を厚く形成し、変調信号波の実効屈折率を光の実効屈
折率に近い大きさにできるので、駆動電圧を大きくする
ことなしに、高速で、かつ極めて広い変調帯域の光変調
器を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ）は本発明の光変調器の一実施例の
断面図および平面図、第２図（ａ），（ｂ）および第３図は第１図の実施例に
おける本発明の原理を説明するための図、第４図（ａ），（ｂ）は本発明の光変調器の他の実施例
の断面図および平面図、第５図は第４図に示す実施例における本発明の原理の説
明図、第６図（ａ），（ｂ）は本発明の光変調器の他の実施例
の断面図および平面図、第７図は第６図に示す実施例における本発明の原理の説
明図、第８図、第９図、第10図、第11図、第12図は本発明の光
変調器の他の実施例の断面図、第13図（ａ），（ｂ）は本発明の光変調器の他の実施例
の断面図および平面図、第14図は従来の光変調器の構成例を示す斜視図である。１…変調電極、２…変調電極３…電気光学効果を有する基板４…光導波路（方向性結合器）５…光導波路（方向性結合器）６…バッファ層、７…入射光８…信号源、９…出射光 10…終端抵抗 11…変調電極（対称コプレーナストリップ線路） 11′…変調電極用金属 12…変調電極（対称コプレーナストリップ線路） 12′…変調電極用金属、13…基板内の電気力線 14…基板外の電気力線 15…光導波路（マッハツェンダー形干渉器） 16…光導波路（マッハツェンダー形干渉器） 17…変調電極（非対称コプレーナストリップ線路） 18…変調電極（非対称コプレーナストリップ線路） 19…変調電極（コプレーナス線路） 20…変調電極（コプレーナス線路） 21…変調電極のオーバハング部分 22…変調電極用金属膜、23…基板に形成した溝 24…絶縁体または半導体層 25…電気光学効果を有する基板

フロントページの続き (72)発明者鈴木俊雄東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (56)参考文献特開昭63−49732（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の一方の表面付近に光導波路を有し、
かつ該光導波路を形成した面上に、中心導体と接地導体
で構成される変調電極を少なくとも備えた光変調器にお
いて、該変調電極の信号波によって発生する、該基板内
の電気力線の量と、該基板外の電気力線の量との比の大
きさによって、該変調電極の信号波に対する実効屈折率
の大きさを、該光導波路の光に対する実効屈折率の大き
さに近づけるように、該変調電極の厚さを形成したこと
を特徴とする高速光変調器。
【請求項２】一方の表面付近に光導波路を有する基板の
該光導波路が形成された部分、もしくはその近傍の面上
に、絶縁体層を形成し、該絶縁体層を覆うように形成し
た中心導体と接地導体で構成される変調電極を少なくと
も備えた光変調器において、該変調電極の信号波によっ
て発生する、該基板内の電気力線の量と、該基板外の電
気力線の量との比の大きさによって、該変調電極の信号
波に対する実効屈折率の大きさを、該光導波路の光に対
する実効屈折率の大きさに近づけるように、該絶縁体層
の厚さを形成したことを特徴とする高速光変調器。
【請求項３】前記変調電極の前記中心導体と前記接地導
体が相対向する側の該中心導体の側面と該接地導体の側
面において、前記基板に接する面の端部、または前記基
板と接する面と反対側の端部、またはその両端部の角度
を鋭角に構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１
項または第２項記載の高速光変調器。
【請求項４】前記変調電極の前記中心導体と前記接地導
体が相対向する中間において、前記基板の表面付近に溝
を形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第
３項のいずれか１項記載の高速光変調器。