JPH07152007A - Waveguide type electro-optic element controlled in drift of dc voltage - Google Patents
Waveguide type electro-optic element controlled in drift of dc voltageInfo
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- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、印加直流電圧のドリフ
トが制御されている導波路型電気光学素子、およびその
選別方法に関するものである。更に詳しく述べるなら
ば、本発明は、Ｔｉ：ＬｉＮｂＯ3 製の導波路型変調器
素子で代表されるような、電気光学素子において、その
出力光を制御するための直流制御電圧のドリフトが所定
値に制御されている素子、及びその簡単な選別方法に関
するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a waveguide type electro-optical element in which drift of an applied DC voltage is controlled, and a method of selecting the same. More specifically, according to the present invention, in an electro-optical element represented by a waveguide type modulator element made of Ti: LiNbO 3 , the drift of the DC control voltage for controlling the output light is a predetermined value. The present invention relates to an element controlled by the above, and a simple selection method thereof.
【０００２】[0002]
【従来の技術】Ｔｉ：ＬｉＮｂＯ3 製の導波路型変調器
素子で代表されるような、電気光学素子からの出力光を
制御するための制御電圧のドリフト現象を評価する手段
として、一定値の直流バイアス電圧を素子に印加し、出
力光の動作点の経時変化をモニターする方法が既に報告
されている（例えば、H.Nagata and K.Kiuch, J.Appl.P
hys.73(1993)4162. およびK.Seino, T. Nakazawa, Y.Ku
bota, M.Doi, T.Yamaneand H.Hakogi, Proceedings of
the OFC'92, San Jose, February 8-11, 1992(Optical
Soc.of America)p.325)。2. Description of the Related Art As a means for evaluating a drift phenomenon of a control voltage for controlling output light from an electro-optical element, which is represented by a waveguide type modulator element made of Ti: LiNbO 3 , a constant value is used. A method of applying a DC bias voltage to the device and monitoring the change over time of the operating point of the output light has already been reported (eg, H. Nagata and K. Kiuch, J. Appl. P.
hys. 73 (1993) 4162. and K. Seino, T. Nakazawa, Y. Ku.
bota, M.Doi, T.Yamaneand H.Hakogi, Proceedings of
the OFC'92, San Jose, February 8-11, 1992 (Optical
Soc. Of America) p. 325).
【０００３】しかし、前記素子の実際の使用では、出力
光の動作点をある初期値に直流バイアス電圧により調整
し、ここに交流（高周波）電圧を重ね合わせることによ
り、前記外部電圧信号に対応した出力光強度の変調状態
を得ている。このため、前記直流バイアス電圧は一定値
に固定されるものではなく、出力光の動作点を常に初期
値の状態に維持するために、刻々と調整変化されるもの
である。この、出力光の動作点を常に初期値の状態に維
持するために必要なバイアス電圧（制御電圧）の経時変
化が、真のＤＣドリフト現象である。そして、この動作
バイアス電圧（制御電圧）の変化が、システムの許容値
を超過してしまうと、素子は制御不能の状態になる。However, in the actual use of the device, the operating point of the output light is adjusted to a certain initial value by the DC bias voltage, and the AC (high frequency) voltage is superposed on the operating point to correspond to the external voltage signal. The modulation state of the output light intensity is obtained. Therefore, the DC bias voltage is not fixed to a fixed value, but is adjusted and changed every moment in order to always maintain the operating point of the output light at the initial value. This change over time in the bias voltage (control voltage) required to maintain the operating point of the output light at the initial value is the true DC drift phenomenon. When the change in the operating bias voltage (control voltage) exceeds the allowable value of the system, the element becomes uncontrollable.
【０００４】したがって、前述のような、固定直流バイ
アス電圧のみを印加した状態において、当該光素子のＤ
Ｃドリフトを評価してもそれは実際のシステムにおける
素子動作に対応したものではない。しかし、固定直流バ
イアス電圧印加方式の利点は、評価される素子性能の個
体差に関わりなく、ある規定された一定値のバイアス電
圧を連続印加すれば、サンプルが複数個であっても、出
力光の位相変化あるいは強度変化を時間経過にしたがっ
て順次モニターしていくだけで、動作点の経時変化を、
一つの測定系で、複数サンプルを非常に簡便に測定・評
価できることである。Therefore, when only the fixed DC bias voltage is applied as described above, the D
Even if the C drift is evaluated, it does not correspond to the device operation in the actual system. However, the advantage of the fixed DC bias voltage application method is that even if there are multiple samples, if the bias voltage of a certain fixed value is continuously applied regardless of the individual difference in the evaluated device performance, By simply monitoring the phase change or intensity change of the
One measurement system can measure and evaluate multiple samples very easily.
【０００５】一方、実際のシステム回路あるいは類似の
回路によって、素子の実際の動作中に生ずるバイアス電
圧（制御電圧）のドリフトを直接測定・評価することも
可能である（例えば、H.Jumonji and T.Nozawa, IEICE
Transaction, J75-C-1(1992)17）。しかし、測定系が前
者に比べ複雑となり、それぞれドリフト特性が異なる複
数個のサンプルを評価する場合、サンプルと制御回路を
一対一対応させる必要が生じ、系はさらに複雑になる。On the other hand, it is also possible to directly measure and evaluate the drift of the bias voltage (control voltage) that occurs during the actual operation of the device by an actual system circuit or a similar circuit (for example, H. Jumonji and T. .Nozawa, IEICE
Transaction, J75-C-1 (1992) 17). However, the measurement system becomes more complicated than the former, and when evaluating a plurality of samples each having different drift characteristics, it is necessary to make one-to-one correspondence between the sample and the control circuit, which further complicates the system.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】前記素子の制御電圧の
ドリフトの程度を簡便に測定し、かつ製造工程中の検査
項目として、大きなドリフト、特に制御電圧が発散して
しまうような不良特性をもつ素子（製品）を選別・ふる
い分けることのできる方法を提供する。上記目的のた
め、基本的な測定手段としては、従来の固定直流バイア
ス電圧印加方式を採用することが、測定の簡便さおよび
複数同時評価の能力の点で好ましい。またこの固定直流
バイアス電圧印加方式により測定されるドリフト特性値
と、実際のシステムにおける制御電圧のドリフト現象と
の対応を明確にすることにより、実際の動作時に生ずる
ＤＣドリフトを考慮した、光素子の判定基準を与える必
要がある。The degree of drift of the control voltage of the device is simply measured, and a large drift, particularly a defective characteristic that the control voltage diverges, is an inspection item during the manufacturing process. Provide a method by which elements (products) can be selected and screened. For the above-mentioned purpose, it is preferable to employ the conventional fixed DC bias voltage application method as a basic measuring means from the viewpoint of the ease of measurement and the ability of simultaneous evaluation. In addition, by clarifying the correspondence between the drift characteristic value measured by this fixed DC bias voltage application method and the drift phenomenon of the control voltage in the actual system, the DC drift that occurs during actual operation is taken into consideration. It is necessary to give a criterion.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】ＤＣドリフト現象は、雰
囲気温度を高くすることにより加速される現象であるた
め（前出の文献参照）、雰囲気温度をできる限り高く保
つことで、測定時間を短縮することができる。Since the DC drift phenomenon is a phenomenon that is accelerated by raising the ambient temperature (see the above-mentioned literature), keeping the ambient temperature as high as possible shortens the measurement time. can do.
【０００８】したがって、導波路型の電気光学変調器素
子を、その出力変調光の動作点を規定位置に調整するた
めの直流バイアス電圧を印加した状態で動作させる際、
前記動作点を規定位置に維持するために必要となるバイ
アス電圧が経時変化する現象として定義される「制御電
圧のドリフト」の程度を推定し、前記制御電圧のドリフ
トが発散しない、つまり制御不能にならない素子を選別
する方法であって、室温（３０℃程度）よりも高い任意
の一定温度（望ましくは１００℃以下）環境下に保持し
た前記素子に、任意一定値の直流バイアス電圧を連続印
加した状態で前記素子を動作させ、その出力光の動作点
（例えば変調光強度のピーク位置）の経時変化もモニタ
ーし、前記出力光の動作点の経時変化、いわゆるＤＣド
リフト、から電圧量を単位として求めた見かけの飽和ド
リフト量（ＶＣ）と、定値印加した前記バイアス電圧
（ＶＢ）の比（Ａ＝ＶＣ／ＶＢ）が、少なくとも１より
小さい素子を選別することにより、製品のふるい分けを
容易に行うことができる。Therefore, when the waveguide type electro-optical modulator element is operated in a state in which the DC bias voltage for adjusting the operating point of the output modulated light to the specified position is applied,
Estimating the degree of "drift of the control voltage", which is defined as a phenomenon in which the bias voltage required to maintain the operating point at the specified position changes over time, the drift of the control voltage does not diverge, that is, the control becomes uncontrollable. This is a method of selecting devices which do not become different, in which a DC bias voltage of an arbitrary constant value is continuously applied to the element kept under an environment of an arbitrary constant temperature (preferably 100 ° C. or less) higher than room temperature (about 30 ° C.). In this state, the device is operated, and the operating point of the output light thereof (for example, the peak position of the modulated light intensity) is also monitored with time, and the operating point of the output light is monitored with time, so-called DC drift. An element having a ratio (A = VC / VB) between the obtained apparent drift amount (VC) and the bias voltage (VB) applied at a constant value is at least smaller than 1 is selected. It is thereby possible to perform screening of a product easily.
【０００９】ドリフト現象を加速するための加熱温度を
高くすることにより、測定時間をより短くすることがで
きるが、素子の組立に使用されている、接着剤等の熱劣
化を抑えるために、加熱温度は１００℃以下であること
が望ましい。雰囲気温度８０℃で測定した場合、上記の
ドリフト特性値「Ａ」を導出するに要する測定時間は、
後述の実施例においては、数１０時間（およそ１日間）
で充分であった。By increasing the heating temperature for accelerating the drift phenomenon, the measurement time can be shortened, but in order to suppress the thermal deterioration of the adhesive or the like used in the assembly of the element, the heating The temperature is preferably 100 ° C. or lower. When measured at an ambient temperature of 80 ° C., the measurement time required to derive the drift characteristic value “A” is
In the examples described below, several tens of hours (about one day)
Was enough.
【００１０】本発明の印加直流電圧のドリフトが制御さ
れている導波路型電気光学素子は、室温以上の所定温度
を保持された導波路型電気光学素子に所望値の直流バイ
アス電圧を連続印加した状態で、前記素子に光を入力
し、この素子から出力する光の動作点の経時変化をモニ
ターしたとき、飽和電圧ドリフト量ＶＣと、前記印加さ
れた直流バイアス電圧（ＶＢ）の比、Ａ＝ＶＣ／ＶＢが
１未満であることを特徴とする、ものである。In the waveguide type electro-optical element of the present invention in which the drift of the applied DC voltage is controlled, a DC bias voltage of a desired value is continuously applied to the waveguide type electro-optical element which is maintained at a predetermined temperature of room temperature or higher. In this state, when light is input to the device and the operating point of light output from the device is monitored over time, the ratio of the saturation voltage drift amount VC to the applied DC bias voltage (VB), A = It is characterized in that VC / VB is less than 1.
【００１１】本発明の、印加直流電圧のドリフトが制御
されている導波路型電気光学素子の選別方法は、導波路
型電気光学素子を室温以上の所定温度に保持し、これら
の素子に所定値の直流バイアス電圧を印加し、この電圧
印加された素子に光を入力し、この素子の出力光の動作
点の経時変化をモニターし、電圧のドリフト量の飽和値
（ＶＣ）と、前記印加された直流バイアス電圧（ＶＢ）
との比：Ａ＝ＶＣ／ＶＢを算出し、この比Ａとして１未
満の値を示す素子を選別することを特徴とするものであ
る。A method of selecting a waveguide type electro-optical element in which the drift of an applied DC voltage is controlled according to the present invention is to hold the waveguide type electro-optical element at a predetermined temperature of room temperature or higher and set a predetermined value for each of these elements. DC bias voltage is applied, light is input to the element to which this voltage is applied, and the change over time of the operating point of the output light of this element is monitored to determine the saturation value (VC) of the voltage drift amount and the applied voltage. DC bias voltage (VB)
A ratio of A to VC / VB is calculated, and an element having a value of less than 1 as the ratio A is selected.
【００１２】上記素子およびその選別方法において、前
記比Ａの値が０．５以下であることが好ましく、このよ
うにすることにより素子に対する直流制御電圧のドリフ
ト量をより低く維持することができる。In the above-mentioned element and the selection method thereof, the value of the ratio A is preferably 0.5 or less, and by doing so, the drift amount of the DC control voltage with respect to the element can be kept lower.
【００１３】[0013]
【作用】図１に、Ｔｉ：ＬｉＮｂＯ3 製の導波路型マッ
ハツェンダー強度変調器素子について、固定直流バイア
ス電圧連続印加方式で測定したＤＣドリフトと、動作時
間、（７０℃において）を示す。印加固定直流バイアス
電圧を−５，０，１，２，４，５Ｖの６水準にと変化さ
せて、それぞれ雰囲気温度７０℃で測定した。FIG. 1 shows the DC drift measured by the fixed DC bias voltage continuous application method and the operating time (at 70 ° C.) of the waveguide type Mach-Zehnder intensity modulator element made of Ti: LiNbO 3 . The applied fixed DC bias voltage was changed to 6 levels of -5, 0, 1, 2, 4, 5 V, and measurement was performed at an ambient temperature of 70 ° C.
【００１４】使用した素子の構造は、ｚ−カットＬｉＮ
ｂＯ3 基板の表面に、Ｔｉを熱拡散（９８０℃）させる
ことにより光導波路パタンを形成し、次にスパッタリン
グ法を用いてＳｉＯ2 バッファ層（高帯域用変調器で
は、通常、厚さ５００ｎｍ〜１μｍ）を堆積、６００℃
酸素気流中で熱処理した後、進行波型の電極パタン（Ａ
ｕ）を蒸着および電界メッキにより配設したものであ
る。導波路の両端の片方には薄膜型の偏光子を介して、
光ファイバが、紫外線硬化型の低屈折率エポキシ系接着
剤で固定されている。電極パタンの入出力部には、高周
波用の市販電極コネクタが、ボンディングされている。
これらの部品は、通常、金属筐体中にパッケージされる
が、本発明における一連の実験では、特に気密封止を施
さない筐体に実装したサンプルを用いた。The structure of the device used is z-cut LiN.
An optical waveguide pattern is formed on the surface of the bO 3 substrate by thermally diffusing Ti (980 ° C.), and then a SiO 2 buffer layer is formed by a sputtering method. 1 μm) deposited, 600 ° C
After heat treatment in an oxygen stream, a traveling wave type electrode pattern (A
u) is disposed by vapor deposition and electroplating. Through a thin film type polarizer on one end of the waveguide,
The optical fiber is fixed with an ultraviolet curable low refractive index epoxy adhesive. A commercial electrode connector for high frequency is bonded to the input / output portion of the electrode pattern.
These parts are usually packaged in a metal housing, but in a series of experiments in the present invention, a sample mounted in a housing that is not hermetically sealed was used.
【００１５】図１の実験におけるＤＣ電圧ドリフトの測
定では、素子に上記固定ＤＣバイアス電圧と同時に、１
kHz の±２０Ｖ交流電圧を印加し、素子から出力される
強度変調された光（入力光の波長１．５５μｍ）強度を
オシロスコープ上でモニターし、ある特定のピーク位置
（便宜上、横軸の印加電圧値ＯＶの位置に最も近いピー
クをとった）の経時変化を追跡した（変化の単位は、電
圧値（Ｖ）である）。図１において初期状態からの、こ
の変化量（電圧単位）をＤＣ電圧ドリフト量として図示
した。同様なドリフト測定は、交流電圧を印加せずに、
固定直流バイアス電圧のみを印加した状態でも測定でき
る。その場合、ドリフトは出力光強度変化として測定さ
れるが、素子の初期動作点、半波長電圧がわかっていれ
ば、測定された強度変化を、電圧単位のドリフト量に換
算することは容易である。In the measurement of the DC voltage drift in the experiment shown in FIG.
Apply ± 20 V AC voltage of kHz, monitor the intensity-modulated light (wavelength of input light 1.55 μm) output from the device on an oscilloscope, and set a specific peak position (for convenience, applied voltage on the horizontal axis). The change with time of the peak closest to the position of the value OV was followed (the unit of change is the voltage value (V)). In FIG. 1, this change amount (unit of voltage) from the initial state is shown as a DC voltage drift amount. Similar drift measurement is performed without applying AC voltage.
It can be measured even when only a fixed DC bias voltage is applied. In that case, the drift is measured as a change in output light intensity, but if the initial operating point of the element and the half-wave voltage are known, it is easy to convert the measured change in intensity into a drift amount in voltage units. .
【００１６】図２は、温度７０℃で、まず固定直流バイ
アス電圧（−５，１，４Ｖ：白ぬき記号で示してある）
を連続して印加した状態でＤＣ電圧ドリフトを測定し、
次に、ドリフト値がほぼ飽和した段階で、印加していた
バイアス電圧をゼロにして測定したドリフト値（黒記
号）を示してある。図２より、印加していたＤＣバイア
ス電圧を切ると、それまでのバイアス印加により生じた
ＤＣドリフト値が、ほぼ同じ時間かかって回復すること
が明らかに理解できる。In FIG. 2, at a temperature of 70 ° C., first, a fixed DC bias voltage (−5, 1, 4 V: shown by white symbols).
DC voltage drift is measured while continuously applying
Next, when the drift value is almost saturated, the drift value (black symbol) measured with the applied bias voltage at zero is shown. From FIG. 2, it can be clearly understood that when the applied DC bias voltage is cut off, the DC drift value generated by the bias application up to that time is recovered in approximately the same time.
【００１７】図１，２に示されている結果は、誘電体に
電界（バイアス）を印加した場合の分極現象、特に比較
的長い緩和時間を有する配向分極、あるいはイオン分極
現象に類似している。観察されたＤＣドリフトが全て分
極の寄与によるものであるとは限らないが、素子を構成
する材料が酸化物誘電体および強誘電体であること、お
よび観察されるドリフトが数時間もの長時間を必要とす
る現象であることを考慮すると、素子中の電子の移動に
よる現象ではなく、少なくともイオンの変位・泳動によ
るものであることが推測できる。The results shown in FIGS. 1 and 2 are similar to the polarization phenomenon when an electric field (bias) is applied to the dielectric material, particularly the orientation polarization having a relatively long relaxation time or the ion polarization phenomenon. . Not all observed DC drifts are due to polarization contributions, but the materials that make up the device are oxide dielectrics and ferroelectrics, and the observed drifts can be hours or hours. Considering that it is a necessary phenomenon, it can be inferred that it is not due to the movement of electrons in the device but at least due to ion displacement / migration.
【００１８】さらに、バイアスの方向にドリフトが依存
し、バイアス電圧を切るとドリフトが回復することよ
り、イオン伝導的なメカニズムよりも、イオンあるいは
イオン対の変位、つまり分極現象が大きく関与している
と考えられる。つまり、バイアス電圧を印加することに
より、時間的な遅れ（緩和時間）をもって、電界（バイ
アス）を打ち消す方向に分極が生じ、素子に実効的に印
加されているバイアス電圧が徐々に小さくなって、これ
がＤＣ電圧ドリフト現象として観察されるものと思われ
る。分極のメカニズムは、現段階では明らかでないが、
誘電体の構成イオン自身、酸化物材料中に不純物として
含まれる水素に基づく−ＯＨ基、および素子中に不純物
として含有される水分子等に生ずるものと考えられる。Further, since the drift depends on the bias direction and the drift recovers when the bias voltage is cut off, the displacement of the ion or the ion pair, that is, the polarization phenomenon is more significantly involved than the ionic conduction mechanism. it is conceivable that. That is, by applying a bias voltage, polarization occurs in a direction of canceling the electric field (bias) with a time delay (relaxation time), and the bias voltage effectively applied to the element gradually decreases, This is considered to be observed as a DC voltage drift phenomenon. The mechanism of polarization is not clear at this stage,
It is considered that it is generated in the constituent ions of the dielectric itself, —OH groups based on hydrogen contained as impurities in the oxide material, and water molecules contained as impurities in the element.
【００１９】したがって、図１，２に示されているよう
な、単一の一定値ＤＣバイアス電圧を連続印加した場合
に観察される、時間遅れを有する電圧ドリフト現象は、
緩和現象に関する一般式、 Ｖ（ｔ）＝Ｖ（∞）｛１−ｅｘｐ（−ｔ／τ）｝ （０） で表すことができる。上記式においてｔは時間、τは緩
和時間を表す。Therefore, the voltage drift phenomenon with a time delay, which is observed when a single constant value DC bias voltage is continuously applied, as shown in FIGS.
It can be expressed by a general formula relating to the relaxation phenomenon, V (t) = V (∞) {1-exp (-t / τ)} (0). In the above equation, t represents time and τ represents relaxation time.
【００２０】このことを確認するために、図３に、図１
のデータを、動作時間とｌｏｇ（Ｖ（∞）−Ｖ（ｔ））
の関係に換算してプロットした。Ｖ（∞）は見かけの飽
和ドリフト電圧、Ｖ（ｔ）は時刻ｔにおけるドリフト電
圧である。図３より、固定ＤＣバイアス電圧方式で観察
されるＤＣ電圧ドリフト現象は、式（０）で表すことが
可能で、（雰囲気温度７０℃での）緩和時間は、図３中
において、括弧内に記したように、およそ４時間である
ことがわかった。In order to confirm this, FIG. 3 and FIG.
Of the operating time and log (V (∞) -V (t))
It was converted to the relationship and plotted. V (∞) is the apparent saturation drift voltage, and V (t) is the drift voltage at time t. From FIG. 3, the DC voltage drift phenomenon observed by the fixed DC bias voltage method can be expressed by the equation (0), and the relaxation time (at an atmospheric temperature of 70 ° C.) is shown in parentheses in FIG. As noted, it was found to be approximately 4 hours.
【００２１】次に、固定バイアス電圧方式で測定したＤ
Ｃドリフト現象に関する上記考察をもとに、固定バイア
ス電圧方式による測定データと実際のシステムにおける
制御電圧のドリフトとの関連づけを行った。実際の素子
動作では、まず素子の動作点を最適な電圧位置に調整す
るために、初期バイアス電圧を印加する。この初期バイ
アス電圧により、時間Δｔ後にドリフトＶ（Δｔ）が生
ずると、そこでドリフト分の電圧Ｖ（Δｔ）を初期バイ
アス電圧に追加する。このような操作を繰り返していく
ことにより、出力光の動作点（変調状態）を、常に、初
期状態と同一に維持することが可能になる。Next, D measured by the fixed bias voltage method
Based on the above consideration regarding the C drift phenomenon, the measured data by the fixed bias voltage method and the drift of the control voltage in the actual system were related. In actual device operation, an initial bias voltage is first applied in order to adjust the operating point of the device to the optimum voltage position. When a drift V (Δt) occurs after a time Δt due to this initial bias voltage, the voltage V (Δt) corresponding to the drift is added to the initial bias voltage. By repeating such an operation, the operating point (modulation state) of the output light can always be kept the same as the initial state.
【００２２】下記で、固定バイアス電圧方式で得られる
ドリフト特性値をもとに、実際の素子動作（ｆｏｌｌｏ
ｗｉｎｇ ｕｐ制御方式）で現れる制御電圧のドリフト
を推測するための関係式を導出することができる。Below, based on the drift characteristic value obtained by the fixed bias voltage method, the actual device operation (follo) is performed.
The relational expression for estimating the drift of the control voltage that appears in the wing up control method) can be derived.
【００２３】時刻ｔ＝０で、素子に直流バイアス電圧Ｖ
B を印加した場合、時刻ｔにおけるＤＣドリフトＶ
（ｔ）は、周囲温度が一定であれば、下記式（１）：At time t = 0, a DC bias voltage V is applied to the element.
When B is applied, DC drift V at time t
If the ambient temperature is constant, (t) is expressed by the following formula (1):
【００２４】[0024]
【数１】 〔但し Ａ：係数（Ｖ（∞）＝ＡＶB ） τ：緩和時間〕に従うものと仮定する。[Equation 1] [However, it is assumed that A: coefficient (V (∞) = AV B ) τ: relaxation time] is followed.
【００２５】また印加するバイアス電圧ＶB が時間によ
り変化していく場合、総ドリフトＶ（ｔ）は、（１）式
に基づき、各追加バイアスに対するドリフトの和により
与えられる、と仮定する。上記の仮定より、素子に初期
バイアス電圧Ｖ0 を印加した場合、時刻ｔ＝ｎΔｔで、
素子からの出力光の動作点を初期動作点と同じ状態に維
持するために追加するバイアス電圧（ＢｎΔｔ）の値を
求める。When the applied bias voltage V B changes with time, it is assumed that the total drift V (t) is given by the sum of drifts for each additional bias based on the equation (1). From the above assumption, when the initial bias voltage V 0 is applied to the device, at time t = nΔt,
The value of the bias voltage (BnΔt) added to maintain the operating point of the output light from the element in the same state as the initial operating point is obtained.
【００２６】図４に示されているように： ０．時刻ｔ＝０で初期バイアス電圧Ｖ0 を印加する。 １．時刻ｔ＝ΔｔでのドリフトＶ（Δｔ）は、下記式に
より求められる。As shown in FIG. The initial bias voltage V 0 is applied at time t = 0. 1. The drift V (Δt) at time t = Δt is obtained by the following formula.
【００２７】[0027]
【数２】 １′．時刻ｔ＝Δｔでバイアス電圧Ｂ（Δｔ）＝Ｖ（Δ
ｔ）を追印加する。 ２．時刻ｔ＝２Δｔでの電圧ドリフト値：Ｖ（２Δｔ）
は、図４に示されているように、Ｖ1 ＋Ｖ2 となる。つ
まり下記式により求められる。[Equation 2] 1 '. At time t = Δt, bias voltage B (Δt) = V (Δ
t) is additionally applied. 2. Voltage drift value at time t = 2Δt: V (2Δt)
Becomes V 1 + V 2 as shown in FIG. That is, it is calculated by the following formula.
【００２８】[0028]
【数３】 ２′．時刻ｔ＝２Δｔで追印加するバイアス電圧Ｂ（２
Δｔ）は、図４に示されているように、下記式により求
められる。[Equation 3] 2 '. The bias voltage B (2
Δt) is calculated by the following equation, as shown in FIG.
【００２９】[0029]
【数４】 同様にして、時刻ｔ＝３Δｔ，ｔ＝４Δｔにおけるバイ
アス電圧Ｂ（３Δｔ），Ｂ（４Δｔ）は下記式により求
められる。[Equation 4] Similarly, the bias voltages B (3Δt) and B (4Δt) at the times t = 3Δt and t = 4Δt are obtained by the following equations.
【００３０】[0030]
【数５】 [Equation 5]
【００３１】従って時刻ｔ＝ｎΔｔにおけるバイアス電
圧Ｂ（ｎΔｔ）は、下記式（２）により求められる。Therefore, the bias voltage B (nΔt) at time t = nΔt is obtained by the following equation (2).
【００３２】[0032]
【数６】 [Equation 6]
【００３３】時刻ｔ＝ｎΔｔにおける制御電圧のドリフ
ト量Ｖ（ｎΔｔ）は、前記式（２）に基づき、下記式
（３）により求められる。The drift amount V (nΔt) of the control voltage at time t = nΔt is obtained by the following equation (3) based on the equation (2).
【００３４】[0034]
【数７】 [Equation 7]
【００３５】Ｖ（ｎΔｔ）が収束するためには下記関係
式（４）： Ｂ（ｎΔｔ）＜Ｂ（（ｎ−１）Δｔ） （４） が成立することが、必要である。よってこの関係を満た
すための条件を求めると、Ｂ（ｎΔｔ）とＢ（（ｎ−
１）Δｔ）との差は、下記式（５）から求められる。In order for V (nΔt) to converge, the following relational expression (4): B (nΔt) <B ((n-1) Δt) (4) must be satisfied. Therefore, when the conditions for satisfying this relationship are calculated, B (nΔt) and B ((n−
1) The difference from Δt) is obtained from the following equation (5).
【００３６】[0036]
【数８】 [Equation 8]
【００３７】（５）式よりＡ＜１であれば、（４）式の
関係が満たされ、Ｖ（ｎΔｔ）が収束することがわか
る。またＡ＝１の時は式（５）により Ｂ（ｎΔｔ）＝Ｂ（（ｎ−１）Δｔ） となり、つまりＶ（ｎΔｔ）は線型に発散することがわ
かる。また、式（３）よりＶ（ｎΔｔ）の収束状況は、
パラメータＡ，Δｔ、およびτに依存することがわか
る。From the equation (5), it can be seen that if A <1, the relation of the equation (4) is satisfied and V (nΔt) converges. Further, when A = 1, it is found from the equation (5) that B (nΔt) = B ((n−1) Δt), that is, V (nΔt) diverges linearly. Further, from the equation (3), the convergence situation of V (nΔt) is
It can be seen that it depends on the parameters A, Δt, and τ.
【００３８】式（３）より、任意時間における制御電圧
のドリフト量は、制御間隔Δｔ、固定バイアス電圧方式
で測定した緩和時間τと、固定バイアス電圧方式で測定
した、見かけの飽和ドリフト量（電圧単位）の印加バイ
アス電圧に対する比Ａ、に依存することがわかった。そ
して、制御電圧のドリフトが発散せず、収束するための
条件は、式（５）より比Ａ＜１、つまり、固定バイアス
方式で得られる見かけの飽和ドリフト量（ＶＣ）が、印
加バイアス電圧（ＶＢ）よりも小さいことである。Δｔ
は、システムに依存するパラメータである。τは、温度
に依存するパラメータであり、温度加速係数が予めわか
っていれば、高温の加速環境下で測定したτの値に加速
係数を乗ずることにより、任意の温度でのドリフト量を
見積もることもできる。素子のドリフト特性を選別する
ための基準値として、少なくともＡ＜１を示したが、こ
れとは別に、τが大きい素子ほどドリフトが遅いことは
明かである。したがって、当然、τの値も素子の選別基
準に使うことは可能である。From the equation (3), the drift amount of the control voltage at an arbitrary time is calculated by the control interval Δt, the relaxation time τ measured by the fixed bias voltage method, and the apparent saturation drift amount (voltage by the fixed bias voltage method). It was found that it depends on the ratio A of the unit) to the applied bias voltage. Then, the condition for the control voltage drift not to diverge and to converge is that the ratio A <1 from Equation (5), that is, the apparent saturation drift amount (VC) obtained by the fixed bias method is the applied bias voltage ( It is smaller than VB). Δt
Is a system-dependent parameter. τ is a parameter that depends on temperature.If the temperature acceleration coefficient is known in advance, the drift amount at any temperature can be estimated by multiplying the value of τ measured under high temperature acceleration environment by the acceleration coefficient. You can also Although at least A <1 is shown as a reference value for selecting the drift characteristics of the element, it is obvious that the drift is slower in the element having larger τ apart from this. Therefore, naturally, the value of τ can also be used as the element selection criterion.
【００３９】図５に、式（３）に実際に値を代入して計
算した結果を示す。図１，図３の測定例に従い、τの値
を４時間とした。初期バイアス電圧は、素子の半波長電
圧に相当する３．５Ｖとし、Δｔの値は、便宜上１時間
とし、Ａの値が１，０．８，０．５，０．２，０．１の
場合について計算した。Ａ＝１の場合は、式（５）から
もわかるように、動作時間の経過に従い、必要となる制
御電圧（ＶＢ）は線形に増大し、発散してしまう。FIG. 5 shows the result of calculation by substituting a value into the equation (3). According to the measurement examples of FIGS. 1 and 3, the value of τ was set to 4 hours. The initial bias voltage is 3.5 V corresponding to the half-wave voltage of the device, the value of Δt is 1 hour for convenience, and the value of A is 1, 0.8, 0.5, 0.2, 0.1. Calculated for the case. When A = 1, as can be seen from the equation (5), the required control voltage (VB) linearly increases and diverges as the operating time elapses.
【００４０】図６は、図５の関係を、動作時間をｌｏｇ
スケールにとり直したものである。図５、および図６か
らわかるように、Ａ＜１であれば制御電圧は発散しない
が、より低い制御電圧の範囲、特に１０Ｖ（初期バイア
スを含む）以内で素子を動作させるためには、Ａ≦０．
５であることが好ましい。FIG. 6 shows the relationship of FIG.
It is a scaled version. As can be seen from FIG. 5 and FIG. 6, if A <1, the control voltage does not diverge, but in order to operate the device within a lower control voltage range, particularly within 10 V (including the initial bias), A ≤0.
It is preferably 5.
【００４１】図７に、初期バイアス電圧：３．５Ｖ、緩
和時間：４時間、Ａ＝０．５の条件で、Δｔの値を５〜
２４０分間の範囲で変化させて計算したときの動作時間
−動作電圧の関係を示す。Δｔを大きくするほど、少な
くとも初期のドリフト電圧は小さくなる。したがって、
式（３）から制御電圧ドリフトの絶対量を見積もる場合
は、Δｔをできる限り小さくして計算するのが安全であ
る。Δｔ→０として、式（３）を積分して一般式、ある
いは近似式を導いてもよい。In FIG. 7, the value of Δt is 5 to 5 under the conditions of initial bias voltage: 3.5 V, relaxation time: 4 hours, and A = 0.5.
The relationship between the operating time and the operating voltage when calculated by changing the range of 240 minutes is shown. As Δt increases, at least the initial drift voltage decreases. Therefore,
When estimating the absolute amount of control voltage drift from the equation (3), it is safe to calculate with Δt as small as possible. As Δt → 0, the general formula or the approximate formula may be derived by integrating the formula (3).
【００４２】[0042]
【実施例】実際の測定例と、式（３）との対応を検討し
た。図１に示した素子サンプルは、Ａの値がほぼ１で、
発散型のドリフトを示すため、Ａ＜１の素子を作製し
た。この素子は、図１に示したものと形態は同一であっ
たが、ＳｉＯ2 バッファ層を、スパッタリング法ではな
く、真空蒸着法で作製した。[Example] The correspondence between the actual measurement example and the equation (3) was examined. In the element sample shown in FIG. 1, the value of A is almost 1,
In order to show a divergence type drift, an element with A <1 was manufactured. This device had the same morphology as that shown in FIG. 1, but the SiO 2 buffer layer was produced by the vacuum deposition method instead of the sputtering method.
【００４３】図８は、雰囲気温度８０℃で、バイアス電
圧５Ｖの固定バイアス電圧方式で測定した、ＤＣドリフ
トである。ドリフトは最初負の方向に生じ、途中から図
８にみられるような正方向のドリフトに転じた。初期の
負方向のドリフト発生の原因は不明であるが、最終的に
は、分極現象等に基づくものと思われるドリフトが優勢
になるものと考えて、式（３）との対応を検討した。ド
リフトが一度負方向に起こるため、見かけの飽和ドリフ
ト量として、図８中に示したように、１．４Ｖ（Ａ＝
０．２８）と２．３Ｖ（Ａ＝０．４６）の二つが与えら
れた。FIG. 8 shows a DC drift measured at a ambient temperature of 80 ° C. by a fixed bias voltage method with a bias voltage of 5V. The drift first occurred in the negative direction, and then changed to the positive drift as seen in FIG. Although the cause of the initial occurrence of the negative drift is unknown, in the end, it is considered that the drift, which is considered to be due to the polarization phenomenon and the like, becomes dominant, and the correspondence with the equation (3) was examined. Since the drift once occurs in the negative direction, as an apparent saturation drift amount, as shown in FIG. 8, 1.4 V (A =
0.28) and 2.3 V (A = 0.46) were applied.
【００４４】図８のドリフトの緩和時間は、図９に示す
ように、８．４時間であった。（プロットの傾きの逆
数）。The relaxation time of the drift in FIG. 8 was 8.4 hours as shown in FIG. (Inverse of slope of plot).
【００４５】図１０は、実際のシステム動作に近い形、
つまりドリフトによる動作点変化を補償するためにバイ
アス電圧を随時制御（５分間隔）していく方式で測定し
た制御電圧のドリフト値と、式（３）により計算した結
果の対応を示している。直線は、緩和時間＝８．４時
間、Ａ＝０．４６の場合、破線はＡ＝０．２８の条件
で、Δｔ＝１時間として計算した結果である。初期バイ
アス電圧は、実測、計算いずれも３．５Ｖとした。式
（３）が多くの仮定をもとに導出した第一近似的なもの
であることを考慮すると、Ａ＝０．２８の場合の計算と
実測値は、比較的よい一致をみせている。FIG. 10 shows a form close to the actual system operation,
That is, the correspondence between the drift value of the control voltage measured by the method of controlling the bias voltage as needed to compensate for the change in the operating point due to the drift (at intervals of 5 minutes) and the result calculated by the equation (3) is shown. The straight line shows the calculation result when Δt = 1 hour under the condition of A = 0.28 when the relaxation time = 8.4 hours and A = 0.46. The initial bias voltage was set to 3.5 V in both actual measurement and calculation. Considering that the equation (3) is a first approximation derived based on many assumptions, the calculation and the actual measurement value when A = 0.28 show relatively good agreement.
【００４６】本例のように、Ａの値の決め方に２通りあ
る場合は、仮に制御電圧上限値が決められた条件で、素
子選別のためのしきい値を判断するには、確認のため若
干の予備測定を行っておくことが好ましい。If there are two ways to determine the value of A as in this example, the threshold value for element selection should be determined for confirmation under the condition that the upper limit value of the control voltage is determined. It is preferable to make some preliminary measurements.
【００４７】[0047]
【発明の効果】導波路型の電気光学変調器素子の好適な
ＤＣ電圧ドリフト特性を有するものおよびその選別を行
う方法が提供された。The present invention provides a waveguide type electro-optical modulator element having a preferable DC voltage drift characteristic and a method of selecting the same.
【図１】図１はＴｉ：ＬｉＮｂＯ3 製の導波路型マッハ
ツェンダー強度変調器素子について、固定バイアス連続
印加方式で測定したＤＣドリフトの一例を示すグラフ。FIG. 1 is a graph showing an example of DC drift measured by a fixed bias continuous application method for a waveguide type Mach-Zehnder intensity modulator element made of Ti: LiNbO 3 .
【図２】図２は温度７０℃で、まず固定直流バイアス
（−５，１，４Ｖ：白ぬき記号で示してある）を連続し
て印加した状態におけるＤＣ電圧ドリフトの一例、およ
びドリフトがほぼ飽和した段階で、印加していたバイア
スをゼロにして測定したドリフト（黒記号）の一例を示
すグラフ。FIG. 2 shows an example of DC voltage drift at a temperature of 70 ° C. and a fixed DC bias (−5, 1, 4 V: indicated by open symbols) continuously applied, and the drift is almost the same. The graph which shows an example of the drift (black symbol) measured by making the applied bias into zero at the saturation stage.
【図３】図３は、図１のデータを、動作時間ｔとｌｏｇ
（Ｖ（∞）−Ｖ（ｔ））の関係に直してプロットして示
したグラフ。FIG. 3 shows the operation time t and log of the data of FIG.
The graph which corrected and plotted the relationship of (V ((infinity))-V (t)).
【図４】図４は実際の素子の制御方法と、固定バイアス
電圧方式で観察されるドリフト現象と制御電圧のドリフ
ト現象との関連性を示すグラフ。FIG. 4 is a graph showing a relationship between an actual element control method, a drift phenomenon observed by a fixed bias voltage method, and a control voltage drift phenomenon.
【図５】図５は動作時間と動作電圧との関係を式（３）
に実際に値を代入して計算した結果を示すグラフ。FIG. 5 is a graph showing the relationship between the operating time and the operating voltage by the equation (3).
The graph which shows the result of actually substituting a value into.
【図６】図６は図５における動作時間−動作電圧の関係
において、動作時間をｌｏｇスケールにとり直したグラ
フ。FIG. 6 is a graph in which the operating time is re-taken on a log scale in the relationship between the operating time and the operating voltage in FIG.
【図７】図７は初期バイアス３．５Ｖ、緩和時間４時
間、Ａ＝０．５の条件で、Δｔの値を５〜２４０分間ま
で変化させて計算したときの動作時間−動作電圧の関係
を示すグラフ。FIG. 7 is a relationship between operating time and operating voltage when the value of Δt is changed from 5 to 240 minutes under the conditions of an initial bias of 3.5 V, a relaxation time of 4 hours, and A = 0.5. The graph showing.
【図８】図８は雰囲気温度８０℃で、バイアス電圧５Ｖ
の固定バイアス方式で測定したときの動作時間−ＤＣド
リフト関係を示すグラフ。FIG. 8 shows an ambient temperature of 80 ° C. and a bias voltage of 5 V.
6 is a graph showing an operating time-DC drift relationship when measured by the fixed bias method of FIG.
【図９】図９は図８に示され、ＤＣドリフトの緩和時間
を求めるための、動作時間−ｌｎ｛Ｖ（∞）−Ｖ
（０）｝関係を示すグラフ。FIG. 9 is shown in FIG. 8, and is an operating time −ln {V (∞) −V for determining the relaxation time of the DC drift.
The graph which shows a (0)} relationship.
【図１０】図１０は実際のシステム動作に近い形、つま
りドリフトによる位相変化を補償するためにバイアス電
圧を随時制御（５分間隔）していく方式で測定した制御
電圧のドリフトと、式（３）により計算した結果の対応
を示すための動作時間−動作電圧関係を示すグラフ。FIG. 10 is a diagram showing a control voltage drift measured by a method close to an actual system operation, that is, a method of controlling a bias voltage at any time (in 5 minute intervals) to compensate for a phase change due to drift, and an equation ( 3 is a graph showing the relationship between the operating time and the operating voltage for showing the correspondence of the results calculated by 3).
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荻原 淳一 千葉県船橋市豊富町585番地 住友セメン ト株式会社中央研究所内 (72)発明者 箕輪 純一郎 千葉県船橋市豊富町585番地 住友セメン ト株式会社中央研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Junichi Ogiwara, 585 Tomimachi, Funabashi, Chiba Prefecture Sumitomo Cement Corporation Central Research Institute (72) Inventor Junichiro Minowa 585, Tomimachi, Funabashi, Chiba Sumitomo Cement Co., Ltd. Central Research Center
Claims (4)
型電気光学素子に、所望値の直流バイアス電圧を連続印
加した状態で、前記素子に光を入力し、この素子から出
力する光の動作点の経時変化をモニターしたとき、飽和
電圧ドリフト量ＶＣと、前記印加された直流バイアス電
圧（ＶＢ）との比：Ａ＝ＶＣ／ＶＢが１未満であること
を特徴とする、印加直流電圧のドリフトが制御されてい
る導波路型電気光学素子。1. A waveguide type electro-optical element, which is kept at a predetermined temperature of room temperature or more, is input with light while the DC bias voltage of a desired value is continuously applied to the element, and the light output from this element is changed. The ratio of the saturated voltage drift amount VC to the applied DC bias voltage (VB) when monitoring the change over time of the operating point: A = VC / VB is less than 1, the applied DC voltage. Waveguide-type electro-optical element whose drift is controlled.
求項１に記載の導波路型電気光学素子。2. The waveguide type electro-optical element according to claim 1, wherein the value of the ratio A is 0.5 or less.
上の所定温度に保持し、これらの素子に所定値の直流バ
イアス電圧を印加し、この電圧印加された素子に光を入
力し、この素子の出力光の動作点の経時変化をモニター
し、電圧ドリフト量の飽和値（ＶＣ）と、前記印加され
た直流バイアス電圧（ＶＢ）との比：Ａ＝ＶＣ／ＶＢを
算出し、この比Ａとして１未満の値を示す素子を選別す
ることを特徴とする、印加直流電圧のドリフトが制御さ
れている導波路型電気光学素子の選別方法。3. A plurality of waveguide type electro-optical elements are maintained at a predetermined temperature of room temperature or higher, a DC bias voltage of a predetermined value is applied to these elements, and light is input to the elements to which the voltage is applied, The change over time of the operating point of the output light of this element is monitored, and the ratio of the saturation value (VC) of the voltage drift amount to the applied DC bias voltage (VB): A = VC / VB is calculated. A method of selecting a waveguide-type electro-optical element in which a drift of an applied DC voltage is controlled, characterized in that an element having a ratio A of less than 1 is selected.
項３に記載の導波路型電気光学素子の選別方法。4. The method of selecting a waveguide electro-optical element according to claim 3, wherein the value of the ratio A is 0.5 or less.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30042093A JP2798350B2 (en) | 1993-11-30 | 1993-11-30 | A method for selecting a waveguide-type electro-optical element in which a drift of a DC voltage is controlled. |
| CA002133300A CA2133300C (en) | 1993-11-01 | 1994-09-29 | Optical waveguide device |
| EP94307165A EP0652457B1 (en) | 1993-11-01 | 1994-09-30 | Optical waveguide device |
| US08/315,981 US5526448A (en) | 1993-11-01 | 1994-09-30 | Optical waveguide modulator having a reduced D.C. drift |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP30042093A JP2798350B2 (en) | 1993-11-30 | 1993-11-30 | A method for selecting a waveguide-type electro-optical element in which a drift of a DC voltage is controlled. |
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|---|---|
| JPH07152007A true JPH07152007A (en) | 1995-06-16 |
| JP2798350B2 JP2798350B2 (en) | 1998-09-17 |
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ID=17884592
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP30042093A Expired - Fee Related JP2798350B2 (en) | 1993-11-01 | 1993-11-30 | A method for selecting a waveguide-type electro-optical element in which a drift of a DC voltage is controlled. |
Country Status (1)
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| JP (1) | JP2798350B2 (en) |
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1993
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