JPH07503797A - 平滑な電気光学的バンドパス特性を有する集積光学変調器 - 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】 平滑電気光学帯バンドパス指数材き集積光学変調器技術分野 本発明は、一般に光学変調器に関する。特に電気入射信号値の変化に応じて光度 変調を達成するための光干渉を利用した集積光学変調器に関する。

技術の背景 既に光学変調器の様々な構造が知られており、それらは、所望の強度変調を結合 光ビームに付与する方法で同一光源から発生するが、互いに選択的に位相シフト されるコヒーレント光ビーム間、または分離されたコヒーレント光間の干渉が用 いられている。

このような機器において、電気光学効果を発揮する光学材料、特にニオブ酸リチ ウム、またはタンタル酸リチウムを用いた集積光学変調器は、多くの利益をもた らし、従って更に、高性能アナログ光ファイバーリンクにおいて重要で、広く用 いられるようになる。

この種の集積光学強度変調器の中で代表的なものは、入射光が二つの光線に分け られ、各々は二つの平行な導波路へと放たれ、その導波路で誘導伝搬される。導 波路は電気光学効果を示す上述の光学材料基板の各範囲に形成される。次に、別 の位相シフトは、光線の各々に誘導される。その誘導は、各導波路内で光線が伝 搬される間に行われ、そのような導波路に沿って互いに平行に延在する各々の電 極を用いて、異なる電位差、または電界、一般的には、同じ振幅であるが逆方向 の各々の導波路を横切って、供給することにより行われる。導波路から発せられ る光線は、その時結合され、干渉効果により、二つの導波路から到達した光線間 の位相差に依存する結合光の強度の変調が起こる。適用された電界間の差異を変 化させることにより、結合光の強度は、光線が位相内にある時、構造的干渉のた めピークに達した時から、光線が実質的に完全な弱め合い干渉を伴い位相から１ ８０°になった時に起こる低い点、理想的にはゼロになるまで、選択的に変化す る。

この種の集積光学変調器の特別な効果は、非常に少ない些細な光の損失は別とし て、サイズの小型化が可能となり、従って変調器により占められるスペースだけ でなく、光学変調を付与する過程において消費される電力をも最小にする。その ような変調器に適用するものとしてケーブル・テレビ、アンテナ・リモーティン グ、調整されたアレイ・レーダーがあるが制限はない。

それでも、上述したように構成された光学変調器を用いた実験では、結合光の質 は残念ながら少なくとも前述した適用が望むほどには高くない。ここにおいて、 付与された変調のゲインと位相指数の両方がリップルまたは微細構造の微小でな い量を示す。逆に多くを要求する適用のためのそのような変調器の使用は抑制さ れる。

周波数応答におけるそのようなリップル、または微細構造が存する原因の一つと して、原因ではないかもしれないが、二つの平行な導波路に伝搬する光線におけ る音波の影響が認められた。この点において、導波路と基板の残部、および／ま たは電極を構成する光学材料は音波を伝導するだけでなく発生させる。その音波 には平行な導波路と付随する圧電効果に異なる電界を適用する結果として発生す る音波も含まれる。音波は導波路の片方の領域において発生され、導波路に伝搬 する光線に影響を及ぼすだけでなく、導波路間のスペースを横切り、少なくとも 一方の導波路に伝搬する光の位相を妨害し、従って結局有害な方法において、二 つの導波路から発せられた光の干渉に影響を与え、従って所望される方法におい て出ていく光を変調させる変調装置の能力にも影響を与える。

二つの平行な導波路が通常接近して配置されるのは小型化への要望に応えるため であり、二つの分岐部において音響学上の外乱を引き起こす振幅に大いに関係が あり、実際の制限を伴う平行な導波路間のスペースの単なる増加は音の問題を解 決しない。むしろ、効果が最も明らかになる場合、単に周波数を変化させるだけ である。さらに、音響エネルギーを吸収したり散乱させたりという方法における 、音響雑音、または相互作用問題を処理する他の方法、例えばＲＴＶなどの従順 な材料を基板の表面（導波路の表面）に適用する方法、および／または基板の背 面を研削、またはみぞ削りする方法は、所望の周波数範囲の至る所における音響 相互作用を実質的に排除するのではなく、縮小することに関してはほとんど効果 がないという点で限られた効果しか得られない。従って、結合光信号内に音響行 為と相互作用を伴ったこの変調技術を利用する結果として存する騒音はやはりか なり存在する。

従って、本発明の一般的な目的は、先行技術の欠点を回避することである。

特に、本発明の目的は、この種の既知の変調器に伴う欠点をは有さない、光干渉 を利用した集積電気光学変調器を供給することである。

本卑明のさらなる目的は、ここで検討中の型の変調器を改良し、音響行為と相互 作用を原因とする変調された光信号の位相ひずみと振幅を排除することではなく 減少させることである。

本発明の他の目的は、上述の型の所望する光学的振動数バンド内の変調された光 信号において均一の周波数応答を行う変調器を発明することである。

本発明に付随する目的は、上述の型の構造が比較的簡単で、低価格で製造でき、 簡単に使用でき、さらに操作が確かな変調器を設計することである。

発明の開示 以上において明らかとなるこれらの目的、およびその他の目的を果たすため、本 発明の一つの特徴は、光学材料の基板を有し、つまり光と音波の伝導性を有し、 電気光学と圧電性の両方の特性を有する光学強度変調器である。一対の連結延長 先導波路は基板に形成される。本発明によれば、導波路は導波路の経路に沿って 徐々に変化する横断距離により実質的に互いに同一の広がりをもち、互いに分離 されている。変調器はさらに実質的に同一の特性を有する二つの光線を、縦に伝 搬する各導波路に発する手段と、異なる位相シフトを光線内に誘導し、各導波路 に異なる多様な電界を付与する手段とを有する導波路内に伝搬する手段とを有す る。さらにシフトされた位相の光線間の干渉による結合出射光の振幅変調を伴う 導波路からの射出の後、光線を互いに結合する手段を有する。

上述した本発明による変調器の特別な利点は、導波路間のスペースが経路に沿っ て変化するために、変調器が作動している間に発生する音波の性質が、ある周波 数における導波路間に共振する圧電効果に依存し、二つの導波路が互いに平行な 時にその共振が起こると、特に二つの光線の特性に非対称的な効果を与え、音波 は排除されるか少なくとも一定の方法で所望の周波数範囲内の多様な光周波数に 影響を与えるように拡散する。従って、変調器が作動している間に発生する音波 の効果に依存する結合光出射信号の雑音ひずみは排除されないかもしれないが、 減少する。

図面の簡単な説明 添付図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明を体現する典型的なマツハーツエンダー干渉計光学変調器の配 置を伴う基板部分の平面図を示す。

第２図は、第１図内の線２−２部分の断面図を示す。

第３ａ図および第３ｂ図は、第１図および第２図に類似した、変化しないが平行 な導波路に多様な変調周波数を伴う変調器のゲインと位相のグラフ図を示す。

第４ａ図および第４ｂ図は、第３ａ図および第４ａ図に対応するが、本発明に組 み込まれた第１図および第２図に描かれた変化する変調器構造から得られるグラ フ図を示す。

実施例 それでは図面を詳細に参照して、まず第１図を参照し、符号１０は本発明を体現 する集積光学変調器の基板を示す。基板１０は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ ８）、またはタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ，）の好ましい形態であり、二つ の光学導波路１１および１２を有する。この導波路はイオン交換などのいかなる 伝統的な技術によっても基板上に形成される。さらに図示した変調器構造では、 基板１０はＹ接合部、または方向上のカプラーなどの二つの３−デシベル人出射 カプラー１３および１４を有する。そのうちの入射カプラー１３は、光１７を引 き込むための引き込み導波路チャネル１５と導波路１１および１２の各々の入射 端との間に挿入され、出射カプラー１４は導波路１１および１２の出射端と光１ ８を送り出すための送り出し導波路チャネル１５との間に位置する。

第２図と比較してみると、導波路１１および１２は、基板１０上の一つの同じ主 表面部１９上に形成され、各々の電極２１．２２および２３もまた表面部１９上 に形成されていることが分かる。一方には電極２１および２２が、他方には２２ および２３が配置され、各々対の電極２４および２５を構成し、その各々は導波 路１１および１２の両側に連結して形成されている。図示した変調器構造では、 電気リード線２６および２７は各々電極２１および２３に接続され、光学変調器 が作動している間に用いられ、各々多様な電位、または電圧ｖ１およびｖ２に適 用される。一方、電極２２は電気リード線２８を通して永久にアースされる。少 なくとも導波路１１および１２を構成するニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウ ム、または同様の光学材料は、周知の通り、電気光学特性を示し、ＶＩとアース との電位差、およびＶ２とアースとの電位差の結果、適用される各電界は、導波 路１１および１２を横切り、導波路１１および１２の各々に伝搬する光線内の位 相シフトを引き起こすことが認められる。電圧ｖ１およびｖ２は同じ絶対値を有 するが、それらの適用の結果引き起こされる電界は二つの光線の反対のセンスで の位相シフトを引き起こす。

上述の本発明による光学変調器は、一般にマツハーツエンダー干渉計と二つの位 相変調器を有する。位相変調器は対の電極２４および２５を各々有する。位相変 調器は電気的に平行に配置され、プッシュプル法により操作される。作動してい る間、単一モード入射導波路１５内の光パワーは、最初の３−デシベル・カプラ ー１３に均等に分割され、二つの光線の各々の位相は、二つの干渉計アーム、ま たは導波路１１および１２に伝搬され、出射３−デシベル・カプラー１４が位相 から１８０’超えた位相へと信号が到達する方法で、前述の電位相違効果を対の 電極２４および２５において変化させる線形電気光学効果を調整することができ る。Ｖ、−Ｖ２−Ｖの時、出射導波路１８内の光パワーはｐ、、、ａｍ　１／２ 　［Ｐ＋、　（１＋ｃ　ｏ　ｓ　ｋＶ）］の標標準干渉計容により決定される。

上述の式においてｋは既知の値の定数である。アナログ適用において、変調器は 通常、小さな信号変調のための線形応答を示すパワーが半分の所で偏っている。

低周波数（直流で１．５ＧＨｚまで）適用のための変調装置は、集中素子電極を 使用していると一般に考えられている。これらの装置の周波数応答は、連続ＲＬ Ｃとして初期命令に従って形成される。

この型の装置において、少なくとも理論的には、所定の周波数バンドにおいて電 極が正確に所望の抵抗と容量とに達するように設計されることにより、またパッ ケージの寄生効果を最小にすることにより、非常に均一なゲインと位相応答を得 ることができる。しかし、実際には事前にＬｉＮｂ０．とＬｉＴａ０．からなる 集積光学変調器の周波数応答は、ゲインと位相応答における鋭敏なディップによ り妨害される。

このような外乱の原因を調べてみると、音響影響に原因がめられることが分かっ た。ＬｉＮｂ０．とＬｉＴａＯ３とを利用して造られている集積光学変調器が音 響影響を受けやすいということは、これらの材料は音波を伝導する能力があるこ とから、驚くに値しない。

変調器内に音波が存在することの主な理由は、理由でないかもしれないが、その ような材料が電気光学性に加えて圧電性をも有することであると決定される。従 って、対の電極２４および２５は圧電変換器として作用するため、電極２１およ び２３に対する電圧の適用はバルク材料と音波表面へと発せられる。そして特に 導波路１１および１２間を横切り、光線の伝搬へとその影響が及ぼされる。しか し、この音波だけでは比較的重要な結果は得られず、導波路内の光信号のデグラ デーションはおそらく避は難い。導波路１１および１２が通常のように互いに平 行して配置されている時に、発せられた光信号劣化における問題が発生し、導波 路間の音響連結器におけるある共振周波数において起きた干渉は十分に効果があ り、位相変調器の入射インピーダンスに大きな効果を与える。さらに、発せられ た音波は音響光学効果により電界とともに影響し合う。

光信号における音響学的に原因が５之められる外乱の存在における上述の型の変 調器に対する適用が受け入れられる一方、関係ある周波数バンドにおける非常に 均一な周波数応答を要求する適用が多くある（均一なゲイン上０．５デシベル、 均一１ｊ位相±２度）。さらに、そのような動作特性から利益を得る適用もある 。そのため、ここでは上述の型の基本的なマツハーツエンダー変調器構造の改良 が提案されている。本発明によれば、変調装置の幾何学的形状、特に導波路１１ および１２間のスペースは変調装置の長さに沿って変化する。第１図では、この 変化する幾何学的形状の特別な例が示されている。図面から読みとれるように、 導波路１１および１２は各々弓形の経路をもち、互いにその端部では最短距離と なり、中央部で最長距離となっている。図示したこのような経路の型は、二乗余 弦であり、特に利益があるのではあるが、本発明により意図された唯一のもので はない。むしろ、導波路１１および１２は、互いに全体の長さを超えて、または 重要な部分を越えて平行でない限り、また重要な光挿入、および／または伝搬損 失を受けない光学導波路として作動する限り、異なるように経路が形作られてい る。電極２１．２２および２３は、そのような導波路の経路が少なくとも導波路 １１および１２に隣接する場所に据えられ、各々の導波路１１および１２の全体 の長さを超えて前述した電界を実質上均一に適用することを確かにする。

導波路の中央から中央への装置に沿ったスペースを多様にすることにより、上述 した発せられた共振状態を破壊することが、構造の音響Ｑにおける大きな減少を 伴い、より大きい周波数バンドを超えてより均一に音波共振が広がることにより 可能になる。前述したように、導波路の適切な設計は、結果として光挿入損失が 増大しない修正変調装置の幾何学的形状になる。

上述した型の修正マツハーツエンダー変調器は、既知のＡＰＥ過程を用いたＬ　 ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３を利用して最近造られ、パッケージされ、類似しているが導波 路と電極とが互いに平行して延在する非修正変調器と比較して実験される。実験 された非修正変調器は、導波路の中央から中央のスペースが４０ミクロンである 一方、修正変調器の中央から中央のスペースは端部の３５ｕｍから中央部の５０ ０ｕｍまで広がっている。この実験の結果は、変調光出射信号１８の振幅を表す ものとしては第３ａ図および第４ａ図に、変調光出射信号１８の位相シフトを表 すものとしては第３ｂ図および第４ｂ図に各々非修正変調装置と、修正変調装置 との比較のために提示した。実験は各々の場合において、連続した実験位相にお いて電圧Ｖが各々の電極（修正構造における電極２１および２３）に、無線周波 数（ＲＦ）範囲における所望の変調周波数の交流する電圧の形で適用される間、 前述の電極に供給されるＲＦ電気信号のパワーと位相とに関して光出射信号１８ に含まれる各々の振幅と位相とは、伝統的な探知技術と設備を用いることで探知 される。この実験位相の結果、同じ過程がその後の実験位相の間繰り返されるが 、ＲＦ変調周波数はオリジナルとは互いに異なり、十分なデータが所望の周波数 の範囲全体にわたって集められるまで繰り返される。このように集められたデー タは上述の第３ａ図から第４ｂ図にがけてグラフとして示されている。

第３ａ図および第３ｂ図に示されたゲインと位相の周波数応答を表す応答曲線３ ０および３５の各々をみれば明らかなように、導波路の中央から中央のスペース が一定に制定された（図示した例においては４０ｕｍ）非修正マツハーツエンダ ー変調器の音響信号指数は、導波路スペースを有する装置幾何学形状と結晶の幾 何学形状により支えられている多様なバルクと表面波の速度機能である共振周波 数ｆとにより与えられる。曲線３０および３５は、３４に実質的に対応する３１ ．３９に実質的に対応する３６の各々において明白なノツチ、またはディップを 有する。ディップは結晶における音響共振の始まりと一致し、５０乃至４００Ｍ Ｈｚのケーブル・テレビ信号分布などの鍵となる適用におけるＬｉＮｂ０．とＬ 　ｉ　Ｔ　ａ　Ｏ、との変調器の有効性を限定することができる程、十分に大き い。同様の効果が高周波数適用と広帯域適用に使用される進行波変調器に起こる 。音響干渉のために高いＱを示している装置の周波数応答においてはかなり微細 な構造をしていることもまた記されている。

比較してみると、第４ａ図および第４ｂ図の対応する曲線４０および４５もまた 、周波数応答のゲインと位相を表すものであるが、今度は本発明に従った修正変 調構造を示しく図示した例においては最大５００　ｕｍスペース）、音響影響に 対するこれらの装置の応答においてかなりの減少が達せられる。特に曲線４０の ４１から４４において、また曲線４５の４６から４９において（曲線３０の３１ から３４、および曲線３５の３６から３９に対応する）、音響影響は減少し、背 景の雑音とは実際に区別がつかない程度になる。

本発明は図示され、実施例として光学変調器の特別な構造が記述されているが、 この特別な例に限定されるものではなく、むしろ、本発明の保護の範囲は、単に 添付した請求の範囲により決定されるものである。

悶＠謹審謡失 ＋　＋＋、−＋＋＋　ＰＣＴ／ＵＳ　９２／１０４９４

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．光と音波との伝導性を有し、電気光学と圧電性との特性をともに有する光学 材料からなる基板と、 前記基板に形成され、実質的に互いに同一の広がりをもって延在し、導波路の経 路に沿って徐々に変化する横断距離により互いに分離されている一対の連結延長 光導波路と、実質的に同一の特性を有する二つの光線を前記導波路に発し、縦に 伝搬させる手段と、 前記導波路の各々に異なる多様な電界を付与するための手段を有する前記導波路 内に伝搬する前記光線において異なる位相シフトを誘導する手段と、 位相シフトした光線間の干渉により、結合出射光の振幅変調を伴う前記導波路か ら発した後、前記光線を互いに結合させる手段と、を有する光学強度変調器。
2. ２．前記基板は二つの主表面部を有する型のプレートであり、前記導波路は両方 とも前記主表面部の一つに据えられ、前記誘導する手段は各々対の電極を有し、 その電極は前記主表面部の一つに設置され、その主表面部は前記対の電極の各々 において互いに前記導波路の一つを横切るように連結され、電力量を前記電極に 供給する手段は、前記対の電極の各々の前記電極間に各々の電位差を作りだす方 法により、異なる電界を生じさせる、請求項１記載の光学変調器。
3. ３．前記対の電極の各々の前記電極の一つは前記導波路間に据えられ、前記対の 電極の一つは他の電極とともに単一の電極へと融合され、前記供給する手段は前 記単一の電極を所定の電位を保つための手段と前記対の電極の各々の前記電極の 電位を変化させる手段とを有する、請求項２記載の光学変調器。
4. ４．前記対の電極の各々の前記電極は前記連結導波路と隣接する場所を有し、前 記連結導波路の経路に沿って輪郭を描く、請求項２記載の光学変調器。
5. ５．前記発する手段は入射光カプラーを有し、そのカプラーは前記導波路の上流 の基板へ引き込む光を伝搬させる方向に設置され、前記光線を前記導波路の方向 へ働かせ、前記結合する手段は出射光カプラーを有し、前記導波路の下流の基板 へ前記光線を伝搬させる方向に設置され、前記光線を受けとり、前記出射光内に 光線を互いに結合させるように働く、請求項１記載の光学変調器。
6. ６．前記導波路の経路は弓形の形状をなす、請求項１記載の光学変調器。
7. ７．前記スペースは前記導波路の端部が最小で、前記導波路の中央へ向って増大 する、請求項１記載の光学変調器。