JPH09258148A

JPH09258148A - 光変調器

Info

Publication number: JPH09258148A
Application number: JP6398696A
Authority: JP
Inventors: Mitsushi Yamada; 光志山田; Hiroshi Ogawa; 洋小川
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1996-03-21
Filing date: 1996-03-21
Publication date: 1997-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】素子構造の簡素化および高速変調を実現する
こと。【解決手段】本発明は、基板２の一端面から他端面に
わたり設けられた光導波路６へ所定の光を入射し、この
光が光導波路６内を伝搬する間に所定の電界に基づき変
調を行う光変調器１であって、基板２の一端面に反射防
止膜１０が設けられ、基板２の他端面に全反射膜１１が
設けられているものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高速動作、高速変
調を行うことができる光変調器に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザから出射される光を伝搬す
る間に所定の変調を行う光変調器は、その変調時に生じ
る波長チャーピングが半導体レーザによる直接変調の場
合と比べて極めて小さいため、将来の光通信システムの
伝送容量の増大、伝送距離の長距離化を実現するための
キーデバイスとして期待されている。

【０００３】その中でも、半導体を用いた電界吸収型の
光変調器は、小型かつ動作電圧が小さいという特徴を有
しており、多くの研究がなされている。

【０００４】電界吸収型の光変調器は、導波路型と面型
との２つに大別され、超高速光通信システム用として主
として導波路型が検討されている。図６は従来の導波路
型の光変調器を説明する模式図である。

【０００５】すなわち、従来の光変調器１’は、半導体
から成る基板２の中に光変調層４が設けられ、光の入射
端側と出射端側とに各々反射防止膜１０が設けられた構
成となっている。

【０００６】光の入射端から光変調層４に入射した光
は、電極９’からの電圧が光変調層４に印加されていな
い場合にはほとんど透過して出射端から出射する。この
場合の光の進行方向に対する光強度分布は図中Ａのよう
になる。

【０００７】一方、光変調層４に逆バイアス電圧が印加
されたときは、入射光は光変調層４を進行していくにし
たがい吸収され、光の進行方向に対する光強度分布は図
中Ｂのようになる。さらに、光変調層４へ大きな電圧を
印加していくと、光の進行方向に対する光強度分布は図
中Ｃのようになる。

【０００８】ここで、光変調器１’から取り出される光
Ｐ_outは一般に以下の（１）式のようになる。

【０００９】Ｐ_out（Ｆ）＝Ｐ_inη₁η₂ｅｘｐ｛−Γ
（α（０）＋α（Ｆ））Ｌ｝…（１）ただし、Ｐ_in：光の入射端面直前での光パワー。 Γ：光導波路内での、導波モードの光変調層への閉じ込
め吸収係数。 η₁およびη₂：光の入射端面および出射端面における
光の結合効率。 α（０）：光変調層にかかる電界強度Ｆが無い場合の光
吸収係数。 α（Ｆ）：光変調層にかかる電界強度Ｆによって増加す
る光吸収係数。Ｆ：（＝Ｖ／ｄ）光変調層にかかる電界強度（印加電圧
Ｖを光変調層の厚さｄで割った値）。Ｌ：光変調層の光導波路方向に対する長さ。

【００１０】また、消光比Ｅ_R（ｄＢ）は、印加電圧の
無いときの出力光に対する印加電圧のある時の出力光の
比で表されることから、Ｅ_R＝１０ｌｏｇ〔Ｐ_out（Ｆ）／Ｐ_out（Ｆ＝０）〕＝１０ｌｏｇ〔Ｐ_out（Ｆ）／｛Ｐ_inη₁η₂ｅｘｐ（−Γα（０）Ｌ）｝〕＝１０ｌｏｇ〔ｅｘｐ（−Γα（Ｆ）Ｌ）〕 ≒−４．３４３Γα（Ｆ）Ｌ …（２）で表される。

【００１１】この（２）式より、素子長Ｌを長くするこ
とで、同じ電圧でより大きな消光比を得られることが理
解される。すなわち、素子長Ｌを長く設定すると、ある
一定の消光比を得るための電圧（以下、動作電圧とい
う）を小さくすることができるようになる。

【００１２】図６に示す従来の光変調器１’では、光変
調層４の組成波長１．４４μｍ、膜厚０．３μｍ、スト
ライプ幅約３μｍ、長さ２２０μｍのものを用いてお
り、入射光波長１．５６μｍに対して、１０ｄＢの消光
比を得るため約２．３Ｖの動作電圧が必要となってい
る。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな光変調器においては次のような問題がある。すなわ
ち、動作電圧の低減と高速動作とは、素子長に関してト
レードオフの関係にある。一般に、電界吸収型の光変調
器の変調にかかる周波数の上限は、素子のキャパシンタ
ンス（主に光変調層のキャパシタンス）の逆数に比例
し、そのキャパシタンスは素子長に比例する。したがっ
て、高速動作の実現のためには素子長が短い方が望まし
い。しかし、光変調器の素子長を短くすると動作電圧の
劣化を招くことになる。

【００１４】また、この光変調器では、光の結合のアラ
イメントを行う箇所が、光の入射する部分および出射す
る部分の２か所あり、光変調器の両端面における光の高
結合効率の達成と、光変調器への給電ラインの高速化と
の両方を満足することは非常に困難である。

【００１５】さらに、光の結合のアライメントを行う場
所が２か所あるということは、モジュール化する場合に
はレンズなどの光結合系のアライメントも２か所行う必
要があり非常に工数がかかる。また、両端面ともに極め
て小さい反射防止膜を形成する必要があり、コストアッ
プを招く原因となっている。しかも、これらの光結合系
や反射防止膜は外部環境の変化によって影響を受けやす
く、動作不安定の原因となる。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような課題
を解決するために成された光変調器である。すなわち、
本発明は、基板の一端面から他端面にわたり設けられた
光導波路へ所定の光を入射し、この光が光導波路内を伝
搬する間に所定の電界に基づき変調を行う光変調器であ
って、基板の一端面に反射防止膜が設けられ、基板の他
端面に全反射膜が設けられているものである。

【００１７】本発明の光変調器では、反射防止膜が設け
られた基板の一端面側から光導波路へ光を入射すると、
この光が光導波路を伝搬していき、やがて他端面側の全
反射膜で反射する。反射した光はふたたび光導波路を伝
搬していき、一端面側から出射する状態となる。光が光
導波路内を伝搬している間に所定の電界の印加で変調を
行うようにすれば、光導波路を一往復する間に所定の変
調が行われるようになる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の光変調器におけ
る実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明の
第１実施形態を説明する概略斜視図、図２は第１実施形
態における光変調器の光吸収の状態を説明する図であ
る。

【００１９】すなわち、第１実施形態における光変調器
１は、例えばｎ型ＩｎＰから成る基板２の上に形成され
た第１クラッド層３（例えばｎ型ＩｎＰ）と、その上に
形成されたストライプ状の光変調層４（例えばｎｏｎ−
ｄｏｐｅｄＩｎＧａＡｓＰ）と、その上に形成された
第２クラッド層５（例えばｐ型ＩｎＰ）とから光導波路
６を構成したものである。

【００２０】また、メサ型にエッチングされた光導波路
６の周囲には埋込層７（例えばポリイミド）が形成さ
れ、基板２の下側には第１電極８、第２クラッド層５の
上にはオーミックコンタクト層９ａ（例えばｐ⁺型Ｉｎ
ＧａＡｓ）を介して第２電極９が形成されている。

【００２１】本実施形態における光変調器１では、一端
面側に反射防止膜１０（例えばＳｉＯ_x）が施され、他
端面側に全反射膜１１（例えばＡｌ₂Ｏ₃／Ａｕ）が施
されている点に特徴がある。

【００２２】次に、この光変調器１の動作を図２に基づ
いて説明する。先ず、外部から光変調器１へ向けて送ら
れる光（入射光）は、反射防止膜１０を施した端面から
導波路６に導かれる。この光は導波路６を伝搬していき
全反射膜１１を施した端面で全反射し、再び導波路６を
伝搬して反射防止膜１０を施した端面から出射すること
になる。

【００２３】この際の光の導波路方向に対する強度分布
は、第１電極８および第２電極９によって印加される電
圧が大きくなるにしたがい図中Ａ〜Ｃで示されるように
変化する。

【００２４】本実施形態の光変調器１において取り出さ
れる光Ｐ_outは以下の（３）式で示される。Ｐ_out（Ｆ）＝Ｐ_inη₁ ²ｅｘｐ｛−Γ（α（０）＋α
（Ｆ））２Ｌ｝…（３）

【００２５】また、消光比Ｅ_R（ｄＢ）は以下の（４）
式で示される。Ｅ_R＝１０ｌｏｇ〔Ｐ_out（Ｆ）／Ｐ_out（Ｆ＝０）〕＝１０ｌｏｇ〔Ｐ_out（Ｆ）／｛Ｐ_inη₁ ²ｅｘｐ（−２Γα（０）Ｌ）｝〕＝１０ｌｏｇ〔ｅｘｐ（−２Γα（Ｆ）Ｌ）〕 ≒−８．６８６Γα（Ｆ）Ｌ …（４）

【００２６】この式より、光変調器１の素子長Ｌを長く
することで動作電圧の低減を図ることができることのみ
ならず、従来と比較して同じ電圧で２倍の消光比を得ら
れることが分かる。

【００２７】言い換えると、従来と同じ消光比を得るた
めには、従来の半分の素子長にすればよいことになる。

【００２８】図３は特性を説明する図で、（ａ）は消光
比、（ｂ）は周波数応答を示している。すなわち、図３
（ａ）に示すように、同じ導波路構造（光変調層の素子
波長１．４７μｍ、膜厚０．２６μｍ、ストライプ幅約
３μｍ）を持つ電界吸収型の光変調器において、本実施
形態では素子長Ｌ＝１３０μｍ、従来例では素子長Ｌ＝
２６０μｍとしており、本実施形態は素子長が従来の約
半分であるにも関わらず、消光比２０ｄＢ程度まで完全
に同じ特性を得ている。

【００２９】さらに、図３（ｂ）に示すように、本実施
形態では従来例と比べて素子長が半分になっているのに
対応してキャパシタンスも小さくなり、高周波応答特性
も改善されている。つまり、従来例では変調周波数の上
限ｆ_3-dB（応答が３ｄＢダウンするまでの周波数）が約
１２ＧＨｚであるのに対し、本実施形態では２０ＧＨｚ
以上を得ており、約２倍の高周波応答特性となってい
る。

【００３０】このように、第１実施形態では、素子長を
従来と同じにした場合には動作電圧を半減させることが
でき、また同じ動作電圧を得るためには素子長を半分に
することができる。

【００３１】また、素子のキャパシタンスを減らすこと
ができることから、高速動作・高速変調を実現できるよ
うになる。さらに、光の入出力を同じ端面で行うため、
光学系のアライメントを１か所で済ませることができ、
構成の簡素化を図ることもできる。

【００３２】次に、本発明の光変調器における第２実施
形態を説明する。図４は第２実施形態を説明する模式図
である。すなわち、第２実施形態における光変調器１で
は、光の入出力を行うための光サーキュレータ１２を備
えている点に特徴がある。

【００３３】この光サーキュレータ１２としては、ポー
トを最低３つ備えているものを使用する。図４において
は、ポートｉ，ｊ，ｋの３つのポートを備えた光サーキ
ュレータ１２を使用しており、ポートｉ〜ｋ、ポートｋ
〜ｊ、ポートｊ〜ｉへの光の透過機能がある。本実施形
態では、このうちのポートｊを光変調器１の反射防止膜
１０側と光学的に接続している。

【００３４】先ず、外部からの光（入射光）はポートｉ
から入ってポートｊから反射防止膜１０を施した端面へ
送られる。端面へ送られた光はここから光導波路６を伝
搬し、全反射膜１１の施された端面で全反射して戻る。
この間に所定の印加電圧によって変調され、変調光は反
射防止膜１０の施された端面からポートｊへ入ることに
なる。

【００３５】ポートｊへ入った変調光は光サーキュレー
タ１２を介してポートｋから出力されることになる（出
射光）。これにより、ポートｋから変調光のみを簡単に
取り出すことが可能となる。

【００３６】このような構成により、導波路６の端面に
対する光の結合のアライメントが１か所で済むことにな
り、モジュール化を図る上でのレンズなどの光結合系の
アライメント工数（部品点数や組み立て時間等）を削減
することが可能となる。なお、光を入射するポートｉの
前段に光アイソレータ（図示せず）を設けて、変調光を
出力させないようにしてもよい。また、光を出射するポ
ートｋの後段に光アイソレータ（図示せず）を設けて、
後段からの反射戻り光を遮断させるようにしてもよい。

【００３７】また、膜厚制御、屈折率制御の高精度が要
求される反射防止膜１０の形成が一端面のみでよいた
め、歩留り向上、特性の向上および品質の均一化を図る
ことができるようになる。

【００３８】次に、本発明の第３実施形態の説明を行
う。図５は第３実施形態を説明する模式図である。すな
わち、第３実施形態における光変調器１では、光の入出
力を行うためＮ：Ｍの分岐を有する分岐カプラー１３を
用いている点に特徴がある。また、本実施形態では、こ
の分岐カプラー１３のＭ側のポートの一つを光変調器１
の反射防止膜１０側と光学的に接続している。

【００３９】ここでは、分岐カプラー１３のＮ側のポー
トｉ，ｊ、Ｍ側のポートｋに注目して動作の説明を行
う。先ず、外部からの光（入射光）はＮ側のポートｉか
ら入ってＭに分岐され、その１つのポートｋからの分岐
光が光変調器１の反射防止膜１０を施した端面に送られ
る。端面へ送られた光はここから光導波路６を伝搬し、
全反射膜１１の施された端面で全反射して戻る。この間
に所定の印加電圧によって変調され、変調光は反射防止
膜１０の施された端面からポートｋへ入ることになる。

【００４０】ポートｋに入った変調光はＮに分岐され、
その内に一つのポートｊからの分岐光が出射光として取
り出される。これにより、変調光を容易に取り出すこと
が可能となる。なお、Ｎに分岐された光はポートｉにも
分岐されるが、この変調光は光アイソレータ１３ａによ
って遮断される。

【００４１】このような分岐カプラー１３を使用するこ
とで、種々の入射光を入れることができるとともに、必
要に応じた数の変調光をポートから容易に取り出すこと
が可能となる。

【００４２】なお、いずれの実施形態でも、光導波路６
の構造、寸法、材料は上記説明したものに限定されるこ
とはなく、他の構造、寸法、材料であっても同様であ
る。また、反射防止膜１０については、反射率が小さい
程よいが実際には１％以下であることが望ましい。さら
に、全反射膜１１については、その反射率が１００％で
あることが挿入損失低減の観点から望ましいが、反射率
を少し落とすことで透過する光を取り出し、モニター光
として利用してもよい。また、上記反射率は所定の波長
に対して限定されるが、他の波長については、必ずしも
限定されない。すなわち、多層膜コーティングなどによ
り、バンドパスフィルターとしての設計をしてもよい。

【００４３】また、上記各実施形態では、光の強度変調
を行う場合を例として説明を行ったが、位相変調などの
種々の変調を行う場合であっても適用可能である。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光変調器
によれば次のような効果がある。すなわち、本発明で
は、素子長を従来と同じにした場合には動作電圧を半減
させることができ、また同じ動作電圧を得るためには素
子長を半分にすることが可能となる。また、素子のキャ
パシタンスを減らすことができることから高速動作・高
速変調を実現できるようになる。

【００４５】また、光の入射する端面と出射する端面と
が共通となっているため、光導波路に対する光結合のア
ライメント箇所が１か所ですみ、モジュール化を図る上
での工数を削減できるようになる。また、高精度を要す
る反射防止膜を一端面に形成するだけでよいため、低コ
スト化、特性向上、品質の均一化を図ることが可能とな
る。

【００４６】これらのことから、光変調器の高速変調お
よび構造の簡素化を図ることができ、外部環境の変化に
強い信頼性の高い製品を提供できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態を説明する概略斜視図である。

【図２】光吸収の状態を説明する図である。

【図３】特性を説明する図で、（ａ）は消光比、（ｂ）
は周波数応答である。

【図４】第２実施形態を説明する模式図である。

【図５】第３実施形態を説明する模式図である。

【図６】従来例を説明する模式図である。

【符号の説明】

１光変調器２基板３第１クラッド層４光変調層５第２クラッド層６光導波路７埋込層８第１電極９第２電極９ａオーミックコンタクト層１０反射防止膜１１全反射膜１２光サーキュレータ１３分岐カプラー１３ａ光アイソレータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の一端面から他端面にわたり設けら
れた光導波路へ所定の光を入射し、該光が該光導波路内
を伝搬する間に所定の電界に基づき変調を行う光変調器
であって、前記一端面には反射防止膜が設けられ、前記他端面には全反射膜が設けられていることを特徴と
する光変調器。
【請求項２】前記反射防止膜が設けられた前記一端面
側から前記光導波路へ前記光を入射するとともに、前記光が前記光導波路を伝搬して前記他端面側の前記全
反射膜で反射し、前記反射防止膜の設けられた前記一端
面側から出射する間に前記変調を行うことを特徴とする
請求項１記載の光変調器。
【請求項３】光をＮ：Ｍに分岐する光学系が設けら
れ、前記光学系のＮ側の少なくとも１つから前記光を入射
し、該光学系のＭ側の１つから該光を前記一端面から前
記光導波路へ入射するとともに、前記全反射膜にて反射して前記一端面側から出射する光
を前記光学系のＭ側の１つにて受けて、該光学系のＮ側
の少なくとも１つから出射することを特徴とする請求項
２記載の光変調器。