WO2007020924A1

WO2007020924A1 - 光変調器

Info

Publication number: WO2007020924A1
Application number: PCT/JP2006/316044
Authority: WO
Inventors: Kenji Kawano; Masaya Nanami; Yuji Sato; Seiji Uchida; Nobuhiro Igarashi; Toru Nakahira; Hiroaki Senda
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2005-08-19
Filing date: 2006-08-15
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2008-02-19
Also published as: EP1916563A1; EP1916563A4; JP4151798B2; US7916981B2; JPWO2007020924A1; CN101292190A; CN101292190B; US20090034898A1

Abstract

　電気光学効果を有する基板１と、基板１に形成された光を導波するための光導波路１２と、基板１の一方の面側に形成され、光を変調するための高周波電気信号を印加するための高周波電気信号用の中心導体４ａ及び複数の接地導体４ｂ、４ｃからなる進行波電極４を有し、光導波路１２には進行波電極４に高周波電気信号を印加することにより光の位相を変調するための複数の相互作用光導波路１２ａ、１２ｂを有するマッハツェンダ光導波路を具備する光変調器において、複数の相互作用光導波路１２ａ、１２ｂの幅の少なくとも一部が互いに異なるとともに、高周波電気信号と複数の相互作用光導波路１２ａ、１２ｂを伝搬する光の相互作用の効率がほぼ等しくなるように、中心導体４ａ及び接地導体４ｂ、４ｃを配置する。

Description

明細書

光変 ίί周

技術分野

[0001] 本発明は高速でアルファパラメータが小さぐかつ消光比が大きぐまた駆動電圧と DCバイアス電圧が小さヽ光変調器の分野に属する。

背景技術

[0002] リチウムナイオベー HLiNbO )のように電界を印加することにより屈折率が変化す

3

る、いわゆる電気光学効果を有する基板 (以下、リチウムナイオベート基板を LN基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器 (以下、 LN光変調器と略す）は、その優れたチヤ一ビング特性から 2. 5Gbit 、 10Gbit/sの大容量光伝送システムに適用されている。最近はさらに 40Gbit/sの超大容量光伝送システムにも適用が検討されており、キーデバイスとして期待されている。

[0003] [第 1の従来技術]

この LN光変調器には z—カツト基板を使用するタイプと X—カツト基板 (あるいは y— カット基板)を使用するタイプがある。ここでは、第 1の従来技術として X—カット LN基板とコプレーナウェーブガイド (CPW)進行波電極を使用した X—カット基板 LN光変調器をとり上げ、その斜視図を図 13に示す。図 14は図 13の A— A'における断面図である。

[0004] LN光変調器は、図 13に示すように、 X—カット LN基板 1と、 1. 3 /ζ πι、あるいは 1.

55 μ mなど光通信において使用する波長領域では透明な 200nmから 1 μ m程度の厚みの SiOノッファ層 2と、 X—カット LN基板 1に Tiを蒸着後、 1050°Cで約 10時間

2

熱拡散して形成した光導波路 3とを有しており、光導波路 3はマッハツンダ干渉系（あるいは、マッハツエンダ光導波路）を構成している。なお、 3a、 3bは電気信号と光が相互作用する部位 (相互作用部と言う）における光導波路 (あるいは、相互作用光導波路）、つまりマッハツエンダ光導波路の 2本のアームである。さらに、 LN光変調器は、中心導体 4aおよび接地導体 4b、 4cにより構成される CPW進行波電極 4を有している。

[0005] 図 14において、 Wと Wは相互作用光導波路 3aと 3bの幅で、この第 1の従来技術

a b

では 2本の相互作用光導波路 3aと 3bの幅は等しいものとする（つまり、 W =Wで、

a b 例えば W、 Wとも 9 m)。 G は相互作用光導波路 3aと 3bの間の距離 (導波路ギ

a b wg

ヤップとも言う）であり、例えば 16 μ mである。また、 Δは中心導体 4aの接地導体 4c に対向するエッジと、相互作用光導波路 3bの中心 (あるいは中心線）との水平方向における距離であるが、通常、中心導体 4a、接地導体 4b、 4cと相互作用光導波路 3 a、 3bとの位置関係は対称であるので、中心導体 4aのエッジと相互作用光導波路 3a の中心との水平方向における距離 (あるいは中心線)も Δとなる。

[0006] ここで、図 14には、中心導体 4aの幅方向における中心を表わす中心線 18と、相互作用光導波路 3a、 3bの幅方向における中心を表わす中心線 19a、 19bが示されている。

[0007] 図 15には光導波路 3についてのみの上面図を示している。ここで、相互作用光導波路 3a、 3bの長さをしとする。なお、この図 15は光導波路のみではある力図 13の斜視図における A— A'に対応する位置に A— A'と記している。

[0008] この第 1の従来技術では、中心導体 4aと接地導体 4b、 4c間にバイアス電圧 (通常は DCバイアス電圧）と高周波電気信号 (RF電気信号とも言う）を重畳して印加するので、相互作用光導波路 3a、 3bにおいては RF電気信号のみならず、 DCバイアス電圧も光の位相を変える。また、ノッファ層 2は電気信号のマイクロ波実効屈折率 n を相互作用光導波路 3a、 3bを伝搬する光の実効屈折率 nに近づけることにより、光変調帯域を拡大すると、う重要な働きをして、る。

[0009] 次に、このように構成される LN光変調器の動作について説明する。この LN光変調器を動作させるには、中心導体 4aと接地導体 4b、 4c間に DCバイアス電圧と RF電気信号とを印加する必要がある。

[0010] 図 16に示す電圧光出力特性はある状態での LN光変調器の電圧光出力特性であり、 Vbはその際の DCバイアス電圧である。この図 16に示すように、通常、 DCバィァス電圧 Vbは光出力特性の山と底の中点に設定される。

[0011] 図 17には、半波長電圧 Υ πと相互作用光導波路の長さ Lとの積 (Υ π *Lと呼ばれ、駆動電圧を考える上で尺度となる）と中心導体 4aのエッジと相互作用光導波路 3bの中心 19bとの距離 Δとの関係を示す。この計算では、相互作用光導波路 3a、 3b間のギャップ G を変化させることにより Δの値を決定している。図 17から、中心導体 4aの

wg

エッジと相互作用光導波路 3bの中心 19bとの距離 Δはある程度小さいほうが良ぐさらには最適値が存在することがわかる。

[0012] そこで、駆動電圧を低くするために、中心導体 4aのエッジと相互作用光導波路 3b ( 及び 3a)の中心 19b (及び 19a)との距離 Δを小さくしょうとすると、相互作用光導波路 3a、 3b間のギャップ G 力、さくなる。ところが、図 18に示すように、相互作用光導

wg

波路 3a、 3b間のギャップ G 力、さくなると、相互作用光導波路 3a、 3b間の結合度

wg

が著しく大きくなり、光を ONZOFFした際のパワーの比、即ち消光比の劣化を生じるという問題があった。

[0013] [第 2の従来技術]

一般に、 2本の光導波路の間における結合度を小さくするためには、 2本の光導波路間の距離 G を大きくすることにより各光導波路を伝搬する光を互いに遠ざけるか

wg

、 2本の光導波路の幅を互いに異ならしめて、 2本の光導波路を伝搬する光の等価屈折率 (あるいは伝搬定数)を変えることにより、互、の結合を抑圧すると、う方法がある。

[0014] ところが、 2本の光導波路間の距離 G を大きくすると図 17において説明したように

wg

ν π 'Lが大きくなり、結果的に高い駆動電圧が必要となる。そのため、図 19に断面図として示す第 2の従来技術では、 2本の相互作用光導波路 5a、 5bの幅 W '、 W '

a b を異ならしめて、る。図 20にはこの第 2の従来技術の光導波路 5のみの上面図を示している。図 19では図 20の B— B'における断面図に X—カット LN基板 1、中心導体 4a、接地導体 4b、 4c及びバッファ層 2を含めている。

[0015] また、 Δ 'は中心導体 4aの接地導体 4cに対向するエッジと相互作用光導波路 5bの中心との水平方向における距離である。ここで、図 19において、相互作用光導波路 5a、 5bの幅方向における中心を表わす中心線 20a、 20b力 S示されている。

[0016] ところがこの第 2の従来技術にはいくつかの問題点がある。まず、図 20に示すように、この第 2の従来技術では相互作用光導波路 5a、 5bの幅 W '、W 'を部分的に変え

a b ている。相互作用光導波路 5a、 5bにおいて長さ Lの領域を第 1領域、長さ Lの領域

1 2 を第 2領域とする。

[0017] 図 20に示すように、相互作用光導波路 5a、 5bは、幅が変化するテーパ領域 6、 7、 8、 9、 10、 11を有しており、各相互作用光導波路 5a、 5bには各々 3箇所ずつ設ける必要がある。よく知られているように、このように光導波路の幅を変えると、その領域において放射損失が生じる。さらに、光導波路の幅が広がるテーパと光導波路の幅が狭くなるテーパでは放射損失が異なる。そのため、相互作用光導波路 5a、 5bを伝搬する光のパワーが互いに異なってしまい、光変調器としての消光比が劣化してしまう

[0018] さて、ここで第 2の従来技術の最も大きな問題、つまりチヤ一ビングについて考える。チヤ一ビングの度合いを表すアルファパラメータ（あるいは、 αノラメータ）はこの光変調器力も出力される光信号パルスが有する位相 Φと強度 (振幅) Εとを用いて (1)式のように表現できる (非特許文献 1)。

[0019] a = [d /dt]/[ (l/E) (dE/dt) ] - --(1)

このように、 αパラメータは、出力される光信号パルスが有する位相変化量と強度変化量を用いて表現できる。

[0020] さらに、具体的には、 αパラメータは、（1)式を発展させた (2)式で表現できる。

[0021] α = ( Γ— Γ ) / ( Γ + Γ ) 〜(2)

1 2 1 2

Γ ；電気信号 (振幅)と相互作用光導波路 5aを伝搬する光 (パワー)との 1で規格化した重なり積分で示した相互作用の効率

Γ ；電気信号 (振幅)と相互作用光導波路 5bを伝搬する光 (パワー)との 1で規

2

格化した重なり積分で示した相互作用の効率

長さ Lの第 1領域における相互作用光導波路 5aの幅 W 'を長さ Lの第 2領域にお

1 a 2 ける相互作用光導波路 5bの幅 W 'に等しくし、かつ第 1領域における相互作用光導 b

波路 5bの幅 W 'を第 2領域における相互作用光導波路 5aの幅 W 'に等しくしておけ b a

ば、第 1領域の相互作用光導波路 5aを伝搬する光の Γ は第 2領域の相互作用光導波路 5bを伝搬する光の Γ に等しぐ第 1領域の相互作用光導波路 5bを伝搬する光

2

の Γ は第 2領域の相互作用光導波路 5aを伝搬する光の Γ に等しくなる。但し、第 1 領域の長さ Lと第 2領域の長さ Lを等しくすることによりチヤ一ビングゼロ、つまりひ =

1 2

0とできる力と!、うとそうではな!/、。

[0022] つまり、図 20において不図示の中心導体 4a、接地導体 4b、 4cからなる進行波電極 4を伝搬する高周波電気信号は大きな伝搬損失を持っており、高周波電気信号は進行波電極 4を伝搬するに従って減衰する。そのため、（2)式で与えられるアルファパラメータ OCをゼロとするためには、高周波電気信号の減衰を考慮して

L <L ー(3)

1 2

とすることが不可欠となる。

[0023] 図 20において、チヤ一ビングゼロ、つまり a =0を実現するために必要な第 1領域の長さ Lと第 2領域の長さ Lに課すべき条件をさらに詳しく考察する。高周波電気信

1 2

号を中心導体 4aと接地導体 4b、 4cから構成される進行波電極 4に印加した状態にぉ、て、進行波電極 4を伝搬する高周波電気信号の周波数 fにおけるマイクロ波伝搬損失を i8 (f)とし、中心導体 4aにおける長さ Lの第 1領域と、長さ Lの第 2領域に m 1 2

おいて、相互作用光導波路 5a、 5bを伝搬する光と電気信号との相互作用の効率についての長さに関する積分値 (あるいは簡単に変調の効率とも言う）をそれぞれ I (f) 、 I (f)

2 と表す。

[0024] 光及び電気信号の伝搬方向を zとすると、各変調の効率 I (f)、 I (f)は周波数 fに依

1 2

存し、（4)、（5)式で記述できる。

[0025] I (f)= J ^L1 exp (- β (f) -z)dz

1 0 m

= (l-exp(- ^ (f) -L ))/^ (f) …

m l m

I (f) = ί ^L2 expi- β (f) -z)dz

2 LI m

= exp(— i8 (f) -L ) · (1-ΘΧ_Ρ(-|8 (f) -L ))/β (f)

m l m 2 m

-(5)

そこで、両者の変調の効率 I (f)、I (f)が等しくなる (6)式の条件

1 2

I (f) =1 (f)

1 2 …(

を満たす第 1領域の長さ Lと、第 2領域の長さ Lを選択することにより、任意に指定さ

1 2

れた周波数 fにおいてチヤ一ビングをゼロとできる。つまり、（6)式が成立する場合には αパラメータがゼロとなる。 [0026] なお、計算によれば第 1領域の長さ Lと、第 2領域の長さ Lの間には

1 2

L /L =0. 9

1 2 … ）

が成り立つことがわかっている。

[0027] ところが、通常、進行波電極 4は 20 μ mある、はそれ以上の厚、金メッキで形成するので、特に中心導体 4aの幅や厚み、さらに台形、逆台形などの形状や中心導体 4 aと接地導体 4b、 4cの間のギャップなどには製造のばらつきが生じる。そのため、進行波電極 4の高周波電気信号の周波数 fにおけるマイクロ波伝搬損失 β (f)は図 20 m には不図示の z—カット LN基板 1のゥエーハ内でもばらつくし、製造の Run— to— ru nでもそのばらつきが生じ、結果的にひ =0の実現には歩留まりを覚悟しなければいけないのが現状である。

特 S干文献 1 : Nadege Courjal et al 'Modeling and Optimization of Lowし hirp LiNb 03 Mach— Zehnder Modulators With an Inverted Ferroelectric Domain Section 'Jour nal of Lightwave Technology vol.22 No.5 May 2004

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0028] 以上のように、駆動電圧を下げるために、第 1の従来技術のように 2本の相互作用光導波路を中心導体に近づけると、 2本の相互作用光導波路が互いに近づく。そのため、光が結合するので、結果的に消光比やパルス形状、あるいはチヤ一ビング等の高周波変調特性の劣化を生じてしまう。また、第 2の従来技術のように、 2本の相互作用光導波路の幅を異ならしめると、進行波電極に起因する高周波電気信号の伝搬損失のために、チヤ一ビングゼロを実現する際の歩留まりがばらつぐあるいは光変調器の消光比が劣化してしまうという問題があった。

課題を解決するための手段

[0029] 上記課題を解決するために、本発明の請求項 1の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調するための高周波電気信号を印加するための高周波電気信号用の中心導体及び複数の接地導体からなる進行波電極を有し、前記光導波路には前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光の位相を変調するための複数の相互作用光導波路を有するマツハツンダ光導波路を具備する光変調器において、前記複数の相互作用光導波路の幅の少なくとも一部が互いに異なるとともに、前記高周波電気信号と前記複数の相互作用光導波路を伝搬する前記光の相互作用の効率がほぼ等しくなるように、前記中心導体及び前記接地導体を配置したことを特徴とする。

[0030] 本発明の請求項 2の光変調器は、請求項 1に記載の光変調器にぉ、て、前記複数の相互作用光導波路の前記幅の大小関係が入れ替わらないことを特徴とする。

[0031] 本発明の請求項 3の光変調器は、請求項 1に記載の光変調器にぉ、て、前記複数の相互作用光導波路の前記幅の大小関係が入れ替わることを特徴とする。

[0032] 本発明の請求項 4の光変調器は、請求項 3に記載の光変調器にぉ、て、前記複数の相互作用光導波路の前記幅の異なる 2つの領域の長さが互いにほぼ等しいことを特徴とする。

[0033] 本発明の請求項 5の光変調器は、請求項 1乃至請求項 4に記載の光変調器において、前記中心導体の中心線と前記複数の相互作用光導波路のそれぞれの中心線との距離が、前記中心導体と前記複数の接地導体の間で異なることを特徴とする。

[0034] 本発明の請求項 6の光変調器は、請求項 1乃至請求項 4に記載の光変調器において、前記複数の相互作用光導波路が有する導波路ギャップの中心と前記中心導体の中心線とが、前記基板表面方向に互いにずれて配置されることを特徴とする。

[0035] 本発明の請求項 7の光変調器は、請求項 1乃至請求項 6に記載の光変調器において、前記中心導体が前記複数の接地導体となすギャップの少なくとも 2つが異なることを特徴とする。

発明の効果

[0036] 請求項 1から 3と請求項 5及び 6の発明では、マツハツンダ光導波路を構成する 2 本の相互作用光導波路の幅を互、に変えることにより、 2本の相互作用光導波路の間における光結合を抑圧できるので消光比を改善できる。また、中心導体及び接地導体を最適に配置することにより、高周波電気信号とそれぞれの相互作用光導波路を伝搬する光の相互作用の効率をほぼ等しくできるのでチヤ一ビングゼロを実現可能である。 [0037] 請求項 4の発明では、マッハツエンダ干渉系を構成する各相互作用光導波路の光路長が等、ので、波長に対するフィルター特性が生じな、と、う利点がある。

[0038] 請求項 7の発明では、中心導体と接地導体の間における高周波電気信号の電界強度は中心導体と接地導体の間のギャップが狭い方が大きくなるので、中心導体と接地導体となすギャップの 2つを異ならしめることにより、高周波電気信号とそれぞれの相互作用光導波路を伝搬する光の相互作用の効率をより効果的にほぼ等しくすることが可能である。

[0039] なお、本発明によれば、 2本の相互作用光導波路の間のギャップが小さくなつてもそれらを伝搬する光の結合が抑圧されるので、この光の結合に起因するその他の高周波変調特性の劣化も改善できる。

図面の簡単な説明

[0040] [図 1]図 1は本発明における第 1の実施形態の光変調器の C C'での断面図である

[図 2]図 2は本発明における第 1の実施形態が有する光導波路の上面図である。

[図 3]図 3は光導波路の幅とスポットサイズの関係を示す図である。

[図 4]図 4は中心導体と光導波路との距離と変調の効率との関係を示す図である。

[図 5]図 5は光導波路の幅とスポットサイズの関係を示す図である。

[図 6]図 6は中心導体と光導波路との距離と変調の効率との関係を示す図である。

[図 7]図 7は本発明の第 3の実施形態の光変調器の断面図である。

[図 8]図 8は本発明における第 4の実施形態が有する光導波路の上面図である。

[図 9]図 9は本発明における第 4の実施形態の光変調器の D— D'での断面図である

[図 10]図 10は本発明における第 4の実施形態の光変調器の E—E'での断面図である。

[図 11]図 11は本発明における第 5の実施形態の光変調器の D— D'での断面図である。

[図 12]図 12は本発明における第 5の実施形態の光変調器の E— E'での断面図である。 [図 13]図 13は第 1の従来技術の光変調器の斜視図である。

[図 14]図 14は第 1の従来技術の光変調器の A—A'線における断面図である。

[図 15]図 15は第 1の従来技術が有する光導波路の上面図である。

[図 16]図 16は第 1の従来技術の動作を説明する図である。

[図 17]図 17は ν π 'Lと Δとの関係を示す図である。

[図 18]図 18は光の結合度と G との関係を示す図である。

wg

[図 19]図 19は第 2の従来技術の光変調器の断面図である。

[図 20]図 20は第 2の従来技術の光導波路の上面図である。

符号の説明

[0041] l : l :x—カット LN基板（基板）

2 : SiOバッファ層（バッファ層）

2

3、 5、 12、 23 :光導波路

3a、 3b、 5a、 5b、 12a, 12b、 23a, 23b :相互作用光導波路

4、 17、 24 :進行波電極（CPW進行波電極）

4a、 17a、 24a、 27a :中心導体

4b、 4c、 17b、 17c、 24b、 24c、 27b, 27c :接地導体

6、 7、 8、 9、 10、 11、 13、 14、 15、 16 :テーノ領域

18、 22、 26、 28 :中心導体の中心（中心線）

19a, 19b、 20a, 20b、 21a, 21b、 25a, 25b :相互作用光導波路の中心線（中心線、中心）

発明を実施するための最良の形態

[0042] 以下、本発明の実施形態について説明するが、図 13から図 20に示した従来技術と同一番号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一番号を持つ機能部の説明を省略する。

[0043] [第 1の実施形態]

図 1に本発明における第 1の実施形態の光変調器についてその断面図を示す。また、図 2には光導波路 12についての上面図を示している。ここで、光導波路 12は、相互作用光導波路 12a、 12bにより構成されており、 W ' \ W "は相互作用光導波 a b 路 12a、 12bの幅である。 G ' 'は相互作用光導波路 12a、 12bのエッジ間の距離（ wg

ギャップ）である。なお、図 1には図 2の中の C— C'における断面図に中心導体 4aと接地導体 4b、 4c、及び x—カット LN基板 1、 SiOノッファ層 2を書き加えている。また

2

、図 1には、相互作用光導波路 12a、 12bの幅方向における中心 (あるいは中心線） 2 la、 21b力示されている。

[0044] ここで、 Δ "は中心導体 4aのエッジと相互作用光導波路 12aの中心 21aとの水平方向における距離を表し、 Δ "は中心導体 4aのエッジと相互作用光導波路 12bの

2

中心 21bとの水平方向における距離を表して!/、る。

[0045] 図 2に示すように、相互作用光導波路 12a、 12bは、幅が変化するテーパ領域 13、 14、 15、 16を有しており、各相互作用光導波路 12a、 12bに各々 2箇所ずつ設けられている。本実施形態では図 20に示した第 2の従来技術よりもテーパの数が少なぐかつ相互作用光導波路 12a、 12bの幅が狭くなる場合と広くなる場合のテーパの数が等し、ので、光変調器としての消光比の観点力も有利である。

[0046] 次に、光変調器の特性として最も重要なチヤ一ビングについて考える。図 3には相互作用光導波路 12a、 12bの幅 W ' '、 W "を変数とした場合に相互作用光導波路 a b

12a, 12bを伝搬する光のスポットサイズを示す。図からわ力るように、この第 1の実施形態では相互作用光導波路 12bの幅 (例えば 11 μ m)と比較して相互作用光導波路 12aの幅を例えば 6 mと極めて細くしているので、相互作用光導波路 12aを伝搬する光のスポットサイズは相互作用光導波路 12bを伝搬する光のスポットサイズよりも大きくなつている。

[0047] なお、ここでは相互作用光導波路 12a、 12bの幅 W， '、 W ' 'を各々 6 μ mと 11 μ a b

mとするとした力これらの数値はあくまで 1例であり、例えば 3 μ mから 15 μ m程度であれば各種の幅の組み合わせについて本発明は適用可能であることは言うまでもない。

[0048] 相互作用光導波路 12aを伝搬する光のスポットサイズが相互作用光導波路 12bを伝搬する光のスポットサイズよりも大きいということは、電気信号 (振幅）と相互作用光導波路 12aを伝搬する光 (パワー）との規格ィ匕した重なり積分で表した相互作用の効率 Γ ' 'が、電気信号 (振幅)と相互作用光導波路 12bを伝搬する光 (パワー)との規格ィ匕した重なり積分で表した相互作用の効率 Γ "よりも小さいことを意味している。

2

[0049] そのため、中心導体 4aのエッジと相互作用光導波路 12aの中心 21aとの距離 Δ " と中心導体 4aのエッジと相互作用光導波路 12bの中心 21bとの距離 Δ "を変数と

2

した場合の相互作用光導波路 12aについての相互作用の効率 Γ ' 'と相互作用光

1

導波路 12bについての相互作用の効率 Γ ' 'は図 4に示すように、全体的に相互作

2

用の効率 Γ ' 'の方が相互作用の効率 Γ ' 'よりも小さくなる。

1 2

[0050] 本発明では、相互作用光導波路 12aについての相互作用の効率 Γ ' 'と相互作用

1

光導波路 12bについての相互作用の効率 Γ ' 'が等しくなるように、中心導体 4aの

2

エッジと相互作用光導波路 12aの中心 (あるいは中心線） 21aとの距離 Δ "と中心導体 4aのエッジと相互作用光導波路 12bの中心（あるいは中心線） 2 lbとの距離 Δ

2

，，を設定することにより、チヤ一ビングゼロ（ α =0)を実現する。なお、中心導体 4aの中心線 18は中心導体 4aの左右のエッジの中心にあるとする。

[0051] つまり、本発明の第 1の実施形態では中心導体 4aのエッジと相互作用光導波路 12 aの中心 21aは中心導体 4aのエッジと相互作用光導波路 12bの中心 21bよりも近いことになる（Δ " < Δ ，'）。

1 2

[0052] このように、本発明の実施形態では、相互作用光導波路 12a、 12bの幅を互いに異ならしめることにより、相互作用光導波路 12a、 12b間の光の結合を抑圧するとともに、中心導体 4a、接地導体 4b、 4cの位置関係を非対称としてチヤ一ビングゼロ =0 )を実現している。

[0053] なお、上記の説明において、中心導体 4aのエッジと相互作用光導波路 12aの中心 21aとの距離 Δ "と中心導体 4aのエッジと相互作用光導波路 12bの中心 21bとの距離 Δ ' 'が Δ "≠ Δ ' 'の関係にあると言うことは、換言すると相互作用光導波路

2 1 2

12aの中心 21aと、相互作用光導波路 12bの中心 21bの間の中点と中心導体 4aの中心 18とがずれて配置されているとも言える。この場合、相互作用光導波路 12a、 1 2bのギャップの中心と中心導体 4aの中心 18については、互いにずれて!/、る場合もあるし、ほぼ一致している場合もある。

[0054] また、説明をわかりやすくするために、以上の説明における光のスポットサイズとは基板表面に対して水平な方向のスポットサイズを想定して説明したが、実際には基板表面に対して垂直な方向のスポットサイズも同時に考慮することにより、より精度の高い設計を行うことができる。なお、基板表面に対して垂直な方向のスポットサイズは相互作用光導波路 12a、 12bの幅が狭くなると大きくなる傾向にある。

[0055] 以上においては、中心導体 4aのエッジと 2本の相互作用光導波路 12a、 12bの中心 21a、 21bとの距離 Δ ，，、 Δ ，，について議論した力 Δ ，，と Δ ，，との大小関係

1 2 1 2

は、中心導体 4aの中心 18と 2本の相互作用光導波路 12a、 12bの中心 21a、 21bとの距離の大小関係と同じである。また、相互作用光導波路 12a、 12bの幅が変化するテーパ領域 13、 14、 15、 16の長さは光の損失が生じない程度になるべく短くすることにより、よりチヤ一ビングを抑圧できる。なお、このことは本発明の全ての実施形態について言える。

[0056] 以上のように本発明の全ての実施形態において、第 2の従来技術のような長さに依存する要因はないので、高周波電気信号の伝搬損失のばらつきに依存することなく極めて歩留まりよくチヤ一ビングゼロの光変調器を実現できるという利点がある。

[0057] [第 2の実施形態]

図 3に示した第 1の実施形態では相互作用光導波路 12aの幅を極めて狭くしたので相互作用光導波路 12aを伝搬する光のスポットサイズは相互作用光導波路 12bを伝搬する光のスポットサイズよりも大きくなり、その結果、相互作用光導波路 12aについての相互作用の効率 Γ ' 'は相互作用光導波路 12bについての相互作用の効率

1

Γ ，，よりも/ J、さくなつた。

2

[0058] 本発明の第 2の実施形態では、相互作用光導波路 12aを伝搬する光のスポットサイズが相互作用光導波路 12bを伝搬する光のスポットサイズよりも小さくなるように、相互作用光導波路 12aの幅を例えば 7 mと設定する。

[0059] すると、中心導体 4aのエッジと相互作用光導波路 12aの中心 21aとの距離 Δ "と中心導体 4aのエッジと相互作用光導波路 12bの中心 21bとの距離 Δ "を変数とし

2

た場合の相互作用光導波路 12aについての相互作用の効率 Γ ' 'と相互作用光導

1

波路 12bについての相互作用の効率 Γ ' 'は図 6に示すように全体的に効率 Γ "

2 1 の方が大きくなる。

[0060] 従って、中心導体 4aのエッジと相互作用光導波路 12bの中心 21bとの距離 Δ "を中心導体 4aのエッジと相互作用光導波路 12aの中心 21aとの距離 Δ ^ 'よりも小さくすることにより、この第 2の実施形態においても、 Γ，， = Γ ，，、即ちチヤ一ピングゼ

1 2

口を実現できる。

[0061] なお、本発明では相互作用光導波路 12a、 12bと、中心導体 4aと接地導体 4b、 4c からなる進行波電極 4とを対称な位置関係から互いにずらして配置することを特徴としている。そこで、第 1の実施形態と第 2の実施形態において説明したように、中心導体 4aのエッジと相互作用光導波路 12aの中心 21aとの距離 Δ "と中心導体 4aのェッジと相互作用光導波路 12bの中心 21bとの距離 Δ "について Δ " ≠Δ "とし

2 1 2 た。

[0062] この場合、前述のように、相互作用光導波路 12a、 12bのギャップの中心と中心導体 4aの中心 18については、互いにずれている場合もあるし、ほぼ一致している場合もめる。

[0063] なお、相互作用光導波路 12a、 12bの幅やそれらの形成条件いかんによっては、

Δ " = Δ ' 'とし、その代わりに相互作用光導波路のギャップの中心と中心導体 4a

1 2

の中心 18を異ならしめても 2本の相互作用光導波路 12a、 12bにおける高周波電気信号と光との相互作用の効率を等しくすることができる。これらのことは第 1の実施形態と第 2の実施形態のみならず、本発明の全ての実施形態について言える。

[0064] [第 3の実施形態]

図 7に本発明における第 3の実施形態の光変調器についてその断面図を示す。本実施形態では、 CPW進行波電極 17の中心導体 17aと接地導体 17b、 17cの間に発生する高周波電気信号の電界強度は、 CPW電極のギャップが狭い方が大きくなることを利用し、図 1から図 4に示した第 1の実施形態を発展させた構造としている。

[0065] ここで、図 7には、中心導体 17aの幅方向における中心（あるいは中心線） 22が示されている。

[0066] つまり、 CPW進行波電極 17の中心導体 17aと相互作用光導波路 12a、 12bの位置が対称でない（CPW進行波電極の中心導体 17aの中心 22が相互作用光導波路 12a、 12bの中心には配置していない）ば力りでなぐ CPW進行波電極の中心導体 1 7aと接地導体 17b、 17cのギャップ G、 Gも互いに異ならしめる（G ≠G )ことにより、 Γ ' ' = Γ ，'、即ちチヤ一ビングゼロをより効果的に実現している（この図では G <

1 2 1

G )。

2

[0067] なお、 CPW進行波電極 17の中心導体 17aと相互作用光導波路 12a、 12bの位置が対称（Δ " = Δ " οあるいは相互作用光導波路 12a、 12bのギャップの中心に配

1 2

置でも良い）でも、 G ≠Gとすることにより、 Γ ，， = Γ ，，とできる場合は、そのように

1 2 1 2

しても良い。この G ≠Gとする考え方は本発明の第 1の実施形態、第 2の実施形態

1 2

を含め全ての実施形態に適用できる。

[0068] [第 4の実施形態]

図 8に本発明における第 4の実施形態の光変調器が有する光導波路 23についての上面図を示す。ここで、光導波路 23は、相互作用光導波路 23a、 23bにより構成される。 W ' '、 W ' 'は相互作用光導波路 23a、 23bの幅であり、 2本の相互作用光導 a b

波路 23a、 23bの間における光の結合を抑圧するために W ' 'と W "を異ならしめて a b

V、る。なお G ，，は相互作用光導波路 23a、 23bのエッジ間の距離 (ギャップ)である wg

[0069] 図 8に示すように、この第 4の実施形態では相互作用光導波路 23a、 23bの幅 W，， a

、 W，，の大小関係を長さ L，，の第 1領域と長さ L，，の第 2領域において入れ替えて b 1 2

いる。

[0070] また、図 9と図 10には図 8の中の D— D'と E— E'における光変調器としての断面図を示している。ここで、図 9と図 10には図 8の中の D— D'と E— E'における断面図に進行波電極 24の中心導体 24aと接地導体 24b、 24c、及び x—カット LN基板 1、 Si Oバッファ層 2を書き加えている。また、図 9と図 10には、中心導体 24aの幅方向に

2

おける中心 (あるいは中心線） 26と、相互作用光導波路 23a、 23bの幅方向における中心（あるいは中心線） 25a、 25bが示されて!/、る。

[0071] また、 Δ "は中心導体 24aのエッジと相互作用光導波路 23aの中心 25aとの距離を表し、 Δ "は中心導体 24aのエッジと相互作用光導波路 23bの中心 25bとの距離

2

を表している。

[0072] 図 9と図 10において、例えば中心導体 24aの中心 26は X—カット LN基板 1の表面に水平な方向に互いにずれて、るが、このずれ量のオーダーはミクロンもしくはサブミクロンと小さい。従って、第 1領域と第 2領域の境界において所定の長さ（例えば 50 /z m程度)を設けて、第 1領域と第 2領域の中心導体 24aと接地導体 24b、 24cを直線的もしくはなだらかに互いに接合することにより、電気的特性の劣化を避けることができる。

[0073] 図 8に示すように、この第 4の実施形態における相互作用光導波路 23a、 23bの幅 W，，と W，，との関係は長さ L，，の第 1領域においては W，，く W，，である。そのた a b 1 a b

め、この第 1領域では図 9に示すように、図 1に示した本発明の第 1の実施形態と同じく Δ ' ' < Δ ' 'とすることにより、高周波電気信号と相互作用光導波路 23a、 23bを

1 2

伝搬する光の相互作用の効率 (前述の Γ "と Γ ' ' )を等しくしている。

1 2

[0074] 一方、長さ L，，の第 2領域においては W，， >W，，である。そこで、第 2領域では

2 a b

図 10に示すように Δ " > Δ ' 'とすることにより、高周波電気信号と相互作用光導

1 2

波路 23a、 23bを伝搬する光の相互作用の効率（同じく前述の Γ ' 'と Γ ，'）を等しく

1 2 している。

[0075] なお、相互作用光導波路 12a、 12bの幅が入れ替わらない第 1の実施形態や第 2 の実施形態などと同様に、相互作用光導波路 23a、 23bのギャップの中心と中心導体 4aの中心 18については、互いにずれている場合もあるし、ほぼ一致している場合もめる。

[0076] 本発明では相互作用光導波路 23a、 23bと、中心導体 24aと接地導体 24b、 24cからなる進行波電極 24とを対称な配置から互ヽにずらすことを特徴として、る。

[0077] 従って、第 2の実施形態の項で説明したように、この第 4の実施形態においても中心導体 24aのエッジと相互作用光導波路 23aの中心 25aとの距離 Δ "と中心導体 2 4aのエッジと相互作用光導波路 23bの中心 25bとの距離 Δ "について Δ " ≠Δ

2 1 2

"としたが、相互作用光導波路 23a、 23bの幅や形成条件いかんによっては、 Δ " = Δ "とし、その代わりに相互作用光導波路 23a、 23bのギャップの中心と中心導

2

体 24aの中心 26を異ならしめても良!、ことは言うまでもな！/、。

[0078] 本発明では高周波電気信号と相互作用光導波路 23a、 23bを伝搬する光の相互作用の効率を等しくしている。つまり、相互作用光導波路 23a、 23bを伝搬する光の相互作用の効率を各々 Γ ，'、 Γ ，'とすると、第 1領域と第 2領域のそれぞれにおいて _Γ " = Γ ' 'となる。従って、電極の伝搬損失に起因する第 1領域と第 2領域にお

1 2

ける位相変化量の違いを考慮する必要はなぐ第 1領域の長さ L ' 'と第 2領域の長さ L ' 'とを自由に設定できる。そこで、第 1領域の長さ L，，と第 2領域の長さ L，，とを

2 1 2 等しくする (L " =L ' ' )ことも可能である。

1 2

[0079] 一般に、幅の広ヽ光導波路の等価屈折率は幅の狭、光導波路の等価屈折率よりも高い。つまり、第 4の実施形態において、第 1領域の長さ L ' 'と第 2領域の長さ L，

1 2

，が等しい（し，，=L，，； (ということは、マッハツエンダ干渉系の 2本のアームに相当

1 2

する相互作用光導波路 23a、 23bの全体としての光路長が等しいことを意味している。その結果、波長に対するフィルター特性を生じることがないので、各波長において DCバイアスを設定し直す必要がない。従って、 WDMや DWDMのような広い波長帯域を使用する光伝送方式に LN光変調器を適用する上で大きなメリットを得ることができる。

[0080] [第 5の実施形態]

また、図 8に示した本発明における第 4の実施形態の相互作用光導波路 23a、 23b に、図 7に示した本発明における第 3の実施形態のように CPW進行波電極 17のギヤップを異ならしめる構造を適用しても良い。これを第 5の実施形態とし、図 8の D— D，と E— E'における断面図を各々図 11と図 12に示す。

[0081] これらの図には、 CPW進行波電極の中心導体 27aの中心（あるいは中心線） 28が示されている。なお、 Δ "は中心導体 27aのエッジと相互作用光導波路 23aの中心 25aとの距離を表し、 Δ "は中心導体 27aのエッジと相互作用光導波路 23bの中心

2

25bとの距離を表している。

[0082] これらの図に示すように、 CPW進行波電極 27の中心導体 27aと接地導体 27b、 27 cとのギャップ G、 Gの大小関係を長さ L，，の第 1領域、長さ L，，の第 2領域におい

1 2 1 2

て入れ替えている（図 11の第 1領域では Gく Gかつ Δ "く Δ ，，、図 12の第 2領

1 2 1 2

域では G >Gかつ Δ " > Δ ' ' )。但し、本実施形態では G ≠Gであることが重要

1 2 1 2 1 2 である。そのため、ここで示した Δ ' 'と Δ "との関係は一例であり、この限りではな

1 2

い。また、相互作用光導波路 23a、 23bのギャップの中心と中心導体 27aの中心 28 についても、互いにずれている場合もあるし、ほぼ一致している場合もある。 [0083] 本実施形態においても、第 1領域と第 2領域においては高周波電気信号と相互作用光導波路 23a、 23bを伝搬する光の相互作用の効率は等しいので、第 1領域の長さし，，と第 2領域の長さ L，，の設定は自由である。そこで L " =L "とすることによ

1 2 1 2

り、本発明の第 4の実施形態と同様に波長に対するフィルター特性をなくすことが可能となる。

[0084] また、本発明の第 4の実施形態や第 5の実施形態のように、相互作用光導波路 23a 、 23bの幅が入れ替わる領域がある場合には、その領域の数は 3つ以上でも良い。なお、その際に、各相互作用光導波路について幅の広い領域の長さの和と幅の狭い領域の長さの和を等しくしておけば波長に対するフィルター特性をなくすことができるという利点がある。

[0085] なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。

[0086] [各実施形態について]

以上においては、進行波電極としては CPW電極を例にとり説明した力その他の各種進行波電極、あるいは集中定数型の電極でも良いことは言うまでもない。また、 CPW電極のギャップを 2つとして説明した力さらに多くのギャップがあっても良い。

[0087] なお、相互作用光導波路 12a、 12bの一部にその幅の大小関係を入れ替える箇所を設けても、それらの長さの比が (7)式から大きく外れている場合には第 2の従来技術の考え方が使用されて、な、ので、本願の発明に属すると考えられる。

[0088] さらに、以上では 2本の相互作用光導波路の幅を互いに変えることについてはスポットサイズを通して議論した力 2本の相互作用光導波路の幅を互いに変えることは光導波路としての等価屈折率を変えることに対応している。従って、等価屈折率が高い方の相互作用光導波路の上には SiOや SiOxなどのバッファ層を残しておき、等

2

価屈折率が低い方の相互作用光導波路の上にはバッファ層をなるベく残さないようにエッチオフしておけば、 2本の相互作用光導波路を伝搬する光の等価屈折率の差が大きくなるので、 2本の相互作用光導波路を近づけても結合しに《なる。この考えを本発明の構造に取り入れることも容易である。

[0089] また、以上の実施形態においては、 X—カット、 y—カットもしくは z—カットの面方位、即ち、基板表面 (カット面）に対して垂直な方向に結晶の X軸、 y軸もしくは z軸を持つ基板でも良いし、以上に述べた各実施形態での面方位を主たる面方位とし、これらに他の面方位が副たる面方位として混在しても良いし、 LN基板のみでなぐリチウムタンタレートや半導体などその他の基板でも良いことは言うまでもない。

産業上の利用可能性

以上のように、本発明に係る光変調器は、高速でアルファパラメータが小さぐかつ消光比が大きぐまた駆動電圧と DCバイアス電圧が小さい光変調器として有用である。

Claims

請求の範囲

[1] 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調するための高周波電気信号を印加するための高周波電気信号用の中心導体及び複数の接地導体力なる進行波電極を有し、前記光導波路には前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光の位相を変調するための複数の相互作用光導波路を有するマツノ、ツンダ光導波路を具備する光変調器にぉ、て、

前記複数の相互作用光導波路の幅の少なくとも一部が互、に異なるとともに、前記高周波電気信号と前記複数の相互作用光導波路を伝搬する前記光の相互作用の効率がほぼ等しくなるように、前記中心導体及び前記接地導体を配置したことを特徴とする光変調器。

[2] 前記複数の相互作用光導波路の前記幅の大小関係が入れ替わらないことを特徴とする請求項 1に記載の光変調器。

[3] 前記複数の相互作用光導波路の前記幅の大小関係が入れ替わることを特徴とする請求項 1に記載の光変調器。

[4] 前記複数の相互作用光導波路の前記幅の異なる 2つの領域の長さが互いにほぼ等しいことを特徴とする請求項 3に記載の光変調器。

[5] 前記中心導体の中心線と前記複数の相互作用光導波路のそれぞれの中心線との距離が、前記中心導体と前記複数の接地導体の間で異なることを特徴とする請求項

1乃至請求項 4に記載の光変調器。

[6] 前記複数の相互作用光導波路が有する導波路ギャップの中心と前記中心導体の中心線とが、前記基板表面方向に互いにずれて配置されることを特徴とする請求項

1乃至請求項 4に記載の光変調器。

[7] 前記中心導体が前記複数の接地導体となすギャップの少なくとも 2つが異なることを特徴とする請求項 1乃至請求項 6に記載の光変調器。