JP3602874B2 - Branch modulation type optical modulator - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は分岐変調型光変調器(マッハツェンダー型光変調器)の改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年のマッハツェンダー型光変調器においては、Ti熱拡散LiNbO3チャンネル型導波路が、そのLiNbO3自体の大きな電気光学定数ならびに駆動電圧が小さくできるという点で、提案されている。
【0003】
図7はこのマッハツェンダー型光変調器1であり、2はZカットニオブ酸リチウム板(LiNbO3のZ板)から成る基板、3はこの基板2上に設けたSiO2バッファ層、4は電気光学効果のある基板表層に設けられた導波路、5は電極、6は偏光板である。
【0004】
この光変調器1によれば、上記導波路4は、光入射部4aと、分波部4bと、位相変調部4cと、合波部4dと、光出射部4eとから成り、偏光板6を通して光入射部4aに入射した光は分波部4bにより分波し、次いで位相変調部4cを伝搬し、合波部4dを介して合成されて光出射部4eに到る。
【0005】
各位相変調部4c上には電極5を形成して、この電極5に印加すると非対称電界が発生し、この電界により各位相変調部4cの屈折率を変化させ、更にこの屈折率の変化に応じて、それぞれの光に位相差が生じる。そして、上記電界強度の大きさにより位相変調部4cの屈折率の変化量が決まるので、かかる位相差により合成後の出射光の強度制御ができる。
【0006】
このLiNbO3結晶には、光学的に異方性があり、ZカットLiNbO3基板の表層において、x方向に光が伝搬するように導波路を作製した場合では、光の偏光方向により屈折率が異なるので、TEモード光が常光線、TMモードが異常光となる。そこで、電界をz軸方向に印加したときの常光線および異常光の屈折率の変化はそれぞれ、
ΔnO=r13nO 3EZ/2
Δne=r33ne 3EZ/2
となって、r33がr13に比べて数倍程度の大きくなるので、TMモードの方がTEモードに比べ、電界の影響を大きく受けることになる。したがって、変調動作に用いるに際しては、TMモードの方が印加効率が大きい点で望ましいので、TMモード光のみを導波させるために、前記のように偏光板6を設けて、その偏光板6の偏光方向と結晶の光学軸(z軸)を一致させて、偏光板6を介して光の入射を行なっている。
【0007】
【従来技術の問題点】
しかしながら、上記構成のマッハツェンダー型光変調器1においては、導波路4の作製条件(Ti拡散前のTi拡散源の幅、膜厚、拡散時間、拡散温度等)、並びに導波路4と電極5との配置関係を、駆動電圧が最小化するとともに、TM最低次モードがカットオフにならない範囲内で、最適設計しているが、偏光板6の偏光方向を基板2の結晶軸に対して正確に設定することが難しく、よって入射した光は、TMモードのみならず、TEモードが励起される場合があり、これにより、そのTEモードも電界により変調を受け、その結果、これらTM、TEの両モードの重ね合わせによって図3の消光比特性図が示す通り、各ピークにおいて消光比にばらつきが生じるという問題があった。
【0008】
この問題点を解決するためには、入射光の偏光方向と結晶の光学軸を精度よく一致させることが重要であるが、実際上その精度を高めることは難しく、熟練した技術が要する。
【0009】
しかも、その光変調器1の構成が複雑になり、コストの増大を招いていた。
【0010】
更にTMモードのみを励起させ、TEモード成分をカットオフする導波路の条件を選択すると、駆動電圧を下げるための最適化の設定が難しくなるという問題点があった。
【0011】
したがって、本発明の目的は構成が複雑にならないようにして、駆動電圧の特性を損なわず、しかも、消光比特性の良好な分岐変調型光変調器(マッハツェンダー型光変調器)を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の分岐変調型光変調器は、Zカットのニオブ酸リチウムから成る基板の−C面の表層に所定濃度のTi原子を含有させて、光入射部と、分波部と、位相変調部と、合波部と、光出射部とを備えた導波路を形成するとともに、前記光入射部もしくは前記光出射部に、TMモードを励起してTEモードをカットオフ状態とする、Ti原子濃度の小さい領域を形成したことを特徴とする。
【0013】
【作用】
上記構成の分岐変調型光変調器によれば、前記光入射部もしくは光出射部において、TMモードが励起されTEモードをカットオフの状態となる屈折率分布とすることができ、これにより、出射光においてTEモード成分が混在しないか、もしくはその成分を相当程度にまで減少でき、その結果、偏光板を配置しなくても、消光比特性の良好な分岐変調型光変調器が得られる。
【0014】
また、上記構成のように導波路のうち光入射部もしくは光出射部にTi原子濃度の小さい領域を設けるのであれば、その導波路をTi熱拡散法により作製する場合に、そのフォトリソ技術において所定のマスク形状にするだけで容易に形成することができる。したがって、その製造コストが低減し、低コストな分岐変調型光変調器が得られる。
【0015】
【実施例】
図1は実施例のマッハツェンダー型光変調器7である。なお、図7と同一箇所には同一符号を付す。2aはzカットニオブ酸リチウム板(LiNbO3のZ板)から成る基板であり、この基板2aに幅5μm程度の導波路8をTi熱拡散法により作製した。このTi熱拡散法は1000℃もしくはそれよりも僅かに高い温度でTi熱拡散を行なって、Ti原子をドープした。そのドープの際には、フォトリソ技術により所定形状のマスクを用いて、レジストパターンを形成し、リフトオフ法によりTiパターンを作製した後、Ti熱拡散を行なった。
【0016】
そして、このTi熱拡散法は非常に高温で行なうので、基板2aの+C面のTi拡散した領域では分極反転が生じる場合があり、このような影響を避けるために、この導波路8を−C面の表層9に作製した。
【0017】
この導波路8上に設けた電極5については、図1に示すようなCPS構造の他に、CPW構造であってもよい。
【0018】
また、この電極5を導波路8上に設けると、導波光の伝搬損失が生じ易くなり、特にTMモード光にその現象が顕著である。そこで、この伝搬損失を低減するために基板2a上にSiO2バッファ層3を設けている。
【0019】
この導波路8についても、光入射部8aと、分波部8bと、位相変調部8cと、合波部8dと、光出射部8eとから成り、そして、光入射部8aに入射した光は分波部8bにより分波し、次いで位相変調部8cを伝搬し、合波部8dを介して合成されて光出射部8eに到り、出射する構成であり、この構成によれば、各位相変調部8c上に形成した両電極5の間に高周波電力を印加すると電界が発生し、この電界により各位相変調部8cの屈折率が変化し、更にこの屈折率の変化に応じて、それぞれの光に位相差が生じ、そして、上記電界強度の大きさにより位相変調部8cの屈折率の程度が決まるので、かかる位相差により合成後の出射光の強度制御ができた。
【0020】
次に導波路8に設けたTi原子濃度の小さい領域を説明する。本実施例においては、この導波路8を作製するに当たって、光入射部8aもしくは光出射部8eに、Ti原子濃度の小さい領域を設けている。以下、この領域はTEモードをカットオフの状態となるように設定するためのものであるので、TEモードカットオフ領域10を称する。
【0021】
このTEモードカットオフ領域10を図2〜図5に示す。なお、これらの図中、矢印は光の伝搬方向である。図2のTEモードカットオフ領域10aでは、拡散前のTi幅を導波路8における拡散前のTi幅に比べて20〜50%程度にまで小さくし、そして、その領域10aの厚み(深度)が導波路8と同じになるように設けた。
【0022】
また、図3のTEモードカットオフ領域10bのように、Ti幅の変化による拡散Ti原子濃度の調節を行なうのと同様な効果を得るために、導波路8aもしくは8eの内部にTiの未ドープ領域を設けたり、図4のTEモードカットオフ領域10cのように、ドット状に形成してもよい。
【0023】
あるいは、上記のようなTi厚みを変えない各TEモードカットオフ領域10a、10b、10c以外に、図5に示すように2層構成の導波路8の一部に1層構成にしたTEモードカットオフ領域10dを設けて、Ti厚みをその領域で小さくしてもよい。
【0024】
かくして上記各構成のTEモードカットオフ領域10(10a、10b、10c、10d)を設けたことにより、各領域10の屈折率の分布が、導波路8のものと比べて異なり、これにより、TMモードを励起してTEモードをカットオフの状態に設定することができ、その結果、図6に示す通りの消光比特性図が得られた。同図によれば、横軸が電極5に印加する電圧であり、出射光の強弱が理想的に形態となって、各ピークにおける消光比が一定となった。
【0025】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更や改良等は何ら差し支えない。たとえば、TEモードカットオフ領域10については実施例の他に各種形状や構造を採用することができ、TEモードカットオフ領域10cにおいては、その球状のドットの他に、任意形状のドット状点源であってもよい。
【0026】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、Zカットのニオブ酸リチウムから成る基板の−C面の表層に所定濃度のTi原子を含有させて、光入射部と、分波部と、位相変調部と、合波部と、光出射部とを備えた導波路を形成するとともに、前記光入射部もしく前記光出射部に、TMモードを励起してTEモードをカットオフとする、Ti原子濃度の小さい領域を形成したので、出射光においてTEモード成分が混在しないか、もしくはその成分を相当程度にまで減少でき、その結果、偏光板を配置しなくても、駆動電圧の特性を損なわず、消光比特性の良好な分岐変調型光変調器が得られた。
【0027】
また、本発明によれば、導波路をTi熱拡散法により作製する場合に、そのフォトリソ技術において所定のマスク形状にするだけでTi原子濃度の小さい領域を容易に形成することができ、これにより、製造コストが低減し、低コストな分岐変調型光変調器を得られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例の分岐変調型光変調器の斜視図である。
【図2】実施例の分岐変調型光変調器における導波路の要部を示す概略図である。
【図3】実施例の分岐変調型光変調器における導波路の要部を示す概略図である。
【図4】実施例の分岐変調型光変調器における導波路の要部を示す概略図である。
【図5】実施例の分岐変調型光変調器における導波路の要部を示す概略図である。
【図6】実施例の分岐変調型光変調器の消光比特性を示す線図である。
【図7】従来の分岐変調型光変調器の斜視図である。
【図8】従来の分岐変調型光変調器のの消光比特性を示す線図である。
【符号の説明】
7:マッハツェンダー型光変調器
2a:Zカットニオブ酸リチウム(LiNbO3)基板
8:導波路
5:電極
3: SiO2バッファ層
8a:光入射部
8b:分波部
8c:位相変調部
8d:合波部
8e:出射部
10:TEモードカットオフ領域[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to an improvement of a branch modulation type optical modulator (Mach-Zehnder type optical modulator).
[0002]
[Prior art]
In recent Mach-Zehnder type optical modulators, a Ti heat diffusion LiNbO 3 channel type waveguide has been proposed in that the electro-optic constant of LiNbO 3 itself and the driving voltage can be reduced.
[0003]
FIG. 7 shows this Mach-Zehnder type
[0004]
According to the
[0005]
An
[0006]
This LiNbO 3 crystal is optically anisotropic, and when a waveguide is formed on the surface layer of a Z-cut LiNbO 3 substrate so that light propagates in the x direction, the refractive index depends on the polarization direction of the light. Since they are different, the TE mode light is an ordinary ray and the TM mode is an extraordinary light. Then, when the electric field is applied in the z-axis direction, the changes in the refractive indexes of the ordinary ray and the extraordinary ray are respectively
Δn O = r 13 n O 3 EZ / 2
Δn e = r 33 n e 3 E Z / 2
It becomes, since r 33 is increased on the order of several times that of the r 13, towards the TM mode than in the TE mode, will be greatly affected by the electric field. Therefore, when used for the modulation operation, the TM mode is preferable in that the application efficiency is higher. Therefore, in order to guide only the TM mode light, the polarizing plate 6 is provided as described above, and the Light is incident through the polarizing plate 6 so that the polarization direction and the optical axis (z-axis) of the crystal coincide.
[0007]
[Problems of the prior art]
However, in the Mach-Zehnder
[0008]
In order to solve this problem, it is important to accurately match the polarization direction of the incident light with the optical axis of the crystal, but it is practically difficult to increase the accuracy, and a skilled technique is required.
[0009]
In addition, the configuration of the
[0010]
Further, when only the TM mode is excited and the condition of the waveguide for cutting off the TE mode component is selected, there is a problem that it is difficult to set the optimization for lowering the driving voltage.
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a branch modulation optical modulator (Mach-Zehnder optical modulator) which does not impair the drive voltage characteristics and has good extinction ratio characteristics without complicating the configuration. It is in.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The branch modulation type optical modulator according to the present invention includes a substrate made of Z-cut lithium niobate, which contains a predetermined concentration of Ti atoms in a surface layer of a −C plane to form a light incident part, a demultiplexing part, and a phase modulation part. Forming a waveguide including a multiplexing part and a light emitting part, and exciting a TM mode to a TE mode cutoff state in the light incident part or the light emitting part. Characterized in that a region having a small value is formed.
[0013]
[Action]
According to the branching modulation type optical modulator having the above-described configuration, in the light incidence portion or the light emission portion, the TM mode can be excited and the TE mode can have a refractive index distribution in which the cutoff state is obtained. TE mode components are not mixed in the emitted light, or the components can be reduced to a considerable extent. As a result, a branch modulation type optical modulator having good extinction ratio characteristics can be obtained without disposing a polarizing plate.
[0014]
If a region having a low concentration of Ti atoms is provided in the light incident portion or the light emitting portion of the waveguide as in the above configuration, when the waveguide is manufactured by the Ti thermal diffusion method, a predetermined photolithography technique is used. It can be easily formed simply by forming the mask shape of the above. Therefore, the manufacturing cost is reduced, and a low-cost branch modulation type optical modulator can be obtained.
[0015]
【Example】
FIG. 1 shows a Mach-Zehnder type
[0016]
Since this Ti thermal diffusion method is performed at a very high temperature, polarization inversion may occur in the Ti-diffused region on the + C face of the substrate 2a. It was produced on the surface layer 9 of the surface.
[0017]
The
[0018]
Further, when the
[0019]
This
[0020]
Next, a region provided in the
[0021]
This TE
[0022]
In order to obtain the same effect as adjusting the diffusion Ti atom concentration by changing the Ti width as in the TE mode cutoff region 10b in FIG. 3, the undoped Ti is not provided inside the
[0023]
Alternatively, in addition to the TE mode cutoff regions 10a, 10b, and 10c that do not change the Ti thickness as described above, a TE mode cut having a single-layer structure is formed in a part of the
[0024]
Thus, the provision of the TE mode cut-off regions 10 (10a, 10b, 10c, 10d) of the above-described respective structures makes the distribution of the refractive index of each
[0025]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various changes and improvements may be made without departing from the scope of the present invention. For example, the TE
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a predetermined concentration of Ti atoms is contained in the surface layer of the −C plane of the substrate made of Z-cut lithium niobate, and the light incident portion, the demultiplexing portion, the phase modulation portion, Forming a waveguide having a multiplexing part and a light emitting part, and exciting the TM mode to cut off the TE mode in the light incident part or the light emitting part to cut off the TE mode. Since the small area is formed, the TE mode component is not mixed in the emitted light, or the component can be reduced to a considerable extent. As a result, even if the polarizing plate is not provided, the driving voltage characteristics are not impaired, and the extinction is prevented. A branch modulation type optical modulator having good ratio characteristics was obtained.
[0027]
Further, according to the present invention, when a waveguide is manufactured by a Ti thermal diffusion method, a region having a low Ti atom concentration can be easily formed only by forming a predetermined mask shape in the photolithography technique, Thus, the manufacturing cost was reduced, and a low-cost branch modulation type optical modulator was obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a branch modulation type optical modulator according to an embodiment.
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a main part of a waveguide in a branch modulation type optical modulator according to an embodiment.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a main part of a waveguide in a branching modulation type optical modulator according to an embodiment.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a main part of a waveguide in a branch modulation type optical modulator according to an embodiment.
FIG. 5 is a schematic view showing a main part of a waveguide in a branch modulation type optical modulator according to an embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating the extinction ratio characteristics of the branch modulation type optical modulator according to the embodiment.
FIG. 7 is a perspective view of a conventional branch modulation type optical modulator.
FIG. 8 is a diagram showing an extinction ratio characteristic of a conventional branch modulation type optical modulator.
[Explanation of symbols]
7: Mach-Zehnder type optical modulator 2a: Z-cut lithium niobate (LiNbO 3 ) substrate 8: waveguide 5: electrode 3: SiO 2 buffer layer 8a: light incident portion 8b: demultiplexing portion 8c:
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