光控制设备的制作方法

专利名称：光控制设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光控制设备，尤其涉及使用介电常数各向异性基板的光控制设备。
背景技术：
在光通信领域、光测量领域中，大多使用光控制设备，该光控制设备在具有电光效 应的基板上形成有光波导、信号电极及接地电极，向该信号电极施加高频，调制在光波导中 传播的光波。为了实现大量数据的高速传送及多种光调制，用于光控制设备的光波导的形状也 变得复杂化，控制光控制设备的信号电极的数量也有增加的趋势。例如在差分正交相移调 制(DQPSK)、专利文献1的单边带调制(SSB)等中，如图1所示，使用下述嵌套(Nest)型波 导在构成一个马赫_曾德尔型波导(主马赫_曾德尔型波导)1的两个分支波导2中组装 有其他马赫-曾德尔型波导(副马赫-曾德尔型波导)3。信号电极4被配置成与马赫-曾 德尔型波导3相互作用。并且，为了实现更高速的调制，还提出了并列地排列上述差分正 交相移调制形状，并通过正交的偏振波进行各调制的偏振波合成型调制(Polarization Multiplex 偏振复用)，以及使相位信息细分化的调制(D8PSK、D16PSK)等。并且，正在研究通过光波导切换信号的线路的光控制设备，包括专利文献2所记 载的使用了定向耦合器的光控制设备；专利文献3所记载的设置较大的折射率差，使光集 中到折射率高的臂部的光控制设备；专利文献4所记载的采用全反射的光控制设备；以及 专利文献5所记载的采用马赫_曾德尔干涉系统的光控制设备等。但当存在多个信号电极时，施加到各信号电极的电信号需要以预定的时序到达作 用于在光波导中传播的光波的作用部(从图1的点b到点c之间)S。因此，必须对各信号 电极考虑高频信号在由电极焊点构成的信号输入端部5 (点a)到作用部S的开始点(点b) 为止的输入侧信号电极部I中传播的时间。作为考虑电信号在该输入侧信号电极部I中的传播时间的方法，包括考虑到各 信号电极的输入侧信号电极部I的长度并调整输入到信号输入端部5的电信号的输入时序 的方法；专利文献6或7所记载的将各信号电极的输入侧信号电极部I的长度调整得相同 的方法。另一方面，在使用介电常数具有各向异性的材料(介电常数各向异性基板)时，由 于高频折射率也具有各向异性，所以根据传播方向，电信号的传播速度、阻抗及传播损失也 变化。因此，使用与基板表面平行的各正交方向上的介电常数不同的具有电光效应的基板、 并在该基板上形成调制电极时，例如即使将各信号电极的输入侧信号电极部I的有效电极 长度调整为相同，因阻抗不匹配造成的电反射及传播损失根据各调制电极而不同，所以产 生调制特性恶化。并且，由于电信号的折射率根据电信号的频率而变化，因此以同样的电极 形状输入频率不同的电信号时，也发生开始调制的时序根据各调制电极而不同的问题。专利文献1 日本特开2008-116865号公报
专利文献2 日本专利第3139009号专利文献3 日本专利第2746216号
专利文献4 日本专利第2583480号专利文献5 日本特开平7-049511号公报专利文献6 日本特开2000-056282号公报专利文献7 日本特开2002-182172号公报

发明内容
为了解决上述课题，本发明提供一种光控制设备，即使使用介电常数各向异性基 板，也能够使在光波导中传播的光波的调制时序、存在传播损失时的输入信号强度、及阻抗 在多个信号电极之间正确地一致。此外，本发明中的光控制设备是指通过光波和电场的相互作用切换光调制、光路 的元件。为了解决上述课题，技术方案1的发明的光控制设备，介电常数各向异性基板、形 成在该基板上的光波导、在该光波导中传播的光波、在调制电极中传播的电信号相互作用， 其特征在于，上述调制电极由多个信号电极和配置在上述信号电极的周围的接地电极构 成，上述多个信号电极分别具有配置在上述基板的介电常数不同的方向上的电极部，将从 上述信号电极的信号输入端部到在上述光波导中传播的光波和电信号的相互作用开始的 点为止的信号电极设为输入侧信号电极部，使包括上述多个信号电极的各调制电极的阻抗 一致，并且使上述输入侧信号电极部的上述介电常数不同的各方向上的、各有效电极长度 的总和一致，该有效电极长度为电极的物理长度和电信号的有效折射率之积。技术方案2涉及的发明的特征在于，在技术方案1所述的光控制设备中，使包括上 述多个信号电极的各调制电极中的上述输入侧信号电极部的上述介电常数不同的各方向 上的、电极的各物理长度的总和一致。技术方案3涉及的发明的特征在于，在技术方案1或2所述的光控制设备中，具有 损失降低部，使包括上述多个信号电极的各调制电极中的上述输入侧信号电极部的至少一 部分降低电损失，使该损失降低部的上述介电常数不同的各方向上的、各有效电极长度的
总和一致。技术方案4涉及的发明的特征在于，在技术方案1至3中任一项所述的光控制设 备中，上述光波导具有多个马赫-曾德尔型波导并列排列的形状，上述信号电极是提供用 于对在各马赫_曾德尔型波导的分支波导中传播的光波进行调制的电信号的电极。技术方案5涉及的发明的特征在于，在技术方案1至3中任一项所述的光控制设 备中，通过在上述光波导中传播的光波与在上述信号电极中传播的电信号的相互作用切换 光路。根据技术方案1涉及的发明，在介电常数各向异性基板、形成在该基板上的光波 导、在该光波导中传播的光波、在调制电极中传播的电信号相互作用的光控制设备中，上述 调制电极由多个信号电极和配置在上述信号电极的周围的接地电极构成，上述多个信号电 极分别具有配置在上述基板的介电常数不同的方向上的电极部，将从上述信号电极的信号 输入端部到在上述光波导中传播的光波和电信号的相互作用开始的点为止的信号电极设为输入侧信号电极部，使包括上述多个信号电极的各调制电极的阻抗一致，并且使上述输 入侧信号电极部的上述介电常数不同的各方向上的、各有效电极长度的总和一致，该有效 电极长度为电极的物理长度和电信号的有效折射率之积，因此，调制信号的各传播方向上 的阻抗、信号强度、及有效电极长度在所有信号电极之间一致，结果各信号电极的高频特性 也相同。因此，即使调制信号的频率变化，在信号电极之间也能够使作用部中的调制时序及 调制强度正确地一致。此外，本发明中的“输入侧信号电极部”是指从信号电极的信号输入端部到对在光 波导中传播的光波进行调制的作用部的开始点为止的信号电极。根据技术方案2涉及的发明，使包括多个信号电极的各调制电极中的输入侧信号 电极部的上述介电常数不同的各方向上的、电极的各物理长度的总和一致，因此，介电常数 不同的各方向上的折射率一定的条件下，各信号电极的传播时间也相同。根据技术方案3涉及的发明，具有损失降低部，使包括多个信号电极的各调制电 极中的输入侧信号电极部的至少一部分降低电损失，使该损失降低部的上述介电常数不同 的各方向上的、各有效电极长度的总和一致，因此，调制信号的各传播方向的传播损失也相 同，所以在信号电极之间能够使作用部中的调制强度正确地一致。根据技术方案4涉及的发明，光波导具有多个马赫_曾德尔型波导并列排列的形 状，信号电极是提供用于对在各马赫_曾德尔型波导的分支波导中传播的光波进行调制的 电信号的电极，因此，对于DQPSK调制、SSB调制等具有嵌套型波导的光控制设备、具有将其 进一步嵌套型化的波导的光控制设备等将多个马赫_曾德尔型波导并列配置的光控制设 备，也能够调整信号电极的作用部中的调制时序和调制强度，实现宽带域的光控制设备。根据技术方案5涉及的发明，通过在光波导中传播的光波与在信号电极中传播的 电信号的相互作用切换光路，因此，对于使用了定向耦合器的光控制设备、使光集中到折射 率高的臂的光控制设备、利用全反射的光控制设备、使用马赫_曾德尔干涉系统的光控制 设备等，也可提供一种能够调整信号时序和信号强度的、高速的光路切换元件。


图1是表示具有嵌套型波导的光控制设备的一例的图。图2是说明本发明的光控制设备的基本原理的图。图3是用于计算各正交方向的有效电极长度的模型的图。图4表示与图1所示的嵌套型波导的四个分支波导对应的两个信号电极的输入侧 信号电极部的例子。
具体实施例方式以下详细说明本发明的光控制设备。本发明的第1特征是，在介电常数各向异性基板、形成在该基板上的光波导、在该 光波导中传播的光波、在调制电极中传播的电信号相互作用的光控制设备中，上述调制电 极由多个信号电极和配置在上述信号电极的周围的接地电极构成，上述多个信号电极分别 具有配置在上述基板的介电常数不同的方向上的电极部，将从上述信号电极的信号输入端 部到在上述光波导中传播的光波和电信号的相互作用开始的点为止的信号电极设为输入侧信号电极部，包括上述多个信号电极的各调制电极的阻抗一致，并且上述输入侧信号电 极部的上述介电常数不同的各方向上的、各有效电极长度的总和一致，该有效电极长度为 电极的物理长度和电信号的有效折射率之积。本发明中适用的介电常数各向异性基板是指在基板的各不同方向上介电常数不 同的基板，一般是指在各晶轴的方向上介电常数不同的基板。例如，在以LiNb03晶体的X轴 为法线矢量的面切断的基板(X切基板)中，Y轴和Z轴成为与基板表面平行的正交方向， 在Y轴和Z轴上各介电常数不同。此外，本发明的介电常数各向异性基板中，介电常数不同 的方向不一定是与基板表面平行的正交方向。图2是说明本发明的光控制设备的基本原理的图。在以Y-Z轴为平面的基板上形 成有用虚线表示的光波导10 12。光波导表示如图1所示在主马赫_曾德尔型波导10的 两个主分支波导上分别组装有两个副马赫-曾德尔型波导11、12的嵌套型波导的一部分。图2表示有两个信号电极(21、23)的情况，为了简化附图，未图示接地电极。当使 用X切基板时，通常为了调制在光波导中传播的光波，利用由配置为夹持光波导的信号电 极和接地电极所形成的电场。由信号电极和接地电极构成的调制电极所形成的电场作用于 在光波导中传播的光波的区域被称为作用部，图2的标号S的区域相当于该作用部。在从作为信号输入端部的电极焊点(20、22)到作用部S为止的输入侧信号电极 部，信号电极(21、23)是被配置为由接地电极夹持的所谓共面型的电极。图2所示的各信号电极的输入侧信号电极部分为与Z轴方向平行的成分和Y轴方 向的成分，因在Z轴和Y轴上介电常数不同，所以调制信号的传播速度及传播损失不同。因 此，在本发明中，输入侧信号电极部中的Z轴及Y轴这两个正交方向上，有效电极长度的总 和在各信号电极之间一致。即，信号电极21的输入侧信号电极部中的Z轴方向的有效电极 长度为a，同样，对于信号电极23，Z轴方向的有效电极长度为日+ Y。并且，Y轴方向也同 样，对于信号电极21，有效电极长度为A，对于信号电极23，有效电极长度为B+C+D。为了满足本发明的光调制器中的有效电极长度的相关条件，需要满足下述公式。Z 轴方向a = β+ r
Y 轴方向A = B+C+D通常情况下，信号电极的形状不会如图2所示弯曲为直角，而是直线和曲线的集 合。这是因为，方向急剧转换时会造成高频信号在弯曲部反射，导致传播信号强度及质量恶 化。因此，如图3所示，在任意的曲线上计算出点a至点b之间的Z轴成分的有效电极长度 的总和及Y轴成分的有效电极长度的总和。其中，曲线的座标变化以(f(t)、g(t))表示，t 是在点a 点b的范围内变化的参数。占据曲线的切线方向的矢量是曲线座标的微分值， 可用(f，(t)、g，(t))表示。式1表示Z轴成分的有效电极长度的总和(1)和Y轴成分的有效电极长度的总和 ⑵。(式1)
......(2)对具有任意曲线的信号电极调整传播时间和传播损失时，可以根据式1的各公式 计算出各信号电极的输入侧信号电极部中的Z轴成分的有效电极长度的总和及Y轴成分的 有效电极长度的总和，并调整为在信号电极之间各成分的总和一致。图4表示与图1所示的嵌套型波导的四个分支波导对应的两个信号电极的输入侧 信号电极部的例子。为了将有效电极长度分解为Y、Z轴成分，并调整长度，将线路A、B中的从输入端 到调制信号和波导的相互作用开始位置为止的信号电极分割为圆弧(R1 R8)、直线(L1、 L2)。以使线路A中的Z轴成分的有效电极长度最短的方式确定R1、R2、R3。例如，R1中的 Z轴成分的长度由以下式2所示的公式表示。式2对R2、R3也同样适用，因此线路A的Z轴 成分的长度为1/4 X (R1+R2+R3) Ji。(式2) 以使线路B中的Z轴成分的有效电极长度与线路A中相同的方式确定R4 R8。 在R4、R5、R8为90的圆弧，R6为0 0的圆弧，R7为0 1的圆弧时，Z轴成分的长度可以通 过下述式3所示的公式调整。(式3) 接着，调整Z轴成分的长度后调整Y轴成分。Y轴成分可通过下述式4所示的公式调整。(式4) 实际上，做成具有图4所示的输入侧信号电极部的光控制设备时，确认形成了 Z轴 成分的电极的物理长度的总和为393 um, Y轴成分的电极的物理长度的总和为1784 y m的 信号电极。使这样调整的光控制设备动作时，确认了从光控制设备输出的光波的不稳定比 现有的设备得到改善。这是因为，调制时序和调制强度在信号电极之间高精度地一致，因此 可抑制产生线性调频脉冲(Chirp)。接着，说明本发明的第2特征。
本发明的第2特征是，具有损失降低部，使输入侧信号电极部的至少一部分降低 电损失，该损失降低部的介电常数不同的各方向的有效电极长度的总和在各信号电极之间一致。在参照图2 4说明的光控制设备中，假设构成调制电极的信号电极和接地电极 在各信号电极中的电损失相同。即，假设信号电极的材质、信号电极的宽度和高度、信号电 极和接地电极的间隔、具有电光效应的基板的物理常数(介电常数、介电损耗角正切)及形 状(厚度、剖面形状)等在任意的信号电极中均相同。但是，根据信号电极的材质、信号电极的宽度和高度、信号电极和接地电极的间 隔、信号电极和接地电极之间的空间中填充的材料的种类、具有电光效应的基板的物理常 数(介电常数、介电损耗角正切)及形状(厚度、剖面形状)等，传播损失及阻抗发生变化。因此，任意操作上述各种参数可调整传播损失及阻抗。在本发明中，将通过上述参 数降低传播损失并调整阻抗的区域定义为损失降低部，与上述第1特征同样，对于损失降 低部，各正交方向上的有效电极长度的总和在各信号电极之间一致。计算各方向的有效电 极长度的总和的方法也可利用上述式1的公式等。并且，阻抗和传播损失还受到基板的介电常数的影响，因此根据与基板的晶轴方 向的关系，阻抗和传播损失降低量发生变化。为了对其进行补偿，对于损失降低部，着眼于 介电常数不同的各方向、例如上述各正交方向上的有效电极长度的总和。根据本发明的第2特征，在信号电极之间可使阻抗和传播损失一致，使施加到各 作用部的调制信号的强度高精度地一致。通过将上述本发明的第1及第2特征适用于光控制设备，对于多个信号电极，可使 施加到作用部的调制信号的时序及强度高精度地一致。因此，本发明也可适用于在数十GHz 以上的宽带域中要求高精度光调制的DQPSK调制和SSB调制、偏振波合成型调制、将相位信 息细分化的调制(D8PSK、D16PSK)等。在这些调制方式中，将多个马赫-曾德尔型波导并列 配置，具有向各马赫_曾德尔型波导提供用于对在分支波导中传播的光波进行调制的电信 号的多个信号电极，在这种复杂的调制方式中，本发明的光调制的时序和强度的高精度调 整非常有用。进一步，通过将上述本发明的第1及第2特征适用于光路切换元件，在通过各种方 法做成的光切换元件中，从1 X 2、2 X 2端口的小规模到NXN的大规模，可调整光切换的时 序及信号强度，因此非常有用。如上所述，根据本发明，可提供一种光控制设备，即使使用介电常数各向异性基 板，也能够使在光波导中传播的光波和电信号相互作用的时序、阻抗不匹配造成的反射衰 减率、传播损失引起的信号电压在多个信号电极之间正确地一致。
权利要求
一种光控制设备，介电常数各向异性基板、形成在该基板上的光波导、在该光波导中传播的光波、在调制电极中传播的电信号相互作用，其特征在于，上述调制电极由多个信号电极和配置在上述信号电极的周围的接地电极构成，上述多个信号电极分别具有配置在上述基板的介电常数不同的方向上的电极部，将从上述信号电极的信号输入端部到在上述光波导中传播的光波和电信号的相互作用开始的点为止的信号电极设为输入侧信号电极部，使包括上述多个信号电极的各调制电极的阻抗一致，并且使上述输入侧信号电极部的上述介电常数不同的各方向上的、各有效电极长度的总和一致，该有效电极长度为电极的物理长度和电信号的有效折射率之积。
2.根据权利要求1所述的光控制设备，其特征在于，使包括上述多个信号电极的各调制电极中的上述输入侧信号电极部的上述介电常数 不同的各方向上的、电极的各物理长度的总和一致。
3.根据权利要求1或2所述的光控制设备，其特征在于，具有损失降低部，使包括上述多个信号电极的各调制电极中的上述输入侧信号电极部 的至少一部分降低电损失，使该损失降低部的上述介电常数不同的各方向上的、各有效电 极长度的总和一致。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光控制设备，其特征在于，上述光波导具有多个马赫_曾德尔型波导并列排列的形状，上述信号电极是提供用于 对在各马赫_曾德尔型波导的分支波导中传播的光波进行调制的电信号的电极。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的光控制设备，其特征在于，通过在上述光波导中传播的光波与在上述信号电极中传播的电信号的相互作用切换 光路。
全文摘要
一种光控制设备，介电常数各向异性基板、形成在该基板上的光波导、在该光波导中传播的光波、在调制电极中传播的电信号相互作用，该调制电极由多个信号电极(21、23)和配置在该信号电极的周围的接地电极构成，该多个信号电极分别具有配置在该基板的介电常数不同的方向(Y轴、Z轴)上的电极部，将从该信号电极的信号输入端部(20、22)到在该光波导中传播的光波和电信号的相互作用(作用部S)开始的点为止的信号电极设为输入侧信号电极部，使包括该多个信号电极的各调制电极的阻抗一致，并且使该输入侧信号电极部的该介电常数不同的各方向上的、各有效电极长度的总和一致，该有效电极长度为电极的物理长度和电信号的有效折射率之积。
文档编号G02F1/295GK101852966SQ20101014476
公开日2010年10月6日 申请日期2010年3月29日 优先权日2009年3月31日
发明者及川哲, 市冈雅之, 市川润一郎, 石川泰弘, 金原勇贵 申请人:住友大阪水泥股份有限公司